무선전력전송

무선전력전송: 전선 없는 미래를 위한 혁신 기술

무선전력전송(Wireless Power Transfer, WPT) 기술은 전기 에너지를 공간을 통해 케이블이나 물리적 연결 없이 전송하는 기술을 말합니다. 이 기술은 전기 에너지를 전자기장, 마이크로웨이브, 레이저와 같은 형태로 변환하여 송신하고, 이를 수신기에서 다시 전기 에너지로 변환하는 원리를 사용합니다. 무선 충전 기술과 장거리 전력 전송 프로젝트에 활용됩니다.

기술의 역사

1. 니콜라 테슬라와 초기 실험 (1890년대~1950년대)

• 니콜라 테슬라는 무선전력전송의 개념을 실제로 시연한 최초의 과학자 중 한 명입니다. 그는 고주파수 전류를 이용하여 에너지를 무선으로 전송하는 여러 실험을 수행했습니다.
• 테슬라는 1891년 테슬라 코일을 발명하여 무선으로 전력을 전송하는 데 사용했습니다. 그의 가장 야심 찬 프로젝트는 뉴욕 롱아일랜드의 워든클리프 타워였으나, 이 프로젝트는 자금 부족으로 완성되지 못했습니다.
• 초기 무선전력전송 연구는 주로 인덕티브 커플링에 집중되었습니다. 이 기술은 변압기의 원리와 유사하게, 두 코일 사이에 자기장을 통해 전력을 전송합니다. 인덕티브 커플링은 오늘날 무선 충전 패드와 같은 소규모 장치에 널리 사용됩니다.

2. 마이크로파와 레이저를 이용한 무선전력전송 (1960년대)

• 1964년, 윌리엄 C. 브라운은 마이크로파 빔을 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 실험에 성공했습니다. 그는 레이테나라(레이저와 유사한 마이크로파 송신기)를 이용하여 마이크로파 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 수신기로 전력을 전송했습니다.
• NASA의 골드스톤 태양 에너지 시험에서는 마이크로웨이브를 이용해 무선으로 전력을 전송하는 실험이 진행되었습니다. 이는 우주에서 태양 에너지를 수집한 뒤 지구로 전송하는 것을 목표로 했던 프로젝트였습니다. 이 기술은 장거리 전력 전송에 적합하며, 특히 우주 태양광 발전소에서의 활용 가능성을 탐색하고 있습니다.

3. 자기 공진을 이용한 무선전력전송 (2007년)

• MIT의 연구팀은 “자기 공진”(magnetically coupled resonance) 방식을 이용하여 중거리 무선 전력 전송을 가능하게 하는 기술을 개발했습니다.
• 이 방법은 특정 주파수에서 공진하는 두 자기 코일 사이에 전력을 효율적으로 전송할 수 있음을 입증했습니다.
• 이 기술은 짧은 거리 내에서 여러 장치를 동시에 충전할 수 있는 능력을 제공합니다.

4. Qi 무선 충전 표준화 (2010년대)

• 무선 충전 기술의 발전과 함께, 여러 제조업체가 각자의 무선 충전 기술을 개발하기 시작했습니다.
• 이러한 혼란을 줄이고 호환성을 높이기 위해, 무선 전력 컨소시엄(Wireless Power Consortium, WPC)은 Qi(치)라는 무선 충전 표준을 발표했습니다.
• Qi 표준은 인덕티브(유도) 충전을 기반으로 하며, 스마트폰, 태블릿, 그리고 다른 소형 전자 장치들을 위한 글로벌 충전 표준이 되었습니다.

5. 최신 발전과 미래 전망

• 과학자들은 무선전력전송의 효율성과 거리를 지속적으로 개선하기 위해 연구를 계속하고 있습니다.
• 더 넓은 범위와 더 높은 효율성을 가진 무선 전력 전송 시스템 개발에 대한 연구는 여전히 활발히 진행 중입니다.
• 이는 미래의 스마트 시티, 전기 자동차의 무선 충전, 그리고 장거리 에너지 전송 시스템 등 광범위한 응용 분야에 혁신을 가져올 수 있습니다.

