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KR101713618B1 - 해안 풍력 터빈의 지지를 위한 워터-엔트랩먼트 플레이트 및 비대칭 무링 시스템을 가진 칼럼-안정화된 해안 플랫폼 - Google Patents

해안 풍력 터빈의 지지를 위한 워터-엔트랩먼트 플레이트 및 비대칭 무링 시스템을 가진 칼럼-안정화된 해안 플랫폼 Download PDF

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KR101713618B1
KR101713618B1 KR1020167007816A KR20167007816A KR101713618B1 KR 101713618 B1 KR101713618 B1 KR 101713618B1 KR 1020167007816 A KR1020167007816 A KR 1020167007816A KR 20167007816 A KR20167007816 A KR 20167007816A KR 101713618 B1 KR101713618 B1 KR 101713618B1
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KR
South Korea
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platform
semi
wind turbine
tower
columns
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KR1020167007816A
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English (en)
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KR20160040306A (ko
Inventor
도미니크 로디어
크리스티안 세르멜리
Original Assignee
프린시플 파워, 인코포레이티드
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Publication date
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Application filed by 프린시플 파워, 인코포레이티드 filed Critical 프린시플 파워, 인코포레이티드
Publication of KR20160040306A publication Critical patent/KR20160040306A/ko
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Abstract

본 발명은, 수평 메인 빔(115)과 서로 커플링된 세 개의 칼럼(102, 103)을 포함하는 부유 프레임 (105)를 포함하는 부유 풍력 터빈 플랫폼에 관한 것이다. 풍력 터빈 타워 (111)는 구조 강도를 개선하고 시스템 구조를 간단히 하기 위해 타워 지지 칼럼(102) 위에 세워져 있다. 터빈 블레이드(101)는 타워(111) 위에 회전되는 나셀(125)에 커플링 되어 있다. 터빈의 기어박스 발전기 및 다른 전기 기어는 나셀에 전통적으로 장착되거나 타워(111)의 아래에 또는 타워-지지 칼럼(102)의 위에 장착될 수 있다. 부유 프레임(105)은, 풍속과 무관한 10 수직 정렬로 타워(111)를 유지시키기 위해 칼럼(102, 103) 사이에 물을 펌프하는 물 밸러스트 시스템을 포함한다. 워터-엔트랩먼트 플레이트(107)는 웨이브 때문에 부유 프레임(105)의 회전 이동을 최소화하기 위해 칼럼(102, 103)의 바닥에 장착된다.

Description

해안 풍력 터빈의 지지를 위한 워터-엔트랩먼트 플레이트 및 비대칭 무링 시스템을 가진 칼럼-안정화된 해안 플랫폼{COLUMN-STABILIZED OFFSHORE PLATFORM WITH WATER-ENTRAPMENT PLATES AND ASYMMETRIC MOORING SYSTEM FOR SUPPORT OF OFFSHORE WIND TURBINES}
관련된 출원의 교차 출원
본 특허 출원은, 2008년 4월 23일에 출원된, "Column-Stabilized Offshore Platform With Water-Entrapment Plates And Asymmetric Mooring System For Support Of Offshore Wind Turbines"의 발명의 명칭을 가지는, 미국 가특허 출원 제 61/125,241호의 우선권을 청구하며, 이의 전체 내용은 참조로서 그대로 통합되어 있다.
풍력 터빈은, 바람으로부터 운동에너지를 기계 에너지로 전화시켜 그 다음에 전기로 전환되는 회전 기계이다. 풍력 터빈은 랜드 기초 설비 뿐만 아니라 해안 설비를 위해 개발되고 있다. 상기 랜드 기초한 풍력 터빈은 땅에 고정되어 있고 바람부는 영역에 위치한다. 수직으로 배열된 주된 로터 샤프트를 가지는 수직 축 풍력 터빈 및 바람을 향하게 위치된 수평 로터 샤프트를 가지는 수평 축 풍력 터빈이 있다. 수평 축 풍력 터빈은 일반적으로 타워 및 상기 타워의 상부에 커플링 되어 있는 전기 발전기를 가진다. 상기 발전기는 허브 조립 및 터빈 블레이드에 기어박스를 통해 또는 직접 커플링 될 수 있다.
풍력 터빈은 또한 해안 어플리케이션을 위해 사용되어 오고 있다. 단일 타워 해안 시스템은 씨베드로 장착되어 있고 30미터 이하의 얕은 물 깊이로 제한되어 있다. 상기 터빈 타워가 더 넓은 베이스, 예컨대 격자 구조상에 장착된다면, 이 얕은 깊이 요건은 50m로 연장될 수 있다. 더 깊은 물에서, 단지 부유 시스템은 경제적으로 이용가능함이 기대된다. 얕은 물 시스템의 단점은 물이 일반적으로 해안가로 가까운 곳이 단지 얕을 뿐이라는 것이다. 따라서, 해안가에 가까운 풍력 터빈은 해안가 시야를 차단할 수 있고 항해 장애물을 만들 수 있고 수상 선박 및 에어크래프트에 잠재적 위험을 만든다.
현재, 개발되고 있는 해안 부유 풍력 터빈 플랫폼을 위한 많은 개념이 있다. 일반적으로, 이것들은 세 개의 주된 분류에 속한다: Spars; Tension Leg Platforms(TLP's); 및 세미-수중 / 하이브리드 시스템. 부유 풍력 터빈 플랫폼의 예는 Statoil Norsk-Hydro Hywind 스파(spar)(도 1), Blue HTLP 최근 프로토타입(도 2), SWAY 스파/TLP 하이브리드(도 3), Force Technology WindSea 세미 수중(도 4) 및 Trifloater 세미 수중(도 5)을 포함한다. 도 1을 참조하면, 스파는 워터 라인 근처 부력 탱크 및 상기 구조의 하부의 상당한 밸러스트로 하중 된 긴 모양의 구조이다. 안정성 목적을 위해, 중력의 중심은 부력의 중심보다 더 낮아야 한다. 이는 상기 스파가 직립으로 뜨게 됨은 보장할 것이다. 이 스파는 제 위치에서 스파를 홀드 하는 다수의 라인으로 상기 해저에 무어 된다. 일반적인 용어로, 스파 타입 구조는 수직 웨이브 여기 포스에 대한 감소된 반응 및 스파의 깊은 드래프트에 기인한 세미-수중보다 더 우수한 항해 성능을 가진다. 그러나 이들은 또한 다른 시스템보다 더 많은 피치 및 롤 모션을 가지는데, 왜냐하면, 안정성에 기여하는 상기 물 플레인 영역이 이 디자인에 감소하기 때문이다.
도 2를 참조하여, TLP는 씨베드로 직접 플로터(floater)를 연결시키는 수직으로 신장된 케이블 또는 스틸 파이프를 가진다. 부력 모듈이 충분한 안정성을 제공하기 위해 일시적으로 부가될 수 있는 경우에, 상기 설비 페이즈 중을 제외하고, 안정성을 위한 중력의 낮은 중심을 위한 요건은 없다. TLP는 매우 좋은 항해 및 각 모션을 가지지만, 상기 무링 설비의 복잡성 및 비용, 조수 변화에 기인한 텐돈(tendon) 신장의 변화 및 타워와 무링 시스템 사이의 구조 빈도 커필링은, TLP 시스템을 위해 3개의 주된 허들이다.
상이한 타입의 해안 풍력 터빈 구조를 비교하는 경우에, 웨이브 및 바람 유도된 모션은 고려할 성능의 유일한 요소는 아니다. 경제성은 중요한 역할을 한다. 그래서, 제조, 설비, 작동/폐기(commissioning/decommissioning) 비용 및 유지 방법을 위한 어세스의 용이성을 주의 깊게 연구하는 것이 중요하다. 작동 및 통로 조건에서 얕은 드래프트 및 우수한 안정성을 가진 세미-수중 개념은 텐돈 연결 전에 이의 낮은 안정성 때문에, 그리고 이의 드래프트 및 TLP 때문에 스파보다 토우 아웃하고 설치하며 작동/폐기하는데 훨씬 더 비용이 싸다.
3 이상의 칼럼을 포함하는 세미-수중 해안 부유 풍력 터빈 플랫폼이 본원에 기재되어 있다. 3 이상의 칼럼에 추가하여, 본원에 기재된 풍력 터빈 플랫폼은 풍력 터빈 플랫폼의 성능을 개선하는 추가 특징을 포함한다. 도 6에 기재된 일 실시예에서, 이 부유 풍력 터빈 플랫폼은 타워를 수직으로 유지시키도록 칼럼 사이의 물 밸러스트를 이동시키는 활성 밸러스트 시스템을 포함한다. 더구나, 정렬 센서는 바람 로딩을 측정하기 위해 플랫폼에 커플링 될 수 있다. 추가로, 본 발명에 따른 풍력 터빈 플랫폼은 다른 플랫폼 디자인에 비교하는 경우에 상대적으로 가벼운 무게이고 환경적 로드를 지탱할 수 있는 그리고 에너지 생산을 위해 훨씬 더 경제적으로 이끌 수 있는 구조의 생산을 용이하게 하는 비대칭 무링 시스템 및 활성 밸러스트 시스템과 같은 하나 또는 그 초과의 추가 특징부를 포함할 수 있다.
본원에 기재된 플랫폼에 포함된 상기 칼럼은 수평 및 수직 브레이싱 빔을 포함하는 관형 트러스 시스템으로 서로 커플링 될 수 있다. 수평 워터-엔트랩먼트 플레이트는 모든 칼럼 또는 일부 칼럼의 바닥 부분에 부착되어 있다. 풍력 터빈 타워는 구조의 매우 높은 위치에서 상당한 바람 로드를 받으며, 칼럼들 사이의 공간은 안정성을 달성한다. 일 실시예에서, 도 6에 예시된 바와 같이, 상기 터빈 타워는 칼럼 중 하나의 상부에 부착되며, 이는 메인 빔에 의해 다른 칼럼에 그 자체로 커플링 되어 있다. 이 구조는 부유 풍력 터빈 플랫폼의 구조 효능을 개선하며, 이 구조가 상대적으로 가벼운 무게가 되도록 한다.
도 7에 예시된 또 다른 실시예에서, 터빈 타워는 타워 및 풍력 터빈 성분의 무게를 지지하는 부력 칼럼 위에 직접 커플링 되어 있다. 이 실시예에서, 다른 칼럼은 플랫폼을 안정화시키고 타워를 수직 정렬로 유지시키는 기능을 한다. 추가로, 활성 부력 시스템은 칼럼들 사이에 밸러스트를 이동시키기 위해 사용될 수 있다. 도 7에서 도시된 실시예에서, 타워의 무게가 외부 칼럼의 부력에 의해 지지되지 않기 때문에, 플랫폼은 외부 칼럼과 중심 타워 칼럼 사이에 많은 구조 지지부가 요구되지 않는다. 대조적으로, 타워가 덱의 중심에 위치하는 일부 이전 디자인에서, 이 구조는 비교적 무겁고 잠재적으로 덜 경제적으로 이용되는데, 왜냐하면 타워 및 터빈의 무게 및 공력 모멘트 때문에, 이 구조는 긴 구조의 중간에 큰 로드를 지지해야 한다.
