드론의 배터리 문제를 해결 할 기술들
드론을 좀 오래 날려보고 싶었습니다..
드론을 사용하는 분들이라면 다들 공감하시는 문제들 중 하나는 바로 드론의 배터리 문제인데요. 즉, 배터리의 용량한계로 인해 10분 남짓 비행하고 배터리를 충전하기 위해 1시간 이상 기다리거나 여분의 배터리를 직접 교체해야하는 번거로움을 다들 경험해보셨을 것이라 생각합니다. 그래서 준비했습니다. 앞서 정리한 1부 ‘드론의 비행시간을 소비하는 요소들’에 이어 2부로 ‘드론의 배터리 문제를 해결 할 기술들’에 대해 소개드리고자 합니다.
1. 유선충전드론 (Tethered Drone)
‘유선충전드론’은 명칭에서 예상 할 수 있는 것처럼 드론과 지상에 위치한 전원공급장치(Power Supply System) 사이 연결된 파워 케이블을 통해 전력을 전달받는 드론입니다. 쉽게 생각하시면 ‘연 날리기’를 생각하시면 될 것 같아요.
파워 케이블을 통해 드론이 필요한 전력을 지속적으로 받기 때문에 케이블이 절단되지 않는 이상 이론적으로 365일 24시간 비행이 가능한 장점이 있습니다. 또한 파워 케이블이 절단되는 경우를 예상하여 드론에는 소형 배터리가 장착되어 있고 비상시 안전하게 착륙할 수 있습니다.
유선충전드론유선충전드론의 구조상 비행고도와 같은 길이의 파워 케이블이 필수적이므로 100미터가 넘는 파워 케이블을 필요에 따라 감고 풀어주어 케이블의 꼬임을 방지하는 장력조절장치(Tension Control System)가 사용됩니다.
차량에 장력조절장치를 설치한 경우, 참조=https://goo.gl/05tDyj* 왠지, 신호를 전달해주기 위한 부표와 끝을 달고 다니는 수중드론이 생각납니다.
또한 장력조절장치가 지상에 설치되는 경우에는 장력조절장치가 위치한 곳을 중심으로 수직이착륙만 가능한 특성을 가지는 반면 드론에 설치되는 경우에는 상대적으로 자유로운 비행이 가능합니다.
드론에 장력조절장치를 설치한 경우, 참조=https://goo.gl/05tDyj유선충전드론의 또 다른 장점은 바로 파워 케이블을 통해 드론과 유선통신을 할 수 있다는 것인데요. 특히 일반적인 드론의 경우 무선통신간섭으로 인한 추락 및 사고가 가끔 일어나는데, 이러한 주변 전자시스템들에 의한 무선통신간섭과 통신장애를 의도적으로 유발시키는 드론격추시스템으로부터 자유로울 수 있는 특징을 가지고 있습니다.
선충전드론의 기동, 참조=https://goo.gl/45ErZN2. 무선충전드론 (Wireless Charging Drone)
최근 드론기사의 단골손님, 무선충전드론입니다. 기존의 배터리 충전방식과는 다르게 선을 사용하지 않고 일정거리에서 무선으로 전력을 전달할 수 있다는 개념인데요. 현재까지 무선충전드론에 널리 사용되는 무선충전방식은 간략히 두 가지로 나눌 수 있습니다.
하나는 중·고등학교 과학시간에 배운 패러데이 법칙, 즉 시간에 따라 변하는 자기장이 코일을 통과 할 때 발생하는 유도전압을 이용하여 무선전력을 전달하는 자기유도전력전송 방식이 있고 또 하나는 레이저(Laser)를 사용하여 전력을 전달하는 방식입니다.
자기유도전력전송방식 무선충전드론, 참조=https://goo.gl/FvW0iD위와 같은 자기유도전력전송방식 무선충전드론의 경우 미래에 사용될 무인드론이 임무를 마치고 충전패드에 도착했을 때, 착륙방향에 상관없이 자동으로 충전되어 사람이 직접 배터리를 교체하지 않아도 되는 장점을 가지고 있습니다.
또한 자기유도전력전송방식의 경우 무선충전시스템의 비용이 레이저를 이용하는 경우에 비해 상대적으로 저렴하고 높은 전력전송효율(~90%)을 가지는 특징이 있습니다. 물론 필요시 무선전력전송 거리를 수 미터 이상 키울 수 있겠지만, 이 경우 무선전력시스템의 크기가 전반적으로 커지고 효율이 낮아질 뿐만 아니라 주변의 전자시스템에 좋지 않은 영향을 주게 됩니다.
