인력발전

1. 개요

2. 분류

• 완력 발전기(수동발전기): 손으로 돌리는 발전기. 작고 간단하여 휴대용으로 만들어진다. 발전 용량은 100W 이하. 단점은 팔이 아프기 때문에 오래 돌리기 어렵다. 방식도 흔들어서 발전하는 방식과 크랭크를 돌리는 방법 두 가지가 있으며 전자는 일부 손전등에서, 후자의 크랭크 방식은 일부 라디오에서 사용된다. 전자의 흔드는 방식은 단독으로 존재하는 경우가 흔치는 않으나 일부 자가발전이 가능한 손목시계에 내장된 형태로 존재하는데 시계 안에 추를 달아서 사람이 걸을 때의 팔의 움직임을 이용하여 발전을 시켜 자체적으로 충전을 하기도 한다.
• 각력 발전기: 다리로 돌리는 발전기. 자전거에 발전기를 달아놓은 모양이다. 발전 용량은 200W이상 1000W 이하. 역시 장시간 돌리기는 어렵지만 팔 근육보다 다리 근육이 더 장시간 고부하 운전(?)에 적합하기 때문에 300W급 출력(한 시간 300W 자전거 준선수급)으로 한 시간도 힘들다. 올림픽 선수의 경우 짧은 시간동안 토스터기 1대를 작동시킬 분량(약 700W)의 전력을 생산하는 것도 가능하다.관련 영상 자전거 외의 운동기구에 적용하는 것도 가능한데, 무동력 런닝머신[3]에 적용한 사례도 있다.
• 전신력 발전기:전신으로 모터를 돌려서 얻는 발전. 대부분은 수동식 닻을 올리는 장치와 비슷한 모터를 돌린다.

3. 활용

3.1. 활용 사례

• 핸드폰 충전기: 야외활동 중 급한 전화가 필요할 때를 대비하여 핸드폰을 충전하는 인력발전기가 시판되고 있다. 대부분 비상용으로, 불안정한 전기공급은 잘못하면 전화기를 고장낼 수 있기 때문에 평시 사용은 추천되지 않는다. 사실 진지하게 이런 용도의 비상발전기가 필요하면 AA 배터리를 쓰는 충전기[5]나 태양전지, 카트리지식 연료전지 같은 게 더 낫다.
• 인력충전식 라디오, 인력충전식 라이트: 야외 활동을 하는 사람들이 비상 용도로 사용한다. 하지만 핸드크랭크 라디오를 진짜 핸드크랭크로 돌려야 할 정도의 극한 상황에 몰리기 전에 그 라디오를 버려야 할 상황이 먼저 온다. 결국 야외에서는 실용성 제로. 아웃도어보다는 집이나 피난처에서 장기적으로 버텨야 하는 재난상황 등에 더 유리하다. 미국 연방재난관리청(FEMA)에서 규정하는 비상 물품 중 하나이다.
• 손목시계 : 세이코의 키네틱 드라이브 무브먼트는 오토매틱 시계처럼 용두 또는 로터의 움직임으로 동력을 발생시키지만, 그 힘으로 태엽을 구동하는 게 아니라 전기를 생산하여 배터리에 충전하여 사용한다는 점에서는 쿼츠 시계와 동일하다. 일종의 소형 인력발전 시계인 셈. 여기서 더 나아간 스프링 드라이브 무브먼트는 일반적인 오토매틱 시계와 마찬가지로 태엽으로 구동하나, 태엽이 풀리는 힘으로 소량의 전력을 생산하여 전자식 탈진기로 제어한다는 점이 다르다.
• 헬스용 자전거등 운동기구와 인력 발전기를 결합한다. 운동도 하고 그 칼로리로 전기도 생산해내니 일석이조인 셈이다. 시중에 판매되는 제품은 별로 없고,[6] 대부분은 일반 자전거나 헬스용 고정식 자전거를 발전기로 개조한 자작품이다. 물론 운동하고 샤워하는데 들어가는 에너지(온수)가 더 크므로 운동 목적이 아니면 완전히 헛수고. 하지만 운동 목적으로는 전력량계 수치 올라간 게 마치 마일리지 적립하는 것 같은 기분이라 심리적인 면에서는 긍정적이며, 배터리를 연결해서 전력을 저장한다면 노트북이나 스마트폰 충전처럼 저전력 용도로도 충분하다. 또한 운동기구 내에 회전운동 또는 수직운동을 하는 부분이 있다면 헬스 자전거 외의 운동기구에도 발전기를 설치할 수 있다. 특히 외부에 노출되는 플라이휠이 있는 형태의 운동기구면 발전기에 바퀴를 단 뒤, 플라이휠과 발전기의 바퀴를 맞닿아 돌아가도록 만들면 된다.
  
