KR20150046509A - 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치 - Google Patents

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Abstract

해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치에 관한 것으로, 해상풍력발전기, 상기 해상풍력발전기를 지지하는 폰툰, 상기 폰툰으로 유입되는 해수에 의해 회전되는 프로펠러가 내장된 발전용 부유체를 마련하여 폰툰에 각각 발전용 부유체가 장착되므로 폰툰 및 발전용 부유체에 의해 부력이 증가되어 폰툰을 보다 안정된 자세로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 유입되는 해수에 의해 프로펠러가 회전되면서 폰툰을 요동시키는 해수에 저항을 가하여 폰툰의 요동을 감소시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치{Department Fluid Motion Reduction Device of Marine Wind Generator}
본 발명은 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해상풍력발전기를 부유하기 위한 부유체에 발전장치를 설치하여 해상풍력발전기의 자세를 보다 안정적으로 유지함은 물론 발전이 이루어지는 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치에 관한 것이다.
일반적으로 해양 부유 구조물은 해양에 떠 있는 상태로 계류될 수 있는 것으로, 계류된 상태에서 발전, 화석 연료의 채취, 생산, 정제, 저장 및/또는 하역 등의 다양한 종류의 일을 하는 것들이 있다.
해양 부유 구조물은 기능, 구조, 계류 방식 등에 따라 다양한 종류로 분류되고 있는데, 예를 들면, SEMI(Semi-submersible), TLP(Tensioned Leg Platform), SPAR, FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), FSRU 또는 시추용 리그(Rig) 등으로 칭해지는 많은 종류의 해양 부유 구조물이 있다.
해양 부유 구조물은 그 종류에 따라 한 방식의 계류 시스템을 이용한다.
예컨대, FPOS 타입의 해양 부유 구조물과 SPAR 타입의 해양 부유 구조물은 터트 계류(taut mooring) 또는 세미-터트 계류(semi-taut mooring) 방식을 취하며, TLP 타입의 해양 부유 구조물은 인장각(tensioned leg)들을 이용하는 TLP 계류 방식을 취한다.
TLP 계류 방식은 부력을 갖는 해양 부유 구조물을 해양에 계류시킴에 있어서, '텐덤'으로 칭해지는 수직의 계류줄들에 강한 인장력을 부여하여 이루어지는 것으로, 통상 터트 계류(taut mooring) 또는 세미-터트 계류(semitaut mooring)에 비해 거친 해양 조건에서도 해양 부유 구조물을 안정적으로 유지시켜줄 수 있다. 그러나 TLP 계류 방식은 텐덤에 가해지는 큰 장력으로 인하여 피로에 의한 파손의 위험이 존재하는 단점이 있다. 특히, 온화한 해양 조건에서는, 해상 부유 구조물을 단단하게 유지시키지 않아도 된다는 점에서, TLP 계류 방식의 효율이 떨어질 수 밖에 없다.
한편 도 1은 종래의 해상풍력발전기의 설치 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 석유 및 가스산업 및 해상풍력 하부구조물에는 부유체(floating platform)이 사용되고 있으며, 이러한 부유체는 하부구조물의 부력을 증강하기 위하여 폰툰(pontoon)이 사용된다.
하부구조물인 폰툰(1)에는 상면에 해상풍력발전기(2)가 고정되고, 폰툰(1)은 해저에 고정된 앵커(3)에 체인 또는 와이어 등의 계류삭(4)으로 고정되어 있다.
이러한 폰툰(1)은 해상풍력 발전기를 지지하기 위한 것으로, 파랑 등에 의해 상하 또는 수평 방향으로 요동이 발생하게 된다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 '해양 부유 구조물 및 이를 이용한 해상 부유식 풍력 발전장치'가 개시되어 있다.
하기 특허문헌 1에 따른 해양 부유 구조물 및 이를 이용한 해상 부유식 풍력 발전장치는 부력을 갖는 부유체, 상기 부유체가 해양에 계류하도록 상기 부유체의 저면에 일단이 결합되는 와이어와, 상기 와이어의 타단에 결합되어 해저면에 지지되는 앵커로 구성되는 계류수단을 적어도 하나 이상 포함하며, 상기 와이어의 길이 방향 소정 위치에는 탄성부가 형성된다.
하기 특허문헌 2에는 '부유식 해상 풍력 발전 구조물'이 개시되어 있다.
하기 특허문헌 2에 따른 부유식 해상 풍력 발전 구조물은 내부에 해수가 유입되는 탱크가 형성되어 있는 부유체, 상기 부유체의 하부에 탈착식으로 설치되어 있는 보조부유체, 와이어에 의해 상기 부유체 하부에 연결되어 있고, 해저에 고정되는 앵커, 서로 마주보는 삼각형 형상의 두 프레임, 상기 두 프레임을 연결하는 연결부재로 이루어진다.
