KR101597705B1 - 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치에 관한 것으로서, 상세하게는 해상풍력 석션기초와 동일한 형태로 내부에 격벽을 형성하여 복수의 공간부가 구비된 해상풍력 석션기초 모형의 각 공간부 내부에 물과 진공압을 제공하여 토조의 지반에 삽입되는 해상풍력 석션기초 모형의 수직도 제어를 실험하도록 하는 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치에 관한 것이다.

Description

해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치{VERTICALITY CONTROL TESTING DEVICE FOR SUCTION BASE OF OFFSHORE WIND POWER}

본 발명은 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치에 관한 것으로서, 상세하게는 해상풍력 석션기초와 동일한 형태로 내부에 격벽을 형성하여 복수의 공간부가 구비된 해상풍력 석션기초 모형의 각 공간부 내부에 물과 진공압을 제공하여 토조의 지반에 삽입되는 해상풍력 석션기초 모형의 수직도 제어를 실험하도록 하는 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치에 관한 것이다.

해상풍력발전은 풍력터빈을 호수, 피오르드(fjord) 지형, 연안과 같은 수역에 설치하여 그 곳에서 부는 바람의 운동에너지를 회전날개에 의한 기계에너지로 변환하여 전기를 얻는 발전방식을 말한다.

2008년 말까지 해상풍력발전 총 누적용량은 총 풍력발전 누적용량의 1%가 약간 넘는 수치인 1,473MW이며 2008년에는 30% 증가율과 같은 수치인 350MW가 추가되었다.

해상풍력발전의 장점으로는 국토가 비좁은 국가에서 풍력터빈을 설치할 수 있는 지역을 구하기란 쉽지 않다. 즉 육상풍력발전의 경우 설치 부지의 한계가 있다는 말이다. 이에 비해 해상은 부지확보가 양호해 대규모 풍력발전단지 조성이 가능하다.

또한, 해상은 장애물의 감소로 바람의 난류와 높이나 방향에 따른 풍속변화가 적기 때문에 유사 조건의 육상풍력발전에 비해 상대적으로 낮은 피로하중으로 약 1.5~2배의 높은 발전량을 유지할 수 있고, 해상풍력발전의 경우 해안과 떨어져 설치되기 때문에 풍력터빈의 대형화로 인하여 발생되는 소음과 시각적인 위압감 같은 문제를 해소할 수 있다.

그리고, 해상에 설치된 풍력발전단지는 뛰어난 경관을 연출한다. 실례로 덴마크 미델그룬덴은 세계적인 해상풍력발전단지 조성의 성공사례로 알려지면서 전력생산뿐만 아니라 관광 투어 코스로도 인기를 끌고 있고, 바닷물 속에 잠겨 있는 풍력터빈 지지대가 어류와 해저 생물의 좋은 산란처 역할을 하여 어획량이 늘고 바닷물 위의 풍력터빈 지지대는 철새들의 쉼터 역할을 하고 있다.

해상 풍력 발전 시설물은 크게 터빈과, 기초로 나뉜다.

먼저, 터빈은 기본적으로 육상용 풍력발전터빈과 동일한 기술을 적용한다. 수명은 20년 정도이며 육상보다 대용량인 3~5MW 이상의 풍력터빈을 적용한다. 각 요소는 염분으로 인한 부식 피해를 막기 위하여 설계 및 코팅된다.

그리고, 기초(Foundation)는 대표적인 4가지 타입으로 나누어 설명할 수 있다.

콘크리트 케이슨 타입(Concrete caisson type)은 제작 및 설치가 용이하여 초기 해상풍력발전단지에 사용된 타입으로 빈데비(Vindeby), 미델그룬덴(Middelgrunden) 해상풍력발전단지 등에 적용되었다. 비교적 얕은 6~10m의 수심에서 사용가능하며 자중과 해저면의 마찰력으로 위치를 유지한다. 기초 직경은 12~15m다.

모노파일 타입(Monopile type)은 현재 가장 많이 쓰이고 있는 해상풍력발전단지 기초 방식이며, 25~30m의 수심에 설치가 가능하다. 홀스레브(Horns Rev), 노스 호일(North Hoyle) 해상풍력발전단지 등에 적용되었으며 해저면에 대구경의 파일(pile)을 항타(Driving) 또는 드릴링(Drilling)하여 고정하는 방식으로 대단위 단지에 이용하는 경우 경제성이 좋다. 기초 직경은 3~3.5m이다.

