KR20230048742A - 선박용 풍력 보조 추진장치 - Google Patents

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이희동
김진규
박경령
이철민
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Abstract

선박용 풍력 보조 추진장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 풍력 보조 추진장치는 선체에 상하 방향을 따라 회전 가능하게 마련되며, 풍력에 의한 매그너스 효과(magnus effect)에 의해 선체에 추가적인 추진력을 발생시키는 복수 개의 로터(Rotor); 및 복수 개의 로터를 공용으로 회전 가능하게 지지하는 공용 회전판을 포함한다.

Description

선박용 풍력 보조 추진장치{Assistive propulsion apparatus using wind power for ship}
본 발명은, 선박용 풍력 보조 추진장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 풍향과 무관하게 선박의 진행 방향을 따라 선박 추진을 위한 보조 추진력을 제공할 수 있는 선박용 풍력 보조 추진장치에 관한 것이다.
최근 환경오염에 관한 관심이 증대되면서 해양 규제가 커지는 실정이다. 이러한 규제에 대응하기 위해 다양한 방법을 통하여 에너지 효율을 높이는 한편, 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 노력이 진행되고 있다.
이러한 노력의 하나로서 신재생에너지를 활용한 보조 추진방법에 관한 연구가 계속됐으며, 특히 풍력을 이용한 보조추진장치에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
풍력을 이용한 보조 추진방식은 연(kite), 날개(airfoil), 로터(Flettner rotor) 등을 활용하는 것으로서, 이들에 유입되는 풍력에너지를 선박의 추진력으로 변환시켜 이용한다.
특히, 로터를 이용하는 경우에는, 풍력에 의한 매그너스 효과(magnus effect)에 의해 추가적인 추진력을 발생시킨다.
여기서, 매그너스 효과란 도 1에 도시된 것처럼 유체 속에서 회전하는 물체가 있을 때 그 회전 때문에 유체가 가속되는 쪽에서는 압력이 감소하고 반대쪽에서는 유체의 속도가 늦어져서 압력이 증가하므로, 이러한 압력의 차이에 의해 회전 물체가 압력이 낮은 쪽으로 양력(F)을 받게 되는 현상을 말하며, 이처럼 발생하는 양력을 선박의 보조 추진력으로 사용할 수 있게 되는 것이다.
이러한 기술이 대한민국특허청 출원번호 제10-2017-0005219호 등에 개시된 바 있다. 상기 문헌에 개시된 것처럼 선박의 보조 추진력으로 사용하기 위해 로터를 적용할 수 있으나, 이러한 로터가 풍향(true wind)에 따라 추력체 또는 저항체가 될 수 있다.
예컨대, 도 2처럼 풍향(true wind, VT)이 20도 이상 340도 이하인 경우(20도 < θ < 340도)는 로터를 회전시킴에 따라 추진 방향의 하중을 발생시킬 수 있어, 선박 추진을 위한 마력을 절감시킬 수 있다(Thrust body mode).
하지만, 풍향(true wind, VT) 이 -20도에서 +20도인 경우(-20도 < θ< 20도)는 로터의 회전에 무관하게 저항이 증가하게 되어 선박 추진을 위한 마력이 더욱 증가할 수밖에 없다는 점에서 이를 보관하기 위한 기술 개발이 요구된다.
대한민국특허청 출원번호 제10-2017-0005219호
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 풍향과 무관하게 선박의 진행 방향을 따라 선박 추진을 위한 보조 추진력을 제공할 수 있는 선박용 풍력 보조 추진장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선체에 상하 방향을 따라 회전 가능하게 마련되며, 풍력에 의한 매그너스 효과(magnus effect)에 의해 상기 선체에 추가적인 추진력을 발생시키는 복수 개의 로터(Rotor); 및 상기 복수 개의 로터를 공용으로 회전 가능하게 지지하는 공용 회전판을 포함하는 선박용 풍력 보조 추진장치가 제공될 수 있다.
상기 선체에 마련되고 상기 공용 회전판과 연결되며, 상기 공용 회전판을 선택적으로 정역 방향 회전시키는 회전판 회전유닛; 및 상기 공용 회전판에 마련되고 상기 로터들과 개별적으로 연결되며, 상기 공용 회전판 상에서 해당 로터를 선택적으로 정역 방향 회전시키는 복수 개의 로터 회전유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 로터로 향하는 바람 방향을 감지하는 풍향 감지기; 및 상기 풍향 감지기와 연결되며, 상기 풍향 감지기의 감지값을 기초로 상기 선체에 추가적인 추진력이 발생하게 상기 회전판 회전유닛 또는 상기 복수 개의 로터 회전유닛의 동작을 유기적인 메커니즘으로 컨트롤하는 장치 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 로터는 제1 내지 제3 로터이며, 상기 공용 회전판의 센터를 중심으로 해서 등각도 간격으로 이격 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 풍향과 무관하게 선박의 진행 방향을 따라 선박 추진을 위한 보조 추진력을 제공할 수 있다.
도 1은 매그너스 효과(magnus effect)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 선박에서 풍향(true wind)과 로터와의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 풍력 보조 추진장치가 적용된 선박의 구조도이다.
도 4는 도 3에 도시된 선박용 풍력 보조 추진장치의 개략적인 평면 구조도이다.
도 5 및 도 6은 선박용 풍력 보조 추진장치의 운용 시나리오이다.
