KR20120061742A - 윈드 터빈용 로터 블레이드, 및 윈드 터빈과 레이더 스테이션의 조합 - Google Patents

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KR20120061742A
KR20120061742A KR1020110124260A KR20110124260A KR20120061742A KR 20120061742 A KR20120061742 A KR 20120061742A KR 1020110124260 A KR1020110124260 A KR 1020110124260A KR 20110124260 A KR20110124260 A KR 20110124260A KR 20120061742 A KR20120061742 A KR 20120061742A
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조아침 베터만
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이에이디에스 도이치란트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 로터 블레이드 표면(20)을 형성하는 편평 섬유 복합 재료(12-1, 12-2)로 구성된 케이싱 구조물을 포함하는, 윈드 터빈용 로터 블레이드(10)에 관한 것이다. 이러한 로터 블레이드(10)의 사용에 따라 야기된 레이더 시스템의 간섭을 감소시키기 위해, 본 발명에 따라서, 적어도 로터 블레이드(10)의 리딩 에지(16)와 트레일링 에지(18)에서 섬유 복합 재료(12-1, 12-2)는 1 GHz 내지 10 GHz 범위의 주어진 주파수에서 반사 최소치를 가지며 표면에 대해 수직하게 입사하는 레이더 방사에 대하여 주파수-의존 레이더 반사율(R)을 제공하도록 설계된다.

Description

윈드 터빈용 로터 블레이드, 및 윈드 터빈과 레이더 스테이션의 조합{ROTOR BLADE FOR A WIND TURBINE, AND COMBINATION OF A RADAR STATION AND A WIND TURBINE}
본 발명은 로터 블레이드 표면을 형성하는 편평 섬유 복합 재료로 구성된 케이싱 구조물을 포함하는, 윈드 터빈용 로터 블레이드에 관한 것이다. 본 발명은 레이더 스테이션의 수신 범위 내에 위치된 윈드 터빈 및 레이더 스테이션의 조합에 관한 것이다.
윈드 터빈은 회전가능하게 장착된 로터 샤프트, 로터 샤프트의 일 단부에 있는 로터 허브 및 로터 허브로부터 반경방향으로 돌출되는 하나 이상의 로터 블레이드(로터 윙)로부터 전형적으로 형성되는 회전가능하게 장착된 로터 구조물을 포함한다.
폭 넓게 사용되는 일 유형의 터빈에서, 로터 샤프트는 수평 축 주위에서 회전가능하도록 머신 하우징("곤도라") 내에 장착되고, 차례로 머신 하우징은 수직 축 주위에서 회전가능하도록 수직방향으로 돌출된 타워 상에 배치된다.
레이더 시스템으로부터 전자기 파에 의한 방사 시, 이러한 윈드 터빈은 타워, 머신 하우징 및 로터 구조물, 특히 로터 블레이드에서 레이더 반사를 생성한다.
시간이 지남에 따라 상당히 일정해지는 머신 하우징 및 타워에서의 레이더 반사가 다수의 레이더 시스템 내에 제공된 클러터 억압(clutter suppression)을 사용하여 후방-반사식 레이더 방사의 평가 시에 효과적으로 마스킹될지라도, 로터 블레이드는 이의 회전 및 로터 블레이드에서 반사된 레이더 방사(radar radiation)의 수반된 도플러 이동으로 인해 이동식 표적 탐지 기능을 갖는 레이더 시스템의 작동에 대해 높은 간섭 가능성을 나타낸다.
로터 구조물 또는 로터 블레이드에서 레이서 방사의 후방 반사의 정도뿐만 아니라 레이더 반사의 도플러 이동은 로터 구조물의 회전 속도 및 레이더 반사의 입사 방향에 의존된다. 이러한 도플러 이동을 평가하는 이동식 표적 탐지 기능을 갖는 레이더 시스템의 경우, 이는 예를 들어, 항공기 물체로서 오인되는 것과 같이 로터 블레이드와 같은 로터 구조물의 대응하는 위치에 바람직하지 못할 수 있다. 윈드 터빈은 레이더 시스템의 레이더 스크린상의 추가 표적으로서 이 방식으로 이미징될 때, 이는 종종 원하는 표적의 탐지를 상당히 저하시킬 수 있다. 이러한 표적은 예를 들어, 해양 항행 레이더 시스템용 선박, 기상 레이더 시스템용 레인 크라우드(rain cloud) 또는 항공 교통 제어 레이더 시스템용 항공기일 수 있다.
