KR101192086B1 - Control system for integration of various ship electric power source having fuel cell system - Google Patents

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KR101192086B1
KR101192086B1 KR1020120034216A KR20120034216A KR101192086B1 KR 101192086 B1 KR101192086 B1 KR 101192086B1 KR 1020120034216 A KR1020120034216 A KR 1020120034216A KR 20120034216 A KR20120034216 A KR 20120034216A KR 101192086 B1 KR101192086 B1 KR 101192086B1
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노길태
김만응
오일권
손석인
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Abstract

PURPOSE: An electric power source control system for a ship is provided to minimize the emission of carbon dioxide by providing an electric power source required for operating a ship with a fuel cell. CONSTITUTION: An electric power source control system for a ship comprises a complex electric power source(100), an energy storing system(200), an intelligent energy management system(300), and a load device(400). The complex electric power source is connected to a fuel cell, first and second engines, a battery system, and a power source in parallel. The sum of power share of the first and second engines and other power sources is higher the fuel cell thereof. The energy storing system stores the redundant electric energy of the fuel cell. When overload more than the power quantity of the fuel cell is applied, the stored energy is outputted by a power terminal The intelligent energy management system individually controls multiple power sources comprising the complex electric power source, and controls the operation of the energy storing system according to the status of the fuel cell. The load device controls the amount of load applied to the complex electric power source according to the control signals of the intelligent energy management system. [Reference numerals] (110) Fuel cell; (120) First engine; (130) Second engine; (140) Others; (200) Energy storing system; (300) Intelligent energy management system; (400) Load device; (F) Fuel

Description

연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템{Control system for Integration of various ship electric power Source having fuel cell system}Control system for integration of various ship electric power Source having fuel cell system}

본 발명은 선박 또는 해상 부유체에 적용 가능한 전기동력원으로서, 연료전지를 포함한 다수의 전기동력원의 출력 배치 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 지능형 에너지 관리 시스템이 각각의 전기 동력원의 출력을 부하의 변동에 맞도록 최적 제어하여, 전체 통합 시스템의 효율을 증가시키고, 전기 발생에 따른 이산화탄소의 양을 줄이는 전기 동력원의 최적 배치 및 제어가 가능한 선박 전기동력원의 제어 시스템에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electric power source applicable to a ship or a marine floating body, and more particularly, to an output arrangement and control method of a plurality of electric power sources including a fuel cell. More specifically, an intelligent energy management system outputs each electric power source. The present invention relates to a control system of a ship electric power source capable of optimally arranging and controlling an electric power source by optimally controlling the load according to load variation, increasing the efficiency of the entire integrated system and reducing the amount of carbon dioxide according to the generation of electricity.

해상을 운행하는 선박 및 플랜트 설비와 같은 해상 부유체는, 화석연료를 사용하는 터빈 엔진을 주된 동력원으로 사용하며, 터빈 운전을 통해 발생되는 기계적 에너지를 이용하여 선박 추진동력으로 사용하고, 이 과정에서 발생되는 전기 에너지를 선박 운행에 필요한 다양한 전기장비에 사용한다. 이와 같은 엔진의 주된 원료로는 HFO(Heavy Fuel Oil), 전기, 천연가스(Natural Gas)가 많이 사용된다.Marine floating bodies such as ships and plant facilities that operate at sea use turbine engines using fossil fuel as the main power source, and use the mechanical energy generated by the turbine operation as ship propulsion power. The generated electrical energy is used for various electrical equipment required for ship operation. The main raw materials for such engines are HFO (Heavy Fuel Oil), electricity, and natural gas.

그런데, HFO가 선박 등의 연료로 사용되는 경우에는 HFO의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소, NOx, 및 SOx 등으로 인하여 해양환경을 오염시키는 문제가 있다. 또한, HFO를 선박 등의 연료로 사용하는 경우에는 HFO를 일정온도로 가열하여 사용하게 되는 바, 연료의 가열에 에너지의 낭비가 발생될 수 있으며, 천연가스 또한 화석연료이기 때문에, 이산화탄소의 배출 문제에서는 자유로울 수 없다.However, when the HFO is used as fuel for ships, there is a problem of polluting the marine environment due to carbon dioxide, NOx, SOx, etc. generated during the combustion of the HFO. In addition, when the HFO is used as a fuel for ships, the HFO is heated to a constant temperature, which may cause waste of energy in heating the fuel, and natural gas is also a fossil fuel. Can't be free.

최근에는 이와 같은 이산화탄소 배출 문제를 해결하기 위하여, 선박의 전기공급을 위한 동력원으로 서로 다른 형태의 동력원, 예컨대 연료전지(燃料電池, Fuel Cell)와 천연가스 터빈 등을 함께 구성하여, 선박 및 해상 부유체의 동력원으로 사용하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.Recently, in order to solve such a problem of carbon dioxide emission, as a power source for supplying electricity to ships, different types of power sources such as fuel cells and natural gas turbines are formed together. Research on how to use the power source of the fluid is in progress.

특히, 연료전지는 이산화탄소의 배출이 없는 청정 에너지원으로 최근 들어 주목을 받고 있다. 연료전지는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지를 말한다. 이 화학 반응은 촉매층내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다.In particular, fuel cells have recently attracted attention as a clean energy source without the emission of carbon dioxide. A fuel cell is a battery that directly converts chemical energy generated by oxidation into electrical energy. This chemical reaction is carried out by a catalyst in the catalyst bed and generally can continue to be developed as long as fuel is continuously supplied.

