KR20140058060A - 해상 부유식 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

해상 부유식 풍력발전장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 해상 부유식 풍력발전장치는, 로터와 로터를 회전 가능하게 지지하는 나셀(nacelle)로 이루어진 풍력발전부와, 풍력발전부를 탑재하는 상부 타워와, 상부 타워를 지지하는 부력체인 하부구조물과, 해수면에 위치하고 상부 타워와 하부구조물을 중간에서 연결하는 중간구조물 및, 하부구조물을 계류하기 위해 하부구조물과 해저면을 연결하는 단일의 계류라인을 포함하여 구성되는 것을 요지로 한다.

Description

해상 부유식 풍력발전장치{FLOATING OFFSHORE WIND POWER GENERATION PLANT}

본 발명은 풍력을 이용하여 전기를 생산하는 풍력발전장치에 관한 것으로, 상세하게는 해상에 부유(浮遊)는 형태로 설치되는 해상 부유식 풍력발전장치에 관한 것이다.

지구온난화에 따른 환경규제와 화석연료의 수급불안 등의 문제점이 대두됨으로서 신재생 에너지 생산시스템으로서의 풍력발전이 각광을 받고 있다.

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 떠 있으며 자중, 부력, 환경 하중 및 계류력을 받고 있고, 구조물의 6자유도 운동으로 환경하중을 이겨내는 방식이다.

최근까지 해상 풍력발전설비는 고정식으로 주로 얕은 수심에 설치되었다. 그러나 고정식 구조는 구조물이 해저면에 고정되어 있어 유리한 조업조건을 제공하지만 수심이 깊어지면 구조물의 규모가 너무 커지고 피로파괴의 위험성을 피하기 어려워진다. 또한, 설비의 대형화 추세에 따라 구조물의 제작, 설치에 드는 비용이 천문학적으로 증가하게 된다.

바람은 육상에서 멀어질수록 강하고 일정해지므로 발전효율을 높일 수 있다. 이에 점차 해안으로부터 멀리 떨어져 수심이 깊은 곳에서도 풍력발전의 개발 필요성이 제기되고 있다. 따라서 수심이 깊어져도 구조물의 크기에 제한을 받지 않는 부유식 구조를 이용한 해상 풍력발전설비에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.

부유식 구조는 부력체의 자세 복원성의 메커니즘에 따라 폰툰형, 인장계류형, 주상형으로 분류할 수 있다. 이중 인장계류형은 부력체를 해저와 인장 계류라인으로 결합하여 계류라인의 강성으로 복원력을 발생시키는 구조이다. 이러한 구조의 대표적인 형식으로는 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. 이는 복수의 계류라인에 의한 상하운동(heave motion) 억제로 파랑 중 운동성이 좋으며, 현장 설치 및 탈착의 용이로 재이동이 가능한 장점이 있다.

그러나 종래 알려진 TLP 형식의 해상 부유식 풍력발전장치는, 상하운동(heave motion)의 억제를 위해 많은 계류라인을 적용함으로써 제작 및 설치에 있어 곤란함이 있고 많은 비용이 들며, 풍력 발전 지역(wind farm)으로 건설함에 있어 건설 면적이 크게 요구되고, 파랑 중 운동 응답이 커서 전반적으로 안정성이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명이 해결하려는 기술적 과제는, 계류라인의 길이 및 설치 개수를 최소화함으로써 경제성을 확보하고, 계류라인의 길이 및 설치 개수를 줄이면서도 구조물의 동적 장력 범위를 감소시키고 파랑에 대항 운동 응답을 줄여 구조물의 안정성 높일 수 있는 해상 부유식 풍력발전장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명은, 로터와 로터를 회전 가능하게 지지하는 나셀(nacelle)로 이루어진 풍력발전부와, 풍력발전부를 탑재하는 상부 타워와, 상부 타워를 지지하는 부력체인 하부구조물과, 해수면에 위치하고 상부 타워와 하부구조물을 중간에서 연결하는 중간구조물 및, 하부구조물을 계류하기 위해 하부구조물과 해저면을 연결하는 단일의 계류라인을 포함하며, 해수면에 위치하는 상기 중간구조물은 해수가 통과할 수 있는 구조로 된 것을 특징으로 하는 해상 부유식 풍력발전장치를 제공한다.

바람직한 실시예로서, 상기 중간구조물은 상호 사선방향으로 교차하는 복수의 강선으로 이루어져 강선 사이로 해수가 통과할 수 있는 공간을 형성한 원통형 망상구조물일 수 있다.

