KR102242213B1 - navigation control system and ship having the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 운항 제어 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 러더를 갖는 선박에 설치되며 풍력을 이용하여 추진력을 발생시키는 풍력 추진부; 외력 정보를 토대로 운항 중 상기 선박이 목적 항로로부터 벗어나는 오차를 산출하는 항로 관리부; 및 상기 오차 해소를 위해 상기 러더의 제어변수를 산출하는 추력 제어부를 포함하며, 상기 추력 제어부는, 상기 러더의 제어변수 및 상기 선박의 표류각에 기초하여 상기 풍력 추진부의 제어변수를 산출하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a navigation control system and a ship including the same, comprising: a wind power propulsion unit installed on a ship having a rudder and generating propulsion using wind power; A route management unit calculating an error in which the vessel deviates from a target route during operation based on external force information; And a thrust control unit that calculates a control variable of the rudder to eliminate the error, wherein the thrust control unit calculates a control variable of the wind power propulsion unit based on the control variable of the rudder and the drift angle of the ship. It is done.

Description

운항 제어 시스템 및 이를 포함하는 선박{navigation control system and ship having the same}Navigation control system and ship having the same

본 발명은 운항 제어 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.The present invention relates to a navigation control system and a ship including the same.

선박은 대량의 광물이나 원유, 천연가스, 또는 몇천 개 이상의 컨테이너 등을 싣고 대양을 항해하는 운송수단으로서, 강철로 이루어져 있고 부력에 의해 수선면에 부유한 상태에서 프로펠러의 회전을 통해 발생되는 추력을 통해 이동한다.A ship is a means of transport that navigates the ocean carrying a large amount of minerals, crude oil, natural gas, or thousands of containers, etc., and is made of steel, and it is made of steel and is suspended on the water surface by buoyancy, and the thrust generated through the rotation of the propeller is controlled. Go through.

이러한 선박은 엔진이나 가스 터빈 등을 구동함으로써 추력을 발생시키는데, 이때 엔진은 중유(HFO) 또는 경유(MDO, MGO) 등의 오일연료를 사용하여 피스톤을 움직여서 피스톤의 왕복운동에 의해 크랭크 축이 회전되도록 하고, 크랭크 축에 연결된 샤프트가 회전되어 프로펠러가 구동되도록 하며, 반면 가스 터빈은 압축 공기와 함께 오일연료를 연소시키고, 연소 공기의 온도/압력을 통해 터빈 날개를 회전시킴으로써 발전하여 프로펠러에 동력을 전달하는 방식을 사용한다.These ships generate thrust by driving engines or gas turbines.At this time, the engine uses oil fuel such as heavy oil (HFO) or diesel (MDO, MGO) to move the piston, and the crankshaft rotates by the reciprocating motion of the piston. In addition, the shaft connected to the crankshaft rotates to drive the propeller, while the gas turbine burns oil fuel with compressed air and generates power by rotating the turbine blades through the temperature/pressure of the combustion air. Use the method of delivery.

그러나 최근에는, 오일연료 사용 시의 배기로 인한 환경 파괴 문제를 해소하기 위해, 액화천연가스(LNG)나 액화석유가스(LPG) 등의 가스연료를 사용하여 엔진이나 터빈 등을 구동해 추진하는 가스연료 추진 방식이 사용되고 있다. 특히 LNG는 청정연료이고 매장량도 석유보다 풍부하기 때문에, 가스연료로 LNG를 사용하는 방식이 LNG 운반선 외에 컨테이너선 등과 같은 다른 선박에도 적용되고 있다.However, in recent years, gas fuels such as liquefied natural gas (LNG) or liquefied petroleum gas (LPG) are used to drive engines or turbines to solve the problem of environmental damage caused by exhaust when oil fuel is used. Fuel propulsion is being used. In particular, since LNG is a clean fuel and reserves are more abundant than petroleum, the method of using LNG as gas fuel is applied to other ships such as container ships in addition to LNG carriers.

더 나아가, 배기를 전혀 발생시키지 않는 자연 에너지로서 태양광, 풍력 등의 활용도 주목을 받고 있다. 특히 풍력의 경우 갑판 상에 돛(Sail) 등과 같은 설비를 설치하여 풍력을 간단하게 추진력으로 바꿀 수 있다는 점에서, 구조가 간단하고 유지 비용이 저렴하다는 장점이 있다.Furthermore, the use of solar power and wind power as natural energy that does not generate any exhaust is also attracting attention. In particular, in the case of wind power, the structure is simple and the maintenance cost is low in that it is possible to simply convert the wind power into propulsion by installing facilities such as a sail on the deck.

또한 최근에는 일반적으로 알려져 있는 돛과 달리, 동력을 이용해 직접 회전하면서 풍력을 원하는 방향의 추진력으로 변환할 수 있는 로터 설비(일례로 magnus rotor)가 실선에 탑재된 바 있다. 이러한 로터 설비는 갑판에 고정되는 고정자(stator)와, 고정자의 표면과 상면을 두르도록 원기둥 형태로 마련되며 회전속도나 방향이 조절되는 회전자(rotor)로 구성된다.In addition, unlike sails that are generally known in recent years, a rotor facility (for example, a magnus rotor) that can convert wind power into a propulsion in a desired direction while rotating directly using power has been mounted on a solid ship. Such a rotor facility is composed of a stator fixed to the deck and a rotor that is provided in the form of a cylinder so as to surround the surface and the upper surface of the stator, and the rotation speed or direction is adjusted.

