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工學碩士 學位論文

등부표용 다채널 AFS 에 관한 연구

A Study of Multi-Channel Anti-Fouling System for Buoy

指導敎授 吳 珍 錫

2011 年 12 月

韓國海洋大學校 大學院

메카트로닉스공학과

金 志 潤

목 차

List of figures ··· ⅲ List of tables ··· ⅴ List of symbols ··· ⅵ Abstract ··· ⅷ

제 1 장 서 론··· 1 연구배경

1.1 ··· 1 연구내용 및 구성

1.2 ··· 3

제 2 장 단일채널 AFS ··· 4 단일채널

2.1 AFS ··· 4

등부표용 의 필요성

2.1.1 AFS ··· 4 전원구성

2.1.2 AFS ··· 9 용 전극봉 용출실험

2.1.3 AFS ··· 15 제어기 구성

2.1.4 ··· 18 시뮬레이션

2.2 AFS ··· 24 모델링

2.2.1 ··· 24 시뮬레이션 프로그램

2.2.2 ··· 27 결과

2.2.3 ··· 29

제 3 장 다채널 AFS ··· 32 다채널

3.1 AFS ··· 32 필요성

3.1.1 ··· 32 제어기 구성

3.1.2 ··· 33 시뮬레이션

3.2 ··· 42 모델링

3.2.1 ··· 42 시뮬레이션 프로그램

3.2.2 ··· 44 시뮬레이션 결과

3.2.3 ··· 46

제 4 장 등부표 해상실험··· 49

단일채널 실험

4.1 AFS ··· 49

다채널 실험

4.2 AFS ··· 52 실험 결과 및 분석

4.3 ··· 56

단일채널

4.3.1 AFS ··· 56 다채널

4.3.2 AFS ··· 58

제 5 장 결 론··· 61

참 고 문 헌 ··· 63

List of figures

Fig. 2.1 Shellfish deposition of a buoy ··· 5

Fig. 2.2 Output characteristic of buoy without AFS ··· 6

Fig. 2.3 AFS for a pipe conduit ··· 7

Fig. 2.4 Power control system for plus switching ··· 8

Fig. 2.5 Power control system for minus switching ··· 9

Fig. 2.6 Sub power control system diagram of buoy ··· 10

Fig. 2.7 Leakage current occurs due to selection of the battery ground ··· 11

Fig. 2.8 Leakage current occurs due to selection of the external load ground ··· 12

Fig. 2.9 Sub batteries load control algorithm ··· 13

Fig. 2.10 Copper elution test of anode ··· 14

Fig. 2.11 Current changing test of anode ··· 15

Fig. 2.12 Copper elution test of anode ··· 16

Fig. 2.13 Power control part of single channel AFS ··· 17

Fig. 2.14 Key map of single channel AFS ··· 19

Fig. 2.15 Schematic diagram of single channel AFS ··· 20

Fig. 2.16 Controller of single channel AFS ··· 20

Fig. 2.17 Algorithm of single channel AFS ··· 21

Fig. 2.18 Single channel AFS ··· 23

Fig. 2.19 Resistance of Anode ··· 24

Fig. 2.20 Front panel of single channel AFS simulation ··· 27

Fig. 2.21 Block diagram of single channel AFS simulation ··· 27

Fig. 2.22 Block diagram of arithmetic system for control part ··· 27

Fig. 2.23 Block diagram of random value generator ··· 28

Fig. 2.24 Block diagram of save system for save part ··· 28

Fig. 2.25 Result of single channel AFS simulation ··· 30

Fig. 3.1 Elution of anode dissolution ··· 32

Fig. 3.2 Key map of multi channel AFS ··· 33

Fig. 3.3 AFS main board ··· 34

Fig. 3.4 AFS I/O board ··· 35

Fig. 3.5 Schemetic of multi channel AFS’s main board ··· 36

Fig. 3.6 Schemetic of multi channel AFS’s I/O board ··· 37

Fig. 3.7 Photograph of main board ··· 38

Fig. 3.8 Photograph of I/O board ··· 38

Fig. 3.9 Algoritm of multi channel AFS ··· 39

Fig. 3.10 Load control algoritm for multi channel AFS ··· 40

Fig. 3.11 Different hysteresis zone for Experiment ··· 41

Fig. 3.12 Current control system for multi channel AFS ··· 42

Fig. 3.13 Front panel of multi channel AFS simulation ··· 44

Fig. 3.14 Block diagram of multi channel AFS simulation ··· 45

Fig. 3.15 Result of multi channel AFS simulation ··· 47

Fig. 4.1 Drawing of buoy and anode’s installation location ··· 50

Fig. 4.2 Photograph of single channel AFS’s control box ··· 50

Fig. 4.3 Photograph of buoy’s launching ··· 51

Fig. 4.4 Photograph of single channel AFS test ··· 51

Fig. 4.5 Drawing of buoy and anode’s installation location ··· 53

Fig. 4.6 Photograph of multi channel AFS’s control box ··· 53

Fig. 4.7 Buoy’s name and test location ··· 54

Fig. 4.8 Photograph of buoy’s launching ··· 54

Fig. 4.9 Photograph of multi channel AFS test ··· 55

Fig. 4.10 Result of AFS test ··· 56

Fig. 4.11 Photograph of anode (single channel afs) ··· 57

Fig. 4.12 Photograph of operation result of multi channel AFS ··· 58

Fig. 4.13 Photograph of Anode (multi channel afs) ··· 59

List of tables

Table. 2.1 Output current setting for sub battery’s voltage changing ··· 22

Table. 2.2 Result of single channel AFS test ··· 26

Table. 4.1 Single channel AFS test method for buoy ··· 49

Table. 4.2 Multi channel AFS test method for buoy ··· 52

Table. 4.3 Change of anode’s weight ··· 59

Table. 4.4 Result of multi channel AFS current test for buoy ··· 60

List of symbols

_ 등부표 수주에 출입하는 해수량

_ 등부표 상하진동 변위의 진폭

 수주 내부 단면적

 각속도

 등부표 수주에 출입하는 최대 해수량

_ 수주에 유입되는 해수의 유입량

 패조류의 부착으로 인해 변화된 수주의 단면적

 등부표의 상하운동주기

_ 패조류가 증착한 상태의 등부표 상하운동 주기

 수주 내부 수위변화량

_ 패조류가 부착한 경우의 공기유량

 일반부하의 저항

 시비율

 스위칭 주파수

 인덕터의 인덕턴스

 전체 전극봉의 전압

_,_ 전극봉의 전류

 전체 스위칭 시간

_ 스위칭 Turn-on시의 시간

_ 입력 전압

_ 출력 전압

_,_,_ 전극봉의 내부저항

_,_,_ 전극봉이 이온화 될 때 발생하는 구리이온으로 인한 저항

[_ ∙ ] 구리 용해 변수

 각 전극봉에 흐르는 기본 전류량

 전체 전극봉의 누적 용해량

∆ 외부요인에 의한 전류 값의 변화

_,_,_ 외부요인에 의해 변화하는 전극봉의 전류 변수

,, 하루에 용해되는 전극봉의 구리량

,, 누적된 구리의 용해량

_ 전극봉 세로측 저항

_ 전극봉 가로측 저항

A Study of Multi-Channel Anti-Fouling System for Buoy

Ji-Yoon Kim

Department of Mechatronics Engineering The Graduate School of Korea Maritime University

Abstract

Recently, maritime traffic due to thicken developments in transportation technology and global economic has been grown. Therefore, the importance of equipment has increased in order to help facilitate maritime traffic. Buoy is working for a safety of maritime transportation. And active research activities regards the power system of Buoy using a hybrid generation system which includes a photovoltaic generation system, wind power generation system and a wave power generation system. However, when the Buoy is operated on a maritime environment for a substantial period of time, it was reported that the shellfish was adhered inside the water column. To tackle this problem, researches on AFS (Anti-Fouling System) are on the progress. However, use of the single channel AFS resulted in frequent replacement of anode. Thus, this paper proposes a multi-channel AFS and experiments were on AFS simulation and sea experiment. To improve the reliability of the simulation, the elution anode result was applied to AFS simulation program.

The outcome of the simulation illustrates that the proposed multi-channel AFS's anode in the buoy has been ionized equally, and in the tested multi-channel AFS at sea experiment, too. The result of sea experiment had demonstrated through the effects.

