KR20100014506A - 다운윈드 파워 플랜트 및 다운윈드 파워 플랜트 작동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타워(2), 머신 하우징(3), 및 하우징(3)에 지지된 터빈(4)을 구비한 다운윈드 파워 플랜트(1)에 관한 것이다. 터빈(4)은 회전 영역을 형성하고 풍향에 거의 수직인 위치로 피벗팅되도록 된다. 두개 이상의 와이어(6)는 작동중에 이렉팅된 위치에서 타워를 유지하기 위해 그 일단부가 타워(2)에 연결되고, 각 와이어는 타단부가 하나 이상의 부착 포인트에 부착된다. 각 와이어는 적어도 제 1 위치와 제 2 위치를 포함할 수 있다. 제 1 위치에서의 와이어는 부착 포인트로부터 하방으로 또는 작동 중의 터빈에 의해 타워에 인가되는 수평 방향 힘에 대하여 중심에 근접하여 비스듬한 각도로 연장된다. 제 2 위치에서의 각 와이어는 회전 영역 외측으로 리딩되어 터빈 플레인을 방해하는 와이어 없이 수직축 주위에서 의 회전이 자유롭게 된다. 또한, 이러한 타입의 다운윈드 파워 플랜트를 작동하는 방법이 개시되어 있다.

다운윈드 파워 플랜트

Description

다운윈드 파워 플랜트 및 다운윈드 파워 플랜트 작동 방법{DOWNWIND POWER PLANT, AND A METHOD FOR OPERATING A DOWNWIND POWER PLANT}

본 발명은 다운윈드 윈드 파워 플랜트(downwind wind power plant) 및 다운윈드 윈드 파워 플랜트의 작동 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 윈드 파워 플랜트에 있어서, 터빈으로부터의 축력은 표면, 예컨대 실질적으로 터빈의 허브 높이로부터 워터 바디의 바닥에서의 해저(seabed)에 이른다. 이것은 종래의 윈드 파워 제너레이터에 비해 타워상의 실질적인 모멘트의 언로딩 및 타워 하방의 구조로 이끈다. 윈드 파워 제너레이터는 타워, 머신 하우징 및 이 하우징내에서 지지되는 다운윈드 터빈(downwind turbine)을 포함한다. 머신 하우징도 타워의 통합된 부분 또는 타워의 일부가 될 수 있다. 타워 또는 그 일부는 터빈에 의해 피벗팅될 수 있다. 통상의 작동 중에 윈드 파워 제너레이터는 상측 위치에 있어서의 그 일단부와 함께 업윈드 사이드(upwind side)가 파워의 상측 부분 또는 머신 하우징에 부착되고, 그 타단부가 예컨대 워터 바디의 바닥에서 표면에 부착되는 적어도 하나의 와이어에 의해 유지 및 직립된다. 다운윈드 사이드에서의 와이어가 하부, 하향 위치에서 유지되어 터빈과의 충돌을 회피하게 된다.

윈드 파워 플랜트는 바람의 운동 에너지를 기계적 에너지로 변환하는데 사용 된다. 그후, 이 에너지는 전기적 에너지로 변환된다. 지상의 표준 윈드 파워 제너레이터는 지면에 고정되어 있고, 그 상부에 머신 하우징을 갖는 타워를 포함한다. 바람을 향하여 실제적으로 피벗팅될 수 있는 수평축을 가진 업윈드 터빈(upwind turbine)이 머신 하우징에 부착되어 있다. 다양한 대체 실시형태를 상업적으로 이용할 수 있지만 비교적 잘 이용되지 않는다. 1980년대로부터 오늘까지 윈드 파워 제너레이터의 사이즈는 유닛당 수십 킬로와트로부터 3-5MW의 유닛까지 실질적으로 증가되었다. 이와 동시에, kWh당 비용이 실질적으로 저하되었다. 현재 육상과 해상 모두에 윈드 파워 파크가 존재한다. 대부분의 해상 설치물은 수심이 얕은 바닥에 강고히 고정된 타워에 의해 배치되어 있다. 심해상에 윈드 파워 제너레이터를 배치함으로써 면적이 넓고 풍속이 빠르기 때문에 이용 가능한 기초 자원이 확대될 수 있다. 대체 사용 면적에 관한 심미적 충돌과 문제가 실질적으로 감소되고, 인명과 재산의 손실 위험이 대부분 제거된다. 대부분의 특정 목적물을 위해 심해의 윈드 파워 제너레이터는 플로팅 엘리먼트(floating element)에 의해 직립될 것이고, 해저에 앵커링(anchoring)된다.

노르웨이 특허 출원 2002 6179는 앵커링 오르간(anchoring organ) 주위에서 자유롭게 피벗이 가능한 플로팅 윈드 터빈(floating wind turbine)을 개시하고 있다. 프레임워크(framework)는 타워에 부착되어 있고, 타워와 추가적인 플로팅 바디 사이의 스트럿(strut) 및 플로팅 바디와 타워의 상부측 사이의 와이어를 포함하고, 타워, 스트럿, 및 와이어는 삼각형을 형성한다. 소정의 작동 조건하에서 보텀 와이어(bottom wire)의 방향이 추가 플로팅 엘리먼트와 타워 사이의 와이어 연장선에 있으면 타워의 완전한 모멘트 언로딩이 달성될 수 있다. 이러한 조건하에서 플로팅 바디와 로드(load)에 대한 요구가 현저히 감소될 것이다. 다른 작동 조건하에서 상당한 부력과 다수의 밸러스트(ballast)에 의해 하나의 조건이 상당한 스트레이트닝 모멘트(straightening moment)를 갖는다.

