KR20230019341A - 풍력 발전기 설치 선박 - Google Patents

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Abstract

풍력 발전기 설치 선박이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스(LNG) 연료를 이용하는 풍력 발전기 설치 선박으로서, 상기 액화가스를 저장하는 저장탱크; 상기 액화가스를 연료로서 사용하는 DF 엔진; 상기 액화가스를 연료로서 사용하여 전기에너지를 생산하는 연료전지; 및 상기 DF 엔진 및 상기 연료전지에서 사용가능 하도록 상기 저장탱크로부터 공급되는 상기 연료가스가 일정 압력 및 일정 온도를 갖도록 전처리하는 FPR(Fuel Preparation Room : 연료 전처리부);을 포함하고, 상기 연료전지는 별도의 개질기를 마련하지 않고 내부 개질형 연료전지로 마련되는 풍력 발전기 설치 선박이 제공될 수 있다.

Description

풍력 발전기 설치 선박{Wind turbine installation vessel}
본 발명은 풍력 발전기 설치 선박에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력 발전기 설치에 따른 선박의 운용을 최적화할 수 있는 풍력 발전기 설치 선박에 관한 것이다.
친환경 에너지 개발에 대한 요구가 증대됨에 따라, 풍력 발전기를 활용한 발전이 전세계적으로 각광을 받고 있다. 그런데, 풍력 발전기를 설치하기 위해서는 까다로운 환경적인 조건이 요구된다.
예를 들어, 풍력 발전기가 설치되는 장소는 블레이드의 유의미한 회전을 얻기 위한 일정 수준 이상의 풍속이 보장될 수 있는 곳이어야 하고, 풍력 발전기의 구동 시 발생되는 소음에 따른 공해가 이슈가 되지 않아야 하는 곳이어야 한다. 또한, 이러한 환경적인 조건을 만족한다고 하더라도, 풍력 발전기를 설치하기 위해서는 매우 넓은 면적의 공간이 필요하다.
최근에는 위와 같은 제약 조건으로부터 상대적으로 자유로운 해상 풍력 발전기에 대한 관심이 증가하고 있다. 해상 풍력 발전기는 다양한 방법으로 설치될 수 있으나, 일반적으로 부품을 몇 개의 유닛으로 나누어 육상에서 제작한 후, 제작된 유닛을 해상으로 옮겨 조립하는 방법으로 설치되고 있다. 여기서, 해상 풍력 발전기는 주로 블레이드, 너셀, 타워의 세 가지 유닛으로 이루어진다.
육상에서 제작된 해상 풍력 발전기의 유닛들을 해상으로 옮기고, 해상에서 해상 풍력 발전기를 설치하는 선박을 일반적으로 풍력 발전기 설치 선박(WTIV, Wind Turbine Installation Vessel)이라고 한다.
이러한 풍력 발전기 설치 선박은 작업 특성상, 항해 모드(Transit Mode)와 잭업 모드(Jackup Mode)로 운용될 수 있다. 구체적으로, 풍력 발전기 설치 선박은 해상 풍력 발전기를 설치하고자 하는 위치까지 항해 모드로 이동한다. 항해 모드에서 레그는 해수에 의한 저항을 줄이고자 선체의 상방으로 이동된 상태를 유지할 수 있다.
그 후, 풍력 발전기 설치 선박은 잭업 모드로 전환하여 레그의 스퍼드캔이 해저 지반에 충분히 침투되어 고정이 된 후, 선체는 해수면으로부터 일정거리 이격될 수 있도록 잭킹 기어에 의해 상승한다. 선체가 일정 위치에 다다르게 되면, 풍력 발전기 설치 선박은 더 이상의 상승을 멈추고 해상 풍력 발전기를 설치하는 작업을 수행하며, 설치가 완료되면 위의 순서의 역순으로 진행하여 다음 설치 위치까지 이동한다.
그런데, 이러한 풍력 발전기 설치 선박을 통해 풍력 발전기를 설치하는 경우, 풍력 발전기의 각 모듈별로 구분하여 풍력 발전기 설치 선박에 적재하여야 한다. 즉, 선박의 운영에 따른 다양한 장비와 기기 들은 선체 내에 배치되어야 풍력 발전기의 많은 구성품을 선체 상에 적재할 수 있게 된다.
한편, 선박용 연료전지 시스템을 구비한 선박이 각광받고 있다.
