에너지 하베스팅
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1. 개요
에너지 하베스팅은 주변 환경에서 버려지는 에너지를 수집하여 전력으로 변환하는 기술을 의미한다. 이 기술은 운동, 빛, 열, 전자기파 등 다양한 형태의 에너지를 활용하며, 자동 시계, 태양 전지, 열전 발전기, 압전 소자, 안테나 등을 통해 구현된다. 에너지 하베스팅은 무선 센서, 웨어러블 기기, 원격 감지 등 저전력 응용 분야에 배터리를 대체하거나 보완하는 전력 공급원으로 활용될 수 있다. 장점으로는 지속 가능한 에너지원 활용, 온실 가스 배출 감소, 배터리 교체의 필요성 감소 등이 있으며, 낮은 발전 효율과 발전량, 초기 투자 비용 등의 한계가 존재한다.
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2. 역사
과거에도 광석 라디오와 같이 주변 환경에 있는 에너지를 이용하는 방법이 있었지만, 모두 제한적인 이용에 그쳤다. 최근, 환경 의식의 고조와 저전력 장치의 보급으로, 지금까지 이용되지 않았던 환경 중의 운동 에너지, 광 에너지, 열 에너지가 주목받기 시작했다. 환경 발전으로 얻을 수 있는 전력은 현재 μW ~ mW 정도의 전력량으로 작기 때문에, 용도는 태양열 계산기나 태양열 손목시계와 같이 전력 소비량이 적은 용도로 제한된다.
에너지 하베스팅은 주변 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술로, 군사 및 상업 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 예를 들어, 해양 파도의 움직임을 전기로 변환하여 해양 관측 센서에 전력을 공급하거나, 웨어러블 전자기기에 전원을 공급하여 휴대폰, 모바일 컴퓨터 등을 충전할 수 있다.[4]
3. 종류
에너지 하베스팅 장치에서 얻을 수 있는 전력 밀도는 응용 분야 및 설계에 따라 다르지만, 일반적으로 인체 전원 응용 분야에서는 몇 μW/cm3, 기계 구동 발전기에서는 수백 μW/cm3 정도이다.[5]
소규모 에너지원은 많지만, 산업 규모의 태양광, 풍력, 파력 발전과 비교할 만큼 출력을 확장하기 어려운 경우가 많다. 에너지 하베스팅의 종류는 다음과 같다.
원격 장치에 전력을 공급하고 정보를 수집하기 위해 의도적으로 RF 에너지를 방송하는 방법도 있다.[9] 이는 무선 주파수 식별 (RFID) 시스템에서 흔히 사용되지만, 안전 및 연방 통신 위원회 규제로 전송 전력에 제한이 있다. 무선 센서 네트워크 노드에 전원을 공급하는 데 사용되기도 한다.[18][7]
최근에는 염료 감응 태양 전지(DSSC)와 같은 새로운 PV 기술이 주목받고 있으며, 2018년 쑤저우 대학교 연구원은 마찰전기 나노발전기와 실리콘 태양 전지를 결합하여 태양 에너지와 빗방울의 기계적 에너지를 모두 전기로 변환하는 장치를 보고했다.[41] 또한, 영국 통신 회사 오렌지 UK(Orange UK)는 에너지 하베스팅 티셔츠와 부츠를 만들기도 했다.[42][43]
3. 1. 기계적 에너지
압전 효과는 기계적 변형을 전기 전류 또는 전압으로 변환한다. 이 변형은 인체의 움직임, 저주파 지진 진동, 음향 잡음 등 다양한 소스에서 발생할 수 있다. 드문 경우를 제외하고 압전 효과는 교류(AC)에서 작동하며 효율성을 위해 기계적 공진에서 시간 변화 입력을 필요로 한다.[22][23]
대부분의 압전 전기 소스는 밀리와트(mW) 단위의 전력을 생산하며, 이는 시스템에 적용하기에는 너무 작지만, 일부 시중에서 판매되는 자동 감기 손목시계와 같은 휴대용 장치에는 충분하다. 한 가지 제안은 미세 유압 에너지를 수확하는 장치와 같은 마이크로 스케일 장치에 사용한다는 것이다. 이 장치에서 가압된 유압 유체의 흐름은 압력 변동을 교류로 변환하는 세 개의 압전 소자에 의해 지지되는 왕복 피스톤을 구동한다.[24][25]
압전 시스템은 인체의 움직임을 전력으로 변환할 수 있다. DARPA는 이식형 또는 웨어러블 센서에 대한 저전력 공급을 위해 다리와 팔의 움직임, 신발 충격, 혈압으로부터 에너지를 활용하려는 노력을 지원했다. 나노 브러시는 압전 에너지 수확기의 또 다른 예시이다.[26] 이는 의류에 통합될 수 있다. 여러 다른 나노 구조는 에너지 수확 장치를 구축하는 데 활용되었다. 예를 들어, 단결정 PMN-PT 나노 벨트가 2016년에 제작되어 압전 에너지 수확기로 조립되었다.[27] 사용자 불편을 최소화하기 위해 신중한 설계가 필요하다. 이러한 에너지 수확 소스는 관련하여 신체에 영향을 미친다. 진동 에너지 회수 프로젝트는[28] 환경 진동 및 움직임에서 전기에너지를 회수하기 위해 설정된 또 다른 프로젝트이다. 마이크로 벨트는 호흡으로부터 전기를 수집하는 데 사용할 수 있다.[29] 게다가, 인간의 움직임에서 발생하는 진동은 세 방향으로 나타나므로 1:2 내부 공진을 사용하여 단일 압전 캔틸레버 기반 전방향 에너지 수확기가 만들어진다.[30] 마지막으로, 밀리미터 규모의 압전 에너지 수확기도 이미 만들어졌다.[31]
압전 소자는 보도에 내장되어[32][33][34] 발걸음의 "사람 에너지"를 회수하고 있다. 또한 "보행 에너지"를 회수하기 위해 신발에 내장될 수 있다.[35] MIT 연구원들은 2005년에 박막 PZT를 사용하여 최초의 마이크로 스케일 압전 에너지 수확기를 개발했다.[36] Arman Hajati와 Sang-Gook Kim은 이중 고정된 미세 전기 기계 시스템 (MEMSs) 공진기의 비선형 강성을 활용하여 초광대역폭 마이크로 스케일 압전 에너지 수확 장치를 발명했다. 이중 고정된 빔의 인장 변형은 비선형 강성을 나타내며, 이는 수동 피드백을 제공하고 진폭이 강화된 Duffing 모드 공진을 유발한다.[37] 일반적으로 압전 캔틸레버는 위에서 언급한 에너지 수확 시스템에 채택된다. 한 가지 단점은 압전 캔틸레버가 기울기 변형 분포를 갖는다는 것이다. 즉, 압전 변환기가 완전히 활용되지 않는다는 것이다. 이 문제를 해결하기 위해 균일한 변형 분포를 위해 삼각형 모양 및 L자형 캔틸레버가 제안되었다.[38][39][40]
피에르 퀴리와 자크 퀴리 형제는 1880년에 압전 효과의 개념을 제시했다.[44]
진동을 압전 소자를 이용하여 전력으로 변환하여 충전지나 전기 이중층 커패시터에 축전한다.
