선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 추가적으로 철도 궤도의 특성에 의한 균일한 공극 조건에서 효율적 급전이 가능한 설비구성으로 에너지 효율성이 높으며, 별도의 추가적 장치 없이 제동 시 발생하는 회생에너지 이용이 가능한 경제적인 시스템 구성이 가능하다[3]. 이러한 장점들을 살펴볼 때, 국내 철도차량용 무선전력전송 시스템 관련 기술력 확보가 시급하게 이루어져야 하며 이를 위하여 본 연구가 진행이 되었다.
제안 방법
- 표 5는 기존의 무가선트램용 시스템과 고속철도용 시스템의 사양 비교를 보여주며, 그림 7은 고속철도용 무선전력전송 시스템의 각 구성품 및 설치도를 보여준다. 고속열차를 움직이기 위한 대용량(1MW급, 출력전압 2800V) 무선전력 전송 기술을 구현하기 위해 제한된 공간 내에 절연이 파괴되지 않으면서 내압을 높이는 기술이 필요하며, 이를 위해 급전선로는 분산형 구조, 집전모듈은 코일 권선설계 및 절연 최적화 등의 기술을 적용하였다. 기존 무선전력전송 시스템에는 60kW, 200kg의 단위 집전모듈이 적용되었지만, HEMU 고속열차에는 300kW, 300kg의 단위모듈을 적용하여 용량대비 무게를 기존 시스템 대비 30%로 줄였다.
- 5배 높은 용량인 1MW급으로 세계 최초로 대용량 기술을 구현하였다. 기존의 버스나 트램의 충전식 무선전력전송 기술을 탈피하여 세계 최초로 배터리 없이 무선으로 집전된 전력만으로 직접 차량을 기동하는 대용량 온라인 무선전력전송 열차를 구현하였다. 표 5는 기존의 무가선트램용 시스템과 고속철도용 시스템의 사양 비교를 보여주며, 그림 7은 고속철도용 무선전력전송 시스템의 각 구성품 및 설치도를 보여준다.
- 뉴질랜드의 경우, 오클랜드 대학에서 매입형 유도전력 급전장치와 차량 내 충전기를 최소화하는 구동시스템 등을 개발하였다. 또한 환경 친화적인 도로 전용 유도급전 소형자동차 시험선을 구축하여 상용화 검증시험을 수행하였다. 철도분야에서는 독일의 Bombardier를 제외하고는 아직 활발하게 연구가 진행 되고 있는 상황은 아니다.
- 그림 6은 무가선트램용 무선전력전송 시스템의 각 구성품 및 설치도를 보여준다. 시험선로의 레일 사이에 급전선로를 매설하였으며, 무가선트램 하부에 장착 가능한 집전모듈과 지그 구조를 제작하였다. 단일 집전모듈은 최대 60kW의 전력을 수집할 수 있으며, 정류기가 포함되어 있어 DC 전력 출력이 가능하다.
대상 데이터
- 해외에서도 대용량 무선전력전송 기술에 대한 연구 개발의 움직임이 활발하며, 특히 독일, 프랑스, 영국 등을 포함하는 유럽연합에서는 2002년도부터 EVIAC(Electric Vehicle Inductive Automatic Charging) 를 구성하여 전기자동차 및 경량전철에 활용할 수 있는 자기 유도방식 기술을 공동 개발하고 있다. 자기 유도방식 기술을 수송시스템에 적용한 사례로는 독일 Wampfler사의 뉴질랜드 와카레와레 공원의 20kW급 순환용 자동차와 Italy의 Porto Antico의 60kW급 버스가 있다. 뉴질랜드의 경우, 오클랜드 대학에서 매입형 유도전력 급전장치와 차량 내 충전기를 최소화하는 구동시스템 등을 개발하였다.
- 무가선트램용 무선전력전송 시스템은 기존의 대전력을 공급할 수 있는 DC 전원설비와 이를 60kHz의 고주파 전력으로 변환 해주는 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 방식의 공진형 인버터, 변환된 고주파 전력을 자기에너지 형태로 변환해 주는 급전장치, 급전장치에서 올라온 자기에너지를 다시 고주파의 전기에너지로 바꾸어주는 집전장치, 집전장치로부터 수집된 고주파 전력을 무가선트램의 배터리 충전에 사용 가능한 DC전력으로 만들어 주는 정류기, 정류된 DC 전력의 부스트 및 채널간 전류 평형 기능을 갖고 있는 레귤레이터 등으로 구성이 된다. 전원장치는 기존의 무가선트램에 사용하는 DC 750V를 이용하였다. 공진형 인버터는 IGBT 스위칭 동기화 방식을 사용하여 최대 60kHz/200kW급 전원을 만든다.
