까다로운 지형의 해결책으로 떠오른 일본의 수상 태양 전지 판

한국도 산지가 70%인 국토의 구조상...태양광발전소를 설치할 공간이 산에 많은 상황.

일본과 동일하다. 태양광패널에서 오염물질이 나온다, 세척제가 저수지를 오염시킨다는 등 전혀 비과학적인 주장을 하면서 신재생에너지의 확대를 방해하는 사람들과 지역이기주의가 넘쳐나는 것이 현실이다.

이런 기술적 진보가 보다 나은 그린전기의 시대를 앞당기는데 도움이 될 것 같다. 

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까다로운 지형의 해결책으로 떠오른 일본의 수상 태양 전지 판
일본의 한 산업 디자이너가 일조량이 충분하지 않은 땅에서 신재생 에너지를 얻기 위해 제너레이티브 디자인을 사용해 수상 태양 전지 판을 고안했다

PUBLISHED DATE작성 ELIZABETH ROSSELLE - KR기사 - 2023년05월1일
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일본과 필리핀 같은 섬나라를 포함한 아시아 태평양 지역에서는 이러한 수상 태양 전지 판 시스템이 점차 인기를 얻고 있다.
 현재 탄소 중립에 대한 요구가 국제적으로 증가하면서, 수상 광전지 발전이 가속화되고 있다.
 공간을 적게 차지하는 수상 태양 전지 판은 지상에 장착하는 태양 전지 판을 대체할 수 있는 매력적인 수단이다.
 화려한 수상 경력을 지닌 산업 디자이너 야나기사와 사토시(Satoshi Yanagisawa)는 신재생 에너지를 육성하는 일본 회사로부터 수중 태양광 발전에 사용할 수상 부유 메커니즘을 계획 및 설계하도록 의뢰받았다.
 기업과 디자이너는 제너레이티브 디자인을 사용해 최소한의 인력으로 수상 태양광 인프라의 다양한 선택지를 비교할 수 있었다.
탄소 중립에 대한 요구가 증가하면서, 수상 광전지(PV) 발전(또는 수상 태양광)은 자연스럽게 지속가능성 논의의 중요한 부분을 차지했다. 수상 PV 시스템의 목적은 전기 생성과 물 저장이다. 시스템에서 사용하는 수원에 수생 생물이 없는 경우, 최소한의 탄소 발자국을 남기기 때문에 환경에 미치는 영향이 적다. 수상 PV 시스템은 나무나 다른 식물의 방해를 받지 않기 때문에, 하루 종일 햇빛을 직접 받을 수 있다. 또한 물에는 냉각 효과가 있어 태양광 패널을 더 효율적으로 사용할 수 있다. 신생 시장인 수상 PV의 표준은 아직 개발 중이지만, 전통적인 장착형 패널을 설치하기 어려운 곳을 중심으로 빠르게 채택되고 있다. 세계적인 추세인 넷제로(net-zero) 배출 서약과 결을 같이 하기도 한다. 일본을 비롯한 여러 국가는 2050년까지 넷제로를 약속하는 법률을 통과시켰다.

개방된 공간 보호하기 - 물을 대신 사용하기
일본에는 PV 시스템에 적합하게 햇빛이 잘 드는 땅이 적다. 이는 산악 지역에서도 마찬가지이다. 설치하려면 대규모의 산림을 벌채해야 하는데 이는 탄소 배출량 제로 계획에 반하는 일이다.

일본의 산업 디자이너 야나기사와 사토시는 산이 많은 경사진 땅에서 태양열 발전이 일으킬 수 있는 생태학적 위험에 대해 잘 알고 있다. 그는 “일본에서 산이나 다른 비슷한 지역에 태양광 시스템을 설치하는 게 문제가 되고 있다. 나무를 베어야 하기 때문”이라며 "천연 친환경 자원인 나무를 베고서 환경에 도움이 될 거라며 다른 것을 설치하는 건 말도 안 되는 일이다. 토지를 사용한 발전 사업을 멈춰야 한다. 물이 더 안정적이다”라고 말했다.

야나기사와 사토시는 자신의 트리플 바텀 라인 스튜디오(Triple Bottom Line studio)에서 파생된 제너레이티브 디자인 프로젝트의 전문가다. 이미지 제공: 야나기사와 사토시.
트리플 바텀 라인 디자인 스튜디오

야나기사와는 도쿄의 디자인 스튜디오 트리플 바텀 라인을 이끌고 있다. 야나기사와의 스튜디오는 기능적인 인테리어 제품에서 지속가능한 기계와 대량 생산 가능한 인프라까지 다양한 양식을 혼합하는 것에 중점을 두고 있다. 디자이너의 관점에서 사물을 볼 때, 야나기사와는 미적으로 아름다운 모양과 선에 자연스럽게 끌린다. 그러나 엔지니어의 관점으로 볼 때는 사물이 실용적으로 기능해야 하고 상품화하기 쉬워야 한다고 믿는다. 그는 이 두 관점 사이에서 균형을 찾기 위해 끊임없이 노력하고 있다.

