KR20230043326A - 부유식 해상 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

부유식 해상 풍력발전기가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 허브, 및 상기 허브에서 방사상으로 연장되는 복수의 블레이드를 포함하는 로터; 상기 로터가 회전 가능하게 결합되는 나셀; 상기 나셀이 수평 방향의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 결합되는 지지타워; 상기 지지타워에 탑재되어 상기 나셀을 회전시키는 회전구동부; 상기 지지타워가 상하 방향으로 이동 가능하게 결합되고, 해상에 부유하는 하부 구조물; 및 상기 지지타워를 상하 방향으로 이동시키는 상하이송부를 포함하는 부유식 해상 풍력발전기가 제공될 수 있다.

Description

부유식 해상 풍력발전기{FLOATING OFFSHORE WIND TURBINE}

본 발명은 부유식 해상 풍력발전기에 관한 것이다.

최근 친환경 에너지 개발에 대한 요구가 증대됨에 따라 풍력발전에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히, 부유식 해상 풍력발전은 육상 풍력발전과 비교하여 설치 부지 및 주변 지형의 영향을 적게 받으면서 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 장점이 있다.

다만, 부유식 해상 풍력발전기(FOWT, Floating Offshore Wind Turbine)는 석탄, 원자력 등과 같은 다른 에너지원에 비해 고비용이기 때문에 에너지 단가를 줄이는 것이 주요한 관심 사항이다.

부유식 해상 풍력발전기의 에너지 단가를 줄이기 위해서는 풍력발전 기술의 특성상 대형화가 필요하다.

하지만, 그로 인해 부유식 해상 풍력발전기의 설치 및 해체, 유지보수 등을 하기 위한 현실적인 제약 조건들, 예를 들어 크레인 용량 등이 늘어나게 되고, 이는 필연적으로 투자비용 증대로 이어질 것으로 예상된다. 이에 따라, 초대형 부유식 해상 풍력발전기의 설치 및 해체, 유지보수를 용이하게 하는 기술 개발이 절실한 현실이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1616427호(2016.04.28, 부유식 해상 풍력발전기)

본 발명의 실시 예는 설치 및 해체, 유지보수 등이 용이한 부유식 해상 풍력발전기를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 허브, 및 상기 허브에서 방사상으로 연장되는 복수의 블레이드를 포함하는 로터; 상기 로터가 회전 가능하게 결합되는 나셀; 상기 나셀이 수평 방향의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 결합되는 지지타워; 상기 지지타워에 탑재되어 상기 나셀을 회전시키는 회전구동부; 상기 지지타워가 상하 방향으로 이동 가능하게 결합되고, 해상에 부유하는 하부 구조물; 및 상기 지지타워를 상하 방향으로 이동시키는 상하이송부를 포함하는 부유식 해상 풍력발전기가 제공될 수 있다.

상기 로터의 회전축은 상기 나셀의 회전에 따라 수평 방향 및 상하 방향으로 배치될 수 있다.

상기 하부 구조물은 상기 복수의 블레이드가 안착되는 복수의 블레이드 레스트를 구비할 수 있다.

상기 하부 구조물은 상기 하부 구조물을 상하 방향으로 관통하는 관통 홀을 구비하고, 상기 지지타워는 상기 관통 홀을 통해 하향 이동할 수 있다.

상기 하부 구조물은, 상기 관통 홀이 형성되는 중앙부, 상기 중앙부에서 방사상으로 연장되는 복수의 연결부, 및 상기 복수의 연결부의 단부에 각각 결합되어 부력을 생성하는 복수의 폰툰을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 로터의 회전축이 상하 방향으로 배치되도록 나셀을 회전시킨 후 지지타워를 하향 이동시킴으로써, 고소 작업 또는 해상 크레인의 도움 없이도 작업자가 하부 구조물 상에서 로터, 나셀 등의 해체 및 유지보수 작업을 할 수 있고, 설치 작업도 역순으로 용이하게 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전기를 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 제1 작동 예이고,
도 3 및 도 4는 도 1의 제2 작동 예이고,
도 5는 도 1의 부유식 해상 풍력발전기의 제어부를 도시한 블록다이어그램이고,
도 6은 도 1의 상하이송부의 일 예를 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어는, 명백히 다른 의미로 정의되어 있지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 단지 특정 실시 예를 설명하기 위한 것으로 볼 것이지 본 발명을 제한하고자 하는 의도가 있는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 특별한 기재가 없는 한 복수형도 포함하는 것으로 볼 것이다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 기재된 경우, 해당 부분은 다른 구성요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미한다.

