KR20210120172A - 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기는, 허브, 및 상기 허브에 결합되어 회전되는 복수 개의 블레이드를 포함하는 로터부; 상기 로터부에 결합되고, 복수 개의 상기 블레이드의 회전이 전달되어 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 터빈부; 상기 터빈부를 지지하는 타워부; 부력을 형성하여 상기 타워부를 지지하는 부유체부; 및 상기 타워부의 하단에 배치되고, 수중에서 동작하는 추진부를 포함하고, 상기 타워부는 상기 부유체부에 수용된 상기 추진부가 상기 부유체부의 외부로 노출되도록 상기 부유체부에 대해 상하 방향으로 이동 가능하게 구성될 수 있다. 본 발명에 의하면, 추진기를 사용하는 경우에만 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기의 외부로 노출하기 때문에 추진기가 수중에 장시간 동안 방치되지 않을 수 있어 필요한 경우에 추진기를 정상적으로 사용할 수 있다.

Description

이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기{MOVABLE SEA FLOATING OFFSHORE WIND GENERATOR}
본 발명은 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위험이 있을 때, 회피할 수 있는 구조를 갖는 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기에 관한 것이다.
풍력 발전은 자연에너지인 바람을 이용하므로 무공해 대체에너지로 각광받고 있다. 이러한 풍력발전은 바람의 빈도, 균일성, 난류, 발전설비 간의 이격된 거리 유지 등과 같은 조건이 필요하다.
해상풍력의 크기는 육상풍력에 비해 크고, 육지와 멀리 떨어질수록 풍속의 강도가 크고 변화가 적으며, 발전설비에 필요한 입지 문제를 해결할 수 있는 장점이 있지만, 안전성과 경제성 문제로 개발 속도가 높지 않다.
해저지반에 풍력발전기를 설치하는 고정식 해상 풍력발전기는 육상에 설치하는 풍력발전기에 비해 효율적이지만, 경제성의 문제와 해상 토목기술에 대한 한계로 설치에 한계가 있다. 그에 따라 해상 부유식 풍력발전기에 대한 연구가 이루어지고 있다.
이러한 해상 부유식 풍력발전기는, 해상에 부유된 상태에서 풍력발전을 할 수 있어 발전설비에 필요한 입지 문제를 해결할 수 있으며, 안정적인 풍량을 확보할 수 있다.
그런데 종래의 해상 부유식 풍력발전기는, 해상 부유된 상태이므로, 태풍이나 빙하가 인접하는 경우, 해당 해역을 벗어나는 등 회피할 필요가 있다. 이를 위해 추진기가 풍력발전기에 설치되지만, 추진기가 수중에 배치되기 때문에 장기간 동안 사용하지 않을 경우, 따개비 등과 같은 이물질이 붙는 경우가 많아 실제 사용에 작동이 되지 않는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1748610호 (2017.06.13.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 추진기가 해상 부유식 풍력발전기에 설치되더라도 이물질이 추진기에 붙어 추진기가 작동되지 않는 것을 방지할 수 있는 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기는, 허브, 및 상기 허브에 결합되어 회전되는 복수 개의 블레이드를 포함하는 로터부; 상기 로터부에 결합되고, 복수 개의 상기 블레이드의 회전이 전달되어 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 터빈부; 상기 터빈부를 지지하는 타워부; 부력을 형성하여 상기 타워부를 지지하는 부유체부; 및 상기 타워부의 하단에 배치되고, 수중에서 동작하는 추진부를 포함하고, 상기 타워부는 상기 부유체부에 수용된 상기 추진부가 상기 부유체부의 외부로 노출되도록 상기 부유체부에 대해 상하 방향으로 이동 가능하게 구성될 수 있다.
