KR20230041656A - 부유식 해상 풍력 발전소 내외의 전력 케이블들의 손상 방지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메인 하중지지 계류 요소의 고장 후, 비중복 계류를 사용하여 부유식 해상 풍력 발전소 내외로 전력 전송을 위한 전력 케이블(5)의 손상을 방지하기 위한 시스템을 기술한다. 상기 시스템은 이하의 특징들을 갖는 적어도 하나의 전력 케이블 안전 라인(13)을 포함한다: 이는 보호하도록 설계된 전력 케이블(5)과 같이 2개의 풍력 터빈(1)에 연결된다. 이는 보호하도록 설계된 전력 케이블보다 더 짧은 유효 길이를 갖는다. 이는 온전한 계류 시스템이 있는 부유식 풍력 터빈들(1) 사이의 거리가 최대일 때 크게 응력을 받지 않는 상태로 유지하는 데 필요한 것보다 더 긴 유효 길이를 갖는다. 이는 메인 하중지지 계류 요소들(4, 8, 9, 10, 11, 12, 18)이 설계되는 강도의 미리 결정된 비율인 파괴 강도를 갖는다.

Description

부유식 해상 풍력 발전소 내외의 전력 케이블들의 손상 방지 시스템

본 발명은 부유식 풍력 터빈들을 제자리에 고정하는 메인 계류 시스템(main mooring system))의 고장 후 부유식 해상 풍력 발전소 내외의 전력 케이블들 중 적어도 하나의 과도한 스트레스를 피하기 위한 하나 또는 여러 수동 구조적 안전 라인들의 시스템에 관한 것으로, 안전 라인들은 관련된 전력 케이블 또는 파손된 계류 라인과 평행 또는 거의 평행하게 배향되고, 안전 라인은 메인 계류 라인들 모두가 온전할 때 부유식 풍력 터빈들의 거동에 미미한 영향을 미친다.

계류 라인 고장이 부유식 풍력 터빈의 위치의 큰 변화를 야기할 비중복 계류 시스템(non-redundant mooring system)은 부유식 해상 풍력 터빈 또는 여러개의 부유식 해상 풍력 터빈을 포함하는 발전소에 대한 일반적인 고려 사항이다. 이는 매우 적은 수의 계류 라인, 일반적으로 부유식 풍력 터빈당 3개의 계류 라인이 있는 이러한 계류 시스템이 개발 비용을 절감할 것이기 때문이다.

3개의 계류 라인 중 하나를 잃는 것은, 업계에서, 부유식 풍력 터빈의 위치의 손실이 다른 구조물 또는 부유식 풍력 터빈과의 잠재적인 충돌로 이어지지 않는다면, 중복 계류 시스템(redundant mooring system)으로 정의될 수 있다는 것을 주목한다. 그러나, 본 명세서에서는 다른 구조물 또는 부유식 풍력 터빈과의 충돌에대한 위험에 관계없이, 단일 고장이 심각한 위치의 손실로 이어지는 계류 시스템은 비중복 계류 시스템으로 정의된다. 3개보다 많은 계류 라인이 있는 시스템의 고장은 잠재적으로 위치를 크게 변경할 수도 있으며, 이러한 위치의 손실이 전력 케이블과 같은 다른 부품의 고장을 암시한다면, 이러한 계류 시스템도 본 명세서에서 비중복으로 간주된다.

일부 부유식 풍력 터빈들은 부유 구조물 쪽으로 분할 계류 라인 브라이들 배치(split mooring line bridle arrangement)를 가지고 있는데, 즉, 각각의 계류 라인은 하나의 앵커 또는 다른 주요 연결부에 연결되지만, 부유 구조물에 2개의 연결부를 가지고 있다. 이러한 계류 라인 배치는 본 명세서에서 2개의 계류 라인이 아니라 하나의 계류 라인으로 정의된다.

비중복 계류 시스템의 주요 결점은 계류 라인이 고장나면 부유식 풍력 터빈의 대규모 배치로 인해 과도한 응력, 따라서 파손된 계류 라인으로 부유식 풍력 터빈에 연결된 전력 케이블의 고장이 발생할 가능성이 가장 높다는 것이다. 계류 시스템의 고장에 기인한 하나 또는 여러개의 전력 케이블의 고장은 그러면 고장난 계류 라인을 단지 수리만 하는 것에 비해 상당한 수리 비용과 전력 생산 중단 시간을 추가할 것이다. 따라서, 본 발명은 전력 케이블을 그 용량 한계 내로 유지하기 위한 최대 허용 거리 이상으로 이동하는 것으로부터 부유식 풍력 터빈을 제한하는 수동 안전 라인들의 배치에 관한 것이다. 수동 배치는 여기에서 예를 들어 윈치 또는 이와 유사한 것에 의해 배치의 능동적인 조정이 없는 배치로 정의되고, 메인 계류 시스템의 고장 직전, 도중 또는 직후에 수행된다. 크리프, 합성 로프의 영구 신장과 같은 부하 의존 및 시간 의존성을 보상하기 위한 비정기적 또는 정기적 라인 길이 조정은 라인의 능동적 조정으로 간주되지 않지만, 대신 수동 시스템의 유지관리 프로그램의 일부로서 간주된다.