레이저를 이용하는 무선충전드론, 참조=https://goo.gl/bPQ8rp레이저 무선충전드론의 경우 레이저를 발생하는 장치가 드론에 장착되어 있는 레이저 수신부를 실시간으로 조준하여 전력을 전송하는 방식으로 레이저 수신부를 설치 할 공간이 충분한 고정익 드론에 주로 적용됩니다. 주요 장점으로는 자기유도방식에 비해 아주 먼 거리에 떨어진 드론에 무선으로 전력을 전달 할 수 있는 것이고, 단점으로는 날씨에 따른 전력전달능력 변화, 상대적으로 낮은 전력전송효율, 그리고 드론을 실시간으로 추적하며 전력을 전송해야하기에 시스템의 복잡도가 높고 자연스럽게 비용이 높아지는 문제가 있습니다.
최근에 비행시스템 분야에서 독보적인 록히드마틴(Lockheed Martin)에서 레이저를 이용하는 무선충전드론 개발에 대해 발표가 되었는데요. (영어지만, 기사가 궁금하다면 클릭) 이 시스템의 경우에도 ‘실내’에서 레이저 무선충전을 통해 48시간을 비행한 것으로, 변수가 많은 실외에서 사용되는 상용화 단계는 시간이 좀 걸릴 것이라 생각합니다.
3. 하이브리드-드론 (Hybrid Electric Drone)
하이브리드-드론은 하이브리드 전기차와 같이 기존의 전기모터-배터리의 동력체계에 엔진-휘발유 또는 엔진-가스를 추가적으로 사용하는 드론입니다. 이렇게 엔진을 추가적으로 설치하는 이유는 엔진에 사용되는 휘발유 또는 가스가 드론에 사용되는 배터리의 에너지밀도보다 약 100배가량 높기 때문입니다.
이 말은 같은 질량의 배터리와 휘발유가 있고 드론의 추력을 발생시키는 운동에너지 변환효율이 같다면 휘발유가 100배 더 오래 드론을 날릴 수 있다는 말입니다. 실제로는 전기모터의 경우 운동에너지 변환효율이 90% 이상인 반면 엔진은 30%의 변환효율을 가지지만, 결과적으로 높은 에너지 밀도로 인해 엔진-휘발유 또는 가스가 더 오래 드론에 에너지 공급을 할 수 있습니다.
에너지원에 따른 에너지밀도, 참조=https://goo.gl/VdqZJY하지만 엔진을 사용하는 경우 드론의 충돌 및 사고로 인한 폭발위험이 높아지고 동시에 엔진으로 인한 소음문제가 발생하게 되어, 특수한 목적에 주로 사용하는 드론입니다.
4. 태양광충전드론 (Solar-powered Drone)
태양광충전드론은 오래전부터 소개되었던 드론의 전력공급방식인데요. 태양광충전을 위해서는 태양광을 전기에너지로 변환시켜주는 솔라셀(Solar Cell)을 드론의 기체에 설치가 되어야하고, 설치된 솔라셀의 개수에 비례하여 드론에 전력공급이 이루어지므로 보통 넓은 면적을 가지고 있는 고정익 드론에 자주 적용되고 있습니다.
태양광충전드론, 참조=https://goo.gl/OlCNdM하지만 면적당 얻는 전기에너지의 양이 상대적으로 크지 않고 태양광=전기에너지 변환효율도 날씨, 기온 및 솔라셀의 표면 상태 등, 다양한 환경조건에 따라 변하는 문제가 있습니다. 따라서 좋은 기후조건에서 저전력 운행을 필요로 하는 고정익 드론에 주로 사용되는 기술이라 생각하시면 될 것 같습니다.
5. 고속충전 배터리 (Fast Charging Drone)
그렇다면 기존의 드론 배터리를 고속으로 충전하면 어떨까요? 충전시간을 1시간에서 10분으로만 단축해도 여분의 배터리를 준비 할 필요가 없을 것 같은데 말이죠.
하지만 불행히도 현재 드론의 배터리로 사용되는 리튬폴리머 배터리의 경우 정격 배터리 충전 속도보다 6배 빠른 속도로 충전하게 되면, 이에 비례하여 대략 6배정도 배터리의 수명이 짧아지는 문제가 있습니다. 물론 빠르게 충전해도 수명이 덜 줄어드는 배터리 및 현재의 수준보다 아주 높은 에너지 밀도를 가지는 슈퍼캐패시터(Super Capacitor)도 연구되고 있습니다만, 상용화되기에는 많은 시간이 걸릴 것입니다.
* 지금 당장 우리가 쓸 수 있는 방법은? 추가 배터리 구매뿐..ㅠㅠ
제가 준비한 내용은 여기까지입니다. 참고로 현재 유·무선충전드론에 대해 연구하고 있어서 이에 대해 더 궁금한 내용이나 자세히 알고 싶은 내용이 있으시다면 메일을 통해 알려주시면, 제가 알고 있는 범위 내에서 도움을 드릴 수 있도록 하겠습니다.
또한 평소에 관심이 있거나 궁금했었던 드론의 연구 분야에 대해 알려주시면, 참고하여 새로운 기사로 찾아뵙도록 하겠습니다.
작성자 : 최수용
드론의 에너지공급에 대해 공부합니다.
suchoi@kaist.ac.kr, http://suyochoi.wixsite.com/suchoi
