KR102365369B1 - 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 성능 예측 및 제어 방법 - Google Patents

디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 성능 예측 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 제어 방법에 관한 것으로서, 운항하고 있는 선박의 운동 정보를 수집하는 단계; 선박의 운항 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 단계; 상기 운항 정보 및 환경외력 정보를 기초로 예상 이동 경로에 대한 상기 에너지 절감 장치의 복수의 구동 조건을 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션 하는 단계; 상기 시뮬레이션을 통해 복수의 구동 모드 조건 중 전력 소모 대비 연비가 가장 좋은 구동 모드 조건을 선택하는 단계; 및
상기 선택된 구동 모드 조건으로 에너지 절감 장치를 제어하는 제어 단계를 포함하며; 상기 제어 단계는, 선체의 선미부에 형성되어 경사지도록 제어 가능한 선미핀의 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 제어 방법을 제안한다.

Description

디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 성능 예측 및 제어 방법{Performance estimation and controlling method for ship energy saving device using digital twin}
본 발명은 디지털 트윈을 이용하여 선박의 에너지 절감 장치의 성능을 예측하여 최적화된 동작을 수행하도록 제어하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 대형 선박의 경우, 선체의 후미에 부착되어 있는 프로펠러가 회전할 때 발생하는 유체의 흐름을 이용하여 전진하는 방식을 사용한다. 이때 프로펠러의 후방에는 러더가 부착되며, 러더가 좌우로 회전함에 따라 유체의 흐름 방향을 조절함으로써 항해 방향을 변경한다.
이와 같이 프로펠러의 회전을 통해 일정 속도를 내기 위해서는 디젤 등의 오일을 사용하여 엔진을 구동하여야 하는데, 이 경우 많은 양의 오일이 소모되고 온실가스가 배출됨에 따라, 환경 파괴 등의 문제를 야기하게 된다.
따라서 최근에는 선박의 추진 시 소비되는 에너지를 절감하여 연료 사용량을 감축할 수 있는 다양한 노력들이 이루어지고 있다. 특히 IMO는 2010년에 선박 운항시 온실가스 감축 방안에 대해 논의한 바 있으며, 연비규제에 대한 기준 및 방향을 확정하는 것과 관련한 논의를 진행 중에 있다.
이러한 움직임에 해운선사들도 합류함에 따라, 해운선사들은 유류비에 대한 부담을 덜 수 있는 연료절감형 선박에 관심을 가지기 시작하였다. 이와 같은 해운 선사들의 니즈에 의해, 조선사들은 연료 소비량을 줄이고 온실가스 배출을 줄일 수 있는 연료절감형 기술에 대해서 지속적인 연구 및 개발을 해오고 있다.
연료절감형 기술의 일례로, 선박의 후미, 프로펠러, 러더 등의 형상을 개량하거나 별도의 부가물을 부착함으로써 추진 효율을 높이는 동시에 연료를 절감하는 에너지 절감 장치(ESD: Energy Saving Device)가 큰 관심을 받고 있으며, 이러한 에너지 절감 부가 장치는 상당수의 선박에 이미 적용되어 사용 중이다.
종래의 선박용 러더는 특허문헌 1은 프로펠러의 최하단 팁부분에 가깝게 러더가 연장형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이 경우 프로펠러의 후류 유동에 의해 종래의 러더는 양력 손실과 캐비테이션이 발생되어 선박의 추진성능이 저하되는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해 특허문헌 1(대한민국 공개특허공보 제10-2011-0109306호)의 러더는, 프로펠러 축을 기준으로 프로펠러 축의 상방의 일측에만 러더를 적용하여 상기 문제점을 일부나마 해결하려고 하고 있다.
그러나 특허문헌 1에서는 단지 러더의 후류 유동에만 초점을 맞추어 러더를 제작하다보니 러더의 하단부에 형성되는 캐비테이션 발생 저감 문제는 여전히 숙제로 남아있는 상황이다.
디지털 트윈(Digital Twin)은 컴퓨터에 현실 속 사물의 쌍둥이를 만들고, 현실에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션 함으로써 현실 자산의 특성에 대한 정확한 정보를 얻기 위한 기술을 말한다.