연료전지는 '전지'라는 말이 붙어있기는 하지만 일반적인 전지와는 다르다. 전지는 닫힌 계에 화학적으로 전기 에너지를 저장하는 반면, 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 또한 전지의 전극은 반응을 하여 충전/방전 상태에 따라 바뀌지만, 연료전지의 전극은 촉매작용을 하므로 상대적으로 안정하다.Fuel cells are different from ordinary cells, although the word 'cell' is labeled. Cells store electrical energy chemically in a closed system, while fuel cells consume fuel to produce power. In addition, the electrode of the battery reacts and changes according to the charge / discharge state, but the electrode of the fuel cell is relatively stable because it catalyzes.

연료와 산화제로는 여러 가지를 이용할 수 있다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화 염소 등을 산화제로 이용할 수 있다.Various fuels and oxidants are available. Hydrogen fuel cells may use hydrogen as a fuel, oxygen as an oxidant, hydrocarbons, alcohols, and the like, and air, chlorine, chlorine dioxide, and the like as oxidants.

연료전지의 발전 효율은 40~60% 정도로 대단히 높으며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 바꿀 수 있다. 게다가 천연 가스와 메탄올, LPG(액화석유가스, propane gas), 나프타, 등유, 가스화된 석탄 등의 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지자원을 확보하기 쉽다. 또한 연료를 태우지 않기 때문에 환경보호에도 기여할 수 있다. 또한 질소산화물(NOx)과 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전의 각각 1/38과 1/3 정도이며, 소음도 화석에너지를 이용한 동력원에 비해 매우 적다는 장점이 있다.The power generation efficiency of the fuel cell is very high, about 40 to 60%, and the heat of exhaust from the reaction can be converted into energy up to 80% of the total fuel. In addition, it is easy to secure energy resources because various fuels such as natural gas, methanol, LPG (propane gas), naphtha, kerosene and gasified coal can be used. It also contributes to environmental protection because it does not burn fuel. In addition, the emissions of NOx and CO2 are about 1/38 and 1/3 of coal-fired power generation, respectively, and the noise is very low compared to fossil energy-powered sources.

하지만, 여전히 장치 소형화의 문제와 함께 연료전지의 특성상 디젤터빈 등과 같은 화석연료를 사용하는 전기 동력원에 비해 응답특성이 떨어지는 문제점이 있어, 선박에 단독으로 사용하기에는 문제가 있다.
However, there is still a problem of miniaturization of the device and a problem in that the response characteristics of the fuel cell are lower than those of an electric power source using a fossil fuel such as a diesel turbine.

본 발명은 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
It is an object of the present invention to provide a control system of a ship electric power source including a fuel cell capable of minimizing carbon dioxide emissions.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템은, 연료전지와, 적어도 하나 이상의 화석연료를 사용하는 동력원 및 기타 동력원이 병렬로 연결되는 복합 전기동력원; 상기 연료전지와 연결되어, 상기 연료전지의 잉여 전기 에너지를 내부에 수용하고, 상기 연료전지의 출력량 이상의 과부하가 걸렸을 경우, 저장된 에너지를 출력단으로 출력하는 에너지 저장 시스템; 상기 복합 전기동력원을 구성하는 복수 개의 동력원들을 개별적으로 제어하며, 상기 연료전지의 상태에 따라 상기 에너지 저장 시스템의 작동 여부를 제어하는 지능형 에너지 관리 시스템; 및 일단은 상기 복합 전기동력원과 연결되고, 타단은 상기 지능형 에너지 관리 시스템과 연결되어, 상기 지능형 에너지 관리 시스템의 제어신호에 따라, 상기 복합 전기동력원에 부가되는 부하량을 조절하는 부하장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A control system of a ship electric power source including a fuel cell according to an embodiment of the present invention, a fuel cell, a complex electric power source that is connected in parallel with a power source and at least one other power source using at least one fossil fuel; An energy storage system connected to the fuel cell and accommodating surplus electric energy of the fuel cell therein and outputting stored energy to an output terminal when an excess load of the fuel cell is exceeded; An intelligent energy management system for individually controlling a plurality of power sources constituting the complex electric power source and controlling whether the energy storage system is operated according to the state of the fuel cell; And a load device, one end of which is connected to the complex electric power source, the other end of which is connected to the intelligent energy management system, and adjusts a load amount added to the complex electric power source according to a control signal of the intelligent energy management system. It is characterized by.

상기 부하장치는, 상기 지능형 에너지 관리 시스템에 의해 제어되는 적어도 하나 이상의 부하모듈을 구비할 수 있다.The load device may include at least one load module controlled by the intelligent energy management system.

상기 복합 전기동력원은, 상기 연료전지의 출력 비중을 가장 크게 구성하여, 상기 제 1 및 제 2 엔진 및 기타 동력원의 출력 비중의 합보다 상기 연료전지의 출력 비중이 더 크게 형성될 수 있다.The combined electric power source may configure the output specific gravity of the fuel cell to be the largest, and the output specific gravity of the fuel cell may be greater than the sum of the output specific gravity of the first and second engines and other power sources.

