KR20230149528A - 회전 제어가 가능한 해상풍력용 스파형 부유체 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 해상풍력용 스파형 부유체 시스템은, 해상풍력발전기(10)를 해상에서 지지하기 위해 풍력 타워의 하단에 직접적으로 연결되어 설치되는 스파형 부유체(110); 상기 스파형 부유체의 하부를 기준으로 배치되는 복수의 프로펠러들을 지지하기 위하여 스파형 부유체에 이격 배치되는 프로펠러 지지구조체(120); 상기 해상풍력 발전기에 대해서 부력을 이용해 해상에서 지지하기 위해 스파형 부유체(110)와 프로펠러 지지구조체(120) 간을 상호 연결되어 설치되는 다수의 연결 브레이스(130); 상기 프로펠러 지지구조체(120)를 따라서 설치되어져 해상풍력 발전기에 회전변형이 발생하는 경우에 상기의 회전변형을 상쇄하는 방향으로 작동하도록 고안된 복수의 프로펠러(140), 및 상기 스파형 부유체(110)의 전후 좌우 방향 이동을 최소화함으로써 부유체의 설치위치 이탈을 방지하기 위한 무어링 라인(150);을 포함하고, 상기 스파형 부유체의 회전양을 실시간으로 측정한 결과를 이용하여 복수의 프로펠러(140)를 통해 풍력발전시스템의 해상 횡방향 회전 움직임을 효과적으로 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

회전 제어가 가능한 해상풍력용 스파형 부유체{A spar-buoy floater for offshore wind which can control the rotation of the whole system}
본 발명은 해상에서 회전 제어가 가능한 해상풍력용 스파형 부유체에 관한 것으로, 특히 강풍 또는 큰 파랑하중에 의해 횡방향으로 큰 회전이 예상되는 부유식 해상풍력발전시스템의 해상 움직임을 효과적으로 감소시킬 수 있는 기계식 회전 제어장치와 이를 구비한 해상풍력용 스파형 부유체에 관한 것이다.
수심이 깊은 바다에 설치되는 부유식 해상풍력발전기로부터 가능한 한 많은 양의 전기를 생산해 내기 위해서는 풍력발전기를 지지하는 부유식 하부구조물 내지 부유체의 안정적인 회전 제어가 매우 중요하다.
스파형 부유체의 경우는 그 형태 상의 특징으로 인해 제작이 용이하다는 장점이 있으나 기존 반잠수식 부유체 대비 상대적으로 큰 회전이 발생한다는 문제점이 꾸준히 제기되고 있다.
또한, 스파형 부유체는 그 사이즈를 크고 길게 제작함으로써 해상 설치후 회전 운동량을 감소시킬 수는 있으나, 이 경우 부유체의 제작비가 상승하는 단점이 있다.
피치모션 제어가 가능한 해상 부유식 풍력발전장치를 제동하는 기존의 등록특허 10-1588237를 참조하면, 바람의 세기 변화에 의해 발생되는 피칭(pitching)에 따른 각변화를 억제할 수 있도록 바람의 힘을 이용하여 복원력을 가할 수 있는 자세제어부를 가지는 해상 부유식 풍력발전장치를 제공한다.
대한민국 등록특허 10-1588237호(2016.1.25. 공고)
본 발명의 목적은 부유식 해상풍력용 하부구조물의 횡방향 회전 움직임을 효과적으로 감소시킬 수 있는 기계식 회전 제어장치를 구비한 해상풍력용 스파형 부유체에 관한 기술적 특징을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 해상풍력용 스파형 부유체 시스템은, 해상풍력발전기(10)를 해상에서 지지하기 위해 풍력 타워의 하단에 직접적으로 연결되어 설치되는 스파형 부유체(110); 상기 스파형 부유체의 하부를 기준으로 배치되는 복수의 프로펠러들을 지지하기 위하여 스파형 부유체에 이격 배치되는 프로펠러 지지구조체(120); 상기 해상풍력 발전기에 대해서 부력을 이용해 해상에서 지지하기 위해 스파형 부유체(110)와 프로펠러 지지구조체(120) 간을 상호 연결되어 설치되는 다수의 연결 브레이스(130); 상기 프로펠러 지지구조체(120)를 따라서 설치되어져 해상풍력 발전기에 회전변형이 발생하는 경우에 상기의 회전변형을 상쇄하는 방향으로 작동하도록 고안된 복수의 프로펠러(140), 및 상기 스파형 부유체(110)의 전후 좌우 방향 이동을 최소화함으로써 부유체의 설치위치 이탈을 방지하기 위한 무어링 라인(150);을 포함하고, 상기 스파형 부유체의 회전양을 실시간으로 측정한 결과를 이용하여 복수의 프로펠러(140)를 통해 풍력발전시스템의 해상 횡방향 회전 움직임을 효과적으로 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 프로펠러(140)는 상기 프로펠러 지지구조체(120) 상에서 방사상으로 배치되어진다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다.
