KR20220103530A - 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기 - Google Patents

부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기 Download PDF

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KR20220103530A
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Abstract

부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 블레이드가 설치된 나셀과, 상기 나셀을 지지하는 타워를 포함하는 풍력 발전기; 및 복수의 부유체와, 상기 복수의 부유체 사이를 잇는 복수의 상부 메인 연결체 및 복수의 하부 메인 연결체를 포함하는 부유식 지지 구조물을 포함하되, 상기 부유식 지지 구조물은, 상기 복수의 상부 메인 연결체 각각에 일단이 결합되는 복수의 상부 서브 연결체와; 상하 관통되는 관통홀이 형성된 기둥 구조물이고, 외측에 상기 복수의 상부 서브 연결체의 타단이 결합되는 가이드 링과; 상기 복수의 하부 메인 연결체 각각에 일단이 결합되는 복수의 하부 서브 연결체와; 상기 타워가 안착되는 평판형 부재인 타워 지지용 정반과; 상기 타워 지지용 전반을 지지하는 기둥 구조물이고, 외측에 상기 복수의 하부 서브 연결체의 타단이 결합되는 타워 지지 기둥을 더 포함하는, 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기가 제공된다.

Description

부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기{Offshore wind generator with floating support structure}
본 발명은 해상 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기이다.
해상 풍력 발전기는 주로 천해(50m 미만)의 해저면에 고정식으로 설치되었다. 하지만, 천해가 자리잡은 연안에 설치 시 여객 운송 및 어로 활동에 제약을 주고, 소음 및 시각 공해를 유발하는 문제점이 있었다. 따라서, 최근에는 해안에서 멀리 떨어진 심해(50 ~ 300m 정도) 설치가 주목을 받고 있다.
심해 설치를 위해서는 풍력 발전기를 지지하는 하부 구조가 부유식이 되어야 한다.
도 1은 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기를 나타낸 도면이고, 도 2는 부유식 지지 구조물에 의해 해상 풍력 발전기가 지지되는 구조를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기(10)는 풍력 발전기(20) 및 부유식 지지 구조물(30)을 포함한다.
풍력 발전기(20)를 지지하기 위한 지지 구조에 해당하는 부유식 지지 구조물(30)로 주로 적용되는 형태는 도 1에 도시된 것과 같이 3개의 부유체(column)(31)와, 이를 연결하는 연결체(33)(트러스(truss) 혹은 빔(beam))로 구성되어 있다.
부유체(31) 하나의 상단에는 타워 지지대(40)가 마련되어 있고, 타워 지지대(40)에 의해 타워(25)가 지지된다. 하지만, 통상 위 아래가 일치하게 배치하고 맞대기 용접을 적용하는 풍력 발전기의 설치 공법을 해상에서 실시할 경우, 부유식 지지 구조물(30)은 환경 상태에 따른 영향을 많이 받기 때문에 정도에 맞춰 설치하는데 많은 어려움이 있다.
안벽 및 육상 등에서 풍력 발전기를 지지 구조에 설치 및 일체화하여 예인하는 경우에도, 발전기의 블레이드(blade)가 워낙 커서 이동 중 동적 거동에 의한 연결부 손상이 심각이 우려되므로 각별한 주의가 요구되는 한계가 있다.
한국공개특허 제10-2013-0071870호 (2013.07.01. 공개) - 해상풍력발전 장치 및 그 설치 방법
본 발명은 복수의 부유체의 중심 부분에 풍력 발전기의 타워를 설치하여 해상 설치 과정에서 정도 관리 및 작업이 용이하게 한 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 해상 풍력 발전기에 있어서, 블레이드가 설치된 나셀과, 상기 나셀을 지지하는 타워를 포함하는 풍력 발전기; 및 복수의 부유체와, 상기 복수의 부유체 사이를 잇는 복수의 상부 메인 연결체 및 복수의 하부 메인 연결체를 포함하는 부유식 지지 구조물을 포함하되, 상기 부유식 지지 구조물은, 상기 복수의 상부 메인 연결체 각각에 일단이 결합되는 복수의 상부 서브 연결체와; 상하 관통되는 관통홀이 형성된 기둥 구조물이고, 외측에 상기 복수의 상부 서브 연결체의 타단이 결합되는 가이드 링과; 상기 복수의 하부 메인 연결체 각각에 일단이 결합되는 복수의 하부 서브 연결체와; 상기 타워가 안착되는 평판형 부재인 타워 지지용 정반과; 상기 타워 지지용 전반을 지지하는 기둥 구조물이고, 외측에 상기 복수의 하부 서브 연결체의 타단이 결합되는 타워 지지 기둥을 더 포함하는, 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기가 제공된다.