도 7은 도 3의 선박용 풍력 보조 추진장치에 관한 제어블록도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 풍력 보조 추진장치의 개략적인 평면 구조도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 풍력 보조 추진장치가 적용된 선박의 구조도이고, 도 4는 도 3에 도시된 선박용 풍력 보조 추진장치의 개략적인 평면 구조도이며, 도 5 및 도 6은 선박용 풍력 보조 추진장치의 운용 시나리오이고, 도 7은 도 3의 선박용 풍력 보조 추진장치에 관한 제어블록도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 선박용 풍력 보조 추진장치(120)는 풍향(true wind)과 무관하게 선박(100)의 진행 방향을 따라 선박(100) 추진을 위한 보조 추진력을 제공할 수 있도록 한다.
이러한 효과를 제공할 수 있는 본 실시예의 선박(100)은 선체(110)와, 선체(110)에 마련되는 선박용 풍력 보조 추진장치(120)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 선박(100)은 상선, 군함, 어선, 운반선, 드릴쉽, 쇄빙선 및 특수 작업선 등 어떠한 것이 될 수 있다. 따라서, 도면의 형상에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.
도 1을 참조해서 선박(100)에 관해 간략하게 알아본다. 선체(110)의 갑판 일측에는 거주구(111)가 마련된다. 그리고, 선체(110)의 타측면에는 스러스터(112, thruster)가 마련된다.
모든 종류의 선박(100)에 스러스터(112)가 마련되는 것은 아니지만, 본 실시예처럼 스러스터(112)가 마련되면 선박(100)의 정지 또는 항해 시 조정 성능을 향상시키고 선박(100)의 오퍼레이션(operation)을 용이하게 한다.
선체(110)의 일측, 특히 선수부(113)에 마련되는 스러스터(112)를 바우 스러스터(bow thruster)라 부르기도 한다. 물론, 스러스터(112)가 반드시 적용되어야 하는 것은 아니므로, 스러스터(112)가 없는 선박에도 본 발명의 권리범위가 적용될 수 있다.
선체(110)의 후미에는 모터(motor)로 회전하면서 선체(110)에 추진력을 발생시키는 프로펠러(113)가 갖춰진다. 프로펠러(113)는 회전하면서 선체(110)에 추진력을 발생시킨다. 실질적인 선박(100)의 추진력은 프로펠러(113)가 담당한다. 하지만, 일부의 보조 추진력은 선박용 풍력 보조 추진장치(120)가 담당한다. 따라서, 그만큼 연료 소비량 감소에 이바지할 수 있다.
프로펠러(113)의 주변에는 러더 조립체(114)가 마련된다. 러더 조립체(114)는 프로펠러(113)에 의해 추진되는 선체(110)의 운항 방향을 조정하는 역할을 한다. 따라서, 러더 조립체(114)를 방향타라 부르기도 한다.
한편, 선체(110)에는 선박용 풍력 보조 추진장치(120)가 탑재된다. 앞서도 기술한 것처럼 선체(110)의 추진력은 프로펠러(113)가 담당하지만, 일부의 추진력을 선박용 풍력 보조 추진장치(120)가 담당한다.
이러한 선박용 풍력 보조 추진장치(120)는 복수 개의 제1 내지 제3 로터(141~143, Rotor)와, 제1 내지 제3 로터(141~143)를 공용으로 회전 가능하게 지지하는 공용 회전판(130)을 포함한다.
본 실시예의 경우, 3개의 제1 내지 제3 로터(141~143)가 적용된다. 하지만, 이의 수치에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다. 즉 2개 이상의 복수 개면 그것으로 충분하다. 다만, 이하의 실시예에서는 3개의 제1 내지 제3 로터(141~143)를 적용하는 것으로 본다.
본 실시예에서 3개의 제1 내지 제3 로터(141~143)는 공용 회전판(130)의 센터를 중심으로 해서 등각도 간격으로 이격 배치된다. 따라서, 풍향에 따른 컨트롤이 용이해질 수 있다.
제1 내지 제3 로터(141~143)는 선체(110)에 상하 방향을 따라 회전 가능하게 마련되며, 풍력에 의한 매그너스 효과(magnus effect)에 의해 선체(110)에 추가적인 추진력을 발생시키는 구조물이다. 매그너스 효과란 앞서 도 1을 참조해서 기술한 것과 동일하다.
제1 내지 제3 로터(141~143)는 내부가 빈 파이프(pipe) 형태의 구조물일 수 있다. 그리고, 제1 내지 제3 로터(141~143)는 모두 동일한 형태로 마련된다.
공용 회전판(130)은 제1 내지 제3 로터(141~143)를 지지하되 제1 내지 제3 로터(141~143)를 공용으로 회전 가능하게 지지한다. 따라서, 공용 회전판(130)이 회전하면 제1 내지 제3 로터(141~143) 모두가 공용으로 회전될 수 있다.
이처럼 공용 회전판(130)이 회전하기 위해 회전판 회전유닛(135)이 마련된다. 회전판 회전유닛(135)은 선체(110)에 마련되고 공용 회전판(130)과 연결되며, 공용 회전판(130)을 선택적으로 정역 방향 회전시키는 역할을 한다.
도면에는 회전판 회전유닛(135)을 극히 개략적으로 도시했는데, 회전판 회전유닛(135)은 회전 모터 등으로 적용될 수 있다. 물론, 이러한 사항에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.
한편, 본 실시예에서는 회전판 회전유닛(135)의 작용으로 공용 회전판(130)이 회전하면 공용 회전판(130) 상에 연결된 제1 내지 제3 로터(141~143)가 공용으로 회전한다. 하지만, 제1 내지 제3 로터(141~143) 역시, 자체적으로 회전한다.
이를 위해, 선박용 풍력 보조 추진장치(120)에 복수 개의 제1 내지 제3 로터 회전유닛(151~153)이 더 적용된다.
