| 1차년도 |
[1세부] 고속철도차량 De-icing 시스템 개발(1차년도) ○ 주관연구기관(한국철도공사): - 동절기 환경평가 - 국내외 장비현황 조사 ○ 공동연구기관((주)에코마이스터): - 고속철도용 차량 사양 및 도면 분석 - De-icing관련 기술조사 및 분석 - 착설감지 기술조사 및 분석 ○ 공동연구기관((주)극동중앙연구소): - 고속철도용 제설제 관련 문헌 분석 - 제설제 후보 물질 선정 및 제설/제빙 성능 평가 - 선로, 차량, de-icing 시스템 등 부품 재질 분석[2세부] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술개발 ○ 착설/설빙 모델링을 적용한 해석코드 개발 (1-3차 연도) - 유동 해석 모듈 개발 ○ 능동/수동 유동제어를 이용한 Anti-icing 차량 개념 설계 (1-3차 연도) - 항공 및 기타 분야를 포함하는 착설/착빙 완화 장치 조사 및 분석 ○ 우리나라의 겨울철 기상 변수를 고려한 눈 특성 및 형상 모델 개발 (1차 연도) - 국내 강설 빈도가 높은 기상 변수(습도, 온도) 범위 추출 - 습도와 온도 조건에 따른 눈 결정 크기(D), 이심율(？). 함습률(Φ) 예측 모델 개발[3세부] 분기부 Anti-icing 시스템 개발 ○ 기존 히팅시스템 분석 및 간접(순간표면)발열방식 히팅시스템 적용 가능성 검토 ○ 순간표면발열방식 히팅시스템 시작품 개념설계 ○ 기존 히팅시스템 분석 및 간접(유도)발열방식 히팅시스템 적용 가능성 검토 ○ 유도발열방식 히팅시스템용 구성품 개념설계
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[1세부] 고속철도차량 De-icing 시스템 개발(1차년도) ○ 주관연구기관(한국철도공사): - 동절기 환경평가 : 국내외 연구 논문, 특허, 보도 자료 등의 사례를 분석하여, 국내기지별 동절기 사용 환경 평가 및 분석 - 국내외 장비현황 조사 : 국내외 De-icing 장비 설치 현황 및 운영상태 파악 - 운영자 요구조건 조사 : 현재 운영자들의 장비관련 요구사항을 취합, 분석 ○ 공동연구기관((주)에코마이스터): - 고속철도용 차량 사양 및 도면 분석 : 현재 운영중인 고속철도 차량의 착설부위의 구성과 도면 파악 - De-icing관련 기술조사 및 분석 : 국내외 De-icing 장비에 사용된 기술 조사 및 시스템 개발관련 구상 - 착설감지 기술조사 및 분석 : 착설감지를 위한 신기술 및 동종 기술을 파악하고 분석, 착설감지 시스템 개발 구상 등 ○ 공동연구기관((주)극동중앙연구소): - 고속철도용 제설제 관련 문헌 분석 : 국내외 연구 논문, 특허, 보도 자료 등의 사례를 분석하여 고속철도용으로 사용되는 제설제 사례 조사/분석, 고속철도용 제설제에 요구되는 특성 및 성능 분석 - 제설제 후보 물질 선정 및 제설/제빙 성능평가 : 조사된 물질들을 기반으로 후보 물질 선정 (후보 물질 : 무기염류, 글리콜류 등) ,후보물질의 제설/제빙 성능평가 및 환경성 등을 고려한 Base 물질 선정 - 선로, 차량, de-icing 시스템 등 부품 재질 분석 : 제설제 살포시 접촉되는 선로, 고속철도차량, de-icing 시스템 등 부품 재질 조사[2세부] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술개발 ○ 유동 해석 모듈 개발 (1차 연도) * 열차 모델 유동해석은 강설시 발생하는 대차부 착설 현상을 해석하기 위한 선행 단계 * 추후, 개발하는 눈 입자의 궤적 모듈, 부착성 모듈, 비산 운동 모듈 및 열역학 모듈의 기반 * 착설 해석에 필요한 각각의 모듈을 유동 해석 모듈의 플랫폼에서 개발하여 개발과 해석 효율성 