KR20150031795A - 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치 - Google Patents

부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부유식 해상 풍력발전장치의 수직형 부유체 구조물의 외주면 일측에 복수의 배플을 설치하여 수직형 부유체 구조물의 일측에서 발생하는 유동의 난류를 증가시키며 코안다 효과를 발생함으로써 유동 박리로 인해 발생되는 와류로 인한 진동 및 반복된 피로하중을 감소할 수 있는 부유식 해상 풍력발전장치에 관한 것이다. 본 발명의 일례와 관련된 무유식 해상풀력발전기용 하부지지대는 해상풍력발전기, 해상풍력발전기를 지지하는 하부 지지대는 해수면에 잠기는 일측에 소정 간격만큼 이격 설치되어 풍력발전기를 해수면에서 이격시키고 발전기와 타워를 지지할 뿐만 아니라 풍력발전기에서 발생되는 하중을 흡수하는 역할을 하는 수직지지대, 상기 수직 지지대의 하단면 일측에 구비되어 풍력발전기 및 수직지지대를 해상에 부유하도록 부력을 제공하는 수직형 부유체 구조물, 수직형 부유체 구조물의 외주면 일측에 구비되어 코안다 효과를 발생하는 배플과 수직형 부유체 구조물의 일측과 해저면을 사선으로 연결하여 수직형 부유체 구조물의 위치를 고정하는 복수의 부유지지선을 포함할 수 있다.

Description

부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치{VIBRATION STABILIZING DEVICE FOR LOWER STRUCTURE OF FLOATING SEA-WIND GENERATOR}
본 발명은 부유식 해상 풍력발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부유식 해상 풍력발전장치의 수직형 부유체 구조물의 외주면 일측에 복수의 배플을 설치하여 수직형 부유체 구조물의 일측에서 발생하는 유동의 난류를 증가시키며 코안다 효과를 발생함으로써 유동 박리로 인해 발생되는 와류로 인한 진동 및 반복된 피로하중을 감소할 수 있는 부유식 해상 풍력발전장치에 관한 것이다.
바람은 지역간의 기압차로 인하여 발생하며, 자연에너지인 바람을 이용한 풍력발전은 무공해 대체 에너지로 각광받고 있다. 이러한 풍력발전은 바람의 빈도, 풍속의 균일성, 풍향과 난류, 발전설비의 이격거리에 따른 면적 등의 필요요건으로 인한 육상에서의 한계와 더불어 소음 및 주변의 자연경관훼손 등의 문제점으로 인하여 해상에서의 이용에 대한 연구가 점차 활발히 이루어지고 있다.
해상에서의 바람자원은 육상에 비해 지형적인 영향이 없기 때문에 바람 자원이 우수하고 변화가 적으며 대단위 해상풍력발전단지 개발에 필요한 입지 확보 및 민원 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 아직까지는 해상풍력발전기를 지지하는 하부구조물의 안정성 및 경제성 확보 문제로 인하여 육상풍력발전과 비교하여 개발이 어렵고 지연되는 문제점이 존재한다.
해상 풍력발전을 위한 하부구조물 방식은 크게‘자중방식(GBS: Gravity Based Structure)’, ‘파일방식(Pile)’및‘부유방식(Floating)’으로 구분할 수 있다.
해상풍력단지 건설 초기에는 콘크리트 자중방식을 사용하였지만, 철제 파일방식(Pile)이 선호되고 있다.
일반적으로 풍력발전의 경우, 경제성을 확보하기 위해서는 우수한 바람 자원과 대단위 단지 건설이 가능한 부지 확보가 매우 중요한 변수라고 할 수 있다.
특히, 해상풍력의 경우에는 큰 용량의 발전기를 적용하여 대단위로 단지를 개발하는 것이 경제성 측면에서 유리한데 이를 위해서는 육상에서 부터 멀리 이격될 수밖에 없으며 이로 인하여 수심도 깊어지는 문제가 발생되기 때문에 기존의 구조물 방식으로는 경제성 확보에 많은 어려움이 발생하게 된다.
