KR101112028B1 - 심해에 위치한 풍력 스테이션을 위한 장치 - Google Patents

Abstract

제너레이터 (도시 않음), 조정장치(도시 않음), 로터 축(9) 및 로터 블레이드(10)를 포함하며, 수직 위치로 플로팅되어 있는 타워(2)에 설치되며, 상기 타워(2)의 안정도는 상기 타워(2)의 저부에 위치되어 있는 밸러스트(5,6) 에 의해 제공되는 머시인 하우스(8)로 구성되는 심해에 플로팅하게 설치된 풍력 스테이션이 개시된다. 상기 풍력 스테이션은 앵커 시스템(12,13,14,15),대안적으로 16,17,18,에 의해 위치를 유지하고 안정화된다.

Description

심해에 위치한 풍력 스테이션을 위한 장치{A DEVICE FOR A WIND POWER STATION PLACED IN DEEP WATER}

본 발명은 해저에 앵커링(anchoring)을 완비한 심해(深海)에 플로팅하게 설치되는 풍력 설비(이하 풍차로 언급함) 에 관한 것이다.

이전의 공지 기술은, 육지에 세우거나 해안근처 영역에 세우는 풍차를 포함한다. 적용된 기술은 안전한 설비가 공통적으로 제공되고, 풍차의 크기, 풍력 등이 조정되는 필수적인 정도가 일반적이다.

바다에 풍차를 설치하기 위한 이전의 기술에 따르면, 해면 위에 연장되는 설비가 세워져 있다. 통상적인 풍차 타워는 설비 상에 설치된다. 제너레이터, 조절장치(regulating device), 로터(rotor) 및 로터 블레이드를 포함하는 풍차의 머시인 하우스(machine house)는 이 타워의 상부(top)에 설치된다. 이 장치들은 건조한 육지에 설치하는 풍차에 대한 경우와 같은 방법으로 디자인되어 있다. 양호하게는, 풍차는 안정된 바람 조건을 가지는 장소에 세워진다. 종종 풍차는 용마루(ridge)에 세워지거나 편평한(flat)곳, 훤히 트인 시골에 위치된다. 이로써, 풍차들은 쉽게 눈에 띄게 되고, 두드러지는 위치와 큰 구조로 인하여 풍차들은 종종 자연에서 시각적인 환경 문제, 이질적인 물체로 인지된다.

사용할 때, 풍차는 특히, 로터 블레이드로부터의 노이즈를 충분히 고려해야한다. 거주지 근처에 위치된 경우, 풍차는 주민들에 대해 노이즈 문제를 야기시킬것이다.

풍력은 “환경 친화적인(green)" 에너지 형태로 간주된다. 바람은 항상 유용한 에너지 소오스이고, 에너지 소오스로서 바람의 이용은 환경적인 관점으로부터 바람직한 것으로서 간주된다. 풍차에 의한 전기적 에너지의 생산은 자연으로 어떤 유해한 방출을 야기시키지 않는다.

바람 에너지는 저장될 수 없으므로 이용할 수 있을 때 사용되어져야만 한다. 한편, 물은 매거진에 저장될 수 있다. 바람에 원리를 둔(wind-based) 수력발전소를 조인트 디스트리뷰션 네트(distribution net)에 결합함으로써, 바람 조건이 유리할 때 물 소비량을 절감하는 것이 가능하다. 풍차가 전기 에너지를 생산하기 위해 사용될 수 없을 때, 물에 원리를 둔(water-based) 생산이 증가된다. 이 방법에서, 에너지 공급을 시장에 불안하게 하지 않고, 바람 에너지 소오스의 최대 개발을 항상 보장할 수 있는 생산 시스템이 설치될 수 있다.

양호하게는, 풍차는 평균 풍력이 가능한 높은 곳에 배치하여야 한다. 이 방법에서, 에너지 생산은 최대이고, 생산 비용은 최소이다.

포괄적인 기상 기록을 보면 평균 풍력은 해안에서 트인 바다 쪽으로 움직일 때 증가한다. 예를 들면, 북해의 북쪽 부분의 오일 시설에서, 평균 바람 속도는 덴마크 서해안에서 양호한 풍차 부지보다 대략 25 % 높다.

개발 가능한 바람 에너지는 제 3의 힘을 발생하는 일으키는 바람 속도에 비례한다. 따라서, 바람 속도에서 25% 증가는 1.253 = 1.95, 즉 +95%의 에너지 잠재력의 증가를 나타낸다. 트인 바다에 풍차를 배치하는 것은 생산 잠재력을 증가시키는데 좋은 조건을 제공한다.

전용 사용을 위한 전기 에너지를 생산하기 위하여 선상에 작은 풍차를 배치하는 것은 공지 기술이다.