성능/효과
- 이로써 무선전력전송 기술의 고속열차 적용이 세계 최초로 검증되었을 뿐만 아니라 대용량 열차에의 적용 가능성이 열렸다. 고속열차용 무선전력전송 시스템은 기존 무선충전형 전기버스의 용량 100kW보다 10배 높고, 무가선트램의 용량 180kW보다 5.5배 높은 용량인 1MW급으로 세계 최초로 대용량 기술을 구현하였다. 기존의 버스나 트램의 충전식 무선전력전송 기술을 탈피하여 세계 최초로 배터리 없이 무선으로 집전된 전력만으로 직접 차량을 기동하는 대용량 온라인 무선전력전송 열차를 구현하였다.
- 고속열차를 움직이기 위한 대용량(1MW급, 출력전압 2800V) 무선전력 전송 기술을 구현하기 위해 제한된 공간 내에 절연이 파괴되지 않으면서 내압을 높이는 기술이 필요하며, 이를 위해 급전선로는 분산형 구조, 집전모듈은 코일 권선설계 및 절연 최적화 등의 기술을 적용하였다. 기존 무선전력전송 시스템에는 60kW, 200kg의 단위 집전모듈이 적용되었지만, HEMU 고속열차에는 300kW, 300kg의 단위모듈을 적용하여 용량대비 무게를 기존 시스템 대비 30%로 줄였다. 또한 일반적으로 대용량의 무선전력전송을 위해 사용하는 전압 안정화 모듈인 레귤레이터를 제거하는 실험에 성공하여 상용화에 한걸음 더 가깝게 다가가는 기술적 진보를 달성하였다.
- 2m, 도로표면과 집전모듈과의 공극간격 65mm, 급전주파수 20kHz, 에너지 전달효율 93%, 집전전력 750Vdc/800A, 최대출력 250kW로 설계되었으며, 독일의 Bautzen 시험선에서 시험운행이 완료되었다. 또한 Double layer capacitor를 기반으로 한 MITRAC Energy Saver를 탑재하여 차량의 제동 시 발생하는 회생 에너지를 다시 이용함으로써 에너지 사용량을 최대 30%까지 최소화하였다.
- 3개의 집전모듈을 사용하여 총 180kW의 전력 출력이 가능하며 집전모듈끼리는 서로 병렬로 연결되어 있다. 무가선트램 차량의 주행 중 무선전력전송 시스템의 효율 변화를 계측한 결과 효율이 86~89%로 출력의 크기에 크게 영향을 받지 않았으며, 무가선트램 차량의 주행 중에도 무선전력전송 시스템의 효율은 3% 이내로 거의 일정하게 유지된다.
- 따라서 미래 철도교통 시스템에서는 신개념의 전력공급시스템 기술 개발이 필요한 상황이며, 무선전력전송 기술이 하나의 대안이 될 수 있다. 무선 전력전송 기술의 철도차량 적용 시 에너지 소모량이 가장 적은 트램 차량을 활용하는 것이 가장 용이할 것으로 판단된다. 무선전력전송 기술의 트램 차량 적용 시 장점을 살펴보면, 도심 통과 노선에서의 가공 전차선 설비가 불필요하므로 고비용의 고가 구조물이 필요 없게 되고, 터널 또는 지하 구간 공사 시 터널단면적을 줄일 수 있어 건설비 저감이 가능하며, 전차선/판토그래프 설비의 접촉에 의한 마모가 없어 유지보수 비용의 절감이 가능하다.
후속연구
- 대용량 무선전력전송 기술은 주로 교통시스템으로 적용범위를 확대하고 있다. 교통 분야의 무선전력전송 기술은 광범위하게 활용될 것이며, 버스나 트램과 같은 대중 교통수단에서 가장 먼저 활용될 것으로 예상된다. 충전 장치로써, 무선전력전송장치 중 송신부는 버스 정류장이나 운행 도로 아래에 설치되며, 수신부는 차량의 하부에 설치가 되며, 향후 약 10년 이내에 대중화되어 많은 곳에서 활용될 것으로 예상된다.
