KR20130126697A - 번개 방호 시스템과 양립 가능한 레이더 흡수 물질 - Google Patents

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KR20130126697A
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Abstract

번개 방호 시스템과의 증가된 양립성을 가진 레이더 흡수 물질을 포함하는 풍력 터빈 구성체가 설명된다. 레이더 흡수 물질은 10 MHz 이하의 주파수를 가진 전기장의 존재시보다 1 GHz 이상의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 더 높은 유전 상수 및/또는 전기 도전성을 가진 그라운드 평면을 구비한다. 그라운드 평면에 적절한 물질은 강유전성 물질 및 페리마그네틱 물질과 퍼콜레이팅 물질 조합을 포함하는데, 이들 모두는 그라운드 평면을 레이더 주파수에서 고도로 반사성이 있고 번개 방전 주파수에서 우수하도록 튜닝될 수 있는 주파수 의존 특성을 가진다.

Description

번개 방호 시스템과 양립 가능한 레이더 흡수 물질{Radar absorbing material compatible with lightning protection systems}
본 발명은 레이더 흡수 물질(radar absorbing materials; RAM)에 관한 것으로서, 특히 번개 방호 시스템과의 향상된 양립성을 가지며 풍력 터빈 구성 요소들에 포함되기에 적절한 RAM 에 관한 것이다.
풍력 터빈 블레이드들과 같은 복합 구조체들 안으로 레이더 흡수 물질(RAM)을 포함시키는 것이 공지되어 있다. 이것은 블레이드의 레이더 반사성을 감소시켜서 블레이드들이 항공 관제 시스템 또는 해양 레이더 시스템과 같은 레이더 시스템들과 간섭하지 않도록 이루어진다. 이들 레이더 신호의 주파수 범위는 대략 1 내지 10 GHz 이고, 따라서 풍력 터빈 블레이드들에 포함된 RAM 은 통상적으로 상기 주파수 범위에서의 레이더 신호를 감쇠시키도록 최적화된다.
많은 레이더 흡수 물질들은 Salisbury Screen 에 기초하는데, 이것은 다음과 같은 3 개의 층들을 포함한다: 반사층 또는 '그라운드 평면'과 임피던스 층 또는 '손실 스크린(lossy screen)' 사이에 샌드위치(sandwich)된 무손실 유전층(lossless dielectric layer)을 포함한다. 무손실 유전층은 흡수되어야 하는 레이더 파의 파장의 1/4 과 같은 정확한 두께를 가진다; 그라운드 평면은 금속 또는 탄소과 같은 고도의 반사성을 가진 도전성 물질의 층을 포함한다; 손실 스크린은 전체적으로 얇은 저항성 층(resistive layer)이다.
회로 아날로그(Circuit analogue, CA) RAM 기술은 풍력 터빈 블레이드들에서 사용되는데 특히 유효한 것으로 증명되었다. 이것은 Salisbury Screen 구성에 유사하지만, 임피던스 층은 모노폴(monopole), 다이폴(dipole), 루프(loops), 패치(patches) 또는 다른 기하 형상들과 같은 요소들의 어레이(array)를 포함하는 CA 층이다. CA 층 및 그라운드 평면은 복합 구조체에서 레이더 흡수 회로를 형성한다. 현대적인 풍력 터빈 블레이드들에 채용된 RAM 은 통상적으로 그라운드 평면으로서 '카본 베일(carbon veil)'로 지칭되기도 하는 카본 티슈의 얇은 층을 이용한다.
실험의 테스트에 따르면 RAM 에 채용된 도전성 그라운드 평면은 번개 방호 시스템과 간섭하는 전위를 가지는데, 번개 방호 시스템과 같은 것은 번개의 타격 이벤트에 의해 야기되는 손상으로부터 블레이드들을 보호하도록 풍력 터빈 블레이드들에 포함된다.
이러한 문제점을 설명하도록, 풍력 터빈 블레이드의 통상적인 번개 방호 시스템이 이제 도 1a 내지 도 1d 를 참조하여 설명될 것이다.
도 1a 는 풍력 터빈 블레이드(12)의 팁 단부(tip end, 10)의 평면도이다. 금속 디스크(14)를 포함하는 번개 수용부(13)는 블레이드(12)의 팁(18)에 인접한, 블레이드(12)의 흡입 표면(16)상에 위치된다. 도 1b 를 참조하면, 이것은 블레이드(12)의 팁 단부(10)를 통한 측단면도로서, 금속 디스크(14)가 볼트(20)의 헤드인 것이 도시되어 있다. 볼트(20)는 도전성 베이스(22) 안으로 나사 결합되며, 도전성 베이스는 블레이드(12)의 팁 단부(10) 안에 이식된다. 유사한 볼트(24)가 베이스(22)의 대향하는 측 안으로 나사 결합되어 팁 단부(10)에서 블레이드(12)의 압력 측(28)상에 번개 수용부(26)를 한정한다.
