KR20230103224A - 선박의 배전시스템 및 배전시스템에서의 전력 분배 방법 - Google Patents

선박의 배전시스템 및 배전시스템에서의 전력 분배 방법 Download PDF

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Abstract

연료전지, 배터리, 연료전지에 연결된 제 1 DC/DC 컨버터, 배터리에 연결된 제 2 DC/DC 컨버터, 제 1 DC/DC 컨버터 및 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결된 제어부, 운항 데이터를 저장하고 있는 저장부, 제 1 DC/DC 컨버터 및 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결되고, 제어부와 연결된 DC 버스, DC 버스와 연결된 DC/AC 컨버터, DC/AC 컨버터와 연결된 부하를 포함하고, 제어부는 운항 데이터로부터 부하 예측량을 산출하고, 부하 예측량에 기초하여, 배터리가 DC 버스에 전력을 공급하거나, 연료전지가 배터리를 충전하도록 제어하는 배전시스템 및 전력 분배 방법이 개시되어 있다.

Description

선박의 배전시스템 및 배전시스템에서의 전력 분배 방법{Power distribution system in ship and method therefor}
본 발명은 연료전지 및 배터리로 구성된 전력 공급원을 갖는 선박에 있어서, 운항 데이터를 예측하여, 연료 전지가 주 발전을 수행하고, 현재 부담하는 부하량이 운항 데이터에 따른 예측량보다 많은 경우에는 배터리에서 부 발전을 수행하고, 그 반대인 경우에는 연료 전지가 배터리를 충전하는 선박의 배전시스템 및 배전시스템에서의 전력 분배 방법에 관한 것이다.
연료전지(燃料電池, Fuel Cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 화학 반응은 촉매층 내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다.
연료전지 시스템은 LNG, LPG, 메탄올, 에탄올, 가솔린 등의 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이며, 공기극에는 산화제인 산소의 환원반응, 연료극에는 연료인 수소의 산화반응이 일어나는 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 물 등을 발생시킨다.
최근에는 선박 분야에서는 연료전지를 활용한 친환경 선박 기술 개발에 적극 나서고 있다. 연료전지를 사용하여 전기를 동력원으로 사용함으로써 기존의 화석연료로 추진되는 선박에 비해 이산화탄소 배출량을 현저히 줄일 수 있는 장점이 있다.
현재 연료전지로만 운항되는 선박이 개발되어 운행되고 있는데, 연료전지만으로는 전력 공급에 차질을 가져올 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 연료전지 및 배터리가 전력을 공급하는 선박에서, 운항 데이터에 따라 적응적으로 전력을 공급하고, 현재 부하량에 따라 배터리를 충전 또는 방전하는 선박의 배전시스템 및 배전시스템에서의 전력 분배 방법을 제공한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따라, 배전시스템은 연료전지; 배터리; 상기 연료전지에 연결된 제 1 DC/DC 컨버터, 상기 배터리에 연결된 제 2 DC/DC 컨버터; 상기 제 1 DC/DC 컨버터 및 상기 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결된 제어부; 운항 데이터를 저장하고 있는 저장부; 상기 제 1 DC/DC 컨버터 및 상기 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결되고, 상기 제어부와 연결된 DC 버스; 상기 DC 버스와 연결된 DC/AC 컨버터; 상기 DC/AC 컨버터와 연결된 부하를 포함하고, 상기 제어부는 상기 운항 데이터로부터 부하 예측량을 산출하고, 상기 부하 예측량에 기초하여, 상기 배터리가 DC 버스에 전력을 공급하거나, 상기 연료전지가 상기 배터리를 충전할 수 있다.
상기 제 2 DC/DC 컨버터는 양방향 컨버터일 수 있다.
상기 제어부는 상기 연료전지에 의하여 전력이 공급되는 부하량을 산출하고, 상기 산출된 부하 예측량이 상기 산출된 부하량을 초과하는 경우, 상기 연료전지가 상기 배터리를 충전할 수 있다.
상기 제어부는 상기 연료전지에 의하여 전력이 공급되는 부하량을 산출하고, 상기 산출된 부하 예측량이 상기 산출된 부하량 이하인 경우, 상기 배터리가 DC 버스에 전력을 공급하도록 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따라, 배전시스템에서의 전력 분배 방법 연료전지에 의하여 전력이 공급되는 부하량을 산출하는 단계; 저장되어 있는 운항 데이터로부터 부하 예측량을 산출하는 단계; 상기 산출된 부하량 및 상기 부하 예측량에 기초하여, 배터리가 부하에 전력을 공급하거나, 상기 연료전지가 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함한다.
