KR20200116903A - 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20200116903A KR1020207015752A KR20207015752A KR20200116903A KR 20200116903 A KR20200116903 A KR 20200116903A KR 1020207015752 A KR1020207015752 A KR 1020207015752A KR 20207015752 A KR20207015752 A KR 20207015752A KR 20200116903 A KR20200116903 A KR 20200116903A
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Abstract

지지 구조물(4) 및 지지 구조물(4)에 장착된 복수의 조석 에너지 변환기 모듈(6)을 포함하는 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치가 제공되며, 각각의 모듈(6)은 적어도 하나의 에너지 변환기 디바이스를 포함하고, 배열체는 복수의 조석 에너지 변환기 모듈(6)이 엇갈림식 배열체(staggered arrangement)로 지지 구조물(4)에 장착되고, 각각의 모듈(6)은 인접한 모듈(6)로부터 수평 및 수직 둘 모두로 분리되고, 배열체는 각각의 모듈(6)에 대한 각각의 방해받지 않는 실질적인 수직 리프팅 통로(vertical lifting corridors) 및 각각의 모듈(6)에 대한 각각의 방해받지 않는 실질적으로 수평 흐름 통로(horizontal flow corridors)가 존재하도록 되어 있다.

Description

장치 및 방법
본 발명은 에너지 변환 어레이(energy converting array)에 관한 것이다.
조석 에너지(tidal energy)로부터의 전력 활용은 해양 환경에서 잘 입증된 에너지 추출 방법이다. 그러나, 조석 에너지의 정당한 상업적 개발을 가능하게 하기 위해 균등화발전비용(Levelized Energy of Cost; LCOE)을 달성하는 주된 과제가 존재한다. 주요 과제는 다음과 같다:
ㆍ조류 터빈(tidal turbine)의 높은 비용 및 복잡성,
ㆍ해저 기초(sea bed foundations)의 높은 비용 및 복잡성,
ㆍ감소된 사용수명 및 더 높은 복잡성/비용을 야기하는 해저 기초에서의 높은 수준의 피로,
ㆍ대형 선적물을 들어올릴 수 있는 건설 작업선(construction vessel)에 대한 필요로 인한 높은 설치 비용,
ㆍ특정한 지정학적 지역에 적합한 설치 선박의 이용가능성의 부족 - 대형 터빈 운송 및 취급과 연관된 그리고 플랜트 장비의 밸런스와 연관된 복잡하고 높은 물류 비용,
ㆍ대형 리프트 건설 작업선을 동원해야 하는 필요로 인한 매우 높은 운영 및 유지 보수 비용,
ㆍ근해 해양 확산(offshore marine spreads)을 위한 동원/동원 해제 비용에 대한 큰 지출,
ㆍ건설 활동을 위한 현장에 대한 이용가능성의 매우 제한된 전망.
세계 최고의 조석 장소 다수는 근해 건설 작업선(Offshore Construction Vessels; OCVs)을 이용할 수 없으며, 이에 따라 장거리에 걸쳐 이러한 선박을 동원하는 데 드는 비용이 매우 높다.
부유식 플랫폼(floating platform)이 잠재적인 해법으로서 널리 고려되고 있다. 그러나, 이는 높은 계류 하중(mooring loads), 계류 피로, 계류 탄성/요잉(피쉬-테일링), 부유식 플랜트에 대한 높은 비용 및 법적 요구사항, 고가의 고정(anchoring) 해결책 및 해저와 부유식 디바이스 사이의 복잡한 동적 케이블 훅업(cable hook-up), 케이블 피로, 악천후/생존 가능성 문제, 선박/파편과의 충돌 등으로 인해서, 비용 및 위험을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 그러한 부유식 해결책이 사용될 수 있고 해양 항해에 큰 위험을 나타내는 제한된 장소가 존재한다. 계류 및 관련 장비는 또한 해저 공간을 많이 차지하므로 패킹 밀도가 상대적으로 낮아서 주어진 영역에서 낮은 에너지 회수를 유발한다.
조류 터빈의 해저 설치 기술은 최근에 매우 효율적으로 이루어졌으며 그리고 잘 입증되어 왔고, 해저에 장착된 터빈을 사용하지 않아도 할 어떤 이유도 존재하지 않는다.
