KR20010067856A - 풍력발전기의 로터 블레이드 및 그 성형방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전기의 로터 블레이드 및 그 성형방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력발전기의 상단부에 설치되어 바람의 힘에 의하여 회전하는 로터 블레이드를 헬륨가스가 충진된 튜브의 외부에 가볍고 인장강도가 우수한 고분자 소재를 라미네이팅하여 형성함으로서, 풍력발전기에 사용되는 소형, 중형 및 대형 로터 블레이드의 무게를 경량화하여 낮은 풍속에서도 로터 블레이드의 회전성능과 풍력발전기의 발전성능을 향상시킬 수 있는 풍력발전기의 로터 블레이드 및 그 성형방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드는, 방탄필름(17)의 내부에 헬륨가스(18)가 충진되는 튜브(16)와, 상기 튜브(16)의 외부에서 튜브(16)와 일체로 라미네이팅 처리되어 몸체부(12)와 날개부(14)를 형성하는 보강부(15)와, 상기의 보강부(15)를 관통하여 튜브(16)에 연결되는 가스주입수단(19)으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드 성형방법은, 상기한 튜브(16)의 내부에 헬륨가스(18)를 주입시키는 공정과, 고분자 폴리에틸렌 계열의 합성수지인 스펙트라 섬유로 된 원단(20)이나 다이니마 섬유로 된 원단(20) 또는 나일론 계열의 합성수지인 케블라 섬유로 된 원단(20)중에서 택일하여서 되는 원단(20)을 일정한 형태로 재단하여 접합함으로서 튜브수납공간(23)이 형성된 상,하부 접합원단(21,22)을 성형하는 공정과, 헬륨가스(18)가 충진된 상기한 튜브(16)와, 튜브수납공간(23)이 형성된 상기한 상,하부 접합원단(21,22)을 금형이나 목형을 사용하여 일체로 압착함으로서 로터 블레이드(2)를 성형하는 공정으로 이루어지는 일련의 공정을 거치는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전기의 로터 블레이드 및 그 성형방법{A rotor blade of a wind power generator, and the forming method thereof}
본 발명은 풍력발전기의 로터 블레이드 및 그 성형방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력발전기의 상단부에 설치되어 바람의 힘에 의하여 회전하는 로터 블레이드를 헬륨가스가 충진된 튜브의 외부에 가볍고 인장강도가 우수한 고분자 소재를 라미네이팅하여 형성함으로서, 풍력발전기에 사용되는 소형, 중형 및 대형 로터 블레이드의 무게를 경량화하여 낮은 풍속에서도 로터 블레이드의 회전성능과 풍력발전기의 발전성능을 향상시킬 수 있는 풍력발전기의 로터 블레이드 및 그 성형방법에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전은 지상으로부터 일정한 높이에 설치된 회전자인 로터 블레이드를 바람의 운동에너지를 이용하여 회전시키고, 로터 블레이드의 회전에 의하여 발생하는 기계적 에너지를 사용하여 풍력발전기의 내부에 설치된 발전기를 구동시켜 전기를 발생시키는 것으로서, 환경오염에 대한 우려가 전혀 없을 뿐만 아니라, 그 에너지 자원의 거대한 잠재성으로 인하여 세계 각국에서 대체 에너지원의 일환으로 폭넓게 개발되어 사용되고 있다.
상기와 같은 풍력발전에 사용되는 풍력발전기는 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 수평축 풍력발전기(1)와, 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 수직축 풍력발전기(2)로 크게 나누어질 수 있다.
상기한 수평축 풍력발전기(1)는 지면(11)으로부터 소정의 높이만큼 철탑(9)이 설치되고, 상기 철탑(9)의 상단에는 로터 블레이드(2)가 피치 콘트롤러(3)에 결합되어 설치되며, 상기 로터 블레이드(2)의 회전을 증속시키는 증속기어박스(4)와, 증속기어박스(4)의 회전을 전달하는 기어결합부(5) 및 증속기어박스(4)로부터 전달받은 회전력을 사용하여 전기를 발생시키는 발전기(6)가 모두 철탑(9)의 상단부에 설치되어 있으며, 지면(11)에 해당하는 철탑(9)의 바닥부에는 기어결합부(9)와 회전축(10)으로서 연결되는 또 다른 발전기(6)가 설치되어 있다.
그리고, 상기한 수직축 풍력발전기(1)는 지상으로부터 소정의 높이만큼 설치된 철탑(9)의 상단부에 로터 블레이드(2)만이 회전부(7)에 결합되어 설치되고, 발전기(6)는 지면(11)에 해당하는 철탑(9)의 바닥부에서 증속기어박스(4)와 함께 설치되어, 상기 회전부(7)로부터 하부로 연장되는 회전축(10)에 의하여 로터 블레이드(2)의 회전력을 전달받도록 되어 있다.