확보 * 서울대학교에서 개발한 점성 및 압축성 유동 해석이 가능한 무격자 기법을 이용하여 고속철도 차량의 유동장 해석 * 철도차량 하부 형상에 대한 무격자 기법의 적용 사례 및 가능성 검토 ○ 능동/수동 유동제어를 이용한 Anti-icing 차량 개념 설계 (1-3차 연도) - 항공 및 기타 분야를 포함하는 착설/착빙 완화 장치 조사 및 분석 ○ 우리나라의 겨울철 기상 변수를 고려한 눈 특성 및 형상 모델 개발 - 국내 강설 빈도가 높은 기상 변수 (습도, 온도) 범위 추출 * 국내 관측 정보 활용하여 강설이 발생하는 국내 온도와 습도 범위 도출 - 습도와 온도 조건에 따른 눈 결정 크기(), 이심율(), 함습률(Φ) 모델 개발 - 고속철도 차량 동계 운용 시나리오 개발 및 대차부 표면 조건 및 소재 분석[3세부] 분기부 Anti-icing 시스템 개발 ○ 기존 히팅시스템 기술동향 및 자료조사, 특성 및 문제점 분석 ○ 설치조건 ○ 취부요구조건(철도진동 등) ○ 발열성능 및 소모전력 ○ 순간표면발열방식 히팅시스템 기술동향 및 자료 조사 ○ 순간표면발열방식 히팅시스템의 에너지 효율성 분석을 통한 적용성 검토 ○ BMT(benchmarking test)를 통한 순간표면발열방식의 에너지 효율 측정방법 도출 ○ CAE를 통한 기존/순간표면발열방식의 효율검토와 구조(안) ○ 최적효율 방안 도출 및 적용(안) ○ 순간표면발열방식 히팅시스템 시작품 개념설계 ○ 순간표면발열부 에너지 분산 설계(전력밀도 분산) ○ 순간표면발열부 최대 전력밀도 설계 ○ Anti-icing시스템과 분기부 인터페이스 검토 및 요구사항 분석 ○ 유도발열방식의 기술 동향 및 자료 조사 ○ 철도 분기부용 히팅시스템의 요구사항 도출 ○ 유도발열방식 히팅시스템 적용 가능성 검토 ○ 유도발열방식 히팅시스템의 분기부 최적 배선 방안 검토 ○ 분기부 오동작 방지를 위한 유도발열방식 히팅시스템의 유도장애 최적화 방안 검토 ○ 유도발열방식 히팅시스템에 의한 분기부의 유기기전력 최소화 방안 검토 ○ 유도발열방식 히팅시스템용 구성품의 개념설계 ○ 유도발열방식 히팅시스템의 성능평가 기술 연구 ○ 열유동 방안의 에너지 효율성 분석을 통한 적절성 검토 ○ 분기부 열유동 제어기술 조사 및 요구사항 분석
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
[1세부과제] 고속철도차량 De-icing 시스템 개발 1) 기술적 측면○ 착설감지 기술 신뢰성 있는 착설에 대한 감지를 개발함으로서, 향후 기술의 확장성을 통해 타 산업분야 혹은 장비에 사용할 수 있도록 모듈화 및 안정성을 확보함.○ 진동기술기존 진동기술을 시스템에 적용함으로서, 차량에 안전한 진동파를 발생시켜, 원하는 성과를 얻는데 도움이 되고, 이와 더불어 진동검사 및 진동 검측에 활용할 수 있도록 유도함.○ 친환경 제빙액 기술친환경 제빙액을 개발하여, 현재 시스템에 적용하고, 항공분야 등 타분야에 적용이 가능한 기술을 확보하여, 해외시장의 개척에 발판을 마련함.○ Blower 기술기존 Blower 기술을 확장하여, De-icing에 사용하고, 향후 De-icing시스템에 표준을 정립하므로서, 타붕야에 접목할 수 있도록 확장성을 가진 시스템으로 모듈화하여 고도화함.