KR20220081329A - 부유식 해상 풍력 터빈용 요잉 부이 마스트 - Google Patents

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KR20220081329A
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outrigger leg
mast
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제임스 지.피. 델슨
피터 스트라이커
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아쿠안티스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 요잉 부이 마스트(yawing buoy mast)(YBM) 구조물로 지칭되는 신규의 부유식 해상 풍력 터빈(floating, offshore wind turbine)(FOWT) 구조물을 제공한다. YBM 플랫폼은 아웃리거 레그를 갖는 물속에 잠긴 스파 부이를 풍력 터빈 나셀이 장착되는 마스트와 수직으로 결합한다. 통상의 스파 부이 풍력 터빈과 비교하여, 부유식 구조물에 의해 하중이 견디어지고 반작용이 일어나는 방식을 최적화함으로써 중량이 상당히 줄어든다. YBM 플랫폼의 중량은 터빈에 의해 포획되는 에너지에 비해 줄어들어 에너지 비용(cost of energy)("COE")이 감소하는 결과를 가져온다. 플랫폼 하중 역학은 YBM 플랫폼과 터빈 컨트롤러를 통합함으로써 풍력 터빈의 역학과 결합된다.

Description

부유식 해상 풍력 터빈용 요잉 부이 마스트
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 8월 1일자로 "Yawing Buoy Mast for Floating Offshore Wind Turbines"라는 명칭으로 출원된 미국 가출원 No. 62/881,767에 대한 우선권을 주장하며, 가출원의 개시내용은 그 전문이 참조로 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 해상 풍력 터빈용 부유식 지지 구조물에 관한 것이다.
용량 5 내지 15 MW의 범위의 풍력 터빈과 타워는 상당히 발달되어 있으며 일반적으로 해상 배치를 위해 수정하기에는 제한이 있다. 얕은 물(즉, 50 m 미만)에서, 터빈 타워는 해저에 고정된 구조물상에 탑재될 수 있다. 깊은 물에서, 터빈 타워(마스트)는 부유식 풍력 터빈 플랫폼("부유식 해상 풍력 터빈(floating offshore wind turbine)" 또는 "FOWT"로서 알려진 터빈, 마스트 및 플랫폼)상에 탑재될 수 있다. 도 1을 참조하면, FOWT의 한 가지 유형은 심해 배치에 적합한 잘 특성화된 해양 선박인 스파 부이(spar buoy)(100)이다. 일반적으로, 스파 부이 FOWT(100)는 풍력 터빈 발전기(wind turbine generator)("WTG")(110), 마스트(120), 주 부력 섹션(buoyancy section)(130) 및 밸러스트 섹션(ballast section)(140)을 포함한다. 주 부력 섹션(130)과 밸러스트 섹션(140)은 함께 스파 부이(135)를 구성한다. 스파 부이(135)는 하나 이상의 계류 라인(도시되지 않음)을 통해 해저에 정박된 원통형 선박을 포함한다. WTG(110)는 허브(113)에 부착된 다수의(전형적으로 2개 또는 3개의) 로터 블레이드(112)와, 나셀(nacelle)(114) 내의 메인 샤프트, 기어 박스, 발전기 및 요 시스템 모두를 포함하며, 이들 모두의 구현은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 이러한 유형의 플랫폼의 비용은 히브(heave), 서지(surge) 및 피칭(pitching) 하중이 부과되는 바다 상태에서 안정성을 보장하기 위해 거대하고 길어야 하고, 강풍 조건에서 안정성을 보장해야 하는 스파 부이(135)가 부담 지고 있다.
스파 부이(135)는 스파의 상단부에서 충분한 부력을 갖게 하고 스파의 하단부에 질량을 집중시켜, 로터 평면의 바람 하중(115)으로 말미암은 WTG(110) 상의 바람 추력(117)에 필요한 중력 전복 저항성(overturning resistance)을 제공할 만큼 이들 둘 사이를 충분히 분리시킴으로써 수직 안정성(전복 저항성)을 제공한다. 스파 부이 FOWT(100)는 360도의 잠재적인 풍향(116)을 통해 터빈 로터에 가해지는 바람 추력 하중에 직면할 때 WTG(110)와 마스트(120)의 수직 안정성을 필요로 한다. 이러한 바람 조건 하에서 안정성을 유지하기 위해, 현재 FOWT 설계는 플랫폼 축 대칭 바람 추력 저항성을 제공하는 데 필요한 만큼 매우 큰 부력 용량, 밸러스트 용량 및 스파 길이를 갖는다.
