KR20180104622A - 선박 에너지 관리 시스템 - Google Patents

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Abstract

선박의 추진 시스템으로의, 그리고 이 추진 시스템으로부터의 전력 공급을 제어하기 위한 선박 에너지 관리 시스템이 개시되며, 이 에너지 관리 시스템(4)은, 선박의 원동기(1)로부터 전력을 수신하도록 적응된 모터/발전기 유닛(5); 주파수 변환기(6); 에너지 스토리지 유닛(7) 및 제어기 ―에너지 스토리지 유닛(7)은 하나 또는 그 초과의 커패시터들, 슈퍼 커패시터들 또는 울트라 커패시터들(68)을 포함하고, 에너지 관리 시스템(4)의 제어기는 추진 시스템의 순시 전력 요건 및 원동기(1)에 의해 생성되는 평균 전력을 결정함―; 및 순시 요구 전력과 평균 전력을 비교하기 위한 비교기를 포함하며, 순시 요구 전력이 평균 전력을 초과하면, 모터/발전기 유닛(5)은 에너지 스토리지 유닛으로부터 에너지를 수신하고, 순시 요구 전력이 평균 전력 미만이면, 모터/발전기 유닛은 원동기로부터의 전력을 에너지 스토리지 유닛에 공급한다.

Description

선박 에너지 관리 시스템
본 발명은, 특히 해양 또는 원양 항해용 선박을 위한 선박 에너지(energy) 관리 시스템(system) 및 방법에 관한 것이다.
모든 유형들의 선박들은 경쟁력이 있기 위하여 가능한 많이 운항비(operating cost)들을 감소시키려고 노력한다. 메인 엔진(main engine)이 충분한 그리고 실질적으로 일정한 전력 수요를 갖는다면, 이 메인 엔진은 가장 효율적으로 동작하지만, 고요 조건(calm condition)들이 아니라면, 이는 달성하기가 어렵다. 높아지는 해상 상태들에서, 선박을 이동시키기 위해 요구되는 에너지는, 종종, 사인 파(sine wave)와 유사한 주기적인 방식으로, 파도들 또는 놀(swell)의 최고점(peak)들과 최저점(trough)들 사이에서 변한다. 선박은 최대 예상 전력 요건에 대처하기 위한 충분한 전력을 가질 필요가 있지만, 주기의 다른 부분들에서, 그 전력은 사용되지 않는다.
본 발명의 제1 양상에 따라, 선박의 추진 시스템으로의, 그리고 이 추진 시스템으로부터의 전력 공급을 제어하기 위한 선박 에너지 관리 시스템은, 선박의 원동기로부터 전력을 수신하도록 적응된 모터/발전기 유닛(motor/generator unit); 주파수 변환기; 에너지 스토리지(storage) 유닛 및 제어기 ―에너지 스토리지 유닛은 하나 또는 그 초과의 커패시터(capacitor)들, 슈퍼(super) 커패시터들 또는 울트라(ultra) 커패시터들, 화학 에너지 스토리지, 이를테면, 배터리(battery)들, 또는 플라이휠(flywheel) 에너지 스토리지를 포함하고, 에너지 관리 시스템의 제어기는 추진 시스템의 순시 전력 요건 및 원동기에 의해 생성되는 평균 전력을 결정함―; 및 순시 요구 전력과 평균 전력을 비교하기 위한 비교기를 포함하며, 순시 요구 전력이 평균 전력을 초과하면, 모터/발전기 유닛은 에너지 스토리지 유닛으로부터 에너지를 수신하고, 순시 요구 전력이 평균 전력 미만이면, 모터/발전기 유닛은 원동기로부터의 전력을 에너지 스토리지 유닛에 공급한다.
수요의 최고점들 및 최저점들에 대한 평활화는 메인 엔진으로 하여금 더욱 효율적으로 동작될 수 있게 하며, 마모 및 마손을 감소시킨다.
바람직하게는, 시스템은 선박의 메인 스위치보드(switchboard)로부터의 입력을 더 포함하며, 이로써, 요구 전력이 평균 전력을 초과하면, 모터/발전기 유닛은, 원동기 또는 에너지 스토리지 유닛으로부터의 에너지 외에도, 보조 발전기로부터의 에너지를 메인 스위치보드를 통해 수신한다.
필요하다면, 보조 발전기들로부터 추가 에너지가 공급될 수 있다.
바람직하게는, 시스템은 선박의 메인 스위치보드로의 입력을 더 포함하며, 이로써, 추진 시스템의 전력 요건이 평균 전력 미만이면, 메인 스위치보드는 원동기 또는 에너지 스토리지 유닛으로부터의 에너지를 에너지 관리 시스템을 통해 수신한다.
원동기 또는 에너지 스토리지 유닛으로부터의 과잉 에너지가 있으면, 이 과잉 에너지는 메인 스위치보드에 공급될 수 있다.
바람직하게는, 에너지 스토리지 유닛은 커패시터들, 슈퍼 커패시터들 또는 울트라 커패시터들, 화학 에너지 스토리지, 이를테면, 배터리들, 또는 플라이휠 에너지 스토리지의 충전 및 방전의 레이트(rate)를 제어하기 위한 초퍼(chopper)를 더 포함한다.
바람직하게는, 시스템은, 원동기가 메인 스위치보드에만 전력을 공급하고 있으면, 프로펠러(propeller)를 연결해제하기 위한, 축 상의 클러치(clutch)를 더 포함한다.