제 1 장 서 론

연구배경 1.1

최근 해양 교통량의 급격한 증가는 다양한 해난 사고의 발생가능성을 높이고 있다 이러한 해난 사고가 발생하면 그 피해가 막대하기 때문에 미국 일본 영국. , , 등의 선진국을 중심으로 해상교통시설물을 연구 개발 및 실용화 하고 있는 추세 이다 특히 한국의 경우 수출 지향형 산업구조를 가지고 있기 때문에 대형 선박. 의 왕래가 많다 또한 연근해 수산업의 활성화로 어선의 운항 수가 많은 것이 현. 실이다 해난 사고를 줄이고자 현재 해상에서 등부표를 이용한다 등부표는 선박. . 의 안전항해를 위해 운용되는 해양교통시설물이다 등부표는 등명기를 사용하여. 야간이나 안개 등의 시야확보가 어려운 상황에서도 선박에 정확한 항로를 안내한 다 등명기 전력은 등부표 내부에 설치된 축전지 전원을 사용한다 축전지가 과방. . 전되면 등명기가 작동하지 않아 해난 사고가 일어날 확률이 증가한다 따라서 등. 부표는 안정적인 전력의 공급이 필수적이다 현재 등부표는 축전지에 안정적인. 전원공급을 위해 태양광 발전을 이용한 독립전원체계를 구축하여 등명기에 전력 을 공급한다 그러나 태양광 발전 시스템은 계절적 요인 및 기후적 요인인 온도. , 장마 태풍 등의 영향으로 전력부족 현상을 초래할 수 있다 그리고 최근 등부표, . 는 GPS, 해양환경 감시장치 등부표의 전력상황을 알 수 있는 모니터링 시스템, 등의 설치로 소비전력량이 지속적으로 증가하는 추세이다 증가하는 소비전력과. 등부표에 안정적인 전력공급을 위해 태양광발전 시스템과 풍력발전 시스템 그리 고 파력발전 시스템을 적용한 복합발전체계가 연구되고 있다 그중 파력발전 시. 스템은 등부표 구조에 적합한 진동 수주형 파력발전 시스템이 연구되고 있다 진. 동 수주형 파력발전 시스템은 등부표 수주에 유입되는 해수유량과 유입구의 단면 적에 따라 발전량이 결정된다 그러나 등부표가 일정기간 해상에 설치되면 등부.

표에 패조류가 증식하기 시작한다 특히 해수가 유입되는 수주와 유입구에 패조. 류가 집중적으로 증식되어 수주 내부 직경과 유입구 단면적이 좁아진다, . 따라서 진동 수주형 파력발전 시스템의 발전효율이 감소하는 문제점이 발생한다 이러한. 문제를 해결하기 위하여 선박에 사용 중인 AFS(Anti Fouling System)를 등부표 에 적용하였다. AFS는 전극봉에 전류를 흘려 구리를 용해시키는 방법을 사용하 여 패조류의 번식을 억제한다 그러나 등부표에 적용된. AFS는 풍속 유속 등의, 변화에 따른 등부표 수주 내부 해수의 움직임 변화 그리고 전극봉이 용해되며 전 극봉 주변에서 발생하는 구리이온의 증가에 따라 저항성분이 변화한다 그 결과. 등부표에 설치된 전극봉마다 구리 용해량의 차이가 발생하여 하나의 전극봉만 이 온화되는 경향을 가진다 또한 구리용해가 적게 진행된 전극봉도 내부저항이 새. 로운 전극봉에 비해 적어 사용할 수 없는 문제점을 가진다 따라서 등부표에 설. 치된 전극봉의 교체시기가 단축된다 하나의 전극봉이 모두 이온화 되어 전극봉. , 을 교체할 경우 등부표를 양륙하기 때문에 많은 비용과 인력이 사용되는 단점을 가진다.

연구내용 및 구성 1.2

본 논문에서는 기존의 단일 채널 전류제어 방식을 이용한 AFS의 단점인 전극 봉 이온화 경향의 차이를 보완한 다채널 AFS를 제안한다 실제 전극봉의 용해변. 수를 고려하여 모델링한 후 시뮬레이션을 통해 효과를 검증하였다 시뮬레이션, . 에 사용한 수식과 결과를 기반으로 회로설계와 알고리즘을 제작하였고 등부표의, 축전지를 고려하기 위해 전압상태에 따라 전극봉에 흐르는 전류량을 제어하였다.

다채널 AFS의 효용성을 입증하기 위해 등부표에 다채널 AFS를 장착하여 해상 실험을 진행했다.

본 연구는 등부표에 적용중인 진동 수주형 파력발전 시스템의 효율저감 방지를 위한 다채널 AFS를 제안한다 다채널. AFS는 기존에 이용중인 단일채널 AFS가 지닌 단점을 해결한 방오 시스템이다 전극봉별 이온화 차이로 발생하는 잦은 전. 극봉 교체와 등부표 내부 축전지 전압을 고려하여 전극봉에 흐르는 전류를 제어 하였다.

장은 본 논문의 연구 배경과 연구의 내용 및 구성을 장은 기존의 등부표용

1 , 2

단일채널 AFS에 대하여 기술하고 현재 등부표에 탑재되어 있는 AFS의 특징과 구성 그리고 실제 해상 실험중에 발생한 문제점의 설명을, 3장은 등부표용 다채 널 AFS에 대하여 기술하고 등부표용 다채널 AFS를 설계하기 위해 수학적 모델 링과 이를 증명하기 위한 시뮬레이션을 진행하였고 실제 회로 제작에 대한 내용 을, 4장은 다채널 AFS의 실제 해상실험 내용을 기술하고 실제 해상실험을 진행 하기 위한 고려사항과 등부표 진수 위치 약, 6개월간의 실험 후 등부표를 양륙하 기까지의 과정의 내용을, 5장은 이러한 연구를 통하여 얻어진 결론을 기술하였 다.

제 2 장 단일채널 AFS

단일채널

2.1 AFS

등부표용 의 필요성 2.1.1 AFS

등부표의 복합발전체계에 이용되는 파력발전 시스템은 진동 수주형 파력발전 이다 진동 수주형 파력발전은 등부표 하부에 설치된 수주 내부로 유입된 파도의. 유동에 의하여 생기는 공간의 변화를 내부공기의 유동으로 변환하고 이를 유도, 관으로 유입하여 공기의 흐름을 생성시킨다 생성된 공기의 흐름은 유도관 상부. 에 설치한 터빈을 회전시켜 전력을 생산하는 발전 방법이다.

등부표의 수주에 출입하는 해수량은 다음 식(2.1)와 같이 나타낼 수 있다.

_ × _×   (2.1)

여기서 _는 등부표의 상하진동 변위의 진폭,  는 단면적, 는 각속도이다.

여기서 수주에 출입하는 최대 해수량 _은  × _×  가 된다.

약 1개월의 시간이 지나면서 해상에 진수된 등부표에 패조류가 증식한다 진. 동 수주형 파력발전 시스템이 적용된 등부표는 등부표 하부의 수주와 파도가 유 입되는 유입구에 패조류가 증식하게 되면 수주 내부의 단면적이 줄어들어 해수의 유입저항이 증가하게 된다. Fig. 2.1는 패조류 증식에 따른 등부표의 수주 단면적 변화를 나타낸 것이다.

등부표 수주 내부에 패조류가 증식된 경우 수주에 유입되는 해수의 유입량

_은 식(2.2)와 같이 주어진다.

_ 

_

× 

 ×_ (2.2)

여기서 는 수주의 단면적, _은 패조류등의 해양생물이 부착한 경우의 수주 단면적, 는 등부표의 상하운동주기, _ 은 패조류가 증식한 상태의 등부표 상하 운동 주기이다 패조류가 부착한 상태에서 수주 내부 수위변화량. _와 해수유입 량 _은 식(2.3)과 같이 나타낼 수 있다.

_  × _

 ×_

  ×^

_× × _

(2.3)

패조류가 등부표 수주와 유입구에 부착한 경우의 공기유량 _은 식(2.4)와 같이 나타낼 수 있다.

