KR101358852B1 - 하이브리드 선박 및 운행 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 선박에 관한 것으로, 전기 모터를 이용하여 선박 디젤엔진의 압축행정에서 에너지 소비의 문제점을 보완할 수 있는 하이브리드 그린 쉽 (hybrid green ship)을 제공한다.

Description

하이브리드 선박 및 운행 방법{HYBRID VESSEL AND OPERATING METHOD THEROF}
본 발명은 하이브리드 선박에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기 모터를 이용하는 하이브리드 그린 쉽 (hybrid green ship)에 관한 것이다.
오늘날 자동차산업의 공통된 최대 이슈는 환경, 에너지, 안전과 편의이다. 전 세계적으로 자동차산업에 대해 CO2 감축과 유해물질 사용 제한 등 환경규제와 사고시 충돌에 따른 운전자와 보행자 안전 규제가 강화되고 있다. 또한 유가 상승과 석유자원 고갈에 따른 에너지 문제가 대두되고 있으며, 소비자의 편의성 요구가 증대되고 있다.
이러한 시대적 요구에 따라 자동차메이커들은 대응방안 마련은 물론 시장 주도를 위한 기술개발 등 다양한 노력을 하고 있으며, 전장부품과 센서 등 최첨단 하이테크 기술과 플라스틱/나노/하이브리드 소재 등이 적용된 다양한 부품들을 자동차에 적용시키고 있다.
또한 수소연료전지, 바이오 디젤, 태양광, 전기 등 석유 대체 에너지를 적용한 차세대 연료자동차들이 각종 모터쇼 등에 출품되어 세계의 이목을 집중시키고 있으며, 이미 미국시장을 중심으로 하이브리드 전기 자동차(Hybrid Electric Vehicle) 시장이 확대되고 있는 실정이다.
태양광과 같은 대체 에너지를 적용하여 동력을 공급하는 하이브리드 관련 연구는 비록 자동차 산업분야에 한정되지 않는다.
최근 들어, 조선업체들에서도 친환경 기술 개발에 노력을 기울이고 있다. 초대형 선박인 32만 톤 급 초대형유조선(VLCC)의 경우 1km를 가는 데 벙커C유가 160kg 필요할 정도로 에너지 소비가 많다. 자동차에 경제속도가 있듯이 선박도 연료소모와 탄소 배출을 줄일 수 있는 최적의 운항 속도를 찾아내기 위한 연구 등이 활발하고, 하이브리드 선박의 개발에 대한 관심이 증폭되고 있다.
자동차 분야와 같이 조선산업분야에서도 선박운항에서의 연료절감 및 환경친화적 선박이 큰 이슈로 되어있다. 연료절감 방법으로서는 선형 최적화 선박을 대형화하는 대신에 선박의 속도를 줄임으로써 운송화물대비 연료소모율을 낮춤으로써 운송비 절감은 물론 배출가스를 감소시키고자 하는 노력들이 진행 중이고 또한 선박추진장치의 효율을 높이고자 새로운 방법들이 제시되고 활용되고 있다. 환경친화적 선박을 만들고자 배출가스를 줄이는 질소산화물유황산화물제거 기술을 선박에 적용하고 있는 추세이다.
특별히, 2015년 발효될 국제해사기구(IMO)의 황화합물(SOx)규제에 따라 현재 미국, 노르웨이, 유럽 북해 등의 환경규제지역이 전 세계적으로 더욱 늘어날 전망이어서 하이브리드 선박에 대한 요구도 확대될 것으로 예상된다.
이에 대한 대응으로서, 디젤엔진과 전기모터를 함께 장착한 선박에 개발이 있다. 저속 운항할때는 주기관을 사용하지 않고 전기 모터만으로 추진하는 것을 기본 개념으로 하는 것으로 3000t급 선박에 적용한 예가 있다.
다른 예로서, 자연 기화되는 가스로 발전기를 돌려 전기를 생산한 뒤 추진모터를 구동하는 전기추진 LNG선에 연구가 있었다. 비슷한 방식의 디젤엔진에서 발생하는 뜨거운 열로 발전기 돌려 전기를 생산하는 WHRS(Waste Heat Recovery System) 기술을 대형선박에 적용한 예도 있다. 이렇게 생산되는 전기는 선박의 전기, 전자 제품에 사용될 수 있어서 선박의 에너지 사용량을 6%정도 줄일 수 있는 효과가 있다.
하이브리드 선박의 또 다른 예로 액체연료와 가스연료를 선택적으로 사용할 수 있는 이중연료(dual fuel) 엔진이 개발되고 있다. 이중연료 엔진은 배기가스를 줄이면서 디젤엔진과 동일한 성능을 발휘할 수 있어 환경적인 면과 경제적인 측면을 모두 만족시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한 태양전지 판넬을 장착한 하이브리드 선박에 대한 개발이 진행중이다. 태양전지 판넬을 이용하여 수집된 에너지로 재충전 리튬이온의 배터리를 충전해 부두에 접안할때나 혹은 부두를 떠날때 저속(5노트 혹은 7노트 이하)에서만 사용할 수 있도록 하는 것으로 태양광으로 충전된 전기를 사용해 CO2도 절감하고 운영경비도 절감할 수 있다. 다만, 태양광 모듈의 태생적인 효율 한계 때문에 주동력이 아닌 보조동력으로 사용할 수 밖에 없다는 한계가 있다.