관련된 선행기술은 W02016083509A1에 개시되어 있으며, 이는 백업 계류 라인 배치를 갖는 2개의 부유 구조물 사이의 충돌을 방지하기 위한 시스템에 관한 것이다. 그러나, 이 시스템에는 메인 계류 시스템의 오작동의 경우에 백업 계류 라인을 조이는 부유 구조물 상의 능동 텐셔닝 수단이 필요하다. 이러한 경우 탄화수소가 있는 유체 라인들이 과도한 응력을 받는 것을 제한하는 배치를 보여주는 다른 관련된 선행기술들이 US6502526B1, US6685519B1, W02005108200A1 및 W02015189580Al에 개시되어 있다. 그러나, 이러한 모든 선행기술 공보들에서 유체 라인들이 과도한 응력을 받는 것을 제한하는 라인들은 또한 백업 라인들 또는 수동 안전 라인들 뿐만 아니라 메인 하중 지지 배치들이다. 문헌 WO 2018/175297 A1은 해저와 부유식 해상 파력 발전소 사이 및/또는 비중복 계류 및 전통적인 (메인) 하중지지 계류 요소들을 사용하는 복수의 파력 에너지 변환기를 포함하는 파력 발전소 내의 전력 전송을 위한 전력 케이블들의 손상을 방지하기 위한 시스템을 개시한다. WO 2018/175297 A1은 메인 하중지지 계류 요소의 고장 후 해저와 부유물 간의 전력 전송을 위한 전력 케이블의 손상을 방지하지 않는다. 문헌 EP 3212496 B1은 풍력 터빈들이 계류 라인에 연결되어 해저와 부유식 해상 풍력 발전소 사이의 전력 전송을 위한 전력 케이블들로 스테이션 유지를 보장하는 부유식 해상 풍력 발전소를 개시한다. 문헌 EP 3212496 B1은 전력 케이블의 손상을 방지하는 방법을 교시하지 않는다.

해양 석유 및 가스 산업에서, 유체, 예를 들어, 부유식 저장 장치와 수출 탱커 사이의 안정화된 오일을 이송하기 위한 일반적인 관행은 탠덤 하역 배치(tandem offloading arrangement)를 통해 이루어진다. 3개의 전형적인 탠덤 하역 배치가 도 11a, 도 11b 및 도 11c에 각각 도시되어 있다. 도 11a는 터렛-계류된(turret-moored) 부유식 저장 유닛(25)과 표준 수출 탱커(27) 사이의 배치를 보여준다. 유체는 이 배치에서 부유 유체 라인/호스(22)를 통해 이송되고 수출 탱커는 계류 밧줄(24)을 통해 부유식 저장 유닛에 계류된다. 계류 밧줄의 느슨함을 방지하고, 이에 의해 탱커와 부유식 저장 유닛 간의 충돌에 대한 위험을 피하기 위해, 터그(tug)(28)는 계류 밧줄에 대하여 탱커의 다른쪽 끝단에 연결된 터그 라인(tug line)(29)을 통해 수출 탱커를 당긴다. 도 11b는 유사한 배치를 도시하지만, 스프레드-계류된(spread-moored) 저장 유닛(26)으로부터 도시된다. 이들 두 배치 모두에서, 과도한 응력을 받는 유체 라인을 보호하기 위한 계류 밧줄은 백업 구조적 요소가 아닌 메인 하중지지 요소이다. 또한, 탠덤 하역 시스템에는 장애 발생 시 비상-해제 기능이 포함되어 있다. 도 11c에서 수출 탱커는 저장 유닛에 대해 특정 거리에서 수출 탱커를 유지하는 동적 포지셔닝 시스템을 갖추고 있으며, 이는 계류 밧줄이 필요하지 않지만, 동적 포지셔닝 시스템에서 고장이 발생한 경우 유체 라인(23)의 고장을 방지하는 것을 의미하며 수출 탱커와 생산 유닛 사이의 더 큰 거리로 이어진다. 이 시스템은 또한 밧줄 및 유체 라인에 대한 비상 해제 기능을 가지고 있다. 후자의 배치는 본 발명과 몇 가지 유사점을 갖지만, 이는 선박 모양의 유닛들 사이의 유체 이동 및 수출 탱커가 수동적으로 계류되는 대신 동적으로 포지셔닝되는 배치에 관한 것이다. 탠덤 하역 시스템은 또한 수출 탱커와 저장 유닛 사이의 분리 거리가 일반적으로 80-150 m, 즉 2개의 부유식 풍력 터빈 사이의 거리보다 훨씬 가까운 시스템과 관련된 것이다.

본 발명의 주요 목적은 부유식 풍력 터빈의 계류 시스템에서 메인 계류 요소들 중 하나의 고장으로 인한 전력 케이블 및 그 부속품의 손상을 피하는 것이다. '메인 계류 요소들 중 하나의 고장'은 앵커들 및 앵커 라인들 중 하나로부터의 복원력의 손실로 이해되어야 한다. 전력 케이블에 대한 손상의 방지는 부유식 풍력 터빈의 스테이션 유지 능력이 유지되기 때문에 고장난 계류 시스템의 수정을 위한 더 많은 시간으로 이어질 것이다. 이러한 목적들을 달성하기 위해 청구항 1에 따른 시스템이 제공된다.

