KR20230024998A - 선박의 풍력 추진 장치를 위한 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
선박 상에 배치된 풍력 추진 장치(wind propulsion device)(300, 600)를 제어하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은 풍력 추진 장치의 표면에 배치된 제1 압력 센서(302, 616)로부터 압력 정보를 제공하는 단계, 제1 압력 센서로부터의 압력 정보에 기초하여 풍력 추진 장치의 표면상의 압력 분포를 추정하는 단계, 풍력 추진 장치의 각위치(angular position) 정보를 제공하는 단계, 풍력 추진 장치의 각위치 정보와 풍력 추진 장치의 표면상의 추정된 압력 분포에 기초하여 겉보기 풍향각(apparent wind angle)을 추정하는 단계, 추정된 겉보기 풍향각을 사용하여 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값을 결정하는 단계, 및 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화하기 위해 폐쇄 루프 제어 방법에서 상기 추정된 압력 분포를 피드백으로서 사용하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 풍력 추진 장치(wind propulsion device)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 선박에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하는 방법에 관한 것이다.
최근에는, 해양 산업에서 유조선, 화물선, 여객선, 보트 등과 같은 선박들의 추진을 위해 풍력 에너지를 활용하는 데 상당한 발전이 이루어졌다. 매그너스-로터(Magnus-rotor) 또는 에어로포일 세일(aerofoil sail)과 같은 풍력 추진 장치는 수중 프로펠러와 같은 종래의 추진 시스템을 보조하기 위해 점점 더 많이 사용되고 있다. 구체적으로, 이러한 풍력 추진 장치는 선박 상에 수직으로 설치되어 바람의 흐름 방향에 수직인 양력(lift)(또는 추력)을 발생시키고, 이러한 양력은 선박을 위한 추진력으로서 작용한다.
일반적으로, 이러한 풍력 추진 장치는 최적의 효율을 보장하기 위해 정밀한 제어가 요구된다. 특히, 매그너스-로터의 회전 속도와 회전 방향 또는 에어로포일 세일의 받음각(angle of attack)과 같은 제어 파라미터들은 선박 주위의 바람 상태에 따라 정기적으로 모니터링 및 조절된다. 이러한 제어 파라미터들의 조절은 일반적으로 선박에 배치된 풍향(또는 풍향각(wind angle)) 및 풍속 측정을 위한 기상 마스트(weather mast), 풍속계 또는 전용 풍속 센서와 같은 다수의 측정 장치들로부터의 정보에 기초하여 수행된다. 그러나, 이러한 측정 장치들은 일반적으로 설치된 지점에서 바람의 상태를 측정하며 선박 상의 다양한 구조물로 인한 윈드 프로파일(wind profile) 및 압력 분포의 변화를 고려하지 않는다. 또한, 측정 장치들은 일반적으로 풍력 추진 장치에 근접하여 설치되지 않는다. 따라서, 측정 장치에 의해 기록된 바람 상태들은 풍력 추진 장치에서 관찰된 바람 상태들과 비교하여 상당히 다를 수 있다. 대신에, 측정 장치가 풍력 추진 장치의 근접하여 설치된 경우, 풍력 추진 장치는 그 작동으로 인해 측정 장치에 의한 바람 상태의 측정에 오류를 초래할 수 있다. 따라서, 이러한 측정 기술을 사용하여 결정된 풍력 추진 장치의 작동을 위한 제어 파라미터들은 일반적으로 풍력 추진 장치의 최적이 아닌 작동을 초래한다.
또한, 풍력 추진 장치에 의해 생성된 양력 또는 힘의 측정을 위해 스트레인-기반(strain-based) 측정이 사용될 수 있다. 구체적으로, 풍력 추진 장치의 구조물의 휨(flexion)을 측정함으로써, 바람으로 인해 타워에 작용하는 힘이 계산될 있다. 그러나, 선박의 선체에 의한 난류 또는 변화하는 환경 조건들은 풍력 추진 장치에 전달되는 힘에 상당한 영향을 미치므로 풍력 추진 장치의 구조물에서 발생하는 휨이 결과적으로 달라질 수 있다. 더욱이, 일반적인 변형-기반 측정 기술은 풍력 추진 장치에서 발생하는 것보다 더 큰 크기의 스트레인을 측정하도록 설계되었다. 따라서, 이러한 스트레인-기반 측정은 충분히 정확하지 않을 수 있다.
전술한 논의에 비추어 볼 때, 풍력 추진 장치에 대한 제어 파라미터들을 최적화하는 것과 관련된 전술한 단점들을 극복할 필요가 있다.
본 개시는 풍력 추진 장치를 제어하는 방법을 제공하고자 한다. 본 개시는 풍력 추진 장치의 비효율적인 작동을 초래하는 부정확하고 신뢰할 수 없는 측정 기술의 기존 문제에 대한 해결책을 제공하고자 한다. 따라서, 본 개시의 목적은 종래 기술에서 직면하는 문제점들을 적어도 부분적으로 극복하고, 풍력 추진 장치와 관련된 제어 파라미터들을 최적화하는 효율적인 방법을 제공하는 해결책을 제공하는 것이다.
일 양태에서, 본 개시의 실시예는 선박에 배치된 풍력 추진 장치(wind propulsion device)를 제어하는 방법을 제공하며, 상기 방법은:
- 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에서 상기 풍력 추진 장치의 표면에 배치된 적어도 제1 압력 센서로부터 압력 정보를 제공하는 단계;
- 상기 적어도 제1 압력 센서로부터의 압력 정보에 기초하여 상기 풍력 추진 장치의 표면상의 압력 분포를 추정하는 단계; 및
- 상기 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화하기 위해 폐쇄 루프 제어 방법에서 상기 추정된 압력 분포를 피드백으로서 사용하는 단계;를 포함한다.
다른 양태에서, 본 개시의 실시예는 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치들의 시스템을 제어하기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은:
- 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법에 따라 각각의 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화하는 단계; 및
- 개별 성능 차이를 측정하여 각각의 풍력 추진 장치 사이의 상호작용을 고려함으로써, 상기 풍력 추진 장치들의 전체 효율을 최적화하는 단계;를 포함하며,
상기 풍력 추진 장치들은 선박의 길이에 대해 선박 상의 상이한 위치들에 배치된다.
또 다른 양태에서, 본 개시의 실시예는 적어도 2개의 풍력 추진 장치들을 포함하는 선박을 제공하며, 각각의 풍력 추진 장치는 적어도 제1 압력 센서를 포함하고, 상기 제1 압력 센서는 상기 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에서 상기 풍력 추진 장치의 표면에 배치되며, 상기 선박은 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법을 수행하기 위한 수단을 더 구비한다.
또 다른 양태에서, 본 개시의 실시예는 비일시적 기계 판독 가능한 데이터 저장 매체에 기록된 소프트웨어 제품을 제공하며, 상기 소프트웨어 제품은 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법을 구현하기 위해 컴퓨팅 하드웨어에서 실행 가능하다.
본 개시의 실시예들은 종래 기술의 전술한 문제점들을 실질적으로 제거하거나 적어도 부분적으로 해결하고, 풍력 추진 장치의 작동을 위한 제어 파라미터들을 최적화함으로써 풍력 추진 장치의 효율적인 작동을 가능하게 한다.
본 개시의 추가적인 양태들, 이점들, 특징들 및 목적들은 첨부된 청구항들과 관련하여 해석되는 예시적인 실시예들의 상세한 설명 및 도면들로부터 명백해질 것이다.
본 개시의 특징들은 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 조합으로 조합될 수 있음을 이해할 것이다.
위의 요약과 다음의 예시적인 실시예들의 상세한 설명은 첨부된 도면들과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 것이다. 본 개시를 예시하기 위한 목적으로, 본 개시의 예시적인 구성들이 도면들에 도시되어 있다. 그러나, 본 개시는 여기에서 개시된 특정 방법들과 도구들에 제한되지 않는다. 더욱이, 당업자는 도면들이 축척에 맞게 그려지지 않았다는 것을 이해할 것이다. 가능한 한, 동일한 요소들은 동일한 참조번호로 표시되었다.
이제, 본 개시의 실시예들은 다음의 도면들을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다:
도 1은 본 개시의 실시예에 따른, 선박에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법의 단계들을 도시하며;
도 2는 본 개시의 예시에 따른, 제어 파라미터들의 최적화를 위해 사용되는 폐쇄 루프 제어 방법의 블록도이며;
도 3은 본 개시의 실시예에 따른, 풍력 추진 장치로서의 매그너스-로터를 도시하며;
도 4는 매그너스-로터에 바람의 유입을 개략적으로 도시하며;
도 5는 불균일한 유입으로 인한 매그너스-로터의 상이한 높이들에서의 압력 분포의 개략도이며;
도 6은 본 개시의 실시예에 따른, 풍력 추진 장치로서의 에어로포일 세일을 도시하며;
도 7은 본 개시의 실시예에 따른, 풍력 추진 장치가 매그너스-로터로서 구현될 때 회전 속도와 순 이득 사이의 관계를 나타내는 그래프이며;
도 8은 매그너스-로터에 작용하는 힘들을 도시하며;
도 9는 본 개시의 실시예에 따른, 풍력 추진 장치의 시스템을 제어하는 방법의 단계들을 도시하며;
도 10은 본 개시의 예시적인 구현예에 따른, 제어 파라미터들의 최적화의 상이한 사례들에서 선박의 개략도이다.
첨부된 도면들에서, 밑줄 친 참조번호는 밑줄 친 참조번호가 위치하는 아이템 또는 밑줄 친 참조번호가 인접한 아이템을 나타내기 위해 사용된다. 밑줄이 없는 참조번호는 아이템에 밑줄이 없는 참조번호를 연결하는 선으로 식별되는 아이템과 관련된다. 숫자에 밑줄이 없고 관련 화살표가 있을 때, 밑줄이 없는 참조번호는 화살표가 가리키는 일반적인 아이템을 식별하는 데 사용된다.
이제, 본 개시의 실시예들은 다음의 도면들을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다:
도 1은 본 개시의 실시예에 따른, 선박에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법의 단계들을 도시하며;
도 2는 본 개시의 예시에 따른, 제어 파라미터들의 최적화를 위해 사용되는 폐쇄 루프 제어 방법의 블록도이며;
도 3은 본 개시의 실시예에 따른, 풍력 추진 장치로서의 매그너스-로터를 도시하며;
도 4는 매그너스-로터에 바람의 유입을 개략적으로 도시하며;
도 5는 불균일한 유입으로 인한 매그너스-로터의 상이한 높이들에서의 압력 분포의 개략도이며;
도 6은 본 개시의 실시예에 따른, 풍력 추진 장치로서의 에어로포일 세일을 도시하며;
도 7은 본 개시의 실시예에 따른, 풍력 추진 장치가 매그너스-로터로서 구현될 때 회전 속도와 순 이득 사이의 관계를 나타내는 그래프이며;
도 8은 매그너스-로터에 작용하는 힘들을 도시하며;
도 9는 본 개시의 실시예에 따른, 풍력 추진 장치의 시스템을 제어하는 방법의 단계들을 도시하며;
도 10은 본 개시의 예시적인 구현예에 따른, 제어 파라미터들의 최적화의 상이한 사례들에서 선박의 개략도이다.