전형적으로, WTG(110)는 마스트(120)에 결합된 대형 베어링상에서 WTG(110)를 수평으로 회전시키는 나셀(114)과 마스트(120) 상단 사이에 존재하는 전기기계식 요 시스템(yaw system)(121)의 활성화를 통해 자동으로 바람을 향하게 된다. 요 시스템(121)은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 이들 모두의 구현이 자명하고, 타워 헤드 질량(tower head mass)("THM")의 일부를 차지하는, 다수의 요 모터 드라이브 및 브레이크를 구비하는 링 베어링에 장착된 링 기어로 구성된다. 마스트의 상단에 있는 요 시스템의 질량은 스파 부이(135)의 부력에 의해 직접적으로 오프셋되어야 하고 이차적으로는 부유식 스파 체적(130)과 구조물 및 밸러스트(140)가 요구되는 비례적인 전복 저항성에 의해 오프셋되어야 하기 때문에, THM 질량은 많은 비용이 든다. 추가된 밸러스트는 부력을 보상하기 위해 더 많은 구조물을 필요로 한다. 요 시스템의 추가된 THM은 요 시스템 질량에 의해 초래되는 티핑 모멘트(tipping moment)에 대응하도록 부력의 중심과 질량의 중심 사이에 충분한 중력 복원 모멘트를 생성하기 위해 더 긴 스파 길이 및/또는 더 많은 밸러스트를 필요로 한다.
본 발명은 FOWT를 위한 신규의 부유식 구조물을 제공함으로써 종래 기술의 광범위한 부유 및 스파 질량에 대한 필요성 및 다른 결점을 극복한다. 본 발명의 FOWT는 수직의 물에 잠긴 원통형 스파 부이를 수평의 아웃리거 레그(outrigger leg)와 결합한 요잉 부이 마스트(yawing buoy mast)("YBM") 플랫폼, 및 풍력 터빈 나셀이 장착되는 수직 마스트이다. 통상의 스파 부이 풍력 터빈과 비교하여, 부유식 구조물에 의해 하중이 견디어지고 반작용이 일어나는 방식을 최적화함으로써 중량이 상당히 줄어든다. YBM 플랫폼의 줄어든 중량은 터빈에 의해 포획되는 에너지를 감소시키지 않고 비용을 줄이는 것과 동일하며, 에너지 비용(cost of energy)("COE")이 감소하는 결과를 가져온다. 바람, 파도 및 해류 하중(즉, 바다 상태 하중)은 스파 부이, 아웃리거 레그 및 마스트에 작용하여 풍력 터빈의 역학과 본래 결합된 동적 운동(역학)을 생성한다. 스파 부이, 아웃리거 레그, 마스트 및 풍력 터빈의 결합된 역학 거동은 YBM 플랫폼 제어 시스템 및 터빈 제어 시스템의 조정된 기능에 의해 관리 및 제어된다.
본 발명의 실시예에서, 부유식 해상 풍력 터빈은, 스파 부이; 스파 부이에 부착된 풍력 터빈 및 마스트; 제1 힌지를 통해 스파 부이에 결합된 제1 아웃리거 레그; 제2 힌지를 통해 스파 부이에 결합된 제2 아웃리거 레그; 및 제1 해양 스러스터(marine thruster)를 포함한다. 부유식 해상 풍력 터빈은 제1 아웃리거 레그에 부착된 제1 플로트(float) 및 제2 아웃리거 레그에 부착된 제2 플로트를 더 포함할 수 있다. 제1 해양 스러스터는 제1 플로트를 통해 제1 아웃리거 레그에 결합된다. 부유식 해상 풍력 터빈은 제2 해양 스러스터를 더 포함할 수 있고, 여기서 제2 해양 스러스터는 제2 플로트를 통해 제2 아웃리거 레그에 결합된다. 제1 힌지는 제1 아웃리거 레그의 원위 단부가 스파 부이의 중심축에 대해 이동할 수 있게 한다. 부유식 해상 풍력 터빈은 제1 아웃리거 레그와 스파 부이 사이에 부착된 제1 액추에이터를 더 포함하고, 제1 액추에이터는 스파 부이의 중심 축에 대해 제1 아웃리거 레그의 원위 단부를 이동시키도록 구성된다. 제2 힌지는 제2 아웃리거 레그의 원위 단부가 스파 부이의 중심축에 대해 이동할 수 있게 하고, 부유식 해상 풍력 터빈은 제2 아웃리거 레그 사이에 부착된 제2 액추에이터를 더 포함할 수 있으며, 제2 액추에이터는 스파 부이의 중심 축에 대해 제2 아웃리거 레그의 원위 단부를 이동시키도록 구성된다. 제1 해양 스러스터는 스파 부이를 요잉하도록 구성된다. 제2 해양 스러스터는 또한 스파 부이를 요잉하도록 구성된다. 