KR20220125765A - 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박에 관한 것으로서, 복수의 선내 전력수요부에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 연료전지를 구비한 주전력 공급부; 선내 전력수요부에서 순간적인 피크 부하에 따른 보충전력을 공급하는 배터리를 구비한 보충전력 공급부; 복수의 선내 전력수요부와 주전력 공급부 및 보충전력 공급부를 연결하는 전력공급 버스라인; 및 주전력 공급부와 보충전력 공급부에 연결되며 복수의 선내 전력수요부의 사용전력을 모니터링하여 전력공급을 제어하는 전력통합 제어부를 포함하며, 전력통합 제어부는 주전력 공급부를 단독으로 사용하거나, 복수의 선내 전력수요부의 전력 부하의 피크 변동에 대응하여 주전력 공급부와 보충전력 공급부를 함께 사용하여, 복수의 선내 전력수요부에 필요 전력을 공급한다.

Description

연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박{PROPULSION AND POWER LOAD CONTROL SYSTEM USING HYBRID POWER SOURCE WITH FUEL CELL AND BATTERY AND VESSEL INCLUDING THE SAME}
본 발명은 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지를 배터리로 보충해주는 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박에 관한 것이다.
천연가스는 액화되어 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 'LNG') 상태로 원거리에 걸쳐 수송된다. LNG는 천연가스를 대략 상압 -163℃ 근처의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭적으로 감소되므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
LNGC(Liquefied Natural Gas Carrier)는, LNG와 같은 액화가스를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 하역하기 위한 대표적인 선박으로, 천연가스와 연료유(Fuel Oil)를 모두 연료로 사용할 수 있는 엔진을 사용한다.
통상적으로 LNGC에는 두 대의 추진용 엔진과 네 대의 발전용 엔진이 마련되는데, 추진용 엔진으로는 ME-GI 엔진과 같은 2행정 고압가스 분사엔진을 사용하고, 선박 내 필요한 전력을 생산하기 위한 발전용 엔진으로는 기본적으로 4행정 DF엔진을 사용한다.
4행정 엔진은 메탄 슬립(methane slip)과 낮은 효율로 인하여 2행정 엔진(2-stroke Engine)에 비해 CO2 배출량에서 불리한 점이 있지만, 급격한 부하 변동(load variation)에 즉각적으로 반응할 수 있는 빠른 응답성을 가지고 있어 선박의 전력공급장치로 활용되어 왔다.
2행정 엔진은 4행정 엔진보다 효율이 좋은 것으로 알려져 있지만, 부하 변동에 따른 응답 속도는 느리다. 부하 변동이 큰 장치에 2행정 엔진을 사용하면, 느린 응답성으로 인해 전력 품질이 저하(주파수 저하 전압 강하 발생)되어 전력 공급의 불안정을 야기하는 문제가 있으며, 이러한 이유로 종래의 LNGC는 발전용 엔진으로 2행정 엔진이 아닌 4행정 엔진을 채택하여 사용해왔던 것이다.
상기와 같이 선박의 전력 생산을 위해 4행정 엔진(발전엔진)을 다수 설치 및 생산된 전력을 추진 전동기를 비롯한 기저 전력부하 및 간헐성 전력부하에 공급하는 시스템은 배기가스 제로(zero emission)를 위한 연료전지 시스템으로 점차 대체되어 가고 있다.
그러나 현재의 선박의 전력생산에 사용되는 연료전지시스템은, 기존의 간헐적인 전력 운용에 따른 발전기의 급격한 부하 변동에 대응하는 상태에서, 연료전지가 응답 특성이 상대적으로 느린 발전원으로 작용하므로, 선박의 전력 안정성을 확보하기 어려웠다.
