KR20240013738A - 돛 구동 비히클 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선체(j), 팽창 가능한 또는 팽창 불가능한 적어도 하나의 돛, 수직 축을 갖는 적어도 하나의 자립형 돛대(l)를 포함하는 전체적 또는 부분적 돛 추진 비히클에 관한 것으로, 상기 돛대는 선체에 배치된 고정 부분(o) 및 수직 축을 중심으로 이동할 수 있는 가동 부분(p)을 포함한다. 상기 비히클은, 상기 돛대(l)가, 고정 부분(o)에서, 추력, 표류력, 돛의 차압에 대한 디지털 데이터를 제공하기 위한 물리적 파라미터를 측정하기 위한 센서, 또는 가동 부분(p)에서, 돛의 축에 투영된 공기역학적 추력, 돛에 직각으로 축에 투영된 공기역학적 추력 및 돛의 차압에 대한 디지털 데이터를 제공하기 위한 물리적 파라미터를 측정하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

돛 구동 비히클

본 발명은 돛 추진 비히클에 관한 것이며 돛 추진 또는 하이브리드 돛 추진 분야에 속한다.

다음에 사용된 몇 가지 정의를 아래에서 검토한다.

- 리깅(rigging): 바람의 힘에 의한 그 추진 및 조종을 가능하게 하는 돛 유형의 보트의 고정식 및 가동식 부품 세트.

- 경사(lean): 외부 현상이든 아니든, 현상에 의해 야기되는 선박의 횡방향 기울어짐.

- 유체역학적 항력(hydrodynamic drag): 보트와 물 사이의 마찰력. 항력이 높을수록, 보트가 더 느려진다.

- 공기역학적 항력(aerodynamic drag): 운동 방향과 반대 방향으로 인가되는 유체에서 운동 중인 물체가 겪는 힘의 성분. 본 발명에 따르면, 돛은 공기역학적 항력을 생성한다.

- 공기역학적 양력(aerodynamic lift): 운동 방향에 직각으로 인가되는 유체에서 운동 중인 물체가 겪는 힘의 성분. 본 발명에 따르면, 돛은 공기역학적 양력을 생성한다.

- 상대풍(relative wind) 또는 겉보기 바람(apparent wind): 보트의 고유 속도와 바람의 실제 속도에 의해 생성되는 바람의 벡터 합.

- 공기역학적 합력(aerodynamic resultant): 공기역학적 양력과 공기역학적 항력의 벡터 합.

- 극 곡선(polar curve): 바람의 방향과 힘의 함수로서 보트의 속도를 표현하는 도식적 표현. 극 곡선은 내비게이션 시나리오를 설정하는 것을 가능하게 한다. 일부 경우에, 돛(돛이 팽창 가능한 유형이고 돛 내부가 특정 압력 값인 경우 날개라고도 지칭될 수 있는 돛)의 차동 팽창 압력의 함수로서 이루어질 수도 있다.

- 바람 입사각(wind incidence angle): 돛(또는 돛이 돛 내부의 특정 압력 값에서 팽창 가능한 유형인 경우 날개)의 프로파일 평면과 상대 풍향 사이의 각도.

- 복귀 없는 시스템이라고도 지칭되는, 개루프 제어 시스템(open-loop control system): 개루프 시스템에서, 원하는 출력은 제어 동작에 의존하지 않고; 시스템의 출력에는 입력이 없고; 조절 시에, 개루프 제어 시스템은 시스템의 응답을 고려하지 않는 제어 형태이다.

- 복귀 시스템이라고도 지칭되는, 폐루프 제어 시스템(closed-loop control system): 폐루프 시스템에서, 원하는 출력은 시스템의 제어 동작, 및 그에 따른 입력에 따라 달라진다. 더 복잡하기는 하지만, 폐루프 제어 시스템은 더 신뢰할 수 있고 정확하며 안정적이고; 그 출력 값을 측정하고 설정점 값과 비교하여 출력에서 예상되는 결과를 최적화할 수 있고; 조절 시에, 폐루프 제어 시스템은 이 시스템의 반응을 통합하는 시스템이다.

- 리핑(reefing): 돛의 표면적을 바람의 힘에 적응시키기 위해 바닥에서부터 부분적으로 돛을 접어서 돛의 표면적을 감소시키는 것으로 구성된다. 리핑은 수동 또는 자동으로 수행될 수 있다.

- 리핑 밴드(reefing bands): 예를 들어, 아일렛 또는 풀리로 리핑을 위한 복귀를 고정할 수 있게 하는 보강된 부품의 수평 구역. 이러한 리핑 밴드는 리핑이 계획된 각각의 높이의 리브 수준에서 돛에 배치된다. 돛 면적을 감소시킬 가능성 만큼 많은 리핑 밴드가 존재한다.

- 붐(boom): 돛대의 베이스에 가깝게 관절식으로 연결된 수평 스파(spar)이며, 일부 돛을 유지 및 배향할 수 있게 한다. 붐은 돛이 내려질 때 돛을 수용할 수도 있다.

- 러프(luff): 러핑 중인 돛은 부분적으로 수축되어 불충분하게 끌어당겨지는 돛이다. 잘 설정된 돛은 러핑 한계에 있어야 한다. 팽창된 돛에 의하면, 바람을 향해 유지될 수 있게 하는 러핑이 없다.

