드론용 하이브리드 동력시스템 설계 특성 및 개발 동향

김근배(Kim, Keun-bae) 한국항공우주연구원 2020 항공우주산업기술동향 Vol.18 No.1

드론의 체공시간을 늘리기 위해서 배터리에 엔진-발전기를 조합한 하이브리드 동력시스템이 적용되고 있다. 하이브리드 동력시스템은 주전원으로 사용되는 엔진-발전기와 보조전원용 배터리 그리고 전체 동력을 분배하고 제어하기 위한 제어기로 구성된다. 하이브리드 동력시스템의 설계 특성은 드론의 형상 및 운용조건에 따라서 결정될 수 있다. 엔진-발전기 및 배터리의 동력분배방식, 시스템전압의 안정적 제어, 고효율 정격 성능 및 시스템 전력계통의 안전성과 신뢰성 확보가 중요한 요소이다. 현재 드론용 엔진과 발전기, 하이브리드시스템 기술개발 현황 및 하이브리드 동력시스템을 적용한 드론 개발동향을 제시하였다. Hybrid power system is applied for drone to increase flight endurance by combining engine-generator with battery. Hybrid power system consists of engine-generator as a main power source, battery as an auxiliary power source and power management unit to control and distribute the whole power. Design characteristics of hybrid power system can be determined according to the drone configuration and the operating conditions. The important elements are power distribution between engine-generator and battery, control stability of system voltage, high efficiency rated performance, stability and reliability of system power unit. Currently, technology development status and trends of engine, generator and hybrid power system for drone and the hybrid powered drones are presented.

해수온도차발전 적용을 위한 자기열량효과 발전시스템 성능연구

김영민(Yeongmin Kim),양용우(Yong Woo Yang),고윤정(Yoonjung Ko),오승진(Seung Jin Oh) 대한설비공학회 2022 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2022 No.6

This study aimed to performance analysis of a magnetocaloric effect power generation system that can be operate at a low temperature difference of ocean thermal energy conversion system. The major components of the system are gadolinium(Gd) and permanent magnet, rotational motion is generated by the interaction of gadolinium with a permanent magnet. The electromagnetic and piezoelectric generator were connected to the gadolinium rotor, and the power generation performance by rotational motion was measured. The electromagnetic generator generated an output of open voltage 2V and a short circuit current 6mA when the temperature difference between hot and cold water was about 6.5℃ and the rotation speed was 130rpm. Under the same conditions, the piezoelectric generator produced an open circuit voltage and a short circuit current of 8V and 8.2μA, respectively.

신재생복합발전시스템의 각 구성품 교체비용변화에 따른 용량 및 경제성 민감도 분석

임종환(Jong Hwan Lim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.1

본 논문에서는 복합발전시스템을 구성하는 각 단위 구성품의 교체비용이 변화할 때 각 단위 구성품의 용량 및 전체시스템의 경제성이 얼마나 변화하는지를 나타내는 민감도 분석을 수행하는 방법을 제시한다. 민감도 분석에는 복합발전시스템 경제 분석용 툴인 HOMER를 이용한다. 민감도 분석을 통해 교체비용 변화에 대해 민감도가 높은 구성품의 비중이 최소화 되게 설계하거나 예상되는 가격변동을 사전에 고려함으로써 복합발전시스템의 경제성을 최적화할 수 있으며, 민감도가 높은 구성품의 비중을 낮추기 위한 다른 조합의 복합발전시스템 구성에 대한 정보도 제공할 수 있다. 민감도 분석의 예로서 주택용 부하 모델에 대해 HOMER에서 제공되는 일반적인 데이터를 사용하여 각 구성품 교체비용에 대한 용량 및 경제성 민감도를 정량적으로 분석하였다. This paper presents a method for analyzing the size and economic sensitivity of a new renewable hybrid generation system according to changes in the component replacement costs based on HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables). The design of a hybrid system can be optimized by reducing the size of a sensitive component based on sensitivity analysis using the change in cost of a component. Sensitivity analysis can also provide information on what combinations are necessary for the optimal hybrid system. As an example, sensitivity analysis was performed on the residential load provided by HOMER, and the effects of component replacement costs on the system size and cost were quantitatively analyzed.

