KR20220138915A - 부유식 플랫폼 및 이를 구비하는 부유식 해상 풍력발전장치 - Google Patents

부유식 플랫폼 및 이를 구비하는 부유식 해상 풍력발전장치 Download PDF

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KR20220138915A
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Abstract

부유식 플랫폼 및 이를 구비하는 부유식 해상 풍력발전장치를 개시한다.
일 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전장치는 풍력발전 작용을 수행하는 상부의 발전부; 해상에 부유된 상태에서 상기 발전부를 지지하는 부유식 플랫폼;을 포함하고, 상기 부유식 플랫폼은, 중공의 원통 형태로 마련되어 수직방향으로 세워지는 복수의 부유체; 복수의 상기 부유체 사이를 연결하여 결속시키는 연결빔;을 포함하고, 상기 부유체의 하부영역 외주에는 상기 연결빔의 연결위치를 회피하여 나선형의 스트레이크가 마련될 수 있다.

Description

부유식 플랫폼 및 이를 구비하는 부유식 해상 풍력발전장치{floating platform and offshore wind power equipment of floating type with the same}
해상에 부유식으로 설치되는 부유식 플랫폼 및 이를 구비하는 부유식 해상 풍력발전장치에 관한 것이다.
풍력발전은 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환해 전기를 생산하는 것으로, 온실가스 저감을 위한 청정에너지원으로 각광받고 있다.
풍력발전장치는 주로 육상에 설치되어 왔으나, 그 수요의 증가에 따른 소음 민원이나 부지 확보 문제를 해결하기 위해 점차 해상 설치가 증가하고 있다.
해상에 설치되는 풍력발전장치 중에는 수중에 띄워진 상태에서 전기를 생산하는 부유식이 있다.
부유식 풍력발전장치는 수심에 따른 구조물의 제한이 적기 때문에, 강한 바람을 통해 발전효율을 높이기 유리한 수심이 깊은 원해에 용이하게 설치될 수 있다.
부유식 해상 풍력발전장치는 상부에 위치하는 발전부와, 해상에 부유된 상태에서 발전부를 지지하도록 하부에 마련되는 부유식 플랫폼을 구비한다.
한편, 해상에 부유하는 부유식 플랫폼은 해류에 의해 와류(vortex)를 발생시키고, 이 와류는 플랫폼에 압력으로 작용하게 되어 플랫폼의 진동을 유발하게 된다.
따라서 부유식 해상 풍력발전장치는 부유식 플랫폼이 진동에 의해 쉽게 손상되거나, 플랫폼 의 유동에 의해 장치 전체가 흔들리게 되면서 충격에 민감한 발전부의 안전성이 저해되는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점은 부유식 해상 풍력발전장치는 물론 부유식 플랫폼을 통해 해상에 부유식으로 설치되는 다른 다양한 설비에도 발생할 수 있다.
상부에 위치하는 설비의 안정을 보장하면서 자체적인 내구성을 개선할 수 있는 부유식 플랫폼을 제공하는 것이다.
상부에 위치하는 발전부의 안전을 보장하면서 발전부를 지지하는 부유식 플랫폼의 내구성을 개선할 수 있는 부유식 해상 풍력발전장치를 제공하고자 한다.
일 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전장치는 풍력발전 작용을 수행하는 상부의 발전부; 해상에 부유된 상태에서 상기 발전부를 지지하는 부유식 플랫폼; 을 포함하고, 상기 부유식 플랫폼은, 중공의 원통 형태로 마련되어 수직방향으로 세워지는 복수의 부유체; 복수의 상기 부유체 사이를 연결하여 결속시키는 연결빔;을 포함하고, 상기 부유체의 하부영역 외주에는 상기 연결빔의 연결위치를 회피하여 나선형의 스트레이크가 마련될 수 있다.
상기 나선형의 스트레이크는 상기 부유체의 외주를 축방향을 따라 코일형태를 이루도록 단속적으로 연장될 수 있다.
상기 연결빔과 상기 부유체 사이의 연결부위를 보강하는 보강부재;를 더 포함하고, 상기 보강부재는, 상기 부유체의 외주를 수평상태에서 지지하는 고리 모양의 수평형 보강부재;를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 부유식 플랫폼은 중공의 원통 형태로 마련되어 수직방향으로 세워지는 복수의 부유체; 복수의 상기 부유체 사이를 연결하여 결속시키는 연결빔;을 포함하고, 상기 부유체의 하부영역 외주에는 상기 연결빔의 연결위치를 회피하여 나선형의 스트레이크가 마련될 수 있다.