- 헤드(head): 팽창 가능한 돛의 상단 윤곽을 따르는 돛의 상단 단부.

- 하강(lowering): 돛을 내리는 것으로 구성된다.

- 권양(hoisting): 돛을 올리는 것으로 구성된다.

- 돛 리셉터클(sail receptacle): 하강된 돛을 수용하는 것 외에도, 돛에 의해 공급되는 인장 작용력을 받거나, 아니면 돛을 동작하는 데 사용되는 다른 작동기, 센서, 에너지 저장 및 제어 모듈을 수용하는 것과 같은 다른 기능을 통합할 수 있다.

[선행기술]

연료 소비를 측정하여 배출되는 탄소 가스의 양을 추론하기 쉬운 열 기관에 의한 선박 추진이 이미 공지되어 있다.

돛 추진 선박에서는, 복잡하고 다소 무작위적이기 때문에 이러한 측정이 더 어렵다.

문서 CN 107878720A는 대칭성 프로파일이고 유연하며 접을 수 있는 범선의 돛을 개시한다. 이러한 범선에는 상대풍의 각도와 힘을 측정하기 위한 유압 디바이스가 장착되어 있다. 이러한 데이터는 바람의 각도와 힘에 대해 돛의 거동을 조절하기 위해, 개루프 제어 시스템에 따라 데이터를 계산하는 알고리즘이 제공되는 컴퓨터에 의해 영구적으로 취득된다.

불행하게도, 개루프 시스템에 따라서만 동작하는 이러한 디바이스는 공기역학적 추력의 값에 영향을 미치는 모든 요소를 고려하지 않는다. 특히, 이 모델은 해상 상태, 강한 바람 변화, 날개의 모델링(극 곡선)의 불완전성 또는 시간에 따른 돛의 성능 수준의 저하에 따른 극의 변화를 통합하지 않는다.

더욱이, 이러한 시스템에 의하면, 이 시스템은 날개가 선박에 제공하는 작용력에 대한 센서를 포함하지 않기 때문에, 돛 추진에 의해 공급되는 추력, 힘 또는 에너지를 측정하기가 여전히 어렵다.

따라서, 연료를 절약하고 탄소 가스 배출을 줄이기 위해, 적어도 하나의 돛으로 구성된 선박의 선체에 돛에 의해 전달되는 공기역학적 추력을 정확하게, 신뢰할 수 있게, 그리고 직접적으로 최적화하고 정량화할 수 있게 하기 위해 돛 추력을 조절할 수 있는 시스템, 및 가능하게는 하이브리드 시스템이 여전히 필요하다.

본 발명의 청구 대상은 선체, 적어도 하나의 팽창 가능한 돛(또는 날개) 또는 팽창 불가능한 돛이지만, 고정되지 않도록 돛대에 의해 지지되는 돛, 수직 축을 갖는 적어도 하나의 자립형 돛대를 포함하는 전체적 또는 부분적 돛 추진 비히클이며, 상기 돛대는 선체 레벨에 배치된 고정 부분 및 수직 축을 중심으로 이동할 수 있는 가동 부분을 포함한다.

본 발명에 따른 비히클은, 상기 돛대가, 고정 부분에서, 보트의 축에서의 추력, 보트의 표류력, 팽창 가능한 돛에 대한 돛의 (또는 팽창 가능한 수직 날개에 대한 날개의) 차압에 대한 디지털 데이터를 공급하기 위한 물리적 파라미터를 측정하기 위한 센서, 또는 가동 부분에서, 돛의 축에 (또는 날개의 축에) 투영된 공기역학적 추력, 날개에 (또는 돛에) 직각으로 축에 투영된 공기역학적 추력, 팽창 가능한 돛(날개)에 대한 돛의 차압에 대한 디지털 데이터를 공급하기 위한 물리적 파라미터를 측정하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 해결책은 팽창 가능한 또는 팽창 불가능한 돛을 포함하는 돛 추진 비히클, 팽팽한 돛, 돛대에 의해 고정되지 않게 지지된 견고한 돛 또는 자립형 돛대에 장착된 돛에 적용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 보트의 기준 프레임에 대한 고정 부분, 예를 들어 돛대를 회전시키는 요소를 수용하는 고정 부분에 통합된 센서는 보트에 전달되는 작용력을 신뢰할 수 있게 직접적으로 측정할 수 있게 하고, 보트의 축에서의 작용력(추진에 사용되는 작용력) 및 보트의 축에 직각인 작용력(보트의 경사를 유발하는 작용력)을 직접적으로 알게 할 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 돛대의 베이스(돛대의 지지 및 회전 안내를 위한 것으로 이해됨)를 수용하는 베어링 중 하나에 스트레인 게이지를 장착할 수 있고, 이는 작용력을 직접 측정할 수 있게 한다. 돛대가 신축식일 때, 돛대의 바닥 튜브의 지지 및 회전 안내를 보장하는 베어링 중 하나에 스트레인 게이지를 장착하는 것이 바람직하다.

고정 부분에 있지 않은 경우, 측정 시스템은, 예를 들어 돛대에 스트레인 게이지를 접착식으로 결합하여 돛대에 고정된 측정 센서를 포함할 수 있으며, 이는 돛(또는 팽창된 돛인 경우 날개)의 축에서의 작용력 및 축에 직각인 작용력을 알게 할 수 있다. 이 경우 보트의 축에 대한 날개의 각도(추진에 사용되는 작용력) 및 보트에 직각인 작용력(보트의 경사를 유발함)을 정확하게 측정하는 것이 필요하다.