상기 지능형 에너지 관리 시스템은, 상기 연료전지에서 출력되는 전기 에너지가 부하량에 미치지 못할 경우, 상기 제 1 엔진, 제 2 엔진 및 기타 동력원을 순차적으로 작동 시키는 것이 바람직하다.The intelligent energy management system preferably operates the first engine, the second engine, and other power sources sequentially when the electrical energy output from the fuel cell does not reach the load amount.

상기 제 1 및 제 2 엔진은, 디젤 발전기, 디젤 터빈, 가스 터빈, 유기매체 랜킨 사이클, 순산소 연소 사이클 등과 같은 다양한 하부 사이클을 포함하면서 화석연료를 사용하는 동력원으로 마련될 수 있다.The first and second engines may be provided as a power source using fossil fuels, including various sub-cycles such as diesel generators, diesel turbines, gas turbines, organic medium Rankine cycles, oxy-fuel combustion cycles, and the like.

상기 기타 동력원은, 배터리 시스템, 태양력, 풍력, 조력 등 비화석 연료를 사용하는 동력원으로 마련될 수 있다.The other power source may be provided as a power source using non-fossil fuel, such as battery system, solar power, wind power, tidal power.

상기 연료전지는, 고온형 및 저온형 연료전지 시스템 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.The fuel cell is preferably composed of any one of a high temperature type and a low temperature type fuel cell system.

본 발명에 의한 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템을 선박에 적용하면, 상기한 구성들 중 부하 시스템이 일단은 상기 복합 전기동력원과 연결되고, 타단은 상기 지능형 에너지 관리 시스템과 연결되어, 상기 지능형 에너지 관리 시스템의 제어신호에 따라, 상기 복합 전기동력원에 부가되는 부하량을 조절하는 선박 추진기 및 전기장치로 대체될 수 있다.
When a control system of a ship electric power source including a fuel cell according to the present invention is applied to a ship, one of the load system is connected to the complex electric power source, and the other end is connected to the intelligent energy management system, According to the control signal of the intelligent energy management system, it can be replaced by a ship propulsion and an electric device for adjusting the load added to the combined electric power source.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 연료전지를 중심으로 선박운용에 필요한 전기 동력원을 제공할 수 있기 때문에, 이산화탄소의 배출을 최소화할 수 있다.According to the present invention as described above, since it is possible to provide the electric power source necessary for the operation of the vessel around the fuel cell, it is possible to minimize the emission of carbon dioxide.

또한, 전기 에너지 저장 시스템이 구비되어, 연료전지의 무부하 잉여 에너지를 충전하여 보관할 수 있기 때문에, 연료전지의 부하량을 넘어서는 전력이 필요할 경우나, 연료전지의 느린 응답 특성으로 인한, 즉각적인 필요 에너지 소요가 발생될 경우에도 안정적으로 선박에 전력동력원을 제공하는 것이 가능하다.In addition, an electric energy storage system is provided to charge and store the no-load surplus energy of the fuel cell, so that if the power required to exceed the load of the fuel cell is required, or due to the slow response characteristic of the fuel cell, an immediate required energy requirement is required. It is possible to provide a power source to the ship stably even when it occurs.

또한, 연료전지 이외에도 화석연료를 사용하는 디젤엔진과 같은 복수 개의 보조 동력원을 구비하여, 연료전지의 출력이 부족하게 될 경우, 임시적으로 가동하여 부족한 전기동력을 보충할 수 있다.In addition, in addition to the fuel cell, a plurality of auxiliary power sources such as a diesel engine using fossil fuel may be provided, and when the output of the fuel cell is insufficient, it may be temporarily operated to compensate for the insufficient electric power.

특히, 지능화 에너지 관리 시스템을 이용하여, 안정적인 선박용 전기동력원을 공급할 수 있도록 연료전지와 복수 개의 보조 동력원들의 가동을 제어하면서, 이산화탄소의 배출은 최소화하는 것도 가능하다.In particular, by using an intelligent energy management system, it is possible to minimize the emission of carbon dioxide while controlling the operation of the fuel cell and the plurality of auxiliary power sources to supply a stable marine electric power source.

또한, 부하유닛을 이용하여, 선박이나 해양 부유체에 설치되기 전에 전기동력시스템의 안정성을 테스트하여, 최적화된 에너지 관리가 가능하도록 각종 부하에 따른 출력 패턴을 미리 설정하는 것도 가능하다.
In addition, by using the load unit, it is also possible to test the stability of the electric power system before being installed on the ship or the marine floating body, to preset the output pattern according to the various loads to enable optimized energy management.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 부하시험 장치를 도시한 개략도,
도 2는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원을 선박에 적용하였을 경우를 도시한 도면 이다.
1 is a schematic diagram showing a load test apparatus of a ship electric power source including a fuel cell according to an embodiment of the present invention,
2 is a diagram illustrating a case where a ship electric power source including a fuel cell is applied to a ship.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 부하시험 장치를 도시한 개략도, 도 2는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원을 선박에 적용하였을 경우를 도시한 도면 이다.1 is a schematic view showing a load test apparatus for a ship electric power source including a fuel cell according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a view showing a case in which a ship electric power source including a fuel cell is applied to a vessel.

도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 부하시험 장치는, 복합 전기동력원(100), 에너지 저장 시스템(200), 지능형 에너지 관리 시스템(300) 및 부하장치(400)를 포함할 수 있다.As shown, the load test apparatus for a ship electric power source including a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the composite electric power source 100, energy storage system 200, intelligent energy management system 300 and load Device 400 may be included.

