KR102561800B1 - 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 프로펠러 영역의 반류를 계측하는 반류계측기와, 상기 프로펠러를 구동하는 구동축의 토크 및 속도를 감지하는 축계센서와, 상기 구동축을 회전구동하는 주기엔진으로 구성되는 추진부; 선내전력망에 전력을 공급하는 보기엔진과, 폐열회수장치와, 상기 구동축과 연동하는 축발전기모터와, 배터리로 구성되는 선내전력공급부; 및 운항모드에 따른 반류정보에 따라서, 상기 주기엔진의 최종출력을 제어하고, 상기 선내전력망과 상기 선내전력공급부와의 스위칭 및 출력방향을 제어하는 제어부;를 포함하여서, 반류계측기와 축계센서에 의한 계측정보에 따라 운항모드별 최적운항이 가능하도록 선내전력과 선박추진력을 제공하여 연료소비율을 최소화할 수 있는, 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템을 개시한다.

Description

최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템{HYBRID PROPULSION SYSTEM CAPABLE OF SAILING AT OPTIMAL EFFICIENCY}
본 발명은 선박의 추진시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 반류계측기와 축계센서에 의한 계측정보에 따라 운항모드별 최적운항이 가능하도록 할 수 있는, 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템에 관한 것이다.
대형선박은 주기엔진에 의한 추진시스템과 발전기에 의한 발전시스템으로 분리 운영되고 있으며, 에너지효율을 향상시키기 위해, 추진시스템과, 폐열회수장치(WHRS) 및 축발전기모터(SGM)를 연계하여 추진력을 재활용하도록 하는 구조의 선박이 건조되는 추세이다.
추진시스템과 발전시스템의 연동은, 선박운항에 필요한 추진력과 전력을 생성하기 위해 정해진 시퀀스에 따라 구동하도록 하여 추진력과 전력을 충당하고 있으나, 최적효율운항의 관점에서, 주기엔진에 의한 최적의 운항과 최적의 전력생산을 고려하지 못하는 측면이 있다.
예컨대, 주기엔진의 부하를 상대적으로 높여 전력을 필요이상으로 생산하여서 발전기의 부하를 낮추거나, 반대로 주기엔진의 부하를 상대적으로 낮춰 발전기의 부하를 필요이상으로 높이는 시퀀스에 의해서만 구동되는 방식은 단순하고 통제와 제어가 쉽다는 장점이 있으나 에너지 소비관점에서 비효율적일 수 있다.
이에 따라, 추진시스템과 연계하여, 최소의 연료소비율로 선박운항에 요구되는 최적의 추진력과 전력을 충당할 수 있는 추진시스템과 발전시스템의 효율적인 연계 구성을 구현할 필요성이 제기된다.
한국공개특허공보 제2017-0053740호(선박추진장치, 선박, 및 선박추진방법, 2017. 05. 16.) 한국등록특허공보 제1766260호(선박 에너지 효율 최적화 방법, 2017. 08. 02.) 한국등록특허공보 제1253997호(선박전력공급시스템, 2013. 04. 08.)
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 주기엔진의 운전영역을 최적효율 운전점에서 제어하고, 축발전기모터와 에너지저장시스템과 폐열회수장치를 발전기와 연계하여 에너지저감을 통한 최소의 연료소비율을 구현할 수 있는, 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템을 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은, 프로펠러 영역의 반류를 계측하는 반류계측기와, 상기 프로펠러를 구동하는 구동축의 토크 및 속도를 감지하는 축계센서와, 상기 구동축을 회전구동하는 주기엔진으로 구성되는 추진부; 선내전력망에 전력을 공급하는 보기엔진과, 폐열회수장치와, 상기 구동축과 연동하는 축발전기모터와, 배터리로 구성되는 선내전력공급부; 및 운항모드에 따른 반류정보에 따라서, 상기 주기엔진의 최종출력을 제어하고, 상기 선내전력망과 상기 선내전력공급부와의 스위칭 및 출력방향을 제어하는 제어부;를 포함하는, 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템을 제공한다.
여기서, 상기 추진부는, 제1 및 제2 프로펠러를 해당 구동축을 통해 각각 회전구동하는 제1 및 제2 주기엔진과, 상기 구동축의 토크 및 속도를 각각 감지하는 제1 및 제2 축계센서와, 상기 제1 및 제2 프로펠러 영역의 반류를 각각 계측하는 제1 및 제2 반류계측기로 구성될 수 있다.
