KR20120002184A - 해상 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해상 풍력발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해저에 시공되는 기초 구조물에 해상에 부유하며 다수개의 풍력터빈이 설치되는 타워고정용 구조물을 고정시켜 태풍 등 기상 악화상황에서도 풍력터빈의 안정적인 동작을 가능하게 하는 해상 풍력 발전장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치는 해저에 시공되는 기초 구조물; 상기 기초 구조물을 감싸는 형태로 해상에 부유하도록 설치되는 타워고정용 구조물; 상기 타워고정용 구조물에 설치되는 복수개의 풍력터빈; 그리고, 상기 타워고정용 구조물을 기초 구조물에 연결시켜 해상에 부유하는 타워고정용 구조물을 고정시키는 와이어를 포함하여 이루어진다.

Description

해상 풍력발전장치{SEA WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 해상 풍력발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해저에 시공되는 기초 구조물에 해상에 부유하며 다수개의 풍력터빈이 설치되는 타워고정용 구조물을 고정시켜 태풍 등 기상 악화상황에서도 풍력터빈의 안정적인 동작을 가능하게 하는 해상 풍력 발전장치에 관한 것이다.

풍력은 지구상에 자연적으로 발생하는 무공해 에너지원으로서, 20세기 이래 전세계적인 산업화의 영향으로 석탄, 석유 등 화석연료가 점차 고갈되고 화석연료의 사용으로 인한 환경오염이 심각해지면서 최근 무공해 대체 에너지인 풍력을 이용한 발전방식이 더욱 각광을 받고 있다.

풍력발전은 바람의 힘에 의해 회전하는 풍력터빈의 회전력으로 발전기를 돌려 전기를 발생시키는 기술로서, 무한정의 청정에너지인 바람을 동력원으로 하므로 기존의 화석연료나 우라늄 등을 이용한 발전방식과 달리 발열에 의한 열 공해나 대기오염 그리고 방사능 누출 등과 같은 환경오염의 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.

종래부터 풍력발전을 위하여 육상과 해상에 지지구조물을 설치하고 이 지지구조물에 풍력터빈을 설치하여 발전하는 기술은 이미 실용화되어 있으며, 근래에는 지형의 영향을 많이 받고 건설비가 많이 드는 육상 풍력발전보다 해상 풍력발전에 대한 연구가 활발한 실정이다.

이러한 해상 풍력 발전은 발전설비를 해상에 설치하는 방법에 따라 고정식과 부유식(浮游式)으로 나눌 수 있다. 상기 고정식은 수심이 깊지 않은 바다의 해수면 이하의 수중에 기초공사를 하고 그 기초공사 위에 구조물을 설치한 후 풍력터빈(400)을 비롯한 발전설비를 설치하는 방식이고, 부유식은 해수면 위에 부유물(浮游物)을 띄우고 그 부유물 위에 발전설비를 설치하는 방식이다.

이중 고정식 해상 풍력발전방식은 풍력터빈을 비롯한 발전설비를 설치하기 위한 기초공사에 많은 비용이 들기 때문에 풍력터빈을 여러대 설치하거나 일정 지역에 밀접시켜 설치하는 것이 사실상 어려워 발전효율 및 발전량에 한계가 있을 수 밖에 없다.

또한, 부유식 해상 풍력발전 방식은 기초공사를 할 필요없이 해수면 위에 풍력 발전 설비를 부유(浮游)시켜 발전하므로, 상술한 고정식 해상 풍력 발전 방식이 갖는 문제점을 가지지 않지만, 해상에 떠 있는 상태이므로 태풍과 같이 강한 바람이 불면 풍력터빈의 블레이드에 가해지는 힘이 커서 구조물 전체의 안전에 큰 문제가 생긴다.

본 발명은 해저에 시공되는 기초 구조물; 상기 기초 구조물을 감싸는 형태로 해상에 부유하도록 설치되는 타워고정용 구조물; 상기 타워고정용 구조물에 설치되는 복수개의 풍력터빈; 그리고, 상기 타워고정용 구조물을 기초 구조물에 연결시켜 해상에 부유하는 타워고정용 구조물을 고정시키는 와이어를 포함하여 이루어지는 해상 풍력발전장치를 제공한다.

