The use of eco-friendly energy in the offshore plant system is expanding because conventional generators are operated by fossil fuel or natural gas. Eco-friendly energy, which replaces existing power generation methods, should be capable of generating the power for lighting protection equipment, air...
The use of eco-friendly energy in the offshore plant system is expanding because conventional generators are operated by fossil fuel or natural gas. Eco-friendly energy, which replaces existing power generation methods, should be capable of generating the power for lighting protection equipment, airborne fault indication, parameter measurement, and others. Most of the eco-friendly energy used in offshore plant facilities is solar and wind power. In the case of using photovoltaic power, because the structure must be constructed based as flat solar panels, it can be damaged easily by the wind. Therefore, there is a need for a new generation system composed of a spherical structure that does not require a separate structure and is less influenced by the wind. Considering these characteristics, in this study we designed, fabricated, and tested a unit that could provide the most efficient spherical photovoltaic power generation considering wind direction and wind pressure. Our test results indicated that the proposed system reduced costs because it did not require any separate structure, used eco-friendly energy, reduced carbon dioxide emissions, and expanded the proportion of eco-friendly energy use by offshore plant facilities.
The use of eco-friendly energy in the offshore plant system is expanding because conventional generators are operated by fossil fuel or natural gas. Eco-friendly energy, which replaces existing power generation methods, should be capable of generating the power for lighting protection equipment, airborne fault indication, parameter measurement, and others. Most of the eco-friendly energy used in offshore plant facilities is solar and wind power. In the case of using photovoltaic power, because the structure must be constructed based as flat solar panels, it can be damaged easily by the wind. Therefore, there is a need for a new generation system composed of a spherical structure that does not require a separate structure and is less influenced by the wind. Considering these characteristics, in this study we designed, fabricated, and tested a unit that could provide the most efficient spherical photovoltaic power generation considering wind direction and wind pressure. Our test results indicated that the proposed system reduced costs because it did not require any separate structure, used eco-friendly energy, reduced carbon dioxide emissions, and expanded the proportion of eco-friendly energy use by offshore plant facilities.
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문제 정의
본 논문에서는 2.3절에서 언급한 기존 고정식 평판 태양광 발전시스템에서 필연적으로 설치할 수밖에 없었던 대형 구조물의 문제점을 해결하기 위해 Fig. 1(b)와 같은 형태의 보를 이용한 구조물을 제안한다. 해당 구조물은 기존의 구조물에 비해 경량인 점으로 인해 해양플랜트 설비에 큰 부담을 주지 않으면서 저렴한 것이 특징이다.
본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 해양플랜트 환경에 적합한 보(Beam)를 이용한 구조물과 구형의 태양광 발전단구를 제안한다. 제안된 방식은 고정식 평판 태양광 발전 방식에 비해 가볍고 작아 기존 대형 구조물의 단점이었던 안전성이나 하중으로 인한 문제가 없고 유지보수도 간단한 것이 특징이다.
본 논문에서는 이런 문제를 해결하기 위해 보에 태양광 발전 패널을 설치하는 방식의 태양광 발전시스템을 제안하고 보에 설치할 수 있는 구형 태양광 발전단구를 제시하였다. 이와 같은 방식은 기존 방식의 문제점을 해결할 뿐만 아니라 개별 패널의 고장 시 교체가 쉬운 장점까지 가지고 있다.
이 논문은 4차 산업혁명의 핵심으로 지목되는 친환경 에너지의 생산 비율을 높이는 방안과 CO2 저감에 대한 에너지 생산 및 탄소 배출권 저감 모델을 제시한 것입니다. 이는 해양플랜트설비 친환경 에너지 사업적 모델을 제시한 연구, 실험의 근거로 작성 되었으며, 해양대기 환경개선을 위해 CO2를 저감하는 친환경 에너지의 비율 증가에 기여하고자 합니다.
저감에 대한 에너지 생산 및 탄소 배출권 저감 모델을 제시한 것입니다. 이는 해양플랜트설비 친환경 에너지 사업적 모델을 제시한 연구, 실험의 근거로 작성 되었으며, 해양대기 환경개선을 위해 CO2를 저감하는 친환경 에너지의 비율 증가에 기여하고자 합니다. 한국해양과학기술원, 극지연구소, 실험에 협조해주신 관계기관⋅기업에 감사드립니다.
가설 설정
2(a)와 같이, Type B,C, D는 Fig. 2(b)와 같이) 단면이 정사각형인 보에 등간격, 좌우대칭으로 설치되어 있다고 설정하였다. 이와 같은 설치 형태에서는 작용하는 힘도 좌우 대칭이므로 Fig.
