3.1 풍력 태양광 레져보트 시제품 제작
본 기술개발에서 ‘풍력, 태양광 친환경 레져보트 시제품’은 태양광 발전 시스템 + Sail 돛 제어장치 시스템으로 크게 구성되어 있으며, 태양광 관련 설비 및 Sail 돛 제어장치 연결부 등이 주요 구성품에 해당된다. 풍력 Sail 돛 제어장치를 포함하여 태양광 발전시스템과 관련된 개별 구성품들은 전문 제조업체들의 복수견적, 가격, 제품사양 및 성능 등을 감안하여 검토, 발주 및 조립하는 방법으로 제작을 하였으며, 태양광 집광판(9개에 해당) 및 인버터의 경우 사업비의 경제성을 감안하여 국내 태양광 발전 관련 전문업체를 통해 구매하는 경로를 통해 준비하였다. 풍력, 태양광 친환경 레져보트에 적용되는 각종 개별 구성품들의 전경이
Fig. 7에 제시되어 있다.
Fig. 7
Image of individual components used for eco-environmental leisure ship for this study
Fig. 7에서 보는 바와 같이 신재생에너지인 풍력과 태양광을 이용하면서 운항하는 친환경 레져보트의 핵심 구성품에는 충전제어모듈인 인버터를 포함하여 Sail 돛 제어모듈, 선박 모니터링 시스템, 각종 시험설비, 선박상태기록장치(블랙박스), 선박 내항성 모듈, 스마트 통신모듈, 선박비상전송장치, 선박위치 측위 및 선박식별장치 등이 적용되었으며 주요 설비에 해당되어진다.
아울러 인버터와 연계하여 설치되는 전원 공급용 축전지, Sail상승 및 강하용 윈치, 축전지로부터 전원을 공급받아 작동되는 전기모터(24V DC, 2개), 프로펠러 제어부, 전기모터를 통해 작동되는 프로펠러(2개) 등의 내부 구성품 전경이
Fig. 8에 보여진다. 시제품 제작 공정과 관련, 친환경 레져보트의 선체 Hull은 재질을 이용하였으며, 초기 제작한 상세설계 도면에 준해 모든 공정준비를 하였고 각종 FRP 소재의 구성 부분들은 CP(Cutting plan)에 준해 절단, 준비 및 조립을 하였다.
Fig. 8
Image to show the main components as to the ecoenvironmental leisure ship FRP (Fiber reinforced plastic)
특히 오작 및 치수불량 등을 사전에 예방하기 위해 친환경 레져보트 제작 공정시 자주검사, 품질검사, 내부검사 등을 통해 치수관리 및 공정관리를 하도록 하였다. 친환경 레져보트의 선체 Hull Frame, 관련 의장품(Outfitting) 등을 제작 및 설치한 후에는 레져보트의 내식성(Anticorrosion) 및 광택질감(Luster quailfication)을 확보하고자 도장작업을 수행하였으며, 사전에 적절한 도료 및 색상을 선정하였다. 이를 위해 주관 및 참여기관 간에 사전 협의, 일정조율 및 자체 검사 등을 통해 공정 업무관리를 하였으며,
Fig. 9에 본 기술개발에서 목표로 하는 친환경 레져보트 시작품 제작공정 전경이 보여진다.
Fig. 9
Image of main frame of leisure ship hull (a), Image of Internal components leisure ship hull in the process of the fabrication (b)
상기 FRP 선체 Hull의 골격을 토대로 하여 태양광 집광판, 인버터, 축전기, 전기모터, 프로펠러 추진부 등의 각종 구성품을 연결하여 친환경 레져보트 시제품을 조립하였으며, Sail 돛 제어부, 관련 구성품 및 각종 모니터링 시스템 등을 연계하여 설치함으로써 본 기술개발에서 목표로 하는 ‘풍력 Sail 돛 제어장치를 이용한 태양광 레져보트 시제품’을 제조하였으며
Fig. 10에 완성된 최종 시제품의 전경이 보여진다. 시제품 제작 후에는 제품의 신뢰성, 안정성(Stability) 등을 검토하기 위해 자체 시운전 및 외부 전문 시험기관 입회하에 성능시험을 시행하였다.
Fig. 10
Image to show the manufactured prototype of ecoenvironmental leisure ship with wind and solar energy
3.2 성능시험 수행 및 평가 시 정량적 수치 확보
시제품을 제작한 후에는 정상적으로 작동되는 여부를 확인하고자 제반 주요 구성품을 시험 대상으로 하여 시운전(Test operation)을 수행하였다. 이 과정에서 태양광 집광판, 인버터 및 밧데리의 정상 작동여부, 풍력 Sail 돛 제어장치의 작동상태, Sail up/down 및 Mast turning 시 밸런싱(Balancing) 동작상태, 안정성 및 선박 복원성 상태 등 각종변수를 고려하여 내부 점검 및 수정작업을 시행하였다. 이후 본 과제에서 최종 목표로 하는 성능평가를 전문 시험기관(KOLAS 인증기관) 입회하에 2장에서 언급한 5개의 평가항목에 대해 시행하였다.