본 발명은 하이브리드 선박에 관한 것으로, 전기 모터를 이용하여 선박 디젤엔진의 압축행정에서 에너지 소비의 문제점을 보완하는 하이브리드 그린 쉽 (hybrid green ship)에 관한 것이다.
일 측면에서, 하이브리드 선박은
선박 엔진의 압축 행정 시기를 판단하는 압축 행정 판단부;
펄스 형태의 에너지를 공급받아 상기 압축 행정 시기에만 모터축에 토크를 발생시키는 전기 모터; 및
상기 전기 모터의 모터축의 토크를 상기 엔진의 주회전축에 전달하도록 제어하고, 상기 전기 모터에 펄스 형태의 전력을 공급하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 엔진의 주회전축과 상기 전기 모터의 모터축의 직접 연결 여부를 결정하는 전자 클러치;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 전기 모터가 작동하는 하이브리드 모드(hybrid mode)에서는 상기 엔진의 주회전축과 상기 전기 모터의 모터축의 직접 연결을 수행하고, 상기 전기 모터가 작동하지 않는 하이브리드 오프 모드(hybrid OFF mode)에서는 상기 전자 클러치를 통하여 상기 엔진의 주회전축과 상기 전기 모터의 모터축을 단절시킴으로써 상기 전기 모터에 의한 마찰 저항이 증가되는 것을 방지하도록 상기 전자클러치를 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 전기 모터에 전력을 공급하는 복수개의 보조 배터리;를 더 포함하며, 상기 보조 배터리는 상기 선박에 설치된 태양전지판 또는 풍력 발전기에 의해 충전되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 보조 배터리는 상기 선박의 발전기에 의해 충전될 수 있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 보조 배터리는 두개 이상인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 보조 배터리는 상기 선박에 설치된 태양 전지판 또는 상기 풍력 발전기 중 임계 최소 발전량보다 큰 것에 의해 충전되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 보조 배터리의 충전 레벨을 감지하는 적어도 하나 이상의 센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 복수개의 보조 배터리 중에서 상기 충전 레벨이 임계값 이하인 보조 배터리의 충전을 수행하도록 제어하고, 상기 충전이 수행되는 동안에 임계값 이상으로 충전된 보조 배터리에 의하여 상기 전기 모터가 작동되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 압축 행정 판단부는 상기 엔진의 운행 상태를 감지하는 센서; 및 상기 센서의 출력을 기초로 상기 압축 행정 시점을 판단하는 결정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 측면에서, 하이브리드 선박의 운행 방법은
선박 엔진의 압축 행정 시기를 판단하는 압축 행정 판단 단계;
복수개의 보조 배터리 중 충전 레벨이 임계값 이상인 보조 배터리로부터 펄스 형태의 전력을 공급받아 상기 압축 행정 시기에만 전기 모터의 모터축에 토크를 발생시키는 토크 발생 단계; 및
상기 전기 모터의 모터축의 토크를 상기 엔진의 주회전축에 전달하는 주회전축 추가 토크 공급 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 보조 배터리는 상기 선박에 설치된 태양전지판 또는 풍력 발전기에 의해 충전되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 보조 배터리는 상기 선박에 설치된 태양 전지판 또는 상기 풍력 발전기 중 임계 최소 발전량보다 큰 것에 의해 충전되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박 및 운행 방법에 의하면, 선박의 주기관의 출력을 높여줌과 동시에 주기관으로부터 발생되는 진동소음을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박 및 운행 방법에 의하면, 연료소모의 감소 및 저출력 운전을 함으로써 간접적으로 배출가스를 감소시키는 효과를 거둘 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박 및 운행 방법에 의하면, 선박구조의 특성상 만들어지는 평평한 외부 공간을 에너지를 발생시키는 발전소로 이용하여 선박의 공간 활용성을 극대화할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박 및 운행 방법에 의하면, 선주들로부터 호감을 갖는 경쟁력 있는 선박을 설계하게 됨으로써 조선산업의 경쟁력을 높일 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 구조를 적용할 수 있는 예를 도시한 것이다.
도 3 은 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 전력 계통도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 는 종래 엔진의 4 행정과 토크를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 5 는 4 기통 4 행정 엔진의 행정 및 토크와 본원 발명에서의 전기모터에 의해 발생되는 모터토크를 도시한 도면이다.
도 6 은 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 최종 토크 선도를 개념적으로 보여주는 도면이다.
도 7 은 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 충전 모드의 흐름도를 보여주는 도면이다.
도 8 은 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 배터리 기동 하이브리드 모드의 제 1 실시예를 보여주는 도면이다.