또한, 상기 선내전력공급부는, 상기 구동축과 각각 연결되는 제1 및 제2 축발전기모터와, 상기 제1 및 제2 주기엔진으로부터 배출되는 폐열을 회수하여 전력을 생산하는 폐열회수장치와, 이중연료 디젤전기 발전기와, 상기 축발전기모터와 상기 폐열회수장치와 상기 이중연료 디젤전기 발전기로부터 생산되는 전력을 선내에 공급하는 선내전력망과, 상기 선내전력망과 연결되어 유휴전력으로 축전되는 배터리로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 운항모드별로, 상기 반류정보와 토크와 속도에 따라, 상기 제1 및 제2 주기엔진과 상기 제1 및 제2 축발전기모터에 의한 추진력과 선내전력의 출력비율과 출력방향을 제어하고, 상기 제1 및 제2 축발전기모터, 상기 폐열회수장치, 상기 이중연료 디젤전기 발전기 및 상기 배터리의 상기 선내전력망과의 연결을 스위칭 제어하고 출력방향을 제어할 수 있다.
또한, 상기 배터리와 상기 선내전력망과 각각 스위칭 연결되는 육상전력공급설비를 더 포함하여, 선적/하적시, 상기 육상전력공급설비를 통해, 상기 선내전력망으로 선내전체전력을 공급하고 상기 배터리를 축전할 수 있다.
또한, 공선운항모드, 만선운항모드 및 배출규제해역 운항모드시에, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 주기엔진을 상용출력모드로 출력하도록 하며, 상기 폐열회수장치 및 상기 축발전기모터를 통해 상기 선내전력망으로 전력을 공급하도록 하고, 유휴전력으로 상기 배터리를 축전하도록 할 수 있다.
또한, 포트 인/아웃 운항모드시에, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 주기엔진과 상기 보기엔진의 가동을 중지하도록 하며, 상기 제1 및 제2 축발전기모터에 의해 상기 제1 및 제2 프로펠러로 추진력을 제공하고, 상기 배터리를 통해 상기 선내전력망으로 전력을 공급하도록 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 주기엔진 운전시, RPM과 토크를 감지하는 축계센서 및 프로펠러영역의 반류변화를 계측하는 반류계측기를 설치하여 해상상태에 따른 미세 제어를 실현하여 최적운항 효율을 달성하고 이를 통해 연료소비율을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 축발전기모터와 에너지저장시스템과 폐열회수장치와 육상전원공급장치를 활용하여 선내전력공급에 필요한 발전기의 설치대수를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템의 고속운항구간에서의 스위칭 및 출력방향 구성을 예시한 것이다.
도 3은 도 1의 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템의 저속운항구간에서의 스위칭 및 출력방향 구성을 예시한 것이다.
도 4는 도 1의 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템의 선적/하적 운항구간에서의 스위칭 및 출력방향 구성을 예시한 것이다.
도 5는 도 1의 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템을 적용한 개념도를 예시한 것이다.
이하, 첨부된 도면에 도시된 특정 실시 예들에 의해 본 발명의 다양한 실시 예들을 설명한다. 실시 예들에 차이는 상호 배타적이지 않은 사항으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 일 실시 예에 관련하여 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 다른 실시 예로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템의 개략적인 구성도이고, 도 5는 도 1의 최적효율운항이 가능한 하이브리드 시스템을 적용한 개념도를 예시한 것이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 의한 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템은, 전체적으로, 추진부(110A,110B), 선내전력공급부(120), 및 제어부(130)를 포함하여, 반류계측기(111)와 축계센서(112)에 의한 계측정보에 따라 운항모드별 최적운항이 가능하도록 선박추진력과 선박추진력을 제공하여서, 주기엔진의 운전영역을 최적효율운전점인 NCR에서 제어하고, 연료소비율(FOC;Fuel Oil Consumption)를 최소화하는 것을 요지로 한다.
즉, 본 발명은, 프로펠러(10) 영역의 반류를 계측하는 반류계측기(111)와, 프로펠러(10)를 구동하는 구동축의 토크 및 속도를 감지하는 축계센서(112)와, 구동축을 회전구동하는 주기엔진(113)으로 구성되는 추진부(110A,110B); 선내전력망(125)에 전력을 공급하는 보기엔진(121)과, 폐열회수장치(122)와, 구동축과 연동하는 축발전기모터(123)와, 에너지저장시스템(ESS;Energy Storage System)인 배터리(124)로 구성되는 선내전력공급부(120); 및 운항모드에 따른 반류정보에 따라서, 주기엔진(113)의 최종출력을 제어하고, 선내전력망(125)과 선내전력공급부(120)와의 스위칭 및 출력방향을 제어하는 제어부(130);를 포함하는, 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템을 제공한다.
