자기유도방식 - 친환경 선박 무선전력전송 시스템

자기유도방식 -> 친환경 선박 무선전력전송

 

- 친환경 선박 무선전력전송 시스템 개발배경 및 개발과정 -

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1. 제작 배경(항만 대기 오염)

 

1) 항만 대기 오염의 실태 및 규제

 

 위 사진은 2015년 10월 22일자 KNN의 뉴스 보도인

 

‘사각지대 선박 매연 자동차만 규제?’ 중에서 발췌한 사진으로서,

 

많은 수의 선박이 있는 부산은 선박에서 나오는 대기 오염 물질이

 

자동차보다 더 많다는 것을 보여주고 있습니다.

 

 선박은 주로 해안에서 가속, 감속, 공회전 등 많은 엔진 활동을 하기 때문에 다양한 종류의 대기 오염 물질을 배출하는데요.

 

그 대기 오염 물질들에 대해 조금 알아보자면, 황산화물은 대부분의 연료 중 황(Sulfer)성분이 연소시 공기 중 산소와 결합하여 생성된 뒤 대기 중으로 배출된다고 합니다.

 

황산화물은 무색의 강한 자극성 기체로서 일정 농도 이상이면 호흡기, 목구멍, 눈 등에 손상을 유발하며 산성비의 원인이 됩니다.

 

질소 화물은 연료 중의 질소가 산화하여 발생하는데 직접적으로 인간의 호흡기를 자극하여 염증을 유발하며 광화학적 스모그와 산성비의 원인이 됩니다.

 

먼지는 호흡기 질환을 가진 사람이 입을 통해 호흡하는 경우 치명적인 영향을 미치며,

 

오존의 경우 질소산화물과 탄화수소 등이 태양광선에 의해 생성되는 광화학 2차 오염물질로서 산화력이 강해 눈을 자극, 난용성이므로 쉽게 심부까지 도달하여

 

폐수종, 폐출혈 등을 일으키며 방사성과 흡사하게 RNA, DNA에 작용하여 유전인자에 영향을 미칩니다.

 

 

 이처럼 항만에서 발생하는 대기오염이 심각해짐에 따라 국제적으로 선박 및 항만에서 발생하는 환경오염을 규제하는 각종 규제들이 잇달아 도입되고 있습니다.

 

 특히 2005년 2월 교토의정서 발효에 따른 지구온난화 가스의 배출 규제 조치에 이어 2005년 5월 국제해사기구(IMO)가 ‘선박의 대기오염물질 배출 규제협약’의 시행에 들어간 것이 그 대표적 사례라고 볼 수 있습니다.

 

 국제해사기구는 지구전체 배출량의 7%와 12%를 차지하고 있는 선박으로부터 배출되는 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx) 등의 대기오염물질을 엄격히 규제할 방침이라고 합니다.

 

 이와 같은 세계적인 환경오염 규제에 따라 일본, 미국, EU 등 주요 환경선진국들도 국제기준 보다 높은 배출기준을 설정하는 등 선박 및 항만에서 발생하는 환경오염에 대한 규제가 갈수록 강화되고 있는 실정입니다.

 

 그럼에도 불구하고 지금까지 우리나라의 경우 환경오염 방지 노력은 주로 육상기인 오염원에 대한 규제 일변도로 진행되어 옴으로써 항만에서 발생하는 환경오염원에 대한 연구 및 정책대안은 상대적으로 부족한 상황입니다.

 

 또한 국회 전자도서관에서 검색한 결과 <항만 대기오염 저감을 위한 육상전원설비의 필요성 연구 = Necessity of onshore power supply for the reduction of air pollution in seaports / 김봉진>이라는 논문을 통하여 부산항에서 배출되는 대기 오염에 대해 알아볼 수 있었습니다.

 

 

 <출처 : 항만 대기오염 저감을 위한 육상전원설비의 필요성 연구 = Necessity of onshore power supply for the reduction of air pollution in seaports / 한양대학교 공학대학원 / 김봉진 >

 

 표 2-8과 2-9를 분석해보면 선박이 항구에 접안 할 때보다 정박 시 소모하는 연료의 양이 약1.7배 정도 많은 것을 알 수 있습니다.

 

 이를 토대로 분석한 결과 다음과 같은 도출을 얻어낼 수 있었습니다.

