< 태양전지 자동차 >
(1) 개요
태양열 자동차는 태양광과 인공광에 의해 발전을 하여 실리콘 등의 반도체로 만든 태양전지에서 얻은 전기로 모터를 구동하여 주행하는 전기 자동차이다. 1m²에 약 1kW를 발전하지만 태양으로부터의 변환율이 10% 정도로 실직적으로는 1m² 당 100W 정도의 전기를 낼 수 있다. 그러므로 태양열의 모양을 보면 표면에 커다란 태양전기를 지지하고 1~2인이 탈 수밖에 없는 자동차이다.
크기에 비해 훨씬 가벼우며 승용차의 1/5의 중량과 같으나 모터의 마력이 엔진의 1/10 이하로는 주행하지 못하므로 태양열로부터 얻은 전기만으로는 충분히 주행성능을 발휘 할 수 없다. 결과적으로 태양열 자동차는 저 연비 자동차로서의 기능을 다하지 못하므로 실용적인 자동차라 할 수 없다. 그러나 작은 에너지로 135km/h 정도로 주행하는 경량화 기술, 타이어, 베어링 등 회전 부분의 마찰계수 저감기술, 주행 중 차체에 받는 공기저항 저감기술 등 태양열로 주행하기 때문에 연구개발에 의한 기술은 가솔린 엔진을 탑재한 자동차는 물론 전기자동차, 천연가스차 등 여러 종류의 자동차들보다 적은 에너지를 필요로 한다.
또한 태양전지 단체에서는 발전량에 한계가 있지만 이것이 어느 정도의 발전량과 합해지면 유효한 전력을 얻게 된다.
(2) 주요구성
- 솔라 셀과 어레이
태양에너지를 포집하여 에너지를 전기로 바꾸는 태양판 내부의 각 셀은 실리콘과 태양열을 흡수하는 모래 속에 있는 전지를 포함하고 있다. 이 속에 흡수된 빛 에너지는 작은 전류를 생성하고 솔라 셀 주변의 금속 격자는 파워 컨트롤을 유도하는 와이어에 전류를 흐르게 한다.
솔라 셀은 태양열을 깨끗한 태양전지로 바꾸는 한 개 또는 그 이상의 태양판으로 구성되어 있다. 그것은 빛으로부터 전지를 내고 그늘을 피해 태양과 마주 보게 설치한다. 이때 솔라 어레이는 직류전류를 발생시킨다.
- 변환기 및 기타
변환기는 직류 태양전력을 대부분 가정용 가전제품이나 전등에 사용되는 교류전력으로 바꾼다. 이 장치의 주요 기능은 밤에 솔라 모듈이 발전되지 않도록 배터리 내에 전지 저장을 유지할 뿐만 아니라 배터리의 가스 분출에 의한 과충전을 막는다.
그리고 와이어의 적당한 크기와 형태를 선택하는 것이 태양열 시스템의 신뢰성과 성능을 향상한다. 와이어의 크기는 과도한 기전력 손실 없이 예상되는 최대 전류를 수행하기에 충분하여야 한다.
< 천연가스 자동차 >
천연가스(CNG)는 오일 쇼크 이후 본격적으로 연구되었고, 1990년대 천연가스의 저공해가 입증되면서 세계 각국에 경쟁적으로 급속히 개발되어 약 수백만 대 이상의 차량을 개조하여 운행 중인 것으로 알려졌다. 특히, 최근에 와서 지구환경문제가 부각되면서 그 해결책으로 심도 있는 연구개발이 진행되고 있다. 천연가스의 주성분은 메단(CH4)이며 메탄의 물성치에 따라서 연료의 성질이 달라진다.
천연가스는 공기보다 낮은 비중을 가지고 있어 공기층에 쉽게 확산된다.
연소 속도가 느리므로 점화시기를 지연시켜 급속 연소 방식을 채택한다.
기상 연료 사용에 의한 엔진계통을 잔류물이 형성되지 않아 엔진 내구성이 좋다
높은 옥탄가로 압축비 상승이 가능하므로 출력이 향상된다.
냉시동성 개선에 의한 배기가스가 저감 된다.
(1) 종류
천연가스 자동차는 연료의 탑재방법에 따라 액화 천연가스, 흡착식 천연가스, 압축식 천연가스 등으로 나누어지며 압축식 천연가스는 병용, 혼소, 전소 등으로 나누어지고, 어떤 연료보다도 공기를 적게 오염시키기 때문에 CNG 차량을 사용하면 HC는 약 50% 까지 감소되고, NOx는 33%, CO는 90%나 감소될 뿐만 아니라 발암성 물질을 발산하지 않는다. CNG는 청정연료이기 때문에 유지비용이 적게 들고, 옥톤가는 가솔린 차량이 93인 것에 비해 130으로 훨씬 높으므로 결과적으로 보다 높은 에너지 효율을 가지고 있다. 또한 천연가스를 이용하여 차량에 동력을 전달할 때 가정과 상업용 건물 등에 전력과 열을 제공해 주기도 한다.
자동차 연료로는 가솔린 연료를 대체하는 방안으로 가솔린, 천연가스 겸용 차량을 적용하기 시작하고 있다. 그러나 CNG를 적용하게 되면 고압용기를 이용해야 하므로 차량 중량이 증가하고 트렁크 활용 공간이 좁으며 1회 충전 시 주행거리가 가술린에 비해 1/2 이하인 것이 단점이라 할 수 있다.
