KR20230006911A - 해상 풍력 분야 산업에 적용 가능한 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대량 생산을 위한 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 풍력 플랫폼을 위한 솔루션에 관한 것으로, 콘크리트에 정수압 자연 프리스트레싱을 제공하여 압축 상태에서 작동하도록 하는 기하학적 설계를 특징으로 한다. 가장 효율적인 방식으로 작업하기 위한 플랫폼의 구조적 응답성이 향상되고 콘크리트의 균열이나 균열 발생이 방지되어 투수성이 감소하고 강철봉이 구조물에 포함될 수 있어 작업 안전성도 향상된다. 또한, 본 발명은 계류 응력을 고르게 분산시키는 보강 콘크리트 트러스 형태의 구조물에 계류 라인들을 고정하는 시스템으로서, 플랫폼의 높은 영역 내 프리스트레스를 최소화하고 플랫폼과 풍력 터빈 타워 사이의 섹션 변화로 인한 전단력 분산 면적을 증가시킨다. 또한 기하학적 설계는 저흘수 SPAR, 반잠수식, 바지선 또는 부이 솔루션을 채택할 수 있는 다재다능함을 부여하고, 풍력 터빈은 구조물의 중심에 놓이거나 중심에서 벗어나도록 설치되어 다양한 드래프트 요구 사항이나 환경 및 물류 조건에 맞게 조정된다.
Description
본 발명의 적용 기술 분야는 해상 풍력 산업의 플로팅(floating) 플랫폼(platform)들이다.
본 발명은 해상에서 풍력을 생산하기 위한 풍력 터빈이 지지되는 보강(reinforced) 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼으로 구성된다.
재생 가능 에너지의 성장은 그러한 에너지를 더 잘 활용하려는 경향을 만들어 냈다. 특히 풍력의 경우 육지보다 풍속이 높은(난류가 적은) 해상에 플랫폼을 설치하여 더 많은 전력 생산을 확보하는 추세이다. 이러한 바람 특성은 해안에서 멀어질수록 더욱 향상된다.
그러나 이러한 사이트들은, 해저의 불규칙성, 지면 유형 또는 깊이가 60미터를 초과하는 지역들에 위치하기 때문에, 많은 경우 고정 플랫폼(이미 경제적으로 되고 잘 알려진 플랫폼)들이 경쟁력이 없다는 단점이 있다. 이로 인해 현재 가장 실행 가능한 솔루션들은 플로팅 플랫폼들이 되며, 이러한 솔루션들의 크기 증가, 계류 시스템 및 해저 정박 수단의 필요성, 다양한 해양 작업, 새로운 불확실성, 위험 등으로 인해 비용이 변경된다. 또한 이러한 플랫폼들은 고정되어 있지 않기 때문에 바람, 파도, 해류에 의한 움직임에 노출되어 풍력 발전기의 성능저하, 풍력 발전기를 지지하는 구조물의 피로도 증가, 공진 등이 발생한다. 따라서 플로팅 플랫폼들은 작동과 건설, 운송 및 설치 과정에서 모두 영향을 미치는 일련의 문제를 해결해야 한다.
10년 전까지만 해도 이 분야의 추세는 플로팅 플랫폼들을 구축할 때 구조적 솔루션으로 강철(steel)을 사용하는 것이었다. 강철로 건축하는 것의 주요 장점은 석유 및 가스 산업의 강철 구조물들과 해상 풍력 산업의 고정 강철 플랫폼에서 얻은 경험으로 인해 거동에 관한 지식 수준이다. 그러나 강철의 사용은 특히 해양 환경에서 부식에 매우 민감한 소재라는 단점과 가격의 변동성, 다른 소재에 비해 톤당 취득 및 취급 비용이 높다는 단점이 있다. 그러나 강철 1톤 생산 시 온실가스인 이산화탄소 약 2톤을 배출한다.
온실 가스 배출 감소에 대한 합의가 이루어지고 기후 변화에 점점 더 민감해지는 사회에서 배출을 줄이는 다른 건축 자재를 고려하는 것이 논리적으로 보인다. 예를 들어, 유럽 위원회의 2050년 목표는 사실상 CO2 배출을 제거하는 것이다. 따라서 재생 가능한 수단으로 전력을 생산하는 추세와 함께 이러한 목표를 달성하기 위해서는 대체 재료를 찾는 것도 필요한다. 콘크리트는 전 세계적으로 건설에 가장 널리 사용되는 재료이다. 강철보다 본질적인 이점이 있으며, 즉, 건설 과정에서 CO2 배출량이 적고 플랫폼 비용이 낮다. 그 결과 지난 10년 동안 콘크리트를 사용한 해상 풍력 솔루션이 개발되었다.
