KR20130066320A - 부유식 해상 발전설비 - Google Patents

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Abstract

모듈화된 구조를 통해 설비의 확장이나 설계 변경 등이 자유롭고, 계류라인의 구조를 개선하여 발전 효율을 극대화할 수 있으며, 발전된 에너지를 운반이 용이한 에너지로 전환하여 에너지 운송 비용을 절감하고 경제성을 확보할 수 있도록, 풍력발전기를 구비하며 해상에 부유하는 부유체와, 상기 부유체를 계류하기 위해 부유체와 해저면을 연결하는 계류부를 포함하며, 상기 부유체는 상단에 풍력발전기가 설치되고 서로 분리 결합되어 하나의 부유체를 이루는 복수개의 모듈을 포함하고, 상기 계류부는 부유체의 외측에 배치된 어느 한 모듈에 설치되어 외측으로 연장되는 외부터렛과, 외부터렛 선단에 설치되고 해저면에 고정되는 연결와이어를 포함하는 부유식 해상 발전설비를 제공한다.

Description

부유식 해상 발전설비{FLOATING OFFSHORE POWER GENERATION PLANT}
본 발명은 풍력과 파력을 이용하여 전기를 생산하는 발전설비에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 해상에 설치되는 부유식 해상 발전설비에 관한 것이다.
지구온난화에 따른 환경규제와 화석연료의 수급불안 등의 문제점이 대두됨으로서 신재생 에너지 생산시스템으로 풍력이나 파력 등을 이용한 발전이 각광을 받고 있다.
예를 들어, 풍력발전설비는 주로 육상에 설치되어 왔으나, 점차적으로 해상 설치가 증가하고 있다. 풍력발전을 위해 해상은 육상에 비해 바람의 질이 대체로 좋은 편이며, 날개 소음 문제에 있어서도 보다 쉽게 대응할 수 있는 장점이 있다. 특히, 경제성 확보를 위해서는 대규모의 단지 확보가 요망되는 데 육상에는 이러한 단지를 구비하기 어려워, 연안이나 근해의 해상이 대단위 해상풍력단지로 떠오르고 있다.
풍력발전설비를 해상에 설치하기 위한 구조는 크게 고정식과 부유식으로 나눌 수 있다. 고정식 구조는 육상에서와 같이 구조물이 직접 해저면에 고정되어 환경하중을 구조적 변형으로 대응하는 형식이고, 부유식은 수면에 떠있으며 자중, 부력, 환경 하중 및 계류력을 받고 있고, 구조물의 6자유도 운동으로 환경하중을 이겨내는 방식이다.
부유식 구조는 부력체의 자세 복원성의 메커니즘에 따라 폰툰형, 인장계류형, 주상형으로 분류할 수 있다. 이 중 인장계류형은 부력체를 해저와 인장 계류라인으로 결합하여 계류라인의 강성으로 복원력을 발생시키는 구조이다. 이러한 구조 로는 인장 다리 플랫폼(Tension Leg Platform: TLP)이 있다. TLP 형식은 부력체인 플랫폼에 복수개의 계류라인을 설치하여 해저면에 연결하고, 플랫폼이 정적 평형위치보다 조금 아래로 내려가도록 계류라인을 당겨 장력이 걸리도록 한 구조이다. 주상형의 경우 대표적인 형식으로 스파형 플랫폼(spar platform)이 있다. 스파형 플랫폼은 부력중심 밑에 중력중심을 갖는 실린더형태의 구조물을 수직으로 세우고 그 위에 플랫폼을 설치한 형태로, 복수개의 계류라인이 구조물과 해저 사이에 설치된다.
그러나, 종래의 부유식 구조는 하나의 부유구조물 상에 1기의 풍력발전기를 설치하는 구조로, 풍하중과 파랑하중으로 설비의 요동이 심한 단점이 잇다.
이를 개선하기 위해, 복수개의 풍력발전기를 바지(barge) 상에 설치한 구조개 개발되었으나, 이러한 구조의 경우 바지에 탑재되는 풍력발전기의 개수에 따라 바지의 크기가 달라지게 된다. 이와 같이 바지의 크기가 변화하는 경우 발전설비 설치 해역에 따라 설계가 매번 변경되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 계류 구조는 바지의 움직임이 고정되는 구조로, 풍력이나 파력등에 의한 발전효율을 극대화하기 어렵다는 단점이 있다.