첨부된 도면들에서, 밑줄 친 참조번호는 밑줄 친 참조번호가 위치하는 아이템 또는 밑줄 친 참조번호가 인접한 아이템을 나타내기 위해 사용된다. 밑줄이 없는 참조번호는 아이템에 밑줄이 없는 참조번호를 연결하는 선으로 식별되는 아이템과 관련된다. 숫자에 밑줄이 없고 관련 화살표가 있을 때, 밑줄이 없는 참조번호는 화살표가 가리키는 일반적인 아이템을 식별하는 데 사용된다.
실시예들의 상세한 설명
다음의 상세한 설명은 본 개시의 실시예들과 이들이 구현될 수 있는 방식을 예시한다. 본 개시를 수행하는 몇몇 모드들이 개시되었지만, 당업자는 본 개시를 수행하거나 실시하기 위한 다른 실시예들도 포함된다는 것을 인식할 것이다.
일 양태에서, 본 개시의 실시예는 선박에 배치된 풍력 추진 장치(wind propulsion device)를 제어하는 방법을 제공하며, 상기 방법은:
- 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에서 상기 풍력 추진 장치의 표면에 배치된 적어도 제1 압력 센서로부터 압력 정보를 제공하는 단계;
- 적어도 상기 제1 압력 센서로부터의 압력 정보에 기초하여 상기 풍력 추진 장치의 표면상의 압력 분포를 추정하는 단계; 및
- 상기 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화하기 위해 폐쇄 루프 제어 방법에서 상기 추정된 압력 분포를 피드백으로서 사용하는 단계;를 포함한다.
여기에서 설명되는 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법은 풍력 추진 장치의 작동의 개선된 제어 및 최적화를 가능하게 한다. 본 개시는 풍력 추진 장치의 전체 표면에 대한 압력 분포의 실시간 추정을 가능하게 하며 풍력 추진 장치 주위의 풍향 및 풍속과 같은 바람 상태들의 추정도 허용하는 압력 측정을 이용한 개선된 방법을 제공한다. 유익하게도, 이러한 압력 측정의 방법은 바람 상태들을 측정하기 위한 다수의 측정 장치들의 필요성을 제거한다. 여기에서 설명되는 방법은 풍력 추진 장치에 작용하는 압력 분포와 힘을 결정하는 데 사용되는 직접 압력 측정을 채용한다. 또한, 본 개시에서 설명되는 방법은 상당한 수정의 필요성 없이 다수의 유형들의 풍력 추진 장치들에 적용 가능하다. 특히, 본 개시의 방법은 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치의 효율을 상당히 증가시키고, 이에 의해 선박의 전체 추진에 대한 풍력 추진 장치의 기여도를 증가시킨다.
본 개시는 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법을 제공한다. 여기에서, "선박(vessel)"이라는 용어는 화물 및 여객의 운송, 해양 탐사 등의 목적에 사용되는 배 또는 선박을 말한다. 일반적으로, 선박은 엔진이나 터빈을 사용하여 추진된다. 선박은 선박의 추진에서 엔진을 보조하기 위한 풍력 추진 장치를 더 구비한다. 여기에서, "풍력 추진 장치"라는 용어는 선박의 이동에서 엔진이나 터빈과 같은 1차 추진 수단을 보조하여 선박의 연료 소모를 감소시키는 데 사용되는 장치를 말한다. 이러한 풍력 추진 장치는 선박의 유일한 추진 수단으로도 사용될 수 있다. 구체적으로, 풍력 추진 장치는 선박 주위의 바람의 운동 에너지를 포착하여 선박의 추진을 보조한다. 풍력 추진 장치의 예들은 매그너스-로터(Magnus-rotor)(예를 들어, 플레트너(Flettner) 로터) 및 에어로포일 세일(aerofoil sail)(예를 들어, 윙 세일(wing sail))을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 에어로포일 세일은 예를 들어 윙 세일, 강성 세일(rigid sail) 또는 흡입 윙 세일(터보 세일이라고도 함)일 수 있다. 특히, 풍력 추진 장치로부터의 최적화된 추진 출력을 보장하기 위해, 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들은 외부 요인들, 예컨대 대기압, 선박 주위의 풍속, 선박의 속도, 바람의 흐름 방향, 선박의 이동 방향 중 하나 이상에 따라 조절된다. 본 개시는 이러한 제어 파라미터들을 최적화하기 위해 풍력 추진 장치를 제어하는 방법을 제공한다.
상기 방법은 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에서 풍력 추진 장치의 표면에 배치된 적어도 제1 압력 센서로부터 압력 정보를 제공하는 단계를 포함한다. 구체적으로, 상기 제1 압력 센서는 풍력 추진 장치의 표면상의 공기 압력을 결정한다. 선박이 이동 중일 때, 선박 주위의 바람의 흐름은 상기 풍력 추진 장치에 힘을 가하고, 이 힘은 선박의 이동을 돕기 위해 활용된다. 상기 풍력 추진 장치의 표면에 배치된 제1 압력 센서로부터 수신된 압력 정보는 바람에 의해 풍력 추진 장치에 가해진 힘들에 관한 정보를 말한다. 압력 센서들의 예들은 차압 센서, 압력 풍속계 및 압전 압력 센서를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 또한, 상기 제1 압력 센서가 배치되는 제1 높이(H1)는 풍력 추진 장치의 높이, 선박의 크기, 선박의 일반적인 운항 환경에서의 대기 및 기상 조건 등의 요인들에 기초하여 선택된다. 특히, 상기 제1 압력 센서는 풍력 추진 장치의 높이(H1)에서의 단면의 압력 정보를 제공한다. 일 예에서, 상기 풍력 추진 장치는 매그너스-로터이고, 단일 압력 센서가 그 표면에 배치된다. 이러한 예에서, 상기 매그너스-로터가 회전함에 따라, 매그너스-로터와 함께 회전하는 단일 압력 센서는 압력 센서가 배치된 단면의 상이한 영역들에 관한 압력 정보를 측정한다. 다른 예에서, 상기 풍력 추진 장치는 에어로포일 세일이고, 바람직하게는 다수(예를 들어, 2, 3 또는 4개)의 압력 센서들이 에어로포일 세일의 표면에 배치된다. 이러한 예에서, 다수의 압력 센서들 각각은 배치되는 에어로포일 세일의 표면상의 영역에 관한 압력 정보를 제공한다. 따라서, 사용되는 압력 센서들의 수는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 25, 30, 35개 또는 심지어 40개일 수 있다.
상기 방법은 적어도 상기 제1 압력 센서로부터의 압력 정보에 기초하여 상기 풍력 추진 장치의 표면상의 압력 분포를 추정하는 단계를 포함한다. 특히, 바람에 의해 풍력 추진 장치의 표면에 가해지는 압력은 바람의 흐름 방향과 속도에 기초하여 달라지게 된다. 풍력 추진 장치의 표면에 배치된 적어도 제1 압력 센서는 풍력 추진 장치의 표면의 상이한 부분들의 압력의 변화에 관한 정보를 제공한다. 결과적으로, 적어도 제1 압력 센서에 의해 제공된 압력 정보에 기초하여, 풍력 추진 장치의 표면상의 압력 분포가 추정된다. 구체적으로, 풍력 추진 장치의 표면상의 압력 분포는 풍력 추진 장치의 전면과 후면 사이의 압력 차이의 추정을 제공한다. 상기 풍력 추진 장치가 매그너스-로터일 때, 매그너스-로터가 회전하므로 하나의 압력 센서로 이를 달성할 수 있다. 상기 풍력 추진 장치가 에어로포일 세일일 때, 상기 에어로포일 세일의 표면상의 상이한 영역들에 관한 압력 정보를 제공하는 적어도 2개의 압력 센서들이 배치되는 것이 바람직하다. 상기 풍력 추진 장치의 표면상의 상이한 영역들에 관한 이러한 압력 정보를 사용하여, 풍력 추진 장치의 표면상의 압력 분포가 추정된다.
선택적으로, 상기 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법은 상기 풍력 추진 장치의 각위치(angular position) 정보를 제공하는 단계를 포함한다. 특히, 상기 풍력 추진 장치의 각위치 정보는 이에 의해 제공되는 추진력에 영향을 미치는 풍력 추진 장치의 위치 및 작동 정보에 관한 파라미터들을 지칭한다. 구체적으로, 상기 풍력 추진 장치의 각위치 정보는 선박의 이동 방향과 속도에 상당한 영향을 미친다. 일 실시예에서, 상기 풍력 추진 장치가 매그너스-로터일 때, 각위치 정보는 매그너스-로터의 치수 정보(예컨대, 높이, 직경 등), 매그너스-로터의 회전 속도, 및 매그너스-로터의 회전 방향을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 일 실시예에서, 상기 풍력 추진 장치가 에어로포일 세일일 때, 각위치 정보는 에어로포일 세일의 유형, 에어로포일 세일의 치수 정보(예컨대, 익현 길이, 높이, 선행 에지와 후행 에지의 곡률), 및 에어로포일 세일의 받음각(angle of attack)을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
상기 방법은 추가적으로 풍력 추진 장치의 각위치 정보와 풍력 추진 장치의 표면상의 추정된 압력 분포에 기초하여 겉보기 풍향각(apparent wind angle)을 추정하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 겉보기 풍향각은 풍력 추진 장치에 대한 바람의 흐름 방향을 말한다. 특히, 겉보기 풍향각은 선박의 중앙 앞뒤 선을 따른 중앙부와 같이 선박의 중앙부들 중 하나에 대해 측정될 수 있다. 추정된 압력 정보는 풍력 추진 장치의 표면상의 다른 영역들과 비교하여 더 높은 정도의 압력을 경험하는 풍력 추진 장치의 표면상의 영역에 관한 정보를 제공한다는 것이 이해될 것이다. 결과적으로, 더 높은 정도의 압력을 경험하는 영역은 바람의 흐름에 직접적으로 영향을 받는 것으로 결론지을 수 있으며, 따라서, 바람의 흐름의 방향은 이러한 영역들의 방향으로 추정될 수 있다. 따라서, 각위치 정보에 기초하여, 중앙부들 중 하나에 대하여 풍력 추진 장치 상의 이러한 영역들의 위치가 결정되고, 결과적으로 겉보기 풍향각이 추정된다.