발명 특허 CN102358402A는 탄화수소 생산 및 저장을 위한 플로팅 플랫폼에 관한 것이다. 구조물은 벌집 형태로 배열된 육각형 모양의 강철로 된 여러 몸체들로 구성되며, 각 몸체는 탄화수소 저장 탱크이며 각 탱크는 6개의 다른 탱크들과 6개의 벽들을 공유한다. 탱크들이 벽들을 공유한다는 사실은 인접한(contiguous) 탱크들에 존재하는 드래프트(draft) 차이와 플랫폼이 바다에 떠 있을 때 플랫폼의 실제 드래프트와의 차이가 구조물에 일련의 힘을 가하는 압력 차이를 유발한다는 것을 의미한다. 파도와 같은 외부 작용제에 의해 생성된 하중과 결합된 이러한 힘은 플랫폼의 구조적 강도를 보장하고 작동 중에 붕괴되지 않도록 보장하기 위해 환형 및 종방향 보강재가 제공되지 않는 경우 매우 두꺼운 벽을 필요로 한다. 강철 구조물들은 콘크리트 등가물보다 훨씬 더 얇기 때문에 좌굴에 훨씬 더 취약한다. 결과적으로 필요한 두께 증가는 많은 양의 강철과 패널 사이에 필요한 많은 용접이 필요하기 때문에 솔루션을 더 비싸게 만든다. 또한, 이 구조물은 노출된 강철 표면의 증가로 인해 상당히 현저한 부식에 노출되어 플랫폼의 유지 관리 비용이 더 많이 든다. 본 발명은 엇갈리게 배열된 준원통(quasi-cylindrical) 형태의 수직 탱크들로 구성되며, 좌굴을 방지하기 위해 보강 콘크리트를 사용하고, 바다와 직접 연결되는 구조물의 중간에 오프닝들을 갖는다. 이는 서로 다른 탱크의 물 채우기 수준에 관계없이 구조물가 균일하게 작동하도록 하는 하중 대칭을 선호한다. 또한 콘크리트에 자연적인 프리스트레스(prestress) 상태를 구현하여 균열이나 균열을 줄이고 플랫폼의 누수를 개선하며 파도의 충격과 같은 비대칭 하중이 가해지는 경우 구조물 강도를 향상시킨다.
보강 콘크리트 구조물은 톤당 낮은 재료 비용과 토목 건설 산업에서 콘크리트를 사용하여 얻은 풍부한 경험으로 인해 산업에서 점점 더 많이 사용된다는 사실에도 불구하고, 콘크리트의 주요 문제들 중 하나는 굽힘 및 인장 조건에서 작업할 때 열악한 구조적 거동이다. 이 문제를 해결하기 위해 대부분의 솔루션은 보강 콘크리트 구조물에 많은 양의 강철봉(rebar)을 사용하고 해당 콘크리트에 프리스트레싱 프로세스를 적용하는 것을 기반으로 한다. 특허 JP2014184863A에서는 구조적 거동을 개선하기 위해 콘크리트에 축 방향 프리스트레스를 제공할 목적으로 콘크리트 몸체 내에 리브 형태로 배열된 강철 구조물이 사용된다. 그러나 강철과 콘크리트가 혼합된 구조물을 사용하면 비용과 CO2 배출량이 증가한다. 또한 강철 구조물을 콘크리트 보강재로 사용하려면 희생양극, 가압 전류 시스템 등과 같이 해수로 인한 부식을 제어할 수 있는 시스템을 제공해야 한다.
특허 WO2013155521A1에서 그 실시예 중 하나는 중앙 실린더 주위에 동심원으로 배열된 여러 개의 원통형 몸체를 기반으로 하는 콘크리트로 만들어진 플랫폼을 설명하며 역시 콘크리트로 만들어지고 다양한 유형의 종방향 강철 구조물에 의해 부착된다. 여러 몸체들이 서로 부착된 이 유형의 솔루션들은 부착 영역이 하중 전달 영역이므로 전체 어셈블리에서 발생하는 힘에 가장 민감하기 때문에 부착 영역에서 높은 수준의 국부 보강이 필요한다. 이러한 영역을 보강해야 할 필요성은 디바이스의 더 높은 구조적 복잡성을 수반하며 격리된 영역에 응력을 집중시킨다. 본 발명은 실제로 단일 몸체를 포함하고 추가 부착 요소를 제거하므로 구조적으로 더 간단한 솔루션이며, 구조물의 응력 집중 지점이 방지됨에 따라 구조적 거동이 최적화된다. 또한 그 설계는 플랫폼이 압축 상태에서 작동하도록 하여 보강 콘크리트에 포함된 강철봉을 최소로 줄이다.
특히 보강 콘크리트로 만들어진 풍력 터빈들이 있는 플로팅 플랫폼들에 영향을 미치는 또 다른 문제는, 풍력 발전기의 타워가 플랫폼의 콘크리트 몸체로 전환되는 지점에서 플랫폼 타워보다 이 몸체가 더 넓을 때 존재하는 플랫폼의 섹션에서 급격한 면적 변화가 발생한다는 점이다. 이 지점에서 상당한 힘이 집중되어 이 영역이 피로 파괴에 특히 민감한다. 이러한 유형의 플랫폼들에 대해 일반적으로 고려되는 솔루션은 이러한 영역의 갑작스러운 변화가 상쇄되도록 이 영역의 섹션에 더 큰 구조적 강성을 제공하는 일련의 보강재로 전환 부분(transition part)들을 배열하는 것으로 구성된다.
특허 US2019264656A1은 플로팅 플랫폼의 보강 콘크리트 몸체와 풍력 터빈을 지지하는 강철 타워 사이의 전환 부분에 관한 것이다. 전환 부분은 쌍곡면 모양을 가지므로 상기 타워와 플랫폼 몸체 사이의 부착물에서 생성된 힘을 보다 균일하게 분배할 수 있다. 본 발명은 준원통 형상의 수직 탱크들을 엇갈리게 배열하여 구성한 것으로서, 플로팅 구조물에서 풍력 발전 타워까지의 하중을 고르게 분산시켜, 그러나 이 경우 타워를 지지하게 될 중간 몸체의 준원통형 섹션들 중 하나에서 부착이 이루어진다. 준원통과 풍력 터빈 타워의 직경이 다른 경우 준원통의 연장은 풍력 터빈 타워의 베이스에 적응될 때까지 직경이 점진적으로 감소한다.
일반적으로 콘크리트 구조물이 직면하는 가장 큰 문제는 이 재료가 굽힘 하중, 인장 하중 또는 전단력을 거의 지지하지 않는다는 것이다. 현재 업계에서 일반적으로 이 문제를 해결하는 방식은 콘크리트 구조물에 강철(강철봉)을 다량 추가하는 것이다. 또한 콘크리트는 압축하에서도 잘 작동하므로 필요에 따라 압축시 콘크리트가 견딜 수 있는 휨하중, 인장하중 또는 전단력을 증가시키는 프리스트레스트 강철을 사용한다. 이 방법은 또한 건설 과정에서 특정 기술적인 어려움을 수반하여 플랫폼 구축과 관련된 비용을 증가시킨다.
