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문제 정의
- 본 연구는 10톤급 연안 오징어채낚기 어선에 최근 개발된 광확산형 300 W급 고출력 LED 집어등과 기존 메탈헬라이드 집어등을 함께 사용했을 때 등기구의 배광 특성과 해수의 투과특성을 고려하여 수중방사조도 분포를 광학 해석 소프트웨어를 이용하여 3차원 분포를 해석하고, 집어등으로써 적정성과 운용 방법을 규명하기 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.
- 우리나라의 대표적인 어업 중 하나인 채낚기어업에서 고효율 집어시스템을 적용하여 조업경비를 절감하기 위하여 LED등과 메탈등을 겸용한 조건에서 수중방사조도 분포를 해석하여 LED등의 운용 조건을 찾고자 하였다. 기존 메탈등과 300 W LED등을 함께 사용한 상태에서 수중방사조도 분포 및 수중배광 분포 특성을 분석하여 보았다.
가설 설정
- 3 W이었다. 본 계산에서 해수면에 도달하는 광력은 선박의 갑판에 조사되는 광량을 고려하지 않고, 모두 수면에 도달한다고 가정하여 방사조도 변화를 분석하였다.
제안 방법
- 광원의 파장분포와 방사출력 (radiance flux)은 적분구 (LMS-800, JNC Tech)를 이용하여 측정하였으며, 광원에서 광을 방사형태를 나타내는 배광분포는 배광시험기 (GoniLED-150S, JNC Tech)를 이용하였다 (Fig. 1). Fig.
- 우리나라의 대표적인 어업 중 하나인 채낚기어업에서 고효율 집어시스템을 적용하여 조업경비를 절감하기 위하여 LED등과 메탈등을 겸용한 조건에서 수중방사조도 분포를 해석하여 LED등의 운용 조건을 찾고자 하였다. 기존 메탈등과 300 W LED등을 함께 사용한 상태에서 수중방사조도 분포 및 수중배광 분포 특성을 분석하여 보았다. 기존 메탈등과 LED등의 광원 특성을 계측하고, 이를 기준으로 해수의 감쇠율 및 파장별 굴절율을 적용하여 설치 조건에 따라 광학 해석 프로그램을 이용하여 시뮬레이션하고, 집어등 광원으로써 적정성을 분석하였다.
- 기존 메탈등과 300 W LED등을 함께 사용한 상태에서 수중방사조도 분포 및 수중배광 분포 특성을 분석하여 보았다. 기존 메탈등과 LED등의 광원 특성을 계측하고, 이를 기준으로 해수의 감쇠율 및 파장별 굴절율을 적용하여 설치 조건에 따라 광학 해석 프로그램을 이용하여 시뮬레이션하고, 집어등 광원으로써 적정성을 분석하였다.
- 메탈등과 LED등을 함께 사용하며 소비전력을 20% 줄여 사용하였을 경우 설치 조건에 따른 변화를 분석하기 위하여 메탈등 24개와 LED등 100개를 배치하고, 투 광각 20°, 30°, 45°인 경우 수심별 수중방사조도 분포를 분석하였다.
- 새로운 광원의 적용을 위한 앞선 연구사례를 보면 어장의 해수면 및 수중 조도를 직접 계측하거나, 해수 감쇠율을 광량에 적용하여 정량적 평가를 하였다. 또는 대상 생물의 시각적 특성을 고려하지 아니하고, 인간의 시감도가 적용된 조도 (lux)나 광속 (lumen)을 측정하여 에너지 절감과 경제성을 평가하기도 하였다.
- 수중방사조도 분포를 분석하기 위하여 메탈등과 LED 등의 배광분포 및 방사조도를 측정하였다.
- 6A는 메탈등만 사용한 어선의 수심 방향 횡단면 수중방사조도 분포이다. 어선을 중심으로 W형의 배광분포를 가지고 있으며, 이와 유사한 형태의 방사조도 분포를 유지하는 것이 집어 및 어획성능에 문제가 없을 것으로 가정하고 효과적인 광원의 설치 조건을 비교하여 보았다. 소비전력을 81 kW에서 메탈등 32개와 LED등 100개를 설치하여 78 kW를 사용하면서 LED등의 투광각을 20°, 30°, 45°로 변경한 Fig.
- 집어등은 수중에서 조명을 목적으로 하는 것이 아니라, 대상 생물에 대해 유집하기 위한 목적으로 사용되며 따라서 광 반응행동에 적절한 조도분포를 유지하는 것이 매우 중요하다. 이를 위하여 광원의 설치 형태에 따른 수중조도분포를 분석하였다.
- 집어등의 설치 조건은 10 톤 이하 연안 오징어채낚기어선에 집어등용 설비 전력 기준인 81 kW에 맞추어 1.5 kW 메탈등 54개가 설치된 어선을 기준으로 이와 유사하게 LED등 100개와 메탈등 32개, 총 78 kW가 설치된 경우와 약 20%의 소비 전력 절약이 가능한 LED 등 100개와 메탈등 24개, 총 66 kW가 설치된 경우를 구분하였다.
