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KR102719402B1 - sturcture for floating type offshore wind power and method of constructing the same - Google Patents

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KR102719402B1 KR1020230160731A KR20230160731A KR102719402B1 KR 102719402 B1 KR102719402 B1 KR 102719402B1 KR 1020230160731 A KR1020230160731 A KR 1020230160731A KR 20230160731 A KR20230160731 A KR 20230160731A KR 102719402 B1 KR102719402 B1 KR 102719402B1
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Abstract

내부 공간의 기밀을 유지할 수 있는 박스형 구조물과 상기 내부 공간의 위쪽에 공기층이 존재하는 상태에서 상기 내부 공간의 아래쪽에 물을 채우거나 빼낼 수 있는 물 출입장치를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전용 구조물이 개시된다. 이 구조물은 내부 공간을 덮고(COVER) 밀폐할 수 있는 벽체와 이 내부 공간을 가로지르며 벽체와 벽체 사이의 공간을 지탱하기 위한 보강용 뼈대구조, 대표적으로 기둥과 보를 구비하여 이루어질 수 있으며, 이때 벽체와 기둥 및 보는 철근 콘크리트 구조로 일체형으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면 부유식 해상풍력발전용 구조물을 기존 대비 상대적으로 낮은 비용으로 제작하고 용이하게 설치할 수 있으므로 부유식 해상풍력발전 설비의 전체적 건설 비용과 노력을 절감할 수 있다.
A floating offshore wind power generation structure is disclosed, characterized by comprising a box-shaped structure capable of maintaining the airtightness of an internal space, and a water inlet/outlet device capable of filling or draining water at the bottom of the internal space while an air layer exists at the top of the internal space. The structure may be formed by a wall capable of covering and sealing the internal space, and a reinforcing frame structure, typically a pillar and a beam, for supporting the space between the walls while crossing the internal space. In this case, the wall, the pillar, and the beam may be formed as an integral piece with a reinforced concrete structure.
According to the present invention, a floating offshore wind power generation structure can be manufactured at a relatively lower cost and easily installed compared to existing structures, thereby reducing the overall construction cost and effort of the floating offshore wind power generation facility.

Description

부유식 해상풍력발전용 구조물 및 설치방법{sturcture for floating type offshore wind power and method of constructing the same}Structure for floating type offshore wind power and method of constructing the same

본 발명은 해상풍력발전용 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부유식 해상풍력발전에서 풍력발전기를 설치하기 위한 부유식 하부구조물 및 그 설치방법에 관한 것이다. The present invention relates to a structure for offshore wind power generation, and more specifically, to a floating substructure for installing a wind turbine in a floating offshore wind power generation and a method for installing the same.

지구환경문제와 관련하여 화석연료에 의한 발전을 대체할 수 있는 재생에너지 사용 발전 기술이 지속적으로 연구, 개발되고 실용화되고 있으며, 중요한 재생에너지 발전의 하나로서 부유식 해상풍력 발전의 필요성이 증가하고 있다.In relation to global environmental issues, power generation technologies using renewable energy that can replace power generation using fossil fuels are continuously being researched, developed, and commercialized, and the need for floating offshore wind power generation as one of the important renewable energy generation methods is increasing.

또한 이러한 부유식 해상풍력 발전에서 안정적인 발전 운영을 위해 부유식 하부구조물 기술의 중요성이 증대하고 있다. 즉, 거친 해상환경에서 안정적인 발전 운영을 위해서는 그에 적합한 부유식 하부구조물의 제작 설치가 필수 요소가 된다. In addition, the importance of floating substructure technology is increasing for stable power generation operation in these floating offshore wind power plants. In other words, the production and installation of suitable floating substructures is an essential element for stable power generation operation in harsh marine environments.

좀 더 설명하면, 일반적으로 육상 풍력발전, 고정식 해상풍력 발전의 경우, 입지 선정 과정의 어려움이 존재하며, 육지에 가까워질수록 가용 공간이 희소해지며, 환경 영향에 대한 민감성 증가하게 된다. To explain further, in general, for onshore wind power generation and fixed offshore wind power generation, there are difficulties in the site selection process, and the closer to land you get, the scarcer the available space becomes, and the sensitivity to environmental impacts increases.

이에 비해 부유식 해상풍력 발전은 먼 바다에도 설치될 수 있으므로 입지 선정이 비교적 수월하고, 장애물로 인한 난류가 적어 바람이 강하고 일정한 풍속을 유지할 수 있고, 이러한 우수한 풍질을 바탕으로 풍력 발전기의 높은 이용률을 확보하는 것이 가능다는 장점이 있다. In comparison, floating offshore wind power plants can be installed far out at sea, making site selection relatively easy, and with less turbulence caused by obstacles, the wind can be strong and maintain a constant wind speed. Based on this excellent wind quality, it is possible to secure a high utilization rate of wind power generators.

단, 부유식 해상풍력 발전은 타 풍력 발전과 달리 부유 상태에서 큰 하중을 지지하면서 변화하기 쉬운 해상 환경에서 안정을 유지해야 하기에 부유식 하부구조물의 중요도가 높게 된다. 이런 하부구조물은 통상적으로 형태에 따라 원통형(Spar), 반잠수식(Semi-submersible), 인장각형(Tension-leg-platform), 바지(Barge)형으로 분류될 수 있다. 초기의 부유식 해상풍력 프로젝트인 하이윈드 스코틀랜드(Hywind Scotland)의 경우 안정성이 높은 원통형을 채택했으나, 크레인을 이용해 원통을 세워 설치하므로 수심의 제한과 크레인 선박 대여로 인한 높은 비용 발생의 문제가 있다. 인장각형도 안정성은 높으나 설치비용이 매우 높아 전체 비용이 상대적으로 높아지는 문제가 있다. 반대로 바지형은 설치 및 제작 비용은 낮으나 안정성이 상대적으로 낮다는 문제가 있다.However, unlike other types of wind power generation, floating offshore wind power must support large loads while floating and remain stable in the easily changing marine environment, which increases the importance of floating substructures. These substructures can usually be classified into spar, semi-submersible, tension-leg-platform, and barge types depending on their shape. In the case of Hywind Scotland, an early floating offshore wind power project, a spar type with high stability was adopted, but since the cylinder was erected and installed using a crane, there were problems with water depth restrictions and high costs due to crane vessel rental. The tension-leg type also has high stability, but the installation cost is very high, which makes the overall cost relatively high. On the other hand, the barge type has low installation and manufacturing costs, but the stability is relatively low.

