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KR102144423B1 - 반잠수식 풍력발전기 및 이의 설치 및 해체 방법 - Google Patents

반잠수식 풍력발전기 및 이의 설치 및 해체 방법 Download PDF

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KR102144423B1
KR102144423B1 KR1020200029959A KR20200029959A KR102144423B1 KR 102144423 B1 KR102144423 B1 KR 102144423B1 KR 1020200029959 A KR1020200029959 A KR 1020200029959A KR 20200029959 A KR20200029959 A KR 20200029959A KR 102144423 B1 KR102144423 B1 KR 102144423B1
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이지현
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Abstract

이동 및 계류성능이 개선된 반잠수식 풍력발전기 및 이의 설치 및 해체 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 해상에 설치되는 부유체-중력기초 복합유닛; 및 부유체-중력기초 복합유닛에 설치되어, 타워의 지지구조를 제공하는 하부구조물;을 포함하고, 부유체-중력기초 복합유닛은, 상부에 하부구조물이 설치되는 부유체; 및 부유체 하부에 배치되는 부유식중력기초;를 포함하는, 반잠수식 풍력발전기가 제공될 수 있다. 본 발명의 반잠수식 풍력발전기 및 이의 설치 및 해체 방법은 해상에서의 설치공정을 최소화하고, 수심 등과 관련된 다양한 설치환경에 적용이 가능하다.

Description

반잠수식 풍력발전기 및 이의 설치 및 해체 방법 {SEMI-SUBMERGIBLE TYPE WIND POWER GENERATOR AND ITS INSTALLATION AND DECOMISSION METHOD}
본 발명은 반잠수식 풍력발전기 및 이의 설치 및 해체 방법에 관한 것이다.
신재생 발전수단의 하나로 풍력발전기가 알려져 있다.
풍력발전기는 설치장소에 따라 육상 및 해상 풍력발전기로 구분될 수 있다. 해상 풍력발전기는 기초(foundation) 구조에 따라 통상 콘크리트 케이슨(concrete caisson) 타입, 모노파일(monopile) 타입, 자켓(jacket) 타입, 부유식 등이 사용되고 있다.
콘크리트 케이슨 타입은 자중과 해저면의 마찰력을 통해 위치 유지하는 방식으로, 비교적 제작 및 설치가 용이한 이점을 갖는다. 다만, 콘크리트 케이슨 타입은 6~10m의 비교적 얕은 수심에서 사용 가능하고, 불량지반에서는 편심 경사로 안정성 문제를 유발할 수 있다.
모노파일 타입은 해저면에 타구경의 파일을 항타(driving) 또는 드릴링하여 고정하는 방식으로, 대단위 단지에 이용시 경제성이 좋다고 알려진다. 모노파일 타입은 현재 가장 범용되는 기초 방식 중 하나이며, 대체로 25~30m 수심에 설치가 가능하다. 단점으로는 부재에 대한 피로 하중이나 부식 문제가 지적된다.
자켓 타입은 파일 등으로 해저에 고정된 자켓식 구조물을 사용한다. 자켓 타입은 20~30m의 비교적 폭 넓은 수심에 적용이 가능한 이점이 있고, 모노파일 타입과 같이 대단위 단지 조성시 경제성이 좋다. 또한, 자켓 타입은 현재까지 상대적으로 많은 실적 사례가 구축된 바 있어 신뢰도가 높다고 알려진다.
부유식 타입은 일종의 부유체를 해상에 띄우는 방식이다. 대체로 수심 60~120m에서의 적용이 의도되고 있다. 부유식 타입은 수심의 제약을 적게 받아 비교적 수심이 깊은 원해상이나 심해상에서도 적용 가능하고, 이에 따라 미래 해상 풍력발전의 중요 과제 중 하나로 인식되고 있다.
한편, 부유식 풍력발전기는 부유체의 형태에 따라 스파(spar) 타입, 반잠수식(semi-submersible), 인장계류식(Tension-Leg Platform; TLP) 등이 알려져 있다.
스파 타입은 컬럼 형태의 부유체를 사용한다. 스파 타입은 수선 면적이 적고, 흘수선(draft line) 아래로 충분한 깊이를 가지기 때문에 운동 성능이 우수한 이점이 있다. 또한, 스파 타입은 구조 및 형상이 간단하여 제작 측면에서 이점이 있고, 무게중심이 부력중심보다 낮아 전복가능성이 낮다. 반면, 스파 타입은 120m 이상의 비교적 깊은 수심에 적용될 수 있고, 이동이나 설치 작업이 어려운 점이 단점으로 지적된다.
반잠수식은 선박과 유사한 복원 모멘트를 이용한 모델로, 해수면에서의 파(wave) 영향을 줄이기 위해 큰 배수량의 하부구조를 반잠수시켜 플랫폼의 수직 운동을 감쇄시킨 방식이다. 반잠수식은 스파 타입 대비 얕은 수심에서 운용 가능하고, 터그보트(tug boat) 등을 통해 이송될 수 있다. 다만, 고비용의 발라스트 시스템이 요구되는 단점이 있다.
인장계류식은 해저면과 하부구조물을 탄성부재로 결합시킨 방식이다. 인장계류식은 반잠수식과 유사하게 비교적 낮은 수심에서 적용이 가능하고, 파(wave)에 대응한 모션 저감 성능이 우수한 특성을 갖는다. 다만, 인장계류식은 해저지반과 연결된 계류방식으로, 앵커링 시스템의 설치작업이 상당히 까다롭고, 복수의 계류라인 중 일부에 고장이나 파손이 발생될 경우 전복 위험성을 가지고 있다.