- 집어등의 수중 방사조도 시뮬레이션은 광원의 설치 조건에 따라 LED 집어등의 투광각 20°, 30°, 45°인 경우의 수심방향의 횡단면 수중 방사조도 분포와 수심 0 m, 50 m, 80 m에서 수심별 방사조도 분포를 비교 분석하였다.
- 5 m 였다. 흘수선에서 메탈등까지 높이는 2.5 m, 현측에서 안으로 1.0 m, LED등은 메탈등 위쪽으로 0.5 m 위쪽에 배열하였으며, 등의 간격은 설치길이에 등간 배분하여 배치하였다 (Fig. 4).
대상 데이터
- 광원의 배치는 동해안의 연안 오징어채낚기 어선을 단순화하여 모델링하고, 선박을 기준으로 메탈등은 선수에서 선미방향으로 2열로 배치하고, LED등은 메탈등 위쪽에 2단으로 설치하였으며, 길이는 총 16.5 m 였다. 흘수선에서 메탈등까지 높이는 2.
- 수온 18℃, 염분 33‰인 경우 파장별 굴절률 자료를 시뮬레이션에 적용하였다 (Table 3).
- 해석 영역은 해수면에서는 어선을 중심으로 120×120 m, 수심 50 m, 80 m에서는 300×300 m 구역을 분석하였다.
이론/모형
- 광의 해수 투과특성은 해수의 물리적, 환경적 특성에 따라 달라지며, Jerlov (1968)는 해수의 광학적 성격을 외양수와 연안수로 나누고 그 특성에 따라 해양의 수형에 따른 투과율을 제시한 바 있으며, 본 연구에서는 동해의 수형을 외양수 수형 Ⅱ의 수중투과율을 적용하였으며 (Choi, 2006), 파장에 따른 감쇠특성을 분석하기 위하여 Beer-Lambert 식을 이용하였다.
- 집어등의 수중 방사조도 시뮬레이션은 광원의 설치 조건에 따라 LED 집어등의 투광각 20°, 30°, 45°인 경우의 수심방향의 횡단면 수중 방사조도 분포와 수심 0 m, 50 m, 80 m에서 수심별 방사조도 분포를 비교 분석하였다. 시뮬레이션 소프트웨어는 조명광학계 광학 해석 프로그램인 라이트툴즈 (LightTools 8.1, Synopsys Inc.)를 사용하였다.
성능/효과
- 1.5 kW 메탈등의 정격전력에 대한 방사출력 비인 방사효율은 0.487 W/W이였으며, 메탈등의 외형은 타원구형으로 광원을 중심으로 전 구면이 발광되며, 반사판이 없는 형태로 설치되므로 해수면 위 대기로 비춰지는 광량을 제외한 50%가 해수면에 조사되는 방사출력은 448 W이었다. 300 W LED등 방사효율은 0.
- 1배로 나타났다. LED등의 파장분포가 해수로 인한 파장별 감쇠 영향이 메탈등보다 작아 해수투과 특성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
- 5C). 각 광원을 1 W라고 하면, 수심 50 m에서 메탈등은 정격전력의 0.22%, LED등의 경우 0.49%가 도달하게 되어 방사출력은 1.9배였으며, 수심 80 m에서 메탈등은 정격전력의 0.03%, LED등은 0.065%로 나타나 메탈등의 2.1배로 나타났다. LED등의 파장분포가 해수로 인한 파장별 감쇠 영향이 메탈등보다 작아 해수투과 특성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
- 따라서 투광각이 45°보다 작을 경우 해수면으로 조사되지 않고 대기로 산란되는 손실로 인하여 방사출력이 낮게 나타났다.
- 6E, 6F, 6G의 경우에도 메탈등만 사용했을 경우에 비하여 수중방사조도는 높게 나타났으며, 이는 앞서 분석한 LED등의 수중투과특성에 따른 결과라고 할 수 있다. 또한, LED등의 투광각이 커질수록 등방사강도선의 수심은 깊어졌으며, 수심 50 m 이심에서 등방사조도선의 최고 수심 지점과 선박과 거리가 80 m까지 등방사조도선의 구배를 보면 Fig. 6A는 완만하게 나타났으나, LED등을 겸용한 경우는 모두 급한 구배를 보여 방사조도분포 차이를 확인할 수 있었다. 이것은 LED등의 배광패턴으로 인해 투광각에 따른 등수심면의 광 균제도가 상대적으로 메탈등에 비하여 떨어져 나타나는 현상으로 볼 수 있다.
- 2는 메탈등 1개와 300 W LED등 2개의 파장분포를 나타낸 것으로 LED 등은 450 nm를 최대 발광 파장을 가지는 LED chip 과 550 nm에서 최대 방사 파장을 가지는 형광체에 의해 발광되는 특성이 잘 나타나고 있다. 메탈등은 590 nm에서 가장 높은 값을 나타내지만, 810 nm 이상의 적외선 영역에서도 높은 값이 나타나 전체적으로 전 조사 파장 대역에서 발광이 되는 것을 알 수 있었다.
