KR20170086071A

KR20170086071A - 풍력 터빈 블레이드용 피뢰 시스템을 위한 완전 절연 팁 유닛 및 이를 포함하는 풍력 터빈 블레이드

Info

Publication number: KR20170086071A
Application number: KR1020177016308A
Authority: KR
Inventors: 캐스퍼 폴켄스트롬 미에리츠; 킴 베르텔센; 소렌 핀드 매드슨; 토마스 홀름 크로그
Original assignee: 글로벌 라이트닝 프로텍션 서비시즈 에이/에스
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2017-07-25
Also published as: BR112017010130A2; CN107076123A; US20170321661A1; ES2934224T3; JP6467050B2; CN107076123B; JP2017538255A; WO2016074677A1; EP3218596B1; US10612526B2; EP3218596A1

Abstract

풍력 터빈 블레이드(2)용 피뢰 시스템을 위한 완전 절연 팁 유닛(1)이 개시되며, 전기 도선성 팁(3)으로서, 상기 팁은 외측부(4) 및 내측부(5)로 이루어지는 전기 도전성 팁, 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스(6), 내부 팁 유닛 도체(8), 인하 도선(10)의 최외측부를 형성하기 위한 절연 전기 케이블(9), 및 상기 절연 전기 케이블과 상기 팁 유닛의 다른 도전부 사이의 전기적 연결을 구축하기 위한 연결 요소(12)를 포함하고, 상기 팁의 내측부, 상기 측면 리셉터 베이스(들), 상기 내부 팁 도체, 상기 연결 요소 및 상기 절연 전기 케이블의 일단부는 모두 주조에 의해 절연 재료(13)에 매립되고, 이는 팁의 외측부 및 절연 전기 케이블의 다른 단부만을 절연 재료에 의해 피복되지 않게 한다. 또한, 이러한 팁 유닛을 포함하는 풍력 터빈 블레이드가 개시된다.

Description

풍력 터빈 블레이드용 피뢰 시스템을 위한 완전 절연 팁 유닛 및 이를 포함하는 풍력 터빈 블레이드{A FULLY INSULATED TIP UNIT FOR A LIGHTNING PROTECTION SYSTEM FOR A WIND TURBINE BLADE AND A WIND TURBINE BLADE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 팁 리셉터(receptor) 및 전기 절연 재료로 피복된(covered) 하나의 유닛으로 함께 매립되어 있는 적어도 하나의 측면 리셉터를 포함하는, 풍력 터빈 블레이드용 피뢰 시스템을 위한 팁 유닛에 관한 것이다.

풍력 터빈 블레이드에 대한 대부분의 공지된 피뢰 시스템은 하나 이상의 내부 배치된 인하 도선 및 블레이드의 외부 표면 상에 배치된 다수의 낙뢰 리셉터를 포함한다.

번개(lightning strike)가 풍력 터빈 블레이드를 의도된 위치에, 즉 외부 부착 지점, 소위 낙뢰 리셉터 상에 공격하는 것뿐만 아니라 블레이드의 구조를 직접 통해 피뢰 시스템의 내부 도전부를 타격하는 것은 이러한 시스템의 잘 알려진 문제다. 이러한 사고는 낙뢰 충격과 관련하여 일반적으로 방출되는 다량의 에너지로 인해 풍력 터빈 블레이드에 심각한 구조적 손상을 일으킬 수 있다.

또 다른 잘 알려진 문제는 피뢰 시스템의 외부 낙뢰 리셉터가 낙뢰 충격에 의해 손상될 수 있으며, 따라서 그들이 받는 낙뢰 충격의 횟수에 따라 이러한 리셉터의 수명이 제한된다는 것이다.

본 발명의 목적은 본 분야에 공지된 전술한 해결책의 단점들을 적어도 부분적으로 극복하는, 풍력 터빈 블레이드용 피뢰 시스템을 위한 해결 팁을 제공하는 것이다.