본 발명의 실시예들은 개선된 지지구조를 가지는 반잠수식 풍력발전기 및 이의 설치 및 해체 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1측면에 따르면, 해상에 설치되는 부유체-중력기초 복합유닛; 및 상기 부유체-중력기초 복합유닛에 설치되어, 타워의 지지구조를 제공하는 하부구조물;을 포함하고, 상기 부유체-중력기초 복합유닛은, 상부에 상기 하부구조물이 설치되는 부유체; 및 상기 부유체 하부에 배치되는 부유식중력기초;를 포함하는, 반잠수식 풍력발전기가 제공될 수 있다.
본 발명의 제2측면에 따르면, 부유체 및 부유식중력기초를 포함하는 부유체-중력기초 복합유닛에 하부구조물이 설치되는 단계; 상기 부유체-중력기초 복합유닛이 해상의 설치위치로 이동되는 단계; 및 상기 부유체로부터 상기 부유식중력기초가 해저면으로 하강되고, 상기 부유체의 부력이 상기 부유식중력기초와 상기 부유체 간에 연결된 텐션와이어에 의해 지지되어, 상기 부유체가 상기 설치위치에 계류되는 단계;를 포함하는, 반잠수식 풍력발전기의 설치방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 제3측면에 따르면, 부유체의 부력이 해저면에 안착된 부유식중력기초에 의해 지지되어, 상기 부유체가 해상의 설치위치에 계류된 상태로 설치되는 단계; 상기 부유식중력기초의 발라스트 챔버로부터 해수가 배출되고, 상기 부유식중력기초가 상기 해저면으로부터 상기 부유체를 향해 상승되는 단계; 상기 부유식중력기초가 상기 부유체의 하측에 인접되어, 상기 부유식중력기초 및 상기 부유체가 부유체-중력기초 복합유닛을 형성하는 단계; 및 상기 부유체-중력기초 복합유닛이 설치위치로부터 이탈되어 이동되는 단계;를 포함하는, 반잠수식 풍력발전기의 해체방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 반잠수식 풍력발전기는, 해상에서의 설치공정을 최소화하여 이로 인한 작업 용이성, 시간, 비용 등의 이점을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 반잠수식 풍력발전기는, 반잠수식과 스파 타입 지지구조의 이점들을 함께 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 반잠수식 풍력발전기는, 이동성이 우수하면서도, 설치상태에서 우수한 계류성능을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 반잠수식 풍력발전기는, 수심 등과 관련된 다양한 설치환경에 적용이 가능하고, 운용환경에 따라 구조물의 부력 등을 능동적으로 대응할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 설치 및 해체 방법은, 상기와 같은 반잠수식 풍력발전기의 기술적 이점을 공유할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 반잠수식 풍력발전기의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 반잠수식 풍력발전기의 설치상태를 도시한 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 반잠수식 풍력발전기의 설치방법을 보여주는 작동도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 반잠수식 풍력발전기의 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시된 반잠수식 풍력발전기의 설치상태를 도시한 개략도이다.
도 6은 도 4에 도시된 부유체의 변형예들이다.
도 7은 도 4에 도시된 반잠수식 풍력발전기의 설치방법을 보여주는 작동도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아님을 알려둔다. 이하의 실시예들은 해당 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로, 불필요하게 본 발명의 기술적 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 공지의 구성에 대해서는 상세한 기술을 생략하기로 한다.
아래 실시예들의 반잠수식 풍력발전기는 해상에서의 설치 및 사용이 의도되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라, 아래 실시예들의 반잠수식 풍력발전기는 보다 다양한 환경조건에서 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에서는 편의상 "반잠수식" 풍력발전기로 명명하나, 반드시 이러한 기술분류에 제한되어 적용 가능한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 반잠수식 풍력발전기(100)의 개략도이다. 도 2는 도 1에 도시된 반잠수식 풍력발전기(100)의 설치상태를 도시한 개략도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 실시예의 반잠수식 풍력발전기(100)는 부유체-중력기초 복합유닛(110)을 포함할 수 있다. 편의상 이하에서는 복합유닛(110)으로 약칭한다.
복합유닛(110)은 해상에 설치되어, 타워(130) 등에 대한 지지구조를 제공할 수 있다.
복합유닛(110) 내부에는 발라스트 챔버(ballast chamber)가 구비될 수 있다. 복합유닛(110)은 발라스트 챔버로의 해수 유출입에 따라 흘수(draft)가 조절될 수 있다.
도 1에 예시된 바에 따르면, 복합유닛(110)는 제1흘수선(D1) 및 제2흘수선(D2)을 가질 수 있다. 상측에 표시된 제1흘수선(D1)은 설치상태를 나타내고, 하측에 표시된 제2흘수선(D2)은 이동상태를 나타낸다. 복합유닛(110)은 발라스트 챔버를 통해 제2흘수선(D2) 상태로 이동된 후, 제1흘수선(D1) 상태로 설치 및 운용될 수 있다. 제1흘수선(D1)은 제2흘수선(D2)보다 소정 정도 높은 위치로 형성될 수 있다. 바람직하게, 제1흘수선(D1)은 대략 보조커넥터(111b)의 높이방향 임의 위치에 형성될 수 있고, 제2흘수선(D2)은 대략 복합유닛(110) 측면의 높이방향 임의 위치에 형성될 수 있다.
복합유닛(110)은 일부 또는 전부가 콘크리트 재질로 형성될 수 있다. 또는, 복합유닛(110)은 적어도 외벽의 일부 또는 전부가 콘크리트 재질로 형성될 수 있다. 즉, 본 실시예에서 복합유닛(110)은 콘크리트 재질의 부유체로 의도된다. 콘크리트 재질의 복합유닛(110)은 종래 반잠수식 풍력발전기에서 일반적으로 사용되던 스틸(steel) 재질에 비해 저가로 구현될 수 있다.
