KR20210060504A - 제어가능한 요 위치를 갖는 부유식 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양 에너지 생산 조립체(1)에 관한 것으로서,
앵커 고정 수단(2);
부유식 풍력 터빈(4)의 부유식 구조물(5)에 대해 로터(7)의 고정 회전축(A-A)을 갖는 터빈(7)을 포함하는 부유식 풍력 터빈(4);
풍향(V)을 결정하기 위한 수단(8);을 포함하며,
상기 풍향(V)을 결정하기 위한 수단(8)은,
풍향(V)에 대한 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 지향을 검출하기 위한 수단(81);
상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 검출하기 위한 수단(9);
상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 제어하기 위한 수단(10);
상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 제어하기 위한 수단(10)에 명령을 전송하고, 풍향(V)에 대해 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 지향을 변경하기 위한 연산 유닛(11);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

제어가능한 요 위치를 갖는 부유식 풍력 터빈

본 발명의 분야는 해양 에너지 생산 수단의 설계 및 제조이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 자기-지향성(self-orientating) 풍력 터빈, 즉 풍향의 함수로서 이동할 수 있는 풍력 터빈을 포함하는 해양 에너지 생산 조립체에 관한 것이다.

풍력을 사용하는 풍력 터빈은 현재 재생 에너지 생산에 사용되고 있다.

종래의 설계에서, 풍력 터빈은 터빈이 장착된 마스트(mast)로 구성되며, 여기에는 로터와, 상기 로터의 움직임을 전류로 변환하는 유닛이 제공된다.

풍력 터빈은 일반적으로 경작지 또는 전용 공간에, 풍력 발전 단지 형태로 설치된다.

그러나, 풍력 터빈은 가까운 지역 주민들에 대하여 많은 결점이 있다.

우선적으로, 풍력 터빈은 작동중에 소음을 발생시킨다. 지역 주민들이 자고 싶어하는 야간에 풍력 터빈이 작동할 때 이 소음은 특히 방해가 된다.

더욱이, 풍력 터빈을 심미적으로 만족스럽게 만들기 위한 노력이 있었음에도, 풍력 터빈은 시골의 경관을 해치는 상당한 크기를 가지고 있다.

또한, 육상 풍력 터빈을 설치하는 데 필요한 공간도 상당하다. 따라서 일부 위치에 육상 풍력 터빈을 설치하는 것이 불가능하거나, 설치할 육상 풍력 터빈의 수가 제한될 수 있어서 전기 생산 능력을 감소시킬 수 있다.

마지막으로, 풍력 조건은 해안가에서 최적이 아닐 수 있다. 이와 대조적으로, 풍력 조건이 해상에서 더 강하고 규칙적이며, 이는 전기 생산에 유리하다.

지역 주민들의 불편함을 줄이고 전기 생산 능력을 향상시키기 위해, 해상 설치용 풍력 터빈이 설계되었다.

해상 풍력 터빈에는 여러가지 유형이 있다.

제1 유형은 기존의 해상 풍력 터빈, 즉 해안가에 설치된 것과 같은 풍력 터빈을 포함하지만, 바다에 설치할 수 있도록 약간 수정된다.

풍향이 변할 수 있기 때문에, 이러한 제1 유형의 해상 풍력 터빈은 풍향에 적응하기 위해 마스트에 이동 가능하게 장착된 터빈을 포함하여 이루어진다.

그러나, 상기 터빈은 풍력 터빈의 상단에서 상당한 무게를 형성하기 때문에, 이로 인해 상당한 응력 중심거리(lever arm)가 발생되고, 상당하게 기울어지는 힘(tilting forces)이 발생된다. 따라서 풍력 터빈을 앵커로 고정하기 위한 구조를 제공하는 것이 필요하며, 이는 풍력과 상기 터빈의 무게와 관련된 힘을 견디어내야 한다.

오늘날, 대부분의 해상 풍력 터빈은, 아래에 설명된 제2 및 제3 유형의 일부 부유식 풍력 터빈 프로토 타입을 제외하고는, 해저를 기반으로 하고 있다. 따라서 해상 풍력 터빈의 마스트는, 대개 일반적으로 해저 깊숙한 곳에 묻혀있는 금속 튜브에 놓여 있으며, 드물게는 재킷으로 알려진 격자형 금속 구조물에 놓여 있다.

따라서 이러한 제1 유형의 해상 풍력 터빈은 일반적으로 매우 무겁고, 앵커고정 구조를 포함한 설치가 길고 지루할 수 있다.

부유식 해상 풍력 터빈을 사용하면 광대한 지역의 바다를 활용할 수 있다. 앞서 언급한 고정식 해상 풍력 터빈과 달리 부유식 풍력 터빈은 50m 깊이 이상으로 설치할 수 있으며, 터빈과 기초 구조물 사이의 조립은, 작업조건들이 더 어려운 해상이 아니라, 육상에서 유리하게 수행될 수 있다.

부유식 풍력 터빈은 앵커 고정 시스템을 사용하여 생산 현장에 보관된다.

