WO2019098465A1 - 해상 발전플랫폼의 부유시스템 - Google Patents

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WO2019098465A1
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임혁
임재윤
임철
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Definitions

  • the present invention relates to a floating system of a marine power generation platform, and more particularly, to a system for maintaining the buoyancy structure and buoyancy used in a marine power generation platform in the case of wind power, will be.
  • the floating structure is generally made of concrete and is a rectangular parallelepiped shape in which the interior is hollow.
  • a plurality of hollow portions are usually formed in the inner space at regular intervals, To form buoyancy of the float.
  • Patent Document 1 includes a bag portion provided inside the hollow portion of the floating concrete structure and an air injection pipe formed outside the hollow portion from the bag portion for injecting air into the bag portion Wherein the bag is made larger than at least the size of the hollow portion so that the air bag is inflated by the air pressure introduced into the bag portion, And is in close contact with the inner surface of the hollow portion.
  • Patent Document 2 relates to a floating system for floating offshore wind power generation, comprising: a) three or more fixed columns, each column having an upper and a lower end and having an inner space for containing a ballast fluid; The above fixed column; b) a tower having an upper end and a lower end coupled to the floating wind turbine platform; c) a turbine rotor coupled to the electric generator, the turbine rotor and the electric generator being mounted near the upper end of the tower; d) a main beam connected to the at least three fixed columns; e) a water-entrapment plate, wherein each plate is attached to said lower end of one of said fixation columns; And f) a ballast control system for moving the ballast fluid between the inner spaces of the at least three stationary columns to control vertical adjustment of the tower.
  • Patent Document 1 has a structure in which air pressure equivalent to the water pressure is injected, and therefore, there is a problem that it is necessary to increase the size to an extremely large size in order to stably float a large and heavy structure.
  • Patent Document 2 discloses a method for maintaining an equilibrium between a plurality of floats (columns) when the balance is not balanced due to the influence of a continuous wind. By using a ballast fluid to move between the fixed columns, So as to maintain the equilibrium.
  • ballast fluid is moved by adjusting the flow rate of the ballast fluid by using a pump installed in each of the fixed columns, if the capacity of the flow pump is very large, it is not only large, The responsiveness is slow and the efficiency is low.
  • An object of the present invention is to provide a floating system of a marine power generation platform which can reduce the total weight of float and maintain the strength to withstand water pressure,
  • Another object of the present invention is to provide a floating system of a marine power generation platform capable of maintaining a balance by a relatively simple structure even when the equilibrium of the float is broken due to sea breeze or storm surge.
  • Another object of the present invention is to provide a floating system of a marine power generation platform that is easy to manufacture, mass-producible, and easy to replace and repair parts.
  • a floating system of a marine power generation platform of the present invention comprising: a plurality of floats forming a buoyancy by containing high-pressure air and ballast water therein; A connecting member for connecting the plurality of floats and the platform on which the power generation facility is installed; A ballast moving tube in which the ballast water contained in the plurality of floaters moves with respect to each other; A high pressure tank for supplying high pressure air into the plurality of floats; A compressor for replenishing air pressure inside the high-pressure tank; A balance sensor for sensing an equilibrium state of each of the plurality of floats and an equilibrium state of the platform and transmitting a signal, a pressure sensor for sensing the internal pressure of each of the plurality of floats, And an amount of air to be supplied to the floating body that needs to increase the buoyancy in the high pressure tank (400) by receiving signals from the balance sensor and the pressure sensor, and an amount of air flowing out from the inside of the floating body, And a control
  • the control unit estimates the amount of high-pressure air to be supplied to the inside of the part of the fluid, and outputs the estimated high-pressure air to the high-
  • the ballast water in the part of the float moves to another floating body, and the estimated amount of the high-pressure air existing in the other floating body flowing in the ballast water is estimated to discharge the estimated high-pressure air, So as to maintain balance with each other.
  • each of the plurality of floaters includes a bellows drum forming a space portion in which high-pressure air and ballast water are stored together; A balanced nutrient inlet port to which the ballast moving tube is connected; A high pressure air inlet equipped with an air inlet valve through which high pressure air flows from the high pressure tank; An air discharge port equipped with an air discharge valve for discharging the air inside the float; A sealing plate covering and sealing the upper and lower surfaces of the bellows drum, respectively; A cover plate which covers the sealing plate and to which the connecting member is fixedly coupled; As shown in FIG.
  • a power generation facility is installed at the center of gravity of a figure that forms the centers of the plurality of floats.
  • the shape of the center of the plurality of floats is an equilateral triangle, and the wind power generator tower may be erected in the vertical direction at the outer periphery of the equilateral triangle.
  • the bellows shape formed on the bellows drum is a vertical bellows in which the mountains and the bones are formed in the vertical direction, and a plurality of reinforcing rings are installed in a height direction with a predetermined interval, and the reinforcing ring and the bellows face are welded .
  • the bellows shape formed on the bellows drum is a horizontal bellows in which mountains and valleys are formed in a horizontal direction, and a plurality of reinforcing plates are provided in a circumferential direction at regular intervals, and the reinforcing plate and the bellows face are welded .
  • concrete or a foaming agent is placed on the outer surface of the bellows drum to protect the surface and prevent corrosion.
  • the weight of the whole can be lightened, and the strength can be sufficiently exhibited while being easily manufactured. Also, in order to maintain the equilibrium between the float fluids, the response is quick and reliable, It is easy to repair and replace parts.
  • FIG. 1 is a perspective view of a floating system of a marine power generation platform according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating functions of a controller according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a float according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a vertical bellows drum according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a portion A in Fig. 4,
  • FIG. 6 is a perspective view of a horizontal bellows drum according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view of a bellows drum according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing the overall structure of a floating system of a marine power generation platform according to the present invention.