   × _

 × _×_

(2.4)

은 패조류 증식에 의한 등부표에 설치한 진동수주형 파력발전 시스템 Fig. 2.2

의 출력변화를 나타낸 것 이다 패조류 증식을 억제하는 시스템이 없는 경우 설. 치후 약 4개월 경과한 시점에 30% 이상 효율이 감소함을 알 수 있다 이러한 결. 과는 실제 해양상태에 따라 약간의 차이는 있지만 효율 저감 추세는 유사한 결과 를 갖는다.

진동 수주형 파력발전 시스템을 이용하는 등부표 수주의 파도유입구와 수주내 부에 패조류가 증식하는 것을 방지하고자 선박에 이용되는 AFS를 적용하고자 하 였다. Fig. 2.3은 선박의 관로에 사용되는 AFS를 나타낸 그림이다 선박의 관로. 내부에 흐르는 유체를 층류로 가정하였다.

여기서 는 전체 전극봉의 전압, _, _는 전극봉의 전류, _, _는 전극봉의 내부저항 _, _는 전극봉이 이온화 될 때 발생하는 구리이온으로 인한 저항이 다 관로내부 유체의 흐름이 층류라 가정할 경우 해양교통시설물에 설치된 전극. , 봉에 흐르는 유체의 특성은 같다 선박의. AFS에 이용되는 전극봉의 저항은 식

과 같고 전극봉에 흐르는 전류는 식 과 같다

(2.5) , (2.6) .

_ _≒_ _ (2.5)

_≒_ (2.6)

전원구성 2.1.2 AFS

진동수주형 파력발전 시스템의 효율저감 방지를 위해 선박에 사용하는 AFS를 등부표에 적용하고자 등부표용 AFS의 전원구성을 하고자 하였다 본 논문에서. 스위칭은 부하의 입력측 전류를 공급하고 차단하는 방법이고 스위칭은

(+) (-)

부하의 출력측 전류를 공급하고 차단하는 Ground switching이다.

우선 전력 부하의 제어 스위칭 구조를 간략화하면 다음과 같다 전력 소자인.

의 스위치를 하기 위해서는 의 의 전압이

MOSFET turn-on MOSFET Gate

보다 이상 높아야 한다 부하가 의 단에 있기 때문에 Source 10V . MOSFET Source

이 된다면 단의 전압은 가 된다 이를 유지하기 위해서는

Turn-on Source 12V .

의 단의 전압이 이상의 전압이 되어야 한다 는 스 MOSFET gate 22V . Fig. 2.4 (+) 위칭을 이용할 경우의 전력제어 계통도이다.

은 등부표에 설치된 축전지로 태양광 풍력 파력발전의 발전 전력이

Charging , ,

충전되는 것을 나타내었고, Discharging은 축전지에서 부하부(AFS)로 전력이

방전되는 것을 나타내었다.

등부표의 전원 시스템은 축전지 기반의 독립전원 시스템이다 따라서 등부표에. 이용되는 축전지의 전압인 12V가 가장 높은 전압이다 그러므로. MOSFET의 스 위칭을 위해서는 12V를 22V로 승압하는 회로가 필요하다 이러한 승압회로는. 가격이 비싸고 회로가 복잡하다 또한. MOSFET이 손상되어 MOSFET Driver에 서 과전류가 흐르게 되면 승압 회로가 파괴된다.

스위칭을 할 경우 부하에 문제가 발생하더라도 스위치를 함으로

(+) Turn-off

써 누설되는 전류를 차단할 수 있는 장점을 갖는다 전력 제어의. (-)의 스위칭을 하게 되면 MOSFET의 Source측의 전압은 (-)의 전압이 된다 부하가. MOSFET 의 Drain단에 위치하기 때문에 부하 단에 12V가 인가되더라도 MOSFET의 측의 전압은 로 유지된다 에 인가되는 전압은 축전 Source (-) . MOSFET Driver

지 전압인 12V이므로 MOSFET을 Turn-on 하는데 아무런 문제가 없다 즉 전. 력 제어 스위치를 (-) 스위칭 하게 되면 승압 회로 없이도 부하를 제어할 수 있 다 하지만 부하단에서 문제가 발생하게 되면 누설 전류가 흐를 수 있으며 축전. 지의 접지단이 등부표의 접지에 연결되면 누설 전류가 커지는 단점을 갖는다.

은 스위칭을 사용할 경우의 전력 제어 계통도이다

Fig. 2.5 (-) .

본 설계에서는 축전지의 접지단이 등부표의 접지에 연결되지 않도록 하여 (-) 접지의 문제점을 보완하면서 실용화 측면에서 제작비용 및 시스템의 안정성을 위 하여 부하제어 방법으로 (-) 스위칭을 채택하였다 따라서 축전지 기반의 독립전. 원 시스템에서 안정적인 동작을 수행할 수 있다.

등부표의 전력체계중 단일채널 AFS는 보조전력체계에 속한다 다음. Fig. 2.6 는 등부표 보조전력제어관리 시스템 계통도이다.

보조전력제어관리 시스템은 보조 축전지와 보조 부하를 제어하는 시스템이다.

현재의 등부표는 항로표지의 역할뿐만 아니라 해양환경 해양오염 을 감시하거나( ) , 해양 기상을 감시하는 등의 다양한 역할을 한다 항로 표지에서 등명기 부하는. 안정적으로 전력을 공급해야 하지만 그 외의 부하들은 전력 생산량 및 축전지 전 압이 낮을 경우 전력을 공급하지 않는 부하들이다 이를 위해 보조전력제어관리. 시스템은 주 축전지가 완충된 상황에서 보조 축전지에 충전을 수행하게 되고 이 충전에 의하여 보조 축전지가 일정 전압 이상으로 충전될 때 보조 부하들에 전력 을 공급한다.

는 축전지의 등부표 표체접지에 의해 에서 누설전류가 발생하는

Fig. 2.7 AFS

경우이다. ①은 보조전력 제어시스템 내부의 AFS가 정상동작시 흐르는 전류의 방향이다. ②는 전극봉에 흐르는 전류가 표체 접지로 흐르는 선 이다. ③은 등부 표 내부에 설치된 축전지의 (-)극이 등부표에 접지 될 경우 발생하는 누설 전류 다.

의 가 동작하게 되면 동작 전류는 실선과 같은 방향으로 흐르게 Fig. 2.7 AFS

된다 축전지 접지가 등부표에 접지되면 등부표를 통하여. AFS에서 누설 전류가 발생하게 되고, MOSFET으로 전원을 차단하더라도 접선 방향으로 전류가 흐르 게 되어 AFS가 계속 동작하게 된다 이러한 점을 고려하여 등부표의 보조 축전. 지 및 축전지 전원을 등부표 표체에 접지하지 않는다.

은 외부 부하로 있는 시스템에 의해 누설 전류가 발생하는 경우이다

Fig. 2.8 .①

은 보조전력 제어시스템 내부의 AFS가 정상동작시 전류가 흐르는 방향이다. ② 는 전극봉에 흐르는 전류가 표체 접지로 흐르는 것을 나타내었다. ③은 보조전력 제어시스템이 정상동작시 전류가 흐르는 것을 나타내었다. ④는 외부 부하에 의 한 누설 전류가 발생하는 경우 생기는 누설 전류이다. ⑤는 ④에서 발생한 누설 전류가 MOSFET으로 흐르는 것을 나타내었다.

와 보조전력 제어시스템이 동작하고 있을 때 과 의 선과 같은 형태로

AFS ① ③

전류가 흐르게 된다 만일 보조전력 제어시스템이 등부표 표체에 접지되고. AFS 접지 단보다 보조전력 제어시스템의 전위가 낮아지는 상황이 발생하면 누설 전류

가 AFS가 아닌 보조전력 제어시스템으로 흐르게 된다 이러한 전류 누설을 막기. 위하여 보조 부하 시스템은 등부표 표체에 접지를 하지 않는다 외부 부하에 의. 한 누설 전류는 등부표에 접지를 통한 회로이므로 시스템의 소손을 가지고 오지 는 않지만 누설 전류에 의한 에너지 손실이 발생하므로 보조전력 제어시스템은, 이를 막기 위한 시스템으로 구성해야 한다.

는 보조축전지의 전력제어관리를 위한 보조전력 제어알고리즘이다 보

Fig. 2.9 .

