KR20140130863A - 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 및 그 매입시공 방법 - Google Patents
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Abstract
해상풍력발전용 대구경 강관파일을 기초지반(원지반)의 굴착 위치까지 해상에서 수평방향으로 운반하여 매입시, 펌프를 이용하여 대구경 강관파일의 부력과 자중을 조절하면서 매입함으로써 규모가 큰 잭업 바지선이나 큰 장비를 사용하지 않고도 간단한 크레인이 설치된 바지선으로 대구경 강관파일을 매입시공할 수 있고, 또한, 대구경 강관파일의 하단부에 형성된 유입구에 의해 물의 급속한 유입을 방지하면서 대구경 강관파일을 굴착 위치에 용이하게 직립시킬 수 있으며, 또한, 대구경 강관파일의 상단부를 밀폐시키기 위한 플러그 상에 펌프가 체결된 펌프 일체형 플러그를 사용함으로써 대구경 강관파일의 매입 이후에 분리 회수할 수 있고, 또한, 대구경 강관파일의 양단을 플러그 및 유입구 마개를 사용하여 밀폐시킨 후 운반함으로써 대구경 강관파일의 운반이 용이한, 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 및 그 매입시공 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 해상풍력발전용 강관파일에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 모노파일 타입(Mono-Pile Type)의 해상풍력발전용 강관파일(Steel-Pipe Pile)을 기초지반의 굴착 위치까지 운반하여 매입시키기 위한 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 및 그 매입시공 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 바람을 이용하여 발전을 하는 풍력발전기는 발전기의 회전축에 블레이드(또는 프로펠러)를 설치하여, 바람에 의해 블레이드가 회전함에 따라 발생되는 회전력을 이용하여 발전을 할 수 있도록 구성된다. 이러한 풍력발전기는 바람의 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 통상적으로 블레이드, 변속장치 및 발전기로 구성되며, 풍력발전기의 블레이드를 회전시키고, 이때 발생한 블레이드의 회전력으로 전기를 생산한다.
여기서, 블레이드는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이고, 변속장치는 블레이드에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되고, 발전기에서 요구되는 회전수로 높임으로써 발전기를 회전시키는 장치이고, 발전기는 블레이드에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다.
이러한 풍력발전 시스템은 그 구조나 설치 등이 간단하기 때문에 운영 및 관리가 용이하고, 또한, 무인화 및 자동화 운전이 가능하기 때문에 최근에 도입이 비약적으로 증가하고 있는 실정이다. 과거에는 풍력발전 구조물들이 주로 육상에서 이루어졌으나, 풍력 자원량, 미관, 장소의 제약 등의 문제로 인해 최근에는 해상에 대규모의 풍력단지를 건설하는 추세이다. 그러나 해상에 안전하게 풍력발전 구조물을 건설하기 위해서는 높은 위치에 설치될 블레이드 및 타워 구조물에 대한 안전한 설치 공법이 요구되고 있다.
다시 말하면, 이러한 풍력터빈 설비는 바람에 의한 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있도록 구성되는 시스템으로서, 설치되는 환경 조건에 따라 육상용(onshore)과 해상용(offshore)로 구분될 수 있다. 또한, 이러한 파일 또는 말뚝을 설치하는 방법으로는 항타식, 유압 타압식, 석션 방식 등이 있는데, 대구경 파일 또는 말뚝을 설치하기 위해서는 수직도를 잘 맞추어서 설치해야 한다.
이러한 풍력터빈 설비에서 목표하고 원하는 전력을 얻기 위하여 소정의 높이에 풍력발전이 가능한 나셀을 위치시키는 것이 타워의 역할이다. 이러한 풍력터빈에는 수평형과 수직형이 있는데, 최근 국내 및 해외에서는 주로 수평형의 풍력터빈의 개발과 설치가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 풍력터빈 타워의 형식으로는 모노파일 타입, 자켓 타입, 지선지지 타입 등이 있는데, 최근 대형 풍력터빈의 경우에는 주로 모노파일 타입 타워, 특히, 강재중공 모노파일 타워가 많이 사용되고 있다. 이때, 상기 강재 중공 타워에 미치는 하중을 지상의 기초에 하중을 전달하기 위한 접합부가 형성된다. 이러한 접합부는 앵커볼트(Anchor bolt)와 앵커링(Anchor ring) 형식으로 나눌 수 있다.
한편, 도 1은 풍력발전 지지구조물을 개략적으로 예시하는 도면이다.
