KR20130122166A

KR20130122166A - 어초로 활용가능한 해상풍력발전기 기초구조물

Info

Publication number: KR20130122166A
Application number: KR1020120045278A
Authority: KR
Inventors: 구본신; 이기본
Original assignee: (주)육천건설; 구본신
Priority date: 2012-04-30
Filing date: 2012-04-30
Publication date: 2013-11-07

Abstract

본 발명은 해상에 풍력 장치를 설치하여 전기를 생산하기 위한 해상풍력발전기의 설치 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력 발전 장치를 해상으로 이송하여 해상에 설치하고 이를 통하여 지나가는 공기(바람)를 에너지원으로 전환하여, 전원을 생산하는 신재생에너지 기술에 어초를 접목하여 해상풍력발전기가 발전기 및 어초로서의 기능을 함께 지니도록 구성한 기술이다.
본 발명은 바다를 지나가는 바람을 재활용하기 위하여, 풍력발전장치를 해상에 설치할 때 어초를 해저에 함께 설치하여, 해상풍력발전기가 전력생산 및 어초로서의 기능을 함께 지니도록 구성한 기술에 관한 것이다.
본 발명은 기존의 해상풍력발전장치의 설치방법과는 달리 쉽고 간편하게 설치할 수 있는 새로운 개념의 해상풍력발전기의 설치시스템이며, 어초로서의 기능을 함께 부가하여 해상풍력발전기의 기능을 보다 다양화할 수 있는 새로운 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 "어초로 활용가능한 해상풍력발전기 기초구조물"은 저렴한 비용으로 어초의 기능을 함께 지닌 다기능 해상풍력 발전기를 해상에 설치할 수 있으며, 구조가 간단하여 제조비용이 저렴하며 유지관리가 편리한 잇점을 지니고 있다. 아울러, 제작 및 설치 기간을 단축할 수 있다. 다시말해, 해상풍력발전기의 설치를 통하여 어초로서의 기능도 함께 지닐 수 있는 장점을 지니고 있다.

Description

어초로 활용가능한 해상풍력발전기 기초구조물{ A foundation Structure of the offshore wind turbine which is combined the fish shelter}

본 발명은 해상에 풍력 장치를 설치하여 전기를 생산하기 위한 해상풍력발전기의 설치 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력 발전 장치를 해상으로 이송하여 해상에 설치하고 이를 통하여 지나가는 공기(바람)를 에너지원으로 전환하여, 전원을 생산하는 신재생에너지 기술과 관련된 것이다. 이러한 해상풍력발전기를 어초로도 활용할 수 있도록 함으로써 해상풍력발전기가 단순히 해상풍력발전기로만 사용되는데 그치지 않고 어초로도 활용될 수 있도록 함으로써 그 활용범위를 넓히는데 주안점을 두고 있다.

풍력은 바람에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전 기술이다. 풍력의 시스템은 "기계장치부, 전기장치부, 제어장치부" 등으로 구성된다.

기계장치부는 바람으로부터 회전력을 생산하는 Blade(회전날개), Shaft(회전축)를 포함한 Rotor(회전자), 이를 적정 속도로 변환하는 증속기(Gearbox)와 기동·제동 및 운용 효율성 향상을 위한 Brake, Pitching System,Yawing System 등의 제어장치부문으로 구성되어 진다.

전기장치부는 발전기 및 기타 안정된 전력을 공급하도록 하는 전력안정화 장치로 구성된다.

제어장치부는 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 Control System 및 Yawing Controller(바람방향을 향하도록 블레이드의 방향조절), Pitching Controller(날개의 경사각(pitch) 조절로 출력을 능동적 제어)와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능하게 하는 Monitoring System으로 구성된다.

풍력시스템은 다양한 종류로 구성되어 진다.

[표 1]은 풍력시스템의 종류를 표로 나타낸 것이다.

[표 1] 풍력시스템의 종류

풍력시스템을 회전축 방향에 따라 구분하면 수직축 발전기와 수평축 발전기로 나뉘어 진다. 수직축 발전기는 바람의 방향과 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용이 가능하지만 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다. 수평축 발전기는 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받는다. 일반적으로 중대형급 이상은 수평축 발전기를 사용하고, 100㎾급 이하 소형은 수직축 발전기를 사용하는 편이다.

