대기의 장벽을 없애자! 우주태양광발전

대기의 장벽을 없애자! 우주태양광발전

대학생신재생에너지기자단 18기 이다연

 

최근 태양광 발전에 대한 관심은 지속적으로 높아지고 있다. 이에 많은 연구진들이 태양광 발전효율을 높이고자 지속적으로 새로운 물질을 연구하고, 다양한 형태의 태양전지를 생산해 태양광 발전의 효율을 높이기 위해 노력하고 있다. 하지만 지구에서의 태양광 발전은 '대기'라는 장벽으로  태양광 발전의 원천이 되는 태양광선 자체의 진입이 대기에 의한 산란, 대기의 먼지에 의한 가로막힘 등에 의해 우주에서보다 약 1/10 수준으로 줄어든다. 그렇다면, 대기에 의해 태양광선이 산란되지 않고, 대기의 먼지 등의 영향을 받지 않는 우주로 나아가면 어떻게 될까? 

 

지상보다 최대 10배의 전력을 생산하는 우주태양광발전

태양광발전에서 전력생산에 영향을 주는 요소로 '태양광 에너지'를 빼놓을 수 없다. 지속적으로 많은 양의 태양광 에너지가 쏟아져 나올수록 태양광 발전의 발전량은 증가하게 된다. 하지만 지상에 도달하는 태양광에너지는 지상에 도달하기 전 30% 정도는 대기의 구름 등에 의해 반사되고, 투과된 태양광도 구름과 먼지 등에 의해 가로막혀 1m^2당 도달하는 에너지는 약 300W를 넘지 않는다. 뿐만 아니라 지구에서는 낮시간대에만 태양을 볼 수 있기 때문에 대기를 통과한 태양에너지 중에서도 약 29% 정도만 쓸 수 있다. 결국 지구에서의 태양에너지는 우주에서에 비해 약 7%만 사용할 수 있는 것이다. 이에 하나의 해결책으로 대두되고 있는 것이 바로 '우주태양광발전'이다. 

우주태양광발전(Space Based Solar Power, SBSP)은 우주공간에서 태양광 발전을 시행한 후 그 전력을 지상에 보내는 발전 방식이다. 우주태양광발전은 기본적으로 3가지 요소인 우주의 태양광을 모으는 태양전지, 전력을 지구로 전달하는 송신장치, 지구에서 전력을 받는 수신장치(EX. 마이크로파 안테나)로 구성되어 있다. 

[자료 1. 일본의 우주태양광발전 구상도 ]

출처 : KIER POST

우주태양광발전은 태양전지를 장착한 일종의 인공위성, 즉 '우주발전소'를 정지궤도까지 올려 태양광 발전을 진행하게 된다. 이때 정지궤도란 적도 36000km 위의 상공에 존재하는 원형 궤도로 인공위성의 주기와 지구의 자전주기가 같아 지구에서 볼 때 항상 정지하고 있듯 보이는 궤도를 뜻한다. 이렇게 정지궤도에 우주발전소를 올려놓으면 생산된 에너지를 끊임없이 전송할 수 있다. 또한 우주태양광 발전은 24시간 내내 태양을 바라보고 궤도를 돌 수 있게끔 설정하여 해당 우주발전소가 궤도를 도는 99%이상 동안 빛을 쬘 수 있다. 우주발전소가 태양광발전을 하지 못하는 시간은 오직 춘분과 추분날의 매일 밤 72분 동안 지구 그림자에 가려지는 시간이며 이를 제외한 나머지 모든 시간 동안은 지속적인 발전이 가능하다. 그렇다면 이런 방식으로 생산된 전력은 어떻게 지구까지 전송하게 될까?

 

우주태양광발전의 산물, 생산된 전력은 어떻게 전송하는가?