N은 9, 수평경간은 8m, 패널 사이의 거리 L은 800 mm, 보의 두께는 가로(w), 세로(h) 50mm로 설정하였고 보의 재질은 구조용 강으로 일반적으로 쓰이는 ASTM A36으로 가정하였으며 해당 물질의 허용 응력σallow는 250MPa이다(Beeret al., 2009).
제안 방법
해양플랜트 환경에서 가장 중요한 힘은 풍하중인데 기존의 평판 태양광 발전 패널은 그 형태로 인해 바람이 평판에 수직으로 작용할 때의 풍하중까지 고려할 수밖에 없고 그 값은 매우 크다. 따라서 본 연구에서는 구형의 발전단구3가지를 설계하여 각 발전단구 별로 풍하중과 발전량을 기존의 평판식 발전 패널과 비교하였다.
본 연구에서의 전력 실험은 악조건에서의 전력을 산정하기 위하여 동절기 동안 각 패널의 성능을 평가할 수 있는 3일간씩을 선택하여 실행하였다(Type A와 B, Type A와 C, Type A와 D를 각각 비교, 순서에 따라 Type A의 성능은 Type A1, A2, A3로 표현하였다). 따라서 일반적인 경우, 본 실험을 통해 나온 결과보다 더 좋은 성능이 나올 것으로 기대할 수 있다.
전력 측정은 각 패널의 연결부하측에 10Ω의 저항을 연결하여 충전되는 전력을 확인하는 방식을 채택하였다.
본 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해 해양플랜트 환경에 적합한 보(Beam)를 이용한 구조물과 구형의 태양광 발전단구를 제안한다. 제안된 방식은 고정식 평판 태양광 발전 방식에 비해 가볍고 작아 기존 대형 구조물의 단점이었던 안전성이나 하중으로 인한 문제가 없고 유지보수도 간단한 것이 특징이다. 또한 본 연구에서 설계한 구 형태의 발전단구는 얇은 보만 있으면 설치할 수 있다.
대상 데이터
본 연구에서는 3.1절에서 언급한 것과 같이 기존의 평판식 발전 패널(Type A)과 함께 3가지 구형 발전단구(Type B, C, D)를 고려하였고 각각의 특징은 Table 1과 같다. 마지막 행의 셀들의 연결 방식을 살펴보면 Type A, B, D의 경우 인접한 셀들을 먼저 직렬로 연결한 후 병렬로 연결하였다.
성능/효과
0)이 되고 기둥의 높이 H는 1m로 정한다. 결과는 Table 3과 같으며 Type B, C, D의 경우 모두 허용 인장 응력, 허용 전단 응력에 비해 훨씬 작은 값을 가지므로 기존의 Fig. 1(a)와 같은 구조물에 비해 훨씬 간단하며 가벼운 해당 구조물로도 안전성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
따라서 본 연구의 핵심 목표인 해양플랜트 위에 설치할 수 있는 태양광 발전 시스템을 구성하는 구조물의 중량을 줄이면서 해당 구조물에 적합한 태양광 발전 패널을 설계하고 해양플랜트 설비의 비상전원공급을 담당할 수 있음을 보이는 것은 국내외를 통틀어 새로운 시도라고 할 수 있다.
6는 전력 실험에서 얻어낸 전력, 전압, 전류를 시간대 별로그래프로 나타낸 것이고 Table 5는 전력 결과만을 나타낸 표이다. 먼저 시간대별 결과를 보면 일조량이 가장 큰 오후 12시~1시를 전후로 모든 패널들의 최대 전력이 나오지만 시간대 별 전력의 차이는 Type A가 가장 큰 것을 알 수 있다. 이는 발전 패널 내 모든 셀들이 같은 방향을 향하고 있는 고정식 평판 방식의 특징을 잘 나타내는 것으로 이해할 수 있다.
또한 본 연구에서 설계한 구 형태의 발전단구는 얇은 보만 있으면 설치할 수 있다. 실제 발전량 실험을 통해 제안 방식이 고정식 평판 태양광 발전 방식에 비해 발전량은 작은 것으로 나타났지만 설치비용까지 고려했을 때 더욱 경제적임을 알 수 있었다.
,2016). 이는 모든 산업분야에서 공통적으로 이루어지고 있는 온실가스 감축의 일환으로 볼 수 있지만 일반적인 선박 운용에 필요한 총 전력량을 충당하지는 못하는 것으로 나타났다.
