KR101299281B1 - 태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박 및 그 제조방법 - Google Patents

태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신재생에너지를 동력으로 운항하는 선박에 관한 것으로서, 특히 하부에 갑판과 내부에 빈공간이 형성된 선체가 형성된 쌍동선과 그 상부에 다수개의 태양전지모듈이 다방향으로 구성된 태양광발전 다면구체형 선실과 그 상부에 풍력터빈발전기와 쌍동선의 선미에 수직으로 설치된 상부 및 하부마스트와 상부마스트에 설치된 도르레 및 와이어에 결합된 플렉시블 태양전지모듈과 그 하부에 설치된 모듈 받이와 상부 및 하부마스트의 접촉부분에 설치된 경첩과 경첩에 설치되어 감속기가 결합된 브라켓과 상기 감속기와 상부마스트에 설치된 기어를 연결하는 체인과 상부마스트에 결합된 겉베어링과 하부마스트에 결합된 유압실린더를 포함하는 돛과 쌍동선의 선미에 구비된 모터와 프로펠러가 결합된 동력장치와 선체의 내부에 구비된 충전컨트롤러, 축전지, 모터컨트롤러, PCS, 비상용 발전기를 포함하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성으로 인하여 별도의 연료사용이 필요 없으며 설비가 간단하여 유지보수 및 점검이 용이하며 유해물질 배출이 없어 해상, 저수지, 강 등에서 폭넓게 활용이 가능하다.

Description

태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박 및 그 제조방법{Solar energy and wind power system ship and the manufacturing method}
본 발명은 태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다방향 채광 태양광발전, 풍력에너지발전으로 상시 발전하여 전기에너지를 축전지에 저장하며 저장된 전기에너지 및 운항 중 발전되는 전력으로 동력모터를 가동하여 프로펠러 추진력으로 바람(플렉시블 태양전지 돛)과 융합하여 태양광에 의한 그림자 및 음영, 채광방향과 풍향에 관계없이 신재생에너지를 발전하여 운항하는 기능과 계류 시 계통연계 할 수 있는 녹색성장과 스마트그리드 네트워크를 구성할 수 있는 선박에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 가솔린기관, 디젤기관 및 석유기관 등을 사용하며 최근에는 가스터빈을 개발하여 LNG를 사용한 운항도 가능하게 되었다. 최근 고유가로 인하여 유류에너지를 사용하는 선박들은 운항하는데 있어서 많은 어려움을 느끼고 있으며, 유류에너지를 사용함으로써 대형선박이나 소형선박에 상관없이 이산화탄소 및 기타 유해물질들이 많이 발생되고 있는 것이 사실이다.
그 중에서 소형선박은 가솔린기관과 석유기관을 사용하는데 고유가로 인한 운항의 감소, 기관의 복잡한 설비와 그로 인해 선박의 단가가 높아지며 고장 발생시 자가수리가 불가능하며 그에 따른 많은 수리비용이 발생한다. 또한 기관이 구동되는 시간이 길어 출발 및 돌발상황에 곧바로 대처를 할 수가 없으며, 이러한 기관의 사용으로 많은 소음과 진동이 발생하게 된다. 특히 잦은 진동은 장비 및 부품의 피로도가 누적되어 내구성이 약화되어 장비 및 부품 교체를 빨리 해야되는 문제점이 있다.