예를 들어, 하나 또는 그 초과의 피치 컨트롤 시스템, 기어 박스, 편요(yaw) 컨트롤러 및 발전기를 하우징 할 수 있는 나셀은, 타워의 상부에 장착될 수 있고 허브로부터 연장되어 있는 터빈 블레이드 및 허브에 지지를 제공한다. 이 허브는 터빈 블레이드의 피치가 조절될 수 있게 하는 메커니즘을 포함할 수 있어서, 터빈 블레이드의 회전 속도는 정상 풍속 범위 위에서 일정하다. 나셀은 편요 컨트롤 시스템에 커플링될 수 있으며, 이는 최적 효능을 위해 바람으로 직접 터빈 블레이드를 포인트 한다. 나셀 내에 일반적으로 위치하는, 기어 박스 및 전기 발전기와 같은 풍력 터빈 장치는 거기에 있거나, 이들은 타워 아래 또는 칼럼의 상부에 위치될 수 있다. 기어 박스를 가지지 않는, 다이렉트 드라이브 터빈은 본원에 기재된 플랫폼과 함께 또한 사용될 수 있다. 발전기에 의해 발전된 전력은 변하는 풍속 때문에 무작위 빈도 및 크기로 사용될 수 있다. 전력은, 균일한 출력 전압 및 전류를 만들기 위해 변압기, 인버터 및 정류기로 바뀔 수 있다. 이 전기 성분들은 타워의 하부 또는 또 다른 칼럼의 하부에, 나셀에 위치될 수 있다. 이 풍력 터빈으로부터 전기 출력은 해저로 그리고 파워 스테이션으로 연결되어 있는 전기 케이블을 통해 전달될 수 있다. 해저에 곧장 연결되기보다, 케이블의 일부가 케이블의 일부를 올리는 부력 메커니즘에 커플링될 수 있다. 그 다음에 이 케이블은 만곡된 경로를 가질 수 있고, 이를 통해, 임의의 큰 추가 신장을 케이블에 넣지 않고, 부유 풍력 터빈 플랫폼이 파도, 해류 및 조류에 수직 또는 수평으로 이동될 수 있다.
일 실시예에서, 부유 풍력 터빈 플랫폼은 높은 강한 구조의 특별한 구성을 가진다. 칼럼 사이에 장착된 메인 빔은 길이가 동일하고 실제로 등변 삼각형을 형성한다. 수평 브레이싱 크로스 빔은 메인 빔의 약 1/3 길이에 인접 메인 빔 사이에 커플링 되어 있다. 수평 브레이싱 크로스 빔 및 메인 빔은 메인 빔에 의해 형성된 삼각형의 세 코너에서 추가 등변 삼각형을 형성한다. 수직 브레이싱 빔은 칼럼의 중간 섹션과 메인 빔의 1/3 길이 사이에 커플링 되어 있다. 수직 브레이싱 빔, 칼럼 및 메인 빔에 의해 형성된 삼각형은 실제로 직각 이등변 삼각형이다. 이 구성은, 부유 풍력 터빈 플랫폼을 세우는 물질의 양을 최소화하면서 요구된 로드 포스를 지지할 수 있는 강한 구조를 제공한다.
특이적 실시예에서, 본원에 기재된 부유 풍력 터빈 플랫폼은, 부두 지구에서 완전히 제조되고 조립될 수 있다. 예를 들어, 크레인은 부두지구 조립 사이트에서 완전히 조립될 수 있는 부유 풍력 터빈 플랫폼의 성분들을 조립하기 위해 사용될 수 있다. 추가로 요구된다면, 상기 풍력 터빈 성분은 부두 지구에서 플랫폼 및 서브구조로 조립 되고 통합될 수 있다. 완전히 조립되자마자, 상기 밸러스트는 부유 풍력 터빈 플랫폼의 칼럼으로부터 완전히 제거될 수 있어서, 이 구조는 채널로부터 설비 사이트로 부유될 수 있다. 추가 부력이, 채널 밖으로 드래프트를 줄이기 위해 필요하다면, 부력 모듈은 드래프트를 줄이기 위해 칼럼의 하나 또는 그 초과에 부착될 수 있다. 플랫폼이 더 깊은 물에 도달되자마자, 부력 모듈은 제거될 수 있고 칼럼은 플랫폼을 안정화시키기 위해 물 밸러스트로 부분적으로 채워질 수 있다.
바다 닻은 설비 사이트로 부유 풍력 터빈 플랫폼을 토우 하기 전에 해저로 고정될 수 있다. 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼이 위치로 이동되는 경우에, 무링 라인은 칼럼에 고정되고 미리 정해진 신장으로 타이트 될 수 있다. 일 실시예에서, 타워는 칼럼 중 하나 위에 장착되고 무링 라인은 비대칭 방식으로 배열되어 있고, 더 많은 무링 라인은 다른 칼럼보다 터빈 타워를 지지하는 칼럼에 커플링 되어 있다. 예를 들어, 네 개의 무링 라인이 사용된다면, 이 라인 중 두 개는 약 90도 각 간격으로 타워를 지지하는 칼럼에 연결되어 있고, 하나의 라인은 남은 칼럼의 각각에 연결되어 있다. 또 다른 예에 의해, 6개의 무링 라인이 사용된다면, 4개의 무링 라인은 약 180도 범위에서 약 60도 각 간격에서 타워 지지 칼럼에 연결될 수 있고, 다른 칼럼들의 각각은 단일 무링 라인에 커플링 되어 있다. 상기 무링 라인의 각은 상기 타워 칼럼에서 교차하도록 구성될 수 있다. 대칭 부유 풍력 터빈 플랫폼이 사용된다면, 무링 라인이 대칭 방식으로 플랫폼에 커플링될 수 있다. 총 6개의 무링 라인은 각 칼럼에 커플링된 두 개의 무링 라인과 함께 사용될 수 있다.
무링 라인은 체인, 와이어 로프 및 드래그-엠베드멘트 닻의 조합으로 이뤄진 통상적 현수선-모양 라인일 수 있다. 대안적으로, 상기 무링 라인은 타우트 폴리에스테르 섹션으로 이뤄질 수 있고, 또한 클럼프 무게를 포함하고, 이는 무링 시스템의 섹션에 정지된 무거운 질량이다. 일 실시예에서, 닻은 해저에 엠베디드되고, 체인의 섹션은 닻에 커플링 된다. 폴리에스테르 라인은 무링 라인에 탄성력을 제공하기 위해 체인에 부착될 수 있다. 사용되는 경우에, 폴리에스테르 라인의 반대 단부는 각 칼럼의 단부 상에 하나 또는 그 초과의 신장 메커니즘에 부착된 체인의 추가 길이에 커플링될 수 있다. 무거운 클램프 추는 칼럼으로 체인의 각을 낮추기 위해 칼럼의 각각에 연결된 체임에 부착될 수 있고, 무링 라인은 칼럼들 각각에 커플링된 메커니즘에 의해 신장될 수 있다.
세미-수중 플랫폼을 위한 무링에서, 상기 무링 라인들 각각은, a) 상기 부력 구조물들 중 하나에 커플링된 체인 또는 와이어의 제 1 섹션; b) 상기 체인 또는 와이어의 제 1 섹션에 부착된 추; c) 상기 체인 또는 와이어의 제 1 섹션에 커플링된 폴리에스테르의 섹션; 및 d) 상기 닻들 중 하나와 상기 폴리에스테르의 섹션에 커플링된 체인 또는 와이어의 제 2 섹션을 포함할 수 있다.
풍력 터빈과 타워가 세 개의 칼럼 중 하나에 장착된다면, 하나의 칼럼은 더 많은 무게를 지지하고, 선체(hull)는 바람이 없는 경우에 비대칭적으로 균형된다. 그러나 터빈 블레이드와 타워에 대항한 풍력은 플랫폼의 중심으로부터 타워로 멀리 일반적으로 미는 타워에 대항한 모멘트를 야기한다. 이 모멘트는 타워를 지지하지 않는 독립 칼럼 상의 하향 힘을 줄이면서 타워 지지 칼럼 상의 하향 힘을 적용시킨다.
풍력 터빈이 설치되는 경우에, 풍력 터빈은 스핀될 것이고 발전기는 전기를 만들 것이다. 그러나 풍속 및 풍향은 자주 바뀔 수 있다. 그래서, 특정 실시예에서, 본 발명에 따른 플랫폼에서 사용된 터빈은 풍향 센서 및 편요 컨트롤 시스템을 포함하는 풍향 시스템에 제공될 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 풍향 센서는 풍향의 바뀜을 탐지할 것이고, 이 편요 컨트롤 시스템은 풍향과 터빈 블레이드를 정렬시켜 타워의 상부에서 나셀(편요)을 회전시킬 것이다. 추가로, 본 발명에 따른 플랫폼에서 사용된 터빈은 풍속에 변화를 탐지하고 터빈 블레이드 상의 출력 파워를 최적화하거나 바람 드래그 힘을 최소화하기 위해 터빈 블레이드의 피치에 변화를 유도함에 의해 풍속에 변화에 반응하는 터빈 피치 컨트롤 시스템에 커플링된 풍속 센서에 제공될 수 있다. 상업적으로 입수가능한 풍향 및 속도 센서의 예는 영국의 Campbell Scientific Ltd. 및 미국의 NovaLynx Corp.로부터 입수가능하다.
풍속이 타워 및 터빈 블레이드에 대항하여 증가하기 때문에, 풍력은 전체 부유 풍력 터빈 플랫폼이 수직 정렬로부터 기울어지게 할 수 있다. 풍력(밀기)에 대한 보상을 위해, 본 발명에 따른 풍력 터빈 플랫폼은 각 칼럼 사이에 물을 이동시키기 위해 물 펌프를 활용하는 내부 밸러스트 시스템에 제공된다. 일 실시예에서, 상기 내부 밸러스트 시스템은 밸러스트 시스템의 물 펌프를 제어하는 컨트롤러에 커플링된 하나 또는 그 초과의 정렬 센서를 포함한다. 정렬 센서가 부유 풍력 터빈 플랫폼이 칼럼들 중 하나를 향해 기울어짐이 탐지된다면, 내부 밸러스트 시스템은 낮은 부유 칼럼의 밖으로 및 다른 칼럼으로 물을 펌프할 수 있어서, 낮은 칼럼의 부력을 증가시키고 다른 칼럼의 부력을 줄일 수 있다. 이 물 이동은 플랫폼의 낮은 부유 코너를 올릴 것이어서, 타워가 수직 정렬로 회귀 된다. 상기 정렬 센서가, 수직 정렬이 재설치됨이 탐지되는 경우에, 펌프가 정지될 수 있다. 내부 밸러스트 시스템의 일 실시예에서, 상기 구조에 적용된 오버-터닝 모멘트를 보상하는 것이 단지 필요하기 때문에, 밖으로부터 물을 추가 펌프할 필요는 없고, 내부 밸러스트 시스템은 닫힌 루프로 작동될 수 있다.
내부 밸러스트 시스템의 작업이 상당량의 물의 펌핑을 요구하기 때문에, 요구된 밸러스트 조절을 달성하기 위한 반응 시간은 15-30분 만큼 길 수 있다. 일 실시예에서, 상기 정렬 센서는 수평면에서의 X 및 Y 축 주위의 회전 이동을 감지할 수 있는 두 개의 자이로스코프일 수 있다. 완벽한 수직 정렬에서, X 및 Y 축 자이로스코프는 플랫폼의 임의의 회전을 탐지하지 않을 것이다. 그러나 부유 풍력 터빈 플랫폼의 임의의 기울기가 있다면, X 및/또는 Y 축 자이로스코프는 회전 이동을 탐지할 수 있다. 상기 정렬 센서는 수직 정렬 에러를 수정하는데 필요한, 칼럼으로 물을 펌핑 함에 의해 미스정렬에 반응하는 컨트롤러에 커플링될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 밸러스트 시스템은 주위 바닷물로부터 밸러스트 물을 완전히 분리시키는 닫힌 시스템이다. 이러한 실시예에서, 바닷물은 칼럼으로 들어갈 수 없기 때문에, 칼럼은 범람 될 수 없고 플랫폼은 밸러스트 시스템의 오작동 때문에 전복될 수 없다.