  자전거 발전기에 사용되는 발전기로는 세탁기 모터가 흔히 사용되었지만 근래에는 크고 무거운 세탁기 모터 대신 전동킥보드, 전기자전거, 호버보드 등 개인형 이동장치의 모터를 발전기로 사용하기도 한다. 보통 세탁기 모터에는 세라믹 자석이 들어가나, 개인형 이동장치의 모터는 자력이 강한 네오디뮴 자석이 들어가므로 작은 크기로도 큰 발전량이 가능하다. 직류 브러시 모터도 사용 가능하나, BLDC 모터보다 발전 효율이 떨어지는데다 브러시가 마모되는 문제가 있다. BLDC 모터의 출력 전력은 삼상 교류이므로 직류 부하 구동시 다이오드가 필요하다.
• 전기자전거 모터의 전선을 배터리 대신 부하에 연결한 뒤 페달을 돌리면 전력이 생성된다. 관련 영상 모터와 발전기의 구조가 동일하다는 점을 이용하는 것이며, 발전기 설치를 위해 기계 부품들을 개조할 필요가 있는 헬스 자전거와 달리 전기자전거는 이미 페달과 모터가 체인으로 연결된 구조이므로 전기적인 부분만 손보면 되어 개조 난이도가 낮다. 물론 발전기로 사용한 후 모터의 배선을 원래 연결되었던 단자에 연결하면 다시 원래의 목적으로 활용할 수 있다. 단, 전기자전거의 모터가 직접구동 방식이 아닌 기어 방식일 경우 모터의 역행을 방지하도록 되어 있으며, 모터도 고속 회전에 적합한 구조이므로 모터를 개조하고 체인에 RPM을 늘려줄 변속기까지 연결해야 효율적인 발전이 가능하다.
• 자전거의 헤드라이트와 바퀴를 연결하여 달리는 동안에 라이트가 켜지게 한다. 아주 옛날 자전거에만 달려 있다.[7] 정차 중에는 불이 꺼지고 달리는 도중에도 불이 그리 밝지 않으며 발전기 무게가 무겁고[8] 고장도 잘 나는데다가 타이어의 사이드월을 갈아먹는 단점 덩어리라 요즘엔 그냥 배터리를 쓴다. 참고로 현대적인 자전거 부착 발전기는 체인에 연결하거나 크랭크, 허브에 내장하는 형태이다. 역시 이것도 여러 단점이 있어서 인기는 없다. 무엇보다 충전식 배터리 가격이 많이 저렴해졌고, LED 라이트가 등장하면서 소비전력이 내려가 사용가능 시간도 증가해 사실상 의미가 없어졌다. 생활 용도로는 며칠에 한번씩만 충전하면 되고, 여행갈때도 1, 2개면 하루 정도는 너끈하다.[9] 애초에 자전거는 야간 라이딩 비중이 크지 않기 때문에 켜는 시간도 적어 갈수록 사용자는 더욱 더 적어졌다. 옛날에야 건전지 구하기 힘들고 자전거가 밤낮 유용한 교통수단이었으니까. 2010년대부터는 USB나 태양전지로 라이트를 충전하거나, 전기자전거의 메인 배터리 팩으로부터 전력을 공급받는 방식을 사용하여 건전지조차 필요 없는 제품들도 사용된다. 2023년 현재는 자전거용 발전기도 점차 발전을 거듭하여 비접촉 방식으로 마모 문제를 해소하고, USB 출력을 지원하여 라이딩 중 휴대폰 등 소형 전자기기를 충전 가능한 제품도 등장하였다. 충전중인 기기에 악영향을 끼치지 않도록 전압 안정용 DC-DC 컨버터가 사용되어 있다.
• 전기자전거의 페달에 설치하여 체인을 대체한다. 에너지 전달 효율이 95% 이상인 체인과 달리 에너지를 이중변환하므로 에너지 효율이 60% 정도로 낮아지는 단점이 있으나, 일반 자전거와 달리 회생제동이 가능하며, 발전기에서 생성된 전력 일부를 배터리에 저장 가능하고,[10] 체인의 마모로 인한 유지보수가 불필요하다는 장점이 있다. 또한 정차중에도 페달을 돌려 배터리를 충전시킬 수 있다. 소모품인 배터리를 아예 없애고 페달 발전 동력만으로 구동하려는 시도도 있다.

3.2. 취미와 교육

3.3. 실용 사례

• 미국에는 헬스 자전거식 인력 발전기를 장비한 체육관이 있다.#

• 브라질 미나스제라이스 주의 산타 리타 교도소는 죄수들에게 인력 발전을 시켜서 전기를 지역 사회에 공급하고 있다. 자전거가 총 4대 배치되어 있으며, 8명의 죄수들이 하루 종일 번갈아가면서 사용하는 것으로 알려져 있다. 원하는 죄수들이 이 노역에 동원될 수 있고, 죄수들은 발전시간 16시간 당 1년[11]의 감형을 받는다. 생산한 전기는 배터리에 저장했다가 가로등을 밝히는데 사용한다. 한 죄수는 강도죄로 5년 형을 받았는데 20일의 감형을 받았고 체중은 4킬로그램 줄었다고 한다.16시간에 1년이니까 50분 정도 했단 얘기다#