도 1b 를 참조하면, 베이스(22)는 커넥터 요소(32)를 통하여 번개 케이블(30)에 연결된다. 번개 케이블(30)은 접지되고, 블레이드(12) 안에서 길이 방향에서 스팬 방향으로 (span wise direction) 블레이드의 루트(root)를 향해 연장된다. 케이블(30)은 절연 덮개(insulating sheath)에 의해 둘러싸이고 블레이드(12)의 메인 스파(main spar, 32)에 부착되어 스파(32)에 대한 잠재적으로 손상을 일으키는 섬락 방전(flashover discharge)이 발생되는 것을 방지한다.
팁 단부(10)에서의 번개 수용부(13,26)에 추가하여, 일련의 제 2 수용부(34, 도 1c)들이 블레이드(12)의 길이를 따라서 간격을 두고 제공된다. 도 1c 를 참조하면, 이것은 선단 가장자리(36)와 종단 가장자리(38) 사이의 블레이드(12)의 에어포일 부분을 통한 단면도이며, 제 2 수용부(34)는 금속 볼트(40)의 형태로서(도 1d), 이들은 블레이드 외피(46)의 내측 표면(44)에 근접하게 위치된 개별적인 수용부 베이스(42)(도 1d)에 나사 결합된다. 제 2 수용부(34)들은 개별적인 수용부(34)의 베이스(42)와 번개 케이블(30) 사이에 연장된 연결 스트랩(48)을 통하여 번개 케이블(30)(도 1c)에 연결된다.
번개 수용부(13,26,34)들은 번개의 타격을 유인하고 번개 케이블(30)을 통해 지면으로 전류를 안전하게 보내도록 설계된다. 번개 구름은 번개 수용부(13,26,34) 둘레에 전기장을 유도한다. 유도된 전기장은 저주파수 전기장으로서 통상적으로 10 MHz 이하의 정도이다.
도 1d 를 참조하면, 이것은 도 1c 의 원으로 표시된 부분(50)의 확대도로서, 외피(46)의 내측 표면(44)과 외피(46)의 외측 표면(54) 사이의 위치에서 블레이드 외피(46)의 복합 구조체 안에 CA 층(52)이 매립된다. 그라운드 평면으로서의 역할을 하는 연속적인 탄소 반사층(56)은 외피(46)의 내측 표면(44)에 부착된다. 번개 수용부(34)는 CA 층(52) 및 카본 그라운드 평면(56) 양쪽에 침투한다.
도 1d 에 도시된 바와 같이, 번개 수용부(34)의 베이스(42)는 도전성 카본 그라운드 평면(56)에 근접하고, 사실상 그것과 접촉된다. 이러한 구성에서, 도전성 카본 그라운드 평면(56)은 대전된 번개 구름의 존재시에 번개 수용부(13,25,34) 둘레에서 유도 전기장을 감소시키고 왜곡시키는 경향이 있다. 이것은 번개 수용부(13,26,34)의 성능을 저하시킬 수 있다. 또한, 도전성 카본 그라운드 평면(56)은 낮은 전위에 있을 수 있고, 이것은 그라운드 평면(56)과 번개 케이블(30) 사이에 발생되는 잠재적으로 손상을 입히는 섬락 방전의 위험성을 나타내거나, 극단적인 경우에, 번개 수용부(13,26,34)에 우선하여 번개가 그라운드 평면(56)을 타격하는 위험성을 나타낸다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은 번개 방호 시스템들과 더 양립 가능한 RAM 을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 레이더 흡수 물질을 포함하는 풍력 터빈 구성체가 제공되는데, 여기에서 레이더 흡수 물질은, 10 MHz 이하의 주파수를 가지는 전기장의 존재시보다 1 GHz 이상의 주파수를 가지는 전기장의 존재시에 더 높은 전기 도전성 및/또는 유전 상수를 가지는 그라운드 평면을 포함한다.
풍력 터빈 구성체가 바람직스럽게는 번개 방호 시스템 또는 번개 방호 시스템의 적어도 일부를 구비하는데, 예를 들어 하나 또는 그 이상의 번개 수용부를 구비한다.