현실 자산의 각종 상태, 생산성, 동작 시나리오 등을 알 수 있으므로 여러 산업들의 생산, 서비스 등 전반에 걸쳐 효율을 향상시킬 수 있으므로 최근 주목받고 있다.
디지털 트윈은 복제품을 만든다는 점에서 디지털 목업(mockup)과 비슷하다.
하지만 제품 설계가 완성되고 생산 및 판매가 이뤄지는 시점에서 쓸모가 없어지는 목업과는 달리, 디지털 트윈은 제품이 완성된 이후에도 계속 유지되며, 수집한 상태 데이터를 제품 사용자에게 제공할 수 있다는 점에서 큰 차이점을 가진다.
이러한 디지털 트윈의 장점으로 인해 산업 전반에는 디지털 트윈을 이용한 다양한 프로세스 및 관련 기술을 개발하고 있다. 그러나 아직 디지털 트윈은 초기 아이디어 단계에서 연구가 머물고 있는 실정이며 산업에 실제 적용하기 위한 기술 개발이나 적용이 미비한 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0109306호(2011.10.06.)
본 발명은 종래의 기술을 개선하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 프로펠러 후류 유동에 최적화되어 조향 성능 및 선박의 추진성능을 향상시키는 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 및 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 선박의 자항 성능 및 저항 성능을 동시에 개선하여 선박의 속도성능을 극대화하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 및 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 제어 방법은, 운항하고 있는 선박의 운동 정보를 수집하는 단계; 선박의 운항 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 단계; 상기 운항 정보 및 환경외력 정보를 기초로 예상 이동 경로에 대한 상기 에너지 절감 장치의 복수의 구동 조건을 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션 하는 단계; 상기 시뮬레이션을 통해 복수의 구동 모드 조건 중 전력 소모 대비 연비가 가장 좋은 구동 모드 조건을 선택하는 단계; 및
상기 선택된 구동 모드 조건으로 에너지 절감 장치를 제어하는 제어 단계를 포함하며; 상기 제어 단계는, 선체의 선미부에 형성되어 경사지도록 제어 가능한 선미핀의 각도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어 단계는, 상기 선체의 하부에서 상부로 흐르는 유체의 유동을 하방으로 전환시켜, 프로펠러의 날개 끝단으로 유입시키도록 제어하며; 상기 선체의 상부에서 하부로 흐르는 유체의 유동을 상방으로 전환시켜, 프로펠러의 날개 끝단으로 유입시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제어 단계는, 상기 선미핀을 좌현 또는 우현 중 어느 한측에 배치된 선미핀을 제어하거나, 양측 모두에 배치된 선미핀을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 제어 단계는, 선박 러더의 벌브에 형성된 추력핀의 돌출 여부를 제어하여, 프로펠러에서 발생한 후류로부터 에너지의 회수율을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 선체의 후미에 부착되어 있는 프로펠러; 상기 프로펠러의 후부에 부착되는 러더; 상기 프로펠러의 후류를 개선하기 위해 러더에 설치되는 유선형 모양의 벌브; 상기 프로펠러에서 발생한 후류로부터 에너지 회수율을 증가시키기 위해 벌브의 좌우측에 비대칭적으로 설치되는 추력핀; 상기 선체의 선미부에 형성되어 경사지도록 각도를 제어할 수 있는 선미핀; 및 상기 선미핀의 각도 제어와 추력핀의 돌출 여부를 제어하는 제어부를 포함하며; 상기 제어부는,
운항하고 있는 선박의 운동 정보를 수집하는 선박 운동 정보 수집부; 선박의 이동 예상 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 환경외력 정보 수집부; 선박의 초기 구동 정보 및 전력 소모 대비 연비를 설정한 설정값을 저장하는 저장부; 상기 선박 운동 정보 및 환경외력 정보를 기초로 예상 이동 경로에 대한 상기 에너지 절감 장치의 복수의 구동 조건을 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션을 진행하는 시뮬레이션부; 및 상기 시뮬레이션부를 통해 복수의 구동 모드 조건을 비교 및 판단하여 복수의 구동 조건 중 전력 소모 대비 연비가 가장 좋은 구동 조건을 선택하는 비교판단부를 포함하며; 상기 비교판단부에서 선택된 구동 모드 조건으로 구동하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 벌브의 면적은 러더의 면적의 5% 내지 8%의 면적을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 선미핀은, 프로펠러의 중심축을 중심으로 하부에 배치되는 하부측 선미핀과 프로펠러의 축을 중심으로 상부에 배치되는 상부측 선미핀으로 구성되며; 상기 상부측 선미핀과 상기 하부측 선미핀의 배치 구간이 수직 방향으로 중복되지 않도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 성능 예측 및 제어 방법은, 선미 하부 좌우측에 경사지도록 각도가 제어 가능한 선미핀을 마련하여 선체 하부에서 상부로 흐르는 유동의 방향을 하향되도록 전환하거나 선체 상부에서 하부로 흐르는 유동의 방향을 상향되도록 전환하여 프로펠러의 날개 끝단으로 유입시킴으로써 선박의 자항 성능을 개선하여 추진효율을 극대화하는 효과가 있다.