구체적으로, 추진부(110A,110B)와, 선내전력공급부(120)와, 제어부(130)를 상술하면 다음과 같다. 참고로, 아래의 제1 과 제2 구분은 동일한 구성으로 우현 추진부(110A) 및 좌현 추진부(110B)와 관련된 구성을 구분하기 위한 것이다.
우선, 추진부(110A,110B)는, 제1 및 제2 프로펠러(10)를 해당 구동축을 통해 각각 회전구동하는 제1 및 제2 주기엔진(113)과, 구동축의 토크 및 속도(rpm)를 각각 감지하는 제1 및 제2 축계센서(112)와, 제1 및 제2 프로펠러 영역의 반류를 각각 계측하는 제1 및 제2 반류계측기(111)로 구성된다.
여기서, 반류계측기(111)는 해상상태, 예컨대 해저지형, 해상날씨, 또는 해류에 따른 파도와 조류와 풍향에 따른 프로펠러 영역의 반류정보를 계측하여 제어부(130)로 전송한다.
다음, 선내전력공급부(120)는, 구동축과 각각 연결되는 제1 및 제2 축발전기모터(SGM;Shaft Generator Motor)(123)와, 제1 및 제2 주기엔진(113)으로부터 배출되는 배기가스 또는 냉각수로부터 폐열을 회수하여 전력을 생산하는 폐열회수장치(WHRS;Waste Heat Recovery System)(122)와, 이중연료 디젤전기 발전기(DFDE;Dual Fuel Dissel Electric)(121)와, 축발전기모터(123)와 폐열회수장치(122)와 이중연료 디젤전기 발전기(121)로부터 생산되는 전력을 선내에 공급하는 선내전력망(125)과, 선내전력망(125)과 연결되어 유휴전력으로 축전되는 배터리(124)로 구성된다.
여기서, 제1 및 제2 축발전기모터(123)는 PTO모드(발전모드)로 전력을 생산하고 PTI모드(추진모드)로 프로펠러(10)를 구동하고, 배터리(124)는 납축전지 또는 리튬이온전지일 수 있으나 이에 한정되지 않고, 전력을 축전할 수 있는 다른 배터리를 포함할 수 있다.
다음, 제어부(130)는, 운항모드별로, 반류정보와 토크와 속도에 따라, 제1 및 제2 주기엔진(113)과 제1 및 제2 축발전기모터(123)에 의한 추진력과 선내전력의 출력비율과 출력방향을 제어하고, 제1 및 제2 축발전기모터(123), 폐열회수장치(122), 이중연료 디젤전기 발전기(121) 및 배터리(124)의 선내전력망(125)과의 연결을 스위칭 제어하고 출력방향을 제어할 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 주기엔진(113)은 각각 12.5MW의 추진력을 제공하며, 제1 및 제2 축발전기모터(123)는 각각 2.5MW의 전력을 제공하며, 폐열회수장치(122)는 3.5MW의 전력을 제공하고, 이중연료 디젤전기 발전기(121)는 3.5MW의 전력을 제공할 수 있다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 고속운항구간인, 공선운항(ballast voyage)모드, 만선운항(laden voyage)모드 및 배출규제해역(ECA;Emission Control Areas) 운항모드시에, 제어부(130)는, 제1 및 제2 주기엔진(113)을 상용출력(NCR;Normal Continuous Rating)모드로 출력하도록 하며, 폐열회수장치(122) 및 축발전기모터(123)를 통해 선내전력망(125)으로 전력을 공급하도록 하고, 유휴전력으로 배터리(124)를 축전하도록 할 수 있다.
구체적으로, 공선운항모드시에, 제어부(130)는, 제1 및 제2 주기엔진(113)은 20MW를 제공하는데, 5MW로 제1 및 제2 축발전기모터(123)를 가동하여 폐열회수장치(122)와 함께 선내전력망(125)을 통해 선내전력을 공급하고 여분의 유휴전력으로 배터리(124)를 축전할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 축발전기모터(123)는 제1 및 제2 주기엔진(113)으로부터 2.5MW를 각각 제공받는다.
즉, 제1 및 제2 주기엔진(113)이 20MW의 추진력을 제공하면 19.5노트(knot)로 운항이 가능하며, 공선운항모드에 따른 접안하역장비(cargo handling equipment)(미도시)의 0.4MW 사용으로 전체부하(total load)는 1.8MW일 수 있는데, 20MW 중 5MW에 의한 제1 및 제2 축발전기모터(123)의 PTO(Power Take Out)(발전모드)로 선내전력망(125)을 통해 전력을 제공하고 15MW의 추진력으로 17노트로 운항가능하도록 하여서, 제1 및 제2 주기엔진(113)의 최적효율점, 즉 상용출력영역인 80% 출력에서 최적의 운항속도를 제공할 수 있다.