한편, 반잠수식은 테트라스파 구조를 개발하여 제작비용 부담을 낮추거나 텔윈드(TELWIND) 구조를 개발하여 예인선을 이용해 설치하여 비용 부담을 낮출 수 있었고, 설치 위치와 기상 상태의 영향을 적게 받아 설치가 용이하다는 장점이 있어서 기존에 개발 예정인 프로젝트 상당수가 반잠수식을 채택하고 있다. Meanwhile, the semi-submersible type has the advantage of being easy to install as it is less affected by the installation location and weather conditions, and thus many projects currently scheduled to be developed are adopting the semi-submersible type, as the cost burden can be reduced by developing the Tetraspar structure or by developing the TELWIND structure and using a tugboat to install it.

그러나, 반잠수식 구조에서도 주로 강철 재료와 용접 시공을 많이 이용하므로 재료 비용 및 시공비용은 여전히 상당하며, 통상은 구조물 중앙부에 풍력발전기가 설치되는 것이 아니라서 다양한 기상 및 해양 환경에서 시공과 유지에서 안정적으로 균형을 맞추는 것도 쉽지 않다는 문제가 있다.However, even in semi-submersible structures, since steel materials and welding construction are mainly used, the material and construction costs are still considerable, and since wind turbines are not usually installed in the center of the structure, there is a problem that it is not easy to stably balance construction and maintenance in various weather and marine environments.

대한민국 특허공개 10-2014-0058470호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014-0058470 대한민국 특허공개 10-2014-0090018호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014-0090018 대한민국 특허공개 10-2017-0037641호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0037641

본 발명은 상술한 기존의 부유식 해상풍력 발전용 구조물의 문제점과 개선하기 위한 것으로, 기존 대비 상대적으로 낮은 비용으로 제작하고 용이하게 설치가 이루어질 수 있는 구성을 가지는 부유식 해상풍력발전용 구조물 및 설치방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention is intended to provide a floating offshore wind power generation structure and an installation method thereof, which are configured to be manufactured at a relatively low cost and easily installed compared to existing structures, and to improve upon the problems of the existing floating offshore wind power generation structures described above.

본 발명은 안정적으로 부유식 해상풍력발전 설비를 시공하고 유지하기에 적합한 부유식 해상풍력발전용 구조물 및 설치방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide a floating offshore wind power generation structure and installation method suitable for stably constructing and maintaining a floating offshore wind power generation facility.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부유식 해상풍력발전용 구조물은, 내부 공간의 기밀을 유지할 수 있는 박스형 구조물과 상기 내부 공간의 위쪽에 공기층이 존재하는 상태에서 상기 내부 공간의 아래쪽에 물을 채우거나 빼낼 수 있는 물 출입장치를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the floating offshore wind power generation structure of the present invention is characterized by comprising a box-shaped structure capable of maintaining the airtightness of the internal space, and a water inlet/outlet device capable of filling or draining water at the bottom of the internal space while an air layer exists at the top of the internal space.

본 발명에서 이 구조물은 내부 공간을 덮고(COVER) 밀폐할 수 있는 벽체와 이 내부 공간을 가로지르며 벽체와 벽체 사이의 공간을 지탱하기 위한 보강용 뼈대구조, 대표적으로 기둥과 보를 구비하여 이루어질 수 있다.In the present invention, the structure may be formed by a wall that can cover and seal an internal space, and a reinforcing frame structure, typically a column and a beam, that crosses the internal space and supports the space between the walls.

본 발명에서 벽체를 통해 공기를 내부 공간에 공급하거나 인출할 수 있는 공기출입장치가 구비될 수 있고, 이런 경우, 벽체를 통해 물 혹은 해수를 내부 공간에 공급하거나 인출할 수 있는 물출입장치는 단순한 통과구멍 혹은 열린 배관 형태가 될 수 있다. In the present invention, an air intake device capable of supplying or extracting air to or from an internal space through a wall may be provided, and in this case, a water intake device capable of supplying or extracting water or seawater to or from an internal space through the wall may be in the form of a simple through hole or open pipe.

본 발명에서 벽체와 기둥 및 보는 철근 콘크리트 구조로 이루어지거나, 철골 콘크리트 구조 혹은 그 혼합 구조로 이루어질 수 있다. In the present invention, the wall, pillars, and beams may be made of a reinforced concrete structure, a steel-concrete structure, or a mixed structure thereof.

본 발명에서 풍력발전기 타워가 놓이는 중앙부에는 부유 구조물을 관통하는 관로가 설치될 수 있으며, 관로를 이루는 벽체는 그 위에 설치되는 풍력발전기 타워를 포함하는 풍력발전기의 무게를 부유 구조물이 지지할 수 있도록 보강하는 기둥의 역할을 할 수 있고, 풍력발전기의 통신선 및 전력선, 케이블 등이 이 관로를 통해 부유 구조물을 통과하여 해저 혹은 해중에 설치된 타 설비와 연결될 수 있다.In the present invention, a conduit penetrating the floating structure can be installed in the central portion where the wind turbine tower is placed, and the wall forming the conduit can serve as a reinforcing column so that the floating structure can support the weight of the wind turbine including the wind turbine tower installed thereon, and communication lines, power lines, cables, etc. of the wind turbine can pass through the floating structure through this conduit and be connected to other equipment installed on the seabed or underwater.

본 발명에서 부유 구조물의 일부에는 부유 구조물의 고정을 위한 계류용 구조가 설치되거나 결합될 수 있다.In the present invention, a mooring structure for fixing the floating structure may be installed or connected to a part of the floating structure.

