KR20230135644A - 풍력 발전 플랜트 - Google Patents

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KR20230135644A
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Abstract

반잠수식 풍력 플랫폼(13)은 타워(1) 및 타워를 안정시키기 위한 복수의 아암(6)을 포함하며, 각 아암은 고정력을 겪는 플로트(11)를 갖는다. 각 아암(6)은 타워(1)의 일부와 함께 삼각형을 형성하는 2개의 세장형 요소(8, 9)로 구성되며, 세장형 요소들 중 적어도 하나는 현수선 요소를 포함한다.

Description

풍력 발전 플랜트
본 발명은 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한 부유식 풍력 발전 플랜트에 관한 것이다. 특히 본 발명은 안정된 위치 및 배향으로 바다에 계류되기 위한 풍력 발전기를 포함하는 부유식 플랫폼에 관한 것이다. 특히, 풍력 발전 플랜트는 반잠수식 플랫폼을 포함한다.
풍력 터빈은 바람의 운동 에너지를 기계적 에너지(이 기계적 에너지는 그 후 전기 에너지로 변환됨)로 변환시키는 회전 기계를 포함한다. 풍력 터빈은 해상 설치뿐만 아니라 육상 기반 설치를 위해 개발되었다. 가장 일반적인 풍력 터빈은 수평으로 배열된 메인 로터 샤프트를 갖고 있다. 풍력 터빈은 바람을 향하는 수평 로터 샤프트를 갖고 있다. 수평축 풍력 터빈은 일반적으로 타워 및 타워의 최상부에 연결된 전기 발전기를 갖고 있다. 발전기는 직접적으로 또는 기어박스를 통해 허브 조립체 및 터빈 블레이드에 연결될 수 있다.
풍력 터빈은 해상 적용 분야에도 사용되고 있다. 긴 해상 타워 시스템이 해저에 장착되기 때문에, 이는 일반적으로 최대 30m의 얕은 수심으로 제한된다. 그러나 더 나은 안정성을 위해 프레임워크 구조물과 같은 더 넓은 베이스를 사용함으로써 얕은 깊이 요구 사항이 확장될 수 있지만 단지 미미하게 확장된다. 더 깊은 물에서는 부유식 시스템만이 경제적으로 실행 가능한 것으로 예상된다. 해상 풍력 에너지를 완전히 활용하기 위해 심해에 대한 경제적인 해결책을 찾는 것이 필요하다. 얕은 수원은 제한되어 있으며 해상 풍력 자원의 일부만을 나타낸다. 해안에 가까운 풍력 터빈은 또한 해안 경관을 차단할 수 있으며 항행 방해물과 수상 선박 및 항공기에 대한 잠재적인 위험을 발생시킬 수 있다.
해상 부유식 풍력 터빈 플랫폼에 대한 다수의 개념이 알려져 있다. 일반적으로 이 개념들은 3개의 주요 카테고리: 스파스(spars); 텐션 레그 플랫폼(TLP); 및 반잠수식 시스템으로 나누어진다.
반잠수식 시스템은 해수면을 관통하는 복수의 부력 요소에 의해 균형 상태에서 유지되는 안정화 수중 구조물에 타워를 운반하는 풍력 발전기를 포함한다. 다양한 유형의 해상 풍력 터빈 구조물을 비교할 때 파도와 바람에 의해 유도된 움직임이 고려해야 할 유일한 성능 요소는 아니다. 경제성은 중요한 역할을 한다. 따라서 제조, 설치, 시운전 비용 및 유지 관리 방법론에 대한 접근의 용이성을 신중하게 연구하는 것이 중요하다. 얕은 흘수(draught) 그리고 작동 및 운송 조건에서 우수한 안정성을 갖춘 반잠수식 개념은 견인, 설치 및 시운전하기가 훨씬 저렴하다.
부유체 풍력 발전 디바이스 및 부유체 풍력 발전 디바이스를 고정하기 위한 방법이 EP 2789848B1(Komatsu)로부터 이미 알려져 있다. 풍력 발전 디바이스의 목적은 부유체에 작용하는 표류력 또는 회전 모멘트에 대하여 부유체를 안정적으로 고정시키는 것이 가능한 부유체 풍력 발전 디바이스를 제공하는 것이다. 풍력 발전 디바이스는 풍력 발전기와 부유체를 포함한다. 또한 디바이스는 주 바람 방향의 바람이 불어오는 쪽에 위치되고 그 위에 풍력 발전기가 설치되는 제1 컬럼을 포함한다. 제1 컬럼보다 주 바람 방향의 더 바람이 불어가는 쪽에 위치된 제2 컬럼과 제3 컬럼은 2개의 로우어 선체(rower hull)로 제1 컬럼에 연결된다. 다수의 앵커링 케이블은 부유체를 앵커에 연결한다. 복수의 앵커링 케이블 중 적어도 2개는 제1 컬럼에 연결된다. 복수의 앵커링 케이블 중 적어도 하나는 제2 컬럼 및 제3 컬럼에 각각 연결된다. 복수의 앵커링 케이블의 각각은 평면에서 볼 때 교차하지 않도록 부유체로부터 반경 방향으로 연장되어 위치된다.
