KR20130074782A - 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 복합재 회전날개의 일부분을 전자파 흡수체의 유전체 지지층으로 활용하여 전자파를 흡수시킴으로써 레이더 간섭을 최소화할 수 있는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개는 내부면재, 심재 및 외부면재가 적층된 샌드위치 구조의 복합재를 포함하는 풍력 발전기용 회전 날개에 있어서, 상기 외부면재 하부에 적층되어 전자파를 흡수하는 전자파 흡수용 스크린 및 상기 샌드위치 구조의 복합재 내부에 삽입되어 전자파를 반사하는 수지투과성 고전도 배면층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개 및 이의 제조 방법{WIND TURBINE BLADE OF MICROWAVE ABSORBING FUNCTION AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서 복합재 회전날개의 일부분을 전자파 흡수체의 유전체 지지층으로 활용한 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
풍력 발전 기술은 대표적인 신재생에너지 기술 중 하나이다. 풍력 발전기의 발전 효율은 일반적으로 풍력 발전기의 크기에 비례하며, 최근의 산업동향도 이러한 발전 효율의 극대화를 위해서 계속해서 발전기의 대형화를 가속하고 있다.
풍력 발전기의 대형화는 크기에 비례한 소음의 증가, 주위 경관과의 불일치로 인하여 내륙에서 사용하기에는 여러 가지 한계가 있으며, 풍력 발전기의 에너지원인 바람의 특성도 내륙보다는 해상의 것이 더 우수하기 때문에 현재의 풍력 발전 기술은 해양 풍력 발전에 대한 것이 주요한 동향으로 예상되고 있다.
최근 들어서 풍력 발전기의 대형화 및 해양 풍력화로 인하여 풍력 발전기에 의한 레이더 간섭 문제가 풍력 단지 조성의 큰 장애요소로 대두되고 있다. 레이더 간섭의 문제는 풍력 발전기가 레이더에서 피사체로 주사하는 레이더 신호를 중간에서 막거나, 또는 그 신호를 반사시키거나 왜곡시키는 데서 발생한다.
구체적으로, 회전날개에 의한 레이더 간섭 문제는 회전날개의 회전 및 받음각 제어, 공력으로 인한 형상변화 등의 복합적인 영향으로 인하여 회전날개에서 반사되는 레이더 신호가 시간에 따라서 달라지는 다이내믹한 신호간섭이라는데 있다.
한편, 임의의 구조물에 의한 레이더 신호 간섭을 최소화하기 위해서는 구조물 표면에서 반사되는 레이더 신호가 다시 레이더로 향하지 않도록 구조물의 형상을 변화시키는 방법과, 구조물 표면에서 레이더 신호가 흡수되도록 하는 방법이 있다.
회전날개의 형상은 공기의 운동 에너지를 발전기 터빈에 전달해주기 위해 결정되어 있는 것으로서 레이더 신호 간섭 최소화를 위한 형상의 변화가 거의 불가능하므로 전자파 흡수체의 적용이 레이더 신호 반사의 최소화를 위한 유일한 방법이다.
일반적으로, 풍력 발전기용 회전날개는 3MW급 이상의 대형 풍력 발전기의 경우에 그 길이가 약 45 m 이상이 되고 그 중량도 10 ton 이상이 된다. 대형 풍력 발전기용 회전날개는 일부 탄소섬유 강화 복합재료가 사용되기는 하지만 대부분 유리섬유 강화 고분자 기지 복합재를 면재로 사용한 샌드위치 구조로 제조된다.
도 1은 종래의 풍력 발전기용 회전 날개의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 A 및 B의 단면도이다.
풍력 발전기용 회전 날개는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 샌드위치구조로, 회전 날개 내부의 비어 있는 공간과 맞닿아 있는 내부면재(11), 회전 날개의 외부 공기와 맞닿아 있는 외부면재(12) 및 그 사이의 심재(13)로 구성된다. 특히, 도 1의 C는 회전 날개를 구성하고 있는 부분 중에서 샌드위치구조의 심재가 점차 사라져 내부면재와 외부면재로만 구성되어 가는 부분을 나타낸다.