최근 대체에너지인 신재생에너지를 이용하는 기술개발로 인하여 세계 곳곳에서 태양광을 이용한 선박들이 연구개발되고 있다. 그러나 개발되고 있는 선박들은 대용량, 대면적의 평판형 수평면 채광 태양전지모듈을 사용하여 대형선박으로 설계되며 그에 따른 많은 유지보수 비용과 고가의 선박 제작비용으로 인하여 이러한 선박의 실사용자는 매우 제한적이다. 또한, 그림자 및 음영에서는 발전이 불가능하여 맑은 날에만 태양광 발전이 가능하기 때문에 원만한 운항을 위해서는 장시간 선박을 부두에 정박시켜 외부전원으로 배터리를 충전하여야 하는 문제점이 있다. 더구나 날씨까지 흐리거나 안개 또는 비가 오는 상태가 되면 태양광발전은 기대할 수 없는 상황이므로 운항은 불가능하다. 또한, 소형선박들에 평판형 태양전지모듈을 사용할 경우 선박의 크기가 작기 때문에 평판형 태양전지모듈이 운항에 필요한 발전전력에 대한 모듈수량을 설치하지 못하며 그로 인해 충분한 발전용량의 전력을 얻을 수 없다.
따라서, 본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 한정된 자원의 연료에너지를 사용하지 않으며 다면구체형 태양광발전 전지구조로 태양고도 변화에 따른 고효율 발전 태양광에너지와 풍력에너지를 함께 사용함으로써 흐린 날 또는 비오는 날에 돛대형 플렉시블 태양전지가 바람과 융합하여 신재생에너지 동력을 확보할 수 있으며, 운항을 하지 않을 경우 계류장에서 한전선로에 역전류를 공급할 수 있는 계통연계가 가능하며 기관선박에 비해 간단한 설비구조로 유지관리를 용이하도록 하며 반영구적인 사용이 가능하도록 한다. 또한, 이산화탄소 및 기타 유해물질의 배출이 전혀 없도록하여 깨끗한 환경을 유지하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 태양광에너지 및 풍력에너지를 동력으로 이용하여 운항하는 선박에 관한 것으로서, 특히 하부에 갑판과 내부에 빈공간이 형성된 선체가 형성된 쌍동선과 그 상부에 다수개의 태양전지모듈이 다방향으로 구성된 태양광발전 다면구체형 선실과 그 상부에 풍력터빈발전기와 쌍동선의 선미에 수직으로 설치된 상부 및 하부마스트와 상부마스트에 설치된 도르레 및 와이어에 결합된 플렉시블 태양전지모듈과 그 하부에 설치된 모듈 받이와 상부 및 하부마스트의 접촉부분에 설치된 경첩과 경첩에 설치되어 감속기가 결합된 브라켓과 상기 감속기와 상부마스트에 설치된 기어를 연결하는 체인과 상부마스트에 결합된 겉베어링과 하부마스트에 결합된 유압실린더를 포함하는 돛과 쌍동선의 선미에 구비된 모터와 프로펠러가 결합된 동력장치와 선체의 내부에 구비된 충전컨트롤러, 축전지, 모터컨트롤러, PCS, 육상 계통연계용 전원 콘센트, 비상용 발전기를 포함하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박 및 그 제조방법은 태양광발전 다면구체형 선실 및 풍력터빈발전기가 구비되어 자체전력발전으로 주기적인 연료보충이 필요없어 연료비를 없앨 수 있으며 유류, 오일, 엔진 등 주기적 유지관리 등으로 인한 환경오염물질이 발생되지 않으며 이로 인해 CO2 감축으로 탄소배출권도 얻을 수 있다. 또한 복잡한 기관 대신 쌍동선의 후미에 구비된 모터 및 프로펠러가 포함된 동력장치의 간단한 구조로 점검이 간편하여 유지보수 하는데 어려움이 없다. 또한, 신재생에너지 및 바람을 이용하여 이산화탄소 및 기타 유해물질의 배출이 전혀 없으며, 그로 인해 해상은 물론 저수지나 강 등의 환경보호 지역에서 사용하기에 적합한 효과가 있다.
도 1은 선박의 전체 측면도.
도 2는 선박의 전체 평면도.
도 3은 선박의 정면도.
도 4는 선박의 전체 분해사시도.
도 5는 태양광발전 다면구체형 선실의 회로구성도.
도 6은 태양전지모듈패키지의 구성도.
도 7은 전체 시스템 구성도.
