KR101339343B1 - 풍력 터빈 복합 구조체 - Google Patents

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Abstract

라디오 주파수 에너지를 흡수하는 풍력 터빈 복합 구조체로서, 풍력 터빈 복합 구조체는: 내피부와 외피부 사이에 배치된, 내측 표면 및 외측 표면을 가진 코어를 구비하는 샌드위치 패널 구성체로서; 외표면 및 외피부는 풍력 터빈 복합 구조체의 외부 표면을 향하고, 내표면 및 내피부는 풍력 터빈 복합 구조체의 내부를 향하는, 샌드위치 패널 구성체; 내피부에 근접하게 배치된 반사층; 및, 인쇄되거나 또는 침착된 회로를 포함하고, 반사층과 조합되어 레이다 흡수 회로를 형성하는, 기능층;을 포함하며, 기능층은 코어의 외측 표면상에 직접적으로 인쇄되거나 침착된다.

Description

풍력 터빈 복합 구조체{Wind turbine composite structures}
본 발명은 풍력 터빈 블레이드의 제조에서 이용되는 코어 재료에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 풍력 터빈에서 이용되고 레이다 흡수 재료를 샌드위치 패널에 포함시킨 샌드위치 패널 구성체에 관한 것이다.
풍력 터빈 블레이드는 통상적으로 강화 복합 재료로부터 구성된다. 통상적인 블레이드는 2 개의 외피들로 제조되며, 외피들은 차후에 공기 역학적 형상을 형성하도록 접합된다. 외피들은 특정의 위치에 샌드위치 패널 영역들을 구비하는데, 그 영역은 발포체 또는 발사 우드(balsa wood)와 같은 가벼운 재료의 코어를 가진다.
풍력 터빈은 레이다에 의해 추적될 때 문제를 일으킬 수 있다는 점이 알려져 있다. 특히, 그것은 풍력 터빈의 회전자 블레이드들이 항공기의 레이다 신호와 유사한 레이다 신호를 가지기 때문이다. 그것은 항공기와 풍력 터빈을 구분하는데 있어서 항공 관제 및 다른 레이다 작업자들에게 문제를 일으킨다.
본 발명의 목적은 풍력 터빈의 레이다 신호를 감소시킴으로써 그것이 레이다 스크린상에서 항공기와 용이하게 식별될 수 있고, 또한 레이다 작업자의 스크린상에서 혼잡(clutter)을 덜 일으키게 하려는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 용이하게 효과적으로 제조될 수 있는 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 특징에 따르면, 라디오 주파수 에너지를 흡수하는 풍력 터빈 복합 구조체가 제공되는데, 풍력 터빈 복합 구조체는:
내피부와 외피부 사이에 배치된, 내측 표면 및 외측 표면을 가진 코어를 구비하는 샌드위치 패널 구성체로서; 외측 표면 및 외피부는 풍력 터빈 복합 구조체의 외부 표면을 향하고, 내측 표면 및 내피부는 풍력 터빈 복합 구조체의 내부를 향하는, 샌드위치 패널 구성체;
내피부에 근접하게 배치된 반사층; 및,
인쇄되거나 또는 침착된 회로를 포함하고, 반사층과 조합된 레이다 흡수 회로를 형성하는, 기능층;을 포함하며,
기능층은 코어의 외측 표면에 직접적으로 인쇄되거나 침착된다.
기능층을 유리 피복과 같은 분리된 기판상이 아닌, 코어의 외측 표면상에 직접적으로 제공하는 것이 유리한데, 왜냐하면 복합 구조체의 제조에 추가적인 재료가 필요하지 않기 때문이다. 그것은 만약 추가적인 재료들이 복합 구조체 안에 포함되었다면 발생되었을 중량의 문제점을 제거하고, 또한 추가적인 재료의 준비의 필요성을 제거한다.