Issue: 무선전력전송 기술의 작동원리는?

Clue:

무선 전력 전송(Wireless Power Transfer, WPT)은 주로 두 가지 기본적인 방법, 즉 자기 유도(Magnetic Induction)와 자기 공진(Magnetic Resonance)을 통해 이루어집니다. 이 두 방식 모두 맥스웰의 방정식(Maxwell’s equations)과 전자기장(Electromagnetic field)의 기본 원리에 기반합니다.

1. 자기 유도 (Magnetic Induction)

자기 유도는 두 코일 사이의 변화하는 자기장을 사용하여 에너지를 전송하는 방식입니다. 가장 일반적인 예는 전기 칫솔이나 스마트폰 무선 충전기입니다.

원리:

• 발신 코일에 AC(교류 전류)를 흘려보내면 변화하는 자기장이 생성됩니다.
• 이 자기장은 수신 코일 내에 전자기 유도(Electromagnetic Induction)에 의해 전압을 유도합니다.
• 이 유도된 전압은 수신 코일에서 전기 에너지로 변환되어 사용됩니다.

2. 자기 공진 (Magnetic Resonance)

자기 공진은 두 개의 객체가 같은 주파수로 공진할 때 더 큰 거리에서 에너지를 효율적으로 전송할 수 있는 방식입니다. 이 기술은 MIT 연구팀에 의해 2007년에 크게 주목받았습니다.

원리:

• 두 개의 코일(발신 코일과 수신 코일)이 같은 공진 주파수에서 진동하도록 설계됩니다.
• 발신 코일에 전류를 흘려보내면 공진 주파수에서 자기장을 생성합니다.
• 수신 코일도 같은 주파수로 공진하게 되면, 에너지는 효율적으로 전송되어 큰 전력을 수신 코일로 전달할 수 있습니다.

에너지 전송 효율

무선 전력 전송의 효율은 전송 거리, 코일 설계, 주변 환경 등 다양한 요소에 의해 영향을 받습니다. 효율을 최적화하기 위해서는 코일 간의 커플링 계수(coupling coefficient), 손실(losses), 그리고 전력 관리(power management) 시스템을 고려해야 합니다.

Issue: 무선 전력 전송 기술의 현재는 어떠한가요?

Clue: 무선 전력 전송 기술의 현재 상태는 다음과 같습니다:

1. 무선 충전: 스마트폰, 노트북, 전기 자동차 등 다양한 기기에 무선 충전 기술이 널리 사용되고 있습니다. Qi(치) 표준 같은 국제 표준이 개발되어, 호환성과 사용 편의성이 크게 향상되었습니다.
2. 단거리 전력 전송: 자기 공진 기술을 활용하여 몇 미터 내의 단거리에서 높은 효율로 전력을 전송할 수 있는 기술이 개발되어, 가정용 및 상업용 무선 충전 솔루션에 적용되고 있습니다.
3. 장거리 전력 전송 실험: 마이크로웨이브, 레이저 등을 이용한 장거리 무선 전력 전송 기술에 대한 연구가 진행 중입니다. 특히, 우주 태양광 발전소에서 지구로 전력을 전송하는 프로젝트에 이 기술이 고려되고 있습니다.
4. 효율성과 안전성 연구: 무선 전력 전송의 효율성을 높이고 인체에 미치는 영향을 최소화하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이는 무선 전력 전송 기술의 상용화와 사회적 수용성을 높이는 데 중요한 요소입니다.

무선 전력 전송 기술은 계속해서 발전하고 있으며, 이 기술의 진보는 전력을 전송하고 사용하는 방식을 혁신적으로 변화시킬 잠재력을 가지고 있습니다.

