KR102567609B1

KR102567609B1 - 구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물

Info

Publication number: KR102567609B1
Application number: KR1020220015419A
Authority: KR
Inventors: 김부기; 김경환; 박세완; 하윤진; 박지용; 노찬; 안현정; 임창혁; 김장환; 경조현; 바케 알드릭; 셴 지롱
Original assignee: 한국해양과학기술원; 프론트 에너지스 엘엘씨
Priority date: 2022-02-07
Filing date: 2022-02-07
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2042-02-07
Also published as: KR20230119373A; WO2023149616A1; US20250129767A1; EP4477878A1

Abstract

본 발명은, 해상에서 부력을 갖는 부유체;및 상기 부유체에 고정되는 풍력 발전부를 포함하고, 상기 부유체는 삼각형의 꼭지점 위치에 각각 배치되는 복수 개의 컬럼과, 상기 복수 개의 컬럼을 연결하도록 삼각형 형태로 배치되는 복수 개의 폰툰유닛을 포함하고, 상기 풍력 발전부는 상기 복수 개의 컬럼 중 어느 하나에 배치되고, 상기 컬럼은 복수 개의 상기 폰툰유닛 중 어느 하나인 제1 폰툰유닛과 접촉하는 제1 면과, 복수 개의 상기 폰툰유닛 중 다른 하나인 제2 폰툰유닛과 접촉하는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면과 상기 제2 면은 각각 평면인 구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물을 제공할 수 있다.

Description

구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물{The floating type structure for the offshore wind power that can improve structural strength and reduce weight}

실시예는, 구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물에 관한 것으로, 복수 개의 폰툰유닛들이 배치되어 풍력터빈을 지지하는 구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물에 관한 것이다.

부유식 해상풍력 구조물은 해상에 떠 있는 구조물로서, 풍력터빈을 지지하는 장치이다. 풍력터빈의 타워가 부유체에 고정된다. 이러한 부유식 해상풍력 구조물의 움직임은 계류장치(Mooring System)에 의해 제어된다.

부유체는 복수의 컬럼과 컬럼들을 연결하는 연결체들이 조합되어 이루어질 수 있다. 각각의 컬럼은 내부에 공동을 갖는 부력체이다. 복수 개의 컬럼들 중 어느 하나에 풍력터빈의 타워가 고정될 수 있다.

일본 공개특허공보 2010-280301(2010.12.16. 공개)에는 중앙에 배치된 1개의 컬럼과, 그 주위에 배치된 3개의 컬럼을 포함하는 부유체를 개시하고 있다. 중앙에 배치된 컬럼에는 풍력터빈의 타워가 고정된다.

이렇게 풍력터빈이 탑재된 부유체의 경우, 해상에서 바람과 파랑에 의해 크게 동요된다. 부유체의 동요가 크면 풍력터빈이나 발전시설에 고장이 발생할 위험이 크다. 부유체의 동요를 감소시키기 위해서는 부유체의 크기를 크게 하거나 흘수를 크게 하는 것이 좋지만, 부유체의 크기가 증가하면 제작과 관리가 어려운 문제점이 있다.

일본 공개특허공보 2010-280301(2010.12.16. 공개)

실시예는, 크기가 작으면서도, 부유체의 요동을 크게 줄이고 강도를 높일 수 있는 부유식 해상풍력 구조물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

실시예는, 해상에서 부력을 갖는 부유체 및 상기 부유체에 고정되는 풍력 발전부를 포함하고, 상기 부유체는 삼각형의 꼭지점 위치에 각각 배치되는 복수 개의 컬럼과, 상기 복수 개의 컬럼을 연결하도록 삼각형 형태로 배치되는 복수 개의 폰툰유닛을 포함하고, 상기 풍력 발전부는 상기 복수 개의 컬럼 중 어느 하나에 배치되고, 상기 컬럼은 복수 개의 상기 폰툰유닛 중 어느 하나인 제1 폰툰유닛과 접촉하는 제1 면과, 복수 개의 상기 폰툰유닛 중 다른 하나인 제2 폰툰유닛과 접촉하는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면과 상기 제2 면은 각각 평면인 부유식 해상풍력 구조물을 제공할 수 있다.

상기 제1 면의 크기는 상기 제1 폰툰유닛의 단면의 크기와 대응되고, 상기 제2 면의 크기는 상기 제2 폰톤유닛의 단면의 크기와 대응될 수 있다.

상기 제1 면 및 상기 제2 면은 인접하여 배치될 수 있다.

상기 제1 면 또는 상기 제2 면과 인접하는 접하는 제3 면을 포함하고, 상기 제3 면은 평면일 수 있다.

