KR20140107049A

KR20140107049A - 해상풍력 구조물의 시공 방법

Info

Publication number: KR20140107049A
Application number: KR1020130021559A
Authority: KR
Inventors: 이성로; 이상훈; 김우종; 조경식; 고종범
Original assignee: 목포대학교산학협력단
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-09-04

Abstract

본 발명은 해상풍력 구조물의 시공 방법에 관한 것으로, 상세하게는 풍력 구조물을 해상에 시공할 때, 육상에서 일체형의 수직 제작 방식으로 제조된 타워를 해상으로 운반하여 가설함으로써, 해상 작업을 최소화하고 가설 공정이 단순화되어 시공 편의성이 개선된 해상풍력 구조물의 시공 방법에 관한 것이다.

Description

해상풍력 구조물의 시공 방법{Constructing method for the offshore wind turbine structure}

독일, 영국 등 유럽 여러 나라에서는 해상풍력발전에 대해서 이미 활발하게 연구가 진행중에 있으며, 5MW 풍력터빈을 사용한 대규모 해상풍력발전 단지도 운영하는 등 신재생 에너지에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

국내에서도 신재생 에너지에 대한 중요성을 인식하고 연구개발이 활발하게 진행되고 있는데, 그 중에서도 풍력발전은 그 선두에서 각 제작사들 및 국가과제로 연구 및 개발이 진행되어 육상풍력은 이미 국내에서도 여러 곳에 시공되어 운영 중에 있다.

국내 해상풍력은 현재 제주 월정리 앞바다에 2MW와 3MW급의 해상풍력단지를 시범운영하기 위해 시공중에 있고, 추후 신안 및 부안 앞바다 등에 대규모 해상풍력 단지를 계획하고 있다.

상세히, 풍력발전 시스템은 구조나 설치 등이 간단하여 운영 및 관리가 용이하고 무인화 및 자동화 운전이 가능하기 때문에 최근에 도입이 비약적으로 증가하고 있는 실정이다. 과거에는 풍력발전 구조물들이 주로 육상에서 이루어졌으나, 풍력 자원량, 미관, 장소의 제약 등의 문제로 인해 최근에는 해상에 대규모의 풍력단지를 건설하는 추세이다. 그러나 해상에 안전하게 풍력발전 구조물을 건설하기 위해서 높은 위치에 설치될 블레이드 및 타워 구조물에 대한 안전한 설치 공법이 요구되고 있다.

한편, 해상풍력발전 구조물은 크게 터빈(Turbine)과 기초(Foundation)로 구분되며, 이때, 터빈은 기본적으로 육상용 풍력발전 터빈과 동일한 기술을 적용한다. 이러한 해상풍력발전 구조물의 수명은 20년 정도이며, 육상보다 대용량인 3~5MW 이상의 풍력터빈을 적용하고 있다. 이러한 해상풍력발전 구조물의 각각의 구성요소는 염분으로 인한 부식 피해를 막기 위하여 설계 및 코팅된다.

기초(Foundation)는 대표적인 4가지 타입으로 나누어 설명할 수 있다.

구체적으로, 콘크리트 케이슨 타입(Concrete caisson type)은 제작 및 설치가 용이하여 초기 해상풍력발전 단지에 사용된 타입으로 빈데비(Vindeby), 미델그룬덴(Middelgrunden) 해상풍력발전 단지 등에 적용되었다. 비교적 얕은 6~10m의 수심에서 사용가능하며, 자중과 해저면의 마찰력으로 위치를 유지한다. 이때, 콘크리트 케이슨 타입의 기초 직경은 12~15m다.

모노파일 타입(Mono-pile type)은 현재 가장 많이 쓰이고 있는 해상풍력발전단지 기초 방식으로서, 25~30m의 수심에 설치가 가능하다. 홀스레브(Horns Rev), 노스 호일(North Hoyle) 해상풍력 발전단지 등에 적용되었으며, 해저 면에 대구경의 파일(pile)을 항타(Driving) 또는 드릴링(Drilling)하여 고정하는 방식으로 대단위 단지에 이용하는 경우 경제성이 좋다. 이때, 모노파일 타입의 기초 직경은 3~3.5m이다.