이러한 풍력 터빈의 앵커 고정 시스템은 정상 및 극한 조건 모두에 견딜수 있어야 한다. 일반적으로 앵커 고정 시스템은 앵커(드래그 앵커, 흡입 앵커, 내장된 플레이트 또는 사하중), 앵커링 라인(체인, 금속 케이블, 폴리 에스테르, 고밀도 폴리에틸렌 또는 폴리 아미드와 같은 합성 재료로 만들어 짐)으로 형성된다.

제2 유형은, 제1 유형과 유사하지만 해저에 연결된 부유식 구조물에 의해 운반되는 풍력 터빈을 포함한다. 생산 과정에서, 제2 유형의 풍력 터빈은 기류를 받고 팽창하여, 풍력 터빈에서의 요 각도, 즉 수직축에 대한 부유식 풍력 터빈의 회전을 초래할 수 있다.

상기 요 각도를 방지하기 위해, 제2 유형의 부유식 풍력 터빈은 전기식 요 조절 시스템을 포함한다. 예를 들어, 전기 모터 또는 윈드 드리프트 시스템은 풍력과 동축인 터빈의 로터의 회전축을 위치시키기 위해 마스트에 대해 터빈을 회전시킬 수 있도록 한다.

부유식 풍력 터빈의 구조적 저항을 개선하기 위해, 특허 명세서 EP 2 986 848은 복수의 암을 사용하여, 수평축 풍력 터빈을 운반하는 부유식 구조물을 포함하는 제3 유형의 부유식 풍력 터빈을 설명하고 있다. 터빈의 나셀은 상기 부유식 풍력 터빈의 부유식 구조물에 대해 고정되어 있어서, 바다로부터의 힘으로 인한 요 각도를 보상하기 위하여 상기 부유식 구조물과 독립적으로 바람을 향해 더 이상 자신을 지향시킬 수가 없다. 요컨대, 부유식 풍력 터빈 전체가 부표 또는 드럼과 같은 앵커 고정 수단을 회전시킴으로써 바람을 향해 자신을 지향시킨다.

따라서 상기 제3 유형은 자기-지향성 해상 풍력 터빈을 포함한다.

상기 풍력 터빈은 일반적으로 제1 및 제2 유형의 풍력 터빈보다 작고 가볍다.

특히, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 극복하기 위한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명의 목적은, 풍력 터빈을 안정시키 위하여, 터빈의 양호한 지향을 제공하고 풍력 터빈의 높은 생산 수율을 보장하기 위하여, 풍력 및 바다로부터의 힘을 상쇄할 수 있도록 하는 해양 에너지 생산 조립체를 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 작동이 간단하면서 자율적인 유형의 조립체를 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적들뿐만 아니라 앞으로 명백하게 드러날 다른 목적들은, 해양 에너지 생산 조립체와 관련된 본 발명에 의해 달성된다.

상기 해양 에너지 생산 조립체는,

해저에 고정하기 위한 앵커 고정 수단;

부유식 풍력 터빈의 부유식 구조물에 대해 로터의 고정 회전축을 갖는 터빈을 포함하며, 상기 부유식 풍력 터빈은 앵커 고정 수단에 연결되어 있고 앵커 고정 수단을 중심으로 피봇되어 터빈의 회전축이 풍향과 실질적으로 평행한 형태인 부유식 풍력 터빈;

풍향을 결정하기 위한 수단;을 포함하며,

상기 풍향을 결정하기 위한 수단은,

풍향에 대한 상기 부유식 풍력 터빈의 지향을 검출하기 위한 수단;

상기 터빈의 로터의 회전축에 평행한 축에 대한 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 검출하기 위한 수단;

상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 제어하기 위한 수단;

상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 제어하기 위한 수단에 명령을 전송하고, 풍향에 대해 상기 부유식 풍력 터빈의 지향을 변경하기 위하여, 풍향을 검출하기 위한 수단, 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 검출하기 위한 수단, 풍향에 대한 상기 부유식 풍력 터빈의 지향을 검출하는 수단으로부터 정보를 수신하기 위한 연산 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 제어함으로써 상기 부유식 풍력 터빈의 더 나은 전력 생산 수율을 보장할 수 있다.

더욱이, 상기 부유식 풍력 터빈의 마모, 조기 파손 또는 손상이 감소되거나 제거된다.

또한, 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도는 롤 각도를 변경함으로써 즉, 로터의 고정된 회전축에 대한 부유식 풍력 터빈의 경사도를 변경함으로써 가변된다. 인과 관계로서, 부유식 풍력 터빈의 롤 각도를 변경하는 것은 요 각도, 즉 바다 표면과 터빈의 로터의 회전축에 실질적으로 수직인 축에 관한 지향에 작용하여 변경할 수 있도록 한다.

특히, 롤 각도가 변경될 때 블레이드의 기울기에 의해 정의된 응력의 중심(터빈의 로터의 중심에 가까운)의 위치가 변경된다. 이것은 풍력 터빈의 위치, 특히 풍향에 대한 요 각도를 변경하는 효과를 갖는다. 따라서, 풍력 터빈을 이용하기 위한 해상 조건이 좋지 않을 때 전기 에너지 생산이 향상된다.