도 8은 개폐용 경첩이 설치된 부분도.
도 9는 도어의 개폐 예시도.
도 10은 돛의 마스트 상세도.
도 11은 돛의 상부마스트가 누운 예시도.
도 12는 플렉시블 태양전지모듈을 접었을 때 예시도.
이하, 본 발명에 의한 태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박 및 그 제조방법은 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 전체 측면도이며, 도 2는 본 발명에 따른 선박의 전체 평면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 선박의 정면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 선박에 대한 전체적인 분해사시도 이며, 도 5는 본 발명에 따른 태양광발전 다면구체형 선실에 대한 회로구성도 이며, 도 6은 본 발명에 따른 태양전지모듈패키지에 대한 구성도 이며, 도 7은 본 발명에 따른 전체 시스템에 대한 구성도 이며, 도 8은 개폐용 경첩이 설치된 부분의 부분도 이며, 도 9는 태양전지모듈이 부분적으로 개폐되는 예시도이며, 도 10은 마스트에 대한 상세도이며, 도 11은 상부마스트가 수평으로 누운 예시도 이며, 도 12는 플렉시블 태양전지모듈을 접었을 때의 예시도 이다.
본 발명의 구성은 도 1, 도 2, 도 3, 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(40)가 구비될 수 있도록 내부에 빈공간이 형성되며 선박이 사고 등으로 인하여 침수 할 때 침몰하지 않도록 밀폐부력공간(604)이 형성된 한 개 또는 두 개 이상의 선체(602)가 평활면을 가지는 갑판(601)의 하부에 형성되며, 상기 갑판(601)의 상부면에는 다수개의 태양전지모듈(102)이 다방향으로 구성된 상부 다면구체형 모듈패키지(111)와 하부 다면구체형 모듈패키지(112)로 구성된 태양광발전 다면구체형 선실(10)이 설치되며 상부 다면구체형 모듈패키지(111)와 하부 다면구체형 모듈패키지(112)의 사이에는 운항하는데 있어서 내부에서 외부로의 시야를 확보하기 위하여 투명 투시창(107)이 결합된다. 아울러 태양광발전 다면구체형 선실(10)의 내부에서 운항이 가능하도록 조종타(603)가 설치된다.
상기 태양광발전 다면구체형 선실(10)은 태양광을 많이 받을 수 있도록 태양전지모듈(102)이 수직에서 경사면을 가지며 폭이 좁고 폭에 비해 상대적으로 기다란 선박의 길이에 맞추기 위해 앞뒤측은 굴곡배열로 구성되며 좌우측은 직선배열로 구성된다.
또한, 태양광발전 다면구체형 선실(10)의 내구성을 향상하기 위해 상단과 중단과 하단에 각각 상단프레임(113)과 중단프레임(114)과 하단프레임(115)이 결합된다.
상부 다면구체형 모듈패키지(111)의 상부에도 태양광 에너지를 받을 수 있도록 천정태양전지모듈(116)이 설치되며, 풍력터빈날개(201)와 발전기(202)와 정류기(203)로 구성된 다수개의 풍력터빈발전기(20)도 설치된다.
쌍동선(60)의 선미에는 다수개의 플렉시블(flexible) 태양전지모듈(301)이 구비된 돛(30)이 설치된다.
상기 돛(30)은 상부마스트(302)와 하부마스트(303)로 구성되며 상부마스트(302)에 가로대(309)가 결합되고 상기 가로대(309)에 다수개의 도르레(305)가 설치된다.
설치된 도르레(305)는 와이어(306)가 구비되며 상기 와이어(306)의 끝단은 플렉시블 태양전지모듈(301)의 끝단에 결합되며, 결합된 다수개의 플렉시블 태양전지모듈(301)의 하부 끝단에는 모듈 받이(307)가 상부마스트(302)에 설치된다.
