태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진선박의 국내 유람선 적용에 관한 연구 A Study on the Application of Domestic ferry to a Battery Propulsion Ship connected with Photovoltaic System원문보기
지구온난화 및 대기오염 등 환경문제에 대한 관심이 대두되면서 국제해사기구의 선박 대기오염물질 배출 규제 및 협약이 채택되었으며, 최근 국내에서는 항만지역 등 대기질의 개선에 관한 특별법안이 제정되어 미세먼지 발생량을 줄이고자 다방면으로 노력하고 있다. 이러한 미세먼지 저감대책의 일환으로 노후화된 연안선박의 디젤엔진을 미세먼지 및 배출가스가 없는 배터리 전기추진시스템으로 전환하는 것에 대한 타당성 조사가 활발히 진행되고 있다. 배터리 전기추진시스템은 연료의 연소로 인한 배기가스의 발생이 없으며, 신재생에너지원의 적용이 용이하므로 유럽이나 미국과 같은 선진국에서는 수년전부터 신재생에너지를 적용한 배터리 전기추진시스템이 적용된 소형연안여객선이 운항 중이나 국내에서는 전무하다. 따라서 본 연구에서는 국내 소형연안여객선을 대상선박으로 선정하여 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진선박의 적용 여부에 대해 시뮬레이션을 하였으며, 그에 따른 결과를 바탕으로 배터리 전기추진선박의 적용가능성을 확인하고자 한다.
지구온난화 및 대기오염 등 환경문제에 대한 관심이 대두되면서 국제해사기구의 선박 대기오염물질 배출 규제 및 협약이 채택되었으며, 최근 국내에서는 항만지역 등 대기질의 개선에 관한 특별법안이 제정되어 미세먼지 발생량을 줄이고자 다방면으로 노력하고 있다. 이러한 미세먼지 저감대책의 일환으로 노후화된 연안선박의 디젤엔진을 미세먼지 및 배출가스가 없는 배터리 전기추진시스템으로 전환하는 것에 대한 타당성 조사가 활발히 진행되고 있다. 배터리 전기추진시스템은 연료의 연소로 인한 배기가스의 발생이 없으며, 신재생에너지원의 적용이 용이하므로 유럽이나 미국과 같은 선진국에서는 수년전부터 신재생에너지를 적용한 배터리 전기추진시스템이 적용된 소형연안여객선이 운항 중이나 국내에서는 전무하다. 따라서 본 연구에서는 국내 소형연안여객선을 대상선박으로 선정하여 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진선박의 적용 여부에 대해 시뮬레이션을 하였으며, 그에 따른 결과를 바탕으로 배터리 전기추진선박의 적용가능성을 확인하고자 한다.
The International Maritime Organization (IMO) adopted the International Convention on the Control of Ships' Air Pollutants and Discharge as it became interested in environmental issues such as global warming and air pollution. In addition, a special bill on the improvement of air quality, including ...
The International Maritime Organization (IMO) adopted the International Convention on the Control of Ships' Air Pollutants and Discharge as it became interested in environmental issues such as global warming and air pollution. In addition, a special bill on the improvement of air quality, including in port areas, has recently been enacted in Korea to reduce the amount of fine dust generated. As part of such fine dust reduction measures, feasibility studies have been underway on converting diesel engines into battery electric propulsion systems that do not cause fine dust and emissions. Since the battery electric propulsion system can easily utilize renewable energy sources, and does not generate exhaust gas due to combustion of fuel, small coastal ferries with battery electric propulsion systems that use renewable energy have been operating in Europe and the U.S. for several years. However, they have not been introduced in Korea. Therefore, in this study, we selected small coastal ferries in Korea as target ferries, and performed simulations to study the applicability of electric propulsion with batteries linked to solar power systems. Based on the results, we want to confirm the applicability of battery electric propulsion.
The International Maritime Organization (IMO) adopted the International Convention on the Control of Ships' Air Pollutants and Discharge as it became interested in environmental issues such as global warming and air pollution. In addition, a special bill on the improvement of air quality, including in port areas, has recently been enacted in Korea to reduce the amount of fine dust generated. As part of such fine dust reduction measures, feasibility studies have been underway on converting diesel engines into battery electric propulsion systems that do not cause fine dust and emissions. Since the battery electric propulsion system can easily utilize renewable energy sources, and does not generate exhaust gas due to combustion of fuel, small coastal ferries with battery electric propulsion systems that use renewable energy have been operating in Europe and the U.S. for several years. However, they have not been introduced in Korea. Therefore, in this study, we selected small coastal ferries in Korea as target ferries, and performed simulations to study the applicability of electric propulsion with batteries linked to solar power systems. Based on the results, we want to confirm the applicability of battery electric propulsion.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 실제 운항중인 국내 소형연안여객선을 대상선박으로 선정하여 신재생에너지원인 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진선박을 전력분석프로그램을 통해 모델링하였으며, 실제 선박의 Load Profile을 적용한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 태양광 배터리 전기추진선박의 적용가능성을 확인하였다.