3. 2. 전자기 에너지
특수 안테나는 유휴 전파에서 에너지를 수집할 수 있다.[15] 이는 정류 안테나를 사용하여 수행할 수 있으며, 이론적으로는 더 높은 주파수 EM 방사선에서 나노 안테나로 수행할 수 있다.
전자기 유도를 기반으로 하는 진동 에너지 수확은 가장 단순한 형태에서 자석과 구리 코일을 사용하여 전기로 변환할 수 있는 전류를 생성한다. 자기 유도는 변화하는 자기장에서 기전력 (전압)이 생성되는 것을 말한다. 이러한 자기장의 변화는 회전(와이건드 효과, 와이건드 센서) 또는 선형 운동(진동)과 같은 움직임에 의해 생성될 수 있다.[65]
캔틸레버 위에서 흔들리는 자석은 작은 진동에도 민감하며, 패러데이의 유도 법칙에 따라 도체에 대해 상대적으로 움직이면서 미세 전류를 생성한다. 2007년, 사우스햄튼 대학교 연구팀은 외부와 전기적 연결이 불가능한 환경에서도 이러한 장치를 설치할 수 있는 소형 장치를 개발했다. 접근할 수 없는 장소의 센서는 이제 자체적으로 전력을 생성하고 데이터를 외부 수신기로 전송할 수 있다.[66]
사우스햄튼 대학교에서 개발된 자기 진동 에너지 수확기의 주요 제한 사항 중 하나는 발전기의 크기(약 1 세제곱 센티미터)로, 오늘날의 모바일 기술에 통합하기에는 너무 크다. 회로를 포함한 전체 발전기는 4 cm x 4 cm x 1 cm로, iPod nano와 같은 일부 모바일 장치와 거의 같은 크기이다.[66] 캔틸레버 빔 구성 요소와 같은 새롭고 더 유연한 재료를 통합하면 크기를 더 줄일 수 있다. 2012년, 노스웨스턴 대학교 연구팀은 스프링 형태의 폴리머로 진동 구동 발전기를 개발했다.[67] 이 장치는 사우스햄튼 대학교 그룹의 실리콘 기반 장치와 동일한 주파수를 타겟팅할 수 있었지만 빔 구성 요소의 크기는 3분의 1이었다.
페로유체를 사용하여 자기 유도 기반 에너지 수확에 대한 새로운 접근 방식도 제안되었다. "전자기 페로유체 기반 에너지 수확기"라는 저널 기사에서는 페로유체를 사용하여 ~80 mW/g의 전력 출력을 내는 2.2 Hz의 저주파 진동 에너지를 수확하는 것에 대해 논의한다.[68]
최근에는 응력 적용에 따른 도메인 벽 패턴의 변화가 자기 유도를 사용하여 에너지를 수확하는 방법으로 제안되었다. 이 연구에서 저자들은 가해진 응력이 마이크로와이어의 도메인 패턴을 변경할 수 있음을 보여주었다. 주변 진동은 마이크로와이어에 응력을 유발할 수 있으며, 이는 도메인 패턴의 변화를 유도하여 유도를 변경할 수 있다. uW/cm2 수준의 전력이 보고되었다.[69]
자기 유도를 기반으로 한 상업적으로 성공적인 진동 에너지 수확기는 아직 상대적으로 적다. 예로는 스웨덴 회사 [http://www.revibeenergy.com ReVibe Energy](사브 그룹의 기술 스핀 아웃)에서 개발한 제품과 사우스햄튼 대학교 초기 프로토타입에서 개발된 Perpetuum의 제품이 있다. 이들은 무선 센서 노드(WSN)에 필요한 전력을 생성하기에 충분히 커야 하지만, M2M 응용 분야에서는 일반적으로 문제가 되지 않는다. 이러한 수확기는 현재 GE 및 Emerson과 같은 회사에서 제작한 WSN과 Perpetuum에서 제작한 열차 베어링 모니터링 시스템에 전력을 공급하기 위해 대량으로 공급되고 있다. 무선 전력선 센서는 자기 유도를 사용하여 모니터링하는 도체에서 직접 에너지를 수확할 수 있다.[70][71]
태양 전지로 발전하여 충전지나 전기 이중층 커패시터에 축전한다.
3. 3. 열 에너지
열전기 효과는 온도 변화를 전류 또는 전압으로 변환한다. 이는 강유전체 거동의 일종인 압전 효과와 유사하다. 열전성은 시간 변화 입력을 필요로 하며, 낮은 작동 주파수로 인해 에너지 하베스팅 응용 분야에서 작은 전력 출력을 보인다. 그러나 열전기는 많은 열전 재료가 최대 1200°C 이상까지 안정적이기 때문에 고온원에서 에너지를 수확할 수 있어 열역학적 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.[52][53][54][55][56][57][58][59][60][61]
폐열을 전기로 직접 변환하는 한 가지 방법은 열전 재료에 대해 올슨 사이클을 실행하는 것이다. 올슨 사이클은 전기 변위-전기장(D-E) 다이어그램에서 두 개의 등온 과정과 두 개의 등전기장 과정으로 구성된다. 낮은 전기장에서 냉각을 통해 커패시터를 충전하고, 더 높은 전기장에서 가열을 통해 방전하는 원리이다. 최근 연구에서는 폴리비닐리덴 플루오라이드 트리플루오로에틸렌 [P(VDF-TrFE)] 폴리머와 납 란탄 지르코네이트 티타네이트(PLZT) 세라믹을 저온에서 큰 에너지 밀도를 생성하는 유망한 열전 재료로 주목하고 있다. 또한, 가열된 열전 재료의 가장자리-탈분극 전기장을 이용하여 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는, 시간 변화 입력을 필요로 하지 않는 열전 회수 장치도 개발되었다.