노르웨이 특허 출원 2002 5440, "Apparatus for providing windmills in a body of water and a method for providing the same"은 서브 프레임에 부착된 플로팅 윈드 파워 제너레이터를 개시하고 있다. 서브 프레임은 플로팅 엘리먼트와 가능하다면 이 플로팅 엘리먼트 하방에 부착된 컬럼(column)을 포함하고, 케이블은 윈드 파워 제너레이터, 플로팅 엘리먼트 및/또는 컬럼의 타워와 해저에 부착되어 있다. 두가지 실시형태에 있어서, 케이블은 터빈 플레인의 저부 및 머신 하우징 근방의 타워에 각각 부착되어 있다. 후자의 상황에서는 터빈 플레인이 긴 거리를 수평 방향으로 멀리 이동되고, 및/또는 케이블이 타워에 대하여 예각으로 부착되는 것으로 가정된다. 타워와 케이블 사이의 예각은 언로딩 순간을 감소시키고, 보텀 케이블에 있어서의 부력, 로드 및/또는 텐션에 대한 요구를 증가시킨다.

NO 317.431은 심해상에서 부상하고, 토셔널리 스티프 스트럿(torsionally stiff strut)에 의해 해저에 앵커링되어 있는 윈드 파워 제너레이터를 개시하고 있다. 타워의 경사는 부력의 중심이 구조체 중량의 조인트 센터(joint centre) 위에 있는 것으로 한정된다. 터빈의 실제 힘으로부터 야기되는, 예컨대 구조체의 중심 중력에 대한 상당한 벤딩 모멘트는 부력과, 부력 중심과 중력 중심 사이의 토크 암에 의해 주어지는 모멘트에 의해 균형을 잡게 된다. 스트럿에 있어서의 텐션은 구 조체의 부력이 구조체의 중량보다 크게 만들어질 수 있는 것 외에는 공헌하는 바가 없을 것이다.

WO 2004/097217은 NO 317.431의 변형례를 나타내고, 해저에서의 앵커링 포인트에 있어서 스위벨(swivel)은 수직축을 중심으로 구조체의 회전을 가능하게 하여 윈드 터빈이 요 기구(yaw mechanism)없이 배향된 다운윈드가 될 수 있다. 타워 경사에 관한 조건은 NO 317.431에 관하여 개시된 바와 같다.

WO 01/7392는 경사각을 조정하도록 채움/비움이 가능한 소정수의 로드 탱크를 갖는 바지(barge)에 부착된 플로팅 윈드 터빈을 개시하고 있다. 수면상의 타워가 타워의 상부와 바지 사이의 라인에 의해 언로딩되더라도 터빈의 축력에 의해 야기되는 경사의 전체 모멘트를 여전히 부력과 밸러스트에 의해 테이킹 업(taking up)해야 한다.

NO 2002 6179와 부분적으로 NO 2002 5440을 제외한 상기 모든 공보에 있어서 밸러스트와 플로팅 엘리먼트를 가진 플로팅 윈드 파워 제너레이터 및/또는 바이어싱되고 긴장된 스트럿을 설계하는 다양한 방법이 터빈의 축력에 의해 생성되는 모멘트와 타워에 의해 생성되는 롱 레버 암을 테이킹 업할 수 있게 된다. 이러한 해결책에 관련된 문제는 어떠한 컨셉도 초기 모멘트를 감소시키지 않는다는 것이고, 이것들은 그것을 방해하는 다양한 방법만을 개시하고 있다. 본 발명은 허브의 높이에서 작용하고, 하나 또는 소정수의 케이블을 통해 이 힘을 표면, 예컨대 워터 바디의 바닥으로 전달하는 축 부하에 대하여 구조체를 언로딩함으로써 이러한 한계를 극복한다. 현저히 적은 스트레이트닝 모멘트에 의해 전체 구조체의 치수가 결정될 수 있고, 현저히 감소된 중량으로 유도하는 장점이 있다.

본 발명과 마찬가지로, NO 2002 6179에는 터빈 하방으로부터 워터 바디의 바닥으로 축력을 전달함으로써 모멘트에 관하여 실질적으로 언로딩되는 윈드 파워 제너레이터가 개시되어 있다. 그러나, NO 2002 6179는 윈드 파워 제너레이터가 앵커링 포인트 주변에서 원형으로 이동하는 것을 특징으로 하는 다른 것들 중의 하나이다. 이 원내에서의 터빈의 위치는 시간에 있어서의 모든 포인트에서 관련 풍향에 의해 결정된다. 원형 경로를 따른 재배치는 시간이 걸리고, 이에 따라 생산율 손실을 일으키게 된다. 또한, NO 2002 6179에 있어서의 발명은 수평 스트럿이 단부에 플로팅 바디를 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성의 일부는 원형 경로를 따른 모션의 방향에 수직으로 배향되고, 실제 실시형태에 있어서 일부는 재배치중에 현저한 모션에 대한 저항을 제공한다. 또한, 이러한 구성의 일부는 파도에 의해 가해진 현저한 부하에 노출될 것이다. NO 2002 6179에 기재된 터빈은 구조물의 셀프 이렉팅 모멘트에 의해 달성되는 것보다 실질적으로 더 큰 횡방향 안정성(sideways stability)을 갖지 않는다. 또한, 이것은 솔루션과 함께 모든 윈드밀(windmill)이 수심에 따라 상당한 면적을 필요로 한다는 것이 문제이고, 이것은 윈드밀의 파크가 사용되는 경우에 특히 문제가 된다.

NO 2002 5440의 도 6에는 타워 상부의 바닥에 케이블이 부착된 실시형태가 도시되어 있다. 터빈 프레인과의 충돌이 도면에 도시되어 있지 않지만 이러한 실시형태에 있어서 (터빈)하우징은 확장되어야 한다는 것이 공보에 있어서 지적되었다. 이러한 솔루션은 타워와 그 아래의 구조물에 있어서 모멘트를 언로딩하는 가능성에 대한 한정으로 작용할 것이다.

