KR20150106222A

KR20150106222A - 풍력발전기용 모노파일 제조방법

Info

Publication number: KR20150106222A
Application number: KR1020140028461A
Authority: KR
Inventors: 장영찬; 장용현
Original assignee: 장영찬
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-09-21

Abstract

본 발명은 기계적인 수단을 이용하여 자동화작업을 가능하게 함으로서 모노파일을 효율적이면서도 우수한 품질을 지속적으로 유지시키면서 짧은 시간과 적은 비용으로 대량으로 제조할 수 있도록 한 것으로서;
원통 형상으로 만들어진 캔을 처음에는 한 개와 한 개를 연결하고, 다음에는 두 개와 두 개를 연결하고, 다시 네 개와 네 개를 연결하는 형태로 이루어지며, 연결하기 위한 양측의 수가 동일하면서 순차적으로 배수로 연결하여 모노파일을 얻도록 하는 것이 특징이다.

Description

풍력발전기용 모노파일 제조방법{MONOPILE MANUFACTURING METHOD OF WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력발전기용 모노파일 제조방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 해상에 설치되는 풍력발전기의 발전모듈이 장착된 타워를 연결할 수 있도록 해저면에 고정되는 모노파일을 용이하게 제조할 수 있는 새로운 방법의 제공에 관한 것이다.

통상적으로 풍력발전기는 바람이 많은 산지나 해변가 또는 해상에 블레이드와 발전기로 구성되는 발전모듈을 기둥형태의 타워 상부에 설치하여 바람에 의하여 회전하는 블레이드의 힘으로 발전을 수행하도록 하는 것이다.

이러한 풍력발전기가 지상에 설치될 경우에는 지면에 마련되는 철근 콘크리트 재질의 기초위에 타워를 고정하고, 상기 타워의 상부에 발전모듈을 장착하여 구성할 수 있으나, 해상에 풍력발전기를 설치하고자 할 경우에는 해수면 아래에서부터 해저면의 기초까지 타워를 지지할 수 있는 모노파일을 설치하고, 상기 모노파일의 상부에 타워를 연결하여 씰링처리함으로써 이루어지도록 구성하게 된다.

상기와 같은 모노파일은 일반적으로 트랜지션피스(Transition Piece)를 통해 상부의 타워(Tower)와 연결하고 있는데, 해저의 표층부 아래에 모노파일의 하부를 삽입하여 시공하고, 상기 모노파일의 상부에 트랜지션피스를 설치한 후에 그 사이에 고강도 콘크리트인 그라우트(Grout)으로 채워 그라우팅 접합부를 형성하고 있다.

종래에도 관체 형상의 모노파일이 제조되어 풍력발전기에 사용되고 있는데, 이 모노파일의 크기는 해상의 파랑에 대한 내구성을 가지면서 발전모듈을 장착한 타워의 하중을 견딜 수 있도록 하기 위하여 풍력발전기의 용량에 따라 차이가 있을 수 있으나 대체적으로 두께가 50㎜ ∼ 150㎜에 이르고 그 직경은 5 ∼ 10m, 전체길이는 최소 20 ∼ 100m에 까지 이르는 대형의 것이다.

종래에는 이러한 모노파일을 제조하기 위하여 강판을 준비한 후 밴딩을 통하여 원통 형상으로 만들어 이음부를 용접하여 관체형상을 만들고, 이러한 관체형상을 길이방향으로 서로 맞대기한 후 용접을 통하여 목적하는 길이를 가지는 모노파일을 얻도록 하고 있다.

특허출원 제 10 - 2010 - 0062133 호 특허출원 제 10 - 2012 - 0052806 호

종래 기술에서는 모노파일을 만들기 위하여 강판을 밴딩하여 최대의 길이를 가지도록 원통형상으로 여로 개의 블럭화로 만들고, 상기와 같이 만들어진 원통형상의 블럭들을 롤링기의 상부에 안치시켜 서로 맞닿게 한 상태에서 회전시키면서 연접부위를 용접으로 연결하는 형태를 취하였다.

이와 같이 원형형상의 블록들을 결합시켜 목적하는 바의 길이를 가지는 모노파일을 만들 때에는 블록의 길이가 서로 다르기 때문에 롤링기에 안치하여 연접시킨 상태에서 연결할 때 길이가 다른 블록의 회전차이가 발생하는 것은 물론 중량 편차에 의하여 연접 위치가 항상 일정하게 맞대어진 상태를 유지하지 못하는 상황이 발생한다.

