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KR102632315B1 - 부이 및 그 부이를 위한 설치 방법 - Google Patents

부이 및 그 부이를 위한 설치 방법 Download PDF

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KR102632315B1
KR102632315B1 KR1020207017258A KR20207017258A KR102632315B1 KR 102632315 B1 KR102632315 B1 KR 102632315B1 KR 1020207017258 A KR1020207017258 A KR 1020207017258A KR 20207017258 A KR20207017258 A KR 20207017258A KR 102632315 B1 KR102632315 B1 KR 102632315B1
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KR
South Korea
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buoy
water
central
frame
anchor
Prior art date
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KR1020207017258A
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Inventor
존 스테픈 바로스
Original Assignee
액시스 에너지 프로젝츠 그룹 리미티드
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Publication date
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Abstract

중앙 기둥(12)과, 상기 중앙 기둥에 부착된 외부 프레임(14)을 포함하며, 상기 외부 프레임에 의해 및/또는 그에 부착된 부력체(16)에 의해 제공될 수도 있는 부력을 갖는 부이(buoy)(10)를 개시한다. 상기 중앙 기둥은 음의 부력을 갖되, 보통은 일단이 개방되어 물이 유입되도록 하고, 파도에 의해 야기되는 진동수주형(Oscillating Water Column) 기둥을 생성한다, 이러한 물기둥은 부이에 대한 파도 또는 다른 힘의 영향을 약화시켜 풍력 발전기를 위한 더 안정적인 기초를 제공한다. 진동수주형 기둥으로부터 에너지를 추출하기 위해 추가적인 발전기가 제공될 수도 있다. 상기 부이는 통상적으로, 안정성을 증가시키는 것으로 밝혀진 수중 부력을 유지하는 하나 또는 다수의 텐션 레그 테더들에 의해 앵커에 부착된다. 상기 앵커는 모듈식 중력베이스 앵커일 수 있다.

Description

부이 및 그 부이를 위한 설치 방법
본 발명은 부이(buoy)에 관한 것으로서, 특히 해상 풍력 발전기를 위한 기초로서 사용하기 위한 부이에 관한 것이다.
정부와 산업계가 에너지 생산을 탈-탄소화(de-carbonise)하려고 시도함에 따라 풍력과 파랑과 같은 재생 가능한 에너지원이 점점 더 중요해지고 있다. 그러나 이러한 재생 가능 에너지원의 출력을 증가시키기 위해서는 해결해야 할 엔지니어링 및 환경적 문제가 많이 있다.
풍력 발전의 경우, 대규모 풍력 발전 단지를 설치할 수 있는 육상 공간이 제한되어 있다. 따라서 점점 해양 사이트로 초점이 바뀌고 있다. 이러한 해양 사이트는 육상 사이트의 몇몇 단점들을 해결하기는 하지만, 역사적으로는, 풍력 발전기의 베이스가 해저에서 버티고 서있을 수 있도록, 해안 근처의 천해에 있어야 하고, 필요한 기초에 적합한 해저 토양의 존재가 전제조건이다.
해양의 심해 사이트는 풍력 발전기를 해안에서 멀리 떨어지게 하지만 그러한 풍력 발전기는 일반적으로 해저 상에 서있을 수는 없다. 해체된 석유 및 가스 플랫폼을 사용하는 것이 하나의 가능한 해결책으로 제안되었지만 여전히 다른 해결책을 찾아야 할 필요가 존재한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 부이가 제공되는바, 상기 부이는:
중앙 기둥; 및
상기 중앙 기둥에 부착된 외부 프레임을 포함하되,
여기서 부력은 외부 프레임 및/또는 외부 프레임 및 중앙 기둥 중 적어도 하나에 부착된 부력체에 의해 제공되며; 그리고
상기 중앙 기둥은 음의 부력(negatively buoyant)을 갖는다.
본 발명의 발명자는, 부이가 사용 중이고 수중에 있을 때, 부력체를 수면 아래로, 특히 가장 낮은 수위 아래로 유지시키면 부이, 따라서 그 부이에 부착 또는 장착되는 것의 안정성을 향상시킨는 것을 인식하였다.
사용시, 부력체(buoyancy)는 수중에, 수면 아래, 특히 가장 낮은 수위 아래에 유지된다. 대조적으로, 중앙 기둥은 전형적으로 수면 아래, 특히 가장 낮은 수위 아래에서 수면 위쪽으로 연장된다.