또한, 선박의 러더를 프로펠러 축 하단 라인으로 일정간격 연장되도록 하여 선박의 조향성능을 최대한으로 확보함과 동시에, 프로펠러 후류 유동에 최적화되어 러더에서 발생하는 항력을 줄이고 양력을 향상시키는 효과가 있어 선박의 추진성능이 향상되는 효과가 있다.
또한, 프로펠러 후방의 유체흐름이 개선되어 에너지 손실이 최소화되고, 추진효율의 상승 및 조향성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 디지털 트윈을 이용하여, 선박의 운동정보와 환경외력정보를 에너지 절감 장치의 작동 상태와 시뮬레이션하여, 실제 연비 절감 효과를 고려하여 에너지 절감 장치를 구동함으로써, 효율적인 에너지 절감 장치의 운용이 가능한 효과를 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치의 동작 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치의 구성 중 조향장치의 전체적인 구성을 나타내는 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치의 구성 중 조향장치의 구성을 나타내는 평면 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치의 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우, 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 본 발명에서 이용되는 디지털 트윈(Digital Twin)은 현실 세계의 사물, 환경을 가상공간에 모사한 디지털 객체로서, 형상뿐만 아니라 데이터를 통해 현실에서의 움직임, 특성까지도 동일하게 표현하는 것을 의미한다.
따라서 디지털 트윈을 이용하여, 선박과 동일한 물리 법칙(6자 운동)으로 구동되는 디지털 모델과 실제 제품을 디지털화 하여 가상현실에서 미래를 예측할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치를 나타내는 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치의 동작 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치의 구성 중 조향장치의 전체적인 구성을 나타내는 측면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치의 구성 중 조향장치의 구성을 나타내는 평면 개략도이고, 도 5는 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치의 제어부의 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치의 제어방법을 나타내는 순서도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감장치는, 프로펠러(10), 러더(20), 벌브(21), 추력핀(22), 선미핀(30) 및 제어부(50)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 선박은 복수개의 프로펠러(10)를 구비하여 구동되는 선박일 수 있으며, 하나의 프로펠러(10)를 구비하여 구동되는 선박일 수 있다.
선수부는 선박의 전방부분을 가리키며 선체의 전방에 형성되고, 선미부는 선박의 후방부분을 가리키며 선체의 후미에 형성된다.
선미핀(30)은 선미부에 형성되어 제어부(50)에 의해 경사지도록 각도를 제어할 수 있도록 형성된다.
선미핀(30)은 프로펠러의 축을 중심으로 하부에 배치되는 하부측 선미핀(31)과 프로펠러의 축을 중심으로 상부에 배치되는 상부측 선미핀(32)을 포함할 수 있다.
선미핀(30)은 0도 내지 60도 이내로 회전 가능하도록 형성된다.
바람직하게는 선미핀(30)은 선체의 하부에서 상부로 흐르는 유체의 유동을 하방으로 전환시켜 선미부에 형성된 프로펠러(10)의 날개 끝단으로 유입시킴으로써 프로펠러(10)의 추진 효율을 향상시켜 자항 성능을 개선시킬 수 있다.
또한, 선미핀(30)은 선체의 상부에서 하부로 흐르는 유체의 유동을 상방으로 전환시켜 선미부에 형성된 프로펠러(10)의 날개 끝단으로 유입시킴으로써 프로펠러(10)의 추진 효율을 향상시켜 자항 성능을 개선시킬 수 있다.
