Beyond the Space

인공위성은 당연하겠지만 수 많은 전자 장비를 가지고 있고 이것들을 시기 적절하게 사용하며 우주 공간에서 자신의 임무를 성공적으로수행해 나갑니다. 이러한 전자 장비들을 작동시키기 위해서는 또 당연히 전기가 필요하겠지요. 그래서 지구 궤도 인공위성을 포함하여 적어도 화성 궤도까지는 거의 모든 인공위성에 '태양전지판'이라는 것이 장착됩니다. 무한정으로 쏟아지는 청정 에너지인 태양빛은 이 태양전지판을 통해 전력으로 변환되어 인공위성의 각 부분으로 퍼져나갑니다. 어떻게 보면 인공위성에게 태양빛이란 존재는 우리가 매일매일 섭취하는 음식과 같은 것이어서 태양전지판이 이 일용할 양식을 먹고 에너지로 바꾸어 전력이라는 피를 인공위성의 말단까지보냅니다.

그런데 태양전지판만 달았다고 해서 전력이 원활이 공급되는 것은 아니었습니다. 태양전지란 물건은 이름에 전지가 붙어있다고 해서 우리가 자주 사용하는 건전지 처럼 꽂기만 하면 편리하게 사용할 수 있는 것은 아니었지요. 그 이유는 태양전지의 출력 특성이 조건에 따라서 변화한다는 것입니다. 자세히 설명하자면 한도 끝도 없는 데다가 머리만 아파지니 구체적인것은 생략하도록 합시다.

아무튼 변화무쌍하게 달라지는 태양전지의 출력을 그대로 두었다가는 필요한 전력에 비해 너무 많은 전력이 생성되어 쓸데없이 열로 바뀌어 버리거나 아니면 필요한 것 보다 오히려 생성을 못해서 인공위성이 멎어버릴 위험에 처하게 될지도 모릅니다. 개구쟁이 처럼 날뛰는 녀석을 적당히 잡아줄 시스템이 필요한 것이지요. 그것이 바로 인공위성 전력계의 아키텍쳐입니다.

주로 사용되는 전력계 아키텍쳐는 크게 둘로 나뉩니다. 하나는 '직접 에너지 전달 (DirectEnergy Transfer ; DET)'이고 다른 하나는 '최대 전력점 추적 (Peak Power Tracking ;PPT)인데 이 두 가지 방법은 인공위성의 임무 특성이나 궤도 특성에 따라 적절히 선택되어 사용됩니다. 먼저 DET는 말 그대로 태양전지를 인공위성에 직접 물리는 것이라고 생각하면 거의 비슷합니다. 대신에 날뛰는 출력을 잡아주기 위해 '션트,shunt'라는 것을 시키게 되지요. shunt는 사전 뜻으로는 '옆으로 돌리기'입니다. 말 그대로 태양전지에서 생성되는 전력을 필요에 따라 인공위성으로 전달하지 않고 일부를 옆을 빼돌리는 방식이지요. 아래 그림처럼 말입니다.
이렇게 하면 태양전지판에서 생성되는 전류나 전압이 인공위성에서 필요한 양 이상일 경우에만 그 차이 만큼 생성된 전력을 옆으로 빼내버릴 수 있습니다. shunt를 위한 시스템은 꽤 간단하게 구성할 수 있기 때문에 전체 전력계의 복잡성을 떨어뜨려 신뢰성 있는 동작이 가능하지만 옆으로 빼돌려진 전력은 그대로 열로 바뀌어 날아가기 때문에 그만한 열을 견딜 수 있는 부품과 배치를 사용해야하여 다소 무게가 많이 나가고 부피 또한 많이 잡아먹습니다.

이 DET 방식은 주로 정지궤도에서 임무를 수행하는 통신위성에 많이 사용됩니다. 정지궤도에서는 지구의 그림자로 인공위성이 들어가 태양빛을 받지 못하는 경우가 적고 태양빛이 거의 일정하게 들어와 태양으로 부터 생성되는 전력 또한 비교적 일정하고 풍부합니다. 즉, 태양전지가 상대적으로 얌전해 지기 때문에 태양전지로부터 생성되는 전력과 인공위성에서 사용할 전력을 예측하여 적절한 조절점을 잡아 그것을 기준으로 shunt를 수행합니다.

한편 PPT 방식은 또 말 그대로 태양전지의 최대 전력점이라는 것을 찾아내어 태양전지가 그 지점에서 동작하도록 하는 시스템입니다. 태양전지라는 것이 위에서 설명한 것처럼 출력이 조건에 따라 변하는데 그 중에서도 가장 많은 전력을 생성할 수 있는 조건이 있습니다. 이 조건일 때를 최대 전력점이라고 부르지요. PPT는 몇 가지 방법을 통해 태양전지가 가능한한 언제나 이지점에서 작동하게 하여 전력을 최대로 뽑아내기 위한 장치입니다.

이 방식이 주로 사용되는 곳은 700km 고도의 저궤도를 돌고 있는 위성들인데요. 이들 위성은 하루에 14번이나 지구를 돌면서 그 만큼 태양을 봤다 못봤다 합니다. 그러다 보니 태양전지의 작동 조건이 수시로 변하고 심하게 날뛰어 버리기 때문에 강력하게 태양전지의 동작을 잡아주는 겁니다. 그리고 아무래도 정지궤도보다 전력 생성에 있어서 악조건이기 때문에 최대한 효율을 높이려고 태양전지의 등골을 빼먹을 기세로 최대 전력점에서 동작하도록 만들지요.

참고로 말씀드리자면 우리나라가 보유했던 최초의 통신위성인 무궁화 1호와 2호가 DET를 사용했고 우리나라가 최초로 개발한 우리별 1호가 PPT 방식을 사용했습니다.