상기 부이는 텐션 레그 부이(tension leg buoy)이거나, 또는 텐션 레그 부이로 지칭될 수도 있다.
사용시 외부 프레임은 하부 프레임 및/또는 수중 프레임이거나 그렇게 지칭될 수도 있다. 이것은 일반적으로 중앙 기둥과 관련이 있다.
기지의 텐션 레그 부이의 부력은 보통 중앙 구조에 의해 제공된다. 약간의, 전형적으로는 상당한, 부력을 제공하는 중앙 구조가 파도 및/또는 놀(swell)에 노출될 때, 그의 전체 부력은 중앙 구조에 대한 수위의 변화에 따라 변한다. 이것은 조수 효과 및/또는 파도와 관련된 수위의 변화로 인해 부력 값이 변함에 따라 하부의 테더에 있어서의 장력의 변동을 야기하고, 설계상 만족시켜야만 하는 테더의 피크 장력을 증가시키게 된다.
본 발명의 부력체가 외부 프레임 및 중앙 기둥 중 적어도 하나에 부착될 때, 상기 부력체는 하나 또는 다수의 탱크들을 포함할 수 있다. 탱크는 가압 탱크(pressurised tanks)일 수 있다. 탱크는 주위 압력, 전형적으로는, 해수 압력에 대략 1.5 bar을 넘는 가압 탱크일 수 있다.
전체 또는 대체로 모든 부력은 외부 프레임의 관형 부재에 의해 제공될 수도 있다.
외부 프레임을 중앙 기둥에 부착하기 위해 구조적 지지부를 사용할 수도 있다. 이러한 구조적 지지부는 스틸 와이어 로프 및/또는 인장형 스틸 와이어 로프(tensioned steel wire ropes)일 수 있다.
부이 및/또는 부이의 구성 요소, 예를 들어, 중앙 기둥은 철근 콘크리트(reinforced concrete)로 제조될 수 있다.
부이는 전형적으로 단순한(dumb) 것으로서, 즉, (중앙 기둥의 하단에서 일반적으로 개방되는 것 이외에는) 부이가 수중 및/또는 수면 하에 있을 때 작동될 수 있는 어떠한 수면하 개구부(들)가 없으며, 조절 가능한 밸러스트(ballasting)도 없고, 또한 윈치도 갖지 않는다. 부이가 단순한 형태일 경우, 수중에 설치시 설치 작업 중 및/또는 부이의 수명 동안 부이의 신뢰성이 향상된다는 것이 본 발명의 하나의 이점일 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 또한 하나 또는 다수의 텐션 레그 테더(tension leg tethers)에 의해 앵커에 부착되는 기술한 바와 같은 부이를 포함하는 부이 시스템을 제공하며, 여기서 부력체는 수면 아래에 위치된다.
부이는 일반적으로 하나 또는 다수의 테더들로 앵커에 부착된다. 부이 시스템은 앵커를 포함할 수 있고/있거나 하나 또는 다수의 텐션 레그 테더들을 포함할 수 있다. 상기한 하나 또는 다수의 테더는 일반적으로 외부 프레임 및 앵커에 부착된다. 외부 프레임의 크기 및/또는 직경은 그 외부 프레임과 앵커 사이의 계류 오프셋(morring offset)을 최적화하도록 선택될 수 있다는 것은 본 발명의 하나의 이점일 수도 있다. 상기한 하나 또는 다수의 테더는 하나 또는 다수의 레그들 및/또는 하나 또는 다수의 텐션 레그로 지칭될 수도 있다. 사용시, 외부 프레임 및 앵커에 부착된 상기한 하나 또는 다수의 테더는 일반적으로 수직 상태이다.
본 발명의 발명자는 부이가 수중에서 사용될 때, 부력체를 수면 아래로, 특히 가장 낮은 수위 아래로 유지시키면, 폭풍 환경 동안 최소 요구 테더 장력을 유지하는 이점을 가질 수 있음을 인식하였다. 따라서, 이것은 일반적으로 부이 및 그 부이에 부착되거나 장착된 모든 것의 안정성을 향상시킨다.
중앙 기둥은 전형적으로 제1 및 제2 단부를 갖는다. 제1 단부는 일반적으로 가장 높은 위치이고 사용시 물밖에 존재한다. 제2 단부는 일반적으로 가장 낮은 위치이고, 사용시 수중에 존재한다. 상기 제1 및/또는 제2 단부는 개방되어 있을 수 있다. 일반적으로 제2 단부는 개방상태이다. 제1 단부는 개방되거나 폐쇄되거나 또는 부분적으로 개방될 수도 있다.
