KR101384165B1 - 해상풍력 기초의 세굴방지용 캡 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브는 해상풍력 발전기용 기초슬래브에 있어서, 테두리부에서 중심부로 볼록하게 형성되며, 상기 중심부에 타워를 고정시키는 몸통부; 및 상기 테두리부에서 하방으로 원통형상으로 형성되며, 해저면에 삽입되어 상기 기초슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 삽입부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

해상풍력 기초의 세굴방지용 캡{A cap for protecting foundation scouring for offshore wind turbine}

본 발명은 해상풍력의 모노파일에 적용가능한 세굴방지용 캡에 관한 것으로서, 특히 타워보강과 세굴방지 및 이에 따른 지지구조물의 전도 파괴를 방지할 수 있는 세굴방지용 캡에 관한 것이다.

바다에 설치되는 해상풍력 발전기는 공기의 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 발생시킨다.

해상에서는 육상보다 고운질의 바람이 연속적으로 불지만 큰 규모의 풍차 지지대를 해상에 안전하게 설치해야하는 기술적인 어려움이 있다. 특히 해상풍력발전 하부기초의 제작, 운반 그리고 설치는 풍력 발전기 다음으로 비용이 많이 들어 해저지반의 특성에 맞는 효율적인 하부기초 설계가 요구된다.

해상풍력기초는 수심에 따라 깊이가 0-20m에서는 중력식(Gravity Based) 기초, 0-30m에서는 모노파일(Monopile) 기초, 30-50m에서는 트라이포드(Tripod) 기초, 30-80m에서는 재킷(Jacket) 기초, 그리고 50m 이상에서는 부유식 (Floating) 기초가 사용된다.

일반적으로, 해상풍력기초는 풍력발전기 자체하중보다도 해상의 파력이나 높은 위치에서 작용하는 풍력에 의한 전도모멘트(Overturning Moment)가 지배적인 외력으로 작용하는데, 이처럼, 해상풍력 발전기 지지구조물 설계에서는 바람과 파랑에 의한 전도모멘트가 주도적인 지배 외력이므로 해저지반에 정착되는 하부기초는 특히 이 전도모멘트에 효율적으로 저항할 수 있는 기초 형식으로 설계되어야 한다.

도 1은 종래의 풍력 발전기의 구성도이다.

예를 들어, 특허출원번호 제10-2002-7005923호는 풍력 발전기를 소개하고 있는데, 상기 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 해저지반에 장착되는 기부(2), 기부(2)에 부착되는 탑(3) 및 밸러스트 물탱크(6,7)를 포함하여, 밸러스트수를 상기 밸러스트 물탱크(6,7)에 채움으로써 풍력 발전기를 하강시킬 수 있으며, 밸러스트 물탱크(6,7) 중의 밸러스트수의 양을 줄임으로써 풍력 발전기를 상승시킬 수 있으나, 상기 발명에 따르면, 상기 기부(2)가 직각 형상으로 이루어져 직각부의 접속부가 취약할 수 있기 때문에 보강이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 타워를 지지하는 기초슬래브를 유선형으로 형성하여 해저 기초지반 침식으로 인한 지지구조물의 전도 파괴를 방지할 수 있는 해상풍력 발전기용 기초슬래브를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 세굴방지용 캡은 해상풍력발전 지지용 모노파일이 관통가능한 관통홀이 형성된 중심부; 상기 중심부로부터 테두리부로 연장되며, 상기 중심부를 향해 볼록하게 형성된 몸통부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 몸통부는 복수개의 홀이 포함되어 해수에서 상기 캡을 상기 모노파일에 설치하는 경우에 양성부력을 저감시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 몸통부의 하단에 형성된 테두리부에 연결되어 해저면에 삽입되도록 형성된 삽입부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 관통홀의 외주면에 수직으로 연장되어 상기 모노파일을 지지하는 고정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브는 해상풍력 발전기용 기초슬래브에 있어서, 테두리부에서 중심부로 볼록하게 형성되며, 상기 중심부에 타워를 고정시키는 몸통부; 및 상기 테두리부에서 하방으로 원통형상으로 형성되며, 해저면에 삽입되어 상기 기초슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 삽입부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 삽입부는 석션압에 의해 상기 해저면에 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 삽입부는 끝 단에 삽입날이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 삽입날은 상기 삽입부의 양 면이 테이퍼져 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 삽입날은 상기 삽입부의 일 면이 테이퍼져 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 몸통부에 고정되며, 상기 해저면에 삽입되어 상기 기초슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 복수개의 파일을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 타워는 관측 스테이션이 구비되고, 상기 관측 스테이션과 해저면을 연결하여 상기 타워를 지지하는 복수개의 계류 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 계류 장치는, 상기 관측 스테이션에 고정되는 와이어; 및 상기 와이어에 연결되며 상기 해저면에 고정되는 앵커;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브는 해상풍력 발전기용 기초슬래브에 있어서, 테두리부에서 중심부로 볼록하게 형성되며, 상기 중심부에 타워를 고정시키는 몸통부; 및 상기 테두리부에서 하방으로 역원뿔대형상으로 형성되며, 해저면에 삽입되어 상기 기초슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 삽입부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 삽입부는 외주면에 나사산이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브는 해상풍력 발전기용 기초슬래브에 있어서, 테두리부에서 중심부로 볼록하게 형성되며, 상기 중심부에 타워를 고정시키는 몸통부; 및 상기 테두리부에서 하방으로 갈고리형상으로 형성되며, 해저면에 삽입되어 상기 기초슬래브를 상기 해저면에 고정시키는 복수개의 삽입부;를 포함하고, 상기 삽입부는 외주면과 내주면에 나사산이 형성되는 것을 특징으로 한다.

