블레이드나 기어가 없는 진화하는 풍력발전 Vortex Bladeless

Vortex Bladeless

친환경 산업에 대한 정리를 하다 보니 당사의 협력업체 대부분이 원격관제와 제어에 관여되어 있더군요... 새로운 사업군을  정리하던 중 해외에 관심 있는 업체가 생겨 해당 업체에 대한 내용을 정리하여 올려봅니다.

해당 업체는 스페인 아빌라에 본사를 두고 있는 친환경 관련 스타트업 회사입니다.

현제 많은 기업들과의 협업으로 시제품 및 발주를 받아 시행하고 있으며 제품의 우수성 및 편리성을 인정받아 추가적인 성장을 기대하고 있는 업체입니다.

요즘 들어 지방 출장을 가다 보면 많은 풍력발전기를 보게 됩니다.

강원도에는 높은 산속에 서해안의 경우 바닷가에 블레이드 방식을 이용한 대형 풍력발전기를 보게 되는데 하나같이 크고 웅장하다는 생각이 들게 됩니다.

아무나 할 수 없고 개인이 할 수 없는 부분이 아쉬운 부분이었다면 해당 기기의 소형화는 우리에게 많은 도움을 줄듯합니다

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해당 내용은 홈페이지(www.vortexbladeless.com/)에 있는 제품에 대한 내용을 구글 번역기를 통하여 취득한 정보입니다.

Vortex Bladeless는 소용돌이 유도 진동 공진 풍력 발전기입니다. Vortex Shedding이라는 소용돌이 현상에서 풍력 에너지를 활용합니다. 기본적으로 블레이드리스 기술은 탄성 막대로 수직으로 고정된 실린더로 구성됩니다. 실린더는 바람 범위에서 진동 한 다음 교류 발전기 시스템을 통해 전기를 생성합니다. 즉, 실제로 터빈이 아닌 풍력 터빈입니다.

외부 실린더는 크게 단단하게 설계되었으며 진동 기능이 있으며 하단 로드에 고정되어 있습니다. 원통의 상단은 구속되지 않고 최대 진동 진폭을 갖습니다. 이 구조는 기존 풍력 터빈 블레이드에 사용되는 재료 인 탄소 및 / 또는 유리 섬유로 강화된 수지를 사용하여 제작되었습니다.

막대의 상단은 마스트를 지지하고 하단은 지면에 단단히 고정되어 있습니다. 이 내장되어 중합체 강화 탄소 섬유 좋은 피로 저항을 제공하는, 그리고 최소한의 진동 에너지의 누설을 갖는다.

당연히 이러한 풍력 터빈의 설계는 기존 터빈과는 상당히 다릅니다. 일반적인 타워, 나셀 및 블레이드 대신, 우리 장치에는 베이스 위에 경량 소재로 만들어진 마스트만 있습니다. 이것은 원자재의 사용과 더 깊은 기초 의 필요성을 줄여줍니다.

당사의 블레이드 없는 풍력 터빈은 소용돌이 흘리기 (vortex shedding)라는 공기 역학적 효과에 의해 생성된 공명 현상에 의해 바람으로부터 에너지를 포착합니다. 유체 역학에서는  바람이 둔 체를 통과할 때 흐름이 수정되어 순환적인 소용돌이 패턴을 생성합니다. 이러한 힘의 주파수가 신체의 구조적 주파수에 충분히 가까워지면 신체가 진동하기 시작하여 바람과 공명합니다. 이를 VIV ( Vortex Induced Vibration)라고도합니다.

이 VIV 현상은 일반적으로 구조 공학, 항공 및 건축에서 피할 수 있습니다. 정반대로 Vortex의 터빈은 이 공기 역학적 불안정성과 바람 난류를 극대화하여이 에너지를 포착합니다.

Vortex의 마스트 지오메트리는 관찰된 평균 풍속에서 최대 성능을 달성하도록 특별히 설계되었습니다. 도시 환경에서 일반적으로 관찰되는 풍향 변화와 난류에 매우 빠르게 적응할 수 있습니다.

현재 Vortex는 기어, 샤프트 또는 회전 붐빔 없이 소용돌이 역학에 맞게 조정된 코일과 자석으로 만든 교류 발전기 시스템을 통해 전기를 생성합니다.당사의 Vortex 발전기는 현재 "소형 풍력 터빈"으로 간주됩니다.