중앙 기둥은 물에 잠길 수 있다. 사용시, 제2 단부가 개방될 때, 물은 하나 또는 다수의 중앙 기둥 내로 유입, 유출 및 이동할 수 있다. 중앙 기둥 내부의 수위는 일반적으로 기둥 외부의 수위와 일치하거나 적어도 실질적으로 일치한다. 이것은 일반적으로 피크 장력을 줄이고 부이의 테더 장력 변동을 최소화한다. 기둥의 제1 단부는 댐핑 효과를 제공하도록 개방 또는 폐쇄되거나 부분적으로 개방될 수 있다. 이러한 모드에서 중앙 기둥은 파력 에너지 변환(wave energy conversion: WEC)에 의한 전기 생산을 위해 활용될 수 있는 진동수주(oscillation water column: OWC)를 제공한다. 중앙 기둥 외부 근처에 추가적인 OWC WEC 장치가 설치될 수도 있다.
중앙 기둥은 공간 프레임을 포함할 수 있다. 중앙 기둥은 중앙 지지 기둥을 가질 수 있다. 중앙 지지 기둥은 중앙 기둥을 강화시키고/시키거나 중앙 기둥에 대한 파동 부하의 영향을 감소시키는 것에 도움될 수 있다. 중앙 기둥 공간 프레임은 평면에서 삼각형 형상일 수 있다.
중앙 기둥은 음의 부력을 가지며, 따라서 공간 프레임은 전형적으로 피크 장력을 감소시키고/시키거나 부이의 테더 장력 변동을 최소화한다. 사용시, 부이가 적어도 대체로 수직으로 유지되고/되거나 흔들리지 않는 것이 본 발명의 또 하나의 이점일 수 있다.
중앙 기둥의 직경은 부이에 대한 해양기상학적 영향을 감소시키고/시키거나 하나 또는 다수의 테더에 대한 계류 하중(mooring load) 및/또는 장력을 감소시키도록 최소화될 수 있다. 이것은 또한 필요한 앵커의 크기를 줄일 수도 있다.
외부 프레임에 의해 제공되는 양의 부력 및/또는 상기 외부 프레임 및 중앙 기둥 중의 적어도 하나에 부착되는 부력의 양은 전형적으로 상기 기둥에 부착 또는 장착되는 장치(들)의 질량을 또한 고려할 때 상기한 하나 또는 다수의 테더에 대한 필요 장력을 제공하도록 전형적으로 선택된다.
하나 또는 다수의 테더들, 전형적으로는 적어도 3개, 그리고 일반적으로는, 4개 또는 더 많은 수의 테더들이 존재할 수도 있다.
상기한 부이, 및 전형적으로는 상기 부이의 중앙 기둥은, 풍력 발전기(wind powered generator); 파력 발전기(wave powered generator); 해류 터빈(water current turbine); 경고 신호, 예를 들어, 광 또는 비콘(beacon) 신호; 레이더 반사기; 레이더 마스트; 레이더 안테나; 능동형 레이더 표적 인핸서(Radar Target Enhancer: RTE); LIDAR 비콘, 풍력 터빈, 예를 들면, 수평 또는 수직 축 풍력 터빈; 태양광 발전기, 예를 들면, 태양 전지판; 파동 에너지 변환기(Wave Energy Converter: WEC); 진동수주(Oscillating Water Column: OWC) 파동 에너지 변환기; 수중 전류 에너지 변환기; 기록 장비; 해양기상학적 기록 장비; 배터리 실; 통로(walkway) 등을 포함하는 하나 또는 다수의 장치들을 수용할 수 있다.
상기한 하나 또는 다수의 장치, 예를 들어, 풍력 발전기 및/또는 파력 발전기는 일반적으로 부이, 및 전형적으로는, 상기 부이의 중앙 기둥에 부착된다. 본 명세서에서 수용한다(accommodate)는 것의 의미는 일반적으로 부착하는 것을 포함한다. 상기 하나 또는 다수의 장치는 일반적으로 중앙 기둥의 제1 단부에 부착된다. 중앙 기둥의 제1 단부는 상기한 하나 또는 다수의 장치를 위한 플랫폼으로 지칭될 수도 있다.
선택적으로, 부이는 하나 또는 다수의 테더에서 텐션 변동을 활용하는 압전 시스템(piezoelectric system)을 포함할 수 있다.