또한, 상부측 선미핀(32)과 하부측 선미핀(31)이 동시에 유체의 유동을 전환하여 상호 충돌하는 것을 완화하기 위하여, 상부측 선미핀(32)과 하부측 선미핀(31)의 배치 구간이 수직 방향으로 겹쳐지지 않도록 형성될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 에너지 절감 장치는 선박의 자항 선능을 개선하여 선박의 속도 성능을 극대화하는 효과를 가진다.
또한, 선미핀(30)은 선미부의 좌우 양측 모두 구비되거나 한쪽에만 비대칭으로 구비될 수 있다.
이와 같이 본원 발명의 선미핀(30)은, 선체의 선미부 인근에 유동하는 유체를 정류하여 프로펠러(10)의 회전에 도움이 되도록 공급함으로써, 프로펠러 날개 상에 압력을 가하여 추진력을 추가 발생시키고, 이를 통해 자항 성능이 개선된다.
이에 따라 선박의 추진에 소모되는 연료를 2% 내지 5% 절감할 수 있고 현저한 진동 방지 효과를 발생시킨다.
프로펠러(10)는 선미핀(30)에 의해 정류되어 유입되는 유체를 공급받아, 유체로부터 프로펠러 날개 상에 압력을 가하여 추진에 도움을 주고 이를 통해 자항 성능이 개선되어 선박의 추진에 소모되는 연료를 절감할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 러더(20)는 벌브(21) 및 추력핀(22)을 포함하여 이루어진다.
본 발명은 러더(20)에 설치되는 벌브(21)의 면적을 종래의 것보다 작게하고 벌브(21)에 설치되는 추력핀(22)의 모양을 종래의 것보다 에너지 회수율이 증가하도록 설계함에 따라, 벌브(21)의 종래 대비 면적 감소에 따른 효과 감소를 상쇄하는 한편 벌브(21)의 좌우에 형성되는 추력핀(22)이 비대칭적인 배치와 크기를 갖도록하여 성능의 향상을 도모할 수 있도록 한다.
벌브(21)는 프로펠러(10)의 후류를 개선하기 위하여 러더(20)에 설치되는 유선형 모양의 추력핀(22)이다. 이 경우 벌브(21)의 면적은 러더(20)의 면적의 5% 내지 8%의 범주인 것을 특징으로 한다.
또한, 벌브(21)는 프로펠러(10)의 중심축의 연장선상에 설치된다.
따라서, 본 발명은 프로펠러(10) 후방의 유체 흐름을 개선시키기 위해 유선형 모양의 벌브(21)를 러더(20)에 설치하되, 벌브(21)의 면적을 일정수준 이하로 제한하여, 종래 대비 러더(20)의 양력 발생량의 상대적 증가를 도모하였으며, 러더(20)가 벌브(21)의 대형화로 인한 구조적 취약 상태에 빠지지 않도록 하였다.
일반적으로 러더의 조향성능은 러더의 가동면적에 비례하여 증가 또는 감소하기 때문에 러더의 가동면적의 확보가 러더의 조향성능을 좌우한다. 따라서 본 발명에서는 러더(20)의 가동면적을 최대화하기 위하여 벌브(21)가 러더(20)에서 차지하는 면적의 비율을 작아지도록 한 것이다.
추력핀(22)은 프로펠러(10)에서 발생한 후류로부터 에너지의 회수율을 증가시켜 추진 효율을 증가시키기 위하여 벌브(21)의 좌우에 비대칭적으로 설치되는 반원 또는 포물선 모양으로 형성된다.
이 경우 추력핀(22)중 좌현 또는 우현에 설치되는 추력핀(22a,22b)의 크기를 다르게 하여 프로펠러(10)에서 발생한 복합와류를 고려하여, 후류에서 발생하는 복잡한 유체흐름을 정제하고 회전 방향 유기속도에 의한 운동에너지를 회수하는데 효과적으로 작용되도록 하였다.
이를 통하여, 에너지 회수율 증가 및 추진효율 증가 효과를 동시에 이룰 수 있다.
보다 구체적으로는, 프로펠러(10)가 우측으로 정회전 하는 경우 프로펠러(10)의 회전 방향과 동일 방향으로 회전류가 발생하므로, 우현 측의 빌지 와류는 이와 반대 방향으로 회전하는 회전류에 의해 약해지며 좌현 측의 빌지 와류는 이와 동일 방향으로 회전하는 회전류에 의해 강해진다.