일 실시예에서, 상기 터빈 컨트롤 시스템 및 밸러스트 시스템은 커플링 되어서 상기 타워는 수직일 수 있지만, 상기 밸러스트 펌프는, 상기 터빈이 최적 파워 생산 모드에 있을 때까지 기능할 필요는 여전히 있을 수 있다. 이 경우에, 상기 터빈 블레이드 피치는 트러스트(thrust)를 감소하도록 그리고 돛대를 수직으로 유지하도록 변경된다. 그 다음에 블레이드 피치는, 밸러스트 물이 일 칼럼으로부터 다른 칼럼으로 펌프 되기 때문에 이의 최적 각으로 뒤로 천천히 회전될 수 있다.
본원에 기재된 풍력 터빈 플랫폼은 독립형 플랫폼으로서 사용될 수 있거나 대안적으로 본원에 기재된 플랫폼은 풍력 기지에 배열된 복수의 부유 풍력 터빈 플랫폼의 일부로서 위치될 수 있다. 상기 풍력 터빈의 각각으로부터의 전력은 별도의 부유 플랫폼상에 또는 땅 위에 있을 수 있는 파워 스테이션을 향하는 단일 케이블을 통해 통합되고 전달될 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 플랫폼 중 하나는 크루 또는 유지 쿼터를 위해 사용될 수 있다. 이는 안전한 보호된 영역을 제공할 수 있으며, 여기서 작업자들은 심각한 주위 날씨 조건으로부터 보호될 수 있다.
본원에 기재된 부유 풍력 터빈 플랫폼이 서비싱 또는 디커미셔닝을 위해 도크(dock)로 되돌아올 필요가 있다면, 상기 플랫폼은 무링 라인 및 파워 케이블로부터 연결이 끊길 수 있고 부두 지구 조립 사이트로 도우될 수 있다. 얕은 물 채널에서 상기 고정된 물 밸러스트는 펌프 아웃될 수 있어서 플랫폼 드래프트는 이의 통로 드래프트로 감소된다. 필요하다면, 상기 통로 드래프트가 추가 감소될 필요가 있다면 하나 또는 그 초과의 부력 모듈은 칼럼에 커플링될 수 있다.
도 1은 스파 타입(spar type) 부유 풍력 터빈 플랫폼을 예시한다.
도 2는 텐션 레그(tension leg) 부유 풍력 터빈 플랫폼을 예시한다.
도 3은 텐션 레그/스파 부유 풍력 터빈 플랫폼을 예시한다.
도 4는 대칭 세미 수중(submersible) 부유 풍력 터빈 플랫폼을 예시한다.
도 5는 비대칭 세미 수중 부유 풍력 터빈 플랫폼의 사시도를 예시한다.
도 6은 비대칭 세미 수중 부유 풍력 터빈 플랫폼을 예시한다.
도 7은 세미 수중 부유 풍력 터빈 플랫폼의 입면도를 예시한다.
도 8은 세미 수중 부유 풍력 터빈 플랫폼의 평면도를 예시한다.
도 9는 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼의 하부에 연결된 워터-엔트랩먼트 플레이트를 예시한다.
도 10은 상기 비대칭 세미 수중 부유 풍력 터빈 플랫폼의 평면도를 예시한다.
도 11은 상기 비대칭 세미 수중 부유 풍력 터빈 플랫폼의 평면도를 예시한다.
도 12는 타우트 무링(taut mooring) 라인 시스템을 가진 세미 수중 부유 풍력 터빈 플랫폼의 입면도를 예시한다.
도 13은 현수선(catenary) 무링 라인 시스템을 가진 세미 수중 부유 풍력 터빈 플랫폼의 입면도를 예시한다.
도 14는 밸러스트 컨트롤 시스템의 도면이다.
도 15-17은 풍속의 변화에 반응하는 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼의 입면도를 예시한다.
도 18-20은 풍속의 변화에 반응하는 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼의 입면도를 예시한다.
도 21-23은 깊은 물로 부두 지구로부터 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼을 이동시키기 위한 순서 단계를 예시한다.
도 24는 비대칭 세미 수중 부유 풍력 터빈 플랫폼의 군의 배열을 예시한다.
세미-수중, 부유 풍력 터빈 플랫폼은 본원에 기재되어 있다. 본원에 기재된 상기 플랫폼은, 예를 들어, 해안 풍력 터빈 설비에서 사용될 수 있다. 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 풍력 터빈 시스템은 3 이상의 칼럼(102, 103을) 가지는 해안 플랫폼(105)을 포함할 수 있다. 평면 워터-엔트랩먼트(107)는 각 칼럼(102, 103)의 바닥 부분에 부착되어 있다. 일 실시예에서, 상기 칼럼(102, 103)은 실린더 모양이다. 그러나 상기 칼럼은 풍력 터빈 플랫폼을 구축하기에 적합한 임의의 모양으로 구성될 수 있다. 풍력 터빈 타워(111)는 고정 칼럼(102) 바로 위에 위치되어 있다. 상기 터빈 타워(111)를 지지하지 않는 상기 두 개의 독립 고정 칼럼(103)은 상기 타워 지지 칼럼(102)으로부터 약 40 내지 90도 범위일 수 있는 각만큼 분리되어 있다. 이 예시에 도시된 상기 플랫폼(105)이 다른 실시예에서 3개의 칼럼(102, 103)을 포함하지만, 상기 플랫폼은 넷 또는 그 초과의 칼럼을 포함할 수 있다.
상기 칼럼(102, 103)은 메인 빔(115), 브레이싱 빔(116) 및 크로스 빔(117)으로 이뤄진 트러스 구조와 서로 연결되어 있다. 상기 메인 빔(115)은 칼럼(102, 103)의 상부 및 하부에 연결되어 있고, 브레이싱 빔(116), 이는 상기 메인 빔(115) 및 칼럼(102, 103) 사이에 커플링 되어 연결되어 있다. 상기 크로스 빔은 인접한 메인 빔(115) 사이에 연결되어 있다. 일 실시예에서, 상기 메인 빔(115)은 3개의 칼럼(102, 103)과 교차하도록 그리고 등변 삼각형을 형성하도록 구성될 수 있다. 유사하게, 상기 수평 브레이싱 빔(117) 및 메인 빔(115)은 추가 등변 삼각형을 형성하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 수직 브레이싱 빔(116)은 상기 높이의 거의 중간에 상기 칼럼(102, 103)에 커플링 되고, 상기 메인 빔 길이의 거의 1/3지점의 상기 메인 빔(115)에 커플링 된다. 상기 메인 빔(115), 칼럼(102, 103) 및 수직 브레이싱 빔(116)은 직각 이등변 삼각형을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 메인 빔(115), 수직 브레이싱 빔(116) 및 수평 브레이싱 빔(117)은 바람직하게 원형 또는 직사각형 단면의 속 빈 관형 구조이다. 대안적으로, 상기 메인 빔(115), 수직 브레이싱 빔(116) 및 수평 브레이싱 빔(117)은 또한 솔리드 I, H 또는 T 빔일 수 있다. 다른 실시예에서, 세 개의 칼럼(102, 103), 브레이싱 빔(116) 및 수평 브레이싱 빔(117)은 플랫폼이 보여주는 바람직한 강도, 무게, 로드 베어링 또는 다른 성능 특성을 달성하기에 적합한 기하학적 구성의 임의의 다른 타입을 형성할 수 있다.
본원에 기재된 부유 풍력 터빈 플랫폼의 이 디자인은 강하고 효율적인 구조를 제공한다. 상기 강도는 칼럼, 메인 빔, 수직 브레이싱 빔 및 수평 브레이싱 빔에 의한 상기 플랫폼의 코너에 형성된 4면체 구조에 기여될 수 있다. 상기 구조의 로드 분석은 임의의 탈형이 인접한 4면체 사이의 상기 메인 빔(115)의 중간 섹션에서 발생되는 경향이 대부분인 것으로 보인다. 상기 구조의 기하학적 구조가 매우 효율적이지만, 상기 구조의 강도는 또한 상기 메인 빔(115), 수직 브레이싱 빔(116) 및 수평 브레이싱 빔(117)의 상기 외부 직경 또는 벽 두께를 증가시킴에 의해, 증가될 수 있다. 상기 메인 빔(115), 수직 브레이싱 빔(116) 및 수평 브레이싱 빔(117)이 관형 구조라면, 상기 구조의 피로 수명은 상기 벽 두께를 증가시킴에 의해 실제로 연장될 수 있다. 예를 들어, 상기 튜브의 상기 벽 두께가 상기 명목적 튜브 벽 두께의 두 배라면, 상기 구조의 상기 피로 수명은 상기 명목적 튜브 벽 두께 구조의 상기 피로 수명의 약 10 내지 20배 만큼 증가될 수 있다. 벽 두께는 수직 브레이싱 빔(116) 및 상기 수평 브레이싱 빔(117)과 함께 메인 빔(115)의 교차지점 근처의 짧은 섹션에서 증가될 수 있다.
일 실시예에서, 터빈 타워(111)의 베이스의 직경 또는 너비는, 위치되는 칼럼(102)의 상기 직경 또는 너비보다 다소 작은 것으로 어림 되지만, 그보다 작다. 이 균일성은 상기 구조의 연속성을 최대화하고 상기 플랫폼 105 구조의 임계 영역에서 상기 스트레스 농도를 최소화한다. 이 스트레스 농도는 상기 터빈 타워(111)가 위치하는 상기 터빈 타워(111) 및 칼럼(102)의 연결점에서 가장 높을 수 있으며, 여기서 벤딩 모멘트는 바람-유도된 모멘트 때문에 가장 높고, 여기서 상기 메인 빔(115)은 상기 다른 고정 칼럼(103)에 연결된다. 일 실시예에서, 칼럼(102, 103)의 직경은 곧은 실린더형 구조와 같은 곧은 구조를 만들도록 균일할 수 있으며, 한편, 상기 타워(111)는 상기 베이스에서 더 클 수 있고 상기 답에서 더 작은 직경 및 너비로 가늘어질 수 있다. 상기 칼럼(102, 103)은 다수의 균일한 직경 관형 섹션을 함께 웰딩함에 의해 구조될 수 있으며, 한편, 상기 타워(111)는 일련의 가늘어진 섹션을 함께 볼팅하고/거나 웰딩함에 의해 구조될 수 있다. 상기 칼럼(102, 103) 및 타워(111)는 플레이트, 리브 및 내브 플랜지와 같은 내부 구조로 강화될 수 있다.
상기 칼럼(102, 103)이 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼을 위해 부력 및 안정성을 단지 제공하기 때문에, 단지 최소 갑판 공간(119)이 칼럼(103)의 상부 사이에 요구된다. 좁은 현문(gangway)은 상기 상부 메인 빔(115) 위에 위치될 수 있고, 상기 칼럼(102, 103)의 각각을 연결시킨다. 상기 플랫폼(105) 상의 추가 영역은 보조 태양광 또는 웨이브 에너지 컨버터의 지지와 같은 2차적 구조를 지지하기 위해 사용될 수 있고, 상기 풍력 터빈 타워(111) 주위에 어세스를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 데크(119)는 하나 또는 그 초과의 고정 칼럼(102, 103)의 상부에 위치하고, 상기 고정 칼럼 및 데크(119)는 가장 높은 기대된 웨이브 크레스트가 상기 데크 장치 또는 상기 터빈 블레이드(101)에 닿지 않고 손상시키지 않을 정도로 구성된다. 계단 및 보트 토킹 구조는 임의의 칼럼(102, 103)에 부착될 수 있다. 상기 플랫폼(105)은 상기 칼럼(102, 103)의 바닥에 부탁된 무링 라인(131-141)에 의해 해저에 고정될 수 있다.