다른 예로서, 상기 중간구조물은, 상부 타워와 하부구조물에 각각 연결되는 상판과 하판을 구비하고, 둘 이상의 기둥이 상기 상판과 하판을 연결하여 기둥 사이로 해수가 통과할 수 있는 구성의 다 기둥형 컬럼구조물일 수 있다.

또한, 상기 하부구조물의 상하요동에 따라 단일의 계류라인에 걸리는 장력을 감소시키기 위해 계류라인에 설치되는 신축가이드를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 신축가이드는 계류라인 길이방향으로 신축 가능하게 슬라이딩 조립된 내부 하우징 및 외부하우징과, 상기 하우징 내에 탄력 설치되며 계류라인을 긴장시키는 방향으로 복원력을 발생시키는 탄성부재로 된 구성일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 해상 부유식 풍력발전장치에 따르면, 계류라인이 단일의 구조로 이루어짐으로써, 전체적인 계류라인의 길이 및 설치 개수를 최소화를 도모할 수 있으며 따라서 경제성을 확보할 수 있고, 단일 계류라인 상의 신축가이드에 의해 계류라인의 길이 및 설치 개수는 줄이면서도 구조물의 동적 장력 범위는 감소시킬 수 있다.

또한, 해수면에 위치하는 중간구조물이 해수가 자유롭게 통과할 수 있는 망상체 구조 또는 다 기둥체 구조로 이루어져 전체적인 수선면적이 작다. 이에 따라 파랑에 대하여 전체적으로 향상된 운동성능을 가지게 되고, 요잉과 같은 불안정한 움직임은 감소될 수 있다. 결과적으로, 전체적으로 안정성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해상 부유식 풍력발전장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1에 나타난 중간구조물의 바람직한 실시예에 따른 측면도.
도 3은 도 2에 따른 중간구조물의 사시도.
도 4는 도 1에 나타난 중간구조물의 바람직한 다른 실시예에 따른 측면도.
도 5는 도 4에 따른 중간구조물의 사시도.
도 6은 도 1의 단일 계류라인에 설치되는 신축가이드의 바람직한 실시예를 나타낸 도면.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 도면을 참조하여 본 발명을 설명함에 있어, 도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시하지 않았음을 밝혀두며, 둘 이상의 도면에 나타나는 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해상 부유식 풍력발전장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 풍력발전장치(10)는 풍력발전부를 탑재한 상부 타워(12), 상부 타워(12)를 지지하는 부력체인 하부구조물(14), 해수면에 위치하고 상부 타워(12)와 하부구조물(14)을 중간에서 연결하는 중간구조물(15), 하부구조물(14)을 계류하기 위해 하부구조물(14)과 해저면을 연결하는 단일의 계류라인(16)을 포함한다.

풍력발전부는 로터(11)와, 상부 타워(12)에 결합되어 로터를 회전 가능하게 지지하는 나셀(nacelle)(13)을 포함하는 구성일 수 있으며, 도시하지는 않았으나 발전장치나 축전장치 또는 송전장치를 더 구비할 수 있다. 그리고 나셀(13)과 나셀이 장착되는 상부 타워(12) 사이의 결합부위에는 요 드라이브(yaw drive)가 설치될 수도 있다.

요 드라이브(yaw drive)는 바람의 방향에 따라 나셀의 방향을 바꾸는 역할을 한다. 다시 말해, 상기 상부 타워(12)에 대해 바람이 불어오는 쪽으로 나셀의 방향을 변환하여 나셀에 설치된 로터가 바람이 불어오는 쪽을 향할 수 있도록 기능한다. 이와 같은 요 드라이브는 일정한 면적의 풍압면을 형성한 깃 형태의 구조물일 수 있다.

상부 타워(12)는 로터(11)를 수면으로부터 미리 설정된 높이에 위치시키기 위한 것으로 소정 길이를 갖는 원기둥 형태로 되어 있고, 하부구조물(14)은 상단에 설치되는 상부 타워(12)와 풍력발전부의 중량을 부력(浮力)으로 지지하는 부력체이다. 도면에서는 수직 실린더 형태의 하부구조물(14)을 도시하고 있으나 특별히 이에 한정되지 않는다.

하부구조물(14)은 내부가 빈 중공 구조로 부력을 생성할 수 있도록 된 구성이거나 밀폐된 내부 공간 부유체를 탑재한 구성일 수 있다. 또한, 도면을 통해 구체적으로 도시하지는 않았으나 상기 하부구조물은 부력중심 밑에 무게중심을 형성시키기 위한 발라스트(ballast, 무게추)를 하부에 탑재할 수 있다.

