날개 없는 풍력 터빈: 청정 에너지의 미래

글래스고 대학교 연구원들은 날개 없는 풍력 터빈(BWT)의 전력을 향상시키는 방법을 적극적으로 탐구하고 있습니다. 이를 위해 이들은 이러한 터빈에 대한 컴퓨터 시뮬레이션에서 도출된 통찰¹을 제공하며, 미래 모델을 위한 가장 효율적인 설계를 식별하고 있습니다.

The researchers said:

“이 연구 결과는 아직 연구·개발 초기 단계에 있는 BWT를 소규모 현장 실험에서 국가 전력망을 위한 실용적인 전력 생산 형태로 전환하는 데 재생 에너지 산업에 도움이 될 수 있습니다.” 

날개 없는 풍력 터빈은 주로 연구자들이 조사하고 있는 신흥 풍력 발전 방식입니다. 그러나 이들은 빠르게 주목을 받고 있으며, 시장도 마찬가지로 급속히 성장하고 있습니다.

2022년 전 세계 날개 없는 풍력 터빈 시장 규모는 약 $60.5 billion로 평가되었으며, 전 세계적인 재생 에너지 수요 증가에 힘입어 2030년에는 $116 billion을 초과할 것으로 예상됩니다.

일반 풍력 터빈과 달리, 날개 없는 풍력 터빈(BWT)은 소음이 적고 차지하는 공간도 적습니다. 또한 풍향 변화에 더 빠르게 적응하여 난기류가 많은 도시 환경에서 매우 유용합니다.

BWT의 또 다른 큰 장점은 특히 야생동물과 관련된 환경 영향을 감소시킨다는 점입니다. 새들에게는 회전하는 날이 흐릿하게 보이거나 전혀 보이지 않아 충돌 위험이 높아집니다. 날개 없는 터빈은 움직임이 훨씬 적어 새와 같은 동물이 보다 쉽게 피할 수 있습니다.

The low weight and lower center of gravity of BWTs, meanwhile, reduce the need for foundation, in turn, simplifying the installation of bladeless turbines.

이러한 터빈의 단순한 설계는 일반 터빈보다 유지보수가 적게 필요해 수명이 연장됩니다.

여기를 클릭하여 풍력 에너지가 실제로 세계를 전력 공급할 수 있는지 알아보세요.

날개 없는 풍력 터빈이란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

스스로 재생되는 자연 자원에서 얻는 재생 에너지는 탄소 집약도가 낮고 보다 지속 가능한 에너지 시스템으로 전환하는 핵심입니다.

재생 에너지 원에는 풍력, 햇빛, 비, 파도, 조류, 열에너지, 바이오매스가 포함됩니다. 이러한 자원은 화석 연료 의존도를 낮출 뿐만 아니라 기후 변화 완화에도 중요합니다.

재생 에너지 원 중 풍력은 빠르게 성장하고 있습니다. 2024년에는 재생 에너지와 원자력이 합쳐서 전 세계 전력 생산의 약 41%를 차지했습니다. 재생 에너지 중에서는 태양광이 가장 큰 비중을 차지했으며, 그 다음이 풍력으로, 전 세계 전력의 8.1%까지 증가했습니다.

국제 에너지 기구(IEA)에 따르면, 태양광 PV와 풍력이 2030년까지 모든 재생 용량 추가의 95%를 차지할 것으로 전망됩니다.

풍력 에너지를 활용하기 위해 일반적으로 풍력 터빈이 사용되며, 이는 풍기의 기계적 에너지를 전기로 변환합니다. 그러나 대안으로는 유연한 구조물의 공기탄성 진동을 이용한 에너지 수집 설계가 있습니다.

지난 수십 년간, 공기탄성 에너지 수집은 특히 원통형 블러프 바디의 와류 유도 진동(VIV)에 초점을 맞추며 큰 관심을 받아왔습니다. VIV 기술은 다양한 수치 모델링 및 실험 연구를 촉진했습니다.

