KR20160067967A - 부유식 풍력 발전 플랜트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 실질적으로 로딩 없이 유지되는 전력라인(파워라인)과 단일 위치 고정된 앵커포인트(111)에 상기 풍력 발전 플랜트(100)을 유지 하는데 발생하는 모든 기계식 힘을 적어도 실질적으로 흡수하는 홀딩 케이블과의 조합으로써 디자인 된 케이블(110)에 의해 상기 풍력 발전 플랜트(100)는 6개의 자유도로 이동 가능하도록 하기 위해 상기 앵커포인트(111)에 연결될 수 있으며, 커플링(112)이 상기 케이블(110)과 상기 풍력 발전 플랜트(100)사이의 단일 커넥션 포인트(118)에 배치되고 전기접속을 제공하기 위해 슬립 커플링이 형성되고 기계식 동력전달을 제공하기 위해 스위블 커플링이 형성되는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트에 관한 것이다. 상기 풍력 발전 플랜트(100)는 서포팅 유닛(101), 특히, 밸러스트 유닛 및 부력 유닛을 구비한 반잠수체로 디자인된 부유유닛을 포함한다. 상기 풍력 발전 플랜트(100)는 서포팅 유닛(101)에 고정적으로 연결된 서포팅 마스트(104) 및 상기 서포팅 마스트에 고정적으로 배치되고 적어도 하나의 로터(106)와 적어도 하나의 전기발전기를 구비한 기계 나셀을 포함한다. 커넥션 포인트(118)와 실질적으로 수직인 로터(106)의 회전 평면 간에 가능한 최대 수평 거리가 형성된다.

Description

부유식 풍력 발전 플랜트{Floating wind power plant}

본 발명은 부유 가능한 해양 풍력 발전 플랜트, 즉 물 외부의 연안 및/또는 물의 내륙에서의 사용을 위한 풍력 발전 플랜트에 관한 것이다.

독일 실용신안공개공보 제DE 20 2010 003 654 U1호는 수평 회전축을 중심으로 회전하는 로터 블레이드를 갖는 전력 생산용 부유식 풍력 발전 플랜트를 개시한다. 로터 블레이드에 의해 구동되는 발전기는 복수의 선체가 구비된 부유체(raft) 상에 힌지 브래킷에 의해 힌지 방식으로 배치되고, 발전기와 힌지 브래킷은 수평 회전축으로 작동되는 기계적 구동 피봇 조인트를 통해 부대에 연결된다. 이러한 풍력 발전 플랜트의 경우, 연결 케이블과 앵커 체인은 모두 보우(bow)에 구속물(bridle)을 통해 플로트에 고정되고, 복수의 체인 또는 케이블로 구분된다. 바람이나 파도에 대해 풍력 발전 플랜트의 자동적 배향을 가능하게 하는 유연한 케이블 연결이 있다. 플로트로의 해제 가능한 연결이 고정을 위해 여기에 구비된다. 연결 케이블 및 앵커 체인은 해저의 콘크리트 박스에 고정된다, 유연한 케이블 연결은 바람이나 파도에 대해 풍력 발전 플랜트의 자동적 배향을 가능하게 한다. 유지보수 및 수리를 위해, 풍력 발전 플랜트는 크레인에 의해 항구의 독크(dock) 안으로 견인되거나 지상에 지어진 중앙 유지보수 및 수리 작업장으로 견인되고 플로트의 잠수(침수)에 의해 지상에 배치된다.

문헌 독일 특허공개공보 제 DE 10 2009 040 648 A1호는 부유체 및 그 위에 배치되고 발전기를 구동하는 적어도 하나의 로터가 회전 가능하게 장착된 마스트를 구비한 부유 가능한 해상 풍력 발전 플랜트를 개시한다. 이 문헌은 또한 해저면에 증착되고 기반(foundation)이라고 불리는 콘크리트 앵커 블록에 대한 복수의 링크 및 회전 링(slewing ring)을 통한 부유 가능한 해양 풍력 발전 플랜트의 기계적 연결을 개시한다. 기반에 대하여 부유체의 방해되지 않은 회전 또는 선회 운동을 가능하게 하여 그 방향이 바람의 방향에 부합하여 변화할 수 있도록 링크들은 가급적 회전 링을 통해 기반에 고정된다. 가급적 부유체의 회전 운동은 여기에서 부가적인 구동 없이 이루어진다. 플랜트는 기반의 피봇 포인트가 부유체의 외측에 배치되어 있으므로 바람 불어오는 쪽으로 회전한다. 기반은 가급적 부유 가능하고 잠수(침수) 가능한 설계이고, 그에 따라 전체 풍력 발전 플랜트는 부유 방식으로 운송될 수 있다. 해저 케이블로의 전기적 연결은 전력 케이블 및 전력 피드스루(feedthrough)를 가진 추가적 회전 링을 통해 이루어진다.

문헌 독일 특허공개공보 제DE 10 2009 040 648 A1호에 의하면, 서술된 마스트는 결과적으로 발생하는 굽힘력에 관하여 향상된 안정성을 제공하는 마스트의 표면 외형 지지 형태가 되는 액적 형의 단면 형상을 갖는다. 로터 블레이드에 작용하는 바람의 압력은 완전히 회전 운동으로 변환될 수 없으므로, 마스트의 구조에 의해 흡수되어야 하는 상당한 굽힘 하중이 발생한다. 마스트의 종방향 길이에 대하여 수직으로 위치된 액적 형(물방울 형)의 단면 형태에 의해, 마스트의 하중 최적화 배치를 이룰 수 있을 뿐 아니라 마스트에 작용하는 힘을 감소시킬 수도 있다. 액적 형의 단면 형상은 마스트에 작용하는 바람의 압력을 감소시키고, 이는 구조를 더 가늘고 가볍게 설계할 수 있게 하거나 더 큰 로터와 발전기를 사용할 수 있게 한다. 더욱이, 액적 형의 단면 형태는 바람의 방향이 변할 때 부유체가 더 쉽고 빠르게 바람 부는 방향으로 회전할 수 있게 하며, 이에 따라 로터가 복잡한 추가적 조정을 필요로 하지 않고 바람의 방향에 따라 항상 최적으로 방향이 조정된다.

문헌 독일 특허공개공보 제DE 10 2009 040 648 A1호에 의하면, 부유체는 중간 공간이 형성된 타원형 또는 액적 형의 케이싱에 의해 둘러쌓인 중앙 튜브를 더 구비한다. 마스트의 케이스와 유사한 방식으로, 케이싱은 유동 면에서 유리하고 날개 구조를 연상시키는 외형을 제공한다. 타원형의 케이싱 또는 대략 액적형의 케이싱은 정역학과 관련하여 중앙 튜브를 둘러싼다. 중간 공간은 폼(foam) 재료, 특히 케이싱에 충분한 압력 안정성을 제공하는 기공이 닫힌 또는 치수적으로 안정된 폼으로 채워질 수 있다. 중앙 튜브는 가급적 침수 가능하게 설계되고, 이에 따라 풍력 발전 플랜트의 부유 레벨은 각 상태에 적합하게 변경될 수 있다. 중앙 튜브와 부유체의 치수는 전체 풍력 발전 플랜트가 부유 방식으로 사용을 원하는 위치로 견인될 수 있는 방식으로 선택된다. 사용 위치에서, 풍력 발전 플랜트는 고정되고 풍력 발전 플랜트의 향상된 안정성을 이루기 위해 선택적으로 낮추어진다. 바람직한 낮춤 깊이는 수면 아래 5 내지 10미터이다. 또한, 파도 운동 및 표면 유동의 영향이 그에 의해 감소된다. 중앙 튜브는 풍력 발전 플랜트의 높이를 올리기 위하여, 예를 들어 유지보수를 목적으로 후자를 항구로 견인하기 위하여, 다시 비워질 수도 있다.

발전기는 마스트에 로터와 함께 배치된다. 로터와 발전기는 마스트의 상단에 배치될 수 있다. 원칙적으로, 발전기는 로터에 직접 배치되기 보다는 마스트의 내부 또는 부유체의 다른 곳에 위치될 수도 있다. 그래서 운동에너지를 기어장치 및 변속장치 요소를 통해 각 발전기로 전달할 필요가 있다. 발전기들은 마스트의 나셀(기관실)로 불리는 곳에 배치되며, 마스트에 견고하게 고정되고, 그에 따라 회전 베어링을 통한 로터와 발전기의 마스트에 대한 복잡한 회전 고정이 장소를 차지할 필요가 없다. 이는 풍력 발전 플랜트의 제조 및 유지보수 비용을 더욱 감소시킨다.