본 발명은 선박의 전력생산에서 배기가스 제로를 위하여 디젤엔진을 연료전지와 배터리 하이브리드 발전원으로 대체하는 차세대 자율운항선박에 대해 배터리를 이용하여 연료전지의 전력공급에 대한 안정성을 확보함으로써, 추진 및 전력부하의 안정적인 제어·관리를 수행하는 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템은, 복수의 선내 전력수요부에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 연료전지를 구비한 주전력 공급부; 상기 복수의 선내 전력수요부에서 순간적인 피크 부하에 따른 보충전력을 공급하는 배터리를 구비한 보충전력 공급부; 상기 복수의 선내 전력수요부와 상기 주전력 공급부 및 상기 보충전력 공급부를 연결하는 전력공급 버스라인; 및 상기 주전력 공급부와 상기 보충전력 공급부에 연결되며, 상기 복수의 선내 전력수요부의 사용전력을 모니터링하여 전력공급을 제어하는 전력통합 제어부를 포함하며, 상기 전력통합 제어부는, 상기 주전력 공급부를 단독으로 사용하거나, 상기 복수의 선내 전력수요부의 전력 부하의 피크 변동에 대응하여 상기 주전력 공급부와 상기 보충전력 공급부를 함께 사용하여, 상기 복수의 선내 전력수요부에 필요 전력을 공급한다.
또한, 상기 주전력 공급부는, 상기 연료전지와 상기 전력공급 버스라인을 연결하는 주전력 버스라인; 및 상기 주전력 버스라인에 배치되는 주전력 변압기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 보충전력 공급부는, 상기 배터리의 전력을 관리하는 배터리 관리시스템; 상기 배터리와 상기 전력공급 버스라인을 연결하는 보충전력 버스라인; 상기 보충전력 버스라인에 배치되는 보충전력 변압기; 및 상기 배터리의 전력 주파수를 가변시키는 배터리용 주파수 변환기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 선내 전력수요부는, 상기 전력공급 버스라인과 연결되는 고부하 버스라인과 고부하 장치들을 구비한 고부하부; 및 상기 전력공급 버스라인과 연결되는 일반 버스라인과 전동 추진기를 구비한 일반 부하부를 포함하며, 상기 일반 부하부의 상기 일반 버스라인에는, 상기 전력공급 버스라인과 선택적으로 연결되는 버스 타이가 마련될 수 있다.
또한, 상기 일반 부하부는, 상기 일반 버스라인과 상기 전동 추진기를 연결하는 전동 버스라인; 상기 전동 버스라인에 배치되는 전동전압 변압기; 및 상기 전동전압 변압기의 주파수를 변환하여 상기 전동 추진기에 제공하는 추진용 주파수 변환기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력통합 제어부는, 상기 복수의 선내 전력수요부에 필요한 전력을 모니터링하는 전력관리시스템; 선박의 추진에 필요한 데이터 및 제어 신호를 처리하는 추진제어시스템; 및 상기 선박의 운항 속도를 제어하는 BMS와 연결되며, 상기 전력관리시스템, 상기 추진제어시스템, 및 상기 BMS로부터 취득된 선내 수요전력 상태를 기초로 상기 연료전지를 단독으로 사용하거나 상기 연료전지와 상기 배터리를 함께 사용하여 상기 복수의 선내 전력수요부에 필요전력의 공급을 제어할 수 있다.
또한, 상기 주전력 공급부는 상기 복수의 선내 전력수요부의 전력부하가 일정한 상태에서 단독으로 사용되되, 상기 보충전력 공급부는 선박 운항 상황이 변화되어 상기 복수의 선내 전력수요부에서 간헐성 고부하 전력이 운용되는 경우에 상기 주전력 공급부와 병렬로 연결될 수 있다.
또한, 상기 배터리는 ESS(Energy Storage System)일 수 있다.
또한, 상기 연료전지는 수소 연료전지 또는 암모니아 연료전지를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템은, 일반 부하부, 및 상기 일반 부하부에 비해 상대적으로 가동 시 부하의 변동 폭이 큰 고부하부를 포함하며, 상기 일반 부하부는, 연료전지의 전력으로 운용되며, 상기 고부하부는, 상기 연료전지와 배터리에 의해 가동 시 전력을 공급받고, 가동 이후 시간에 대해 부하의 변동이 일정한 정상상태가 되면, 상기 배터리에 의한 전력 공급을 차단하고 상기 연료전지에 의해 생산되는 전력으로 운용된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 선박은 전술한 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템을 구비한다.
