KR101434656B1 - 풍력 발전 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 풍력 발전 장치는 바람에 의해 회전하는 프로펠러, 상기 프로펠러의 회전력을 전력으로 변환시키는 나셀(nacelle), 상기 프로펠러 또는 상기 나셀을 지지하는 타워(tower) 및 상기 프로펠러, 상기 나셀, 상기 타워 중 적어도 하나에 도포되고, 전파를 흡수하는 RAP층(Radar Absorbing Paint layer)을 포함함으로써, 풍력 발전 장치의 RCS를 신뢰성 있게 낮출 수 있다.
Description
본 발명은 풍력 발전 장치 및 전파 흡수 도료에 관한 것으로서, RCS가 낮은 풍력 발전 장치 및 상기 풍력 발전 장치에 도포되는 전파 흡수 도료에 관한 것이다.
풍력 발전기는 친환경 방식의 에너지 창출 수단으로 널리 각광받고 있다.
풍력 발전기는 타워가 세워지고, 타워의 단부에 프로펠러가 장착되는 형태를 취하게 되는데, 이러한 형태의 풍력 발전기는 각종 전파를 반사시키고 간섭하게 된다.
이와 같이 전파에 영향을 미치는 풍력 발전기는 산업적 목적 또는 군사적 목적으로 사용되는 레이더에 탐지됨으로써 레이더의 오동작을 유발하는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해서는 풍력 발전기의 RCS(Radar Cross Section)를 낮출 필요가 있다.
한국공개특허공보 제2002-0086606호에는 타워와 프로펠러를 갖는 풍력 발전기가 개시되고 있으나, RCS를 낮추는 방안은 제시되지 않고 있다.
본 발명은 RCS가 낮은 풍력 발전 장치 및 상기 풍력 발전 장치에 도포되는 전파 흡수 도료를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 풍력 발전 장치는 바람에 의해 회전하는 프로펠러, 상기 프로펠러의 회전력을 전력으로 변환시키는 나셀(nacelle), 상기 프로펠러 또는 상기 나셀을 지지하는 타워(tower) 및 상기 프로펠러, 상기 나셀, 상기 타워 중 적어도 하나에 도포되고, 전파를 흡수하는 RAP층(Radar Absorbing Paint layer)을 포함할 수 있다.
본 발명의 전파 흡수 도료는 풍력 발전 장치의 적어도 일부에 도포되고, 전파를 흡수하는 RAP층을 형성하며, 상기 풍력 발전 장치의 RCS를 감소시키는 전파 흡수 재료, 상기 전파 흡수 재료를 상기 풍력 발전 장치에 접착시키는 바인더 및 상기 전파 흡수 재료를 용해시키는 용제를 포함할 수 있다.
본 발명의 풍력 발전 장치는 프로펠러, 나셀, 타워에 도포되는 RAP층을 포함함으로써 RCS를 신뢰성 있게 낮출 수 있다. 이에 따라 본 발명의 풍력 발전 장치는 레이더에 탐지되지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 풍력 발전 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 풍력 발전 장치의 날개를 나타낸 단면도이다.
도 3은 풍력 발전 장치가 바다에 설치된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 4는 RAP층이 형성되지 않은 경우의 RCS와 RAP층이 형성된 경우의 RCS를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 풍력 발전 장치의 날개를 나타낸 단면도이다.
도 3은 풍력 발전 장치가 바다에 설치된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 4는 RAP층이 형성되지 않은 경우의 RCS와 RAP층이 형성된 경우의 RCS를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 풍력 발전 장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 풍력 발전 장치의 날개(111)를 나타낸 단면도이다. 도 2는 도 1의 A-A`를 절단한 상태를 나타낸다.
도 1에 도시된 풍력 발전 장치는 바람에 의해 회전하는 프로펠러(110), 프로펠러(110)의 회전력을 전력으로 변환시키는 나셀(130)(nacelle), 프로펠러(110) 또는 나셀(130)을 지지하는 타워(150)(tower)를 포함할 수 있다.
