KR20180105191A - 스파 캡 및 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 제1 단부로부터 제2 단부까지의 종방향 길이, 상기 종방향 길이에 대해 직교하는 횡방향 폭, 및 상기 종방향 길이 및 상기 횡방향 폭에 대해 직교하는 두께를 갖는, 풍력 발전 설비의 로터 블레이드를 위한 스파 캡(spar cap)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전술된 스파 캡의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 스파 캡은, 제1 단부로부터 제2 단부까지의 종방향 길이, 상기 종방향 길이에 대해 직교하는 횡방향 폭, 및 상기 종방향 길이 및 상기 횡방향 폭에 대해 직교하는 두께를 갖는다. 상기 스파 캡은, 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층 및 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층을 포함하고, 상기 제1 섬유 복합 재료는, 상기 제2 섬유 복합 재료와는 상이한, 섬유 및/또는 매트릭스 재료를 포함하며, 상기 제2 섬유 복합 재료는, 상기 두께 방향으로 상기 제1 섬유 복합 재료의 상기 적어도 2개의 층 사이에서 상기 제2 단부에 인접한 부분 내에 배치되고, 상기 제2 섬유 복합 재료의 상기 적어도 하나의 층은, 상기 제2 단부 이전에 종결된다.

Description

스파 캡 및 제조 방법
본 발명은 제1 단부로부터 제2 단부까지의 종방향 길이, 상기 종방향 길이에 대해 직교하는 횡방향 폭, 및 상기 종방향 길이와 상기 횡방향 폭에 대해 직교하는 두께를 갖는, 풍력 발전 설비의 로터 블레이드를 위한 스파 캡(spar cap)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 전술된 스파 캡을 구비하는 풍력 발전 설비의 로터 블레이드에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 타워, 기관실 및 로터를 구비하는 풍력 발전 설비에 관한 것으로, 상기 로터는 전술된 스파 캡을 구비하는 적어도 하나의 로터 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 전술된 스파 캡의 제조 방법에 관한 것이다.
전술된 유형의 스파 캡은, 예를 들어 로터 블레이드, 바람직하게는 풍력 발전 설비의 로터 블레이드 또는 항공기 에어포일의 부품이며, 상기 부품은, 특히 종방향으로의 보강을 위해 형성된다. 이러한 유형의 보강은, 특히 종방향 길이를 따라 전달되는 힘을 수용하는 역할을 하며, 풍력 발전 설비의 로터 블레이드에서 전술된 종방향 길이는 로터 블레이드의 기단부로부터 로터 블레이드의 팁까지 연장된다. 스파 캡은 일반적으로, 제1 단부 및 제2 단부를 갖도록 설계된다. 또한, 스파 캡은 일반적으로, 종방향 길이와 횡방향 폭에 의해 형성되는 평면 기하학적 구조를 포함한다. 스파 캡은, 횡방향 폭과 종방향 길이에 대해 직교하는 두께를 갖는다.
스파 캡은, 상이한 재료로 제조될 수 있거나 또는 이들을 포함할 수 있다. 현재 특히 일반적인 스파 캡은, 특히 섬유 강화 재료, 바람직하게는 섬유 강화 플라스틱으로 제조되는데, 이들은 상대적으로 낮은 중량에서 높은 강성을 구비하기 때문이다. 또한, 섬유 강화 재료의 이방성 특성이 스파 캡의 제조 시 사용될 수 있는데, 왜냐하면 이를 통해 특히 종방향을 향하는 강성이 이미 제공될 수 있기 때문이다. 현재 유리 섬유 강화 플라스틱이 종종 사용되는데, 이는 높은 강성과 낮은 비용 간의 좋은 절충안이기 때문이다.
풍력 발전 설비의 로터 블레이드는 일반적으로, 특히 상부 및 하부 쉘(shell) 요소를 포함한다. 쉘 요소는, 그 외측 표면이 실질적으로 로터 블레이드의 외측 기하학적 구조를 형성한다. 대부분의 로터 블레이드는, 스파 캡을 구비하는 상부 쉘 요소 및/또는 스파 캡을 구비하는 하부 쉘 요소를 포함한다. 스파 캡 또는 스파 캡들은 일반적으로, 쉘 요소의 내측에 배치된다. 이 경우, 스파 캡은 바람직하게, 쉘 요소의 내부 표면 위에 또는 내부 표면 상에 배치되고 및/또는 쉘 요소 내에 매립된다.
전술된 유형의 스파 캡에 대한 요건들은 다양하다. 로터 블레이드의 종방향으로의 보강 기능을 수행하기 위해서, 스파 캡은, 특히 종방향 길이의 방향으로 비교적 높은 강성을 구비해야 한다. 특히, 이러한 강성은, 종방향 보강부로서의 기능을 충족하기 위해, 스파 캡을 둘러싸는 요소의 강성보다 커야 한다. 그럼에도 불구하고, 풍력 발전 설비의 로터 블레이드는 각각, 높은 강성 요건에도 불구하고 로터 블레이드에 포함되는 스파 캡이 낮은 중량을 구비해야 한다. 로터 블레이드의 낮은 중량은, 한편으로는 기관실의 허브의 수직력을 감소시키고, 다른 한편으로는 허브의 그리고 로터 블레이드의 연장부 내부의 원심력을 감소시킨다.
특히 섬유 강화 플라스틱의 사용 시, 사용된 재료의 질량과 비용 사이의 직접적인 상관관계가 존재한다. 섬유 강화 플라스틱의 높은 비용으로 인해, 사용되는 재료의 양 또는 그 질량을 최소화하고, 그럼에도 불구하고 여전히 높은 강성을 달성하는 것이 여기서 바람직하다. 전술된 유형의 스파 캡의 또 다른 요건은, 로터 블레이드의 상부 쉘 요소 및/또는 하부 쉘 요소에 삽입될 수 있고 및/또는 쉘 요소에 고정될 수 있어야 한다는 것이다.
풍력 발전 설비는 그 구조 높이와 노출된 위치로 인해, 폭풍 시 낙뢰에 의한 심각한 위험에 처한다. 이 경우, 낙뢰는 일반적으로, 블레이드 팁에 의해 형성되는 풍력 발전 설비의 일반적으로 가장 높은 위치에서 발생한다. 매우 높은 시스템의 경우에만, 풍력 에너지 시스템의 다른 위치에서도 또한 상류 낙뢰가 발생할 가능성이 존재한다. 낙뢰 시, 번개가 풍력 발전 설비의 지지 구조를 때릴 위험이 존재한다. 따라서 낙뢰 위험을 감소시켜야 할 요구가 존재한다.
풍력 발전 설비의 복잡한 진동 시스템으로 인해, 이러한 동적 힘을 수용할 수 있고 특히 우수한 지속 강도를 구비하는 스파 캡에 대한 추가적인 요구 사항이 존재한다. 따라서 이러한 지속 강도는, 스파 캡이 지속적으로 모니터링될 수 없으며 또한 그 교체가 일반적으로 비-파괴적인 방식으로 수행될 수 없기 때문에, 특히 무엇보다 중요하다.
전술된 유형의 스파 캡은, 오랜 기간 동안, 특히 풍력 발전 설비 구조와 항공기 구조로부터 충분히 알려져 있다. 풍력 발전 설비에 대한 증가하는 경제적인 요구로 인해, 허브 높이 및 로터 직경과 관련하여 풍력 발전 설비가 지속적으로 더 대형화되는 경향을 알 수 있다. 이 경우, 로터 직경은 개별적인 로터 블레이드의 길이와 직접적으로 관련된다.
풍력 발전 설비의 증가하는 크기는 다시, 개별적인 부품, 특히 로터 블레이드의 부품의 더 높은 기계적 부하를 발생시킨다. 로터 블레이드의 증가하는 길이에 의해, 원심력은 커지고 따라서 종방향 힘을 수용하는 이러한 부품 내의 개별적인 힘도 또한 커진다. 따라서 이러한 증가하는 힘으로 인해, 강성을 향상시키기 위해 종방향 힘이 수용되는 스파 캡이 종방향에 대해 직교하는 보다 큰 횡단면을 구비하는 개별 구역에 제공되는 트렌드가 인식될 수 있다. 그러나, 이러한 증가하는 두께는 스파 캡의 증가하는 중량과 관련된다.