자켓 타입(Jacket type)은 현재 해상풍력 발전단지 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(Mono-pile) 타입과 마찬가지로 대단위 단지 조성에 이용하는 경우 경제성이 좋다.

부유식 타입(Floating type)은 미래 심해상 풍력발전의 필수 과제라고 할 수 있고, 수심 40~900m에 설치가 가능하도록 많은 풍력회사에서 연구 중이다.

한편, 풍력터빈 설비는 바람에 의한 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있도록 구성되는 시스템으로서, 설치되는 환경 조건에 따라 육상용(onshore)과 해상용(offshore)로 구분될 수 있다. 또한, 이러한 파일 또는 말뚝을 설치하는 방법으로는 항타식, 유압 타압식, 석션 방식 등이 있는데, 대구경 파일 또는 말뚝을 설치하기 위해서는 수직도를 잘 맞추어서 설치해야 한다.

이러한 풍력터빈 설비에서 목표로 하는 원하는 전력을 얻기 위하여 소정의 높이에 풍력발전이 가능한 나셀을 위치시키는 것이 타워의 역할이다. 풍력터빈에는 수평형과 수직형이 있는데, 최근 국내 및 해외에서는 주로 수평형의 풍력터빈의 개발과 설치가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 풍력터빈 타워의 형식으로는 모노파일 타입, 자켓 타입, 지선지지 타입 등이 있는데, 최근 대형 풍력터빈의 경우에는 주로 모노파일 타입 타워, 특히, 강재 중공 모노파일 타워가 많이 사용되고 있다. 이때, 상기 강재 중공 타워에 미치는 하중을 지상의 기초에 하중을 전달하기 위한 접합부가 형성된다. 이러한 접합부는 앵커볼트(Anchor bolt)와 앵커링(Anchor ring) 형식으로 나눌 수 있다.

이러한 강재 타워는 풍력터빈 제작사에서 일괄 제작하여 시공하며, 자중이 작아 지진에 유리하지만, 강성이 작아 좌굴에 불리하다. 또한, 이러한 강재 타워는 열악한 해상 환경에서 내구성이 불리하며, 내부 거셋 연결부로 인해 피로에 취약하고, 현장연결부 재도장 및 용접 검사가 필요하다는 문제점이 있다.

즉, 모노파일 기초 및 강재 타워를 구비한 해상풍력 구조물은, 피로에 취약하고 내구성이 떨어지는 강재 타워를 적용하기 때문에, 예를 들면, 20년의 내구 수명을 가짐으로써 생애주기비용 측면에서 경제성이 떨어진다는 문제점이 있다. 또한, 경량의 강재 조립식 구조물 구조를 적용할 경우, 대규모 제작장이 필요하고, 다양한 지반 조건을 반영하기 어려운 설치형 기초를 적용하고 있다는 문제점이 있다.

따라서, 영구적으로 제공되는 바람에 의한 에너지를 장기적으로 이용하는 장수명화 기술이 필요하여, 고내구성 재료인 고강도 콘크리트를 적용한 타워에 대한 연구가 수행되고 있다.

