선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 단동선과 쌍동선에 비해 삼동선의 경우, 고속에서 저항성능이 우수하며 해상상태에서 내파성과 안전성이 우수한 것으로 알려져 있으며 실제로 유사한 단동 선형과의 저항성능 비교, 연구를 통해서 검증된 바 있다(오세면 등 2004, 이영길 등 2004). 따라서 본 연구에서는 성능 및 제작의 용이성을 위해 삼동선으로 개념설계를 하였다.
- 본 논문에서는 2006년 인력선 축제에 참여하기 위해 충남대학교에서 개발한 1인승 솔라보트의 설계와 제작 방법 및 과정 그리고 시험주행 결과를 기술하였다.
- 본 연구에서는 충남대학교에서 개발한 솔라보트 EPISODE의 설계와 제작 방법 및 과정을 기술하였다.
- 또한, 충·방전 제어기(MPPT)와 기타 전기장치를 결정하고, 선체는 FRP로 제작하였으며 전기장치의 배치와 조종장치의 설치를 통해 시스템을 완성하였다. 솔라보트의 시험 주행으로부터 2.7m/s의 속도성능과 내구성, 선회성능, 태양광에너지 추진 시스템의 성능을 최종 확인함으로써 태양광에너지로 추진되는 솔라보트의 개발을 위한 기초 자료를 확보하였다.
가설 설정
- 전저항으로부터 유효동력(PE)을 구하였으며, 축 · 베어링 등의 전달 효율(ηD)과 프로펠러 효율(η0)을 고려하여 제동동력(PB)을 추정하였고 이를 Table 3에 나타내었다. 여기서, 전달 효율과 프로펠러 효율은 0.99와 0.7으로 가정하였다.
제안 방법
- CFD를 활용하여 설계 과정에서 추정한 저항 특성을 포함한 솔라보트 선체 주위의 유동 특성에 대해 살펴보았다. 수치해석 도구로는 MOERI에서 개발한 WAVIS를 사용하였다.
- EPISODE의 제작을 끝내고 시험주행을 실시하였다(Fig. 25). 시험주행을 통해 EPISODE의 속도, 조종성과 내구성 그리고 전기 시스템의 작동 상태를 확인하였다.
- GUI를 이용하여 선형을 쉽게 변화 및 순정할 수 있고, 선도까지 신속하고 효율적으로 작성할 수 있는 선형 설계 전용 프로그램인 H-CAD를 이용하여 설계하였다. 단동선의 경우, 저항 관점에서 폭이 감소하면 저항이 감소하나, 복원성능도 감소하게 된다.
- ITTC 1957 마찰저항 공식에 의해 마찰저항계수(CF)를 구하고 유사 선형에 대한 실험 및 계산데이터(Kim et al . 1990, 신명수와 강국진 1996)를 통하여 조파저항 계수(CW)를 추정하여 이를 통해 전저항 계수(CT)을 구하였다. 전저항으로부터 유효동력(PE)을 구하였으며, 축 · 베어링 등의 전달 효율(ηD)과 프로펠러 효율(η0)을 고려하여 제동동력(PB)을 추정하였고 이를 Table 3에 나타내었다.
- 갑판 면적 확보, 승선자 및 의장품 배치, 선체 중량 및 저항의 최소화, 복원성 및 강도 확보, 경량화를 설계 조건으로 가정하여 주요 치수를 결정하고 중량을 추정하였다. 국내에서는 1인승 솔라 보트 제작에 대한 자료 및 경험이 부족한 실정이므로 일본에서 개최되는 전 일본 솔라 & 인력선 대회에 참가하는 유사 1인승 솔라보트를 참고하여 Table 1, 2에 나타낸 바와 같이 EPISODE의 중량 및 주요 치수를 추정하였다.
- 따라서 본 EPISODE는 충분한 배수량을 가지면서 길이 대 폭의 비가 10:1인 매우 날씬한 선형으로 잉여저항 측면에서 유리하게 설계하였다. 또한, 선수 형상은 내항성 및 초기 복원력 측면에서 유리하다고 알려진 V자형으로 설계하였으며 선미는 추진 효율이 높은 U자형으로 설계하였다.
