서 론

조업경비에서 차지하는 유류비의 비중이 여전히 높 고 자원량의 많은 감소로 어업경영에서의 채산성이 악 화되고 있어 어업분야의 에너지 절감 연구가 활발하게 진행되고 있다. 대표적으로는 오징어 채낚기 어선의 유 류절감을 도모하기 위하여 집어등을 LED로 전환하여 최대 50% 이상의 성과를 도출하였다 (An et al., 2012; Bae et al., 2011). 또한 재생에너지의 낮은 효율에도 불 구하고 지구온난화 방지를 위한 온실가스 배출량을 줄 이기 위하여 태양광, 풍력 및 파력 등의 다양한 재생에 너지를 활용하여 선박분야에 산업적으로 접목하는 연 구가 활발하게 진행되고 있다 (Kim and Chea, 2011). 어선어업 분야에서는 최신기술이 접목되지 않은 노후 된 어선의 선형 및 추진기의 개조를 통한 유류절감 방 법을 활용하여 기존 대비 최대 10%의 유류절감을 달성 하고 있다 (Hong et al., 2011; Hong et al., 2010).

해상에서 운용되는 다양한 해양수산 시설물은 육지 로부터 전기를 공급받을 수 없는 특수한 여건으로 인하 여 많은 비용을 투입하여 독립적인 전원공급 시스템을 구축해야 한다. 예를 들어 어류 사육용 해상가두리 운 용에 필수적인 자동 먹이공급장치의 관리를 위해서는 전원공급이 필요하지만 해상에서는 육상과는 달리 원 활하게 전원공급을 할 수 없다. 따라서 전원공급을 위 해서는 자급발전이 가능한 태양광, 풍력 및 파력 등 해 상에서 활용 가능한 에너지원을 사용해야 한다

본 연구에서는 육상에 상용으로 설치되는 태양광 발 전시스템과 저장을 위한 적정 용량의 배터리를 제주도 선적의 외줄낚시 조업을 주로 하는 어선의 환경에 알맞 게 제작 후 설치하여, 해상에서 태양광 발전시스템의 성능을 파악하고 전원공급 성능에 대한 해상시험을 수 행하였다.

이를 통해 어선에 설치된 태양광 발전시스템의 발전 효율을 조사하고, 전등을 설치 후 전력소모량을 조사하 는 부하시험 및 어선의 이동경로에 따라 발전량을 조사 하는 무부하시험에서 얻은 태양광 발전시스템의 전원 공급 성능에 대한 실험결과를 소개하였다. 이를 통해 소형어선에 설치된 재생에너지 활용시스템의 유류비 절감효과를 파악하여 어업경영의 개선에 대한 대안을 모색하고자 한다. 또한 어업인의 입장에서 바라본 본 연구의 활용에 대한 의견과 태양광 발전시스템의 성능 측면에서 고찰한 결과를 소개하고자 한다. 또한 추후 태양광 발전시스템의 성능 및 내구성 분석을 통해 향후 다양한 어선으로 확장하기 위한 규모 및 사양의 산정이 가능한 기초자료를 축적하였다.

재료 및 방법

본 연구에 활용된 어선은 제주도 서귀포시 표선항을 모항으로 조업하는 3톤급 외줄낚시 조업어선인 연성호 (3.07톤)와 진주호 (3.75톤)이다. 선주의 동의를 얻어 조 타실의 상부에 태양광 패널을 설치하고, 진주호는 컨트 롤러와 배터리를 조타실 내부에 설치하였고 연성호의 컨트롤러는 조타실, 배터리는 기관실에 설치하였다. 태 양광 발전시스템이 설치된 연성호와 태양광 패널 설치 상태를 Fig. 1에 보였다.

태양광 발전시스템 설계

태양광 발전시스템의 독립된 전원장치를 설계할 경 우에는 우선 요구되는 부하의 사용시간 및 소비전력뿐 만 아니라 전압(V)과 부하가 직류인지 교류인지를 명 확히 파악하여 목적에 맞는 모듈을 설계하는 것이 필요 하다. 이를 위하여 사용하고자 하는 기구의 전부하 (full load)를 측정하고 적정한 태양광 모듈 (PV: photovoltaic modules)을 산정한 후 배터리의 용량을 정할 수 있다. 신뢰성있는 충전과 전력공급에 알맞은 태양광 충전컨 트롤러의 선택도 매우 중요하다.