복합유닛(110)는 부유체(111) 및 부유식중력기초(112)를 포함할 수 있다.
부유체(111) 및 부유식중력기초(112)는 상하로 배치될 수 있다. 즉, 부유체(111)는 부유식중력기초(112) 상측에 배치될 수 있다.
다만, 부유체(111) 및 부유식중력기초(112)는 각각 독립된 구조로 형성될 수 있다. 또는, 부유체(111) 및 부유식중력기초(112)에는 각각 독립된 발라스트 챔버가 구비될 수 있다. 도 1의 경우, 부유체(111) 및 부유식중력기초(112)가 상하로 인접 배치된 상태를 도시하는 반면, 도 2의 경우, 독립된 부유식중력기초(112)가 부유체(111) 하방으로 상당 간격 이격된 상태를 도시하고 있다.
부유체(111)는 하부구조물(120)과 체결될 수 있다. 또는, 하부구조물(120)은 부유체(111)에 설치되어 지지될 수 있다.
하부구조물(120)의 체결을 위해, 부유체(111)에는 메인커넥터(111a) 및 보조커넥터(111b)가 구비될 수 있다. 메인커넥터(111a) 및 보조커넥터(111b)는 대체로 부유체(111) 상면에 배치될 수 있다. 보조커넥터(111b)는 복수개가 구비될 수 있으며, 복수의 보조커넥터(111b)는 중앙의 메인커넥터(111a)를 중심으로 대략 방사형 배치될 수 있다. 본 실시예의 경우, 중앙의 메인커넥터(111a)를 중심으로 3개의 보조커넥터(111b)가 방사형 배치된 경우를 예시하고 있다. 보조커넥터(111b)의 개수는 보조컬럼(122)의 개수에 대응된다.
메인커넥터(111a)는 메인컬럼(121)과 대응되는 위치 및 규격을 가지고, 메인컬럼(121)과 결합될 수 있다. 즉, 메인컬럼(121)은 메인커넥터(111a)를 통해 부유체(111) 상면에 장착 설치될 수 있다. 메인커넥터(111a)와 메인컬럼(121) 간의 구체적인 결합구조는 공지된 다양한 방식에 의할 수 있고, 본 실시예에서 특별히 제한되지 않는다.
보조커넥터(111b)는 보조컬럼(122)과 대응되는 위치 및 규격을 가지고, 보조컬럼(122)과 결합될 수 있다. 즉, 각 보조컬럼(122)은 각 보조커넥터(111b)를 통해 부유체(111) 상면에 장착 설치될 수 있다. 보조커넥터(111b)와 보조컬럼(122) 간의 구체적인 결합구조는 특별히 제한되지 않으며, 메인커넥터(111a) 및 메인컬럼(121) 간의 결합구조가 유사하게 채용될 수 있다.
메인커넥터(111a) 및 보조커넥터(111b)는 부유체(111) 상면으로부터 소정 높이 연장 형성될 수 있다. 이는 설치상태에서 제1흘수선(D1)의 위치와 관련된다. 즉, 메인커넥터(111a) 및 보조커넥터(111b)가 상하로 연장 형성되어, 설치상태에서 수선 면적을 줄일 수 있고, 안정적인 거동 특성이 구현될 수 있다.
필요에 따라, 메인커넥터(111a) 및 보조커넥터(111b)는 높이 방향으로 상이한 단면적을 가질 수 있다. 본 실시예의 경우, 보조커넥터(111b)를 중심으로 이를 도시하고 있다.
이에 따르면, 보조커넥터(111b)는 제1 내지 3연장부(111c~111e)를 구비할 수 있다. 제1연장부(111c)는 보조커넥터(111b) 상단으로부터 하방으로 소정 길이 연장 형성될 수 있고, 제2연장부(111b)는 제1연장부(111c) 하단으로부터 하방으로 소정 길이 연장 형성될 수 있고, 제3연장부(111e)는 제2연장부(111d) 하단으로부터 하방으로 소정 길이 연장 형성될 수 있다.
여기서, 제1연장부(111c)의 직경(P1)은, 제3연장부(111e)의 직경(P2) 보다 소정 정도 작게 형성될 수 있다. 또한, 제1흘수선(D1)은 이와 같은 제1연장부(111c) 상에 형성될 수 있다. 이와 같은 경우, 설치상태(즉, 제1흘수선(D1) 상태)에서 수선면의 단면적이 줄어들어 파에 의한 영향을 감소시킬 수 있다. 또한, 상하 운동시 부력을 적게 받을 수 있어 계류 성능을 향상시킬 수 있고, 구조물의 무게 중심을 낮춰 운동 성능의 개선에도 도움을 줄 수 있다.
한편, 제2연장부(111d)는 제3연장부(111e)를 향해 점진적으로 직경이 늘어나는 테이퍼진 형상으로 형성될 수 있다.
부유체(111)는 평면상 대체로 삼각형 형상을 가질 수 있다. 보다 바람직하게, 부유체(111)는 평면상 대체로 정삼각형 형상을 가질 수 있다. 삼각형 형상의 부유체(111)는 설치상태에서 양호한 계류성능을 유지할 수 있으면서도, 이동이 비교적 용이한 이점을 갖는다. 즉, 터그보트 등을 사용한 예인시 직진성이 일정 부분 확보될 수 있다.