상기 추진부에 동력을 전달하는 모터; 상기 발전기에서 생산된 전력이 저장되며, 상기 모터에 전력을 공급하는 배터리; 및 상기 모터를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 부유체부에는, 내부에 상기 모터 및 상기 배터리를 수용하는 제1 수용부, 및 상기 제1 수용부와 분리된 제2 수용부가 형성될 수 있다.
상기 제2 수용부에 배치되고, 상기 제2 수용부에 유입된 해수를 배출하기 위한 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 추진부는 상기 제2 수용부에 수용되고, 상기 타워부가 상기 부유체부에서 하부 방향으로 이동함에 따라 상기 부유체부의 하부에 노출될 수 있다.
상기 로터부는 복수 개의 상기 블레이드의 단부가 가까워지도록 동작할 수 있다.
본 발명에 의하면, 추진기를 사용하는 경우에만 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기의 외부로 노출하기 때문에 추진기가 수중에 장시간 동안 방치되지 않을 수 있어 필요한 경우에 추진기를 정상적으로 사용할 수 있다.
또한, 복수 개의 블레이드를 하부 방향으로 이동시켜 접고, 타워부를 하부로 이동시켜 추진기를 수중에 노출시키기 때문에 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기의 무게중심을 하부로 이동시킨 상태에서 추진기를 동작시키므로 안정적으로 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기를 이동시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기의 복수 개의 블레이드를 접는 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기의 추진부가 하부로 노출된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기의 추진부가 하부로 노출된 상태에서 방향이 전환된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 다음의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명이 명료해지도록 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기(100)는, 해상이 부유된 상태로 동작하도록 설치된다. 그에 따라 강한 바람이나 파도가 발생하는 환경 속에서 일정한 자세를 유지하며 안정적으로 전력을 생산할 수 있다. 이러한 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기(100)는 터빈부(110), 로터부(120), 타워부(130), 부유체부(140), 추진부(150) 및 제어부(160)를 포함한다.
터빈부(110)는, 로터부(120)가 회전함에 따라 회전력을 이용하여 전기를 생산하기 위해 구비된다. 터빈부(110)는 내부에 기어박스, 발전기 및 변압기 등을 포함할 수 있다.
기어박스는 회전력을 발전기로 전달한다. 발전기는 블레이드(122)가 회전함에 따라 발생된 기계적인 회전 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. 본 실시예에서, 발전기는 하나 이상 설치될 수 있다. 변압기는 발전기와 전기적으로 연결되고, 발전기에서 생산된 전기 에너지를 사용 가능한 전압 및 위상을 갖도록 변환한다.
로터부(120)는 불어오는 바람에 의해 회전하도록 동작하며, 허브(124) 및 복수 개의 블레이드(122)를 포함한다. 허브(124)에는 복수 개의 블레이드(122)가 설치된다. 이때, 복수 개의 블레이드(122)는 허브(124)에 소정의 피치각을 가지도록 설치된다. 따라서 로터부(120)는 터빈부(110)의 일 측에 설치된 상태로 불어오는 바람을 받아 복수 개의 블레이드(122)가 일 방향으로 회전될 수 있다.
본 실시예에서, 로터부(120)가 불어오는 바람에 의해 회전될 때, 복수 개의 블레이드(122)는 허브(124)를 중심으로 소정의 각도를 이룬 상태에서 회전되도록 배치된다. 이때, 복수 개의 블레이드(122)는 필요에 따라 서로 겹쳐진 상태가 되도록 각각 회전될 수 있다.
예컨대, 허브(124)는 제1 내지 제3 허브를 포함할 수 있다. 제1 허브는 대략 원판 현상을 가질 수 있고, 터빈부(110)의 일 측에 설치된다. 제2 허브는 대략 원판 형상을 가질 수 있으며 제1 허브의 일 측에 설치되며, 제3 허브는 대략 원판 형상이나 일단이 둥근 형상을 가질 수 있고 제2 허브의 일 측에 설치된다. 즉, 제1 내지 제3 허브가 서로 나란하게 동일한 회전축 상에 나열되어 배치될 수 있다.