터빈 블레이드(101)는 길이가 길고 너비가 좁으며, 매우 높은 가로세로비를 가진다. 터빈 블레이드(101)는 이의 베이스에서 허브에 연결되어 있고, 모터 및 액츄에이터는 블레이드(101)의 피치를 바꿀 수 있다. 블레이드(101)의 피치는 발전기의 전력 출력을 최적화하도록 설정될 수 있다. 이는 풍속의 범위 위에서 일정한 회전 속도를 유지하도록 상기 블레이드의 피치를 조절함에 의해 달성될 수 있다. 더 낮은 풍속에서, 터빈 블레이드의 피치는 더 낮아서, 이들은 최대 회전 속도를 유지할 수 있다. 대조적으로, 더 높은 풍속에서, 상기 피치는 상기 회전이 최적 회전 속도를 초과하지 않도록 차단하기 위해 증가된다. 일정한(true) 풍속을 감지하기 위해, 상기 풍력 터빈은 풍속을 탐지하는 풍속계를 포함할 수 있고, 컨트롤러는 탐지된 풍속에 기초하여 적당한 피치 각으로 터빈 블레이드(101)의 피치를 조절할 수 있다. 상업적 터빈 블레이드 피치 컨트롤 시스템은 독일의 LTi REEnergy, 및 독일의 Bosch Rexroth로부터 입수가능하다.
정확하게, 풍향에 수직하게 터빈 블레이드(101)를 정렬하는 것은 최대 전력의 생산을 이끈다. 이러한 위치를 용이하게 하기 위해, 상기 풍력 터빈은 임의의 정렬 불량을 탐지하는 예를 들어 바람 방향 센서를 포함하는 바람 방향 시스템을 포함할 수 있고, 편요(yaw) 컨트롤 시스템 상업적 경사 센서는 독일의 Pepper+Fuches로부터 및 미국의 MicroStrain, Inc.로부터 입수가능하다. 오프셋 각도(angular offset)가 상기 바람 방향 센서에 의해 탐지된다면, 상기 컨트롤러는 나셀, 허브 및 터빈 블레이드(101)를 회전시키는 편요 모터를 구동할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 터빈 블레이드(101) 및 허브는 발전시키기에 적당한 속도로 터빈 블레이드(101)의 회전 속도를 증가시키기는 기어 박스에 커플링 되어 있다. 상기 기어박스는 발전시키는 발전기에 커플링된 드라이브 샤프트의 상기 회전 속도를 증가시킨다. 또 다른 실시예에서, 직접 드라이브 터빈이 사용된다. 기어박스는 없고 상기 드라이브 샤프트는 직접 발전기에 커플링되어 있으며, 이는 상기 나셀에 존재하거나 상기 타워에 존재할 수 있다.
전기 출력은 일반적으로 풍속과 함께 증가된다. 그러나 초당 약 3미터의 최소 풍속은 상기 터빈 블레이드가 회전되도록 하기 위해 전형적으로 요구된다. 전형적 풍력 터빈 발전기를 위해, 파워 출력은 초당 약 12미터까지 풍속의 증가와 함께 계속 증가될 것이고 초당 풍속 6-12분의 바람 범위에서, 상기 터빈 블레이드는 전기 에너지 생산을 최적화하기 위해 피치 된다. 초당 12미터보다 더 높은 풍속에서, 전형적 풍력 터빈 발전기의 터빈 블레이드는 리프트 포스를 컨트롤하고 상기 터빈이 이의 최적 속도에서 회전하도록 조절되어서, 최대 파워 출력을 유지시킨다. 5메가와트 터빈 발전기는 초당 약 12미터의 풍속에서 최대 파워 출력에 도달될 수 있다. 초당 약 12 내지 25미터의 더 높은 풍속에서, 상기 발전기는 5 메가 와트의 전기 에너지를 만들지만, 상기 터빈 블레이드는 상기 터빈 블레이드 상의 풍력 로드를 줄이고 최적 회전 속도를 유지하기 위해 더 높은 피치 각에서 회전된다. 초당 약 25미터보다 큰 풍속에서, 상기 풍력 터빈 시스템은 셧 다운되고 파크될 수 있다. 상기 터빈 블레이드는 풍력을 최소화하도록 조절되고 또한 풍속이 풍력 터빈에 대한 손상 및 오버스피드의 차단을 위해 떨어질 때까지 락다운(lock down)될 수 있다.
상기 부유 풍력 터빈 플랫폼이 여태까지 비대칭 타워 배치로 예시되어 있었지만, 다른 실시예에서, 상기 타워는 상기 칼럼 사이에 대칭적으로 위치된다. 도 7 및 8을 참조하면, 부유 풍력 터빈 플랫폼(106)은 칼럼(103) 사이에 대칭적으로 위치된 타워(111)와 함께 예시되어 있다. 도 7은 부유 풍력 터빈 플랫폼(106)의 입면도를 예시하고, 도 8은 부유 풍력 터빈 플랫폼(106)의 평면도를 예시한다. 이 실시예에서, 상기 타워(111)는 부력 칼럼(104) 위에 세워져 있다. 상기 부력 칼럼은 타워(111), 나셀(125), 터빈 블레이드(101) 및 다른 시스템 성분의 무게를 지탱하기 위해 요구된 부력의 일부 또는 전부를 제공하는 속 빈 구조일 수 있다. 부력 칼럼(104)이 대부분 속 비어 있고 큰 부피의 물을 대체하기 때문에, 안정적이지 않다. 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼(106)을 안정화시키기 위해, 상기 부력 칼럼(104)은 타워(111)를 안정화시키기 위해 밸러스트 시스템을 포함하는 3 또는 그 초과의 고정 칼럼(103)에 커플링 된다. 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼(106)은 고정 칼럼(103)과 부력 칼럼(104) 사이에 연장되어 있는 지지 빔(108)을 가질 수 있을 뿐만 아니라 고정 칼럼(103)과 부력 칼럼(104) 사이에 연장되어 있는 브레이싱 지지 빔(112)을 가질 수 있다. 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼의 다른 구조적 상세한 설명은, 도 6을 참조하여 상기 기재된 것과 같다.
본원에 기재된 풍력 터빈 플랫폼은 하나 또는 그 초과의 플랫폼 칼럼의 각각의 베이스에 부착된 하나 또는 그 초과의 수평 워터-엔트랩먼트 플레이트(107)를 포함한다. 상기 하나 또는 그 초과의 워터-엔트랩먼트 플레이트(107)는 이들이 잠기도록 위치되어 있다. 도 9를 참조하면, 워터-엔트랩먼트 플레이트 107의 기능은 수력학 부가질량(added-mass) 및 제동(damping)을 제공하는 것이다. 이의 정상 방향에 따라 이동하는 측 길이 λ를 가진 사각형 플레이트에 의해 "엔트랩된" 물의 양은 거의 pλ3과 동일하며, 여기서, p는 물 밀도이다. 수력학 부가된 질량으로 알려진 많은 양의 엔트랩된 물은 그래서 수직으로 이동하는 실질적 차원의 사각형 수평 플레이트와 관련되어 있다. 큰 가로 세로 비를 가진 직사각형 플레이트는 이의 면전에 비해 훨씬 적은 물을 엔트랩할 것이다.
워터-엔트랩먼트 플레이트(107)의 모양 및 차원은 롤 및 피치에서 플랫폼 부가 질량 히브(heave) 및 부가 모멘트 관성의 실질적 증가를 일으키도록 하는 것이다. 플랫폼 드래프트가 상대적으로 얕기 때문에(전형적으로 100피트 또는 그 미만), 워터-엔트랩먼트 플레이트 상의 웨이프-여기 포스는 무시될 수 없다. 수력학적 계산은 상기 플랫폼의 반응을 결정하기 위해 수행되어야 하며, 부가 질량 및 웨이브 여기 포스의 증가를 고려한다. 상업적 회절-방사선 소프트웨어, 예컨대 WAMIT는 부유 플랫폼 반응을 계산하기 위해 사용될 수 있다. 가설적 예에서, 7,000톤 유료 하중(payload) 초과를 운반하는 15,000톤 변위 플랫폼은 이 반응 계산을 위해 고려되었다. 워터-엔트랩먼트 플레이트 없이, 상기 플랫폼의 고유 주기(natural period)는 약 12초이며, 이는 큰 스톰 중 상당량의 에너지를 가진 주파수대에 해당한다. 그 결과의 공진 응답은 허용되지 않는 플랫폼 움직임을 만들며, 상기 플랫폼 구조에 손상을 가져온다. 일 실시예에서 칼럼 베이스로부터 약 20 내지 30피트 만큼 방사형으로 외부로 뻗어 있는 하나 또는 그 초과의 워터-엔트랩먼트 플레이트를 부가함에 의해, 상기 플랫폼의 무거운 고유 주기는 20초로 크게 연장될 수 있으며, 이는 허용되는 움직임 반응을 제공한다.
그래서, 본원에 기재된 플랫폼에서 제공된 상기 하나 또는 그 초과의 워터-엔트랩먼트 플레이트(107)는 수직 부가-질량의 실질적 증가를 제공할 수 있으며, 한편, 웨이브 여기 포스의 증가를 최소화하며, 플랫폼 이동의 이로운 감소를 제공한다. 이러한 안정적 효과는 작은 플랫폼으로서, 이에 적합한 성능이 칼럼 크기 및 공간을 조절함에 의해서만 달성될 수 없는 플랫폼에 특별히 이롭다. 주어진 칼럼(102, 103)의 중심으로부터 플레이트의 방사 거리와 같은 하나 또는 그 초과의 워터-엔트랩먼트 플레이트(107)의 위치 및 총 플레이트 영역과 같은 하나 또는 그 초과의 워터-엔트랩먼트 플레이트(107)의 배열은 예를 들어 수직 부가-질량의 바람직한 증가 및 웨이브 여기 포스의 증가의 감소 또는 최소화를 달성하기 위해 조절될 수 있다.
이의 크기 때문에, 워터-엔트랩먼트 플레이트(107)는, 플레이트(107)의 가장자리로부터 와류(vortice)의 분배(shedding) 때문에 부가-질량 및 웨이브 방사선 효과를 포함하는 큰 수력학적 로딩, 웨이브 여기 포스 및 점성 효과를 유인한다. 플레이트(107)는 부가되는 많은 수의 웨이브 서클 때문에 극한의 웨이브 로딩뿐만 아니라 피로 손상을 지탱하기 위해 추가 구조적 부재에 의해 지지되어야 한다. 일 실시예에서, 방사형 보강재(stiffener)(179)는 플레이트(107)를 지지하기 위해 플레이트의 외부 가장자리를 향하도록 칼럼(103)으로부터 연장된다. 칼럼(103)에 연결된 메인 빔(115)은 또한 워터-엔트랩먼트 플레이트(107)에 구조적 지지를 제공하며뿐만 아니라 전체 구조에 강성을 제공한다. 성분들을 강화하는 추가 플레이트(107)는 칼럼(102)과 보강재(179) 사이에 세워진 도리(girder)(181)와 워터-엔트랩먼트 플레이트 브레이싱(121) 사이의 스트린져(stringer)(177), 방사형 보강재(179)에 의해 지지된 도리(181)를 포함할 수 있다. 이 구조적 부재들은 워터-엔트랩먼트 플레이트(107)를 형성하는 패널들을 지지한다. 본원에 기재된 엔트랩먼트 플레이트는 스틸과 같은, 임의의 적합한 물질로 형성될 수 있다.
