KR20140072560A - Blade of wind power generator using piezoelectric matereal - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 블레이드에 발생되는 진동을 인위적으로 억제하도록 하고, 구조물의 진동으로 인해 발생되는 에너지의 손실을 방지할 수 있도록 구성된 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a blade of a wind turbine generator using a piezoelectric material and more particularly to a blade of a wind turbine using a piezoelectric material and a piezoelectric material configured to artificially suppress vibration generated in the blade and prevent loss of energy caused by vibration of the structure To a blade of a used wind power generator.
전 세계적으로 화석 에너지에 대한 고갈과 환경 오염 문제의 심각성이 부각되면서, 신재생 에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 풍력 발전은 경쟁력이 큰 대안책으로 제시되고 있다. 이러한 풍력 발전은 급성장하는 에너지 공급원으로서, 화석 기반의 에너지 공급원에 비하여 청정하면서 재생 가능하며, 생태학적으로 자연 친화적인 에너지를 제공한다. As the global exhaustion of fossil fuels and the seriousness of environmental pollution problems are emphasized, research on renewable energy is actively being carried out, and wind power generation is proposed as a highly competitive alternative. Such wind power generation is a rapidly growing energy source, providing clean, renewable and ecologically friendly energy compared to fossil-based energy sources.
풍력 발전을 위한 풍력 발전기는 블레이드의 회전으로부터 전력을 생산하는 발전기와, 발전기로부터 생산된 전력을 계통에 공급하기 위한 전력으로 변환하는 전력변환기를 가진다. 따라서 블레이드를 이용하여 풍력 에너지를 회전 에너지와 같은 기계적 에너지로 변환하고, 변환된 기계적 에너지를 이용하여 발전기를 구동시킴으로써 전력을 생산하고, 생산된 전력을 전력변환기에 의하여 계통에 공급하기 위한 전력으로 변환한다.Wind turbines for wind power generation have generators that generate power from the rotation of the blades and power converters that convert the power generated from the generator to power to supply the system. Therefore, by using the blade, it is possible to convert wind energy into mechanical energy such as rotational energy, generate electric power by driving the generator using the converted mechanical energy, and convert the produced electric power into electric power to be supplied to the system by the electric power converter do.
풍력 발전기는 전력 생산에서 차지하는 비중이 커짐에 따라 더 큰 발전용량이 요구되고 있으며, 설치 지역이 풍력 에너지가 지속적으로 공급됨과 동시에, 환경적 제약이 적은 해상으로 옮겨지면서, 발전 용량에 큰 역할을 차지하는 블레이드의 크기도 함께 커지고 있다.As the proportion of wind power generators in electric power production increases, larger power generation capacity is required. As the installed area is continuously supplied with wind energy, it is transferred to the marine environment with less environmental constraints, The size of the blades is also increasing.
이와 같은 풍력 발전기에서 가장 중요한 부분은 블레이드라고 할 수 있는데, 블레이드는 그 성능이 발전 용량을 크게 좌우할 뿐만 아니라, 전체 시스템에서 차지하는 비용도 크다. 따라서 블레이드는 성능 향상을 위하여 복합재료의 다층 구조를 가지는데, 복합재료로는 주로 섬유 강화 에폭시(fiber-reinforced epoxy)나 폴리에스테르(polyester)가 많이 사용되고, 이들을 진공상태에서 수지를 투입하여 여러 개의 층을 쌓아서 제조하게 된다. 이러한 복합재료는 무게가 가볍고 가격이 낮아진다는 장점이 있다. The most important part of such a wind turbine is a blade, which not only greatly affects the capacity of the blade, but also the cost of the entire system. Therefore, the blades have a multi-layer structure of a composite material in order to improve the performance. Fiber-reinforced epoxy or polyester is mainly used as a composite material, and the resin is put in a vacuum state, Layer. ≪ / RTI > These composite materials are advantageous in that they are light in weight and low in cost.