상기와 같이, 제1 내지 제3 허브가 배치되고, 제1 내지 제3 허브에 각각 제1 내지 제3 블레이드(122a, 122b, 122c)가 설치될 수 있다. 이때, 제1 내지 제3 블레이드(122a, 122b, 122c)는 제1 내지 제3 허브에 각각 소정의 피치각을 가지도록 설치될 수 있다. 그리고 제1 내지 제3 허브는 동일한 회전축 상에 배치되고, 제1 내지 제3 허브 중 제2 및 제3 허브는 제1 허브를 기준으로 회전할 수 있도록 결합된다.
따라서 로터부(120)가 불어오는 바람에 의해 회전되도록 동작하는 경우, 제1 내지 제3 블레이드(122a, 122b, 122c)는 허브(124)의 회전축을 기준으로 소정의 각도를 가지도록 배치된다. 그리고 로터부(120)가 회전되지 않는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 블레이드(122a, 122b, 122c)가 겹쳐지도록 로터부(120)는 동작할 수 있다. 즉, 제1 내지 제3 블레이드(122a, 122b, 122c)의 끝단이 서로 가까워지도록 로터부(120)가 동작할 수 있다.
다시 말해, 제1 허브에 설치된 제1 블레이드(122a)가 하부 방향을 향하도록 배치된 경우, 제2 블레이드(122b)가 설치된 제2 허브 및 제3 블레이드(122c)가 설치된 제3 허브가 하부 방향으로 회전하여 제1 내지 제3 블레이드(122a, 122b, 122c)의 끝단이 서로 가까워지도록 배치될 수 있다. 따라서 제1 내지 제3 블레이드(122a, 122b, 122c)는 겹쳐진 상태로 배치될 수 있다.
타워부(130)는 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기(100)의 기둥을 이루며, 바람 및 파도로부터 최소의 변위를 가지도록 내부에 중공이 형성될 수 있다. 타워부(130)는 상부에 터빈부(110)가 설치되고, 하부에 부유체부(140)가 설치된다.
부유체부(140)는 해상에 부유된 상태를 유지하고, 타워부(130)를 지지한다. 부유체부(140)는 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기(100)의 설치 위치에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 스파형 풍력발전기의 경우, 부유체부(140)는 길이가 길고 수선면적이 작은 형상을 가질 수 있고, 반잠수식 풍력발전기의 경우, 부유체부(140)는 원기둥형 형상을 가질 수 있으며 수선면적이 클 수 있다.
본 실시예에서, 부유체부(140)는 내부에 소정의 공간을 가질 수 있으며, 복수 개의 공간으로 구분될 수 있다. 부유체부(140)는 내부에 제1 수용부(142) 및 제2 수용부(144)를 포함할 수 있다.
제1 수용부(142)에는 후술할 추진부(150)를 구동시키기 위한 각종 부품들이 수용될 수 있다. 그리고 제1 수용부(142)는 해수가 유입되지 않도록 기밀된 상태가 유지될 수 있다.
제2 수용부(144)에는 해수가 채워질 수 있으며, 제2 수용부(144)에 해수가 채워짐에 따라 본 실시예에 따른 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기(100)가 해수면 아래로 적어도 일부가 잠길 수 있다.