상하방향에서 바라볼 때, 상기 제1 면과 상기 제2 면이 이루는 제1 각도는 상기 제1 면과 상기 제3 면이 이루는 제2 각도 또는 상기 제2 면과 상기 제3 면이 이루는 제3 각도와 동일할 수 있다.

상기 제1 각도와 상기 제2 각도는 각각 120°일 수 있다.

상하방향에서 바라볼 때, 상기 제1 면과 상기 제2 면이 이루는 제1 각도는 상기 제1 면과 상기 제3 면이 이루는 제2 각도 또는 상기 제2 면과 상기 제3 면이 이루는 제3 각도보다 클 수 있다.

상기 제1 각도는 120°이고, 상기 제2 각도는 90°일 수 있다.

상기 삼각형의 꼭지점 부근에 각각 배치되어, 상기 꼭지점에서 이웃하는 상기 폰툰유닛을 연결하는 코너 플레이트를 포함하고, 상기 코너 플레이트는 상기 삼각형의 중심을 기준으로 회전 대칭되게 배치될 수 있다.

상하방향에서 바라볼 때, 상기 컬럼은 다각형일 수 있다.

실시예는, 삼각형 형태의 배치를 갖는 폰툰유닛의 꼭지점 부근에 코너 플레이트를 배치하여, 부유체의 크기를 크게 하지 않고 부력과 강도를 높여 부유체의 요동을 크게 줄이는 이점이 있다.

실시예는, 부유체의 크기를 늘리지 않기 때문에 짧은 리치 거리를 가지는 크레인을 통해 조립이 용이한 이점이 있다.

실시예는, 사각 형태의 단면을 갖는 폰툰유닛에 대응하여, 폰툰유닛과 접촉하는 단면이 평면 형태인 제1 면과 제2 면을 포함하는 컬럼을 구비함으로써, 폰툰유닛으로부터 전달되는 외력을 충분히 흡수하도록 구성하여, 부유체의 구조적 강도를 높이는 이점이 있다.

실시예는, 컬럼의 단면을 다각형 형태로 구성하여, 원형의 단면을 갖는 컬럼에 비해 제작이 용이한 이점이 있다.

실시예는, 컬럼의 단면을 다각형 형태로 구성하여, 접안이 용이하고, 접안 시, 리치 거리를 줄일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물을 도시한 도면,
도 2는 도 1에서 도시한 부유체의 평면도,
도 3은 컬럼을 도시한 평면도,
도 4는 컬럼과 폰툰유닛을 도시한 평면도,
도 5는 변형례에 따른 부유체를 도시한 평면도,
도 6은 도 5에서 도시한 컬럼과 폰툰유닛을 도시한 평면도,
도 7은 부유체의 측단면도를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.

이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 부유식 해상풍력 구조물을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 부유식 해상풍력 구조물은, 부유체(100)와, 풍력 발전부(200)를 포함할 수 있다.

부유체(100)는 내부에 공동을 포함하는 부력체일 수 있다. 부유체(100)는 3개의 컬럼(110)과, 3개의 폰툰(pontoon) 유닛(120)과 복수 개의 연결체(130)를 포함할 수 있다.

3개의 컬럼(110)은 각각 원통형 형상을 가질 수 있다. 이러한 3개의 컬럼(110)은 상측에서 바라볼 때, 각각 삼각형의 꼭지점에 위치하도록 배치된다. 풍력 발전부(200)는 3개의 컬럼(110) 중 어느 하나에 배치될 수 있다.

폰툰유닛(120)은 제1 폰툰유닛(120A)과, 제2 폰툰유닛(120B)과, 제3 폰툰유닛(120C)를 포함할 수 있다.

제1 폰툰유닛(120A)과, 제2 폰툰유닛(120B)과, 제3 폰툰유닛(120C)은, 상측에서 바라볼 때 각각 정삼각형의 변을 이루도록 3개의 컬럼(110)을 연결한다. 이러한 폰툰유닛(120)은 상하방향으로 일정한 두께를 갖는 바(bar)형 형상을 가질 수 있다. 또한, 각각의 폰툰유닛(120)은 단면이 사각형이며, 상면 및 하면이 플랫한 평면으로 이루질 수 있다.

이러한 폰툰유닛(120)과 컬럼(110)은 적어도 일부가 물에 잠기어 부력을 발생시킨다.

복수 개의 연결체(130)는 컬럼(110)들을 서로 연결하여, 부유체(100)의 강성을 높이고 구조적 안전성을 확보하는 역할을 한다. 이러한 연결체(130)들도 폰툰유닛(120)이 형성하는 삼각형의 중심(C)을 기준으로 회전 대칭되게 배치되어, 부유체(100)에 가해지는 하중의 균형을 꾀할 수 있다.

