KR20090092717A - 복합재 윈드 터빈 타워 - Google Patents

복합재 윈드 터빈 타워

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KR20090092717A
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KR1020090016169A
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로렌스 도날드 윌리
다니앤 정
어거스티 포타
톰 데민트
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은 복합재 윈드 터빈 타워(104), 복합재 윈드 타워(104) 제조 방법 및 복합재 윈드 타워(104) 형성용 장치를 제공한다. 타워(104)는 제 1 층(501) 및 제 2 층(701)을 포함하고, 이들 각각은 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료 내에 배치된 복수의 보강 파이버(401)를 갖는다. 타워(104)는 제 1 층(501)과 제 2 층(701)의 중간에 배치된 코어층(601)을 더 포함한다. 타워(104)는 현장에서 부분적으로 또는 완전히 제조될 수 있다.

Description

복합재 윈드 터빈 타워{COMPOSITE WIND TURBINE TOWER}
본 발명은 복합재 윈드 터빈 타워 구조체 및 복합재 윈드 터빈 타워 구조체를 형성하기 위한 방법에 관한 것이다.
최근에, 윈드 터빈은 환경적으로 안전하고 비교적 저가의 대안 에너지원으로서 증가된 주목을 받고 있다. 이 증대하는 관심에 의해, 상당한 노력이 신뢰적이고 효율적인 윈드 터빈을 개발하기 위해 이루어져 왔다.
일반적으로, 윈드 터빈은 다수의 블레이드를 갖는 회전자를 포함한다. 회전자는 트러스(truss) 또는 관형 타워의 상부에 위치되어 있는 하우징 또는 나셀(nacelle)에 장착된다. 설비 등급(utility grade)의 윈드 터빈[즉, 설비 그리드(utility grid)에 전력을 공급하도록 설계된 윈드 터빈]은 대형 회전자(예를 들어, 30 미터 이상의 길이)를 가질 수 있다. 게다가, 윈드 터빈은 전형적으로 적어도 60 미터 높이인 타워 상에 장착된다. 이들 회전자 상의 블레이드는 하나 이상의 발전기를 구동하는 회전 토크 또는 회전력으로 풍력 에너지를 변환한다. 블레이드가 풍력에 의해 회전될 때, 노이즈가 고유적으로 발생한다.
전력 요구가 증가함에 따라, 윈드 터빈의 크기도 마찬가지로 증가한다. 게다가, 강(steel) 및 관련 제조 프로세스 설비의 체적이 바람직하지 않게 고비용이 된다. 대형 윈드 터빈 타워의 운송에 요구되는 비용 및 시간이 매우 높다. 현재의 윈드 터빈 타워는 멀리 떨어진 시설에서 제작이 요구되는데, 여기서 제작된 구성 요소들은 현장으로 운송되어 조립되어야 한다.
현재의 윈드 터빈 타워는 관형 윈드 터빈 타워의 제조를 위해 강판 금속 또는 유사한 금속 재료로 전형적으로 제조된다. 이러한 재료는 무겁고 처리가 어려우며 고비용이다.
감소된 운송 요구로 현장에서 부분적으로 또는 완전히 조립될 수 있고 크기 및 전력 요구가 증가함에 따라 큰 크기로 확대되는 능력을 갖는 경량의 저비용의 타워 구조체를 제공할 수 있는 윈드 터빈 타워 구조체가 요구된다.
본 발명의 일 양태는 제 1 층 및 제 2 층을 갖는 복합재 윈드 터빈 타워를 포함하고, 이들 층의 각각은 매트릭스 재료 및 매트릭스 재료 내에 배치된 복수의 보강 파이버를 갖는다. 타워는 제 1 층과 제 2 층의 중간에 배치된 코어층을 더 포함한다. 타워는 현장에서 부분적으로 또는 완전히 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 윈드 터빈 타워를 형성하기 위한 방법을 포함한다. 이 방법은 표면을 갖는 맨드릴을 제공하는 단계를 포함한다. 제 1 층은 복수의 파이버를 표면 상에 배열하고 매트릭스 재료를 파이버에 제공함으로써 형성된다. 코어 재료가 제 1 층에 부착되어 코어층을 형성한다. 제 2 층은 복수의 파이버를 코어층의 적어도 일부분에 배열함으로써 코어층 상에 부착되고, 매트릭스 재료가 파이버에 제공된다. 매트릭스 재료는 복합재 윈드 터빈 타워의 적어도 일부분을 형성하도록 경화된다.
본 발명의 또 다른 양태는 동축으로 배열된 제 1 맨드릴부 및 제 2 맨드릴부를 갖는 복합재 윈드 터빈 타워 형성 장치를 포함한다. 제 1 맨드릴부는 제 2 맨드릴부 내에 배열되어 배치되고 표면을 포함한다. 파이버 제공 조립체가 표면에 보강 파이버를 제공하도록 배열되고 배치된다. 경화 조립체가 제 1 맨드릴부 또는 제 2 맨드릴부 중 하나 또는 모두 내에 배열된다. 제 1 맨드릴부 및 제 2 맨드릴부의 각각은 가변 직경을 포함한다.
