최근 애플망고 스마트 농가에 에너지 사용량이 증가됨에 따라 에너지 절감을 위한 대책들과 화석연료를 대체하는 다양한 신재생에너지 도입에 대한 요구들이 늘고있다. 본 연구에서는 애플망고 스마트 농가에 여러 에너지원들을 혼합하여 사용할 수 있도록 실증시험 모델을 구축하고 운영함으로써 그 효용성을 검토하고자 하였다. 우선 애플망고 특성을 고려한 비닐온실의 최대 냉난방부하량과 에너지모델을 분석하여 신재생 에너지원들의 혼합 및 기존 공조설비와의 연계를 계산하였다. 애플망고 시험 농지로는 재배에 적합한 제주도 서귀포를 선정하였으며, 기존의 경유 난방기를 사용하는 비교시험 하우스, 기존의 경유와 태양광, 지하 공기 히트펌프 난방기를 혼합하여 사용하는 실증시험 하우스, 경유와 지하공기 히트펌프 난방기를 사용하는 대조시험 하우스를 10~11월 두 달간 운영하여 그 결과들을 평가하였다. 온실 내외부에 온도, 습도, CO2를 측정할 수 있는 6점의 센서부들을 설치하였고, 적산 전력계와 유량계를 설치하여 데이터를 수집하였으며, 모든 시험 데이터는 모바일 원격으로 제어 및 모니터링이 가능하도록 구성하였다. 시험 결과, 각 하우스들에서 수확한 과실의 수량과 품질은 유사하게 평가되었지만, 실증시험 하우스의 난방비가 비교시험 하우스보다 절감되었다. 하지만 실증시험 하우스의 경우 높은 시설유지비로 인해 이를 고려한 사용료는 비교시험 하우스보다 더 비싸게 평가되었다. 본 연구를 통해 생산된 잉여전력을 매전할 때 이로 인한 이용비는 비교시험 하우스보다 더 경제적임을 확인할 수 있었다. 또한 기존의 경유와 지하공기 히트펌프 난방기를 혼합한 대조시험 하우스의 난방비용이 경제성에서 더 유리함을 알 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 애플망고 스마트 농가에 적합한 에너지-믹스 모델을 구축할 수 있었으며, 다양한 신재생에너지들의 효용성들을 검토할 수 있었다.
Inline 분산 제어 (DM; dispersion management)와 전체 전송로 중간에 광 위상 공액기 (OPC; optical phase conjugator)를 갖는 WDM 시스템의 전송 용량에 따른 유효 전송 거리를 살펴보았다. 그리고 후치 보상량 (postcompensation)만으로 제어되는 1 Tbps WDM 시스템에서 1 dB 눈 열림 패널티 (EOP; eye opening penalty)를 얻을 수 있는 전체 잉여 분산 (NRD; net residual dispersion)의 범위를 살펴보았다. NRD를 시스템 전송 용량과 거리에 따라 최적화시킴으로써 유효 전송 거리가 수 백 킬로미터 이상 증가되는 것을 확인하였다. 그리고 1 Tbps WDM 시스템에서 NRD가 +17 ps/nm로 결정되면 최대 전송 거리를 얻을 수 있고, 특히 장거리 1 Tbps WDM 전송에서 유효 NRD 범위는 양의 값 내에서 결정되어야 하는 것을 확인하였다.
Inline 분산 제어(DM; dispersion management)과 광 위상 공액기 (OPC; optical phase conjugator)를 갖는 광 전송 링크 구조가 적용된 1 Tbps WDM 전송 시스템의 구현 가능성과 전송 거리 신장 정도를 연구하였다. 본 논문에서 제안하는 광 전송 링크 구조를 $26{\times}40$ Gbps WDM 전송 시스템에 적용하고 전송 거리에 의존하는 전체 잉여 분산 (NRD; net residual dispersion)를 결정한 경우 유효 전송 거리가 NRD = 0 ps/nm인 경우에 비해 매우 신장되는 것을 확인하였다. 또한 전송 거리와 WDM 채널의 입사 전력에 의존하는 precompensation과 postcompensation의 유효 범위를 도출하는 방법으로 inline DM의 관 전송 링크의 설계 기준을 제시하였다.