  • FIG. 1 shows a wind power generation facility having a diameter of about 10 m and a height of several tens of meters on a platform in order to simplify the understanding of the main structure for the sake of convenience. Is a huge structure of several tens of meters.
  • FIG. 1 illustrates an example in which a wind power generation facility W is installed on a circular platform.
  • the present invention is not limited thereto and a photovoltaic power generation facility may be installed. It should be noted that the cities and explanations of the various constitutions which are not in this case are omitted.
  • buoyant bodies 100 are interconnected with the various structures of the platform 250. As shown in FIG. The shape of the three buoyant bodies 100 following the central portion is an equilateral triangle, but the buoyant body 100 of the present invention may be three, four, five, or more.
  • the shape of the three buoyant bodies 100 following the center portion is a regular triangle, and the power generation facility W is located at the outer center (center of gravity) of the equilateral triangle.
  • a platform 250 may be installed on any one of the buoyant bodies 100 and a power generation facility may be provided thereon.
  • a floating system of a seawater generating platform includes three float 100 in which high pressure air (A) and ballast water (B) are contained to form buoyancy, A connecting member 200 connecting upper and lower ends of the three floats 100 to each other and connecting the platform 250 on which the wind power generation facility W is installed, And a high-pressure tank 400 for supplying high-pressure air A into the three float 100 are connected to a wind turbine 300, A compressor 500 positioned in an internal space of the facility W for replenishing the air pressure in the high pressure tank 400 and a compressor 500 for detecting the equilibrium state of each of the three floats 100, A pressure sensor 700 for sensing a pressure inside each of the fluids 100 and transmitting a signal, The amount of air supplied from the high pressure tank 400 to the float 100 and the amount of air discharged from the interior of the float 100 to the outside of the float 100 are controlled by receiving signals from the balance sensor 600 and the pressure sensor 700, And a control unit 800 for controlling the valves installed in the piping
  • the floating system of the present invention injects high pressure air into the float to move the ballast water by the pressure rise inside the float, Maintaining equilibrium between fluids is one of the main features.
  • the interior is always maintained at a high pressure state by the high-pressure air, and when the valve is opened, the high-pressure air flows into the interior of the sub-fluid.
  • the balance sensor 600 uses a three-axis acceleration sensor and is provided separately for each float (balanced sensor 1, balanced sensor 2, balanced sensor 3) and is also provided on the platform 250 (for convenience, 250 will be referred to as a balanced sensor 4).
  • the balance of float is also important to sense the slope of each float, but the overall equilibrium is more accurately understood by sensing the slope of the platform 250.
  • the acceleration sensor senses the slope of each float 100 and the platform 250 and transmits the signal to the controller 800.
  • the controller 800 When the controller 800 receives a signal related to the balance received from the floors 100 and the balance sensor 600 installed on the platform 250 and determines that the balance is broken, Pressure air (A) is supplied into the submerged submerged body according to the value obtained, and the high-pressure air (A) contained in the raised submerged body is discharged.
  • the submerged sediment is a float requiring buoyancy
  • the relatively rising float is a float requiring reduction of buoyancy
  • a pressure sensor 700 is mounted inside each of the fluids 100 to sense the internal air pressure of the fluid and transmits a detection signal to the controller 800.
  • the control unit 800 receives the signals from the upper balance sensors and the signals of the upper pressure sensors, and estimates and calculates the amount of the high-pressure air and the amount of the exhaust air to drive the related valves.
  • the amount of high-pressure air and the amount of exhaust air are controlled by injecting or discharging high-pressure air until the estimated pressure is estimated by estimating the internal pressure of the float necessary for increasing and decreasing the buoyancy in the central processing unit of the control unit.
  • the pressure sensors 700 continuously transmit the sensed pressure information to the control unit 800 continuously.
  • the control unit 800 opens the valve (high-pressure tank valve) of the pipe directed from the high-pressure tank 400 to the float 100, So as to open the exhaust valve provided in the air outlet 140 of the auxiliary fluid to discharge the high-pressure air inside the fluid.
  • the high-pressure air A in the high-pressure tank 400 which always maintains a pressure higher than the pressure inside the float 100, flows into the float,
  • the high pressure air A existing in the other float into which the ballast water B flows is discharged to the outside through the air outlet 140 by the opening of the exhaust valve, 100 are kept in equilibrium with each other.
  • each of the balance sensors 600 and the pressure sensors 700 continuously transmits a signal regarding the equilibrium state and the pressure to the control unit 800, and the control unit 800 continuously measures the pressure So that the air amount is introduced and discharged.
  • the internal pressure of the high-pressure tank 400 is always set to be much larger than the pressure of the high-pressure air A in the sub-fluid.
  • the pressure inside the float 100 is usually 3 atm, and the pressure inside the high-pressure tank 400 is usually 10 atm.
  • the high-pressure tank valve is opened, The high-pressure air (A) flows into the inner space (100).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the float shown in FIG. 1
  • FIG. 4 is a perspective view showing the appearance of the floating fluid bellows drum 110 of FIG. 3, Fig.
  • the float 100 shown in Fig. 3 includes a bellows drum 110 forming a space in which the high-pressure air A and the ballast water B are stored together, A high pressure air inlet 130 in which an air inlet valve for introducing high pressure air A from the high pressure tank 400 is installed; A sealing plate 150 covering and sealing the upper and lower surfaces of the bellows drum 110, and a cover plate 150 covering the sealing plate 150.
  • the cover plate 150 covers the air outlet 140, And a cover plate 160 to which a connecting member 200 for connecting and supporting the connecting member 200 is fixedly coupled.
  • the shape of the bellows formed in the bellows drum 100 shown in FIG. 4 is a vertical shape in which mountains and valleys are formed in the vertical direction, and a plurality of reinforcing rings 170 are provided at regular intervals in the height direction, (170) and the bellows surface are welded to form a multi-layer structure.