그러나 종래의 풍력 발전기는 풍력에 의해서 작동되기 때문에 블레이드에서는 공기력에 의한 진동이 발생하게 되고, 이러한 진동에 의해 공진 현상이 발생하면, 블레이드 등의 파괴를 초래하게 된다.However, since the conventional wind turbine is operated by the wind power, the blade generates vibration due to the air force, and when the resonance occurs due to such vibration, the blades and the like are destroyed.
그러므로 구조물의 고유 진동수는 설계 요소 중 중요한 부분을 차지하게 되고, 초기 설계 시 전체 시스템의 고유 진동수를 공진 범위로부터 벗어나도록 구조물을 디자인하도록 되어 있기 때문에, 인위적으로는 이러한 진동을 효과적으로 억제할 수 없다. 예를 들면, 블레이드에 대한 진동을 억제하는 방법으로 수동적인 방법과 능동적인 방법을 고려할 수 있는데, 수동적인 방법은 적절한 감쇠를 이용하여 진동을 억제하는 방법으로, 비교적 간단하고 저렴하지만, 환경의 변화를 고려하지 못하는 문제점을 가진다. 반면 능동적인 방법은 다양한 변화에 맞춰 적절한 감지(sensing)와 작동(actuating)으로 빠른 대응을 할 수 있지만, 블레이드의 무게와 제작 비용이 증가한다는 문제점을 가진다. 따라서 종래의 블레이드는 인위적인 진동과 공진 현상을 억제하기 어렵다.Therefore, the natural frequency of the structure is an important part of the design element, and since the structure is designed to deviate from the resonance range of the natural frequency of the whole system in the initial design, artificially such vibration can not be effectively suppressed. For example, a passive method and an active method can be considered as a method of suppressing the vibration to the blade. The passive method is a method of suppressing vibration by using appropriate attenuation. It is relatively simple and inexpensive. However, Can not be considered. On the other hand, the active method can respond quickly to appropriate sensing and actuating in response to various changes, but has the problem of increasing the weight and manufacturing cost of the blade. Therefore, it is difficult for conventional blades to suppress an artificial vibration and a resonance phenomenon.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 블레이드에 발생되는 진동을 인위적으로 억제하도록 하고, 이로 인해 공진 현상을 방지함으로써 시스템의 신뢰성을 높여서 안정적인 전력 생산을 가능하도록 하며, 구조물의 진동으로 인해 발생되는 에너지의 손실을 방지하도록 하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to artificially suppress vibration generated in a blade, thereby preventing a resonance phenomenon, The object of the present invention is to prevent energy loss caused by vibration.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전기의 블레이드에 있어서, 복합재료의 적층에 의해 이루어지되, 상기 복합재료 사이에 압전재료가 삽입되고, 상기 압전재료는 압전층; 및 상기 압전층에 적층되는 전극층을 포함하는 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a blade of a wind power generator, comprising: a laminate of a composite material, wherein a piezoelectric material is inserted between the composite materials, the piezoelectric material comprising: a piezoelectric layer; And an electrode layer laminated on the piezoelectric layer.
상기 압전재료는 상기 복합재료의 전체면에 걸쳐서 삽입될 수 있다.The piezoelectric material may be inserted over the entire surface of the composite material.
상기 압전층은 압전섬유가 나란하게 다수로 배열되고, 상기 압전섬유 사이에 제 1 절연체가 마련될 수 있다.The piezoelectric layer may be arranged in a plurality of piezoelectric fibers in parallel, and a first insulator may be provided between the piezoelectric fibers.
상기 압전섬유는 PMN-PT 단결정 또는 PZT-5A를 포함할 수 있다.The piezoelectric fiber may comprise PMN-PT single crystal or PZT-5A.
상기 전극층은 상기 압전섬유에 교차하는 전극이 나란하게 다수로 배열되고, 상기 전극 사이에 제 2 절연체가 마련될 수 있다.In the electrode layer, a plurality of electrodes crossing the piezoelectric fibers are arranged in parallel, and a second insulator may be provided between the electrodes.