문헌 독일 특허공개공보 제DE 10 2010 040 887 A1호는 수면의 장치를 안정화하기 위한 부유하는 평평한 구조물로 수중의 적어도 하나의 타워를 지지하는 부유 장치를 개시하며, 적어도 하나의 타워는 평평한 구조물에 의해 지지된다. 부유 장치는 전체 장치의 무게 중심이 평평한 구조물의 유체역학적 부력 포인트(부력점)(hydrostatic buoyancy point) 아래에 있게 하는 방식으로 평평한 구조물의 하부에 배치된 적어도 하나의 밸러스트 추(ballast weight)를 더 포함하며, 그에 따라 적어도 하나의 타워는 수면에 대해 대체로(실질적으로) 수직이다. 평평한 구조물은 부유체로서 역할을 하고 밸러스트 추와 상호작용한다. 후자는 밸러스트 통(ballast trough)으로 구성될 수 있다.

문헌 독일 특허공개공보 제DE 10 2010 040 887 A1호는 구성요소의 서로 다른 회전 가능성을 구비한 실시예들을 개시한다. 이들은 구성요소의 어떠한 축 회전도 불가능한 실시예에서 부터 타워, 그 신장, 밸러스트 추 및 평평한 구조물이 타워의 종방향 축에 대해 회전 할 수 있는 실시예까지 다양하다. 이는 다른 움직임의 가능성을 증가시킨다. 또한, 다른 부유체 형태, 예를 들어 수렴하는 점을 갖는 사다리꼴형, 타원형, 원형 및 반원형이 기술되어 있다. 상기 형태에서, 수렴하는 점을 갖는 사다리꼴형 및 반원형은 바람 방향으로 및/또는 유동, 즉 물의 유동 방향으로 평평한 구조물의 자동 배향을 가능하게 한다.

문헌 독일 특허공개공보 제DE 10 2010 040 887 A1호는 평평한 구조물, 풍력 발전 플랜트의 타워 및/또는 로터의 적합한 형태에 의해 로터가 자동적으로 항상 바람 방향으로 회전하는 효과가 구현된다는 것을 설명한다. 타워는 다른 형태, 예를 들어 원통형으로 쌓여진 형태를 가질 수 있지만 역시 액적 형태(물방울 형태)의 방식으로 타워가 (로터와 함께) 자동적으로 바람 방향으로 자신을 배치한다. 특별한 타워의 형태는 위에서 모두 회전 가능한 타워의 변형의 경우에 사용되었고, 바람의 하중을 최소화하는 것에 더하여 이는 타워 자체가 바람 방향으로 회전되게 한다.

문헌 독일 특허공개공보 제DE 10 2010 040 887 A1호는 또한 평평한 구조물이 프리텐션앵커링 가능성(pretensioned anchoring possibility)에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 당겨져 수면 아래에 반 잠수체(semi-submersible)로 고정될 수도 있음을 설명하며, 밸러스트 추는 전체 유닛의 추가적인 안정화를 가져온다. 평평한 구조물은 자체가, 예를 들어 수중에 2/3까지 위치하는, 낮은 무게 중심을 갖는 것이 바람직하다. 그것에 의하여 평평한 구조물은 더욱 안정적이고 평평한 구조물의 진동 또는 기울어지거나 뒤집어질 위험이 감소된다.

문헌 독일 특허공개공보 제DE 11 2011 100 404 T5는 나셀(nacelle)에 부속된 로터, 로터에 연결된 상부 필라(pillar), 상부 필라와 하부 필라 사이에 배치된 스태빌라이저 탱크(stabilizer tank), 모든 방향 회전을 가능하게 하는 카다닉 조인트(짐벌 조인트, 카르다노 연결, cardanic joint)를 통해 하부 필라에 회전 가능하게 연결된 앵커를 포함하며, 스태빌라이저 탱크의 부력 중심점이 상부 및 하부 필라를 관통하는 종방향 중심축에 대해 편심되게 배치된 부유식 풍력 발전 터빈을 설명한다. 로터가 구비된 나셀은 고정적으로 상부 필라에 연결된다. 필라의 하부 체결점의 구역에 있는 회전 링은 슬립링과 함께 기능하며, 워터 라인 위에서 직접 필라의 단면에 배치되고, 전기적 연결을 위해 그리고 로터가 필라의 풍하(風下, lee)에 위치될 과정에서 필라와 로터가 부가적인 기계적 힘 없이 바람과 함께 회전할 수 있게 한다. 자동 자체 배향은 결과로 만들어진다. 회전링 14는 편의를 위해, 예를 들어, 물/소금 및 가혹한 조건에서의 장시간 사용을 견딜 수 있으므로, 리베르(Liebherr) 구조 크레인에서 사용되는 회전링과 동일한 규격을 가질 수 있다. 회전링 및 슬립링은 편의를 위해 풍력 발전 터빈의 하부의 나셀에 위치된 발전기로부터 배전 네트워크까지 풍력 발전 터빈에서 내려가는 전력 케이블의 꼬임을 방지하는 구조를 갖는다.

문헌 독일 특허공개공보 제DE 11 2011 100 404 T5호에 의하면, 또한 상부 필라는 로터 회전 구역에서 소용돌이를 피하고 필라 후방의 층류 공기 유동을 최대로 하기 위해 액적 또는 날개형 단면을 갖는다. 또한, 밸라스트 시스템이 있으며, 상부 및 하부 필라는 각각의 라인을 통해, 보조 선박과 풍력 발전 터빈 간에 공급 케이블이 연결된 공통 연결점으로 가는 다른 챔버로 분할된다. 스태빌라이저 탱크는 분리된 라인을 통해 마찬가지로 공통 연결점에 연결된 분리된 챔버를 구성한다. 밸러스트 시스템은 밸러스트 탱크 및 캐비티를 구비한 플로트를 형성한다.

문헌 독일 특허공개공보 제DE 11 2011 100 404 T5호는 가급적 기어리스(gearless) 구조를 갖는 수평 축 타입의 풍력 발전 터빈을 설명한다. 그로부터 다른 구조는, 예를 들면 발전기가 필라에 수직 배치되고, 예를 들어 베벨 기어 같은 기어장치를 나셀에 구비한다. 기어리스 설계는 또한 통상적인 타입을 구성한다.

문헌 유럽특허 제EP 1 269 018 B1, 또는 독일 특허공개공보 제DE 601 31 072 T2호로 공개된 그 번역문은 부유식 해상 풍력 발전 플랜트를 개시하며, 이는 탱크를 구비한 적어도 두 개의 철주(pontoon)를 구성하는 부유식 기초구조물에 장착된 적어도 하나의 풍차를 포함하고, 적어도 하나의 풍차에는 타워의 상단에 장착된 기계 하우징 또는 기계 격실이 구비되고, 기초구조물은 연결에 의해 바다 또는 호수의 바닥에 고정된다. 기초구조물은 두 개의 탱크 및 탱크 간 또는 탱크와 주변 간의 액체 이동을 위한 적어도 하나의 유닛을 포함한다. 설치 위치에서, 풍차는 앵커 케이블 또는 앵커 체인에 의해 기초구조물에 연결된 앵커의 지원으로 바다의 바닥에 고정된다. 또한, 앵커 체인은 유리하게 해저 케이블을 공급받을 수 있다. 해저 케이블은 풍차에 의해 생산된 전기를 생산된 전기가 해안으로 인도되는 곳으로부터 해양 바닥의 고정된 케이블 장비로 전달한다.

문헌 유럽특허 EP 1 269 018 B1, 또는 독일 특허공개공보 제DE 601 31 072 T2호로 공개된 그 번역문에서 바람직한 것으로 언급된 실시예에서, 기계 격실은 타워에 고정적으로 결속되고 풍차는 요(yaw) 메카니즘을 갖고 있지 않다. 회전 중심점으로 해저 바닥면에 고정함에 따라, 풍차는 기초구조물의 요의 도움만으로 요하고, 그래서 자동적인 자체적 배향을 하게 된다. 또한, 이 문헌에서 바람은 360도 이상으로 거의 방향을 바꾸지 않는다는 경험에 의해 입증된 것으로 언급되었고, 그에 따라 해저 케이블 또는 앵커 케이블 또는 앵커 체인의 뒤틀림은 문제가 안 될 것이다. 또한, 타워는 횡단하는 방향 보다 바람을 따르는 방향에서 더 가늘다. 바람 그림자의 제한을 위해, 타워는 날개 프로파일 또는 유사한 것에 상당하는 모양으로 형성되며, 이는 프로파일을 한정하고 후자를 바람 방향에서 공기역학적으로 만든다.

