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선박 연료로서 LPG의 효용성 분석과 해상용 LPG 엔진의 위험성 평가에 관한 연구
No full text선박에서 발생하는 오염물질로 인한 환경피해로 대기오염 규제가 지속 강화되고 있으며, 다양한 친환경 연료의 사용을 위한 기술 개발이 진행 중에 있다. 2050년까지 온실가스 저감 목표 달성을 위해 장기적으로는 수소, 암모니아와 같은 무탄소 선박으로의 전환이 예상되나, 무탄소 선박의 상용화가 되기 전까지 브릿지역할의 친환경연료로서 액화석유가스(LPG)는 매력적이라 할 수 있다. LPG는 액화천연가스(LNG)와 유사한 수준의 대기오염물질 저감이 가능할 뿐만 아니라, 기존 연료 대비 연료 소모량과 연료 소모 비용을 저감시킬 수 있다. 또한, 연료 저장·수송의 용이성, 풍부한 공급 인프라, 소형부터 대형까지 선박 크기 제한 없이 광범위하게 적용 가능한 점 등의 많은 이점이 있다. 아울러, 선박에서 주로 사용하는 기존 연료와 비교해서는 누출 시 해양오염의 발생 위험이 없다. 하지만, 지금까지 선박 연료로서 LPG 사용에 대한 종합적인 연구 및 개발은 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 대한민국에 등록된 선박의 통계를 분석하여 LPG 연료로 전환 가능성이 높은 선박들을 분류하였다. 분류된 대상별 운항 형태(sailing profile)를 마련하고 연간 연료 사용 비용과 대기오염물질 저감효과를 산술적으로 분석한 결과, 모든 선박에서 연간 연료 사용량이 7.5%—10.4%까지 감소하였고, 연료비용 부문에서는 9.8%—59.8%까지 감소 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, LPG 연료 전환 시 기존 사용연료 대비 황산화물(SOX), 미세먼지(PM10), 초미세 먼지(PM2.5) 등 유해물질을 대부분 제거할 수 있고, 이산화탄소(CO2) 배출량도 모든 선박에서 약 10%—14% 내에서 저감효과가 있는 것을 알 수 있었다. 이러한 LPG 연료의 경제적·환경적 효과 및 경쟁력을 토대로, 특히, 어선 및 소형 선박에 있어 대체연료로서 충분히 고려해 볼 만하다.
국내 최초 LPG 추진선박에 장착하기 위해 개발 중인 200 kW 급 해상용 LPG 엔진 시스템을 대상으로 안전성 검증을 위해 공식안전성평가(FSA) 절차를 기반으로 3단계의 위험성 평가를 진행하였다. 1단계에서는 그룹 워크숍을 통해 전통방식의 고장 유형 및 영향분석(FMEA)을 수행하였고, 그 결과 총 89개의 위험요소를 식별하였다. 2단계에서는 1단계에서 수행한 FMEA의 주관성을 보완하기 위해 fuzzy TOPSIS FMEA 기법을 적용하였고, 근접도 계수의 크기에 따라 28개 그룹으로 위험 순위를 세밀하게 선정할 수 있었다. 3단계에서는 위험 순위가 높은 주요 위험요소에 대한 위험성 제어 방안을 마련하고 비용편익분석을 수행하였다. 그 결과, 주요 위험요소(부품)에 대한 주기적인 정비(교환)는 안전 요건으로 고려될 수 있는 경제적 기준의 범주 내에 있는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 제시한 위험성 평가 절차는 기존의 공식안전성평가 절차
와 비교하여 위험성 제어 수단이 필요한 주요 위험요소를 보다 객관적이고 효율적으로 선정하여 위험성 평가에 소비되는 시간을 단축시킬 수 있었다.
본 연구 결과가, 국내 연안선박의 대체연료로서 LPG를 고려할 수 있도록 국가 해운정책에 널리 활용되길 기대한다. 아울러, 본 연구에서 제안한 위험성 평가 기법의 경우, 앞으로 출현하게 될 다양한 LPG 연료 엔진 시스템에 대하여 위험성 평가를 수행하는 데 표준절차로 활용될 수 있을 것이다.1. 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 동향과 목표 4
1.3 논문의 구성 6
2. 선박 연료로서 LPG의 타당성 분석 7
2.1 LPG의 성분 특성 7
2.2 LPG의 시장 경쟁력 8
2.3 LPG 특성을 고려한 선박 연료로서 사용 가능성 10
2.4 선박 연료로서 LPG 사용을 위한 기준 및 기술 현황 12
2.4.1 선박 연료로서 LPG 사용을 위한 규정 현황 12
2.4.2 해상용 LPG 연료 엔진 개발현황 16
3. LPG 연료 사용에 따른 경제적 효과 분석 23
3.1 연구 개요 23
3.2 연구 방법 25
3.3 연구 결과 30
3.3.1 국내 LPG 연료 전환가능 선박 통계 분석결과 30
3.3.2 LPG 연료 사용에 따른 경제적 효과 분석결과 36
4. LPG 연료 사용에 따른 환경적 효과 분석 44
4.1 연구 개요 44
4.2 연구 방법 46
4.3 연구 결과 49
4.3.1 LPG 연료 사용에 따른 연간 배출가스 저감효과 49
4.3.2 LPG 연료 사용에 따른 사용 유종별 배출가스 저감효과 51
5. 해상용 LPG 엔진의 위험성 평가 55
5.1 연구 개요 55
5.2 연구 대상 59
5.3 연구 방법 63
5.3.1 고장 유형 및 영향분석(FMEA) 기법 65
5.3.1.1 FMEA 기법의 개요 65
5.3.1.2 LPG 엔진 시스템에 대한 FMEA 기법 적용 66
5.3.2 퍼지 이론(Fuzzy logic) 71
5.3.3 Fuzzy TOPSIS FMEA에 따른 위험순위 선정 72
5.3.3.1 Fuzzy TOPSIS FMEA의 개요 72
5.3.3.2 LPG 엔진 시스템에 대한 Fuzzy TOPSIS FMEA 기법 적용 75
5.3.4 공식안전성평가(FSA) 분석기법 77
5.3.4.1 FSA 분석기법의 개요 77
5.3.4.2 LPG 엔진 시스템에 대한 FSA 기법 적용 80
5.4 연구 결과 85
5.4.1 FMEA 결과 85
5.4.2 Fuzzy TOPSIS FMEA 분석결과 95
5.4.3 주요 위험요소에 대해 개발된 위험성 제어 방안의 평가결과 97
6. 검토 및 고찰 100
6.1 선박 연료로서 LPG의 특성 및 타당성 100
6.2 선박 연료로서 LPG 사용을 위한 안전규정 및 기술개발 101
6.3 LPG 사용에 따른 경제적·환경적 효과 103
6.4 해상용 LPG 엔진의 위험성 평가 104
7. 결 론 109
참 고 문 헌 111Docto
A Study on the Recognition of Internal Stakeholders for the Change of Manpower Demand in Container Terminal of Busan Port
No full text항만 컨테이너 터미널 산업은 선박의 대형화, 대형 선사들의 연합, 동맹 재편과 컨테이너 물동량 증가로 치열한 경쟁이 발생하고 있다. 최근 혁신적 조직 문화 확산으로 인해 재택근무 확대, 공유오피스, 근로자 출퇴근 시간을 자유롭게 조정할 수 있는 유연근무제 등 새로운 근무변화에 맞는 인력 조직개편을 도입하는 기업들이 증가하고 있는 추세이다.