본 발명의 설치 방법은, 이상과 같은 본 발명의 부유식 해상풍력발전용 구조물을 육상에서 제작하는 단계, 이 구조물을 물에 띄워 설치 해상 장소(위치)까지 예인하는 단계, 이 구조물의 부력을 조절하여 계류하는 단계, 이 구조물 위에 풍력발전기를 설치하는 단계를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. The installation method of the present invention is characterized by comprising the steps of manufacturing the floating offshore wind power generation structure of the present invention on land, the step of floating the structure on water and towing it to an installation location offshore, the step of mooring the structure by controlling the buoyancy of the structure, and the step of installing a wind turbine on the structure.

본 발명에 따르면 부유식 해상풍력발전용 구조물을 기존 대비 상대적으로 낮은 비용으로 제작하고 용이하게 설치할 수 있으므로 부유식 해상풍력발전 설비의 전체적 건설 비용과 노력을 절감할 수 있다. According to the present invention, a floating offshore wind power generation structure can be manufactured at a relatively lower cost and easily installed compared to existing structures, thereby reducing the overall construction cost and effort of the floating offshore wind power generation facility.

본 발명에 따르면 부유식 해상풍력발전용 구조물을 통해 기존 대비 더 안정적으로 부유식 해상풍력발전 설비를 시공하고 유지할 수 있다. According to the present invention, a floating offshore wind power generation facility can be constructed and maintained more stably than before through a floating offshore wind power generation structure.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 해상풍력발전용 구조물이 계류장치, 풍력발전기와 함께 설치된 상태를 개략적으로 나타내는 투시적 정면도,
도2는 도1의 실시예에서 AA선 지나는 수평면에 의해 절단된 단면에서 측면벽체, 보 및 공중보와 결합부의 위치를 나타내는 평단면도.
도3 및 도4는 본 발명의 부유식 해상풍력발전용 구조물의 다른 실시예에서 내부 공간에 물이 상대적으로 많이 채워진 고수위 상태와 물이 상대적으로 작게 채워진 저수위 상태를 간략화하여 개념적으로 나타내는 정면도이다.
Figure 1 is a perspective front view schematically showing a state in which a floating offshore wind power generation structure according to one embodiment of the present invention is installed together with a mooring device and a wind turbine.
Figure 2 is a cross-sectional plan view showing the positions of the side wall, beam, and aerial beam and the joint in the cross-section cut by the horizontal plane passing through the line AA in the embodiment of Figure 1.
FIGS. 3 and 4 are front views conceptually illustrating a high water level state in which the internal space is filled with a relatively large amount of water and a low water level state in which the internal space is filled with a relatively small amount of water in another embodiment of a floating offshore wind power generation structure of the present invention.

이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.The present invention will be described in more detail through specific examples with reference to the drawings below.

도1에는 본 실시예의 부유식 해상풍력발전용 구조물이 계류장치, 풍력발전기와 결합되어 함께 설치되어 있다. 도2에는 도1의 AA선 지나는 수평면에 의해 절단된 단면에서 측면벽체 및 그 내측면의 보, 공중보, 결합부의 위치가 도시되어 있다.Fig. 1 shows a floating offshore wind power generation structure of this embodiment, which is installed together with a mooring device and a wind turbine. Fig. 2 shows the positions of a side wall and its inner side beams, aerial beams, and joints in a cross-section cut by a horizontal plane passing through line AA of Fig. 1.

이들 도면을 참조하여 본 실시예를 설명하면, 이 실시예에서 부유식 해상풍력발전용 구조물(100)은 직육면체 형태의 벽체와, 이 벽체로 둘러싸인 내부 공간을 유지하기 위해 벽체를 내측에서 보강하도록 수직하게 형성되는 기둥과 수평하게 형성되는 보 및 공중보를 구비하여 이루어진다. Referring to these drawings, the present embodiment will be described. In this embodiment, a floating offshore wind power generation structure (100) is formed by having a rectangular parallelepiped wall, columns formed vertically to reinforce the wall from the inside to maintain an internal space surrounded by the wall, and beams and air beams formed horizontally.

벽체는 하면벽체(110)와 4개의 측면벽체(120)와 상면벽체(130)로 이루어지며, 각 벽체에서 내부공간에 면하는 내측면에는 수평하게 보(112, 122, 132)가 형성되어 있다. 상면벽체의 보(132)와 하면벽체의 보(112) 사이에는 수직하게 형성되는 기둥(140)이 위치하고, 서로 대향하는 측면벽체(120) 내측면의 보(122)들 사이에는 수평하게 형성되는 공중보(150)가 위치한다. 기둥(140)과 공중보(150)가 공간에서 서로 만나는 부분에는 결합부(170)가 설치된다. The wall is composed of a lower wall (110), four side walls (120), and an upper wall (130), and a beam (112, 122, 132) is formed horizontally on the inner surface of each wall facing the interior space. A column (140) formed vertically is positioned between the beam (132) of the upper wall and the beam (112) of the lower wall, and a horizontally formed air beam (150) is positioned between the beams (122) of the inner surfaces of the side walls (120) facing each other. A joint (170) is installed at the part where the column (140) and the air beam (150) meet each other in space.

이런 기둥(140)과 공중보(150)로 이루어지는 구조는 슬라브가 없는 라멘 구조, 철골 구조와 비슷하게 보일 수 있다. 여기서는 상면벽체의 보(132)와 하면벽체의 보(112) 사이에 하나의 결합부(170)가 있지만 이 결합부(170)의 갯수는 구조물의 크기 혹은 두께에 따라 둘 이상으로 늘어날 수 있다. 마찬가지로 대향하는 측면벽체(120) 사이에는 수평하게 직선상으로 뻗는 공중보(150)를 따라 6개씩의 결합부(170)가 있지만 이 결합부(170)의 갯수도 구조물의 크기 혹은 너비에 따라 다른 숫자가 될 수 있다.This structure composed of columns (140) and aerial beams (150) may look similar to a frame structure without a slab, a steel frame structure. Here, there is one joint (170) between the upper wall beam (132) and the lower wall beam (112), but the number of these joints (170) may increase to two or more depending on the size or thickness of the structure. Similarly, there are six joints (170) along the aerial beams (150) extending horizontally in a straight line between the opposing side walls (120), but the number of these joints (170) may also be a different number depending on the size or width of the structure.