이에 대한 대안으로 부유식 풍력발전시스템은 고정식과는 다르게 바다위에 기체 자체가 떠서 전/후, 좌/우로 움직일 수 있는 방식으로 수심이 깊은 연안 해역을 갖고 있는 지역에 적용이 가능하기 때문에 미래의 해상풍차를 위한 기초 구조물 방식이라고 할 수 있다.
한편, 해상 풍력발전을 위한 구조는 해저지반 기초의 토대 위에 풍력발전기의 지지대를 고정하는 고정식풍력발전방법과, 해상의 부유구조물 위에 풍력발전기의 지지대를 고정하는 부유식 풍력발전이 있으며, 대표적인 고정식풍력발전방법의 예로서 미국등록특허 제07456515호(2008.11.25)에서는 기존의 발전장치 구성품들을 해저면에 고정되는 고정식지지대 위에 설치한 연근해 고정식 해상풍력발전기를 제시하고 있다. 이러한 고정식 해상풍력발전기는 육상 풍력발전에 비해 효율적이나, 경제성의 문제와 해상토목기술의 한계에 따라 설치할 수 있는 입지가 수심이 50m 이내인 근해에 국한되는 문제점이 있다. 이러한 문제점으로 인해, 일정한 방향으로 바람이 강하게 부는 해상에서의 풍력발전을 위한 부유식 풍력발전방식이 제안된다.
하지만, 종래의 부유식 풍력발전장치들은 강한 바람 및 파랑에 의한 진동, 와류로 인한 진동 및 반복되는 피로하중에 의해 풍력발전기의 효율 및 안정성을 저해할 뿐만 아니라 내구성 측면에서도 많은 문제점이 발생될 수 있으므로, 이에 대한 해결방안이 요구되는 실정이다.
KR2012-0011742 10
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 수직형 부유식 해상 풍력발전장치의 수직형 부유체 구조물의 외주면 일측에 복수의 배플을 설치하여 수직형 부유체 구조물의 일측에서 발생하는 유동 박리에 의한 와류를 최소화 하도록 코안다 효과를 활용하여 와류로 인한 진동 및 반복된 피로하중을 감소할 수 있는 부유식 해상풍력발전기의 하부지지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 해상풍력발전기; 해상풍력발전기를 지지하는 하부 지지대는 해수면에 잠기는 일측에 소정 간격만큼 이격 설치되어 풍력발전기를 해수면에서 이격시키고 발전기와 타워를 지지할 뿐만 아니라 풍력발전기에서 발생되는 하중을 흡수하는 역할을 하는 수직지지대; 상기 수직 지지대의 하단면 일측에 구비되어 풍력발전기 및 수직지지대를 해상에 부유하도록 부력을 제공하는 수직형 부유체 구조물; 수직형 부유체 구조물의 외주면 일측에 구비되어 코안다 효과를 발생하는 배플; 및 수직형 부유체 구조물의 일측과 해저면을 사선으로 연결하여 수직형 부유체 구조물의 위치를 고정하는 복수의 부유지지선;을 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전장치에 의해 달성될 수 있다.
이때, 수직형 부유체 구조물은 직경이 5m 내지 10m이고, 길이가 60m 내지 80m이다.
또한, 배플은, 횡단면이 'ㄱ'자 형상으로 절곡 또는 '('자 형상으로 만곡된 평판부재; 및 평판부재를 수직형 부유체 구조물로부터 이격시키는 고정리브;를 포함한다.
또한, 평판부재는 내각이 90°내지 120°가 되도록 절곡 또는 만곡된다.
또한, 평판부재의 길이는 5m 내지 15m이다.
또한, 고정리브의 길이는 30cm 내지 100cm이다.
또한, 배플은 수직형 부유체 구조물의 외주면의 수평방향을 따라 등간격으로 복수 구비된다.
또한, 복수의 배플은 수직형 부유체 구조물의 외주면의 수직방향을 따라 복수 구비된다.
또한, 복수의 배플은 수직형 부유체 구조물의 외주면의 수직방향을 따라 서로 어긋나도록 상호 인접한 배플이 서로 다른 높이에 구비된다.
또한, 배플의 재질은 강재, 알루미늄 또는 콘크리트이다.
