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문제 정의
- 본 연구는 LED 집어등에서 발생하는 열을 공랭식보다 더욱 효과적으로 낮출 수 있는 수랭식 LED 집어등을 설계·제작하여 채낚기 조업선에 설치한 후 어획성능시험을 수행하고 결과를 분석한 것이다.
제안 방법
- 갈치 및 오징어 채낚기용 LED 집어시스템을 개발하기 위하여 집어등 모듈 및 집어등 유닛을 개발하였고 개발한 집어등을 선박에 설치하기 위한 거치구조도 개발하였다. 개발한 집어등은 LED 집어등 성능인증기준인 NFRDI 8001의 검사 기준 및 방법에 의하여 성능 검사를 시행하였으며, 그 결과, 점등 특성, 전압 변동, 점멸 수명, 작동 내구성, 유효 광속, 유효 광효율에서 모두 양호한 성능을 나타내었다.
- 따라서 LED 집어등 패널은 좌현과 우현 각각 10개를 설치하였고 10개중에서 선수쪽은 6개, 선미쪽은 4개를 설치하였다. 그리고 이러한 각 4개 구역별로 각각의 해수순환 구조를 설치하였으며, 총 2개의 해수펌프 (출력 600W)를 사용하여 해수가 패널 속을 흐르도록 시스템을 구성하였다. 또한 2009년 10월 23일 이후에는 LED 집어등 패널 2개를 선수 전방과 선미 후방을 비추도록 추가하여 총 110개의 LED 집어등을 사용하였다.
- 따라서 LED 집어등 패널은 좌현과 우현 각각 6개를 설치하였고 6개중에서 선수쪽은 4개, 선미쪽은 2개를 설치하였다. 그리고 총 1개의 해수펌프를 사용하여 해수가 패널 속을 흐르도록 시스템을 구성하였다.
- 이 기간 중 시험선과 비교선의 조업일수는 각각 29일, 7일이었다. 따라서 어획량의 비교는 조업일자가 서로 다르기 때문에 통계적 검정은 할 수 없었으며 일평균 어획량으로 비교하였다. 이 기간 중 시험선의 총 어획량은 14,065.
- 패널에 부착된 집어등은 선수 마스트와 선미 마스트 사이에 평형으로 나란히 연결된 두 지지선 (wire rope)에 거치되는데 이두지지선이 집어등 패널의 상·하를 각각 통과하는 구조로 되어 있다. 또한 두 지지선이 마스트와 연결된 부분에서는 연결각도를 조절할 수 있어 집어등이 집어에 효과적인 방향으로 빛을 방사할 수 있도록 하였다. 집어등 빛의 중심선의 각도는 현 메탈핼라이드 집어등과 선박의 현이 이루는 각도와 동일하도록 수직 방향과 약 63도를 이루도록 하였다.
- 집어등 유닛 한 개의 전기적 용량은 160W (소비전력 250W)로 설계하였고 파장은 청색과 연두색을 절반씩 혼합하여 사용함으로써 시각적으로 백색을 띠도록 하여 조도를 높였으며, 수중 투과성을 높여서 집어성능을 향상시켰다. 빛이 방사되는 외부에는 렌즈 (직경 80mm, 중심부의 높이 30mm)를 부착하여 LED 측면으로 비춰지는 광을 전방으로 집속할 수 있도록 하였다. 패널에 부착된 집어등은 선수 마스트와 선미 마스트 사이에 평형으로 나란히 연결된 두 지지선 (wire rope)에 거치되는데 이두지지선이 집어등 패널의 상·하를 각각 통과하는 구조로 되어 있다.
- 어획성능시험에 있어서는 어획성능에 영향을 미칠 수 있는 요소인 대상어종 (오징어, 갈치), 주 조업시기, 선박의 조업패턴 등을 고려하였다. 또한 어획성능 (어획량)을 비교하기 위한 비교선은 시험선과 톤수, 어장, 조업패턴, 자획조획기수, 선원수 등을 종합적으로 고려하여 시험선과 가장 유사한 선박을 선정하였다.
