[우주항공 분야에서의 전기에너지 응용 기술 ①] 우주 태양광발전 에너지의 레이저 전송

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[우주항공 분야에서의 전기에너지 응용 기술 ①] 우주 태양광발전 에너지의 레이저 전송

2017년 12월 1일 (금) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2017년 12월호 - 전체 보기 )

[우주항공 분야에서의 전기에너지 응용 기술 ①]
우주 태양광발전 에너지의 레이저 전송

우주 태양광 발전 시스템(Space Solar Power Systems: SSPS)은 우주 공간에서 얻어지는 태양광 에너지를 마이크로파나 레이저로 변환시켜 지상에 무선 전송하고, 지상에서 그 에너지를 전기나 수소 등의 무공해 연료로 변환하여 이용하는 시스템이다. 일본의 독립행정법인기관인 우주항공연구개발기구(JAXA)에서는 2030년대의 상용 시스템 운용 개시를 목표로 1GW급 마이크로파 방식 SSPS(M-SSPS) 및 레이저 방식 SSPS(L-SSPS)의 연구 개발을 실시하고 있다. 본고에서는 이 두 가지 방식 중 빛에 의한 방식과 레이저를 이용한 방식(L-SSPS)에 대해 소개한다.

정리 편집부

레이저 방식에 의한 우주 태양광 발전

L-SSPS에서는 태양에너지를 레이저광으로 변환하는 수단으로서 2가지 방식이 검토되고 있다. 하나는 태양광에서 직접 레이저광으로 변환하는 태양광 직접 여기 레이저 방식(빛 → 광변환)이며, 다른 하나는 태양전지 등으로 발전한 전력을 사용해 다이오드 레이저를 발진시키고 그것을 여기원(勵起源)으로 레이저를 발진시키는 간접 여기법이다. L-SSPS의 개념도를 [그림 1]에 나타냈다. L-SSPS의 연구과제는 우주에서의 에너지 변환 기술과 우주에서 지상으로의 에너지 전송 기술을 확립하는 것이다. 본고에서는 우주에서 지상으로의 전송 기술에 주목한다.

에너지 전송에서의 연구과제는 전송 효율과 안전성의 확보이다. 지상에서 약 36000킬로미터 떨어진 정지궤도에서 지상의 수광설비에 레이저광을 보내는 안전하고 안정적인 에너지 전송 기술의 확립이 요구된다.

현시점에서 전송에 관한 과제로는

(1) 방향 제어와 안전성 보장(전송 기술과 안전성)

(2) 지구의 대기 및 기상의 영향(투과율·운용률)

(3) 지상에서의 에너지 이용 기술(변환효율) 등을 꼽을 수 있다.

레이저 전송의 개요

L-SSPS의 기본 유닛은 [그림 1]에서 보이는 바와 같이 빛을 모으는 집광계, 태양광을 레이저로 변환하는 레이저 발진 위성(레이저 증폭부, 발진부, 빔 제어부), 미이용 열에너지 방출을 위한 라디에이터로 구성된다.전송 기술의 관점에서 본 L-SSPS 시스템의 개요를 [그림 2]에 나타냈다. 레이저 발진은 태양광 직접 여기 고체 레이저를 사용하여 고효율 에너지 변환을 실시하고, 발진한 레이저광을 전송해 지상으로 에너지를 보낸다. 태양광 직접 여기 고체 레이저에서는 레이저 매질에 들어가는 태양광 에너지의 1/3 정도가 레이저광으로 변환될 것으로 기대되며, 1유닛당 10MW 정도의 에너지가 발생한다. 상용 L-SSPS 레이저 발진부의 주요 사양은 [표 1]에서 보이는 바와 같이, (1) 발생 전력: 10MW (2) 빔 직경: 5cm, (3) 빔 품질(M2): 2, (4) 빔 프로파일: 가우스 분포이다.

레이저 전송부는 [그림 2]에서와 같이 추적 방향 제어부와 망원경부로 구성되며, 현시점에서 검토되고 있는 시스템은 송신 빔이 50cm, 무한 개구(開口)에서 지향오차는 1μrad, 빔 품질 M²=2, 대기 교란에 의한 확산의 영향 및 산란의 확산 영향은 작아 무시하는 것으로 하고, 이 조건에서 단일 빔에 의한 지상의 빔 직경은 220m를 예상하고 있다.

발진한 레이저는 추적 지향 제어부를 지나 망원경부에서 확대된다. 추적·지향 제어부는 입사 빔 직경이 5cm, 파워밀도가 500kW/cm²이며, 추적 정밀도는 1μrad, 빔 허용 편향각은 1mrad를 요구치로 하고 있다. 망원경부는 빔 프로파일을 보존하기 위해 축외 포물면 확대경을 상정하고 있으며 10배로 확대 가능하다. 그 결과, 입사 에너지는 단위 면적당 1/100로 5kW/cm²이 된다. 송신 빔 지름은 50cm이며 38000km 전송에 의해 가우스 빔으로 지상에서의 빔 지름은 220m, 수광점에서의 평균 파워밀도는 0.27kW/m²이 된다.

방향 제어와 안전성 보장

레이저 빔의 방향 제어에는 기본적으로 2가지 방법이 고려된다. 하나는 가이드 빔에 의한 방향 제어이며, 다른 하나는 폐쇄 루프에 의한 레이저 빔 방향 제어이다.

전자는 지상의 가이드광 도래 방향으로 레이저 빔을 조준하는 것이며, 후자는 지상 설비에서 레이저 빔의 위치를 모니터하고 그 차이에 대한 정보를 궤도상 시스템에 송신하여 보정하는 개념이다.