즉, 요각도를 변경하기 위하여, 그 위에 직접 작용하는 대신, 예를 들어 상기 부유식 풍력 터빈을 앵커 고정 수단에 연결하는 계류용 밧줄의 장력을 조절함으로써, 변경하기 더 쉽고 부유식 풍력 터빈의 구조에 더 적은 제한이 가해지는 다른 매개 변수가 작용된다.

제1의 바람직한 실시예에서, 상기 경사도를 제어하기 위한 수단은 밸러스트 시스템을 포함하며, 상기 밸러스트 시스템은,

부유식 풍력 터빈의 부유식 구조물에 대해 각각 고정되며, 터빈의 회전축의 양쪽에 고정되어, 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도에 작용하기에 적합한 제 1 저장소 및 제 2 저장소;

액체 또는 반 액체의 중량을 제 1 저장소로부터 제 2 저장소로 또는 그 반대로 전송하기 위하여 구성된 펌핑 수단;을 포함한다.

상기 밸러스트를 형성하기 위한 저장소들의 사용은 상기 부유식 풍력 터빈의 지향을 빠르게 변경할 수 있도록 한다.

더욱이, 물을 직접 바다로 그리고/또는 하나의 밸러스트에서 다른 밸러스트로 펌핑 및 폐기하는 것은, 상기 부유식 풍력 터빈의 지향 변경이 빠르게 이루어지고, 그 수율을 더욱 증가시킨다는 것을 의미한다.

제2의 바람직한 실시예에서, 상기 경사도를 제어하기 위한 수단은,

상기 부유식 풍력 터빈의 부유식 구조물에 이동 가능하게 장착된 질량체;

상기 질량체의 변위를 안내하고, 터빈의 회전축의 양쪽에 연장되는 안내 경로를 정의하기 위한 수단;

상기 안내 수단에서 상기 질량체를 변위시키기 위한 모터 수단;을 포함한다.

이러한 유형의 제어 수단은 부유식 풍력 터빈의 한면 또는 다른면으로의 상기 질량체의 단순한 변위가 그것의 경사도를 변화시키기 때문에 빠르게 알맞게 구현할 수 있다. 또한, 소정의 안내 수단을 사용함으로써 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 매우 미세하게 변경할 수가 있다.

제3의 실시예에서, 경사 제어 수단은 상기 연산 유닛으로부터의 명령의 함수로서 터빈의 토크를 변화시키기 위한 터빈 토크 조정 수단을 포함하여 이루어진다.

터빈의 토크를 제어함으로써, 바람에 의한 힘의 함수로서 상기 부유식 풍력 터빈의 롤 경사도를 변경할 수가 있다. 즉, 바람이 강하고 경사도가 큰 경우에, 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도에 미치는 바람의 영향을 제한하기 위하여 터빈 토크(토크 감소)를 조정하는 것은 일정한 전력 생산력(이것은 또한 iso-power라고 함)을 유지할 수 있도록 한다.

유리하게는, 풍향을 결정하기 위한 수단은 베인을 포함한다.

베인은 구현 및 설치가 간단하며, 또한 상기 부유식 풍력 터빈의 지향을 잘 잡을 수 있도록 비교적 정밀한 것으로 알려져 있다.

제1 변형 실시예에서, 상기 베인은 상기 부유식 풍력 터빈에 대해 고정된다.

제2 변형 실시예에서, 상기 베인은 앵커 고정 수단에 대해 고정된다.

따라서 상기 부유식 풍력 터빈의 지향 품질에 영향을주지 않으면서, 상기 앵커 고정 수단 또는 상기 부유식 풍력 터빈에 베인을 위치시킬 수 있다. 따라서, 그 위치에 관계없이, 상기 베인은 상기 부유식 풍력 터빈을 풍향의 함수로서 정확하게 지향시킬 수 있도록 하는, 신뢰할 수 있는 정보를 제공할 수 있다.

유리하게는, 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 검출하기 위한 수단은 상기 부유식 풍력 터빈에 대해 고정된 관성 유닛을 포함하여 이루어진다.

관성 유닛은 복수의 축을 따라 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 알 수 있게 한다. 특히, 이것은 풍향의 함수로서 상기 부유식 풍력 터빈의 정확한 지향을 가능하게 함으로써 높은 생산 수율을 얻도록 한다.

본 발명은 또한, 해양 에너지 생산 조립체에 의해 수행되는, 부유식 풍력 터빈의 지향을 변경하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은

풍향을 결정하는 단계;

상기 풍향에 대한 상기 부유식 풍력 터빈의 지향을 검출하는 단계;

상기 풍향 및 상기 부유식 풍력 터빈의 지향에 기초하여 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 변경하기 위한 명령을 정의하는 단계;

상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 변경하기 위해 상기 명령에 의해 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도에 작용하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 추가적인 특징 및 이점은, 예시적이고 비제한적인 예와 첨부된 도면을 통하여 제공된 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명을 읽을 때 더욱 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 해양 에너지 생산 조립체의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 해양 에너지 생산 조립체의 부유식 풍력 터빈의 구조의 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 해양 에너지 생산 조립체의 부유식 풍력 터빈의 구조의 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 변형 실시예에 따른 해양 에너지 생산 조립체의 개략적인 측면도이다.
도 5는 테스트 프로그램 동안 본 발명에 따른 해양 에너지 생산 조립체의 부유식 풍력 터빈의 다양한 사용 시나리오에서 요 각도의 전개를 보여주는 다이어그램이다.
도 6a 내지 6d는 테스트 프로그램 동안, 본 발명에 따른 해양 에너지 생산 조립체의 부유식 풍력 터빈의 개략적인 설명으로서, 도 6a 및 6c는 평면도이고, 도 6b 및 6d는 정면도이다.