- 또한, 솔라보트의 운전 중에 전기적인 상태가 수시로 변할 수 있기 때문에 운전자가 탑승한 위치에서 전압과 전류의 상태, 축전기의 충·방전 상태를 확인 할 수 있도록 운전자의 시야 안으로 태양전지 컨트롤러, 전압계와 전류계를 설치(Fig. 23, Fig. 24)했으며, 모터 드라이브의 속도전압을 조절해 주는 장치를 핸들에 설치해 모터의 회전속도를 조절하여 보트의 주행속도를 손쉽게 바꿀 수 있도록 하였다.
- 추진기는 선미 쪽에 배치하였으며 타는 효율을 고려하여 프로펠러 후류에 위치시켰다. 또한, 종부심(Longitudinal Center of Buoyancy, L.C.B)이 선체 중앙에서 선수 쪽으로 위치한 것을 고려하여 중량 분포에 가장 큰 영향을 미치는 승선자는 선체의 길이 방향 중심보다 선수 쪽으로 위치하도록 결정하였다.
- 또한, 충·방전 제어기(MPPT)와 기타 전기장치를 결정하고, 선체는 FRP로 제작하였으며 전기장치의 배치와 조종장치의 설치를 통해 시스템을 완성하였다.
- 본 연구에서 설계 ∙ 제작된 1인승 솔라보트는 모터와 프로펠러가 직접 연결된 일체형이며, 모터 자체가 선체의 바닥에 부착되어 물속에서 작동하게 되므로 반류의 영향은 무시하였다.
- 본 연구에서는 솔라보트를 처음 제작하는 것을 감안하여 타 크기에 여유치를 두어 L×T의 3.5%로 결정하였으며 이때의 타 면적은 350cm2이다.
- 선형 자체가 기존에 제작하던 인력선의 선체보다 크고 전장이 길기 때문에 선체의 무게보다는 강도 확보를 위해 유리 섬유 매트 3겹, 로빙크로스 1겹을 적층하였다. 선체의 종강도 보강을 위해 선저 중심선을 따라 알루미늄 프레임을 설치하였다.
- 17)하고, 제작된 몰드를 통해 다시 유리 섬유와 폴리에스테르 수지로 선체 제작을 한다. 선형 자체가 기존에 제작하던 인력선의 선체보다 크고 전장이 길기 때문에 선체의 무게보다는 강도 확보를 위해 유리 섬유 매트 3겹, 로빙크로스 1겹을 적층하였다. 선체의 종강도 보강을 위해 선저 중심선을 따라 알루미늄 프레임을 설치하였다.
- 솔라모듈, 승선위치 및 전기장치의 배치 등이 고려된 선형을 상용 프로그램(HCAD)을 사용하여 도출하고 자료를 바탕으로 마력을 추정하였으며, 수치해석 프로그램(WAVIS, Fluent)을 통해 추정된 마력을 검증하였다. 추정마력으로부터 솔라모듈의 면적, 모터 출력, 베터리의 용량을 결정하였다.
- 솔라보트의 제작은 크게 선체 제작, 조타 및 의장장치 제작, 전기장치 배치 및 연결로 나누어서 하였다. 선체는 소형 선박 제작에 가장 많이 사용되고 있는 FRP를 이용하여 제작하였다.
- 25). 시험주행을 통해 EPISODE의 속도, 조종성과 내구성 그리고 전기 시스템의 작동 상태를 확인하였다. 초기 중량과 달리 선체 제작 과정에서 의 선체 무게와 의장품 그리고 솔라모듈의 무게 증가로 인해 최초 설계 속도인 3m/s에 약간 못 미치는 2.
- 18)하여 보강하였다. 이 후, 표면처리 과정을 통해 선체를 완성하였으며, 동일한 방법으로 보조선체(Fig. 19)를 제작하였다.