이때, 제2 수용부(144)에는 펌프(P)가 배치될 수 있다. 펌프(P)는 부유체부(140)의 외부의 해수를 제2 수용부(144)로 주입시킬 수 있으며, 또한, 제2 수용부(144)에 주입되거나 유입된 해수를 외부로 배출시킬 수 있다. 따라서 제2 수용부(144)에 펌프(P)의 동작으로 해수가 주입되면, 그에 따라 부유체부(140)는 일부가 해수면 아래로 잠길 수 있다. 그리고 제2 수용부(144)에 해수가 배출되면, 부유체부(140)는 해수면 상부로 떠오를 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 부유체부(140)에는 타워부(130)가 승강 또는 하강할 수 있도록 설치된다. 예컨대, 부유체부(140)에 타워부(130)가 관통하도록 중공이 형성된 관통부가 형성되고, 관통부를 통해 타워부(130)가 상하 방향으로 이동하도록 부유체부(140)에 설치될 수 있다. 그리고 타워부(130)의 외주면에 타워부(130)의 길이 방향을 따라 랙 기어(rack gear)가 설치될 수 있고, 관통부의 중공에 랙 기어에 대응되는 피니언 기어(pinion gear)가 설치될 수 있다. 피니언 기어에 모터(M) 등이 연결되어, 모터(M)의 구동에 의해 타워부(130)가 부유체부(140)에서 상하 방향으로 이동될 수 있다.
여기서, 부유체부(140)에 형성된 관통부는 타워부(130)가 관통한 상태로 상하 방향으로 이동하도록 설치되더라도 외부의 해수 등이 관통부 내부로 유입되지 않도록 기밀이 유지될 수 있다.
추진부(150)는 타워부(130)의 하부에 설치된다. 따라서 타워부(130)가 부유체부(140)에서 상하 방향으로 이동될 때, 추진부(150)도 타워부(130)와 함께 이동될 수 있다. 추진부(150)는 부유체부(140)의 제2 수용부(144)에 배치될 수 있으며, 타워부(130)가 하부 방향으로 이동함에 따라 부유체부(140)의 하부로 노출될 수 있다.
추진부(150)는 프로펠러(152)가 구비되며, 프로펠러(152)가 회전함에 따라 추진될 수 있다. 이때, 프로펠러(152)를 구동시키기 위해 모터(M)와 연결된다. 모터(M)는 배터리(B) 및 제어부(160)와 함께 부유체부(140)의 제1 수용부(142)에 배치된다. 배터리(B)는 터빈부(110)의 발전기에서 생산된 전력의 일부가 저장되며, 저장된 전력을 모터(M)에 공급한다.
또한 추진부(150)는 도 4에 도시된 바와 같이, 방향전환을 위해 회전될 수 있다. 즉, 추진부(150)는 타워부(130)의 하단에 배치된 상태에서, 타워부(130)의 중심축을 기준으로 회전될 수 있다. 따라서 추진부(150)가 회전됨에 따라 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기(100)가 이동하는 방향이 결정될 수 있다.
제어부(160)는 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기(100)를 제어하는데, 필요에 따라 외부에서 신호를 수신하여 수신된 신호에 따라 제어할 수 있다. 즉, 제어부(160)는 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기(100)를 이동시키고자 하는 경우, 제1 내지 제3 블레이드(122a, 122b, 122c)를 접어 제1 내지 제3 블레이드(122a, 122b, 122c)의 각 단부가 가까워지도록 정렬(예컨대, 일렬로 정렬)시키고, 타워부(130)를 하부 방향으로 이동시켜 추진부(150)가 부유체부(140)의 하부에 노출시킨다. 그리고 제어부(160)는 배터리(B)의 전력이 모터(M)에 공급되도록 제어하여 모터(M)를 동작시킬 수 있다. 그에 따라 추진부(150)가 동작되어 해상 부유식 풍력발전기(100)를 이동시킬 수 있다. 이때, 제어부(160)는 제1 내지 제3 블레이드(122a, 122b, 122c)를 접기 전에 터빈부(110)에 배치된 발전기와 외부의 전력 공급 라인을 차단할 수 있다. 전력 공급 라인은 발전기에서 생산된 전력을 외부에 상용 계통 등에 공급하기 위해 구비된다.
또한, 제어부(160)는 추진부(150)를 회전시켜 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기(100)의 이동 방향을 제어할 수 있다.