와류 유도 진동은 블러프 바디 양쪽에서 교대로 와류가 방출되면서 발생합니다. 이는 구조물에 규칙적인 양력과 항력, 그리고 큰 횡류 진동을 일으킵니다.

와류 방출 주파수가 구조물의 고유 진동수와 일치하면 불안정한 움직임과 매우 큰 진폭의 진동이 발생합니다. 이 현상은 흔히 락인 현상이라고 알려져 있습니다.

VIV와 락인 현상이 존재할 때 구조물의 고진폭 진동을 활용해 풍력 에너지를 수집하는 혁신적인 개념이 바로 날개 없는 풍력 터빈(BWT)입니다.

BWT는 유체 흐름에 놓여 표면에서 흐름 분리를 일으켜 와류를 생성하는 블러프 바디처럼 동작합니다. 이를 통해 특정 풍속 범위 내에서 높은 전력 출력을 보여줍니다. 따라서 진동 진폭이 큰 날개 없는 터빈을 설계하면 전력 출력과 작동 풍속 범위를 동시에 확대할 수 있습니다.

BWT가 재생 에너지 추출에 잠재력이 있기에, VIV를 활용한 전기 생산은 1~100와트의 소규모 전력 출력 수준에서 진행되고 있습니다.

연구에서는 BWT의 전력 출력과 마스트 길이, 무게, 풍속과 같은 설계 변수 간의 관계도 평가했습니다. 또한 튜닝 시스템을 통해 BWT의 작동 풍속 범위를 탐구하고 있습니다. 그러나 아직 날개 없는 풍력 터빈의 효율성에 대한 명확한 이해는 부족합니다.

풍력은 유한 자원이 아니므로, 최대 효율이 최대 BWT 전력 출력으로 이어지는지 확인하는 것이 중요합니다.

하지만 일정한 입력 풍력에 대해 출력 전력을 향상시킬 수 있는지는 아직 알려지지 않았습니다. 또한 날개 없는 풍력 터빈에 대한 유동‑구조 상호작용 모델링이 부족하여, 이러한 터빈의 파라미터를 쉽게 탐색하고 효율성을 파악하기 어렵습니다.

따라서 글래스고 대학 연구진의 최신 연구는 현재 소규모인 기존 BWT 모델을 확대하여 해상 대규모 적용을 촉진하는 데 목표를 두고 있습니다.

이 연구는 BWT에 의해 발생하는 VIV의 물리적 메커니즘을 조사하기 위한 간단한 수치 모델을 개발함으로써 날개 없는 풍력 터빈의 효율성과 전력 출력에 관한 질문에 답합니다. 연구진은 구조적 무결성을 유지하면서 최대 전력 추출을 최적화하는 핵심 과제를 다루는 포괄적인 분석 프레임워크를 제공했습니다.

날개 없는 풍력 터빈이 기존 터빈과 경쟁할 수 있을까?

날개가 있는 기존 풍력 터빈은 오랫동안 풍력을 전기로 변환하는 인기 있는 방법이었습니다. 이러한 터빈은 풍기의 운동 에너지를 직접 회전하는 날개의 움직임으로 변환하고, 이를 통해 발전기를 구동해 전기를 생산합니다.

날개 없는 풍력 터빈(BWT)은 날개 터빈과 다른 원리로 작동합니다. 핵심 원리는 VIV이며, 날개 대신 높고 가늘며 원통형인 마스트가 바람에 진동하거나 흔들립니다.

최대 효율을 위한 날개 없는 풍력 터빈(BWT)을 구축하기 위해, 글래스고 대학 연구팀은 수천 가지의 BWT 설계 시뮬레이션을 수행했습니다.

이를 통해 구조물 강도에 부정적인 영향을 주지 않으면서 전력 생산을 최대화하는 최적점을 찾을 수 있었습니다. 제임스 와트 공대의 Dr. Wrik Mallik에 따르면:

“이번 연구가 처음으로 보여준 것은 역설적으로 에너지 추출 효율이 가장 높은 구조가 실제로 가장 높은 전력 출력을 제공하는 구조가 아니라는 점입니다. 대신 우리는 설계 변수 사이의 이상적인 중간점을 찾아 BWT가 전력을 생성하면서 구조적 강도를 유지할 수 있도록 했습니다.”