연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 통하여 연료의 화학 에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜주는 발전 장치이다. 수소 연료전지의 경우 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원에 사용된다. 그러나, 수소 연료전지를 대형 선박에 적용하기 위해서는 대용량의 저장탱크 및 벙커링 설비가 필요하나 기반시설이 구축되지 않아 소형의 선박에만 적용 가능하다.
이를 해결하기 위하여, 탄화수소를 연료로 사용하는 개질형 연료전지가 개발되어 사용되고 있으나, 탄화수소를 개질하여 수소를 생성하는 개질기가 필수적으로 마련되어야 하기 때문에 연료전지 시스템의 부피가 커져 선박에 설치하기가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박은 수소 연료 공급 시스템 및 개질기 일체형 연료전지를 갖춘 풍력 발전기 설치 선박을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박은 풍력 발전기 설치에 따른 선박의 운용을 최적화할 수 있는 풍력 발전기 설치 선박을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박은 선박의 운용에 요구되는 장치 및 기기를 선체 내에 최적화하여 배치할 수 있는 풍력 발전기 설치 선박을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박의 전력 공급 시스템은 선박의 운용시 생성된 전기에너지를 이용하여 안정적인 전력을 공급할 수 있는 풍력 발전기 설치 선박의 전력 공급 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박의 액화가스 운용 시스템은 액화가스를 연료로서 사용되도록 제공할 수 있는 풍력 발전기 설치 선박의 액화가스 운용 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스(LNG) 연료를 이용하는 풍력 발전기 설치 선박으로서, 상기 액화가스를 저장하는 저장탱크; 상기 액화가스를 연료로서 사용하는 DF 엔진; 상기 액화가스를 연료로서 사용하여 전기에너지를 생산하는 연료전지; 및 상기 DF 엔진 및 상기 연료전지에서 사용가능 하도록 상기 저장탱크로부터 공급되는 상기 연료가스가 일정 압력 및 일정 온도를 갖도록 전처리하는 FPR(Fuel Preparation Room : 연료 전처리부);을 포함하고, 상기 연료전지는 별도의 개질기를 마련하지 않고 내부 개질형 연료전지로 마련되는 풍력 발전기 설치 선박이 제공될 수 있다.
또한, 상기 저장탱크는 선체를 해저 지반에 고정하는 복수의 레그 사이에서 상기 선체의 길이방향으로 마련될 수 있다.
또한, 상기 DF 엔진 및 상기 연료전지는 상기 저장탱크의 일측에 배치되되, 상기 DF 엔진은 상기 선체의 선수 측에 마련되고, 상기 연료전지는 상기 선체의 선미 측에 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 개질기 일체형 연료전지를 구비하여 연료전지 시스템을 간소화함으로써 설치의 용이성을 확보할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 선체 내에 액화가스 저장탱크, DF 엔진, 연료전지, FPR 등을 배치하여 선박 플랫폼의 적재공간 활용성을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
또한, 액화가스를 DF 엔진 및 연료전지의 연료로서 사용 가능하도록 하여, 선택적으로 DF 엔진과 연료전지에 공급할 수 있으며, 연료전지의 전기 에너지와 DF 엔진의 발전기로부터 생성된 전력을 통해 안정적인 전력을 공급함으로써 선박의 운용을 최적화할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명은 아래 도면들에 의해 구체적으로 설명될 것이지만, 이러한 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 것이므로 본 발명의 기술사상이 그 도면에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 풍력 발전기 설치 선박이 잭업된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박의 액화가스 운용 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박의 전력 공급 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박이 행열 구조로 분할된 상태에서의 제1 공간층을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박이 행열 구조로 분할된 상태에서의 제2 공간층을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박이 더블 데크 구조로 분할된 상태를 나타내는 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 풍력 발전기 설치 선박이 잭업된 상태를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기 설치 선박(WTIV : Wind Turbine Installation Vessel)(1)은 육상에서 제작된 해상 풍력 발전기의 유닛들을 해상으로 옮기고, 해상에서 해상 풍력 발전기를 설치하는 선박을 의미한다. 이에, 풍력 발전기 설치 선박(1)의 선체(10)에는 선체(10)를 관통하여 해저 지반에 고정되는 복수의 레그(20)와, 풍력 발전기의 설치를 위한 크레인(30)이 필수적으로 마련된다. 또한, 비록 도시되지는 않았으나, 풍력 발전기 부품인 블레이드, 너셀, 타워 등이 적재물로서 적재될 수 있다.