"윈드 팜"을 형성하기 위해 공간적으로 조합되는 다수의 윈드 터빈이 작동되는 동안에, 개개의 윈드 터빈에 의해 생성된 가짜 표적은 통상적으로 수 킬로미터 제곱의 크기인 넓은 영역에 걸쳐서 나타나며, 그 뒤 원하는 표적의 명백한 식별 및 추적(tracking)이 종종 더 이상 가능하지 않다.
본 발명의 목적은 윈드 팜 또는 윈드 터빈의 작동에 의해 야기되는 레이더 시스템의 간섭을 줄이는 데 있다.
전술된 유형의 로터 블레이드의 경우, 이 목적은 본 발명에 따라 구현되는데, 로터 블레이드의 리딩 에지와 트레일링 에지에서 섬유 복합 재료는 1 GHz 내지 10 GHz 범위의 주어진 주파수에서 반사 최소치를 가지며 표면에 대해 수직하게 입사하는 레이더 방사에 대하여 주파수-의존 레이더 반사율을 제공하도록 설계된다.
로터 블레이드의 리딩 에지와 트레일링 에지는 도플러 효과에 대한 레이더 반사가 레이더 시스템의 작동 중에 가장 큰 간섭 가능성을 갖는 표면 섹션을 나타낸다.
본 발명에 따르는 섬유 복합 재료의 설계에 있어서, 로터 블레이드의 케이싱 구조물의 적어도 이들 영역에서 전술된 주파수 범위가 표면에 대해 수직하게 입사하는 레이더 방사에 대해 반사 최소치를 갖는 레이더 반사율(댐핑 팩터)을 이용하여 간섭이 상당히 감소될 수 있다.
본 발명에 따르는 로터 블레이드는 종래 기술에 공지된, 즉 예를 들어 로터 블레이드의 트레일링 에지와 리딩 에지에서 서로 접착되고 섬유 복합 고상 재료(예를 들어, 다층 GRP 라미네이트)로 각각 제조된 2개의 반-쉘과 같은 로터 블레이드와 유사한 기본적인 구조물을 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따라서 로터 블레이드는 서로 결합, 즉 서로 접착성 결합되는 다수의 케이싱 쉘로부터 형성된다.
예를 들어, 2개의 반-쉘은 로터 블레이드의 리딩 에지와 트레일링 에지에서 서로 결합되도록 제공될 수 있다.
그러나, 본 발명에서, 특정 재료 선택 및 기하학적 상관관계(예를 들어, 재료 두께, 또는 다층 재료의 층 두께)에 있어서 전술된 반사 최소치가 보장된다.
섬유 복합 고상 재료의 경우, 이러한 목적에 대해 적합할 수 있는 치수 법칙(dimensioning rule)은 하기 공식으로 표현될 수 있다:
Figure pat00001
여기서,
dv는 고상 재료의 두께이고,
λ0는 레이더 시스템의 자유 공간 파장이며,
εv는 고상 재료의 특정 유전 상수(후방 부분)이다.
고상 재료의 두께 dv에 대해, 반사 최소치(reflection minimum )는 레이더 시스템의 주파수 f0 = c/λ0와 이의 정수배(integer multiple)에 대해 야기되며(여기서, C는 광속), 여기서 정수는 홀수이다.
적어도 하나의 코어 재료 층과 적어도 2개의 커버 층을 포함하는 샌드위치 설계의 경우, 유사한 치수 법칙이 원하는 반사 최소치를 구현하기 위해 고려될 수 있다. 예를 들어, 대칭 샌드위치 구조의 경우, 동일한 두께의 전방 및 후방 층, 동일한 재료 및 이들 사이에 위치된 코어 층을 갖는 동일한 설계를 의미하며, 적합한 치수는 예를 들어, 하기에 따라 설정될 수 있다.