또한, 종래에는 발전된 전기에너지를 육상으로 전송하기 위해 전력 전송라인이나 전기에너지 저장용 전지 등 추가적인 설치 비용이 요구된다. 부유식 해상 발전설비를 개발함에 있어서, 구조물의 안정성과 경제성은 매우 중요하게 고려될 사항으로, 제작, 설치 및 운전비용이 가장 적게 드는 방식으로 개발이 이루어질 필요가 있다.
이에, 모듈화된 구조를 통해 설비의 확장이나 설계 변경 등이 자유롭게 이루어질 수 있도록 된 부유식 해상 발전설비를 제공한다.
또한, 계류라인의 구조를 개선하여 발전 효율을 극대화할 수 있도록 된 부유식 해상 발전설비를 제공한다.
또한, 발전된 에너지를 운반이 용이한 에너지로 전환하여 에너지 운송 비용을 절감하고 경제성을 확보할 수 있도록 된 부유식 해상 발전설비를 제공한다.
이를 위해 본 설비는 풍력발전기를 구비하며 해상에 부유하는 부유체와, 상기 부유체를 계류하기 위해 부유체와 해저면을 연결하는 계류부를 포함하며,
상기 부유체는 상단에 풍력발전기가 설치되고 서로 분리 결합되어 하나의 부유체를 이루는 복수개의 모듈을 포함하고,
상기 계류부는 부유체의 외측에 배치된 어느 한 모듈에 설치되어 외측으로 연장되는 외부터렛과, 외부터렛 선단에 설치되고 해저면에 고정되는 연결와이어를 포함할 수 있다.
상기 부유체의 외측에 배치되는 적어도 하나의 모듈은 파력발전기를 구비한 구조일 수 있다.
상기 각 모듈은 내부에 발전된 전기에너지를 저장하는 에너지저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지저장부는 발전된 전기에너지에 의해 구동되는 압축펌프와, 상기 압축펌프에 연결되어 고압의 에어가 충전되는 적어도 하나 이상의 에어탱크를 포함할 수 있다.
상기 에어탱크는 모듈에 착탈가능하게 설치될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 설비는 모듈화되어 있어서, 모듈을 서로 연결시키는 것으로, 부유체의 설계를 해양 환경에 맞춰 간단하게 변형할 수 있어 설비의 변경이 자유로워진다.
또한, 단일의 계류라인을 통해 부유체가 바람의 방향이나 파도 등에 의해 유동됨에 따라 풍력발전기의 요 제어(yaw control) 없이도 바람 방향으로 블레이드를 이동시킬 수 있게 된다. 따라서 풍력발전기를 경량화시킬 수 있고 풍력발전이나 파력발전의 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.
또한, 하나의 부유체 내에 풍력 및 파력을 통한 복합 발전이 이루어져 에너지 생산력을 높일 수 있게 된다.
또한, 생산된 전기에너지를 운반이 용이한 에너지로 전환하여 수송할 수 있게 되어 에너지 운반을 위해 필요한 제반 설비나 비용을 줄여 경제성을 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 실시예에 따른 부유식 해상 발전설비를 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 부유식 해상 발전설비의 에너지 저장 구조를 도시한 개략적인 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다.
도 1은 본 실시예에 따른 부유식 해상 발전설비를 도시한 개략적인 도면이다.
상기한 도면에 의하면, 본 실시예의 발전설비(100)는 풍력발전기(30)를 구비하며 해상에 부유하는 부유체(10)와, 상기 부유체(10)를 계류하기 위해 부유체(10)와 해저면을 연결하는 계류부(20)를 포함한다.
상기 부유체(10)는 서로 분리 결합되는 복수개의 모듈(12)을 포함한다. 이에 상기 부유체(10)는 해상에 부유하는 복수개의 모듈(12)이 결합되어 하나의 대형 부유 구조물을 이룬다. 상기 모듈(12)간의 분리 결합을 위한 다양한 구조가 적용될 수 있으며 모듈간에 분리 결합이 가능하면 특별히 한정되지 않는다. 따라서 각 모듈의 개수나 연결 구조를 달리함으로써 설비 주변의 해양 환경에 맞도록 부유체의 형태나 크기를 자유롭게 다양하게 변경할 수 있게 된다.