상기 기초 구조물은 원통형의 콘크리트 구조물 또는 강철 구조물로 이루어질 수 있으며, 상기 타워고정용 구조물은 기초 구조물을 둘러싸고 있는 사각 프레임 형상을 가지며, 철판, 합성수지, 콘크리트 등을 이용하여 제작될 수 있다.

그리고, 상기 타워고정용 구조물에는 부력증가를 위해 고무 튜브와 같은 별도의 부력재가 추가로 설치될 수 있다.

또한, 상기 타워고정용 구조물은 로프에 의해 연결된 앵커에 의해 해저면에 고정될 수 있다.

한편, 상기 타워고정용 구조물의 다른 실시예는 각각 하나의 풍력터빈이 설치되는 복수개의 부유 구조물과, 각 부유 구조물을 상호 연결하는 연결 프레임으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 해상 풍력발전장치는 와이어를 이용해 해저에 설치되는 기초 구조물에 복수개의 풍력터빈이 설치되는 타워고정용 구조물을 고정시키는 구조를 이룬다. 따라서 많은 비용이 드는 기초 구조물을 복수개 설치하지 않더라도 해상에 복수개의 풍력터빈을 설치하는 것이 가능하며, 또한 와이어를 이용해 기초 구조물에 타워고정용 구조물을 묶어줌으로써 풍력터빈이 해상에 안정적으로 고정된 상태를 유지할 수 있어 종래 고정식 해상 풍력발전장치의 문제점과 부유식 해상 풍력발전장치의 문제점을 동시에 해결할 수 있다.

즉, 종래 고정식 해상 풍력발전장치의 문제점인 풍력터빈을 여러대 설치하거나 일정지역에 밀접시켜 설치하기 어려운 문제점은 복수개의 풍력터빈이 설치되는 타워고정용 구조물을 이용해 해결할 수 있으며, 또한 부유식 풍력발전장치의 문제점인 해상에 떠 있는 풍력터빈을 고정하기 어렵다는 문제점은 와이어를 이용해 타워고정용 구조물을 기초 구조물에 묶어줌으로써 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치가 설치된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 타워고정용 구조물의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

이하, 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1은 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치를 나타내는 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치가 설치된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치는 해저에 시공되는 기초 구조물(100), 상기 기초 구조물(100)을 감싸는 형태로 해상에 부유하도록 설치되는 타워고정용 구조물(200), 상기 타워고정용 구조물(200)에 설치되는 복수개의 풍력터빈(400), 그리고 상기 타워고정용 구조물(200)을 기초 구조물(100)에 연결시켜 해상에 부유하는 타워고정용 구조물(200)을 고정시키는 와이어(300)를 포함하여 이루어진다.

상기 기초 구조물(100)은 해저에 세워지는 일종의 기둥으로 하부는 해저에 고정되며 상부는 물위로 노출된다. 이러한 기초 구조물(100)은 이미 설명한 고정식 풍력발전에 사용되는 구조물과 유사하게 수심이 깊지 않은 바다의 해수면 이하의 수중에 기초공사를 통해 설치된다. 구체적으로, 상기 기초 구조물(100)은 원통형의 콘크리트 구조물 또는 강철 구조물일 수 있다.

상기 타워고정용 구조물(200)은 풍력터빈(400)이 설치되는 부분으로 기초 구조물(100)을 둘러싸고 있는 사각 프레임 형상을 가진다. 이러한 타워고정용 구조물(200)은 풍력터빈(400)을 수면 위에 띄우기 위한 일종의 부력재로서 도 2에 도시된 바와 같이 일부는 물속에 잠기고 일부는 물위에 떠 있게 되며 철판, 합성수지, 콘크리트 등을 이용하여 제작된다. 여기서, 타워고정용 구조물(200)이 쉽게 물위에 뜰 수 있도록 타워고정용 구조물(200)에는 고무 튜브(미도시)와 같은 별도의 부력재가 추가로 설치될 수 있다.

상기 풍력터빈(400)은 타워고정용 구조물(200) 상에 설치되는 원형 타워(410)와, 상기 원형 타워(410)의 상부에 설치되어 바람에 의해 회전하는 다수개의 블레이드(420)와, 상기 블레이드(420)의 회전력을 전달받아 전력을 발생시키는 발전기(미도시)가 내장된 발전기 하우징(430)으로 구성된다. 여기서, 상기 풍력터빈(400)은 발전에 의해 얻어지는 전력을 저장하여 사용하기 위한 축전기를 더 포함하거나 발전한 전력을 다른 곳으로 보내기 위한 송전기를 더 포함할 수 있다.