상기와 같이 기술된 본 발명은, 선박의 전력생산에서 배기가스 제로를 위하여 디젤엔진을 연료전지와 배터리 하이브리드 발전원으로 대체하는 차세대 자율운항선박에 대해 배터리를 이용하여 연료전지의 전력공급에 대한 안정성을 확보함으로써, 추진 및 전력부하의 안정적인 제어·관리를 수행하는 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템의 구성도이다.
도 2a는 도 1의 연료전지의 응답특성에 따른 부하전류 변환을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 도 1의 연료전지의 응답특성에 따른 과도상태 출력을 나타낸 그래프이다.
도 2c는 도 1의 연료전지의 응답특성에 따른 부하전류 변환과 과도상태 출력에 대응하여 배터리가 전력을 보충하는 상태를 나타낸 그래프이다.
도 3은 선박 운항 특성 및 부하 변동 특성의 전력변동 그래프이다.
본 발명은 선박의 운항 속력에 따라 전력 부하가 선형적으로 변하는 특성을 이용하여 선박 운항 상황 및 전력부하의 변동에 앞서 배터리가 연료전지의 출력을 감당할 수 있도록 하며, 이를 위하여 전력통합 제어부(131)에 BMS(Bridge Manoeuvring System)(135), 추진제어시스템(Propulsion Control System; PCS)(133), 전력관리시스템(Power Management System; PMS)(132)을 연동함으로써 추진 전동기를 포함한 기타 전력부하의 운용에 실시간으로 대응할 수 있도록 구성하여, 선박이 항내(harbor) 또는 대양에 있을 때 추진 제어 및 전력 운용 상황이 달라지는 점을 이용하여 자율운항에 활용 가능한 기술을 구현하는 것이다.
본 발명에는 전력제어를 위한 연료전지(Fuel Cell), 배터리(Battery), 주파수 변환기(VFD; Variable Frequency Drive), 변압기(TR; Transformer(Option: LV, HV), 추진축(Shaft with Propeller), 추진제어시스템, 전력관리시스템, BMS 등이 포함된다.
이하, 첨부된 도면에 도시된 특정 실시 예들에 의해 본 발명의 다양한 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템의 구성도이며, 도 2a는 도 1의 연료전지의 응답특성에 따른 부하전류 변환을 나타낸 그래프이고, 도 2b는 도 1의 연료전지의 응답특성에 따른 과도상태 출력을 나타낸 그래프이며, 도 2c는 도 1의 연료전지의 응답특성에 따른 부하전류 변환과 과도상태 출력에 대응하여 배터리가 전력을 보충하는 상태를 나타낸 그래프이고, 도 3은 선박 운항 특성 및 부하 변동 특성을 나타낸 그래프이다.
한편, 도 2a 및 도 2b는 연료전지의 응답특성에 따른 부하전류 변환과 과도상태 출력을 각각 도시한 도면으로, 김현일, 황재순, 정태용, 신동훈, 남진현, 김영규의 2007년 "PEM 연료전지 스택의 과도상태 출력 특성에 관한 실험적 연구"(대한기계학회 춘계학술대회 논문집 pp.1115-1120)에서 발췌한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 배터리 의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템은, 전력을 필요로 하는 선내 전력수요부(10)에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 주전력 공급부(100)와, 선내 전력수요부(10) 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치(41)의 운용시 가동 전력을 생산 및 공급하는 보충전력 공급부(110)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템은, 선박 내 전력 수요처에 필요한 주전력을 연료전지(101)에 의해 생산 및 공급하는 것으로서, 선박 내 전력 수요처 중 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치(41)가 운용되는 경우, 고부하 장치(41)의 가동에 필요한 전력을 배터리(111)에 의해 추가 공급할 수 있다.
선내 전력수요부(10)는, 일반 부하부(30)와 고부하부(40)로 구분될 수 있다.
일반 부하부(30)는 기동시 순간적인 피크 부하가 발생하지 않는 부하 변동이 안정적(stable)인 일반 장치일 수 있으며, 후술하는 고부하부(40)를 제외한 나머지 장치를 의미할 수 있다.