증가하는 허브 높이 및 보다 긴 로터 블레이드로 인해, 낙뢰의 위험이 상당히 증가된다. 오늘날의 스파 캡 또는 스파 캡이 설치되어 있는 로터 블레이드의 난제는, 이들이 낙뢰에 취약하다는 것이다. 낙뢰의 위험을 줄이고 스파 캡의 강성을 향상시키기 위한 특별한 조치는 종종 높은 비용과 관련된다. 기존의 장치 및 방법은 다양한 이점을 제공하지만, 추가적인 개선이 요구된다.
독일 특허상표청은, 본 출원에 대한 우선권 출원에서 다음과 같은 종래 기술들을 조사하였다: DE 10 2011 003 560 B4호, DE 10 2008 007 304 A1호, DE 10 2009 047 570 A1호, DE 10 2010 002 432 A1호, DE 10 2013 100 117 A1호, DE 202 06 942 U1호.
따라서, 본 발명의 과제는, 하나 이상의 상기 언급된 단점을 완화하거나 또는 제거하는 스파 캡 및 스파 캡의 제조 방법을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 과제는, 스파 캡의 더욱 강성의 구조 및 이에 따라 로터 블레이드의 더욱 강성의 구조도 또한 가능하게 하는, 스파 캡 및 스파 캡의 제조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는 감소된 낙뢰 위험을 갖는 로터 블레이드를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 과제는, 제1 양태에 따라, 제1 단부로부터 제2 단부까지의 종방향 길이, 상기 종방향 길이에 대해 직교하는 횡방향 폭 및 상기 종방향 길이 및 상기 횡방향 폭에 대해 직교하는 두께를 구비하고, 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층 및 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층을 포함하는, 풍력 발전 설비의 로터 블레이드를 위한 스파 캡에 의해 달성되고, 여기서 제1 섬유 복합 재료는, 제2 섬유 복합 재료와는 상이한, 섬유 및/또는 매트릭스 재료를 포함하며, 제2 섬유 복합 재료는, 두께 방향으로 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층 사이에서 제2 단부에 인접한 부분 내에 배치되고, 상기 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층은, 제2 단부 이전에 종결된다.
제1 단부로부터 제2 단부까지의 종방향 길이는, 스파 캡의 가장 긴 범위에 대응하는 스파 캡의 방향으로의 종방향 길이이다. 횡방향 폭은, 종방향 길이에 대해 직교하는 방향으로 연장되고, 두께보다 더 큰 치수를 포함한다. 이것은 스파 캡이 본질적으로 작은 두께의 평평한 요소로서 형성된다는 지식을 수반한다. 따라서, 스파 캡의 평평한 영역은, 종방향 길이 및 횡방향 폭에 의해 형성된다.
스파 캡의 두께는, 상기 전술된 표면에 대해 직교하는 방향으로 연장되고, 따라서 종방향 길이에 대해 직교하는 방향으로 또한 동시에 횡방향 폭에 대해 직교하는 방향으로 연장된다. 스파 캡의 특수한 부하 상태를 충족시키기 위해, 종방향 길이에 따라 횡방향 폭의 치수 및/또는 두께의 치수가 변경된다. 이 경우, 특히 두께의 치수는, 제2 단부를 향해 및/또는 제1 단부를 향해 감소한다. 이것은 특히 로터 블레이드의 팁으로의 연장 레벨이 감소함으로써 가능해진다.
스파 캡은, 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층을 포함한다. 층은, 실질적으로 작은 두께를 갖는 평평한 기하학적 구조를 구비하는 재료의 레이어(layer)로서 이해되어야 한다. 여기서 층은, 평평하게 배치되는 적어도 2개의 섬유 및 섬유를 둘러싸는 매트릭스 재료로 구성된다. 섬유 복합 재료의 층은, 상기 전술된 스파 캡의 평평한 영역에 대해 실질적으로 면 평행하게 배치된다. 또한, 본 발명에 따른 스파 캡은 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층을 포함하고, 제2 섬유 복합 재료의 층은 마찬가지로, 실질적으로 작은 두께를 갖는 평평한 기하학적 구조를 구비하는 재료의 층으로서 이해되어야 한다.
이러한 유형의 섬유 복합 층을 구비하는 스파 캡은 바람직하게, 완전히 강성일 수 있고, 임의의 축에 대한 굽힘을 허용하지 않을 수 있다. 또한, 바람직하게는, 이러한 유형의 스파 캡은, 특정 축에 대해 다소 탄성적이다. 예를 들어, 종방향 길이의 큰 치수로 인해, 스파 캡은 횡방향 폭에 대해 평행한 축에 대하여 탄성적일 수 있다. 가능한 한 최소한의 탄성이, 바람직하게는 종방향 길이의 종방향으로, 즉 종방향 길이에 대해 평행한 축에 대해, 구현되어야 한다.
본 발명에 따르면, 여기서 제1 섬유 복합 재료의 구성요소는, 제2 섬유 복합 재료의 구성요소와는 상이하다. 전술된 유형의 섬유 복합 재료는 본질적으로 2개의 주요 구성요소를 포함한다. 주요 구성요소는 매트릭스 재료 및 섬유이며, 상기 주요 구성요소는, 섬유 복합 재료가 바람직하게는 관련된 2개의 개별 주요 구성요소의 각 구성요소보다 더 높은 특성을 구비하는 방식으로 서로에 대한 상호 작용을 갖는다. 이 경우, 섬유는 매트릭스 재료 내에 매립된다. 스파 캡의 2개의 섬유 복합 재료 내에 상이한 구성요소를 사용하는 것에는, 예를 들어, 강성, 비중량 또는 전기 전도성과 같은 재료의 특정 특성이 의도적으로 사용될 수 있기 때문에, 스파 캡의 달성 가능한 특성과 관련하여 복수의 재료의 사용이 유리하다는 지식을 기반으로 한다.
매트릭스 재료는 매트릭스를 형성하며, 상기 매트릭스는 섬유를 그 위치에 유지하고 섬유 사이의 응력을 전달하고 분배한다. 또한, 매트릭스는 외부의 기계적인 그리고 화학적인 영향으로부터 섬유를 보호하는 역할을 한다. 섬유는 매트릭스 내에서의 섬유 프로파일에 따라 방향 의존적(이방성) 또는 방향 독립적(등방성)인 재료의 강도를 향상시킨다. 제1 섬유 복합 재료 및 제2 섬유 복합 재료의 상이한 구성요소는, 본질적으로 섬유 및/또는 매트릭스 재료와 관련된다.
여기서 다른 섬유는, 섬유 유형 또는 섬유 재료의 의미에서 다양한 또는 상이한 섬유를 의미한다. 제1 섬유 복합 재료 및/또는 제2 섬유 복합 재료의 섬유는, 상이한 섬유 유형을 포함할 수 있거나 또는 이들로 이루어질 수 있다. 가능한 섬유 유형은, 유기 섬유 및/또는 무기 섬유 및/또는 천연 섬유일 수 있다. 무기 섬유는 예를 들어, 유리 섬유, 현무암 섬유, 붕소 섬유, 세라믹 섬유 또는 강철 섬유이다. 유기 섬유는 예를 들어, 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 폴리에틸렌 섬유(특히, 예를 들어 다이니마 섬유와 같은 고성능 폴리에틸렌(HPPE) 섬유)이다. 천연 섬유는 예를 들어, 마 섬유, 아마 섬유 또는 사이잘 섬유이다.
바람직한 변형 실시예에서, 제1 및 제2 섬유 복합 재료는 각각, 오직 단일의 섬유 유형을 포함한다. 추가의 바람직한 변형예에서, 제1 섬유 복합 재료 및/또는 제2 섬유 복합 재료의 섬유는 각각, 2개의 섬유 유형, 예를 들어 유기 섬유 및 무기 섬유를 포함한다. 특히 바람직한 변형 실시예에서, 제1 섬유 복합 재료 및/또는 제2 섬유 복합 재료는 각각, 2개 초과의 상이한 섬유 유형을 포함한다.
특히 바람직하게는, 보다 상세하게 후술될 실시예에서, 제1 섬유 복합 재료의 섬유는 예를 들어 유리 섬유와 같은 비-전기 전도성 섬유를 포함하거나 또는 비-전기 전도성 섬유이고, 제2 섬유 복합 재료의 섬유는 탄소 섬유를 포함하거나 또는 탄소 섬유이다.
