KR101761954B1 - 풍력 발전소에서의 층 구조의 용도 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 발전소용 로터 블레이드의 제조에서의 층 구조의 용도, 및 풍력 발전소용 로터 블레이드에 관한 것이다.

Description

풍력 발전소에서의 층 구조의 용도 {USE OF LAYER SUPERSTRUCTURES IN WIND POWER PLANTS}
본 발명은 풍력 발전소용 로터 블레이드의 제조에서 층 구조의 용도, 및 풍력 발전소용 로터 블레이드에 관한 것이다.
풍력으로부터의 에너지가 점점 더 중요해지고 있으므로, 풍력 발전소, 및 특히 로터 블레이드 및 그의 제조가 집중적으로 연구되며 더욱 개발되고 있다. 제조되는 로터 블레이드의 품질, 및 저비용의 제조에 특별한 관심이 기울여지고 있다. 풍력 발전소를 위해 이제까지 알려진 로터 블레이드는 매트릭스 물질로, 예를 들어 폴리에스테르 수지 (UP), 비닐 에스테르 수지 (VE), 에폭시 수지 (EP)와 같은 수지를 기재로 하는 섬유-강화 플라스틱으로 이루어진다. 블레이드의 제조는 날개의 하반부 및 상반부를 한 조각으로 제조함으로써 주로 수행된다. 상기 2개의 반쪽을 이어서 함께 위치시키고 접착제로 접착한다. 강화를 위해 버팀목 및 버팀대도 접착된다.
날개 반쪽의 제조에서, 섬유 복합재가 먼저 제조되며, 이것은 완전히 경화되어야 한다. 경화 공정은 매우 시간-소모적이고 신속한 전체 제조를 위해 불리하다. 상기-언급된 수지로부터 제조된 풍력 발전소용 로터 블레이드는 통상적으로 수동식 적층, 프리프레그 기술의 도움을 받은 수동식 적층에 의해, 권취 공정 또는 진공-보조된 주입 공정에 의해 제조된다. 수동식 적층에서, 상기 주형 표면에 이형제, 그리고 임의로 겔 코트를 적용함으로써 주형을 우선 준비한다. 1-방향성 또는 2-방향성 배향을 갖는 다축 유리 직물을 계속해서 상기 주형 내에 넣는다. 이어서 수지를 상기 다축 직물에 적용하고 롤링에 의해 수동식으로 다축 직물로 압축한다. 상기 단계는 필요한 만큼 자주 반복될 수 있다. 뿐만 아니라, 강화 재료로서의 버팀대 및 예를 들어 번개 보호 장치와 같은 다른 부품이 포함될 수 있다. 상기 제1 유리-섬유-강화된 층에, 발사(balsa) 재목 또는 폴리비닐 클로라이드 (PVC) 또는 폴리우레탄 (PUR) 발포체로 일반적으로 만들어진 소위 스페이서 층, 및 상기 제1 층과 유사한 제2 유리-섬유-강화된 층을 적용한다. 상기 방법은 기기 면에서 투자비가 적고 결함을 확인하고 수정하기가 쉽다는 장점을 갖지만, 제작이 지나치게 노동-집약적이고, 그 결과 공정의 비용이 매우 높으며 긴 제작 시간이 더 많은 결함을 초래하고 품질 관리 면에서 높은 비용을 초래한다.
프리프레그 기술을 이용한 수동식 적층의 방법은 단순한 수동식 적층 방법과 유사하게 수행된다. 그러나 이 경우, 소위 프리프레그 (수지로 함침된 미리 제작된 유리 매트)가 주형 외부에서 생성된 다음 로터 블레이드 주형 내에 위치한다. 프리프레그의 제조를 위하여, 단순한 수동식 적층과 대조적으로, 부분적인 자동화가 제조되는 로터의 품질 면에서 향상된 일관성의 결과를 가져오지만, 액체 수지 혼합물에 함유된 매우 휘발성인 화합물로부터 작업자를 보호하는 것은 적지 않은 비용을 필요로 한다 (작업장의 안전성 등).