- 각 시험선의 집어등 운영방법 및 비교선의 제원을 Table 2에 나타내었다. 어획성능평가는 LED 집어등을 설치한 선박과 비교선박이 같은 어장에서 조업한 일자의 일정기간동안의 어획량을 조사하여 어획성능을 비교하였다. 또한 조업일자가 동일한 경우에는 어획량에 대한 통계적 검정 (t 쌍체 검증, 양측검증)을 실시하였고 유의수준은 0.
- 우리나라 채낚기 어업은 동해안의 오징어 채낚기와 제주도의 갈치 채낚기로 대별할 수 있으므로, 동해안 삼척시 임원항과 제주도 도두항에 민간시험선을 지정하여 개발한 LED 집어등을 제작·설치하였다.
- 이중 2009년 9월 23일부터 2009년 10월 22일까지는 LED 집어등 100개를 운용하였고 (이하 ‘1차 시험’) 2009년 10월 23일부터 2009년 12월 30일까지는 LED 집어등 110개를 운용하였으므로 (이하 ‘2차 시험’) 두 기간을 분리하여 어획량을 분석하였다.
- 집어등에 사용한 LED 칩은 LumiLED (미국 Cree 社)로서 인가 전력은 2W, 인가 전류는 700mA이다. 집어등 유닛 한 개의 전기적 용량은 160W (소비전력 250W)로 설계하였고 파장은 청색과 연두색을 절반씩 혼합하여 사용함으로써 시각적으로 백색을 띠도록 하여 조도를 높였으며, 수중 투과성을 높여서 집어성능을 향상시켰다. 빛이 방사되는 외부에는 렌즈 (직경 80mm, 중심부의 높이 30mm)를 부착하여 LED 측면으로 비춰지는 광을 전방으로 집속할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 조업 전반기 (약 오후 11–12시)까지 메탈핼라이드 집어등을 사용하고 후반기에는 LED 집어등을 사용한 오징어 채낚기 시험선 재은호는 기존에 비하여 약 39%의 소비전력을 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 2차 시험기간 중에는 LED 집어등 110개를 사용하였으나 본 분석에서는 1차 시험에서 사용한 집어등 100개를 기준으로 하였다. 또한 시험에 사용한 LED 집어등은 160W급이었으나 안정기 (SMPS)의 소비전력이 250W이므로 실제로 소비되는 전력은 250W이다.
- 갈치 채낚기 대상의 LED 집어등 어획성능시험에서는 제주시 도두항의 우승호 (6톤)와 일승호 (4톤)에 LED 집어등 유닛 60개를 각각 설치하고 조업 중에는 선내가 매우 어두우므로 작업등 용으로 기존 집어등인 메탈핼라이드 램프 2개를 함께 사용하였다. 따라서 LED 집어등 패널은 좌현과 우현 각각 6개를 설치하였고 6개중에서 선수쪽은 4개, 선미쪽은 2개를 설치하였다.
- 개발한 160W급 집어등을 오징어 채낚기 어선 1척 (재은호, 29톤), 갈치 채낚기 어선 2척 (우승호, 6톤 / 일승호, 4톤)에 각각 100–110개와 60개를 설치하였다.
- 2), 조업 중에는 기존 집어등인 메탈핼라이드 램프 40개와 혼용하였다. 따라서 LED 집어등 패널은 좌현과 우현 각각 10개를 설치하였고 10개중에서 선수쪽은 6개, 선미쪽은 4개를 설치하였다. 그리고 이러한 각 4개 구역별로 각각의 해수순환 구조를 설치하였으며, 총 2개의 해수펌프 (출력 600W)를 사용하여 해수가 패널 속을 흐르도록 시스템을 구성하였다.
- 갈치 채낚기 대상의 LED 집어등 어획성능시험에서는 제주시 도두항의 우승호 (6톤)와 일승호 (4톤)에 LED 집어등 유닛 60개를 각각 설치하고 조업 중에는 선내가 매우 어두우므로 작업등 용으로 기존 집어등인 메탈핼라이드 램프 2개를 함께 사용하였다. 따라서 LED 집어등 패널은 좌현과 우현 각각 6개를 설치하였고 6개중에서 선수쪽은 4개, 선미쪽은 2개를 설치하였다. 그리고 총 1개의 해수펌프를 사용하여 해수가 패널 속을 흐르도록 시스템을 구성하였다.