회전날개의 면재는 대부분 유리섬유 강화 고분자 기지 복합재가 사용된다. 도 1의 A와 B의 심재는 회전 날개의 설계 방법에 따라서 사용되는 소재가 달라지는데, 대부분 유리섬유 강화 복합재나 폼코어, 발사우드(Balsa wood) 등의 소재가 사용된다. 일부분의 초대형 풍력 발전기용 회전 날개의 A에서 간혹 심재로서 탄소섬유 강화 복합재가 사용되기도 한다.
풍력 발전기용 회전 날개를 제조하는데 사용되는 종래의 기술로서 소형 풍력 발전기 등의 일부에서 오토클레이드 공정이 사용되기도 하지만 대부분의 경우에는 샌드위치구조를 이루는 소재 중에서 고분자 수지를 제외한 소재들을 적층한 후에 그 내부로 액상의 고분자 수지를 적층소재로 흘려보내서 고분자 수지가 함침된 복합재 샌드위치구조를 만든 후에 이것을 고온에서 경화시켜서 그 구조를 완성하는 수지충전기술(RTM; Resin Transfer Molding)을 많이 사용한다.
일반적으로 회전 날개는 그 크기가 매우 커서 완전한 수지 충전에 필요한 유동거리가 매우 길고, 수지의 고점도 및 강화섬유의 큰 유동저항으로 인하여 수지 충전에는 긴 시간이 필요하다. 따라서 수지 충전에 필요한 시간을 줄이기 위해서 풍력 발전기용 회전 날개의 제조에 사용되는 종래의 기술로는 미국 특허등록 제 492215호에 기술된 SCRIMP(Seemann Composite Resin Infusion Molding Process)가 있다.
도 3은 미국 특허등록 제492215호에 기재된 SCRIMP에서 소재들이 배치된 형상의 단면을 간략히 표현한 도이다.
상기 SCRIMP 공정에서는 수지충전을 위해서 적층소재의 한쪽 면에는 금형(30)을 사용하고 그 반대쪽 면에는 수지의 유동 저항이 적어서 수지의 유동이 쉽게 발생하는 수지유동소재(resin distribution medium,40)를 두며, 그 위에 공기나 수지가 투과하지 못하는 진공백(Vacuum Bag,20)을 배치한다. 이때, 수지유동소재(40)와 연결된 수지주입구(21) 및 진공출구(22)를 적절한 위치에 설정한 후에 금형(30)면과 진공백(20) 사이에 진공압이 가해질 수 있도록 주위를 밀봉한다.
상기 SCRIMP가 일반적인 수지충전기술과 다른 특징은 수지의 유동의 저항이 적어서 수지의 유동이 쉽게 발생하는 수지유동소재(40)를 사용하는데 있다. 즉, 진공출구(22)에서 가해지는 진공압력에 의하여 수지주입구(21)로부터 비교적 높은 점도의 액상수지가 수지유동소재(40)를 통하여 짧은 시간 안에 진공백(20)과 적층소재 사이에 넓게 퍼져서 적층소재의 한쪽 표면을 덮은 후에, 액상수지가 복합재의 두께방향의 느린 유동을 통하여 적층소재 내부로 침투되어 최종적으로 복합재(10)를 위한 수지함침을 완성할 수 있다.
이때, 적층소재의 두께방향으로는 수지의 흐름에 대한 유동저항이 커서 액상수지의 흐름이 느리지만 적층소재의 두께방향의 유동경로는 면내방향에 비하여 매우 짧기 때문에 짧은 시간에 적층소재 내부로의 완전한 함침이 가능하다.
한편, 회전 날개에 적용이 가능한 공진형 전자파 흡수체는 그 구조적 특성에 따라서 일반적으로 Dallenbach 층 형태의 흡수체와 스크린 형태의 흡수체로 분류될 수 있다.
도 4는 종래의 Dallenbach층 형태의 흡수체를 개략적으로 도시한 도이고, 도 5는 종래의 스크린 형태의 흡수체를 개략적으로 도시한 도이다.
도 4를 참조하면, Dallenbach 층 형태의 흡수체의 고전도 배면층(PEC) 앞에 형성된 흡수층은 고주파를 손실시키기 위한 도전손실재료, 자성손실재료, 유전손실재료, 또는 두 가지 이상의 손실을 포함하는 소결재료 및 복합재료로 제조되며 그 흡수 메커니즘은 근본적으로 흡수층을 구성하는 물질의 고주파 손실특성에 기인한다.