본 발명은 운항 데이터의 분석에 따라 배터리를 방전함으로써 연료 전지의 부족한 공급 전력을 보충할 수 있고, 운항 데이터 분석에 따라 여분 전력으로 배터리를 충전할 수 있어 연료전지 및 배터리로만 운항되는 선박에서 효율적인 전력 공급이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전시스템에 관한 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배전시스템에서의 전력 분배 방법에 관한 흐름도를 나타내는 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에서 특정 구성을 "포함"한다고 기술하는 내용은 해당 구성 이외의 구성을 배제하는 것이 아니며, 추가적인 구성이 본 발명의 실시 또는 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함될 수 있음을 의미한다.
또한 본 발명의 실시예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능들을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 하드웨어나 하나의 소프트웨어 구성단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 포함한 것으로 각 구성부 중 적어도 두 개의 구성부가 합쳐져 하나의 구성부로 이루어지거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있고 이러한 각 구성부의 통합된 실시예 및 분리된 실시예도 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리 범위에 포함된다.
또한, 일부의 구성 요소는 본 발명에서 본질적인 기능을 수행하는 필수적인 구성 요소는 아니고 단지 성능을 향상시키기 위한 선택적 구성 요소일 수 있다. 본 발명은 단지 성능 향상을 위해 사용되는 구성 요소를 제외한 본 발명의 본질을 구현하는데 필수적인 구성부만을 포함하여 구현될 수 있고, 단지 성능 향상을 위해 사용되는 선택적 구성 요소를 제외한 필수 구성 요소만을 포함한 구조도 본 발명의 권리범위에 포함된다.
또한 본 명세서에서, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배전시스템에 관한 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 배전 시스템은 연료전지(110), 배터리(120), 제 1 DC/DC 컨버터(131), 제 2 DC/DC 컨버터(132), 제어부(140), DC 버스(160), DC/AC 컨버터(171, 172) 및 부하(181, 182)를 포함한다. 도 1에서의 배전 시스템에서는 발전기가 아니라 연료전지가 주 발전을 부담하는 전력원이다.
배전 시스템은 연료를 전력으로 변환하여 하나 또는 그 이상의 전력배전모듈로 전달하는 전력발전모듈로 연료전지(110) 및 배터리(120)를 사용한다.
연료전지(110)는 수소를 연료로 사용하여 산소와의 전기화학 반응을 통하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산할 수 있다. 최근에는 연료전지(110)의 주연료로 LNG 혹은 메탄올과 같은 액체 연료 중심으로 개발되고 있는 실정이다. 연료전지(110)는 배기 가스에 의한 대기 오염 문제를 해결할 수 있으며, 선박과 같이 한정된 공간에 많은 연료를 저장해야 하는 특성 상 현재 많이 적용되고 있는 추세이다.
배터리(120)는 연료전지(110)를 통하여 충전될 수 있으며, DC 버스(160)를 통하여 각종 부하에 전력을 공급할 수 있다.
제 1 DC/DC 컨버터(131)는 연료전지(110)의 출력단에 연결되어 있다. 제 1 DC/DC 컨버터(131)는 연료전지(110)에서 출력되는 DC 전압을 승압 또는 감압하여 DC 버스(160)를 통하여 각종 부하에 전력을 공급할 수 있다.
제 2 DC/DC 컨버터(132)는 배터리(120)의 출력단에 연결되어 있다. 제 2 DC/DC 컨버터(132)는 배터리(120)에서 출력되는 DC 전압을 승압 또는 감압하여 DC 버스(160)를 통하여 각종 부하에 전력을 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 2 DC/DC 컨버터(132)는 양방향 컨버터이다. 제 2 DC/DC 컨버터(132)는 연료전지(110)로부터 공급받는 전력을 배터리(120)에 전달하여 배터리(120)를 충전할 수가 있다.
연료전지(110) 및 배터리(120)의 출력은 제 1 DC/DC 컨버터(131) 및 제 2 DC/DC 컨버터(132)를 통해 DC 버스(160)에 커플링된다. DC 버스(160)가 동작 가능한 전압에 제한은 없다.
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(140)는 제 1 DC/DC 컨버터(131) 및 제 2 DC/DC 컨버터(132)의 출력과 연결되고, DC 버스(160)와 연결된다.
저장부(150)는 운항 데이터 및 부하 별로 연료 소모량을 미리 저장하고 있다.
본 발명의 일 실시예로, 제어부(140)는 저장부(150)에 저장된 운항 데이터로부터 부하 예측량을 산출한다.