그러나 콘크리트를 해상 풍력 타워에 적용하기 위해서는 타워 제작방법, 가설방법, 부재 연결부 처리 문제 등 해상에서 신속한 시공을 위한 몇 가지 과제에 대한 연구가 수행되어야 한다. 이러한 문제를 해결하여 열악한 해상환경에서의 타워 제작 및 급속 시공 방안에 대한 기술을 확보하는 것이 국제 경쟁력 확보를 위해서도 반드시 필요한 부분이라고 할 수 있을 것이다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 발명은 풍력 구조물을 해상에 시공할 때, 육상에서 일체형의 수직 제작 방식으로 제조된 타워를 해상으로 운반하여 가설함으로써, 해상 작업을 최소화하고 가설 공정이 단순화되어 시공 편의성이 개선된 해상풍력 구조물의 시공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 풍력 발전을 위해 나셀부 및 블레이드가 설치되는 해상풍력 구조물의 시공 방법에 있어서, (a) 제작장에서 수직형 타워가 제작되는 단계; (b) 운반용 바지가 상기 제작장에 인접하게 접안되는 단계; (c) 상기 수직형 타워의 일 측에 상기 수직형 타워의 회전점 역할을 수행하는 회전제어 장치가 설치되는 단계; (d) 상기 해상 크레인과 상기 수직형 타워의 상부가 강선(strand)으로 연결되는 단계; (e) 상기 해상 크레인이 상기 제작장으로부터 멀어지는 방향으로 이동하면서 상기 타워가 상기 운반용 바지에 선적되는 단계; (f) 상기 타워가 선적된 상기 운반용 바지가 해상에 설치된 기초 연결부의 일 측으로 이송되는 단계; (g) 상기 기초 연결부와 상기 타워가 상기 회전제어 장치에 의해 연결되는 단계; (h) 상기 해상 크레인과 상기 수직형 타워의 상부가 강선(strand)으로 연결되는 단계; (i) 상기 해상 크레인이 상기 기초 연결부로부터 멀어지는 방향으로 이동하면서 상기 타워가 상기 기초 연결부 상에 거치되는 단계;를 포함하는 해상풍력 구조물의 시공 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 회전제어 장치는 경첩 형태로 형성되어, 상기 수직형 타워의 임시 회전점 역할을 수행할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (d) 단계에 있어서, 상기 운반용 바지의 일 측에는 해상 크레인이 배치되고, 상기 (h) 단계에 있어서, 상기 기초 연결부의 일 측에는 해상 크레인이 배치될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (f) 단계와 상기 (g) 단계 사이에, 상기 운반용 바지에 설치된 인상 타워(Lifting Tower)(311) 및 인상 빔(Lifting Beam)을 사용하여 상기 타워를 상기 기초 연결부의 상단까지 인상하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (i) 단계 이후, 상기 기초 연결부와 상기 타워를 강봉에 의해 연결하고, 상기 기초 연결부 상에 거치된 타워를 강연선으로 긴장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 (e) 단계 이후 및 상기 (i) 단계 이후, 상기 타워로부터 상기 회전제어 장치를 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의해서, 기존 강재 타워와 달리 고내구성 재료인 고강도 콘크리트 타워로 변경하여 타워를 장수명화하고, 강재 타워의 장점인 Prefabricated Structure를 활용하여 시공 편의성을 개선함으로써, 보다 경제적이고 편리한 타워 제작이 가능해지는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강관말뚝과 조립식(Pre-fab) 구조물을 구비한 해상풍력 구조물의 측면도이다.
도 2는 도 1의 해상풍력 구조물의 정면도이다.
도 3a 내지 도 3f는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물의 시공 방법을 순차적으로 나타내는 도면들이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 시공 방법에 사용되는 회전제어 부재를 나타내는 정면도 및 평면도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예의 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 해상풍력 구조물은 해상이라는 열악한 작업 조건에서 현장에서의 작업을 최소로 할 필요가 있으며, 동시에 해양 부식에 강한 재료를 사용하여 시공되어야 한다. 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물은 고내구성 재료를 사용한 조립식 구조물(Prefabricated Structure)을 적용한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 강관말뚝과 조립식구조물을 구비한 해상풍력 구조물은 조립식(Pre-fab) 구조의 고강도 콘크리트 + 조립식 파일캡(Pilecab) 구조의 강관말뚝 기초로 이루어지며, 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강관말뚝과 조립식(Pre-fab) 구조물을 구비한 해상풍력 구조물의 측면도이고, 도 2는 도 1의 해상풍력 구조물의 정면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물은, 풍력 발전을 위해 나셀부 및 블레이드가 설치되는 해상풍력 구조물로서, 타워(Tower: 110), 타워 프리캐스트 세그먼트(110a~110d), 나셀부(Nacelle: 120), 블레이드(Blade: 130), 강관말뚝(140), 기초 연결부(Transition Piece: 150), 접안 및 점검시설(160), 가이드 프레임(Guide Frame: 170) 및 강관말뚝 연결장치(180)를 포함한다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물로 구현되는 풍력터빈 시스템은 5MW급에 적용될 수 있다.

