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일상이 만드는 전력, 에너지 하베스팅!






에너지 하베스팅Energy Harvesting이란 단어를 들어본 적 있으신가요? 하베스트Harvest는 여러분이 익히 알고 있는 것처럼 ‘수확하다’는 뜻인데요. 저는 이 단어를 처음 들었을 때 ‘에너지가 곡식도 아니고, 어떻게 수확을 한다는 거지?’하는 궁금증이 생겼답니다. 하지만 에너지 하베스팅의 구체적인 예를 살펴보니 궁금증이 단번에 풀렸죠.


에너지 하베스팅일상에서 버려지는 에너지를 모아서 전력으로 활용하는 기술을 뜻합니다. 우리 주변은 에너지로 가득 차 있습니다. 항상 사용하는 전등에서는 ‘빛에너지’가 방출되고, 우리가 걸을 때마다 발바닥이 바닥을 누르며 ‘압력에너지’가 생겨나죠. 자동차에서 뿜어져 나오는 폐열과 방송 전파 등도 에너지라고 볼 수 있답니다. 이런 에너지들은 최종적으로 소리나 열로 전환돼 허공에서 사라지는데요. 이렇게 버려지는 다양한 에너지를 수집해 에너지(전기)로 바꿔서 사용하는 방식을 에너지 하베스팅이라고 부를 수 있습니다.


그렇다면 에너지 하베스팅의 종류에는 무엇이 있을까요? 구체적인 사례와 함께 알아봐요!





신체 에너지 하베스팅



다양한 에너지 하베스팅 방법 중 첫 번째는 바로 ‘신체 에너지 하베스팅‘입니다. 우리 신체에서는 체온, 정전기 등 굉장히 다양한 에너지가 매 순간 발생하는데요. 주변의 온도가 사람의 체온인 36.5도보다 낮다면 열이 머리를 통해 밖으로 빠져나오죠. 


가벼운 운동을 할 때는 190W의 열이, 어려운 운동을 할 때는 700W 가량의 열이 나온다고 해요. 이 열을 잘 모아서 전기로 바꿔줄 수만 있다면 운동하는 동시에 스마트폰을 자동으로 충전하는 것도 가능하다는군요!



▲ 그래핀의 열전소자 가능성에 대한 연구 결과가 실린 학술지




이렇게 인간의 체온 등 열을 전기로 만들기 위해서는 열전소자(熱電素子, thermoelement) 가 필요해요. 열전소자란 열에너지와 전기에너지의 변환을 수행하는 반도체 소자이죠. 


열전소자의 단위소자는 P형과 N형의 반도체를 접합한 구조로 이뤄져 있는데요. 이 소자의 한쪽 면을 저온으로, 다른 면을 고온으로 유지하면 물질 내 전하 운반자가 고온부에서 저온부로 이동하면서 전류를 만들어낸답니다. 이때 N형 반도체에서는 전자가, P형 반도체에서는 홀이 전하 운반자 역할을 하죠. 이런 단위소자를 많이 연결하면 그만큼 많은 전력을 생산할 수 있고요.





현재 많은 연구자들이 이 열전소자로 활용할 수 있는 신물질을 열심히 개발하고 있답니다. ‘꿈의 나노 물질’이라고 불리는 그래핀Graphene 등이 대표적이죠. 이런 기술이 꾸준히 개발된다면, 미래에는 그래핀으로 만들어진 옷을 입으며 전기를 생산하는 게 일상이 되지 않을까요?




진동 에너지 하베스팅





진동 에너지 하베스팅이란 물체에 진동 혹은 압력을 가해 압전 소자를 자극해 에너지를 생산하는 방식이랍니다. 사람이 발을 디딜 때 생기는 압력으로 전기를 만드는 신발 발전기가 대표적인 예인데요. 이 방법을 위해서는 내부에 가해지는 힘과 외부에서 가해지는 힘이 필요합니다. 우리가 자전거나 연필깎이 등의 기구를 이용할 때, 외부에서 가하는 힘으로 인해 물리적 회전이 일어나야 에너지를 얻을 수 있는 원리와 같죠.