제안 방법
또한 시뮬레이션 대상 모델의 Load Profile 분석 결과Maneuvering 구간에서 가속하기 위해 최대 100[kW]의 출력이 필요한 것을 확인하였다. Fig. 8에서 요구되는 최대 출력을 2개의 추진기를 가지는 쌍동선형인 적용모델로 충족시키기위해 2개의 50[kW] 전동기를 적용함으로써 적용모델과 대상 선박이 동일한 출력으로 동일한 선속을 얻도록 하여 운항시간을 일치시켰다.
1에서 제시된 대상 항로를 바탕으로 분석된Load Profile이다. 각 구간별 출력에 따른 추진전동기 속도및 출력을 확인하기 위해 대상선박의 운항패턴을 In port,Maneuvering, Sea going의 세 구간으로 나누어 시뮬레이션 하였다.
3과 같이 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진선박은 태양광 발전을 위한 태양광 모듈, 태양광에서 발전된 전력을 저장하기 위한 DC-DC 컨버터 및 배터리, 추진전동기의 속도제어를 위한 인버터 드라이브, 추진전동기로 구성되어 있다. 쌍동선형의 선체에 맞춰 추진 전동기 및DC-AC 인버터를 2개로 구성하였으며, 비상상황을 대비를위해 배터리 모듈도 122[kWh] 2개로 분할구성하였다. 배터리모듈, 전력변환장치 및 추진전동기에 문제가 발생하더라도지속적으로 추진력을 확보할 수 있으며, 두 개의 배터리 모듈 중 한 개의 배터리 모듈은 추진용을 위해 사용하고, 다른 배터리 모듈은 태양광 발전 시스템에서 발전되는 전력을 저장하도록 시스템을 구성한다.
, 2018), 배터리에 저장된 에너지는 인버터를 거쳐 교류로 변환되어 추진전동기를 구동한다. 총 8개의 30.5[kWh] 배터리 모듈은 122[kWh] 2개의 배터리 모듈로 구성하여 비상상황에도 추진이 가능하도록 하였다. 또한 시뮬레이션 대상 모델의 Load Profile 분석 결과Maneuvering 구간에서 가속하기 위해 최대 100[kW]의 출력이 필요한 것을 확인하였다.
2 배터리는 SOC 50 %에서 충전을 시작한다. 추진을 위해 사용 중인 배터리의 SOC를 지속적으로 모니터링하여 SOC 50 % 이하로 감소할 경우 태양광 발전시스템으로 충전 중이던 배터리를 추진에 사용하고 추진용으로 사용하던 배터리는 다시 태양광 발전시스템으로 충전하도록 제어 알고리즘을 구성하였다.
태양광 발전 시스템에서 최대전력을 확보하기 위해 P&O방식의 MPPT 제어기법을 적용하였으며, 추진 전동기에는 간접벡터제어방법을 사용하여 추진 전동기의 속도제어가 가능하도록 구성하였다.
환경문제 및 선박 노후화 문제를 해결하기 위한 방안으로 태양광 발전시스템이 적용된 배터리 전기추진선박의 국내적용의 타당성을 검토하기 위해 전력전자 분석프로그램을 이용하여 시스템 모델링 하였다. 태양광 발전 시스템에서 최대전력을 확보하기 위해 P&O방식의 MPPT 제어기법을 적용하였으며, 추진 전동기에는 간접벡터제어방법을 사용하여 추진 전동기의 속도제어가 가능하도록 구성하였다.
대상 데이터
⑤ 구간은 선박이 정박하기 위해 감속하고 접안하는 구간이다. 대상 선박인 은하수 5호의 항해속력은 8[knot], 운항 거리는 8[km], 운항시간은 총 33분이며 일일평균 4~5회 운항을 한다.
시뮬레이션 대상 선박에 사용되는 태양광 발전시스템은 300[W] 태양광 모듈 120개를 직렬 12개, 병렬 10개의 어레이로 구성하여 최대 36[kW]의 출력을 낼 수 있도록 구성하였다. 태양광 모듈과 어레이의 상세 제원은 Table 4와 Table 5에 각각 나타내었다.
시뮬레이션 대상 선박으로는 현재 부산 태종대에서 운항중인 소형유람선 은하수 5호를 선정하였다. 선정된 유람선은 관광을 목적으로 운항하므로 선속이 빠르지 않고, 항로가 일정하여 선박을 운항하는데 필요한 시스템의 용량을 산정하기 용이하다.
, 2009; Patel and Shah,2016). 시뮬레이션에서 구성한 태양광 발전시스템은 300[W]태양광 모듈 120개를 직렬 12개, 병렬 10개의 어레이로 구성하여 최대 36[kW]의 출력을 낼 수 있도록 구성하였다.
이론/모형
본 연구에서는 가장 널리 이용되고 있는 P&O(Perturb and Observe) 기법을 적용하였으며, P&O 방식의 알고리즘은 Fig. 5에 나타나 있다(Uddin et al., 2018).
