12. 전기에너지를 이용한 새로운 교통수단 생활속의 전기 위덕대학교 이수형

12장. 새로운 교통수단 교통수단의 발전 전기자동차 도시 신교통 시스템 고속전철시스템 자기부상열차

12-1 교통수단의 발전 교통수단의 발전 항공기술 고속화, 사용 에너지의 변화 (석유에너지 → 전기에너지) 1903년 라이트 형제 : 최초의 유인동력 비행 현재 : 초음속 제트여객기의 개발 예] 보잉사, 에어버스 (A3XX)

해상교통 물류수송에 사용 (90%) 초고속화, 대형화 추진기관 초고속 : 복합지지선형, 가스 터빈, 워터 제트 → 50노트급 스팀터빈선, 디젤선, 가스터빈선, 원자력추진선, 초전도전자추진선, 연료전지추진선 초고속 : 복합지지선형, 가스 터빈, 워터 제트 → 50노트급 영국 해군의 트라이톤

전기자동차 현재의 자동차 대안 배출가스 : 지구온난화, 대기오염 석유자원의 한계 엔진의 최적제어 : 성능개선 대체연료의 사용 전기자동차, 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차 전기자동차 : 고성능, 저중량, 고효율 전지개발이 필수

고속전철 기술 목표 : 속도 향상 차체경량화, 추진시스템의 성능 개선, 안정성, 신뢰성 연구 자기 부상 열차 바퀴가 없으며 저소음, 저진동, 저공해 프랑스의 TGV 독일의 transrapid

도시 신교통수단 지하철과 비교하여 소규모로 운영되는 궤도 교통수단 경량전철 지하철보다 작고 버스보다 큰 개념 1980년대 이후 본격 실용화 노면전철 (SLRT), 모노레일(monorail), 안내궤도식 철도 (automated guideway transit), 자기부상식 도시철도 기존 도로변에 지상이나 고가 건설 차량회전반경, 등판, 가/감속등이 뛰어남 → 접근성 향상, 소음 및 대기오염 감소, 무인운전 가능

12-2 전기자동차 개요 배터리의 전원을 이용하여 AC/DC전동기 구동 1873년 영국에서 최초 제작, 1980년대 이후 연구 1차 세계대전이후 : 가솔린 차량의 발달 장점 배기가스 없다 소음이 적다 해결해야 할 과제 전지의 소형, 경량화 충전시간의 단축 고효율의 전동기

전기자동차의 종류

전기자동차 순수 전기자동차 : 축전지와 전동기만으로 구동 배기가스 없음, 소음 적음 가솔린 자동차에 비해 3~3.5배의 경비 에너지 효율 : 90%상회 → 1.5배의 효율

하이브리드 엔진 출력 → 전기에너지 두가지 동력원

연료전지 자동차 (FCEV) 액체연료인 메탄올에서 수소를 생성 배기가스 없음, 청정환경, 구조 단순 전기 + 열 : 에너지효율 80%

태양전지 자동차 태양의 빛 에너지 이용 : 충전

문제점과 전망 전지의 수명연장 기초기반시설 : 가정용 및 공용의 충전설비 폐전지의 처리대책 현재 : 최대 주행능력 200km/h, 최고속도 130km 실용화의 초반 고성능 전동기 개발, EMS(energy management system) 효율적인 파워스티어링, 에어컨, 히터개발 병행

12-3 도시신교통 시스템 대량형 철도와 소량형 버스의 중간적인 수요 “경량전철” SLRT (street light rail transit) 모노레일 (monorail) 안내궤도식 철도 (AGT) 리니어 지하철 자기부상식 철도 도시형 삭도 세계 10여개국(미국, 일본, 독일 등) : 90여개 노선 건설, 운영중

경량전철의 특징 지하철 (중량전철) : 막대한 건설비 소요, 외곽 또는 위성도시간의 교통수요 처리에 비효율적 버스 등 노면교통수단을 위한 도로확보 : 투자의 효율성과 안전성 확보 및 환경보전 측면에서 한계 경량전철 교통 수요 처리능력 다양 기존 교통수단과의 연계 수송 용량 및 건설, 운용측면에서 투자의 효율성을 가짐