본 발명의 제2 양상에 따라, 선박의 추진 시스템으로의, 그리고 이 추진 시스템으로부터의 전력 공급을 제어하기 위한 선박 에너지 관리 방법은, 선박의 원동기로부터의 전력을 모터/발전기 유닛에서 수신하는 단계; 선박의 추진 시스템의 전력 요건을 결정하는 단계; 원동기에 의해 생성되는 평균 전력을 결정하는 단계; 순시 요구 전력과 평균 전력을 비교하는 단계; 요구 전력이 평균 전력을 초과하면, 모터/발전기 유닛으로 하여금, 에너지 스토리지 유닛의 커패시터들, 슈퍼 커패시터들, 또는 울트라 커패시터들, 화학 에너지 스토리지, 이를테면, 배터리들, 또는 플라이휠 에너지 스토리지로부터 에너지를 수신하게 하는 단계; 요구 전력이 평균 전력 미만이면, 모터/발전기 유닛으로 하여금, 원동기로부터의 전력을 에너지 스토리지 유닛의 커패시터들, 슈퍼 커패시터들, 또는 울트라 커패시터들, 화학 에너지 스토리지, 이를테면, 배터리들, 또는 플라이휠 에너지 스토리지에 공급하게 하는 단계; 및 변하는 해상 조건들에서, 평균 전력 및 요구되는 순시 전력을 모니터링(monitoring)하고, 그에 따라서 적응시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 방법은, 요구 전력이 평균 전력을 초과하면, 보조 발전기로부터의 전력을 선박의 메인 스위치보드를 통해 모터/발전기 유닛에서 수신하는 단계를 더 포함한다.
원동기 또는 에너지 스토리지 유닛으로부터 이용가능한 것보다 더 많은 에너지가 추진 시스템에 의해 요구되면, 에너지 관리 시스템은 메인 스위치보드에 연결된 보조 발전기들로부터의 전력을 피딩할(feed) 수 있다.
바람직하게는, 방법은, 요구 전력이 평균 전력 미만이면, 원동기로부터의 전력을 선박의 메인 스위치보드에 입력하는 단계를 더 포함한다.
추진 시스템의 에너지 요건이 원동기로부터 이용가능한 전력 미만이면, 에너지 관리 시스템은 원동기 또는 에너지 스토리지 유닛 중 하나 또는 둘 모두로부터의 전력을 메인 스위치보드에 피딩할 수 있으며, 따라서 스위치보드는 자신의 컨슈머(consumer)들에 전력을 공급할 수 있다.
바람직하게는, 방법은, 추진 시스템의 프로펠러를 연결해제하는 단계, 및 원동기로부터의 모든 전력을 선박의 메인 스위치보드에 공급하는 단계를 더 포함한다.
이제, 본 발명에 따른 선박 에너지 관리 시스템의 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 이 도면들에서:
도 1은 본 발명에 따른 에너지 관리 시스템을 갖는 해양 선박을 위한 메인 발전(power generation) 및 소비 엘리먼트(element)들을 예시하는 블록 다이어그램(block diagram)이고;
도 2는 종래의 선박에 대한, 그리고 본 발명에 따른 에너지 관리 시스템을 갖는 선박에 대한, 시간에 따른 전력 수요의 변화 그래프(graph)이고;
도 3은 일축선(single screw vessel)의 경우, 본 발명에 따른 에너지 관리 시스템의 제1 실시예에 대한 단선(single line) 다이어그램이고;
도 4는 이축선(twin screw vessel)의 경우, 도 3의 실시예를 도시하고;
도 5는 본 발명에 따른 에너지 관리 시스템의 제2 실시예에 대한 단선 다이어그램이고;
도 6은 이축선의 경우, 도 5의 실시예를 도시하고;
도 7은 도 3 내지 도 6의 실시예들에서의 에너지 스토리지 시스템의 추가 세부사항을 예시하며, 그리고
도 8은 선박 상에서 전력을 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법을 예시하는 흐름 다이어그램이다.
부두에 대여질 때 해안 공급부에 연결되는 경우 에너지를 저장하기 위한 온보드(onboard) 배터리들을 갖는 전기 페리(ferry)들이 알려져 있으며, 따라서 페리는 동작 중에, 깨끗하고 조용한 에너지 소스(source)를 갖는다. 통상적으로, 예상 전력 요건을 초과한다면 백-업(back-up)으로서, 또는 해안 공급부가 부적당할 때 배터리들을 충전하는 것을 보조하기 위해, 온보드 발전기가 또한 제공된다. 배터리는 여정 동안 합리적으로 일정한 레이트로 방전되며, 그 다음, 페리가 부두에 댈 때 다시 충전된다. 그러나, 1 분 미만의 공간에서 수 메가와트(megawatt)만큼 변할 수 있는 파동 주기 전력 수요에 반응하는 원양 항해용 선박들의 경우, 배터리들을 사용하여 이 수요를 평활화하는 것은 현실적이지 않은데, 그 이유는 배터리들이 이러한 애플리케이션(application)에서 요구되는 것과 유사한 양만큼 다량의 충전 및 방전을 수신하는 것에 대해 그 후에 바로 제대로 반응하지 않기 때문이다.
