[TECH meets DSIGN] 새 날개 모양 본뜬 풍력 터빈 설계로 소음 줄이는 기술 나와

[녹색경제신문 = 박진아 유럽 주재기자] 최근 독일의 지상 풍력발전기 전문 제조기업인 에네르콘(ENERCON)과 캐나다의 신재생에너지 기업인 바이옴 리뉴어블(Biome Renewables) 사가 소음 문제를 대거 개선한 ‚조용한 풍력발전 날개‘ 디자인의 1차 성능 타당성 실험을 마치고 기술 상용화를 위한 연구에 들어가 에너지 업계의 주목을 받고 있다.

풍력은 신재생에너지 중에서 가장 청정하고 저렴한 에너지 원천으로, 미래 에너지 전환에 대비한 대기 중 온실가스 배출량 감축 목표 달성에 중요한 에너지원이지만 여전히 많은 개선이 필요한 신생 기술이다. 

풍력 기술이 풀어야 할 과제 중 하나는 바로 풍력발전 터빈에서 발생하는 소음 문제다.

♢ 미해결된 풍력발전 터빈 소음 문제 — 개선 여지 많아

풍력발전기 가동 시 회전하는 날개와 바람에서 부딪혀 나는 공력 소음과 내부 기계에서 발생하는 기계 소음 문제가 인간의 삶을 질 저하와 천연 생태계 교란을 야기할 수 있다는 단점이  지적돼왔다.

현재 과학계 일반에서는 풍력 터빈에서 발생하는 소음은 인간의 건강에 무해하다고 분류되고 있으며, 장기적으로 풍력발전이 주는 기후 변화의 주원인인 온실가스 발생량 감축에 따른 지구 생태계에 미치는 긍정적 효과를 더 우선적 가치로 두고 있다.

통상 풍력발전기 터빈은 기계 내부의 발전기 및 감속기에서 발생하는 소음과 회전 시 공기 마찰음을 발생시키기 때문에 육상 풍력발전 단지의 경우 바람이 많은 산이나 평지 등 인간 주거지로부터 멀리 떨어진 장소에서만 설치 허가를 받을 수 있다.

예를 들어, 풍력발전이 널리 일반화돼있는 독일의 경우, 해가 떠있는 낮 시간 동안(daytime)  인근 설치된 풍력발전 단지에서 들리는 최고 소음 수치 55데시벨을 넘지 않도록 규정하고 있다. 풍력발전기가 설치돼있는 약 300~400m 떨어진 위치에서 발생하는 소음은 집안에서 사람의 청력으로 들을 수 있는 가정용 냉장고에서 나오는 가동 소음과 비슷한 수준으로,  교통량이 많은 도로에서 발생하는 차량 소음 보다 낮은 수준으로 보고된다.

그럼에도 불구하고 풍력발전기 소음이 인간 건강에 미치는 위해성 논란이 끊이지 않고 있는 가운데,  터빈 소음을 최소화할 수 있는 기술의 연구도 활발하게 이뤄지고 있다.

신재생에너지 업계의 두 기업 — 에네르콘과 바이옴 리뉴어블—이 협력해 개발한 저소음 풍력발전기는 천연 자연 생태계의 구조와 작동 메커니즘의 특성, 특히 그 중에서 부엉이의 날개의 독특한 구조에서 영감을 얻어 착상된 생체 모방(바이오미미크리, biomimicry) 디자인의 좋은 사례여서 흥미롭다.

♢ 올빼미 날개 끝의 빗살형 깃털 메커니즘을 풍력 터빈 날개 설계에 응용

바이옴 리뉴어블의 독자적 ‚올빼미 날개끝 기술(FeatherEdge technology)’은 지난 2023년 11월, 저명한 물리학 분야 저널인 ‚뉴 저널 오브 피직스(New Journal of Physics (IOP사이언스/IOPScience 사이트)‘에 게재 발표된 바 있는 ‚부엉이 날개 끝부분에서 발생되는 공기역학력을 이용한  소음 억제 모형‘ 연구를 공학적으로 응용한 결과물이다.

실제로, 부엉이는 하늘을 날 때 매우 조용하다. 비행하거나 먹잇감을 향해 급강하할 때 푸드덕대는 소리를 내지 않고 먹잇감을 사냥하는 무음의 야간 포식자다.

앞서 언급된 뉴 저널 오브 피직스에 발표된 연구에 따르면, 부엉이 날개 끝부분에 마치 빗처럼 나란히 정렬된 뻣뻣한 깃털은 그 같은 깃털이 없을 때와 비교했을 때 부엉이가 대기 중 비행 시 날갯짓 소리를 최대 6.5 데시벨까지 낮추는 역할을 하는 것으로 나타났다. 

이에 착안해 바이옴 리뉴어블 사는 풍력발전기 터빈 날개 후면 가장자리에 빗살처럼 생긴 이중 깃털을 부착함으로써 터빈 날개 회전 시 발생하는 음파가 상호 차단되는 효과를 창출했다. 

업체 측에 따르면, 이 원리를 응용한 결과 풍력기 터빈 소음을 기존 보다 5데시벨 가량 낮출 수 있다고 한다.

풍력발전기 터빈의 소음 감축은 풍력발전 단지 주변 환경이 조용해진다는 장점 외에도 에너지 발전 효율화에도 도움이 된다. 

1) 여태까지 일부 풍력발전기들은 소음 발생에 대한 인근 주민들의 고통 호소 미원에 대응하기 위해 저소음 모드로 작동하는 경우가 많은데, 저소음 모드는 전력 발전량이 적어 효율성이 떨어진다는 것이 문제였다. 가령, 소음 1데시벨이 줄어들 때마다 전력효율성 3~5%가 손실된다. 반면, 이번 바이옴 리뉴어블의 ‚올빼미 날개끝 기술’은 소음 데시벨 감소시키는 동시에 연간 전력을 4~5% 추가 발전할 수 있게 될 것으로 기대된다.

2) 풍력발전기 터빈 소음이 줄면 한정된 풍력 단지 내 공간에 더 많은 수의 풍력발전기를 설치함으로써 전력 발전량을 늘릴 수 있다.

바이옴 리뉴어블은 독일의 엔지니어링 기업과 긴밀한 사업 협력 관계를 맺고 이 기술의 실용성 실험을 계속해 나가며 소음에 취약한 지역에 풍력발전 단지 유치에 설치 및 상용화될 수 있도록 할 계획이라고 밝혔다.