- 63%의 차이를 보이고 있다. 이는 설계에서 저항을 추정할시 유사 선형 데이터에 의존한 점이 가장 크다고 할 수 있으며, CFD 검증을 통해 최적 상태에서의 저항값 및 유효동력을 확인하였다. 또한, 계산을 통해 3장에서 언급하겠지만 실질적으로 설계에서 추정한 제동동력 확보를 위해 500W급 모터를 선정한 것이 설계속도인 3m/s 뿐만 아니라 그 이상의 속도에서도 운행이 가능함을 확인하였다.
- 또한, 주행 과정 중에 모터와 태양전지컨트롤러의 허용 전류에 차이가 있어 모터를 최대 속도로 회전시킬 경우, 컨트롤러의 허용전류를 초과하여 전원이 꺼지는 문제가 발생하였다. 이를 해결하기 위해 몇 번의 시범 주행을 통해 컨트롤러가 허용하는 전류에 대한 모터의 최대 회전수를 찾았고 그 범위 내에서 무리없이 운행할 수 있도록 하였다.
-
4.1 선체 제작
작성된 선도에서 각 station별 단면을 이용하여 스티로폼으로 station간의 부분 형상을 제작하였다. 이 부분 형상들을 연결하여 선형에 대한 전체적인 형상을 만들고 이 위에 스티로폼 본드와 메쉬, 퍼티를 이용 여러 번의 표면 작업으로 몰드 제작을 위한 선체 형상(Fig.
- 전저항으로부터 유효동력(PE)을 구하였으며, 축 · 베어링 등의 전달 효율(ηD)과 프로펠러 효율(η0)을 고려하여 제동동력(PB)을 추정하였고 이를 Table 3에 나타내었다.
- 솔라모듈, 승선위치 및 전기장치의 배치 등이 고려된 선형을 상용 프로그램(HCAD)을 사용하여 도출하고 자료를 바탕으로 마력을 추정하였으며, 수치해석 프로그램(WAVIS, Fluent)을 통해 추정된 마력을 검증하였다. 추정마력으로부터 솔라모듈의 면적, 모터 출력, 베터리의 용량을 결정하였다. 또한, 충·방전 제어기(MPPT)와 기타 전기장치를 결정하고, 선체는 FRP로 제작하였으며 전기장치의 배치와 조종장치의 설치를 통해 시스템을 완성하였다.
- 포텐셜 계산을 위해 선수와 선미를 각각 1개의 격자 블록으로 생성하였으며 선미는 Cruise형으로 하였다. 또한, 선체표면과 자유수면의 격자수는 각각 1,260개와 1,170개를 사용하였고, Fig.
- 핸들과 연결된 크랭크의 회전각을 조정하여 타의 회전각이 -30°~ 30° 범위 내에서 작동하도록 제작하였다.
- 20에 나타내었다. 핸들의 축에 파이프를 용접하고 파이프의 끝 부분에 체인 크랭크를 용접(Fig. 21)하여 탑승자의 위치에 있는 핸들을 통해 선미의 타를 조종할 수 있게 하였다.
- 횡강도 보강과 전기 시스템의 수밀을 고려해 선체의 일정한 간격으로 격벽을 설치(Fig. 18)하여 보강하였다. 이 후, 표면처리 과정을 통해 선체를 완성하였으며, 동일한 방법으로 보조선체(Fig.
대상 데이터
- 마력 추정을 통해서 EPISODE의 추진을 위해서는 최소한 430W 정도의 동력이 필요함을 확인하였다. EPISODE 제작 목적이 전기 시스템의 작동원리를 이해하고 시스템을 구현해 보는데 목적이 있기 때문에 직접 제작하기 보다는 시중에서 판매 되는 일체형 기성품 중 설계속도인 3m/s에서 운행이 가능하도록 최대 출력이 500W 정도인 모터를 선정하였다. 본 EPISODE에 사용된 모터는 주로 소형 보트의 보조 엔진으로 사용되는 DC 12V, 추력 44lb의 MINN KOTA EM44 모델을 사용하였으며, Fig.
- Battery는 솔라모듈로부터 받아들인 전기에너지를 충전하여 태양전지로부터의 전력공급이 불가능하거나 솔라모듈의 출력이 부족할 때 사용하게 된다. EPISODE에 사용된 제품은 현재 일본 공식 시합용 Battery인 Panasonic사의 납축전지이고 제원은 12V, 7.2Ah/20HR이며 Table 6 및 Fig. 14에 기본제원 및 Battery 모습을 나타내었다. 20HR(시간율)은 12V 축전지의 경우, 만충전된 축전지를 일정 전류(용량의 1/20)로 전압이 10.
