차세대 윈드 블레이드

풍력 산업은 수평화된 에너지 비용(LCOE)을 줄일 수 있는 방법을 지속적으로 모색하고 있습니다. 한 가지 접근법은 풍차에 의해 포착된 에너지를 증가시키는 것입니다. 이러한 에너지는 풍향 회전날개의 스위핑 영역에 따라 달라지며, 따라서 근본적으로 블레이드 길이에 좌우됩니다. 반면, 블레이드 길이가 증가하면 무게, 설치 비용 및 팁 편향이 증가하여 진행이 제한됩니다. 이러한 트렌드에 대응하는 균형을 맞추는 열쇠는 무게를 줄이고 강성을 높이는 것입니다. 스파 캡은 블레이드의 주요 하중 운반 구조이며 이 균형에서 중요한 역할을 합니다. 도 1는 윈드 블레이드를 구성하는 주요 요소들을 그림으로 나타낸 것이다. 강성 대 중량 비의 최적화는 스파 캡에 탄소 섬유를 사용함으로써 달성된다. 탄소 섬유의 더 높은 모듈러스 및 더 낮은 밀도는 유리 섬유와 비교할 때 독특한 중량 대비 강성비를 제공한다. 비용/성능상의 이점을 고려할 때 탄소 섬유는 새로운 세대의 윈드 블레이드에서 더 많이 사용되고 있습니다. 

윈드 블레이드용 보강재는 에폭시 유리 섬유 주입 스파 튜브에서 탄소 섬유 에폭시 프리-프레그 스파 캡으로 전환되고 있습니다. 이러한 진화는 도 2에 개략적으로 주어져 있다. 탄소 섬유는 초기에 적용된 유리 섬유 주입 스파 튜브와 경쟁하였다. Wetzel Engineering Inc.의 연구 결과, 합성 수준에서 주입된 E-유리 섬유에 비해 프리-프레그 탄소의 강성 대 중량 비율이 4X 더 높은 것으로 보고되었습니다. 이는 길이 57m의 윈드 블레이드에서 평가했을 때 27% 무게 감소를 나타냅니다^[1]. 그러나, 풍력 산업의 가장 최근의 초점은 풍력 블레이드의 새로운 세대에서 예비-프레그에 대한 대안으로서 탄소 섬유 펄프루션 라미네이트를 예비-프레그의 구성성분으로서 적용하는 것에 관한 것이다.

펄트루션은 더 높은 섬유 함량 및 더 나은 섬유 배열과 같은 프리-프레그에 비해 분명한 이점을 제공하여 우수한 기계적 성능을 제공합니다. 인발은 지속적인 자동화 프로세스로서 부품의 일관된 품질, 높은 생산성 및 높은 생산량의 제조를 가능하게 합니다. 분쇄된 프로파일은 임의의 길이로 만들어질 수 있고, 최종 사용자가 필요로 하는 길이까지, 코일러 유닛의 도움으로 압출 라인 말단에 권취될 수 있다. 분쇄된 탄소 프로파일이 완전히 경화되어 블레이드 제조 시설에 도착하면 바로 사용할 수 있습니다! 코일은, 코일을 풀 수 있고, 원하는 길이로 절단된 부품들을 다른 구조 재료에 인접한 블레이드의 길이를 따라 정밀하게 박을 수 있다. 단일 주입 단계는 탄소 프로파일을 다른 모든 블레이드 구조 요소와 결합시킨다. 그림 4는 펄트루션에 의한 스파 캡 제조에 필요한 상기 단계의 그림이다.

공정 간소화는 프리프레그에 비해 추가적인 장점으로, 공급 및 보관 중에 냉장 보관해야 합니다. 전용 몰드가 필요한 진공 경화 공정에서는 비용과 시간이 많이 소요되는 단계를 거쳐야 합니다. 진공 경화-제조 단계의 제거는 DowAksa 내부 추정에 기초하여 펄프화를 사용할 때 25%의 자본 비용 절감으로 이어집니다.

이전 섹션에서 언급한 바와 같이, 펄트루션은 일정한 단면의 높은 섬유 함량 복합체를 생산하기 위한 연속 공정이며, 고전적인 라인 레이아웃이 도 4에 나타나 있다. 이 공정은 풀러/클램핑 시스템에 의존하여 수백 개의 고강도 섬유를 크레일로부터 함침조를 향해 끌어당기고, 여기서 열경화성 수지는 필라멘트 다발 내로 침투한다. 습식 섬유를 특별히 설계된 엔트리 플레이트에 의해 압착한 다음, 수지가 다이 벽으로부터 분리되는 것을 경화 및 고형화하는 가열된 강철 다이 내로 도입한다. 프로파일의 단면은 다이 기하학에 의해 정의된다. 다이를 빠져나가는 물질은 당김 시스템에 의해 잡혀서 계속 잡아당깁니다. 마지막 단계에서, 절단 톱 스테이션은 프로파일을 원하는 길이로 절단한다. 