풍력 발전부(200)는 3개의 컬럼(110) 중 어느 하나에 고정되는 타워(210)와 타워(210)에 배치되는 너셀(220)을 포함할 수 있다.

도 2는 도 1에서 도시한 부유체(100)의 평면도이다.

도 2 를 참조하면, 부유체(100)는 복수 개의 코너 플레이트(140)를 포함한다. 코너 플레이트(140)는 부유체(100)의 크기를 크게 하지 않고 부력과 강도를 높이기 위한 것으로, 폰툰유닛(120)들이 형성하는 삼각형의 각 꼭지점 부근에 배치될 수 있다.

코너 플레이트(140)는 폰툰유닛(120)들이 형성하는 삼각형의 각 꼭지점 부근에서 이웃하는 폰툰유닛(120)을 연결하도록 배치될 수 있다. 즉, 3개의 코너 플레이트(140)는 각각 컬럼(110)과 연결되어, 컬럼(110)과 연결되는 폰툰유닛(120) 사이에 배치될 수 있다.

이러한 코너 플레이트(140)는 폰툰유닛(120)들이 형성하는 삼각형의 중심(C)을 기준으로 회전 대칭되게 배치될 수 있다. 이는 부유체(100)의 하중의 균형을 맞추고 구조적으로 부유체(100)의 밸런스를 확보하기 위함이다.

상측에서 바라보았을 때, 코너 플레이트(140)의 내측면(163)은 폰툰유닛(120)의 내측면과 각을 이루는 평면일 수 있다.

이러한 코너 플레이트(140)는 폰툰유닛(120)의 내측에 배치되기 때문에, 외측으로 부유체(100)의 크기를 늘리지 않고, 부유체(100)의 부력과 무게를 늘리 수 있는 이점이 있다. 또한, 코너 플레이트(140)는 컬럼(110)의 연결부위 부근에서, 폰툰유닛(120)과 컬럼(110)들을 구조적으로 지지함으로써, 부유체(100)의 강도를 높일 수 있는 이점이 있다.

한편, 삼각형 형태로 배치되는 폰툰유닛(120)은 풍력 발전부(200)가 배치되는 컬럼(110)이 크레인과의 거리가 가깝게 배치될 수 있기 때문에 짧은 리치 거리를 갖는 크레인을 통해 조립이 용이한 이점이 있다.

도 3은 컬럼을 도시한 평면도이다.

도 3을 참조하면, 컬럼(110)은 제1 면(S1)과 제2 면(S2)을 포함한다. 제1 면(S1)은 3개의 폰툰유닛 중 어느 하나(예를 들어, 제1 폰툰유닛)와 접촉하는 면이다. 제2 면(S2)은 3개의 폰툰유닛 중 다른 하나(예를 들어, 제2 폰툰유닛)와 접촉하는 면이다. 제1 면(S1)과 제2 면(S2)은 평면일 수 있다. 그리고 제3 면도 평면일 수 있다.

컬럼(110)은 제3 면과 인접하는 제4 면을 포함할 수 있다. 제4 면도 평면일 있다.

제1 면(S1)과 제2 면(S2)은 서로 인접하여 배치된다. 컬럼(110)은 제1 면(S1)과 인접하는 제3 면(S3)을 포함할 수 있다. 그리고 컬럼(110)은 제2 면(S2)과 인접하는 또 다른 제3 면(S3)을 포함할 수 있다. 일례로서, 컬럼(110)은 제1 면(S1)과 제2 면(S2)을 포함하도록 단면이 5각형이 되는 부재로 형성될 수 있다.

상측에서 바라보았을 때, 제1 면(S1)의 폭(W1) 면(S2)의 폭(W2)은 동일할 수 있다.

도 4는 컬럼(110)과 폰툰유닛(120)의 평면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 면(S1)은 제1 폰툰유닛(120A)과 접촉할 수 있다. 제2 면(S2)은 제2 폰툰유닛(120B)과 접촉할 수 있다.

상측에서 바라보았을 때, 제1 면(S1)과 제2 면(S2)이 이루는 각도를 제1 각도(R1)라 하고, 제1 면(S1)과 제3 면(S3)이 이루는 각도를 제2 각도(R2)라 하고, 제2 면(S2)과 제3 면(S3)이 이루는 각도를 제3 각도(R3)라 할 때, 제1 각도(R1)는 제2 각도(R2)와 동일 할 수 있다. 그리고 제1 각도(R1)는 제3 각도(R3)와 동일할 수 있다.

일례로서, 제1 각도(R1)와 제2 각도(R2)와 제3 각도(R3)는 모두 120°일 수 있다.

제1 면(S1)의 폭(W1)과 폰툰유닛(120)의 폭(W3)은 동일할 수 있다.