바람직스럽게는, 기능층이 회로 상사층이다. 회로 상사층은 모노폴(monopoles), 다이폴(dipoles), 루프(loop), 패치(patch) 또는 다른 기하 형상부들과 같은 요소들의 어레이(array)를 포함한다. 요소들은 제어된 높은 주파수 저항성을 가진 재료로부터 만들어진다. 선택된 높은 주파수 임피던스 스펙트럼을 기능층이 나타내도록 요소 재료 및 어레이 요소들의 기하 형상이 설계된다. 기능층 및 반사층이 복합 구조체에서 레이다 흡수층을 형성하도록 임피던스 스펙트럼이 선택된다. 예를 들어 상이한 코어 두께를 가지는, 상이한 복합 구조체들에 대하여 상이한 임피던스 스펙트럼이 필요하다.
회로 상사층은 스크린 인쇄에 의하여 코어의 외측 표면상에 직접적으로 인쇄될 수 있다. 회로 상사층은 통상적인 방법으로 스크린 인쇄에 의해 인쇄될 수 있는 카본 잉크(carbon ink)로부터 형성될 수 있다.
반사층은 카본 티슈(carbon tissue)의 층을 포함할 수 있다.
반사층은 주파수 선택 표면을 포함할 수 있다. 주파수 선택 표면은 기판상에 인쇄되거나 침착된 회로 상사층을 포함할 수 있다. 반사층을 구성하는 회로 상사층은 기능층과 서로 보완되는 특성들을 가짐으로써, 조합된 2 개의 층들이 필요한 주파수에서만 레이다 흡수층으로서 작용한다. 다른 주파수들에서의 방사는 설계에 따라서 반사되거나, 또는 주파수 선택 반사부를 통해 투과되는 것이 허용될 수 있다.
바람직스럽게는, 내피부 및 외피부가 섬유 및 수지 복합 매트릭스의 적어도 하나의 층으로부터 제조된다.
풍력 터빈 블레이드는 위에서 설명된 복합 구조체를 가지면서 제공될 수 있다.
풍력 터빈 나셀(narcell)이 제공될 수 있으며, 이것은 위에서 설명된 복합 구조체를 가진다.
본 발명의 제 2 특징에 따르면, 라디오 주파수 에너지를 흡수하기 위한 풍력 터빈 복합 구조체의 제조 방법이 제공되는데, 그 방법은:
내피부와 외피부 사이에 배치된, 내측 표면 및 외측 표면을 가진 코어를 구비하는 샌드위치 패널 구성체를 조립하는 단계로서; 외측 표면 및 외피부는 풍력 터빈 복합 구조체의 외부 표면을 향하고, 내측 표면 및 내피부는 풍력 터빈 복합 구조체의 내부를 향하는, 샌드위치 패널 구성체의 조립 단계;
내피부에 근접하게 배치되는 반사층을 제공하는 단계;
인쇄되거나 침착된 회로를 포함하는 기능층으로서, 반사층과 조합되어 레이다 흡수 회로를 형성하는 기능층을 제공하는 단계;를 포함하고,
기능층은 코어의 외측 표면상에 직접적으로 인쇄되거나 또는 침착된다.
본 발명에 의하여 항공기와 용이하게 구분될 수 있는 풍력 터빈 복합 구조체가 제공된다.
본 발명의 예는 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 풍력 터빈 회전자 블레이드의 단면도를 도시한다.
도 2 는 본 발명에 따른 샌드위치 패널 구성체를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 샌드위치 패널 구성체가 몰드에 있는 것을 단면도로 도시한다.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명에 따른 코어 구성체를 도시한다.
도 1 은 통상적인 풍력 터빈 회전자 블레이드(10)의 단면도를 도시한다. 회전자 블레이드(10)는 2 개의 공기역학적 외피들인 상부 외피(11) 및 하부 외피(12)로부터 당해 기술 분야에 공지된 방식으로 구성되며, 외피들은 유리 섬유 피복 및 수지 복합체로부터 형성된다. 외피(11,12)들은 유리 섬유 및 탄소 섬유로부터 형성된 튜브형 구조 익형(tubular structural spar, 13)에 의해 지지된다.
익형(13)은 회전자 블레이드(10)의 제 1 강화 구조체를 형성한다. 회전자 블레이드의 종단 가장자리를 향하는 각각의 외피(11,12)의 후방에서, 외피들은 샌드위치 구조로 형성되고, 즉, 유리 섬유(15,16)의 시트(sheet) 사이에 발포체 코어(14)가 접합된다. 발포체 코어(14)는 유리 섬유 층(15,16)들을 분리시켜서 외피를 그 영역에서 단단하게 유지하도록 이용된다.