상기 워터-엔트랩먼트 플레이트 보강재를 적절히 특정 치수로 만들기 위해, 상기 플레이트 상에 발생되는 여러 수력학적 효과는 적절히 고려되어야 한다. 이는 하기 것들로 구성된다: 특히 수직 방향에서, 상기 플랫폼의 가속에 대항하는 힘을 일으키는 워터-엔트랩먼트 플레이트를 둘러싸는 유체의 관성; 상기 플랫폼으로부터 제거되는 에너지를 제공하는, 이동에 따라 상기 플랫폼에 의해 발생된 방사된 웨이브; 힘을 일으키는 플랫폼 선체(hull)와의 입사파 상호작용; 및 물로 상기 플랫폼으로부터의 에너지의 전달을 제공하는 상기 플레이트 가장자리로부터 와류의 분배에 주로 기인된 점성 효과. 상기 점성 효과를 제외한 모든 힘은 유체 점도를 무시하고 Laplace 공식의 수적 해결을 요구하는 회절-방사선 이론에 기초하여 모델될 수 있다. 점성 효과는 작은-크기 실험실 실험 결과로 발달된 실험적 모델로부터 측정된다. 수력학적 힘은 상기 워터-엔트랩먼트 플레이트를 포함하는 플랫폼의 잠긴 부분에 압력장(pressure field)으로 전환될 수 있으며, 구조적 유한-요소 모델은 그 다음에 보강재 및 플레이팅을 포함하는 모든 구조적 부재에서의 스트레스를 측정하기 위해 작동될 수 있다. 유한-요소 모델은 선체의 작은 요소로의 이산화를 요구하며, 이에, 상기 빔 및/또는 플레이트 이론은 적용될 수 있다. 수적 해결은 상기 선체에 스트레스 수준을 제공하여 달성될 수 있다. 워터-엔트랩먼트 플레이트를 포함하는 상기 선체의 적당한 크기는 그 다음에 확정될 수 있다. 상기 워터-엔트랩먼트 플레이트에 대한 추가 정보는 미국 특허 제 7,086,809호 및 7,281,881호에 개시되어 있으며, 이는 참조로서 그대로 본원에 통합되어 있다.
도 10을 참조하여, 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)의 평면도를 도시한다. 요구된 위치 내로 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼을 유지시키기 위해, 상기 플랫폼(105)은 통상적 무링 라인을 사용하여 시베드(seabed)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼은 비대칭 무링 시스템으로 해저에 고정된다. 도 10에서, 6개의 무링 라인(131-141)은 예시되어 있다. 4개의 무링 라인(131-137)은 칼럼(102)에 연결되어 있고, 이 칼럼은 풍력 터빈(125)을 나르고, 단일 무링 라인(139-141)은 다른 칼럼(103)의 각각에 연결되어 있다. 무링 라인(131-141)의 각 분리(angular separation)는 각 인접 라인 사이에 약 60도이다. 상기 라인 (131-141)은 풍력 터빈(125)을 지지하는 칼럼(102)의 중심에 위치한 지점으로 모인다. 바람은 또한 바람 부는 쪽 칼럼에 연결된 바람부는 쪽 무링 라인에서의 긴장을 남아 있는 라인에의 긴장보다 더 크도록 할 것이다.
도 11을 참조하면, 대안적 무링 배열을 가지는 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)의 단면도가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 4개의 무링 라인(151-157)은 상기 플랫폼을 제 위치에 고정시키기 위해 사용될 수 있다. 2개의 라인(151, 153)은 타워(111)를 지지하는 칼럼(102)에 커플링 되어 있고, 상기 무링(155, 157)은 다른 칼럼(103) 중 하나에 각각 커플링 되어 있다. 이 실시예에서, 상기 무링 라인(151 -157)은 약 90도의 각만큼 서로 떨어져 있다.
도 12를 참조하면, 본원에 기재되어 있는 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)의 실시예 및 입면도가 도시되어 있다. 도 12에 도시된 배열에서, 각 무링 라인(131-141)은 아래로 및 외부 방향으로 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)으로부터 시베드로 각지고 개별적으로 고정되고 신장된다. 무링 라인(131-141)은 신장될 수 있어서 칼럼(102, 103)의 부력은 바람이 없는 경우에 라인(131-141)의 각각에 동일한 신장을 제공한다. 타워(111) 및 터빈 블레이드(101)에 대항하여 바람이 부는 경우에, 바람 로딩 힘은 무링 라인(131-141)에 전달될 것이고 바람에 대항한 상기 구조를 지지하는 바람 부는 쪽 라인은 아래 방향 바람 라인보다 더 큰 긴장 하에 있을 것이다. 라인(131-141)은 신장될 수 있어서, 상기 무링 라인은 임의의 시간에 시베드 상에 지지되지 않고, 이들은 실제로 곧은 경로 상에 연장된다. 대안적 배열에서, 대안적 배열에서, 상기 무링 라인은 상기 플랫폼 주위에 유사한 비대칭 패턴으로 배열될 수 있고 뿐만 아니라 특이적 세미-타우트 신장력으로 팽팽해질 수 있어서, 상기 라인은 해저로 구부러진 경로에서 연장된다. 세미-타우트 신장 시스템으로, 상기 무링 라인은 바람, 웨이브 또는 흐름 없이, 이의 정적 평형 위치에서 시베드 상에 놓이지 않는다.
도 13에 도시된, 또 다른 실시예에서, 구조(105)는 해저에 높인 체인 라인(402)을 가진 현수선 무링 시스템으로 제 위치에 고정될 수 있다. 상기 무링 라인은 적합한 물질, 예컨대, 예를 들어, 금속 체인, 와이어, 폴리에스테르 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 이 예에서, 높은-홀딩 파워 드래그 엠베드먼트 닻(401)은 시베드에 위치되어 있다. 상기 닻(401)은 상기 시베드에 놓여 있는 무거운 체인(402)의 섹션에 부착되어 있다. 상기 체인(402)의 수평 배향은 상기 닻(401)이 상기 시베드 내에 고정되도록 돕는다. 상기 체인(402)은 상기 무링의 길이의 대부분을 제공하는 폴리에스테르 라인(403)의 긴 길이에 연결되어 있다. 상기 폴리에스테르 라인(403)은 높은 신장 스파이크가 상기 플랫폼(105)으로부터 닻(401)으로 전달되지 않도록 무링 라인에 적당한 스트레치를 제공한다. 상기 폴리에스테르 라인(403)은 플랫폼(105)에 부착되어 있는 체인(405)의 또 다른 길이에 커플링되어 있다. 상기 폴리에스테르 라인(403)은 물에 정지되어 남아 있고 설비 후 시베드와 접촉이 이뤄지지 않는다. 클럼프 추(404)는, 추가 신장 스파이크를 줄이고 닻(401) 상의 수평으로 라인(403)이 당겨짐을 보장하도록 무링에서 더 날카로운 벤드를 만드는 체인(405)과 폴리에스테르 라인(403) 사이의 연결점에 위치될 수 있다. 상기 클럼프 추(404)는 전형적으로 조밀한 물질, 예컨대 스틸 및 콘크리트로 이뤄지고 상부 체인(405)의 하부에 부착되어 있다. 물 속에서의 상기 클램프 추(404)의 무게는 이에 부착되어 있는 체인(405)의 무게보다 훨씬 더 크다.
체인(405)은, 무링 라인 신장이 개별적으로 조절될 수 있는 신장 장비(407)로 칼럼(102, 103)을 통과할 수 있다. 상기 신장 장치(407)는 예를 들어, 체인 잭, 권양기(windlasses), 윈치(winches) 또는 칼럼(102, 103) 내부, 이에 따라, 또는 이의 위에 장착된 다른 신장 장치일 수 있다. 체이핑(chafing)으로부터 손상을 방지하기 위해, 페이리드 또는 벤딩 슈(406)는 상기 무링 라인이 워터-엔트랩먼트 플레이트(107)를 통과할 수 있는 칼럼(102, 103)의 베이스에 위치될 수 있다. 신장이 적절히 세팅된 후, 상기 무링 라인은 락될 수 있다.
풍력 터빈은 정상 범위의 풍속 및 방향에 위에서 작동되도록 전형적으로 고안된다. 터빈 블레이드(101) 및 타워(111)에 대항하여 부는 바람은, 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)이 풍향으로부터 멀리 기울여질 수 있게 하는 드레그 힘을 만들 것이다. 도 15에 도시된 바와 같은 방향으로 바람이 칼럼(102)들 사이로부터 칼럼(103)으로 오는 경우에, 터빈 블레이드(101) 및 타워(111)에 의한 토크는 아래 방향 바람 칼럼(102)을 물속으로 밀고 윗 방향 바람 칼럼(103)을 물 밖으로 올릴 것이다. 본원에 이미 기재된 바와 같이, 바람이 동일한 방향으로 항상 부는 것이 아니기 때문에, 상기 풍력 터빈은 나셀(125), 허브 및 블레이드(101)가 바람과 정렬되도록 타워(111)의 상부 주위를 회전하도록 하는 풍향 조절 메커니즘(yaw mechanism)이 구비될 수 있다. 그러나 풍향이 변하기 때문에, 타워(111)가 기울이는 방향은 또한 변할 것이다. 칼럼(102, 103) 상의 도 12에서의 수평 라인(161)은 고안된 부양 물 라인을 가리킨다. 풍속 및 풍향이 변하기 때문에, 풍속 터빈은 바람 유도된 힘 및 모멘트에 상호작용하고 모든 꾸준한 작업 조건 하에서 디자인 부양 물 라인(161)에서 구조(105)를 유지하도록 내부 활성 밸러스트 시스템을 활용할 수 있다.
그래서 본원에 기재된 풍력 터빈 플랫폼은 내부 활성 밸러스트 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 시스템의 예는 도 14를 참조하여 기재되어 있고 예시되어 있다. 이러한 실시예에서, 칼럼(102, 103)은 속비어 있고, 최적 파워 전환 효율을 위해 플랫폼(105)이 직립 배향으로 유지되도록 칼럼(102, 103) 내에 탱크 사이에 물을 전달하는 활성 밸러스트 시스템(201)을 하우징 한다. 예를 들어, 바람이 타워 칼럼(102)을 향해 부는 경우에, 센서(127)는 상기 풍력 터빈의 회전을 탐지할 수 있다. 센서(127)는 부력을 증가시키도록 타워 칼럼(102)으로부터 물을 제거하고 이의 무게를 증가시키기 위해 다른 칼럼(103)으로 물을 부가하는 펌프(221)를 조절하는 컨트롤러(123)에 커플링 되어 있다. 일 실시예에서, 독립적 물 경로를 다른 칼럼으로 컨트롤하는 각 칼럼에 다중 펌프가 있다. 산업용 축류 물 펌프는 한국, 현대 및 덴마크의 Glynwed AS로부터 입수가능하다.