이러한 이유에 의하여 블록과 블록을 연결하는 단계에서 미세하게 벌어진 상태에서 용접이 완료되는 경우가 빈번하고 이를 시각적으로 확인 또는 계측하게 되더라도 오차범위 내에 있기 때문에 여러 개의 블록을 그대로 연결하여 모노파일을 완성하여 현장에 시공할 경우에는 모노파일이 기초에 대하여 수직을 유지하지 못하고 미세하게 틀어지거나 기울어진 형태가 된다.

상기와 같이 기초에 대하여 모노파일이 수직을 유지하지 못할 경우에는 해상의 파랑이나 수중파도 및 발전모듈을 장착한 타워의 하중이 기울어지거나 틀어진 방향으로 편중되는 현상이 발생하고, 이때 내구성이 취약하여져 하중과 외부의 충격이나 진동에 의하여 쉽게 손상되는 문제가 발생하게 된다.

또한 최대한 긴 길이를 가지도록 하나의 블록을 만들기 때문에 블록과 블록을 연결하는 원주방향의 용접은 여러 개의 블록을 연결할 때마다 동일할 수 있으나, 블록의 길이방향으로 용접을 수행할 때에는 기계적으로 용접을 수행한다 하여도 수십 미터에 이르는 길이를 정교하게 연속적으로 수행하는 것이 어렵기 때문에 중간에 용접중단이 발생할 수 있다.

이와 같이 긴 길이를 한번에 용접하여 마무리하지 못하고 중간 중간에 중단될 경우에는 용접부위와 용접부위 사이에 미세한 갭(Gap)이 발생할 수 있고, 완성된 모노파일이 해저에 설치되었을 때 이 갭을 통하여 해수가 침투하여 부식을 초래하여 내구성을 취약하게 하는 원인이 될 수 있다.

뿐만 아니라, 전체적으로 모노파일을 큰 블록화한 상태에서 완성하려는 노력이 있었기 때문에 밴딩하는 단계 또는 롤링을 통하여 용접하는 단계 등 그에 따르는 제조 시간이 과다하게 소요되어 풍력발전기의 전체 시공에 많은 애로를 발생시키고, 경제적으로도 많은 비용이 소요되는 등 여러 문제점이 발생하고 있는 실정이다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 원통 형상으로 만들어진 캔을 처음에는 한 개와 한 개를 연결하고, 다음에는 두 개와 두 개를 연결하고, 다시 네 개와 네 개를 연결하는 형태로 이루어지며, 연결하기 위한 양측의 수가 동일하면서 순차적으로 배수로 연결하여 모노파일을 얻도록 함으로서;

기계적인 수단을 이용하여 자동화작업을 가능하게 함으로서 모노파일을 효율적이면서도 우수한 품질을 지속적으로 유지시키면서 짧은 시간과 적은 비용으로 대량으로 제조할 수 있는 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 목적하고자 하는 길이의 모노파일을 등분하여 캔으로 구성한 후 그 캔을 배수형태로 연결하여 자동화가 가능하면서도 제조에 소요되는 시간과 비용을 대폭 줄일 수 있고, 제조된 모노파일의 품질과 내구성을 담보할 수 있도록 함으로서 결국에는 풍력발전기의 안정을 확보하면서 수명을 길게 할 수 있고 풍력발전기 설치와 시공에 소요되는 비용과 기간을 대폭단축 할 수 있는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.

도 1은 본 발명의 기술에 의하여 제조된 풍력발전기용 모노파일이 적용된 풍력발전기를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 모노파일 제조단계을 도시한 공정블록도.
도 3은 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 모노파일 제조단계 중 캔준비단계를 발췌하여 도시한 과정도.
도 4은 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 모노파일 제조단계을 도시한 공정 도해도.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 제조예를 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 기술에 의하여 제조된 풍력발전기용 모노파일이 적용된 풍력발전기를 도시한 구성도, 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 모노파일 제조단계을 도시한 공정블록도, 도 3은 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 모노파일 제조단계 중 캔준비단계를 발췌하여 도시한 과정도, 도 4은 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 모노파일 제조단계을 도시한 공정 도해도로서 함께 설명한다.