수지 주입 공정 (수지 이송 성형 (RTM)이라고도 알려짐) 또는 진공-보조된 수지 이송 성형 (VA RTM) 또는 "SCRIMP 공정" (씨맨 복합 수지 주입 성형 공정 ( S eemann C omposites R esin I nfusion M oulding P rocess))에서, 주형은 이형제 및 임의로 겔 코트를 적용하여 준비된다. 정확한 제조 계획에 따라 주형 내에 건조 섬유 매트를 위치시킨다. 삽입되는 제1 층은 그 후 외면 위에 위치하는 로터 블레이드의 층을 형성할 것이다. 다음, 스페이서 물질을 삽입하고, 그 위에 섬유 매트를 다시 위치시킨 다음, 완성된 로터 반/로터 반-외피의 내부 층을 형성한다. 전체적인 주형을 그 후 기밀 막으로 밀봉한다. 이렇게 준비된 주형으로부터, 섬유 매트 및 스페이서 물질로부터 공기를 제거한 다음, 상이한 위치에서 주형 내에 (막과 주형 사이의 공간) 수지를 주입한다. 위에 언급된 2가지 공정과 같이, 상기 공정은 성분의 이형에 12 시간에 이르는 경화 시간이 필요하고, 따라서 설비의 생산성이 심각하게 제한된다는 단점을 갖는다.
그러므로, 본 발명의 목적은 상기-언급된 단점을 갖지 않을 뿐만 아니라, 짧은 시간에 저비용으로 제조될 수 있는 로터 블레이드를 제공하는 것이다.
놀랍게도, 상기 목적은 상기-언급된 수지 대신 폴리우레탄을 플라스틱 물질로서 사용하는 로터 블레이드를 제조함으로써 이루어질 수 있었다. 특히 로터 블레이드의 외부 케이싱에서, 본 발명에 따라 폴리우레탄이 플라스틱 물질로 사용되고; 외부 케이싱에 사용되는 섬유 층도 거기에 적용된다.
본 발명은
하기 층:
a) 이형제 층
b) 임의로 겔 코트 층
c) 플라스틱 물질로 처리된 섬유 층
d) 임의로 스페이서 층
e) 플라스틱 물질이 제공된 섬유 층
f) 임의로 플라스틱 필름
을 가지며 상기 플라스틱 물질로서 폴리우레탄이 사용되는 것을 특징으로 하는 층 구조로 적어도 부분적으로 이루어진 외부 케이싱을 갖는 풍력 발전소용 로터 블레이드를 제공한다.
본 발명은 또한
하기 층:
a) 이형제 층
b) 임의로 겔 코트 층
c) 플라스틱 물질로 처리된 섬유 층
d) 임의로 스페이서 층
e) 플라스틱 물질이 제공된 섬유 층
f) 임의로 플라스틱 필름
을 갖는 층 구조로 적어도 부분적으로 이루어진 외부 케이싱을 갖는 본 발명에 따른 풍력 발전소용 로터 블레이드의 제조 방법이며, 플라스틱 물질로서의 폴리우레탄의 제조를 위한 반응 혼합물로 상기 섬유 층들을 처리하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전소용 로터 블레이드의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한
하기 층:
a) 이형제 층
b) 임의로 겔 코트 층
c) 플라스틱 물질로 처리된 섬유 층
d) 임의로 스페이서 층
e) 플라스틱 물질이 제공된 섬유 층
f) 임의로 플라스틱 필름
을 가지며 상기 플라스틱 물질로서 폴리우레탄이 사용되는 것을 특징으로 하는 층 구조의, 풍력 발전소용 로터 블레이드의 제조에서의 용도를 제공한다.
실리콘- 또는 왁스-함유 이형제가 이형제 층을 위해 바람직하게 사용된다. 이들은 문헌에서 공지되어 있다.
겔 코트 층은 폴리우레탄, 에폭시, 불포화 폴리에스테르 또는 비닐 수지로 바람직하게 이루어진다.
섬유 층으로, 바람직하게는 랜덤 배향된 유리 섬유, 직조된 다축의 유리 직물, 절단 또는 분쇄된 유리 또는 무기 섬유의 층, 뿐만 아니라 중합체, 무기물, 탄소, 유리 또는 아라미드 섬유를 기재로 하는 섬유 매트, 섬유 부직포 및 편직물, 및 이들의 혼합물이, 특히 바람직하게는 유리 섬유 매트 또는 유리 섬유 부직포가 사용될 수 있다. 스페이서 층으로 바람직하게는 플라스틱 발포체, 목재 또는 금속이 사용될 수 있다.