또한 4차 산업혁명에 따른 기술혁신과 지속적인 경영을 중요시하는 ESG, 장시간 근로, 안전, 중대재해 등 법률 강화, 자동화와 디지털 기술을 기반으로 새롭게 개발되는 스마트 항만 등 다양한 내·외부 요인의 영향으로 인적자원 개발 및 관리 측면에서 큰 변화가 예상되는 만큼 인력운영의 효율적 전략이 더욱 중요해 지고 있다.
본 연구는 컨테이너 터미널 인력수요에 대한 내·외부적 변화요인을 분석·검토하고 해당 요인들에 대하여 부산항 컨테이너 터미널에 직접 종사하고 있는 내부이해관계자들의 인식을 실증 분석하여 효율적인 인력운영에 대한 제도적 방향과 시사점을 제시하고자 한다.
이를 위해 부산항에 직접 종사하는 터미널 내부이해관계자에게 260부의 설문지를 온라인 및 현장방문 설문 방식으로 배포하였으며, 기존 컨테이너 터미널 인력운영과 관련한 선행연구 및 일반 기업 조직 인력운영과 관련한 선행연구를 통해 도출한 요인을 바탕으로 이해관계자를 사무직과 현장직으로 구분한 뒤 T-test 분석과 다중회귀분석을 진행하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
첫째, 내부 이해관계자를 사무직과 현장직으로 구분하여 인력수요 변화에 대한 T-test 분석결과 통계적으로 유의한 인식차이가 있는 것으로 나타났다.
둘째, 다중회귀분석을 통해 사무직의 경우 법률규정, 기술발달, 조직문화 요인이 통계적으로 유의한 것으로 나타났으며, 현장직의 경우 기술발달 요인이 유의하게 나타났다.
본 연구는 컨테이너터미널 인력수요에 대한 내·외부적 변화요인을 설문조사를 통해 사무직과 현장직간 인식차이를 알아보았으며, 분석결과를 바탕으로 인력수요 변화요인에 대한 다양한 시사점을 도출하였다.
향후 내부이해관계자들의 인력수요 변화에 관련해서 조직혁신 및 체질개선의 과정, 오랜 기간의 관행 속에서 겪게 되는 혁신저항을 포함하여 혁신을 수용할 때까지 미치는 요인들을 행동이론 및 조직적 관점에서 탐색할 필요가 있다. 최종적으로는 본 인식차이 연구와 향후 연구방향을 통해 컨테이너 터미널 내부이해관계자 모두가 상호 Win-Win 할 수 있는 연구들이 지속적으로 활발히 진행되었으면 한다.제 1 장 서론 1
제1절 연구 배경 및 목적 1
제2절 연구의 방법 및 구성 3
제 2 장 이론적 배경 6
제1절 컨테이너터미널 대외적 환경변화 6
1. 컨테이너 터미널 ESG 경영 6
2. 법률규정 7
3. 스마트항만 8
4. 스마트항만 기술 동향 10
5. 스마트항만 국내 동향 19
6. 4차 산업혁명 22
제2절 부산항 컨테이너터미널 현황 분석 27
제3절 컨테이너터미널 인력수요 변화요인 관련 선행연구 31
1. 인력수요 변화의 내·외부적 요인에 관한 선행연구 31
2. 일반 기업 인력에 관한 선행연구 33
3. 컨테이너터미널 인력에 관한 선행연구 34
4. 선행연구와의 차별점 36
제 3 장 조사 설계 및 분석방법 39
제1절 설문조사 개요 39
1. 자료의 수집 39
2. 세부 평가속성 도출 39
3. 설문응답자 일반특성 40
제2절 분석방법 42
1. 요인분석 42
2. T-test 분석방법 43
3. 다중회귀분석 44
제 4 장 실증분석 45
제1절 분석개요 45
제2절 탐색적 요인분석 및 신뢰성 분석 46
제3절 T-test 분석 49
제4절 다중회귀분석 50
제5절 분석결과 정리 57
제 5 장 결론 59
제1절 연구결과의 요약 및 시사점 59
제2절 연구의 한계점 및 향후 연구방향 62
참고문헌 63
국문초록 72Maste
Development of anomaly detection algorithm for hydraulic accumulator of marine engine
No full text선박에 대한 환경 규제가 강화됨에 따라, 선박의 에너지 효율 개선을 위한 노력으로 선박의 주기관에서는 전 부하 영역에서 효율을 높이기 위하여 전자 제어 엔진이 사용되고 있다. 즉, 모든 부하 조건에서 목적에 따라 연소과정을 다양하게 제어하여 연소 효율을 높이면 연료소비량이 감소하게 된다. 이를 통해, 엔진 운용 비용을 절감할 수 있으며, 배출되는 배기가스량을 경감할 수 있다.
전자제어 엔진의 필수 구성요소인 유압축압기는 압력 충격 맥동 완화, 시스템 압력 유지, 진동 감쇠 등의 이점으로 인해 전자제어 엔진에서 필수적으로 쓰이는 부품이다. 하지만, 선박 엔진의 경우 대양에서의 운항 조건에 따른 극심한 진동과 압력 충격 등으로 인해 기계 고장 또는 제어시스템 이상을 일으킬 수 있다. 이로 인해, 압력 맥동이 비정상적으로 높아지는 기간을 가지게 되면 피로수명 감소로 인해 파단이 발생하여 엔진을 정지해야 하는 상황이 발생할 수도 있다.
따라서, 이번 연구에서는 유압축압기에 4개의 strain gauge를 설치하여 얻은 응력값 데이터를 바탕으로 데이터 전처리 후 이상 감지할 수 있는 알고리즘을 개발하였다.
각 strain gauge의 응력값의 차이가 임계값을 넘어서는 것을 통해 이상 감지가 가능하다는 것에 착안하여, 머신러닝의 분류 모델인 SVM, Randomforest, 인공신경망을 통해 이상 감지가 가능함을 확인하였다. 또한, 예측 모델인 딥러닝의 LSTM, GRU를 통한 미래 예측 데이터가 임계값을 넘어서는 것을 통해 이상 감지가 가능함을 확인하였다. LSTM과 GRU 모델 중에서는 GRU 모델 사용 시, 파단 약 1.4시간 전에 파단을 예측할 수 있음을 확인하였다.