 

<출처 : 항만 대기오염 저감을 위한 육상전원설비의 필요성 연구 = Necessity of onshore power supply for the reduction of air pollution in seaports / 한양대학교 공학대학원 / 김봉진 >

 

 이처럼 많은 양의 대기오염 가스들이 매년 수 만 톤씩 배출되고 있는 것을 알 수 있습니다.

 

선박들은 부두에 정박하고 있는 동안 동력조달을 위해 선내 디젤 보조엔진을 가동함으로써 많은 양의 대기오염을 발생시킨다고 합니다.

 

 특히 보조엔진 가동은 가장 낮은 등급의 디젤인 벙커유를 이용하기 때문에 항만대기오염의 주요 요인으로 작용하고 있습니다.

 

 그래서 이러한 대기오염 가스 배출을 저감하기 위해 해외에서는 어떠한 대책을 내놓고 있는 가에 대하여 조사해야 할 필요성을 느낄 수 있었습니다.

 

2) 해외의 항만 대기 오염 저감 대책

 

(1)미국

 항만기인 환경오염에 대한 저감 움직임이 가장 활발한 항만은 미국 로스엔젤레스(L.A.)항만을 들 수 있습니다.

 

 LA 항만의 경우 선박뿐만 아니라 크레인과 같은 항만 장비에 대해서도 청정 연료를 사용하도록 하는 등 다양한 규제조치를 시행하고 있습니다.

 

 특히 LA 항만은 대기오염을 줄이기 위해 이른바 'Cold Ironing'이라고도 불리는 육상전기 공급 장치 AMP(Alternative Maritime Power)를 도입하였습니다.

 

 이 시스템은 선박이 보조기관을 가동하여 전기를 발생하는 과정에서 생기는 대기오염물질 배출을 막기 위해 정박 중인 선박의 보조엔진 가동을 중단하는 대신 육상에서 해당 선박에 전력을 공급하는 시설을 일컫습니다.

 LA 항만당국에 따르면 지금까지 AMP 프로그램을 도입한 이후 50척의 입항선박에 이 시스템을 적용함으로써 대기오염원을 80톤 이상 제거하였으며 선박 한 척 기항 시 평균적으로 질소산화물, 황산화물, 디젤분진등과 같은 대기오염물질을 95% 이상 줄인 것으로 발표하였습니다.

 

 이에 따라 LA 항만 당국은 앞으로 터미널을 임대할 때는 AMP 사용을 조건으로 내걸고, 적어도 입항하는 선박의 70%는 육상전력을 사용하도록 한다는 계획을 추진하고 있습니다.

 

(2)일본

 위 도표는 일본의 선박 대기오염 저감 방안을 나타내고 있습니다. 위의 표에서 보듯 일본 역시 육상전원의 사용을 항만 대기오염 저감 방안의 하나로서 채택하였습니다.

 

 따라서 우리가 주목한 것이 바로 항만에 선박이 정박하고 있는 동안 필요한 전력을 공급하기 위해 육상 전기를 제공하는 방안입니다.

 

 선박들은 부두에 정박하고 있는 동안 동력조달을 위해 선내 디젤 보조엔진을 가동함으로써 많은 양의 대기오염을 발생시킵니다.

 

 특히 보조엔진 가동은 가장 낮은 등급의 디젤인 벙커유를 이용하기 때문에 항만대기오염의 주요 요인으로 작용하고 있습니다.

 

 따라서 정박한 선박들이 오염을 저감시키기 위해 육상 측에서 선박에 전력을 공급하는 소위 “cold ironing”방식을 도입할 필요가 있다고 합니다.

 

3) 육상전원 공급 장치 AMP(Alternative Maritime Power)

 

이 시스템은 선박이 보조기관을 가동하여 전기를 발생하는 과정에서 생기는 대기오염물질 배출을 막기 위해 정박 중인 선박의 보조엔진 가동을 중단하는 대신 육상에서 해당 선박에 전력을 공급하는 시설을 일컫습니다.

 

다만 이와 같은 시스템을 이용하기 위해서는 항만 내에 전원 공급 장치를 설치해야 함은 물론, 선박에 파워 케이블이나 스위치기어 등과 같은 수전시설을 설치해야 하는 등 개조작업을 수행해야 합니다.

