콘도르에서 영감 얻은 청색기술, 풍력 터빈 에너지 생산량 10% 향상

최근 진행된 새로운 연구에 따르면 안데스 산맥에 서식하는 콘도르(condor) 독수리의 공기 저항을 줄이는 공기역학적 날개를 모방한 청색기술을 풍력 터빈 블레이드에 적용하면 에너지 생산량을 평균 10% 증가시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.

날개 길이가 3~3.7m에 달하는 안데스 콘도르는 세계에서 가장 큰 하늘을 나는 새로 알려진다. 최대 16kg에 달하는 무게에도 불구하고 날개의 공기역학 덕분에 항력을 줄여 하루에 최대 240km까지 날갯짓 없이 장거리를 활공할 수 있는 새이다. 캐나다 앨버타대(U of A) 기계공학과 연구진은 풍력 터빈 블레이드에 콘도르에서 영감을 얻어 청색기술을 적용한 윙렛(winglet)을 부착하면 항력을 줄이고 에너지 생산량을 늘릴 수 있는지 조사했다.

풍력 터빈 날개는 공기역학을 이용해 바람의 에너지를 추출하고 이를 전기로 변환한다. 하지만 깨끗하고 지속가능한 에너지 생산에 의존하려면 가능한 한 많은 에너지를 생산할 수 있도록 하는 것이 필요하다.

일반적으로 풍력 터빈의 효율을 떨어뜨리는 것은 양력으로 인해 발생하는 유도 항력이다. 블레이드가 공기를 통과할 때 그 위에 낮은 기압의 영역(흡입면)이 형성되기 때문이다. 블레이드 아래의 고압 공기(압력면)는 위의 저압 영역과 평형을 이루려고 노력하며, 그 결과 블레이드 끝에서 나선형으로 흘러내리는 공기인 팁 와류(tip vortice)가 발생한다. 이 와류는 공기 흐름을 아래쪽으로 편향시켜 유도 항력을 생성하게 된다.

대부분의 최신 비행기는 날개 끝 와류의 영향을 최소화하기 위해 윙렛을 사용하여 유도 항력을 줄이지만, 풍력 산업에서 윙렛의 사용은 아직 초기 단계에 머물러 있다. 윙렛이 적용된 풍력 터빈에 대한 연구에 따르면 전력 생산량이 증가했지만 블레이드 팁이 길어지는 대가를 치러야 하는 경우가 많았기 때문에 이러한 개선이 윙렛 때문인지 아니면 블레이드의 습윤 면적(외부 기류와 접촉하는 면적)이 증가했기 때문인지 확인하기가 어려웠다.

이 문제를 명확히 하기 위해 앨버타대 연구진은 자연을 모방하여 청정 에너지 제품을 만드는 캐나다의 산업 디자인 회사로 콘도르 날개를 모방한 윙렛을 디자인한 청색기술 전문 기업 '바이옴 리뉴어블(Biome Renewables)'에 의뢰했다. 이 회사는 일명 '프로젝트 콘도르'를 위해 생물에서 영감을 얻은 윙렛을 개발했다. 이 윙렛은 17.6피트(5.35미터) 길이로, 생산 후 풍력 터빈의 블레이드 윙팁에 장착할 수 있도록 설계됐다. 연구원들은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 샘플 풍력 터빈에 바이옴사의 윙렛을 추가하는 것이 전력 생산에 미치는 영향을 확인했다.

연구진은 윙렛을 추가하면 블레이드의 스팬을 따라 흡입면과 압력면 사이의 압력 차이가 증가하여 터빈의 토크(축을 중심으로 회전하는 힘)와 전력 생산량이 증가한다는 사실을 발견했다. 에너지 생산량의 평균 증가율은 10%였으며, 연구진은 이는 단순히 블레이드의 부드럽게 곡선을 이루는 스윕(sweep) 영역이 증가한 것이 아니라 윙렛으로 인한 공기역학적 변화 때문이라고 결론지었다.

연구진은 "요컨대, 항적(wake) 연구와 전력 생산 결과는 하늘을 나는 콘도르에서 영감을 얻은 청색기술 디자인이 풍력 터빈 전력의 출력을 높일 수 있음을 시사한다"고 말했다.

잉카(페루)인의 애환을 담아 1913년 발표된 '엘 콘도르 파사(El Condor Pasaㆍ"철새는 날아가고")' 곡을 사이먼 앤 가펑클이 1970년 리메이크(개사)하여 크게 인기를 얻은 노래 주인공 콘도르가 제 몫을 제대로 한 셈이다. 

이 연구는 국제학술지 '에너지(Energy)' 3일자에 게재됐다.