KR20220104362A - 부력체 및 계류선의 배치를 통해 하중 저감을 가능하게 한 부유식 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치는, 블레이드와 너셀을 지지하는 타워부; 상기 타워부의 하단에 결합되는 지지 구조물; 상기 지지 구조물에 결합되는 복수의 부력체; 및 상기 지지 구조물의 하단과 해저 간에 연결 배치된 복수의 계류선;을 포함하고, 상기 복수의 부력체는 상기 지지 구조물의 중앙에 배치되는 메인 부력체 및 상기 메인 부력체를 중심으로 상기 지지 구조물의 가장자리 상에 배치되는 복수의 보조 부력체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

부력체 및 계류선의 배치를 통해 하중 저감을 가능하게 한 부유식 풍력발전장치{Floating wind power generator that enables load reduction through the arrangement of buoyancy bodies and mooring lines}

본 발명은 블레이드와 터빈을 지지하는 삼각 형상의 지지 구조물 중앙의 메인 부력체를 중심으로 상기 지지 구조물의 가장자리 상에 복수개의 보조 부력체를 방사상으로 배치하는 구조를 통해 풍력 터빈의 무게를 안정적으로 지지하게 하여 상기 지지 구조물에 가해지는 응력을 감소하게 한 부유식 풍력발전장치에 관한 것이다.

해상풍력의 종류는 설치방식에 따라 두 가지로 나뉘는데, 수심이 얕은 물속에 기초 구조물을 박아 설치하는 고정식 해상풍력발전기와 수심이 깊은 바다 위에 떠 있는 상태로 만드는 부유식 해상풍력발전기로 구분된다.

대수심에서 고정식 풍력발전시스템을 설치할 경우 수심이 깊어짐에 따라 고정식 지지구조물의 건설비용이 급격히 증가하기 때문에 해저 바닥에 풍력발전타워를 고정시키지 않고, 바다에 부유체를 띄우고 그 위에 풍력발전기를 올려서 발전하는 방식이 부유식 해상풍력발전기이다.

부유식 해상풍력터빈은 부유체(floater) 상부에 기존의 고정식 풍력터빈을 사용한다. 부유식 해상풍력터빈은 파랑(ocean wave)에 의해 동요되므로 부유체 부분과 풍력터빈 부분을 연결하는 지지구조부에 작용하는 하중은 고정식에 비해 증가한다. 이 불안정 요동은 부유식 풍력터빈의 건전성과 지지구조에 작용하는 피로하중에 나쁜 영향을 끼치므로 매우 중요하다.

해상에서는 파도와 강한 바람 때문에 육상과는 다른 다양한 환경 하중이 존재하게 된다. 육상용 풍력발전기와 달리 해상용 풍력발전기에는 파도라는 강한 환경 하중이 작용한다. 부유식 풍력발전기를 디자인함에 있어 이러한 하중을 견뎌낼 뿐만 아니라 안정적인 복원력을 생성해야 할 필요가 있다.

부유식 해상풍력 시스템은 높은 안정성(high stability)을 갖는 플랫폼 기술이 핵심인바, 과도한 흔들림은 타워 상부에 위치한 발전 터빈에 무리를 주고 고장의 원인으로 작용하여 발전 효율을 저하시킨다. 따라서, 부유식 해상풍력 분야에서 바람과 파랑 하에서 흔들림이 저하된 high stability 부유식 플랫폼 기술은 안정적인 풍력발전을 가능하게 하는 핵심기술로 평가받고 있다.

풍력 타워에 의한 흔들림에 의해 가장 취약한 부분은 요베어링 부분, 하부구조물의 응력이 집중된 용접부분과 계류선과 플랫폼이 연결된 부분에서 계류선이 반복하중에 전단되는 현상이 나타나는 것으로 이 세부분이 가장 취약한 것으로 알려져 있다. 특히, 구성 부재들 간의 연결이 용접으로 이루어진 해양구조물은 기하학적 형상에 의해 응력집중 현상이 발생되는데, 용접 부재 상에는 응력집중 현상에 의해 공칭응력보다 높은 핫스팟 응력이 발생하고, 지속적으로 작용하는 하중에 매우 취약하게 되는데 상기 부분에서 크랙이 발생하여 피로파괴의 시작점이 된다는 문제점이 있다.