본 발명은 풍력 터빈 블레이드용 피뢰 시스템을 위한 완전 절연 팁 유닛에 관한 것으로, 상기 팁 유닛은, 풍력 터빈 블레이드용 전기 도전성 팁으로서, 상기 팁이 외측부와 내측부로 이루어지고, 상기 외측부는 팁 리셉터를 형성하는, 전기 도전성 팁, 각각의 측면 리셉터(들)과 측면 리셉터 베이스(들) 사이에 전기적 연결이 구축되는 방식으로 상기 블레이드의 외부 표면 상에 배치된 하나 이상의 측면 리셉터의 기계적 장착을 위해 전기 도전성 재료로 제조된 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스, 상기 팁 리셉터의 내측부와 측면 리셉터 베이스(들) 사이에 전기적 연결을 형성하기 위한 내부 팁 유닛 도체, 상기 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스로부터 상기 블레이드의 루트 단부를 향하여 상기 풍력 터빈 블레이드 내측으로 그 길이 방향으로 연장되는 인하 도선의 최외측부를 형성하기 위한 절연 전기 케이블, 및 상기 절연 케이블과 상기 팁 유닛의 다른 도전부 사이의 전기적 연결을 구축하기 위한 연결 요소를 포함하며, 상기 팁의 내측부, 상기 측면 리셉터 베이스(들), 상기 내부 팁 도체, 상기 연결 요소 및 절연 전기 케이블의 일단부는 모두 주조에 의해 절연 재료에 매립되며, 이는 상기 팁의 외측부 및 절연 전기 케이블의 다른 단부만을 절연 재료에 의해 피복되지 않게 한다.

전술한 바와 같이 구성된 팁 유닛을 사용함으로써, 피뢰 시스템의 내측부에 직접적으로, 즉 풍력 터빈 블레이드 구조를 통해 번개 충격의 위험이 제거되거나 또는 풍력 터빈 블레이드의 팁부에서 적어도 상당히 감소된다는 것이 얻어진다.

본 발명의 실시예에서, 절연 전기 케이블은 비차폐 고전압 케이블이다.

고전압 케이블의 사용은 번개 충격의 경우에 발생하는 것과 같은 큰 전위차를 견디기에 충분한 케이블 절연부가 이러한 케이블에 구비된다는 점에서 유리하다.

본 발명의 실시예에서, 연결 요소는 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스에 일체화되어 있다.

측면 리셉터 베이스에 연결 요소의 일체화는 팁 유닛 내의 적은 수의 구성 요소 및 적은 전기적 연결 지점을 가져온다.

본 발명의 실시예에서, 내부 팁 유닛 도체는 절연 전기 케이블의 일부에 의해 형성된다.

절연된 케이블의 일부가 내부 팁 유닛 도체를 형성하는 것은, 팁 유닛 내의 적은 수의 구성 요소의 수 및 적은 전기적 연결 지점을 가져온다.

본 발명의 실시예에서, 케이블 절연부는 내부 팁 유닛 도체를 형성하는 절연 전기 케이블부로부터 제거된다.

내부 팁 유닛 도체를 형성하는 절연 전기 케이블부로부터 케이블 절연부를 제거하는 것은 팁 유닛을 위한 보다 쉽고 간단한 제조 공정을 용이하게 한다.

본 발명의 실시예에서, 팁의 외측부의 최외측 지점과 팁에 가장 가까운 측면 리셉터 베이스의 중심 사이의 거리는 0.3 m와 2 m 사이, 바람직하게는 0.8 m와 1.2 m 사이이다.

설명된 거리 범위는 팁 리셉터와 풍력 터빈 블레이드의 가장 가까운 측면 리셉터 사이의 최적화된 거리를 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에서, 팁으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 측면 리셉터 베이스의 중심과 절연 전기 케이블이 팁 유닛의 주조부를 빠져 나가는 지점 사이의 거리는 0.1 m와 0.5 m 사이, 바람직하게는 0.15 m와 0.3 m 사이이다.

설명된 거리 범위는 팁 유닛의 내측부에 대한 번개 직접 충격에 대한 충분한 보호를 보장하는 것으로 입증되었다.

본 발명의 실시예에서, 팁의 외측부는 팁 유닛의 나머지 부분에 릴리스 가능하게 부착된다.

팁의 릴리스 가능하게 부착된 외측부의 사용은 지나치게 많은 및/또는 너무 심한 번개의 충격에 의해 손상 파괴된 경우 외측부, 즉 피뢰 시스템의 팁 리셉터의 교체를 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에서, 팁의 외측부 및 내측부는 하나의 공통 부분으로 일체화된다.

팁 유닛의 외측 및 내측부를 하나의 공통 부분으로 일체화하는 것은 팁 유닛 내 적은 수의 구성 요소 및 적은 전기적 연결 지점을 가져온다.

본 발명의 실시예에서, 팁 유닛은 접착제 수단에 의해 풍력 터빈 블레이드에 부착된다.

팁 유닛을 풍력 터빈 블레이드에 부착하기 위해 접착제를 사용하는 것은 풍력 터빈 블레이드의 구조부가 침투되거나 또는 다른 방식으로는 부착과 관련하여 약화될 필요가 없다는 것을 의미한다.

