KR20200056089A - 하이브리드 선박 - Google Patents

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Abstract

하이브리드 선박의 운항 계획과 다양한 환경 변수를 기초로 운항 경로를 결정하며, 이 운항 경로에서 연료 전지 시스템을 가동시킬 때와 배터리 시스템을 가동시킬 때를 결정하여, 최적의 운전 방법을 제안하여 주는 하이브리드 선박이 제공된다. 하이브리드 선박은, 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제1 전력을 생산하는 연료 전지; 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제2 전력을 저장하는 배터리; 제1 전력과 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 이용하여, 선박의 운항 계획에 따라 선박을 추진시키는 추진부; 및 선박의 운항 계획과 환경 변수를 기초로 선박의 운항 경로를 결정하며, 운항 경로에서 연료 전지의 가동 시점과 배터리의 가동 시점을 결정하여 에너지 효율적인 운전 방법을 생성하는 운전 방법 생성 장치를 포함한다.

Description

하이브리드 선박 {Hybrid ship}
본 발명은 선박에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 하이브리드 발전 시스템을 구비하는 선박에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 연료(예를 들어, 수소, 천연가스 등)의 산화에 의해 발생되는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전지를 말한다. 이러한 연료 전지는 대기오염 물질을 거의 배출하지 않기 때문에, 친환경적인 에너지로 각광을 받고 있다.
선박의 전력원으로 연료 전지 시스템을 이용할 경우, 해양에서도 오염 물질을 저감시키는 것이 가능해지며, 높은 열효율로 인한 에너지 절감 효과도 얻을 수 있다. 그래서 오늘날 세계 각국에서는 친환경 선박으로 연료 전지 시스템을 이용하는 선박을 개발하는 데에 박차를 가하고 있다.
한국공개특허 제10-2017-0049845호 (공개일: 2017.05.11.)
연료 전지 시스템을 전력원으로 이용하는 선박의 경우, 비상시 전력원으로 이용하기 위해, 연료 전지 시스템에 의해 생산되는 전기로 충전될 수 있는 배터리 시스템을 구비하여, 하이브리드 선박으로 구축될 수 있다.
그런데 하이브리드 선박에서 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 조합하여 이용하는 경우, 다양한 변수로 인해 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 각각 얼마나 가동시켜야 하는지 예측하기 어렵다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 하이브리드 선박의 운항 계획과 다양한 환경 변수를 기초로 운항 경로를 결정하며, 이 운항 경로에서 연료 전지 시스템을 가동시킬 때와 배터리 시스템을 가동시킬 때를 결정하여, 최적의 운전 방법을 제안하여 주는 하이브리드 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 선박의 일 면(aspect)은, 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제1 전력을 생산하는 연료 전지; 상기 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제2 전력을 저장하는 배터리; 상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 이용하여, 상기 선박의 운항 계획에 따라 상기 선박을 추진시키는 추진부; 및 상기 선박의 운항 계획과 환경 변수를 기초로 상기 선박의 운항 경로를 결정하며, 상기 운항 경로에서 상기 연료 전지의 가동 시점과 상기 배터리의 가동 시점을 결정하여 에너지 효율적인 운전 방법을 생성하는 운전 방법 생성 장치를 포함한다.
상기 운전 방법 생성 장치는 상기 연료 전지를 모델링하여 얻은 연료 전지 시뮬레이터, 상기 배터리를 모델링하여 얻은 배터리 시뮬레이터, 및 상기 선박의 현재 상태에 대한 정보를 기초로 운항 기간동안 에너지 효율적인 운전 방법을 알려주는 온보드 어드바이저(onboard advisor)로 구현될 수 있다.
상기 운전 방법 생성 장치는, 상기 선박의 운항 계획을 기초로 출항지와 입항지 간 운항 경로를 생성하는 운항 경로 생성부; 상기 환경 변수를 기초로 상기 운항 경로를 수정하는 운항 경로 수정부; 상기 운항 경로를 구간별로 나누어, 각 구간에 대해 상기 연료 전지의 가동 시점과 상기 배터리의 가동 시점을 결정하는 발전 시스템 결정부; 및 상기 운항 경로, 및 각 구간에서의 상기 연료 전지의 가동 시점과 상기 배터리의 가동 시점을 기초로 에너지 효율적인 운전 방법을 생성하는 운전 방법 생성부를 포함할 수 있다.
상기 운항 경로 수정부는 상기 환경 변수로 각 지역의 해상 날씨, 각 지역에서의 조류의 세기, 각 지역에서의 조류의 방향, 각 지역에서의 바람의 세기, 각 지역에서의 바람의 방향, 각 지역에서의 파도의 크기, 각 지역에서의 파도의 방향, 각 지역에서의 해수 온도, 각 지역의 섬에 대한 정보, 및 각 지역의 암초에 대한 정보 중 적어도 하나의 정보를 이용할 수 있다.
