풍력 Sail 돛 제어장치를 이용한 친환경 태양광 레져보트의 하이브리드 발전시스템 관련 성능평가에 대한 연구

Performance Evaluation and Technical Development of Eco-environmental Photovoltaic Leisure Ship with Sail-controlling Device With Respect to Solar-Hybrid Generating System

  • ABSTRACT

    As a new technical approach, an attempt was made to realize a photovoltaic system for an eco-environmental leisure ship by simultaneously actuating nine photovoltaic solar panels in association with the application of a sail-controlling system using wind energy. In this approach, the photovoltaic system consisted of a solar module, an inverter, a battery, and the relevant components, while the sail-controlling device was equipped with sail up/down and mast turning systems. The previously mentioned eco-environmental leisure ship utilizes a photovoltaic hybrid system that uses solar and wind energy as renewable energy sources. Furthermore, this research included a performance evaluation of the manufactured prototype, the acquisition of the purposed quantity values, and development of the purposed items. The significant items, including the sail up/down speed (seconds) and mast turning angle (degrees) were evaluated for a performance test. A wind direction sensitivity of 90% and maximum instant charging power of 900 W were also obtained in the process of the performance evaluation. In addition, the maximum sail time was also evaluated in order to acquire the optimum value. The performance evaluation showed that the prototype with a photovoltaic hybrid system was suitable for sailing an eco-environmental leisure ship using solar and wind energy.


  • KEYWORD

    친환경 레져보트 , 태양광 발전시스템 , 세일 돛 제어 장치 , 성능평가 , 순간 최대 충전 파워 , 세일 돛 상승 및 하강 속도 , 마스트 회전 각도

  • 1. 서 론

    근래 해상 물동량 증가로 인하여 선박의 에너지 수요는 점점 늘어나고 있으나, 이러한 수요는 유한한 자원인 화석연료의 소모와 함께 온실가스 배출, 지구온난화, 환경오염 등으로 인하여 지구내 총 사용량의 한계 상황에 직면할 만큼 지구환경에 나쁜 영향을 주고 있다. 따라서 화석연료를 사용하는 에너지 사용량을 감소시키는 유도가 필수적이며 풍력, 태양광과 같은 신재생에너지, 무공해 그린 에너지원을 선박에서도 활용하는 연구가 필요한 실정이다(Fig. 1~2 참조 요망).

    현재 세계적으로 신재생에너지 개발 현황을 살펴보면, 풍력발전의 경우 풍속 미달로 인해 풍력발전에너지의 발전효율은 한계성에 직면해 있는 반면, 신재생에너지에 해당하는 풍력을 동력원으로 이용하여 친환경 레져보트를 활용하는 점에 있어서는 미국, 일본 등의 선진국을 위주로 하여 상당히 빠른 속도로 기술개발이 이루어지고 있는 추세이다. Fig. 1(b)에서 보는 바와 같이 순풍을 동력원으로 하면서 운항하는 친환경 레져보트에 해당하는 요트(Yacht, Sailboat)의 경우에도 디자인, 선형, 성능, 재질 등에 있어서 나라별로 상당히 기술적 격차가 존재하고 있으며 그 경쟁력의 중요성은 크게 증가하고 있는 실정이다(Bube, 1960).

    태양광 발전의 경우에도 다른 신재생에너지와 비교 시 상대적으로 발전량이 다소 저조하며, 태양광 발전 시스템 설치 시 고가의 설비가 필요하다는 단점이 있는 반면, 일조량 및 지역적 환경을 충분히 활용할 경우 신재생에너지 발전 효율성은 그다지 저조하지 않으며 향후 지속적으로 적용이 검토되고 있는 추세이다.

    태양광 발전시스템은 태양광 집광판 모듈을 포함하여 인버터, 밧데리 등 제반 전기설비 등으로 구성되는 시스템을 말하며, 발전 시스템에는 크게 고정식과 추적식이 있다. 고정식의 경우 시시각각 변화하는 태양의 발전량에 따른 전류의 변화를 지상 혹은 선상에 고정된 상태에서 감지하며, 태양광 에너지를 전기(산업용, 가정용)로 변환시켜주게 된다. 추적식 태양광 발전장치는 태양광의 위치 및 방향을 추적하는 구동설비를 장착하여 태양을 추적하는 장치에 해당되며 비용이 상당히 고가인 반면, 고정식 대비 130~150%의 높은 발전효율을 보여준다(Lee, et al., 2005).