문헌 독일 특허공개공보 제DE 24 57 368 A1호는 스위블(swivel) 커플링을 구비한 공기 호스를 개시한다. 압축된 공기 툴(tool)이 스위블 커플링을 통해 공기 호스에 연결될 수 있다. 스위블 커플링은 내부 및 외부 연결체를 포함한다. 공기 호스는 내부 연결체에 단단하게 고정된다. 외부 연결체는 툴에 나사결합된다. 내부 연결체는 빈 외부 연결체에 결합될 수 있는 관형의 전방을 향한 확장부를 구비한다. 외부 및 내부 연결체는 서로를 분리시켜야 하는 몸체가 필요 없이 서로에 대해 꼬일 수 있다. 그 결과, 호스 역시 어떤 토크 또는 압력이 호스에 전달되지 않아도 툴에 대해 꼬여질 수 있다. 상기 스위블 커플링에 의해 호스의 어떠한 굽힘 또는 얽힘 또는 다른 손상도 피해진다.

문헌 독일 특허공개공보 제DE 25 32 665 A1호는 권취 기구를 구비한 스키 복구 케이블/스트랩/벨트 시스템을 개시한다. 권취 기구는 신장 케이블을 포함하며, 그 종단은 투 부분의 스위블 커플링에 의해 복구 케이블의 고리에 연결된다. 스위블 커플링은 두 연결된 케이블이 그 종방향 축에 대해 상호 반대되는 방향으로 꼬여질 수 있게 한다.

문헌 국제특허공개공보 제WO 02/073032 A1호는 단일점 앵커링 시스템, 부유체 및 풍력 발전 유닛을 포함하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트를 개시한다. 부유체는 해양 표면의 적어도 하나의 삼각 플로트에 배치된 부분들로 구성되고 부유체를 바람에 대해 일관된 방향을 항상 유지시키기 위하여 단일점 앵커링 시스템을 통해 해양 베드 상의 삼각형 포인트에 고정된다. 타워 앵커 유닛이 단일점 앵커링 시스템으로 제공된다. 상기 타워 앵커 유닛은 부유체가 타워의 앵커링 포인트에 대하여 수평으로 회전 가능한 방식으로 베어링에 의해 요크(yoke)에 연결된 회전 디스크 형태 내의 타워를 구비한다. 요크는 삼각형의 한 포인트에서 부유체에 측면으로 돌출된다. 타워는 복수의 앵커 체인 및 앵커에 의해 해양 바닥에 고정된다. 해저 케이블은 타워를 통해 부유체에 연결된다.

본 발명은 설명된 타입의 부유 가능한 해양 풍력 발전 플랜트를 더욱 개선하는, 특히 그러한 풍력 발전 플랜트를 더 단순하고 더 가볍고 기계적으로 더 안정되고 사용중에 더 신뢰성이 있게 만드는 문제를 다룬다.

이 문제는 아래의 특징을 포함하는 부유 가능한 해양 풍력 발전 플랜트에 의해 해결된다. 적어도 가상적으로 하중이 없는 것으로 여겨진 전력선(전력라인, 파워라인)과 풍력 발전 플랜트를 잡아두기 위해 하나의 위치 고정된 앵커링 포인트에서 발생하는 모든 기계적 힘을 적어도 대체로 흡수하는 홀딩 케이블의 조합으로 설계된 케이블에 의해, 풍력 발전 플랜트는 6 자유도(6 degree of freedom)로 자유롭게 움직일 수 있도록 앵커링 포인트에 연결될 수 있다. 커플링은 케이블과 풍력 발전 플랜트 간의 단일 커넥팅 포인트에 배치되고, 전기적 연결을 제공하는 슬립(slip) 커플링과 힘의 계졔적 전달을 제공하는 스위블(swivel) 커플링으로 형성된다. 풍력 발전 플랜트는 서포팅 유닛, 특히 플로트(float) 유닛을 구비하며, 이는 밸러스트 유닛 및 부력 유닛을 구비한 반잠수체로 설계된다. 또한, 풍력 발전 플랜트는 서포팅 유닛에 고정적으로 연결된 서포팅 마스트 및 상기 서포팅 마스트에 고정적으로 배치되고 적어도 하나의 로터 및 적어도 하나의 발전기를 구비한 기계 나셀(machine nacelle)을 포함한다. 커넥팅 포인트와 대체로 수직인 로터의 회전 평면 간에 가능한 최대 수평 거리가 형성된다.

대체로, 부유식 해상 풍력 발전 플랜트는 물의 몸체, 특히 호수의 바닥, 또는 해양 베드(ocean bed)에 고정된 토대(foundation) 상에 안착된 풍력 발전 플랜트 보다 유리함을 가지며, 이는 환경의 영향을 받기 쉬운 기술적으로 복잡하고 고가인 토대 구조를 필요 없게 할 수 있다. 동시에, 전체 풍력 발전 플랜트가 운전, 즉 설치 및 제거, 유지보수 및 복구 목적이 쉬운 상태로 있고, 그 사용 장소로부터 기슭 근처의 장소, 특히 항구 내부 또는 유사한 곳으로 용이하게 이동될 수 있으며, 반대로 설치 또는 복구 후에 항구로부터 사용 장소로 이동될 수 있다. 이러한 형태만으로 상당한 비용 절감이 이루어지고 동시에 더 높은 운영의 용이함을 가지며 환경의 개입이 감소된다.

풍력 발전 플랜트를 그 사용 장소에 정박하고 얻어진 전기 에너지를 전송하기 위하여, 풍력 발전 플랜트는 케이블을 통해 단일한 고정적으로 배치된, 즉 풍력 발전 플랜트가 사용되는 물의 몸체의 바닥 위치에 고정된 앵커링 포인트에 연결된다. 조합된 전력선 및 홀딩 케이블의 역할을 하는 케이블과 단일 커넥팅 포인트의 풍력 발전 플랜트 간의 커플링이 전기 슬립 커플립은 전력 전송을 제공하고 스위블 커플링은 기계적 힘 전달을 제공하는 방식으로 구성된다. 단일 케이블을 통한 그러한 단일 포인트, 즉 단일 앵커링 포인트 및 단일 커넥션 포인트에서의 커넥션 또는 앵커링은 단일 포인트 커넥션으로 불린다. 이 구조는 부유식 풍력 발전 플랜트가, 예를 들어 사용 장소의 데카르트 좌표(Cartesian coordinates)에 대응하는, 또한 X, Y 및 Z 방향으로 불리는 3 병진 자유도에서 케이블의 길이 디멘션(dimension)에 의해 제공되는 가능 범위 내에서 움직일 수 있게 하고, 예를 들어 데카르트 좌표의 세 축, 또한 X축, Y축 및 Z축으로 불리는 세 공간적 축에 대한 회전이 허용되므로 추가적으로 3 회전 자유도 또한 제공된다. 이에 따라 케이블과 풍력 발전 플랜트 간의 커플링은 발생될 수 있는 케이블의 유형과 크기에서 허용할 수 없는 스트레스 없이 전체 6자유도에서 바람과 파도를 따르는 후자의 완전히 자유로운 운동을 가능하게 한다. 특히, 이 구조 때문에 풍력 발전 플랜트의 어떠한 병진 및/또는 회전 운동이 있는 경우에도 케이블은 파단되거나 비틀리지 않을 수 있다. 앵커 케이블 또는 앵커 체인 및 전기 커넥션 케이블의 분리된 안내에 비해, 전기적 및 기계적 연결을 조합한 케이블은 풍력 발전 플랜트의 회전 운동 때문에 분리된 안내의 경우에 발생할 비틀림을 예방하는 장점이 추가로 주어진다.

또한, 케이블의 설계는 상기 케이블에 포함된 전력선은 적어도 가상적으로 하눙 없이 유지되는데 반해 홀딩 케이블은 단일 위치적으로 고정된 앵커링 포인트에서 풍력 발전 플랜트를 유지시키기 위해 발생하는 모든 기계적 힘을 적어도 대체로 흡수하는 방식으로 케이블의 민감한 부분을 하중에서 해제하여 응력능력을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 힘의 해제에 의해 전력선은 손상에 대해 추가적으로 보호된다.