교류 발전기는 잘 알려진 기술이지만 Vortex가 사용하는 방식은 혁신적이고 특허를 받았습니다. 이 디자인은 유지 보수를 줄이고 그리스를 칠할 필요가 없습니다.

이미지 용어 안내 A. 고정자의 고 정부 / B. 발전기의 이동 부 / C.  Stator’s support

 

주파수 튜닝

Vortex shedding의 주파수는 풍류의 속도에 비례하지만 각 구조에는 고유 한 고유 진동 주파수가 있습니다. 바람 주파수를 장치의 고유 진동수와 일치시키려면 다른 매개 변수 중에서 체질량 (질량이 많을수록 고유 진동수가 적음)과 강성 (강성이 높을수록 고주파)을 수정해야 합니다.따라서 해당 장치의 고유 주파수를 변경하려면 복잡한 메커니즘이 필요합니다.

이를 방지하기 위해 Vortex 디자인은 굴곡 정도에 따라 시스템의 겉보기 강성을 증가시키는 영구 자석이 있는 자기 제한 시스템을 대신 사용합니다. 굴곡의 정도는 바람이 강해질수록 커집니다. 이를“ 튜닝 시스템 ”이라고합니다.

결과적으로 Vortex의 특허받은 자체 동기화 시스템은 약 3m / s (시작 속도)의컷인 포인트로더 넓은 범위의 풍속을 손쉽게 캡처할 수 있습니다.기계적 또는 수동적 간섭 없이 공명 상태를 유지하기 위해 자동으로 강성을 변경하고 들어오는 풍속과 "동기화"할 수 있습니다. 이렇게하면 에어로 제너레이터의  고정 범위가  증가합니다.

소용돌이 거리 이펙트 효과를 흘리기 또는 소용돌이 제 기재된 수학적이 효과는 층류 침지 객체에 바람의 횡력에 의해 생성된다 (1911)에서, 도어 폰 칼만, 항공의 천재에 의해 공식화되었다. 바람의 흐름은 순환적인 소용돌이 패턴을 생성하여 타워, 돛대 및 굴뚝과 같은 가느 다란 구조물에 엔지니어링 문제가 될 수 있습니다. 그러한 사례 중 하나는 미국 1940 년 타코마 내 로우 다리의 붕괴입니다.

Vortex 풍력 터빈의 아이디어는 동일한 힘을 사용하여 에너지를 생산할 수 있다는 것입니다. 바람의 소용돌이가 장치 구조의 고유 주파수와 일치하면 공진을 시작하여 진동하므로 블레이드가 없는 풍력 터빈은 해당 움직임의 에너지를 일반 발전기로 활용할 수 있습니다.

2D 시뮬레이션은 우리에게 매우 흥미롭지 만 VIV는 3D 현상입니다. 장치를 따라 소용돌이 사이의 상호 작용은 다른 저자에 의해 설명되었습니다. 우리는 새로운 기술이기 때문에 새로운 모델을 만들고 그 유효성을 확인해야 합니다.이러한 3D 시뮬레이션은 다양한 유체 흐름 상황에서 흐름 패턴을 예측하는 데 사용되는 유체 역학에서 중요한 차원 없는 양인 레이놀즈 수를 기반으로합니다.

많은 양의 계산 리소스가 필요합니다. 우리는 사용 열심히 알테어의 시뮬레이션 소프트웨어를  계산 자원과 시간의 합리적인 수량 최적의 결과를 달성하기 위해 최선의 방법을 찾기 위해 노력. 또한 컴퓨터 및 전문 리소스를 사용하여 Barcelona Supercomputing Center와 협력합니다.

재료 및 수명

현재 풍력 터빈 기술은 다양한 풍속에서 매우 다른 부하 수준을 지원해야 하며, 이로 인해 기어, 베어링, 부싱 또는 브레이크와 같은 전송 부품에 높은 기계적 요구가 발생합니다. 여러 개의 움직이는 부품이 지속적으로 마모되어 높은 유지 보수 비용이 발생합니다.

블레이드가 없는 풍력 터빈은 마찰로 인해 마모될 수 있는 기계적 요소를 완전히 제거합니다. Vortex 터빈 제조에 사용되는 주요 재료는 탄소 섬유 폴리머, 플라스틱, 강철, 네오디뮴 및 구리입니다. 이러한 재료의 작업 한계는 Vortex의 운영 표준에서 멀리 떨어져 있습니다.