벽체와 보, 기둥과 공중보는 모두 철근 콘크리트 타설을 통해 일체로 이루어질 수도 있고, 각각의 요소는 서로 다른 방식으로 형성되고 결합될 수도 있다. 가령, 벽체는 철근 콘크리트 구조를 이루고, 기둥과 공중보는 철골을 콘크리트가 감싸는 철골 콘크리트 구조를 가질 수도 있고, 속이 빈 각형 철관 외측을 콘크리트가 감싸는 철골 콘크리트 구조, 크기가 다른 두 각형 철관 사이에 콘크리트가 채워지는 철골 콘크리트 구조가 될 수도 있다. Walls and beams, columns and skylights may all be formed as a single unit by pouring reinforced concrete, or each element may be formed and joined in different ways. For example, walls may have a reinforced concrete structure, while columns and skylights may have a steel-concrete structure in which concrete surrounds the steel frame, a steel-concrete structure in which concrete surrounds the outside of hollow square steel tubes, or a steel-concrete structure in which concrete is placed between two square steel tubes of different sizes.

여기서 상면벽체(130)의 중앙부에는 풍력발전기(200) 타워가 설치되는 베이스 플레이트(180)가 설치된다. 베이스 플레이트(180)의 아래쪽으로 상면벽체(130)와 하면벽체(110)를 연결하도록 이 직육면체 구조물을 상하 방향으로 관통하는 중앙관로(190)가 형성된다. 중앙관로(190)를 이루는 벽체는 이 구조물에서 일종의 기둥과 같은 역할을 하면서 그 위에 놓인 풍력발전기의 무게를 보다 안정적으로 지지하면서 무게를 분산하는 역할을 할 수 있고, 이 실시예와 달리 공중보들과 서로 결합되는 구성을 가질 수도 있다.Here, a base plate (180) is installed in the center of the upper wall (130) on which a wind turbine (200) tower is installed. A central conduit (190) is formed to penetrate the rectangular parallelepiped structure in the vertical direction to connect the upper wall (130) and the lower wall (110) below the base plate (180). The wall forming the central conduit (190) can serve as a kind of pillar in this structure, supporting the weight of the wind turbine placed thereon more stably and distributing the weight, and unlike this embodiment, it can also have a configuration in which it is connected to the aerial beams.

이러한 부유식 해상풍력발전용 구조물은 벽체(110, 120, 130)로 둘러싸인 내부 공간 전체가 외부와 밀폐될 수 있도록 혹은 적어도 공기가 채워져 에어포켓(Air pocket) 역할을 하는 상부공간이 외부와 밀폐될 수 있도록 형성되고, 이 구조물 상부에는 에어포켓 역할을 하는 상부공간에 공기를 채워넣거나 이 상부공간의 공기를 외부로 빼낼 수 있도록 하는 공기 출입장치(410)가 설치된다. These floating offshore wind power generation structures are formed so that the entire internal space surrounded by walls (110, 120, 130) can be sealed from the outside, or at least so that the upper space filled with air and acting as an air pocket can be sealed from the outside, and an air intake device (410) is installed on the upper part of the structure to allow air to be filled into the upper space acting as an air pocket or to allow air in the upper space to be removed to the outside.

이 구조물의 내부 공간 중 하부 공간에는 물이 채워지며, 이 구조물 하부 공간에 물을 채우거나 이 물을 외부로 빼내기 위한 물 출입장치(420)가 설치된다. The lower space of the internal space of this structure is filled with water, and a water inlet device (420) is installed to fill the lower space of this structure with water or drain the water to the outside.

공기 출입장치(410)나 물 출입장치(420)는 이 구조물 내부 공간과 외부 공간을 연결하는 관체와 이 관체 경로상에 설치되는 밸브 및 펌프를 구비하여 이루어질 수 있다. 펌프는 양방향으로 구동되어 공기 혹은 물을 내부공간으로 채워넣거나 빼내는 것이 모두 가능하게 하는 것이 바람직하다.The air inlet device (410) or water inlet device (420) may be configured by having a pipe connecting the internal space of the structure and the external space, and a valve and a pump installed on the path of the pipe. It is preferable that the pump be driven in both directions to enable filling or removing air or water into the internal space.

도면에서는 명확히 개시되지 않지만 실시예에 따라서는 구조물 내의 하부 공간은 외부와 밀폐되지 않고, 별도의 물 출입장치 없이 구조물 하부의 연결구를 통해 자연스럽게 물의 출입이 가능하게 형성되고, 상부공간에서 공기 출입장치에 의해 공기를 빼거나 채워넣는 것에 의해 구조물의 부력을 조절하는 구성을 할 수도 있다. 이런 경우, 상부 공간의 공기가 공기 출입장치 외에 다른 경로로, 가령 하구 공간의 연결구를을 통해 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있도록 공기 출입장치 및 연결구 위치를 결정하고, 그런 설계에에 맞도록 공기 출입장치를 운용하는 것이 필요할 수 있다. Although not explicitly disclosed in the drawings, in some embodiments, the lower space within the structure is not sealed from the outside, and water may be naturally introduced or introduced through a connection port at the bottom of the structure without a separate water inlet/outlet device, and the buoyancy of the structure may be controlled by removing or filling air in the upper space through an air inlet/outlet device. In this case, it may be necessary to determine the locations of the air inlet/outlet device and the connection port so as to prevent air in the upper space from escaping to the outside through a path other than the air inlet/outlet device, such as the connection port in the estuary space, and to operate the air inlet/outlet device in accordance with such a design.

또한, 여기서는 도시되지 않지만, 이 구조물 내부 공간을 관리하기 위해 이 구조물 상부에는 별도의 점검구와 같은 관리용 출입장치(미도시)가 설치될 수 있으며, 이 관리용 출입장치는 상부 공간의 공기가 의도하지 않게 빠져나가는 것을 방지할 수 있도록 구성되어야 한다. In addition, although not shown here, a management access device (not shown) such as a separate inspection door may be installed on the upper part of this structure to manage the internal space of this structure, and this management access device must be configured to prevent air in the upper space from escaping unintentionally.