본 발명은 밸러스트 유닛, 바람직하게는 밸러스트 탱크, 및 부력 유닛을 포함하며, 밸러스트 유닛의 충전은 풍력 발전 플랜트의 중량, 중량 분배 및 운전 조건에 맞게 적용되고, 부력 유닛은 특히 캐비티로 구성되어 서포팅 유닛, 특히 플로트 구조에 포함되거나 상기 서포팅 유닛을 형성한다. 상기 플로트 구조는 특히 바람직하게는 반잠수체(semi-submersible)를 형성한다. 후자는 수면 하부에서 작동하는 동안 풍력 발전 플랜트의 위치가 가능한 안정되게 나타나는 범위까지, 즉 특히 풍력 발전 플랜트의 경사(listing, yawing), 피칭(pitching) 및 롤링(rolling)이 최소로 유지되도록 낮추어진다. 이 목적을 위해, 서포팅 유닛은 밸러스트 탱크가 큰 부피로 배치되는 이중 바닥(이중 저부, double bottom)을 갖도록 유리하게 설계될 수 있다. 특히 밸러스트 탱크는 서포팅 유닛에 가능한 깊은 위치에 배치되고 충전 시 풍력 발전 플랜트의 전체 중량에서 가능한 높은 비중을 형성한다. 풍력 발전 플랜트 전체 중량의 대략 70%의 중량 비중이 바람직하다. 동시에, 부력 유닛은 서포팅 유닛의 가능한 높은 위치에 배치된다. 전체적으로, 그에 의해 얻어지는 효과는 높은 서포팅 마스트를 구비한 풍력 발전 플랜트 구조의 무게 중심을 가능한 낮게 유지시키는 것이다. 이는 서포팅 유닛의 충분히 큰 수평 크기와 함께 풍압과 파도로 인해 풍력 발전 플랜트에 가해지는 리스팅 모멘트에 대항하는, 만약 상기 모멘트가 전방으로부터 오지 않을 수 있는 바람 또는 파도에 의해, 즉 적어도 가상적으로 로터의 회전축의 방향으로 생성되었다 해도, 큰 복원 모멘트를 만든다. 그 결과, 좋지 못한 기상 조건인 경우에도, 예를 들어 갑작스런 바람의 변화 또는 폭풍이 있는 경우, 물에 있는 풍력 발전 플랜트의 안정적이고 안전한 위치가 생긴다.

전기 발전기는 상기 발전기의 하우징을 이루는 기계 나셀(machine nacelle)과 함께 서포팅 마스트에 고정 방식으로 배치된다. 그에 따라, 전체 부유식 풍력 발전 플랜트가 바람에 대하여 방향이 조정되기 때문에, 크고 민감하고 매우 비싸며, 또한 요 베어링(yaw bearing)으로 불리는 회전 베어링이 요구되지 않는다. 이는 풍력 발전 플랜트를 더 가볍게 그리고 기계적으로 훨씬 더 안정적으로 만들며, 전체 풍력 발전 플랜트의 무게 중심을 낮게 유지시키고 기계 나셀과 서포팅 마스트 간의 연결부와 같이 높은 하중을 받는 곳에서 마멸을 피하게 한다. 더욱이, 서포팅 마스트는 고정적으로 서포팅 유닛에 연결되기 때문에, 서포팅 유닛, 서포팅 마스트 및 기계 나셀을 구성하는 전체적으로 높게 안정적이고 견고한 구조적 유닛이 발생한다.

특별한 장점은 케이블에 대한 풍력 발전 플랜트의 연결식 커플링이며, 또한, 본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트가 바람의 방향에 따라 작동하는 동안 바람에 선행하거나 함께, 바람의 힘 효과로 자동적으로 스스로 방향을 조정하도록, 즉 앵커링 포인트에 대하여 바람 불어가는 쪽으로 자동적으로 회전하도록 설계되었다는 것이다. 이것에 의해, 로터는 항상 바람에 최적으로 있고, 이에 따라 가능한 높은 전력 산출이 얻어진다. 이 자체 배향은 추가적 장치의 요구 없이 이루어지며, 특히, 그에 집중되고 추가적 구조 지출 및 에너지 소비를 필요로 하는 구동 또는 제어 유닛이 불필요하다. 이는 예를 들어 작동 중에 항상 바람을 향해, 즉 바람 불어오는 쪽으로, 항상 복잡한 기계적 및 제어 장치를 통해 배향이 되어야 하는 풍력 발전 플랜트에 비하여 상당한 장점이다.

바람직하게는, 전술한 풍력 발전 플랜트의 자체 배향은 커넥션 포인트와 대체로 수직인 로터의 회전면 간의 수평 거리가 가능한 높게 형성된 것에 의해 더욱 촉진된다. 풍력 발전 플랜트에 대한 케이블의 고정은 측면의 압력 포인트, 즉 바람이 흐르는 표면에 작용하는 풍력의 무게 중심으로부터 가능한 멀리에 이루어진다. 전체 풍력 발전 플랜트의 측면 압력 포인트는, 예를 들면, 서포팅 마스트 또는 기계 나셀에 의해 결정되지만, 특히 로터에 의해 그리고 특별히 그 로터 블레이드에 의해 결정된다. 로터는 적어도 대체로 수평인 회전축을 갖으며, 그래서 로터가 회전하는 동안, 로터 블레이드는 대체로 적어도 대체로 수직인 평면에서 운동하고, 이는 로터의 수직 회전 평면으로 불린다. 로터에 작용하고 대체로 자체 배향을 행하는 힘에 대체로 기여하는 풍력의 측면 압력 포인트 역시 상기 평면에 위치된다.

커넥팅 포인트와 로터, 즉 대체로 수직인 로터의 회전 평면에 작용하는 풍력의 측면 압력 포인트 간의 거리를 가능한 가장 멀게 함으로써, 수평 거리가 가능한 높게 형성되고 이는 자체 배향을 행하는 힘을 위한 레버 암(lever arm)을 가능한 가장 크게 하는 결과를 얻으며, 이에 따라 상기 힘은 측면에서 발생된 물의 흐름, 즉 특히 해류에도 더 잘 대항할 수 있다. 그러나, 그 거리는 특히 물에서 풍력 발전 플랜트의 안정된 위치를 유지함에 의해, 이에 따라 특히 서포팅 유닛의 크기에 의해 제한된다.

또한, 이 목적을 위해, 로터는 바람직하게는 기계 나셀에, 특히 작동 위치의 기계 나셀의 풍하측(leeside)에 배치된다. 이 구성은 풍력 발전 플랜트의 커넥팅 포인트에서 케이블의 고정과 바람이 흐르는 로터 표면의 측면 압력 포인트, 즉 로터 블레이드 간의 거리를 증가시키고, 이에 따라 바람 방향에 따른 풍력 발전 플랜트의 효과적인 배향을 돕는다.

또한, 서포팅 마스트는 유리하게는 기울어져 직립하도록 세워진다. 즉, 작동 중에 작용하는 바람의 방향과 직교하는 방향에 대해 미리 정해진 각도로 기울어져 로터의 회전축의 방향으로 세워진다. 상기 서포팅 마스트의 스윕은 로터에 작용되는 풍압의 측면 압력 포인트와 한편으로는 풍력 발전 플랜트의 거리, 다른 한편으로는 케이블의 커넥팅 포인트의 거리를 증가시킨다. 그 결과 서포팅 마스트와 로터 간의 거리는 증가되고, 그에 따라 작동 중에 로터로 입사하는 유동이 더 잘 이루어진다.

전술한 본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 특징은 풍력 발전 플랜트가, 극도로 불리한 기상 조건 또는 물의 흐름 또는 파도 하에서도, 작동 중에 항상 자동으로 배향되고, 심각한 기울어짐으로부터도 다시 똑바로 세워지는 것이 그 조합에서 확실해진다

본 발명의 이로운 세밀한 사항은 종속 청구항에서 특징이 나타난다.

본 발명의 이로운 개선에 따르면, 슬립 커플링 및/또는 스위블 커플링을 구비한 커플링이 풍력 발전 플랜트에 카르다노식으로 연결된다(suspended cardanically). 슬립 커플링 및 스위블 커플링과 같은 커플링의 각기 다른 부분은 분리되거나 아니면 공통된 카르다노식 연결(cardanic suspension)을 구비한다. 이 구성에 의하면, 특히 모든 자유도에서 우수한 가동성을 이룰 수 있다.

본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 바람직한 개선에 따르면, 각 케이스의 서포팅 유닛은 세 개의 밸러스트 유닛 및 부력 유닛을 구비하며, 부력 유닛은 적어도 가상적으로 평면에서 보아 적어도 하나의 로터의 회전 축에 대해 적어도 대체로 대칭인 삼각형의 코너(부)에 배치되며, 밸러스트 유닛 중 하나는 두 개의 부력 유닛 사이로 연장된다. 서포팅 유닛의 평면도(plan view)에 대한 로터의 회전축의 위치는 작동 위치의 위로부터 수직인 풍력 발전 플랜트의 탑 뷰(top view)에 보였다. 서포팅 유닛의 적어도 대체로 삼각형의 구성은 간단한 방식으로 구성되었고, 특히 바다에서 사용될 때 요구되는 높은 기계적 강도, 즉 치수 안전성을 제공한다. 추가로, 전술한 서포팅 유닛의 대체로 삼각형인 구성은 물에서 높은 위치 안정성을 제공한다. 전체적으로, 이 구성은 다른 가능한 설계보다 바람직하다.

