KR20140035592A

KR20140035592A - 부유식 해상풍력발전기

Info

Publication number: KR20140035592A
Application number: KR1020120101961A
Authority: KR
Inventors: 정현수; 도한성; 김병우
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-24

Abstract

부유식 해상풍력발전기가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 해상풍력발전기는 타워와, 타워의 상부에 마련되는 나셀과, 나셀에 회전 가능하게 결합된 허브 및 허브에 장착되는 블레이드를 포함하는 풍력발전유닛; 및 수직방향으로 일정길이로 형성되어 타워 하부에 연결된 루트부와, 루트부로부터 방사형으로 경사지게 연장 형성된 복수의 지지구조체를 포함하는 부유체;를 포함한다.

Description

부유식 해상풍력발전기{FLOATING OFFSHORE WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 부유식 해상풍력발전기에 관한 것이다.

풍력발전기는 청정에너지인 바람에 의해 발전기를 구동하여 전기를 발생시킨다. 통상의 풍력발전기는 타워와, 타워의 상부에 마련되는 나셀(Nacelle)과, 나셀에 회전 가능하게 결합된 허브 및 허브에 장착되는 블레이드를 포함한다.

이러한 풍력발전기는 예컨대, 타워의 높이가 대략 100미터에 이르고 블레이드 길이도 40 ~ 90미터에 이르는 거대 구조물이기 때문에 육상에 설치할 경우 설치장소의 제약이 따른다. 따라서, 최근에는 상대적으로 공간확보가 용이하고 바람이 좋은 해상에 풍력발전기가 설치되고 있다.

해상풍력발전기는 고정식과 부유식 형태로 구분될 수 있다. 이때, 해역의 수심과 환경조건에 따라 해상풍력발전기의 형태가 결정될 수 있으며, 통상적으로 수심 40~50미터 이상 해역에서는 부유식 해상풍력발전기가 적합하다. 부유식 해상풍력발전기에는 반잠수형(Semi-submissible type), 스파형(Spar type), TLP(Tension Leg Platform)형 등의 다양한 형태가 있다.

반잠수형 해상풍력발전기는 플랫폼을 수면 하부의 부유체와 다수의 기둥으로 연결한 형식으로 일반 선박에 비하여 수선면적이 작다. 또한, 큰 배수량의 하부구조가 물속에 잠겨있어서 상하동요가 줄어들고, 수선면이 작으므로 상하동요의 고유주기가 길어져 약 30초에 이른다. 따라서, 약 10초에 몰려있는 파랑과의 공진을 피할 수 있는 장점이 있다. 그러나 스파형과 TLP형에 비해 운동성능이 좋지 않기 때문에 해상조건이 좋지 않은 해역에는 설치되기 어렵다.

스파형 해상풍력발전기는 원통형의 구조물이 수직으로 설치되고, 그 위에 플랫폼이 설치된 형태로서, 부력중심 밑에 중력중심을 둠으로써 안정성을 높고, 위치유지를 위해 유연계류장치나 긴장계류장치가 설치된다. 또한, 수선면적이 작고 고유주기가 매우 길기 때문에 운동성능이 뛰어나다. 그러나 충분한 안전성을 확보하기 위해서는 하부 구조물의 길이가 매우 길어야 하므로 통상적으로 수심 100미터 이상의 해역에만 설치가 가능하다.

TLP형 해상풍력발전기는 플랫폼이 다수의 쇠줄이나 쇠파이프로 해저면에 연결되어 일정위치를 유지하도록 만들어져 있다. 플랫폼의 구조는 반잠수식의 형태와 유사하게 만들어 하중을 적게 받도록 설계되어 있으며, 플랫폼을 정적 평형위치보다 조금 아래로 내려가도록 쇠줄을 끌어당겨 설치함으로써 쇠줄에는 잉여부력에 의한 인장력이 걸리게 된다. 그러나, 큰 복원력을 갖는 계류라인에 의해 운동성능이 매우 우수하지만, 설치 비용이 많이 소요된다.

한편, 한국공개특허 제2011-0015418호(2011.02.15 공개)는 수평 메인 빔과 서로 커플링된 세 개의 칼럼을 포함하는 부유 프레임을 포함하는 부유 풍력 터빈 플랫폼에 관한 기술을 공개한 바 있다.