이러한 로터 설비는 돛과 다르게 풍력을 원하는 추진력으로 가공할 수 있다는 점에서 최근 많은 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 다만 로터 설비는 수 미터의 직경을 갖고 수십 미터의 높이로 이루어지는 대형 기둥 형태인 바, 갑판 내에서의 설치, 선박 움직임에 따른 내구성, 전방 시야 간섭, 제어 등의 관점에서, 아직 해결/개선해야 할 문제들이 상당 수 남아있다.Unlike sails, such a rotor facility has recently undergone a lot of research and development in that it can process wind power with a desired propulsion force. However, the rotor facility is in the form of a large column with a diameter of several meters and a height of several tens. A number of problems remain.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 풍력을 활용하는 풍력 추진장치를 적절히 제어하여 최적의 항해를 구현할 수 있는 운항 제어 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.The present invention was created to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to provide a navigation control system capable of implementing optimal navigation by appropriately controlling a wind propulsion device utilizing wind power, and a ship including the same. To provide.

본 발명의 일 측면에 따른 운항 제어 시스템은, 러더를 갖는 선박에 설치되며 풍력을 이용하여 추진력을 발생시키는 풍력 추진부; 외력 정보를 토대로 운항 중 상기 선박이 목적 항로로부터 벗어나는 오차를 산출하는 항로 관리부; 및 상기 오차 해소를 위해 상기 러더의 제어변수를 산출하는 추력 제어부를 포함하며, 상기 추력 제어부는, 상기 러더의 제어변수 및 상기 선박의 표류각에 기초하여 상기 풍력 추진부의 제어변수를 산출하는 것을 특징으로 한다.A navigation control system according to an aspect of the present invention includes: a wind power propulsion unit installed on a ship having a rudder and generating propulsion using wind power; A route management unit calculating an error in which the vessel deviates from a target route during operation based on external force information; And a thrust control unit that calculates a control variable of the rudder to eliminate the error, wherein the thrust control unit calculates a control variable of the wind power propulsion unit based on the control variable of the rudder and the drift angle of the ship. It is done.

구체적으로, 상기 외력 정보는, 상기 선박에서 해수면 상측 부분에 작용하는 풍력 및 해수에 의해 상기 선박에 작용하는 해류력일 수 있다.Specifically, the external force information may be an ocean current force acting on the ship by wind and sea water acting on an upper portion of the sea level in the ship.

구체적으로, 상기 추력 제어부는, 상기 선박에 마련되는 자이로 센서 및 위성 수신 데이터를 이용하여, 상기 러더 조절에 의해 발생하는 표류각을 산출하는 표류각 산출부; 및 상기 표류각의 상쇄를 위한 상기 러더의 수정 제어변수 및 상기 풍력 추진부의 제어변수를 산출하는 추력 조정부를 포함할 수 있다.Specifically, the thrust control unit may include a drift angle calculation unit that calculates a drift angle generated by adjusting the rudder by using a gyro sensor and satellite reception data provided on the ship; And a thrust adjusting unit for calculating a correction control variable of the rudder for offsetting the drift angle and a control variable of the wind power propulsion unit.

구체적으로, 상기 풍력 추진부는, 상기 선박의 갑판에 고정되는 스테이터와, 상기 스테이터를 기준으로 회전하여 풍력을 추진력으로 변환하는 로터를 포함할 수 있다.Specifically, the wind power propulsion unit may include a stator fixed to the deck of the ship, and a rotor that rotates based on the stator to convert wind power into propulsion.

본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 운항 제어 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.A ship according to an aspect of the present invention is characterized in that it has the navigation control system.

본 발명에 따른 운항 제어 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 로터 등과 같은 풍력 추진장치를 구비하고 환경에 따라 풍력 추진장치의 가동을 제어함으로써 선박의 항해 효율을 혁신적으로 개선할 수 있다.The navigation control system according to the present invention and a ship including the same may have a wind propulsion device such as a rotor and control the operation of the wind propulsion device according to the environment, thereby innovatively improving the sailing efficiency of the ship.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 운항 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 운항 제어 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 운항 제어 시스템의 상세 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 운항 제어 시스템의 제어 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 운항 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 운항 제어 시스템의 풍력 추진부(100)를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 운항 개념도이다.
1 is a conceptual diagram of a ship according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram of a navigation control system according to an embodiment of the present invention.
3 is a detailed conceptual diagram of a navigation control system according to an embodiment of the present invention.
4 is a control flow chart of the navigation control system according to an embodiment of the present invention.
5 is a conceptual diagram of a ship according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining the wind power propulsion unit 100 of the navigation control system according to an embodiment of the present invention.
7 is a conceptual diagram of the navigation of a ship according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.Objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments associated with the accompanying drawings. In adding reference numerals to elements of each drawing in the present specification, it should be noted that, even though they are indicated on different drawings, only the same elements are to have the same number as possible. In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 운항 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a ship according to an embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 운항 제어 시스템을 사용하지 않는 경우를 설명하기 위한 대비 예시로서, 다만 도 1에 나타난 내용 또한 본 발명에 포함되는 것이고 종래기술을 구성하는 것은 아님을 알려둔다.1 is a comparative example for explaining a case in which the navigation control system of the present invention is not used, but it is noted that the content shown in FIG. 1 is also included in the present invention and does not constitute a prior art.