타워(110)는 고강도, 예를 들면, 70MPa의 강도를 갖는 콘크리트 타워로서, 제작장에서 다수 개의 프리캐스트 세그먼트(110a~110d)를 일체로 연결하여 제작하는 방식으로 프리캐스트 제작되어 운반된다. 이때, 상기 타워(110)는 그 내부에 설치되는 케이블, 계단 또는 엘리베이터 등을 포함할 수 있다. 예를 들면, 타워(110)의 전체 높이는 81.5m일 수 있고, 프리캐스트 세그먼트(110a~110d)의 높이는 20m일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 이때, 타워(110)는 강재가 아닌 고강도 콘크리트 타워로서, 상기 콘크리트의 두께는 350㎜ 또는 그 이하 것인 바람직하다.

나셀부(120)는 타워(110)의 상부에 설치되는데, 타워(110) 및 기초의 재활용이 가능하도록 볼트 등을 이용하여 타워(110)와 체결되며, 나셀부(120)의 교체가 필요할 때, 용이하게 해체될 수 있다. 이때, 나셀부(120)에는 피치 시스템, 허브(Hub), 메인 축(Main Shaft), 기어 박스(Gear Box), 고속 축(High Speed Shaft), 발전기 및 요(Yaw) 시스템 등이 구비될 수 있다.

블레이드(130)는 풍력에 대응하여 회전하며, 로터 허브를 통해 나셀부(120)와 연결된다. 예를 들면, 블레이드(130)의 회전 반경은 63m일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.

강관말뚝(140)은 삼각지지 경사형 강관말뚝으로서, 지반인 지지층에 고정되는 기초이다. 이때, 강관말뚝(140)은 현장에서 작업이 수행되어 해저 지지층에 고정될 수 있다.

기초 연결부(150)는 그 하부는 강관말뚝(140)에 연결되고, 그 상부는 타워(110)와 연결된다. 기초 연결부(150)는 고강도 콘크리트로 프리캐스트 제작되며, 예를 들면, 수면(420) 위 15m에 설치될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 예를 들면, 기초 연결부(150)의 높이는 5m일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 또한, 기초 연결부(150)는 사전 측량된 데이터에 따라 제작되며, 기초 연결부(150) 하부 및 강관말뚝(140)은 용접 연결되고, 기초 연결부(150) 상부 및 타워(110)는 강봉 및 강연선을 사용하여 연결된다.

이때, 타워(110)는 제1 내지 제4 세그먼트(110a, 110d)가 일체로 형성된 형태이고, 기초 연결부(150)는 제5 세그먼트일 수 있다.

접안 및 점검시설(160)은 강관말뚝(140) 및 기초 연결부(150)의 측면에 설치된다.

가이드 프레임(170)은 강관말뚝(140)을 지반인 지지층(410)에 고정하기 위한 가이드 역할을 하도록 강관말뚝(140)을 항타 시공하기 전에 설치된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물은, 프리캐스트 콘크리트 타워(110)를 구비하며, 타워(110)의 콘크리트 두께가 350㎜이므로 그 강성이 커서 좌굴에 유리하다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물은 내구성 및 피로저항성이 우수한 콘크리트 타워(110)를 구비하며, 70MPa의 최대 강도를 적용할 수 있다.