일 실시 예에 의한 부유식 해상 풍력발전장치에 의하면, 부유식 플랫폼의 강성이 증대됨은 물론 와류에 의해 형성되는 부유식 플랫폼의 진동을 저감시킬 수 있게 되므로, 상부에 위치하는 발전부의 안전을 보장하면서 부유식 플랫폼의 내구성을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예에 의한 부유식 플랫폼은 자체적인 강성이 증대되면서 와류에 의해 형성되는 진동을 저감시킬 수 있게 되므로, 그 상부에 위치하는 설비의 안전을 보장하면서 자체적인 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 부유식 해상 풍력발전장치가 해상에 부유된 상태를 도시한 정면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 부유식 플랫폼을 확대 도시한 사시도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 부유식 플랫폼의 부유체의 일 변형 예를 도시한 사시도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 부유식 플랫폼의 부유체의 다른 변형 예를 도시한 요부 측면도로, 일부를 단면 처리한 것이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 부유식 플랫폼의 부유체의 또 다른 변형 예를 도시한 요부 측면도로, 일부를 단면 처리한 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전장치(1)는 풍력발전 작용을 수행하는 상부의 발전부(2)와, 해상에 부유된 상태에서 발전부(2)를 지지하는 부유식 플랫폼(3)을 구비한다.
발전부(2)는 타워(tower)(2a)와, 타워(2a)의 상부에 설치되는 나셀(nacelle)(2b)과, 나셀(2b)의 회전축에 연결되는 로터(2c)를 구비할 수 있다. 나셀(2b)은 풍력을 기계적인 회전에너지로 전환시키는 구성으로써 발전기를 내장한다. 따라서 발전부(2)는 바람에 의해 회전하는 로터(2c)를 통해 발전기의 동작이 이루어짐에 따라 발전작용을 수행할 수 있다.
부유식 플랫폼(3)은 복수의 부유체(10)와, 복수의 부유체(10) 사이를 연결하여 결속시키는 연결빔(20)을 구비할 수 있다.
각각의 부유체(10)는 중공의 원통 형태로 마련되어 수직방향으로 세워지고, 복수의 부유체(10)는 서로 이격되게 배치될 수 있다.
연결빔(20)은 파이프 형태로 마련된 복수로 구성될 수 있다. 연결빔(20)은 부유체(10)에 수평방향으로 연결되는 복수의 수평형 연결빔(21)과, 부유체(10)에 경사지도록 연결되는 복수의 경사형 연결빔(22)을 포함할 수 있다.
수평형 연결빔(21)은 부유체(10)들의 상부 측면 사이를 연결하는 상부 수평형 연결빔(21a)과, 부유체(10)들의 하부 측면 사이를 연결하는 하부 수평형 연결빔(21b)을 포함할 수 있다. 경사형 연결빔(22)은 상부 수평형 연결빔(21a)이 연결되는 위치의 저부 쪽 부유체(10)의 측면과 하부 수평형 연결빔(21b) 사이를 연결하도록 배치될 수 있다.
복수의 부유체(10)는 연결빔(20)들에 의해 상호 결속된 상태에서 일체로 거동하게 되고, 이에 따라 발전부(2)는 일체로 거동하는 부유식 플랫폼(3)에 의해 안정적으로 지지될 수 있다.
복수의 부유체(10)는 방사상으로 상호 이격되게 배치되고, 발전부(2)는 이중 어느 하나의 부유체(10) 상부로 위치될 수 있다.
도면과 달리 발전부(2)는 부유식 플랫폼(3)의 중심부에 대응하여 위치될 수 있으며, 이를 위해 부유식 플랫폼(3)의 중앙부에는 발전부(2)의 설치를 위한 연결빔이나 부유체가 더 구비될 수 있다. 즉 부유체(10)들의 배치구조와 이에 따른 발전부(2)의 위치는 다양한 형태로 변형이 가능할 수 있다.
한편 부유식 플랫폼(3)의 진동을 저감시키기 위한 것으로, 부유체(10)의 외주에는 스트레이크(strake)(30)가 마련된다.
스트레이크(30)는 부유체(10) 외면으로부터 측방으로 돌출하고, 부유체(10) 외주를 따라 축방향으로 코일형태를 이루도록 연장되는 나선형의 띠 형태로 마련될 수 있다. 스트레이크(30)는 용접에 의해 부유체(10)에 외면에 결합될 수 있다.
부유체(10) 외주를 따라 형성되는 나선형의 스트레이크(30)는 부유체(10)의 수직방향 유동에 대해 저항으로 작용함으로써, 부유체(30)에 발생하는 와류기 진동(VIV, Vortex Induced Vibration)을 저감시킬 수 있다.
또 스트레이크(30)는 해류의 흐름에 저항으로 작용하여 부유체(10)를 통과하는 해류를 진동시키고, 이 진동에 의해 부유체(10) 주변에서 발생하는 난류는 부유체(10)를 통과한 상태에서 부유체(10) 후방에서 형성되는 와류에 의해 부유체(10) 전후방의 압력차가 커지게 되는 것을 억제할 수 있다. 따라서 스트레이크(30)는 부유체(10)에 가해지는 항력 크기를 줄이는 방식으로도 부유체(10)에 가해지는 진동을 저감시킬 수 있다.
이와 같은 부유체(10)의 진동저감 구조는 부유식 플랫폼(3)이 유동이 방지된 안정적인 자세에서 부유하도록 함으로써, 발전부(2)를 포함하는 장치의 전반적인 유동이 억제되도록 할 수 있다.
따라서 부유식 해상 풍력발전장치(1)는 부유식 플랫폼(3)의 진동에 의한 손상이 방지됨에 따라 부유식 플랫폼(3)의 내구성이 향상될 수 있다.