도 1을 참고하면, 선박(1)은 운항하는 과정에서 조류, 해류, 바람 등과 같은 외란을 만나게 된다. 이 경우 선박(1)은 실제 경로가, 선박(1)이 구비하고 있는 추진장치(프로펠러, 러더(R) 등)에 의해 형성되는 진행 경로를 벗어나게 될 수 있다.Referring to FIG. 1, the ship 1 encounters disturbances such as currents, currents, and winds in the course of its operation. In this case, the actual path of the ship 1 may deviate from the traveling path formed by the propulsion device (propeller, rudder (R), etc.) provided by the ship 1.

일례로 도면에 나타난 바와 같이 선박(1)에 측방의 바람 및 측후방의 해류가 작용할 경우, 선박(1)에는 프로펠러에 의한 후방 선속에 부가적으로 측방향으로 선속이 발생하게 된다.As an example, as shown in the drawings, when a side wind and a side-rear sea current act on the ship 1, the ship 1 generates a ship speed in the lateral direction in addition to the rear ship speed by a propeller.

따라서 선박(1)은, 선수각 방향(heading angle)에서 벗어난 방향으로 이동하려는 움직임(ship's path)이 발생하게 되며, 이때 선수각과 선박(1) 이동경로의 불일치를 표류각(Drift angle)이라고 한다.Therefore, the ship's path to move in a direction away from the heading angle occurs, and the inconsistency between the bow angle and the moving path of the ship 1 is called the drift angle. .

이러한 표류각이 발생하게 되면, 선박(1)은 목적하였던 항로로부터 벗어나게 되므로, 운항 스케쥴 등을 맞추기 위해 목적 항로로 되돌아가려고 러더(R) 등을 조절하게 된다.When such a drift angle occurs, since the ship 1 deviates from the intended route, the rudder R or the like is adjusted to return to the destination route in order to meet the operation schedule and the like.

즉 목적 항로와 선박(1)의 이동 경로의 방향이 불일치하면, 경로를 제어하기 위해 러더(R)를 사용하게 된다. 이러한 러더(R)의 사용은 선박(1)을 목적 항로 방향을 회두(Turning) 시킴과 동시에 러더(R)에 작용하는 측방향 하중에 의해 도 1의 가운데에 나타난 것처럼 표류각이 추가로 발생하게 된다.That is, if the direction of the target route and the moving route of the ship 1 are inconsistent, the rudder R is used to control the route. The use of such a rudder (R) turns the vessel (1) in the direction of the destination route, and at the same time, the drift angle is additionally generated as shown in the center of Fig. 1 by the lateral load acting on the rudder (R). do.

따라서 목적 항로 도달 시 선박(1)은 이동 경로 방향을 일치하기 위해 기존 러더(R) 사용에 따른 회두력과 표류각을 해소하기 위해, 반대 방향으로 러더(R)를 활용하여 힘과 모멘트를 상쇄하려는 제어를 구현하게 된다. 이로 인해 선박(1)이 진행하는 경로는, 목적 항로와 대비할 때 도 1의 우측에서 나타난 것처럼 좌우 지그재그로 동요하면서 목적 항로 대비 오차를 갖게 될 수밖에 없다.Therefore, when reaching the destination route, the ship (1) uses the rudder (R) in the opposite direction to offset the force and moment in order to solve the heading force and drift angle caused by the use of the existing rudder (R) in order to match the direction of the travel path. You will implement the control you want to do. For this reason, the path that the ship 1 travels is inevitably to have an error compared to the target path while fluctuating in a zigzag left and right as shown on the right side of FIG. 1 when compared with the target path.

이러한 항로 오차는, 결국 선박(1)의 스케쥴 문제, 선박(1)의 엔진 가동 효율 저하, 가속으로 인한 연비 저하 등의 문제를 불러 일으키게 되므로, OPEX 관점에서 불리하다.This route error eventually leads to problems such as a schedule problem of the ship 1, a decrease in engine operation efficiency of the ship 1, and a decrease in fuel economy due to acceleration, which is disadvantageous from the viewpoint of OPEX.

본 발명은 이러한 문제를 해소하기 위하여 기본적인 추진장치 외의 풍력 추진부(100)를 제어함으로써, 표류각을 해소할 수 있다. 이하 자세히 설명한다.The present invention can eliminate the drift angle by controlling the wind power propulsion unit 100 other than the basic propulsion device in order to solve this problem. It will be described in detail below.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 운항 제어 시스템의 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 운항 제어 시스템의 상세 개념도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 운항 제어 시스템의 제어 순서도이다.FIG. 2 is a conceptual diagram of a navigation control system according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a detailed conceptual diagram of a navigation control system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a navigation control system according to an embodiment of the present invention. This is the control flow chart of the system.

또한 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 운항 개념도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 운항 제어 시스템의 풍력 추진부(100)를 설명하는 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 운항 개념도이다.In addition, Figure 5 is a conceptual diagram of the navigation of a ship according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is a view for explaining the wind power propulsion unit 100 of the navigation control system according to an embodiment of the present invention, Figure 7 is the present invention It is a conceptual diagram of the navigation of a ship according to an embodiment of.

