Experimental validation of reflectivity curve for a silicon carbide mirror in vacuum ultraviolet range and Prototype test of ITER divertor vacuum ultraviolet spectrometer

김유관 아주대학교 일반대학원 2025 국내박사

As the global demand for sustainable and clean energy increases, nuclear fusion energy emerges as a promising solution, offering abundant fuel sources and minimal environmental impact. The ITER project stands at the forefront of nuclear fusion research, aiming to demonstrate the feasibility of large-scale nuclear fusion power. A critical component of ITER's diagnostic system is the Vacuum Ultraviolet (VUV) spectrometer system, which monitors impurity species and behavior within the reactor's divertor, core and edge regions to ensure optimal plasma performance and reactor safety. The prototype of the ITER divertor VUV spectrometer was installed in Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) fusion reactor and successfully measured high-Z impurities line emissions, tungsten (W). During the KSTAR campaign, it was also observed that the first mirror, made of Au, experienced surface degradation due to deposition from impurities and erosion from the high energy particles. Based on this results, we aimed to investigate the change in mirror reflectivity under the harsh environments predicted in ITER. This study focuses on the evaluation of components (specifically first mirror) for ITER VUV spectrometer systems, which must withstand the reactor's extreme environmental conditions, including high thermal loads, steam ingress, impurity deposition and erosion. Various mirror materials, gold-coated stainless steel 316L, nickel- phosphorus (Ni-P) plated stainless steel 316L, and silicon carbide (SiC), were subjected to rigorous thermal cycling and steam ingress tests. Results demonstrated that SiC mirrors exhibit superior thermal stability compared to gold-coated and Ni- P plated mirrors, making them the preferred choice for ITER's first mirror. Erosion resistance tests were conducted by exposing SiC mirror to high-energy hydrogen and deuterium plasmas, simulating the neutral particle flux expected in ITER. The SiC mirrors demonstrated excellent durability, with minimal surface damage and erosion. However, an upgraded device was developed to address issues such as the effect of the incidence angle of mirror and the need for precisely defined energy of particles. As a result, a deuterium arc plasma-based ion irradiation system was developed to simulate ion-induced damage, successfully maintaining stable long-term operation. Further investigation was conducted under impurity deposition conditions, using aluminum as a surrogate for beryllium (the main component of impurity in ITER). It was found that the reflectivity drops below the threshold value, causing degradation of reflectivity of mirror when only 10 nm thick impurity deposition layer forms on the SiC mirror. To address impurity deposition, a mock-up baffled duct structure and inclined angle mirror was experimentally evaluated, confirmed that the deposition on the mirror could be reduced by a mitigation factor value of 1.25E4. Finally, reflectivity validation of SiC sample mirror within the VUV wavelength range were performed using a spectrometer and charge coupled device (CCD) set-ups. Based on the evaluation of the mirror under various ITER conditions, it was determined that the SiC mirror could be used throughout the ITER lifetime without replacement, as the material for the first mirror of ITER VUV spectrometers. 전 세계적으로 지속 가능하고 청정한 에너지에 대한 수요가 증대됨에 따라, 핵융합 에너지가 풍부한 연료 공급원과 친환경에너지로 유망한 해결책으로 부상하고 있습니다. ITER 프로젝트는 대규모 핵융합 발전의 실현 가능성을 입증하는 것을 목표로 핵융합 연구의 최전선에 서 있습니다. ITER 의 진단 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나는 진공 자외선(VUV) 분광기 시스템으로, 플라즈마의 최적의 성능과 원자로 안전성을 보장하기 위해 원자로의 디버터, 코어, 엣지의 영역 내 불순물 종 및 거동을 모니터링합니다. ITER 디버터 VUV 분광기의 프로토타입은 한국 초전도 핵융합 연구장치(KSTAR) 핵융합 반응기에 설치되었으며, High-Z 불순물 방출선 (텅스텐)을 성공적으로 측정했습니다. KSTAR 실험 캠페인 기간 동안, 금 (Au)으로 제작된 일차 거울이 고에너지 입자에 의한 침식 및 불순물 증착에 의해 표면의 오염이 발생하는 것도 관찰되었습니다. 이러한 결과를 바탕으로, ITER 에서 예상되는 가혹한 환경에서의 일차 거울의 반사율 변화를 조사하는 것을 목표로 했습니다. 본 연구는 ITER 진공 자외선 분광기 시스템의 구성 요소 (특히 일차 거울)의 평가에 초점을 맞추었으며, 이는 높은 열 부하, 증기의 침투, 불순물 증착 및 침식 등 원자로의 극한 환경을 견뎌야 합니다. 다양한 거울의 소재 (금/스테인리스 스틸316L, 니켈-인(Ni-P)/스테인리스 스틸 316L, 실리콘 카바이드(SiC))가 반복되는 열 주기 실험 및 증기 침투 실험을 거쳤습니다. 그 결과, SiC 거울은 금 및 Ni-P 거울에 비해 우수한 안정성을 보였으며, ITER 디버터 진공자외선 분광기의 일차 거울의 재료로 결정되었습니다. 고에너지로 인한 거울 표면의 침식에 대한 저항성 테스트는 SiC 거울을 고에너지 수소 및 중수소 플라즈마에 노출시켜 ITER 에서 예상되는 중성 입자 플럭스를 시뮬레이션함으로써 수행되었습니다. SiC 거울은 최소한의 표면 손상과 침식으로 우수한 내구성을 보여주었습니다. 그러나 기존 설정에서 미러 각도의 영향 및 중성 입자의 에너지를 정확히 조정해야 하는 필요성과 같은 문제를 해결하기 위해 새로운 장치가 개발되었습니다. 이에 따라 중수소 아크 플라즈마 기반 이온 조사 시스템이 개발되어 이온에 의한 손상을 시뮬레이션하고 안정적인 장기 운용을 성공적으 로 유지했습니다. 이 장치를 통해 추후에 SiC 거울에 요구되는 에너지의 이 온이 방사되어 표면의 변화 및 반사율 변화를 확인할 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 불순물 증착 조건에서, ITER 의 주요 불순물 성분인 베릴륨의 대체물로 알루미늄을 사용하여 추가 실험이 진행되었습니다. 실험 결과, SiC 거울 표면에 불순물이 10 nm 두께로 증착되었을 때 반사율이 임계값 아래로 떨어지며, 거울의 기능을 잃게 되는 것을 확인할 수 있었습니다. 불순물 증착 문제를 해결하기 위해, 배플 덕트 구조와 거울의 입사 각도에 따른 효과를 실험적으로 평가한 결과, 일차 거울로 유입되는 불순물의 총량의 완화효과 계수 1.25E4 를 가지게 되는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로, VUV 파장 범위 내에서 SiC 샘플 거울의 반사율 검증을 분광기 및 CCD 장치를 통한 장치 개발을 통해 진행되었습니다. ITER 환경에서 미러를 다양한 조건하에 평가한 결과, SiC 거울은 ITER 수명 기간 동안 교체 없이 사용할 수 있는 ITER 진공자외선 분광기의 일차 거울의 재료로 적합하다는 결론을 내렸습니다.