또한, 수직형 부유체 구조물의 외주면에는 난류효과를 촉진하여 코안다 효과를 향상시키기 위한 돌기부가 복수 돌출형성된다.
또한, 수직형 부유체 구조물의 하부 일측에는 무게추가 더 구비된다.
본 발명에 따르면 배플을 통해 부유식 해상 풍력발전장치의 주변에서 발생하는 유동의 흐름을 원활히 유도함으로써 유동의 흐름을 와류에서 난류로 변경하며 코안다 효과를 발생시키는 효과가 있다.
이로 인해, 와류로 인한 진동 및 반복된 피로 현상을 감소할 수 있고, 바람 등으로 인해 외부에서 발생하는 다른 공진현상의 발생을 방지하여 부유식 해상 풍력발전장치를 안정화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 수직형 부유체 구조물의 외주면에 복수 형성된 돌기부를 통해 난류발생을 촉진하여 코안다효과를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전술한 효과들을 통해 부유식 해상 풍력발전장치의 안정성이 증가됨으로써 내구성이 증가하고, 외부 도장면을 보호할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전장치의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전장치가 해상에 설치된 상태를 나타내는 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 수직형 부유체 구조물의 사시도,
도 4는 도 3의 A-A 단면도,
도 5는 본 발명의 변형예에 따른 수직형 부유체 구조물의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전장치가 해상에 설치된 상태를 나타내는 측면도이다. 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전장치(10)는 대략 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 풍력발전기(100), 수직지지대(200), 수직형 부유체 구조물(300), 배플(Baffle)(400) 및 부유지지선(500)으로 구성된다.
풍력발전기(100)는 풍력터빈(110) 및 바람에 의해 회전하는 로터(120)를 포함한다. 이러한 풍력발전기(100)는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
수직지지대(200)는 풍력발전기(100)의 하부 일측, 바람직하게는 풍력터빈(110)의 하단부 일측에 구비되어 풍력발전기(100)가 높은 위치에서 많은 바람을 수용할 수 있도록 풍력발전기(100)를 해수면으로부터 소정간격 이격되도록 지지해주는 장치이다. 이러한 수직지지대(200)는 해상에 설치되는 부유식 해상 풍력발전장치(10)의 특성상 파도 및 강한 바람에 노출되기 때문에 이러한 외부 환경에 의해 쉽게 파손되지 않도록 금속재질의 기둥을 사용한다. 이러한 수직지지대(200) 역시 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 수직형 부유체 구조물의 사시도이다. 수직형 부유체 구조물(300)은 수직지지대(200)의 하단부에 구비되어 풍력발전기(100) 및 수직지지대(200)가 수심이 깊은 해상에 부유할 수 있도록 부력을 제공하는 장치이다. 이러한 수직형 부유체 구조물(300)은 직경이 5m 내지 10m로써, 수직지지대(200)가 안정적으로 지지가 될 수 있도록 수직지지대(200)의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 갖는 60m 내지 80m 길이의 원기둥으로 이루어지고, 수직지지대(200)의 중심과 동일한 중심을 갖도록 구비된다. 수직형 부유체 구조물(300)의 재질은 금속이되, 부력을 크게 할 수 있는 밀도가 작은 금속 금속으로 이루어진다. 이때, 수직형 부유체 구조물(300)은 염이 많은 바다에 설치되어 부식되기 쉽기 때문에 수직지지대(200)와의 틈이 없도록 일체로 형성될 수도 있다. 또한, 수직형 부유체 구조물(300)은 후술하는 배플(400)과 연동하여 해수의 흐름을 와류에서 난류로 변경하여 코안다(Coanda) 효과를 향상하기 위하여 복수의 돌기부(310)가 형성된다. 이러한 돌기부(310)는 삼각뿔 또는 원형뿔 형상으로 돌출형성되는 것이 좋다.