상기 부유식 지지 구조물은 상기 타워 지지용 정반의 상면에 설치되고, 상기 타워의 하단부의 내경보다 작은 직경을 갖는 기둥 구조물인 타워 고정부를 더 포함할 수 있다.
상기 타워 고정부는 중심각이 360°/N인 부채꼴 형상의 단면을 갖는 기둥 구조물인 N개의 타워 고정편을 포함하고, 상기 N개의 타워 고정편을 서로 멀어지는 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 상기 타워 지지용 정반 상에 설치될 수 있다.
상기 타워 고정부의 직경은 상기 타워의 하단부 내경보다 작고, 상기 타워가 설치될 때 상기 N개의 타워 고정편은 모두 모여 원기둥 구조물을 이루고 있는 상태에서 상기 타워의 하단부가 상기 타워 지지용 정반에 안착되게 하고, 상기 타워 고정부가 상기 타워의 하단부 내에 삽입된 이후, 상기 N개의 타워 고정편이 서로 멀어지는 방향으로 슬라이딩 이동하여 상기 N개의 타워 고정편 각각의 원호면 외측면이 상기 타워의 하단부 내측면을 가압하게 될 수 있다.
상기 풍력 발전기가 설치될 때 상기 타워의 하단부가 상기 가이드 링을 통과하며, 설치 이후 상기 가이드 링의 내측면은 상기 타워의 외측 둘레로부터 소정 간격 이격되어 배치될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 부유체의 중심 부분에 풍력 발전기의 타워를 설치하여 해상 설치 과정에서 정도 관리 및 작업이 용이하게 한 효과가 있다.
도 1은 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기를 나타낸 도면,
도 2는 부유식 지지 구조물에 의해 해상 풍력 발전기가 지지되는 구조를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기의 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 풍력 발전기를 지지하는 부유식 지지 구조물의 일부 확대도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기에 포함되는 타워 고정부의 구성 및 모션을 나타낸 평면도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 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.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 풍력 발전기를 지지하는 부유식 지지 구조물의 일부 확대도이다.
도 3 및 도 4에는 해상 풍력 발전기(100), 풍력 발전기(20), 타워(25), 부유식 지지 구조물(130), 부유체(131), 상부 메인 연결체(133), 하부 메인 연결체(135), 상부 서브 연결체(143), 가이드 링(150), 하부 서브 연결체(145), 타워 지지 기둥(160), 타워 지지용 정반(170), 제1 타워 고정부(180)가 도시되어 있다.
종래에는 부유식 지지 구조물 중 어느 하나의 부유체 상단에 타워 지지대가 배치되어 있어 타워와 타워 지지대가 일자로 정렬되도록 한 다음, 용접을 통해서 맞닿는 부분을 서로 연결하여 일체화하였다. 이 때 용접부는 맞대기 상태가 된다. 이 경우 부유체 중 어느 하나에만 타워가 설치되어, 부유식 지지 구조물에 대해서는 무게중심이 맞지 않게 되는 한계가 있었다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기(100)에서는 복수의 부유체 중 어느 하나가 선택되는 것이 아니라 복수의 부유체의 중심(예컨대, 무게중심)에 해당하는 부분에 타워가 설치되어 전체적인 밸런스가 잘 맞아 풍력 발전기의 해상 설치 시 파도에 의한 영향을 최소화하고 부유식 지지 구조물에 의해 안정적으로 지지될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따른 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기(100)는 크게 풍력 발전기(20)와 부유식 지지 구조물(130)을 기본 골격으로 포함한다.
풍력 발전기(20)는 타워(25), 타워(25) 상부에 위치하며 타워(25)에 의해 지지되는 나셀(21), 나셀(21)에 회전 가능하게 연결되는 블레이드(23)를 포함할 수 있다.