성능평가시 목표로 하는 5개의 평가항목(풍향 감지 정도, Sail up/down speed, Mast turning 각도, 순간 최대 충전 파워, 최대 운항 시간 등)에 대해 개별적으로 시험평가를 시행하였다.
Fig. 11에 성능시험을 수행하고 있는 친환경 레져보트의 전경이 보여진다.
Fig. 12의 경우 성능시험시 친환경 레져보트의 운항속도를 자체적으로 가감하면서 운항한 레져보트의 이동경로를 나타낸 자료이다. 운항속도는 평균 4~5knot(2.06~2.57m/s)를 유지하면서 성능시험을 수행하였다(
SNAK, 2012).
Fig. 11
Image to show the manufactured prototype of ecoenvironmental leisure ship under the performance evaluation
Fig. 12
Image to show the test root of the manufactured prototype under the performance evaluation
우선, 풍향 감지 정도(%)의 경우 평가하고자 하는 풍향, 풍속에 대한 감지 및 민감도 정도 등을 해양용 풍향/풍속계(디지털식 계측장비)를 이용하여 측정하였으며, 디지털식 풍향풍속표시기를 이용하여 목표치에 거의 근접하는 90%에 해당하는 감지결과를 획득하였다. Sail up/down시 소요시간(초)의 경우 2.2m의 Sail을 상승 및 하강 하면서 왕복하는데 소요되는 시간을 Stop watch로 측정하였다. Sail up/down시 왕복 소요시간은 1분 40초(100초)를 기록하였으며 목표치(120초) 시간을 단축하는 데이타를 기록하였다. Mast turning 각도(degree)의 경우 좌향 및 우향으로 Mast Sail을 회전 시 최대 회전각도를 측정하였으며 목표치에 근접한 45°의 수치를 획득하였다.
순간 최대 충전 파워(W/h)와 관련, 통상 실제 실험할 경우, 시간당 0.797~0.897kW 정도에 해당됨을 감안하여 순간적인 충전 시 최대전력을 측정하고자 하였으며, 목표치(1000W)보다 조금 낮은 900W의 수치를 확보하였다. 마지막으로 최대 운항 시간(hr)의 경우 본 친환경 레져보트가 신재생에너지인 풍력과 태양광을 이용하여 구동 및 운항하는 점을 감안하여, 일조량이 풍부하면서 순풍을 얻을 수 있는 청명한 날씨를 택하였으며 목표치에 근접한 3시간의 운항시간을 기록하는 성능시행을 수행하였다.
3.3 성능시험 관련 개별특성에 대한 고찰
3.3.1 풍향감지 정도 및 순간 최대 충전 파워
Fig. 13
The view of calibration instrument for measuring wind direction and speed
디지털식 풍향풍속계(해양용 디지털식 Type)는 친환경 레져보트에 고정식으로 장착하여 풍향, 풍속의 감지정도를 디지털 수치화하여 검토하고자 하였다. 풍향감지 정도에 대한 디지털 수치를 분석한 결과 개발목표치(목표치 : 100%) 대비 90%에 달하는 결과치를 확보하였으며,
Fig. 14에 디지털 계측기를 통해 데이터를 확보 후 도표상으로 작성한 풍향 및 풍속 민감도 자료가 제시되어 있다.
Fig. 14
The graph showing the state of sensitivity of wind direction (a), wind speed (b)
본 태양광 발전시스템의 경우, 집광판을 포함하여 인버터, 밧데리 등 제반 전기설비 등으로 구성된 시스템을 말하며, 핵심설비인 집광판 모듈의 경우 수시로 변화하는 태양의 발전량에 따른 전류의 변화를 고정된 상태에서 감지하도록 하였다. 특히 고정식 대비, 높은 발전효율을 보여주는 추적식 발전장치를 초기에 검토하였으나, 태양광의 위치 및 방향을 추적하는 추적식 구동설비 비용이 상당히 고가이며 고장이 빈번하게 발생한다는 점을 감안하여 여기서는 고정식 발전장치로 제한하였다.
태양광 집광판(Solar panel, Module)은 총 9개의 판넬을 사용하였으며 이론적으로 판넬 1개당 150W/h이므로 150W/h×9장=1,350W/h의 계산식 이 가능하였다. 그러나 상기 이론식은 최적의 여건 및 주변 환경을 고려한 경우에 해당되므로 실질적으로는 불규칙한 일사량 및 주변 여건 등의 변수를 감안할 경우 시간당 1.35kW보다 낮은 발전량이 일반적으로 얻어지게 된다.
충전제어용 인버터(모델명 : TS-45)의 경우 전압 24V/ 45A용량을 가지며 최대 1,080w/h의 충전이 가능하였다.(24V×45A=1,080W/h) 친환경 레져보트에서 상기 인버터를 적용하여 성능시험시 순간 최대 충전 파워(Maximum instant charging power)의 실제 실험결과는 약 897.5W/h로서 대략 900W/h의 결과치를 나타내었다. 이는 성능시험의 목표치(1000W/h) 대비근접한 결과치를 확보한 경우에 해당된다. 성능시험시 적용된 충전제어용 인버터(TS-45) 및 전원 공급용 축전지(용량 : 24V(DC)/150AH) 구성품 전경이
Fig. 15에 제시되어 있으며, 축전지에서 공급되는 전원은 추진을 담당하는 프로펠러(2개) 구동용 전기모터 및 ‘접이식 Sail 돛’의 상승 및 하강용에 이용되는 구동모터에 공급되어지도록 되어있다(
Yoon, 2004).