본 발명은 메인 하중지지 계류 요소의 고장 후에 해저와 부유식 해상 풍력 발전소 사이 및/또는 비중복 계류를 사용하는 복수의 풍력 터빈을 포함하는 풍력 발전소 내에서 전력 전송을 위한 전력 케이블의 손상을 방지하기 위한 시스템을 설명한다. 상기 시스템은 이하의 특징들을 갖는 적어도 하나의 전력 케이블 안전 라인을 포함한다: 상기 전력 케이블 안전 라인은 전력 케이블과 같이 동일한 2개의 풍력 터빈들에 연결되며 보호하도록 설계되며, 이는 전력 케이블보다 짧은 유효 길이를 가지며, 이는 상기 전력 케이블 안전 라인의 파괴 강도(breaking strength)까지 축 방향 힘에 노출되었을 때 또한 보호하도록 설계되었으며, 이는 온전한 계류 시스템이 있는 부유식 풍력 터빈들 사이의 거리가 최대일 때 응력을 크게 받지 않는 데 필요한 것보다 더 긴 유효 길이를 가지며, 그리고 이는 계류의 메인 하중지지 계류 요소들이 설계된 강도의 미리 결정된 비율인 파괴 강도를 갖고 있다. 상기 시스템은 하기 특징들을 갖는 적어도 하나의 해저 전력 케이블 안전 라인을 추가로 포함할 수 있다: 상기 해저 전력 케이블 안전 라인은 전력 케이블이 해저로 또는 해저로부터 풍력 발전소로 나가거나 들어가는 부유식 풍력 터빈에 연결되고, 이는 해저 상의 기존 또는 별도의 앵커 포인트들에 앵커링되어 있으며, 이는 기존 계류 라인들의 정상적인 움직임을 방해하지 않으며, 이는 해저 전력 케이블과 동일한 방향으로 상당한 복원력 요소가 있으며, 이는 모든 메인 하중지지 계류 요소들이 온전할 때, 풍력 터빈의 위치와 무관하게 크게 응력을 받지 않는 데 필요한 것보다 더 긴 유효 길이를 가지며, 그리고 이는 메인 하중지지 계류 요소들 중 하나가 고장일 때, 나머지 메인 하중지지 계류 요소들과 함께, 적어도 하나의 해저 전력 케이블 안전 라인이 전력 케이블 대신 계류 하중을 수용하도록, 풍차의 가능한 움직임을 제한할 만큼 충분히 짧은 유효 길이를 갖는다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들이 도면을 참조하여 설명될 것이며, 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 특징을 설명한다.
도 1a는 천해에 3개의 계류 라인과 2개의 전력 케이블이 있는 일반적인 부유식 풍력 터빈의 조감도(bird perspective view)를 나타낸 것이다.
도 1b는 도 1a에서와 동일한 부유식 풍력 터빈의 측면도를 나타낸 것이다.
도 2a는 각각 해저에 대한 3개의 개별 계류 라인과 터빈들 사이의 전력 케이블이 있는 12개의 부유식 풍력 터빈을 포함하는 심해 풍력 발전 단지의 평면도를 나타낸 것이다.
도 2b는 도 2a와 동일한 풍력 발전 단지의 조감도를 나타낸 것이다.
도 3a는 상호 연결된 계류 라인들 및 터빈들 사이의 전력 케이블들이 있는 12개의 부유식 풍력 터빈을 포함하는 심해 풍력 발전 단지의 평면도를 나타낸 것이다.
도 3b는 도 3a에서와 동일한 풍력 발전 단지의 측면도를 나타낸 것이다.
도 3c는 도 3a와 동일한 풍력 발전 단지의 조감도를 나타낸 것이다.
도 4는 도 2의 풍력 터빈들 중 하나에서 하나의 파손된 계류 라인이 있는 시나리오를 나타낸 것이다.
도 5a는 도 4와 유사하지만 다른 라인이 파손되어 있다.
도 5b는 도 5a와 동일하지만 상이한 뷰 각도로 되어 있다.
도 6a는 계류 라인 고장의 경우 전력 케이블들에 과도한 부하를 피하기 위해 전력 케이블 안전 라인들이 부착된 것을 제외하고는, 도 2에서와 동일한 풍력 발전 단지 배치의 평면도이다.
도 6b는 도 6a의 배치의 조감도이다.
도 6c는 도 6a의 배치의 측면도이다.
도 6d는 도 6b와 동일하지만, 다른 각도에서 본 것이다.
도 7은 도 4와 동일하지만, 전력 케이블 안전 라인들이 도입된 도 6의 배치에 대한 것이다.
도 8a는 도 5와 동일한 파손된 라인 시나리오의 평면도이지만, 전력 케이블 안전 라인이 도입된 도 6의 배치에 대한 것이다.
도 9a는 전력 케이블과 평행 전력 케이블 안전 라인이 어느 지점에서도 서로 연결되지 않고, 전력 케이블이 해저와 접촉하지 않는 배치를 나타낸 것이다.
도 9b는 전력 케이블과 평행 전력 케이블 안전 라인이 어느 지점에서도 서로 연결되지 않고, 전력 케이블이 해저와 접촉하는 배치를 나타낸 것이다.
도 10은 전력 케이블과 평행 전력 케이블 안전 라인이 중간 길이에서 서로 연결되어 있고, 전력 케이블이 해저와 접촉하지 않는 배치를 나타낸 것이다.
도 11a는 유체 이송을 위한 부유식 유체 라인을 사용하여 터렛 계류된 부유 유닛과 수출 탱커 사이의 탠덤 하역의 예를 도시한다.
도 11b는 도 11a와 동일하지만, 확산 계류된 부유 유닛에 대한 것을 도시한다.
도 11c는 유체의 이동을 위해 잠수식 유체 라인을 사용하여 동적 포지셔닝에서 부유 유닛과 수출 탱커 사이의 탠덤 하역의 예를 도시한다.
도 12a, 12b, 12c 및 12d는 해저 전력 케이블 안전 라인의 존재가 있을 때 및 없을 때 주요 계류 요소들이 고장일 때 발생하는 서로 다른 가능한 이동 영역을 도시한다.

본 발명은 부유식 풍력 터빈의 메인 계류 시스템의 고장에 기인한 풍력 터빈들 사이의 전력 케이블(5) 또는 해저(3) 해수면(2)에 부유하는 풍력 터빈(1) 사이의 해저 전력 케이블(7)의 고장을 방지하기 위한 장치 또는 시스템에 관한 것으로, 부유식 풍력 터빈의 메인 계류 시스템은 일반적으로 해저(3)의 앵커(18)들에 직접 연결된 또는 연결부(11, 12)를 통해 간접적으로 연결된 계류 라인(4, 8, 9, 10) 세트를 포함한다. 풍력 터빈은 복수의 풍력 터빈을 포함하는 해상에 있는 풍력 발전소의 일부이다.

