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바이코(Vicor)는 해양 에너지 시스템 분야의 글로벌 선도기업인 C-Power(Columbia Power Technologies)의 자율 해양 전력 시스템(AOPS: Autonomous Offshore Power System)에 자사의 전력변환 솔루션을 공급했다고 밝혔다. 

C-Power의 자율 해양 전력 시스템은 해양 석유 및 가스 탐사와 생산, 해양 탄소격리, 해양학 연구, 양식 및 국토방위와 같은 광범위한 애플리케이션에 사용할 수 있도록 기계적으로 파도 에너지를 포집하여 전력으로 변환하는 솔루션이다. C-Power는 해양 자산을 위한 안정적이고, 비용 효율적인 에너지 발전 및 스토리지를 개발하고, 새로운 형태의 데이터 및 통신 서비스를 실현함으로써 해양 경제의 발전에 기여하고 있다.

그림 1. 태양광 및 풍력 발전에 많은 관심이 집중되고 있는 가운데, C-Power는 해양의 파도 에너지를 효율적으로

활용하여 석유 및 가스 탐사와 생산, 해양 탄소격리, 해양학 연구, 양식업 및 국토방위와 같은 새로운 형태의

해양 애플리케이션을 가능하게 하는 선도 기업이다. 

킬로와트급 해양 에너지 하베스팅

미국 오리건주 코밸리스에 위치한 C-Power는 2005년에 설립되었으며, 빠르게 성장하는 해양 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 분야의 기술 발전에 주력하고 있다 (그림 1). C-Power는 다른 기업들이 대규모 메가와트 시스템을 추구하는 것과 달리, WEBS(Wave Energy Buoy System)라는 DARPA 프로젝트를 통해 초기부터 해상 데이터 통신을 위한 킬로와트급 원격 전력 시스템에 주력해 왔다. 

C-Power는 WEBS 프로젝트를 통해 환경 데이터를 수집하는데 사용되는 수중 차량과 해저 운영장비 및 외양 센서(Open-Ocean Sensor)를 위한 로컬 발전 분야의 성장 가능성을 포착했다. 이전에는 다루기 힘들고 재충전이 불가능한 고가의 선상 배터리나 선박 또는 디젤 발전기에서 공급되는 해저용 전기 테더를 사용하여 이러한 애플리케이션에 전력을 공급했다. C-Power가 개발한 AOPS는 통신 도관을 두 배로 확장할 수 있는 자율적이고 친환경적인 해양 전력원을 공급함으로써 새로운 애플리케이션의 무한한 가능성을 열었다. 

씨레이(SeaRAY), 전력 효율성 및 데이터 통신 향상

C-Power가 최근 중점을 두고 있는 최신 AOPS 플랫폼인 씨레이(SeaRay)는 파도에서 10W ~ 1MW까지 에너지를 생성하기 위한 전력 시스템의 핵심이다. 낮은 전력 스펙트럼에서 이러한 목표를 달성하기 위해 C-Power는 바이코의 전력변환 기술을 사용하여 중량 대비 전력 비율이 높은 씨레이 AOPS를 설계했다. 이 설계는 작은 풋프린트로 구현되어 이동성과 상업적 활용 가능성을 향상시킨 것은 물론, 보다 쉽게 씨레이를 공급 및 설치할 수 있어 일일 운영비용을 획기적으로 절감할 수 있도록 해준다. 

C-Power의 R&D 수석 전기 엔지니어인 조 프루델(Joe Prudell)은 “해양 파도의 전력 펄스를 반안정(semi-stable) DC 버스로 변환하기 위해 이를 제어하고, 레귤레이션할 수 있는 광범위한 DC-DC 솔루션이 반드시 필요했다.  이는 매우 어려운 과제였다. 바이코의 전력 모듈을 사용하여 다양한 전력 레벨에서 이를 수행할 수 있게 되었으며, 이를 통해 상당한 이점을 얻을 수 있었다.”고 밝혔다. 