본 발명의 일 장점은 풍력 진동 부하를 감소시켜 윈드 터빈의 피로 수명이 연장되게 하는 층상 복합 구조체에 의해 제공되는 향상된 완충 특성이다.
본 발명의 다른 장점은 타워 제조 프로세스가 현장에서 수행될 수 있다는 것이다. 이러한 현장 제조는 제조 설비의 비용을 감소시키고, 제조 설비는 표준 트럭 및 컨테이너에 적합하여 운송 비용을 감소시킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 윈드 터빈의 측면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 윈드 터빈의 정면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 윈드 터빈의 정면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 복합재 재료의 조립 중의 파이버 장치의 개략도,
도 5 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 형성 중의 층상 복합재의 부분 절결 평면 사시도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 층상 복합재 윈드 터빈 타워의 부분 절결 평면 사시도,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 층상 복합재 윈드 터빈 타워의 도 9로부터의 방향 10-10에서의 단면도,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 타워 형성 장치를 도시하는 도면,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 맨드릴의 부분 정면도,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 도 12의 방향 13-13을 따라 취한 맨드릴의 단면도,
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 타워 형성 장치를 도시하는 도면,
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 타워 형성 장치를 도시하는 도면,
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 맨드릴의 부분 절결 정면도,
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 타워 형성 장치를 도시하는 도면,
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 타워 형성 시스템을 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 윈드 터빈 102 : 나셀
104 : 타워 106 : 회전자
108 : 회전자 블레이드 110 : 회전 허브
201 : 하단부 203 : 상단부
205 : 접근 도어 301 : 기부
401 : 보강 파이버 403 : 맨드릴
405 : 종방향 파이버 407 : 후프형 파이버
501 : 제1 복합재 층 601 : 코어 재료
701 : 제2 복합재 층 801 : 외부층
본 발명의 다른 특징 및 장점은 본 발명의 원리를 예로서 도시하는 첨부 도면과 함께 취한 이하의 바람직한 실시예의 더 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
가능하다면, 동일한 도면 부호가 동일한 또는 유사한 부분을 지시하도록 도면 전체에 걸쳐 사용될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 윈드 터빈(100)은 일반적으로 발전기(도 1에는 도시되지 않음)를 수납하는 나셀(102)을 포함한다. 나셀(102)은 도 1에는 그 일부만이 도시되어 있는 타워(104)의 상부에 장착된 하우징이다. 타워(104)의 높이는 당 기술 분야에 공지된 팩터 및 조건에 기초하여 선택되고, 최대 60 미터 이상의 높이로 연장될 수 있다. 윈드 터빈(100)은 바람직한 풍력 조건을 갖는 영역으로의 접근을 제공하는 임의의 지형에 설치될 수 있다. 지형은 매우 다양하고, 이들에 한정되는 것은 아니지만 산악 지형 또는 해양 위치를 포함할 수도 있다. 윈드 터빈(100)은 또한 회전 허브(110)에 부착된 하나 이상의 회전자 블레이드(108)를 포함하는 회전자(106)를 포함한다. 도 1에 도시된 윈드 터빈(100)은 3개의 회전자 블레이드(108)를 포함하지만, 본 발명에 의해 요구된 회전자 블레이드(108)의 수에는 특정 제한이 있는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 재료로 제조된 타워(104)를 포함하는 윈드 터빈(100)의 장치를 도시한다. 윈드 터빈(100)은 도 1을 참조하여 도시되고 전술된 바와 같은 구성 요소를 포함한다. 타워(104)는 타워(104)의 하단부(201)에 제 1 직경을, 타워(104)의 상단부(203)에 제 2 직경을 포함한다. 타워(104)는 계단 또는 다른 수송 방법을 통해 타워(104) 및 나셀(102)로의 접근을 얻기 위한 접근 도어(205)를 더 포함할 수 있다. 제 1 직경은 제 2 직경보다 크고 테이퍼(taper)를 형성한다. 