KR20160044241A - 부유식 풍력발전장치의 하부구조물 - Google Patents

Abstract

부유식 풍력발전장치의 하부구조물에 관한 것으로, 풍력발전기를 지지하는 하부 지지대가 구비된 하부구조체, 상기 하부구조체의 운동을 감쇄시키도록 상기 하부구조체의 중앙에 소정의 직경으로 형성되는 문풀, 상기 하부구조체를 안정적으로 유지시키는 계류 라인을 마련하여 하부구조체가 원통형으로 형성되어 있어 모든 방향의 입사파에 대한 균등한 운동성을 가짐은 물론 일정한 선형으로 형성되어 있어 회전력 및 회전운동을 방지할 수 있으며, 하부구조체의 중앙에 형성된 문풀에 의해 파랑충격을 줄일 수 있고, 하부구조체의 하부에 형성된 감쇄부에 의해 수직운동을 줄일 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

부유식 풍력발전장치의 하부구조물{Underlying Structure of Floating Wind Turbine Generator}

본 발명은 부유식 풍력발전장치의 하부구조물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전장치가 설치되는 하부구조물이 파랑하중 등의 환경외력에도 안정된 상태를 유지할 수 있는 부유식 풍력발전장치의 하부구조물에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전은 바람의 힘에 의해서 회전하는 풍차의 회전력으로 발전기를 돌려 전기를 발생시키는 기술로서, 청정 에너지인 바람을 동력원으로 하므로, 환경오염이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

풍력발전은 크게 육상 풍력발전과 해상 풍력발전이 있다. 해상풍력발전을 위해서는 바다 위에 발전기를 설치하여야 하며, 전력망을 바다에 깔아야 할 뿐만 아니라 바다 위에 변전소도 지어야 한다. 따라서 육상풍력발전에 비해 건설비가 많이 든다는 문제가 있다.

그러나 해수면의 형상이 일정하므로 주변 지형의 영향을 받는 육상 풍력발전에 비해서 풍력감소가 적고, 설치 부지 및 규모의 제한이 적다는 장점이 있다.

해상풍력발전은 크게 발전설비를 해상에 설치하는 방법에 따라 고정식과 부유식으로 나눌 수 있다. 고정식은 수심이 깊지 않은 바다의 해저지반에 기초공사를 하고, 그 위에 구조물 및 발전설비를 설치하는 방식이다.

고정식 풍력발전에 사용되는 기초는 크게 콘크리트 자중 기초, 모노파일 기초, 멀티파일 기초 3가지로 분류된다.

부유식은 해상에 떠 있는 부유체 위에 발전설비를 고정 시키고, 부유체의 운동을 계류 시스템으로 제어하는 방식이다. 부유식은 해안에서 멀리 떨어져서 설치할 수 있기 때문에 주변 환경에 미치는 소음과 전자기 등의 영향이 작다.

부유식은 수심 40~50m 이상인 해상에 설치될 때 고려할 수 있는 방식이다. 부유식은 해상에 떠 있기 때문에 파도, 바람 등의 주위 환경의 영향을 많이 받아 고정식에 비해서 움직임이 크기 때문에, 될 수 있으면 움직임이 작도록 설계하는 것이 최대 관건이다.

부유식 구조물은 부력체가 외력을 받은 경우에 이에 대항하여 자세를 유지하는 복원력의 발생 메커니즘에 따라 폰툰형, 주상형, 인장 계류형으로 분류할 수 있다.

폰툰형은 부력체가 기울어지면 기울어진 쪽의 부력이 증가하고, 반대쪽의 부력이 감소하여 복원 모멘트가 생기는 것을 이용한다. 폰툰형은 부력체가 수면 위에 떠 있기 때문에 파랑의 영향을 많이 받으므로 정온한 해역에 적합하다.