해상 풍력 터빈의 지지를 위한 비대칭 앵커링 시스템 및 물-엔트랩먼트 플레이트(waterenttrapment plate)를 갖는 컬럼-안정화된 해상 플랫폼이 US8,471,396 (Roddier)로부터 이전에 알려져 있다. 부유식 풍력 터빈 플랫폼은 수평 메인 빔으로 서로 결합되는 3개의 컬럼을 포함하는 부유 프레임을 포함한다. 풍력 터빈 타워는 타워 지지 컬럼의 최상부에 장착되어 시스템 구성을 단순화시키고 구조적 강도를 향상시킨다. 터빈 블레이드는 타워의 최상부에서 회전하는 나셀(nacelle)에 연결된다. 터빈의 기어박스 발전기 및 기타 전기 기어는, 전형적으로 나셀에 장착될 수 있거나, 타워의 하부 또는 타워 지지 컬럼의 최상부에 장착될 수 있다. 부유 프레임은 컬럼들 사이의 물을 펌핑하여 풍속에 관계없이 타워를 수직 정렬 상태로 유지시키는 물 밸러스트 시스템을 포함한다. 파도로 인한 부유 프레임의 회전 운동을 최소화하기 위해 컬럼의 최하부에 물-엔트랩먼트가 장착된다. 플랫폼은 각 컬럼으로부터의 앵커 케이블에 의하여 해저에 연결된다.
유연한 수상 서브구조물이 WO2019/152477(Sirnivas)로부터 이전에 알려져 있다. 풍차 타워를 운반하기 위한 부유식 플랫폼의 복수의 실시예가 제시된다. 설명에 의해 가장 잘 이해되는 바와 같이, 도 4a에서 설명된 예는 바람직한 실시예이다. 지정된 실시예는 종단들에 컨테이너를 갖는 3개의 암에 의해 지지되는 컬럼을 보여주고 있다. 각 아암은 빔 및 와이어 시스템으로 설계된다. 빔은 컬럼에 용접되거나 연결되며 그의 외부 종단에 부력 컨테이너를 갖는다. 빔의 외부 종단은 2개의 와이어로 컬럼의 상부 종단에 연결되며 타워의 정반대의 측면들에서 2개의 와이어로 컬럼의 하부 종단에 연결된다. 부력 컨테이너는 가스가 들어 있는 부유식 탱크를 포함한다. 타워와 장비의 무게는 각 아암의 외측 종단에 있는 다수의 부력 컨테이너와 균형을 이룬다.
보여진 실시예에서, 와이어는 프리스트레스(prestressed)되며 따라서 빔에 압력 하중을 행사한다. 대형 서브구조물의 경우 이 압력은 거대할 수 있으며 서브구조물이 바람과 파도로부터 하중을 받을 때 심지어 더 클 수 있다.
따라서 빔은 매우 안정적이면서 따라서 무겁게 만들어져야 한다. 빔은 자신의 사하중(dead weight)을 지탱할 수 있어야 할 뿐만 아니라 길이 방향 압력으로 인한 좌굴 파열에 저항할 수 있어야 한다. 매우 큰 서브구조물의 경우 빔의 치수는 매우 큰 횡단면으로 이어질 것이기 때문에 다루기 힘들 수 있다. 문헌에 제시된 서브구조물에 따르면, 이러한 해결책 또는 설계는 문헌에서 논의되거나 심지어 언급되지 않는다.
본 발명의 주요 목적은 해상에 고정된 부유식 풍력 플랫폼을 개선하는 방법을 모색하는 것이다. 특히 본 발명은 타워 및 복수의 안정화 아암을 포함하는 경량의 부유식 풍력 플랫폼을 개선하는 방법을 모색한다.
이 목적은 본 발명에 따라 독립청구항 1항의 특징을 특징으로 하는 부유식 풍력 플랫폼에 의하여 또는 독립청구항 9항의 단계를 특징으로 하는 방법에 의하여 달성된다. 바람직한 실시예는 종속청구항에 설명된다.
본 발명에 따르면, 부유식 풍력 플랫폼의 각 안정화 아암은 2개의 연장된 요소 및 타워의 일부로 구성된 삼각형 구조물을 포함한다. 각 아암은 플로트를 포함한다. 세장형 요소들 중 적어도 하나는 현수선(catenary) 요소를 포함한다. 현수선 요소는 완벽하게 유연하지만 견인력을 전달할 수 있고 2개의 고정된 지점에 자유롭게 매달려 있는, 균일한 밀도와 횡단면의 코드로 가정된 곡선으로 규정된다.
본 발명의 실시예에서, 각 아암의 2개의 세장형 요소는 제1 세장형 요소와 제2 세장형 요소를 포함한다. 실시예에서 제1 세장형 요소는 현수선 요소를 포함한다. 현수선 요소는 와이어, 로프, 라인, 케이블, 튜브, 호스 또는 인장력에 저항할 수 있는 임의의 요소를 포함할 수 있으며 또한 바람직하게는 금속, 플라스틱, 복합 섬유 등으로 만들어질 수 있다. 실시예에서, 제2 세장형 요소는 스트러트 요소를 포함한다. 스트러트 요소는 빔, 프레임워크 등을 포함할 수 있다. 스트러트 요소는 정의상 압축에 저항하도록 설계되지만 인장력에도 저항할 수 있다. 따라서 빔과 같은 스트러트 요소는 자신의 사하중만 지탱하도록 치수화될 수 있다. 따라서 이러한 빔은 가느다란 디자인(slender design)을 포함할 수 있다.