한편, 부유식중력기초(112)는 부유체(111)의 하부에 배치될 수 있다. 부유식중력기초(112)는 상면이 부유체(111)의 저면을 향하도록 배치되어, 도 1과 같이 상면이 부유체(111)의 저면에 접하거나, 도 2와 같이 상면이 부유체(111)의 저면으로부터 소정 간격 이격되도록 위치될 수 있다. 대체로, 도 1의 배치상태는 이동상태에 대응되고, 도 2의 배치상태는 설치상태에 대응된다.
도 1의 배치상태에서, 부유식중력기초(112)는 소정의 결합구조를 통해 부유체(111)와 고정 결합될 수 있다. 부유체(111) 및 부유식중력기초(112) 간의 구체적인 결합구조는 공지된 다양한 방식에 의할 수 있고, 본 실시예에서 특별히 제한되지 않는다. 다만, 부유체(111) 및 부유식중력기초(112)는 결합 및 분리 가능한 결합구조를 가지는 것이 바람직하다. 부유식중력기초(112)는 설치위치로 이동 후 도 2와 같이 부유체(111)로부터 분리되어야 하기 때문이다.
바람직하게, 부유식중력기초(112)는 텐션와이어(112a)를 통해 부유체(111)와 연결될 수 있다. 도시된 바에 따르면, 텐션와이어(112a)는 각 보조커넥터(111b)에 대응되도록 배치되어 있고, 하단이 부유식중력기초(112)에 체결되어 있다. 텐션와이어(112a) 상단은 부유체(111) 또는 하부구조물(120)에 체결될 수 있다. 도시되지 않았으나, 텐션와이어(112a)는 스트랜드 잭(strand jack) 등의 구동수단을 통해 하부로 권출되거나 상부로 권취될 수 있다. 이에 따라, 부유식중력기초(112)는 부유체(111) 하측으로 하강되거나, 부유체(111)를 향해 상측으로 승강될 수 있다.
도 2의 배치상태에서, 부유식중력기초(112)는 부유체(111) 하방으로 이격 배치될 수 있다. 여기서, 부유식중력기초(112)는 텐션와이어(112a)를 통해 부유체(111)와 연결될 수 있다. 즉, 부유식중력기초(112)는 해저면(B)에 안착 배치될 수 있고, 부유체(111)는 텐션와이어(112a)의 인장력을 통해 부유식중력기초(112)에 지지될 수 있다. 텐션와이어(112a)는 필요에 따라 복수개가 구비될 수 있고, 본 실시예의 경우 3개의 텐션와이어(112a)를 예시하고 있다. 다만, 텐션와이어(112a)의 개수는 필요에 따라 증감 변동될 수 있고, 반드시 예시된 바에 한정되지는 않는다.
부유식중력기초(112)는 부유체(111)와 대응되는 형상을 가질 수 있다. 예시된 바에 따르면, 부유식중력기초(112)는 부유체(111)와 대응되도록 평면상 대체로 정삼각형 형상을 가지고 있다. 다만, 부유체(111) 및 부유식중력기초(112)의 형상이 반드시 대응되어야 하는 것은 아니고, 필요에 따라 서로 상이한 형상을 가질 수도 있다. 이는 후술할 제2실시예 등에서 예시되고 있다.
한편, 본 실시예의 반잠수식 풍력발전기(100)는 하부구조물(120)을 포함할 수 있다.
하부구조물(120)은 부유체(111)에 설치될 수 있다. 하부구조물(120)의 상부에는 타워(130) 등이 설치될 수 있고, 타워(130), 너셀(140), 블레이드(150) 등은 하부구조물(120)에 의해 지지될 수 있다. 경우에 따라, 하부구조물(120)은 타워(130)와 일체화된 형태로 형성될 수 있다.
하부구조물(120)은 스틸 재질로 형성될 수 있다. 이에 의해, 복합유닛(110)와 타워(130) 간의 견고한 지지구조가 제공될 수 있다. 본 실시예의 반잠수식 풍력발전기(100)는 콘크리트 재질의 복합유닛(110)와, 스틸 재질의 하부구조물(120)이 조합된 형태로, 콘크리트 및 스틸이 복합된 지지구조를 가질 수 있다. 이러한 지지구조는 구조적 안정성을 충분히 확보하면서도, 비용상 이점을 갖는다.
하부구조물(120)은 메인컬럼(121)을 포함할 수 있다. 메인컬럼(121)은 하부구조물(120)의 중앙에 상하로 연장 형성될 수 있다. 메인컬럼(121) 하부는 메인커넥터(111a)와 체결될 수 있고, 메인컬럼(121) 상부는 타워(130)와 체결될 수 있다.
하부구조물(120)은 메인컬럼(121)을 중심으로 방사형 배치되는 보조컬럼(122)을 포함할 수 있다. 보조컬럼(122)은 복수개가 구비될 수 있고, 본 실시예는 3개로 예시되어 있다. 보조컬럼(122)은 상하로 소정 길이 연장 형성되어, 보조커넥터(111b)와 체결될 수 있다.
하부구조물(120)은 메인컬럼(121)과 보조컬럼(122) 간을 연결하는 연결부재(123)를 포함할 수 있다. 연결부재(123)는 보조컬럼(122)의 개수에 따라 복수개가 구비될 수 있고, 본 실시예는 3개로 예시되어 있다. 연결부재(123)는 메인컬럼(121)으로부터 보조컬럼(122)을 향해 횡방향으로 연장 형성될 수 있다. 바람직하게, 연결부재(123)는 메인컬럼(121)으로부터 수평방향으로 연장 형성되어, 보조컬럼(122)과 연결될 수 있다.
