본 논문에서는 자기공명방식 무선전력전송 시스템의 효율을 증가시키기 위해 송·
수신 공진코일에 초전도체를 적용하였다. 기존의 상전도 코일보다 저항값이 낮고 전 류밀도가 높은 초전도체를 공진코일에 대체함으로써 Q-factor를 증가시킬 수 있었다.
최대한 초전도 특성을 살리기 위해 MIT에서 구현한 4코일 방식의 무선전력전송 시스 템을 구현하여 시뮬레이션을 바탕으로 실제 실험에서 네트워크 분석기를 이용해 전 송 특성을 분석하였다.
시뮬레이션의 결과, 송·수신 공진 코일에 모두 구리와 초전도체를 적용하였을 경 우, 각각의 S11은 약 -9.8dB, -23.1dB이며, 공진주파수는 각각 9.57MHz, 9.63MHz이다.
이 때 smith chart 상의 반사계수는 구리와 비교해 송·수신 코일 모두 초전도체를 적용했을 때, smith chart의 중심에 가까운 것을 확인할 수 있었다. 송·수신부의 재 질을 다르게 설정해 송신부 공진 코일에만 초전도체를 적용했을 경우의 S11은 약 -7.8dB를 나타냈고 공진주파수는 약 9.5MHz를 나타냈다. 또한, 수신부에만 초전도체 를 적용했을 경우의 S11은 약 -8.3dB, 공진주파수는 약 9.5MHz를 나타냈다. 이 때 smith chart 상의 반사 계수는 두 경우 모두 비슷한 값을 나타냈다.
실험 결과, 송·수신 공진 코일에 모두 구리와 초전도체를 적용하였을 경우, 각각 의 S11은 약 -9.1dB, -21.6dB이며, 공진주파수는 각각 12.2MHz, 12MHz이다. 이 때 smith chart 상의 반사계수는 시뮬레이션과 마찬가지로 구리와 비교해 송·수신 코일 모두 초전도체를 적용했을 때, smith chart의 중심에 가까운 것을 확인할 수 있었다.
송·수신부의 재질을 다르게 설정해 송신부 공진 코일에만 초전도체를 적용했을 경 우의 S11은 약 -6.3dB를 나타냈고 공진주파수는 약 12.2MHz를 나타냈다. 또한, 수신 부에만 초전도체를 적용했을 경우의 S11은 약 -7.3dB, 공진주파수는 약 12.2MHz를 나 타냈다. 이 때 smith chart 상의 반사 계수는 두 경우 모두 비슷한 값을 나타냈다.
시뮬레이션과 실험 결과를 바탕으로 초전도 공진코일을 적용한 무선전력전송 시스 템의 반사 손실 값이 높아 전력 전달이 잘 되는 것을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션 과 실험결과를 비교했을 때, 공진주파수 및 전송 특성이 완벽히 일치하지 않았다. 이 것은 시뮬레이션의 이상적인 실험설정이 실제 실험에서는 초전도체 및 구리의 저항, 인덕턴스 값의 변화가 생겨 Q-factor값이 달라졌기 때문이다.
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초전도체는 고주파에서 교류에 의한 손실이 생기는데 이러한 손실을 최소화하기 위해서는 차후 공진코일의 설계를 통해 수 kHz 영역의 공진 주파수로 낮추는 설계가 필요하다. 또한, 초전도 코일을 적용한 무선전력전송 시스템은 극저온을 위해 냉각용 기 및 액체질소가 필수적이다. 이는 냉각용기의 부피로 인해 사용 장소의 제한이 따 르며, 액체 질소의 유지에 따른 유지비용 및 충전의 불편함이 따른다. 따라서 전도냉 각방식을 이용해 초전도 코일의 극저온 상태를 유지시킬 수 있는 연구가 필요하다.
자기공명방식 무선전력전송은 기존의 방식의 단점을 보완한 유망한 기술이다. 본 논문에서 제시한 초전도 공진코일은 무선전력전송의 효율을 향상시킬 수 있으며, 지 속적인 연구를 통해 전기자동차 및 전기철도 등의 대전력 충전 시스템에 이용할 수 있을 것으로 사료된다.
REFERENCE
[1] 김종대, “무선전력전송 마지막 남은 케이블로부터의 해방”, LGERI Report, 2012.
[2] 신용희, 오용승, 안강순, 김창선, “근거리 무선전력전송 고찰”, vol. 2009, no. 1, pp.
702-704, 2009.
[3] 신용희, 김창선, “근거리 무선 전력전송 장치 연구”, 전기의 세계, vol. 59, no. 1, pp. 56∼59, 2010.
[4] 대한전기학회 기획시리즈, "무선 전력 전송 기술의 동향 및 현황", 대한전기학 회지, Vol. 9, no. 1, 2010.
[5] 안성덕, “무선전력전송 기술개발 동향”, TTA Journal, Vol. 138, pp. 45-51, 2011.
[6] 한국전파진흥협회, “무선전력전송 기술개발 및 표준화 동향”, 2011.
[7] 김정호, 장병준, 안준오 “무선전력전송 기술개발 및 표준화 동향", 한국 전파진흥협 회, 2011.
[8] Nikola Tesla, "Apparatus for transmitting electrical energy", U.S.patent 1119732, 1914.
[9] Hype Cycle for Emerging Technologies, 2012.
[10] Andre Kurs, Aristlidis Karalis, J. D. Joannopoulos and Marin Soljacic, "Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances", Science, vol. 317, no. 5834, pp. 83-86, 2007.
[11] Aristlidis Karalis, J. D. Joannopoulos and Marin Soljacic, "Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer", annals of Physics, vol. 323, no. 1, pp. 34-38, 2008.
36
-[13] I.S.Jeong, H.S.Choi, "Characteristics of Wireless Power Transmission applying the Superconducting coil", KIEE, Vol. 62, No. 6, pp. 762∼766, 2013.
[14] http://www.wirelesspowerconsortium.com
[15] 강승열, 김용해, 이명래, 정태형, “무선 에너지 전송 기술”, 전자통신 동향분 석, 제23권, 제6호, pp. 59~69, 2008.
[16] ICNIRP, "Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (up to 300GHz)," Health Physics, vol. 74, no. 4, pp. 494-522, 1998.
[17] ICNIRP, "Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric and Magnetic Fields (1Hz to 100 kHz)," Health Physics, vol. 99, no. 6, pp. 818-863 2010.
[18] IEEE Std C95.1, IEEE standard for safety levels with respect to human ex posure to radio frequency electromagnetic fields, 3 kHz to 300 GHz, 1999.
[19] 김진욱, 손현창, 김도현, 김관호, 박영진 “K 인버터를 이용한 전자기 유도 방식과 자기 공명 방식의 특성비교”대한전기학회, vol. 2011, no. 7, pp. 9-7, 2011.
[20] 김용해“자기공진형 무선전력전송 기술”전자공학회지, vol.38, no.9, pp.
17-22, 2011.
[21] H. S. Choi, O. B. Hyun, H. R. Kim, K. B. Park, "Switching properties of hy brid type superconducting fault current limiter using YBCO stripes," IEEE Trans. Appl. Supercond, vol. 12, pp. 1833∼1838, 2002.
[22] M. Yagami, S. Shibata, T. Murata, J. Tamura, "Improvement of power system transient stability by superconducting fault current limiter", Trans. and Distri.
Conf. and Exhi., vol. 1, pp. 359∼364, 2002.
[23] S. H. Lim, J. C. Kim, B. W. Lee, "Improvement of recovery characteristics of a flux-lock type SFCL using a superconductor's trigger", IEEE Trans. Appl.