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문제 정의
- 이 연구에서는 해수면의 작은 파랑에도 부자내부의 코일과 자석의 상하 움직임의 위상차를 크게 하도록 고안된 자급 전원식 부자에 대해 조파수조 내에서 여러가지 파랑의 종류를 인가시켜 부자의 상부에 위치한 LED를 밝히는 실험을 수행하였다. 이때, 파랑의 변화에 따라 LED에 공급되는 전원의 패턴을 확인하여 이 부자성능을 정량적으로 확인하였다.
제안 방법
- 1 mm 에나멜코일을 3,000회 감은 외경 ∅36 원통에 자석 (N 35 Grade / Ni 도금, ∅25, H20)이 상하 운동하도록 제작하였다. LED는 4개가 사용되었고, 음전압과 양전압에서 각각 두 개씩 점멸하도록 하였다. 발광부자에 사용된 LED를 발광하기 위해서는 2.
- 각 실험 사이에는 선행 실험에서 발생한 잔파의 영향을 없애기 위해 10분 간의 간격을 두었고, 매번 소파기를 사용하였다.
- 3 V이므로 이 이상의 전압이 부자의 움직임에 의해 인가되면 불이 켜진다는 것에 착안하여 LED를 구동하는 PCB에서 LED로 공급하는 전압을 측정하는 것이 가장 쉽고 정확한 방법이다. 부자내의 LED에 인가되는 전압을 측정하기 위해 발광부자 상부에 전선을 삽입하고 코일과 전선의 양극을 연결하여 부자 내 실린더의 움직임에 따른 전압차를 측정하였다. 이때, 발광부자의 꼭대기에 중력센서 (6DOF-IMU (ARS), 2~16 g, E2BOX, Korea)를 부착하여 그 전압과 함께 발광부자의 상하 방향의 가속도를 측정하였다.
- 부자의 설계도와 기본원리는 Fig. 1과 같이 발광 부자는 코일에 발생된 유도전류를 전원으로 이용하여 코일과 전선으로 연결된 LED에서 빛을 발생시키는 원리를 이용하였다.
- 수조의 바닥에서 길이 4,000 mm인 계류줄에 고정된 원형부자 (D: 240 mm, Daeyang Co., Korea)에 표면 계류줄 (Fig. 3의 Surface mooring rope)을 3가지 간격 (350, 1,000, 1,700 mm)으로 발광부자를 연결하였다.
- 이 연구에서는 솔레노이드를 내장한 부자가 파랑에 대응하여 전력을 생산하고 그 전력을 이용해 발광하도록하는 자가발광형 부자에 대해 조파수조에서 실험을 실시하였다. 그 결과, 발광부자는 다양한 주기와 파고의 파랑에 잘 대응하여 상부의 LED가 발광할 수 있는 충분한 전력을 공급하였다.
- 부자내의 LED에 인가되는 전압을 측정하기 위해 발광부자 상부에 전선을 삽입하고 코일과 전선의 양극을 연결하여 부자 내 실린더의 움직임에 따른 전압차를 측정하였다. 이때, 발광부자의 꼭대기에 중력센서 (6DOF-IMU (ARS), 2~16 g, E2BOX, Korea)를 부착하여 그 전압과 함께 발광부자의 상하 방향의 가속도를 측정하였다. 데이터 수신반복주파수는 200 Hz였다.
- 이 연구에서는 해수면의 작은 파랑에도 부자내부의 코일과 자석의 상하 움직임의 위상차를 크게 하도록 고안된 자급 전원식 부자에 대해 조파수조 내에서 여러가지 파랑의 종류를 인가시켜 부자의 상부에 위치한 LED를 밝히는 실험을 수행하였다. 이때, 파랑의 변화에 따라 LED에 공급되는 전원의 패턴을 확인하여 이 부자성능을 정량적으로 확인하였다. 여기서 LED로 전달되는 유도기전력의 전압을 조사한 이유는 LED 빛의 조도를 측정하는 것보다 측정이 용이하고 정확성이 높은 전단계의 물리량을 계측하는 것이 부자의 성능을 정량적으로 파악할 수 있기 때문이다.
- 파랑의 종류는 각 연결 길이에 대해 파고가 100 mm (주기 1.1, 1.3, 1.5, 1.7, 2.0 sec), 150 mm (주기 1.1, 1.3, 1.5, 1.7, 2.0 sec), 200 mm (주기 1.3, 1.5, 1.7, 2.0 sec)인 세 가지로 정하였다.
대상 데이터
- 데이터의 수신은 첫 번째 파랑이 부자를 만나기 시작할 때부터였으나 실험 간 동일한 비교를 위해 데이터 수신 후 15초가 경과한 시간부터 10초 간의 데이터만 분석에 사용하였다.