본 연구를 통해 개발된 알고리즘을 바탕으로, 유압축압기의 피로 파손의 원인이 되는 극심한 압력 맥동 현상에 대한 고장 시기를 예측하고, 이상 감지를 수행하여 제품 파손을 미연에 방지하고 비용 손실을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.1. 서론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 선행연구 검토 9
2. 실험 방법 14
3. 이상 감지 알고리즘 개발을 위한 이론 및 모델링 21
3.1 머신러닝 및 딥러닝 21
3.1.1 SVM 22
3.1.2 Random forest 24
3.1.3 인공신경망(ANN) 26
3.1.4 순환신경망(RNN) 33
3.1.5 LSTM(Long Short-Term Memory) 35
3.1.6 GRU(Gated Recurrent Unit) 37
3.1.7 모델 성능 평가 지표 38
3.2 모델링 40
3.2.1 데이터 전처리 40
3.2.2 SVM 모델의 생성 48
3.2.3 Random forest 모델의 생성 49
3.2.4 인공신경망(ANN) 모델의 생성 49
3.2.5 LSTM, GRU 모델의 생성 51
4. 실험 결과 53
4.1 SVM 모델을 이용한 이상 감지 53
4.2 Random forest 모델을 이용한 이상 감지 53
4.3 인공신경망(ANN) 모델을 이용한 이상 감지 54
4.4 LSTM, GRU 모델을 이용한 이상 감지 57
5. 결론 61
참고문헌 63Maste
A Study on the Improvement of Corrosion and High-temperature Mechanical properties of Al-Cu alloys with Diffusion behavior of Transition elements
No full text상용 Al-Cu 합금들은 우수한 주조성 및 가공성과 시효 경화를 통한 높은 비강도를 바탕으로 자동차 산업에서 핵심 경량 구조 소재로 널리 사용되고 있다. 하지만, Al-Cu 합금들은 다른 구조 소재에 비해 고온 및 부식 환경과 같은 가혹한 작동 환경에 대한 저항성이 낮아 소재 적용의 범위가 제한적이다. 따라서, Al-Cu 합금들의 적용 범위를 확장 시키기 위해서는 소재의 재료학적 문제점들을 개선할 수 있는 합금 설계에 관한 연구가 필수적이다. 본 연구는 Al-Cu 합금의 작동 온도 및 환경 범위를 확장 시키기 위해 소재의 고온 기계적 및 부식 특성을 향상 할 수 있는 최적 합금 조성을 검토하고, 이에 대한 재료 특성 평가를 기반으로 산업 분야에서 신뢰성 및 안전성이 확보된 합금을 설계하고자 한다.
θ′석출물의 미세화 및 열 안정성 향상은 고온 및 부식 환경 적용을 위한 새로운 Al-Cu 합금 개발에서 매우 중요한 요소이다. 따라서, 주요 강화 θ′석출물에게 열적 안정성을 효과적으로 제공할 수 있으며, 동시에 알루미늄 합금의 부식 특성을 동시에 향상할 수 있는 첨가 원소들을 기준으로 Cr, Mn 및 Zr 전이 원소들을 선택했다. 열역학적 시뮬레이션을 통해 각 원소들의 적합 첨가량을 도출했으며, 이를 바탕으로 단일 및 복합 조합으로 이루어진 Al-Cu, Al-Cu-Cr, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Zr, Al-Cu-Cr-Zr 및 Al-Cu-Mn-Zr 합금들을 제작했다.
본 연구에서는 설계 합금들의 인공 시효 및 열처리 노출 온도 (250℃~350℃)에 따른 경도와 압축 항복 강도 평가를 통해 전이 금속 원소 조합에 따른 기계적 특성 향상 효과를 분석했다. Zr 원소의 단독 첨가에 따른 Al-Cu 합금의 강도 향상은 미미했으나, Cr 또는 Mn의 단독 첨가는 Al-Cu 합금의 항복 강도를 약 70~100MPa 향상 시켰다. 투과전자현미경 및 원소 분포 (STEM-EDS) 분석에 의하면 Cr과 Mn 원소들은 인공 시효 과정에서 강화 θ′석출물의 계면에 편석 되어 계면 에너지를 감소시킴으로써 Al-Cu 합금의 석출 경화 속도를 가속화 했기 때문이다. 열 노출 온도에 따른 설계 합금들의 경도 특성을 비교한 결과, Al-Cu-Zr 합금은 250℃에서, Al-Cu-Cr 및 Al-Cu-Mn 합금들은 350℃에서 각각 급격한 경도 하락을 보였다. 하지만, Al-Cu-Cr-Zr 및 Al-Cu-Mn-Zr 합금들은 모든 열 노출 온도에서 안정적인 경도 변화를 보였으며, 특히 350℃ 열 노출 후의 경도 특성이 기존 Al-Cu 합금 대비 44.9 Hv에서 110Hv로 향상 된 것을 확인했다.
첨가 원소들의 시너지 효과를 확인하기 위한 원자단층현미경 (APT) 분석에 의하면, Cr과 Mn은 우선적으로 고온에서 Al-Cu 합금의 θ′석출물의 계면에 편석 되어 계면 에너지를 낮췄으며, Zr의 편석을 촉진시키는 것을 확인했다. 연속적으로, Zr은 300~350℃의 고온에서 계면 편석을 통한 안정적인 확산 장벽을 제공하여 석출물의 열적 안정성을 향상 시키는 것을 확인했다. 이와 같은 원소들의 시너지 효과를 바탕으로 Al-Cu-Cr-Zr 및 Al-Cu-Mn-Zr 합금들이 소재의 고온 기계적 특성 향상에 효과적인 조성임을 도출했다.
마지막으로, 설계 합금들의 내식성 평가를 위해 ISO/ASTM 기반 가속 침지 및 염수 분무 시험을 수행하여 Al-Cu-Cr-Zr 및 Al-Cu-Mn-Zr 합금들의 부식 저항성이 가장 향상된 것을 확인했다. 글로우방전분광분석 (GD-OES)을 통해 Cr과 Mn은 Al-Cu 합금의 산화피막 형성에 기여하여 부식 환경에서 효과적인 차폐 역할을 수행하는 것을 확인했다. 이상의 내식성 평가를 뒷받침하기 위한 전기화학적 평가에서도 Al-Cu-Cr-Zr 및 Al-Cu-Mn-Zr 합금들이 가장 낮은 부식 전류 및 높은 부식 전위를 보였으며, 타 설계 합금 대비 높은 값의 분극 저항을 보였다.