도 1은 본 발명에 따른 해양 에너지 생산 조립체(1)를 보여준다.

상기 해양 에너지 생산 조립체(1)는,

해저(3)에 고정하기 위한 앵커 고정 수단(2);

자기 지향형 부유식 풍력 터빈(4)을 포함하여 이루어진다.

상기 앵커 고정 수단(2)은, 부표(21)와, 상기 부표(21)를 해저(3)에 앵커 고정하기 위한 장치(22)를 포함하여 이루어진다.

상기 부유식 풍력 터빈(4)은,

부유식 구조물(5);

상기 부유식 구조물(5)에 장착된 공중 구조물(6);

상기 공중 구조물(6)에 의해 운반되는 터빈(7);을 포함하여 이루어진다.

상기 부유식 구조물(5)은 적어도 3개의 플로트(51), 본 발명에서는 4개의 플로트(51)를 포함하여 이루어진다.

상기 플로트(51)는 거더(521), 예를 들면 금속 거더(521)로 형성된 격자(52)를 통해 서로 연결된다.

상기 공중 구조물(6)은 4개의 다리(61)를 포함하여 이루어진다. 각 다리(61)는 플로트(51)중 하나에 대해 고정된 제1 단부(62)와, 상기 터빈(7)에 대해 고정된 제2 단부(63)를 갖는다.

상기 터빈(7)은, 로터(71)와, 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 부유식 구조물(5)에 대해 고정된 회전축(A-A)을 중심으로 회전되도록 상기 로터(71)가 장착되는 나셀(72)을 포함하여 이루어진다.

일반적으로 상기 로터(71)는 블레이드가 회전되도록 장착되는 중앙 허브로 형성된다.

상기 블레이드는, 필요에 따라 실시간으로 방향을 잡을 수 있도록 하기 위하여, 특히 로터(71)의 풍력 저항과 그에 따른 터빈(7)의 토크를 변경하기 위하여, 상호 독립적이다. 명확성을 위하여, 로터는, 중앙 허브와 블레이드의 조립체가 아니라, 다음의 설명에서 참조된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 터빈(7)은 다리(61)의 제2 단부(63)와 나셀(72)의 협력에 의해 공중 구조물(6)에 고정된다.

마지막으로, 부유식 풍력 터빈(4)은 결합 수단(53)에 의해, 좀더 구체적으로 적어도 하나의 계류용 밧줄에 의해 앵커 고정 수단(2)에 연결된다.

상기 계류용 밧줄은, 부유식 풍력 터빈(4)이 풍향(V)(도 1에서 화살표로 표시됨)에 위치하도록 하기 위하여, 부유식 풍력 터빈(4)이 작동하는 동안에 부유식 풍력 터빈(4)이 앵커 고정 수단(2)의 부표(21)의 주위를 회전할 수 있도록 한다. 단일 계류용 밧줄의 경우에, 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 요 회전 중심은 계류용 밧줄과 상기 부유식 풍력 터빈(4) 사이의 연결이다.

즉, 부표(21)는, 상기 부유식 풍력 터빈(4)이 회전하여 에너지를 생산하는 회전축을 형성한다.

상기 부유식 풍력 터빈(4)과 관련하여, 직교 좌표계는,

회전축(A-A)에 평행한 X 축;

상기 X 축에 수직이고, 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 좌현-우현 방향으로 연장되는 Y축;

상기 X축 및 Y축으로 우측 삼면체 또는 직교 좌표계를 형성하는 Z축;을 포함하도록 정의된다,

이 직교 좌표계와 관련하여, 3가지 회전 각도, 즉 X축에 대한 롤 각도, Y축에 대한 피치 각도, Z 축에 대한 요 각도가 정의된다.

전기 에너지를 생산하는 동안에, 상기 부유식 풍력 터빈(4)은 불안정화되고 기울어지게 되기 쉬운 외부 힘을 받게 된다.

이러한 외부 힘중에서, 기류 및 팽창은 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 지향성 상실을 야기하여 전기 에너지 생산성을 저하시킨다.

더욱이, 풍력이 터빈에 추력을 가할 때, 상기 풍력 터빈은 피치, 즉 상기 Y축을 중심으로 회전하는 경향을 가진다.

상기 팽창이 풍향(V)으로 정렬될 때, 이는 상기 풍력 터빈의 피치에 교번적이고 주기적인 방식으로 영향을 주게 된다. 이것은 풍력의 정점 및 기압골과 함께 상기 부유식 풍력 터빈이 주기적으로 변위된 다음 원위치로 돌아간다는 것을 의미한다.