임의로 사용되는 플라스틱 필름은 로터 블레이드의 제조 도중 케이싱 내 층으로 남아있거나 로터 블레이드의 절반이 이형될 때 제거될 수 있다. 이는 특히, 액체 수지 혼합물로 충전하기 앞서 비우기 위한 제조 공정에서, 상기-언급된 층을 구비하는 주형의 반-외피를 봉합하는 역할을 한다.
플라스틱 물질로 폴리우레탄이 사용된다. 폴리우레탄은 폴리이소시아네이트와, 이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 화합물의 반응에 의해 수득가능하다. 이소시아네이트 성분과, 이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 화합물의 반응 혼합물을 준비된 비워진 층 구조 내에 주입한다.
이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 적합한 화합물은 일반적으로, 예를 들어 OH 기, SH 기, NH 기, NH2 기 및 CH-산성 기와 같은 2개 이상의 반응성 기를 분자 내에 지닌 것들이다. 바람직하게는, 폴리에테르 폴리올 및/또는 폴리에스테르 폴리올, 특히 바람직하게는 폴리에테르 폴리올이 사용된다. 폴리올 제제는 폴리올로, 바람직하게는 200 내지 1,830 mg KOH/g, 바람직하게는 300 내지 1,000 mg KOH/g, 특히 바람직하게는 350 내지 500 mg KOH/g의 OH 가를 갖는 것들을 함유한다. 폴리올의 점도는 바람직하게는 800 mPas 이하이다 (25℃에서). 바람직하게는, 상기 폴리올은 적어도 60%의 2급 OH 기, 바람직하게는 적어도 80%의 2급 OH 기, 특히 바람직하게는 90%의 2급 OH 기를 갖는다. 프로필렌 옥시드를 기재로 하는 폴리에테르 폴리올이 특히 바람직하다.
폴리이소시아네이트 성분으로서, 통상적인 지방족, 시클로지방족 및 특히 방향족 디- 및/또는 폴리-이소시아네이트가 사용된다. 적합한 상기 폴리이소시아네이트의 예는 1,4-부틸렌 디이소시아네이트, 1,5-펜탄 디이소시아네이트, 1,6-헥사메틸렌 디이소시아네이트 (HDI), 이소포론 디이소시아네이트 (IPDI), 2,2,4- 및/또는 2,4,4-트리메틸헥사메틸렌 디이소시아네이트, 비스(4,4'-이소시아네이토시클로헥실)메탄 또는 이들의 다른 이성질체와의 혼합물, 1,4-시클로헥실렌 디이소시아네이트, 1,4-페닐렌 디이소시아네이트, 2,4- 및/또는 2,6-톨루엔 디이소시아네이트 (TDI), 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트, 2,2'- 및/또는 2,4'- 및/또는 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트 (MDI) 및/또는 그의 고분자량 유사물 (pMDI), 1,3- 및/또는 1,4-비스-(2-이소시아네이토-프로프-2-일)벤젠 (TMXDI), 1,3-비스-(이소시아네이토메틸)벤젠 (XDI)이다. 이소시아네이트로서 바람직하게는 디페닐메탄 디이소시아네이트 (MDI), 특히 디페닐메탄 디이소시아네이트와 폴리페닐렌폴리메틸렌 폴리이소시아네이트 (pMDI)의 혼합물이 사용된다. 디페닐메탄 디이소시아네이트 및 폴리페닐렌폴리메틸렌 폴리이소시아네이트 (pMDI)의 혼합물은 40 내지 100 중량%, 바람직하게는 50 내지 90 중량%, 특히 바람직하게는 60 내지 80 중량%의 바람직한 단량체 함량을 갖는다. 사용되는 폴리이소시아네이트의 NCO 함량은 바람직하게는 25 중량%를 초과, 보다 바람직하게는 30 중량%를 초과, 특히 바람직하게는 31.4 중량%를 초과해야 한다. 바람직하게는, 사용되는 MDI는 적어도 3 중량%, 바람직하게는 적어도 20 중량%, 특히 바람직하게는 적어도 40 중량%의, 2,2'-디페닐메탄 디이소시아네이트 및 2,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트 총 함량을 가져야 한다. 이소시아네이트의 점도는 바람직하게는 250 mPas 이하 (25℃에서), 보다 바람직하게는 100 mPas 이하 (25℃에서), 특히 바람직하게는 50 mPas 이하 (25℃에서)여야 한다.