조 축전지 전압으로 히스테리시스 범위를 갖고 보조 부하를 제어한다 보조전력. 제어관리는 보조 축전지의 충전 전압에 따라 보조 부하를 제어한다 보조 축전지. 의 용량은 주 축전지에 비하여 낮지만 일정 용량을 유지 한다 다음은 축전지 전. 압에 따른 보조전력 제어시스템 동작을 나타낸 것이다. AFS system은 보조 축 전지 전압에 따라 AFS에 전력을 공급하고 차단하는 것을 나타내었고, Sub 은 보조 축전지의 과충전 방지를 위하여 저항에 전류를 공급하는

system dummy

것을 나타내었다 보조 부하는 부하의 중요도에 따라 동작하는 시간 범위를 설정. 할 수 있다.

용 전극봉 용출실험 2.1.3 AFS

선박의 AFS에 사용되는 전극봉에 전류를 흘리면 해수에 구리 이온을 녹일 수 있다 해수에 녹아 있는 구리 이온은 홍합과 바닷물의 포자에 살균작용을 하여. 표면의 폐류 증식을 막는 역할을 수행 한다 따라서. AFS를 설계하기 위해 전극 봉 구리 용출 특성을 알아보고자 실험을 진행하였다. Fig. 2.10은 AFS에 사용되 는 전극봉의 구리 용출실험 장치를 나타낸 것이다 구리 용출을 위하여 상자는. 철제 상자를 사용하였다 그리고 선박의. AFS와 비슷한 실험조건을 주기 위해 해 수를 사용하여 구리이온을 용출했다 전극봉에 인가하는 전원은 정전압원을 이용. 하여 일정 전압을 공급하도록 하고 전류량의 변화를 측정했다.

은 전극봉 구리용출 실험시의 전류 변화를 나타낸 것이다 정전압원

Fig. 2.11 .

을 인가하였을 때의 전류 변화량을 그래프로 나타내었다. (a)는 4V의 전압을 전 극봉에 인가한 경우의 실험 결과이고 (b)는 11V의 전압을 전극봉에 인가한 경우 이다 두 경우 모두. 10분간 실험을 진행하였다.

전극봉 용출실험결과 두 경우 모두 전극봉에 전원을 인가한 순간부터 전류량이 줄어들기 시작함을 확인했다 특히. 11V의 전압을 인가한 경우 전류량이 매우 급 격하게 줄어들고 일정 시간이 경과하면 전류량은 일정하게 유지된다.

전극봉에 전원을 인가하면 구리 전극봉의 구리이온이 용출된다 용출된 구리이. 온은 구리 전극봉 주위를 감싸는 형태가 되어 구리 전극봉 주위의 저항값이 증가 하는 현상을 보인다 따라서 구리 전극봉에 인가되는 전류량이 줄어드는 것을 확. 인할 수 있었다 또한 일정 시간이 지나 해수에 구리 이온이 침전하면서 해수 중. 에 이온이 조금씩 줄어들면서 전류량이 안정되는 것을 알 수 있었다 즉 구리 이. 온을 용출 시키면 해수 중의 일정 전압을 인가하더라도 전류량이 계속 변화하는 특성을 고려하여 일정 전류를 유지하려면 전압을 지속적으로 변화시켜야 함을 알 수 있었다.

는 구리 용출실험 사진이다 전극봉에 전류를 흘리기 시작하는 시점

Fig. 2.12 .

부터 전극봉 주위에 구리 이온이 용해되는 것을 확인할 수 있다 그리고 일정 시. 간이 지난 후부터 용해된 구리 이온이 실험상자 내부에 침전되는 모습을 확인 할 수 있다.

제어기 구성 2.1.4

하드웨어 1)

은 등부표용 의 제어기를 나타낸 것이다 전극봉과 등부표의 표

Fig. 2.13 AFS .

체접지 사이에 전류를 흘려서 전극봉에서 구리가 용해되도록 구성하였다.

의 입력전원은 직류전원으로 축전지를 이용한다

AFS .



축전지이므로 전압원으로 본다 전극봉과 등부표 사이의 저항은 전해액인 해수로. 채워진 형태이므로 저항형태로 간략화 하였다 이때 저항.



면 저항에 매우 큰 전류가 흐르므로 직류 전압 변환기(DC-DC converter)를 이 용하여 출력 전압을 제어함으로써 저항에 흐르는 전류량을 제어한다 전류량의. 제어를 위해 AFS는 Buck-converter를 이용하여 출력 전압을 제어하였다.

는 을 이용하여 스위칭 되는

Buck-conveter PWM(Pulse Width Modulation)

펄스폭을 제어하여 출력되는 전압을 제어하였다. Turn-on시에는 인덕터에 에너 지를 축적하며 부하에 전류를 흐르게 하고 Turn-off시에는 인덕터의 에너지를 이용하여 부하에 전류를 흐르게 한다. 스위칭 소자에 대하여 Turn-on 및

시간의 비율은 시비율

Turn-off 이며 또한 전체 스위칭 시간을 , Turn-on시 의 시간을 _이라고 하면 입력 전압 _와 출력 전압 _의 관계는 식 (2.7)과 같 다.

_ 

_

_ _ (2.7)

이때 스위칭 주파수는 , 인덕터의 인덕턴스를  이라 하면 출력 전류 _는 식 과 같다

(2.8) .

_ 

_  

 

_

(2.8)

식 (2.8)에서 입력 전압 _ 과 스위칭 주파수 , 인덕터의 값은 고정값이다.

저항 R이 변화하기 때문에 일정한 전류량을 유지하려면 스위치의 시비율 를 변 화시켜야 한다.

제어기는 전극봉에 흐르는 전류량을 형태의 저항을 통하여 측정

AFS Shunt

하고 이를 제어기의 A/D converter를 통하여 수집한다 현재 전류값과 설정된. 전류값을 계산하여 PWM Duty-cycle을 변경하여 제어를 수행한다. Fig. 2.14는

제어기 회로의 개념도 이다

AFS .

주 제어소자는 PIC 16F877A를 이용하였다 전극봉에 흐르는 전류량을 확인하. 기 위해 전극봉과 Shunt 저항을 직결하여 그 사이에 전압강하를 측정하여 역으 로 전류량을 계산했다. Anode에 걸리는 전압값은 0~12V의 값을 가지므로 분압 회로를 이용하여 전압을 0~5V로 변환한 후 A/D converter를 이용하여 측정하 였다.

해상용 등부표에 사용되는 AFS는 태양광과 풍력 파력 에너지를 이용하기 때, 문에 안정적인 전력 공급이 어렵다 그러므로. AFS의 전력공급은 가변적이다 또. 한 전극봉의 반대편인 부체의 경우 항상 부체 표면의 유체에 닿는 면적이 변화하 기 때문에 동일한 전압을 유지하더라도 전류량이 일정하지 않다 또한 관내의 유. 체가 일정한 방향으로 흐르는 것이 아니기 때문에 관로에 이용되는 AFS시스템과 그 특성이 상이한 점을 고려하여 제작하였다.

는 개념도를 바탕으로 실제 제작된 의 회로도이고 은

Fig. 2.15 AFS , Fig. 2.16

의 제어기이다

AFS .

소프트웨어 2)

은 등부표용 의 전류 제어 알고리즘을 나타낸 것이다 전류 제어

Fig. 2.17 AFS .

알고리즘은 출력전류 설정부와 출력전류 제어부로 구성된다 출력전류 설정부는. 등부표에 사용되는 모든 전극봉에 흐르는 전류를 일괄적으로 제어하는 역할을 한 다 출력전류 제어부는 설정된 출력전류에 맞추어. Buck-Converter를 PWM방식 으로 제어하여 전극봉에 흐르는 전류값을 고정하는 역할을 한다.

최초 사용자가 지정한 보조 축전지 전압에 따른 전류 설정 값을 기준으로 AFS 에 사용되는 전체 전극봉에 전류가 흐른다 전극봉의 특성상 전극봉에 흐르는 전. 류 값은 지속적으로 변화한다 따라서 정전류 제어를 하기 위해 전체 전극봉에. 흐르는 전류 값은 다시 AFS 제어소자로 보내어 진다 제어소자는 사용자가 설정. 한 전류 값과 현재 전체 전극봉에 흐르는 전류 값을 비교하여 PWM의

을 조정하여 전체 전극봉의 출력 전류량을 제어한다

Duty-cycle .