상기 발전 시스템 결정부는 상기 연료 전지와 상기 배터리가 동시에 가동되도록 상기 연료 전지의 가동 시점과 상기 배터리의 가동 시점을 결정하며, 상기 선박의 속도 변화량을 기초로 상기 연료 전지와 상기 배터리 중 어느 하나의 출력을 변화시킬 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박의 내부 구성을 구체적으로 도시한 상세도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 4는 하이브리드 선박에 구비되는 운전 방법 생성 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 운전 방법 생성 장치에 구비되는 운항 경로 수정부와 발전 시스템 결정부의 기능을 설명하기 위한 제1 참고도이다.
도 6은 운전 방법 생성 장치에 구비되는 운항 경로 수정부와 발전 시스템 결정부의 기능을 설명하기 위한 제2 참고도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성요소들과 다른 소자 또는 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이다.
본 실시예에서 하이브리드 선박(hybrid ship; 10)은 복수개의 발전 시스템을 전력원으로 이용하는 선박을 말한다. 일례로 하이브리드 선박(10)은 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 전력원으로 이용할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 하이브리드 선박(10)은 연료 전지 시스템(fuel cell system)과 배터리 시스템(battery system) 외에 태양광 시스템을 전력원으로 더 이용하는 것도 가능하다.
도 1에 따르면, 하이브리드 선박(10)은 선체(100), 연료 탱크(200), 전력부(300), 배전부(400), 추진부(500), 부하 장비(600), 이중화 장비(700) 및 제어부(800)를 포함하여 구성될 수 있다.
연료 탱크(200)는 선체(100)의 내부에 구비되어 선체(100)에 추진력을 공급하는 데에 이용되는 연료를 저장하는 역할을 한다. 연료 탱크(200)에 저장되는 연료는 액체 연료(예를 들어, 액화 천연 가스(LNG))일 수 있으나, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 연료 탱크(200)에 저장되는 연료는 기체 연료(예를 들어, 수소)인 것도 가능하다.
연료 탱크(200)는 하이브리드 선박(10)에 복수개 구비될 수 있다. 연료 탱크(200)가 하이브리드 선박(10)에 복수개 구비되는 경우, 몇몇은 액체 연료(예를 들어, 액화 천연 가스)를 저장할 수 있으며, 몇몇은 기체 연료(예를 들어, 수소)를 저장할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
전력부(300)는 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 전력을 공급하는 역할을 한다. 전력부(300)는 이를 위해 전력을 생산하거나 저장할 수 있으며, 생산 또는 저장된 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 공급할 수 있다.
전력부(300)는 본 실시예에서 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템은 연료 탱크(200)에서 발생된 기화 가스(BOG; Boil Off Gas)를 이용하여 제1 전력을 생산할 수 있으며, 이 제1 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 공급할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 연료 전지 시스템은 연료 탱크(200)에 저장되는 수소를 이용하여 제1 전력을 생산하는 것도 가능하다.
배터리 시스템은 입력된 전력을 제2 전력으로 저장하며, 이 제2 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 공급할 수 있다. 배터리 시스템은 연료 전지 시스템에 의해 생산되는 전력을 저장할 수 있으나, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 일례로 배터리 시스템은 태양광 패널(미도시)에 의해 생산되는 전력을 제2 전력으로 저장하는 것도 가능하다.
배전부(400)는 전력부(300)에 의해 공급되는 전력을 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 전달하는 역할을 한다. 배전부(400)는 이를 위해 배선, 스위치(switch), 컨버터(converter) 등을 포함할 수 있다.
추진부(500)는 전력부(300)에 의해 공급되는 전력으로 추진력을 발생시키는 역할을 한다. 선체(100)는 이러한 추진부(500)의 추진력으로 해상에서 항해하는 것이 가능해진다.
부하 장비(600)는 평상시 선내 유지를 위한 각종 장비와 연결될 수 있도록 제공되는 것이다. 이러한 부하 장비(600)는 콘센트 형태의 것을 포함하는 장치로 구현될 수 있다. 상기에서 선내 유지를 위한 각종 장비는 선박 운항에 필요한 장비로서, 배수 설비용 펌프, 연료 공급용 펌프, 블로워(blower), 공조 장치, 전등, GPS 수신기, 레이더 장치, 선박 자동 식별 장치, 자기 나침반, 무선 설비, 선박 위치 발신 장치 등이 이에 해당될 수 있다.
부하 장비(600)는 직류 전원, 교류 전원 등을 장비에 공급하여 선내 유지가 이루어지도록 할 수 있다. 이때 부하 장비(600)는 직류 전원으로 12V DC, 24V DC 등을 장비에 공급할 수 있으며, 교류 전원으로 220V AC 등을 장비에 공급할 수 있다.
부하 장비(600)는 전력부(300)를 제어하기 위한 제어 장비(미도시)를 포함할 수 있다. 부하 장비(600)는 제어 장비로 배터리 관리 시스템(Battery Management System), 에너지 관리 시스템(Energy Management System), 전력 관리 시스템(Power Management System) 등을 포함할 수 있다.