[2세부과제] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술 개발 1) 기술적 측면 ○ 동절기 철도 설빙 피해에 주요 원인이 되는 착설 현상의 규명 및 수치적 모델링, 시뮬레이션 기술 획득 ○ 향후 국내 고속철도 사업 대비 핵심기술 확보 - 원주강릉선이나 동서고속화철도와 같은 동절기 강설량이 많은 강원지역의 고속철도나 남북철도 연결 시 북쪽 지역 극한기후에 대응하여 선제적으로 기술 대응 - 고속철도의 고속화, 대형화에 따라 설빙피해는 증가될 것으로 판단되므로 고속철도 노선 확장 시에나 새로운 고속열차 개발 시에 대비할 수 있는 기술 확보 ○ 남북철도 연결 등 운영환경 변화와 고속철도 수출 다변화를 위한 선제적 기술 개발 및 확보 필요 ○ 해외 기술 수출 기대 - 북유럽, 중국, 러시아 등 극한 기후 국가에서는 동절기 설빙에 고속열차 피해발생이 높으므로 개념설계단계에서 설빙예측이 가능한 시뮬레이션 기술이나 착설을 방지하는 설계에 대한 수출을 기대할 수 있음[3세부과제] 분기부 Anti-icing 시스템 개발1) 기술적 측면○ 향후 철도 고속화 및 남북철도 연결 대비 핵심기술 확보 - 고속철도의 고속화, 대형화에 따라 설빙피해는 증가될 것으로 판단되므로 고속철도 노선 확장 시에 대비할 수 있는 Anti-icing 기술 확보 - 경원선, 경의선 등 남북철도 연결 시 북쪽 지역 극한기후에 선제적 대응○ 간접발열 시스템의 선로 분기부 적용을 고려한 Multi-physics 해석 기법을 연구하고, 구동 환경을 고려한 연성해석을 수행함으로써 간접발열 시스템의 설계 및 제어기술 향상의 발판 마련○ Smart 제빙을 통한 에너지 효율 향상 및 자동화 시스템 기술 확보 - 온도, 설빙 정도에 따른 스마트 제빙을 통해 설빙 제거를 위한 최소한의 에너지만을 사용하여 시스템의 수명을 크게 늘리고 에너지의 효율을 높임 - 기후에 따라 on/off 할 필요가 없어 별도의 제어, 관측, 유지보수 등이 불필요○ 체계적 기술개발을 통한 연구 효율성 향상○ 철도산업의 신수요 창출 및 관련 산업으로의 기술 파급○ 철도선로 간접가열을 통한 Anti-icing 시스템의 설계/해석/제어/성능시험 등 핵심 기술 확보
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| 사회 경제적 파급효과 |
[1세부과제] 고속철도차량 De-icing 시스템 개발 1) 경제적ㆍ산업적 측면 ○ 동절기 차량 피해 비용 - 고속철도차량의 효율적 De-icing 기술 적용을 통하여 고속선 설빙피해 저감 가능 * 고속선 설빙피해 복구 및 유지보수 비용(약 36.4억원/년) 중 30% 저감 가정 : 약 10.9억원/년 - 자동화된 De-icing 기술 적용을 통하여 고속차량 설빙제거 비용 저감 가능 * 수작업에 의한 고속차량 설빙제거 비용 : 약 1.3억원/년 ○ 열차 지연 및 유지보수 시간 감소 비용 - 동절기 자연재해에 의한 열차 지연 감소 * 고속선 겨울철(12~1월) 강설, 동결 등에 의한 열차 지연 시간(약 186.2시간/년) 중 30% 저감 가정 : 약 56시간/년 - 철도차량 제빙, 피해복구 등 유지보수 시간 감소 * 고속선 설빙피해 시 유지보수 시간 : 약 4~5일(기지입고→검사→유지보수→출고) ○ 외산품 자체 개발 및 피해 저감을 통한 외화 절감 비용 - De-icing 시스템 자체 개발을 통한 외화 절감 * De-icing 시스템 : 약 95억원/Unit - 고속선 설빙에 의한 외산 부품(차축 코팅제, 창유리) 피해 저감 * 차축 코팅제, 창유리 파손 50% 저감 시 연간 약 9.2억원 외화절약 가능 2) 사회적 측면 ○ 동절기 철도 안전운행 확보를 통한 국민 안전 증대레일 표면결함 및 차륜답면 손상 예방을 통한 열차 주행안정성 향상 - 창유리 및 차축손상 예방을 통한 대국민 안전 도모 및 불안감 해소 ○ 향후 철도 고속화 및 남북철도 연결 대비 핵심기술 확보고속선 설빙피해, 선로전환기 장애 등 동절기 피해는 고속철도 노선 확충 및 일반철도 고속화에 따라 피해규모 증가 및 대형화에 대비경원선, 경의선 등 남북철도 연결 시 북쪽 지역 극한기후에 대응하여 선제적으로 기술 대응함으로써 기술개발 효과 극대화 가능 ○ 극한기후 국가에 기술 수출 기대북유럽, 중국, 러시아 등 일부 극한기후 국가에서는 아직 고속철도 운영 및 유지보수 경험이 부족하기 때문에 선제적인 기술 확보로 해당국가 니즈에 따라 수출 가능함.