지구온난화, 재난, 화석연료 고갈문제라는 배경하에 재생 가능하고 깨끗한 청정에너지 개발에 대한 요구가 점점 높아지고 있다. 이 클린에너지 중 특히 풍력에너지 분야에서는 비교적 저풍속의 바람일지라도 충분한 발전 가능성을 실현시키면 신에너지 분야에 있어 커다란 역할을 수행할 수 있게 된다. 규슈대학 오오야 교수의 연구팀에서는 새로운 풍력발전시스템으로서 브림(Brim, 테두리) 붙이 디퓨저 풍차(이하, 바람렌즈 풍차)를 개발하고 ㈜윈드렌즈가 이 바람렌즈 풍차의 실용화 및 실증실험을 실시했다. 본고에서는 이 바람렌즈 풍차에 의한 발전 시스템 현황 및 실증실험에 관해 소개한다.

번역·정리 김대근 기자

대형풍차의 문제점
일본에서 풍황이 좋은 장소는 산악 및 낙도 등 험준한 지형에 많기 때문에 풍차를 설치하기 위해서는 반입로 및 전력계통의 확보가 필요하다. 또 풍차의 출력변동에 의해 발전출력과 전력소비의 밸런스가 무너져 전력계통에 악영향을 미칠 우려도 있다. 더욱이 세계적으로도 봤을 때 비교적 많은 태풍(돌풍)의 영향, 소음 및 경관변화에 따른 영향, 조류 생태계에 미치는 영향 등 잠재적인 제약도 많다. 이러한 제약을 극복하기 위해 소형이면서 고출력 발전이 가능한 풍력발전시스템의 필요성이 더욱 절실해지고 있는 상황이다.

풍차는 직경과 풍차의 규모에 따라 소형, 중형, 대형으로 분류된다. 또 풍차의 형식은 수평축형과 수직축형으로 나뉜다. 수평축형의 대표적인 것으로는 프로펠러형이 있으며, 수직축형에는 다리우스형, 자이로밀형(Gyromill type), 사보니우스형(Savonius type), 크로스플로우형(Cross Flow Type) 등이 있다. 풍력에너지는 바람을 받는 면적과 공기의 밀도와 풍속의 3제곱에 비례하기 때문에 바람을 받는 면적과 공기의 밀도를 일정하다고 가정할 경우, 풍속이 2배가 되면 풍력 에너지는 8배가 된다. 따라서 바람이 강한 지점을 선정하는 것이 필수 조건이라고 할 수 있다. 그러나 일본의 경우, 앞에서도 언급한 제약들 때문에 어떠한 방법으로든 풍속을 끌어모아 바람 에너지를 국소적으로 집중시킬 수 있는 새로운 풍차가 필요하다. 바람렌즈 풍차의 원리를 [그림 1]에 나타냈다. 그 최대 특징은 블레이드(날개)를 감싸듯이 설치된 집풍(集風) 덕트(바람렌즈)이다. 집풍 덕트는 그림과 같이 바람의 하류 측을 향해 단면이 확대되는 중공 구조체(디퓨저) 부분과 그 주변의 브림(Brim, 테두리) 부분으로 구성되어 있다. 이 브림 부분에 의해 발생되는 소용돌이가 풍차 하류에서 부압(負壓, 대기압보다 낮은 압력)을 만들어 내고, 디퓨저 내에 바람을 모은다. 그 결과, 블레이드에 유입되는 풍속이 1.3~1.5배로 증속된다. 즉, 유입되는 풍속을 강하게 하면 에너지는 그 3승분을 얻을 수 있다.

후쿠오카시 미나미구(福岡市南區)에 있는 모모랜드 아부라야마(油山) 목장의 바람렌즈 풍차 설치사례를 소개한다. [그림 2]에 전경을 나타냈다. 모모랜드는 해발 597m의 아부라야마(油山) 산 중턱에 있으며, 약 47ha의 부지를 갖는 공원이자 목장이다. 또 후쿠오카시가 한눈에 내다보이는 후쿠오카 시민들의 휴식 공간이기도 하다. 바람렌즈 풍차의 설치점의 표고는 310m이다. 이 풍차는 안전장치로서 3단의 브레이크 시스템을 갖추고 있다. 첫 번째로는 고풍속 시 정격 회전수 이상이 되면 회전수를 제어하는 전기적 스톨 제어가 있다. 그 다음으로는 예기치 못한 고속 회전 시 및 정전 시 기계식 브레이크가 동작하여 풍차를 확실하게 정지시킨다. 마지막 세 번째로는 단락 브레이크와 기계식 브레이크에 의해 강한 태풍 시에도 풍차를 정지시킨다. [그림 3]에 바람렌즈 풍차를 나타냈다. 이 바람렌즈 풍차는 5kW 계통연계형이다. 블레이드의 소형화뿐만 아니라, 집풍 덕트가 소음원이 되는 블레이드 끝단의 소용돌이를 억제하기 때문에 뛰어난 정숙성을 실현하고 있다. 또 집풍 덕트의(수탉 모양의) 풍향계 효과로 풍향 변동에 대한 추종성이 좋다. 더욱이 집풍 덕트가 블레이드를 에워싸는 형태를 하고 있어 시각적인 안정감을 주며, 버드 스트라이크를 방지할 수 있다. [그림 4]에 바람렌즈 풍차의 개략도를 나타냈다. 11.7m의 상공에 블레이드 직경 2.5m, 집풍 덕트 직경 3.4m의 풍차 본체가 탑재되어 있다. [표 1]에 5kW 계통연계형 바람렌즈 풍차의 사양을 나타냈다. 풍차 본체 중량은 약 650kg이고, 정격풍속은 12m/s, 컷인(Cut-in) 풍속은 3m/s, 컷아웃(Cut-out) 풍속은 17~20m/s이다. [그림 5]에 연간 평균 풍속에 대한 연간 예상 발전량을 나타냈다. 여기에서 독립형이란 계통연계를 하지 않는 시스템을 말하며, 최대출력을 3kW로 억제하고 있다. [그림 6]은 옥내에 있는 모니터링 장치이다. 풍차의 동작상황은 인터넷을 통해 본사에서 관리한다. 

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㈜윈드렌즈와 규슈대학의 바람렌즈 풍차개발 사례 및 자치단체와의 실증 실험 등 일본에서는 앞으로 풍력에너지의 이용 촉진 및 발전이 더욱 가속화될 전망이다. [그림 7]은 개인 주택용 바람렌즈 풍차의 시공사례이다. 시가지에서 가까운 미래에 이러한 풍경이 펼쳐질지도 모른다. 한편, 규슈대학에서는 100kW급 바람렌즈 풍차의 개발도 진행되고 있다.([그림 8] 참조)