결과적으로, 본 연구는 Al-Cu 합금의 고온 기계적 및 부식 특성을 향상할 수 있는 첨가 원소 조합을 도출했으며, 각 원소들이 Al-Cu 합금의 고온 기계적 및 부식 특성을 향상시키는 메커니즘을 제시했다. 이를 통해 도출된 합금 조성에 관한 유효성을 제시할 수 있었다. 따라서, 본 연구 결과를 바탕으로 다양한 산업 분야 적용을 위한 Al-Cu 합금 설계 및 다양한 알루미늄 합금 설계 방안에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.1. 서론 1
1.1 자동차용 경량화 소재의 동향 1
1.2 자동차 산업에서 Al-Cu 합금의 연구 동향 4
1.3 연구 목적 7
2. 이론적 배경 8
2.1 알루미늄 합금의 분류 8
2.1.1 알루미늄 합금의 종류 9
2.1.2 알루미늄 합금 원소의 효과 11
2.2 알루미늄 합금의 열처리 공정 15
2.2.1 어닐링 (Annealing) 16
2.2.2 용체화 처리 (Solution treatment) 16
2.2.3 급랭 (Quenching) 17
2.2.4 시효 처리 (Aging treatment) 17
2.3 Al-Cu 합금의 재료학적 특징 19
2.3.1 Al-Cu 합금의 석출 경화 19
2.3.2 Al-Cu 합금의 θ′석출물의 특성 20
2.3.3 Al-Cu 합금의 부식 거동 22
3. 합금 설계 방안 및 접근 방법 25
3.1 미세 합금 (Micro-alloying) 전략 25
3.1.1 첨가 합금 원소의 선택 기준 26
3.1.2 열역학적 계산 30
3.2 설계 합금의 제작 방법 30
3.2.1 주조 방안 33
3.2.2 조성 분석 34
4. 전이 원소 (Cr, Mn, Zr)의 첨가 조합에 따른 Al-Cu 합금의 기계적 특성 35
4.1 연구 목적 35
4.2 실험 방법 36
4.2.1 시험편 제작 36
4.2.2 열처리 및 열 노출 조건 36
4.2.3 경도 시험 37
4.2.4 압축 시험 38
4.2.5 미세구조적 분석 방법 38
4.3 결과 및 고찰 40
4.3.1 인공 시효 및 열 노출에 따른 Al-Cu 합금들의 경도 변화 분석 40
4.3.2 인공 시효 및 열 노출에 따른 Al-Cu 합금들의 항복 강도 분석 42
4.3.3 인공 시효 및 열 노출에 따른 Al-Cu 합금들의 미세구조적 특성 분석 44
4.3.4 DSC 분석을 통한 θ′석출물의 열적 안정성 분석 60
4.3.5 용질 편석과 Al-Cu 합금들의 미세구조적 안정성의 상관관계 분석 63
4.3.6 Al-Cu 합금의 항복 강도에 대한 첨가 원소들의 기여도 분석 69
5. 전이 원소 (Cr, Mn, Zr)의 첨가 조합에 따른 Al-Cu 합금의 부식 특성 79
5.1 연구 목적 79
5.2 실험 방법 80
5.2.1 시험편 제작 80
5.2.2 열처리 조건 80
5.2.3 침지 시험 81
5.2.4 염수 분무 시험 (Salt Spray Test, SST) 81
5.2.5 전기화학적 분석 82
5.2.6 미세구조적 분석 방법 83
5.2.7 부식 생성물 분석 84
5.2.7 Al-Cu 합금의 산화피막 특성 분석 방법 84
5.3 결과 및 고찰 85
5.3.1 Al-Cu 합금들의 침지 시험 결과 85
5.3.2 Al-Cu 합금들의 염수 분무 시험 결과 86
5.3.3 Al-Cu 합금들이 침지 시험에 따른 미세구조 분석 91
5.3.4 Al-Cu 합금의 부식 메커니즘 93
5.3.5 Al-Cu 합금들의 염수 분무 노출에 따른 산화피막 특성 분석 95
5.3.6 Al-Cu 합금들의 Open circuit potential (OCP) 분석 99
5.3.7 Al-Cu 합금들의 Potentiodynamic polarization 분석 100
5.3.8 Al-Cu 합금들의 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS 분석) 107
6. 결론 107
참고 문헌 110Maste
Design of IMC-Based PID Controllers for FOPTD and SOPTD Models
No full textCompared to other controllers, PID controllers have been widely used in most industries since their structure is simple and can be operated relatively easily by field engineers. Generally, if the gain is increased to improve the performance of a PID controller, the overshoot increases, and sometimes the system becomes unstable. Conversely, if the gain is reduced, the response speed slows down and steady state errors exist, which can worsen performance. Therefore, in controller design and tuning, it is necessary to properly compromise this counter-relationship. A basic PID controller has three adjustment parameters: proportional gain, integral time, and derivative time. These must be adjusted harmoniously to improve the response performance of the system and ensure stability. However, it is not easy to properly balance the three parameters. Among the many methods to overcome this, control methods that have been used a lot recently are IMC-based PID control and DS-based PID control. The DS method adjusts the time constant of the desired closed loop transfer function to adjust the 3 parameters of PID control, and the IMC method adjusts the IMC filter time constant. In other words, what these two methods have in common is that they only have one adjustment variable to adjust the three parameters of the PID controller. Therefore, after designing a PID controller, the method of tuning the three parameters is generally easier than the other methods. However, in general, the DS method is often more complicated than the IMC method in the process of developing a formula to obtain the parameters of a controller. Therefore, in this paper, IMC-based PID controller design and tuning technique based on IMC principles is proposed. To verify the validity of the proposed method, it was applied to two FOPTD models and two SOPTD models. The proposed controller is compared to the controller proposed by Lee and Skogestad for FOPTD models, and the controller proposed by Louis Ben and Skogestad for SOPTD models.Chapter 1. Introduction
Chapter 2. Basic PID control system
Chapter 3. Proposed PID Controller Design
Chapter 4. Performance evaluation
Chapter 5. Simulation
Chapter 6. ConclusionMaste
A Study on Risk Assessment Method to Achieve Safety of Artificial Intelligence in Maritime Sector
No full text최근 해양 분야는 해상의 안전과 환경보호, 물류의 효율화를 위하여 다양한 규제를 강화함과 동시에 ICT 기술을 적극적으로 도입하고 있다. 특히 4차 산업혁명과 인공지능의 발전은 해양 분야에서도 자율운항선박의 도입을 앞당기고 있으며, IMO에서는 자율운항선박을 위한 신규 강제 요건인 “MASS Code”의 제정과 도입을 예고하고 있다. 이러한 자율운항선박의 안전한 항해를 위해서는 선박에 탑재되는 다양한 시스템들에 대한 안전이 보장되어야 한다.
시스템의 안전을 확보하기 위해 자동차나 철도 분야 등에서는 산업 분야의 특성에 맞는 별도의 표준을 마련하여 시스템의 요구사항을 도출하는 순간부터 안전 요구사항을 식별하고, 시스템을 개발하는 전 과정에서 안전 요구사항을 만족하는지 확인하는 과정을 거치도록 요구하고 있다. 특히 자동차 분야에서는 최근에 자율주행 자동차가 활성화됨에 따라 소프트웨어 시스템의 내부 기능에 실패가 없음에도 불구하고 센서나 주변 환경에 의해 오류가 발생하는 상황에 대응하기 위한 표준을 새롭게 마련하기에 이르렀다. 해양 분야에서는 선체의 구조 및 시설물에 대한 안전이나 운영에 대한 안전을 위한 규정은 다양하게 마련되어 안전을 확보하도록 요구하고 있으나, 소프트웨어 시스템에 대한 안전을 확보하기 위해서 더 관심과 노력이 필요한 상황이다.