또한, 어떤 구성요소 "상"으로 기재된 경우, 해당 구성요소의 위 또는 아래를 의미하고, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결" 또는 "결합"된다고 기재된 경우, 해당 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 결합되는 경우뿐만 아니라, 해당 구성요소가 또 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결 또는 결합되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 어떤 구성요소를 설명하는데 있어서 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있지만, 이러한 용어는 해당 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등을 한정하고자 하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전기를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 제1 작동 예이고, 도 3 및 도 4는 도 1의 제2 작동 예이고, 도 5는 도 1의 부유식 해상 풍력발전기의 제어부를 도시한 블록다이어그램이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 부유식 해상 풍력발전기(10)는 로터(100), 나셀(200), 지지타워(300), 회전구동부(400), 하부 구조물(500) 및 상하이송부(600)를 포함할 수 있고, 컨트롤러(700) 및/또는 제어부(800)를 더 포함할 수도 있다.

로터(100)는 허브(110), 및 허브(110)에서 방사상으로 연장되는 복수의 블레이드(120)를 포함할 수 있다.

로터(100)는 제1 회전축(130)을 통해 나셀(nacelle)(200)에 회전 가능하게 결합될 수 있다.

나셀(200)은 지지타워(300)에 수평 방향의 제2 회전축(420)을 중심으로 회전 가능하게 결합될 수 있다. 제2 회전축(420)은 제1 회전축(130)과 수직한 방향일 수 있다.

따라서, 로터(100)의 제1 회전축(130)은 나셀(200)의 회전에 따라 수평 방향(도 1 참조) 및 상하 방향(도 2 참조)으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 회전축(130)은 풍력발전 시에는 X축 방향으로 배치되되 유지보수 시에는 Z축 방향으로 배치될 수 있고, 제2 회전축(420)은 Y축 방향으로 배치될 수 있다. 여기서, X축 및 Y축 방향은 서로 수직한 수평 방향일 수 있고, Z축 방향은 X축 및 Y축 방향에 수직한 상하 방향일 수 있다.

나셀(200) 내에는 제1 회전축(130)의 회전에 따라 전기를 생산하는 발전기(미도시)가 탑재될 수 있다.

지지타워(300)는 상하 방향으로 연장되어 지지타워(300)의 상단에 배치된 나셀(200)을 지지할 수 있고, 하부 구조물(500)에 상하 방향으로 이동 가능하게 결합될 수 있다.

지지타워(300)는 원통 또는 트러스 형상일 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

회전구동부(400)는 지지타워(300)에 탑재되어 제2 회전축(420)을 중심으로 나셀(200)을 회전시킬 수 있다.

예를 들어, 회전구동부(400)는 나셀(200)에 결합된 제2 회전축(420)을 회전시키는 제1 모터(410)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 나셀(200)은 지지타워(300)의 상면에서 돌출되는 한 쌍의 플레이트부재(310) 사이에 배치될 수 있고, 나셀(200)에 결합된 제2 회전축(420)은 한 쌍의 플레이트부재(310)에 의해 지지되어 지지타워(300)에 탑재된 제1 모터(410)에 의해 회전할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 회전구동부(400)는 공지된 다른 종류의 회전구동장치를 포함할 수도 있다.

한편, 한 쌍의 플레이트부재(310)는 지지타워(300) 상에 안착되는 회전프레임에 형성될 수 있고, 회전프레임은 지지타워(300)에 탑재된 모터 등에 의해 상하 방향의 제3 회전축을 중심으로 회전할 수 있다. 따라서, 회전프레임 및 회전프레임에 탑재된 나셀(200)은 바람 방향에 따라 최적의 발전 효율을 낼 수 있도록 회전할 수 있다.