스파 부이를 빙 둘러싸는 습식 베어링 슬립 칼라(wet-bearing slip collar)가 또한 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 부유식 해상 풍력 터빈은, 스파 부이; 스파 부이에 부착된 풍력 터빈 및 마스트; 스파 부이에 결합된 아웃리거 레그 또는 고정 붐(fixed boom); 아웃리거 레그 또는 고정 붐에 결합된 플로트; 및 플로트에 결합되어 스파 부표를 요잉하기 위한 스러스터를 포함한다. 부유식 해상 풍력 터빈은 스파 부이에 대해 플로트를 접거나 펼치기 위한 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 부유식 해상 풍력 터빈을 배치하는 방법은, 스파 부이 마스트, 스파 부이 마스트에 부착된 풍력 터빈, 제1 힌지를 통해 스파 부이에 결합된 제1 아웃리거 레그 및 제2 힌지를 통해 스파 부이에 결합된 제2 아웃리거 레그를 포함하는 부유식 해상 풍력 터빈을 견인하는 단계 - 제1 아웃리거 레그 및 제2 아웃리거 레그는 접힌 위치에서 배열됨 -; 제1 아웃리거 레그와 제2 아웃리거 레그를 접힌 위치로부터 제1 힌지 및 제2 힌지를 통해 펼친 위치로 펼치는 단계; 및 부유식 해양 풍력 터빈을 해저에 계류하는 단계를 포함한다. 방법은 제1 아웃리거 레그 및 제2 아웃리거 레그가 접힌 위치에서 배열된 동안 풍력 터빈 블레이드를 풍력 터빈 상에 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 스파 부이 마스트를 요잉하여 풍력 터빈이 바람을 향하도록 배열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 터빈, 플랫폼, 아웃리거 레그, 액추에이터, 스파 부이, 스러스터 및 마스트를 포함하는 부유식 해상 풍력 터빈용 부유식 해상 풍력 터빈 제어 시스템은, 플랫폼 컨트롤러; 제1 아웃리거 레그의 각도 위치를 측정하는 센서; 제1 액추에이터의 힘을 측정하는 센서; 스파 부이의 방위각 각도 위치(azimuth angular position)를 측정하는 센서; 및 마스트의 기울기 각도(tilt angle)를 측정하는 센서를 포함한다. 제1 아웃리거 레그의 각도 위치를 측정하는 센서 및 제1 액추에이터의 힘을 측정하는 센서는 플랫폼 컨트롤러가 제1 아웃리거의 원위 단부의 위치를 변경하거나 또는 제1 액추에이터의 힘을 변경하라는 커맨드를 발행하도록 트리거하는 신호를 플랫폼 컨트롤러에 전송한다. 스파 부이의 방위각 각도 위치를 측정하는 센서는 플랫폼 컨트롤러가 스파 부이를 요잉하라는 커맨드를 스러스터에 발행하도록 트리거하는 신호를 플랫폼 컨트롤러에 전송한다. 마스트의 기울기 각도를 측정하는 센서는 플랫폼 컨트롤러가 아웃리거를 이동하라는 커맨드를 액추에이터에 발행하도록 트리거하는 신호를 플랫폼 컨트롤러에 전송한다.
본 발명의 전술한 특징과 장점 및 다른 특징과 장점은 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 보다 구체적인 다음의 설명, 첨부 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
본 발명 및 본 발명의 목적과 장점의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 다음과 같이 간략하게 설명되는 첨부 도면과 관련하여 취해진 다음의 설명이 참조된다.
도 1은 통상의 스파 부이 FOWT의 상면도 및 측면도를 예시한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 요잉 부이 마스트 구조물의 상면도 및 측면도를 예시한다.
도 2b는 도 2a의 요잉 부이 마스트 구조물의 정면도를 예시한다.
도 3은 다양한 접힌 상태에서 배치 위치로 견인된 도 2a의 요잉 부이 마스트 구조물을 예시한다.
도 4는 2개의 상이한 파도 상태에서 도 2b의 요잉 부이 마스트 구조물을 예시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 요잉 부이 마스트 구조물의 상면도 및 측면도를 예시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 요잉 부이 마스트 구조물의 컨트롤러를 예시한다.
본 발명의 바람직한 실시예 및 그 장점은 유사한 참조 번호가 유사한 요소를 나타내는 도 2 내지 도 6을 참조하여 이해될 수 있다.
본 발명은 바람이 존재하고 전력 케이블에 의해 전기 그리드에 연결되는 모든 유형의 물의 환경에 배치될 수 있다.
