이로운 진동: 소규모 풍력 '터빈'의 혁신
인간은 수백억 년 동안 바람을 실용적으로 이용해 왔습니다. 하지만 스페인 회사인 Vortex Bladeless는 혁신적인 기술로 소규모 적용처에 풍력을 활용하는 새로운 방법을 제시합니다.
풍력 에너지는 대부분 대규모의 블레이드가 3개인 타워형 수평축 풍력 터빈(HAWT)을 통해 설명됩니다. 그러나 크기는 작지만, 특정 적용처에 적합한 솔루션을 제공하는 데 있어매우 중요할 수 있는 혁신적인 소규모 솔루션이 등장하고 있습니다.
스페인 회사 Vortex Bladeless S.L.은 자사의 기술력이 풍력 발전 혁신에 기여하고 있다고 대담하게 주장합니다. 실제로 중요한 역할을 하고 있음을 증명합니다. VortexBladeless는 여러 혁신상을 받았으며 현재 노르웨이의 국영 에너지 기업인 Equinor의 후원을 받고 있습니다.또한, 연구 및 혁신을 위한 유럽 위원회의 Horizon 2020 프로그램을 통해 일부 자금을 지원받고 있습니다.
도시 환경에 이상적
회사 이름 그대로, Vortex Bladeless 터빈은 HAWT의 대형 로터 블레이드를 사용하지 않습니다. 사실, 처음 소형화한 시제품의 높이는 0.85m에 불과합니다. 즉, 실제로 터빈이 아닌 풍력 터빈입니다. 여기에 회의적인 생각이들 수도 있지만, 블레이드가 없는 풍력 터빈은 기존 풍력 산업과 경쟁할 의도가 전혀 없었습니다.
공동 설립자이자 사장 겸 CTO인 David Yáñez는 다음과 같이 말합니다. “재생 에너지가 논쟁의 여지 없이 현실에서 경쟁력을 갖추게 된 후, 가까운 미래는 분산형 에너지와 탈중심 에너지로 전환될 것입니다.”
“개인이나 가정은 지붕에서 발생하는에너지를 생산하고 마케팅하는 주요 주체가 될 것입니다. 우리의 기술이 고객의 에너지 요구 사항을 충족하는 데 도움이 되기를 바랍니다.”
블레이드리스 풍력 터빈은 수직 구조로 되어 있어 설치 공간을 덜 차지하고 소음도 거의 발생하지 않습니다. 따라서 도심, 주거 지역 등에 매우 적합하며, 철새의 이동에 영향을 주지도 않습니다.
내구성이 뛰어난 저비용 설계
그렇다면, 블레이드리스 기술은 어떻게 작동할까요? VortexBladeless는 자사 웹사이트에서 그들의 혁신을 “와류 유도 진동 공진(vortex-induced vibration-resonant) 풍력 발전기로, 와류 방출(Vortex Shedding)이라고 불리는 소용돌이 현상을 풍력 에너지에 적용한 기술” 이라고 설명합니다.
이 발전기는 2단부로 나뉜 구조로 원기둥 안에는 탄성을 지닌 막대 형태의 경식 실린더가 수직으로 고정되어 있습니다.실린더의 하단부는 지면에 단단히 고정되어 있고 상단부는 바람에 따라 움직이며 최대 진동 진폭을 가집니다.
원기둥은 풍속에 최적으로 반응하고 풍향 변화와 난류에 빠르게 적응합니다. 실린더가 진동하면 교류 발전기가 이 기계적 에너지를 전기로 변환합니다. 이 교류 발전기는 코일과 자석으로 구성된 비교적 단순한 구조로, 기어, 샤프트 또는 움직이는 부품이 없어 저렴하고 생산이 용이합니다. 작동 시터빈 고장 및 가동 중단 시간의 위험이 크게 줄어 들어 유지보수 필요성이 감소합니다.
블레이드리스 터빈은 비와 눈 등 혹독한 기상 조건과 최대 30-35m/s의 풍속, 즉 거센 폭풍 또는 허리케인에 가까운 힘을 견딜 수 있도록 설계되었습니다.
혁신의 밑거름이 된 교량의 붕괴
Yáñez는 바야돌리드 대학의 공과생일 때, 1940년대 타코마교량(Tacoma Narrows Bridge)이 바람에 심하게 흔들리는 영상을 보고 아이디어를 얻었습니다. 이 다리는 개통된 지 불과 4개월 만에 붕괴되었습니다.
그는 다음과 같이 생각했습니다. “그 다리에는 상당한 양의 에너지가 모이고 있었습니다. 저 에너지를 활용할 수 있는 기술을 개발할 방법이 없을까 고민하다가 수직 구조가 지면에서 멀리 떨어진 범위의 바람까지 닿을 수 있기 때문에 더 빠른 속도에 적응할 수 있다는 것을 깨달았습니다.”
오늘날 Vortex Bladeless는 6개의 등록 특허 제품군을 보유하고 있습니다. 이 회사는 비즈니스 엔젤 및 기타 펀딩의 지원을 받아 2014년에 설립되었습니다. 이후 크라우드 펀딩,수상, 언론 보도, 흥미로운 협업, 시제품 제작 등 흥미진진한 여정을 이어가고 있습니다.
마침내 시장 출시
Yáñez는 이번 개발이 흥미로운 단계에 있다고 말합니다. "‘연구소’ 에서 이 기술을 개발하고 일부 프리 시리즈를 제조해온지 50년이 넘었습니다. 이제 우리는 상용화 가능성을 검증할수 있는 충분한 성숙기에 접어들었습니다.”