고부하부(40)는 일반 부하부(30)에 비하여 상대적으로 기동시 부하의 변동 폭이 큰 고부하 장치(41)일 수 있다. 고부하부(40)는 기동시 순간적으로 피크 부하가 발생하는 고부하 장치(41)로서, 쓰러스터(Thruster), 고압 펌프, 고압 압축기 등, 직입 기동식 모터를 사용하는 장치를 포함할 수 있다. 일예로, 직입 기동식 장치의 경우 기동시 순간적인 피크 부하가 발생하여 기동과 동시에 상당히 높은 피크 전류(일반 장치의 약 5~6배)가 발생하며, 기동시 순간적인 피크 부하가 발생하는 고부하부(40)는 빠른 응답성을 요구하게 된다(도 2a 및 도 2b 참조).
주전력 공급부(100)는 복수의 선내 전력수요부(10)에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 연료전지(101)를 구비한 것으로서, 일 실시예에 따르면, 수소에 의해 전기를 생산하도록 구성되는 수소 연료전지, 암모니아에 의해 전기를 생산하도록 구성되는 암모니아 연료전지, 암모니아를 개질하여 수소를 분리한 수 전기를 생산하도록 구성되는 수소 연료전지 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 수소 연료전지 또는 암모니아 연료전지는 공지된 기술로 자세한 설명은 생략한다.
주전력 공급부(100)는, 연료전지(101)와 전력공급 버스라인(20)을 연결하는 주전력 버스라인(102), 및 주전력 버스라인(102)에 배치되는 주전력 변압기(105)를 포함한다. 연료전지(101)의 전압은 주전력 변압기(105)를 거쳐 적절히 변환된 후, 전력공급 버스라인(20)에 공급된다.
이러한 주전력 공급부(100)의 전력은 전력공급 버스라인(20)을 통해 고부하부(40)의 고부하 장치(41)들과 바로 연결되며, 후술되는 버스 타이(bus tie)(120)를 통해 일반 부하부(30)에 연결된다. 고부하부(40)는 보충전력 공급부(110)와도 바로 연결되는 구조이다.
보충전력 공급부(110)는 선내 전력수요부(10)에서 순간적인 피크 부하에 따른 보충전력을 공급하는 배터리(111)를 구비한 것이다(도 2c 참조). 일 실시예에 따르면, 배터리(111)는 ESS(Energy Storage System)일 수 있다.
보충전력 공급부(110)는, 배터리(111)의 전력을 관리하는 배터리 관리시스템(115), 배터리(111)와 전력공급 버스라인(20)을 연결하는 보충전력 버스라인(116), 보충전력 버스라인(116)에 배치되는 보충전력 변압기(117), 및 배터리(111)의 전력 주파수를 가변시키는 배터리용 주파수 변환기(118)를 포함할 수 있다.
배터리(111)는 배터리용 주파수 변환기(118)에서 주파수 변환된 후, 보충전력 변압기(117)에서 적절히 전압 변환되며, 그 변환된 전력이 전력공급 버스라인(20)에 공급된다. 배터리용 주파수 변환기(118)는 VFD로서, 배터리(111)의 전류를 저장하는 캐패시터 및 교류로 변환시키는 인버터를 포함할 수 있다.
복수의 선내 전력수요부(10)는, 전력공급 버스라인(20)과 연결되는 고부하 버스라인과 고부하 장치(41)들을 구비한 고부하부(40), 및 전력공급 버스라인(20)과 연결되는 일반 버스라인(31)과 전동 추진기(32)를 구비한 일반 부하부(30)를 포함한다.
일반 부하부(30)는, 일반 버스라인(31)과 전동 추진기(32)를 연결하는 전동 버스라인(33), 전동 버스라인(33)에 배치되는 전동전압 변압기(34), 및 전동전압 변압기(34)의 주파수를 변환하여 전동 추진기(32)에 제공하는 추진용 주파수 변환기(35)를 포함할 수 있다.
