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- 2021년에 프라운호퍼 응용 고분자 연구소는 섬유 복합 소재로 제작된 특수 로터를 개발
- 새롭게 개발된 로터는 내부가 비어 있다. 전체 무게를 최대 35%까지 줄일 수 있어
- 산업용 3D 프린터를 사용하여 로터 블레이드의 금형을 제작
- 로터는 초당 2.7m의 낮은 풍속에서도 회전을 시작
- 초당 10m의 풍속에서 2,500W(와트)의 출력, 효율 58% 까지 가능

약풍에도 사용 가능한 소형 풍력 터빈
새롭게 개발된 로터, 약풍에서도 고성능 발휘

집 마당에도 적합한 풍력 발전:
새롭게 개발된 가정용 소형 풍력 터빈은 약풍에서도 작동하면서도 높은 효율을 자랑한다. 최적화된 경량 구조와 로터 형상 덕분에 이러한 효율을 달성할 수 있다. 또한, 생산 공정이 대부분 자동화되어 있어 제조 비용이 상대적으로 저렴하다. 따라서 개인 주택이나 소규모 사업체에 적합하다. 현재 브란덴부르크에서 첫 번째 시제품이 제작 및 시험 중이다. 

▲ 가벼운 구조의 소형 풍력 터빈: 최적화된 설계와 공기 역학 덕분에 풍력 터빈은 가벼운 바람에서도 분당 최대 450회전에 도달한다. © Fraunhofer IAP

태양광 발전과 더불어 풍력 발전은 가장 큰 잠재력을 가진 재생 에너지다. 그러나 지금까지 풍력 에너지의 활용은 주로 대규모 풍력 터빈과 풍력 발전 단지에 국한되어 왔다. 태양광 발전과 유사한 소규모 분산형 시스템은 개인 사용자를 위한 전기를 생산할 수 있으며, 전기분해를 통해 난방용 수소까지 생산할 수 있다. 그러나 현재 적합한 소형 풍력 터빈은 부족한 실정이다.

문제:
소형 풍력 터빈은 로터 크기가 작음에도 불구하고 약풍에서도 전기를 생산하기 위해 특히 원활하게 작동하고 효율적이어야 한다. 프라운호퍼 응용 고분자 연구소(IAP) 연구팀은 한동안 해결책을 모색해 왔다. IAP의 마르첼로 암브로시오(Marcello Ambrosio)는 "우리의 목표는 풍력을 최대한 효과적으로 활용하여 전기 에너지를 생산하는 것이다"고 말했다. 연구팀은 2021년에 이 목적을 위해 섬유 복합 소재로 제작된 특수 로터를 개발했다.

초경량 구조 및 자동화된 생산

이제 더 큰 진전이 이루어졌다. 암브로시오는 "로터 블레이드의 공기역학적 설계와 제조 공정을 최적화했다"고 설명했다. 소형 풍력 터빈의 로터 블레이드는 두 개의 경량 섬유 복합 소재 쉘로 구성된다. 기존 설계는 폼 코어로 채워져 있는 반면, 새롭게 개발된 로터는 내부가 비어 있다. 이를 통해 전체 무게를 최대 35%까지 줄일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

소형 풍력 터빈의 비용 효율성을 극대화하기 위해 연구진은 로터 제조 공정을 고도로 자동화했다. 산업용 3D 프린터를 사용하여 로터 블레이드의 금형을 제작한다. 자동화된 시스템이 이 몰드에 섬유 스트립을 깔고 수지를 함침시킨다. 암브로시오와 그의 동료들이 설명했듯이, 이 방식은 고품질을 보장하고 수동 설치에 비해 겹침을 줄이며 부품 크기를 줄일 수 있다.

약풍에서도 고성능

그 결과, 가볍고 특수한 형태 덕분에 약한 바람도 포착하고 활용할 수 있는 로터가 탄생했다. 초기 풍동 실험 결과, 로터는 초당 2.7m의 낮은 풍속에서도 회전을 시작하는 것으로 나타났다. 연구진은 유사한 시스템의 초기 속도가 초당 4m라고 설명했다.

▲ 새로운 저풍속 로터를 사용하면 저풍속 지역에서도 개인용 소형 풍력 터빈을 사용할 수 있다. © Fraunhofer IAP

실험에서 새로 개발된 풍력 터빈은 최대 분당 450회전에 도달했다. 암브로시오와 그의 팀에 따르면, 초당 10m의 풍속에서 2,500W(와트)의 출력을 내는 이 시스템은 시중의 유사 시스템보다 평균 83% 더 강력하다. 이 시스템은 53%의 효율을 달성한다. 암브로시오는 측정 데이터를 평가하며 "물리적으로는 최대 59%까지 가능하다"고 말했다. 특수 적층 구조 덕분에 로터는 강풍에도 견딜 수 있을 만큼 안정적이다.

앰브로시오는 "복합 소재의 각 층을 설계하여 폭풍우 속에서도 로터 블레이드가 탄성적으로 휘어지고 바람을 피해 회전할 수 있도록 했다"고 설명했다. 이는 터빈의 회전 속도를 자동으로 줄이고 과부하로부터 보호한다. 따라서 복잡한 제어 기술과 기계 장치가 필요 없다.

시제품 실증 테스트 진행 중

BBF 그룹의 라울 코메사냐 M.은 "효율적인 소형 풍력 터빈은 자립적인 에너지 공급에 중요한 기여를 한다"고 말했다. 프로젝트 개발자이자 건설 회사인 BBF 그룹은 브란덴부르크 여러 지역에 소형 풍력 터빈 시제품 5대를 설치하는 시범 프로젝트에 참여하고 있다. 이 프로젝트는 터빈의 위치와 높이가 성능에 미치는 영향을 보여주기 위한 것이다.

팀의 다음 단계는 로터 최적화를 더욱 강화하는 것이다. 또한, 이 프로젝트에서는 복합 소재 대신 단일 소재를 사용하여 경량 구조물을 제작할 수 있는지를 검토할 것이다. 이러한 부품은 재활용이 용이하며 경량 건축 솔루션의 환경 영향 개선에 기여한다.
출처: 프라운호퍼 응용 고분자 연구소 IAP

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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