도 2a 는 분해도로서 회전자 블레이드(10)의 후방으로부터 샌드위치 구조의 일부를 도시한다. 샌드위치 패널 구성은 코어(14)를 구비하며, 코어는 내측 표면(20) 및 외측 표면(21)을 가진다. 코어(14)는 유리 섬유 복합체(16)의 내피부(inner skin)와 유리 섬유 복합체(15)의 외피부(outer skin) 사이에 배치된다. 외측 표면(21) 및 외피부(15)는 회전자 블레이드(10)의 외부 표면을 향하고, 내측 표면(20) 및 내피부(16)는 회전자 블레이드(10)의 내부를 향한다.
이러한 예에서, 코어(14)는 개방 셀 구조의 발포체 코어(open cell structured foam core)이다. 그러나, 다른 적절한 재료가 이용될 수 있으며, 예를 들어 폐쇄 셀 구조의 발포체, 합성 발포체 또는 발사 우드(balsa wood)와 같은 것이다.
반사층(22)이 내피부(16)에 근접하여 배치되며, 즉, 내피부(16)와 코어(14) 사이에 배치된다. 그러나, 반사층(22)은 내피부(16)의 내측 표면상에 제공될 수 있다. 이러한 예에서, 반사층(22)은 탄소 피복층이고, 그것은 레이다(radar)에 대한 배면 반사체(back reflector)로서 기능한다. 그것은 때때로 접지 평면(ground plane)으로서 지칭될 수 있다.
회로 상사층(circuit analogue layer, 23)이 코어(14)의 외측 표면(21)상에 제공된다. 회로 상사층은 인쇄되거나 또는 증착된 회로를 포함하는 기능층이고, 그것은 반사 층(22)과 조합된 레이다 흡수 회로를 형성한다. 회로 상사층(23)은 코어(14)의 외측 표면(21)에 직접적으로 인쇄된 탄소 잉크 회로(carbon-ink circuit)를 포함한다. 레이다 파동이 회전자 블레이드(10)상에 입사될 때, 회로 상사층(23) 및 반사층(22)의 조합은 레이다 파동을 흡수하도록 작용함으로써 그것이 레이더 소스(radar source)로 뒤돌아반사되지 않는다.
도 2 는 스위치 패널의 단면에 대한 분해도를 도시한다. 외피부 및 내피부(15,16), 코어(14) 및 반사층은 모두 적절한 접착제 또는 수지의 이용으로 함께 접합된다.
코어(14)상에 직접적으로 회로 상사층(23)을 제공하는 것은 회로 상사층(23)이 제공된 분리된 기판을 제공할 필요가 없다는 것을 의미한다. 따라서, 회로 상사 패턴이 인쇄된 평직 유리 피복(plain weave glass cloth)과 같은 기판을 제공할 필요가 없다.
따라서, 코어(14)와 외측 표면(15) 사이에 재료의 분리층이 필요하지 않기 때문에 그러한 구조가 유리하다. 이는 재료 비용 및 제조 시간을 감소시키고, 추가적인 재료층이 없기 때문에 중량을 감소시키는 결과를 가져온다.
도 2 에 도시된 샌드위치 패널 구성은 도 3 을 참조하여 다음의 방식으로 구성될 것이다. 처음에, 외측 표면층(15)이 몰드(30)에 놓이는데, 몰드는 젤 코팅(gel coating, 31)으로 피복되어 있다. 다음에 표면상에 이미 인쇄된 회로 상사층(23)을 가진 코어(14)가 외측 표면층(15)상에 배치된다. 차후에, 반사층(22) 및 내측 표면(16)은 코어(14)의 표면(20) 상에 배치된다. 블리이드 직물(bleed fabric) 및 진공 백 또는 진공 필름(32)이 구조체 및 외측 표면층(15) 위에 배치되고, 진공이 적용될 때 층들을 결합시키는 경화 가능 에폭시 수지와 같은 매트릭스 물질(matrix material)로써, 코어(14) 및 내측 표면 층(16)에 의도적으로 만들어진 임의의 슬릿(slit)들 및 구멍들을 채우고, 구조체는 진공 및 가열하에 경화된다.
일단 경화 과정이 완료되면, 결과적인 젤-코팅된 복합체 샌드위치 구조체는 몰드(30)로부터 분리된다. 경화된 젤 코팅(31)은 복합체 샌드위치 구조체의 외측 표면상에 고품질과 높은 내구성의 UV 및 가수 분해 저항 코팅을 제공하는데, 그것은 필요한 시각적 특성을 달성하고 내구성을 더 향상시키도록 페인트로 도색될 수 있다.
회로 상사층(23)과 반사층(22) 사이의 분리가 회로 상사층(23)의 설계에 고려되어야 하는데, 이는 매트릭스 재료, 외측 표면 층 및 내측 표면 층(15,16)의 두께 및 특성이 고려되어야 하는 것과 같다. 이러한 예에서, 회로 상사층(23)과 반사층(22) 사이의 상대적인 분리는 코어(14)의 두께에 의해 결정되는데, 코어는 복합 구조체에서 2 개 층들을 분리시킨다. 회로 상사층(23)의 주어진 디자인에 대하여, 일관된 레이다 흡수 성능은 복합 샌드위치 구조체에 걸쳐서 실질적으로 균일한 두께를 가지는 코어(14)를 보장함으로써 달성된다. 풍력 터빈 회전자 블레이드(10)는 강도(strength)의 이유 때문에 회전자 블레이드의 상이한 위치들에서 샌드위치 구조에 대하여 코어의 상이한 두께를 필요로 할 것이다. 예를 들어, 도 1 을 참조하면, 코어(14)는 스파(13)를 향하는 것에서보다 회전자 블레이드(10)의 종단 가장자리를 향하는 것에서 더 두껍다는 것을 알 수 있다. 코어의 각각의 상이한 두께는 상이한 특성들을 가진 회로 상사층(23)을 필요로 할 것이다. 그러나, 회로 상사층(23)은 코어(14)상에 직접적으로 인쇄되므로, 이는 코어 층(14)의 두께마다 그 코어 두께에 대하여 정확한 특성들을 가진 관련된 회로 유사층(23)이 있다는 것을 의미한다.
따라서, 다수의 코어 두께를 가지는 풍력 터빈 회전자 블레이드(10)를 제조할 때, 코어 섹션이 몰드에 배치되면 코어 두께가 정확한 회로 상사층을 가지는 것이 보장될 것이며, 왜냐하면 각각의 상이한 코어 섹션은 그 위에 회로 상사층이 미리 인쇄될 것이기 때문이다. 이것은 만약 회로 상사층을 위에 가진 분리된 기판이 각각의 상이한 코어 층 두께와 맞춰져야 한다면 발생될 수 있는 제조 과정의 그 어떤 오류(error)라도 회피시킨다. 결과적으로 제조상의 오류 및 복합 구조체를 구성하는데 드는 시간이 감소된다.
도 4a 의 예에서 도시된 바와 같이, 코어(14)에는 몇개의 평행한 슬릿(slit, 35)들이 제공된다. 그 슬릿(35)들은 코어(14)의 걸침(draping)을 용이하게 하여 코어(14)가 도 4b 에 도시된 바와 같이 블레이드 외피의 곡률에 일치할 수 있다. 블레이드의 상이한 영역들은 상이한 곡률을 가지며, 결과적으로 코어(14)는 블레이드의 상이한 영역들에서 상이한 범위로 걸치게 될 필요가 있을 수 있다. 반사층(22)은 코어(14)의 곡률을 따르게 될 것이다. 회로 상사층(23)은 슬릿(35)에 대향하는 코어(14)의 표면상에 제공된다.
회로 상사 흡수부(circuit analogue absorber)는 이러한 예에서 스크린 인쇄에 의하여 코어(14)의 외측 표면(21)상에 직접적으로 인쇄된다. 그러나, 임의의 다른 적절한 방법에 의해서 인쇄되거나 침착될 수 있다.
