1. 서 론

우리나라의 대표적인 항만인 부산항은 한해 2만 3천여척 의 선박이 입출항하는 곳으로서 선박에서 배출되는 배기가 스로 인해 세계 10대 초미세먼지 오염 항만으로 분류된다 (Wan et al., 2016). 이러한 미세먼지를 저감하기 위한 여러 해결책 중 한 가지로서 선박의 추진시스템을 기존의 디젤 엔진이 아닌 배기가스 배출이 전혀없는 배터리 전기추진시 스템으로 대체하려는 타당성 조사가 진행되고 있다(Ericsen et al., 2006). 배터리 전기추진시스템은 질소산화물, 황산화물 및 이산화탄소 등의 배기가스가 전혀 배출되지 않으며, 시 스템 구성이 비교적 간단하고 육상의 값싼 전력을 사용 할 수 있는 장점이 있다(Lee et al., 2014). 또한 신재생에너지원 의 적용이 용이하여 다양한 친환경 발전원의 구성이 가능하 기 때문에 이를 활용한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 유 럽이나 미국과 같은 선진국에서는 이미 배터리 전기추진 시 스템이 적용된 소형연안여객선을 운항 중이다(Koumentakos, 2019).

따라서 본 연구에서는 실제 운항중인 국내 소형연안여객 선을 대상선박으로 선정하여 신재생에너지원인 태양광 발 전시스템이 연계된 배터리 전기추진선박을 전력분석프로그 램을 통해 모델링하였으며, 실제 선박의 Load Profile을 적용 한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 태양광 배터리 전기추진선 박의 적용가능성을 확인하였다.

2. 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진 선박의 실 선박 적용 검토

2.1 시뮬레이션 대상 항로

시뮬레이션 대상 선박으로는 현재 부산 태종대에서 운항중 인 소형유람선 은하수 5호를 선정하였다. 선정된 유람선은 관광을 목적으로 운항하므로 선속이 빠르지 않고, 항로가 일정하여 선박을 운항하는데 필요한 시스템의 용량을 산정 하기 용이하다. 운항 항로와 Load Profile은 Fig. 1과 Table 1과 같으며, 대상 선박의 상세 제원은 Table 2와 같다.

2.2 시뮬레이션 적용 모델

Fig. 2는 스페인의 지중해 연안에서 실제 운항중인 태양광 발전시스템이 적용된 쌍동선형의 배터리 전기추진 선박이 다. 쌍동선형은 태양광 발전용량을 증대시키기 위해 많은 면적을 확보할 수 있으며, 안전성이 매우 우수하다. 상부 면 적은 160 ㎡로 태양광 발전 총 용량은 36[kW]이고, 배터리 총 용량은 244[kWh]이며 50[kW] 추진전동기 2대를 탑재하고 있 다. 적용선박의 상세 제원은 Table 3에 나타내었다.

2.3 시뮬레이션 대상선박의 태양광 발전시스템

시뮬레이션 대상 선박에 사용되는 태양광 발전시스템은 300[W] 태양광 모듈 120개를 직렬 12개, 병렬 10개의 어레이 로 구성하여 최대 36[kW]의 출력을 낼 수 있도록 구성하였 다. 태양광 모듈과 어레이의 상세 제원은 Table 4와 Table 5 에 각각 나타내었다.

3. 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진 선박의 구성 요소

Fig. 3과 같이 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추 진선박은 태양광 발전을 위한 태양광 모듈, 태양광에서 발 전된 전력을 저장하기 위한 DC-DC 컨버터 및 배터리, 추진 전동기의 속도제어를 위한 인버터 드라이브, 추진전동기로 구성되어 있다. 쌍동선형의 선체에 맞춰 추진 전동기 및 DC-AC 인버터를 2개로 구성하였으며, 비상상황을 대비를 위해 배터리 모듈도 122[kWh] 2개로 분할구성하였다. 배터리 모듈, 전력변환장치 및 추진전동기에 문제가 발생하더라도 지속적으로 추진력을 확보할 수 있으며, 두 개의 배터리 모 듈 중 한 개의 배터리 모듈은 추진용을 위해 사용하고, 다른 배터리 모듈은 태양광 발전 시스템에서 발전되는 전력을 저 장하도록 시스템을 구성한다.