상기 팽창이 풍력에 수직일 때, 1차 힘(가장 중요한 힘), 즉 일반적으로 힘의 주요 구성 요소는 교번적이고 주기적인 롤(roll)을 발생시킨다.

상기 롤은 1차적으로 Y축 평균 주위에서 0으로 힘을 가하기 때문에(원위치(기압골)로 복귀함으로써 상기 변위(정점에서)는 취소됨), Y축에 관하여 상기 부유식 풍력 터빈(4)을 밀지 않을 뿐만 아니라, 상기 풍력 터빈에 대하여 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 요 각도를 변경하지도 않는다.

2차 힘(상세하게 고려된)은 요 각도의 형태로 상기 부유식 풍력 터빈(4)상에 드리프트 힘을 잠재적으로 생성시킨다.

반대로, Y축에 관한 기류는, 특히 기류가 강한 경우에 해로울 수 있다. 이것은 특히 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 부유식 구조물(5)에 흐르는 기류에 의해 생성 된 항력에 의해 설명된다.

특히, 상기 부유식 풍력 터빈(4)은 그 후 축을 벗어난 위치에 배치되어, 그의 전기 에너지 생산 수율을 감소시킨다.

상기 부유식 풍력 터빈(4)의 생산성에 대한 기류 및 팽창의 영향을 줄이기 위해, 본 발명은 응력 중심(P)의 위치를 변경하는 것을 목표로한다.

상기 부유식 풍력 터빈(4)의 응력 중심(P)은, 공중 구조물(6)(주로 로터(71))에 가해지는 풍향(V)과 관련된 모든 힘의 합의 질량 중심(barycentre)으로서 정의된다.

상기 응력 중심(P)이 변경됨에 따라, 상기 부유식 풍력 터빈(4)은 Y축에 관하여 변위되고, 요 각도(α1)가 생성된다.

이 메커니즘의 뒤에 있는 원인중 하나는, 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 요 회전 중심(예를 들면 앵커 고정 수단)을 통과하는 풍력 벡터(V)가 풍력 추력(P)와 동일 선상에 있어야 한다는 것이다.

만약 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 슬립 스트림을 특정 방향으로 향하게 하는 것이 바람직하다면(예를 들면 하류에 위치한 다른 부유식 풍력 터빈(4)으로 향함으로써 생산수율을 방해하는 것을 방지하기 위해), 이러한 요 각도(α1)는 풍향(V)과의 오정렬을 수정하거나, 풍향(V)과의 오정렬을 생성할 수 있도록 한다.

즉, 풍향(V)의 흐름 방향의 하류에 위치한 인접한 부유식 풍력 터빈(4)의 작동에 대한 방해를 방지하기 위해, 허용 가능한 요 각도(α1)가 의도적으로 생성된다.

허용 가능하다는 것은 생성된 요 각도(α1)가 의도적으로 축을 벗어난 부유식 풍력 터빈(4)의 생산 수율을 손상시키지 않는다는 것을 의미하는 것으로 이해된다.

상기 요 각도(α1)를 수정하거나 생성하는 것을 가능하게 하기 위하여, 이에따라 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 양호한 생산 수율을 가능하게 하기 위하여, 생산 조립체(1)는,

풍향(V)을 결정하기 위한 수단(8);

상기 풍향에 대한 상기 풍력 터빈의 지향을 검출하기 위한 수단(81);

상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 검출하기 위한 수단(9);

도 2 및 도 3에 개략적으로 도시된, 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 제어하기 위한 수단(10);

상기 풍향 결정 수단(8), 경사도 검출 수단(9), 및 경사도 제어 수단(10)과 통신하는 연산 유닛(11);을 포함하여 이루어진다.

상기 풍향(V)을 결정하기 위한 수단(8)은 예를 들면 베인의 형태로 이루어지고, 풍향(V)에 대한 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 지향을 결정하기 위한 수단은 예를 들면 풍향(V)의 방향으로 지향되어 좌표계 위치를 캡처하도록 되어 있는 카메라 형태로 이루어진다.

예를 들어, 상기 카메라는 계류용 수단에 대해 고정되고, 상기 좌표계는 상기 부유식 풍력 터빈(4)에 대해 고정된다.

상기 풍향(V)을 결정하기 위한 수단(8)은, 도 1에 도시 된 바와 같이 상기 부유식 풍력 터빈(4), 또는 도 4에 도시된 바와 같이 계류용 수단(2), 더욱 특히 부표(21)에 장착될 수 있다.

상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 검출하기 위한 수단(9)은 예를 들면 나침반 또는 가속도계의 형태이고, 상기 부유식 풍력 터빈(4) 상에 위치한다. 바람직하게는, 상기 부유식 풍력 터빈의 경사도를 검출하기 위한 수단(9)은 관성 유닛의 형태이다.

상기 연산 유닛(11)은 상기 풍향을 결정하기 위한 수단(8)과 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 검출하기 위한 수단(9)으로부터 정보를 획득하고, 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 제어하기 위한 수단(10)에 명령을 전송하기 위한 것이다.