도 1은 본 발명에 따른 전력 제어 시스템을 갖는 해양 선박을 위한 메인 발전 및 소비 엘리먼트들을 예시하는 블록 다이어그램이다. 메인 엔진(1)은 프로펠러(3)에 연결된 축(2)을 돌린다. 축(2), 모터/발전기 유닛(5), 요건에 따라 모터 또는 발전기로서의 역할을 할 수 있는 단일 유닛, 주파수 변환기(6) 및 에너지 스토리지 유닛(7)을 포함하는 에너지 관리 시스템(4)은 선박의 메인 스위치기어(switchgear)(8)에 대한 연결(13)을 통해 컨슈머들로의 전력의 공급 및 프로펠러(3)로의 전력의 공급을 제어할 뿐만 아니라 전력 스토리지를 제어한다. 에너지 관리 시스템은 제어기 및 비교기(미도시)를 포함한다. 메인 스위치기어(8)는, 선박 서비스(service) 전력(10) 및 보조 엔진들(12a, 12b, 12c)에 각각 연결되는 발전기들(11a, 11b, 11c)에 대한 전력 관리 시스템(9)을 제공한다. 결합된 모터/발전기 유닛(5)은 축(2)에 장착되거나, 또는 전동장치를 통해 연결되거나, 또는 직접적으로 연결될 수 있으며, 따라서 에너지가 추진 시스템에 제공되거나 또는 이 추진 시스템으로부터 취해질 수 있다. 모터/발전기 유닛(5)을 통해 테이크 오프된(taken off) AC 전압은 주파수 변환기(6)에 피딩된다(fed). 주파수 변환기(6)는 인버터(inverter), 초퍼 및 활성 프런트 엔드(front end)를 포함한다. 인버터 및 활성 프런트 엔드는 AC를 DC로 변환할 수 있으며, 그 반대로도 가능하다. 초퍼는 에너지 스토리지 유닛의 커패시터들, 배터리들, 또는 플라이휠 에너지 스토리지에 에너지가 왔다갔다(back and forth) 피딩되는 것을 제어한다. 모터/발전기 유닛(5)으로부터의 입력 주파수는 통상적으로, 대략 9 Hz AC 정도를 가지며, 바람직한 온보드 주파수, 통상적으로 50 또는 60 Hz AC로 변환되고, 그 다음, 컨슈머들(10)에 피딩하기(feed) 위한 정확한 전압 레벨(level)로 변압기(transformer)(미도시)에 의해 변압되거나, 또는 에너지 스토리지 유닛(7)에 공급된다.
본 발명에서는, 메인 엔진(1)과 에너지 스토리지 유닛(7) 사이에서 전력을 순환시킴으로써, 선박들 상에서의 연료 소비가 감소될 수 있다. 에너지 스토리지 유닛은 커패시터들, 또는 더욱 바람직하게는, 슈퍼커패시터(supercapacitor)들 또는 울트라커패시터(ultracapacitor)들을 포함하거나, 또는 화학 에너지 스토리지, 이를테면, 배터리들, 또는 플라이휠 에너지 스토리지를 포함할 수 있다. 에너지 스토리지 유닛은 최대 20 MW의 용량을 가질 수 있지만, 10 MW 미만의 용량을 가질 수 있으며, 더욱 통상적으로, 필요한 부스트(boost) 또는 에너지 스토리지를 제공하기 위해서는 6.6 MW는 충분할 수 있다. 커패시터들의 사용은, 화학 반응 ―이 화학 반응은 종래의 배터리 스토리지에 대한 경우일 것임― 없이, 과잉 에너지가 저장되어서, 그에 따라, 선박이 물을 통해 이동할 때 전력 수요의 변동에 대처하기 위한 더 신속한 충전 및 방전이 허용된다는 것을 의미한다. 배터리들의 사용은 상당한 비용 감소를 허용한다. 플라이휠들은 우수한 수명 및 비교적 낮은 유지보수 요건을 갖는다.
도 2는 시간에 따른, 전력 수요에 대한 선박의 표준 동작(25)의 영향을 예시하며, 이것을 본 발명에 따른 방법을 사용하여 달성되는, 평활화된 수요(23)와 비교한다. 시간에 대한 전력의 그래프는, 선박이 물의 하나의 파장에 걸쳐 이동하는 하나의 파동 기간(22) 동안, 주기 내에, 이 파동 기간 미만인 시간 기간 ―이 시간 기간에 걸쳐, 메인 엔진으로부터 요구되는 전력 흐름은 생산되고 있는 것 미만임― 이 있으며, 그리고 메인 엔진으로부터 요구되는 전력 흐름이 생산되는 것을 초과하는, 또한 이 파동 기간 미만인 다른 시간 기간이 있다는 것을 표시한다. 그래프는, 에너지 관리를 이용하는 경우(23)보다, 에너지 관리가 없는 경우(25)에, 메인 엔진으로부터 요구되는 전력의 최고점들의 높이 및 최저점들의 깊이가 더 크다는 것을 도시한다.
시스템에서의 손실들에 기인하여, 주기에 걸쳐 요구되는 실제 평균 전력(21a)은 통상적으로, 수요가 네거티브(negative)로부터 포지티브(positive)로 그리고 그 반대로 변화하는 레벨에 의해 표시되는 평균 전력(21b)보다 몇 퍼센트(percent) 더 많다. 제대로 최적화된 시스템에서, 이들 손실들은 1%보다 약간 미만으로 감소될 수 있지만, 소량의 손실은 항상 있을 것이다. 본 발명의 방법을 적용함으로써, 메인 엔진으로부터 요구되는 전력의 최저점들의 깊이가 감소될 수 있으며, 메인 엔진으로부터 요구되는 전력의 최고점들의 높이가 감소될 수 있다. 표준 동작 그래프(25)와, 본 발명을 사용하여 평활화된 수요 그래프(23) 사이의 영역은, 추후 사용을 위해 저장될 수 있는 전력(20a, 20c)이거나, 또는 메인 엔진으로부터의 실제 전력을 증강시키기 위해 스토리지로부터 다시 취해질 수 있는 전력(20b)이다. 그래프의 하부 섹션(section)에서 예시된 바와 같이, 낮은 수요의 기간들에서 메인 엔진으로부터 취해진 추가 전력(22a, 22b)은 에너지 스토리지 유닛(7)에 저장된다. 메인 엔진(1)으로부터의 공급보다 더 높은 수요의 기간들 동안, 에너지 스토리지 유닛(7)은, 영역(24)에 의해 표시된 바와 같이, 프로펠러(3)에 전력을 공급하기 위해 에너지를 모터/발전기 유닛(5)에 넘겨준다.