이중화 장비(700)는 비상시 선내 유지를 위한 각종 장비와 연결될 수 있도록 제공되는 것이다. 배전부(400)의 내부에 단락, 지락 등 전력 전달 방해 요인이 발생하면, 배전부(400)가 정상적으로 동작하지 않을 수 있으며, 이로 인해 전력부(300)에 의해 공급되는 전력이 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등으로 올바르게 전달되지 못할 수 있다. 전력이 정상적으로 공급되지 못하여 추진부(500), 부하 장비(600), 제어부(800) 등이 올바르게 동작하지 못하는 경우, 항해 및 선내 유지가 정상적으로 이루어지지 못할 수 있다. 이중화 장비(700)는 이러한 경우 선내 유지를 위해 동작하는 필수 장비인 것으로 이해될 수 있다.
이중화 장비(700)는 전력 전달 방해 요인에 의해 부하 장비(600)가 정상적으로 작동하지 않는 경우, 부하 장비(600)를 대신하여 직류 전원, 교류 전원 등을 장비에 공급하여 선내 유지가 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 이중화 장비(700)에 의하여 전력부(300)가 제어됨에 따라 배전부(400)의 배선 상에 문제가 발생하더라도 전력부(300)의 제어가 지속되고, 선내 유지가 수행될 수 있게 된다.
이중화 장비(700)의 동작을 위하여 전력 전달 방해 요인 발생시 배전부(400)는 이중화 장비(700)로 전력부(300)의 전력이 공급되도록 할 수 있다. 즉, 배전부(400)는 전력부(300)의 전력이 이중화 장비(700)로 전달되도록 전력 전달 경로를 형성할 수 있는 것이다.
한편 이중화 장비(700)는 부하 장비(600)가 정상적으로 작동하지 않는 경우 선내 유지를 위해 각종 장비와 연결될 수 있도록 제공되는 것도 가능하다.
한편 이중화 장비(700)는 부하 장비(600)와 마찬가지로 제어 장비를 포함할 수 있다.
제어부(800)는 전력 전달 방해 요인을 감지하고, 전력부(300) 및 배전부(400)에 구비되는 스위치를 제어하는 역할을 한다. 전력 전달 방해 요인이 감지된 경우, 제어부(800)는 전력부(300) 및 배전부(400)에 구비된 스위치를 제어하여 전력이 이중화 장비(700)로 전달되도록 할 수 있다.
제어부(800)는 부하 장비(600)와 이중화 장비(700)에 각각 포함될 수 있으며, 부하 장비(600) 및 이중화 장비(700)와 별도로 구비되는 것도 가능하다. 제어부(800)는 부하 장비(600) 및 이중화 장비(700)와 별도로 구비되는 경우, 전력부(300)를 통하여 전력을 공급받거나 별도의 전력을 공급받을 수도 있다.
이하, 도 2를 통하여 전력부(300), 배전부(400), 추진부(500), 부하 장비(600) 및 이중화 장비(700)의 세부 구성을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 선박의 내부 구성을 구체적으로 도시한 상세도이다.
도 2에 따르면, 전력부(300)는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312), 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322), 제1 DC/DC 컨버터(331), 제2 DC/DC 컨버터(332), 제3 DC/DC 컨버터(333) 및 제4 DC/DC 컨버터(334)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2의 예시에서는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312) 등 두 개의 배터리 시스템이 하이브리드 선박(10)에 구축되는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예에서 배터리 시스템의 개수는 이에 한정되지 않는다.
마찬가지로, 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등 두 개의 연료 전지 시스템이 하이브리드 선박(10)에 구축되는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예에서 연료 전지 시스템의 개수는 이에 한정되지 않는다.
제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)는 전력을 제2 전력으로 저장하고, 저장된 제2 전력을 배전부(400)로 전달하는 역할을 한다. 제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)의 제2 전력은 각각 제1 DC/DC 컨버터(331) 및 제3 DC/DC 컨버터(333)에 의하여 전압 변환 후에 배전부(400)로 전달될 수 있다.
제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)는 제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)로부터 공급된 제1 전력을 이용하여 충전될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 배터리(311) 및 제2 배터리(312)는 별도의 경로(예를 들어, 태양광 패널)를 통하여 공급되는 전력을 이용하여 충전되는 것도 가능하다.
제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)는 연료 탱크(200)에서 발생된 기화 가스로 제1 전력을 생산할 수 있으며, 생산된 제1 전력을 배전부(400)로 전달하는 역할을 할 수 있다. 앞서 설명한 바 있지만, 제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)는 연료 탱크(200)에 저장되는 수소를 이용하여 제1 전력을 생산하는 것도 가능하다.
제1 연료 전지(321) 및 제2 연료 전지(322)의 제1 전력은 제2 DC/DC 컨버터(332) 및 제4 DC/DC 컨버터(334)에 의하여 전압 변환 후에 배전부(400)로 전달될 수 있다.
배전부(400)는 배전반(DC main SWBD; 410), 제1 DC/AC 컨버터(421) 및 제2 DC/AC 컨버터(422)를 포함할 수 있다.