복합 전기동력원(100)은 전압의 형태로 에너지를 출력하는 장치로, 복수 개의 에너지원을 병렬로 연결하여, 선택적으로 작동할 수 있도록 구성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상기 복합 전기동력원(100)은, 연료전지(110), 제 1 엔진(120), 제 2 엔진(130) 및 기타 동력원(140)을 포함할 수 있다.The composite electric power source 100 is a device for outputting energy in the form of voltage, and may be configured to selectively operate by connecting a plurality of energy sources in parallel. The complex electric power source 100 according to an exemplary embodiment of the present invention may include a fuel cell 110, a first engine 120, a second engine 130, and other power sources 140.

연료전지(110)는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치로서, 다양한 종류가 사용될 수 있다. 예컨대, 용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)와 같은, 제 2 세대 연료전지를 사용할 수 있는데, 이 경우, 높은 열효율, 높은 환경친화성, 모듈화 특성 및 작은 설치공간이라는 장점을 갖는다. 또한, 용융탄산염 연료전지는 650℃의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 추가적인 장점이 있다. 반면, 용융탄산염 연료전지는 저온형 연료전지인 고분자전해질 연료전지에 비해 부하에 따른 응답속도가 다소 느린 특징이 있다. 따라서 분산발전용으로 사용될 경우, 정출력으로 발전하는데, 선박 등의 운송수단 동력원으로 사용하기 위해서는 운항의 상황에서 발생하는 부하의 출력 특성에 추종하여 설계가 이루어질 필요가 있다.The fuel cell 110 is an apparatus for generating electrical energy by electrochemically reacting fuel and an oxidant, and various types may be used. For example, a second generation fuel cell, such as a molten carbonate fuel cell (MCFC), can be used, which has the advantages of high thermal efficiency, high environmental friendliness, modularity and small installation space. In addition, since the molten carbonate fuel cell is operated at a high temperature of 650 ℃, there is an additional advantage that can not be expected in low-temperature fuel cells such as phosphate fuel cell (PAFC) or polymer electrolyte fuel cell (PEMFC). On the other hand, the molten carbonate fuel cell is characterized by a somewhat slower response speed depending on the load than the polymer electrolyte fuel cell which is a low-temperature fuel cell. Therefore, when used for distributed generation, it is generated at a constant output power, but in order to use it as a power source for a vehicle such as a ship, it is necessary to design in accordance with the output characteristics of the load generated in the situation of operation.

그 외에, 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)와 같이 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지를 사용할 수도 있다. 상기 고분자전해질 연료전지의 경우에는, 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단한 장점과, 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며, 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 많이 연구되고 있으며, 선박 등에도 충분히 적용 가능한 시스템이다.In addition, a fuel cell using a polymer membrane capable of permeating hydrogen ions as an electrolyte may be used, such as a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC). The polymer electrolyte fuel cell is a high output fuel cell having a higher current density than other types of fuel cells. The polymer electrolyte fuel cell operates at a relatively low temperature of less than 100 ° C., has a simple structure, fast startup and response characteristics, and excellent durability. In addition to methanol, methanol or natural gas can be used as a fuel, and thus, many studies have been conducted as a power source for automobiles.

또는, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)와 같은 제 3 세대 연료전지를 사용하는 것도 가능하다. 상기 고체산화물 연료전지 (SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 - 1000 ℃)에서 작동한다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다는 장점이 있고, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. Alternatively, a third generation fuel cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC) may be used. The solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel cell using a solid oxide capable of permeating oxygen or hydrogen ions as an electrolyte, and operates at the highest temperature (700-1000 ° C.) of existing fuel cells. Because all components are solid, the structure is simpler than other fuel cells, and there is no problem of electrolyte loss, replenishment and corrosion. In addition, since it operates at high temperatures, it does not require a noble metal catalyst, it is easy to supply fuel through direct internal reforming, and has a merit of thermal combined power generation using waste heat because it discharges hot gases.

이와 같이, 다양한 형태의 연료전지(110)를 이용하여 선박에 사용될 수 있는 전기 에너지를 생산하게 되면, 해양 환경오염을 줄일 수 있으며, 최근 문제가 되고 있는 이산화탄소배출량을 매우 큰 폭으로 줄일 수 있다.As such, by producing electrical energy that can be used for ships using various types of fuel cells 110, it is possible to reduce marine environmental pollution, and greatly reduce the amount of carbon dioxide emission which is a problem recently.

제 1 및 제 2 엔진(120)(130)은 기존의 화석연료 등을 이용하는 동력원으로, 디젤 엔진을 이용하는 발전기나 가스터빈, 유기매체 랜킨 사이클, 순산소 연소 사이클 등 다양한 하부 사이클을 포함하는 동력원으로 구성될 수 있다.The first and second engines 120 and 130 are power sources using existing fossil fuels and the like, and power sources including various sub-cycles such as generators, gas turbines, organic medium Rankine cycles, and oxy-fuel combustion cycles using diesel engines. Can be configured.