커버 층 및 코어 재료의 재료뿐만 아니라 섬유-보강 커버 재료의 두께가 기계적 원리에 따라 정해지자마자, 코어 재료의 두께는 대략 하기 공식으로부터 야기된다:
Figure pat00002
여기서,
dk는 코어 재료의 두께이고,
λ0는 레이더 시스템의 자유 공간 파장이며,
εK는 코어 재료의 특정 유전 상수(후방 부분)이고,
dD는 커버 층 재료의 두께이고,
εD는 커버 층 재료의 특정 유전 상수(후방 부분)이다.
특히, 하기의 제한이 바람직하게 고려된다:
a) εK ≤ 1.8;
즉, 코어 재료의 특정 유전 상수는 값 1.8 미만이어야 한다. 이는 대부분의 폼(foam), 허니컴, 등에 적용된다.
b)
Figure pat00003
;
즉, 커버 층 재료의 전기적 두께는 레이더 시스템에 의해 방사된 방사의 파장의 1/4 미만이어야 한다.
따라서, 상기 공식을 사용하여 커버 층 재료의 특정 두께 및 특정 유전 상수뿐만 아니라 코어 재료의 특정 유전 상수에 따라 반사율이 레이더 시스템의 주파수 f0 = c/λ0에 대해 최소치인 코어 재료의 두께가 야기된다(여기서, c는 광속).
개시 값을 기준으로, 코어 층 두께의 "미세 조정"이 컴퓨터 시뮬레이션의 도움으로 수행될 수 있으며, 이에 따라 반사 최소치는 레이더 시스템의 주파수에 정확히 일치된다.
종래 기술에 이미 공지된 바와 유사하게, 본 발명에 따르는 로터 블레이드의 경우 이의 안정성은 케이싱 구조물을 안정화시키는 케이싱 구조물의 내측에 위치된 하나 이상의 웹에 의해 향상될 수 있다. 하나 이상의 이러한 웹은, 예를 들어, 1 GHz 내지 10 GHz 범위의 주어진 주파수에서 반사 최소치를 가지며, 표면에 대해 수직하게 입사하는 레이더 방사에 대해 주파수-의존 레이더 반사율을 제공하도록 설계된 편평 섬유 복합 재료로 제조될 수 있다.
레이더 방사의 주파수는 섬유 복합 재료가 로터 블레이드의 리딩 및 트레일링 에지에서(선택적으로, 웹 또는 웹들에서) 전술된 반사 최소치를 갖는 주파수와 동일하거나 또는 적어도 실질적으로 동일할 수 있다(예를 들어, 10% 편차 미만).
일 실시예에서, 반사 최소치를 제공하기 위해 사용된 섬유 복합 재료는 섬유 복합 고상 재료로서 설계된다. 대안적으로는, 이 섬유 복합 재료는 다수의(동일하거나 또는 상이한) 섬유 복합 재료 층을 포함하는 샌드위치 설계를 가질 수 있다. 특히, 예를 들어, 대칭 샌드위치 구조가 사용될 수 있다.
섬유 복합 고상 재료는 예를 들어, 다수의 동일한 섬유 재료 층(부직포, 블레이딩(braiding), 레이드 웹(laid web), 등)을 포함하는 라미네이트와 같이 설계될 수 있다. 단순한 샌드위치 설계는 이의 양 측면에 플라스틱 폼, 예를 들어, 특히 강성 폼, 또는 나무, 특히 경량 나무 또는 허니컴 또는 주름진 구조물(예를 들어, 함침된 종이 또는 GRP 재료(예를 들어, 유리 섬유 직물을 함유한))로 제조된 코어 층 및 동일하거나 또는 상이한 섬유 복합 재료 층(예를 들어, GRP, 등)으로 제조된 커버 층을 제공한다.
로터 블레이드의 리딩 및 트레일링 에지에서 전술된 반사 최소치를 제공하기 위해 사용된 섬유 복합 재료는 전체적으로(케이싱 구조물의 전체 두께에 걸쳐서) 또는 리딩 및 트레일링 에지에서 표면을 형성하는, 적어도 표면에 인접한 영역에서 낮은 전기 전도성을 갖는다. 이러한 설계는 입사하는 레이더 에너지의 반사를 감소시킨다. 이상적인 경우에, 레이더 에너지의 대부분이 로터 블레이드의 케이싱 구조물을 통해 안내된다. 따라서, 로터 블레이드는 입사하는 레이더 에너지의 대부분에 대해 다소 투과성이 있으며, 이에 따라 단지 에너지의 상대적으로 작은 양만이 로터 블레이드에 의해 레이더 시스템으로 재반사되며, 따라서 레이더의 작동 중에 간섭이 추가로 줄어든다.