연구 결과는 마스트의 폭과 높이 등 치수가 생산 전력량뿐 아니라 터빈의 구조적 무결성에도 어떻게 영향을 미치는지에 대한 통찰을 제공합니다.

이는 이전에 알려지지 않았던 트레이드오프를 밝혀냈는데, 마스트 직경을 늘리면 효율과 전력 추출이 모두 향상되지만, 6%의 최고 효율과 600와트의 최대 전력은 서로 다른 기하학적 구성에서 달성됩니다.

하지만 전력 출력만을 최적화한 구성은 구조적 안전 한계를 초과하는 경향이 있으며, 효율을 최대화한 구성은 전력 생산이 최적이 아닙니다.

따라서 연구 결과에 따르면, 이상적인 설계는 길이 31.4인치(80 cm)이고 직경이 25.4인치(65 cm)인 마스트입니다. 이 내용은 Renewable Energy에 게재되었습니다.

이와 같은 전력·내구성의 최적 균형은 안전하게 460와트의 인상적인 전력을 제공할 수 있으며, 이는 현재 실제 프로토타입이 약 100와트에 머무는 것보다 뛰어난 성능입니다.

“앞으로 BWT는 기존 풍력 터빈이 덜 유용한 도시 환경에서 풍력 전력을 생산하는 데 귀중한 역할을 할 수 있습니다.”

– Dr. Malik

연구 결과는 20~70마일(시) 풍속 범위에서 구조물의 안전성을 보장하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 연구진에 따르면, 이 방법론은 1,000와트(1 kW) 이상의 전력을 생산하는 날개 없는 풍력 터빈으로 규모를 확대할 수 있게 합니다.

이 연구를 통해 업계가 BWT의 가장 효율적인 설계를 명확히 제시함으로써 새로운 프로토타입 개발을 장려하고자 합니다.

“프로토타입을 다듬는 과정에서 추측 요소를 제거하면 재생 에너지로 넷제로를 달성하기 위한 세계적인 도구 상자에서 BWT가 보다 유용한 부분으로 다가가는 데 도움이 될 수 있습니다.” 

– Professor Sondipon Adhikari, James Watt School of Engineering

Adhikari에 따르면, 엔지니어들은 BWT 설계에 대한 이해를 지속적으로 정교화하고 기술을 다양한 적용 분야에 전력을 공급하도록 규모를 확대할 계획입니다.

그들은 또한 메타물질이라 불리는 특수 설계 소재를 탐구하는 데 열의를 보이고 있습니다. 이러한 메타물질은 자연에 존재하지 않는 특성을 부여하도록 정밀 조정되어 향후 BWT의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

차세대 BWT를 위한 새로운 설계와 소재

또 다른 연구²에서, 올해 초 알렉산드리아 대학교 연구진이 수행한 이 연구는 락인 현상으로 인해 구조물 고유 진동수 근처의 좁은 범위에 제한되는 날개 없는 풍력 터빈의 작동 한계를 해결하기 위해 두 가지 새로운 메커니즘을 도입했습니다.

도입된 메커니즘은 튜닝 질량 메커니즘과 탄성 튜닝 메커니즘으로, 2~10 m/s의 넓은 풍속 범위에서 작동을 가능하게 합니다.

연구 결과는 또한 캔틸레버 빔 자유단에 있는 마스트 유닛의 등가 질량 및 극관성 모멘트를 활용하는 것이 터빈 설계와 락인 조건 충족에 중요함을 보여줍니다.

이 연구의 목표는 메커니즘 구현을 통해 터빈의 고유 진동수를 제어함으로써 이상적인 성능을 유지하는 것입니다.

