대형 풍력 복합재 블레이드 개발 이슈

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대형 풍력 복합재 블레이드 개발 이슈

㈜휴먼컴퍼지트

2021. 10. 26

이길성 이사

Human Composites co., Ltd.

회사 소개

기지재

Epoxy Vinylester Polyester

보강재

Glass Carbon Kevlar

신재생 에너지 전문기업 (Green-Composites)

경량화 소재

재생 에너지 (풍력 블레이드) CO₂ 배기가스 절감 (자동차)

복

합

재

료

Human Composites co., Ltd.

잠수함 복합재 구조물 항공기 MRO 부품

의료기기 경량 부품 방탄 복합재

회사 소개

Human Composites co., Ltd.

2020 2020

Commercialization of 2MW(2010~), 3MW(2017~) Development of 3MW & 5MW, 5.5MW blade 50kw

10kw

5MW(68m)

100kw 3MW(66m)

2MW(42m) 2MW(44m) International Certification (DEWI-OCC/GL) International Certification (DEWI-OCC/GL)

2018 2018

3MW(56m)

2016 2014 2016

2014 2012

2012 2007 ~ 2009

2007 ~ 2009

Development of 10kw,50kw,100kw blade

3MW(48m) 5.5MW(68m)

On-shore Off-shore

8MW(100m)

회사 소개

Human Composites co., Ltd.

풍력 발전 산업 현황 : 세계 시장 및 기술 동향

< 해상풍력 시장 전망 >

ü 풍력의 설비 용량은 전세계적으로 증가 추세

- 전체 설비 중 14%, 재생에너지 중 28% 담당 전망(2040년 기준)

ü 해상풍력 시장은 연평균 16%로 성장하여

2030년 115 GW까지 확대될 것으로 전망

대형/ 대용 량

해 상 화

제품 다양 화

* 출처 : BloombergNEF (2018)

Low LCoE (Levelized Cost of Electricity)

Low LCoE (Levelized Cost of Electricity)

High Efficiency High Efficiency

High RAMS

(Reliability, Availability, Maintainability, Serviceability)

High RAMS

(Reliability, Availability, Maintainability, Serviceability) ü 동일한 Platform 활용하여 로터 직경이나

정격용량 증대를 통해 에너지 생산량 극대화 ü 육상은 2~4 MW 주력 제품

해상은 5~10 MW 대형화

ü 해상 구조물 설계 및 설치 등의

기술적 한계 극복으로 해상시장 확대 중 ü 고풍속 해상은 정격용량 증대

저풍속 해상은 로터직경 극대화 제품 적용

ü 다양한 풍황 조건별 최적 모델을 개발하여 시장 범위 확대

ü 100 m 이상 타워 높이 및 하이브리드 타워 적용 증가

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블레이드 제조 주요 공정

1. Mold Preparation

3. SPAR CAP Installation 2. GLASS Lay up

4. VACUUM & INFUSION 5. SHEAR WEB Bonding

6. FINAL BONDING 7. DE-MOLDING

8. POST Process

(Drilling, Painting, Etc.)

블레이드 성형 (2, 4)

① 핵심 공정(적층, Infusion성형)

② 설계 패턴에 따른 적층, 공차

부품조립 및 로딩 (3, 5)

① 고중량 부품 로딩 및 조립

② 조립 공차 및 정밀도

후공정 (8)

① 대면적의 표면 가공 및 도장

② 표면가공 정도, 도장 두께

접착제 본딩 (5, 6)

① Gel T. 이내의 접착제 도포

② 혼합 기공률, 접착 두께

Mold Preparation(1), De-Molding(7)

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복합재료란 무엇인가?

금속, 세라믹, 고분자 재료 따위를

복합하여 만들어 낸 재료

향상하기 위한 것

섬유로 강화한 플라스틱

- Consisting of two or more distinct materials

- 성질이 서로 다른 두 가지 이상의 물질 이 거시적으로 혼합 되어보다 유용한 기능을 발현 하는 재료

- 합금재료와 복합재료의 차이점

합금 재료 복합 재료

혼합 화학적 혼합 기계적 혼합

특징 기존 물질이 소멸 기존 물질이 보존

미세조직 균질 비교적 불균질

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기지재

강화재 복합재료

성형 공정

SEM 이미지

- 높은 가격

- 어려운 성형 공정 - 대량 생산에 불리

단점

- 두 재료의 성질 혼합 - 재료 설계의 유연성 - 재료의 첨단화 가능

장점

복합재료란 무엇인가?

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복합재료란 무엇인가?