작용력의 직접(보트 기준 프레임) 또는 간접(날개 기준 프레임) 측정에서 파생된 값은 이미 돛 추진 시스템으로 획득한 이득을 정확하게 평가할 수 있게 한다.

측정된 값은 또한 개루프 조절 및/또는 폐루프 조절을 사용하여 선박의 동작을 수정할 가능성을 제공한다.

따라서, 개루프 모드에서, 작용력의 측정된 값은 보트가 이동하고 있을 때 측정된 작용력의 사전 설정된 한계값을 초과하지 않도록 모니터링하는 데 사용된다.

바람직하게는, 디지털 데이터 계산 알고리즘을 갖춘 컴퓨터는 개루프 제어 시스템에 따라, 바람의 속도와 방향과 같은 상기 디지털 데이터에 기초하여 원하는 차압, 입사각 및 날개 표면적 설정과 같은 설정값을 계산한다. 이러한 개루프 동작 모드에서, 입사각, 날개 표면적 및 압력 설정으로 인해 사전 설정된 한계를 초과하는 과도한 작용력이 발생하는 경우, 시스템은 이러한 작용력을 줄이도록 작용할 수 있게 작용력 센서에서 비롯되는 경고를 수신한다.

바람직하게는, 디지털 데이터 계산 알고리즘을 갖춘 컴퓨터는, 폐루프 제어 시스템에 따라, 상기 디지털 데이터에 기초하여, 선박의 동작을 실시간으로 수정하여 그 공기역학적 추력을 최적화 또는 미세하게 조절하기 위해 돛으로부터 선체로 전달되는 힘을 계산한다. 컴퓨터는 측정된 추력 값을 사용하여 이를 조절(최대 추력 아래에서 선택된 값으로)하거나 최적화(최대 추력 모색)하려고 하고, 따라서 에너지 절약을 최대화한다.

따라서, 추력 및 그에 따른 이득의 최대화에 직접 작용하는 폐루프 조절에 기초하여 돛 추진 시스템에 의해 선박에 전달되는 최대 추력의 최적화를 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 비히클은 시스템의 변화 및 결과적으로 초기 값과 관련하여 그 표류를 쉽게 실시간으로 추적할 수 있고, 추력의 최적화에서 이러한 변화를 고려하여 유지 관리 작업을 프로그래밍할 수 있으며, 마지막으로 예를 들어 팽창된 돛의 경우에서처럼(예컨대, 문서 WO 2017/221117A1의 것), 팽창 시스템의 주어진 동작에 대한 그 압력의 변화를 시각화하고, 그에 따라 그 투과성의 변화를 추적할 수 있다는 장점이 있다. 실제로, 폐루프 모드에서, 시스템은 최대 작용력 또는 설정점 작용력을 추적하고 극 곡선 모델링 오류를 극복할 수 있게 한다. 시간 경과에 따라, 동일한 바람, 팽창 압력 조건에 대해, 폐루프 조절 시스템에 의해 발견된 동작 지점(입사각)이 변화된다면, 이는 시스템이 변화되었기 때문이다. 확실히 성능이 저하되었으며 유지 관리 개입을 계획할 수 있다.

본 발명의 돛 추진 비히클의 조절 시스템은, 모든 것이 동작할 때 두 루프, 즉 개루프 및 폐루프를 조합하여 동작할 수 있다. 개루프는 모델링 테이블을 기초로 하는 입사각, 날개 표면적 및 차압을 설정하여 원하는 작용력을 생성하기 위해 날개를 사전 배치할 수 있게 한다. 폐루프는 추력 작용력의 측정에 기초하여(피드백 모드에서) 추력을 최적화하기 위해 이러한 설정을 개량한다.

그러나, 고장이 발생하면, 시스템은 2개의 조절 루프(개루프 또는 폐루프) 중 하나만 사용하여 성능 저하 모드에서 동작할 수 있다.

본 발명에 따른 비히클은 돛 추진 시스템으로 획득한 이득을 특정하는 것을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 비히클은 보트 속도와 조합되어 공급된 kWh, 소비된 kWh, 및 CO2 이득을 제공하는 보트 축에서의 돛 추진력을 정확하고 측정 가능하게 정량화하는 것을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 하이브리드 추진 비히클은, 예를 들어 에너지 저장소로서 배터리, 수소(연료 전지 포함), 천연 가스 또는 연료를 갖는 전기 모터 또는 연소 엔진에 의해 구동되는 프로펠러에 의한 추진과 같은 다른 추진원과 결합된 돛 추진을 의미하는 것으로 이해된다.

