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문제 정의
- 본 논문에서는 연안자망어업 어선을 대상으로 조업 중에 배기가스로 버려지는 폐열을 전기에너지로 변환하기 위해 발전용 열전모듈로 구성된 열전 발전장치를 제작하고, 이를 현장적용 실험을 통해 발전성능을 분석하였다. 그리고 열절발전장치 결선방법에 따른 성능 비교분석과 어업환경 등을 고려하여 열전 발전장치의 적용 가능성, 개선사항, 그리고 활용방안을 도출하고자 한다.
- 본 논문에서는 연안자망어업 어선을 대상으로 조업 중에 배기가스로 버려지는 폐열을 전기에너지로 변환하기 위해 발전용 열전모듈로 구성된 열전 발전장치를 제작하고, 이를 현장적용 실험을 통해 발전성능을 분석하였다. 그리고 열절발전장치 결선방법에 따른 성능 비교분석과 어업환경 등을 고려하여 열전 발전장치의 적용 가능성, 개선사항, 그리고 활용방안을 도출하고자 한다.
- 본 연구에서는 열전모듈 사양 결정을 위해 실험어선을 대상으로 조업 중에 배출되는 배기가스의 온도를 측정하였다. 배출되는 배기가스의 온도는 배기가스가 배출되는 배기관에 테프론(Teflon)과 와이어로 밀봉된 열전대 (K-type)를 삽입한 후, 고온부에 접촉되는 배기가스 온도를 데이터로거 (GL220, Graphtec, Japan)를 이용하여 측정하였다.
제안 방법
- 그리고 Fig. 2와 같이 선정된 열전모듈로 구성하는 열전 발전장치 (TEG: Thermoelectric generator)를 실험어선의 배기관에 탈부착이 용이하고, 배기가스로 배출되는 폐열을 최대한으로 수집할 수 있는 구조로 설계 및 제작하였다.
- 고온부 가열온도, 저온부 냉각온도를 측정하는 데이터로거와 전압, 전류를 측정하는 전자부하기는 측정시간과 샘플링시간을 동기화시켜 데이터를 수집하였다. 이와 같은 데이터 측정방법으로 본 연구에서는 열전 발전장치 2대 (TEG #1, #2) 각각에 대한 성능을 분석하고, Fig.
- 배기가스 온도는 엔진 rpm에 따라 달라지기 때문에 엔진 공회전 상태 (600 rpm)에서 최대출력 상태 (1,500 rpm)까지 100 rpm씩 증가시키면서 열평형 상태가 도달한 시점에 배기가스 온도를 측정하여 상관관계를 분석하였다. 그리고 실제 조업 과정에서 엔진으로부터 배출되는 배기가스 온도를 측정하여 온도분포를 분석하였다.
- 열교환기와 열전모듈 사이에는 열전모듈 고온부 가열온도를 측정하기 위해서 테프론과 와이어로 밀봉된 열전대를 삽입하였다. 그리고 열교환기의 양측 각각에 열전모듈 8개를 배치한 후, 총16개의 열전모듈을 직렬로 결선하였다.
- 배출되는 배기가스의 온도는 배기가스가 배출되는 배기관에 테프론(Teflon)과 와이어로 밀봉된 열전대 (K-type)를 삽입한 후, 고온부에 접촉되는 배기가스 온도를 데이터로거 (GL220, Graphtec, Japan)를 이용하여 측정하였다. 배기가스 온도는 엔진 rpm에 따라 달라지기 때문에 엔진 공회전 상태 (600 rpm)에서 최대출력 상태 (1,500 rpm)까지 100 rpm씩 증가시키면서 열평형 상태가 도달한 시점에 배기가스 온도를 측정하여 상관관계를 분석하였다. 그리고 실제 조업 과정에서 엔진으로부터 배출되는 배기가스 온도를 측정하여 온도분포를 분석하였다.
- 본 연구에서는 열전모듈 사양 결정을 위해 실험어선을 대상으로 조업 중에 배출되는 배기가스의 온도를 측정하였다. 배출되는 배기가스의 온도는 배기가스가 배출되는 배기관에 테프론(Teflon)과 와이어로 밀봉된 열전대 (K-type)를 삽입한 후, 고온부에 접촉되는 배기가스 온도를 데이터로거 (GL220, Graphtec, Japan)를 이용하여 측정하였다. 배기가스 온도는 엔진 rpm에 따라 달라지기 때문에 엔진 공회전 상태 (600 rpm)에서 최대출력 상태 (1,500 rpm)까지 100 rpm씩 증가시키면서 열평형 상태가 도달한 시점에 배기가스 온도를 측정하여 상관관계를 분석하였다.