코안다 효과는 루마니아의 과학자 헨리 코안다(H. Coanda)에 의해 발견된 현상으로 천장이나 벽면의 근처에 분출된 기류가 유체의 점성에 의해 그 면을 따라 흐르는 현상을 의미한다. 일예로써, 수도꼭지에 물이 나오게 하고 흐르는 수돗물이 유리 막대 주위로 흐르도록 하면, 수돗물이 유리막대 주위로 흐르면서 유리막대가 수돗물 주위로 움직이는 현상이 유동 박리에 의한 와류열(Vortex Shedding) 현상이다. 이러한 현상은 좁은 틈새로 기류가 흘러가도록 하면 유동박리가 현격히 줄어들게 되며, 이와 같이, 유체의 유동이 곡면을 따라 흐르는 현상을 코안다 효과라 부르며, 이는 유체의 점성에 의한 것이다. 점성은 쉽게 말하면 끈적끈적한 성질을 나타내는 것으로서 틈새로부터의 분류(Jet)의 기하학적 형상과 물의 점성 때문에 수돗물이 유리막대의 표면을 따라서 흐르게 되는 것이다.
도 4는 도 3의 A-A 단면도이다. 배플(400)은 수직형 부유체 구조물(300)의 외주면에 복수 구비되어 수직형 부유체 구조물(300)의 주변으로 흐르는 해수의 흐름을 원활히 유도하여 코안다 효과를 발생하고, 해수의 유동 속도를 증진시켜 수직형 부유체 구조물(300)의 주변에서 발생하는 와류로 인한 진동 및 반복된 피로하중을 감소하고, 공진 효과를 감소시키는 장치이다. 이때, 배플(400)은 평판부재(410) 및 고정리브(420)로 이루어지고, 수직형 부유체 구조물(300) 측으로 향하는 모든 방향의 해수의 흐름을 제어하기 위하여 수직형 부유체 구조물(300)의 외주면의 수평방향으로 복수 구비된다. 바람직하게는 수직형 부유체 구조물(300)을 안정적으로 유지하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이, 3개의 배플(400)이 등간격으로 이루어진다. 도면에서는 3개의 배플(400)이 구비되도록 형성하였지만, 수직형 부유체 구조물(300)의 직경 또는 설치 환경 등을 고려하여 3개 내지 6개의 배플(400)을 등간격으로 설치할 수 있다.
또한, 배플(400)은 동일 수평면상에 등간격으로 구비될 뿐만 아니라 동일 수평면상에 등간격으로 구비된 배플(400)이 수직 방향으로도 복수 구비된다.
평판부재(410)는 길이가 5m 내지 15m로 세로로 길게 형성된 평판형상 부재로 이루어지고, 횡단면이 'ㄱ'자 형상으로 절곡되거나, '('자 형상으로 만곡되어 있다. 절곡 또는 만곡되는 각도는 약 90°내지 120°정도의 내각(θ)을 갖도록 절곡 또는 만곡된다.
고정리브(420)는 30cm 내지 100cm의 길이를 갖는 기둥형상부재로 평판부재(410)가 수직형 부유체 구조물(300)로부터 이격되도록 하여 평판부재(410)와 수직형 부유체 구조물(300) 사이로 해수가 흐르게 하여 와류로 흐르는 해수를 난류로 바꿔준다.
이러한 평판부재(410) 및 고정리브(420)의 재질은 강재, 알루미늄 또는 콘크리트로 이루어진다.
무게추(600)는 수직형 부유체 구조물(300)의 하단부에 구비되어 수직형 부유체 구조물(300)을 안정적으로 부유할 수 있도록 무게 중심을 낮추어 주는 장치이다. 일반적으로 어떠한 물체가 수면상에 부유하는 상태를 유지하기 위해서는 그 물체의 부력중심보다 그 무게중심이 아래에 위치하여야 한다. 만약, 부력중심이 무게중심보다 아래에 있으면 토크가 발생해 물체가 중심을 잡지 못한다. 수직형 부유체 구조물(300)이 부력을 제공하기 위하여 밀도가 낮은 금속을 사용하기 때문에 수직지지대(200)보다 상대적으로 무게가 가벼울 수 있기 때문에 무게 중심을 낮추어 주기 위하여 무게추(600)가 수직형 부유체 구조물(300)의 하단에 구비되는 것이다. 이때, 무게추(600)는 수직형 부유체 구조물(300)의 무게중심과 동일한 무게 중심을 갖도록 구비되어 편향된 무게중심으로 인해 토크가 발생하는 것을 방지한다.