상기 프레임은 상기 부유체 상부에 안착되어 있는 바닥부재, 하부연결부재에 의해 하부가 상기 바닥부재 양단에 각각 탈착 가능하도록 상부에 상부연결부재가 연결되어 있으며, 서로 마주 보는 방향을 향해 경사지게 설치되어 있는 하부기둥부재, 양측 하단이 상기 상부연결부재에 착탈 가능하도록 상측은 서로 마주 보는 방향을 향해 경사지게 형성되어 상단이 서로 일체로 연결된 상부기둥부재 상기 상부연결부재를 서로 연결하는 보강부재, 상기 연결부재는 두 프레임의 상부연결부재를 연결하도록 이루어진 타워를 구비한다.
상기 타워의 두 프레임 상부에 각각 설치되어 있는 발전기, 양측 단부가 발전기에 연결되어 있는 회전축, 상기 회전축을 기준으로 회전 가능하게 연결된 두 프레임 사이에서 회전하는 날개로 이루어진 회전장치가 구비된다.
대한민국 특허 공개번호 제10-2013-0046192호(2013년 5월 7일 공개) 대한민국 특허 등록번호 제10-1287519호(2013년 7월 12일 등록)
그러나 종래기술 1에 따른 해양 부유 구조물 및 이를 이용한 해상 부유식 풍력 발전장치는 부유체 및 무게추에 의해 풍력발전장치를 지지하고 있으나, 탄성체가 계류수단에 고정되어 있어 풍력발전장치의 운동이 발생하게 되고, 이로 인해 풍력발전장치의 상하 또는 수평 운동이 심해지게 되고, 풍력발전장치에 의해 제한적으로 발전되는 문제점이 있었다.
또한 종래기술 2에 따른 부유식 해상 풍력 발전 구조물은 볼록부와 오목부로 된 부유체 및 보조 부유체가 앵커에 고정된 와이어에 고정되어 안정적으로 고정될 수 있으나, 상부의 발전기에 의해 제한적으로 발전되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 해상풍력발전기를 보다 안정적으로 유지함은 물론 폰툰 내부로 유입되는 해수에 의해 발전장치가 구동되는 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 해상풍력발전기에 의한 발전과 함께 해수에 의한 프로펠러의 구동으로 발전이 이루어지는 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 폰툰 내부에 유입되는 해수에 저항을 부여하여 폰툰 및 해상풍력발전기가 보다 안정적인 자세를 유지하는 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치는 해상풍력발전기, 상기 해상풍력발전기를 지지하는 폰툰, 상기 폰툰으로 유입되는 해수에 의해 회전되는 프로펠러가 내장된 발전용 부유체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 폰툰은 다수개가 구비되고, 상기 발전용 부유체는 상기 다수의 폰툰 내부에 각각 일체로 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 프로펠러는 상기 발전용 부유체의 내부에 수평으로 설치되어 상기 폰툰 내부로 유입되는 해수에 의한 저항으로 회전되면서 상기 폰툰의 요동을 감소시키는 것을 특징으로 한다.
상기 발전용 부유체는 상기 폰툰의 양단에 각각 고정되는 것을 특징으로 한다.
상기 발전용 부유체에는 저면에 해수가 유입되도록 개방된 유입구가 형성되고, 상기 발전용 부유체에는 상기 프로펠러를 거친 해수가 배수되도록 개방된 배출구가 형성된 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저장치에 의하면, 폰툰에 각각 발전용 부유체가 장착되므로 폰툰 및 발전용 부유체에 의해 부력이 증가되어 폰툰을 보다 안정된 자세로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 유입되는 해수에 의해 프로펠러가 회전되면서 폰툰을 요동시키는 해수에 저항을 가하여 폰툰의 요동을 감소시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
본 발명에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치는 발전용 부유체 내부에 전기를 발생하는 프로펠러에 의해 폰툰에 가해지는 힘을 완화시켜 폰툰을 보다 안정된 자세를 유지할 수 있고, 프레펠러의 회전에 의해 해상풍력발전기와 함께 전기를 발생시켜 전기 생산효율을 높일 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 종래의 해상풍력발전기를 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치를 보인 구성도,
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치를 보인 구성도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치에 따른 프로펠러의 회전을 나타내는 모식도,
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치를 보인 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치는 해상풍력발전기(10), 상기 해상풍력발전기(10)를 지지하는 폰툰(20), 상기 폰툰(20)으로 유입되는 해수에 의해 회전되는 프로펠러가 내장된 발전용 부유체(30)를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 해상풍력발전기(10)는 일정 높이를 갖는 지주(11)에 나셀(미도시)이 고정되고, 나셀에 일정 길이를 갖는 날개(12)가 회전 가능하게 결합된다. 이러한 해상풍력발전기(10)는 통상의 것을 사용하므로, 이에 대한 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
한편 해상풍력발전기(10)는 그 저면에 폰툰(20)이 고정된다. 폰툰(20)은 해상풍력발전기(10)가 안정된 자세를 유지하도록 부력을 갖는 구조물이다. 이러한 폰툰(20)은 도 2에서와 같이, 다수개로 이루어져 있다. 도 2에서와 같이, 폰툰(20)은 3개로 이루어져 있고, 이들 폰툰(20)을 일체로 고정되어 있다.