- 실험어선은 총 5회 조업을 실시하였다. 조업은 일반적인 양망 후 바로 투망하는 방식으로 수행되었으나, 조업 항차별로 어장사고 등으로 인해 조업형식에 다소 차이가 있었다.
- 실험어선의 엔진 rpm 및 실제 조업에 따라 측정한 배기가스 온도 데이터를 기반으로 전력생산이 가능한 열전모듈 사양을 결정하고, 엔진 가용범위 내 1,500 rpm에서는 최대 113.6 W를 생산할 수 있는 열전 발전장치 2대를 설계 및 제작하였다.
- , USA)를 사용하여 열전도를 높일 수 있도록 제작하였다. 열교환기와 열전모듈 사이에는 열전모듈 고온부 가열온도를 측정하기 위해서 테프론과 와이어로 밀봉된 열전대를 삽입하였다. 그리고 열교환기의 양측 각각에 열전모듈 8개를 배치한 후, 총16개의 열전모듈을 직렬로 결선하였다.
- 열교환기의 경우, 어선의 엔진 배기가스 폐열을 수집하는 장치로 폐열수집 효율향상을 위해서 열전모듈과 밀착되는 부위의 표면은 굴곡이 없도록 하고, 열교환기 및 방열기와 접합되는 부위에는 열전도 접합제 (TRACI T-1100, Chemax Corp., USA)를 사용하여 열전도를 높일 수 있도록 제작하였다. 열교환기와 열전모듈 사이에는 열전모듈 고온부 가열온도를 측정하기 위해서 테프론과 와이어로 밀봉된 열전대를 삽입하였다.
- 열전 발전장치의 결선방법에 따른 성능분석을 위해서 Fig. 9와 같이 열전 발전장치 2대(TEG #1, #2)를 직렬과 병렬로 각각 결선하여, rpm별로 생산되는 전력을 측정하였다. 측정결과, 결선방법에 따라 엔진 rpm 구간별로 유의적인 큰 차이를 볼 수는 없었다.
- 열전 발전장치의 성능과 결선방법에 따른 성능을 분석하기 위해서 열전 발전장치 2대 (TEG #1, #2)를 일직선으로 결속하여 배기가스가 배출되는 부분에 Fig. 3과 같이 설치하였고, 열전모듈에 전달되는 고온부 가열온도와 냉각시키는 저온부 냉각온도 그리고 온도차에 의해서 발생하는 전압과 전류를 측정하였다.
- 6 W를 생산할 수 있는 열전 발전장치 2대를 설계 및 제작하였다. 열전 발전장치의 성능분석을 위해 3톤급 연안자망어업 어선에 설치하여 현장실험을 통한 열전 발전장치의 성능을 분석하였다. 실험결과 열전 발전장치 각각은 최대 1,500 rpm에서 설계사양 113.
- 열전모듈에 배기가스 폐열이 전도되는 고온부 가열온도는 열교환기와 열전모듈 사이에 삽입된 열전대로 측정하였으며, 저온부 냉각온도는 냉각펌프에 의해서 열전모듈 열을 식히고 배출되는 해수의 수온을 측정하였다. 전압과 전류는 전자부하기 (Good Will Instrument Co.
- 열전 발전장치는 어선의 엔진 배기관과 연결되는 플랜지, 이를 연결하는 열교환기 덮개, 엔진 배기관의 폐열을 수집하는 열교환기, 열교환기에서 수집된 열을 전기에너지로 변환하기 위한 열전모듈, 열전모듈을 냉각하기 위한 냉각펌프로 구성된다. 열전모듈의 설치환경을 고려하여, 모든 구성품은 해수에 의한 부식을 방지하기 위해 스테인리스 합금 또는 알루미늄 표면 처리를 하였다.
- 이와 같은 결과를 바탕으로 본 연구에서는 실험어선의 엔진 rpm에 따른 배기가스 온도와 실제 조업 중 측정한 배기가스 온도 (96.7∼376.5℃)에서 전력생산이 가능한 열전모듈을 선정하여, 가용 최대 1,500 rpm에서 113.6 W의 전력을 생산하는 열전 발전장치 2대 (TEG #1, #2)를 제작하고 그 성능을 분석하기 위해 현장실험을 실시하였다.
- 이와 같은 데이터 측정방법으로 본 연구에서는 열전 발전장치 2대 (TEG #1, #2) 각각에 대한 성능을 분석하고, Fig. 4와 같이 직렬과 병렬결선 방법에 따른 성능분석과 실험어선의 실제 조업 중 생산된 전력을 측정하고 분석하였다.
