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공중 풍력 터빈

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목차

1. 개요

공중 풍력 터빈은 공중에 설치되어 바람의 힘을 이용해 전기를 생산하는 시스템이다. 공기역학적 방식과 에어로스탯 방식의 두 가지 주요 유형이 있으며, 공기역학적 방식은 연과 유사한 구조를 사용하여, 에어로스탯 방식은 부력을 활용한다. 공중 풍력 터빈은 소음과 진동이 적고, 산간 지역과 같은 기존 풍력 발전 설비 설치가 어려운 지역에도 설치할 수 있으며, 농촌, 섬 지역, 해상 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.

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공중 풍력 터빈
개요
부유식 공중 터빈의 렌더링
부유식 공중 터빈의 렌더링
유형풍력 터빈
개발자여러 회사 및 연구 기관
용도전력 생산
기술적 세부 사항
작동 고도지상에서 수백~수천 피트
장점더 강하고 일정한 바람에 접근 가능
지상 기반 터빈에 비해 더 높은 용량 계수 가능
더 작은 설치 공간
단점안전 문제 및 규제 장애물
항공 교통과의 간섭 가능성
유지 보수 및 수리 문제
작동 원리
계류 방식지상에 연결된 테더를 사용하여 고도를 유지
발전 방식지상 또는 공중에서 전기를 생산
생성된 전기는 테더를 통해 지상으로 전송
유형
종류계류된 풍력 터빈
풍력 에너지 키트
부유식 풍력 터빈
장점 및 단점
장점더 높은 풍속 활용
더 높은 용량 계수
감소된 시각적 영향
다양한 위치에 배치 가능
단점기술적 및 물류적 문제
높은 초기 비용
안전 문제
규제 승인 필요
잠재적 문제점
안전 문제낙뢰, 결빙, 극한의 바람과 같은 환경 조건
재료 피로 및 구조적 무결성
낙하 및 얽힘 위험
규제 장애물항공 교통과의 통합
안전 표준 및 인증
토지 사용 허가 및 환경 영향 평가
추가 정보
참고 사항공중 풍력 터빈은 기존 풍력 터빈에 대한 대안
더 높고 강한 바람을 활용하여 더 많은 전력 생산 가능
여전히 개발 중이며 상용화에는 상당한 과제가 존재

2. 종류

공중 풍력 터빈은 크게 공기역학을 이용하는 방식과 부력을 이용하는 방식으로 나뉜다.


  • '''공기역학적 방식'''은 연과 같이 공기역학적 원리를 이용하여 바람의 힘으로 전기를 생산한다. 발전기는 공중에 위치하거나 지면에 위치할 수 있다.
  • '''에어로스탯 방식'''은 풍선과 같이 부력을 이용하여 공중에 떠 있는 상태에서 바람의 힘으로 전기를 생산한다.


각 방식에 대한 자세한 내용은 해당 하위 문단을 참조하라.

2. 1. 공기역학적 방식 (Aerodynamic variety)

공기역학을 이용하는 공중 풍력 발전 시스템은 바람의 힘에 의존한다. 발전기는 공중에 위치하거나 지면에 위치할 수 있다. 공중에 위치하는 경우, 연과 유사한 공기역학적 구조물이 바람을 받아 풍력 에너지를 추출하고, 이를 지상으로 전달한다. 지상에 위치하는 경우, 하나 이상의 공기역학적 날개 또는 연이 밧줄에 힘을 가하고, 이 힘은 전기 에너지로 변환된다. 윈치를 사용하는 시스템은 발전기의 무게를 지면에 두어 밧줄이 전기를 전도할 필요가 없도록 할 수 있다.