본 발명에 따른 회전 제어가 가능한 해상풍력용 스파형 부유체는 그 상부의 부유식 해상풍력발전기를 해상에서 안정적으로 지지함으로써 주어진 환경조건 하에서 전기의 생산량을 극대화하는 긍정적인 효과가 있다.
또한 풍력발전기와 이를 지지하는 지지구조물의 움직임을 최소화함으로써 시스템 구성 부품들의 피로수명을 연장시키는 효과도 기대해 볼 수 있다.
상기 2가지 이유로 해상풍력 발전사업의 수익성을 증대시키는 장점이 있다.
도 1은 본 발명 아이디어인 회전 제어가 가능한 해상풍력용 스파형 부유체 개념도이다. 도 1은 2가지 다른 형태의 프로펠러 지지구조체를 표현하고 있다.
도 2는 본 발명에 의한 해상풍력용 스파형 부유체의 회전 제어의 원리를 설명하는 개념도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
본 발명은 강풍 또는 큰 파랑하중에 의해 횡방향으로 큰 회전이 예상되는 부유식 해상풍력발전시스템의 해상 움직임을 효과적으로 감소시킬 수 있는 회전 제어가 가능한 해상풍력용 스파형 부유체 시스템을 제공하는 것을 특징으로 한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 제어가 가능한 해상풍력용 스파형 부유체 시스템(100)은, 해상풍력발전기(10)를 해상에서 지지하기 위해 풍력 타워의 하단에 직접적으로 연결되어 설치되는 스파형 부유체(110); 스파형 부유체의 하부를 기준으로 배치되는 복수의 프로펠러들을 지지하기 위하여 스파형 부유체에 이격 배치되는 프로펠러 지지구조체(120), 해상풍력 발전기에 대해서 부력을 이용해 해상에서 지지하기 위해 스파형 부유체(110)와 프로펠러 지지구조체(120) 간을 상호 연결되어 설치되는 다수의 연결 브레이스(130); 상기 프로펠러 지지구조체(120)를 따라서 설치되어져 해상풍력 발전기에 회전변형이 발생하는 경우에 상기의 회전변형을 상쇄하는 방향으로 작동하도록 고안된 복수의 프로펠러(140), 스파형 부유체(110)의 전후 좌우 방향 이동을 최소화함으로써 부유체의 설치위치 이탈을 방지하기 위한 무어링 라인(150), 복수의 프로펠러 구동을 위한 복수의 전기모터, 복수의 전기모터와 프로펠러의 움직임을 제어하기 위한 제어장치 및 스파형 부유체의 회전양을 실시간으로 측정하고 그 결과를 제어장치로 전달해 주는 수평도 계측센서 및 분석장치를 포함하고, 이를 통해서 해상풍력용 스파형 부유체 시스템의 해상 횡방향 회전 움직임을 효과적으로 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 스파형 부유체(110)는 해상풍력 발전기(10)를 이루는 풍력 타워(11)의 하단에 결합된 상태에서, 상부 구조물인 해상풍력 발전기에서 전달되어 내려오는 하중과 변형을 하부 구조물인 프로펠러 지지구조체(120) 등으로 전달하는 기능을 한다. 스파형 부유체의 내부는 일반적으로 빈 공간과 평형수(Ballast)가 채워져 있는 공간으로 구분된다. 평형수는 스파형 부유체의 균형을 잡기 위한 것으로 통상 부유체의 하부에 위치하게 된다.
연결 브레이스(130)는 스파형 부유체와 프로펠러 지지구조체를 연결하는 구조 부재이며, 양 단부는 용접으로 강결된다. 연결 브레이스의 부재로는 해수 저항을 최소화하기 위해 원형의 강관 부재를 사용한다.
스파형 부유체(110)의 효과적인 횡방향 회전 움직인 조절을 위해 3개 이상의 프로펠러를 방사형으로 배치한다. 이를 통해 스파형 부유체의 하단부 레벨에서 평면상 회전이 모든 방향에 대해 가능해지는 특징이 있다. 복수의 프로펠러(140)는 3개 이상을 방사형으로 배치함으로써, 스파형 부유체의 하단부 레벨에서 평면상 회전이 모든 방향에 대해 가능해지게 한다.
풍력발전기(10)는 타워지지 중심기둥(110)의 상측에 수직하게 연결 결합되는 풍력 타워(11), 상기 풍력 타워의 상부에 연결 설치되어 블레이드의 회전력으로부터 전기를 발생시키는 낫셀(13) 및 낫셀에 회전 가능하게 설치되어 풍력에 의해 회전하는 블레이드(15)로 구성된 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않음은 물론이다. 이때, 낫셀은 풍력 타워의 상단에 회전 가능하게 연결 설치할 수도 있다.