  • vertical bellows as used herein means an approximate shape of a sunflower in a plan view, in which the mountain and the valley are vertically connected to each other.
  • the bellows can be called a corrugated tube and its cross-sectional area is wider than that without wrinkles, it is possible to reduce the load per unit area and withstand a relatively large load.
  • the floating system of the present invention uses high pressure air having a much larger air pressure than the atmospheric pressure to reduce the difference between the external water pressure and the air pressure inside the float to minimize deformation of the float Is one of the features, it is concluded that the bellows shape is the most preferable in order to exhibit the above-described strength with a relatively thin steel sheet.
  • the vertical bellows uses a ring-shaped reinforcing ring 170 on a horizontal plane because there is a surface which is slightly vulnerable to a load in the height direction and a load in the transverse direction.
  • the bellows drum 110 may be manufactured in a form of a bellows tube having a predetermined height, and the bellows tubes are welded together by welding the reinforcing rings 170 to each other.
  • Fig. 5 is a cross-sectional view of the main part of part A of Fig. 4, showing the welding part.
  • the cross section of the bellows pipe and the reinforcing ring 170 can be welded in a state in which they are arranged in a direction perpendicular to each other.
  • welding is performed at four intersections So that it is possible to have sufficient strength.
  • FIG. 6 is a perspective view of the horizontal bellows drum 110 as compared to the vertical bellows of FIG.
  • the horizontal bellows drum 110 is divided into a circumferential direction (circumferential split structure) unlike the vertical bellows drum 110 of FIG. 3, and the divided bellows tubes are welded to the reinforcing plate 180 As shown in Fig.
  • the bellows shape of the horizontal bellows drum 110 of FIG. 6 is formed by horizontally forming mountains and valleys.
  • the bellows shape of the horizontal bellows drums 110 is strong in the lateral direction and relatively weak in the vertical direction load, Since the reinforcing plate 180 and the bellows pipe meet in the vertical direction, the welding can be facilitated as described above, thereby reducing mass production and the number of processes.
  • FIG. 7 is a plan view showing a cylindrical bellows drum 110 by placing concrete on the outer surface of the bellows drum 110 of FIG.
  • the float (100) is always immersed in sea water at constant depth, and decades of use can cause surface corrosion due to seawater, which can degrade the strength, thus avoiding surface corrosion and avoiding expensive corrosion- It is possible to pour concrete into the concrete.
  • the outer surface may be closed by installing a foaming agent that can prevent corrosion of the float surface and improve buoyancy.
  • the floating system of the present invention can be equipped with various power generation facilities such as wind power generation, solar power generation and the like, and the power generation facility includes not only the center of gravity of the figure connecting the center of the float,
  • the balance type sensor is not limited to a three-axis acceleration sensor, but may be a gyroscope, a three-axis acceleration sensor, The type and installation position of the sensor can be changed variously.

Abstract

본 발명은 해수 발전플랫폼의 부유시스템에 관한 것으로서, 내부에 고압공기와 평형수가 담겨져 부력을 형성하는 다수개의 부유체와; 상기 다수개의 부유체를 서로 연결하는 연결부재와; 상기 다수개의 부유체에 포함된 상기 평형수가 서로 이동하는 평형수이동관과; 상기 다수개의 부유체 내부로 고압공기를 공급하기 위한 고압탱크와; 상기 고압탱크 내부의 공기압을 보충하기 위한 컴프레셔와; 상기 다수개의 부유체 각각의 평형상태를 감지하고 신호를 전송하는 평형센서; 및, 상기 평형센서의 신호를 받아 상기 고압탱크로부터 상기 부유체로 공급되는 공기량과 상기 부유체 내부에서 외부로 배출되는 공기량을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성되고, 상기 다수개의 부유체 중 일부가 다른 부유체에 비해 가라앉아 평형이 깨진 것을 평형센서가 인식하면, 그 일부의 부유체 내부에 고압공기를 공급하여 상기 일부의 부유체 내부의 평형수를 다른 부유체로 이동시키고, 상기 평형수가 유입된 다른 부유체의 내부에 존재하던 고압공기는 배출시키는 제어부의 제어에 의해 상기 다수개의 부유체가 전체적으로 평형을 유지하도록 한다. 본 발명에 따르면, 부유시스템의 전체 무게가 가벼워서 먼바다까지 이동이 용이하고 필요한 강도를 유지하면서도 얇은 강판을 사용할 수 있으며, 부유체들 사이의 평형을 신속하게 이룰 수 있다.

Description

해상 발전플랫폼의 부유시스템
본 발명은 해상 발전플랫폼의 부유시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 먼바다에서 풍력 또는 태양광 발전 등을 하는 경우에 있어서의 해상 발전플랫폼에 사용되는 부유체의 구조 및 부력을 유지하는 시스템에 관한 것이다.
근래에 들어, 해상에서 부유체(浮游體)를 이용하여 해상 구조물을 설치하는 사례가 점차 증가하고 있다.
이러한 부유식 구조물은 해상플랜트, 컨테이너 터미널, 석유비축시설 또는 해상공원 등으로 이용되고 있으며, 그 규모 역시 점차 증가하고 있는 실정이다.
부유식 구조물은 일반적으로 콘크리트로 이루어져 있으며, 내부가 비어 있는 직육면체 형체의 구조물로서, 부유식 구조물의 구조적 효율성을 위하여 내부 공간에는 통상 일정 간격으로 격벽이 설치되어 다수의 중공부를 형성하며, 위 중공부가 부유체의 부력을 형성하는 것이다.