일본 출신인 야나기사와는 영국에서 디자인 공학과 재료 공학을 공부했으며 제품 디자인과 지속가능한 가구를 심층적으로 다뤘다. 그는 AI 기반 알고리즘을 사용하여 사람들이 팀을 이뤄 할 수 있는 것보다 더 다양한 디자인 옵션을 생성하는 제너레이티브 디자인에 전부터 매력을 느꼈으며, 기술을 연마하고 실용적인 솔루션을 탐색할 기회를 많이 창출할 수 있었다.

야나기사와의 포트폴리오에는 LED 펜던트 조명에서부터 사물 인터넷(IoT) 기능을 갖추고 3D 프린트된 도로용 자전거에 이르기까지 온갖 디자인이 포함되어, 있으며, 이 포트폴리오로 그는 2016년 CES 혁신상을 수상했다. 그의 작업 중에는 2019년 iF 디자인 어워드를 수상한 덴소(DENSO) 엔진 제어 장치(ECU)도 있다. 이 장치는 제너레이티브 디자인을 사용하여 자동차 ECU의 무게를 12% 이상 줄였다. 그가 가장 최근에 이룬 성과는 수상 태양광 발전을 위해 사용하는 수상 장치로 야나기사와 포함 5명으로 이루어진 소규모 팀이 6개월 만에 완료한 프로젝트이다. 야나기사와는 Fusion 360의 제너레이티브 디자인을 사용하지 않고 이 프로젝트를 진행했다면 2년 이상이 걸렸을 것으로 추정한다.

설계팀은 컴퓨터 시뮬레이션에 의존해 수상 PV 시스템의 성과를 시험했다. 이미지 제공: 야나기사와 사토시.

대규모 지속가능성 프로젝트를 위한 제너레이티브 디자인과 AI
PV 시스템을 위한 새로운 부유체(float)를 개발하기 위해 일본의 한 종합 건설 업체가 고용되었지만, 마감일을 맞추기 위해 필요한 대량 생산에 대한 지식이나 배경 지식이 없었다. 그래서 전문성을 지닌 야나기사와가 제안을 받았다.

업체는 이미 직원 교육에 시간과 예산을 많이 투자했기 때문에 처음부터 다시 시작하지 않아도 되는 방법을 찾고 싶어 했다. 프로젝트 관계자는 야나기사와의 작업을 알고 있었고, 그의 경력이 이 임무에 적합하다고 생각했다.

당시 야나기사와는 소규모 팀으로 작업하고 있었고 초반부터 고객이 전체 프로젝트를 완료해야 하는 기간이 15개월밖에 남지 않았기 때문에, 기존의 설계 및 시험 방식으로는 충분하지 않을 거라고 판단했다. 이미 많은 수상 PV 시스템이 개발되었지만 실제 부유체는 표준화되지 않았으며 처음부터 설계해야 했다. 야나기사와는 제너레이티브 디자인을 적용하여 필요한 추정 강도를 기반으로 최소한으로 최적의 벽 두께를 가진 500개의 부유체 형상 옵션을 빠르게 생성했다.

야나기사와는 “500개의 솔루션을 가지고도 특정 기준을 맞추기 위해 약간의 수정이 필요하다는 것을 깨달았다”고 말했다. “우리는 생산을 담당할 공장 측 엔지니어의 피드백에 따라 컨셉 모델을 수정해야 했죠. 이런 프로세스는 ‘DFM’ [제조를 위한 설계(design for manufacturing)] 또는 ‘MVT’ [대량 생산 검증 시험(mass-production verification test)]으로 알려져 있는데, 일반적으로 대량 생산 제품에 필수적입니다. 게다가 이미 프랑스와 중국의 대기업 두 곳에서 수상 PV 시스템을 개발했기 때문에 특허 문제로 분쟁이 발생하지 않도록 주의해야 했습니다.”

수상 태양광 시스템과 관련된 법률, 규정 및 표준이 아직 완전히 제정되지 않았기 때문에, 사토시와 그의 팀원들은 지상 기반 발전 장치, 부유체, 닻 등 다른 분야에 존재하는 표준과 수질 오염에 대한 표준 기반의 양질의 연구를 바탕으로 자체적인 표준을 수립했다. 필요한 기능적 디자인 요소를 통합하면서 500개였던 옵션이 몇 가지로 간추려졌고 마침내 최종 디자인이 결정되었다.