풍력 발전 장치는 바람에 의해 회전하는 프로펠러(110)를 지지하기 위한 타워(150)가 설치됨으로써 전체적으로 설치면에서 돌출된 형태를 이루게 된다. 이때의 설치면은 지면, 강의 표면, 바다의 표면이 될 수 있다.
이와 같이 설치면으로부터 돌출된 풍력 발전 장치는 전파에 영향을 미치게 된다. 특히, 프로펠러(110)를 지지하는 타워(150)는 신뢰성 있는 강도를 제공하기 위해 금속으로 제조되므로 전파에 대한 영향이 증가하게 된다. 프로펠러(110)는 무게 등을 감안하여 FRP(glass fiber reinforced plastic, 유리섬유강화플라스틱) 등으로 구성됨으로 전파에 대한 영향력이 약화되기는 하나 프로펠러(110)의 규모가 거대하므로 전파에 대한 영향력을 완전히 제거하기는 힘들다.
전파에 영향을 미치는 풍력 발전 장치는 레이더의 정상적인 동작을 방해하고 레이저 운용 정책에 악영향을 끼칠 수 있다.
도 3은 풍력 발전 장치가 바다에 설치된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 3에서 풍력 발전 장치(100)는 바다에 복수로 설치되어 있고, 육지에 레이더(200)가 설치되어 있다. 이때 레이더의 커버리지 내에 풍력 발전 장치가 위치할 수 있다. 이러한 경우 레이더에 풍력 발전 장치가 항상 탐지된다면 풍력 발전 장치 주변으로 회피한 목적물을 탐지하기 어려울 수 있다. 또한, 레이더의 특성 문제로 인한 미러링 효과로 인하여 실제 목적물이 없음에도 불구하고 레이더 상에 목적물이 탐지되는 오류가 발생할 수 있다. 이러한 문제는 풍력 발전 장치의 RCS(Radar Cross Section)를 낮춤으로써 해소될 수 있다.
RCS(Radar Cross Section)는 레이더에서 쏘아 보낸 전파가 목적물에 반사되어 돌아올 때, 목적물의 반사량을 나타내기 위해 규정된 평면 면적이다. RCS가 작으면 레이더는 목적물을 탐지하지 못한다. 따라서, 풍력 발전 장치의 RCS를 낮추면 풍력 발전 장치는 레이더에 표시되지 않는다. 결과적으로 풍력 발전 장치의 RCS를 낮추면 레이더의 정상적인 운용이 가능하다.
이를 위해 본 발명의 풍력 발전 장치는 RAP층(Radar Absorbing Paint layer)(170)을 포함한다.
RAP층(170)은 프로펠러(110), 나셀(130), 타워(150) 중 적어도 하나에 도포되고, 전파를 흡수함으로써 풍력 발전 장치의 RCS를 제거하거나 낮출 수 있다.
프로펠러(110)는 회전축을 형성하는 노즈콘(nosecone)(113), 노즈콘(113)에서 회전축에 대해 방사상으로 연장되는 날개(111)를 갖는다. 풍력 발전 장치 전체의 RCS를 100%로 설정할 경우 대략적으로 노즈콘(113)의 RCS는 1%, 날개(111)의 RCS는 20%, 나셀(130)의 RCS는 4%, 타워(150)의 RCS는 75% 정도가 된다.
풍력 발전 장치의 RCS를 신뢰적으로 낮추기 위해 RAP층(170)은 풍력 발전 장치를 구성하는 프로펠러(110), 나셀(130), 타워(150) 모두에 형성되는 것이 좋다. 그런데 전파를 흡수하는 재료를 포함함으로써 RAP층(170)은 일반 페인트와 비교하여 대단히 무겁고 비싸다. 풍력 발전 장치의 규모에 따라 차이가 있으나 풍력 발전 장치 1대의 모든 부위에 RAP층(170)을 형성할 경우 RAP층(170)의 무게는 수톤에 이를 수 있다.
프로펠러(110)는 바람에 의해 용이하게 회전되어야 하므로 적어도 프로펠러(110)의 날개(111)는 가벼울수록 좋다. 따라서, 프로펠러(110)의 날개(111)에 RAP층(170)을 형성할 때는 발전 목적과 RCS 감소 목적을 신중하게 비교한 후에 RAP층(170)의 형성 두께 또는 형성 위치 등을 결정해야 한다.