여전히, 크고 파워를 생산하는 풍차를 일반적인 배 형상의 플로팅 장치에 설치하는 것은 유리하지 않다. 거친 바다에서 선체의 움직임은 풍차 구조물에 매우 큰 스트레인을 야기시킬 것이며, 구조물이 풍차 로터에 작용하는 풍력(wind force)을 흡수할 수 있는 충분한 안정성을 얻을 수 있도록 선체는 큰 규모가 될 것이다.

근해 오일 생산은 대량의 전기 에너지를 요구한다. 현재, 이는 대부분 가스 터빈에 의해 제공된다. 대량의 가스 연소는 카본 다이옥사이드(CO₂₎가 대기 중으로 방출되기 때문에 현저한 환경 문제를 야기시킨다. 큰 환경 이득은 가스에 근거들 둔 생산의 경우 환경적으로 친숙한 에너지 생산으로 대체함으로써 이루어 질 수 있다. 따라서, 육지로부터 전력을 위하여 운송 케이블을 설치하는데 큰 액수의 돈이 투자된다.

본 발명의 목적은 종래 기술이 갖는 단점을 개선하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이 목적은 아래의 설명에서 논의되는 특징과 특허 청구항에 의해 달성 될 것이다.

원통형의 타워는 타워 저부의 고체 및 액체 밸러스트(ballast) 물질에 의해 수직한(upright) 위치로 물에 떠 있다. 제너레이터, 조정장치, 로터 및 로터 블레이드로 구성되는 머시인 하우스로 된 풍차는 타워의 상부(upper)에 배치된다.

대안으로, 제너레이터는 타워의 중심부에 위치될 수 있으며, 적당한 전동장치에 의해 로터 축과 연결될 수 있다.

타워 전체 크기는 풍차의 크기, 풍력 및 파도 높이 등의 크기에 따라 조절된다. 구조물의 조인트 무게 중심이 물 전체가 옮겨진 중심 아래에 있기 때문에, 타워는 강철(steel)의 해당 무게로 구성되는 일반적인 배 선체보다 더 나은 안정도를 나타낸다.

머시인 하우스와 타워 간의 연결은 바람, 물의 파도 및 흐름에 의해 야기된 구조물의 여러 부분의 스트레인으로 인해 타워가 한쪽으로 기울어지더라도, 자체의 알려진 조정장치에 의해 수평 위치로 유지되는 방법으로 디자인된다.

양호하게는, 로터는 머시인 하우스의 바람이 불어가는 쪽(leeward)에 위치된다. 이것에 의해, 안정화 효과는 타워를 바람 방향으로 회전하려는 시도와, 틸팅(tiling) 되었을 때 로터 블레이드가 스매시 할려는 리스크(risk)가 줄어드는 풍력에 의해 이루어진다.

대신에, 제너레이터는 타워에 위치된다. 이로써, 제너레이터로 관통하는 전기 케이블을 위한 복잡한 장치를 피할 수 있다. 타워의 상부에 설치된 회전하는 머시인 하 우스는 슬라이딩 콘택이나 엔진파워에 의해 반대방향으로 회전하기 전에 머시인 하우스가 회전하게 될 회전수를 제한함으로써 머시인 하우스로부터 타워로 이동을 필요로 한다. 슬라이딩 콘택은 상대적으로 작은 효과의 이동수단과 관련하여 단지 사용될 수 있다. 타워가 틸팅되었을 때 머시인 하우스의 강제적인 회전이 실행된다면 위험하다. 이와 같은 상황에서, 로터 블레이드는 타워 안으로 스매시 될 수 있다.

타워는 적당한 장치로 해저에 앵커된다. 타워의 앵커링(anchoring)은 위치정하기 및 안정화하는 양 수단으로서 작용한다. 앵커링 시스템(anchoring system)은 타워가 풍차의 회전에 의해 야기된 비틀림 힘(torsion force)의 영향 하에서 회전하는 것을 방지하기 위하여 구성된다. 먼저, 앵커링은 중력 앵커, 흡입 앵커 또는 폴(pole)로 앵커 포인트에 의해 해저에 고정된 앵커 로드에 의해 실행되며, 또한 선택적으로, 필러 덩어리(filler masses)로 고정된다. 앵커 로드는 토션과 장력(tensile force)을 바텀 앵커링 포인트로 전달하되 로드에 작용하는 밴딩 스트레인(bending strain)을 방지하는 두 개의 조인트를 포함한다. 풍차가 어장이나 어장 가까이에 위치되어 있다면 이 앵커링 시스템은 작은 장소를 필요로 하는 장점이 있다.

대안으로, 풍차는 하나 또는 몇 개의 일반적인 바텀 앵커에 의해 고정될 수 있다. 이들은 비틀림 힘을 흡수하도록 타워의 아우트리거(outrigger)에 연결된다.

