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문제 정의
- 본 연구는 우리나라 동해바다의 파장별 투과율을 반영한 해수를 모델링하여 메탈할라이드 집어등의 수중 배광 특성과 엘이디 집어등의 배광 특성을 비교 분석하고, 메탈할라이드 집어등과 유사한 조도분포를 나타내는 집어등의 배치조건을 찾는 것을 목표로 하였다.
- 본 연구에서는 기준 메탈할라이드 집어등 조도 분포와의 배광차이를 극복하기 위하여 평판형 엘이디 집어등과 메탈 할라이드 집어등을 혼용 배치하고 설치 조건을 변경하여 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 최적의 배치 및 설치 조건은 C type의 해수면 입사각이 40도인 경우라 결론지었다.
제안 방법
- Fig. 10처럼 평판형 엘이디 광원을 사용한 어선의 집어등 배치는 2층 2열로 총 160개를 배치하였으며, 엘이디 집어등의 출력이 메탈할라이드 집어등에 비해 낮기 때문에 수심별 조도 값을 높이기 위해 평판형 엘이디 집어등의 해수면 입사 각을 30도로 설정하였다. 이 30도는 메탈할라이드 집어등과 조도 값을 맞추며 최대 조도 분포를 갖는 각도이다.
- Jerlov는 해양의 따른 투과율을 Table 1과 같이 제시한 바 있다.[4] 동해와 가장 근접한 위치의 수형은 Type-II로써 Type-II의 파장별 투과율을 사용하였다. 그리고 파장에 따른 감쇠 특성을 분석하기 위하여 식 (1)(Beer-Lambert 식)을 이용해 동해의 수심별 소산계수(Attenuation coefficient)를 계산하였다.
- 11과 같이 최대조도와 평균조도를 나타내었다. 같은 수심에서의 메탈할라이드 집어등 조도 분포와 엘이디 집어등의 조도 분포를 쉽게 비교할 수 있도록 같은 수심에서의 명암별 조도 값을 일치 시켜 비교 하였고 횡단면 조도 분포 또한 비교하였다.
- C type은전 후면에 각각 메탈할라이드 집어등을 20개씩 배치하였다. 그리고 각각의 type에서 엘이디 집어등의 해수면입사각을 0도, 20도, 40도로 변화시켜 수심별 조도분포 변화를 살펴보았다. 각각에 대한 결과는 아래와 같으며, Fig.
- 기준이 되는 메탈할라이드 어선의 수심별 조도 분포를 알아보기 위해 먼저 메탈할라이드 광원을 모델링하였고 이를 실제 어선의 집어등 배치를 참고하여 위치시켰다. 그리고 동해안의 조업철 해수 투과율과 굴절률 데이터를 반영한 해수를 모델링하였으며 위 조건으로 수심별 조도 분포를 시뮬레이션 하였다.
- 그리고 수심이 깊어짐에 따라 조사되는 영역이 커지므로 수심별 조도 분포에 맞추어 검출기 크기를 달리 설정하였다.
- 실제의 메탈할라이드 집어등을 사용하는 40톤급 어선에 대하여 메탈할라이드 집어등을 모델링하고 배치하였다. 그리고 우리나라 오징어 조업 철 동해안의 광 특성 데이타를 반영한 해수를 구현하였고 그에 따른 수심별 조도 분포 결과를 분석하였다.
- 기준이 되는 메탈할라이드 어선의 수심별 조도 분포를 알아보기 위해 먼저 메탈할라이드 광원을 모델링하였고 이를 실제 어선의 집어등 배치를 참고하여 위치시켰다. 그리고 동해안의 조업철 해수 투과율과 굴절률 데이터를 반영한 해수를 모델링하였으며 위 조건으로 수심별 조도 분포를 시뮬레이션 하였다.
- 메탈할라이드 집어등과 엘이디 집어등을 조합한 경우, 배치구조와 해수면 입사각을 변수로 하여 기존 메탈할라이드 집어등과의 수중 조도 분포를 Fig. 14와 같이 3가지 type별로 나누어 분석하였고 엘이디 집어등에 의한 해수면 입사각도별 조도분포의 변화를 알아보기 위해 각도를 0도, 20도, 40도 세 가지로 구분하였고 LED 집어등의 안전 및 요구사항에 의거하여 40도 이상의 해수면 입사각은 안전규정상 제한되었다.[8]
- 빛이 멀리 퍼지는 정도를 수치적으로 알아보기 위해 Fig. 22처럼 수심 80 m 지점에서 수직선(Vertical), 대각선(Diagonal), 수평선(Horizontal) 방향의 조도를 선형적으로 2차원 그래프로 나타내었다.
- 수중 조도분포에 영향을 미치는 해수의 파장별 투과율과 굴절률을 조사하였다.
- 실제의 메탈할라이드 집어등을 사용하는 40톤급 어선에 대하여 메탈할라이드 집어등을 모델링하고 배치하였다. 그리고 우리나라 오징어 조업 철 동해안의 광 특성 데이타를 반영한 해수를 구현하였고 그에 따른 수심별 조도 분포 결과를 분석하였다.
- 엘이디 집어등의 경우가 메탈할라이드 집어등보다 배 중심 부근이 더 밝은 것을 알 수 있다. 원인으로는 메탈할라이드 집어등보다 엘이디 집어등의 좁은 배광특성으로 판단되며, 좁은 배광특성을 보완하기 위해 메탈할라이드 집어등과 엘이디 집어등을 혼용 배치하고 설치 조건을 변경하여 시뮬레이션을 진행하였다.
대상 데이터
- 를 사용하였다. 광원은 소비전력 1.5 kW의 일반적인 메탈할라이드 광원 모델을 선택하였으며 광 출력은 718.42 W이다. 메탈할라이드 집어등의 배치와 배광분포는 Fig.