게다가, 해저 커넥터 및 훅업 방법을 사용한 트랙 기록은 잘 이해되고 있으며 습식 메이트 커넥터를 사용하여 성공적으로 수행되었다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치가 제공되며, 상기 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치는 지지 구조물 및 지지 구조물에 장착된 복수의 조석 에너지 변환기 모듈을 포함하고, 각각의 모듈은 적어도 하나의 에너지 변환기 디바이스를 포함하며, 배열체는 복수의 조석 에너지 변환기 모듈이 엇갈림식 배열체(staggered arrangement)로 지지 구조물에 장착되고, 각각의 모듈은 인접한 모듈로부터 수평 및 수직 둘 모두로 분리되고, 배열체는 각각의 모듈에 대한 각각의 방해받지 않는 실질적인 수직 리프팅 통로(vertical lifting corridors) 및 각각의 모듈에 대한 각각의 방해받지 않는 실질적으로 수평 흐름 통로(horizontal flow corridors)가 존재하도록 되어 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 에너지 변환 어레이의 설치 방법이 제공되며, 상기 에너지 변환 어레이의 설치 방법은 해저 위치에 지지 구조물을 설치하는 단계, 복수의 조석 에너지 변환기 모듈을 순차적으로 낮추는 단계 - 각각의 모듈은 적어도 하나의 에너지 변환기 디바이스를 포함 -, 및 복수의 조석 에너지 변환기 모듈이 엇갈림식 배열체(staggered arrangement)로 지지 구조물에 장착하는 단계를 포함하고, 각각의 모듈은 인접한 모듈로부터 수평 및 수직 둘 모두로 분리되며; 배열체는 각각의 모듈에 대한 각각의 방해받지 않는 실질적인 수직 리프팅 통로 및 각각의 모듈에 대한 각각의 방해받지 않는 실질적으로 수평 흐름 통로가 존재하도록 되어 있다.
이러한 양태로 인해, 개별 수중 에너지 변환기 모듈이 복구를 위해 쉽게 액세스될 수 있고 그리고 기초/지지 구조가 현장에서(in situ) 유지될 수 있는 기초 구조물이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 에너지 변환기 디바이스는 터빈이고, 터빈의 블레이드는 변동 조수의 이동에 의해 축을 중심으로 회전된다.
최근에 이용 가능한 비교적 작은 조류 터빈의 감소된 비용 및 감소된 중량을 이용하고, 이들 복수의 터빈을 크로스 빔 구조물 상의 단일 에너지 변환기 모듈로 통합/클러스터링하고 그리고 모듈의 훅업 및 전력 관리 시스템을 추가로 통합함으로써, 더 적은 자본 지출과 상당히 감소된 중량으로 동일한 양의 에너지를 추출할 수 있다. 예를 들어, 50 내지 200KW 용량 및 약 1 내지 10 톤의 소형 터빈은 20 톤만큼 낮은 터빈 중량으로 총 5 내지 20 개의 터빈을 사용하여 1MW의 발전 용량을 달성할 수 있음을 의미한다. 이러한 선적물은 표준 저비용 작업선, 공급선 및 바지선으로 쉽게 처리될 수 있다. 이러한 용량의 기존 대형 터빈(> 1 MW)은 일반적으로 130 내지 200 톤 범위에 있다. 이는 설치, 물류, 운영 및 유지 보수 측면에서 주요 이점이 있으며, 더 큰 대형 리프트 설치 및 회수 선박으로부터 근해 건설 작업선에 대한 필요없이 소형 작업선, 공급 보트 및 바지선으로 이동하는 것을 허용한다. 이 접근법은 근해형 건설 작업선이 거의 없는 지역에서 현지에서 공급되는 작업선 및 바지선을 적합화할 수 있다는 주요 이점을 갖는다.
게다가, 비교적 작은 터빈은 상당히 높은 발전:중량비(power-generation: weight ratio)뿐만 아니라 상당히 높은 발전:제조 비용비(power-generation: manufacture cost ratio)를 제공하는 것으로 입증되었다.
추가 이점은, 지지 구조물의 피로(기초 피로); 웨이크 손실; 설치, 운영 및 유지 보수 비용이 크게 절감된다는 것이다. 게다가, 미끄러짐 및 전복(overturning)을 완화시키는 데 필요한 지지 구조물의 밸러스팅에 대한 요구 사항은 관련된 비용 절감으로 상당히 줄어든다.
다중-터빈 접근법의 단점은, 다수의 유닛을 공통 그리드로 통합하고 기초 구조물로 통합하는 것과 관련하여 플랜트 비용의 밸런스를 높이는 것이다.
본 발명의 목적은 다음을 통해 이러한 문제를 해결하는 것이다.