플랫폼은 바다에서 고정되거나 계류될 수 있으며 타워를 안정시키기 위해 아암 방향으로 각 플로트에 영향을 미치는 고정력을 이용한다. 따라서 각 플로트에 작용하는 충분한 고정력에 의하여, 양 세장형 요소는 신장된 상태로 유지되며, 그에 의하여 타워의 수직 정렬을 지속시킨다. 타워는 그의 최하부에 메인 플로트를 포함한다. 각 아암은 그의 원위 종단에 플로트를 포함한다. 각 플로트는 공기와 물의 혼합물로 채워질 수 있는 컨테이너를 포함하여 부력을 조절한다. 실시예에서, 플로트의 최하부 부분은 밸러스트를 포함하여 플로트를 수직 방향으로 안정시킨다. 밸러스트는 철광석과 같은 고밀도의 웨이트를 포함할 수 있다. 따라서 타워의 메인 플로트와 아암의 플로트의 부력의 균형을 맞춤으로써 플랫폼은 바다에서의 안정적인 구조물을 취할 수 있다.
컨테이너에 공기를 채움으로써 또는 물을 밖으로 펌핑함으로써 부력이 증가할 것이며 플로트는 바다에서 그의 위치가 올라갈 것이다. 대안적으로, 플로트는 물에 가만히 있을 것이지만, 더 큰 힘에 저항할 것이다. 따라서 메인 플로트의 부력을 증가시키고 플로트의 부력을 감소시킴으로써, 제1 세장형 요소의 인장력은 증가하며, 그에 의하여 타워를 직립 위치에서 유지시킨다. 실시예에서, 플로트는 플러밋(plummet)으로서의 역할을 할 것이다. 메인 플로트와 플로트의 부력을 조절함으로써, 플랫폼의 높이 위치는 운반 위치에서 플랫폼이 반잠수되는 작동 위치로 조정될 수 있다.
실시예에서, 스트러트 요소는 내부 캐비티를 갖는 빔을 포함한다. 실시예에서, 이 캐비티는 물과 공기의 혼합물을 담고 있다. 플랫폼이 반잠수 작동 위치에 있을 때, 스트러트 요소는 수면 아래에 위치된다. 이 위치에서, 물과 가스의 혼합물은 부력이 스트러트 요소의 무게에 대응하도록 조절될 수 있다. 따라서 부력을 갖고 스트러트를 따라 압력을 갖지 않는 수중 스트러트는 스트러트 요소의 디자인이 매우 얇을 수 있다. 수중 위치에서, 스트러트 요소는 파도로부터의 슬래밍 력의 영향을 덜 받을 것이다. 실시예에서, 빔은 2개의 대향 원뿔을 포함한다.
모든 세장형 요소를 신장된 상태로 유지시키기 위해, 앵커로부터의 인장력은 제1 및 제2 세장형 요소의 힘보다 클 수 있다. 앵커의 힘 벡터는 수직 성분과 수평 성분으로 분할될 수 있다. 수직 성분은 플로트의 부력에 의해 균형을 이룬다. 수평 성분은 제1 및 제2 세장형 요소를 따라 벡터에 의해 균형을 이룬다. 본 발명에 따르면, 세장형 아암을 갖는 부유식 플랫폼의 임의의 실현 가능한 설계는 가능한 디자인은 고정력을 증가시킴으로써 균형을 이룰 수 있다.
각 힘이 벡터로 표현되는 시력도에 대한 연구는 고정력의 수평 성분이 제1 및 제2 세장형 요소의 수평 성분과 같아야만 한다는 것을 보여준다. 시력도는 타워의 부력 효과가 폴리곤(polygon)의 힘과 균형을 이룰 수 있다는 것을 더 보여준다. 그러나 고정력이 클수록 타워의 부력에 미치는 영향은 적다. 따라서 충분한 고정력과 방향을 적용함으로써, 제1 및 제2 세장형 요소의 각각은 인장력에만 노출될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 플로트는 세장형 컨테이너를 포함한다. 컨테이너는 부분적으로 가스로 채워지며 부분적으로 부유 매체로 채워진다. 기체는 편리하게는 공기를 포함할 수 있고 부유 매체는 물을 포함할 수 있다. 실시예에서, 컨테이너는 컨테이너 내의 또는 컨테이너 밖으로의 공기를 조절하기 위한 밸브를 포함한다. 컨테이너의 가스 부분을 조절함으로써 플로트의 부력은 물론 바다에서의 잠수 위치가 제어된다. 실시예에서, 플로트는 수직 위치에서 플로트를 유지시키기 위해 최하부 부분에 밸러스트 웨이트를 포함한다. 이 웨이트는 바람직하게는 물보다 더 큰 밀도를 가져야 한다. 실시예에서, 밸러스트 웨이트는 철광석을 포함할 수 있다. 편리하게, 예인선은 공기 펌프 시설을 갖추고 있어 현장에서 플로트의 가스 체적을 조절 또는 조정한다.
작동 위치에 도달하기 위해 플랫폼은 작동 레벨까지 바다에 잠긴다. 이 작동 레벨에서, 파도에 의해 야기된 상하동요 이동을 줄이기 위하여 플로트들의 모아진 단면적들은 최소화된다. 수중 작동 레벨은 플로트 내로 물을 채움으로써 달성된다. 플로트의 체적은 작동 위치에 도달하기 위해 부분적으로만 채워질 필요가 있도록 할 정도이다. 그러나 플로트는 수면을 통해 위로 돌출하도록 수직 방향으로 충분히 세장형일 필요가 있다. 플로트의 디자인은 아르키메데스 원리를 이용한다. 따라서 아래로 이동할 때 이는 변위된 물의 체적과 동일한, 위를 향하는 힘을 겪을 것이다. 위로 이동할 때 이는 변위된 물의 체적과 동일한, 아래로 향하는 힘을 겪을 것이다.