이러한 풍력터빈(400)은 물위에 떠 있는 타워고정용 구조물(200)에 설치되므로 도시된 바와 같이 타워고정용 구조물(200)이 사각 프레임 형상을 이루면 무게 균형을 위해 풍력터빈(400)은 타워고정용 구조물(200)의 모서리에 각각 1대씩 4대가 설치됨이 바람직하다. 물론, 타워고정용 구조물(200)의 형상은 원형 고리 또는 삼각형, 오각형 등 다양한 형태를 가지도록 제작될 수 있으며, 이에 따라 타워고정용 구조물(200)에 설치되는 풍력터빈(400)의 대수가 조절될 수 있다. 예를 들어, 타워고정용 구조물(200)의 형상이 삼각형으로 제작되면 무게 균형을 위해 풍력터빈(400)은 3대가 설치됨이 바람직하고, 타워고정용 구조물(200)이 오각형 형태를 이루면 무게 균형을 위해 풍력터빈(400)은 5대가 설치됨이 바람직하다.

상기 와이어(300)는 상기 타워고정용 구조물(200)을 기초 구조물(100)에 묶어 강한 조류나 바람 등에 의해 타워고정용 구조물(200)이 떠내려 가거나 전복되는 등의 위험을 방지함으로써 풍력터빈(400)의 안정적인 동작을 가능하게 한다. 좀더 상세히 설명하면, 타워고정용 구조물(200)이 와이어(300)에 의해 기초 구조물(100)에 연결되면 타워고정용 구조물(200)에 가해지는 외력이 기초 구조물(100)에 의해 분산됨으로써 태풍 등에 의해 강한 바람이 부는 경우에도 타워고정용 구조물(200)은 안정적으로 해상에 떠 있을 수 있게 되며, 이에 따라 태풍 등에 의해 날씨가 좋지 않은 경우에도 풍력터빈(400)에 의한 안정적인 발전이 가능해진다.

즉, 태풍 등이 올 경우에도 타워고정용 구조물(200)이 기초 구조물(100)에 고정되어 있으므로 강한 조류나 바람, 풍랑이 일 경우에도 타워고정용 구조물(200)은 밀려나지 않고 원위치를 지키게 되므로 풍력터빈(400) 역시 안정적인 상태를 유지하게 되어 기상이 악화되더라도 계속적인 발전이 가능해진다.

물론, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 타워고정용 구조물(200)이 조류나 바람, 풍랑에 의해 밀려가지 않고 한곳에 고정될 수 있도록 별도의 계류장치인 앵커(510)가 추가적으로 이용될 수 있다. 구체적으로, 상기 타워고정용 구조물(200)은 로프(500)에 의해 연결된 앵커(510)에 의해 해저면에 고정될 수 있다. 앵커(510)의 종류로는, 해저면의 암반을 굴착하고 매립함으로써 위치를 고정시킨 매립식 앵커(510)와 앵커 자체의 자중(自重)에 의해 해저면에 가라앉아 고정되는 중력식 앵커(510)가 있다. 해상 풍력발전장치의 계류(anchoring)는 해상 풍력의 중요한 부분으로서, 어떤 종류의 앵커를 사용할 것인가는 해저면의 조건에 의하여 결정된다. 해저면이 암반인 경우에는 암반을 굴착하여 앵커(510)를 심고 로프(500)로 타워고정용 구조물(200)과 연결시키는 방법이 효과적이며, 해저면이 모래나 뻘로 이루어진 경우에는 중량물의 중력에 의해 가라앉는 중력식 앵커(510)가 적당하다. 이러한 상기 앵커(510)를 이용해 타워고정용 구조물(200)을 해저에 고정하면 와이어(300)에 의해 기초 구조물(100)과 연결된 타워고정용 구조물(200)이 보다 안정적으로 해상에 떠 있을 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 해상 풍력발전장치는 앵커(510)를 이용해 복수개의 풍력터빈(400)이 설치된 타워고정용 구조물(200)을 해저에 고정시킬 뿐만 아니라 와이어(300)를 이용해 해저에 설치되는 기초 구조물(100)에 복수개의 풍력터빈(400)이 설치되는 타워고정용 구조물(200)을 고정시키는 구조를 이룬다. 따라서 많은 비용이 드는 기초 구조물(100)을 복수개 설치하지 않더라도 해상에 복수개의 풍력터빈(400)을 설치할 수 있으며, 또한 와이어(300)를 이용해 타워고정용 구조물(200)을 기초 구조물(100)에 묶어줌으로써 풍력터빈(400)이 해상에 안정적으로 고정된 상태를 유지할 수 있어 종래 고정식 해상 풍력발전장치의 문제점과 부유식 해상 풍력발전장치의 문제점을 동시에 해결할 수 있다.