또 유동이 억제된 발전부(2)는 모터, 전장품 등 충격에 민감한 부품의 고장이 억제되어 유지보수가 용이해지고, 발전효율이 개선되는 등 사용 안전성이 보장될 수 있다.
스트레이크(30)는 연속적인 나선형태는 물론 단속적인 나선형태로도 구현이 가능할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 단속적인 나선행태로 마련되는 스트레이크(30′)는 풍력발전장치(1)의 이용과정에서도 부분적인 교체나 보수가 편리하여 유지관리 측면에서 유리한 이점을 가질 수 있다.
부유체(10)는 상부가 수면(4) 상부로 위치되고 하부가 수면(4)에 잠기는 반잠수식으로 부유하게 되고, 스트레이크(30)는 해류에 의한 부유체(10)의 진동을 저감시키기 위해 부유체(10)에 있어서 수면(4)에 잠기게 되는 하부영역의 둘레에 설치될 수 있다.
스트레이크(30)에 의한 부유체(10)의 진동저감 작용이 부유체(10) 사이를 연결하는 연결빔(20)에 의해 간섭 받게 되는 것을 억제할 수 있도록 스트레이크(30)는 부유체(10)의 하부영역에 연결빔(30)이 연결되는 위치를 회피하여 마련될 수 있다.
이를 위해 스트레이크(30)는 경사형 연결빔(22)이 연결되는 위치와 하부 수평형 연결빔(21b)이 연결되는 위치 사이에 대응하는 부유체(10)의 하부영역 둘레에 마련될 수 있다.
또한 부유체(10)는 연결빔(20)이 연결되는 부위의 강도보강을 위한 보강부재(40)를 구비할 수 있다.
보강부재(40)는 연결빔(20)과 부유체(10) 사이의 연결부위를 보강함으로써, 연결빔(20)과 부유체(10) 사이로 집중되던 하중이 부유식 플랫폼(3) 전체에 고르게 분산되도록 할 수 있다.
따라서 보강부재(40)를 구비하는 부유식 플랫폼(3)은 부유체(10)에 가해지는 압축력에 의해 부유체(10)와 연결빔(20) 사이가 분리되는 것이 억제됨은 물론, 연결빔(20)에 의해 부유체(10)가 손상되는 것이 저감되는 등 내구성 측면에서 보다 유리한 이점을 가질 수 있다.
보강부재(40)는 부유체(10)의 외주와 내주 중 적어도 어느 한 쪽을 수평상태에서 지지하는 고리 모양의 수평형 보강부재(41) 포함할 수 있다.
수평형 보강부재(41)는 부유체(10)의 외주나 내주로 하중분산 효과를 극대화시키기 위한 것으로, 연결빔(20)이 연결되는 위치의 부유체(10) 외주에 그 내주가 지지되거나, 그 외주가 연결빔(20)이 연결되는 위치의 부유체(10) 내주에 지지되도록 부유체(10)에 용접될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 수평형 보강부재(41)는 부유체(10)의 내주에 지지되도록 부유체(10)에 내장되는 내장식 수평형 보강부재(41a)를 포함할 수 있다.
내장식 수평형 보강부재(41a)는 상부 수평형 연결빔(21a)과, 경사형 연결빔(22)과, 하부 수평형 연결빔(21b)의 높이에 대응하는 부유체(10) 내주에 각각 배치되는 복수로 구성될 수 있다.
또한 도 6에 도시된 바와 같이, 수평형 보강부재(41)는 부유체(10)의 외주에 지지되도록 마련되는 외장식 수평형 보강부재(41b)를 포함할 수 있다.
부유체(10) 외부로 노출되는 외장식 수평형 보강부재(41b)는 풍력발전장치(1)의 이용과정 중에도 손상에 따른 보수나 교체 작업이 용이하여 유지관리 측면에서 유리한 이점을 가질 수 있다.
연결빔(20)은 부유체(10)에 간접적으로 연결될 수 있게 부유체(10) 외면과 이격된 상태에서 외장식 수평형 보강부재(41b)에 결합될 수 있다. 따라서 연결빔(20)에 의해 부유체(10)로 가해지는 하중은 외장식 수평형 보강부재(41b)를 통해 부유체(10) 외주로 분산될 수 있게 된다.
외장식 수평형 보강부재(41b)는 상부 수평형 연결빔(21a)과 하부 수평형 연결빔(21b)의 높이에 대응하는 부유체(10) 외주에 각각 배치되는 한 쌍으로 구성되고, 보강부재(40)는 경사형 연결빔(22)이 결합하도록 경사형 연결빔(22)의 연결 위치에 대응하는 외면에 수직방향으로 형성되도록 돌출하는 수직형 보강부재(42)를 더 포함할 수 있다.
수직방향으로 형성되는 수직형 보강부재(42)는 외장식 수평형 보강부재(41b)와 그 형성방향을 비교하였을 때, 경사형 연결빔(22)을 지지함에 있어서 상대적으로 변형의 우려가 적을 수 있다.
경사형 연결빔(22)은 부유체(10)에 간접적으로 연결될 수 있도록 부유체(10) 외면과 이격된 상태에서 수직형 보강부재(42)에 결합할 수 있다.
참고로, 전술한 부유식 플랫폼(3)의 구조와 효과는 풍력발전장치(1) 이외에도 부유식 플랫폼(3)을 통해 해상에 부유식으로 설치되는 다른 다양한 설비에서 거의 유사하게 적용이 가능할 수 있다.
1: 부유식 해상 풍력발전장치 2: 발전부
3: 부유식 플랫폼 10: 부유체
20: 연결빔 21 수평형 연결빔
21a: 상부 수평형 연결빔 21b: 하부 수평형 연결빔
22: 경사형 연결빔 30: 스트레이크
40: 보강부재 41: 수평형 보강부재
41a: 내장식 수평형 보강부재 41b: 외장식 수평형 보강부재
42: 수직형 보강부재