일반 부하부(30)의 일반 버스라인(31)에는 전력공급 버스라인(20)과 선택적으로 연결되는 버스 타이(120)가 마련될 수 있다. 주전력 공급부(100)와 보충전력 공급부(110)로부터 공급되는 전력이 모이는 전력공급 버스라인(20)은, 버스 타이(120)에 의해 고부하부(40) 및 일반 부하부(30)와 접속이 가능하게 마련된다.
이에 따라, 주전력 공급부(100)와 보충전력 공급부(110)에서 공급되는 전력은 버스 타이(120)의 연결에 의해 고부하부(40)와 일반 부하부(30)로 공급될 수 있다. 버스 타이(120)가 오픈(open)되는 경우에는, 주전력 공급부(100)와 보충전력 공급부(110)의 전력은 고부하부(40)로 함께 공급되어 고부하부(40)의 피크 전력에 대응한 전력을 공급하게 된다.
버스 타이(120)가 연결(close)되는 경우에는, 주전력 공급부(100)와 보충전력 공급부(110)의 전력은 일반 부하부(30)로 함께 공급되어 일반 부하부(30)의 피크 전력에 대응한 전력을 공급하며, 일반 부하부(30)의 피크 전력이 해소되는 상태에서 주전력 공급부(100)의 전력이 유지되며, 보충전력 공급부(110)의 전력 공급은 차단될 수 있고, 또한 처음부터 주전력 공급부(100)의 전력만 일반 부하부(30)에 공급될 수 있다.
이처럼 주전력 공급부(100)는 선내 전력수요부(10)의 전력부하가 일정한 상태에서 단독으로 사용되며, 보충전력 공급부(110)는 선박 운항 상황이 변화되어 선내 전력수요부(10)에서 간헐성 고부하 전력이 운용되는 경우에 주전력 공급부(100)와 병렬로 연결될 수 있다.
연료전지가 단독으로 사용되거나 배터리와 함께 사용되는 경우는, 도 3을 참조하여 설명하면, 다음과 같다.
본 실시예에서는 전력부하 변동 빈도/폭이 작은 상황에서는 연료전지(101) 단독으로 사용될 수 있다. 즉, 간헐성/고부하 전력의 운용이 없는 경우, 용량이 비교적 작고 변동이 잦지 않은 항해 중 기저 전력부하(일반 부하)의 경우 등에 연료전기가 단독으로 사용 가능하며, 항내 정박 중 전력부하 운용 특성은 선종 및 화물 작업에 따라 다르게 적용될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 전력부하 변동 빈도/폭이 큰 상황에서는 연료전지(101)와 배터리(111)가 병렬 연결되어 사용될 수 있다. 즉, 항내 입·출항 중 운용하는 간헐성/고부하 전력은 변동폭이 큰 경우, 선박 운항 상황 변경에 따라 즉각 배터리 투입하여 빠르게 대응할 필요가 있는 경우, 및 항구에 접안하거나 이안할 때 총 전력부하가 크게 나타나는 경우에 연료전지(101)와 배터리(111)가 병렬 연결되어 사용될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 선박 운항 상황이 달라지는 경우에 연료전지(101)와 배터리(111)가 병렬 연결되어 사용될 수 있다. 선박 운항 상황이 달라지는 경우는, 선박이 항내로부터 출항(Port Out)하는 경우, 출항 이후 외항/대양 항해(Sea Going)하는 경우, 외항/대양 항해로부터 입항(Port In)하는 경우, 및 입항하여 항내 진입하는 경우이다.
본 실시예에는 주전력 공급부(100)와 보충전력 공급부(110)에 연결되며, 복수의 선내 전력수요부(10)의 사용전력을 모니터링하여 전력공급을 제어하는 전력통합 제어부(131)가 포함된다.
전력통합 제어부(131)는 주전력 공급부(100)를 단독으로 사용하거나, 복수의 선내 전력수요부(10)의 전력 부하의 피크 변동에 대응하여 주전력 공급부(100)와 보충전력 공급부(110)를 함께 사용하여, 복수의 선내 전력수요부(10)에 필요 전력을 공급하도록 제어한다.