테이퍼는 윈드 터빈(100)에 바람직한 원하는 강도 및 작동 특성을 제공한다. 예를 들어, 이에 한정되는 것은 아니지만, 테이퍼는 윈드 터빈(100)의 원하는 지지 및 안정성을 제공하기 위해 굽힘 모멘트 관리의 조합을 제공하도록 구성될 수 있다. 또한, 테이퍼는 유지 보수 및/또는 검사 중에 나셀(102)로의 사람 및 설비의 통과를 허용하면서 원하는 베어링 표면을 제공하기 위해 나셀(102)의 기부에 존재하는 베어링 및 베어링 구조체를 최적화하도록 제공될 수 있다. 또한, 테이퍼는 높은 돌풍 중에 편향되거나 굽혀질 수 있는 회전 블레이드(108)를 위한 간극을 제공하도록 제공될 수도 있다. 타워(104)는 기초 또는 다른 구조체에 장착될 수 있거나 구조적인 안정성을 제공하도록 지면에 있을 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합재 재료로 제조된 타워(104)를 포함하는 윈드 터빈(100)의 장치를 도시한다. 윈드 터빈은 도 2를 참조하여 도시되고 전술된 바와 같은 구성 요소를 포함한다. 타워(104)는 제 1 단부(201)로부터의 대직경 및 제 2 단부(203)에서의 소직경을 포함하는 테이퍼를 포함한다. 게다가, 타워(104)는 윈드 터빈(100)을 지지하는데 적합한 콘크리트 또는 다른 구조적으로 탄성인 재료로 제조될 수 있는 기부(301)를 포함한다. 본 발명은 도시된 구성에 한정되는 것은 아니고, 대안적인 디자인 및 기하학적 형상을 포함하는 기부(301)의 다른 구성을 포함할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 보강 파이버(401)로 형성되는 복합재 재료로 제조된 타워(104)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 맨드릴(403)이 제공된다. 맨드릴(403)은 원통형 구조체이다. 그러나, 맨드릴(403)의 단면 기하학적 형상은 타워(104)에 대한 단면에 대응하는 임의의 기하학적 형상을 포함할 수도 있다. 맨드릴(403)은 타워(104)의 전체 길이로 연장될 수 있거나, 단지 일부 길이에만 대응할 수도 있고, 파이버 부착 중에 파이버를 위한 지지를 제공하도록 이동될 수도 있다. 파이버(401)는 종방향 파이버(405) 및 후프형 파이버(407)를 포함한다. 파이버(401)는 글래스 파이버, 탄소 파이버, 금속 파이버 또는 복합재 재료를 형성하는데 적합한 임의의 다른 파이버와 같은 천연 또는 인공 파이버일 수 있다. 후프형 파이버(407)는 보강 구조체를 형성하기 위해 종방향 파이버(405) 상에 부착된다. 파이버(401)의 수는 한정되는 것은 아니고, 윈드 터빈(100)의 중량 및 부하를 지지하기에 적합한 복합재 재료를 제공하기 위해 적합한 임의의 수 및 임의의 밀도를 포함할 수 있다. 형성된 보강 구조체는 수지 또는 다른 매트릭스가 이에 부착되어 경화될 수 있는 파이버 프리폼(preform)(409)을 포함한다. 적합한 매트릭스 재료는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 폴리에스테르, 폴리비닐, 에폭시 또는 복합재 재료의 형성에 적합한 임의의 다른 매트릭스를 포함한다.
일 실시예에서, 타워(104)는 코어 재료(601) 둘레에 배치된 복수의 파이버 보강층을 포함한다. 도 5 내지 도 10은 층상 복합재를 갖는 타워(104) 구조체를 도시한다. 층상 복합재 타워(104)를 형성하기 위해, 맨드릴(403)이 제공되고 보강 파이버(401)의 제 1 복합재 층(501)이 매트릭스 내에 배치된다. 보강 파이버(401)는 표면 상에 권취된 개별 파이버일 수 있고, 또는 맨드릴(403)의 표면에 직조되거나 부직되어 부착될 수 있는 파이버 테이프 또는 직물일 수도 있다. 게다가, 보강 파이버(401)는 맨드릴(403)의 표면에 직조되거나 브레이딩(braiding)되거나 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 보강 파이버(401)는 프리프레그(prepreg)일 수 있고 그리고/또는 보강 파이버(401)가 부착될 때 수지 또는 매트릭스 재료를 포함할 수 있다. 매트릭스 재료는 보강 파이버(401)에 첨가된다. 매트릭스 재료는 적외선 방사선, 자외선 방사선, 열 또는 다른 경화 방법에 의해 경화될 수 있다. 다른 실시예에서, 매트릭스 재료는 부가의 층을 수용하기 위해 표면 상에 잔류할 수 있게 된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 코어 재료(601)는 제 1 복합재 층(501)에 부착된다. 코어 재료(601)는 이들에 한정되는 것은 아니지만 콘크리트, 발포체(예를 들어, 폴리우레탄 발포체) 또는 보강된 복합재 층들 사이에 중간층을 형성하기에 적합한 다른 재료를 포함할 수 있다. 코어 재료(601)는 바람직하게는 경량이고 저가인 재료이고, 층상 복합재에 강도 및 전단 저항을 제공한다. 게다가, 코어 재료(601)는 바람직하게는 타워(104)를 위한 바람직한 부하 지지 특징 및 제어된 벽 두께를 제공한다. 코어 재료(601)는 표면 상으로의 코어 재료(601)의 페인팅, 스프레이, 부착 또는 성형을 포함하는 임의의 적합한 부착 기술을 사용하여 표면에 부착될 수 있다.