▲ 페이브젠의 타일 (출처 : 페이브젠 홈페이지 화면 캡쳐)




영국의 페이브젠Pavegen이라는 회사가 이 방법을 이용하여 브라질 리우데자네이루의 빈민가에 축구장을 건설했습니다. 페이브젠은 영국에 본사를 둔 환경 전력 생산 타일 제조기업인데요. 이 회사에서 만드는 타일은 사람이 밟는 힘을 전기로 전환해준답니다. 페이브젠은 리우데자네이루에 설치한 축구장에도 역시 해당 타일을 설치했죠.

 


▲ 페이브젠 유튜브 채널



그 덕에 낮에 축구장에서 뛰어노는 아이들의 운동에너지를 모아 밤에 축구장에 설치된 LED 전등을 밝히는 전기로 사용한답니다! 전력 생산 타일이 설치된 축구장으로 인해 늘 어두웠던 빈민가가 환하게 밝아졌다고 해요.



전기에너지를 대량으로 만들기 위해서는 그만큼 많은 운동에너지가 필요하겠죠. 하지만 이 방식을 응용한 발전 방식은 효율도 높고 개발 범위도 넓기 때문에 나중에 더 실용적인 기술로 발전할 가능성이 크답니다.





열에너지 하베스팅




‘열에너지 하베스팅’은 산업 현장 및 일상생활에서 발생하는 폐열을 모아서 전기에너지로 바꾸는 기술입니다. 산업 현장에서는 기계가 작동하면서 항상 엄청난 열을 내뿜는데, 열전소자로 이를 수집하면 엄청난 양의 에너지를 만들 수 있거든요. 거짓말 같은 이야기지만, 세계 곳곳에서 이미 해당 기술의 상용화에 성공하고 있어요.




스위스에서는 베즈나우 원전의 전력 생산 과정에서 소모되는 폐열을 주민들에게 난방열로 제공하고 있어요. 베즈나우 원전은 스위스 최초의 상업용 원전으로 365MWe급 가압 경수로 2기가 있는데요. 발전소에서 터빈을 돌리면 연간 150GWh 규모의 폐열이 발생하죠. 이 열을 주변 11개 마을에 거주하는 주민 1만 5,000여 명에게 난방용으로 제공하고 있답니다. 이렇게 해서 만들어지는 에너지는 발전소에서 나오는 에너지 전체 규모의 5%에 이른다고 해요.



이런 기술이 한국에도 도입된다면 앞으로 겨울 난방비 걱정은 하지 않아도 되겠죠?






전자파 에너지 하베스팅





‘전자파 에너지 하베스팅’은 공기 중에 있는 방송 전파나 이동 통신기기 전파 등 수많은 전자파 에너지를 수집해 에너지로 활용하는 기술입니다. 2015년, 영국의 드레이슨 테크놀로지Drayson Technologies사에서 개발한 프리볼트Freevolt 라는 기계가 대표적인 예인데요.



▲ 출처 : 프리볼트 홈페이지 화면 캡쳐



위와 같은 프리볼트 IoT 센서를 집에 설치하면 휴대폰이나 Wifi 기기, 디지털 TV에서 나오는 전자파를 수집한다고 해요. 이 센서 안에는 다중 대역 안테나multi-band antenna와 정류기가 들어있어서 전자파를 쉽게 수집할 수 있다네요.



▲ 출처 : 프리볼트 홈페이지 화면 캡쳐





지금까지 여러분에게 다양한 에너지 하베스팅 기술의 종류와 구체적인 예시를 보여드렸는데요. 에너지 하베스팅 기술이 이렇게나 많이 발전했다니, 정말 놀랍지 않나요? 미래 우리의 삶을 180도 바꿀 에너지 하베스팅 기술! 앞으로 얼마나 더 많이 발전할지, 정말 기대된답니다!




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  • 굿모닝켑코 2018.11.21 10:20 신고
    앞으로는 다양한 에너지 하베스팅 기술이 상용화되서 전력 대란이나 전기요금 걱정 안하고 살면 좋겠네요.
  • 김영란 2018.12.10 12:09 신고
    와우 좋은 정보 이네요. 앞으로도 많이 연구해서 우리에게도 실용화 하면 좋을 듯 합니다.