발명특허 US3974789A는 섹션이 육각형인 몸체들을 여러 개 붙여 벌집형상으로 배열한 보강 콘크리트로 이루어진 플로팅 구조물에 관한 것이다. 육각형 몸체들의 내부는 탄화수소 또는 밸러스트(ballast) 수를 저장하는 데 사용된다. 육각형 몸체들의 보강 콘크리트 벽들 사이에 존재하는 압력의 차이는, 면 사이의 유체 및 드래프트의 차이로 인해, 어셈블리의 구조적 무결성을 보장하기 위해 높은 강철 함량이 필요한 구조물에 일련의 힘을 생성한다. 본 발명은 엇갈리게 배열된 준원통 형태의 수직 탱크들로 구성되며, 바다와 직접 연결되는 구조물의 중간에 오프닝들을 가지고 있기 때문에, 콘크리트가 압축을 받아 작용하게 하는 자연적인 프리스트레스 상태는 인장 및 굽힘으로 인한 구조물의 파손을 방지한다. 이에 따라 콘크리트에 포함된 강철봉이 감소하므로 구조적으로 더 간단한 솔루션이 얻어진다. 또한, 압축은 보강 콘크리트에 균열이나 균열이 발생하는 것을 방지하여 구조물의 투수성을 감소시킨다.
또한 전기 생산을 위한 풍력 터빈을 지지하는 시스템으로 플로팅 플랫폼을 사용하는 실행 가능성에 영향을 미치는 플랫폼 자체와 관련된 외부 요인으로 인한 중요한 문제가 있다. 이 문제는 플랫폼을 해상에 먼저 설치해야 할 때 플랫폼에 터빈의 타워, 나셀(nacelle), 블레이드들을 설치하는 데에 존재하는 엄청난 기술적 어려움이다. 이러한 설치 작업에는 위험과 높은 비용이 수반된다. 풍력 발전기가 가동될 장소의 플랫폼에 풍력 발전기를 조립하는 과정은 엄청난 위험과 많은 양의 보조수단을 수반하는 기술적 복잡성을 수반하는 작업이다. 현재 존재하는 솔루션에서 이 문제를 해결하는 방식은 바람과 파도 조건이 매우 좋은 시간 창에서 이러한 플랫폼 설치 작업을 수행하는 것을 기반으로 하여, 설치 작업을 안전한 방식으로 필요한 정밀도로 수행할 수 있다. 이것은 짧은 기간 동안 특정 사이트에서 일년에 몇 번만 발생한다.
또 다른 문제는 플랫폼의 바람, 파도 및 해류로 인해 발생하는 하중으로 인해 발생하는 동작이다. 상기 동작은 플랫폼에서 유도된 가속 및 진동 운동의 존재로 변환되어 풍력 터빈의 성능 저하를 야기하고, 뿐만 아니라 풍력 터빈의 장비 및 컴포넌트의 성능 저하로 인해 서비스 수명 주기가 단축된다. 이 문제를 해결하기 위해, 특허 EP2457818A1에 제안된 것과 같은 발명이 있는데, 이는 플랫폼에 작용하고 그 안에 경사(heeling)를 일으키는 동적 하중의 영향을 상쇄하기 위해 방위각 추진기와 같은 능동 수단을 사용한다. 플랫폼에서 유도된 진동 및 움직임을 상쇄하기 위한 추진기 시스템의 단점은 플랫폼에 추가되는 기술적 복잡성과 이와 관련된 비용 증가에 있고, 건설 비용과 운영 및 유지 관리 비용 측면에서 모두 플랫폼에 설치된 장비 및 컴포넌트들의 양이 증가하기 때문이다.
특허 CN109941398A에 설명된 것과 같은 다른 발명은 플랫폼에서 진동을 줄이기 위해 수동적인 방법을 사용한다. 후자의 경우, 방법은 각각의 계류 라인이 2개의 라인으로 분기되는 크로우 풋(crow's foot) 계류 시스템을 제공하는 것으로 구성되며, 하나의 라인은 단순한 현수선으로 작동하고 다른 라인은 프리스트레싱이 적용된 상태에서 작동하며, 두 라인들은 서로 다른 높이의 지점에 있는 플랫폼과 플랫폼이 받는 진동을 줄이다. 이러한 유형의 시스템의 단점은 라인의 일부에 적용되는 프리스트레싱 수준이 매우 가혹한 환경 조건에서 확대되어 이러한 라인이 파손될 수 있다는 것이다.
풍력 터빈이 있는 플로팅 플랫폼에 영향을 미치고 바람과 파도의 작용으로 인해 발생하는 또 다른 문제는 풍력 터빈의 바람에 의해 생성된 경사 모멘트가 있어 풍력 터빈이 작동 중에 경사 위치를 채택하게 한다는 것이다. 이 조건에서, 파도의 작용은 상기 경사 위치 주변의 풍력 터빈의 일련의 진동을 유발하여 풍력 터빈 및 그 컴포넌트의 성능을 감소시킨다. 이 문제를 해결하기 위해, 또한 JP2017074947A와 같은 특허도 있는데, 계류 라인들 상에 작용하는 능동적 방법을 포함하여 계류 라인들에 가해지는 응력의 정도를 조정하여, 플랫폼에 영향을 미치는 환경 조건에 따라 진동이 감소한다.
