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버려지는 에너지를 모아모아, 에너지 하베스팅

  • 2017.01.02.
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‘에너지가 버려진다’? 에너지 효율을 생각하면 이해가 좀 더 쉽습니다. 자동차, 에어컨, 냉장고 등은 효율을 내면서 일정량의 에너지를 잃습니다. 즉, 100%의 에너지를 쓸 수는 없다는 뜻이지요. 우리가 일상을 보내며 잃는 에너지는 또 얼마나 될까요? 취침할 때 75W, 가벼운 운동을 할 때 190W, 심지어는 체온보다 주변 온도가 낮으면 열이 빠져나오기도 합니다.

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여기서 버려지는 에너지를 모아 다시 사용하는 신기술이 바로 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)입니다. 에너지를 수확해 재사용할 수 있게 하는 기술이라는 뜻입니다. 흥미롭게도 어떤 형태의 에너지를 수확하느냐에 따라 이름이 달라집니다. 버려지는 열을 모으면 열전 하베스팅, 분자 운동이나 모양의 변화로 소모되는 에너지를 모으면 압전 하베스팅이라고 부릅니다.

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누르면 에너지가 생기는 ‘압전 하베스팅’. 발로 바닥을 누를 때, 자동차가 도로를 지날 때, 걷고 있을 때… 이때 발생하는 압력 에너지가 모두 수확되는 기술입니다. 압전 하베스팅은 타 하베스팅 방법에 비해 에너지 밀도도 높고, 실내외 기계진동을 이용할 수 있어 대규모 발전장치부터 소형 기계를 가리지 않는 활발한 연구가 진행되고 있는데요. 최근 사물인터넷과 결합한 웨어러블 디바이스가 활성화되면서 이 기술이 각광받고 있습니다. 특히, 외부로부터 전력을 공급받기 어려울 때 하베스팅 기술인 더욱 빛을 발하는데요. 충전단자 없이도 디바이스가 빛을 받거나, 발이 땅을 누를 때의 압력으로도 휴대전화 충전이 가능하게 됩니다. 다국적 기업 슈나이더일렉트릭이 지난 2013년 프랑스 파리의 마라톤 대회에서 압전 하베스팅을 이용한 ‘페이브젠’ 시스템을 선보이기도 했는데요. 3만7천여 명의 참가자들이 밟고 지나가는 마라톤 결승 지점 부근에 압전 타일을 설치해 전기를 만들기도 했습니다. 이 기술을 조금 더 응용한다면, 압전체를 도로 밑에 깔아 차량이 지나갈 때 생기는 에너지를 저장할 수도 있습니다.

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▲도로 밑에 깐 압전체를 타이어가 밟으면 에너지가 저장된다.

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마치 큰 패널이 있어야만 모을 수 있을 것 같았던 태양열 에너지가 휴대용 콘센트로 우리 손에 들어오기도 합니다. ‘Window Socket’이라 불리는 이 휴대용 콘센트는 창문에 붙여 놓으면 접착면의 패널이 태양열을 받아 전기로 바뀌는데요. 많은 양의 전기를 생산하지는 못하지만 급할 때 스마트폰 정도는 충전할 수 있을 정도로 유용합니다.

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▲태양열 충전 윈도우 소켓

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공기 중 전자파 에너지를 수집해 에너지로 쓸 수 있는 전자파 에너지 하베스팅도 있습니다. 휴대전화, 컴퓨터, 전기장판 등 전기가 흐르는 곳에 수확기를 가져다 대면 내장된 배터리가 충전되는 ‘에너지 수확기’가 개발되기도 했는데요. 독일의 디자이너 데니스 시겔이 개발한 장치입니다. 전자기기 주변에 방출되는 여분의 에너지를 담아 스마트폰 등 소형 전자기기를 충전하는 데 사용할 수 있다고 합니다.

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▲에너지 수확기

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이외에도 나노 발전 섬유로 만든 옷을 입으면 걸을 때, 숨을 쉴 때 조차 전기를 만들 수 있습니다. 무엇보다 전문가들은 이 나노 발전기가 몸 속에서 혈류나 혈압, 혈당 등을 측정하는 나노장치에 연결할 수 있다고 전망하고 있습니다. 혈액이 흐를 때 생기는 난류로 나노발전기가 전기를 만들면, 나노센서가 이 전기를 받아 정보를 측정해 무선으로 보낼 수 있다는 것입니다. 또 인슐린이나 항암제 등 체외에서 투여하는 약물들도 추후 약물전달시스템과 나노 발전기의 결합으로 체내 삽입돼 스스로 약물을 공급할 수 있다고 합니다.

버려지는 에너지를 모아 다시 쓰는 에너지 하베스팅. 앞으로 상용과 보급이 이뤄진다면 새로운 전력 생산의 해답이 되지 않을까요?

사진출처
Advanced Functional Materials
yankodesign
digitalmedia-bremen.de

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