또한, 상부마스트(302)의 상부 끝단과 가로대(309)의 양측 끝단이 텐션와이어(324)로 연결되고 연결된 텐션와이어(324)의 중간에는 텀버클(323)이 결합되어 텐션와이어(324)의 강도를 조정하여 가로대(309)가 하중을 받아서 아래로 휘어지는 것을 방지한다.
쌍동선(60)의 선미에는 한 개 또는 두 개 이상의 모터(501)와 프로펠러(502)가 결합된 동력장치(50)가 설치된다.
선체(602)의 내부에는 한 개 또는 두 개 이상의 충전컨트롤러(402)와 모터컨트롤러(403), 축전지(404)가 포함된 제어부(40)가 구비되며, 상기 제어부(40)에는 비상용 발전기(406)와 PCS(Power Converting System, 이하 PCS)(405), 육상 계통연계용 전원콘센트(407)도 포함된다.
도 5, 내지 도 7에 도시된 바를 살펴보면, 태양광발전 다면구체형 선실(10)은 다수개의 태양전지(103)가 리본선(104)으로 연결되어 태양전지모듈(102)로 구성되며 다수개의 태양전지모듈(102)로 구성된 다수개의 태양전지모듈패키지(101) 및 천정태양전지모듈(116)에서 전기에너지가 발전되어 에너지 수확회로(106)를 거쳐 단자대(401)를 지나 충전컨트롤러(402)로 가게 되며 충전컨트롤러(402)에서 축전지(404)로 축전한다. 축전지(404)에 축전된 전기에너지는 PCS(405)로 보내지며 PCS(405)에서 직류전원을 교류전원으로 변환하여 출력하여 사용하게 된다.
도 6에 도시된 바를 살펴보면, 플렉시블 태양전지모듈(301)에서도 전기에너지가 발전되어 에너지 수확회로(106)를 거쳐 충전컨트롤러(402)로 가게 되며 풍력터빈날개(201)가 회전하여 발전기(202)에서 전기에너지가 발전되어 정류기(203)를 거치며 교류에서 직류로 변환되고 직류로 변환된 전기에너지는 충전컨트롤러(402)로 가게 된다.
충전컨트롤러(402)에서 축전지(404)로 축전시키며 축전된 전기에너지를 모터컨트롤러(403)로 보내어 동력장치(50)를 가동하거나 PCS(405)로 보내어 교류전원을 출력시킨다.
도 8 내지 도 9에 도시된 바를 살펴보면, 태양전지모듈(102) 간에 경첩(108)이 설치되어 태양전지모듈(102)을 어느 위치에서든지 문처럼 여닫을 수 있으며 상기 태양전지모듈(102)의 상부 내측으로 도어클로저(109)가 설치되어 태양전지모듈(102)이 개폐될 때 충격을 받지 않는다.
도 10 내지 도 11에 도시된 바를 살펴보면, 돛(30)은 상부마스트(302)와 하부마스트(303)가 맞닿는 부분에 호 형태의 홀(317)이 형성된 브라켓(312)이 결합된 경첩(319)이 설치되며 브라켓(312)의 상부면에는 돛(30)을 회전시킬 수 있는 감속기(311)가 결합된다.
또한, 브라켓(312)의 상부에 한 개 또는 두 개 이상의 속베어링(313)이 결합된 샤프트(320)가 설치되며 상기 속베어링(313)의 외측으로 외면에 겉베어링(314)과 기어(315)가 설치된 상부마스트(302)가 결합된다.
상기 기어(315)와 감속기(311)의 상부에는 체인(316)으로 연결된다. 이로써 감속기(311)를 회전시키면 체인(316)과 기어(315)의 연동으로 인해 상부마스트(302)가 회전한다.