더불어, 본 발명에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브는 해상풍력 발전기용 기초슬래브에 있어서, 테두리부에서 중심부로 볼록하게 형성되며, 상기 중심부에 타워가 삽입되어 지지되는 꼭지형상의 지지부가 구비된 몸통부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브에 의하면, 타워를 지지하는 기초슬래브를 유선형으로 형성하여 상기 기초슬래브 주변이 쇄굴로 인하여 침식되는 것을 방지함으로써 지지구조물의 전도 파괴를 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 풍력 발전기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 세굴방지용 캡의 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 A부분 확대도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 세굴방지용캡의 제1설치도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 제 1실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브의 제 1설치도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 세굴방지용캡의 제2설치도이다.
도 5b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브의 제 2설치도이다.
도 6은 본 발명의 세굴방지용 캡을 단계별로 설치하는 모습을 보여주는 도이다.
도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제 3실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제 4실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.

도 2는 본 발명의 세굴방지용 캡의 구성도이다.

본 발명에 따른 세굴방지용 캡은 도 2에 도시된 바와 같이, 몸통부(110) 및 삽입부(120)를 포함한다.

상기 몸통부(110)는 내부 공간을 구비하고, 테두리부(111)에서 중심부(112)로 볼록하게 형성되어 솥뚜껑 모양을 형성하고, 상기 중심부(112)에 타워, 구체적으로 타워의 하부기초물(substructure)인 모노파일을 고정시킬 수 있다. 여기서, 상기 타워는 상기 몸통부(110)의 중심부(112)에 형성된 관통홀에 삽입되어 고정될 수 있다.

일반적으로, 스카워링(scouring) 현상, 즉 세굴 현상은 파랑, 수류 등에 의하여 해안, 제방, 하상이나 테라스, 전환수로의 바닥이 침식되어 없어지는 현상으로, 상기 몸통부(110)가 테두리부(111)에서 중심부(112)로 볼록하게 형성된 유선형으로 형성됨으로써 해수에 의해 상기 세굴방지용캡(100) 주변의 해저지반이 침식되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 상기 타워가 편심하중에 의해 전도 파괴되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 몸통부(110)는 상기 중심부(112) 주변에 복수개의 홀이 형성될 수 있는데, 상기 몸통부(110)를 해저면에 설치시 상기 중심부(112) 주변에 형성된 복수개의 홀을 통해 상기 몸통부(110) 내부의 해수가 상기 몸통부(110) 외부로 용이하게 배출될 수 있으므로 상기 몸통부(110)를 해저면에 용이하게 설치할 수 있다.