하이브리드 동력 비행로봇을 위한 발전기 설계

장은영,최성욱 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

하이브리드 동력 시스템은 두 가지 또는 그 이상의 동력원으로 기체를 구동하는 것을 말한다. 최근 하이브리드는 고출력 및 소형화 시스템의 설계 요구로 인해 다양한 분야에서 광범위하게 연구되고 있다. 따라서 본 논문에서는 비행로봇에서의 하이브리드 동력 가능성을 살펴보고자 한다. 비행로봇의 주동력은 가솔린 엔진이며, 동력은 기어박스를 통하여 로터 시스템으로 전달된다. 본 논문에서는 비행로봇의 드라이브 장치를 대체하는 하이브리드 동력의 가능성을 파악하며, 전자기장 해석을 통하여 비행체 엔진에 맞는 사양의 발전기를 설계하고자 한다. Hybrid power system is that uses two or more distinct power sources to drive a vehicle. Recently, a hybrid power system has been researched and developed in many areas by requirements of high performance and compact design. In this paper, the possibility of the hybrid powered Aerial robot will be investigated. The main power of Aerial Robot is a gasoline engine and the power is transmitted to the rotor system through the gearbox. In this paper, the electromagnetic field analysis was used for the design of 4.5kW generator to replace a drive system with a hybrid powered system.

열유동 연성해석을 통한 대용량 직접구동형 발전기 냉각시스템의 적합성 평가

박형준(Hyung Joon Park),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集B Vol.45 No.1

해상의 일정한 풍속과 우수한 풍질로 해상풍력발전기가 선호되는 추세이나, 설치비용 및 유지 · 보수 비용이 상대적으로 높아 단위 발전기당 발전용량을 올리기 위하여 터빈이 대형화되고 있다. 저자 등에 의해 제안된 대용량 6.2 MW 하이브리드 직접구동형 발전기는 2단의 AFPM(axial flux permanent magnet) 발전기와 RFPM(radial flux permanent magnet) 발전기를 조합하여, 단위 체적 및 중량 대비 발전량이 높은 출력성능을 보여주었다. 그러나 대용량 발전기에서는 전력 생산 시 구리 및 철 손실에 의한 발열이 심하여 고정자에서 절연손상 그리고 영구자석에서 불가역 감자현상이 나타날 수 있다. 대용량 발전기의 초기설계 단계부터 고정자 및 영구자석 주위의 열전달 특성을 분석하여 발열 시 이를 냉각시킬 수 있는 냉각장치의 설계가 요구된다. 본 연구에서는 6.2 MW급 하이브리드 발전기에 적합한 강제대류 및 히트 파이프를 이용한 공랭식과 수랭식 냉각장치를 대상으로 실제 작동조건을 고려한 전자기 및 열-유동 연성해석으로 발전기의 열전달 특성을 해석적으로 평가하였다. 고정자 절연손상의 한계온도를 규정한 IEC 60076-11에 의거하여 두 냉각장치 모두 B등급을 만족하였으며, 영구자석의 불가역 감자현상에 대한 한계온도인 90°C도 충족함을 확인하였다. Offshore wind speeds tend to be faster and steadier than land wind speed. Hence, the electricity generated by offshore wind power is higher per amount of capacity in installed wind turbines. Wind turbines used in offshore environments are generally larger and taller because of reduced building and maintenance costs. The authors developed a 6.2 MW class hybrid direct-drive generator, which was constructed in two stages using 2.5 MW axial-flux permanent-magnet (AFPM) and 1.2 MW radial-flux permanent-magnet (RFPM) machines. Because heat was significantly generated owing to copper and iron losses, the AFPM and RFPM machines experienced insulation failure of stators and demagnetization of permanent magnets under sever thermal conditions. In this study, the heat transfer in the 6.2 MW class hybrid direct-drive generator using the developed cooling systems, e.g., forced-air-type and liquid-cooled-type systems, was analyzed numerically, and the actual operation conditions were considered. The results for the thermal-fluid interaction analysis of the designed cooling systems showed that the temperatures of the stators and permanent magnets decreased significantly. The cooling systems satisfied the IEC 60076-11 requirements, in which the limit temperature of the stator insulation failure was specified, and the limit temperature for the irreversible demagnetization of permanent magnets was 90°C.