한편, 한국등록특허 제10-1709126호는 해상 부유 환경 하에서 시스템의 자세를 시스템 추력제어로 안정화시키는 추력제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기 및 자세안정화 제어방법을 제공하는 것으로서, 해풍으로 회전되는 로터에 의해 발전을 하는 풍력터빈을 부력으로 수직하게 세운 플로터, 해풍과 파도의 변화에 의한 x,y,z 좌표계의 3차원 모션 중 y축의 피치모션(pitch motion)에 대해 플로터에 추력을 생성해 줌으로써 상기 피치모션의 변화가 감소되고 상기 로터의 회전에 유리한 바람응시자세를 유지하는 내용을 제공한다.

(한국등록특허 제10-1709126호)

본 발명은 블레이드와 터빈을 지지하는 삼각 형상의 지지 구조물 중앙의 메인 부력체를 중심으로 상기 지지 구조물의 가장자리 상에 복수개의 보조 부력체를 방사상으로 배치하는 구조를 통해 풍력 터빈의 무게를 안정적으로 지지하게 하여 상기지지 구조물에 가해지는 응력을 감소하게 한 부유식 풍력발전장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 해저에 결합된 계류선과 삼각 형상을 갖는 지지 구조물 간의 결합 각도를 일직선이 되도록 함으로써 응력이 걸리는 영역의 최대 응력을 줄여 피로 수명을 연장하게 한 부유식 풍력발전장치를 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 부유식 풍력발전장치는, 블레이드와 너셀을 지지하는 타워부; 상기 타워부의 하단에 결합되는 지지 구조물; 상기 지지 구조물에 결합되는 복수의 부력체; 및 상기 지지 구조물의 하단과 해저 간에 연결 배치된 복수의 계류선;을 포함하고, 상기 복수의 부력체는 상기 지지 구조물의 중앙에 배치되는 메인 부력체 및 상기 메인 부력체를 중심으로 상기 지지 구조물의 가장자리 상에 배치되는 복수의 보조 부력체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 지지 구조물은 삼각 형상을 갖는 베이스 플레이트 및 상기 베이스 플레이트의 가장자리 첨단부에서 상기 타워부의 외주면을 연결하는 복수의 경사부를 포함하고, 상기 복수의 보조 부력체는 상기 베이스 플레이트의 가장자리 첨단부에 각각각 배치되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 메인 부력체는 상기 보조 부력체보다는 큰 용적을 갖는 것이 바람직할 수 있다.

상기 복수의 계류선은 상기 베이스 플레이트에서 하직방으로 배치되는 복수의 제1 계류선 및 상기 베이스 플레이트에서 상기 경사부가 이루는 라인과 일직선으로 배치되는 복수의 제2 계류선을 갖는 것이 바람직할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 부력체 및 계류선의 배치를 통해 하중 저감을 가능하게 한 부유식 풍력발전장치는 블레이드와 터빈을 지지하는 삼각 형상의 지지 구조물의 가장자리를 이루는 세 개의 모서리 상에 보조 부유체를 두는 한편 상기 지지 구조물의 중앙에 주 부력체를 배치하여 풍력 터빈 대부분의 무게를 지지하게 함으로써 삼각 형상의지지 구조물에 가해지는 하중 내지 응력을 감소하게 한다.

지지 구조물의 중앙에 배치된 주 부력체를 보조 부유체보다 크게 함으로써 파랑에 의한 흔들림을 줄이게 한다.