 

<출처 : 항만 대기오염 저감을 위한 육상전원설비의 필요성 연구 = Necessity of onshore power supply for the reduction of air pollution in seaports / 한양대학교 공학대학원 / 김봉진 >

 

 그러나 위의 도표에 볼 수 있듯 육상에서 전원을 공급할 시 선박 측에서 보조 발전기를 자체적으로 가동하는 것보다 대기 오염 물질 배출을 상당량 줄일 수 있습니다.

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 결과적으로 이산화탄소의 배출량은 50%가량 줄어 들었고, 대기 오염 물질이 거의 배출되지 않아 대기오염물질 저감에 탁월한 효과를 보입니다.

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<한국해양대학교 실습선 한바다 호>

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 한국해양대학교의 실습선인 한바다 호 역시 육상 전원 공급 장치를 사용 중이며, 설치 3년 만에 투자 예산을 회수했다고 합니다.

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 이처럼 각국의 항만을 비롯한 여러 곳에서 친환경적인 이유로 육상 전원 공급 장치를 사용 중인데, 그렇다면 육상 전원 공급 장치의 단점은 무엇인가 생각해보았습니다.

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 위의 사진들처럼 기존의 육상 전원 공급 장치는 파워 케이블을 직접적으로 배의 수신부에 연결하여 사용하는 형태이며, 불필요한 인력 소모와 육상 전원과 선박전원설비의 주파수가 서로 다를 시 별도의 주파수 변환 컨버터가 필요합니다.

 

 따라서 이러한 단점을 해결하고, 스마트 하버 시스템의 일환으로서 선박 무선 전력 전송 시스템을 제작하게 되었습니다.

 

2. 제작 과정(프로토 타입 발전 현황)

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1) 송신부 개발

 최근까지 개발된 무선전력전송 시스템은 크게 3가지입니다.

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​[그림1] 무선전력전송 방식 3가지

 

 먼저, 자기유도방식은 주파수 대역이 125KHz에서 13.56MHz이며, 전송거리가 좁은 대신에 높은 효율을 자랑합니다.

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 다음으로, 자기공진방식은 주파수 대역이 수십KHz에서 수MHz이며, 전송거리가 긴 대신에 효율이 비교적 낮은 편입니다.

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 마지막으로, 전자기파복사방식은 주파수 대역이 2.45GHz에서 5.8GHz이며, 전송거리가 굉장히 긴 대신에 효율은 이중에서 아주 낮은 편입니다.

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 따라서 본 과제에서는 이중에 가장 전송 효율이 높은 방식인 자기유도방식을 이용하여 선박 무선전력전송 시스템을 개발 하였습니다.

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 이번에 개발한 자기유도방식에 의한 친환경 선박 무선 전력 전송 시스템 블록도는 다음 그림과 같습니다.

 

[그림2] 자기유도방식에 의한 친환경 선박 무선 전력 전송 시스템 블록도

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동작원리는 가장 먼저 컨트롤 타워에서 만들어진 AC전력이 무선전력전송 코일을 통해 선박에 위치한 코일로 전력을 보내어 집니다.

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그리고 선박에서 받아진 AC 전력은 정류기를 통해 DC 전력으로 바뀌어 소형 DC모터와 고휘도 LED로 보내지게 됩니다.

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먼저 완성된 프로토 타입3 무선전력전송 송신부 컨트롤 타워 사진입니다.

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[사진2] 최종 결과물인 무선전력전송 송신부 컨트롤타워 (프로토 타입3)

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 위 사진에서 보이는 자기유도를 이용한 무선전력전송 시스템을 구성하기위해 크게 3가지 기술이 적용 되었습니다.

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 첫 번째로 15V의 DC전력을 5V로 강압하여 각 소자에 전력을 전달해 주는 레귤레이터 파트,

 

그리고 두 번째로 강압된 5V 전력으로 오실레이터를 구동하여 구형파 펄스 신호를 만드는 파트,

 

마지막으로 DC전력을 AC전력으로 바꾸어 주는 인버터 파트 이렇게 3가지입니다.

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 각 파트별 기술은 1층부터 3층까지 나누어 각 층마다 적용이 되어있습니다.

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 (설명에 앞서 무선전력전송을 위한 컨트롤타워가 프로토 타입1부터 프로토 타입3까지 순차적으로 개발된 것을 미리 알려드립니다.)​

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 먼저 3층에 위치한 레귤레이터 및 오실레이터 파트를 소개하겠습니다.