압력 센서에 의해 측정된 압력은 풍력 추진 장치의 표면에 배치된 압력 센서가 정체점(stagnation point)과 일치할 때 최대가 된다. 정체점은 바람의 모든 운동 에너지가 압력(위치 에너지)으로 변환되는 지점이다. 일반적으로, 알려진 세일 구조와 세일의 작동 상태에 대해, 정체점(들)의 위치는 받음각과 관련된다. 따라서, 정체점을 찾을 수 있으면 받음각이 추론될 수 있으며, 즉 받음각은 최대 압력이 측정된 지점과 관련된다.
상기 방법은 추정된 겉보기 풍향각을 사용하여 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 특히, 제어 파라미터들은 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치의 유형에 따라 달라질 수 있다. 일 예에서, 매그너스-로터에 대한 제어 파라미터들은 매그너스-로터의 회전 속도 및/또는 매그너스-로터의 회전 방향일 수 있다. 다른 예에서, 에어로포일 세일에 대한 제어 파라미터는 에어로포일 세일의 받음각일 수 있다. 추정된 겉보기 풍향각은 단지 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값을 제공한다는 것이 이해될 것이다. 이러한 제어 파라미터들은 풍력 추진 장치에 구현되며 최적화 및 효율성 향상을 위해 정기적으로 조절된다.
이하에서, 풍력 추진 장치가 매그너스-로터인 예시적인 실시예들이 논의된다. 적절할 때마다, 동일한 세부사항 및 실시예들이 다른 유형의 풍력 추진 장치에 적용된다.
본 개시 전체에 걸쳐, "매그너스-로터"라는 용어는 그 길이방향 축을 따라서 회전하며 길이방향 축과 바람의 흐름 방향에 대해 수직인 힘을 발생시키는, 타워와 같은, 길이방향 구조물을 지칭한다. 이러한 힘은 매그너스 효과(Magnus effect)의 결과로서 발생되며, 선박 주위의 바람의 흐름을 이용하여 선박에 추진력을 제공한다. 또한, 매그너스-로터는 안정화를 위해 디스크 단부 플레이트들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 매그너스-로터들은 플레트너(Flettner) 로터와 같이 실린더형이지만, 매그너스-로터의 단면은 원형, 정사각형, 직사각형 또는 임의의 다각형일 수 있다.
선택적으로, 상기 각위치 정보는 각위치 측정 장치에 의해 제공된다. 여기에서, 각위치 정보는 매그너스-로터의 회전 속도, 매그너스-로터의 회전 각도, 및 매그너스-로터의 회전 방향 중 적어도 하나를 포함한다. 각위치 정보는 매그너스-로터의 치수 정보(예를 들어, 높이, 직경)를 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 각위치 측정 장치는 로터리 엔코더(rotary encoder), 타코미터, 자이로스코프 등일 수 있다. 구체적으로, 로터리 엔코더는 매그너스-로터의 각위치를 결정하도록 작동 가능한 위치 센서이다. 각위치 정보는 정확한 결과를 얻기 위해 높은 빈도로 높은 정확도로 측정하는 것이 바람직함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 각위치 정보를 측정하기 위해 로터리 엔코더와 같은 전문 장치가 사용된다. 또한, 제어 파라미터들은 매그너스-로터의 최적 회전 속도를 포함한다. 특히, 겉보기 풍향각에 기초하여, 선박에 제공되는 추진력이 최대가 되는 최적 회전 속도가 결정된다.
선택적으로, 상기 방법은 풍속(u)을 계산하는 단계를 더 포함한다. 상기 풍속(u)을 계산하기 위해, 먼저 공기 밀도(ρ)가 계산된다. 방정식 (1)은 공기 밀도에 대한 수학 공식을 다음과 같이 제공한다.
여기에서, R(specific)은 건조 공기에 대한 특정 기체 상수(specific gas constant)이며, p는 선박 주위의 대기압이고 T는 선박 주위의 온도이다. 여기에서, 건조 공기에 대한 특정 기체 상수의 값 R(specific)은 28.9645g/mol의 건조 공기에 대한 평균 몰 질량에 기초하여 287.058 Jㆍkg-1ㆍK-1이다. 그러나 R(specific)의 값은 특정 위치에서 공기의 분자 구성에 따라 약간 다를 수 있다.
또한, 대기압(p)은 상기 로터의 후면에서의 압력에 의해 또는 전용 센서를 사용함으로써 근사된다(approximated). 여기에서, 로터의 후면은 바람이 직접적으로 유입되지 않는 로터의 측면을 말한다. 따라서, 로터의 후면에서의 압력은 바람의 흐름에 영향을 받지 않아 대기압과 실질적으로 유사하다. 대안으로서, 대기압 센서와 같은 전용 센서가 대기압 측정에 사용된다. 또한, 온도(T)는 일반적으로 온도계 또는 서미스터와 같은 온도 센서를 사용하여 결정된다.
이후에, 매그너스-로터의 표면상의 최대 압력으로부터 대기압을 빼서 상기 매그너스-로터의 표면상의 최대 동압력(dynamic pressure)(q)이 계산된다. 매그너스-로터 표면상의 최대 압력은 전형적으로 매그너스-로터의 표면에 배치된 적어도 제1 압력 센서로부터의 압력 정보를 사용하여 결정된다. 이어서, 계산된 공기 밀도(ρ)와 최대 동압력(q)을 아래 방정식 (2)에 입력하여 풍속(u)를 계산한다.
그 후, 상기 방법은 추정된 겉보기 풍향각을 사용하여 상기 매그너스-로터의 최적 회전 방향을 결정하는 단계를 더 포함한다. 특히, 매그너스-로터의 회전 방향은 시계 방향 또는 반시계 방향일 수 있다. 일 예에서, 겉보기 풍향각은 선박의 우현으로부터 좌현으로 흐르는 바람을 말한다. 이러한 예에서, 매그너스-로터의 최적 회전 방향은 선박의 선수를 향한 매그너스 힘을 생성하기 위해 반시계 방향일 수 있다.
또한, 상기 방법은 추정된 겉보기 풍향각에 더하여, 계산된 풍속을 사용하여 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값을 결정하는 단계를 포함한다. 앞서 언급한 바와 같이, 매그너스-로터에 대한 제어 파라미터들은 매그너스-로터의 최적 회전 속도를 포함한다. 특히, 매그너스-로터의 회전 속도는 풍속에 대한 회전 속도 비율을 최적화하여 결과적으로 매그너스 효과에 의해 발생하는 추진력을 최적화하도록 조절된다. 매그너스-로터의 회전 속도의 증가와 함께 추진력이 증가한다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 매그너스-로터에서 회전을 일으키기 위해서는 연료가 소모되며 이러한 연료 소모는 회전 속도가 증가함에 따라 증가한다. 따라서, 매그너스-로터의 회전에 의해 발생하는 추진력으로부터 얻어지는 이득이 회전에 소모되는 연료보다 크도록 매그너스-로터의 회전 속도가 최적화된다.
선택적으로, 상기 방법은 적어도 제2 압력 센서로부터 압력 정보를 제공하는 단계를 더 포함하고,
- 상기 제2 압력 센서는 선박의 갑판에 대해 제2 높이(H2)에 배치되며;
- 상기 제1 높이(H1)와 제2 높이(H2) 사이의 차이는 상기 매그너스-로터의 전체 높이(H)의 적어도 20%이고;
- 압력 분포를 추정하는 단계는 적어도 상기 제1 압력 센서와 제2 압력 센서로부터의 압력 정보에 기초하여 상기 매그너스-로터의 표면상의 압력 분포를 보간(interpolating) 및 외삽(extrapolating)함으로써 수행된다.
선택적으로, 이와 관련하여, 오직 제1 압력 센서로부터의 압력 정보만을 사용하는 것과 비교하여, 더 정확하게 매그너스-로터의 표면상의 압력 분포를 추정하기 위해 상기 제2 압력 센서가 선박 상에 배치된다. 바람의 불균일한 흐름으로 인해 매그너스-로터의 높이들에서의 압력 분포가 상이하다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 높이(H2)에 배치되되 제1 압력 센서의 높이(H1)와는 전체 높이(H)의 적어도 20%의 높이 차이가 나도록 배치된 제2 압력 센서는 제1 압력 센서에 의해 제공되는 압력 정보와 상이한 압력 정보를 제공한다. 결과적으로, 압력 정보의 보간 및 외삽은 상이한 높이들에 있는 2개의 상이한 압력 센서들로부터의 정보에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 상이한 높이들(H1 및 H2)에 배치된 제1 압력 센서와 제2 압력 센서는 각각 높이가 변함에 따라 압력 분포가 변하는 방식에 대한 통찰력을 제공한다. 이러한 방식의 압력 분포의 변화는 매그너스-로터의 표면상의 압력 분포를 추정하기 위해 외삽 및 보간될 수 있다. 상기 제1 압력 센서와 제2 압력 센서가 매그너스-로터의 2개의 단부들에 설치될 때의 구현예에서, 매그너스-로터의 표면상의 압력 분포를 추정하기 위해 오직 보간만 요구될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 단순화된 예시적인 예시에서, 압력의 변화는 높이의 함수로서, 예컨대 선형 함수 또는 멱함수(power function)로서 추정된다. 또한, 다수의 압력 센서들에 의해 제공되는 압력 정보에 기초하여, 정교한 유체 역학 모델들이 매그너스-로터의 표면상의 압력 분포를 추정하기 위해 컴퓨팅될 수 있다.
선택적으로, 상기 방법은 매그너스-로터의 표면에 적어도 제3 압력 센서를 배치하는 단계를 더 포함하고, 여기에서 상기 제3 압력 센서는 선박의 갑판에 대해 제3 높이(H3)에 배치되며, 상기 제1 높이(H1), 제2 높이(H2) 및 제3 높이(H3) 사이의 차이는 각각 매그너스-로터의 전체 높이(H)의 적어도 10%이다.
선택적으로, 상기 방법은 상기 매그너스-로터의 표면에 다수의 추가 압력 센서들을 배치하는 단계를 더 포함하고, 각각의 추가 압력 센서는 선박의 갑판에 대해 주어진 높이에 배치되며, 상기 압력 센서들 각각의 높이 사이의 차이는 상기 매그너스-로터의 전체 높이(H)의 적어도 5%이고, 상기 압력 센서들의 수는 적어도 4개이다.