도 9 는 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 배터리 기동 하이브리드 모드의 제 2 실시예를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 선박 및 운행 방법에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 당업계에 공지 및 주지된 기능이나 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 기술 용어들은 본 발명에서의 기능 등을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 당업자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 그 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸쳐 기재된 내용을 기초로 판단되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 목적은 선박의 추진용 엔진의 디젤엔진에서의 4 행정기관 흡입-압축-폭발-배기의 과정에서 추진에너지를 얻는 행정이 오직 폭발행정이며, 폭발행정에서 발생된 에너지가 주로 압축행정에서 소모되는바 압축행정에서의 선박 추진력에 사용될 에너지의 감소를 최소화하는 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 목적은 엔진의 회전축이 발생시키는 회전력토크가 불균일 함을 보다 균일화 시켜서 엔진으로부터 발생되는 진동 및 소음을 감소시키고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 목적은 선박구조에서 비교적 평평한 면적이 넓은 점을 이용하여 그 면적에 태양전지판을 설치하여 항해중 태양광 에너지원을 추진력에 일부 활용하여 주기관 디젤엔진의 부하를 줄여주어 연료효율을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 목적은 대양 항해시 선박의 측면이나 후면에서 부는 바람은 선박의 전진속도에 저항을 주지 않고 풍력 발전기로부터 부가적인 에너지를 얻어 추진력 증대에 활용하여 추진력을 높이고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 목적은 전기모터를 주기관 디젤엔진에 연결하여 각 실린더의 행정에서 압축행정 동안만 가동하도록 펄스형태의 전기를 제어기를 통하여 공급함으로써 압축과정에서 엔진출력 일부가 소모됨을 줄이는 동시에 폭발행정과 압축행정 사이의 토크의 큰 차이에 의하여 발생되는 진동 및 소음을 줄이기 위한 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 목적은 선체 표면에 설치된 태양전지판 및 풍력발전기로부터 얻어지는 에너지가 부족한 경우 선박에 설치된 발전기를 통하여 보조 배터리를 충전시켜서 모터를 가동시킴으로써 부족한 전력을 보충하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 특징은 하이브리드 모드가 켜지면 전자클러치에 의하여 모터축과 주기관축이 연결되고 반면 하이브리드 모드가 꺼지면 모터축과 주기관축이 단절되는 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 특징은 보조 배터리를 여러개를 사용할 수 있어서 일부 보조 배터리가 충전중이면 다른 보조 배터리를 사용하는 방식을 사용하도록 한다. 선박에서의 발전기와 태양광 및 풍력을 사용함으로써 필요에 따라서는 연속적인 발전이 가능하기 때문이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 특징은 태양광 또는 풍력에 의한 발전량이 태양광 임계 최대 발전량 또는 풍력 임계 최대 발전량보다 큰 경우에는 전기모터를 태양광 또는 풍력 발전기에 직결시켜서 보조 배터리를 사용하지 않고 전기모터를 기동시킬 수도 있다. 또한 보조 배터리가 모두 임계 배터리 충전레벨 보다 작아서 전기모터를 작동시킬 수 없는 경우에는, 보조 배터리에 의한 전력 공급을 보조 발전기로 대체하여 전기모터에 전기 에너지를 공급할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박은 압축 행정 판단부(예를 들어, 센서)(미도시), 전기 모터(102), 제어부(104)를 포함하여 이루어진다.
압축 행정 판단부는 선박 엔진(101)의 압축 행정 시기를 판단한다.
압축 행정 판단부는 선박 엔진(101)의 운행 상태를 감지하는 센서일 수 있다. 일 실시예에서, 압축 행정 판단부인 센서는 엔진의 회전 속도, 엔진의 부하정도, 엔진의 운행 온도 등을 감지하고, 감지된 출력 중 적어도 하나 이상을 기초로 압축행정 시점을 판단하게 되는 것이다.
센서의 출력을 기초로 압축 행정 시점을 판단하는 결정부(미도시)를 포함할 수 있다. 도 1 에서는 디젤엔진을 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 4행정(흡입-압축-폭발-배기)으로 구성되고 압축행정에서 에너지의 소모가 있는 엔진을 포함하는 것이다. 또는 폭발행정에서의 에너지 발생량과 압축과정에서의 에너지 소모 또는 발생량의 차가 커서 진동이나 소음이 많은 엔진을 포함할 수 있다.
전기 모터(102)는 펄스 형태의 에너지를 공급받아 주기관인 디젤엔진(101)의 압축 행정 시기에만 모터축에 토크를 발생시킨다.
전기 에너지는 보조 배터리(107,108)로부터 공급받을 수 있으며, 태양전지판(109) 또는 풍력발전기(110)로부터 공급되는 에너지량이 충분하지 않은 경우에는 보조 발전기와 전기 모터의 직접연결을 통하여 전기모터(102)의 구동도 가능하다.
제어부(104)는 전기 모터의 모터축의 토크를 주기관(101)의 주회전축에 전달하도록 제어하고, 전기 모터(102)에 펄스 형태의 전력을 공급하도록 제어한다.
전기 모터의 모터축에 의해 추가로 공급되는 토크를 더한 주기관에서의 주회전축의 전체토크는 프로펠러 샤프트(105)를 거쳐 추진기(프로펠러)(106)를 구동하여 선박에 추진력을 제공하게 된다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박은 주 기관인 디젤엔진(101)의 주회전축과 전기 모터(102)의 모터축의 직접 연결 여부를 결정하는 전자 클러치(103)를 더 포함한다.
전자 클러치는 주기관의 주회전축과 전기모터의 모터축간의 마찰 저항을 감소시키기 위한 것으로, 하이브리드 모드 동작시 제어부(104)는 전자 클러치(103)를 오프(OFF)상태로 유지하여 디젤엔진(101)의 주회전축과 전기 모터(102)의 모터축의 직접 연결을 수행하도록 전자 클러치(103)를 제어한다.