배전반(410)은 전력부(300)의 전력이 유입되면 이를 추진부(500)와 부하 장비(600)로 공급하는 역할을 한다. 배전반(410)은 하이브리드 선박(10)에 복수개 구비될 수 있으며, 스위치를 통해 상호 연결되도록 구성될 수 있다.
제1 DC/AC 컨버터(421) 및 제2 DC/AC 컨버터(422)는 전력부(300)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 역할을 한다. 제1 DC/AC 컨버터(421)는 평상시 전력부(300)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있으며, 제2 DC/AC 컨버터(422)는 비상시 전력부(300)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다. 부하 장비(600) 및 이중화 장비(700)는 제1 DC/AC 컨버터(421) 및 제2 DC/AC 컨버터(422)로부터 각각 공급되는 교류 전력을 자신에 맞게 변환하여 이용할 수 있다.
배전부(400)에는 배전반(410)의 배전 스위치(411)를 중심으로 양측에 제4 스위치(SW4) 및 제5 스위치(SW5)가 구비될 수 있는데, 제4 스위치(SW4)를 통하여 부하 장비(600)로 전력이 공급될 수 있으며, 제5 스위치(SW5)를 통하여 부하 장비(600)로 전력이 공급되는 것도 가능하다.
제4 스위치(SW4)와 제5 스위치(SW5)는 인터로크(interlock) 관계를 형성한다. 따라서 제4 스위치(SW4)가 닫힘 상태(closed)가 되면, 제5 스위치(SW5)는 열림 상태(open)가 된다. 반대로 제4 스위치(SW4)가 열림 상태가 되면, 제5 스위치(SW5)는 닫힘 상태가 된다.
추진부(500)는 두 개의 추진 모터(AC motor; 510, 520)와 두 개의 DC/AC 컨버터(511, 521)를 포함할 수 있다. 추진부(500)에 구비되는 추진 모터와 DC/AC 컨버터의 개수는 한 개이거나 세 개 이상인 것도 가능하다.
제2 DC/AC 컨버터(511)와 제3 DC/AC 컨버터(521)는 배전반(410)을 통해 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 역할을 한다. 그리고 추진 모터(510, 520)는 제2 DC/AC 컨버터(511)와 제3 DC/AC 컨버터(521)로부터 공급되는 교류 전력을 이용하여 추진력을 발생시키는 역할을 한다.
부하 장비(600) 및 이중화 장비(700)는 선내 유지를 위한 동작을 수행할 수 있다. 선내에는 서로 다른 전력을 이용하는 다양한 장비가 구비될 수 있다. 예를 들어, 제1 부하 장비(610), 제2 부하 장비(620) 및 제3 부하 장비(630)는 각각 직류 12V(12V DC), 직류 24V(24V DC) 및 교류 220V(220V AC)를 이용하는 장비일 수 있고, 이와 마찬가지로 제1 이중화 장비(710), 제2 이중화 장비(720) 및 제3 이중화 장비(730)는 각각 직류 12V, 직류 24V 및 교류 220V를 이용하는 장비일 수 있다. 배전부(400)로부터 공급되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위해, 제1 부하 장비(610), 제2 부하 장비(620), 제1 이중화 장비(710) 및 제2 이중화 장비(720)에는 AC/DC 컨버터(611, 621, 711, 721)가 연결될 수 있다.
한편 도 2에서 제1 이중화 장비(710), 제2 이중화 장비(720) 및 제3 이중화 장비(730)는 제1 배터리(311), 제2 배터리(312) 등과 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 이중화 장비(710), 제2 이중화 장비(720) 및 제3 이중화 장비(730)는 제1 연료 전지(321), 제2 연료 전지(322) 등과 연결되는 것도 가능하다.
한편 전력부(300)는 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 포함할 수 있다. 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)는 제4 스위치(SW4) 및 제5 스위치(SW5)의 경우와 같이 인터로크 관계를 형성하여, 열림 및 닫힘이 교차하여 수행될 수 있다. 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)는 제어부(800)에 의하여 제어될 수 있다.
이상 도 1 및 도 2에서는 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 발전 계통으로 이용하는 하이브리드 선박(10)에 대하여 설명하였다.
연료 전지 시스템, 배터리 시스템 등 하이브리드 발전 시스템을 구성하는 각각의 시스템은 에너지를 저장하고 소비하는 일련의 과정에 따라 선박의 가동성을 제한한다는 점에서 디젤 엔진, 가스 엔진 등 기존의 선박용 발전 시스템과 차이가 있다.
하이브리드 선박(10)은 연료 전지 시스템과 배터리 시스템을 조합하여 운항할 때, 최적의 에너지 효율성을 가지도록 하기 위하여, 각각의 발전 시스템이 몇 시간동안 가동되어야 하는지에 대한 분석과 예측이 필요하다.
이하에서는 하이브리드 선박(10)의 최적의 에너지 효율적인 운전 방법을 생성하는 장치에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 선박을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3에 따르면, 하이브리드 선박(10)은 운전 방법 생성 장치(900)를 더 포함할 수 있다.