코어 재료(601)가 부착된 후에, 제 2 복합재 층(701)이 코어 재료(601)에 부착된다. 제 2 복합재 층(701)은 보강 파이버(401)를 포함하고, 제 1 복합재 층(501)과 동일하거나 상이한 파이버 구성일 수 있다. 제 2 복합재 층(701)은 제 1 복합재 층(501)에 대해 전술된 바와 동일한 매트릭스 재료 부착 프로세스를 사용하여 수지 또는 매트릭스 재료를 더 구비한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제 2 복합재 층(701)은 타워(104)에 환경적 또는 다른 보호를 제공하기 위해 외부층(801)으로 코팅되거나 페인팅될 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 층상 복합재는 진공 백(803) 또는 VARTM과 같은 다른 진공 장치 내에 배치되고, 매트릭스 재료를 분배하고 경화하기 위해 공지의 복합재 제조 기술에 따라 진공 하에서 가열된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 결과적인 층상 복합재가 맨드릴(403)로부터 제거되고, 내부층(1001)은 제 1 복합재 층(501)의 내부 표면에 제공될 수 있다. 내부층(1001)은 외부층(801)과 동일한 방식으로 형성될 수 있다.
도 10은 내부층(1001), 제 1 복합재 층(501), 제 1 복합재 층(501)과 제 2 복합재 층(701)의 중간에 배치된 코어 재료(601) 및 외부층(801)을 포함하는 타워(104)의 단면을 도시한다. 층상 복합재는 면 전단에 의해 강도가 향상되고, 중량 및 비용이 감소되고, 샌드위치 파이버 복합재의 향상된 완충 특성을 제공하는데, 이는 풍력 진동 부하를 감소시켜 터빈 기계 시스템의 피로 수명이 향상될 수 있다. 다른 실시예에서, 코어 재료(601)는 철근(steel rebar) 또는 부가의 강도를 제공하기 위한 다른 보강 재료와 같은 보강 구조체를 포함할 수 있다.
도 11은 층상 복합재 타워(104)를 형성하기 위한 타워 형성 장치(1100)를 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 장치(1100)는 형성되는 복합재 타워(104)의 길이를 따라 배열된 복수의 파이버 보빈(1101)을 포함한다. 단지 대표적인 보빈(1101) 및 파이버(401)의 예만이 도시되었지만, 도시되지 않은 부가의 보빈(1101) 및 파이버(401)가 형성되는 타워(104) 둘레에 원주방향으로 배열된다. 예를 들어, 맨드릴(403)에 부착되는 제 1 층(501)의 파이버 장치는 도 4에 도시된 파이버 장치와 같은 파이버 장치를 포함할 수 있다. 파이버(401) 및 코어 재료(601)는 층상 복합재 타워(104)를 제공하도록 맨드릴(403) 상에 적층된다. 장치(1100)는 타워(104)의 원하는 파이버 밀도 및 완전한 크기에 따라 다수의 보빈(1101) 및 파이버(401)를 포함할 수 있다. 보빈(1101)은 맨드릴(403)에 부착되기 전 또는 후에 매트릭스 재료(1103)로 침지되거나 다른 방식으로 코팅되는 파이버(401)를 제공한다. 맨드릴(403)로의 파이버(401)의 부착은 형성되는 맨드릴(403) 및 타워(104)의 회전에 의해 이루어질 수 있거나 보빈(1101) 또는 보빈(1101)이 부착될 수 있는 다른 구조체의 회전에 의해 제공될 수도 있다. 종방향 파이버(405)는 형성되는 타워(104)의 길이를 따라 제공된다. 종방향 파이버(405)는 매트릭스 재료 저장조(1105)를 통해 매트릭스 재료(1103)를 구비할 수 있고 그리고/또는 일단 맨드릴(403) 상에 위치되면 매트릭스 재료(1103)로 코팅될 수 있다. 종방향 파이버(405)는 맨드릴(403)에 인접하거나 밀접하여 위치된다. 제 1 복합재 층(501)을 형성하기 위해, 후프형 파이버(407)가 맨드릴(403) 및 종방향 파이버(405)에 부착된다. 전술된 바와 같이, 복수의 후프형 파이버(407)는 바람직하게는 맨드릴(403) 둘레에 원주방향으로 부착된다. 후프형 파이버(407)는 임의의 원하는 패턴으로 부착될 수 있다. 예를 들어, 이에 한정되는 것은 아니지만, 후프형 파이버(407)는 단일층, 부분층으로 부착될 수 있고, 또는 직조 또는 브레이딩된 복합 구조로 부착될 수도 있다. 후프형 파이버(407)의 부착 방법은 형성된 복합재의 원하는 기계적 특성을 제공하도록 충분한 파이버 구조를 제공하는 방법이다. 매트릭스 재료(1103)는 부가적으로 스프레이 노즐, 브러시, 롤러 또는 원한다면 수동 부착에 의해 부착되어 부가의 매트릭스 재료를 제공할 수도 있다.