상기 압전재료는 상기 압전층의 양측에 상기 전극층이 적층되고, 상기 전극층의 외측면에 절연층이 적층될 수 있다.In the piezoelectric material, the electrode layers may be laminated on both sides of the piezoelectric layer, and an insulating layer may be laminated on the outer surface of the electrode layer.
상기 절연층은 상기 전극층에 순차적으로 적층되는 아크릴층과 폴리이미드 필름을 포함할 수 있다.The insulating layer may include an acrylic layer and a polyimide film sequentially stacked on the electrode layer.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 풍력 발전기의 블레이드에 있어서, 복합재료의 적층으로 이루어지되, 상기 복합재료에 압전층과 전극층을 가지는 압전재료가 삽입되는 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a blade of a wind turbine using a piezoelectric material comprising a laminate of a composite material, in which a piezoelectric material having a piezoelectric layer and an electrode layer is inserted, in a blade of a wind power generator.
상기 압전층은 압전섬유가 나란하게 다수로 배열되고, 상기 압전섬유 사이에 제 1 절연체가 마련되고, 상기 전극층은 상기 압전섬유에 교차하는 전극이 나란하게 다수로 배열되고, 상기 전극 사이에 제 2 절연체가 마련될 수 있다.Wherein the piezoelectric layer has a plurality of piezoelectric fibers arranged in parallel, a first insulator is provided between the piezoelectric fibers, electrodes arranged in parallel to the piezoelectric fibers are arranged in parallel to each other, An insulator may be provided.
본 발명에 따르면, 블레이드에 발생되는 진동을 인위적으로 억제하도록 하고, 이로 인해 공진 현상을 방지함으로써 시스템의 신뢰성을 높여서 안정적인 전력 생산을 가능하도록 하며, 구조물의 진동으로 인해 발생되는 에너지의 손실을 방지하도록 하고, 유지 및 보수에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.According to the present invention, the vibration generated in the blades is artificially suppressed, thereby preventing the resonance phenomenon, thereby increasing the reliability of the system, thereby enabling stable power generation and preventing loss of energy caused by vibration of the structure And the maintenance and repair costs can be reduced.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드의 압전재료를 도시한 분해 사시도.1 is a perspective view showing a blade of a wind power generator using a piezoelectric material according to an embodiment of the present invention;
2 is an exploded perspective view showing a piezoelectric material of a blade of a wind power generator using a piezoelectric material according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the following examples can be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드를 도시한 사시도이다.1 is a perspective view showing a blade of a wind power generator using a piezoelectric material according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드(100)는 복합재료(110,120,130)의 적층으로 이루어지되, 복합재료(110,120,130)에 압전층(141)과 전극층(142)을 가지는 압전재료(140)가 삽입될 수 있으며, 이로 인해 압전효과를 낼 수 있다.Referring to FIG. 1, a
복합재료(110,120,130)는 섬유복합재, 예컨대 섬유 보강 에폭시 수지 복합재료를 수지의 투입 및 경화에 의해 다수로 적층 및 부착되도록 할 수 있으며, 이들 중 어느 하나, 예컨대 하층을 이루는 복합재료(130)의 경우 플라이(ply)로 이루질 수 있다.The