앵커링 동안, 풍차는 디-밸러스팅(de-ballasting)후 조수나 파도와 무관하게매우 깊게 가라앉도록 밸러스트로 오버로드되고, 앵커/로드 연결장치에 작용하는 장력이 항상 있다.

풍차는 전력 디스트리뷰션 네트에 연결된다. 양호하게는, 리모트 디스트리뷰션 네트로 메인 연결장치가 가능한 효율적으로 사용되어질 수 있도록 몇 개의 풍차가 같은 영역에 위치될 수 있다.

이하에서 바람직한 실시예의 비-제한적인 예가 첨부한 도면에서 설명되고 가시화 될 것이다.

도 1은 해면(海面) 상에 타워의 상부를 가지며, 타워의 상부에 설치된 머시인 하우스를 갖는 풍차의 측면도이다. 로터는 바람이 불어가는 쪽 반대로 돌고, 타워는 바람 방향으로 기울어져 있다. 타워의 저부는 두개의 조인트를 갖는 앵커 로드(anchor rod)에 의해 해저에 연결된다.

도 2는 머시인 하우스와 타워간 연결의 세부를 보여준다.

도 3은 세 개의 바텀 앵커, 앵커 체인 및 아우트리거를 갖는 대안적인 고정하는 시스템을 보여준다.

도면에서, 참조번호 1은 타워 바텀(3)을 가지는 원통형 타워(2), 바람직하게는 고체인 밸러스트 물질(5)을 포함하는 밸러스트 룸(4), 액체 밸러스트를 포함하는 밸러스트 탱크(6), 로터 축((9)을 갖는 풍차의 머시인 하우스(8), 로터 블레이드(10) 그리고 도시하지 않은 제너레이터 및 조정장치로 구성되는 풍차를 나타낸다. 머시인 하우스(8)는 틸팅(tilting)조인트(11)에 의해 타워(2)에 힌지 결합된다. 조인트(13)와 앵커 로드(12)는, 도 1에 도시하고 있는 바와 같이, 풍차(1)를 중력 앵커, 흡입 앵커 또는 폴(도시 않음)에 의해 고정되는 바텀 앵커(14)에 연결하고 필러 매스(filler mass)(15)에 의해 선택적으로 안정된다.

앵커링 시스템의 대안적인 실시예는, 도 3에서 예시적으로 보여지는 것과 같이, 하나 또는 몇 개의 바텀 앵커(16), 앵커 체인((17) 및 아우트리거(18)로 구성된다.

수면은 참조번호 19로 나타내었으며 해저는 참조번호 20으로 나타내었다.

풍차의 안정도는 타워(2)의 물속에 잠긴 부분의 부력의 어택 포인트보다 상당히 아래쪽에 위치되어 있는 전체 구조물의 무게 중심에 의해 유지된다. 이것은 타워(2)의 저부 밸러스트 룸(4)에 위치되어 있는 밸러스트 물질(5)에 의해 이루어진다. 밸러스트 탱크(6)에 물과 같은 액체 밸러스트 물질을 적정량 사용함으로써 전체 밸러스트 무게는 풍차(1)를 물속으로 낮추기 위해 실제 필요한 무게로 조절될 수 있다.

비틀림 복원적으로 고정연결 장치(torsionally rigid connection)(12,13,14)를, 대안적으로 16,17,18, 해저(20)에 연결함으로써 풍차(1)는 위치를 유지한다. 액체 밸러스트로 일시적으로 오버필링(overfilling)함으로써, 풍차(1)는 물에서 계산된 영구깊이보다 더 큰 깊이로 낮추어지고, 타워는 앵커 시스템(12,13,14)에 연결된다. 펌핑으로 물을 순차적으로 제거함으로써, 영구적인 토션을 앵커 시스템(12,13,14)에 도입할 수 있으므로, 풍차는 조수와 파도와 무관하게 해저(20)에 대하여 일정 깊이로 위치되어 남아 있다. 따라서, 풍차(1)의 안정도는 증가한다.

풍차(1)의 머시인 하우스(8)는 타워(2)의 상부에 위치되고 공지의 기술에 의해 바람의 방향에 관하여 회전할 수 있다.

대안적으로, 풍차(1)의 제너레이터는 타워(2)의 중심부에 위치된다. 이 실시예에서 머시인 하우스(8)의 무게가 감소하기 때문에 풍차(1)의 안정도는 증가한다.

물의 파도 힘과 흐름뿐만 아니라 풍차(1)의 로터(10)와 다른 구조물에 대항하는 바람의 압력은 타워(2)를 한쪽으로 기울어지도록 할 것이다. 기울어지는 것은 풍차(1) 무게의 힘 구성요소와 물에서 풍차(1)의 부력을 중화함으로써 균형이 잡히게 된다.

