KR20140139143A

KR20140139143A - 잠수함의 ＡＩＰ(ＡｉｒＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎ) 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템

Info

Publication number: KR20140139143A
Application number: KR1020100043088A
Authority: KR
Inventors: 김양수; 서동식
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2014-12-05

Abstract

본 발명은 잠수함의 AIP(Air Independent Propulsion) 폐열을 이용한 발전 효율 향상 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 잠수함의 AIP의 반응열 즉, 폐열을 이용하여 잠수함용 열전소자 발전기에 통과시키고 열전소자에 의해 발생하는 추가 전력을 직류 전력변환기에서 전압상승과 함께 축전지에 충전시키는 잠수함의 AIP 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 화학반응에너지 또는 기계에너지를 전기에너지로 바꾸는 일종의 에너지 변환 장치로서 AIP(Air Independent Propulsion) 모듈; 액체산소를 저장하고 있는 탱크로서 상기 AIP모듈에 산소를 공급하는 액체산소 탱크; 상기 AIP 모듈에 수소 또는 연료를 공급하는 수소 실린더 또는 연료유; 연료, 액체산소, 냉각수를 공급하는 공급펌프; 액체 산소를 기체 상태로 변환하는 기화기; 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용하는 잠수함용 열전소자 발전기; 상기 AIP 모듈로부터의 직류 전압을 잠수함에서 사용하는 전압범위에 맞는 직류전압으로 변환하는 전력 변환기; 및 상기 전력 변환기로부터의 직류 전압을 충전하거나, 상기 전력 변환기로부터의 직류 전압에 의해 잠수함을 추진시키는 배터리 또는 추진 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

잠수함의 ＡＩＰ(ＡｉｒＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎ) 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템{System for Improving Power Generation Efficiency Using Waste Heat of Air Independent Propulsion of Submarine}

본 발명은 잠수함의 AIP(Air Independent Propulsion) 폐열을 이용한 발전 효율 향상 시스템에 관한 것으로, 특히, 잠수함의 AIP의 반응열 즉, 폐열을 이용하여 잠수함용 열전소자 발전기에 통과시키고 열전소자에 의해 발생하는 추가 전력을 직류 전력변환기에서 전압상승과 함께 추진기의 동력으로 사용하거나 또는 축전지에 충전 시키는 잠수함의 AIP 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템에 관한 것이다.

재래식 잠수함의 잠수시간을 늘리기 위해 공기 없이 전기를 만드는 AIP(Air Independent Propulsion) 시스템이 개발되어 있다. 잠수함의 AIP는 디젤 잠수함의 잠항능력을 향상시키기 위하여 개발된 장치로서 공기 흡입을 하지 않고 수중에서 잠수함의 동력인 전기를 생산하는 시스템을 말한다. 잠수함은 전기모터를 추진체로 사용한다. AIP는 수소와 산소의 화학반응으로 전기를 생산하는 연료 전지 방식과 액체 산소와 에탄올, 메탄올, 그리고 디젤유를 연소하는 방식으로 전기를 생산하는 스털링 엔진 방식 등이 있다.

연료전지를 이용해 전기를 생산하는 방식에서, 연료전지란 수소와 산소를 갖고 다니다가 필요시 결합시켜, 물을 만들고 동시에 전기를 생산하는 장치이다. 이렇게 생산된 전기를 배터리에 충전하면, 잠수함은 상당기간 디젤엔진을 돌리지 않아도 계속 잠항할 수 있다. 디젤엔진만 갖춘 잠수함은 3∼4일에 한 번씩 부상(浮上)해야 하나, AIP를 단 잠수함은 보름에 한 번만 부상해도 된다.

현재의 잠수함용 AIP는 디젤 연료, 에탄올, 수소를 공급하고, 여기에 산소와 반응시켜 전력을 생산하는 시스템으로 구성되어 있다. 이때 발생하는 반응열 즉, 폐열은 해수냉각 시스템을 이용하여 열교환시키고 함외로 배출하는 시스템으로 구성되어 있다. 따라서 종래에 있어서 연료 전지 방식의 AIP 시스템은 폐열을 그대로 함외로 배출하고 있으므로 에너지 재사용 측면에서 낭비되는 실정에 있다.