본 발명은 최신 기술에서 상술한 문제점을 극복할 수 있는 기술적 특징을 갖는 풍력 산업을 위한 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼으로 구성된다. 플랫폼의 기하학적 구조(geometry)는 엇갈린 방식으로 배열된 준원통 모양을 가진 일련의 수직 탱크들로 구성되며, 바다와 직접 연결된 구조물의 중앙에 오프닝들을 갖는다. 이는보강 콘크리트 어셈블리가 이 산업 분야의 현재 콘크리트 구조물이 일반적으로 하는 것처럼 굽힘 상태에서 작업하는 대신에 받는 하중 그룹에 대해 압축 상태에서 작업할 수 있게 한다. 이 기술적 이점은 플랫폼의 더 나은 구조적 거동, 균열 전파에 대한 더 높은 저항, 그 안에 포함된 플랫폼 보강 의 감소 및 이 플랫폼의 더 큰 작동 안전성으로 해석된다.
본 발명에 설명된 플랫폼은 그 기하학적 구조물에 의해 부여된 다양성의 결과로, 발생하는 요구에 따라 상이한 드래프트들에서 작동할 수 있으며, 여기서 하나의 타워가 풍력 터빈을 지지하는 여러 개의 타워들이 있는 경우 풍력 터빈과 타워 또는 타워를 제외하고 플랫폼이 잠수하는 플로팅 플랫폼 개념이 달성될 수 있으며; 또한 플랫폼이 완전히 물에 잠기는 것이 아니라 일부가 수선 위에 있는 플로팅 개념을 달성할 수도 있다. 이 사실은 플랫폼이 두 옵션 중 하나를 위해 설계될 수 있도록 할 뿐만 아니라 플랫폼 자체도 서비스 수명 동안 다음과 같은 두 가지 다른 방식으로 작동할 수 있다. 운송 중에 하나의 드래프트가 있고 작동을 위해 변경된다. 또한 이러한 기술적 이점을 통해 해저 깊이, 바람 조건, 파도 조건 등과 같이 물리적 특성이 매우 다른 지역에 플랫폼을 적용할 수 있다.
그 기술적 특징의 결과로, 본 발명의 플랫폼은 TLP와 같은 해상 풍력 산업에서 특정 플로팅 플랫폼에 영향을 미치고 플랫폼이 작동할 해상에서 타워, 나셀 및 블레이드들의 조립을 요구하는 문제를 해결한다. 플랫폼의 형상은 바지선과 같이 낮은 드래프트로 떠 있을 수 있고(즉, 부분적으로 잠긴) 플랫폼에 설치된 풍력 터빈으로 견인되는 동안 양호한 안정성을 유지할 수 있다. 이러한 사실은 풍력 터빈을 플랫폼에 조립하기 위한 조립 작업이 항구에서 이루어지도록 하고, 파도 조건이 바다에서보다 훨씬 완만하고 이를 위해 크레인 선박보다 훨씬 더 비용 효율적인 육상 크레인을 사용할 수 있다. 상기 조립 작업과 관련된 기술적 복잡성 뿐만 아니라 이 작업과 관련된 위험 및 결과적으로 플랫폼에서 풍력 터빈을 조립하는 것과 관련된 비용이 크게 감소된다. 일단 풍력 터빈이 플랫폼의 구조물에 부착되면, 상기 플랫폼은 어떠한 보조 안정성 수단도 필요 없이 예인에 의해 그것이 작동할 위치로 운반될 수 있고, 일단 거기에 정박될 수 있다.
또한 플랫폼의 단순성은 해당 부문에 존재하는 다른 플로팅 플랫폼에 비해 건설적인 용이성과 보강 사용이 적기 때문에 상당한 비용 절감을 수반한다.
본 발명에서 설명하는 플랫폼은 플랫폼의 높은 부분에 삼각형 모양으로 배열된 프리스트레스 콘크리트로 만든 구조 요소를 기반으로 하는 평면 트러스(truss) 형태로 플랫폼에 계류 라인들을 고정하는 이중 목적 시스템을 갖는다. 한편으로는 플랫폼 상의 계류 라인들로 인해 발생하는 하중을 받아 플랫폼의 보강 콘크리트로 만들어진 몸체 전체에 이러한 하중을 고르게 분산시켜 플랫폼이 이미 기하학적 구조로 인해 가지고 있는 우수한 구조적 거동에 기여한다. 한편, 상기 트러스는 풍력 터빈의 타워와 플랫폼 몸체 사이의 부착물이 두 영역의 교차점에서 높은 응력 집중을 생성하는 최신 기술에서 설명된 문제를 해결하고, 이로 인해 이 영역은 바람의 작용과 플랫폼의 움직임에 의해 풍력 터빈에서 생성되는 전단력에 특히 민감하며 이 영역에 구조적 문제가 있다. 플랫폼의 높은 영역(high area) 내에 있는 트러스의 배열은 전단력을 분배하기 위한 더 큰 영역이 있게 하여 이러한 힘이 플랫폼 몸체에 더 고르게 분배되도록 한다.
플랫폼 조립체의 섹션이 풍력 터빈을 지지하는 타워보다 상당히 더 크고, 플랫폼이 탱크를 물로 완전히 또는 부분적으로 채우는 경우, 본 발명의 플랫폼의 기하학적 구조는, 플랫폼에 큰 변위(부피)를 부여하여 파도의 전형적인 주기에서 쉽게 멀리 떨어져 있는 고유한 높은 주기를 가질 수 있다. 이는 플랫폼의 가속을 줄이고 풍력 터빈의 장비 및 컴포넌트들이 경험하는 움직임 및 가속과 관련하여 더 나은 작동 조건을 부여하여 서비스 수명 주기를 개선한다.