풍력 타워의 하단은 스파형 부유체(110)의 상단에 회전 가능하게 연결 설치할 수도 있다. 풍력발전기의 하단을 스파형 부유체(110)의 상단에 회전 가능하게 연결 설치할 경우, 일정 세기 이상의 풍력이 발생 시 스파형 부유체(110)로 힘이 모두 전달되는 것을 방지하여 풍력에 의한 흔들림 발생을 차단시킴으로써 스파형 부유체(110)이 풍력발전기를 안정적으로 지지할 수 있게 된다.
한편, 스파형 부유체(110)의 하단은 설치지점의 해저면에 고정될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 스파형 부유체(110)의 하단이 해저면에 직접적으로 고정되지 않고 수중계류와이어인 무어링 라인에 의해 해저면에 설치된 중량부가 구조체(미도시)에 연결되어 해상에서 유동되지 않게 고정될 수 있다.
도 2는 본 발명에 의한 해상풍력용 스파형 부유체의 회전 제어의 원리를 설명하는 개념도이다.
본 발명에 의한 회전 제어가 가능한 해상풍력용 스파형 부유체 시스템은 강풍 또는 큰 파랑하중 등에 의해 그 본체가 불안정하게 회전하게 되는 경우, 이를 수평도 계측센서와 분석장치를 통해 인지하고 수평기울기 정보를 제어장치로 보내어 전기모터와 프로펠러의 작동범위(세기, 시간)를 결정하도록 하며, 이러한 원리로 상부의 회전변형을 상쇄하는 방향으로 프로펠러를 작동시킴으로써 해상풍력용 스파형 부유체의 수평도가 안정적으로 유지되도록 한다.
경사계 기능을 하는 수평도 계측센서와 분석장치는 유지관리 인력의 접근이 용이하도록 타워의 내부공간에 위치하도록 하는 것이 바람직하다. 수평도 계측센서를 통해 계측된 수평기울기 정보를 바탕으로 제어장치는 3개 이상으로 구성되는 전기모터와 프로펠러의 회전 속도를 실시간으로 결정하여 구동시키고 이를 통해 스파형 부유체의 과도한 회전을 방지하는 중추적 역할을 담당한다.
수평도 계측센서, 분석장치, 제어장치는 유지관리 인력의 접근이 용이하도록 타워의 내부공간에 위치하며, 제어장치와 전기모터 내지 프로펠러 사이의 연결은 유선 또는 무선 연결이 가능하다.
한편, 본 발명의 다른 형태로서 프로펠러가 스파형 부유체에 직접적으로 결합되어 설치되는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 회전 제어가 가능한 해상풍력용 스파형 부유체 시스템은 그 상부의 해상풍력발전기를 해상에서 안정적으로 지지함으로써 주어진 환경조건 하에서 전기의 생산량을 극대화하는 긍정적인 효과가 있다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
10 : 풍력발전기
100 : 부유식 해상풍력용 플랫폼
110 : 스파형 부유체
120 : 프로펠러 지지구조체
130 : 연결 브레이스
140 : 프로펠러
150 : 무어링 라인

Claims (2)

  1. 회전 제어가 가능한 해상풍력용 스파형 부유체 시스템(100)에 있어서,
    해상풍력발전기(10)를 해상에서 지지하기 위해 풍력 타워의 하단에 직접적으로 연결되어 설치되는 스파형 부유체(110);
    상기 스파형 부유체의 하부를 기준으로 배치되는 복수의 프로펠러들을 지지하기 위하여 스파형 부유체에 이격 배치되는 프로펠러 지지구조체(120);
    상기 해상풍력 발전기에 대해서 부력을 이용해 해상에서 지지하기 위해 스파형 부유체(110)와 프로펠러 지지구조체(120) 간을 상호 연결되어 설치되는 다수의 연결 브레이스(130);
    상기 프로펠러 지지구조체(120)를 따라서 설치되어져 해상풍력 발전기에 회전변형이 발생하는 경우에 상기의 회전변형을 상쇄하는 방향으로 작동하도록 고안된 복수의 프로펠러(140), 및
    상기 스파형 부유체(110)의 전후 좌우 방향 이동을 최소화함으로써 부유체의 설치위치 이탈을 방지하기 위한 무어링 라인(150);을 포함하고,
    상기 스파형 부유체의 회전양을 실시간으로 측정한 결과를 이용하여 복수의 프로펠러(140)를 통해 풍력발전시스템의 해상 횡방향 회전 움직임을 효과적으로 감소시킬 수 있는 해상풍력용 스파형 부유체 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 프로펠러(140)는 상기 프로펠러 지지구조체(120) 상에서 방사상으로 배치되는, 해상풍력용 스파형 부유체 시스템.
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