WASP모형 내 신재생에너지 방법론 개선을 통한 발전설비확장계획 도출 및 소요비용 분석

조경주 아주대학교 2019 국내석사

2015년 우리나라는 2030년까지 BAU(기존 전망)대비 37%의 온실가스를 감축하는 국가 온실가스 자발적 감축목표를 발표하였다. 이에 8차 전력수급계획에서는 석탄화력 및 원자력 발전기의 수를 축소하고, 재생가능 에너지 발전량을 전체 전력량의 20%까지 증가시키는 탈석탄·탈원전 정책을 실행하고 있다. 국가 장기 전력수급계획 작성의 기초가 되는 WASP(Wien Automatic System Planning Package)모형을 통하여 탈원전·탈석탄 및 신재생에너지 확대에 따른 국가전력시스템 변화여건 및 소요비용을 검토하고자 한다. WASP모형을 이용한 대부분 기존 연구에서는 신재생에너지 발전을 급전가능 발전기로 취급하였다. 신재생에너지발전은 자연조건에 따라 변하여(예를 들면 구름이 햇빛을 가리거나 밤낮이 바뀌거나) 원하는 시간대 또는 발전출력이 필요한 시간에 발전할 수 없다. 따라서 이것을 급전가능 발전기로 취급하여 발전기 건설계획을 수립하면 미래의 시스템운용에서 공급신뢰도의 유지에 문제가 생긴다. 본 연구에서는 WASP 실행과정에서 신재생에너지발전을 급전가능발전기로 취급하는 기존 연구방법론을 부하차감을 통하여 개선을 시도한다. 시간대별 예측 수요에서 신재생에너지 발전의 시간대별 출력을 차감하여 시간대별 수요를 생성하여 비용최소화 발전기건설계획 수립에 반영하는 방법이다. 부하차감 방법을 이용하여 2018년-2048년도의 발전기건설계획, 년도 별 설비용량 및 소요비용을 도출하고자 한다.

Modeling the performance of lithium-ion batteries for electric vehicle and energy storage applications