필요에 따라, 하부구조물(120)은 연결부재(123)와 함께 메인컬럼(121)과 보조컬럼(122) 간을 연결하는 보강부재(124)를 포함할 수 있다. 보강부재(124)는 보조컬럼(122)의 개수에 따라 복수개가 구비될 수 있고, 본 실시예는 3개로 예시되어 있다. 보강부재(124)는 메인컬럼(121)으로부터 보조컬럼(122)을 향해 횡방향으로 연장 형성되되, 소정 각도로 경사지게 배치될 수 있다.
한편, 본 실시예의 반잠수식 풍력발전기(100)는 타워(130), 너셀(140) 및 블레이드(150)를 포함할 수 있다.
타워(130)는 하부구조물(120)에 지지되어, 소정 길이 연장 형성될 수 있고, 통상 스틸 재질로 이뤄질 수 있다. 타워(130) 상단에는 너셀(140)이 장착 배치될 수 있고, 너셀(140) 일측에는 블레이드(150)가 장착 배치될 수 있다. 이와 같은 타워(130), 너셀(140) 및 블레이드(150)는 종래 공지된 바와 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다.
다만, 본 실시예의 반잠수식 풍력발전기(100)는 복합유닛(110)의 구성을 통해 타워(130), 너셀(140) 및 블레이드(150) 중 어느 하나 이상이 육상이나 안벽(quay)에서 조립 설치된 후, 해상으로의 이동이 이뤄질 수 있다. 일 예로, 본 실시예의 반잠수식 풍력발전기(100)는 육상이나 암벽에서 타워(130) 내지 블레이드(150)가 조립 설치된 후, 해상으로의 이동이 이뤄질 수 있다. 이 경우, 해상에서의 설치공정이 최소화되어, 작업 용이성, 시간, 비용 등의 이점을 기대할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 반잠수식 풍력발전기(100)의 설치방법을 보여주는 작동도이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 복합유닛(110)에 하부구조물(120)이 설치된다. 또한, 하부구조물(120)에 타워(130), 너셀(140) 및 블레이드(150) 중 어느 하나 이상이 설치된다. 본 실시예에서는 타워(130) 내지 블레이드(150)가 모두 설치된 후, 설치위치로 이동되는 경우를 예시하고 있다. 하부구조물(120) 등의 설치는 육상이나 안벽 등에서 이뤄질 수 있다. 이는 해상 작업을 줄여 설치 비용이나 시간을 절감시킬 수 있다.
하부구조물(120) 등이 설치된 반잠수식 풍력발전기(100)는 터그보트(T) 등을 통해 해상의 설치위치로 이동된다. 여기서, 복합유닛(110)은 제2흘수선(D2) 상태를 가지고 이동될 수 있다. 제2흘수선(D2)은 복합유닛(110)의 높이방향 임의 지점으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제2흘수선(D2)은 도 1에 예시된 바와 같이, 부유체(111) 및 부유식중력기초(112)의 사이로 형성될 수 있다. 다만, 제2흘수선(D2)은 부유체(111)의 높이방향 임의 지점이나, 부유식중력기초(112)의 높이방향 임의 지점으로 형성될 수 있고, 반드시 도 1에 예시된 바에 한정되지는 않는다.
복합유닛(110)의 이동은 삼각형 형상의 정점 방향으로 이뤄질 수 있다. 이에 의해, 이동시 복합유닛(110)의 직진성이 확보될 수 있고, 파(wave)에 의한 영향도 저감될 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 반잠수식 풍력발전기(100)가 해상의 설치위치까지 이동 완료되고, 설치위치에서 계류된다.
여기서, 부유식중력기초(112)는 이동시 부유체(111)의 운동을 하부에서 지지하여 이동시의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 부유식중력기초(112)가 타워(130) 등의 상부 구조에 대한 부력을 보충하므로, 부유체(111) 등은 보다 컴팩트한 구조나 크기로 제작될 수 있다. 즉, 일반적인 반잠수식 지지구조와 대비하여 부유체(111)의 크기가 작게 제작될 수 있고, 이는 비용 및 취급상의 이점을 가져올 수 있다.
또한, 도 3의 (c)를 참조하면, 설치위치에서 부유식중력기초(112)가 하강될 수 있다. 부유식중력기초(112)의 하강은, 부유식중력기초(112) 내부의 발라스트 챔버로 해수가 공급되면서 이뤄질 수 있고, 해수의 공급량에 따라 부유식중력기초(112)의 하강위치가 조정될 수 있다.
부유식중력기초(122)의 하강은 텐션와이어(112a)에 의해 안내되면서 이뤄질 수 있다. 즉, 부유식중력기초(112)의 발라스트로 해수가 공급되면, 스트랜드 잭에 의해 텐션와이어(112a)가 하강되면서 부유식중력기초(122)가 하강될 수 있다.
부유식중력기초(122)는 상기와 같은 하강 과정을 거쳐 해저면(B)에 안착될 수 있다. 부유체(111)는 텐션와이어(112a)에 의해 부유식중력기초(122)의 상측으로 이격되어 지지될 수 있다.
상기에서 부유체(111)는 부유식중력기초(122)의 하강에 따라 흘수선이 조정될 수 있다. 즉, 부유식중력기초(112)의 하강에 따라, 부유체(111)는 해수면 아래로 소정 정도 하강될 수 있다. 바람직하게, 부유체(111)는 상면이 해수면 아래로 완전히 하강될 수 있고, 흘수선은 도 1에 표시된 제1흘수선(D1)까지 상승될 수 있다. 즉, 초기의 제2흘수선(D2) 상태에서 부유식중력기초(112)가 하강되고, 이에 따라, 흘수선이 제1흘수선(D1)까지 상승되는 것이다. 부유체(111)의 흘수선은 텐션와이어(112a)나 부유체(111) 내부의 발라스트 챔버에 의해 조절될 수 있다.