제1 및/또는 제2 섬유 복합 재료의 섬유는, 매트릭스 재료 내에서 가장 상이한 방식으로 배치될 수 있다. 섬유는, 직조물, 및/또는 스크림(scrim), 및/또는 다축 스크림, 및/또는 자수, 및/또는 부직포, 및/또는 매트 재료 및/또는 브레이드(braid) 및/또는 섬유 다발, 바람직하게는 로빙(roving)으로서, 매트릭스 재료 내에서 배치될 수 있다.
섬유의 이러한 배치는, 무엇보다도 제조 프로세스, 특히 제조 프로세스의 경제성 및 섬유 복합 재료의 이방성을 결정한다. 스파 캡의 요건에 따라, 섬유의 배치에 의해, 강한 이방성 또는 강한 등방성 또한 달성될 수 있으므로, 종방향, 횡방향 및 또한 두께 방향으로의 강성은, 섬유 복합 재료에 포함되는 섬유의 배향에 의해 영향을 받을 수 있다. 바람직하게는 스파 캡의 과제가 종방향으로의 힘의 수용을 보장하는 것이기 때문에, 스파 캡의 이방성 특성이 구현되어야 한다. 이러한 목적을 위해, 섬유는 바람직하게는 매트릭스 재료 내에 종방향으로의 배향으로 매립된다.
본 발명에 따르면, 제2 섬유 복합 재료는, 두께 방향으로 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층 사이에서 스파 캡의 제2 단부에 인접한 부분 내에 배치된다. 따라서, 제1 섬유 복합 재료의 층 및 제2 섬유 복합 재료의 층은 실질적으로 면 평행하게 적층 배치된다. 스파 캡은 적어도 3개의 레이어로 이루어지고, 2개의 외부 레이어 및 적어도 하나의 내부 레이어가 존재한다. 여기서 레이어는, 섬유 복합 재료의 하나 이상의 층으로 이루어진다. 여기서 2개의 외부 레이어는, 제1 섬유 복합 재료의 층들로 이루어지며, 그리고 총 3개의 레이어의 경우, 이들 외부 레이어 사이에 배치되는 내부 레이어는, 제2 섬유 복합 재료의 층들로 이루어진다.
스파 캡의 두께는, 제1 섬유 복합 재료의 면 평행하게 적층 배치된 층 및 제2 섬유 복합 재료의 면 평행하게 적층 배치된 층에 의해 형성된다. 따라서, 스파 캡의 두께는, 제1 섬유 복합 재료의 층의 개수 및 제2 섬유 복합 재료의 층의 개수에 대해 실질적으로 선형적이다. 종방향 길이 및 횡방향 폭에 의해 결정되는 평평한 영역과 관련된 두께 및 섬유 복합 재료의 비중량이 스파 캡의 중량을 결정하기 때문에, 층의 개수에 의해 스파 캡의 중량이 크게 영향을 받을 수 있다.
본 발명에 따르면, 제2 섬유 복합 재료로 이루어진 내부 레이어는, 제2 단부에 인접한 부분 내에서, 내부 레이어 또는 내부 레이어를 포함하는 부분이 제2 단부로부터 실질적으로 종방향으로 이격되도록, 배치된다. 이러한 이격의 치수는, 종방향 스파 캡 길이의 치수의 바람직하게 2%, 더욱 바람직하게 5%, 더욱 바람직하게 7.5%, 더욱 바람직하게 10%, 더욱 바람직하게 12.5%, 더욱 바람직하게 15%, 더욱 바람직하게 17.5%, 더욱 바람직하게 20%, 더욱 바람직하게 20%보다 더 클 수 있다. 또한, 이러한 부분은, 스파 캡의 제1 단부까지 연장될 수 있다. 추가의 바람직한 변형예에서, 이러한 부분은, 마찬가지로 스파 캡의 제1 단부로부터 이격된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층은, 스파 캡의 제2 단부 이전에 종결된다. 따라서, 제2 섬유 복합 재료를 포함하는 전술된 부분은, 항상 제2 단부로부터 이격되는 결과가 발생한다. 또한, 제2 단부는, 실질적으로 제1 섬유 복합 재료의 층에 의해 형성되는 결과가 발생한다. 따라서, 제1 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층이, 스파 캡의 제2 단부에 존재한다는 것이 본 발명에 따른 전제 조건이다.
스파 캡의 바람직한 실시예에서, 제1 섬유 복합 재료의 층의 개수는, 제2 단부를 향해 감소된다. 제2 단부를 향한 제1 섬유 복합 재료의 층의 이러한 감소는, 스파 캡의 중량이 층의 개수에 의해 크게 영향을 받고, 이러한 층의 감소가 중량 감소로 이어질 수 있다는 점에서, 유리하다. 층의 감소 및 이에 관련된 중량 감소로 인해, 강성의 감소도 또한 수반된다. 층들의 개수의 이러한 감소는 또한, 감소 또는 감축 적용범위의 구역으로 지칭될 수 있다.
그러나, 제1 섬유 복합 재료의 층들의 감소는, 제1 및 제2 섬유 복합 재료의 층들을 포함하는 전술된 구역에서, 제1 섬유 복합 재료로 이루어진 2개의 외부 층이 남아 있고, 따라서 제1 섬유 복합 재료의 이러한 2개의 외부 층 사이에, 제2 섬유 복합 재료의 층 또는 층들이 배치되는 것만으로 이루어질 수 있다. 제2 섬유 복합 재료의 층이 배치되지 않은 제2 단부의 구역에서, 제1 섬유 복합 재료의 층의 개수는 하나까지 감소될 수 있다.
제2 단부를 향해 제1 섬유 복합 재료의 층이 감소하는 것은, 로터 블레이드의 팁을 향한 감소하는 원심력으로 인해 제2 단부를 향한 스파 캡의 필요한 종방향 강성이 감소되고, 따라서 강성 요건과 관련한 단점이 없는 중량 감소 구현이 수반되기 때문에, 특히 유리하다.
스파 캡의 추가의 바람직한 실시예에서, 스파 캡은, 제2 섬유 복합 재료의 이러한 적어도 2개의 층을 포함하고, 제2 섬유 복합 재료의 층의 개수는, 제2 단부를 향해 감소된다. 이러한 변형 실시예는, 제2 섬유 복합 재료의 층이, 또한 스파 캡의 중량에 영향을 미치고, 따라서 더 낮은 강도 요건을 갖는 스파 캡의 부분에서 감소될 수 있다는 사실을 고려한다.
제2 단부를 향해 제2 섬유 복합 재료의 층이 감소하는 것은, 로터 블레이드의 팁을 향한 감소하는 원심력으로 인해, 제2 단부를 향한 스파 캡의 필요한 종방향 강성이 감소하기 때문에, 특히 유리하다. 이러한 방식으로 중량 감소가 달성될 수 있다. 동시에, 제2 섬유 복합 재료의 층들의 감소 및/또는 제2 단부를 향한 제1 섬유 복합 재료의 층들의 감소는 바람직하게, 감소 적용범위의 구역에 의해 야기되는 바람직하지 않은 스파 캡에서의 강성 점프가 감소되거나 또는 방지되는 방식으로, 서로 조정되고 및/또는 스파 캡의 각각의 위치에서 우세한 요건들에 대해 조정된다. 이는, 특히 제1 및 제2 섬유 복합 재료의 층들의 감소가 정확히 동일한 지점에서가 아니라 오프셋된 방식으로 이루어지는 경우에, 방지될 수 있거나 또는 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 스파 캡의 추가의 바람직한 개선예가, 제1 섬유 복합 재료의 적어도 3개 이상의 층 및/또는 제2 섬유 복합 재료의 적어도 3개 이상의 층을 포함하는 것을 제공한다. 이러한 변형 실시예는, 스파 캡의 원하는 강성 특성을 달성하기 위해 일반적으로 다양한 섬유 복합 재료 층이 필요로 하기 때문에, 스파 캡에 대한 적용 분야의 대부분에 사용된다.
본 발명에 따른 스파 캡의 특히 바람직한 변형예에서, 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층이, 종방향 길이 및 횡방향 폭에서의 층의 평평한 영역에 의해 각각 형성되는, 서로 대향하는 2개의 외부 측면을 구비하는 것이 제공되고, 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층의 양측에, 동일한 개수의 제1 섬유 복합 재료의 층이 배치된다. 따라서, 제1 섬유 복합 재료의 층들로 이루어진 2개의 외부 레이어는, 각각 동일한 개수의 제1 섬유 복합 재료의 층들을 포함한다.