[2세부과제] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술 개발 1) 경제적ㆍ산업적 측면 ○ 동절기 설빙에 의한 피해 저감 - 고속철도차량의 설빙피해 예측 및 Anti-icing 기술 적용을 통하여 고속선 설빙피해 저감 가능 * 2004부터 2014년까지 국내고속철도의 유리창파손은 총 1408장이며 이 중 61.4%는 동절기에 집중되어 있음 * 고속선 설빙피해(차량부품 및 시설물 파손) 복구 및 유지보수 비용 : 약 36.4억원/년 - 철도차량 제빙, 피해복구 등 유지보수 시간 감소 * 고속선 설빙피해 시 유지보수 시간 : 약 4~5일(기지입고→검사→유지보수→출고) - 고속선 설빙에 의한 외산 부품(차축 코팅제, 창유리) 피해 저감 * 차축 코팅제, 창유리 파손 50% 저감 시 연간 약 9.2억원 외화절약 가능 ○ 착설 해석이 가능한 국내 고정밀 시뮬레이션 프로그램 확보 및 상용화 - 국내에서는 시뮬레이션 프로그램 개발 인력과 기술이 부족하여 주로 미국과 유럽 등에서 개발된 외국 시뮬레이션 프로그램 구매를 위한 라이센스비가 막대한 실정. 착설 시뮬레이션은 현재까지 상용화 된 프로그램이 없어 실험을 통한 검증으로부터 해석 정밀도를 입증하여 프로그램 상용화 추진 가능 ○ 타 산업 파급 효과 - 동절기 착설에 의해 피해가 발생하는 풍력 터빈이나 고압전선 등의 타 산업에 개발된 해석 시뮬레이션 기술 도입가능 2) 사회적 측면 ○ 설빙 피해의 빈도가 줄어들어 열차지연율 감소 ○ 동절기 철도 안전운행 확보를 통한 국민 안전 증대 ○ 대차부 및 차륜 피해를 예방하여 고속열차의 주행안정성 향상 ○ 창유리 및 차축손상 예방을 통한 대국민 안전 도모 및 불안감 해소[3세부과제] 분기부 Anti-icing 시스템 개발1) 경제적ㆍ산업적 측면○ 기존의 레일히터를 이용한 열전도 방식에 비해 우수한 에너지 효율성으로 에너지 소비 및 유지보수 비용감소○ 선로 및 기후상태에 따라 설빙을 제거하는 smart 시스템을 통해 에너지 효율 증가 및 관리, 유지보수 인력 감소○ 동절기 피해비용 저감○ 외산품 자체 개발 및 피해 저감을 통한 외화 절감 ☞ 차축 코팅제, 창유리 파손 50% 저감 시 연간 약 9.2억원 외화절약 가능○ 극한기후 국가에 기술 수출 기대2) 사회적 측면○ 열차 지연 및 유지보수 시간 감소를 통한 열차 운용률 향상 - 동절기 자연재해에 의한 열차 지연 감소 가정 : 약 56시간/년 - 철도차량 제빙, 피해복구 등 유지보수 시간 감소○ 동절기 철도 안전운행 확보를 통한 국민 안전 증대
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| 활용방안 |
[1세부과제] 고속철도차량 De-icing 시스템 개발○ 실용화 방안 - 기술수요자의 요구에 의한 기술개발로 개발 완료 시 국내 실용화 가능성이 높으며, De-icing 시스템은 고속철도 차량기지에 시작품을 설치함으로써 개발 기술의 성능 및 신뢰성 입증 시 실용화 가능하고 타 차량기지 및 주박역에 확대 설치 추진 가능 - De-icing Fluid는 고속철도 차량기지에 설치 예정인 De-icing 시스템에 적용 가능하며, De-icing Fluid의 방빙효과의 지속성에 대한 성능 충족 시 주박역에 확대 적용하여 실용화 할 수 있음○ 사업화 방안 - 국내 인력에 의한 제빙작업을 화학적 방법으로 대체함으로써 고속철도차량은 물론 일반철도차량으로의 적용 확대 시 