해상 풍력발전 구조물은, 크게 터빈(Turbine)과 지지구조물(Substructure)로 구분되며, 이때, 터빈은 기본적으로 육상용 풍력발전 터빈(10)과 동일한 기술을 적용한다. 이러한 해상 풍력발전 구조물의 수명은 20년 정도이며, 육상보다 대용량인 3~5MW 이상의 풍력터빈을 적용하고 있다. 이러한 해상 풍력발전 구조물의 각각의 구성요소는 염분으로 인한 부식 피해를 막기 위하여 설계 및 코팅될 수 있다.
여기서, 지지구조물(Substructure)은 대표적으로, 콘크리트 케이슨 타입(Concrete caisson type), 모노파일 타입(Mono-pile type), 자켓 타입(Jacket type), 삼각대 타입(Tripod Type) 및 부유식 타입(Floating type)의 5가지 타입으로 나누어 설명할 수 있다.
구체적으로, 콘크리트 케이슨 타입은 중력식으로서, 제작 및 설치가 용이하여 초기 해상 풍력발전 단지에 사용된 타입으로서, 빈데비(Vindeby), 미델그룬덴(Middelgrunden) 해상 풍력발전 단지 등에 적용되었다. 이러한 콘크리트 케이슨 타입은 비교적 얕은 6~10m의 수심에서 사용가능하며, 자중과 해저면의 마찰력으로 위치를 유지한다. 이때, 콘크리트 케이슨 타입의 기초 직경은 12~15m이다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 모노파일 타입(20)은 현재 가장 많이 쓰이고 있는 해상풍력발전단지 기초 방식으로서, 25~30m의 수심에 설치가 가능하다. 홀스레브(Horns Rev), 노스 호일(North Hoyle) 해상풍력 발전단지 등에 적용되었으며, 해저면에 대구경의 파일(pile)을 항타(Driving) 또는 드릴링(Drilling)하여 고정하는 방식으로 대단위 단지에 이용하는 경우 경제성이 좋다. 이때, 모노파일 타입의 기초 직경은 3~3.5m의 것이 많이 사용된다.
자켓 타입은 현재 해상 풍력발전 단지 보유국에서 많은 관심을 보이고 실증 중에 있는 타입으로서, 수심 20~80m에 설치가 가능하다. 이러한 자켓 타입은 자켓식 구조물로 지지하고 파일(pile)로 해저에 고정하는 방식이다. 이러한 자켓 타입은 대수심 해양의 구조물이고, 실적이 많아 신뢰도가 높은 편이며, 전술한 모노파일 타입(20)과 마찬가지로 대단위 단지 조성에 이용하는 경우, 경제성이 좋다는 장점이 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 삼각대 타입(30)은 전술한 모노파일 타입(20)을 하부로 확장한 것으로, 수심 20~80m에 설치가 가능하다. 이러한 삼각대 타입(30)은 바닥을 정리할 필요가 없고 소구경 파일을 사용한다는 특징이 있지만, 앵커파일이 필요하므로 제조 비용이 증가하게 된다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 부유식 타입(40)은 미래 심해상 풍력발전의 필수 과제라고 할 수 있고, 수심 40~900m에 설치가 가능하도록 많은 풍력회사에서 연구 중에 있다.
한편, 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1240615호에는 "석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 자중 및 석션압을 이용하여 해저면에 관입시킨 후에서 자중 및 석션압을 이용하여 해저면에 관입시키는 것은 해저면에 선행 굴착 없이 자중으로 최대한 구조물이 해저면에 관입되도록 낙하시키고, 추가적으로 석션을 이용하여 구조물을 설치하는 방식이다.
한편, 전술한 모노파일의 경우, 해저면에 모노파일을 설치하고 상기 모노파일 파일 상부에 받침구조물을 형성한 후, 상기 받침구조물 상에 타워, 나셀 및 블레이드 등의 상부 구조물을 설치하게 된다. 이때, 모노파일은, 예를 들면 바지선에서 부력을 이용해서 끌고 가서 항타 또는 굴착하여 설치할 수 있다.
도 2a는 종래의 기술에 따른 대구경 강관파일을 운반하는 것을 나타내는 사진이고, 도 2b는 대구경 강관파일에 결합되는 플러그를 예시하는 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 대구경 강관파일(70)은, 해상에서 운반용 바지선(50)을 이용하여 부력을 이용하여 수평 방향으로 끌고 가서, 크레인(60)을 이용하여 굴착 또는 항타 위치에 대구경 강관파일(70)을 설치할 수 있다. 이때, 상기 대구경 강관파일(70)의 양단은, 도 2b에 도시된 바와 같이, 플러그(80)를 이용하여 밀폐시킨 후에 운반하게 된다.
또한, 도 3a 및 도 3b는 각각 종래의 기술에 따른 대구경 강관파일이 매입되는 것을 설명하기 위한 도면들이다.