ㆍ감소 비용으로 다중-터빈 기초 구조물을 개발
ㆍ수개의 터빈을 단일 유닛으로 통합함으로써 비용의 밸런스를 낮춤
ㆍ피로 하중을 보다 균형잡힌 방식으로 기본 구조물에 분산시키고 터빈 지지 구조물의 피로 수명을 증가시킴
ㆍ전 세계적으로 현지에서 공급할 수 있는 작업선 크기의 선박, 바지선 또는 공급 보트를 사용하여 강력한 운영 및 유지 관리 전략을 개발
ㆍ검증 및 시험을 거친 해저 조업 훅업 방법을 사용
ㆍ전 세계로 쉽게 운송할 수 있고 크레인 선박의 필요가 없는 평탄한 갑판 작업선, 공급선 또는 바지선에 쉽게 통합할 수 있는 이중 스키드 배열체(dual skid arrangement)에 특수 제작된 진수 및 회수 시스템(Launch and Recovery System; LARS)을 사용
ㆍ경량/저비용의 취급 및 운송 장비를 사용
본 발명이 명확하고 완전하게 개시될 수 있도록 하기 위해, 이제 단지 예로서 첨부된 도면을 참조할 것이다.
도 1은 에너지 변환 어레이의 사시도이다.
도 2는 도 1의 어레이의 측면도이다.
도 3은 도 1의 어레이의 후면도이다.
도 4 내지 도 9는 에너지 변환 어레이의 설치 단계의 사시도를 도시한다.
도 10은 분리된 구성으로 도 1의 어레이의 부품을 보다 상세히 도시한 사시도이다.
도 11은 장착된 구성으로 어레이의 부품을 갖는 도 4와 유사한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 에너지 변환 어레이(2)는 지지 구조물 또는 기초(4) 및 지지 구조물(4)에 장착된 복수의 조석 에너지 변환기 모듈(6)을 포함하고, 각각의 모듈(6)은 크로스 빔 구조물(10)(이는 도시된 예에서 날개형 크로스 빔 구조물임) 상에 장착된 터빈(8) 형태의 복수의 에너지 변환 디바이스를 포함한다.
도 4 내지 도 9를 참조하면, 설치 동안, 각각의 모듈(6)은 해저(SB) 위치에 미리 고정된 지지 구조물(4) 상으로 수상 선박 또는 바지선(14)으로부터 하강된다. 모듈(6)은 수평 또는 수직으로 인접하거나 이웃하는 모듈(6)을 분리하고 그리고 설치 및 회수를 위한 방해받지 않은 접근 및 상이한 레벨에 있는 터빈을 통한 방해받지 않는 물의 흐름을 허용하기 위해 엇갈림식 패턴으로 지지 구조물(4)에 장착되도록 배열되며, 이에 의해 어레이(2)에 의해 점유된 공간을 통한 물의 용적 흐름으로부터의 에너지 추출을 최적화한다. 다시 도 2를 참조하면, 화살표(7)는 설치 및 회수를 위한 방해받지 않는 액세스를 허용하기 위해 각각의 모듈(6)에 대한 방해받지 않는 실질적으로 수직 리프팅 통로를 나타내고, 화살표(7 ')는 상이한 레벨에서 터빈을 통한 방해받지 않는 물의 흐름을 허용하기 위해 각각의 모듈(6)에 대한 방해받지 않는 실질적으로 수평 흐름 통로를 나타내며, 이에 의해 물의 부피 흐름으로부터의 에너지 추출을 최적화한다.
구체적으로, 도 4 및 도 5를 참조하면, 각각의 모듈(6)은 바람직하게는 선박 또는 바지선(14)의 전단 또는 후단 영역에 장착되고 크로스 빔 구조물(10)과 실질적으로 동일한 폭을 갖는 운반 빔(carrying beam)(16)을 포함하는 트윈-대비트 시스템(twin-davit system)(12)을 통해 수중으로 하강된다. 크로스 빔 구조물(10)은 운반 빔(16)에 해제 가능하게 장착된다. 모듈(6)에 부착된 운반 빔(16)은, 진수 및 회수 시스템(launch and recovery system) 프레임(LARS 프레임)을 통해 리프트 와이어(18)에 부착된다. 트윈-대비트 시스템(12)은 진수 및 회수 시스템과 모듈(6)의 안전한 해상 운송을 위한 해상운송 고박 배열체(sea-fastening arrangement)를 포함하고, 그리고 선박(14)에 장착될 수 있도록 설계되며, 이에 따라 크레인이나 기타 대규모 리프팅 장비에 대한 필요가 제거된다. 리프트 와이어(18)는 제 1 윈치 드럼(winch drums)(20)으로부터 유래된다. 게다가, 2 개의 안정화 케이블(22)이 모든 단계에서 리프트를 완전히 제어할 수 있도록 선박(14)의 선체 중간 부분으로부터 운반 빔(16)의 단부 영역까지 부착되는 것이 유리하다. 안정화 케이블은 제 2 윈치 드럼(24)으로부터 유래된다. 안정화 케이블(22)은, 높은 풍력(high wind forces)에 의해 야기된 진자 효과가 (크레인과 비교하여) 감소된 작업 높이 및 2 개의 안정화 케이블(22)을 갖는 2 개의 부착 지점으로 인해 감소될 수 있기 때문에, 최적이 아닌 불리한 기상 조건에서의 모듈(6)의 진수(launching)를 허용한다. 그 결과, 선적물(모듈(6))이 취하는 경로는 스플래시 영역(splash zone)을 통해, 물기둥을 통해 그리고 모듈(6)을 지지 구조물(4) 상에 위치시키는 동안 더욱 더 제어된다. 양호한 기상 조건에서는, 안정화 케이블(22)의 사용이 필요하지 않을 수 있다.