본 발명의 실시예에서, 주조에 사용되는 절연 재료는 고분자 재료, 고분자 나노 복합 재료, 열가소성 재료, 열경화성 재료, 절연 발포체 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 적어도 하나의 재료를 포함한다.

설명된 유형의 재료들은 이러한 목적에 필요한 요구되는 기계적 및 전기적 특성을 갖는 다수의 재료들을 포함하는 것으로 입증되었다.

본 발명의 실시예에서, 주조된 절연 재료의 최소 두께는 3 mm과 30 mm 사이, 바람직하게는 5 mm과 15 mm 사이이다.

설명된 두께 범위는 팁 유닛의 내측부에 대한 직접적인 번개 충격을 피하기 위한 충분한 절연부를 보장하는 것으로 입증되었다.

본 발명의 실시예에서, 주조에 사용되는 절연 재료는 팁 유닛의 외부 표면과 팁 유닛 내부의 도전부 사이에서 적어도 20 kV, 바람직하게는 적어도 200 kV의 전위차를 견디도록 치수가 정해진다.

설명된 범위 내에서의 전위차에 대한 보호는 팁 유닛의 내측부에 대한 번개의 직접적인 충격에 대해 원하는 보호를 얻기에 충분한 것으로 입증되었다.

본 발명의 실시예에서, 팁의 외측부는 적어도 부분적으로 구리 또는 구리 합금으로 이루어진다.

구리의 사용은 매우 높은 전기 도전성, 높은 열전도율을 보장하고, 따라서 아크 부착 공정을 처리하기 위한 우수한 특성을 보장한다. 또한, 구리의 사용은 팁의 외측부에 발열 용접 공정을 사용 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에서, 팁의 외측부는 적어도 부분적으로 텅스텐 카바이드로 이루어진다.

텅스텐 카바이드의 사용은 높은 전기 도전성, 높은 열전도율, 매우 높은 용융 온도를 보장하고, 따라서 번개로부터의 전하 침식(charge erosion)에 대한 낮은 서셉턴스(susceptance)를 보장한다. 특히, 다른 재료에 적용된 텅스텐 카바이드 코팅은 롱 스트로크(stroke) 구성 요소에 대해 입증된 높은 성능을 가진다. 탄화물의 화학적 안정성이 높으며, 이는 부식 관련 문제의 위험이 크게 감소된다는 것을 의미한다.

본 발명의 실시예에서, 팁의 외측부는 적어도 부분적으로 스틸로 이루어진다.

스틸의 사용은 매우 높은 기계적 강도를 보장하고 비교적 낮은 비용으로 부식 관련 문제의 위험을 감소시킨다. 또한 스틸의 사용은 발열 용접 공정을 사용하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에서, 팁의 외측부는 적어도 부분적으로 알루미늄으로 이루어진다.

알루미늄의 사용은 비교적 낮은 비용으로 용이한 기계 가공을 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에서, 팁의 내측부는 적어도 부분적으로 철로 이루어진다.

철의 사용은 높은 기계적 강도를 보장하고 비교적 낮은 비용으로 용이한 기계 가공을 가능하게 한다. 또한 철의 사용은 발열 용접 공정을 사용 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에서, 팁의 내측부는 적어도 부분적으로 구리로 이루어진다.

구리의 사용은 매우 높은 전기 도전성을 보장하고 부식 관련 문제의 위험을 감소시킨다. 또한, 구리의 사용은 팁의 외측부에 발열 용접 공정을 사용 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에서, 팁의 내측부는 적어도 부분적으로 황동으로 이루어진다.

황동의 사용은 구리의 유리한 특성 중 적어도 일부가 저비용으로 그리고 덜 연성인 재료로 얻어질 수 있다는 것을 의미한다. 내부식성 황동의 사용은 열악한 환경에 대한 양호한 순응(compliance)을 보장한다.

본 발명의 실시예에서, 내부 팁 유닛 도체는 발열 용접에 의해 팁의 내측부에 기계적 및 전기적으로 연결된다.

발열 용접의 사용은 매우 강한 기계적 연결을 야기하고, 매우 양호한 전기적 연결을 보장한다.

본 발명의 실시예에서, 팁의 내측부는 적어도 부분적으로 알루미늄으로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서, 내부 팁 유닛 도체는 컨택 맨드릴 크림핑(Contact Mandrel Crimping)과 같은 크림프 연결에 의해 팁의 내측부에 기계적 및 전기적으로 연결된다.

컨택 맨드릴 크림핑의 사용은 비용 효율적인 기계적 및 전기적 연결을 가져온다.