한편 이 구조물에는 이 구조물이 해상에서 표류하지 않고 일정 위치 범위를 벗어나지 않도록 하기 위한 계류시설이 결합된다.Meanwhile, the structure is equipped with mooring facilities to prevent the structure from drifting in the sea and leaving a certain location range.

계류시설은 도시되지 않은 해저용 고정물과, 구조물과 결합된 부유체용 고정물(310)과 이들 해저용 고정물과 부유체용 고정물(310)을 연결하여 결합시키는 고정용케이블(320) 등으로 이루어질 수 있다. 부유체용 고정물(310)은 여기서는 직육면체 구조물의 하부 꼭지점마다 하나씩 네개가 설치되는 것으로 도시하고 있지만 구조물의 전체적 크기와 무게, 케이블 및 고정물들의 기계적 내구성, 강도 등을 고려하여 적절한 위치에 적절한 갯수로 설치할 수 있다. 이런 계류시설은 기존에 이미 잘 알려진 것이므로 여기서는 더이상의 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.The mooring facility may be composed of an unillustrated submarine fixture, a floating fixture (310) coupled with the structure, and a fixing cable (320) that connects and couples the submarine fixture and the floating fixture (310). The floating fixture (310) is illustrated here as being installed in four pieces, one at each lower vertex of the rectangular solid structure, but may be installed in an appropriate number and location considering the overall size and weight of the structure, the mechanical durability and strength of the cables and fixtures, etc. Since such mooring facilities are already well known, further detailed description thereof will be omitted here.

그리고, 여기서는 도시되지 않지만 풍력발전기(200)에서 생산된 전력은 풍력발전기와 연결된 전선케이블을 통해 인접한 전력네트워크로 연결되어야 하며, 전력네트워크는 인접한 해상 구조물에 설치된 인버터를 포함하는 변전소 등과, 이 변전소에서 변환시킨 전력을 해저 전선케이블을 통해 받는 지상 전력시설이 될 수 있다. 전선케이블 등의 전력 시설과 통신 선로 케이블 등은 해저로 주변 시설과 연결되는 것이 통상적이므로 이런 케이블 등은 풍력발전기(200)에서 해저로 연장되도록 배치되어야 하는데, 이를 위해 풍력발전기(200) 타워 하부의 중앙관로(190)를 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 중앙관로(190)를 통해 별도의 계류용 케이블, 통신 선로 케이블, 전력 케이블이 통과하도록 구조물과 풍력발전기가 결합, 설치될 수 있다. And, although not shown here, the power generated from the wind turbine (200) must be connected to an adjacent power network via a wire cable connected to the wind turbine, and the power network may be a substation including an inverter installed on an adjacent offshore structure, and a ground power facility that receives the power converted by the substation via a submarine wire cable. Since power facilities such as wire cables and communication line cables are usually connected to surrounding facilities via the submarine, such cables must be arranged to extend from the wind turbine (200) to the submarine, and for this purpose, it is preferable to use the central conduit (190) at the bottom of the wind turbine (200) tower. That is, the structure and the wind turbine can be combined and installed so that separate mooring cables, communication line cables, and power cables pass through the central conduit (190).

다음으로 이런 구성을 가지는 본 발명 구조물의 제작 및 설치 (풍력발전시설 설치)에 대해 설명한다. Next, the manufacturing and installation (installation of a wind power generation facility) of the structure of the present invention having such a configuration will be described.

먼저 구조물은 풍력발전기의 용량에 따라 에어 포켓을 갖는 부유식 해상풍력발전용 구조물의 크기와 내부 보강 요소들의 구조를 설계한다. 위의 실시예에서는 직육면체 벽체 내부 공간에 단순히 수직 기둥과 수평한 보 및 공중보를 설치하고, 공중보와 기둥이 만나는 부분에는 결합부를 두고 있지만 박스의 구체적 형태와 내부 공간 유지를 위한 보강 구조는 기존 건축에서 알려진 다양한 구조를 이용할 수 있다. First, the structure is designed to have the size of the floating offshore wind power generation structure with air pockets according to the capacity of the wind turbine, and the structure of the internal reinforcement elements. In the above embodiment, vertical columns, horizontal beams, and air beams are simply installed in the internal space of the rectangular solid wall, and a joint is provided where the air beams and columns meet, but the specific shape of the box and the reinforcement structure for maintaining the internal space can utilize various structures known in existing architecture.

또한 재료 관점에서도 위 실시예는 통상적인 철근 콘크리트 구조 외에도 기존 건축에서 알려진 다양한 재료 및 그 결합을 이용할 수 있다. Also, from a material perspective, the above embodiment can utilize various materials and their combinations known in existing construction in addition to the conventional reinforced concrete structure.

제작과 관련하여, 본 발명의 구조물은 대개 지상에서 특히 선박을 만드는 데 사용하는 도크 등에서 제작될 수 있다. 벽체와 기둥, 보, 공중보와 결합부 등의 요소가 어떤 재질, 방식으로 제작되는 가에 따라 달라질 수 있지만 이들 요소를 철근 콘크리트로 형성하는 경우, 이 구조물의 제작은 철근 콘크리트 구조의 건물을 만드는 방법과 비슷하게 제작될 수 있다. 가령, 틀을 제작하고, 틀 내에 철근을 배설하고, 철근이 배설된 틀에 콘크리트를 채워넣는 방식으로 제작될 수 있다. In terms of manufacturing, the structure of the present invention can be manufactured generally on land, especially in a dock used for building ships. Depending on the material and method of manufacturing elements such as walls, columns, beams, aerial beams, and joints, the manufacturing of the structure can be similar to the method of manufacturing a reinforced concrete building when these elements are formed of reinforced concrete. For example, the structure can be manufactured by manufacturing a frame, distributing reinforcing bars within the frame, and filling the frame with reinforcing bars with concrete.