부이, 및 따라서 그 부이에 부착되거나 장착된 것이 무엇이든, 그것의 안정성의 향상은 하나 또는 다수의 장치, 여기서는, 풍속 및 방향을 측정하기 위한 하나 또는 다수의 장치들이 수면상의 다른 높이, 즉, 전형적으로는, 평균 해수면(Mean Sea Level: MSL), 예컨대, 150미터, 50미터 및 10미터 상에서 풍향 및 풍속을 측정하는 것을 가능하게 한다.
부이는 전력 및/또는 신호 전송을 위한 연결부를 포함할 수도 있다. 상기 연결은 수중 엄빌리컬(subsurface umbilical) 케이블을 위한 것일 수도 있다.
사용시, 부이의 부력체 및 통상적으로 외부 프레임은, 전형적으로는, 설계 강우량(design storm)에서 Hmax 파랑골(wave trough) 아래에서 완전히 및/또는 영구적으로 잠겨진 상태로 유지된다. 이것은 테더 장력이 유지되고, 또한 부이의 부력체가 항상 완전히 잠기게 되므로 파도로 인한 테더 장력의 변동이 최소화되는 것을 보장하는 것을 목표로 한다. 사용시, 부이의 부력체가 물에 잠기도록 유지함으로써, 파동의 영향 중 하나 또는 다수가 감소하고, 하나 또는 다수의 테더에 대한 계류 하중이 감소함과 아울러 필요한 앵커의 크기가 감소한다. 이것은 일반적으로 비교 설계(comparative design)와 연관된다.
사용시, 파동 유도 부력의 변화를 제거함으로써 테더 장력의 변동을 감소시키고, 결과적으로 하나 또는 다수의 테더의 피로 수명을 향상시키는 것이 본 발명의 하나의 이점일 수 있다. 하나 또는 다수의 테더들의 피크 장력을 감소시키는 것은 피크 장력에 안전 계수를 더하는 것에 대해 명시되므로 상기한 하나 또는 다수의 테더에 있어서의 비용을 감소시킨다.
사용시, 부이의 부력체는 전형적으로 물에 잠긴 상태로 유지되므로 부력체의 총 변위 체적은 일정하거나 적어도 대체로 일정하게 유지되고, 따라서 그 부력체에 의해 제공되는 양의 부력(positive buoyancy)은 일정하게 유지된다. 따라서 필요한 부력체의 크기 및/또는 양이 감소될 수 있다.
사용시, 음의 부력 상태의 중앙 기둥, 그 중앙 기둥에 부착된 외부 프레임, 및 외부 프레임 및 중앙 기둥 중의 적어도 하나에 제공되거나 부착된 부력체의 배열은, 사용시 중앙 기둥 및 그에 부착된 장치가 안정적으로 유지되고 및/또는 청파(green water)가 없고 및/또는 롤링 및/또는 동요(heave)가 최소인 것을 의미할 것이다.
앵커 웨이트(anchor weight)는 일반적으로 안전 계수로서 부이로부터의 테더의 수직 하중을 수용하도록 설계된다. 앵커에는 사용시 앵커 자체의 무게로 해저를 관통하거나 및/또는 해양기상학적 효과로부터의 측면 하중에 저항하는 스커트(skirt)를 가질 수도 있다.
앵커는 일반적으로 개방 구조인데, 즉 앵커를 통해 물이 흐를 수 있다. 물이 앵커를 통과할 수 있다면, 앵커와 그 하부 표면 사이에 물이 빠져나갈 수 있어서, 스커트가 그 표면을 관통할 수 있게 하는 것이 본 발명의 또 하나의 이점일 수도 있다. 상기한 표면은 일반적으로 해저(seabed)이다.
상기 중앙 기둥은 설치될 때 일반적으로 가장 낮은 해수면 아래에서부터 가장 높은 해수면 위로 확장된다.
본 발명의 하나의 장점은, 사용시, 파력 발전기가 물에서 부이로 전달된 에너지의 일부를 제거한다는 것이다. 에너지는 파도, 놀 및/또는 조류로부터 유도될 수 있다. 물에서 부이로 전달되는 에너지의 제거는 전형적으로 사용시 부이 및 따라서 풍력 발전기가 수면에 대해 덜 이동함을 의미할 것이다. 풍력 발전기가 수면에 대해 덜 움직이게 되면, 더 안정적일 수 있고/있거나 더 에너지 효율적일 수 있으며, 즉 더 많은 풍력 에너지가 전기 에너지로 변환될 수 있다. 이러한 방식으로 시스템을 감쇠(댐핑)시킴으로써, 테더 장력의 변화율이 전형적으로 느려져, 테더 피로 수명을 향상시키고, 잠재적으로는 설계상의 피크 테더 장력을 감소시킨다. 상기한 하나 또는 다수의 테더의 피크 장력을 감소시키면, 이들은 피크 장력에 안전 인자를 더한 것에 대해 규격이 명시되기 때문에 상기한 하나 또는 다수의 테더의 비용을 감소시킨다.