이 경우 러더(20)는 프로펠러(10)의 샤프트 정 중앙에 위치하도록 배치되기 때문에 러더(20)의 후방 유동에 있어 빌지 와류와 회전류의 복합회전류가 비대칭 상태로 존재하게 된다.
벌브(21)에 반원 또는 포물선 모양의 추력핀(22)을 좌우현의 와류 강도에 따라 서로 비대칭적으로 설치함으로써 벌브(21)의 저항 감소 및 이에 따른 연료저감 효과가 극대화 될 수 있도록 한 것이다.
또한, 벌브(21)에 형성되는 추력핀(22)은 벌브(21) 내부에 수용될 수 있으며, 벌브(21) 외부로 돌출되도록 제어할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 에너지 절감 장치의 제어부(50)는 선박의 선박 운동 정보 수집부(51)와 환경외력 정보 수집부(52)와 저장부(53)와 시뮬레이션부(54)와 비교판단부(55)로 구성될 수 있다.
선박 운동 정보 수집부(51)는 선박의 운항 정보와 선박의 운동을 계측하여 선박의 6자유도 운동(surge, roll, sway, pitch, heave, yaw)정보를 수신할 수 있다.
또한, 환경외력 정보 수집부(52)는 실시간 기상정보와 관련하여 바람, 해류, 파랑 정보 수신할 수 있다.
저장부(53)는 에너지 절감 장치의 운용을 위해 필요한 데이터를 저장할 수 있다.
즉, 선박의 운항 중에 발생하는 다양한 운항 정보를 선박 운동 정보 수집부(51) 및 환경 외력 정보 수집부(52)에 의해 수집되고 저장부(53)에 저장될 수 있다.
운항 정보 및 환경외력 정보는 에너지 절감 장치에 마련되거나 선박에 추가로 마련되는 다양한 센서들 또는 회로들을 통해 수집될 수 있고, 또는 선박에 추가로 마련되는 통신 모듈에 의해 기상청 서버 등과 같은 외부로부터 정보가 수신될 수 있으며, 특히 데이터를 가공하여 수신된 것일 수 있다.
환경외력 정보는, 현재의 기상 정보뿐만 아니라 미래의 임의의 시점 및 이동 예상 경로에 따른 지점까지에 대한 기상 정보를 포함할 수 있다.
저장부(53)는 에너지 절감 장치의 운용 정보로써, 선미핀의 제어 각도, 추력핀의 돌출 상태 여부 등 다른 운항 정보로부터 판단되는 에너지 절감 장치의 이상 유무 등을 저장할 수 있다.
에너지 절감 장치의 운용 정보는 연비와 관련된 정보로써, 선박 운항 연비, 에너지 절감 장치의 구동에 의한 전력 소모량, 에너지 절감 장치의 구동에 의한 선박의 연비 상승량 등을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서 저장부(53)는 에너지 절감 장치를 제어하기 위한 제어 조건을 저장할 수 있으며, 제어 조건은 선박이 실제로 운항되는 동안 기설정된 주기에 따라 수집되는 실제 운항에 따른 운항 정보를 기초로 제어 조건을 주기적으로 재설정될 수 있다.
제어부(50)는 선박의 기설정된 초기 구동 시간 동안 수집되는 운항 정보를 기초로 에저지 절감 장치의 초기 구동 조건을 설정한다. 초기 구동 시의 운항 환경은 선박의 실제 운항 동안의 운항 환경과는 상이할 수 있기 때문에, 초기 구동에서 수집된 운항 정보를 기초로 설정된 초기 구동 조건은 실제 운항 환경을 반영하지 못할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예에서, 제어부(50)는 초기 구동 조건을 설정한 이후에, 기설정된 주기마다(x분, x시간 마다) 해당 주기 동안 수집된 운항 정보 및 에너지 절감 장치의 운용 정보를 기초로 제어 조건을 재설정 한다. 결과적으로 제어부(50)는 선박이 운항되는 동안 실시간으로 수집되는 운항 정보 및 에너지 절감 장치의 운용 정보를 피드백 받고 이를 시뮬레이션부(54)에서 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션하여, 에너지 절감 장치의 구동 조건을 능동적으로 재설정할 수 있다.
