중국 연구진이 선박에 탑재할 수 있는 파력 발전기를 개발해 눈길을 끌고 있다. 연구진에 따르면, 이 발전기를 탑재하면 선박의 항속 거리가 최대 3배까지 늘어날 수 있다.

'파력 발전((Wave Power)'은 해양에서 파도의 운동 에너지를 활용하여 전기 에너지를 생성하는 기술이다. 다시 말하면, 파력 발전은 바다의 파도, 조류, 밀물, 파랑 등 해양 에너지 현상을 이용해 전기를 생산하는 방식으로 재생 가능한 에너지원 중 하나로 간주된다. 

바닷물은 지구의 70%를 차지하고 있다. 바다의 파도는 바람에 의해 형성되며, 이 움직임에는 상당한 양의 에너지가 포함되어 있다. 파력 발전은 이 에너지를 포착하여 사용 가능한 전기로 변환한다.

기술 전문매체 뉴 아틀라스에 따르면 중국 상하이 선박 및 해운연구소 연구팀은 선박의 갑판 아래 설치할 수 있는 파력 발전기인 '히빙 오실레이터(Heaving oscillators)'를 개발했다. 

히빙 오실레이터는 해상에서 파도의 움직임을 이용하여 에너지를 생산하는 장치이다. 원래 히빙 오실레이터는 부유체(buoy)를 사용하여 파도의 움직임을 전달받아 움직이는 구조물이다. 부유체가 파도의 움직임에 따라 위아래로 움직이면, 이 움직임은 발전기와 연결된 기계장치를 통해 전기 에너지로 변환한다.

기존의 파력 발전기는 이러한 부유식 구조물에 설치해 파도의 움직임을 직접 활용하여 전기를 생산한다. 하지만 파력 발전기를 선박에 설치할 경우 화물 공간을 차지하게 되고, 파도로 인한 충격을 더 심하게 받을 수 있다는 단점이 있다.

중국 상하이 선박연구소 연구팀은 이러한 단점을 해결하기 위해 선박의 갑판 아래에 히빙 오실레이터를 설치했다. 갑판 아래 설치된 히빙 오실레이터는 선박이 바다를 이동할 때 일어나는 선박의 기울기와 구르기, 피칭 동작을 유압 실린더로 전달해 전기를 생산한다. 또한, 오실레이터의 무게를 조절할 수 있어 극한의 날씨에서도 선박 구조에 가해지는 스트레스를 줄일 수 있다.

중국 연구진, 파력 발전기 개발

상하이 선박연구소의 연구팀은 화물 공간을 확보하기 위해 파력 발전기를 화물선 갑판 아래에 설치하되 선체에 의해 바닷물로부터 격리되는 2체형 포인트 흡수 시스템을 제안했다. 이 장치는 선박의 상단과 하단에 단단히 부착된 프레임과 프레임 레일을 위아래로 움직일 수 있는 진동자 본체, 진동자를 매달기 위한 스프링, 진동자의 바닥과 하단에 부착된 유압 실린더로 구성된다.

유압 동력 이륙 장치를 통해 오일을 펌핑하는 실린더는 오실레이터가 선박과 고정된 프레임 사이에서 상하로 움직이며 에너지를 생성하도록 한다. 또한 오실레이터는 물로 채워져 있으며, 무게를 조절하기 위해 물을 추가하거나 뺄 수 있는 시스템이 장착되어 있다. 이는 특히 극한의 날씨 조건에서 오실레이터의 무게를 감소시켜 선박 구조에 가해지는 스트레스를 줄이는 데 특히 유용하다.

연구팀은 "이 새로운 설계를 통해 선박이 기울어지거나 구르거나 피치 운동을 할 때 슬라이드 막대를 따라 움직일 수 있는 오실레이터를 구현할 수 있었다"고 밝혔다.  또한 "이를 통해 이전 설계에서 하나 또는 두 개의 운동 축에 국한되었던 것과 달리 세 개의 다른 운동 축에서 에너지를 생성할 수 있다"라고 설명했다.

시뮬레이션 테스트를 통해 연구팀은 이 발전기가 파도가 90도 각도로 선박 측면에 직접 부딪히는 상황, 즉 빔 해역에서 에너지 포집 효율이 가장 높다는 사실을 확인했다. 특히 이 시스템은 '특정 파도 주기'에서 축대칭 점 흡수기의 이론적 최대 흡수 전력의 최대 90.71%"에 도달할 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀은 파도 탱크에서의 테스트를 위해 시스템 프로토타입을 제작하는 것을 다음 단계로 계획하고 있다. 이들은 동일한 시스템을 다른 해양 구조물과 통합하여 작동하도록 "설계를 쉽게 확장할 수 있다"고 밝혔다.

또한 연구팀은 향후 파도 탱크 테스트를 통해 히빙 오실레이터의 성능을 추가적으로 검증할 예정이다. 이 과정을 통해 시스템을 다양한 해양 구조물에 적용 가능하도록 확장하는 방안을 탐구할 계획이다.

이 연구는 '재생 에너지(Renewable Energy)' 저널에 개재됐다. 

선박에 탑재된 파력 발전기의 장점

부유식(플로팅) 방식의 파력 발전기는 대규모 설치가 가능하고, 전력 그리드와의 연계가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 설치 비용과 유지 관리 비용이 높다는 단점이 있다.

이에 반해, 선박에 탑재된 파력 발전기는 기존의 플로팅 방식에 비해 설치 비용이 저렴하고, 유지 관리가 쉽다. 또한, 선박이 운항하면서 발생하는 파동을 활용할 수 있기 때문에, 에너지 효율이 높다는 장점이 있다.

파력 발전의 상용화 전망

이 연구는 파력 발전의 상용화를 위한 중요한 진전으로 평가받고 있다. 파력 발전은 재생 가능 에너지원 중 하나로, 기존의 화석 연료에 비해 친환경적이라는 장점이 있다. 이번 연구가 상용화된다면, 선박의 운항 효율을 높이고 해양 환경 보호에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다만, 이 연구에서 조사하지 않은 한 가지는 평균적인 선박 여행에서 얼마나 많은 전력을 공급할 수 있는지 여부이다. 이는 선박 내부의 공간 고려 사항과 함께 이 같은 시스템이 광범위하게 활용될 수 있는지 여부의 핵심이 될 것이다.

또한, 파력 발전에는 여러 도전과제가 있다. 파도의 불규칙성과 해양 환경의 거친 조건 때문에 설치와 유지 관리가 어려울 수 있으며, 초기 투자 인프라 구축에 비용이 많이 들 수 있다. 또한 해양 환경에 영향을 미칠 수 있는 환경적인 문제도 고려해야 한다.

한국에 적용 가능성은?

히빙 오실레이터는 대형 선박의 항속 거리를 늘리는 데 효과적인 기술로 평가된다. 특히, 한국은 해운 강국으로, 대형 선박을 많이 보유하고 있다. 따라서 히빙 오실레이터가 한국의 해운 산업에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

다만, 히빙 오실레이터가 한국에 도입되기 위해서는 몇 가지 과제가 해결되어야 한다. 우선, 히빙 오실레이터의 경제성을 검증해야 한다. 또한, 한국의 해역 환경에 맞게 설계되어야 한다.

연구팀은 "히빙 오실레이터는 기존의 파력 발전기와 비교해 효율적이고 안전하다"며 "향후 상용화를 위해 노력하겠다"고 밝혔다.