일반적인 콘크리트 부유체의 경우는 균열이 발생하게 되면, 흘수압에 의해 바닷물이 부유체 내부로 침투하여 부력을 감소시켜 안정적인 부유체의 역할을 수행하지 못한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 특허문헌 1은 상기 부유식 콘크리트 구조물의 중공부 내부에 설치되는 주머니부 및 상기 주머니부에 공기를 주입하기 위하여 상기 주머니부로부터 중공부 외부로 형성된 공기주입관을 포함하여 구성되는 공기 주머니를 장착하고, 상기 공기 주머니 내부에 공기를 주입하여 적어도 흘수압보다 큰 공기압이 도입되도록 하고, 상기 주머니부는 적어도 중공부의 규격보다 크게 제작되도록 하여 상기 주머니부에 도입된 공기압에 의하여 상기 중공부의 내부면에 밀착되는 것을 특징으로 하는 부유식 콘크리트 구조물의 부력 유지방법을 개시하고 있다.
또한, 특허문헌 2는, 부유식 해상 풍력 발전을 위한 부유시스템에 관한 것으로서, a) 3 이상의 고정 칼럼으로서, 각 칼럼이 상부 및 하부 말단을 가지고, 밸러스트 유체를 함유하기 위한 내부 공간을 가지는, 3 이상의 고정 칼럼; b) 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼에 커플링 되어 있는 상부 말단 및 하부 말단을 가지는 타워; c) 전기 발전기에 커플링 되어 있는 터빈 로터로서, 상기 터빈 로터 및 상기 전기 발전기가 상기 타워의 상기 상부 말단 부근에 마운트 되어 있는, 터빈 로터; d) 상기 3 이상의 고정 칼럼에 서로 연결되어 있는 메인 빔; e) 워터-엔트랩먼트 플레이트로서, 각 플레이트가 상기 고정 칼럼 중 하나의 상기 하부 말단에 부착되어 있는 워터-엔트랩먼트 플레이트; 및 f) 상기 타워의 수직 조정을 조절하기 위해 상기 3 이상의 고정 칼럼의 상기 내부 공간 사이에 상기 밸러스트 유체를 이동시키기 위한 밸러스트 컨트롤 시스템을 포함하는 부유 풍력 터빈 플랫폼을 개시하고 있다.
그러나, 위 특허문헌 1의 부유체의 외벽은 상당히 두꺼운 콘크리트 벽으로 구성되어 먼바다로 이동하기가 매우 곤란하고, 콘크리트 벽에 균열이 발생할 때 압축공기를 공기주머니에 보충해 주는 것으로 해수가 부유체 내부로 침투하는 것을 방지하고는 있지만, 다수개의 부유체들이 실제 해수면에서 지속적인 바람이나 풍랑에 의해 평형이 깨진 상태에서는 대처할 수 없다. 그뿐만 아니라, 특허문헌 1은, 흘수압에 상당하는 공기압을 주입하는 구조이므로, 거대하고 무거운 구조물을 안정적으로 부유시키기 위해서는 엄청나게 대형화 되어야 하는 문제가 있다.
이에 비해, 특허문헌 2는 지속적인 바람의 영향으로 평형이 맞지 않는 경우, 다수개의 부유체(칼럼)들 사이에 평형을 유지하기 위한 방안으로서, 밸러스트 유체를 사용하여 각 고정 칼럼 사이로 이동시킴으로서 부유체들 사이의 평형을 유지하도록 하고 있다.
그러나, 특허문헌 2의 평형을 위한 방안은 밸러스트 유체를 각 고정 칼럼에 설치된 펌프를 이용하여 필요에 따라 유량을 조절하여 이동시키는 것이므로, 유량 펌프의 용량이 매우 커야 하기 때문에 대형이고 무게가 무거울 뿐만 아니라 응답성이 느려 효율성이 떨어진다.
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서,
본 발명은 부유체의 전체 무게를 줄이면서도 수압을 견딜 수 있는 강도를 유지하여 먼바다까지 이동이 용이한 해상 발전플랫폼의 부유시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 해풍이나 풍랑에 의해 부유체들의 평형이 깨진 경우에도 신속하면서도 비교적 간단한 구조에 의해 평형을 유지할 수 있는 해상 발전플랫폼의 부유시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제작이 용이하고 대량생산이 가능하며, 부품의 교체와 수리가 용이한 해상 발전플랫폼의 부유시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해상 발전플랫폼의 부유시스템은, 내부에 고압공기와 평형수가 담겨져 부력을 형성하는 다수개의 부유체와; 상기 다수개의 부유체와, 발전설비가 설치되는 플랫폼을 서로 연결하는 연결부재와; 상기 다수개의 부유체에 포함된 상기 평형수가 서로 이동하는 평형수이동관과; 상기 다수개의 부유체 내부로 고압공기를 공급하기 위한 고압탱크와; 상기 고압탱크 내부의 공기압을 보충하기 위한 컴프레셔와; 상기 다수개의 부유체 각각의 평형상태와 상기 플랫폼의 평형상태를 감지하고 신호를 전송하는 평형센서와;상기 다수개의 부유체 각각의 내부압력을 감지하고 신호를 전송하는 압력센서; 및,상기 평형센서와 상기 압력센서의 신호를 받아 상기 고압탱크(400)에서 부력의 증가가 필요한 상기 부유체로 공급되는 공기량과, 부력의 감소가 필요한 상기 부유체의 내부에서 외부로 유출되는 공기량을 제어하는 제어부(800);를 포함하여 구성되고,
상기 평형센서로부터 상기 다수개의 부유체 중 일부가 다른 부유체에 비해 가라앉아 평형이 맞지 않는다는 신호를 수신하면, 제어부가 그 일부의 부유체 내부에 공급되어야 하는 고압공기량을 추정하여 추정된 고압공기를 공급하면 상기 일부의 부유체 내부의 평형수가 다른 부유체로 이동하게 되고, 상기 평형수가 유입되는 다른 부유체의 내부에 존재하던 고압공기의 배출량을 추정하여 추정된 고압공기를 배출시켜 상기 다수개의 부유체가 서로 평형을 유지하도록 제어한다.