3개의 아암이 타워 주위에 대칭적으로 펼쳐져 있기 때문에 항상 타워의 반대 측면들에 동일한 양의 안정력이 있을 것이다. 이런 이유로, 타워가 풍력으로 인해 기울어지는 경향이 있을 때 바람이 불어가는 쪽의 플로트는 상승력을 발휘할 것이며 동시에 바람이 불어오는 쪽의 플로트가 견인력을 발휘한다. 따라서 임의의 주어진 순간에, 타워의 각 측면에 있는 플로트는 반대 힘들을 발휘하여 타워를 직립 위치에 놓을 회전 효과의 결과를 초래할 것이다.
따라서 타워를 직립 위치에서 유지시키기 위하여 필요한 안정력은 타워의 부력과 플로트의 부력에 의해 제공된다. 또한 고정력은 타워를 안정화시키는데 도움을 준다. 실시예에서, 플로트의 부력은 음의 값이다. 실시예에서, 타워의 부력은 플로트가 아암에 의하여 물 속에서 들어 올려지도록 할 정도이다. 따라서 이 실시예에서, 플로트는 플러밋(plummet)의로서의 역할을 한다. 이는 현수선 요소인 제1 세장형 요소의 인장력을 증가시킨다.
작은 횡단면적을 사용함으로써, 물의 임프린트(imprint)는 작을 것이며, 따라서 낮은 상하동요 움직임으로 플랫폼을 부드럽게 거동시킬 것이다. 플로트가 평형 상태로부터 바다에서 상하로 이동하고 있을 때 변위된 물 체적은 부력을 유발할 것이다. 따라서 플로트가 위로 이동하고 있을 때, 부력은 아래로 향하며 그 반대도 마찬가지이다. 이 힘은 횡단면적이 스프링 상수인 스프링처럼 작용한다.
운영 현장에서, 플랫폼은 플로트에 연결된 복수의 앵커 케이블에 의해 계류되거나 고정된다. 수평 평면과의 앵커 케이블의 각도는 작다. 실시예에서, 플로트를 향하는 앵커 케이블의 배향은 거의 수평이다. 따라서 앵커 케이블은 팽팽하게 신장되며 각 플로트에 심한 인장력을 가한다. 본 발명에 따르면, 이러한 거의 수평적인 인장력은 인장 저항 요소만을 사용하여 타워를 안정시키기에 충분하다. 따라서 각 아암에 대해 고정력은 제1 및 제2 세장형 요소의 인장력에 의해 균형을 이룬다. 고정력의 수평 성분은 아암의 제1 및 제2 세장형 요소로 나누어진다. 따라서 3개의 아암을 갖는 플랫폼은 3개의 앵커에 의해 고정될 수 있으며 빔과 같은 압력 저항 요소를 사용하지 않고도 안정적일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 타워는 선회 나셀(nacelle)을 운반하는 중공 구조물을 포함하며 또한 메인 플로트를 포함한다. 메인 플로트는 편리하게는 타워의 하부 종단에 위치되며 공기와 물의 혼합물을 담고 있다. 실시예에서 타워는 부분적으로 프레임워크 구조물이다. 메인 플로트는 바람직하게는 발전기와 로터뿐만 아니라 타워 및 그의 장비의 중량을 견디도록 설계된다. 메인 플로트 내의 공기 일부를 비우고 이를 물로 교체함으로써 플랫폼의 잠수 위치가 달성될 수 있다. 그에 의하여 각 플로트는 그의 자체 중량, 타워의 일부 및 앵커로부터의 힘의 수직 성분만을 견딜 필요가 있다. 플로트 내로 그리고 밖으로 공기 또는 물을 펌핑함으로써 아암은 균형을 이루어 플랫폼의 정상 작동 위치에서 상부 세장형 요소의 사전 결정된 인장력을 달성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 타당한 절충안은 아암을 대략 타워의 높이만큼 길게 만드는 것이다. 본 발명의 실시예에서, 플로트는 원통형 형상을 포함한다. 실시예에서, 플로트 또는 플로트의 부분은 원추형 또는 펀넬 형상을 포함한다. 이러한 설계에 의하여, 횡단면적은 플로트의 잠수에 의하여 증가할 것이며, 따라서 비선형 증가 포어(fore)의 결과로 이어진다. 이러한 설계는 효과적으로 감쇠 역할을 할 것이다.
부유식 풍력 플랫폼의 설치, 운반 및 서비스를 위하여, 앵커 케이블로부터의 생략된 힘이 보상될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 보조 또는 임시 스트러트 요소는 타워와 플로트 사이에 위치된다. 실시예에서 하부 세장형 요소는 가는 스트러트 요소를 포함한다. 임의의 스트러트 요소는 인장력에 저항하는 데 적합하다. 스트러트 요소는 또한 정의상 압력에 저항할 수 있다. 그러나 본 경우에, 스트러트 요소는 프리스트레스되지 않거나 큰 압력의 영향을 받지 않는다. 본 발명에 따르면, 이러한 스트러트 요소는 힘이 작을 때 운반 중에 타워를 안정시키기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 플로트는 도킹 수단을 포함한다. 이 실시예에서, 부유식 플랫폼은 고정식 계류 시스템에 계류하기에 적합하도록 만들어진다. 계류 시스템은 바다에 고정된 다수의 부유식 계류 요소를 포함한다. 편리하게도 계류 시스템은 부유식 플랫폼의 플로트 수와 동일한 수의 계류 요소를 포함한다. 부유식 플랫폼을 계류할 때 플로트들의 각각은 계류 요소 앞에 위치된다. 도킹 수단을 사용함으로써, 각 플로트와 계류 요소가 함께 단단하게 연결되어 단일체를 형성한다. 플로트와 계류 요소를 도킹시킴으로써, 계류 요소는 아암에 의해 타워를 안정시키는 플로트의 일체형 부분일 수 있다. 이 실시예에 의해 플랫폼의 플로트는 운반 중에만 안정력을 제공하도록 설계될 수 있지만 조합된 플로트와 계류 요소는 계류 요소의 도움에 의하여 모든 기상 조건에서 플랫폼을 안정시킬 수 있다. 결합된 플로트와 계류 요소는 모든 고정력을 전달한다.
