KR20130057750A - 선박의 에너지 관리방법 - Google Patents

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Abstract

선박의 에너지 관리시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 선박의 에너지 관리시스템 및 방법은 복수개의 발전기를 포함하여 선박의 부하에 전력을 공급하는 주발전부; 풍력을 이용한 풍력발전원 및 태양광을 이용한 태양광발전원으로부터 발전된 전기에너지를 충전하는 축전지를 포함하는 비상발전부; 선박의 부하에서 전력 사용량을 측정하는 부하전력 측정부; 해수온도와 외기온도를 포함하는 환경데이터를 측정하는 환경 측정부; 상기 부하전력 측정부에서 측정된 전력 사용량과 상기 환경 측정부에서 측정된 환경데이터에 따라 상기 주발전부 또는 비상발전부의 전력생산량을 제어함으로써 상기 복수개의 발전기 중 어느 하나만이 운전되게 하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 에너지 관리시스템 및 방법{Energy management system and method for ship}
본 발명은 선박의 에너지 관리시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선박의 발전시스템과 부하를 최적의 상태로 제어 및 관리하여 운항의 안정성과 사용 전력을 효율적으로 관리함으로써 선박용 발전기 연료소모량을 능동적으로 감소시킬 수 있는 선박의 에너지 관리시스템에 관한 것이다.
기존의 선박에서는 에너지 절감에 대한 개념이 정립되어 있지 않고, 단순히 관련된 장비를 운전 및 정지하는 개념만 가지고 있었다.
최근에 ESS(Energy saving system)이 개발되어 대용량 해수펌프를 해수온도에 따라 회전속도를 제어하여 부하감소에 비례한 에너지 절감효과를 얻도록 하는 시스템이 개발되어 있다.
그러나 이것은 선박 전체에 대한 에너지 절감보다는 하나의 장비(해수펌프)에 대한 부하 제어를 통하여 에너지 절감효과를 얻는 방법에 불과하여 에너지 절감에 한계가 있으며, 소규모 선박에는 적용할 수 없는 단점이 있었다.
또한 종래 기술에 따른 에너지 관리시스템은 전력이 많이 필요한 경우에 있어서, 발전기를 병렬 운전하여 전력을 생산하게 되며, 정비 또는 비상용 발전기를 설치한 형태로 이루어져, 발전기가 항시 동작해야 하므로 선내 사용부하가 적을 때는 비효율적이라는 문제가 있었다.
한편, 종래 기술에 따른 선박 등에 사용되는 에너지 시스템은 대한민국 공개특허공보 10-2008-7018590, "선박의 에너지 시스템을 작동하기 위한 방법 및 이에 적합한 에너지 시스템" 등에 구체적으로 개시되어 있다.
이러한 종래 기술에 따른 선박용 에너지 시스템은 선박에 필요한 여러 부하를 최적으로 통합관리하여 실제적이고 능동적인 에너지 절감 메카니즘을 가질 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 선박 운항에 필요한 운항부하, 하역작업 등에 필요한 장비부하, 거주환경 등을 위한 냉난방 및 급배기 부하를 운항조건, 해수온도, 대기온도 등을 고려하여 최적으로 통합관리함으로써 장비운용에 대한 에너지 절감과 더불어 발전기 운전에 따른 연료 소비를 줄여 실제적이고 능동적인 에너지 절감이 가능한 선박의 에너지 관리시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수개의 발전기를 포함하여 선박의 부하에 전력을 공급하는 주발전부; 풍력을 이용한 풍력발전원 및 태양광을 이용한 태양광발전원으로부터 발전된 전기에너지를 충전하는 축전지를 포함하는 비상발전부; 선박의 부하에서 전력 사용량을 측정하는 부하전력 측정부; 해수온도와 외기온도를 포함하는 환경데이터를 측정하는 환경 측정부; 상기 부하전력 측정부에서 측정된 전력 사용량과 상기 환경 측정부에서 측정된 환경데이터에 따라 상기 주발전부 또는 비상발전부의 전력생산량을 제어함으로써 상기 복수개의 발전기 중 어느 하나만이 운전되게 하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 에너지 관리시스템이 제공될 수 있다.