- 포텐셜 계산을 위해 선수와 선미를 각각 1개의 격자 블록으로 생성하였으며 선미는 Cruise형으로 하였다. 또한, 선체표면과 자유수면의 격자수는 각각 1,260개와 1,170개를 사용하였고, Fig. 4에는 자유수면을 포함한 격자계의 모습을 보이고 있다.
- 모듈은 최대출력이 168W로 길이가 1580mm, 폭이 802mm, 두께가 50mm이고 모듈당 무게는 18kg으로 솔라보트 앞, 뒤로 각각 1장씩 배치하여 병렬로 연결하였다. Fig.
- EPISODE 제작 목적이 전기 시스템의 작동원리를 이해하고 시스템을 구현해 보는데 목적이 있기 때문에 직접 제작하기 보다는 시중에서 판매 되는 일체형 기성품 중 설계속도인 3m/s에서 운행이 가능하도록 최대 출력이 500W 정도인 모터를 선정하였다. 본 EPISODE에 사용된 모터는 주로 소형 보트의 보조 엔진으로 사용되는 DC 12V, 추력 44lb의 MINN KOTA EM44 모델을 사용하였으며, Fig. 12에 나타내었다. 이 모터는 소음이 없고, 사용법이 간단하다.
- MPPT 방식은 최대 출력 제어 추적 방식이라고도 불리는데 모듈에서 발생하는 전압과 축전지의 전압을 매치시켜 최대한의 충전 효과를 얻도록 해준다. 본 연구의 대상선에서는 MPPT 방식의 STECA사의 Solarix Sigma를 선정하였으며, Table 7에 기본 특성을 Fig. 15에 사용된 제품의 모습을 보이고 있다.
- 솔라보트의 제작은 크게 선체 제작, 조타 및 의장장치 제작, 전기장치 배치 및 연결로 나누어서 하였다. 선체는 소형 선박 제작에 가장 많이 사용되고 있는 FRP를 이용하여 제작하였다. 의장장치는 승선자 탑승 공간, 전기 제품의 위치 등 효율적인 배치에 중점을 두었으며, 전기장치는 대부분 기성품을 사용하였다.
- 여기서, 배수량의 경우, 추정된 중량에 약 20%의 여유치를 두었다. 중량추정에서 현재 우리나라의 실정상 가볍고 높은 출력의 솔라모듈을 확보하기 어려워 국내에서 유통되며 일반적으로 지상 구조에서 사용하는 솔라 모듈을 선택하였다.
- 5%로 결정하였으며 이때의 타 면적은 350cm2이다. 추정한 타 면적을 기준으로 타의 스팬(span)은 프로펠러의 위치와 직경을 고려해 25cm, 코드 길이를 14cm로 결정하고 단면은 NACA 0015를 사용하였다.
- 국내 실정에서 조건을 모두 만족하는 솔라모듈을 확보하기에 어려움이 있었다. 특히, 무게가 가벼운 모듈은 외국 수입에 의존하고 있고 고가여서 본 연구에서는 무게특성을 배제하고 국내에서 생산되며, 출력과 효율이 좋은 포톤 반도체사(현 KPE사)의 단결정 솔라셀을 이용한 모듈을 사용하였으며 Table 5에 솔라모듈의 특성을 나타내었다. Vmp와 Imp는 솔라모듈의 최대 출력에서의 전압과 전류를 나타낸다.
이론/모형
- CFD를 활용하여 설계 과정에서 추정한 저항 특성을 포함한 솔라보트 선체 주위의 유동 특성에 대해 살펴보았다. 수치해석 도구로는 MOERI에서 개발한 WAVIS를 사용하였다.