부유지지선(500)은 부유식 해상 풍력발전장치(10)가 조류에 의해 임의로 지정된 위치를 이탈하여 흘러가는 것을 방지하기 위하여 수직형 부유체 구조물(300)의 외주면 일측, 바람직하게는 수직형 부유체 구조물(300)의 하단부 외주면 일측에 복수 구비되어 부유식 해상 풍력발전장치(10)의 위치를 고정하는 장치이다. 이러한 부유 지지선(500)의 종단부는 앵커 등의 고정장치(510) 등을 이용하여 해저면에 고정된다. 즉, 수직형 부유체 구조물(300)의 하단부 일측과 해저면을 사선으로 연결하여 수직형 부유체 구조물(300)을 고정함으로써 부유식 해상 풍력발전장치(10)의 위치를 고정하는 것이다.
(변형예)
도 5는 본 발명의 변형예에 따른 수직형 부유체 구조물의 사시도이다. 본 발명의 변형예에 따른 수직형 부유체 구조물(300)은 전체적으로 전술한 구성과 동일한 구성으로 이루어진다. 하지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 배플(400)이 수직방향을 따라 서로 어긋나도록 상호 인접한 배플(400)이 서로 다른 높이에 구비된다. 이와 같이, 수직방향으로 상호 인접한 배플(400)이 서로 다른 높이로 구비되어 수직형 부유체 구조물(300)의 높이에 해당하는 모든 흐름을 난류로 바꾸어 주고 유동 박리를 줄여서 공진 및 피로하중의 발생을 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 부유식 해상 풍력발전장치
100 : 풍력발전기
110 : 풍력터빈
120 : 로터
200 : 수직지지대
300 : 수직형 부유체 구조물
310 : 돌기부
400 : 배플
410 : 평판부재
420 : 고정리브
500 : 부유지지선
510 : 고정장치
600 : 무게추

Claims (12)

  1. 풍력발전기(100);
    상기 풍력발전기(100)의 하부 일측에 구비되어 상기 풍력발전기(100)를 해수면에서 이격되도록 지지하는 수직지지대(200);
    상기 수직지지대(200)의 하단면 일측에 구비되어 상기 풍력발전기(100) 및 수직지지대(200)를 해상에 부유하도록 부력을 제공하는 수직형 부유체 구조물(300);
    상기 수직형 부유체 구조물(300)의 외주면 일측에 소정간격만큼 이격설치되어 코안다 효과를 발생하는 배플(400); 및
    상기 수직형 부유체 구조물(300)의 일측과 해저면을 사선으로 연결하여 상기 수직형 부유체 구조물(300)의 위치를 고정하는 복수의 부유지지선(500);을 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수직형 부유체 구조물(300)은 직경이 5m 내지 10m이고, 길이가 60m 내지 80m인 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배플(400)은,
    횡단면이 'ㄱ'자 형상으로 절곡 또는 '('자 형상으로 만곡된 평판부재(410); 및
    상기 평판부재(410)를 상기 수직형 부유체 구조물(300)로부터 이격시키는 고정리브(420);를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 평판부재(410)는 내각(θ)이 90°내지 120°가 되도록 절곡 또는 만곡되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 평판부재(410)의 길이는 5m 내지 15m인 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 고정리브(420)의 길이는 30cm 내지 100cm인 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 배플(400)은 상기 수직형 부유체 구조물(300)의 외주면의 수평방향을 따라 등간격으로 복수 구비되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 복수의 배플(400)은 상기 수직형 부유체 구조물(300)의 외주면의 수직방향을 따라 복수 구비되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 복수의 배플(400)은 상기 수직형 부유체 구조물(300)의 외주면의 수직방향을 따라 서로 어긋나도록 상호 인접한 상기 배플(400)이 서로 다른 높이에 구비되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 배플(400)의 재질은 강재, 알루미늄 또는 콘크리트인 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 수직형 부유체 구조물(300)의 외주면에는 난류효과를 촉진하여 상기 코안다 효과를 향상시키기 위한 돌기부(310)가 복수 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 수직형 부유체 구조물(300)의 하부 일측에는 무게추(600)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전기 하부구조물의 진동 안정화 장치.
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