심해에서의 윈드 파워에 관하여 가장 많이 알려진 개념 연구는 작동중에 터빈으로부터의 모멘트를 방해하는데 충분한 이렉팅 모멘트를 갖는 플로팅 구조로서 제작된 윈드 파워 스테이션에 의거한다. 상기 구조에 있어서, 구조체 중량의 50% 이상이 이렉팅 모멘트(erecting moment)에 대한 필요에 직접적으로 관련될 수 있다. 플로팅 윈드 파워 스테이션으로서의 제 1 실시형태는 본 발명에 있어서 이렉팅 모멘트에 대한 필요성을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 이것은 실제 중량에 대한 가능성을 부여함으로써 비용이 절감된다. 또한, 원형으로 이동하는 스테이션에 있어서의 면적의 필요성이 감소된다.

본 발명의 목적은 터빈의 수평력 성분을 직접적으로 해저로 리딩하고, 이와 동시에 터빈이 와이어와 충돌하지 않고 피벗팅 가능하게 함으로써 바다 밑 구조물에 대한 이렉팅 모멘트의 필요성을 저감시키는 것이다. 본 발명에 의하면, 수평력은 NO 2202 5440에서와 마찬가지로 머신 하우징의 설계에 대응하는 요구없이 타워의 상부로부터 멀어지게 될 수 있다. NO 2002 6179에 개시된 것과는 반대로, 본 발명은 윈드 파워 스테이션이 앵커링 포인트 주위의 원형 경로에서 플로팅하도록 하지 않으면서 이것을 달성할 수 있게 할 것이다. 본 발명은 거의 동일 위치에 윈드 파워 스테이션이 배치되도록 할 수 있고, 소정의 포인트에 앵커링될 수 있도록 할 수 있기 때문에 횡으로 배치되어 하방 위치에 조여진 앵커링 와이어에 의해 상당한 수준의 횡방향 안정성이 달성된다.

본 발명은 타워, 머신 하우징 및 하우징에 지지된 터빈을 포함하는 다운윈드 윈드 파워 제너레이터에 관한 것이다. 타워는 강, 알루미늄, 혼합물, 콘트리트 또는 다른 적절한 물질로 만들어질 수 있고, 윈드 파워 플랜드의 나머지 요소와 로컬 컨디션에 적합한 실린더, 프레임 워크, 또는 다른 솔루션이나 솔루션들의 조합으로서 설계될 수 있다. 또한, 본 발명은 지상, 얕은 물 및 심해에서 사용될 수 있다. 심해에서 윈드 파워 플랜트는 떠있을 수 있고, 조정 가능한 부력 및/또는 부하와 셀프-이렉팅 모멘트(self-erecting moment)를 가질 수 있다. 터빈은 다운윈드 터빈이 될 수 있다. 이것은 고정 또는 변동이 가능하거나 주기적인 피치를 가질 수 있고, 터빈 블레이드의 방사상 확장에 의해 규정된 원형 회전 영역을 형성할 수 있다. 터빈은 풍향에 거의 수직인 위치로 요닝(yawning)하도록 된다. 3개 이상의 와이어[백스테이(backstays), 스트럿, 케이블, 로프(ropes), 체인, 이들의 조합 또는 장력에 의해 로딩되기에 적합한 다른 장치들]는 일단부가 타워 또는 머신 하우징에 부착되고 그리고 타단부가 하나 이상의 부착 포인트에서 작동시에 이렉팅된 위치에서 타워를 유지한다. 각 와이어는 적어도 제 1 및 제 2 위치에 채택될 수 있고, 제 1 위치에서의 와이어는 거의 업윈드 사이드에서 부착 포인트로부터 작동시에 터빈에 의해 타워에 인가되는 힘의 중심의 내측 또는 그 인근으로 경사진 각도로 하방으로 연장되고; 제 2 위치에서는 거의 다운윈드 사이드상에서 그리고 가능하다면 타워의 좌우측에서 와이어의 수에 따라 와이어가 회전의 평면 밖으로 리딩되어 터빈이 방해되는 하나 또는 소정수의 와이어 없이 수직축 주위에서 요잉(yawing)될 수 있다. 타워에서의 각 와이어의 효과적인 부착 포인트가 터빈 플레인으로부터 낮아지거나 와이어가 충분히 늘어지게 되어 타워를 따라 거의 직하방으로 매달리고; 하방으로 충분히 멀어지게 되어 와이어가 터빈을 방해하지 않는 것이 달성될 수 있다. 하방 위치에 와이어를 고정시키기 위해 첫번째 경우로서, 예컨대 낮춰진 부착 포인트를 향하여 내부로 당겨지도록 조여질 수 있다. 또한, 와이어는 필요에 따라 중간 위치로 될 수 있다.

윈드 파워 제너레이터는 워터 바디에 배치될 수 있고, 그 하단부는 하나 또는 소정수의 플로팅 엘리먼트와 밸러스트를 포함하여 와이어가 팽팽해지지 않고 워터 바디에 있어서의 이렉팅된 위치에서 플로팅될 수 있다.

와이어는 워터 바디의 바닥에 그 하단부가 부착될 수 있고, 하나 이상의 추가 와이어는 일단부가 윈드 파워 플랜트의 거의 최저점에, 그리고 타단부가 워터 바디의 바닥에 부착될 수 있다.

윈드 파워 플랜트의 타워 전체 또는 일부는 타워의 수직 중심축의 각 사이드에 배치된 두개의 컬럼을 포함하여 주된 풍향에서의 컬럼으로부터의 윈드 터뷸런스(wind turbulence)가 터빈의 허브를 통한 수직선에 대하여 측면으로 터빈을 만난다.

윈드 파워 플랜트의 타워 전체 또는 일부는 수직축 주위에서 터빈에 의해 요잉될 수 있다.

