초록 ▼

IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 과제에서는 기존 면상발열체의 내구 한계를 극복하고, 무게증가 효과를 줄이기 위한 대안으로 비강도 및 비강성이 높은 폴리머기지 섬유강화 복합재료의 개념을 면상발열체 구조에 적용하였음. 주 하중 방향으로 직조된 유리섬유패브릭에 발열특성에 맞게 설계된 탄소섬유 직조패턴을 적용한 섬유강화 복합소재를 제조기술을 확보하였으며, 10GPa 이상의 구조강성과 110MPa 이상의 인장강도를 갖는 구조기능성 면상발열체 성형 기술을 확립하였음.

구조기능성 검증을 위한 ASTM D-3039

IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 과제에서는 기존 면상발열체의 내구 한계를 극복하고, 무게증가 효과를 줄이기 위한 대안으로 비강도 및 비강성이 높은 폴리머기지 섬유강화 복합재료의 개념을 면상발열체 구조에 적용하였음. 주 하중 방향으로 직조된 유리섬유패브릭에 발열특성에 맞게 설계된 탄소섬유 직조패턴을 적용한 섬유강화 복합소재를 제조기술을 확보하였으며, 10GPa 이상의 구조강성과 110MPa 이상의 인장강도를 갖는 구조기능성 면상발열체 성형 기술을 확립하였음.

구조기능성 검증을 위한 ASTM D-3039 재료물성 시험에서는 구조강성의 경우 과제목표를 260% 초과한 26GPa의 강성을 확보하였으며, 인장강도의 경우 290.5MPa 수준을 달성하였음. 본 과제에서 제안한 glass-carbon hybrid 복합재료의 경우 이종 재료로 구성된 구조층의 접촉면에서 층간 분리에 의한 박리가 발생할 수 있는 요인이 있었지만 적층별 배향각 설계를 통해 이를 극복하여 초기 층간분리 현상을 억제하였으며 최종 파손 단계 전까지 설계구조물성을 유지하는 것을 확인 하였음.

발열기능성 검증을 위한 Cold-climate 챔버 내에서의 de-icing 시험에서는 인위적으로 30mm두께로 얼음을 착빙시키고 10분 이내 de-icing이 가능한지 여부를 확인하였으며, 최종적으로 6분 24초 내에 착빙된 얼음의 박리를 확인하여 제빙시간 기준 사업목표를 156% 초과하여 달성하였음을 확인함.

기존의 제빙시스템과 연동하는 착빙진단시스템은 국부적인 착빙발생을 진단할 수 없어 착빙진단 후 구조물 전체에 열을 전달하여 제빙을 하는 방식이 일반적이며 이로 인한 에너지 소모량이 크다는 한계가 있음. 국부 착빙진단에 대한 연구에서는, 측정된 고유진동수를 바탕으로 얼음의 착빙 위치 및 크기를 진단하는 착빙진단방법을 개발하였으며, 다양한 착빙조건들에 대한 고유물성치들을 수집하여 머신러닝 기반으로 학습시킴으로서 착빙 발생 시 국부적 정보를 예측하는 착빙진 단 기술을 확보하였음.
Cantilever형태의 시편 구조체에 대해 착빙 위치 및 착빙량(무게)를 검증하는 실험을 통해, 최종적으로 인위적으로 발생시킨 착빙위치와 크기의 오차에 대해 중요도가 높은 cantilever구조물의 전 영역에서 5% 이내의 오차범위를 갖는 머신러닝 기반 착빙진단시스템을 개발하였음.

1열 5채널로 구성된 국부 착빙감지 기술을 통해 착빙 시점 및 착빙 두께를 부가적으로 감지하여 구조물이 작동중인 상황에서도 지속적으로 착빙상태를 모니터링 할 수 있는 기술을 확보하였으며, 향후 머신러닝에 필요한 빅데이터를 추가 확보하여 착빙 감지의 정확도를 개선하기 위한 기반기술을 확보하였음.

개발한 성과를 기반으로 구조일체형 de-icing기능 복합소재를 태양광 및 풍력발전 등 신재생에너지 기반기설에 적용할 경우 활용성에 대한 평가를 검토한 결과는 다음과 같음. 폭설 발생 시 PV모듈에는 100kgf/m2 이상의 단위면적당 적설하중이 증가할 수 있으나 de-icing을 통해 사전 하중요인을 제거할 수 있으며, 기존 TPT(PVF/PET/PVF) backsheet를 대체하여 발열기능성 하중 지지 backsheet로 활용할 경우 모듈 중량의 75%를 담당하는 cover glass의 무게를 63% 저감하면 서도 38%의 module강도 개선을 달성하여 태풍 또는 폭설발생시 PV모듈의 파손가능성을 저감할 수 있음.

또한, 제안 기술을 혹한지역 wind turbine blade의 de-icing용으로 적용할 경우 헬리콥터 등을 사용한 기존의 hot water-jet 기술(5k$/day)대비 유지보수 비용 및 시간의 저감이 가능하며, 기존 블레이드 내부에 설치된 덕트를 통한 hot-air 방식 기술에 비해 부가적인 무게증가요인 없이 20분 이내에 de-icing이 가능하다는 장점이 있음. de-icing기술 적용 시 풍력발전에 있어 혹한기 착빙으 로 인한 20-25%의 에너지 생산 손실을 10%대로 감소시킬 수 있으며, 제빙을 위하여 소모하는 에너지량을 기존 AEP(연간발전량)기준 10%대에서 5%이하로 저감할 수 있으므로 겨울철 재생에너 지설비의 운용 경제성 개선이 예상됨.