풍력 및 파력 발생의 조합은 별도의 풍력 및 파력 발전기를 분리시키는 것에 비해 부이에 부착되는 시스템의 발전 용량을 증가시킨다는 것이 본 발명의 또 하나의 이점일 수 있다. 또한, 파력 발전기는 풍력 발전기에 비해 바람이 없거나 바람이 거의 없을 때에도 계속해서 전력을 생성할 수 있다. 이것은 시스템의 상업적 생존 능력을 향상시킬 수 있다.
풍력 발전기는 일반적으로 에어로포일 발전기(aerofoil-powered generator)이다. 풍력 발전기는 수평축 풍력 터빈(horizontal-axis wind turbine: HAWT) 또는 수직축 풍력 터빈(vertical-axis wind turbine: VAWT)일 수 있다.
파력 발전기는 일반적으로 공진수주형(Oscillating Water Column: OWC) 장치이다. 상기 OWC 장치는 통상적으로 파도의 형태로 물의 상승 및 하강으로부터 에너지를 생성하는 것이 전형적이다. 파력 발전기는 웰스 터빈(Wells Turbine)일 수도 있다. 파력 발전기는 파력 에너지 변환기(Wave Energy Converter: WEC)로 지칭될 수도 있다.
풍력 발전기 및 파력 발전기는 일반적으로 전기를 생성하는 데 사용된다.
부이가 심해에 설치될 수 있다는 것이 본 발명의 또 다른 이점일 수도 있다.
앵커는 모듈식 중력베이스 앵커(modular gravity base anchor)일 수 있다.
부이는 설치 프레임과 결합 될 수 있다. 설치 프레임은 재사용 가능할 수 있다. 설치 프레임은 부이를 육지에서 해양의 설치 사이트로 운송하는 데 도움이 될 수 있다. 이것은 항구/해안에서의 설치 활동 중, 예인 중 및 해양 설치 중에 안정성을 제공할 수 있다. 설치 프레임에는 하나 또는 다수의 윈치 및/또는 스트랜드 잭(strand jacks)이 제공될 수도 있다. 설치 프레임은 밸러스트(ballast)를 포함할 수 있다. 상기 밸러스트는 유체, 전형적으로는 물, 일반적으로 해수일 수 있다. 밸러스트는 설치 프레임에 부착된 하나 또는 다수의 탱크에 저장될 수 있다. 밸러스트가 유체, 전형적으로 물, 일반적으로 해수일 경우, 밸러스트는 하나 또는 다수의 탱크 안팎으로 펌핑 가능하여 설치 프레임, 따라서 부이의 부력 중심을 제어하고/하거나, 수중에서 설치 프레임 및/또는 부이의 위치를 제어할 수 있다. 대안적으로, 공기와 같은 압축가스가 상기한 하나 또는 다수의 탱크로부터 물을 배출하기 위해 사용될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전술한 것에 따른 부이를 설치하는 방법이 제공되는바, 상기 방법은,
- 선택적으로 하나 또는 다수의 윈치 및/또는 스트랜드 잭, 및 적어도 하나의 밸러스트 탱크를 갖는 설치 프레임을 사용하는 동작,
- 상기 설치 프레임에 부이를 배치하는 동작;
- 상기 하나 또는 다수의 밸러스트 탱크 안팎으로 압축가스, 유체, 물 또는 해수를 펌핑하여 설치 프레임 및 따라서 부이의 부력의 중심을 제어하고, 및/또는 수중에서 설치 프레임 및/또는 부이의 위치를 제어하는 동작; 및
- 상기 프레임과 부이를 해양 설치 사이트로 이송하는 동작을 포함한다.
일반적으로, 풍력 발전기는 해양 설치 사이트로 이송되기 전에 부이(설치 프레임에 배치됨)에 추가된다.
본 발명의 실시 예들의 이점은 부이와 설치 프레임의 진수가 천해에서, 바람직하게는, 10미터 미만, 보다 바람직하게는 2미터 미만의 경하 홀수(light draft)로써 달성될 수 있다는 것이다. 터빈을 프레임 및/또는 부이에 설치하는 것은, 예를 들어, 해상 상태 4급에서 비교적 얕은 물에서 다운 밸러스팅(ballasting down)을 함으로써 달성될 수 있다.