아울러, 구조물 계류에 필요한 부유체용 고정물도 제작하고, 고정용케이블도 제작하게 된다. In addition, we will manufacture anchors for floating bodies required for mooring structures and also manufacture anchoring cables.

이때, 밀폐 및 연결부의 기계적 강도 확보가 가능하다면, 대형 선박을 제작할 때 각 부분을 블럭으로 제작하고, 이들 블럭을 결합하여 제작하듯이 이 구조물도 일부 부분을 블럭으로 제작하고 블럭들을 결합하여 전체 구조물을 제작하는 방식도 가능하다.At this time, if it is possible to secure the mechanical strength of the sealing and connecting parts, it is also possible to manufacture this structure by manufacturing some parts as blocks and combining the blocks to manufacture the entire structure, just as when manufacturing a large ship, each part is manufactured as a block and these blocks are combined to manufacture it.

콘크리트 양생이 충분히 이루어지고, 물 출입장치, 공기 출입장치 등의 부속 설비가 설치되고, 일단 내부 공간 밀폐 가능 상태로 구조물이 제작되면 도크에서 물을 채우는 등의 방법으로 구조물을 입수시키고, 내부 공간 상부의 에어포켓 크기, 압력을 조절하여 물에 뜬 부유 상태가 되도록 한다. Once the concrete has been sufficiently cured, and auxiliary equipment such as water inlet and air inlet devices have been installed, and the structure has been constructed so that the interior space can be sealed, the structure is immersed in water by methods such as filling it with water from a dock, and the size and pressure of the air pocket at the top of the interior space are adjusted so that it floats on water.

물 출입장치와 공기 출입장치의 밸브를 잠근 상태에서 이 박스형 구조물을 풍력발전기의 설치 위치까지 예인한 후에 우선 해상 크레인 등으로 이 구조물을 지지할 수 있다. After the box-shaped structure is towed to the installation location of the wind turbine with the valves of the water inlet and air inlet devices closed, the structure can be supported first by a marine crane or the like.

이 구조물이 물에 뜬 정도는 이 구조물을 제작지점에서 풍력발전기 설치 현장까지 옮길 때 이동 저항을 줄이고 안정성을 유지하기에 적합한 정도로, 해상 상황과 주변 환경, 허용된 시간 등을 고려하여 결정한다. 이동시에는 대개 물의 저항을 줄이기 위해 대부분이 공기중에 드러나고 수면 아래로는 일부만 잠기도록 뜬 정도를 조절한다. 물에 뜬 정도는 구체적으로 물 출입장치와 공기 출입장치을 이용하여 내부 공간을 적당한 비율로 물과 공기층이 존재하도록 함으로써 조절할 수 있다. The degree to which the structure floats on water is determined by considering the sea conditions, surrounding environment, and allowed time to reduce the resistance to movement and maintain stability when moving the structure from the manufacturing site to the wind turbine installation site. When moving, the degree of floatation is usually adjusted so that most of it is exposed to the air and only a part is submerged under the water surface to reduce the resistance of water. The degree of floatation can be specifically adjusted by using a water inlet device and an air inlet device to ensure that the internal space has an appropriate ratio of water and air layers.

도3 및 도4는 간단한 구성의 개념도를 통해 구조물 내부 공간에 물과 공기층 비율을 조절하는 방법을 예시하고 있다. Figures 3 and 4 illustrate a method for controlling the ratio of water and air layers in the internal space of a structure through a conceptual diagram of a simple configuration.

도3은 밀폐된 구조물의 내부 공간에 공기 출입장치를 이용하여 공기를 더 주입하고 물 출입장치를 통해 물을 외부로 빼서 공기층에 대한 물층의 비율이 상대적으로 작은 저수위 상태를 나타내고 있다. 이런 경우 구조물의 부력은 상대적으로 커지고, 주변 수면 위로 구조물이 노출되는 부분이 커지게 된다. Figure 3 shows a low water level state in which the ratio of the water layer to the air layer is relatively small, with air being injected into the internal space of a sealed structure using an air inlet device and water being removed to the outside through a water inlet device. In this case, the buoyancy of the structure is relatively large, and the portion of the structure exposed above the surrounding water surface becomes larger.

단, 물은 비압축성인 액체이고 공기는 압축성인 기체이므로 이 상태에서 물은 그대로 두고 공기의 주입량을 늘려도 부력은 커지지 않고 구조물도 위로 더 떠오르지 않을 것이다. 이런 점을 고려하면 물 출입장치가 부력 조절의 주된 수단이 될 것이다. 따라서 이런 개념을 극한적으로 적용하는 경우, 내부 공간의 공기량은 일정하게 두고 물 출입장치의 가동만으로 전체 내부 공간에 대한 물층의 부피의 상대적 비율과 그에 따른 부력 조절을 할 수도 있을 것이다. However, since water is an incompressible liquid and air is a compressible gas, even if the water is left as is and the amount of air injected is increased, the buoyancy will not increase and the structure will not rise further. Considering this, the water inlet device will be the main means of buoyancy control. Therefore, in the case of applying this concept to the extreme, the amount of air in the internal space can be kept constant, and the relative ratio of the volume of the water layer to the entire internal space and the buoyancy control accordingly can be achieved by only operating the water inlet device.

도4는 밀폐된 구조물의 내부 공간에 물 출입장치를 통해 물을 외부에서 내부 공간으로 주입하여 공기층에 부피에 대한 물층 부피의 비율이 상대적으로 큰 고수위 상태를 나타내고 있다. 이런 경우 구조물의 부력은 상대적으로 작아지고, 주변 수면 위로 구조물이 노출되는 부분도 줄어들게 된다. Figure 4 shows a high water level state in which water is injected from the outside into the internal space of a sealed structure through a water inlet device, and the ratio of the volume of the water layer to the volume of the air layer is relatively large. In this case, the buoyancy of the structure is relatively small, and the portion of the structure exposed above the surrounding water surface is also reduced.

