KR101516278B1 - 쓰러스터 구동을 위한 선박의 전력 시스템 - Google Patents

쓰러스터 구동을 위한 선박의 전력 시스템 Download PDF

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Abstract

쓰러스터 구동을 위한 선박의 전력 시스템이 개시된다. 선박의 전력 시스템은, 배터리(360); 선박의 메인 전력 계통으로부터 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리(360)가 충전되도록 하거나, 상기 배터리(360)로부터 입력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 인버터(350); 상기 인버터로부터 출력되는 교류 전력을 이용하여 구동되는 쓰러스터 유닛(110); 선박의 메인 전력 계통과 충전용 판넬(charging panel) 간의 전기적 연결을 단속하기 위한 제2 스위치(334); 상기 충전용 판넬과 상기 인버터(350) 간의 전기적 연결을 단속하기 위한 제3 스위치(336); 및 상기 인버터(350)와 상기 쓰러스터 유닛(110) 간의 전기적 연결을 단속하기 위한 제4 스위치(338)를 포함한다.

Description

쓰러스터 구동을 위한 선박의 전력 시스템{Power system for thruster operation in ship}
본 발명은 쓰러스터 구동을 위한 선박의 전력 시스템에 관한 것이다.
컨테이너 선박에는 접안시 선박의 방향 등을 조정하기 위해, 바우 쓰러스터(Bow Thruster) 또는/및 스턴 쓰러스터(Stern Thruster)가 설치된다.
이러한 쓰러스터는 전기를 동력으로 사용하기 때문에, 유럽공개특허 제2 423 103 A1(Electric propulsion of a ship incorporating an energy storage system) 등에서 제시하는 바와 같이, 선박은 쓰러스터 용량과 그 외 선박에서 사용되는 전력량의 총합보다 큰 발전량을 가지도록 설계되어야 하며, 또한 각각의 전력 소요 장치에 필요한 전력이 공급되도록 전력 계통이 설계되어야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 선박의 전력 시스템 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 선박의 운항 조건에 따른 전력 사용량을 나타낸 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 선박의 전력 시스템은 하나 이상의 발전기(112), 발전기(112)가 생산한 전력을 소정의 전압으로 감압하거나 승압하기 위한 하나 이상의 변압기(115), 적절한 전압 레벨의 전력을 공급받아 구동되는 하나 이상의 부하(120)를 포함한다.
그리고 쓰러스터 유닛(110)은 선박에 구비된 발전기로부터 발전된 전력을 직접 공급받아 구동되도록 메인 전력 계통(즉, 선박에 구비된 발전기(112)에서 생산한 전력을 선박에 구비된 전력 소요 장치로 공급하기 위한 전력 계통)에 연결된다.
그러나 쓰러스터 유닛(110)의 필요 전력을 감안하여 설치된 발전 시스템은 쓰러스터 유닛(110)이 동작하지 않는 시간 구간에서는 저부하 운전을 실시하게 되어 설비 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
예컨대, 도 2에 예시된 바와 같이, 일반적으로 50의 에너지를 사용하는 선박인 경우 쓰러스터 용량이 약 27에 해당되고, 따라서 발전 용량과 케이블 등은 에너지 사용량 77(즉, 50+27)에 소정의 마진을 더하여 80 내지 100의 용량으로 설계되어야 한다.
따라서, 쓰러스터에 전력을 공급하기 위해 케이블 사양 및 발전 용량을 고려하여 케이블, 스위치 보드 및 발전기의 용량을 크게 설계하여야 하기 때문에, 시설비용이 증가하고 운항 효율이 감소되는 문제점도 있다.
특허문헌1 : 유럽공개특허 제2 423 103 A1(Electric propulsion of a ship incorporating an energy storage system)
본 발명은 선박에 구비된 다양한 전력 소요 장치들 중 쓰러스터 구동을 위한 전력 계통을 분리하여 구성함으로써 설비 용량을 감소시키고 운항 효율을 증진시킬 수 있는 쓰러스터 구동을 위한 선박의 전력 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 전력 시스템으로서, 배터리(360); 선박의 메인 전력 계통으로부터 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리(360)가 충전되도록 하거나, 상기 배터리(360)로부터 입력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 인버터(350); 상기 인버터로부터 출력되는 교류 전력을 이용하여 구동되는 쓰러스터 유닛(110); 선박의 메인 전력 계통과 충전용 판넬(charging panel) 간의 전기적 연결을 단속하기 위한 제2 스위치(334); 상기 충전용 판넬과 상기 인버터(350) 간의 전기적 연결을 단속하기 위한 제3 스위치(336); 및 상기 인버터(350)와 상기 쓰러스터 유닛(110) 간의 전기적 연결을 단속하기 위한 제4 스위치(338)를 포함하는 쓰러스터 구동을 위한 선박의 전력 시스템이 제공된다.