- CNG SI 엔진
가솔린-천연가스 겸용 엔진으로 기존의 가솔린 공급시스템에 CNG 고압용기, 가압 밸브, 혼합기, 공연비 제어장치 등의 공연비 제어시스템을 추가 설치하여 두 가지 연료 중 한 가지 연료를 선택하여 사용할 수 있게 하였다.
CNG 전용 방식은 천연가스의 성질을 최대한 활용하여 연소계, 배기 시스템계 등을 최적화한 엔진 방식이다. CNG는 옥탄가를 높으므로 압축비를 올려 엔진 성능을 개선할 수 있다. 촉매변환기는 천연가스에 맞는 촉매장치를 적용해야 한다.
- CNG CI 엔진
예혼합 스파크 점화 3원 촉매 방식 CNG 엔진은 배출가스 정화율이 가장 우수하며 제어 형태는 아날로그 형태와 디지털 형태로 나눌 수 있다. 아날로그 형태는 혼합기 방식과 기계적 방식으로 분류되며 혼합기 방식은 벤트리를 흐르는 공기량의 증감이 부압을 제어하고 그 부압이 가스 유량을 조절하는 방식이다. 기계적 방식은 스로틀 밸브식의 유량조절뱅브에 의해 공기와 가스유량을 일정 공연비가 되도록 제어한다.
그리고 듀얼 방식 CNG 엔진은 매연, PM저감 및 경유 절약을 도모할 수 있는 장점이 있으나, NOx, CO, HC의 배출 정화량은 삼원 촉매 방식보다 떨어진다.
듀얼 방식은 혼합 운전방식, 파일럿 방식이 있으며 혼합 운전방식은 1/4 부하로부터 CNG를 30~40% 흡입시켜 매연 절감과 연료 전감을 도모하는 방식이다. 주연료는 CNG를 적용하여 매연을 줄이고, 경유는 분사펌프와 인젝터를 거쳐 분사되며, 압축착화에 의해 화염 핵이 형성된다.
< 수소 자동차 >
수소는 연소 시 극소량의 질 수가 생성되는 것을 제외하고는 공해 물질이 ㅈ배출되지 않으며, 직접 연소를 위한 연료 또는 연료 전지 등의 연료로 사용이 간편하다. 또한 수소는 이 세상에서 가장 풍부한 화학 원소로, 지구 표면을 덮은 바다에는 13억 7천만 km³의 물이 있고 바닷물 1kg에는 0.108g의 수소가 있다. 수소에너지란 수소를 연소시켜서 얻는 에너지이다.
수소를 태우면 같은 무게의 가솔린보다 세 배나 많은 에너지를 방출한다. 수소는 전기 에너지와 함께 현재의 에너지 시스템을 유지할 수 있는 에너지 매개체이다.
수소의 에너지 시스템을 실용화하기까지는 제조, 수송, 저장, 변환, 이용 등 모든 분야에 있어 해결해야 할 많은 화학적인 개발 문제가 있다. 수소 에너지 시스템을 개발하기 위하여 수소를 싼 값으로 대량 생산할 수 있는 제조방법, 경제적인 저장과 수송방법, 공해 업는 연소, 연료 전지 등의 이용법이 연구과 제이다.
(1) 엔진개발
최근 미래의 에너지원으로서 수소 에너지의 과한 연구는 선진 각국에서 활발히 진행되고 있으며 발전 등의 용도 이외에 자동차용 연료로서의 연구도 동시에 진행되고 있다. 미국의 경우 정부의 활발한 지원 아래 연구소 및 대학을 중심으로 연구가 진행되고 있으며 최근 기업과 캘리포니아의 대학을 중심으로 차량을 제작하여 시험 운행을 하고 있다. 아직은 초기 단계로, 고압용기와 단순한 구조의 엔진을 사용하고 있으며 차량 자체보다 태양광을 발전한 전기를 이용한 수소 전지 분해 시설의 운영에 초점을 맞추고 있다.
일본에서는 자동차 회사와 대학에서 다양한 연구를 수행하고 있다. 로터리 엔진과 메탈 수소 산화물 저장 장치를 사용하여 시험차량을 운영하고 있으며, 대학의 경우 액체수소 저장 기술과 유입식 인젝터를 사용하여 다양한 형태의 차량과 엔진에 관한 연구를 수행하고 있다. 독일의 경우 기업 및 연구소에서 엑체 수소 이용 기술과 고성능 인젝터의 실용화 연구에 주력하고 있다.
이밖에 캐나다, 이탈리아, 인도 등에서도 수소 자동차에 관한 기초 연구를 진행하고 있다. 현재까지의 연구는 아직 실용화에는 미치지 못하고 있으며 엔진 형식, 수소 공급과 저장 방식에 있어 다양한 시도가 이루어지고 있는 기초 연구 단계라 할 수 있다. 그밖에 수소를 연료로 ㅅ용하는 연료전지 자동차의 경우도 최근 도요타, 벤츠 등에서 자동차를 발표 한 바 있으며 이와 동시에 하이브리다 자동차 개념인 수소 연료의 이용방안에 대해서도 미국과 일본을 중심으로 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
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