그룹 속도 분산과 비선형 효과의 상호 작용에 의해 왜곡되는 WDM 신호의 보상을 위해 전체 전송로 중간에 광 위상 공액기 (optical phase conjugator)가 적용되고 중계 구간의 단일 모드 광섬유(SMF; single mode fiber) 길이와 RDPS(residual dispersion per span)를 인위적으로 분포하는 광전송 링크의 최적 분포 패턴을 도출하였다. 최적의 전체 잉여 분산 (NRD; net residual dispersion)인 10 ps/nm와 -10 ps/nm로 설계된 링크에서 중계 구간이 증가할수록 SMF 길이는 점차 감소시키고, RDPS는 점차 증가시키는 분포가 균일한 분포에 비해 성능 면에서 우수한 것을 확인하였다.
단일 모드 광섬유 (SMF; single mode fiber)로 구성된 1,000 km의 전체 전송 링크의 중간이 아닌 100 km와 900 km에 광 위상 공액기 (OPC; optical phase conjugator)를 위치시켰을 경우에 추가적으로 분산 제어 (DM; dispersion management)를 적용하여 왜곡된 40 Gbps ${\times}$ 24 채널의 WDM 신호를 보상하는 전송 링크 설계 기술을 연구하였다. OPC가 100 km와 900 km에 위치한 경우 전체 잉여 분산 (NRD; net residual dispersion) 값을 각각 800 ps/nm와 900 ps/nm로 결정하여 DM을 적용하면 이를 통한 분산 보상과 OPC를 통한 비선형 효과의 보상을 통해 WDM 채널들을 양호한 성능으로 전송할 수 있는 것을 확인하였다.
광 위상 공액기 (OPC; optical phase conjugator)가 단일 모드 광섬유 (SMF; single mode fiber)로 이루어진 전체 전송 거리 1000 km의 50 km 간격으로 250 km부터 750 km까지 존재하는 광전송 랭크에 inline 분산제어 (DM; dispersion management)를 통해 $24{\times}40$ Gbps WDM 채널의 신호 왜곡을 보상하기 위한 최적의 전체 잉여 분산 (NRD; net residual dispersion)을 OPC 위치별로 도출하였고, 최적 NRD가 적용된 경우의 WDM 채널의 성능 개선 정도를 NRD = 0 ps/nm로 고정된 전송 링크에서의 수신 성능과 비교하였다. 최적 NRD는 OPC가 전체 전송 거리의 중간인 500km로부터 이동된 정도에 따라 결정되어야 하고, 최적 NRD의 결정과 적용에 있어 OPC가 500km로부터 수신부쪽으로 이동되는 경우보다 송신부쪽으로 이동되는 경우가 더욱 안정적이고 효과적임을 확인하였다. 또한 0 ps/nm로 NRD가 고정된 전송 랭크에 비해 최적 NRD로 셜계된 전 송 랭크에서의 WDM 채널의 눈 열림 패널티 (EOP; eye opening penalty)가 OPC 위치에 따라 1.5 dB부터 3dB까지 개선되는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 광섬유에서 발생하는 그룹 속도 분산과 비선형 효과에 의한 왜곡을 보상하기 위해 적용하는 MSSI(Mid-Span Spectral Inversion)에서 광 위상 공액기(OPC; optical phase conjugator)를 중심으로 광 전력의 비대칭화 때문에 나타나는 기술적 한계를 부가적으로 집중형 분산 제어(DM; dispersion management) 기술을 결합시켜 극복할 수 있다는 것을 고찰하였다. 본 연구에서 고려한 집중형 DM은 송신단 바로 다음과 수신단 바로 앞에만 분산 보상 광섬유(DCF; dispersion compensating fiber)를 두는 구조(구조 A)와 전체 전송 링크 중간에 위치한 OPC의 바로 전후에 DCF를 두는 구조(구조 B)로 나누어 각 경우에 대해 전송 성능 개선 정도를 비교하였다. 