이에 대해, 선택적으로 제공된 안정화 웹 또는 웨들을 형성하고 및/또는 적어도 로터 블레이드의 리딩 및 트레일링 에지에 케이싱 구조물을 제공하기 위하여, 섬유 복합 재료는 전기적으로 비전도체(예를 들어, 0.001 미만의 낮은 전도성 "tan δ",을 갖는 재료)인 것으로 여겨지거나 또는 빈약한 전기 전도성(예를 들어, 0.01 미만의 전기적 손실율 "tan δ"을 갖는 것이 선호된다.
전기적으로 비전도성의 섬유 복합 재료를 제공하기 위하여, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 등과 같은 전기적으로 비전도성의 섬유로 구성된 섬유 재료는 예를 들어, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 등과 같은 전기적으로 비전도성의 매트릭스와 함께 사용될 수 있다.
샌드위치 설계, 즉 3개 이상의 재료 층을 갖는 설계의 경우에, 개개의 층은 또한 전술된 강성 폼, 등으로부터 형성될 수 있다.
전술된 반사 최소치를 구현하기 위하여, 한편, 입사하는 레이더 방사와 직접적으로 접촉하는 편평 섬유 복합 재료의 "제1 층"이 아주 낮은 전기 전도성 또는 비전도성인 섬유 복합 재료로 제조되는 것이 선호된다. 이에 대해, CFRP는 이의 상대적으로 높은 전기 전도성으로 인해 더 바람직하지 못하며, 대신에 예를 들어, GRP가 선호된다. 한편, 로터 블레이드(웹 또는 웹들)의 리딩 및 트레일링 에지를 제공하기 위한 편평 섬유 복합 재료의 "기하학적 형상"은 본 발명의 범위 내에서 상당히 중요하다.
이 섬유 복합 재료가 섬유 복합 고상 재료로 제조되고, 이 섬유 복합 재료가 다수의 섬유 복합 재료 층을 포함하는 샌드위치 설계를 가질 때, 레이더 방사의 방향으로 볼 때 직접 인접한 재료 층들 사이에 또는 이러한 재료 층과 공기(로터 블레이드의 케이싱 구조물의 내측 측면 또는 외측 측면상에서) 사이에 다수의 경계(interface)가 형성된다. 이들 경계의 각각의 측면에 위치된 재료(또는 공기)의 유전 상수와 레이더 방사의 방향으로 볼 때 이들 경계 사이의 상호 거리를 선택함으로써, 본 발명에 따라 제공된 반사 최소치는 용이하게 구현될 수 있는데, 이때 레이더 방사 성분들은 실질적으로 파괴적인 방식으로 다양한 경계에 의해 재반사된다.
이 목적에 적합할 수 있는 재료 조합 또는 재료 배열이 예를 들어, 전술된 "치수 법칙"을 고려하여 특정될 수 있다. 대칭 샌드위치 구조에 대한 코어 재료의 두께(dK) 또는 고상 재료의 두께(dV)에 대한 전술된 공식에 제시된 값들은 바람직하게는, 예를 들어 기준에 대해 특정된 두께로부터 당해 재료(섬유 복합 고상 재료 또는 코어 재료)의 레이더 방사의 파장의 10% 미만, 특히 5% 미만의 적용가능한 공식으로의 실제 두께의 편차에 따라 적어도 대략 제공된다.
대략적인 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하는 것도 또한 적합할 수 있다.
일반적으로, GRP와 같은 매우 낮은 전기 전도성의 섬유 복합 재료가 특히 제1 재료 층을 형성하는데 선호된다(다수의 상이한 층으로 구성된 설계의 경우에).
일 실시예에서, 반사 최소치를 제공하기 위해 사용된 섬유 복합 재료(레이더 방사와 직접 접촉하는 "제1" 표면)는 103 옴/스퀘어(ohm/square) 초과의 특정 전기적 표면 저항을 갖는다.
