무선전력전송

왜 배우는가: 무선전력전송은 전선과 배터리 없이 전력을 공급하는 기술로, 철도에서는 전차선과 집전장치의 유지보수 부담과 감전 위험을 줄이는 대안으로 연구된다. 전기철도 급전과 집전 방식을 비교하는 문항의 주제로 함께 다뤄지므로, 원리와 장단점을 함께 정리해야 답안을 구성할 수 있다.

출제 이력: 제128회 3교시 3번, 제103회 3교시 6번, 제100회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

무선전력전송은 전선 없이 전자기장을 매개로 전기 에너지를 송신기에서 수신기로 전달하는 기술이다.

무선전력전송(WPT)은 전력원에 연결된 송신기가 시간에 따라 변하는 전자기장을 만들고, 수신기가 그 자기장에서 전력을 추출하여 전기 부하에 공급하는 방식이다. 정의의 핵심은 물리적 연결선이 없다는 조건과, 전력을 에너지 자체로 보고 전달 경로를 전선에서 전자기장으로 바꾼다는 점에 있다. 전선과 배터리를 없애므로 이동성과 편의성, 안전성을 함께 높일 수 있다. 철도에서는 가공전차선과 접촉식 집전장치에 의존하는 급전 구조를 바꾸는 대안으로 검토된다.

핵심 키워드

• 무선전력전송: 물리적인 연결선 없이 전기 에너지를 전달하는 기술이다.
• 근거리장: 짧은 거리에서 자기장이나 전기장으로 전력을 보내는 범주이다.
• 원거리장: 마이크로파나 레이저 빔으로 먼 거리까지 전력을 보내는 범주이다.
• 유도 결합: 코일 사이의 자기장을 이용해 전력을 전달하는 결합 방식이다.
• 자기유도 방식: 철도와 전기자동차 무선급전에서 주로 검토되는 근거리장 방식이다.
• 무가선 전력공급 방식: 전차선 없이 차량에 전력을 공급하는 방식을 가리킨다.

2. 개념 풀이

무선전력전송의 정식 정의는 전력 전송선로 대신 자유공간을 이용하여 전력을 전송하는 기법이다. 통신 신호가 아니라 에너지 자체의 전달을 목적으로 하므로, 정보를 실어 보내는 무선통신과 구분된다. 교통카드처럼 리더기와의 신호 교환에서 전력이 함께 전달되는 사례도 있으나, 기술적으로는 단순 신호 전달로 볼 여지가 있어 전력전송의 대표 사례로 보기 어렵다.

원리는 다음과 같다. 송신기는 전력원에 연결된 코일이나 전극으로 시간에 따라 변하는 전자기장을 만든다. 수신기는 이 장에서 유도된 전력을 추출하여 부하에 공급한다. 즉 전력은 전선 대신 장(場)을 매개로 흐르며, 전달 효율은 송수신기 사이의 거리와 정렬 상태에 크게 좌우된다. 효율을 높이기 위해 송신 코일과 수신 코일을 같은 주파수에 맞춰 공진시키는 방식이 함께 쓰인다. 공진은 두 회로의 고유 주파수를 일치시켜 에너지를 효율적으로 주고받는 현상이다.

근거리장은 유도 결합이나 정전 결합으로, 원거리장은 전력 빔 전송으로 전력을 보낸다.

전자기장의 도달 범위에 따라 기술은 근거리장과 원거리장으로 나뉜다. 근거리장 또는 비복사 방식은 코일 사이의 유도 결합을 이용한 자기장, 또는 금속 전극 사이의 정전 결합을 이용한 전기장으로 짧은 거리에서 전력을 보낸다. 유도 결합은 가장 널리 쓰이는 무선 기술이며, 휴대폰과 전동 칫솔의 충전, 인덕션 요리, 전기자동차의 무선 충전에 적용된다. 원거리장 또는 복사 방식은 마이크로파나 레이저 같은 전자기파 빔으로 전력을 보내며, 전력 빔 전송이라고도 부른다. 이 방식은 더 먼 거리까지 운반할 수 있지만 수신기를 정확히 조준해야 한다는 제약이 있다. 근거리장은 거리가 짧은 대신 효율이 높은 편이고, 원거리장은 거리가 긴 대신 조준과 경로 차단에 민감하다.

철도 적용에서 중심이 되는 방식은 자기유도 방식이다. 노면이나 궤도 쪽에 설치한 급전코일과 차량에 내장한 집전코일이 자기장으로 결합하는 구조이며, 급전코일을 구간별로 매설하여 차량이 주행하는 동안에도 전력을 받을 수 있다. 이 구조는 팬터그래프가 전차선에 접촉하여 전기를 받는 방식과 달리 기계적 접촉이 없다는 점이 핵심 차이이다.

3. 등장 배경과 필요성

전기철도는 일반철도에 없는 송전, 변전, 전차선 같은 특수설비를 갖추어야 하므로 투자비가 많이 든다. 전차선 등 급전계통에 고장이 나면 운전불능 상태가 될 수 있고, 감전 위험과 인근 통신망의 유도장애, 매설 금속관의 전식도 함께 생길 수 있다. 무선전력전송은 이러한 전차선 의존 구조에서 벗어날 수 있다는 가능성 때문에 연구의 동기가 된다.

무선으로 에너지를 보내려는 시도는 오래되었다. 변압기가 1800년대에 개발된 이후 가까이 놓인 코일 사이의 유도 전력 전달이 가장 먼저 개발된 무선 전력 기술이었다. 철도 응용도 초기부터 제안되었다. 1892년 Hutin과 Leblanc는 3kHz의 궤도 선에 유도 결합된 공진 코일로 열차에 무선 전력을 공급하는 방식의 특허를 받았다.

국내에서는 2009년부터 KAIST가 자기유도 방식의 온라인 전기자동차 무선충전 기술을 개발해 왔다. 2013년 8월에는 구미시에서 온라인 전기버스의 시범운행이 시작되었다. KAIST가 개발한 온라인 전기자동차 무선충전은 도로에 매설된 급전코일과 버스에 내장된 집전코일 사이 20cm 거리에서 최대 83% 전송효율로 100kW의 전력을 전달하였다. 이 기술은 주행 중에도 충전이 가능하다는 점에서 철도 급전에 참고가 되는 응용 사례이다.