윈드 파워 플랜트의 타워 전체 또는 일부는 공기 및/또는 물에서 흐르는데 저항을 감소시키는 유선형 구조로 이루어질 수 있다.

와이어는 타워에 연결된 두개 이상의 제어 가능한 피동 드럼(driven drum)을 포함하는 기구에 의해 제 1 및 제 2 위치 사이에 제공될 수 있다. 두개 이상의 풀리는 타워에 연결되고, 드럼으로부터 타워의 길이 방향으로 좀 떨어져서 배치될 수 있다. 제어 가능한 피동 드럼에 고정된 길이 조정 와이어는 풀리상에서 주행하여 제어 가능한 피동 드럼으로 복귀할 수 있다. 와이어는 조정 와이어의 길이에 따른 위치에 부착되어 제어 가능한 피동 드럼의 동작이 타워의 길이 방향으로 조정 와이어를 리딩함으로써 타워의 길이 방향에 대하여 와이어의 부착 포인트를 승강시킬 수 있다.

대안으로서, 와이어는 타워에 연결된 두개 이상의 제어 가능한 피동 드럼을 포함하는 기구에 의해 제 1 위치와 제 2 위치 사이에 제공될 수 있다. 길이 조정 와이어는 제어 가능한 피동 드럼에 부착될 수 있고, 조정 와이어는 와이어상의 길이에 따른 위치에 부착될 수 있어 이 조정 와이어가 타워를 향하여 와이어를 당길 수 있다.

대안으로서, 와이어는 와이어를 승강시키는 타워를 따라 홈 또는 트랙에서 주행하는 스키드(skid) 또는 캐리지(carriage)를 통해 타워에 부착될 수 있다. 슬라이드(slide)는 공통 리니어 액추에이터, 체인 등에 의해 구동될 수 있다.

또한, 본 발명은 변동 가능한 부착 포인트를 가진 와이어와 윈드 터빈을 포함하는 다운윈드 윈드 파워 플랜트의 작동 방법을 포함한다. 와이어는 파워 플랜트가 작동될 때 업윈드 및 다운윈드 위치에 있을 수 있다. 상기 방법은 윈드 파워 플랜트의 타워에서의 제 1 상방 위치로부터 하방 위치인 제 2 위치로 부착 와이어를 이동시키는 스텝, 수직축 주위에서 윈드 터빈을 요잉시키는 스텝, 및 터빈 플레인이 풍향에 거의 수직으로 조정될 때 제 1 위치로부터 업윈드 와이어를 이동시키는 스텝을 포함한다.

부착 와이어는 그 제 2 위치인 하방 위치에서 조여질 수 있다.

부착 와이어는 제 1 위치인 상부 위치에서 조여질 수 있다.

이하, 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 표면에서 3개의 포인트로 내려진 와이어를 가진 기본 실시형태를 나타낸다.

도 2는 도 1에서 풍향이 변경된 바와 동일한 실시형태를 나타낸다.

도 3은 해저에 앵커링된 플로팅 윈드 파워 플랜트를 나타낸다.

도 4는 상방과 하방 위치 사이에서 와이어를 이동시키는 기구의 실시형태에 관한 제안을 나타낸다.

도 5는 주변에 대하여 고정된 두개의 파트 타워(part tower)를 가진 윈드 파워 플랜트를 나타낸다.

도 6은 터빈에 의해 요잉이 가능한 두개의 파트 타워를 가진 윈드 파워 플랜트를 나타낸다.

도 7은 와이어를 이동시키고 조이는 기구를 나타낸다.

도 1은 윈드 파워 플랜트(1)를 나타내며 상기 윈드 파워 플랜트(1)는 타워(2), 터빈(4)을 가진 머신 하우징(3) 및 윈드 파워 플랜트를 작동시키는 다른 장 비(도시되지 않음)를 포함한다. 머신 하우징(3)은 수직축 주위에서 회전 또는 요잉될 수 있어서 터빈 플레인이 언제든지 풍향에 수직으로 유지될 수 있다. 도면에는 터빈의 스윕된 영역(swept area), 터빈 플레인, 및 하나가 아닌 터빈 블레이드가 도시되어 있다. 타워(2)는 표면(5)에 부착되어 있다. 와이어(6a, 6b, 6c)는 타워에 그 상단부가 부착되고, 표면(5)에 그 하단부가 부착되어 있다. 좌측으로부터 바람이 불어오고, 업윈드 와이어(6a, 6b)는 그 상방 위치에 이르게 되어 그곳으로부터 와이어들이 힘을 표면 하방으로 전달할 수 있다. 와이어(6c)는 터빈(4)을 방해하지 않기 위해 그 하방 위치에 이르게 된다. 이 위치에서 와이어(6c)는 풍향에 있어서 거의 수평 방향 성분에 의해 타워로부터 하방으로 연장되어 있고, 연장되어 윈드 파워 플랜트의 안정성을 위해 중요한 힘을 테이킹 업할 것이다.

도 2에는 도 1에 도시된 실시형태가 도시되어 있지만 바람이 우측으로부터 불어온다. 이러한 작동 모드는 오직 하나의 와이어(6c)가 업윈드 및 상방 위치에 있으므로 도 1에 도시된 것과 완전히 유사하지 않는다. 다운윈드 하방 위치에 있는 와이어(6a, 6b)는 횡방향 안정성을 위해 조여진다.

도 3에는 워터 바디, 예컨대 바다의 표면에서 윈드 파워 플랜트(1)가 플로팅되는 것이 도시되어 있다. 타워(2)는 물(7)의 표면으로부터 리딩되고, 또한 물속으로 내려가고, 그 언더워터 파트(underwater part)(8)는 플로팅 엘리먼트(8a)와 가능하다면 밸러스트(8b)를 포함한다. 와이어(6)는 그 하단부가 워터 바디의 바닥(5), 예컨대 해저에 부착될 수 있다. 또한, 하나 이상의 와이어(9)는 일단부가 거의 최저점(8b)의 타워(2)에 부착되고, 타단부가 워터 바디의 바닥에 부착될 수 있다. 이 와이어를 바이어싱함으로써 가능하다면 파도에 의해 영향을 받는 부분에서의 타워(8)의 슬림한 실시형태와의 조합에 의해 파도의 모션에 의해 야기되는 수직 방향 모션을 제한할 수 있다.