또한 폰툰(20)에는 파랑 등에 의한 요동을 줄이기 위하여 무링(mooring), 장력 케이블(tension cable), 텐던(tendon) 등의 계류삭이 고정될 수 있다.
계류삭은 폰툰(20)의 요동을 줄여 해상풍력발전기(10)가 보다 안정된 자세를 유지하도록 하는 것이다.
아울러 폰툰(20)에는 발전용 부유체(30)가 마련된다. 도 2에서와 같이 발전용 부유체(30)는 일정 크기를 갖는 블록으로서, 폰툰(20)과 일체로 형성되어 있다. 이와 달리 발전용 부유체(30)는 별도로 구획된 공간을 갖는 구조로 이루어질 수 있으며, 폰툰(20)의 하부에 위치하게 된다.
발전용 부유체(30)의 내부에는 해수에 의해 회전이 이루어지는 프로펠러(31)가 장착된다. 이러한 프로펠러(31)는 발전기(미도시)와 연결되어 해상풍력발전기(10)와 같이 전기를 생산할 수 있다.
또한 발전용 부유체(30)에는 해수가 유입되도록 저면에 유입구(32)가 형성되며, 프로펠러(31)를 통과한 해수가 배출되는 배출구(33)가 프로펠러(31)의 상부 측면에 형성된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치를 보인 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치는 폰툰(20)의 상부에 해상풍력발전기(10)가 고정되고, 다수개로 이루어진 폰툰(20)이 마련된다.
도 3에서와 같이, 발전용 부유체(30)는 폰툰(20)의 양 측면에 고정된다. 즉, 도 2에 도시된 발전용 부유체(30)는 폰툰(20)의 저면에 고정되는 것이나, 도 3에서 도시된 발전용 부유체(30)는 다수개로 이루어진 폰툰(20)의 좌우측의 가장 외곽에 있는 폰툰(20)의 측면에 마련된다.
이러한 발전용 부유체(30)는 폰툰(20)의 가장 바깥쪽에 설치됨으로써, 폰툰(20)과 해수면과의 접촉 면적을 넓게 하여 보다 안정적인 자세를 유지할 수 있게 된다.
아울러 발전용 부유체(30)의 내부에는 유입되는 해수에 의해 회전되는 프로펠러(31)가 내장되고, 발전용 부유체(30)의 저면에는 해수가 유입되도록 개방된 유입구(32)가 형성되며, 발전용 부유체(30)의 측면 상부에는 프로펠러(31)를 회전시킨 해수가 배출되는 배출구(33)가 형성된다.
다음 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치의 결합관계를 상세하게 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치는 다수개로 이루어진 폰툰(20)의 내부를 발전용 부유체(30) 공간으로 구획한다. 즉, 발전용 부유체(30)는 폰툰(20)과 일체로 이루어진다.
이와 달리 폰툰(20)의 저면에 일정 크기를 갖는 발전용 부유체(30)를 고정할 수 있다. 이는 폰툰(20)의 높이를 줄이더라도 그 저면에 발전용 부유체(30)가 고정되므로, 폰툰(20) 및 발전용 부유체(30)에 의해 충분한 부력을 갖게 되어 해상풍력발전기(10)가 안정된 자세를 유지할 수 있다.
또한 발전용 부유체(30)는 다수개로 이루어진 폰툰(20) 각각에 장착한다. 이는 발전용 부유체(30)에 의해 파랑 등에 의한 요동을 저감시키기 위함이다. 즉, 하측에서 상측으로 이동하는 해수 또는 파랑 등에 의해 폰툰(20)의 요동이 발생하게 된다.