또한, 염해에 유리하며 내구성이 우수하고 피로 저항성이 우수하다. 이러한 프리캐스트 콘크리트 타워(110)는 후술하는 바와 같이, 에폭시 시공 및 강봉의 연결이 필요할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물의 경우, 피로 저항성이 우수하고, 100년의 내구수명을 갖는 콘크리트 타워를 적용함으로써, 나셀(Nacelle)을 용이하게 교체하여 재활용(Recycling)할 수 있고, 이에 따라 시공비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물의 경우, 고강도 콘크리트의 조립식 구조물 구조를 적용함으로써 시공 기간을 단축시키고, 현장 작업을 최소화할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물의 시공 방법을 설명한다. 도 3a 내지 도 3f는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물의 시공 방법을 순차적으로 나타내는 도면들이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 강관말뚝 기초와 조립식 구조물을 사용한 해상풍력 구조물의 시공 방법은, 운반용 바지(310) 및 해상 크레인(320) 등을 이용하여 해상풍력 구조물을 시공하게 된다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물의 시공 방법은 교각이나 주탑을 시공하는 것처럼 타워를 세워서 제작하고 현장으로 운반하여 소형 해상 크레인을 사용하여 가설하는 것을 일 특징으로 한다.

이 방식은 타워(110)를 기울여서 운반용 바지(310)에 선적해야 하기 때문에, 운반용 바지(310)의 접안 위치와 가까운 곳에서 타워(110)가 제작된다. 그리고, 타워(110) 하단에는 힌지 역할을 할 수 있는 회전제어 장치(400)를 부착하여 타워 선적과 가설시에 원활한 작업이 가능하도록 한다.

본 가설 방법은 운반용 바지(310) 위에서 타워(110)를 수평으로 인상(Lifting)하여 타워 기초 상단부와 연결하고, 타워(110)를 서서히 세워서 가설하는 방식이므로, 운반용 바지(310) 위에는 타워(110)를 인상할 수 있는 장치가 필요하다. 따라서, 타워 인상작업을 위해 인상 타워(Lifting Tower)(311)와 인상 빔(Lifting Beam)(미도시)을 운반용 바지(310)에 설치해야 한다.

타워(110)의 운반용 바지(310)에의 선적은 다음과 같은 순서에 따라 진행된다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 운반용 바지(310)를 접안한다. 즉, 타워(100) 선적을 위해 운반용 바지(310)를 선착장에 접안시킨다. 그리고 운반용 바지(310)가 접안되면, 타워 선적시 운반용 바지(310)의 위치를 고정시키기 위해 와이어(Wire)를 사용하여 운반용 바지(310)를 지반면에 고정시킨다.

다음으로, 운반용 바지(310)에 타워(110)를 선적한다. 즉, 운반용 바지(310)의 접안이 완료되면 타워(110) 하단에 회전제어 장치(400)를 부착하고, 타워 상단은 해상 크레인(320)과 강선(Strand)으로 연결한다.

이때, 회전제어 장치(400)는 타워 선적 또는 가설시 타워 하단부에서 타워 회전점을 고정시켜 주는 장치로, 타워 단면 일부에 콘크리트 브라켓을 설치하고, 여기에 강판을 부착한 후 타워 회전 중심점 역할을 하는 핀을 삽입하기 위한 러그를 정착시킨 구조이다. 여기서, 콘크리트 브라켓은 후 타설을 적용하고, 콘크리트 브라켓과 강판은 강봉을 사용하여 부착시킨다. 이에 대해서는 도 4에서 상세히 설명하도록 한다.

이와 같이 타워(110)와 해상 크레인(320)과의 연결 작업이 끝나면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 해상 크레인(320)을 뒤로 이동시키면서, 타워(110)를 서서히 기울여 운반용 바지(310) 위로 선적한다. 도 3c에 도시된 바와 같이 선적이 완료되면, 회전제어 장치(400)의 핀과 강선(Strand)을 분리하고, 운반 중 타워(110)의 이동을 막기 위해 와이어(Wire)를 사용하여 타워(110)를 운반용 바지(310)에 고정시킨다.