폰툰형 중에서 파랑의 영향을 작게 받기 위하여 고안된 대표적인 형식 중의 하나로 반잠수식이 있다. 반잠수식은 플랫폼을 수면 하부의 부력체와 수 개의 기둥으로 연결한 방식으로 일반 폰툰형에 비해서 수선면적이 작으므로 운동의 고유주기가 길어져 파랑과의 공진을 피할 수 있다는 장점이 있다.

주상형은 실린더 형태의 부력체 위에 플랫폼이 설치된 형태로서 부력 중심 밑에 중력중심을 둠으로써 안정성을 얻으며, 위치유지를 위하여 유연계류장치나 긴장계류장치가 설치된다.

인장 계류형은 플랫폼이 정적평형 위치보다 조금 아래로 내려가도록 끌어당겨서 수 개의 쇠줄이나 쇠파이프로 해저면에 연결하여, 쇠줄이나 쇠파이프에 잉여부력에 의한 인장력이 걸리도록 하여 복원력을 발생시키는 방식이다.

이와 같은 부유식 구조물은 하부구조물의 형상에 따라 풍력발전장치의 거동이 결정되며, 파랑하중에 의한 거동이 심하게 발생하게 된다.

이에 따라 부유식 구조물에 설치되어 있는 풍력발전장치의 구조적 안정성과 안정적인 발전을 얻기 위해서는 파랑 하중에 의한 하부구조물의 운동을 감쇄시킬 필요성이 있다.

예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 '풍력발전장치용 부유식 기초'가 개시되어 있다.

하기 특허문헌 1에 따른 풍력발전장치용 부유식 기초에는 해수면에 수직 방향으로 배치되며 적어도 일부분이 해수면 아래로 잠기는 주상형 부력체, 상기 풍력발전장치를 지지하도록 상기 주상형 부력체 위에 설치되는 플랫폼, 상기 주상형 부력체의 흘수를 조절하기 위해 상기 주상형 부력체의 하부에 배치되는 밸러스트(ballast)가 구비된다.

상기 주상형 부력체의 둘레에 설치되는 플랜지, 상기 주상형 부력체의 위치를 유지하도록 상기 주상형 부력체를 해저면에 계류시키는 계류삭(mooring cable), 상기 주상형 부력체의 외주면을 따라 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이를 상하 이동하는 승강장치 및 상기 승강장치의 외주면에 결합하여 상기 승강장치와 함께 상하로 이동하는 밸런싱 부력체(balancing Buoy)를 포함하고 있다.

상기 승강장치는 상기 주상형 부력체와 평행하게 상기 플랫폼과 상기 플랜지 사이에 설치되는 적어도 하나의 가이드포스트, 상기 밸런싱 부력체와 결합하며 상기 가이드포스트를 따라서 상하로 이동하는 캐리어 및 상기 캐리어가 상기 플랫폼과 멀어지는 방향으로 탄성력을 제공하는 탄성수단이 개시되어 있다.

하기 특허문헌 2에는 '부유식 해상 풍력발전장치'가 개시되어 있다.

하기 특허문헌 2에 따른 부유식 해상 풍력발전장치는 해수면에 수직방향으로 세워지도록 설치되는 타워, 상기 타워의 상부 측에 위치된 나셀(Nacelle)의 일측에 회전 가능하게 설치되는 블레이드, 해수면 위에 부유 상태로 유지되며 상기 타워가 고정되는 부유 구조물, 상기 블레이드의 회전에너지를 전기에너지로 바꿔주는 일련의 유압·발전기계 장치들로서, 발전기를 구비한 유압식 발전장치를 포함하며, 상기 유압식 발전장치에 있어서 중량의 대부분을 차지하는 상기 발전기를 상기 타워의 하부측 부유 구조물 상에 설치하여 풍력발전기의 무게중심을 낮추도록 하고 있다.