본 발명은 본 명세서에서 요잉 부이 마스트(yawing buoy mast)("YBM") 플랫폼으로 지칭되는 신규의 FOWT 구조물을 제공한다. YBM 플랫폼은 수평의 아웃리거 레그를 수직 방향의 물에 잠긴 스파 부이 및 WTG가 장착되는 수직 마스트와 결합한다. 통상의 스파 부이 FOWT(100)와 비교하여, 부유식 구조물에 의해 하중이 견디어지고 반작용이 일어나는 방식을 최적화함으로써 YBM 플랫폼(200)은 중량을 상당히 줄인다. 상당한 질량 감소의 결과로서, WTG에 의해 포획하는 에너지를 줄이지 않고 YBM 플랫폼의 비용이 줄어든다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 YBM 플랫폼(200)을 예시한다. YBM 플랫폼(200)은 로터 블레이드(212)를 구비한 WTG(210), 마스트(220), 주 부력 섹션(230)과 밸러스트 섹션(240)으로 구성된 스파 부이(235), 슬립 칼라(270), 계류 라인(272) 및 스파 부이(235)와 마스트(220)에 결합된 하나 이상, 바람직하게는 2개의 아웃리거 레그(250)를 포함한다. 하나 이상의 플로트(들)(252), 바람직하게는 하나의 플로트는 각각의 아웃리거 레그(250)의 원위 단부에 부착되어, 둘이 함께 WTG(210)에 미치는 바람 추력(217)에 의해 유발되는 마스트헤드 전복 모멘트에 저항하기 위한 다운윈드(downwind)의 선외 부력 모멘트(outboard buoyancy moment force)를 제공한다. 플로트(252) 중 하나 이상에는 해양 스러스터(들)(260)가 배치된다. 마스트(220)는 스파 부이(235)에 견고하게 부착되어 WTG(210)에 미치는 하중이 아웃리거(250), 슬립 칼라(270) 및 계류 라인(272)으로 전달되는 중심 구조물을 형성한다. 식별 및 구현이 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백한 해양 스러스터(들)(260)는 플로트(252)에 장착되고 스파 부이(235)의 수직 중심에 대해 아웃리거(250)의 아크(arc)에 접선하는 방향으로 추력을 제공하도록 정렬되며, 이것은 전체 YBM 플랫폼(200)을 바람 방향 또는 다른 방향을 향하도록 요잉시키는 접선력을 제공한다. 스파 부이(235)의 수평의 평행 이동은 슬립 칼라(270) 및 계류 라인(272)에 의해 제한되며, 이것은 회전 운동만을 가능하게 한다.
도 1 및 도 2a의 상면도를 참조하면, 통상의 FOWT 구조물(100)에 의해 경험되는 일차 로터 추력(117)은 바람 방향이 변함에 따라 요 시스템(121)에 의해 정렬되는 360도 범위의 반경 방향(116)에 걸쳐 발생할 수 있다; 본 발명은 타워-톱(tower-top) 요잉 역량을 제거하고 스파 부이(235) 및 아웃리거(250)에 대한 로터 추력 방향(217)을 단일 방향으로 고정한다. 마스트(220)를 통해 로터 추력을 단일 방향으로 제한하는 것은 360도 범위 전체 대신에 주로 단일 평면에서 로터 추력 하중을 전하도록 마스트 설계를 최적화함으로써 통상의 FOWT 마스트(120)에 비해 마스트(220)의 구조적 요구 사항 및 재료가 감소될 수 있게 한다.
YBM 플랫폼(200)은 전체 YBM 플랫폼(200)을 요잉함으로써 바람 방향(216)과 일차 로터 추력 방향(217)의 정렬을 유지시킨다. 바람 방향(216)과 일차 로터 추력 방향(217) 사이의 각도 차이는 방위각 오차(201)이다. 요 스러스터(260)는 로터 평면을 바람 방향에 수직으로 향하게 하고 바람 방위각 오차(201)를 0도로 줄이는 것이 필요할 때 작동된다. 도 2b를 참조하면, 플로트(252)의 서로로부터의 수평 변위(257)는 갑작스런 바람 방향의 변화로 인한 스러스터(260) 요 보정의 지연을 감안하기 위해 바람 방향(216)과 일차 로터 추력 방향(217) 사이의 오정렬이 플로트(252)에 의한 반작용을 일으키게 한다.
요 시스템(121)을 제거하고 마스트 질량(120)를 줄임으로써 달성되는 질량 감소는 i) 요 시스템을 없애고 마스트 중량을 감소함으로 인한 직접적인 중량 감소와, ii) 밸러스트(140) 및/또는 그렇게 하지 않았더라면 타워-톱 요 시스템과 마스트의 초과 질량을 상쇄시키는 데 필요한 스파 길이를 제거함으로 인한 2차 질량 감소와, iii) 요 시스템을 부양하는 데 필요한 부유 선박 체적/질량(130) 및 초과의 타워 질량과 이와 연관된 밸러스트의 3차 감소로 이루어지는 YBM 플랫폼(200)에서의 전반적인 질량 감소에 관한 복합적인 장점이 있다.
YBM 플랫폼(200)의 설계는 밸러스트-부력 중력 복원(ballast-buoyancy gravitational righting) 역량을 다운윈드 수평 아웃리거 레그(들)(250) 및 플로트(252)와 맞바꾸어 로터에 의해 유발되는 추력 하중에 대해 반작용이 일어나게 함으로써 스파 부이(235)에서 추가적인 질량 감소를 가능하게 한다. 흘수선(waterline)에 또는 그 근처에 위치된 아웃리거 레그(250)는 마스트(220) 및/또는 스파 부이(235)의 연결부로부터 부력이 반작용 힘을 제공하는 아웃리거 레그(들)의 외부 단부에 있는 플로트(252)까지 반경방향 외측으로 연장된다. 아웃리거(250) 및 플로트(252)를 다운윈드 로터 추력(217)에 대해 반작용을 일으키게 하는 데 이용하는 것은 부력(230)의 중심 아래에 위치하는 밸러스트(240)에 고유한 중력 복원 능력에 대한 필요성을 줄이고 밸러스트 질량 및 부력 체적/질량 둘 모두가 줄어들 수 있게 한다.