비용 효율 및 보편화에서 유리한 물은 밸러스트 유닛의 밸러스트로 바람직하게 사용된다. 바람직하게는 더 높은 비중을 갖는 다른 액체 밸러스트 재료가 마찬가지로 가능하다. 액체 밸러스트 재료는 또한 그 간단한 취급성 때문에 유리하다. 그러나, 고체 밸러스트 재료로 만들어진 것이 사용될 수 있고, 또한 밸러스트 유닛은 특히 주 중량체로서 고체 밸러스트 부재와 충전 및 트리밍(trimming)을 위한 액체 밸러스트의 조합물을 수용할 수 있다. 이는, 예를 들어 풍력 발전 플랜트 또는 서포팅 유닛에 연결된 그의 부분을 얕은 물에서도 이동할 수 있게 한다. 본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트는 밸러스트 물 없이 이동될 수 있으며, 그에 따라 낮은 통로로 항구 또는 조선소 안으로 이동될 수 있다.

부력 유닛은 바람직하게는 밀봉된 공기 체적으로 형성되며, 다른 물질, 바람직하게는 기체 또는 기체상 물질이 선택적으로 사용될 수 있다. 부력 유닛의 적어도 일부를 다공성 물질, 바람직하게는 플라스틱 폼으로 충전하는 것도 가능하다. 후자는 부력 유닛의 누설에 대한 안전도를 향상시킬 수 있다. 또한 선택적으로 후속 트리밍 작업을 위해 단일 고체 충전 또는 잔여 충전(filling remaining variable)이 제공될 수 있다.

전술한 특별한 배치에서, 밸러스트 유닛 및 부력 유닛은 서포팅 유닛, 특히 플로트 구조를 파도 및 특히 바람 상태로 인한 리스팅이 발생된 경우에도 풍력 발전 플랜트의 자체 배향이 이루어지는 방식으로 형성한다.

본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 더 이로운 개선에 따르면, 부력 유닛은 추가적인 밸러스트 유닛을 갖는 이중 바닥을 구비한다. 상기한 추가적 밸러스트 유닛은 바람직하게는 밸러스트 물 탱크로 설계된다. 풍력 발전 플랜트의 더욱 유연한 구성 및 사용 조건에 대한 더 나은 적응, 특히 사용 장소에서의 더 나은 정돈이 가능하다.

본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 더욱 바람직한 실시예에서, 서포팅 마스트는 평면도로 보아 삼각형에 대해 중앙에 있는 부력 유닛에 배치되며, 이는 적어도 하나의 로터의 회전 축에 대해 적어도 대체로 대칭이다. 중심의 배치는 단순하고 가볍고 안정적인 풍량 발전 플랜트의 구조에 유리하다. 서포팅 마스트는 큰 마스트 높이에도 불구하고 특히 짧고 직선이 되도록 구현될 수 있다. 또한, 풍력 발전 플랜트의 탑뷰에서 로터의 회전 축에 대한 중심인 유리한 무게 중심의 위치는 간단한 방식으로 만들어진다.

본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 다른 실시예에 의하면, 후자는 각 케이스에 평면도로 보아 삼각형에서 회전축에 대해 측면으로 배열된 서포팅 마스트와 부력 유닛 간의 연결을 형성하기 위한 적어도 하나, 특히 하나의 지주를 특징으로 하며, 이는 적어도 대체로 적어도 하나의 로터의 회전 축에 대해 대칭이다. 서포팅 마스트 및 지주는 특히 3-다리형(3-legs) 배열을 형성하며, 각 케이스에서 부력 유닛 중 하나에 각 다리가 지지된다. 더 많은 개수의 지주 및/또는 부력 유닛을 갖는 변형에서, 각 부력 유닛에 하나 또는 그 이상의 서포트가 구비되거나 모든 부력 유닛 중에서 선택된 개수가 구비된 복수-다리(multiple-legs)형 배치가 제공된다. 이 구조는 전체 풍력 발전 플랜트의 기계적 강도를 증가시키고 동시에 서포팅 마스트의 중량을 유지시킬 수 있어 전체 풍력 발전 플랜트의 중력 질량 중심을 낮게 또한 중심에 있게 한다. 또한, 서포팅 유닛의 구조가 가볍고 안정성 있는 방식으로 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 유용한 개발에서, 밸러스트 유닛은, 풍력 발전 플랜트의 작동 상태에서, 워터 라인(water line) 아래에 배치된 구조 요소로 설계되며, 각 케이스에서 적어도 두 개의 부력 유닛을 연결하고 적어도 가상적으로 수평인 상부 및 하부를 구비한다. 이 구조는 상대적으로 높은 파도가 발생한 경우에도 본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 안정적이고 흔들림 없는 위치에 기여한다. 파도는 풍력 발전 플랜트의 부유식 구조에 진동하는 가진력(exciting force)을 발휘하며, 이 진동의 주파수, 가진 진동수는 파동의 크기와 형태에 의해 결정된다. 밸러스트의 고중량부, 예를 들어 밸러스트 물, 그리고 적어도 가상적으로 수평인 밸러스트 유닛의 수중 표면은 풍력 발전 플랜트의 부유식 구조에 수중에서 그 진동하는 위치의 낮은 고유 진동수를 제공하며, 이 고유 진동수는 파도의 가진 진동수보다 매우 낮다. 그 결과, 진동하는 가진력의 작은 효과만이 풍력 발전 플랜트에 영향을 미치고, 그에 따라 후자는 파도에서 작은 움직임만을 발생시킨다.

본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 또 다른 실시예에서, 부력 유닛은 낮은 워터 라인 단면(water line cross section)을 갖는다. 작동 상태에서 워터 라인 높이의 부력 유닛의 수평 단면 영역은 여기서 워터 라인 단면(water line cross section)으로 불린다. 상기 워터 라인 단면은 부력 유닛의 비중과 함께 부력 유닛의 잠김 깊이(잠수 깊이, 침수 깊이)가 변화할 때 워터 라인 높이에서 부력 유닛에 의해 생기는 부력의 변화를 결정한다. 다시 말하면, 부력은 아르키메데스의 원리에 따라 치환된 체적 및 그 밀도에 의해, 여기서는 물의 밀도에 의해, 만들어진다. 따라서, 워터 라인 표면(water line surface)으로도 불리는 워터 라인 단면이 낮아질수록 부력 유닛의 잠김 깊이가 변할 때 부력의 변화도 작아진다. 반대로 파도에서 잠김 깊이는 변한다. 그러나, 낮은 워터 라인 단면으로, 이는 풍력 발전 플랜트를 진동하도록 가진시키는 부력에 작은 변화를 유발하여 파도가 발생한 경우 또는 파도로 인해 풍력 발전 플랜트의 작은 움직임만을 발생시킨다.

반면에, 매우 낮은 워터 라인 단면은 부력 유닛의 잠김 깊이가 변할 때 부력의 변화가 매우 낮은 것을 의미한다. 예를 들어 폭풍에서 바람에 의해 풍력 발전 플랜트가 기울어지면, 잠김 깊이의 변화는 부력에 매우 작은 변화를 일으키고 그에 따라 풍력 발전 플랜트에 자체 배향을 위한 힘이 매우 작게 가해진다.

따라서 낮은 워터 라인 단면이라는 말은 본 발명의 범위 내에서 자체 배향의 발생을 위해 풍력 발전 플랜트에 작용하는 힘의 현저하게 불리한 감소 없이 가능한 낮게 치수가 주어지는(dimensioned) 워터 라인 단면으로 이해되며, 상기한 풍력 발전 플랜트에 작용하는 힘의 감소의 불리한 효과 역시 부력 부재의 기하학적 형상 및 위치에 의해 예를 들어 부력 부재가 서포팅 유닛 외측에 가능한 멀리 배치됨에 의해 저지된다.

풍력 발전 플랜트의 부유식 구조로의 가진력 전달은 워터 라인 단면의 크기 및 파도로 인한 출현 또는 잠김 깊이에 의존하며 상기 전달은 바람직하지 않기 때문에 워터 라인 단면은 가능한 낮게 선택된다. 그 결과, 가진력의 전달은 낮게 유지된다. 또한 그 결과, 풍력 발전 플랜트의 고유 진동수도 낮게 유지되고 공진의 발생이 회피된다. 풍력 발전 플랜트는 강력한 운동을 행하지 않고 물에 안정적으로 놓여진다. 치수 실시예(dimensional example)을 위한 시뮬레이션 계산에서, 파동의 높이가 5.0m에서 기계 나셀에서의 가속도가 0.4g 아래로 결정되었고, 이는 북해의 예로서 중요한 조건이다.

본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 또 다른 유리한 실시예는 부력 유닛 및/또는 밸러스트 유닛이 유선형(스트림라인, streamline)으로, 특히 적어도 하나의 로터의 회전축과 적어도 가상적으로 평행한 방향으로 유선형으로 설계된 것을 특징으로 한다.