물질이 바람직스럽게는 1 GHz 및 그보다 큰 주파수에서 고도로 도전성이며, 10 MHz 및 그보다 작은 주파수에서 전기 절연체로서 작용한다. 고도로 도전성인 물질은 전자기파의 우수한 반사체이다. 1 GHz 및 그보다 큰 전기장의 존재시에 고도로 도전성인 그라운드 평면용 물질을 선택하는 것은 그 물질이 대부분의 레이더 신호들에 대한 우수한 반사체가 되는 것을 보장한다. 바람직스럽게는 그라운드 평면이 1 내지 10 GHz 범위의 주파수를 가지는 레이더 신호를 반사시키도록 최적화되고, 보다 바람직스럽게는 1 내지 6 GHz 범위의 주파수를 가지는 레이더 신호를 반사시키도록 최적화되는데, 이것은 항공 관제 및 해양의 목적을 위해 이용되는 대부분의 레이더 신호들을 포함한다. 더욱이, 10 MHz 및 그보다 작은 주파수를 가지는 전기장의 존재시에 낮은 도전성을 나타내는 물질을 선택하는 것은 그 물질이 번개 주파수에서의 불량한 도전체인 것을 보장한다. 이것은 그라운드 평면이 번개 수용부를 둘러싸는 전기장과 간섭하지 않으며, 따라서 번개 방호 시스템의 성능과 불리하게 간섭하지 않는 것을 보장한다.
높은 유전 상수를 가지는 물질도 우수한 반사체이지만, 번개 수용부를 둘러싸는 전기장과 간섭할 수 있고, 번개 방호 시스템의 성능을 저하시킬 수 있다. 레이더 주파수에서 상대적으로 높은 유전 상수를 가지고 번개 주파수에서 상대적으로 낮은 유전 상수를 가지는 그라운드 평면용 물질을 선택하는 것은 레이더 반사체로서 최적의 성능을 보장하면서 또한 번개 방호 시스템과의 양립성을 보장하기도 한다.
본 발명을 지지하는 이론은 이하의 수학식 1 내지 수학식 3 을 참조하여 설명될 것이다.
물질(1)과 물질(2) 사이의 계면상으로의 법선 입사(normal incidence)에서 레이더 신호의 반사 계수(R)는 아래의 수학식 1 에 의해 주어지며, 여기에서 Z1 및 Z2 는 각각 물질(1) 및 물질(2)의 임피던스(impedence)로서, 아래의 수학식 2 에 따라서 계산된다.
수학식 1: R=(Z2 - Z1)/(Z2 + Z1)
수학식 2: Z=(μ/ε)1/2
여기에서 μ는 자기 상수이고, ε은 물질의 유전 상수이다.
만약 물질(2)이 우수한 도전체라면, Z2 는 수학식 1 에서 제로에 접근하고, 반사 계수(R)는 아래의 수학식 3 에 의해서 추산될 수 있다.
수학식 3: R= -Z1/Z1 = -1
-1 의 반사 계수(R)는 180 도의 위상 변화와 함께 100 % 반사와 같다.
만약 물질(2)이 그것의 자기 상수(μ)보다 현저하게 높은 고 유전 상수(ε)를 가진다면, Z2 는 제로가 되지 않지만. 적절하게 높은 반사 계수(R)를 결과시키기에 충분히 작은 값이 될 것이다.
그라운드 평면으로 적절한 물질은 (i) 강유전성 물질, (ii) 페리마그네틱(ferrimagnetic) 물질 및 (iii) 퍼콜레이팅 물질 콤비네이션(percolating material combination)을 포함한다. 이들 물질들은 본질적으로 레이더 주파수(통상적으로 풍력 터빈 적용예에서 1 내지 10 GHz)에서 반사성이 있지만, 번개 방전 주파수(10 MHz 및 그 미만)에서 양호한 특성을 가진다.
바람직스럽게는, 1 GHz 및 그보다 높은 주파수, 즉, 레이더 주파수를 가지는 전기장의 존재시에 적절하게 높은 유전 상수 및/또는 적절하게 높은 도전성을 가지는 물질이 선택된다. 그 물질은 이들 주파수에서 높은 도전성을 가져야 하며, 즉, 대략 0.02 Ω/sq (ohms per square)의 시트 저항(sheet resistance)을 가진다. 그라운드 평면의 유전 상수가 바람직스럽게는 1 GHz 또는 그 보다 큰 주파수를 가지는 전기장의 존재시에 80 내지 120 의 범위이다. 보다 바람직스럽게는, 유전 상수가 90 내지 110 사이이고, 바람직스럽게는 1 GHz 및 그 보다 큰 주파수에서 95 내지 105 사이이다.