종래의 기술에 따른 대구경 강관파일은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 대구경 강관파일(70)을 바지선에서 기존에는 잭업(Jackup) 바지(90)를 해상에 고정시키고 강관파일(70)을 고정된 힌지에 놓고 크레인(60)을 사용하여 강관파일(70)을 천천히 설치하였다.
따라서 종래의 기술에 따른 대구경 강관파일의 매입시공시, 규모가 큰 잭업 바지선과 같은 큰 장비를 설치하여 사용하여야 하므로, 공사비 및 시공기간이 길어지는 문제점이 있었다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 모노파일 타입(Mono-Pile Type)의 해상풍력발전용 대구경 강관파일(Steel-Pipe Pile)을 기초지반(원지반)의 굴착 위치까지 운반하여 매입시, 펌프를 이용하여 대구경 강관파일의 부력과 자중을 조절하면서 매입할 수 있는, 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 및 그 매입시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 대구경 강관파일의 하단부에 형성된 유입구에 의해 물의 급속한 유입을 방지하면서 대구경 강관파일을 굴착 위치에 용이하게 직립시킬 수 있는, 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 및 그 매입시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 대구경 강관파일의 상단부를 밀폐시키기 위한 플러그 상에 펌프가 체결된 펌프 일체형 플러그를 사용함으로써 대구경 강관파일의 매입 이후에 분리 회수할 수 있는, 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 및 그 매입시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일은, 모노파일 타입(Mono-Pile Type)의 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일(Large Diameter Steel-Pipe Pile)에 있어서, 굴착된 기초지반에 매입시공되는 대구경 강관파일 본체; 상기 대구경 강관파일 본체의 매입시공시 물이 급속하게 유입되지 않도록 상기 대구경 강관파일 본체의 하단부에 형성되는 유입구; 상기 대구경 강관파일 본체를 상기 기초지반의 굴착 위치까지 운반할 경우, 상기 유입구를 일시적으로 밀폐시키도록 체결되는 유입구 마개; 상기 대구경 강관파일 본체의 상단부를 밀폐시키도록 체결되는 플러그; 및 상기 대구경 강관파일 본체로 유입되는 물 또는 공기를 배출시키도록 상기 플러그 상에 결합되는 펌프를 포함하되, 상기 대구경 강관파일 본체는 상기 펌프에 의해 부력과 자중이 조절되면서 상기 기초지반의 굴착 위치에 직립되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 유입구는 상기 대구경 강관파일 본체의 매입시공시 물이 급속하게 유입되지 않도록 상기 대구경 강관파일 본체의 내부로 소정 길이만큼 연장되도록 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일은, 상기 펌프에 전원 케이블을 통해 연결되어 상기 펌프를 원격제어하도록 바지선에 설치되는 원격 펌프제어부를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 플러그 및 상기 펌프는 일체형으로 형성되고, 물 또는 공기를 배출하기 위한 배출구가 상기 플러그 및 상기 펌프를 관통하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 일체형으로 형성된 상기 플러그 및 펌프는 상기 대구경 강관파일 본체를 상기 굴착 위치에 직립시킨 후에 상기 대구경 강관파일 본체로부터 분리되어 회수될 수 있다.
여기서, 상기 플러그는 상기 대구경 강관파일 본체가 고압에 견딜 수 있도록 중심으로부터 8방향으로 설치되는 원뿔 형상의 다이어프램(Diaframe)이 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 유입구 마개는 상기 대구경 강관파일 본체의 운반시 상기 유입구에 체결되고, 상기 유입구 마개가 빠지지 않도록 상기 펌프에 의해 약압의 석션(Suction)이 제공되는 것을 특징으로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 매입시공 방법은, 모노파일 타입의 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일을 기초지반의 굴착 위치에 매입시공하는 방법에 있어서, a) 해상풍력발전용 지지구조물 설치를 위한 기초지반을 굴착하는 단계; b) 하단부에 물 유입구가 형성된 대구경 강관파일 본체를 제작하는 단계; c) 플러그 상에 펌프가 결합된 펌프 일체형 플러그 및 유입구 마개를 각각 상기 대구경 강관파일 본체의 양단에 체결하여 상기 대구경 강관파일 본체의 내부를 밀폐시키는 단계; d) 상기 양단이 밀폐된 매입식 대구경 강관파일을 해상에서 바지선을 이용하여 굴착 위치까지 수평 방향으로 운반하는 단계; e) 상기 대구경 강관파일 본체로부터 유입구 마개를 제거한 후, 상기 펌프를 사용하여 상기 대구경 강관파일 본체의 부력 및 자중을 조절하면서 직립시키는 단계; 및 f) 상기 대구경 강관파일 본체에 체결된 상기 펌프 일체형 플러그를 분리하여 회수하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 c) 단계의 펌프 일체형 플러그는 물 또는 공기를 배출하기 위한 배출구가 상기 펌프 일체형 플러그를 관통하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계의 펌프는 전원 케이블을 통해 바지선에 설치된 원격 펌프제어부와 연결되어 원격제어되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 c) 단계의 유입구 마개는 상기 대구경 강관파일 본체의 운반시, 상기 유입구 마개가 빠지지 않도록 상기 펌프에 의해 약압의 석션(Suction)이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 e) 단계는 상기 물 유입구를 통해 급속하게 물이 유입되지 않도록 상기 펌프를 사용하여 상기 대구경 강관파일 본체의 부력 및 자중을 조절하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 f) 단계에서 상기 펌프 일체형 플러그는 상기 대구경 강관파일 본체로부터 분리되어 회수될 수 있도록 상기 펌프에 양의 압력을 넣어 탈착시키거나 또는 기계적으로 탈착시킬 수 있다.