자동차 분야에서는 자율주행 자동차가 도입됨에 따라 차량 소프트웨어 시스템에 인공지능이 도입되기 시작하였고, 소프트웨어 시스템의 내부 기능에 실패가 없음에도 불구하고 센서나 주변 환경에 의해 오류가 발생하는 상황에 대응하기 위한 새로운 표준인 ISO 21448(SOTIF)을 새롭게 제정하였으며, 위험성 평가 방법을 이용하여 주변 환경에 의해 오류가 발생하는 상황을 도출하는 방법을 제시하였다.
소프트웨어 시스템의 안전을 확보하기 위해서는 시스템을 기획하는 단계에서부터 잠재적인 위험이 어떤 것인지 찾아내고, 그 위험에 대처할 수 있도록 시스템을 설계하고 구현해야 한다. 특히 잠재적인 위험을 식별하고 평가하는 체계적인 방법인 위험성 평가 방법은 소프트웨어 시스템의 안전을 확보하기 위한 첫걸음이라 할 수 있다. 시스템의 잠재적인 위험을 찾아내는 단계에서 주로 활용하고 있는 전통적 위험성 평가 방법은 시스템의 특정 컴포넌트가 사고의 원인이라는 전제로 하는 경우가 일반적이다. 하지만, 시스템의 규모가 커지고 복잡해지면서 사고를 유발할 수 있는 요인들이 시스템뿐만 아니라 여러 시스템 외적인 요인들이 결합하여 발생함에 따라 위험을 복합적인 시각에서 분석하는 STPA 방법이 고안되었다.
이 논문에서는 자율운항선박의 도래에 맞추어 고도로 지능화된 시스템 및 인공지능 기술이 포함된 시스템에 대해 내부의 고장, 사람, 환경요소, 인공지능의 특성, 데이터 품질 관점에서 위험을 효율적으로 식별하고 평가하는 방법을 제안한다. 제안하는 방법을 통해 해양 분야의 소프트웨어 시스템에 대한 안전을 확보하고, 나아가 자율운항선박의 안전한 항해를 위한 첫걸음이 될 수 있을 것이다.1. 서론 1
1.1 해양 분야의 인공지능 도입 배경 1
1.2 연구목적 및 범위 3
2. 연구 동향 및 관련 이론 7
2.1 자동차 분야의 안전 확보 동향 7
2.1.1 자동차 시스템의 기능안전 8
2.1.2 의도된 기능의 안전(SOTIF) 9
2.2 철도 분야의 안전 확보 동향 11
2.2.1 철도 시스템의 기능안전 12
2.2.2 철도 소프트웨어의 안전 14
2.3 해양 분야의 안전 확보 동향 15
2.3.1 공식 안전 평가(FSA) 15
2.3.2 e-navigation과 소프트웨어 품질 보증 18
2.3.3 자율운항선박과 선급 가이드라인 19
2.3.4 자율운항선박의 안전 운항 연구 21
2.4 위험성 평가 방법 24
2.4.1 FMEA 방법 26
2.4.2 HAZOP 방법 27
2.4.3 STPA 방법 29
2.5 인공지능 연구 동향 32
2.5.1 인공지능의 개념 및 발전 32
2.5.2 인공지능 기술의 표준화 34
2.5.3 인공지능의 안전 및 위험관리 36
2.6 인공지능 기반 소프트웨어의 특징 41
3. 해양분야 인공지능 안전을 위한 위험성 평가 방법 45
3.1 해양 분야의 특징과 새로운 위험성 평가 방법의 필요성 45
3.1.1 다른 산업 분야와 구분되는 해양 분야의 특징 45
3.1.2 새로운 위험성 평가 방법의 필요성 47
3.2 해양분야 인공지능 안전을 위한 위험성 평가 방법(RA4MAIS) 49
3.2.1 예상 위험 정의 52
3.2.2 위험 요인 도출 53
3.2.3 불안전 행동 분석 54
3.2.4 위험 등급 평가 57
3.3 RA4MAIS 방법을 이용한 위험성 평가 예시 60
4. 웹기반 RA4MAIS 실행 도구의 개발 69
4.1 웹기반 RA4MAIS 실행 도구의 개요 69
4.2 웹기반 RA4MAIS 실행 도구의 사용 70
5. 사례 연구를 통한 방법 간의 비교 및 분석 77
5.1 위험성 평가 대상 시스템 선정 77
5.2 위험성 평가 대상 시스템 정의 80
5.3 인공지능이 적용된 충돌회피 시스템에 대한 위험성 평가 83
5.3.1 HAZOP 방법을 이용한 위험성 평가 84
5.3.2 RA4MAIS 방법을 이용한 위험성 평가 93
5.4 위험성 평가 결과에 대한 고찰 124
5.4.1 도출된 위험의 수량 관점 124
5.4.2 자율운항선박의 안전운항에 영향을 미치는 요인 관점 125
5.4.3 인공지능의 위험 요인 관점 132
6. 결론 및 향후연구 135
7. 참고문헌 139
8. 부록 149
A.1 인공지능 기반 기본 제어구조 모듈 149
A.2 위험성 평가 지원 모듈 150
A.2.1 이해관계자 모듈 150
A.2.2 시스템 기능 모듈 151
A.2.3 인공지능 기능 모듈 152
A.2.4 행동 방식 모듈 155
A.2.5 환경/조건 모듈 156
A.3 웹기반 RA4MAIS 실행 도구 사용 화면 159
A.4 논문에 삽입된 그림들 177
9. 국문 초록 235Docto
Study of Conjugated Polymer Nanowire-based Thin Film Transistors with Enhanced Mobility and its Application
No full textOrganic semiconductors have recently drawn considerable attention due to their advantages of lightweight and flexibility. Especially, solution processable semiconducting polymers are potential candidates for future electronics due to their low-cost and large-area processability. However, semiconducting polymer-based electronic devices exhibit inferior performance to inorganic- and small molecule-based devices. Furthermore, fabricating CMOS inverter, the most basic logic gate, with semiconducting polymers still remains challenge due to a lack of region selectivity of spin coating method which is widely used for polymer-based device fabrication. Therfore, a new methodology to fabrciate high-performance polymer electronics with high region selectivity is needed for all-polymer electronic devices and logic circuits.