- 열전모듈에 배기가스 폐열이 전도되는 고온부 가열온도는 열교환기와 열전모듈 사이에 삽입된 열전대로 측정하였으며, 저온부 냉각온도는 냉각펌프에 의해서 열전모듈 열을 식히고 배출되는 해수의 수온을 측정하였다. 전압과 전류는 전자부하기 (Good Will Instrument Co., Ltd GW INSTEK, PEL-2040, Taiwan)를 이용하여 열전모듈의 내부저항 부근에서 저항 값을 가변시켜 최대로 생산되는 전력을 측정하였다.
- 10은 실험어선을 대상으로 2016년 12월에 실제 조업에 따른 항차별 생산된 전력을 측정하여 나타낸 것이다. 총 5항차를 측정한 것이며, 항차별 총 생산된 전력량을 비교하기 위해서 측정한 전력데이터를 적분하여 전력량 (Wh)으로 환산하였다.
대상 데이터
- 실험어선이 선적한 남해군 이동면 일대의 자망조업은 어기에 따라 가자미류, 서대, 전어, 대구 등 연안 회유성 어종을 대상으로 하며, 조업 형태는 일반적인 홑자망을 사용하고, 1폭의 길이는 약 40 m, 높이 2 m의 어구를 사용하여 조업을 한다. 사용하는 어구의 수량은 어업인들에 따라 차이는 있지만, 실험어선은 총 4조의 어구를 사용하였으며, 어구 구성은 10폭으로 구성된 어구 2조, 7폭으로 구성된 어구 1조, 9폭으로 구성된 어구 1조이다. 조업은 동일 어장에 일정거리를 두고 어구를 부설한 후, 1일 정도 수중에 침지 후 익일 출항하여 양망을 하는 형태로 이루어진다.
- 실험어선이 선적한 남해군 이동면 일대의 자망조업은 어기에 따라 가자미류, 서대, 전어, 대구 등 연안 회유성 어종을 대상으로 하며, 조업 형태는 일반적인 홑자망을 사용하고, 1폭의 길이는 약 40 m, 높이 2 m의 어구를 사용하여 조업을 한다. 사용하는 어구의 수량은 어업인들에 따라 차이는 있지만, 실험어선은 총 4조의 어구를 사용하였으며, 어구 구성은 10폭으로 구성된 어구 2조, 7폭으로 구성된 어구 1조, 9폭으로 구성된 어구 1조이다.
- 실험에 이용된 어선은 경상남도 남해군 이동면 화계항 내에서 연안자망어업을 하는 3톤급 어선이다. 선박제원은 Table 1과 같다.
- 엔진 rpm에 따라 배출되는 배기가스 온도와 실제 조업 중 측정한 배기가스 온도범위에서 전력생산이 가능한 열전모듈 (TEG1B-12610-5.1, Thermal Electronic Corp., Canada)을 Table 2와 같이 선정하였다. 그리고 Fig.
성능/효과
- 1,500 rpm에서는 최대로 TEG #1과 TEG #2 각각이 60.9 W, 55.7 W로 설계사양 113.6 W 대비 각각 53.6%, 49% 수준임을 알 수 있었다. 이러한 원인은 열교환기에서 열전모듈로 전도되는 열에너지 손실과 저온부의 방열 문제로 파악된다.
- 1℃로 TEG #1이 약간 높게 나타났다. 700 rpm에서부터 1,500 rpm에서는 TEG #1과 TEG #2 각각의 온도차를 비교해 볼 때 공회전 상태보다 상대적으로 큰 차이를 보였으며, 그 범위는 최소 22.9℃에서 최대 42.3℃임을 알 수 있었다. 이러한 원인은 TEG #1의 경우 배기가스 열이 직접적으로 전도되는 곳에 설치되어 있으며, 각각의 열전 발전장치를 연결하는 플랜지 및 파이프에서 열손실이 있기 때문이다.
- 그리고 최대전력을 생산할 수 있는 1,500 rpm에서는 직렬, 병렬결선 각각 111.4 W, 115.8 W로 설계사양 227.2 W 대비 각각 49.0%, 50.9% 수준임을 확인할 수 있었다.
- 8 W로 나타났다. 또한 조업 중 생산된 평균 전력 생산량은 30.3 Wh임을 확인할 수 있었다.
- 본 연구결과로부터 열전 발전장치 설계용량 대비 전력 생산량은 약 50% 정도로 낮은 수준이지만 어선에서 배출되는 배기가스의 열로 전기에너지 생산이 가능함을 알 수 있었다. 그리고 열전모듈의 성능개선과 배기가스 열을 최대한으로 수집할 수 있는 구조 등을 개선을 통해 효율을 향상시킨다면, 열전 발전장치는 다음과 같이 많은 용도로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- Table 4는 조업시간과 항차별 생산된 전력량을 나타낸 것이다. 생산된 전력량은 항차별로 다르게 나타났으며, 최대 36.1 Wh, 최소 25.7 Wh임을 확인할 수 있었다. 이와 같이 생산된 전력량이 다른 이유는 항차별로 조업방법, 어구유실로 인한 조업시간 단축, 그리고 조업 중 해상기상에 따라 가용하는 엔진 rpm이 다르기 때문이다.