이동철 아주대학교 2023 국내박사

Lithium-ion batteries (LIBs) with the advantages of high energy, power density, and energy efficiency are a key power source for sustainable development in the field of mobility systems and electrical energy storage in climate emergencies. The performance of LIBs is affected by factors such as operating and environmental conditions and duration of use, which may reduce their lifespan and cause safety issues. Therefore, it is important to operate the battery system appropriately by calculating the electrical and thermal behavior and cell deviations of the LIB in an environment considering actual applications, such as electric vehicles (EVs) and energy storage systems (ESSs). LIB performance modeling can play an important role in battery management system algorithm strategies for EVs and ESS applications. The first part of this thesis describes a methodology for quantitatively devising a fast charge protocol to prevent lithium plating in an LIB cell. A lithium plating line was derived by detecting the voltage plateau that occurred during charging with a high current using differential voltage analysis (DVA). To account for the safety effects at a certain margin from the lithium plating line during fast charging, a novel index was expressed as a margin of safety (MS). Two-dimensional modeling was performed to predict the charge curves and thermal distributions of the LIB cell under various conditions according to the margin of safety. To validate the modeling approach in the design of the fast-charge protocol, cycling tests were performed under five fast-charge protocols and discharge. The higher the MS of the fast charge protocol, the better the performance and lifetime impact of the LIB cell. The second part of this thesis describes a methodology to estimate the combined effects of cyclable lithium loss and electrolyte depletion on the capacity and discharge power fading of LIBs. An LIB cell based on LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NCM622) was used to model the discharge behavior in multiple degradation modes. The discharge voltages for nine different levels of cyclable lithium loss and electrolyte depletion were experimentally measured. When there was no cyclable lithium loss, 50% electrolyte depletion resulted in a 5% reduction in discharge capacity at 0.05 C discharge rate, while when it was coupled with 30% cyclable lithium loss, it resulted in a 46% reduction. A 50% electrolyte depletion with no cyclable lithium loss caused a 1% reduction in discharge power during 0.5 C discharge at a state of charge (SOC) level of 0.8, while it resulted in a 13% reduction when it was coupled with 30% cyclable lithium loss. The modeling results obtained using the one-dimensional finite element method were compared with the experimental data. The modeling methods are justified by the high degree of concordance between the predicted and experimental values. Using the validated modeling methodology, the discharge capacity and usable discharge power can be estimated effectively under various combined degradation modes of cyclable lithium loss and electrolyte depletion in LIB cells. The final part of this thesis describes a methodology that considers the effect of cell variation on the performance of LIB modules in energy storage applications to improve the reliability of the power quality of energy storage devices and the efficiency of energy systems. Ohm’s law and the law of conservation of charge were employed as governing equations to estimate the discharge behavior of a single strand composed of two LIB cells connected in parallel based on the polarization properties of the electrode. Using the modeling parameters of a single strand, the particle swarm optimization algorithm was adopted to predict the discharge capacity and internal resistance distribution of 14 strands connected in series. Based on the model of the LIB strand to predict the discharge behavior, the effect of cell variation on the deviation of the discharge termination voltage and the depth of discharge imbalance was modeled. The validity of this model was confirmed by comparing the experimental data with the modeling results. 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도, 고출력 및 에너지 효율이 높다는 장점이 있어 기후 비상사태를 직면한 요즘 모빌리티 시스템 및 전기에너지 저장 분야에서 지속가능한 발전을 위한 핵심 동력원이다. 리튬이온전지의 성능은 운영 및 환경 조건, 사용기간 등의 요인에 따라 변화될 수 있어 장기수명 및 안전성 문제가 발생할 수 있다. 따라서 전기자동차, 에너지저장장치의 실제 운영조건을 고려한 환경에서 리튬이온전지의 전기적 및 열적 거동, 셀 간 편차 등을 계산해 배터리 시스템을 적절하게 운용하는 것이 중요하다. 리튬이온전지의 성능 모델링은 전기자동차 및 에너지저장시스템 애플리케이션에서 배터리 관리 시스템의 운용 전략에 중요한 역할을 할 수 있다. 첫 번째는 리튬 플레이팅을 방지하기 위해 급속충전 프로토콜을 정량적으로 고안하는 방법론을 설명한다. 차동 전압 분석(differential voltage analysis)에 기반하여 높은 전류로 충전했을 때 전압 곡선의 변곡점을 구하여 리튬 플레이팅 라인을 도출했다. 급속충전시 리튬 플레이팅 라인으로부터 일정한 마진에서의 안전효과를 설명하기 위해 새로운 지수를 MS(margin of safety)를 개발하였다. 안전 마진에 따른 리튬이온전지의 충전 전압과 열 분포를 예측하기 위해 2차원 모델링을 수행했다. 급속충전 프로토콜 설계를 위한 모델링 접근 방식을 검증하기 위해 5가지 급속충전 프로토콜 및 방전 하에서 사이클링 시험을 수행했다. 두 번째는 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 리튬이온전지의 용량 및 방전 출력 감소에 대한 비가역적인 리튬 손실과 전해질 고갈의 결합된 효과를 추정하는 모델링 방법론이다. 1차원 유한요소법에 기반한 리튬이온전지를 사용하여 9가지 다른 수준의 비가역적인 리튬 손실 및 전해질 고갈에 대한 방전 성능을 모델링했다. 모델링 방법론의 타당성은 모델링결과와 실험값을 비교하여 검증했다. 마지막은 에너지 저장 장치의 전력 품질의 신뢰성과 에너지 시스템의 효율성을 향상시키기 위해 셀 간 편차가 리튬이온전지 모듈의 성능에 미치는 영향을 고려하는 모델링 방법론에 대해 설명한다. 리튬이온전지 셀이 2개로 구성된 단일 가닥의 모델링 파라미터를 사용하여 직렬로 연결된 14개 가닥의 방전 용량 및 내부 저항 분포를 예측하기 위해 입자 군집 최적화(particle swarm optimization) 알고리즘을 채택했다. 방전 거동을 예측하기 위한 리튬이온전지 가닥의 성능 모델을 기반으로 방전 전압, 방전 깊이(depth of discharge)의 불균형에 대한 셀 간 편차의 영향을 계산했다. 실험 데이터와 모델링 결과를 비교하여 모델의 타당성을 확인하였다.