또한, 도 5를 참조하면, 스크린 형태의 흡수체는 고전도 배면층(PEC)과 폼코어나 유리섬유강화 복합재료와 같은 전자파 손실이 매우 적은 유전체로 된 지지층과 특정한 전자기적 특성을 보유한 비교적 두께가 얇은 스크린으로 구성될 수 있다.
스크린 형태의 흡수체는 스크린의 종류에 따라서 다양하게 변형될 수 있다. 대표적으로는 377 Ω/sq의 면저항을 갖고 두께가 수 μm에서 수십 μm인 저항 시트형태의 스크린인 Salisbury 스크린, 특정한 복소 유전율을 가지는 복합재 시트형태의 스크린인 유전손실형 스크린, 지지층 위에 특정한 전기적 회로를 구성한 Circuit Analog형 흡수체로 나뉠 수 있다.
한편, 전자파 흡수 기능의 풍력 발전기용 회전 날개를 제조하기 위해서는 전자파 흡수체를 기존의 회전 날개의 표면에 형성하는 방법이 있다. 이를 위해서는 전도도가 큰 배면층을 형성하여야 하며, 그 위에 전자파 흡수체를 일정한 두께로 형성하여야 하므로 제조상의 큰 어려움이 있으며, 외부의 기계적, 환경적 영향에 취약한 흡수소재의 특성으로 인하여 회전 날개의 유지보수비용이 증가할 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 풍력 발전기용 회전 날개를 이루는 소재 중에서 탄소섬유 강화 고분자 기지 복합재를 제외한 소재들은 모두 유전체로, 이들 유전체 소재 중에서 특히 유리섬유 강화 복합재의 고분자 기지재로 사용되는 액상수지는 그 내부에 전자기 손실성 분말소재를 혼합함으로 도 4에 도시된 Dallenbach 층 형태의 흡수체의 흡수층을 형성할 수 있으나, 도 3에 도시된 SCRIMP에서 액상수지가 적층소재의 두께방향으로 흐를 때에는 분말소재가 적층소재에 의하여 걸러져서 실질적으로 전자기 손실성 분말소재가 적층소재 내부로 침투하지 못하는 문제점이 있다.
더불어, 회전 날개의 소재가 유전체임을 감안하여 도 5에 도시된 스크린 형태의 흡수체의 지지층으로 회전 날개의 샌드위치구조의 일부를 사용하기 위해서는 고전도 배면층(PEC)를 도 3에 도시된 적층소재 내부에 삽입해야 하며, 이때에는 적층소재의 내부에 삽입된 배면층이 적층소재의 두께방향으로의 액상수지의 흐름을 차단하여 적층소재 내부로 액상수지가 완전하게 함침되지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 복합재 회전날개의 일부분을 전자파 흡수체의 유전체 지지층으로 활용하여 전자파를 흡수시킴으로써 레이더 간섭을 최소화할 수 있는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개 및 이의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개는 내부면재, 심재 및 외부면재가 적층된 샌드위치 구조의 복합재를 포함하는 풍력 발전기용 회전 날개에 있어서, 전자파를 반사하도록 상기 외부면재 외부면에 적층되는 전자파 흡수용 스크린; 및 95% 이상의 전자파 반사율을 가지도록 평직(plane weave)된 하나 이상의 탄소섬유 직물(Carbon Fabric)을 적층하여 이루어지고, 상기 샌드위치 구조의 복합재 내부에 삽입되는 수지투과성 고전도 배면층을 포함하고, 상기 복합재는 상기 수지투과성 고전도 배면층을 투과하는 액상 수지에 의해 함침되어 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자파 흡수용 스크린은 탄소나노 소재가 균일하게 분산된 에폭시 수지가 유리섬유 직물에 도포되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 탄소나노 소재는 카본 블랙, 탄소 나노섬유 및 탄소 나노튜브 중 어느 하나이거나 이들의 결합일 수 있다.
또한, 상기 전자파 흡수용 스크린은 유전손실성 복합재 시트, 377 Ω/sq의 면저항을 가지는 저항 시트, 또는 Circuit Analog 회로 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 수지투과성 고전도 배면층은 195g/㎡ 이상의 면중량(FAW: Fiber Areal Weight)을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수지투과성 고전도 배면층은 상기 외부면재 또는 상기 내부면재 내부에 삽입되거나, 상기 외부면재와 심재 사이에 삽입되거나, 또는 상기 심재 내부에 삽입될 수 있다.