에너지 관리 시스템은, 축에서 전력을 테이크 오프(take off)할 때와 축에 전력을 제공할 때를 추정하기 위한 파동 추정기를 포함한다. 이 프로세스(process)는 통상적으로, 축으로부터 또는 보조 엔진들(12a, 12b, 12c)로부터 메인 스위치보드(8)에 공급되는 에너지와, 그리고 선박 서비스 전력(10) 요건에 대해 조정된다. 파동 기간 및 파동 높이를 추정하는 하나의 방법은 칼만 필터(Kalman filter)를 사용하는 것이며, 그 다음, 이 칼만 필터는 축으로부터의 전력 테이크 오프(take off) 또는 축에 대한 전력 테이크 온(take on)의 타이밍(timing)을 제어하기 위한 입력을 에너지 관리 시스템에 제공한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 다수의 실시예들을 예시한다. 도 3에서, 새롭게 건설되는 일축선 상에서의 설치를 위한 에너지 관리 시스템의 예가 예시된다. 이 예에서 26 MW의 최대 정격(rating)을 갖는 원동기 또는 메인 엔진(1)이 축(2)에 연결될 수 있다. 메인 엔진은 30 MW만큼 생산할 수 있을 수 있지만, 20 MW 초중반이 일축선에 대해 통상적이다. 이 예에서 5 MW의 정격을 갖는 모터/발전기 유닛(5)이 축(2)에 연결될 수 있다. 더 낮은 전력의 메인 엔진의 경우, 모터/발전기 유닛 정격은 적절하게 감소될 수 있다. 예시된 바와 같이, 모터/발전기 유닛(5)을 축(2) 상에 장착함으로써, 또는 모터/발전기 유닛(30)을 메인 엔진(1)에 직접적으로 연결함으로써, 연결이 이루어질 수 있다. 다른 옵션(option)은 기어박스(gearbox)(70)를 통해 모터/발전기 유닛(30)을 연결하는 것이다. 기어박스를 사용하는 것은 모터/발전기 유닛(30)으로 하여금, 통상적으로 상당히 느리게, 예컨대 단지 80 rpm으로 도는 축 속력보다 훨씬 더 높은 레이트로 작동할 수 있게 한다. 구체적으로 도시되지 않지만, 각각의 경우, 모터/발전기 유닛(5, 30)은 주파수 변환기(6)에 연결된다. 축 장착 모터/발전기에 대한 예들이 제공되지만, 요구되는 경우, 대안들로 치환될 수 있으며, 본 설명은 옵션들 중 임의의 옵션을 커버하는(covering) 것으로서 읽혀야 한다. 프로펠러(3)가 축에 의해 구동된다. 선택적으로, 이는 클러치(31)를 통해 이루어질 수 있다. 클러치의 위치는, 메인 엔진이 계속해서 전력을 생산하고 있는 동안 프로펠러로 하여금 해제(disengage)될 수 있게 하며, 이 전력은 컨슈머들(10)로, 또는 에너지 스토리지 유닛(7)을 충전시키기 위해 우회된다.
5.5 MW만큼 크게, 더욱 통상적으로는 2.5 MW, 그리고 이 예에서 5 MW일 수 있는, 모터/발전기 유닛(5)의 최대 정격까지의 전력이 모터/발전기 유닛(5)을 통해 축으로부터 취해지거나 또는 축에 제공될 수 있다. 축으로의 에너지의 과잉공급의 경우, 모터/발전기 유닛(5)으로부터의 에너지, 즉, 주파수 변환기(6)로의 AC 입력은 메인 스위치보드(8)에 대한 적절한 주파수로 변환기(6)에서 주파수 변환된다. DC로의 정류의 초기 단계는 입력을, 에너지 스토리지 유닛(7)에 전력을 공급하기 위한 적절한 형태로 두거나, 그렇지 않으면, 적절한 주파수의 AC로 다시 변환한 후에 변압기(32)는 출력을, 메인 스위치보드(8)에 대한 적절한 전압으로 변압한다. 메인 엔진(1)으로부터의 에너지의 과소공급의 경우, 에너지 스토리지 시스템(7)은 자신의 저장 에너지를 변환기의 DC 버스(bus)에 넘겨주며, 이 변환기는 AC로 다시 변환하며, 축에 전력을 공급할 때 메인 엔진을 증강시킨다. 변환기 시스템은 선박의 축 터널(tunnel) 영역 내에 설치될 수 있다. 모터/발전기 유닛(5, 30)은 추진 축(2) 상에 축 장착되거나, 전동장치에 의해 연결되거나, 또는 원동기 축(81) 상에 직접적으로 장착될 수 있다.
부두에 대여질 때, 에너지 스토리지 시스템은, 예컨대 메인 엔진 시동, 보조 소비에 피딩(feeding)하는 것, 또는 초기 기동(manoeuvring) 동안의 백-업을 위한 에너지를 제공하기 위해, 해안 연결(33)로부터 충전될 수 있다. 메인 스위치보드에 연결된, 보조 모터들(12a, 12b) 및 대응하는 발전기들(11a, 11b)이 또한, 소정의 동작 모드(mode)들에서 변압기(32) 및 주파수 변환기(6)를 통해 모터/발전기 유닛(5)에 전력을 제공할 수 있다. 보조 모터들은 듀얼(dual) 연료 모터들일 수 있는데, 즉, 해양 연료유, 또는 바이오(bio) 연료, 또는 액화 천연 가스(gas)로 동작할 수 있다.