제1 양태에서, 본 목적은 타워 및 타워를 안정시키기 위한 복수의 아암 -각 아암은 고정력을 겪는 플로트를 가짐-을 포함하는 반잠수식 풍력 플랫폼에 의해 달성되며, 여기서 각 아암은 타워의 일부와 함께 삼각형을 형성하는 2개의 세장형 요소로 구성되며, 세장형 요소들 중 적어도 하나는 현수선 요소를 포함한다. 추가 양태에서, 각 플로트는 플로트 길이의 10 내지 20% 범위 내의 횡단면을 갖는 원통을 포함하는 중간 부분을 포함하는 세장형 컨테이너를 포함하며, 제1 세장형 요소는 현수선 요소를 포함하고, 제2 세장형 요소는 현수선 요소를 포함하며, 제2 세장형 요소는 스트러트 요소를 포함하고, 스트러트 요소는 공기로 채워진 세장형 컨테이너를 포함하며, 타워는 단축 수단을 포함하고 아암은 단축 수단에 의하여 짧아져 앵커 케이블에서의 또는 세장형 요소에서의 처짐을 방지하며, 또한 플로트는 계류 시스템의 도킹 가능한 계류 요소와 도킹하기 위한 수단을 포함한다.
제2 양태에서, 본 목적은 타워 및 복수의 아암 -타워는 메인 플로트를 포함하고 각 아암은 고정력을 겪는 플로트를 포함함-을 갖는 반잠수식 풍력 플랫폼을 설계하는 방법에 의하여 달성되며, 여기서 각 아암은 2개의 세장형 요소와 타워의 일부로 구성된 삼각형을 포함하도록 형성되며 적어도 하나의 세장형 요소는 현수선 요소가 되도록 설계된다. 추가 양태에서, 본 방법은 플로트의 최하부에 플로트를 안정시키기 위한 밸러스트 웨이트를 제공하는 것, 세장형 컨테이너를 포함하도록 각 플로트를 설계하는 것, 및 바다에서의 사전 결정된 부유 높이를 달성하기 위해 컨테이너를 공기와 물의 혼합물로 채우는 것을 더 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 숙련된 자에게 더욱 명백해질 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 부유식 풍력 플랫폼의 측면도이다.
도 2는 부유식 풍력 플랫폼의 평면도이다.
도 3은 플로트에 작용하는 힘의 벡터도 및 시력도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 부유식 풍력 플랫폼의 측면도이다.
도 5는 계류 시스템의 계류 요소와 도킹하기 위한 부유식 플랫폼의 아암의 측면도이다.
본 발명에 따른 부유식 풍력 플랫폼(13)이 도 1 및 도 2에서 도시되어 있다. 플랫폼은 선회 나셀(nacelle)(2)에 수용된 풍력 발전기를 운반하는 타워(1)를 포함한다. 발전기는 복수의 블레이드(4)를 갖는 로터가 있는 허브(3)를 포함한다. 보여지는 실시예에서, 로터는 3개의 블레이드를 갖고 있지만 본 발명에 따르면 임의의 수의 블레이드가 있을 수 있다. 플랫폼은 복수의 안정화 아암(6)을 더 포함한다. 타워는 메인 플로트(5)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 3개의 아암이 보여진다. 각 아암은 제1 세장형 요소(8), 제2 세장형 요소(9) 및 플로트(11)로 구성된다. 보여지는 실시예에서, 세장형 요소는 와이어와 같은 현수선 요소(8)를 포함한다. 플로트(11)는 아암의 원위 종단에 부착된다. 제1 세장형 요소(8)는 플로트에 연결되며 또한 타워의 중간에 있는 제1 연결 지점(14)에서 타워에 연결된다. 제2 세장형 요소(9)는 플로트에 연결되며 또한 제2 연결 지점(15)에서 타워에 연결된다.
도시된 실시예에서, 제2 연결 지점은 아래로 밀릴 수 있는 피스톤 요소(35)를 포함한다. 이동은 유압 펌프에 의해 이루어질 수 있다. 이 하향 돌출된 동작에 의하여, 아암의 길이는 짧아질 수 있다. 부유식 플랫폼이 계류 시스템에 계류되는 실시예에서, 아암 길이의 이 짧아짐은 계류 케이블 및 앵커링 케이블을 조이는 것에 유리할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서 플로트(11)는 세장형 구조물을 포함한다. 플랫폼의 수직 움직임 또는 상하동요(heave) 진동수를 줄이기 위해 플로트(11)의 횡단면적은 작게 유지되어야 한다. 문맥에서의 표현 "작은"은 구조물의 길이의 약 10%를 의미해야 한다. 따라서 플로트의 중앙 부분(22)은 작은 횡단면적을 갖는 세장형 원통을 포함한다. 보여지는 실시예에서, 플로트(11)의 상부 부분은 펀넬(funnel) 형상의 몸체(21)를 포함한다. 이 펀넬 형상의 몸체는 바다 상하동요 상태에서 이동할 때 감쇠 효과를 발휘한다. 도시된 실시예에서, 플로트의 하부 종단은 중앙 부분보다 더 큰 횡단면을 갖는 원통형 몸체(23)를 포함한다. 그러나 원통형 몸체(23)는 중앙 부분(22)과 동일한 치수를 가질 수 있다. 이 몸체는 원형 또는 정사각형 횡단면을 가질 수 있다. 원통형 몸체는 또한 바다 상하동요 상태에서 감쇠 효과를 발휘한다.