통상적인 풍력발전기(100)는, 풍력을 전도 받기 위한 블레이드(101)와 블레이드(101)와 연결되어 실질적인 발전을 수행하는 발전기(102)로 구성되는 발전모듈(103)을 상단에 장착한 타워(104)가 구비되고, 해저에 설치되는 기초(105)의 상면에 설치되어 트랜지션피스(106)으로 타워(104)와 연결하여 지지하는 모노파일(110)로 크게 구성되어 진다.

본 발명에서는 풍력발전기(100)를 구성하는 모노파일(100)을 제조하는 새로운 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기술이 적용되는 풍력발전기(100)용 모노파일(110) 제조방법은, 강판(111)을 밴딩하고 용접하여 원통 형상을 가지는 하나의 캔(115)으로 만드는 캔준비단계(S100)와, 캔준비단계(S100)에서 만들어진 캔(115)과 캔(115)을 연결하여 2개의 길이를 가지는 2캔(120)을 만드는 2캔완성단계(S200)와, 2캔완성단계(S200)에서 만들어진 2캔(120)과 2캔(120)을 연결하여 4개의 길이를 가지는 3캔(130)을 만드는 3캔완성단계(S300)와, 3캔완성단계(S300)에서 만들어진 3캔(130)과 3캔(130)을 연결하여 8개의 길이를 가지는 4캔완성단계(S400)와, 4캔완성단계(S400)에서 만들어진 4캔(140)과 4캔(140)을 서로 연결하여 16개의 캔(115)을 연결한 형태의 모노파일(110)을 완성하는 5캔완성단계(S500)로 이루어지도록 한다.

상기 캔준비단계(S100)에서 만들어진 원통형상의 캔(115)을 처음에는 한 개와 한 개를 연결하고, 다음에는 두 개와 두 개를 연결하고, 다시 네 개와 네 개를 연결하는 형태로 이루어지도록 하는 데, 연결하기 위한 양측의 수가 동일하면서 순차적으로 배수로 연결되도록 하는 것이 연결단계에서 회전 또는 중량 차이로 야기될 수 있는 연결불량 문제를 해소할 수 있으므로 바람직하다.

본 발명의 설명에서는 최종적으로 5캔완성단계(500)으로 이루어지는 것으로 예시하고 있으나, 모노파일(110)의 길이가 길 경우에는 6캔 또는 7캔 등 만들어진 캔 수의 배수를 서로 연결하여 마무리할 수 있음은 자명할 것이므로 5캔완성단계(S500)으로 국한되는 것은 아니다.

상기 캔준비단계(S100)는, 제조하고자 하는 모노파일(110)의 길이에 대하여 배수 연결로 완성될 수 있도록 나누는 데, 예를 들어 56미터의 길이를 가지는 모노파일(110)을 만들고자 할 경우에는 총 16개로 분할하여 최종적으로 8개가 연결된 캔 두 개가 서로 연접시킨 후 연결할 수 있도록 한 개의 캔(115) 길이가 3.5미터가 되도록 한다.

상기와 같이 길이가 결정된 후에는 설계서 상의 직경과 두께에 맞는 강판(111)을 준비하는 강판준비과정(S110)과, 준비된 강판(111)을 크기에 맞게 절단하는 강판절단과정(S120)과, 절단된 강판(111)의 양단부를 경사지게 절단하여 밴딩하여 연접시 도출되거나 어긋남이 없이 밀착될 수 있도록 하는 빗면커팅과정(S130)과, 빗면이 커팅된 강판(111)을 통상적인 밴딩기로 원통 형상으로 만드는 밴딩과정(S140)과, 밴딩된 상태의 연접면을 용접으로 결합시켜 하나의 캔(150)으로 완성시키는 용접과정(S150)으로 이루어진다.

상기 빗면커팅과정(S130)에서 강판(110)의 양단부 빗면 커팅은 밴딩 방향과 밴딩하고자 하는 강판(111)의 두께와 직경에 따라 설계 또는 수학적인 계산에 의하여 커팅 각도가 결정될 것이므로 본 발명에서는 구체적인 내용의 제시를 생략하도록 한다.

상기 2캔준비단계(S200)는, 1캔준비단계(S100)에서 얻어진 두 개의 캔(115)을 통상적인 롤링기의 상면에 안치시켜 두 개의 캔(115)이 서로 연접되도록 한 상태에서 용접장치 또는 용접기를 이용하여 원주방향으로 용접을 수행하여 두 개의 캔(115)이 연결된 2캔(120)을 완성하도록 한다.

