산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2025.9 (p33-35)

오카야마대학발 스타트업, 진자식 발전기 개발
설산의 전원이나 용수로의 유량계로서 활약

오카야마대학발 스타트업 기업 Hydro-VENUS(오카야마시)가 개발한 진자식 발전기가 설산이나 앞바다, 벽지 등의 급전 설비에 사용되기 시작했다. 진자처럼 시계방향과 반시계방향을 번갈아 반복하는 왕복운동형 조류발전기다. 프로펠러와 달리 진자처럼 흔들리기 때문에 낙엽이나 해조 같은 쓰레기가 잘 엉키지 않는다. 2025년도는 논 등 농지용 용수로의 유량계에 사용되는 등 센서 용도로서도 활용이 확대된다.

-- 1m 규모로 500W, 발전량은 크기에 비례 --
이 진자식 발전기의 발전량은 강이나 바다의 흐름에 의해서 좌우되지만, 유속 2m/s에 대해 소형 사이즈에서 5W 정도의 출력을 얻을 수 있다. 사이즈에 비례해 발전량도 증가하기 때문에 1m 규모의 대형 사이즈라면 500W, 인간보다 큰 초대형이라면 5kW의 발전량을 전망한다. 소형 사이즈를 전원으로 한다면 여러 대가 필요하지만, 1m 규모의 대형이라면 단독 전원으로서 운용할 수 있다.

실제로 앞바다에서 해양 환경 등을 관측하는 기기용 전원이나 설산 등 사람이 가기 어려운 벽지에 있는 통신기기의 급전 설비로서 진자식 발전기가 활용되기 시작했다. 해상의 경우는 통상의 프로펠러 방식을 사용하는 조류 발전도 있지만, 바다속을 흐르는 해조 등의 쓰레기가 엉키기 때문에 유지 보수를 비롯해 유지 비용에 불안이 있다. 진자식은 쓰레기가 잘 엉키지 않는다는 이유로 시험 도입이 추진되고 있다.

산속 하천에서도 마찬가지로 낙엽 등의 쓰레기가 걸리면 유지보수에 비용이 든다. 태양광 발전 등이 대체 후보에 거론되지만, 설산에서는 태양광 패널 위에 눈이 쌓이게 되면 발전이 안정적이지 못하다. 그 때문에 산간부의 통신 기지국용 안정적인 전원의 후보로서 대형 사이즈의 진자식 발전을 기대할 수 있다. Hydro-VENUS에서는 강의 흐름이나 깊이에 따라 구조를 변경하는 등 유황(流況)이나 환경 상태를 반영해 진자식 발전기의 최적화를 도모한다.

-- 왕복 운동의 원리, ‘발산 진동’에서 착상 --
진자식 발전기는 오카야마대학 학술연구원의 히에시마(比江島) 교수가 연구하는 ‘물체에 생기는 와류유기진동(Vortex Induced Vibration)’으로 발전한다. 발전기를 내장한 본체에서 반원주 돌기가 튀어나온 구조가 특징이다. 이 튀어나온 반원주의 평면 측에서 흐름을 받으면, 우선 반원주의 후류 영역에 생긴 소용돌이에 의해서 흐름이 좌우로 흔들리기 시작한다(Karman vortex induced vibration).

다음으로, Vortex Induced Vibration에 의해 좌우 어느 한쪽으로 반원주 자체가 움직임으로써 흐름의 박리 전단층에 접근하는 면과 멀어지는 면이 생긴다. 반원주의 양 끝에서 유황(流況)의 차이가 생기면서 압력 차가 증대. 결과 반원주는 흐름에 대한 양력을 얻고, 본체를 중심축으로 물속에서 회전하기 시작한다. 이 현상을 Galloping(발산 진동)이라고 부른다.