다양한 스위치보드들과 변압기(32) 사이의 상호연결들, 또는 저전압 스위치보드들의 경우, 변압기를 통해서가 아니라, 그 다음에 직접적으로 연결되는 주파수 변환기(6)에 따른 전압으로 동작하는 것은, 다양한 컨슈머들이 자신들의 스위치보드들로부터 전력을 공급받을 수 있게 하거나, 또는 비상 모터 및 발전기(34)가 비상 스위치보드(35)에, 또는 메인 스위치보드들(36, 37) 또는 부수적인 스위치보드들 중 임의의 스위치보드에 연결될 수 있게 한다. 부수적인 스위치보드들은 상이한 전압들로 동작하며, 그에 따라서, 승압 또는 강압 변압하기 위한 변압기들을 통해 다른 스위치보드들에 연결된다. 화물 스위치보드들(38, 39)이 메인 스위치보드와 동일한 전압으로, 이 예에서 6.6 kV로 있는 반면에, 보조 스위치보드들(40, 41, 42, 43) 및 비상 스위치보드(35)는 전압이 10 배수 정도 낮으며, 이 예에서 690 V 내지 440 V이다. 이 예에서, 추가적인 보조 스위치보드들(44, 45) 및 비상 스위치보드(46)는 230 V로 동작한다. 각각의 스위치보드는, 결함들로부터 보호하기 위해, 자신의 이웃으로부터 차단기에 의해 분리된다. 모터/발전기 유닛(5) 및 에너지 스토리지 시스템(7)으로부터의 연결은 이 예에서 스타보드(starboard) 메인 스위치보드로 있으며, 이 스타보드 메인 스위치보드로부터 추가로 분산된다. 상이한 유형들의 스위치보드 각각에 대한 특정 전압은 제공된 예들로 제한되는 것이 아니라, 사용자의 요건에 적응될 수 있다.
도 4의 예에서, 또한 새롭게 건설되는 선박의 경우, 도 3에서와 동일한 참조 번호들이 사용되며, 여기서, 구성요소들 및 이 구성요소들의 기능은 동일하며, 이들은 추가로 설명되지 않을 것이다. 도 4의 예는, 도 4의 예가 이축선에 대한 것이라는 점에서, 도 3의 실시예와 상이하다. 메인 엔진 및 축, 그리고 선박 서비스 전력 또는 보조 컨슈머들 사이의 모든 전력 전달이 하나의 메인 스위치보드(도 3의 예에서, 스타보드 메인 스위치보드)를 통해 이루어지는 대신에, 각각의 스크루(screw)는 자신만의 축(2a, 2b) 상에 자신만의 원동기, 메인 엔진(1a, 1b) 및 모터/발전기 유닛(5a, 5b)을 갖는다. 통상적으로, 이축선은 일축선의 단일 엔진과 유사한 양의 전력을 생산하는 2 개의 더 작은 엔진들을 갖는다. 이 예에서, 엔진들(1a, 1b)은 각각 13 MW의 전력을 생산한다. 이는, 더 작은 모터/발전기 유닛(5a, 5b)이 각각의 축에 연결될 수 있다는 것을 의미한다. 도 4의 원동기가 도 3의 단일 스크루 예에서의 원동기의 전력의 절반으로 정격화되기 때문에, 따라서 모터/발전기 유닛(5a, 5b)은 또한, 전력의 절반에 대해 정격화될 수 있다. 이 예의 경우, 각각의 축(2a, 2b) 상에 2.5 MW 모터/발전기 유닛이 제공된다. 각각의 변압기(32a, 32b)로의 입력에서의 피상 전력은 유사한 비율(proportion)만큼 감소되며, 변압기는 앞서와 같이 메인 스위치보드 전압으로 변압한다. 주파수 변환기 전압에 따른 전압으로 동작하고 있는 스위치보드를 갖는, 위에서 언급된 무변압기 동작의 옵션이 또한, 이축선에 대해 가능하다. 도 4에서 모터/발전기 유닛들(30a, 30b)의 대안적인 연결들은 원동기 축(81a, 81b)에 직접 닿는 것으로 도시된다. 그렇지 않으면, 스위치보드들 각각에 대한 전압들 및 상호연결들은 도 3의 예에서와 동일하다.
본 발명을 일축선에 개장하기 위한 대안적인 예가 도 5에서 예시된다. 메인 엔진(51) 형태의 원동기가 클러치(50)를 통해 축(52)에 연결된다. 앞서와 같이, 클러치의 사용은 선택적이며, 주된 목적에 따라 모터 앞에 또는 모터 뒤에 있을 수 있다. 이 예에서, 메인 엔진이 고장나면, 클러치는, 메인 스위치보드에 연결된 보조 엔진들 또는 에너지 스토리지 유닛(7)으로부터의 에너지를 지향시킴으로써 축이 계속해서 작동될 수 있다는 것을 의미한다. 클러치가 모터/발전기 유닛 뒤에 있으면, 이 클러치는, 프로펠러를 돌리지 않으면서, 메인 엔진으로 하여금 발전기로서의 역할을 할 수 있게 한다. 이론상으로는, 어느 유형의 동작이든 허용하기 위해 클러치(50)가 모터의 앞과 뒤 둘 모두에서 축(52) 상에 설치될 수 있지만, 그렇다면 비용 및 복잡성은 증가된다. 모터/발전기 유닛(55)이 축에 연결되며, 프로펠러(53)가 축에 끼워진다. 모터/발전기 유닛(55)은 주파수 변환기(56)에 커플링되며(coupled), 이 주파수 변환기(56)를 통해 에너지 스토리지 유닛(57)에 커플링된다. 해안 연결(33)이 제공될 수 있다. 축(52)으로부터의 과잉 전력은 모터/발전기 유닛(55)에 의해 테이크 오프되고, 변환기(56)에서 주파수 변환되며, 그리고 에너지 스토리지 유닛(57)에 저장되거나, 또는 변압기(60)에서 메인 스위치보드 전압으로 변압되어 연결(13) 및 스타보드 메인 스위치보드(59)를 통해 메인 스위치보드(58, 59)에 공급된다. 이 예에서, 5.5 MW까지 테이크 오프 또는 테이크 인(take in)할 수 있는 모터/발전기 유닛(55)을 이용하여, 22 MW 메인 엔진이 제공된다. 메인 스위치보드는 3.3 kV 스위치보드이며, 따라서 변압기(60)는 690 V로부터 3.3 kV로 변압한다. 양쪽 단부에 차단기들이 있는 상태로, 스타보드 스위치보드들(58, 59)과 포트(port) 사이에 2 개의 연결들이 이용가능하다. 제1 연결(61)은 단순히, 차단기들이 폐쇄될 때 스타보드 스위치보드와 포트를 연결하며, 제2 연결(62)에는 보조 전력원, 이 예에서 디젤(diesel) 발전기(63)가 연결된다. 보조 전력원(63)은 발전기(64)를 통해 연결되며, 메인 스위치보드의 전력 요건의 대부분을 충족시킬 수 있도록 설계된다. 그 외에도, 스타보드 스위치보드 및 포트 각각은 위에서 논의된 도 3의 예 및 도 4의 예에서의 유형과 유사한 유형의 보조 발전기(12) 및 모터(11)를 가질 수 있다.