    본 기술개발에서는 태양광 발전시스템을 통해 얻어진 발전량을 이용하여 선미 후위에 설치된 전기모터(2개)를 구동시키면서 자체 추진력(Driving force)을 얻도록 친환경 레져보트를 구상하였다. 이 과정에서 Sail 돛 제어장치를 이용하여 풍력을 추진원으로 동시에 이용하면서 전기엔진을 사용하지 않은 상태에서 풍력 및 태양광 등의 신재생에너지를 이용하여 레져보트를 운항시키는 친환경 신재생에너지 융합시스템을 도출하고자 하였다.

    아울러 본 개발에서는 태양광 레저보트에 풍력 Sail 돛을 장착하여 그린에너지를 이용한 레저보트를 제작 후 성능검증 및 범용성을 확보하여 상용화하고자 하였다. 여기서 풍력 Sail 돛은 모터구동을 통하여 상승 및 하강이 가능한 구조로서 ‘접이식 Sail 돛’으로 제작하고자 목표를 설정하였다는 점은 특기사항에 해당된다. 풍력 추진장치의 핵심기술을 확보하고 태양광 레저보트에 소비되는 에너지를 절감하는 태양광 하이브리드 발전시스템을 개발하여, 이를 육상 모의시험과 컴퓨터 시뮬레이션을 거쳐 안전성을 평가한 후, 선박에 장착하여 선박의 연료 절감효과와 배출 오염 감소, 해양관광에 기여할 수 있는 레저보트를 개발하는데 본 기술개발의 추진배경이 있다(Green, 1982; Jang, 2010).

    본 기술개발의 목적은 선박제조에 적용되는 태양광 발전시스템 및 풍력 Sail 돛 제어장치 설비를 이용하여 친환경 레져보트인 ‘풍력 Sail 돛 제어장치를 이용한 태양광 레져보트’ 시제품을 제작 및 개발하는데 주안점이 있으며, 이 과정에서 제작된 시제품에 대한 성능평가(Performance evaluation)를 외부 전문기관 입회하에 수행하여 제반 평가항목에 대한 정량적 수치 및 개발 목표치를 확보하고자 함에 있다. 특히, 평가항목 중 중요한 항목에 해당되는 Sail up/down 및 Mast turning system과 관련하여 최적의 풍향 및 풍속을 적용할 수 있는 돛 제어장치의 특성(시간, 각도 등)을 평가하는데 신중한 검토를 하였으며, 기타 평가항목 중 주요 항목에 해당하는 풍향 감지 정도(%), 순간 충전 최대 파워(W/h) 및 최대 운항 시간(hr) 등에 대해서도 최적의 정량적 수치를 획득하는데 그 중요성을 두었다.

    2. 시험 방법 및 절차

    본 개발에서는 소모성 연료를 이용하는 전기엔진을 이용하지않고 신재생에너지에 해당되는 풍력 및 태양광을 이용하면서 주관기관과 참여기관이 공동협력(Co-work)을 통해 친환경 레져보트를 자체 적으로 제작하고자 하였다. 특히, 기존의 단순한 신재생에너지의 범주를 벗어나, 풍력 Sail 돛 제어장치와 태양광 발전장치로 크게 구성되는 태양광 하이브리드 발전시스템을 적용하면서 풍력과 태양광을 동시에 이용하는 신개념의 친환경 레져보트 시제품을 제작하고자 하였다(Hong et al., 2011; Newman, 1997).

    먼저 ‘풍력 Sail 돛 제어장치를 이용한 태양광 레져보트’ 시제품의 구현에 대한 설계작업을 수행하였으며 초기 개념설계 및 점진적인 상세설계 작업공정을 통해 시제품을 가시화하고자 하였다. Fig. 3에 본 기술개발에서 목표로 하는 시제품에 대한 상세 설계 도면을 나타내었다. 친환경 레져보트와 관련, 설계도면의 측면도(a), 정면도(b) 및 평면도(c)에 대한 설계도면 형상이 보여진다.

    설계 작업 후, 구조안정성(Structural stability)을 검증하기 위해 자체적으로 구조해석을 수행하였으며, 검토 결과 특이사항은 나타나지 않았다(Fig. 4 참조). 3차원 모델링의 경우 3D-Modelling Tool을 활용하여, ‘풍력과 태양광’ 등의 신재생에너지를 적용한 친환경 레져보트의 3차원적인 개략도를 Fig. 5에 도시하여 친환경 레져보트 설비의 가시화 및 구현에 대한 모델링 작업을 하였다. 본 기술개발의 주요 목표물에 해당하며, ‘풍력과 태양광’ 등의 신재생에 너지를 이용하여 자체적으로 운항하는 친환경 레져보트의 제원(전장, 전폭, 선폭, 중량, 재질 등) 등에 대해 설계작업 시 사전에 신중한 검토를 하였으며, Table 1에 친환경 레져보트에 대한 제원이 나타나 있다.