- 메탈등의 수심 0 m에서 최대 방사조도와 평균 방사조도의 비는 26.1배로 LED등과 겸용한 투광각 20°, 30°, 45°인 경우 각각 25.4, 26.8, 26.4배로 큰 차이가 없었으나, 수심 50 m에서는 메탈등의 방사조도 비는 9.5배였으나 LED등 겸용한 경우 투광각에 따라 각각 14.5, 15.6, 16.6배로 크게 나타났으며, 수심 80 m에서는 메탈등의 방사조도 비는 6.2배였으나 LED등과 겸용한 경우 투광각에 따라 9.4, 10.0, 11.1배로 나타났다.
- 메탈등의 해수면에서 총 방사출력은 7,447.7 W였으며 메탈등과 LED등을 함께 사용하였을 경우 투광각 20°에서 6,669.4 W로 메탈등만 사용한 경우보다 작았으나 투광각 45°에서는 7,593.1 W로 메탈등만 사용한 경우보다 더 높게 나타났다.
- 방사출력을 기준으로 해수의 수심에 따른 파장 및 방사출력 변화를 살펴보면 파장별 감쇠율에 따라 자외선이나 적외선에 가까워질수록 투과하지 못하고 수심 10 m에서도 적외선과 자외선 대역은 거의 0에 가까워져 가시광 영역만 투과되는 것을 알 수 있었다 (Fig. 5A).
- 소비전력을 81 kW에서 메탈등 32개와 LED등 100개를 설치하여 78 kW를 사용하면서 LED등의 투광각을 20°, 30°, 45°로 변경한 Fig. 6B, 6C, 6D의 경우 Fig. 6A 보다 모든 수심에서 방사조도가 높았으며, 특히 등방사 조도선의 선저 직하 음역영역 수심과 가장 깊은 수심과의 수심차가 크게 나타났다.
- 3과 같다. 수심 10 m에서는 가시광 영역을 제외한 적외선, 자외선 영역의 투과율이 1% 미만으로 떨어지며, 수심 50 m에서는 390~540 nm파장에서 1% 이상의 투과율이, 수심 10 m에서는 410~520 nm파장에서 0.1% 이상의 투과율을 보였으며, 이러한 결과를 해석에 반영하였다.
- 수심 50 m에서는 LED는 2,935 mW, 메탈등은 3,831 mW만 투과하게 되며 광원별 방사출력 차는 23.4%로 감소되었으며 (Fig. 5B), 수심 80 m에서는 LED등은 392 mW, 메탈등은 462 mW가 조사되어 광원의 방사출력 차는 15.2%로 감소하였다 (Fig. 5C). 각 광원을 1 W라고 하면, 수심 50 m에서 메탈등은 정격전력의 0.
- 따라서 투광각이 45°보다 작을 경우 해수면으로 조사되지 않고 대기로 산란되는 손실로 인하여 방사출력이 낮게 나타났다. 수심 50 m와 80 m에서는 투광각에 상관없이 메탈등만 사용한 경우보다 조사 영역의 방사출력이 높게 나타났다. LED등의 파장분포는 해수의 감쇠율에 따른 영향이 메탈등보다 상대적으로 작아 수심이 깊을수록 LED등을 함께 사용한 경우가 방사출력이 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 이상의 결과에서 보면, 메탈등과 LED등과 겸용하여 20% 정도의 에너지를 절약하더라도 수중방사조도는 오히려 증가할 수 있음을 알 수 있으며, 수중배광분포의 형태가 차이가 있으므로 메탈등과 유사한 수중배광분포를 가질 수 있는 설치 조건을 찾는 것이 중요할 것으로 판단된다.
후속연구
- 그러나 몇몇 어종이 감지할 수 있는 최저 조도 및 파장에 따른 시감도는 보고된 바 있으나, 집어와 어획 과정에 필요한 적정 광량과 분포에 대한 정량적 자료는 아직 보고된 바 없다. 따라서 본 연구의 분석 결과는 기존 메탈 집어등의 파장분포와 수중방사조도 분포를 기준으로 LED 등의 운용 방법과 성능을 비교 평가하는 하나의 방안을 될 수 있을 것이다.
- 앞으로 메탈등과 LED집어등의 적절한 운용 조건을 찾아낸다면 에너지 절감과 어업인의 기술수용성을 높일 수 있는 방안이 될 수 있을 것이며 다만 기존 메탈등의 배광패턴에 비하여 광 균제도가 상대적으로 떨어지므로 이에 따른 등기구의 배치와 투광각을 적절히 조정할 수 있는 기술이 개발되어야 할 것으로 판단된다.
- 1배로 나타났다. 최대 방사조도와 평균 방사조도의 비가 크다는 것은 조사영역의 방사조도의 균제도 (uniformity ratio)가 낮다는 것을 의미하며, LED등의 배광각에 따른 직하조도의 편차로 인해 발생한 것으로 판단되며, 이는 등기구의 렌즈 및 반사판의 설계를 좀 더 개선해야 할 사항으로 보인다.
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