도 3을 참조하면, 배치 비용을 줄이기 위해, YBM 플랫폼(200)의 구성은 설치 장소까지 효율적으로 견인하는 방법에 이바지된다. YBM 플랫폼(200)은 나셀(214)이 장착되어 있지만 로터 블레이드(212)가 설치되지 않은 거의 조립된 상태(상단에 도시됨)에서 부유되도록 설계된다. 로터 블레이드(212)는 일단 YBM 플랫폼(200)이 설치 장소의 위치(하단에 도시됨)에 계류되면 설치되고, 반수평 위치에서 또는 일단 YBM 플랫폼이 수직 위치로 교정되면 YBM 플랫폼과 함께 설치될 수 있다.
아웃리거 레그(250)는 스러스터 레그(250)가 설치 장소로 견인하여 배치하기 위한 마스트(220)와 거의 평행한 위치까지 접힐 수 있도록 위치된 힌지(222)에 의해 마스트(220) 및/또는 스파 부이(235)에 연결된다. 이러한 위치에서, 스러스터 레그(250)의 단부에 있는 플로트(252)는 스파-마스트 구조물(200)의 상단 단부에 추가적인 부력을 제공하여 나셀 및 구동계로의 물 유입으로부터 보호하기 위해 나셀(214)을 수면 위로 유지시킨다. 밸러스트(240)를 사용하거나 스파-마스트에 필요한 부력을 추가하여 견인 구조물의 각도를 조정한다. 스파-마스트 구조물은 견인을 위한 거의 수평 경사로부터 스파의 하단 단부가 가라앉도록 스파에 밸러스트(240)를 추가함으로써 수직 작동 위치로 회전하도록 만들어져서, 아웃리거 레그가 수평 위치로 스윙하는 동안 YEM 플랫폼(200)이 수직 위치를 중심으로 피벗되게 한다.
하나의 단부가 아웃리거 레그(250) 상의 힌지 지점에 부착되고 다른 단부가 마스트(220) 또는 스파 부이(235) 상의 힌지 지점에 부착된, 유압 실린더와 같은 종방향 액추에이터(256)는 아웃리거 레그(250)에 힘 및 위치 설정 역량을 제공한다. 액추에이터(256)는 마스트(220)를 중심으로 아웃리거 레그(250)를 피벗하여 마스트(220)와 스파 부이(235)를 기울어지게 한다. 액추에이터(256)는 컨트롤러로부터의 커맨드에 기초하여 아웃리거 레그(250)의 각도 및 반작용 힘을 능동적으로 제어한다. 액추에이터(256)는 또한 센서 신호로부터 도출되는 컨트롤러 커맨드를 통해 YBM 플랫폼(200)에 가해지는 풍력 및 파력을 관리하기 위한 동적 응답 역량을 제공한다.
YBM 마스트(220)는 360도의 풍향 방위각 범위(116)에 걸쳐 로터 추력 하중(117)에 대해 반작용을 일으켜야 하는 통상의 스파 부이 FOWT 마스트(120)보다 더 적은 중량을 지지하고 더 좁은 범위의 측방향 하중에 노출된다. YBM 마스트(220)의 로터 추력 하중은 하나의 일차 방향에 있기 때문에, 마스트 횡단면은 축 대칭 구성으로부터 벗어나 하중 반작용 강도가 분할 평면을 따라 집중되는 양방향 대칭되는 구성으로 되어, YBM 마스트(220)가 각기 좁은 범위의 구조적 하중에 최적화되도록 구성된, 타원형이고 하나의 평면이 보강된 관형의 양측 트러스(bilateral truss) 또는 포스테이(forestay)가 있는 마스트 구조물이 되게 한다.
일 실시예에서, 아웃리거 레그(250)는 양의 부력(positively buoyant)을 가질 수 있고 플로트(252)는 마스트(220) 연결부 반대쪽의 레그(250)의 단부에서 연결된다. 레그(들)(250)의 외부 단부에 있는 플로트(252)의 부력 및 아웃리거 레그(250)의 부력은 둘 모두 WIG(210)에 미치는 바람 추력 하중(217)에 의해 YBM 플랫폼(200)이 뒤집히는 것을 저지한다. 다른 실시예에서, 아웃리거 레그는 수면 위로 올려지며, 부유하도록 의도되지 않아 모든 반작용 힘의 부력이 플로트(252)에 집중되도록 한다. 이 경우, 아웃리거 레그(250)는 관형 설계, 경량 개방형 트러스 설계, 빔 설계 또는 플로트(252)에 유발된 반작용 힘을 효과적으로 지원하는 데 필요한 구조적 강도와 강성을 제공하는 다른 구조적 구성을 가질 수 있다.