본 발명에 따른 시스템은 한 세트의 전력 케이블 안전 라인들(13)을 포함하는데, 이들은 정상 작동 상태, 즉 메인 계류 시스템이 온전할 때, 느슨하고 부유식 풍력 터빈의 계류 설계 하중의 무시할 수 있거나 미미한 부분에만 영향을 받는다. 전력 케이블 안전 라인들(13)은 일반적으로 해상 풍력 발전소에서 부유식 풍력 터빈들 사이에 위치될 것이다. 각각의 전력 케이블 안전 라인은 수평면을 기준으로 한 방향과 수직면을 기준으로 한 방향 및 라인 끝단들에 대한 관련된 행-오프(hang-off) 위치들이 있는 전체 길이로 배치되어, 안전 라인들이 완전히 늘어졌을 때, 관련된 전력 케이블(5, 7)은 여전히 구조적 무결성을 유지하고 있고, 즉, 과도한 스트레스를 받지 않는다. 이러한 전력 케이블 안전 라인들은 일반적으로 체인 세그먼트, 스틸 와이어 로프 세그먼트, 합성 로프 세그먼트, 부표, 중량 요소 및 기타 연결 요소와 같은 하나 또는 여러 요소를 포함할 것이다.

2개의 부유식 풍력 터빈들 사이의 전력 케이블(5)의 과도한 응력을 방지하기 위해, 전력 케이블 안전 라인(13)은 일반적으로 앵커로 해저에 고정되지 않고 동일한 2개의 부유식 풍력 터빈에 연결될 것이다. 도 9a, 9b 및 10은 2개의 부유식 풍력 터빈들 사이의 전력 케이블 안전 라인의 원리를 도시한 것이다. 안전 라인은 그러면 전력 케이블과 평행하거나 거의 평행하게 배향될 것이고 일반적으로 전력 케이블보다 수주에서 더 높게 위치할 것이다. 전력 케이블(5)의 유효 길이보다 짧은 안전 라인(13)의 유효 길이는 전력 케이블에 과도한 스트레스를 주지 않으면서 2개의 부유식 풍력 터빈들 사이의 최대 거리를 제한할 것이다. '유효 길이'라 함은 풍력 터빈들의 중심점들과 각각의 전력 케이블 안전 라인과 전력 케이블의 연결 지점으로부터의 길이가 그들의 각각의 길이에 더해질 때 나타나는 길이를 의미한다. 즉, 풍력 터빈의 모양과 그 연결 지점들의 포지셔닝을 고려해야 한다. 안전 라인의 축방향 강성은 축방향 하중을 받을 때 유효 길이에 영향을 미칠 중요한 파라미터이다라는 점이 주목된다. 전력 케이블 안전 라인은, 전력 케이블 안전 라인의 파단 힘의 크기까지의 축 방향 힘을 받을 때 여전히 전력 케이블보다 짧아야 한다. 반면 안전 라인의 최소 길이는 온전한 계류 시스템이 있는 부유식 풍력 터빈들 사이의 거리가 최대일 때 크게 늘어지는 안전 라인을 피할 수 있을 만큼 충분히 길어야 한다. 또한 안전 라인의 최소 요구 파괴 강도는 메인 계류 시스템의 계류 라인들에 대한 최소 요구 파괴 강도의 35-70% 정도가 될 것으로 예상된다.

부유식 풍력 터빈과 해저 사이의 해저 전력 케이블(7)의 과도한 응력을 방지하기 위해, 안전 라인(17)은 한쪽 끝에서 부유식 풍력 터빈에 연결되고 다른 쪽 끝에서 해저에 연결될 것이고, 해저 전력 케이블에 가장 가까운 계류 라인(4, 8, 10)의 앵커(18)에 또는 메인 계류 라인 앵커의 부근에 위치하는 별도의 앵커에 해저 연결된다. 이상적으로 안전 라인은 해저 전력 케이블에 가장 가까운 계류 라인 4, 9의 방향과 해저 전력 케이블 자체의 방향 사이의 방향을 가져야 한다. 모든 실제적인 목적들을 위해 이는 안전 라인의 방향이 해저 전력 케이블 방향에 대해 동일한 방향(0도)과 일반적으로 최대 60도 사이에서 평행하지만, 횡방향(90도)보다 크지 않을 것임을 의미하는데; 여기서 180도는 해저 전력 케이블 방향에 대해 반대 방향으로 평행한 것을 의미한다. 또한 해저 전력 케이블 안전 라인(17)의 복원력의 중요한 요소는 해저 전력 케이블과 동일한 방향이어야 한다고 말할 수 있다. 안전 라인(17)의 축방향 강성 및 방향의 영향을 포함하는 최대 유효 길이는 해저 전력 케이블에 과도한 응력을 가하지 않고 부유식 풍력 터빈의 최대 허용 변위에 의해 결정된다. 반면에 안전 라인의 최소 길이는 온전한 계류 시스템이 있는 부유식 풍력 터빈의 변위가 최대일 때 크게 늘어진 해저 전력 케이블 안전 라인을 피할 수 있을 만큼 충분히 길어야 한다. 위와 같이, 안전 라인의 최소 요구 파괴 강도는 메인 계류 시스템의 계류 라인들에 대한 최소 요구 파괴 강도의 35-70% 정도가 될 것으로 예상된다.