이때, 상기 다수개의 부유체 각각은, 고압공기와 평형수가 함께 저장되는 공간부를 형성하는 벨로우즈드럼과; 상기 평형수이동관이 연결되는 평형수유출입구와; 상기 고압탱크로부터 고압공기가 유입되는 공기유입밸브가 장착된 고압공기유입구와; 상기 부유체 내부의 공기를 배출하기 위한 공기배출밸브가 장착된 공기배출구; 상기 벨로우즈드럼의 상하면을 각각 덮어 밀폐하기 위한 밀폐판과; 상기 밀폐판을 커버하며 상기 연결부재가 고정결합되는 커버플레이트; 를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 상기 다수개의 부유체의 각 중심을 이어 생기는 도형의 무게중심부에 발전설비가 설치되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 다수개의 부유체의 중심을 이은 도형은 정삼각형이며, 상기 정삼각형의 외심에 풍력발전타워가 수직방향으로 세워질 수 있다.
또한, 상기 벨로우즈드럼에 형성되는 벨로우즈형상은 산과 골이 상하방향으로 형성된 수직형 벨로우즈이며, 다수개의 보강링이 일정한 간격을 두고 높이방향으로 설치되고, 상기 보강링과 상기 벨로우즈면이 용접으로 결합될 수 있다.
반대로, 상기 벨로우즈드럼에 형성되는 벨로우즈형상은, 산과 골이 수평방향으로 형성된 수평형 벨로우즈이며, 다수개의 보강판이 일정한 간격을 두고 원주방향으로 설치되고, 상기 보강판과 상기 벨로우즈면이 용접으로 결합될 수 있다.
그뿐만 아니라, 상기 벨로우즈드럼의 외면에는 콘크리트 또는 발포제가 타설되어 표면을 보호하고 부식을 방지할 수 있다.
상기의 구성을 가진 본 발명의 해상 발전플랫폼의 부유시스템에 의하면,
전체의 무게를 경량화하고 제작이 용이하면서도 필요한 강도를 충분히 발휘할 수 있는 효과가 있으며, 부유체들 간의 평형을 유지하는데 있어서도 비교적 간단한 구성에 의해 응답성이 빠르고 확실한 평형유지를 담보할 수 있고, 장기간 사용에 따른 부품의 수리 및 교체가 용이하다.
-도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해상 발전플랫폼의 부유시스템의 사시도,
-도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 기능을 나타낸 블럭도,
-도 3은 본 발명의 실시예에 따른 부유체의 단면도,
-도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수직형 벨로우즈드럼의 사시도,
-도 5는 도 4의 A부분의 확대도,
-도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수평형 벨로우즈드럼의 사시도이고,
-도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 벨로우즈드럼의 평면도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 해상 발전플랫폼의 부유시스템의 전체적인 구성을 보여주는 개략사시도이다.
도 1은 편의상 주요구성을 이해를 돕고자 간략하게 도시하였으나, 실제로는 직경이 10m 정도이고 높이가 수십m에 이르는 풍력발전설비가 플랫폼 상에 설치되어 있음을 도시한 것이고, 부유체들 사이의 간격은 수십m에 이르는 거대한 구조물이다.
또한, 본 발명의 부유시스템 상에는 각종 시설물이나 작업차량 등이 적재되며, 도시하지는 않았지만, 부유시스템들을 해저 바닥에 고정시키기 위한 엥커 등이 설치되어 있다.
또한, 도 1은 원형의 플랫폼 상에 풍력 발전설비(W)가 설치되는 것을 예로 들어 설명하지만, 반드시 이에 한정되지는 않고 태양광 발전설비 등도 설치될 수 있는 것이며, 발전설비가 본 발명의 요지가 아닌 이상 이에 부대하는 여러 구성들의 도시 및 설명은 생략하였음을 밝혀 둔다.
도 1에 도시된 부유시스템은, 3개의 부력체(100)들이 플랫폼(250)의 여러 구조물들과 서로 연결되어 있다. 3개의 부력체(100)의 중심부를 이어 생기는 도형은 정삼각형이지만, 본 발명의 부력체(100)는 3개, 4개, 5개 등 그 이상으로도 얼마든지 가능하다.
도 1에 도시된 부유시스템은, 3개의 부력체(100)의 중심부를 이어 생기는 도형이 정삼각형이고, 발전설비(W)는 그 정삼각형의 외심(무게중심)부에 위치하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 어느 하나의 부력체(100) 상에 플랫폼(250)이 설치되고 그 위에 발전설비가 구비될 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 해수 발전플랫폼의 부유시스템은, 내부에 고압공기(A)와 평형수(B)가 담겨져 부력을 형성하는 3개의 부유체(100)와, 상기 3개의 부유체(100)의 상단부와 하단부를 각각 서로 연결하면서 풍력발전설비(W)가 설치되는 플랫폼(250)을 연결하는 연결부재(200)와, 상기 3개의 부유체(100)에 포함된 상기 평형수(B)가 서로 이동하는 3개의 평형수이동관(300)과, 상기 3개의 부유체(100) 내부로 고압공기(A)를 공급하기 위한 고압탱크(400)가 풍력발전설비(W)의 내부 공간에 위치해 있으며, 상기 고압탱크(400) 내부의 공기압을 보충하기 위한 컴프레셔(500)와, 상기 3개의 부유체(100) 각각의 평형상태를 감지하고 그 감지신호를 전송하는 평형센서(600)와, 각 부유체(100) 내부의 압력을 감지하고 신호를 전송하는 압력센서(700) 및, 상기 평형센서(600)와 상기 압력센서(700)의 신호를 받아 상기 고압탱크(400)에서 상기 부유체(100)로 공급되는 공기량과 상기 부유체(100) 내부에서 외부로 배출되는 공기량을 제어하기 위한 배관에 각각 설치되는 밸브를 제어하는 제어부(800);를 포함하고 있다.