아웃리거 레그(250)의 연결 지점 아래에서 스파 부이(235)를 빙 두르고 있는 흘수선 근처에는 슬립 칼라(270)로부터 해저 앵커(도시되지 않음)까지의 계류 라인(272)을 갖는 습식 베어링 슬립 칼라(270)가 있다. 이것은 YBM 플랫폼(200)이 자유롭게 요잉할 수 있게 하는 한편, 해양 환경 내에서 측방향 운동을 제한하고 터빈에 가해지는 바람 하중에 대해 반작용할 때 스파 부이(200)의 피벗 포인트로 작용한다. YBM 플랫폼(200)을 그의 수직 축 상에서 요잉하려면 컨트롤러로부터의 요 커맨드에 응답하여 수평 회전 반경에 접선 방향으로 가해지는 스러스터(260) 추진력이 필요하다. YBM 플랫폼(200)의 요잉은 스파 부이(235) 선체 표면에서의 속도가 낮고 부력이 워터 베어링(water bearing)으로서 효과적으로 역할을 하므로 베어링 스러스트 하중이 최소이기 때문에 최소의 마찰을 갖는다. 해상풍은 전형적인 육상풍 체제보다 방향 변동성이 적은 경향이 있으므로, 스러스터(260) 사이클링은 정상 작동 중에 업윈드 위치 설정(upwind positioning)을 유지하기 위해 과도하지 않을 것으로 예상된다.
도 4를 참조하면, YBM 플랫폼(200)은 다양한 바다 상태에서 파도의 작용으로 인해 피치(pitch), 히브(heave), 롤(roll) 및 서지(surge)를 받는다. 또한, 스파 부이(235)에 작용하는 해류와 WTG(210) 및 마스트(220)에 작용하는 바람 하중은 YBM 플랫폼(200)에도 작용한다. 일 실시예에서, 각각의 아웃리거 레그 각도 및 반작용 힘은 각 레그(250)에 부과되는 상이한 파도-히브 및 다른 힘으로부터 바다 상태에 반응하는 다른 레그(들)(250)와 독립적으로 조정되어 WTG(210), 마스트(220) 및 스파 부이(235)의 구조적 하중 및 흔들림을 최소화할 수 있다.
다른 실시예에서, 아웃리거 레그(250)의 원위 단부에 부착된 레그에 수직인 피벗 암의 양 단부에 장착된 2개의 플로트(252)를 가진 단일 아웃리거 레그(250)는 일차 로터 추력 방향(217)의 바람을 타고 돌출된다.
도 5를 참조하면, 다른 실시예에서, 스파 부이 플랫폼 FOWT(500)는 WTG(210), 마스트(220), 스파 부이(535), 슬립 칼라(270), 계류 라인(272) 및 하나 이상의 고정 붐 아웃리거(550)를 포함하며, 고정 붐 아웃리거(550)는 바람직하게는 도시된 바와 같이 하나가 스파 부이(535) 및 마스트(220)에 결합되어 흘수선 아래의 원위 단부에 해양 스러스터(260)가 장착된 스파 부이(535)로부터 반경방향 외측으로 연장한다. 스파 부이 플랫폼 FOWT(500)을 그의 수직 축 상에서 요잉하려면 컨트롤러로부터의 요 커맨드에 응답하여 수평 회전 반경에 접선 방향으로 추진력을 가하는 스러스터(260)를 사용하여 달성될 수 있다. 스파 부이(535)의 수평의 평행 이동은 슬립 칼라(270) 및 계류 라인(272)에 의해 제한되고, 이것은 회전 운동만을 가능하게 한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 하나 이상의 고정 붐 아웃리거(550)가 스파 부이 플랫폼 FOWT(200)에 포함된다.
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 제어 시스템(600)을 예시한다. 제어 시스템(600)은 플랫폼 컨트롤러(610)에 의해 커맨드를 받는 아웃리거(250), 액추에이터(256) 및 플로트(252) 모두들 뿐만 아니라, WTG 컨트롤러(620)에 의해 커맨드를 받는 WTG 블레이드 피치 및 WTG 발전기 토크를 포함하는 통합 시스템에 의하여 구조적 질량을 줄이도록 설계된다. 2개의 컨트롤러는 WTG(210)의 흔들림을 최소화하고 YBM 플랫폼(200) 구조물의 과도한 하중을 방지할 뿐만 아니라, 풍력 생산을 최대화하는 역할을 한다. 식별 및 구현이 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 WTG 컨트롤러(620)는 블레이드 피칭 및 발전기 토크 제어를 비롯한 WTG의 작동을 관리하는 역할을 한다. 플랫폼 컨트롤러(610)는 YBM 플랫폼(200)의 안전과 안정성을 유지하기 위해 필요할 때 WTG 컨트롤러(620)에 재정의 커맨드(override command)를 제공할 뿐만 아니라 아웃리거 액추에이터(256) 및 요 스러스터(260)를 제어하는 마스터 컨트롤러의 역할을 한다. YBM 플랫폼(200)의 요 위치, 아웃리거 액추에이터(256)의 실린더 힘, 아웃리거 레그(250)의 각도 위치 및 타워 기울기 각도 및 가속도를 나타내는 센서는 폐루프 피드백 신호를 플랫폼 컨트롤러(610)에 제공한다. WTG 컨트롤러(620)는 방위각 오차(201)를 0으로 추진하도록 바람 오차 정정을 요청하는 요 커맨드를 플랫폼 컨트롤러(610)에 전송한다. 플랫폼 컨트롤러(610)는 방위각 오차(201)를 0으로 감소시키는 방식으로 YBM 플랫폼(200)을 요잉하는 데 대응하는 신호를 스러스터(260)에 전송한다.