은 등부표에 설치된 보조 축전지 전압의 변화에 따른 의 출력

Table. 2.1 AFS

전류값 설정 값이다 출력 전류 값은 등부표의 움직임에 따라. ± 1A내에서 제어 된다.

Sub Battery Voltage Output Current Control Range

12.5V ~ 13V 1A 0~2A

13V ~ 13.5V 3A 2~4A

13.5V ~ 14V 5A 4~6A

14V ~ 15V 7A 6~8A

Table. 2.1 Output current setting for sub battery’s voltage changing

등부표의 가장 중요한 목적은 선박의 안전운항을 돕는 것이다 따라서 등부표. 에 설치되는 등명기가 동작하는 것을 고려하였다 등명기가 동작하는 전압은. 이다 그러므로 단일채널 는 등명기의 동작전압을 고려하여 등부표 내부

12V . AFS

의 보조 축전지 전압이 12.5V 이상일 경우에만 동작을 시작하게 구성했다 그리. 고 패조류증식 방지를 효과적으로 수행하는 시스템을 구성하고자 단일채널 AFS 는 보조 축전지의 전압이 0.5V씩 상승할 때 마다 단일채널 AFS에서 전극봉으로 인가하는 전류를 2A씩 증가하도록 구성했다.

시뮬레이션 2.2 AFS

모델링 2.2.1

은 등부표에 이용되는 단일채널 를 나타낸다 은 외부 환경에

Fig. 2.18 AFS . ①

따른 등부표 내부가 받는 영향을 나타낸다. Ⓐ는 외부 환경에 영향을 받은 등부 표가 수직운동을 하는 것을 나타낸다. Ⓑ는 등부표의 수직운동에 따른 진동수주 내부의 해수의 높낮이 변화를 나타낸다. ②는 진동수주 내부에 설치된 AFS용 전 극봉을 나타낸다.

_,_,_는 전극봉의 내부 저항, _,_,_는 전극봉의 용출로 생긴 구리이온으 로 인한 저항이다 전극봉의 내부저항. _,_,_는 구리 전극봉이 이온화 됨에 따 라 지속적으로 저항 값이 줄어든다 등부표의 진동수주에 들어온 해수높낮이의. 차이 해양 환경에 의한 등부표의 움직임에 따라 구리 전극봉에 와류가 발생한다, .

그러므로 전극봉의 용해로 생긴 구리이온으로 인한 저항 _,_,_의 저항값은 변 한다 이러한 특성 때문에 단일채널. AFS에 사용되는 각 전극봉에 흐르는 전류의 값은 다르다 단일채널. AFS에 이용되는 전극봉들 중 하나의 전극봉만 저항이 낮 아지는 상태가 일정기간 이상 지속되거나 반복적인 상황이 발생할 경우 하나의, 전극봉의 내부저항이 다른 전극봉들에 비하여 낮아진다 이러한 현상으로 하나의. 전극봉만 구리이온의 용해 속도가 가속화 된다 따라서 등부표에 설치된 다른 전. 극봉은 상대적으로 용해가 진행되지 않는 현상을 발생할 수 있다.

여기서 ,,는 하루에 용해되는 전극봉의 구리량, ,,는 누적된 구리의 용

해량, [ ∙ ]은 구리 용해 변수, 는 전체 전극봉의 누적 용해량을 나

타낸다. 는 각 전극봉에 흐르는 기본 전류량, ∆는 외부요인에 의해 변화하는 전류 값 이고, _,_,_는 외부요인에 의해 변화하는 No.1, No.2, No.3 전극봉의 가변전류 값이다.

는 구리 전극봉 내부의 저항을 나타낸 것이다

Fig. 2.19 . 는 전극봉 내부의

저항이다. 는 구리 전극봉의 용해가 진행되며 전극봉의 외경이 축소됨에 따라, 지속적으로 감소되는 저항이다.

다음 식 (2.9)는 No.1 Anode, 식 (2.10)은 No.2 Anode, 식 (2.11)은 No.3 의 이온화 진행 정도를 나타낸 것이다

Anode .

 



 ×   _



 





 





와류나 유체의 흐름에 의한 구리 전극봉에 흐르는 전류의 양을 예측할 수 없으 므로 임의 값인 ∆를 구리 용해변수로 지정하였다. ∆에 더한 _,_,_값은 전극 봉의 구리용해량에 비례하는 것을 가정하였다.

단일채널 전류제어의 전류출력이 일정하게 유지하는 것을 가정하면 식(2.12) 가 성립된다.

_   _   _    (2.12)

_ _ _ 

∆를 구하는 식은 다음 식 (2.13)와 같다.

_  ≤ ≤  (2.13)







 

 ≤ ≤ 

  _ ∆ _  

∆ _  

∆



≤ ≤ 

    _  

∆ _ ∆ _  

∆



  ≤ ≤   _   

∆ _  

∆ _ ∆

시뮬레이션 프로그램 2.2.2

등부표에 사용되고 있는 단일채널 AFS에 대한 시뮬레이션을 진행하기 위하여 시간당 구리용해율인 을 구하기 위한 식은 (2.14)와 같다.

    ÷   ÷  (2.14)

구리 전극봉에 1A의 전류를 인가하였을 경우 년에 평균적으로 용해되는 구리1 의 양은 연간 18kg이다. Table. 2.2는 실제 해상에서 6개월간 AFS 실험에 사용 된 등부표 내부 구리 전극봉의 용해량이다, . AFS는 하루 8시간 가동하였다.

No.1 Anode No.2 Anode No.3 Anode

No.1 Marine facility 14.4 (kg) 13.6 (kg) 15.9 (kg)

No.2 Marine facility 13.2 (kg) 14.2 (kg) 15.1 (kg)

Table. 2.2 Result of single channel AFS test

초기 구리 전극봉의 무게는 18kg으로 약 6개월 실험을 진행하면 전극봉 마다 약 1kg씩 구리용해의 차이를 보인다.

시뮬레이션에 사용된 프로그램은 NI사의 LabVIEW를 이용하였다. Fig.2.20은 단일채널 AFS 시뮬레이션의 프론트판넬을 나타내었다 단일채널. AFS의 시뮬레 이션을 실행할 경우 ∆의 값과 전체 전극봉에 인가하는 전류 값의 설정 전극봉, 의 구리 용해 변수를 사용자가 입력한다. Ⓐ는 AFS시스템의 가상 실험개월수,

∆ 값, AFS에 사용되는 전체전극봉에 흐르는 전류 값 전극봉의 구리 용해변수, 가 있다. Ⓑ는 하루단위로 용해되는 현재 용해 구리량과 누적 용해 구리량이 있 다 단위는. kg이다. Ⓒ는 누적 용해 구리량을 계산하여 전극봉별 남은 구리량을 시뮬레이션 이용자가 볼 수 있다.

은 단일채널 시뮬레이션의 블록선도를 나타내었다 에서는 단

Fig.2.21 AFS . Ⓐ

일채널 AFS 시뮬레이션의 제어부이다 단일채널. AFS에 최초 전류 인가시 생기 는 전극봉의 구리 용해량, ∆의 값과 전체 전극봉에 인가하는 전류 값의 설정부, 전극봉의 구리 용해 변수 설정부 현재 전극봉별 용해 구리량을 나타낸다 설정된, . 값들은 제어부의 하위 블록선도로 보내져 연산 동작을 한다. Ⓑ에서는 단일채널

시뮬레이션의 데이터 저장부이다 시뮬레이션에

AFS . ∆의 값 전체 전극봉에 인,

가하는 전류 값 전극봉 구리 용해변수 값 그리고 시뮬레이션에 적용된 전극봉의, , 무게변화와 시뮬레이션 진행에 따른 가상 시간을 저장한다. Ⓒ에서는 시뮬레이션 결과 출력부이다 제어부에서 출력된 값들을 사용자 화면에 출력하고 전극봉별. 누적 용해 구리량을 나타낸다 또한 출력 값들을 실시간으로 확인하여 전극봉의. 무게가 0kg이 되면 시뮬레이션을 종료한다.

는 제어부의 연산을 하는 블록선도이다 제어부에서 입력된 값을 바탕

Fig.2.22 .