또한, 상기 수지투과성 고전도 배면층이 상기 심재 내부에 삽입되는 경우, 상기 심재의 두께 방향의 임의의 위치에 삽입될 수 있다.
또한, 상기 수지투과성 고전도 배면층은 두께 방향으로의 액상 수지의 흐름에 대한 하기 수학식의 투과성계수의 값이 10-6 ~ 10-14 ㎡ 일 수 있다.
Figure pat00001
(U:유속[m/s], K:매질의 투과성계수[㎡], δp/δx:길이방향 압력 구배[N/㎥], μ:점도[N·s/㎡])
또한, 상기 수지투과성 고전도 배면층은 상기 탄소섬유 직물의 두께가 0.223 mm 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 샌드위치 구조의 복합재는, 상기 내부면재 및 외부면재가 유리섬유 강화 복합재로 이루어지고, 상기 심재가 폼 또는 발사 나무(balsa wood)의 비전도성 유전체로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 제조방법은 탄소나노 소재를 에폭시 수지 내에 균일하게 분산시킨 후 유리섬유 직물에 도포하여 전자파 흡수용 스크린을 형성하는 단계; 샌드위치 구조의 복합재 내부에 수지투과성 고전도 배면층으로 사용되는 탄소섬유 직물(Carbon Fabric)의 삽입위치를 선정하는 단계; 상기 수지투과성 고전도 배면층을 포함하여 내부면재, 심재 및 외부면재를 적층하여 상기 샌드위치 구조의 복합재를 형성하는 단계; 및 상기 외부면재의 외부면에 상기 전자파 흡수용 스크린을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자파 흡수용 스크린이 적층된 상기 복합재를 SCRIMP(Seemann Composite Resin Infusion Molding Process) 공정의 금형면 상에 위치시키고 상기 복합재 내부로 액상 수지를 함침시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 샌드위치 구조의 복합재 내부에 수지투과성 고전도 배면층의 삽입위치를 선정하는 단계는 상기 수지투과성 고전도 배면층을 상기 복합재의 외부면재 또는 상기 내부면재의 내부에 삽입하거나, 상기 외부면재와 심재 사이에 삽입하거나, 또는 상기 심재 내부에 삽입할 수 있다.
또한, 상기 수지투과성 고전도 배면층을 상기 심재 내부에 삽입하는 경우, 상기 심재의 두께 방향의 임의의 위치에 삽입할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개 및 이의 제조 방법에 의하면 종래의 회전날개를 구성하는 유전체 소재를 전자파 흡수체를 위한 지지층으로 활용하여 레이더 간섭을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 전자파를 흡수할 수 있는 별도의 흡수체를 추가함이 없이 복합재 회전날개의 일부분을 전자파 흡수체의 유전체 지지층으로 활용함으로써 제조비용, 공정시간 및 유지보수의 부담을 경감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 풍력 발전기용 회전 날개의 구성을 나타내는 단면도.
도 2는 도 1의 A 및 B의 단면도.
도 3은 미국 특허등록 제492215호에 기재된 SCRIMP에서 소재들이 배치된 형상의 단면을 간략히 표현한 도.
도 4는 종래의 Dallenbach층 형태의 흡수체를 개략적으로 도시한 도.
도 5는 종래의 스크린 형태의 흡수체를 개략적으로 도시한 도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 에어포일 상판 또는 하판의 단면도.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 제조 방법의 블록도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개를 제조하는데 있어서, 도 3에 도시된 SCRIMP를 활용하여 소재들을 배치한 형상의 단면을 간략히 표현한 도.
도 10은 고전도 배면층으로 사용되는 탄소섬유 직물의 전자파 반사, 투과 특성을 평가한 결과의 그래프.
도 11a 내지 도 11c는 유전손실형 전자파 흡수용 스크린의 복소 유전율을 나타내는 그래프.
도 12a 내지 도 12c는 유전손실형 전자파 흡수용 스크린을 이용하여 제조된 풍력 발전기용 회전 날개의 전자파 흡수 성능을 나타내는 전파 손실(reflection loss)의 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 에어포일 상판 또는 하판의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개는 도 6에 도시된 바와 같이, 복합재와, 전자파 흡수용 스크린(150) 및 수지투과성 고전도 배면층(140)을 포함한다.