자켓 타입(Jacket type)은 현재 해상풍력발전단지 보유국에서 많은 관심을 보이고 실증 중에 있는 타입으로 수심 20~80m에 설치가 가능하다. 영국의 "The Talisman Beatrice Wind Farm Demonstrator" 프로젝트에서 적용된 이 타입은 자켓식 구조물로 지지하고 말뚝 또는 파일(pile)로 해저에 고정하는 방식이다. 대수심 해양의 구조물이고 실적이 많아 신뢰도가 높은 편이며 모노파일 타입과 마찬가지로 대단위 단지 조성에 이용하는 경우 경제성이 좋다.

부유식 타입(Floating type)은 미래 심해상 풍력발전의 필수 과제라고 할 수 있는 부유식 타입은 수심 40~900m에 설치가 가능하도록 많은 풍력회사에서 연구 중이다.

그러나, 이러한 해상 풍력 발전 시설물의 기초, 특히 석션파일은 설치 후 태풍, 지진 해일 등에 의해 강력한 파도나 바람의 영향을 받는 데, 파력이나 바람에 의해 수평 변위를 유발하게 되며, 수평변위가 과도하게 발생하는 경우에는 기울기를 보정해주어야만 하는 데, 기울기를 보정해주는 별도의 장치가 없는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인에 의해 한국 등록특허공보 10-1044753호인 내부격실을 이용한 해상 풍력 발전 시설물 기울기 보정장치가 출원되어 등록되었다.

상기 내부격실을 이용한 해상 풍력 발전 시설물 기울기 보정장치는 해저면에 설치되고, 상부에 구조물이 설치되며, 내부가 격벽에 수직으로 구획되어 복수의 격실을 구비하도록 하는 기초와; 상기 기초의 상면에 설치되되, 각 격실의 상부에 위치하는 복수의 석션펌프와; 상기 기초의 상면에 설치되되, 상기 석션펌프와 간섭이 없도록 각 격실의 상부에 위치하는 복수의 수중펌프와; 상기 기초의 구조물의 내측에 설치되어 상기 기초의 기울기를 측정하는 측정 센서부와; 상기 측정 센서부의 측정값을 통해 기울기가 기준값을 초과하면 기초의 기울어진 방향을 확인하고, 기울어진 방향에 따라 각각의 석션펌프 및 수중펌프의 동작을 제어하여 상기 기초의 기울기를 보정하는 컨트롤러로 이루어져 태풍, 지진 해일 등에 의해 강력한 파도나 바람의 영향을 받는 데, 파력이나 바람에 의해 수평 변위를 유발하게 되며, 수평변위가 과도하게 발생하는 경우에는 석션파일 내부가 격벽에 수직으로 구획되어 복수의 격실을 구비하도록 하고, 석션파일의 기울기에 따라 석션펌프와 수중펌프를 이용하여 선택적으로 각 격실의 압력 및 수위를 조절하여 기울기를 보정한다.

그러나, 이러한 내부격실을 이용한 해상 풍력 발전 시설물 기울기 보정장치는 실제 해상에서 작업을 수행해야만 하기 때문에 선행적으로 실내 모형실험이 요구되고 있는 실정이다.

한국 등록특허공보 10-1044753호 한국 등록특허공보 10-1355904호

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로, 해상풍력 석션기초와 동일한 형태로 내부에 격벽을 형성하여 복수의 공간부가 구비된 해상풍력 석션기초 모형의 각 공간부 내부에 물과 진공압을 제공하여 토조의 지반에 삽입되는 해상풍력 석션기초 모형의 수직도 제어를 실험하도록 하는 수직도 제어가 가능한 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

직육면체로 형태로 형성되고, 상부가 개방되며, 내부에 지반과 물이 채워지며, 해상풍력 석션기초와 동일한 형태로 내부에 격벽을 형성하여 복수의 공간부가 구비된 해상풍력 석션기초 모형이 수직으로 삽입되는 토조와; 상기 토조의 일측면 상부에 구비되어 상기 해상풍력 석션기초 모형의 각 공간부로 물을 투입하는 급수 탱크와; 상기 토조의 타측면에 설치되고, 피스톤이 승하강되며 진공압을 발생하여 상기 해상풍력 석션기초 모형의 각 공간부 내부의 공기와 물을 배출하는 진공압 실린더; 및 상기 진공압 실린더의 상부인 상기 토조의 타측면 상부에 설치되어 상기 피스톤을 승하강시키는 승하강 부재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 해상풍력 석션기초 모형의 격벽은 중심축을 기준으로 동일 각도를 가지며 방사상으로 3개 이상 형성된다.