여기서, 제1흘수선(D1)은 적어도 부유체(111) 상면보다 소정 정도 높은 위치로 설정될 수 있다. 대체로, 제1흘수선(D1)은 하부구조물(120)과 부유체(111) 상면 사이의 위치로 의도될 수 있다. 보다 바람직하게, 제1흘수선(D1)은 제1연장부(111c) 상에 배치될 수 있다.
상기와 같이 설치된 복합유닛(110)은 수선면적이 최소화되므로, 알려진 반잠수식 타입의 지지구조와 유사한 특성을 가질 수 있다. 즉, 계류 상태에서 파에 의한 영향이 저감되고, 수직 운동이 감쇄될 수 있다. 또한, 부유체(111)와 부유식중력기초(112)가 상하로 충분히 이격되어, 스파(spar) 타입 지지구조의 이점도 함께 가질 수 있다. 또한, 스파 타입의 특성에 따라 최소화된 형태의 발라스트 시스템만이 요구될 수 있고, 이는 설비비용을 상당히 절감시킬 수 있게 한다. 또한, 부유식중력기초(112)의 하강위치를 조절하여 보다 다양한 수심에서의 대응도 가능하다.
한편, 본 실시예의 반잠수식 풍력발전기(100)는 부유식중력기초(112)를 해저면(B)으로 가라앉히고, 이를 부유체(111)에 대한 지지구조로 사용할 수 있다. 이에 따라, 해상 풍력발전기의 설치에 필요한 해저 지반공사 등이 최소화될 수 있다. 즉, 설치현장에서 해저 지반공사 등을 하지 않거나 최소화된 형태로 행하고, 곧장 부유식중력기초(112)를 가라앉혀 일종의 기초구조로 사용할 수 있는 것이다. 따라서 해상 풍력발전기의 설치에 필요한 시간 및 비용이 현저히 절감될 수 있다.
필요에 따라, 부유체(111)와 해저면 사이에는 계류라인(113)이 설치될 수 있다. 계류라인(113)은 복수개가 구비될 수 있고, 각 계류라인(113)은 통상의 반잠수식 지지구조 등과 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다. 또한, 계류라인(113)의 설치는 전술한 부유식중력기초(112)의 하강 이전 또는 이후에 이뤄질 수 있고, 본 실시예에서 그 순서는 특별히 제한되지 않는다. 경우에 따라, 계류라인(113)의 설치는 부유식중력기초(112)의 하강과 병행하여 이뤄질 수도 있다.
계류라인(113) 상단은 복수개로 분할되어 부유체(111)에 연결될 수 있다. 도시된 바에 따르면, 계류라인(113) 상단은 2개의 가닥(113a, 113b)으로 분할되어 부유체(111)에 연결되어 있다. 각 가닥(113a, 113b)과 부유체(111)의 연결지점은 횡방향으로 소정 간격 이격될 수 있다. 복수 가닥(113a, 113b)으로 연결된 계류라인(113)은 부유체(111)의 운동을 보다 효과적으로 제어할 수 있도록 한다. 또한, 계류라인(113)의 추가로 인한 비용도 절감될 수 있다.
한편, 반잠수식 풍력발전기(100)의 해체는 이상과 같은 설치과정의 역순으로 이뤄질 수 있다. 즉, 해체는 도 3의 (c) 내지 (a)의 순으로 이뤄질 수 있다.
구체적으로, 부유식중력기초(112)의 발라스트에서 해수가 점진적 배출되고, 이에 따라 부유식중력기초(112)가 부유체(111)를 향해 상승된다. 이러한 상승 이동은 텐션와이어(112a)에 의해 보조될 수 있다. 부유식중력기초(112)가 완전히 상승되면, 부유식중력기초(112) 및 부유체(111)가 도 3의 (b)와 같은 형태로 배치될 수 있다. 즉, 부유체(111) 및 부유식중력기초(112)는 하나의 복합유닛(110)을 형성할 수 있고, 흘수선은 제2흘수선(D2) 상태로 다시 하강될 수 있다. 이후 복합유닛(112)은 도 3의 (a)와 같이 적절히 이동될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 반잠수식 풍력발전기(200)의 개략도이다. 도 5는 도 4에 도시된 반잠수식 풍력발전기(200)의 설치상태를 도시한 개략도이다.
도 4 및 5를 참조하면, 본 실시예의 반잠수식 풍력발전기(200)는 전술한 실시예의 반잠수식 풍력발전기(100) 대비 복합유닛(210)의 구성을 달리할 수 있다. 나머지 구성들의 경우 전술한 바와 동일 또는 유사하므로, 이하 복합유닛(210)의 구성을 중심으로 설명한다.
본 실시예의 복합유닛(210)은 타워 등에 대한 지지구조를 제공하고, 내부에는 발라스트 챔버가 구비될 수 있다. 또한, 복합유닛(210)은 제1, 2흘수선을 가질 수 있고, 일부 또는 전부가 콘크리트 재질로 이뤄질 수 있다. 복합유닛(210)은 부유체(211) 및 부유식중력기초(212)를 포함할 수 있고, 부유체(211) 및 부유식중력기초(212)는 상하로 배치될 수 있다. 또한, 부유체(211) 및 부유식중력기초(212)는 각각 독립된 발라스트 챔버가 구비될 수 있고, 부유체(211)는 하부구조물(220)과 체결될 수 있다. 이는 전술한 실시예의 복합유닛(110)와 유사하다.