도 12a는 모든 앵커 라인이 온전한 상태에서 풍력 터빈의 가능한 움직임을 도시한 것이다. 도 12b 및 도 12c는 해저 전력 케이블 안전 라인이 제공되고 각각의 계류 요소들(C 및 D) 중 하나가 고장났을 때 풍력 터빈의 가능한 움직임을 도시한 것이다. 'X'는 메인 계류 요소들 중 어떤 것이 고장났는지를 나타낸다. 도 12d는 해저 전력 케이블 안전 라인(17)이 제공되지 않을 때 풍력 터빈의 가능한 움직임을 도시한 것이다. 단순히 훨씬 더 긴 전력 케이블을 제공할 수 있다고 주장하는 것이 가능하지만 실제 생활에서 전력 케이블은 예를 들어 해저 상의 장애물로 얽힘에 대한 위험없이 해저 상에서 수백 미터 드래그될 수 없고, 이에 의해 손상된다. 따라서 풍력 터빈의 움직임을 제한하고, 대신 메인 하중지지 계류 요소들 중 하나가 고장일 때 풍력 터빈이 도달할 수 있는 모든 영역에 도달할 수 있을 만큼 충분히 긴 길이를 갖는 더 짧은 해저 전력 케이블을 제공하고 적어도 하나의 해저 전력 케이블 안전 라인이 나머지 계류 라인들과 함께 풍차의 가능한 움직임을 제한하는것이 바람직하다. 이는 도 12a-12d에 도시되어 있다. 메인 하중지지 요소는 앵커(18), 다양한 종류의 계류 라인 구성요소(4, 8, 9, 10, 11 또는 12) 및 이들을 연결하는 고정물로 정의된다. 특정 풍력 터빈에 연결된 모든 메인 하중지지 요소들은 특정 풍력 터빈의 메인 계류 시스템을 구성한다.

일 실시예에서, 2개의 해저 전력 케이블 안전 라인들(17)이 제공된다. 2개의 해저 전력 케이블 안전 라인들(17)로부터 결합된 복원력의 중요한 요소는 전력 케이블과 동일한 방향에 있어야 한다. 2개보다 많은 해저 전력 케이블 안전 케이블도 고려될 수 있다.

예시들은 부유식 풍력 터빈으로서 3-레그형 반잠수식을 도시하지만, 본 발명은 임의의 유형의 선체 형태를 갖는 임의의 유형의 부유식 풍력 터빈에 관한 것이다. 본 발명은 또한 임의의 수심 및 임의의 계류 시스템 및 전력 케이블 시스템에 관한 것인데, 본 발명의 이점들이 당업자에게 자명할 것이다. 부유식 풍력 터빈의 메인 계류 시스템은 본 명세서에 예시된 바와 같은 확산-계류 시스템 또는 터렛-계류 시스템일 수 있다.

도 1a는 앵커들(18)을 통해 3개의 계류 라인(4)에 의해 해저(3)에 계류된 단일 부유식 풍력 터빈(1)의 전체도를 제공한다. 앵커는 임의의 유형이 될 수 있으며, 가장 일반적인 유형은 종동 파일(driven pile), 석션 앵커(suction anchor), 드래그 매립 앵커(drag embedment anchor)이다. 계류 라인들(4)은 체인 세그먼트, 스틸 와이어 로프 세그먼트, 합성 로프 세그먼트, 부표, 중량 요소 및 관련 연결부의 조합을 포함할 수 있다. 이 예시는 또한 한쪽 끝에서 해수면(2) 위 또는 아래 위치에서 부유식 풍력 터빈에 연결되고, 다른쪽 끝에서 해저(3)에 연결된, 2개의 전력 케이블(7)을 도시한다. 전력 케이블들은 케이블 길이의 섹션에 걸쳐 부력 요소들을 부착하여 얻어진 레이지-웨이브(lazy-wave) 동적 구성으로 도시되어 있다. 다양한 방식으로 배치될 수 있는 동적 구성의 목적은 부유식 풍력 터빈의 모션과 변위로 인해 과도한 응력을 받지 않고 유연성을 확보하는 것이다. 안전 라인들(17)을 포함하지 않는 이러한 배치에서 계류 라인들(4) 중 하나가 파손되면, 부유식 풍력 터빈은 그 위치를 유지할 수 없다. 대신 동적 전력 케이블 구성에 내장된 변위 용량보다 수평적으로 더 많이 이동할 것이다. 도 1b는 도 1a와 동일하지만, 다른 뷰 각도로부터 본 것이다.