레그(20)는 풍력 발전기 설치 선박(1)의 사용 목적에 따라 복수개가 제공될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면 복수의 레그(20)는 선체(10)를 안정적으로 지지하기 위해 선체(10)의 선수 측과 선미 측에 각각 복수개로 마련될 수 있다. 즉, 선체(10)의 좌현과 우현에 각각 한 쌍씩, 총 4개의 레그(20)가 마련되며, 복수의 레그(20)가 사각형을 만들도록 선체(10)에 4점 지지되게 배치될 수 있다. 또한, 복수의 레그(20)는 풍력 발전기 설치 선박(10)의 용적 및 크기에 따라 레그가 6점 지지하도록 6개의 레그를 마련할 수도 있다.
이러한 풍력 발전기 설치 선박(1)은 작업 특성상, 항해 모드(Transit Mode)와 잭업 모드(Jackup Mode)로 운용될 수 있다. 구체적으로, 풍력 발전기 설치 선박(1)은 해상 풍력 발전기를 설치하고자 하는 위치까지 항해 모드로 이동한다. 항해 모드에서 레그(20)는 해수에 의한 저항을 줄이고자 선체(10)의 상방으로 이동된 상태를 유지할 수 있다.
풍력 발전기 설치 선박(1)은 목적 위치까지 이동한 후, 자동 위치 제어(Dynamic Positioning)를 통해 레그(20)를 내리기 위한 정확한 위치를 잡을 수 있다. 자동 위치 제어는 레그(20)가 하강하여 해저에 닿을 때까지 지속될 수 있다.
그 후, 풍력 발전기 설치 선박(1)은 잭업 모드로 전환하여 레그(20)를 내려 해저에 박은 후, 선체(10)가 해수면으로부터 일정거리 이격될 수 있도록 선체(10)를 레그(20)를 따라 들어올린다. 즉, 선체(10)가 해수면으로부터 소정 거리 이격되어 기설정된 작업 위치에 다다른 상태를 잭업 상태라고 할 수 있다.
선체(10)가 일정 위치에 다다르게 되면, 풍력 발전기 설치 선박(1)은 선체(10)의 이동을 중지하고 선체(10)에 마련된 크레인(30)을 통해 해상 풍력 발전기를 설치하는 작업을 수행하며, 설치가 완료되면 위의 순서의 역순으로 진행하여 다음 설치 위치까지 이동한다.
본 발명에 따른 풍력 발전기 설치 선박(1)은, 도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 액화가스(LNG)가 저장되는 저장탱크(40)와, 액화가스를 연료로 이용하는 연료전지(60) 및 DF(Dual Fuel) 엔진(50)을 포함한다. 또한, 풍력 발전기 설치 선박(1)은 연료전지(60)와 DF 엔진(50)으로 액화가스를 연료로서 사용가능 하도록 전처리하는 FPR(Fuel Preparation Room : 연료 전처리부)(70)을 구비할 수 있다. 이때, 선체(10)에 설치되는 4개의 레그(20)를 제외한 나머지 공간을 활용하여 풍력 발전기 설치 선박(1)을 효율적으로 운용하기 위해 저장탱크(40), DF 엔진(50), 연료전지(60), FPR(70) 등을 배치하여야 한다. 저장탱크(40), DF 엔진(50), 연료전지(60), FPR(70)이 배치되는 구조에 대해서는 아래에서 다시 설명하기로 한다.
한편, 연료전지(60)는 통상적으로 수소를 연료로 사용하기 위해 별도의 수소 공급 시스템을 갖추어야 하나, 본 발명에 따른 연료전지(60)는 액화가스를 연료로 사용함에 따라 별도의 수소 공급 시스템이 불필요하고, 또한 개질기가 포함된 내부 개질형 연료전지(Bloom Energy Corporation에서 개발된 연료전지)로 마련되어 별도의 개질기가 불필요하기 때문에 연료전지 시스템을 소형화할 수 있어 공간활용성을 대폭 향상시킬 수 있게 된다.