선택적으로, 이와 관련하여, 앞서 언급한 바와 같이 바람의 불균일한 흐름으로 인해 매그너스-로터의 상이한 높이들에서 압력 분포가 달라진다. 따라서, 매그너스-로터의 표면상의 압력 분포를 더 정확하게 추정하기 위해 다수의 압력 센서들이 상이한 높이들에 설치된다. 또한, 압력 센서들의 각각의 높이 사이의 차이가 보장되어 실질적으로 상이한 높이들에서 압력 정보의 기록을 가능하게 하고 매그너스-로터의 전체 높이에서 압력 분포를 더 잘 추정할 수 있다. 유익하게도, 압력 정보를 제공하는 압력 센서들의 수가 증가할수록 압력 정보의 보간 및 외삽에 의해 추정되는 압력 분포의 정확도가 높아진다.
선택적으로, 상기 압력 센서들은 상기 매그너스-로터의 회전축에 실질적으로 평행한 선을 따라 배치된다. 앞서 언급한 바와 같이, 매그너스-로터는 회전축으로서 길이방향 축을 가지는 길이방향 구조물이다. 따라서, 상기 압력 센서들은 회전축에 실질적으로 평행한 매그너스-로터의 표면에 직선으로 배치된다.
대안으로서, 선택적으로, 상기 압력 센서들은 나선형 선을 따라 배치된다. 구체적으로, 가상의 나선형 선은 매그너스-로터의 표면을 따라간다.
선택적으로, 상기 방법은 스트레인 측정과 하부 베어링 지점의 변위 측정을 결합하여 매그너스-로터 힘을 측정하는 단계를 더 포함한다. 상기 매그너스-로터에 의해 생성된 매그너스 힘(Fm)은 매그너스-로터 지지 구조물 내에 배치된 상부 베어링과 하부 베어링 지점으로부터의 힘들에 의해 균형이 맞춰진다는 것을 이해할 것이다. 매그너스 힘들의 균형을 맞추는 동안, 매그너스-로터는 휨 굽힘(flexural bending)과 베어링 포인트의 변위를 겪을 수 있다. 특히, 상부 베어링은 대항력(counter force)(Fmb)을 제공함으로써 매그너스-로터의 휨 굽힘을 제한한다. 여기서, 매그너스-로터는 ΔL/Lo로 측정될 수 있는 스트레인을 유발하는 휨 굽힘을 겪으며, 여기에서 Lo는 휨 굽힘을 겪은 후 길이 변화(ΔL)가 측정되는 지정된 기준 길이이다. 측정 시스템은 상부 베어링 하중과 스트레인 사이의 상관관계를 알기 위해 교정될 필요가 있다. 이 상관관계 값은 민감도(sensitivity)로 지칭된다. 민감도(Sse)는 아래 방정식 (3)에 의해 주어진다.
여기에서, Fmb는 측정되거나 알려진 상부 베어링 힘이고 ΔL/Lo는 대응되는 스트레인 값이다. 그 후에, 민감도를 알게 된 때, 상부 베어링 힘은 민감도에 측정된 스트레인 값을 곱함으로써 얻어진다. Fmb는 스트레인 값과 관련하여 선형적으로 거동한다. 또한, 하부 베어링 지점의 변위는 아래 방정식 (4)을 사용하여 계산된 힘(Flb)에 의해 제한된다.
여기에서, x는 하부 베어링 지점의 변위이고 klb는 하부 베어링 지점에 대한 스프링 계수의 보정된 측정값이다. Klb는 변위 x의 함수이다. 특히, 총 매그너스 힘은 Fmb와 Flb의 합이어야 한다. 상기 방법은 상기 측정된 매그너스-로터 힘을 상기 매그너스-로터의 작동의 최적화에서 피드백으로서 사용하는 단계를 더 포함한다. 특히, 매그너스-로터 힘의 스트레인-기반 측정은 압력-기반 측정의 결과의 교차 검증을 위해 유리하게 사용될 수 있다. 또한, 매그너스-로터에서 관찰되는 휨 굽힘과 변위의 크기는 상당히 작다. 따라서, 매그너스-로터의 대향하는 단부들에 설치되어 스트레인 신호의 증폭을 생성하는 2개의 스트레인 게이지 저항 브리지들의 전기적 연결을 포함하는 장치와 같은 정교한 측정 장치들이 채용된다. 유익하게도, 이러한 센서들로부터 정반대 위치에서의 측정은 매그너스-로터의 열팽창의 효과를 무효화한다. 이하에서는, 풍력 추진 장치가 에어로포일 세일인 실시예들에 대해 논의된다. 적절할 때마다, 동일한 세부사항 및 실시예들이 다른 유형의 풍력 추진 장치에 적용된다.
본 개시 전체에 걸쳐, "에어로포일 세일(aerofoil sail)"이라는 용어는 선박에 배치된 구조물을 의미하며, 상기 구조물의 단면은 공기를 통해 이동할 때 공기역학적 힘을 발생시키는 에어로포일(aerofoil)의 형상이다. 특히, 에어로포일 세일은 공기 또는 바람을 통해 이동할 때 공기를 관통하며 공기역학적 힘을 발생시킨다. 여기에서, 세일의 에어로포일 구조와 에어로포일을 따른 바람의 이동으로 인해, 에어로포일 세일의 오목한 측면상의 압력과 비교하여 에어로포일 세일의 볼록한 측면상의 압력이 더 낮게 관찰된다. 그렇지 않으면, 대칭적인 에어로포일 프로파일의 경우에, 받음각에 따라 압력 차이가 발생한다. 결과적으로, 이러한 압력 차이로 인해, 고압 영역으로부터 저압 영역으로 힘이 발생하게 된다. 압력 차이로 인해 생성된 이러한 힘은 선박을 추진하는 데 적어도 부분적으로 사용된다. 여기에서, 바람의 흐름을 직접적으로 관통하는 에어로포일 세일의 최전방 에지를 선행 에지(leading edge)라 하고, 선행 에지와 대향하는 세일의 후방 에지를 후행 에지(trailing edge)라 한다. 또한, 선행 에지와 후행 에지 사이의 직선을 에어로포일 세일의 익현 라인(chord line)이라 한다. 유사하게, 에어로포일 세일의 표면을 따라가는 선행 에지와 후행 에지 사이의 선을 에어로포일 세일의 익현(chord)이라 한다. 주어진 에어로포일 세일에 대해, 상이한 높이들에서 상이한 익현들과 익현 라인들이 존재할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 특히, 에어로포일 세일의 받음각을 결정하기 위해 익현 라인이 사용된다. 구체적으로, 받음각은 에어로포일 세일에 의해 발생되는 공기역학적 힘을 제어하기 위해 사용되며, 익현 라인과 바람의 흐름 방향을 나타내는 벡터 사이의 각도로 정의된다. 에어로포일 세일의 예들은 연성 윙 세일, 강성 윙 세일, 및 흡입 윙 세일(터보 세일이라고도 함)을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
선택적으로, 압력 정보는 선박의 갑판에 대해 높이(H1)에서 에어로포일 세일의 표면에 배치된 제2 압력 센서로부터 추가로 제공된다. 특히, 제2 압력 센서는 제1 압력 센서와 동일한 높이(H1)에 배치되어 에어로포일 세일의 동일한 높이이지만 그 단면의 상이한 영역에서 압력 정보를 측정한다. 구체적으로, 제1 및 제2 압력 센서들은 에어로포일 세일에서 익현의 길이의 적어도 20%의 거리(D1)를 두고 서로에 대해 상이한 익현 방향 위치들에 배치된다. 여기에서, 익현 길이는 선행 에지와 후행 에지를 연결하는 익현 라인의 길이를 말한다. 특히, 제1 및 제2 압력 센서들은 에어로포일 단면의 상이한 영역들에서 압력 정보를 얻기 위해 에어로포일의 실질적으로 상이한 영역들에 배치되어 더 높은 정확도로 에어로포일 세일의 표면 상의 압력 분포를 추정한다. 또한, 제1 및 제2 압력 센서들은 에어로포일 세일의 대향 측면들에 배치된다. 여기에서, 에어로포일 세일의 대향 측면들은 에어로포일 세일의 선행 에지와 후행 에지를 연결하는 상이한 표면들을 말한다. 앞서 언급된 바와 같이, 에어로포일 세일의 대향 측면들에서 상이한 압력들이 관찰된다. 이러한 압력의 차이는 에어로포일 세일에 의해 제공되는 추진력을 나타낸다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 제1 및 제2 압력 센서들은 이러한 압력 차이를 추정하기 위해 에어로포일 세일의 대향 측면들에 배치된다. 대안으로서, 제1 압력 센서는 에어로포일 세일의 일 측면에 배치되고 제2 압력 센서는 에어로포일 세일의 선행 에지에 배치된다. 전술한 바와 같이, 에어로포일의 선행 에지는 바람의 흐름을 직접 관통하는 최전방 에지이다. 선행 에지에서 관찰된 압력은 이에 의해 제공되는 추진력 및 선박의 속도에 대한 에어로포일 세일의 받음각의 효과에 관한 추가적인 통찰력을 제공할 수 있다. 대안으로서, 제1 및 제2 압력 센서들은 에어로포일 세일의 동일한 측면에 배치된다.
대안으로서, 제1 및 제2 압력 센서들은 서로로부터 익현 길이의 적어도 20%의 거리(D1)를 두고 에어로포일 세일의 익현을 따라서 배치된다.
매그너스-로터에 대해 이전에 기술된 바와 같이, 에어로포일 세일에 대해서도 유사하게 상기 방법은 풍속(u)을 계산하는 단계를 더 포함한다. 먼저, 공기 밀도(ρ)가 계산된다. 방정식 (5)는 공기 밀도에 대한 수학 공식을 제공한다:
여기에서, R(specific)은 건조 공기에 대한 특정 기체 상수이며, p는 선박 주위의 대기압이고 T는 선박 주위의 온도이다. 특히, 대기압(p)은 전용 센서를 사용한다. 대안으로서, 바람직한 실시예에서, 대기압의 측정을 위해 대기압 센서와 같은 전용 센서가 사용된다. 이후에, 에어로포일 세일 표면상의 최대 압력으로부터 대기압(p)을 빼서 에어로포일 표면상의 최대 동압력(q)이 계산된다. 에어로포일 세일의 표면상의 최대 압력은 에어로포일 세일의 표면에 배치된 적어도 제1 압력 센서로부터의 압력 정보를 사용하여 결정된다. 이어서, 계산된 공기 밀도(ρ)와 최대 동압력(q)을 아랙 방정식 (6)에 입력하여 풍속(u)을 계산한다.