한편, 운반용 바지(310)에 선적한 타워(110)의 시공은 다음과 같은 순서에 따라 진행된다.

먼저, 도 3d에 도시된 바와 같이, 타워(110)를 인상(lifting) 시킨다. 즉, 운반용 바지(310)가 가설 현장에 도착하면, 타워 인상(Lifting) 작업시의 안전을 위해 운반용 바지(310)와 지반면을 와이어(Wire)로 고정시켜, 타워 인상(Lifting) 중 운반용 바지(310)의 움직임을 최소화한다. 이 상태에서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 인상 타워(Lifting Tower)(311)와 인상 빔(Lifting Beam)(미도시)을 사용하여 타워(110)를 기초 연결부(150)의 상단까지 인상하고 레벨링 조정을 한다. 그리고, 레벨링 조정이 끝나면, 타워(110)의 하단부와 기초 연결부(150)의 상단부에 회전제어 장치(400)를 연결하고, 타워(100)의 상단부와 해상 크레인(320)을 강선(strand)으로 연결한다.

다음으로, 타워(110)를 가설한다.

즉, 강선(strand) 연결 작업이 완료되면, 도 3e에 도시된 바와 같이, 해상 크레인(320)을 이용하여 타워(110)를 서서히 세우는 방법으로 타워(110)를 기초 연결부(150)위에 거치한다.

마지막으로, 도 3f에 도시된 바와 같이, 타워(110)의 거치 작업이 완료되면, 타워(110)의 하단 연결부에 강봉을 신속히 설치 및 긴장하여 가설 중 안전성을 확보하고, 타워(110)의 하단부의 회전제어 장치(400)는 분리한다. 그리고, 타워(110)와 기초 연결부(150)는 강연선을 사용하여 일체화될 수 있다. 이와 같이, 타워(110)의 시공이 완료된 후, 나셀 및 블레이드를 시공함으로써, 해상풍력 구조물이 완성된다.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물의 시공 방법에 사용되는 회전제어 장치(400)에 대해서 상세히 설명하도록 한다. 도 4a 및 도 4b는 도 3의 시공 방법에 사용되는 회전제어 부재를 나타내는 정면도 및 평면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 해상풍력 구조물의 시공 방법은 타워(110)를 기울여서 선적과 가설을 하는 방식이다. 이 방법을 적용하기 위해서는 타워(110)의 하단부에 선적과 가설을 위한 임시 회전점이 필요하다. 그리고 정확한 선적과 가설을 위해서는 회전점의 이동이 있어서는 안 되는데, 이를 위해서 타워(110)의 하단부에 콘크리트로 브라켓을 설치하고 회전제어 장치(400)를 설치하는 것이다.

회전제어 장치(400)를 부착하기 위해, 타워(110) 단면 한쪽으로 폭 2m의 콘크리트 브라켓(410)을 후 타설로 설치하고, 콘크리트 브라켓(410) 표면에는 강봉(420)으로 부착되는 강판을 설치하며, 강판에 회전 중심점 역할을 하는 핀(pin)(440)을 삽입하기 위한 강재 러그(430)를 정착시킨 구조로 회전제어 장치(400)를 형성한다. 이와 같은 회전제어 장치(400)는 타워(110)와 기초 연결부(150)를 연결하여 일종의 경첩 역할을 수행한다. 따라서 타워(110)의 선적 및 가설 직전에 회전제어 장치(400)에 핀(440)을 삽입하고, 선적 및 가설 작업 후에는 이를 해체하는 작업이 필요하다. 또한 본 발명은 회전제어 장치(400)에 핀(440) 삽입 작업을 위해 운반용 바지(310)에 설치된 인상 빔(Lifting Beam)(미도시)과 선착장, 기초 연결부(150)의 상단 힌지부와의 정확한 레벨링 작업을 필요로 한다.

