얼어붙은 경기도 화성시 멱우저수지의 태양광 발전소 2021.1.6/뉴스1 © News1 조태형 기자

지구의 기후 위기를 해결하기 위해서는 에너지 문제를 해결해야 한다. 에너지 생산·소비를 좀 더 친환경적으로 하거나 효율을 높여야 한다. 에너지 하베스팅은 버려지는 에너지를 다시 사용할 수 있는 에너지로 전환하는 기술이다. 빛, 열, 진동, 잉여 전파 등이 모두 그 대상이다.

에너지 하베스팅 시스템은 에너지 회수를 위한 변환기, 전력 관리 회로, 전력 저장소(이차전지) 등으로 구성된다.

변환기는 에너지원에 따라 광전소자, 열전소자와 압전소자 등이 활용된다. 광전 소자는 빛, 열전소자는 온도 차이를, 압전소자는 압력·변형에서 전기를 생산한다.

광전소자는 금속 등의 물질이 특정 주파수 이상의 전자기파를 흡수할 때 전자를 내보내는 '광전효과'를 활용한다. 이 기술은 이미 태양광 발전이라는 발전의 한 분류로 자리 잡았다. 압전 소자는 특정 물질의 형태 변형이 일어나면 전기쌍극자 배열과 같은 전기적 성질이 달라지며 전압이 발생하는 현상을 활용한다. 압전소자는 라이터 등의 전기 점화 플러그 등에 쓰이고 있다.

압전 소자는 다양한 방면에서 접목 시도가 이뤄지고 있는데, 대규모 적용을 위해 연구되고 있는 분야는 '압전 발전 도로'다.

2020년 성태현 한양대 교수 연구팀은 한국도로공자의 지원으로 중부내륙고속도로의 여주 시험도로에서 자체 개발한 압전 장치를 매설하는 실험을 진행했다. 그 결과 한 개의 압전 발전장치만으로도 차량 한 대가 지나갈 때마다 10㎽급의 무선 센서를 약 10초 동안 작동시킬 만큼의 전기가 생산됐으며, 이를 통해 노면의 상태를 체크할 수 있었다.

또 달리는 자동차의 진동 자체에서도 에너지를 얻을 수 있다. 최근 한국과학기술연구원(KIST)의 송현철 박사 연구팀은 주변 진동에 따라 스스로 공진을 맞추는 압전 소자를 개발했다. 연구팀은 해당 압전소자를 활용해 자동차 엔진의 진동에서 전기 에너지를 생산하는 데 성공했다.

열전 소자는 종류에 따라 제베크 효과, 펠티에 효과, 톰슨 효과 등을 활용하는 데, 그 메커니즘은 다르지만 온도 차이에서 전력을 얻을 수 있다.

열전 소자는 작은 규모로는 체온을 활용한 웨어러블 기기 개발 연구가 이뤄지고 있고, 큰 규모로는 철광 산업에서 대규모로 발생하는 폐열을 활용하기 위한 시도도 이어지고 있다.

이외에도 와이파이, 라디오파를 이용한 에너지 하베스팅 기술이 활발히 연구 중이다.

이러한 에너지 하베스팅 시스템은 에너지 효율화뿐 아니라 사물인터넷을 이용한 스마트 건물 구축에도 활용될 수 있다. 사물인터넷 기기에 쓰이는 각종 센서가 스스로 전력을 생산하게 하면, 전원선 연결을 위한 복잡한 설계 및 관리 비용을 줄일 수 있다.


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