상기와 같은, 제어부(160)는 마이크로프로세서를 포함하는 연산 장치, 메모리 등에 의해 구현될 수 있으며, 그 구현 방식은 당업자에게 자명한 사항이므로 더 이상의 자세한 설명을 생략한다.
도 5를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기(100)에 대해 설명한다. 본 실시예에 대해 설명하면서, 제1 실시예에서와 동일한 설명은 생략할 수 있다. 본 실시예에 따른 이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기(100)는 터빈부(110), 로터부(120), 타워부(130), 부유체부(140), 추진부(150) 및 제어부(160)를 포함한다.
본 실시예에서, 부유체부(140)에는 공기 공급부(146) 및 밸브(V)가 설치될 수 있다. 공기 공급부(146)는 일단이 부유체부(140)의 제2 수용부(144)에 배치되고, 타단이 부유체부(140)의 상부에 배치될 수 있다. 즉, 공기 공급부(146)는 제1 수용부(142)를 관통하여 배치된다. 공기 공급부(146)는 펌프(P)의 구동으로 인해 제2 수용부(144)에 해수가 채워지거나 배출될 때, 제2 수용부(144)에 공기가 배출되거나 유입되기 위한 통로일 수 있다.
그리고 공기 공급부(146)에는 밸브(V)가 설치될 수 있다. 밸브(V)는 공기 공급부(146)를 차단하거나 개방할 수 있으며, 공기 공급부(146)를 통해 외부의 물이 제2 수용부(144)로 유입되는 것을 차단하기 위해 구비된다. 따라서 밸브(V)는 제어부(160)에 의해 제어되어 펌프(P)가 구동되는 동안만 개방되도록 제어될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
100: 풍력발전기 110: 터빈부
120: 로터부 122: 블레이드
122a: 제1 블레이드 122b: 제2 블레이드
122c: 제3 블레이드 124: 허브
130: 타워부 140: 부유체부
142: 제1 수용부 144: 제2 수용부
146: 공기 공급부 150: 추진부
152: 프로펠러 160: 제어부
B: 배터리 M: 모터
P: 펌프 V: 밸브

Claims (5)

  1. 허브, 및 상기 허브에 결합되어 회전되는 복수 개의 블레이드를 포함하는 로터부;
    상기 로터부에 결합되고, 복수 개의 상기 블레이드의 회전이 전달되어 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 터빈부;
    상기 터빈부를 지지하는 타워부;
    부력을 형성하여 상기 타워부를 지지하는 부유체부; 및
    상기 타워부의 하단에 배치되고, 수중에서 동작하는 추진부를 포함하고,
    상기 타워부는 상기 부유체부에 수용된 상기 추진부가 상기 부유체부의 외부로 노출되도록 상기 부유체부에 대해 상하 방향으로 이동 가능하게 구성된,
    이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 추진부에 동력을 전달하는 모터;
    상기 발전기에서 생산된 전력이 저장되며, 상기 모터에 전력을 공급하는 배터리; 및
    상기 모터를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 부유체부에는, 내부에 상기 모터 및 상기 배터리를 수용하는 제1 수용부, 및 상기 제1 수용부와 분리된 제2 수용부가 형성된,
    이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 수용부에 배치되고, 상기 제2 수용부에 유입된 해수를 배출하기 위한 펌프를 더 포함하는,
    이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 추진부는 상기 제2 수용부에 수용되고, 상기 타워부가 상기 부유체부에서 하부 방향으로 이동함에 따라 상기 부유체부의 하부에 노출되는,
    이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터부는 복수 개의 상기 블레이드의 단부가 가까워지도록 동작하는,
    이동 가능한 해상 부유식 풍력발전기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023150195A1 (en) * 2022-02-01 2023-08-10 Caponnetto Hueber, S.L. Dual fluid interacting propulsion system for a vessel

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101748610B1 (ko) 2015-05-29 2017-07-03 두산중공업 주식회사 복수개의 발전 유닛을 포함하는 해상 부유 풍력발전기.

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