플로팅 플랫폼에서 풍력 터빈에 대한 바람의 작용은 플랫폼에서 경사진(inclined) 위치를 유지하게 하는 경사 모멘트의 원인이며, 파도의 결과로 발생하는 경사진 위치 주변의 진동 운동이 있다. 이는 상기 풍력 터빈이 플랫폼의 기울기 상황 주변에서 작동하는 경우 풍력 터빈의 성능을 상당히 감소시킨다. 본 발명의 플랫폼은 준원통 내부에 밸러스트 탱크들이 수용되는 수평 섹션이 큰 몸체를 가지므로, 경사 모멘트에 대응하기 위해 해당 밸러스트 탱크들 사이에 물을 전달하여 바람의 작용으로 인한 기울기를 수정할 수 있다. 이러한 가능성이 존재하지 않는 단일 몸체를 가진 기존 SPAR 플랫폼들과 달리 경사 모멘트를 상쇄한다.
본 발명은 해상 풍력 산업에 적용할 수 있는 상술한 배경과 비교하여 보강 콘크리트로 이루어진 해상 플로팅 풍력 발전소의 바람, 파도 및 조류에 대한 응답성을 실질적으로 향상시켜 다음과 같은 혁신적인 특징을 보인다.
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플랫폼이 작동 중에 받는 정수압에 의해 플랫폼에 생성되는 하중을 허용하는 기하학적 구조는 플랫폼의 구조적 거동을 개선하고 굽힘 하중을 최소화하는 프리스트레싱으로 플랫폼의 콘크리트 몸체의 조립을 자연스럽게 제공한다. 이 품질은 콘크리트 구조물의 강도를 높이고 균열을 줄이다.
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낮은 드래프트 SPAR, 반잠수식, 바지(barge) 또는 부이(buoy) 솔루션을 구성할 수 있고 풍력 터빈이 중앙에 위치하거나 중심에서 벗어날 수 있도록 배열되는 솔루션에 다용성을 제공하는 모듈식 기하학적 구조이다. 따라서 기하학적 구조는 물리적 및 환경적 특성이 다른 영역에 적용할 수 있다.
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그 위에 조립된 풍력 터빈과 낮은 드래프트를 갖춘 안정적인 솔루션으로 풍력 터빈을 항구에 설치할 수 있어 운영 현장에서 비용이 많이 들고 위험도가 높은 설치 작업을 방지할 수 있다. 플랫폼, 타워 및 풍력 터빈은 이미 조립된 상태로 운영 현장으로 운반된다. 이는 탱크들에 물이 없을 때 전체 어셈블리가 안정되어 드래프트가 낮은 바지선과 같은 경우에 작동하기 때문에 가능한다. 설치 위치에 도달하면 플랫폼이 탱크에 물을 도입하여 작동 드래프트에 도달할 때까지 드래프트를 증가시키고 전체 침수 프로세스 동안 어셈블리가 안정적이다.
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현장에 풍력 터빈을 설치하기 위한 크레인 선박이 필요하지 않기 때문에 플랫폼 설치 시간이 늘어난다.
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계류 시스템을 플랫폼에 고정하기 위한 프리스트레스 콘크리트로 만들어진 평면 트러스는 더 큰 강도를 제공하여 작동과 관련된 위험을 줄이고 구조물의 수명을 크게 늘린다. 플랫폼을 구성하는 콘크리트에 프리스트레싱 공정을 수행할 필요가 없고 시공시 소량의 강철봉이 필요하기 때문에 플랫폼 구성의 기술적 복잡성이 감소한다.
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플랫폼의 침수된 콘크리트 몸체의 형상은 파도에 의해 플랫폼에서 유도된 가속도에서 매우 낮은 응답을 제공한다. 이는 매우 낮은 횡경사 조건과 진동에서 작동하는 풍력 터빈의 향상된 성능으로 해석된다.
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탱크 사이의 액체 밸러스트 이동의 결과로 바람에 의해 생성된 경사 모멘트를 보정할 수 있으므로 풍력 터빈의 성능을 최적화하는 SPAR 솔루션이다.
작성 중인 설명을 보완하고 본 발명의 특징을 더 잘 이해하는 데 도움을 주기 위해, 일련의 도면이 상기 설명의 통합 부분으로 첨부되며, 다음은 예시적이고 비제한적인 방식으로 묘사된다. :
도 1은, 풍력 터빈의 타워가 플랫폼의 콘크리트 몸체와 교차하는 영역에서 높은 힘의 집중이 발생하고 수평 섹션의 영역이 갑자기 변경되는, 플로팅 플랫폼에서 바람에 의해 생성된 하중으로 인해 발생하는 문제를 개략적으로 묘사한 것이다.
도 2는 여기에서 정의된 플로팅 플랫폼의 가능한 형태들 중 하나의 입면도를 도시한 것으로서, 여기서 3개의 몸체, 즉 하부 몸체(1), 중간 몸체(2) 및 상부 몸체(3)가 콘크리트로 만들어지고 플랫폼을 형성하는 것을 볼 수 있다. 이 경우 상부 몸체(3)는 단일 타워(4)로 구성되고 엔클로저(5)들은 돔으로 구성된다.
도 3은 플랫폼의 중간 몸체(2)를 형성하는 수직 돌출부사이에 직선 접촉 세그먼트와 함께엇갈린 방식으로 인접하게 배열된 준원(quasi-circle)(6)들을 볼 수 있는 섹션도를 도시한다. 이 도면은 세 개의 준원 섹션들마다 존재하는 오프닝(7)들을 볼 수 있는 이러한 준원(6)들의 가능한 형태들 중 하나를 도시한다.
도 4는 플랫폼에서 얻을 수 있는 가능한 형태들 중 하나로 프리스트레스트 콘크리트로 만든 평면 트러스(9)의 배열을 개략적으로 나타낸 것이다. 이 평면 트러스(9)가 계류 라인(10)들에서 오는 응력을 플랫폼의 중간 콘크리트 몸체(2)에 분산시키는 방식이 표시된다.