제어 조건은 선박의 운동 정보 및/또는 환경외력 정보로부터 도출되는 적어도 하나의 파라미터에 대한 임계 범위를 포함할 수 있다.
제어 조건은 연비 상승량에 대한 임계 범위를 포함할 수 있다. 일반적으로, 에너지 절감 장치의 구동에 의해 선박의 운항 연비가 상승될 수 있다. 그러나 에너지 절감 장치의 구동에 의한 연비 절감 효과가 크지 않은 경우, 에너지 절감 장치의 잦은 제어에 의해 전력 소모량이 커지는 경우, 에너지 절감 장치를 구동함으로써 소모되는 전력 소모량이 연비 감소량 보다 더 클 수 있다.
또한, 유체의 유동을 제어하여, 선박의 추진 효율을 더 낮출 수 있게 되는 경우도 발생한다.
따라서, 본 발명에서는 제어부(50)가 에너지 절감 장치의 구동에 의한 전력 소모량을 연비로 치환한 값 및 에너지 절감 장치의 구동에 의한 연비 감소량을 종합적으로 판단하여 결정되는 전체 연비 감소량을 기초로, 제어 조건을 설정할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, 구동 조건을 만족한다는 것은 상술한 구동 조건들을 모두 만족하는 경우, 이들 중 적어도 일부를 만족하는 경우, 특정 하나를 만족하는 경우 중 어느 하나를 의미할 수 있다.
운항 정보가 구동 조건을 만족시키는 경우, 제어부(50)는 에너지 절감 장치 중 선미핀의 각도를 제어할 수 있다.
또는, 러더(20)의 벌브(21)의 추력핀(22)을 돌출되게 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 제어부(50)는 판단된 전체 연비 상승량이 임계값 미만인 경우, 에너지 절감 장치의 선미핀(30)의 각도 제어를 중지하도록(0도 상태로) 제어할 수 있다. 일 실시 예에서, 제어부(50)는 기설정된 기간 내에 발생할 선미핀(30) 제어 횟수가 임계값을 초과하는 경우, 선미핀(30)의 각도가 0도가 되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에서, 제어 조건은 복수 개가 설정될 수 있다. 이러한 실시 예에서, 제어부(50)는 수집된 운항 정보가 제어 조건을 만족시키는지 여부에 따라 에너지 절감 장치의 선미핀(30) 각도 제어뿐만 아니라 벌브에 형성된 돌출핀(22)의 돌출 여부를 제어할 수 있다.
에너지 절감 장치는 제어부(50)에서 선박의 초기 구동 시 운항 정보를 수집한다. 운항 정보는 선박의 운동 정보와 환경외력 정보를 포함한다.
초기 구동 기간이 경과되면, 에너지 절감 장치는 초기 구동 시 수집된 운항 정보를 기초로 에너지 절감 장치의 초기 구동 조건을 설정할 수 있다.
또한, 제어부(50)에서 예상 이동 경로에 따른 선박의 운동정보와 환경외력 정보를 입력하여, 시뮬레이션부(54)에서 에너지 절감 장치의 복수개의 구동조건을 디지털 트윈을 이용하여 복수의 선체에 적용하여 시뮬레이션을 진행하여, 에너지 절감 장치의 선미핀을 0도 내지 60도를 각각 제어하는 러더(20)의 벌브(21)의 추력핀(22)을 돌출되게 하는 것과 돌출되지 않도록 하는 것중 어느 하나의 구동조건으로 설정할 수 있다.
이는 복수개의 구동조건 중 설정값과 결과값을 비교하여, 선박의 소모되는 전력보다 연비가 큰 경우로 최적화 될 수 있도록 제어한다.
즉, 선박의 복수의 예상 이동 경로를 선미핀의 각도 제어 없이 0도로 제어된 상태로 운항되는 시뮬레이션(simulation) 결과값과, 선미핀의 각도를 각 각도별(0도 내지 60도)로 제어한 상태에서 구동되는 조건과, 벌브에 형성된 추력핀을 돌출 된 상태로 운항되는 것과 돌출되지 않은 상태로 운항하는 것의 시뮬레이션 결과값을 비교하여, 선박에서 소모되는 전력 대비 연비가 가장 좋은 구동조건과 이동 경로로 운항하도록 최적화(optimization)를 진행할 수 있다.