위의 우주태양광발전을 통해 전력을 생산하면 생산된 전력을 지구까지 전송을 해야 한다. 이때 대두되고 있는 방법이 바로 '무선전력전송'의 방법이다. 무선전력전송이란 전선을 이용하지 않고 전력을 전송하는 것을 의미하며 기본적으로 전자기 유도현상과 공진현상을 이용한다. 전자기 유도현상이란 코일 주변의 자기장이 변화하면 코일에 전위차가 생기는 현상이며 공진효과란 동일한 주파수에서 에너지가 증폭되는 현상을 의미한다. 두 가지의 현상을 이용하면 송신코일에서 발생된 에너지를 동일한 주파수를 가진 수신코일에 무선으로 보낼 수 있다. 한 예시로는 카이스트에서 공진현상을 이용한 전자기 유도현상으로 5m 거리에서 무선 전력 전송을 성공하였다. 이런 무선전력전송시스템은 사용하는 주파수 및 전송 거리에 따라 전자/계전자장 방식과 전자파 방식으로 나뉜다. 

 [자료 2. 사용 주파수에 따른 무선전력전송 방식]

출처 : 굿모닝 KEPCO!

우주태양광발전에 사용되는 무선전력방식은 원거리 무선전력전송이어야 하기 때문에 전자파 무선전력전송 방식인 마이크로파를 이용하게 된다. 해당 방식은 주파수가 높고 파장이 짧은 마이크로파를 이용하는데 마이크로파는 진동수가 크기 때문에 빛처럼 직진하는 성질을 지녀 전선 없이 전력의 전송이 가능하다. 이런 마이크로파 무선전력전송은 우선 송신 안테나에서 직류나 교류 형태의 전기에너지를 파동으로 변환한다. 그 파동이 지구 표면의 수신 안테나에 도착하게 되면 원래 보냈던 전기에너지 성질인 직류나 교류로 변환하는 과정을 거친다. 즉, 생산된 전력을 지구로 송신 시 마이크로파를 이용하여 보내고, 지상에서는 해당 전파를 전기로 변환하는 방식이다. 

 [자료 3. 마이크로파 무선전력전송 시스템]

출처 : 굿모닝 KEPCO!

 

우주태양광발전, 장단점은?

그렇다면 이런 우주태양광발전은 어떤 점에서 장점을 가지고 있을까? 우주태양광발전은 우선 대기가스, 구름, 먼지, 기상현상과 같은 태양광을 차단하는 장애물이 없기 때문에 더 많은 태양빛을 받을 수 있다. 이에 정지궤도에서의 태양광의 강도는 지구표면에서 얻을 수 있는 최대 강도의 144%이고 이는 지표에서의 태양광 발전보다 약 5 ~ 10배의 전력생산을 가능하게 한다. 뿐만 아니라 앞에서 언급한 바와 같이 우주발전소는 궤도를 도는 시간의 99%이상 동안 빛을 쬘 수 있다. 또한 기상현상이 없기 때문에 태양광 패널의 수명도 길어지게 되며 태양광 설치를 위한 산림훼손 등의 지구 환경훼손의 우려도 완화된다. 

하지만 우주태양광발전은 단가의 부문에서 치명적인 단점을 가지고 있다. 자체전력만을 생산하는 인공위성과 달리 우주태양광발전은 초거대 규모에서 경제성을 가질 수 있는데, 한 예시로 한국항공우주연구원은 지난해 2월 국회에서 발표한 우주태양광발전 개발계획에서가로 6.8km, 세로 2.2km의 크기로 여의도 면적의 4배 규모의 발전소의 가운데에 1km^2의 사각 안테나를 달아 지구로 전기를 보낸다는 구상을 하였다.  해당 계획의 경우 1GW급의 발전을 위해서 폭 1km, 길이 4.2km인 태양광 패널이 필요하다. 이정도의 패널은 무게가 약 6000t이상이 나가게 되는데 이런 위성을 띄우기 위해서는 수십 차례에 걸쳐 모듈화된 부품을 나눠 쏘아올린 뒤 우주에서 조립해야 한다. 현재 정지궤도에 5t 규모의 인공위성을 올리는데 약 1억 ~ 2억 달러가 들어가고 있어 우주발전소를 올리는데의 높은 단가문제가 대두되고 있다. 뿐만 아니라 우주쓰레기의 우려도 나오고 있어 관련 해결책 역시 요구된다. 

 

상용화를 위해 어떤 점이 필요할까? 