1821년, 토마스 요한 제벡은 서로 다른 두 도체 사이에 열 구배가 형성되면 전압이 생성된다는 것을 발견했다. 열전 효과는 전도성 물질의 온도 구배가 열 흐름을 유발하고, 전하 캐리어의 확산을 일으킨다는 사실에 기반한다. 뜨겁고 차가운 영역 사이의 전하 캐리어 흐름은 전압 차이를 생성한다. 1834년, 장 샤를 아타나스 펠티에는 서로 다른 두 도체의 접합부에 전류를 흘리면 전류 방향에 따라 히터나 냉각기로 작용할 수 있음을 발견했다. 흡수되거나 생성되는 열은 전류에 비례하며, 이 비례 상수를 펠티에 계수라고 한다. 오늘날 제벡 효과와 펠티에 효과에 대한 지식 덕분에 열전 재료는 히터, 냉각기 및 발전기(TEG)로 사용될 수 있다.
이상적인 열전 재료는 높은 제벡 계수, 높은 전기 전도도, 낮은 열 전도도를 갖는다. 낮은 열 전도도는 접합부에서 높은 열 구배를 유지하는 데 필요하다. 현재 제조되는 표준 열전 모듈은 금속화된 두 개의 세라믹 플레이트 사이에 끼워진 P형 및 N형 도핑된 비스무트 텔루라이드 반도체로 구성된다. 세라믹 플레이트는 시스템에 강성과 전기 절연성을 더한다. 반도체는 전기적으로 직렬로, 열적으로 병렬로 연결된다.
소형 열전쌍은 체온을 전기로 변환하여 5도 온도 구배에서 40μW (3V)를 생성하도록 개발되었으며, 대형 열전쌍은 핵 RTG 배터리에 사용된다.
실제 예로는 홀스트 센터의 손가락 심박수 측정기와 프라운호퍼-게젤샤프트의 열전 발전기가 있다.[62][63]
열전기의 장점은 다음과 같다.
열전 에너지 변환의 단점은 낮은 효율(현재 10% 미만)이다. 더 높은 온도 구배에서 작동할 수 있고, 열을 전도하지 않으면서 전기를 잘 전도할 수 있는 재료 개발이 효율성을 높일 수 있을 것이다.
열전기의 미래 연구는 자동차 엔진 연소와 같은 폐열을 전기로 변환하는 데 집중될 수 있다. 열전 소자를 이용하여 발전하여 충전지나 전기 이중층 커패시터에 축전한다.
3. 4. 생체 에너지
에너지 하베스팅의 또 다른 방법은 혈당의 산화를 이용하는 것이다. 이러한 에너지 하베스터는 생체 전지라고 불린다. 생체 전지는 이식형 전자 장치(예: 심박 조율기, 당뇨병 환자를 위한 이식형 바이오센서, 이식형 능동 RFID 장치 등)에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 현재 세인트루이스 대학교의 민티어 그룹은 혈당에서 전력을 생성하는 데 사용할 수 있는 효소를 개발했다. 그러나 효소는 몇 년 후에 교체해야 한다.[72] 2012년에는 클락슨 대학교에서 Evgeny Katz 박사의 지도 아래 이식형 바이오 연료 전지로 심박 조율기에 전력을 공급했다.[73]
나무 대사 에너지 하베스팅은 생체 에너지 하베스팅의 한 유형이다. 볼트리(Voltree)는 나무로부터 에너지를 수확하는 방법을 개발했다. 이러한 에너지 하베스터는 산불과 숲의 기상 조건을 모니터링하기 위한 장기 배치 시스템의 기반으로 원격 센서와 메시 네트워크에 전원을 공급하는 데 사용되고 있다. 볼트리 웹사이트에 따르면, 이러한 장치의 사용 수명은 부착된 나무의 수명에 의해서만 제한되어야 한다. 최근 미국 국립공원 숲에 소규모 테스트 네트워크가 배포되었다.[74]
나무에서 얻을 수 있는 다른 에너지원으로는 발전기에서 나무의 물리적인 움직임을 포착하는 것이 있다. 이 에너지원의 이론적 분석은 소형 전자 장치에 전력을 공급하는 데 어느 정도 가능성을 보여준다.[75] 이 이론을 기반으로 한 실용적인 장치가 제작되어 1년 동안 센서 노드에 성공적으로 전원을 공급했다.[76]
3. 5. 기타
바다의 열수층에서 서로 다른 깊이의 온도 차이를 이용하는 한 가지 방법은 서로 다른 온도 영역에서 상이 변하는 물질을 장착한 열 에너지 수확기를 사용하는 것이다. 이것은 일반적으로 가역적인 열 처리를 처리할 수 있는 고분자 기반 물질이다. 물질이 상을 변화시킬 때, 에너지 차이는 기계 에너지로 변환된다.[81] 사용되는 물질은 수중 열수층의 위치에 따라 액체에서 고체로 상을 변경할 수 있어야 한다.[82] 이러한 상 변화 물질을 사용하는 열 에너지 수확 장치는 무인 잠수정(UUV)을 충전하거나 전원을 공급하는 이상적인 방법이 될 것이다. 이는 대규모 수역에 이미 존재하는 따뜻한 물과 찬 물에 의존하기 때문에, 표준 배터리 충전의 필요성을 최소화한다. 이 에너지를 포착하면 수집하거나 충전을 위해 복귀할 필요가 없어 더 장기적인 임무 수행이 가능하다.[83] 이는 또한 수중 차량에 전력을 공급하는 매우 친환경적인 방법이다. 상 변화 유체를 사용하는 데서 나오는 배출물은 없으며, 표준 배터리보다 수명이 더 길 가능성이 높다.