나셀(21)은 타워(25) 상부에 위치하면서 제어기 및 발전기를 포함할 수 있다. 발전기는 나셀(21)의 일단에 설치된 허브에 장착된 블레이드(23)가 바람에 의해 회전하는 경우 그 회전력을 전기적 에너지로 변환한다. 제어기는 발전기의 발전 동작, 블레이드의 피치 제어 등과 같이 나셀(21)에 포함되는 구성요소들의 동작을 제어한다.
타워(25)의 하단은 내부가 빈 기둥 구조물일 수 있다. 기둥 구조물의 외경은 최하단에서 가장 크고 상단 방향으로 올라갈수록 이전과 동일하거나 줄어들 수 있다.
부유식 지지 구조물(130)은 복수의 부유체(131)와, 부유체(131) 사이를 연결하는 연결체(133, 135)를 포함한다.
복수의 부유체(131) 중 서로 이웃하는 2개의 부유체(131) 사이에는 트러스 혹은 빔과 같은 연결체(133, 135)가 설치되어, 두 부유체(131) 사이의 간격을 유지시켜면서 연결할 수 있다.
이하에서는 도면에 도시된 것과 같이 3개의 부유체가 평면도 상으로 삼각형 배치를 가지는 경우를 가정하여 설명하지만, 이는 일 실시예에 불과하며, 부유체의 구조 및 배치는 필요에 따라 다양하게 변경할 수 있다.
연결체는 2층 구조로 이루어지며, 상층의 상부 메인 연결체(133)와 하층의 하부 메인 연결체(135)를 포함할 수 있다. 2층 구조는 일 실시예에 불과하며, 3층 이상의 구조를 가질 수도 있음은 물론이다.
복수의 부유체(131)를 꼭지점으로 하는 삼각형 구조의 부유식 지지 구조물(130)에서 삼각형의 무게중심에 해당하는 부분에 가상 중심선이 수직 방향으로 세워진 것으로 가정한다.
상부 메인 연결체(133)의 중간에는 가상 중심선을 향해 연장되는 상부 서브 연결체(143)의 일단이 결합된다. 상부 서브 연결체(143)는 가상 중심선을 향하는 방향으로 갈수록 높이가 높아지도록 경사지게 배치될 수 있다.
3개의 상부 메인 연결체(133) 각각으로부터 상부 서브 연결체(143)가 가상 중심선을 향해 연장되며, 3개의 상부 서브 연결체(143)의 타단에는 가이드 링(150)이 설치된다.
가이드 링(150)은 타워(25)의 외경보다 큰 내경을 갖는 관통홀이 형성되고, 소정 높이를 가지는 기둥 구조물일 수 있다. 가이드 링(150)은 풍력 발전기(20)의 설치 과정에서는 타워(25) 하단의 경로를 안내하며, 설치가 완료된 상태에서 타워(25)의 외측 둘레로부터 소정 간격 이격되어 위치하게 되며, 타워(25)가 중심을 잃고 쓰러지는 것을 방지해 주게 된다.
가이드 링(150)의 외측에는 상부 서브 연결체(143)의 타단이 결합된다. 즉, 가이드 링(150)은 3개의 상부 서브 연결체(143)에 의해 가상 중심선 상에서 안정적으로 지지될 수 있다. 가이드 링(150)의 중심점은 가상 중심선 상에 놓여질 수 있다.
그리고 하부 메인 연결체(135)의 중간에는 가상 중심선을 향해 연장되는 하부 서브 연결체(145)의 일단이 결합된다. 하부 서브 연결체(145)는 가상 중심선을 향하는 방향으로 갈수록 높이가 높아지도록 경사지게 배치될 수 있다.
3개의 하부 메인 연결체(135) 각각으로부터 하부 서브 연결체(145)가 가상 중심선을 향해 연장되며, 3개의 하부 서브 연결체(145)의 타단에는 타워 지지 기둥(160)이 설치된다.
타워 지지 기둥(160)은 타워(25)를 지지하기 위한 구성요소로, 소정 높이를 가지는 기둥 구조물일 수 있다.
타워 지지 기둥(160)의 외측에는 하부 서브 연결체(145)의 타단이 결합된다. 즉, 타워 지지 기둥(160)은 3개의 하부 서브 연결체(145)에 의해 가상 중심선 상에서 안정적으로 지지될 수 있다. 타워 지지 기둥(160)의 중심선은 가상 중심선 상에 놓여질 수 있다.