상기와 같이 수평축 및 수직축 풍력발전기(1)로 대별되는 각각의 풍력발전기(1)는 그 외관적인 형태와 각종 장치들의 설치위치에는 다소 차이가 있으나, 바람에 의하여 로터 블레이드(2)가 회전하게 되면, 로터 블레이드(2)의 회전속도를 증속기어박스(4)에서 증속시켜 철탑(9)의 내부에 설치된 발전기(6)에 로터 블레이드(2)의 회전력을 전달시킴으로서 발전기(6)를 구동시켜 전력을 생산하게 하는 발전 원리는 서로 유사한 것이며, 상기한 수평축 풍력발전기(1)에 설치되는 피치 콘트롤러(3)와 방향조절기(8)는 입력되는 풍력에 따라 로터 블레이드(2)의 바람맞이 각도를 조절하여 로터 블레이드(2)가 최적의 회전수를 유지하면서 회전할 수 있도록 한 것이다.
그러나, 상기와 같은 풍력발전기(1)에 설치되는 로터 블레이드(2)는 소형 풍력발전기(1)의 경우에는 그 길이가 개략 3~10m 정도이고, 일반적인 풍력발전기(1)의 경우에는 그 길이가 개략 12~18m에 해당하며, 대형 풍력발전기(1)의 경우에는 로터 블레이드(2)의 길이만 60m에 해당할 정도로 매우 크고 길게 되는데, 대부분의 로터 블레이드(2)가 금속이나 플라스틱 재질로 제작됨으로서, 대형 풍력발전기(1)에 사용되는 로터 블레이드(2)의 경우에는 하나의 로터 블레이드(2) 무게만 90㎏ 이상으로 매우 무겁게 되는 문제점이 있었다.
상기와 같이 로터 블레이드(2)의 무게가 무겁게 되면, 철탑(9)의 상단부에 로터 블레이드(2)를 설치하는 작업이 매우 곤란해지게 되는 문제점이 있었으며, 철탑(9)의 상단에서 외팔보의 형태로 결합되는 로터 블레이드(2)를 안전하게 지지하기 위해서는 철탑(9)의 상단에 회전부(7)가 결합되는 부분과, 회전부(7)에 로터 블레이드(2)가 결합되는 부분에 대한 결합강도를 매우 크게 하여야 함으로서, 로터 블레이드(2)의 설치에 따른 구조상의 난점이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 풍력발전기(1)의 발전성능이 로터 블레이드(2)의 회전성능에 따라 매우 크게 좌우되기 때문에, 로터 블레이드(2)의 무게가 무거워지게 되면, 동일한 풍속에서도 로터 블레이드(2)의 회전성능이 저하되어 풍력발전기(1)의 발전능력이 떨어지게 되며, 특히 대형 풍력발전기(1)에 사용되는 로터 블레이드(2)를 회전시켜 실생활에 충분히 사용될 수 있는 양만큼의 전기를 생산하기 위해서는, 로터 블레이드(2)를 회전시키기 위한 바람의 연중 평균풍속이 8~10 m/s 정도로 매우 강해야 함으로서, 한국과 같이 2.5~3.5 m/s 정도의 낮은 연중 평균풍속을 가지는 지역에서는 대형 풍력발전기(1)를 적용하기 힘든 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점에도 불구하고 대형 풍력발전기(1)가 소형 풍력발전기(1)에 비하여 많은 지역에서 적용되고 있는 이유는, 로터 블레이드(2)를 보다 높은 위치에 설치하여야만 로터 블레이드(2)가 바람의 영향을 많이 받을 수 있게 될 뿐만 아니라, 풍력발전기(1)를 구성하는 전체적인 시스템이 대형화될수록 풍력발전기(1)의 전체적인 발전효율이 향상되고 발전단가가 저렴해져서 보다 저가의 전기를 공급할 수 있기 때문이며, 상기한 이유로 인하여 연중 평균풍속이 비교적 낮은 한국과 같은 지역에서는 높은 발전효율과 저가의 전기공급을 이루어내기 위하여 풍력발전기(1)는 대형화시키면서도 로터 블레이드(2) 자체는 경량화시키는 것에 대한 기술 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드 및 그 성형방법은 풍력발전기의 상단부에 설치되어 바람의 힘에 의하여 회전하는 로터 블레이드를 헬륨가스가 충진된튜브의 외부에 가볍고 인장강도가 우수한 고분자 소재를 라미네이팅하여 형성함으로서, 풍력발전기에 사용되는 소형, 중형 및 대형 로터 블레이드의 무게를 경량화하여 낮은 풍속에서도 로터 블레이드의 회전성능을 향상시킬 수 있고, 이로 인하여 풍력발전기의 발전성능을 향상시켜 저가의 전기 공급을 이루어 낼 수 있도록 하는 것을 본 발명의 기술적 과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드는, 방탄필름의 내부에 헬륨가스가 충진되는 튜브와, 상기 튜브의 외부에서 튜브와 일체로 라미네이팅 처리되어 몸체부와 날개부를 형성하는 보강부와, 상기의 보강부를 관통하여 튜브에 연결되는 가스주입수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드 성형방법은, 상기한 튜브의 내부에 헬륨가스를 주입시키는 공정과, 고분자 폴리에틸렌 계열의 합성수지인 스펙트라 섬유로 된 원단이나 다이니마 섬유로 된 원단 또는 나일론 계열의 합성수지인 케블라 섬유로 된 원단중에서 택일하여서 되는 원단을 일정한 형태로 재단하여 접합함으로서 튜브수납공간이 형성된 상,하부 접합원단을 성형하는 공정과, 헬륨가스가 충진된 상기한 튜브와 튜브수납공간이 형성된 상기한 접합원단을 금형이나 목형을 사용하여 일체로 압착함으로서 로터 블레이드를 성형하는 공정으로 이루어지는 일련의 공정을 거치는 것을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 수평축 풍력발전기를 나타내는 사시도.
