손영광
(Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul National University)
,
최세화
(Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul Nat'l Univ.)
,
이승용
(Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul Nat'l Univ.)
,
김소연
(Dept. of Electrical Eng., Republic of Korea Naval Academy)
,
설승기
(Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul Nat'l Univ.)
To take advantage of electric propulsion, several large vessel kinds, namely, cruise vessels, icebreakers, drill ships, and warships, have been generally designed with Integrated Power System (IPS). Although most of these vessels have adopted AC distribution IPS, DC distribution IPS ships have recen...
To take advantage of electric propulsion, several large vessel kinds, namely, cruise vessels, icebreakers, drill ships, and warships, have been generally designed with Integrated Power System (IPS). Although most of these vessels have adopted AC distribution IPS, DC distribution IPS ships have recently emerged as a new promising technology thanks to the availability of the products related to the DC distribution system, in which the system's major advantages over AC distribution are reduced weight and fuel consumption. This paper presents the comparison results of a 10-t class fishing boat for the AC distribution and DC distribution cases. By replacing AC distribution system with DC distribution, 31-41% reduction in the weight of the electrical equipment weight and 20-25% reduction in the fuel consumption are expected.
To take advantage of electric propulsion, several large vessel kinds, namely, cruise vessels, icebreakers, drill ships, and warships, have been generally designed with Integrated Power System (IPS). Although most of these vessels have adopted AC distribution IPS, DC distribution IPS ships have recently emerged as a new promising technology thanks to the availability of the products related to the DC distribution system, in which the system's major advantages over AC distribution are reduced weight and fuel consumption. This paper presents the comparison results of a 10-t class fishing boat for the AC distribution and DC distribution cases. By replacing AC distribution system with DC distribution, 31-41% reduction in the weight of the electrical equipment weight and 20-25% reduction in the fuel consumption are expected.
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문제 정의
본 논문에서는 10톤급 연안어선의 부하 리스트와 부하 프로파일을 조사하여 이를 바탕으로 AC 배전 전기 추진 선박과 DC 배전 전기 추진 선박의 전력 시스템을 설계하였다. 또 기성 전장품의 무게를 바탕으로 DC 배전 전기 추진 선박의 전장품 무게가 AC 배전 전기 추진 선박의 전장품 무게보다 31∼41% 가볍다는 것을 확인하였으며, 이를 바탕으로 선체저항을 계산하여 부하 프로파일을 보정하였다.
가설 설정
어업용 조상기(jigging machine) 10kW는 조업 중 항시 사용되며, 양묘기(windlass) 15kW는 어업 종료 시 약 20분 동안 사용된다. LED 조명등은 52kW가 사용된다고 가정하였다. 10톤 미만 어선의 집어등 최대 광력은 ‘어업의 허가 및 신고 등에 관한 규칙 일부 개정령안(2008)’에 따라 81kW로 제한되는데, 대부분의 어선은 최대 제한치와 가까운 수준으로 집어등을 설치하여 운용한다.
여름철 어장까지의 편도 항해 시간은 2시간, 조업시간은 8시간으로 설정되었고, 겨울철 어장까지의 편도 항해 시간은 10시간, 조업 시간은 14시간으로 설정되었다. 또한 공통적으로 조업 중 1회, 30분의 어장 이동 시간이 있다고 가정되었다. 실제로는 선박의 무게에 따라 추진 전력의 부하 크기가 수∼수십%까지 달라질 수 있는데 이에 대한 영향은 3.
제안 방법
본 논문에서는 연안에서 운항되는 10톤급 어선을 대상으로 AC 배전 전기 추진 선박과 DC 배전 전기 추진 선박의 전력 시스템을 구성한 후 전력 설비의 무게와 연료 소모량 측면에서 두 시스템을 비교한다. 2절에서는 어업 현장의 조업자들을 대상으로 한 설문조사를 통하여 전력 부하 리스트와 부하 프로파일을 얻고, 3절에서는 2절에서 구한 전력 부하 리스트를 바탕으로 AC 배전 전기 추진 선박과 DC 배전 전기 추진 선박의 전력 시스템을 구성하여 두 시스템의 전력 설비 무게를 비교한다. 이어 디젤 엔진의 연비지도를 바탕으로 두 시스템의 연료 소모량을 비교한다.
두산인프라코어(주)의 4AD158TI를 여러 운전점에서 동작시켜 얻은 연비지도는 그림 4와 같다. 공회전 속도 900r/min에서 정격속도 1800r/min까지 5개의 속도에서 연비를 측정하였으며, 각 속도별로 무부하에서 발전기의 정격 토크까지 8개의 지점에서 연비를 측정하였다. 40개 의 데이터를 기반으로 내삽·외삽하여 그림 4의 연비지도를 완성하였다.