- 또한 수랭식 냉각 시스템은 방수가 되지 않을 경우, 시스템 전체에 매우 심각한 문제를 발생시키며 이러한 고장은 특히 겨울철에 패널 속의 해수가 동결될 경우에 많이 발생한다. 따라서 본 수랭식 집어등은 사용하지 않을 때에는 해수가 접합부분에 머물지 않도록 하여 동결에 의한 누수가 발생하지 않도록 하였고 접합부의 마감은 탄력성 실리콘 소재를 사용하였으며 등기구 케이스는 염해로부터 안전한 플라스틱을 사용하였다.
- 그리고 이러한 각 4개 구역별로 각각의 해수순환 구조를 설치하였으며, 총 2개의 해수펌프 (출력 600W)를 사용하여 해수가 패널 속을 흐르도록 시스템을 구성하였다. 또한 2009년 10월 23일 이후에는 LED 집어등 패널 2개를 선수 전방과 선미 후방을 비추도록 추가하여 총 110개의 LED 집어등을 사용하였다.
- 2차 시험기간 중에는 LED 집어등 110개를 사용하였으나 본 분석에서는 1차 시험에서 사용한 집어등 100개를 기준으로 하였다. 또한 시험에 사용한 LED 집어등은 160W급이었으나 안정기 (SMPS)의 소비전력이 250W이므로 실제로 소비되는 전력은 250W이다. 갈치 채낚기 시험선 우승호, 일승호는 기존에 비하여 각각 68.
- 어획성능시험에 있어서는 어획성능에 영향을 미칠 수 있는 요소인 대상어종 (오징어, 갈치), 주 조업시기, 선박의 조업패턴 등을 고려하였다. 또한 어획성능 (어획량)을 비교하기 위한 비교선은 시험선과 톤수, 어장, 조업패턴, 자획조획기수, 선원수 등을 종합적으로 고려하여 시험선과 가장 유사한 선박을 선정하였다. 각 시험선의 집어등 운영방법 및 비교선의 제원을 Table 2에 나타내었다.
- 갈치 채낚기 어선 우승호, 일승호를 이용한 LED 집어등의 어획성능시험에서의 시험선과 비교선의 조업일수, 어획량, 평균어획량을 Table 6에 나타내었다. 시험 기간은 갈치 채낚기어업의 주어기인 2009년 6월 1일에서 2009년 10월 16일까지이다. 이 기간 중 LED 집어등 시험선 우승호, 일승호와 비교선의 조업일수는 각각 27, 17, 36일이었다.
- , 2006). 시험에 사용한 집어등은 LED 램프에서 발생하는 열을 효과적으로 배출하기 위하여 해수를 이용한 수랭식으로 제작한 것이 특징이며 LED 집어등 유닛 5개를 알루미늄으로 된 하나의 방열패널에 일렬로 부착하여 한 개의 패키지로 구성하였다. 또한 각 패널의 양끝에는 냉각용 해수가 지날 수 있는 입수공 또는 출수공이 있다.
- 오징어 채낚기 대상의 LED 집어등 어획성능시험에서는 강원도 삼척시 임원항의 재은호 (29톤)에 LED 집어등 유닛 100개를 설치하였고 (Fig. 2), 조업 중에는 기존 집어등인 메탈핼라이드 램프 40개와 혼용하였다. 따라서 LED 집어등 패널은 좌현과 우현 각각 10개를 설치하였고 10개중에서 선수쪽은 6개, 선미쪽은 4개를 설치하였다.
- 오징어 채낚기 어선 재은호를 이용한 어획성능시험 기간은 오징어 채낚기어업의 주어기인 2009년 9월 23일에서 2009년 12월 30일까지이다. 이중 2009년 9월 23일부터 2009년 10월 22일까지는 LED 집어등 100개를 운용하였고 (이하 ‘1차 시험’) 2009년 10월 23일부터 2009년 12월 30일까지는 LED 집어등 110개를 운용하였으므로 (이하 ‘2차 시험’) 두 기간을 분리하여 어획량을 분석하였다.