본 발명은 삼각 형상의 지지 구조물 하부에 배치된 복수의 계류선 중 일부를 트러스 형상을 갖는지지 구조물을 따라 경사진 각도를 연결시키는 동시에 다른 일부를 해저에 수직으로 배치하는 방안을 통해 단선에 의한 안전한 계류를 보장하는 한편, TLP의 고질적인 약점인 yaw, surge, 및 sway motion 을 억제할 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 삼각 형상의 지지 구조물 중 측면의 지지부가 계류선과 일직선이 되도록 하여 높은 응력이 걸리는 영역의 최대 응력을 줄여 피로 수명을 연장할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 풍력발전장치의 개념도를 보인다.
도 2는 부유식 풍력발전장치를 이루는 지지 구조물과 지지 구조물에 결합되는 복수의 부력체 간의 결합을 보인다.
도 3은 부유식 풍력발전장치를 이루는 지지 구조물, 복수의 부력체 및 복수의 계류선 간의 결합을 보인다.
도 4는 부유식 풍력발전장치의 해수면 상에 설치된 모습을 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명은 블레이드와 터빈을 지지하는 삼각 형상의 트러스 구조 형상을 갖는 지지 구조물의 중앙에 배치된 메인 부력체를 중심으로 상기 지지 구조물의 가장자리 상에 복수개의 보조 부력체를 방사상으로 배치하는 구조를 통해 풍력 터빈의 무게를 안정적으로 지지하게 하여 상기 지지 구조물에 가해지는 응력을 감소하게 한 부유식 풍력발전장치 포함하는 것을 핵심적인 특징으로 한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 풍력발전장치는 부력체 및 계류선의 배치를 통해 하중 저감을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 것으로서, 블레이드와 너셀을 지지하는 타워부(10), 타워부(10)의 하단에 결합되는 지지 구조물(20), 지지 구조물(20)에 결합되는 복수의 부력체(30) 및 지지 구조물(20)의 하단과 해저 간에 연결 배치된 복수의 계류선(40);을 포함한 상태에서, 복수의 부력체(30)는 지지 구조물(20)의 중앙에 배치되는 메인 부력체(31) 및 메인 부력체(31)를 중심으로 상기 지지 구조물(20)의 가장자리 상에 배치되는 복수의 보조 부력체(33)를 포함한다.

부유식 풍력발전장치는 복수의 블레이드, 복수의 블레이드가 결합된 허브, 블레이드와 허브에 결합된 주축, 증속기, 발전기, 전력변환장치, 나셀, 타워부(10) 등을 포함하는데, 상기 타워부(10)가 지지하는 블레이드 및 나셀 등의 구성 등은 일반적인 풍력 발전 터빈 장치의 구성을 채용 가능하다.

상기 지지 구조물(20)은 삼각 형상을 갖는 베이스 플레이트(21) 및 상기 베이스 플레이트(21)의 가장자리 첨단부에서 타워부(10)의 외주면을 연결하는 복수의 경사 부재(23)를 포함한다.

상기 베이스 플레이트(21)는 3개의 외측 베이스 부재가 삼각 형상을 갖도록 용접 결합을 형성하는 것일 수 있다. 복수의 경사 부재(23)는 베이스 플레이트(21)의 가장자리 첨단부에서 타워부(10)의 외주면을 경사진 상태로 연결하는 것일 수 있다. 즉, 삼각 형상을 갖는 베이스 플레이트(21)의 꼭지점에서 타워부(10)를 향해 기울어진 상태로 연장되어져 베이스 플레이트(21)의 안정적인 고정을 가능하게 한다. 한편, 상기 베이스 플레이트(21)의 가장자리 첨단부에서 수평 방향을 따라 연장되는 별도의 수평 보강 부재(25)를 포함할 수 있다. 상기 내용을 보면 지지 구조물(20)은 전체적으로는 베이스 플레이트(21)를 중심으로 하여 중공 형상의 삼각뿔 형태일 수 있다.

메인 부력체(31)는 타워부(10)의 직하단부 및 베이스 플레이트(21)의 중앙 하단에 배치되는 한편, 복수의 보조 부력체(33)는 베이스 플레이트(21)의 가장자리 첨단부에 각각 배치되는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 메인 부력체(31)는 타워부(10)가 지지하는 블레이드 및 나셀 등의 고하중 부품들을 효과적으로 지지하도록 지지 구조물(20)의 중심 하단부 상에 배치되고, 복수의 보조 부력체(33)는 메인 부력체(31)를 중심으로 하여 방사상으로 일정 간격을 유지한 상태에서 배치되는 것일 수 있다. 즉, 본 발명에서는 지지 구조물(20)을 이루는 세 개의 끝단 모서리 상에 보조 부유체(33)를 두고, 중앙에는 메인 부력체(31)를 둠으로써 풍력 터빈이 갖는 대부분의 무게를 지지하게 함으로써 삼각 형상을 갖는지지 구조물의 응력을 감소하게 만든 것이다.