도 5는 플랫폼의 중간 콘크리트 몸체(2)를 형성하는 수평 섹션에 더 많은 준원(6)들을 추가하여 플랫폼이 채택할 수 있는 또 다른 가능한 형태를 도시한다. 프리스트레스트 콘크리트로 만들어진 평면 트러스(9)가 플랫폼의 기하학적 변화에 적응될 수 있는 방식과 플랫폼 형상의 변화에 따라 하중이 평면 트러스(9)로 전달되도록 계류 라인(10)들이 배열될 수 있는 방식도 도시되어 있다.
도 6은 이 특허에서 정의된 플로팅 플랫폼의 가능한 구성 중 하나(이 경우에는 반잠수식 유형의 구성)의 측면도를 보여준다. 이 도면은 풍력 발전기의 타워를 지지하는 타워(4)를 포함해 다양한 타워(4)가 수면(11) 위에 위치하는 모습을 보여주고 있으며, 따라서 설치 및 작동 단계에서 안정적이어야 하는 관성을 플랫폼에 제공한다.
도 1은, 풍력 터빈의 타워가 플랫폼의 콘크리트 몸체와 교차하는 영역에서 높은 힘의 집중이 발생하고 수평 섹션의 영역이 갑자기 변경되는, 플로팅 플랫폼에서 바람에 의해 생성된 하중으로 인해 발생하는 문제를 개략적으로 묘사한 것이다.
도 2는 여기에서 정의된 플로팅 플랫폼의 가능한 형태들 중 하나의 입면도를 도시한 것으로서, 여기서 3개의 몸체, 즉 하부 몸체(1), 중간 몸체(2) 및 상부 몸체(3)가 콘크리트로 만들어지고 플랫폼을 형성하는 것을 볼 수 있다. 이 경우 상부 몸체(3)는 단일 타워(4)로 구성되고 엔클로저(5)들은 돔으로 구성된다.
도 3은 플랫폼의 중간 몸체(2)를 형성하는 수직 돌출부사이에 직선 접촉 세그먼트와 함께엇갈린 방식으로 인접하게 배열된 준원(quasi-circle)(6)들을 볼 수 있는 섹션도를 도시한다. 이 도면은 세 개의 준원 섹션들마다 존재하는 오프닝(7)들을 볼 수 있는 이러한 준원(6)들의 가능한 형태들 중 하나를 도시한다.
도 4는 플랫폼에서 얻을 수 있는 가능한 형태들 중 하나로 프리스트레스트 콘크리트로 만든 평면 트러스(9)의 배열을 개략적으로 나타낸 것이다. 이 평면 트러스(9)가 계류 라인(10)들에서 오는 응력을 플랫폼의 중간 콘크리트 몸체(2)에 분산시키는 방식이 표시된다.
도 5는 플랫폼의 중간 콘크리트 몸체(2)를 형성하는 수평 섹션에 더 많은 준원(6)들을 추가하여 플랫폼이 채택할 수 있는 또 다른 가능한 형태를 도시한다. 프리스트레스트 콘크리트로 만들어진 평면 트러스(9)가 플랫폼의 기하학적 변화에 적응될 수 있는 방식과 플랫폼 형상의 변화에 따라 하중이 평면 트러스(9)로 전달되도록 계류 라인(10)들이 배열될 수 있는 방식도 도시되어 있다.
도 6은 이 특허에서 정의된 플로팅 플랫폼의 가능한 구성 중 하나(이 경우에는 반잠수식 유형의 구성)의 측면도를 보여준다. 이 도면은 풍력 발전기의 타워를 지지하는 타워(4)를 포함해 다양한 타워(4)가 수면(11) 위에 위치하는 모습을 보여주고 있으며, 따라서 설치 및 작동 단계에서 안정적이어야 하는 관성을 플랫폼에 제공한다.
따라서, 본 발명의 목적은 대량 생산을 위한 보강 콘크리트로 이루어지고 콘크리트에 정수압 자연 프리스트레싱을 제공하는 기하학적 설계를 특징으로 하는 플로팅 풍력 플랫폼을 위한 솔루션을 제공하는 것이며, 가장 효과적인 모드, 즉 압축 상태에서 작동하도록 하여, 플랫폼의 구조적 응답을 개선하고 콘크리트의 균열 또는 균열 발생을 방지하며, 이는 침투성을 줄이고 구조물에 포함될 강철봉을 줄여 작업 안전성을 높인다. 본 발명은 계류 응력을 고르게 분산시키는 보강 콘크리트로 이루어진 트러스 형태의 구조물에 계류 라인들을 고정하는 시스템으로서, 플랫폼의 높은 영역 내 프리스트레스를 최소화하고 플랫폼과 풍력 터빈 타워 사이의 섹션 변화로 인한 전단력 분산 면적을 증가시킨다. 또한 기하학적 설계는 저흘수 SPAR, 반잠수식, 바지선 또는 부이 솔루션을 채택할 수 있는 다재다능함을 부여하고, 풍력 터빈은 구조물의 중심에 놓이거나 중심에서 벗어나도록 설치되어 다양한 드래프트 요구 사항이나 환경 및 물류 조건에 맞게 조정된다.
본 발명은 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용 가능한 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼으로 구성되며, 3개의 부분들이 하부 몸체(1), 중간 몸체(2) 및 하나의 해상 풍력 터빈이 배열된 상부 몸체(3)로 구별된다(도 2). 플랫폼은 적어도 3개의 라인(10)들로 구성된 확산 계류형 계류 시스템(도 4)을 가지며, 가능한 한 균등하게 이격되어 배치된다.
풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용 가능한 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼의 하부 몸체(1)(도 4)는 플랫폼의 나머지 부분에 구조적 지지를 제공하고 플랫폼의 무게를 줄여 플랫폼의 안정성을 향상시키는 것이 목적인 평면 콘크리트 베이스로 구성된다.
풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용 가능한 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼(도 4)의 중간 몸체(1)는 수평 섹션(도 3)이 있는 수직 돌출부로 형성된 단일 콘크리트 몸체로 구성되며, 이 몸체들 사이에 직선 접촉 세그먼트가 있는 5개 이상의 인접한 준원(6)들이 엇갈리게 배열되어 있다. 각 준원의 내부 공간(8)은 고체와 액체 밸러스트의 조합을 수용할 수 있는 누출 방지 공간이다.
전술한 중간 몸체(2)의 배열(도 3)에는 서로 접촉하는 3개의 준원(6)들마다 형성된 일련의 내부 오프닝(7)들이 있다. 상기 내부 오프닝(7)들은 플랫폼의 상부 영역에서 개방되고 하부 부분을 통해 외부와 연통된다. 상기 오프닝(7)들의 목적은 플랫폼이 항상 가지고 있는 드래프트와 일치하는 방식으로 외부와의 연결의 결과로 채워진 상태를 유지하는 것이다. 이에 따라 플랫폼이 부분적으로 또는 완전히 잠길 때 플랫폼에 가해지는 정수압의 평형이 달성된다. 이러한 압력 평형의 결과로 플랫폼(도 2)의 중간 몸체(2)를 형성하는 콘크리트 벽은 언급된 압력의 결과로 특정 압축 프리스트레싱에 자연스럽게 적응하여 좋은 구조적 거동을 선호한다.
본 발명의 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용 가능한 보강 콘크리트로 이루어진 플로팅 플랫폼의 상부 몸체(3)(도 2)는 상술한 중간 몸체(2) 위에 배치되며, 상기 몸체(2)의 최상부 섹션에서 상기 중간 몸체(2)의 수평 구간을 형성하는 각 준원(6)에 각각의 엔클로저가 배치되도록 일련의 엔클로저들로 이루어지며, 상기 섹션(6)들 중 적어도 하나를 제외하고, 상기 섹션의 연장부가 플랫폼의 나머지 부분 위로 상승되는 타워(4)를 형성하도록 배열되고, 플랫폼의 풍력 터빈에 대한 지지부가 배치될 것이다.
중간 몸체(2)(도 2)에 존재하는 엔클로저(5)들의 기하학적 구조는 위에서 논의한 바와 같이 잠수 정도와 관련하여 제공되는 플랫폼 개념에 따라 상이하다.
한편 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용 가능한 보강 콘크리트로 이루어진 플로팅 플랫폼은 타워(4)의 일부만으로 침수시 운용이 가능하고, 여기서 하나 이상의 타워(4)가 있고 풍력 터빈 자체가 해수면(11) 위에 위치하는 경우 풍력 터빈을 지지한다(도 6). 이러한 상황에서 플랫폼의 안정성은 플랫폼의 하부 몸체(1)를 형성하는 콘크리트 베이스가 플랫폼의 무게 중심을 최대한 낮게 유지한 결과로 크게 얻어진다. 이 구성에서 중간 콘크리트 몸체(2)의 엔클로저(5)들은, 타워(4)들이 배열된 준원(6)들을 제외하고, 플랫폼의 중간 몸체(2)의 섹션을 형성하는 각 준원에 배열된 일련의 돔으로 구성된다(도 6). 이러한 돔의 목적은 플랫폼이 잠길 때 받는 정수압을 받고 상기 압력에 의해 생성된 하중을 중간 몸체(2)로 전달하여 중간 몸체가 이러한 하중에 대한 압축 상태에서 작동하도록 하는 것이다.
한편, 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용 가능한 콘크리트로 이루어진 플로팅 플랫폼은 전체 중간 몸체(2)가 잠기지 않고 그 일부가 해수면 위에 위치하도록 작동할 수 있다. 이러한 플랫폼 구성의 경우, 중간 몸체(도 2)에 배열된 엔클로저(5)들은 단순히 강화 슬래브 또는 플레이트로 구성되며, 구조적으로 가장 간단한 솔루션이며 이러한 요소는 수선 위에 있기 때문에 정수압에 노출되지 않으므로 합리적이다. 이러한 엔클로저(5)들은 타워들을 제외하고 플랫폼의 중간 몸체의 섹션을 형성하는 각 준원 상에 배열된다(도 6).
풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용 가능한 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼의 중간 콘크리트 몸체(2)(도 2)의 실제 기하학적 구조는 중간 몸체(2)를 형성하는 수평 섹션(도 3)에 더 많거나 적은 준원(6)들이 배열되는지 여부에 따라 다수의 상이한 플랫폼 개념이 구성될 수 있게 하고, 위에서 설명한 대로 이러한 준원(6)들의 최소 수를 5개로 유지한다. 이러한 변형은 상부 몸체(3)(도 2)를 형성하는 타워(4)(도 6)의 배열의 변형과 함께, 개수(적어도 하나 있음) 및 플랫폼에서의 위치 모두에서, 단일 타워를 가진 플랫폼으로서 수상면 면적이 상대적으로 작고 상기 안정성이 무게 중심을 매우 낮게 유지함으로써 달성되기 때문에 플랫폼의 안정성에 거의 기여하지 않는 플랫폼들, 및 하나가 풍력 발전기를 지지하는 상부 몸체에 하나 이상의 타워(4)가 있는 플랫폼들과 같은 광범위한 플랫폼 개념을 얻을 수 있게 하고, 그것들은 플랫폼 어셈블리의 안정성에 유리한 수상면 영역의 관성을 보장하기 위해 서로 이격되어 있다.