여기서, 상기 d) 단계의 바지선은 크레인이 설치된 운반용 바지선으로서, 상기 대구경 강관파일 본체를 상기 굴착 위치에 매입시공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 해상풍력발전용 대구경 강관파일을 기초지반(원지반)의 굴착 위치까지 운반하여 매입시, 펌프를 이용하여 대구경 강관파일의 부력과 자중을 조절하면서 매입함으로써 규모가 큰 잭업 바지선이나 큰 장비를 사용하지 않고도 간단한 크레인이 설치된 바지선으로 대구경 강관파일을 매입시공할 수 있고, 이에 따라 공사비 및 공기를 감축시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 대구경 강관파일의 하단부에 형성된 유입구에 의해 물의 급속한 유입을 방지하면서 대구경 강관파일을 굴착 위치에 용이하게 직립시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 대구경 강관파일의 상단부를 밀폐시키기 위한 플러그 상에 펌프가 체결된 펌프 일체형 플러그를 사용함으로써 대구경 강관파일의 매입 이후에 분리 회수할 수 있다.
본 발명에 따르면, 대구경 강관파일의 양단을 플러그 및 유입구 마개를 사용하여 밀폐시킨 후 운반함으로써 대구경 강관파일의 운반이 용이하다.
도 1은 풍력발전 지지구조물을 개략적으로 예시하는 도면이다.
도 2a는 종래의 기술에 따른 대구경 강관파일을 운반하는 것을 나타내는 사진이고, 도 2b는 대구경 강관파일에 결합되는 플러그를 예시하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 종래의 기술에 따른 대구경 강관파일이 매입되는 것을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 상단부 및 하단부 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일에서 펌프 일체형 플러그를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 펌프 일체형 플러그에서 다이어프램이 형성된 플러그를 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 운반 및 매입시공시 펌프를 이용하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 매입시공 방법의 동작흐름도이다.
도 10a 내지 도 10e는 각각 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 매입시공 방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 상에 상부구조물을 형성한 것을 나타내는 도면이다.
도 2a는 종래의 기술에 따른 대구경 강관파일을 운반하는 것을 나타내는 사진이고, 도 2b는 대구경 강관파일에 결합되는 플러그를 예시하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 종래의 기술에 따른 대구경 강관파일이 매입되는 것을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 상단부 및 하단부 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일에서 펌프 일체형 플러그를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 펌프 일체형 플러그에서 다이어프램이 형성된 플러그를 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 운반 및 매입시공시 펌프를 이용하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 매입시공 방법의 동작흐름도이다.
도 10a 내지 도 10e는 각각 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 매입시공 방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 상에 상부구조물을 형성한 것을 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 구조]
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 단면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 상단부 및 하단부 평면도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일에서 펌프 일체형 플러그를 구체적으로 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 펌프 일체형 플러그에서 다이어프램이 형성된 플러그를 예시하는 도면이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일(100)은, 모노파일 타입(Mono-Pile Type)의 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일(Large Diameter Steel-Pipe Pile)로서, 대구경 강관파일 본체(110), 유입구(120), 플러그(130), 펌프(140), 유입구 마개(150) 및 배출구(160)를 포함하며, 또한, 바지선에 설치되는 원격 펌프제어부(170)를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 매입식 대구경 강관파일(100)은, 유입구(120)가 하단부에 형성된 대구경 강관파일 본체(110)일 수 있지만, 편의상, 매입식 대구경 강관파일(100)은 상기 플러그(130), 펌프(140) 및 유입구 마개(150)가 체결된 상태의 대구경 강관파일 본체(110)인 것으로 설명하기로 한다.