즉 세굴방지용캡(100)을 해저면에 가라앉힐 때, 양성부력에 의해 하강상 어려움이 있을 수 있으므로 몸통부(110)에 복수개의 홀을 형성시킴으로써 세굴방지용캡(100)의 하중에 의한 음성부력만이 작용하도록 하여 해상풍력발전용 모노파일(500)에 안착시키기 유리하도록 한다.

삽입부(120)는 상기 테두리부(111)에서 하방으로 원통형상으로 형성되며, 해저면에 삽입되어 상기 기초슬래브(100)를 상기 해저면에 고정시킬 수 있으나, 삽입부(120)가 없이도 설치가능하다

도 3a 및 도 3b는 도 2의 A부분 확대도이다.

여기서, 상기 삽입부(120)는 상기 해저면으로의 삽입이 용이하도록 끝 단에 삽입날이 형성될 수 있는데, 상기 삽입날은 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 삽입부(120)의 양 면이 테이퍼져 형성되거나, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 삽입부(120)의 일 면이 테이퍼져 형성될 수 있다.

도 4a는 본 발명에 따른 세굴방지용캡의 제1설치도이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 몸통부(110)와 같은 유선형의 캡을 통해 세굴 현상을 방지가능하고, 이는 종래의 모노파일 형태의 해상풍력발전 기초에 그대로 적용가능하다.

즉, 종래의 해상풍력발전용 모노파일에 세굴방지용캡(100)을 삽입하여 모노파일(500) 주변에서 야기되는 세굴현상을 방지할 수 있고, 세굴방지용캡(100)은 철재 또는 콘크리트 구조물일 수 있으며, 그 내부는 빈 공간을 형성하게 된다.

도 4b는 본 발명에 따른 제 1실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브의 제 1설치도이다.

도 4a의 경우에는 종래의 모노파일에 단순히 세굴방지용캡(100)을 삽입한 형태이나, 도 4b의 실시예에서는 세굴방지용캡(100)과 같은 형상을 그대로 기초슬래브(100)로서 적용한 것이다.

즉, 본 발명은 도 4b에 도시된 바와 같이, 삽입부(120)는 상기 테두리부(111)에서 하방으로 원통형상으로 형성되며, 해저면에 삽입되어 상기 기초슬래브(100)를 상기 해저면에 고정시킬 수 있고, 구체적으로, 상기 슬래브 고정부(120)는 석션압(suction pressure)에 의해 상기 해저면에 삽입되어 고정될 수 있는데, 즉, 상기 슬래브 고정부(120)는 내부의 물이나 공기와 같은 유체를 외부로 석션(suction)함으로써 발생된 상기 슬래브 고정부(120) 내외부의 압력차를 이용하여 설치될 수 있다.

또한, 복수개의 파일(pile,300)을 더 포함할 수 있는데, 이는 몸통부(110)의 내부 공간에 시멘트 등 그라우팅재로 그라우팅한 후, 상기 몸통부(110)에 상기 파일(300)을 고정함으로써 가능하다.

도 5a는 본 발명에 따른 세굴방지용캡의 제2설치도이며, 도 5b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브의 제 2설치도이다.

또한, 본 발명은 상기 타워를 지지하기 위해 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 복수개의 계류 장치(Mooring device,400)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 타워(200)는 타워의 유지보수를 위한 관측 스테이션(210)을 구비할 수 있는데, 상기 계류 장치(400)는 상기 관측 스테이션(210)과 해저면을 연결함으로써 상기 타워(200)를 사방에서 지지할 수 있다.

상기 계류 장치(400)는 와이어(410) 및 앵커(420)를 포함하는데, 상기 와이어(410)는 상기 관측 스테이션(210)에 고정될 수 있고, 상기 앵커(420)는 상기 와이어(210)에 연결되며 상기 해저면에 고정될 수 있다. 이때, 상기 와이어(410)는 양방향 텐션을 주는 와이어 당김 장치(411)를 구비할 수 있고, 상기 앵커(420)는 상기 삽입부(120)와 동일하게 석션압에 의해 상기 해저면에 삽입되어 고정될 수 있다.