특허문헌: 한국공개특허 제2011-0015418호(2011.02.15 공개)

본 발명의 실시 예는 수직방향으로 일정길이로 형성되어 타워 하부에 연결된 루트부와 루트부로부터 방사형으로 경사지게 연장 형성된 복수의 지지구조체를 포함하는 부유체를 구비하여, 얕은 해역에서도 설치가 용이하고, 안정성이 높으며, 운동성능이 우수한 부유식 해상풍력발전기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 타워와, 상기 타워의 상부에 마련되는 나셀과, 상기 나셀에 회전 가능하게 결합된 허브 및 상기 허브에 장착되는 블레이드를 포함하는 풍력발전유닛; 및 수직방향으로 일정길이로 형성되어 상기 타워 하부에 연결된 루트부와, 상기 루트부로부터 방사형으로 경사지게 연장 형성된 복수의 지지구조체를 포함하는 부유체;를 포함하는 부유식 해상풍력발전기가 제공될 수 있다.

상기 루트부 일부는 수면 아래에 잠기고, 상기 지지구조체는 수선면 하측의 상기 루트부로부터 방사형으로 경사지게 연장될 수 있다.

상기 지지구조체는 동일한 길이와 경사각을 가진 제1지지구조체, 제2지지구조체 및 제3지지구조체를 포함할 수 있다.

상기 부유체의 높이는 상기 타워의 높이보다 작을 수 있다.

상기 부유체는 각각 내측에 평형수를 저장하는 저장탱크와, 상기 평형수의 유출을 위한 펌프와, 상기 평형수의 이동경로를 조절하기 위한 밸브유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 부유식 해상풍력발전기의 기울기 변화 및 상기 저장탱크 내 평형수의 높낮이 변화 중 하나 이상을 감지하는 센서부와, 상기 감지된 정보 및 외부 제어명령 중 하나 이상을 기초로 상기 펌프 및 상기 밸브유닛을 제어하여, 상기 저장탱크에 저장된 평형수의 이동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 지지구조체의 하부에는 상기 부유체의 상하동요를 감소시키는 감쇠판이 각각 마련될 수 있다.

상기 루트부와 상기 지지구조체는 각각 원통형으로 마련되어 일체로 형성될 수 있다.

상기 루트부 상부는 상기 타워 하부와 볼트 결합되는 플랜지를 마련할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 부유식 해상풍력발전기는 수직방향으로 일정길이로 형성되어 타워 하부에 연결된 루트부와 루트부로부터 방사형으로 경사지게 연장 형성된 복수의 지지구조체를 포함하는 부유체를 구비하여, 높은 안정성과 운동성능을 나타내고, 얕은 해역에서도 설치가 용이할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 해상풍력발전기의 사시도이다.
도 2는 상기 도 1의 부유식 해상풍력발전기의 풍력발전유닛을 지지하는 부유체의 사시도이다.
도 3은 상기 도 2의 부유체를 구성하는 루트부와 지지구조체의 각 중심점을 연결한 형상의 개념도이다.
도 4는 상기 도 2의 부유체의 운용성능에 영향을 미치는 파랑 중 상하운동 응답을 수치해석을 통해 다른 타입의 부유체와 비교한 그래프이다.
도 5는 상기 도 2의 부유체에 구비된 평형수제어시스템을 블록도로 도시한 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1와 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 해상풍력발전기(100)는 풍력발전유닛(110) 및 부유체(120)를 포함한다.

풍력발전유닛(110)은 타워(10)와, 타워(10)의 상부에 마련되는 나셀(20)과, 나셀(20)에 회전 가능하게 결합된 허브(30) 및 허브(30)에 장착되는 블레이드(40)를 포함한다.

부유체(120)는 풍력발전유닛(110)을 지지하며, 루트부(50), 복수의 지지구조체(60) 및 감쇠판(70)을 포함한다.

루트부(50)는 수직방향으로 일정길이로 형성되어 타워(10) 하부에 연결된다. 이때, 루트부(50) 일부는 수면 아래에 잠긴 상태이고, 루트부(50)에 흘수선(W)이 위치할 수 있다. 루트부(50)는 흘수선(W)에서의 루트부(50)의 단면적(즉, 수선면)이 작으므로 상하동요의 고유주기가 길다. 루트부(50)의 상부에는 플랜지(52)가 마련되어, 타워(10) 하부와 볼트 결합될 수 있다.

지지구조체(60)는 루트부(50)로부터 방사형으로 경사지게 연장 형성된다. 이때, 지지구조체(60)는 수선면 하측의 루트부(50)로부터 방사형으로 경사지게 연장 형성된다. 예컨대, 지지구조체(60)는 루트부(50)의 하면 중심점(P)으로부터 동일한 길이(L)와 경사각(θ)을 가진 제1지지구조체(61), 제2지지구조체(62) 및 제3지지구조체(63)로 마련될 수 있다.