상기 모듈(12)은 각각 동일한 구조로 이루어지며, 부력을 생성할 수 있도록 내부에 공간부를 갖는 부유구조물로, 해상에 부유가능한 구조로 되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 상기 각 모듈(12)은 각 측면을 통해 서로 용이하게 분리 결합될 수 있도록 사각형태로 이루어질 수 있다. 상기 모듈(12)의 형태는 다양하게 변형가능하다.
상기 각 모듈(12)은 전기 에너지를 생산할 수 있는 발전기가 구비된다.
본 실시예에서 상기 모듈(12)은 바람을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 풍력발전기(30)가 구비된다. 또한, 상기 모듈(12)은 해상의 파력을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 파력발전기(40)가 구비된다. 이와 같이 본 발전설비(100)는 풍력과 파력을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 복합 발전 시스템을 이룬다.
따라서 바람이 약하거나 태풍과 같이 풍력발전이 불가능하더라도 파력을 이용한 발전이 가능하여 지속적이고 안정적인 발전이 가능하게 된다.
상기 풍력발전기(30)와 파력발전기(40)는 각 모듈(12)에 같이 구비될 수 있으며, 별개의 모듈에 각각 구비될 수 있다. 본 실시예의 경우, 풍력발전기(30)와 파력발전기(40)가 별개의 모듈(12)에 설치되며, 부유체(10)의 중심부쪽에는 풍력발전기(30)가 구비된 모듈(12)에 배치되고, 부유체(10)의 외측부에는 파력발전기(40)가 구비된 모듈(12)이 배치된다.
상기 풍력발전기(30)는 모듈(12) 상에 설치되는 지주(32)와, 지주 상단에 설치되는 날개(34)를 포함한다. 이에 부유체(10)를 지나는 바람에 의해 날개(34)가 회전되면 날개(34)의 회전운동은 변속기를 거쳐 발전기로 전달되어 전기 에너지로 변환된다. 상기 풍력발전기(30)에 대해서는 이미 많은 기술이 알려져 있으므로 이하 상세한 설명은 생략한다.
여기서, 본 설비는 상기 부유체(10)가 바람이나 파랑 방향으로 이동함에 따라 부유체(10)에 구비된 풍력발전기(30)의 날개(34)를 항상 바람이 불어오는 쪽을 향하게 할 수 있다. 이에 본 설비에 구비되는 풍력발전기(30)는 날개(34)의 방향을 제어하는 요 컨트롤(yaw control) 시스템을 구비할 필요가 없어 설비의 구성을 보다 단순화할 수 있게 된다. 이러한 작용은 부유체(10)를 해저에 고정하는 상기 계류부(20)에 의해 얻어지게 되는 데, 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.
상기 파력발전기(40)는 해면 높이의 변화에 따른 운동 에너지 또는 해면 높이 변화에 의해 변화하는 해면에서의 공기 흐름을 이용하여 발전 터빈을 회전시켜 전기에너지를 생산하는 설비이다. 상기 파력발전기(40) 역시 이미 많은 기술이 알려져 있으므로 이하 상세한 설명은 생략한다.
또한, 상기 각 모듈(12)의 내부에는 풍력발전기(30) 또는 파력발전기(40)와 연결되어 생산된 전기를 저장하는 에너지저장부(50)가 구비된다.
본 실시예에서, 상기 에너지저장부(50)는 풍력발전기(30) 또는/및 파력발전기(40)로부터 발전된 전기에너지에 의해 구동되는 압축펌프(52)와, 상기 압축펌프(52)에 연결되어 고압의 에어가 충전되는 에어탱크(54)를 포함한다.
상기 에어탱크(54)는 원통형태의 실린더구조물로, 각 모듈(12)에서 착탈 가능하게 설치될 수 있다. 따라서 필요한 경우 각 모듈(12)에서 에어탱크(54)만 분리하여 이송하고, 새로운 에어탱크(54)를 각 모듈(12)에 재 장착할 수 있다. 상기 에어탱크(54)는 그 크기에 따라 각 모듈(12)에 하나 또는 두 개 이상 구비될 수 있다.