상기 컨트롤러는 상기 풍력 터빈의 측-대-측 각을 조절하는 터빈 타워(111)를 지지하지 않는 칼럼(103)에서 물 부피를 또한 조절할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 칼럼은 칼럼(102, 103)의 각각에서 상이한 물 깊이(203)에 의해 도 14에 표현된 물의 부피를 탐지하는 센서(225)를 가진다. 칼럼(102, 103) 사이의 물 밸러스트의 활성 이동은 플랫폼이 수준으로 유지되도록, 유도된 풍력을 보상한다. 물의 실제 양이 칼럼(102, 103) 사이에 펌프 되어야 하기 때문에, 내부 활성 밸러스트 시스템의 반응 시간은 약 15 내지 30분일 수 있다. 상기 반응 시간이 매우 천천히 흐를 수 있기 때문에, 상기 활성 밸러스트 시스템은 웨이브 및 다른 빠른 액팅 힘 때문에 구조(105)의 빠른 동적 운동을 제거하도록 전형적으로 고안되지 않을 것이다. 그러나 상기 플랫폼은 상기 밸러스트 시스템의 도움 없이 이 힘들을 지탱한다. 상기 활성 밸러스트 시스템은 플랫폼의 평균 위치를 수평으로 유지하고 가능한 많이 터빈을 수직으로 유지시킴에 의해 에너지 생산을 최대화한다.
일 실시예에서, 상기 활성 밸러스트 시스템은, 주위 바닷물로부터 밸러스트 시스템에서 물을 완전히 분리시킴에 의해 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)의 가능한 범람 및 가라앉음을 막도록 구성된 닫힌 루프 시스템일 수 있다. 활성 밸러스트 시스템은, 물이 각 칼럼(102, 103) 사이에 세워진 메인 빔(115)을 통해 흐르도록 하는 전기 물 펌프(221)에 의해 칼럼(102, 103) 사이에 포함된 물을 이동시킨다. 이러한 실시예에서, 상기 주위 바닷물은 상기 활성 밸러스트 시스템으로 허용되지 않는다. 상기 활성 밸러스트 시스템에서의 물은 부식 문제 및 다른 바닷물 관련된 문제를 완화하기 위해, 토우잉(towing), 또는 공급 보트를 사용하기 전에 부두 지구에서 더해진 프레쉬 워터일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정렬 센서(127)는 X 축 및 Y 축에 따라 세워진 자이로스코프를 포함한다. 상기 자이로스코프는 초당 각의 단위일 수 있는 회전의 각 속도를 나타내는 신호를 출력한다. 회전의 각 속도의 통합은 각 위치를 만들 것이다. 따라서, 상기 정렬 센서(127)에서 자이로스코프는 상기 플랫폼 및 타워의 정렬에서의 편차를 측정하기 위해 사용될 수 있다. X 축 자이로스코프는 수평면에 있고 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼의 중심 라인과 정렬될 수 있다. 상기 Y 축 가속 미터는 수평면에 있지만, X 축 자이로스코프에 수직이다. 트림 각 θ은 Y 축에 대한 구조와의 각이고, 리스트 각 φ은 X 축에 대한 상기 구조의 각이다. 이 구조가 완벽하게 정렬되는 경우에, X 및 Y 축 자이로스코프는 임의의 가속을 탐지하지 않을 것이다. 그러나 상기 구조가 임의의 방향으로 기운다면, X 축 자이로스코프는 트림 회전을 탐지할 것이고, Y 축 자이로스코프는 리스트 회전을 탐지할 것이다. 이 정보에 기초한, 회전 각은 알려진 수학적 공식을 사용하여 계산될 수 있다.
도 15-17을 참조하여, 어떻게 활성 밸러스트 시스템이 풍속의 변화에 반응될 수 있는지의 예는 예시되어 있다. 정렬 센서 신호에 기초하여, 상기 밸러스트 컨트롤러는 수직 정렬 각 오프셋을 수정하도록 각 칼럼(102, 103) 내에 물 부피(191)를 조절하도록 펌프를 컨트롤할 수 있다. 상기 플랫폼(105)이 허용가능한 수평 각 내에 있는 경우에, 상기 밸러스트 시스템은 칼럼(102, 103) 사이에 물 이동을 멈출 것이다.
도 15에서, 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)은 플랫폼(105)의 중심선 위에서 바람 붐으로 수직 정렬로 예시되어 있다. 실린더(102, 103) 내의 물 부피(191)는 바람, 현재 풍속 및 풍향에 대해 적절히 조절되었다. 도 16에서 풍속은 증가되었고 이 증가된 풍력은 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)이 피치로 회전되도록 하였다. 상기 정렬 센서는 트림 회전을 탐지하고, 상기 컨트롤러는 펌프를 구동하여 상기 타워 지지된 칼럼(102)으로부터 다른 칼럼(103)으로 물을 이동시킨다. 도 17에서, 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)은 상기 증가된 풍속에 의해 유도된 힘을 보상하기 위해 수평 정렬로 되돌렸다. 상기 타워 지지 칼럼(102)에서 더 적은 물 부피(191)가 있기 때문에, 상기 플랫폼(105)의 타워 단부에서 더 큰 부력이 있다. 반대로, 다른 칼럼(103) 내 물(191)의 더 높은 부피는 직립 정렬로 트림에서 플랫폼(105)을 회전시키는 것을 추가로 보조한다.
상기 활성 밸러스팅 시스템은 바람이 바뀐 경우 칼럼(102, 103) 내 물을 또한 조절할 것이다. 도 18-20를 참조하여, 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)은 플랫폼 중심선 풍향으로부터 90도 시프트에서 바람이 불고 플랫폼(105)의 왼쪽 측 위에서 바람이 오고 있는 것을 예시한다. 상기 활성 밸러스트 시스템은 오른쪽 측 칼럼 탱크(191)로부터 왼쪽 칼럼 탱크(191)로 물을 이동시켰고, 상기 플랫폼(105)은 실제로 수평이다. 도 19를 참조하면, 상기 풍속은 떨어졌고 상기 플랫폼(105)은 이의 리스트 각에서 변화하였다. 상기 정렬 센서는 상기 플랫폼(105)의 리시트 각을 탐지하고 상기 컨트롤러는 펌프(221)를 통해 상기 왼쪽 칼럼 탱크(191)로부터 상기 오른쪽 칼럼 탱크(191)로 물을 이동시킨다. 도 20을 참조하여, 상기 활성 밸러스트 시스템은 상기 왼쪽 칼럼 탱크(191)로부터 물을 이동시켜서 부력을 증가시켰고 상기 오른쪽 칼럼 탱크(191)로 더 많은 물을 더하여서 칼럼의 무게를 증가시켰다. 상기 플랫폼(105)은 다시 수평이고 상기 펌프는 정렬 센서가 플랫폼 정렬에서 또 다른 변화를 탐지할 때까지 멈췄다.
본원에 기재된 부유 풍력 터빈 플랫폼은 주위 조건에 기초하여 상이한 모드의 작동을 가진다. 상기 플랫폼은 체인 잭, 체인 및 와이어 섹션으로 만들어진 닻 시스템 및 닻을 사용하여 영속적으로 무링될 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼은 이동되지 않거나, 극한의 마모 조건의 경우에 무링으로부터 끊기게 되지 않을 것이다. 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼의 주목적은 전기를 만드는 것이며, 그래서 터빈이 작동되는 시간의 양을 최대화하도록 구성될 수 있다.
현존하는 터빈이 25 m/s 풍속에서 작동을 멈추기 때문에, 더 높은 풍속의 전형적인 웨이브-유도된 동작은 이 작동 제한에 간섭되지 않는 것이 바람직하다. 즉, 도 6을 참조하면, 구조가 웨이브 포스 때문에 이동되기 때문에, 타워(111)는 트림에서 회전하며, 이를 통해 타워(111)의 상부가 수평으로 이동되고, 터빈 블레이드에 대항하여 명백한 바람의 변화를 일으킨다. 상기 구조(105)가 바람 속으로 회전한다면, 타워(111)의 상부는 더 빠른 풍속을 탐지할 것이고, 반대로 구조(105)가 바람으로부터 멀리 회전한다면, 타워(111)의 상부는 더 느린 풍속을 탐지할 것이다. 본원에 기재된 풍력 터빈 플랫폼은 플랫폼(105)의 롤 및 피지 이동을 완충(dampen)시키고 수직 이동을 저지(resist)하는, 칼럼(102, 103)의 하부에 고정되어 있는 물 엔트랩먼트 플레이트(107)를 활용함에 의해 롤링 이동을 줄인다.
일반적으로 풍속에 의해 묘사된 풍력 터빈을 위한 3개의 별도의 터빈 블레이드 방식(regime)이 있다. 초당 12미터 미만의 풍속에서의 제 1 방식에서, 상기 블레이드는 전력 생산을 최대로 하기 위해 최적화되어 있다. 초당 12 내지 25미터의 풍속에서 제 2 방식에서, 상기 블레이드는 블레이드에서의 로딩을 줄이고 지속적 최적 회전 속도를 유지하기 위해 능동적으로 회전(피치)된다. 초당 25미터 초과의 풍속에서 제 3 방식에서, 전체 풍력 터빈은 "생존" 모드에서, 록 다운된다. 상기 록 다운 조건에서, 상기 터빈 블레이드는 완전히 정지될 수 있고, 블레이드 각은 바람에 대해 최소 드레그 조건으로 날개로 헤쳐 나아간다(feather). 풍속 및 풍향이 매우 빠르게 바뀌기 때문에, 제 3 방식은 매우 빠르게 발생될 수 있다. 따라서, 상기 풍력 터빈은 빠르게 그리고 정확하게 바람 변화를 탐지하고 이에 반응할 수 있어야 한다.
높은 바람 셧 다운 방식에 더하여, 다른 조건은 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼을 유지하고 장치의 손실을 최소로 하기 위해 의도된 긴급 셧다운(ESD)을 유발할 수 있다. 상기 플랫폼이 일반적으로 무인 되기 때문에, 자동화된 그리고 원격 셧 다운 방법은 적절히 되어야 한다. 여러 시스템 불능 또는 에러 조건은 ESD를 조장할 것이다. 예를 들어, 상기 활성 밸러스트 시스템의 불능은 펌프의 파워 요건을 줄이고/거나 비정상화하지 않는 트림 각 또는 큰 평균 리스트(mean list)에 의해 탐지될 수 있다. 또 다른 시스템 불능은 칼럼에서 물 누수에 의해 원인될 수 있다. 이 불능은 누수 칼럼을 향한 플랫폼의 리스트 또는 트림에 의해 탐지될 수 있으며, 이는 기능성 활성 밸러스트 시스템에 의해 보상될 수 없다. 이 시스템은 또한, 터빈 블레이드가 상기 임계치 수준 위의 스트레스를 받는다면 셧다운 되어야 한다. 이 불능은 블레이드 상에 장착되어 있는 스트레인 게이지에 의해 탐지될 수 있다. 또 다른 불능은 바람 속으로 터빈 블레이드를 회전시키는 나셀의 무능이다. 이는 측정된 풍속 및 나셀 헤딩 사이의 모순으로 인식될 수 있다. 이 시스템은 또한 부유 풍력 터빈 플랫폼과 원격 작동기 사이의 교신의 손실 또는 파워 불능이 있는 경우에 셧 다운 될 수 있다.
본원에 기재된 상기 풍력 터빈 플랫폼은 경계적으로 제조되고, 설치되며, 명령/해제되도록 고안되어 있다. 예를 들어, 구조 비용을 최소하기 위해, 상기 구조는 상기 칼럼의 큰 미리-조립된 실린더형 섹션을 제공함에 의해 조립 야드에서 웰딩을 최소화하도록 고안될 수 있으며, 이는 자동 웰딩 기계를 사용하는 작업에서 제조됨에 의해 효과적일 수 있다. 이 제조는 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼이 토우 되기에 충분한 깊이의 수로 부근에서 완성될 수 있다. 상기 타워, 나셀 및 터빈은 큰 크레인을 가지는 설비에서 부두 지구(quayside)에 설치될 수 있다. 부두 지구에 모든 성분을 설치함에 의해, 열린 물에서 부유 플랫폼상의 타워 및 터빈을 배치에 비해 비용이 덜 들고 손상 위험도 덜하다.