운전 방법 생성 장치(900)는 하이브리드 선박(10)의 운항 계획을 기초로 운항 경로를 생성하고, 다양한 환경 변수를 기초로 운항 경로를 수정하며, 이 운항 경로에서 연료 전지 시스템을 가동시킬 때와 배터리 시스템을 가동시킬 때를 결정하여, 최적의 에너지 효율적인 운전 방법을 생성하는 기능을 수행한다.
운전 방법 생성 장치(900)는 컴퓨터 시스템, 예를 들어 하이브리드 시스템 온보드 어드바이저(hybrid system onboard advisor)로 구현될 수 있다. 이 경우, 운전 방법 생성 장치(900)는 하이브리드 선박(10)의 운항 계획(예를 들어, 출항지에 대한 정보, 입항지에 대한 정보 등)을 입력하면, 온보드 어드바이저에 내장된 연료 전지 시뮬레이터, 배터리 시뮬레이터 및 하이브리드 선박(10)의 현재 상태에 대한 정보(예를 들어, 배터리 충전 상태, 재화 적재 상태 등) 등을 바탕으로 운항 기간동안 최적의 하이브리드 시스템 운전 방안을 생성하여 선원들에게 알려줄 수 있다.
하이브리드 발전 시스템은 기존의 엔진과 달리 선원들에게 익숙하지 않은 시스템이다. 또한 연료 전지의 운전, 부하 변동, 배터리의 충전/방전, 충전/방전 시점, 충전량/방전량 등 매우 다양하게 하이브리드 발전 시스템을 운전할 수 있어, 더더욱 기존의 엔진 시스템보다 운전이 복잡하다.
이러한 문제를 온보드 어드바이저가 해결해 줄 수 있다. 즉, 최적의 운전을 제안해 줌으로써 하이브리드 선박(10)을 효율적으로 운전할 수 있게 도와줄 수 있다. 온보드 어드바이저는 직접 선박을 제어하지 않으며, 선원에게 최적의 운전 조합을 계산해서 알려주는 어드바이저 기능을 할 수 있다.
운전 방법 생성 장치(900)는 최적의 에너지 효율적인 운전 방법을 생성하기 위해, 시뮬레이터 생성부(910), 데이터 수집부(920), 운항 경로 생성부(930), 운항 경로 수정부(940), 발전 시스템 결정부(950) 및 운전 방법 생성부(960)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 4는 하이브리드 선박에 구비되는 운전 방법 생성 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다. 이하 설명은 도 4를 참조한다.
시뮬레이터 생성부(910)는 연료 전지(예를 들어, 도 2의 제1 연료 전지(321))를 수학적/데이터적으로 모델링하여 연료 전지 시뮬레이터를 생성하는 기능을 수행한다. 또한 시뮬레이터 생성부(910)는 배터리(예를 들어, 도 2의 제1 배터리(311))를 수학적/데이터적으로 모델링하여 배터리 시뮬레이터를 생성하는 기능을 수행한다.
수학적 모델은 실제 하드웨어의 동작을 물리적인 수식으로 구현한 것으로서, 실제 장비에서 출력되는 데이터를 수식 계산으로 얻을 수 있다. 수학적 모델은 실제 장비에서 출력되는 데이터를 통해서 업데이트하고, 상태를 진단함으로써, 수명을 예측할 수 있다.
연료 전지 시뮬레이터와 배터리 시뮬레이터는 프로그램 형태의 것으로 구현될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 연료 전지 시뮬레이터와 배터리 시뮬레이터는 프로그램이 작동되는 기기 형태의 것으로 구현되는 것도 가능하다.
운항 경로 생성부(930)는 하이브리드 선박(10)의 운항 계획을 기초로 하이브리드 선박(10)의 운항 경로를 생성하는 기능을 수행한다.
운항 경로 생성부(930)는 하이브리드 선박(10)의 운항 계획에 대한 정보로 출항지에 대한 정보, 입항지에 대한 정보 등을 획득하여, 이 두 정보(출항지에 대한 정보와 입항지에 대한 정보)를 기초로 하이브리드 선박(10)의 운항 경로를 생성할 수 있다. 이때 운항 경로 생성부(930)는 하이브리드 선박(10)의 운항 경로를 최단 경로로 생성할 수 있으며, 맵 상에서 하이브리드 선박(10)의 운항 경로를 생성할 수 있다.
운항 경로 수정부(940)는 운항 경로 생성부(930)에 의해 하이브리드 선박(10)의 운항 경로가 생성되면, 환경 변수에 대한 정보를 기초로 이 운항 경로를 수정하는 기능을 수행한다. 운항 경로 수정부(940)는 환경 변수에 대한 정보로 각 지역의 해상 날씨, 각 지역에서의 조류의 세기와 방향, 각 지역에서의 바람의 세기와 방향, 각 지역에서의 파도의 크기와 방향, 각 지역에서의 해수 온도, 각 지역의 섬이나 암초에 대한 정보 등을 이용할 수 있다.