3.4. 연구 사례

• 예상치 못한 곳에 발전기가!
• 사이먼 프레이저 대학교의 맥스 도넬란 교수는 무릎보호대와 결합하여 걸을 때마다 발전이 되는 발전기를 만들었다. #
• 펜실베이니아 대학교의 래리 롬 교수는 배낭이 움직일 때의 움직임으로 발전을 하는 장치를 개발했다.#
• 회전문[12]에 발전기를 달아서 전기를 생산하는 연구가 진행되고 있다. ##

• 압전소자
• 압전 소자로 만든 패널을 길거리에 설치하여, 보행자가 밟을 때마다 전기가 발생하는 연구가 진행되고 있다.#
• 신발에 장착하여 전기를 발생시키는 압전소자가 연구되고 있다. 의외로 실용가능성이 상당히 있다고 보이는 듯 하다.#

• 생체연료전지
• 효소를 이용하여 혈액 등의 체내 성분을 분해해서 전력을 얻어내는 장치가 개발되고 있다. 이 쪽은 생체 삽입형 의료기구(자동제세동기, 심장 페이스메이커 등)에 활용되기 위한 연구가 진행중이다. #

4. 픽션의 인력 발전

• 노홍철은 무한도전 육남매특집에서 자신의 몸에 내장발전기가 있다고 개드립을 친 적이 있다. 문제는 그 부위가 어금니...
• 만화 북두의 권의 쟈코는 제도의 지하에다가 거대한 인력 발전기를 설치해놓고, 노예들을 동원하여 강제로 발전기를 돌리게 하여 전기를 밝히고 있다. 둥그렇게 돌면서 인력으로 돌리며 일을 시키는 것은 아득한 옛날부터 하던 방법이다.
• 닥터 스톤에서 센쿠가 처음 만든 발전기가 인력발전형으로 킨로와 긴로가 뼈빠지게 돌려서 작동시켰으나 이후 크롬과 카세키가만든 물레방아에 연결해서 수력발전으로 개선되었다. 동력 만세!!
• 애니메이션 심슨 가족 21시즌 19화에서는 바트 심슨을 동력원으로 활용한 인력발전을 선보였다. 바람이 불지 않아 풍력발전기가 작동하지 않는 상황에서 바트 심슨이 직접 발전기의 날개를 돌려 전기를 생산하였다. 작중 묘사로 드러난 바에 따르면, 초등학생인 바트 심슨 혼자서 2층짜리 주택의 전기를 모두 공급할 정도로 효율성이 뛰어난 발전 방식임을 유추할 수 있다. 바트 심슨이 더 이상 동력을 공급할 수 없을 때에는, 동력원을 리사 심슨으로 교체하여 운용시간을 연장할 수 있다. 하지만 갑작스런 돌풍으로 풍력발전기가 완파되면서 심슨가의 인력발전은 중단된다.
• 킬라킬에서 누디스트 비치의 기함 '알몸의 태양 호'의 주 동력원이 인력발전이다. 부대원들이 몽땅 달라붙어도 전력이 부족하던 터빈을 만칸쇼쿠 마코가 (극교복으로 강화된 상태에서) 다른 동아리 부장들과 함께 돌려서 엄청난 출력을 내는 장면이 있다.
• 개미혁명에서 혁명을 일으키고 대학을 점령한 주인공들이 자전거를 발전용으로 사용한다.
• 쌉니다 천리마마트 입구 회전문은 고객이 인력으로 모터를 돌려서, 일정량 이상 충전하지 못하면 못나오는 방식으로 되어있다. 몸매 좋고 얼굴 예쁜 조미란 주임이 아침마다 다이어트 한다고 문을 돌려대는 통에, 천리마 마트의 명물이 된다. 게다가 어느샌가 추가충전하면 건전지도 사은품으로 준다고 한다.
• 네이버 웹툰 놓지마 정신줄에서는 정신네 가족이 전력을 아끼려고 썼는데 드라마를 보기위해 전력으로 달리는 바람에 발전량이 너무 많아서 역으로 돈을 받았다.
• 엄밀히 말해 인력발전은 아니지만, 애니메이션 암호명: 이웃집 아이들에서는 이웃집 아이들 기지의 주 동력원이 수많은 햄스터들이 돌리는 터빈이다. 얘들이 단체로 휴가를 떠났을 때 전력 부족으로 위기에 처한 일도 있다.
• 마동왕 그랑조트의 한 에피소드에서는 악당이 어떤 마을의 사람들을 잡아다 쥐로 변신시켜 발전기를 돌리는 데 써먹는 장면이 나온다.
• 던전 앤 파이터의 마도학자 스킬 중 '플로레 컬라이더'는 인력발전 컨셉의 스킬이다.
• Oxygen Not Included에서 수동 발전기가 존재하며, 전기가 부족해지면 복제체가 열심히 쳇바퀴를 굴린다. 연구를 통해 다른 발전소를 짓기 전까지 사용하는 편이며, 가끔 전기난이 찾아왔을 때 임시방편으로 사용하기도 한다.