이러한 요동을 줄이기 위하여 발전용 부유체(30)에는 유입되는 해수에 의해 회전되는 프로펠러(31)를 장착한다. 이를 위해 프로펠러(31)는 발전용 부유체(30) 내부에 수평으로 장착된다. 즉, 프로펠러(31)는 발전용 부유체(30)의 저면에 형성되어 있는 유입구(32)를 통해 유입되는 해수의 흐름을 완화시키게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치는 다수개로 이루어진 폰툰(20)의 가장 외측에 있는 폰툰(20) 측면에 발전용 부유체(30)를 고정한다.
도 3에서와 같이, 발전용 부유체(30)는 좌측과 우측에 있는 폰툰(20)의 측면에 고정하고, 중간에 위치한 폰툰(20)에는 발전용 부유체(30)를 설치하지 않는다.
이와 같이 발전용 부유체(30)는 폰툰(20)의 가장 외측에 설치되어 해수면과의 접촉면적이 넓어지게 되어 폰툰(20) 및 발전용 부유체(30)에 의해 부력을 증강시킬 수 있다.
다음 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치의 작동방법을 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치는 전기를 생산하기 위하여 해수면에 설치되어 있다. 이와 같이 설치된 상태에서 폰툰(20)은 부력에 의해 해양풍력발전기(10)가 해수면 상에 노출된 상태로 설치되어 있으며, 해양풍력발전기(10)의 날개(12)가 회전되면서 발전기(미도시)를 구동하게 된다.
도 2에서와 같이, 폰툰(20)은 부력을 증강시키기 위하여 적어도 하나 이상으로 이루어져 있으며, 폰툰(20)의 저면에는 발전용 부유체(30)에 의해 보다 안정된 자세를 유지하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 발전용 부유체(30)에는 저면에 개방된 유입구(32)를 통해 해수가 유입되며, 유입된 해수에 의해 내부에 장착된 프로펠러(31)가 회전된다. 프로펠러(31)는 전기를 발생시키는 발전기(미도시)를 회전시켜 전기를 얻게 되며, 프로펠러(31)는 유입되는 해수의 힘을 완화시키게 된다.
즉, 파랑 등에 의해 유입구(32)로 유입된 해수는 프로펠러(31)를 회전시킴에 따라 해수가 갖고 있는 힘을 소진하게 되고, 프로펠러(31)를 회전시킨 해수는 발전용 부유체(30)의 측면 상부에 형성되어 있는 배출구(33)를 통해 다시 해수와 혼합된다.
이와 같이 힘이 소진된 해수는 폰툰(20)이 상승되도록 힘을 가하지 않고서 발전용 부유체(30)의 외측으로 배출된다. 이에 폰툰(20)은 상하 또는 수평으로 움직이는 요동이 줄어들게 된다.
즉, 프로펠러(31)는 해수에 대한 저항으로 작용하게 되고, 이에 따라 폰툰(20)의 상하 또는 수평 요동이 감소하게 된다.
또한 다수의 폰툰(20)에는 각각 발전용 부유체(30)가 장착되어 있으므로, 각각의 발전용 부유체(30)는 각기 다른 폰툰(20)에 해수가 작용하게 되더라도 해수의 저항을 줄이게 되어 폰툰(20)을 보다 안정적인 자세를 유지할 수 있게 된다.
본 발명은 폰툰에 발전용 부유체를 이용해서 유입되는 해수에 저항을 부여하게 되어 폰툰을 보다 안정적인 자세로 유지하게 되므로, 해상에 설치되는 해상풍력발전기뿐만 아니라 세미 리그 또는 FPSO 등의 해양구조물에도 적용 가능하다.
10: 해상풍력발전기
11: 지주
12: 날개
20: 폰툰
30: 발전용 부유체
31: 프로펠러
32: 유입구
33: 배출구

Claims (5)

  1. 해상풍력발전기,
    상기 해상풍력발전기를 지지하는 폰툰,
    상기 폰툰으로 유입되는 해수에 의해 회전되는 프로펠러가 내장된 발전용 부유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폰툰은 다수개가 구비되고,
    상기 발전용 부유체는 상기 다수의 폰툰 내부에 각각 일체로 마련되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로펠러는 상기 발전용 부유체의 내부에 수평으로 설치되어 상기 폰툰 내부로 유입되는 해수에 의한 저항으로 회전되면서 상기 폰툰의 요동을 감소시키는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 발전용 부유체는 상기 폰툰의 양단에 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치.
  5. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 발전용 부유체에는 저면에 해수가 유입되도록 개방된 유입구가 형성되고,
    상기 발전용 부유체에는 상기 프로펠러를 거친 해수가 배수되도록 개방된 배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전기의 부유체 운동저감장치.
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