본 발명은 해상풍력 시스템 중에서 타워 제작 및 시공 기술에 중점을 두고 있으며, 기존 강재 타워와 달리 고내구성 재료인 고강도 콘크리트 타워로 변경하여 장수명화하고, 강재 타워의 장점인 기제작 구조물(Prefabricated Structure)을 적용할 수 있으며, 시공 편의성을 개선하는 것이므로 보다 경제적이고 편리한 타워 제작 및 시공 기술을 확보할 수 있다.

이는 해상풍력뿐만 아니라 육상풍력에서도 경제성 및 경쟁력을 갖춘 중요한 기술이 될 것으로 기대되며, 본 발명에 적용된 기술을 바탕으로 국제적인 경쟁력을 갖추어 해외시장에서의 경쟁력을 확보하여 터빈과 더불어 경제성을 갖추어 수출에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

110: 타워(Tower)
110a~110d: 타워 프리캐스트 세그먼트
120: 나셀부(Nacelle)
130: 블레이드(Blade)
140: 강관말뚝(아래말뚝)
150: 기초 연결부(Transition Piece)
160: 접안 및 점검시설
170: 가이드 프레임(Guide Frame)
180: 강관말뚝 연결장치
310: 운반용 바지
320: 해상 크레인

Claims

풍력 발전을 위해 나셀부 및 블레이드가 설치되는 해상풍력 구조물의 시공 방법에 있어서,
(a) 제작장에서 수직형 타워가 제작되는 단계;
(b) 운반용 바지가 상기 제작장에 인접하게 접안되는 단계;
(c) 상기 수직형 타워의 일 측에 상기 수직형 타워의 회전점 역할을 수행하는 회전제어 장치가 설치되는 단계;
(d) 상기 해상 크레인과 상기 수직형 타워의 상부가 강선(strand)으로 연결되는 단계;
(e) 상기 해상 크레인이 상기 제작장으로부터 멀어지는 방향으로 이동하면서 상기 타워를 기울여 상기 타워가 상기 운반용 바지에 선적되는 단계;
(f) 상기 타워가 선적된 상기 운반용 바지가 해상에 설치된 기초 연결부의 일 측으로 이송되는 단계;
(g) 상기 기초 연결부와 상기 타워가 상기 회전제어 장치에 의해 연결되는 단계;
(h) 상기 해상 크레인과 상기 수직형 타워의 상부가 강선(strand)으로 연결되는 단계;
(i) 상기 해상 크레인이 상기 기초 연결부로부터 멀어지는 방향으로 이동하면서 상기 타워를 세워서 상기 타워가 상기 기초 연결부 상에 거치되는 단계;를 포함하는 해상풍력 구조물의 시공 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 회전제어 장치는 경첩 형태로 형성되어, 상기 수직형 타워의 임시 회전점 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 해상풍력 구조물의 시공 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (d) 단계에 있어서,
상기 운반용 바지의 일 측에는 해상 크레인이 배치되고,
상기 (h) 단계에 있어서,
상기 기초 연결부의 일 측에는 해상 크레인이 배치되는 것을 특징으로 하는 해상풍력 구조물의 시공 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (f) 단계와 상기 (g) 단계 사이에,
상기 운반용 바지에 설치된 인상 타워(Lifting Tower)(311) 및 인상 빔(Lifting Beam)을 사용하여 상기 타워를 상기 기초 연결부의 상단까지 인상하는 단계를 더 포함하는 해상풍력 구조물의 시공 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (i) 단계 이후,
상기 기초 연결부와 상기 타워를 강봉에 의해 연결하고, 상기 기초 연결부 상에 거치된 타워를 강연선으로 긴장시키는 단계를 더 포함하는 해상풍력 구조물의 시공 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (e) 단계 이후 및 상기 (i) 단계 이후,
상기 타워로부터 상기 회전제어 장치를 분리하는 단계를 더 포함하는 해상풍력 구조물의 시공 방법.