일예로, RAP층(170)은 프로펠러(110)를 구성하는 각 날개(111) 중 곡면 부위 또는 리딩 에지(leading edge)에 도포될 수 있다. 날개(111)의 RCS는 대부분 곡면 부위나 리딩 에지부로부터 유발되기 때문이다. 날개(111)의 곡면 부위라 함은 날개(111) 표면의 임의의 제1 지점과 임의의 제2 지점을 연결하는 최단선이 곡선인 부위일 수 있다.
RAP층(170)은 전파를 흡수하고, 흡수된 전파를 열에너지로 변환시킴으로써 전파를 소멸시킬 수 있다. 이때, RAP층(170)에서 생성된 열에너지는 대기 중으로 발산될 수 있다. 다시 말해 본 발명의 RAP층(170)은 흡수된 전파를 지면 등 다른 물체로 전달하지 않고 직접 소멸시키며, 전파의 소멸 과정에서 생성된 열에너지를 다른 물체로 전달하지 않고 접촉하는 대기로 발산시킨다.
RAP층(170)의 무게와 생산비로 인하여 가능한 RAP층(170)은 풍력 발전 장치의 적은 면적에 도포되는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 본 발명의 풍력 발전 장치는 프로펠러(110), 나셀(130), 타워(150)의 RCS가 설정값 이상인 부위에 대해서만 RAP층(170)을 형성할 수 있다. 설정값은 풍력 발전 장치가 탐지되는 라이더의 특성에 따라 적절하게 결정될 수 있다.
풍력 발전 장치에서 RAP층(170)이 도포된 부위의 RCS는 RAP층(170)이 배제된 부위의 RCS보다 8dBsm 이상 낮은 것이 좋다. 이러한 특성에 의하면 RCS를 적절하게 낮출 수 있으며, 그 외의 다른 전파에 대한 영향을 신뢰성 있게 줄일 수 있다.
레이더에 대한 RCS를 효과적으로 낮추기 위해 RAP층(170)은 특정 주파수의 전파를 중점적으로 흡수할 수 있다. 이때의 특정 주파수는 1.0~2.0GHz의 L 밴드 주파수, 2.0~4.0GHz의 S 밴드 주파수, 레이더에서 주로 사용하는 8.0~12.0GHz의 X 밴드 주파수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특정 주파수에 대해 RAP층(170)이 도포된 부위의 RCS는 RAP층(170)이 배제된 부위의 RCS보다 20dBsm 이상 낮은 것이 유리하다.
도 4는 RAP층(170)이 형성되지 않은 경우의 RCS와 RAP층(170)이 형성된 경우의 RCS를 나타낸 그래프이다.
살펴보면, 전반적으로 RAP층(170)의 형성 유무에 따라 8dBsm 이상의 차이가 나타나고 있으며, 특정 주파수에 해당하는 11.0~11.2GHz 구간에서는 RAP층(170)의 형성 유무에 따라 20dBsm 이상의 차이가 나타나고 있음을 알 수 있다.
RAP층(170)은 전파 흡수 도료를 포함할 수 있다.
전파 흡수 도료는 전파 흡수 재료, 바인더, 용제를 포함할 수 있다.
전파 흡수 재료는 풍력 발전 장치의 적어도 일부에 도포되고, 전파를 흡수하는 RAP층(170)을 형성하며, 풍력 발전 장치의 RCS를 감소시킬 수 있다.
바인더는 전파 흡수 재료를 상기 풍력 발전 장치에 접착시킬 수 있다. 또한, 바인더는 RAP층(170)의 강도를 결정한다.
RAP층(170)의 도포가 어려운 풍력 발전 장치 재질 중 하나인 플라스틱은 ABS, PS, PP, PPO, FRP와 더불어 SMC, BMC에 이르기까지 다양하며, 주로, 프로펠러(110)의 날개(111), 나셀(130)을 형성할 수 있다.
