엔진 시동용 소형선 탑재형 파력 발전 시스템

2.1 플레밍의 오른손 법칙

변동하는 도체와 전자기계는 위치에너지가 운동에너지로 바뀌고, 운동에너지는 자기장 속을 움직이는 도체 내에 유발되는 유도전류의 방향, N극에서 S극으로 향하는 자기장의 방향 및 도체의 운동방향 관계에 따라 파력 발전기를 거쳐 전기에너지로 전환된다(Fig. 2).

Fig. 2

Fleming's right hand rule.

해양의 재생 가능한 청정에너지를 이용한 발전기술은 화석연료 사용에 따른 환경오염과 자원고갈 문제를 극복할 수 있는 중요한 대체 에너지 기술이며, 또한 국제적 환경 규제에 대응하는 청정기술 확보라는 측면에서 매우 중요하다.

2.2 파력 발전 일반

파력 발전은 파랑의 운동 및 위치에너지를 이용하여 터빈을 구동하거나 기계장치의 운동으로 변환하여 전기를 생산하는 기술로, 파고가 높고 파주기가 긴 해역이 적지로 평가받고 있다. 한편 현재 상용화된 파력 발전의 종류는 운용 방식에 따라 가동 물체형, 진동 수주형 그리고 월파형으로 구분할 수 있으며(Table 2), 설치 방법에 따라 부유형, 고정형 그리고 파도 전달 집중형으로 구분할 수 있다(Table 3).

Table 2

Types of wave power generation method

Table 3

Types of wave power generation Installation

파력 발전의 실용화는 기술적인 어려움 극복과 함께 경제성 제고를 통한 발전단가 현실화가 관건이다. 그리고 이를 고려하여 다양한 파력 발전 방식의 실해역 실증이 수행되고 있다.

3.1 대상 선박

Table 4에 보는 바와 같이 국내 소형 보트 중 1~5톤급 선박의 비중이 가장 높아, 대상 선박의 크기는 3톤급 선박으로 선정하였다. 파력 발전기의 선박 내 설치 위치는 개방형(opened type)과 내재형(enclosed type)으로 구분되며, Table 5에 각각의 특성을 비교하였다.

Table 4

Status of domestic ship registration by size (Ministry of Oceans and Fisheries, 2017)

Table 5

Comparison by installation location on ship

이에 파력 발전기를 검증하기 위한 대상 선박은 총톤수 3톤급 20인승 친환경 알루미늄 다이빙 보트로 정하였다.

3.2 시동 축전지 잔량 모니터링

해상과 선적항에서 주기관 정지 시, 파력 발전기 가동에 따른 시동 축전지 상태를 선주에게 주기적으로 전송하여, 필요한 조치를 취할 수 있는 시동 축전지 잔량 모니터링 시스템이 필요한다. Fig. 3에는 시동 축전지 잔량 모니터링 시스템의 전체 흐름도를 나타내었다.

Fig. 3

The flow chart of the monitoring system

우선 스마트 폰 등 모바일 장치에 가장 빠른 인터넷 속도를 제공하도록 설계된 4G 무선 통신 표준인 LTE를 통하며, 모니터링 구성품은 전원 보드, 와이파이 보드, LTE Router, 서버 그리고 스마트폰으로 구성된다(Fig. 4).

Fig. 4

The diagram of the monitoring system

전체적인 시동 축전지 시스템 구성도는 아래와 같다.

• ① 시동 축전지의 잔량을 측정해서 서버로 측정데이터를 전송 한다.
• ② 사용자의 PC와 휴대폰에서, 측정된 시동 축전지의 잔량 상태를 조회한다.
• ③ 사용자용 프로그램은 선박을 특정할 수 있도록 로그인을 한다.
• ④ 관리자는 여러 선박을 추가 관리 가능하도록 한다.
• ⑤ 관리자는 사용자의 로그인 계정을 관리한다.

시동 축전지 충전 상태 기준표는 Table 6과 같다.

Table 6

The reference table of battery

4.1 개방 수류형 파력 발전기 구성도

개방 수류형 파력 발전기를 구성하는 요소는 발전기창과 유동수창 그리고 주변기기로 구성되며, Fig. 5에 파력 발전기의 구성도를 나타내었다.

Fig. 5

The diagram of the wave power generator

개방 수류형 파력 발전기의 원리는 선체 운동에 따라 유동수창의 유동수가 발전기창의 상부 매니폴드를 통해 터빈을 통하여 하부로 이동하면서 중앙에 위치한 터빈을 회전시켜 유도기전력을 반생시키며, 발전기창 하부로 이동한 유동수는 하부매니폴드를 통해 반대편 유동수창으로 이동하게 된다.