탄소 섬유 막대는 2,7 º의 최대 진동 진폭에서 작동하도록 설계되었습니다. 이것은 매우 낮은 재료의 변형을 의미합니다 . 이러한 피로 현상의 영향을 가장 많이 받는 구성 요소와 관련하여 수행된 계산 및 수학적 분석은 Vortex aerogenerator의 수명이 매우 크다고 생각합니다.

Vortex 터빈의 주요 장점 중 하나는 관련 비용이 저렴하다는 것입니다. 우리는 Vortex 터빈의 에너지 평준화 비용 (LCOE)이 낮아져 투자 수익률이 더 빨라질 것으로 예상했습니다.어쨌든, 확실하게 말하기 위해서는이 주제에 대한 추가 연구가 이루어져야 합니다.

이러한 비용 절감은 영리한 설계 및 원자재 사용에서 비롯됩니다. 일반적으로 기존 풍력 발전기에서 비용이 많이 드는 구성 요소 인 나셀, 지원 메커니즘 및 블레이드가 필요하지 않습니다.

매우 가볍고 무게 중심이 지면에 가깝기 때문에 앵커링 또는 기초 요구 사항이 일반 터빈에 비해 크게 줄어들어 설치가 용이합니다.

풍력 에너지 변환에서 발전은 풍력 터빈의스윕 영역에Vortex는 현재 동일한 높이의 기존 3 블레이드 기반 풍력 터빈의 작업 영역의 최대 30 %를 청소합니다.

Vortex Tacoma (2,75m) 추정 정격 출력은 일단 산업화되면 100w입니다.

반면에 기존의 풍력 터빈은 입사 풍류에 맞서기 위한 방향 시스템이 필요합니다. 소용돌이 풍력 발전기는 원형 단면으로 인해 더 이상 필요하지 않습니다.

VIV 효과는 유체 난류를 기반으로 합니다. 블레이드 없는 풍력 발전기는 난류에 관계없이 풍향과 강도 변화에 매우 빠르게 적응합니다. Vortex 터빈의 효과적인 작동을 위해서는 완전히 개발된 층류가 필요하지 않습니다.

``저비용, 쉬운 설치 및 부드러운 유지 보수. Vortex를 연결하고 이동하십시오! ''

Vortex 터빈은 “친환경”풍력 대안을 목표로 합니다.보다 엄격한 탄소 발자국 분석이 필요하지만 블레이드리스 풍력은 환경 적 관점에서 몇 가지 추가 이점을 가져오는 것 같습니다.

Vortex bladeless는 주로 분산 에너지 생성을 위한 솔루션입니다.집 근처 나 지붕 위에 두는 것이 완벽합니다. 그리드 및 오프 그리드, 하이브리드 태양 광 설치 및 풍력 발전의 일부로 작동할 수 있습니다.

심플한 디자인과 가벼운 무게로 원자재를 매우 효율적으로 사용할 수 있습니다. 생산을 산업화하기 위해서는 현재의 방법이 눈에 띄게 달라야 하지만 블레이드 없는 풍력 터빈을 만드는 데 복잡한 제조 공정이 필요하지 않습니다. 윤활유가 없기 때문에 폐기물을 관리할 필요가 없습니다.

Vortex Tacoma의 총중량은 일단 산업화되면 15Kg 미만으로 추정됩니다. 일반적인 회전 기반 풍력과 달리 적절한 보정 및 고정을 통해 Vortex 기술은 완전히 소음이 없을 것으로 예상합니다. 추가로 Vortex Bladeless 설계의 무선 신호 간섭은 무시할 수 있습니다.

야생 동물의 영향

작은 풍력 터빈은 일반적으로 지역 야생 동물에게 중요한 문제를 나타내지 않지만 블레이드 없는 풍력이 조류 개체 수에 미치는 영향은 훨씬 적을 것으로 예상됩니다. Vortex의 디자인은 블레이드가 없는 터빈의 진동 운동이 기존 풍력 터빈보다 작고 덜 공격적이기 때문에 야생 동물을 방해하지 않고 새와 박쥐가 비행 중에 쉽게 피할 수 있습니다.

 

NGO Birdlife 는 이러한 영향을 측정하기 위해 우리와 협력하고 있습니다. 풍력 에너지와 새는 같은 바람을 공유할 수 있습니다!