본 발명의 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용되는 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼은 또한 플랫폼(도 2)의 하부 몸체(2)와 상부 몸체(3) 사이에 배치되는 프리스트레스트 콘크리트로 만들어진 평면 트러스(9)로 구성된다(도 4). 상기 평면 트러스(9)는 삼각형 모양으로 배열되고 위치된 프리스트레스트 콘크리트로 만들어진 적어도 3개의 종방향 요소들로 구성되어, 삼각형 기하학적 구조의 꼭지점들이 플랫폼의 중간 몸체(2)를 형성하는 준원 섹션(6)들 사이의 직선 접촉 세그먼트를 갖는 영역에 위치한다(도 3). 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용되는 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼의 계류 라인(10)들(도 4)은 가장 높은 영역에서 플랫폼의 중간 몸체(2)의 섹션을 형성하는 준원(6)들 사이의 직선 접촉 세그먼트들에 고정되어, 프리스트레스트 콘크리트로 만들어진 평면 트러스(9)의 꼭지점들과 계류 라인(10)들 사이에 구조적 연속성이 있도록 한다.
프리스트레스트 콘크리트로 제작된 평면 트러스(9)의 실제 형태는 해상 풍력 산업에 적용할 수 있는 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼은 중간 콘크리트 몸체(2)의 섹션에 존재하는 준원(6)들의 개수에 따라 풍력 터빈을 지지하는 형태로 적용할 수 있으며(도 5), 프리스트레스트 콘크리트로 만든 종방향 요소를 추가함으로써 삼각형 모양으로 배열된 이러한 여러 종방향 요소로 트러스(9)를 형성할 수 있다. 이러한 특징은 본 발명의 풍력 터빈을 지지하기 위해 해상 풍력 산업에 적용 가능한 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼이 채택할 수 있는 임의의 가능한 형태들에 적합하도록 언급된 트러스(9)에 특정 다용성을 부여한다.
본 발명은 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 일반적인 범위를 벗어나지 않고 특정한 경우를 참조하여 설명되었다. 이러한 이유로, 명세서 및 도면은 제한적이거나 제한적이지 않으며 예로서 이해되어야 한다.
Claims (8)
- 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용되는 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼에 있어서,
a) 보강 콘크리트로 만들어진 평면 기반으로 구성된 하부 몸체(1);
b) 수직 압출에 의해 형성된 보강 콘크리트로 만들어진 단일 중간 몸체(2)에 있어서, 상기 단일 중간 몸체(2)는 적어도 5개의 인접한 준원(6)들의 배열로 구성되고 상기 준원(6)들의 사이에 엇갈린 방식으로 배열되는 직선 접촉 세그먼트를 구비하는 수평 섹션을 구비하고; 각 준원의 내부는 기밀 공간(8)이고, 3개의 준원들마다의 내부 공간들은 속이 빈 공간(7)들이며 바다와 직접 연결되는, 단일 중간 몸체(2);
c) 준원(6)의 연장부이며 상기 풍력 터빈에 대한 지지부 역할을 하는 적어도 하나의 타워(4)에 의해 형성된 상기 중간 몸체(2) 상의 상부 몸체(3);
d) 상기 플랫폼을 해저에 연결하는 라인(10)들에 의한 계류 시스템;
을 포함하는 것을 특징으로 하는, 플로팅 플랫폼.
- 제1항에 있어서,
상기 중간 몸체(2)의 엔클로저(5)들은 돔들이고, 각각의 돔은 보강 콘크리트로 만들어진 상기 중간 몸체(2)의 상기 섹션을 형성하는 각각의 준원(6)들 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용되는 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼.
- 제1항에 있어서,
상기 중간 몸체(2)의 엔클로저(5)들은 보강 평면 슬래브들 또는 플레이트들이고, 각각의 보강 슬래브 또는 플레이트는 보강 콘크리트로 만들어진 상기 중간 몸체(2)의 상기 섹션을 형성하는 각각의 준원(6)들 상에 배열되는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용되는 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
각각의 준원(6)의 일부 내부 누출 방지 공간(8)들은 고체 및 액체 밸러스트와 공기의 조합을 수용하는 용량을 갖는, 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용되는 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼.
- 제1항 또는 제3항에 있어서,
각 준원(6)의 일부 내부 누출 방지 공간(8)들은 고체 및 액체 밸러스트와 공기의 조합을 수용하는 용량을 갖는, 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용되는 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼.
- 제4항에 있어서,
상기 계류 시스템은,
a) 상기 중간 콘크리트 몸체(2)와 돔 형태의 엔클로저(5)들 사이에 위치되고, 삼각형 모양으로 배열된 3개 이상의 세로 요소들로 구성되고, 언급된 트러스의 꼭지점들이 상기 플랫폼의 상기 중간 몸체(2)의 상기 섹션을 형성하는 상기 준원(6)들 사이의 직선 접촉 세그먼트들에 위치되도록 위치된, 프리스트레스트 콘크리트로 만들어진 평면 트러스(9)를 특징으로 하고,
b) 상기 계류 라인(10)들은 가장 높은 영역에서 상기 플랫폼의 상기 중간 몸체(2)의 상기 섹션을 형성하는 상기 준원(6)들 사이의 직선 접촉 세그먼드들 상에 고정되고, 프리스트레스 콘크리트로 만들어진 상기 평면 트러스(9)와 언급된 계류 라인(10)들 사이에 구조적 연속성이 있는, 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용되는 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼.
- 제4항에 있어서,
상기 계류 시스템은 상기 중간 콘크리트 몸체(2)와 돔 형태의 상기 엔클로저(5)들 사이에 위치된 보강 플레이트들 상에 고정되는 계류 라인들을 특징으로 하는, 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용되는 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼.
- 제5항에 있어서,
상기 계류 시스템은 상기 평면 엔클로저(5)들 상에 고정되는 계류 라인(10)들을 특징으로 하는, 풍력 터빈을 지지하기 위한 해상 풍력 산업에 적용되는 보강 콘크리트로 만들어진 플로팅 플랫폼.
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