본 발명은 이하에서 설명하는 운항 제어 시스템(10)이 탑재된 선박(1)을 포함할 수 있으며, 이때 선박(1)은 특정한 목적지를 향해 자항하는 상선이나 드릴십, 기타 해양구조물 등을 포함하는 것일 수 있다.The present invention may include a ship 1 equipped with a navigation control system 10 described below, in which case the ship 1 includes a merchant ship or a drill ship, or other offshore structures that self-navigation toward a specific destination. I can.

도 2 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 운항 제어 시스템(10)은, 풍력 추진부(100), 항로 관리부(200), 추력 제어부(300)를 포함한다.2 to 7, the navigation control system 10 according to an embodiment of the present invention includes a wind power propulsion unit 100, a route management unit 200, and a thrust control unit 300.

풍력 추진부(100)는, 러더(R)를 갖는 선박(1)에 설치되며 풍력을 이용하여 추진력을 발생시킨다. 선박(1)에 마련되는 프로펠러와 러더(R) 등은 기본 추진장치일 수 있으며, 본 실시예가 포함하는 풍력 추진부(100)는 보조 추진장치일 수 있다.The wind power propulsion unit 100 is installed on a ship 1 having a rudder R and generates a propulsion force using wind power. The propeller and rudder (R) provided in the ship 1 may be a basic propulsion device, and the wind power propulsion unit 100 included in this embodiment may be an auxiliary propulsion device.

풍력 추진부(100)는, 선박(1)에 가해지는 바람 등의 풍력을 이용하여 선박(1)의 추진을 구현할 수 있다. 이때 풍력 추진부(100)는 돛(sail), 매그너스 로터(Magnus Rotor) 등일 수 있으며, 이하에서는 풍력 추진부(100)가 바람을 비교적 자유롭게 원하는 방향의 추진력으로 전환할 수 있는 매그너스 로터인 것으로 가정하여 설명한다.The wind power propulsion unit 100 may implement the propulsion of the ship 1 by using wind power such as wind applied to the ship 1. At this time, the wind power propulsion unit 100 may be a sail, a Magnus rotor, etc., and hereinafter, it is assumed that the wind power propulsion unit 100 is a Magnus rotor capable of relatively freely converting the wind into a propulsion force in a desired direction. This will be explained.

풍력 추진부(100)는, 선박(1)의 갑판에 고정되는 스테이터(고정자, stator)와, 스테이터를 기준으로 회전하여 풍력을 추진력으로 변환하는 로터(회전자, rotor)를 포함할 수 있다.The wind power propulsion unit 100 may include a stator (stator) fixed to the deck of the ship 1 and a rotor (rotor, rotor) that rotates based on the stator and converts wind power into propulsion.

즉 풍력 추진부(100)는 갑판에 설치된 스테이터의 중심을 기준으로 원기둥 형태의 로터를 회전시키는 능동 제어를 구현하여, 선박(1)에 가해지는 풍력을 일정한 방향의 추진력으로 변환시켜 활용할 수 있다.That is, the wind power propulsion unit 100 implements active control to rotate the cylindrical rotor based on the center of the stator installed on the deck, so that the wind force applied to the ship 1 can be converted into a propulsion force in a certain direction and utilized.

스테이터와 로터로 구성되는 풍력 추진부(100)에 의해 풍력이 추진력으로 변환되는 구체적인 내용은, 이미 Norsepower 등의 업체가 개발한 매그너스 로터와 관련하여 널리 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략한다.Details of the conversion of wind power into propulsion by the wind power propulsion unit 100 composed of a stator and a rotor are already widely known in relation to the Magnus rotor developed by companies such as Norsepower, and thus detailed descriptions thereof will be omitted.

항로 관리부(200)는, 도 4에서 나타난 바와 같이 선박(1)의 스케쥴을 토대로 출발지에서 도착지 사이에서 결정된 목적 항로를 관리할 수 있으며, 목적 항로는 적어도 하나 이상일 수 있다. As shown in FIG. 4, the route management unit 200 may manage a destination route determined between the departure point and the destination point based on the schedule of the ship 1, and there may be at least one destination route.

또한 항로 관리부(200)는, 도 4에서와 같이 외력 정보를 토대로 운항 중 선박(1)이 목적 항로로부터 벗어나는 오차를 산출한다. 이때 항로 관리부(200)가 산출하는 오차는 표류각일 수 있다. In addition, the route management unit 200 calculates an error in which the vessel 1 deviates from the target route during operation based on the external force information as shown in FIG. 4. In this case, the error calculated by the route management unit 200 may be a drift angle.

표류각은 앞서 설명한 바와 같이 선박(1)에 가해지는 외란으로 인하여 선수각이 목적 항로를 향하는 각도 대비 틀어지는 것과, 기본 추진장치를 이용하여 선박(1)을 목적 항로로 되돌릴 때 회두하는 현상에 의해 발생하는 것 등일 수 있다.As described above, the drift angle is caused by a phenomenon in which the bow angle is distorted compared to the angle toward the destination route due to the disturbance applied to the vessel (1), and that when returning the vessel (1) to the destination route using the basic propulsion device. It may be something that occurs.