In this work, semiconducting polymer nanowires were fabricated via PDMS stamping strategy. Both of DPP-DTT (p-type) and N2200 (n-type) semiconducting polymers are used to fabricate nanowires. The molecular aligned feature of fabricated nanowires was revealed using polarized optical microscope and polarized UV-vis spectroscopy. Additionally, XRD diffraction pattern also revealed that polymer chains of nanowires are aligned in well-ordered edge-on phase. The electrical characteristics were also analyzed by measuring polymer nanowire-based thin-film-transistors (TFT). The spin-coated film-based TFTs were also used as control group. Polymer nanowire-based TFTs exhibit much superior electrical performance, including near-zero VTH, lower SS, higher on/off ratio, compared to spin-coated film counterparts. In particular, DPP-DTT nanowire-based device showed 570 times enhanced mobility and N2200 nanowire-based device showed 650 times enhanced mobility. This superior performance is attributed to aligned molecules in polymer nanowires. Furthermore, semiconducting polymer-based complementary inverters are easily demonstrated due to high region selectivity of our method. The electrical characteristics of complementary inverter were compared depends on the substrates. The polymer-based complementary inverters with glass substrate exhibit acceptable voltage gain of 16, high noise margin and almost ideal switching voltage. These results can show a new strategy for polymer-based electronics and logic circuits.|경량성과 유연성 등의 장점으로 인해 유기물 반도체는 최근 많은 관심을 받고 있다. 특히 용액 공정이 가능한 고분자 반도체의 경우 저비용 및 대면적 공정 가능성으로 인해 미래 전자 소자의 유망한 후보로 주목받고 있다. 그러나 고분자 반도체 기반 전자 소자는 무기물 및 저분자 반도체 전자 소자에 비해 여전히 낮은 성능을 보이고 있다. 또한 고분자 반도체 용액 공정에 널리 사용되는 스핀 코팅 방식의 위치 선택성의 부족으로 인해 기본적인 논리 게이트의 하나인 상보형 인버터 제작은 여전히 어려움이 있다. 그러므로, 고분자 반도체만으로 전자 소자를 제작하기 위해서는 고성능의 고분자 반도체 전자 소자를 원하는 위치에 제작할 수 있는 새로운 방법이 필요하다.
본 연구에서 PDMS 스탬핑 전략을 이용하여 원하는 위치에 고분자 나노와이어를 제작하는 데 성공하였다. P-타입 고분자 반도체인 DPP-DTT와 n-타입 고분자 반도체인 N2200를 이용하여 고분자 나노와이어를 제작하였으며, 편광 광학 현미경과 편광 자외선-가시광선 분광법을 이용하여 제작된 고분자 나노와이어의 분자 정렬 특성을 분석하였다. 추가적으로, X선 회절 패턴을 통해 고분자 나노와이어 내부의 고분자 사슬이 edge-on 형상으로 잘 정렬되어 있음이 확인되었다. 고분자 나노와이어의 정렬 특성이 전기적 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 고분자 나노와이어 기반 박막 트랜지스터를 제작하고 그 전기적 특성을 평가하였으며, 비교를 위해 스핀 코팅 박막 트랜지스터 또한 평가하였다. 비교 결과, 고분자 나노와이어 기반 박막 트랜지스터가 스핀 코팅 박막 소자에 비해 0에 가까운 문턱 전압, 낮은 SS, 높은 on/off ratio 등의 우수한 전기적 성능을 보였고, 특히 이동도의 경우 나노와이어 기반 소자가 DPP-DTT 나노와이어 기반 소자의 경우 약 570배, N2200 나노와이어 기반 소자의 경우 약 650배의 이동도 향상을 나타냈다. 나노와이어 기반 소자의 우수한 전기적 특성은 나노와이어의 고분자 사슬 정렬 특성으로부터 기인한 것으로 보인다. 본 연구에서 사용한 나노와이어 제작 공정의 우수한 위치 선택성으로 인하여 손쉽게 고분자 기반 상보형 인버터를 제작할 수 있었으며 기판의 종류에 따른 고분자 상보형 인버터의 전기적 특성 또한 비교하였다. 비교 결과, 유리 기판에 제작한 고분자 상보형 인버터가 약 16의 높은 전압 이득, 높은 잡음 여유 및 거의 이상적인 스위칭 전압 값을 가지는 것이 확인되었다. 이러한 실험 결과들은 고분자 반도체 기반 전자 소자와 논리 회로 제작에 새로운 전략을 제시할 수 있을 것으로 보인다.1. 서론 1
1.1 이론적 배경 1
1.1.1 유기물 반도체 (OSC, Organic Semiconductors) 1
1.1.2 고분자 기반 박막 트랜지스터 (PTFT) 3
1.1.3 공중합체, 공액 고분자 (Copolymers, Conjugated Polymers) 5
1.1.4 CMOS 인버터 7
1.2 연구의 필요성 13
1.2.1 고분자 기반 박막 트랜지스터의 한계점 13
1.2.2 연구 동향 14
1.3 본 연구의 제안 16
2. 실험 재료 및 방법 17
2.1 실험 재료 17
2.1.1 PDMS 17
2.1.2 DPP-DTT, P(NDI2OD-T2) 18
2.1.3 PMMA 19
2.2 실험 방법 20
2.2.1 PDMS 스탬프 제작 20
2.2.2 소스/드레인 전극 증착 21
2.2.3 고분자 반도체 활성층 및 게이트 절연막 형성 22
2.2.4 게이트 전극 증착 23
2.3 측정 방법 24
2.3.1 원자 힘 현미경 (AFM, Atomic Force Microscope) 24
2.3.2 주사 전자 현미경 (SEM, Scanning Electron Microscope) 26
2.3.3 자외선-가시광선 분광 광도계 (UV-vis spectrophotometer) 28
2.3.4 X선 회절 분석법 (XRD, X-ray Diffraction) 30
3. 결과 및 고찰 32
3.1 고분자 나노와이어 형성 32
3.1.1 고분자 나노와이어 제작 공정 메커니즘 32
3.1.2 고분자 나노와이어의 표면 형상 34
3.2 고분자 나노와이어의 정렬 특성 37
3.2.1 편광 광학 현미경 (Polarized Optical Microscope) 37
3.2.2 편광 자외선-가시광선 분광 광도계 (Polarized UV-vis) 39
3.2.3 X선 회절 분석법 (XRD) 41
3.3 고분자 나노와이어 기반 박막 트랜지스터 43
3.3.1 PMMA 게이트 절연막 43
3.3.2 PMMA 열처리에 따른 전기적 특성 46
3.3.3 스핀 코팅 박막 트랜지스터와의 성능 비교 49
3.4 고분자 나노와이어 기반 상보형 인버터 54
4. 결론 58
참고문헌 60
국문초록 65Maste
Comparison of resistance weldability and electrode-force control of aluminum alloy for automobile body
No full textThis study was performed to compare the resistance spot weldability of Al 5052-H32 alloy and Al 6014-T4 alloy used for automobile bodies and investigated the effect of electrode-force control. In general, the surface of the aluminum alloy has an oxide film several nm thick, and local heat input is generated at the electrode-sheet interface and the sheet-sheet interface. This reason carried out the problems such as contamination of the electrode surface, expulsion, defects in the weld metal, etc., and the weldability is poor. To improve the weldability of aluminum alloy in resistance spot welding, much research has been performed in terms of process and material, and the weldability could be improved than before. However, methods that can fundamentally improve weldability in terms of material are not presented, and the improvement methods suggested to improve weldability in terms of the process are practically difficult to apply to on-site process lines, and production costs increase. Therefore, this study compared the welding characteristics of the two alloys with different solute elements during resistance spot welding and investigated the factors that fundamentally hinder weldability, And also the effect of electrode-force control highly field-applicable was investigated.