바람의 방향 및 파도의 방향은 일반적으로 서로 크게 다르지 않기 때문에, 긴 워터 라인 단면은 적어도 하나의 로터의 회전축 방향으로 유선형 설계를 위해 선택되었고, 험한 파도를 가능한 작은 힘으로 분할하기 위하여 부력 유닛 또는 밸러스트 유닛의 종단면이 전방을 향하여 바람의 방향 및 파도의 방향과 대향한다. 그 결과, 케이블 또는 홀딩 케이블, 풍력 발전 플랜트의 커플링 및 앵커링 포인트에 작용하는 파도 및/또는 물의 유동에 의한 힘이 감소되고 그에 따라 하중 및 상기 구조 부재의 파손의 위험 역시 감소된다.

본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 또 다른 바람직한 실시예는 중력의 질량 및 부력 중심 위치가 적어도 대략 서포팅 유닛을 평면도로 보아, 즉 풍력 발전 플랜트의 탑 뷰로 보아 기하학적 중심점에 위치하는 것을 특징으로 한다. 특히 세 개의 부력 유닛이 평면도로 보아 삼각형에 배치된 구조의 경우, 중력의 질량 및 부력 중심은 유리하게는 평면도로 보아 삼각형의 기하학적 중심과 적어도 대략 중심이 같게 배치된다. 또한, 중력의 질량 및 부력 중심의 배치에서, 유리하게는 적어도 하나의 로터의 회전 축의 방향, 즉 풍력 발전 플랜트의 작동 위치에서 바람의 방향의 풍압을 고려할 수 있으며, 그에 따라 풍력 발전 플랜트는 바람의 강도가 상대적으로 강한 경우에도, 특히 폭풍이 있는 경우에 바람 방향으로 바람직하지 않게 급격하게 기울어지지 않는다.

물에서 풍력 발전 플랜트의 안정된 위치를 위하여, 중력의 질량 중심은 바람직하게는 중력의 부력 중심점 아래에 배치된다. 그러나, 본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 경우, 중력의 질량 중심이 중력의 부력 중심 위에 위치한다 해도 물에서 안정된 위치가 여전히 유지될 수 있으며, 풍력 발전 플랜트가 기울어지는 경우에도 바람이 불어가는 쪽으로 더 크게 연장되어 잠겨있는 서포팅 유닛에 의해 중력의 부력 중심이 바람이 불어오는 쪽으로 변화되고, 상기한 변화는 서포팅 유닛, 특히 부력 유닛의 구조에 의해 중력의 질량 중심에 대한 레버 암이 만들어질 때까지 이루어진다. 이에 따라 풍력 발전 플랜트를 기울어진 상태에서 직립하게 세우는 모멘트가 발생한다. 여기서 시작점은 오직 중력의 질량 중심의 변위만 변화했다는 것이다. 중력의 질량 중심은 그 위치를 유지한다. 따라서 부력의 벡터와 중량의 벡터 사이에 거리가 만들어지며, 복원모멘트(setting-upright moment)도 역시 그러하다.

볼 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 또 다른 바람직한 실시예에서, 전력선과 홀딩 케이블의 조합으로 설계된 케이블은 앵커링 포인트에서 앵커링 장치에 연결될 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트가 작동되는 물의 몸체의 바닥, 예를 들어 해저,에 대한 기계적 앵커링과 얻어진 전기 에너지의 소비자에 대한 전기적 연결이 동시에 앵커 장치를 통해 간단하고 효율적으로 이루어진다.

또한 본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 다른 양호한 실시예에 따르면, 상기 서포팅 마스트는 프로파일 형상으로 형성된 단면을 가지며 특히, 윙형(날개형) 및/또는 물방울형의 프로파일 형상으로 형성된 단면을 갖는다. 이 같은 프로파일 형상으로 구성하는 목적은 서포팅 마스트 뒤의 공기유동에서 볼텍스(와류)를 회피하기 위한 것으로 로터 블레이드는 볼텍스가 회피되지 않으면 이동 되어야 한다. 특히 윙형(날개형) 또는 물방울형의 프로파일이 사용되도록 의도된다. 항공기 익형디자인 용으로 이전의 미 항공자문위원회(National Advisory Committee for Aeronautics)가 개발한 것과 같은 NACA 프로파일(NACA profiles) 중 하나, 즉 날개프로파일(익형프로파일)의 2차원 표준화 단면 중 하나를 갖는 구성이 특히 바람직하다. 따라서 예를 들면 원형 프로파일을 갖는 서포팅 마스트의 디자인과 비교해보면 특히 바람직한 적어도 실질적으로 볼텍스프리(vortex-free) 공기유동이 단순한 방법으로 달성 될 수 있다.

또한 풍력 발전 플랜트의 서포팅 마스트를 프로파일 형상으로 구성함으로써 프로파일이 적어도 실질적으로 로터의 회전축 방향으로 종방향으로 연장되게 배치될 수 있기 때문에 풍력 발전 플랜트가 각각의 방향으로 즉 풍하방향으로 자기 배향하도록 촉진하게 된다. 따라서 유동이 회전축방향으로 유입할 경우보다 회전축 방향과 직교 방향으로 프로파일 상에 유동이 유입하는 경우가 프로파일 상과 서포팅 마스트 상에 실질적으로 더 높은 힘이 생성된다. 이에 따라 자기배향용 복원력을 증가시키게 되며 동시에 바람에 대해 최적의 작동배향으로 상기 서포팅 마스트상에 가해지는 풍압을 감소시켜 이로 인해 앵커 상, 즉 케이블과 커플링의 스트레스(응력)도 감소시키게 된다.

풍력 발전 플랜트의 서포팅 마스트를 프로파일 형상으로 구성함으로써 프로파일형상 마스트는 바람에 대해 최적으로 배향되었을 때 주 하중(로딩)방향에서 최대 저항모멘트를 제공하며 그에 따라 작동 중 고하중이 발생하지 않는 로딩방향으로도 높은 저항모멘트에 적합하게 구성 되어야만 하며, 그에 따라 프로파일이 지나치게 커질 수 있으며 불필요하게 비싸고 무겁게 되며 각 방향으로의 동일한 저항모멘트를 갖는 라운드 형 프로파일을 갖는 서포팅 마스트 보다 실질적으로 작은 벽 두께를 갖도록 디자인 될 수 있는 장점을 갖게 된다.

본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트의 다른 양호한 실시예에 따르면 상기 적어도 하나의 로터(106)와 적어도 하나의 전기발전기 사이에는 기어리스식 마찰식 에너지 전달연결부(동력전달부kraftschluenergieuVerbin-dung) 가 형성된다. 따라서 이 연결부는 로터와 전기발전기 사이에 어떠한 기어도 갖고 있지 않지만, 오히려 적어도 실질적으로 강체의 토크전달은 유지보수 시 경비를 줄이고 항구적 작동 중에 안정성을 증진시키며 에너지 손실을 줄이게 된다.

본 발명의 예시적인 실시예가 도면에 도시되어 있으며 하기에 상세히 설명되며 대응 요소는 모든 도면에서 동일한 참조 부호로 부여되며 반복 설명은 생략된다.
도면에서
도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전플랜트의 일 실시예의 사시도
도 2는 도 1에 따른 풍력 발전플랜트의 일 실시예의 측면도

본 발명에 따른 부유식 해상 풍력 발전플랜트의 일 실시예는 2개의 도면에서 참조번호 (100)으로 표시된다. 상기 부유식 해상 풍력 발전플랜트는 특히 플로트 유닛(float unit)으로 구성되며 각각의 경우 3개의 밸러스트 유닛(ballast units)(102)과 부력 유닛(buoyancy units)(103)으로 형성되는 서포팅 유닛(101)을 포함한다. 상기 부력 유닛(103)은 이중저부에 밸러스트 탱크가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 부력 유닛(103)은 평면도로 보아 대체로 삼각형으로 된 코너에 배치되며 각 경우 밸러스트 유닛(102)에 의해 서로 연결된다. 서포팅 마스트(supporting mast)(104)는 약간의 스위핑(slight sweep) 시, 즉 서포팅 유닛(101)의 평면도로 보아 대체로 삼각형의 중심으로 경사 시, 상기 부력 유닛(103)의 제1 부력 유닛 상에 배치된다. 기계 나셀(machine nacelle)은 고정되게 즉 특히 회전 불가능하게 상기 서포팅 마스트(104)의 상부 단부에 배치된다. 상기 기계 나셀(105)은 전기발전기(도시 되지 않음)를 포함하는데, 이 전기 발전기의 구동은 풍력에 의해, 회전축(117) 주위를 회전가능하며 작동위치에서 적어도 대체로 수평하게 배향되는 로터(106)에 의해 이루어지며 상기 발전기는 상기 서포팅 마스트(104)의 풍하측에 즉 기계 나셀(105)에 배치된다. 상기 로터(106)와 전기발전기 사이의 동력전달은 도시되지 않지만 마찰형 전달결합인 기어리스 동력전달 방식이 바람직하다. 상기 서포팅 마스트(104)의 대략 반정도 위에 지주(strut)(107)가 양측에 고정연결 되는데, 일단은 각 하부 측에 타단은 상기 서포팅 마스트(107)의 단부 측에 연결되어 있다. 상기 지주(107)는 각각 부력 유닛(103)중 한 유닛 상에 각각 단부가 지지된다. 이러한 구성으로 상기 서포팅 유닛(101), 상기 서포팅 마스트(104) 및 상기 지주(107)은 사면체를 구성하게 되는데 이 같은 구성으로 물위에 부유 시 높은 기계적 강도를 제공하게 된다. 밸러스트 유닛(102)과 부력 유닛(103)의 서로에 대한 배치로 인해 물위에 부유 시 안정된 위치가 생성된다. 도시된 풍력 발전 플랜트(100)의 풍하측(lee side)은 풍력 발전 플랜트(100)의 작동중의 바람방향인 풍향을 나타내는 화살표(108)로 표시된다.