상기 복합재는 내부면재(110), 심재(130) 및 외부면재(120)가 적층된 샌드위치 구조로 이루어질 수 있는데, 상기 샌드위치 구조의 복합재는 상기 내부면재 및 외부면재가 유리섬유 강화 복합재로 이루어질 수 있고, 상기 심재가 폼 내지 발사 나무 등 비전도성 유전체로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 내부면재 및 외부면재로 사용된 유리섬유 강화 복합재는 OWENS CORNING 사에서 공급한 SE1500 유리섬유를 이용하여 독일의 SAERTEX GmbH & Co. 사에서 직조한 [±45] 이축 NCF 직물 4장을 적층한 것이고, 본 발명의 심재로 사용된 비전도성 유전체는 미국의 ALCAN사에서 공급한 AIREX PVC Foam이다. 이때, 본 발명과 같이, 상기 내부면재 및 외부면재로 독일의 SAERTEX GmbH & Co. 사에서 직조한 [±45] 이축 NCF 직물 4장을 적층하여 사용하는 경우, 상기 내부면재 및 외부면재는 2.15 mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 전자파 흡수용 스크린은(150) 상기 외부면재(120) 하부에 적층되어 전자파를 흡수할 수 있고, 이때, 상기 전자파 흡수용 스크린(150)은 유전손실성 복합재 시트, 377 Ω/sq의 면저항을 가지는 저항 시트, 또는 Circuit Analog 회로 중 어느 하나일 수 있다.
상기 전자파 흡수용 스크린은 탄소나노 소재가 균일하게 분산된 에폭시 수지가 유리섬유 직물에 도포되어 형성될 수 있는데, 이때, 상기 탄소나노 소재는 카본 블랙, 탄소 나노섬유 및 탄소 나노튜브 중 어느 하나이거나 이들의 결합일 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 전자파 흡수용 스크린은 카본 블랙(Carbon Black), 탄소 나노섬유(Carbon Nano Fiber) 및 탄소 나노튜브(Carbon Nano Tube)를 에폭시 수지에 다양한 함유율로 혼합하여 시험재를 제조하고 시험재의 전자기적 특성을 평가할 수 있는데, 본 발명에서 사용된 카본 블랙(CB)은 LINZI HUAGUANG Chemical Ind. (China)의 HG-1P이고, 탄소 나노섬유(CNF)는 APPLIED SCIENCE Inc. (USA)의 PYROGRAF III (PR-19-XT-LHT)이며, 탄소 나노튜브(MWNT)는 ILJIN NANOTECH Co. Ltd. (Korea)의 CM-95이다.
또한, 상기 유리섬유 직물은 위사(fill)와 경사(warp)의 차이가 작은 평직(plane weave)으로서, 직물을 이루는 셀(cell)의 크기가 작고 한 장당 두께가 얇은 (주)한국화이바에서 생산되는 #110 PCB용 절연 매트이다.
더불어, 상기 에폭시 수지는 Bisphenol-A 계통의 주제와 방향성 아민계(aromatic amine)의 경화제가 주가 되며, 직물도포를 용이하게 하기 위한 희석제와 미량의 반응촉진제(accelerator) 등으로 구성되었으며, 첨가한 탄소나노 소재의 무게분율은 카본 블랙이 5.30 wt%, 탄소 나노섬유가 2.08 wt%, 탄소 나노튜브가 4.78 wt%로 이루어졌다. 즉, 탄소나노 소재의 무게분율은 희석제를 제외한 에폭시 무게에 대한 탄소나노 소재의 무게비로 나타내었으며, 전자파 흡수용 스크린 내의 함지율은(resin content) 약 50%로 하였다.
도 11a 내지 도 11c는 유전손실형 전자파 흡수용 스크린의 복소 유전율을 나타내는 그래프이다.
한편, 상기 전자파 흡수용 스크린에 대한 복소 유전율과 복소 투자율을 측정할 수 있다.
구체적으로, 탄소나노 소재는 전도성 재료이므로 전자파 흡수용 스크린의 복소 투자율의 값은 1이고, 전자파 흡수용 스크린의 복소 유전율은 Agilent의 벡터네트워크분석기인 N5230A와 7 ㎜ 동축관을 사용하여 측정할 수 있는데, 그 결과는 도 11a 내지 도 11c에 나타난 바와 같다, 여기서, 도 11a, 도 11b 및 도 11c는 각각 카본 블랙, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브를 함유한 유전손실형 전자파 흡수용 스크린의 복소 유전율을 나타낸다.