항로 관리부(200)가 오차로서 표류각을 산출할 때 사용되는 외력 정보는, 선박(1)에서 해수면 상측 부분에 작용하는 풍력 및 해수에 의해 선박(1)에 작용하는 해류력 등일 수 있으며, 선박(1)이 운항하는 과정에서 선박(1)에 표류각을 발생시킬 수 있는 모든 외부환경의 힘을 포괄할 수 있다.The external force information used when the route management unit 200 calculates the drift angle as an error may be the current force acting on the ship 1 by wind and sea water acting on the upper part of the sea level in the ship 1, and the like. (1) It can cover all the forces of the external environment that can generate a drift angle in the ship (1) in the course of its operation.

추력 제어부(300)는, 도 4에서와 같이 기본 추진장치와 보조 추진장치에 대하여 추력을 분배 제어한다. 구체적으로 추력 제어부(300)는 선박(1)이 외력에 의해 목적 항로로부터 벗어나는 오차와 관련하여, 오차 해소를 위해 러더(R)의 제어변수를 산출할 수 있다. 러더(R)의 제어변수는 선박(1)을 목적 항로로 되돌리기 위한 러더각 등을 의미할 수 있다.The thrust control unit 300 controls the distribution of thrust to the basic propulsion device and the auxiliary propulsion device, as shown in FIG. Specifically, the thrust control unit 300 may calculate a control variable of the rudder R in order to resolve the error in relation to an error in which the ship 1 deviates from the target route by an external force. The control variable of the rudder R may mean a rudder angle for returning the ship 1 to the target route.

다만 추력 제어부(300)에 의해 러더(R)의 제어변수가 산출되고, 선박(1)이 러더(R)를 제어변수에 맞춰 제어하게 되면, 선박(1)은 결국 목적 항로로 되돌아가겠으나 도 1에서 나타난 것처럼 회두로 인한 추가 표류각이 발생할 수 있다.However, when the control variable of the rudder (R) is calculated by the thrust control unit (300), and the ship (1) controls the rudder (R) according to the control variable, the ship (1) will eventually return to the destination route. As shown in 1, additional drift angles may occur due to the turnaround.

이를 방지하기 위해, 본 실시예의 추력 제어부(300)는 러더(R)에 대한 제어변수 산출에 더하여, 풍력 추진부(100)의 제어변수를 산출할 수 있다.To prevent this, the thrust control unit 300 of the present embodiment may calculate a control variable of the wind power propulsion unit 100 in addition to calculating the control variable for the rudder R.

풍력 추진부(100)의 제어변수는, 러더(R)를 제어변수 등에 따라 조절할 때 선박(1)의 회두로 인한 표류각 발생을 상쇄하기 위한 변수일 수 있다. 따라서 본 실시예는 선박(1)이 목적 항로로부터 벗어날 때 러더(R)를 제어변수에 따라 제어하고, 러더(R)의 제어로 인한 추가 표류각 발생을 억제하기 위해 풍력 추진부(100)를 제어변수에 따라 제어하며, 더 나아가 풍력 추진부(100)를 이용한 표류각 억제 제어 시, 회두를 줄이고자 러더(R)의 제어변수를 수정 산출할 수 있다.The control variable of the wind power propulsion unit 100 may be a variable for offsetting the occurrence of a drift angle due to the turn of the ship 1 when adjusting the rudder R according to a control variable or the like. Therefore, this embodiment controls the rudder R according to the control variable when the ship 1 deviates from the target route, and the wind power propulsion unit 100 is used to suppress the occurrence of an additional drift angle due to the control of the rudder R. It is controlled according to the control variable, and furthermore, when the drift angle suppression control using the wind power propulsion unit 100 is controlled, the control variable of the rudder R can be modified and calculated to reduce the rotation head.

구체적으로 추력 제어부(300)는, 도 3을 참조할 때 표류각 산출부(310), 추력 조정부(320)를 포함한다. 표류각 산출부(310)는 선박(1)에 마련되는 자이로 센서 및 위성 수신 데이터 등을 이용하여, 기본 추진장치에 의해 발생하는 표류각을 산출할 수 있다.Specifically, the thrust control unit 300 includes a drift angle calculation unit 310 and a thrust adjustment unit 320 when referring to FIG. 3. The drift angle calculation unit 310 may calculate a drift angle generated by the basic propulsion device using a gyro sensor and satellite reception data provided on the ship 1.

표류각이 발생하게 되면 선체의 항력이 증가하게 되며, 또한 기본 추진장치의 유입 유동이 비스듬하게 되어 프로펠러 추진 효율이 저하할 수 있다. 따라서 본 실시예는 해소(최소화)하여야 할 대상인 표류각을 먼저 확인하기 위해, 자이로 센서 등과 같이 선박(1)의 움직임을 확인할 수 있는 구성들을 활용할 수 있다.When the drift angle occurs, the drag of the hull increases, and the inflow flow of the basic propulsion device becomes oblique, which may reduce propeller propulsion efficiency. Therefore, in the present embodiment, in order to first check the drift angle, which is a target to be resolved (minimized), configurations capable of confirming the movement of the vessel 1 such as a gyro sensor may be used.