국내 사업화가 가능할 것으로 판단됨 - 현재 철도차량의 이동 중에 제빙할 수 있는 기술은 국외에서도 아직 상용화된 기술이 존재하지 않으므로 철도차량 이동 중 제빙효율이 입증된 기술을 개발 시 국외 시장도 충분히 개척 가능할 것으로 보임 - 또한 북유럽, 중국, 러시아 등 일부 극한기후 국가에서는 아직 고속철도 운영 및 유지보수 경험이 부족하기 때문에 선제적인 기술 확보로 해당국가 요구에 따라 수출 가능○ 연계사업 활용방안 - 유라시아 이니셔티브, 남북철도 연결 등의 정책 재개 시 기후조건이 더욱 가혹한 지역으로의 철도 운영이 예상되어지므로 선제적 기술 확보 필요[2세부과제] 철도차량 착설방지 Anti-icing 설계 기술 개발 ○ 실용화 방안 - 개발된 예측 시뮬레이션은 실제 현재 운용중인 열차에 착설된 형상과 비교하여 실증가능 - 열차 개발 단계에서 형상에 따른 설빙 현상을 예측하여 설계에 활용가능하며 대차부의 부착물이나 형상변경 시에도 설계단계에서 예측이 가능하여 실용화 가능함 - 개발된 예측 시뮬레이션은 지면효과를 받는 임의 형상에 대한 착설 해석 및 유동해석이 가능하므로 향후 풍력발전기, 전신주, 건축물, 자동차 등에 발생하는 착설 문제 대응 가능 - 개발된 착설 방지 장치는 열차에서 동절기에 시험적으로 운행하여 효과성을 실제로 입증할 수 있으며 시장의 요구조건을 만족할 시 실용화 가능 ○ 사업화 방안 - 국내의 동절기 설빙피해는 적극적으로 대처할 수 있어 고속철도차량은 물론 일반차량으로의 적용확대 시 국내 사업화가 가능할 것으로 판단됨 - 착설/설빙의 시뮬레이션을 통한 예측은 현재 항공기 착빙 해석 기술을 적용한 수준에서는 존재 하나 착설을 실질적으로 예측할 수 있는 수준의 해석 기법은 존재하지 않으므로 국내외 시장을 개척할 수 있을 것으로 보임 - 차세대 열차 개발 사업 시에 개념설계 단계에서 동절기 설빙 방지가 가능한 형상 설계나 방지 장치 설계가 가능하여 국내외 열차 개발에 활용될 가능성이 높아 보임 - 또한 북유럽, 러시아 등의 설빙 피해가 큰 극한기후의 국가의 니즈에 따라 수출 가능 ○ 연계사업 활용방안 - 동절기 폭설에 의한 설빙 피해가 클 것으로 보이는 원주강릉선이나 동서고속화철도 등의 운용 시에 사전에 피해를 예측하고 이에 적극적으로 대응하는 기술 확보 필요[3세부과제] 분기부 Anti-icing 시스템 개발○ 국내외 철도 및 산업현장에서의 동절기 설빙 피해예방을 위한 기술 적용 가능○ 유라시아 및 남북철도 연결 등의 정책 재개 시 기후조건이 더욱 가혹한 지역으로의 철도 운영이 예상되므로 이에 대비한 선제적 기술 확보○ 원리와 구조가 간단한 간접발열방식 히팅시스템으로, 주기적 유지보수가 어려운 외곽 지역이나 산악지형에 적용 가능○ 유도발열방식 히팅시스템과 연계한 기후 감응형 분기부 열유동 제어 시스템의 혼용을 통한 융설 효율성 극대화○ 간접발열방식 히팅시스템 기술의 해외 수출 및 세계 시장 개척○ 간접발열방식 히팅시스템 설계파라미터, 관련데이터 축적 및 특허, 노하우 확보○ 비접촉 가열을 사용하는 가전제품, 건설현장, 산업현장 등 여러 분야에 적용 가능○ 사람 손이 닿지 않는 차량 부품 등의 내부 빙결을 녹이는 장치로 확장하여 적용 가능○ 유도발열방식 히팅시스템은 전자기 유도방식을 이용한 발열시스템이므로 움직이는 동력장치에도 가열이 가능하여 여러 가지 부품의 설빙 예방 및 제거 가능○ 선로의 온도, 설빙, 기후 상태에 따라 선로를 가열하는 Smart 히팅 및 기후 조건과 연동한 분기부 열유동 제어 시스템을 통해 별도의 제어, 관측, 유지보수가 불필요하여 사람이 살지 않는 오지에 적용 가능
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