상기 수지투과성 고전도 배면층(140)은 상기 샌드위치 구조의 복합재(100) 내부에 삽입되어 전자파를 반사할 수 있으며, 이때, 상기 수지투과성 고전도 배면층(140)은 적어도 하나 이상의 탄소섬유 직물(Carbon Fabric)을 적층하여 구성될 수 있다.
구체적으로, 상기 수지투과성 고전도 배면층(140)은 상기 외부면재(120) 내부에 삽입되거나, 상기 외부면재(120)와 심재(130) 사이에 삽입되거나, 상기 심재(130) 내부에 삽입될 수 있고, 상기 수지투과성 고전도 배면층이 상기 심재 내부에 삽입되는 경우, 상기 심재의 두께 방향의 임의의 위치에 삽입됨으로써 전자파 흡수체를 정합시킬 수 있다.
상기 탄소섬유 직물은 복합재 회전날개에 사용되는 유리섬유와 함께 고성능 복합재 구조에 많이 사용되는 소재로, 본 발명에 사용된 탄소섬유 직물은 TR30(Mitsubishi,일본)을 원소재로 하여 SK Chemicals 사에서 직조한 WSN3K (FAW = 195 g/m2, 두께 = 0.223 mm) 소재이다.
도 10은 고전도 배면층으로 사용되는 탄소섬유 직물의 전자파 반사, 투과 특성을 평가한 결과의 그래프이다.
한편, 고전도 배면층으로 WSN3K 직물을 각각 1장, 2장, 3장을 적층하고 에폭시 수지를 함침시킨 후, 각각 자유공간측정장비(HVS Free Space Measurement System, 美)로 X-band(8.2 GHz ~ 12.4 GHz)에서의 전자파 반사, 투과 특성을 평가함으로써 탄소섬유 직물의 고전도 배면층으로의 활용성을 평가할 수 있다.
구체적으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 탄소섬유 직물의 반사 손실은 최고 -0.1 dB이므로 최소 98%이상의 반사율을 가지고 있고, 이러한 반사 특성은 1장, 2장, 3장의 탄소섬유 직물을 적층한 고전도 배면층에서 거의 비슷하게 나타나므로 본 발명에서는 상기 고전도 배면층을 위한 소재로서 탄소섬유 1장을 사용하였다.
이때, 실제 응용에서는 상기 고전도 배면층의 반사율이 약 95%이상이면 배면층으로서의 역할을 할 수 있으므로 본 발명의 수지투과성 고전도 배면층은 전자파 반사율이 적어도 95% 이상인 것이 바람직하다.
한편, 액상 수지가 임의의 매질 내부를 흐를 때에 액상 수지의 흐름의 속도(U)는 하기의 [수학식 1]을 통해 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
(U:유속[m/s], K:매질의 투과성계수[㎡], δp/δx:길이방향 압력 구배[N/㎥], μ:점도[N·s/㎡])
여기서, 상기 수지투과성 고전도 배면층은 두께 방향으로의 액상 수지의 흐름에 대한 투과성계수의 값이 10-6 ~ 10-14 ㎡ 일 수 있다.
도 12a 내지 도 12c는 유전손실형 전자파 흡수용 스크린을 이용하여 제조된 풍력 발전기용 회전 날개의 전자파 흡수 성능을 나타내는 전파 손실(reflection loss)의 그래프이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전자파 흡수용 스크린이 구비된 풍력 발전기용 회전 날개의 전자파 흡수 성능은 도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같다.
구체적으로, 도 12a는 카본 블랙을 전도성 분말로 사용하되 탄소섬유 직물 배면층이 복합재의 심재와 외부면재의 경계로부터 심재 내부로 0.7 mm 위치에 배치된 풍력 발전기용 회전 날개의 전자파 흡수 성능을 나타내고 있고, 도 12b는 탄소나노 섬유를 전도성 분말로 사용하되 탄소섬유 직물 배면층을 복합재의 심재와 외부면재의 경계에 배치된 풍력 발전기용 회전 날개의 전자파 흡수 성능을 나타내고 있으며, 도 12c는 탄소나노 섬유를 전도성 분말로 사용하되 탄소섬유 직물 배면층을 복합재의 심재와 외부면재의 경계로부터 심재 내부로 0.4 mm 위치에 배치된 풍력 발전기용 회전 날개의 전자파 흡수 성능을 나타내고 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 제조 방법을 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 제조 방법의 일 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 제조 방법은 도 7에 도시된 바와 같이, 전자파 흡수용 스크린 형성 단계(S10)와, 수지투과성 고전도 배면층 삽입 위치 선정 단계(S20)와, 수지투과성 고전도 배면층을 포함한 샌드위치 구조의 복합재 형성 단계(S30)와, 전자파 흡수용 스크린 상에 복합재를 적층하는 단계(S50)를 포함한다.
