공중부유식 풍력발전기 - BAT

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공중부유식 풍력발전기 - BAT

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공중부유식 풍력발전(BAT, The Buoyant Airborne Turbine)은 헬륨의 부력을 이용해 공중에 풍력발전기를 띄워서 발전하는 시스템을 말한다. 

풍력발전의 원동력인 바람은 고도가 높아질 수록 빠르고, 일정한 방향으로 분다. 풍력발전기의 발전량은 풍속의 3승의 비례하여 커진다. 다시말해, 풍속이 2배 빨라지면 발전량은 8배가 증가하는 것이다. 또한 바람의 방향이 일정해야 풍력발전의 효율이 높게 유지가 된다. 

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이러한 이유때문에 기존 타워형 풍력발전기의 높이가 점점 높아지는 것이다. 그러던 중, MIT 출신 엔지니어들이 타워를 높이지 않고 높은 고도의 바람을 이용하는 풍력발전기를 고안해 낸 것이 바로 BAT이다. 

BAT의 원리 및 구성

헬륨 가스가 주입된 비행선의 안쪽에 터빈을 설치하여, 지상으로부터 약 300미터(m)부터 600미터 사이의 상공에 띄운다. 

그 고도를 유지하며, 터빈을 돌려 전력을 생산한다.

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A 부분 - 셀 (Shell)

공중부유식 풍력발전기(BAT)의 A부분에 헬륨 1,000 m3를 주입하여 부력을 얻어, 풍력발전기 터빈을 공중에 띄운다. A부분의 보조날개 4개는 터빈을 바람을 정면으로 향하도록 조타기능을 수행한다. 알트에어로스(Altaeros)는 BAT의 개발을 위해 비행선 및 우주복 분야 선도기업인 ILC 도버와 악천후와 강한 자외선 등 악조건에서 견딜 수 있는 원단을 개발하였다. 

B 부분 - 터빈 (Turbine)

첫 상용화 모델에는 30 kW급 터빈을 적용하였다. 이는 약 10 가구가 사용하는 전력량을 발전할 수 있다. 2015년에 1기 200kW를 발전을 목표로 하고있다. BAT에 무선통신 안테나와 무선 인터넷 중계기를 설치하여 통신기지국으로서 운용할 수 있다.

C 부분 - 연결선 (Tethers)

공중에서 발전한 전기를 지상으로 전송하기 위해 폴리머 로프로 지상 스테이션과 연결되어 있다. 이 로프 내부에는 구리 전도체가 있어 600m 상공에서 생산한 전력을 지상으로 송전한다.

D 부분 - 기지 (Ground station)

BAT의 최적 풍속은 시속 50 km이다. BAT의 고도와 방향을 제어하기 위해 지상스테이션은 윈치를 이용해 로프를 당기거나 푼다. 만약 풍속이 시속 120 km 이상이 되면 로프를 감아 터빈을 지상으로 회수한다.  

The Altaeros BAT integrates proven aerospace and wind turbine technology. The BAT lifting platform is adapted from tethered aerostats, which have reliably lifted heavy communications and monitoring equipment high into the air for decades. The Altaeros BAT integrates four main components:

Shell - A proprietary helium-filled shell made from high performance, industrial fabrics that lifts the turbine up and stabilizes it in the air.

Turbine - A lightweight conventional three-blade, horizontal axis wind turbine fixed within the shell.

Tethers – The lightweight, high strength tethers hold the turbine in place in all weather conditions and transmit power to the ground.

Ground Station - The portable ground station is rapidly deployed from a shipping container and includes an autonomous control system and power conditioning equipment.

BAT의 장점

공중에서의 풍력 발전은 지상에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있다. 일단 바람의 세기가 강해 더 효율적인 발전을 할 수 있다는 점 외에도, 전력 생산에 따르는 일정 및 비용을 대폭 줄일 수 있다는 점이다.

공중풍력터빈과 비슷한 발전능력을 가진 고정식 풍력발전기를 지상에 설치하려면 많은 인원이 동원되어 며칠 동안이나 작업해야 한다. 하지만 공중풍력터빈은 설치 장소에 도착한 당일에 전력 생산이 가능할 만큼 신속함을 자랑한다.

콘크리트를 부어 기초 토목공사를 할 필요도 없고, 높은 철탑을 세울 필요도 없다. 몇 명의 작업자와 트럭 1대만 있으면 어디라도 달려가서 로프를 잇고, 비행선에 가스를 채워서 하늘로 띄워 올리기만 하면 되는 것이다.

장치 전체를 컨테이너 차량에 싣어 운반이 가능하여, 지상에서 셸을 전개하는 데 필요한 시간은 24시간 이내라고 한다. 신속하게 자리를 옮겨다니며 발전을 할 수 있다. 

메가와트(MW)급 출력을 낼 수 있는 공중풍력터빈을 오지의 일정한 장소에 설치하면, 현재의 전력선 공급다 훨씬 적은 투자로도 동일한 양의 전력을 생산할 수 있다는 것이 글래스 대표의 설명이다. 

그 밖에도 알트에어로스사의 보도자료에 따르면 공중풍력터빈에 무선·통신 안테나와 무선인터넷 중계기를 장착함으로써 풍력 발전은 물론, 음성 및 데이터의 네트워크 시스템으로 활용할 수 있는 것으로 파악되었다.

발전 비용은 3.3~5.3센트/kWh 정도 이다.  

BAT의 역사

MIT 출신 엔지니어들이 BAT를 개발 및 상용화를 위해 알트에어로스에너지스(Altaeros Energies) 설립하였다. 

2014년 12월 5일, 일본 통신회사인 소프트뱅크가 700만 달러(약 8억 4000만 엔)를 BAT 기술의 개발과 상용화 지원을 목적으로 Altaeros Energies사에 투자하겠다고 발표했다. 통신회사가 BAT에 투자하는 이유는, 공중에서 발전함은 물론 비행체에 통신기기를 탑재하여, (휴대전화의) 통신기지국으로 운용할 수 있을 것으로 보았기 때문이다. 

Altaeros Energies사 외의 출자자로서는 최대이다. 당사로서는 최근 1년에 기술을 실용화하고자 한다. 상용화 제1호 발전기에서는 출력 200kW를 목표로 한다. 그 후 대형화해 나갈 것이다. 

장치 전체를 표준적인 운송컨테이너로 운반가능하며, 건축기재와 기초공사가 불필요하므로 종래의 타워형 풍력발전에 비해 비용 면에서 우위성이 있다. 발전 비용은 3.3~5.3센트/kWh이며, 지상에서 셸을 전개하는 데 필요한 시간은 24시간 이내라고 한다. 2015년에 1기 200kW를 발전을 목표로 하고 있다. 

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2014. 12. 17 작성

2015. 04. 05 수정

1. http://www.altaerosenergies.com/gallery.html [본문으로]
2. http://www.altaerosenergies.com/gallery.html [본문으로]
3. http://navercast.naver.com/magazine_contents.nhn?rid=1697&attrId=&contents_id=70805&leafId=1697 [본문으로]
4. http://www.altaerosenergies.com/gallery.html [본문으로]
5. http://www.altaerosenergies.com/gallery.html [본문으로]
6. http://www.altaerosenergies.com/gallery.html [본문으로]
7. http://www.altaerosenergies.com/gallery.html [본문으로]
8. http://phys.org/news/2015-02-turbines-electricity.html [본문으로]