연 공중 풍력 터빈의 원리


연 공중 풍력 터빈의 가능한 비행 경로


공기역학적 풍력 에너지 시스템은 1980년대부터 연구 대상이 되어 왔으나,[6] 상업적 제품은 아직 출시되지 않았다.[7][8]

상공은 지표면 부근보다 강풍이 불고, 베츠의 법칙에 의해 발전량은 풍속의 세제곱에 비례하므로 더 높은 고도에서 효율적으로 발전할 수 있다. 반면, 높은 타워를 건설하는 것은 기술적, 경제적으로 어려움이 있어 타워의 높이는 제한된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 계류식 비행선 등을 이용한 공중 풍력 발전이 제안되어 일부에서 실험이 시작되었다.[24] Altaeros Energies는 기존 풍력 발전 설치가 어려운 농촌, 섬 지역, 광산, 석유·가스 기지, 긴급 재해 구원, 군사 시설, 해상 등의 용도를 상정하고 있다.[24]

2. 1. 1. 주요 프로젝트


  • Ampyx Power
  • Kitepower
  • KiteGen[9]
  • Rotokite[10]
  • HAWE System[11]
  • SkySails[12]
  • X-Wind technology[13]
  • Makani Power 횡풍 하이브리드 연 시스템[14]
  • Windswept and Interesting Kite Turbine Ring to Ring 토크 전달[15]
  • Kitemill[16]

2. 2. 에어로스탯 방식 (Aerostat variety)

에어로스탯형 풍력 시스템은 공중 풍력 터빈의 일종으로, 풍력 수집 요소를 지지하기 위해 적어도 부분적으로 부력에 의존한다. 에어로스탯은 설계와 양항비가 다양하며, 높은 양력 대 항력 형태의 연 효과로 공중 터빈을 효과적으로 공중에 유지할 수 있다. 이러한 종류의 연 풍선은 돔이나 잘버트의 카이툰에서 유명해졌다.

풍선은 바람이 없는 상황에서도 시스템을 유지할 수 있지만, 천천히 가스가 새어나가 부상 가스를 재공급하고 수리해야 할 수 있다. 매우 크고 태양열 가열 풍선은 헬륨이나 수소 누출 문제를 해결할 수 있다.

상공은 지표면 부근보다 강풍이 불고, 베츠의 법칙에 의해 발전량은 풍속의 세제곱에 비례하므로 더 높은 고도에서 효율적으로 발전할 수 있다. 반면 높은 타워를 건설하는 것은 기술적, 경제적으로 어려워 타워 높이는 제한된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 계류식 비행선 등을 이용한 공중 풍력 발전이 제안되어 일부에서 실험이 시작되었다.[24] Altaeros Energies는 기존 풍력 발전 설치가 어려운 농촌, 섬 지역 외에 광산, 석유·가스 기지, 긴급 시 대응이나 재해 구원, 군사 시설, 해상 등의 용도를 상정하고 있다.[24]

2. 2. 1. 주요 프로젝트

온타리오에 본사를 둔 Magenn은 Magenn Air Rotor System(MARS)이라는 터빈을 개발하고 있었다.[17][18] 약 304.80m 넓이의 MARS 시스템은 땅에 있는 변압기에 묶인 헬륨 부유 장치에 수평 회전자를 사용할 것이었다. Magenn은 자사의 기술이 비공중 솔루션과 비교하여 더 높이 배치할 수 있기 때문에 높은 토크, 낮은 시작 속도 및 우수한 전체 효율성을 제공한다고 주장했다.[19] 2008년 4월에 TCOM에서 첫 번째 프로토타입이 제작되었으나, 생산 유닛은 인도된 적이 없다.[20]

보스턴에 본사를 둔 알타에로스 Energies는 헬륨으로 채워진 풍선 덮개를 사용하여 풍력 터빈을 공중으로 들어 올려 덮개를 제어하는 데 사용되는 동일한 케이블을 통해 결과 전력을 기지국으로 전송한다. 스카이스트림 2.5kW 3.7m 풍력 터빈을 사용한 35피트 프로토타입이 2012년에 비행 및 테스트되었다. 2013년 가을, 알타에로스는 알래스카에서 첫 번째 상업 규모 시연을 진행 중이었다.[21][22]

2023년에 공개된 또 다른 개념은 헬륨으로 채워진 풍선에 돛을 부착하여 압력을 생성하고 수평축을 중심으로 시스템의 회전을 구동하는 방식이다. 운동 에너지는 원형 운동으로 로프를 통해 지상의 발전기로 전송된다.[23]