한편, 종래의 디젤차량의 연비향상을 위한 배기열 회수 기술에 있어서는 내연기관으로부터의 배기가스가 유동하는 배기 통로와, 배기가스를 촉매에 의해 정화하는 배기정화수단과, 배기가스의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전변환수단을 구비하며, 배기정화수단을 우회하여 배기가스가 유동하는 바이패스통로를 구비하며, 중앙부에 배기통로를 배치하며, 배기통로 내에 배기정화수단을 설치하며, 배기통로의 외측에 바이패스 통로를 배치하고, 바이패스 통로의 외측에 열전변환수단을 설치하여 배기가스를 촉매에 의해 정화함에 동시에 배기가스의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술 등 여러 가지 기술이 개발되어 있다.

그러나, 전술한 바와 같이, 잠수함에 있어서는 연료 전기의 AIP 시스템에 있어서 폐열을 그대로 함외로 배출하고 있어서 열 에너지가 재사용되지 못하고 그대로 버려지는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 배경하에서 안출된 것으로서, 잠수함의 AIP의 반응열 즉, 폐열을 이용하여 잠수함용 열전소자 발전기에 통과시키고 열전소자에 의해 발생하는 추가 전력을 직류 전력변환기에서 전압상승과 함께 추진기 동력으로 사용하거나 축전지에 충전시키는 잠수함의 AIP 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 잠수함의 AIP의 폐열을 이용한 발전 효율 향상 시스템은, 화학반응에너지 또는 기계에너지를 전기에너지로 바꾸는 일종의 에너지 변환 장치로서 AIP(Air Independent Propulsion) 모듈; 액체산소를 저장하고 있는 탱크로서 상기 AIP모듈에 산소를 공급하는 액체산소 탱크; 상기 AIP 모듈에 수소 또는 연료를 공급하는 수소 실린더 또는 연료유; 연료, 액체산소, 냉각수를 공급하는 공급펌프; 액체 산소를 기체 상태로 변환하는 기화기; 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용하는 잠수함용 열전소자 발전기; 상기 AIP 모듈로부터의 직류 전압을 잠수함에서 사용하는 전압범위에 맞는 직류전압으로 변환하는 전력 변환기; 및 상기 전력 변환기로부터의 직류 전압을 충전하거나, 상기 전력 변환기로부터의 직류 전압에 의해 잠수함을 추진시키는 배터리 또는 추진 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, AIP 시스템의 폐열을 이용하여 추가 발전을 일으킨다. 또한 열전소자 발전기의 전력 생산을 극대화하기 위해 저온의 열원은 액체산소를 이용하고, 잠수함용 열전 소자 발전기는 소음이 거의 없어 사일런트 주행(silent run)이 가능하고, 액체산소 기화기의 열교환 매체는 별도로 구성할 필요가 없으며, 고온 반응열 및 배기열을 열교환하는 열교환기 및 해수 펌프, 배관 등이 간소화될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 잠수함의 AIP의 폐열을 이용한 발전 효율 향상 시스템의 블록도를 나타낸다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 잠수함의 AIP의 폐열을 이용한 발전 효율 향상 시스템을 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 시스템은 액체산소(Liquid Oxygen) 탱크(1), 수소 실린더(2) 또는 연료유, 공급 펌프(3), 기화기(4), 잠수함용 열전소자 발전기(5), AIP 모듈(6), AIP 모듈 배출라인(7), 전력변환기(8), 배터리 또는 추진모터(9), 전력 배선 라인(10), 열전소자 발전기 배출라인(11), 액체산소가스 냉각수 라인(12), 및 액체산소가스 배관 라인(13)으로 구성된다.