형성되는 타워(104)의 길이를 따라 경화 라이트(light)(1107)가 배열되어, 열, 자외광, 적외광 또는 매트릭스 재료(1103)의 경화를 용이하게 하거나 보조할 수 있는 다른 전자기 에너지와 같은 방사선을 제공한다. 경화 라이트(1107)는 도시된 장치에 한정되는 것은 아니고 복수의 라이트 또는 다른 장치 또는 경화를 제공하도록 배열된 장치를 포함할 수 있다. 경화 라이트(1107)에 부가하여, 가열 장치 또는 방사선 발광 장치가 맨드릴(403) 내에 합체되어 매트릭스 재료(1103)의 부가의 경화를 제공할 수 있다. 또한, 맨드릴(403)은 매트릭스 재료(1103)의 경화를 용이하게 하거나 보조하도록 구성된다. 예를 들어, 맨드릴(403)은 특히 제 1 복합재 층(501) 내에서의 매트릭스 재료(1103)의 경화를 용이하게 하거나 보조하도록 하는 가열 장치 또는 방사선원(예를 들어, 적외선 램프 또는 자외선 램프)을 포함할 수 있다.
코어 재료(601)는 노즐(1109) 또는 유사 장치를 통해 제 1 복합재 층(501)에 제공된다. 코어 재료(601)의 부착은 코어 재료(601)를 제공한다. 맨드릴(403)을 통한 타워(104)의 회전 및/또는 노즐(1109)의 회전은 코어 재료(601)의 원주방향 부착을 제공한다. 코어 재료(601)는 경화를 요구하지 않는 재료를 포함하는 임의의 적합한 코어 재료(601)일 수 있다. 코어 재료(601)는 경화 라이트(1107)가 코어 재료(601)의 경화를 용이하게 하거나 보조하는데 적합한 열 및/또는 방사선을 제공하는 경화성 재료일 수 있다.
도 11에 더 도시된 바와 같이, 제 2 세트의 후프형 파이버(405)는 제 2 복합재 층(701)을 형성하도록 코어 재료(601)에 부착된다. 맨드릴(403)로의 파이버(401)의 부착은 형성되는 타워(104)와 맨드릴(403)의 회전에 의해 이루어질 수 있고, 또는 보빈(1101)의 회전에 의해 또는 보빈(1101)이 부착될 수 있는 다른 구조체의 회전에 의해 제공될 수 있다. 제 1 복합재 층(501)과 마찬가지로, 파이버(401)는 매트릭스 재료(1103)로 침지되거나 다른 방식으로 코팅된다. 도시된 바와 같이, 매트릭스 재료(1103)는 매트릭스 재료 저장조(1105) 내의 매트릭스 재료의 침지에 의해 제공될 수 있다. 도시되지 않았지만, 부가의 매트릭스 재료(1103)가 후프형 파이버(405)에 제공될 수 있다. 경화 라이트(1107)는 제 2 복합재 층(701)의 경화를 용이하게 하고 그리고/또는 지원하기 위해 열 및/또는 방사선을 제공한다. 제 1 복합재 층(501), 코어 재료(601) 및 제 2 복합재 층(701)의 층상 구조체는 실질적으로 타워(104)를 구성한다. 부가의 층(도 11에는 도시되지 않음)이 또한 첨가될 수 있다. 예를 들어, 페인트 또는 에폭시 재료로 제조된 외부 풍화층(weathering layer)이 제 2 복합재 층(701)에 부착될 수 있다. 또한, 페인트 또는 다른 재료를 포함하는 내부층이 제 1 복합재 층(701)의 내부 표면에 부착될 수 있다. 보강층 또는 배리어층과 같은 부가의 기계적 특성을 위한 부가의 층이 또한 제공될 수도 있다.
도 12는 동축 내부 맨드릴(403') 또는 제 1 맨드릴부 및 외부 맨드릴(403") 또는 제 2 맨드릴부를 포함하는 맨드릴(403)의 부분 정면도를 포함하는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한다. 복합재 형성 공간(1202)이 내부 맨드릴(403')과 외부 맨드릴(403") 사이에 존재하고 복합재가 형성될 수 있는 영역을 포함한다. 맨드릴(403)은 서로에 대한 이동을 허용하도록 구성된 복수의 맨드릴 패드(1201)를 포함하여 배열된다. 맨드릴 패드(1201)는 맨드릴 패드(1201)의 이동을 허용하는 활주 가능한 상호체결 부재(1203)를 포함한다. 상호체결 부재(1203)는 타워(104)가 형성될 때 복합재 타워(104)와의 밀봉 및 연속적인 접촉을 또한 제공한다. 맨드릴 패드(1201)가 함께 근접하여 이동함에 따라, 맨드릴(403)의 직경이 중심선(1204) 쪽으로 더 작아진다. 중심선(1204)은 동축 내부 맨드릴(403') 및 외부 맨드릴(403")을 포함하는 원통형 맨드릴(403)의 중심이다. 내부 맨드릴(403') 및 외부 맨드릴(403")은 매트릭스 재료(1103)의 경화를 용이하게 하거나 보조하기 위한 가열 장치 또는 방사선 램프를 포함하는, 맨드릴(403)에 대해 전술된 바와 같은 구조체를 포함할 수 있다.