에너지커뮤니티 기반 멀티에너지 가상발전소 최적운영 연구

이진욱 가천대학교 일반대학원 2023 국내박사

최근 재생에너지의 발전 비중 증가는 변동성으로 인한 잉여전력 및 출력제한 문제를 발생시키고 있다. IEA(International Energy Agency)에서는 2035년에 대한민국이 대규모 출력제한이 발생하는 VRE(Variable Renewable Energy) 5단계에 이를 것으로 전망하고 있다. 이에 따라 재생에너지 잉여전력 문제에 대응하기 위한 솔루션의 필요성이 증가하고 있다. 재생에너지 잉여전력 문제의 대응책 중 하나로써, 섹터커플링(Sector Coupling) 또는 P2X(Power-to-X)가 대두되고 있다. P2X 중 P2H(Power to Heat)은 기존 기술 및 인프라 활용이라는 측면에서 선제적으로 적용할 수 있는 방법으로 주목받고 있으며, 국내외에서도 이를 적용하기 위한 실증프로젝트들이 다수 수행되고 있다. 하지만 P2H를 효과적으로 적용할 수 있는 운영사업자의 정의 및 운영체계, 더 나아가 전력도매시장에서 수익성을 추가 확보할 수 있는 최적 운영에 대한 연구는 부재한 실정이다. P2H를 효과적으로 적용하기 위해서는 기존의 전력 및 열에너지를 통합하여 운영하는 사업자가 선도적으로 적용하는 것이 타당하다. 본 논문에서는 재생에너지 출력제한에 대응하기 위한 에너지커뮤니티 기반의 멀티에너지 가상발전소 최적운영 모델을 제안하였다. 이에 앞서, 선행연구를 토대로 지역 에너지커뮤니티 기반 MEVPP(Multi-Energy Virtual Power Plant)라는 새로운 개념을 정의하고 운영체계를 제안하였다. 추가적으로 본 논문에서는 하루전시장 및 실시간시장 환경에서 망 비용을 고려한 MEVPP의 하루전 멀티에너지 공급계획과 하루전시장 입찰계획을 동시에 계획할 수 있는 통합에너지 최적화 모델을 제안하였다. 또한, 재생에너지 출력제한에 대응하기 위한 P2H 전략 기반 운영계획 조정 모델을 제안하였으며, 시장 페널티 및 낙찰 불확실성을 고려한 실시간시장 최적 입찰모델을 제안하였다. 사례연구에서는 제안하는 MEVPP 최적운영 모델을 검증하기 위해 재생에너지 출력제한 상황과 그에 따른 MEVPP의 대응 전략을 기준으로 시나리오를 구성하였다. 사례연구 결과로서, 제안하는 MEVPP는 재생에너지 출력제한 상황에서 기존의 재생에너지 사업자 대비 약 8-14%, VPP 사업자 대비 2-6%, 일반적인 MEVPP 사업자 대비 2-4% 운영수익 손실 저감효과가 있음을 검증하였다. 또한, 출력제한 비율에 따른 하루전시장 및 실시간시장 수익에 대한 민감도 분석과 실시간시장 추가 낙찰 결과에 따른 민감도 분석을 수행하였다. The recent increase in the proportion of renewable energy generation leads to surplus power and output curtailment problems due to its volatility. The International energy agency (IEA) predicts that South Korea will reach the fifth stage of variable renewable energy (VRE) where substantial output restrictions occur by 2035. Consequently, there is an increasing need for solutions to cope with surplus power problems caused by VRE. Among the measures to deal with to surplus power of VRE, sector coupling or power-to-X (P2X) is being spotlighted. Among P2X, power to heat (P2H) is being noticed as a proactive method that can be applied based on existing technology and infrastructure, and various pilot projects to apply it, are being conducted domestically and abroad. However, the definition of operating entities capable of effectively implementing P2H, their operating systems, and the research on optimal operation for securing profitability in the wholesale electricity market are limited. For effective P2H application, it is appropriate for an entity that integrates and operates existing electricity and heat energy to take the lead. This paper proposes an optimal operation model of a multi-energy virtual power plant based on an energy community to address VRE output curtailments. Prior to this, based on previous studies, a new concept called multi-energy virtual power plant (MEVPP) based on the local energy community was defined, and an operating system was proposed. Additionally, this paper proposes an integrated energy optimization model that can simultaneously plan the day-ahead multi-energy supply plan and the day-ahead market(DAM) bidding plan of MEVPP considering grid costs in multi-market environments. Moreover, a P2H strategy-based operation plan adjustment model to address VRE output curtailments and an optimal real-time market bidding model considering market penalties and bidding uncertainties were proposed. In the case study, scenarios were set based on VRE output curtailment situations and the corresponding MEVPP response strategies to validate the proposed optimal operation model of MEVPP. According to the results of the case study, the proposed MEVPP under the situation of VRE output curtailments was verified to have more operation profit than 8-14% compared to traditional renewable energy operators, 2-6% compared to VPP operators, and 2-4% compared to general MEVPP operators, respectively. In addition, sensitivity analysis on DAM and RTM profits depending on curtailment rate, and on sensitivity to additional RTM bidding results, were performed.