에폭시 또는 비닐 에스테르 수지와 달리, 폴리우레탄은 기존의 개방형 욕조 분쇄 기술을 사용하여 가공할 수 있으며, 폐쇄 주입 분쇄가 필요합니다. 이는 폴리올과 이소시아네이트가 주위 온도에서도 함께 혼합된 후 즉시 반응하기 시작하는 사실 때문입니다. 표준 폴리우레탄 혼합 및 주사 기계는 특수 개조된 맥동 주사 박스에 연결해야 합니다. 적절한 주입 박스 설계는 짧은 시간 내에 수천 개의 필라멘트를 함유하는 수백 개의 토우를 중합체 골에 적절히 침투시킬 수 있는 실질적인 노하우를 필요로 한다 (주입 박스 내의 체류 시간). 도 6은 종래의 “개방형 목욕” 펄트루션 배치와 폴리우레탄 처리에 필요한 근접 주입 시스템을 비교하는 일반적인 그림 표시이다. 

밀폐형 주입 압출에 대한 중요 성능 요건은 반응성 혼합물의 초기 점도가 낮고 주변 온도에서 실질적인 중합 반응이 없습니다. 반대로, 높은 경화도에 도달하기 위해서는 압출 다이에서 매우 빠른 중합 속도가 필요합니다. 이 개념은 업계에서 “스냅 경화” 또는 “하키 스틱” 반응성 프로파일로 지칭된다. 지난 10년 동안 폴리우레탄 유리 섬유 폐쇄 주입이 실시되었지만, 탄소 섬유 폴리우레탄 펄프화는 더 낮은 탄소 섬유 필라멘트 직경의 부가적인 복잡성을 갖는다. 유리 섬유 필라멘트 직경은 20-25μm이고, 탄소 섬유 직경은 5 내지 7μm 범위이다. 이로 인해 24K 또는 50K의 이러한 필라멘트를 함유할 수 있는 탄소 섬유 토우는, 제한된 폴리우레탄 탄소 펄프화 증식을 갖는 사실인, 낮은 인트라-토우 다공성(Darcy의 법칙)으로 인해 함침하기가 매우 어렵다. Dow에서 새로 개발한 저점도 폴리우레탄 시스템인 VORAFORCE™ TP1270EU /1300은 이러한 중요한 요건을 염두에 두고 설계되었습니다. 실제로 폴리올의 적절한 혼합물과 저점도 이소시아네이트의 사용은 필요한 낮은 초기 점도를 달성했습니다. 다양한 촉매제 및 몰드 이형제에 대한 체계적인 연구 및 상호 작용으로 Dow 과학자들은 폴리우레탄 시스템의 반응성 프로파일을 최적화하여 탄소 섬유 펄프화를 가능하게 했습니다.

그러나 이 개발은 레진 디자인에만 국한된 것이 아닙니다. DowAksa는 Dow의 강력한 지원을 받아 파괴적인 폐쇄형 주입 시스템 구축에 중점을 두었습니다. 주입 박스(I-Box)는 주입 시스템의 기본 부분이며, 그 설계는 새로운 공정의 핵심 요소 중 하나가 되는 실질적인 노하우를 필요로 합니다. 다우의 개발된 수지 시스템에서 유동성 및 동역학 매개변수를 결정하고, 다우의 전산 모델러가 다양한 주입 박스 설계에서 유체 역학을 시뮬레이션하고, 펄트루션 다이에서 경화 동역학을 시뮬레이션하는 데 사용했습니다. 공정 데이터와 비교하여 전산 유체 역학 모델(CFD) 및 유한 요소 분석(FEA)을 교정하고, 서로 다른 조건 하에서 속도 및 경화도에 대한 예측에 사용하였습니다^[2]그림 7은 Dow 및 DowAksa 엔지니어와 과학자들이 예측 모델 및 공정 데이터에 대해 어떻게 작업하여 폐쇄된 사출 박스 시스템을 사용하여 탄소 섬유의 엄격한 함침 요건을 충족시키기 위한 최적의 하드웨어를 설계하는 방법을 재현합니다.

Dow와 DowAksa가 극복한 중대한 도전 과제는 다음의 실제 예에서 설명할 수 있습니다. 부피가 약 70%의 탄소 섬유를 함유하는 스파르 캡용 분쇄된 라미네이트에서, 1천만 개 이상의 단일 탄소 필라멘트가 존재한다. 이러한 필라멘트는 일반적으로 1분 미만의 인젝션 박스에서 체류 시간을 갖는 폴리우레탄 수지와 만나는 인젝션 박스를 지속적으로 잡아당긴다. 함침은 완벽해야 합니다. 코일의 전체 길이에 맞는 건조한 부분은 크랙 개시제 역할을 할 수 있으므로 허용되지 않습니다. 코일의 길이는 280-300m 정도일 수 있고, 현재 처리량 수요는 주당 수 천 킬로미터 정도입니다. 그림 8은 크레일에서 풀리는 수백 개의 탄소 보빈과 주입 박스로 향하는 탄소 토우를 보여줍니다. 그림 9는 섬유의 우수한 습윤을 확인한 프로파일의 단면에 대해 실행되는 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 보여줍니다. 온라인 비파괴 분석(NDT)은 건조 지점 탐지를 위해 생산을 지속적으로 스캔하여 지금까지 생산된 수백만 미터에서 우수한 함침이 일관되게 전달되도록 합니다. 이는 DowAksa와 Dow가 새로운 기술로 해결한 엄청난 기술적 도전의 맛만을 제공합니다.