본 발명에 따른 스파 캡의 추가의 바람직한 실시예에 따르면, 제2 섬유 복합 재료의 섬유는, 탄소 섬유를 포함하거나 또는 탄소 섬유이다. 탄소 섬유 강화 섬유 복합 재료는 매우 높은 강성의 특별한 이점을 갖고, 동시에 매우 낮은 비중량을 갖는다. 탄소 섬유 강화 섬유 복합 재료의 강성은 특히, 강한 이방성으로 설정될 수 있으며, 따라서 스파 캡의 종방향으로의 강성을 목표대로 향상시킬 수 있다. 종방향으로의 강성은, 연속적인 섬유가 사용될 때, 보다 유리하게 영향을 받는다.
이 경우, 탄소 섬유는, 상이한 매트릭스 재료 내에 매립될 수 있으며, 특히 섬유 강화 플라스틱의 사용 시 열가소성 또는 열경화성 매트릭스 재료의 사용이 유리하다. 또한, 탄소 섬유 강화 플라스틱은 우수한 감쇠 특성, 목표대로 설정 가능한 열적 팽창과 연결된 높은 충격 강도를 특징으로 한다. 또한, 탄소 섬유 강화 플라스틱은, 유리 섬유 강화 플라스틱에 비해 크게 향상된 전기적 및 열적 전도성을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 로터 블레이드 내 또는 로터 블레이드 상에서 전기 전도성 재료에 의해 낙뢰 위험이 높아진다는 지식에 기초한다. 탄소 섬유 강화 플라스틱의 상기 설명된 높은 전기 전도성을 통해, 낙뢰 위험이 그의 사용에 의해 높아지기 때문에, 강성 및 비중량과 관련하여 특히 유리한 탄소 섬유 강화 플라스틱의 이점은, 이러한 지식에 의해 제한된다. 또한, 본 발명은, 탄소 섬유 강화 플라스틱이 비-전기 전도성 재료 또는 전기 전도성이 낮은 재료로 둘러싸인 경우, 스파 캡에서 탄소 섬유 강화 플라스틱의 사용 시 높아진 낙뢰 위험이, 감소될 수 있다는 지식이 기초한다. 또한 이 경우, 로터 블레이드 플랜지로의 내부 방전 중에 뇌우의 섬락(flashover)의 위험이 최소화될 수 있다.
또한, 로터 블레이드 내 또는 로터 블레이드 상의 전기 전도성 재료와 관련하여 그리고 이에 따라 수반되는 낙뢰 위험에 대한 상기 전술된 지식에 기초하여, 전기 전도성 재료의 감소 적용범위의 구역의 이점에 대한 지식이, 유래될 수 있다. 따라서, 스파 캡의 제2 단부로부터 제2 섬유 복합 재료를 상기 전술된 바와 같이 이격시키는 것은, 낙뢰 위험의 감소를 위한 추가의 해결 방안이다.
추가의 바람직한 변형 실시예에서, 제1 섬유 복합 재료의 섬유는, 무기 섬유, 특히 예를 들어 유리 섬유와 같은 비-전기 전도성 섬유를 포함하거나 또는 이러한 섬유인 것이 제공된다. 무기 섬유는 일반적으로, 우수한 재료적 특성에도 불구하고 단지 재료의 적은 비용만을 발생시키고, 가공도 마찬가지로 비용 효율적으로 수행될 수 있다는 이점을 제공한다. 이것은, 탄소 섬유 강화 플라스틱과 직접 비교할 때, 특히 유효하다. 바람직한 무기 섬유는, 유리 섬유 외에도 특히 현무암 섬유, 붕소 섬유 또는 세라믹 섬유이다. 유리 섬유는, 특히 바람직하게 섬유 강화 플라스틱 내의 섬유로서 사용되며, 여기서는 주로 열경화성 또는 열가소성 매트릭스 재료가 사용된다.
또한, 본 발명은, 스파 캡에서의 비-전기 전도성 재료의 사용이 몇 가지 이점을 제공한다는 지식에 기초한다. 이러한 이점은 예를 들어, 비-전기 전도성 스파 캡 재료의 사용 시, 낙뢰 위험이 감소됨으로써 입증된다. 본 발명은, 2개의 스파 캡 재료의 사용 시, 전기 전도성 및 비-전기 전도성 또는 전기 전도성이 낮은 재료를 사용할 수 있는 가능성이 존재한다는 지식에 추가로 기초한다. 비-전기 전도성 또는 전기 전도성이 거의 없는 재료가 실질적으로 전기 전도성 재료를 둘러싸는 경우, 전기 전도성 재료는, 완전히 또는 대체적으로 분리될 수 있는 가능성이 존재하고, 따라서 낙뢰 위험을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 스파 캡의 추가의 바람직한 변형 실시예에서, 제1 섬유 복합 재료 및/또는 제2 섬유 복합 재료의 매트릭스 재료가, 플라스틱을 포함하거나 또는 플라스틱으로 이루어지고, 플라스틱은 바람직하게는 열가소성 수지 및/또는 열경화성 수지를 포함하거나 또는 이들로 이루어지는 것이 제공되고, 및/또는 제1 섬유 복합 재료 및/또는 제2 섬유 복합 재료의 매트릭스 재료가, 시멘트를 포함하거나 또는 시멘트로 이루어지고, 및/또는 콘크리트를 포함하거나 또는 콘크리트로 이루어지고, 및/또는 세라믹을 포함하거나 또는 세라믹으로 이루어지는 것이 제공된다.
열가소성 매트릭스 재료로 제조된 플라스틱 매트릭스는, 생성된 스파 캡이 또한 변형 및/또는 용접될 수 있다는 이점을 갖는다. 이는 특히, 열가소성 매트릭스 재료가 여러 번 용해될 수 있다는 점에, 기인한다. 이는, 로터 브레이드의 공동에 스파 캡이 고정되는 경우, 유리할 수 있다. 반면, 열경화성 수지를 매트릭스 재료로 포함하거나 또는 열경화성 수지로 이루어지는 스파 캡은, 특히 높은 강도를 특징으로 한다. 열경화성 매트릭스 재료의 단점은, 경화 후에 추가로 가공하기 어렵고, 반복적인 용융이 가능하지 않다는 것이다.
시멘트, 콘크리트, 금속, 세라믹 및/또는 탄소의 사용은 특히, 이에 국한되는 것은 아니지만, 인장력 및/또는 압축력에 관한 강성, 비중량, 전기적 및/또는 열적 전도성 및/또는 가공성에 관련되는, 언급되는 재료들의 특정 이점들의 사용을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 스파 캡에서, 제1 섬유 복합 재료가 제2 섬유 복합 재료와는 상이한 매트릭스 재료를 포함할 가능성이 존재한다. 예를 들어, 탄성 및 가공성에 대해 이러한 재료의 이점을 이용하기 위해, 제1 섬유 복합 재료가 열가소성 매트릭스 재료를 포함할 가능성이 존재한다. 또한, 이러한 재료를 통해 높은 강도의 가능성을 이용하기 위해, 제2 섬유 복합 재료가 열경화성 매트릭스 재료를 포함할 가능성이 존재한다. 플라스틱 및/또는 세라믹으로 제조된 매트릭스는 현재의 응용 분야에서 비-전기 전도성 재료 또는 전기 전도성이 낮은 재료임으로써, 이러한 매트릭스 재료가 특히 제1 섬유 복합 재료에 사용되는 경우 낙뢰 위험이 감소될 수 있다는 특별한 이점을 제공한다.
본 발명에 따른 스파 캡의 특히 바람직한 추가의 변형 실시예에서, 제1 섬유 복합 재료 및 제2 섬유 복합 재료의 층들이, 제1 섬유 복합 재료의 2개의 외부 층 사이에 배치되는 것이 제공된다. 이러한 변형 실시예에서, 제1 섬유 복합 재료의 외부 섬유 복합 재료 층들 사이에, 제1 섬유 복합 재료 및 제2 섬유 복합 재료의 층들이 혼합되어 적층되는 방식으로 배치될 수 있는 것이 제공된다.
따라서, 이러한 변형 실시예에서, 제1 섬유 복합 재료의 하나 이상의 층으로 이루어진 2개 초과의 레이어, 및 제2 섬유 복합 재료의 하나 이상의 층으로 이루어진 하나의 레이어가, 배치된다. 제1 섬유 복합 재료의 층들 및 제2 섬유 복합 재료의 층들로 이루어진 복수의 레이어가, 제1 섬유 복합 재료의 층들로 이루어진 2개의 외부 레이어 사이에, 배치될 수 있다. 따라서, 여기서 2개의 상이한 재료는, 적층 방식으로 혼합된다. 바람직하게는, 제1 및 제2 섬유 복합 재료는 동일한 매트릭스 재료를 포함한다.