도 21-23은 상기 제조 사이트로부터 설비 사이트로 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)을 토우하기 위한 방법을 예시한다. 도 21을 참조하면, 타워(111), 나셀(125) 및 터빈 블레이드(101)는 제조 중 부두 지구에서 플랫폼(105)와 완전히 조립되고 있고, 조립되자마자, 상기 플랫폼(105)은 터그보트를 가진 설비 사이트에 토우 된다. 대부분의 보트 야드는 꽤 얕은 물 채널을 가지기 때문에, 물 밸러스트는 칼럼(102, 103)으로부터 제거될 수 있어서, 플랫폼(105)은 최소 전달 드래프트를 추정한다. 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)은 이의 수송 드래프트에서 안정적이다. 타워 칼럼(102)에 의해 지지된 더 많은 무게가 있기 때문에, 플랫폼(105)의 이 측면은 더 깊은 드래프트를 일반적으로 가질 것이며, 조립 설비로부터 물 채널이 얕다면 이는 문제가 될 수 있다.
도 22를 참조하면, 필요한 경우에, 타워 칼럼(102)의 더 깊은 드래프트를 수정하기 위해, 일시적 부력 모듈(291)은 타워 칼럼(102)에 부착될 수 있고, 그래서 각 칼럼(102, 103)은 동일한 최소 드래프트를 가진다. 다른 실시예에서, 일시 부력 모듈은 얕은 채널을 통해 플랫폼(105)을 부유하도록 하기 위해 필요한 경우 드래프트를 추가로 제거하기 위해 다른 칼럼(103)에 부착될 수 있다.
도 23을 참조하면, 플랫폼(105)이 더 깊은 물에 있자마자, 상기 부력 모듈은 더는 필요하지 않고 제거될 수 있다. 그 다음에 상기 칼럼은, 요구된 드래프트, 예컨대 약 50 피트(15m)의 드래프트로 이븐 킬(even keel) 아래로 물로 밸러스트된다. 비록 더 깊은 드래프트가 물 밸러스팅으로, 수력학적 드래그를 증가시킬 것이지만, 플랫폼(105)은 훨씬 더 많이 안정적이다.
제조 사이트로부터 설비 사이트로의 통과 노선(transit route)은 가능한 짧아야 한다. 따라서, 상기 제조 사이트의 위치는 프로젝트 특이적일 수 있다. 멀티플 부유 풍력 터빈 유닛을 포함하는 큰 해안 풍력 기지가 구조되고 있고 각 선체가 상기 풍력 기지 사이트에 긴 거리 토우 되어야 하는 경우에, 이는 특별히 중요하다. 적합한 설비 용기의 선택은 또한 풍력 기지 프로젝트 경제성에 기초한다. 상기 풍력 터빈을 토우하기 위해 사용된 용기는 무링 설비 및 유지 작업을 수행할 수 있어야 한다.
부두 지구 조립은 상기 설비 사이트에서의 조립을 요구하는 시스템에 비해 많은 이점이 있다. 더욱 특이적으로, 해저에 직접 부착된 고정된 해안 바람 설비는 해안 설비 사이트에 터빈 구조가 설치되고 유지되도록 요구하며, 이는 어려울 수 있고 비쌀 수 있다. 분해가 매우 비싸기 때문에, 실제로 모든 수리는 해안 설비 사이트에서 수행되어야 한다. 대조적으로, 상기 부유 플랫폼 구성은 단지 플랫폼(105)을 상기 무링 라인에 연결시키고 이를 배치시키는 것을 요구한다. 상기 풍력 터빈의 예기치 못한 불능의 경우에, 상기 설비 순서는 거꾸로될 수 있고 상기 플랫폼(105)은 수리를 위해 포트로 다시 뒤로 토우될 수 있다.
상기 부유 풍력 터빈 플랫폼은 또한 해안 명령(commissioning) 페이즈를 간단화한다. 상기 무링 시스템은, 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼이 상기 사이트로 토우되는 경우에 프리레이드(pre-laid)되어야 할 필요가 있고 연결이 준비되어야 한다. 상기 풍력 터빈은 닻-핸들링 베셀에 의해 무어될 수 있다. 상기 무링 과정은 상기 플랫폼으로부터 무링 라인에 부착된 메신저 라인을 회복시키고 상기 무링 라인의 체인 섹션에서 당기는 것으로 포함할 수 있다. 상기 라인의 와이어 섹션에 체인의 연결은 물 위에서 수행될 수 있다. 상기 무링 라인의 신장은 상기 플랫폼으로부터 체인 잭을 가지고 수행될 수 있다. 상기 터빈이 이미 설치되어 있기 때문에, 바람 터빈을 시동하는데 관련된 과정은 현지에서 조립을 요구하는 풍력 터빈보다 훨씬 간단하고 덜 비싸다.
부유 풍력 터빈 플랫폼이 동적으로 이동하는 구조이기 때문에, 전기 발전기를 파워 스테이션에 연결시키는 파워 케이블에 인가된 로드 포스를 최소화하는 것은 중요하다. 부유 풍력 터빈 플랫폼이 적당히 무어 되자마자, 이전에 설치된 해안 파워 케이블은 부유 풍력 터빈 플랫폼에 연결될 수 있다. 도 13을 참조하여, 일 실시예에서, 파워 케이블(501)은 상기 플랫폼(105) 상의 전기 스위치 보드에 커플링되어 있다. 상기 케이블은 보호성 하우징에서 칼럼(102)의 길이를 런다운(runs down)하고 칼럼(102)의 하부 근처에서 종료된다. 상기 스위치 기어는 또한 타워(111)로부터 데크(119)로 이동될 수 있다. 이 경우에, 상기 파워 케이블은 칼럼(103)을 런다운할 것이다. 상기 해저 케이블(501)은 안정적일 필요가 있고 손상을 막기 위해 시스(sheath) 및/또는 트렌치(trenching)와 같은 커버로 보호될 필요가 있다. 해저 아래로 곧장 케이블(501)을 러닝하기보다, 케이블(501)은, 플랫폼(105)의 가장 낮은 부분 근처 및 아래에 케이블(501)의 일부에 복수의 부력 메커니즘(505)에 의해 둘러싸여질 수 있다. 상기 케이블의 이 부분은 상기 영역에서의 배 이동과의 임의의 잠재적 접촉을 막기 위해 물 내에서 충분히 낮아야 한다. 플랫폼(105)이 무링 라인으로 고정되지만, 제 위치에 절대적으로 고정될 수 없다. 상기 플랫폼은, 높은 바람, 강한 흐름 및 밀물/썰물 조류를 포함하는, 여러 외부 힘에 대한 반응으로 이동될 수 있다. 레이지(lazy) 웨이브 부력 메커니즘(505)을 통해, 케이블(501) 및 플랫폼(105)은 임의의 손상 없이 케이블(501)로 이동될 수 있다. 상기 레이지 웨이브 부력 메커니즘(505)으로부터 상기 케이블(501)은 해저로 런닝하고 해저 내에 묻힐 수 있거나 보호 쉘은 케이블(501) 주위에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 부유 풍력 터빈 플랫폼은 배열되어 정렬될 수 있다. 도 24를 참조하면, "풍력 기지"에서 비대칭 부유 풍력 터빈s 플랫폼의 예시적 정렬은 예시되어 있다. 풍속이 감소되고 풍력 터빈을 통해 흐를 때 난류를 만들기 때문에, 일 실시예에서, 상기 풍력 터빈은 약 10 풍력 터빈 로터 직경의 반경(355) 또는 그 초과만큼 분리되어 있고, 가장 자주 부는 풍향(335)에 수직인 멀티플 엇갈린(staggered) 라인(329, 331, 333)으로 배열되어 있다. 예시적 실시예에서, 상기 풍력 터빈(105)은 10 터빈 직경에 의해 6 개의 인접 풍력 터빈으로부터 동일하게 분리되어 있다. 엇갈린 배열 때문에, 제 1 로우(329)에서 두 개의 부유 풍력 터빈 플랫폼(105) 사이에 부는 바람은 제 2 로우(331)에서 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)으로의 클리어 경로를 가질 것이다. 상기 바람 경로는, 풍향이 바람직한 풍향으로부터 30도 멀리 바뀌었을지라도 클리어 할 것이다. 제 3 로우(333)에서 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)은 제 1 로우(329)에서 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)과 한 줄로 배열될 수 있으나, 약 17 터빈 로터 직경의 분리가 있기 때문에, 상향 바람 난류 때문의 파워 손실은 무시될 수 있다. 풍향이 인접 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)을 정렬시키는 각으로 바뀔지라도, 10 터빈 로터 직경 분리는 단지 파워 출력에 최소 효과를 가질 것이다.
부유 풍력 터빈 플랫폼(105)에 의해 사용된 전력 케이블을 최소화하기 위해, 제 1 케이블(341)은 제 1 로우(329)에서 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)을 커플링하고, 제 2 케이블(343)은 제 2 로우(331)에서 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)을 커플링하며, 제 3 케이블(345)은 제 3 로우에서 부유 풍력 터빈 플랫폼(105)을 커플링 한다. 그 다음에, 3개의 케이블(341, 343, 345)은, 필요한 경우에 전력을 분배하는, 파워 스테이션(351)으로 모든 전력을 전달하는 제 4 케이블(347)에 연결되어 있다. 일 실시예에서, 플랫폼(349) 중 하나는 파워 분배 유닛으로서 사용될 수 있고, 크루 및 유지 쿼터를 위해 제공된다. 이는 안전한 보호(shelter) 영역을 제공할 수 있으며, 여기서 작업자들은 일시적으로 살 수 있고 심한 주위 날씨 조건으로부터 보호될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 각 터빈으로부터 개별 케이블은 씨베드 상의 접속 배선함(junction box)에 커플링 되어 있다. 접속 배선함 당 특정 수의 연결부가 있을 수 있다. 모든 연결 박스로부터의 더 큰 케이블은 메인 허브에 커플링 되어 있고, 이는 단일 파워 라인을 사용하여 쇼오(shore)에 연결되어 있다. 불능의 경우에 중복 케이블은 파워 그리드 인프라구조에 더해질 수 있다.
특정, 특이적 실시예에서, 본원에 기재된 풍력 터빈 플랫폼과 당업계에 알려진 것들 사이의 차이는 칼럼 중 하나 위에 직접 장착되어 있는 터빈 타워의 비대칭 구성에 있다. 이 구성은 구조의 중심에 비해, 구조의 외각 가장자리에서 풍력 터빈 질량의 대부분을 유지하고 있다. 예를 들어, 도 4에 도시되어 있는 "Force Technology WindSea" 부유 풍력 터빈 구조는, 상이한 실린더 상에 각 장착되어 있는 세 개의 타워 및 터빈 블레이드를 가진다. 상기 논의된 바와 같이, 풍력 터빈의 효능이, 다른 좁게 간격을 가진 터빈 블레이드에 의해 유발된 난류가 있는 경우에 감소 되는 것은 잘 알려져 있다. 상기 난류 및 고르지 않은 공기 흐름은 또한 상기 풍력 터빈의 정상 작동을 차단할 수 있는 풍력 터빈 시스템으로 진동을 유발할 수 있다. 본원에 기재된 비대칭 풍력 터빈 플랫폼은, 단일 타워 및 터빈 블레이드 구성을 활용함에 의해 이 문제들을 차단한다. 또 다른 종래 기술 부유 풍력 터빈 시스템은 도 5에 예시된 "Tri-Floater"이며, 세 개의 칼럼의 중심에 장착된 타워를 예시한다. 이 무게를 지지하기 위해, 많은 양의 물질은 상기 구조의 중심에 요구된다. 이는 제조 시간, 비용 그리고 이 부유 풍력 터빈 플랫폼 디자인을 만드는데 요구된 물질을 증가시키고, 이 구조의 중심에 무게를 증가시킨다. 외각 가장자리에 비해 중심에 많은 질량을 배치함에 의해, 적은 관성력은, 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼이 롤링 되도록 하기 위해, 요구된다. 대조적으로, 본원에 기재된 비대칭 부유 풍력 터빈 플랫폼은 칼럼 중 하나 위에 모든 풍력 터빈 성분을 마운팅 함에 의해 이 구조를 간단히 하고 있으며, 그래서 추가 지지 구조는 요구되지 않는다. 또한, 상기 실시예에서 외부 방향으로 질량을 이동시킴에 의해, 상기 관성 안정성은 개선된다.