하부 구조물(500)은 풍력발전기(10)가 해수면(S) 상에 부유할 수 있도록 부력을 생성할 수 있다.

하부 구조물(500)에는 지지타워(300)가 상하 방향으로 이동 가능하게 결합될 수 있다.

예를 들어, 하부 구조물(500)은 지지타워(300)가 상하 방향으로 이동 가능하게 결합되는 중앙부(510), 중앙부(510)에서 방사상으로 연장되는 복수의 연결부(520), 및 복수의 연결부(520)의 단부에 각각 결합되어 부력을 생성하는 복수의 폰툰(pontoon)(530)을 포함할 수 있다.

연결부(520)는 블레이드(120)와 동일한 개수일 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

복수의 폰툰(530)은 중앙부(510) 및 복수의 연결부(520), 특히 중앙부(510)가 해수면(S)으로부터 상향 이격 배치되기에 충분한 부력을 생성할 수 있다. 따라서, 후술하는 것처럼 중앙부(510)에 설치된 상하이송부(600)가 해수면(S)에 잠기는 것을 방지할 수 있다.

하부 구조물(500)의 상부 데크는 로터(100), 나셀(200) 등의 설치, 해체, 유지보수 등의 작업 공간을 제공할 수 있다.

또한, 하부 구조물(500)의 상부 데크 상에는 외부 크레인의 도움 없이도 타워 조립이 가능할 수 있도록 스키딩 시스템(skidding system)과 같은 설비가 구비될 수도 있다.

또한, 하부 구조물(500)의 상부 데크 상에는 지지타워(300)의 하강 시 복수의 블레이드(120)가 안착될 수 있는 복수의 블레이드 레스트(blade rest)(540)를 구비될 수도 있다.

블레이드 레스트(540)는 연결부(520) 상에 배치될 수 있고, 연결부(520)에 탈부착 가능하게 결합되어 필요 시에만 설치될 수도 있다.

상하이송부(600)는 유압 또는 전기를 이용하여 지지타워(300)를 상하 방향으로 이송할 수 있다.

컨트롤러(700)는 회전구동부(400) 및 상하이송부(600)의 동작 신호를 입력 받을 수 있다.

제어부(800)는 컨트롤러(700)에서 입력 받는 동작 신호에 따라 회전구동부(400) 및 상하이송부(600)를 구동하는 제어 신호를 생성할 수 있다.

예를 들어, 작업자는 컨트롤러(700)를 조작하여 도 2에 도시된 것처럼 나셀(200)을 회전시킨 후 도 3에 도시된 것처럼 지지타워(300)를 하강시킬 수 있으며, 블레이드(120)가 수평 방향으로 연장되도록 누운 상태에서 하부 구조물(300)의 상부 데크 상에서 로터(100), 나셀(200) 등의 해체 또는 유지보수 작업을 수행할 수 있다. 또한, 작업자는 로터(100), 나셀(200) 등의 설치 또는 유지보수 작업 후에는 컨트롤러(700)를 조작하여 지지타워(300)를 상승시킨 후 나셀(200)을 회전시켜 원상태로 복원시킬 수도 있다.

한편, 컨트롤러(700) 및 제어부(800)는 작업자가 용이하게 조작할 수 있도록 하부 구조물(500)에 탑재될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 6은 도 1의 상하이송부의 일 예를 도시한 단면도이다.

도 6을 참조하면, 상하이송부(600)는 제2 모터(610), 피니언 기어(620) 및 랙 기어(630)를 포함할 수 있다.

제2 모터(610)는 하부 구조물(500)에 탑재될 수 있다.

피니언 기어(620)는 랙 기어(630)에 치합되어 제2 모터(610)에 의해 회전할 수 있다.

랙 기어(630)는 지지타워(300)의 외주면에 상하 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 따라서, 제2 모터(610)의 회전 방향에 따라 지지타워(300)는 상향 또는 하향 이동할 수 있다.