도 2에 도시된 제1 실시예에서, 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 제어하기 위한 수단(10)은 밸러스트 시스템(12)을 포함하며, 상기 밸러스트 시스템(12)은,

제 1 저장소(121) 및 제 2 저장소(122);

펌핑 수단(123)을 구비한다.

보다 구체적으로, 상기 제 1 저장소(121) 및 제 2 저장소(122)는 각각 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 부유식 구조물(5)에 대해 고정되고, 상기 터빈(7)의 회전축(A-A)의 양측에 배열된다.

상기 제1 저장소(121) 및 제2 저장소(122)중 하나가 다른 저장소보다 더 많은 양으로 채워지면, 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도, 특히 롤 각도, 즉 상기 Y축에 대한 상기 부유식 풍력 터빈의 회전에 작용할 수 있게 된다.

대조적으로, 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 변경하기 위하여 작용되는 힘이 없을 때, 상기 제1 저장소(121) 및 제 2 저장소(122)는 각각 채워질 수 있거나 그렇지 않으면 각각 비워질 수 있다. 따라서 각각의 저장소는 상기 부유식 풍력 터빈(4)이 자동으로 안정화되는 방식으로 다른 저장소와 동일한 질량을 갖는다.

상기 펌핑 수단(123)은 상기 제1 저장소(121)로부터 상기 제2 저장소(122)로 또는 그 반대로 액체 또는 반 액체 중량물을 전송하기 위하여 구성된다.

바람직하게는, 상기 중량물은 상기 펌핑 수단(123)에 의해 바다로부터 직접 펌핑된 물이다. 상기 펌핑 수단(123)은 제1 저장소(121) 및 제2 저장소(122)가 완전히 비워질 수 있도록 제1 저장소(121) 및 제2 저장소(122) 각각에 담겨진 물을 버릴 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 펌핑 수단은 다음에 설명되는 바와 같이 상기 연산 유닛(11)에 의해 제어된다.

도 3에 도시된 제2 실시예에서, 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 제어하기 위한 수단(10)은,

질량체(13);

상기 질량체(13)의 변위를 안내하기 위한 수단(14);

모터 수단(15);을 포함하여 이루어진다.

상기 질량체(13)는 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 부유식 구조물(5)에 이동 가능하게 장착된다.

보다 구체적으로, 상기 질량체(13)의 변위를 안내하기 위한 수단(14) 상에 상기 질량체(13)가 이동 가능하게 장착되고, 이는 상기 부유식 풍력 터빈의 부유식 구조물(5)에 대해 차례로 고정된다.

상기 안내 수단(14)은 상기 터빈(7)의 회전축(A-A)의 양측에서 연장되는 가이드 경로를 정의한다.

제1 실시예에서, 상기 안내 수단(14)은 상기 터빈(7)의 회전축(A-A)에 실질적으로 수직 연장되는 직선 레일(141)의 형태를 취한다. 따라서 상기 질량체(13)는 좌측(좌현)으로부터 우측(우현)으로 또는 그 반대로 이동하도록 상기 직선 레일(141)상에서 변위될 수 있다.

제2 실시예에서, 상기 안내 수단(14)은 원형 레일(142)의 형태이고, 그 중심점은 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 부유식 구조물(5)의 무게 중심을 통과하는 수직축 상에 위치함으로써, 상기 질량체(13)가 없을 때 상기 원형 레일(142)은 그 자체로 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도에 영향을 주지 않는다.

따라서 상기 질량체(13)는 이 원형 레일(142)상에서 좌측(좌현)으로부터 우측(우현)으로 또는 그 반대로 이동하도록 변위될 수 있다.

상기 질량체(13)가 상기 안내 수단(14)상에서 변위되는 것을 가능하게 하기 위해, 상기 모터 수단(15), 예를 들면 하나 이상의 휠에 결합된 모터는 상기 질량체(13)에 대해 고정되어 장착된다.

따라서 상기 모터 수단(15)의 각 휠은, 예를 들면 마찰에 의해 또는 맞물림에 의해 상기 안내 수단(14)과 협력하게 된다. 맞물림에 의한 협력의 경우, 상기 모터 수단(15)의 각 휠은 톱니 바퀴이고, 상기 안내 수단(14)은 톱니형 라인(직선 레일(141)을 위한) 또는 톱니형 크라운(원형 레일(142)을 위한)중 하나를 포함하여 이루어진다.

상기 모터수단(15)이 작동될 때, 상기 안내 수단(14)을 따라 상기 질량체(13)의 변위를 제공하게 된다.

상기 모터 수단(15)이 작동되기 위하여 상기 모터 수단(15)은 상기 연산 유닛(11)에 의해 제어된다.

도 1 및 도 4에 도시된 제3 실시 예에서, 상기 경사도를 제어하기 위한 수단(10)은 상기 터빈(7)의 토크를 조정하기 위한 수단(16)을 포함하여 이루어진다.