    풍력 Sail 돛 제어장치를 이용한 태양광 레져보트 기술개발과 관련, 태양광 집광판(Solar cell panel, module)의 경우 총 9개의 판넬을 사용하였으며 Fig. 6에 본 기술개발 과제에서 적용된 태양광 집광판의 실제 제품 사진 전경이 보여진다. 충전제어모듈에 해당하는 인버터(Inverter)의 경우에는 모델명 TS-45 제품을 이용하였으며 최대 24V/45A(=1,080W)의 용량을 가지고 있다. 인버터와 연계하여 설치되는 전원공급용 축전지의 경우, 24V(DC)/150AH에 해당되는 용량을 가진 구성품에 해당된다.

    기술개발의 성능 목표수치와 관련, Table 2에 각 제반 평가항목에 대한 정량적인 수치 및 목표치가 명시되어 있다. Table 2에 있는 평가항목을 검토해 보면, Sail up/down speed(120초) 및 Mast turning 각도(45°)가 많은 비중(각각 30%)을 차지하면서 중요한 평가항목에 해당된다는 것을 알 수가 있다. 이를 위해 Sail 및 Mast에 대한 구조해석을 외부 전문기관에 위탁하여 성능시험 시 필요한 기초자료로 활용하였다.

    특히, 높은 태양광 발전효율을 얻는데 필요한 최적의 일조량(Amount of sunshine), 풍력 구동에 영향을 주는 풍향(Wind direction) 및 풍속(Wind speed) 조건 등의 여러 변수 등을 감안하여 Sail 상하이동 및 Mast 회전각도 등을 사전에 검토해 보기 위해 컴퓨터 시뮬레이션(Simulation)을 자체적으로 수행하였다.

    풍향 감지 정도(%)의 경우 기존과 비교시, 개발목표치를 상향조정하였으며(60%<100%), 순간 최대 충전 파워(W/h)의 경우 기존 수치(600W/h)보다 증가된 1,000W/h의 수치를 개발 목표로 하였다. 특히 성능평가 시 운항 시간과 관련하여, 사업성과의 신뢰성(Reliability) 확보를 위해 개발목표치(3hr)에 거의 근접한 최대 운항 시간을 확보하고자 풍력 및 태양광을 최대한 활용하면서 태양광 하이브리드 발전시스템(Photovoltaic hybrid generating system)을 시제품에 적용하고자 하였다. 최종평가 시에는 KOLAS(Korea Laboratory Accreditation Scheme)인증기관 입회하에 본 연구에서 제작된 시제품에 대한 성능평가를 시행하였다.

    3. 시험 분석 및 고찰

       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. 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.

    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.

    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.

       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).

    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

    성능시험의 평가항목인 풍향감지정도를 측정시에는 해양용 풍향풍속계(선박용 풍향풍속 표시기)를 이용하여 풍향, 풍속의 상태를 측정하였다. Fig. 13에 본 기술개발의 성능시험시 실제적용하여 이용한 풍향풍속계 계측장비 전경이 보여진다(Hwang et al., 2013; Markvart and Castaner, 2005).

    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.

    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).

    본 연구에서 적용된 충전제어용 인버터(24V)의 경우 발전 파워(W) 대비 발전효율(%)을 도표상으로 비교하여 검토해보면 Fig. 16과 같다.

    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.

    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.

    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.

    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.

    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.

    4. 결 론

    (1) 본 시제품의 경우 풍력 Sail 돛 제어장치를 접목한 태양광하이브리드 발전시스템(고정식)을 적용하였으며, 태양의 발전량에 따른 전류의 변화를 감지하여 인버터 제어를 통해 얻어진 축전지 전원이 프로펠러(2개) 구동용 전기모터 및 ‘접이식 Sail 돛’의 상승 및 하강용에 이용되는 구동모터에 공급되어지도록 제작을 하였다.

    (2) 접이식 풍력 Sail 돛 제어장치와 관련, Sail up/down 시간의 경우 목표시간(120초)를 단축하면서 왕복시간 100초를 확보하였고, Mast turning 각도(degree)의 경우 45°를 얻었으며 공히 목표수치에 근접하는 정량수치를 보여 주었다.