데이터처리
- 어획성능평가는 LED 집어등을 설치한 선박과 비교선박이 같은 어장에서 조업한 일자의 일정기간동안의 어획량을 조사하여 어획성능을 비교하였다. 또한 조업일자가 동일한 경우에는 어획량에 대한 통계적 검정 (t 쌍체 검증, 양측검증)을 실시하였고 유의수준은 0.05이다.
- 4톤급 시험선인 일승호의 조업일수가 상대적으로 적은 것은 조업시작일이 6월 15일로서 타 선박에 비하여 출어가 늦었기 때문이다. 본 시험의 어획량의 비교도 오징어 채낚기 2차 시험과 마찬가지로 조업일자 및 일수가 서로 다르기 때문에 통계적 검정은 할 수 없었으며 일평균 어획량으로 비교하였다. 이 기간 중 시험선 우승호, 일승호의 일평균 어획량은 각각 168.
이론/모형
- 시험에 사용한 집어등의 성능은 LED 집어등 성능인증기준인 NFRDI 8001의 검사 기준 및 방법에 의하여 시행하였으며, 검사 항목은 점등 특성, 전압 변동, 점멸 수명, 작동 내구성, 유효 광속, 유효 광효율 등이다. NFRDI 8001 규정은 조명 관련 KS 검사기준을 바탕으로 만들어진 농림수산식품부의 LED 집어등 품질관리기준이다.
성능/효과
- 1, 2차 시험 결과, 시험선과 비교선의 산술적인 어획량 비교에서는 1차 시험에서는 차이가 있는 것으로, 2차 시험에서는 차이가 없는 것으로 나타났으나 1차 시험에서도 어획량의 통계적인 검정에서는 차이가 없는 것으로 나타났으므로 두 선박의 어획성능은 같다고 판단할 수 있으며, 적어도 LED 시험선의 어획성능이 비교선의 어획성능보다 같거나 그 이상이라 분석할 수 있다. 그러나 시험선과 비교선이 각각 1척이었고 한 어기 동안의 시험이므로 여러 척의 선박을 동원한 장기간의 추가적인 어획시험이 필요할 것으로 판단된다.
- 7kg으로 나타나 큰 차이가 없었다. 1차 시험 기간의 분석과 마찬가지로 선원수와 자동조획기 수를 감안하여 선원 1명당 또는 자동조획기 1대당 일평균 어획량은 LED 시험선이 26.9kg이었고 비교선이 26.4kg으로 나타나 거의 같은 어획성능을 갖는 것으로 나타났다.
- 그러나 오징어 채낚기어업에서는 LED 집어등을 전용해야 에너지절감에 따른 경제성이 확보되므로 지속적인 개발연구가 필요하다고 생각된다. LED 집어시스템의 소비전력 절감률은 기존집어등에 비해 재은호가 39.6%, 우승호가 68.8%, 일승호가 64.3%의 전력을 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
- 또한 시험에 사용한 LED 집어등은 160W급이었으나 안정기 (SMPS)의 소비전력이 250W이므로 실제로 소비되는 전력은 250W이다. 갈치 채낚기 시험선 우승호, 일승호는 기존에 비하여 각각 68.8% 64.3%의 소비전력을 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 다만, 본 소비전력량 비교는 전력계에 나타난 LED 집어등 시스템의 순수 소비전력량을 이용한 것이며, 실제로 소비된 유류사용량을 측정한 것은 아니다.