도 2a 및 도 2b는 각각 개별 계류 라인(4)을 갖는 12개의 부유식 풍력 터빈(1)이 있는 발전소의 예를 도시한다. 앵커(18)와 부유식 풍력 터빈(1) 사이의 계류 라인의 구성은 일반적으로 체인 세그먼트, 스틸 와이어 로프 세그먼트, 폴리에스터 로프 세그먼트, 부표(20), 중량 요소 및 다양한 유형의 연결부와 같은 하나 또는 여러 아이템의 조합이다. 도 2a는 위에서 본 풍력 발전소를 나타낸 것이고, 도 2b는 조감도로 발전소를 나타낸 것이다. 도시들은 전형적인 심해 적용을 나타내는데, 부유식 풍력 터빈들 사이의 전력 케이블들(5)이 해저(3)와 접촉하지 않고 항상 수주(water column)에 유지된다. 이러한 전력 케이블들은 케이블의 섹션에 걸쳐 분산된 부력 요소들(19)에 의해 얻어진 w-구성(w-configuration)으로 예시된다. 또한, 12개의 부유 유닛들의 도시된 순서에서 첫 번째 및 마지막 부유식 풍력 터빈으로부터의 전력 케이블들(7)은 레이지웨이브로서, 즉, 도 1a 및 도 1b에 도시된 케이블들과 동일한 구성으로 구성되지만, 자유-행잉 현수선(free-hanging catenary), 가파른 파(steepwave), 스팁-s(steep-s), 레이지-s(lazy-s) 및 클램프파(clamped wave)와 같은 다른 유형의 구성들도 가능하다. 도시된 계류 배치에서, 서로 다른 유닛들에 대한 계류 시스템들은 부유식 풍력 터빈들 사이의 거리가 교차하는 계류 라인들의 최소량으로 최소화되도록 배향되며, 이는 계류 시스템을 도 2a에서 A와 B로 부여한 부유식 풍력 터빈들의 2개의 인접한 열에 대해 반대 방향으로 배향함으로써 수행된다. 그러나, 이것의 가장 좋은 방법은 수심에 따라 그리고 일반적으로 로터(21) 직경의 5-8배로 취해지는 부유식 풍력 터빈들 사이의 최소 요구 거리에 따라 달라진다. 전력 케이블 안전 라인들은 그림 2a 및 도 2b에 도시되어 있지 않다. 혼동을 피하기 위해, 우리는 도 2b 및 일부 다른 도면에서 참조부호 6으로 표시된 원은 플롯 소프트웨어(plotting software)에서 '시점 회전 지점(view rotation point)'을 나타낸다는 것을 언급한다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c는 12개의 부유식 풍력 터빈(1)으로 예시된 심해 발전소의 다른 예를 보여주지만, 이 배치에서 부유식 풍력 터빈들은 계류 라인들과 앵커들의 일부를 공유한다. 발전소 코너들에 있는 부유식 풍력 터빈들은 해저(3) 상의 앵커(18)에 대한 하나의 개별 계류 라인(4), 그리고 다른 부유식 풍력 터빈들과의 공유 연결부들(11)에 부착된 2개의 계류 라인(9)을 가지는데, 상기 연결부들(11)은 계류 라인(8)을 통해 해저 상의 앵커(18)에 추가로 연결된다. 에지 상의, 그러나 코너들에 있지 않은 부유식 풍력 터빈들은 다른 부유식 풍력 터빈과 공유 연결부들(11)에 부착된 2개의 계류 라인(9)을 가지는데, 상기 연결부(11)는 계류 라인(8)을 통해 해저 상의 앵커(18)에 추가로 연결된다. 제3 계류 라인(9)은 2개의 다른 부유식 풍력 터빈들과의 공유 연결부(12)에 부착되는데, 이는 계류 라인(10)을 통해 해저 상의 앵커(18)에 추가로 연결된다. 중간에 있는 부유식 풍력 터빈들은 다른 부유식 풍력 터빈들과의 공유 연결부들(12)에 부착된 3개의 계류 라인들(9)을 가지는데, 연결부(12)는 계류 라인(10)을 통해 해저 상의 앵커(18)에 추가로 연결된다. 연결부들(11, 12)은 계류 라인들(8, 10)의 중량의 일부 또는 전체 중량을 지지하기 위해 부력부를 가지고 설계될 수 있다. 그러면 해상 설치 단계동안 라인들(9)과 부유식 풍력 터빈들이 연결되기 전에 라인들을 부분적으로 또는 완전히 해저에서 떨어져서 유지하는 것이 가능할 것이다. 도시된 배치에서 부유식 풍력 터빈들 사이의 전력 케이블 안전 라인들(13)이 도시되어 있다. 이러한 안전 라인들은 일반적으로 체인 세그먼트, 스틸 와이어 로프 세그먼트, 폴리에스터 로프 세그먼트, 부표, 중량 요소 및 다양한 유형의 연결부와 같은 하나 또는 여러 아이템을 포함할 것이다. 부유식 풍력 터빈들의 메인 계류 시스템이 온전할 때 정상 작동에서 안전 라인들은 크게 늘어지지 않을 것이고, 그리고 그들은 부유식 풍력 터빈들의 거동에 미미한 영향만 미치기 때문에 안전 라인들(13)은 미미한 하중만 받을 것이다. 해상 핸들링은 마지막 연결을 구성하는 동안 상당한 연결 부하없이 요소들 자체의 중량을 핸들링하는 데에 주로 제한될 것이기 때문에 안전 라인들의 이러한 느슨한 구성은 또한 그들의 설치에 상당한 이점을 암시한다. 전력 케이블은 도 3a, 3b 및 3c에 도시되어 있지 않다.

도 4는 도 2b와 동일하지만, 부유식 풍력 터빈들 중 하나에 대한 계류 라인들 중 하나가 파손되어, 해저로 연결되는 전력 케이블들(7) 중 하나가 영향을 받는다. 파손된 계류 라인(15)은 관련된 부유식 풍력 터빈(16)의 상당한 변위로 이어지고, 이는 그러면 전력 케이블(7b)이 케이블의 고장으로 이어질 가능성이 가장 높은 레벨로 늘어나게 한다.

도 5a는 도 2b와 동일하지만, 부유식 풍력 터빈들 중 하나에 대한 계류 라인들 중 하나가 파손되어, 2개의 부유식 풍력 터빈들 사이의 전력 케이블들(5) 중 하나가 영향을 받는다. 파손된 계류 라인(15)은 관련된 부유식 풍력 터빈(16)의 상당한 변위로 이어지고, 이는 그러면 전력 케이블(5b)이 케이블의 고장으로 이어질 가능성이 가장 높은 레벨까지 늘어나게 한다. 도 5b는 도 5a와 동일하지만, 다른 뷰 각도에서 본 것이다.

도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 전력 케이블 안전 라인들(13)이 전력 케이블들(5)과 평행하거나 거의 평행한 일 방향으로 부유식 풍력 터빈들(1) 사이에 추가된 것을 제외하고는, 도 2a 및 도 2b에서와 동일한 부유식 발전소를 도시한다. 해저 전력 케이블 안전 라인들(17)은 또한 부유식 풍력 터빈들과 해저 사이의 전력 케이블들(7)을 보호하기 위해 부유 풍력 터빈들과 해저(3) 사이에 추가되었다. 부유식 풍력 터빈들(1)과 해저(3) 사이의 전력 케이블 안전 라인들(17)은 이 예에서, 계류 라인들(4)이 있는 공유 앵커들(18)과 함께, 전력 케이블들(7)에 가장 가까운 계류 라인들(4)에 평행하거나 거의 평행하게 지향되거나 방향이 정해지는 것으로 가정된다. 안전 라인(17)의 유효 길이는 이 실시예에서 계류 라인(4)보다 약간 더 길어 계류 라인보다 적은 힘으로 설치될 수 있을 뿐만 아니라 온전한 계류 라인보다 더 작은 하중에 노출될 수 있다. 안전 라인(17)은 또한 계류 라인(4)의 양쪽에 있는 별도의 앵커로 지향되고 방향이 정해질 수 있지만, 길이와 축방향 강성은 정상 상태동안 메인 계류 시스템의 거동에 크게 영향을 미치지 않는 정도여야 하고, 계류 라인 고장의 경우 부유식 풍력 터빈은 전력 케이블의 작동 한계보다 큰 변위를 가져서는 안된다.