중간구조물(15)은 해수면에 위치하면서 상부 타워(12)와 하부구조물(14)을 중간에서 연결하고, 하부구조물(14)의 하단에는 계류라인(16)의 상단이 고정 설치된다. 이하 설명에서 고정이라 함은 용접 등에 의한 연결과 같이, 두 부재간 회전이나 자유로운 움직임이 없도록 한 몸체로 연결된 것을 의미한다.

본 실시예에서 계류라인(16)은 한 개로 제한되며, 이와 같이 단일의 계류라인(16)에 의해 장치가 계류될 수 있도록 구성하면, 전체적인 계류라인(16)의 전체적인 길이 및 설치 개수를 현저히 줄일 수 있어 경제성을 확보할 수 있다. 그리고 계류라인 제작 및 설치 예를 들어, 해저면에 앵커를 설치하는 작업 등을 최소화할 수 있다.

바람직한 예로서 상기 중간구조물(15)은 도 2 내지 도 3의 일 실시예를 통해 도시한 바와 같이, 원통형의 망상구조물일 수 있다. 구체적으로는, 복수의 강선이 상호 사선방향으로 교차하는 구성을 가지며 교차하는 강선 사이로 해수가 통과할 수 있는 공간을 형성한 원통형의 망상구조물일 수 있다.

해수면에 위치하는 중간구조물(15)이 위와 같이 해수가 통과할 수 있는 구조를 가지게 되면, 수선으로 둘러 쌓인 수선면적이 최소화되므로 파랑(波浪, wave) 중 구조물의 운동성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 해수에 저항하는 면적이 줄어 운동성능은 향상되고 해수가 통과 가능하므로 요잉(yawing)과 같은 불안정한 움직임은 감소될 수 있다.

바람직한 다른 예로서 상기 중간구조물(15)은 도 4 내지 도 5의 다른 실시예를 통해 도시한 바와 같이, 상부 타워(12)와 하부구조물(14)에 각각 연결되는 상판(150)과 하판(154)을 구비하고, 둘 이상의 기둥(152)이 상기 상판과 하판을 연결하여 기둥 사이로 해수가 통과할 수 있는 구성의 다 기둥형 컬럼구조물일 수도 있다.

계류라인(16)은 비틀림에 대한 강성을 갖는 다층 와이어로프(wire rope)로 이루어진다. 다층 와이어로프는 소선을 꼬아 만든 스트랜드(strand)를 복수개의 층으로 꼬아 합친 로프로서, 스트랜드의 꼬임을 2층 이상으로 하여 자전성을 최소화한 비자전성 로프(nonrotation rope)가 사용될 수 있다.

계류라인(16)의 상단은 하부구조물(14)의 하단에 고정 설치되고 하단에는 앵커(18)가 설치되어 해저면에 고정된다. 앵커(anchor, 18)는 계류라인(16)으로 연결되는 하부구조물(14)을 계획된 위치에 계류시키기 위한 것으로, 예를 들어 앵커볼트 등 해저면에 고정되는 구조 또는 닻이나 콘크리트 구조물과 같이 자중에 의해 가라 앉는 중력식 구조가 적용될 수 있으므로 특별히 한정되지 않는다.

계류라인(16)은 비자전성의 다층 와이어로프로, 하부구조물(14)과 앵커(18) 사이에 고정됨에 따라 하부구조물(14)의 자전운동 즉, 요잉(yawing) 운동을 억제하게 된다. 또한, 계류라인(16)은 하부구조물(14)과 앵커(18) 사이에서 하부구조물(14)의 부력에 대항하여 하부구조물(14)을 수중으로 끌어내리는 방향으로 당기게 된다.

계류 중 상하운동(heave motion)에 따른 계류라인(16)의 장력변화에 대응할 수 있도록, 계류라인(16)에는 신축가이드(20)가 설치된다. 신축가이드(20)는 계류라인(16)에 걸리는 동적 장력(dynamic tension)에 따라 계류라인(16)의 전체 길이가 가변되도록 함으로써 동적 장력의 범위를 감소시키도록 기능한다.

파랑 등에 의한 악조건의 환경에서 장치(10)가 상하방향으로 외력을 받게 되면 계류라인(16)에 심한 동적 장력이 가해지고, 심한 경우 계류라인(16)이 절단되거나 하부구조물이 파손되는 상황이 연출될 수 있다. 이때 상기 신축가이드(20)는 계류라인(16)에 걸리는 동적 장력의 진폭을 감소시킴으로써 계류라인(16)과 설비의 파손을 방지하게 된다.

도 6은 도 1의 단일 계류라인에 설치되는 신축가이드의 바람직한 실시예를 나타낸 도면이다.