- 본 논문에서는 소비전력은 296 W, 광 출력은 93.2 W인 평판형 엘이디 집어등이 사용되었다. 평판형 엘이디 집어등은 Fig.
- 6과 같이 모델링하였다. 수심별 조도와 조도 분포를 측정하기 위한 검출기의 위치는 울릉도 어장에서 오징어 어군이 야간에 주로 밀집되어 있다고 보고되어진 수심[7] 50 m~100 m 지점중 80 m, 90 m, 100 m를 선정하였다.
- 실제 40톤급 어선의 도면을 참조하여 Fig. 3과 같이 총 길이 29.52 m, 너비 5.28 m, 높이 1.9 m의 배 모형을 모델링하였고, 40톤 어선의 정부기준 제한 소비전력 120 kW에 맞춘 메탈할라이드 집어등 설치 개수는 80개를 사용하였다. 그리고 집어등의 위치는 배 끝단에서 1 m 안쪽이며 높이는 5.
- 앞서 반영한 동해 투과 특성과 굴절률이 반영된 해수를 가로 400 m, 세로 400 m, 깊이 120 m의 크기로 Fig. 6과 같이 모델링하였다. 수심별 조도와 조도 분포를 측정하기 위한 검출기의 위치는 울릉도 어장에서 오징어 어군이 야간에 주로 밀집되어 있다고 보고되어진 수심[7] 50 m~100 m 지점중 80 m, 90 m, 100 m를 선정하였다.
데이터처리
- 각 수심별 조도 분포 결과의 상단에 검출기 크기를 표시하였고 평균조도는 해당 수심 검출기에 입사하는 총 복사속을 검출기 면적으로 나눈 평균 복사 조도 값이며 각 수심별 최대 복사조도 또한 표시하였다.
- 시뮬레이션 결과 조도 분포의 비교는 Fig. 12의 예와 같이 어선의 앞, 뒤 음영지역과 전체적인 평균조도를 비교하였다. 특히, 엘이디 집어등을 사용한 어선의 경우 어선의 앞과 뒷부분에서 빛의 분포가 부족한 것을 알 수 있었다.
이론/모형
- [4] 동해와 가장 근접한 위치의 수형은 Type-II로써 Type-II의 파장별 투과율을 사용하였다. 그리고 파장에 따른 감쇠 특성을 분석하기 위하여 식 (1)(Beer-Lambert 식)을 이용해 동해의 수심별 소산계수(Attenuation coefficient)를 계산하였다.
- 집어등의 수중 배광 시뮬레이션은 조명광학계 설계 tool인 Lighttools[3]를 사용하였다. 광원은 소비전력 1.
성능/효과
- 90 m, 100 m 지점에서도 같은 경향을 나타내었으며 역시 수평방향으로 C 타입의 빛이 멀리 퍼지는 것을 확인하였고, 빛의 도달거리가 메탈할라이드 어선에 근접하여 오징어의 유인능력이 보다 우수할 것이라고 추측하였다.
- 음영지역의 폭은 큰 변화가 없고 빛무리의 지름은 C type이 가장 근접하였다. A, B, C type 중 메탈할라이드 집어등을 가장 많이 배의 양 끝단으로 집중 배치한 C type의 수심별 조도 분포가 기존 메탈할라이드 집어등의 수심별 조도 분포와 가장 유사함을 보였다.
- 각 type별로 엘이디 집어등의 해수면 입사각에 따른 수심별 조도 값을 비교해본 결과, 모든 type에 대해서 40도로 하였을 때 메탈할라이드 집어등의 평균 조도 값과 가장 유사한 수치를 나타내었다. 그리고 약 25 m 지점까지는 메탈할라이드 집어등의 조도 값이 우수하지만 그 이후는 메탈할라이드 집어등과 엘이디 집어등을 혼용한 경우가 더 높은 조도 값을 나타내었으며 해수면 입사각이 높아질수록 그러한 경향은 심화되었다.
- 본 연구에서는 기준 메탈할라이드 집어등 조도 분포와의 배광차이를 극복하기 위하여 평판형 엘이디 집어등과 메탈 할라이드 집어등을 혼용 배치하고 설치 조건을 변경하여 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 최적의 배치 및 설치 조건은 C type의 해수면 입사각이 40도인 경우라 결론지었다.
- 이를 기준으로 유사한 수심별 조도 분포를 갖기 위한 2층 2열 배치의 평판형 엘이디 집어등으로 시뮬레이션을 진행하였고 그 결과는 해당 수심별 조도 값은 메탈할라이드 어선과 근접하였으나, 조도 분포는 상대적으로 작음을 확인할 수 있었다. 이는 기존의 평판형 엘이디 집어등은 메탈할라이드 집어등이 가지고 있는 배광특성과는 달리 높은 지향성으로 인한 배광특성에 기인한 것으로 메탈할라이드 집어등에 비해 상대적으로 좁은 면적에 빛이 조사되어진다는 것을 알 수 있었다.
- 이를 기준으로 유사한 수심별 조도 분포를 갖기 위한 2층 2열 배치의 평판형 엘이디 집어등으로 시뮬레이션을 진행하였고 그 결과는 해당 수심별 조도 값은 메탈할라이드 어선과 근접하였으나, 조도 분포는 상대적으로 작음을 확인할 수 있었다. 이는 기존의 평판형 엘이디 집어등은 메탈할라이드 집어등이 가지고 있는 배광특성과는 달리 높은 지향성으로 인한 배광특성에 기인한 것으로 메탈할라이드 집어등에 비해 상대적으로 좁은 면적에 빛이 조사되어진다는 것을 알 수 있었다.
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