그림 2: 씨레이(SeaRAY) 설계는 원격 자율 데이터 통신을 통해 바다에서 클라우드로 정보를 전송할 수 있도록 해준다.

 셀룰러 네트워크와 위성 통신을 사용하여 클라우드와 씨레이 AOPS 간에 실시간으로 데이터를 전달함으로써

 더 많은 데이터를 더 자주 수집하고, 제공할 수 있다. 

또한 씨레이 설계는 자율 원격 데이터 통신을 통해 바다에서 발생하는 일을 실시간으로 클라우드로 전송할 수 있다. 기존의 해양 데이터 수집 시스템은 데이터 수집 범위 및 빈도가 제한적이었다. 셀룰러 네트워크와 위성 통신을 사용하여 클라우드와 씨레이 간에 실시간으로 데이터를 전달함으로써 더 많은 데이터를 더 자주 수집하고, 제공할 수 있다 (그림 2). 

끊임없이 변화하는 전원 소스에서 에너지 하베스팅

C-Power를 위한 전력 설계의 핵심은 해양 파도 에너지의 특성과 씨레이의 까다로운 전력변환 요건을 조화시키는 것이었다. 파도의 예측할 수 없는 특성을 반영하기 위해 매우 넓은 30:1의 입력 범위가 설정되었다. 바이코의 전력 시스템 설계 팀은 높은 효율로 전력을 변환하고, 에너지 스토리지 장치를 충전할 수 있는 시스템을 제공했다. 또한 이 장치는 C-Power 시스템의 외부 제어 신호를 받아들여 실시간으로 전력변환 요구사항을 정확하게 충족할 수 있다. 

C-Power의 레스트 레만(Reenst Lesemann) CEO는 “비용 효율적이고 실용적인 솔루션으로 매우 열악한 전력 프로파일을 변환한 다음, 해당 전력을 조정하여 다양한 모바일 및 고정형 페이로드에 사용할 수 있는 에너지로 전환할 수 있는 기능은 최첨단 기술로만 가능하다. 다른 어떤 기업도 아직까지 이러한 수준에 도달하지 못했다.”고 밝혔다. 

씨레이의 확장 가능한 전력 설계는 바이코의 BCM 고정 비율 버스 컨버터와 복잡한 다중 스테이지 디스크리트 컨버터를 갖춘 PRMTM 레귤레이터 모듈을 사용하여 난기류로 인해 예측할 수 없는 파도 에너지를 효율적으로 변환하여 제어된 전력을 제공한다. 이를 통해 C-Power는 씨레이 설계의 변환 효율성을 85% ~ 94%까지 높일 수 있었다.

그림 3 SeaRAY는 Vicor BCM 고정 비율 버스 컨버터와 복잡한 다단식 디스크리트 컨버터가 있는 PRM 레귤레이터 

모듈을 사용하여 파동 에너지를 효율적으로 변환하고 제어된 전력을 제공한다. Vicor는 전원 모듈을 사용하여

SeaRAY 변환 효율을 50%에서 90% 이상으로 개선한 전원 공급 네트워크를 개발했다. 

안정적으로 광범위한 입력을 지원하는 바이코의 DC-DC 컨버터는 씨레이가 파도 전력 펄스를 다양한 DC 버스로 변환하는 동시에, 다양한 전력 레벨에서 정전류를 생성할 수 있도록 함으로써 C-Power에 필수적인 제어 기능을 제공했다. 또한 바이코 모듈에 사용된 전력변환 토폴로지는 센서의 측정 정확도를 손상시킬 수 있는 씨레이 내장 전자파 간섭 및 노이즈를 최소화할 수 있다. 

레만 CEO는 “파도 에너지를 포집하고 변환하고자 하는 많은 회사들이 있지만, 소형의 컴팩트한 폼팩터로 이를 수행하면서 운영 및 물류 측면에서도 고객의 요구를 충족하는 것은 또 다른 문제이다. 우리는 바이코의 지원을 통해 다른 어떤 기업보다 앞서 나갈 수 있게 되었다.”고 밝혔다.