본 발명의 실시예에서, 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스는 적어도 부분적으로 알루미늄으로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서, 내부 팁 유닛 도체 및/또는 절연 전기 케이블은 컨택 맨드릴 크림핑에 의해 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스에 기계적 및 전기적으로 연결된다.

컨택 맨드릴 크림핑의 사용은 비용 효율적인 기계적 및 전기적 연결을 야기한다.

본 발명의 실시예에서, 내부 팁 유닛 도체 및/또는 절연 전기 케이블은 발열 용접에 의해 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스에 기계적 및 전기적으로 연결된다.

발열 용접의 사용은 매우 강한 기계적 연결을 야기하며, 매우 양호한 전기적 연결을 보장한다.

본 발명의 실시예에서, 절연 전기 케이블은 측면 리셉터 베이스 상에 볼트로 고정된 케이블 러그에서 종결된다.

볼트로 고정된 케이블 러그의 사용은 비용 효율적이고 안전한 기계적 및 전기적 연결을 야기한다.

본 발명의 실시예에서, 특정 유형의 풍력 터빈 블레이드에 사용되는 팁 유닛의 바람직한 외부 기하학적 구조 및 치수는 표준화된 팁 유닛의 외부 표면에 여분의 재료를 첨가함으로써 미리 정의된 특정 기하학적 구조 및 최소 치수를 갖는 표준화된 팁 유닛의 맞춤화를 통해 얻어진다.

맞춤화된 표준화된 팁 유닛의 사용은 보다 표준화되고 따라서 보다 비용 효율적인 생산을 가능하게 한다.

본 발명의 실시예에서, 첨가된 여분의 재료는 팁 유닛의 주조에 사용되는 것과 동일한 절연 재료이고 팁 유닛의 주조 및 여분의 재료의 첨가는 단일 공정으로 수행된다.

주조 공정의 일부로 여분의 재료를 첨가하는 것은 단순하고 보다 비용 효율적인 생산을 야기한다.

본 발명의 실시예에서, 첨가된 여분의 재료는 풍력 터빈 블레이드의 내부 셸과 내부에 배치된 표준화된 팁 유닛 사이의 캐비티를 채우도록 첨가된 발포 재료이다.

풍력 터빈 블레이드에 표준화된 팁 유닛을 배치한 후에 여분의 재료를 첨가하는 것은 다른 유형의 풍력 터빈 블레이드에서 팁 유닛의 사용 유연성을 증가시킨다.

본 발명의 다른 양태에서, 전술한 바와 같은 팁 유닛을 포함하는 풍력 터빈 블레이드에 관한 것이다.

이하에서, 본 발명의 일부의 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명되며,
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 팁 유닛을 갖는 풍력 터빈 블레이드의 팁부의 개략도이고,
도 2a는 절연 재료가 제거된 본 발명의 실시예에 따른 팁 유닛의 사시도이고,
도 2b는 절연 재료를 포함하는 도 2a에 도시된 팁 유닛의 사시도이고,
도 3a는 도 2b에 도시된 팁 유닛의 측면도이고,
도 3b는 도 3a에 도시된 팁 유닛의 단면도이고,
도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 팁 유닛의 팁의 내측부의 개략도이고,
도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 팁 유닛의 팁의 내측부의 개략도이고,
도 4c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 팁 유닛의 팁의 내측부의 개략도이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 측면 리셉터 베이스의 개략도이고,
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 측면 리셉터 베이스와 본 발명의 실시예에 따른 팁 유닛의 다른 전기 도전부 사이의 기계적 및 전기적 연결의 형성을 개략적으로 도시하고,
도 6c 및 도 6d는 도 5에 도시된 측면 리셉터 베이스와 본 발명의 두 개의 다른 실시예에 따른 팁 유닛의 다른 전기 도전부 사이의 기계적 및 전기적 연결의 개락적인 단면도이고,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 팁 유닛의 측면 리셉터 베이스부와 풍력 터빈 플레이드 쉘 사이의 기계적 연결의 개략적인 단면도이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 팁 유닛(1)이 풍력 터빈 블레이드(2)의 팁 단부에 배치될 수 있는 방법을 도시한다. 바람직하게는, 팁 유닛(1)은 2성분 에폭시 접착제, 빠른 경화 폴리우레탄 접착제, 2성분 폴리우레탄 접착제, 2성분 경화 아크릴레이트 접착제 또는 다른 고분자 접착제와 같은 적절한 접착제에 의해 풍력 터빈 블레이드(2)에 부착된다.