NSGA-II 알고리즘 기반 동적 무선 전력 전송의 자기 결합 메커니즘 최적화

무선전력전송(WPT) 기술은 전기차(EV)와 자동유도차량(AGV)의 대중화와 더불어 빠르게 발전하고 있습니다. 이 기술은 차량이 정지 상태에 있을 때와 운행 중에 충전하는 두 가지 형태, 즉 정적 무선전력전송(SWPT)과 동적 무선전력전송(DWPT)으로 구분됩니다. 특히, DWPT 기술은 비접촉식 전원 공급, 높은 안전성, 운전 중 충전 가능성 및 충전에 대한 우려 감소 등의 장점으로 인해 최근 몇 년간 큰 주목을 받고 있습니다. EV와 AGV 무선 충전에서, DWPT 기술은 일반적으로 수 십 센티미터 수준의 거리에서 송신기로부터 코일을 통해 수신기로 전기 에너지를 전송합니다. 이때 송신 전력은 수신 코일이 이동할 때 몇 킬로와트 수준에 이를 수 있으며, 송신 및 수신 코일의 결합 계수가 증가함에 따라 송신 효율도 증가합니다. 따라서 결합 메커니즘의 형태, 면적, 턴수 및 코어 분포를 최적화하여 결합 계수를 향상시키는 것은 WPT 시스템의 전송 성능을 향상시키는 핵심적인 방법입니다.

여러 유한요소 시뮬레이션 모델을 통해 코일 및 코어 매개변수에 따른 최적의 설계 방식을 도출하였고, 코어 모양의 새로운 디자인을 제안하여 기존 구조 대비 자성 시트의 와전류 손실을 줄이고 결합 효율을 향상시켰습니다. MATLAB 및 Maxwell을 기반으로 한 공동 시뮬레이션을 통해 코일과 코어의 결합 계수를 향상시켰으며, 이는 다수의 시뮬레이션 실험을 통해 시간이 많이 소요되는 시행착오 방식을 채택했습니다.

Fe 기반의 나노결정질 및 나노결정질 플레이크 리본은 WPT 애플리케이션에 더 적합한 차폐 재료로 사용되었습니다. 전기 자동차용 원형 무선 충전 코일의 최적화를 위해, 코일 내경, 회전수 및 코어 간격을 최적화 변수로 설정하고, 이를 바탕으로 최적의 솔루션을 달성하였습니다. 또한, 코어와 코일의 최적화 솔루션은 NSGA-II 알고리즘을 통해 얻었으며, 이는 시뮬레이션과 실험을 통해 그 정확성이 검증되었습니다.

본 연구에서는 DWPT 시스템에서 일반적으로 사용되는 커플링 코일 유형인 직사각형 평면 코일에 초점을 맞추었습니다. 직사각형 코일은 공간 활용이 더 우수하며, 실제 권선에서는 필렛으로 권선되어 더 높은 결합계수를 얻을 수 있습니다. 직사각형 코일과 단일 직사각형 코일로 구성된 송신기 및 수신기 구조는 자속 밀도가 더 높고 더 나은 결합 효과를 나타내며, 이를 바탕으로 새로운 형태의 코어와 코일을 사용하여 전체 구조에 대한 결합계수와 자기저항 사이의 관계를 추론하였습니다. 최적화 결과는 반복적인 최적화 방법을 통해 얻어졌으며, 이는 다목적 최적화 모델 구축을 통해 EV의 동적 무선 충전을 위한 최대 결합 계수와 변위에 따른 결합 계수의 최소 감도를 최적화하는 것을 목표로 했습니다.

https://doi.org/10.1038/s41598-024-55512-9

Issue: 현재 이 기술의 한계는 무엇인가요?

Clue: 현재 무선 에너지 전송 기술의 가장 큰 한계 중 하나는 전송 효율과 거리입니다. 무선으로 전력을 전송할 때, 에너지의 일부가 손실되는데, 이는 전송 거리가 멀어질수록 더욱 심해집니다. 또한, 전송 과정에서 주변 환경에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 이러한 한계를 극복하기 위한 연구가 진행 중입니다.

Issue: 무선 전력 전송의 효율성을 개선하기 위한 연구 방향은 무엇인가요?