여기서, 상기 와이어 당김 장치(411)는 상기 와이어(410)의 중간부분에 위치되거나, 도시되지 않았지만, 상기 관측 스테이션(210)에 위치될 수 있으며, 상기 와이어(410)는 한가닥으로 이루어져 상기 관측 스테이션(210)의 사방에 설치될 수 있다.

도 6은 본 발명의 세굴방지용 캡을 단계별로 설치하는 모습을 보여주는 도이다.

본 발명의 세굴방지용 캡을 설치하는 순서는 도 6에 도시된 바와 같다.

즉, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 먼저, 해저면에 모노파일(500)을 고정하고, 이후, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 캡 형상의 세굴방지용캡(100)를 상기 모노파일(500)에 씌운후, 상기 모노파일(500)과 세굴방지용캡(100)의 연결부위를 그라우팅함으로써 상기 모노파일(500)과 세굴방지용캡(100)의 고정력을 강화시킬 수 있다.

이후, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 모노파일(500)과 타워(200)를 결합한 후, 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이, 와이어(410)를 관측 스테이션(210)에 고정하고, 앵커(420)를 상기 와이어(210)에 연결하여 해저면에 고정함으로써 상기 타워(200)의 지지력을 강화시킬 수 있다.

이하, 설명하게 되는 해상풍력 발전기용 기초슬래브(100)는 이미 설명한 바와 같이, 단순히 세굴방지용캡(100)을 삽입 설치하고 그 내부가 빈 공간일 수도 있고, 그라우팅 처리를 하여 그 자체로서 슬래브기초로서도 사용가능하므로 비록 기초슬래브(100)로 표현하고 있다고 하나, 이것은 기초슬래브(100)와 세굴방지용캡(100)을 포함하는 실시예를 표현한 것이므로 기초슬래브(100)의 권리범위에 한정되는 것은 아니다.

도 7은 본 발명의 제 2실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브의 구성도이다.

본 발명의 제 2실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브는 도 7에 도시된 바와 같이, 타워 지지부(110) 및 슬래브 고정부(120)를 포함한다.

상기 타워 지지부(110)는 본 발명의 제 1실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브에 포함된 타워 지지부와 동일하게 내부 공간을 구비하며 테두리부(111)에서 중심부(112)로 볼록하게 형성된 유선형으로 형성됨으로써 상기 기초슬래브(100) 주변의 해저지반이 침식되는 것을 방지할 수 있다.

상기 슬래브 고정부(120)는 테두리부(111)에서 하방으로 역원뿔대형상으로 형성되며, 해저면에 삽입되어 상기 기초슬래브(100)를 상기 해저면에 고정시킬 수 있는데, 여기서, 상기 슬래브 고정부(120)는 외주면에 나사산이 형성되어 상기 슬래브 고정부(120)가 해저면에 삽입된 경우, 해저의 토사가 상기 슬래브 고정부(120)에 형성된 나사산에 충진되어 상기 슬래브 고정부(120)의 이동을 방지함으로써 상기 기초슬래브(100)와 해저면의 고정력을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 제 3실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브를 상세히 설명한다.

도 8은 본 발명의 제 3실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브의 구성도이다.

본 발명의 제 3실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브는 도 8에 도시된 바와 같이, 타워 지지부(110) 및 복수개의 슬래브 고정부(120)를 포함한다.

상기 타워 지지부(110)는 본 발명의 제 1실시예 및 제 2실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브에 포함된 타워 지지부와 동일하게 내부 공간을 구비하며 테두리부(111)에서 중심부(112)로 볼록하게 형성된 유선형으로 형성됨으로써 상기 기초슬래브(100) 주변의 해저지반이 침식되는 것을 방지할 수 있다.