한편, 구조물이 설치 현장에 도착하면 물 출입장치로 내부 공간에 물을 주입하고 공기 출입장치로는 공기를 빼내서 도4와 비슷한 고수위 상태를 만들고 구조물 상면벽체의 준위(level)를 낮추어 풍력발전기 설치를 용이하게 한다. 그리고 계류 및 상면벽체 위로의 풍력발전기를 결합을 실시하게 된다. Meanwhile, when the structure arrives at the installation site, water is injected into the internal space through the water inlet device and air is removed through the air inlet device to create a high water level similar to that in Figure 4, and the level of the upper surface wall of the structure is lowered to facilitate the installation of the wind turbine. Then, the wind turbine is connected to the mooring and upper surface wall.

이때 구조물이 물에 뜬 정도는 계류 및 풍력발전기 결합 시점에서 주변 환경과 공사 편리성을 높이기 위해 상황에 맞게 조절될 수 있으며, 가령 풍력발전기 무게가 많이 나가는 경우, 구조물 내부 공간에서 공기가 채워지는 상부 공간의 크기를 늘려 부력을 높이는 것이 필요하다. 통상 풍력발전기는 작은 규모가 아니라면 완성된 상태로 설치되는 것이 아니고 타워 일부, 풍력날개, 발전장치 등이 차례로 크레인에 들려 위로 쌓이면서 설치되는 데, 각 단계마다 부력을 조절하는 것이 바람직하다. At this time, the degree to which the structure floats on water can be adjusted according to the situation in order to increase the surrounding environment and convenience of construction at the time of mooring and wind turbine combination. For example, if the wind turbine weighs a lot, it is necessary to increase the size of the upper space filled with air in the internal space of the structure to increase buoyancy. Normally, wind turbines are not installed in a completed state unless they are small in scale, but rather part of the tower, wind blades, and power generation device are installed by being lifted upward by a crane in sequence. It is desirable to adjust the buoyancy at each stage.

계류와 관련하여, 이 구조물을 정해진 해상 위치에 안정적으로 고정하기 위해 부유체용 고정물에 고정용케이블의 일측을 결합하고, 고정용케이블의 타측을 해저용 고정물에 결합한다. 해저용 고정물은 암반과 같은 안정적인 해저 구조에 설치하여 부유식 해상풍력발전 시설이 안정적으로 일정 영역에 위치하고 안정화하게 된다. In relation to mooring, one end of the anchoring cable is connected to a floating fixture to stably fix the structure to a fixed sea location, and the other end of the anchoring cable is connected to a seabed fixture. The seabed fixture is installed on a stable seabed structure such as a rock, so that the floating offshore wind power generation facility is stably located and stabilized in a certain area.

일단 안정화가 되면 이러한 구조물의 부력 조절은 크게 이루어지지 않더라도 계류 상태를 조절하기 위해서도 이루어질 수 있고, 구조물 위로의 시설물 설치 과정, 발전 과정 중에도 주변 기상 및 해상 상황에 따라 안정성을 높이거나 풍력 발전 효율을 높이기 위해 조절될 수 있다. Once stabilized, the buoyancy of these structures can be adjusted not only to control the mooring conditions but also during the installation of facilities on top of the structure and during the power generation process, depending on the surrounding weather and sea conditions to increase stability or increase the efficiency of wind power generation.

이상에서 살펴본 것과 같은 부유식 해상풍력발전 구조물은 구조가 단순하면서도 단순 명쾌한 원리를 이용하여 구성되는 것이며, 여러 가지 재료 중에서도 저렴한 콘크리트를 사용하면 매우 경제적으로 제작할 수 있어서 부유식 해상풍력발전시설의 건설비용을 최소화할 수 있다는 이점이 있다.The floating offshore wind power generation structures examined above have a simple structure and are constructed using simple and clear principles. They can be manufactured very economically using inexpensive concrete among various materials, which has the advantage of minimizing the construction cost of floating offshore wind power generation facilities.

또한, 이 구조물은 해상이 아니고 안정적 육상 환경에서 공장 제작할 수 있으므로 제품에 대한 신뢰성 확보가 용이하게 되며, 밀폐가 가능한 박스형 구조물이기 때문에 풍력발전기를 설치하는 위치까지 구조물을 해상에 띄운 상태로 예인하여 설치하므로 구조물의 이송 비용을 절감할 수 있다.In addition, since this structure can be manufactured in a stable onshore environment rather than at sea, it is easy to secure product reliability, and since it is a sealed box-shaped structure, the structure can be towed to the location where the wind turbine is installed while floating on the sea, which reduces the cost of transporting the structure.

특히 이 구조물은 직육면체 사각박스 형태로, 면적 대비 높이가 낮은 구조로 제작하면 더욱 안정적으로, 제작, 유지할 수 있으며, 평평하고 넓은 박스 상면에 풍력발전기 타워를 설치하기 용이하고, 구조물이 단순하여 시공이 간편하므로 공사비를 최소화 할 수 있다.In particular, this structure is in the shape of a rectangular box, and if it is manufactured with a low height compared to the area, it can be manufactured and maintained more stably, and it is easy to install a wind turbine tower on the flat and wide top surface of the box, and since the structure is simple and easy to construct, construction costs can be minimized.

또한, 본 발명의 일 측면과 같이 부유식 박스 구조물의 중앙부 즉, 풍력 타워 설치부 아래에 수직으로 관통하는 중앙 관로를 설치하면 풍력발전기 타워에서 연결되는 송배전 케이블 등을 해저로 바로 연결할 수 있다.In addition, as in one aspect of the present invention, if a central conduit is installed that penetrates vertically through the central portion of the floating box structure, i.e., below the wind tower installation portion, transmission and distribution cables, etc. connected from the wind turbine tower can be directly connected to the seabed.

또한, 부유식 박스 구조물 내에 풍력발전기를 설치하는 위치의 해수와 같은 비중을 갖는 해수를 담수하기때문에 파랑의 흐름에 더욱 안정적일 수 있다. In addition, since the seawater with the same specific gravity as the seawater at the location where the wind turbine is installed is filled inside the floating box structure, it can be more stable against wave flow.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.Although the present invention has been described above through limited examples, these are merely illustrative examples to help understanding of the present invention, and the present invention is not limited to these specific examples.

