신재생에너지의 핵심기술은 혁신적인 전력전자 기술

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2015년 09월 03일

설승기 교수, 서울대학교 공과대학 전기컴퓨터공학부
전력전자 분야에서 가장 활발한 연구개발 활동을 하고 있는 전문가로 서울대학교 설승기 교수가 있다. 미국 GM, 일본 야스카와전기를 비롯한 국내외의 많은 업체들과 전력전자 분야 프로젝트를 추진하고 있으며, 설승기 교수의 연구결과에는 세계가 이목을 집중하고 있다.
신재생에너지가 급부상하고 있다. 배럴당 100달러를 향해 달리는 유가의 상승이 지속되고, 지구 환경 보전을 위한 국제적인 강제 규정 움직임도 활발하게 추진중이다. 고갈되어 가는 석유자원을 대체하고 환경 오염원을 발생하지 않는 새로운 대체 에너지원에 대한 관심이 크게 증가하고 있는 것이다.
현재 석유자원의 30% 이상이 수송용과 발전용에 사용되고 있다. 발전용 에너지의 60% 이상은 모터 구동에 쓰인다. 전기 에너지의 80% 이상은 조명과 모터 구동에 사용된다. 이러한 현실에서 에너지를 최대한 절감하기 위한 다각적인 노력이 진행중이다. 유가의 상승은 지속되고 있는 반면, 전력변환 시스템은 실질가격을 기준으로 50% 이하로 하락했다. 따라서 더 많은 곳에서 전력변환기의 사용이 다각적으로 모색되고 있는 것이다. 또한 정보통신 기술이 많은 분야에서 접목중이다. 정보통신 기술을 이용한 에너지 제어에서 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 전력전자 기술이다.
에너지 사용 최적화 기술이 요구된다
설승기 서울대학교 교수는 “유가의 상승과 정보통신 기술에 기반한 전력전자 기술을 통해 기존의 에너지 소모량을30~50%까지 절감할 수 있다.”고 말했다. 이러한 전력전자 기술은 기존의 전통적인 산업자동화 분야에서의 모터 제어는 물론, 하이브리드 자동차, 연료전지, 태양광 및 풍력발전, 그리고 가전분야에 이르기까지 폭넓게 시장이 형성되고 있다. 전력전자 기술에 대한 폭발적 수요가 형성되고 있는 중이다.
하이브리드 자동차는 에너지 손실을 최소화하고자 하는 노력속에서 연구개발이 적극 추진되고 있는 대표적인 분야이다. 기존의 자동차는 소비 에너지가 무척 높다. 50~100여개의 소형모터를 사용하고 있기 때문이다. 더구나 주행속도가 일정치 않아 급격한 가감속이 이루어지는 도심지역에서의 자동차 에너지 손실은 더욱 높아진다. 그 손실 에너지를 회수하여 재사용하고자 하는 노력의 결과가 하이브리드 자동차의 탄생을 낳았다. “엔진의 최적 효율점은 속도와 회전력에 의해서 결정된다. 이러한 최적 효율화는 기존의 다단기어 방식으로는 불가능하다. 따라서 하이브리드 자동차는 엔진을 최적 효율점에서 운전하는 것을 목표로 한다.”
설승기 교수는 냉장고, 세탁기, 에어컨 등 가전분야에서도 전력전자 기술이 크게 파급될 것으로 전망했다. “가전분야에서도 에너지 절감과 사용의 편리성이 최대의 화두이다. 현재 전력전자 기기의 채용은 30~40% 미만인 실정이며, 궁극적으로 10년이내에는 80~90%까지 확대될 것이다.”고 말했다. GNP의 성장과 비례하여 가전분야에서의 시스템 효율과, 사용자 편리성을 높이기 위한 고효율 전력변환기의 채용이 늘어나고 있다는 것이다.
전력전자 기술로 에너지를 잡아라
풍력 및 태양광 발전, 그리고 연료전지 분야에서도 기존의 전류를 교류로 변환하기 위한 전력전자 기술이 핵심을 차지한다. 전력변환 회로와 제어기술은 점점 고효율을 확보하면서 크기와 가격은 하락중이기도 하다. 때문에 전세계적으로 관심이 급증하고 있는 풍력 및 태양광 발전분야에서 전력전자 분야 시장확대가 지속적으로 성장해 나갈 전망이다.
설승기 교수는 “국내에서는 국토가 좁고, 기간 전력망의 구축이 우수한 편이지만, 해외의 경우에는 거대규모의 해상 풍력단지가 지속적으로 추진되고 있는 실정이다.”며, 국내 신재생에너지 전문업체들의 관심과 시장 진출이 활발하게 진행되고 있는 지금, 전력전자 기술의 확보에 우선순위를 두고 있는 중이라고 설명했다.
“신재생에너지 분야에서 사용되는 전력변환장치는 무엇보다도 일반 산업자동화에서 사용되는 기술에 비해 효율이 매우 높아야 한다. 또한 수명이 좋아야 하며, 전원을 상대하는 분야이기에 사용분야에 대한 특성을 고려하는 것이 무엇보다 중요하다.” 해상 풍력단지 등에 설치될 경우에는 바다라는 악조건과 풍속 및 풍향의 변화에도 유연하게 대처할 수 있어야 하며, 태양광에서는 반도체가 가장 민감한 발열부문에서의 환경조건을 충족시켜야 한다. 또한 손실없는 장거리 전력전송을 위한 조건도 고려한 특화된 전력전자 기술이 필요하다는 것이다.
아이씨엔 매거진 2007년 12월호