도 3에서는 바람이 우측으로부터 비스듬히 불어온다. 따라서, 두개의 다운윈드 와이어(6a, 6b)는 하방 위치에 있다. 두개의 업윈드 와이어(6c, 6d)는 상방 위치에 배치되어 수평 방향 힘 및 수직 방향 힘을 수용함으로써 횡방향 안정성에도 기여한다. 이러한 실시형태에 있어서, 윈드 파워 플랜트의 이렉팅 모멘트는 윈드 파워 플랜트가 제작되지 않은 경우, 예컨대 와이어 파손 중에 안정성을 얻기 위한 최소한의 필요성을 제한할 수 있으므로 조인트 웨이트(joint weight)가 낮게 유지된다. 적절한 수심에서 소정수의 윈드 파워 플랜트가 파크(park)내에 배치되어 앵커링 포인트를 공유하기에 적절하게 하는 내부 간격으로 앵커링될 수 있다. 도 3은 워터 바디의 바닥, 예컨대 해저에 2차 세그먼트가 제안된 사시도이고, 4개의 각 모서리에는 제안된 윈드 파워 플랜트와 인접한 3개의 다른 윈드 파워 플랜트를 위한 부착 포인트(10a, 10b, 10c, 10d)가 구성될 수 있다. 타워 최저점의 앵커링을 사용하면 이러한 파크의 중심부에서 추가적인 윈드 파워 플랜트 각각을 위한 두개의 여분의 앵커링 포인트만이 필요하게 된다.

심해에서는 워터 바디의 바닥, 예컨대 해저에 타워의 하방부(8b)를 부착하는 것이 적절하지 않다. 이에 따라, 구조체는 요(yaw), 즉 수직축 주위에서의 터빈의 회전에서 제어된 모션을 위해 제한된 모멘트를 갖는다. 더 큰 모멘트에 기여하기 위해 워터 바디의 바닥에서 하나 또는 소정수의 부착 포인트로부터 둘 또는 소정수 의 와이어가 확장될 수 있다. 이어서, 와이어는 바닥에서의 동일한 포인트로부터 타워 수직축의 각 측면에 부착된다.

도 4는 플로팅 윈드 파워 플랜트의 다른 실시형태에서 타워의 상부와 터빈 일부의 사시도이다. 해저와 관련해서는 이전 도면(도 3)에 대응한다. 도 4는 다운윈드 방향으로 더 도시되어 있고, 또한 상부 위치로부터 하부 위치로 와이어를 이동시키는 기구의 실시형태를 나타낸다. 터빈(4)을 갖는 머신 하우징(3)은 수직축 주위에서 회전이 가능한 타워(2)의 상부에 배치된다. 해저(도 3에서)에서의 4개의 부착 포인트(10a, 10b, 10c, 10d) 각각으로부터 타워(2)의 상부까지 각각 두개의 와이어(6a, 6b, 6c, 6d)가 연장된다. 각 포인트로부터의 두개의 와이어는 타워의 각 측면에 이르게 되고, 앵커링 힘이 두개의 와이어에 비대칭으로 배분되므로 요 제어(yaw control)를 위한 모멘트를 전달할 가능성이 확립된다. 대안으로서, 하나의 와이어가 각 부착 포인트(10a, 10b, 10c, 10d)로부터 연장되고 두개의 와이어로 분리되어 이로 인해, 도시된 바와 같이, 타워의 중심축의 각 측면에 부착된다. 타워에 부착되는 각 와이어(6)는 상부 패시브 드럼(upper passive drum)(11), 모터/기어박스(13)를 갖는 하부 모터 피동 드럼(12)을 포함하는 와이어의 위치를 이동시키는 기구에 포함된다. 모터/기어박스는 수압, 유압, 또는 전기 추진에 의해 종래의 디자인으로 될 수 있다. 분리 와이어 또는 조정 와이어(14)는 하부 드럼에서 그 일단부가 부착되고, 그 주위에서 약간 와인딩되어 코일링(coiling)되고, 이어서 상부 드럼(11) 주위에 스레딩(threading)되어 두차례 와인딩되어 부착되는 하방 드럼(12)으로 다시 내려가게 된다. 와이어(6c)는 와이어(14)에 부착되고, 모터/기 어(13)가 한쪽 회전 방향으로 충분히 긴 기간에 모터/기어(13)가 작동되는 경우에 하방 드럼의 내부, 그 위뿐만 아니라 상하로 이것을 따른다. 이것은 상방 위치와 하방 위치 사이에서 와이어(6c)의 이동을 가능하게 하고, 또한 양 위치에서 와이어(6c)의 조임을 가능하게 한다. 드럼(11) 및 드럼(12)상의 와이어(14)의 단부에서의 와인딩 수는 상방 위치와 하방 위치 각각에서 와이어(6c)가 얼마나 조여질 수 있는가를 결정한다. 와이어(6c)를 조임으로써 달성되는 힘과 안정화 효과는 무엇보다도 와이어의 길이와 신축성에 따라 결정된다. 도면에는 공통 모터/기어(13)를 따라 두 와이어(6c)가 부착된 하방 드럼(12)이 도시되어 있다. 하방 위치에서 요 제어를 위해 와이어가 더 큰 모멘트를 부여하는 것이 바람직한 경우에 각각 대응 모터/기어(13)를 가진 드럼(12)은, 상부 드럼(11)에 대하여 도시된 바와 같이, 타워의 축의 각 측면에 배치될 수 있다. 요 제어에 모멘트를 제공하기 위해 가능하다면 두개의 드럼(12)은 서로 개별적으로 상방 위치에서 두개의 와이어(6c)를 조일 수 있다. 드럼의 디자인은 플랜지, 와이어의 타입과 로딩 상황에 대한 재료와 사이즈의 선택에 있어서 적합해야 한다. 마찬가지로, 이것은 수직 및 수평 방향으로 와이어를 안정화시키는 리딩 풀리를 포함하는 것과 관련될 수 있다. 와이어 위치의 제어는 요 제어와 연동되어 상방 위치에서 와이어와 충돌할 수 있는 위치로 터빈이 요잉될 수 없다. 이것은 가장 간단한 형태에서 종래의 인터록킹 기구를 통해 발생할 수 있지만 전체 윈드 파워 플랜트를 위한 제어 시스템에 더 적절하게 포함될 수 있고, 모든 와이어, 요 제어, 브레이크(brake), 가능하다면 파킹된 조건에서 터빈의 방위 위치의 제어가 연동되며, 윈드 파워 플랜트에 부착된 센서 또는 다른 소 스, 예컨대 위성 측량으로부터 데이터를 수신할 수 있는 날씨 예보 모델뿐만 아니라 바람과 파고의 측량에 관련된다.

