3. 조류발전 연구 제안 : 고효율/친환경 조류발전을 위한 유연플랩형 터빈기술
- 플립과 함께 플랩(flap) 혹은 날개 짓을 통하여 하늘로 솟아오르는 강한 추력 /양력 유발하며 본 연구의 조류발전은 플립을 줌으로써 유동에 의한 플랩 운 동 에너지를 활용하고자 한다.
그림 II-18. 하늘을 나는 해양 동물들
- 가오리와 고래 가슴지느러미는 다관절로 인한 유연 플랩 운동으로 추진성능을 향상한다. 조류발전의 경우도 이런 유연 운동 구현은 효율향상을 가져올 것이다.
그림 II-19. 가오리와 고래 가슴지느러미
ㅇ 왜 무리 이동?
- 가오리는 수천마일 이동을 할 때 무리로 움직이면서 에너지 효율을 높인다. - 다발식 플리퍼(flipper)를 활용하여 효율을 높이는 배치 연구를 진행한다.
그림 II-20. 가오리의 무리 이동, 무리 이동의 후류 이용 예시
ㅇ 해양 구조물의 표면처리는 왜 필요한가?
- 조류발전기 같은 해양구조물은 부식 등 표면오염으로 인한 내구성의 문제와 효율성이 급격히 저감한다.
- 이러한 해양 오염원을 제거하기 위해 1950년대부터 Tributyltin(TBT), 구리 등 이 포함된 페인트를 이용하였지만, 그 독성으로 인해 주변의 해양 생태계를 파괴하는 주범으로 2008년 이후 금지가 되었음.
- 현재 polydimethylsiloxane(PDMS), fluoropolymer, silicone 계열의 비 독성 고분자 물질을 이용한 self-healing 코팅에 관한 연구가 미국과 영국을 중심으 로 진행되고 있음.
나. 개발 대상 기술․제품의 중요성과 파급효과
개발 대상 기술․제품의 중요성
ㅇ 무한한 청정에너지원인 바닷물과 강물의 흐름은 매우 불규칙한 바람(미풍에서 태풍까지)이나 파도와 달리 그 크기는 1.0~2.0m/s 정도로 작지만 장시간 유지되 는 양질의 에너지를 가지고 있음.
ㅇ 해양 동물의 유연 플랩 특성을 활용한 단일 발전기 효율 향상과 다발식 터빈 개발을 위한 배치 최적화 연구는 발전기 효율 향상을 가져와 경제성 향상에 기 여함
ㅇ 상어의 표면을 모사하여 제작한 표면은 현재 비행체의 연료 효율 향상 분야 및 에너지 효율성을 향상 시키는데 실용화 되고 있다.
ㅇ 따라서 자연 모사 표면처리 연구의 경우 방부식은 물론 조류 터빈의 효율성 향 상에 기여하여 경제성 향상과 보수유지 비용절감 효과를 가져올 것으로 기대됨.
ㅇ 자연 모사 표면처리 연구의 경우 방부식은 물론 효율성 향상에 기여하여 내구 성 향상과 보수유지 비용절감 효과
ㅇ 회전형 발전장치에 비하여 자연의 움직임을 활용한 발전원리로 인해 물에 떠오 는 각종 쓰레기 등에 의한 장비손상의 위험도 역시 현저하게 낮음.
ㅇ 보수유지 비용절감 효과가 매우 높은 강점을 가짐. 또한 우수한 환경친화성으로 사람-자연 충돌 최소화
ㅇ 2013년에 기존 강체 플랩형 조류발전기는 전기를 생성할 예정이고 추후 활용 발전 연구가 가속화 될 것으로 예상되는 시점에서 더 나아간 형태인 유연 플랩 형 발전 연구는 기술 격차를 줄이고 경쟁력 있는 제품 개발에 필수적인 원천 연구임
개발 대상 기술․제품의 파급효과 [기술적 측면]
ㅇ 기존의 터빈형 발전수차는 고속의 유속에서는 효율이 높으나 저속에서는 그 효 율이 급격히 나빠지는 단점이 있음.
ㅇ 이와 달리 유연 플랩형 조류발전은 광범위 유속에 적용 가능하므로 부존량을 늘리는 효과
ㅇ 자연모사 기능을 활용한 유연플랩 발전기술 시장은 연구개발을 통한 선점이 가 능한 블루오션임.