Claims (4)

  1. 풍력발전 작용을 수행하는 상부의 발전부;
    해상에 부유된 상태에서 상기 발전부를 지지하는 부유식 플랫폼;을 포함하고,
    상기 부유식 플랫폼은,
    중공의 원통 형태로 마련되어 수직방향으로 세워지는 복수의 부유체;
    복수의 상기 부유체 사이를 연결하여 결속시키는 연결빔;을 포함하고,
    상기 부유체의 하부영역 외주에는 상기 연결빔의 연결위치를 회피하여 나선형의 스트레이크가 마련되는 부유식 해상 풍력발전장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나선형의 스트레이크는 상기 부유체의 외주를 축방향을 따라 코일형태를 이루도록 단속적으로 연장되는 부유식 해상 풍력발전장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연결빔과 상기 부유체 사이의 연결부위를 보강하는 보강부재;를 더 포함하고,
    상기 보강부재는,
    상기 부유체의 외주를 수평상태에서 지지하는 고리 모양의 수평형 보강부재;를 포함하는 부유식 해상 풍력발전장치.
  4. 중공의 원통 형태로 마련되어 수직방향으로 세워지는 복수의 부유체;
    복수의 상기 부유체 사이를 연결하여 결속시키는 연결빔;을 포함하고,
    상기 부유체의 하부영역 외주에는 상기 연결빔의 연결위치를 회피하여 나선형의 스트레이크가 마련되는 부유식 플랫폼.
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