대상어선이 주낙어업에 종사하고 있으므로 낚시어선 에서 주로 사용하는 전동릴 (SHIMANO, 9000 Beast master ZB)의 부하를 감안하여 태양광 패널은 240W (SCM-120W)의 태양광 모듈을 우선적으로 고려하였다. 전동릴의 사양에는 인가전압 (12V), 릴을 감는 최대 속 도 (150m/min) 및 최대 어획중량 (90kg)만 표기되어 있 다. 따라서 실험실에서 디지털파워메터 (YOKOGAWA, WT230)를 이용하여 무게 추 90kg을 낚시 줄에 연결한 부하상태에서 인가되는 전압과 소비되는 전류를 검출 하여 소비전력을 측정하였다. Fig.2에 전동릴을 전부하 상태에서 측정한 소비전력을 나타내었고, 평균 소비전 력이 약 240W임을 알 수 있다. 태양광 모듈의 설치는 풍압의 영향이 적고 선체 유휴공간을 활용할 수 있는 조타실 상부의 지붕에 최적 설치각을 고려하지 않고 해 수면과 수평을 이루도록 설치하였다.

태양광 모듈의 수량산정을 위하여 전동릴 전부하의 소비전력 (W)에 1일 조업 시 실제 조업대상 어종이 잡 혀 전동릴이 전류를 소비하는 총 사용시간을 2시간으 로 가정하여 480 (Wh)로 하였다. 따라서 1일 필요 발전 량은 1일 소비전력을 우리나라의 평균일조시간인 3.5시 간으로 나누어 137.14 W로 계산되었다 (So, 2007). 따 라서 필요한 태양전지 모듈은 1일 조업에 필요한 발전 량에 출력손실 보존계수 1.2를 곱하여 164.57W이며, 태양광 모듈은 200 W로 계산된다. 설치의 편의를 위하 여 본 연구에서는 100 W 태양전지 모듈 2개를 연결하 여 설치하였다.

배터리의 설치규격은 1일 전력소비량에 필요한 충분 한 용량을 감안하여 선정해야 한다. 즉 필요한 배터리 의 용량 (Ah)은 1일 전력소비량 (Wh) ÷ 배터리전압×부 조일수×1.25 (배터리방전손실 보정계수)와 같이 산정할 수 있으며, 본 연구에서는 부조일수 (number of sunless day)를 감안하여 200 (Ah)로 선정하여 설치하였다. 태 양광발전에서는 태양빛이 거의 없는 아주 흐린 날이나 비 오는 날은 태양전지 모듈에서 전기가 거의 생산되지 않기에 1개월을 기준으로 산정한 일수를 부조일수라 한다. 배터리의 규격을 산정 시에 부조일수를 참조하여 계산한다. 본 연구에 사용된 시스템에서는 부조일수를 1개월 동안 4일로 계산하였다 (Naver, 2014). 독립형 태 양광 발전시스템의 결선도를 Fig. 3에 나타내었고, 실 해상에서 태양전지의 발전량, 배터리 충전량, 부하소비 전력을 측정할 수 있도록 데이터 수집장치 (DAS: Graphtec, Model-GL220)가 장착되어 있다.

Fig. 4는 태양광 발전시스템 결선도를 토대로 각각의 낚시어선에 적합토록 실물로 제작한 것을 보였으며, 각 낚시어선의 조타실 내부의 측면과 바닥에 설치하였다.

현장시험은 2012년 11월 1일부터 11월 3일 까지 제 주도 남동쪽인 서귀포시 표선면 표선항 및 인근 해상에 서 수행하였다 (Fig. 5). 태양광 발전시스템 성능을 조 사하기 위하여 수행한 현장시험은 비 충전 시의 부하실 험 및 무부하 발전량 성능시험의 2종을 실시하여 기본 성능을 평가하였다.

야간작업에서 소모되는 정확한 전력소모량을 확인하고 자 항내에 정박된 두 어선 (연성호, 진주호)에서 2012년 11월 1일 18시 10분부터 약 2시간 동안 실시하였으며, 이때 10 W의 백열등을 설치하여 태양광 발전장치가 가 동되지 않는 야간에 비 충전시의 부하시험을 수행하였다.

태양광 발전시스템에서 태양과 태양광 모듈이 수직 으로 위치할 때 발전량은 최대치가 된다. 따라서 태양 과 태양광 모듈이 이루는 각도는 발전량 효율에 영향을 끼치는 중요한 인자 중 하나이다. 육지의 경우 태양의 위치에 따라 최대 효율로 발전할 수 있도록 태양광 모 듈을 설치한다. 하지만, 해상의 경우 선박 및 해상구조 물에 태양광 발전시스템을 설치할 경우에는 파랑과 조 류 및 바람 등과 같은 외부의 영향인자로 인한 구조물 자체의 Pitching, Rolling등이 발생하여 최대 효율로 발 전량을 유지할 수 없다. 더불어 발전량이 일정하지 않 기 때문에 소비전력에 따른 발전시스템 규모 설계에 대 한 어려움이 있다. 따라서 본 연구에 활용된 어선에 태 양광 발전시스템을 설치하여 항해 시 어선의 이동방향 및 어선의 Pitching, Rolling에 따른 발전량을 테스트하 여 이들 사이의 상관관계를 도출하고자 무부하 발전량 성능실험을 실시하였다.