4. 장점 및 활용 분야
에너지 하베스팅 장치는 주변 에너지를 전기로 변환하여 군사 및 상업 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 일부 시스템은 해양 파도와 같은 움직임을 전기로 변환하여 해양 관측 센서에 사용되며, 미래에는 원격 위치에 배치된 고출력 장치를 통해 대규모 시스템을 위한 안정적인 전력 스테이션 역할을 할 수 있다. 웨어러블 전자기기 분야에서는 휴대폰, 모바일 컴퓨터 및 무선 통신 장비에 전원을 공급하거나 재충전할 수 있다.[4]
MEMS 기술로 개발된 소형 자율 센서에 전력을 공급하기 위해 에너지를 수집할 수도 있다. 이러한 시스템은 전력이 거의 필요하지 않지만, 배터리에 의존하면 응용 분야가 제한적이다. 주변 진동, 바람, 열, 빛으로부터 에너지를 수집하면 스마트 센서가 무기한으로 작동할 수 있다. 에너지 하베스팅 장치에서 얻을 수 있는 일반적인 전력 밀도는 응용 분야와 발전기 설계에 따라 달라지며, 인체 전원 응용 분야에서는 몇 μW/cm3, 기계 구동 발전기에서는 수백 μW/cm3 정도이다.[5]
에너지는 일반적으로 축전기, 슈퍼 축전기, 또는 배터리에 저장할 수 있다. 축전기는 에너지 급증이 필요할 때, 배터리는 꾸준한 에너지 흐름이 필요할 때 사용된다. 슈퍼 축전기는 무제한 충전-방전 사이클을 가지므로 IoT 및 무선 센서 장치에서 유지 보수가 필요 없는 작동을 가능하게 한다.[7]
저전력 에너지 하베스팅은 독립적인 센서 네트워크에 집중되어 있다. 에너지 하베스팅 방식은 전력을 축전기에 저장한 다음, 마이크로프로세서[8]나 데이터 전송을 위해 두 번째 축전기 또는 배터리로 조절한다.[9] 전력은 일반적으로 센서 응용 분야에서 사용되며 데이터는 저장되거나 전송될 수 있다.[10]
에너지 하베스팅 장치 연구의 주요 원동력 중 하나는 배터리 없이 센서 네트워크와 모바일 장치에 전력을 공급하려는 것이다. 배터리는 제한된 수명, 환경 영향, 크기, 무게 및 비용과 같은 제약이 있다. 에너지 하베스팅 장치는 원격 감지, 웨어러블 전자 장치, 상태 모니터링 및 무선 센서 네트워크와 같이 낮은 전력 소비가 필요한 응용 분야에 대한 대체 또는 보완적인 전력 원을 제공할 수 있으며, 배터리 수명을 연장하거나 배터리 없는 작동을 가능하게 할 수 있다.
에너지 하베스팅의 또 다른 동기는 온실 가스 배출량과 화석 연료 소비를 줄여 기후 변화 문제를 해결할 수 있다는 잠재력이다. 에너지 하베스팅 장치는 태양열, 열에너지, 풍력 및 운동 에너지와 같이 환경에 풍부하고 깨끗한 재생 가능 에너지원을 활용할 수 있다. 또한 에너지 손실과 환경 영향을 일으키는 전력 전송 및 배전 시스템의 필요성을 줄일 수 있다.
최근 연구는 사용자 상호 작용을 통해 자체 전력을 공급할 수 있는 장치의 혁신으로 이어졌다. 배터리가 없는 게임기와 기타 장난감은 버튼을 누르거나 손잡이를 돌리는 등 사용자 동작에서 생성된 에너지로 구동된다.
산업 규모의 태양광, 풍력 또는 파력 발전과 비교할 수 있는 출력으로 산업 규모로 확장할 수 없는 경우가 많다.
- 일부 손목시계는 팔의 움직임을 통해 생성되는 운동 에너지(자동 시계)로 작동한다. 세이코의 키네틱과 같은 디자인은 느슨한 내부 영구 자석을 사용하여 전기를 생성한다.
- 광전지는 광전 효과를 나타내는 반도체를 사용하여 태양 복사를 직류 전기로 변환한다. 광전지는 산업 규모로 확장되었으며 현재 대규모 태양광 발전소가 존재한다.
- 열전 발전기(TEG)는 서로 다른 두 재료의 접합점과 열 구배를 이용하여 고전압 출력을 얻는다. 일반적인 성능은 접합점당 100–300 μV/K이며, 산업 장비, 구조물, 인체에서 mW의 에너지를 포착하는 데 활용할 수 있다.
- 마이크로 풍력 터빈은 무선 센서 노드와 같은 저전력 전자 장치에 전력을 공급하기 위해 바람의 운동 에너지를 수확한다. 광전지와 유사하게 풍력 발전소가 산업 규모로 건설되어 상당한 양의 전력을 생산하고 있다.
- 압전 결정 또는 섬유는 기계적으로 변형될 때마다 작은 전압을 생성한다. 내연 기관의 진동, 구두 뒤꿈치나 버튼을 누르는 것도 압전 재료를 자극할 수 있다.
- 특수 안테나는 유휴 전파에서 에너지를 수집할 수 있다.[15] 정류 안테나를 사용하거나, 이론적으로는 더 높은 주파수 EM 방사선에서 나노 안테나로 수행할 수 있다.
- 자석과 코일 또는 압전 에너지 변환기를 사용하여 휴대용 전자 장치 또는 리모컨을 사용하는 동안 눌린 키에서 얻는 전력은 장치에 전원을 공급하는 데 도움이 될 수 있다.[16]
- 전자기 유도를 기반으로 하는 진동 에너지 수확은 자석과 구리 코일을 사용하여 전류를 생성한다.
- 전하를 띤 습도는 매사추세츠 대학교 애머스트의 Jun Yao가 이끄는 연구팀이 발명한 나노기공 기반 장치인 Air-gen에서 전기를 생성한다.[17]
원격 장치에 전력을 공급하고 정보를 수집하기 위해 의도적으로 RF 에너지를 방송하는 방법은[9] 현재 수동적인 무선 주파수 식별 (RFID) 시스템에서 흔히 사용되지만, 안전 및 미국 연방 통신 위원회는 최대 전력을 제한한다. 이 방법은 무선 센서 네트워크의 개별 노드에 전원을 공급하는 데 사용되었다.[18][7]
다양한 터빈 및 비터빈 발전 기술이 기류를 활용할 수 있다. 타워형 풍력 터빈과 공중 풍력 에너지 시스템(AWES)은 공기의 흐름을 이용하며, HVAC 덕트와 같이 빛이 적은 환경에서도 작동할 수 있다.
혈류의 흐름도 장치에 전원을 공급하는 데 활용될 수 있다. 베른 대학교에서 개발된 페이스메이커는 혈류를 사용하여 스프링을 감아 전기의 마이크로 발전기를 구동한다.[19]
수력 에너지 하베스팅은 높은 에너지 변환 효율과 전력 밀도를 달성하는 트랜지스터와 같은 아키텍처의 발전기와 같은 설계 측면에서 발전을 이루었다.[20][21]
광전지(PV) 에너지 하베스팅 무선 기술은 유선 또는 배터리 전원 센서 솔루션보다 상당한 이점을 제공한다. 실내 PV 하베스팅 솔루션은 특수 조정된 비정질 실리콘(aSi) 기술로 구동되었으며, 최근에는 염료 감응 태양 전지(DSSC)와 같은 새로운 PV 기술이 에너지 하베스팅 분야에서 두각을 나타내고 있다. DSSC는 cm2당 이상을 제공할 수 있다.