야나기사와는 제너레이티브 디자인의 정보를 기반으로 삼았지만, 디자인적으로도 아름다운 수상 태양광 시스템을 제작했다. 이미지 제공: 야나기사와 사토시.

가가와의 부유체 검사
야나기사와와 팀원들은 디자인 프로토타입을 완성한 후, 기기를 적합한 장소에서 시험해야 했다. 그들이 선택한 곳은 시코쿠 섬의 북동쪽에 있으며 농업으로 잘 알려진 가가와 현이었다. 가가와의 토양은 비옥하고 작물 생산에 적합하며, 가가와 주민들은 비가 적게 올 때를 대비해 자체적으로 자립형 물 공급 방안을 강구해 두었다.

현지 농업계와 협업하여 가가와에 부유체의 기능을 확인할 수 있는 시험 시설을 만들었고 여기서 시설에 공급할 전력을 자체적으로 생산하기 시작했다. 컴퓨터 보조 공학(CAE) 스페셜리스트이자 구조 분석 및 유체 역학 전문가인 미즈노 미사오(Misao Mizuno)가 시험 과정 전반에 걸쳐 도움을 주었다. 그는 시뮬레이션을 사용하여 모델이 특정 성능 기준을 충족하는지 분석했다.

야나기사와는 “컴퓨터 시뮬레이션을 사용하면 물리적 실험을 적게 해도 되기 때문에 개발 프로세스의 속도가 빨라지고 검증 작업에서 발생하는 폐기물도 줄어든다”며 “원래는 실제 제품을 5~6개월 정도 시험하려고 계획했지만 미즈노가 시뮬레이션 환경에서 대부분의 시험을 복제할 수 있었기 때문에 기간이 두 달로 단축됐다”고 말했다.

두 달 후, 야나기사와의 부유체는 통과되었고 대량 생산이 허가되었다. 야나기사와는 “우리 시스템은 잘 작동하고 있다”며 “지금은 세계적으로 표준화된 안전 규제가 아직 없기 때문에 일부 아시아 지역에서만 적용되고 있지만 일부 유럽 회사들이 관심을 보이고 있다”고 말했다.

PV 발전은 여전히 신흥 시장이며, 일부 새로운 규제가 통과되어야 회사가 시장 규모에 맞는 자금의 정당성을 증명할 수 있다. 하지만 큰 진전이 있다는 것만은 분명하다. 제너레이티브 디자인은 빠른 프로토타입 제작과 태양광 부유체 시험을 위한 여러 기회를 열어 주고 있으며, 주류로 인정받을 날도 머지않았다.

태국 우본랏차타니(Ubon Ratchathan)에 있는 댐 안의 물 위에 떠 있는 이런 태양광 발전 단지는 경작지나 산림지를 훼손하지 않고도 신재생 에너지를 제공한다.
인간-AI 협업
점점 더 많은 사람이 지구 위의 공간을 사용하고 있기 때문에, 야나기사와의 부유체 솔루션과 같은 창의적인 발상은 잠재적으로 지속가능성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 야나기사와는 “나는 원래 디자이너다. 아름답고 깔끔한 것을 만들고 싶다”고 말했다. 또한 그는 AI와 제너레이티브 디자인을 사용한 스타일을 더 잘 해석할 수 있기를 바란다.

야나기사와는 “지금 제너레이티브 디자인은 기계적 특성, 가격 등을 바탕으로 대량 생산과 구조에 최적화된 모델을 제안하는 데 초점을 맞추고 있다”고 말했다. “미적 요소에 기반해서 결정을 내리는 게 아니라 미리 주어진 메타 인지를 사용한 특정 조건에서 설정된 기계적이고 기능적인 요구 사항을 충족하기 위한 처리 방식입니다. AI의 답변이 혼란스러워 보일 수 있지만, AI와 정말 성공적으로 협업하기 위해서는 AI가 사용하는 디자인 언어를 정확히 이해하고 우리만의 방식으로 해석할 필요가 있습니다.”

야나기사와는 바다 위에 띄우는 태양광 발전 부유체를 만드는 과제도 해결하고 싶어 한다. 물론 해상 기반 PV 시스템에는 해수면 상승, 가혹한 조건 및 생물다양성에 부유체가 미칠 수 있는 영향을 포함하여 논쟁의 여지가 될 수 있는 극단적인 요소들이 있다. 아마 제너레이티브 디자인은 이 무대에서 자연 친화적인 솔루션을 정확히 찾아낼 수 있을 것이다. 인간과 AI의 협업은 흥미진진한 영역이며, 서로의 강점을 바탕으로 발전한다면 무한한 가능성이 펼쳐질 수 있다.