앞서 살펴본 바와 같이 우주태양광발전 상용화의 발목을 잡는 주된 요인으로 단가를 들 수 있다. 현재 인공위성(우주발전소)의 정지궤도로 발사를 하기 위해서는 1kg당 평균 1만 달러 수준으로 추산하고 있다. 이런 우주태양광발전이 상용화되기 위해서는 1kg당 600달러의 정도까지 낮아져야 실용화될 수 있다. 이에 한국항공우주연구원 역시 앞의 우주발전소를 발사하는데 비용을 절감하기 위해 태양전지판을 둥글게 말아 저궤도에 올린 후 조금씩 펼쳐나가면서 얻는 에너지로 정지궤도까지 고도를 높일 계획이라고 하였다. 즉, 우주발전소의 단가를 낮추기 위해 거대한 우주발전소의 설치 시 투입되는 기기들을 경량화하고, 보다 효율적인 조립 방식 등을 고안하여 비용 문제를 해소하는 방식으로 발전 단가 조정을 하고 있다.

 

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참고문헌

[지상보다 최대 10배의 전력을 생산하는 우주태양광발전]

1)최인준기자, "미래에너지 '우주태양광발전'...한국도 뛰어든다.,  조선일보, 2018.03.28, www.trinasolar.com/us/product

2)최원석, "엄청나고 무한한 태양광 사용법", KIER POST, 2019. 05.23 energium.kier.re.kr/sub020203/articles/do_print/tableid/energyrevolution/id/3630

3)이강봉기자, "우주에 거대한 '태양광발전소'건설, the science time, 2020.11.25, 우주에 거대한 ‘태양광발전소’ 건설 – Sciencetimes

4)김종화 기자, "[과학을 읽다] 우주태양광발전의 현 주소는?", 아시아경제, 2020.02.04, [과학을읽다]'우주 태양광발전'의 현주소는? - 아시아경제 (asiae.co.kr)

5)"우주태양광발전", 위키백과, 2021.03.2, ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9A%B0%EC%A3%BC_%ED%83%9C%EC%96%91%EA%B4%91_%EB%B0%9C%EC%A0%84 

[우주태양광발전의 산물, 생산된 전력은 어떻게 전송하는가?]

1)시노히라 나오키 교수, "마이크로파를 이용한 무선 전력 전송", i-매거진, 2014.02, magazine.hellot.net/magz/article/articleDetail.do?flag=all&showType=showType1&articleId=ARTI_000000000030263&articleAllListSortType=sort_1&page=1&selectYearMonth=201402&subCtgId= magazine.hellot.net/magz/article/articleDetail.do?flag=all&showType=showType1&articleId=ARTI_000000000030263&articleAllListSortType=sort_1&page=1&selectYearMonth=201402&subCtgId=

2)이강봉기자, "우주에 거대한 '태양광발전소'건설, the science time, 2020.11.25, 우주에 거대한 ‘태양광발전소’ 건설 – Sciencetimes

3)김종화 기자, "[과학을 읽다] 우주태양광발전의 현 주소는?", 아시아경제, 2020.02.04, [과학을읽다]'우주 태양광발전'의 현주소는? - 아시아경제 (asiae.co.kr)

4)"우주태양광발전", 위키백과, 2021.03.2, ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9A%B0%EC%A3%BC_%ED%83%9C%EC%96%91%EA%B4%91_%EB%B0%9C%EC%A0%84 

5) 한국전력, "전력을 와이파이처럼, 원거리 무선전력전송기술", 굿모님 KEPCO!, 2020.07.20, blog.kepco.co.kr/1857

[ 상용화를 위해 어떤 점이 필요할까? ]

1) 김종화 기자, "[과학을 읽다] 우주태양광발전의 현 주소는?", 아시아경제, 2020.02.04, [과학을읽다]'우주 태양광발전'의 현주소는? - 아시아경제 (asiae.co.kr)

2)이강봉기자, "우주에 거대한 '태양광발전소'건설, the science time, 2020.11.25, 우주에 거대한 ‘태양광발전소’ 건설 – Sciencetimes

3)"우주태양광발전", 위키백과, 2021.03.2, ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9A%B0%EC%A3%BC_%ED%83%9C%EC%96%91%EA%B4%91_%EB%B0%9C%EC%A0%84