- 갈치 및 오징어 채낚기용 LED 집어시스템을 개발하기 위하여 집어등 모듈 및 집어등 유닛을 개발하였고 개발한 집어등을 선박에 설치하기 위한 거치구조도 개발하였다. 개발한 집어등은 LED 집어등 성능인증기준인 NFRDI 8001의 검사 기준 및 방법에 의하여 성능 검사를 시행하였으며, 그 결과, 점등 특성, 전압 변동, 점멸 수명, 작동 내구성, 유효 광속, 유효 광효율에서 모두 양호한 성능을 나타내었다. 개발한 160W급 집어등을 오징어 채낚기 어선 1척 (재은호, 29톤), 갈치 채낚기 어선 2척 (우승호, 6톤 / 일승호, 4톤)에 각각 100–110개와 60개를 설치하였다.
- 5%가 적은 것으로 나타나 비교선이 두 시험선의 중간정도의 어획성능을 보여 어획성능을 비교하기 어려운 것으로 나타났다. 따라서 본 시험 결과 시험에 사용한 LED 집어등은 갈치 채낚기어업의 집어등으로 사용 가능할 것으로 판단된다. 그러나 오징어 채낚기어업에서는 LED 집어등을 전용해야 에너지절감에 따른 경제성이 확보되므로 지속적인 개발연구가 필요하다고 생각된다.
- 5% 적은 것으로 나타나 비교선이 두 시험선의 중간정도의 어획성능을 보여 어획성능의 우열을 서로 비교하기 어려운 것으로 나타났으며, 이것은 선원의 낚시기술과 연관이 있는 것으로 판단된다. 따라서 본 시험 결과, 적어도 LED 시험선의 어획성능이 비교선의 어획성능 이하라고 볼 수는 없으며 시험에 사용한 LED 집어등은 갈치 채낚기어업의 집어등으로 사용 가능할 것으로 판단된다.
- 선원 1명과 자동조획기의 어획능력을 비교해보면 어획이 부진할 때에는 선원의 손줄낚기가 우세하지만 어획이 잘 될 때에는 자동조획기가 우세한 것으로 알려져 있으며, 그렇기 때문에 업계의 오랜 경험자의 의견에 의하면 통상 선원 1명은 자동조획기 1대의 어획능력과 같다고 보는 것이 타당하다고 한다. 따라서 본 연구에서 두 척의 선박의 어획량 비교에서도 이 점을 감안하면 선원 1명당 또는 자동조획기 1대당 일평균 어획량은 LED 시험선이 50.2kg, 비교선이 39.2kg으로 시험선의 어획성능이 비교선보다 28.1% 더 높은 것으로 나타났다.
- 또한 상온 (25±10℃)에서 2,000시간 인가 후, 광속 변화를 점검하는 작동 시험에서는 시험 전 광속은 9,590lm/W이었고 시험 후 광속은 9,338 lm/W (–2.2%)으로 나타나 양호한 성능을 나타내었으며 NFRDI 8001의 5.7.2항 기준에 의하면 광속차가 ±30% 이내이면 양호한 것으로 되어 있다.
- 시험 결과, 시험 전 광속은 9,590lm/W이었고 시험 후 광속은 9,544 lm/W (–0.5%)으로 나타나 매우 양호한 성능을 나타내었다.
- 1항 기준에 의하면 유효 광속은 표시값 (7,100lm)의 90% 이상이어야 하고 유효 광효율은 35lm 이상이여야 한다. 시험결과, 유효 광속은 99.9%, 유효 광효율은 44.6lm으로 나타나 양호한 성능을 나타내었다.
- 4항 기준에 의하면 입력 전력 표시값의 ±10% 이내이어야 한다. 시험에 사용한 LED 집어등의 입력 전력 표시값은 160W 이며, 정격 전압의 90%, 110%에서 각각 162.56W (+1.6%), 162.88W (+1.8%)로 나타나 양호한 성능을 나타내었다. 점멸 수명 시험은 시험에 사용한 집어등을 –20℃에서 10초 간격으로 10,000회 점멸한 후, 광속 변화를 검사하는 시험으로서, NFRDI 8001의 5.