[사진3] 무선전력전송 송신부 컨트롤타워 3층

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1. DC 15V 전력을 5V로 강압시켜주는 레귤레이터 부분

(사용소자 ; 7805CT)

 

2. 전체 컨트롤타워를 ON/OFF 하기 위한 스위치 부분

(사용소자 : 1.5A 50VA 스펙을 가진 스위치)

 

3. 펄스 신호를 만들기 위한 오실레이터 부분

(사용소자 : DC011 2.000MHz)

 

4. 분주비 증폭을 위한 2진 카운터와 교차로 펄스를 보내기 위한 NAND 게이트 부분

(사용소자 ; 2진 카운터 – SN74LS93N, NAND 게이트 – HD74LSOOP)

 

5. DC 15V 전력을 연결하고 DC 15V가 필요한 부분에 점프 선으로 연결하기 위한 부분 그리고 솔라판넬(태양광 에너지)과 연결하기 위한 부분

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이 부분에서 프로토 타입 2와 차이가 있는데,

 

기존 프로토 타입2에서는 SINGLE CHANNEL DRIVER인 4개의 ‘IR2117’소자에 전력을 공급하던 부분이 있었습니다.

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하지만 프로토 타입 3로 업그레이드 하면서 ‘IR2117’소자 대신 HIGH AND LOW SIDE DRIVER인 ‘IR2113’소자를 사용하게 되면서 이 부분이 필요가 없어 제거하게 되었습니다.

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그 결과 가장 큰 무게와 부피를 차지했던 변압기를 제거 할 수 있어 최종 결과물의 경량화에 도움이 되었습니다.

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[사진4] 프로토 타입 2의 무선전력전송 송신부 컨트롤타워 3층

 

다음으로는 2층에 위치한 포토커플러 및 게이트 드라이버 파트를 소개하겠습니다.

 

 컨트롤타워 2층에는 절연을 위한 포토커플러와 3층에 위치한 인버터의 구동을 위한 게이트 드라이버가 위치하고 있는데, 게이트 드라이버의 교차되는 구형파 펄스가 인버터에 구성된 4개의 MOSFET소자 GATE 부분에 각각 구형파를 교차로 입력하여 인버터가 동작하게 만들었습니다.

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​[사진5] 무선전력전송 송신부 컨트롤타워 2층

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1. 게이트 드라이버 소자 보호를 위해 절연기능을 하는 포토커플러

(사용소자 ; TLP250)

 

2. HIGH AND LOW SIDE DRIVER(게이트 드라이버)

(사용소자 : IR2113)

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​[그림3] HIGH AND LOW SIDE DRIVER 인 IR2113 데이터시트

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2층이 이 부분에서도 마찬가지로 프로토 타입2와 차이가 있습니다.

 

절연을 위한 포토커플러는 프로토 타입2와 동일한 TLP250소자를 사용하였지만, 기존 프로토 타입2에 있던 SINGLE CHANNEL DRIVER (IR2117)는 [그림1]에 나오는 HIGH AND LOW SIDE DRIVER (IR2113)로 교체를 하였습니다.

 

그 이유는 SINGLE CHANNEL DRIVER에 존재했던 Dead Time을 줄여서 인버터 부분에 있는 4개의 MOSFET소자 GATE부분에 입력 구형파형을 좀 더 촘촘하게 줄 수 있어, 무선전력전송 효율을 높일 수 있기 때문입니다.

 

[그림4] HIGH AND LOW SIDE DRIVER 인 IR2113의 Dead Time 감소 스펙

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아래 사진과 그림은 기존 프로토 타입2 IR2117소자 부분입니다.

 

[사진6] 프로토 타입 2의 무선전력전송 송신부 컨트롤타워 2층

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[그림5] SINGLE CHANNEL DRIVER 인 IR2117 데이터시트

 

 

마지막으로 1층에 위치한 DC-AC 인버터 파트를 소개하겠습니다.

 

[사진7] 무선전력전송 송신부 컨트롤타워 1층

 

 컨트롤타워 1층에는 4개의 MOSFET소자로 구성된 인버터가 위치하고 있습니다.