이때, 상기 제어부는 운전되는 어느 하나의 발전기의 발전량이 용량의 85%를 초과하면 다른 발전기가 함께 병렬로 운전되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수개의 발전기와, 풍력을 이용한 풍력발전원 및 태양광을 이용한 태양광발전원으로부터 발전된 전기에너지를 충전하는 축전지가 구비되는 선박에서 운항부하, 하역부하, 공조부하에 공급되는 전력을 관리하는 선박의 에너지 관리방법에 있어서, (a) 관리할 부하의 종류 및 상기 발전기의 발전 전력량을 입력하는 단계; (b) 상기 각 부하에서 사용중인 전력량 및 해수온도와 대기온도를 포함하는 환경데이터를 입력하는 단계; (c) 입력된 상기 전력량과 환경데이터에 따라 상기 각 부하의 운전 모드를 설정하는 단계; (d) 결정된 운전 모드에 따라 운전되는 어느 하나의 발전기의 출력이 85% 이하이면 하역부하와 공조부하 및 운항부하를 운전하며, 85%를 초과하면 하역부하 또는 공조부하의 운전을 중지하는 단계; (e) 상기 (d)단계에서 하역부하 또는 공조부하의 운전을 중지하는 경우 운전중인 어느 하나의 발전기의 출력이 85% 이하이면 운항부하를 운전하고, 85%를 초과하면 다른 발전기를 함께 운전하여 운항부하를 운전하는 단계; (f) 상기 (b)단계로 피드백되는 단계;를 포함하는 선박의 에너지 관리방법이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 (e)와 (f)단계 사이에는 상기 축전지로부터 상기 각 부하에 비상전력이 공급되는 단계가 더 추가될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 선박에서 운영되는 2대 이상의 발전기가 동시에 운전되는 상황을 최소화할 수 있도록 선박 부하를 최소화할 수 있는 에너지 관리시스템 제공하여 연료소비 절감할 수 있다. 이를 위해 하역부하, 공조부하 및 운항부하를 직접적으로 제어, 관리하여 선박용 발전기의 연료소모량을 최소화하는 구조를 가진다.
또 재생에너지(태양광, 풍력 등) 기반의 비상전력체계를 연동할 수 있도록 설계하여 선박의 부족전력 보상 및 비상전력 메커니즘을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 선박의 에너지 관리시스템의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 구성도.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예를 따른 선박의 에너지 관리방법의 순서를 나타내는 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 나타난 바는 본 발명의 전반적인 이해를 위해 제시된 것이므로 본 발명의 기술적 범위가 그것들에 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 구성 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 선박의 에너지 관리시스템의 구성을 나타내는 블록도, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 구성도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 선박의 에너지 관리시스템은 주발전부, 비상발전부, 부하전력 측정부(30), 환경 측정부(40), 제어부(50)를 포함한다.
주발전부는 화석연료를 사용하여 전기 에너지를 생산하는 발전기(10)를 포함하는 것으로 상기 발전기(10)는 복수개가 설치된다.
그리고 비상발전부는 풍력 발전을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 풍력 발전원과, 태양광을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 태양광 발전원으로부터 발전된 전기 에너지를 충전하고 부하(70)에 공급하는 축전지(20)를 포함한다.
또한 부하전력 측정부(30)는 부하(70)에서의 전력 사용량을 측정한다. 즉, 여러 종류 및 다수의 부하(70) 접속에 따른 전력 사용에 의해 소비되는 총 전력량이 증가할 수 있으며, 이때의 전력 또는 전류 및 전압의 공급량을 측정하여 부하에서의 전력 사용량 측정이 가능하다.
여기서, 상기 부하(70)는 에너지 절감 개념하에서 임의적으로 분류한 것으로 운항부하(72), 하역부하(74), 공조부하(76)로 구분할 수 있다.
상기 운항부하(72)는 운항에 직접적인 영향이 있는 중부하로서 해수온도, 주기관 운전조건에 따라 운전부하(70) 조절을 통해 에너지 절감가능한 부하(70)이다. 예를 들면, 주냉각용 해수펌프, 청수펌프 등과 같은 냉각수 펌프에 해당한다.
그리고 상기 하역부하(74)는 선박 운항에 직접적인 영향이 없는 부하(70)로서 발전기 운전수량 조절에 의한 에너지 절감가능 부하이다. 예를 들어, 크레인, 윈드라스, 윈치 등에 해당한다.
또 상기 공조부하(76)는 선박 운항에 직접적인 영향이 없으며 선원의 거주환경을 위한 부하로서 선외(외기) 온도에 따라 부하를 조절하는 부하이며, 냉난방시스템, 급배기 통풍시스템, 조명시스템 등에 해당한다.
