본 글은 신들의 정원 – 강화풀밭농원 (최진만 기술사)에게서 가져왔음을 알린다.
[문제19] Energy Harvesting 기술의 정의와 종류 및 발전설비 부분에 실제 응용할 수 있는 사례 세가지 이상 들고 간단하게 설명하시오
1. 에너지 하베스팅 (Energy Harvesting) 정의
에너지 하베스팅 (Energy Harvesting)이란 열,진동 등 주변에서 일상적으로 버려지거나 사용하지 않는 작은 에너지를 수확하여 사용 가능한 전기에너지로 변환하는 차세대 기술로 에너지 절약 및 친환경 에너지 활용기술을 말한다. 따라서 에너지 하베스팅 기술은 에너지 절약 측면의 노력과 함께 친환경 에너지로서 미래의 새로운 에너지 자원으로 인식되고 있다,
2. 에너지 하베스팅 (Energy Harvesting) 기술 구성 및 원리
에너지 하베스팅 기술의 구성은 발생된 소세력 에너지를 변환 수집하는 부분과 소세력에너지를 축척하는 부분으로 구성되며 에너지 발생에서 소비까지의 기본과정은 아래와 같다.
에너지하베스팅 기술의 핵심은 소세력 에너지를 사용가능 에너지로 직접 변환하거나 저장 하는 기술도 중요하지만 소세력 에너지를 직접 활용할 수 있는 소규모 기기의 기술개발 또한 중요한 기술부문으로 평가하고 있다.
- 소세력에너지의 변환 및 수집 기술
- 소세력에너지의 저장 기술
- 소세력에너지의 합리적 사용 기술
* 외부 전원이 필요 없는 자가 동작 검지기, 1회용 송수신기(RFID),
3. 에너지 하베스팅의 종류
- 열 에너지 하베스팅
화력 발전소 연료 연소후 배열, 복수기 냉각수의 온배수 등에는 막대한 량의 잔열을 포함하여 배출하고 있다. 따라서 잔열과 자연온도와의 온도차를 이용한 열전대 발전방식을 적용하여 전기에너지로 회수한다.
* 온도차 에너지원은 현대사회의 생활환경은 물론 지하수 , 지하공기, 인체 체온 등 자연환경에서도 무궁무진 하다고 할 수 있다.
* 열전소자를 이용한 열전대발전방식의 효율은 약 10% 정도, 운전시간에 따른 발전부품의 수명이 길고 신뢰도가 높다.
- 진동 또는 충격 에너지 하베스팅
대형회전기나 구조물의 진동, 충격에너지를 압전소자를 응용하여 전기에너지로 변환한다.
* 압전소자를 이용한 발전방식은 비교적 발전효율도 높고 응용범위도 넓기 때문에 향후 실용 에너지로 전망이 밝다.
* 사람이 보행 시 지면과의 충돌에너지를 신발에 장착된 압전소자를 이용하여 발전이 가능하다.
- 중력 에너지 하베스팅
도로에 설치된 과속방지턱, 통행료 납부 톨게이트, 횡단보도 일시정지선에 공기 압력펌프를 설치하여 자동차의 중량을 이용 해 압축된 공기를 별도의 탱크에 저장하여 압축공기발전을 실시한다.
+ 본 중력에너지를 이용한 에너지하베스팅은 외국에서는 이미 상용화된 기술로 발표되고 있다.
- 전자파 에너지 하베스팅
공기중에는 방송전파, 휴대전화 전파 등 수 많은 전자파 에너지가 존재하고 있다. 이들을 수확하여 활용하는 경우 단시간 사용 무선 소세력 전자기기의 훌륭한 독립 에너지원으로 활용이 가능하다.
- 위치 에너지 하베스팅
수력발전소의 방수구 및 화력발전소의 냉각수 방수로에는 소량의 위치에너지와 운동에너지가 버려지고 있다. 소형 수차를 이용하여 배출 에너지를 전기에너지로 회수할 수 있다.
- 광 에너지
태양광 에너지는 무궁무진하나 아직 일부를 인류가 이용하고 있을 뿐이다. 광전소자의 대량생산과 효율의 향상이 필요 할뿐 향후 에너지 하베스팅의 대표적인 에너지로 볼 수 있다.
* 광에너지하베스팅은 신재생에너지 발전기술과의 경계가 모호한 실정이다.
[참고] 신체 에너지 하베스팅
신체에서 발생하는 에너지는 체온, 정전기, 운동에너지 등 매우 다양하다, 생체와 외기의 온도차를 이용하여 특수한 섬유로 발전을 실시하거나 도보시 체중의 변화를 이용해 압전소자로 발전을 할 수 있다.
이러한 소규모 에너지는 사람이 일상적으로 소지하는 시계, 만보기, 신체 보조기구 등 소세력 전자제품의 독립 에너지원으로 유용하게 응용될 수 있다.
4. 발전설비에 적용사례
에너지 하베스팅 기술을 발전부문에 실용화가 가능한 범위에서 정리한다면 발전소 방수로 수력에너지, 화력발전소 배기의 폐열에너지, 화력발전소 복수기용 냉각수의 폐열에너지를 들 수 있다 .
- 발전소 방수로의 위치에너지 회수
수화력 대부분의 발전소에서는 방수로에 막대한 량의 물을 그냥 흘려보내고 있다. 물의 수력학적 위치에너지와 운동에너지가 낭비되고 있는 것이다. 소규모 마이크로 수차등을 설치하여 버려지는 에너지를 회수한다.
- 화력발전소 배기가스 열에너지 회수
화력발전소의 배기가스에는 많은 열에너지가 잠재되어 있다. 폐기가 배출되는 연도 일부에 열전대를 이용한 발전장치를 설치하여 배열을 전기에너지로 회수한다.
- 복수기 냉각수 폐열 에너지 회수
화력 및 원자력발전소 복수기에 사용되는 다량의 냉각수에는 막대한 량의 열에너지가 버려지고 있다. 열전대를 이용한 발전장치로 폐기되는 열을 전기에너지로 회수한다.
5. 향후 전망
우리나라는 에너지 수입국으로서 에너지의 절약 및 합리적 사용이라는 실제적인 필요성 이외에 지구 환경보전을 위한 이산화탄소 배출제한 등 국제적인 환경규제에 적극 대응하기 위한 첨단 미개척 기술분야로 향후 기술우위의 확보를 위하여 더욱 많은 관심을 가져야 한다고 판단된다.
* 에너지하베스팅 기술을 Micro 에너지 하베스팅 , Macro 에너지 하베스팅으로 구분하는 경우도 있으나 특별한 의미가 없다고 생각한다.
본 문제에 관한 해설은 본인의 주관이 80%이상 포함되었습니다. 아직 정형화된 문헌이 국내에서는 발견할 수 없었습니다.
* Micro 에너지 하베스팅은 일부문헌에서 마이크로 환경발전 이라는 용어로 소개된바 있습니다.
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