풍력시스템을 운전방식 따른 구분하면 기어형(Geared)과 기어리스형(Gearless)으로 구분된다. 대부분의 풍력시스템은 정속운전 유도형 발전기기를 사용하는 Geared 풍력발전시스템에 해당되며 유도형 발전기기의 높은 정격회전수에 맞추기 위해 회전자의 회전속도를 증속하는 기어장치가 장착되어 있는 형태이다.

Gearless형은 가변속 운전동기형(또는 영구자석형) 발전기를 사용하는 풍력발전 시스템에 해당되며 다극형 동기발전기를 사용하여 증속기어 장치가 없이 회전자와 발전기가 직결되는 direct-drive 형태이다. 발전효율은 높지만, 유도발전기보다 비싸고 크기도 큰 단점이 있다.

풍력 발전기는 풍속이 세고, 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있기 때문에 풍력 발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하고 있다. 또한 높이가 높아질수록 바람이 세게 불기 때문에 높은 곳의 발전기가 낮은 곳의 발전기보다 크고 발전량도 많다. 풍력으로 발전하려면 평균 초속 4m/s 이상으로 부는 바람이 필요하다. 여기서 말하는 바람의 속도는 우리가 서 있는 땅위가 아니라 풍력 발전기의 날개가 있는 높이에서의 속도를 말한다.

풍력발전의 효과를 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 바람의 운동에너지를 이용한 발전방식으로 화석연료 대체효과가 매우 크다.

둘째, 낙도 등의 낙후 지역에 경제성 있는 전력 보급이 가능하다.

셋째, 풍향이 우수한 해안 및 산간지역에 설치함으로써 국내 토지이용을 합리화할 수 있다.

넷째, 제주지역과 같은 일부 특정지역의 경우 대규모 풍력발전단지 조성으로 관광자원으로 활용이 가능하다.

풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전 단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신 에너지 발전 기술이다. 또한 풍력 발전 단지의 면적 중에서 실제로 이용되는 면적은 풍력 발전기의 기초부, 도로, 계측 및 중앙 제어실 등으로 전체 단지 면적의 1％에 불과하며, 나머지 99％의 면적은 목축, 농업 등의 다른 용도로 이용할 수 있다. 일반적으로 발전 방식에 따른 소요 면적은 풍력 1,335 m2/GWh, 석탄 3,642 m2/GWh, 태양열 3,561 m2/GWh 그리고 태양광 발전 3,237 m2/GWh로서 풍력 발전이 가장 작은 면적을 필요로 한다. 풍력 발전은 공해 물질 저감 효과도 매우 커서 200 kW급 풍력 발전기 1대가 1년간 운전하여 400,000 kWh의 전력을 생산한다면 약 120-200 톤의 석탄을 대체하게 되며, 줄어드는 공해 물질의 배출량은 연간 SO2는 2-3.2 톤, NOx는 1.2-2.4 톤, CO2는 300-500 톤, 슬래그(slag)와 분진(ash)은 16-28 톤에 달하며, 부유 물질은 연간 약 160 - 280 kg 정도 배출이 억제되는 효과가 있다. 풍력 발전 시스템의 발전 단가는 설치 지역의 풍력 자원에 따라 달라지나 현재 운전되고 있는 미국의 대규모 풍력 단지들은 약 750 ＄/kW의 시스템 설치비와 약 5 ￠/kWh 내외의 발전 단가를 나타내 기존 발전 방식과 경쟁 가능한 수준이다. 또한 계속적인 투자와 기술 개발이 병행되면 풍력 발전은 15년 안에 3.9 ￠/kWh와 단가 목표를 달성할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 풍력발전 관련 기술은 이미 실용화 단계이기 때문에 요소 기술 개발보다는 풍력 발전기의 저가화와 대형화 및 보급 확대에 치중하는 경향이다. 많은 국가에서 경쟁적으로 풍력 발전기를 보급하고 있으며 1994년말까지 세계적으로는 약 3,7600 MW 용량의 풍력 발전기를 설치하여 연간 약 45억 kWh이상의 전력을 생산하고 있다. 1994년 한해 동안에도 약 611 MW 용량의 풍력 발전기가 새로 설치되었으며, 인도의 경우에는 1995년도에 235.5 MW 규모의 풍력 단지를 건설할 계획이다. 현재 가장 많은 풍력 발전기가 운전되고 있는 국가는 미국, 독일, 덴마크 순으로서 미국의 경우 캘리포니아의 대규모 풍력 단지를 중심으로 1993년에는 연간 30억 kWh의 전력을 생산하여 캘리포니아 전체 전력수요의 1.2％ 정도를 공급하였고, 1994년에는 약 35억 kWh의 전력을 생산하였다. 그러나 풍력발전의 비중이 가장 높은 나라는 덴마크로 98년현재 4900개의 풍력발전기에서 1,135MW를 생산 전기소비량의 7％를 담당하고 있으며 44만가구에 공급하고 있다고 한다. 또 이나라의 "에너지 21"계획에 의하면 2000년까지 10％, 2030년까지 50％로 끌어 올린다는 것이다. 국내의 기술 개발 현황은, 1단계 대체 에너지 기술 개발사 업으로 전국 64개 기상청 산하 기상 관측소의 통계 자료와 도서 및 내륙 일부 지역의 측정 자료를 이용한 풍력 자원 특성 분석이 우리 연구소에 의해 이루어 졌으나 지역적 조건에 크게 영향을 받는 풍력 자원의 특성 때문에 아직 기초 통계 자료의 정비가 미흡한 실정이다. 따라서 앞으로 풍력 발전 유망 지역에 대한 풍력자원의 정밀한 평가와 풍력 단지 건설에 대한 타당성 평가 사업이 지속되어야 한다.