으로 전극봉 별로 용해되는 구리의 양을 임의의 값 ∆를 사용하여 정한다 그리. 고 용해되는 구리의 양을 저장하고 역으로 연산하여 전극봉에 남은 구리의 무게 를 산출하여 저장하고 출력 값을 누적하여 시뮬레이션 결과 출력부에 송신한다, .

는 임의 값 발생기이다 임의의 값인.

Ⓐ ∆를 생성하는 역할을 한다.

은 임의 값 발생기이다 식 을 사용하여

Fig.2.23 . (2.13) ∆값을 생성하는 역할 을 수행한다 생성된 임의 값은 시뮬레이션에 사용되는 전극봉에 인가되는 전류. 값을 변경시킨다 따라서 전극봉의 이온화 불균형을 발생시키는 역할을 한다. .

는 데이터 저장부의 하위 블록선도이다 제어부와 데이터 출력부의 데

Fig.2.24 .

이터를 사용자가 지정하여 취합한다 취합하는 데이터는. ∆ 설정값 전체 전극봉, 에 흐르는 설정 전류값 전극봉 용해 변수 값, , No.1, No.2 , No.3 전극봉의 이온 화 진행 정도 시뮬레이션 수행 날자이다 취합한 데이터는, . Microsoft사의 Excel 프로그램 양식으로 제작한다.

결과 2.2.3

는 단일채널 시뮬레이션의 결과를 나타낸 그래프이다 시뮬레이

Fig.2.25 AFS .

션의 진행을 위하여 여러 외부 요인들의 값을 설정했다 우선. ∆의 값을 알기 위 해 AFS에 1A의 전류를 인가한 상태로 ∆ 값을 변경하며 반복실험을 진행하였 다. ∆의 값이 0.115A일때 실제 등부표에 사용된 전극봉의 용해량과 비슷한 결 과로 나타났다 따라서. ∆의 값은 0.115A로 설정했다 그리고 시뮬레이션에 사. 용된 전극봉의 초기 무게는 소형 전극봉(65



단일채널 AFS의 전극봉 이온화 추세를 알아 보고자 총 3번에 걸쳐 반복 시뮬 레이션을 진행했다.

(a)

(b)

(b)

단일채널 AFS 시뮬레이션 결과 공통적인 단점을 확인할 수 있었다 단일채널. 에 사용된 전극봉중 하나의 전극봉이 가장 빠른 속도로 구리이온의 용해가 AFS

진행되었다 시뮬레이션에 사용된 전극봉의 예상 사용수명은. 2년 이었으나 각각 개월 개월 개월이 경과한 시점부터 단일채널 는 정상적인 동작을

16 , 18 , 19 AFS

할 수 없음을 확인했다 따라서 등부표에 패조류의 증식이 예상시일 보다 빠르게. 진행될 수 있을 것으로 예상된다 그러므로 전극봉의 교체를 위해 예상 기간보다. 빠른 시일내에 등부표를 양륙해야 한다.

제 3 장 다채널 AFS

다채널

3.1 AFS

필요성 3.1.1

은 전극봉의 용해속도를 비교한 표이다 단일채널 의 시뮬레이션

Fig. 3.1 . AFS

결과로 나타난 전극봉의 평균수명과 전극봉의 원래 예상수명을 비교했다 시뮬레. 이션 결과의 전극봉 평균수명은 17개월 20일이고 전극봉의 원래 예상수명은 24 개월이다 잦은 전극봉의 교체로 인하여 단일채널. AFS를 적용한 등부표는 해상 운용 시간이 약 7개월 이상 단축됨을 확인했다 따라서 이러한 문제를 해결할 수. 있는 제어시스템이 필요하다.

제어기 구성 3.1.2

하드웨어 1)

는 다채널 의 구성도를 나타낸 것이다 단일채널 시뮬레이션

Fig. 3.2 AFS . AFS

결과를 기반으로 등부표에 사용되는 모든 전극봉의 이온화 진행속도를 같게 하기 위하여 등부표에 사용되는 모든 전극봉에 개별 전류제어가 가능한 다채널, AFS 를 설계했다. Ⓐ는 다채널 AFS의 Main board이다 등부표에 사용되는 전극봉들. 에 흐르는 전류를 개별 제어하는 동작을 한다. Ⓑ는 I/O board이다. Main board 의 제어신호를 받아 전극봉에 전류를 흘리는 동작과 전극봉에 흐르는 전류 값을 로 보내는 동작을 한다 는 등부표 외부에 설치된 전극봉을 나타내 Main board . Ⓒ

었다 그리고 등부표 수주직경 변화에 따른 추가적인 전극봉의 설치를 고려하여. 전극봉 하나를 더 제어할 수 있는 여유분을 마련 하였다.

단일채널 AFS는 단일 전류제어를 수행하기 때문에 AFS 제어기의 스위칭 소 자 및 전력제어부에 흐르는 전류값이 높기 때문에 스위칭 소자를 장기간 사용할 수 없는 문제점을 가지고 있었다 이러한 점을 고려하여 다채널. AFS는 스위칭 소자의 수명을 고려하여 등부표에 설치되는 전극봉에 흐르는 전류를 제어하는 와 전극봉 전류를 흘리고 측정하는 로 구성했다 그럼으로

Main board I/O board .

스위칭 소자 및 전력제어부에 흐르는 전류를 분산하였다.

은 의 구성도를 나타낸 것이다 는

Fig. 3.3 Main board . Main board Display 로 구성되어 있 part, SW input part, Communication part, Power control part

다. Ⓐ는 Display part이다. Display part는 7-Segment 혹은 LED등을 제어하여 의 동작상태를 확인할 수 있다 는 이다 다채널 Main board . Ⓑ SW input part .

가 동작중일 때 사용자가 인위적으로 제어신호를 입력할 수 있다 는

AFS . Ⓒ

이다 통신방식과 통신방식 등을 사용하여

Communication part . Rs-232c CAN

다채널 AFS의 상태를 사용자에게 알려준다. Ⓓ는 Power control part이다 등부. 표에서 사용하는 축전지 전압에 따라 전극봉에 인가되는 전류를 제어하기 위한

의 을 조절한다

PWM Duty-cycle .

등부표에 사용되는 전극봉에 흐르는 전류의 개별제어를 위해 제어소자는 를 사용했다 이 제어소자는 내부적으로 개의 개별 출력이 가능

dsPIC33F . 4 PWM

기 때문에 등부표에 설치되는 전극봉의 숫자가 늘어나도 전극봉을 개별 제어가 가능하다.

는 의 구성을 나타낸 것이다 는

Fig. 3.4 I/O board . I/O board Buck-Conver

부와 전류측정부로 구성되어 있다 는 부이다

ter . Ⓐ Buck-Converter . Buck

부는 의 제어신호를 받아 전극봉에 흐르는 전류값을 조 -Converter Main board

절한다. Ⓑ는 전류측정부 이다. Shunt형태의 저항을 적용하여 전극봉에 흐르는 전류 측정동작을 수행한다.

는 다채널 의 도면을 나타낸 것이다 의

Fig. 3.5 AFS Main board . Main board 는 최대 개의 를 개별 제어할 수 있으며 등부표에 Power control part 4 I/O board

설치된 전극봉에서 측정되는 전류량에 따라 I/O board에서 출력되는 전압의 크 기를 조절할 수 있도록 구성되어 있다. Communication part는 CAN통신 및

통신을 수행할 수 있도록 구성되어 있다 는 RS-232c, RS-485 . Display part

와 등을 통해 다채널 의 상태를 사용자가 확인 할 수 있게 LED 7-segment AFS

구성하였다. SW input part는 LED나 7-segment를 제어할 수 있는 확장 핀이 포함되어 있다.

은 의 회로도를 나타낸 것이다 는 최대 의 전류 Fig. 3.6 I/O board . I/O board 2A

가 흐를 수 있도록 Buck-converter 및 MOSFET 스위칭 드라이브 전류 측정부, 로 구성하였다.

회로의 신호에 따라 에서 전극봉으로 공급

Main board PWM Buck-converter

되는 전류량을 제어한다 전극봉으로 공급되는 전류 측정은. Shunt형태의 저항을 사용하여 측정한다 측정된 전류는. 0V-5V의 전압 신호로 변환하여 Main board 로 보내진다.

