물을 이용해서 전기를 발생시키는 기술은 새로운 것이 아니다. 수력발전은 중국, 미국, 캐나다 등 세계 각지에서 발전을 위해 활용되고 있다. 그러나 과학자들은 이에 만족하지 않고 사람들의 생활을 더욱 편리하게 해 줄 수 있는 새로운 기술을 발굴하는 중이다.

 

최근 홍콩 이공 대학(PolyU)의 건물서비스엔지니어링과(Department of Building Services Engineering) 및 홍콩특별행정구 수무서(Water Supplies Department, WSD)는 급수 본관(Water Mains)을 대체 전력원으로 사용하기 위해 공동연구를 진행 중에 있다.

 

홍콩은 7,800km에 달하는 급수 본관 네트워크를 갖고 있으며, 깨끗한 상수도 공급을 위해 WSD는 모니터링 설비를 도입하여 활용하고 있다. 급수 본관은 이러한 설비 운영을 위해 전기를 필요로 하며, 일반적으로 마시는 물에서 전기를 얻기 위해 위해 파이프에 소형 터빈을 설치한다.

 

홍콩의 급수 본관은 수력발전에 사용되는 거대한 댐과 비교할 때 물이 통과하는 파이프의 직경이 1m이며, 수력발전 대비 훨씬 부피가 적고 높은 에너지를 얻을 수 있다. 이러한 수도관에서 에너지를 얻기 위해서 수력학, 기계공학, 재생가능 에너지 분야의 전문가들은 매우 높은 효율의 설비를 제작하였다.

이러한 결과로 제작된 터빈은 파이프 관에 사용되기에 적당한 크기를 갖고 있으며, 약 80볼트의 전기를 생산하기 위해 수력에너지 중 일부를 사용한다. 이와 같은 전기량은 4개의 형광등을 사용하는데 충분하다.

 

새로운 장치는 외부 수력발전기와 효율이 우수한 구형(Spherical) 수력 터빈으로 이루어져 있다. 이 장치는 흐르는 물 속에 설치되어 잔류 수압(Residual Pressure)을 활용한다. 물이 장치를 통과하게 되며, 터빈은 중앙의 회전 쉬프트를 구동하여 전기를 발생시킨다.

 

장치에 있어 중요한 점은 흐르는 물에서 보다 많은 에너지를 추출하기 위해 적용된 지능형 설계(Intelligent Design)이다. 8개의 블레이드를 가진 터빈은 물의 부피, 수압, 유체동력학적 에너지의 소비 사이에 정확한 균형을 맞추기 때문에 운동에너지의 일부만을 이용한다.

 

이를 통해 물 공급에 큰 영향을 주지 않으면서 효율을 크게 개선할 수 있다. 터빈 블레이드는 물 흐름에 있어 가능한 가장 넓은 면적을 교차하도록 설계되어 우회되는 것을 최소화시킨다.

이러한 발전장치가 최대 전력출력에 도달하기 위해서 중앙의 회적 축 내부를 중공(Hollow)형으로 만들어 발전기나 수확된 에너지를 이용할 때 에너지 손실을 최소화하였다. 또한 연구팀은 파이프의 중앙에 특수하게 제작된 금속 블록을 위치시켜 물의 흐름을 압축하고 가속화함으로써 보다 강력한 흐름을 만들어 내었다.

 

또한 안전하게 식수로 사용될 수 있도록 터빈에 어떠한 운동부(Moving Part)도 포함되지 않도록 설계하여 윤활유 사용 필요성을 제거하였다.

 

미니 수력발전은 지하와 야외 등 다양한 환경에서 테스트되고 있다. 건물서비스엔지니어링의 Hong-xing Yang 교수는 “우리는 수도관을 자급자족할 수 있도록 만들었다. 본격적인 가동에 들어가면 연간 약 700kWh의 전기를 절약하고, 560kg의 이산화탄소 배출을 저감할 수 있을 것으로 예상된다.

 

이번 연구를 통해 석탄화력발전소에 대한 의존도를 줄일 수 있을 뿐 아니라 지하나 위험지대와 같이 전력그리드가 없는 장소에 쉽게 전기를 이용할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명하였다.