압전 효과는 기계적 변형을 전기 전류 또는 전압으로 변환한다. 인체의 움직임, 저주파 지진 진동, 음향 잡음은 일상적인 예시이다. 압전 효과는 교류(AC)에서 작동하며 효율성을 위해 기계적 공진에서 시간 변화 입력을 필요로 한다.
대부분의 압전 전기 소스는 밀리와트(mW) 단위의 전력을 생산하며, 이는 시스템에 적용하기에는 너무 작지만, 자동 감기 손목시계와 같은 휴대용 장치에는 충분하다.
압전 에너지 수확은 1990년대 후반부터 연구되었기 때문에,[22][23] 여전히 새로운 기술이다. Arveni에서 구현된 INSA 공학 학교의 자체 전원 전자 스위치로 몇 가지 흥미로운 개선이 이루어졌으며, 2006년에는 배터리가 없는 무선 초인종 푸시 버튼의 개념 증명이 만들어졌고, 최근에는 클래식 무선 벽 스위치가 압전 수확기로 전원을 공급받을 수 있음을 보여주는 제품이 출시되었다.
압전 시스템은 인체의 움직임을 전력으로 변환할 수 있다. DARPA는 이식형 또는 웨어러블 센서에 대한 저전력 공급을 위해 다리와 팔의 움직임, 신발 충격, 혈압으로부터 에너지를 활용하려는 노력을 지원했다. 나노 브러시는 압전 에너지 수확기의 또 다른 예시이다.[26] 이는 의류에 통합될 수 있다. 단결정 PMN-PT 나노 벨트가 2016년에 제작되어 압전 에너지 수확기로 조립되었다.[27] 사용자 불편을 최소화하기 위해 신중한 설계가 필요하다. 진동 에너지 회수 프로젝트[28]는 환경 진동 및 움직임에서 전기에너지를 회수하기 위해 설정된 또 다른 프로젝트이다. 마이크로 벨트는 호흡으로부터 전기를 수집하는 데 사용할 수 있다.[29] 게다가, 인간의 움직임에서 발생하는 진동은 세 방향으로 나타나므로 1:2 내부 공진을 사용하여 단일 압전 캔틸레버 기반 전방향 에너지 수확기가 만들어진다.[30]
압전 소자는 보도에 내장되어[32][33][34] 발걸음의 "사람 에너지"를 회수하고 있으며, 신발에 내장될 수도 있다.[35] MIT 연구원들은 2005년에 박막 PZT를 사용하여 최초의 마이크로 스케일 압전 에너지 수확기를 개발했다.[36] Arman Hajati와 Sang-Gook Kim은 이중 고정된 미세 전기 기계 시스템 (MEMSs) 공진기의 비선형 강성을 활용하여 초광대역폭 마이크로 스케일 압전 에너지 수확 장치를 발명했다.[37]
2018년, 쑤저우 대학교 연구원은 상호 전극을 공유하여 마찰전기 나노발전기와 실리콘 태양 전지를 하이브리드화했다고 보고했다. 이 장치는 태양 에너지를 수집하거나 떨어지는 빗방울의 기계적 에너지를 전기로 변환할 수 있다.[41]
영국 통신 회사인 오렌지 UK는 에너지 수확 티셔츠와 부츠를 만들었다. 다른 회사들도 마찬가지로 이를 수행했다.[42][43]
피에르 퀴리와 자크 퀴리 형제는 1880년에 압전 효과의 개념을 제시했다.[44] 압전 효과는 기계적 변형을 전압 또는 전류로 변환하고, 움직임, 무게, 진동 및 온도 변화로부터 전기에너지를 생성한다.
박막 티탄산지르코늄산납 PZT의 압전 효과를 고려하여, 미세 전자기계 시스템 (MEMS) 전력 생성 장치가 개발되었다. 최근 압전 기술의 개선 과정에서, Aqsa Abbasi [45][46][47][48][49])는 진동 변환기에서 과 이라는 두 가지 모드를 구분하고, 외부 진동 에너지원으로부터 특정 주파수에서 공진하도록 재설계하여, 전자 기계 감쇠 질량을 사용하여 압전 효과를 통해 전기에너지를 생성했다.[50]
PZT 박막은 힘 센서, 가속도계, 자이로스코프 액추에이터, 튜닝 가능한 광학 장치, 마이크로 펌프, 강유전체 RAM, 디스플레이 시스템 및 스마트 도로[50]와 같은 응용 분야에 대한 관심을 끌고 있으며, 에너지원이 제한적인 경우 에너지 하베스팅은 환경에서 중요한 역할을 한다. 스마트 도로는 전력 생성에 중요한 역할을 할 가능성이 있다. 압전 재료를 도로에 내장하면 움직이는 차량의 압력을 전압과 전류로 변환할 수 있다.[50]
열전기 효과는 온도 변화를 전류 또는 전압으로 변환한다. 이는 또 다른 유형의 강유전체 거동인 압전 효과와 유사하다. 열전성은 시간 변화 입력을 필요로 하며, 낮은 작동 주파수로 인해 에너지 하베스팅 응용 분야에서 작은 전력 출력을 겪는다. 그러나 열전기에 비해 열전성의 한 가지 주요 장점은 많은 열전 재료가 최대 1200°C 이상까지 안정적이기 때문에 고온원에서 에너지를 수확할 수 있어 열역학적 효율을 높일 수 있다는 것이다.