설치 중, 테더 장력은 전형적으로 부력의 안정성, 전형적으로는 부이의 최적의 안정성을 제공하도록 조절 및/또는 최적화된다. 따라서 테더는 일반적으로, 부이 및 그에 부착된 풍력 발전기가 설치 프레임에서 제거되기 전에 부착된다.
설치 프레임의 밸러스팅은 설치 프레임으로부터 부이(및 전형적으로 부착된 풍력 발전기)의 제거를 용이하게 하기 위해 해양 설치 사이트에서 다시 사용될 수 있다. 따라서, 상기 설치 방법은 압축가스, 유체, 물 또는 해수를 적어도 하나의 밸러스트 탱크 안팎으로 펌핑하여 수중에서 프레임을 낮추고 프레임으로부터 부이를 방출하는 동작을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 이점은, 부이가 전형적으로는 단순한 형태로서(중앙 기둥의 하단에서 전형적으로 개방되는 것을 제외하고), 부이가 수중 및/또는 수면하에 있을 때 작동될 수 있는 어떤 수면하 개구부들이 없고, 조절 가능한 밸러스팅도 없으며, 윈치도 없다는 것이다. 이러한 방식으로, 부이의 제조 비용이 감소하고, 부이를 설치하기 위해 요구되는 기계적 및/또는 서비스 가능한 구성 요소들은 부이 상에 물에 잠기거나 노출되어 있지 않고 설치 프레임의 일부로서 도크 또는 육상으로 다시 복귀될 수 있다.
실제로, 도움이 없이, 특정 실시 예의 부이는 전형적으로 정상적인 사용시 위치에 대해 반전된 위치에서 수중에서 제 위치에 자리 잡을 것이다. 이것은, 사용 시에는, 테더(들)에 의해, 그리고 설치중에는 설치 프레임에 의해 정확한 배향으로 유지된다. 따라서, 다른 부이들과는 달리, 부이가 적절한 방향으로 독립적으로 위치를 잡도록 하기 위해 추가적인 특별한 요소를 부가할 필요가 없으므로 비용이 경감될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여, 단지 예를 들어, 설명할 것이다.
도 1은 부이의 개략도이다.
도 2는 부이 및 앵커의 개략도이다.
도 3은 부이, 앵커 및 설치 프레임의 개략도이다.
도 1은 중앙 기둥(12) 및 그 중앙 기둥에 부착된 외부 프레임(14)을 갖는 부이(10)를 도시한다. 부력체(buoyance)(16)가 외부 프레임(14)에 부착된다. 중앙 기둥(12)은 음의 부력을 가지며 침수성이다.
도 1은 부이(10)의 개략도이다. 실제로는 중앙 기둥(12)은 도 1에 도시된 것보다 외부 프레임(14)으로부터 더 멀리 연장된다. 중앙 기둥(12)은 제1(13a) 및 제2(13b) 단부를 갖는다. 제1 단부(13a)는 최상부로서, 사용 중, 물(미도시) 바깥에 있다. 제2 단부(13b)는 최하부로서, 사용 중, 물(미도시) 속에 있다. 설치를 용이하게 하기 위해 중앙 기둥(13)은 부분들로 조립될 수 있다.
중앙 기둥(12)의 제1(13a) 및 제2(13b) 단부는 개방되어 있다. 사용시 물(미도시)이 중앙 기둥 내부로 유입 및 유출될 수 있다. 중앙 기둥 내부의 수위는 그 기둥 외부의 수위와 실질적으로 일치한다.
중앙 기둥의 제1 단부는 플랫폼(18)을 갖는다. 하나 또는 다수의 장치들(미도시), 즉 통상적으로 풍력 발전기(일반적으로 풍력 터빈이라고도 지칭함)가 그 플랫폼에 부착된다.
6개의 테더(tether: 밧줄 또는 사슬)(20)가 외부 프레임(14)에 부착되는 것으로 도시되어 있다.
도 2는 부이(10) 및 앵커(22)를 도시한다. 부이(10)는 6개의 테더(20)에 의해 앵커(22)에 부착된다. 테더(20)는 외부 프레임(14) 및 앵커(22)에 부착된다. 앵커(22)는 모듈식 중력베이스 앵커(modular gravity base anchor)이다.