돛 추진 비히클은, 예를 들어 돛과 비히클 사이의 연결이 자립형 돛대 시스템을 사용하여 고정되지 않은 방식으로 이루어지는 한, 사상 요트, 빙상 요트, 자동차, 보트를 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명은 개략적이며 반드시 일정한 축척이 아니어도 되는, 예시로서 제공된 다음 도면을 사용하여 설명될 것이다:
도 1은 선박에 인가되는 다양한 물리적 힘, 예를 들어, 엔진이 있는 돛 유형에 대한 검토와, 특히 결과적인 공기역학적 힘의 투영을 나타내고;
도 2는 팽창된 돛의 경우에 본 발명에 따른 선박의 알고리즘에 의해 사용되는 폐루프 모드에서 추력을 제어하기 위한 시스템의 개략도를 나타내고;
도 3은 팽창된 돛의 경우에 본 발명에 따른 선박의 알고리즘에 의해 사용되는 개루프 제어 시스템의 개략도를 나타내고;
도 4는 팽창된 돛의 경우에 본 발명에 따른 선박의 알고리즘에 의해 사용되는 개루프 제어 시스템과 조합된 폐루프 제어 시스템의 개략도를 나타낸다.
돛 추진에 관한 일부 유체역학 및 공기역학적 정의에 대한 검토가 아래에 정리되어 있다.

이하, 범선 또는 선박이라고 지칭되는 돛 추진 비히클은 공기 및 물과 접촉한다. 물리적 평면에서, 가장 중요한 요소는 선체, 돛 및 부속물(방향타, 용골, 조타 장치)과, 프로펠러에 인가되는 유체역학 및 공기역학적 힘이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 공기역학적 힘(또는 돛 추력)은 적어도 하나의 돛에 의한 공기 편향으로 인해 발생한다. 공기역학적 힘은 돛의 위치와 표면적 및 상대풍의 위치와 힘에 대해 상대적이다. 항력은 상대풍의 방향이고, 양력은 상대풍에 직각 방향이고, 항상 돛과 직각을 이루는 것은 아니다. 예를 들어, 0°에서는, 공기가 상부 표면과 하부 표면에서 정확히 동일한 거리를 이동한다는 사실로 인해 대칭성 프로파일에는 양력이 없다. 이 순간에는, 항력만 생성된다.

돛에 의해 생성된 공기역학적 힘은 또한 돛의 기준 프레임이 아닌 보트의 기준 프레임에서 돛 추진력(보트의 이동 축을 따름)과 경사(바람과 같은 외부 현상으로 인한 보트의 횡방향 기울어짐)를 유발할 수 있는 표류력(보트의 축에 직각)으로 구성되도록 분해될 수 있다.

유체역학적 힘은 선체, 및 방향타 또는 용골과 다양한 수중 부속물에 대한 물의 마찰의 결과이다. 그 방향은 반대되는 공기역학적 힘, 하이브리드 모드의 추진력, 해상 상태 및 해류에 따라 달라진다. 종방향 성분이 유체역학적 항력이라고 지칭되며, 횡방향 성분이 방향타 양력 또는 표류 방지력 또는 유체역학적 양력이라고 지칭된다. 유체역학적 힘의 방향 및 세기는 공기역학적 힘에만 의존하는 것은 아니다. 하이브리드 모드(바람 및 다른 에너지 소스)로 동작하는 선박(보트)의 경우, 유체역학적 힘은 열적 또는 전기적 추진에 의해 생성되는 선박의 속도, 예를 들어, 해상 상태 및 해류에 크게 의존한다.

돛의 힘이 유체역학적 힘보다 더 클 때, 보트는 가속된다. 돛의 힘이 유체역학적 힘보다 더 작을 때, 보트가 느려진다. 더욱이, 공기역학적 힘이 더 크지만 보트 후방을 향해 지향되면, 보트가 느려지게 된다. 유체역학적 힘이 보트의 이동 방향에 있는 경우(강한 조류가 있기 때문에), 보트(범선)가 가속된다.

돛의 설정을 최적화하면, 보트(범선)가 이동 방향의 돛 추력 측면에서 그 최대 성능을 달성하게 된다. 실제로, 이는 상대풍 및 보트의 방향에 대해 돛의 각도를 최적화하고 돛의 표면적을 설정하는 것이며, 이는 보트가 보트의 축에서 그 최대 돛 추진을 달성할 수 있게 한다. 돛의 내부 압력에 따라 추가적인 설정 파라미터가 있을 수 있다. 이는 보트의 속도 증가를 가능하게 하거나, 반대로 동일한 속도를 유지하면서 돛 추진을 위해 다른 에너지의 소비를 줄이는 것을 가능하게 한다.

도 1은 각각의 선행의 정의를 다시 사용하며, 이에 대한 구체적인 참조는 아래에 나열된다:

a: 양력

b: 항력

c: 공기역학적 합력

d: 공기역학적 추력(선박 축을 따름)

e: 공기역학적 표류력

f: 상대풍

g: 날개-보트 축 상대 각도(예를 들어, 15°)

h: 상대풍과 보트 축 각도(예를 들어, 30°)

i. 프로펠러 추진력

j: 선체

k: 돛

l: 돛대

m: 공기역학적 추력 중심

n: 프로펠러

o: 고정 부분의 센서(선체 기준 프레임)

p: 가동 부분의 센서(돛 기준 프레임)

도 1에 제공된 정보는 선체 기준 프레임에서 측정된 값을 돛 기준 프레임에서 비롯되는 데이터의 센서에 전달하는 것, 또는 그 반대의 경우를 가능하게 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 청구 대상에 사용되는 폐루프 제어 시스템은 측정된 입력 데이터에 기초한 다양한 계산 단계를 포함한다. 본 발명에 따라 사용되는 제어 시스템의 목적은 달성 가능한 경우, 예를 들어 스로틀 제어에 대응하는 추력의 설정점 값을 달성하거나 또는 선박의 축에서 추력의 최대값에 도달하는 것이다.

