하늘에 떠 있는 발전소?!

하늘에 떠 있는 발전소?!

15기 양진호

 신재생에너지가 대두되고 있는 지금, 다양한 형태로 신재생에너지를 수급하는 장치들이 개발되었다. 그 중 고도가 높아지면 지면과의 마찰이 줄어들어 풍속이 더 높아지는 점을 이용한 공중부양풍력발전기(BAT, Buoyant Airborne Turbine)를 소개하고자 한다.

●구조

 하단의 그림은 BAT의 선두주자인 미국의 Altaeros(알타에로스)사의 BAT구조이다.

[그림1. Altaeros 사의 BAT구조]

출처:산업용 잉크젯 기술(Industrial Inkjet Technology) 티스토리

 A에 부양용 가스인 헬륨 1,000㎥를 주입하고 본체에 해당하는 터빈을 공중에 띄운다. 공기가 채워진 보조날개 4개는 터빈이 바람을 정면으로 향하도록 도와준다. 자외선과 악천후에 강한 원단을 개발하여 풍선의 형태로 사용한다.

 B는 바람을 이용해 회전하는 터빈이 설치된 공간이다. 무선통신 안테나와 무선인터넷 중계기 등을 장착함으로써 풍력발전과 동시에 인공위성과 같은 역할을 수행할 수 있게 만들어 준다.

 C는 부양체와 지상 스테이션(D)를 연결시켜주는 고분자 로프이다. 로프내부에 구리 전도체가 삽입되어 부양체의 고정 뿐만 아니라 송전선로역할도 병행한다.

 D는 지상 스테이션으로 BAT에 필요한 정격풍속인 시속 50 km를 정면에서 받도록 제어한다. 또한 과다하게 풍속이 높아질 경우 로프를 감아 지상으로 회수한다. 또한 인버터시스템으로 교류출력을 직류출력으로 변환시킨 후 지상 스테이션의 배터리에 기전력을 저장할 수 있다.

●종류

 앞서 설명한 부유물이 필요한 BAT 뿐만 아니라 연과 글라이더가 날아갈 때 줄을 당기는 힘, 연의 원리를 이용한 소형 항공기의 1)로터의 회전력 등을 이용하는 등 다양한 형태가 있다.

    1)로터 : 헬리콥터 회전익부분의 총칭. 양력이나 추력을 발생시키는 로우터가 부착된 허브를 포함하여 수평면에 장착된 길고 좁은 에어포일이나 날개로 구성된 모두개. 수직면, 수평면내에서 회전하는 주로부터 부수되는 유사장치

출처:항공우주공학용어사전

 

[그림 2. BAT의 다양한 형태]

 출처:산업용 잉크젯 기술(Industrial Inkjet Technology) 티스토리

1. BAT의 이점과 한계

●이점

 ①BAT는 기존의 타워형 풍력발전기의 대표적인 문제점인 소음과 간헐성을 극복할 수 있다.

   => 대부분의 고도가 약100~300m인 점을 고려한다면 소음이 지상에 도달하지 못한다.

 ②고도가 상승함에 따라 풍속은 일정해진다.

   => 풍속은 터빈의 회전력(토크)에 영향을 주고, 회전력은 전기의 품질을 좌우하는 주파수에 영향을 준다. 즉, 풍속이 일정해 지면 주파수가 일정하게 되어서 더 좋은 품질의 기전력을 획득할 수 있다.

만약 정격 풍속을 받을 때 3600[rpm]의 속도로 터빈이 회전한다면, 우리가 사용하는 60[Hz]의 전기를 생산할 수 있다.

 ③고도가 상승함에 따라 풍속은 증가한다.

   => 발전기의 기본원리는 코일에 쇄교하는 자속의 변화에 의한 기전력이 발생된다는 패러데이의 전자기유도법칙을 이용한 것이다. 따라서 풍속이 강해지면 터빈의 회전속도가 증가하여 기전력의 크기는 증가한다.

 ④지상 스테이션만 지상에 설치를 하고 부양체와 로프는 공중에 위치하므로 수송, 설치가 편리하다.

   => 이는 낙후지역이나 재난현장, 긴급상황 등에서 매우 효과적으로 전력을 수급할 것이다. 그 지역에서는 탄소연료를 이용한 디젤발전기를 주로 사용해서 시간당 발전비용이 부담이 되지만 BAT는 설치비용만 부담하면 되므로 시간당 발전비용 또한 경제적이다.