예컨대, 액화가스는 내부 개질기를 통해 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포집하고, 연료전지(60)에서 음극판(cathode)으로 공급되는 산소(O2)와 양극판(anode)의 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 반응하여 물(H2O)과 이산화탄소(CO2)를 생성하고, 그 결과로 전기에너지를 생성하게 된다.
따라서, 내부 개질형 연료전지(60)는 액상 연료인 액화가스를 연료로 사용함에 따라 연료 이동, 보관, 공급이 용이하며, 탄화수소를 개질하기 위한 별도의 개질기를 사용할 필요가 없기 때문에 연료전지 시스템을 소형화할 수 있어 풍력 발전기 설치 선박(1)에 용이하게 적용할 수 있게 된다.
DF 엔진(50)은 예컨대, DFDG(Dual Fuel Diesel Generator)로서 선박의 추진이나 발전용으로 사용된다. 이러한 DF 엔진(50)은 MEGI 엔진(도 3의 '78' 참조)과 같은 고압으로 연료가스를 공급할 필요가 없으며, 대략 수 내지 수십 bara(절대압력) 정도로 연료가스를 압축하여 공급하면 된다. DF 엔진(50)은 엔진의 구동력에 의해 발전기(도 4의 '52' 참조)를 구동시켜 전력을 얻고, 이 전력을 이용하여 추진용 모터를 구동시키거나 각종 장치나 설비를 운전하도록 마련될 수 있다.
한편, 액화가스를 연료로서 공급할 때 MEGI 엔진(78)의 경우에는 메탄가를 맞출 필요가 없지만, DF 엔진(50)의 경우에는 메탄가를 맞출 필요가 있다.
액화가스가 가열되면 액화온도가 상대적으로 낮은 메탄 성분이 우선적으로 기화되기 때문에, 증발가스의 경우에는 메탄 함유량이 높아 그대로 DF 엔진(50)에 연료로서 공급될 수 있다. 하지만, 액화가스의 경우에는, 메탄 함유량이 상대적으로 낮아 DF 엔진(50)에서 요구하는 메탄가보다 낮고, 산지에 따라 액화가스를 구성하는 탄화수소 성분(메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등)들의 비율이 다르기 때문에, 그대로 기화시켜 DF 엔진(50)에 연료로서 공급하기에 적절하지 않다.
메탄가를 조절하기 위해서는 액화가스를 강제 기화시킨 후, 온도를 낮추어 메탄보다 액화점이 높은 중탄화수소(HHC; heavy hydrocarbon) 성분을 액화시켜 제거할 수 있다. 메탄가를 조절한 후 엔진에서 요구하는 온도조건에 맞추어 메탄가가 조절된 천연가스를 추가로 가열할 수 있으며, 이를 위해 FPR(70)이 마련될 수 있다.
FPR(70)은 저장탱크(40)로부터 연료(LNG 및 BOG)를 공급받아 DF 엔진(50) 또는 연료전지(60)에서 사용할 수 있도록 전처리하는 장치이다. 이러한 FPR(70)은 저장탱크(40)와 DF 엔진(50) 사이에 마련되며, 연료전자(60)와는 라인을 길게 늘려 연결될 수 있다. 이에, 저장탱크(40), FPR(70), DF 엔진(50) 또는 연료전지(60)의 연결라인을 갖도록 구성될 수 있다.
이러한 FPR(70)을 포함하는 풍력 발전기 설치 선박의 액화가스 운용 시스템(100)에 대하여 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박의 액화가스 운용 시스템(100)은 액화가스가 저장되는 저장탱크(40), 액화가스를 기화시켜 수요처(50, 60, 78)로 공급하도록 마련되는 제1 라인(L1)과, 저장탱크(40)에서 발생된 증발가스(BOG : Boil Off Gas)를 가열하여 수요처(50, 60, 78)로 공급하도록 마련되는 제2 라인(L2)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 라인(L1)을 통해서 액화가스를 펌프(71) 및 기화기(72)에 의해 연료로서 수요처(50, 60, 78)에 공급하고, 제1 라인(L1)과 합류하는 제2 라인(L2)을 통해서 증발가스를 가열기(75) 및 압축기(76)로 압축시켜서 연료로서 수요처(50, 60, 78)에 공급할 수 있다.