또한, 이 제어 시스템은 돛대에 대한 허용 가능한 최대 힘, 팽창된 돛에 대한 허용 가능한 최대 압력차, 또는 심지어, 예를 들어 허용 가능한 최대 경사 각도와 같은 선박과 관련된 제약 조건과 같은 시스템의 본질적인 한계도 고려해야 한다.

선체의 기준 프레임에 직접 센서를 갖는 폐루프 제어 시스템을 사용하면, 추정된 값을 기초로 한 계산을 통해 이를 획득할 필요 없이, 설정된 값, 즉, 선박의 축에서 추력이 직접 측정된다. 다른 해결책은 돛의 기준 프레임에서, 즉, 돛의 축과 돛에 직교하는 축에서 추력을 측정하는 것이다. 그 후, 돛의 축으로 힘을 가져오고 돛(돛의 기준 프레임)에 직각으로 힘을 다시 선박의 기준 프레임에서의 추력과 표류력으로 가져오기 위해, 선박에 대한 돛의 각도를 알아야 할 필요가 있다. 돛의 외부와 내부 사이의 압력차 조절과 관련하여, 팽창 가능한 돛의 경우, 이 압력차는 차압 센서에 의해 측정되고, 예를 들어 해상 상태에 따라, 바람의 힘과 방향, 예를 들어 바람의 힘과 방향의 변화(최대 값과 최소 값 사이의 비율)를 고려하여 설정된 압력차 설정점에 의해, 즉, 서보 제어에 의해 설정될 수 있다. 팽창 시스템은, 예를 들어 팬을 사용하여 생산될 수 있다. 팬은 날개의 내부와 외부 사이의 압력차 설정점을 달성하기 위해 조절된다.

폐루프 제어 또는 조절 시스템을 사용하면, 작용력을 최적화할 수 있으며, 작용력 센서에 의해 공급되는 값을 사용하여 CO₂ 방출을 낮추는 데 있어서 이득을 정량화할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 선박에 구비되는 계산 알고리즘은 개루프 제어 시스템에 따라 날개(또는 팽창 가능한 돛)의 입사각 설정점, 날개(또는 팽창 가능한 돛) 표면적 설정점 및 날개(또는 팽창 가능한 돛) 차압 설정점을, 예를 들어 원하는 추력 값에 대한 변환 테이블에 기초하여 계산할 수 있다. 이러한 설정값(날개의 입사각 설정점, 날개 표면적 설정점 및 날개 차압 설정점)은 결과의 측정을 수반하지 않기 때문에, 예를 들어 날개가 인열되거나 손상된 경우에도 동일하게 유지된다.

개루프 제어 시스템에서는, 예를 들어 팽창 가능한 돛의 경우, 돛의 내부와 외부 사이의 압력차에 대한 특정 압력차(속도-압력 등가 테이블)에 대응하는 팬의 회전 속도를 조절하여 압력의 조절에 작용할 수 있다. 프로펠러 없이 팬을 장착하면, 압력이 좋지 않아 보이지 않게 된다. 그럼에도 불구하고, 특정 속도와 연관된 엔진 전류의 모니터링과 같이, 이러한 종류의 문제를 확인할 수 있게 하는 다른 방법이 있다.

개루프 제어 시스템의 이점은 특정 추력을 획득하기 위해 시스템에 설정해야 하는 값을 선험적으로 알 수 있게 한다는 점이다. 또한, 작용력 측정 센서를 생략할 수도 있다. 대조적으로, 추력 조절은 덜 정확하고, 초기 추정이 좋지 않으면 알 수 없으며, 마찬가지로 예를 들어 힘 센서를 통한 시스템의 물리적 반응이 없기 때문에 성능 수준이 제때에 저하되는지도 알 수 없다.

개루프 조절만 사용하면, 변환 테이블(극 곡선)을 다시 업데이트할 가능성 없이 근사 오류가 있을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 동작이 가능하다.

그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 선박의 컴퓨터에 의해 사용되는 알고리즘은 폐루프 제어 시스템과 개루프 제어 시스템을 조합할 수 있다.

두 제어 시스템을 사용하면 폐루프의 측정된 값을 사용하여 개루프의 추정된 값의 테이블을 다시 업데이트할 수 있다. 이 변환 테이블(극 곡선)을 변경하면 돛의 성능이 더 많이(파손) 또는 더 적게(마모) 변화하는 것을 알 수 있다. 이는 예방적 유지 관리에 매우 유용할 수 있다. 두 시스템은 측정 수준에서 완전히 독립적일 수 있다. 작동기의 경우, 안전성, 신뢰성 및 가용성 측면에서 특히 중요할 수 있다.

마지막으로, 바람의 속도와 방향을 측정하는 데 사용되는 풍향계의 고장 시, 선체(돛대 지지부)에 있는 측정 센서만을 사용하는 조절은 다음과 같은 방식으로 자율적으로 동작할 수 있다.

첫째, 돛의 회전을 자유롭게 하여 시스템이 상대풍을 향하게 설정되고 돛이 풍향계로 사용된다. 이는 돛대와 추력 중심 사이의 오프셋(바람에서의 날개의 자체 정렬)으로 인해 가능하다.