대구경 강관파일 본체(110)는 굴착된 기초지반에 매입시공된다. 이때, 상기 대구경 강관파일 본체(110)는 예를 들면, 그 반경이 수 m인 대구경 강관파일이고, 그 길이는 수십 m이고, 그 자중은 수백 톤 규모일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 또한, 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 상단부는, 도 5의 a)에 도시된 바와 같이, 플러그(130) 상에 펌프(140)가 결합된 펌프 일체형 플러그가 체결될 수 있도록 중공의 파이프 형상으로 형성되고, 또한, 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 하단부는, 도 5의 b)에 도시된 바와 같이, 물이 유입될 수 있는 유입구(120)가 형성되어 있다. 본 발명의 실시예에서 매입식 대구경 강관파일(100)은 기초지반인 원지반을 굴착한 후, 굴착된 위치에 대구경 강관파일 본체(110)가 매입시공된다. 즉, 상기 대구경 강관파일 본체(110)는 기초지반에 항타하여 형성되는 것이 아니고, 기초지반을 굴착한 후 매입시키는 방식으로 시공될 수 있다.
유입구(120)는 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 매입시공시 물이 급속하게 유입되지 않도록 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 하단부에 형성된다. 여기서, 상기 유입구(120)는 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 매입시공시 물이 급속하게 유입되지 않도록 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 하부 중앙부에서 내부로 소정 길이(d)만큼 연장되도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 내부로 연장된 유입구(120)의 길이(d) 및 반경은 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 부력 및 자중에 따라 변경될 수 있다. 또한, 상기 유입구(120)의 입구는 유입구 마개(150)를 용이하게 삽입할 수 있도록 원뿔 형태로 가공되는 것이 바람직하다.
유입구 마개(150)는 상기 대구경 강관파일 본체(110)를 상기 기초지반의 굴착 위치까지 운반할 경우, 상기 유입구(120)를 일시적으로 밀폐시키도록 체결된다. 즉, 상기 유입구 마개(150)는 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 운반시 상기 유입구(120)에 체결되고, 상기 유입구 마개(150)가 빠지지 않도록 상기 펌프(140)에 의해 약압의 석션(Suction)이 제공될 수 있다. 다시 말하면, 상기 대구경 강관파일 본체(110)를 밀폐시킨 상태에서 펌프(40)를 사용하여 공기를 외부로 배출하면, 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 내부 압력은 외부 압력보다 작아지게 되며, 상기 유입구(120)를 밀폐시키는 유입구 마개(150)는 빠지지 않게 된다.
플러그(Plug: 130)는, 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 상단부를 밀폐시키도록 체결된다. 이때, 상기 플러그(130)는, 도 7의 a)에 도시된 바와 같이, 상기 대구경 강관파일 본체(110)가 고압에 견딜 수 있도록 중심으로부터 다이어프램(Diaframe: 131)이 형성되며, 이때, 상기 다이어프램(131)은 도 7의 b)에 도시된 바와 같이, 8방향으로 설치되는 원뿔 형상의 다이어프램일 수 있다. 즉, 상기 원뿔 형상의 다이어프램은 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 상단부에 체결되는 플러그(130)는 운반시 또는 매입시공시에 상기 대구경 강관파일 본체(110)로부터 빠지지 않게 한다.
펌프(Pump: 140)는, 예를 들면, 대구경 강관파일 본체(110) 내부의 물 또는 공기를 외부로 배출시키기 위한 수중 펌프일 수 있고, 상기 대구경 강관파일 본체(110)로 유입되는 물 또는 공기를 외부로 배출시키도록 상기 플러그(130) 상에 결합된다.
여기서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 플러그(130) 및 상기 펌프(140)는 일체형으로 형성될 수 있고, 물 또는 공기를 배출하기 위한 배출구(160)가 상기 플러그(130) 및 상기 펌프(140)를 관통하도록 형성된다. 또한, 상기 일체형으로 형성된 상기 플러그(130) 및 펌프(140)는 상기 대구경 강관파일 본체(110)를 상기 굴착 위치에 직립시킨 후에 상기 대구경 강관파일 본체(110)로부터 분리되어 회수될 수 있다.
원격 펌프제어부(170)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(140)에 전원 케이블(180)을 통해 연결되어 상기 펌프(140)를 원격제어하도록 바지선(300)에 설치된다. 이때, 상기 원격 펌프제어부(170)에 의해 상기 펌프(140)를 원격제어할 수 있다는 점은 당업자에게 자명하므로 상세한 설명은 생략한다.