3.1 태양광 발전시스템

태양광 발전은 태양전지의 표면에 태양광(빛에너지)가 닿 으면 빛에너지가 가지고 있는 에너지에 의해 정공(+)과 전자 (-)가 발생하여 정공(+)은 p형 반도체로 전자(-)는 n형 반도체 로 이동하여 전위차가 발생하게 되고 이때 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다. 하지만 태양전지 하나의 전압은 약 0.5V로 낮기 때문에 여러 장을 직병렬로 연결시켜 사용하는 데 이를 모듈이라 하며, 필요한 만큼의 전력을 얻기 위해 모 듈여러 장을 설계된 전압, 전류를 특성에 맞게 직병렬로 구 성한 것을 어레이라고 한다(Foster et al., 2009;Patel and Shah, 2016). 시뮬레이션에서 구성한 태양광 발전시스템은 300[W] 태양광 모듈 120개를 직렬 12개, 병렬 10개의 어레이로 구성 하여 최대 36[kW]의 출력을 낼 수 있도록 구성하였다.

3.2 DC-DC 컨버터

태양광 발전을 통해 발생한 469.2[V] 전압을 배터리 충전에 적합한 전압인 500[V]로 상승시키기 위해 승압형 컨버터를 사용한다.

3.2.1 승압형 DC-DC 컨버터의 구조

Fig. 4에서 트랜지스터가 턴온되면 다이오드는 역방향 바 이어스 상태이다. 전원, 인덕터, 트랜지스터로 구성되는 경 로를 따라 키르히호프 전압법칙을 적용하면 전류의 변화율 은 항상 일정하므로 트랜지스터가 턴온되었을 때의 전류는 선형적으로 증가한다. 트랜지스터가 턴오프되어도 인덕터의 전류는 순간적으로 변하지 않고, 다이오드가 순방향 바이어 스가 되어 인덕터 전류가 연속적으로 흐르도록 하는 경로가 된다(Atallah et al., 2014).

3.2.2 승압형 DC-DC 컨버터의 제어기법

현재 상용화된 태양광 발전시스템의 발전효율은 대략 15-20 % 정도로 다른 신재생에너지원의 발전효율에 비해 낮은 편이다. 따라서 태양전지에서 확보할 수 있는 최대전 력을 추출하는 기술의 사용이 필수적이다. 태양전지는 일 정한 일사량에서 출력전력이 최대로 확보되는 최대전력점 (MPP, Maximum Power Point)이 존재하므로 최적의 최대전 력점을 특정짓는 것은 복잡한 수행과정이 필요하며, 이를 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어라 한다(Febriyandi et al., 2014).

MPPT 제어기법은 일사량과 온도의 변화 등 다양한 요건 이 고려되어야 한다. 본 연구에서는 가장 널리 이용되고 있 는 P&O(Perturb and Observe) 기법을 적용하였으며, P&O 방식 의 알고리즘은 Fig. 5에 나타나 있다(Uddin et al., 2018).

3.3 DC-AC 인버터

3.3.1 DC-AC 인버터의 원리

인버터의 원리는 전력용 반도체를 스위칭하여 직류전원을 임의의 주파수와 전압의 교류로 변환시켜 유도전동기의 회전 속도를 제어하며 제어 기법은 전압의 크기와 방향을 제어함으 로써 자속, 토크 및 주파수의 크기를 제어하는 간접벡터제어 기법을 사용하였다. 급가속 및 감속 운전에 한계가 없으며 과 전류 억제 능력이 매우 뛰어난 장점이 있다(Kim et al., 2012).