상기 슬래브 고정부(200)는 상기 테두리부(111)에서 하방으로 갈고리형상으로 형성되며, 해저면에 삽입되어 상기 기초슬래브(100)를 상기 해저면에 고정시킬 수 있는데, 여기서, 상기 슬래브 고정부(120)는 외주면과 내주면에 나사산이 형성되어 상기 나사산에 해저의 토사가 충진됨으로써 상기 기초슬래브(100)와 해저면의 고정력을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 제 4실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브를 상세히 설명한다.

도 9는 본 발명의 제 4실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브의 구성도이다.

본 발명의 제 4실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브는 도 9에 도시된 바와 같이, 타워 지지부(110)를 포함한다.

상기 타워 지지부(110)는 본 발명의 제 1실시예 내지 제 3실시예에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브에 포함된 타워 지지부와 동일하게 내부 공간을 구비하며 테두리부(111)에서 중심부(112)로 볼록하게 형성된 유선형으로 형성됨으로써 상기 기초슬래브(100) 주변의 해저지반이 침식되는 것을 방지할 수 있고, 상기 중심부(112)에 타워가 삽입되는 꼭지형상의 고정부(113)가 구비됨으로써 상기 타워를 용이하게 지지할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 해상풍력 발전기용 기초슬래브를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

100:세굴방지용캡, 기초슬래브 110:몸통부
111:테두리부 112:중심부
113:고정부 120:삽입부
200:타워 210:관측 스테이션
300:파일 400:계류 장치
410:와이어 411:와이어 당김 장치
420:앵커 500:모노파일

Claims (16)

1. 세굴방지용 캡에 있어서,
   해상풍력발전 지지용 모노파일이 관통가능한 관통홀이 형성된 중심부;
   상기 중심부로부터 테두리부로 연장되며, 상기 중심부를 향해 볼록하게 형성된 몸통부;
   상기 관통홀의 외주면에 수직으로 연장되어 상기 모노파일을 삽입시켜 지지하는 꼭지 형상의 고정부;
   상기 테두리부에 연결되어 해저면에 삽입되도록 형성된 삽입부;
   상기 모노파일 상에 설치되고 타워의 유지보수를 위한 관측 스테이션이 구비된 타워; 및
   상기 관측 스테이션과 해저면을 연결하여 상기 타워를 지지하는 복수개의 계류 장치;를 포함하고,
   상기 몸통부는 복수개의 홀이 포함되어 해수에서 상기 캡을 상기 모노파일에 설치하는 경우에 양성부력을 저감시키며,
   상기 삽입부는 상기 테두리부에서 하방으로 원통형상, 역원뿔대형상, 복수개의 갈고리형상 중 어느 하나의 형상으로 형성되어 해저면에 삽입됨으로써 상기 캡을 상기 해저면에 고정시키되,
   상기 삽입부가 역원뿔대형상으로 형성되는 경우 상기 삽입부의 외주면에 나사산이 형성되고, 상기 삽입부가 복수개의 갈고리형상으로 형성되는 경우 상기 삽입부의 외주면과 내주면에 나사산이 각각 형성되어 상기 나사산에 해저의 토사가 충진됨으로써 상기 캡과 해저면의 고정력을 향상시키며,
   상기 계류 장치는,
   상기 관측 스테이션에 고정되는 와이어;
   상기 와이어에 연결되며 상기 해저면에 고정되는 앵커; 및
   상기 와이어에 설치되며 상기 와이어에 양방향 텐션을 주는 와이어 당김 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 세굴방지용 캡.
   
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3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 삽입부가 원통형상으로 형성되는 경우,
   상기 삽입부는 끝 단에 삽입날이 형성된 것을 특징으로 하는 세굴방지용 캡.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 삽입날은 상기 삽입부의 양 면이 테이퍼져 형성된 것을 특징으로 하는 세굴방지용 캡.
   
9. 제 7항에 있어서,
   상기 삽입날은 상기 삽입부의 일 면이 테이퍼져 형성된 것을 특징으로 하는 세굴방지용 캡.
   
10. 제 1항에 있어서,
    상기 몸통부에 고정되며, 상기 해저면에 삽입되어 상기 캡을 상기 해저면에 고정시키는 복수개의 파일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세굴방지용 캡.
    
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