또한 특정 풍속에서 방출 주파수와 일치하도록 고유 진동수를 조정하는 수학 모델을 구축했으며, 모델 검증 결과 높은 정확성을 보였습니다.

첫 번째 메커니즘은 7 m/s에서 기계적 효율을 99.2% 증가시킬 수 있지만, 더 높은 굽힘 탄성계수를 얻기 위해서는 두 번째 메커니즘을 도입해 터빈 전체 크기를 줄여야 합니다. 통합 접근법은 효율을 55.7% 향상시킵니다.

튜닝 메커니즘 외에도, 연구에 따르면 터빈의 유연한 부품에 적합한 소재를 선택하는 것이 충분한 강도와 성능을 보장하는 데 중요합니다. 이는 구조물 전체 강성을 좌우하고, 고유 진동수에 영향을 미쳐 BWT 전반의 성능에 영향을 줍니다.

연구는 탄소 섬유와 유리 섬유가 BWT 주요 부품 제작에 가장 적합한 소재라고 보고했습니다.

연구는 또한 복합 소재의 기계적 특성이 층 수와 배향과 같은 제작 파라미터를 변경함으로써 제어될 수 있으며, 이를 통해 다양한 적용 분야의 특정 요구에 맞게 강도, 강성 및 기타 특성을 맞춤화할 수 있다고 밝혔습니다.

아직 초기 개발 단계이며 실험실 및 실험 환경에 국한되어 있지만, 이 기술은 실제 적용 가능성의 조짐을 보이고 있습니다.

지난해 말, BMW 그룹은 날개 없는 풍력 에너지 유닛에 대한 시험을 시작했습니다. 독일 자동차 제조업체는 옥스퍼드에 있는 MINI 제조 공장에 Aeromine Technologies의 날개 없는 풍력 에너지 유닛을 설치했습니다.

이 공장은 전 세계 및 영국 내 사업 단지에서 에너지 효율성을 향상시킬 수 있는 유닛의 잠재력을 평가하는 시험 장소로 활용될 것입니다.

Aeromine의 풍력 에너지 유닛은 건물 가장자리에 설치되어 바람을 향하도록 배치되었습니다. 유닛의 수직 에어포일(날개와 유사)은 진공 효과를 만들어 내부 프로펠러 뒤의 공기를 추출해 청정하고 친환경적인 전기를 생산합니다.

“우리의 ‘무동작’ 풍력 에너지 기술은 태양광 시스템과 원활히 함께 작동하도록 설계되어 옥상에서 재생 에너지 출력을 극대화하고 소음, 진동, 야생동물 영향과 같은 문제를 해결합니다. 이번 초기 설치가 BMW 전 세계 시설에서 더 넓은 적용으로 이어질 수 있게 되어 기대됩니다.”

– Claus Lønborg, managing director at Aeromine Technologies.

여기를 클릭하여 무동작 풍력 에너지에 대해 알아보세요.

풍력 에너지에 투자하기

풍력 에너지 분야에서 General Electric (GE.TO ) (GE )은 자회사 GE Vernova (GEV )를 통해 가장 큰 풍력 터빈 제조업체 중 하나이며, 지속 가능한 전력 시스템을 만들기 위해 설계·제조·기술을 제공하는 글로벌 에너지 기업입니다. 이 회사의 사업 부문에는 수력·가스·증기·핵에 중점을 둔 Power, 육상·해상 풍력 터빈 및 블레이드를 포함한 Wind, 전력 변환·그리드 솔루션·태양광·저장 솔루션을 포괄하는 Electrification이 포함됩니다.

이 회사는 전 세계에서 4 억 시간 이상 가동 중인 57,000대의 풍력 터빈을 통해 약 120 GW의 에너지를 설치했습니다.

GE Vernova (GEV ) 

시가총액 1,329억 달러를 가진 GEV 주식은 현재 486달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 48% 상승했습니다. EPS(TTM)는 6.94, P/E(TTM)는 70.18이며, 배당 수익률은 0.21%입니다.