• ① 발전기창 : 파력 에너지를 파력 발전기 구동용 회전 동력으로 변환하는 장치이며, 아래 구성 요소가 파력 발전의 핵심 요소이다(Fig. 6).
•  - 입수관
•  - 상하부 다기관(manifold)
•  - 파력발전기
•  - 터빈(Turbine) : 파력 발전기 구동 기능
•  - 배수관
• ② 유동수창 : 정선 시 해상 파랑에 의한 유동수 적재 공간이며, 아래 사항들을 조정하면 파력발전기 출력을 가감할 수 있다(Fig. 7).
•  - 유동수창 크기
•  - 유동수창과 발전기창 사이 거리
•  - 배관경
• ③ 주변 기기 : AC/DC 컨버터(Convertor), 컨트롤러 (Controller) 및 시동 축전지(Fig. 6)

Fig. 6

View of the generator group

Fig. 7

Water tank

4.2 개방 수류형 파력 발전기 개발 및 설치

개방 수류형 파력 발전기를 구성하는 발전기창과 유동수창 배치는 아래 사항들을 감안하여 결정되었다 (Ryu et al., 2021).

• ① 파력 발전기 설치선 강성
• ② 진동 소음
• ③ 건조 작업성

Fig. 8은 파력 발전기가 설치되는 친환경 알루미늄 소형선박의 일반배치도를 보여주고 있다.

Fig. 8

GT 3.7 General Arrangement of AL Diving Boat (Opened flow type) : Generator sector : Moving water sector

본 파력 발전 시스템은 파력 에너지를 발전기 구동용 회전 동력으로 변환하는 장치이고 소형선 파력 발전의 핵심 요소이며, 피칭(pitching), 롤링(rolling), 히빙(heaving) 등의 선박의 운동을 이용하는 방식이다.

파력 발전기의 개발 및 설치는 아래와 같이 수행되었다.

• ① 모델링(modeling) 및 초기 설계 ;
•  - 설치선의 해상 파도에 의한 선체 운동 데이터 수집
•  - 최소 발전 요구치 설정
•  - 동력 변환 장치 형식 및 크기 배치
• ② 수치 계산 ; 모델링에 의한 예상 파도 유형의 발전량에 따른 동력변환장치 및 발전기의 최적 용량 계산
• ③ 상세 설계 : 계산 결과로부터 파력 발전기 기본 설계 수행 후, Fig. 9와 같이 모형 시험을 실시
• ④ 시제품 제작 ; 파력 발전기 시제품 형상은 Fig. 10과 같다.
• ⑤ 시제품 검수 ; 시제품 발전기창의 성능 점검
•  • 누수 유무, 통수 원활함과 발전기 회전자 성능 점검
• ⑥ 개선 작업 ; 검수 과정에 따른 수정 보완
•  • 발전기 회전자 불규칙성 확인 및 수정
•  • 선체 지지대 설치 시 고려 사항 점검
• ⑦ 파력 발전 시스템의 설치선 장착 ;
•  • 발전기창의 설치선 배치 및 유동수창 연결

Fig. 9

Typical view of Basic Design and Model test

Fig. 10

The opened flow type wave power generator

4.3 개방 수류형 파력 발전기 출력 검증

소형선박에 적용되는 파력 발전기는 선박이 해상에서 주기관 정지 상태로 부유하고 있을 때 시동 축전지가 자연 방전되지 않도록 해야 한다.

개방 수류형 파력 발전기의 기본 원리는 해수 파랑의 유동에 따른 선박의 전후좌우 운동하는 선박에 설치된 유동수창 간의 흐름으로 터빈을 거친 에너지 변환으로부터, 터빈과 연결되는 파력 발전기에서 전류를 생산하여 시동 축전지 자연 방전을 방지하기 위하여 공급한다. 자연 방전은 무부하인 별도 전기 부하가 없는 상태에서 방전되는 것이며, 강제 방전은 기기 사용에 대한 전기 부하로 인하여 방전되는 것을 말한다. 따라서 파력 발전기는 선박의 주기관이 정지되었을 때, 시동 축전지의 완전 방전을 예방하고, 시동 축전지를 충전할 수 있도록 하는 재생 발전기이다.

일반적으로 시동 축전지에서 공급되는 전압이 11.6 V 이하일 경우 주기관은 작동하지 않으므로 시동 축전지는 12 V 이상의 전압을 가지고 있어야 한다. 또한 Fig. 11의 시동 축전지 충전에 대한 도표로부터 20A 공급 시 완전 충전(14.7 V) 이후 전류는 감소하여 시동 축전지 방전을 방지하기 위한 전류는 약 3A가 요구되는 것을 볼 수 있다. 이를 종합적으로 고려하였을 때 파력 발전기는 최소 3A 이상 전류가 생산되어야 하며, 선박 주기관 정지 시 시동 축전지 방전을 방지하기 위해서는 전기 부하와 최소 1회 시동 시 사용되는 전압을 유지할 수 있도록 전기를 생산하여야 한다.