대한민국 특허 공개번호 제10-2012-0014657호(2012년 2월 20일 공개) 대한민국 특허 공개번호 제10-2013-0048853호(2013년 5월 13일 공개)

그러나 종래기술에 따른 풍력발전장치가 설치되는 하부구조물은 파랑하중에 의한 운동이 심하게 발생하고 있으며, 이러한 하부구조물의 운동에 따라 풍력발전장치의 고장 또는 장애의 원인이 되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다양한 방향에서 입사되는 해상파에 대하여 모든 방향에서 균등한 운동성능을 갖는 부유식 풍력발전장치의 하부구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 하부구조물에 형성된 문풀에 의해 운동성능이 저감되는 부유식 풍력발전장치의 하부구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 하부구조물의 외부에 형성된 감쇄부에 의해 수직 운동성능이 저감되는 부유식 풍력발전장치의 하부구조물을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물은 풍력발전기를 지지하는 하부 지지대가 구비된 하부구조체, 상기 하부구조체의 운동을 감쇄시키도록 상기 하부구조체의 중앙에 소정의 직경으로 형성되는 문풀, 상기 하부구조체를 안정적으로 유지시키는 계류 라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 하부구조체의 외면에 상기 하부구조체의 직경보다 큰 직경으로 돌출 형성되어 상기 하부구조체의 수직 운동을 감쇄시키는 감쇄부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 감쇄부는 상기 하부 구조체의 저면으로 연장되는 연장면, 상기 연장면으로부터 일정 높이만큼 수직으로 형성되는 수직면, 상기 수직면으로부터 소정의 각도로 수직 방향의 해수 압력이 가해지도록 경사지게 형성된 경사면을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 하부구조체는 다양한 방향에서 입사되는 해상파에 의한 균등한 운동이 가해지도록 원통형으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물에 의하면, 하부구조체가 원통형으로 형성되어 있어 모든 방향의 입사파에 대한 균등한 운동성을 가짐은 물론 일정한 선형으로 형성되어 있어 회전력 및 회전운동을 방지할 수 있으며, 하부구조체의 중앙에 형성된 문풀에 의해 파랑충격을 줄일 수 있고, 하부구조체의 하부에 형성된 감쇄부에 의해 수직운동을 줄일 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물을 보인 입체도,
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물을 보인 입체도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물을 보인 입체도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물을 보인 입체도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물은 풍력발전기를 지지하는 하부 지지대(11)가 구비된 하부구조체(10), 상기 하부구조체(10)의 운동을 감쇄시키도록 상기 하부구조체(10)의 중앙에 소정의 직경으로 형성되는 문풀(20), 상기 하부구조체(10)를 안정적으로 유지시키는 계류 라인(30)을 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물은 풍력발전장치를 지지하는 하부 지지대(11)가 설치되는 하부구조체(10)를 원통형으로 형성함과 함께 그 내부에 소정의 직경을 갖는 문풀(20)이 형성될 수 있다.

이와 같이 원통형으로 이루어진 하부구조체(10)는 다양한 방향에서 입사되는 해상파, 즉 파랑하중에 대하여 모든 방향에서 균등하게 운동 성능을 갖도록 하기 위함이다.

즉, 하부구조체(10)는 원통형으로 형성됨에 따라 각기 다른 방향에서 파랑하중이 가해지게 되더라도 동일한 하중이 가해질 수 있게 된다. 하부구조체(10)가 사각형 또는 다각형 형상으로 이루어져 있을 경우 일면에만 파랑하중이 가해짐에 따라 하부구조체(10)에 가해지는 하중이 서로 달라지게 된다.

하부구조체(10)가 원통형으로 이루어져 있어 일측에서 파랑하중이 가해지게 되더라도 파랑하중이 원통형의 하부구조체(10)의 외면으로 분산되면서 가해지게 된다.

이렇게 하부구조체(10)는 파랑하중에 대해 개선된 운동성능을 갖게 되어 하부구조체(10)가 설치된 상태를 보다 안정적으로 유지할 수 있게 된다.