3.3.2 간접벡터제어 기법

추진전동기의 속도제어 기법으로 적용된 간접벡터제어기 법의 기본 개념은 슬립각속도 ω_sl를 조절하여 고정자 전류를 필요한 자속성분전류와 토크성분전류의 비율로 분배하는 것이다. 원하는 자속과 토크성분전류의 비로 고정자 전류가 분배되도록 하는 슬립 각속도 ω_sl로 동기 각속도 ω_e를 제어 하여 자속과 토크의 크기를 제어하는 방법이다. 토크와 자 속 지령으로부터 주어진 d와 q축 지령 i d s e * 와 i q s e * 로부터 요구 되는 슬립각속도 ω s l * 를 계산하여 이를 회전자의 각속도와 더 하여 적분한 값으로 벡터 제어를 실행한다. 이처럼 간접벡터 제어 방식은 직접적으로 회전자 자속의 정보가 요구되지 않 아 그 구현이 복잡하지 않다. Fig. 6은 간접벡터제어의 개념을 나타낸 다이어그램이다(Wu, 2006, Abdalrahman et al., 2012).

3.4 추진 전동기

최근 반도체 소자의 발전으로 전동기의 속도제어기법이 다양하게 개발되었으며, 따라서 간단한 구조, 가격이 저렴한 장점을 가진 유도전동기가 소형에서부터 대형까지 산업현 장에서 많이 사용되고 있다. 본 시스템에서도 3상 유도전동 기를 추전전동기로 적용하였다(Kim, 2017).

4. 시뮬레이션

Fig. 7은 Fig. 1에서 제시된 대상 항로를 바탕으로 분석된 Load Profile이다. 각 구간별 출력에 따른 추진전동기 속도 및 출력을 확인하기 위해 대상선박의 운항패턴을 In port, Maneuvering, Sea going의 세 구간으로 나누어 시뮬레이션 하 였다.

Fig. 8은 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진시 스템의 전체 계통도이다. 태양광 패널에서 발생되는 전력은 DC-DC 컨버터에 의해 배터리 충전에 적합한 전압으로 승압 되어 저장되며(Motahhir et al., 2018), 배터리에 저장된 에너 지는 인버터를 거쳐 교류로 변환되어 추진전동기를 구동한 다. 총 8개의 30.5[kWh] 배터리 모듈은 122[kWh] 2개의 배터 리 모듈로 구성하여 비상상황에도 추진이 가능하도록 하였 다. 또한 시뮬레이션 대상 모델의 Load Profile 분석 결과 Maneuvering 구간에서 가속하기 위해 최대 100[kW]의 출력이 필요한 것을 확인하였다. Fig. 8에서 요구되는 최대 출력을 2 개의 추진기를 가지는 쌍동선형인 적용모델로 충족시키기 위해 2개의 50[kW] 전동기를 적용함으로써 적용모델과 대상 선박이 동일한 출력으로 동일한 선속을 얻도록 하여 운항시 간을 일치시켰다.

시뮬레이션을 위해 구성한 태양광 발전시스템, 배터리 및 추진전동기의 파라미터는 Table 6, 7, 8과 같다.

Fig. 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 축소 하여 3초간 시행하였다. 추진전동기는 속도지령값에 맞춰 오차없이 목표값에 도달함을 확인할 수 있으며, 정상상태범 위에서 추진전동기의 속도와 출력이 안정적으로 유지되는 것을 알 수 있다.

Fig. 10은 Maneuvering 상태에서 추진전동기의 지령속도가 1800[rpm]일 때의 속도응답특성 및 출력을 나타낸다. 추진 전동기의 속도와 출력이 안정적으로 유지되는 것을 볼 수 있다.