상기 전자파 흡수용 스크린 형성 단계(S10)는 탄소나노 소재를 에폭시 수지 내에 균일하게 분산시킨 후 유리섬유 직물에 도포하여 전자파 흡수용 스크린을 형성하는 단계이다.
상기 수지투과성 고전도 배면층 삽입 위치 선정 단계(S20)는 전자파 흡수체가 정합이 일어나도록 샌드위치 구조의 복합재 내에서 수지투과성 고전도 배면층으로 사용되는 탄소섬유 직물(Carbon Fabric)의 삽입 위치를 선정하는 단계이다.
즉, 상기 수지투과성 고전도 배면층 삽입 위치 선정 단계(S20)는 전자파 흡수체가 정합이 일어나도록 상기 수지투과성 고전도 배면층(140)을 상기 복합재의 외부면재 내부에 삽입하거나, 상기 외부면재와 심재 사이에 삽입하거나, 상기 심재 내부에 삽입하도록 선정할 수 있다.
여기서, 상기 수지투과성 고전도 배면층을 상기 심재 내부에 삽입하는 경우, 전자파 흡수체의 정합을 위해서 상기 심재의 두께 방향의 임의의 위치에 삽입하는 것이 바람직하다.
상기 수지투과성 고전도 배면층을 포함한 샌드위치 구조의 복합재 형성 단계(S30)는 상기 수지투과성 고전도 배면층을 포함하여 내부면재, 심재 및 외부면재를 차례로 적층하여 샌드위치 구조의 복합재를 형성하는 단계이다.
상기 수지투과성 고전도 배면층과, 전자파 흡수용 스크린 및 샌드위치 구조의 복합재는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개에서 그 구성 및 내용을 상세히 설명하였으므로 여기에서는 그 설명을 생략한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개를 제조하는데 있어서, 도 3에 도시된 SCRIMP를 활용하여 소재들을 배치한 형상의 단면을 간략히 표현한 도이다.
상기 전자파 흡수용 스크린 상에 복합재를 적층하는 단계(S50)는 도 9에 도시된 바와 같이, 유리섬유 직물에 탄소나노 소재가 균일하게 분산된 에폭시 수지를 도포하여 형성한 스크린 상에 상기 샌드위치 구조의 복합재를 적층하는 단계이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 제조 방법의 다른 블록도이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 제조 방법은 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 수지투과성 고전도 배면층을 포함한 샌드위치 구조의 복합재 형성 단계(S30) 이후, 금형면 상에 전자파 흡수용 스크린을 적층하는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다.