성능/효과
- 하지만, 삼동선의 경우, 주선체의 폭이 작아도 보조선체가 복원성능을 보완해 주는 역할을 하기 때문에 폭이 작아도 큰 문제가 되지 않는다. 따라서 본 EPISODE는 충분한 배수량을 가지면서 길이 대 폭의 비가 10:1인 매우 날씬한 선형으로 잉여저항 측면에서 유리하게 설계하였다. 또한, 선수 형상은 내항성 및 초기 복원력 측면에서 유리하다고 알려진 V자형으로 설계하였으며 선미는 추진 효율이 높은 U자형으로 설계하였다.
- 이는 설계에서 저항을 추정할시 유사 선형 데이터에 의존한 점이 가장 크다고 할 수 있으며, CFD 검증을 통해 최적 상태에서의 저항값 및 유효동력을 확인하였다. 또한, 계산을 통해 3장에서 언급하겠지만 실질적으로 설계에서 추정한 제동동력 확보를 위해 500W급 모터를 선정한 것이 설계속도인 3m/s 뿐만 아니라 그 이상의 속도에서도 운행이 가능함을 확인하였다.
- 마력 추정을 통해서 EPISODE의 추진을 위해서는 최소한 430W 정도의 동력이 필요함을 확인하였다. EPISODE 제작 목적이 전기 시스템의 작동원리를 이해하고 시스템을 구현해 보는데 목적이 있기 때문에 직접 제작하기 보다는 시중에서 판매 되는 일체형 기성품 중 설계속도인 3m/s에서 운행이 가능하도록 최대 출력이 500W 정도인 모터를 선정하였다.
- Fn이 크기 때문에 파 길이가 무척 크게 나타나고 있다. 선수 부분에서 파고가 가장 큰 것을 볼 수 있으며 중앙평행부 근처에서 파고가 낮아졌다 이후 점차 완만해지며 중앙평행부에서 선미쪽으로 0.16L 위치, 즉 보조선체가 놓이는 위치에서도 파고가 매우 균일하여 저항성능에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 생각되며, 초기 추정 위치가 적당했음을 보이는 결과라 생각된다.
- 8에 나타내었다. 점성압력 저항( CVP)의 경우, 속도와 상관없이 일정한 값을 보이고 있음을 확인할 수 있으며, 마찰저항( CF) 성분의 경우 속도가 증가하면서 점차 감소하는 것을 확인하였다. 이를 통해 설계속도 3m/s 이상으로 운행시 저항 측면에서는 유리할 것으로 판단된다.
- 시험주행을 통해 EPISODE의 속도, 조종성과 내구성 그리고 전기 시스템의 작동 상태를 확인하였다. 초기 중량과 달리 선체 제작 과정에서 의 선체 무게와 의장품 그리고 솔라모듈의 무게 증가로 인해 최초 설계 속도인 3m/s에 약간 못 미치는 2.7m/s 정도의 속도를 보였다. 또한, 주행 과정 중에 모터와 태양전지컨트롤러의 허용 전류에 차이가 있어 모터를 최대 속도로 회전시킬 경우, 컨트롤러의 허용전류를 초과하여 전원이 꺼지는 문제가 발생하였다.
- 9에는 자유수면 아래 선체표면에서의 압력 분포 및 한계유선을 나타내었으며, 한계유선의 경우 대체적으로 균일한 분포를 보이고 있다. 현측에서의 압력분포를 살펴보면 선수 부분에 상대적으로 큰 압력이 분포하고 있으며 선수로부터 0.1L 이후 매우 균일한 압력 분포를 보이고 있다. 선저에서의 압력분포를 살펴보면 중앙평행부 근처에 음압이 분포하고 있으며 그 이외에 영역에서는 현측에서와 마찬가지로 동일한 압력분포를 보이고 있다.
후속연구
- 또한, 소득증대와 주 5일 근무제 도입으로 인해 해양레저와 수상레포츠의 저변이 확대되고 수요가 크게 증가할 것으로 예상(반석호와 김상현 등 2002)되는 상황을 고려할 때, 레저 스포츠 장비로서 솔라보트의 활용 가능성이 매우 크며, 이에 대한 전문적인 연구와 개발이 이루어진다면 레저 · 관광 선박 및 다양한 환경친화적 소형선박 등에 적용이 가능할 것이라고 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.