여기에서 또한, 상기 해상풍력 석션기초 모형은 상기 각 공간부의 상단에는 관통공이 형성된다.

여기에서 또, 상기 급수 탱크와 진공압 실린더는 상기 해상풍력 석션기초 모형의 관통공과 급수 호스 및 진공 호스에 의해 각각 연결되고, 상기 급수 호스 및 진공 호스에는 각각의 급수량을 조절하는 급수 밸브와, 각각의 진공압을 조절하는 배수 밸브가 구비된다.

여기에서 또, 상기 승하강 부재는 상기 진공압 실린더의 상부에서 일정 높이를 형성하도록 상기 토조의 상부에 설치되고, 상기 진공압 실린더가 고정되는 프레임과; 상기 진공압 실린더의 피스톤 로드의 상부에 설치되는 베어링과; 상기 베어링 상단에 연결되는 커플러와; 상기 커플러와 연결되는 볼 스크류; 및 상기 볼 스크류를 회전시켜 상기 피스톤 로드를 승하강시키는 서보 모터로 이루어진다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치에 따르면, 해상풍력 석션기초와 동일한 형태로 내부에 격벽을 형성하여 복수의 공간부가 구비된 해상풍력 석션기초 모형의 각 공간부 내부에 물과 진공압을 제공하여 토조의 지반에 삽입되는 해상풍력 석션기초 모형의 수직도 제어를 실험할 수 있도록 함으로써 실험을 통해 실제 해상 설치시 제반 문제점을 사전에 파악할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 측면도이다.
도 3은 도 1의 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치의 해상풍력 석션기초 모형을 나타낸 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치의 실험 과정을 설명한 설명도이다.

이하, 본 발명에 따른 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 측면도이며, 도 3은 도 1의 정면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치의 해상풍력 석션기초 모형을 나타낸 사시도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치(1)는 해상풍력 석션기초 모형(10)과, 토조(20)와, 급수 탱크(30)와, 진공압 실린더(40)와, 승하강 부재(50)로 이루어진다.

먼저, 해상풍력 석션기초 모형(10)은 도 4에 도시된 바와 같이 해상풍력 석션기초와 동일한 형태로 내부에 격벽(11)을 형성하여 복수의 공간부(13)이 구비된다. 여기에서, 해상풍력 석션기초 모형(10)의 격벽(11)은 중심축을 기준으로 동일 각도를 가지며 방사상으로 3개 이상 형성되고, 각 공간부(13)의 상단에는 관통공(15)이 형성된다.

그리고, 토조(20)는 직육면체로 형태로 형성되고, 상부가 개방되며, 내부에 지반과 물이 채워지며, 해상풍력 석션기초 모형(10)이 수직으로 삽입된다. 이때, 토조(20)는 원심모형실험장치(미도시)의 토조로서 상사법칙에 의해 실험 대상이 되는 구조물의 축소 모형, 즉 해상풍력 석션기초 모형(10)을 제작하고, 대상지역에서 시료를 채취한 후 이물질을 제거와 최대허용입경을 맞추고 원심모형실험장치를 통해 원지반과 동일 상태의 지중응력을 갖는 균일한 지반을 작성하고, 이에 물을 투입한다.

또한, 급수 탱크(30)는 토조(20)의 일측면 상부에 구비되어 해상풍력 석션기초 모형(10)의 각 공간부(13)로 물을 투입한다. 여기에서, 급수 탱크(30)는 해상풍력 석션기초 모형(10)의 관통공(15)과 각각 급수 호스(31)에 의해 연결되고, 각각의 급수 호스(31)에는 급수량을 조절하는 급수 밸브(33)가 구비된다.

또, 진공압 실린더(40)는 토조(20)의 타측면에 설치되고, 피스톤(41)이 승하강되며 진공압을 발생하여 해상풍력 석션기초 모형(10)의 각 공간부(13) 내부의 공기와 물을 배출한다. 여기에서, 진공압 실린더(40)는 해상풍력 석션기초 모형(10)의 관통공(15)과 각각 진공 호스(43)에 의해 연결되고, 각각의 진공 호스(43)에는 진공압을 조절하는 배수 밸브(45)가 구비된다.