최근 DC 배전 전기 추진 선박을 적용하려는 시도는 10MW 이상의 발전기가 설치되는 대형 상선에서 활발하게 진행 중이지만, 전력 부하가 큰 어선의 특성상 소형어선 또한 전기 추진 선박으로 설계된다면 위에서 언급된 전기 추진 선박의 장점을 상당 부분 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 본 논문에서는 연안에서 운항되는 10톤급 어선을 대상으로 AC 배전 전기 추진 선박과 DC 배전 전기 추진 선박의 전력 시스템을 구성한 후 전력 설비의 무게와 연료 소모량 측면에서 두 시스템을 비교한다. 2절에서는 어업 현장의 조업자들을 대상으로 한 설문조사를 통하여 전력 부하 리스트와 부하 프로파일을 얻고, 3절에서는 2절에서 구한 전력 부하 리스트를 바탕으로 AC 배전 전기 추진 선박과 DC 배전 전기 추진 선박의 전력 시스템을 구성하여 두 시스템의 전력 설비 무게를 비교한다.
2절에서는 어업 현장의 조업자들을 대상으로 한 설문조사를 통하여 전력 부하 리스트와 부하 프로파일을 얻고, 3절에서는 2절에서 구한 전력 부하 리스트를 바탕으로 AC 배전 전기 추진 선박과 DC 배전 전기 추진 선박의 전력 시스템을 구성하여 두 시스템의 전력 설비 무게를 비교한다. 이어 디젤 엔진의 연비지도를 바탕으로 두 시스템의 연료 소모량을 비교한다.
표 4를 바탕으로 부하 프로파일을 보정한 결과는 그림 6과 같다. 출항은 공선 추진 부하를 적용하였고, 귀항은 만선 추진 부하, 조업 중 이동은 공선과 만선의 평균 추진 부하를 적용하였다.
대상 데이터
10톤급 연안 어선의 운항패턴과 전력 사용량을 알아보기 위하여 주문진항에서 출항하는 연안 어선의 선장들을 대상으로 설문조사를 수행하였다. 먼저 해양 및 항공 분야에서 사용되는 용어를 정리하자면, 1NM(nautical mile) 혹은 1해리(海里)는 길이의 단위로 1.
그림 3 (a)의 DFE AC 배전 전기 추진 선박의 엔진발전기로는 530HP, 1800r/min 정격의 권선형 동기발전기(WRSG, Wound Rotor Synchronous Generator)인 두산인프라코어(주)의 4AD158TI 가 적용되었다. 엔진발전기의 속도는 전자식 조속기(governor)에 의해 1800r/min으로 정속 제어되며, 출력 전압은 AVR(Automatic Voltage Regulator)에 의해 440V로 제어된다.
성능/효과
결과적으로 전력 설비 무게 감소로 인한 DC 배전 전기 추진 선박의 추진 부하 감소율은 15∼19%이다.
또 기성 전장품의 무게를 바탕으로 DC 배전 전기 추진 선박의 전장품 무게가 AC 배전 전기 추진 선박의 전장품 무게보다 31∼41% 가볍다는 것을 확인하였으며, 이를 바탕으로 선체저항을 계산하여 부하 프로파일을 보정하였다.
본 연구에서 얻은 30∼40%의 전력 설비 무게 저감이라는 결과는 ㈜ABB가 처음 실증했던 DC 배전 전기 추진 선박인 5000톤급 해양작업지원선 DinaStar의 경우와 유사하다.
그림 5는 연비지도를 기준으로 얻은 최적 운전점의 집합과 정속 운전(1800r/min) 대비 최적 운전점을 따르는 가변속 운전의 연료절감율을 나타낸다. 엔진 가변속 운전을 적용하였을 때 10kW에서 약 65%, 50kW에서 약 35%, 100kW에서 16%, 200kW에서 약 7%, 300kW에서 약 2%의 연료 절감 효과를 얻을 수 있다. 가변속 운전을 통한 연료절감율은 경부하일수록 더 크게 나타나기 때문에, 경부하 운전이 잦은 선박일수록 연료 절감 효과가 더 크다는 것을 알 수 있다.
2 에서 구한 부하 프로파일을 종합하면 AC 배전 전기 추진 선박과 DC 배전 전기 추진 선박의 연료 소모량을 계산할 수 있다. 여름철 AC 배전 선박의 연료 소모량은 364kg, DC 배전 선박의 연료 소모량은 297kg(-18.4%) 으로 나타났고, 겨울철 AC 배전 선박의 연료 소모량은 1030kg, DC 배전 선박의 연료 소모량은 796kg(-22.7%) 로 나타났다.