운항 경로 수정부(940)는 환경 변수에 대한 정보를 기초로 하이브리드 선박(10)의 운항에 차질을 줄 수 있는 지역을 회피하도록 하이브리드 선박(10)의 운항 경로를 수정할 수 있다. 이때 운항 경로 수정부(940)는 맵 상에서 운항 경로를 수정할 수 있다.
운항 경로 수정부(940)는 하이브리드 선박(10)이 출항하기 전에 환경 변수에 대한 정보를 기초로 하이브리드 선박(10)의 운항 경로를 수정할 수 있다. 일례로 운항 경로 수정부(940)는 출항 전에 각 지역의 섬이나 암초에 대한 정보 등을 기초로 하이브리드 선박(10)의 운항 경로를 수정할 수 있다.
그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 운항 경로 수정부(940)는 하이브리드 선박(10)이 목적지까지 운항되는 도중에, 데이터 수집부(920)에 의해 실시간으로 획득되는 환경 변수에 대한 정보를 기초로 하이브리드 선박(10)의 운항 경로를 수정하는 것도 가능하다. 일례로 운항 경로 수정부(940)는 운항 도중 각 지역의 해상 날씨, 각 지역에서의 조류의 세기와 방향, 각 지역에서의 바람의 세기와 방향, 각 지역에서의 파도의 크기와 방향, 각 지역에서의 해수 온도 등을 기초로 하이브리드 선박(10)의 운항 경로를 실시간으로 수정할 수 있다.
데이터 수집부(920)는 하이브리드 선박(10)에 장착되어 있는 다양한 센서를 이용하여, 하이브리드 선박(10)이 운항중일 때 하이브리드 선박(10)에 대한 정보(예를 들어, 하이브리드 선박(10)의 현재 위치, 배터리의 충전 상태 등)를 실시간으로 수집하는 기능을 수행한다. 이때 데이터 수집부(920)는 하이브리드 선박(10) 주변의 환경 변수에 대한 정보(예를 들어, 실시간 기상 상태)를 실시간으로 수집하는 기능도 수행할 수 있다.
한편 데이터 수집부(920)는 GPS, 다른 선박과의 통신 등을 통해 하이브리드 선박(10) 주변의 환경 변수에 대한 정보를 수집하는 것도 가능하다.
발전 시스템 결정부(950)는 운항 경로 수정부(940)에 의해 운항 경로가 수정되면, 구간별로 연료 전지의 가동 시점과 배터리의 가동 시점을 결정하는 기능을 수행한다. 일례로 발전 시스템 결정부(950)는 환경 변수에 대한 정보를 기초로 각 구간에서 하이브리드 선박(10)이 낼 수 있는 속도를 고려하여, 연료 전지의 가동 시점과 배터리의 가동 시점을 결정할 수 있다.
발전 시스템 결정부(950)는 연료 전지와 배터리가 동시에 가동되도록 연료 전지의 가동 시점과 배터리의 가동 시점을 결정할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 발전 시스템 결정부(950)는 연료 전지와 배터리 중 어느 하나만 가동되도록 연료 전지의 가동 시점과 배터리의 가동 시점을 결정하는 것도 가능하다.
발전 시스템 결정부(950)는 운항 경로 생성부(930)와 운항 경로 수정부(940)에 의해 최적의 경로가 설정되면, 하이브리드 선박(10)이 해당 경로를 통해 운항할 때 하이브리드 발전 시스템(즉, 연료 전지와 배터리)을 어떻게 운전하는 것이 가장 효율적인지를 알려줄 수 있다. 일례로 발전 시스템 결정부(950)는 하이브리드 선박(10)이 목적지까지 운항하는 동안 연료 전지의 출력을 어떻게 조절하는 것이 유익하고, 그동안 배터리를 어떻게 운영하는 것이 효율적인지 등을 알려줄 수 있다. 발전 시스템 결정부(950)는 온보드 어드바이저에 탑재되어 있는 연료 전지 시뮬레이터와 배터리 시뮬레이터를 이용하여 상기의 기능을 수행할 수 있다.
발전 시스템 결정부(950)는 하이브리드 선박(10)이 출항하기 전에 구간별로 연료 전지를 가동시킬 때와 배터리를 가동시킬 때를 결정할 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 발전 시스템 결정부(950)는 하이브리드 선박(10)이 목적지로 운항되는 도중에 다양한 환경 변수를 고려하여 구간별로 연료 전지를 가동시킬 때와 배터리를 가동시킬 때를 변경하는 것도 가능하다.
도 5는 운전 방법 생성 장치에 구비되는 운항 경로 수정부와 발전 시스템 결정부의 기능을 설명하기 위한 제1 참고도이다.
하이브리드 선박(10)의 운항 계획을 입력하면, 운항 경로 생성부(930)에 의해 경로 최적화가 이루어진다. 일반적으로 최단 거리가 생성되겠지만, 여기서 최단 거리라 함은 해도 상에서 이동 가능한 최단 거리를 말한다. 그래서 직선 거리가 아닌 꺾은선 거리가 될 수도 있다.