도 2는 일반적인 수직축 풍력발전기를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드를 나타내는 사시도.
도 4는 도 3의 A-A선 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드 구조를 나타내는 분해사시도.
도 6은 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드에 설치되는 가스주입구의 상세도.
도 7은 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드 성형방법을 나타내는 공정블럭도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 풍력발전기 2 : 로터 블레이드 3 : 피치 콘트롤러
4 : 증속기어박스 5 : 기어결합부 6 : 발전기
7 : 회전부 8 : 방향조절기 9 : 철탑
10 : 회전축 11 : 지면 12 : 몸체부
13 : 결합부 14 : 날개부 15 : 보강부
16 : 튜브 17 : 튜브팽창공간 18 : 헬륨가스
19 : 개스주입구 20 : 원단 21 : 상부 접합원단
22 : 하부 접합원단 23 : 튜브수납공간 24 : 수납홈
101 : 튜브성형공정 102 : 가스주입공정 201 : 원단성형공정
202 : 원단접합공정 300 : 압착성형공정 400 : 후처리 공정
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드를 나타내는 사시도이며, 도 4는 도 3의 A-A선 단면도이고, 도 5는 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드 구조를 나타내는 분해사시도이며, 도 6은 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드에 설치되는 가스주입구의 상세도이고, 도 7은 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드 성형방법을 나타내는 공정블럭도이며, 도면 중 미설명 된 부호 19a는 주입구, 19b는 마개, 19c는 밀폐링, 19d는 스프링, 19e는 주입관을 나타내는 것이다.
본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드의 외부구조는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 볼록한 형태의 몸체부(12) 일단에는 풍력발전기(1)의 피치 콘트롤러(3)에 결합되는 원통 형상의 결합부(13)가 형성되어 있고, 상기 몸체부(12)의 일측으로는 날개부(14)가 몸체부(12)로부터 얇게 연장 형성되어 있으며, 상기의 결합부(13)측에는 로터 블레이드(2)의 몸체부(12) 내부에 점선으로 도시되어 있는 튜브(16)와 연결되는 가스주입수단(19)이 설치되어 있다.
상기와 같이 몸체부(12)와 결합부(13) 및 날개부(14)로 이루어지는 본 발명에 의한 로터 블레이드(2)의 외부구조{단, 가스주입수단(19)은 제외된다}는 수평축 풍력발전기(1)에 사용되는 일반적인 로터 블레이드(2)의 외부구조와 동일한 형상으로 이루어지는 것으로서, 도 3에 도시된 형태 이외에 수평축 풍력발전기(1)에 사용되는 다른 여러 가지의 형태의 로터 블레이드(2)나, 수직축 풍력발전기(1)에 사용되는 다른 여러 가지 형태의 로터 블레이드(2)로도 형성될 수 있다.
상기와 같은 외부구조를 가지는 본 발명에 의한 로터 블레이드(2)의 내부구조는 도 4 및 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 방탄필름(17)의 내부에 헬륨가스(18)가 충진되어 상기한 몸체부(12)의 축소된 형태로 형성되는 튜브(16)와, 상기 튜브(16)의 외부에서 튜브(16)와 일체로 라미네이팅 되어 상기한 로터 블레이드(2)의 몸체부(12)와 날개부(14) 및 결합부(13)를 형성하게 되는 보강부(15)와, 상기 결합부(13)측에서 상기의 보강부(15)를 관통하여 튜브(16)에 연결되는 가스주입수단(19)으로 이루어지며, 상기 보강부(15)의 내부에는 상기한 튜브(16)를 수납시키기 위한 튜브수납공간(23)이 형성되어 있다.