도 2를 참조하면, 압전재료(140)는 복합재료(110,120,130) 사이에 삽입되어 부착됨으로써 복합재료(110,120,130)와 함께 다층을 이루게 되고, 복합재료(110,120,130) 사이가 다수인 경우, 이들 중에서 삽입되는 위치가 특별히 정해지는 것은 아니다. 또한 압전재료(140)는 일 예로 압전소자가 삽입된 MFC(Micro Fiber Composites)로 이루어질 수 있고, 본 실시예에서처럼 압전층(141)과 전극층(142)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the
압전층(141)은 일 예로 압전섬유(141a)가 나란하게 다수로 배열될 수 있고, 압전섬유(141a) 사이에 제 1 절연체(141b)가 마련될 수 있다. 여기서 압전섬유(141a)는 예컨대, PMN-PT 단결정 또는 PZT-5A를 포함할 수 있으며, 이에 한하지 않고, 다양한 압전소재나 압전소자가 사용될 수 있으며, 일 예로 압전 세라믹 웨이퍼의 커팅에 의해 얻어질 수 있고, 이로 인해 그 제작비가 저렴하도록 한다. 또한 제 1 절연체(141b)는 에폭시 수지로 이루어질 수 있고, 일 예로 압전섬유(141a)가 내측에 나란한 배열을 가지도록 매립되거나, 다른 예로서 압전섬유(141a) 사이에 위치하도록 삽입될 수 있다.The
전극층(142)은 압전층(141)에 접속하도록 적층되는데, 압전섬유(141a)에 교차하는 전극(142a)이 나란하게 다수로 배열되고, 전극(142a) 사이에 제 2 절연체(142b)가 마련될 수 있다. 여기서 전극(142a)은 구리전극이 사용될 수 있다. 또한 제 2 절연체(142b)는 일 예로 에폭시 수지가 사용될 수 있으며, 전극(142a)이 내측에 나란한 배열을 가지도록 매립되거나, 전극(142a) 사이에 위치하도록 삽입될 수 있다. 이와 같이 직사각형의 단면적을 가지는 단일 방향의 압전섬유(141a) 양측에 전극(142a)이 교차, 예컨대 직교함으로써 압전섬유(141a)와 전극(142a)간의 접촉 면적을 극대화하여 압전섬유(141a)와 전극(142a) 사이의 전기장 전달 효율을 높일 수 있다.The
압전재료(140)는 복합재료(110,120,130)의 전체면에 걸쳐서 삽입됨으로써 블레이드(100) 전체가 압전효과를 가질 수 있도록 하며, 일 예로 압전층(141)의 양측에 전극층(142)이 적층되고, 전극층(142)의 외측면에 절연층(143)이 적층될 수 있다. 여기서 절연층(143)은 본 실시예에서처럼 전극(142)의 외측면마다 순차적으로 적층되는 아크릴층(143a)과 폴리이미드 필름(143b)을 포함할 수 있으며, 이 밖에도 절연 효과를 가지는 소재의 시트로 이루어질 수 있다. 또한 폴리이미드 필름(143b)은 듀퐁(DuPont)사의 캘톤(KAPTON) 제품이 사용될 수 있다. The
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드(100)는 압전재료(140)가 삽입된 복합재료(110,120,130)에 의해 이루어지는 쉘(shell)의 내측에 내부 보강을 위하여 쉐어 에지(shear edge; 150)가 수직을 이루도록 설치될 수 있되, 쉐어 에지(150)의 양단에 라미네이트 레이어(laminate layer; 160)가 각각 고정될 수 있다. 또한, 블레이드(100)는 내측의 상면과 하면에 필러(filler; 170)가 각각 설치될 수 있으며, 단부에 로터(rotor)의 허브(hub)에 장착되기 위한 루트부(180)가 마련될 수 있다.Referring to FIG. 1, a
이와 같은 본 발명에 따른 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드에 따르면, 블레이드(100)를 제작할 때 사용되는 복합재료(110,120,130)에 압전재료(140)를 삽입시킴으로써 압전재료(140)에 압력이 가해지면 전압을 발생시키는 압전기 효과를 발휘하도록 한다. 또한 반대로 압전재료(140), 예컨대 전극(142a)에 전압을 인가하면 힘을 발생하게 된다. 이러한 압전재료(140)는 진동의 감지와 작동을 동시에 수행할 수 있는 재료로써 능동적인 진동 억제의 단점을 적절히 보완할 수 있다. According to the blade of the wind power generator using the piezoelectric material according to the present invention, when a pressure is applied to the
또한 압전재료(140)는 직사각형의 단면적을 가지는 단일 방향 압전섬유(141a)의 양측에 전극(142a)이 직교함으로써, 압전섬유(141a)와 전극(142a)간의 접촉 면적을 극대화하여 압전섬유(141a)와 전극(142a) 간의 전기장 전달이 효율적으로 이루어질 수 있다.The
이와 같이, 블레이드(100)에 발생되는 진동을 인위적으로 억제하도록 하고, 이로 인해 공진 현상을 방지함으로써 풍력 발전 시스템의 신뢰성을 높여서 안정적인 전력 생산을 가능하도록 하며, 구조물의 진동으로 인해 발생되는 에너지의 손실을 방지하도록 하고, 유지 및 보수에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.In this manner, the vibration generated in the
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. It is.