운항 데이터는 항로, 화물량, 운항 시점, 기상 조건, 해상 조건 등을 기준으로 카테고리화하여 가동 부하 등을 기록한 데이터이다. 운항 데이터는 실제 운항 중에 각종 데이터를 모니터링하여 생성될 수도 있고, 시뮬레이션을 통하여 생성될 수도 있다. 운항 데이터는 실제 운항 또는 또 다른 시뮬레이션을 통하여 업데이트될 수 있다. 본 발명에 있어서, 운항 데이터에는 운항 필드를 설정하고, 운항 조건에는 가동 부하 정보가 연계되어 있다. 여기에서 운항 필드는 항로, 화물량, 운항 시점, 기상 조건, 해상 조건 등에 의하여 설정될 수 있다.
제어부(140)는 현재 운항이 운항 데이터에서 어느 운항 필드에 해당하는지 검출하고, 운항 데이터에 있는 가동 부하 정보를 추출한다. 그 후, 제어부(140)는 추출된 가동 부하 정보와 저장부(150)에 저장되어 있는 부하별 연료 소모량을 기초로하여, 부하 예측량을 산출한다. 부하 예측량은 항해 경로별 부하 예측량일 수도 있고, 날씨별 부하 예측량일 수도 있고, 시간별 부하 예측량일 수도 있다.
제어부(140)는 현재 가동 중인 부하의 부하량을 산출할 수 있다. 현재 가동 중인 부하의 부하량은 현재 발전기를 통하여 전력을 인가하고 있는 부하의 총량을 의미하며, 산술 값을 가진다.
산출된 부하 예측량이 현재 가동 중인 부하의 부하량을 초과하는 경우, 제어부(140)는 연료전지(110)가 배터리(120)를 충전하도록 제어한다. 부하 예측량이 현재 가동 중인 부하의 부하량보다 많은 경우, 전력의 여분이 생긴 경우로, 이 때, 배터리(120)를 충전하도록 할 수 있다.
산출된 부하 예측량이 현재 가동 중인 부하의 부하량 이하인 경우, 제어부(140)는 배터리(120)가 DC 버스(160)에 전력을 공급하도록 제어한다. 현재 가동 중인 부하의 부하량이 부하 예측량보다 많은 경우, 예측한 경우보다 전력이 부족하게 되므로, 이때, 배터리(120)와 연료전지(110)가 함께 전력을 공급하여 부족분을 보충하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배전시스템에서의 전력 분배 방법에 관한 흐름도를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 단계 210에서, 전력 분배 장치는 현재 가동 중인 부하의 부하량을 산출할 수 있다. 현재 가동 중인 부하의 부하량은 현재 발전기를 통하여 전력을 인가하고 있는 부하의 총량을 의미하며, 산술 값을 가진다.
단계 220에서, 전력 분배 장치는 저장된 운항 데이터로부터 부하 예측량을 산출한다.
운항 데이터는 항로, 화물량, 운항 시점, 기상 조건, 해상 조건 등을 기준으로 카테고리화하여 가동 부하 등을 기록한 데이터이다. 운항 데이터는 실제 운항 중에 각종 데이터를 모니터링하여 생성될 수도 있고, 시뮬레이션을 통하여 생성될 수도 있다. 운항 데이터는 실제 운항 또는 또 다른 시뮬레이션을 통하여 업데이트될 수 있다. 본 발명에 있어서, 운항 데이터에는 운항 필드를 설정하고, 운항 조건에는 가동 부하 정보가 연계되어 있다. 여기에서 운항 필드는 항로, 화물량, 운항 시점, 기상 조건, 해상 조건 등에 의하여 설정될 수 있다.
전력 분배 장치는 현재 운항이 운항 데이터에서 어느 운항 필드에 해당하는지 검출하고, 운항 데이터에 있는 가동 부하 정보를 추출한다. 그 후, 전력 분배 장치는 추출된 가동 부하 정보와 저장되어 있는 부하별 연료 소모량을 기초로하여, 부하 예측량을 산출한다. 부하 예측량은 항해 경로별 부하 예측량일 수도 있고, 날씨별 부하 예측량일 수도 있고, 시간별 부하 예측량일 수도 있다. 부하 예측량도 산술 값을 갖는다.
단계 230에서, 전력 분배 장치는 산출된 부하 예측량과 현재 가동 중인 부하의 부하량을 비교한다. 산출된 부하 예측량이 현재 가동 중인 부하의 부하량을 초과하는 경우에는 단계 240으로 진행하고, 이하인 경우에는 단계 250으로 진행한다.
단계 240에서, 산출된 부하 예측량이 현재 가동 중인 부하의 부하량을 초과하는 경우, 전력 분배 장치는 연료전지가 배터리를 충전하도록 제어한다. 부하 예측량이 현재 가동 중인 부하의 부하량보다 많은 경우, 전력의 여분이 생긴 경우로, 이 때, 배터리를 충전하도록 할 수 있다.
여기에서의 배전 시스템은 연료를 전력으로 변환하여 하나 또는 그 이상의 전력배전모듈로 전달하는 전력발전모듈로 연료전지 및 배터리를 사용한다.
연료전지는 수소를 연료로 사용하여 산소와의 전기화학 반응을 통하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산할 수 있다. 최근에는 연료전지의 주연료로 LNG 혹은 메탄올과 같은 액체 연료 중심으로 개발되고 있는 실정이다.
배터리는 연료전지를 통하여 충전될 수 있으며, DC 버스를 통하여 각종 부하에 전력을 공급할 수 있다.
단계 250에서, 산출된 부하 예측량이 현재 가동 중인 부하의 부하량 이하인 경우, 전력 분배 장치는 배터리가 DC 버스에 전력을 공급하도록 제어한다. 현재 가동 중인 부하의 부하량이 부하 예측량보다 많은 경우, 예측한 경우보다 전력이 부족하게 되므로, 이때, 배터리와 연료전지가 함께 전력을 공급하여 부족분을 보충하도록 한다.
110: 연료전지 120: 배터리
131: 제 1 DC/DC 컨버터 132: 제 2 DC/DC 컨버터
140: 제어부 150: 저장부
160: DC 버스 171, 172: DC/AC 컨버터
181, 182: 부하