제2 면(S2)의 폭(W2)과 폰툰유닛(120)의 폭(W3)은 동일할 수 있다.

이처럼, 사각 형태의 단면을 갖는 폰툰유닛(120)에 대응하여, 폰툰유닛(120)과 접촉하는 단면이 평면 형태인 제1 면(S1)과 제2 면(S2)을 포함하는 컬럼(110)을 구비함으로써, 폰툰유닛(120)으로부터 전달되는 외력을 충분히 흡수하도록 구성하여, 부유체(100)의 구조적 강도를 높이는 이점이 있다.

또한, 컬럼(110)의 단면을 다각형 형태로 구성하여, 원형의 단면을 갖는 컬럼(110)에 비해 제작이 용이한 이점이 있다.

그리고 컬럼(110)의 단면을 다각형 형태로 구성하여, 접안이 용이하고, 접안 시, 리치 거리를 줄일 수 있는 이점이 있다.

도 5는 변형례에 따른 부유체(100)를 도시한 평면도이고, 도 6은 도 5에서 도시한 컬럼(110)과 폰툰유닛(120)을 도시한 평면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 변형례에 따른 부유체는 제1 각도(R1)가 제2 각도(R2) 보다 클 수 있다. 그리고 제1 각도(R1)가 제3 각도(R3)보다 클 수 있다. 일례로서, 제1 각도(R1)는 120°이며, 제2 각도(R2)와 제3 각도(R3)는 각각 90°일 수 있다.

도 7은 부유체(100)의 측단면도를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 각각의 코너 플레이트(140)의 상하방향 두께(t1)는 폰툰유닛(120)의 상하방향 두께(t2)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 폰툰유닛(120)의 상면과 코너 플레이트(140)의 상면은 동일 평면 상에 배치될 수 있다. 폰툰유닛(120)의 하면과 코너 플레이트(140)의 하면은 다른 평면 상에 배치될 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 하나의 실시예에 따른 구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.

전술된 본 발명의 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 부유체
110: 제1 컬럼
120: 제2 컬럼
130: 제3 컬럼
140: 제4 컬럼
150: 폰툰유닛
160: 코너 플레이트
170: 연결체
200: 풍력 발전부

Claims

해상에서 부력을 갖는 부유체;및
상기 부유체에 고정되는 풍력 발전부를 포함하고,
상기 부유체는 삼각형의 꼭지점 위치에 각각 배치되는 복수 개의 컬럼과, 상기 복수 개의 컬럼을 연결하도록 삼각형 형태로 배치되는 복수 개의 폰툰유닛을 포함하고,
상기 풍력 발전부는 상기 복수 개의 컬럼 중 어느 하나에 배치되고,
상기 컬럼은 복수 개의 상기 폰툰유닛 중 어느 하나인 제1 폰툰유닛과 접촉하는 제1 면과, 복수 개의 상기 폰툰유닛 중 다른 하나인 제2 폰툰유닛과 접촉하는 제2 면을 포함하고,
상기 제1 면과 상기 제2 면은 각각 평면이고,
상기 제1 면 또는 상기 제2 면과 인접하는 접하는 제3 면을 포함하고,
상기 제3 면은 평면이고,
상하방향에서 바라볼 때, 상기 제1 면과 상기 제2 면이 이루는 각도를 제1 각도라 하고, 상기 제1 면과 상기 제3 면이 이루는 각도를 제2 각도라 하고, 상기 제2 면과 상기 제3 면이 이루는 각도를 제3 각도라 할 때,
상기 제1 각도가 상기 제2 각도 보다 크고, 상기 제1 각도가 상기 제3 각도보다 크고,
상기 제3 면이 폰툰유닛의 외면과 동일 평면상에 배치되고,
상기 삼각형의 꼭지점 부근에 각각 배치되어, 상기 꼭지점에서 이웃하는 상기 폰툰유닛을 연결하는 코너 플레이트를 포함하고,
상기 코너 플레이트는 상기 삼각형의 중심을 기준으로 회전 대칭되게 배치되고,
상기 코너 플레이트의 상하방향 두께는 상기 폰툰유닛의 상하방향 두께보다 작은 구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물.
제1 항에 있어서,
상기 제1 면의 크기는 상기 제1 폰툰유닛의 단면의 크기와 대응되고,
상기 제2 면의 크기는 상기 제2 폰툰유닛의 단면의 크기와 대응되는 구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물.
제2 항에 있어서,
상기 제1 면 및 상기 제2 면은 인접하여 배치되는 구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제1 각도는 120°이고, 상기 제2 각도는 90°인 구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물.
삭제
제1 항에 있어서,
상하방향에서 바라볼 때, 상기 컬럼은 다각형인 구조강도 향상 및 중량절감형 부유식 해상풍력 구조물.