즉, 종래 고정식 해상 풍력발전장치의 문제점인 풍력터빈(400)을 여러대 설치하거나 일정지역에 밀접시켜 설치하기 어려운 문제점은 복수개의 풍력터빈(400)이 설치되는 타워고정용 구조물(200)을 통해 해결할 수 있으며, 또한 부유식 해상 풍력발전장치의 문제점인 해상에 떠 있는 풍력터빈(400)을 고정하기 어렵다는 문제점은 와이어(300)를 이용해 타워고정용 구조물(200)을 기초 구조물(100)에 묶어줌으로써 해결할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 타워고정용 구조물의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 타워고정용 구조물의 다른 실시예는 각각 하나의 풍력터빈(400)이 설치되는 복수개의 부유 구조물(210)과, 각 부유 구조물(210)을 상호 연결하는 연결 프레임(220)으로 이루어질 수 있다.

이와 같이 타워고정용 구조물이 복수개의 부유 구조물(210)로 이루어지면 설치될 풍력터빈(400)의 대수만큼 부유 구조물(210)을 각각 제작한 뒤 각 부유 구조물(210)을 연결 프레임(220)으로 상호 연결시키면 되기 때문에 타워고정용 구조물의 설치 및 제작이 간편해진다.

또한, 일부 풍력터빈(400)에 고장이 발생하여 수리가 필요할 경우 또는 풍력터빈(400)을 교체할 필요가 있을 경우 수리 또는 교체 등이 필요한 해당 풍력터빈(400)이 설치된 부유 구조물(210)만을 별도로 떼어내어 지상으로 이동시킨 뒤 필요한 작업을 할 수 있어 풍력터빈(400)의 수리, 교체와 같은 작업을 보다 손쉽게 진행할 수 있다.

이상에서 상세히 설명된 본 발명은 그 범위가 전술된 바에 한하지 않고, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 변경 또는 치환할 수 있는 것이 본 발명의 범위에 해당함은 물론이고, 그 균등물 또한 본 발명의 범위에 포함된다.

100: 기초 구조물 200: 타워고정용 구조물
210: 부유 구조물 220: 연결 프레임
300: 와이어 400: 풍력터빈
410: 원형 타워 420: 블레이드
430: 발전기 하우징

Claims (6)

1. 해저에 시공되는 기초 구조물;
   상기 기초 구조물을 감싸는 형태로 해상에 부유하도록 설치되는 타워고정용 구조물;
   상기 타워고정용 구조물에 설치되는 복수개의 풍력터빈; 그리고,
   상기 타워고정용 구조물을 기초 구조물에 연결시켜 해상에 부유하는 타워고정용 구조물을 고정시키는 와이어를 포함하여 이루어지는 해상 풍력발전장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 기초 구조물은 원통형의 콘크리트 구조물 또는 강철 구조물인 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 타워고정용 구조물은 기초 구조물을 둘러싸고 있는 사각 프레임 형상을 가지며, 철판, 합성수지, 콘크리트 등을 이용하여 제작되는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 타워고정용 구조물에는 고무 튜브와 같은 별도의 부력재가 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 타워고정용 구조물은 로프에 의해 연결된 앵커에 의해 해저면에 고정되는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 타워고정용 구조물은 각각 하나의 풍력터빈이 설치되는 복수개의 부유 구조물과, 각 부유 구조물을 상호 연결하는 연결 프레임으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 해상 풍력발전장치.
   

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