수직축 풍력 터빈과 수평축 풍력 터빈 중 어느 것이 더 효율적일까요?
현재 주류를 이루는 3개 날개 수평축 풍력 터빈의 효율성은 수직축 풍력 터빈보다 훨씬 높습니다.
이러한 효율 차이는 근본적인 문제입니다. 효율 측정의 핵심 지표는 "풍력 에너지 이용 계수"로, 풍력 터빈이 바람으로부터 얼마나 많은 에너지를 포집할 수 있는지를 나타냅니다. 현대의 대형 수평축 팬은 45~50%의 효율을 달성할 수 있는데, 이는 이론적인 한계(59.3%, 베즈 한계로 알려짐)에 근접합니다. 반면, 수직축 팬의 효율은 설계 유형에 따라 훨씬 낮아 일반적으로 15~40%에 불과합니다.
수평축 팬의 효율성이 왜 그렇게 높은가요?
이는 주로 작동 원리 때문입니다.
모든 날개가 최적의 각도로 동시에 바람을 가르며 회전합니다. 수평축 선풍기의 날개는 항공기 날개(공기역학적 에어포일)와 유사하게 설계되었습니다. 바람이 불면 거대한 '양력'이 발생하는데, 이것이 날개 회전의 주요 원동력입니다. 날개가 항상 같은 방향으로 회전하기 때문에 날개 전체의 대부분이 지속적이고 효율적으로 풍력 에너지를 흡수할 수 있습니다.
고속: 수평축 팬은 매우 빠른 속도를 달성할 수 있어 발전기를 구동하여 전기를 생산하는 데 매우 효율적입니다.
수직축 팬의 효율성이 낮은 이유는 무엇입니까?
수직축 팬(주로 계란 치는 기계처럼 생긴 "다리오 타입"을 말함)의 작동 모드는 다릅니다.
블레이드는 바람에 따라 앞뒤로 움직입니다. 블레이드가 다른 위치로 회전함에 따라 풍향과의 각도가 끊임없이 변합니다. 블레이드는 특정 각도에서만 풍력 에너지를 효율적으로 포착할 수 있습니다. 그러나 다른 위치(예: 바람이 불어오는 쪽으로 회전할 때)에서는 블레이드가 저항을 발생시킵니다. '자기 자신과의 경쟁'이라는 이러한 특성은 블레이드의 효율성을 근본적으로 제한합니다.
시동 성능이 좋지 않음: 많은 수직축 팬은 스스로 시동할 수 없으며 외부 지원이 필요합니다.
효율성 면에서 큰 차이가 있지만, 수직축 팬에도 장점이 없는 것은 아닙니다. 특정 상황에서는 대체할 수 없는 여러 가지 고유한 기능을 갖추고 있기 때문입니다.
수평축 팬의 장단점:
장점:
핵심 장점: 대규모 발전에 있어 매우 높은 효율성과 최고의 경제적 타당성.
단점:
바람 방향에 맞춰야 함: 바람 방향 표시기처럼, 바람 방향에 맞춰 객실이 지속적으로 조정되도록 복잡한 "요 시스템"을 장착해야 합니다.
구조가 복잡하고 유지관리 비용이 높습니다. 수십 미터, 심지어 수백 미터 높이의 탑 꼭대기에는 무거운 발전기와 기어박스가 설치되어 있어 유지관리와 수리가 매우 어렵고 비용이 많이 듭니다.
큰 소음: 고속으로 회전하는 블레이드 끝부분에서 많은 소음이 발생합니다.
설치 환경에 대한 높은 요구 사항: 안정적이고 부드러운 바람 조건이 필요하며, 난류 및 난류 바람이 있는 도시에서는 성능이 좋지 않을 수 있습니다.
수직축 팬의 장단점:
장점:
바람이 필요 없습니다. 어느 방향에서 불어오는 바람이든 회전시킬 수 있으므로 요잉 시스템이 필요 없습니다.
구조가 간단하고 유지관리가 용이합니다. 발전기, 변속기 등의 주요 설비가 지하에 설치되므로 유지관리 인력이 높은 곳으로 올라갈 필요가 없어 유지관리 비용이 저렴합니다.
낮은 소음: 일반적으로 속도가 느리고 작동이 조용합니다.
복잡한 바람 조건에 적응 가능: 다양한 바람 방향과 난류가 있는 도시 환경에 매우 적합하며, 옥상에 설치할 수 있습니다.
낮은 시동 풍속: 일부 유형(S형 등)은 약한 바람에도 시동이 가능합니다.
단점:
핵심적인 단점: 효율성이 낮습니다.
구조적 위험이 있습니다. 일부 설계는 고속 회전 시 블레이드 뿌리에 높은 응력이 가해져 쉽게 문제가 발생할 수 있습니다.
따라서 최종 결론은 다음과 같습니다.
대규모 풍력 발전소를 건설하고 발전량과 경제적 이익의 극대화를 추구한다면, "고효율" 수평축 풍력 터빈이 유일한 주류 선택입니다. 그렇기 때문에 우리가 야외에서 보는 거의 모든 풍력 발전기는 수평축을 가지고 있습니다.
하지만 가로등, 건물, 원격 기지국에 전력을 공급하는 등 분산형 시나리오에 "까다롭지 않고 사용하기 쉬운" 발전기가 필요한 경우, 특히 바람 방향이 불안정한 도시에서는 "효율성은 낮지만 튼튼하고 내구성이 뛰어난" 수직축 팬이 실제로 더 적합한 선택일 수 있습니다.
간단히 말해, 가로축은 성과와 규모를 추구하는 "우수 학생"을, 세로축은 특정 환경에 적응하는 "재능 있는 학생"을 나타냅니다. 순수한 효율성 측면에서는 가로축 팬들이 더 우수한 성과를 보입니다.