한편, 선박에 마련되는 수요처(50, 60, 78)는 서로 다른 압력조건 또는 서로 다른 온도조건의 연료를 필요로 하는 엔진(50, 78), 연료전지(60) 등으로 마련될 수 있다. 예컨대, 수요처(50, 60, 78)는 고압의 압력상태인 연료가스의 공급이 요구되는 MEGI 엔진(78), 저압의 압력상태인 연료가스의 공급이 요구되는 DF 엔진(50), 연료전지(60)를 포함하도록 마련될 수 있다.
이와 같은 풍력 발전기 설치 선박(1)의 각 수요처(50, 60, 78)에 연료를 제공함은 물론, 이를 운용하는 구조에 대하여 상세시 설명하기로 한다.
제1 라인(L1)은 저장탱크(40)로부터 펌프(71)의 구동에 의해 공급되는 액화가스를 각 수요처(50, 60, 78)로 이송시키기 위한 경로를 제공한다. 전술한 바와 같이, 제1 라인(L1)에는 저장탱크(40) 내부에서 액화가스를 펌핑하는 펌프(71), 수요처(50, 60, 78)가 요구하는 온도를 갖도록 제1 라인(L1)을 통과하는 액화가스를 강제 기화시키는 기화기(72) 및 기화기(72)로 공급되는 액화가스의 흐름을 제어하는 제1 제어밸브(V1)가 마련된다.
또한, 제1 라인(L1)에는 저장탱크(40) 쪽으로 연장되는 리턴라인(73)과 리턴라인(73)에 마련되는 개폐밸브(74)를 포함하여, 수요처(50, 60, 78) 쪽으로 공급되는 액화가스의 양을 조절할 수 있다.
공급펌프(71)는 저장탱크(40) 내부에 저장된 액화가스를 수요처(50, 60, 78) 쪽으로 송출하기 위한 수단으로써, 저장탱크(40) 저면에 설치될 수 있다.
기화기(72)는 제1 라인(L1)을 흐르는 액화가스를 기화시키기 위한 수단으로써, 열교환 방식을 이용하여 액상의 기화가스를 기상의 연료가스로 변환시킬 수 있다.
제2 라인(L2)은 저장탱크(40)로부터 기화되어 발생되는 증발가스를 각 수요처(50, 60, 78)로 이송시키기 위한 경로를 제공할 수 있다. 이때, 제2 라인(L2)은 연료로서 사용 가능하도록 가열 및 압축된 상태로 배출되는 하류가 제1 라인(L1)과 합류되어 수요처(50, 60, 78)로 이송되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며, 제1 라인(L1)과 별도로 각 수요처(50, 60, 78)와 연결될 수 있다.
제2 라인(L2)은 수요처(50, 60, 78)로 증발가스를 공급하도록 마련된다. 도시된 바에 따르면, 제2 라인(L2)에는 수요처(50, 60, 78)로 증발가스의 흐름을 제어하는 제2 제어밸브(V2)와, 수요처(50, 60, 78)에 요구되는 온도로 증발가스를 가열시키는 가열기(75) 및 증발가스를 압축하는 압축기(76)가 마련될 수 있다.
가열기(75)는 가스의 연소열을 이용한 가스히터이거나, 그 밖에도 열매의 순환에 의해 가열을 위한 열원을 제공하는 열매 순환 공급부를 비롯하여, 다양한 히팅수단이 사용될 수 있다.
압축기(76)는 제2 라인(L2)에 설치되어 가열기(75)를 통과하는 증발가스를 압축시킨다. 도 3에는 하나의 압축기(76)만이 도시되어 있지만, 압축기(76)는 종래의 일반적인 연료 공급 시스템에서와 같이 이원화설계(redundancy) 요구사항을 만족시키기 위해 동일한 사양의 압축기 2대가 병렬로 연결되도록 시스템이 구성되거나, 압축 및 중간 냉각이 반복되는 다단 압축기로 마련될 수 있다.
이러한 제2 라인(L2)이 제1 라인(L1)과 합류됨에 따라, 제1 라인(L1)은 제2 라인(L2)이 합류된 부분의 하류에서 각 수요처(50, 60, 78)와 연결되도록 분기된 분기라인(L3)이 마련될 수 있으며, 각 분기라인(L3)에는 개폐밸브가 설치될 수 있다.