보다 구체적으로, 상기 터빈(7)의 토크를 조정하기 위한 수단(16)은 상기 터빈(7)의 나셀(72)에 위치되고, 예를 들면 변속기를 통해 상기 로터(71)의 회전 속력에 작용하여, 상기 연산 유닛(11)으로부터의 명령의 함수로서 상기 터빈(7)의 토크를 변화시킨다.

작동 중에, 계산기로서의 연산 유닛(11)은 상기 풍향을 결정하기 위한 수단(8) 및 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 검출하기 위한 수단(9)으로부터 정보를 수신하여, 상기 정보를 결합하고, 상기 부유식 풍력 터빈 4)의 경사도를 제어하기 위한 명령을 결정한다.

상기 연산 유닛(11)은 즉석 수단을 사용하여 상기 제어 수단(10)에 제어 신호를 전송하고, 상기 제어 수단은,

제1 저장소(121)와 제2 저장소중 하나 또는 둘 모두를 채우거나 비우고(도 2 참조);

상기 안내 수단(14)상의 상기 질량체(13)을 변위시키고(도 3 참조); 및/또는

상기 터빈(7)의 토크를 조정함으로써조정(도 4 참조);

상기 부유식 풍력 터빈의 경사도에 직접 작용한다.

도면에 도시되지는 않았지만, 상기 부유식 풍력 터빈(4)은 복수의 서로 다른 제어 수단(10)을 포함하여 이루어질 수 있다. 특히로, 위에서 언급한 실시예중에서 적어도 2개 또는 심지어 3개 모두를 결합하는 것도 가능하다.

예를 들어, 상기 부유식 풍력 터빈(4)은 밸러스트 형태의 제1 제어 수단(10)(도 2 참조), 및/또는 부유식 구조물(5)상의 질량체(13)의 변위 형태의 제2 제어 수단(10)(도 3 참조), 및/또는 상기 모터 토크를 조정하기 위한 수단(16) 형태의 제3 제어 수단(10)(도 4 참조)을 포함하여 이루어질 수 있다.

도 5를 참조하면, 예를 들면 폭풍 기간의 팽창과 같이 부유식 풍력 터빈의 작동을 방해하는 드문 상황을 풍력 터빈의 이용 조건으로서 설정하고 있는 실험 테스트가 수행되었다.

이러한 실험 테스트는 특히, 롤 각도(도 1 내지 도 4에서 X축에 대한 부유 식 풍력 터빈(4)의 회전)가 변경될 때의 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 거동을 연구하는 것을 목표로 한다.

상기 부유식 풍력 터빈(4)의 거동은 도 6a 내지 6d에 개략적으로 도시되어 있다.

도 6a 및 6c에서 상기 부유식 풍력 터빈(4)은 점 A와 점 B의 사이에서 연장되는 직선으로 개략적으로 표시되어 있고, 도 6b 및 도 6d에서 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 정면도를 보여주고 있다. 도 6a 및 도 6c의 점 C는 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 회전 중심을 나타낸다.

도 6a에서, 상기 부유식 풍력 터빈(4)은 최적의 작동 구성으로 스케치되어 있다. 즉, 부유식 풍력 터빈(4)에는 폭풍이나 기류가 가해지지 않는다. 따라서 풍향(V)의 추력(P)의 벡터가 정렬을 이루게 되고, 요 각도는 생성되지 않는다.

도 5의 그래프에서 라인 C1 내지 라인 C3 중 하나에 의해 표시된 각각의 테스트에 대해 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 개발 조건은 동일하다. 즉, 매우 심각한 폭풍(일반적인 정상적인 생산 조건을 나타내지 않는 시나리오)에서 풍향(V)에 대해 90°에서 생산된다.

라인 C1은 이러한 조건에서, 롤 각도(α2)의 제어없이, 상기 부유식 풍력 터빈(4)이 대략 30°의 요 각도를 갖는다는 것을 보여준다. 따라서 상기 부유식 풍력 터빈(4)은 수면과 실질적으로 평행하다(도 6b에서 세그먼트 AB가 수평임을 의미 함).

이러한 개발 조건에서는, 상기 풍향(V)과 추력(P)는 더 이상 정렬되지 않는다.

상기 제어 수단(10)을 사용하여 추력(P)의 중심을 수정함으로써, 상기 부유식 풍력 터빈(4)이 Y축에 관하여 변위되고, 요 각도(α1)가 생성된다(도 6c 참조).

이 메커니즘의 원인중 하나는 다음과 같다: 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 요 회전의 중심을 통과하는 풍향(V)의 벡터(예를 들면 앵커 고정 수단)는 추력(P)과 동일 선상에 있어야 한다.

이것은 요 각도(α1)를 의도적으로 생성함으로써 풍향(V)과의 오정렬을 수정하도록 하며, 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 생산 수율을 증가시킨다.

라인 C2는 상기 제어 수단(10)에 의해 상기 부유식 구조물(4)의 점 A에 중량이 추가되는 것을 제외하고는 이러한 동일한 조건에서의 부유식 풍력 터빈(4)을 나타낸다(중량의 추가는 도 6d에 스케치되어 있음). 그 다음에 요 각도(α1)가 5°와 10°사이에 있음을 알 수 있다.