이러한 제1 내지 제3 로터 회전유닛(151~153)은 공용 회전판(130)에 마련되고 제1 내지 제3 로터(141~143)들과 개별적으로 연결되며, 공용 회전판(130) 상에서 해당 제1 내지 제3 로터(141~143)를 선택적으로 정역 방향 회전시키는 역할을 한다. 제1 내지 제3 로터 회전유닛(151~153) 역시, 회전판 회전유닛(135)과 마찬가지로 회전 모터 등으로 적용될 수 있지만, 이러한 사항에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.
공용 회전판(130)의 회전, 그리고, 제1 내지 제3 로터(141~143)들의 회전을 컨트롤하기 위해 본 실시예에 따른 선박용 풍력 보조 추진장치(120)에는 풍향 감지기(170)와 장치 컨트롤러(160)가 더 적용된다.
풍향 감지기(170)는 제1 내지 제3 로터(141~143)들로 향하는 바람 방향을 감지하는 센서이다. 선체(110)의 갑판(115) 상에 마련될 수 있다. 물론, 1개가 아닌 여러 개의 풍향 감지기(170)가 적용될 수도 있다.
장치 컨트롤러(160)는 풍향 감지기(170)와 연결되며, 풍향 감지기(170)의 감지값을 기초로 선체(110)에 추가적인 추진력이 발생하게 회전판 회전유닛(135) 또는 제1 내지 제3 로터 회전유닛(151~153)의 동작을 유기적인 메커니즘으로 컨트롤한다.
예컨대, 도 5와 같은 선박 진행(전진) 방향에 대하여 도면상 상측에서 하측으로 풍향이 발생하면(바람이 불면), 제1 로터(141)는 고정되게 하는 한편, 제2 로터(142)는 시계 방향으로 회전하고 제3 로터(143)는 반시계 방향으로 회전하게 장치 컨트롤러(160)가 컨트롤할 수 있다. 그러면, 선박 진행(전진) 방향에 대한 제2 및 제3 로터(142,143)의 매그너스 효과(magnus effect)에 의해 선박(100)에 추가적인 추진력이 발생할 수 있다.
그리고, 도 6과 같은 선박 진행(전진) 방향에 대하여 도면상 좌측에서 우측으로 풍향이 발생하면(바람이 불면), 제3 로터(143)는 고정되게 하는 한편, 제1 및 제2 로터(141,142) 모두가 반시계 방향으로 회전하게 장치 컨트롤러(160)가 컨트롤할 수 있다. 그러면, 선박 진행(전진) 방향에 대한 제1 및 제2 로터(141,142)의 매그너스 효과(magnus effect)에 의해 선박(100)에 추가적인 추진력이 발생할 수 있다.
이러한 역할을 수행하는 장치 컨트롤러(160)는 중앙처리장치(161, CPU), 메모리(162, MEMORY), 그리고 서포트 회로(163, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.
중앙처리장치(161)는 본 실시예에서 풍향 감지기(170)와 연결되며, 풍향 감지기(170)의 감지값을 기초로 선체(110)에 추가적인 추진력이 발생하게 회전판 회전유닛(135) 또는 제1 내지 제3 로터 회전유닛(151~153)의 동작을 유기적인 메커니즘으로 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다.
메모리(162, MEMORY)는 중앙처리장치(161)와 연결된다. 메모리(162)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리일 수 있다.
서포트 회로(163, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(161)와 결합되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(163)는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 장치 컨트롤러(160)는 풍향 감지기(170)와 연결되며, 풍향 감지기(170)의 감지값을 기초로 선체(110)에 추가적인 추진력이 발생하게 회전판 회전유닛(135) 또는 제1 내지 제3 로터 회전유닛(151~153)의 동작을 유기적인 메커니즘으로 컨트롤하는데, 이러한 일련의 컨트롤 프로세스 등은 메모리(162)에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(162)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 구조로 작용을 하는 본 실시예에 따르면, 풍향과 무관하게 선박(100)의 진행 방향을 따라 선박(100) 추진을 위한 보조 추진력을 제공할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 풍력 보조 추진장치의 개략적인 평면 구조도이다.
이 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 선박용 풍력 보조 추진장치(220) 역시, 복수 개의 제1 내지 제3 로터(141,242,243)와, 제1 내지 제3 로터(141,242,243)를 공용으로 회전 가능하게 지지하는 공용 회전판(130)과, 공용 회전판(130)를 회전시키는 회전판 회전유닛(135)과, 제1 내지 제3 로터(141,242,243)를 개별적으로 회전시키는 제1 내지 제3 로터 회전유닛(151,252,253)을 포함할 수 있다. 이들의 기능과 역할은 전술한 실시예와 같다.
다만, 본 실시예의 경우, 제1 내지 제3 로터(141,242,243)가 전술한 실시예와 달리 구조가 다르다. 즉 제1 로터(141)에서 제3 로터(243)로 갈수록 부피가 점진적으로 작아지게 배치된다.
이러한 구조의 제1 내지 제3 로터(141,242,243)가 적용되더라도 풍향과 무관하게 선박(100)의 진행 방향을 따라 선박(100) 추진을 위한 보조 추진력을 제공할 수 있다.
이처럼 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 청구범위에 속한다고 하여야 할 것이다.
100 : 선박 110 : 선체
120 : 선박용 풍력 보조 추진장치 130 : 공용 회전판
135 : 회전판 회전유닛 141 : 제1 로터
142 : 제2 로터 143 : 제3 로터
151 : 제1 로터 회전유닛 152 : 제2 로터 회전유닛
153 : 제3 로터 회전유닛 160 : 장치 컨트롤러
170 : 풍향 감지기