도 2a 및 도 2b를 참조하여 아래에 더 상세하게 설명된 팁 유닛(1)은, 팁(3)의 외측부(4)가 풍력 터빈 블레이드(2)의 팁을 형성하고, 절연 케이블(9)이 루트 단부의 방향으로 풍력 터빈 블레이드(2)의 길이 방향 축을 따라 연장되는 인하 도선(10)의 최외측부를 형성하는 방식으로, 그 길이 방향 축이 풍력 터빈 블레이드(2)의 길이 방향 축과 적어도 실질적으로 평행하게 배치된다.

도 2a는 절연 재료(13)가 제거된 본 발명의 실시예에 따른 팁 유닛(1)의 개략적인 사시도이다. 도시된 팁 유닛(1)은 내부 팁 유닛 도체(8)를 통해 측면 리셉터 베이스(6)에 전기적 및 기계적으로 연결된 4개의 전기적 도전 요소, 즉 팁(3)의 외측부(4) 및 내측부(5)를 포함한다. 내부 팁 유닛 도체(8)는 내부에 일체화된 연결 요소(12)에 의해 측면 리셉터 베이스(6)에 연결된다. 풍력 터빈 블레이드(2)의 피뢰 시스템의 인하 도선(10)의 최외측부를 형성하는 절연 전기 케이블(9)은 동일한 연결 요소(12)에 의해 측면 리셉터 베이스(6)에 연결된다. 따라서, 팁 유닛(1)의 모든 전기적 도전부들(5, 6, 8, 9)은 전기적 및 기계적으로 서로 연결된다.

도 2b는 절연 재료(13)가 제거되지 않았다는 것을 제외하고는 도 2a와 동일한 팁 유닛(1)을 도시한다. 따라서, 팁 유닛(1)으로부터 내측으로 풍력 터빈 블레이드(2)의 루트 단부를 향햐여 인하 도선(10)을 형성하는 절연 전기 케이블(9) 부분 및 팁(3)의 내측부(5)의 단부로부터 멀리 떨어져서, 팁 유닛(1)의 모든 전기 도전부(5, 6, 8, 9)는 고분자 나노 복합 재료, 열가소성 재료, 열경화성 재료 절연 발포체 또는 이들의 임의의 조합과 같은 전기 절연 재료(13)에 의해 완전히 피복된다. 이 절연 재료(13)의 두께, 기하학적 구조 및 재료 특성은 낙뢰 노출 및 풍력 터빈 블레이드의 정상 작동 중에 환경 조건(진동, 온도, 온도 사이클, 습도 등) 및 전기장을 견디도록 치수가 정해진다.

따라서, 두 가지 방법이 있는데, 번개가 팁 유닛(1)의 내측부(5, 6, 8, 9)에 도달할 수 있고, 그에 의해 인하 도선(10) 부분이 풍력 터빈 블레이드(2)의 이 부분을 통해 연장된다. 하나는, 팁(3)의 외측부(4)에 의해 형성된 피뢰 시스템의 팁 리셉터를 통하는 것으로서, 팁(3)의 내측부(5)에 전기 절연 재료(13)에 의해 피복되지 않은 단부 부분을 통해 기계적 및 전기적으로 연결된다. 다른 방법은, 쉘의 외부 표면 상에 배치되거나 또는 풍력 터빈 블레이드(2)의 쉘 표면과 동일 평면 상에 배치되는 측면 리셉터(7)(도면에 도시되지 않음)를 통하는 것이며, 팁 유닛(1) 자체의 일부분이 아니다. 측면 리셉터(7)는 풍력 터빈 블레이드(2)의 쉘(24)(도면에 도시되지 않음) 및 측면 리셉터 베이스(6)를 피복하는 전기 절연 재료(13)의 관통을 통해 측면 리셉터 베이스(6)에 기계적 및 전기적으로 연결된다. 번개가 풍력 터빈 블레이드(2)의 외부 표면 상에 배치된 팁 리셉터 및 측면 리셉터(7)를 통해 내부 피뢰 시스템에 도달할 수 있다는 사실은 풍력 터빈 블레이드(2)의 이 부분의 구조부를 통과하는 번개가 없다는 것을 의미한다. 이로써, 풍력 터빈 블레이드(2)의 팁의 구조부의 손상 또는 파괴의 위험이 제거되거나 또는 적어도 상당히 감소된다.

측면 리셉터 베이스(6)에 대해 팁 유닛(1)의 원통부의 단부에서, 절연 재료(13)는 도 8a 및 도 8b를 참조하여 이하에 더 상세하게 설명된 바와 같이 접착 재료(23)(도면에 도시되지 않음)의 배치를 위해 그 표면에 오목부를 형성한다.