상기의 보강부(15)는 고분자 폴리에틸렌 계열의 합성수지로서 상표명이 스펙트라(Spectra)되는 섬유로 제조된 원단(20)이나, 상표명이 다이니마(Dyneema)로 되는 섬유로 제조된 원단(20) 또는, 나일론 계열의 합성수지로서 상표명이 케블라(Kevlar)로 되는 섬유로 제조된 원단(20) 중에서 하나를 택일하여서 되는 원단(20)이 적층식으로 라미네이팅 되어 형성되며, 상기한 3가지 종류의 원단(20) 대신에, 이와 기계적 성질이 유사한 상표명 트와론 또는 화이바글라스로 제조된 원단(20)을 적층식으로 라미네이팅하여 형성하여도 무방하다.
그리고, 상기한 가스주입수단(19)은 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 보강부(15)를 관통하여 튜브(16)에 연결되는 주입관(19e)의 선단에 주입구(19a)가 설치되어 있고, 상기 주입구(19a)의 내부에는 주입구(19a)를 개폐하는 마개(19b)와, 상기 마개(19b)의 전방에서 주입구(19a)를 밀폐하는 밀폐링(19c)과, 상기 마개(19b)의 후방에서 마개(19b)를 주입구(19a) 전방으로 탄력적으로 밀어주는 스프링(19d)이 설치된 구성으로 이루어진다.
상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드 성형방법을 도 7의 공정블럭도를 중심으로 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 로터 블레이드의 성형방법은 도 7의 공정블럭도에 도시되어 있는 바와 같이, 튜브성형공정(101) 및 가스주입공정(102)으로 이루어지는 일련의 공정과 병행하여 원단재단공정(201) 및 원단접합공정(202)으로 이루어지는 일련의 공정을 일차적으로 거친 다음, 압착성형공정(300)과 후처리 공정(400)을 거치는 것으로서 각각의 공정에 대한 상세한 설명은 다음과 같다.
본 발명에 의한 로터 블레이드의 성형방법은 먼저, 방탄필름(17)을 일정한 형태로 절단하여, 절단된 방탄필름(17)을 서로 포개어 놓고, 가스주입수단(19)이 설치되는 부분을 제외한 나머지 테두리 부분을 고주파 융착시켜 밀봉된 튜브(16)를 성형하는 튜브성형공정(101)을 거친다.
상기의 튜브성형공정(101)에서 튜브(16)의 재질로 방탄필름(17)을 사용하는 이유는, 얇은 두께에 비하여 매우 높은 인장강도를 가지는 소재를 사용하여 튜브(16)를 성형하여야만 튜브(16)의 내부에 헬륨가스(18)를 적정압력을 충진시킬 수 있을 뿐만 아니라, 성형된 로터 블레이드(2)의 무게를 경감시킬 수 있기 때문이며, 상기한 방탄필름(17)은 총탄의 방호를 목적으로 유리의 표면에 부착하는 두께 0.1~1.5mm의 일반적인 방탄필름(17)중에서 고주파 가열에 따라 연속적으로 용융접착이 가능한 소재로 된 것을 택일하여 사용하며, 대표적인 것으로는 우레탄 필름이나 EVA필름, RNK필름 등이 있으나 우레탄 필름이 고주파 융착에 용이하다.
그리고, 상기와 같은 방탄필름(17)을 사용하여 튜브(16)를 성형하는 것은, 방탄필름(17)을 반으로 접을 경우 로터 블레이드(2)의 몸체부(12)와 동일한 형태의 평단면(대부분 긴 사다리꼴 형태)을 가지도록 방탄필름(17)을 절단하되, 상기한 몸체부(12)의 실제 평단면보다는 축소된 형태의 평단면을 가지도록 절단하여, 가스주입수단(19)이 설치되는 전방 입구측 부분과 방탄필름(17)이 접혀지는 부분을 제외한 나머지 테두리 부분을 고주파 용접하게 되면, 가스주입수단(19)이 설치된 밀봉된 상태의 튜브(16)를 성형할 수 있게 된다.
또한, 상기 방탄필름(17)의 두께를 0.1~1.5mm의 범위로 하는 이유는 로터 블레이드(2)의 전체적인 무게를 경감시킴과 동시에 튜브(16)의 내부에 헬륨가스(18)를 적정 압력을 충진시킬 수 있도록 하기 위한 것으로서, 0.1mm 이하의 두께를 가지는 방탄필름(17)을 사용하여 튜브(16)를 성형할 경우에는 로터 블레이드(2)의 전체적인 무게는 경감시킬 수 있으나, 튜브(16)의 내부에 헬륨가스(18)를 적정 압력으로 충진시킬 수 없게 되며, 1.5mm 이상의 두께를 가지는 방탄필름(17)을 사용하여 튜브(16)를 성형할 경우에는 로터 블레이드(2)의 전체적인 무게를 증가시키는 요인이 되기 때문에 튜브(16)의 성형에 사용되는 방탄필름(17)의 두께는 0.1∼1.5㎜로 하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 튜브성형공정(101)을 거친 후에는 밀봉된 튜브(16)에 설치된 가스주입수단(19)을 통하여 헬륨가스(18)를 튜브(16)의 내부로 주입시키는 가스주입공정(102)을 거친다.