그러나, 하이브리드 모드 동작이 아닌 경우 또는 하이브리드 모드 중에 보조 배터리 또는 태양광 발전기 또는 풍력 발전기 또는 보조 발전기로부터 전기 에너지를 공급받아 직접 전기모터를 구동시키지 않는 경우에 제어부(104)는 전자 클러치를 온(ON)상태로 유지하여 디젤엔진(101)의 주회전축과 전기 모터(102)의 모터축의 직접 연결을 단절하도록 전자 클러치(103)를 제어한다. 즉, 하이브리드 모드 동작이 아닌 경우에는 디젤엔진(101)의 주회전축과 전기 모터(102)의 모터축의 직접 연결을 단절시켜 주회전축의 토크에 의해 발생되는 마찰에 의해 모터축에 손상이 가는 것을 막기 위한 것이다.
도 2 는 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 구조를 적용할 수 있는 예를 도시한 것이다.
도 2 에 도시된 선박은 (a) 대형 유조선(oil tanker) (b) 천연 액화가스 운반선(LNG 선) (c) 살물선(포장안된 화물 운반선(:bulk carrier)를 보여준다.
도 2 에 도시된 선박의 예를 보면 선박표면의 구조물을 이용하여 태양전기판넬을 설치할 수 있는 넓은 면적을 볼 수 있다.
따라서 항해 중 많은 량의 전기에너지를 태양광을 이용하여 발전할 수 있어서 보조배터리(107)를 충전하여 사용할 수도 있고 태양광을 통한 발전량이 전기모터(102)를 구동하기에 충분하지 않다면 보조 발전기와 전기모터를 직결하여 전기모터를 구동시킬 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박은 풍력에 의한 발전도 추가 되어 보조 배터리를 충전시킬 수 있다. 다만 바람이 선박이 진행하는 방향에서 불어올 때는 선박의 항력이 증대되는바 풍력 발전을 중지하고 선박의 후방향이나 측면과 후방 중간의 방향에서 바람이 불 때 풍력발전기를 가동시켜서 보조 배터리를 충전하거나 풍력 발전에 의한 발전량이 충분하지 않는 경우이면 보조 발전기를 전기모터에 직결하여 사용할 수 도 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박은 도 2 에 도시된 선박의 종류에 한정되지 아니하며, 유람선이나 여객선, 어선, 낚시배들도 선박 외부의 평탄한 면적이 넓기 때문에 대형선과 유사하게 태양전기에너지 및 풍력에너지를 보조 수단으로 메인 엔진의 구동력을 증가시키는데 사용할 수 있어서 연료비 절감은 물론, 해상대기 오염을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박에 의하면 전기모터(102) 기동시 압축과정과 폭발과정에서의 회전력 차이를 전기모터에 의하여 줄여줌으로써 진동과 소음을 감소시킬 수 있다는 것이 특징이다.
도 3 은 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 전력 계통도를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박은 선박 주기관인 엔진(301)의 압축 행정 시기를 판단하여 압축 행정 시기에만 모터축에 토크를 발생시켜 전기 모터(302)의 모터축의 토크를 엔진(301)의 주회전축에 전달함으로써 압축행정에서 발생되는 에너지의 소모를 감소시켜 주는 동시에 보조배터리의 소모를 줄여줌으로써 배터리 용량의 크기를 줄여줄 수 있는 것이 특징이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 전기모터를 구동시키기 위한 전력 계통은 솔라판넬(306) 또는 풍력 발전기(309) -> 보조 배터리 1(307) 또는 보조 배터리 2 (308)의 충전이 이루어진다.
제어부(304)는 보조 배터리의 충전을 제어함과 동시에 충전이 이루어지는 동안에는 전자 클러치(303)를 온상태(ON)로 유지하여 주회전축과 전기모터의 모터축의 연결을 단절시킨다.
보조 배터리(307 또는 308)의 충전이 완료되면 엔진의 압축 행정 동안에 전기 모터(303)에 펄스 형태의 전기 에너지를 공급하여 전기 모터의 모터축에 토크를 발생시킨다.
제어부는(304)는 보조 배터리(307 또는 308)로부터 펄스 형태의 전기에너지가 전기모터(302)로 공급되도록 제어한다. 동시에 전기모터(303)의 모터축에 발생된 토크가 주기관 엔진(301)의 주회전축에 전달될 수 있도록 하기 위해 전자 클러치(303)의 오프(OFF)상태로 전환하여 주회전축과 모터축이 직접 연결될 수 있도록 한다.
태양 발전 또는 풍력발전에 발생된 전기 에너지는 보조 배터리로 충전되고, 보조 배터리에서 전기 모터(302)로 전달되어 전기 모터의 모터축에 발생된 토크가 엔진의 주회전축에 추가 토크를 발생시키게 되는 것이다. 이 실시예에서 전력 계통은 풍력발전기(309) 또는 태양 전지판(306) -> 보조 배터리(307 또는 308) -> 전기모터(302) -> 디젤 엔진(301)의 압축 행정 동안에 전기 모터에 펄스형 전기 에너지 공급 및 주기관 디젤엔진(301)의 토크 추가 발생의 단계를 거치게 된다.
도 3 에 도시된 바와 같이 태양 전지판은 선박의 종류와 규모에 따라서 복수개(306-1,360-2)를 갖출 수 있다.