내부 맨드릴(403') 및 외부 맨드릴(403")은 가변적인 독립적인 비율로 팽창될 수 있고[즉, 맨드릴 패드(1201)가 서로로부터 멀리 압박됨] 또는 수축될 수도 있다[즉, 맨드릴 패드(1201)가 서로 근접하여 압박됨]. 내부 맨드릴(403') 및 외부 맨드릴(403")의 작동은 이들에 한정되는 것은 아니지만, 전기 모터 구성, 유압 모터 구성 및/또는 기계적 조립체를 포함하는 당 기술 분야에 공지된 임의의 작동 방법에 의해 제공될 수 있다. 이러한 내부 맨드릴(403') 및 외부 맨드릴(403")의 독립적인 작동은 복합재 형성 공간(1202) 내의 복합 재료에 압력이 인가될 수 있게 한다. 이러한 압력은 공극 형성을 감소시키고, 바람직한 기계적 특성을 갖는 복합재를 제공한다. 게다가, 독립적인 작동은 또한 맨드릴(403)이 복합재를 선택적으로 해제시켜 연속적인 프로세스를 제공하도록 전진하는 것을 허용한다. 예를 들어, 복합재 형성 공간(1202) 내의 복합재의 부분의 경화시에, 내부 맨드릴(403')은 수축되고(즉, 직경이 감소함), 외부 맨드릴(403")은 팽창되며(즉, 직경이 증가함), 맨드릴(403)은 부가의 복합재 재료를 형성하기 위해 중심축(1204)을 따른 방향으로 전진될 수 있다. 이러한 연속적인 처리는 높은 타워(104)의 형성을 허용한다. 게다가, 내부 맨드릴(403') 및 외부 맨드릴(403")의 독립적인 작동은 형성되는 복합재의 두께 및 타워(104)의 전체 직경의 편차 및 제어를 허용한다. 도 2 및 도 3을 참조하여 전술된 바와 같이, 테이퍼진 기하학적 형상은 윈드 터빈(100)에 원하는 기계적 및 작동적 특성을 제공한다.
도 13은 방향 13-13을 따라 취한 도 12의 맨드릴(403)을 도시한다. 맨드릴(403)은 도 12를 참조하여 도시되고 전술된 바와 같이 내부 맨드릴(403') 및 외부 맨드릴(403")을 포함한다. 도 13은 형성되고 있는 복합재 타워(104)를 더 도시한다. 도시된 바와 같이, 복합재 타워는 제 1 복합재 층(501), 코어 재료(601) 및 제 2 복합재 층(701)을 포함한다. 종방향 파이버(405) 및 후프형 파이버(407)(도 13에는 도시되지 않음)는 제 1 복합재 층(501) 및 제 2 복합재 층(701)을 형성하도록 맨드릴(403)의 복합재 형성부(1301)에 부착된다. 노즐(1109) 또는 다른 장치(도 13에는 도시되지 않음)가 코어 재료(601)를 제공하도록 이용될 수 있다. 게다가, 내부 맨드릴(403') 및 외부 맨드릴(403")은 복합재를 형성하는 매트릭스 재료(1103)의 경화를 용이하게 하거나 보조하도록 가열되거나 방사선 램프를 구비할 수 있다. 외부 맨드릴(403")은 선택적으로 원한다면 부가의 매트릭스 재료를 제공하도록 수지 사출 포트(1303)를 포함할 수 있다. 열 및 압력은 바람직하게는 경화 구역(1305)을 통해 내부 맨드릴(403') 및 외부 맨드릴(403")에 의해 인가된다. 경화 구역(1305)은 균일 또는 불균일 가열 및/또는 압력을 포함할 수 있다. 예를 들어, 경화 구역(1305)은 실질적으로 공극이 없는 경화된 제품을 제공하고 바람직한 기계적 특성을 갖도록 경화되는 복합재의 길이를 따라 증가하는 온도를 포함할 수 있다. 형성된 복합재 타워(104)는 윈드 터빈 내의 설치에 앞서 요구되는 바에 따라 페인팅되거나 코팅될 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 브레이딩 프로세스를 사용하는 대안적인 타워 형성 장치(1100)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 맨드릴(403)은 파이버 제공 링(1401)의 중심축(1204)을 따라 전진된다. 파이버 제공 링(1401)은 바람직하게는 파이버(401)를 제공하는 복수의 보빈(1101)을 포함한다. 파이버(401)는 코팅되고, 침지되거나 매트릭스 재료(1103)를 구비할 수 있다. 파이버(401)가 제공되어 제 1 또는 제 2 복합재 층(501, 701)을 구성하는 맨드릴(403) 상에 브레이딩된 3축 파이버 내로 직조된다. 부가의 재료 또는 부가의 파이버 제공 링(1401)이 부가의 층을 형성하도록 제공될 수 있다. 복합재 층(501, 701)은 경화 램프(1107)(도 14에는 도시되지 않음)를 통해 또는 다른 열 또는 방사선 제공 장치에 의해 경화될 수 있다.