그라운드 평면 물질은 10 MHz 및 그보다 낮은 전기장, 즉, 번개 주파수의 존재시에 적절하게 낮은 도전성 및/또는 유전 상수를 가지도록 선택된다. 그 물질이 바람직스럽게는 그러한 주파수에서 대략 100,000 Ω/sq 보다 시트 저항(sheet resistance)을 가진다. 유전 상수가 바람직스럽게는 구조내의 다른 주위 복합체의 유전 상수에 가능한 한 가깝다. 따라서, 유전 상수가 바람직스럽게는 1 내지 10 의 범위이고; 보다 바람직스럽게는 2 내지 6 사이이고; 바람직스럽게는 10 MHz 및 그 미만의 주파수에서 3 내지 5 사이이다.
강유전성 물질은 외부 전기장에서 역전될 수 있거나 또는 전환될 수 있는 영구 전기 극성(permanent electric polarization)을 유지한다. 강유전성 물질들의 예는 티탄산 바륨(BaTiO3), 납 티탄산(PbTiO3), 질산 나트륨(NaNO2) 및 지르콘산 티탄산 납(PZT)을 포함한다. 일부 강유전성 물질의 유전 특성이 주파수 의존적이라는 점이 알려져 있다. 예를 들어, 유전 상수는 주파수 증가와 함께 증가될 수 있다. 유전 상수 또는 상대 유전율(relative permittivity)이 메가헤르츠 주파수에서는 상대적으로 낮을 수 있고, 기가헤르츠 주파수에서는 상대적으로 높을 수 있다. 유전 상수가 증가되면 물질의 반사성이 증가된다. 번개 주파수(즉, 10 MHz 및 그 미만) 보다 레이더 주파수(예를 들어, 1 내지 10 GHz)를 더 강하게 반사시키도록 물질이 튜닝될 수 있다.
많은 페리자성체 물질들도 주파수 의존적인 유전 상수를 가지며, 강유전성 물질에 대하여 위에서 설명된 것과 같은 방식으로 주파수와 함께 증가되는 유전 상수를 가지도록 적절하게 선택될 수 있다. 적절한 페리자성체 물질들의 예는, 자철석(magnetite, Fe3O4)으로 알려진 철(II, III) 산화물, 바륨 헥사페라이트(barium hexaferrite, BaFe12O19)와 같은 헥사페라이트 및, 알루미늄, 코발트, 니켈, 망간 및 아연과 같은 요소들 및 철 산화물로 이루어진 다른 페라이트들을 포함한다.
유리하게는, 일부 유전성 물질 및 페리마그네틱 물질이 번개 방호 시스템과 간섭하지 않도록 낮은 전기 도전성을 나타낸다.
그라운드 평면용의 적절한 퍼콜레이팅 물질 콤비네이션(percolating material combination)은 비금속성 호스트(non-metallic host)에 분산된 도전성 물질의 입자들을 포함한다. 도전성 물질의 농도가 높을수록, 물질 콤비네이션의 반사성이 더 커진다. 호스트 물질은 폴리머 매트릭스(polymer matrix)일 수 있다. 도전성 물질은 금속 또는 탄소를 포함할 수 있고, 예를 들어 탄소 섬유, 그래파이트(graphite) 또는 탄소 나노튜브들을 포함할 수 있다. 도전성 물질은 카본 블랙(carbon black)일 수 있으며, 이것은 상대적으로 저렴하다. 퍼콜레이팅 물질 콤비네이션의 특성들은 퍼콜레이션 이론(percolation theory)에 따라서 튜닝될 수 있다. 예를 들어, 물질 콤비네이션은 주파수 특유(frequency-specific)의 도전성을 가질 수 있다. 물질 콤비네이션은, 메가헤르츠 주파수에서 도전성이 상대적으로 낮아서 번개 수용부와의 간섭을 회피하도록, 그리고 기가헤르츠 주파수에서 도전성이 상대적으로 높아서 그라운드 평면이 레이더 신호에 높은 반사성을 가지도록 선택된다. 퍼콜레이팅 콤비네이션은 공진 거동(resonant behaviour)을 나타내도록 튜닝될 수 있어서, 선택된 주파수 대역에 걸쳐서만 물질이 도전성을 가진다.