ㅇ 상어의 피부, 연꽃잎, 도마뱀 발바닥과 같이 자연모사를 통한 기능성 코팅 재료 의 개발은 단순한 재료의 특성만을 이용하여 방 부식을 연구하는 기존의 방법 을 벗어나서 새로운 코팅 기술을 개발하는 효과를 얻을 수 있으며, 재료의 특성 만으로 한계를 가지는 self-healing 코팅 분야에 새로운 원천기술 개발이 기대됨.
[경제적․산업적 측면]
ㅇ 이산화탄소 배출이 전무함으로써 탄소배출권 획득과 CDM 기술 수출이 가능하 고, 일자리 창출과 저탄소 녹색성장을 지향하는 산업발전에도 큰 영향을 가짐.
ㅇ 정부의 그린에너지 산업육성 목표인 2030년까지 신재생에너지보급율 11% 이상 확대(기후변화대응 종합기본계획, 2008.09.19., 국무총리실 기후변화대책기획단) 에 기여함으로써 산업발전 전반에 대한 파급효과가 매우 큼.
[사회적 측면]
ㅇ 온실가스배출이 전혀 없는 유연 플랩형 발전기술은 기후변화에 대응하는 Green Technology로서 지속적 성장 동력이 됨
ㅇ 유연 플랩형 발전장치의 실린더는 수중에 횡방향으로 설치되어 상하로 진동함 으로써 육상의 풍력발전장치나 수중 터빈형 발전수차처럼 생물(새, 물고기)에
대한 위해성이 거의 없기 때문에 생물에 대한 친환경성에서도 월등한 강점을 가짐으로써 인간-자연의 충돌을 최소화 함
ㅇ 생태계의 파괴를 불러 일으키는 화학물질이나 구리와 같은 중금속을 사용하지 않는 친환경 코팅 재료이기 때문에 해양생태계의 안정성을 확보 할 수 있으며, 주변의 어장이나, 양식장에 이로인한 피해를 최소화 시킬 수 있는 장점을 가지 고 있음.
다. 국내․외 기술 현황
ㅇ 한국해양연구원, 내부 연구과제에서 강체플랩형 조류발전기인 “TideFlap” 시스 템 연구가 진행 중에 있음
그림 II-21. TideFlap 개념도와 모형실험 전경
ㅇ 삼성중공업, 피치제어를 활용한 플랩형 조류 발전 내부과제 진행 중
자연모사 유연 플랩
ㅇ 플랩형 추진: 프로펠러로 추진하는 경우보다 물고기 꼬리지느러미를 이용하는 경우 보다 효율이 높고 정숙한 주행이 가능한 것으로 알려져 있음.
ㅇ 국내에서는 건국대학교, 충주대학교, 울산대학교 등에서 물고기 지느러미를 모 사한 로봇 물고기의 추진에 대한 연구가 이루어짐.
ㅇ 특히 건국대학교에서는 아래의 그림에서와 같은 플랩형 물고기 로봇의 추진 및 제어에 대한 많은 연구가 이루어짐. 다만 조류발전에 적용 사례는 없음
그림 II-22. 플랩을 이용한 로봇 물고기의 추진 및 제어
ㅇ 건국대학교, 유연체 추진 연구: 딱정벌레의 플랩 날개 짓 운동에 있어 유연체의 경우가 양력이 강체 플랩에 비해 12% 향상
그림 II-23. 딱정벌레 날개 모형, 유연체(중)과 강체의 와류 형상
자연모사 배치/운동학 최적화
ㅇ 건국대학교, 딱정벌레 앞/뒤 날개 간섭효과: 연구 앞날개가 있는 경우가 없는 경우보다 20%정도의 양력 향상을 가져와서 배치 간섭에 의한 긍정 효과를 나 타냄
그림 II-24. 딱정벌레 앞날개 유무에 따른 시간별 와류 특성과 양력 그래프
ㅇ 항공대학교, 잠자리 쌍날개 실험적 가시화 연구
그림 II-25. 잠자리 유형날개의 연선기법과 PIV 가시화
ㅇ 유동 발전에 있어 배치 간섭 효과에 대한 연구 사례 없음
자연모사 표면처리
ㅇ 초소수/친수성 마이크로-나노 고분자 구조개발(서울대)
- 연꽃잎과 같은 초소수성 표면은 마이크로 크기의 돌기와 나노크기의 왁스 성 분의 마이크로/나노 복합구조로부터 기인한다는 것이 널리 알려져 있다.