이전에 설명된 바와 같이, 반사층(22)은 카본 피복(carbon cloth)으로부터 형성된다. 그러나, 다른 예에서, 반사층(22)은 주파수 선택 표면(frequency selective surface)을 포함할 수 있고, 주파수 선택 표면은 기판상에 침착되거나 인쇄된 회로 상사층이다. 그러한 기판은 평직 유리 피복(plain weave glass cloth)이다. 만약 곡률 둘레의 코어(14)의 걸침(draping)을 돕도록 사용된, 코어(14)의 슬릿(35)들의 기하 형상이 고려된다면, 반사층(22)을 형성하는 주파수 선택 층은 코어(14)의 내측 표면(20)상에 직접적으로 인쇄될 수도 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 복합 구조체는 풍력 터빈 회전자 블레이드(10)의 부분을 형성한다. 그러나, 본 발명은 샌드위치 패널 구성체가 이용되는 풍력 터빈상의 임의의 다른 위치에 이용될 수도 있다. 예를 들어, 그 다른 위치는 샌드위치 패널이 구조에 사용되는 풍력 터빈 나셀(nacelle)일 것이다.
10. 회전자 블레이드 11.12. 외피
13. 스파(spar) 14. 코어
22. 반사층 23. 회로 상사층

Claims (10)

  1. 라디오 주파수 에너지를 흡수하는 풍력 터빈 복합 구조체로서, 풍력 터빈 복합 구조체는:
    내피부와 외피부 사이에 배치된, 내측 표면 및 외측 표면을 가진 코어를 구비하는 샌드위치 패널 구성체로서; 외측 표면 및 외피부는 풍력 터빈 복합 구조체의 외부 표면을 향하고, 내측 표면 및 내피부는 풍력 터빈 복합 구조체의 내부를 향하는, 샌드위치 패널 구성체;
    내피부에 근접하게 배치된 반사층; 및,
    인쇄되거나 또는 침착된 회로를 포함하고, 반사층과 조합되어 레이다 흡수 회로를 형성하는, 기능층;을 포함하며,
    기능층은 코어의 외측 표면상에 직접적으로 인쇄되거나 침착되는, 풍력 터빈 복합 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    기능층은 회로 상사층(circuit analogue layer)인, 풍력 터빈 복합 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    회로 상사층은 스크린 인쇄에 의해 코어의 외측 표면상에 직접적으로 인쇄되는, 풍력 터빈 복합 구조체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    반사층은 카본 티슈(carbon tissue)의 층을 포함하는, 풍력 터빈 복합 구조체.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    반사층은 주파수 선택 표면을 포함하는, 풍력 터빈 복합 구조체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    주파수 선택 표면은 기판상에 인쇄되거나 침착(deposition)된 회로 상사층을 포함하는, 풍력 터빈 복합 구조체.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    내피부 및 외피부는 섬유 및 수지 복합 매트릭스(composite matrix)의 적어도 하나의 층으로부터 제조되는, 풍력 터빈 복합 구조체.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 따른 복합 구조체를 포함하는, 풍력 터빈 블레이드.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 따른 복합 구조체를 구비하는, 풍력 터빈 나셀(wind turbine nacelle).
  10. 라디오 주파수 에너지를 흡수하기 위한 풍력 터빈 복합 구조체의 제조 방법으로서, 그 방법은:
    내피부와 외피부 사이에 배치되고, 내측 표면 및 외측 표면을 가진 코어를 구비하는 샌드위치 패널 구성체를 조립하는 단계로서; 외측 표면 및 외피부는 풍력 터빈 복합 구조체의 외부 표면을 향하고, 내측 표면 및 내피부는 풍력 터빈 복합 구조체의 내부를 향하는, 샌드위치 패널 구성체의 조립 단계;
    내피부에 근접하게 배치되는 반사층을 제공하는 단계;
    인쇄되거나 침착된 회로를 포함하는 기능층으로서, 반사층과 조합되어 레이다 흡수 회로를 형성하는 기능층을 제공하는 단계;를 포함하고,
    기능층은 코어의 외측 표면상에 직접적으로 인쇄되거나 또는 침착되는, 풍력 터빈 복합 구조체의 제조 방법.
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