도 6의 도시와 같이, 상기 신축가이드(20)는, 계류라인(16)의 길이방향으로 신축 가능하도록 슬라이딩 조립된 내부 하우징(22) 및 외부하우징(24)을 포함하고, 상기 하우징(22)(24) 내에 계류라인(16)을 긴장시키는 방향으로 복원력을 발생시키는 탄성부재(26) 예컨대, 인장스프링이 탄력 설치된 구성일 수 있다

내부 하우징(22)과 외부하우징(24)은 장치(10)의 동적 움직임에 의해 자체적으로 회전하지 않도록 다각 단면구조로 이루어짐이 바람직하고, 탄성부재(26)의 제원 예컨대, 길이 및 탄성계수, 그리고 동적 장력을 받았을 경우의 인장 정도는 계류라인의 제원과 초기 장력 및 동적 장력의 설정 범위에 따라 결정될 수 있다.

계류라인(16) 사이에 설치된 신축가이드(20)는 초기 설치 시 계류라인(16)에 걸리는 초기 장력 값에 따라 탄성부재(26)가 인장된 상태로 부력과의 사이에 균형을 이루고, 파랑 등으로 수면이 상하로 요동하여 장치에 상하방향으로 외력이 가해지고 하부구조물(14)의 부력에 변화가 생겼을 때, 이러한 부력 변화는 계류라인(16)에 동적 장력으로 인가된다.

이에 따라, 신축가이드(20)는 계류라인(16)에 걸리는 동적 장력이 초기 장력 값보다 큰 양의 값을 가질 때 자체적으로 길이가 늘어나 동적 장력을 감소시키고, 계류라인(16)에 걸리는 동적 장력이 초기 장력 값보다 작은 음의 값을 가질 때 탄성복원력 의해 길이가 줄어들어 장치의 부력을 높임으로써 초기 장력 값을 유지하게 된다.

이상의 본 발명의 실시예에 따른 해상 부유식 풍력발전장치에 따르면, 계류라인이 단일의 구조로 이루어짐으로써, 전체적인 계류라인의 길이 및 설치 개수를 최소화를 도모할 수 있으며 따라서 경제성을 확보할 수 있고, 단일 계류라인 상의 신축가이드에 의해 계류라인의 길이 및 설치 개수는 줄이면서도 구조물의 동적 장력 범위는 감소시킬 수 있다.

또한, 해수면에 위치하는 중간구조물이 해수가 자유롭게 통과할 수 있는 망상체 구조 또는 다 기둥체 구조로 이루어져 전체적인 수선면적이 작다. 이에 따라 파랑에 대하여 전체적으로 향상된 운동성능을 가지게 되고, 요잉과 같은 불안정한 움직임은 감소될 수 있다. 결과적으로, 전체적으로 안정성을 높일 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 풍력발전장치
12 : 상부 타워
14 : 하부구조물
15 : 중간구조물
16 : 계류라인
18 : 앵커
20 : 신축가이드

Claims (5)

1. 로터와 로터를 회전 가능하게 지지하는 나셀(nacelle)로 이루어진 풍력발전부와,
   풍력발전부를 탑재하는 상부 타워와,
   상부 타워를 지지하는 부력체인 하부구조물과,
   해수면에 위치하고 상부 타워와 하부구조물을 중간에서 연결하는 중간구조물 및,
   하부구조물을 계류하기 위해 하부구조물과 해저면을 연결하는 단일의 계류라인을 포함하며,
   해수면에 위치하는 상기 중간구조물은 해수가 자유롭게 통과할 수 있는 구조로 된 것을 특징으로 하는 해상 부유식 풍력발전장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 중간구조물은 복수의 강선이 상호 사선방향으로 교차하고 교차하는 강선 사이로 해수가 통과할 수 있는 공간을 형성한 원통형 망상구조물인 것을 특징으로 하는 해상 부유식 풍력발전장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 중간구조물은, 상부 타워와 하부구조물에 각각 연결되는 상판과 하판을 구비하고, 둘 이상의 기둥이 상기 상판과 하판을 연결하여 기둥 사이로 해수가 통과할 수 있는 구성의 다 기둥형 컬럼구조물인 것을 특징으로 하는 해상 부유식 풍력발전장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 하부구조물의 상하요동에 따라 단일의 계류라인에 걸리는 장력을 감소시키기 위해 계류라인에 설치되는 신축가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 부유식 풍력발전장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 신축가이드는 계류라인 길이방향으로 신축 가능하게 슬라이딩 조립된 내부 하우징 및 외부하우징과, 상기 하우징 내에 탄력 설치되며 계류라인을 긴장시키는 방향으로 복원력을 발생시키는 탄성부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 해상 부유식 풍력발전장치.

Images