추력 조정부(320)는, 표류각의 상쇄를 위한 러더(R)의 수정 제어변수 및 풍력 추진부(100)의 제어변수를 산출할 수 있다. 러더(R)에 대해서는, 선박(1)이 외력에 의해 목적 항로로 벗어날 경우 목적 항로로 되돌아가기 위한 제어변수가 먼저 산출될 수 있다.The thrust adjustment unit 320 may calculate a correction control variable of the rudder R and a control variable of the wind propulsion unit 100 for offsetting the drift angle. For the rudder R, a control variable for returning to the destination route may be calculated first when the ship 1 escapes to the destination route by external force.

그런데 앞서 설명한 바와 같이 러더(R)만을 이용하여 선박(1)을 목적 항로로 되돌리려 할 경우에는, 선박(1)의 회두로 인하여 추가적인 표류각이 발생하게 된다. 따라서 본 실시예는 선박(1)을 목적 항로로 되돌리기 위한 러더(R)의 제어변수를 산출하는 것에서 더 나아가, 러더(R)의 제어변수에 따른 제어 시 회두로 인해 발생하는 표류각을 줄이기 위한 러더(R)의 수정 제어변수를 산출할 수 있다.However, as described above, when returning the ship 1 to the destination route using only the rudder R, an additional drift angle occurs due to the turn of the ship 1. Therefore, this embodiment is to further reduce the drift angle caused by the turn when controlling according to the control variable of the rudder (R) in the calculation of the control variable of the rudder (R) for returning the ship (1) to the target route. The correction control variable of the rudder R can be calculated.

참고로 본 발명은, 러더(R)에 대한 제어변수와 수정 제어변수 및 풍력 추진부(100)의 제어변수 산출이 통합적으로 이루어질 수 있다. 즉 러더(R)의 제어변수와 수정 제어변수가 별도로 출력되는 것이 아니라, 러더(R)의 제어변수는 풍력 추진부(100)의 제어변수 산출에 사용되는 중간 변수로서 출력되지 않고, 러더(R)의 수정 제어변수만이 출력되는 것도 가능하다.For reference, in the present invention, the control variable and the correction control variable for the rudder R, and the control variable of the wind power propulsion unit 100 may be calculated in an integrated manner. That is, the control variable of the rudder R and the modified control variable are not separately output, but the control variable of the rudder R is not output as an intermediate variable used for calculating the control variable of the wind propulsion unit 100, and the rudder R It is also possible to output only the modified control variable of ).

이하에서는 도면을 참고하여 본 실시예의 제어를 상세히 설명한다.Hereinafter, the control of this embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

본 실시예는, CFD 또는 모형시험을 통해 기본 추진장치 및 풍력 추진부(100)의 구동 조건(로터의 RPM&회전방향, 러더각 등)과 풍하중(속도, 방향 등)에 따른 기본 추진장치 및 풍력 추진부(100)의 힘/모멘트 데이터베이스를 미리 구축해둘 수 있다. 참고로 풍력 추진부(100)에 대하여 CFD를 활용한 풍향별 힘/모멘트 Polar 그래프는 도 6에 나타난 바와 같다.This embodiment is a basic propulsion device and wind power according to the driving conditions (RPM & rotation direction of the rotor, rudder angle, etc.) and wind load (speed, direction, etc.) of the basic propulsion device and the wind power propulsion unit 100 through CFD or model test. The force/moment database of the propulsion unit 100 can be established in advance. For reference, the force/moment polar graph for each wind direction using CFD for the wind power propulsion unit 100 is as shown in FIG. 6.

이러한 데이터베이스는 추진 제어부 등에 할당되어 추진 제어부가 러더(R)의 제어변수, 수정 제어변수, 풍력 추진부(100)의 제어변수 등의 산출에 활용될 수 있다.Such a database may be allocated to a propulsion control unit, and the propulsion control unit may be used to calculate a control variable of the rudder R, a correction control variable, and a control variable of the wind power propulsion unit 100.

추진 제어부의 표류각 산출부(310)는, 선박(1)에 설치되는 자이로 센서(선수각 측정), GPS 데이터(ship's path 확인) 등 도 5에서 나타난 것과 같이 선박(1)의 각종 장치들을 통해 확인 가능한 정보들을 수집&활용하여, 목적 항로 대비 거리, 표류각 등의 오차를 산출할 수 있다.The drift angle calculation unit 310 of the propulsion control unit is provided through various devices of the ship 1, such as a gyro sensor (measurement of head angle) and GPS data (check ship's path) installed on the ship 1, as shown in FIG. By collecting and utilizing identifiable information, it is possible to calculate errors such as distance and drift angle compared to the target route.

이때 추진 제어부의 추력 조정부(320)는, 오차를 상쇄하기 위한 기본 추진장치 및 풍력 추진부(100)의 힘/모멘트 제어 목표를 수립할 수 있다.At this time, the thrust adjustment unit 320 of the propulsion control unit may establish a force/moment control target of the basic propulsion device and wind propulsion unit 100 for offsetting the error.

또한 추력 조정부(320)는, 선체의 표류각을 최대한 억제하고 운항경로를 단순화할 수 있도록, 앞서 설명한 데이터베이스에 더하여 추력 분배 알고리즘을 활용하여, 제어 목표에 도달할 수 있도록 기본 추진장치 및 풍력 추진부(100)의 가동 수준이나 가동 상태를 적절하게 분산 제어하기 위한, 제어변수들을 산출할 수 있다.In addition, the thrust adjustment unit 320 is a basic propulsion device and a wind power propulsion unit so that the control target can be reached by using a thrust distribution algorithm in addition to the database described above so as to minimize the drift angle of the hull and simplify the navigation route. Control variables can be calculated for appropriately distributed control of the operation level or operation state of (100).