바인더는 이러한 재질의 특성에 맞게 설계되어야 하며, RAP층(170)의 물리적, 화학적 안정성을 부여하여야 한다. 그렇지 않으면 열에 약하고 전파 흡수 도료 중의 용제로부터 표면이 침해당하여 크래킹, 크레이징 현상이 발생하며, RAP층(170)이 열화되어 박리를 일으킨다. 특히 전도성 전파 흡수 재료의 경우 비중이 큰 금속 필러가 다량 들어가 있기 때문에 스프레이건과 피도물(풍력 발전 장치) 사이의 거리가 먼 경우 안료가 침강되어 분말 상태로 드라이 스프레이하는 경우 부착성 불량을 일으키기 쉽다.
피도물의 종류 및 건조 조건에 따라 바인더는 건조성의 아크릴 수지, 비닐 수지, 2액형의 아크릴 변성 폴리우레탄 수지, 에폭시 수지 등이 사용된다. PP 등 부착이 어려운 피도물에는 부착성이 좋은 하도를 도포하고 피도물 표면을 화학적, 물리적으로 활성 처리를 해줄 필요가 있다.
용제는 전파 흡수 재료를 용해시킴으로써 도포 작업이 용이하게 이루어지도록 한다.
전파 흡수 도료는 전파 흡수 재료, 바인더, 용제 외에 첨가제를 포함할 수 있다. 첨가제는 산화 방지 기능, 침강 방지 기능, 전도성 흡수 재료의 무거운 입자를 분산시키는 기능을 수행할 수 있다.
전파 흡수 도료는 중량 %로 전파 흡수 재료 20~50%, 바인더 10~20%, 용제 40~50%, 나머지 중량의 첨가제를 포함하여 형성될 수 있으며, 이를 표 1에 정리하여 나타내었다.
| 성분 | 함량 | 사용목적 | 종류 |
| 전파 흡수 재료 | 20~50% | 전파 흡수 | 은, 구리, 니켈, 카본, 전도성 고분자 |
| 바인더 | 10~20% | 도막 형성, 밀착성, 내습, 내열, 내약품성 | 아크릴, 우레탄, 에폭시, 알키드 수지 |
| 첨가제 | 미량 | 산화 방지, 침강 방지, 전파 흡수 재료의 입자 분산 | 증점제, 산화방지제, 고분자 계면활성제 |
| 용제 | 40~50% | 도포 작업성 | 물, 알코올 |
전파 흡수 재료는 전도성 전파 흡수 재료, 유전성 전파 흡수 재료, 자성 전파 흡수 재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다
전파 흡수 재료는 전파의 반사를 줄이기 위한 것이며 개발 초기에는 레이더에 잠수함이나 비행기가 탐지되지 않도록 하는 등의 군사 장비를 위해서나 안테나의 지향성 실험 등에 사용하는 전파 암실에 이용하는 것이 주요 사용 목적이었다. 그러나 최근에는 전자렌지나 컴퓨터 등 전자파를 사용하는 전자 기기가 우리 주변에서 늘어나고, 이들이 일으키는 다른 전자 기기에 대한 악영향이나 인체에 주는 영향이 문제되고 있어, 전자파 장해 대책용으로서 널리 사용되고 있다.
전도성 전파 흡수 재료는 저항체나 저항선, 저항 피막 등을 흐르고 있는 전류에 의해 전파를 흡수시키는 재료로서, 사용시에는 적절한 저항치의 재료를 선택하는 것이 중요하며, 전도성 섬유로 만든 직물에 의해서도 뛰어난 전파 흡수 재료를 얻을 수 있다.
전도성 전파 흡수 재료는 은, 구리, 철, 니켈, 알루미늄, 주석, 아연, 금을 포함하는 금속, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린을 포함하는 전도성 유기 고분자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
은은 주로 플레이크 상으로 사용되고 있는데, 낮은 전기 저항과 60dB정도의 높은 감쇠율을 나타내어 전자파 차폐 재료로서 매우 효과적이지만 고가이다. 구리는 산화 등의 문제가 있었으나, 최근에는 표면에 산화방지 처리가 된 제품이 출시되면서 사용량이 늘고 있다. 저항치는 은보다 다소 높으나 비용은 1/5정도이다. 성능을 높이기 위해 은과 구리를 혼용하여 사용하기도 한다.
