해수 살균용 중압 UV램프의 전자식 안정기 설계

Abstract

선박이 빈 배로 운항할 경우, 무게중심이 위쪽에 있어 앞뒤 좌우로 심하게 흔들려 전복할 위험이 있고, 프로펠러가 잠기지 못해 추진효율이 크게 떨어지는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 방지하기 위해 선체 밑바닥과 좌우에 밸러스트 탱크(Ballast Tank) 라는 별도의 탱크를 설치하고, 여기에 해수를 충수하는데 이를 ‘밸러스트 수(水)’하고 한다. 즉, 장난감 오뚝이처럼 무게중심을 아래로 쏠리게 하여 선박이 적당한 수면에서 복원력과 추진력을 확보할 수 있게 하는 역할이다. 화물을 하역하고 출항할 때 항만에서 밸러스트 탱크에 해수를 충수하고, 다른 항구에 도착하여 화물을 적재 시 이 물을 배출하게 되는데 전 세계의 바다 위에서 이렇게 이동하는 밸러스트 수는 매년 30~50억 톤에 이르며 매일 3,000여종 이상의 동식물이 운반되는 것으로 추정된다[1]. 밸러스트 수와 함께 유입된 다시마, 불가사리, 홍합, 해파리 등 외래 해양 생물이나 병원균이 전 세계적으로 이동함에 따라 토착 생태계를 교란시키며 파괴하는 심각한 상황이 나타나고 있다. 선박 내 밸러스트 수 관리의 필요성은 오래전부터 제기되어 오던 사항이었고, 특히 외래해양생물로 인해 자국의 해양환경에 막대한 피해를 입었다고 주장하는 미국, 호주, 캐나다 등의 적극적인 요청 및 여러 차례에 걸친 관련 국제회의를 거쳐 국제해사기구(International Maritime Organization: IMO)에서는 2004년 2월 ‘선박 밸러스트 수와 침전물 관리 국제협약’을 채택하였다[9]. IMO 국제협약에 따라 2011년부터 밸러스트 수 교환기준이 적용되는 것을 시작으로, 2017년 이후에는 모든 선박에 IMO가 제정한 밸러스트 수 처리기준을 만족시키기 위한 처리장치의 장착이 의무화 될 예정이며, 이에 대응하기 위한 다양한 방식의 밸러스트 수 처리장치 개발 및 사업화 선점을 위한 노력이 세계 각국에서 진행되고 있다. 밸러스트 수를 처리하는 살균방식은 물리적 처리방식과 화학적 처리방식으로 구분할 수 있으며, 물리적 방식으로는 자외선 조사를 비롯하여 가열방식, 초음파 방식 등이 있다. 그리고 화학적 처리 방식으로는 염소, 이산화염소, 오존, 과산화수소 및 기타 여러 유기 화학제를 사용하는 방식이 있다. 그러나 이들 방식 중 병원성 생물 살균이 가능한 것은 UV, 오존, 전기분해의 3가지 방식뿐이다[1]. 특히, UV살균 방식은 비용이 저렴하고 비교적 간단한 장치로 대용량을 처리할 수 있는 장점이 있으며 전기분해 방식처럼 밸러스트 탱크의 부식을 일으키지도 않는다. 또한 잔류독소가 없기 때문에 이 장치로 인한 2차 오염의 문제 역시 발생시키지 않는 방식으로 현재 전기분해 방식과 함께 가장 선호되고 있는 밸러스트 수 처리 방식이다. 선박용 밸러스트 수 처리를 위해서는 통상 수kW급의 UV램프가 사용되어지는데 이를 위해 반드시 필요한 것 중의 하나가 바로 UV살균 방식 밸러스트 수 처리 시스템의 핵심부품이라 할 수 있는 대용량 램프 안정기이다. 그러나 안타깝게도 국내에서 개발된 제품들은 주로 저출력용 안정기가 대부분인 실정이라 밸러스트 수 처리용 UV램프 안정기는 아직까지 전량 수입에 의존하고 있는 형편이다. 따라서 본 논문에서는 8kW급 해수 살균용 중압 UV램프를 위한 타려식 풀-브리지 공진형 인버터 방식 안정기의 전력회로 설계방법을 제시하고 시뮬레이션을 통해 그 타당성을 검증하였다.

Aquatic organisms in ballast water discharged from ships have grown in foreign marine environments and caused environment issues. To reduce the problem of ecocide, the BWMS(Ballast Water Management System) should be installed in ship. BWMS using UV has many advantages. It has simple structure and low cost. Moreover it does not cause the corrosion of ballast tank and does not produces any residual toxicity. This paper proposes a suitable electronic ballast with externally excited full-bridge resonant inverter for 8kW UV-lamp and analyzes its output characteristics. It also suggests the practical design guidelines for the proposed electronic ballast in terms of power circuit and resonant tank design.