폐열을 전기로 직접 변환하는 한 가지 방법은 열전 재료에 대해 올슨 사이클을 실행하는 것이다. 올슨 사이클은 전기 변위-전기장(D-E) 다이어그램에서 두 개의 등온 과정과 두 개의 등전기장 과정으로 구성된다. 올슨 사이클의 원리는 낮은 전기장 하에서 냉각을 통해 커패시터를 충전하고 더 높은 전기장 하에서 가열을 통해 방전하는 것이다. 전도,[52] 대류,[53][54][55][56] 또는 방사선을 사용하여 올슨 사이클을 구현하기 위해 여러 열전 변환기가 개발되었다.[57] 또한 진동 작동 유체와 올슨 사이클을 사용하여 열 재생을 기반으로 하는 열전 변환은 고온 및 저온 열 저장소 사이에서 카르노 효율에 도달할 수 있다는 것이 이론적으로 확립되었다.[58] 또한, 최근 연구에서는 폴리비닐리덴 플루오라이드 트리플루오로에틸렌 [P(VDF-TrFE)] 폴리머[59]와 납 란탄 지르코네이트 티타네이트(PLZT) 세라믹[60]을 저온에서 생성되는 큰 에너지 밀도로 인해 에너지 변환기에 사용할 유망한 열전 재료로 확립했다. 또한, 시간 변화 입력을 필요로 하지 않는 열전 회수 장치가 최근에 도입되었다. 이 에너지 하베스팅 장치는 결정 면에 부착된 두 개의 플레이트에서 전류를 끌어오는 대신, 가열된 열전 재료의 가장자리-탈분극 전기장을 사용하여 열 에너지를 기계적 에너지로 변환한다.[61]
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1821년, 토마스 요한 제벡은 서로 다른 두 도체 사이에 열 구배가 형성되면 전압이 생성된다는 것을 발견했다. 열전 효과의 핵심은 전도성 물질의 온도 구배가 열 흐름을 유발한다는 사실에 있다; 이로 인해 전하 캐리어의 확산이 발생한다. 뜨겁고 차가운 영역 사이의 전하 캐리어의 흐름은 차례로 전압 차이를 생성한다. 1834년, 장 샤를 아타나스 펠티에는 서로 다른 두 도체의 접합부에 전류를 흘리면 전류의 방향에 따라 히터나 냉각기로 작용할 수 있다는 것을 발견했다.
소형 열전쌍은 체온을 전기로 변환하고 5도 온도 구배에서 3 V로 40 μ W를 생성하도록 개발되었으며, 반면 다른 쪽에서는 대형 열전쌍이 핵 RTG 배터리에 사용된다.
실제 예로는 홀스트 센터의 손가락 심박수 측정기와 프라운호퍼-게젤샤프트의 열전 발전기가 있다.[62][63]
열전기의 장점:
- 움직이는 부품이 없기 때문에 수년 동안 지속적으로 작동할 수 있다.
- 열전기는 보충해야 하는 재료를 포함하지 않는다.
- 가열 및 냉각을 반전시킬 수 있다.
열전 에너지 변환의 한 가지 단점은 낮은 효율(현재 10% 미만)이다.
열전기의 미래 연구는 자동차 엔진 연소와 같은 폐열을 전기로 변환하는 데 집중될 수 있다.
이 유형의 에너지 하베스팅은 진동에 따라 변화하는 커패시턴스에 기반한 커패시터를 사용한다. 진동은 충전된 가변 커패시터의 판을 분리하며, 기계 에너지는 전기 에너지로 변환된다.
정전기 에너지 하베스터는 작동하고 진동으로부터의 기계 에너지를 전기로 변환하기 위해 분극화 소스가 필요하다. 분극화 소스는 수백 볼트 정도의 전압을 가져야 하며, 이는 전력 관리 회로를 크게 복잡하게 만든다. 또 다른 해결책은 수년간 커패시터의 분극화를 유지할 수 있는 전기를 띤 유전체인 일렉트릿을 사용하는 것이다.
결과적으로 얻어진 장치는 자체 바이어싱이 가능하며, 배터리를 직접 충전하거나, DC/DC 컨버터를 통해 주기적으로 에너지를 추출할 수 있는 저장 커패시터에서 지수적으로 증가하는 전압을 생성할 수 있다.[64]
자기 유도는 변화하는 자기장에서 기전력 (즉, 전압)이 생성되는 것을 말한다. 이러한 변화하는 자기장은 회전(예: 와이건드 효과 및 와이건드 센서) 또는 선형 운동(예: 진동)과 같은 움직임에 의해 생성될 수 있다.[65]
캔틸레버 위에서 흔들리는 자석은 작은 진동에도 민감하며, 패러데이의 유도 법칙에 따라 도체에 대해 상대적으로 움직이면서 미세 전류를 생성한다. 2007년, 사우스햄튼 대학교의 연구팀은 이러한 종류의 소형 장치를 개발하여 외부와 전기적 연결이 불가능한 환경에서도 그러한 장치를 설치할 수 있게 되었다. 접근할 수 없는 장소의 센서는 이제 자체적으로 전력을 생성하고 데이터를 외부 수신기로 전송할 수 있다.[66]
사우스햄튼 대학교에서 개발된 자기 진동 에너지 수확기의 주요 제한 사항 중 하나는 발전기의 크기로, 이 경우 약 1 입방 센티미터로, 오늘날의 모바일 기술에 통합하기에는 너무 크다. 회로를 포함한 전체 발전기는 4 cm x 4 cm x 1 cm로, iPod nano와 같은 일부 모바일 장치와 거의 같은 크기이다.[66] 캔틸레버 빔 구성 요소와 같은 새롭고 더 유연한 재료를 통합하면 크기를 더 줄일 수 있다. 2012년, 노스웨스턴 대학교의 연구팀은 스프링 형태의 폴리머로 진동으로 구동되는 발전기를 개발했다.[67] 이 장치는 사우스햄튼 대학교 그룹의 실리콘 기반 장치와 동일한 주파수를 타겟팅할 수 있었지만 빔 구성 요소의 크기는 3분의 1이었다.