공지된 반응성 성분과 더불어, 상기 폴리우레탄 반응 혼합물은 바람직하게는 첨가제 및 첨가되는 성분, 바람직하게는 충전제, 예컨대, 탄소 나노튜브, 황산바륨, 이산화티타늄, 유리 단섬유 또는 천연 섬유 또는 예를 들어 월라스토나이트 또는 무스코바이트와 같은 라멜라 무기물을 함유할 수 있다. 첨가제 및 첨가되는 성분으로, 소포제, 촉매 및 잠재적 촉매가 바람직하게 사용된다. 추가의 공지된 첨가제 및 첨가되는 성분이 필요하다면 사용될 수 있다.
적합한 폴리우레탄 계는 특히 투명한 계이다. 대형 성형물의 제조에서 주형의 균일한 충전을 위해서는 낮은 점도가 필요하므로, 5,000 mPas 이하 (25℃에서; 성분을 혼합한 지 3분 후), 바람직하게는 2,000 mPas 이하, 특히 바람직하게는 1,000 mPas의 점도를 갖는 폴리우레탄 계가 특히 적합하다. 이소시아네이트 성분과, 이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 화합물 사이의 전환 비는, 반응 혼합물 중 이소시아네이트 기의 수 대 이소시아네이트에 대하여 반응성인 기의 수의 비가 0.9 내지 1.5, 바람직하게는 1.0 내지 1.2, 특히 바람직하게는 1.02 내지 1.1이 되도록 선택되는 것이 바람직하다.
바람직한 실시양태에서, 이소시아네이트 성분 및 이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 화합물의 반응 혼합물은 20 내지 80℃, 특히 바람직하게는 25 내지 40℃의 온도에서 주입된다.
반응 혼합물이 도입된 후, 폴리우레탄의 경화는 주형을 가열함으로써 촉진될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 이소시아네이트 성분과 이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 화합물의 주입된 반응 혼합물은 40 내지 160℃, 바람직하게는 60 내지 120℃, 특히 바람직하게는 70 내지 90℃의 온도에서 경화시킨다.
본 발명을 이하의 실시예에 의해 더 상세히 설명한다.
실시예
다양한 폴리우레탄 계로부터 성형체 (시트)를 제조하고 표준 에폭시 수지 계와 비교하였다. 시트 크기는 17 cm * 17 cm, 두께는 4 mm였다.
이형 시간은 그 후 PUR 시험 견본이 변형됨이 없이 손으로 시트 주형으로부터 떼 내질 수 있는 시간이다.
점도는 성분을 혼합한 지 30분 후에 측정되었는데, 그 이유는 대형 성형물의 제조에 있어서는, 주형의 균일한 충전을 위해 일정 시간 동안 낮은 점도가 필요하기 때문이다.
실시예 1
70 g의 바이갈(Baygal)® K 55 (바이엘 머티리얼사이언스 아게(Bayer MaterialScience AG)의 제품인 폴리에테르 폴리올; OH 가: 385±15 mg KOH/g; 25℃에서의 점도: 600±50 mPas)를 65.3 g의 바이미두르(Baymidur)® K 88 (바이엘 머티리얼사이언스 아게의 제품; 디페닐메탄 디이소시아네이트와 폴리페닐렌폴리메틸렌 폴리이소시아네이트의 혼합물; NCO 함량: 31.5±0.5 중량%; 25℃에서의 점도: 90±20 mPas)와 함께 실온에서 교반하고, 감압에서 탈기하였다. 상기 용액을 시트 주형 내에 붓고, 실온에서 1시간 동안 보관하였다. 그 후 시료를 80℃에서 경화시켰다. 겔화 시간은 약 70분이었고 이형 시간은 2시간이었다. 시험 견본은 76 쇼어 D의 경도를 가졌다. 성분을 혼합한 지 30분 후 25℃에서의 점도는 1,540 mPas였다.
실시예 2
70 g의 바이갈® K 55 (바이엘 머티리얼사이언스 아게의 제품인 폴리에테르 폴리올; OH 가: 385±15 mg KOH/g; 25℃에서의 점도: 600±50 mPas)를 63 g의 바이미두르® VP.KU 3-5009 (바이엘 머티리얼사이언스 아게; 디페닐메탄 디이소시아네이트와 폴리페닐렌폴리메틸렌 폴리이소시아네이트의 혼합물; NCO 함량: 31.5 - 33.5 중량%; 25℃에서의 점도: 15 - 30 mPas)와 함께 실온에서 교반하고, 감압에서 탈기하였다. 상기 용액을 시트 주형 내에 붓고, 실온에서 1시간 동안 보관하였다. 그 후 시료를 80℃에서 경화시켰다. 이형 시간은 2시간이었다. 시험 견본은 76 쇼어 D의 경도를 가졌다. 성분을 혼합한 지 30분 후 25℃에서의 점도는 974 mPas였다.