따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Accordingly, anyone with ordinary knowledge in the field to which the invention pertains will be able to make various modifications or application examples based on the present invention, and such modifications or application examples naturally fall within the scope of the appended patent claims.

100: 부유식 해상풍력발전용 구조물 110: 하면벽체
112, 122, 132: 보 120: 측면벽체
130: 상면벽체 140: 기둥
150: 공중보 170: 결합부
180: 베이스 플레이트 190: 중앙관로
200: 풍력발전기 310: 부유체용 고정물
320: 고정용케이블 410: 공기 출입장치
420: 물 출입장치
100: Floating offshore wind power generation structure 110: Lower wall
112, 122, 132: 120: Side wall
130: Top wall 140: Column
150: Aerial 170: Joint
180: Base plate 190: Central pipe
200: Wind turbine 310: Fixture for floating body
320: Fixed cable 410: Air inlet device
420: Water inlet device

Claims (6)

부유식 해상풍력발전용 구조물에 있어서,
내부 공간의 기밀을 유지할 수 있도록 표면을 이루는 벽체가 상기 내부 공간을 덮고 밀폐할 수 있는 박스형 구조물;
상기 내부 공간을 지탱하기 위한 보강용 뼈대구조;
부력조절을 위하여 상기 내부공간의 위쪽에 공기가 갇힌 상태로 상기 내부 공간의 아래쪽에 물을 채우거나 빼낼 수 있도록 이루어진 물 출입장치; 및
외부와 밀폐되어 형성된 구조물 상부에서 에어포켓 역할을 하는 상부 공간에 공기를 채워 넣거나 상기 상부 공간의 공기를 외부로 빼낼 수 있도록 형성된 공기 출입장치;를 구비하고,
상기 보강용 뼈대구조는 수직하게 형성되는 기둥과 수평하게 형성되는 보를 포함하여 이루어지고,
상기 물 출입장치는 외부 공간과 상기 내부 공간을 연결하는 물 출입용 관체와 상기 물 출입용 관체의 경로상에 설치되는 밸브 및 펌프를 구비하여 이루어지고,
상기 공기 출입장치는 상기 상부 공간과 상기 외부를 연결하는 공기 출입용 관체와 상기 공기 출입용 관체의 경로상에 설치되는 밸브 및 펌프를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전용 구조물.
In floating offshore wind power generation structures,
A box-shaped structure having a wall surface that covers and seals the internal space so as to maintain the confidentiality of the internal space;
A reinforcing skeletal structure for supporting the above internal space;
A water inlet device configured to fill or drain water at the bottom of the internal space while keeping air trapped at the top of the internal space for buoyancy control; and
An air inlet device formed to fill air into the upper space that acts as an air pocket at the upper part of a structure formed to be sealed from the outside or to discharge air from the upper space to the outside;
The above reinforcing frame structure is composed of vertically formed columns and horizontally formed beams,
The above water inlet device is configured by a water inlet pipe connecting an external space and the internal space, and a valve and a pump installed on the path of the water inlet pipe.
A floating offshore wind power generation structure characterized in that the air intake device comprises an air intake pipe connecting the upper space and the outside, and a valve and a pump installed on the path of the air intake pipe.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
위로 풍력발전기가 설치되는 상기 박스형 구조물의 중심부에는 상기 박스형 구조물을 상하로 관통하는 중심관로가 형성되는 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전용 구조물.
In paragraph 1,
A floating offshore wind power generation structure characterized in that a central conduit is formed at the center of the box-shaped structure on which a wind turbine is installed upward, penetrating the box-shaped structure upward and downward.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 벽체, 상기 기둥 및 상기 보는 철근 콘크리트 구조로 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 부유식 해상풍력발전용 구조물.
In paragraph 1,
A floating offshore wind power generation structure characterized in that the above wall, the above pillar, and the above beam are formed integrally with a reinforced concrete structure.
제 1 항, 제 3 항, 제 5 항 중 어느 한 항의 부유식 해상풍력발전용 구조물의 설치방법으로서,
상기 부유식 해상풍력발전용 구조물을 육상에서 제작하는 단계,
상기 부유식 해상풍력발전용 구조물을 물에 띄워 해상의 설치 장소(위치)까지 예인하는 단계,
상기 물 출입장치로 상기 내부 공간에서 물을 주입하고 상기 공기 출입장치로 공기를 빼내서 상기 부유식 해상풍력발전용 구조물의 상면 벽체의 준위(level)를 풍력발전기 설치에 용이하도록 낮추는 단계,
상기 상면 벽체 위로 상기 풍력발전기를 결합하는 단계,
상기 내부 공간에서 공기층이 차지하는 부피 비율을 조절하여 상기 부유식 해상풍력발전용 구조물이 부상할 수 있도록 부력을 조절하는 단계,
상기 부유식 해상풍력발전용 구조물을 정해진 해상 위치에 안정적으로 고정하기 위해 부유체용 고정물에 고정용케이블의 일측을 결합하고 타측에 해저용 고정물을 결합하고, 상기 해저용 고정물을 안정적인 해저 구조에 설치하는 단계를 구비하여 이루어지는 부유식 해상풍력발전용 구조물 설치방법.
A method for installing a floating offshore wind power generation structure according to any one of clauses 1, 3 and 5,
Step of manufacturing the above floating offshore wind power generation structure on land,
A step of floating the above floating offshore wind power generation structure on water and towing it to the installation site (location) at sea.
A step of lowering the level of the upper wall of the floating offshore wind power generation structure to facilitate installation of a wind power generator by injecting water into the internal space through the water inlet device and removing air through the air inlet device.
A step of attaching the wind turbine to the upper surface wall,
A step for controlling buoyancy so that the floating offshore wind power generation structure can float by controlling the volume ratio occupied by the air layer in the internal space.
A method for installing a floating offshore wind power generation structure, comprising the steps of: attaching one end of a fixing cable to a floating fixture, attaching the other end to a seabed fixture, and installing the seabed fixture on a stable seabed structure to stably fix the floating offshore wind power generation structure to a predetermined seabed location.
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