상기의 가스주입공정(102)에서 튜브(16)의 내부에 헬륨가스(18)를 충진시키는 이유는, 가장 가벼운 기체인 수소는 상온에서 반응성이 적으나 고온에서는 활성화되어, 다른 여러 가지의 물질과 반응하여 수소화물을 생성시키는 불안정한 물질이기 때문에, 비중이 0.17885g/l로서 수소 다음으로 가볍고(1.293g/l인 공기의 1/7.23에 해당한다) 불연성이며, 비활성이어서 다른 화합물과 전혀 반응하지 않고, 열전도성이 우수한 헬륨가스(18)를 튜브(16)의 내부에 충진시킴으로서, 로터 블레이드(2)를 압착성형하는 과정에서 발생하는 위험요소를 차단함과 동시에 로터 블레이드(2)의 무게를 현저히 경감시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.
그리고, 상기한 헬륨가스(18)를 튜브(16)의 내부에 주입시키는 것은 도 6에 도시되어 있는 가스주입수단(19)을 이용하는 것으로서, 상기 가즈주입수단(19)의 주입구(19a)측에 압축기(Compressor)와 같은 장치를 연결하여 헬륨가스(18)를 주입시키게 되면, 헬륨가스(18)의 주입압력에 의하여 주입구(19a)의 마개(19b)가 스프링(19d)을 압축하면서 후방으로 밀리게 되고, 이로 인하여 주입구(19a)가 개방되어 헬륨가스(18)가 주입관(19e)을 통하여 튜브(16)의 내부로 주입되며, 헬륨가스(18)를 튜브(16)의 내부에 적정압력으로 충진하여 압축기와 같은 장치를 주입구(19a)로부터 이탈시키게 되면, 튜브(16)의 내부에 충진된 헬륨가스(18)의 압력과 스프링(19d)의 탄성력에 의하여 마개(19b)가 전방의 밀폐링(19c)을 압착하게 됨으로서 주입구(19a)가 밀폐되어 헬륨가스(18)의 누설을 방지하게 된다.
상기와 같이 튜브(16)의 내부에 충진되는 헬륨가스(18)의 충진압력은 1~2 atm(기압)의 범위로 하는 것이 바람직한데, 그 이유는 1atm 이하의 압력으로 헬륨가스(18)를 충진시키게 되면, 로터 블레이드(2)의 압착 성형시 튜브(16)가 로터 블레이드(2)를 내부에서 충분히 지지할 수 없게 되고, 2atm 이상의 압력으로 헬륨가스(18)를 충진시키게 되면, 로터 블레이드(2)의 압착성형 과정에서 고주파 용접된 부위를 통하여 헬륨가스(18)가 튜브(16)의 외부로 누설될 우려가 있기 때문이다.
상기와 같은 튜브성형공정(101)과 가스주입공정(102)으로 이루어지는 일련의 공정을 거치는 것과 병행하여, 로터 블레이드(2)의 몸체를 이루는 원단(20)을 일정한 형태로 재단하는 원단재단공정(201)과, 재단된 원단(20)을 다수 매 적층하여 접합함으로서 상,하부 접합원단(21,22)을 성형하는 원단접합공정(202)으로 이루어지는 일련의 공정을 거치게 된다.
상기의 원단재단공정(201)은 고분자 폴리에틸렌 계열의 합성수지로서 상표명이 스펙트라(Spectra)되는 섬유로 제조된 원단(20)이나, 상표명이 다이니마(Dyneema)로 되는 섬유로 제조된 원단(20) 또는, 나일론 계열의 합성수지로서 상표명이 케블라(Kevlar)로 되는 섬유로 제조된 원단(20) 중에서 하나를 택일하여서 되는 원단(20)을 로터 블레이드(2)의 크기와 형상에 맞추어 재단하는 공정으로서, 상기한 3가지 종류의 원단(20) 대신에, 이와 기계적 성질이 유사한 상표명 트와론 또는 화이바글라스로 제조된 원단(20)을 사용하여도 무방하다.