은 의 사진이다 는 다채널 의 안정성을 고 Fig. 3.7 Main board . Main board AFS

려하여 큰 전류가 흐르지 않도록 하였다. Ⓐ는 Main board를 제어하는

이다 는 이다 전극봉에 흐르는 전류를 제어하

dsPIC33F . Ⓑ Power control part .

기 위해 PWM 신호를 I/O board로 보내고 I/O board를 통해 전극봉으로 흐르는 전류 값을 수집한다. Ⓒ는 Communication part이다 전극봉에 흐르는 전류 값을.

통신 통신등을 이용하여 송신한다 는 이다

Rs-232c , CAN . Ⓓ Display part .

는 혹은 등을 제어하여 의 동작상태를

Display part 7-Segment LED Main board

확인할 수 있다. Fig. 3.8은 I/O board의 사진이다 축전지에서 전원은. I/O board 로 공급되어 I/O board에서 전극봉으로 전류가 나가도록 구성하였으며 PCB 길 이는 최대한 짧게 하여 PCB가 전류흐름으로 발생하는 열로 인한 소손이 되지 않 도록 하였다. Ⓐ는 Buck-converter이다 전압을 제어하여 전극봉에 흐르는 전류. 를 제어한다. Ⓑ는 Shunt형 저항이다 전극봉에 흐르는 전류를 측정한다. . Ⓒ는

에서 보내는 신호를 받고 전극봉에 흐르는 전류를 보내는 역

Main board PWM ,

할을 한다.

소프트웨어 2)

는 다채널 의 알고리즘이다 다채널 알고리즘을 구현하기 위

Fig.3.9 AFS . AFS

하여 기존의 단일채널 AFS의 알고리즘을 개선하였다 다채널. AFS 알고리즘은 출력전류 설정부와 출력전류 제어부로 구분된다.

출력전류 설정부는 사용자가 등부표에 사용되는 축전지 전압에 따라 다채널 가 전극봉으로 흘리는 전류 값을 설정하는 역할을 한다 출력전류 제어부는

AFS .

전극봉으로 흐르는 전류를 지속적으로 확인하며 PWM의 값을 제어한다 이러한. 제어 알고리즘을 사용한 결과 등부표에 사용되는 모든 전극봉에 흐르는 전류를

동시에 제어할 수 있었다.

은 다채널 의 전력제어 알고리즘이다 등부표의 설치목적은 등명

Fig. 3.10 AFS .

기를 통해 야간에 선박에 정보를 보내는 것이다 기상관측 시스템 통신 시스템등. , 의 설치증가로 등부표에 사용되는 소모전력이 많아짐에 따라 따라서 축전지의 전 압을 고려하여 AFS의 제어 알고리즘을 설정하였다 제어는 다음과 같은 히스테. 리시스 존을 갖는 전압 제어를 수행한다 축전지 전압이. 14V 이상일 경우에 다 채널 AFS는 동작한다 그리고 보조 축전지의 전압을 고려하여 전극봉에 인가되. 는 전류 값을 변화시킨다.

전극봉에 가장 적은 전류를 흘림과 동시에 등부표 수주 내부와 유입구에 패조 류증식을 효율적으로 방지할 수 있는 전류 레벨을 알기 위해 다음, Fig. 3.11과 같이 축전지 전압레벨에 따른 전극봉 인가전류를 설정해 보았다 좌측의 전압은. 보조축전지의 전압을 나타낸다 그리고 우측의 전류는 보조축전지 전압에 따라. 다채널 AFS에 흐르는 전체 전류 값이다.

Experiment A

Experiment B

Experiment C

시뮬레이션 3.2

모델링 3.2.1

단일채널 AFS에서 발생하였던 구리 용해량의 차이를 해결하기 위해, ∆의 값 이 변화하더라도 등부표에 설치된 모든 전극봉에 일정한 전류가 흐를 수 있는 제 어방식이 필요하다 따라서 단일채널. AFS에서 이용하던 전류제어방식을 변경한 다채널 AFS용 전류제어방식을 고안하였다 다채널. AFS 전류제어방식은 전체 전 극봉에 흐르는 전류를 제어하는 방식을 개선하여 각 전극봉에 흐르는 전류를 제 어부에서 제어하는 직접제어방식을 사용한다 전극봉 개별 전류제어 방식은 구리. 용해량의 차이를 발생시키는 외부요인을 무시할 수 있다. Fig. 3.12은 다채널

의 전류제어시스템을 나타낸다

AFS .

단일채널 AFS와는 달리 다채널 AFS는 등부표에 사용되는 모든 전극봉에 흐

다 그러므로 다채널. AFS는 각 전극봉에 흐르게 설정된 전류 값과 실제 전극봉 에 흐르고 있는 전류량을 비교하여 전극봉에 흐르는 전류 값을 제어하는 방식을, 취한다 전극봉에 설정된 전류 값 보다 높은 전류가 흐르는 경우 전류를 감소시. 키고 전극봉에 낮은 전류가 흐르는 경우 전류를 증가하는 방법을 사용한다 따라. 서 등부표에 이용되는 각 전극봉에 흐르는 전류량인 는 일정하게 유지된다 다음j . 식(3.1), 식(3.2), 식(3.3)은 No.1, No.2, No.3 전극봉에 흐르는 전류량을 나타낸 다.

 



× 



 



× 



 



× 



다채널 AFS는 단일채널 AFS와 달리 등부표에 설치된 전극봉에 일정한 전류 를 지속적으로 인가 되도록 제어한다 제어방식의 변경으로 외부요인에 의해 변. 화하는 ∆의 값을 0으로 하였다 따라서 외부요인에 의해 변화하는 전극봉들의. 전류변수 _,_,_는 0으로 하였다. ∆ 이외의 값은 단일채널 AFS의 시뮬레이션 에서 사용된 값으로 시뮬레이션을 진행하였다.

시뮬레이션 프로그램 3.2.2

은 다채널 시뮬레이션의 프론트판넬을 나타내었다 다채널

Fig.3.13 AFS . AFS

의 시뮬레이션을 실행할 경우 ∆의 값과 전체 전극봉에 인가하는 전류 값의 설 정 전극봉의 구리 용해 변수를 사용자가 입력한다, . Ⓐ에서는 AFS시스템의 가상 실험개월수, ∆ 값, AFS에 사용되는 전체 전극봉에 흐르는 전류 값 전극봉의, 구리 용해변수가 있다. Ⓑ에서는 하루단위로 용해되는 현재 용해 구리량과 누적 용해 구리량이 있다 단위는. kg이다. Ⓒ에서는 누적 용해 구리량을 계산하여 전 극봉별 남은 구리량을 전극봉별 남은 구리량을 시뮬레이션 이용자가 볼 수 있다.

는 다채널 시뮬레이션의 블록선도를 나타내었다 블록선도의

Fig.3.14 AFS . Ⓐ

에서는 다채널 AFS 시뮬레이션의 제어부이다 다채널. AFS에 최초 전류 인가시 생기는 전극봉의 구리용해량, ∆의 값과 전체 전극봉에 인가하는 전류 값의 설 정부 전극봉의 구리 용해 변수 설정부 현재 전극봉별 용해 구리량을 나타낸다, , . 설정된 값들은 제어부의 하위 블록선도로 보내져 연산 동작을 한다 하위. B블록 선도는 다채널 AFS의 전류제어 방식에 맞추어 전극봉별 개별 전류제어 동작을 구현하고자 하였다. Ⓑ에서는 다채널 AFS의 시뮬레이션 결과 출력부이다 제어. 부에서 출력된 값들을 사용자 화면에 출력하고 전극봉별 누적 용해 구리량을 나 타낸다 그리고 시뮬레이션의 종료 시점은 단일채널. AFS와 동일하게 구성하였 다 전극봉의 남은 구리량을 실시간으로 확인하여 전극봉의 무게가. 0kg이 되면 시뮬레이션을 종료한다. Ⓒ에서는 다채널 AFS 시뮬레이션의 데이터 저장부이다. 시뮬레이션에 ∆의 값 전체 전극봉에 인가하는 전류 값 전극봉 구리 용해변수, , 값 그리고 시뮬레이션에 적용된 전극봉의 무게변화 시뮬레이션 진행에 따른 가, , 상 시간을 저장한다.