본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치의 제어 방법은, 에너지 절감 장치는 제어부(50)의 선박 운동 정보 수집부(51)에서 기설정된 주기 동안 운항 정보 중 선박의 운동정보를 수집하는 단계.(S100)
제어부(50)의 환경외력 정보 수집부(52)에서 기설정된 주기 동안 운항 정보 중 선박의 예상 이동 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 단계.(S110)
선박의 예상 이동 경로에 따른 선박의 운동 정보와 환경 외력 정보를 입력하여, 제어부(50)의 시뮬레이션부(54)에서 복수개의 에너지 절감 장치의 구동 조건으로 운항되도록 시뮬레이션 진행하는 단계.(S120)
시뮬레이션 진행 결과, 제어부(50)의 저장부(53)에 저장된 설정값과 시뮬레이션 결과값을 비교판단부(55)에서 비교하는 단계.(S130)
결과값과 설정값을 비교하여, 설정값이 결과값보다 작거나 같은 경우 제1 모드로 진행 준비 단계(S140)로 진행되고, 제1 모드의 구동 조건을 만족하는지 확인하는 제1 모드 조건 판단부(S141)에서 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하지 않은 경우 에너지 절감 장치의 선미핀 각도를 제어하지 않으며, 벌브의 추력핀의 돌출 여부를 제어하지 않도록 종료되며, 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하는 경우, 제2 구동 조건 진행 준비 단계(S150)로 진행되고, 제2 모드 조건 판단부(S151)에서 설정된 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하지 않는 경우, 에너지 절감 장치의 선미핀 제어를 진행하는 단계(S152)로 진행된다.
제2 모드 조건 판단부(S151)에서 설정된 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하는 경우, 에너지 절감 장치의 추력핀 돌출 제어를 진행하는 단계(S153)로 진행된다.
또한, 전술된 결과값과 설정값을 비교하여, 설정값이 결과값보다 큰 경우 제2 모드 조건 진행 준비 단계(S150)로 진행되고, 제2 모드 조건 판단부(S151)에서 설정된 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하지 않는 경우, 에너지 절감 장치의 선미핀 각도 제어 상태로 진행되며(S152), 제2 모드 조건 판단부(S151)에서 설정된 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하는 경우, 에너지 절감 장치가 선미핀 제어 및 추력핀 돌출 여부를 제어하는 것으로 구동된다.
또한, 시뮬레이션 결과값이 설정값 보다 작은 경우 에너지 절감 장치의 구동 여부를 제1 모드 조건 만족 여부와 제2 모드 조건 만족 여부로 한번 더 검증하여, 에너지 절감 장치의 선미핀 각도 제어하는 것을 검증하여, 전력 소모 대비 연비 향상이 진행되는 경우에만 에너지 절감 장치을 구동할 수 있도록 제어한다.
따라서, 에너지 절감 장치 설정된 모드 조건 즉, 전력 소모 대비 연비 향상 조건을 만족하는 경우에 선미핀의 각도 제어를 진행하고 모드 조건을 만족하지 않는 경우에 선미핀의 각도를 제어하지 않는 것으로 하여, 실제 연비 절감 효과를 고려하여 에너지 절감 장치를 구동함으로써, 효율적인 에너지 절감 장치의 운용이 가능한 효과를 가진다.