Fig. 11은 Sea going 상태에서 추진전동기의 속도응답특성 과 출력의 결과를 나타낸다. Sea going 상태에서 추진전동기 의 속도지령값은 1300[rpm]이며, 추진전동기의 속도는 안정 적으로 목표값을 유지함을 알 수 있으며, 이때의 출력은 35[kW]를 유지하고 있음을 알 수 있다.

시뮬레이션에서 추진을 위한 전력은 No.1 배터리를 사용 하였으며, 태양광에서 발생한 전력은 No.2 배터리에 충전하 였다. 배터리 최적의 방전심도 SOC(State of Charge) 80-50 % 를 고려(Li et al., 2019)하여 시뮬레이션 초기에는 배터리의 과충전을 방지하기 위해 No.1 배터리의 SOC를 80 %부터 방 전하며, No.2 배터리는 SOC 50 %에서 충전을 시작한다. 추진 을 위해 사용 중인 배터리의 SOC를 지속적으로 모니터링하 여 SOC 50 % 이하로 감소할 경우 태양광 발전시스템으로 충 전 중이던 배터리를 추진에 사용하고 추진용으로 사용하던 배터리는 다시 태양광 발전시스템으로 충전하도록 제어 알 고리즘을 구성하였다.

Fig. 12는 In port, Maneuvering, Sea going 상태에서의 각각 SOC 변화량을 나타낸 것이다. 구간별 소모 전력이 다르므로 SOC가 감소하는 기울기가 변화하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 13은 1항차 운항 시간동안 소모된 배터리 전력으로, 추진용으로 사용된 No.1 배터리의 경우 SOC 80 %에서 SOC 50 %로 줄어들어 약 36[kW]의 전력이 소모된 것을 확인할 수 있다. 태양광 발전으로 확보한 전력은 No.2 배터리에 충 전하였으며 SOC 50 %에서 65 %로 증가한 것을 볼 수 있다. 충전된 전력은 18[kW]이다.

위와 같은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 배터리의 방전심 도를 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 일 조시간인 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.

5. 결 론

환경문제 및 선박 노후화 문제를 해결하기 위한 방안으로 태양광 발전시스템이 적용된 배터리 전기추진선박의 국내 적용의 타당성을 검토하기 위해 전력전자 분석프로그램을 이용하여 시스템 모델링 하였다. 태양광 발전 시스템에서 최대전력을 확보하기 위해 P&O방식의 MPPT 제어기법을 적 용하였으며, 추진 전동기에는 간접벡터제어방법을 사용하여 추진 전동기의 속도제어가 가능하도록 구성하였다.

시뮬레이션 대상 선박의 Load Profile을 바탕으로 모델링한 태양광 발전시스템이 연계된 배터리 전기추진선박의 시뮬 레이션 결과 운항 구간별 선박의 속도 변화에 따른 추진 전 동기의 속도응답특성 및 출력특성이 우수함을 확인하였으 며, 1항차 운항시 36[kW]의 전력이 필요한 것을 확인하였다. 한국의 하루 평균 일조시간인 3.6시간임을 고려하면 태양광 발전으로 하루 평균 약 130[kW]의 전력을 확보할 수 있었으 며, 122[kWh] 2개의 배터리를 탑재하였을 경우 배터리 방전 심도를 고려한 최적의 배터리 사용구간에서 5회, 최대 10회 까지 운항이 가능한 것으로 계산되며 선박의 실적용이 가능 함을 시뮬레이션 결과를 통해 확인하였다.

차후, 실제 해상환경의 선박에서 발생하는 횡경사, 종경사 와 같은 태양광 발전에 영향을 주는 요소들을 시뮬레이션에 반영하고, 단순한 출력을 내는 태양광 패널의 functional model이 아닌 일사량 변화와 온도 변화에 따라 출력이 변화 하는 physical model을 적용하여 시간의 흐름에 따른 실제 해 상환경에서의 태양광 발전 시스템을 모델링 하는 것을 향후 과제로 삼고자 한다.