드론은 하늘 높이에서 아름다운 영상을 촬영하고 미사일을 발사하는 것 이상의 기능을 가지고 있다. 습하고 추운 환경은 오랫동안 풍력 에너지의 효율성을 저해해 왔다. 로터 블레이드에 얼음이 형성될 때, 이는 회전 불균형을 유발하며, 이로 인해 마모와 손상이 증가한다.
프라운호퍼 제조기술 및 신소재 연구소(IFAM)와 프라운호퍼 제조공학 및 자동화 연구소(IPA)의 전문가 팀은 풍력 터빈을 얼음의 위협으로부터 보호하는 해결책을 개척했다.
이 프로젝트는 “TURBO-드론을 이용한 임시 코팅”이라고 명명되었으며, 풍력 에너지의 활용 및 유지 관리 방식을 혁신할 수 있는 비용 효율적인 대안을 소개한다.
전통적으로 이 문제를 해결하는 것은 비용이 많이 드는 일이었다. 블레이드에 난방 매트를 통합하거나 헬리콥터를 사용하여 제빙제를 적용하는 것과 같은 방법들은 운영자들에게 상당한 비용과 생산 중단을 초래했다. 터빈은 종종 며칠 동안 멈춰야 했다.
프라운호퍼 IFAM의 프로젝트 매니저인 안드레아스 스테이크는 "필요할 때만 사용되는 드론은 비용 효율적인 대안을 제공한다"고 말했다. 드론이 터빈 블레이드의 얼음을 제거하는 데 사용된 것은 이번이 처음은 아니지만, 모든 상황에 적합한 솔루션은 아니며 여전히 도전과제를 가지고 있다.
환경 친화성의 도약
주요 도전 과제는 로터 블레이드에 잘 부착되고 오랜 기간 지속되어 얼음을 방지할 수 있는 친환경 코팅 재료를 개발하는 것이었다.
프라운호퍼 IFAM 팀은 요소(urea)와 왁스로 만들어진 프로토타입 코팅을 만들었으며, 이는 빠른 건조를 보장하는 스프레이 기술을 사용하여 효율적으로 적용될 수 있다. 이 코팅의 효과는 얼음 챔버에서 엄격하게 테스트되었으며, 서리 형성으로 부터 신뢰할 수 있는 방어 능력을 확인했다.
이 코팅을 정확하게 적용하기 위해 프라운호퍼 IPA 팀은 특수 장비를 설계했다. 0.3 밀리미터의 직경을 가진 랜스와 노즐이 있는 공기 없는 펌프 시스템은 100 마이크로미터 크기의 작은 방울을 분사할 수 있도록 해준다. 이 정밀도는 터빈에 젖고 추운 공기가 닿을 때 얼음이 처음으로 형성되는 로터 블레이드의 중요한 가장자리(crucial edges)에 코팅을 정확하게 적용할 수 있도록 보장한다.
이 새로운 드론 기술은 겨울 동안 풍력 터빈을 가동시키는 데 도움을 줄 것이다. 드론은 코팅 재료를 랜스(lance)를 통해 적용하며, 바람의 영향 하에서 드론을 이용한 코팅을 시뮬레이션 한다.
솔루션의 과학
이 프로젝트의 성공은 정교한 유체 역학 시뮬레이션에 달려있었다. 프라운호퍼 IPA의 프로젝트 매니저인 올리버 티에제 박사와 그의 팀은 코팅 공정을 모델링하는 데 광범위한 경험을 활용하여 중요한 기술 매개변수를 결정했다.
티에제 박사는 "수십 년간의 코팅 공정 모델링 경험이 우리에게 큰 도움이 되었다. 하지만 우리는 풍력 터빈의 복잡한 기하학적 구조에 맞게 공정 매개변수를 조정해야 했다"고 설명했다.
연구자들은 이제 산업 파트너들과 협력하여 기술을 더욱 정제하고 대량 생산을 위해 준비하고 있다. 그들은 철도 운송의 가공선 보호와 건물의 어려운 부분을 보수하는 데 사용될 수 있는 잠재적 용도를 포함하여 풍력 터빈을 넘어서는 응용 분야를 넘보고 있다.
이 프로젝트는 코팅 및 원료 제조업체, 드론 제조업체, 풍력 터빈 운영자를 포함한 다양한 분야의 19개 회사의 지원을 받았으며, 산업 집단 연구 프로젝트(IGF)로 제출되어 경제 및 기후 행동부(BMWK)로부터 자금을 지원받아 수행되었다.
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