일 실시예에서, 반사 최소치는 -20 dB 미만, 특히 -25 dB 미만의 값을 갖는다.
특히, 입사하는 레이더 방사와 접촉하는 경계에 의해 레이더 방사의 방향으로 연속적으로 재반사되는 레이더 방사 성분을 이용하여 파괴적인 간섭의 효과를 이용할 때, 예를 들어, 0.5 GHz 미만, 특히 0.25 GHz의 반-폭 값을 갖는 상대적으로 협대역의 반사 최소치가 제공되는 것이 선호될 수 있다.
본 발명에 따라 제공된 반사 최소치의 위치는 로터 블레이드를 사용하는 동안에 예상된 레이더 방사의 주파수와 가능한 근접하게 채택되는 것으로 이해된다. 반사 최소치의 주파수가 이 레이더 주파수로부터 상당히 벗어난다면, 레이더 주파수는 바람직하게는 반사 최소치의 반-폭 값 내에 있다.
일 실시예에서, 1 GHz 내지 10 GHz의 주파수 범위에서 주파수-의존 반사 최소치는 정확히 하나의 최소치를 갖는다. 대안적으로, 그러나 하나 초과의 반사율의 최소치, 특히 정확히 2개의 최소치가 이 주파수 범위 내에서 제공될 수 있다. 후자의 경우, 2개의 최소치의 위치는 예를 들어, 2개의 상이한 레이더 시스템(예를 들어, 항공 교통 제어 레이더 시스템 및 기상 레이더 시스템)의 2가지의 상이한 레이더 주파수에 적합해질 수 있다.
본 발명에 따라서, 레이더 스테이션의 수신 범위(reception range ) 내에 위치된 윈드 터빈 및 레이더 스테이션의 조합이 제공되며, 윈드 터빈의 로터 블레이드는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따르는 로터 블레이드로서 각각 설계되고, 반사 최소치의 주파수는 레이더 스테이션의 레이더 주파수와 일치된다.
레이더 주파수로부터 반사 최소치의 주파수의 가능한 편차는 바람직하게는 0.5 GHz 미만이다.
레이더 주파수에 대한 반사율은 바람직하게는 -15 dB, 특히 바람직하게는 -20 dB 미만이다.
일 실시예에서, 조합은 예를 들어, 항공 교통 제어 레이더 시스템 및 해양 항행 레이더 시스템과 같이 서로 상이한 레이더 주파수를 갖는 2개의 레이더 스테이션을 포함하고, 섬유 복합 재료를 사용하여 제공된 주파수-의존 레이더 반사율은 전술된 유형의 2개의 반사 최소치를 가지며, 이의 주파수는 하나의 레이더 스테이션과 하나의 반사 최소치의 경우에 전술된 바와 같이 선택적으로 편차가 작은 상태로 레이더 스테이션의 레이더 주파수와 일치된다.
각각의 레이더 스테이션은 특히 후방-반사 레이더 신호의 도플러 이동의 평가에 이해 이동하는 표적 탐지 기능을 갖는 레이더 스테이션일 수 있다.
조합이 서로 상이한 레이더 주파수를 갖는 다수의 레이더 스테이션을 포함한다면, 일 실시예에 따라서 레이더 주파수들 간에 하나의 레이더 주파수가 그 외의 다른 레이더 주파수의 정수배인 적어도 하나의 주파수 쌍이 존재한다. 이러한 일 예는 9 GHz의 레이더 주파수를 갖는 해양 항행 레이더 시스템과 조합하여 3 GHz의 레이더 주파수를 갖는 항공 교통 제어 레이더 시스템이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조한 예시적인 실시예를 기초로 하기에서 더 상세히 기술된다.
도 1은 윈드 터빈용 로터 블레이드의 단면도.
도 2는 도 1의 선 II-II를 따라 절단한 단면도.
도 3은 도 1의 선 III-III를 따라 절단한 단면도.
도 4는 도 1의 선 IV-IV를 따라 절단한 단면도.
도 5는 도 2에 도시된 재료의 레이더 반사율의 주파수-의존 곡선을 도시하는 도면.
도 6은 도 3에 도시된 재료의 레이더 반사율의 주파수-의존 곡선을 도시하는 도면.