한편, 이러한 유형의 배치는, 스파 캡에서 강성 점프가 감소될 수 있고, 따라서 응력 피크가 없거나 또는 약하게 존재한다는 점에서, 유리하다. 한편, 제1 섬유 복합 재료의 2개의 외부 층을 제공하는 것은, 이러한 층이 특정 기술 과제를 맡는다는 점에서 필요하다. 특히, 여기서 스파 캡이 로터 블레이드에 삽입되어야 하고, 따라서 추가적인 재료와 제1 섬유 복합 재료가 바람직하게는 재료 통합 방식으로 연결되는 것이, 필요한 조건으로 참조된다. 또한, 여기서 제1 섬유 복합 재료가 제2 섬유 복합 재료를 절연할 수 있고, 따라서 낙뢰 위험이 감소될 수 있는 비-전기 전도성 재료로 제조된다는 점에서, 이미 언급된 이점이 실현 가능하다.
바람직한 변형 실시예가, 제1 섬유 복합 재료 및/또는 제2 섬유 복합 재료의 섬유가 종방향 길이의 방향으로 실질적으로 평행하게 연장되는 것을 추가로 제공한다. 이러한 유형의 섬유 프로파일은, 특히 스파 캡의 인장 강성이 종방향으로 최대화되는 결과를 가져온다.
본 발명에 따른 스파 캡의 추가의 이점, 변형 실시예 및 실시예의 세부 사항 및 그 추가의 개선예의 관점에서, 관련 제조 방법의 특징에 대한 이하의 설명이 또한 참조된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전술된 과제는, 이전에 설명된 스파 캡 및/또는 낙뢰 보호 시스템의 전기 전도성 포일 층 및 낙뢰 보호 장치를 구비하고, 전기 전도성 포일 층은 전기 전도성 연결을 통해 낙뢰 보호 장치와 연결되는 것인, 풍력 발전 설비의 로터 블레이드에 의해 달성된다.
풍력 발전 설비의 로터 블레이드에 본 발명에 따른 스파 캡을 제공하는 것은, 다양한 관점에서 유리하다. 특히, 이러한 유형의 로터 블레이드는, 보다 적은 중량 및 경우에 따라서는 보다 높은 강성을 특징으로 한다. 또한, 대응하는 섬유 복합 재료의 선택 시, 낙뢰 위험을 감소시킬 수 있는 가능성이 존재한다. 이것은, 특히 제1 섬유 복합 재료에 대해 낮은 전기 전도성을 구비하는 재료가 사용되는 경우에, 구현될 수 있다.
낙뢰 보호 장치에, 예를 들어 리셉터에, 전기 전도성 연결을 통해 연결되는, 마찬가지로 전기 전도성인 포일 층을 제공하는 것은, 이를 통해 낙뢰 보호 장치의 피뢰 표면이 명백하게 확장될 수 있고, 따라서 이러한 구역에의서, 예를 들어 로터 블레이트의 캡에서의 낙뢰에 대한 위험 및/또는 이를 통해 발생되는 로터 블레이드에 대한 손상이 현저히 감소될 수 있다는 이점을 갖는다.
로터 블레이드의 추가의 바람직한 실시예에서, 포일 층은 로터 블레이드의 종방향 길이의 방향으로 길이를 갖고, 상기 길이는, 로터 블레이드의 종방향 길이의 바람직하게는 최대 1/5, 특히 최대 1/10, 또는 최대 1/20, 또는 최대 1/50이다. 따라서 바람직하게는, 포일 층은, 로터 블레이드의 전체 종방향 길이에 걸쳐 또한, 로터 블레이드의 종방향 길이의 대부분에 걸쳐 연장되는 것이 아니라, 단지 비교적 적은 구역에 걸쳐서 연장된다.
또한, 포일 층은, 로터 블레이드의 종방향 길이의 방향으로의 구역을 커버하고, 상기 구역 내에서 스파 캡의 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층이 종결되는 것이 바람직하다. 특히, 포일 층이 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층이 종결되는 구역을 커버하는 배치에서, 예를 들어 스파 캡의, 이러한 구역에서의 낙뢰에 대한 위험은 보다 감소될 수 있다.
추가의 바람직한 실시예가, 포일 층이 로터 블레이드의 종방향 길이에 대해 수직으로 측정된 로터 블레이드 벽의 두께의 외측 절반 내에, 특히 외측 1/3, 또는 외측 1/4, 또는 외측 1/10, 또는 외측 1/50, 또는 외측 1/100 내에 배치되는 것을 제공한다. 로터 블레이드 표면에서 (로터 블레이드의 종방향 길이에 대해 수직인 방향으로) 가능한 한 멀리까지 포일 층을 배치하는 것은, 포일 층의 특히 효율적인 효과를 위해 바람직하다.
바람직하게는, 포일 층은, 바람직하게는 로터 블레이드의 레이아웃 설계와 관련된 하중 지지 특성을 구비하지 않는 섬유 복합 재료의 하나 이상의 층 상에 배치되는 것이 제공될 수 있다. 이러한 실시예는, 손상의 경우, 예를 들어 낙뢰의 아크에 의한 섬유 복합 재료의 손상의 경우, 로터 블레이드의 하중 지지 능력과 관련된 섬유 복합 재료의 층에 영향을 미치지 않고, 가능한 한 포일 층이 배치되어 있는 추가적으로 제공된 섬유 복합 재료의 층에만 영향을 미치는 것이 특히 바람직하다.
포일 층은, 예상되는 낙뢰 전류 부하를 견딜 수 있도록 배치되고 구성되는 것이 또한 바람직하다. 예상되는 낙뢰 전류 부하는, 특히 예상되는 평균 낙뢰 전류 부하일 수 있다. 포일 층 및/또는 포일 층이 배치되는 섬유 복합 재료의 하나 이상의 층이, 낙뢰 전류 부하, 특히 예상되는 낙뢰 전류 부하를 초과하는 낙뢰 전류 부하를 견디지 못하거나 또는 완전히 견디지 못하는 경우, 포일 층 및/또는 포일 층이 배치되는 섬유 복합 재료의 하나 이상의 층의 수리 및/또는 교환이 제공될 수 있다.
추가의 바람직한 실시예가, 포일 층이 바람직하게는 규칙적인 패턴으로 배치되는 복수의 간극(clearance) 및/또는 메쉬를 포함하는 것을 제공한다. 예를 들어, 간극 및/또는 메쉬는, 마름모형, 및/또는 직사각형, 및/또는 정사각형, 및/또는 원형, 및/또는 타원형, 및/또는 다각형으로 형성될 수 있다. 간극 및/또는 메쉬 사이의 웨브(web)는, 바람직하게는 0.3 mm의 두께 및 0.5 mm의 폭을 갖는다. 간극 및/또는 메쉬는 바람직하게는 3.5 mm의 길이 및 2.5 mm의 폭을 갖는다.
포일 층은, 바람직하게는 알루미늄 또는 구리로 이루어지거나 또는 알루미늄 또는 구리의 합금을 포함한다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 서두에 언급된 과제는, 타워, 기관실 및 로터를 구비하고, 로터는 이전에 설명된 스파 캡을 갖는 적어도 하나의 로터 블레이드 및/또는 이전에 설명된 적어도 하나의 로터 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비에 의해 달성된다. 이미 언급된 이점 외에도, 본 발명에 따른 스파 캡을 포함하는 풍력 발전 설비는, 보다 높은 허브 높이 및 보다 큰 로터 날개 폭이 제공될 수 있는 점에서 유리하다. 또한, 본 발명에 따른 스파 캡의 제공에 의해 풍력 발전 설비의 총 비용이 감소될 수 있다. 전기 전도성 포일 층을 제공하는 것은, 낙뢰의 위험 및/또는 이를 통해 야기되는 손상을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 서두에 언급된 과제는, 제1 단부로부터 제2 단부까지의 종방향 길이, 종방향 길이에 대해 직교하는 횡방향 폭, 및 종방향 길이 및 횡방향 폭에 대해 직교하는 두께를 갖는 스파 캡의 제조 방법으로서, 상기 방법은, 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층을 적층하는 단계, 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층을 적층하는 단계를 포함하고, 제2 섬유 복합 재료가, 두께 방향으로 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층 사이에서 제2 단부에 인접한 부분에 배치되며, 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층은 제2 단부 이전에 종결되고, 제1 섬유 복합 재료가, 제2 섬유 복합 재료와는 상이한, 섬유 및/또는 매트릭스 재료를 포함하는 것은, 스파 캡의 제조 방법에 의해 달성된다.