4월에 이 회사는 2025년 1분기 재무 실적을 보고했으며, 매출 80억 달러, 순이익 3억 달러, 영업활동 현금 흐름 12억 달러를 기록했습니다. GE Vernova는 주문이 8% 증가해 102억 달러에 달했다고 발표했습니다.

분기 말 현금 잔액은 81억 달러였으며, 동시에 13억 달러가 주주에게 반환되었습니다.

“우리는 1분기에 강력한 실적을 달성했으며 사업 부문들이 지속적으로 좋은 실행을 이어갔습니다. 장비 및 서비스 수주 잔량을 늘리고 각 부문의 마진을 크게 개선했으며, 상당한 자본을 주주에게 반환하고 있습니다. 전력 투자 슈퍼사이클의 시작에 불과하다는 점에서 앞으로가 기대됩니다.”

– CEO Scott Strazik

하지만 GE Vernova의 풍력 사업은 해상 풍력에서 도전 과제에 직면하는 반면, 육상 풍력 활동은 성장세를 보이며 혼재된 실적을 나타냈습니다.

그 결과, 가격 개선으로 육상 납품이 증가했으며, 해상 사업은 축소되었습니다. 풍력 부문이 여전히 적자를 기록하고 있지만 개선 조짐이 보이고 있습니다.

GE Vernova의 풍력 사업 주문은 6억 달러였으며, 매출은 18억 달러를 기록했습니다. 또한 이 기간 동안 함대 성능 향상을 위해 1억 달러 이상을 투자했습니다.

지난달, GE Vernova는 로봇과 AI를 활용해 제조하는 각 블레이드와 모델링·조립 전 원자재의 품질을 검사한다고 발표했습니다. 장기적으로 AI 기반 품질 관리 능력은 핵심 부품의 수명을 연장하고, 결과적으로 터빈의 내구성을 향상시킬 것으로 기대됩니다.

최신 GE Vernova (GEV) 주식 뉴스 및 개발

최종 생각: 날개 없는 풍력 터빈이 미래인가?

전통적인 풍력 터빈은 풍력 에너지를 효율적으로 포착하는 데 필수적이지만, 높은 초기 비용, 소음 공해, 정기적인 유지보수, 시각 및 환경 영향, 도시 지역에서의 건설 제한, 고풍속에서만 효율적으로 작동한다는 등 심각하고 내재된 단점이 있습니다.

이러한 요인들로 인해 대체 기술 개발이 촉진되었으며, 날개 없는 풍력 터빈(BWT)은 재생 에너지 기술의 새롭고 흥미로운 장을 열고 있습니다.

BWT에서는 풍력의 움직임이 와류를 생성해 전체 구조가 진동하게 되며, 흔들림이 구조물의 고유 진동수와 일치하면 움직임이 크게 증폭됩니다. 이 증폭된 진동은 전기로 변환됩니다. 강력하지만, 이 기술은 아직 초기 개발 단계에 있습니다.

연구자들이 더 높은 출력과 더 큰 구조적 무결성을 달성할 수 있도록 설계를 최적화함에 따라, BWT는 에너지 포트폴리오에 가치 있는 추가 요소가 될 수 있습니다.

청정 에너지에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 지속적인 연구가 혁신을 상업적으로 실현 가능한 솔루션으로 확대함에 따라, 우리는 넷제로 미래로 가는 여정을 가속화할 수 있을 것입니다.

여기를 클릭하면 상위 풍력 에너지 주식 목록을 확인할 수 있습니다.

연구 참고문헌:

1. Breen, J.; Mallik, W.; Adhikari, S. Wake Oscillator Model을 이용한 날개 없는 풍력 터빈의 성능 분석 및 기하학적 최적화. Renew. Energy 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549

2. Mohamed, Z.; Soliman, M.; Feteha, M.; et al. 사용된 복합 소재의 기계적 특성을 고려한 날개 없는 풍력 터빈을 위한 새로운 최적 설계 접근법. Sci. Rep. 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9