도 7은 도 4에 도시된 재료의 레이더 반사율의 주파수-의존 곡선을 도시하는 도면.
도 8은 또 다른 예시적인 실시예의 재료의 단면도.
도 9는 레이더 반사율의 연계된 주파수-의존 곡선을 도시하는 도면.
도 1은 케이싱 구조물(12), 및 예시적인 실시예에서 로터 블레이드 프로파일의 신장 방향에 대해 가로방향으로 연장되는 2개의 웹(14-1, 14-2)에 의해 형성되고 케이싱 구조물(12)을 안정화시키는 내측 구조물(14)을 포함하는, 윈드 터빈용 로터 블레이드(10)의 구조물의 단면도를 도시한다.
로터 블레이드(10)는 리딩 에지(16)와 트레일링 에지(18)를 갖는다.
케이싱 구조물(12)의 외측 측면은 로터 블레이드(10)의 표면(20)을 형성하고, 케이싱 구조물(12)은 편평 섬유 복합 재료(flat fiber composite material)로 제조되며, 예시적인 실시예에서 2개의 상이한 영역, 즉 상이한 섬유 복합 재료(12-1, 12-2)가 사용된다. 재료(12-1)는 리딩 에지(16) 및 대략 도시된 로터 블레이드(10)(웹(14-1, 14-2)의 그 외의 다른 측면상에서)의 중간까지 리딩 에지에 인접한 케이싱 구조물 영역을 형성하는데 사용된다. 재료(12-2)는 트레일링 에지(18)를 포함하고 뒤에 위치된 로터 블레이드(10)의 영역을 형성하기 위해 제공된다.
웹(14-1, 14-2)은 또한 편평 섬유 복합 재료(12-1, 12-2)와는 상이한 (동일한) 섬유 복합 재료로 각각 제조된다.
로터 블레이드(10)의 일 특정 양태에 있어서, 적어도 리딩 에지(16)와 트레일링 에지(18)에 대해, 또한 웹(14-1, 14-2)의 영역에서의 예시적인 실시예의 경우, 특정 섬유 복합 재료(12-1, 12-2)(예시적인 실시예에서, 또한 섬유 복합 재료(14-1, 14-2)는 1　GHz 내지 10 GHz의 범위의 주어진 주파수에서 반사 최소치를 가지며 표면에 대해 수직하게 입사하는 전자기 레이더 방사에 대한 주파수-의존 레이더 반사율(frequency-dependent radar reflection factor, R)을 제공하도록 설계된다.
도 2, 도 3 및 도 4는 편평 섬유 복합 재료(12-1, 12-2 및 14-1, 14-2)의 각각의 설계를 도시한다.
섬유 복합 재료(12-1)(도 2)는 일체형 GRP 설계, 즉 12.9 mm의 두께를 갖는 GRP 재료의 층으로 구성된다. GRP 재료(12-1)의 유전상수는 대략 4.3이다.
섬유 복합 재료(12-2)(도 3)는 외측 GRP 커버 층(22)(두께 1 mm, 유전 상수 4.3), 내측 GRP 커버 층(24)(두께 1 mm, 유전 상수 4.3), 및 강성 폼 코어(26)(두께 11.3 mm, 유전 상수 1.1)로 만들어진 샌드위치 구조이다.
게다가, 섬유 복합 재료(14-1, 14-2)는 외측 GRP 커버 층(22')(두께 2 mm, 유전 상수 4.3), 내측 GRP 커버 층(24')(두께 2 mm, 유전 상수 4.3), 및 강성 폼 코어(26')(두께 8.5 mm, 유전 상수 1.1)로 만들어진 샌드위치 구조이다.
도 5, 도 6 및 도 7은 방사(radiation)의 수직 입사를 위해 도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 섬유 복합 재료의 계산된 주파수-의존 반사율을 나타낸다.
도 5는 섬유 복합 재료(12-1)의 반사율(R)을 나타낸다.
도 6은 섬유 복합 재료(12-2의 반사율(R)을 나타낸다.
도 7은 섬유 복합 재료(14-1, 14-2)의 반사율(R)을 나타낸다.