윈드 파워 플랜트에 있어서의 전체 또는 일부의 타워는 타워의 수직 중심축의 각 측면에 배치된 두개의 컬럼을 포함할 수 있다. 타워는 주변에 대하여 고정되거나 머신 하우징과 터빈에 의해 피벗팅될 수 있다. 타워 구조는 첫번째 경우에 있어서 바람의 우세한 방향의 컬럼의 윈드 터뷸런스가 거의 터빈의 허브를 통해 수직선에 대하여 측면에 터빈이 만나도록 배향될 수 있다. 이것은 터뷸런스가 전체 방사상 확장으로 단일 터빈 블레이드 각각을 동시에 만나지 않을 것이기 때문에 터빈의 다이나믹 로드를 감소시킬 수 있다. 그 대신에, 터뷸런스의 효과는 터빈 블레이드의 제한된 영역에서 발생할 것이고, 한번의 회전마다 한번씩 반복해서 블레이드에 관하여 외측으로 이동할 것이다.

도 5는 고정된 두 파트 타워를 가진 실시형태를 나타낸다. 터빈(4)을 갖는 머신 하우징(3)은 수직축 주위에서 회전이 가능한 타워(2)의 상부에 배치된다. 본 실시형태에 있어서, 머신 하우징(3)의 수평 확장은 간단한 타워 구조보다 다소 크게 되어서 터빈이 타워(2)의 좀 더 넓은 단면을 통과해야 한다. 또한, 도면은 상방 위치 및 하방 위치 사이에서 와이어를 이동시키는 기구를 나타낸다. 해저의 4개의 부착 포인트(10a, 10b, 10c, 10d)(도 3에 도시된 바와 같음) 각각으로부터 타워(2)의 상부가 드럼(11)에 부착되기 전에 포인트(16)에서 두개로 분리되는 와이어(6a, 6b, 6c, 6d) 각각으로 연장되어 있다. 타워에 부착된 각 와이어(6)에 대하여 상부 모터 피동 드럼(11)과 하부 모터 피동 드럼(12)을 포함하여 와이어의 위치를 이동 시키는 기구에 포함된다. 분리 와이어(15)는 포인트(16)에서 두개로 분리되는 앵커링 와이어(6c)에 부착된다. 상방 위치로부터 하방 위치로 와이어(6c)를 이동시킴으로써 스플릿 와이어(split wire)에서의 장력이 모터 피동 상부 드럼(11)으로부터 제거되고, 하방 모터 피동 드럼(12)은 와이어(15)에 있어서 조여짐으로써 타워를 향하여 와이어(6c)를 당김으로써 터빈의 플레인이 피벗 가능하게 된다.

타워는 실질적으로 종래의 타입이 되거나 두개의 컬럼을 포함하는 경우에 윈드 파워 플랜트에 있어서의 전체 또는 일부의 타워는 수직축 주위에서 타워가 터빈에 의해 회전/요잉되도록 만들어질 수 있다. 수직축 주위에서의 피벗팅에서 두개의 컬럼에 의해 타워를 따르는 터빈은 항상 그리고 모든 풍향에서 터뷸런스가 터빈상에 가능한 한 최소의 부하를 부여하도록 배향될 수 있다. 앵커링 와이어를 고정된 방향으로 유지 배향하기 위해 앵커링 포인트를 향해서 수직축 주위에서 타워의 피벗팅을 따르지 않는 림(rim)에 부착될 수 있다.

도 6은 이러한 실시형태를 나타낸다. 터빈(4)과 머신 하우징(3)은 두 파트 타워 세그먼트(16)의 상부를 형성하고, 이것과 함께 회전/요잉되는 실린더형 엘리먼트(19)에 부착된다. 원형 엘리먼트(19)는 상부 드럼(11)에 부착을 제공하는 림(17)에 의해 둘러싸이게 된다. 타워(2)의 하방부는 고정된 배향을 갖고, 요잉 중에 터빈(4)과 타워 세그먼트(16)를 따르지 않는다. 타워(2)의 하방부의 상부에 하방 드럼(18)이 부착된다. 터빈의 요잉 중에 두 파트 세그먼트(16)가 어어질 것이므로 상부 드럼을 갖는 림(17)과 하부 드럼을 갖는 타워의 하방부가 고정된 상태로 남을 것이다. 도면에는 상방 위치와 하방 위치 사이에서 와이어를 이동시키는 기구 가 상세히 도시되어 있지 않다.