한편, 기화된 가스 중 연료로 사용되기에 적절치 않은 압력으로 분류된 기화가스는 압축기(76)를 통해 압축 후 가열기(75)로 보내 적절한 압력이 될 때 까지 순환하는 순환유로(L4)를 더 구비할 수 있다. 즉, 순환유로(L4)는 제1 및 제2 라인(L1, L2)과 연결되고, 각 라인(L1, L2, L4)에 마련된 센서(77)를 통해 압력을 측정하여 요구되는 연료로서 사용가능한 상태가 되도록 전처리하게 된다.
미설명된 참조부호 '79'는 수요처로 공급되는 잉여의 연료를 연소시키는 벤트 마스터이다.
이와 같은 FPR(70)에 의해 액화가스 및 증발가스가 DF 엔진(50) 또는 연료전지(60)로 선택적으로 공급되도록 함으로써 DF 엔진(50)의 발전기(52)에서 얻는 전력 및 연료전지(60)로부터 생성된 전기에너지를 이용하여 풍력 발전기 설치 선박(1)을 운용할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박의 전력 공급 시스템은 DF 엔진(50)의 발전기(52) 및 연료전지(60)에서 생산된 전력을 선박의 운용 상태에 따라 적절하게 공급하도록 한다.
도 4에는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 설치 선박의 전력 공급 시스템의 구성이 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 풍력 발전기 설치 선박의 전력 공급 시스템(200)은 DF 엔진(50)의 발전기(52)과, 연료전지(60), 보조 전력 배터리(Energy Storage System, Battery)(80)를 포함할 수 있다. 전술된 바와 같이, 풍력 발전기 설치 선박(1)은 풍력 발전기의 유닛들을 해상으로 옮기고, 해상에서 해상 풍력 발전기를 설치하기 위해 항해 모드(Transit Mode)와 잭업 모드(Jackup Mode)로 운용될 수 있다.
연료전지(60)는 항해 모드와 잭업 모드 등 모든 운영 모드(Operation Mode)에서 전력을 공급하도록 마련될 수 있다. 예컨대, 연료전지(60)는 항구 대기모드(Horbor Standby Mode), 잭업 상태에서 크레인 조작(Jacked & Crane Operation Mode) 상태일 경우에서 DF 엔진(50) 작동 없이 연료전지(60)와 보조 전력 배터리(80)만으로 운영될 수 있다.
DF 엔진(50)은 추진력을 발생시키기 위해 작동된다. 이에, DF 엔진(50)은 출항(Sailing), 선박의 자동 위치 제어(DP : Dynamic Positioning) 및 잭업 모드 중 어느 하나 이상에 작동되며, 연료전지(60)와 보조 전력 배터리(80)와 함께 운용된다.
보조 전력 배터리(80)는 모든 운영 모드에서 필요에 따라 전력을 공급하도록 마련될 수 있다. 특히, 보조 전력 배터리(80)는 크레인(도 1의 '30' 참조)의 작동 시, 자동 위치 제어를 위한 추진기(미도시)의 작동 시 급격한 부하 증가가 발생할 경우 보조 전력을 공급하여 크레인(30)과 추진기의 부하를 차단하고, 또한 셧다운(Shutdown) 등의 상황이 발생하지 않도록 하여 안정적인 전력 공급 시스템을 유지하도록 한다. 이에 따라 전력 운용 비용의 절감을 꾀할 수 있게 된다.
한편, 연료전지(60) 및 DF 발전기(52)의 최고 효율 동작 조건에서 동작 시, 남는 잉여 전력을 보조 전력 배터리(80)에 저장하도록 한다. 이러한 전력 공급 흐름은 컨트롤러에 의해 자동으로 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 풍력 발전기 설치 선박(1)은 상술한 레그(20), 저장탱크(40), DF 엔진(50), 연료전지(60), FPR(70) 등을 선체(10) 내에 적절히 배치할 수 있도록 더블 데크(double deck) 구조를 갖도록 마련될 수 있다. 도 5 내지 도 7에는 풍력 발전기 설치 선박(1)의 운용을 위해 마련되는 장치 및 기기들이 배치되는 상태가 도시되어 있다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 선체(10)는 높이 방향인 z축 방향으로 제1 공간층(z1)과 제2 공간층(z2)으로 구획되도록 더블 데크 구조로 마련될 수 있다. 예컨대, 선체 데크(hull deck)는 상갑판(upper deck)(11)과, 로워 데크(lower deck)(12) 및 바텀 데크(bottom deck)(13)를 갖도록 마련될 수 있다. 즉, 바텀 데크(13)와 로워 데크(12) 사이에 제1 공간층(z1)이 형성되고, 로워 데크(12)와 상갑판(11) 사이에 제2 공간층(z2)이 형성될 수 있으나, 본 발명에 따른 풍력 발전기 설치 선박(1)은 더블 데크 구조에 한정되지 않는다. 또한, 편의상 로워 데크(12)와 바텀 데크(13)에 의해 선체(10) 내부를 제1 공간층(z1)과 제2 공간층(z2)으로 구분하였으나, 서로 독립된 공간으로 이루어지지 않으며 제1 공간층(z1)과 제2 공간층(z2)은 서로 연결될 수 있다.