Fig. 15
The view of charging inverter component (a), battery for supplying electo-motive force (b)
본 연구에서 적용된 충전제어용 인버터(24V)의 경우 발전 파워(W) 대비 발전효율(%)을 도표상으로 비교하여 검토해보면
Fig. 16과 같다.
Fig. 16
The relationship between generating output power(W) and generating efficiency(%)
3.3.2 Sail Up/Down Speed and Mast Turning Angle
전술한 바와 같이 풍력 Sail 돛은 모터구동을 통하여 상승 및 하강이 가능한 구조로서 ‘접이식 Sail 돛’으로 제작하고자 하였다. 풍력 Sail 돛 Up/down 시스템의 경우 전동윈치를 이용하여 자동으로 돛을 올리고 내리는 시스템 설계가 되었으며 윈치는 UDT사의 DC 전동윈치를 사용하였다. 전동윈치의 모델 형상 및 제원이
Fig. 17에 나타나 있다.
Fig. 17
The view of winch motor (a) and its specification (b)
친환경 레져보트의 Sail 돛의 실제 높이가 2.2m임을 감안하여 실제 성능시험시 Sail up/down 시간은 100초로 측정되었으며, 성능시험에서 목표로 하는 시간을 단축함으로써 평가항목을 충족하였다(Sail Up 작동시 소요시간 : 50초, 2.2m 돛 높이 기준). 친환경 레져보트에서 Sail 높이(m) 및 Sail 상승시간(초)과의 관계식을
Fig. 18에 나타내었다.
Fig. 18
The relationship between sail lifting time and sail height in the eco-environmental leisure ship
아울러 성능시험 이전단계로서 풍력 Sail up/down 시뮬레이션을 자체적으로 수행하였고, 영상 작동시 소요되는 시간도 성능시험과 거의 비슷한 수치를 보여줌으로써 시뮬레이션의 신뢰성을 확보할 수 있었다. Sail up/down에 대한 시뮬레이션 실행 결과를
Fig 19에 나타내었다.
Fig. 19
The simulation view of sail up/down system during actual operation
Mast turning 시스템의 경우, 전동모터를 이용해 자동으로 Mast turning을 시행하였다. 이는 마스트의 상부에 풍향감지 센서를 부착하여 풍향을 감지하면 자동으로 마스트 각도를 조절하는 시스템으로 Mast turning 각도는 최대 45°까지 조절이 가능하였다. (결과치 : 0°~ 45°) Mast turning에 대한 시뮬레이션 실행결과를
Fig. 20에 나타내었다.
Fig. 20
The simulation view of mast turning operation
본 개발에서는 신재생에너지에 해당하는 풍력 및 태양광을 이용한 친환경 레져보트를 제작하기 위한 목표물로서, ‘접이식 Sail 돛 제어장치를 이용한 태양광 레져보트 시제품’을 제작하는데 주안점을 두었으며, 이 과정에서 시제품에 대한 성능평가를 수행하여 제반 평가항목에 대한 개발 목표치를 확보하고자하였다. 특히, 태양광 발전 시스템과 연계하여, 선박 주행시 접이식 Sail 돛 제어장치의 Sail up/down system 및 Mast turning system을 효율적으로 작동하기 위한 메커니즘을 확보한 시제품을 제작하고자 하였다.
본 개발에서는 신재생에너지에 해당하는 풍력 및 태양광을 이용한 친환경 레져보트를 제작하기 위한 목표물로서, ‘접이식 Sail 돛 제어장치를 이용한 태양광 레져보트 시제품’을 제작하는데 주안점을 두었으며, 이 과정에서 시제품에 대한 성능평가를 수행하여 제반 평가항목에 대한 개발 목표치를 확보하고자 하였다. 특히, 태양광 발전 시스템과 연계하여, 선박 주행시 접이식 Sail 돛 제어장치의 Sail up/down system 및 Mast turning system을 효율적으로 작동하기 위한 메커니즘을 확보한 시제품을 제작하고자 하였다.
향후, 국내 신재생에너지 사업분야에서 풍력 및 태양광과 같은 신재생에너지를 활용하여 친환경 레져선박에 접목시키면서 ‘친환경 신재생에너지 융합시스템’을 도입할 경우, 본 개발에서 제시한 최신 공법은 관련 산업분야의 기술개발 및 생산성 향상에도 일부 기여할 것으로 예상된다. 특히, 전술한 바와 같이 풍력 추진장치의 핵심기술을 확보하고 태양광 레저 보트에 소비되는 에너지를 절감하는 태양광 하이브리드 발전시스템을 개발하여, 선박에 장착할 경우 선박의 연료 절감 효과와 배출 오염 감소, 해양관광에 크게 일조할 수 있을 것으로 예상된다.