(출처 : 요약문 8p)

Abstract ▼

IV. Result and Recommendations
In this project, the concept of a polymer base fiber-reinforced composite material with high specific strength and specific stiffness was applied to the planar heating element structure as an alternative to overcoming the durability limit of the existing planar heat

IV. Result and Recommendations
In this project, the concept of a polymer base fiber-reinforced composite material with high specific strength and specific stiffness was applied to the planar heating element structure as an alternative to overcoming the durability limit of the existing planar heating element and reducing the weight increase effect. A fiber-reinforced composite material manufacturing technology has been developed that applies a carbon fiber stiching pattern designed for heat generation characteristics to a glass fiber fabric woven in the main load direction, and structural functional planar heating element curing technology with tensile modulus of 10 GPa or more and tensile strength of 110 MPa or more has been established.

Through the material properties test based on ASTM D-3039 for verifying structural functionality, the structural stiffness of 26 GPa and the tensile strength of 290.5 MPa were achieved. In the case of the glass-carbon hybrid composite material proposed in this project, the delamination caused by interlaminar separation was suppressed through the lamination angle design for structural layers composed of different materials. Through this, it was confirmed that the designed structural properties were maintained until the final failure stage.

In the de-icing test in the cold-climate chamber to verify the thermal function, the de-icing evaluation was performed after artificially created on the structure integrated planar heating element. As a result, it was confirmed that the ice peeled off within 6 minutes and 24 seconds, which exceeded the development target value by 156%.

The existing icing diagnosis system applied to the general de-icing system cannot diagnose the occurrence of localized icing, so it has a disadvantage in that energy consumption is large by applying heat to the entire structure.

Local icing diagnosis method was developed to diagnose the location and size of ice based on the measured natural frequency. Through this, it was possible to predict local information when icing occurs through machine learning-based learning of the intrinsic property values collected for various icing conditions. Through an experiment to verify the location and weight of icing for the cantilever-type specimen structure, we developed a machine learning-based icing diagnosis system with an error range of less than 5% for the artificially generated icing location and size.

By developing local icing detection technology consisting of five channels in one row, it was possible to continuously monitor the icing time and icing thickness even when the structure is in operation. We secured a foundation to improve the accuracy of icing detection by additionally acquiring big data necessary for machine learning in the future.

Based on the developed achievements, the results of evaluating the applicability of the integrated structural de-icing composite material applied to the renewable energy infrastructure are as follows.

The snow load per unit area of 100 kgf/m² or more may be generated on the PV module when heavy snow occurs, but the preload factor can be removed by applying de-icing technology. When the developed structure-integrated de-icing function composite material replaces the existing TPT (PVF/PET/PVF) backsheet and is used as a heat-generating load-bearing backsheet, the weight of the cover glass, which accounts for 75% of the module weight. At the same time, the module strength is also improved by 38%, reducing the possibility of damage to the PV module in the event of a typhoon or heavy snow.

When the proposed technology is applied for de-icing of wind turbine blades in cold regions, it is possible to reduce maintenance cost and time compared to the existing hot water-jet technology using helicopters (5k$/day). Compared to the hot-air technology through the duct installed inside the blade, the proposed technology enables de-icing within 20 minutes without additional weight increase. It is possible to reduce energy production loss of 20-25% due to icing to 10%, and energy consumption for de-icing can be reduced from 10% of AEP to 5% or less. Therefore, it is expected to improve the operational economics of renewable energy facilities in winter.

(출처 : SUMMARY 13p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 15
• 목차 ... 16
• 그림목차 ... 17
• 표목차 ... 20
• 제 1 장 서 론 ... 21
• 제 1 절 기술개요 ... 21
• 제 2 절 연구개발 목표 및 내용 ... 23
• 1. 연차별 연구내용 ... 23
• 2. 핵심기술 목표 및 평가방법 ... 29
• 3. 주요 기술개발 이슈 및 연구전략 ... 30
• 제 2 장 본 론 ... 35
• 제 1 절 구조발열 기능성 섬유강화 복합소재 설계 및 선택적 De-icing 기법 개발 ... 35
• 1. 구조일체 발열기능성 Glass-Carbon 복합소재 설계 ... 35
• 2. 구조일체 발열기능성 복합소재 제작 ... 39
• 3. 구조일체 발열기능성 복합소재 구조물성 시험평가 ... 45
• 제 2 절 머신러닝 기법을 적용한 정밀한 국부 착빙진단 기술 개발 ... 49
• 1. 구조 모달특성을 이용한 머신러닝 기반 국부 착빙진단 기술 개발 ... 49
• 2. MCTA 센서를 이용한 착빙감지 기술 개발 ... 58
• 제 3 절 발열 기능성 복합소재 De-icing 성능 평가 ... 68
• 1. 발열기능성 복합소재 상온 발열성능시험 ... 68
• 2. 발열기능성 복합소재 De-icing 성능시험 ... 70
• 제 3 장 결 론 ... 75
• 끝페이지 ... 77