선체(10)는 평면을 기준으로 선미에서 선수 측 방향을 나타내는 x축 방향인 열(j) 방향과, 상기 x축 방향과 직각으로 y축 방향인 행(i) 방향으로 복수의 구역(A)으로 구분되도록 복수의 행열(Aij)구조로 분할될 수 있다. 이때, 선체(10)는 높이 방향인 z축 방향으로 제1 공간층(z1)과 제2 공간층(z2)으로 구획됨에 따라 제1 공간층(z1)과 제2 공간층(z2)은 각각 평면상으로 복수의 행열 구조로 구획된 것으로 설명될 수 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 좌측 상단을 기준으로 하여, 좌측 상단을 A11(1행 1열)로 지정하고, 우측 방향으로 A12, A13, …, A19(1행 9열)로 지정하여 구분될 수 있다. 또한, A11의 아래에 위치된 구역을 A21(2행 1열)로 하여 우측 방향으로 A22, A23, …, A29로 지정하여 구분될 수 있다. 이러한 행은 4행으로 구획되고, 열은 9열로 구획될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
한편, 선체(10)는 z축 방향으로 제1 공간층(z1)과 제2 공간층(z2)으로 구획됨에 따라 행과 열로 구획된 행열구조와 함께 설명되어 보다 구체적인 위치를 한정할 수 있게 된다. 예컨대, A23, z1로 표기된 부분은 제1 공간층(z1)에서의 2행 3열의 구역을 의미하고, A35, z2로 표기된 부분은 제2 공간층(z2)에서의 3행 5열의 구역을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
도시된 바에 따르면, 복수의 레그(20)는 선체(10)의 선미 측과 선수 측에 각각 행방향으로 한 쌍으로 마련되어 서로 동일한 열에 배치될 수 있다. 구체적으로 살펴보면, 복수의 레그(20)는 A13, A17, A43, A47에 각각 마련될 수 있다. 레그(20)는 선박을 z축 방향으로 관통하여 선체(10)를 지지함에 따라 제1 공간층(z1)과 제2 공간층(z2)에 각각 마련될 수 있다.
저장탱크(40)가 배치되는 열은 선미측 레그(20)의 열보다 크고 선수측 레그(20)의 열보다 작되, 부피에 의해 제2 공간층(z2)을 점유하도록 마련될 수 있다. 즉, 저장탱크(40)는 행과 열 방향으로 배치되는 4개의 레그(20)가 만드는 사격형 안에 위치될 수 있으며, 레그(20)와 레그(20) 사이에 길이 방향으로 배치될 수 있다. 예컨대, 저장탱크(40)는 A34, A35, A36에 마련된다. 또한, 저장탱크(40)는 부피에 의해 제1 공간층(z1)과 제2 공간층(z2)에 배치될 수 있다. 즉, 저장탱크(40)는 z축 방향의 제1 공간층(z1)으로부터 제2 공간층(z2)의 일정 부분을 점유하도록 배치될 수 있다.
DF 엔진(50)의 선수측 열은 선수측 레그(20)의 열과 동일하도록 배치되되, 부피에 의해 제2 공간층(z2)을 점유하도록 마련될 수 있다.
DF 엔진(50)과 연료전지(60)는 저장탱크(40)의 일측에 근접하여 배치될 수 있다. 예컨대, DF 엔진(50)은 선수측에 위치될 수 있다. 이는 DF 엔진(50)의 무게를 고려한 것으로서 그 위치는 변경될 수 있다. 또한, DF 엔진(50)은 FPR(70) 근처에 위치할 수록 유리하여, FPR(70) 근방에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 DF 엔진(70)은 제1 공간층(z1)의 A26, A27에 마련되되, 부피에 의해 제2 공간층(z2)을 점유하도록 마련될 수 있다.