YBM 플랫폼(200)에 영향을 미치기 전에 바람과 파도 조건을 모니터링하면 WTG 컨트롤러(620) 및 플랫폼 컨트롤러(610)에 예측 제어 데이터가 추가되는데, 이것은 풍속 측정을 위한 LiDAR 및 파면 프로파일 및 속도 판독을 위한 RADAR를 사용하여 제공된다. LiDAR(630) 및 RADAR(640) 신호뿐만 아니라, 타워 기울기(피치) 및 플랫폼 컨트롤러(610)를 향한 다른 상태 신호에 기초하여, 임박한 바람과 파도 조건에 시기 적절하게 응답하기 위해 CMD가 아웃리거 액추에이터(256), 스러스터(260) 및 WTG 컨트롤러(620)에 발행될 수 있다.
WTG 컨트롤러(620)와 플랫폼 컨트롤러(610)는 YBM 플랫폼(200) 주변의 환경 조건에 따라 상이한 모드에서 작동한다; WTG(210)로부터 대응하는 커맨드 상태 및 출력 전력 레벨은 다음과 같이 설명된다:
제어 모드 스러스터 요
CMD 		아웃리거
액추에이터 CMD 		블레이드 피치
CMD 		WTG
전력 출력
무풍
바람: 낮음
바다: 낮음		 활성: 예상되는 바람 방향으로 YBM
플랫폼을 요잉		 비활성: 타워 수직 비활성: 블레이드 페더링화 제로 전력
바람 있음
바람: 중간
바다: 중저		 활성: 제로 바람 방향 오차를 유지하기 위해 요잉 활성: 타워 수직 유지, 최소 타워 톱 흔들림을 유지 활성: 블레이드를 최대 전력 위치로 제로에서 최대 전력으로
바람 있음, 폭풍
바람: 높음
바다: 중간-높음		 활성: 제로 바람 방향 오차를 유지하기 위해 요잉 활성: 타워 수직 유지, 최소 타워 톱 흔들림을 유지 활성: 플랫폼 안정성을 위해 바람 하중을 흘리도록 재정의 최대 전력
바람 없음, 폭풍
바람: 극단
바다: 극단		 활성: 바람/파도 방향의 영향을 최소화하기 위해 요잉 활성: 최소 타워 톱 흔들림을 추구 비활성: 바람을 흘리기 위해 블레이드 페더링화 제로 전력
본 발명은 본 명세서에서 단지 예시의 목적으로 특정 실시예를 사용하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 원리가 다른 방식으로 구현될 수 있다는 것은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 용이하게 명백할 것이다. 그러므로 본 발명은 본 명세서에 개시된 특정 실시예로 범위가 제한되는 것으로 간주되지 않아야 되고, 대신에 다음의 청구범위와 범위가 완전히 상응하는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (19)

  1. 부유식 해상 풍력 터빈으로서,
    스파 부이(spar buoy);
    상기 스파 부이에 부착된 풍력 터빈 및 마스트;
    제1 힌지를 통해 상기 스파 부이에 결합된 제1 아웃리거 레그(outrigger leg);
    제2 힌지를 통해 상기 스파 부이에 결합된 제2 아웃리거 레그; 및
    제1 해양 스러스터(marine thruster)를 포함하는, 부유식 해상 풍력 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 아웃리거 레그에 부착된 제1 플로트(float) 및 상기 제2 아웃리거 레그에 부착된 제2 플로트를 더 포함하는, 부유식 해상 풍력 터빈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 해양 스러스터는 상기 제1 플로트를 통해 상기 제1 아웃리거 레그에 결합되는, 부유식 해상 풍력 터빈.