상기한 각 원단(20)을 구성하는 고분자 소재들은 방탄재료를 포함하여 로프, 헬멧, 레이다 돔, 어망과 각종 스포츠 용품의 원자재로 매우 각광 받고 있는 소재이며, 비중이 최소 0.97에서 부터 1.44와, 2.44로 매우 가벼울 뿐만 아니라, 인장강도 305kg/mm2, 인장탄성율 7,400kg/mm2의 매우 우수한 기계적 성질을 가지는 것으로서, 상기와 같은 고분자 소재를 사용하여 0.2~2mm의 두께로 직조되는원단(20)을 몸체부(12)와 날개부(14) 및 결합부(13)으로 이루어지는 로터 블레이드(2)의 평단면 형태에 맞추어 재단하게 된다.
상기와 같이 원단(20)의 두께를 0.2~2mm의 범위로 하는 것은, 0.2mm 이하의 두께를 가지는 원단(20)의 경우에는 성형된 로터 블레이드(2)의 보강부(15) 구조는 치밀해지지만 로터 블레이드(2)의 몸체를 형성하기 위하여 많은 매 수의 원단(20)을 적층시켜야 하기 때문에 공정상 번거롭게 되며, 2mm 이상의 두께를 가지는 원단(20)을 사용할 경우에는 성형된 로터 블레이드(2)의 보강부(15)를 충분한 강도를 가지는 치밀한 구조로 라미네이팅 시키기가 어렵기 때문이다.
상기와 같은 원단재단공정(201)을 거친 후에는 재단된 원단(20)의 표면에 접착제를 도포하고, 접착제가 도포된 상기의 원단(20)을 목형이나 금형의 내부에서 튜브수납공간(23)이 형성되도록 다수 매를 적층하여 접합함으로서 접합원단(21,22)을 성형하는 원단접합공정(202)을 거친다.
상기의 원단접합공정(202)은 소형이나 중형 로터 블레이드(2)의 경우에는 금형을 사용하고, 대형 로터 블레이드(2)의 경우에는 목형을 사용하여, 로터 블레이드(2)가 상,하로 분할된 형태의 성형면을 가지는 상형과 하형을 제작한 다음, 재단된 상기의 원단(20) 표면에 FRP(섬유강화플라스틱)수지나 PE(폴리에틸렌)수지로 되는 접착제를 도포하고, 접착제가 도포된 다수 매의 원단(20)을 금형이나 목형의 성형면 내부에서 적층합폭시킴으로서, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 로터 블레이드(2)가 상하로 분할되어진 형태의 몸체 내부에 상기한 튜브(16)가 수납되는 튜브수납공간(23)과, 상기한 가스주입수단(19)이 설치되는 수납홈(24)이 형성된 상, 하부 접합원단(21,22)을 성형하게 된다.
상기와 같은 원단접합공정(202)에서 원단(20)의 접합에 사용되는 상기의 접착제는, 접착대상이 되는 스펙트라, 다이니마, 케블라와 유사한 고분자 소재로 되어 원단(20)을 구성하는 각 소재와 화학적으로 비활성이고, 접착제의 경화시 원단(20)과 접착제가 서로 다른 이질성을 가지지 않고 하나의 일체화 된 고분자 소재로 형성되도록 하여 로터 블레이드(2)의 전체적인 강도를 향상시키기 위한 것으로서, FRP(섬유강화플라스틱)수지나 PE(폴리에틸렌)수지로 되는 접착제 중에서 하나를 택일하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 접합원단(21,22)의 성형을 위하여 적층되는 원단(20)의 매수는 원단(20) 자체의 두께와 로터 블레이드(2)의 전체적인 크기에 따라 달라질 수 있으나, 소형 로터 블레이드(2)의 경우에는 보강부(15)의 두께가 0.5~2.5mm, 중형 로터 블레이드(2)의 경우에는 보강부(15)의 두께가 1~5mm, 대형 로터 블레이드(2)의 경우에는 보강부(15)의 두께가 1~10mm가 되도록 원단(20)의 적정한 매수를 선택하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 튜브성형공정(101) 및 가스주입공정(102)으로 이루어지는 일련의 공정과, 원단재단공정(201) 및 원단접합공정(202)으로 이루어지는 일련의 공정을 일차적으로 거친 후에는, 튜브(16)와 상,하부 접합원단(21,22)을 일체로 압착하여 로터 블레이드(2)를 성형하는 압착성형공정(300)과, 성형된 로터 블레이드(2)의 표면을 마감처리하는 후처리 공정(400)을 거침으로서 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드 성형방법이 완료되어진다.
상기의 압착성형공정(300)은 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 헬륨가스(18)가 충진된 상기의 튜브(16)를 금형이나 목형을 구성하는 하형에서 성형된 하부 접합원단(22)의 튜브수납공간(23) 내부로 삽입시키고, 튜브(16)에 결합된 가스주입수단(19)을 수납홈(25)에 위치시킨 다음, 각 접합원단(21,22)의 분할면에 상기한 FRP(섬유강화플라스틱)수지나 PE(폴리에틸렌)수지로 되는 접착제를 도포하여, 금형이나 목형의 내부에서 튜브(16)와 상,하부 접합원단(21,22)을 일체로 압착시킴으로서 로터 블레이드(2)를 성형하는 공정이다.