태양 전지판 또는 풍력 발전기에 의한 발전량에 따라서 보조 배터리(307 또는 308)에 충전되는 과정이 생략되고, 보조 발전기(305)를 통하여 직접 전기 모터(302)로 공급되는 과정을 거쳐 주회전축에 추가 토크가 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 특징은 태양광, 풍력 또는 발전기에서 생산되는 발전량이 임계 발전량보다 작은 경우에는 발전기와 전기모터를 직결시켜 보조 배터리를 사용하지 않고 전기모터를 기동시킬 수 도 있다. 이 실시예에 있어서, 전력계통은 풍력발전기(309) 또는 태양 전지판(306) -> 보조 발전기(305) -> 전기모터(302) -> 디젤 엔진(301)의 압축 행정 동안에 전기 모터에 펄스형 전기 에너지 공급 및 주기관 디젤엔진(301)의 토크 추가 발생의 단계를 거치게 된다. 이 실시예에서 풍력 발전기(309), 태양 전지판(306) 및 보조 발전기(305)에서 발생된 여분의 에너지는 보조 배터리(307 또는 308)를 충전할 수도 있다. 이 실시예에서, 제어부(304)는 보조 발전기로부터의 발생된 전기 모터(302)로 직접 공급될 수 있도록 제어한다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박에서는 보조 배터리는 복수개로 구비될 수 있으며, 각 보조 배터리는 태양 전지판(306), 풍력 발전기(309), 선박의 주 발전기 또는 보조발전기(305)에 의해 충전될 수 있다. 즉, 선박의 운행중인 상태에서 주발전기에 의해 공급되는 여분의 에너지를 이용하여 보조 배터리를 충전할 수 있는 것이다.
보조 배터리(307 또는 308)는 선박에 설치된 태양 전지판(306) 또는 풍력 발전기(309) 중 임계 최소 발전량보다 큰 것에 의해 충전된다. 이 실시예에서, 태양 전지판(306)에 의해 일차적으로 충전될 수 있도록 설정하고 태양 전지판(306)에 의한 발전량이 임계 최소 발전량보다 작은 경우에는 풍력 발전기(309)에 의해 충전될 수 있도록 설정할 수 있다. 그러나 이와는 반대로 풍력 발전기(309)에 의해 일차적으로 충전될 수 있도록 설정하고 풍력 발전기(309)에 의한 발전량이 임계 최소 발전량보다 작은 경우에는 태양 전지판(306)에 의해 충전될 수 있도록 설정할 수 있는 것이다.
도 4 는 종래 엔진의 행정과 토크를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 4 는 1기통 엔진의 각 행정과 토크를 개념적으로 도시한 것으로, 밸브가 열리는 흡입 행정 및 배기 행정은 엔진의 토크소모가 상대적으로 작으므로 무시하고 도시한 것이다.
도 4 에 도시된 바와 같이 종래의 디젤 엔진에서는 폭발행정에서는 추진에너지를 획득(420)하게 되지만, 압축행정에서는 에너지가 감소(410)하게 된다.
이렇게 압축 행정에서의 에너지 소비로 인해 추진력이 감소하게 됨이 물론이고 더불어 폭발행정과의 에너지 차이가 커짐으로써 엔진 구동중에 발생되는 소음과 진동이 역시 커지게 되는 것이다.
도 5 는 4 기통 엔진의 행정 및 토크와 본원 발명에서의 전기모터에 의해 발생되는 모터토크를 도시한 도면이다.
4기통 엔진의 경우에 각 피스톤이 정상위치 직전에 최대 압축 정상위치 직후에 최대폭발 압력을 발생하게 되는 것이다.
도 5의 위쪽 도면은 도 4 에서의 동일한 엔진을 4기통 엔진에 대하여 도시한 것이며 도시된 바와 같이 크랭크 축의 180도 회전마다 폭발행정(510)에서 얻게 되는 에너지와 압축행정(520)에서 소모되는 에너지를 동시에 경험하게 된다.
따라서 엔진의 에너지 출력의 차이가 상대적으로 크게 되고, 이는 엔진 수명의 단축에도 직접적으로 관련이 있게 된다.
도 5의 아래쪽 도면은 본 발명에 따른 하이브리드 선박에서의 전기모터(302)에 의해 발생되는 모터축의 토크를 개념적으로 도시한 것으로 압축행정구간 동안에서만 공급되는 펄스형태의 전기에너지에 의해 토크가 발생하게 된다.
4기통엔진에서는 크랭크 축 회전각의 180도마다 모터 토크(530)가 발생하게 되는 것이다.
도 6 은 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 최종 토크 선도를 개념적으로 보여주는 도면이다.
도 6(a)는 주기관 엔진에 의해 발생되는 토크선도(510,520)와 전기 모터(302)의 모터축에 의해 발생되는 토크선도(530)를 중첩하여 도시한 것으로 토크영역(520)와 토크영역(530)이 발생되는 구간에서의 크랭크축 회전각은 일치되게 된다.
즉, 토크영역(520)와 토크영역(530)이 발생되는 구간은 압축행정구간에 해당되는 것이며, 다만 영역(520)은 주기관인 선박의 디젤엔진(301)에서 발생된 것이며, 토크영역(530)은 전기모터(302)에 의해 발생되는 것이다.
도 6(b)에서는 본 발명에 따른 합성 토크선도를 도시한 것으로 도 6(a)의 최종 결과를 보여주는 것이다. 토크영역(520)은 토크영역(530)에서의 에너지 손실을 보상하고 최종적으로 에너지 손실이 아닌 에너지 획득을 유지하게 되는 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박은 전기모터(302)를 압축행정 동안에 순간 기동시킴으로써 감소된 엔진토크를 증가시키며 동시에 크랭크축에 걸리는 회전력을 보다 평탄화시킴으로써 소음 및 진동도를 감소시키고, 진동시 운동에너지로 흡수되어 감소에너지를 줄여줌으로써 선박의 출력을 보충할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 7 은 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 충전 모드의 흐름도를 보여주는 도면이다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 충전 모드에서는 하이브리드 모드가 오프(OFF)상태를 유지한다. 즉, 전기모터의 구동이 이루지지 않는다.