이러한 전력통합 제어부(131)는, 선내 소요전력(일반 부하부(30) 및 고부하부(40)의 부하)을 모니터링하는 전력관리시스템(Power Management System; PMS)(132), 선박의 추진에 필요한 데이터 및 제어 신호 등을 처리하는 추진제어시스템(Propulsion Control System; PCS)(133), 및 선교(bridge), 기관제어실(engine control room) 등에서 선박의 운항 속도를 제어하는 BMS(Bridge Manoeuvring system)(135)와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전력통합 제어부(131)는, 전력공급 버스라인(20), 일반 버스라인(31) 및 추진용 주파수 변환기(35)에 연결된 전력관리시스템(132)을 통해 선내 소요전력을 실시간으로 모니터링한 정보를 취득하여, 연료전지(101)와 배터리(111)의 사용을 제어할 수 있으며, 고부하부(40)의 가동 시, 또는 일반 부하부(30)의 피크 전력 발생 시 보충전력 공급부(110)의 배터리(111) 전력을 병렬 공급할 수 있도록 한다.
또한, 전력통합 제어부(131)는, 추진제어시스템(133)으로부터 GPS 상의 선박의 위치, 전동 추진기와 같은 추진 장비에 전달하는 제어 명령 및 피드백 신호 등의 추진 제어에 관한 데이터를 취득하여, 선박의 운항 상황과 예상 가능한 입출항 일정을 바탕으로 연료전지(101)와 배터리(111)의 사용을 제어할 수 있으며, 고부하부(40)의 가동 시, 또는 일반 부하부(30)의 피크 전력 발생 시 보충전력 공급부(110)의 배터리(111) 전력을 병렬 공급할 수 있도록 한다.
또한, 전력통합 제어부(131)는, BMS(135)로부터 선박의 운항 속도 제어 명령과 피드백 신호 등 선박의 운항에 관한 데이터를 취득하여, 선박의 운항 속도와 기타 제어 상황 등에 변동 발생 시 이를 바탕으로 연료전지(101)와 배터리(111)의 사용을 제어할 수 있으며, 고부하부(40)의 가동 시, 또는 일반 부하부(30)의 피크 전력 발생 시 보충전력 공급부(110)의 배터리(111) 전력을 병렬 공급할 수 있도록 한다.
연료전지(101)에서 생산되는 전력은, 각종 선내 전력수요부(10)에 공급될 수 있음은 물론, 선박의 추진을 위해 마련되는 프로펠러의 회전 동력을 생성하기 위한 모터에 공급되며, 고부하부(40)의 가동 시, 또는 일반 부하부(30)의 피크 전력 발생 시 전력을 공급하는 보충전력 공급부(110)의 배터리(111) 전력은 연료전지(101)의 느린 응답성을 극복하도록 제어적으로 제공될 수 있다.
상기와 같은 본 발명은 배기가스 제로를 위하여 디젤엔진을 연료전지/배터리 하이브리드 발전원으로 대체하여, PCS, PMS, BMS, 및 오토파일럿(Auto Pilot) 연동을 통한 선박 운항 및 전력부하 운용 상황 모니터링, 선박 운항 상황 변동에 따른 전력통합 제어부의 제어 모드 변경 및 전력 변동에 실시간 대응, 친환경 발전 및 배출 저감, 전력 안정성 확보, 장비 활용도 개선을 제공할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 이를 기초로 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 본질적인 기술 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다.