다음으로 환경 측정부(40)는 해수온도 혹은 외기온도와 같은 환경데이터를 측정하는 것으로, 외부의 센서를 통하여 온도 등을 제공받을 수 있다.
상기 제어부(50)는 상기 부하전력 측정부(30)에서 측정된 전력 사용량과 상기 환경 측정부(40)에서 측정된 환경데이터에 따라 상기 주발전부 또는 비상발전부의 전력생산량을 제어한다.
이때, 상기 제어부(50)의 제어목적은 상기 부하(70)를 운항조건, 해수온도, 외기온도에 따라 최적으로 통합 관리하여 장비운용에 대한 에너지 절감 및 상기 발전기(10) 운전에 따른 연료 소비를 줄여 실제적이고 능동적인 에너지 절감을 실현하는 것이다.
이를 위해, 상기 제어부(50)는 상기 복수개의 발전기(10)가 부하에 따라 단독 혹은 병렬(2대가 동시에 운전되는 것을 의미)운전되도록 한다. 즉, 상기 발전기(10)가 최적의 운전조건 및 최소의 연비를 가지도록 하는 것인데, 상기 발전기(10)의 출력 용량의 85% 이하일 때 가장 효율적이다.
따라서, 상기 제어부(50)는 기본적으로 2대 이상의 발전기(10)가 동시에 운전되는 상황을 최소화하도록 단독으로 운전되게 하고 용량이 85% 초과되면 다른 발전기(10)가 함께 병렬운전되도록 제어한다.
여기서, 85%라는 기준은 발전기 안전운전의 범위의 상한값 의미 및 유지보수에 가장 좋은 운전환경을 만드는 발전부하 상한값 개념을 포함하여 통상적으로 선택되는 것이다.
한편, 상기 제어부(50)는 상기 부하전력 측정부(30)와 환경 측정부(40)에서 입력된 데이터를 참고로 상기 각 부하의 운전 여부 및 운전 모드를 결정할 수 있다.
참고로, 상기 제어부(50)와 부하(70) 사이에는 배전부(60)가 더 구비되어 전력을 각 부하로 분배하고 상기 제어부(50)가 상기 배전부(60)를 제어한다.
이하 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시 예를 따른 선박의 에너지 관리방법에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예를 따른 선박의 에너지 관리방법의 순서를 나타내는 순서도이다.
먼저, (a)단계는 초기값 입력 단계로서, 본 발명에 따른 에너지 관리시스템이 관리할 제어대상 즉, 부하(70)의 종류를 입력하고, 발전기(10)의 발전 전력량을 입력한다.(S100)
그리고 (b)단계는 상기 부하전력 측정부(30)에서 측정된 각 부하(70)에서 사용중인 전력량과 상기 환경 측정부(40)에서 측정된 환경데이터(해수온도, 외기온도 등)를 입력한다. 여기에서 입력은 상기 제어부(50)에 전기적으로 입력되는 것을 의미하고 거의 실시간으로 제공된다고 할 것이다.(S200)
다음으로 (c)단계는 입력된 전력량과 환경데이터에 따라 상기 각 부하(70)의 운전 모드를 설정하는 단계인데, 운전 모드는 각 장비의 운전 여부를 포함해서 특정하게 운전되는 모드를 의미한다. 예를 들어, 운항 중인 선박이 외기온도가 30도 구역에서 20도 구역으로 운항 조건이 변하는 시점에는 자동적으로 에어컨 가동에서 팬(Fan)만 가동하여 환기 및 온도를 조절하는 모드로 변환할 수 있다.(S300)
상기 (c)단계까지 마치면, 상기 (d)단계에서 발전기 단독 운전 가능 여부를 판단한다. 즉, 상술한 여러 가지 조건과 상황에 맞추어 최적으로 시스템이 제어되고 있는 상태에서 발전기 출력이 85%를 초과하는지 판단한다.(S400)
도시된 바와 같이, 만일 85% 이하이면 상기 하역부하(74)와 공조부하(76)를 계속 운전하고 운항부하(72)도 운전하게 된다.(S410) 그러나 85%를 초과하면 상기 하역부하(74) 또는 공조부하(76)의 운전을 중지하거나 각 장비의 가동률을 낮출 수 있다.(S420)
다음으로 (e)단계는 상기 (d)단계에서 하역부하 혹은 공조부하(76)의 운전을 중지한 경우 발전기(10)의 출력이 85%를 초과하는지 다시 판단하는 단계이다.(S500)
이때, 85% 이하이면 운항부하(72)를 운전하고(S600), 85%를 초과하면 다른 발전기(10)를 함께 가동하여 병렬운전을 수행(S510)하고 상기 운항부하(72)를 운전한다.(S600)
이러한 상태를 (f)단계와 같이 상기 (b)단계로 피드백하여 각 부하의 사용전력량 및 환경데이터가 다시 입력되어 최적의 발전기 운전을 제어하게 된다.