그 후, 상기 방법은 추정된 겉보기 풍향각을 사용하여 에어로포일 세일의 최적 받음각(angle of attack)을 결정하는 단계를 포함한다. 여기에서, 에어로포일 세일에 있어서 받음각은 에어로포일 세일에 의해 발생되는 공기역학적 힘(즉, 양력)에 상당히 그리고 주된 영향을 미친다. 따라서, 받음각은 추정된 겉보기 풍향각에 대해 최적화된다. 상기 방법은 추정된 겉보기 풍향각에 더하여 계산된 풍속을 사용하여 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값을 결정하는 단계를 더 포함한다. 여기서, 제어 파라미터들은 주로 에어로포일 세일의 받음각을 포함한다. 풍속은, 풍향각에 더하여, 에어로포일 세일에 의해 발생되는 공기역학적 힘에 상당한 영향을 미치며, 이에 따라 받음각은 풍속에 기초하여 더욱 최적화된다. 따라서, 상기 방법은 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화를 유지하기 위해 다양한 파라미터들을 반복적으로 재계산 및 재추정하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 상기 방법은 적어도 제3 압력 센서로부터 압력 정보를 제공하는 단계를 더 포함하며, 여기에서 제3 압력 센서는 제3 익현 방향 위치에 배치된다. 대안으로서, 제3 압력 센서는 제1 및 제2 압력 센서들과 동일한 익현을 따라서 배치된다. 특히, 에어로포일 세일은 에어로포일 세일의 상이한 높이들에 복수의 익현들을 가진다. 예를 들어, 높이(H1)에서 선행 에지와 후행 에지를 연결하는 선은 높이(H2)에서 선행 에지와 후행 에지를 연결하는 선 등과 비교할 때 상이한 익현이다. 여기에서, 제3 압력 센서는 제1 및 제2 압력 센서들과 동일한 익현을 따라서 배치된다. 선택적으로, 제1, 제2 및 제3 압력 센서들은 각각 서로로부터 적어도 10%의 거리를 두고 에어로포일 세일의 익현을 따라서 배치된다. 특히, 압력 분포는 바람의 불균일한 흐름으로 인해 에어로포일 세일의 익현을 따라 상이한 영역들에서 달라진다. 따라서, 에어로포일 세일 표면상의 압력 분포를 더 정확하게 추정하기 위해 3개의 압력 센서들은 익현 상의 상이한 거리들에 설치된다. 선택적으로, 제3 센서는 제1 압력 센서 및 제2 압력 센서 중 하나 또는 둘 다와 비교하여 에어로포일 세일의 대향 측면에 배치된다.
선택적으로, 상기 방법은 상기 에어로포일 세일의 적어도 2개의 상이한 익현들을 따라서, 상기 에어로포일 세일의 표면상에 다수의 추가 압력 센서들을 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 압력 센서들은 상기 에어로포일 세일의 2개의 측면들과 그 선행 에지 사이에 분할된다. 여기에서, 다수의 추가 압력 센서들은, 에어로포일 세일의 양쪽 측면들과 에어로포일 세일의 선행 에지에서, 상이한 익현들에서 에어로포일 세일의 표면에 걸쳐 배치되어 에어로포일의 전체 표면에 걸친 압력 분포를 정확하게 추정한다. 특히, 컴퓨터 유체 역학 모델이 에어로포일 세일에 대해 모델링될 수 있으며, 이러한 모델은 받음각 및 추진력에 대한 효과와 같은 제어 파라미터들에 대한 변화가 실시간으로 추정되는 에어로포일 세일의 작업 모델을 시뮬레이팅하기 위해 압력 센서들로부터 압력 정보를 보간 및 외삽할 수 있다. 따라서, 에어로포일 세일의 표면에 걸쳐 전략적으로 배치된 복수의 압력 센서들로부터의 압력 정보는 매우 정확한 보간 및 외삽을 가능하게 하며, 이에 의해 에어로포일 세일의 실제 거동을 밀접하게 모방하는 에어로포일 세일의 시뮬레이션을 생성한다. 일 예에서, 에어로포일 세일은 그 위에 배치된 6개의 압력 센서들을 가질 수 있으며, 여기에서 제1, 제2 및 제3 압력 센서들은 동일한 익현을 따라서 배치되고, 제1 및 제2 압력 센서들은 에어로포일 세일의 대향 측면들에 배치되며, 제3 압력 센서는 에어로포일 세일의 후행 에지에 배치된다. 6개의 압력 센서들 중 제4 압력 센서는 에어로포일 세일의 후행 에지에 배치되고, 제5 및 제6 압력 센서들은 상이한 익현들을 따라서 에어로포일 세일의 대향 측면들에 배치된다. 따라서, 사용되는 압력 센서들의 수는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 25, 30, 35개 또는 심지어 40개일 수 있다.
선택적으로, 상기 방법은
- 휨 굽힘 측정과 상기 에어로포일 세일과 그 기초의 연결부에 배치된 베어링의 변위의 측정을 결합하여 에어로포일 세일 힘을 측정하는 단계; 및
- 상기 측정된 에어로포일 세일 힘을 상기 에어로포일 세일 작동의 최적화에서 피드백으로서 사용하는 단계;를 더 포함한다.
에어로포일에 의해 생성된 공기역학적 힘(FA)은 지지 구조물 내에 배치된 베어링들로부터의 힘들에 의해 균형 맞춰진다는 것을 알 수 있을 것이다. 공기역학적 힘의 균형을 맞추는 동안, 에어로포일은 휨 굽힘과 베어링 지점의 변위를 겪을 수 있다.
에어로포일의 휨 굽힘은 ΔL/Lo로 측정될 수 있는 스트레인을 유발하며, 여기에서 Lo는 휨 굽힘을 겪은 후 길이 변화(ΔL)가 측정되는 지정된 기준 길이이다. 측정 시스템은 하중과 스트레인 사이의 상관관계를 알기 위해 교정될 필요가 있다. 이 상관관계 값은 민감도(sensitivity)로 지칭된다. 민감도(Sse)는 아래 방정식 (7)에 의해 주어진다.
여기에서, FL은 측정되거나 알려진 힘이고 ΔL/Lo는 대응되는 스트레인 값이다. 그 후에, 민감도를 알게 된 때, 공기역학적 힘은 민감도에 측정된 스트레인 값을 곱함으로써 얻어진다. FL은 스트레인 값과 관련하여 선형적으로 거동한다. 상기 방법은 상기 측정된 에어로포일 세일 힘을 상기 세일 작동의 최적화에서 피드백으로서 사용하는 단계를 더 포함한다. 특히, 공기역학적 힘들의 스트레인-기반 측정은 압력-기반 측정의 결과의 교차 검증을 위해 유리하게 사용될 수 있다.
매그너스-로터 및 에어로포일 세일 이외의 풍력 추진 장치의 구현도 가능할 수 있으며 여기에서 전술한 방법이 적용 가능하다는 것을 이해할 것이다. 또한, 전술한 매그너스-로터와 관련하여 위에서 개시된 다양한 실시예 및 변형예는 가능한 경우 에어로포일 세일에 필요한 부분만 약간 수정하여 적용되며, 그 역도 마찬가지이다.
선박 상에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법은 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화하기 위해 폐쇄 루프 제어 방법에서 상기 추정된 압력 분포를 피드백으로서 사용하는 단계를 포함한다. 특히, 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값을 결정한 후, 상기 제어 파라미터들은 풍력 추진 장치에서 구현된다. 제어 파라미터들의 변화로 인해 풍력 추진 장치의 표면상의 압력 분포가 상당히 변한다는 것을 알 수 있다. 변경된 제어 파라미터들의 효과를 분석하기 위해 이러한 압력 분포의 변화가 추정된다. 변경된 제어 파라미터들이 구현된 후에 이러한 추정된 압력 분포는 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화하기 위해 전술한 방법에서 피드백으로 사용된다. 일 예에서, 제어 파라미터들의 초기 근사값은 풍력 추진 장치에 의해 제공되는 추진력을 감소시키는 압력 분포의 변화를 초래한다. 따라서, 이러한 압력 분포의 변화는 피드백으로서 제공되고 제어 파라미터들의 또 다른 근사값이 풍력 추진 장치를 위해 결정된다.
이하에서는, 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치들의 시스템을 제어하기 위한 방법이 개시된다. 특히, 선박은 적어도 2개의 풍력 추진 장치들을 포함한다. 상기 풍력 추진 장치들은 선박의 길이에 대해 선박 상의 상이한 위치들에 배치된다. 일 예에서, 선박의 길이(Lv)에 대해, 매그너스-로터와 같은 제1 풍력 추진 장치는 선박의 중앙 앞뒤 선을 따라서 선박 중앙부를 따라서 선박의 선수로부터 Lv/4의 거리에 배치되고, 제2 매그너스-로터와 같은 제2 풍력 추진 장치는 전술한 선박 중앙부를 따라서 3Lv/4의 거리에 배치된다.
전술한 방법을 사용하여 결정된 최적화된 제어 파라미터들에서 작동하는 각각의 풍력 추진 장치에도 불구하고, 풍력 추진 장치의 시스템은 주어진 풍력 추진 장치가 다른 풍력 추진 장치의 작동을 방해하고 무효화함으로써 생성된 난류 후류(turbulent wake) 때문에 최적의 효율로 작동하지 않을 수 있음을 알 수 있다. 이하에서는, 주어진 풍력 추진 장치의 작동이 다른 풍력 추진 장치의 작동에 부정적인 영향을 미치지 않는 방식으로 다수의 풍력 추진 장치들을 제어하기 위한 개선된 방법이 제공된다. 이러한 방법은 상기 풍력 추진 장치들의 시스템으로부터의 효과가 복합되어 시스템의 전체 효율을 증가시키는 방식으로 각각의 풍력 추진 장치의 최적 제어를 가능하게 한다.
선박 상에 배치된 풍력 추진 장치들의 시스템을 제어하기 위한 방법은 전술한 선박에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법에 따라 각각의 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화하는 단계를 포함한다. 먼저, 상기 풍력 추진 장치들 각각의 제어 파라미터들이 개별적으로 최적화된다. 상기 풍력 추진 장치들 각각의 표면 상의 압력 분포가 추정되어 상기 풍력 추진 장치에 대한 겉보기 풍향각이 추정된다. 결과적으로, 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값이 결정되며, 이는 폐쇄 루프 제어 방법에서 피드백으로서 추정된 압력 분포를 사용하여 최적화된다.