또한, 겉베어링(314)에 유압실린더(304)의 일측 끝단이 결합되어 상부마스트(302)가 회전할 때 겉베어링(314)에 의해 유압실린더(304)가 회전하지 않는다. 또한, 유압실린더(304)의 반대측 끝단은 하부마스트(303)에 결합되며 유압실린더(304)에서 유압모터 겸용 유압탱크(310)로 관로(321)가 연결되어 유압실린더(304)에 유압유가 투입되면 경첩(319)을 중심으로 유압실린더(304)에 의해 상부마스트(302)가 수평으로 누워지는 동작과 수직으로 세워지는 동작이 가능하게 된다. 즉, 바람의 도움을 받아 운항을 할때에는 상부마스트(302)를 수직으로 세우며 정박 또는 바람이 없을 때 수직으로 세워놓을 필요가 없다고 판단시 수평으로 눕히어 플렉시블 태양전지모듈(301)의 채광력을 기대하는 것이다.
마지막으로 도 12에 도시된 바를 살펴보면, 돛(30)에 설치된 플렉시블 태양전지모듈(301)은 평상시 펼쳐놓으나 바람이 강할 때에나 접을 필요가 있다고 판단될 때에는 다수개의 플렉시블 태양전지모듈(301)의 사이에는 경첩(308)이 설치되어 있으며 도르레(305)와 와이어(306)를 이용하여 플렉시블 태양전지모듈(301)의 하부에 있는 모듈 받이(307)에 접어놓는다.
10 : 태양광발전 다면구체형 선실 20 : 풍력터빈발전기 30 : 돛 40 : 제어부 50 : 동력장치 60 : 쌍동선
101 : 태양전지모듈패키지 102 : 태양전지모듈 103 : 태양전지 104 : 리본선 105 : 연결선
106 : 에너지 수확회로 107 : 투명 투시창 108 : 경첩 109 : 도어클로저
111 : 상부 다면구체형 모듈패키지 112 : 하부 다면구체형 모듈패키지
113 : 상단프레임 114 : 중단프레임 115 : 하단프레임
116 : 천정태양전지모듈
201 : 풍력터빈날개 202 : 발전기 203 : 정류기
301 : 플렉시블(flexible) 태양전지모듈 302 : 상부마스트 303 : 하부마스트 304 : 유압실린더
305 : 도르레 306 : 와이어 307 : 모듈 받이 308 : 경첩 309 : 가로대
310 : 유압모터 겸용 유압탱크 311 : 감속기 312 : 브라켓 313 : 속베어링 314 : 겉베어링
315 : 기어 316 : 체인
317 : 홀 318 : 안전핀 319 : 경첩 320 : 샤프트 321 : 관로
322 : 텀버클
323 : 텐션와이어 324 : 와이어홀더
401 : 단자대 402 : 충전컨트롤러 403 : 모터컨트롤러 404 : 축전지
405 : PCS(Power Coverting System) 406 : 비상용 발전기
407 : 육상 계통연계용 전원 콘센트
501 : 모터 502 : 프로펠러
601 : 갑판 602 : 선체 603 : 조종타 604 : 밀폐부력공간

Claims (7)

  1. 상부에 평활면을 갖는 갑판(601)과, 상기 갑판(601)의 하부에는 내부에 빈공간과 밀폐 부력공간(604)이 형성된 선체(602)로 구성되는 쌍동선(60)과;
    상기 갑판(601)위에 설치되어 다수개의 태양전지모듈(102)이 다방향으로 구성된 상부 다면구체형 모듈패키지(111) 및 하부 다면구체형 모듈패키지(112)가 설치되며 상기 상부 다면구체형 모듈패키지(111)의 상부에 천정태양전지모듈(116)이 수평으로 설치되며 상기 상부다면구체형 모듈패키지(111)와 하부 다면구체형 모듈패키지(112)의 사이에 투명 투시창(107)이 설치되며 내부에 조종타(603)가 설치되며 하나 또는 두 개 이상의 에너지 수확회로(106)를 포함하는 태양광발전 다면구체형 선실(10)과;
    상기 태양광발전 다면구체형 선실(10)의 상부에 설치되어 풍력터빈날개(201)와 발전기(202)와 정류기(203)를 포함하는 다수개의 풍력터빈발전기(20)와;