페로유체를 사용하여 자기 유도 기반 에너지 수확에 대한 새로운 접근 방식도 제안되었다. "전자기 페로유체 기반 에너지 수확기"라는 저널 기사에서는 페로유체를 사용하여 ~80 mW/g의 전력 출력을 내는 2.2 Hz의 저주파 진동 에너지를 수확하는 것에 대해 논의한다.[68]
최근에는 응력 적용에 따른 도메인 벽 패턴의 변화가 자기 유도를 사용하여 에너지를 수확하는 방법으로 제안되었다. 이 연구에서 저자들은 가해진 응력이 마이크로와이어의 도메인 패턴을 변경할 수 있음을 보여주었다. 주변 진동은 마이크로와이어에 응력을 유발할 수 있으며, 이는 도메인 패턴의 변화를 유도하여 유도를 변경할 수 있다. uW/cm2 수준의 전력이 보고되었다.[69]
자기 유도를 기반으로 한 상업적으로 성공적인 진동 에너지 수확기는 아직 상대적으로 적다. 예로는 스웨덴 회사 [http://www.revibeenergy.com ReVibe Energy](사브 그룹의 기술 스핀 아웃)에서 개발한 제품이 있다. 또 다른 예는 사우스햄튼 대학교 초기 프로토타입에서 개발된 Perpetuum의 제품이다. 이들은 무선 센서 노드(WSN)에 필요한 전력을 생성하기에 충분히 커야 하지만, M2M 응용 분야에서는 일반적으로 문제가 되지 않는다. 이러한 수확기는 현재 GE 및 Emerson과 같은 회사에서 제작한 WSN과 Perpetuum에서 제작한 열차 베어링 모니터링 시스템에 전력을 공급하기 위해 대량으로 공급되고 있다. 무선 전력선 센서는 자기 유도를 사용하여 모니터링하는 도체에서 직접 에너지를 수확할 수 있다.[70][71]
에너지 하베스팅의 또 다른 방법은 혈당의 산화를 이용하는 것이다. 이러한 에너지 하베스터는 생체 전지라고 불린다. 이들은 이식형 전자 장치(예: 심박 조율기, 당뇨병 환자를 위한 이식형 바이오센서, 이식형 능동 RFID 장치 등)에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 현재 세인트루이스 대학교의 민티어 그룹은 혈당에서 전력을 생성하는 데 사용할 수 있는 효소를 개발했다. 그러나 효소는 몇 년 후에 교체해야 한다.[72] 2012년, 클락슨 대학교에서 Evgeny Katz 박사의 지도 아래 이식형 바이오 연료 전지로 심박 조율기에 전력을 공급했다.[73]
나무 대사 에너지 하베스팅은 생체 에너지 하베스팅의 한 유형이다. 볼트리(Voltree)는 나무로부터 에너지를 수확하는 방법을 개발했다. 이러한 에너지 하베스터는 산불과 숲의 기상 조건을 모니터링하기 위한 장기 배치 시스템의 기반으로 원격 센서와 메시 네트워크에 전원을 공급하는 데 사용되고 있다. 볼트리 웹사이트에 따르면, 이러한 장치의 사용 수명은 부착된 나무의 수명에 의해서만 제한되어야 한다. 최근 미국 국립공원 숲에 소규모 테스트 네트워크가 배포되었다.[74]
나무에서 얻을 수 있는 다른 에너지원으로는 발전기에서 나무의 물리적인 움직임을 포착하는 것이 있다. 이 에너지원의 이론적 분석은 소형 전자 장치에 전력을 공급하는 데 어느 정도 가능성을 보여준다.[75] 이 이론을 기반으로 한 실용적인 장치가 제작되어 1년 동안 센서 노드에 성공적으로 전원을 공급했다.[76]
메타물질 기반 장치는 900MHz 마이크로파 신호를 무선으로 7.3볼트의 직류로 변환한다(USB 장치보다 큼). 이 장치는 와이파이 신호, 위성 신호, 심지어 소리 신호를 포함한 다른 신호를 수집하도록 조정할 수 있다. 이 실험 장치는 일련의 5개의 유리 섬유 및 구리 도체를 사용했다. 변환 효율은 37%에 달했다. 기존 안테나가 공간상에서 서로 가까이 있으면 서로 간섭한다.[77][78][79] 그러나 RF 전력은 거리의 세제곱으로 감소하므로 전력량은 매우 작다. 7.3볼트라는 주장은 대단하지만, 측정은 개방 회로에 대한 것이다. 전력이 매우 낮기 때문에 부하가 연결되면 전류가 거의 흐르지 않을 수 있다.
대기의 압력은 온도 변화와 기상 패턴에 따라 자연적으로 변화한다. 밀폐된 챔버가 있는 장치는 이러한 압력 차이를 사용하여 에너지를 추출할 수 있다. 이는 아토스 시계와 같은 기계식 시계에 동력을 공급하는 데 사용되었다.
에너지를 생산하는 비교적 새로운 개념은 바다에서 에너지를 생산하는 것이다. 지구에는 엄청난 양의 에너지를 담고 있는 거대한 물 덩어리가 존재한다. 이 경우의 에너지는 조류, 해양 파도, 염분 차이, 온도 차이로 생성될 수 있다. 2018년 기준으로, 이러한 방식으로 에너지를 수확하려는 노력이 진행 중이다. 최근 미국 해군은 해양에 존재하는 온도 차이를 이용하여 전기를 생산할 수 있었다.[80]
바다의 열수층에서 서로 다른 깊이의 온도 차이를 이용하는 한 가지 방법은 서로 다른 온도 영역에서 상이 변하는 물질을 장착한 열 에너지 수확기를 사용하는 것이다. 이것은 일반적으로 가역적인 열 처리를 처리할 수 있는 고분자 기반 물질이다. 물질이 상을 변화시킬 때, 에너지 차이는 기계 에너지로 변환된다.[81] 사용되는 물질은 수중 열수층의 위치에 따라 액체에서 고체로 상을 변경할 수 있어야 한다.[82] 이러한 상 변화 물질을 사용하는 열 에너지 수확 장치는 무인 잠수정(UUV)을 충전하거나 전원을 공급하는 이상적인 방법이 될 것이다.
전기 활성 고분자(EAPs)는 에너지 하베스팅에 사용될 수 있다. 이들 고분자는 큰 변형률, 탄성 에너지 밀도 및 높은 에너지 변환 효율을 갖는다. EAP(전기 활성 고분자) 기반 시스템의 총 무게는 압전 재료 기반 시스템보다 훨씬 낮을 것으로 예상된다.
나노 발전기, 예를 들어 조지아 공과대학교에서 만든 발전기는 배터리 없이 전원을 공급하는 새로운 방법을 제공할 수 있다.[84] 2008년 기준으로, 이는 단지 수십 나노와트의 전력을 생성하며, 이는 어떤 실용적인 응용 프로그램에도 너무 낮다.
소음은 이탈리아의 NiPS 연구소에서 제안한 주제로, 전통적인 선형 하베스터에 비해 하베스터 효율을 최대 4배까지 향상시킬 수 있는 비선형 역학 메커니즘을 통해 광범위한 스펙트럼의 작은 진동을 수확하는 것이다.[85]
다양한 유형의 에너지 하베스터를 결합하면 배터리에 대한 의존도를 더욱 줄일 수 있으며, 특히 사용 가능한 주변 에너지 유형이 주기적으로 변하는 환경에서 더욱 효과적이다. 이러한 유형의 상호 보완적이고 균형 잡힌 에너지 하베스팅은 구조 건전성 모니터링을 위한 무선 센서 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.[87]
과거에도 광석 라디오와 같이 환경에 있는 에너지를 이용하는 방법이 있었지만, 모두 제한적인 이용에 그쳤다. 최근, 환경 의식의 고조와 저전력 장치의 보급으로, 지금까지 이용되지 않았던 환경 중의 운동 에너지, 광 에너지, 열 에너지가 주목받기 시작했다. 환경 발전으로 얻을 수 있는 전력은, 현재 μW ~ mW 정도의 전력량으로 작기 때문에, 용도는 태양열 계산기나 태양열 손목시계와 같이 전력 소비량이 적은 용도로 제한된다.