한편, 승하강 부재(50)는 진공압 실린더(40)의 상부에서 일정 높이를 형성하도록 토조(20)의 상부에 설치되고, 진공압 실린더(40)가 고정되는 프레임(51)과, 진공압 실린더(40)의 피스톤 로드(42)의 상부에 설치되어 피스톤 로드(42)의 회전을 방지하는 베어링(53)과, 베어링(53) 상단에 연결되는 커플러(55)와, 커플러(55)와 연결되는 볼 스크류(57) 및 볼 스크류(57)를 정역 회전시켜 피스톤 로드(42)를 승하강시키는 서보 모터(59)로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 토조(20)에 대상지역에서 원지반을 채워놓고, 원지반과 동일 상태의 지중응력을 갖는 균일한 지반을 작성한 다음 이에 물을 투입한다.

그리고, 토조(20)에 급수 탱크(30)와, 진공압 실린더(40)와, 승하강 부재(50)를 설치하고, 해상풍력 석션기초 모형(10)을 지반에 삽입한다.

이러한 상태에서 진공 호스(43)의 배수 밸브(45)를 조절하여 해상풍력 석션기초 모형(10)의 각 공간부(13)에 진공압이 걸리도록 한다.

그런 다음 승하강 부재(50)의 서보 모터(59)를 일방향으로 동작시키면, 볼 스크류(57)가 회전되어 피스톤 로드(42)를 승강시킨다.

그러면, 진공압 실린더(40)의 피스톤(41)이 상승되면서 진공압이 발생되고, 해상풍력 석션기초 모형(10)의 공간부(13)에 진공압이 걸려 해상풍력 석션기초 모형(10)가 지반에 삽입된다.

이러한 상태에서 해상풍력 석션기초 모형(10)이 도 5와 같이 기울어지는 경우 해당 공간부의 진공 호스(43)의 배수 밸브(45)를 잠근다.

그리하여, 도 6과 같이 수직도가 보정되면 다시 배수 밸브(45)를 열어 각각의 공간부(13)에 동일한 석션압을 가하여 해상풍력 석션기초 모형(10)을 삽입시킨다.

한편, 수직도의 보정이 이루어지지 않으면 해당 공간부의 진공 호스(43)의 배수 밸브(45)를 잠그고 급수 호스(31)의 급수 밸브(33)를 열어준다.

그러면, 해당 공간부로 급수 탱크(30)의 물이 유입되어 압력을 높이고, 해당 기울기 반대 방향의 공간부의 석션압을 높게 하면 해당 기울기 반대 방향의 공간부 내부의 압력이 낮춰져서 도 6과 같이 수직도가 보정된다.

상기 과정을 반복하면서 수직도를 보정하면서 해상풍력 석션기초 모형(10)을 삽입시켜 시험을 진행한다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 해상풍력 석션기초 모형 20 : 토조
30 : 급수 탱크 40 : 진공압 실린더
50 : 승하강 부재

Claims (5)

1. 직육면체로 형태로 형성되고, 상부가 개방되며, 내부에 지반과 물이 채워지며, 해상풍력 석션기초와 동일한 형태로 내부에 격벽을 형성하여 복수의 공간부가 구비된 해상풍력 석션기초 모형이 수직으로 삽입되는 토조와;
   상기 토조의 일측면 상부에 구비되어 상기 해상풍력 석션기초 모형의 각 공간부로 물을 투입하는 급수 탱크와;
   상기 토조의 타측면에 설치되고, 피스톤이 승하강되며 진공압을 발생하여 상기 해상풍력 석션기초 모형의 각 공간부 내부의 공기와 물을 배출하는 진공압 실린더; 및
   상기 진공압 실린더의 상부인 상기 토조의 타측면 상부에 설치되어 상기 피스톤을 승하강시키는 승하강 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 해상풍력 석션기초 모형의 격벽은,
   중심축을 기준으로 동일 각도를 가지며 방사상으로 3개 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 해상풍력 석션기초 모형은,
   상기 각 공간부의 상단에는 관통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 급수 탱크와 진공압 실린더는,
   상기 해상풍력 석션기초 모형의 관통공과 급수 호스 및 진공 호스에 의해 각각 연결되고, 상기 급수 호스 및 진공 호스에는 각각의 급수량을 조절하는 급수 밸브와, 각각의 진공압을 조절하는 배수 밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 승하강 부재는,
   상기 진공압 실린더의 상부에서 일정 높이를 형성하도록 상기 토조의 상부에 설치되고, 상기 진공압 실린더가 고정되는 프레임과;
   상기 진공압 실린더의 피스톤 로드의 상부에 설치되는 베어링과;
   상기 베어링 상단에 연결되는 커플러와;
   상기 커플러와 연결되는 볼 스크류; 및
   상기 볼 스크류를 회전시켜 상기 피스톤 로드를 승하강시키는 서보 모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 해상풍력 석션기초용 수직도 제어 실험장치.

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