상기 제 1 및 제 2 엔진(120)(130)은 상기 연료전지(110)의 출력 전압이 부족하거나, 상기 연료전지(110)의 늦은 반응 특성으로 인해 정지 상태에서 완전한 가동상태가 되기 전까지 부족한 부하에 대한 에너지를 공급하도록 구성될 수 있다.The first and second engines 120 and 130 may have insufficient load until the output voltage of the fuel cell 110 is insufficient or due to a late reaction characteristic of the fuel cell 110 until it becomes fully operational in a stopped state. It can be configured to supply energy for.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 엔진(120)(130)은 한 쌍이 디젤유나 가솔린 유와 같은 동일한 연료(F)를 사용하도록 구성할 수 있으나, 이를 한정하는 것은 아니며, 필요에 따라, 병렬로 3개 이상의 엔진 및/또는 터빈들을 개별적으로 제어 가능하게 배치하는 것도 가능하다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the first and second engines 120 and 130 may be configured such that a pair uses the same fuel F as diesel oil or gasoline oil, but is not limited thereto. If necessary, it is also possible to individually controllably arrange three or more engines and / or turbines in parallel.

기타 동력원(140)은, 상기한 화석연료 이외의 것을 사용하는 동력원으로서, 충전식 배터리 전원으로 마련될 수도 있고, 태양열이나 풍력, 파력과 같은 해상에서 획득할 수 있는 청정 에너지원을 변환하여 사용할 수 있는 구조라면 어떠한 것이든 사용 가능하다.The other power source 140, a power source using other than the fossil fuel described above, may be provided with a rechargeable battery power source, and can be used by converting clean energy sources that can be obtained at sea, such as solar, wind, and wave power. Any structure can be used.

한편, 상기 연료전지(110), 제 1 및 제 2 엔진(120)(130), 기타 동력원(140)은 하나의 출력단을 통해 일정 수준의 전압, 예컨대, 선박이나 해상 부유물의 전기동력원의 출력으로 많이 사용되는 440V 가량의 전압을 유지하도록 구성되는 것이 바람직하다.On the other hand, the fuel cell 110, the first and second engines 120, 130, and other power source 140 through a single output stage to a certain level of voltage, for example, the output of the electric power source of the vessel or offshore floating It is preferable to be configured to maintain a voltage of about 440V which is widely used.

에너지 저장 시스템(Electricity Storage System, ESS)(200)은 상기 복합 전기동력원(100)에서 생산되는 에너지들 중, 특히 연료전지(110)에서 생산되는 전기 에너지를 일시적으로 저장하여, 상기 출력단으로 일정한 수준의 전기 에너지가 출력될 수 있도록 마련되는 것이다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 에너지 저장 시스템(200)에 저장되는 에너지는 전기 에너지로 마련되며, 도 1의 화살표 A로 도시된 바와 같이, 상기 연료전지(110)에서 출력되는 에너지 중, 부하에 비해 남게 되는 잉여 전기 에너지가 발생하였을 경우, 이를 내부에 저장하도록 구성되는 것이 바람직하다.An energy storage system (ESS) 200 temporarily stores electrical energy produced by the composite electric power source 100, in particular, produced by the fuel cell 110, and has a constant level at the output stage. It is provided so that the electrical energy of the output. According to a preferred embodiment of the present invention, the energy stored in the energy storage system 200 is provided as electrical energy, as shown by the arrow A of Figure 1, of the energy output from the fuel cell 110 When surplus electric energy remaining relative to the load is generated, it is preferably configured to store it therein.

즉, 상기 연료전지(110)를 포함한 복합 전기동력원(100)의 출력이 부하 이상일 경우에는, 초과되는 전기 에너지를 수용하고, 상기 출력이 부하에 미치지 못할 경우에는 부족한 양 만큼의 전기 에너지를 출력단 측에 공급하여, 상기 출력단을 통해 출력되는 에너지가 항상 일정 수준 이상을 유지하도록 구성된다.That is, when the output of the combined electric power source 100 including the fuel cell 110 is greater than or equal to the load, the excess electrical energy is accommodated. When the output does not reach the load, the amount of electrical energy that is insufficient is output side. In this case, the energy output through the output stage is always maintained above a certain level.

한편, 상기 에너지 저장 시스템(200)은 상기 연료전지(110)의 상태에 대응되도록 제어되는 것이 바람직한데, 후술한 지능형 에너지 관리 시스템(300)은 부하에 따른 상기 복합 전기동력원(100)의 출력을 일정하게 유지할 수 있도록, 제 1 및 제 2 엔진(120)(130)과, 기타 동력원(140)을 순차적 및/또는 동시에 추가 가동하여 부족한 전원의 출력을 보상한다. 따라서, 상기 에너지 저장 시스템(200)은 즉각적인 응답특성이 떨어지는 연료전지(110)의 상태에 따라 충전 및 방전을 반복하여 시행하도록 구성될 수 있다.On the other hand, the energy storage system 200 is preferably controlled to correspond to the state of the fuel cell 110, the intelligent energy management system 300 described below is to output the output of the composite electric power source 100 according to the load In order to maintain constant, the first and second engines 120 and 130 and other power sources 140 are additionally operated sequentially and / or simultaneously to compensate for insufficient power output. Therefore, the energy storage system 200 may be configured to repeatedly perform charging and discharging according to the state of the fuel cell 110 having an inferior response characteristic.