상기 제2 스위치(334), 상기 제3 스위치(336) 및 상기 제4 스위치(338)의 온 및 오프 조작 제어를 수행하는 제어부가 더 포함되되, 상기 제어부는 상기 배터리의 충전을 위해 상기 제2 스위치(334) 및 상기 제3 스위치(336)를 온 조작 제어하고, 상기 제4 스위치(338)를 오프 조작 제어할 수 있다.
상기 제2 스위치(334), 상기 제3 스위치(336) 및 상기 제4 스위치(338)의 온 및 오프 조작 제어를 수행하는 제어부가 더 포함되되, 상기 제어부는 쓰러스터 유닛(110)으로의 전력 공급을 위해 상기 제2 스위치(334) 및 상기 제3 스위치(336)를 오프 조작 제어하고, 상기 제4 스위치(338)를 온 조작 제어할 수 있다.
항구에 구비된 전력망과 상기 충전용 판넬 간의 전기적 연결을 단속하기 위한 제1 스위치(322); 및 상기 제1 스위치(322), 상기 제2 스위치(334), 상기 제3 스위치(336) 및 상기 제4 스위치(338)의 온 및 오프 조작 제어를 수행하는 제어부가 더 포함되되, 상기 제어부는 상기 전력망으로부터 공급되는 전력을 이용하여 상기 배터리를 충전하기 위하여 상기 제1 스위치(322) 및 상기 제3 스위치(336)를 온 조작 제어하고, 상기 제2 스위치(334) 및 상기 제4 스위치(338)를 오프 조작 제어할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선박에 구비된 다양한 전력 소요 장치들 중 쓰러스터 구동을 위한 전력 계통을 분리하여 구성함으로써 설비 용량을 감소시키고 운항 효율을 증진시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 선박의 전력 시스템 구성을 나타낸 도면.
도 2는 선박의 운항 조건에 따른 전력 사용량을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전력 시스템 구성을 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 전력 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 선박의 전력 시스템은 하나 이상의 발전기(112), 발전기(112)가 생산한 전력을 소정의 전압으로 감압하거나 승압하기 위한 하나 이상의 변압기(115), 적절한 전압 레벨의 전력을 공급받아 구동되는 하나 이상의 부하(120)를 포함한다.
본 실시예에 따른 전력 시스템은 쓰러스터 유닛(110)의 전력 계통을 메인 전력 계통에서 분리하기 위해 복수의 스위치(332, 334, 336, 338, 340, 342, 344, 346)들이 구비된다. 메인 전력 계통은 선박에 구비된 발전기(112)에서 생산한 전력을 선박에 구비된 전력 소요 장치로 공급하기 위한 전력 계통으로, 후술될 스위치들을 포함하여 그 후단에 설치되는 인버터 등의 전력 소요 장치를 제외하는 것으로 정의한다.
도시되지는 않았으나 복수의 스위치(332, 334, 336, 338, 340, 342, 344, 346) 각각의 온오프 제어를 수행하는 제어부가 더 포함될 수 있다.
그리고 인버터(350, 352)는 발전기(112)가 생산하여 메인 전력 계통을 통해 공급되거나 항구에 설치된 전력망으로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하거나, 배터리(360, 362)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하기 위하여 임의의 스위치(336, 342) 후단에 전기적으로 연결된다.
또한 배터리(360, 362)가 인버터(350, 352)에 의해 변환된 직류 전력을 공급받아 충전되거나, 쓰러스터 유닛(110)의 구동을 위해 충전된 직류 전력을 공급하기 위해 인버터(350, 352)의 후단에 전기적으로 연결된다. 본 실시예에 따른 배터리(360, 362)는 통상의 배터리 시스템뿐 아니라 연료전지, 수퍼 캐패시터 등을 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.
도 3에는 쓰러스터 유닛(110)의 안정성 확보를 위해 배터리(360, 362)가 이중화되어 구성되는 경우가 예시되었으나, 전력 시스템이 이와 상이한 다양한 형태로 구성될 수도 있음은 당연하다.