제어부(304)는 충전 레벨이 임계값이하인 경우에 보조 배터리(307 또는 308)의 충전을 수행하도록 제어하고, 충전이 수행되는 동안에 전기 모터(302)의 모터축의 토크를 발생하지 않도록 제어한다.
충전모드에서는 보조 배터리의 충전레벨이 최고 배터리 충전레벨과 비교함으로써 시작된다(S720). 보조 배터리의 충전 레벨은 센서를 통하여 감지될 수 있고, 보조 배터리가 복수개인 경우 센서(미도시) 역시 복수개로 구비되어 운용될 수 있다.
본 발명에서 복수개의 보조 배터리를 구비하여, 제 1 보조 배터리가 사용중일때는 제 2 보조배터리는 충전중이거나 대기상태로 있다가 제 1 보조 배터리가 임계 배터리 충전레벨 보다 낮아지면 즉시 제 2 보조 배터리와 전기모터가 접속하여 동작하고 제 1 보조배터리는 충전되는 방식이 되도록 하기 위한 것이다.
보조 배터리의 충전 레벨이 최고 충전레벨보다 작은 경우에는 일차적으로 태양광에 의해 충전이 이루어진다. 충전을 위하여 태양광 발전량이 임계최소 발전량보다 큰지를 판단한다.(S721) 태양광에 의해 발전량이 임계 최소 발전량보다 큰 경우에 태양광에 의해 배터리의 충전이 수행된다(S722).
태양광에 의한 발전량이 임계최소 발전량보다 작은 경우에는 풍력발전에 의한 충전이 수행될 수 있도록 풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다(S723)큰지를 판단하게 된다.
풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다 큰 경우에는 풍력발전에 의해 보조배터리의 충전이 수행된다(S724).
그러나, 풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다 작은 경우에는 보조 발전기에 의해 보조 배터리의 충전이 수행될 수 있다(S725).
도 7 에서는 보조배터리가 복수개인 경우엔 충전의 과정을 도식화한 것으로 S720, S721, S722의 과정은 제 1 보조배터리에 대한 충전과정을 서술한 것이며, 이하에서는 제 1 보조 배터리의 충전량이 최고 배터리 충전레벨보다 큰 경우에 제 2 보조 배터리의 충전과정을 서술한다.
S720에서 제 1 보조배터리의 충전량이 충전이 필요하지 않을 정도로 충분한 경우 즉, 최고 배터리 충전레벨보다 큰 경우에는 제 2 보조 배터리의 충전과정을 수행한다.
제 2 보조배터리 충전 레벨이 최고 배터리 충전레벨값보다 작은지 판단한다(S730). 최고 배터리 충전레벨보다 작은 경우에는 일차적으로 태양광 발전에 의해 충전이 이루어지도록 설정되어 태양광 발전량이 임계 최소 발전량보다 큰지를 판단하게 된다(S731).
임계 최소 발전량보다 큰 경우에는 태양광 발전에 의해 제 2 보조 배터리가 충전되게 된다(S732).
그러나, 태양광에 의한 발전량이 임계최소 발전량보다 작은 경우에는 풍력발전에 의한 충전이 수행될 수 있도록 풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다(S733)큰지를 판단하게 된다.
풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다 큰 경우에는 풍력발전에 의해 보조배터리의 충전이 수행된다(S324).
그러나, 풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다 작은 경우에는 보조 발전기에 의해 배터리의 충전이 수행될 수 있다(S735).
하이브리드 선박에 구비된 보조 배터리가 모두 최고 배터리 충전레벨에 도달하기 전까지는 각 보조 배터리의 충전레벨을 감지하여 태양광에 의하거나 풍력발전에 의해 충전하는 과정을 반복하며, 모든 보조 배터리가 최고 배터리 충전레벨보다 큰 값을 가지게 되면 충전모드는 정지된다(S738).
도 8 은 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 배터리 기동 하이브리드 모드의 제 1 실시예를 보여주는 도면이다. 다만 도 8 은 도 7 의 과정을 통하여 충전된 배터리를 통하여 전기모터가 동작되게 되는 일 실시예를 위한 것이다.
하이브리드 모드 동작은 기본적으로 선박 엔진의 압축 행정 시기를 판단하는 압축 행정 판단 단계; 복수개의 보조 배터리 중 충전 레벨이 임계값 이상인 보조 배터리로부터 펄스 형태의 전력을 공급받아 압축 행정 시기에만 전기 모터의 모터축에 토크를 발생시키는 토크 발생 단계; 및 전기 모터의 모터축의 토크를 엔진의 주회전축에 전달하는 주회전축 추가 토크 공급 단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 하이브리드 선박의 보조 배터리는 선박에 설치된 태양전지판 또는 풍력 발전기에 의해 충전될 수 있고, 선박에 설치된 태양 전지판 또는 상기 풍력 발전기 중 임계 최소 발전량보다 큰 것에 의해 충전된다.