110,120,130 : 복합재료 140 : 압전재료
141 : 압전층 141a : 압전섬유
141b : 제 1 절연체 142 : 전극층
142a : 전극 142b : 제 2 절연체
143 : 절연층 143a : 아크릴층
143b : 폴리이미드 필름 150 : 쉐어 에지
160 : 라미네이트 레이어 170 : 필러
180 : 루트부110, 120, 130: composite material 140: piezoelectric material
141:
141b: first insulator 142: electrode layer
142a:
143: insulating
143b: polyimide film 150: shear edge
160: laminate layer 170: filler
180: root portion
Claims (9)
복합재료의 적층에 의해 이루어지되, 상기 복합재료 사이에 압전재료가 삽입되고,
상기 압전재료는,
압전층; 및
상기 압전층에 적층되는 전극층을 포함하는 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드.In a blade of a wind power generator,
And a piezoelectric material is inserted between the composite materials,
The piezoelectric material may include,
A piezoelectric layer; And
And a piezoelectric material including an electrode layer laminated on the piezoelectric layer.
상기 복합재료의 전체면에 걸쳐서 삽입되는 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드.The piezoelectric element according to claim 1,
A blade of a wind power generator using a piezoelectric material inserted over the entire surface of the composite material.
압전섬유가 나란하게 다수로 배열되고, 상기 압전섬유 사이에 제 1 절연체가 마련되는 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드.The piezoelectric element according to claim 1,
A blade of a wind power generator using a piezoelectric material in which a plurality of piezoelectric fibers are arranged in parallel and a first insulator is provided between the piezoelectric fibers.
PMN-PT 단결정 또는 PZT-5A를 포함하는 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드.The piezoelectric element according to claim 3,
A blade of a wind turbine using a piezoelectric material comprising PMN-PT single crystal or PZT-5A.
상기 압전섬유에 교차하는 전극이 나란하게 다수로 배열되고, 상기 전극 사이에 제 2 절연체가 마련되는 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드.The plasma display device according to claim 3,
Wherein a plurality of electrodes crossing the piezoelectric fibers are arranged in parallel and a second insulator is provided between the electrodes.
상기 압전층의 양측에 상기 전극층이 적층되고, 상기 전극층의 외측면에 절연층이 적층되는 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드.The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 5,
Wherein the electrode layer is laminated on both sides of the piezoelectric layer and an insulating layer is laminated on the outer surface of the electrode layer.
상기 전극층에 순차적으로 적층되는 아크릴층과 폴리이미드 필름을 포함하는 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드.The semiconductor device according to claim 6,
A blade of a wind power generator using a piezoelectric material including an acrylic layer and a polyimide film which are sequentially stacked on the electrode layer.
복합재료의 적층으로 이루어지되, 상기 복합재료에 압전층과 전극층을 가지는 압전재료가 삽입되는 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드.In a blade of a wind power generator,
A blade of a wind power generator using a piezoelectric material laminated with a composite material, wherein a piezoelectric material having a piezoelectric layer and an electrode layer is inserted into the composite material.
상기 전극층은 상기 압전섬유에 교차하는 전극이 나란하게 다수로 배열되고, 상기 전극 사이에 제 2 절연체가 마련되는 압전재료를 이용한 풍력 발전기의 블레이드.The piezoelectric element according to claim 8, wherein the piezoelectric layer has a plurality of piezoelectric fibers arranged in parallel, a first insulator between the piezoelectric fibers,
Wherein the electrode layer includes a plurality of electrodes arranged in parallel to the piezoelectric fibers and a second insulator between the electrodes.
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