서포팅 마스트(104)의 단면 A-A를 따라서 서포팅 마스트(104)는 그 단면이 프로파일 형상, 특히 윙형(날개형상) 및/또는 물방울형의 프로파일 형상의 단면을 갖는다. 이 프로파일 형상의 단면은 도 2에서 참조번호 (109)로 상세히 도시되어 있다. 종축(길이방향 축)에 대해 대칭인 것이 바람직한 상기 프로파일형상은 공기가 주위 유동 시 볼텍스(vortex)를 형성하지 않는 스트림라인으로 디자인되어, 바람에 대해 최적으로 배향되면 주 하중방향으로 낮은 풍압저항과 최대의 내저항 모멘트를 갖게 된다. 그 결과 상기 서포팅 마스트(104)는 가볍지만 극한 하중에 견딜 수 있도록 설계된다. 상기 지주(107)는 낮은 풍압저항과 높은 강도 및 경량을 갖추어 주위 유동 시 최적의 유동을 달성하기 위해 동일하거나 대체로 유사 또는 대응하는 프로파일 형상을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 그 결과 전체 풍력발전 플랜트의 기계적 안정성이 증가 될 뿐 만 아니라 중력점이 낮은 질량중심과 전 풍력발전 플랜트의 낮은 풍압저항성을 유지하는 것이 확보된다.

작동중 풍력발전 플랜트(100)는서포팅 마스트(104)가 풍상에 위치하고 로터(106)가 풍하에 위치하도록 풍향에 따라 자동 배향된다. 작동중 풍력발전 플랜트(100)가 사용되는 물의 몸체(body of water)상에 부유하므로, 수상에서 전 풍력발전 플랜트의 대응 회전에 의해 이 같은 배향이 일어나게 된다. 이 같은 목적으로 풍력발전 플랜트는 작동위치, 즉 풍력발전 플랜트가 작동되는 물의 몸체상의 위치를 유지하기 위하여, 파워라인과 홀딩 케이블의 조합으로 디자인된 단일 케이블(101)에 의해 단일 앵커포인트(앵커점)와 연결 될 수있으며, 커플링(112)이 상기 케이블(110)과 풍력발전 플랜트(100)사이의 단일연결점(118)에 배치되어 전기접속용으로 슬립 커플링이 형성되고 기계식동력전달용으로 스위블 커플링이 형성된다. 이들 커플링관련 디자인은 공지된 디자인이 상기 커플링(112)의 구조부재용으로 사용되며 커플링(112)과 케이블(110)용으로 단순하고 신뢰성있는 디자인이 제공된다. 그 결과 발생하는 기계적 힘은 스위블 커플링에 의해 적어도 실질적으로는 완전히 흡수되며 그에 따라 슬립 커플링은 풍력발전 플랜트가 작동위치에서 유지함으로서 발생하는 힘으로 인한 기계적 힘에서 자유롭게 된다.

상기 밸러스트 유닛(102)에 수용되는 밸러스트는 예를 들면 물에 의해 형성되나 다른 액체물질등 또는 적어도 부분적으로 고체의 밸러스트가 이용될 수도 있다. 풍력발전 플랜트를 양호하게 트리밍하기 위해 적어도 몇 개의 밸러스트 유닛(102)에서 복수의 밸러스트탱크 또는 고체밸러스트 엘리먼트와 밸러스트탱크의 조합등으로 분할되는 것이 유리하다. 큰 파도(swell), 강한 바람(wind strength) 등과 같은 기상조건의 변화에 적응 하기 위한 작동 중에 밸러스트의 트리밍용 장치도 제공될 수 있다.

필요한 부력을 얻기 위해 특히 공기 또는 다른 개스, 경우에 따라서는 부식을 줄이기 위한 불활성개스중에 부력을 얻기 위해 부력 유닛(103)이 배치된다. 상기 부력 유닛(103)은 경우에 따라서는 적어도 부분적으로 개스형 폼(gaseous foams), 예를 들면 플라스틱 폼(plastic foams)으로 충전될 수 있으며 그 결과 손상에 대한 비교적 큰 손상저항 또는 누설저항이 제공되어 결과적으로 침몰에 대한 더 큰 안정성이 제공된다. 상기 밸러스트(102)와 부력 유닛(103)은 특별한 배치에서 심지어 큰 파도 및 특별한 바람조건 때문에 심각한 현상이 발생하였을 경우에도 풍력발전 플랜트의 자동배향이 될 수 있도록 상기 서포팅 유닛(101)의 구조를 형성한다. 따라서 작동상의 기능장해, 손상 또는 풍력발전 플랜트의 손실에 대한 높은 안정도가 동일하게 제공된다.

도시된 풍력발전 플랜트(100)에서 밸러스트 유닛(102)은 풍력발전 플랜트(100)의 작동상태에서 워터 라인(113) 하부에 배치되며 상기 워터 라인까지 풍력발전 플랜트가 작동상태에서 잠수되며, 적어도 대략 수평인 상부 및 하부측(114,115)을 구비하며 전술한 바와 같이 각각의 경우 적어도 두 개의 부력 유닛(103)을 연결하는 구조부재로써 디자인 된다. 상기 적어도 대략 수평인 상부 및 하부측(114,115)은 큰 파도의 경우 특히 롤링 및 피팅운동이 있는 물위의 상기 풍력발전 플랜트(100)에 낮은 고유 진동수를 제공하여 결과적으로 상기 롤링 및 피칭운동을 감소시킨다.

상기 부력 유닛(103)은 낮은 워터 라인 단면, 즉 워터 라인(113)의 레벨에서 낮은 수평단면적을 갖는다. 이로 인해 상기 서포팅 유닛(101)상의 풍력 발전 플랜트(100)의 진동을 여기하는 큰 파도의 부력을 감소시켜 큰 파도시 부력으로 인한 운동을 감소시킨다. 또한 특히 부력 유닛(103)과 바람직하게는 밸러스트 유닛(102)은 특히 스트림라인으로 디자인 되며 로터(106)의 회전축(117)과 적어도 대략 평행한 방향으로 특히 스트림라인으로 디자인 설계된다. 이 같은 목적으로 특히 부력 유닛(103)은 물흐름과 대체로 작동위치에서 일어나는 공기유동과 반대 방향인 단부영역의 한점으로 수렴되도록 구성된다.

전반적으로 전술한 서포팅 유닛(101)은 상기 밸러스트 유닛(102)와 부력 유닛(103)과 함께 반잠수식(반침수식, semi-submersible)으로 디자인 된다.

상기 서포팅 유닛(101)과 서포팅 마스트(104)과 지주(107) 및 기계 나셀(105)의 스트림형 디자인으로 인해 큰 파도 또는 물흐름 및 풍력에 의한 케이블(110)과 커플링(112) 및 앵커포인트(111)에 가해지는 힘을 줄이게 되며 그 결과 전술한 구조부재들은 첫째 더 작은 응력을 받도록 되어 손상에 대해 더 양호하게 보호 받게 되며, 둘째 그에 대응되게 더 경량화될 수 있으며 재료절감하는 디자인이 될 수 있다.

도시된 풍력 발전 플랜트(100)의 경우 중력의 질량중심과 중력의 부력중심의 위치가 적어도 개략적으로는 상기 서포팅 유닛(101)의 평면도로 볼 때 기하중심에 위치하는 것이 바람직하다. 이로 인해 풍력 발전 플랜트가 폭풍 또는 거센파도에서 경사질 때 풍력 발전 플랜트(100)의 전복에 대한 직접적으로 독립적으로 가능한 안전성을 제공하게 된다. 풍압은 중력중심을 설정하는데 추가로 고려될 수 있으며, 예컨대 상기 풍압에 의존하는 밸러스트 수(ballast water)를 재순환 시킴으로서 밸러스트의 이동이 이루어 질 수 있으며 그에 따라 풍력 발전 플랜트는 물에서 직선위치를 유지하기 위해 즉 경사없는 위치에 위치하게 된다.