둘째, 허용 가능한 항력 값에 대응하는 특정 높이까지 돛을 권양시킬 수 있다. 돛의 항력을 측정하면 바람의 힘을 평가할 수 있으며, 이를 통해 필요한 돛 표면적을 결정할 수 있다.

마지막으로, 예를 들어 최대 경사 작용력과 같은 시스템의 한계를 고려하여, 추력 최적치 또는 설정점 값을 달성할 수 있다.

따라서, 폐루프에 필요한 풍향계의 고장 시에 풍향계가 작동하지 않게 되는 경우 폐루프 제어 시스템을 단독으로 사용하는 것이 완벽하게 가능하다. 두 독립적인 시스템을 조합하여 사용하면 획득한 응답의 신뢰성, 가용성 및 안전성을 증가시킬 수 있다.

획득한 응답의 변화를 측정할 수 있는 가능성과 함께 이러한 제어 시스템 중 하나 또는 다른 하나를 교대로 사용하는 것도 가능하다.

이러한 제어 시스템은 다음과 같이 동작한다.

제1 단계에서는, 돛의 극이 계산에 사용된다. 극은, 다양한 풍속과 입사각, 다양한 돛 표면적(전체 또는 1개, 2개 또는 3개의 리프 감소), 및 가능한 다양한 차압에 대해, 달성할 수 있는 돛의 양력 및 항력 값을 공급한다. 이러한 데이터에 기초하여, 공기역학적 합력이 계산된다.

양력과 공기역학적 항력의 벡터 합을 통해 결과적인 공기역학적 힘이 획득된다.

그 후, 보트의 축에서의 공기역학적 추력과 보트 축에 직각으로의 표류력을 획득(후자는 선박의 경사를 유발함)하기 위해 돛의 기준 프레임에서 선박의 기준 프레임으로 전환할 필요가 있다. 하나의 기준 프레임에서 다른 기준 프레임으로 전환하려면, 돛의 입사각 및 선박의 축에 대한 돛의 각도를 알아야 한다.

다음 설명에서는, 정상 모드와 오작동이 포함된 모드에서의 돛의 동작에 대해 자세히 설명한다.

정상 모드의 예:

처음에, 돛은, 신축식인 경우, 돛대와 함께 접힌 위치에서 돛의 리셉터클에 접혀 있다. 돛의 리셉터클은 UV, 습기, 바람, 염분 등의 공격으로부터 돛의 직물을 보호하기 위해 자동 또는 수동으로 상단이 폐쇄될 수 있다. 돛은 회전이 차단되며, 선박의 축에 위치된다. 전자식 전원 제어가 중지된다.

다음으로, 전자 제어 장치의 전원이 켜지고 제어된다. 모든 것이 정상이면, 돛 리셉터클의 상단 부분이 수동 또는 자동으로 개방된다. 돛의 회전도 수동 또는 자동으로 차단 해제된다(파킹 모드 종료). 돛을 동작할 준비가 된다.

돛의 권양이 다음과 같이 수행된다.

이 권양 단계에서, 시스템은 개루프 모드에서 정상적으로(고장 없이) 동작한다. 상대풍의 힘과 방향, 보트에 대한 돛의 각도, 돛 내부의 압력, 및 결과적으로 예상되는 추력 및 표류력은 선험적으로 알게 된다. 이러한 데이터를 사용하여, 돛에 대해 설정해야 할 설정이 선험적으로 정의된다. 따라서, 돛이 바람을 향하도록 위치하여 권양되고, 목표 입사각으로 계산에 따라 완전히 전개되거나 또는 리프를 유지하며, 이는 상대풍의 힘 및 속도, 보트에 대한 날개의 각도, 날개의 내부 압력, 및 목표 추력 설정점의 측정들에 따라 다시 업데이트된다.

개루프의 동작을 방해하는 개루프 요소의 고장의 경우, 및 앞서 설명한 풍향계 고장의 경우, 성능 저하 모드에서 폐루프 조절을 사용하여 권양이 수행될 수 있다. 돛이 권양됨에 따라 발견이 이루어질 것이다. 제1 단계는 돛이 상대풍을 향하도록 설정하는 것으로 구성되며, 이는 보트에 대한 돛의 입사각을 자유롭게 제어할 수 있도록 함으로써 수행될 수 있다. 돛 또는 돛 리셉터클은 공기역학적 추력의 중심이 돛대의 축에 대해 오프셋되어 있다는 사실 때문에 풍향계로 사용된다. 시스템은 자동으로 바람을 향하도록 설정되며, 이를 통해 바람의 방향을 알 수 있다. 바람의 힘에 대해서는, 돛이 다시 바람을 향하게 되는 돛의 변위 속도를 관찰하여 초기 평가를 할 수 있다. 돛을 10° 오프셋하고 돛이 다시 바람을 향하게 되는 속도를 관찰하기만 하면 된다. 이를 통해 필요하게 될 돛 표면적에 관한 초기 개념을 구한다. 돛의 항력을 측정하여 이를 가늠할 수도 있다. 그 후, 돛이 바람을 향하게 하면서, 예를 들어 세 번째 리프에 대응하는 그 최소 표면적에 대해 돛을 장착할 필요가 있다. 최대 추력으로 설정하여 작용력이 한계를 초과하지 않으면, 추가적인 리프를 자유롭게 할 수 있으며, 예를 들어 세 번째 리프를 해제할 수 있다. 작용력이 다시 한계를 초과하지 않으면, 돛 표면적을 다시 늘릴 수 있으며, 이는 돛의 전체 표면적을 전개하는 데까지 갈 수 있다. 권양 단계 동안에는, 돛이 바람을 향하여 위치되도록 자유롭게 회전할 수 있다. 각도가 제어되는 유일한 순간은 추력을 생성하기 위한 각각의 새로운 표면적(리프 1, 리프 2 등)에서일 것이다. 권양 동안, 날개의 노화를 최소화하면서 최적의 동작을 보장하기 위해 돛의 내부 압력이 설정되고 상승 속도도 설정된다(러핑).