제1 및/또는 제2 섬유 복합 재료의 층을 적층하는 단계는, 이러한 층들의 평평한 측면이 각각 대체적으로 면 평행하게 적층 배치되는 방식으로 이루어진다. 또한, 상기 적층하는 단계는, 제2 섬유 복합 재료의 층이 제1 섬유 복합 재료의 층 사이에 적층되는 방식으로 이루어진다. 또한, 바람직하게는 제2 섬유 복합 재료의 서로 대향하는 2개의 외부 층 상에, 각각 동일한 개수의 제1 섬유 복합 재료의 층 층이 배치된다.
스파 캡의 제2 단부에서, 제1 섬유 복합 재료의 층들 및 제2 섬유 복합 재료의 층들은, 제1 섬유 복합 재료의 층이 제2 단부에 도달되며, 그리고 제2 섬유 복합 재료의 층들이 제2 단부 이전에 미리 종결되도록 적층된다. 따라서, 제2 단부는, 바람직하게는 제1 섬유 복합 재료의 층들에 의해서만 제조된다.
더불어, 본 발명에 따른 스파 캡의 제조 방법은, 제1 섬유 복합 재료 및 제2 섬유 복합 재료의 사용에 의해 수행되고, 제1 섬유 복합 재료는 제2 섬유 복합 재료와는 상이한 재료이다. 이러한 차이는 특히 사용되는 섬유 및/또는 사용되는 매트릭스 재료에서 나타난다. 바람직하게는, 제1 섬유 복합 재료에 대해 단지 전기 전도성이 낮거나 또는 비-전기 전도성인 재료가 사용된다. 또한 바람직하게는, 제2 섬유 복합 재료에 대해서는 특히 매우 높은 강성을 구비하는 재료가 사용된다.
섬유 복합 재료들의 층들을 적층하는 단계는, 상이한 방식으로, 예를 들어 섬유 와인딩 기술, 오토클레이브 프레스 기술 또는 수작업 라미네이팅 방법으로 실행될 수 있다. 선택된 섬유 및/또는 선택된 매트릭스 재료에 따라, 이전에 설명된 제조 프로세스에 계속하여 또한 추가적인 제조 단계가 이어질 수 있다. 이러한 단계는, 예를 들어 매트릭스 재료의 경화 및/또는 섬유 복합 재료의 압축을 포함할 수 있다.
이전에 설명된 제조 방법의 바람직한 개선예가, 제1 섬유 복합 재료의 층의 개수가 제2 단부를 향해 감소되는 것을 제공하며, 층의 감소는 연속적으로 또는 정의된 간격으로 이루어진다. 이 경우, 제1 섬유 복합 재료의 적층 배치된 층들의 개수가 실질적으로 감소되므로, 제2 섬유 복합 재료의 최외측 표면 상에 배치되는, 제1 섬유 복합 재료의 층들로 이루어진 2개의 레이어는, 제2 단부를 향해 두께 방향으로 보다 감소하는 치수를 갖는다.
이러한 제조 단계에 의해, 종방향 길이를 따라 스파 캡의 두께가 감소된다. 개별 층의 매우 작은 두께에 의해, 대체적으로 개별 층의 매우 균일한 전이가 보장될 수 있으므로, 스파 캡은 연속적인 기하학적 구조를 구비할 수 있다
제조 방법의 바람직한 실시예가, 제2 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층이, 제2 섬유 복합 재료의 층의 개수가 제2 단부를 향해 감소하는 방식으로, 적층되는 것을 제공한다. 또한, 여기서 제2 섬유 복합 재료의 감소하는 층의 개수로 인해, 스파 캡의 종방향 길이를 따라 특정 하중 상황에 대응하게 된다. 제2 섬유 복합 재료의 층들의 적층 시, 제2 섬유 복합 재료의 층들은 제2 단부까지 적층되지 않는 대신, 적층은 제2 단부 이전에 미리 종결된다는 것을 유의해야 한다. 이러한 유형의 적층은, 제2 섬유 복합 재료가 제2 단부까지 연장되지 않고, 따라서 제2 단부는 실질적으로 제1 섬유 복합 재료의 층에 의해서만 형성되는 것이 보장된다.
본 발명에 따른 제조 방법 및 그 개선예는, 본 발명에 따른 스파 캡 및 그 개선예를 제조하는데 특히 적합하게 하는 특징을 구비한다. 따라서, 제조 방법의 이점, 변형 실시예 및 실시예의 세부 사항에 대해, 또한 스파 캡의 대응하는 장치 특징 및 개선예에 대한 전술된 설명이 참조된다.
본 발명의 추가의 양태에 따르면, 서두에 언급된 과제는, 이전에 설명된 로터 블레이드의 제조 방법으로서, 상기 방법은, 이전에 설명된 스파 캡을 도입하는 단계; 및/또는 전기 전도성 포일 층을 도입하는 단계 및 포일 층이 전기 전도성 연결을 통해 낙뢰 보호 시스템의 낙뢰 보호 장치와 연결되는 단계를 포함하는 것인, 로터 블레이드의 제조 방법에 의해 달성한다.
로터 블레이드에 대한 제조 방법의 이점, 변형 실시예, 실시예의 세부 사항에 대해, 다른 양태의 대응하는 특징에 대한 전술된 설명이, 또한 참조된다.
본 발명의 바람직한 실시예들이, 첨부된 도면들을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 풍력 발전 설비의 개략도를 도시한다.
도 2는 스파 캡의 종방향 길이 및 횡방향 폭 방향으로의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 스파 캡의 종방향 길이 및 두께 방향으로의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4는 스파 캡의 횡방향 폭 및 두께 방향으로의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 5는 감소 적용범위의 구역에서 스파 캡의 횡방향 폭 및 두께 방향으로의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 로터 블레이드의 개략도를 도시한다.
도 7은 도 6에 따른 로터 블레이드의 전기 전도성 포일 층의 개략도를 확대한 일부를 도시한다.
도 1은 풍력 발전 설비의 개략도를 도시한다. 도 1은 타워(102) 및 기관실(104)을 갖는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 기관실(104) 상에 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 풍력에 의해 회전 운동하고, 이로 인해 기관실(104) 내의 발전기를 구동한다.
본 발명에 따른 스파 캡(200)은, 특히 로터 블레이드(108)의 종방향 보강을 위해 사용된다. 이러한 목적을 위해, 적어도 하나의 스파 캡(200), 바람직하게는 2개의 스파 캡(200)이 로터 블레이드(108)의 내부에 배치되고, 바람직하게는 로터 블레이드(108)의 내부를 향하는 측면 상에 고정된다.
도 2는 스파 캡(200)의 종방향 길이(L) 및 횡방향 폭(Q) 방향으로의 개략적인 단면도를 도시한다. 스파 캡은, 제1 단부(210)로부터 제2 단부(220)까지의 종방향 길이(L)를 따라 길이 방향으로 연장된다. 제1 단부(210)는, 바람직하게는 로터 블레이드 기단부의 구역에 배치되는 스파 캡(200)의 단부를 나타낸다. 반면, 제2 단부(220)는, 로터 블레이드 팁의 구역에 배치되는 스파 캡(200)의 단부를 나타낸다. 횡방향 폭(Q)의 치수는, 종방향 길이(L)를 따라 제2 단부(220)를 향해 구간별로 감소할 수 있다. 대안적으로 바람직하게는, 횡방향 폭(Q)의 치수의 감소는, 또한 연속적으로 이루어질 수도 있다.
스파 캡(200)은 본질적으로, 소위 층들 형태로 가공되며 그리고 제조된 스파 캡(200) 내에서도 또한 이러한 형태로 존재하는, 섬유 복합 재료로 제조된다. 층이 본질적으로, 섬유 및 매트릭스 재료를 포함하고, 층은 특히 레이어로서 구성된다. 즉, 층은 작은 두께를 갖는 평평한 기하학적 구조를 갖는다. 층들의 평평한 기하학적 구조는, 특히 종방향 길이(L) 및 횡방향 폭(Q)의 방향으로의 면에 의해 구성된다.
