미래의 풍력, 로터의 수직 회전축이 발전 효율성 높여

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-05-11 10:54:24
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(3분 50초 읽기)
* 개별 수직 풍력 효율은 낮지만 시너지 효과 커져
* 풍력 터빈은 기존 수평 로터보다 최대 3배 더 조용
* 두 개의 풍력 터빈이 나란히 있으면 출력이 최대 15%까지 증가

풍력 효율성 높이는 기술 : 수평이 아닌 수직 로터
수직 회전축이 있는 로터는 풍력 발전 단지의 효율성을 높일 수 있다.


더 조용하고 효율적이며 더 조밀하게 엇갈리게 배치 :
수직으로 회전하는 로터가 있는 풍력 터빈은 미래의 풍력 발전 추세가 될 수 있다.
자체 축에서 회전하는 이러한 풍력 터빈은 현재 연구에서 확인된 바와 같이 기존의 수평 로터에 비해 몇 가지 장점을 제공하기 때문이다. 따라서 개별 수직 풍력 터빈의 효율은 다소 낮지만 시너지 효과는 풍력 발전 단지에서 더 높은 성능을 보장한다. 

▲ 이것이 미래의 풍력 발전 단지의 모습? 수직 축을 중심으로 회전하는 로터는 조밀한 구조물을 더 효율적으로

만들 수 있다. © Oxford Brookes University


이론적으로 풍력은 인류의 에너지 수요를 몇 배 커버할 수 있다.
유럽에서만 육상 풍력 터빈으로 52테라 와트의 용량이 가능하다. 그러나 실제로는 이러한 재생 가능 에너지원의 확장에 문제가 있다. 풍력 발전 단지는 새와 박쥐에게 너무 시끄럽고 죽음의 덫으로 간주된다. 또한 대형 풍력 발전소의 터빈은 서로 속도를 늦춘다. 이것은 예를 들어 북해의 수용 능력을 상당히 제한한다.

가로 대신 세로 

대체 유형의 풍력 터빈은 수직 로터와 같은 문제에 해결책을 제공할 수 있다.
이러한 시스템에서 블레이드는 기존 수평 로터의 경우처럼 수평으로 장착된 회전축을 중심으로 회전하지 않는다. 대신 풍력 터빈은 수직축을 중심으로 회전한다.

로터는 시스템의 중앙 마스트를 중심으로 돌아간다. 결과적으로 풍력 터빈의 한쪽은 바람과 함께 움직이고 다른 쪽은 반대 방향으로 움직인다.

장점 :
최근 측정에 따르면 이러한 풍력 터빈은 기존 수평 로터보다 최대 3배 더 조용하다.
연구에 따르면 새는 지면과 평행하게 회전하는 로터의 움직임을 더 잘 인식 할 수 있으므로 회피할 가능성이 더 높다. 그러나 지금까지 수직 로터는 지붕 풍력 터빈과 같이 소규모로만 사용됐고 더 큰 로터는 비효율적이고 마모되기 쉬운 것으로 여겨졌다.

그동안 변화가 일어나고 있다.
최초의 회사는 이미 새로운 복합 재료와 최신 제어 전자 장치가 재료 피로를 줄이는 수직 시스템을 구축했다. 독일 노스라인-웨스트팔리아와 오스트리아에는 이러한 수직 풍력 터빈의 파일럿 플랜트가 있다.
▲ 다리우스(Darrieus)형 수직 로터.© Der-wuppertaler / CC-by-sa 4.0


그룹 테스트 수직 로터

지금까지 더 큰 풍력 발전 단지에서 수직 풍력 터빈이 얼마나 효율적인지에 대해서는 논쟁의 여지가 있었다. "지금까지 가장 큰 단점은 개별 수직 로터의 효율이 35~40%에 불과한 반면에 개별 수평 로터는 거의 50%에 달한다는 것"이라고 영국 옥스포드 브룩스 대학의 요아킴 한젠(Joachim Hansen)과 그의 동료는 설명했다.

 

수평 로터가 서로 가까워지면 제동 효과로 인해 출력이 20~50% 감소할 수 있다.
Hansen과 그의 팀은 이제 물리적 모델 시뮬레이션을 사용하여 서로 가까이 있는 수직 로터의 모습을 조사했다. 이를 위해 그들은 서로 다른 거리와 각도에 2개 또는 3개의 로터가 있는 수직 풍력 터빈을 배치하고 이것이 풍속과 개별 로터의 성능에 어떤 영향을 미치는지 결정했다.


듀오로서 성능 15% 향상

놀라운 결과 :
수평 로터로 구성된 기존의 풍력 발전 단지와 달리 수직 로터는 서로 간섭하지 않으며 결합 시 성능을 높일 수도 있다. 구체적으로 말하자면, 이는 두 개의 풍력 터빈이 나란히 있으면 출력이 최대 15%까지 증가한다고 Hansen과 그의 팀이 보고했다. 시리즈의 세 번째 풍력 터빈의 경우 증가율은 여전히 ​​3%다.

3개의 로터 직경을 가진 풍력 터빈 사이의 거리와 우세한 풍향에 대해 약 60도의 각도가 최적인 것으로 입증됐다. 로터 직경이 두 개뿐이거나 각도가 30~90도인 경우에도 시너지 효과를 측정할 수 있었다. 연구진은 "이것은 바람이 돌 때에도 그러한 시스템의 성능이 크게 떨어지지 않는다는 것을 의미한다"고 말했다.
▲ 그림 9. (A) 에어로 포일에 작용하는 양력과 유체 운동량의 방향 전환의 예. (b) 2D_75_co 레이아웃의 R1은 흔들림이 자연스럽게 아래쪽으로 향하는 방식을 보여준다. (출처: 관련논문 그림 9 Numerical modelling and optimization of vertical axis wind turbine pairs: A scale up approach)

가속된 풍력

이러한 시너지 효과의 이유는 로터 운동이 바람 흐름에 미치는 영향이다.
수직 로터의 블레이드는 바람에 수직으로 회전하지 않고 한쪽에서 바람에 반대 방향으로 회전한다. 이것은 시뮬레이션에서 보여준 것처럼 바람과 함께 움직이는 로터 쪽의 공기 흐름의 가속으로 이어진다. 난기류 현상은 에너지를 증가시킨다.
"이러한 메커니즘은 모두 수직 풍력 터빈이 개별적으로 세우는 것 보다 나란하게 건설하면더 강력하다는 것을 의미한다."

과학자들에 따르면 수직 로터로 만든 풍력 발전 단지는 이전에 예상했던 것보다 더 많은 수익을 올릴 수 있다고 한다. 시너지 효과가 효율성을 높이고 로터를 수평 로터보다 더 가깝게 배치할 수 있기 때문이다.

옥스포드 대학의 공동 저자 이아코보스 차나키스(Iakovos Tzanakis)는 “미래의 풍력 발전 단지는 수직이어야 한다. 이는 효율성을 높이고 궁극적으로 전기 가격을 낮출 수 있다"고 말했다.
(International Journal of Renewable Energy, 2021; doi : 10.1016 / j.renene.2021.03.001)
출처 : Oxford Brookes University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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