- 무선전력전송 기술의 철도차량 적용 성공으로 향후 대용량 전력이 필요한 도시철도와 고속철도 등 모든 철도시스템에 무선전력전송 기술을 적용할 수 있는 가능성이 열렸다고 본다. 또한 무선전력전송 기술의 상용화를 위한 추가적인 기술개발을 통해 새로운 도시철도를 건설 계획 중인 광주, 대전, 창원 등의 지방자치단체에 5년 이내 상용화 할 수 있을 것으로 보인다. 향후 철도차량 전용 무선전력전송 기술의 상용화를 위해 시스템 최적설계 연구 및 설치/유지보수 비용 최적화 연구가 지속적으로 수행되어야 한다.
- 무선전력전송 기술의 철도차량 적용 성공으로 향후 대용량 전력이 필요한 도시철도와 고속철도 등 모든 철도시스템에 무선전력전송 기술을 적용할 수 있는 가능성이 열렸다고 본다. 또한 무선전력전송 기술의 상용화를 위한 추가적인 기술개발을 통해 새로운 도시철도를 건설 계획 중인 광주, 대전, 창원 등의 지방자치단체에 5년 이내 상용화 할 수 있을 것으로 보인다.
- 전세계적으로 교통 분야에의 무선전력전송 기술 개발 연구가 활기를 띠면서 향후 대중 교통 수단에서 광범위하게 활용될 것으로 판단된다. 한국철도기술연구원과 KAIST에서 무가선트램 및 고속철도차량 적용에 성공한 무선전력전송 기술은 지상 궤도를 따라 설치된 급전장치에서 60kHz의 자기장을 생성시켜 차량 하부에 설치된 집전장치와 자기공명방식을 통해 대용량 전력을 무선으로 전송하는 기술이며, 집전효율을 측정한 결과 정차 중과 주행 중에 대해서 약 85% 이상의 높은 효율을 가지는 것을 확인하였다.
- 교통 분야의 무선전력전송 기술은 광범위하게 활용될 것이며, 버스나 트램과 같은 대중 교통수단에서 가장 먼저 활용될 것으로 예상된다. 충전 장치로써, 무선전력전송장치 중 송신부는 버스 정류장이나 운행 도로 아래에 설치되며, 수신부는 차량의 하부에 설치가 되며, 향후 약 10년 이내에 대중화되어 많은 곳에서 활용될 것으로 예상된다. 국내 대용량 무선전력전송 기술은 KAIST 온라인 버스 기술을 시작으로 크게 발전하고 있다.
- 또한 일반적으로 대용량의 무선전력전송을 위해 사용하는 전압 안정화 모듈인 레귤레이터를 제거하는 실험에 성공하여 상용화에 한걸음 더 가깝게 다가가는 기술적 진보를 달성하였다. 향후 무선전력전송기술의 철도 분야에서의 실용화를 위하여 집전모듈의 소형화 및 경량화, 공극증대에 따른 전력 전달능력 확보, 비용절감을 위한 최적설계 기술 개발 등이 지속적으로 진행되어야 할 것이다.
- 한국철도기술연구원과 KAIST에서 무가선트램 및 고속철도차량 적용에 성공한 무선전력전송 기술은 지상 궤도를 따라 설치된 급전장치에서 60kHz의 자기장을 생성시켜 차량 하부에 설치된 집전장치와 자기공명방식을 통해 대용량 전력을 무선으로 전송하는 기술이며, 집전효율을 측정한 결과 정차 중과 주행 중에 대해서 약 85% 이상의 높은 효율을 가지는 것을 확인하였다. 향후 시스템의 추가적인 효율개선 노력과 철도 차량에 적용하기 적합한 최적 구조 도출을 통하여 상용화가 가능할 것으로 판단이 된다.
- 또한 무선전력전송 기술의 상용화를 위한 추가적인 기술개발을 통해 새로운 도시철도를 건설 계획 중인 광주, 대전, 창원 등의 지방자치단체에 5년 이내 상용화 할 수 있을 것으로 보인다. 향후 철도차량 전용 무선전력전송 기술의 상용화를 위해 시스템 최적설계 연구 및 설치/유지보수 비용 최적화 연구가 지속적으로 수행되어야 한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.