도 15는 본 발명에 따른 대안적인 타워 형성 장치(1100)를 도시한다. 도 15에 도시된 배열은 풀트루전형(pultrusion-type) 프로세스이고, 여기서 파이버(401)는 맨드릴(403)에 제공되어 완성된 복합재를 형성하도록 가열된 다이(1501)를 통해 당겨진다. 도시된 바와 같이, 맨드릴(403)은 중심축(1204)을 따라 전진되고, 여기서 종방향 파이버(405) 및 후프형 파이버(407)가 보빈(1101)에 의해 맨드릴(403)에 제공된다. 파이버(401) 장치는 다수의 층[예를 들어, 코어 재료(601)]을 포함하거나 다른 짜여진(weave) 또는 브레이딩된 구조를 포함할 수 있다. 또한, 파이버(401)는 다이(1501)를 통해 당겨지기 전에 코팅되거나 매트릭스 재료(1103)(도 15에는 도시되지 않음)를 구비할 수 있다. 다이(1501)는 바람직하게는 복합재를 경화하고 복합재 타워(104)를 형성하는데 충분한 열 및 압력을 파이버(401) 및 매트릭스 재료(1103)에 인가한다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 맨드릴(403)을 도시한다. 본 실시예에서, 맨드릴(403)은 매트릭스 재료의 경화를 용이하게 하거나 보조하는데 충분한 가열을 제공하는 가열 장치를 포함한다. 맨드릴(403)은 중심축(1204)을 따라 배향된 중심 샤프트(1601)를 포함한다. 복수의 지지 아암(1603)이 중심 샤프트(1601)로부터 연장된다. 베어링(1605)은 지지 아암(1603)의 말단부에 배열된다. 베어링(1605)은 유도 테이프(1607)를 수용하여 베어링(1605) 상부 또는 이를 통한 유도 테이프(1607)의 통과를 허용할 수 있는 롤러, 가이드 및/또는 임의의 다른 구조체를 포함한다. 이에 한정되는 것은 아니지만, 유도 테이프(1607)는 바람직하게는 철 또는 철 합금과 같은 높은 투자율을 갖는 금속 테이프이다. 지지 아암(1603) 및 베어링(1605)의 배열은 맨드릴(403)의 주연부 둘레로 나선형 경로에서 유도 테이프(1607)를 안내한다. 유도 테이프(1607)는 맨드릴(403)의 단부를 더 빠져 나오고 일 세트의 구동 휠(1609)에 의해 구동된다. 구동 휠(1609)은 방향(1608)에서 유도 테이프(1607)를 순환시킨다. 유도 테이프(1607)의 순환 중에, 유도 테이프(1607)는 교류(AC)가 이를 통해 제공되는 전자석(1611)을 통해 안내된다. 전자석(1611)은 유도 가열을 통해 유도 테이프(1607)를 가열한다. 가열된 유도 테이프(1607)는 맨드릴의 주연부를 따른 나선형 경로를 따라 순환되고, 여기서 유도 테이프(1607)가 접촉되거나 제 1 복합재 층(501)에 근접하여 제공된다. 유도 테이프(1607)로부터의 열은 제 1 복합재 층(501) 내의 매트릭스 재료를 가열하여 그의 경화를 용이하게 하거나 보조한다. 유도 테이프(1607)가 순환함에 따라, 맨드릴(403)은 부가의 복합재 재료를 가열하고 형성하도록 하는 방향으로 중심축(1204)을 따라 전진될 수 있다. 전술된 바와 같이, 본 발명은 단일의 복합재 층에 한정되는 것은 아니고, 코어 재료(601) 및 부가의 보강 복합재 층을 포함하는 다수의 층을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 도 16에 도시된 배열에 한정되는 것은 아니고, 유도 테이프(1607)를 위한 유도 요소 및/또는 경로의 대안적인 배열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유사한 배열이 이용되어 맨드릴 패드(1201) 내에 또는 그 상부에 유도 테이프(1607)가 있는 상태로 도 12 및 도 13에 도시된 외부 맨드릴(403")을 가열할 수 있다.