또한, 만선운항모드시에, 제어부(130)는, 제1 및 제2 주기엔진(113)은 20MW를 제공하는데, 5MW로 제1 및 제2 축발전기모터(123)를 가동하여 폐열회수장치(122)와 함께 선내전력망(125)을 통해 선내전력을 공급하고 여분의 유휴전력으로 배터리(124)를 축전할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 축발전기모터(123)는 제1 및 제2 주기엔진(113)으로부터 2.5MW를 각각 제공받는다.
즉, 제1 및 제2 주기엔진(113)이 20MW의 추진력을 제공하면 19.5노트(knot)로 운항이 가능하며, 만선운항모드에 따른 접안하역장비의 1.9MW 사용으로 전체부하는 3.3MW일 수 있는데, 20MW 중 5MW에 의한 제1 및 제2 축발전기모터(123)의 PTO(Power Take Out)(발전모드)로 선내전력망(125)을 통해 전력을 제공하고 15MW의 추진력으로 17노트로 운항가능하도록 하여서, 제1 및 제2 주기엔진(113)의 최적효율점, 즉 상용출력영역인 80% 출력에서 최적의 운항속도를 제공할 수 있다.
또한, 배출규제해역 운항모드시에, 제어부(130)는, 제1 및 제2 주기엔진(113)은 20MW를 제공하는데, 5MW로 제1 및 제2 축발전기모터(123)를 가동하여 폐열회수장치(122)와 함께 선내전력망(125)을 통해 선내전력을 공급하고 여분의 유휴전력으로 배터리(124)를 축전할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 축발전기모터(123)는 제1 및 제2 주기엔진(113)으로부터 2.5MW를 각각 제공받는다.
즉, 제1 및 제2 주기엔진(113)이 20MW의 추진력을 제공하면 19.5노트(knot)로 운항이 가능하며, 배출규제해역 운항모드에 따른 전체부하는 1.8MW 내지 3.3MW일 수 있는데, 20MW 중 5MW에 의한 제1 및 제2 축발전기모터(123)의 PTO(Power Take Out)(발전모드)로 선내전력망(125)을 통해 전력을 제공하고 15MW의 추진력으로 17노트로 운항가능하도록 하여서, 제1 및 제2 주기엔진(113)의 최적효율점, 즉 상용출력영역인 80% 출력에서 최적의 운항속도를 제공할 수 있다.
참고로, 공선운항모드, 만선운항모드 및 배출규제해역 운항모드에 따라 전체부하가 상이한데, 이는 운항모드별로 사용되는 장비(equipment)의 차이로 인한 것이다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 저속운항구간인, 포트 인/아웃(Port In/Out) 운항모드시에, 즉 항구영역(port limit) 진출입시에는, 제어부(130)는, 제1 및 제2 주기엔진(113)과 보기엔진(121)의 가동을 중지하도록 하며, 제1 및 제2 축발전기모터(123)의 PTI(Power Take In)(추진모드)에 의해 제1 및 제2 프로펠러(10)로 추진력을 제공하고, 배터리(124)를 통해 선내전력망(125)으로 전력을 공급하도록 할 수 있다.
여기서, 포트 인/아웃 운항모드에 따른 선내전력 사용량은 2MW이며, 제1 및 제2 축발전기모터(123)를 5MW의 추진력을 제공하여 11.95노트의 선속으로 운항하도록 하고, 전체부하는 7MW일 수 있다.