송배전망에서의 ESS 운영 및 제어 알고리즘

김지형 아주대학교 2020 국내석사

최근 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System)는 전기 에너지를 저장하여 원하는 시간에 필요한 양만큼 공급할 수 있다는 장점으로 수용가의 부하 이동, 신재생에너지 출력보정, 주파수 안정화 등 다양하게 활용되고 있다. 특히 신재생에너지 계통연계 비율이 높아지면서 신재생에너지의 변동성과 계통의 유연성에 기여할 수 있는 자원으로써의 활용성이 높아지고 있다. 이와 같이 ESS의 활용범위는 송배전계통에 걸쳐 30여 가지로 다양하게 사용될 수 있다. 그러나 국내 대부분의 ESS 기술은 주로 수용가 측 최대부하 감소, 신재생에너지 연계 ESS를 통한 REC 거래, 전력계통의 전기 품질 및 안전도를 유지용 주파수 조정과 같이 세 가지로 집중되어 있다. 따라서 본 논문에서는 송배전계통에서 사용될 수 있는 에너지 저장장치의 활용성을 높이기 위해서 현재 활발히 연구되고 있지 않는 ESS 운용기술 세 가지에 대해서 ESS 운영 알고리즘을 제 안한다. 세 가지 알고리즘은 계통한계가격 ESS Arbitrage 알고리즘, ESS Peak Shaving 알고리즘, PV-ESS 오차보상 알고리즘이다. 이를 위해서 우선 알고리즘에 사용되는 배터리 매커니즘에 대한 수식적인 모델링을 수행하였다. 그후 세 가지 알고리즘을 기술의 배경과 함께 순서대로 설명하였다. 알고리즘에서 설계한 목적함수의 해를 찾기 위해서 Greedy Algorithm과 Particle Swarm Optimization 기법이 사용되었다. 각각의 알고리즘은 과거 계통한계가격과 과거 계통전체부하, 과거 PV발전 데이터를 통해 실효성을 검증하였다. In recent years energy storage system has been used various ways such as shifting loads of customers, adjusting renewable energy power, and regulating frequency because it has the advantage of storing electrical energy and supplying it on time. In particular, as the ratio of renewable energy power is increasing, the utilization as a resource that can cover the variability and flexibility of renewable energy is increasing. As such, the ESS can be used in various ways over 30 in transmission and distribution systems. However, most of ESS technologies in Korea are mainly used in three ways: reducing the maximum load on the consumer side, REC trade through renewable energy-linked ESS, and regulating the frequency to maintain the electrical quality and safety of the power system. Therefore, in this paper, we propose the ESS operation algorithm for three ESS operation technologies that are not actively studied to increase the utilization of ESS in transmission and distribution systems. Three algorithms are SMP ESS arbitrage algorithm, ESS peak shaving algorithm, PV-ESS forecasting error compensation algorithm. To this purpose, we first set the mathematical modeling of the battery charging-discharging mechanism used the algorithm. after that, these tree algorithms are described in order with the background of the technology. Greedy algorithm and Particle Swarm Optimization are used to find the solution of the objective function. Finally, we validate and analyze each algorithm from historical system marginal price, system loads and PV generation data.

태양광발전기와 연계된 에너지저장장치 경제성 평가를 통한 최적 용량 산정 연구

김하양 아주대학교 대학원 2019 국내석사

한국 정부에서는 신·재생에너지 보급을 활성화하기 위하여 신·재생에너지의무할당제 정책을 사용하여 일정 규모 이상의 발전 사업체들에게 일정 비율을 신·재생에너지로 공급하도록 하여 보급을 활성화시키고 있다. 현재 에너지저장장치 (Energy Storage System, ESS)는 설비가 고비용이기 때문에 신·재생에너지공급인증서 (Renewable Energy Certificate, REC) 가중치를 적용 받지 않는 시스템의 경우에는 단독 운행되는 태양광 발전기 (Photovoltaic, PV)보다 경제성이 낮게 나타난다. 따라서 PV에 BESS (Battery Energy Storage System)를 연계시킨 시스템이 경제성을 확보하기 위한 REC 가중치 조건에 대한 경제성 분석이 필요하다. 이러한 배경에서 본 연구는 전국 수평면 전 일사량과 BESS의 최적 용량과의 상관성에 대해서 알아보고 REC 가중치 감소에 따른 경제성은 발전량에 기초한 균등화 발전비용 (Levelized Cost of Energy, LCOE)을 통해 분석하고 최적 용량을 산정하였다. 분석 결과 최소/최대/중앙 값의 수평면 전 일사량을 가지는 PV에 BESS를 연계하는 경우 경제성을 높게 가지는 PCS (Power Conversion System) 용량은 동일하게 PV 용량의 0.4배였으며 BESS의 용량은 2.4~2.8배를 보였다. 이때 2019년과 2020년에 부과되는 REC 가중치를 적용하는 경우 단독 운행되는 PV보다 경제적 우위를 보였다. 하지만 신·재생에너지와 연계된 BESS의 REC가중치는 점차 감소할 것으로 예상되며 그에 따른 경제성이 발생하기 위해서는 BESS의 설치비용 하락이 절대적으로 필요한 것으로 나타났다. 본 연구에서는 계통 연계형 BESS를 사용하여 PV의 발전량이 발전과 동시에 한국 전력 거래소로 보내지는 것으로 가정함으로써 전력수요를 고려하지 않은 한계가 존재한다. 향후 전력 수요를 고려하는 추가적인 분석이 필요하다.