상기 메인 부력체(31)는 상기 보조 부력체(33)보다는 큰 용적을 갖는다. 즉, 중앙의 메인 부력체(31)는 모서리에 배치된 3개의 보조 부력체(33) 보다 큰 상태에서 풍력 터빈이 갖는 하중을 대부분 지탱하는 기능을 하는 한편, 모서리의 3개 보조 부력체(33)는 파랑에 의한 흔들림을 줄이는 역할을 한다. 한편, 기존에는 반잠수식(Semi-Submersible) 풍력터빈과 TLP 터빈 중에도 삼각 형상이 아닌 다른 형상을 갖는 4개의 모서리를 가진 방식이 있었지만, 지지 구조물(20) 바닥 형태를 삼각 형태로 함으로써 구조물 제작 비용의 최소화 및 안정적인 운동성 실현을 하는데 가장 바람직하다

본 발명은 지지 구조물(20)의 하단과 해저 간에 연결 배치된 복수의 계류선(40)을 갖는다.

복수의 계류선(40)은 베이스 플레이트(21)에서 하직방으로 배치되는 복수의 제1 계류선(41) 및 상기 베이스 플레이트(21)에서 경사 부재가 이루는 라인과 일직선으로 배치되는 복수의 제2 계류선(43)을 갖는다. 복수의 제1 계류선(41)은 베이스 플레이트(21)의 가장자리 첨단부에서 하부 직방으로 연장되어 해저 상에 도달하는 것일 수 있다. 복수의 제2 계류선(43)은 베이스 플레이트(21)의 가장자리 첨단부에서 경사 부재(23)가 이루는 경사 라인을 따라 연속선 상에 있도록 배치되는 것일 수 있다. 즉, 예들 들어, 6개의 계류선 중 3개의 계류선을 하부 직방으로 연장 배치하는 동시에 다른 3개의 계류선을 경사 부재(23)가 이루는 라인에 연속하도록 배치하는 것일 수 있다.

본 발명에서는 베이스 플레이트(21)의 가장자리 첨단부 3개의 지점에서 각각 하부 방향 및 경사 방향을 따라 배치하는 시스템을 고안하는 동시에 6개의 anchor를 사용하여 단선에 의한 안전한 계류를 보장하고 있고, 기존 TLP의 고질적인 약점인 yaw, surge, 그리고 sway motion 을 억제할 수 있다.

또한, 지지 구조물(20)을 이루는 경사 부재(23) 및 제2 계류선(43)을 일직선이 되도록 하여 높은 응력이 걸리는 영역의 최대 응력을 줄임으로써 피로 수명을 연장할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 부력체 및 계류선의 배치를 통해 하중 저감을 가능하게 한 부유식 풍력발전장치는 블레이드와 터빈을 지지하는 삼각 형상의 지지 구조물(20)의 가장자리를 이루는 세 개의 모서리 상에 보조 부유체를 두는 한편 상기 지지 구조물(20)의 중앙에 주 부력체를 배치하여 풍력 터빈 대부분의 무게를 지지하게 함으로써 삼각 형상의지지 구조물(20)에 가해지는 하중 내지 응력을 감소하게 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 타워부
20 : 지지 구조물
21 : 베이스 플레이트
23 : 경사 부재
25 : 수평 보강 부재
30 : 부력체
31 : 메인 부력체
33 : 보조 부력체
40 : 계류선
41 : 제1 계류선
43 : 제2 계류선

Claims (4)

1. 블레이드와 너셀을 지지하는 타워부;
   상기 타워부의 하단에 결합되는 지지 구조물;
   상기 지지 구조물에 결합되는 복수의 부력체; 및
   상기 지지 구조물의 하단과 해저 간에 연결 배치된 복수의 계류선;을 포함하고,
   상기 복수의 부력체는 상기 지지 구조물의 중앙에 배치되는 메인 부력체 및 상기 메인 부력체를 중심으로 상기 지지 구조물의 가장자리 상에 배치되는 복수의 보조 부력체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 부유식 풍력발전장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지 구조물은 삼각 형상을 갖는 베이스 플레이트 및 상기 베이스 플레이트의 가장자리 첨단부에서 상기 타워부의 외주면을 연결하는 복수의 경사부를 포함하고, 상기 복수의 보조 부력체는 상기 베이스 플레이트의 가장자리 첨단부에 각각각 배치되는, 부유식 풍력발전장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 메인 부력체는 상기 보조 부력체보다는 큰 용적을 갖는, 부유식 풍력발전장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 계류선은 상기 베이스 플레이트에서 하직방으로 배치되는 복수의 제1 계류선 및 상기 베이스 플레이트에서 상기 경사부가 이루는 라인과 일직선으로 배치되는 복수의 제2 계류선을 갖는, 부유식 풍력발전장치.

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