상기 방법은 개별 성능 차이를 측정하여 각각의 풍력 추진 장치 사이의 상호 작용을 고려하여, 폐쇄 루프 제어를 사용하여 상기 풍력 추진 장치들의 전체 효율을 최적화하는 단계를 더 포함한다. 특히, 제2 풍력 추진 장치와 비교하여 바람의 상류에(upwind) 방향에 배치된 제1 풍력 추진 장치는 제2 풍력 추진 장치를 간섭하고 그 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 대안으로서, 풍력 추진 장치들 사이의 상호작용은 그 압력 영역들의 중첩에 의해 야기될 수 있다. 특히, 제1 풍력 추진 장치의 저압 영역과 제2 풍력 추진 장치의 고압 영역이 중첩될 경우, 제2 풍력 추진 장치의 작동이 부정적으로 영향을 받는다. 따라서, 제1 추진 장치 주위의 바람의 유입과 제2 풍력 추진 장치의 압력 분포의 상호작용의 방식을 수정하기 위해, 선박 상에 바람의 상류에 배치된 제1 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들이 조절된다. 풍력 추진 장치가 다른 풍력 추진 장치에 도달하는 바람의 흐름을 방해한다는 것이 이해될 것이다. 이러한 바람의 흐름에서 발생하는 외란 또는 변화는 주어진 풍력 추진 장치의 유입으로 지칭된다. 종종, 작동 중에, 풍력 추진 장치는 다른 풍력 추진 장치에 도달하는 바람의 층류를 방해하는 난류 후류를 추가로 생성한다. 따라서, 바람의 상류에 배치된 제1 풍력 추진 장치의 작동은 제1 풍력 추진 장치의 유입 및 난류 후류가 제2 풍력 추진 장치의 작동에 영향을 미치지 않는 방식으로 수정(일반적으로, 다운그레이드)된다. 특히, 바람의 상류에 배치된 제1 풍력 추진 장치의 회전 속도는 유입 영역과 이에 의해 발생된 난류 후류의 영역을 감소시키기 위해 감소될 수 있다.
주어진 풍력 추진 장치의 다른 풍력 추진 방치에 대한 영향을 분석하기 위해 풍력 추진 장치들 각각의 성능이 측정되고 이들 사이의 차이가 결정된다. 구체적으로, 제1 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 변경하여 제2 풍력 추진 장치의 효율에 미치는 영향을 분석한다. 추가적으로, 상기 풍력 추진 장치들 각각의 압력 분포가 분석되고 풍력 추진 장치들 각각의 추정된 겉보기 풍향각 및 각위치 정보와 결합되어, 상기 시스템의 전체 효율이 증가하도록 풍력 추진 장치들의 시스템의 최적화된 제어 파라미터들이 결정된다. 특히, 제2 풍력 추진 장치에 대한 제1 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들의 변화의 효과는 풍력 추진 장치들의 시스템의 제어 파라미터들을 더욱 최적화하기 위해 폐쇄 루프 제어 방법에서 피드백으로서 사용된다.
예시적인 구현예에서, 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치들의 시스템은 선박의 길이를 따라서 상이한 위치들에 배치된 제1 매그너스-로터와 제2 매그너스-로터를 포함한다. 제1의 사례에서, 상기 매그너스-로터들의 제어 파라미터들(예컨대, 회전 속도)은 전술한 풍력 추진 장치를 제어하는 방법에 기초하여 최적화되지 않는다. 이러한 사례에서, 매그너스-로터의 회전 속도는 2개의 매그너스-로터들에 대해 동일한 것으로, 예를 들어 분당 180 회전으로, 결정된다. 이러한 사례에서는 매그너스-로터들의 압력 영역들 사이에서 상당한 중첩이 관찰된다. 제2 사례에서, 제어 파라미터들은 전술한 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법에 기초하여 최적화된다. 이러한 방법에 기초하여, 제2 매그너스-로터의 회전 속도는 분당 140회전으로 최적화된다. 이러한 최적화는 연료 소비를 상당히 감소시킨다. 그러나, 제어 파라미터들이 각각의 매그너스-로터들 사이의 상호 작용에 기초하여 최적화되지 않았기 때문에, 매그너스-로터들의 압력 영역들은 여전히 상당히 중첩되는 것으로 관찰된다. 제3 사례에서, 제어 파라미터들은 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치의 시스템을 제어하기 위한 방법과 관련하여 전술한 바와 같이 각각의 매그너스-로터들 사이의 상호작용에 기초하여 최적화된다. 따라서, 제1 매그너스-로터의 회전 속도는 분당 150회전으로 감소하도록 최적화되고 제2 매그너스-로터의 회전 속도는 분당 140회전으로 최적화된다. 이러한 매그너스-로터들의 회전 속도들의 감소로 인해 2개의 매그너스-로터들의 압력 영역들 사이에 중첩이 관찰되지 않으며, 이에 의해 매그너스-로터들의 효율성이 상당히 증가하고 연료 소비가 감소한다.
본 개시는 또한 선박 상에 배치된 매그너스-로터를 제어하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은:
- 적어도 제1 압력 센서로부터 압력 정보를 제공하는 단계로서, 이 압력 정보는 상기 제1 압력 센서의 경로를 따른 압력 분포이고, 상기 제1 압력 센서는 상기 매그너스-로터의 표면에 배치되며, 상기 제1 압력 센서는 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에 배치되는, 단계;
- 적어도 제1 압력 센서로부터의 압력 정보에 기초하여 상기 매그너스-로터의 표면상의 압력 분포를 보간 및 외삽하는 단계;
- 로터리 엔코더로부터 상기 매그너스-로터의 각위치 정보를 제공하는 단계;
- 각위치 정보 및 상기 매그너스-로터의 표면상의 추정된 압력 분포에 기초하여 겉보기 풍향각을 추정하는 단계;
- 풍속(u)를 계산하는 단계;
- 추정된 겉보기 풍향각을 사용하여 상기 매그너스-로터의 최적 회전 방향을 결정하는 단계;
- 계산된 풍속을 사용하여 상기 매그너스-로터의 최적 회전 속도에 대한 초기 근사값을 결정하는 단계; 및
- 폐쇄 루프 제어 방법을 사용하여 상기 매그너스-로터를 로터 특정 최적 분당 회전수로 작동시키는 단계로서, 여기에서 피드백은 보간 및 외삽된 압력 분포를 포함하는, 단계;를 포함하며,
상기 풍속(u)을 계산하는 단계는,
방정식 (8)을 사용하여, 대기압(p)과 온도(T)에 기초하여 공기 밀도(ρ)를 계산하되, 여기에서 대기압은 전용 센서를 사용함으로써 근사되고, 방정식 (8)에서 R(specific)은 건조 공기에 대한 특정 기체 상수(specific gas constant)이며,
상기 매그너스-로터의 표면상의 최대 압력으로부터 대기압을 빼서 상기 매그너스-로터의 표면상의 최대 동압력(dynamic pressure)(q)을 계산하고,
방정식 (9)를 사용하여 풍속(u)을 계산함으로써 수행되는, 방법.
본 개시는 또한 선박 상에 배치된 매그너스-로터를 제어하기 위한 다른 방법에 관한 것이며, 상기 방법은:
- 휨 굽힘(flexural bending) 측정과 상기 매그너스-로터와 그 기초의 연결부에 배치된 베어링의 변위의 측정을 결합하여 매그너스-로터 힘을 측정하는 단계; 및
- 폐쇄 루프 제어 방법을 사용하여 상기 매그너스-로터를 로터 특정 최적 분당 회전수로 작동시키는 단계로서, 여기에서 피드백은 측정된 매그너스-로터 힘들인, 단계;를 포함한다.
따라서, 선방 상에 매그너스-로터들이 사용되는 경우에, 매그너스-로터들은 위의 방법에서 설명된 압력 정보를 사용하지 않고 측정된 매그너스-로터 힘들만 사용함으로써 제어될 수 있다.
매그너스-로터에 의해 생성된 매그너스 힘(Fm)은 매그너스-로터 지지 구조물 내에 배치된 상부 베어링과 하부 베어링 지점으로부터의 힘들에 의해 균형이 맞춰진다. 매그너스 힘을 균형 맞추는 동안, 매그너스-로터는 휨 굽힘과 베어링 지점의 변위를 겪을 수 있다. 특히, 상부 베어링은 대항력(Fmb)을 제공함으로써 매그너스-로터의 휨 굽힘을 제한한다. 여기서, 매그너스-로터는 ΔL/Lo로 측정될 수 있는 스트레인을 유발하는 휨 굽힘을 겪으며, 여기에서 Lo는 휨 굽힘을 겪은 후 길이 변화(ΔL)가 측정되는 지정된 기준 길이이다. 측정 시스템은 상부 베어링 하중과 스트레인 사이의 상관관계를 알기 위해 교정될 필요가 있다. 이 상관관계 값은 민감도(sensitivity)로 지칭된다. 민감도(Sse)는 아래 방정식 (10)에 의해 주어진다.
여기에서, Fmb는 측정되거나 알려진 상부 베어링 힘이고 ΔL/Lo는 대응되는 스트레인 값이다. 그 후에, 민감도를 알게 된 때, 상부 베어링 힘은 민감도에 측정된 스트레인 값을 곱함으로써 얻어진다. Fmb는 스트레인 값과 관련하여 선형적으로 거동한다.
또한, 하부 베어링 지점의 변위는 아래 방정식 (11)을 사용하여 계산된 힘(Flb)에 의해 제한된다.
여기에서, x는 하부 베어링 지점의 변위이고 klb는 하부 베어링 지점에 대한 스프링 계수의 보정된 측정값이다. Klb는 변위 x의 함수이다. 특히, 총 매그너스 힘은 Fmb와 Flb의 합이어야 한다. 상기 방법은 상기 측정된 매그너스-로터 힘을 상기 매그너스-로터의 작동의 최적화에서 피드백으로서 사용하는 단계를 더 포함한다. 특히, 매그너스 로터 힘의 스트레인-기반 측정은 압력-기반 측정의 결과의 교차 검증을 위해 유리하게 사용될 수 있다. 또한, 매그너스-로터에서 관찰되는 휨 굽힘과 변위의 크기는 상당히 작다. 따라서, 매그너스-로터의 대향하는 단부들에 설치되어 스트레인 신호의 증폭을 생성하는 2개의 스트레인 게이지 저항 브리지들의 전기적 연결을 포함하는 장치와 같은 정교한 측정 장치들이 채용된다. 유익하게도, 이러한 센서들로부터 정반대 위치에서의 측정은 매그너스-로터의 열팽창의 효과를 무효화한다.
본 개시는 방정식들에 대해 (1), (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10) 및 (11)의 번호를 사용한다. 방정식 (1), (5) 및 (8)은 각각의 실시예에서 공기 밀도 값을 계산하기 위해 사용된다. 방정식 (2), (6) 및 (9)는 각각의 실시예에서 풍속을 계산하기 위해 사용된다. 방정식 (3) 및 (10)은 매그너스-로터에 관한 실시예들에서 민감도 값을 계산하기 위해 사용되고, 방정식 (7)은 에어로포일에 대한 민감도 값을 계산하기 위해 사용된다. 방정식 (4) 및 (11)은 각각의 실시예에서 힘(Flb)를 계산하기 위해 사용된다.