또한 보조 배터리의 충전이 어느 것에 의해 충전되는지는 초기 설정에 따라 정해진다. 즉, 일차적으로 태양광에 의하게 설정할 수 있거나 또는 풍력 발전기에 의해 충전될 수 있도록 설정할 수 도 있다.
도 8 의 실시예는 보조 배터리가 1 개 구비된 경우에서의 하이브리드 모드 동작을 예시한 것이다.
하이브리드 모드의 시작은 보조배터리의 충전 레벨이 임계 배터리 충전 레벨이상 인지를 판단하게 된다(S820).
임계 배터리 충전 레벨 이상인 경우에는 배터리에 의해 전력이 공급되어 전기모터를 기동하게 된다(S830).
전기 모터의 기동시에 제어부는 전자 클러치 오프(OFF)상태를 유지하여 엔진의 주회전축과 전기모터의 모터축간의 직접연결을 유도한다(S840).
보조 배터리의 충전레벨이 임계 배터리 충전레벨보다 작은 경우에는 배터리의 충전과정이 수행된다. 이는 도 7에서 서술된 과정을 반복하게 된다.
구체적으로 충전을 위하여 태양광 발전량이 임계최소 발전량보다 큰지를 판단한다.(S850) 태양광에 의해 발전량이 임계 최소 발전량보다 큰 경우에 태양광에 의해 배터리의 충전이 수행된다(S851).
태양광에 의한 발전량이 임계최소 발전량보다 작은 경우에는 풍력발전에 의한 충전이 수행될 수 있도록 풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다(S852)큰지를 판단하게 된다.
풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다 큰 경우에는 풍력발전에 의해 보조배터리의 충전이 수행된다(S853).
그러나, 풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다 작은 경우에는 보조 발전기에 의해 배터리의 충전이 수행될 수 있다(S854).
S851, S853, S854 단계에서의 태양광, 풍력 발전 및 보조 발전기 중 하나에 의해 배터리가 충전되어 배터리 충전 레벨이 최고 배터리 충전 레벨보다 큰 경우에는 보조 배터리에 의해 전기 모터가 동작하게 되고(S857), 충전 레벨이 최고 배터리 충전 레벨에 미치지 못하는 경우에는 충전과정(C 지점)을 유지하게 된다(S856).
도 9 는 본 발명에 따른 하이브리드 선박의 배터리 기동 하이브리드 모드의 제 2 실시예를 보여주는 도면이다. 도 9 에 도시된 흐름도는 도 8 에서와 달리 보조 배터리가 2개로 구성된 경우에 하이브리드 모드 동작을 위한 실시예를 도시한 것이다.
하이브리드 모드의 시작은 제 1 보조배터리의 충전 레벨이 임계 배터리 충전 레벨이상 인지를 판단하게 된다(S920).
임계 배터리 충전 레벨 이상인 경우에는 배터리에 의해 전력이 공급되어 전기모터를 기동하게 된다(S930).
전기 모터의 기동시에 제어부는 전자 클러치 오프(OFF)상태를 유지하여 엔진의 주회전축과 전기모터의 모터축간의 직접연결을 유도한다(S940).
제 1 보조 배터리의 충전레벨이 임계 배터리 충전레벨보다 작은 경우에는 배터리의 충전과정이 수행된다. 이는 도 7에서 서술된 과정을 반복하게 된다.
제 1 보조 배터리에 의해 전기 모터의 구동이 어려운 경우 즉 충전량이 충분하지 않는 경우에 제 1 보조 배터리는 상기에서 언급한 바와 같이 충전과정을 거치게 되고 하이브리드 선박은 제 2 보조배터리에 의한 임계 배터리 충전 레벨을 체크하여(S960) 충전레벨이 임계값 이상인 경우에는 제 2 보조배터리에 의하여 전기 모터의 구동하게 된다(S970).
구체적으로 제 1 보조 배터리의 충전을 위하여 태양광 발전량이 임계최소 발전량보다 큰지를 판단한다.(S950) 태양광에 의해 발전량이 임계 최소 발전량보다 큰 경우에 태양광에 의해 배터리의 충전이 수행된다(S951).
태양광에 의한 발전량이 임계최소 발전량보다 작은 경우에는 풍력발전에 의한 충전이 수행될 수 있도록 풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다(S952)큰지를 판단하게 된다.
풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다 큰 경우에는 풍력발전에 의해 보조배터리의 충전이 수행된다(S953).
그러나, 풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다 작은 경우에는 보조 발전기에 의해 배터리의 충전이 수행될 수 있다(S954).
제 1 배터리의 충전 레벨이 최고 배터리 충전레벨 보다 큰지를 판단하게 된다(S955).
최고 배터리 충전 레벨 이상인 경우에는 제 1 배터리에 의해 전력이 공급되어 전기모터를 기동하게 되고, 제 2 배터리와 전기 모터의 연결을 오프(OFF)시킨다(S957).
제 1 보조배터리의 충전레벨이 임계값보다 작아서 충전과정으로 진입한 경우 (C지점)에는 상기에서 언급한 바와 같이 제 2 보조 배터리에 의한 구동을 체크하게 되어, S960에서 제 2 보조 배터리의 충전레벨을 체크하고, 충전레벨이 임계값 이상인 경우에는 제2 보조배터리에 의해 전기모터가 기동하게 된다(S970).
전기 모터의 기동시에 제어부는 전자 클러치 오프(OFF)상태를 유지하여 엔진의 주회전축과 전기모터의 모터축간의 직접연결을 유도한다(S980).