풍력 발전 플랜트(100)는 전력라인과 홀딩 케이블의 조합으로서 디자인되는 케이블(110)을 통해 앵커포인트(111)에서 물의 몸체의 저부에 특히 해상플로어(ocean floor )(117)상에 풍력 발전 플랜트(100)를 기계적으로 정박고정(앵커)시키는 것과 전기접속부를 전기에너지송전 및 배전망에 전기접속하는 것이 이루어진다. 이러한 형태의 앵커장치(116)는 예를 들면 작동 및 앵커위치에서 물 또는 특히 모래와 같은 추가 밸러스트로 충전될 수 있는 콘크리트부재에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 콘크리트부재 대신에 앵커장치(116)는 철강부재를 가질 수 있다.

치수 사용예에서 풍력 발전 플랜트(100)는 다음과 같은 치수를 갖는다.

- 서포팅 유닛(101)의 하측에서의 높이, 즉 밸러스트부재(102)의 하측으로부터 로터(106)의 회전축(117)까지의 거리: H = 105 m;

- 워터 라인(113)과 서포팅 유닛(101)의 하측과의 잠수깊이(침수깊이): T = 6.50 m;

- 커넥션 포인트(118), 즉 커플링(112)과 서포팅 유닛(101)의 하측과의 거리: K = 17.50 m;

- 서포팅 마스트(104)의 단면(109)의 프로파일 두께 : D = 3.00 m;

- 로터(106)의 회전원 직경: DR = 154.00 m;

- 서포팅 유닛(101)의 하측으로부터 즉 밸러스트부재(102) 의 하측(115)으로부터 회전원과의 거리: HD = 28.00 m;

이 거리는 작동중21.50m의 워터 라인에서 회전원과의 거리에 대응함.

다른 수치예에서 풍력 발전 플랜트(100)는 상기와 다른 다음 수치를 갖는다. 잔여수치는 동일함:

- 밸러스트부재(102)의 하측(115)로 부터 로터(106) 회전축(117)까지의 거리: H = 111.50 m;

- 워터 라인(113)과 밸러스트부재(102)의 하측과의 잠수깊이: T = 13.00 m;

- 커넥션 포인트(118), 즉 커플링(112)과 서포팅 유닛(101)의 하측, 즉 밸러스트부재(102)의 하측(115)과의 거리: K = 24.00 m;

- 서포팅 유닛(101)의 하측으로부터 즉 밸러스트부재(102) 의 하측(115)으로부터 회전원과의 거리: HD = 34.50 m.

전술한 수치예는 바람과 큰 파도에 대한 안정성면에서 특히 유용하게 표시 된다.

발명의 완성을 위해 첨부한 도면의 설명은 본 발명에 따른 풍력 발전 플랜트(100)의 모든 실시예 또는 수치실시예용의 스케일과는 정확하게 수행되지 않았음이 주지되어야 한다.
100 부유식 해상 풍력 발전 플랜트
101 서포팅 유닛
102 서포팅 유닛의 밸러스트 유닛
103 서포팅 유닛의 부력 유닛
104 서포팅 마스트
105 기계 나셀
106 로터
107 지주
108 화살표: 바람방향
109 서포팅 마스트의 단면(프로파일)
110 케이블
111 케이블과 앵커간의 앵커포인트
112 커플링: 슬립 커플링(전기식)과 스위블 커플링(기계식)
113 워터 라인
114 서포팅 유닛의 상측
115 서포팅 유닛의 하측
116 앵커장치
117 로터의 회전축
118 부유식 해상 풍력 발전 플랜트와 케이블간의 커넥션 포인트(커넥팅 포인트)
A-A 서포팅 마스트의 단면의 단면평면
D 서포팅 마스트의 단면의 프로파일 두께
DR 로터의 회전원 직경
H 로터의 회전축과 서포팅 유닛의 하측간의 높이
HD 서포팅 부재의 하측에서 회전원DR까지의 거리
K 커플링과 서포팅 유닛의 하측간의 거리
T 서포팅 유닛의 하측과 워터 라인과의 잠수거리(침수거리)

Claims (13)

1. 부유식 해상 풍력 발전 플랜트에 있어서,
   적어도 실질적으로 로딩 없이 유지되는 전력라인(파워라인)과 단일 위치 고정된 앵커포인트(111)에 상기 풍력 발전 플랜트(100)을 유지 하는데 발생하는 모든 기계식 힘을 적어도 실질적으로 흡수하는 홀딩 케이블과의 조합으로써 디자인 된 케이블(110)에 의해 상기 풍력 발전 플랜트(100)는 6개의 자유도로 이동 가능하도록 하기 위해 상기 앵커포인트(111)에 연결될 수 있으며, 커플링(112)이 상기 케이블(110)과 상기 풍력 발전 플랜트(100)사이의 단일 커넥션 포인트(118)에 배치되고 전기접속을 제공하기 위해 슬립 커플링이 형성되고 기계식 동력전달을 제공하기 위해 스위블 커플링이 형성되며;
   상기 풍력 발전 플랜트(100)는 서포팅 유닛(101), 특히, 밸러스트 유닛 및 부력 유닛을 구비한 반잠수체로 디자인된 부유유닛을 포함하며;
   상기 풍력 발전 플랜트(100)는 서포팅 유닛(101)에 고정적으로 연결된 서포팅 마스트(104) 및 상기 서포팅 마스트에 고정적으로 배치되고 적어도 하나의 로터(106)와 적어도 하나의 전기발전기를 구비한 기계 나셀을 포함하며;
   커넥션 포인트(118)와 실질적으로 수직인 로터(106)의 회전 평면 간에 가능한 최대 수평 거리가 형성되는;
   특징을 포함하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 커플링(112)은 슬립 커플링 및/또는 스위블 커플링으로 상기 풍력 발전 플랜트(100)상에서 짐벌식 연결(카르다노 연결)되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 서포팅 유닛(101)은 각각의 경우, 밸러스트 유닛(102)과 부력 유닛(103)을 포함하며, 상기 부력 유닛(103)은 적어도 하나의 로터(106)의 회전축(117)과 적어도 실질적으로 대칭인, 평면도로 보아 적어도 실질적으로 삼각형 코너부이며 상기 밸러스트 유닛(102)중 하나는 상기 부력 유닛(103)의 각 2개 사이를 연장하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 밸러스트 유닛(102)은 추가 밸러스트 유닛을 갖춘 이중저부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
   상기 서포팅 마스트(104)는 적어도 하나의 로터(106)의 회전축(117)과 적어도 실질적으로 대칭인, 평면도로 본 삼각형의 중심에 있는 부력 유닛(103)상에 배치되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
6. 제 3항, 제4항 또는 제 5항에 있어서,
   각 경우에 평면도로 보아 삼각형의 회전축과 횡방향으로 배치되는 상기 서포팅 마스트(104)와 부력 유닛(103)사이의 연결부를 형성하기 위한 적어도 하나, 특히 하나의 지주(107)는 상기 적어도 하나의 로터(106)의 회전축과 적어도 실질적으로 대칭인 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
7. 전술한 항들중 어느 한항에 있어서,
   상기 밸러스트 유닛(102)은 상기 풍력 발전 플랜트(100)의 작동상태에서 워터 라인(113)아래에 배치되는 구조부재로서 디자인되고 각각의 경우 적어도 2개의 부력 유닛(103)을 연결하고 적어도 실질적으로 수평인 상부 및 하부측(114,115)을 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
8. 전술한 항들중 어느 한항에 있어서,
   상기 부력 유닛(103)은 하부워터 라인 단면부를 갖는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
9. 전술한 항들중 어느 한항에 있어서,
   상기 밸러스트 유닛(102)은 추가 밸러스트 유닛을 갖춘 이중저부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
10. 전술한 항들중 어느 한항에 있어서,
    상기 부력 유닛(103) 및/또는 상기 부력 유닛(103)은 스트림라인으로 디자인 되고 특히 적어도 하나의 로터(106)의 회전축과 적어도 실질적으로 평행한 방향으로 특히 스트림라인으로 형성되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
11. 전술한 항들중 어느 한항에 있어서,
    파워라인(전력라인)과 홀딩 케이블의 조합으로 디자인되는 상기 케이블(110)은 앵커포인트에서 앵커장치(116)와 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
12. 전술한 항들중 어느 한항에 있어서,
    상기 서포팅 마스트(104)는 프로파일 형상으로 형성된 단면부(109), 특히 날개형 및 또는 물방울형 프로파일 형상으로 형성된 단면부(109)를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
13. 전술한 항들중 어느 한항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 로터(106)와 적어도 하나의 전기발전기 사이에는 기어리스식 마찰식 에너지 전달연결부가 형성되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력 발전 플랜트.
    

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