이와 같이 원통형으로 형성된 하부구조체(10)는 모든 방향에서 가해지는 환경하중에 대하여 균등한 운동 성능을 갖게 되며, 파랑하중이 가해지는 방향에 따른 투영 면적이 일정하고, 입사파를 맞이하는 선형이 일정하므로 평면 내 회전력(yaw drift)이나 회전운동(yaw motion)을 방지할 수 있게 된다.

아울러 원통형의 하부구조체(10)는 사각형 또는 다각형의 형상에 대비하여 원형의 선형을 가짐으로써 파랑충격(impact load)에 대하여 보다 안정된 구조로 이루어지게 된다.

또한 하부구조체(10)의 내부, 즉 중앙에는 소정의 직경을 갖는 문풀(20)이 형성될 수 있다. 이러한 문풀(20)은 해수가 일정 높이로 유입되는 공간으로 하부구조체(10)에 파랑하중이 가해질 때 하부구조체(10)가 보다 안정적인 상태를 유지할 수 있도록 한다.

상기 계류 라인(30)은 하부구조체(10)를 보다 안정적인 상태로 유지할 수 있도록 하는 것으로, 일단은 하부구조체(10)에 설치되며, 타단은 해저면에 매립된 상태로 설치될 수 있다.

한편 도 2에 도시된 바와 같이, 하부구조체(10)에는 파랑하중을 감쇄시킬 수 있는 감쇄부(40)가 마련될 수 있다. 상기 감쇄부(40)는 해수에 의한 수직운동 성능을 감쇄시키기 위한 것이다.

이를 위해 감쇄부(40)는 원통형의 하부구조체(10)의 외면에 형성되는데, 하부구조체(10)의 하부에 외측으로 돌출되게 형성될 수 있다.

상기 하부구조체(10)의 저면에는 외측으로 일정 길이만큼 돌출 연장되는 연장면(41)이 형성될 수 있고, 연장면(41)과 교차되는 방향으로 일정 높이를 갖는 수직면(42)이 형성될 수 있으며, 수직면(42)의 상단에는 하부구조체(10)를 향해 소정의 각도로 경사지게 형성되는 경사면(43)이 일체로 이루어질 수 있다.

상기 경사면(43)은 해수에 의한 수직 하중이 가해지게 되므로, 하부구조체(10)를 보다 안정된 상태를 유지하기 위하여 표면적을 넓게 한다. 즉, 경사면(43)은 연장면(41) 보다 큰 표면적을 갖게 되므로 연장면(41)에 작용하는 해수면의 압력보다 경사면(43)에 보다 큰 압력을 받게 되며, 이로 인해 하부구조체(10)의 수직운동을 줄일 수 있게 된다.

다음 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물의 결합관계를 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물은 하부구조체(10)를 원통형으로 형성할 수 있다. 이는 종래의 사각형 또는 다각형 형상으로 이루어진 하부구조체(10)에 비하여 입사되는 해상의 파랑하중에 대하여 모든 방향에서 균등한 운동을 할 수 있도록 하기 위함이다.

즉, 하부구조체(10)가 원통형으로 이루어짐으로써, 각기 다른 방향에서 파랑하중이 가해지게 되더라도 하부구조체(10)가 보다 안정된 자세를 유지할 수 있도록 한다.

또한 원통형의 하부구조체(10)는 모든 방향에서 가해지는 바람, 조류 등의 환경하중에 대한 균등한 운동성능을 가질 수 있으며, 파랑하중의 방향에 따른 투영 면적이 일정하고, 입사파에 대하여 하부구조체(10)의 선형이 일정하므로 평면 내 회전력(yaw drift)이나 회전운동(yaw motion)을 방지할 수 있게 된다.

한편 사각형 또는 다각형 형상과 대비하여 원형의 선형을 가짐으로써 파랑충격(impact load)에 대하여 보다 안전한 구조로 이루어진다.

아울러 하부구조체(10)의 내부, 중앙에는 일정 직경을 갖는 문풀(20)을 형성할 수 있다. 상기 문풀(20)은 일정 높이로 해수가 채워지게 됨에 따라 파랑하중에 대한 운동성능을 감쇄시킬 수 있게 된다.