이미 설명한 특허문헌 2의 평형수(벨라스트) 이동이 펌프에 의해 이루어진 것에 비하여, 본 발명의 부유시스템은 고압공기를 부유체 내부로 주입하여 부유체 내부의 압력상승에 의해 평형수를 이동시킴으로써 부유체들 간의 평형을 유지한다는 것이 주요 특징 중 하나이다.
본 발명에 따른 고압탱크(400)는 내부가 항상 고압공기에 의해 고압상태가 유지되고 있으며, 밸브를 열면 고압공기가 각 부유체 내부로 유입된다.
도 1에 도시된 해수 발전플랫폼의 부유시스템에 있어서, 평형수의 이동에 따른 부유체들 간의 평형유지 메카니즘을 도 2를 참조하여 설명한다.
평형센서(600)는 3축 가속도센서를 사용하였고, 부유체마다 별개(평형센서 1, 평형센서 2, 평형센서 3)로 설치되어 있으며, 플랫폼(250) 상에도 설치되어 있다(편의상, 플랫폼(250) 상에 부착된 평형센서를 평형센서 4라고 부르기로 한다).
부유체의 평형은 부유체 각각의 기울기를 감지하는 것도 중요하지만, 전체적인 평형상태는 플랫폼(250)의 기울기를 감지하는 것에 의해 더욱 정확하게 파악된다.
가속도센서는 각 부유체(100)와 플랫폼(250)의 기울기를 감지하고 그 신호를 제어부(800)로 전송한다.
위 부유체(100)들과 플랫폼(250)에 설치된 상기 평형센서(600)로부터 수신된 평형에 관한 신호를 제어부(800)가 받고 평형이 깨어졌다고 판단하면 제어부(800)의 중앙처리장치에서 계산된 값에 따라 가라앉은 부유체 내부로 고압공기(A)를 공급하고, 상승된 부유체 내부에 포함된 고압공기(A)는 배출한다.
이때, 가라앉은 부유체는 부력이 요구되는 부유체이고, 상대적으로 상승해 있는 부유체는 부력의 감소가 요구되는 부유체이다.
즉, 부력의 증가가 요구되는 부유체 내부로는 고압공기를 주입하고, 부력의 감소가 요구되는 부유체는 내부의 고압공기를 외부로 배출하는 것으로서 부유체들의 평형을 유지하는 것이다.
각 부유체(100) 내부에는 압력센서(700)가 장착되어 있으며, 부유체의 내부 공기압을 감지하고 제어부(800)로 감지신호를 전송한다.
제어부(800)는 위 평형센서들로부터의 신호 및 위 압력센서들의 신호를 수신하여 고압공기의 량과 배출공기의 량을 추정계산하여 관련된 밸브들을 구동시킨다.
고압공기의 양과 배출공기의 량은 제어부의 중앙처리부에서 부력의 증가와 감소에 필요한 부유체 내부의 압력을 추정하여 추정된 압력에 이를 때까지 고압공기를 주입하거나 배출시키도록 제어한다.
이 과정 중에서도 압력센서(700)들은 실시간 감지된 압력정보를 지속적으로 제어부(800)에 전송한다.
제어부(800)는, 가라앉은 부유체 내부로의 고압공기(A)의 공급은 고압탱크(400)에서 그 부유체(100)로 향하는 배관의 밸브(고압탱크밸브)를 오픈하며, 상승된 부유체 내부의 고압공기를 배출하기 위해 부유체의 공기배출구(140)에 설치된 배기밸브를 오픈하도록 제어한다.
쉽게 말해, 부유시스템이 일정기간 동안의 풍랑이나 바람 등에 의해 어느 한쪽의 부유체(100)가 상대적으로 가라앉고 다른 쪽 부유체가 상승하여 평형이 깨진 경우에 가라앉은 부유체에 공기를 공급하여 부력을 증가시키고, 상승된 부유체는 부력을 감소시킴으로써 평형을 유지하도록 하는 것이다.
이때, 부력의 증가를 위해 고압공기의 공급이 요구되는 부유체의 배기밸브는 닫힌 상태를 유지하는 것은 당연하다.
고압탱크밸브가 오픈되면, 항시 부유체(100) 내부의 압력보다 높은 압력을 유지하고 있는 고압탱크(400) 내부의 고압공기(A)가 그 부유체 내부로 유입되어 내부의 평형수(B)를 다른 부유체로 이동시키고 상기 평형수(B)가 유입된 다른 부유체의 내부에 존재하던 고압공기(A)는 배기밸브의 오픈에 의해 공기배출구(140)를 통해 외부로 배출되어 각 부유체(100)들이 서로 평형을 유지하게 된다.
이 과정에서, 각 평형센서(600)들과 압력센서(700)들은 계속적으로 평형상태 및 압력에 관한 신호를 제어부(800)에 전송하며, 제어부(800)는 지속적으로 요구되는 부유체 내부의 압력을 추정하여 공기량을 유입시키고 배출시키도록 제어를 한다.
고압탱크(400)의 내부 압력은 항상 부유체 내부의 고압공기(A)의 압력보다 훨씬 큰 상태를 유지하도록 설정되어 있다.
예컨데, 부유체(100) 내부의 압력은 통상 3기압이고, 고압탱크(400) 내부의 압력은 통상 10기압으로서, 고압탱크밸브를 열기만 하면 순수한 압력차에 의해 고압탱크(400)로부터 부유체(100) 내부로 고압공기(A)가 유입된다.