- 따라서 초소수성표면을 구현해내기 위해서는 마이크로-나노의 복합적인 구조 를 만들어 낼 수 있는 기술이 필요하다. 본 연구실은 고분자의 성형을 통해
연구제목 연구내용 대표도
Wrinkled, Dual-Scale Structures of Diamond-Like Carbon
(DLC) for Superhydrophobicity
(2010)
PDMS 라는 고분자로 마이크로 구조를
만든 뒤, 마이크로 구조위에 Diamond-Like Carbon으로 된 나노 주름 을 패터닝 하 여 초소수성을 구현한 연구
Langmuir (2010)
Direct UV-Replica Molding of Biomimetic Hierarchical Structure for
Selective Wetting (2008)
마이크로와 나노구조물이 혼합되어 있 는 복합 계층적 구조물에 소수성 UV 경 화 고분자를 몰딩하여, 손쉽게 초소수성 표면을 구현한 연구
JACS (2008) Wettability of
nanoengineered dual-roughness surfaces fabricated by UV-assisted capillary force lithography
(2009)
초소수성를 구현 해 낼 수 있는 마이크 로-나노 복합 구조의 기하학적 조건을
실험적으로 분석한 연구 J. Colloid Interface Sci.
(2009) Wetting transition and
optimal design for microstructured surfaces
with hydrophobic and hydrophilic materials
(2009)
마이크로 구조에 따른 소수성과 친수성
의 정도를 실험적으로 분석한 연구 J. Colloid Interface Sci.
(2009)
표 II-1. 서울대에서 개발한 초소수성 마이크로-나노 고분자 구조 연구
다양한 마이크로-나노 복합 구조를 만들어 낼 수 있는 원천 기술을 이미 확보 하고 있음.
- Self-healing 코팅 재료를 개발하는데 있어서, Wenzel's state의 관점에서 볼 때 초친수성 표면은 초소수성 표면과 구조적 특성이 동일하다. 즉, 본연구실 에서 보유한 원천 기술들을 바탕으로 재료적 최적화가 진행된다면 초소수성 표면 뿐만 아니라 초친수성 표면을 제작할 수 있으리라 예상.
연구제목 연구내용 대표도
Generation and self-replication of monolithic, dual-scale polymer structures by two-step capillary force
lithography (2008)
두 번의 모세관력 리소그래피 공정을 통 하여, 마이크로-나노 구조가 혼합된 초 소수성 표면을 구현한 연구
Small (2008) Nanoengineered multiscale
hierarchical structures with tailored wetting properties
(2006)
기능성 표면의 성능을 향상시키기 위해 마이크로와 나노구조물이 혼합되어 있 는 복합 계층적구조물 공정 기술 및 이 를 이용한 초소수성 표면 제조에 관한
연구 Langmuir (2006)
Bio-inspired slanted polymer nanohairs for anisotropic wetting and
directional dry adhesion(2010)
도마뱀 발바닥의 섬모 구조를 모사한 의 료용 접착제 개발과 이들의 특성에 관한 연구
다. 국외 기술 동향 및 수준
ㅇ 최근 자연에서 영감을 얻은 새로운 형태로, 자연모사 공학(biomimetic engineering) 을 활용한 발전기가 개발되고 있다. 아래의 그림과 같이 영국의 Stingray와 PulseTidal이 대표적이며 플립(피치)을 통한 플랩 에너지를 활용해 발전한다.
Stingray의 경우 Engineering Business사가 영국 DTI의 지원을 받아 2003년에 Shetland Islands에 설치가 되었다.
ㅇ Pulse Tidal사의 PulseStream의 경우 2012년부터 스코트랜드에서 상업적으로 전 기를 생성할 예정이고 (BBC 2010.05) 이는 EU의 8백만 유로의 지원으로 과제가 진행되고 있다(Utility Week, 2009.12).