상기 금형면 상에 전자파 흡수용 스크린을 적층하는 단계(S40)는 도 9에 도시된 바와 같이, SCRIMP의 금형(300)면에 상기 전자파 흡수용 스크린(150)을 접하도록 구성하는 단계이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개 및 이의 제조 방법에 의하면 종래의 회전날개를 구성하는 유전체 소재를 전자파 흡수체를 위한 지지층으로 활용하여 레이더 간섭을 최소화할 수 있고, 별도의 흡수체를 추가할 필요가 없으므로 제조비용, 공정시간 및 유지보수의 부담을 경감시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개 및 이의 제조 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
1:회전날개 에어포일 상판 2:회전날개 에어포일 하판
3:회전날개 전단판 10,100:복합재
11,110:내부면재 12,120:외부면재
13,130:심재 140:수지투과성 고전도 배면층
150:전자파 흡수용 스크린 20,200:진공백
21,210:수지주입구 22,220:진공출구
30,300:금형 40,400:수지유동소재
50,500:수지투과성 이형필름
S10:전자파 흡수용 스크린 형성 단계
S20:수지투과성 고전도 배면층 삽입 위치 선정 단계
S30:수지투과성 고전도 배면층을 포함한 샌드위치 구조의 복합재 형성 단계
S40:금형면 상에 전자파 흡수용 스크린 적층 단계
S50:전자파 흡수용 스크린 상에 복합재 적층 단계

Claims (14)

  1. 내부면재, 심재 및 외부면재가 적층된 샌드위치 구조의 복합재를 포함하는 풍력 발전기용 회전 날개에 있어서,
    전자파를 반사하도록 상기 외부면재 외부면에 적층되는 전자파 흡수용 스크린; 및
    95% 이상의 전자파 반사율을 가지도록 평직(plane weave)된 하나 이상의 탄소섬유 직물(Carbon Fabric)을 적층하여 이루어지고, 상기 샌드위치 구조의 복합재 내부에 삽입되는 수지투과성 고전도 배면층을 포함하고,
    상기 복합재는 상기 수지투과성 고전도 배면층을 투과하는 액상 수지에 의해 함침되어 형성된 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 흡수용 스크린은 탄소나노 소재가 균일하게 분산된 에폭시 수지가 유리섬유 직물에 도포되어 형성된 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄소나노 소재는 카본 블랙, 탄소 나노섬유 및 탄소 나노튜브 중 어느 하나이거나 이들의 결합인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자파 흡수용 스크린은 유전손실성 복합재 시트, 377 Ω/sq의 면저항을 가지는 저항 시트, 또는 Circuit Analog 회로 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수지투과성 고전도 배면층은 195g/㎡ 이상의 면중량(FAW: Fiber Areal Weight)을 가지는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수지투과성 고전도 배면층은 상기 외부면재 또는 상기 내부면재 내부에 삽입되거나, 상기 외부면재와 심재 사이에 삽입되거나, 또는 상기 심재 내부에 삽입되는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수지투과성 고전도 배면층이 상기 심재 내부에 삽입되는 경우, 상기 심재의 두께 방향의 임의의 위치에 삽입되는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수지투과성 고전도 배면층은 두께 방향으로의 액상 수지의 흐름에 대한 하기 수학식의 투과성계수의 값이 10-6 ~ 10-14 ㎡ 인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개.
    Figure pat00003

    (U:유속[m/s], K:매질의 투과성계수[㎡], δp/δx:길이방향 압력 구배[N/㎥], μ:점도[N·s/㎡])
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수지투과성 고전도 배면층은 상기 탄소섬유 직물의 두께가 0.223 mm 이상인 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 샌드위치 구조의 복합재는,
    상기 내부면재 및 외부면재가 유리섬유 강화 복합재로 이루어지고,
    상기 심재가 폼 또는 발사 나무(balsa wood)의 비전도성 유전체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 풍력 발전기용 회전 날개의 제조방법에 있어서,
    탄소나노 소재를 에폭시 수지 내에 균일하게 분산시킨 후 유리섬유 직물에 도포하여 전자파 흡수용 스크린을 형성하는 단계;
    샌드위치 구조의 복합재 내부에 수지투과성 고전도 배면층으로 사용되는 탄소섬유 직물(Carbon Fabric)의 삽입위치를 선정하는 단계;
    상기 수지투과성 고전도 배면층을 포함하여 내부면재, 심재 및 외부면재를 적층하여 상기 샌드위치 구조의 복합재를 형성하는 단계; 및
    상기 외부면재의 외부면에 상기 전자파 흡수용 스크린을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전자파 흡수용 스크린이 적층된 상기 복합재를 SCRIMP(Seemann Composite Resin Infusion Molding Process) 공정의 금형면 상에 위치시키고 상기 복합재 내부로 액상 수지를 함침시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 샌드위치 구조의 복합재 내부에 수지투과성 고전도 배면층의 삽입위치를 선정하는 단계는 상기 수지투과성 고전도 배면층을 상기 복합재의 외부면재 또는 상기 내부면재의 내부에 삽입하거나, 상기 외부면재와 심재 사이에 삽입하거나, 또는 상기 심재 내부에 삽입하는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 수지투과성 고전도 배면층을 상기 심재 내부에 삽입하는 경우, 상기 심재의 두께 방향의 임의의 위치에 삽입하는 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 기능을 구비한 풍력 발전기용 회전 날개의 제조 방법.
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