한국과 IEA 에너지밸런스 표 비교 분석 연구 : 2007~2009년도 중심으로

손중찬 아주대학교 2014 국내석사

우리나라의 현행 에너지밸런스는 온실가스 배출통계, 온실가스 저감정책, 에너지수급분석 등의 각종 연구 및 정책 수립 시 이용되는 국내 에너지 현황 파악의 중요한 척도이다. 최근 KEEI 에너지밸런스에 대한 연구를 통해 기초자료의 문제점, IEA 기준과의 상이함, 중복 계산 등의 현재 에너지 수급 상황을 올바르게 반영하지 못한다는 문제점 등이 제기되어 왔다. 본 연구에서는 2007~2009년 에너지밸런스를 이용하여 KEEI 기준과 IEA 기준 에너지밸런스와 수치상의 실제적인 차이를 파악하기 위해 KEEI 에너지밸런스의 총발열량, 순발열량 기준과 IEA 에너지밸런스를 기준별 공통 에너지원, 에너지흐름 순서로 세분화하여 비교한다. 비교 결과, 공급부문에서는 수입에서 경유, 중유, JA-1의 차이 비율이 크게 나타났다. 현행 KEEI 총발열량과 IEA의 기준의 차이는 2009년 기준 경유 15.39%, 중유 8.09%, JA-1 5.87%로서 주요 에너지원 중 공급비율 6%인 기준별 공통 에너지원 중에서는 총발열량 뿐만 아니라 순발열량 기준까지 모두 5.8% 이상의 차이 비율이 나타난 것으로 확인하였다. 전환부문에서는 세분화 대상 에너지원의 기준별 공통 세부부문에서 값이 없는 것으로 나타났다. 이는 기준별 분류체계의 상이함으로 인해 비공통 에너지원 및 부문에서 차이가 나타나는 것으로 유추할 수 있다. 또한 최종소비 부문에서는 원료탄이 산업부문 제조업의 1차금속에서 KEEI 총발열량과 IEA의 기준의 차이가 2007년 8.24%, 2008년 8.91%, 2009년 7.88%로 나타남을 확인하였다.

레이저 공진기 구조 최적화를 통한 다양한 종류의 펨토초 광섬유 레이저 광원 개발

박설원 아주대학교 2015 국내석사

극초단 광섬유 레이저는 미세한 광 정렬이 필요하지 않고, 효율적인 열 분산 및 품질 높은 빔 특성을 가지고 있다. 또한 소형화, 경량화가 가능하며 매우 저렴한 가격으로 레이저를 구성할 수 있다는 장점을 바탕으로 기존의 고체레이저와 비교해서 실제 산업 현장의 응용에 있어서 경쟁력을 가지고 있다. 통상적으로 수백 펨토초~수 피코초의 짧은 펄스를 발생시키기 위하여 수동 모드 잠금(Passive mode-locking)방법이 이용되어 오고 있는데, 특히 레이저 공진기 내부의 분산 조건에 따라 다양한 종류의 펄스 레이저를 구현 할 수 있다. 본 연구에서는 비선형 편광 회전 방식을 이용한 고출력 솔리톤 광섬유 레이저, 넓은 스펙트럼 폭을 가진 Dissipative 솔리톤 광섬유 레이저 및 전광섬유 처프 펄스 증폭 시스템을 제작하여 다양한 분야에서 응용할 수 있는 레이저 광원을 개발하여 최적화했다. 기존의 솔리톤 레이저의 출력 보다 더 높은 출력을 얻기 위해 90 %의 출력 비율을 가지는 커플러로 공진기를 구성하였다. 또한 이득 물질인 어븀 첨가 광섬유 뒤에 바로 출력 커플러를 삽입하여 출력의 손실을 겪지 않도록 해서 출력 효율을 높였다. 최종적으로 52.9 mW의 출력을 가진 솔리톤 광섬유 레이저를 개발했다. 또한 넓은 스펙트럼 폭을 가지는 레이저 공진기를 설계했다. 공진기의 분산 영역 별로 스펙트럼을 비교하였고 정상 분산 영역에서 발진하는 Dissipative 솔리톤 광섬유 레이저에서 가장 넓은 스펙트럼을 얻었다. 더 넓은 스펙트럼을 얻기 위해 isolator, 파장다중분할 커플러, 출력 커플러의 세 가지 역할을 하는 하이브리드 소자를 이용하여 간단한 공진기를 구성했다. 결과적으로 0.028 ps2의 분산 값에서 68 nm의 스펙트럼을 얻었다. 추가적으로 스펙트럼 폭이 공진기 내 손실에 영향을 받는지 확인하기 위해 삽입 손실이 2.37 dB인 Dispersion compression fiber(DCF)를 공진기에 삽입하였고 0.05 ps2의 공진기 분산 값에서 30.7 nm의 스펙트럼 폭을 얻었다. 이 연구를 통해 Dissipative 솔리톤 광섬유 레이저에서 손실에 의한 스펙트럼 폭의 변화를 확인했고 68 nm의 넓은 스펙트럼 폭을 가지는 레이저를 개발했다. 마지막으로 전광섬유 처프 펄스 증폭 시스템을 설계했다. 604.2 fs의 펄스폭과 2.6 mW 출력을 가진 솔리톤 레이저를 오실레이터로 하는 전광섬유 처프 펄스 증폭 시스템을 개발 및 최적화했다. 오실레이터인 솔리톤 레이저와 같은 비정상 분산을 가지는 단일모드 광섬유를 이용하여 펄스를 늘렸고 정상 분산을 가지는 이득 물질인 어븀 첨가 광섬유를 이용하여 증폭과 펄스의 압축을 동시에 이루어 시스템을 간단히 했다. 50-100 mW의 출력과 transform limited pulse을 얻기 위해 단일모드 광섬유와 어븀 첨가 광섬유의 길이 조절을 최적화하였다. 최종적으로 6.27 m의 어븀 첨가 광섬유에서 33 mW 출력과 726.2 fs 펄스폭을 가지는 전광섬유 처프 펄스 증폭 시스템을 제작했다.