- 우승호와 일승호는 톤수가 다르지만 사용 집어등의 종류와 수량이 같고, 갈치 채낚기어선의 어획성능은 선원수와 가장 밀접한 관계가 있으므로 두 어선을 동일 조건에 두고 비교선과 비교할 수 있다. 우승호는 일평균 어획량이 비교선에 비하여 31.7% 더 많았으나 일승호는 15.5% 적은 것으로 나타나 비교선이 두 시험선의 중간정도의 어획성능을 보여 어획성능의 우열을 서로 비교하기 어려운 것으로 나타났으며, 이것은 선원의 낚시기술과 연관이 있는 것으로 판단된다. 따라서 본 시험 결과, 적어도 LED 시험선의 어획성능이 비교선의 어획성능 이하라고 볼 수는 없으며 시험에 사용한 LED 집어등은 갈치 채낚기어업의 집어등으로 사용 가능할 것으로 판단된다.
- 6kg으로 나타났다. 우승호는 일평균 어획량이 비교선에 비하여 31.7%가 더 많았으나 일승호는 15.5%가 적은 것으로 나타나 비교선이 두 시험선의 중간정도의 어획성능을 보여 어획성능을 비교하기 어려운 것으로 나타났다. 따라서 본 시험 결과 시험에 사용한 LED 집어등은 갈치 채낚기어업의 집어등으로 사용 가능할 것으로 판단된다.
- 7kg로 나타났으며, 시험선의 선원수가 2명 많은 것을 감안하면 두 선박의 어획성능은 거의 같다고 판단되었다. 우승호와 일승호의 2009.06.01일에서 2009.10.16일까지 어획실적자료를 분석한 결과, 시험선 우승호, 일승호의 일평균 어획량은 각각 168.1kg, 107.8kg이었고 비교선의 일평균 어획량은 127.6kg으로 나타났다. 우승호는 일평균 어획량이 비교선에 비하여 31.
- 본 시험의 어획량의 비교도 오징어 채낚기 2차 시험과 마찬가지로 조업일자 및 일수가 서로 다르기 때문에 통계적 검정은 할 수 없었으며 일평균 어획량으로 비교하였다. 이 기간 중 시험선 우승호, 일승호의 일평균 어획량은 각각 168.1kg, 107.8kg이었고 비교선의 일평균 어획량은 127.6kg으로 나타났다. 우승호와 일승호는 톤수가 다르지만 사용 집어등의 종류와 수량이 같고, 갈치 채낚기어선의 어획성능은 선원수와 가장 밀접한 관계가 있으므로 두 어선을 동일 조건에 두고 비교선과 비교할 수 있다.
- 조업 전반기 (약 오후 11–12시)까지 메탈핼라이드 집어등을 사용하고 후반기에는 LED 집어등을 사용한 오징어 채낚기 시험선 재은호는 기존에 비하여 약 39%의 소비전력을 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 1, 2차 시험 결과, 시험선과 비교선의 산술적인 어획량 비교에서는 1차 시험에서는 차이가 있는 것으로, 2차 시험에서는 차이가 없는 것으로 나타났으나 1차 시험에서도 어획량의 통계적인 검정에서는 차이가 없는 것으로 나타났으므로 두 선박의 어획성능은 같다고 판단할 수 있으며, 적어도 LED 시험선의 어획성능이 비교선의 어획성능보다 같거나 그 이상이라 분석할 수 있다. 그러나 시험선과 비교선이 각각 1척이었고 한 어기 동안의 시험이므로 여러 척의 선박을 동원한 장기간의 추가적인 어획시험이 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 본 시험 결과 시험에 사용한 LED 집어등은 갈치 채낚기어업의 집어등으로 사용 가능할 것으로 판단된다. 그러나 오징어 채낚기어업에서는 LED 집어등을 전용해야 에너지절감에 따른 경제성이 확보되므로 지속적인 개발연구가 필요하다고 생각된다. LED 집어시스템의 소비전력 절감률은 기존집어등에 비해 재은호가 39.
- 6% 감소한 것으로 계산되었으나 선주의 조업경험에 의하면 실제 유류 사용량은 약 30% 이하 감소에 그친 것으로 나타났다. 향후 LED 집어시스템을 전용할 경우, 유류절감 효과를 얻기 위해서는 발전기의 용량을 집어등의 소비전력에 맞추어야 할 것으로 판단된다.
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