    상기 갑판(601)의 선미에 설치되어 상부마스트(302)와 하부마스트(303)가 수직으로 형성되고 상기 하부마스트(303)의 상부에 가로대(309)가 결합되며 상기 가로대(309)에 와이어(306)가 구비된 다수개의 도르레(305)가 설치되며 상기 도르레(305)에 구비된 와이어(306)의 끝단에 다수개의 플렉시블 태양전지모듈(301)이 결합되며 상기 다수개의 플렉시블 태양전지모듈(301)의 사이에는 경첩(308)이 설치되며 상기 플렉시블 태양전지모듈(301)의 끝단과 동일한 높이에 모듈 받이(307)가 상부마스트(302)에 설치되며 플렉시블 태양전지모듈(301)의 반대측에 와이어홀더(324)가 설치되며, 상부마스트(302)의 외면에 겉베어링(314)이 결합되며 내부에는 하나 또는 두 개 이상의 속베어링(313)이 결합된 샤프트(320)가 삽입되며 상기 하부마스트(303)와 상부마스트(302)의 맞닿는 끝단에 브라켓(312)이 고정된 경첩(319)이 설치되며 상기 브라켓(312)의 상부에는 감속기(311)가 결합되며 상부마스트(302)의 외면에 기어(315)가 결합되어 상기 기어(315)와 감속기(311)에 체인(316)이 결합되며, 유압실린더(304)의 일측 끝단이 하부마스트(303)에 결합되고 반대측 끝단은 상부마스트(302)에 결합되어 있는 겉베어링(314)에 결합되며 유압실린더(304)에서 관로(321)로 연결된 유압모터 겸용 유압탱크(310)를 포함하는 돛(30)과,
    상기 쌍동선(60)의 선미에 구비되어 모터(501)가 결합되고 프로펠러(502)가 결합된 다수개의 동력장치(50); 및
    상기 선체(602) 내부의 빈공간에 하나 또는 두 개 이상의 충전컨트롤러(402), 축전지(404), 모터컨트롤러(403), PCS(405), 비상용 발전기(406) 및 육상 계통연계용 전원콘센트(407)가 구비된 제어부(40)가 포함된 것을 특징으로 하는 태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 쌍동선(60)은 FRP소재로 구성된 것을 특징으로 하는 태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 태양광발전 다면구체형 선실(10)은 다수개의 태양전지(103)가 리본선(104)으로 연결되어 태양전지모듈(102)로 구성되며 다수개의 태양전지모듈(102)은 태양전지모듈패키지(101)로 구성된 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 태양광발전 다면구체형 선실(10)은 앞뒤로 다수개의 태양전지모듈(102)이 수직에서 경사면을 가지고 곡면으로 배열구성되며 좌우로 태양전지모듈(102)이 수직에서 경사면을 가지고 직선으로 배열구성된 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 태양광발전 다면구체형 선실(10)은 다수개의 태양전지모듈(102) 사이에 경첩(108)이 설치되며 상기 태양전지모듈(102)의 상부 내측에 도어클로저(109)가 설치되어 태양전지모듈(102)을 외측으로 여닫을 수 있도록 구성된 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 태양광발전 다면구체형 선실(10)은 하부 다면구체형 모듈패키지(112)의 하부에 하단프레임(115)이 결합되고 상부에는 중단프레임(114)이 결합되며 상부 다면구체형 모듈패키지(111)의 하부에도 중단프레임(114)이 결합되고 상부에는 상부프레임(113)이 결합되는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 돛(30)은 상부마스트(302)의 상부 끝단과 가로대(309)의 양끝단에 텐션와이어(323)가 결합되며 상기 텐션와이어(323)의 중간에는 텀버클(322)이 결합된 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광발전 및 풍력터빈발전 융합 동력시스템 선박.

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