이에 따라 상기 대구경 강관파일 본체(110)는 상기 펌프(140)에 의해 부력과 자중이 조절되면서 상기 기초지반의 굴착 위치에 직립시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일은 물 유입구가 형성된 모노파일 타입의 매입식 대구경 강관파일(100)로서, 대구경 강관파일 본체(110)를 플러그(130) 및 유입구 마개(150)로 밀폐시킨 후, 바지선을 이용하여 대구경 강관파일 본체(110)를 기초지반인 원지반의 굴착 위치까지 수평으로 운반한 후, 대구경 강관파일 본체(110)의 상부에 설치된 펌프(140)가 상기 대구경 강관파일 본체(110)를 굴착 위치에서 수직으로 대구경 강관파일 본체의 부력 및 자중을 조절하며, 이때, 대구경 강관파일 본체(110)를 수직으로 직립시키면서 하단에 형성된 물 유입구(120)로 물이 들어오면서 하강하고, 이에 따라 대구경 강관파일 본체(110)를 굴착 위치에 직립시킬 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 운반 및 매입시공시 펌프를 이용하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일에서, 도 8의 a)에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(140)는 대구경 강관파일 본체(110)의 운반시 원뿔 형상의 플러그(130)를 삽입하여 빠지지 않도록 운반 전에 크지 않은 음의 압력(suction)을 인가할 수 있다. 즉, 유입구 마개(150)를 사용하여 상기 대구경 강관파일 본체(110) 하단부의 유입구(120)를 밀폐시키고, 또한, 플러그(130)를 사용하여 상기 대구경 강관파일 본체(110) 상단부를 밀폐시킨 후, 펌프(140)를 이용하여 대구경 강관파일 본체(110) 내의 압력을 낮추어 원뿔 형상의 플러그(130) 및 유입구 마개(150)가 빠지지 않게 할 수 있다.
또한, 상기 펌프(140)는, 도 8의 b)에 도시된 바와 같이, 대구경 강관파일 본체(110) 내부의 공기나 물을 뽑아내어서 대구경 강관파일 본체(110) 내의 압력을 낮추어 물을 유입시켜 대구경 강관파일 본체(110)의 연직 설치를 유도할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 해상풍력발전용 대구경 강관파일을 기초지반(원지반)의 굴착 위치까지 운반하여 매입시, 펌프를 이용하여 대구경 강관파일의 부력과 자중을 조절하면서 매입함으로써 규모가 큰 잭업 바지선이나 큰 장비를 사용하지 않고도 간단한 크레인이 설치된 바지선으로 대구경 강관파일을 매입시공할 수 있고, 이에 따라 공사비 및 공기를 감축시킬 수 있다. 또한, 대구경 강관파일의 하단부에 형성된 유입구에 의해 물의 급속한 유입을 방지하면서 대구경 강관파일을 굴착 위치에 용이하게 직립시킬 수 있다. 또한, 대구경 강관파일의 상단부를 밀폐시키기 위한 플러그 상에 펌프가 체결된 펌프 일체형 플러그를 사용함으로써 대구경 강관파일의 매입 이후에 분리 회수할 수 있다. 또한, 대구경 강관파일의 양단을 플러그 및 유입구 마개를 사용하여 밀폐시킨 후 운반함으로써 대구경 강관파일의 운반이 용이하다.
[해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 매입시공 방법]
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 매입시공 방법의 동작흐름도이고, 도 10a 내지 도 10e는 각각 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 매입시공 방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다.
전술한 도 4 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 매입시공 방법은, 모노파일 타입의 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일을 기초지반의 굴착 위치에 매입시공하는 방법으로서, 먼저, 해상풍력발전용 지지구조물 설치를 위한 기초지반인 원지반을 굴착한다(S110). 구체적으로, 도 10a에 도시된 바와 같이, 해상풍력발전용 지지구조물 설치를 위한 기초지반(200)을 도면부호 A로 도시된 바와 같이 굴착한다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일은 기초지반을 굴착한 후 매입시공되는데, 여기서, 매입파일 시공이란 해저면에 대구경 강관파일 본체(110)가 들어갈 자리를 미리 굴착하여 뚫어 놓고, 그 굴착 위치에 대구경 강관파일 본체(110)를 끼워서 매입시공하게 된다. 이때, 기초지반인 원지반(200)이 사질토 및 사질토의 경우, 공벽 붕괴를 막기 위하여 케이싱을 설치하여 굴착할 수 있다.
다음으로, 하단부에 물 유입구(120)가 형성된 대구경 강관파일 본체(110)를 제작하고(S120), 상기 대구경 강관파일 본체의 양단에 펌프 일체형 플러그(130) 및 유입구 마개(140)를 체결하여 내부를 밀폐시킨다(S130). 구체적으로, 도 10b에 도시된 바와 같이, 하단부에 물 유입구(120)가 형성된 대구경 강관파일 본체(110)를 제작하고, 또한, 플러그(130) 상에 펌프(140)가 결합된 펌프 일체형 플러그 및 유입구 마개(150)를 각각 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 양단에 체결하여 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 내부를 밀폐시킨다. 여기서, 상기 펌프 일체형 플러그(130)는 물 또는 공기를 배출하기 위한 배출구(160)가 상기 펌프 일체형 플러그(130)를 관통하도록 형성된다. 또한, 상기 펌프(140)는 전원 케이블(180)을 통해 바지선(300)에 설치된 원격 펌프제어부(170)와 연결되어 원격제어될 수 있다. 또한, 상기 유입구 마개(150)는 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 운반시, 상기 유입구 마개(150)가 빠지지 않도록 상기 펌프(140)에 의해 약압의 석션(Suction)이 제공될 수 있다.