- 실험에 사용한 발광부자는 LED (백색, 0.35 W, 2.3 V, 150 mA, DR Co., Korea)에 전기를 공급하기 위해, 0.1 mm 에나멜코일을 3,000회 감은 외경 ∅36 원통에 자석 (N 35 Grade / Ni 도금, ∅25, H20)이 상하 운동하도록 제작하였다.
- 실험은 조파수조 (80×10×3.5 m, NFRDI, Korea)에서 수행하였다.
성능/효과
- 이 연구에서는 솔레노이드를 내장한 부자가 파랑에 대응하여 전력을 생산하고 그 전력을 이용해 발광하도록하는 자가발광형 부자에 대해 조파수조에서 실험을 실시하였다. 그 결과, 발광부자는 다양한 주기와 파고의 파랑에 잘 대응하여 상부의 LED가 발광할 수 있는 충분한 전력을 공급하였다. 그러나 파랑이 낮고 주기가 긴 경우에는 발광부자가 외부의 요인 없이 그 파랑에 자유로이 운동하게 되면 전력이 안정적으로 공급되지 못한다는 것을 알 수 있었다.
- 그 결과, 발광부자는 다양한 주기와 파고의 파랑에 잘 대응하여 상부의 LED가 발광할 수 있는 충분한 전력을 공급하였다. 그러나 파랑이 낮고 주기가 긴 경우에는 발광부자가 외부의 요인 없이 그 파랑에 자유로이 운동하게 되면 전력이 안정적으로 공급되지 못한다는 것을 알 수 있었다. 따라서 솔레노이드 형식으로 발광하는 부자에 충분한 전력을 공급하기 위해서는 부자의 상하 움직임을 빠르게 움직이도록 표면 계류줄의 길이를 조절할 필요가 있고, 해역의 상태와 발광부자의 모양에 따라 부자의 상하움직임 패턴이 달라지므로 해역의 상태를 고려하여 발광부자의 움직임을 예측할 필요가 있다.
- 모든 실험에서 부자의 움직임을 나타내는 가속도 값이 파랑의 주기에 잘 대응하였는데, 파랑의 주기가 짧은 경우에는 가속도의 편차도 크고 주기도 짧았으며, 파랑의 주기가 긴 경우에는 가속도 크기의 편차도 작고 주기도 길었다. 특히, 파고가 100 mm로 가장 낮고 주기가 2.
- 실험의 결과에 의하면, 표면 계류줄과 파랑의 형태가 솔레노이드 장치가 발생시키는 전압의 크기와 질에 영향을 미친다는 것을 보여준다. 전체 실험의 케이스 중 2.
- 어떤 실험조건에 대해, 발광부자에 부착된 LED가 발광하는가 하는 것을 밝히는 것이 본 실험의 목적이므로 LED의 발광을 목시적으로 인식할 수 있는 모션 인식장치를 갖추는 것도 한 방법이지만, 고가의 장비를 구비해야 하는 점이 있고 실험실의 밝기조정 혹은 인식장치와 LED와의 일치 등 여러 가지 어려운 점을 감안하면, 발광부자에 부착된 LED의 구동 전압이 2.3 V이므로 이 이상의 전압이 부자의 움직임에 의해 인가되면 불이 켜진다는 것에 착안하여 LED를 구동하는 PCB에서 LED로 공급하는 전압을 측정하는 것이 가장 쉽고 정확한 방법이다. 부자내의 LED에 인가되는 전압을 측정하기 위해 발광부자 상부에 전선을 삽입하고 코일과 전선의 양극을 연결하여 부자 내 실린더의 움직임에 따른 전압차를 측정하였다.
후속연구
- 따라서 이후의 연구에서 솔레노이드 방식으로 전력을 얻는 발광부자의 전력량을 예측하고 적정한 전력량을 발생시키기 위해서는 바다표면 입체경 등을 통해 발광부자를 설치하고자 하는 곳의 일반적인 해상상태를 파악 (Knauss, 1988)하여 그 조건을 질량스프링 모델 등 파랑과 조류의 조건이 추가 가능한 ‘컴퓨터를 이용한 수치해석 방법 (Lee et al., 2008)’에 적용함으로써 발광부자의 움직임을 예측한 후, 이에 맞는 솔레노이드의 길이 등을 설계할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 솔레노이드 방식을 채용한 이러한 발광부자는 기존의 태양광식에 비해 지속적으로 전기를 발생시킬 수 있기 때문에 양식용 부자와 같이 야간에 불빛이 필요한 경우에도 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 따라서 솔레노이드 형식으로 발광하는 부자에 충분한 전력을 공급하기 위해서는 부자의 상하 움직임을 빠르게 움직이도록 표면 계류줄의 길이를 조절할 필요가 있고, 해역의 상태와 발광부자의 모양에 따라 부자의 상하움직임 패턴이 달라지므로 해역의 상태를 고려하여 발광부자의 움직임을 예측할 필요가 있다. 향후 문제점을 개선하고 현장실험을 통해 실용성을 증명한다면 현장에서 충분히 사용할 수 있다고 판단된다.
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