그러면 상기와 같이 구성된 본 발명의 시스템의 각 부분의 기능에 대해서 설명한다. 액체산소 탱크(1)는 액체산소를 저장하고 있는 탱크로서 AIP 모듈에 산소를 공급한다. 수소 실린더 또는 연료유(2)는 AIP 모듈(6)에 수소 또는 연료를 공급하는데, 연료유로서는 에탄올, 디젤유, 또는 메탄올을 사용한다. 공급 펌프(3)는 연료, 액체산소, 냉각수를 공급한다. 기화기(4)는 연료 또는 수소와 반응시키기 위해 액체 산소를 기체 상태로 변환한다. 또한 잠수함용 열전소자 발전기(5)는 상기 AIP 모듈(6)에서 주 전력발전기(6') 이외에 추가의 전력을 생산하는 즉, 한쪽 면은 cool 다른 한쪽 면은 hot 작용을 하는 반도체 소자인 열전소자 발전기이다. 본 발명에서는 이 열전소자는 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용한다. AIP 모듈(6)은 스털링 엔진, CCD(Closed Cycle Diesel) 엔진, MESMA(Closed Cycle Steam Turbine) 엔진(원통형 부분)과 주 전력발전기(6')로 구성되어 있고, 이외의 AIP 모듈은 연료전지(도시 않음)로 구성되어 있다. AIP 모듈 배출 라인(7)은 AIP 모듈에서 발생한 고온의 배관 라인으로서, 상기 잠수함용 열전 소자 발전기(5)에 폐열을 공급한다. 직류 전력 변환기(8)는 상기 AIP 모듈의 주 전력발전기(6')로부터의 직류 전압을 잠수함에서 사용하는 전압범위에 맞는 직류전압으로 변환시키고 또한 열전소자 발전기(5)에서 발전향상을 위해 발생하는 추가 전력을 직류전압을 변환시킨다. 배터리 또는 추진 모터(9)는 상기 전력 변환기(8)로부터의 직류 전압을 배터리에 충전하거나, 상기 전력 변환기(8)로부터의 직류 전압에 의해 잠수함을 추진시킨다. 전력 배선 라인(10)은 상기 잠수함용 열전소자 발전기(5)와 AIP의 주 전력발전기(6')의 배선 라인이다. 열전소자 발전기 배출라인(11)은 열전소자에서 열교환된 후 배출하는 배관라인으로서, 가스 CO₂를 필터링하여 해수에 녹여서 도시 하지 않은 처리 시스템을 통해 함외로 배출하고, 또한 연료전지와 같은 AIP의 반응물을 함내 탱크에 보관하던가 함외로 배출하게 된다. 또한, 액체산소 가스 냉각수 라인(12)은 액체산소를 열교환하는 냉각수 배관라인이다. 액체산소가스 배관라인(13)은 액체산소를 열교환하고 기체상태로 공급하는 배관라인으로서 AIP 모듈(6)에 산소를 공급한다.

이하 도면을 참조로 하여 본 발명의 시스템의 동작에 대하여 설명한다.

통상 AIP의 연료전지 시스템(도시 않음)은 수소와 산소를 반응시키면 반응열이 발생한다. 그리고 기타 스털링 엔진, MESMA 등의 AIP 시스템은 연료유와 산소를 반응시키면 고온의 배기가스를 발생한다. 스털링 엔진(stirling engine)은 1816년 R. 스털링이 개발한 기관으로서, 열에너지를 기계에너지나 전기에너지로 바꾸는 일종의 에너지 변환 장치이다. MESMA(Module Energie Sous Marin Autonome)시스템은 첫 번째 단계에서 에탄올과 산소를 혼합하여 연소시켜 열 에너지를 발생시키고 이것은 열 교환기(증기발생기)를 거쳐 증기로 바뀌어 진 후, 고온고압의 증기는 고속으로 증기터빈을 구동하여 전기를 발생시킨 후, 전기의 힘으로 추진모터를 돌려 잠수함의 스크류우 구동축을 회전시키며 이로써 추진력을 얻는 시스템이다. 증기발생기는 -183℃로 저장된 액화산소를 극 저온의 기체상태로 펌프로 이송한다.

액체산소 탱크(1)로부터 액체산소가 액체산소 배관라인(13)을 통해서 AIP 모듈(6)로 기체상태로 산소가 공급된다. 또한 수소실린더 또는 연료유(2)로부터 펌프(3)를 통해서 수소 또는 연료유 즉, 에탄올, 메탄올, 또는 디젤이 AIP 모듈(6)에 공급된다. 그러면 AIP 모듈(6)은 연료유와 산소를 반응시켜서 고온의 배기가스를 발생시킨다. 그리고 도시되지 않은 AIP 연료전지 시스템으로부터 발생하는 반응열을 이용할 수 있다.