이에 풍력발전기(30)나 파력발전기(40)에서 생산된 전기에너지에 의해 상기 압축펌프(52)가 구동되고, 상기 압축펌프(52)는 대기의 에어를 압축하여 에어탱크(54)에 저장하게 된다. 즉, 전기에너지는 압축된 에어 형태로 에어탱크(54)에 저장된다. 에어가 완충된 에어탱크(54)는 선박 등을 이용하여 지상 등으로 이송되어 필요한 에너지로 변환 사용하게 된다.
이와 같이 본 설비는 생산된 전기 에너지를 다른 형태의 에너지, 본 실시예에서는 압축 에어로 변환함으로써, 에너지 저장성과 운반성을 획기적으로 개선할 수 있게 된다.
한편, 본 설비의 계류부(20)는 상기 부유체(10)의 외측에 배치된 일측 모듈(12)에 설치되어 외측으로 연장되는 외부터렛(22)과, 상기 외부터렛(22) 선단에 설치되고 해저면에 고정되는 연결와이어(24)를 포함한다.
상기 외부터렛(22)은 단일의 계류라인으로, 강선 또는 바형태의 구조로 이루어진다. 상기 연결와이어(24)는 외부터렛(22)의 외측 선단에 설치되어 해저로 연장되어 해저면에 고정된다. 상기 연결와이어(24)는 고정력을 위해 복수개가 구비될 수 있다.
상기 연결와이어(24)는 하단에 설치되는 앵커를 매개로 해저면에 고정된다. 앵커(anchor)는 외부터렛(22)을 미리 설정된 위치에 계류하기 위한 것으로, 예를 들어 앵커볼트 등의 해저면에 고정되는 구조 또는 닻이나 콘크리트 구조물 등의 자중에 의해 가라앉는 중력식 구조가 적용될 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
이에 본 설비의 부유체(10)는 연결와이어(24)에 연결된 외부터렛(22)의 외측 선단을 축으로 하여 바람이나 파랑 방향에 따라 자유롭게 방향을 전환할 수 있게 된다.
따라서 부유체(10)가 자체적으로 계속 바람 방향으로 이동함에 따라, 부유체(10) 상에 구비된 풍력발전기(30)의 날개(34)는 지속적으로 바람이 불어오는 쪽을 향하게 된다. 따라서 풍력발전기(30)에 요 컨트롤 시스템을 구비하지 않아도 풍력발전 효율을 극대화할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
10 : 부유체 12 : 모듈
20 : 계류부 22 : 외부터렛
24 : 연결와이어 30 : 풍력발전기
40 : 파력발전기 50 : 에너지저장부
52 : 압축펌프 54 : 에어탱크

Claims (4)

  1. 풍력발전기를 구비하며 해상에 부유하는 부유체와, 상기 부유체를 계류하기 위해 부유체와 해저면을 연결하는 계류부를 포함하며,
    상기 부유체는 서로 분리 결합되어 하나의 부유체를 이루는 복수개의 모듈을 포함하고, 상기 각 모듈은 상단에 풍력발전기가 설치되고, 하부에는 파력발전기가 설치되어 복합 발전을 수행하며,
    상기 계류부는 상기 부유체의 외측에 배치된 어느 한 모듈에 설치되어 외측으로 연장되는 외부터렛과, 상기 외부터렛 선단에 설치되고 해저면에 고정되는 연결와이어를 포함하는 부유식 해상 발전설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 모듈은 내부에 발전된 전기에너지를 저장하는 에너지저장부를 더 포함하는 부유식 해상 발전설비.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 에너지저장부는 발전된 전기에너지에 의해 구동되는 압축펌프와, 상기 압축펌프에 연결되어 고압의 에어가 충전되는 적어도 하나 이상의 에어탱크를 포함하는 부유식 해상 발전설비.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 에어탱크는 상기 모듈에 착탈가능하게 결합되는 부유식 해상 발전설비.

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