따라서, 그러한 주파수에서 낮은 유전 상수를 가지거나 또는 낮은 도전성을 나타내는 그라운드 평면은 그 주파수에서 번개 수용부들과 낮은 전기장 상호 작용을 가질 것이며, 번개 수용부 주변의 전기장을 감소시키거나 또는 그것과 간섭하지 않을 것이다. 따라서, 그라운드 평면은 번개 방호 시스템과 더욱 양립 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예들에서, 풍력 터빈 구성 요소는 회전자 블레이드이고, 특히 하나 또는 그 이상의 번개 수용부들을 포함하는 회전자 블레이드이다. 물론 상기 구성 요소는 레이더 신호를 반사시킬만한 풍력 터빈의 다른 부분일 수 있다는 점이 이해될 것이다. 예를 들어, 구성 요소는 회전자 허브(rotor hub), 나셀(nacelle) 또는 타워일 수 있다. 본 발명의 개념은 상기 구성 요소를 가지는 풍력 터빈 및 상기 풍력 터빈을 포함하는 풍력 발전 단지(wind farm)를 포함한다.
본 발명은 또한 동일한 발명 개념내에서 복합 구조에 포함되기 위한 레이더 반사 그라운드 평면을 제공하는데, 그라운드 평면은 10 MHz 및 그 미만의 주파수를 가진 전기장의 존재시 보다 1 GHz 이상의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 더 높은 유전 상수 및/또는 전기 도전성을 가진다.
본 발명에 따르면, 번개 방호 시스템과 양립 가능한 우수한 성능의 레이더 흡수 물질이 제공될 수 있으며, 그것을 포함한 풍력 터빈 구성체가 제공될 수 있다.
첨부된 도면의 도 1 내지 도 1d 는 위에서 이미 설명되었으며,
도 1a 는 풍력 터빈 블레이드의 팁 단부의 평면도이다.
도 1b 는 블레이드의 팁 단부를 통한 측단면도이다.
도 1c 는 선단 가장자리와 종단 가장자리 사이에서, 블레이드의 에어포일 부분을 통한 단면도이다.
도 1d 는 도 1c 의 부분에 대한 확대도이다.
본 발명이 보다 용이하게 이해될 수 있도록, 본 발명의 실시예들이 이제 도 2 및 도 3 을 참조하여 오직 하나의 예로서 설명될 것이다.
도 2a 는 본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드의 에어포일 부분을 통한 단면도이다.
도 2b 는 도 2a 의 부분에 대한 확대도이며, 본 발명에 따른 RMA 그라운드 평면을 나타낸다.
도 3a 는 강유전성 물질로 만들어진 그라운드 평면의 상대 유전율 대(對) 주파수의 그래프로서, 레이더 주파수에서 반사성을 가지도록 튜닝된 것이다.
도 3b 는 페리마그네틱 물질로 만들어진 그라운드 평면의 상대 유전율 대(對) 주파수의 그래프로서, 레이더 주파수에서 반사성을 가지도록 튜닝된 것이다.
도 3c 는 퍼콜레이팅 콤비네이션으로 만들어진 그라운드 평면의 도전성 대(對) 주파수의 그래프로서, 레이더 주파수에서 반사성을 가지도록 튜닝된 것이다.
도 2a 는 본 발명에 따른 풍력 터빈 블레이드(60)의 단면을 도시한다. 블레이드(60)는 2 개의 공기역학적 외피들, 상부 외피(62) 및 하부 외피(64)로부터 구성되고, 이들은 유리 섬유 직물 및 수지 복합체로부터 형성된다. 외피(62,64)들은 유리 섬유 및 탄소 섬유로부터 형성된 튜브형 구조 스파(tubular structural spar, 66)에 의해 지지된다.
스파(66)는 블레이드(60)의 제 1 강화 구조체를 형성한다. 각각의 외피(62,64)의 후방에서 블레이드(60)의 종단 가장자리(68)를 향하여, 외피(62,64)에는 샌드위치 패널(sandwich-panel) 구조가 형성되는데, 여기에서 발포체 코어(70)가 유리 섬유의 내부 시트(72)와 외부 시트(74) 사이에 접합된다. 이들 시트(72,74)들도 '스킨(skin)'으로서 알려져 있다. 발포체 코어(70)는 유리 섬유 스킨(72,74)을 분리시키고 외피(62,64)들을 이러한 영역에서 단단하게 유지하도록 이용된다.
