에너지를 수확하다 [에너지하베스팅]

Energy Harvesting

이성현

1. 에너지 하베스팅이란

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전기에너지는 수력 , 화석연료 , 핵연료 등에서 얻어지고 저장되고 있으나 , 에너지 원료가

고갈되고 기존 연료들은 공해물질을 발생시키는 문제를 가지고 있음

에너지 하베스팅

1. 에너지 하베스팅이란

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미활용 기계에너지 ( 압력 , 진동 , 풍력 등 ) 를 전기에너지로 변환 , 활용하는 기술

에너지 하베스팅이란 태양광 , 진동 , 열 , 풍력 등과 같이 자연적인 에너지원으로부터 발생하는

에너지를 전기에너지로 전환시켜 수확하는 기술


2. 원리

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에너지 하베스팅 (Energy Harvesting) 기술 구성 및 원리에너지 하베스팅 기술의 구성은 발생된 소세력 에너지를 변환 수집하는 부분과 소세력 에너지를 축척하는 부분으로 구성되며

에너지 발생에서 소비까지의 기본과정은 아래와 같음

에너지 발생 에너지변환장치

에너지저장장치

에너지소비장치

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 있음


3. 종류

1) 신체 에너지 하베스팅 앉았다 일어설 때 , 걷고 뛸 때 등 신체의 움직임을 통해 발생하는 신체 에너지는 몸에서 발생되는 온도와 기계의 온도차나

위치차를 이용하여 압전에너지 기술을 발전시켜 에너지를 공급

5에너지 하베스팅

3. 종류

2) 광 에너지 하베스팅빛을 이용한 에너지 하베스팅은 작은 면적으로 우리가 필요한 에너지를 수확할 수 있는 것이 가장 큰 장점

태양광 패널을 통해 보조 충전 수단으로 태양광을 이용하는 방식


3. 종류

3) 진동 에너지 하베스팅 진동이나 압력을 가해 압전소자를 발전시켜 에너지를 생산하는 방식인 진동 에너지 하베스팅은 외부 자극으로 전기에너지를 얻기

때문에 , 내부에 가해지는 힘에도 , 외부에서 가해지는 힘에도 모두 에너지를 필요로 함

4) 열에너지 하베스팅산업현장에서 발생하는 수많은 폐열 , 이제는 폐열도 모아 에너지를 만들 수 있음 . 잔열과 자연온도차를 이용한 열전대

발전방식을 이용하여 전기에너지를 얻을 수 있는 열에너지 하베스팅은 산업 현장뿐만 아니라 인체 온도에서 나오는 열에서도 얻을

수 있음

5) 전자파 에너지 하베스팅공기 중에는 방송전파 , 휴대전화 전파 등 수 많은 전자파 에너지를 수확하여 활용

6) 중력 에너지 하베스팅 도로에 설치된 과속방지턱 , 통행료 납부 톨게이트 , 횡단보도 일시정지선에 공기 압력펌프를 설치하여 자동차의 중량을 이용 해

압축된 공기를 별도의 탱크에 저장하여 압축공기발전을 실시

7) 위치 에너지 하베스팅수력발전소의 방수구 및 화력발전소의 냉각수 방수로에는 소량의 위치에너지와 운동에너지가 버려지고 있음

소형 수차를 이용하여 배출 에너지를 전기에너지로 회수


4. 사례

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1) 압전기술을 이용한 도로의 에너지 하베스팅 : 이스라엘 개발사례• 차량이 도로를 주행할 때 진동으로 인한 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 압전 기술

• IPEGs( 압전발전장치 ) 는 도로표면아래 6cm, 차량으로부터 약 30cm 간격으로 설치

• 압전발전장치에서 발생된 에너지는 전자축전기에 저장되며 교통신호등 , 거리 조명등 도로시설물의 운영을 위한 에너지원으로

사용


4. 사례

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2) 영국의 에너지 기업인 페이브젠 (Pavegen System) 사가 개발한 압전에너지 하베스팅

시스템• 압전에너지 하베스팅 시스템은 매 발걸음마다 4 와트를 생산할 것으로 기대

• 1 년으로 환산 = 타일하나가 생산하는 에너지는 853 개의 휴대폰 충천 , 2 개월간 LED 전구 점등 , 전기차 11km 이동과

같은 가치


4. 사례

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3) 신발 깔창 발전기• 올해 하반기 출시 예정인 1 세대 솔파워는 24km 를 걸었을 때 스마트폰 1 회 완충할 전력이 생산


4. 사례

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4) 에어컨 실외기 표면 진동을 수확할 수 있는 ‘ EH 스킨• LED 전구와 온도 센서를 부착해 불을 밝히고 , 원격으로 실시간 온도를 확인

• KTX 나 비행기 날개 등에서는 더 많은 전기를 얻을 수 있고 , 무선 센서의 배터리 교체 비용을 대폭 줄일 수 있고 , 전원 문제

때문에 센서를 달지 못했던 곳까지 모니터링 할 수 있게 될 것


4. 사례

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5) 미국 미시간 대학에서의 소형 발전기 제작• 하베스터의 크기는 약 27 ㎣정도이며 155 ㎐의 동작주파수와 14 ㎐의 대역폭을 가지고 있음

• 1.5g 진동에서 20 ㎼ 정도의 에너지를 생산하여 1.85V 의 슈퍼 캐퍼시터에 충전

• 이는 현재까지 개발된 것보다 5~10 배 더 효율적이며 크기는 미화 1 센트 동전보다 작다 .


4. 사례

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6) 프랑스연구자들에 의해 제작된 빗방울 에너지 수확 장치 (2008)• 빗물의 낙하에너지를 전기에너지로 변환시키는 연구를 수행하였으며 , 1~ 5mm 크기의 빗물은 전기에너지를 생산

• 폭우가 쏟아지는 환경에서 12 ㎽정도의 에너지를 생산

• 넓은 면적의 PDVF 를 이용하여 해저나 강물아래에 설치하여 향후 이를 이용하여 배터리 교환이나 전력공급이 힘든 해저나

대양의 바다 위의 센서나 부표의 무한 동력 전원으로 사용이 가능할 것


4. 사례

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7) 성균관대학교 김상우 교수팀의 음파를 이용한 발전• 약 100 dB 의 소리를 가했을 때 약 50 mV 의 교류가 발생


4. 사례

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8) 프랑스 Arveni 사는 배터리 없는 리모콘을 개발• 리모콘 버튼을 누르거나 들고다닐 때 생기는 에너지를 전기에너지로 전환


4. 사례

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9) 체내삽입 또는 착용형 자가발전 에너지 하베스터 ( 미래 )• 인체내부에 삽입하여 심장박동 자극기 등의 보조동력원


5. 동향

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2018 년까지 1억 4 천 500 만 달러

2022 년까지 6억 6 천 700 만 달러의 시장이 형성

압전발전기는 주로 라이터 등을 포함하여 1억개 정도의 장치에 적용되고 있지만

2022 년에는 보다 다양한 분야에 응용되어 3억개 이상의 장치에 응용될 것으로 전망

by IDTechEx

감사합니다 .

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