본 개시는 적어도 2개의 풍력 추진 장치들을 포함하는 선박을 더 제공하며, 각각의 적어도 제1 압력 센서를 포함하고, 상기 제1 압력 센서는 상기 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에서 상기 풍력 추진 장치의 표면에 배치되며, 상기 선박은 위에서 설명된 방법들을 수행하기 위한 수단을 더 구비한다. 위에서 설명된 실시예들과 변형예들은 상기 선박에 필요한 부분만 약간 수정하여 적용된다.
본 개시는 또한 비일시적 기계 판독 가능한 데이터 저장 매체에 기록된 소프트웨어 제품을 제공하며, 상기 소프트웨어 제품은 위에서 설명한 바와 같이 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법을 구현하기 위한 컴퓨팅 하드웨어에서 실행 가능하다.
도면들의 상세한 설명
도 1을 참조하면, 본 개시의 실시예에 따른, 선박에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법(100)의 단계들이 도시되어 있다. 단계(102)에서, 압력 정보는 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에서 풍력 추진 장치의 표면 상에 배치된 적어도 제1 압력 센서로부터 제공된다. 단계(104)에서, 풍력 추진 장치의 표면 상의 압력 분포는 적어도 제1 압력 센서로부터의 압력 정보에 기초하여 추정된다. 단계(106)에서, 풍력 추진 장치의 각위치(angular position) 정보가 제공된다. 단계(108)에서, 풍력 추진 장치의 각위치 정보와 풍력 추진 장치의 표면상의 추정된 압력 분포에 기초하여 겉보기 풍향각(apparent wind angle)이 추정된다. 단계(110)에서, 추정된 겉보기 풍향각을 사용하여 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값이 결정된다. 단계(112)에서, 추정된 압력 분포는 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화하기 위해 폐쇄 루프 제어 방법에서 피드백으로서 사용된다.
단계들(102 및 116)은 예시일 뿐이고 다른 대안들도 제공될 수 있으며, 여기에서 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고 하나 이상의 단계들이 추가되거나, 하나 이상의 단계들이 제거되거나, 또는 하나 이상의 단계들이 다른 순서로 제공될 수 있다. 위를 벗어나지 않고 다른 순서로 제공되는 다른 대안이 또한 제공될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 개시의 예시에 따른, 제어 파라미터들의 최적화를 위해 사용되는 폐쇄 루프 제어 방법의 블록도가 도시되어 있다. 여기서는, 도 1에서 설명된 바와 같이, 단계(110)에서, 추정된 겉보기 풍향각을 사용하여 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값이 결정되며, 여기에서 초기 풍향각은 풍력 추진 장치의 각위치 정보와 풍력 추진 장치의 표면상의 추정된 압력 분포에 기초하여 추정된다. 단계(202)에서, 제어 파라미터들의 초기 근사값이 풍력 추진 장치에서 구현된다. 이어서, 단계(204)에서, 제어 파라미터들의 구현 후에, 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에서 풍력 추진 장치의 표면상에 배치된 적어도 제1 압력 센서로부터 압력 정보가 제공된다. 단계(206)에서, 풍력 추진 장치의 표면상의 압력 분포는 적어도 제1 압력 센서로부터의 압력 정보에 기초하여 추정된다. 그 후, 단계(112)에서, 풍력 추진 장치의 표면상의 추정된 압력 분포는 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화하기 위해 제어 파라미터들에 대한 다른 근사값을 결정하기 위해 폐쇄 루프 제어 방법에서 피드백으로서 사용된다.
도 3을 참조하면, 본 개시의 실시예에 따른 풍력 추진 장치로서 매그너스-로터(Magnus-rotor)(300)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 매그너스-로터(300)의 표면상에 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에 제1 압력 센서(302)가 배치된다. 제2 압력 센서(304)는 선박의 갑판에 대해 제2 높이(H2)에 배치된다. 특히, 상기 제1 높이(H1)와 제2 높이(H2)의 차이는 매그너스-로터의 전체 높이(H)의 적어도 20%이다. 유사하게, 제3 압력 센서(306)는 선박의 갑판에 대해 제3 높이(H3)에 배치되고, 제1 높이(H1), 제2 높이(H2) 및 제3 높이(H3) 사이의 차이는 각각 매그너스-로터의 전체 높이(H)의 적어도 10%이다. 상기 매그너스-로터(300)가 회전할 때, 매그너스-로터(300)와 함께 회전하는 압력 센서들(302, 304, 306)은 매그너스-로터(300) 표면상의 상이한 영역들에 관한 압력 정보를 측정한다는 것을 이해할 것이다.
도 4를 참조하면, 매그너스-로터(400)에 바람의 유입을 도시한다. 특히, 도시된 바와 같이, 바람의 유입은 매그너스-로터(400)로 인해 상당히 변경된다. 도면 내의 선들은 속도 등고선들(velocity iso-contours)을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 불균일한 유입으로 인한 매그너스-로터(500)의 상이한 높이들에서의 압력 분포가 개략적으로 도시된다. 도면 내의 선들은 압력 등고선들을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 개시의 실시예에 따른, 풍력 추진 장치로서의 에어로포일 세일(aerofoil sail)(600)이 도시된다. 특히, 상기 에어로포일 세일(600)은 볼록한 측면(602)과 오목한 측면(604)을 가지는 캠버(camber) 구조를 가지며, 상기 세일(600)의 에어로포일 구조와 에어로포일을 따른 바람의 이동으로 인해, 에어로포일 세일(600)의 오목한 측면(604) 상의 압력과 비교하여 에어로포일 세일(600)의 볼록한 측면(602) 상의 낮은 압력이 관찰된다. 도시된 바와 같이, 상기 에어로포일 세일(600)은 바람의 흐름을 직접 관통하는 선행 에지(leading edge)(606)와, 후행 에지(trailing edge)(608)를 가진다. 특히, 상기 에어로포일 세일(600)은 상이한 익현들(chords), 예컨대 상이한 높이들에 있는 익현들(610, 612, 614)을 포함한다. 또한, 상기 에어로포일 세일(600)의 표면에는 선박의 갑판에 대하여 제1 높이(H1)에 제1 압력 센서(616)가 배치된다. 추가적으로, 상기 에어로포일 세일(600)의 표면에는 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에 제1 압력 센서(616)와 동일한 익현(610)을 따라서 제2 압력 센서(618)가 배치된다.
도 7을 참조하면, 본 개시의 실시예에 따른, 풍력 추진 장치가 매그너스-로터로서 구현될 때 회전 속도와 순 이득(net benefit) 사이의 관계를 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 여기에서, 그래프의 X-축은 회전 속도를 나타내고 Y-축은 매그너스-로터로부터의 순 이득을 나타낸다. 특히, 순 이득은 매그너스-로터에 의해 제공되는 추진력으로 인한 에너지 절약 또는 연료 소비의 감소를 의미한다. 그래프에 도시된 바와 같이, 매그너스-로터에서 회전을 생성하기 위해 소비된 에너지가 이에 의해 생성된 추진력으로부터 받는 이득을 초과하는 변곡점까지 매그너스-로터의 회전 속도의 증가와 함께 순 이득이 증가한다.
도 8을 참조하면, 매그너스-로터(800)에 작용하는 힘들이 도시되어 있다. 특히, 매그너스-로터(800)의 회전으로 인해 매그너스 힘(Magnus force)(Fm)이 생성된다. 이 힘(Fm)은 매그너스-로터(800) 내에 배치된 상부 베어링과 매그너스-로터(800)와 매그너스-로터(800)의 기초의 연결부에 배치된 하부 베어링 지점으로부터의 힘들에 의해 균형이 맞춰진다. 매그너스 힘을 균형 맞추는 동안, 매그너스-로터(800)는 휨 굽힘(flexural bending)과 베어링의 변위를 겪을 수 있다. 특히, 상부 베어링은 대항력(counter force)(Fmb)을 제공함으로써 매그너스-로터(800)의 휨 굽힘을 제한한다. 또한, 하부 베어링 지점에, 즉 매그너스-로터(800)와 그 기초의 연결부에 배치된 베어링의 변위는 힘(Flb)에 의해 제한된다.
도 9를 참조하면, 도 9를 참조하면, 본 개시의 실시예에 따른, 풍력 추진 장치의 시스템을 제어하는 방법(900)의 단계들이 도시되어 있다. 여기에서, 상기 방법(900)은 제1 풍력 추진 장치 및 제2 풍력 추진 장치에 대해 설명되며, 여기에서 상기 제1 추진 장치는 제2 추진 장치와 비교하여 선박 상에서 바람의 상류(upwind)에 배치된다. 단계(902)에서, 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법(예를 들어, 도 1에서 설명된 방법(100))을 사용하여 상기 제1 추진 장치에 대한 제어 파라미터들이 최적화된다. 단계(904)에서, 상기 제2 추진 장치에 대한 제어 파라미터들이 전술한 방법(100)을 사용하여 최적화된다. 단계(906)에서, 상기 제2 추진 장치의 압력 분포에 대한 제1 추진 장치의 효과를 결정하기 위해, 상기 제1 추진 장치와 제2 추진 장치의 압력 분포들 사이의 상호 작용이 비교된다. 단계(908)에서, 풍력 추진 장치의 시스템의 전체 효율이 결정되고, 그 결과는 제1 추진 장치와 제2 추진 장치의 제어 파라미터들의 최적화를 단계(906)에서 피드백으로서 제공된다.