운항 경로 수정부(940)는 운항 경로 상에 도서 지역 등이 위치하면, 그 구간을 저속으로 통과하는 것이 나을지, 아니면 우회하는 것이 나을지 이런 것을 판단하여, 운항 경로를 수정할 수 있다. 또한 운항 경로 수정부(940)는 하이브리드 선박(10)의 드래프트(draft)에 따라 운항을 하면 안되는 구간도 고려하여 운항 경로를 수정할 수 있다. 여기서 드래프트는 하이브리드 선박(10)이 물 속에 잠기는 깊이를 말한다.
도 5를 참조하면, 운항 경로 생성부(930)는 출항지(A)에 대한 정보와 입항지(B)에 대한 정보를 기초로 A 지점에서 B 지점까지의 운항 경로를 생성한다. 이때 운항 경로 생성부(930)는 A 지점에서 B 지점까지의 최단 거리를 운항 경로로 생성할 수 있다.
운항 경로 수정부(940)는 환경 변수에 대한 정보(예를 들어, 도서의 위치 정보)를 기초로 A 지점에서 B 지점까지의 운항 경로를 수정한다. 운항 경로 수정부(940)는 A 지점 - 1 지점 - 2 지점 - 3 지점 - B 지점을 차례대로 통과하는 운항 경로를 최적 운항 경로로 할 수 있다.
그런데 A 지점과 1 지점 사이의 제1 구간, 1 지점과 2 지점 사이의 제2 구간 등은 인근에 도서가 위치하기 때문에 선속이 달라질 수 있으며, 이에 따라 발전 시스템 결정부(950)는 제1 구간과 제2 구간에서의 연료 전지와 배터리의 운영 방법을 결정해야 한다.
일례로, 1 지점과 2 지점 사이의 제2 구간은 도서 지역이라서 선속을 낮춰야 하는데, 선속을 급격하게 낮춰야 하는 경우, 연료 전지의 출력을 낮추는 것보다 배터리의 출력을 낮추는 것이 효율적이다. 그 이유는 연료 전지의 출력을 급격하게 낮추는 경우가 빈번해지면, 연료 전지의 수명이 단축될 수 있기 때문이다.
반면 3 지점과 B 지점 사이의 제4 구간에서도 속도를 낮춰야 하는데, 선속이 서서히 낮춰도 되는 경우, 배터리의 출력을 낮추는 것보다 연료 전지의 출력을 낮추는 것이 효율적이다. 이 경우 발전 시스템 결정부(950)는 3 지점에 진입하기 전에 미리 연료 전지의 출력을 조금씩 줄이고, 배터리의 출력을 그에 맞게 조금씩 높여서 맞추고 있다가, 실제 속도를 줄여야 하는 시점이 오면 배터리의 출력을 줄이게 되면 자연스럽게 연료 전지의 출력이 줄어드는 형태로 제어하는 것이 가능해진다.
한편 2 지점과 3 지점 사이의 제3 구간은 공해로 빠르게 운전을 해야 하는 상황이고, 그 거리가 긴 구간이라고 하면, 연료 전지를 가동하는 것이 바람직하다. 그래서 미가동중인 연료 전지를 미리 히트 업(heat up)시킨다던가 해서 준비를 하면 된다.
제3 구간이 짧은 구간이라고 하면 배터리를 이용하는 것도 가능한데, 이 경우에는 현재의 배터리 용량으로 제3 구간을 지나가는 것이 가능한지를 미리 계산해야 한다.
한편, 운항 경로에 따라 최적화를 하더라도, 현재의 날씨에 따라서 경로 혹은 속도를 다르게 가져가는 것이 나을 수도 있다. 도 6은 운전 방법 생성 장치에 구비되는 운항 경로 수정부와 발전 시스템 결정부의 기능을 설명하기 위한 제2 참고도이다. 이하 설명은 도 6을 참조한다.
예를 들면, A 지점과 1 지점 사이의 제1 구간에서 파도가 엄청 쎄며, 그 방향이 선수 전측면으로 온다고 하면, 운항 경로 수정부(940)는 하이브리드 선박(10)이 A 지점과 1 지점 사이의 제1 구간 대신 A 지점과 1' 지점 사이의 제5 구간을 통과하도록 운항 경로를 변경하는 것이 바람직하다. 또한 제5 구간에서의 해수 온도가 제1 구간에서의 해수 온도보다 더 높다고 하면, 운항 경로를 변경하는 것은 더욱 바람직하다. 이는 일반적인 경우 해수 온도가 높아지면 해수 밀도가 낮아져서 선체 저항이 감소하기 때문이다.
그리고 제5 구간을 통과한 후, 파도는 작고 조류의 방향이 도 10에 도시된 바와 같다면, 운항 경로 수정부(940)는 하이브리드 선박(10)이 1' 지점에서 3 지점으로 향하도록 운항 경로를 변경하는 것이 바람직하다.
이와 같이 날씨 등 해상의 상황에 따라 운항 경로를 실시간으로 변경하는 것이 에너지 소모를 최소화하는 방법이 될 수 있다.