진동을 압전 소자를 이용하여 전력으로 변환하여 충전지나 전기 이중층 커패시터에 축전한다.
태양 전지로 발전하여 충전지나 전기 이중층 커패시터에 축전한다.
열전 소자를 이용하여 발전하여 충전지나 전기 이중층 커패시터에 축전한다.
- 배터리 교체가 필요 없어 환경 친화적이다.
- 한 번 설치하면 고장나지 않는 한 반 영구적으로 사용할 수 있다.
5. 한계점 및 극복 과제
에너지 하베스팅은 주변의 진동, 바람, 열, 빛 등을 활용하여 스마트 센서가 무기한으로 작동할 수 있게 해주지만, 몇 가지 한계점과 극복해야 할 과제가 존재한다.
에너지 하베스팅 장치에서 얻을 수 있는 전력 밀도는 응용 분야와 설계에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 인체 전원 응용 분야에서는 몇 μW/cm3, 기계 구동 발전기에서는 수백 μW/cm3 정도의 전력을 얻을 수 있다.[5] 웨어러블 전자기기에 사용되는 대부분의 에너지 수집 장치는 매우 적은 전력을 생성한다.[6]
일반적으로 에너지는 축전기, 슈퍼 축전기, 또는 배터리에 저장된다. 축전기는 큰 에너지가 필요한 경우에, 배터리는 꾸준한 에너지 공급이 필요한 경우에 사용된다. 슈퍼 축전기는 충전-방전 사이클이 무제한에 가깝기 때문에 IoT 및 무선 센서 장치에서 유지 보수가 필요 없는 작동을 가능하게 한다.[7]
저전력 에너지 하베스팅은 독립적인 센서 네트워크에 주로 활용된다. 에너지 하베스팅 방식은 전력을 축전기에 저장한 후, 마이크로프로세서[8]나 데이터 전송을 위해 두 번째 축전기 또는 배터리로 조절한다.[9] 전력은 센서에서 사용되거나 데이터 저장 또는 전송에 사용될 수 있으며, 무선 방식으로 전송되기도 한다.[10]
에너지 하베스팅 장치 연구의 주요 동기는 외부 충전이나 서비스 없이 센서 네트워크와 모바일 장치에 전력을 공급하는 것이다. 배터리는 수명, 환경 영향, 크기, 무게, 비용 등 여러 제약이 있기 때문이다. 에너지 하베스팅 장치는 원격 감지, 웨어러블 전자 장치, 상태 모니터링, 무선 센서 네트워크 등 저전력 응용 분야에 대체 또는 보완적인 전력원을 제공할 수 있다. 또한 배터리 수명을 연장하거나 일부 응용 분야에서 배터리 없는 작동을 가능하게 한다.
에너지 하베스팅의 또 다른 동기는 온실 가스 배출과 화석 연료 소비를 줄여 기후 변화 문제에 대응할 수 있다는 점이다. 에너지 하베스팅 장치는 태양열, 열에너지, 풍력, 운동 에너지와 같이 환경에 풍부하고 재생 가능한 에너지원을 활용할 수 있다. 또한 에너지 손실과 환경 영향을 일으키는 전력 전송 및 배전 시스템의 필요성을 줄일 수 있다.
최근 연구는 사용자 상호 작용을 통해 자체 전력을 공급할 수 있는 장치 혁신으로 이어졌다. 예를 들어 배터리 없는 게임기나 기타 장난감은 버튼 누르기, 손잡이 돌리기 등 사용자 동작에서 생성된 에너지로 구동된다. 이는 재생 에너지원 사용을 촉진하고 기존 배터리에 대한 의존도를 줄이는 방법을 보여준다.
에너지원으로 무선 송신기를 활용할 수도 있다. 과거에는 넓은 수집 영역이나 무선 전력 소스에 가까이 있어야 했지만, 나노안테나는 자연 방사선(예: 태양 방사선)을 활용하여 이러한 제한을 극복할 수 있다.
의도적으로 RF 에너지를 방송하여 원격 장치에 전력을 공급하고 정보를 수집하는 아이디어도 있다.[9] 이는 무선 주파수 식별 (RFID) 시스템에서 흔히 사용되지만, 안전 및 미국 연방 통신 위원회 (및 전 세계의 동등한 기관)는 이러한 방식으로 시민에게 전송할 수 있는 최대 전력을 제한한다. 이 방법은 무선 센서 네트워크의 개별 노드에 전원을 공급하는 데 사용되었다.[18][7]
6. 한국의 에너지 하베스팅 현황 및 전망
전기 활성 고분자(EAPs)는 에너지 하베스팅에 사용될 수 있다. 이들 고분자는 큰 변형률, 탄성 에너지 밀도, 높은 에너지 변환 효율을 갖는다. 전기 활성 고분자(EAP) 기반 시스템의 총 무게는 압전 재료 기반 시스템보다 훨씬 가벼울 것으로 예상된다.
나노 발전기는 배터리 없이 전원을 공급하는 새로운 방법을 제공할 수 있다.[84] 조지아 공과대학교에서 만든 발전기가 그 예시이다. 2008년 기준으로, 나노 발전기는 수십 나노와트의 전력을 생성하는데, 이는 실용적인 응용에는 너무 낮은 수준이다.
소음을 이용한 에너지 하베스팅은 이탈리아 NiPS 연구소에서 제안한 주제이다. 이 방식은 비선형 역학 메커니즘을 통해 광범위한 스펙트럼의 작은 진동을 수확하여, 기존 선형 하베스터보다 효율을 최대 4배까지 향상시킬 수 있다.[85]
다양한 유형의 에너지 하베스터를 결합하면 배터리 의존도를 줄일 수 있다. 특히 주변 에너지 유형이 주기적으로 변하는 환경에서 효과적이다. 이러한 상호 보완적이고 균형 잡힌 에너지 하베스팅은 구조 건전성 모니터링을 위한 무선 센서 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.[87]
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