그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 상하이송부(600)는 전기 또는 유압 등을 이용한 공지된 다른 종류 이송장치를 포함할 수도 있다.

상하이송부(600)는 도면에 도시된 것과 같이 하부 구조물(500) 상에 탑재될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 하부 구조물(500) 내에 탑재될 수도 있다.

한편, 하부 구조물(500)은 하부 구조물(500)을 상하 방향으로 관통하는 관통 홀(510a)을 구비할 수 있고, 지지타워(300)는 관통 홀(510a)을 통해 하향 이동할 수 있다.

즉, 지지타워(300)는 관통 홀(510a) 내에 배치될 수 있고, 관통 홀(510a)은 지지타워(300)의 상하 이동 통로를 제공할 수 있다.

따라서, 지지타워(300)의 하부는 하부 구조물(500)을 통과하여 해수면 아래까지 잠기도록 하강할 수 있고, 나셀(200)은 하부 구조물(500)의 상부 데크에 최대한 근접하게 하강할 수 있으며, 최대로 하강한 지지타워(300)의 하부를 수용하기 위한 공간을 확보하기 위하여 하부 구조물(500)의 두께를 불필요하게 증가시킬 필요를 없앨 수 있다.

또한, 지지타워(300)의 외주면은 관통 홀(510a)의 내주면에 의해 지지될 수 있고, 랙 기어(630)는 지지타워(300)의 외주면이 관통 홀(510a)의 내주면에 충분히 밀착되어 안정적으로 지지될 수 있도록 지지타워(300)의 외주면에 상하 방향으로 형성된 홈 내에 배치될 수도 있다.

한편, 관통 홀(510a)은 중앙부(510)와 해수면(S) 사이의 빈 공간에 연결될 수 있다. 따라서, 중앙부(510)의 일부 또는 전부가 해수에 잠겨 관통 홀(510a) 내에 해양 조류 등이 퇴적됨으로써 지지타워(300)의 상하 이동을 방해하는 것을 예방할 수도 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 기술사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 실시 예를 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

10: 풍력발전기 100: 로터
110: 허브 120: 블레이드
130: 제1 회전축 200: 나셀
300: 지지타워 310: 플레이트부재
400: 회전구동부 410: 제1 모터
420: 제2 회전축 500: 하부 구조물
510: 중앙부 510a: 관통 홀
520: 연결부 530: 폰툰
540: 블레이드 레스트 600: 상하이송부
610: 제2 모터 620: 피니언 기어
630: 랙 기어 700: 컨트롤러
800: 제어부

Claims (5)

1. 허브, 및 상기 허브에서 방사상으로 연장되는 복수의 블레이드를 포함하는 로터;
   상기 로터가 회전 가능하게 결합되는 나셀;
   상기 나셀이 수평 방향의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 결합되는 지지타워;
   상기 지지타워에 탑재되어 상기 나셀을 회전시키는 회전구동부;
   상기 지지타워가 상하 방향으로 이동 가능하게 결합되고, 해상에 부유하는 하부 구조물; 및
   상기 지지타워를 상하 방향으로 이동시키는 상하이송부를 포함하는 부유식 해상 풍력발전기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 로터의 회전축은 상기 나셀의 회전에 따라 수평 방향 및 상하 방향으로 배치되는 부유식 해상 풍력발전기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 하부 구조물은 상기 복수의 블레이드가 안착되는 복수의 블레이드 레스트를 구비하는 부유식 해상 풍력발전기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 하부 구조물은 상기 하부 구조물을 상하 방향으로 관통하는 관통 홀을 구비하고,
   상기 지지타워는 상기 관통 홀을 통해 하향 이동하는 부유식 해상 풍력발전기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 하부 구조물은, 상기 관통 홀이 형성되는 중앙부, 상기 중앙부에서 방사상으로 연장되는 복수의 연결부, 및 상기 복수의 연결부의 단부에 각각 결합되어 부력을 생성하는 복수의 폰툰을 포함하는 부유식 해상 풍력발전기.

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