3가지 설계의 반사율은 예를 들어, 기상 레이더 시스템의 경우에 통상적인 5.6 GHz의 주파수에서 각각 -34 dB, -55　dB, 및 -47 dB이다. 따라서, 입사하는 레이더 에너지의 단지 약 0.02%, 0.0003%, 및 0.002%만이 각각의 설계에서 반사된다.
역으로, 이는 입사하는 레이더 에너지의 약 99.98%, 99.9997%, 및 99.998%가 각각의 설계를 통과함을 의미한다. 따라서, 연관된 주파수 범위에서, 로터 블레이드(10)는 입사하는 레이더 에너지에 대해 상당히 투과성이며, 이에 따라 로터 블레이드(10)에서 전체 레이더 반사가 상당히 감소된다.
예시적인 실시예에서, 5.6 GHz에서 반사 최소치의 반-폭 값은 각각의 경우에 0.5 GHz 미만이다.
또 다른 예시적인 실시예의 하기 기술내용에서, 동일한 도면부호는 기능적으로 균등한 부품에 대해 사용되며, 각각의 경우 소문자 "a"가 실시예를 구별하기 위해 추가된다. 실질적으로, 전술된 예시적인 실시예와의 차이점이 논의되며, 그 외의 다른 관점에서 명시적인 참조는 전술된 예시적인 실시예의 기술 내용으로 구성된다.
도 8은 편평 섬유 복합 재료(12a-1)의 단면도를 나타내고, 레이더 반사를 감소시키기에 적합한 설계의 추가 실시예를 도시한다.
예를 들어, 섬유 복합 재료(12a-1)는 본원에서 사용된 섬유 복합 재료(12-1, 12-2 및 14-1, 14-2) 중 하나 이상에 대한 대체물로서, 도 1에 예시된 유형의 로터 블레이드에 대해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 도 8에 도시된 섬유 복합 재료(12a-1)는 도 1에 예시된 유형의 로터 블레이드의 전체 케이스 구조물(내측 구조물이 선택적으로 제공됨)에 대해 사용된다.
섬유 복합 재료(12a-1)는 외측 GRP 커버 층(22a)(두께 3 mm, 유전 상수 4.3), 내측 GRP 커버 층(24a)(두께 3 mm, 유전 상수 4.3), 및 수지 함침된 종이로 제조된 허니컴 코어(26')[sic; 26a](두께 17.5 mm, 유전 상수 1.07)로 구성된 샌드위치 구조이다.
섬유 복합 재료(12a-1)의 특정 양태에 있어서, 이의 주파수-의존 레이더 반사율(R)은 표면에 수직하게 입사하는 레이더 방사의 경우에 1 GHz 내지 10 GHz의 범위의 주어진 주파수에서 2가지의 반사 최소치를 갖는다.
도 9에 도시된 바와 같이, 이들 반사 최소치는 3 GHz의 주파수(예를 들어, 군용 항공 교통 제어 레이더 시스템의 주파수) 및 9 GHz의 주파수(예를 들어, 해양 항행 레이더 시스템의 주파수)로 나타내진다. 이들 주파수에서 레이더 반사는 상당히 감소되는데, 즉 0.001% (3 GHz에서) 및 0.02% (9 GHz에서)로 감소된다.
본 발명, 즉 기술된 예시적인 실시예의 실시에 따라, 윈드 터빈용 로터 블레이드는 레이더 반사를 상당히 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 특히, 로터 블레이드가 하나 이상의 레이더 시스템의 탐지 범위에 있는 윈드 팜(wind farm)을 형성하기 위하여 공간적으로 조합된 복수의 윈드 터빈용으로 사용될 때, 상당히 줄어든 간섭에 따라 레이더 작동을 보장할 수 있다.
본 발명에 따라서, 최소-반사 섬유 복합 재료는 전술된 바와 같이 적어도 로터 블레이드의 리딩 에지와 트레일링 에지에 사용된다. 그러나, 심지어 로터 블레이드의 추가 구조 부분, 특히 전체 케이싱 구조물 및 선택적으로 제공된 안정화 내측 구조물이 전술된 설계 중 한 설계로 제공될 수 있다. 로터 블레이드를 사용하는 동안 예상된 레이더 주파수 또는 주파수들에 의존하여, 재료의 특정 배열 및 조합 및 이들의 치수, 층 두께(들), 및 전자기 재료 상수가 변경될 수 있다.