First, as a result of examining the weldability of the Al 5052-H32 alloy and the Al 6014-T4 alloy, the Al 5052-H32 alloy, which has a relatively thick magnesium oxide film on the surface and contains a large amount of magnesium solute element, has a higher resistance to both contact resistance of the interface-sheet interface and sheet-sheet interface and intrinsic resistance of the sheet and electrode than the Al 6014-T4 alloy. Therefore, the Al 5052-H32 alloy has a larger nugget diameter at the same welding current as compared to the Al 6014-T4 alloy, but the surface contamination of the electrode is aggravated owing to local heat input. In addition, Al 5052-H32 alloy had more pores and shrinkage in the weld than Al 6014-T4 alloy, and longitudinal cracks were observed in the center of the nugget but had relatively excellent mechanical properties.
The second study investigated electrode-force type controls to improve the weldability of the aluminum alloy. It was found that a high electrode-force on squeeze time can collapse the Al2O3 oxide film on the surface. It can reduce defects in the nugget by about 42%, by reducing heat input energy, compared to the continuous electrode-force 4 kN (reference value). Also, with high electrode-force during the hold time, defects were reduced by about 80%, by increasing the cooling rate. The weld quality has a great influence on the electrode-force type control, and internal defects in the nugget are greatly affected by the electrode-force on hold time.1. 서론 1
1.1 연구 배경과 연구의 필요성 1
1.2 선행연구 4
1.3 본 연구의 목적 6
2. 이론적 배경 7
2.1 알루미늄 합금의 특성 7
2.1.1 알루미늄 합금의 사용 배경 7
2.1.2 알루미늄 합금의 물리·화학적 성질 8
2.1.3 알루미늄 합금의 분류 10
2.2 알루미늄 합금의 저항 점용접 12
2.2.1 저항 점용접의 용접 원리 및 특징 12
2.2.2 저항 용접부의 명칭 15
2.2.3 저항 용접의 공정변수 및 특징 17
2.2.4 알루미늄 합금과 강재의 동저항 곡선 19
2.2.5 너겟의 야금학적 해석 22
2.3 저항 용접부의 결함 24
2.3.1 고온 균열 24
2.3.2 기공과 수축공 25
3. 실험방법 26
3.1 소재 및 용접 장비 26
3.2 미세조직 분석 방법 29
3.3 용접성 비교 실험방법 30
3.3 전극의 가압력 제어 효과 실험방법 32
4. 결과 및 고찰 35
4.1 5000계 및 6000계 알루미늄 합금의 용접 특성 35
4.1.1 용접특성 및 전극 열화 비교 분석 35
4.1.2 X-선 광전자 분광법을 통한 표면 분석 및 저항 비교 39
4.1.3 용접부 특성 및 미세조직 비교 45
4.2 가압력 제어 용접조건에 따른 용접 특성 50
4.2.1 SORPASⓇ 소프트웨어를 이용한 용접 현상 해석 50
4.2.2 SORPASⓇ 소프트웨어와 현장 실시간 모니터링 신호의 비교 53
4.2.3 가압력 제어 위치에 따른 단면 및 미세조직 분석 55
5. 결 론 64
참고문헌 66
국문초록 76
감사의 글 78Maste
중대형 선박용 연료전지·배터리 하이브리드 시스템에 관한 모델링 해석
No full text최근 예상보다 빠른 속도로 진행되는 해수 온도 상승과 이로 인한 이상기후현상을 해결하기 위한 대책으로 선박으로부터 배출되는 온실가스 및 대기오염물질에 관한 규제가 강화되고 있으며 이에 따라 친환경 선박 도입에 관한 국제사회의 움직임이 급속히 변화되고 있다. 국내에서도 2020년 1월 1일부터‘환경친화적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률(약칭, 친환경선박법)’을 제정하였으며[1], 친환경 선박법에 명시된 친환경 선박의 종류 중 한 가지인 연료전지 추진선박에 대한 관심이 높아지고 있고, 이에 따라 친환경 발전원인 연료전지를 적용하기 위한 연구가 소형선박을 중심으로 활발하게 진행되고 있다.
본 연구는 크게 세 가지의 세부 연구로 구분할 수 있다. 첫째는 중대형선박용 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템의 구성과 배치설계에 관한 연구로서 해당 연구의 진행 결과는 다음과 같다. 연료전지 시스템의 블로워와 모듈화된 스택의 래크(Rack)화 설계를 통해 중대형급 연료전지로 용량을 증대하는 것이 가능함을 확인하였으며, 스택 냉각시스템은 기존 내연기관을 적용한 선박과 동일하게 하나의 냉각수 펌프를 활용하여 전체 시스템을 냉각하는 방식을 최종 적용하였다. 또한 위와 같은 방법으로 가상의 연료전지가 적용된 선박 시스템 배치 결과로서 스택의 모듈화로 인해 다양한 형태의 연료전지 시스템 구성이 가능해지므로 정형화되지 않은 기관실 공간에도 연료전지 시스템을 유연하게 설치하는 것이 가능하고 기존의 디젤엔진을 적용하는 선박에서 사용하던 다량의 보조기기의 설치가 불필요해짐에 따라 기관실의 배치구조가 단순화될 수 있으므로 공간의 활용도를 높일 수 있는 결과를 도출하였다.
둘째는 시뮬레이션을 위한 중대형선박용 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템 모델링과 결과분석이다. Matlab/Simulink를 이용하여 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템을 모델링하고 시뮬레이션을 이용한 검증을 통해 중대형 선박용 연료전지 전기추진 시스템의 적용 가능성 확인을 목표로 하였다. 선박의 주전력원으로는 연료전지, 보조전력원으로 배터리를 사용하였으며, 전기추진 시스템의 추진용 전동기는 유도전동기를 적용하였다. 연료전지는 응답성과 시동성이 우수한 고분자전해질막 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)를 적용하였으며 연료전지의 용량 증대와 유지 및 보수의 용이성을 위하여 모듈화된 30kW 스택 여러 개를 적층해 래크화하는 방식을 사용하였다[2-4]. 보조전력원으로는 배터리 시스템을 적용하였으며 배터리 시스템은 입·출항과 같은 선박 저부하 영역에서의 부하 분담과 전력계통 안정화를 위한 피크 쉐이빙(Peak Shaving)의 역할을 수행한다. 연료전지와 배터리에서 발생되는 전력은 직류 형태이므로 직류배전(DC-Grid)시스템을 적용하였으며, 연료전지와 배터리에서 생산된 전력은 DC/DC 컨버터를 거치며 4,000 VDC로 승압되어 배전하여 추진전동기의 속도제어를 위해 설치된 인버터의 입력측으로 공급되도록 모델링하였다. 모델링한 전체 시스템의 시뮬레이션 분석 결과, 대상 선박의 로드 프로파일에 따라 각부 구성요소들은 목표값에 적합하게 추종하는 것을 확인하였으며, 이를 통해 중대형 선박용 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템의 모델링이 연료전지·배터리 하이브리드 시스템을 적용한 전기추진 시스템의 특성 분석에 적합함을 확인하였다.