일례로 본 실시예는, 다음과 같다.As an example, this embodiment is as follows.

본 실시예는 기본 추진장치 및 풍력 추진부(100)의 제원을 저장해 두고, 선속, 조류 속도, 풍속, 풍향 등을 측정 정보로서 입력 받는다.In this embodiment, the specifications of the basic propulsion device and the wind power propulsion unit 100 are stored, and the ship speed, current speed, wind speed, wind direction, etc. are input as measurement information.

일례로 선속 9knots, 조류 1knots(전진방향), 1.7knots(측방향, stbd 작용)일 경우, 표류각은 10deg[=arctan(1.7/(1+9))]로 계산될 수 있다.For example, in the case of 9 knots of ship speed, 1 knots of current (forward direction), and 1.7 knots (lateral direction, stbd action), the drift angle may be calculated as 10deg[=arctan(1.7/(1+9))].

또한 풍속은 15m/s, 풍향은 90deg(port to stbd 방향)일 수 있다.In addition, the wind speed may be 15m/s and the wind direction may be 90deg (port to stbd direction).

또한 예시로서 풍력 추진부(100)는 4개의 로터를 구비할 수 있으며, 무게중심을 기준으로 각 로터와 러더(R)의 위치는 다음과 같을 수 있다. 다음의 수치는 비율로도 해석될 수 있다.In addition, as an example, the wind power propulsion unit 100 may include four rotors, and the positions of each rotor and rudder R based on the center of gravity may be as follows. The following figures can also be interpreted as ratios.

1. 로터: #1(100m, -20m), #2(100m, 20m), #3(-120m, -20m), #4(-120m, 20m) 1.Rotor: #1(100m, -20m), #2(100m, 20m), #3(-120m, -20m), #4(-120m, 20m)

2. 러더: (-170m, 0m) 2. Rudder: (-170m, 0m)

이러한 조건에서, 본 실시예는 구축된 데이터베이스를 통해 계측 조건 하에서 가능한 러더(R) 및 풍력 추진부(100)의 힘/모멘트의 운용 범위를 호출하게 된다.Under these conditions, the present embodiment calls the operating range of the force/moment of the rudder R and the wind propulsion unit 100 possible under the measurement conditions through the established database.

1. 계측 풍속/풍향 기준 로터의 최대 힘: 1450kN(전진 방향), 840kN(측방향) 1.Maximum rotor force based on measured wind speed/wind direction: 1450kN (forward direction), 840kN (lateral direction)

2. 계측 선속 기준 러더 최대 힘: 2800kN(전진 방향), 4000kN(측방향) 2. Maximum rudder force based on measured ship speed: 2800kN (forward direction), 4000kN (lateral direction)

이후 본 실시예는, 추력 제어부(300)의 추력 조정부(320) 등을 활용하여, 목적 항로에 도달하기 위해 발생해야 할 전체 풍력 추진부(100)의 힘/모멘트 값을, 추력 분배 알고리즘을 통해 최적 분배하는 제어변수를 산출할 수 있으며, 최적 분배의 예시는 다음과 같다.Thereafter, the present embodiment uses the thrust adjustment unit 320 of the thrust control unit 300, etc., to determine the force/moment value of the total wind power propulsion unit 100 to be generated in order to reach the target route, through a thrust distribution algorithm. The control variable to be optimally distributed can be calculated, and an example of the optimal distribution is as follows.

1. 로터1.Rotor

#1(반시계방향 회전, 최대 rpm): -1400kN(전진 방향), -840kN(측 방향), -112,000 kN-m(모멘트, -1400x20-840x100) #1 (counterclockwise rotation, maximum rpm): -1400kN (forward direction), -840kN (side direction), -112,000 kN-m (moment, -1400x20-840x100)

#2(시계방향 회전, 최대 힘의 2/3 수준 발생 가능한 rpm): 933kN(전진 방향), 560kN(측방향), 37,333 kN-m(모멘트) #2 (clockwise rotation, rpm capable of generating 2/3 of the maximum force): 933 kN (forward direction), 560 kN (lateral direction), 37,333 kN-m (moment)

#3(시계방향 회전, 최대 힘의 2/3 수준 발생 가능한 rpm): 933kN(전진 방향), 560kN(측방향), -48,533 kN-m(모멘트) #3 (clockwise rotation, rpm capable of generating 2/3 of the maximum force): 933 kN (forward direction), 560 kN (lateral direction), -48,533 kN-m (moment)

#4(시계방향 회전, 최대 힘의 2/3 수준 발생 가능한 rpm): 933kN(전진 방향), 560kN(측방향), -85,867 kN-m(모멘트) #4 (clockwise rotation, rpm capable of generating 2/3 of the maximum force): 933 kN (forward direction), 560 kN (lateral direction), -85,867 kN-m (moment)

2. 러더 (5도 STBD 방향 회전): -108kN(전진 방향), -1,230kN(측 방향), 209,000kN-m(모멘트) 2. Rudder (5 degrees STBD direction rotation) : -108kN (forward direction), -1,230kN (side direction), 209,000kN-m (moment)