개루프 및/또는 폐루프 모드에서, 설정은 개루프 덕분에 선험적으로 알 수 있지만, 측정된 값과 함께 예측된 값의 일관성을 지속적으로 검증(폐루프)하고 계산 모델을 실시간으로 업데이트한다.

돛은 다음과 같이 동작한다.

돛이 동작 중일 때, 설정은 한계를 고려하여 요청되는 설정점 값에 대응하도록, 아니면 한계를 고려하여 최대 추력을 갖도록 지속적으로 최적화되거나 조절된다.

이 설정은 주로 폐루프 조절을 사용하여 수행되며, 이는 한계를 고려하여 추력을 가장 잘 최적화하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 극 곡선에 기초한 개루프의 선험적 설정은 날개를 최적에 근접하게 위치시키는 것을 가능하게 하며, 폐루프의 조절기는 원하는 또는 최대 추력을 달성하기 위해 동작 지점을 미세 조절하게 된다. 또한, 바람이 매우 빠르게 방향을 바꿀 때(바람의 전환, 북풍에서 남풍으로 변이), 폐루프 조절을 일시적으로 중단하여 날개를 새로운 최적 위치에 가깝게 신속하게 재배치한 다음, 폐루프 조절을 다시 활성화할 수 있다. 측정된 값 외에도 바람 예보를 사용하거나, 아니면 비콘이나 다른 보트에 의해 측정된 값을 사용하여 선험적 설정을 만드는 것도 가능하다. 돛이 동작 중인 단계 동안, 추력이 최적화되지만, 예를 들어 표류와 같은 다른 값도 관찰되어, 부과된 한계를 초과하지 않는다. 이러한 값을 초과하는 경우, 입사각을 조정하거나, 아니면 돛 표면적을 감소시킴으로써, 제한할 수 있다(리핑 참조). 반대로, 값이 너무 낮고, 여전히 풀어야 할 리프가 하나 이상 있는 경우에는, 추력과 표류력을 계속 모니터링하면서 수행해야 한다.

서로 다를 수 있는 설정을 통해 특정 추력을 획득할 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요하다. 예를 들어, 돛의 입사각을 변경하거나, 또는 돛의 표면적을 감소시킴으로써 더 낮은 추력을 획득하는 것이 가능하다.

각도를 조정하는 이점은 에너지가 거의 필요하지 않고 동작이 빠르다는 점이다. 예를 들어, 바람이 바뀌고 있는 경우에는, 이것이 사용되어야 할 조종이다.

또한, 돛의 표면적과 공기역학적 추력의 중심의 높이를 동시에 감소시키기 위해 리핑에 의해 돛의 표면적을 감소시키는 것이 매우 유리할 수 있다. 이 동작은, 일단 리핑되면, 표류 작용력을 감소시켜 허용 가능한 표류 값 내로 유지되게 할 수 있고, 필요에 따라 다시 리핑하거나, 또는 날개(또는 돛)를 완전히 하강시킬 수 있게 한다.

돛을 하강시키려면, 리핑과 동일한 동작이 사용된다.

돛이 하강되면, 돛의 회전을 수동 또는 자동으로 로킹하기 위해 돛을 보트의 축에 배치할 수 있다. 그 후, 돛 리셉터클의 상단 부분을 수동 또는 자동으로 다시 폐쇄하여 외부 공격으로부터 돛을 보호해야 한다. 그 후, 전자 제어 및 전원 시스템을 정지할 수 있다.

오작동 시에는, 다양한 상황이 발생할 수 있다. 그 중 일부는 아래에 설명되어 있다:

돛이 동작 중일 때 전원 장치가 완전히 차단되고: 이 경우, 돛 조향 모터(입사)는 자유롭게 회전하도록 설정되고, 돛은 바람을 향해 펼쳐지게 된다. 팬은 정지되지만, 동적 공기 흡입구는 날개가 러핑되는 것을 방지할 만큼 충분한 압력을 돛에 계속 공급한다. 따라서, 돛은 돛 표면이 제위치에 있는 상태로 유지되며, 돛은 영구적으로 바람을 향하여 유지된다(작용력 최소화).

개방형 조절 루프 센서의 결함 및 본질적으로 풍속 및 풍향: 폐쇄형 조절 루프가 자체적으로 인계한다.

폐쇄형 조절 루프의 센서의 결함: 개방형 조절 루프가 자체적으로 인계한다.