 

3층에 위치한 DC 15V 핀(5. DC 15V 전력을 연결하고 DC 15V가 필요한 부분에 점프 선으로 연결하기 위한 부분 그리고 솔라판넬(태양광 에너지)과 연결하기 위한 부분)에서 나오는 DC전력을 AC전력으로 바꾸어 최종적으로 연결된 무선전력전송 코일 패드를 통해 선박에 장착된 코일로 AC전력을 공급하게 됩니다.

 

2) 수신부 개발

무선전력충전 모듈의 설계

 

 - 무선충전모듈[Wurth Electronics] 760308104119

 무선전력충전을 하기위하여 스펙에 적절한 무선충전모듈을 엘레파츠에서 구입을 하고, 선박 내 송/수신부에 부착을 하여 무선충전을 가능하도록 설계하였습니다.

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<그림6 [Wurth Electronics] 760308104119의 데이터시트>

 

  - 브릿지 회로

 브릿지 회로 (bridge circuit)는 전류가 병렬 연결된 전기 전도체로 분리되고 회로망이 둘러싼 도체에 재결합하는 전기 회로의 한 종류입니다.

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 브리지 회로는 일반적으로 측정 목적으로 사용되지만, 전원 장치에도 사용될 수 있습니다.

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 전원 장치 설계에서, 브리지 회로나 브리지 정류기는 배열된 다이오드나 비슷한 소자로 불확실한 전압이나 교류 전압을 직류 전압으로 정류할때 사용됩니다.

 

 

 

3. 효율 분석 (효율 개선 현황)

 

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4. 개선 방안 및 활용 방안

 

 효율적인 측면에서 기존 11.75%에 불과했던 효율은 컨트롤 타워 업그레이드를 통해 프로토 타입3 에서 16.56%까지 끌어 올릴 수 있었습니다.

 

조금 아쉬운 점은 5%정도의 효율을 높였음에도 불구하고 아직 무선전력전송 효율이 많이 낮은 점입니다.

 

그래서 따로 자료를 찾아 연구해본 결과 그 이유가 컨트롤타워 1층과 연결된 코일(L)과 선박에 위치한 코일(L)간의 L-C공진 회로를 구성하지 못한데 있는 것 같습니다.

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​[그림6] 직렬 공진, 병렬 공진 비교

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 그래서 추가적으로, L-C공진에 대해 공부해 보았는데, 위의 그림과 같이 L-C공진회로에는 직렬공진회로와 병렬공진회로가 따로 있다는 것을 확인 할 수 있었습니다.

 

 저희가 만든 최종 결과물인 프로토 타입3 컨트롤 타워 1층, 인버터 파트와 연결된 코일(L)은 병렬공진 방식을 활용해야하고, 선박에 연결된 코일(L)에는 직렬공진 방식을 활용해야 하는데, 공진 주파수와 위상차, 선택도 Q 등을 고려해 계산해야 하는 부분이 난해한 점이 있어서 향후 이러한 문제점을 개선 한다면 자기유도방식 무선전력전송 최대 효율인 75%까지 올릴 수 있을 것으로 기대 됩니다.

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 또한, 향후 기술개발로 자기유도방식 외 무선전력전송 기술인 자기공진방식과 전자기파공진방식이 자기유도방식 이상의 효율을 낼 수 있다면, 위 2가지 방식의 특징인 무선전력전송 유효거리가 더 길다는 장점을 더해 선착장에 정박 중인 선박뿐만 아니라 근해에서 대기 중인 선박에 까지 저희 아이디어인 ‘친환경 선박 무선 전력 전송 시스템’을 활용해 전력을 전송하여 좀 더 효율적인 선박운용을 할 수 있을 것으로 기대됩니다.

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후기​

 

 본 과제는 2016년도 산학협력 선도대학(LINC) 육성사업으로 수행된

캡스톤 디자인 아이디어 개발결과물입니다.

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참고자료

 

1. [특허] 자기유도에 의한 무선전력전송 및 충전

(Wireless power transfer and charging by self-induction) 이희권​

2. [특허] 자기유도 코일조립체 (Magnetic guidance coil assembly) 홍진의

3. [논문] 항만 대기오염 저감을 위한 육상전원설비의 필요성 연구

(Necessity of onshore power supply for the reduction of air pollution in seaports) 김봉진

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그림 출처

 

1. 네이버 백과사전

2. 구글 데이터시트 검색창