그에 따라, 제1 섬유 복합 재료의 층(300) 또는 층들 및 제2 섬유 복합 재료의 층(400) 및 층들이, 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5에, 개별적으로 도시된다. 제1 섬유 복합 재료의 층들(300)은, 바람직하게는 유리 섬유를 포함하거나 또는 유리 섬유이고, 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)은, 바람직하게는 탄소 섬유를 포함하거나 또는 탄소 섬유이다.
제1 섬유 복합 재료의 층(300) 및 제2 섬유 복합 재료의 층이, 도 2에 실질적으로 도시된다. 제1 섬유 복합 재료의 층들(300)은, 대략적으로 제2 섬유 복합 재료의 층(400)을 종방향 길이(L)의 방향으로 그리고 횡방향 폭(Q)의 방향으로 둘러싼다.
특히, 스파 캡(200)은 제2 섬유 복합 재료의 층(400)의 감소 적용범위(410)를 포함한다. 이러한 감소 적용범위(410)는, 특히 제2 섬유 복합 재료의 층(400)이 스파 캡(200)의 제2 단부(220)로부터 이격된다는 점을 통해, 도시된다. 이러한 이격은, 제1 섬유 복합 재료가 낮은 전기 전도성 또는 비-전기 전도성을 구비하며 그리고 제2 섬유 복합 재료가 제1 섬유 복합 재료와 비교하여 높은 전기 전도성을 구비하는 경우, 낙뢰의 위험을 감소시킨다. 또한, 이러한 유형의 분리에 의해 로터 블레이드 플랜지로의 내부 방전 중에 섬락의 위험이 감소된다.
도 2에서 스파 캡(200)의 개략도는 제1 섬유 복합 재료의 층(300) 및 제2 섬유 복합 재료의 층(400)의 횡방향 폭(Q)를 도시한다.
도 3은 스파 캡(200)의 종방향 길이(L) 및 두께(D) 방향으로의 개략적인 단면도를 도시한다. 이러한 도면에서, 특히 개략적으로 도시된 층들 및 그 개수가 도시된다. 층들은 평평한 영역에 대해 직교하고 종방향 길이에 대해 직교하는 시점에서 도시된다. 스파 캡의 두께(D)는, 제1 섬유 복합 재료의 적층 배치된 층들(300)의 개수 및 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)의 개수에 의해 결정된다. 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)의 감소 적용범위(410)의 구역이, 마찬가지로 상기 도면에 도시된다.
또한, 제1 섬유 복합 재료의 개별 층(300)의 종방향 길이 및 제2 섬유 복합 재료의 개별 층(400)의 종방향 길이가 도시되고, 각각의 종방향 길이의 치수는, 동일하지 않다. 제2 섬유 복합 재료의 층(400)의 감소 적용범위에 의해, 제1 섬유 복합 재료에 대한 것보다 제2 섬유 복합 재료에 대해 더욱 강성의 재료의 선택 시, 강성 점프가 발생한다. 종방향 길이(L)를 따르는 위치에서, 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)의 감소를 고려하여, 제1 섬유 복합 재료의 층들(300)은, 강성 점프가 가능한 한 최소화될 수 있도록, 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)보다 높은 강성을 구비할 수 있다.
또한, 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)의 이러한 유형의 감소를 고려하여, 제1 섬유 복합 재료의 층들(300)의 개수 또한, 제2 단부(220)를 향해 감소될 수 있다. 이를 통해 다시, 연장 레벨이 감소되는 경우, 스파 캡(200)은, 제2 단부(220)를 향해 전체적으로 보다 적은 개수의 적층 배치된 층들로 제조될 수 있다. 적층 배치된 층들의 감소된 개수는, 콤팩트한 구조, 더욱 낮은 재료 비용 및 가속된 제조 시간이라는 결과를, 그리고 궁극적으로 스파 캡(200)의 더 낮은 중량이라는 결과를 가져온다.
또한, 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)은, 두께 방향으로 제1 섬유 복합 재료의 층들(300) 사이에 배치되는 것이 도시되어 있다. 또한, 이러한 특정 실시예에서, 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)은 각각, 종방향 길이(L) 및 횡방향 폭(Q)에서 층들의 평평한 영역에 의해 형성되는, 서로 대향하는 2개의 외부 측면을 구비하고, 여기서 제2 섬유 복합 재료의 층(400)의 양자 모두의 외부 측면 상에, 동일한 개수의 제1 섬유 복합 재료의 층들(300)이 배치된다. 도 3에 있어서, 이는 수직 방향으로 제2 섬유 복합 재료의 3개의 층(400)의 위 및 아래에 각각, 바람직하게 동일한 개수의 제1 섬유 복합 재료의 층들(300)이 배치된다는 것을 의미한다.
도 4는 스파 캡(200)의 횡방향 폭(Q) 및 두께(D) 방향으로의 개략적인 단면도를 도시한다. 도시된 단면은 특히, 도 3의 설명과 유사하게, 제1 섬유 복합 재료의 층들(300) 및 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)이 감소되지 않은, 종방향 길이(L)를 따르는 구역이다. 따라서, 제2 섬유 복합 재료의 3개의 층(400)이 내부에 배치되며 그리고 제1 섬유 복합 재료의 2개의 층이 각각 그 평평한 외부 측면에 배치된다. 또한, 바람직하게는 제1 섬유 복합 재료의 층들(300) 및 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)은 횡방향 폭(Q)를 따라 전체적으로 연장된다.
도 5는 스파 캡의 횡방향 폭 및 두께 방향으로의 개략적인 단면도를 도시한다. 도시된 단면은 특히, 여기서 제1 섬유 복합 재료의 층들(300)만이 도시되기 때문에, 도 3의 설명과 유사하게, 제1 섬유 복합 재료의 층(300) 및 제2 섬유 복합 재료의 층(400)이 감소되는, 종방향 길이(L)를 따르는 감소 적용범위(410)의 구역이다. 또한, 제2 단부(220)에 인접하며 그리고 제2 섬유 복합 재료의 층(400)을 포함하지 않고 실질적으로 제1 섬유 복합 재료의 층들(300)로 이루어지거나 또는 이들을 포함하는, 감소 적용범위(410)의 구역이 도시된다.
도 6은, 로터 블레이드의 팁(510) 및 구체적으로 도시되지 않은 낙뢰 보호 시스템의 부분인 제1 및 제2 리셉터(501, 502) 형태의 2개의 낙뢰 보호 장치를 갖는, 본 발명에 따른 로터 블레이드(108)의 개략도를 도시한다. 전기 전도성 포일 층(530)이, 제2 리셉터(502)와 전기 전도성 방식으로 연결된다. 전기 전도성 포일 층(530)은, 로터 블레이드의 전체 종방향 길이에 걸쳐 연장되는 것이 아니라, 수 미터, 바람직하게 약 1 내지 5m의 로터 블레이드의 종방향 길이의 방향으로의 길이(E)를 갖는다. 특히, 포일 층(530)은, 스파 캡의 적어도 하나의 제2 섬유 복합 재료의 층이 종결되는, 로터 블레이드의 종방향 길이의 방향으로의 구역을 커버한다. 이러한 구역은, 도 6에서 제1 및 제2 섬유 복합 재료를 갖는 스파 캡(522)으로부터 제1 섬유 복합 재료만을 갖는 스파 캡(521)으로의 전이부에서 인식될 수 있다. 또한 바람직하게, 포일 층(530)은, 로터 블레이드(108)의 종방향 길이에 대해 횡단 방향으로 가능한 한 멀리까지 배치된다.
도 7은, 도 6에 따른 로터 블레이드의 전기 전도성 포일 층(530)의 개략도의 확대된 일부를 도시한다. 포일 층(530)은, 웨브(532)에 의해 분리되는 마름모형 메쉬들(531)을 포함한다. 메쉬들(531) 사이의 웨브들(532)은 바람직하게, 0.3 mm의 두께(T) 및 0.5 mm의 폭(R)을 갖는다. 메쉬들(531)은 바람직하게, 3.5 mm의 길이(LM) 및 2.5 mm의 폭(TM)을 갖는다.