플로트의 모든 부분은 균형 목적을 위하여 물과 공기의 혼합물로 채워질 공통 캐비티를 형성한다. 플로트의 최하부 부분은 밸러스트 웨이트(ballast weight)(36)를 포함하여 플로트를 수직 배향으로 안정시킬 수 있다. 실시예에서, 밸러스트는 철광석을 포함한다. 보여지는 실시예에 따르면, 플로트(11)는 앵커링 케이블(25)에 의해 앵커 (보이지 않음)에 고정된다. 실시예에서, 플로트는 고정식 계류 시스템에 계류 또는 도킹하기 위한 장비를 포함한다. 보여지는 실시예에서, 앵커링 케이블은 스팬 배열체(24)에 의해 플로트에 연결된다. 실시예에서, 플로트는 직선형 실린더를 포함한다.
도 2에 도시된 실시예에 따르면, 3개의 아암(6a, 6b 및 6c)은 타워(1) 주위에 대칭적으로 배열되며 앵커링 케이블(25)에 의해 신장된 상태를 유지한다. 플랫폼을 더 안정시키기 위해 각 플로트는 연결 와이어(12)로 서로 연결된다. 연결 와이어에 의해 아암들은 타워 주위에 균등하게 펼쳐진다. 모든 아암(6)이 앵커링 케이블(25)로부터 인장력을 겪기 때문에 타워(1)는 중심 축(C)을 중심으로 회전하는 것이 방해를 받는다. 타워의 배향을 더 안정시키기 위하여, 아암(6a)의 제2 세장형 요소(9)는 메인 플로트(5)의 양 측에서 교차로 연결된 제1 와이어(9a)와 제2 와이어(9b)로 분할된다. 타워 회전 방지 배열체는 또한 아암의 종단과 제1 플로트 사이에 스팬 수단(span means)을 포함할 수 있다.
도 3의 벡터도(vector diagram)는 플로트에 작용하는 주요 힘들을 포함하고 있다. 제1 및 제2 세장형 요소는 타워의 일부와 함께 플로트에 부착된 삼각형 구조물을 형성한다. 모든 힘을 균형 상태로 유지시키기 위하여 앵커로부터의 인장력은 제1 및 제2 세장형 요소의 인장력 그리고 플로트의 부력과 같아야 한다. 또한 타워의 부력 또한 벡터도에 영향을 준다. Fa로 표시된 힘은 앵커링 케이블(25)의 힘을 나타내며, Fb는 플로트(11)의 수직 부력을 나타낸다. F1으로 표시된 힘은 제1 세장형 요소(8)의 인장력을 나타내며, F2는 제2 세장형 요소(9)의 인장력을 나타낸다. 도면에서, 타워의 중력이고 Ft로 표시된 힘 또한 있다. 그러나 타워가 메인 플로트를 포함하고 있기 때문에, 타워의 중력은 0으로 균형을 이룰 수 있다. 보여지는 실시예에서, Ft는 아래를 향하는 것으로 도시된다. 이는 타워가 플로트에 하중 효과를 발휘한다는 것을 의미한다.
도 3의 아래 부분에서, 시력도에서 모든 힘은 연결된다. 각 힘이 벡터로 표현되는 시력도에 대한 연구는 고정력(Fa)의 수평 성분이 제1 및 제2 세장형 요소(F1 및 F2)의 수평 성분과 같아야만 한다는 것을 보여준다. 타워 하중의 영향을 작게 유지되어야 한다는 것이 또한 결론지어질 수 있다. 플로트가 타워의 중량도 견디어야 하는 경우, 시력도는 상부 세장형 요소에 인장력이 전혀 없을 수 있다는 것을 보여준다. 그러나 타워가 저절로 부유하도록 균형을 잡음으로써 시력도는 인장력만이 제1 및 제2 세장형 요소에서 나타난다는 것을 명확하게 보여준다. 따라서 충분한 고정력과 방향을 적용함으로써 제1 및 제2 세장형 요소의 각각은 단독으로 인장력을 겪을 수 있다.
도 4에 따른 본 발명의 실시예에서, 제2 세장형 요소(9)는 스트러트 요소(strut element)(7)를 포함한다. 빔과 같은 스트러트 요소는 압력뿐 아니라 인장력에도 저항할 수 있다. 정상적인 작동에서 제2 세장형 요소(9)에는 압력이 전혀 없거나 작은 압력만이 존재하기 때문에 스트러트 요소는 얇게 만들어질 수 있다. 제2 세장형 요소에는 압력이 존재하지 않지만, 스트러트 요소는 정의상 압력에 저항할 수 있다. 이 능력은 유지 보수 또는 교체를 위해 플랫폼을 운반할 때 매우 편리하다. 스트러트 요소는 물 아래에 위치된다. 이는, 파도로부터의 슬래밍 력(slamming force)가 스트러트 요소에 영향을 미치지 않기 때문에 유리하다. 스트러트 요소의 디자인은 공기로 채워진 캐비티를 포함할 수 있다. 이 공기 포켓의 부력 효과는 스트러트 요소를 물에서 덜 무겁게 만든다. 따라서 스트러트 요소는 매우 얇게 만들어질 수 있다. 보여지는 실시예에서, 스트러트 요소는 2개의 대향하는 원뿔(cones)을 포함하는, 공기가 채워진 컨테이너로서 구성되는 빔을 포함한다.