해상 풍력발전에 대하여 보다 자세히 살펴보기로 하자.

해상풍력발전은 풍력터빈을 호수, 피오르드(fjord) 지형, 연안과 같은 수역에 설치하여 그 곳에서 부는 바람의 운동에너지를 회전날개에 의한 기계에너지로 변환하여 전기를 얻는 발전방식을 말한다. 해상풍력발전의 필요성은 육상풍력발전의 발달로 인하여 풍력터빈이 대형화 됨에 따라, 설치 장소의 한계가 드러나게 되었고 터빈의 대형화로 인한 소음문제, 설치 및 운반문제, 시각적인 위압감 등이 문제로 야기되었다. 따라서 이러한 육상풍력발전의 문제점을 해소하기 위한 해결책으로 해상풍력발전이 고안되었다.

해상풍력발전의 장점은 다음과 같다.

가. 방대한 설치 장소

국토가 비좁은 국가에서 풍력터빈을 설치할 수 있는 지역을 구하기란 쉽지 않다. 즉 육상풍력발전의 경우 설치 부지의 한계가 있다는 말이다. 이에 비해 해상은 부지확보가 양호해 대규모 풍력발전단지 조성이 가능하다.

나. 주기적이고 강한 바람

해상은 장애물의 감소로 바람의 난류와 높이나 방향에 따른 풍속변화가 적기 때문에 유사조건의 육상풍력발전에 비해 상대적으로 낮은 피로하중으로 약 1.5～2배의 높은 발전량[2]을 유지할 수 있다.

다. 소음과 시각적인 위압감 해소

해상풍력발전의 경우 해안과 15km 내외로 떨어져 설치되기 때문에 풍력터빈의 대형화로 인하여 발생되는 소음과 시각적인 위압감 같은 문제를 해소할 수 있다

라. 관광지역으로써 부가가치 창출

해상에 설치된 풍력발전단지는 뛰어난 경관을 연출한다. 실례로 덴마크 미델그룬덴은 세계적인 해상풍력발전단지 조성의 성공사례로 알려지면서 전력생산뿐만 아니라 관광 투어 코스로도 인기를 끌고 있다.

해상풍력발전 주요 기술을 살펴보면 다음과 같다.

가. 해상풍력발전 터빈

해상풍력발전터빈은 기본적으로 육상용 풍력발전터빈과 동일한 기술을 적용한다. 수명은 20년 정도이며 육상보다 대용량인 3～5MW 이상의 풍력터빈을 적용한다. 각 요소는 염분으로 인한 부식 피해를 막기 위하여 설계 및 코팅된다.

나. 기초(Foundation) 공사

기초공사에는 대표적인 4가지 타입으로 나누어 설명할 수 있다.

(가). 콘크리트 케이슨 타입(Concrete caisson type)

제작 및 설치가 용이하여 초기 해상풍력발전단지에 사용된 타입으로 Vindeby, Middelgrunden, Nysted 해상풍력발전단지 등에 적용되었다. 비교적 얕은 6～10m의 수심에서 사용가능하며 자중과 해저면의 마찰력으로 위치를 유지한다. 기초 직경은 12～15m이며 불량지반에서는 편심경사로 안정성 문제를 유발할 가능성이 있다.