지능형 에너지 관리 시스템(Intelligence Energy Maintenance System, IEMS)(300)은 도시된 바와 같이, 상기 복합 전기동력원(100)을 구성하는 각각의 동력원들(110)(120)(130)(140)을 개별적으로 제어하여, 이들의 상태와 부하 대비 전기 에너지 출력을 비교하여, 이들을 각각 온/오프 제어하는 것이 바람직하다.As shown, an intelligent energy maintenance system (IEMS) 300 separately controls each of the power sources 110, 120, 130, 140 constituting the complex electric power source 100. By controlling, it is preferable to compare these states and the electrical energy output with respect to a load, and to control these on / off, respectively.

또한, 상기 지능형 에너지 관리 시스템(300)은 상기 연료전지(110)의 출력 및 작동 상태를 감지하여, 상기 연료전지(110)의 상태에 따라, 상기 에너지 저장 시스템(200)의 작동을 제어할 수도 있으며, 후술할 부하유닛(400)과 연결되어, 상기 복합 전기동력원(100)에서 출력 가능한 최대치 이상의 부하가 발생할 경우, 상기 부하유닛(400)의 부하량을 줄이고, 반대로, 복합 전기동력원(100)에서 생산되는 전기 에너지가 지나치게 남을 경우에는, 상기 복합 전기동력원(100)의 작동 비율을 줄이거나, 상기 부하유닛(400)의 부하가 커질 수 있도록 제어할 수도 있다.In addition, the intelligent energy management system 300 may detect the output and operating state of the fuel cell 110 and control the operation of the energy storage system 200 according to the state of the fuel cell 110. Is connected to the load unit 400 to be described later, when the load or more than the maximum value that can be output from the combined electric power source 100 occurs, reduce the load of the load unit 400, on the contrary, in the combined electric power source 100 When too much electrical energy is produced, the operation ratio of the combined electric power source 100 may be reduced, or the load of the load unit 400 may be increased.

부하유닛(400)은 선박 또는 해상 부유물에 상기한 동력 시스템을 설치하기 전에 정상 작동 유무를 확인하게 위한 실험 장비로서, 적어도 하나 이상의 에너지 소비가 가능한 부하모듈(Load bank)들을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 부하유닛(400)에 마련된 부하모듈들은, 실제 선박이나 해상 부유물에서 소비되는 전기 에너지 소비 패턴이 입력되는 것이 좋은데, 적어도 전기 에너지 만으로 프로펠러 추진 가능한 모터 부하특성이나, 그 외 설치된 시설물들에서 사용하는 전기 에너지 부하 패턴 등을 모사하도록 마련되는 것이 바람직하다.The load unit 400 is an experimental device for confirming normal operation before installing the power system on a ship or a marine float, and preferably includes at least one load bank capable of consuming energy. Load modules provided in the load unit 400, the input of the electrical energy consumption pattern consumed in the actual vessels or offshore floats, it is good to use the propeller propulsion propulsion motor propulsion with at least electrical energy, or other installed facilities It is preferable to be provided to simulate the electric energy load pattern and the like.

한편, 도 2는 본 발명에 의한 연료전지를 포함한 선박 전기동력원을 선박에 설치하였을 경우를 개략적으로 나타낸 도면으로, 앞서 설명한 부하시험 장치를 구성하는 부하장치(400)를 제거하고, 대신 선박추진기 및 전기장치(500)를 설치한 상태를 도시한 것으로, 동작은 앞서 설명한 바와 동일하다.On the other hand, Figure 2 is a diagram schematically showing the case in which a ship electric power source including a fuel cell according to the present invention on a ship, removing the load device 400 constituting the load test device described above, instead of the ship propeller and The state in which the electric device 500 is installed is shown, and the operation is the same as described above.

이와 같은 본 발명에 따르면, 연료전지(110)를 기반으로, 선박 등에서 사용되는 전기 에너지의 대부분을 충당하면서, 연료전지(110)의 응답특성 미비 또는, 급격한 부하의 증가 시에만, 선택적으로 제 1 및 제 2 엔진(120)(130)이나, 기타 동력원(140)을 사용하도록 전기 에너지 공급 시스템을 구성할 수 있기 때문에, 기존의 전기 에너지 생산 시스템에 비해 친환경 적이고, 이산화탄소 배출량을 큰 폭으로 줄일 수 있다.According to the present invention, based on the fuel cell 110, while covering most of the electrical energy used in the ship, etc., the first response is optional, only when the response characteristic of the fuel cell 110 or a sudden increase in load, And since the electric energy supply system can be configured to use the second engine 120, 130 or other power source 140, it is environmentally friendly compared to the existing electric energy production system, and can significantly reduce carbon dioxide emissions. have.

물론, 전기 자동차나 하이브리드 자동차와 달리, 선박이나 해상 부유물은 부하변동은 상대적으로 적은 반면, 많은 전력을 요구하기 때문에 보다 큰 시스템 용량을 가지는 연료전지를 필요로 한다. 하지만, 연료전지(110) 단독으로 모든 전기부하를 감당하기는 힘들기 때문에, 상기한 바와 같이 복수 개의 서로 다른 형태의 동력원들(120)(130)(140)을 구비하면, 상기 연료전지(110)의 느린 응답특성을, 배터리 전원과 같은 기타 동력원(140)이나, 디젤 터빈과 같은 제 1 및 제 2 엔진(120)(130)등을 이용하여 보완할 수 있다.Of course, unlike electric vehicles or hybrid vehicles, ships or offshore floats require relatively large load fluctuations but require a lot of power and thus require fuel cells with larger system capacities. However, since it is difficult for the fuel cell 110 to bear all electric loads alone, as described above, when a plurality of different types of power sources 120, 130, 140 are provided, the fuel cell 110 may be used. ) Can be compensated for using other power sources 140, such as battery power, or first and second engines 120, 130, such as diesel turbines.

