인공위성 태양전지판 볼까요

무더운 여름, 우연히 본 야하항시의 무수한 별 속에서 인공위성을 본 적이 있는가? 인공 위성은 지구의 인력에 끌리지 않게 불변하는 속도로 지구를 공전하는데 정지 궤도 위성의 경우 그 속력이 무려 약 3km/s이었다 인공 위성은 1년 3651, 하루 24시간 내내 자신의 댐의 실시에 계속되는 전력 공급원을 가져야 한다. 그렇다면 저심해와 같은 우주에서 인공위성은 어떻게 전기가 공급될까. 그것은 즉, 우리가 평소처럼 볼 수 있는 태양전지판 덕분이었다 태양전지판은 우주의 무한한 순수 에너지인 태양에너지를 변환시켜 전력을 만든다. 우주 공간에서 인공위성이 운용되는 데 결정적인 역할을 할 태양전지판에 대해 알아보자.

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태양전지판은 발사체에 부러진 상태로 탑재돼 본인(왼쪽), 우주공간에 도착하면 확장(오른쪽), 태양에 자니지로 인공위성에 전력을 제공합니다.

인공위성은 로켓으로 우주로 간다. 로켓의 머리, 페어링에 탑재되는 인공위성은 발사대기 상태인 경우 택지전원장비에서 전력을 제공받고 발사 수분 전 부지의 인공위성의 전력제공원은 택지전원장비에서 위성내부 배터리로 전환된다. 지구와 안녕을 알리고 발사체 몸을 싣고 우주로 올라간 인공위성은 우주공간에서 발사체와 분리된 뒤 홀로 여행을 해야 합니다. 인공위성이 우주공간에 도달해 가장 먼저 할 일은 택지국과 통신할 수 있도록 자세를 갖춘 뒤 곧바로 태양전지판을 넓히는 일이었다. 왜냐하면 발사 수분 전 국토에서 계속 인공위성 자체 배터리를 사용했기 때문에 완전 방전 우려가 있고, 완전 방전이 되면 인공위성은 우주에서 제 기능을 수행할 수 없기 때문이다. 따라서 인공위성은 완전 방전상태가 되지 않기 위해 태양전지판을 신속하게 펼쳐서 태양광을 받아야 하고, 이로 인해 방전된 배터리를 재충전해야 합니다.

심하게 흔들리면서 올라가는 발사체 페어링 내에서 인공위성 태양전지판이 손상 없이 우주로 올라가려면 위성체에 단단히 고정돼야 한다. 태양전지판을 말끔히 접은 뒤 위성체 동체에 붙이기 위해 고정핀을 이용하게 된다. 이를 HDRM(Hold Down Release Mechanism)방식이라는 1). 역시 태양전지판이 전개될 때 고정핀을 장착한 곳에 폭발성 소자를 사용해 일일이 절단해 본인끼리다. 우주 공간에서 태양이 닿지 않는 곳은 매우 춥기 때문에 고정 핀이 얼어 끊어지지 않을 수도 있다. 이 때문에 태양 전지판 사이에 관통한 고정 핀 이 햇빛을 받을 수 있도록 인공 위성의 자세를 바꾸어 주기도 한다(2). 마지막으로 태양 전지판이 본체로부터 전개된 뒤 모터가 돌다(3)이때 끈이 끌리는 힘을 이용 칠로 태양 전지판이 완전히 전개한다(4). 성공적으로 전개된 태양전지판은 태양광을 받아 인공위성이 사용하는 전력에 그 대지를 생성하고 방전된 배터리를 충전한다.

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천리안 위성의 태양전지판 전개 시험.

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태양전지판의 전개과정

그렇다면 태양 전지 패널의 크기를 결정하는 요소는 무엇 1? 그것은 인공위성에 주어진 임무를 수행하는 데 소요되는 전력량을 계산하는 것이었다 역시 우주 공간에서는 햇빛이 태양전지판에 연구되는 각도에 따라 태양전지판이 발생하는 전력량이 달라지는 것을 고려해야 합니다. 태양전지판이 받아들이는 태양빛으로 생산하는 전력량을 계산하려면 우선 지구의 공전 궤도를 살펴봐야 합니다. 지구는 태양에서 약 1억 5천만 km 떨어지고 있다. 지구의 궤도는 원형 궤도가 아니라 타원 궤도인 때문에 근 1점(태양에 가장 근접하는 시점)과 온양 1점(태양으로부터 가장 먼 되는 시점)의 차이는 500만 km정도였다 북반구를 기준으로 계절은 약 1점에서 겨울이 되고 원화 1점으로 여름이 된다. 우리는 상식적으로 여름이 덥기 때문에 여름 시기가 태양과 가장 가깝다고 생각하지만, 그 반대였다는 사실은 지구의 계절은 지구의 경사진 자전축(23.5°)때문에 발생하게 되지만 역시 지구 주변을 도는 인공 위성도 기울어진 지구의 자전축에 영향을 받는다. 즉 적도 상공을 도는 정지 궤도 위성은 봄, 가을에는 수직 각도로 빛에 던 신지를 받고 있지만, 여름, 겨울에는 수직에서 23.5도 각도로 비스듬히 빛에 던 신지를 받기 때문에 봄 가을보다에 던 신지를 덜 받는다. 태양으로부터의 거리와 태양광의 각도 요소를 고려하면 정지궤도 위성이 태양을 당신과 가장 많이 받는 시기는 춘분과 추분이며, 가장 적게 받는 시기는 여름이다. 즉, 인공위성이 필요로 하는 총전력량이 계산되면 태양전지판은 태양에 당신이 걸리지 않는 시기인지를 고려하여 크기가 결정되는 것이다