자동 조정장치가 완비된 틸팅 조인트(11)에 의해, 타워(2)가 기울어지더라도 풍차(1)의 로터 축(9)은 수평 위치를 유지한다. 따라서, 더 큰 효율이 유지되고 로터 블레이드(10)의 스트레스가 덜 할 것이다.

일반적인 동작 조건 동안, 풍차(1)의 머시인 하우스(8)는 바람이 불어가는 쪽의 로터 블레이드(10)가 있는 위치로 향하게 된다. 이 위치에서, 로터 블레이드(10)가 타워(2) 안으로 스매시될 리스크는 감소한다. 동시에, 안정화 효과는 바람의 방향으로 타워(2)를 회전시키려는 풍력에 의해 달성된다.

동작동안, 로터 축(9)이 타워(2)에 직각으로 설치되지 않기 때문에 이 토그의 성분은 타워로 전달 될 것이다. 타워(2)의 앵커링 시스템(12,13,14)은, 대안적으로 16,17,18, 타워(2)가 이 토그에 의해 회전되는 것을 방지하는 방법으로 디자인된 다. 조인트(13)와 바텀 앵커링 포인트(14)가 완비된 기본적인 앵커 시스템의 앵커 로드(12)는 비틀림 복원적으로 고정된다. 동시에, 조인트(13)는 로드(12)의 밴딩 스트레인을 방지한다. 같은 방법으로, 대안적인 앵커링 시스템의 아우트리거(18)는 타워(2)의 중심축으로부터 떨어진 아우트리거(18)를 죄여주는 앵커 체인(17)을 통해 바텀 앵커(16)로 전달되는 토션력을 흡수한다.

Claims (12)

1. 타워,

   상기 타워의 상부에 연결된 풍차,

   상기 타워의 저부에 연결되며, 텐션을 받는 앵커 로드,

   해저에 고정되는 바텀 앵커, 그리고

   상기 앵커 로드와 상기 바텀 앵커를 연결하는 조인트를 포함하고,

   상기 타워는 풍력 스테이션의 전체 무게 중심이 상기 풍력 스테이션의 부력 중심보다 아래 쪽에 위치되어 있어 세워진 상태로 플로팅되며,

   상기 앵커 로드와 상기 조인트는, 상기 풍차에서 전달되는 토크로 상기 타워의 회전을 방지하도록 비틀림 복원 고정연결(torsionally rigid connection)되고,

   상기 조인트는 바람, 파도 또는 조류에 의한 스트레인으로 타워가 일측으로 틸팅되는 것을 허용하는 플로팅 상태로 설치된 풍력 스테이션.
2. 제1항에서,

   밸러스트 물질로 채워진 밸러스트 룸과 액체 밸러스트를 수용하도록 배치된 밸러스트 탱크가 상기 타워의 저부에 배치된 것을 특징으로 하는 플로팅 상태로 설치된 풍력 스테이션.
3. 제1항에서,

   상기 타워의 저부에 결합되어 있으며, 상기 앵커 로드가 연결되는 조인트가 구비되어 있는 플로팅 상태로 설치된 풍력 스테이션.
4. 제1항에서,

   상기 타워가 틸팅되더라도 로터 블레이드에 연결된 로터 축이 수평 위치를 유지하도록 머시인 하우스와 상기 타워는 틸팅 조인트로 연결되어 있는 플로팅 상태로 설치된 풍력 스테이션.
5. 제1항에서,

   상기 풍차의 머시인 하우스는, 동작 동안에 로터 블레이드가 타워에 바람이 불어가는 쪽을 바라보도록 상기 타워에 위치되어 있는 플로팅 상태로 설치된 풍력 스테이션.
6. 제1항에서,

   상기 타워에 설치되고 전동 장치에 의해 로터 축에 연결된 제너레이터를 더 포함하는 플로팅 상태로 설치된 풍력 스테이션.
7. 제2항에서,

   상기 타워와 상기 밸러스트 룸과 상기 상기 밸러스트 탱크는 일체(single body)로 형성되어 있는 플로팅 상태로 설치된 풍력 스테이션.
8. 제1항에서,

   상기 타워의 부분들 또는 타워의 전체의 단면은 원형인 것을 특징으로 하는 플로팅 상태로 설치된 풍력 스테이션.
9. 제1항에서,

   상기 타워는 상부 및 하부로 구성되는 것을 특징으로 하는 플로팅 상태로 설치된 풍력 스테이션.
10. 제1항에서,

    상기 앵커 로드는 텐션 상태인 것을 특징으로 하는 플로팅 상태로 설치된 풍력 스테이션.
11. 삭제
12. 삭제

Images