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빗방울 에너지 발전 현실화될까

최근에는 태양광이나 풍력 같은 자연 속 재생 가능 에너지를 발전에 이용하는 시도가 진행되고 있다. 이 중에는 하늘에서 내려오는 비도 발전에 이용할 수 있는 게 아니냐는 생각도 있다. 실제로 이전부터 비를 이용한 빗방울 발전은 고안된 적이 있었지만 스케일업에 대한 기술적 문제가 방해 요소였다고 한다. 그런데 새롭게 중국 연구팀이 빗방울 발전 브레이크스루를 달성했다고 발표했다.

하늘에서 내려오는 빗방울에는 높은 구름에서 떨어지는 운동 에너지와 정전 에너지가 포함되어 있으며 이런 에너지를 이용해 발전할 수 있다. 실제로 과거에는 폴리불화비닐리덴, PVDF막이라는 압전체 막에 빗방울이 충돌하는 진동 에너지를 이용해 우산을 발광시키는 시도도 실현되고 있다.

그런데 낙하는 빗방울로부터 에너지를 효율적으로 수집하는 시도에는 기술적 장애물이 있어 대규모 빗방울 발전을 실현할 수 없다고 한다. 최근 연구에선 마찰 대전과 정전 유도 조합으로 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 마찰 대전형 나노 발전기 TENG를 이용한 액적 기반 TENG(D-TENG)로 적지만 측정 가능한 전력을 수집하는데 성공했다.

그런데 D-TENG는 순간적인 고출력을 실현할 수 있지만 메가와트 레벨 전자기기에 대해 1대로 지속적으로 전력 공급하는 건 여전히 곤란하다고 한다. 또 태양 전지 패널은 많은 태양 전지를 한 회로로 결합해 고출력을 실현하고 있다. 하지만 커패시턴스 커플링이 발생해 셀간 전력 손실이 커지기 때문에 전체 출력이 저하되는 문제가 있다.

따라서 중국 심천에 위치한 청화대학 심천국제대학원 연구팀은 어레이 하부 전극과 브릿지 환류 구조를 갖추고 발전 유닛을 서로 독립시키면서 용량 결합 영향을 배제한 태양광 패널 같은 브리지 어레이 발전기를 고안했다.

D-TENG에선 비가 패널 표면에 떨어지면 빗방울이 양으로 대전하고 패널 표면은 음으로 대전하지만 패널 표면 전하가 서서히 소산해 에너지 손실로 이어진다. 브리지 어레이 발전기는 이에 어레이 하부 전극과 브리지 환류 구조를 추가해 빗방울 에너지를 효율적으로 수집할 수 있게 됐다고 한다.

연구팀이 다양한 구조 브리지 어레이 발전기로 테스트한 결과 브리지 어레이 발전기 피크 출력은 기존 같은 크기 빗방울 발전 패널보다 5배로 1m2당 200W에 달했다고 한다. 연구팀은 액적 TENG는 순간적으로 고출력을 실현할 수 있지만 메가와트 수준 전자기기에 대해 1대로 연속 전력을 공급하는 건 여전히 어렵다면서 다수 태양광 발전 유닛을 병렬로 연결해 전기를 공급하는 태양 전지 패널 설계를 참고해 빗방울 에너지 수확을 위한 간단하고 효과적인 방법을 제안할 것이라고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.

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