구조물이 클수록 파력(wave force)에 대하여 구조물이 더 많이 노출된다. 따라서 파도가 발생하는 영역에서 구조물의 노출 표면을 최소화하는 것이 부유식 풍력 발전 플랜트를 위한 좋은 설계 실례일 것이다. 따라서 필요한 부분만 수면에 침투하는 수중 플랫폼은 파도에 의하여 야기된 슬래밍 력을 감소시키는데 유리하다. 본 발명의 실시예에서, 하부 세장형 요소는 물 아래에 위치되며 타워와 3개의 플로트만이 수면 위로 떠오른다. 이 모든 돌출된 구조물을 수평 횡단면에서 작게 유지시킴으로써 전체 플랫폼은 바다에서 침착하게 작용할 것이다.
운반을 위하여, 플로트로부터 물을 비움으로써 플랫폼은 부유 위치로 올려진다. 운반 위치에서, 모든 플로트는 공기로 채워질 것이며 플랫폼은 도 4에서 파선 B로 표시된 높이까지 올라갈 것이다. 운반 중에 플랫폼을 안정시키기 위하여, 도 4에서 보여지는 스트러트 요소(7)가 유용해질 수 있다. 작동 모드에서 스트러트 요소는 인장력만을 받는다. 그러나 온화한 기상 조건에서의 운반을 위하여, 스트러트 요소는 플랫폼을 안정시키기에 충분한 압력 능력을 제공한다. 작동 현장으로 운반되고 있는 플랫폼은 전형적인 방식으로 고정될 수 있거나 사전 위치된 계류 시스템의 계류 요소 세트에 계류될 수 있다. 이러한 경우에 플로트는 이러한 영구 계류 시스템에 계류하기 위한 도킹 수단을 갖추고 있다.
연결 와이어(12)는 분리 가능하며 2개의 아암의 일시적인 각도 회전을 용이하게 하도록 조정될 수 있다. 실시예에서, 2개의 인접한 아암은 타워가 유지보수를 위해 부두에 접근하는 것을 가능하게 하는 직선형 라인으로 다시 돌아갈(resume) 것이다. 실시예에서, 2개의 아암은 접혀져 제1 아암과 바람직하게는 직각을 형성할 수 있으며, 이는 더 짧은 부두에 계류하는 것을 허용한다. 따라서 타워는 안전한 계류 및 유지보수를 위해 부두에 접근하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 부유식 플랫폼은 도 5에서 보여지는 같은 도킹 수단을 갖춘 고정식 계류 시스템에 계류될 수 있다. 보여지는 실시예는 플로트(11) 및 계류 시스템의 계류 요소(19)를 갖는 플로팅 플랫폼(13)의 일부를 도시한다. 부유식 플랫폼은 메인 플로트(5)를 갖는 타워(1), 제1 세장형 요소(8), 제2 세장형 요소(7) 및 플로트(11)를 포함한다. 보여지는 실시예에서, 제1 세장형 요소(8)는 현수식 요소를 포함하며 제2 세장형 요소(7)는 스트러트(strut) 요소를 포함한다. 플로트는 공통 캐비티를 함께 형성하는 펀넬 형상의 몸체(21), 중앙 부분(22) 및 하부 몸체(23)를 포함한다.
플로트(11)와 메인 플로트(5)의 내부 캐비티로부터 물(20)을 비움으로써 부유식 플랫폼은 운반 레벨로 상승된다. 보여지는 실시예에서, 플로트는 후크 형태의 도킹 수단(31)을 포함한다. 계류 시스템은 얇은 원통형 중간 부분(29) 그리고 더 큰 원통형 하부 몸체(30)를 갖는 복수의 계류 요소(19)를 포함한다. 계류 요소는 앵커링 케이블(25) 및 2개의 위치 설정 와이어(26)에 의해 제자리에 유지된다. 와이어와 케이블 모두는 스팬(24)에 의해 계류 요소에 부착된다. 안정화 목적을 위하여, 플로트와 계류 요소 모두는 최하부에 밸러스트 웨이트(ballast weight)(36)를 포함할 수 있다. 도 5에서 보여지는 바와 같이, 계류 요소는 또한 외부 전기 케이블(33)을 내부 전기 케이블(34)과 연결하기 위한 콘택트 수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 플랫폼은 아암을 짧아지게 하기 위한 수단을 포함한다. 도 4 및 도 5에서 보여지는 실시예에서, 타워는 모든 세장형 요소가 연결되는 연결 링(10)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 연결 링은 타워에서 상하 변위 가능하다. 위에서 설명된 바와 같이, 2개의 세장형 요소는 타워와 함께 삼각형을 형성한다. 따라서, 링을 올림으로써 삼각형의 폭은 변경될 것이다. 도 1에서 보여지는 실시예에서, 단축 수단은 메인 플로트(5) 아래로부터 돌출하는 피스톤(35)을 포함한다. 실시예에서, 모든 제2 세장형 요소는 피스톤에 연결되고 따라서 피스톤을 이동시킴으로써 아암의 길이는 조정된다. 이 특성(quality)은 도킹할 때 유용할 수 있다. 따라서 모든 플로트가 계류 요소와 도킹될 때, 아암의 길이는 짧아져 앵커 케이블 또는 세장형 요소의 느슨함을 방지할 수 있다.
계류 요소는 플로트의 도킹 수단(31)에 의해 걸려질 횡단 바 형태의 도킹 수단(32)을 포함한다. 보여지는 실시예에서, 계류 요소는 계류 요소(19)의 공통 캐비티 내로 물(20)을 채움으로써 레벨 B로 낮아진다. 이 위치에서, 계류 요소(19)는 플로트(11)를 수용할 수 있다. 플로트와 계류 요소가 대향하여 위치될 때 도킹 수단은 플로트와 계류 요소의 상대적인 수직 이동에 의해 도킹될 수 있다. 따라서 플로트의 후크는 계류 요소의 횡단 바를 감쌀 수 있다. 플로트와 계류 요소 내의 물(20)의 양의 균형을 맞춤으로써 2개의 요소는 큰 체결력으로 도킹될 수 있다. 실시예에서, 플로트 또는 계류 요소 중 하나는 록킹 수단(미도시)을 포함할 수 있다. 도 5에서 보여지는 바와 같이, 계류 요소는 또한 외부 전기 케이블(33)을 내부 전기 케이블(34)과 연결하기 위한 콘택트 수단을 포함할 수 있다.
부유식 풍력 플랫폼의 경량 구조에 의하여, 구조물은 매우 크게 만들어질 수 있다. 본 발명에 따르면, 로터의 직경은 200m일 수 있다. 제1 플로트를 포함한 타워의 총 높이는 130 내지 150m일 수 있다. 아암의 길이는 90 내지 120m의 범위 내일 수 있다. 따라서 아암과 타워 사이의 비율은 거의 1일 것이다. 플로트의 높이는 25 내지 35m의 범위 내일 수 있으며, 중간 부분의 횡단면은 2 내지 5m의 범위 내일 수 있다. 본 발명에 따르면 플랫폼의 운반 위치는 잠수 위치보다 약 30m 더 높다. 운반 중인 플랫폼의 흘수(draught)는 9미터 미만일 수 있다.
본 발명의 유리한 범위는 제시된 실시예에 의해 제한되어서는 안될 뿐만 아니라 본 기술 분야의 숙련된 자에게 자명한 실시예도 포함하여야 한다. 예를 들어, 3개보다 많은 안정화 아암이 있을 수 있다. 와이어는 우수한 인장 특성을 가진 임의의 종류의 재료를 포함할 수 있다. 플로트는 헬리콥터용 착륙장(landing pad)을 포함할 수 있다. 플랫폼은 복수의 앵커 및 앵커 케이블에 의하여 전형적인 방식으로 임의로 계류될 수 있다. 타워는 변압기, HVDC 설비 및/또는 기타 전기 설비를 포함할 수 있다.

Claims (10)

  1. 타워(1) 및 상기 타워를 안정시키기 위한 복수의 아암(6)을 포함하고, 각 아암이 고정력을 받는 플로트(11)를 가지는, 반잠수식 풍력 플랫폼으로서,
    각 아암(6)은 상기 타워(1)의 일부와 함께 삼각형을 형성하는 2개의 세장형 요소(8, 9)로 구성되며, 상기 세장형 요소들 중 적어도 하나는 현수선(catenary) 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 반잠수식 풍력 플랫폼.
  2. 제1항에 있어서, 각 플로트(11)는 상기 플로트 길이의 10 내지 20% 범위 내의 횡단면을 갖는 원통을 포함하는 중간 부분(22)을 포함하는 세장형 컨테이너를 포함하는 반잠수식 풍력 플랫폼.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 세장형 요소(8)가 현수선 요소를 포함하는 반잠수식 풍력 플랫폼.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 세장형 요소(9)가 현수선 요소를 포함하는 반잠수식 풍력 플랫폼.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 세장형 요소(9)는 스트러트(strut) 요소(7)를 포함하는 반잠수식 풍력 플랫폼.
  6. 제5항에 있어서, 상기 스트러트 요소(7)는 공기로 채워진 세장형 컨테이너를 포함하는 반잠수식 풍력 플랫폼.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타워(1)는 단축 수단(10, 35)을 포함하며, 상기 아암(6)은 상기 단축 수단에 의하여 짧아져 앵커 케이블(25)에서의 또는 상기 세장형 요소(8, 9)에서의 처짐을 방지하는 반잠수식 풍력 플랫폼.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플로트(11)는 (고정식) 계류 시스템(13)의 도킹 가능한 계류 요소(19)와 도킹하기 위한 수단(31, 32)을 포함하는 반잠수식 풍력 플랫폼.
  9. 타워(1) 및 복수의 아암(6)을 가지며, 상기 타워는 메인 플로트(5)를 포함하고 각 아암은 고정력을 겪는 플로트(11)를 포함하는, 반잠수식 풍력 플랫폼(13)을 설계하는 방법으로서,
    2개의 세장형 요소(8, 9)와 상기 타워의 일부로 구성된 삼각형을 포함하도록 각 아암을 형성하는 것, 및 적어도 하나의 세장형 요소를 현수선 요소가 되도록 설계하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 반잠수식 풍력 플랫폼 설계 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 플로트의 최하부에 상기 플로트를 안정시키기 위한 밸러스트 웨이트(ballast weight)를 제공하는 것, 세장형 컨테이너를 포함하도록 각 플로트(11)를 설계하는 것, 및 바다에서의 사전 결정된 부유 높이를 달성하기 위해 상기 컨테이너를 공기와 물의 혼합물로 채우는 것을 더 포함하는, 반잠수식 풍력 플랫폼 설계 방법.
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