  4. 제3항에 있어서,
    제2 해양 스러스터를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 해양 스러스터는 상기 제2 플로트를 통해 상기 제2 아웃리거 레그에 결합되는, 부유식 해상 풍력 터빈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 힌지는 상기 제1 아웃리거 레그의 원위 단부가 상기 스파 부이의 중심축에 대해 이동할 수 있게 하는, 부유식 해상 풍력 터빈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 아웃리거 레그와 상기 스파 부이 사이에 부착된 제1 액추에이터를 더 포함하고, 상기 제1 액추에이터는 상기 스파 부이의 상기 중심축에 대해 상기 제1 아웃리거 레그의 상기 원위 단부를 이동시키도록 구성되는, 부유식 해상 풍력 터빈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 힌지는 상기 제2 아웃리거 레그의 원위 단부가 상기 스파 부이의 상기 중심축에 대해 이동할 수 있게 하고, 상기 부유식 해상 풍력 터빈는 상기 제2 아웃리거 레그 사이에 부착된 제2 액추에이터를 더 포함하고, 상기 제2 액추에이터는 상기 스파 부이의 상기 중심축에 대해 상기 제2 아웃리거 레그의 상기 원위 단부를 이동시키도록 구성되는, 부유식 해상 풍력 터빈.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 해양 스러스터는 상기 스파 부이를 요잉하도록 구성되는, 부유식 해상 풍력 터빈.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제2 해양 스러스터는 상기 스파 부이를 요잉하도록 구성되는, 부유식 해상 풍력 터빈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스파 부이를 빙 둘러싸는 습식 베어링 슬립 칼라를 더 포함하는, 부유식 해상 풍력 발전기.
  11. 부유식 해상 풍력 터빈으로서,
    스파 부이;
    상기 스파 부이에 부착된 풍력 터빈 및 마스트;
    상기 스파 부이에 결합된 아웃리거 레그 또는 고정 붐; 상기 아웃리거 레그 또는 상기 고정 붐에 결합된 플로트; 및 상기 플로트에 결합되어 상기 스파 부이를 요잉하기 위한 스러스터를 포함하는, 부유식 해상 풍력 터빈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스파 부이에 대해 상기 플로트를 접거나 펼치기 위한 수단을 더 포함하는, 부유식 해상 풍력 터빈.
  13. 부유식 해상 풍력 터빈을 배치하는 방법으로서,
    스파 부이 마스트, 상기 스파 부이 마스트에 부착된 풍력 터빈, 제1 힌지를 통해 상기 스파 부이에 결합된 제1 아웃리거 레그 및 제2 힌지를 통해 상기 스파 부이에 결합된 제2 아웃리거 레그를 포함하는 부유식 해상 풍력 터빈을 견인하는 단계 - 상기 제1 아웃리거 레그 및 상기 제2 아웃리거 레그는 접힌 위치에서 배열됨 -;
    상기 제1 아웃리거 레그 및 상기 제2 아웃리거 레그를 상기 접힌 위치로부터 상기 제1 힌지 및 상기 제2 힌지를 통해 펼친 위치로 펼치는 단계; 및
    상기 부유식 해상 풍력 터빈을 해저에 계류하는 단계를 포함하는, 부유식 해상 풍력 터빈 배치 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 아웃리거 레그 및 상기 제2 아웃리거 레그가 상기 접힌 위치에서 배열된 동안 풍력 터빈 블레이드를 상기 풍력 터빈 상에 설치하는 단계를 더 포함하는, 부유식 해상 풍력 터빈 배치 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 스파 부이 마스트를 요잉하여 상기 풍력 터빈이 바람을 향하도록 배열하는 단계를 더 포함하는, 부유식 해상 풍력 터빈 배치 방법.
  16. 터빈, 플랫폼, 아웃리거 레그, 액추에이터, 스파 부이, 스러스터 및 마스트를 포함하는 부유식 해상 풍력 터빈용 부유식 해상 풍력 터빈 제어 시스템으로서,
    플랫폼 컨트롤러;
    제1 아웃리거 레그의 각도 위치를 측정하는 센서; 상기 제1 액추에이터의 힘을 측정하는 센서;
    상기 스파 부이의 방위각 각도 위치를 측정하는 센서; 및 상기 마스트의 기울기 각도를 측정하는 센서를 포함하는, 부유식 해상 풍력 터빈용 부유식 해상 풍력 터빈 제어 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 아웃리거 레그의 각도 위치를 측정하는 상기 센서 및 상기 제1 액추에이터의 힘을 측정하는 상기 센서는 상기 플랫폼 컨트롤러가 상기 제1 아웃리거의 원위 단부의 위치를 변경하거나 또는 상기 제1 액추에이터의 힘을 변경하라는 커맨드를 발행하도록 트리거하는 신호를 상기 플랫폼 컨트롤러에 전송하는, 부유식 해상 풍력 터빈용 부유식 해상 풍력 터빈 제어 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 스파 부이의 방위각 각도 위치를 측정하는 상기 센서는 상기 플랫폼 컨트롤러가 상기 스러스터에 상기 스파 부이를 요잉하라는 커맨드를 발행하도록 트리거하는 신호를 상기 플랫폼 컨트롤러에 전송하는, 부유식 해상 풍력 터빈용 부유식 해상 풍력 터빈 제어 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 마스트의 기울기 각도를 측정하는 상기 센서는 상기 플랫폼 컨트롤러가 상기 액추에이터에 상기 아웃리거를 이동하라는 커맨드를 발행하도록 트리거하는 신호를 상기 플랫폼 컨트롤러에 전송하는, 부유식 해상 풍력 터빈용 부유식 해상 풍력 터빈 제어 시스템.
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