실험 방법은 초기 시작위치에서 동 (90 deg.), 서 (270 deg.), 남 (180 deg.), 북 (0 deg.) 방향으로 15분간 일정한 선속으로 이동하며 선박의 상부에 설치된 태양 광 모듈에서 발전량 데이터를 취득하였다. 또한 선박의 무게 중심위치에 기울기센서(Inclinometer: DAS MSENSIN) 를 장착하여 항해 시 선박의 종동요와 횡동요를 알 수 있는 Pitching, Rolling 데이터를 취득하였다. 이때, 기울기 센서는 동(+), 서(-)방향의 선박 동요를 Rolling, 남(+), 북(-)방향의 선박 동요를 Pitching으로 데이터를 얻을 수 있도록 설치하였다.

결과 및 고찰

비 충전시 부하시험

제주도 어선은 일반적으로 한치오징어 (Uroteuthis chinensis)조업 및 새벽조업에 있어서 주기관을 기동시 키기 위하여 설비된 전용배터리로부터 전원을 공급받 아 조명을 사용한다. 이 때 사용되는 태양광 발전장치 의 효과를 파악하기 위하여 야간에 비 충전시 부하시험 을 실시하였다.

비 충전 부하시험-연성호

10 W 백열등을 설치한 연성호에서는 배터리의 초기 전압이 13.13 V였으며 2시간의 시험이 종료되었을 때 의 전압은 12.87 V로 약 0.26 V가 낮아졌다. 실험 중 부하의 평균 소비전력은 9.71 W로 측정되었다. 또한 배터리의 평균소비전력은 9.97 W로 평균 손실전력량은 0.26 W로 측정되었다 (Fig. 6).

비 충전 부하시험-진주호

진주호에서는 배터리의 초기 전압이 13.14 V였으며 2 시간 동안의 시험 종료 시의 전압이 12.96 V로 전압은 약 0.18 V 낮아졌다. 실험 중 부하의 평균 소비전력이 9.49 W로 측정되었다. 또한 배터리의 평균 소비 전력은 10.03 W로 평균 손실전력량은 0.54 W로 측정되었다 (Fig. 7).

무부하 발전량 성능시험

항해방향 - 동쪽 (90 deg)

무부하 시의 발전량 실험은 연성호를 이용하여 2012 년 11월 3일 10시 13분부터 15분간 총 2.1 mile을 항해 하였으며 평균 선속 7.0 knot로 이동하였다 (Fig. 8). 날 씨는 쾌청하여 구름이 없는 상태였으나 해상상태는 약 1~2 m의 파고를 보이고 있었다. 이동시 태양의 위치는 선수를 기준으로 북동방향에 위치하였다. 최대 발전량 은 98.07 W이며 이때의 Pitching값은 -13.7°, Rolling은 16.5°을 보였다. 최소 발전량은 13.58 W로 Pitching -3.8° Rolling -3.6°으로 계측되었다. 아울러 평균 발전 량은 67.56 W로 관측되었다 (Fig. 9).

항해방향 - 서쪽 (270 deg)

실험은 2012년 11월 3일 10시 32분부터 15분간 총 2.3 mile을 항해하였으며 평균 선속 7.6 knot로 이동하 였다 (Fig. 10). 이동시 태양의 위치는 선수를 기준으로 남서방향에 위치하였다. 최대 발전량은 105.11 W이며, 이때의 Pitching은 -3.5° Rolling은 -12.5°로 나타났다. 최소 발전량은 53.15 W를 보였으며 Pitching -3.7° Rolling 20.2°일때 최소로 나타났다. 평균 발전량은 75.39 W로 관측되었다 (Fig. 11).

항해방향 - 남쪽 (180 deg)

실험은 2012년 11월 3일 9시 55분부터 15분간 총 2.4 mile을 항해하였으며 평균 선속 8.1 knot로 이동하 였다 (Fig. 12). 이동 시 태양의 위치는 선수를 기준으 로 북서방향에 위치하였다. 최대 발전량은 90.03 W이 고 이때의 Pitching은 -20.9°이며, Rolling은 11.4°로 나 타났다. 최소 발전량은 16.2 W로 이때의 Pitching은 -1.7° Rolling은 -6.8°로 나타났다. 평균 발전량은 59.59 W로 관측되었다 (Fig. 13).

