 |
무선전력송수신 기술
내 책상을 생각해 보자. 복잡하게 엉킨 컴퓨터 랜선과 전원, 스텐드 플러그와 휴대폰 충전기가 보일 것이다. 책상 주변의 복잡한 플러그는 정리가 도무지 정리가 되지 않는다.
콘센트마다 가득 꽂혀 있는 플러그는 위험해 보인다. 플러그 개수가 모자라 멀티텝을 연결해서 사용하자니 전선은 더 복잡해진다. 가끔 뽑혀있는 플러그를 밟으면 저절로 소리치게 되는 아픔을 겪게 된다.
침대에 누워서 휴대폰 게임을 하고 싶지만, 충전중인 휴대폰을 침대까지 가져오기에는 충전기가 너무 짧다. TV, 컴퓨터 등을 옮기자니 콘센트가 없다.
이런 문제들을 없애줄 방법이 등장했다!
무선전력송수신이란?
무선전력송수신기술은 말 그대로 무선으로 전력을 주고받는 기술이다. 무선으로 전력을 공급받는 것이란, 충전을 하기 위해 전기 코드와 연결 하거나, 접지와 접촉하지 않고 충전 할 수 있는 것을 말한다.
무선으로 전력을 송수신하는 기술은 크게 전자기파 방사형과 전자유도형, 비방사형으로 나뉜다. 이 세가지 방법의 원리에 대해 자세하게 알아보자.
전자기파 방사형
전자기파 방사형 방식은 원거리형 무선전력송수신 방법으로, 전력을 송신하는 ‘송전용 안테나’와 ‘렉테나’가 설치된다. 렉테나(Rectenna)는 ‘Rectifier(정류기)’와 ‘Antenna(안테나)’의 합성어로, 마이크로파로 전송된 에너지를 직류로 변환시키는 장치다. 송전용 안테나를 통해 전송되는 전력은 정확히 렉테나를 향해야 전력 효율이 높아진다. 주파수가 방향성을 갖기 위해서는 아주 높은 주파수를 가져야 하는데, 송전용 안테나가 전력을 마이크로파로 바꿔서 전송하는 역할을 한다. 마이크로파는 10-9승으로, 1초에 109만큼 진동하는 높은 주파수를 갖는 파이다.
전자기파 방사형 원리를 사용한 무선전력의 송수신 방법은 에너지 효율을 높이기 위해서 전력의 방향성이 일정해야하기 때문에 이동하는 기기에 사용되기는 어렵다.
이 기술을 기반으로 ‘SPS(Sun Power Satellite)’라는 프로젝트도 활발하게 진행 중에 있다. SPS는 태양 에너지를 마이크로파로 바꾼 후, 지상에서 받아 사용하는 것을 말한다. 에너지 공급을 태양으로부터 받기 때문에 공해 없이 무한정 얻을 수 있는 장점이 있다. 이 때문에 미래의 대체 에너지로서 각광받고 있지만, 이 기술의 실현을 위해서는 송전용 안테나를 지구의 밖으로 가져가 전용 위성의 형태로 만들어야 하는 어려움이 있다. 또한 지구에서는 렉테나를 통해 에너지를 수신해야 하는데, 렉테나의 위치에 정확히 에너지가 전달되지 않으면 에너지 효율이 떨어지기 때문에 에너지 전송에 있어서 얼마나 정확하게 전송을 하느냐 하는 문제가 관건이다.
전자유도형
전자유도형 전력공급기술의 원리는 자석에서 발생하는 자기장을 이용해 전력을 유도하는 것이다. 전력을 송신하고자 하는 측과 수신하는 측에 코일을 설치한 후, 송신 측의 코일에 전류를 흘려주면 송신측과 수신측 사이에 자기장이 형성된다. 이렇게 형성된 자기장의 범위 안에서는 별도의 연결 통로 없이도 전력의 전달이 가능하다.
자기장을 쉽게 형성할 수 있다는 장점 때문에 많은 분야에서 사용되고 있다. 하지만 자기장이 형성된 공간 내에서만 전력이 이동할 수 있기 때문에 거리의 제한이 있다. 또한 전력의 송신기와 수신기에 내장된 코일의 각도도 중요하다. 이에 따라 전력 효율이 급격히 감소하는데, 양 측이 평행적으로 있을 때의 효율이 가장 높다.
자기유도현상을 통한 무선전력공급은 이미 우리 실생활에 많이 적용되고 있다. 무접점 충전용 전동 칫솔이 대표적인데, 이것은 기존의 접지를 통한 충전이 아닌 플라스틱끼리 맞닿아 충전하는 방법을 사용하고 있다. 이 외에도 스마트(ID카드)카드와 서울대공원의 무선 전기차인 코끼리열차 등에 사용되고 있다. 최근에는 이 기술을 이용한 충전 패드가 사용되고 있다. 충전 패드 위에 충전해서 사용해야 하는 기기들을 올려놓으면 별도의 전선을 연결하지 않고 충전된다. 한 번에 여러 기기를 충전할 수 있고, 올려만 놓으면 충전이 되므로 쉽게 사용 할 수 있다.
비방사형
자기공명형이라고도 불리는 이 기술은 근접장 효과를 이용한다.
전자유도형 방식의 단점을 보완한 기술로, 전자유도형 방식이 전력의 송수신 측에 한 개의 코일이 이용 된다면 비방사형은 그 사이에 코일을 추가적으로 장치한다. 한 쌍의 코일을 추가하는 이유는 전자유도방식의 거리와 각도의 제한을 보완하기 위함이다.
송신측의 코일에 전류가 흐를 경우, 전자유도형 방식과 같이 자기장이 형성되는데, 비방사형 방식은 송신측과 수신측의 공진 주파수가 일치할 경우에만 전력을 송신한다. 공진 주파수란, 전자기유도로 생긴 전력의 비율과 전기 용량에 의해 결정되는 고유 주파수를 말한다. 따라서 비방사형 전력공급기술은 송신측의 코일에 전력이 흐를 때, 공진 주파수가 일치하는 코일이 있으면 그 방향으로 전력을 송신한다. 이 때문에 전자기유도 방식보다 다소 거리가 떨어져 있어도 전력의 송수신이 가능하고, 송신기와 수신기의 각도에 대한 자유로움이있어 전력 효율이 더 높다.
전력은 송신측과 수신측의 전력이 비슷하게 맞춰질 때까지 공급된다. 즉, 전력을 수신하는 기계를 사용자가 사용하면 전력이 소모되기 때문에 송신하는 쪽보다 전력이 낮아지고 송신측에서는 계속해서 전력을 보내게 된다. 이러한 과정이 계속 되다가 기계의 사용을 멈추면 전력이 사용되지 않기 때문에 일정 전력을 유지하게 된다. 그러면 양쪽의 전력이 일치하기 때문에 더 이상 전력이 흐르지 않게 된다. 따라서 에너지의 손실이 적다.
무선전력송수신 기술의 전망
국내외를 막론하고 무선전력송수신기술은 활발하게 연구되고 있다. 전기 버스의 경우 충전을 위해 따로 충전소를 찾지 않아도 전용 주차장에 주차만 하면 자동적으로 충전이 되는 기술도 곧 시행 될 수 있을 것으로 기대된다.
전문가는 무선전력송수신 기술에 대해 “무선 통신 기술이 현대 사회를 바꾸었던 중심에 있었다면 향후 미래 사회는 무선전력전송 기술이 미래 사회를 더욱 윤택하게 할 것이다”라며 앞으로의 발전을 전망했다. 또한 무선전력송수신 기술은 높은 밀도의 에너지를 사용하기 때문에 안전한 전송이 중요한 문제로 거론되고 있다.
앞으로 몇 년 뒤에 우리 책상에서는 전선이 사라질까? 콘센트의 위치를 고려하지 않고 가전제품을 배치 할 수 있을까? 전선이 사라질 앞으로의 생활을 기대 해 본다.
최윤진 기자 dbswls@snut.ac.kr
Interview
 |
| 박영진 한국전기연구원 |
SPS기술을 통한 전력이 소비자들에게 저렴하게 공급될 수 있을까요?
SPS를 만들고자 한다면 현재로써는 화석연료보다 비싼 것은 사실이지만, 화석연료의 고갈과 원자력 발전소를 짓는데 드는 비용과 대비해 봤을 때 향후 15년쯤에는 비슷한 비용이 소요될 것으로 예상됩니다. SPS는 에너지의 공급원이 태양이기 때문에 안테나의 설치 이후에는 전력을 저렴하게 공급 할 수 있을 것이라 기대됩니다.
무선전력송수신 기술이 상용화되면 공기 중에 많은 전자기파들이 떠다니게 됩니다. 이에 대한 문제점은 없나요?
우리는 이미 전자파 속에 살고 있습니다. 그런 문제점을 생각한다면 이제는 필수품이 된 휴대폰의 사용도 문제가 되며, 컴퓨터의 사용도 어렵겠죠. 문제는 전자파의 세기에 있습니다. 보통 무선전력송수신을 이용한 전력 공급을 생활에서 이용한다면 1W(와트)정도로, 일반적으로 기지국에서 100W 정도의 주파수를 사용하는 것을 생각하면 인체에 위험성이 있을 것이라고 생각되지는 않습니다.
무선전력송수신 기술을 적용 할 수 있는 부분은 어떤 것들이 있나요?
우리 생활에 가깝게는 휴대폰과 같은 충전해서 사용하는 기계들을 별도의 충전이 없이 사용이 가능합니다. 예를 들어 비방사형 전력공급 기술을 이용하면 위치의 제한이나 다른 연결 없이도 충전율을 항상 90% 이상으로 유지 할 수 있습니다.
방사형 전력공급 기술을 통해서는 섬과 같이 전력 공급선을 유선으로 연결하기 힘든 곳에 사용 될 수 있습니다. 또한 사고 등으로 전력 공급선이 끊어질 경우 이에 대한 보수가 쉽지 않은데 무선전력공금기술을 사용한다면 이런 문제점도 사라지겠죠.