고정익 수직이착륙 무인비행기용 직렬하이브리드 추진 시스템의 발전 제어 시뮬레이션

하주형,박규성,문창모,이근호 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.4

무인 비행기의 항속 시간을 증가시키기 위해 여러 연구들이 진행되어 왔다. 본 연구에서는 수직이착륙에 필요한 큰 에너지를 에너지 밀도가 높은 배터리로 공급하고, 기존의 엔진보다 무게가 작은 엔진을 전기모터와 직렬 연결하여 배터리 충전을 위한 직렬하이브리드 추진 시스템을 구성하였다. 추진 동력원에는 BLDC모터가 사용된다. 이착륙 시에는 큰 전력이 필요하므로 배터리와 발전기에서 전력을 공급하고, 순항 시에는 발전기에서 공급한 에너지로 순항에 필요한 에너지와 충전을 위한 에너지를 공급하도록 알고리즘을 구성하였다. 이 시스템의 시뮬레이션을 통하여 발전 제어 알고리즘을 검증하고자 한다. Several studies have been conducted for increasing the endurance time. In this paper, the supplied energy for VTOL should be the large energy by the high energy density battery. The engine connect to the electric motor in series that is smaller than pervious one to be composed of Serial hybrid propulsion system for battery charging. BLDC motor is employed as propulsive power source. This algorithm is consist of VTOL mode and cruising mode according to the power supply pattern. In case of VTOL mode, high power is indispensable that are supplied by generator and battery. And during the cruise, the energies that are needed for generator, airplane cruising and battery charging should be taken into account. this simulation was used for verifying generating control algorithm.

해수온도차발전 적용을 위한 역자기열량효과 발전시스템 성능연구

김영민(Yeongmin Kim),고윤정(Yoonjung Ko),김종우(Jong Woo Kim),오승진(Seung Jin Oh) 대한설비공학회 2022 설비공학 논문집 Vol.34 No.12

This study aimed to performance analysis of a magnetocaloric effect power generation system that can be operated at a low-temperature difference in an ocean thermal energy conversion system. The major components of the system are a gadolinium (Gd) and a permanent magnet. Rotational motion is generated by the interaction of gadolinium with a permanent magnet. The electromagnetic and piezoelectric generators were connected to the gadolinium rotor, and the power generation performance by rotational motion was measured. The electromagnetic generator generated an output of open voltage 2V and a short circuit current of 6mA when the temperature difference between hot and cold water was about 6.5℃ and the rotation speed was 130rpm. Under the same conditions, the piezoelectric generator produced an open circuit voltage and a short circuit current of 8V and 8.2μA, respectively.

파력을 이용한 하이브리드 발전에 대한 연구

한기봉(Ki-Bong Han),이형우(Hyoung-Woo Lee) 한국마린엔지니어링학회 2011 한국마린엔지니어링학회지 Vol.35 No.6

하이브리드 전기추진시스템 구축을 위한 SEIG의 출력 특성 분석

양주호,최교호,이재민,정석권 한국동력기계공학회 2018 동력시스템공학회지 Vol.22 No.1

본 연구에서는 특수목적선박 주기관의 동력인출장치(Power Take Off; PTO)를 이용한 발전 및 축전지(rechargeable battery)로 구성되는 전기추진시스템을 검토했다. 이 시스템의 핵심 구성 요소인 발전기는 해상에서의 선박 고립성, 열악한 기관실 환경을 고려, 신뢰성과 안정성이 최우선 요구되며 체적 대비 고 출력 저 중량의 컴팩트한 구조가 바람직하다. 자여자유도발전기(Self Excited Induction Generator; SEIG)는 이러한 특성을 갖춘 발전기로 최근 풍력발전 등의 신재생에너지 시스템에 널리 사용되고 있다. PTO 이용 전기추진시스템의 효율은 주기관의 회전속도 및 부하 변동 하에서도 전기에너지를 축전지에 저장하는 능력에 크게 의존한다. 그럼에도 불구하고 PTO를 이용한 독립(stand alone)형 SEIG의 회전속도 및 부하 가변시의 출력 특성 등은 현재 잘 알려져 있지 않다. 본 논문에서는 하이브리드 전기추진시스템의 설계 자료로 제공하고자 속도 및 부하 가변 시의 독립형 SEIG의 출력 특성을 분석하였다.

풍력-디젤 하이브리드 발전 시스템의 디젤 출력 배분 알고리즘 개발

남용윤(Yong-Youn Nam),이근호(Geun-Ho Lee),한정우(Jeong-Woo Han),박영준(Young-Jun Park),이영수(Young-Soo Lee) 한국생산제조학회 2011 한국생산제조학회지 Vol.20 No.5

For the wind-diesel hybrid electric power generation system equiped with two diesel generators, the diesel power sharing is studied analytically and a power sharing technique of less fuel consumption is developed. Based on the technique, as example, a diesel power sharing algorithm is suggested for two diesel generators of capacity 500Kw(200Kw +300Kw).