풍력 터빈 블레이드(60)는 블레이드(60)의 흡입 표면(78)상의 제 1 계열의 번개 수용부(76) 및, 블레이드(60)의 압력 표면(82)상의 제 2 계열 번개 수용부(80)의 형태인 번개 보호 시스템을 포함한다. 각각의 계열들에 있는 번개 수용부(76,80)는 블레이드(60)의 길이를 따라서 5 미터 간격에 위치된다. 2 개의 번개 수용부(76,80)는 도 2a 에서 단면도로 도시되어 있다. 번개 수용부(76,80)는 도전성 스트랩(conducting strap, 84)을 통하여 케이블(86)에 부착되는데, 케이블은 블레이드(60)의 내부에 길이 방향으로 연장되고 접지된다.
도 2b 는 블레이드(60)의 압력 표면(82) 상에 있는, 도 2a 에 도시된 번개 수용부(80)들중 하나의 확대도이다. 번개 수용부(80)는 외측 스킨(74)에 있는 구멍(88) 안에 위치되고, 블레이드(60) 내부에 위치된 베이스(90)로 나사 결합된다. 풍력 터빈 블레이드 외피(64)의 복합 구조체는 이격된 관계에 있는 그라운드 평면(94) 및 회로 아날로그(circuit analogue, CA) 층(92)의 형태로 레이더 흡수 물질(RAM)을 포함한다. 도 2b 에 도시된 바와 같이, 번개 수용부(80)의 베이스(90)는 그라운드 평면(94)의 내부 표면(96)에 맞닿는다.
도 2b 를 참조하면, CA 층(92)은 E-글래스(glass)의 층상에 탄소 잉크를 이용하여 패턴의 형태로 인쇄된 회로를 포함한다. CA 층(92)은 외피 구조체(64) 안에 매립되고, 외측 스킨(74)의 내측으로 제공된다. 이러한 예에서, 그라운드 평면(94)은 내측 스킨(72)의 내부로 제공되며, 바륨 티타네이트(BaTiO3)의 층을 포함하며, 이것은 강유전성 물질(ferroelectric material)이다. BaTiO3 층(94)은 내측 스킨(72)의 내측 표면상으로 페인트된다. BaTiO3 를 도포하는 다양한 다른 기술들이 본 명세서의 말미에 개략적으로 설명될 것이다.
도 3a 를 참조하면, 이것은 강유전성 그라운드 평면(94) 대(對) 주파수의 상대 유전율 (유전 상수)의 플롯(plot)이다. 그라운드 평면(94)의 유전 상수는 주파수 의존적(frequency dependent)이다. 대전된 번개 구름의 존재시에 번개 수용부를 둘러싸는 유도 전기장의 주파수에 대응하는 대략 10 MHz 및 그 미만의 주파수에서, 그라운드 평면(94)의 유전 상수는 상대적으로 낮으며, 약 3 이다. 유전 상수가 낮을 때, 그라운드 평면(94)을 포함하는 강유전성 물질은 번개 수용부(76,80)를 둘러싸는 전기장에 영향을 미치지 않으며, 따라서 그 물질은 번개 방호 시스템과 양립된다. 역으로, 레이더 신호에 통상적인 대략 1 GHz 보다 큰 주파수에서, 유전 상수는 상대적으로 높으며, 100 정도이다. 유전 상수가 높을수록, 위의 수학식 1 및 수학식 2 에 의해서, 그라운드 평면(94)은 더 반사성을 가진다. 따라서, 이러한 예의 그라운드 평면(94)은 대부분의 레이더 주파수들을 반사시키도록 최적화된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 그라운드 평면(94)은 철(II, III) 산화물의 필름을 포함하는데, 이것은 자철광(magnetite, Fe3O4)으로 알려진 것으로서, 이것은 결정질 페리자성체 물질(crystalline ferrimagnetic material)이다. 도 3b 를 참조하면, 이것은 페리자성체 그라운드 평면(94) 대(對) 주파수의 유전 상수의 플롯(plot)이다. 이전의 예에서와 같이, 그라운드 평면(94)의 유전 상수는 주파수 의존적이다. 대전된 번개 구름의 존재시에 번개 수용부(76,80)들을 둘러싸는 전기장의 주파수에 대응하는 대략 10 MHz 및 그 미만의 주파수에서, 유전 상수는 상대적으로 낮으며, 약 3 이다. 역으로, 풍력 터빈 적용예들에 대하여 관련성이 있는 대부분의 레이더 신호에 통상적인, 대략 1 GHz 및 그보다 큰 주파수에서, 유전 상수는 상대적으로 높으며, 100 정도이다. 위에서 이미 설명된 이유 때문에, 그라운드 평면(94)은 번개 방호 시스템과 양립하면서도 대부분의 레이더 신호를 반사시키도록 최적화된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 그라운드 평면(94)은 퍼콜레이팅 물질 콤비네이션(percolating material combination)을 포함하는데, 여기에서 카본 블랙(carbon black)의 입자들은 에폭시 수지 매트릭스 호스트(epoxy resin matrix host) 안에 분산되어 있다. 도 3c 를 참조하면, 이것은 그라운드 평면(94) 대(對) 주파수의 도전성의 플롯(plot)이다. 그라운드 평면(94)의 도전성은 주파수 의존적이다. 대전된 번개 구름의 존재시에 번개 수용부를 둘러싸는 전기장의 주파수에 대응하는, 대략 10 MHz 및 그 미만의 주파수에서, 도전성은 상대적으로 낮다.