도 3a 및 3b는 각각 도 2b에 도시된 팁 유닛(1)의 측면도 및 단면도이다.

도 4a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 팁 유닛(1)의 팁(3)의 내측부(5)의 개략도이다. 팁(3)의 내측부(5)가 만들어진 전기 도전 재료에 따라, 내부 팁 유닛 도체(8)는 발열 용접 또는 크림프 연결과 같은 상이한 방법, 예를 들어 컨택 맨드릴 크림핑을 사용하여 기계적 및 전기적으로 연결될 수 있다.

도 4b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 팁 유닛(1)의 팁(3)의 내측부(5)의 개략도이다. 이 실시예는, 팁(3)의 내측부(5)에는 팁(3)의 외측부(4)(도시되지 않음)의 부착을 용이하게 하기 위한 플랜지(14)가 구비된다는 사실에 의해 도 4a에 도시된 것과 다르다.

도 4c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 팁 유닛(1)의 팁(3)의 내측부(5)의 개략도이다. 이 실시예에서, 팁(3)의 내측부(5)에는 팁(3)의 외측부(4)(도시되지 않음)의 부착을 위한 한 쌍의 장착 구멍(15)이 구비된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 팁 유닛(1)의 측면 리셉터 베이스(6)의 사시도이다. 기본적으로, 측면 리셉터 베이스(6)는 예를 들어 구리 또는 알루미늄과 같은 전기 도전 재료로 제조된 원통형으로 이루어진다. 도시된 실시예에서, 연결 요소(12)는 관통 보어(12)의 형태로 측면 리셉터 베이스(6)에 일체화되어 있다. 오목부(16)는 도 6a 및 6b에 대하여 이하에 상세하게 설명된 바와 같이 가압 공구(18)(도면에 도시되지 않음)에 접근하기 위한 관통 보어(12)에 평행하고, 그로부터 짧은 거리에 형성되어 있는 원통의 표면에 제조된다. 측면 리셉터(7)(도면에 도시되지 않음)는 풍력 터빈 블레이드(2) 및 팁 유닛(1)을 피복하는 전기 절연 재료(13)의 관통을 통해 측면 리셉터 베이스(6)의 단부 표면(17)으로 그 일부를 드릴링/나사 결합함으로써 측면 리셉터 베이스(6)에 기계적 및 전기적으로 연결될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 측면 리셉터 베이스(6)와, 본 발명의 실시예에 따른 팁 유닛(1)의 내부 팁 유닛 도체(8)와 절연 전기 케이블(9) 사이의 기계적 및 전기적 연결의 형성을 개략적으로 도시한다.

도전부(8, 9)는 측면 리셉터 베이스(6)의 관통 보어에 의해 형성된 연결 요소(12)에 위치되고, 가압 공구(21)는 내부 팁 유닛 도체(8)와 절연 전기 케이블(9)에 대해 오목부(16)와 관통 보어(12) 사이의 비교적 얇은 벽을 가압하는 데 사용되며, 측면 리셉터 베이스(6)와 이들 도전부(8, 9) 사이에 고체 및 신뢰성 있는 기계적 및 전기적 연결이 형성된다. 가압 공구(21)의 작업은 도 6b의 프레스 마크(22)(press mark)에 의해 개략적으로 도시된다.

도 6에 도시된 실시예에서 측면 리셉터 베이스(6)를 형성하는 원통의 2개의 단부 표면은, 팁 유닛(1)이 그 안에 장착되었을 때 풍력 터빈 블레이드(2)(도면에 도시되지 않음)의 내측 셸부의 표면과 정렬되도록 약간 경사져 있다.

도 6c 및 도 6d는 도 5에 도시된 측면 리셉터 베이스(6)와 본 발명의 두 개의 다른 실시예에 따른 팁 유닛(1)의 다른 전기 도전부(8, 9) 사이의 기계적 및 전기적 연결의 개략적인 단면도이다.

도 6c에 도시된 제1 실시예에서, 내부 팁 유닛 도체(8) 및 절연 전기 케이블(9)은 각각 두 개의 단부로부터 연결 요소(12)를 형성하는 관통 보어에 위치된 두 개의 상이한 부분으로 이루어진다. 한편, 도 6d에 도시된 다른 실시예에서, 내부 팁 유닛 도체(8) 및 절연 전기 케이블(9)은 연결 요소(12)를 형성하는 관통 보어를 통과하는 동일한 물리적 케이블에 의해 형성된다.