도 10을 참조하면, 본 개시의 예시적인 구현예에 따른, 제어 파라미터들의 최적화의 상이한 사례들에서 선박의 개략도가 도시된다. 선박은 선박의 길이를 따라 상이한 위치들에 배치된 제1 매그너스-로터와 제2 매그너스-로터를 포함한다. 제1 사례(1010)에서, 매그너스-로터들의 제어 파라미터들(예컨대, 회전 속도)은 전술한 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법(100)에 기초하여 최적화되지 않았다. 이러한 사례(1010)에서, 매그너스-로터들의 회전 속도는 매그너스-로터들 둘 다에 대해 동일하도록, 예를 들어 분당 180회전으로 결정된다. 이러한 사례(1010)에서는, 매그너스-로터들의 압력 영역들 사이에서 상당한 중첩이 관찰된다. 제2 사례(1020)에서, 제어 파라미터들은 전술한 풍력 추진 장치를 제어하기 위한 방법(100)에 기초하여 최적화된다. 이러한 방법(100)에 기초하여, 제2 매그너스-로터의 회전 속도는 분당 130회전으로 최적화된다. 이러한 최적화는 연료 소비를 상당히 감소시킨다. 그러나, 제어 파라미터들이 각각의 매그너스-로터들 사이의 상호 작용에 기초하여 최적화되지 않았기 때문에, 매그너스-로터들의 압력 영역들은 여전히 상당히 중첩되는 것으로 관찰된다. 제3 사례(1030)에서, 제어 파라미터들은 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치의 시스템을 제어하기 위한 방법(900)과 관련하여 전술한 바와 같이 각각의 매그너스-로터들 사이의 상호작용에 기초하여 최적화된다. 따라서, 제1 매그너스-로터의 회전 속도는 분당 150회전으로 감소하도록 최적화되고 제2 매그너스-로터의 회전 속도는 분당 140회전으로 최적화된다. 이러한 매그너스-로터들의 회전 속도들의 감소로 인해 2개의 매그너스-로터들의 압력 영역들 사이에 중첩이 관찰되지 않으며, 이에 의해 매그너스-로터들의 효율성이 상당히 증가하고 연료 소비가 감소한다.
전술한 본 개시의 실시예들에 대한 변형은 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 개의 범위로부터 벗어나지 않고서도 가능하다. 본 개시를 설명하고 청구하기 위해 사용된 "포함하다", "포함하는", "통합하는", "가지는", "이다"와 같은 표현들은 비배타적인 방식으로 해석되도록 의도되었으며, 즉, 명시적으로 설명되지 않은 아이템들, 구성요소들 또는 요소들이 존재하도록 허용된다. 단수형에 대한 언급은 복수형과 관련된 것으로 해석되어야 한다.
Claims (17)
- 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치(wind propulsion device)(300, 600)를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
- 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에서 상기 풍력 추진 장치의 표면에 배치된 적어도 제1 압력 센서(302, 616)로부터 압력 정보를 제공하는 단계;
- 적어도 상기 제1 압력 센서로부터의 압력 정보에 기초하여 상기 풍력 추진 장치의 표면상의 압력 분포를 추정하는 단계; 및
- 상기 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화하기 위해 폐쇄 루프 제어 방법에서 상기 추정된 압력 분포를 피드백으로서 사용하는 단계;를 포함하는 방법. - 제1항에 있어서, 상기 방법은
- 풍력 추진 장치의 각위치(angular position) 정보를 제공하는 단계;
- 풍력 추진 장치의 각위치 정보와 풍력 추진 장치의 표면상의 추정된 압력 분포에 기초하여 겉보기 풍향각(apparent wind angle)을 추정하는 단계; 및
- 추정된 겉보기 풍향각을 사용하여 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값을 결정하는 단계;를 더 포함하는, 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
- 상기 풍력 추진 장치는 매그너스-로터(Magnus-rotor)(300)이며;
- 각위치 정보는 각위치 측정 장치에 의해 제공되고;
- 상기 제어 파라미터들은 상기 매그너스-로터의 최적 회전 속도를 포함하며;
상기 방법은:
- 풍속(u)을 계산하는 단계;
- 추정된 겉보기 풍향각을 사용하여 상기 매그너스-로터의 최적 회전 방향을 결정하는 단계; 및
- 추정된 겉보기 풍향각에 더하여, 계산된 풍속을 사용하여 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값을 결정하는 단계;를 더 포함하며,
상기 풍속(u)을 계산하는 단계는,
- 방정식 (1)을 사용하여 대기압(p)과 온도(T)에 기초하여 공기 밀도(ρ)를 계산하되, 여기에서 대기압은 상기 로터의 후면에서의 압력에 의해 또는 전용 센서를 사용함으로써 근사되고(approximated), 방정식 (1)에서 R(specific)은 건조 공기에 대한 특정 기체 상수(specific gas constant)이며,
- 상기 매그너스-로터의 표면상의 최대 압력으로부터 대기압을 빼서 상기 매그너스-로터의 표면상의 최대 동압력(dynamic pressure)(q)을 계산하고,
- 방정식 (2)를 사용하여 풍속(u)을 계산함으로써 수행되는, 방법.
- 제3항에 있어서,
적어도 제2 압력 센서(304)로부터 압력 정보를 제공하는 단계를 더 포함하고,
- 상기 제2 압력 센서는 선박의 갑판에 대해 제2 높이(H2)에 배치되며;
- 상기 제1 높이(H1)와 제2 높이(H2) 사이의 차이는 상기 매그너스-로터의 전체 높이(H)의 적어도 20%이고;
- 압력 분포를 추정하는 단계는 적어도 상기 제1 압력 센서(302)와 제2 압력 센서로부터의 압력 정보에 기초하여 상기 매그너스-로터의 표면상의 압력 분포를 보간(interpolating) 및 외삽(extrapolating)함으로써 수행되는, 방법. - 제4항에 있어서,
상기 매그너스-로터의 표면에 적어도 제3 압력 센서(306)를 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 제3 압력 센서는 선박의 갑판에 대해 제3 높이(H3)에 배치되며, 상기 제1 높이(H1), 제2 높이(H2) 및 제3 높이(H3) 사이의 차이는 각각 상기 매그너스-로터의 전체 높이(H)의 적어도 10%인, 방법. - 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 매그너스-로터의 표면에 다수의 추가 압력 센서들을 배치하는 단계를 더 포함하고, 각각의 추가 압력 센서는 선박의 갑판에 대해 주어진 높이에 배치되며, 상기 압력 센서들 각각의 높이 사이의 차이는 상기 매그너스-로터의 전체 높이(H)의 적어도 5%이고, 상기 압력 센서들의 수는 적어도 4개인, 방법. - 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압력 센서들(302, 304, 306)은 상기 매그너스-로터의 회전축에 실질적으로 평행한 선을 따라 배치되는, 방법. - 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압력 센서들(302, 304, 306)은 나선형 선을 따라 배치되는, 방법. - 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
- 휨 굽힘(flexural bending) 측정과 상기 매그너스-로터와 그 기초의 연결부에 배치된 베어링의 변위의 측정을 결합하여 매그너스-로터 힘을 측정하는 단계; 및
- 상기 측정된 매그너스-로터 힘을 상기 매그너스-로터의 작동의 최적화에서 피드백으로서 사용하는 단계;를 더 포함하는, 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
- 상기 풍력 추진 장치는 에어로포일 세일(aerofoil sail)(600)이고;
- 선박의 갑판에 대해 높이(H1)에서 상기 에어로포일 세일의 표면에 배치된 제2 압력 센서(618)로부터 추가로 압력 정보가 제공되며;
- 상기 제1 압력 센서(616)와 제2 압력 센서는, 서로로부터 익현(chord) 길이의 적어도 20%의 거리(D1)를 두고, 상기 에어로포일 세일 상의, 서로에 대해 상이한 익현 방향(chordwise) 위치들에 배치되고,
- 상기 제1 압력 센서와 제2 압력 센서는 상기 에어로포일 세일의 대향 측면들에 배치되거나 상기 에어로포일 세일의 동일 측면에 배치되거나, 또는 상기 제1 압력 센서는 상기 에어로포일 세일의 일 측면에 배치되고 상기 제2 압력 센서는 상기 에어로포일 세일의 선행 에지(leading edge)(606)에 배치되는, 방법. - 제10항에 있어서, 상기 방법은:
- 풍속(u)을 계산하는 단계;
- 추정된 겉보기 풍향각을 사용하여 상기 에어로포일 세일의 최적 받음각(angle of attack)을 결정하는 단계; 및
- 추정된 겉보기 풍향각에 더하여, 계산된 풍속을 사용하여 제어 파라미터들에 대한 초기 근사값을 결정하는 단계;를 더 포함하며,
상기 풍속(u)을 계산하는 단계는,
- 방정식 (5)를 사용하여 대기압(p)과 온도(T)에 기초하여 공기 밀도(ρ)를 계산하되, 여기에서 대기압은 전용 센서를 사용함으로써 근사되고(approximated), 방정식 (5)에서 R(specific)은 건조 공기에 대한 특정 기체 상수(specific gas constant)이며,
- 상기 에어로포일 세일의 표면상의 최대 압력으로부터 대기압을 빼서 상기 에어로포일 세일의 표면상의 최대 동압력(dynamic pressure)(q)을 계산하고,
- 방정식 (6)을 사용하여 풍속(u)을 계산함으로써 수행되는, 방법.
- 제10항 또는 제11항에 있어서,
적어도 제3 압력 센서로부터 압력 정보를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 제3 압력 센서는 제3 익현 방향 위치에 배치되는, 방법. - 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 에어로포일 세일의 적어도 2개의 상이한 익현들(610, 612, 614)을 따라서, 상기 에어로포일 세일의 표면상에 다수의 추가 압력 센서들을 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 압력 센서들은 상기 에어로포일 세일의 2개의 측면들과 그 선행 에지(606) 사이에서 분할되는, 방법. - 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
- 휨 굽힘 측정과 상기 에어로포일 세일과 그 기초의 연결부에 배치된 베어링의 변위의 측정을 결합하여 에어로포일 세일 힘을 측정하는 단계; 및
- 상기 측정된 에어로포일 세일 힘을 상기 에어로포일 세일 작동의 최적화에서 피드백으로서 사용하는 단계;를 더 포함하는, 방법. - 선박 상에 배치된 풍력 추진 장치들(300, 600)의 시스템을 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법에 따라 각각의 풍력 추진 장치의 제어 파라미터들을 최적화하는 단계; 및
- 개별 성능 차이를 측정하여 각각의 풍력 추진 장치 사이의 상호작용을 고려함으로써, 폐쇄 루프 제어를 사용하여 상기 풍력 추진 장치들의 전체 효율을 최적화하는 단계;를 포함하며,
상기 풍력 추진 장치들은 선박의 길이에 대해 선박 상의 상이한 위치들에 배치되는, 방법. - 적어도 2개의 풍력 추진 장치들(300, 600)을 포함하는 선박으로서, 각각의 풍력 추진 장치는 적어도 제1 압력 센서(302, 616)를 포함하고, 상기 제1 압력 센서는 상기 선박의 갑판에 대해 제1 높이(H1)에서 상기 풍력 추진 장치의 표면에 배치되며, 상기 선박은 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 수단을 더 구비하는, 선박.
- 비일시적 기계 판독 가능한 데이터 저장 매체에 기록된 소프트웨어 제품으로서, 상기 소프트웨어 제품은 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법을 구현하기 위해 컴퓨팅 하드웨어에서 실행 가능한, 소프트웨어 제품.
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