일부 다른 기구가 상부 위치와 하방 위치 사이에서 부착 와이어를 이동시키는데 사용될 수 있다. 윈드 파워 플랜트가 바람의 방향으로 이동되어 상부 위치 외측으로, 예컨대 웨이트를 통해 당겨질 수 있을 때까지 다운윈드 와이어가 느슨해지므로 아주 단순한 것이 수동적으로 될 수 있다. 그러나, 이 솔루션 및 다른 유사한 솔루션은 일부의 경우에 있어서 제한된 안전성을 부여할 수 있고, 하방 위치에서의 조임을 통해 앵커링 포오스(anchoring force)를 제어할 기회를 부여하지 않을 것이다. 상방 위치와 하방 위치 모두에서 부착력에 의해 제어를 부여하는 상세한 실시형태가 도 7에 도시되어 있다. 상부 패시브 드럼(11)은 터빈의 허브 높이에 근접한 타워(2)의 상부에 배치된다. 하방 투 파트 모터 구동 드럼(12)은 터빈 플레인의 최저점 아래에 배치된다. 분리 와이어(14)는 하방 드럼의 일부분(12a)에서 그 일단부에 의해 팽팽하게 되고, 그 주위에서 두차례 와인딩되고, 상부 드럼(11) 주위에서 스레딩되고, 두차례 와인딩되고 부착되는 최저 드럼(12)의 다른 부분(12b)으로 다시 내려간다. 부착 와이어(6)의 단부는 와이어(14)에 고정되어 상하로 뒤따른다. 도면에 도시된 위치로부터 와이어(6)는 반시계 방향 회전으로 하방 모터 피동 드럼을 작동시킴으로써 상방 위치를 향하여 당겨질 것이다. 역으로, 와이어(14)가 시계 방향으로 작동되기 때문에 하방 위치를 향하여 당겨질 것이다. 마지막 설명의 경우에 있어서, 와이어(14)가 시계 방향으로 더 조여지더라도 패시브 드럼(19)은 와이어(6)에 대하여 하방 위치상의 높이를 규정할 것이다. 드럼(19)이 포함된 목적은 부분적으로 모터 구동 드럼의 위치와 상관없이 하방 위치를 결정할 수 있게 되고, 부분적으로 와이어(6)와 와이어(14) 사이의 조인트가 민감하여 드럼상에 몇번 와인딩되는 와이어 솔루션에 의해 하방 위치에서도 와이어를 조일 수 있게 하기 위함이다. 이러한 방법에 있어서, 거리(B)는 하방 드럼(12)상에 와인딩되는 두개의 와이어 사이에서의 조인트를 허용하지 않고 와이어(6)와 와이어(14) 사이에서의 조인트 후에 조여질 수 있는 길이를 규정할 것이다. 거리(A)는 윈드 터빈의 반경보다 크거나 거의 동일해야 된다. 와이어(14)가 하방 드럼(12a)에 접선 방향으로 들어가도록 하기 위해 두개의 인접 드럼(20)이 포함된다. 도시된 기구의 모든 부분은 윈드 파워 플랜트, 예컨대 타워에 부착되어 있다. 와이어(6)는 그 일단부가 와이어(14)에 부착되고, 그 타단부가 워터 바디의 바닥, 예컨대 해저에서의 부착 포인트에 부착되어 있다. 통상의 솔루션으로서, 기구는 메인 드럼(main drum)과 서포트 드럼(support drum)의 배치가 변경될 수 있는 다수의 실시형태를 갖는다.

바람 및 커런트(current)는 바다 레벨의 위와 아래에서 수평 방향 힘에 대하여 플로팅 윈드 파워 플랜트(floating wind power plant)를 노출시킨다. 윈드 파워 플랜트는 제작 모드에 있거나 또는 그렇지 않고, 바람은 임계 레벨을 초과하는 구조물상에 수평 방향 힘을 부여할 수 있다. 이 힘을 감소시키기 위해 타워는 유선형으로 만들어질 수 있다. 회전이 불가능한 타워는 수동적 또는 능동적으로 바람을 향하여 피벗팅 가능한 유선형으로 만들어질 수 있어서 타워상의 힘이 감소된다. 피벗팅 가능한 타워를 사용함으로써 유선형 구조가 타워에 고정될 수 있다.

대응 방법에 있어서 바람은 상당한 힘을 물 위의 구조물에 부여하기 때문에 큰 커런트 속도가 지하 구조물에 불필요한 수평 방향 힘을 유도할 수 있다. 힘의 크기와 물 위와 아래 방향 사이에서의 불필요한 충돌을 회피하기 위해 타워는 수면 아래에 유선형 구조를 포함할 수 있다. 이것은 타워가 터빈 플레인의 배향에 상관없이 커런트의 방향에 의해 피벗팅될 수 있으면 고정될 수 있다. 커런트의 방향에 의해 타워가 피벗팅될 수 없는 경우에 유선형 구조가 회전을 위해 자유롭게 되어 커런트의 방향을 향하여 수동적으로 피벗팅될 수 있다. 이것은 유선형 구조의 공기 역학 중심을 통한 수직축이 유선형 구조의 부유 포인트에 대하여 커런트 방향에서 보았을 때 회전축 뒤에 배치되는 것을 전제로 한다.

윈드 파워 터빈의 요 제어는 앵커링 와이어에서 테이킹 업되는 힘의 비대칭 횡방향 배분을 통해 발생하는 모멘트에서의 지지에 의해 수행될 수 있지만 터빈은 주기적 피치 제어에 의해 만들어질 수 있기 때문에 요 모션(수직축 주위에서 터빈의 피벗팅)은 이것에 의해 수행 또는 도움을 받을 수 있다.