마지막으로, 라인 C3은 라인 C2에 비해 두 배 더 큰 중량이 상기 부유식 구조물(4)의 점 1에 추가된다는 점을 제외하고는 여전히 동일한 조건에 있는 부유식 풍력 터빈(4)을 보여준다. 그 다음에 요 각도(α1)가 0°와 5°사이에 있음을 알 수 있다.

따라서 이러한 테스트는, 요 각도(α1)가 위에서 설명된 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 제어하기 위한 수단(10)중 하나에 의해 제어될 수 있음을 확인할 수 있도록 하며. 이에 따라 이러한 제어 수단(10)은 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 롤 각도(α2)에 영향을 준다.

1 : 해양 에너지 생산 조립체 2 : 앵커 고정 수단
3 : 해저 4 : 부유식 풍력 터빈
5 : 부유식 구조물 6 : 공중 구조물

Claims (9)

1. 해양 에너지 생산 조립체(1)로서,
   해저(3)에 고정하기 위한 앵커 고정 수단(2);
   부유식 풍력 터빈(4)의 부유식 구조물(5)에 대해 로터(7)의 고정 회전축(A-A)을 갖는 터빈(7)을 포함하며, 상기 부유식 풍력 터빈(4)은 상기 앵커 고정 수단(2)에 연결되어 있으며, 상기 터빈(7)의 회전축(A-A)이 풍향(V)과 실질적으로 평행하도록, 상기 앵커 고정 수단을 중심으로 피봇되도록 의도된 부유식 풍력 터빈(4); 및
   풍향(V)을 결정하기 위한 수단(8);을 포함하고,
   상기 풍향(V)을 결정하기 위한 수단(8)은,
   풍향(V)에 대한 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 지향을 검출하기 위한 수단(81);
   상기 터빈(7)의 로터(71)의 회전축(A-A)에 평행한 축에 대한 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 검출하기 위한 수단(9);
   상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 제어하기 위한 수단(10); 및
   상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 제어하기 위한 수단(10)에 명령을 전송하고, 풍향(V)에 대해 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 지향을 변경하기 위하여, 풍향(V)을 검출하기 위한 수단(8), 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 검출하기 위한 수단(9), 및 풍향(V)에 대한 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 지향을 검출하기 위한 수단(81)으로부터 정보를 수신하기 위한 연산 유닛(11);을 포함하는 것을 특징으로 하는 해양 에너지 생산 조립체(1).
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 경사도를 제어하기 위한 수단(10)은 밸러스트 시스템을 포함하며, 상기 밸러스트 시스템은,
   부유식 풍력 터빈(4)의 부유식 구조물(5)에 대해 각각 고정되며, 터빈(7)의 회전축(A-A)의 양쪽에 고정되어, 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도에 작용하기에 적합한 제1 저장소(121) 및 제2 저장소(122);
   액체 또는 반 액체의 중량을 상기 제1 저장소(121)로부터 상기 제2 저장소(122)로 또는 그 반대로 전송하기 위하여 구성된 펌핑 수단(123);을 포함하는 해양 에너지 생산 조립체(1).
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 경사도를 제어하기 위한 수단(10)은,
   상기 부유식 풍력 터빈(4)의 부유식 구조물(5)에 이동 가능하게 장착된 질량체(13);
   상기 질량체(13)의 변위를 안내하고, 터빈(7)의 회전축(A-A)의 양쪽에 연장되는 안내 경로를 정의하기 위한 수단(14);
   상기 안내 수단(14)에서 상기 질량체(13)를 변위시키기 위한 모터 수단(15);을 포함하는 것을 특징으로 하는 해양 에너지 생산 조립체(1).
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 경사도를 제어하기 위한 수단(10)은, 연산 유닛(11)으로부터 명령의 함수로서 터빈(7)의 토크를 변화시키기 위해, 터빈(7)의 토크를 조정하기 위한 수단(16)을 포함하는 것을 특징으로하는 해양 에너지 생산 조립체(1).
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 풍향을 결정하기 위한 수단(8)은 베인을 포함하는 것을 특징으로하는 해양 에너지 생산 조립체(1).
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 베인은 상기 부유식 풍력 터빈(4)에 대해 고정되는 것을 특징으로하는 해양 에너지 생산 조립체(1).
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 베인은 앵커 고정 수단(2)에 대해 고정되는 것을 특징으로하는 해양 에너지 생산 조립체(1).
8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
   상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 검출하기 위한 수단(9)은 상기 부유식 풍력 터빈(4)에 대해 고정된 관성 유닛을 포함하는 것을 특징으로하는 해양 에너지 생산 조립체(1).
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 해양 에너지 생산 조립체(1)에 의해 수행되며,
   풍향(V)을 결정하는 단계;
   상기 풍향(V)에 대한 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 지향을 검출하는 단계;
   상기 풍향(V) 및 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 지향에 기초하여 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 변경하기 위한 명령을 정의하는 단계;
   상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도를 변경하기 위해 상기 명령에 의해 상기 부유식 풍력 터빈(4)의 경사도에 작용하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 풍력 터빈(4)의 지향을 변경하기 위한 방법.
   

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