소형 고속 레저보트에 적용된 풍력터빈의 공기저항에 관한 연구

Abstract

최근 들어 이산화탄소 규제에 대한 범국가적 관심이 고조되면서 선박의 저항 감소뿐 아니라 새로운 추진시스템 개발을 통하여 온실가스를 감축시키고자 하는 관점에서의 다양한 시도가 활발하게 이루어지고 있다.

유엔의 기후변화협약 (UNFCC: United Nations Framework Convention on Climate Change)에서는 지구 온난화를 방지하기 위해 대기 중의 이산화탄소 농도를 450∼550 ppm으로 유지하려는 이산화탄소 안정화 정책을 추진하고 있다. 이와 같이 지구 온난화를 방지하고자 하는 전 세계적인 관심이 증가하는 가운데, 매년 10억톤 정도의 온실가스를 배출한다고 알려진 선박에 대한 온실가스 규제가 본격화 될 것으로 전망된다[1].

국제해사기구(IMO)에서는 선박에서 배출되는 이산화탄소(CO2) 감소를 위하여 에너지 효율성을 측정할 수 있는 강제 규정으로 선박제조연비지수(EEDI: Energy Efficiency Design Index)와 선박 에너지효율 운항지표(EEOI:Energy Efficiency Operational Indicator)를 제정하여 2013년 시행을 앞두고 있다. 이 EEDI는 환경영향과 경제적 이득의 비율을 나타내는 것으로 조선소의 기술적 능력을 보여 주는 핵심지표로 대두될 가능성이 높다. 이처럼 선박의 제조 단계에서부터 연료소비율 향상과 이산화탄소 배출량을 절감시키는 등 환경을 위한 노력은 계속되어지고 있다. 연료소비율을 향상시키기 위해서 선박 저항의 상당부분을 차지하는 마찰저항의 감소가 필요한데 마찰저항 감소법을 개발하기 위한 연구는 점성 유동해석기법의 발전과 더불어 기계공학 분야에서 꾸준히 수행되어 왔다. 본 연구에서는 활주형 소형고속선에 소형 풍력설비를 장착하여, 여기에서 발생한 풍력에너지를 선박 내 전등, 냉난방 등에 필요한 전기에너지로 활용할 수 있는 방안을 도출하고자 하였다. 적용 대상선은 그동안 소형 레저선에 많이 적용된 FRP소재에서 환경친화적인 소재인 알루미늄 합금을 이용한 30피트급 고속레저보트이다. 선체에 장착된 풍력설비와 이로부터 발생한 전기를 충전할 수 있는 배터리 등을 고려한 선박이 설계되었으며, 모형시험을 통하여 풍력설비를 고려한 레저보트의 기본 성능을 검증하고, 풍력터빈에 의한 새로운 공기저항 추정식과 효율적인 운용 방안을 제안하였다.|Recently, national attention on the regulations for carbon dioxide emission has risen. Thus, diverse attempts are being actively carried out to reduce the resistance of ships and to develop a new propelling system that reduces the emission of carbon dioxide.

The UNFCC (United Nations Framework Convention on Climate Change) is promoting a carbon dioxide stabilizing policy to maintain the level of atmospheric carbon dioxide at 450~550ppm for the prevention of global warming. As the international concern for the prevention of global warming is at its rise, it is expected that the carbon dioxide regulations for ships will soon hit the stride as ships are known to be responsible for the emission of 1billion tons of carbon dioxide per year.

The International Maritime Organization (IMO) have enacted the EEDI (Energy Efficiency Design Index) and EEOI (Energy Efficiency Operational Indicator) which are enforced regulations that measure the energy efficiency for the purpose of reducing carbon dioxide emissions of ships. These regulations are waiting to be implemented in 2013. It is highly possible that the EEDI, which displays the ratio of environmental impact and economical benefit, will become a core index to represent the technical abilities of a shipyard.

In order to enhance the fuel consumption efficiency, it is necessary to reduce the frictional resistance, which is a major part of a ship’s resistance. Research to reduce the frictional resistance has been consistently ongoing in the field of mechanical engineering together with the advancement of viscous flow analysis methods.

Furthermore, the demand for the reduction of a ship’s sailing power to make ship management economically feasible has increased in the field of marine engineering. Thus, research for the application of the currently developed frictional resistance reducing methods has become gradually vitalized. Another measure suggested to satisfy both the carbon dioxide regulation and the economic feasibility of a ship is the use of hybrid energy. Ships are constantly exposed to the sun and wind during sail or at anchor and research to utilize wind and solar power as the energy source is being attempted in various methods.

This study aims to induce methods to utilize the generated wind power for the electrical energy source of a ship’s lighting, air conditioning and heating, etc. by installing a compact wind power facility on the experiment target; a small gliding high-speed vessel. The vessel targeted for application is a 30ft high-speed leisure boat made of aluminum alloy instead of the usually used FRP (fiber reinforced plastic). The wind power facility installed on the hull and the batteries that will be charged by the electric energy generated by the wind power system were considered at the designing stage of the boat. A new presumption equation for air resistance of wind turbines and efficient measures for management are suggested based on a model experiment that verifies the basic performance of the wind-powered leisure boat.