Claims (11)

1. 타워(2), 상기 타워(2)에 부착된 머신 하우징(3), 및 상기 하우징(3)에 지지된 터빈(4)을 포함하고, 상기 터빈(4)은 회전 영역을 형성하고, 풍향에 거의 수직인 위치로 피벗팅되도록 되고, 3개 이상의 와이어(6)는 일단부가 타워(2)에 연결되고, 타단부가 하나 이상의 부착 포인트에 연결되는 다운윈드 파워 플랜트(1)로서:

   상기 각 와이어(6)는 개별적으로 거의 상기 타워의 길이 방향에 대하여 상기 터빈(4)의 상기 위치와 연동하여 적어도 제 1 상방 위치와 제 2 하방 위치에 채택될 수 있고,

   상기 제 1 위치에서의 각 와이어(6)는 부착 포인트로부터 하방으로 또는 작동시에 상기 터빈에 의해 상기 타워에 인가되는 수평 방향 힘의 중심에 근접하여 비스듬한 각으로 연장되고,

   상기 제 2 위치에서의 각 와이어(6)는 상기 터빈의 요 모션을 방해하지 않고, 상기 터빈의 회전 영역 외측에 존재하여 상기 터빈이 이 와이어(6)를 방해함이 없이 상기 제 2 위치에서 상기 와이어(6)를 향하여 자유롭게 피벗팅 가능한 것을 특징으로 하는 다운윈드 파워 플랜트.
2. 제 1 항에 있어서,

   워터 바디에 배치되고, 그 하방부는 하나 또는 소정수의 엘리먼트(8a)와 밸러스트(8b)를 포함하여 팽팽해진 와이어(6) 없이 상기 워터 바디에 있어서의 이렉 팅된 위치에서 부상된 채로 있는 것을 특징으로 하는 윈드 파워 제너레이터.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 와이어(6)는 그 하단부가 상기 워터 바디의 바닥(5)에 부착되고, 하나 이상의 와이어(9)는 일단부가 상기 파워 플랜트(2)의 거의 최저점에 부착되고, 타단부가 상기 워터 바디의 바닥에 부착되는 것을 특징으로 하는 윈드 파워 플랜트.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 윈드 파워 플랜트(1)의 전체 또는 일부의 타워(2)는 상기 타워(2)의 수직 중심축의 각 측면에 배치된 두개의 컬럼(16)을 포함하여 상기 실질적으로 주된 풍향에서의 상기 컬럼의 윈드 터뷸런스가 상기 터빈(4)의 허브를 통해 수직선의 측면으로 상기 터빈(4)을 만나는 것을 특징으로 하는 윈드 파워 플랜트.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 윈드 파워 플랜트(1)의 전체 또는 일부의 타워(2)는 수직축 주위에서 상기 터빈(4)에 의해 피벗팅될 수 있는 것을 특징으로 하는 윈드 파워 플랜트.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 윈드 파워 플랜트(1)에 있어서의 전체 또는 일부의 타워(2)는 공기 및/또는 물에서 유동 저항을 감소시키는 유선형 구조로 만들어지는 것을 특징으로 하 는 윈드 파워 플랜트.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 와이어(6)는 기구에 의해 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치 사이에 제공되고;

   상기 기구는,

   상기 타워(2)에 연결된 두개 이상의 제어 가능한 피동 드럼(12),

   상기 타워(2)에 연결되고, 상기 드럼(12)으로부터 상기 타워의 길이 방향으로 거리를 두고 배치된 두개 이상의 풀리(11), 및

   상기 풀리(11)상으로 연장되는 상기 제어 가능한 피동 드럼(12)에 부착되고, 상기 제어 가능한 피동 드럼(12)으로 복귀하는 길이를 갖는 추가 와이어(14)를 포함하고;

   상기 와이어(6)는 상기 조정 와이어(14)의 길이에 따른 장소에 부착되어 상기 제어 가능한 피동 드럼(12)의 동작이 상기 타워(2)의 길이 방향으로 상기 조정 와이어(14)를 리딩함으로써 상기 타워(2)의 길이 방향에 대하여 상기 와이어(6)의 부착 포인트를 승강시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 윈드 파워 플랜트.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 와이어(6)는 기구에 의해 상기 제 1 위치와 상기 제 2 위치 사이에 제공되고;

   상기 기구는,

   상기 타워(2)에 연결된 두개 이상의 제어 가능한 피동 드럼(12), 및

   상기 제어 가능한 피동 드럼(12)에 부착된 길이를 갖는 추가 와이어(14)를 포함하고;

   상기 조정 와이어(14)는 상기 와이어(6)의 길이에 따른 장소에 부착되어 상기 조정 와이어(14)가 상기 타워(2)를 향하여 내측으로 상기 와이어(6)를 당길 수 있는 것을 특징으로 하는 윈드 파워 플랜트.
9. 변경 가능한 부착 포인트를 갖는 와이어(6)와 윈드 터빈(4)을 갖고, 상기 와이어(6)는 상기 파워 플랜트가 작동중일 때 업윈드 위치와 다운윈드 위치를 채택할 수 있는 다운윈드 윈드 파워 플랜트(1)의 작동 방법으로서:

   상기 윈드 파워 플랜트(2)의 타워에서의 제 1 상방 위치로부터 제 2 하방 위치로 상기 부착 와이어(6)를 이동시키는 스텝;

   수직축 주위에서 상기 윈드 터빈(4)을 피벗팅하는 스텝; 및

   상기 터빈 플레인이 상기 풍향에 거의 수직으로 조정될 때 상기 제 2 위치로부터 상기 제 1 위치로 상기 업윈드 와이어(6)를 이동시키는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 다운윈드 윈드 파워 플랜트 작동 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 부착 와이어(6)는 상기 제 2 하방 위치에서 조여지는 것을 특징으로 하 는 다운윈드 윈드 파워 플랜트 작동 방법.
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,

    상기 부착 와이어(6)는 상기 제 1 상방 위치에서 조여지는 것을 특징으로 하는 다운윈드 윈드 파워 플랜트 작동 방법.

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