도 6은 운반 빔(16)에 부착되고 지지 구조물(4)과 정합하기 위해 물기둥을 통해 멀어지고 있는 모듈(6)을 도시한다. 도 7은 원하는 정합 위치에서 지지 구조물(4)에 도착한 모듈(6)을 도시한다. 모듈(6)은 아래에서 더 상세히 논의되는 스테이빙 배열체(stabbing arrangement)를 통해 지지 구조물(4) 상에 위치되거나 스테이빙된다. 도 8은 이제, 지지 구조물(4)에 연결된 모듈(6)로부터 맞물림 해제되고 설치 또는 도시된 바와 같이 설치 작업의 완료를 위해 추가 모듈(6)에 해제 가능하게 연결되기 위해 트윈-다비트 시스템(12)에 의해 물기둥을 통해 선박(14)으로 다시 상승중인 운반 빔(16)을 도시한다. 운반 빔(16)은, 패드-아이 배열체(pad-eye arrangement)를 통해 리프팅 케이블을 고정시키는 핀을 해제하는 유압 램(hydraulic ram)에 의해 모듈(6)로부터 해제된다. 안정화 케이블(22)은 작동하는 동안 모듈(6)에 부착된 상태로 유지된다.
도 9는 어레이가 완전히 설치되었으며 모든 전기 연결이 완료되면 바로 사용할 수 있음을 보여준다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 각각의 모듈(6)은 크로스 빔(10) 상의 스테이빙 가이드(24)의 배열을 통해 지지 구조물(4) 상에 위치되거나 스테이빙되며, 지지 구조물(4)의 마운팅 스트럿의 단부 영역에서 대응하는 정합 요소(26)의 수용을 위해 공차(이 버전에서, 이 공차는 절두원뿔형(frusto-conically shaped) 채널에 의해 부여됨)를 증가시킨다. 해저 카메라, 음향 포지셔닝 시스템, 리프팅 배열체에 장착된 소나 기반 기준 시스템과 같은 지능적인 배열체는 고가의 작업 클래스 원격 작동식 비히클(Remote Operated Vehicles; ROVs)이 필요하지 않음을 의미한다. 모듈(6)은 LARS 프레임으로부터 구동되는 원격 잠금 핀 배열체를 통해 지지 구조물(4)에 장착될 수 있다. 게다가, 모듈(6)의 전기 훅업을 위한 습식 메이트 커넥터 배열체가 또한 LARS 프레임으로부터 구동된다.
하나 이상의 모듈(6)에 유지 보수 및/또는 수리가 필요한 경우, 선박(14)은 현장으로 되돌아갈 수 있고, 자신의 LARS 프레임을 갖는 트윈-다비트 시스템(12)을 통해, 지지 구조물(4) 상의 원하는 모듈(6)과 맞물리기 위해 운반 빔(16)을 하강시킬 수 있다. 지지 구조물(4) 상의 모듈(6)의 엇갈림식 배열체로 인해, 물기둥을 통해 다시 선박(14)으로의 모듈(6)의 제거를 방해하는 어레이(2)의 부분이 존재하지 않는다. 이는 필요한 유지 보수 및/또는 수리가 수행된 후에, 모듈(6)의 재연결에도 동일하게 적용된다.