다음으로, 바지선(300)을 이용하여 해상에서 굴착 위치까지 상기 내부가 밀폐된 대구경 강관파일(100)을 수평 방향으로 운반한다(S140). 구체적으로, 도 10c에 도시된 바와 같이, 상기 양단이 밀폐된 매입식 대구경 강관파일(100)을 해상에서 바지선(300)을 이용하여 굴착 위치까지 수평 방향으로 운반한다. 이때, 상기 바지선은 크레인이 설치된 운반용 바지선으로서, 상기 대구경 강관파일 본체(110)를 상기 굴착 위치에 매입시공할 수 있다. 이에 따라 기존의 규모가 큰 잭업 바지선이나 큰 장비를 사용하지 않고도 간단한 크레인이 설치된 바지선(300)으로 대구경 강관파일을 매입시공할 수 있고, 이에 따라 공사비 및 공기를 감축시킬 수 있다.
다음으로, 상기 대구경 강관파일 본체(110)로부터 유입구 마개(140)를 제거한 후, 펌프(132)를 사용하여 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 부력 및 자중을 조절하면서 직립시킨다(S150). 구체적으로, 도 10d에 도시된 바와 같이, 상기 대구경 강관파일 본체(110)로부터 유입구 마개(150)를 제거한 후, 상기 펌프(140)를 사용하여 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 부력 및 자중을 조절하면서 직립시킨다. 즉, 상기 물 유입구(120)를 통해 급속하게 물이 유입되지 않도록 상기 펌프(140)를 사용하여 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 부력 및 자중을 조절할 수 있다.
다음으로, 상기 대구경 강관파일 본체(110)에 체결된 펌프 일체형 플러그(130)를 분리하여 회수한다(S160). 구체적으로, 도 10e에 도시된 바와 같이, 상기 대구경 강관파일 본체(110)에 체결된 상기 펌프 일체형 플러그를 분리하여 회수할 수 있다. 이때, 상기 펌프 일체형 플러그는 상기 대구경 강관파일 본체(110)로부터 분리되어 회수될 수 있도록 상기 펌프(140)에 양의 압력을 넣어 탈착시키거나 또는 기계적으로 탈착시킬 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일 상에 상부구조물을 형성한 것을 나타내는 도면이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일이 기초지반의 굴착 위치에 매입시공된 후, 후속적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 대구경 강관파일의 상부에 받침구조물을 형성하고, 상기 받침구조물의 상부에 타워, 나셀 및 블레이드 등의 해상풍력발전기 상부구조물(400)을 형성함으로써 해상풍력발전기가 설치된다.
본 발명의 실시예에서, 매입식 대구경 강관파일이 해상풍력발전용 기초구조물로 매입시공되는 경우에 대해 설명하였지만, 매입식 대구경 강관파일이 다른 해상구조물용 기초구조물의 매입시공시 사용될 수도 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 매입식 대구경 강관파일
110: 대구경 강관파일 본체
120: 유입구(Inlet)
130: 플러그(Plug)
131: 다이어프램(Diaframe)
140: 펌프(Pump)
150: 유입구 마개
160: 배출구(Outlet)
170: 원격 펌프제어부
180: 전원 케이블
200: 기초지반(또는 원지반)
300: 바지선
400: 해상풍력발전기 상부구조물
110: 대구경 강관파일 본체
120: 유입구(Inlet)
130: 플러그(Plug)
131: 다이어프램(Diaframe)
140: 펌프(Pump)
150: 유입구 마개
160: 배출구(Outlet)
170: 원격 펌프제어부
180: 전원 케이블
200: 기초지반(또는 원지반)
300: 바지선
400: 해상풍력발전기 상부구조물
Claims (14)
- 모노파일 타입(Mono-Pile Type)의 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일(Large Diameter Steel-Pipe Pile)에 있어서,
굴착된 기초지반에 매입시공되는 대구경 강관파일 본체(110);
상기 대구경 강관파일 본체(110)의 매입시공시 물이 급속하게 유입되지 않도록 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 하단부에 형성되는 유입구(120);
상기 대구경 강관파일 본체(110)를 상기 기초지반의 굴착 위치까지 운반할 경우, 상기 유입구(120)를 일시적으로 밀폐시키도록 체결되는 유입구 마개(150);
상기 대구경 강관파일 본체(110)의 상단부를 밀폐시키도록 체결되는 플러그(130); 및
상기 대구경 강관파일 본체(110)로 유입되는 물 또는 공기를 배출시키도록 상기 플러그(130) 상에 결합되는 펌프(140)
를 포함하되,
상기 대구경 강관파일 본체(110)는 상기 펌프(140)에 의해 부력과 자중이 조절되면서 상기 기초지반의 굴착 위치에 직립되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일. - 제1항에 있어서,
상기 유입구(120)는 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 매입시공시 물이 급속하게 유입되지 않도록 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 내부로 소정 길이만큼 연장되도록 형성된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일. - 제1항에 있어서,