이러한 연구의 대표적인 사례로는 2005년도에 발사된 광위성간통신실험위성「키라리(OICETS)」가 있다. 수만 km 떨어진 위성 간 레이저광에 의한 통신 실험이 진행되면서 입력 레이저광의 빔을 잡는 「포착」, 입력 레이저광의 각도를 검출·제어하는 「추적」, 상대 위성의 위치 오차 등을 계산에 넣어 레이저광을 정확한 위치에 방사하기 위한 「지향」과 같은 실험이 실시됨에 따라 높은 정밀도로 위성 자세를 제어하는 기반기술이 확보되었다.

L-SSPS는 이러한 기반기술의 연장선에서 「포착」, 「추적」, 「지향」 기술을 실증하고, 정지궤도상에서 지상 설비를 향해 고출력의 에너지 전송을 실시한다. 향후, 고출력 전송의 실증을 위해서는 어느 정도의 크기(치수)에서 에너지 밀도를 맞춰 에너지 전송의 관점에서 전송 광학계를 검증할 필요가 있다.

지구의 대기와 기상의 영향

L-SSPS의 레이저 전송 과제로서 우주에서 지상으로의 레이저 전송 시 레이저의 대기투과율이 존재하기 때문에 이 대기투과율의 높낮이가 L-SSPS 시스템 효율을 생각하는 데 있어 중요하다.

이 L-SSPS의 전송에 사용하는 레이저 파장은 대기흡수가 거의 없는 1.06μm의 파장을 이용하지만 레이저도 빛이기 때문에 구름에 의한 차폐 및 산란, 에어로졸에 의한 산란·흡수는 불가피하다. 우주항공연구개발기구(JAXA)는 대기 중 레이저광의 전파를 파악하기 위해 고출력 전송 시험을 실시하여 대기투과에 관한 지식을 얻었다([그림 3] 참조).

이러한 실험뿐만 아니라, 기상 데이터를 바탕으로 일본 부근의 레이저광 파장 대역의 대기투과율에 관한 조사 검토도 실시했다. 조사는 (1) 지상의 직달 일사량으로부터 대기투과량을 추정하는 방법, (2) 일조시간으로부터 추정하는 방법, (3) 히마와리(일본 최초의 정지 기상 위성) 화상(이미지)에 의한 피운율(被雲率)로부터 추정하는 방법, (4) 스카이 라디오미터에 의한 방법 등을 대상으로 실시했으며, 그 결과 30~40%의 대기투과율을 보였다.

수전(受電) 기지가 1개소인 경우 연간 운용률이 30~40%가 되는데 이 연간 운용률을 높이기 위해 수전 기지의 복수 설치를 검토할 수 있다. 기상 조건이 다르고 지리적으로 떨어져 있는 후보지를 선정하여 연간 운용률에 대해 시뮬레이션을 실시한 결과, 후보지가 2개소인 경우의 운용률은 70%, 5개소인 경우에는 98%를 넘는 운용률을 기대할 수 있다.

지상에서의 에너지 변환

L-SSPS 시스템 성립의 또 다른 핵심 기술 중 하나는 지상 수전 시스템에서의 에너지 변환 기술이다. 현시점에서의 수광(受光) 기지의 규모는 수광 범위의 지름을 300~500m로 상정하고 있다. [그림 4]에 해상을 가정한 수광 기지의 상상도(想像圖)를 나타냈다. 우주에서 쏟아지는 1064nm의 레이저광을 효율적으로 활용하는 기술로서 몇 가지 활용 방법이 있다. 하나는 광전변환을 이용하여 전력을 얻는 방법으로, 이는 현재의 태양광 발전 기술의 연장선상에 있는 기술이라 할 수 있다. 최근의 고효율 태양광 발전 기술은 눈부신 발전과 진보를 거듭해 왔다. 에너지 변환에 이용되는 태양전지는 현재 미정이지만, 레이저광 파장에 특화된 고효율 변환을 할 수 있는 장치 개발이 필요하다. 현재로선 단결정 실리콘 및 CIS(구리, 인듐, 셀레늄 화합물), InGaAs 등을 검토해 최종적으로는 변환효율 60~65%를 목표로 하고 있다.

직접발전이 아닌 방법으로 레이저광을 이용한 수소 생성 기술의 응용에 대해서도 연구가 진행되고 있다. 아울러 수소를 기반으로 한 에너지 인프라 연구도 진행되고 있어 레이저광에 의한 수소 생성은 에너지 저장 기술로서 기대를 모으고 있다.

파장 1064nm의 레이저 열원으로서 활용하는 방향도 검토되고 있다. 최근 선벨트(Sunbelt) 지대에서의 이용으로 주목을 받고 있는 태양열 발전은 태양에너지를 열의 형태로 집열하여 종래의 역동적인 발전을 실시하고 있다. 태양열 발전은 야간의 에너지 공급이 약점이기 때문에 낮 동안의 태양열 일부를 축열(蓄熱)하거나 화석연료에 의한 에너지 공급으로 발전을 실시하고 있다. L-SSPS는 정지궤도상에서 주야 구분 없이 에너지를 전송할 수 있으므로 밤낮을 가리지 않고 열에너지로 활용함으로써 기존의 태양열 발전 기술에도 이용 가능하다.

우주 태양광 발전에 대한 개념은 미국의 피터 글레이저 박사가 1968년에 제안하였고 NASA(미국 항공 우주국)를 중심으로 연구가 진행되었다. 일본에서도 일찍부터 SSPS 개발이 진행되어 현재에도 많은 대학과 JAXA에서 연구가 이루어지고 있다. 2009년에 책정된 우주개발기본계획에서도 SSPS의 구현을 목적으로 기록되었으며, 에너지 자원이 부족한 일본이 직접 에너지를 확보하는 수단으로서 조기 개발 운용이 기대되고 있다.