추가적인 예가 도 6에서 예시된다. 이러한 추가적인 예는 도 5의 예와 유사하지만, 이축선에 대한 것이다. 각각의 스크루에 대해, 메인 엔진(51a, 51b) 형태의 원동기가 축(52a, 52b)에 연결된다. 모터/발전기 유닛(55a, 55b)이 축에 연결되며, 프로펠러(53a, 53b)는, 클러치(65a, 65b)를 통해 연결된 상태로, 축에 끼워진다. 대안적으로, 도 5의 예 및 도 6의 예 둘 모두에 대해, 모터/발전기 유닛(80, 80a, 80b)이 메인 엔진(51, 51a, 51b)에 직접적으로 연결될 수 있거나, 또는 모터 발전기(55, 55a, 55b, 80, 80a, 80b)가 기어박스를 통해 연결될 수 있다. 모터/발전기 유닛(55a, 55b)은 주파수 변환기(56a, 56b)에 커플링되며, 이 주파수 변환기(56a, 56b)를 통해 에너지 스토리지 유닛(57a, 57b)에 커플링된다. 일 측에, 이 경우, 스타보드 측 스크루에 대해서만, 해안 연결(33)이 제공될 수 있다. 해안 연결을 양측에 추가하는 것이 가능하지만, 비용들을 증가시킨다. 축(52a, 52b)으로부터의 과잉 전력은 모터/발전기 유닛(55a, 55b)에 의해 테이크 오프되고, 변환기(56a, 56b)에서 주파수 변환되며, 그리고 에너지 스토리지 유닛(57a, 57b)에 저장되거나, 또는 변압기(60a, 60b)에서 메인 스위치보드 전압으로 변압되어 메인 스위치보드(58, 59)에 공급된다. 이 예에서, 각각의 측으로부터의 전력은 그 측의 메인 스위치보드(58, 59)에 공급되는데, 즉, 포트 변압기(60a)는 연결(13a)을 통해 포트 메인 스위치보드(58)에 연결되고, 스타보드 변압기(60b)는 연결(13b)을 통해 스타보드 메인 스위치보드(59)에 연결된다. 일축선과 비교할 때 유사한 크기의 이축선의 경우, 각각의 메인 엔진은 더 낮은 최대 전력을 갖는다. 이 예의 경우, 2.5 MW까지 테이크 오프 또는 테이크 인할 수 있는 모터/발전기 유닛(55a, 55b)을 이용하여, 각각의 엔진의 전력은 13 MW이다. 메인 스위치보드는 3.3 kV 스위치보드이며, 따라서 변압기(60a, 60b)는 690 V로부터 3.3 kV로 변압하며, 포트와 스타보드 메인 스위치보드들 사이의 상호연결들 뿐만 아니라 보조 전력원들 및 발전기들은 도 5의 예에서와 동일하다.
에너지 관리 시스템(4)은 다수의 상이한 모드들로 동작할 수 있다. 피크 셰이빙(peak shaving) 모드에서, 해상을 통해 이동할 때 메인 엔진(1)에 대한 안정된 동작을 보장하기 위해, 에너지 스토리지 유닛(7)은 메인 축(2)으로의 에너지를 부스팅하는(boost) 데 또는 메인 축으로부터 에너지를 오프로딩하는(offload) 데 사용된다. 부스터(booster) 모드에서, 메인 엔진(1)으로부터 이용가능한 것보다 더 많은 추진 전력이 필요할 때, 모터/발전기 유닛(5)은, 메인 스위치보드에 전력을 공급하는 보조 엔진들(12a, 12b)에 의해 요구 전력이 생성되는 상태로, 모터로서의 역할을 한다. 전출력이 사용되지 않으면, 부스터 모드는 또한, 일부 피크 셰이빙 기능성을 포함한다. 필요한 것보다 메인 추진으로부터 더 많은 에너지가 이용가능할 때, 교류 발전기 모드가 사용된다. 에너지 관리 시스템(4)은 하나 또는 그 초과의 보조 스위치보드들(40, 41, 42, 43, 44, 45, 46)에 피딩하기 위해 전력을 테이크 오프한다. 다시, 전출력이 사용되지 않으면, 이 모드는 또한, 일부 피크 셰이빙 기능성을 포함한다.