위와 같은 제어변수에 따라 결국 종합적으로 보면, 1292kN(전진방향), -390kN(측 방향, port 방향 힘 발생), ~0kN-m(모멘트, 회두력 0) 이 된다. 따라서 본 실시예는, 선수 방향의 추력은 유지하면서 회두력은 억제하고, port 방향의 힘이 발생하도록 하여 조류에 의한 stbd 방향의 이동을 억제할 수 있다.In the end, according to the above control variables, it becomes 1292kN (forward direction), -390kN (forces in the lateral direction and port direction), and ~0kN-m (moment, rotational force 0). Accordingly, in the present embodiment, while maintaining the thrust in the bow direction, the return force is suppressed, and the force in the port direction is generated, thereby suppressing the movement in the stbd direction by the tide.

결론적으로 본 발명은, 선박(1)의 불필요한 이동을 억제하면서도 선박(1)이 목적 항로를 최대한 유지하도록 할 수 있다.In conclusion, the present invention can suppress the unnecessary movement of the vessel 1, while maintaining the vessel 1 as much as possible to the target route.

이와 같이 본 발명은, 표류각 및 회두력 발생을 최소화하여 선체 항력을 감소시키고, 고른 유입 유동 확보를 통해 프로펠러의 추진 효율을 확보함과 동시에, 최종적으로 운항 경로를 도 7에서와 같이 단순화하여 운항 시간을 줄여 운항 효율을 개선할 수 있다.In this way, the present invention minimizes the generation of drift angle and heading force to reduce hull drag, secures propeller efficiency by securing even inflow flow, and finally simplifies the navigation route as shown in FIG. By reducing the time, it is possible to improve operational efficiency.

본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 상기 실시예들 중 적어도 둘 이상의 조합 또는 적어도 하나 이상의 상기 실시예와 공지기술의 조합에 의해 발생하는 실시예들을 모두 포괄한다. In addition to the above-described embodiments, the present invention encompasses all embodiments generated by a combination of at least two or more of the above embodiments or a combination of at least one or more of the above embodiments and known techniques.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.Although the present invention has been described in detail through specific examples, this is for explaining the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and those of ordinary skill in the art within the technical scope of the present invention It would be clear that the transformation or improvement is possible.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications to changes of the present invention belong to the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be made clear by the appended claims.

1: 선박 R: 러더
10: 운항 제어 시스템 100: 풍력 추진부
200: 항로 관리부 300: 추력 제어부
310: 표류각 산출부 320: 추력 조정부
1: Ship R: Rudder
10: navigation control system 100: wind power propulsion unit
200: route management unit 300: thrust control unit
310: drift angle calculation unit 320: thrust adjustment unit

Claims (5)

러더를 갖는 선박에 설치되며 풍력을 이용하여 추진력을 발생시키는 풍력 추진부;
외력 정보를 토대로 운항 중 상기 선박이 목적 항로로부터 벗어나는 오차를 산출하는 항로 관리부; 및
상기 오차를 해소하기 위해 상기 러더의 제어변수를 산출하는 추력 제어부를 포함하며,
상기 추력 제어부는,
상기 러더의 제어변수 및 상기 선박의 표류각에 기초하여 상기 풍력 추진부의 제어변수를 산출하며,
상기 선박에 마련되는 자이로 센서 또는 위성 수신 데이터를 이용하여, 러더 조절에 의해 발생하는 표류각을 산출하는 표류각 산출부; 및
상기 표류각의 상쇄를 위한 상기 러더의 수정 제어변수 및 상기 풍력 추진부의 제어변수를 산출하는 추력 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 운항 제어 시스템.
A wind power propulsion unit installed on a ship having a rudder and generating propulsion using wind power;
A route management unit calculating an error in which the vessel deviates from a target route during operation based on external force information; And
And a thrust control unit that calculates a control variable of the rudder to solve the error,
The thrust control unit,
Calculate the control variable of the wind power propulsion unit based on the control variable of the rudder and the drift angle of the ship,
A drift angle calculation unit that calculates a drift angle generated by rudder adjustment by using a gyro sensor or satellite reception data provided on the ship; And
And a thrust adjustment unit for calculating a correction control variable of the rudder for offsetting the drift angle and a control variable of the wind power propulsion unit.
제 1 항에 있어서, 상기 외력 정보는,
상기 선박에서 해수면 상측 부분에 작용하는 풍력 및 해수에 의해 상기 선박에 작용하는 해류력인 것을 특징으로 하는 운항 제어 시스템.
The method of claim 1, wherein the external force information,
A navigation control system, characterized in that it is a sea current force acting on the ship by wind and sea water acting on an upper portion of the sea level in the ship.
삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 풍력 추진부는,
상기 선박의 갑판에 고정되는 스테이터와, 상기 스테이터를 기준으로 회전하여 풍력을 추진력으로 변환하는 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 운항 제어 시스템.
The method of claim 1, wherein the wind power propulsion unit,
A navigation control system comprising a stator fixed to the deck of the ship, and a rotor that rotates based on the stator to convert wind power into propulsion.
제 1 항, 제 2 항 및 제 4 항 중 어느 한 항의 상기 운항 제어 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 선박.A ship comprising the navigation control system according to any one of claims 1, 2 and 4.
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