퍼콜레이팅 콤비네이션(percolating combination)의 특성들은 도전성이 특정의 주파수에서 또는 특정의 주파수 대역에 걸쳐 공진 피크(resonance peak)를 나타내도록 튜닝(tuning)된다. 이러한 예에서, 최대 도전성은 1 내지 10 GHz 의 주파수 대역에 걸쳐 발생된다. 도전성이 높을수록, 위의 수학식 1 및 수학식 2 에 의하여, 그라운드 평면의 반사성이 커진다. 따라서, 그라운드 평면(94)은 1 내지 10 GHz 의 레이더 주파수를 반사시키도록 최적화된다. 도전성은 10 MHz 및 그 미만의 주파수에서 낮으므로, 그라운드 평면(94)은 번개 수용부(76,80)를 둘러싸는 전기장과 간섭되지 않으며, 따라서 번개 방호 시스템과 양립된다.
첨부된 청구 범위에서 정의된 바와 같이 본 발명의 범위를 이탈하지 않으면서 위에서 설명된 특정의 예들에 대하여 많은 변형이 이루어질 수 있다는 점이 이해될 것이다. 특히, 여기에 제시된 이론적 고려에 따라서 번개 방호 시스템과의 양립성을 보장하도록 낮은 주파수에서 적절한 낮은 도전성을 가지면서 레이다 주파수에서 적절하게 반사되는 그 어떤 물질로부터라도 그라운드 평면(94)이 제작될 수 있다.
또한, 복합 구조체(64) 안의 그라운드 평면(94)의 위치는 첨부된 도면에 도시된 것과 상이할 수 있다. 여기에서의 주된 고려는 그라운드 평면(94)과 CA 층(92) 사이의 적절한 분리를 보장함으로써, 소망되는 주파수의 레이더 신호를 감쇠시키도록 RAM 이 최적화되는 것이다. 위에 설명된 예에서, 그라운드 평면(94)은 내부 스킨(72)의 내측 표면에 적용되지만, 그라운드 평면(94)은 대신에 내부 스킨(72)의 외부에 제공될 수 있으며, 예를 들어, 내부 스킨(72)의 외측 표면에 제공될 수 있다.
그라운드 평면(94)을 포함하는 주파수 튜닝된 물질들은 예를 들어 페인트 또는 필름 층을 형성하도록, 캐리어 매트릭스(carrier matrix) 안에 분산된 입자로서 편리하게 채용될 수 있다. 따라서, 그라운드 평면(94)은 내부 스킨(72)의 외측 표면 또는 내측 표면상에 페인트될 수 있거나, 또는 적절하게 로딩(loading)된 폴리머 필름의 형태로 관련 표면에 도포될 수 있다. 대안으로서, 그라운드 평면(94)은 내부 스킨(72)과 같은 복합 스킨과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부 스킨(72)은, 적절한 강유전성 또는 페리마그네틱(ferrimagnetic) 물질로 로딩(loading)되거나 또는 도전성 입자들로 로딩된 수지로부터 몰딩되어 퍼콜레이팅 물질 콤비네이션을 형성할 수 있다. 다른 실시예들에서, 주파수 튜닝된 물질은 복합 스킨(composite skin)의 일부로서 구성될 수 있는 직물 안에 포함될 수 있거나 또는 그와는 다르게 직물에 도포될 수 있다. 물론 다른 실시예들에서, CA 층(92)은 대안의 임피던스 층(impedance layer)으로 대체될 수 있다.