상기 3캔준비단계(S300)는, 2캔준비단계(S200)에서 두 개의 캔(115)이 연결된 2캔(120) 두 개를 통상적인 롤링기의 상면에 안치시켜 두 개의 2캔(120)이 서로 연접되도록 한 상태에서 용접장치 또는 용접기를 이용하여 원주방향으로 용접을 수행하여 두 개의 2캔(120)이 연결되어 총 4개의 캔이 연결된 형태의 3캔(130)을 완성하도록 한다.

상기 4캔준비단계(S400)는, 3캔준비단계(S300)에서 총 4개의 캔이 연결되어진 것과 같은 두 개의 3캔(130)을 통상적인 롤링기의 상면에 안치시켜 두 개의 3캔(130)이 서로 연접되도록 한 상태에서 용접장치 또는 용접기를 이용하여 원주방향으로 용접을 수행하여 두 개의 3캔(130)이 연결되어 총 8개의 캔(110)이 연결된 것과 같은 4캔(120)을 완성하도록 한다.

상기 5캔준비단계(S500)는, 4캔준비단계(S400)에서 총 8개의 캔이 연결되어진 것과 같은 두 개의 4캔(140)을 통상적인 롤링기의 상면에 안치시켜 두 개의 4캔(140)이 서로 연접되도록 한 상태에서 용접장치 또는 용접기를 이용하여 원주방향으로 용접을 수행하여 두 개의 4캔(140)이 연결시켜 결과적으로는 총 16개의 캔을 연결한 모노파일(110)을 완성하도록 한다.

상기 캔준비단계(S100)의 용접과정(S150)과 2캔준비단계(S200)와 3캔준비단계(S300), 4캔준비단계(S400)및 5캔준비단계(S500)에서 용접을 수행할 때에는, 길이방향 및 원주방향의 연접면에 등 간격 또는 부등간격으로 가용접을 수행하여 접접면이 벌어지지 않도록 한다.

또한, 가용접이 끝난 후에는 용접기 또는 용접장치를 캔의 길이방향으로 이동시키거나 또는 용접기 또는 용접장치에 대하여 캔이 원주방향으로 움직이도록 롤링기를 회전시키면서 캔의 길이방향과 원주방향의 외부면과 내부면을 용접하는 외부용접과 내부용접을 수행하여 완성하도록 한다.

상기 캔의 길이방향과 원주방향에 수행하는 가용접의 경우 외부 또는 내부면 중 어느 한 면에만 수행하여도 무방할 것이나, 정교함을 유지하기 위해서는 외부면과 내부면에 고르게 가용접을 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 캔의 길이방향과 원주방향의 외부면과 내부면을 용접하는 과정에서도 외부면을 수행한 후 내부면 용접을 수행하여도 되고, 반대로 내부면의 용접을 먼저 수행한 후 외부면을 수행하는 형태 또는 외부면과 내부면을 동시에 용접하는 형태 등 다양하게 실시할 수 있을 것이다.

물론, 빗면커팅을 통하여 하나의 캔을 완성하는 과정이나, 만들어진 각각의 캔을 연결하여 복수개가 연결된 캔 또는 복수개로 연결된 캔을 다시 연결하는 과정서는 연접면 또는 용접되는 끝단면에 밀링(Milling)을 수행하여 긴밀한 상태의 밀착을 유도하면서 용접후 갭이 발생하지 않도록 하는 것은 당연할 것이다.

상기와 같은 본 발명의 기술에서와 같이 풍력발전기를 구성하는 모노파일(110)의 길이를 다수 개로 분할한 상태에서 다수 개의 캔을 완성하고, 완성된 캔을 순차적으로 배수로 결합시켜 연결하여 모노파일(110)을 완성하도록 함으로서 하기와 같은 장점을 가진다.

하나의 캔(115) 길이가 짧기 때문에 캔(115)을 만들기 위한 준비에 시간이 대폭 줄어들게 되는 것은 물론, 용접과정에서 멈춤 없이 연속적으로 이루어지게 되므로 용접중단으로 야기될 수 있는 갭 발생 등이 없어 짧은 시간 내에 정교하면서 우수한 품질을 유지한 캔을 완성할 수 있게 된다.