이하, 설명의 편의를 위해 제1 배터리(360)의 충방전 처리를 통해 쓰러스터 유닛(110)을 구동하는 과정에 대해 설명한다. 별도의 설명을 생략하더라도, 당업자는 제2 배터리(362)가 개별적으로 또는 제1 배터리(360)에 추가적으로 쓰러스터 유닛(110)의 구동 전원을 공급할 수 있음을 이하의 설명을 통해 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
먼저, 선박에 구비된 발전기(112)로부터 생성된 전력이 메인 전력 계통을 통해 공급되어 제1 배터리(360)가 충전되는 과정을 설명한다.
제어부는 메인 전력 계통을 통해 전력을 공급받아 제1 배터리(360)가 충전될 수 있도록 제1 스위치(332)와 제4 스위치(338)를 오프 상태로 제어하고, 제2 스위치(334)와 제3 스위치(336)를 온 상태로 제어한다.
제어부가 이와 같은 스위치 제어를 수행함으로써, 발전기(112)가 생산한 교류 전력이 제2 스위치(334), 제3 스위치(336)를 통해 제1 인버터(350)로 공급되고, 제1 인버터(350)는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 제1 배터리(360)로 공급하여 제1 배터리(360)를 충전시킨다.
이때, 제어부는 발전기의 총 발전량 정보와 총 부하량 정보를 전력 관리 시스템(PMS, Power Management System)으로부터 공급받거나 운용자로부터 입력받아 총 부하율이 예를 들어 90% 이하가 되도록 유지할 수 있다. 또한, 제어부는 제1 배터리(360)의 충전량이 예를 들어 전류 기준치의 90% 이상인 경우 최초 충전 전류의 50% 또는 배터리 특성을 고려하여 미리 설정된 비율에 따라 충전전류를 서서히 감소하여 95% 이상의 충전이 완료되면 충전 동작의 종료를 위해 제2 스위치(334) 및 제3 스위치를 오프 상태로 제어할 수도 있다.
제1 배터리(360)의 충전은 메인 전력 계통을 통해 발전기(112)에서 생성한 전력을 이용하지 않고, 항구에 설치된 전력망으로부터 교류 전력을 공급받아 수행될 수도 있다.
이를 위해, 제어부는 제1 스위치(332)와 제3 스위치(336)는 온 상태로 제어하되, 제2 스위치(334)와 제4 스위치(338)는 오프 상태로 제어할 수 있다.
다음으로, 발전기(112)에 의해 충전된 직류 전력을 이용하여 쓰러스터 유닛(110)을 구동하는 과정을 설명한다.
제어부는 발전기(112)에 의해 충전된 전력이 쓰러스터 유닛(110)에 공급될 수 있도록 하기 위해 제1 스위치(332), 제2 스위치(334) 및 제3 스위치(336)를 오프 상태로 제어하고, 제4 스위치(338)를 온 상태로 제어한다.
제1 인버터(350)는 제어부로부터 입력되는 전력 변환 명령에 의해 제1 배터리(360)로부터 공급되는 직류 전력을 소정 전압(예를 들어 440V)의 교류 전력으로 변환한다. 이 과정에서 직류 전력은 쓰러스터 유닛(110)의 구동에 적합한 주파수, 전압 및 전류로 변환될 수 있다.
제1 인버터(350)에 의해 변환된 교류 전력은 쓰러스터 유닛(110)의 구동을 위해 쓰러스터 유닛(110)로 공급된다.
전술한 전력 변환 등의 과정에서 제어부는 제1 배터리(360)의 충전량 및 사용량에 관한 정보를 제공받고, 충전된 전력이 쓰러스터 유닛(110)의 구동시 예상되는 전력 사용량(예를 들어, 그 동안 저장된 전력 사용량의 평균값)보다 적은 경우 동작 중지 또는 저부하 운전으로 전환되도록 하기 위한 경고(예컨대, 알람) 처리를 수행할 수 있다.
이제까지 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 전력 시스템은 쓰러스터 유닛(110)을 동작시키기 위한 배터리(360, 362)와 인버터(350, 352)를 선박의 메인 전력 계통과 분리함으로써, 발전기 용량과 설비 용량을 감소시킬 수 있는 특징을 가진다.
또한 쓰러스터 유닛(110)의 동작이 불필요한 시간 구간 동안, 추가적으로 발전되는 전력을 배터리(360, 362)를 충전시키고, 쓰러스터 유닛(110)의 동작이 필요한 시간 구간에서는 배터리(360, 362)에 충전된 전력을 이용함으로써 설비 효율 및 운항 효율을 증진시킬 수도 있다.
또한 종래의 쓰러스터 드라이버를 포함한 선박의 전력 시스템은 전력을 교류, 직류 및 교류로 순차 변환하기 때문에 높은 고조파가 발생될 수 있었으나, 본 실시예에 따른 전력 시스템은 고조파 발생의 문제가 야기되지 않는 특징도 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 쓰러스터 유닛 112 : 발전기
115 : 변압기 120 : 부하
332, 334, 336, 338, 340, 342, 346 : 스위치
350, 352 : 인버터 360, 362 : 배터리