3. 특징


  • 소음과 진동이 지상에서 멀리 떨어져 있어 전달되기 어렵다.
  • 산간 지역 등 기존 풍력 발전 설비 설치가 어려웠던 지역에도 설치할 수 있다.[24]
  • Altaeros Energies는 기존 풍력 발전의 설치가 어려운 농촌, 섬 지역, 광산, 석유·가스 기지, 긴급 상황 대응 및 재해 구원, 군사 시설, 해상 등 다양한 분야에 활용될 수 있다고 보았다.[24]

4. 관련 연구

E. 밴스는 Nature에 기고한 글에서 풍력, 특히 공중 풍력 터빈에 대한 높은 기대를 다루었다.[1] 보리스 하우스카와 모리츠 디엘은 전력 생산 연의 최적 제어에 대한 연구를 진행하여 2007년 유럽 제어 컨퍼런스(ECC)에서 발표하였다.[2]

참조

[1] 뉴스 Flights of fancy: airborne wind turbines http://blog.environm[...] 2014-04-17
[2] 잡지 Inherit the Wind http://www.newyorker[...] 2013-05-20
[3] 뉴스 High-Altitude Wind Energy: Huge Potential — And Hurdles http://e360.yale.edu[...] 2012-09-24
[4] 웹사이트 Airborne Wind Energy Generation Systems http://www.energykit[...]
[5] 웹사이트 The kites seeking the world's surest winds https://www.bbc.com/[...] 2022-04-02
[6] 간행물 Crosswind Kite Power http://homes.esat.ku[...]
[7] 뉴스 Giant kites to tap power of the high wind https://www.theguard[...] 2008-08-03
[8] 웹사이트 Welcome to the WPI Kite Power Wiki http://www2.me.wpi.e[...] 2008-05-05
[9] 간행물 KiteGen project: control as key technology for a quantum leap in wind energy generators IEEE 2007
[10] 웹사이트 Rotokite http://xercesblue.or[...] 2011-02-12
[11] 웹사이트 FP7 http://www.omnidea.n[...] 2015-02-26
[12] 웹사이트 SkySails GmbH - Compelling Technology http://www.skysails.[...] 2011-10-22
[13] 웹사이트 NTS X-Wind http://www.x-wind.de[...]
[14] 웹사이트 Inside Google's Secret Lab https://www.bloomber[...] Bloomberg 2018-04-03
[15] 웹사이트 Main - Windswept and Interesting http://www.windswept[...]
[16] 웹사이트 77 folkeinvestorer skal holde det svevende, norske kraftverket i himmelen hele døgnet, hele året http://www.tu.no/art[...] 2017-01-11
[17] 웹사이트 "Magenn Air Rotor System" http://www.thewallnu[...] 2012-07-09
[18] 웹사이트 Technical World : MAGENN AIR ROTOR SYSTEM (M.A.R.S.) http://latesttechnol[...] 2013-07-18
[19] 웹사이트 Magenn Power Inc. corporate website http://www.magenn.co[...] 2008-12-14
[20] 웹사이트 Airborne turbine tested at TCOM; Magenn: MARS makes wind power mobile http://www.dailyadva[...] The Daily Advance 2008-11-23
[21] 웹사이트 Two Alums Dream of Tethered Aerostat Wind Farms http://alum.mit.edu/[...] Slice of MIT 2013-09-04
[22] 웹사이트 Wind Industry's New Technologies Are Helping It Compete on Price https://www.nytimes.[...] 2014-03-21
[23] 간행물 High-Altitude-Wind-Turbine-Concept https://github.com/J[...] 2023-02-22
[24] 뉴스 気球ならぬ「浮遊風車」、2015年に1基200kWを目指す https://www.itmedia.[...] 2019-02-18
[25] 뉴스 Flights of fancy: airborne wind turbines http://blog.environm[...] 2014-04-17
[26] 잡지 Inherit the Wind http://www.newyorker[...] 2013-05-20
[27] 뉴스 High-Altitude Wind Energy: Huge Potential — And Hurdles http://e360.yale.edu[...] 2012-09-24
[28] 웹인용 Airborne Wind Energy Generation Systems http://www.energykit[...]
[29] 웹인용 The kites seeking the world's surest winds https://www.bbc.com/[...] 2022-04-02


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