도 7a-7b는 본 발명의 실시예에 따른 팁 유닛(1)의 측면 리셉터 베이스(6)와 풍력 터빈 블레이드 쉘(24) 사이의 기계적 연결의 개략적인 단면도이다.

접착 재료(23)는 도 7a에 도시된 바와 같이, 측면 리셉터 베이스(6)를 포함하는 팁 유닛(1)의 원통형 부분의 양단부에서 절연 재료(13)에 형성된 오목부(20)에 위치된다. 팁 유닛(1)이 도 7b에 도시된 바와 같이 풍력 터빈 블레이드 쉘(24) 사이에 배치될 때, 접착 재료(23)는 팁 유닛(1)과 풍력 터빈 블레이드 쉘(24) 사이의 기밀 연결을 보장한다.

이는 풍력 터빈 블레이드(2)의 쉘(24)의 관통을 통해 측면 리셉터 베이스(6)에 기계적 및 전기적으로 연결된 측면 리셉터(7), 접착 재료(23) 및 측면 리셉터 베이스(6)를 피복하는 전기 절연 재료(13)에 도달할 수 있는 공기 또는 물이 없다는 것을 의미한다. 이로써, 측면 리셉터(7)의 설치와 관련된 부식 문제의 위험 및 풍력 터빈 블레이드 쉘(24) 내의 측면 리셉터(7)의 다르게 노출된 부분으로부터의 내부 방전의 위험이 상당히 감소된다.

1. 팁 유닛
2. 풍력 터빈 블레이드
3. 풍력 터빈 블레이드용 팁
4. 팁의 외측부
5. 팁의 내측부
6. 측면 리셉터 베이스
7. 측면 리셉터
8. 내부 팁 유닛 도체
9. 절연 전기 케이블
10. 인하 도선
11. 풍력 터빈 블레이드의 루트 단부
12. 연결 요소
13. 절연 재료
14. 팁의 외측부의 장착을 위한 플랜지
15. 팁의 외측부용 장착 홀
16. 가압 공구 접근을 위한 오목부
17. 측면 리셉터의 장착을 위한 표면
18. 가압 공구
19. 추가 절연 재료
20. 접착제를 위한 오목부를 갖는 표면
21. 가압 공구
22. 프레스 마크
23. 접착 재료
24. 풍력 터빈 블레이드 쉘