메인 엔진(1)이 어떤 이유로 서비스 불능(out of service)이면, 비상 모드가 사용된다. 에너지 관리 시스템(4)은 보조 엔진들(12a, 12b, 12c)을 사용하여 전력을 에너지 관리 시스템에 제공하며, 따라서 선박이 제한된 전력만을 갖지만, 이 선박은 계속해서 일부 기동 능력을 가질 것이다. 또한, 에너지 관리 시스템(4)은, 1차 시동 시스템(30)의 고장의 경우에 메인 엔진(1)을 시동시키기 위해 또한 사용될 수 있다. 보조 피드(feed) 모드는 보조 발전기들(12a, 12b, 63)이 때때로 고부하로 작동될 필요를 해결한다. 보조 엔진들이 항상 저부하로 작동되면, 이 보조 엔진들은 급격히 상승하고(soot up), 비효율적이 되며, 다른 문제들을 유발하는 경향이 있을 것이다. 이러한 이유로, 전부하에 가까이 이 보조 엔진들에 부하를 주는 것이 바람직하다. 이는, 부하가 변동이 있다면, 전력의 과부하로 이어질 수 있다. 에너지 관리 시스템은, 필요하다면 새로운 발전기 세트(set)들이 온라인(online)이 될 때까지, 단기 전력 백업(backup) 및 평활화 디바이스(device)로서 작용할 수 있다. 에너지 스토리지 유닛은 또한, 과중한 시동 컨슈머들에 대한 과도 스타트업 시퀀스(transient startup sequence)를 보조할 수 있다.
도 7은 에너지 스토리지 유닛의 예를 더욱 상세히 예시한다. 에너지 스토리지 유닛(7)은 주파수 변환기로부터 차단기(66)에 의하여 연결해제될 수 있다. DC-DC 초퍼(DC to DC chopper)(67)는 주파수 변환기로부터의 DC 전압을 DC 버스(Bus) 전압에 적응시키며, 커패시터들의 과부하 또는 과충전을 방지하기 위해 에너지 스토리지 전력 흐름을 제어한다. 초퍼는 다량으로 그리고 짧은 타임스케일(timescale)들로 에너지를 저장 및 방출할 수 있는 하나 또는 그 초과의 커패시터들, 수퍼커패시터들, 또는 울트라커패시터들(68)에 연결되며, 이러한 커패시터들, 수퍼커패시터들, 또는 울트라커패시터들로의, 그리고 이들로부터의 전압 및 전력 흐름을 제어한다. 초퍼 회로는 또한, 화학 에너지 스토리지, 이를테면, 배터리들, 또는 플라이휠 에너지 스토리지를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 전력 제어 시스템을 동작시키는 방법의 흐름 다이어그램이다. 에너지 관리 시스템(4) 및/또는 전력 관리 시스템(9)은, 진행 중일 때 추진을 위해 메인 엔진으로부터 요구되는 전력을 결정한다(71). 추진을 위해 요구되는 전력이 메인 엔진에 의해 생성되는 전력 미만이면, 추가 전력은 에너지 스토리지 유닛(7) 또는 컨슈머들(10)로 우회된다(72). 에너지 스토리지 유닛이 사용되고 있다면, 원동기 축에 직접적으로 연결되든, 프로펠러 축 상에 장착되든, 또는 기어박스를 통해 연결되든 간에, 모터/발전기 유닛으로부터 생성된 AC 전압은 에너지 스토리지 유닛을 위한 DC 전압으로 변환된다(73). 추진을 위해 요구되는 전력이 메인 엔진에 의해 생성되는 전력을 초과하면, 추가 전력은 에너지 스토리지 유닛(7)으로부터 추출되거나(74), 또는 보조 엔진들(12a, 12b)에 의해 메인 스위치보드를 통해 공급된다. 에너지 스토리지 유닛이 사용되고 있다면, 에너지 스토리지 유닛(7)으로부터의 DC 전압은, 모터/발전기 유닛 및 축에 전력을 공급하기 위해 AC 전압으로 변환된다(75). 에너지 및 전력 관리 시스템들(4, 9)은, 선박의 선내에서 발생할 수 있는 특별 동작 조건들 및 예측 파도 거동 둘 모두를 계속해서 모니터링하여 그에 따라서 에너지의 스토리지 및 추출을 적응시킨다(76). 실질적으로 일정한 레이트로 발전시키는 것 ―이것이 반드시 전출력으로 작동하는 것을 의미하는 것이 아니라, 일반적으로는 전출력 미만으로 작동하는 것을 의미할 것임― 이 유지될 수 있다면, 메인 엔진의 동작은 더욱 효율적이다. 거친 해상들에서 수요의 최고점들 및 최저점들에 대처하기 위해 엔진 전력 출력을 변화시키는 것을 유지하는 것이 아니라, 원동기는, 요구되는 실제 평균 전력을 제공하기 위해 충분하도록 통상적으로 선정되는 안정된 출력을 생성하고, 수요의 최고점들 및 최저점은 에너지 스토리지 유닛에 의해 처리되며, 이 에너지 스토리지 유닛은, 순시 요구 전력을 초과하는, 원동기에 의해 생성되는 에너지를 저장하고, 순시 전력 수요가 원동기에 의해 생성되는 전력을 초과할 때 에너지를 축에 공급한다.
본 발명의 시스템을 동작시키는 것은 연료 소비 및 배출들을 감소시키고; 장비에 대한 마모 및 마손을 감소시키며, 따라서 유지보수 및 정지 시간을 감소시켜서, 가동 시간 및 성능을 증가시킬 수 있다. 이러한 방식으로 선박을 최적화하는 것은, 설치된 엔진 전력을 감소시켜서, 직접 및 간접 비용 절감들을 제공할 뿐만 아니라 무게 및 공간 요건들을 감소시킬 수 있다. 저장된 에너지 및 보조 전력원들과의 상호연결들은, 메인 엔진의 손실의 경우에, 적어도 단시간 동안 추진을 유지함으로써 안전을 개선시킨다. 시스템은, 일정 범위의 용량들에 걸쳐, 통상적으로 20MW 내지 30MW의 전체 용량의 경우 최대 5 MW의 간헐 용량 범위에서 선정되는 적절한 모듈(module)들 및 모듈러 방식(modular fashion)으로 제조될 수 있다. 시스템은, 예컨대 과부하 시동을 위해 테이크 인되는(taken in) 전력의 성능의 부스트 및 대략 밀리세컨드(millisecond) 정도의 짧은 타임 스케일(time scale)로 부스트하는 공급을 제공하기 위해 충분히 유연하다.