(나). 모노파일 타입(Monopile type)

현재 가장 많이 쓰이고 있는 해상풍력발전단지 기초 방식이며 25～30m의 수심에 설치가 가능하다. Horns Rev, North Hoyle, Scroby Sands 해상풍력발전단지 등에 적용되었으며 해저면에 대구경의 파일(pile)을 항타(Driving) 또는 드릴링(Drilling)하여 고정하는 방식으로 대단위 단지에 이용하는 경우 경제성이 좋다. 기초 직경은 3～3.5m이며 부재에 대한 피로 하중이나 부식 문제가 있다.

(다). 자켓 타입(Jacket type)

현재 해상풍력발전단지 보유국에서 많은 관심을 보이고 실증 중에 있는 타입으로 수심 20～80m에 설치가 가능하다. 영국의 "The Talisman Beatrice Wind Farm Demonstrator" 프로젝트에서 적용된 이 타입은 자켓식 구조물로 지지하고 말뚝 또는 파일(pile)로 해저에 고정하는 방식이다. 대수심 해양의 구조물이고 실적이 많아 신뢰도가 높은 편이며 모노파일 타입과 마찬가지로 대단위 단지 조성에 이용하는 경우 경제성이 좋다.[5]

(라). 부유식 타입(Floating type)

미래 심해상 풍력발전의 필수 과제라고 할 수 있는 부유식 타입은 수심 40～900m에 설치가 가능하도록 많은 풍력회사에서 연구 중이다.

다. 송전망 연결 방법

(가). 인디비주얼 커넥션(Individual connection)

다른 프로젝트에 영향을 주지 않으며 케이블 길이가 가장 짧은 것이 특징이다. 문제점이 발생했을때 발생위치를 명확하게 알 수 있지만 케이블 연계를 위한 필요면적이 넓으며 운영 유연성이 부족하고 환경적으로 영향을 많이 준다는 단점을 가지고 있다.

(나). 메쉬 그리드(Mesh Grid)

중개 송전로 사용으로 부분 부하시 효율 저하를 최소화 할 수 있으나 기술 및 상업성을 고려한 설계가 요구되며 투자 비용이 크다. 전체 부하 시 다른 방식에 비해 장점이 없다.[5]

(다). 레디얼 컨피겨레이션(Radial Configuration)

케이블 연계를 위한 필요면적이 적어 인허가를 받기 쉬우며 환경적 영향이 적다. 하지만 케이블의 길이가 길어지고 운영 유연성이 부족하다는 단점이 있다.

상술한 바에서 알 수 있듯이 해상풍력발전에 있어서 가장 중요한 사항은 해상풍력발전기를 해상에 설치하는 과정에 있다. 기초공사를 시행하고 각종 풍력발전 장치들을 해상에 설치하는 과정이 어렵고 막대한 비용이 소요된다는 문제점이 있다. 또한 풍력발전기로만 활용함으로써 그 기능을 단순화되어 있어 해상풍력발전기가 높은 설치비용에 비하여 그 기능이 다양하지 못하고 단순한 문제점을 아울러 지니고 있다.

본 발명은 바다를 지나가는 바람을 재활용하기 위하여, 풍력발전장치를 해상에 설치하여 전기를 생산하도록 하는 해상풍력발전기에 있어서 어초로도 활용가능한 해상 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 기존의 해상풍력발전장치의 설치방법과는 달리 쉽고 간편하게 설치할 수 있는 새로운 개념의 해상풍력발전기의 설치시스템이다. 또한 해상풍력벌전기가 어초로서의 기능을 함께 가지도록 하여 해상풍력발전을 통하여 에너지를 생산함은 물론 어초로서의 기능을 함께 지니도록 함으로써 일석이조(一石二鳥)의 기능을 부가할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 "어초로 활용가능한 해상풍력발전기 기초구조물"은 "기초 설비 주지지대(S11), 부력용 철근 콘크리트 구조물(S12), 기초설비 고정파일 보조 지지대(S13), 기초 수평지지 원형파이프(S14), 어류 유인물질(S15, S16), 어류를 위한 천공부분(S17)"등으로 구성되어 진다. 기존의 해상풍력발전기는 풍력 발전용으로서의 기능만을 지니지만, 본 발명에 따른 "어초로 활용가능한 해상풍력발전기 기초구조물"은 해상풍력발전 기능외에 어초로서의 기능도 함께 지니므로, 해상풍력발전기 설치를 통하여 일석이조(一石二鳥)의 기능을 함께 지니도록 하는데 그 주된 특징이 있다.