Clue: 무선 전력 전송의 효율성을 개선하기 위한 연구 방향은 다음과 같습니다:

1. 고효율 변환 기술: 송신기와 수신기 사이의 에너지 변환 효율을 최대화하기 위한 기술 개발에 중점을 둡니다. 이는 전력 손실을 최소화하고 전송 효율을 향상시키는 데 기여합니다.
2. 최적의 주파수 대역 탐색: 무선 전력 전송에 가장 적합한 주파수 대역을 찾는 연구가 진행 중입니다. 특정 주파수는 전송 효율이 더 높거나, 전자기장 노출에 대한 안전성이 더 우수할 수 있습니다.
3. 빔 포밍과 지향성 전송: 무선 전력을 특정 방향으로 집중시켜 전송하는 빔 포밍 기술은 전력 전송 거리를 늘리고 효율을 향상시킬 수 있습니다. 이는 전력을 필요로 하는 특정 수신기에 직접 전력을 전송함으로써 전력 손실을 줄입니다.
4. 자기 공진 개선: 자기 공진 기반 무선 전력 전송의 효율성을 높이기 위해, 송신기와 수신기 사이의 공진 조건을 최적화하는 연구가 진행되고 있습니다.
5. 다중 송수신 기술: 여러 송신기와 수신기를 동시에 활용하여 전력을 전송하고 수신하는 기술을 개발하여, 전력 전송 효율과 유연성을 동시에 향상시키는 방안에 대한 연구가 진행 중입니다.

Issue: 무선 전력 전송 기술에서 안전성은 어떻게 보장되나요?

Clue: 무선 전력 전송 기술의 안전성은 다음과 같은 방법으로 보장됩니다:

1. 전자기장 노출 제한: 인체에 미치는 전자기장의 영향을 최소화하기 위해, 국제 기준과 규제에 따라 전자기장의 강도를 제한합니다. 예를 들어, 세계보건기구(WHO)와 국제비전리방사보호위원회(ICNIRP)는 전자기장 노출에 대한 지침을 제공합니다.
2. 안전 거리 유지: 고출력 전송 시스템의 경우, 안전한 거리를 유지하도록 설계하여 사용자가 고강도의 전자기장에 노출되지 않도록 합니다.
3. 자동 전력 조절: 무선 전력 전송 시스템은 수신기와 송신기 사이의 거리와 위치에 따라 전력을 자동으로 조절할 수 있도록 설계됩니다. 이는 불필요한 전력 손실을 줄이고, 전자기장 노출을 최소화합니다.
4. 주파수 선택: 인체에 미치는 영향이 적은 특정 주파수 대역을 사용하여 무선 전력을 전송합니다. 예를 들어, 일부 무선 충전 기술은 인체에 상대적으로 안전한 주파수 대역을 사용합니다.
5. 안전 인증 및 테스트: 무선 전력 전송 장치는 시장에 출시되기 전에 엄격한 안전 테스트와 인증 절차를 거칩니다. 이는 장치가 안전 기준을 충족하는지 확인하기 위한 것입니다.

Issue: 무선 전력 전송 기술의 미래 발전 방향은 어떻게 될까요?

Clue: 무선 전력 전송 기술의 미래 발전 방향은 다음과 같습니다:

1. 효율성 개선: 기술 발전을 통해 전력 전송의 효율성을 지속적으로 개선하여, 더 먼 거리에서도 높은 효율로 전력을 전송할 수 있게 될 것입니다.
2. 적용 범위 확대: 현재는 주로 충전 목적으로 사용되고 있는 무선 전력 전송 기술이, 가정용 및 산업용 기기, 도심 항공 모빌리티(Urban Air Mobility), 웨어러블 기기 등 다양한 분야로 확대될 것입니다.
3. 우주 전력 전송: 우주 태양광 발전과 같은 대규모 장거리 전력 전송 프로젝트가 현실화될 수 있습니다. 이는 지구의 에너지 문제 해결에 기여할 수 있는 혁신적인 방안으로 주목받고 있습니다.
4. 표준화와 규제 개발: 무선 전력 전송 기술의 안전성, 호환성, 효율성을 보장하기 위한 국제적인 표준과 규제가 마련될 것입니다.
5. 사회적 수용성 증진: 사람들이 무선 전력 전송 기술의 이점을 이해하고, 안전성에 대한 우려가 해소됨에 따라, 이 기술에 대한 사회적 수용성이 높아질 것입니다.