본원에 기재된 풍력 터빈 플랫폼에서 칼럼 중 하나 위에 세워진 단일 타워는 지배적인 힘 분배로서, 플랫폼의 비대칭 로딩을 이끌며, 대부분의 조건에서 풍력 터빈으로부터 오는 것일 것이고, 상응하는 칼럼에 적용되고, 이는 플랫폼의 질량의 중심 근처에 반대된다. 비대칭 무링 시스템은 이 비대칭적으로 로딩 된 플랫폼으로 사용될 수 있으며, 여기서, 타워와 칼럼에 연결된 무링 라인의 수는 다른 칼럼에 연결된 라인의 수보다 실제로 더 크다.
풍력 터빈 기술이 개선되면서, 풍력 터빈의 크기는 증가하고 있다. 일 실시예에서, 본원에 기재된 풍력 터빈 플랫폼은 5메가 와트 전기 발전기를 구동하는 400피트 직경 풍력 터빈 로터를 지지하도록 의도되어 있다. 이 풍력 터빈을 위한 어림된 성분 무게는 표 1에 아래에 나열되어 있다.
성분 적은 톤의 질량 중간 톤의 질량
로터 120 130
나셀르(Nacelle) 250 280
타워 380 420
칼럼 2500 2800
밸러스트 워터 4000 4500
5 메가 와트 전기 발전기를 지지하는 풍력 터빈 플랫폼의 성분의 어림된 크기는 표 2에 아래에 나열되어 있다. 다른 실시예에서, 부유 풍력 터빈 플랫폼 성분의 무게 및 크기는 표 1 및 2에 나열된 값보다 실제로 차이가 있을 수 있다.
성분 피트로의 직경 미터로의 직경
타워 직경 26.25 8
타워 높이 300 91
로터 직경 400 126
칼럼과 난류 블레이드 사이 클리어도 16.4 5
칼럼 센터 사이의 거리 200 61
물-엔트랩먼트 플레이트 너비 70 21
칼럼 직경 30 9
칼럼 높이 100 30
설치 시 물 라인 아래 드래프트 깊이 65 20
물 라인 부두 지구 아래 드래프트 깊이 20 6
본 발명의 시스템은 특정 실시예를 참조하여 기재되어 있지만; 본 발명의 시스템의 범위를 벗어남 없이 이 실시예에서 추가, 삭제 및 변화가 이뤄질 수 있음은, 이해될 것이다. 예를 들어, 기재된 동일한 방법은 또한 다른 장치에 적용될 수 있다. 기재되어 있는 이 시스템이 여러 성분을 포함하지만, 이 성분들 및 기재된 구성은 여러 다른 구성으로 재배열되거나 변경될 수 있음은 또한 이해될 것이다.

Claims (27)

  1. 세미-수중 플랫폼(semi-submersible platform)을 위한 무링(mooring) 으로서:
    상기 세미-수중 플랫폼에 부력을 제공하기 위한 세 개의 세장형 부력 구조물들로서, 상기 세미-수중 플랫폼은 세 개의 꼭지점들(vertices)을 갖는 볼록 다각형(convex polygon)의 형상이고, 상기 세 개의 세장형 부력 구조물들 각각은 상기 세 개의 꼭지점들 중의 하나에 하나씩 배치되고, 상기 볼록 다각형은 상기 부력 구조물들의 길이방향 축들에 수직한 평면 내에 있는, 세 개의 세장형 부력 구조물들;
    부착된 터빈 로터를 갖는 하나의 타워로서, 상기 타워가 상기 세 개의 세장형 부력 구조물들 중의 하나 위에(over) 수직 배열로(vertical alignment) 장착되어서, 상기 타워가 상기 세미-수중 플랫폼의 둘레부(perimeter) 상에 있는, 하나의 타워;
    상기 부력 구조물들에 커플링된 무링 라인들; 및
    상기 무링 라인들에 커플링된 해저에 엠베디드된 닻들(anchors)을 포함하며,
    상기 무링 라인들 중 반 이상이 상기 세 개의 세장형 부력 구조물들 중 하나에 부착되어 있는,
    세미-수중 플랫폼을 위한 무링.
  2. 제 1항에 있어서,
    인접한 무링 라인들 사이의 각이 동일한,
    세미-수중 플랫폼을 위한 무링.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 무링 라인들 각각이:
    a) 상기 부력 구조물들 중 하나에 커플링된 체인 또는 와이어의 제 1 섹션;
    b) 상기 체인 또는 와이어의 제 1 섹션에 부착된 추(weight);
    c) 상기 체인 또는 와이어의 제 1 섹션에 커플링된 폴리에스테르(polyester)의 섹션; 및
    d) 상기 닻들 중 하나와 상기 폴리에스테르의 섹션에 커플링된 체인 또는 와이어의 제 2 섹션을 포함하는,
    세미-수중 플랫폼을 위한 무링.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 추의 네거티브 부력(negative buoyancy)이 상기 체인 또는 와이어의 제 1 섹션의 네거티브 부력보다 더 큰,
    세미-수중 플랫폼을 위한 무링.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 무링 라인들 중 반 이상이 상기 부력 구조물들 중 하나에 커플링된,
    세미-수중 플랫폼을 위한 무링.
  6. 세미-수중 플랫폼을 배치하는 방법으로서:
    복수의 칼럼 사이에서 밸러스트(ballast)를 이동시키기 위한 밸러스트 컨트롤 시스템 및 상기 복수의 칼럼을 갖는, 상기 세미-수중 플랫폼을 부두 지구에서 조립하는 것;
    상기 세미-수중 플랫폼 상에, 전기 발전기에 커플링된 터빈 로터를 포함하는 타워 조립체를 부두 지구에서 설치하는 것;
    상기 칼럼으로부터 밸러스트를 제거하는 것;
    부두 지구에서 얕은 물로부터 100피트 초과 깊이의 깊은 물 속으로 상기 세미-수중 플랫폼을 이동시키는 것;
    상기 세미-수중 플랫폼이 상기 깊은 물에 있는 경우에 안정화를 위해 밸러스트로 상기 칼럼을 부분적으로 채우는 것;
    상기 세미-수중 플랫폼을 무링하는 것;
    상기 세미-수중 플랫폼의 트림 각(trim angle) 및 리스트 각(list angle) 중 한 가지 이상이 미리 정해진 허용가능한 범위 밖인 것을 탐지하는 것; 및
    상기 세미-수중 플랫폼의 트림 각 및 리스트 각 중 한 가지 이상이 미리 정해진 허용가능한 범위 밖인 것으로 탐지될 때, 상기 트림 각 및 리스트 각 중 한 가지 이상을 수정하도록, 상기 밸러스트 컨트롤 시스템을 작동시키는 것;을 포함하는
    세미-수중 플랫폼을 배치하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 세미-수중 플랫폼이 통과 드래프트 깊이(transit draft depth)를 추정할 수 있도록, 부력 모듈(buoyancy module)을 부두 지구(quayside)에서 하나 또는 복수의 칼럼에 부착시키는 것; 및
    상기 세미-수중 플랫폼이 상기 깊은 물로 이동되기 전에 상기 부력 모듈을 제거하는 것을 더 포함하는,
    세미-수중 플랫폼을 배치하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 세미-수중 플랫폼을 무링하는 것은
    해저에 고정되고 비대칭 패턴으로 부력 구조물들에 부착된 복수의 무링 라인들에 상기 세미-수중 플랫폼을 부착시키는 것을 포함하는,
    세미-수중 플랫폼을 배치하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    파워 스테이션에 커플링된 전기 케이블에 상기 발전기를 연결시키는 것;
    상기 터빈 로터를 회전시켜 상기 발전기가 전력을 생산하도록 하는 것; 및
    상기 전력을 상기 전기 케이블을 통해 상기 파워 스테이션에 전달시키는 것을 더 포함하는,
    세미-수중 플랫폼을 배치하는 방법.
  10. 부유 풍력 터빈 플랫폼을 작동시키는 방법으로서:
    a) 3 이상의 고정 칼럼들을 가지는 부유 풍력 터빈 플랫폼 장치로서, 각 칼럼은 상부 및 하부 단부 그리고 밸러스트를 포함하기 위한 내부 공간을 가지고, 타워가 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼에 커플링되어 있고, 터빈 로터는 상기 타워의 상부에 장착되어 있으며, 상기 터빈 로터는 전기 발전기에 커플링되어 있고, 메인 빔들은 상기 3 이상의 고정 칼럼들과 서로 연결되어 있으며, 워터-엔트랩먼트 플레이트들이 상기 고정 칼럼들의 하부 단부들에 부착되어 있고, 밸러스트 컨트롤 시스템이 상기 3 이상의 고정 칼럼들의 내부 공간들 사이에서 상기 밸러스트를 이동시키기 위한 하나 또는 복수의 펌프들 및 수직 정렬 센서를 포함하는, 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼 장치를 제공하며;
    b) 상기 터빈 로터를 회전시키고;
    c) 전기를 생성하기 위한 상기 발전기를 회전시키며;
    d) 미리 정해진 허용가능한 범위 밖의 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼의 리스트 각(list angle)을 탐지하고;
    e) 상기 고정 칼럼들 사이에서 상기 밸러스트를 이동시키기 위해 하나 또는 복수의 펌프들을 구동시키며;
    f) 상기 미리 정해진 허용가능한 범위 내의 상기 부유 풍력 터빈 플랫폼의 리스트 각을 탐지하고;
    g) 상기 고정 칼럼들 사이에서의 상기 밸러스트의 이동을 멈추기 위해 상기 하나 또는 복수의 펌프들을 멈추는 것을 포함하는,
    부유 풍력 터빈 플랫폼을 작동시키는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    탐지된 풍향에 기초한 터빈 로터의 편주 위치(yaw position)를 컨트롤하는 것; 및
    탐지된 풍속에 기초한 상기 터빈 로터의 피치를 컨트롤하는 것을 더 포함하는,
    부유 풍력 터빈 플랫폼을 작동시키는 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 풍속이 초당 12미터 미만의 경우에 상기 발전기로부터의 전기 출력을 최대로 하기 위해 상기 터빈 로터의 피치를 조절하는 것을 더 포함하는,
    부유 풍력 터빈 플랫폼을 작동시키는 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 풍속이 초당 12 내지 25미터인 경우에 일정한 회전 속도를 유지하도록 상기 터빈 로터의 피치를 조절하는 것을 더 포함하는,
    부유 풍력 터빈 플랫폼을 작동시키는 방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 터빈 로터 상의 풍력을 최소로 하기 위해 상기 터빈 로터의 피치를 조절하는 것; 및
    상기 풍속이 초당 25초를 넘는 경우에 상기 터빈 로터를 멈추는 것을 더 포함하는,
    부유 풍력 터빈 플랫폼을 작동시키는 방법.
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