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- 해초를 모델로 한 유연한 블레이드를 사용해 물의 움직임에서 전기를 생성
- 소형 파력 발전소는 미래에 등 부표, 수중 센서등에 에너지를 공급할 수 있다.

해조류 모델을 기반으로 한 파력 발전기
유연한 스트립으로 수중 마찰 발전 가능

탄력적인 효율성:
새로운 유형의 파도 발전기는 해초를 모델로 한 유연한 블레이드를 사용해 물의 움직임에서 전기를 생성한다. 나뭇잎 모양의 띠가 해류와 파도에 휘어지면 그 안에 전류가 발생한다. 마찰전기 나노발전기를 기반으로 하는 이러한 소형 파력 발전소는 미래에 등 부표, 수중 센서 또는 기타 장치에 에너지를 공급할 수 있다. 

▲ 해초의 잎사귀처럼 유연한 파도 발생기가 물 속에서 움직여 전기를 생산한다 © American Chemical Society

해양 에너지 사용과 관련하여 현재 대규모 시스템이 주요 문제다.
영구적으로 설치된 조력 발전기는 밀물과 썰물 동안 조류에서 전기를 생산한다. 반면에 부유 시스템 형태의 파도 발전기는 주로 파도의 에너지를 사용한다. 이러한 파력 발전소 중 일부는 현재 스코틀랜드 해안에서 테스트되고 있다. 그러나 이러한 시스템의 대부분은 복잡하고 규모가 크며 강한 파도에서만 효과적이다.

▲ 연구 개요도 (출처:관련논문 Flexible Seaweed-Like Triboelectric Nanogenerator as a Wave Energy Harvester Powering Marine Internet of Things)

기계적 변형이 전기를 생성하는 방법

그러나 지금 다롄해양대학교의 왕옌(Yan Wang)이 이끄는 중국 연구팀이 시범을 보이면서 다른 방법이 있다. 파동 발생기를 위해 그들은 마찰 전기 발전의 원리를 물에 도입했다. 즉, 정전기를 통한 에너지 생성이다. TENG(triboelectric nanogenerators)의 핵심은 서로 접촉할 때 전하를 교환하는 여러 층의 전도성 물질로 구성된다.

하이라이트:
이 원리는 기계적 에너지가 운동의 형태로 전기로 변환되도록 한다.
유휴 상태일 때 생성기의 레이어는 간격으로 분리되기 때문이다. 그러나 이러한 층이 구부러지거나 압축되거나 변형되면 전기가 흐른다. 이 원리에 기반한 나노 발전기는 이미 전기를 생성하는 신발 밑창, 바닥 깔개 또는 심박 조율기용으로 테스트되었다.

▲ 나노발전기 스트립의 구조. © 미국 화학 학회

해초를 모델로

Wang과 그의 팀이 개발한 파동 발생기는 해초에서 영감을 받았다.
바닥에 부착된 마찰 전기 레이어 재료의 길고 평평한 스트립으로 구성되고 상단은 물에 자유롭게 떠 있다. 해초의 잎사귀처럼 이 띠는 이미 약한 조류나 파도에 앞뒤로 움직인다. 이 움직임 동안 스트립은 다른 방향으로 구부러지고 늘어난다.

"해초 발전기" 내부에서 이러한 변형으로 인해 두 개의 전도성 폴리머 스트립 사이에 공기가 채워진 스폰지 층이 압축된다. 이렇게 하면 폴리머가 접촉하고 전하가 교환될 수 있습니다. 반면에 띠 모양의 "잎"이 물속에서 헤엄치고 있다면 스펀지는 두 도체를 멀리 떨어뜨린다.

<이것이 해초 파도 발생기가 작동하는 방식이다. © 미국 화학 학회>

등 부표, 측정 네트워크 및 공동용 에너지

 

초기 테스트에서 해초 원리에 기반한 이 파동 발생기의 프로토타입은 물의 움직임이 거의 없어도 30개의 LED 또는 소형 등대를 켤 수 있는 충분한 전력을 제공했다. 연구원들은 발전이 10m의 물에서 지배적인 것과 같은 압력하에서 여전히 잘 작동했다고 보고했다. 그러한 시스템이 더 많은 개별 잎을 가질수록 더 많은 전기를 생산할 수 있다.

Wang과 그의 동료들은 "시연 실험은 그러한 유연하고 저렴한 해초 TENG가 미래에 해안에 가까운 기기 및 장치용 배터리의 좋은 대안이 될 수 있음을 시사한다"고 말했다. 이러한 파도 발생기는 예를 들어 부표, 수중 측정 네트워크 또는 해변의 더 큰 발전소를 작동하는 데 사용할 수 있다.
(ACS Nano, 2021; doi: 10.1021/acsnano.1c05127)

출처: American Chemical Society

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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