또한, DF 엔진(50)은 부피에 의해 저장탱크(40)가 마련된 공간 일부를 점유하도록 마련될 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이, DF 엔진(50)은 제1 및 제2 공간층(z1, z2)에서 A36, A37의 일부를 점유하도록 마련될 수 있다.
연료전지(60)는 선미측에 위치될 수 있다. 이는 연료전지(60)의 무게를 고려한 것으로서 그 위치는 변경될 수 있다. 또란, 연료전지(60)는 FPR(70) 근처에 위치하는 것이 유리하나 DF 엔진(50)의 반대편에 배치되는 것이 더욱 유리하다. 이러한 연료전지(60)는 제1 공간층(z1)의 A22 및 제2 공간층(z2)의 A22, A32에 마련될 수 있다. 이때, 제1 공간층(z1)의 A22 구역은 제2 공간층(z2)의 A22, A32에 마련된 연료전지(60)의 아래에 배치되는 각종 케이블이 마련되는 공간(room)으로 활용되도록 마련될 수 있다.
이러한 DF 엔진(50)과 연료전지(60)는 선체(10)의 상갑판(11) 상부에 적재 효율을 높이기 위하여 삽갑판(11) 하부에 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 저장탱크(40)의 관리 및 FPR(70)과의 연결을 위한 TCS(Tank Connection Space : 탱크 연결층, 도 3의 '42' 참조)는 선체 데크 즉, 상갑판(11) 아래에 배치될 수 있다. TCS(42)는 저장탱크(40)의 상부에 배치될 수 있다. 이에, TCS(42)가 마련된 상갑판(11)에는 TCS(42)로의 출입을 위해 볼트 결합된 해치(hatch)(미도시)가 마련될 수 있다. 이에, 해치를 통해 TCS(42)에 용이하게 접근 가능하게 된다.
또한, TCS(42) 뿐만 아니라 모든 장비는 상갑판(11) 아래에 배치될 수 있다. 예컨대, FPR(70)의 열은 선수측 레그(20)의 열과 동일하되, 제2 공간층(z2)에만 마련될 수 있다. 즉, FPR(70)은 저장탱크(40)와 DF 엔진(50) 사이에 마련되고, FPR(70)이 형성된 상갑판(11)에 마련되는 또 다른 해치에 의해 용이하게 접근 가능하게 마련될 수 있다. 구체적으로, FPR(70)은 제2 공간층(z2)의 A37에 마련될 수 있다.
한편, 비록 도시되지는 않았으나, 선체(10)에는 상갑판(11)에서 연료전지(60)로 바로 접근할 수 있는 출입구(access)와, 단독으로 환기 가능한 환기장치(ventilation)가 마련될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1 : 풍력 발전기 설치 선박 10 : 선체
20 : 레그 30 : 크레인
40 : 저장탱크 50 : DF 엔진
60 : 연료전지 70 : FPR
80 : 보조 전력 배터리
100 : 액화가스 운용 시스템
200 : 전력 공급 시스템

Claims (3)

  1. 액화가스(LNG) 연료를 이용하는 풍력 발전기 설치 선박으로서,
    상기 액화가스를 저장하는 저장탱크;
    상기 액화가스를 연료로서 사용하는 DF 엔진;
    상기 액화가스를 연료로서 사용하여 전기에너지를 생산하는 연료전지; 및
    상기 DF 엔진 및 상기 연료전지에서 사용가능 하도록 상기 저장탱크로부터 공급되는 상기 연료가스가 일정 압력 및 일정 온도를 갖도록 전처리하는 FPR(Fuel Preparation Room : 연료 전처리부);을 포함하고,
    상기 연료전지는 별도의 개질기를 마련하지 않고 내부 개질형 연료전지로 마련되는 풍력 발전기 설치 선박.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장탱크는 선체를 해저 지반에 고정하는 복수의 레그 사이에서 상기 선체의 길이방향으로 마련되는 풍력 발전기 설치 선박.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 DF 엔진 및 상기 연료전지는 상기 저장탱크의 일측에 배치되되, 상기 DF 엔진은 상기 선체의 선수 측에 마련되고, 상기 연료전지는 상기 선체의 선미 측에 마련되는 풍력 발전기 설치 선박.
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