탄소 섬유와 결합된 VORAFORCE™ TP1270EU /1300 폴리우레탄의 폐쇄 주입 펄프화는 최고의 기계적 특성과 생산성 균형을 제공합니다. 통제된 조건 하에서, 상업적 규모의 펄트루션 라인에서의 실험은 벤치마킹 목적으로 Dow 및 DowAksa에 의해 실행되었다. VORAFORCE™ TP1270EU /1300 폴리우레탄은 동급 최고의 에폭시 및 비닐-에스테르 펄프화 등급과 비교되었습니다. 탄소 섬유의 함량을 모든 실시에 대해 62% 섬유 부피 분율로 고정시켰다. 에폭시 및 비닐 에스테르를 고전적인 개방형 수조 구성에서 1X 속도로 가동한 반면, VORAFORCE™ TP1270/1300을 대조군의 속도보다 3X 더 빠른 폐쇄 주입 구성으로 가동하였다. 도 10은 스파이더 플롯의 결과를 요약한다. VORAFORCE™ TP1270/1300의 결과로정규화된 기계적 특성 ^[3]은 섬유 방향에 대해 교차 테스트된특성에 90도 기호로 표시되고, 섬유 방향을 따라 테스트된 특성은 0도로 표시됩니다.

에폭시의 특성은 VORAFORCE™ 1270/1300의 약 80%에서 떨어지지만, 나중에는 펄프 라인에서 3X 더 빠르게 작동합니다. 상용 등급의 비닐-에스테르 대조군과 비교했을 때, VORAFORCE™ TP1270EU /1300은 특히 수지가 더 큰 충격을 갖는 교차 방향으로 매우 우수한 기계적 특성을 분명히 입증하였다. 또한 폴리우레탄은 스티렌이 들어 있지 않아 보다 건강한 작업 환경을 제공합니다. 폐쇄 주입 펄프화는 휘발성 유기 화합물 방출을 제한하며 산업 위생 측면에서 매우 깨끗한 공정에 기여합니다.

후속 현장 실험에서 모델링 예측과 일치하게^[2], VORAFORCE TP1270EU /1300은 높은 펄프화 속도에서 90% 이상의 경화도에 도달하고^[2], 이는 VORAFORCE TP1270/1300의 경화 동역학이 생산성 증가를 지속하는 제한 요인이 되지 않고, 에폭시의 역사적 속도 제약을 무력화한다는 것을 보여줍니다. 이로써 DowAksa 및 Dow 기술은 풍력 산업을 위한 스파르 캡의 증가하는 수요를 충족시키기 위한 매우 경쟁력 있는 솔루션으로 자리매김하고 있습니다.

Dow와 DowAksa의 협력적 혁신의 결과, 새로운 세대의 윈드 블레이드 디자인을 발전시키는 데 도움이 되는 새로운 기술이 탄생했습니다. 획득한 제품은 최고의 기계적 성능/생산성 비율을 제공하며, 윈드 블레이드 스파 캡 응용제품에 사용되는 기존 기술 및 제품과 비교할 때 가공을 간소화합니다.

이 새로운 기술은 안정적인 가공 및 고품질 제품을 가능하게 하기 위해 화학에서 하드웨어에 이르기까지 공정 체인을 따라 개발을 필요로 했습니다. DowAksa 분쇄 프로파일은 주요 글로벌 Windmill 제조업체인 Vestas Wind Power AS의 엄격한 제품 요건을 통과했으며, 2019년에 완전한 자격을 획득하여 윈드 블레이드 스파 캡 응용제품을 위해 Pultrusion에서 생산된 세계 최초의 상용 폴리우레탄 기반 복합물이 되었습니다. 지금까지 수백만 미터의 분쇄 프로필이 최고 품질의 Vestas에 성공적으로 전달되어, 새로 개발된 기술의 견고성을 입증해 보였습니다. 이 프로젝트는 향상된 터빈 효율을 제공하기 위해 첨단 가공 기술로 만든 신뢰할 수 있고 혁신적인 제품을 제공함으로써 풍력 설비에 대한 수요 증가를 지원합니다. 이 새로운 원료는 과학의 힘과 더 나은 미래를 만드는 데 도움이 되는 무한한 잠재력을 보여줍니다.