기상천외 에너지 1탄; 연으로 에너지를?

기상천외 에너지 1탄; 연으로 에너지를?

▣ ‘연’ 형태의 풍력 발전기

사진 1. 해상 풍력 발전기

출처 : 환경성적표지/탄소발자국

풍력 발전이라면 위의 그림의 형태를 가진 지상 혹은 해상에 지지된 바람개비의 형태를 떠올릴 것이다.

기존의 방식과는 달리 다소 기상천외한 방식으로 풍력 발전에 접근한 기술을 소개하려 한다.

그림 1. Altaeros의 BAT (Buoyant Airborne Turbine; 대기 부유식 터빈)

출처 : GRAPHIC NEWS

미국의 에너지 스타트업 알테이로스(Altaeros)가 지표가 아닌 상공에서 부는 바람을 이용하여 전기를 생산하는 기술을 알래스카(Alaska) 지역에서 시범 적용할 계획에 있는 것으로 밝혀졌습니다.

지표에 가까이 흐르는 바람은 지표면과 표면마찰에 의해 풍속 감소와 난류의 문제가 있어 풍력발전기의 높이를 크게 만들어 그 바람의 에너지를 효율적으로 이용한다.

반면, BAT는 블레이드의 지지대 없이 부유 장치를 통해 상공으로 배치되기에 풍력발전기의 크기에 있어 유리하다.

사진 2. 실제로 제작된 BAT

출처 : introducing Altaeros BAT

(https://www.youtube.com/watch?v=kldA4nWANA8)

BAT는 500ft 상공으로 발전기를 띄워 45mph(mile per hour)의 바람을 이용하는 테스트에 성공하였고, 이후 조류 생물의 영향을 피하기 위해 1000ft 상공으로 배치될 예정이다. 또한, BAT의 에너지 발생량은 12개의 가정을 가동하기에 충분하다고 전망되었다.

▣ BAT의 기술

■ 풍향 정렬

풍력 발전을 위해서는 발전기 블레이드의 방향이 풍향을 마주 보는 방향으로 정렬되어야 한다. 이는 지상/해상 풍력발전에서도 발전 효율과 직접적으로 연결되는 문제이다.

그림 2, 3을 보면 BAT는 연과 같은 모양으로 상공에 부유하고 줄에 의해 지표면과 연결되어 있다.

이 모습을 보면 BAT는 풍향과 마주하는 방향으로 정렬되기 어려워 보이지만, BAT는 airfoil이 부력을 발생시키는 원리를 이용하여 풍향에 따른 발전기의 정렬을 실현하였다.

그림 2. BAT의 shroud 개념도

출처 : US patent No. 00008253265

위 shroud의 단면은 airfoil의 형태이다. 우선 airfoil의 내부는 공기보다 가벼운 기체로 채워지며 밀도 차이에 의해 shroud 몸체를 띄우는 원리이다.

shroud 몸체가 바람의 방향으로 정렬하는 원리는 airfoil이 비행기에 적용되었을 때 양력을 발생하는 원리와 동일하다. Airfoil 단면에서 부분적으로 받게 되는 힘을 도식화하면 다음과 같다.

그림 3. Airfoil 단면에 작용되는 모멘트, 이후 쉬라우드의 정렬

출처 : US patent No. 00008253265

각 부분에서 발생하는 airfoil의 회전 모멘트의 크기 차이로 인해 shroud는 바람의 방향과 마주 보도록 정렬된다.

■ 다중 터빈 결합

그림 4. 다중 터빈을 갖는 BAT

출처 : US patent No. 00009000605

■ 다양한 바람 조건에서 안정성 확대 (Aerostat system)

다수의 밧줄/말뚝 그룹을 컨트롤하는 Aerostat system을 통하여 다양한 바람 조건에서 안정성을 향상한다. 또한 발전기의 도킹 시에 필요한 crew를 최소화한다.

그림 5. 베이스 스테이션과 앞∙뒤로 로프 연결

출처 : US patent No. 00009789947

그림 6. 베이스 스테이션과 양 옆으로 로프연결 및 스테이션의 너비 조절

출처 : US patent No. 00009789947

그림 7. 베이스 스테이션과 4중 연결된 Aerostat(좌), 베이스 스테이션의 방향과 틀어진 Aerostat(우)

출처 : US patent No. 00009789947

▣ BAT 등장의 의의

BAT의 등장으로 지표면에만 국한되어 있던 풍력 발전의 영역이 확장되었다. 상공으로 갈수록 air density가 감소하는 반면, velocity는 증가하기 때문에 발전기 고도의 적절한 조절에 의해 발전 효율을 기대할 수 있다. 지표면에서는 건축물, 지형 등 풍력 발전기가 설치되는데 있어 제약이 많은 반면, 상공에 설치되는 BAT는 설치 제약이 적기 발전량 측면에서 매우 큰 가능성을 가진다.