경량전철의 종류 노면 전차 : SLRT(street line rail transit), LRT 무인자동 대중교통수단 : AGT(automated guideway transit)

모노레일 (monorail) 1개의 주행로 위를 고무 타이어 차량이 주행 궤도버스 (guided busway) 도심(일반버스), 선로상(고속 주행)

개인대중교통수단 : PRT(personal rapid transit) 1970년대 제안, 1~4인승 리니어지하철 선형전동기를 사용한 소형화된 지하철

자기부상열차 열차를 자석으로 부상시킴으로 주행 : 차륜의 불필요 흡인식 자기부상열차 반발식 자기부상열차

신교통수단의 적용 환경친화적인 신교통수단의 도입 추진 대도시 지역 : 대중교통수단 + 지하철의 2원체계 → 연계 및 환승 불편, 수송분담율의 비효율성, 대기오염등 경전철 시간당 15,000명 수송능력 (1노선 = 일반도로 6차선) 건설비용 : 지하철의 1/5 매연, 소음, 진동이 적음

12-4 고속전철시스템 전기철도 : 전기를 동력으로 열차나 차량 운행 1834년 미국의 다벤포트가 모형 공개 한국 최초의 전차

전철화의 효과 효율적인 에너지 사용 철도 수송의 비중 (전기기관차에 대한 에너지 소모량) 디젤 기관차는 약 2배 디젤 자동차는 약 7배 가솔린 자동차는 약 13배 고출력 가능 : 견인력 제한 없음 평균속도 및 운행횟수의 증가 단점 막대한 설비 및 자본 필요 전기사고 및 운전사고 위험 : 대처방안 필요

전원공급 집전장치 : 동력을 받아들이는 장치 변환장치 : 각 요소 및 장치에 알맞은 전력으로 변환 구동장치 : 전기에너지를 기계적인 에너지로 변환 제어장치

전원 2차 세계대전 이전 (직류방식 선호) 현재 : 교류전원 (25kV) 기동시 견인력크고, 과부하시에도 큰 힘 일정 전압 이상의 높은 전압 공급 불가능 용량에 따라 부하전류가 커짐 → 변전소 필요 현재 : 교류전원 (25kV) 초기 투자비용 적음 유지보수비 절감 에너지 효율 좋음 고가이며 통신 유도 대첵이 필요

고속전철 KTX 1992년 TGV(프랑스)와 계약 서울 부산간 (430.7km)

12-5 자기부상열차 MAGLEV(magnetically levitated vehicle) 역사 자력으로 차량을 선로위에 부상 소음, 진동이 매우 적고 고속, 유지 보수비 적음 역사 1900년대 미국의 고더드 및 베첼렛에 의해 제안 1960년대초 설계 비접촉 자기부상방식 : 550km/h 개발

자기부상열차 기술 상전도 흡입식 초전도 반발식 기존의 전자석 제작방식 사용 10mm 내외 부상 구조간단, 경제적 같은 극의 영구자석간의 반발력이용 10cm 이상 부상 제어가 쉽고, 정지·저속시 부상 가능 정밀도와 무관하게 고속화 국내 최초의 자기부상열차 : 2005년

흡인식 자기부상열차 반발식 자기부상열차

추진 시스템 유도형 리니어전동기 동기형 리니어전동기 회전형 전동기를 직선화한것

특성 속도 환경 : 200km/h시 62dB 성능 디젤기관 : 145km/h 바퀴식 고속전철 : 300km/h 정도 바퀴식 : 300km/h에서 최소곡선반지름 4000m 자기부상 : 300km/h에서 최소곡선반지름 2250m 경사등판능력 : 8%이상 구조적으로 탈선의 위험 없고 미끄러짐이 없음 부상계에 고장시 비상용 바퀴 구동

도시형 자기부상열차 (UTM: urban transit maglev) 경제성 고가구조 : 토지점유율이 낮음 언덕주행능력 우수 : 노선선정조건 및 건설공사비용 절감 터널의 단면적 작음 : 터널공사비용 경감 소음 적음 : 방음벽 설치비 없음 기계적 마모부품이 없음 도시형 자기부상열차 (UTM: urban transit maglev) 경전철 개념 1차량당 60~120인승 2~6량 편성