100: 풍력 발전 설비 102: 타워
104: 기관실 106: 로터
108: 로터 블레이드 110: 스피너
200: 스파 캡 210: 제1 단부
220: 제2 단부 300: 제1 섬유 복합 재료의 층(들)
400: 제2 섬유 복합 재료의 층(들) 410: 감소 적용범위 구역
501, 502: 리셉터 510: 로터 블레이드 팁
521: 제1 섬유 복합 재료를 갖는 스파 캡
522: 제1 및 제2 섬유 복합 재료를 갖는 스파 캡
530: 전기 전도성 포일 층 531: 메쉬
532: 웨브 L: 종방향 길이
Q: 횡방향 폭 D: 두께
E: 로터 블레이드의 종방향 길이의 방향으로의 포일 층의 길이
TM: 메쉬의 폭 LM: 메쉬의 길이
R: 웨브의 폭 T: 웨브의 두께

Claims (17)

  1. 제1 단부(210)로부터 제2 단부(220)까지의 종방향 길이(L), 상기 종방향 길이(L)에 대해 직교하는 횡방향 폭(Q), 및 상기 종방향 길이(L) 및 상기 횡방향 폭(Q)에 대해 직교하는 두께(D)를 갖는, 풍력 발전 설비(100)의 로터 블레이드(108)를 위한 스파 캡(spar cap)(200)에 있어서,
    - 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층(300), 및
    - 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층(400)
    을 구비하고,
    - 상기 제1 섬유 복합 재료는, 상기 제2 섬유 복합 재료와는 상이한, 섬유 및/또는 매트릭스 재료 포함하고,
    - 상기 제2 섬유 복합 재료는, 상기 두께 방향으로 상기 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층 사이에서, 상기 제2 단부(220)에 인접한 부분 내에 배치되며,
    - 상기 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층(400)은, 상기 제2 단부(220) 이전에 종결되는 것인, 스파 캡.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 단부(220)의 구역이, 상기 제1 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층(300)을 포함하는 것인, 스파 캡.
  3. 제 1항 또는 제 2항 있어서,
    상기 제1 섬유 복합 재료의 층들(300)의 개수는, 상기 제2 단부(220)를 향해 감소하는 것인, 스파 캡.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층(400)을 구비하고,
    상기 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)의 개수는, 상기 제2 단부(220)를 향해 감소하는 것인, 스파 캡.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 섬유 복합 재료의 적어도 3개 이상의 층(300) 및/또는 상기 제2 섬유 복합 재료의 적어도 3개 이상의 층(400)을 구비하는 것인, 스파 캡.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층(400)은, 종방향 길이(L) 및 횡방향 폭(Q)에서 상기 층들의 평평한 영역에 의해 각각 형성되는, 서로 대향하는 2개의 외측 측면을 구비하고,
    상기 제2 섬유 복합 재료의 상기 적어도 하나의 층(400)의 양 측면 상에, 동일한 개수의 상기 제1 섬유 복합 재료의 층들(300)이, 배치되는 것인, 스파 캡.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 섬유 복합 재료의 섬유들은, 탄소 섬유를 포함하거나 또는 탄소 섬유이고, 및/또는
    상기 제1 섬유 복합 재료의 섬유들은, 무기 섬유 특히 유리 섬유를 포함하거나, 또는 무기 섬유 특히 유리 섬유인 것인, 스파 캡.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 섬유 복합 재료 및/또는 상기 제2 섬유 복합 재료의 매트릭스 재료는,
    - 플라스틱을 포함하거나 또는 플라스틱으로 이루어지며, 그리고 상기 플라스틱은, 바람직하게, 열가소성 수지 및/또는 열경화성 수지를 포함하거나, 또는 열가소성 수지 및/또는 열경화성 수지로 이루어지고, 및/또는
    - 시멘트를 포함하거나 또는 시멘트로 이루어지고, 및/또는
    - 콘크리트를 포함하거나 또는 콘크리트로 이루어지고, 및/또는
    - 세라믹을 포함하거나 또는 세라믹으로 이루어지는 것인, 스파 캡.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 섬유 복합 재료의 층들(300) 및 상기 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)은, 상기 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 외부 층(300) 사이에 배치되는 것인, 스파 캡.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 섬유 복합 재료 및/또는 상기 제2 섬유 복합 재료의 섬유들은, 상기 종방향 길이(L)의 방향에 대해 실질적으로 평행하게 연장되는 것인, 스파 캡.
  11. 풍력 발전 설비(100)의 로터 블레이드(108)에 있어서,
    - 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 스파 캡(200); 및/또는
    - 낙뢰 보호 시스템의 전기 전도성 포일 층 및 낙뢰 보호 장치로서, 상기 전기 전도성 포일 층은 전기 전도성 연결을 통해 상기 낙뢰 보호 장치에 연결되는 것인, 전기 전도성 포일 층 및 낙뢰 보호 장치
    를 포함하는 것인, 로터 블레이드.
  12. 제 11항에 있어서,
    - 상기 포일 층은, 상기 로터 블레이드의 종방향 길이의 방향으로 길이를 갖고, 상기 길이는 바람직하게, 상기 로터 블레이드의 상기 종방향 길이의 최대 1/5, 특히 최대 1/10, 또는 최대 1/20, 또는 최대 1/50이고; 및/또는
    - 상기 포일 층은, 상기 제2 섬유 복합 재료의 상기 적어도 하나의 층이 종결되는, 상기 로터 블레이드의 종방향 길이의 방향으로의 구역을 커버하고; 및/또는
    - 상기 포일 층은, 상기 로터 블레이드의 종방향 길이에 대해 수직으로 측정되는 로터 블레이드 벽의 두께의 외측 절반 내에, 특히 외측 1/3, 또는 외측 1/4, 또는 외측 1/10, 또는 외측 1/50, 또는 외측 1/100 내에 배치되고; 및/또는
    - 상기 포일 층은, 바람직하게 상기 로터 블레이드의 레이아웃 설계와 관련된 하중 지지 특성을 구비하지 않는, 섬유 복합 재료의 하나 이상의 층 상에 배치되고; 및/또는
    - 상기 포일 층은, 예상되는 낙뢰 전류 부하를 견딜 수 있도록 배치되고 구성되며; 및/또는
    - 상기 포일 층은, 바람직하게 규칙적인 패턴으로 배치되는, 복수의 간극 및/또는 메쉬를 구비하는 것인, 로터 블레이드.
  13. 타워(102), 기관실(104) 및 로터(106)를 구비하는 풍력 발전 설비(100)에 있어서,
    상기 로터(106)는, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 스파 캡을 구비하는 적어도 하나의 로터 블레이드(108)를 포함하고, 및/또는 제11항 또는 제12항에 따른 적어도 하나의 로터 블레이드(108)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  14. 제1 단부(210)로부터 제2 단부(220)까지의 종방향 길이(L), 상기 종방향 길이(L)에 대해 직교하는 횡방향 폭(Q), 및 상기 종방향 길이(L) 및 상기 횡방향 폭(Q)에 대해 직교하는 두께(D)를 갖는, 스파 캡(200)의 제조 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    - 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층(300)을 적층하는 단계,
    - 제2 섬유 복합 재료의 적어도 하나의 층(400)을 적층하는 단계
    를 포함하고,
    - 상기 제2 섬유 복합 재료는, 상기 두께(D)의 방향으로 상기 제1 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층(300) 사이에서 상기 제2 단부(220)에 인접한 부분 내에 배치되고,
    - 상기 제2 섬유 복합 재료의 상기 적어도 하나의 층(400)은, 상기 제2 단부(220) 이전에 종결되며,
    상기 제1 섬유 복합 재료는, 상기 제2 섬유 복합 재료와는 상이한, 섬유 및/또는 매트릭스 재료를 포함하는 것인, 스파 캡의 제조 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제1 섬유 복합 재료의 층들의 개수(300)는, 상기 제2 단부(220)를 향해 감소하는 것인, 스파 캡의 제조 방법.
  16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서,
    상기 제2 섬유 복합 재료의 적어도 2개의 층(400)이, 상기 제2 섬유 복합 재료의 층들(400)의 개수가 상기 제2 단부(220)를 향해 감소하도록 하는 방식으로, 적층되는 것인, 스파 캡의 제조 방법.
  17. 제 11항 또는 제 12항에 따른 로터 블레이드(108)의 제조 방법에 있어서,
    - 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 스파 캡을 도입하는 단계; 및/또는
    - 전기 전도성 포일 층을 도입하고, 상기 포일 층을 전기 전도성 연결을 통해 낙뢰 보호 시스템의 낙뢰 보호 장치에 연결하는 단계
    를 포함하는 것인, 로터 블레이드의 제조 방법.
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