도 7은 도 6d와 동일하지만, 계류 라인(15)이 파손되어 있다. 파손된 계류 라인은 해저 전력 케이블 안전 라인(17)과 평행한 상태로 온전한 상태에 있었다. 파손 후 안전 라인은 계류 라인으로 인계되고, 이에 따라 플로팅 풍력 터빈(16)의 변위를 제한하여 전력 케이블(7)이 작동 한계 내에 머물도록 한다.

도 8a 및 도 8b는 도 5a 및 5b와 동일한 고장 시나리오를 도시하지만, 이 예시에서 전력 케이블 안전 라인(13b)은 2개의 부유식 풍력 터빈들(1,16) 사이의 전력 케이블(5)에 평행하게 연장된다. 관련된 부유식 풍력 터빈(16)의 파손된 계류 라인(15)은 전력 케이블 구성(5)을 늘리는 부유식 풍력 터빈들 사이의 증가된 거리로 이어지지만, 안전 라인(l3b)의 존재로 인해 전력 케이블은 용량을 넘어서는 응력을 받지 않는다.

도 9a는 2개의 부유식 풍력 터빈들(1) 사이의 심해에서 전력 케이블(5)을 위한 일반적인 배치를 도시하는데, 전력 케이블은 해저(3)와 접촉하지 않는다. 전력 케이블(5)은 부력부(19)를 가지고 또는 부력부(19)없이 배치될 수 있다. 전력 케이블 안전 라인(13)은 전력 케이블과 평행하게 또는 거의 평행하게 연장된다. 전력 케이블과 전력 케이블 안전 라인은 모두 동일한 부유식 풍력 터빈 상에 행-오프되어 있지만, 바람직하게는 일부 수평적인 분리가 있다. 그러나, 전력 케이블과 안전 라인들의 수직적인 분리가 전체 길이를 따라 둘 사이의 중대한 간섭/접촉을 충분히 피할 수 있다면, 행-오프 위치에 대한 수평적인 분리가 필요하지 않을 수 있다. 또한, 수평적인 분리가 전체 길이를 따라 둘 사이의 심각한 간섭/접촉을 충분히 피할 수 있다면, 전력 케이블과 안전 라인 사이의 수직적인 분리가 필요하지 않을 수 있다. 도 9b는 유사한 배치를 도시하지만, 일반적으로 전력 케이블이 부분적으로 해저와 접촉하는 수심에 대한 것이다.

도 10은 도 9a의 다른 실시예를 도시하는데, 전력 케이블 안전 라인(13)이 하나 또는 여러 중간 지점(14)에서 전력 케이블(5)에 연결되어 있다. 이 배치에서, 전력 케이블 안전 라인들은 전력 케이블에 부력(19)을 추가하지 않으면서 수주에서 전력 케이블을 더 높이 유지하는데 사용될 수 있으며, 전력 케이블 안전 라인은 잠재적으로 부유식 풍력 터빈들 상의 전력 케이블들의 행-오프 위치들에 더 가깝게 행-오프될 수 있다. 전력 케이블의 중량이 안전 라인을 약간 늘어진 모드로 유지할 것이고, 이에 의해 풍력 터빈의 모션 및 파도와 조류로부터의 유체 역학적 부하에 기인하여 안전 라인의 동적 거동을 피하거나 감소시키기 때문에 안전 라인들의 더 가벼운 구성이 또한 얻어질 수 있다.

정상 작동 상태에서, 즉 부유식 풍력 터빈의 메인 계류 시스템이 온전할 때, 전력 케이블 안전 라인은 부유식 풍력 터빈들의 안전 라인의 행-오프 위치들이 해수면보다 높을 때 부유식 풍력 터빈들에 가까운 것을 제외하고, 임의의 수상 선박으로부터 해수면(2) 아래의 안전한 거리에 있다. 해수면 아래의 일반적인 안전 거리는 이 상태에서 이들 라인들이 약간만 인장되기 때문에 쉽게 달성가능하다. 메인 계류 시스템의 고장 후 안전 라인, 특히 2개의 부유 유닛들 사이의 안전 라인은 물에서 상승할 것이고, 메인 계류 시스템의 스테이션-유지 능력의 부족에 기인하여 장력을 받을 때 잠재적으로 건조될 것이다. 이것은 고장 시 이 라인들 위에 있는 임의의 선박에 대한 잠재적 위험이지만, 이 위험은 안전 라인들 위의 선박의 잠재적인 교통을 제한함으로써 저감될 수 있다.

본 발명은 적어도 2개의 부유식 풍력 터빈으로 구성된 부유식 풍력 발전소에 관한 것으로, 동일한 전력 케이블에 연결된 부유식 풍력 터빈들 사이의 중심 대 중심 거리가 적어도 500 m인 경우, 안전 라인들의 전체 길이는 500 m 정도 또는 그 이상일 것임을 암시한다. 하나 또는 여러개의 안전 라인(13, 17)이 2개의 풍력 터빈들 사이 또는 부유식 풍력 터빈과 해저 사이 또는 부유식 풍력 터빈과 다른 본체(고정식 또는 부유식) 사이에서 하나 또는 여러개의 전력 케이블을 보호하는 데 사용되는 배치들에 대하여, 안전 라인의 전체 길이가 적어도 200 m라면, 본 발명이 적용된다. 안전 라인의 전체 길이는 모든 개별 구성 요소들을 포함하는 길이를 나타낸다; 각각의 안전 라인은 체인 세그먼트, 스틸 와이어 로프 세그먼트, 합성 로프 세그먼트, 부표, 중량 요소, 기타 연결 요소 등과 같은 요소들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

본 발명의 특정 실시예들이 본 명세서에서 설명되고 예시되었지만, 당업자에 의해 수정 및 변형이 용이하게 일어날 수 있고, 결과적으로 청구항들은 이러한 수정물 및 균등물을 포함하도록 해석되도록 의도된다.

