연료전지 배터리 태양전지를 이용한 무인기용 복합 전기추진 시스템 개발

Abstract

본 연구에서는 소형 무인기 동력원으로 연료전지와 배터리 그리고 태양전지를 이용한 복합 전기추진 시스템을 만들어 임무에 필요한 전력을 공급 하였다. 전력원의 통합을 위해 solid state relay를 이용한 전력관리 시스템을 구성 하였고, 각각의 전력원을 관리함에 따라 에너지 손실을 최소화 할 수 있었다.

연료전지 시스템은 수소발생장치, 제어기, 연료전지 스택으로 구성되며, 수소발생장치에는 Co/Ni foam과 $Co/Al_2O_3$ 의 촉매를 사용하였다. 수소공급을 위해 화학적 수소화물인 20 wt% NaBH4 수용액을 사용하여 PEM stack에 필요한 수소를 공급 하였다. 수소 발생 중 만들어지는 부산물은 펌프가 부착된 분리기를 설계하여 시스템 밖으로 배출 하였다. 그 결과 연료전지 시스템운용 중 무게 감소로 인해 에너지 밀도가 증가함을 확인 하였다.

태양전지 시스템은 SunPower사에서 제공하는 C60을 이용하여 태양전지 모듈을 구성 하였으며, 태양광 전력 제어기인 Maximum Power Point Tracking(MPPT)와 리튬 폴리머 배터리를 이용하여 시스템을 구성하였다. 날씨에 따른 태양에너지의 출력 변화를 최소화하기 위해 태양광 제어기인 MPPT를 이용하여 배터리를 충전 시켰고, 배터리에서 모터에 필요한 전력을 공급 하였다.

비행은 연료전지와 배터리를 이용하여 이륙한 다음 순항 시 연료전지로 비행 그 후 태양전지로 전환하여 모터에 필요한 전력을 공급하는 방법으로 비행 테스트를 하였다, 그 결과 연료전지와 태양전지 시스템에서 모터에 필요한 전력을 충분히 공급함을 확인 하였고, solid state relay를 이용한 전력제어도 효과적이 다는 것을 증명 하였다.

또한 연료전지와 배터리를 이용한 하이브리드 시스템을 구성하여, 모터에서 높은 출력이 필요 할 경우 부족한 전력은 배터리에서 공급하게 하여, 시스템 안정성을 증가 시켰다.