분석 결과 MSSI에 구조 A의 집중형 DM이 결합된 경우가 구조 B가 결합된 경우에 비해 전송 성능을 크게 개선하는 것을 확인하였다. 본 논문에서 고려한 2가지 구조 모두 비선형 현상 중 자기 위상 변조(SPM; self phase modulation)에 의해 성능이 제한되는 WDM 시스템에서 총 전송 링크의 전체 잉여 분산량(NRD; net residual dispersion)이 양의 값으로 결정되어야 모든 채널에 대해 최상의 성능을 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 태양광 발전시스템을 이용한 승압 초퍼와 전압형 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터인 전력변환기로 구성하였고, 안정된 변조를 위해서 동기신호와 제어신호를 원칩 마이크로프로세서에 의해서 처리하였다. 전력비교에 따라 시간 비율을 변화시키지만 태양전지는 전형적인 수하특성을 갖고 있어, 일사량과 온도변화에 관계없이 항상 최대 출력점을 추적하도록 승압초퍼를 제어하였다. 또한 PWM 전압형 인버터는 태양전지가 연속 발전할 수 없는 단점을 보완하기 위해 일반 상용전원과 연계함으로써 약 $10{\sim}20[%]$ 전력절감효과를 얻을 수 있는 에너지절약 전원 복합형 전력변환장치로 구성하였다. 그리고 태양광 발전의 효율을 높이기 위하여 센서와 마이크로프로세서를 이용한 태양광위치추적 장치를 설계하여 고정방식의 태양광 발전에 대하여 비교해 보았다. 그 결과, 태양광 위치추적장치는 고정방식의 태양광 발전에 비해 5% 정도 개선됨을 알 수 있었다. 또한, PWM 전압형 인버터와 위상동기를 위해서 계통전압을 검출하여 계통전압과 인버터 출력을 동상 운전하므로 잉여전력을 계통과 연계할 수 있게 하였다. 그리고 고역율과 저고조파 출력을 유지함으로서 부하와 계통에 전력이 안정하게 공급될 수 있도록 제어하였다.
집중형 분산 제어(DM; dispersion management)와 광 위상 공액기(OPC; optical phase conjugator)가 적용된 WDM 전송 시스템에서 NRZ 형식과 RZ 형식의 시스템 성능을 비교하였다. OPC만 적용된 경우에서보다 OPC와 결합한 집중형 DM 기술이 적용된 WDM 전송 시스템에서 NRZ와 RZ 형식의 눈 열림 패널티(EOP; eye opening penal) 모두 크게 개선되는 것을 알 수 있었다. WDM 채널들의 최상의 성능 개선을 위한 집중형 DM에서 RZ 형식의 경우 최적의 전체 잉여 분산량(NRD; net residual dispersion)은 경로 평균 분산 계수가 0에 가까지도록 매우 작게 결정되어야 하는 반면 NRZ 형식의 경우에는 매우 크게 결정되어야 하는 것을 확인하였다. 그리고 OPC와 결합한 최적의 NRD로 설계된 집중형 DM에서 NRZ 형식의 경우보다 RZ 형식의 경우 더 큰 EOP 개선 효과를 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 이는 OPC와 결합한 집중형 DM이 RZ 형식 전송에서 발생되어 성능을 저하시키는 채널 내 4-광파 혼합현상(IFWM; intrachannel four-wave mixing)과 채널 내 상호 위상 변조(IXPM; intrachannel cross phse modulation) 현상에 의한 신호 왜곡을 억제시키기 때문이다. 즉 본 논문에서 제안한 OPC와 결합한 집중형 DM은 RZ 형식의 WDM 전송 시스템에서 채널 내 비선형성 감소에 큰 효과가 있는 것을 알 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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