인버터의 원리는 전력용 반도체를 스위칭하여 직류전원을임의의 주파수와 전압의 교류로 변환시켜 유도전동기의 회전속도를 제어하며 제어 기법은 전압의 크기와 방향을 제어함으로써 자속, 토크 및 주파수의 크기를 제어하는 간접벡터제어 기법을 사용하였다. 급가속 및 감속 운전에 한계가 없으며 과전류 억제 능력이 매우 뛰어난 장점이 있다(Kim et al.
성능/효과
5[kWh] 배터리 모듈은 122[kWh] 2개의 배터리 모듈로 구성하여 비상상황에도 추진이 가능하도록 하였다. 또한 시뮬레이션 대상 모델의 Load Profile 분석 결과Maneuvering 구간에서 가속하기 위해 최대 100[kW]의 출력이 필요한 것을 확인하였다. Fig.
시뮬레이션 대상 선박의 Load Profile을 바탕으로 모델링한 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진선박의 시뮬레이션 결과 운항 구간별 선박의 속도 변화에 따른 추진 전동기의 속도응답특성 및 출력특성이 우수함을 확인하였으며, 1항차 운항시 36[kW]의 전력이 필요한 것을 확인하였다. 한국의 하루 평균 일조시간인 3.
위와 같은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 배터리의 방전심도를 고려하여 최적의 배터리 사용구간인 SOC 80-50 % 구간(Li et al., 2019)만을 사용하였을 때, 추가적인 전력공급 없이 배터리만으로 2회의 운항이 가능하며, 한국의 연간 평균 일조시간인 3.6시간(Park, 2013) 적용 시 36[kW]의 태양광 발전 시스템을 통해 하루 평균 130[kW]의 전력을 확보할 수 있다. 이는 육상으로부터 추가적인 전력공급 없이 총 5회 운항을 할 수 있는 전력량이며, 배터리 방전심도를 고려하지 않는 경우 하루 최대 10회까지 운항할 수 있음을 확인할 수 있다.
9는 In port 시 추진전동기의 속도가 0[rpm]에서 1800[rpm]까지 증가하는 구간에서의 추진전동기 속도응답 및 출력을 나타내며, 시뮬레이션 시간은 실제 In port시간의 1/20로 축소하여 3초간 시행하였다. 추진전동기는 속도지령값에 맞춰 오차없이 목표값에 도달함을 확인할 수 있으며, 정상상태범위에서 추진전동기의 속도와 출력이 안정적으로 유지되는 것을 알 수 있다.
시뮬레이션 대상 선박의 Load Profile을 바탕으로 모델링한 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진선박의 시뮬레이션 결과 운항 구간별 선박의 속도 변화에 따른 추진 전동기의 속도응답특성 및 출력특성이 우수함을 확인하였으며, 1항차 운항시 36[kW]의 전력이 필요한 것을 확인하였다. 한국의 하루 평균 일조시간인 3.6시간임을 고려하면 태양광발전으로 하루 평균 약 130[kW]의 전력을 확보할 수 있었으며, 122[kWh] 2개의 배터리를 탑재하였을 경우 배터리 방전심도를 고려한 최적의 배터리 사용구간에서 5회, 최대 10회까지 운항이 가능한 것으로 계산되며 선박의 실적용이 가능함을 시뮬레이션 결과를 통해 확인하였다.
후속연구
차후, 실제 해상환경의 선박에서 발생하는 횡경사, 종경사와 같은 태양광 발전에 영향을 주는 요소들을 시뮬레이션에 반영하고, 단순한 출력을 내는 태양광 패널의 functionalmodel이 아닌 일사량 변화와 온도 변화에 따라 출력이 변화하는 physical model을 적용하여 시간의 흐름에 따른 실제 해상환경에서의 태양광 발전 시스템을 모델링 하는 것을 향후과제로 삼고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진선박은 어떻게 구성되어 있는가?
Fig. 3과 같이 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진선박은 태양광 발전을 위한 태양광 모듈, 태양광에서 발전된 전력을 저장하기 위한 DC-DC 컨버터 및 배터리, 추진전동기의 속도제어를 위한 인버터 드라이브, 추진전동기로구성되어 있다. 쌍동선형의 선체에 맞춰 추진 전동기 및DC-AC 인버터를 2개로 구성하였으며, 비상상황을 대비를위해 배터리 모듈도 122[kWh] 2개로 분할구성하였다.
태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진시스템은 어떠한 방식으로 작동되는가?
8은 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진시스템의 전체 계통도이다. 태양광 패널에서 발생되는 전력은DC-DC 컨버터에 의해 배터리 충전에 적합한 전압으로 승압되어 저장되며(Motahhir et al., 2018), 배터리에 저장된 에너지는 인버터를 거쳐 교류로 변환되어 추진전동기를 구동한다. 총 8개의 30.
배터리 전기추진시스템의 장점은 무엇인가?
, 2006). 배터리 전기추진시스템은 질소산화물, 황산화물및 이산화탄소 등의 배기가스가 전혀 배출되지 않으며, 시스템 구성이 비교적 간단하고 육상의 값싼 전력을 사용 할수 있는 장점이 있다(Lee et al., 2014).
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