완성된 캔을 길이방향으로 연결하는 과정에서도 롤링기에 처음에는 두 개의 캔을 올려놓고 회전시키면서 두 개의 캔이 연결된 2캔을 만들고, 2캔은 다시 롤링기에 올려져 2캔이 연결되어 4개의 캔이 연결된 것과 같은 3캔을 만들고, 3캔은 다시 롤링기에 올려져 3캔이 연결되어 8개의 캔이 연결된 것과 같은 4캔을 만드는 형태로 분업화가 이루어지게 되므로 제조시간과 비용을 대폭 줄일 수 있게 되는 것이다.

캔을 다음 단계로 넘어가면서 처음에 1개의 캔과 1개의 갠을 연결한 경우라면 다음에는 2개의 캔이 연결된 2캔과 2캔이 연결되는 형태 즉 배수로 연결되어 롤링기 위에 올려진 양측의 캔 무게와 길이가 동일하기 때문에 회전 과정에서 무게 또는 길이 차이로 인하여 회전불량이 없어지게 되므로 용접을 통하여 연결하는 작업이 순탄하게 이루어질 수 있고, 연결 후 오차발생이 배제되어 실제 풍력발전기를 설치한 상태에서 이상발생을 원천적으로 배제할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같은 본 발명은 모노파일을 대량으로 제조하고 기계적인 수단을 이용하여 자동화작업을 가능하게 함으로서 모노파일을 효율적이면서도 우수한 품질을 지속적으로 유지시키면서 짧은 시간과 적은 비용을 제조할 수 있게 되는 큰 장점을 가지게 된다.

100; 풍력발전기
101; 블레이드
102; 발전기
103; 발전모듈
104; 타워
110; 모노파일
115; 캔

Claims

강판(111)을 밴딩하고 용접하여 원통 형상을 가지는 하나의 캔(115)으로 만드는 캔준비단계(S100)와;
캔준비단계(S100)에서 만들어진 캔(115)과 캔(115)을 연결하여 2개의 길이를 가지는 2캔(120)을 만드는 2캔완성단계(S200)와;
2캔완성단계(S200)에서 만들어진 2캔(120)과 2캔(120)을 연결하여 4개의 길이를 가지는 3캔(130)을 만드는 3캔완성단계(S300)와;
3캔완성단계(S300)에서 만들어진 3캔(130)과 3캔(130)을 연결하여 8개의 길이를 가지는 4캔완성단계(S400)와;
4캔완성단계(S400)에서 만들어진 4캔(140)과 4캔(140)을 서로 연결하여 16개의 캔(115)을 연결한 형태의 모노파일(110)을 완성하는 5캔완성단계(S500)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 모노파일 제조방법.
원통 형상으로 만들어진 캔을 처음에는 한 개와 한 개를 연결하고, 다음에는 두 개와 두 개를 연결하고, 다시 네 개와 네 개를 연결하는 형태로 이루어지며, 연결하기 위한 양측의 수가 동일하면서 순차적으로 배수로 연결하여 모노파일을 얻는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 모노파일 제조방법.
제 1 항에 있어서;
상기 캔준비단계(S100)는, 제조하고자 하는 모노파일(110)의 길이에 대하여 배수 연결로 완성될 수 있도록 나누어 강판(111)을 준비하는 강판준비과정(S110)과;
준비된 강판(111)을 크기에 맞게 절단하는 강판절단과정(S120)과;
절단된 강판(111)의 양단부를 경사지게 절단하여 밴딩하여 연접시 도출되거나 어긋남이 없이 밀착될 수 있도록 하는 빗면커팅과정(S130)과;
빗면이 커팅된 강판(111)을 통상적인 밴딩기로 원통 형상으로 만드는 밴딩과정(S140)과, 밴딩된 상태의 연접면을 용접으로 결합시켜 하나의 캔(150)으로 완성시키는 용접과정(S150)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 모노파일 제조방법.
제 1 항에 있어서;
상기 캔준비단계(S100)의 용접과정(S150)과 2캔준비단계(S200)와 3캔준비단계(S300), 4캔준비단계(S400)및 5캔준비단계(S500)에서 용접을 수행할 때에는, 길이방향 및 원주방향의 연접면에 벌어짐 방지를 위한 가용접을 수행하고;
가용접이 끝난 후에는 캔의 길이방향 또는 원주방향의 외부면과 내부면을 용접하는 외부용접과 내부용접을 수행하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 모노파일 제조방법.