안녕하세요 시제품 개발 전문기업 디자인웨일입니다.
재활용이라는 단어를 들으면 어떤 생각이 드시나요?
종이, 플라스틱 등을 재가공하여 사용하는 것을 일반적으로 생각하게 됩니다.
하지만 에너지 측면에서도 많다는 사실, 알고 계시나요?
오늘은 이러한 버려지는 에너지를 활용하는 기술, 에너지 하베스팅에 대해 알아보겠습니다.
1.에너지 하베스팅이란?
(Energy Harvesting)
주변에 버려지는 에너지를 수집해 전기를 생산하는 기술입니다.
열이나 진동 등의 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기에너지를 전환시켜 수확하는 것입니다.
주의의 자연에 존재하는 청정에너지나, 일상적으로 무시되는 작은 에너지를 모아 활용하기 때문에
공급의 안전성, 보안성 및 지속 가능성을 유지할 수 있어, 신재생 에너지 원천 기술로 각광받고 있습니다.
또한 화석연료를 사용하지 않으므로 환경공해를 줄일 수 있어 친환경적이라는 장점도 갖고 있습니다.
2. 에너지 하베스팅의 종류
3. 에너지 하베스팅의 원리
1.광전효과
광전효과는 아인슈타인이 빛의 입자성을 이용하여 설명한 현상입니다.
금속 등의 물질에 일정 진동수 이상의 빛을 비췄을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 말합니다.
보통 태양전지는 기본적으로 다른 성질의 P형과 N형 반도체를 접합해 만들어지는데
여기서 N형 반도체는 전하를 옮기는 캐리어로 자유전자가 사용되는 반도체이며
P형 반도체는 전하를 옮기는 캐리어로 정공이 사용되는 반도체입니다.
빛을 조사해 외부의 광자가 흡수되면 광자의 에너지로 인해 전자가 높은 에너지 상태로 이동하면서
전자와 정공이 만들어지게 되고 이때 그림과 같이 전자는 N형 반도체로, 정공은 P형 반도체로 이동합니다.
이처럼 전자의 이동을 통해 회로에 전류가 흐르게 되는 것입니다.
2. 열전효과
열전효과는 물체의 온도차를 전위차로, 전위차를 온도차로 전환되는 현상입니다.
열전현상의 대표적인 연구자로는 제백(Seebeck)과 펠티어(Peltier)가 있으며
이 연구자들의 이름을 따서 열전현상을 각각 제백 효과, 펠티어 효과라고 부르고 있습니다.
제백 효과는 온도차에서부터 전기가 생성되는 효과로 열에너지가 전기에너지로 전환되고
펠티어 효과는 반대로 전위차로부터 온도차를 생성하는 효과로 전기에너지가 열에너지로 전환되는 방식입니다.
3. 압전효과
압전효과는 압력 혹은 진동으로부터 에너지를 수확하는 기술입니다.
압전 재료는 기계적인 압력을 가하면 전압이 발생하고, 전압을 가하면 기계적인 변형이 발생하는 재료입니다.
즉 압전 재료를 이용하여 기계적 에너지와 전기적 에너지를 상호 변환할 수 있는 것입니다.
오늘날 압전 효과는 높은 에너지 변환 효율, 구현의 용이성 및 소형화로 인해
기계적 에너지와 전기 에너지를 변환하는데 널리 사용되고 있습니다.
4. 에너지 하베스팅 기술의 활용 예시
에너지 하베스팅 기술은 과거부터 현재까지 꾸준히 연구 중에 있으며, 점차 사용 사례들도 늘어가고 있습니다.
예를 들면, 영국의 빈민가 축구장에 압전패드를 설치하여 조명을 밝혀 밤에도 축구장을 이용할 수 있게 하고,
우리나라에서는 압전 보도블록을 사용하서 전기를 생산하기도 합니다.
이 외에도 우리가 흔하게 볼 수 있는 스마트 워치에 체열을 이용하여 충전을 하기도 하며,
자전거 페달을 밟으면서 생기는 진동과 충격 에너지를 전력 에너지로 바꾸어서 사용 할 수 있다.
또한 변기 물을 내림으로서 전기를 얻거나 깃발 200개를 단 차를 운전하여
스마트폰을 한 시간만에 완전히 충전할 수도 있습니다.
5. 에너지 하베스팅의 효율성
발전소의 경우 화력 발전의 발전효율은 37~41% 수준이고
수력발전이 80~90%, 태양광발전이 8~15%, 풍력발전이 30%이다.
자동차의 운행 에너지 효율은 20%이며 스마트폰에서 발생하는 전파는 3%만 사용되고 97%는 버려진다.
이처럼 에너지 하베스팅은 아깝게 버려지는 엄청난 양의 에너지를 수확하여
그 에너지를 재사용하기에 미래 친환경 기술로 주목받고 있으며
시장의 규모의 급격한 성장과 더불어 선진국을 중심으로 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있습니다.
6. 에너지 하베스팅의 전망
KDB 미래전략연구소에 따르면 세계 에너지 하베스팅 시장은 19년 437.8백만 달러 규모였으며,
이후 시장은 연평균 10.1%로 성장하여 24년에는 708.2백만 달러에 이를 전망이라고 예측하였습니다.
또한, 정부의 ‘2050 탄소 중립 추진전략’ 등 세계적으로 탄소 저감 정책이 확대됨에 따라
에너지 하베스팅 기술 개발의 중요성이 증가할 것으로 보입니다.
에너지 하베스팅 기술은 탄소 배출이 없고 버려지는 에너지를 다시 쓰는 친환경 기술로
미래에 탄소 저감 정책으로 부족해진 에너지를 대체할 것으로 주목받고 있습니다.
오늘은 에너지 하베스팅에 대해서 알아봤는데요.
시제품제작 상담과 제작의뢰는
디자인웨일로 문의 주시면 성심성의껏 빠르게 답해드립니다.
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지금까지 시제품 개발전문기업 디자인웨일이었습니다.
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