앵커(22) 중량은 부이로부터 테더의 수직 하중 및 안전 계수(안전 요인)를 수용하도록 설계된다. 앵커(22)는 개방 구조이며, 물이 그 앵커를 통해 흐를 수 있도록 설계된다.
사용시, 외부 프레임(14)에 부착된 부력체(16)는 수면(32) 아래의 물(30) 속에서 유지된다. 반면에, 중앙 기둥(12)은 수면(32) 아래로부터 수면 위로 연장된다.
풍력 발전기(24)는 상기한 기둥(12)의 상부에 장착된다. 풍력 발전기(24)는 에어로포일 발전기(aerofoil-powered generator)이다. 풍력 발전기(24)는 수평축 풍력 터빈(horizontal-axis wind turbine: HAWT)이다. 풍력 발전기(24)는 전기를 생성하는데 사용된다.
사용시 부이의 부력체는 물(30)의 수면(32) 아래에 있고 중앙 기둥은 침수 가능하다. 이것은 테더 장력 변동을 감소시켜 주고, 최대 테더 장력(peak tether tension)을 감소시키고, 또한 댐핑(damping) 특성을 향상시킨다. 따라서, 이것은 부이(10), 따라서 그 부이에 부착된 풍력 발전기(24)의 안정성을 향상시킨다.
모듈식 중력베이스 앵커(Modular Gravity Base Anchors)는 대형이며 중량이 크다. 풍력 발전기(24)는 6MW 이상의 출력을 가진다. 따라서 중력 베이스 앵커는 천 톤을 넘는 총 수중 중량(total submerged weight)을 가질 수 있다.
모듈식 중력베이스 앵커(22)는 재사용 가능하며 다수의 철근(강화) 콘크리트 블록을 수용하는 철강 베이스를 포함한다. 이 철강 베이스에는 콘크리트 블록들을 제 위치로 안내하는 데 사용되는 복수의 기둥들이 있다. 상기 모듈식 중력 앵커(22)는 해양에 설치되고, 그 앵커의 수명이 끝날 때 블록들은 베이스로부터 들어 올려지고 베이스는 해체 및/또는 재사용을 위해 해수 면으로 다시 들어 올려진다.
모듈식 중력베이스 앵커(22)는 무거운 인양 선박이 필요 없이 대형 앵커를 용이하게 설치할 수 있도록 설계된다. 개별적인 리프트(lift)는 선택된 설치용 선박 크레인의 인양 중량 한계에 맞게 조절됨으로써 설치 크레인의 크기 제한범위 내에서 임의의 수중 중량의 앵커(22)를 구축할 수 있다.
앵커(22)의 베이스에는 스커트가 제공된다. 스커트는 베이스 아래로 연장되어 앵커(22)가 해저에 대해 이동하거나 및/또는 그 위에서 미끄러질 가능성을 완화하는 데 도움이 된다. 스커트의 깊이는 해당 지역의 지질공학적 및 해양기상학적 조건을 고려하여 설계된다. 앵커(22)는 다이버 개입 없이 설치될 수 있다.
앵커(22) 상의 커넥터는 테더(20)를 위한 부착 점을 제공한다. 테더(20)는 원격작동 차량(Remotely Operated Vehicle: ROV)을 사용하여 커넥터에 부착된다. 커넥터는 앵커(24)에 대해 테더(20)의 이동을 제공하도록 연접된다.
도 3은 부이(10), 앵커(22) 및 설치 프레임(40)의 개략도이다. 부이(10)는 설치 프레임(40)과 결합 가능하다. 설치 프레임(40)은 안정성을 제공하고 부이(10)를 해양 설치 사이트로 운송하는 데 도움을 주기 위해 사용된다. 설치 프레임(40)은 해수로 채워질 수 있는 밸러스트 탱크를 포함한다. 해수는 설치 프레임(40), 따라서 부이(10)의 부력을 제어하기 위해 탱크 안팎으로 펌핑이 가능하고, 따라서 수 중에서 설치 프레임(40) 및 부이(10)의 위치를 제어한다. 탱크에서 물을 빼기 위해 압축 공기가 사용될 수도 있다. 테더의 길이와 장력은 부이의 최적 안정성을 제공하도록 최적화된다.
사용시, 밸러스트 탱크를 구비한 설치 프레임(40)은 항구에서 수중에 배치될 수 있고, 부이(10)가 그것에 슬라이딩 형태로 장착될 수 있다. 이어서, 풍력 발전기(24)가 부이(10)에 설치되고, 그 후 전체 시스템이 해양으로 견인된다. 이어서, 테더(20)를 부착하고 밸러스트를 다시 사용하여 부이 시스템으로부터 프레임을 방출시킴으로써 풍력 발전기를 설치한다.