모듈(6)은 날개형 크로스 빔(10)의 페어링 특성에 의해 터빈(8) 주위의 흐름을 동시에 증대시키면서 지지 구조물(4) 상에 약간의 다운포스를 생성하도록 설계될 수 있다. 지지 구조물(4)은 트라이포드, 듀오-포드 또는 쿼드로-포드 구조물의 형태일 수 있고 그리고 중력 베이스/모듈식 중력 베이스를 통해 해저에 천공되거나 해저의 상부에 안착됨으로써 해저에 고정될 수 있다. 지지 구조물(4)의 브레이싱(bracings)은 터빈(8)으로의 물의 흐름을 증대시키기 위해 페어링(fairing)을 더 포함할 수 있다. 터빈 자체는 (도시된 바와 같이) 크로스 빔(10)에 매달려 있거나, 크로스 빔 위에 고정되거나 또는 크로스 빔에 통합될 수 있다.

Claims (15)

  1. 지지 구조물 및 지지 구조물에 장착된 복수의 조석 에너지 변환기 모듈(tidal energy converter modules)을 포함하는, 에너지 변환 어레이(energy converting array)를 포함하는 장치로서,
    각각의 모듈은 적어도 하나의 에너지 변환기 디바이스를 포함하고, 배열체는 복수의 조석 에너지 변환기 모듈이 엇갈림식 배열체(staggered arrangement)로 지지 구조물에 장착되고, 각각의 모듈은 인접한 모듈로부터 수평 및 수직 둘 모두로 분리되고, 배열체는 각각의 모듈에 대한 각각의 방해받지 않는 실질적인 수직 리프팅 통로(vertical lifting corridors) 및 각각의 모듈에 대한 각각의 방해받지 않는 실질적으로 수평 흐름 통로(horizontal flow corridors)가 존재하도록 되어 있는, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 모듈은 복수의 에너지 변환 디바이스를 포함하는, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    에너지 변환 디바이스는 터빈(turbines)인, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모듈은 상기 에너지 변환 디바이스가 장착되는 크로스 빔 구조물(ross-beam structure)을 포함하는, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 크로스 빔 구조물은 날개형 크로스 빔 구조물인, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 구조물은 트라이포드(tripod)의 형태일 수 있고 그리고 에너지 변환 디바이스 내로의 물의 흐름을 증대시키기 위해 페어링(fairings)을 더 포함하는, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 모듈은 바람직하게는 선박에 장착된 트윈-다비트 시스템(twin-davit system)을 통해 물로 하강되는, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치.
  8. 제 4 항 또는 제 5 항에 첨부된 바와 같은 제 7 항에 있어서,
    상기 트윈-다비트 시스템은 상기 크로스 빔 구조물과 실질적으로 동일한 폭을 갖는 운반 빔(carrying beam)을 포함하는, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 크로스 빔 구조물은 상기 운반 빔에 해제 가능하게 장착되는, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치.
  10. 제 4 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 크로스빔 구조물은 스테이빙 가이드(stabbing guides)를 포함하는, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 스테이빙 가이드는 지지 구조물의 장착 스트럿(mounting struts)의 단부 영역에서 대응하는 정합 요소의 수용을 위한 허용오차를 증가시키는 절두 원뿔형 채널(frusto-conically shaped channels)인, 에너지 변환 어레이를 포함하는 장치.
  12. 에너지 변환 어레이의 설치 방법으로서,
    상기 방법은,
    해저 위치에 지지 구조물을 설치하는 단계, 복수의 조석 에너지 변환기 모듈을 순차적으로 낮추는 단계-각각의 모듈은 적어도 하나의 에너지 변환기 디바이스를 포함-, 및 복수의 조석 에너지 변환기 모듈이 엇갈림식 배열체(staggered arrangement)로 지지 구조물에 장착하는 단계를 포함하며, 각각의 모듈은 인접한 모듈로부터 수평 및 수직 둘 모두로 분리되며;
    배열체는 각각의 모듈에 대한 각각의 방해받지 않는 실질적인 수직 리프팅 통로 및 각각의 모듈에 대한 각각의 방해받지 않는 실질적으로 수평 흐름 통로가 존재하도록 되어 있는, 에너지 변환 어레이의 설치 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    각각의 모듈은 수상 선박으로부터 해저 위치에 미리 고정된 지지 구조물 상으로 하강되는, 에너지 변환 어레이의 설치 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    안정화 케이블을 통해 하강하는 동안 모듈을 안정화시키는 단계를 더 포함하는, 에너지 변환 어레이의 설치 방법.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 모듈은 스테이빙 배열체에 의해 상기 지지 구조물(4) 상에 스테이빙되는, 에너지 변환 어레이의 설치 방법.
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