제어부의 하위 연산 블록선도 저장부의 하위 블록선도 측정부의 하위 블록선도, , 는 단일채널 AFS 시뮬레이션과 동일하다

시뮬레이션 결과 3.2.3

는 다채널 시뮬레이션의 결과를 나타낸 그래프이다 시뮬레이션

Fig.3.15 AFS .

의 진행을 위하여 여러 요인들의 값을 설정했다 다채널. AFS는 등부표 내부에 설치되는 모든 전극봉에 흐르는 전류의 값이 동일하다 따라서. ∆의 값은 0으로 설정했다 그리고 시뮬레이션에 사용된 전극봉의 초기 무게는 소형 전극봉. (65



의 무게인 으로 설정했다 또한 전극봉들의 예상 사용수명을 년

396mm) 11.8kg . 2

으로 하기 위해 전체 전극봉에 인가하는 전류는 1A로 설정했다 다채널. AFS의 전극봉 이온화 추세를 알아 보고자 총 3번에 걸쳐 반복 시뮬레이션을 진행했다.

Fig. 3.15 Result of multi channel AFS simulation

다채널 AFS 시뮬레이션 결과 공통적인 결과를 확인할 수 있었다 단일채널. 의 단점인 전극봉중 하나의 전극봉이 가장 빠른 속도로 구리이온의 용해가 AFS

진행되는 현상이 일어나지 않음을 확인했다 그리고 시뮬레이션에 사용된 전극봉. 의 예상 사용수명과 동일한 사용기간을 확인했다 세번의 시뮬레이션 결과 등부. 표에 설치된 모든 전극봉이 동일한 용해의 진행을 보였다.

제 4 장 등부표 해상실험

단일채널 실험

4.1 AFS

은 등부표에 적용한 단일채널 의 실험 조건이다 두 대의 등부표

Table 4.1 AFS .

에 단일채널 AFS를 적용하여 해상실험을 진행하고자 했다 실험에 사용될 등부. 표의 파력 발전구조는 1hole 형태이다 단일채널. AFS의 패조류 증식방지 효과를 확인하고자 등부표 두 대 모두 단일채널 AFS를 설치하였다 그리고. A번 등부표 는 단일채널 AFS를 동작시켰고 B번 등부표는 단일채널 AFS를 동작시키지 않았 다 해상실험 기간은. 6개월이다.

Buoy`s number

Wave generation

structure AFS operation

A 1hole ○

B 1hole ☓

Table 4.1 Single channel AFS test method for buoy

은 등부표와 전극봉의 설치위치 도면이다 현재 대한민국에서 사용중

Fig. 4.1 .

인 등부표들의 구조를 사용하여 도면과 등부표를 만들었다 기존의 등부표들은. 제어기가 등부표 상탑 가운데에 있었다 그러므로 제어기의 침수문제를 해결할. 수 없었다 이에 제어기의 침수문제를 고려하여 단일채널. AFS제어기는 등부표의 내부에 장착할 수 있게 제작했다 전극봉은 등부표 내부에서 설치할 수 있게 하. 였다. Fig. 4.2는 등부표에 설치된 AFS제어기의 설치 사진이다.

Fig. 4.1 Drawing of buoy and anode’s installation location

은 등부표 진수사진이다 등부표는 한국해양대학교 인근 내항에 진수

Fig. 4.3 .

하였다.

는 등부표 수주내부의 단일채널 사진이다 좌측의 사진은 단일채

Fig. 4.4 AFS .

널 AFS가 동작중인 A번 등부표의 수주이고 우측의 사진은 단일채널 AFS가 동 작하지 않는 B번 등부표의 수주이다.

Fig. 4.4 Photograph of single channel AFS test

단일채널 AFS를 사용하는 등부표의 수주는 패조류가 증식하지 않은 상태였고 단일채널 AFS를 사용하지 않은 등부표의 수주는 패조류가 증식이 진행되고 있었 다.

다채널 실험

4.2 AFS

다음 Table 4.2는 등부표의 파력발전 구조와 AFS의 실험조건을 나타낸 것이 다 실험방법은. Fig. 3.11에 있는 방법을 사용했다. 6개월간의 해상실험을 통해 다채널 AFS가 사용될 등부표의 1hole 파력발전 구조에 따른 가장 적절한 보조 축전지 전압에 따른 AFS 전류 제어 값을 알고자 했다.

Buoy`s

number Wave generation structure AFS experiment

A 1hole A

B 1hole B

C 1hole C

Table 4.2 Multi channel AFS test method for buoy

는 등부표와 전극봉의 설치위치 도면이다 다채널 를 등부표에

Fig. 4.5 . AFS

적용하기 위해 전극봉의 설치방법과 다채널 AFS제어기의 설치위치를 고려하였 다 전극봉의 경우 작업자가 전극봉 설치의 적절성과 파력발전 수주 내부 유입저. 항을 고려하여



은 등부표에 설치된 제어기의 설치 사진이다 다채널 제어기

Fig. 4.6 AFS . AFS

는 파도나 너울에 의해 발생하는 등부표의 진동에도 작업자가 안전하고 신속한 작업이 가능한 위치를 고려하여 등부표 벽면에 제어기를 설치하였다 따라서 등. 부표의 바닥면에 설치되었던 단일채널 AFS제어기에 비해 제어기 작업이 개선되 었다.

은 등부표의 진수위치와 등부표의 이름이다 다채널 용 전류제어

Fig. 4.7 . AFS

알고리즘은 보조 축전지의 전압이 최소14V 이상이 유지될때 동작한다 다채널. 의 실험을 위해서 등부표에 설치된 태양광 풍력 파력발전 시스템이 최대한

AFS , ,

많은 전력을 생산해야 한다 다채널. AFS의 해상실험은 한국해양대학교 인근해역 중 가장 진동 수주형 파력발전의 발전량이 높은 곳을 선정했다.

다채널 AFS를 장착한 등부표를 한국해양대학교 인극 해역에 진수하여 약 6개 월간 다채널 AFS를 등부표에 적용하여 해상실험을 진행 하였다.

다음 Fig. 4.8은 등부표를 진수하는 사진이며 Fig. 4.9는 다채널 AFS가 동작하 고 있는 등부표 수주 내부 사진이다.

해상에 진수된 모든 등부표는 다채널 AFS가 동작한다 따라서 등부표의 수주. 내부는 패조류가 증식되지 않은 상태였다.

실험 결과 및 분석 4.3

단일채널 4.3.1 AFS

은 단일채널 의 해상실험 결과 사진을 나타낸 것이다 좌측의

Fig. 4.10 AFS .

사진은 단일채널 AFS를 사용하지 않은 B번 등부표이다 우측의 사진은 단일채널. 를 사용한 번 등부표이다 개월간의 해상실험 결과 단일채널 의 효용

AFS A . 6 AFS

성을 알 수 있었다 단일채널. AFS가 동작한 A번 등부표와 단일채널 AFS가 동작 하지 않은 B번 등부표는 패조류 증식에 대한 확연한 차이를 보였다.

단일채널 AFS가 동작한 A번 등부표는 파력발전의 효율이 줄어들지 않아 패조 류 증식을 효율적으로 억제함을 알 수 있었다 그리고 단일채널. AFS가 동작하지 않은 B번 등부표의 전극봉은 구리를 용출하지 않았기 때문에 설치 시점과 동일 한 상태를 유지하고 있었다 또한. AFS가 동작된 등부표의 경우에는 전극봉에서 구리가 용출되었기 때문에 초기 전극봉의 모습과는 다르게 구리이온이 용출된 것 을 확인할 수 있었다.

은 단일채널 해상실험에 사용되었던 전극봉의 사진이다 전극봉

Fig. 4.11 AFS .

별 구리이온의 이온화 진행속도가 달라 등부표에 설치된 전극봉 가운데 하나의 전극봉만 이온화가 빨리 진행되는 것을 알 수 있었다.

등부표에 설치된 전극봉의 교체시기는 설치초기 예상 교체시기보다 앞 당겨진 다 따라서 전극봉의 교체를 위해 등부표의 양륙시기가 단축되는 것을 알 수 있. 었다 그리고 등부표에 사용된 전극봉들중 상대적으로 이온화가 적게 진행된 전. 극봉들 또한 전극봉 내부 저항이 줄어들어 새로운 전극봉과 함께 등부표에서 사 용하지 못하는 것을 확인했다.