항해방향 - 북쪽(0 deg)

실험은 2012년 11월 3일 11시 21분부터 15분간 총 2.0 mile을 이동하였으며 평균 선속 6.5 knot로 이동하 였다 (Fig. 14). 이동 시 태양의 위치는 선수를 기준으 로 남동방향에 위치하였다. 최대 발전량은 111.83W이 고 이때의 Pitching은 4.3° Rolling은 17.5°로 나타났다. 최소 발전량은 73.29 W로 나타났으며 Pitching은 -13.3° Rolling은 -15.8°에서 최소로 나타났다. 또한 평 균 발전량은 59.59 W로 관측되었다 (Fig. 15).

고 찰

해상의 태양광 발전시스템에 대한 연구는 등부표 전 력시스템 설계를 위해 접목하는 연구 (Jo and Oh, 2011)와 에너지 절감을 위한 LED집어등에 대한 연구 가 대표적이며, 태양광 발전시스템을 어선의 조업기기 에 접목한 연구결과는 드물다.

본 연구에서는 태양광 발전시스템을 어선에 접목하 고 어선용 작업등 또는 조명사용을 위하여 야간에 부하 시험을 실시하였다. 어선의 전체조명을 점등하지 않은 채 최소한 필요한 조명만을 사용한다는 것을 전제로 10 W 백열등을 설치하여 확인된 평균 소비전력은 대부분 이 백열등이 소모하는 전력량으로 나타났으며 평균 손 실전력량은 최대 0.54 W를 보였다. 따라서 작업등 6개 를 일시에 점등하는 효과를 가진 60 W급 작업등을 2시 간이상 사용하더라도 최대 1.56 V의 전압저하가 예상 되며 이는 주간에 이루어지는 충전으로 인하여 충분히 보충할 수 있는 전력량으로 확인되었다.

또한 항해 중에 실시된 무부하 시험에서는 태양광 패 널로 발전하여 배터리로 충전되는 최대 전력량은 북쪽 으로 항해하는 실험에서 나타났으며 최대 89.86 W의 전력량을 보였고 최소 전력량은 남쪽으로 항해 하는 실 험에서 나타났다 (59.59W). 이는 항해 중의 자연스러운 선미트림과 더불어 북동풍으로 인하여 발생한 파도의 진행방향을 거슬러 올라가는 상황에 맞닥뜨리면서 선 미트림이 한층 심화되어 태양광 발전패널이 태양과 수 직을 이루는 최적상태로 되어 나타난 현상으로 확인되 었다. 평균 전력량은 73.1 W로 나타나 200 W를 기준 으로 계산한 평균적인 효율은 36.55%를 보였다. 이는 정박 중에 태양광 패널이 충전하는 전력량을 관찰하여 확인한 효율 48%보다 약 10% 이상 감소한 것으로 항 해 중의 어선의 동요로 인하여 효율이 낮아지는 현상이 발생한 것으로 추정된다. Table. 1에 각 항해방향에 따 른 최대 전력량 및 최소 전력량과 rolling 및 pitching의 값을 정리하여 표시하였다.

본 연구의 대상인 태양광 발전장치는 2012년 8월 29 일 설치되었고, 설치 후 2개월의 내구성 시험을 거친 후 정상적인 작동상태에서 지금까지 기술한 결과를 얻 었다. 이 후 2013년 12월 까지 태양광발전장치를 설치 한 두 어선은 1년 이상의 기간을 전동릴을 사용한 주낙 과 한치조업에 활용되면서 태양광 패널 및 컨트롤러를 비롯한 주요 시스템은 열악한 해상환경에서도 고장이 나 파손이 없이 초기상태의 성능을 발휘하였고 최소한 1년 이상의 내구성을 지닌 것으로 파악되었다.