고압탱크(400)로부터 특정한 부유체(100) 내부로 고압공기(A)를 공급한 경우에는 미리 설정한 고압탱크(400)의 압력이 떨어지게 되며, 이때, 컴프레셔(500)가 작동하여 압축공기를 고압탱크(400) 내부로 유입시킴으로써 고압탱크(400) 내부의 압력이 항상 설정된 압력이 유지되도록 한다.
도 3은 도 1의 부유체의 구성을 보여주기 위한 단면도이고, 도 4는 도 3의 부유체의 벨로우즈드럼(110)의 외관을 보여주는 사시도이며, 도 5는 도 4의 벨로우즈드럼의 제작시의 용접부위를 나타낸 요부 사시도이다.
도 3에 도시된 부유체(100)는, 고압공기(A)와 평형수(B)가 함께 저장되는 공간부를 형성하는 벨로우즈드럼(110)과, 위 평형수(B)가 이동하는 평형수이동관(300)이 연결되는 평형수유출입구(120)와, 고압탱크(400)로부터 고압공기(A)가 유입되는 공기유입밸브가 장착된 고압공기유입구(130)와, 상기 부유체 내부의 공기를 배출하기 위한 공기배출밸브가 장착된 공기배출구(140)와, 상기 벨로우즈드럼(110)의 상하면을 각각 덮어 밀폐하기 위한 밀폐판(150)과, 상기 밀폐판(150)을 커버하며 각 부유체(100)들을 연결하여 지지하기 위한 연결부재(200)가 고정결합되는 커버플레이트(160);로 구성되어 있다.
이 부유체(100)들의 각 구성 및 작용에 대해서는 위에서 설명하였으므로 중복 설명은 생략하기로 하고, 이하에서는 벨로우즈드럼(110)에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 벨로우즈드럼(100)에 형성된 벨로우즈의 형상은, 산과 골이 상하방향으로 형성된 수직형이고, 다수개의 보강링(170)이 높이방향으로 일정한 간격을 두고 설치되어 있으며, 상기 보강링(170)과 상기 벨로우즈면이 용접으로 결합되어 다층구조를 하고 있다.
여기서 말하는 수직형 벨로우즈라 함은, 산과 골이 각각 상하방향으로 이어진 것으로서, 평면도 상으로 볼 때 대략적인 해바라기 형상을 의미한다.
벨로우즈는 주름관이라고도 할 수 있으며, 주름이 없는 것에 비하여 단면적이 넓기 때문에 단위면적당 하중을 줄일 수 있어 비교적 큰 하중에 견딜 수 있다.
본 발명의 부유시스템은 종래의 기술과는 달리 부유체의 부력을 형성하는 공기가 대기압보다 훨씬 큰 고압공기를 사용하여 외부의 수압과 부유체 내부의 공기압의 차이를 줄여 부유체의 변형을 최소화하는 것이 특징 중의 하나이기 때문에 비교적 얇은 강판으로 위와 같은 강도를 발휘하기 위해서는 벨로우즈 형상이 가장 바람직하다는 결론에 이르렀다.
또한, 위와 같이 수직형 벨로우즈는 높이방향의 하중에 피해 횡방향의 하중에 대해서는 다소 취약한 면이 있어 수평면상으로 링형태의 보강링(170)을 사용하였다.
그뿐만 아니라, 제작상의 편의성을 위해서 벨로우즈드럼(110)은 소정의 높이를 갖는 벨로우즈관을 제작하고 벨로우즈관끼리는 보강링(170)을 용접하여 서로 적층한 형태로서 대량생산도 가능하다.
도 5는 도 4의 A부의 요부단면도로서, 용접부위를 도시한 도면이다.
도 5의 A부 단면도에 나타낸 바와 같이, 벨로우즈관의 단면과 보강링(170)은 서로 수직한 방향으로 배치된 상태에서 용접을 할 수 있게 되어, 맞대기 용접과는 달리 교차하는 4개소에 용접을 하는 것으로서 충분한 강도를 가질 수 있게 된다.
도 5의 비교도면으로서 확인할 수 있듯이, 보강링(170)이 없이 벨로우즈드럼(110)이 한개의 벨로우즈관으로 일체로 제작하는 경우에는 높이방향으로 맞대기 용접만이 가능할 것이며, 이 경우에는 모재를 V자형 또는 X자형으로 가공 후 용접을 해야만 하기 때문에 공정의 수가 늘어나게 된다.
도 6은 도 3의 수직형 벨로우즈에 대비된 수평형 벨로우즈드럼(110)의 사시도이다.
도 6의 수평형 벨로우즈드럼(110)은 도 3의 수직형 벨로우즈드럼(110)과 달리 원주방향으로 벨로우즈관이 분할(원주분할구조)되어 있으며, 분할된 벨로우즈관 끼리는 보강판(180)과 용접에 의해 고정되어 있다.
도 6의 수평형 벨로우즈드럼(110)의 벨로우즈 형상은 산과 골이 각각 수평방향으로 형성된 것이며, 횡방향의 하중에는 강하고 높이방향의 하중에는 상대적으로 취약할 수 있어서 수직방향으로 형성된 보강판(180)에 의해 강도를 보강하고 있으며, 보강판(180)과 벨로우즈관이 수직한 방향으로 만나기 때문에 위에 설명한 바와 같이 용접이 용이해져 대량생산 및 공정수를 줄일 수 있다.
도 7은 도 4의 벨로우즈드럼(110)의 외면에 콘크리트를 타설하여 외관상으로 원통형인 벨로우즈드럼(110)을 보여주는 평면도이다.