Claims (7)

  1. 연료전지;
    배터리;
    상기 연료전지에 연결된 제 1 DC/DC 컨버터, 상기 배터리에 연결된 제 2 DC/DC 컨버터;
    상기 제 1 DC/DC 컨버터 및 상기 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결된 제어부;
    운항 데이터를 저장하고 있는 저장부;
    상기 제 1 DC/DC 컨버터 및 상기 제 2 DC/DC 컨버터의 출력과 연결되고, 상기 제어부와 연결된 DC 버스;
    상기 DC 버스와 연결된 DC/AC 컨버터;
    상기 DC/AC 컨버터와 연결된 부하를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 운항 데이터로부터 부하 예측량을 산출하고, 상기 부하 예측량에 기초하여, 상기 배터리가 DC 버스에 전력을 공급하거나, 상기 연료전지가 상기 배터리를 충전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 DC/DC 컨버터는 양방향 컨버터인 것을 특징으로 하는 DC 배전시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료전지에 의하여 전력이 공급되는 부하량을 산출하고, 상기 산출된 부하 예측량이 상기 산출된 부하량을 초과하는 경우, 상기 연료전지가 상기 배터리를 충전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배전시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 연료전지에 의하여 전력이 공급되는 부하량을 산출하고, 상기 산출된 부하 예측량이 상기 산출된 부하량 이하인 경우, 상기 배터리가 DC 버스에 전력을 공급하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 배전시스템.
  5. 연료전지에 의하여 전력이 공급되는 부하량을 산출하는 단계;
    저장되어 있는 운항 데이터로부터 부하 예측량을 산출하는 단계;
    상기 산출된 부하량 및 상기 부하 예측량에 기초하여, 배터리가 부하에 전력을 공급하거나, 상기 연료전지가 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전시스템에서의 전력 분배 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 산출된 부하량 및 상기 부하 예측량에 기초하여, 배터리가 부하에 전력을 공급하거나, 상기 연료전지가 상기 배터리를 충전하는 단계는,
    상기 산출된 부하 예측량이 상기 산출된 부하량을 초과하는 경우, 상기 연료전지가 상기 배터리를 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전시스템에서의 전력 분배 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 산출된 부하량 및 상기 부하 예측량에 기초하여, 배터리가 부하에 전력을 공급하거나, 상기 연료전지가 상기 배터리를 충전하는 단계는,
    상기 산출된 부하 예측량이 상기 산출된 부하량 이하인 경우, 상기 배터리가 상기 부하에 전력을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배전시스템에서의 전력 분배 방법.
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