전술된 예시적인 실시예로부터 벗어나서, 예를 들어, 특히 높은 기계적 응력이 가해진 로터 블레이드의 영역은 전술된 GRP 대신에 CFRP를 함유하는 섬유 복합 재료, 또는 금속으로 제조된다(예를 들어, 특히 스틸).
추가로, 낙뢰 보호의 목적으로, 로터 블레이드 팁 또는 로터 블레이드 표면으로부터 예를 들어, 지면(예를 들어, 머신 하우징 및 타워)으로 낙뇌 전류를 전환하기 위해 금속 전도체를 제공할 필요가 있을 수 있다.
매트릭스로서 에폭시 수지의 사용이 전술된 섬유 복합 재료에 대해 종종 선호될지라도, 열가소성 재료와 같은 그 외의 다른 매트릭스 재료가 또한 적합할 수 있다.

Claims (9)

  1. 로터 블레이드 표면(20)을 형성하는 편평 섬유 복합 재료(12-1, 12-2)로 구성된 케이싱 구조물을 포함하는, 윈드 터빈용 로터 블레이드(10)로서,
    적어도 로터 블레이드(10)의 리딩 에지(16)와 트레일링 에지(18)에서 섬유 복합 재료(12-1, 12-2)는 1 GHz 내지 10 GHz 범위의 주어진 주파수에서 반사 최소치를 가지며 표면에 대해 수직하게 입사하는 레이더 방사에 대하여 주파수-의존 레이더 반사율(R)을 제공하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드(10).
  2. 제1항에 있어서, 반사 최소치를 제공하기 위해 사용된 섬유 복합 재료(12-1, 12-2)는 섬유 복합 고상 재료(12-1)로서 설계되는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드(10).
  3. 제2항에 있어서, 섬유 복합 고상 재료(12-1)의 두께(dv)는 적어도 약
    Figure pat00004
    의 값을 가지며,
    여기서, dv는 고상 재료(12-1)의 두께이고,
    λ0는 레이더 시스템의 자유 공간 파장이며,
    εv는 고상 재료의 특정 유전 상수(후방 부분)인 것을 특징으로 하는 로터 블레이드(10).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 반사 최소치를 제공하기 위해 사용된 섬유 복합 재료(12-1, 12-2)는 적어도 하나의 코어 재료 층(26) 및 다수의 섬유 복합 재료 층(22, 24)을 포함하는 샌드위치 설계(12-2)를 갖는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드(10).
  5. 제4항에 있어서, 샌드위치 설계(12-2)는 커버 층으로서 2개의 섬유 복합 재료 층(22, 24)과 코어 재료 층(26)을 갖는 대칭 구조이며, 코어 재료 층(26)의 두께(dk)는 적어도 약
    Figure pat00005
    의 값을 가지며, 여기서,
    dk는 코어 재료(26)의 두께이고,
    λ0는 레이더 시스템의 자유 공간 파장이며,
    εK는 코어 재료의 특정 유전 상수(후방 부분)이고,
    dD는 커버 층(22, 24)의 두께이고,
    εD는 커버 층 재료의 특정 유전 상수(후방 부분)인 것을 특징으로 하는 로터 블레이드(10).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 반사 최소치를 제공하기 위해 사용된 섬유 복합 재료(12-1, 12-2)는 103 옴/스퀘어(ohm/square) 초과의 특정 전기적 표면 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 반사 최소치는 -20 dB 미만, 특히 -25 dB 미만의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드(10).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 1 GHz 내지 10 GHz의 주파수 범위에서의 주파수-의존 반사율(R)은 정확히 하나의 최소치 또는 정확히 2개의 최소치를 갖는 것을 특징으로 하는 로터 블레이드(10).
  9. 레이더 스테이션의 수신 범위 내에 위치된 윈드 터빈 및 레이더 스테이션의 조합으로서, 윈드 터빈의 로터 블레이드는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따르는 로터 블레이드(10)로서 각각 설계되고, 반사 최소치의 주파수는 레이더 스테이션의 레이더 주파수와 일치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈 및 레이더 스테이션의 조합.
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