당연히 각 구간에서의 최적의 속도를 계산할 수 있고, 거기에 따른 발전량을 계산하고, 그에 따라서 연료 전지 - 배터리의 운전 조합을 다르게 가져가는 것이 좋다. A 지점과 1' 지점 사이의 구간에서는 빠르게 운항하는 것이 좋다고 하면 배터리와 연료 전지를 모두 가동하거나, 여분의 연료 전지까지 모두 가동을 하여 빠르게 지나간다던가, 1' 지점과 3 지점 사이의 구간에서는 연료 전지만을 운전하여 조금 느리게 통과한다거나 할 수 있다.
본 실시예에서는 경로 최적화와 다르게 실시간으로 날씨는 변하기 때문에 날씨 정보를 위성으로 받거나, 선박에서 계측하거나 해서 운항 중에 계속 업데이트하면서 계산(시뮬레이션)할 수 있다. 그 시뮬레이션에 따라 하이브리드 발전 시스템의 최적 운전 조합을 찾을 수 있다.
다시 도 4를 참조하여 설명한다.
운전 방법 생성부(960)는 운항 경로 생성부(930)와 운항 경로 수정부(940)에 의해 하이브리드 선박(10)의 운항 경로가 결정되면, 이 운항 경로를 기초로 하이브리드 선박(10)을 목적지까지 운항시키기 위한 운전 방법을 생성하는 기능을 수행한다. 이때 운전 방법 생성부(960)는 발전 시스템 결정부(950)에 의해 결정된 연료 전지의 가동 시점과 배터리의 가동 시점을 기초로 최적의 에너지 효율적인 운전 방법을 생성할 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 하이브리드 선박 100: 선체
200: 연료 탱크 300: 전력부
311, 312: 배터리 321, 322: 연료 전지
331, 332, 333, 334: DC/DC 컨버터 400: 배전부
410: 배전반 421, 422: DC/AC 컨버터
500: 추진부 510, 520: 추진 모터
600: 부하 장비 700: 이중화 장비
611, 621, 711, 721: AC/DC 컨버터 800: 제어부
900: 운전 방법 생성 장치 910: 시뮬레이터 생성부
920: 데이터 수집부 930: 운항 경로 생성부
940: 운항 경로 수정부 950: 발전 시스템 결정부
960: 운전 방법 생성부

Claims (5)

  1. 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제1 전력을 생산하는 연료 전지;
    상기 선박을 작동시키는 데에 이용되는 제2 전력을 저장하는 배터리;
    상기 제1 전력과 상기 제2 전력 중 적어도 하나의 전력을 이용하여, 상기 선박의 운항 계획에 따라 상기 선박을 추진시키는 추진부; 및
    상기 선박의 운항 계획과 환경 변수를 기초로 상기 선박의 운항 경로를 결정하며, 상기 운항 경로에서 상기 연료 전지의 가동 시점과 상기 배터리의 가동 시점을 결정하여 에너지 효율적인 운전 방법을 생성하는 운전 방법 생성 장치를 포함하는 하이브리드 선박.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 운전 방법 생성 장치는 상기 연료 전지를 모델링하여 얻은 연료 전지 시뮬레이터, 상기 배터리를 모델링하여 얻은 배터리 시뮬레이터, 및 상기 선박의 현재 상태에 대한 정보를 기초로 운항 기간동안 에너지 효율적인 운전 방법을 알려주는 온보드 어드바이저(onboard advisor)로 구현되는 하이브리드 선박.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 운전 방법 생성 장치는,
    상기 선박의 운항 계획을 기초로 출항지와 입항지 간 운항 경로를 생성하는 운항 경로 생성부;
    상기 환경 변수를 기초로 상기 운항 경로를 수정하는 운항 경로 수정부;
    상기 운항 경로를 구간별로 나누어, 각 구간에 대해 상기 연료 전지의 가동 시점과 상기 배터리의 가동 시점을 결정하는 발전 시스템 결정부; 및
    상기 운항 경로, 및 각 구간에서의 상기 연료 전지의 가동 시점과 상기 배터리의 가동 시점을 기초로 에너지 효율적인 운전 방법을 생성하는 운전 방법 생성부를 포함하는 하이브리드 선박.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 운항 경로 수정부는 상기 환경 변수로 각 지역의 해상 날씨, 각 지역에서의 조류의 세기, 각 지역에서의 조류의 방향, 각 지역에서의 바람의 세기, 각 지역에서의 바람의 방향, 각 지역에서의 파도의 크기, 각 지역에서의 파도의 방향, 각 지역에서의 해수 온도, 각 지역의 섬에 대한 정보, 및 각 지역의 암초에 대한 정보 중 적어도 하나의 정보를 이용하는 하이브리드 선박.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 발전 시스템 결정부는 상기 연료 전지와 상기 배터리가 동시에 가동되도록 상기 연료 전지의 가동 시점과 상기 배터리의 가동 시점을 결정하며, 상기 선박의 속도 변화량을 기초로 상기 연료 전지와 상기 배터리 중 어느 하나의 출력을 변화시키는 하이브리드 선박.
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