본 실시예에서, 부유체(211)는 평면상 대체로 원형 형상을 가질 수 있다. 또한, 부유식중력기초(212)는 평면상 대체로 사각형 형상을 가질 수 있다. 부유식중력기초(212)는 부유체(211)와 대응되는 평면 크기를 가지거나, 부유체(211) 대비 소정 정도 큰 평면 크기를 가질 수 있고, 이에 따라, 부유체(211)는 부유식중력기초(212) 상면에 안착 배치될 수 있다.
부유체(211)의 둘레면에는 경사면(211b, 211c)이 형성될 수 있다. 구체적으로, 부유체(211)는 두께방향 일측(211a)을 중심으로, 제1경사면(211b)과 제2경사면(211c)을 가질 수 있다. 제1경사면(211b)은 부유체(211)의 상면으로부터 두께방향 일측(211a)을 향해 하향 경사지게 형성될 수 있고, 제2경사면(211c)은 부유체(211)의 저면으로부터 두께방향 일측(211a)을 향해 하향 경사지게 형성될 수 있다. 상기의 일측(211a)은 대체로 부유체(211)의 두께방향 중심부로 설정될 수 있다.
결과적으로, 상기와 같은 부유체(211)는 측면 둘레가 소정 정도 뾰족하게 돌출된 형상을 가질 수 있다. 이러한 형상은 조류 등에 의해 부유체(211)에 가해지는 외력을 저감시키고, 부유체(211)의 계류성능을 개선하는데 기여할 수 있다. 이는 특히 부유체(211)가 조류가 강한 연안해역에 설치되는 경우 효과적으로 기능할 수 있다.
부유체(211)의 둘레면 형상은 상기의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위에서 보다 다양하게 변형될 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 부유체(211)의 변형예들이다.
도 6의 (a)는 평면상 사각 형상을 가진 부유체(211-1)를 도시한다. 여기서, 부유체(211-1)의 둘레면은 완만한 곡면을 이루며 측부를 향해 볼록하게 돌출 형성될 수 있다. 이 경우, 곡면 형상의 상단에 배치된 제1경사면(211b-1)과, 하단에 배치된 제2경사면(211c-1)이 전술한 제1, 2경사면(211b, 211c)과 유사하게 기능할 수 있다.
도 6의 (b)는 도 4와 유사하게 평면상 원형을 이루는 부유체(211-2)를 도시한다. 여기서, 부유체(211-2)의 둘레면은 다각 형상을 이루며 볼록하게 돌출 형성될 수 있다. 즉, 본 변형예의 둘레면은 두께방향 일측에 수직면(211a-2)을 구비하고, 수직면(211a-2)의 상부 및 하부에 각각 제1경사면(211b-2) 및 제2경사면(211c-2)이 형성된 형태를 이루고 있다. 이 경우, 수직면(211a-2) 상단에 배치된 제1경사면(211b-2)과, 하단에 배치된 제2경사면(211c-2)이 전술한 제1, 2경사면(211b, 211c)과 유사하게 기능할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 부유체(211)와 부유식중력기초(212)는 설치상태에서 상하로 이격 배치될 수 있다. 또한, 부유체(211)와 부유식중력기초(212) 사이에는 복수의 텐션와이어(212a)가 연결될 수 있다. 여기서, 텐션와이어(212a)는 복수개가 그룹을 이루며, 부유체(211)와 부유식중력기초(212) 사이에 연결 설치될 수 있다. 도시된 바에 따르면, 2개의 텐션와이어(212a)가 하나의 그룹을 이루며, 총 3개의 텐션와이어 그룹이 구비되고 있다. 이 경우, 각 그룹이 복수의 텐션와이어(212a)로 이뤄짐에 따라, 일부 텐션와이어(212a)의 단선에 대응할 수 있다.
도 7은 도 4에 도시된 반잠수식 풍력발전기(200)의 설치방법을 보여주는 작동도이다.
도 7의 (a)를 참조하면, 육상이나 암벽 등에서 부유체(210)에 하부구조물(220) 등이 설치된다.
다음으로, 도 7의 (b)와 같이, 부유체(210)가 설치장소로 이동된다. 여기서, 부유체(210)는 좌우로 배치된 바지선(V) 사이에 고정될 수 있고, 타워와 각 바지선(V) 사이에는 타워 등의 지지를 위해 복수의 와이어(W)가 설치될 수 있다. 제2실시예에서 사각 형상의 제2부유체(212)는 이러한 고정 형태를 고려한 것이다.
도 7의 (c)를 참조하면, 부유체(210) 등은 상기와 같은 상태로 설치장소까지 이동되고, 바지선(V)이 부유체(210)로부터 이탈되어, 부유체(210)가 설치장소에 계류된다. 이후, 발라스트를 통해 제2부유체(212)가 하강되고, 부유체(210)의 흘수선이 제2흘수선으로 조정되며, 계류라인 등이 설치된다. 또한, 반대의 과정을 거쳐 설치장소로부터 해체 또는 이동될 수 있다. 이는 전술한 실시예와 유사하다.