니켈은 은에 비하여 산화되기 쉬운 금속이지만 산화방지 처리와 바인더의 조합에 의해 안정화가 가능하여 실용상 문제는 없다.
유전성 전파 흡수 재료는 카본, 발포 우레탄, 발포폴리스티렌 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이런 종류의 흡수체로 광대역 특성을 얻기 위해서는 다층 구조로 하여 표면 가까이에서의 감쇠를 적게 하고, 내부로 들어감에 따라 감쇠를 크게 할 필요가 있다. 각 층의 감쇠 분포를 어떻게 할 것인가가 중요한 문제이다.
자성 전파 흡수 재료는 페라이트를 포함할 수 있다. 금속판을 덧붙인 페라이트판은 비교적 넓은 주파수에 대해서 좋은 전파 흡수 특성을 나타낸다. 또한 페라이트 분체를 고무에 혼련한 고무 페라이트는 유연성이 있으며, 고무에 대한 페라이트의 혼합비를 조절하여 정합 주파수를 바꿀 수 있다.
또한, 전파 흡수 재료는 산화철 발열 분말을 포함할 수 있다.
이상의 전파 흡수 재료는 흡수된 전파에 의한 전계의 방향 변화로 분자가 진동 및 마찰함으로써 열에너지를 생성하고, 이 과정에서 전파를 소멸시킨다.
이상의 풍력 발전 장치는 외면에 특정 주파수의 전파를 흡수하는 도료가 도포됨으로써 전파에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100...풍력 발전 장치 110...프로펠러
111...날개 113...노즈콘
130...나셀 150...타워
170...RAP층 200...레이더
111...날개 113...노즈콘
130...나셀 150...타워
170...RAP층 200...레이더
Claims (14)
- 바람에 의해 회전하는 프로펠러;
상기 프로펠러의 회전력을 전력으로 변환시키는 나셀(nacelle);
상기 프로펠러 또는 상기 나셀을 지지하는 타워(tower); 및
상기 프로펠러, 상기 나셀, 상기 타워 중 적어도 하나에 도포되고, 전파를 흡수하는 RAP층(Radar Absorbing Paint layer);을 포함하고,
상기 RAP층은 특정 주파수의 전파를 흡수하며,
상기 특정 주파수에 대해 상기 RAP층이 도포된 부위의 RCS는 상기 RAP층이 배제된 부위의 RCS보다 20dBsm 이상 낮고,
상기 특정 주파수는 8.0~12.0GHz의 X 밴드 주파수이며,
상기 RAP층은, 상기 전파를 흡수하는 전파 흡수 재료, 상기 전파 흡수 재료를 상기 프로펠러, 상기 나셀, 상기 타워 중 적어도 하나에 접착시키는 바인더 및 상기 전파 흡수 재료를 용해시키는 용제;를 포함하고,
상기 특정 주파수를 흡수하기 위해 상기 RAP층은 중량 %로 상기 전파 흡수 재료 20~50%, 상기 바인더 10~20%, 상기 용제 40~50%, 나머지 중량의 첨가제를 포함하는 풍력 발전 장치.
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- 제1항에 있어서,
상기 프로펠러, 상기 나셀, 상기 타워의 RCS가 설정값 이상인 부위에 상기 RAP층이 도포되는 풍력 발전 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 RAP층은 상기 프로펠러를 구성하는 각 날개 중 곡면 부위 또는 리딩 에지(leading edge)에 도포되는 풍력 발전 장치.
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- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전파 흡수 재료는 구리, 철, 니켈, 알루미늄, 주석, 아연, 금을 포함하는 금속, 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린을 포함하는 전도성 유기 고분자, 카본, 발포 우레탄, 발포폴리스티렌, 페라이트, 산화철 발열 분말 중 적어도 하나를 포함하는 풍력 발전 장치. - 삭제
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