본 발명에 따른 "어초로 활용가능한 해상풍력발전기 기초구조물"은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 저렴한 비용으로 해상풍력 발전을 해상에 설치할 수 있다.

둘째, 구조가 간단하여 제조비용이 저렴하며 유지관리가 편리한 잇점을 지니고 있다.

셋째, 제작 및 설치 기간을 단축할 수 있다. 다시말해, 해상풍력발전기의 설치 기간을 최소화할 수 있는 장점을 지니고 있다.

넷째, 해상풍력발전기가 풍력발전기로서의 기능 외에 어초로서의 기능도 함께 지니므로 일석이조의 효과를 부가적으로 지닐 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 "어초로 활용가능한 해상풍력발전기 기초구조물"의 구조를 나타낸 개략적인 개념도.

본 발명에 따른 "어초로 활용가능한 해상풍력발전기 기초구조물"은 "기초 설비 주지지대(S11), 부력용 철근 콘크리트 구조물(S12), 기초설비 고정파일 보조 지지대(S13), 기초 수평지지 원형파이프(S14), 어류 유인물질(S15, S16), 어류를 위한 천공부분(S17)"등으로 구성되어 진다.

"기초 설비 주지지대(S11)"는 철구조물로 제작되어 해상풍력발전기를 지지하는 주지지대를 의미한다.

"부력용 철근 콘크리트 구조물(S12)"은 해상풍력발전기를 지지하기 위한 부력기능을 지닌 철근 콘크리트로 제작된 구조물이다.

"기초설비 고정파일 보조 지지대(S13)"는 기초 수평지지 원형파이프(S14)에 부착되어 해저 기저면에 "부력용 철근 콘크리트 구조물(S12)"을 고정하기 위한 지지장치를 의미한다.

"기초 수평지지 원형파이프(S14)"는 "부력용 철근 콘크리트 구조물(S12)"의 수평 상태를 유지하기 위하여 철구조물로 제작된 원형파이프를 의미한다.

"어류 유인물질(S15, S16)"은 어초로서의 기능을 높이기 위하여 어류를 유인하기 위한 '숯(S15)', '맥반석(S16)' 등으로 구성되어진 어류를 유인하기 위한 어류유인물질을 의미한다.

"어류를 위한 천공부분(S17)"은 어류가 "부력용 철근 콘크리트 구조물(S12)"을 자유롭게 드나들 수 있도록 철근콘크리트 구조물에 구멍을 뚫어 홀(Hole)을 형성하는 것을 의미한다.

이렇게 제작된 "어초로 활용가능한 해상풍력발전기 기초구조물"은 "부력용 철근 콘크리트 구조물(S12)"에 홀(S17)을 형성하여 어류가 자유롭게 드나들도록 하며, "부력용 철근 콘크리트 구조물(S12)"의 내부에 어류를 위한 유인물질인 '숯(S15)', '맥반석(S16)' 등의 투입하여 "부력용 철근 콘크리트 구조물(S12)"이 어초로서의 기능을 효과적으로 수행할 수 있도록 하는 데 본 발명의 특징이 있다.

S11: 기초 설비 주지지대 S12: 부력용 철근 콘크리트 구조물
S13: 기초설비 고정파일 보조 지지대 S14: 기초 수평지지 원형파이프
S15: 어류 유인물질(숯) S16: 어류 유인물질(맥반석)
S17: 어류를 위한 천공부분(S17)

Claims

"기초 설비 주지지대(S11), 부력용 철근 콘크리트 구조물(S12), 기초설비 고정파일 보조 지지대(S13), 기초 수평지지 원형파이프(S14), 어류 유인물질(S15, S16), 어류를 위한 천공부분(S17)"등으로 구성되어 지는 것을 특징으로 하는 "어초로 활용가능한 해상풍력발전기 기초구조물."
청구항 1에 있어서,
어류를 유인하기 위한 어류 유인물질로 '숯(S15)'과 '맥반석(S16)'을 사용하는 것을 특징으로 하는 "어초로 활용가능한 해상풍력발전기 기초구조물."