도 17은 복수의 맨드릴(403)이 동시에 타워(104)를 형성하도록 이용되는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한다. 맨드릴(403)은 보빈(1101)을 경유하여 종방향 파이버(405) 및 후프형 파이버(407)를 구비한다. 전술된 바와 같이, 도 17은 단지 종방향 파이버(405) 및 후프형 파이버(407)의 예를 도시하지만, 복수의 파이버(405, 407)가 바람직하게는 맨드릴(403) 둘레에 원주방향으로 존재한다. 충분한 수의 파이버(405, 407)가 원하는 복합재 구조체를 형성하도록 부착된다. 맨드릴(403)은 중심축(1204)을 따라 반대 방향으로 전진한다. 도시된 바와 같이, 맨드릴(403)과 형성될 타워(1701) 사이에 존재하여 형성된 타워(104)는 테이퍼를 포함한다. 복수의 맨드릴(403)의 이용은 개별 맨드릴(403)의 직경 편차를 위한 감소된 요구를 허용한다. 즉, 더 큰 맨드릴(403)이 형성될 대형 타워(1701)에 사용될 수 있고, 더 작은 맨드릴(403)은 형성될 소형 타워(1701)에 사용될 수 있다. 타워(104)의 형성을 용이하게 하거나 촉진하는 맨드릴(403)의 다른 배열이 또한 사용될 수 있다.
도 18은 복합재 타워(104)를 위한 현장 조립체 시스템의 평면도를 도시한다. 시스템은 타워(104)가 형성될 수 있는 가동 위치에 배열된 내부 맨드릴(403') 및 외부 맨드릴(403")을 포함한다. 도시된 바와 같이, 복수의 공급 트럭(1801)이 파이버(401) 및 매트릭스 재료를 공급하도록 제공될 수 있다. 도시된 장치에서, 종방향 파이버(405)는 공급 트럭(1801)에 의해 제공되고 파이버 관리 구조체(1803)에 의해 분리되어 안내된다. 마찬가지로, 후프형 파이버(407)는 공급 트럭(1801)에 의해 제공되고 파이버 관리 구조체(1803)에 의해 분리되어 안내된다. 종방향 파이버(405) 및 후프형 파이버(407)는 맨드릴(403)로 제공되고 공급 트럭(1801)으로부터의 매트릭스 재료 공급부(1805)로부터의 매트릭스 재료가 파이버(401)에 부착된다. 경화 라이트(1107) 또는 다른 가열 또는 경화 장치(도 18에는 도시되지 않음)가 매트릭스 재료의 경화를 용이하게 하도록 배열된다. 타워(104)가 형성될 때, 시스템은 타워(104)의 부가의 길이가 형성될 수 있게 하도록 조정된다. 예를 들어, 맨드릴(403)은 전진될 수 있고, 또는 타워가 맨드릴(403)로부터 이격하여 당겨지거나 견인될 수 있다. 본 발명은 도시된 장치에 한정되는 것은 아니고, 현장에서의 파이버 및 매트릭스 재료의 공급을 허용하는 임의의 장치를 포함할 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 다양한 변경이 이루어질 수 있고 등가물이 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 그 요소에 대해 대체될 수 있다는 것이 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있을 것이다. 게다가, 다수의 수정이 본 발명의 본질적인 범주로부터 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 채택하도록 이루어질 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최적의 모드로서 개시된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 모든 실시예를 포함할 수 있는 것으로 의도된다.

Claims (10)

  1. 복합재 윈드 터빈 타워(104)에 있어서,
    매트릭스 재료와, 상기 매트릭스 재료 내에 배치된 복수의 보강 파이버(401)를 포함하는 제 1 층(501) 및 제 2 층(701)과,
    상기 제 1 층(501)과 상기 제 2 층(701)의 중간에 배치된 코어층(601)을 포함하며,
    상기 타워(104)는 현장에서 부분적으로 또는 완전히 제조될 수 있는
    복합재 윈드 터빈 타워.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강 파이버(401)는 부직포 테이프인
    복합재 윈드 터빈 타워.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강 파이버(401)는 브레이드(braid)인
    복합재 윈드 터빈 타워.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강 파이버(401)는 3축 위브(weave)로 직조되는
    복합재 윈드 터빈 타워.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강 파이버(401)는 글래스, 탄소, 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 파이버 재료를 포함하는
    복합재 윈드 터빈 타워.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어층(601)은 발포체, 콘크리트, 보강 재료 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    복합재 윈드 터빈 타워.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 층(701) 상에 외부 코팅(801)을 더 포함하는
    복합재 윈드 터빈 타워.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 코팅(801)은 페인트 또는 에폭시 코팅인
    복합재 윈드 터빈 타워.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 층(701) 상에 외부 코팅(801)을 더 포함하는
    복합재 윈드 터빈 타워.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 층(701) 상에 외부 코팅(801)을 더 포함하는
    복합재 윈드 터빈 타워.
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