이때 도 3을 참조하면, 부유체(120)는 각 지지구조체(61~63)의 하면 중심점(P1~P3)과 루트부(50)의 하면 중심점(P)을 이어서 형성되는 각 면이 정삼각형인 정사면체 구조이다. 이를 통해, 풍력발전유닛(110)을 지지하는 부유체(120)의 안정성 및 운동성능을 향상시킬 수 있다.

이러한 지지구조체(60)는 다른 예에서 동일한 길이와 경사각을 가진 4개, 5개의 지지구조체로 마련될 수도 있다.

상술한 루트부(50)와 지지구조체(60)는 각각 원통형으로 마련되어, 일체로 형성될 수 있다. 또, 루트부(50)와 지지구조체(60)의 종방향 합산 길이(H1)는 타워(10)의 길이(H2)보다 작게 마련된다. 이때, 복수의 지지구조체(60)가 루트부(50)로부터 방사형으로 루트부(50)의 수선면 하측으로 연장 형성되어, 종래의 스파형에 비해 흘수가 1/4만 되어도 필요한 배수량(수면 아래 부분의 구조물 부피)을 확보할 수 있다. 즉, 루트부(50)와 지지구조체(60)의 종방향 합산 길이(H1)가 종래의 스파형 해상풍력발전기의 부유체에 비해 길이가 길지 않아도 충분한 배수량을 확보할 수 있다. 또한, 무게중심을 낮출 수 있어 전체적인 구조물의 안정성이 확보될 수 있다. 이는, 부유식 해상풍력발전기(100)가 수심 100미터 이하의 해역에서도 설치될 수 있도록 한다.

	부유식 해상풍력발전기의 부유체	스파형
배수량 (톤)	8,424	8,230
흘수 (m)	25.3	120

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 해상풍력발전기(100)의 하부 구조물인 부유체(120)의 배수량은 종래의 스파형 해상풍력발전기와 비교하여 볼 때 거의 비슷하지만 흘수는 거의 네 배 이상 크다. 따라서, 종래의 스파형 해상풍력발전기는 수심 120미터 이하의 해역에는 설치가 적합하지 않지만, 부유식 해상풍력발전기(100)는 수심 50미터 정도의 해역에도 효과적으로 설치될 수 있다.

감쇠판(70)은 지지구조체(60)의 하부에 마련되며, 해수의 점성에 의한 마찰저항으로 부유체(120)의 상하동요를 감소시킨다. 즉, 부유체(120)의 상하동요 시 해당 고유주기와 파도의 주기가 근접하거나 같을 경우 공진이 발생하며, 이는 매우 큰 상하동요 운동응답을 발생시키게 된다. 이때 감쇠판(70)에 의해 감쇠력을 크게 하면 부유체(120)의 상하동요 시 운동응답이 작게 나타나도록 하여 운동성능을 개선시킬 수 있게 된다. 감쇠판(70)의 하부에는 계류삭(71)이 마련되어 부유식 해상풍력발전기(100)를 해저면에 고정시키고 일정한 위치를 유지할 수 있다.

도 4를 참조하면, 부유식 해상 풍력발전장치(100)의 하부 구조물인 부유체(120)의 운용성능에 영향을 미치는 파랑 중 상하운동 응답을 수치해석을 통해 계산하여 비교한 결과, 작은 수선면적으로 고유주기가 길어져 종래의 반잠수형의 해상 풍력발전장치에 비해 통상적인 극한 설계 파도조건(가장 큰 파고가 발생하는 조건)인 파주기 15~20초 영역(S)에서 운동성능이 우수하였다.

한편, 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 해상풍력발전기(100)는 평형수의 이동경로를 제어하기 위한 평형수제어시스템(130)을 구비할 수 있다. 평형수제어시스템(130)은 밸브유닛(55), 저장탱크(64~66), 펌프(67~69), 센서부(75), 제어부(80) 및 저장부(90)를 포함한다. 여기서, 루트부(50)에 밸브유닛(55)이 설치되고, 각 지지구조체(61~63)에 저장탱크(64~66) 및 펌프(67~69)가 설치될 수 있다. 센서부(75), 제어부(80) 및 저장부(90)는 설치위치를 한정하지 않는다.

밸브유닛(55)은 각 저장탱크(64~66)의 평형수의 이동경로를 조절한다. 이러한 밸브유닛(55)은 후술할 제어부(80)에 의해 제어되며, 펌프(67~69)에 의해 유출되는 평형수의 이동경로를 개방 또는 폐쇄시킨다.