5∼1%의 변압기손실이 줄어들고, DC 배전으로 인하여 LED 조명 등 부하단의 전력변환 효율이 수% 이상 개선 될 수 있다[9]-[10]. 이러한 점들을 고려하면 위의 계산 결과에서 최소 5% 이상의 추가적인 효율 개선이 가능하리라 예상되므로 연간 연료비 절감액은 1400만원 이상이 될 것으로 추산된다.
또 기성 전장품의 무게를 바탕으로 DC 배전 전기 추진 선박의 전장품 무게가 AC 배전 전기 추진 선박의 전장품 무게보다 31∼41% 가볍다는 것을 확인하였으며, 이를 바탕으로 선체저항을 계산하여 부하 프로파일을 보정하였다. 측정한 엔진의 연비지도와 보정 된 부하 프로파일을 바탕으로 계산한 결과, DC 배전 전기 추진 선박이 AC 배전 전기 추진 선박보다 연간 20 ∼25% 더 적은 연료를 사용할 것으로 예상하였다.
표 3에 나타난 것과 같이 DC 배전 전기 추진 선박의 전력설비 무게는 DFE AC 배전 전기 추진 선박보다 2955kg(40.5%) 가량 가벼울 것으로 예상되고, AFE AC 배전 전기 추진 선박보다는 1895kg(30.6%) 가량 가벼울 것으로 예상된다. 이 비교에서 전력 케이블의 무게 비교는 빠졌으나, 440V 역율 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
보조엔진이란?
852km/h 와 같다. 주엔진은 프로펠러와 연결되어 추진력을 만들어내는 엔진을 의미하고, 보조엔진은 발전기와 연결되어 전력을 발생시키는 엔진을 의미한다.
DC 배전 전기 추진 선박의 장점은?
더 나아가 최근에는 DC 차단기와 DC 전력변환기기의 기술이 발전하면서 DC 배전 전기 추진 선박이 신기술로 조명 받고 있다. DC 배전 전기 추진 선박의 가장 큰 장점은 엔진발전기(genset)가 엔진의 최적 운전점 (optimal operating line)을 따라 운전되어 연료 소모량이 감소한다는 점과 변압기 및 일부 필터가 사라져 전력설비의 무게와 부피가 대폭 줄어든다는 점이다. 이 장점은 일반적인 육상 DC 마이크로그리드의 장점과 내용은 동일하지만, 탑재 공간과 무게가 제한되는 특성상 선박에서 그 효과가 더욱 크다.
최근 전기 추진 선박을 찾아보기 어려운 이유는?
그러나 지난 오랜 기간 동안 전기 추진 선박을 찾아보기는 쉽지 않았다. 이는 반도체 소자와 전동기 등 전력변환기기의 한계 때문에 지난 한 세기 동안 증기터빈과 디젤엔진의 기계식 추진이 선박 추진 체계의 주류를 이루어왔기 때문이다[1]-[2]. 하지만 전력전자 기술의 발전과 더불어 1980년대 이후에는 몇 가지 선종에 한하여 전기 추진이 가장 효율적인 추진 체계 중의 하나로 자리 잡았다.
참고문헌 (10)
D. Thomas, Diesel first edition, University of Alabama Press, pp. 207, 1987.
ICMES Technical Committee B, "Electric propulsion state-of-the-art and trends in electric power generation, distribution, and propulsion, and their associated control systems," in ICMES/SNAME New York Metropolitan Section Symp., 2000.
N. Doerry, J. Amy, and C. Krolick, "History and the status of electric ship propulsion, integrated power systems, and future trends in the U.S. navy," Proc. IEEE, Vol. 103, No. 12, pp. 2243-2251, Dec. 2015.
H. Pestanam, "Future trends of electrical propulsion and implications to ship design," in Proc. Martech, 2014.
Z. Jin, G. Sulligoi, R. Cuzner, L. Meng, J. C. Vasquez, and J. M. Guerrero, "Next-generation shipboard DC power system: introduction smart grid and dc microgrid technologies into maritime electrical networks," in IEEE Electrification Magazine, Vol. 4, No. 2, pp. 45-57, June 2016.
Y. I. An, "Fishing efficiency of high capacity (360W) LED fishing lamp for squid Todarodes pacificus," Journal of the Korean Society of Fisheries Technology, Vol. 50, No. 3, pp. 326-333, 2014.
Y. I. An, "Fishing efficiency of LED fishing lamp for squid jigging vessels," Journal of the Korean Society of Fisheries Technology, Vol. 49, No. 4, pp. 385-394, 2013.
H. Kakigano, M. Nomura, and T. Ise, "Loss evaluation of DC distribution for residential houses compared with AC system," in International Power Electronics Conference-ECCE ASIA, 2010.
A. Pratt, P. Kumar, and T. V. Aldridge, "Evaluation of 400V DC distribution in telco and data centers to improve energy efficiency," in Proc. Int. Telecommun. Energy Conf., 2007.
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