Claims (9)

  1. 선박의 추진 시스템(system)으로의, 그리고 상기 추진 시스템으로부터의 전력 공급을 제어하기 위한 선박 에너지(energy) 관리 시스템으로서,
    상기 에너지 관리 시스템은,
    상기 선박의 원동기로부터 전력을 수신하도록 적응된 모터/발전기 유닛(motor/generator unit);
    주파수 변환기;
    에너지 스토리지(storage) 유닛 및 제어기 ―상기 에너지 스토리지 유닛은 하나 또는 그 초과의 커패시터(capacitor)들, 슈퍼(super) 커패시터들 또는 울트라(ultra) 커패시터들, 화학 에너지 스토리지, 이를테면, 배터리(battery)들, 또는 플라이휠(flywheel) 에너지 스토리지를 포함하고, 상기 에너지 관리 시스템의 상기 제어기는 상기 추진 시스템의 순시 전력 요건 및 상기 원동기에 의해 생성되는 평균 전력을 결정함―; 및
    순시 요구 전력과 상기 평균 전력을 비교하기 위한 비교기
    를 포함하며,
    상기 순시 요구 전력이 상기 평균 전력을 초과하면, 상기 모터/발전기 유닛은 상기 에너지 스토리지 유닛으로부터 에너지를 수신하고,
    상기 순시 요구 전력이 상기 평균 전력 미만이면, 상기 모터/발전기 유닛은 상기 원동기로부터의 전력을 상기 에너지 스토리지 유닛에 공급하는,
    선박 에너지 관리 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 선박의 메인 스위치보드(main switchboard)로부터의 입력을 더 포함하며, 이로써, 상기 요구 전력이 상기 평균 전력을 초과하면, 상기 모터/발전기 유닛은, 상기 원동기 또는 상기 에너지 스토리지 유닛으로부터의 에너지 외에도, 보조 발전기로부터의 에너지를 상기 메인 스위치보드를 통해 수신하는,
    선박 에너지 관리 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 선박의 메인 스위치보드로의 입력을 더 포함하며, 이로써, 상기 추진 시스템의 상기 전력 요건이 상기 평균 전력 미만이면, 상기 메인 스위치보드는 상기 원동기 또는 상기 에너지 스토리지 유닛으로부터의 에너지를 상기 에너지 관리 시스템을 통해 수신하는,
    선박 에너지 관리 시스템.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 스토리지 유닛은 상기 커패시터들, 상기 슈퍼 커패시터들 또는 상기 울트라 커패시터들, 또는 상기 화학 에너지 스토리지, 이를테면, 배터리들, 또는 상기 플라이휠 에너지 스토리지의 충전 및 방전의 레이트(rate)를 제어하기 위한 초퍼(chopper)를 더 포함하는,
    선박 에너지 관리 시스템.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원동기가 메인 스위치보드에만 전력을 공급하고 있으면, 프로펠러(propeller)를 연결해제하기 위한, 축 상의 클러치(clutch)
    를 더 포함하는,
    선박 에너지 관리 시스템.
  6. 선박의 추진 시스템으로의, 그리고 상기 추진 시스템으로부터의 전력 공급을 제어하기 위한 선박 에너지 관리 방법으로서,
    상기 방법은,
    상기 선박의 원동기로부터의 전력을 모터/발전기 유닛에서 수신하는 단계;
    상기 선박의 상기 추진 시스템의 전력 요건을 결정하는 단계;
    상기 원동기에 의해 생성되는 평균 전력을 결정하는 단계;
    순시 요구 전력과 상기 평균 전력을 비교하는 단계;
    상기 요구 전력이 상기 평균 전력을 초과하면, 상기 모터/발전기 유닛으로 하여금, 에너지 스토리지 유닛의 커패시터들, 슈퍼 커패시터들, 또는 울트라 커패시터들, 화학 에너지 스토리지, 이를테면, 배터리들, 또는 플라이휠 에너지 스토리지로부터 에너지를 수신하게 하는 단계;
    상기 요구 전력이 상기 평균 전력 미만이면, 상기 모터/발전기 유닛으로 하여금, 상기 원동기로부터의 전력을 상기 에너지 스토리지 유닛의 커패시터들, 슈퍼 커패시터들, 또는 울트라 커패시터들, 화학 에너지 스토리지, 이를테면, 배터리들, 또는 플라이휠 에너지 스토리지에 공급하게 하는 단계; 및
    변하는 해상 조건들에서, 평균 전력 및 요구되는 순시 전력을 모니터링(monitoring)하고, 그에 따라서 적응시키는 단계
    를 포함하는,
    선박 에너지 관리 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 요구 전력이 상기 평균 전력을 초과하면, 보조 발전기로부터의 전력을 상기 선박의 메인 스위치보드를 통해 상기 모터/발전기 유닛에서 수신하는 단계
    를 더 포함하는,
    선박 에너지 관리 방법.
  8. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 요구 전력이 상기 평균 전력 미만이면, 상기 원동기로부터의 전력을 상기 선박의 메인 스위치보드에 입력하는 단계
    를 더 포함하는,
    선박 에너지 관리 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 추진 시스템의 프로펠러를 연결해제하는 단계, 및
    상기 원동기로부터의 모든 전력을 상기 선박의 메인 스위치보드에 공급하는 단계
    를 더 포함하는,
    선박 에너지 관리 방법.
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