10: 선내 전력수요부 20: 전력공급 버스라인
30: 일반 부하부 31: 일반 버스라인
32: 전동 추진기 33: 전동 버스라인
34: 전동전압 변압기 35: 추진용 주파수 변환기
40: 고부하부 41: 고부하 장치
100: 주전력 공급부 101: 연료전지
102: 주전력 버스라인 105: 주전력 변압기
110: 보충전력 공급부 111: 배터리
115: 배터리 관리시스템 116: 보충전력 버스라인
117: 보충전력 변압기 118: 배터리용 주파수 변환기
120: 버스 타이 131: 전력통합 제어부
132: 전력관리시스템 133: 추진제어시스템
135: BMS

Claims (11)

  1. 복수의 선내 전력수요부에 필요한 전력을 생산 및 공급하는 연료전지를 구비한 주전력 공급부;
    상기 복수의 선내 전력수요부에서 순간적인 피크 부하에 따른 보충전력을 공급하는 배터리를 구비한 보충전력 공급부;
    상기 복수의 선내 전력수요부와 상기 주전력 공급부 및 상기 보충전력 공급부를 연결하는 전력공급 버스라인; 및
    상기 주전력 공급부와 상기 보충전력 공급부에 연결되며, 상기 복수의 선내 전력수요부의 사용전력을 모니터링하여 전력공급을 제어하는 전력통합 제어부를 포함하며,
    상기 전력통합 제어부는, 상기 주전력 공급부를 단독으로 사용하거나, 상기 복수의 선내 전력수요부의 전력 부하의 피크 변동에 대응하여 상기 주전력 공급부와 상기 보충전력 공급부를 함께 사용하여, 상기 복수의 선내 전력수요부에 필요 전력을 공급하는, 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주전력 공급부는,
    상기 연료전지와 상기 전력공급 버스라인을 연결하는 주전력 버스라인; 및
    상기 주전력 버스라인에 배치되는 주전력 변압기를 포함하는, 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보충전력 공급부는,
    상기 배터리의 전력을 관리하는 배터리 관리시스템;
    상기 배터리와 상기 전력공급 버스라인을 연결하는 보충전력 버스라인;
    상기 보충전력 버스라인에 배치되는 보충전력 변압기; 및
    상기 배터리의 전력 주파수를 가변시키는 배터리용 주파수 변환기를 포함하는, 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 선내 전력수요부는,
    상기 전력공급 버스라인과 연결되는 고부하 버스라인과 고부하 장치들을 구비한 고부하부; 및
    상기 전력공급 버스라인과 연결되는 일반 버스라인과 전동 추진기를 구비한 일반 부하부를 포함하며,
    상기 일반 부하부의 상기 일반 버스라인에는, 상기 전력공급 버스라인과 선택적으로 연결되는 버스 타이가 마련되는, 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 일반 부하부는,
    상기 일반 버스라인과 상기 전동 추진기를 연결하는 전동 버스라인;
    상기 전동 버스라인에 배치되는 전동전압 변압기; 및
    상기 전동전압 변압기의 주파수를 변환하여 상기 전동 추진기에 제공하는 추진용 주파수 변환기를 포함하는, 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전력통합 제어부는,
    상기 복수의 선내 전력수요부에 필요한 전력을 모니터링하는 전력관리시스템;
    선박의 추진에 필요한 데이터 및 제어 신호를 처리하는 추진제어시스템; 및
    상기 선박의 운항 속도를 제어하는 BMS와 연결되며,
    상기 전력관리시스템, 상기 추진제어시스템, 및 상기 BMS로부터 취득된 선내 수요전력 상태를 기초로 상기 연료전지를 단독으로 사용하거나 상기 연료전지와 상기 배터리를 함께 사용하여 상기 복수의 선내 전력수요부에 필요전력의 공급을 제어하는, 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주전력 공급부는 상기 복수의 선내 전력수요부의 전력부하가 일정한 상태에서 단독으로 사용되되,
    상기 보충전력 공급부는 선박 운항 상황이 변화되어 상기 복수의 선내 전력수요부에서 간헐성 고부하 전력이 운용되는 경우에 상기 주전력 공급부와 병렬로 연결되는, 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리는 ESS(Energy Storage System)인, 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지는 수소 연료전지 또는 암모니아 연료전지를 포함하는, 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템.
  10. 일반 부하부, 및 상기 일반 부하부에 비해 상대적으로 가동 시 부하의 변동 폭이 큰 고부하부를 포함하며,
    상기 일반 부하부는 연료전지의 전력으로 운용되며,
    상기 고부하부는, 상기 연료전지와 배터리에 의해 가동 시 전력을 공급받고, 가동 이후 시간에 대해 부하의 변동이 일정한 정상상태가 되면, 상기 배터리에 의한 전력 공급을 차단하고 상기 연료전지에 의해 생산되는 전력으로 운용되는, 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 연료전지와 배터리의 하이브리드 발전원을 이용한 추진 및 전력부하 제어 시스템을 구비한 선박.
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