, 2009)을 이용하여 구조물의 가격만 매겼을 때는 약 674만원 정도가 나오며 설치비용 전체는 약 1억원으로 산정되었다. 즉, 본 연구에서 제안한 구형 태양광 발전시스템을 설치했을 경우는 구조물의 경량화와 단순화 덕분에 기존 시스템 에 비해 시설비가 5억5천만원 가량 경제적이란 뜻이 된다. 이는 구형 발전단구가 발전 효율은 낮아 많은 셀을 필요로 하지만 구조물의 가격을 획기적으로 낮춰주기 때문이다.
풍하중에 의한 응력을 분석함으로써 기존 평판식 발전 패널과는 달리 구형 태양광 발전단구는 제안된 형식의 구조물(Fig.1(b))에 설치할 수 있음을 보였고 시스템 측면에서 모듈 별 발전량이 떨어지기 때문에 필요 전력을 채우기 위해 더 많은 패널이 필요하지만 매우 저렴한 구조물 덕분에 경제성이 매우 높다는 경제성 분석을 통해 제안 방식의 우수성을 입증하였다.
후속연구
본 연구에서의 전력 실험은 악조건에서의 전력을 산정하기 위하여 동절기 동안 각 패널의 성능을 평가할 수 있는 3일간씩을 선택하여 실행하였다(Type A와 B, Type A와 C, Type A와 D를 각각 비교, 순서에 따라 Type A의 성능은 Type A1, A2, A3로 표현하였다). 따라서 일반적인 경우, 본 실험을 통해 나온 결과보다 더 좋은 성능이 나올 것으로 기대할 수 있다.
본 연구에서 제안하는 태양광 발전 시스템은 해양플랜트에 추가적으로 설치되는 것이기 때문에 이 시스템이 실제 적용되었을 때 해양구조물로써 해양플랜트 전체의 구조안전성을 평가하는 것은 본 연구의 범위를 벗어나므로 고려하지 않았다.
동해-1 가스전의 경우 전체 3,000kWh의 전력량이 필요하며 현재 평상시에는 가스 터빈을 이용하여 해당 전력량을 감당하고 있고 비상전력공급은 전체 전력량의 10% 규모인 300kWh을 생산할 수 있는 디젤 발전기를 이용하고 있다. 이러한 디젤 발전기를 대체하여 본 연구에서 제안하는 시스템을 적용한다면 비상용 전력량의 5배 규모인 1,500kWh의 전력량을 저장할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS)을 설치하고 이를 충전하는 태양광 발전 시스템은 3kWh 용량으로 설계하는 것이 적정하다. 이는 5장에서 이루어진 실험 조건과 같이 하루 10시간 충전을 기준으로 했을 때, 비상시 300kWh의 전력량이 소모된다면 10일 동안 충전하도록,1,500kWh의 전력량이 모두 소모된다면 50일 동안 충전하도록 설계한 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해양플랜트 설비는 무엇으로 전력을 수급하고 있나?
해양플랜트 설비는 대부분 화석연료를 사용하는 발전기를 통해 전력을 수급하고 있다. 이는 해양대기오염의 요인으로 작용하고 있으며 이러한 설비의 고장 시 기본적으로 비상용 발전기및 축전용 배터리 등의 가동으로 기간을 보전하고 있는 실정이다.
기후변화협약은 언제부터 발효되었나?
1997년 일본 교토에서 개최된 기후변화협약 당사국총회에서 지구 온난화 규제 및 방지를 위한 국제협약인 기후변화협약의 구체적인 이행 방안으로 선진국의 온실가스 감축 목표치를 규정하였으며, 2005년 2월 공식적으로 발효되었다. 한국은 기후변화 협약 개발도상국으로 분류되어 의무 이행 대상국에서 제외 되었으나, 몇몇 선진국에 의해 멕시코 등과 같이 2008년부터 온 실가스 감축의 자발적인 의무부담을 요구받았으며, 정부는 2015년부터 탄소 배출권 거래제를 시행하여 저탄소 기술 개발 촉진,저탄소 산업 육성에 노력을 기울이고 있다(Shin, 2015).
태양광 전지를 사용하고 있는 경우도 있으나 그 형태가 해양플랜트에 설치하기엔 부적합한 이유는?
비상시 계속 사용할 수 있는 발전시스템의 구성이 필요하여태양광 전지를 사용하고 있는 경우도 있으나 그 형태가 해양플랜트에 설치하기엔 부적합한 것이 사실이다. 현재 사용되고 있는 고정식 평판 태양광 발전 설비는 외형의 특징상 바람의 영향을 크게 받기 때문에 대형의 구조물을 필요로 하는데 이러한 구조물은 안전성이나 하중이 문제가 되기 때문이다. 또한 해수의 염분에 의한 성능저하로 인해 유지보수가 용이해야하지만 기존의 발전시스템은 이 점에서 단점이 있다.
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