그러면 AIP 모듈(6)로부터 고온의 배기가스 즉, 반응열이 AIP 모듈 배출라인(7)을 통해 고온의 열원으로서 열전소자 발전기(5)로 공급되고, 또한, 상기 액체산소 탱크(1)로부터 펌프(3)와 기화기(4)를 통해 -183℃의 액체산소가 열전소자 발전기(5)로 공급된다. 즉, 저온의 열원으로서 액체산소탱크(1)로부터 기화기(4)를 통해 열교환시킨 냉각수가 액체산소가스 냉각수 라인(12)을 통해 열전소자 발전기(5)로 공급된다. 열전소자 발전기(5)는 잠수함의 충격, 소음, 진동 요건을 만족하기 위해 선체와의 조립에는 도시 하지는 않았지만 충격흡수기를 적용한다. 그러면 열전소자 발전기(5)는 상기 고온의 반응열과 저온의 냉각수의 온도차에 의해 기전력이 발생함으로써 직류 전원이 발생하여 전력 배선라인(10)을 통해 전력변환기(8)로 공급된다. 상기 전력변환라인(8)을 통해 잠수함에서 사용하는 전압범위에 맞게 전력변환되어 배터리(9)에 충전되거나 추진모터(9)를 구동시킨다.

이렇게 하여 잠수함의 AIP의 폐열을 이용하여 발전효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 열전소자 발전기의 전력 생산을 극대화하기 위해 저온의 열원은 액체산소를 이용하고, 잠수함용 열전 소자 발전기는 소음이 거의 없어 사일런트 주행(silent run)이 가능하고, 액체산소 기화기의 열교환 매체는 별도로 구성할 필요가 없으며, 고온 반응열 및 배기열을 열교환하는 열교환기 및 해수 펌프, 배관 등이 간소화될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

지금까지 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조로 하여 기술하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 이하의 부속 청구범위의 사상 및 영역을 일탈하지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 여러 가지로 수정 및 변형실시될 수 있으며, 이와 같은 수정 및 변형은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 액체산소 탱크 2: 수소실린더 또는 연료유
3: 공급 펌프 4: 기화기
5: 잠수함용 열전소자 발전기 6: AIP 모듈
6': 주 전력발전기 7: AIP 모듈 배출라인
8: 전력변환기 9: 배터리 또는 추진모터
10: 전력 배선라인 11: 열전소자 발전기 배출라인
12: 액체산소가스 냉각수 라인 13: 액체산소가스 배관라인

Claims

화학반응에너지 또는 기계에너지를 전기에너지로 바꾸는 일종의 에너지 변환 장치로서 AIP(Air Independent Propulsion) 모듈;
액체산소를 저장하고 있는 탱크로서 상기 AIP모듈에 산소를 공급하는 액체산소 탱크;
상기 AIP 모듈에 수소 또는 연료를 공급하는 수소 실린더 또는 연료유;
연료, 액체산소, 냉각수를 공급하는 공급펌프;
액체 산소를 기체 상태로 변환하는 기화기;
온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용하는 잠수함용 열전소자 발전기;
상기 AIP 모듈로부터의 직류 전압을 잠수함에서 사용하는 전압범위에 맞는 직류전압으로 변환하는 전력 변환기; 및
상기 전력 변환기로부터의 직류 전압을 충전하거나, 상기 전력 변환기로부터의 직류 전압에 의해 잠수함을 추진시키는 배터리 또는 추진 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수함의 AIP 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템.
제1항에 있어서,
상기 연료유로서는 에탄올, 디젤유, 메탄올 또는 수소를 사용하는 것을 특징으로 하는 잠수함의 AIP 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템.
제1항에 있어서,
상기 열전소자 발전기는 잠수함의 충격, 소음, 진동 요건을 만족하기 위해 선체와의 조립에 충격흡수기를 적용하는 것을 특징으로 하는 잠수함의 AIP 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템.
제1항에 있어서,
AIP 모듈로부터 반응열이 열전소자 발전기의 고온의 열원으로서 사용되고, 액체산소탱크로부터 냉각수가 열전소자 발전기의 저온의 열원으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 잠수함의 AIP 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템.
제1항에 있어서,
상기 AIP 모듈은 스털링 엔진, CCD(Closed Cycle Diesel) 엔진, MESMA(Closed Cycle Steam Turbine) 엔진, 주 전력발전기 및 연료전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수함의 AIP 폐열을 이용한 발전효율 향상 시스템.