셋째는 연료전지와 배터리 간의 적절한 부하분배를 위한 에너지관리시스템의 개발 및 적용이다. 서로 다른 이종의 전력원에 대한 효율적인 부하 분담을 위하여 본 논문에서는 신경회로망을 이용한 규칙기반의 ECMS 제어기를 적용한 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System)을 설계하였으며, 이를 시뮬레이션 모델에 적용하여 연료전지와 배터리의 부하를 효율적으로 분담할 수 있도록 설계하고 그 결과를 검증하였다. 신경회로망을 적용한 에너지관리시스템을 본 연구의 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템 시뮬레이션에 반영한 결과로서 Mode 1은 Battery Only, Mode 2는 No.1 Fuel Cell Group with Battery Operating, Mode 3은 No.1 & 2 Fuel Cell Group with Battery Operating, 마지막 Mode 4는 No.1 & 2 Fuel Cell Group Maximum Operating 총 네 가지의 운전 모드를 도출하였다. 선박의 부하와 배터리 SOC 변화에 따라 신경회로망 기반 ECMS 제어기가 적용된 에너지관리시스템을 통하여 초기 설정한 운전 모드로 시스템이 작동하는 결과를 확인할 수 있었다.
위의 내용을 종합해 정리하면, 본 연구를 통하여 중대형선박에 적합한 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템 구성을 제안하였으며 제시한 추진시스템을 적용하면 본 연구에서 설계한 12 MW급 연료전지·배터리 하이브리드 추진시스템 이외에도 다양한 출력의 연료전지 기반 하이브리드 추진시스템 모델 개발 및 분석이 가능함을 확인할 수 있었다. 또한, 중대형선박용 연료전지·배터리 하이브리드 전기추진 시스템에 적용하기 위한 에너지관리시스템을 개발하여 적용한 결과 네 가지의 운전 모드를 도출하였으며 이는 하이브리드 전기추진 시스템의 필수적인 구성요소로서 활용할 수 있을 것으로 기대된다.제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구목적 및 내용 4
제 2 장 중대형 연료전지·배터리 하이브리드 시스템의 구성요소 8
2.1 수소에너지 8
2.1.1 수소에너지의 정의와 특징
8 2.1.2 수소의 저장 12
2.2 연료전지 시스템 14
2.2.1 연료전지 종류와 특징 14
2.2.2 BOP(Balance of Plant) 22
2.3 ESS(Energy Storage System) 23
2.4 전력변환장치 25
2.5 추진용 전동기 26
2.6 에너지관리시스템 28
2.6.1 비례적분 제어 28
2.6.2 퍼지 제어 29
2.6.3 상태기계 제어 30
2.6.4 등가 소비 최소화전략 30
제 3 장 중대형 연료전지·배터리 하이브리드 시스템의 구성 32
3.1 적용 대상 선박 32
3.1.1 대상 선박 후보군 32
3.1.2 적용 대상 선박 선정 35 3.2 중대형 선박 연료전지·배터리 시스템 구성 38
3.2.1 시스템 용량 선정 38
3.2.2 연료전지 시스템 적용 방식 39
3.2.2.1 연료전지 스택 적용 방식 41
3.2.2.2 공기 공급시스템 적용 방식 44
3.2.2.3 펌프 적용 방식 47
3.3 12 MW급 전체 시스템 49
3.3.1 PEMFC 모듈과 MW급 시스템 개념도 49
3.3.2 MW급 연료전지·배터리 하이브리드 배관시스템의 구성 52
3.3.3 MW급 연료전지·배터리 하이브리드 전력 계통의 구성 55
3.4 신경회로망 기반 에너지관리 시스템 ECMS 제어기 57
제 4 장 중대형 연료전지·배터리 하이브리드 시스템의 모델링 65
4.1 중대형 연료전지·배터리 시스템 모델링의 개요 및 전체 구성 65
4.2 중대형 연료전지·배터리 시스템 구성 요소의 모델링 71
4.2.1 PEMFC 스택 모델 71
4.2.2 BOP 모델 86
4.2.2.1 펌프 86
4.2.2.2 탱크 93
4.2.2.3 밸브 98
4.2.2.4 블로워 103
4.2.2.5 열교환기 107
4.2.2.6 가습기 112
4.2.2.7 비례적분 제어기 115
4.2.2.8 Matlab 함수 모델 117
4.2.3 전력변환장치 모델 124
4.2.4 배터리 모델 124
4.2.5 추진용 전동기 모델 126
4.2.6 에너지관리시스템 모델 128
5장 중대형 연료전지·배터리 시스템 모델링 결과의 분석 137
5.1 중대형 선박 적용 가능성 평가 137
5.1.1 디젤 시스템과 연료전지·배터리 하이브리드 시스템 비교 137
5.1.2 연료전지 전체 시스템 부피 및 무게 산출 140
5.1.3 필요 수소량 계산 145
5.1.4 선박 배치도 151
5.2 시뮬레이션 결과 분석 158
5.2.1 선박 운항 중 추진기의 프로파일 도출 158
5.2.2 에너지 제어방식 분석 162
5.2.3 연료전지 시스템 분석 172
5.2.4 전기추진 시스템 분석 182
제 6 장 결 론 192
참고 문헌 202Docto
STUDY ON ENERGY CONVERSION EFFICIENCY OF WAVE ACTUATING SHIP
No full textWave-powered vessels are a type of vehicle that has been introduced for decades. Compared with conventional vessels, it has apparent advantages, such as harnessing wave energy to propel the ship, supporting the primary propulsion device, and optimizing the ship's hull design. This study presents a new concept of the wave actuator for ship propulsion. The wave actuator efficiently converts the hydraulic force of the wave surge force to the ship into thrusting forces. In the thesis, the modeling of the wave actuator was studied. For this, the hydrodynamical modeling of the new wave actuator is presented through an analysis of the structure of the wave actuator. Also, ship motion excited by wave forces is studied. Based on the modeling of the wave actuator, analyses of the energy conversion capacity of the wave actuator were performed. To validate the good performance of the proposed wave actuator, numerous computer simulations were performed in several sea environments using Matlab. Computational fluid dynamics (CFD) techniques are used for the hydrodynamic analysis of ships. The simulation results show that the cruise speed of the ship is exploited very efficiently by the wave energy absorption system.1. Introduction 1
2. Mathematical modeling of wave actuator 4
2.1. Hydromechanical modeling 6
2.1.1. Added mass component 7
2.1.2. Hydrodynamic damping 7
2.1.3. Hydrostatic component 8
2.2. Equation of ship motion excited by wave forces 8
2.2.1. Regular wave 8
2.2.2. Irregular wave 9
2.2.3. The excitation wave equation 11
2.2.4. Highest wave and sea state 12
2.2.5. Frequency of encounter 13
2.3. The relative ship and wave dynamics 14
2.4. Modeling of the wave actuator 15
2.4.1. Structure of the wave actuator 15
2.4.2. Average cruise speed of the ship over the entire simulation period 19
2.4.3. Wave energy conversion efficiency 21
3. Computer simulation of the ship wave actuator 23
3.1. Simulation conditions 23
3.1. Simulation results 25
3.1.1. Regular wave 25
3.1.2. Irregular wave 34
4. Conclusion 41
Appendix 43
Algorithm 43
References 49Maste