Claims

풍력 터빈 블레이드(2)용 피뢰 시스템을 위한 완전 절연 팁 유닛(1)으로서, 상기 팁 유닛은,
풍력 터빈 블레이드용 전기 도전성 팁(3)으로서, 상기 팁은 외측부(4)와 내측부(5)로 이루어지고, 상기 외측부는 팁 리셉터를 형성하는 전기 도전성 팁,
각각의 측면 리셉터(들)과 측면 리셉터 베이스(들) 사이에 전기적 연결이 구축되는 방식으로 상기 블레이드의 외부 표면 상에 배치된 하나 이상의 측면 리셉터(7)의 기계적 장착을 위해 전기 도전성 재료로 제조된 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스(6),
상기 팁 리셉터의 내측부와 측면 리셉터 베이스(들) 사이에 전기적 연결을 형성하기 위한 내부 팁 유닛 도체(8),
상기 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스로부터 상기 블레이드의 루트 단부(11)를 향하여 상기 풍력 터빈 블레이드 내측으로 그 길이 방향으로 연장되는 인하 도선(10)의 최외측부를 형성하기 위한 절연 전기 케이블(9), 및
상기 절연 케이블과 상기 팁 유닛의 다른 도전부 사이의 전기적 연결을 구축하기 위한 연결 요소(12)를 포함하고,
상기 팁의 내측부, 상기 측면 리셉터 베이스(들), 상기 내부 팁 도체, 상기 연결 요소 및 상기 절연 전기 케이블의 일단부는 모두 주조에 의해 절연 재료(13)에 매립되며, 이는 상기 팁의 외측부 및 절연 전기 케이블의 다른 단부만을 절연 재료에 의해 피복되지 않게 하는, 팁 유닛.
제1항에 있어서,
상기 절연 전기 케이블은 비차폐 고압 케이블인, 팁 유닛.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연결 요소는 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스에 일체화되어 있는, 팁 유닛.
제3항에 있어서,
상기 내부 팁 유닛 도체는 절연 전기 케이블의 일부에 의해 형성되는, 팁 유닛.
제4항에 있어서,
상기 케이블 절연부는 내부 팁 유닛 도체를 형성하는 절연 전기 케이블의 일부로부터 제거되는, 팁 유닛.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁의 외측부의 최외측 지점과 상기 팁에 가장 가까운 상기 측면 리셉터 베이스의 중심 사이의 거리는 0.3 m와 2 m 사이, 바람직하게는 0.8 m와 1.2 m 사이인, 팁 유닛.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁으로부터 가장 멀리 떨어져 있는 측면 리셉터 베이스의 중심과 상기 절연 전기 케이블이 팁 유닛의 주조부를 빠져 나가는 지점 사이의 거리는 0.1 m와 0.5 m 사이, 바람직하게는 0.15 m와 0.3 m 사이인, 팁 유닛.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁의 외측부는 팁 유닛의 나머지 부분에 릴리스 가능하게 부착되어 있는, 팁 유닛.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁의 외측부와 내측부는 하나의 공통 부분에 일체화되어 있는, 팁 유닛.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁 유닛은 접착제 수단에 의해 풍력 터빈 블레이드에 부착되어 있는, 팁 유닛.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주조에 사용되는 절연 재료는 고분자 재료, 고분자 나노 복합 재료, 열가소성 재료, 열경화성 재료, 절연 발포체 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 목록으로부터 적어도 하나의 재료를 포함하는, 팁 유닛.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주조 절연 재료의 최소 두께는 3 mm와 30 mm 사이, 바람직하게는 5 mm와 15 mm 사이인, 팁 유닛.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주조에 사용되는 절연 재료는 팁 유닛의 외부 표면과 팁 유닛 내부의 도전부 사이의 적어도 20 kV, 바람직하게는 적어도 200 kV의 전위차를 견디도록 치수가 정해진, 팁 유닛.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁의 외측부는 적어도 부분적으로 구리 또는 구리 합금으로 이루어진, 팁 유닛.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁의 외측부는 적어도 부분적으로 텅스텐 카바이드인, 팁 유닛.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁의 외측부는 적어도 부분적으로 스틸로 이루어진, 팁 유닛.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁의 외측부는 적어도 부분적으로 알루미늄으로 이루어진, 팁 유닛.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁의 내측부는 적어도 부분적으로 철로 이루어진, 팁 유닛.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁의 내측부는 적어도 부분적으로 구리로 이루어진, 팁 유닛.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁의 내측부는 적어도 부분적으로 황동으로 이루어진, 팁 유닛.
제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부 팁 유닛 도체는 발열 용접에 의해 팁의 내측부에 기계적 및 전기적으로 연결되어 있는, 팁 유닛.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 팁의 내측부는 적어도 부분적으로 알루미늄으로 이루어진, 팁 유닛.
제22항에 있어서,
상기 내부 팁 유닛 도체는 컨택 맨드릴 크림핑과 같은 크림프 연결에 의해 팁의 내측부에 기계적 및 전기적으로 연결되어 있는, 팁 유닛.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스는 적어도 부분적으로 알루미늄으로 이루어진, 팁 유닛.
제24항에 있어서,
상기 내부 팁 유닛 도체 및/또는 상기 절연 전기 케이블은 컨택 맨드릴 크림핑에 의해 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스에 기계적 및 전기적으로 연결되어 있는, 팁 유닛.
제24항에 있어서,
상기 내부 팁 유닛 도체 및/또는 상기 절연 전기 케이블은 발열 용접에 의해 적어도 하나의 측면 리셉터 베이스에 기계적 및 전기적으로 연결되어 있는, 팁 유닛.
제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 절연 전기 케이블은 측면 리셉터 베이스 상에 볼트로 고정된 케이블 러그에서 종결되는, 팁 유닛.
제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
특정한 유형의 풍력 터빈 블레이드에 사용하기 위한 상기 팁 유닛의 바람직한 외부 기하학적 구조 및 치수는 표준화된 팁 유닛의 외부 표면에 여분의 재료를 첨가함으로써 미리 정의된 특정 기하학적 구조 및 최소 치수를 갖는 표준화된 팁 유닛의 맞춤화를 통해 얻어지는, 팁 유닛.
제28항에 있어서,
상기 첨가된 여분의 재료는 팁 유닛의 주조에 사용되는 것과 동일한 절연 재료이고, 상기 팁 유닛의 주조 및 여분의 재료의 첨가는 단일 공정으로 수행되는, 팁 유닛.
제28항에 있어서,
상기 첨가된 여분의 재료는 풍력 터빈 블레이드의 내부 쉘과 내부에 배치된 표준화된 팁 유닛 사이의 캐비티를 채우도록 첨가된 발포 재료인, 팁 유닛.
제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 따른 팁 유닛(1)을 포함하는, 풍력 터빈 블레이드(2).