 ⑤지형의 제약에 의한 영향이 거의 없고 타워형 풍력발전기를 설치하기 위해서 행했던 환경파괴를 필요로 하지 않는다.

 ⑥각종 안테나를 탑재하여 기상예측, 지리적 정보 획득 및 군사적 용도로 사용이 가능하다.

 

●한계

 ①갑작스런 기상악화에 신속하게 대응하지 못한다.

   => 기상악화로 지상의 스테이션이 부양체를 신속하게 회수해야하는데, 부양체의 부피와 면적, 고도 등의 이유로 즉각적인 대처가 불가능하다.

 ②고도가 올라가면 로프에 의한 송전손실은 증가한다.

   => 로프의 길이가 증가함에 따라 구리전도체 자체에 의한 전력손실이 증가하기 때문이다.

 ③추락확률이 높다.

   => 로프로 지면과 연결되어 적정 고도를 유지해야하는 BAT는 부양체에 이물질이 침입하거나 보조날개의 이상, 전력선 하중, 버드스트라이크 등으로 추락할 확률이 높다.

 ④대형화를 통한 발전용량 개선의 제약이 있다.

[사진1. 가동중인 Altaeros사의 BAT]

 출처:esdnews

2. 공중부양풍력발전에 대한 동향과 전망

 구글이 공중풍력발전소를 올해 상용화한다고 보도되어 이목을 끌었다. 구글의 마카니 1기당 600kW급으로 중소형 공중풍력발전기 치고는 용량이 큰 편이다. 또한 미국의 Altaeros사의 알래스카에서의 프로토타입의 18개월간의 시운전이 끝난 뒤 현재는 상업운영이 결정되었다고 한다. 하지만 알래스카는 인구밀도가 희박하기 때문에 전력단가가 매우 높다. 이를 위한 해결책으로 사용한 것이다. 2017년, 독일 E.ON사는 네덜란드 Ampyx Power(암픽스 파워)사와 협력해 2018년 하반기부터 아일랜드에서 고공 풍력 발전을 시범 운영하였다. 

 국내에서도 BAT에 대한 노력이 전무한 것도 아니다. 한국의 En3 사는 세계 2번째이며 국내최초의 BAT인 AWP (Aero Wind Power)를 개발했기 때문이다.

 이와 같이 공중풍력발전의 다양한 시도에도 불구하고 전 세계의 전력시장은 아직까진 상업용으로 효용성이 떨어진다고 여긴다. 상업적 규모의 발전량과 시장규모, 잠재력, 안정성, 내구성 등이 결여되어있다고 판단했기 때문이다.

 미국 로렌스 리버모어 국립연구소 연구진은 2013년 국제학술지 '네이처 기후변화'에 발표한 논문에서 2)고고도풍력발전은 이론적으로 전 세계 전력수요의 100배에 달하는 1800TW의 전력을 생산할 수 있다고 분석했다. 이는 풍력발전의 한계효율 59%를 고려할 때 충분히 도전해 볼 만한 영역이다.

 현재 BAT의 입지는 심해지역에서 타워형 풍력발전기를 대체하는 수준에 그치는 정도이다. 위에서 언급하였듯 공중풍력발전 산업은 20년이 채 지나지 않은 초기단계이기 때문에 당장의 효과는 아직 미미하다. 하지만 BAT 개발 비용이 타워형 풍력발전 보다 더 낮을 뿐만 아니라, 2020년대 초반에 4차 산업혁명과 맞물려 도약할 것이라는 전문가의 예측을 고려한다면 지원과 기술의 발달이 이루어져서 고고도의 풍력을 이용하여 전력수급의 상당량을 BAT가 충당하는 날을 기대해 본다.

2)고고도 : 지상(地上)으로부터 7∼12km의 높이. 아성층권에 해당한다.

출처 : 국방과학기술용어사전

 

 참고문헌

 -Altaeros

 -공중부양 풍력발전기의 개발과 응용 / 네이버 블로그

 -공중풍력발전 동향 분석 / 한국풍력에너지학회

 -공중부양 풍력발전 상용화 초읽기 / The Science Times

 -Floating wind turbines bring electricity where it's needed / PHYSORG

 -Google Makini 공중풍력발전 / 네이버 블로그

 -[김해창 교수의 에너지전환 이야기] <51>풍력에너지의 실태와 과제를 말한다 / 국제신문

 -글로벌 녹색성장 미디어 / 이투뉴스

 -High-altitude wind: an untapped source of energy / esdnews