타워 지지 기둥(160)은 경사진 복수의 하부 서브 연결체(145)에 의해 삼각기둥의 꼭지점 위치에서 지지되며, 그 상부에 설치되는 타워(25)의 하중이 복수의 하부 서브 연결체(145)로 분산되게 하여 안정적인 지지가 가능하게 한다.
타워 지지 기둥(160)의 상부에는 타워 지지용 정반(170)과 제1 타워 고정부(180)가 설치될 수 있다.
타워 지지용 정반(170)은 타워(25)의 하단이 안착되는 평판형 부재로, 타워(25)의 하단과 맞닿아 타워(25)의 무게를 받아들이는 구성요소이다. 안정적인 무게 배분을 위해 타워 지지용 정반(170)은 타워(25)의 하단부에 대응되는 형상, 예컨대 원형 형상을 가질 수 있다.
타워 지지용 정반(170)의 직경은 타워(25) 하단부의 외경보다 크게 형성되어, 타워(25)가 안정적으로 타워 지지용 정반(170) 상에 안착되게 할 수 있다.
제1 타워 고정부(180)는 타워 지지용 정반(170)의 상면에 돌출 설치되는 기둥 구조물이다. 제1 타워 고정부(180)의 직경은 타워(25) 하부의 내경보다 작게 형성되어, 제1 타워 고정부(180)가 타워(25)의 하단 내로 삽입될 수 있다.
제1 타워 고정부(180)에 의해 타워(25)는 타워 지지용 정반(170) 상에서 슬립되는 것이 방지되며, 타워(25)는 안정적으로 고정될 수 있다.
본 실시예에 따른 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기(100)에서 부유식 지지 구조물(130)에 풍력 발전기(20)를 설치하는 과정은 다음과 같다.
해상 풍력 발전을 위해 지정된 해상 지점에 부유식 지지 구조물(130)을 이송하여 설치한다. 부유식 지지 구조물(130)의 경우 무어링 라인 등을 통해 위치가 고정될 수 있다.
운송선을 이용하여 풍력 발전기(20)를 부유식 지지 구조물(130) 근처로 이송한다. 이후 크레인을 이용하여 풍력 발전기(20)를 부유식 지지 구조물(130)에 설치한다.
이 때 풍력 발전기(20)의 타워(25)를 수직으로 세우고, 타워(25)의 하단이 부유식 지지 구조물(130)의 가이드 링(150)을 관통한 후 타워 지지용 정반(170) 상에 안착되게 한다. 이 때 제1 타워 고정부(180)가 타워(25) 내부에 삽입되도록 안착 위치를 제어할 수 있다.
본 실시예에서 상부 서브 연결체(143)는 가상 중심선을 향해 상승하는 방향으로 경사지게 배치되어 있어, 상부 서브 연결체(143)에 의해 가이드 링(150)이 견고하게 지지될 수 있다. 가이드 링(150)은 타워(25)의 외측 둘레에서 소정 간격 이격되어 있되, 타워(25)의 움직임을 제한하여 타워(25)가 외력에 의해 큰 움직임을 가질 경우 이를 버텨주는 보조 지지부로서 기능할 수 있다.
또한, 하부 서브 연결체(145) 역시 가상 중심선을 향해 상승하는 방향으로 경사지게 배치되어 있어, 하부 서브 연결체(145)에 의해 타워 지지 기둥(160) 및 그 상부에 설치되는 타워 지지용 정반(170), 제1 타워 고정부(180) 및 최종 조립되는 타워(25)까지도 견고하게 지지될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기에 포함되는 타워 고정부의 구성 및 모션을 나타낸 평면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기에 포함되는 제2 타워 고정부(190)가 도시되어 있다.
타워 지지용 정반(170) 상에 설치되는 제2 타워 고정부(190)는 복수 개의 타워 고정편(191)을 포함할 수 있다.
제2 타워 고정부(190)는 기본적으로 원기둥 구조물일 수 있다. 그리고 타워 고정편(191)은 소정 중심각을 갖는 부채꼴 형상의 단면을 갖는 기둥 구조물일 수 있다.
타워 고정편(191)의 수가 N(자연수)개인 경우, 타워 고정편(191)의 중심각은 360°/N이 된다. N개의 타워 고정편(191)이 가상 중심선에서 모일 경우 원기둥 구조물을 형성하게 된다. 도면에서는 N=4인 경우가 도시되어 있다.