장기적인 주요부품의 내구성 시험과 조업을 통한 사 용기간 동안 어선의 유류절감 효과와 편의성에 대하여 설문을 통한 효과조사를 수행하였다. 외줄낚시어업에 사용되는 3톤급 어선인 진주호의 경우에는 일반적으로 1개월에 20일 가량을 조업하며, 이를 감안한다면 절감 되는 유류는 50리터로 연간 600리터의 절감효과가 있 는 것으로 파악되었다. 이는 순수하게 주기관을 구동시 키지 않고 작업등을 점등하여 절감할 수 있는 유류량이 다. 또한 전동릴을 사용할 경우에는 야간에 집에서 충 전한 소형배터리 4개를 지참하여 조업하러 나가게 된 다. 이러한 휴대용 소형배터리 충전을 위한 인력 및 시 간 절감도 편의성 향상을 통하여 높은 만족도를 주는 것으로 조사되었다. 즉, 배터리 4개를 교대로 충전을 위 해서는 야간에 지속적으로 숙면을 취할 수 없는 문제가 발생할 일이 없을 뿐만 아니라 충전에 필요한 가정용 전력을 절약하는 효과도 부수적으로 얻을 수 있다. 아 울러 가혹한 조건에서 사용되는 배터리는 성능저하가 빨라 연간 배터리 구입비를 절감할 수 있는 장점이 있 었다. 더불어 태양광발전장치를 활용한 시스템을 사용 한 이후 엔진을 구동할 필요가 없이 언제라도 작업용 전력을 공급받을 수 있다는 장점으로 인하여 현재까지 사용한 시스템 중 최고의 만족도를 주고 있다는 의견을 표명하였다.

한치오징어 낚시어업을 주로 하는 연성호의 경우에 는 어획 후 살아있는 한치오징어의 어창 보관 시에 생 존율 향상을 위하여 사용되는 어창용 등화의 점등을 위 하여 기존에는 엔진을 켠 상태로 조명을 사용했으나 태 양광 발전장치 설치 후 배터리 활용을 통한 유류절감을 최고의 효과로 꼽았다. 조업 시작으로부터 종료 때까지 18~24시까지 대략 6시간을 어창에 점등하고 야간에 어 획물 공매가 불가능할 경우에는 24~06시까지 추가적인 점등에 소요되는 주기관의 구동을 위한 유류소모가 없 으므로 절감 효과가 큰 것으로 확인되었다.

결 론

본 연구는 소형 어선을 위한 태양광 발전시스템 구축 과 해상시험을 통한 성능검증 및 태양광 발전시스템을 활용하여 어로작업에서 얻을 수 있는 유류절감 효과에 대하여 해상시험 및 장기적인 조사결과를 보였다. 3톤 급 어선에 구축된 200 W 발전량을 가진 태양광 발전시 스템이 야간조업시의 작업등을 점등하는 조건으로 수 행한 부하시험에서는 60 W급 작업등을 2시간이상 사 용할 수 있을 정도의 성능을 가진 것으로 나타났다. 실 해상에서 어선이 항해하는 조건으로 수행한 부하시험 에서는 최적의 기상조건에도 불구하고 태양광 발전시 스템은 약 36.55%의 발전효율을 가지는 것으로 파악되 었다. 태양광의 조사각도에 따라 변화하는 발전효율을 감안하더라도 상대적으로 낮은 효율이다. 본 연구 이후 2013년 3, 6, 9월에 실시한 추가적인 해상시험을 통해 밝혀진 결과는 본 연구결과와 큰 차이가 없었고 이를 통해 태양광 발전시스템 설치어선에서는 최대 50%이 상의 발전효율을 기대하기 어려운 것으로 확인되었다.

어선용 태양광 발전시스템의 유용성은 주간의 전동 릴 조업활용과 야간조업 시 주기관을 구동시키지 않으 면서 작업등을 사용하는 장점이 있는 것으로 확인되었 다. 그 뿐만 아니라 유지보수 비용의 절감과 지금까지 사용했던 자가충전 및 직접휴대 방법을 탈피함으로 얻 어지는 신체적인 피로저감과 전기요금 절감 등의 부수 적인 효과로 태양광 발전시스템 설치어선 선주들의 만 족도는 매우 높은 것으로 나타났다. 또한 엔진용 배터 리의 완전방전과 같은 불가피한 경우에 태양광 발전시 스템과 연계된 배터리를 사용함으로써 해난사고를 방 지하는 효과를 기대할 수 있다.

태양광 발전장치의 내구성에 대한 조사결과 태양광 패널 및 컨트롤러를 비롯한 주요 부품은 열악한 해상환 경에서도 지금까지 고장이나 파손이 없이 성능을 발휘 하고 있으며 최소 2년 이상의 내구성을 지닌 것으로 확 인되었다.

향후 최대 5시간 정도가 소요되는 하절기 한치오징 어 조업에 필요한 500 W 급의 집어등을 태양광 전원공 급장치로 개발하여 설치할 경우 뛰어난 효과를 발휘할 것으로 예상된다. 더불어 한치조업용 자동조획기의 전 원으로 활용가능한 대용량 태양광 발전시스템의 개발 이 필요한 것으로 여겨진다.