이와 함께 하부구조체(10)에는 해저면에 매설되는 계류 라인(30)을 설치할 수 있다. 상기 계류 라인(30)은 하부구조체(10)에 일단이 고정될 수 있으며, 타단은 해저면에 설치될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물은 하부구조체(10)를 원통형으로 형성하며, 그 중앙에는 소정 직경의 문풀(20)을 형성할 수 있으며, 하부구조체(10)에는 해저면에 고정시킬 수 있는 계류 라인(30)이 설치됨은 물론이다.

이와 함께 하부구조체(10)의 외면에는 하부구조체(10)의 수직방향 운동을 저감시키기 위한 감쇄부(40)를 형성할 수 있다. 감쇄부(40)는 하부구조체(10)의 저면에서 외측으로 돌출 연장되는 연장면(41)을 형성할 수 있고, 연장면(41)과 교차되는 방향으로 일정 높이만큼 수직면(42)을 형성할 수 있으며, 수직면(42)의 상단에는 소정의 각도로 경사진 경사면(43)을 형성할 수 있다.

다음 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물의 작동방법을 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 풍력발전장치의 하부구조물은 하부구조체(10)가 원통형으로 이루어져 있어 모든 방향에서 파랑하중이 가해지게 되더라도 균등한 운동성을 갖게 된다.

즉, 원통형의 하부구조체(10)에 파랑하중뿐만 아니라 바람, 조류 등에 의한 환경하중이 가해지게 되더라도 균등한 운동성능을 갖게 된다.

이는 하부구조체(10)가 원통형으로 이루어져 어느 일 방향이 아닌 모든 방향에 따른 투영면적이 일정하게 됨에 따라 하부구조체(10)의 회전력이나 회전운동을 방지할 수 있게 된다.

이와 함께 원통형의 하부구조체(10)는 일정한 선형으로 이루어져, 파랑충격에 대한 입사파도 일정하게 가해지게 된다.

또한 하부구조체(10)의 중앙의 문풀(20)에 해수가 일정 높이로 채워지므로, 파랑하중에 대한 반력을 가지게 되며, 이로 인해 하부구조체(10)의 운동성능을 향상시킬 수 있게 된다.

아울러 하부구조체(10)는 다수의 계류 라인(30)이 설치되어 있어 보다 안정된 상태를 유지할 수 있게 된다.

한편 감쇄부(40)의 경사면(43)에는 해수에 의한 수직하중이 가해지게 되며, 경사면(43)에 가해지는 수직하중에 의해 하부구조체(10)의 수직방향의 운동이 저감된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10: 하부구조체 20: 문풀
30: 계류 라인 40: 감쇄부
41: 연장면 42: 수직면
43: 경사면

Claims (4)

1. 풍력발전기를 지지하는 하부 지지대가 구비된 하부구조체,
   상기 하부구조체의 운동을 감쇄시키도록 상기 하부구조체의 중앙에 소정의 직경으로 형성되는 문풀,
   상기 하부구조체를 안정적으로 유지시키는 계류 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 풍력발전장치의 하부구조물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하부구조체의 외면에 상기 하부구조체의 직경보다 큰 직경으로 돌출 형성되어 상기 하부구조체의 수직 운동을 감쇄시키는 감쇄부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 풍력발전장치의 하부구조물.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 감쇄부는 상기 하부 구조체의 저면으로 연장되는 연장면,
   상기 연장면으로부터 일정 높이만큼 수직으로 형성되는 수직면,
   상기 수직면으로부터 소정의 각도로 수직 방향의 해수 압력이 가해지도록 경사지게 형성된 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 풍력발전장치의 하부구조물.
4. 제3항에 있어서,
   상기 하부구조체는 다양한 방향에서 입사되는 해상파에 의한 균등한 운동이 가해지도록 원통형으로 형성된 것을 특징으로 하는 부유식 풍력발전장치의 하부구조물.
   

Images