60. 블레이드 62.64. 외피
70. 발포체 코어 78. 흡입 표면
72. 내부 시트 74. 외부 시트

Claims (28)

  1. 레이더 흡수 물질을 포함하는 풍력 터빈 구성체로서, 레이더 흡수 물질은 10 MHz 이하의 주파수를 가진 전기장의 존재시보다 1GHz 이상의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 더 높은 유전 상수 및/또는 전기 도전성을 가진 그라운드 평면(ground plane)을 포함하는, 풍력 터빈 구성체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    그라운드 평면은 강유전성 물질(ferroelectric material)을 포함하는, 풍력 터빈 구성체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    강유전성 물질은 티탄산 바륨(BaTiO3), 납 티탄산(PbTiO3), 질산 나트륨(NaNO2) 및 지르콘산 티탄산 납(PZT)으로부터 선택되는, 풍력 터빈 구성체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    그라운드 평면은 페리마그네틱 물질(ferrimagnetic material)을 포함하는, 풍력 터빈 구성체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    페리마그네틱 물질은 자철석(magnetite), 헥사페라이트(hexaferrite) 또는, 알루미늄, 코발트, 니켈, 망간 및 아연과 같은 요소들과 철 산화물로 이루어진 다른 페라이트(ferrite)들로부터 선택되는, 풍력 터빈 구성체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    그라운드 평면은 퍼콜레이팅 물질 콤비네이션(percolating material combination)을 포함하는, 풍력 터빈 구성체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    퍼콜레이팅 물질 콤비네이션은 비금속성 호스트(host)내에 분산된 도전성 물질의 입자들을 포함하는, 풍력 터빈 구성체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    비금속성 호스트는 폴리머 매트릭스(polymer matrix)를 포함하는, 풍력 터빈 구성체.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    도전성 입자들은 금속 또는 탄소(carbon)의 입자들인, 풍력 터빈 구성체.
  10. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    그라운드 평면은 1 내지 10 GHz 범위의 주파수를 가지는 레이더 신호를 반사시키도록 최적화되는, 풍력 터빈 구성체.
  11. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    그라운드 평면은 1 GHz 이상의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 0.02 Ω/sq 보다 작은 시트 저항(sheet resistance)을 가지는, 풍력 터빈 구성체.
  12. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    그라운드 평면은 1 GHz 이상의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 80 내지 120 의 유전 상수를 가지는, 풍력 터빈 구성체.
  13. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    그라운드 평면은 1 GHz 이상의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 90 내지 110 의 유전 상수를 가지는, 풍력 터빈 구성체.
  14. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    그라운드 평면은 1 GHz 이상의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 95 내지 105 의 유전 상수를 가지는, 풍력 터빈 구성체.
  15. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    그라운드 평면은 10 MHz 이하의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 100,000 Ω/sq 보다 큰 시트 저항(sheet resistance)을 가지는, 풍력 터빈 구성체.
  16. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    그라운드 평면은 10 MHz 이하의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 1 내지 10 의 유전 상수를 가지는, 풍력 터빈 구성체.
  17. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    그라운드 평면은 10 MHz 이하의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 2 내지 6 의 유전 상수를 가지는, 풍력 터빈 구성체.
  18. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    그라운드 평면은 10 MHz 이하의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 3 내지 5 의 유전 상수를 가지는, 풍력 터빈 구성체.
  19. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    풍력 터빈 구성체는 번개 방호 시스템의 적어도 일부를 포함하는, 풍력 터빈 구성체.
  20. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    풍력 터빈 구성체는 하나 이상의 번개 수용부(lightning receptor)들을 포함하는, 풍력 터빈 구성체.
  21. 제 20 항에 있어서,
    그라운드 평면은 번개 수용부와 맞닿는, 풍력 터빈 구성체.
  22. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    레이더 흡수 물질은 그라운드 평면으로부터 이격된 임피던스 층(impedance layer)을 더 포함하는, 풍력 터빈 구성체.
  23. 제 22 항에 있어서,
    임피던스 층은 회로 아날로그 층(circuit analogue layer)인, 풍력 터빈 구성체.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    레이더 흡수 물질은 임피던스 층과 그라운드 평면 사이의 적어도 하나의 유전층을 더 포함하는, 풍력 터빈 구성체.
  25. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    풍력 터빈 구성체는 회전자 블레이드인, 풍력 터빈 구성체.
  26. 전기한 항들중 어느 한 항에 따른 풍력 터빈 구성체를 포함하는 풍력 터빈.
  27. 제 26 항에 따른 풍력 터빈을 구비하는 풍력 발전 단지(wind farm).
  28. 복합 구조체에 포함되는 레이더 반사 그라운드 평면으로서, 그라운드 평면은 10 MHz 이하의 주파수를 가진 전기장의 존재시보다 1 GHz 이상의 주파수를 가진 전기장의 존재시에 더 높은 유전 상수 및/또는 전기 도전성을 가지는, 레이더 반사 그라운드 평면.
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