난분해성 사불화탄소(CF4) 제거를 위한 저전력 열 플라즈마 시스템 최적화 및 분해특성 연구

황상연 아주대학교 2021 국내박사

온실가스 중의 하나인 과불화탄소(Perfluorocarbon, PFC)는 반도체 산업에서 광범위하게 사용되고 있는 비활성 기체로서 반도체 제조공정의 식각(Etching) 및 증착(CVD) 공정에 주로 사용되고 있으며, 대기 중에서 매우 안정하여 체류시간이 길고 지구온난화 물질로 분류되고 있다. 그러나, 사용량이 많은 삼불화질소(NF3)와 육불화황(SF6)의 경우 비교적 쉽게 열화학적으로 분해 제거가 가능하나 사불화탄소(CF4)의 경우 중심탄소가 산화되어 있는 상태로 C-F 사이의 결합력이 매우 강하고 다른 물질과의 상호작용이 적은 가장 안정적인 난분해성 물질로서 분해 제거에 어려움이 따른다. NF3, SF6 보다 지구온난화지수(Global Warming Potential, GWP)는 작지만 대기 중 체류시간이 5만년 이상에 달하는 것으로 알려져 있으며, 현재 CF4를 완전히 대체할 수 있는 화학물질이 없고 반도체 산업의 성장추세와 함께 배출량이 증가하고 있기 때문에 고효율 저에너지 소비형 분해기술에 대한 연구가 필요하다. 기존 CF4 제거는 화학 흡착, 막 분리법 등의 분리회수 기술과 연소, 촉매, 플라즈마를 이용한 분해기술이 사용되어 왔으나 최근에는 비열(Non-thermal) 및 열(Thermal) 플라즈마 분해기술이 주로 사용되고 있으며 플라즈마 분해법의 경우 CF4와 같이 화학적으로 안정하고 분해가 가장 어려운 온실가스 처리에 유리한 기술로 평가되고 있다. 특히, 아크를 이용한 열 플라즈마의 경우 플라즈마에 의해 발생된 고온 조건의 반응부에 CF4 가스가 직접 접촉하여 CFi(CF3, CF2, CF, F-) 형태로 분해되고 화학활성종인 라디칼과의 반응을 통해 COF2, COF, CO, CO2, HF로 전환되어 최대 98%의 높은 분해효율을 얻을 수 있다. 하지만, 처리가스와의 접촉율이 떨어질 경우 분해효율이 낮아지게 되고 전력소모 증가 및 전극 내구성이 저하될 수 있으므로 저전력, 고효율의 플라즈마 발생장치(Plasma torch) 설계 및 최적화에 따른 분해기술 개발이 필요하다. 본 연구에서는 아크 방식의 열 플라즈마를 이용하여 반도체 산업에서 주로 발생되는 난분해성 CF4 가스를 처리하기 위한 고효율 저에너지 소비형 플라즈마 시스템의 최적화 설계인자를 도출하였고 아크 방전을 일으키는 공동형 양극부 및 봉형 음극부로 구성된 10 kW급의 비이송식 플라즈마 토치 설계/제작 결과 운전 효율은 75% 이상이며, 최소 8 kW에서 최대 13 kW 범위에서 운전이 가능하였다. 열역학 해석 프로그램을 이용한 CF4 가스의 열역학적 거동 및 반응 분석과 플라즈마 발생 전력량 및 전류-전압 변화, 분해효율을 높이기 위한 반응제인 H2O/CF4 공급비율 변화, 반응가스와 플라즈마 화염과의 접촉율 변화 등 운전조건에 따른 플라즈마의 특성을 관찰하고 다양한 변수들에 대한 분해 실험을 통해 최적 시스템 공정 및 운전 조건을 도출하였다. CF4 모사가스를 이용한 전력량 변화 실험 결과 인가 전력량이 높아질수록 전기장의 세기가 커지고 전자의 가속에 의한 운동에너지가 증가하여 분해효율이 증가하였으며. 동일 전력량 기준으로 전류량 변화 실험 결과 전류-전압 변화에 따라 분해 효율의 차이가 발생하여 적정한 운전범위가 존재하며 12 kW, 45A 조건에서 93.98%의 분해효율을 확인하였다. 반응제 공급량 변화 실험 결과 H2O/CF4 ratio 3.0 조건에서 분해효율이 가장 높게 분석되었으며 O∙ 라디칼은 CF4 분해를 위한 전구체로 작용하고 ∙OH 라디칼은 플라즈마 방전 시 CFi를 산화시키고 CF4 재생성을 억제함으로써 분해효율을 촉진시키는 것을 알 수 있었다. 전력량 10 kW 조건에서 반응높이 변화 실험 결과 플라즈마 화염과 격막과의 높이가 낮아져 접촉율이 증가하고 H2O/CF4 ratio가 높아질수록 CF4 분해효율이 증가하였으며, 전류 45A, H2O/CF4 ratio 3.0, 격막과의 높이 10 mm 조건에서 최대 93.87%의 분해효율을 얻을 수 있었다. 본 연구를 통해 10 kW 저전력에서 CF4 농도 5000 ppm 기준으로 분해율 90% 이상을 확인하였으며, CF4의 분해 정도는 플라즈마에 인가되는 전력 및 전압 증가, 반응제인 H2O의 적절한 공급비율, 반응가스와 플라즈마 화염과의 접촉율을 및 접촉 시간을 높이기 위한 반응로의 구조에 따라 분해 효율이 변화하는 것을 알 수 있었고 매우 안정적인 분자 구조를 가진 난분해성 CF4의 기존 분해효율에 한계를 갖는 직접 가열방식과 비교 시 아크를 이용한 저전력 열 플라즈마 시스템을 이용할 경우 효율적인 처리가 가능할 것으로 판단된다.

