[디지털비즈온 이호선 기자] 수직으로 회전하는 로터가 있는 풍력 터빈은 미래의 풍력 발전 추세가 될 수 있다.
노르웨이에 본사를 둔 WWW(World Wide Wind)는 풍력 방식에 혁명을 일으킬 잠재력이 있는 부유식 ‘수직축 풍력 터빈(VAWT)’을 공개 했다.
새로운 아이디어가 적용된 ‘수직축 풍력 터빈’ 설계는 두 세트의 틸팅(기울어짐) 현상에 역회전 블레이드를 사용하여 오늘날 가장 많이 설치된 해상 풍력 발전보다 두배 이상의 출력을 제공한다.
최대 400미터 높이까지 확장할 수 있는 거대한 풍력터빈은 높은 전력과 밀도를 실현할 수 있는 능력을 갖추고 있어 해상 풍력 비용을 크게 줄일수 있는 기술이 주목되었다.
◇높은 면적 효율성 과 증가된 에너지 출력
‘World Wide Wind’에서 개발한 역회전 수직 터빈(CRVT)은 하나에서 두 개의 ‘수직축 풍력 터빈’으로 작동하여 두 배의 에너지를 생산한다. 시스템의 풍력터빈은 반대 방향으로 회전하는 두 개의 수직 축 풍력 터빈으로 구성된다.
낮은 것은 타워의 줄기를 중심으로 회전하고 높은 것은 상단에 고정했다. 하나의 터빈은 회전자에 연결되고 다른 하나는 '고정측'에 연결되는 방식이다. 일반 고정자에 비해 상대적 회전 속도가 두 배로 증가하여 더 많은 전기를 생산하는 방식으로 알려졌다.
일반적으로 3개의 회전날개보다 ‘수직축 풍력 터빈’은 주어진 바람에서 에너지를 덜 흡수하지만, 다른 한편으로는 성능 저하 없이 더 가깝게 배치할 수 있고, 수심이 깊은 바다에는 설치비용이 많이드는 것에 비하여 잠재적으로 더 많은 에너지를 빨아들일 수 있다고 내다봤다.
‘역회전 수직 터빈’ 은 난기류 흐름 효과를 줄이는 데 도움이 되도록 특별히 설계된 블레이드를 사용하여 요트처럼 바람에 따라 기울어진다.
◇수직형 풍력발전기와 수평형 풍력발전기와의 차이점
수직형 풍력 터빈(VAWT, Vertical Axis Wind Turbine)은 회전축이 지면에 수직한 수직형 풍력 터빈은 회전축이 바람의 방향에 대해 수직이며, 현재 실용화된 대형 시스템은 없는 실정이다. 바람의 방향에 관계없이 운전이 가능하며(시스템 불필요) 증속기 및 발전기가 지상에 설치되어 있어서 유지,보수,점검이 용이하다.
하지만 지표면으로 부터 고도가 증가함에 따라 속도가 증가하는 경계층 효과로 인해 시스템이 불균일한 풍속을 맞이하게 되는데, 이로 인해 시스템이 불안정해질 수 있고 시스템의 종합 효율이 낮아지게 되며, 풍속이 낮을 때 시동토크가 필요하게 되어 자기동이 불가능하다. 또한 주베어링의 분해시에는 시스템 전체를 분해해야 하는 단점이 있다. 이러한 문제점으로 인해 연구용과 일부 소형 풍력 발전용으로 사용되고 있으며 현재 상용화된 대부분의 풍력 발전기는 수평축 풍력 발전기이다.
수평축 풍력 발전기(HAWT, Horizontal Axis Wind Tubine)는 회전축이 바람이 불어오는 방향에 수평인 풍력발전 시스템으로서 현재 가장 안정적인 고효율 풍력 발전 시스템으로 인정되고 있다. 수평축 풍력 발전기로는 바람을 맞이하는 방식에 따라 맞바람 형식(Upwind Type)과 뒷바람 형식(Downwind Type)으로 나눌 수 있다.
맞바람 형식은 바람이 블레이드를 먼저 만나게 되어있는 형태로서 타워에 의한 풍속의 손실이 없고, 풍속 변동에 의한 피로 하중, 소음이 뒷바람 형식보다 적지만 바람의 방향이 바뀌었을 때 효율을 증가시키기 위해 로터 회전면과 바람방향이 수직이 되도록 하는 요잉 시스템이 필요하게 되어 시스템 구성이 복잡해지게 되고 로터와 타워의 충돌을 고려하여 설계를 해야 하는 단점이 있다.
뒷바람 형식은 바람이 타워와 나셀을 먼저 만나고 그 다음 블레이드를 만나게 되는 형태로서 자체 요잉 모멘트 발생으로 요잉 시스템이 불필요 하게 되며 타워와 로터의 충돌을 피할 수 있지만, 타워와 나셀에 의한 풍속의 손실이 발생하게 되며 주기적인 풍속의 변동으로 인한 피로하중 및 소음등 단점이 있다.
◇미래의 풍력, 로터의 수직 회전축이 발전 효율성 높여
지금까지 더 큰 풍력 발전 단지에서 수직 풍력 터빈이 얼마나 효율적인지에 대해서는 논쟁의 여지가 있었다. 영국 옥스포드 브룩스대학의 요아킴한젠(Joachim Hansen)" 박사는 지금까지 가장 큰 단점은 개별 수직 로터의 효율이 35~40%에 불과한 반면에 개별 수평 로터는 거의 50%에 달한다는 것"이라고 사이언스 저널에 설명했다.
사이언스 저널 자료에 의하면 수직으로 회전하는 로터가 있는 풍력 터빈은 미래의 풍력 발전 추세가 될 수 있다고 전망했다.
한젠박사는, 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.
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 한젠박사는 설명했다.