- 열전 발전장치의 성능분석을 위해 3톤급 연안자망어업 어선에 설치하여 현장실험을 통한 열전 발전장치의 성능을 분석하였다. 실험결과 열전 발전장치 각각은 최대 1,500 rpm에서 설계사양 113.6 W 대비 50% 내외로 60.9 W, 55.7 W이었다. 열전 발전장치 결선방법에 따른 생산전력은 직렬, 병렬결선 각각 111.
- 이와 같이 생산된 전력량이 다른 이유는 항차별로 조업방법, 어구유실로 인한 조업시간 단축, 그리고 조업 중 해상기상에 따라 가용하는 엔진 rpm이 다르기 때문이다. 실험기간 중 평균 전력 생산량은 30.3 Wh로 LED 30 W의 작업등을 약 1시간 정도 사용할 수 있는 것으로 파악할 수 있었다.
- 5는 2016년 8월에 실험어선의 엔진을 공회전 상태인 600 rpm에서 시작하여 가용 최대 rpm인 1,500 rpm 까지 100 rpm씩 증가시켜 구간별로 측정한 온도를 나타낸 것이다. 엔진 rpm, ER(rpm)과 온도, T(℃)의 회귀분석 결과는 선형관계임을 확인할 수 있었으며, 상관계수(R2)는 0.99, 회귀식은 수식 (1)과 같았다.
- 9와 같이 열전 발전장치 2대(TEG #1, #2)를 직렬과 병렬로 각각 결선하여, rpm별로 생산되는 전력을 측정하였다. 측정결과, 결선방법에 따라 엔진 rpm 구간별로 유의적인 큰 차이를 볼 수는 없었다. 공회전 상태인 600 rpm에서는 최저로 직렬, 병렬결선 각각이 2.
- 조업은 일반적인 양망 후 바로 투망하는 방식으로 수행되었으나, 조업 항차별로 어장사고 등으로 인해 조업형식에 다소 차이가 있었다. 특히 3항차 조업 시 전일 투망한 어구 1조가 유실되어 어구 탐색으로 인해 다른 항차의 조업에 비해 선박의 항해거리가 달랐으며, 그에 따른 엔진 사용과 엔진 rpm 증가 빈도도 달랐다.
후속연구
- 본 연구결과로부터 열전 발전장치 설계용량 대비 전력 생산량은 약 50% 정도로 낮은 수준이지만 어선에서 배출되는 배기가스의 열로 전기에너지 생산이 가능함을 알 수 있었다. 그리고 열전모듈의 성능개선과 배기가스 열을 최대한으로 수집할 수 있는 구조 등을 개선을 통해 효율을 향상시킨다면, 열전 발전장치는 다음과 같이 많은 용도로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이러한 원인은 열교환기에서 열전모듈로 전도되는 열에너지 손실과 저온부의 방열 문제로 파악된다. 따라서 열전모듈과 열교환기 사이의 밀착력과 열 수집 능력을 향상시킬 수 있도록 구조를 개선하고 열전도가 잘되는 재료를 선정하는 한편, 저온부는 수냉식과 공랭식 냉각방법을 혼용하여 방열이 지속적으로 원활히 잘될 수 있도록 한다면 발전량이 향상될 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 조업 중에 열전 발전장치로부터 충전된 배터리는 정박 중에도 선박 안전과 범죄 예방을 위해 운용되는 각종 센서, 그리고 CCTV의 전원으로 사용가능할 것으로 판단된다.
- 세 번째로, 정박 후, 열전 발전장치로부터 충전된 배터리는 선박 안전과 범죄 예방목적으로 사용하는 각종 센서, CCTV 운용에 필요한 전원공급원으로 활용할 수 있다. 최근에 화재, 침수, 어선 충돌 등 선박 안전사고가 급증하는 추세이며, 어획물 도난사고까지 발생하고 있는 실정이다.
- 향후에는 열전 발전장치의 실용화 및 산업화를 위해서 본 연구의 실험결과를 바탕으로 전력생산량 향상을 위한 열전 발전장치의 구조개선과 이용방법에 따른 유류절감 효과뿐만 아니라, 사회경제적 파급효과에 대한 분석 및 추가적인 연구가 수반되어야 할 것으로 판단된다.
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