    (3) 풍력 및 태양광의 신재생에너지를 추진원으로 한 친환경레져보트 시제품을 이용하여 성능시험을 한 결과, 90%의 풍향감지 정도, 900W의 최대 순간 충전 파워를 획득하였고 대략 3시간에 해당하는 최대 운항 시간을 얻었으며 개발 목표치의 성능수치를 충족하였다.

    (4) 본 시제품의 경우 태양광 발전시스템 및 접이식 풍력 Sail 돛 제어장치를 접목하여 제작을 하였고, 성능시험 결과, 풍력 및 태양광 신재생에너지를 이용한 친환경 레져선박으로 적합한 것으로 판정되었으며, 향후 관련 분야에 다양하게 적용이 가능할 것으로 검토되었다.

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  • 11. Yoon C.S. 2004 Alternative Energy Wind Turbine Technology google
  • [Fig. 1] Actual view of a boat with a photovoltaic system (a), a sailboat with sail and mast itself (b)
    Actual view of a boat with a photovoltaic system (a), a sailboat with sail and mast itself (b)
  • [Fig. 2] Schematic diagram showing a photovoltaic hybrid generating system (wind + solar energy) (a), eco-environmental leisure ship with the above system (b)
    Schematic diagram showing a photovoltaic hybrid generating system (wind + solar energy) (a), eco-environmental leisure ship with the above system (b)
  • [Fig. 3] Drawing image with respect to eco-environmental leisure boat with a photovoltaic hybrid generating system
    Drawing image with respect to eco-environmental leisure boat with a photovoltaic hybrid generating system
  • [Fig. 4] Several schematic modelling image for structural analysis as to the prototype with a photovoltaic hybrid generating system (wind + solar energy)
    Several schematic modelling image for structural analysis as to the prototype with a photovoltaic hybrid generating system (wind + solar energy)
  • [Fig. 5] 3D-Modelling image as to the prototype with a photovoltaic hybrid generating system (wind + solar energy)
    3D-Modelling image as to the prototype with a photovoltaic hybrid generating system (wind + solar energy)
  • [Table 1] The specific dimensions of the eco-environmental leisure ship used for this study
    The specific dimensions of the eco-environmental leisure ship used for this study
  • [Fig. 6] Actual image to show the photovoltaic panels used for photovoltaic hybrid generating system
    Actual image to show the photovoltaic panels used for photovoltaic hybrid generating system
  • [Table 2] Several performance evaluation items for this study
    Several performance evaluation items for this study
  • [Table 3] Results as to performance evaluation items
    Results as to performance evaluation items
  • [Fig. 7] Image of individual components used for eco-environmental leisure ship for this study
    Image of individual components used for eco-environmental leisure ship for this study
  • [Fig. 8] Image to show the main components as to the ecoenvironmental leisure ship FRP (Fiber reinforced plastic)
    Image to show the main components as to the ecoenvironmental leisure ship FRP (Fiber reinforced plastic)
  • [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)
    Image of main frame of leisure ship hull (a), Image of Internal components leisure ship hull in the process of the fabrication (b)
  • [Fig. 10] Image to show the manufactured prototype of ecoenvironmental leisure ship with wind and solar energy
    Image to show the manufactured prototype of ecoenvironmental leisure ship with wind and solar energy
  • [Fig. 11] Image to show the manufactured prototype of ecoenvironmental leisure ship under the performance evaluation
    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
    Image to show the test root of the manufactured prototype under the performance evaluation
  • [Fig. 13] The view of calibration instrument for measuring wind direction and speed
    The view of calibration instrument for measuring wind direction and speed
  • [Fig. 14] The graph showing the state of sensitivity of wind direction (a), wind speed (b)
    The graph showing the state of sensitivity of wind direction (a), wind speed (b)
  • [Fig. 15] The view of charging inverter component (a), battery for supplying electo-motive force (b)
    The view of charging inverter component (a), battery for supplying electo-motive force (b)
  • [Fig. 16] The relationship between generating output power(W) and generating efficiency(%)
    The relationship between generating output power(W) and generating efficiency(%)
  • [Fig. 17] The view of winch motor (a) and its specification (b)
    The view of winch motor (a) and its specification (b)
  • [Fig. 18] The relationship between sail lifting time and sail height in the eco-environmental leisure ship
    The relationship between sail lifting time and sail height in the eco-environmental leisure ship
  • [Fig. 19] The simulation view of sail up/down system during actual operation
    The simulation view of sail up/down system during actual operation
  • [Fig. 20] The simulation view of mast turning operation
    The simulation view of mast turning operation