1 부유식 풍력 터빈
2 해수면
3 해저
4 부유식 풍력 터빈에서 해저까지 계류 라인
5 부유식 풍력 터빈들 사이의 전력 케이블
5b 부호 5와 동일하지만, 계류불량으로 인해 늘어진 케이블을 의미함
6 플롯팅 소프트웨어에서 '보기 회전 지점'을 나타내는 원
7 부유식 풍력 터빈에서 해저까지의 전력 케이블
7b 부호 7과 동일하지만, 계류 시스템 고장으로 인해 늘어진 케이블을 의미함
8 중간 Y-연결부에서 해저까지 계류 라인
9 부유식 풍력 터빈에서 중간 연결부까지 계류 라인
10 중간 클러스터 연결부에서 해저까지 수직 계류 라인
11 중간 계류 라인 Y-연결부
12 중간 계류 라인 클러스터 연결
13 전력 케이블 안전 라인(부유식 풍력 터빈들 사이의)
13b 부호 13과 동일하지만, 계류 시스템의 고장으로 인해 늘어진 라인을 의미함
14 전력 케이블 안전 라인과 전력 케이블의 중간 연결 지점
15 파손된 계류 라인
16 파손된 라인이 있는 부유식 풍력 터빈
17 해저 전력 케이블 안전 라인 (부유식 풍력 터빈에서 해저까지)
17b 부호 17과 동일하지만, 계류 시스템의 고장으로 인해 늘어진 라인을 의미함
18 앵커
19 분산된 부력을 갖는 전력 케이블의 단면
20 계류 시스템/라인의 부표
21 풍력 터빈의 로터, 일반적으로 3개의 블레이드를 포함함
22 부유식 유체 라인/호스
23 잠수식 유체 라인/호스
24 계류줄
25 터렛 계류에 의해 해저에 계류된 부유 유닛; 웨더 베이닝 유닛
26 스프레드 계류에 의해 해저에 계류된 부유 유닛; 고정 헤딩(fixed heading)을 갖는 유닛
27 수출 탱커
28 터그(Tug)
29 터그 라인

Claims (6)

1. 비중복 계류를 사용하는 복수의 풍력 터빈(1)을 포함하는 해저와 부유식 해상 풍력 발전소 사이 및/또는 풍력 발전소 내 전력 전송을 위한 전력 케이블(5, 7)의 손상을 방지하기 위한 시스템으로서, 메인 하중 지지 계류 요소(4, 8, 9, 10, 11, 12, 18)의 고장 후, 상기 시스템은:
   적어도 하나의 전력 케이블 안전 라인(13)을 특징으로 하며, 상기 적어도 하나의 전력 케이블 안전 라인은:
   상기 전력 케이블(5)과 같이 동일한 2개의 풍력 터빈에 연결되며 이는 보호하도록 설계되며, 상기 전력 케이블보다 짧은 유효 길이를 가지며 이는 전력 케이블 안전 라인의 파괴 강도까지 축 방향 힘에 노출되었을 때도 보호하도록 설계되며, 계류 시스템이 온전한 부유식 풍력 터빈들 사이의 거리가 최대일 때 응력을 크게 받지 않는 데 필요한 것보다 더 긴 유효 길이를 가지며, 상기 계류의 상기 메인 하중지지 계류 요소(4, 8, 9, 10, 11, 12, 18)가 설계되는 강도의 미리 결정된 비율의 파괴 강도를 가지도록 설계되며, 그리고/또는 적어도 하나의 해저 전력 케이블 안전 라인(17)은 이하의 특징들을 가지며:
   해저 전력 케이블(7)이 풍력 발전소로 또는 해저(3)로 들어오거나 나가는 부유식 풍력 터빈(1)에 연결되고, 해저 상의 기존 또는 별도의 앵커 포인트들(18)에 고정되고, 임의의 기존 계류 라인들(4, 8, 9, 10, 11, 12)의 정상적인 움직임을 방해하지 않으며,
   해저 전력 케이블(7)과 동일한 방향으로 복원력 요소를 가지며, 모든 메인 하중지지 계류 요소들이 손상되지 않을 때 풍력 터빈의 위치와 무관하게 크게 응력을 받지 않는 상태를 유지하는 데 필요한 것보다 긴 유효 길이를 가지며, 메인 하중지지 계류 요소들 중 하나가 고장났을 때, 나머지 메인 하중지지 계류 요소들(4, 8, 9, 10, 11, 12, 18)와 함께 부유식 풍력 터빈의 가능한 움직임을 제한하기에 충분히 짧은 유효 길이를 가져, 적어도 하나의 해저 전력 케이블 안전 라인(17)이 전력 케이블 대신 계류 부하를 받도록 하는 특징들을 갖는, 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   동일한 상기 전력 케이블(5)에 연결된 2개의 부유식 풍력 터빈(1) 사이의 중심 대 중심 거리는 적어도 500m인, 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전력 케이블 안전 라인(13)의 길이는 적어도 200 m인, 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전력 케이블 안전 라인(13, 17)은 컴포넌트 체인 세그먼트, 스틸 와이어 로프 세그먼트, 합성 로프 세그먼트, 부표, 중량 요소 및 연결 요소의 임의의 조합을 포함하는, 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 전력 케이블 구조적 안전 라인(13,17)의 미리 정해진 파괴 강도는 부유식 풍력 터빈(1)들의 메인 계류 시스템의 계류 라인들(4,8,9,10)의 최소 요구 파괴 강도의 35-70%인, 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 전력 케이블 안전 라인(13)은 하나 또는 복수의 중간 연결 지점(14)에서 상기 전력 케이블(5)에 연결되는, 시스템.

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