상기의 압착성형공정(300)에 적용되는 압착압력의 범위는 압착성형되는 로터 블레이드(2)의 크기에 따라 달라질 수 있으나, 소형, 중형 및 대형 로터 블레이드(2)에 관계없이, 그리고 안전하게 적용될 수 있도록 25~35kg/cm2범위로 하는 것이 바람직한 데, 그 이유는 25kg/cm2이하의 압착압력하에서는 대형 로터 블레이드(2)에 적용되는 상,하부 접합원단(21,22)이 접착제와 함께 충분히 압착되지 못하게 되고, 35kg/cm2이상의 압착압력하에서는 소형 로터 블레이드(2)에 적용되는 튜브(16)에 무리한 하중이 가해지게 되어, 튜브(16)의 내부에 충진된 헬륨가스(18)가 누설될 우려가 있기 때문이다.
그리고, 상기의 압착성형공정(300)에 적용되는 압착온도는 스펙트라, 다이니마, 케블라와 같은 섬유의 연화점 온도에 해당하는 110 ~ 125℃로 하는 것이 상,하부 접합원단(21,22)간의 견고한 접합 뿐만 아니라, 상,하부 접합원단(21,22)을 구성하는 각 원단(22)간의 견고한 접합을 이루어 낼 수 있게 된다.
상기와 같은 압착성형공정(300)을 거친 후에는 성형된 로터 블레이드(2)를 금형이나 목형의 성형면으로부터 분리하여, 표면 형상이 거칠게 되는 로터 블레이드(2)의 몸체부(12) 전,후면과 측면, 그리고, 로터 블레이드(12)의 날개부(14) 바깥 둘레부분에 트리밍(Trimming: 프레스 가공이나 주조가공으로 생산된 제품의 불필요한 테두리나 핀 등을 잘라내거나 따내는 정형작업), 또는 라운딩(Rounding: 응력집중현상을 방지하기 위하여 모서리 부분을 둥글게 하는 작업)을 행하여, 성형된 로터 블레이드(2)의 표면을 평활하게 마감처리하는 후처리 공정(400)을 거침으로서 제품화 된 로터 블레이드(2)의 성형이 완료되는 공정과정으로 이루어진다.
상기와 같이 성형된 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드(2)는 수소 다음으로 가벼운 기체인 헬륨가스(18)가 얇은 두께의 방탄필름(17) 내부에 일정 압력으로 충진된 튜브(16)와, 가볍고 인장강도가 우수하여 주로 방탄소재로 사용되는 스펙트라, 다이니마, 케블라 섬유로 된 원단(20)이 상기한 튜브(16)의 외부에서 적층식으로 라미네이팅 된 보강부(15)로 이루어짐으로서, 3~10m 길이의 소형 로터 블레이드(2)와, 12~18m 길이의 중형 로터 블레이드(2)를 포함하여, 그 길이가 60m에 해당하는 대형 로터 블레이드(2)에 이르기까지 일반적인 로터 블레이드에 비하여 그 전체적인 무게를 현저히 감량시킬 수 있게 될 뿐만 아니라, 상기한 보강부(15)에 의하여 로터 블레이드(2)의 표면강도를 현저히 증가시킬 수 있게 된다.
상기와 같이 본 발명에 의한 로터 블레이드(2)가 일반적인 풍력발전기의 로터 블레이드에 비하여 그 무게가 매우 가볍게 되기 때문에, 로터 블레이드(2)를 철탑(9)의 상단부에 매우 용이하게 설치할 수 있게 되고, 로터 블레이드(2)가 결합및 지지되는 부분에 대한 강도를 크게 하지 않더라도 로터 블레이드(2)가 철탑(9)의 상단에서 매우 안정적으로 지지되며, 로터 블레이드(2)의 보강부(15)를 구성하는 고분자 소재의 기계적 강도가 일반 금속에 비하여 떨어지지 않기 때문에, 각종 원인에 의한 로터 블레이드(2)의 파손 우려 또한 현저히 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 동일한 풍속에서도 본 발명에 의한 로터 블레이드(2)의 회전성능이 일반적인 로터 블레이드의 회전성능보다 매우 우수하게 됨으로서, 본 발명에 의한 로터 블레이드(2)가 설치된 풍력발전기(1)의 발전능력을 더욱 향상시킬 수 있게 되고, 이로 인하여 연중 평균풍속이 2.5~3.5m/s로 비교적 낮은 한국과 같은 지형에서도 풍력발전에 의하여 발전단가가 저렴한 전기를 실생활에 충분히 사용될 수 있을 정도로 생산해 낼 수 있게 되며, 특히, 풍력발전기(1)에 설치되는 로터 블레이드(2)의 무게와, 낮은 연중평균풍속으로 인하여 한국과 같은 지역에서 실질적으로 적용하기 힘들었던 대형 풍력발전기에도 매우 용이하게 적용할 수 있게 되는 것이다.