또한, 에너지 저장 시스템(200)은 부하변동에 따라 발생하는 연료전지(110)의 잉여 전기 에너지를 저장하여, 상기 연료전지(110)가 미처 응답하지 못하는 부하 영역에서 저장된 에너지를 출력하여, 복합 전기동력원(100)의 안정적인 출력을 제공하는 것이 가능하다.Also, the energy storage system 200 stores surplus electric energy of the fuel cell 110 generated according to a load variation, outputs energy stored in a load region in which the fuel cell 110 is not responded yet, It is possible to provide a stable output of the power source 100. [

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
The embodiments of the present invention described above and shown in the drawings should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art will be able to modify the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the scope of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.

100; 복합 전기동력원 110; 연료전지
120; 제 1 엔진 130; 제 2 엔진
140; 기타 동력원 200; 에너지 저장 시스템
300; 지능형 에너지 관리 시스템
400; 부하장치 500; 선박추진기 및 전기장치
100; Combined electric power source 110; Fuel cell
120; First engine 130; 2nd engine
140; Other power sources 200; Energy storage systems
300; Intelligent energy management system
400; Load device 500; Ship propulsion and electric equipment

Claims (10)

연료전지와, 화석연료를 사용하는 제 1 및 제 2 엔진 및 배터리 시스템, 태양력, 풍력, 조력 등 비화석 연료를 사용하는 동력원으로 마련되는 기타 동력원이 병렬로 연결되며, 상기 연료전지의 출력 비중을 가장 크게 구성하여, 상기 제 1 및 제 2 엔진 및 기타 동력원의 출력 비중의 합보다 상기 연료전지의 출력 비중이 더 크게 형성되는 복합 전기동력원;
상기 연료전지와 연결되어, 상기 연료전지의 잉여 전기 에너지를 내부에 수용하고, 상기 연료전지의 출력량 이상의 과부하가 걸렸을 경우, 저장된 에너지를 출력단으로 출력하는 에너지 저장 시스템;
상기 복합 전기동력원을 구성하는 복수 개의 동력원들을 개별적으로 제어하며, 상기 연료전지의 상태에 따라 상기 에너지 저장 시스템의 작동 여부를 제어하는 지능형 에너지 관리 시스템; 및
일단은 상기 복합 전기동력원과 연결되고, 타단은 상기 지능형 에너지 관리 시스템과 연결되어, 상기 지능형 에너지 관리 시스템의 제어신호에 따라, 상기 복합 전기동력원에 부가되는 부하량을 조절하는 적어도 하나 이상의 부하모듈로 구성되는 부하장치;를 포함하며,
상기 연료전지는 완전 가동상태에서 상기 부하장치에서 소모되는 에너지 이상의 값을 출력할 수 있도록 마련되고,
상기 지능형 에너지 관리 시스템은 상기 연료전지의 출력 전압이 부족하거나, 상기 연료전지의 늦은 반응 특성으로 인해 정지 상태에서 완전한 가동상태가 되기 전에는 일시적으로 부족한 부하에 대한 에너지를 상기 연료전지에 비해 상대적으로 응답성이 빠른 제 1 엔진, 제 2 엔진 및 기타 동력원의 순서대로 하나씩 순차 작동시켜, 상기 연료전지의 부족한 에너지를 보충하고,
상기 연료전지가 완전한 가동상태가 되어 출력 전압이 부하량을 넘어설 경우, 상기 에너지 저장시스템, 제 1 엔진, 제 2 엔진 및 기타 동력원을 순차적으로 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템.
The fuel cell, the first and second engines using fossil fuels and battery systems, and other power sources provided as power sources using non-fossil fuels such as solar power, wind power and tidal power are connected in parallel, and output power of the fuel cell is increased. A composite electric power source configured to have the largest output power of the fuel cell than the sum of the output specific gravity of the first and second engines and other power sources;
An energy storage system connected to the fuel cell and accommodating surplus electric energy of the fuel cell therein and outputting stored energy to an output terminal when an excess load of the fuel cell is exceeded;
An intelligent energy management system for individually controlling a plurality of power sources constituting the complex electric power source and controlling whether the energy storage system is operated according to the state of the fuel cell; And
One end is connected to the complex electric power source, the other end is connected to the intelligent energy management system, and composed of at least one load module for adjusting the load added to the complex electric power source according to the control signal of the intelligent energy management system. It includes a load device;
The fuel cell is provided to output a value greater than the energy consumed by the load device in a fully operated state,
The intelligent energy management system relatively responds to the energy of the load temporarily compared to the fuel cell until the output voltage of the fuel cell is insufficient or due to the late reaction characteristic of the fuel cell, until the fuel cell becomes fully operational in a stopped state. The first engine, the second engine, and other power sources, which are quick to operate in order, to compensate for the insufficient energy of the fuel cell,
When the fuel cell is in full operation and the output voltage exceeds the load, the energy storage system, the first engine, the second engine and other power sources of the ship electric power source including the fuel cell, characterized in that to stop sequentially Control system.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 엔진은,
디젤 발전기, 디젤 터빈, 가스 터빈, 유기매체 랜킨 사이클, 순산소 연소 사이클 등과 같은 다양한 하부 사이클을 포함하면서 화석연료를 사용하는 동력원인 것을 특징으로 하는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템.