반원주가 회전하는 것은 수면 부근까지다. 그 후에는 수면에서 튀어, 내부의 복원 기구의 도움도 받아 역방향으로 회전하기 시작한다. 그러면 다시 발산 진동이 생기고, 마찬가지로 다시 역방향으로 회전한다. 이 반복적인 왕복 운동으로 진자처럼 흔들리며 발전하는 셈이다. 구조를 응용하면 수중에서 프로펠러처럼 회전시키는 것도 가능하지만, 쓰레기가 잘 엉키지 않는다는 강점이 없어지기 때문에 굳이 진자와 같은 왕복 운동을 고집한다.

-- 농업용 수로 등의 유량계에 활용 --
진자식 발전기는 받는 유속에 따라 왕복 운동의 주기가 바뀌기 때문에 강이나 용수로의 유량계로서도 활용할 수 있다. 진자의 진동을 통해 유속을 추정해 하천의 수위와 하천 폭에서 구한 흐름의 단면적을 곱하면 시간당 유량을 계측할 수 있다. 또한 유량계 용도에서는 소형 사이즈를 이용하는 경우가 많다. 대형 사이즈에 비해 발전량이 적기 때문에 유량 데이터의 통신 모듈의 급전에는 태양광 발전 패널을 병용한다.

유량계의 수요로는 주로 논 등 농업용수를 관리하는 토지개량구(농업 발전을 위해 설립된 공공법인)에서 문의가 활발하다. 현재 시즈오카현과 오카야마현, 가가와현 등에서 20대 정도가 가동 중이다. 예를 들면 가가와현에서는 수문을 열고 나서 다음 수문에 도달하는 시간을, 여러 지점에서 설치한 유량계로부터 측정하는 등 농업용수의 관리 자동화를 위한 검증을 진행하고 있다. 수위가 몇 cm 밖에 안 되는 얕은 수로에서는 발전 기능을 제외하는 대신에 진동 센서 등을 넣은 초소형 사이즈를 준비해 대응한다.

-- 벽지용 인프라를 목표로 하다 --
Hydro-VENUS의 2024년도 매출은 2000만엔이다. 2025년 현재는 통신 모듈 등을 포함한 소형 사이즈의 유량계를 50만엔 전후로 시험적으로 판매하고 있다. 실증실험을 통해서 우선은 ‘상설 가능한 염가의 유량계’로서 코스트 다운과 판로 확대를 목표로 한다.

본격적인 판매 개시 예정은 2026년도이다. 우선은 토지개량구 전용의 유량계 용도를 중심으로 150대 이상을 전국에 전개하는 것이 목표다. 증수 예측이나 내수 범람 대책 등 방재용 전개도 전망하고, 동일 하천의 여러 곳에 설치한 후에 유속/유량 데이터를 집약하고 있다. 장기적으로는 AI에 의한 예측과 조합한 ‘치수 DX(디지털 트랜스포메이션)’ 실현을 위해서 실증실험을 계속한다.

발전기로서는 10W 규모의 소형 사이즈부터, kW 급의 대형 사이즈까지 단계적으로 전개할 예정이다. 2027년에는 하천이나 용수로뿐만이 아니라 해상용 유속계나 관측기를 위한 급전 설비로서 100개 지점 이상의 설치를 목표로 한다. 임의의 수심 유속을 실시간으로 계측하면서 급전도 담당하는 ‘스마트 부표’의 구상 등 해양 데이터의 취득에도 의욕을 보인다.

양산 체제를 위해서 이미 농업기기 업체와 검토를 추진하고 있다. 바다나 산에 설치할 때 우려되는 진자식 발전기가 주변 생태에 미치는 영향도 오카야마대학의 임해실험소와 연계해 조사한다.

Hydro-VENUS의 대표이사인 우에다(上田) 씨는 “결국은 바다나 강 위에서 드론에 급전할 수 있는, 수상 드론 포트로서 전개해 나갈 계획이다”라고 말한다. 진자식 발전기를 중심으로 한, 벽지를 위한 인프라 설비를 목표로 한다.

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