기능
계류 장치는 부유식 해상 풍력 터빈에 정거 기능을 제공하며 하부 구조물과 터빈의 안정성에 기여한다.
비용*
1GW 부유식 해상 풍력발전단지의 경우, 약 4억 1천 1백만 달러(USD)이다.
공급업체
아시아 시장을 위한 영국 공급업체:
Bridon-Bekaert, Venterra, First Marine solutions, First Subsea, InterMoor, Tekmar Group.
일본 공급업체:
MODEC.
일본 공급업체:
DSME.
고급 계류 장치 옵션: 일반 현수선식, 다중 현수선식, 부력식 반긴장식(semi-taut) 및 반부력식 긴장식(taut)(상단 왼쪽부터 시계방향) 이미지 제공: BVG Associates. 무단 전재 및 재배포 금지.
부유식 해상 풍력 터빈의 일반적인 계류 장치 구성 요소. 실제 시스템에서는 이러한 요소를 모두 동시에 사용하지는 않는다. 이미지 제공: BVG Associates. 무단 전재 및 재배포 금지.
주요 정보
반잠수식 구조물에 대한 계류 장치 옵션은 4가지이며 그림 에 보이는 것처럼 다양한 방식으로 규정을 준수한다. 각 현장을 위한 최적의 설계는 기술적 요소와 경제적 요소를 절충하는 것이다.
- 일반 현수선식: 자연스럽게 늘어지는 체인 계류삭을 사용하는 장치로, 자체의 무게로 인해 현수선 모양이 나타난다. 계류삭으로 하부 구조물과 앵커를 연결한다. 바닥에 놓이는 체인의 길이로 인해 앵커는 거의 수평으로 하중을 받으며, 지반 조건이 허용하는 경우 매립식 드래그 앵커를 사용한다. 앵커 비용이 가장 저렴한 유형이며 가장 간단한 계류 장치 설계로 수심이 얕은 현장에서 사용된다. 터빈에서 앵커까지의 반경은 수심의 약 6~8배이다.
- 다중 현수선식: 체인 계류삭을 사용하고 밧줄 구간이 포함될 수 있는 장치이다. 현수선 체인 구간에서 먼저, 이후에 밧줄 구간에서 탄성을 흡수해 유연함을 유지한다. 유연함은 클럼프 추와 부력체를 추가해 조절할 수 있다. 지반 조건이 허용되는 경우, 이 방식에도 매립식 드래그 앵커를 함께 사용할 것으로 예상한다.
- 부력식 반긴장식(semi-taut) 각 라인의 상단과 하단에는 체인을, 중간 부분에는 밧줄을 연결해서 사용하는 장치이다. 바닥에 놓이는 체인으로 인해 앵커는 주로 수평으로 하중을 받으며 부력체가 밧줄 구간을 해저에서 들어 올려 손상을 방지해준다. 주로 밧줄 구간에서 탄성을 받아 유연함을 유지한다.
- 긴장식(taut): 하부 구조물과 앵커 사이에 장력을 가하여 연결된 밧줄 라인을 사용하는 장치이다. 체인의 짧은 구간을 상단과 하단에 사용하여 연결하고 장력을 조절할 수 있다. 유연성은 밧줄 구간의 속성을 통해 달성되며, 하중감소장치를 사용하는 경우 이를 통해 달성할 수 있다. 이 옵션은 앵커에 가해지는 수직 부하가 높기 때문에, 더 큰 용량의 파일형 또는 석션 앵커가 필요하다. 대신, 터빈에서 앵커까지의 반경이 수심의 약 2배인 다른 계류 장치보다 점유 면적이 작다.
부유식 해상 풍력 터빈용 계류 솔루션은 부유식 석유 및 가스 플랫폼용으로 입증된 기술을 개발해 만들어졌다. 일반적으로 부유식 해상 풍력 터빈은 얕은 물에 설치되며 다른 종류의 부하를 받으며 석유 유출 위험이 없기 때문에 고장 시 영향이 덜 심각하다.
계류삭은 수직에서 약간 기울어진 각도로 하부 구조물에 연결된다. 수평장력요소는 하부 구조물을 제자리에 붙잡아 두는 역할을 하며, 수직 장력은 하부 구조물과 풍력 터빈이 안정적으로 균형을 잡도록 도와주는 복원력을 제공한다.
대부분의 초기 계류 장치는 유연하게 만들어 엄청난 부하를 줄이도록 설계되었다. 유연성은 여러 가지 방법으로 달성할 수 있다.
- 현수선 모양은 부하가 증가하면 무게에 따라 곧게 펴지고 길어진다.
- 바닥에 놓이는 체인의 길이는 무게에 따라 하중이 증가하면서 점차 바닥에서 들어 올려진다.
- 긴장식 또는 반긴장식 계류삭은 길이와 자재 성질에 따라 어느 정도의 유연함을 제공한다.
- 일반적으로 라인의 상단에 위치한 긴장식(taut) 또는 반긴장식(semi-taut) 계류 장치에 사용하기 위해 인라인 댐퍼 및 기타 부하 감소 장치를 개발하고 있다.
계류 장치 설계는 움직임을 최소화하는 ‘제한적’ 방식으로 설계할 수 있다.
일반적으로 움직일 수 있는 설계값은 수심의 30~35%이다. 즉, 하부 구조물은 100m의 수심에서 스테이션으로부터 30~35m까지 이동할 수 있으며 동적 내부망과 같은 시스템은 이러한 움직임에 대처해야 한다.
초기 시연 프로젝트에서는 세 줄로 된 계류 장치를 주로 사용했지만, 앞으로는 이중화를 높이고 각 앵커의 무게를 줄이기 위해 여섯 줄로 된 설계가 일반화될 가능성이 높다.
이중화는 일반적으로 사용되는 용어이지만 계류 장치 설계의 맥락에서 오해가 발생할 수 있는 용어이다. 이중화를 설계한다고 해서 오류가 발생하지 않는다는 의미는 아니다. 부유식 해상 풍력 터빈 계류 장치 관련 표준에서 지침을 제공한다. 엔지니어는 지침에 따라 설계하거나 새로운 계류 장치 설계가 목적에 적합하다는 것을 보험사를 설득하여 투자자와 대출 기관이 안심하고 투자하도록 해야 한다.
계류 장치는 약 100~150m 수심에서 비용이 가장 저렴하다. 깊이가 얕을수록 수심에 대한 상대적 파고가 커지고 하부 구조물의 유연성을 관리하기가 어려워져서 비용이 증가한다. 깊이가 깊을수록 계류삭의 길이가 길어져 비용이 증가한다.
계류 장치는 풍력발전단지의 세부 설계에 따라 낚시와 같은 특정 유형의 활동이 제한된다.
계류 장치 설계는 설치 및 연결이 용이하고 주요 수리 이벤트 발생 시 분리가 용이해야 한다.