SURF-WEC는 Small Underwater Research Flap Wave Energy Converter의 약자로, 하와이주 오아후섬의 Makai Research Pier 앞바다에서 처음으로 실험실을 떠나 해양에 설치됐다. National Laboratory of the Rockies가 University of Hawaii at Manoa와 협력해 수행하는 이 프로젝트는 파동 운동을 전기로 변환하는 소형 장치를 시험하고, 장치의 설계와 데이터 및 도출된 교훈을 공개적으로 제공하는 것을 목표로 한다.
이번 단계는 지난 수십 년 동안 수행된 이론 연구와 모델링의 규모에 비해 실제 해상 시험이 여전히 제한적인 분야에서 진행된다. 연구진에 따르면 실제 설치 사례가 부족하고 일부 실험의 데이터가 공개되지 않아 해양 에너지 장치의 성능을 이해하기 어렵고, 모델에서 상업적으로 확장 가능한 기술로 넘어가는 과정도 복잡해지고 있다.
장치는 어떻게 작동하는가?
SURF-WEC는 해안 가까이에 고정된 부유식 플랩으로 구성되며, 크기는 대략 대형 화면 정도다. 플랩은 파도가 지나갈 때 경첩을 중심으로 회전하는 문처럼 앞뒤로 움직이며, 폐쇄형 유압 시스템을 작동시켜 유체를 펌핑하고 압력을 점진적으로 높인다. 특정 압력에 도달하면 이 압력으로 발전기에 연결된 모터를 회전시킨다.
이 장치의 핵심적인 연구상 장점은 파도에 대한 반응을 원격으로 조정할 수 있다는 점이다. 연구팀은 조건에 따라 반응을 바꾸지 않는 수동 모드와 변화하는 파도에 실시간으로 적응하는 능동 모드 사이를 전환할 수 있다. 모델에 따르면 능동 운전은 더 많은 에너지를 포착할 수 있지만, 센서와 제어 시스템 및 조정 메커니즘 자체를 작동하는 데서 발생하는 손실이 추가된다.
모델링에서 해상 시험으로
이 프로젝트는 National Laboratory of the Rockies의 실험실에서 모델링, 제작, 시험 및 검증을 진행하는 데 2년이 걸렸다. 연구진은 WEC-Sim과 같은 도구를 사용해 플랩과 파도의 움직임을 시뮬레이션했으며, 통제된 환경에서 파도의 움직임을 모사하는 전기 작동기를 사용해 유압 에너지 변환 시스템도 시험했다.
또한 연구소는 장치의 성능을 모니터링하고 제어하며 데이터를 수집하기 위한 MODAQ 2.0 플랫폼을 개발했다. 실험실에서 부품을 시험한 뒤 해양 환경으로부터 보호하기 위해 시스템을 격리하고 강화했으며, 이후 하와이로 운송해 조립하고 설치한 다음 섬의 해안에 연결했다.
설치에 앞서 연구팀은 오아후로 향하던 강력한 Kona 폭풍을 맞닥뜨렸고, 바람과 파도는 과거 데이터가 예상한 수준을 넘어섰다. 이에 연구진은 프레임만 고정한 채 폭풍이 지나가기를 기다린 뒤, 인근 부표의 실시간 데이터를 사용해 시뮬레이션을 다시 실행했다. 이틀 후 장치 조립과 해저 고정을 마쳤으며, 케이블을 해안의 MODAQ 2.0 플랫폼까지 연결했다.
이 소식이 중요한 이유
연구팀은 장치를 고정한 뒤 시스템에 전기가 공급되는 것을 확인했다. 이는 실험실 설계에서 해상 운전으로 넘어가는 초기 단계가 성공했음을 입증하지만, 아직 상업적 타당성이나 대규모의 지속적인 생산을 입증하는 것은 아니다. SURF-WEC는 주로 연구자와 산업계가 기반으로 삼을 수 있는 데이터를 생성하는, 장애물이 적은 연구 플랫폼으로 설계됐다.
설치 후 5개월 이상이 지난 시점에 연구팀은 장치를 최대 1년 동안 해상에 유지할 계획이며, 데이터의 실시간 제공과 공개 최종 보고서 발행도 추진하고 있다. 결과는 능동 운전과 수동 운전을 비교하고, 제어와 관련된 손실을 평가하며, 실제 해상 조건에서 에너지 시스템의 성능을 이해하는 데 도움이 될 것이다. 장치가 해상에 머무를 수 있는 기간과 장기적으로 생산할 수 있는 전력의 규모는 지속적인 시험을 통해 결정될 미해결 과제로 남아 있다.
이 프로젝트는 미국 에너지부 산하 수력 및 해양 에너지국이 자금을 지원하며, 연구소와 대학 간 협력은 파도 모델링, 제어, 유압 공학 및 해상 설치 분야의 전문성을 결합할 수 있게 했다.