그러나, 제 2 보조 배터리의 충전레벨이 임계 배터리 충전레벨보다 작은 경우에는 제 2 배터리의 충전과정이 수행된다. 이는 제 1 보조배터리에서 서술된 과정과 동일하게 된다.
구체적으로 충전을 위하여 태양광 발전량이 임계최소 발전량보다 큰지를 판단한다.(S990) 태양광에 의해 발전량이 임계 최소 발전량보다 큰 경우에 태양광에 의해 배터리의 충전이 수행된다(S991).
태양광에 의한 발전량이 임계최소 발전량보다 작은 경우에는 풍력발전에 의한 충전이 수행될 수 있도록 풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다(S992) 큰지를 판단하게 된다.
풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다 큰 경우에는 풍력발전에 의해 보조배터리의 충전이 수행된다(S993).
그러나, 풍력 발전량이 임계 최소 발전량보다 작은 경우에는 보조 발전기에 의해 배터리의 충전이 수행될 수 있다(S994).
제 2 배터리의 충전레벨이 최고 배터리 충전 레벨 이상인 경우(S995)에는 제 2 배터리에 의해 전력이 공급되어 전기모터를 기동하게 되고, 제 1 배터리와 전기 모터의 연결을 오프(OFF)시킨다(S996).
제 2 보조배터리의 충전레벨이 최고 배터리 충전 레벨보다 작아서 충전과정을 유지하는 경우에는 제 2 보조 배터리의 충전 레벨이 최고 배터리 충전 레벨보다 클 때까지 충전과정(F지점)을 유지하게 된다(S998).
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
주기관 : 101 보조배터리 : 107, 108
전기 모터 : 102 태양전지판 : 109
전자 클러치 : 103 풍력발전기 : 110

Claims (11)

  1. 선박 엔진의 압축 행정 시기를 판단하는 압축 행정 판단부;
    펄스 형태의 에너지를 공급받아 상기 압축 행정 시기에만 모터축에 토크를 발생시키는 전기 모터; 및
    상기 전기 모터의 모터축의 토크를 상기 엔진의 주회전축에 전달하도록 제어하고, 상기 전기 모터에 펄스 형태의 전력을 공급하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 선박.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 엔진의 주회전축과 상기 전기 모터의 모터축의 직접 연결 여부를 결정하는 전자 클러치;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전기 모터가 작동하는 하이브리드 모드(hybrid mode)에서는 상기 엔진의 주회전축과 상기 전기 모터의 모터축의 직접 연결을 수행하고, 상기 전기 모터가 작동하지 않는 하이브리드 오프 모드(hybrid OFF mode)에서는 상기 전자 클러치를 통하여 상기 엔진의 주회전축과 상기 전기 모터의 모터축을 단절시킴으로써 상기 전기 모터에 의한 마찰 저항이 증가되는 것을 방지하도록 상기 전자클러치를 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 선박.
  3. 청구항 1 에 있어서,
    상기 전기 모터에 전력을 공급하는 복수개의 보조 배터리;를 더 포함하며,
    상기 보조 배터리는 상기 선박에 설치된 태양전지판 또는 풍력 발전기에 의해 충전되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 선박.
  4. 청구항 3 에 있어서,
    상기 보조 배터리는 상기 선박의 발전기에 의해 충전될 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 선박.
  5. 청구항 3 에 있어서,
    상기 보조 배터리는 두개 이상인 것을 특징으로 하는 것을 하이브리드 선박.
  6. 청구항 3 에 있어서,
    상기 보조 배터리는 상기 선박에 설치된 태양 전지판 또는 상기 풍력 발전기 중 임계 최소 발전량보다 큰 것에 의해 충전되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 선박.
  7. 청구항 3 에 있어서,
    상기 보조 배터리의 충전 레벨을 감지하는 적어도 하나 이상의 센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 복수개의 보조 배터리 중에서 상기 충전 레벨이 임계값이하인 보조 배터리의 충전을 수행하도록 제어하고, 상기 충전이 수행되는 동안에 임계값 이상으로 충전된 보조 배터리에 의하여 상기 전기 모터가 작동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 선박.
  8. 청구항 1 에 있어서,
    상기 압축 행정 판단부는
    상기 엔진의 운행 상태를 감지하는 센서; 및
    상기 센서의 출력을 기초로 상기 압축 행정 시점을 판단하는 결정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 선박.
  9. 선박 엔진의 압축 행정 시기를 판단하는 압축 행정 판단 단계;
    복수개의 보조 배터리 중 충전 레벨이 임계값 이상인 보조 배터리로부터 펄스 형태의 전력을 공급받아 상기 압축 행정 시기에만 전기 모터의 모터축에 토크를 발생시키는 토크 발생 단계; 및
    상기 전기 모터의 모터축의 토크를 상기 엔진의 주회전축에 전달하는 주회전축 추가 토크 공급 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 선박의 운행 방법.
  10. 청구항 9 에 있어서,
    상기 보조 배터리는 상기 선박에 설치된 태양전지판 또는 풍력 발전기에 의해 충전되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 선박의 운행 방법.
  11. 청구항 10 에 있어서,
    상기 보조 배터리는 상기 선박에 설치된 태양 전지판 또는 상기 풍력 발전기 중 임계 최소 발전량보다 큰 것에 의해 충전되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 선박의 운행 방법.
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