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계절은 기울어진 자전축에 의해 생긴다. 태양에서 지구까지의 거리는 북반구 기준으로 여름이 오히려 겨울보다 멀다.

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정지궤도 인공위성 태양전지판은 춘분과 추분에 비해 동지와 하지의 경우 단위면적당 태양에너지가 적다.

반면 반대로 지상에서 가족용 태양광발전기와 함께 쓰는 태양전지는 실리콘으로 만들어진다. 이러한 범용 태양 전지는 보통 10%안팎의 변환 효율을 갖게 된다. 여기서 변환 효율이란 태양전지에 가해진 태양에 택지가 몇 퍼센트의 전력으로 택지로 변환되는지를 자신에게 나타내는 수치입니다. 개발 초기 인공위성은 부여된 무가 비교적 단순했기 때문에 오전에 효율적인 실리콘 타입의 태양전지를 사용해도 별 무리가 없었다. 그러자 새 인공위성 개발기술이 발전하면서 고성능 탑재체가 개발됐고 이를 구동하기 위한 내부 전자장비의 필요전력이 갈수록 늘었다. 이 전력을 충당하기 위해서는 태양전지가 조립된 태양전지 패널의 크기가 점차 커졌지만 태양전지 패널의 크기가 커지면서 인공위성의 전체 질량도 증가하게 됐다. 인공위성의 질량이 증가하자마자 인공위성을 발사한다는 추가 추력의 발사체가 필요해진 것으로 이는 우주발사체 자체의 발사비용 증가로 직결됐다. 역시 인공위성 탑재 페어링 내부 공간은 한정돼 있어 무의도 넓고 무거운 태양전지판에 구애받을 수 없었다.결실내용, 작은 면적에서도 많은 에덱지가 발발해야 했고, 이로 인해 높은 효율을 가진 태양전지를 개발할 필요성을 느끼게 되었다. 70년대 들어 실리콘보다 높은 효율을 가진 갈륨 아세 자신 이드(GaAs)을 이용하고 제작했지만 GaAs태양 전지는 실리콘보다 제작 비용이 데 꿈 많이 걸렸다. 이에 80년대에 태양 전지 연구자들은 갈륨 아세 자신 이드(GaAs)태양 전지 이상의 효율을 끌어내기 위한 다양한 화합물을 이용한 태양 전지판을 제작하고 효율을 높인 다중 적층 태양 전지 패널을 개발했다. 이 다중 적층 태양 전지는 20%가까이 투숙한 갈륨 아세 자신 이드(GaAs)태양 전지의 효율을 30%까지 올리기로 할지 일 인공 위성에 널리 사용되고 있다.

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지면용 태양 전지 패널, 실리콘으로 만들어지고 그대로 10%안팎의 효율을 갖는다.

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인공위성에 사용하는 다중적층 GaAs 태양전지판. 약 30%정도의 효율을 갖는다.

인공 위성의 태양 전지판과 관련된 흥미로운 아이 디어는 우주 태양열 발전소(Space Solar Power)였던 지난 하나 979년부터 미국 항공 우주국(NASA)와 미국 에너지 흰색에서 불고 있는 우주 태양열 발전소를 생각했다. 정지궤도에 태양전지판을 설치해 전기를 생산한 이건, 인공위성의 송전 안테나 신로 마이크로파를 이용해 땅에 전력을 무선으로 전송한다는 아이디어다. 오메리카 정부는 이를 통해서 원자력 발전소 5기에 해당하는 전력을 얻으려고 했는데 80년대 초 경제성 사곤로 실행이 보류되 슴니다. 그러면 그 아이디어 자체는 세계 주요 연구기관에서 매년 새로운 연구가 이루어지는 주제 중 하자 자신으로 살아 있다. 물론 우주 태양열 발전소가 지닌 여러 사건, 특히 경제성 사건은 단기간에 해결되기는 힘들겟우쟈 신, 언젠가 기술이 발전하게 되면 우주의 선물의 태양 에너지 백색을 땅에서 자유롭게 쓸 수 있는 날이 올지도 모를 1이었다

-From. 네이버 캐스트(http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3573670&cid=58941&categoryId=58960)