<사진. KISTI 미리안 자료
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>
조력 에너지를 전기로 바꾸는 혁신적인 진자 발전기
일본 오카야마 대(Okayama University)의 신지 히에지마(Shinji Hiejima) 부교수는 조력 에너지를 전기로 바꾸는 혁신적인 진자 발전기 시스템(Hydro-VENUS system)에 대하여 특허협력조약(PCT)에 따른 국제특허를 출원하였으며, 실험적으로 증명하였다. 이제 신지 히에지마 부교수는 이 기술을 상업화할 산업체를 찾고 있다.
조력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법에 대한 연구는 스코틀랜드(Scotland)에 위치한 유럽 해양 에너지 센터(European Marine Energy Centre)에서 오랜 역사를 가지고 있다. 이 유럽 해양 에너지 센터는 바다와 조류의 움직임으로부터 에너지를 추출하는 것에 대한 아이디어를 시험하는 주요한 국제적 허브 가운데 하나이다.
일본의 경우 일본 열도 주변에 있는 바다의 힘을 이용하는 연구는 대체 에너지 원의 탐색 수단으로 높은 우선순위를 가지고 활발하게 이루어지고 있다. 특히 일본의 신에너지 산업기술종합개발기구(NEDO: New Energy and Industrial Technology Development Organization)가 2010년에 출판한 한 보고서는 일본에서 조력 에너지의 잠재력은 원자력 발전소 20개에 해당한다고 기술하였다. 게다가 오카야마 대가 위치하는 세토 내해(Seto Inland Sea)는 특히 높은 잠재력을 가진 장소로 평가받고 있다.
"나는 조류로부터 전기를 얻기 위하여 진자의 기계적 운동을 이용하고자 한다"고 오카야마 대의 환경생명과학연구 대학원(Graduate School of Environmental and Life Science)에서 부교수로 있는 신지 히에지마 부교수가 말했다. 신지 히에지마 부교수는 긴타이 교(Kintaikyo Bridge)로 유명한 야마구치 현(Yamaguchi Prefecture)의 이와쿠니 시(Iwakuni City)에서 태어났다.
"나는 다리 구조에 매료되었으며, 이러한 다리 구조에 대한 관심은 시코쿠(Shikoku)에 있는 가가와(Kagawa)와 오카야마(Okayama)를 연결하는 세토 교(Seto Bridge)처럼 대형 교각들과 강한 바람 사이의 상호작용에 대한 나의 연구를 촉발시켰다"고 신지 히에지마 부교수가 전했다.
"초기 연구에서 나는 태풍처럼 강력한 바람을 만났을 때 대형 교각이 진동하는 이유를 분석하였다. 이제 나는 조력 에너지를 안정적인 전기 원천으로 활용하는 방법에 집중하고 있다. 이제 수중 진자에 기초한 대형 시스템인 하이드로 비너스(Hydro-VENUS: Hydrokinetic Vortex Energy Utilization System: 유체 동역학 와류 에너지 활용 시스템)에 관한 나의 아이디어를 개발할 산업체 파트너를 찾고 있다"고 신지 히에지마 부교수가 덧붙였다.
유럽에서 시험되고 있는 프로펠러 방식의 터빈 시스템은 3가지의 주요한 단점을 가진다고 신지 히에지마 부교수가 지적하였다. 우선, 회전자 날개(rotor blade)를 만드는 데에 사용되는 재료는 높은 강도가 필요하므로 비용의 상승을 초래한다. 다음으로, 바다의 쓰레기들이 회전자를 움직일 수 없게 만들어 파손시킬 수 있다. 마지막으로, 어부들은 회전자 날개가 가진 날카로운 모서리가 해양 생물에 유해할 것으로 여기고 있다.
신지 히에지마 부교수는 프로펠러에 기초한 조류 발전 시스템이 가진 이러한 한계점을 해결하기 위하여 물속에서 수평으로 위치한 실린더에 진동을 야기하는 유동으로 발전하는 시스템에 대한 잠재력을 분석하는 것부터 시작하였다. 이러한 접근 방법은 앞에서 언급한 프로펠러 방식의 발전이 가지는 단점들을 극복한다. 그러나 이러한 시스템에서 와류(vortex)에 의하여 발생한 진동(해류가 실린더를 지나가면서 실린더는 병진 운동을 한다.)은 미국의 한 연구진이 개발한 비바체 변환기(VIVACE converter)가 실험으로 얻은 것처럼 약 35퍼센트의 전력 효율을 생산할 뿐이다.
"비바체 변환기에서 사용된 것처럼 병진 운동을 하는 실린더는 조류에 의한 실린더의 진동 효율을 제한한다. 내가 제안한 하이드로 비너스의 개념(그림 1 참조)은 병진 운동이 아닌 회전 운동으로 진동하며, 초기 시험에 따르면 76퍼센트의 전력 효율을 보였다(그림 2 참조)"고 신지 히에지마 부교수가 말했다.
초기 실험은 1.5미터 크기의 실린더를 이용하여 수행되었다(그림 3 참조). 현재 신지 히에지마 부교수는 고효율의 구조를 제작하기 위한 목적으로 다양한 재료를 이용하여 20미터의 실린더를 개발하고 있다. "나는 국제특허를 출원하였으며, 내가 만든 진자 발전기로 그 잠재력을 증명하였다. 나는 이 진자 발전기를 상업화할 산업체 파트너를 찾고 있다"고 신지 히에지마 부교수가 말했다.
■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr