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우주에 태양광 발전위성 설치...전기 만들어 지구로 보낸다
선진국 경쟁 시작된 우주 태양광 발전, 무선전력전송기술 확보가 관건
전기연구원, 10kW급 송신시스템 개발 100m 거리서 검증 실험
한국형우주태양광발전위성.
지구 밖 우주에 태양광 발전 위성을 설치하고 여기서 만들어진 전기를 지구로 보내 사용하는 기술이 있다면, 지구는 에너지 걱정을 크게 덜 수 있을 것이다. 공상과학 영화에 나올 법한 얘기지만 이미 우리나라는 물론 주요 기술 선진국은 관련 기술 개발에 적극 뛰어들었다.
이상화 전기연구원 박사는 “우주에서 태양광 발전 전기를 만든다면 대기, 구름, 먼지에 의한 손실이 없고 24시간 발전을 할 수 있어 기존 태양광 발전보다 단위 면적당 10배 이상의 전력을 생산할 수 있다”고 설명했다.


24시간 활용 가능하고 지상 태양광에 비해 10배이상 많은 전력 생산
우주 태양광 발전 위성은 정지궤도상에 위치해 1360 W/m2에 달하는 태양에너지를 24시간 활용할 수 있다.
여러 단계의 전력변환을 거쳐야 하기 때문에 이 과정에서 전력손실이 발생할 수 있지만 지상 태양광 발전에 비해 최소 10배 이상의 면적당 전력을 확보할 수 있으며 공간 문제, 유해물질 발생 등을 해결할 수 있어 클린에너지원 선점을 위해 세계 주요 국가들은 이미 치열한 기술경쟁을 벌이고 있다.

마이크로파 무선전력전송 기술을 이용해 우주 태양광 발전 계획을 가장 먼저 추진한 나라는 미국이다.
1968년 피터 글래서(Peter Glaser) 박사가 우주 태양광발전 개념을 처음 제안했지만, 당시 기술력으로 경제성이 담보되지 않아 보류됐다. 미국은 1999년 이 프로젝트를 다시 시작했으며 2007년 미 국방부 산하 국가안보우주청은 ‘우주 태양광 발전에 기술적 문제는 없다’는 내용의 보고서 내용을 발표했다. 이후 미국은 3만6000km의 정지궤도에 길이 약 3km 크기의 태양 전지판을 펼쳐 태양광발전을 하고 마이크로파를 이용해 지구로 보낸다는 구체적인 계획을 발표했다.
최근 민간 차원에서 스페이스X를 필두로 다수 벤처기업이 우주탐사분야에 참여해 개발을 주도하고 있다.
지난 2009년 벤처기업 솔라렌은 우주 태양광 설비를 이용해 15만 가구에 전기를 공급할 수 있는 200MW 전력을 퍼시픽 가스 앤 일렉트릭(Pacific Gas & Electric, PG&E)에 공급하기로 계약을 체결한 바 있다.

영국은 2017년 전자기업 인터내셔널 일렉트릭 컴퍼니(IECL)가 궤도에서 위성과 태양 간 방향에 무관하게 일정한 태양에너지를 받을 수 있는 나선형 위성 ‘카시오페이아(CASSIOPeiA)’ 모델을 제안해 개발 중이다.

일본은 1990년 신에너지 산업종합개발기구(NEDO) 주도로 SPS2000 프로젝트를 추진해 우주 태양광 발전 장기개발 계획을 수립했다. 산하의 일본우주항공연구개발기구(JAXA)는 원전 1기 발전량에 준하는 1GW급 우주 태양광 발전소 상용화를 위해 2025년부터 지구 대기권 내 실증을 거쳐 2045년 우주궤도상에 설치를 마치겠다는 계획을 발표했다. 미쓰비시 중공업(MHI) 등과의 협업을 통해 실증기간 동안의 연구 성과물을 IoT 센서 충전과 재난지역, 전략드론 등을 위한 무선전력 공급망에 점층적으로 활용한다는 계획이다.

중국은 2008년 우주 태양광 발전을 국가 주요 연구 프로그램으로 등재하고, 중국 충칭시에 2억위안(약 330억원) 규모의 고전력 무선 에너지 전송 및 환경 영향 연구를 위한 테스트 기지를 짓고, 연구 개발을 진행 중이다. 2030년까지 주요 부품의 기술력을 검증한 후 2035년까지 200톤의 MW급의 우주 태양광 발전소를 건설한다는 목표를 수립했으며, 2050년까지 1GW급으로 확대할 계획을 세웠다.

우리나라도 우주 태양광 발전 계획을 수립해 본격적인 연구개발을 준비하고 있다.
지난해 2월 서울 여의도 국회의원 회관에서 열린 ‘제2회 국제우주태양광발전 워크숍’에서 공개한 한국항공우주연구원(이하 항우연)의 한국형 우주 태양광 발전 위성의 규모는 가로 5.6km, 세로 2km 크기다. 위성 가운데에는 1km2 크기의 송신안테나로 지구에 에너지를 전송한다.
태양전지판을 둥글게 말아 저궤도상으로 발사한 뒤 태양전지판을 서서히 펼치면서 얻는 에너지로 정지궤도(적도상공 3만6000㎞)까지 단계적으로 고도를 높인다는 계획이다.
하지만 비용이 문제다. 우주 태양광 발전 위성을 우주로 올리는 비용이 낮아져야 한다. 아직까지 로켓 발사 비용은 1kg당 평균 1만 달러 수준으로 매우 높은 편이다. 민간기업인 스페이스X의 저가형 발사체 성공으로 1kg당 4000달러 수준으로 급격히 떨어졌지만 우주 태양광 발전이 현실적으로 경제성을 갖추려면 로켓 발사 비용은 1kg당 600달러 수준까지 떨어져야 한다.

항우연은 2035년까지 2GW급 우주 태양광 위성의 무게를 9200t까지 줄이고, 발사 비용을 1kg당 600달러로 낮추면 약 13조원의 건설비용이 들 것으로 전망했다. 발전설비를 30년 동안 가동해 kWh(킬로와트시)당 34원 수준의 낮은 전기요금을 구현하겠다는 목표를 수립한 상태다.

전기연, 10kW급 송신시스템 개발, 100m 거리서 검증 실험

우주 태양광 발전의 성공을 위해서는 무엇보다 정밀하고 안전하게 지구로 에너지를 전송하는 기술이 중요하다.
소위 무선송전 기술이 필요한데 한국전기연구원은 2017년부터 ‘장거리 무선전력전송 핵심 기반 기술’ 연구를 진행 중에 있으며, 2018년 3.2kW 마이크로파 전력 송수신시스템의 실내 성능 검증에 성공했다. 2020년에는 10kW급으로 출력을 높인 송신시스템을 개발해 100m 거리의 옥외 검증실험을 준비 중이다. 향후 100m 지상전송 실증 및 송수신 효율개선, 경량화 & 신뢰성 개선, 정밀 빔 조향 연구 등을 진행할 계획이다.

이상화 박사는 “마이크로파 대역(파장 1~ 10cm)의 전파는 직진성이 강하고, 대기를 잘 투과해 수m에서 수만km까지 장거리로 에너지를 전송하는 데 매우 적합하다”며 “마이크로파를 이용한 장거리 무선전력전송 기술을 구현하면, 자기유도 또는 공진방식으로 근거리에서 가능하던 무선충전을 수m 이내 실내 IoT기기에 적용할 수 있고, 수십km 원격지로 전력을 공급할 수 있으며 더 나아가 우주공간에서 태양광 발전한 전력을 지상으로 공급이 가능하다”고 설명했다.

한국전기연구원은 1990년대에 전자레인지 등에 쓰이는 2.45GHz 마이크로파대역에서 진공관 소자인 10kW급 고출력 마그네트론 출력장치와 접시형 반사판 안테나를 통해 장거리 무선전력 전송 기술을 개발했으며 2017년부터는 과학기술정보통신부 산하 국가과학기술연구회의 Big Issue Group 사업으로 2025년까지 우주태양광발전에 활용 가능한 무선전력전송 기술 개발을 목표로 연구를 진행 중이다.
96채널 4.8kW급 무선전력전송 시스템 송출장치.


작성 : 2020년 01월 21일(화) 13:11
게시 : 2020년 01월 23일(목) 09:40


유희덕 기자 yuhd@electimes.com        유희덕 기자의 다른 기사 보기

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