부이(10)는 수면하 개구부가 일체 없고 자체 조절 가능한 밸러스트가 없는 단순한 형태이다. 부이를 해저에 위치시키는데 사용된 다음, 그 설치 프레임은 부이(10)로부터 분리되어 다른 부이의 설치에 사용하기 위해 도크로 다시 이송된다.
본 발명의 범위를 이탈함이 없이 여러 변형 및 개량 사항들이 여기에 또한 포함될 수 있다.

Claims (17)

1 이상의 텐션 레그 테더들(tension leg tethers)에 의해 앵커(22)에 부착되는 부이(buoy)(10)에 관한 것으로,
중앙 기둥(12); 및
상기 중앙 기둥(12)에 부착된 외부 프레임(14)을 포함하되;
부력은 적어도 하나의 외부 프레임(14) 및 상기 외부 프레임(14)과 상기 중앙 기둥(12) 중의 적어도 하나에 부착된 부력체(bouyance)(16)에 의해 제공되며;
상기 중앙 기둥(12)은 음의 부력이고 침수 가능하며;
상기 부력체(16)는 수면 아래에 위치하는 것인 부이.
제1항에 있어서, 상기 중앙 기둥은 사용시 물 외부에 있는 제1 단부와 사용시 수중에 있는 제2 단부를 갖되, 상기 제2 단부는 개방된 상태인 것인, 부이.
제1항에 있어서, 상기 중앙 기둥(12)은 진동수주형(Oscillating Water Column: OWC) 기둥을 형성하는 것인, 부이.
제3항에 있어서, 파동 에너지 변환기(wave energy converter)를 포함하는 것인 부이.
제1항에 있어서, 상기 부이는 상기 중앙 기둥을 수용하기 위한 중앙 지지 기둥을 갖는 것인 부이.
제1항에 있어서, 상기 부력은 상기 외부 프레임 및 상기 중앙 기둥(12) 중 적어도 하나에 부착된 하나 또는 다수의 탱크들에 의해 제공되는 것인 부이.
제6항에 있어서, 상기 부이(10)에 부착되는 풍력 발전기(24)를 지지가능한 것인 부이.
제1항에 있어서, 상기 외부 프레임(14)은 수중에 잠겨 있는 것인 부이.
제1항에 있어서, 상기 중앙 기둥(12)은 수면(32) 아래에서 수면 위로 연장되는 것인 부이.
제1항에 있어서, 상기 텐션 레그 테더들은 수직인 것인 부이.
제6항에 있어서, 상기 앵커(22)는 모듈식 중력베이스 앵커인 것인 부이.
제1항에 있어서, 상기 부이(10)는 상기 하나 또는 다수의 테더에서의 장력 변동을 활용하는 압전(piezoelectric) 시스템을 포함하는 것인 부이.
제1항에 있어서, 상기 부이(10)는 선택적으로 수중 엄빌리컬(subsurface umbilical) 케이블을 통해 전력 전송을 위한 연결부를 포함하는 것인 부이.
풍력 발전기를 지지하는 데 적합한 부이를 포함하는 부이 설치 방법에 있어서,
- 적어도 하나의 밸러스트 탱크를 갖는 설치 프레임(40)을 사용하는 단계;
- 상기 설치 프레임에 부이(10)를 배치하는 단계;
- 상기 적어도 하나의 밸러스트 탱크 안팎으로 압축가스, 유체, 물 또는 해수 중 적어도 하나를 펌핑하는 단계로서, 하기 중 적어도 하나를 제어하기 위한 단계:
(i) 상기 설치 프레임 및 연결된 부이(10)의 부력의 중심, 및
(ii) 수중에서 상기 설치 프레임(40) 및 부이(10) 중 적어도 하나의 위치;
- 상기 프레임(40)과 부이(10)를 해양 설치 사이트로 운반하는 단계;
- 부이(10)를 앵커에 연결된 1 이상의 텐션 레그 테더에 부착하는 단계;
- 부이(10)와 프레임(40)을 분리하는 단계; 및
- 부이(10)를 수면 아래에 위치시키는 단계;를 포함하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 해양 설치 사이트로 이송되기 전에, 풍력 발전기(24)가 상기 부이(10)에 추가되고, 그 부이는 상기 설치 프레임(40) 상에 배치되는 것인 방법.
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