저장탱크(64~66)는 평형수를 저장하며, 루트부(50)를 기점으로 연통된 배관(54)에 의해 서로 연결되어 있다. 따라서, 각 저장탱크(64~66)의 평형수는 루트부(50)를 거쳐서 이동될 수 있다.

펌프(67~69)는 배관(54)을 통해 각 저장탱크(64~66)의 평형수를 일방향으로 유출시킨다.

센서부(75)는 해상조건에 따른 부유식 해상풍력발전기(100)의 기울기 변화 및 저장탱크(64~66) 내 평형수의 높낮이 변화 중 하나 이상을 감지한다.

제어부(80)는 센서부(75)에 의해 감지된 정보 및 외부 제어명령 중 하나 이상을 기초로 각 펌프(67~69) 및 밸브유닛(55)을 제어하여, 각 저장탱크(64~66)에 저장된 평형수의 이동을 제어한다. 예컨대, 제어부(80)는 제1지지구조체(61)의 제1저장탱크(64) 내의 평형수 중 일부를 제2지지구조체(62)의 제2저장탱크(65)로 이동시켜 제1저장탱크(64) 및 제2저장탱크(65) 평형수의 높낮이를 조절할 수 있고, 설정범위 내에서 부유식 해상풍력발전기(100)가 기울어지지 않고 균형을 이루도록 할 수 있다.

저장부(90)는 센서부(75)에 의해 감지된 정보, 부유식 해상풍력발전기(100)의 기울기 변화 값, 제어명령, 설정값(범위), 각 저장탱크(64~66) 내 평형수의 저장량 및 높낮이 변화, 설정값, 제어알고리즘 등에 대한 정보를 저장한다. 저장부(90)는 캐쉬, ROM(Read Only Memory), PROM(Programmable ROM), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM) 및 플래쉬 메모리(Flash memory)와 같은 비휘발성 메모리 소자 또는 RAM(Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리 소자 또는 하드디스크 드라이브(HDD, Hard Disk Drive), CD-ROM과 같은 저장 매체 중 적어도 하나로 구현될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

도 5에 도시된 각각의 구성요소는 일종의 '모듈'로 구성될 수 있다. '모듈'은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 주문형 반도체(ASIC, Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다. 구성요소들과 모듈들에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다.

이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

10: 타워 50: 루트부
55: 밸브유닛 60: 지지구조체
64~66: 저장탱크 70: 감쇠판
67~69: 펌프 75: 센서부
80: 제어부 90: 저장부
110: 풍력발전유닛 120: 부유체
130: 평형수제어시스템

Claims

타워와, 상기 타워의 상부에 마련되는 나셀과, 상기 나셀에 회전 가능하게 결합된 허브 및 상기 허브에 장착되는 블레이드를 포함하는 풍력발전유닛; 및
수직방향으로 일정길이로 형성되어 상기 타워 하부에 연결된 루트부와, 상기 루트부로부터 방사형으로 경사지게 연장 형성된 복수의 지지구조체를 포함하는 부유체;를 포함하는 부유식 해상풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 루트부 일부는 수면 아래에 잠기고, 상기 지지구조체는 수선면 하측의 상기 루트부로부터 방사형으로 경사지게 연장된 부유식 해상풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 지지구조체는 동일한 길이와 경사각을 가진 제1지지구조체, 제2지지구조체 및 제3지지구조체를 포함하는 부유식 해상풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 부유체의 높이는 상기 타워의 높이보다 작은 부유식 해상풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 부유체는 각각 내측에 평형수를 저장하는 저장탱크와, 상기 평형수의 유출을 위한 펌프와, 상기 평형수의 이동경로를 조절하기 위한 밸브유닛을 더 포함하는 부유식 해상풍력발전기.
제5항에 있어서,
상기 부유식 해상풍력발전기의 기울기 변화 및 상기 저장탱크 내 평형수의 높낮이 변화 중 하나 이상을 감지하는 센서부와, 상기 감지된 정보 및 외부 제어명령 중 하나 이상을 기초로 상기 펌프 및 상기 밸브유닛을 제어하여, 상기 저장탱크에 저장된 평형수의 이동을 제어하는 제어부를 포함하는 부유식 해상풍력발전기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지구조체의 하부에는 상기 부유체의 상하동요를 감소시키는 감쇠판이 각각 마련된 부유식 해상풍력발전기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 루트부와 상기 지지구조체는 각각 원통형으로 마련되어 일체로 형성된 부유식 해상풍력발전기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 루트부 상부는 상기 타워 하부와 볼트 결합되는 플랜지를 마련한 부유식 해상풍력발전기.