Claims (4)

  1. 쓰러스터 구동을 위한 선박의 전력 시스템으로서,
    배터리(360);
    선박의 메인 전력 계통으로부터 입력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 배터리(360)가 충전되도록 하거나, 상기 배터리(360)로부터 입력되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 쓰러스터 유닛(110)이 구동되도록 하는 인버터(350);
    선박의 메인 전력 계통과 충전용 판넬(charging panel) 간의 전기적 연결을 단속하기 위한 제2 스위치(334);
    상기 충전용 판넬과 상기 인버터(350) 간의 전기적 연결을 단속하기 위한 제3 스위치(336);
    상기 인버터(350)와 상기 쓰러스터 유닛(110) 간의 전기적 연결을 단속하기 위한 제4 스위치(338);
    항구에 구비된 전력망과 상기 충전용 판넬 간의 전기적 연결을 단속하기 위한 제1 스위치(322); 및
    상기 제1 스위치(322), 상기 제2 스위치(334), 상기 제3 스위치(336) 및 상기 제4 스위치(338)의 온 및 오프 조작 제어를 수행하는 제어부를 더 포함하되
    상기 제어부는 상기 전력망으로부터 공급되는 전력을 이용하여 상기 배터리를 충전하기 위하여 상기 제1 스위치(322) 및 상기 제3 스위치(336)를 온 조작 제어하고, 상기 제2 스위치(334) 및 상기 제4 스위치(338)를 오프 조작 제어하는, 쓰러스터 구동을 위한 선박의 전력 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배터리의 충전을 위해 상기 제2 스위치(334) 및 상기 제3 스위치(336)를 온 조작 제어하고, 상기 제4 스위치(338)를 오프 조작 제어하는, 쓰러스터 구동을 위한 선박의 전력 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 쓰러스터 유닛(110)으로의 전력 공급을 위해 상기 제2 스위치(334) 및 상기 제3 스위치(336)를 오프 조작 제어하고, 상기 제4 스위치(338)를 온 조작 제어하는, 쓰러스터 구동을 위한 선박의 전력 시스템.
  4. 삭제
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