비교 실시예 3
180 g의 라리트 (Larit) RIM 135 (L-135i) 주입 수지 (랑게플러스리터(Lange+Ritter)의 제품)를 60 g의 라리트 RIMH 137 경화제 (랑게플러스리터의 제품)와 함께 실온에서 교반하고, 감압에서 탈기하였다. 상기 용액을 시트 주형 내에 붓고 실온에서 1시간 동안 보관하였다. 그 후 시료를 80℃에서 경화시켰다. 이형 시간은 12시간이었다.
시험 견본은 76 쇼어 D의 경도를 가졌다.
상기 폴리우레탄 계는 실질적으로 더 신속하게 이형될 수 있었다. 폴리우레탄 계의 이형 시간이 짧을수록 더 높은 생산성이 가능한데, 그 이유는 주형을 차지하는 시간이 현저히 줄어들고, 따라서 더 많은 성형체가 제조될 수 있기 때문이다.

Claims (8)

  1. 하기 층:
    a) 이형제 층
    b) 임의로 겔 코트 층
    c) 이소시아네이트 성분과, 이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 화합물의 반응 혼합물을 준비된 비워진 층 구조 내에 주입하여 폴리우레탄으로 처리된 섬유 층
    d) 임의로 스페이서 층
    e) 이소시아네이트 성분과, 이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 화합물의 반응 혼합물을 준비된 비워진 층 구조 내에 주입하여 폴리우레탄으로 처리된 섬유 층
    f) 임의로 플라스틱 필름
    을 가지며 풍력 발전소용 로터 블레이드의 제조에서 사용되는, 진공-보조된 수지 이송 성형 공정을 통해 제조된 층 구조물.
  2. 하기 층:
    a) 이형제 층
    b) 임의로 겔 코트 층
    c) 이소시아네이트 성분과, 이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 화합물의 반응 혼합물을 준비된 비워진 층 구조 내에 주입하여 폴리우레탄으로 처리된 섬유 층
    d) 임의로 스페이서 층
    e) 이소시아네이트 성분과, 이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 화합물의 반응 혼합물을 준비된 비워진 층 구조 내에 주입하여 폴리우레탄으로 처리된 섬유 층
    f) 임의로 플라스틱 필름
    을 가지며 진공-보조된 수지 이송 성형 공정을 통해 제조된 층 구조물로 적어도 부분적으로 이루어진 케이싱을 포함하는 풍력 발전소용 로터 블레이드.
  3. 하기 층:
    a) 이형제 층
    b) 임의로 겔 코트 층
    c) 섬유 층
    d) 임의로 스페이서 층
    e) 섬유 층
    f) 임의로 플라스틱 필름
    을 갖는 층 구조물로 적어도 부분적으로 이루어진 케이싱을 포함하는 제2항에 따른 풍력 발전소용 로터 블레이드의 제조 방법이며,
    i) 이소시아네이트 성분과, 이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 화합물의 반응 혼합물을 준비된 비워진 층 구조 내에 주입하여 폴리우레탄으로 상기 섬유 층을 처리하는 단계, 및
    ii) 진공-보조된 수지 이송 성형 공정을 통해 층 구조물을 제조하는 단계를 포함하는 것인, 로터 블레이드의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 반응 혼합물이 이소시아네이트로서 디페닐메탄 디이소시아네이트 및/또는 25 중량% 초과의 NCO 함량을 갖는 폴리페닐렌폴리메틸렌 폴리이소시아네이트를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 반응 혼합물이 이소시아네이트에 대하여 반응성인 적어도 2개의 수소 원자를 갖는 화합물로서, OH 기의 적어도 60%가 2급 OH 기이고 200 내지 1,830 mg KOH/g의 OH 가를 갖는 폴리에테르 폴리올을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제3항에 있어서, 반응 혼합물을 20 내지 80℃의 온도에서 섬유 층들에 적용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제3항에 있어서, 반응 혼합물을 40 내지 160℃의 온도에서 경화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제3항에 있어서, 반응 혼합물이 혼합한 지 30분 후에 5,000 mPas 이하의 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
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