상기 펌프(140)에 전원 케이블(180)을 통해 연결되어 상기 펌프(140)를 원격제어하도록 바지선(300)에 설치되는 원격 펌프제어부(170)를 추가로 포함하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일. - 제1항에 있어서,
상기 플러그(130) 및 상기 펌프(140)는 일체형으로 형성되고, 물 또는 공기를 배출하기 위한 배출구(160)가 상기 플러그(130) 및 상기 펌프(140)를 관통하도록 형성된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일. - 제4항에 있어서,
상기 일체형으로 형성된 상기 플러그(130) 및 펌프(140)는 상기 대구경 강관파일 본체(110)를 상기 굴착 위치에 직립시킨 후에 상기 대구경 강관파일 본체(110)로부터 분리되어 회수되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일. - 제1항에 있어서,
상기 플러그(130)는 상기 대구경 강관파일 본체(110)가 고압에 견딜 수 있도록 중심으로부터 8방향으로 설치되는 원뿔 형상의 다이어프램(Diaframe: 131)이 형성된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일. - 제1항에 있어서,
상기 유입구 마개(150)는 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 운반시 상기 유입구(120)에 체결되고, 상기 유입구 마개가 빠지지 않도록 상기 펌프(140)에 의해 약압의 석션(Suction)이 제공되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일. - 모노파일 타입의 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일을 기초지반의 굴착 위치에 매입시공하는 방법에 있어서,
a) 해상풍력발전용 지지구조물 설치를 위한 기초지반을 굴착하는 단계;
b) 하단부에 물 유입구(120)가 형성된 대구경 강관파일 본체(110)를 제작하는 단계;
c) 플러그(130) 상에 펌프(140)가 결합된 펌프 일체형 플러그 및 유입구 마개(150)를 각각 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 양단에 체결하여 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 내부를 밀폐시키는 단계;
d) 상기 양단이 밀폐된 매입식 대구경 강관파일(100)을 해상에서 바지선(300)을 이용하여 굴착 위치까지 수평 방향으로 운반하는 단계;
e) 상기 대구경 강관파일 본체(110)로부터 유입구 마개(150)를 제거한 후, 상기 펌프(140)를 사용하여 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 부력 및 자중을 조절하면서 직립시키는 단계; 및
f) 상기 대구경 강관파일 본체(110)에 체결된 상기 펌프 일체형 플러그를 분리하여 회수하는 단계
를 포함하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 매입시공 방법. - 제8항에 있어서,
상기 c) 단계의 펌프 일체형 플러그는 물 또는 공기를 배출하기 위한 배출구(160)가 상기 펌프 일체형 플러그를 관통하도록 형성된 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 매입시공 방법. - 제8항에 있어서,
상기 c) 단계의 펌프(140)는 전원 케이블(180)을 통해 바지선(300)에 설치된 원격 펌프제어부(170)와 연결되어 원격제어되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 매입시공 방법. - 제8항에 있어서,
상기 c) 단계의 유입구 마개(150)는 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 운반시, 상기 유입구 마개(150)가 빠지지 않도록 상기 펌프(140)에 의해 약압의 석션(Suction)이 제공되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 매입시공 방법. - 제8항에 있어서,
상기 e) 단계는 상기 물 유입구(120)를 통해 급속하게 물이 유입되지 않도록 상기 펌프(140)를 사용하여 상기 대구경 강관파일 본체(110)의 부력 및 자중을 조절하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 매입시공 방법. - 제8항에 있어서,
상기 f) 단계에서 상기 펌프 일체형 플러그는 상기 대구경 강관파일 본체(110)로부터 분리되어 회수될 수 있도록 상기 펌프(140)에 양의 압력을 넣어 탈착시키거나 또는 기계적으로 탈착시키는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 매입시공 방법. - 제8항에 있어서,
상기 d) 단계의 바지선은 크레인이 설치된 운반용 바지선으로서, 상기 대구경 강관파일 본체(110)를 상기 굴착 위치에 매입시공하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전용 매입식 대구경 강관파일의 매입시공 방법.
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