지금까지 본 발명에 따른 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 성능 예측 및 제어 방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러가지 실시 변형이 가능함은 자명하다. 그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술 될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 프로펠러 20: 러더
21: 벌브 22: 추력핀
30: 선미핀 31: 하부측 선미핀
32: 상부측 선미핀 50: 제어부
51: 선박 운동 정보 수집부 52: 환경외력 정보 수집부
53: 저장부 54: 시뮬레이션부
55: 비교판단부 100: 선박

Claims (7)

  1. 선박의 에너지 절감 장치 제어방법에 있어서,
    운항하고 있는 선박의 운동 정보를 수집하는 단계;
    선박의 운항 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 단계;
    상기 운동 정보 및 환경외력 정보를 기초로 예상 이동 경로에 대한 상기 에너지 절감 장치의 복수의 구동 조건을 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션 하는 단계;
    상기 시뮬레이션을 통해 복수의 구동 모드 조건 중 전력 소모 대비 연비가 가장 좋은 구동 모드 조건을 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 구동 모드 조건으로 에너지 절감 장치를 제어하는 제어 단계를 포함하며;
    상기 구동 모드 조건을 선택하는 단계는, 선박의 예상 이동 경로에 대하여 선미핀의 각도를 0도 내지 60도로 각 각도별로 제어한 상태로 운항되는 시뮬레이션 결과값과, 벌브에 형성된 추력핀을 돌출된 상태로 운항되는 것과 돌출되지 않은 상태로 운항하는 것의 시뮬레이션 결과값을 비교하여, 선박에서 소모되는 전력 대비 연비가 가장 좋은 구동조건과 이동 경로로 운항하도록 선택하며;
    상기 제어 단계는,
    선체의 선미부에 형성되어 경사지도록 제어 가능한 선미핀의 각도를 제어하며;
    상기 선체의 하부에서 상부로 흐르는 유체의 유동을 하방으로 전환시켜, 프로펠러의 날개 끝단으로 유입시키도록 제어하고, 상기 선체의 상부에서 하부로 흐르는 유체의 유동을 상방으로 전환시켜, 프로펠러의 날개 끝단으로 유입시키도록 제어하며;
    선박 러더의 벌브에 형성된 추력핀의 돌출 여부를 제어하여, 프로펠러에서 발생한 후류로부터 에너지의 회수율을 증가시키는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    상기 선미핀을 좌현 또는 우현 중 어느 한측에 배치된 선미핀을 제어하거나, 양측 모두에 배치된 선미핀을 제어하는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치 제어 방법.
  4. 삭제
  5. 선체의 후미에 부착되어 있는 프로펠러;
    상기 프로펠러의 후부에 부착되는 러더;
    상기 프로펠러의 후류를 개선하기 위해 러더에 설치되는 유선형 모양의 벌브;
    상기 프로펠러에서 발생한 후류로부터 에너지 회수율을 증가시키기 위해 벌브의 좌우측에 비대칭적으로 설치되는 추력핀;
    상기 선체의 선미부에 형성되어 경사지도록 각도를 제어할 수 있는 선미핀; 및
    상기 선미핀의 각도 제어와 추력핀의 돌출 여부를 제어하는 제어부를 포함하며;
    상기 제어부는,
    운항하고 있는 선박의 운동 정보를 수집하는 선박 운동 정보 수집부;
    선박의 이동 예상 경로에 따른 환경외력 정보를 수집하는 환경외력 정보 수집부;
    선박의 초기 구동 정보 및 전력 소모 대비 연비를 설정한 설정값을 저장하는 저장부;
    상기 선박 운동 정보 및 환경외력 정보를 기초로 예상 이동 경로에 대한 상기 에너지 절감 장치의 복수의 구동 조건을 디지털 트윈을 이용하여 시뮬레이션을 진행하는 시뮬레이션부; 및
    상기 시뮬레이션부를 통해 복수의 구동 모드 조건을 비교 및 판단하여 복수의 구동 조건 중 전력 소모 대비 연비가 가장 좋은 구동 조건을 선택하고, 선택된 구동 모드 조건으로 구동하는 비교판단부를 포함하며;
    상기 비교판단부는, 선박의 예상 이동 경로에 대하여 선미핀의 각도를 0도 내지 60도로 각 각도별로 제어한 상태로 운항되는 시뮬레이션 결과값과, 벌브에 형성된 추력핀을 돌출된 상태로 운항되는 것과 돌출되지 않은 상태로 운항하는 것의 시뮬레이션 결과값을 비교하여, 선박에서 소모되는 전력 대비 연비가 가장 좋은 구동조건과 이동 경로로 운항하도록 선택하며;
    상기 선미핀은,
    프로펠러의 중심축을 중심으로 하부에 배치되는 하부측 선미핀과 프로펠러의 축을 중심으로 상부에 배치되는 상부측 선미핀으로 구성되며;
    상기 상부측 선미핀과 상기 하부측 선미핀의 배치 구간이 수직 방향으로 중복되지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 벌브의 면적은 러더의 면적의 5% 내지 8%의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 디지털 트윈을 이용한 선박의 에너지 절감 장치.
  7. 삭제
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