The method of claim 1, wherein the first and second engine,
A control system for a ship electric power source including a fuel cell, characterized in that it is a power source using fossil fuels, including various subcycles such as diesel generators, diesel turbines, gas turbines, organic medium Rankine cycles, oxy-fuel combustion cycles, and the like.
삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 연료전지는,
고온형 및 저온형 연료전지 시스템 중 어느 하나로 구성되는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템.
The method of claim 1, wherein the fuel cell,
A control system of a ship electric power source including a fuel cell composed of any one of a high temperature and a low temperature fuel cell system.
연료전지와, 화석연료를 사용하는 제 1 및 제 2 엔진 및 배터리 시스템, 태양력, 풍력, 조력 등 비화석 연료를 사용하는 동력원으로 마련되는 기타 동력원이 병렬로 연결되며, 상기 연료전지의 출력 비중을 가장 크게 구성하여, 상기 제 1 및 제 2 엔진 및 기타 동력원의 출력 비중의 합보다 상기 연료전지의 출력 비중이 더 크게 형성되는 복합 전기동력원;
상기 연료전지와 연결되어, 상기 연료전지의 잉여 전기 에너지를 내부에 수용하고, 상기 연료전지의 출력량 이상의 과부하가 걸렸을 경우, 저장된 에너지를 출력단으로 출력하는 에너지 저장 시스템;
상기 복합 전기동력원을 구성하는 복수 개의 동력원들을 개별적으로 제어하며, 상기 연료전지의 상태에 따라 상기 에너지 저장 시스템의 작동 여부를 제어하는 지능형 에너지 관리 시스템; 및
일단은 상기 복합 전기동력원과 연결되고, 타단은 상기 지능형 에너지 관리 시스템과 연결되어, 상기 지능형 에너지 관리 시스템의 제어신호에 따라, 상기 복합 전기동력원에 부가되는 부하량을 조절하는 선박 추진기 및 전기장치;를 포함하며,
상기 지능형 에너지 관리 시스템은 상기 연료전지의 출력 전압이 부족하거나, 상기 연료전지의 늦은 반응 특성으로 인해 정지 상태에서 완전한 가동상태가 되기 전에는 일시적으로 부족한 부하에 대한 에너지를 상기 연료전지에 비해 상대적으로 응답성이 빠른 제 1 엔진, 제 2 엔진 및 기타 동력원의 순서대로 하나씩 순차 작동시켜, 상기 연료전지의 부족한 에너지를 보충하고,
상기 연료전지가 완전한 가동상태가 되어 출력 전압이 부하량을 넘어설 경우, 상기 에너지 저장시스템, 제 1 엔진, 제 2 엔진 및 기타 동력원을 순차적으로 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템.
The fuel cell, the first and second engines using fossil fuels and battery systems, and other power sources provided as power sources using non-fossil fuels such as solar power, wind power and tidal power are connected in parallel, and output power of the fuel cell is increased. A composite electric power source configured to have the largest output power of the fuel cell than the sum of the output specific gravity of the first and second engines and other power sources;
An energy storage system connected to the fuel cell and accommodating surplus electric energy of the fuel cell therein and outputting stored energy to an output terminal when an excess load of the fuel cell is exceeded;
An intelligent energy management system for individually controlling a plurality of power sources constituting the complex electric power source and controlling whether the energy storage system is operated according to the state of the fuel cell; And
A ship propeller and an electric device, one end of which is connected to the complex electric power source and the other end of which is connected to the intelligent energy management system, for controlling a load added to the complex electric power source according to a control signal of the intelligent energy management system; Include,
The intelligent energy management system relatively responds to the energy of the load temporarily compared to the fuel cell until the output voltage of the fuel cell is insufficient or due to the late reaction characteristic of the fuel cell, until the fuel cell becomes fully operational in a stopped state. The first engine, the second engine, and other power sources, which are quick to operate in order, to compensate for the insufficient energy of the fuel cell,
When the fuel cell is in full operation and the output voltage exceeds the load, the energy storage system, the first engine, the second engine and other power sources of the ship electric power source including the fuel cell, characterized in that to stop sequentially Control system.
제 8 항에 있어서, 상기 연료전지는,
고온형 및 저온형 연료전지 시스템 중 어느 하나로 구성되는 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템.
The method of claim 8, wherein the fuel cell,
A control system of a ship electric power source including a fuel cell composed of any one of a high temperature and a low temperature fuel cell system.
제 8 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 엔진은,
디젤 발전기, 디젤 터빈, 가스 터빈, 유기매체 랜킨 사이클, 순산소 연소 사이클 등과 같은 다양한 하부 사이클을 포함하면서 화석연료를 사용하는 동력원인 연료전지를 포함한 선박 전기동력원의 제어 시스템.
The method of claim 8, wherein the first and second engine,
Control system of ship electric power source including fuel cell which is a power source using fossil fuel, including various sub cycles such as diesel generator, diesel turbine, gas turbine, organic medium Rankine cycle, oxy-fuel combustion cycle and so on.
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