바람직한 것은 상기 (e)와 (f)단계 사이에 풍력이나 태양광에 의한 재생에너지로부터 충전된 축전지(20)로부터 각 부하(70)에 전력이 공급되는 단계(S700)가 더 추가될 수 있다. 즉, 상기 발전기(10)의 운전이 2대 이상일 경우 상기 축전지(20)에서 비상전력이 공급되어 발전기의 운전을 안정화하고 발전기 연료소모량을 최소화함으로써 에너지 절감을 가져올 수 있다.
요컨대, 본 발명은 발전기 단독운전이 가능하도록 부하를 관리하여 병렬운전에 의한 연료소모를 방지하는 것을 1차적으로 수행하기 위하여 부하가 최적 운전 설정치(발전기 출력의 약 85%)를 넘지 않도록 하역부하와 공조부하를 관리하고, 2차적으로 운항부하를 통하여 사용 전력량을 절감하는 과정을 수행한다.
참고로 본 발명은 각 구성별로 모듈화를 통해 독립적, 연동적으로 제어될 수 있으며, 본 발명의 에너지 관리시스템이 선박의 제어시스템과 연동되어 통합적으로 관리되는 것이 바람직할 것이다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 하기의 특허청구범위에서 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 발전기 20 : 축전지
30 : 부하전력 측정부 40 : 환경 측정부
50 : 제어부 60 : 배전부
70 : 부하 72 : 운항부하
74 : 하역부하 76 : 공조부하

Claims (4)

  1. 복수개의 발전기를 포함하여 선박의 부하에 전력을 공급하는 주발전부;
    풍력을 이용한 풍력발전원 및 태양광을 이용한 태양광발전원으로부터 발전된 전기에너지를 충전하는 축전지를 포함하는 비상발전부;
    선박의 부하에서 전력 사용량을 측정하는 부하전력 측정부;
    해수온도와 외기온도를 포함하는 환경데이터를 측정하는 환경 측정부;
    상기 부하전력 측정부에서 측정된 전력 사용량과 상기 환경 측정부에서 측정된 환경데이터에 따라 상기 주발전부 또는 비상발전부의 전력생산량을 제어함으로써 상기 복수개의 발전기 중 어느 하나만이 운전되게 하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 에너지 관리시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 운전되는 어느 하나의 발전기의 발전량이 용량의 85%를 초과하면 다른 발전기가 함께 병렬로 운전되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박의 에너지 관리시스템.
  3. 복수개의 발전기와, 풍력을 이용한 풍력발전원 및 태양광을 이용한 태양광발전원으로부터 발전된 전기에너지를 충전하는 축전지가 구비되는 선박에서 운항부하, 하역부하, 공조부하에 공급되는 전력을 관리하는 선박의 에너지 관리방법에 있어서,
    (a) 관리할 부하의 종류 및 상기 발전기의 발전 전력량을 입력하는 단계;
    (b) 상기 각 부하에서 사용중인 전력량 및 해수온도와 대기온도를 포함하는 환경데이터를 입력하는 단계;
    (c) 입력된 상기 전력량과 환경데이터에 따라 상기 각 부하의 운전 모드를 설정하는 단계;
    (d) 설정된 운전 모드에 따라 운전되는 어느 하나의 발전기의 출력이 85% 이하이면 하역부하와 공조부하 및 운항부하를 운전하며, 85%를 초과하면 하역부하 또는 공조부하의 운전을 중지하는 단계;
    (e) 상기 (d)단계에서 하역부하 또는 공조부하의 운전을 중지하는 경우 운전중인 어느 하나의 발전기의 출력이 85% 이하이면 운항부하를 운전하고, 85%를 초과하면 다른 발전기를 함께 운전하여 운항부하를 운전하는 단계;
    (f) 상기 (b)단계로 피드백되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 에너지 관리방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 (e)와 (f)단계 사이에는 상기 축전지로부터 상기 각 부하에 비상전력이 공급되는 단계가 더 추가되는 것을 특징으로 하는 선박의 에너지 관리방법.
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