Fig. 11

Charging characteristics (Hankook & Company Co., Ltd., 2022)

Fig. 12에는 성능 검증을 위한 파력 발전기 전류/전압 측정 절차를 나타내었다. 또한 파도 높이에 대한 파력 발전기 출력량 검증 목적으로 파도 높이를 측정하고, 과충전 여부를 판단하기 위해 시동 축전지 온도를 함께 측정한다.

Fig. 12

The generator performance test measurement procedure

4.4 개방 수류형 파력 발전기 소형 선박 실증

Table 7에는 파력 발전기 설치선 유동수창의 기본 치수를 보여 주고 있으며, Table 8에는 초기 조건을 보여 주고 있다.

Table 7

The characteristics of moving water tank

Table 8

The initial condition

외항에서 주기관 정지의 최초 평형 상태에서 정상낙차(H) :

• H = 0.586 m

이동 속도는 위치에너지와 운동에너지에 의해 결정됨으로,

• V = (2gH)^0.5 = 3.39 m/s

시간당 유동수의 이동량(Q) :

• Q = 0.0192 m³/s

이론적으로 발생되는 단위 시간당 출력에너지(P)는 다음과 같다.

• P = Q·H·η_h·ρ·g = 104 W

• 　　Q : Discharge in m³/s
• 　　H : Gross head in m
• 　　η_h : Hydraulic efficiency
• 　　ρ : Water density in kg/m³
• 　　g : acceleration of gravity in m/s²

최종적으로 단위 시간당 전기에너지는 P = 104 W 이며, 국내 소형 선박의 시동 축전지 방전을 방지할 수 있음을 확인하였다.

5.1 파력 발전기 비교

Table 9에는 개방 수류형 파력 발전기와 내재 진동형 파력 발전기의 특성을 비교하여 보여 주고 있다 (Ryu and Yu, 2022).

Table 9

Comparison of two power generation types

내재 진동형 파력 발전기는 원통 형상의 내부에 자유 운동하는 네오디움 자석을 위치시키고, 원통 주변에 코일을 감은 발전기창을 선체에 고정하는 것으로 구성되며, 파도에 의해 선박이 운동하게 되면 중력에 의해 네오디움 자석이 운동하게 되고, 이로 인해 유도기전력 발생하게 된다.

Fig. 13은 개방 수류형 파력 발전기 설치선으로부터 창안된 내재 진동형 파력 발전기가 설치된 선박의 일반배치를 보여 주고 있고, Fig. 14에는 내재 진동형 파력 발전기창 개념안을 표현한 정면도 형상을 도시하였다.

Fig. 13

GT 3.7 General arrangement of AL diving boat (Enclosed type) : Enclosed vibrator type wave generator

Fig. 14

GT 3.7 Typical web section of AL diving boat

5.2 내재 진동형 파력 발전기 유도 기전력

일괄 진동형 파력발전의 자계에 의한 유도기전력의 ‘크기’와 ‘방향’은 ‘노이만의 법칙’으로 정리된다.

• 여기서,
• 　de : 유도기전력 발생량
• 　(-) : 유기기전력은 코일 쇄교자속의 변화를 방해하는 방향으로 발생함
• 　N : 코일을 감은 권수, 권수 비례해서 전압 발생함
• 　dΦ : 쇄교자속 변화량
• 　dt : 시간 변화량

파력에 의한 ‘선박의 6 자유도 운동’ 연관된 코일 운동과 중력에 지배받는 코일 내부 자석의 상호 작용으로 쇄교되는 자속 변화에 따라, 식 (2)와 같이 유도기전력(e)이 발생한다.

• N : 코일을 감은 권수
• ω : 각속도 (=2πf)
• Φ = BS : 쇄속자교

Fig. 15에는 내재 진동형 발전기창의 기본 치수를 보여주고 있다. 초기 경계 조건은 설치선각과 승선원 동선 및 이동성을 감안하여 Table 10과 같이 설정하였다. 이때 선박의 운동은 롤링만을 고려하였다.

Fig. 15

Overview of the enclosed vibrator type

Table 10

The designed values for enclosed vibrator type

외항에서 주기관 정지의 최초 평형 상태에서 파랑에 의한 롤링만 고려하면, 네오디움 자석의 진폭(l)은,

• r ; 회전반경
• θ ; 회전각

이 상태에서 주파수에 따른 각속도는,

다음 단계로 네오디움 자속 밀도, 코일을 감은 권수(N), 코일의 반경으로부터,

• a ; 코일 반경

식 (2)로부터 Table 10의 일괄 진동형 파력발전기 한 기에서 8.5볼트(V) 유도기전력을 추정할 수 있으며, Fig. 11의 상용화된 시동 축전지에 충전되도록 최소한 직렬 두 개의 발전기 설치 시 17볼트(V) 이상의 유도기전력이 창출되어 시동 충전지의 방전을 방지하며 충전시킬 수 있다.