본 실시예의 반잠수식 풍력발전기(200)는 바지선(V)을 통한 안정적인 고정 및 이동 성능에 보다 중점을 둔 것이다. 이는 전술한 실시예의 기술적 효과를 공유할 수 있으면서도, 좌우의 바지선(V) 사이에서 반잠수식 풍력발전기(200)가 좀 더 안정적 고정된 상태로, 이동 등이 이뤄질 수 있도록 한다. 특히, 상부의 타워 등을 포함한 형태로 해상 이동이 이뤄지는 경우, 이러한 안정적 고정은 보다 중요시될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 반잠수식 풍력발전기 110: 부유체-중력기초 복합유닛
111: 부유체 112: 부유식중력기초
D1: 제1흘수선 D2: 제2흘수선
120: 하부구조물 130: 타워
140: 너셀 150: 블레이드

Claims (11)

  1. 해상에 설치되는 부유체-중력기초 복합유닛(210); 및
    상기 부유체-중력기초 복합유닛(210)에 설치되어, 타워(130)의 지지구조를 제공하는 하부구조물(220);을 포함하고,
    상기 부유체-중력기초 복합유닛(210)은,
    상부에 상기 하부구조물(220)이 설치되는 부유체(211); 및
    상기 부유체(211) 하부에 배치되는 부유식중력기초(212);를 포함하고,
    상기 부유체(211)는,
    상면 중앙에 상하로 연장 형성된 메인커넥터(111a); 및
    상기 메인커넥터(111a)를 중심으로 방사형 배치되는 복수의 보조커넥터(111b)를 포함하고,
    상기 부유체-중력기초 복합유닛(210)은,
    상기 메인커넥터(111a) 및 상기 보조커넥터(111b)를 포함하는 일부 또는 전부가 콘크리트 재질로 형성되고,
    상기 부유식중력기초(212)는,
    상기 부유체(211) 하부에 인접하게 배치된 제1배치상태; 및
    상기 부유체(211)로부터 이격되어, 텐션와이어(212a)에 의해 상기 부유체(211)와 연결된 제2배치상태;를 포함하고,
    상기 부유체-중력기초 복합유닛(210)은,
    상기 제1배치상태에서 제1흘수선(D1)을 가지고, 상기 제2배치상태에서 제2흘수선(D2)을 가지도록 형성되되,
    상기 제1흘수선(D1)은,
    상기 부유체(211)의 상면보다 높은 위치에서, 상기 메인커넥터(111a) 및 상기 보조커넥터(111b) 상에 형성되고,
    상기 제2흘수선(D2)은,
    상기 부유체(211)의 상면보다 낮은 위치에 형성되고,
    상기 부유체(211)는,
    둘레면이 두께방향 일측(211a)을 중심으로 소정 정도 돌출되어, 제1경사면(211b)과 제2경사면(211c)이 구비되고,
    상기 부유식중력기초(212)는,
    평면상 사각 형상으로 형성되는, 반잠수식 풍력발전기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부유식중력기초(212)는, 상기 부유체(211)와 독립된 발라스트 챔버(ballast chamber)를 구비하고, 상기 부유체(211)에 대해 상하로 이동 가능하게 형성되는, 반잠수식 풍력발전기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부구조물(220)은,
    일부 또는 전부가 스틸 재질로 형성되는, 반잠수식 풍력발전기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인커넥터(111a) 및 상기 보조커넥터(111b) 중 어느 하나 이상은,
    상하로 소정 길이 연장되어 상기 하부구조물(220)과 체결되는 제1연장부(111c); 및
    상기 제1연장부(111c) 하측에서 상하로 소정 길이 연장되어 상기 부유체(211) 상면에 지지되는 제3연장부(111e);를 포함하고,
    상기 제1연장부(111c)의 직경(P1)은, 상기 제3연장부(111e)의 직경(P2) 보다 소정 정도 작게 형성되고,
    상기 제1흘수선(D1)은, 상기 제1연장부(111c) 상에 형성되는, 반잠수식 풍력발전기.
  7. 청구항 1에 기재된 반잠수식 풍력발전기의 설치방법에 관한 것으로,
    부유체(211) 및 부유식중력기초(212)를 포함하는 부유체-중력기초 복합유닛(210)에 하부구조물(220)이 설치되는 단계;
    상기 부유체-중력기초 복합유닛(210)이 해상의 설치위치로 이동되는 단계; 및
    상기 부유체(211)로부터 상기 부유식중력기초(212)가 해저면(B)으로 하강되고, 상기 부유체(211)의 부력이 상기 부유식중력기초(212)와 상기 부유체(211) 간에 연결된 텐션와이어(212a)에 의해 지지되어, 상기 부유체(211)가 상기 설치위치에 계류되는 단계;를 포함하는, 반잠수식 풍력발전기의 설치방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 설치위치로 이동되는 단계는, 상기 부유체-중력기초 복합유닛(210)이 제1흘수선(D1) 상태로 이동되는 단계를 포함하고,
    상기 설치위치에 계류되는 단계는, 상기 부유체-중력기초 복합유닛(210)이 제2흘수선(D2) 상태로 배치되는 단계를 포함하되,
    상기 제1흘수선(D1)은, 상기 제2흘수선(D2)보다 높은 위치로 형성되는, 반잠수식 풍력발전기의 설치방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 기재된 반잠수식 풍력발전기의 해체방법에 관한 것으로,
    부유체(211)의 부력이 해저면(B)에 안착된 부유식중력기초(212)에 의해 지지되어, 상기 부유체(211)가 해상의 설치위치에 계류된 상태로 설치되는 단계;
    상기 부유식중력기초(212)의 발라스트 챔버로부터 해수가 배출되고, 상기 부유식중력기초(212)가 상기 해저면(B)으로부터 상기 부유체(211)를 향해 상승되는 단계;
    상기 부유식중력기초(212)가 상기 부유체(211)의 하측에 인접되어, 상기 부유식중력기초(212) 및 상기 부유체(211)가 부유체-중력기초 복합유닛(210)을 형성하는 단계; 및
    상기 부유체-중력기초 복합유닛(210)이 설치위치로부터 이탈되어 이동되는 단계;를 포함하는, 반잠수식 풍력발전기의 해체방법.
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