상기와 같이 본 발명에 의한 풍력발전기의 로터 블레이드는 풍력발전기의 상단부에 설치되어 바람의 힘에 의하여 회전하는 로터 블레이드를 헬륨가스가 충진된 튜브의 외부에 가볍고 인장강도가 우수한 고분자 소재를 라미네이팅하여 형성함으로서, 소형, 중형 및 대형 로터 블레이드의 전체적인 무게를 현저히 감량시킬 수 있게 될 뿐만 아니라, 로터 블레이드의 표면강도를 현저히 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
이로 인하여, 로터 블레이드를 철탑의 상단부에 매우 용이하게 설치할 수 있게 되고, 로터 블레이드가 결합 및 지지되는 부분에 대한 강도를 크게 하지 않더라도 로터 블레이드가 철탑의 상단에서 매우 안정적으로 지지될 수 있도록 하는 효과가 있고, 낮은 풍속에서도 로터 블레이드의 회전성능과 풍력발전기의 발전성능을 향상시켜, 발전단가가 저렴한 전기를 실생활에 충분히 사용될 수 있을 정도로 생산해 낼 수 있는 효과가 있으며, 로터 블레이드의 무게와 낮은 연중평균풍속으로 인하여 한국과 같은 지역에서 실질적으로 적용하기 힘들었던 대형 풍력발전기에도 매우 용이하게 적용할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

  1. 바람에 의한 로터 블레이드(2)의 회전을 기계적 에너지로 변환시켜 발전기(6)를 구동시키도록 한 것에 있어서,
    상기의 로터 블레이드(2)는 방탄필름(17)의 내부에 헬륨가스(18)가 충진되는 튜브(16)와, 상기 튜브(16)의 외부에서 튜브(16)와 일체로 라미네이팅 되어 몸체부(12)와 날개부(14)를 형성하는 보강부(15)와, 상기의 보강부(15)를 관통하여 튜브(16)에 연결되는 가스주입수단(19)으로 이루어지며,
    상기의 보강부(15)는 고분자 폴리에틸렌 계열의 합성수지인 스펙트라 섬유로 된 원단(20)이나 다이니마 섬유로 된 원단(20) 또는 나일론 계열의 합성수지인 케블라 섬유로 된 원단(20) 중에서 택일하여서 되는 원단(20)이 적층식으로 라미네이팅 되어 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 로터 블레이드.
  2. 방탄필름(17)을 일정한 형태로 절단하여, 절단된 방탄필름(17)을 서로 포개어 놓고, 가스주입수단(19)이 설치되는 부분을 제외한 나머지 테두리 부분을 고주파 융착시켜 밀봉된 튜브(16)를 성형하는 튜브성형공정(101)과,
    상기의 튜브성형공정(101)을 거친 후, 밀봉된 튜브(16)에 설치된 가스주입수단(19)을 통하여 헬륨가스(18)를 튜브(16)의 내부로 주입시키는 가스주입공정(102)을 거치며,
    상기한 일련의 공정을 거치는 것과 병행하여, 고분자 폴리에틸렌 계열의 합성수지인 스펙트라 섬유로 된 원단(20)이나 다이니마 섬유로 된 원단(20) 또는 나일론 계열의 합성수지인 케블라 섬유로 된 원단(20)중에서 택일하여서 되는 원단(20)을 일정한 형태로 재단하는 원단재단공정(201)과,
    상기의 원단재단공정(201)을 거친 후, 재단된 원단(20)의 표면에 접착제를 도포하고, 접착제가 도포된 상기의 원단(20)을 목형이나 금형의 내부에서 튜브수납공간(23)이 형성되도록 다수 매를 적층하여 접합함으로서 상,하부 접합원단(21,22)을 성형하는 원단접합공정(202)을 거치며,
    상기한 가스주입공정(102)과 원단접합공정(202)으로 이루어지는 각각의 공정을 거친 후, 헬륨가스(18)가 충진된 상기의 튜브(16)를 하부 접합원단(22)의 튜브수납공간(23)에 삽입시키고, 금형이나 목형을 사용하여 튜브(16)와 상,하부 접합원단(21,22)을 일체로 압착함으로서 로터 블레이드(2)를 성형하는 압착성형공정(300)과,
    상기의 압착성형공정(300)을 거친 후, 성형된 로터 블레이드(2)의 표면을 마감처리하는 후처리 공정(400)을 거치는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 로터 블레이드 성형방법.
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