또한, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 배터리(124)와 선내전력망(125)과 각각 스위칭 연결되는 육상전력공급설비(On-Shore Power) 또는 대체해상전력공급설비(AMP;Alternative Maritime Power)(140)를 더 포함하여, LNG의 선적/하적시(Loading/Unloading), 육상전력공급설비(140)를 통해, 선내전력망(125)으로 선내전체전력을 공급하고 배터리(124)를 축전할 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템에 의해서, 주기엔진 운전시, RPM과 토크를 감지하는 축계센서 및 프로펠러영역의 반류변화를 계측하는 반류계측기를 설치하여 해상상태에 따른 미세 제어를 실현하여 최적운항 효율을 달성하고 이를 통해 연료소비율을 줄일 수 있고, 축발전기모터와 에너지저장시스템과 폐열회수장치와 육상전원공급장치를 활용하여 선내전력공급에 필요한 발전기의 설치대수를 저감시킬 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10 : 프로펠러 110A,B : 추진부
111 : 반류계측기 112 : 축계센서
113 : 주기엔진 120 : 선내전력공급부
121 : 보기엔진 122 : 폐열회수장치
123 : 축발전기모터 124 : 배터리
125 : 선내전력망 130 : 제어부
140 : 육상전력공급설비

Claims (7)

  1. 프로펠러 영역의 반류를 계측하는 반류계측기와, 상기 프로펠러를 구동하는 구동축의 토크 및 속도를 감지하는 축계센서와, 상기 구동축을 회전구동하는 주기엔진으로 구성되는 추진부;
    선내전력망에 전력을 공급하는 보기엔진과, 폐열회수장치와, 상기 구동축과 연동하는 축발전기모터와, 배터리로 구성되는 선내전력공급부; 및
    운항모드에 따른 반류정보에 따라서, 상기 주기엔진의 최종출력을 제어하고, 상기 선내전력망과 상기 선내전력공급부와의 스위칭 및 출력방향을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 추진부는 쌍축 추진 선박용 추진부로서,
    제1 및 제2 프로펠러를 해당 구동축을 통해 각각 회전구동하는 제1 및 제2 주기엔진과, 상기 구동축의 토크 및 속도를 각각 감지하는 제1 및 제2 축계센서와, 상기 제1 및 제2 프로펠러 영역의 반류를 각각 계측하는 제1 및 제2 반류계측기로 구성되며,
    상기 선내전력공급부는,
    상기 구동축과 각각 연결되는 제1 및 제2 축발전기모터와, 상기 제1 및 제2 주기엔진으로부터 배출되는 폐열을 회수하여 전력을 생산하는 폐열회수장치와, 이중연료 디젤전기 발전기와, 상기 축발전기모터와 상기 폐열회수장치와 상기 이중연료 디젤전기 발전기로부터 생산되는 전력을 선내에 공급하는 선내전력망과, 상기 선내전력망과 연결되어 유휴전력으로 축전되는 배터리로 구성되고,
    상기 제어부는,
    운항모드별로, 상기 반류정보와 토크와 속도에 따라, 상기 제1 및 제2 주기엔진 각각과 상기 제1 및 제2 축발전기모터 각각에 의한 추진력과 선내전력의 출력비율과 출력방향을 제어하고, 상기 제1 및 제2 축발전기모터, 상기 폐열회수장치, 상기 이중연료 디젤전기 발전기 및 상기 배터리의 상기 선내전력망과의 연결을 스위칭 제어하고 출력방향을 제어하며,
    공선운항모드, 만선운항모드 및 배출규제해역 운항모드시에, 상기 제어부는,
    상기 제1 및 제2 주기엔진을 상용출력모드로 출력하도록 하며, 상기 폐열회수장치 및 상기 축발전기모터를 통해 상기 선내전력망으로 전력을 공급하도록 하고, 유휴전력으로 상기 배터리를 축전하도록 하고,
    상기 공선운항모드, 만선운항모드 및 배출규제해역 운항모드시에, 상기 제어부는,
    상기 제1 및 제2 반류계측기 각각에 의해 계측되는 상기 제1 및 제2 프로펠러 영역의 각각의 반류로 인하여, 상기 제1 및 제2 주기엔진 중 어느 하나 이상이 상용출력모드 이상의 출력이 요구될 경우, 해당 주기엔진은 상용출력모드를 유지하되, 요구되는 상기 상용출력모드 이상의 출력은, 축전된 상기 배터리로부터 전력을 공급받은, 해당 주기엔진의 구동축과 연동하는 해당 축발전기모터에 의해 해당 주기엔진의 프로펠러로 추진력을 제공하도록 하는 것을 특징으로 하는, 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리와 상기 선내전력망과 각각 스위칭 연결되는 육상전력공급설비를 더 포함하여, 선적/하적시, 상기 육상전력공급설비를 통해, 상기 선내전력망으로 선내전체전력을 공급하고 상기 배터리를 축전하는 것을 특징으로 하는, 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    포트 인/아웃 운항모드시에, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 주기엔진과 상기 보기엔진의 가동을 중지하도록 하며, 상기 제1 및 제2 축발전기모터에 의해 상기 제1 및 제2 프로펠러로 추진력을 제공하고, 상기 배터리를 통해 상기 선내전력망으로 전력을 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는, 최적효율운항이 가능한 하이브리드 추진시스템.
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