타워 고정편(191) 각각은 개별적으로 혹은 연동하여 슬라이딩 이동할 수 있다. 타워 고정편(191)의 이동 방향은 가상 중심선에서 각 부채꼴의 원호 중심을 향하는 방향일 수 있다. 즉, 타워 고정편(191)이 서로 멀어지는 방향일 수 있다.
타워 지지용 정반(170)에 대해 타워 고정편(191)이 슬라이딩 이동되는 구조에는 볼 스크류 구조, 리니어 바 구조, 레일 구조 등 슬라이딩 이동을 구현하는 다양한 결합 구조가 적용될 수 있다.
본 실시예에서 제2 타워 고정부(190)의 직경은 설치될 타워(25)의 내경보다 작게 형성될 수 있다. 따라서, 타워(25)의 하단이 가이드 링(150)을 통과하고 타워 지지용 정반(170) 상에 안착했을 때, 제2 타워 고정부(190)는 타워(25)의 하단 내부에 위치하게 된다.
이후 제2 타워 고정부(190)를 구성하는 복수의 타워 고정편(191)이 외측을 향해 슬라이딩 이동한다(도 5의(b) 참조). 각 타워 고정편(191)의 원호면 중 일부는 타워(25)의 내측면과 맞닿아 마찰력을 발생시키게 된다. 또한, 서로 마주보는 타워 고정편(191)이 서로 반대방향으로 타워(25)의 내측면에 대해 힘을 가하게 됨으로써 보다 견고하게 타워(25)의 하단부를 고정시킬 수 있게 된다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기
20: 풍력 발전기 21: 나셀
23: 블레이드 25: 타워
130: 부유식 지지 구조물 131: 부유체
133: 상부 메인 연결체 135: 하부 메인 연결체
143: 상부 서브 연결체 145: 하부 서브 연결체
150: 가이드 링 160: 타워 지지 기둥
170: 타워 지지용 정반 180: 제1 타워 고정부
190: 제2 타워 고정부 191: 타워 고정편

Claims (4)

  1. 해상 풍력 발전기에 있어서,
    블레이드가 설치된 나셀과, 상기 나셀을 지지하는 타워를 포함하는 풍력 발전기; 및
    복수의 부유체와, 상기 복수의 부유체 사이를 잇는 복수의 상부 메인 연결체 및 복수의 하부 메인 연결체를 포함하는 부유식 지지 구조물을 포함하되,
    상기 부유식 지지 구조물은,
    상기 복수의 상부 메인 연결체 각각에 일단이 결합되는 복수의 상부 서브 연결체와;
    상하 관통되는 관통홀이 형성된 기둥 구조물이고, 외측에 상기 복수의 상부 서브 연결체의 타단이 결합되는 가이드 링과;
    상기 복수의 하부 메인 연결체 각각에 일단이 결합되는 복수의 하부 서브 연결체와;
    상기 타워가 안착되는 평판형 부재인 타워 지지용 정반과;
    상기 타워 지지용 전반을 지지하는 기둥 구조물이고, 외측에 상기 복수의 하부 서브 연결체의 타단이 결합되는 타워 지지 기둥을 더 포함하는, 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부유식 지지 구조물은 상기 타워 지지용 정반의 상면에 설치되고, 상기 타워의 하단부의 내경보다 작은 직경을 갖는 기둥 구조물인 타워 고정부를 더 포함하는, 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 타워 고정부는 중심각이 360°/N인 부채꼴 형상의 단면을 갖는 기둥 구조물인 N개의 타워 고정편을 포함하고,
    상기 N개의 타워 고정편을 서로 멀어지는 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 상기 타워 지지용 정반 상에 설치되는, 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 타워 고정부의 직경은 상기 타워의 하단부 내경보다 작고,
    상기 타워가 설치될 때 상기 N개의 타워 고정편은 모두 모여 원기둥 구조물을 이루고 있는 상태에서 상기 타워의 하단부가 상기 타워 지지용 정반에 안착되게 하고,
    상기 타워 고정부가 상기 타워의 하단부 내에 삽입된 이후, 상기 N개의 타워 고정편이 서로 멀어지는 방향으로 슬라이딩 이동하여 상기 N개의 타워 고정편 각각의 원호면 외측면이 상기 타워의 하단부 내측면을 가압하게 되는, 부유식 지지 구조를 갖는 해상 풍력 발전기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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