Claims (4)

  1. 선체에 상하 방향을 따라 회전 가능하게 마련되며, 풍력에 의한 매그너스 효과(magnus effect)에 의해 상기 선체에 추가적인 추진력을 발생시키는 복수 개의 로터(Rotor); 및
    상기 복수 개의 로터를 공용으로 회전 가능하게 지지하는 공용 회전판을 포함하는 선박용 풍력 보조 추진장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선체에 마련되고 상기 공용 회전판과 연결되며, 상기 공용 회전판을 선택적으로 정역 방향 회전시키는 회전판 회전유닛; 및
    상기 공용 회전판에 마련되고 상기 로터들과 개별적으로 연결되며, 상기 공용 회전판 상에서 해당 로터를 선택적으로 정역 방향 회전시키는 복수 개의 로터 회전유닛을 더 포함하는 선박용 풍력 보조 추진장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 로터로 향하는 바람 방향을 감지하는 풍향 감지기; 및
    상기 풍향 감지기와 연결되며, 상기 풍향 감지기의 감지값을 기초로 상기 선체에 추가적인 추진력이 발생하게 상기 회전판 회전유닛 또는 상기 복수 개의 로터 회전유닛의 동작을 유기적인 메커니즘으로 컨트롤하는 장치 컨트롤러를 더 포함하는 선박용 풍력 보조 추진장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 로터는 제1 내지 제3 로터이며, 상기 공용 회전판의 센터를 중심으로 해서 등각도 간격으로 이격 배치되는 선박용 풍력 보조 추진장치.
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KR20170005219A (ko) 2015-07-01 2017-01-12 주식회사 포스코 철판 천공방법

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