부유체(100)는 해수에서 일정 깊이로 항시 잠겨있고, 수십년 간 사용하게 되면 해수에 의한 표면부식이 일어나 강도를 저하시킬 수 때문에 표면의 부식을 방지하고 값비싼 부식방지용 페인트를 사용하는 것 대신에 콘크리트를 타설할 수 있는 것이다.
또한, 부유체 표면의 부식을 방지하고 부력을 향상시킬 수 있는 발포제를 타설하여 외면을 마감할 수도 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 해수 발전플랫폼의 부유시스템을 설명하였으나, 이는 본 발명의 이해를 돕고자 하는 것일 뿐 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 하는 것이 아니다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 범위를 벗어나지 않고서도 다양한 개조나 변형이 가능할 것이다.
예를 들면, 본 발명의 부유시스템은 풍력발전, 태양광발전 등 해상에서 이루어지는 각종 발전설비가 장착될 수 있는 것이며, 발전설비는 부유체의 중심부를 잇는 도형의 무게중심부 뿐만 아니라, 다수개의 부유체 중의 어느 하나의 부유체 상에 설치될 수도 있고, 평형수는 순수한 물 뿐만 아니라 다양한 액체가 사용될 수 있고, 각종 밸브의 위치나 종류 등은 한정되지 않으며, 평형센서는 3축 가속도센서 뿐만 아니라 자이로스콥과 같은 평형을 감지할 수 있는 센서이면 그 종류나 설치위치 등은 다양하게 변경할 수 있다.

Claims (7)

  1. 해상 풍력발전 등에 사용되는 해상발전플랫폼의 부유시스템에 있어서,
    내부에 고압공기(A)와 평형수(B)가 담겨져 부력을 형성하는 다수개의 부유체(100)와;
    상기 다수개의 부유체(100)와 발전설비가 설치되는 플랫폼(250)을 서로 연결하는 연결부재(200)와;
    상기 다수개의 부유체(100)에 포함된 상기 평형수(B)가 서로 이동하는 평형수이동관(300)과;
    상기 다수개의 부유체(100) 내부로 고압공기(A)를 공급하기 위해 고압의 상태를 유지하는 고압탱크(400)와;
    상기 고압탱크(400) 내부의 공기압을 보충하기 위한 컴프레셔(500)와;
    상기 다수개의 부유체(100) 각각의 평형상태와 상기 플랫폼(250)의 평형상태를 감지하고 신호를 전송하는 평형센서(600)와;
    상기 다수개의 부유체 각각의 내부압력을 감지하고 신호를 전송하는 압력센서(700); 및,
    상기 평형센서(600)와 상기 압력센서(700)의 신호를 받아 상기 고압탱크(400)에서 부력의 증가가 요구되는 상기 부유체(100)로 공급되는 공기량과, 부력의 감소가 요구되는 상기 부유체에서 외부로 배출되는 공기량을 제어하는 제어부(800);를 포함하여 구성되고,
    상기 평형센서(600)로부터 상기 다수개의 부유체(100) 중 일부가 다른 부유체에 비해 가라앉아 평형이 맞지 않는다는 신호를 수신하면, 제어부(800)가 그 일부의 부유체 내부의 압력을 추정하여 추정된 압력에 이르기까지 고압공기(A)를 공급하면 상기 일부의 부유체 내부의 평형수(B)가 다른 부유체로 이동하게 되고, 상기 평형수(B)가 유입되는 다른 부유체의 내부의 압력을 추정하여 추정된 압력에 이르까지 고압공기(A)를 배출시켜 상기 다수개의 부유체가 서로 평형을 유지하도록 제어하는 해상발전플랫폼의 부유시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수개의 부유체(100) 각각은,
    고압공기(A)와 평형수(B)가 함께 저장되는 공간부를 형성하는 벨로우즈드럼(110)과;
    상기 평형수이동관(300)이 연결되는 평형수유출입구(120)와;
    상기 고압탱크(400)로부터 고압공기(A)가 유입되는 공기유입밸브가 장착된 고압공기유입구(130)와;
    상기 부유체 내부의 공기를 배출하기 위한 공기배출밸브가 장착된 공기배출구(140);
    상기 벨로우즈드럼(110)의 상하면을 각각 덮어 밀폐하기 위한 밀폐판(150)과;
    상기 밀폐판(150)을 커버하며 상기 연결부재(200)가 고정결합되는 커버플레이트(160); 를 포함하여 구성된 특징으로 하는 해상발전플랫폼의 부유시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다수개의 부유체(100)의 각 중심을 이어 생기는 도형의 무게중심부에 발전설비(W)가 설치되는 것을 특징으로 하는 해상발전플랫폼의 부유시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다수개의 부유체의 중심을 이은 도형은 정삼각형이며, 상기 정삼각형의 외심에 풍력발전타워가 수직방향으로 세워진 해상발전플랫폼의 부유시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 벨로우즈드럼(110)에 형성되는 벨로우즈의 형상은 산과 골이 상하방향으로 형성되고, 다수개의 보강링(170)이 높이방향으로 일정한 간격을 두고 개재되어 설치된 다층구조인 수직형 벨로우즈로서, 상기 보강링(170)과 상기 벨로우즈가 용접으로 결합된 것을 특징으로 하는 해상발전플랫폼의 부유시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 벨로우즈드럼(110)에 형성되는 벨로우즈의 형상은, 산과 골이 수평방향으로 형성되고, 다수개의 보강판(180)이 원주방향으로 일정한 간격을 두고 개재되어 설치된 원주분할구조인 수평형 벨로우즈로서, 상기 보강판과 상기 벨로우즈가 용접으로 결합된 것을 특징으로 하는 해상발전플랫폼의 부유시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 벨로우즈드럼(110)의 외면에는 콘크리트 또는 발포제가 타설된 것을 특징으로 하는 해상발전플랫폼의 부유시스템.
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