진흙

▶ 제비집

- 지푸라기로 기초 틀을 세운 후에 점성이 있는 진흙으로 공간을 채워서 견고한 집을 완성

- 복합재료의

지푸라기

< 예비성형의 원리 >

▶ 풀 먹인 이불

▶ 토담

<수지 함침의 원리 >

<섬유강화의 원리 >

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복합재료란 무엇인가?

- 섬유를

역할 - 섬유 사이의 응력 전달

- 외부로부터 섬유를 보호 - 기계적인 마모에 저항

고분자 수지 (Polymer)

열경화성 수지

- 에폭시

(주로 블레이드, 우주 항공기에 사용)

- 폴리에스터, 비닐에스터

(자동차, 선박, 화학에 사용)

- 페놀 (기능성 복합재료에 사용)

- 폴리이미드

(높은 온도의 우주용으로 사용)

열가소성 수지

- 나일론, 열가소성 폴리에스터, 폴리아 세탈, PAI, PEEK, PSUL, PPS and PEI etc

금속(Metal) - 알루미늄, 타이타늄/마그네슘 합금 - 스테인리스강(고온에서에서 사용)

세라믹(Ceramic) - 산화 알루미늄, 탄소, 실리콘카바이드

- 재료의

- 요구도(기능, 물성, 가격 등)에 따라 강화재 선정 - 원하는 물성을 얻기 위해 기지재와의

적절한 혼합 비율이 중요

종류 단섬유, 장섬유, 불연속섬유, 연속섬유, 입자, 휘스커, 플레이크, 시트 등

섬유 종류 유리, 탄소, 보론, 케블라, 세라믹, 천연섬유 등

유리섬유 초창기 부터 꾸준하게 사용

다른 섬유에 비해 저가형, 강도가 낮음

탄소섬유 첨단 복합재료의 시작

높은 기계적 물성, 경량 고강도 고강성 재료

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블레이드 성형 공정

< Resin Infusion Molding 개요 >

: 몰드 위에 섬유를 적층하고 에서 진공압으로 를 하여

Ø 탄소섬유 적용 초대형 블레이드 성형 기술

- 초대형 풍력 블레이드의

제어 및 관리 - 탄소 섬유 부품 제작을 위한

Resin Infusion 관리 - Resin Infusion 성형공정의 전체 공정 대비

( 수지 미함침, 기포 유입, 미경화 등)

Human Composites co., Ltd.

블레이드 성형 공정

: 몰드 위에 섬유를 적층하고 에서 진공압으로 를 하여

Human Composites co., Ltd.

국내 대형 블레이드 개발 이슈

- Minimize downtime and Maximize service life.

• Validation of innovative designs

• Optimization of construction techniques and materials

• Improved planning for service and maintenance

• Long-term structural integrity during operation

• Individual Pitch Control (IPC)

• Reduction of Operation Risk

- SHM methods for wind turbine blade

(1) visual inspection (2) Vibration-based Method (3) acoustic emission (4) infrared thermography (5) electro-mechanical impedance-based method

(6) optical fiber-based approach (7) piezoelectric transducers

< Optical fiber-based > < Vibration-based >

- On-site Inspection

• Automation platform

• Ultrasonic Probe for Large area & Shape of Blade

- Detecting damage

• Inspection of manufacturing defect

• Ultrasonic Probe for Large area & Shape of Blade

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- Rough global estimates of recycled masses of key wind turbine components in the future

- FRP Composite waste treatment method

• Land fill • Mechanical processes ⇒ Filler / Reinforcement

• Thermal processes ⇒ Energy / Filler & Reinforcement • Thermo-chemical processes ⇒ Filler / Chemicals & resins

- Blade waste treatment method : Mechanical Processes

국내 대형 블레이드 개발 이슈

Human Composites co., Ltd.

Human Composites co., Ltd.

- 블레이드 장기 운용 시 Leading Edge 표면의 Erosion 및 결빙에 의한 표면 거칠기 변화

⇒ 공기 흐름 천이, 양력 감소, 항력 증가

⇒ 에어포일 형상 변화 및 무게 증가

▶ 블레이드의 효율 및 출력 감소

(출력 20% 이상, 유럽 해상 풍력 단지 AEP : €56m~75m 손실)

▶ 블레이드와 터빈의 수명 단축

▶ 운용 중 유지 보수 비용의 증가

국내 대형 블레이드 개발 이슈

Human Composites co., Ltd.

www.3M.com/wind Ice phobic Coating

Human Composites co., Ltd.

감사합니다

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