에너지저장장치 운용조건에 따른 리튬이온전지 모듈의 열적 거동 해석

강서희 아주대학교 2023 국내석사

에너지원의 간헐성을 보완하고 안정적으로 에너지를 저장 및 운반하기 위해 적절한 에너지저장시스템을 선택하는 것은 중요하다. 리튬이온전지는 높은 에너지 밀도와 긴 사이클 수명 등의 장점으로 에너지저장장치 시장에서 큰 인기를 얻고 있다. 하지만, 리튬이온전지는 정상 작동범위를 벗어날 경우 지속적인 열화로 용량, 출력에 손실이 발생하거나 최악의 경우 화재사고로 이어질 수 있다. 따라서 리튬이온전지의 안정적인 운용을 위해 실제 에너지저장장치의 작동 환경에서 리튬이온전지의 열적 거동을 해석하는 것은 필수적이다. 본 연구에서는 에너지저장장치의 운용조건에 따른 리튬이온전지의 열적 거동을 해석하기 위해 3차원 모델링을 수행하였다. 63Ah 셀의 전위 및 전류밀도 분포 모델링 결과를 이용하여 리튬이온전지 모듈의 열해석을 진행하였다. 해석 대상 모듈은 2개의 셀이 병렬로 연결되어 하나의 가닥을 이루고 14개의 가닥이 직렬로 연결되어 있다(2P14S). 모델링 결과를 검증하기 위해 15℃, 25℃, 35℃에서 방전 시험을 진행하였고, 각각의 시험 결과와 모델링 결과를 비교하여 모델링의 타당성을 검증하였다. 모델링 결과를 토대로 에너지저장장치용 리튬이온전지 모듈 내 최적의 온도 센서 위치를 제안하여 리튬이온전지의 안정적인 운용에 효과적으로 활용할 수 있도록 하였다. It is important to choose an appropriate energy storage systemto compensate for intermittent energy sources and to stably store and transport energy. Lithium-ion batteries have gained great popularity in the energy storage market due to their advantages such as high energy density and long cycle life. However, if the lithium-ion battery deviates from its normal operating range, continuous deterioration may cause a loss of capacity and output, or in the worst case, a fire. Therefore, for the stable operation of lithium-ion batteries, it is essential to interpret the thermal behavior of lithium-ion batteries in the operating conditions of actual energy storage devices. In this study, three-dimensional modeling was performed to analyze the thermal behavior of lithium-ion batteries according to the operating conditions of energy storage devices. Thermal analysis of the lithium-ion battery module is advanced by utilizing the potential and current density distribution modeling results of the 63Ah cell. In the module to be analyzed, two cells are connected in parallel to forma strand and 14 strands are connected in series (2P14S). To verify the modeling results, discharge tests were conducted at 15°C, 25°C, and 35°C. Based on the modeling results, we proposed the optimumtemperature sensor position in the lithium-ion battery module for energy storage devices, and made it possible to effectively utilize it for stable operation of the lithium-ion battery