두 조절 루프의 오작동: 돛이 스스로 바람을 향하도록 놔두어, 돛에 대한 작용력을 최소화한다. 팬이 어떠한 위험 없이 계속 작동할 수 있는 경우를 제외하면, 이는 돛의 전력 공급을 완전히 차단하는 것과 마찬가지이다. 팬의 별도의 비상 전원 장치를 사용할 수 있다.

작동기의 손실:

팬의 손실: 팬이 여러 개 있으므로, 팬을 모두 잃지 않도록 별도로 급전하는 것이 가능해야 한다. 그러나, 그럼에도 불구하고 그런 일이 발생할 수 있다. 이 경우, 돛의 동적인 팽창은 돛이 러핑되는 것을 방지하고 팬이 수리될 때까지 위험 없이 돛이 하강되게 할 수 있다.

돛을 권양 또는 하강시키는 데 사용되는 작동기의 손실: 하강은 가능하지만 권양은 불가능한 경우, 이는 문제가 되지 않는다. 날개를 하강시켜서 안전하게 만드는 것이면 충분하다.

반대로, 하강시킬 수 없는 경우에는, 무엇이 차단되었는지에 따라 달라진다. 예를 들어, 돛 안내 라인이 더 이상 동작하지 않는 경우에도, 여전히 하강은 가능하지만, 날개를 올바르게 보관하려면 수동 개입이 필요하다. 리핑이 더 이상 동작하지 않는 경우에도 마찬가지이다. 그러나, 돛대가 더 이상 하강되지 않으면, 모터를 작동시키는 수동 해결책이 있다. 반면에, 고착되는 것이 파이프이면, 1개 또는 2개의 요소가 더 이상 수축되지 않을 수 있다. 그 후, 허용 가능한 높이에서 차단된 요소에 개입하기 위해 다른 모든 요소를 끌어당기는 것이 가능해진다.

돛대가 완전히 전개되었을 때 완전히 차단된 상태가 유지되면, 작용력을 최소화하기 위해 돛이 바람을 향하게 두는 것이 가능하다.

돛의 각도를 설정하는 작동기의 손실: 돛대 각도 작동기의 제어가 손실된 경우, 입사 시스템은 자동으로 자유 모드로 설정되고, 이는 돛이 바람을 향해 펼쳐지는 것을 유발한다. 그러나, 작동기가 차단되는 일이 있을 수 있고, 그러면 돛이 고정된 각도로 위치되고, 이는 바람 상태에 따라 위험할 수 있다. 돛이 바람을 향한다는 것을 의미하는 각도로 보트를 진행시킬 수 있으면, 돛을 하강시키는 것이 가능하다. 바람을 향하면서 큰 돛을 권양 또는 하강시켜야 하는 종래의 돛이 있는 모든 범선의 경우에 적용된다. 선박을 그 항로에서 전환시키는 것이 불가능하거나 바람직하지 않은 경우의 다른 해결책은, 수동 분리 시스템을 갖거나, 또는 심지어 작용력 전달 체인의 가용성 요소를 갖도록 하는 것이고, 이는 돛을 자유롭게 하여 돛이 바람을 향해 진행할 수 있게 한다.

예 1

CO₂ 이득은 선박 소비의 100%(NEOLINE과 같은 전체 돛 추진 모드로의 전환이 있는 경우)로부터, 맞바람이 불고 양력이 없으며, 또한 그렇지 않으면 항력이 발생되기 때문에 돛이 하강되어야만 하는 0%까지 다양할 수 있다. 이는 접을 수 없고 속도가 느려지는 로터 해결책보다 훨씬 낫다. 상황은 부정적이 될 것이다.

평균 이득 값의 경우, 항로에 따라 10 내지 15%가 얻어진다.

예 2

다음 치수를 갖는 선박의 경우:

- 보트 길이: 16 미터

- 돛 높이: 38 미터

- 선체와 돛의 높이: 41.5 미터

- 선체 높이: 3.5 미터

다음과 같은 결과가 얻어진다:

보트 축의 바람 추진력은 무엇보다도 실제 바람의 힘과 방향, 보트의 속도, 날개의 입사각, 돛의 수, 돛의 프로파일 및 돛의 표면적에 따라 달라진다.

크기를 파악하기 위해, 보트에 직각으로 위치하는 15 노트의 바람이 부는 것으로 가정한다. 해당 돛은 대략 500 m²의 단일의 돛이다.

돛의 입사각은 8°의 값으로 제공된다.

보트 자체의 속도도 중요한 영향을 미치며, 20 노트의 보트 속도에 대한 작용력이 관찰된다.

앞서 설명한 조건에서, 보트 속도 20 노트, 보트 항로에 대해 90°의 각도를 형성하는 15 노트의 실제 바람, 돛의 입사각이 대략 8°인 경우의 추진력의 경우, 500 m²의 단일 날개에 대한 보트의 축에서의 추진력은 27 kN 정도이고, 즉, 대략 280 kW의 공급 전력이다. 이러한 조건에서 4개의 돛을 사용하면, 공급되는 전력은 MW 이상이다.

표류 추력 값과 관련하여, 보트의 축에서 추력의 0 내지 대략 75% 범위의 크기에서 선택한 속도에 따라 달라진다.

Claims (3)

1. 선체(j), 팽창 가능한 또는 팽창 불가능한 적어도 하나의 돛, 수직 축을 갖는 적어도 하나의 자립형 돛대(l)를 포함하는 전체적 또는 부분적 돛 추진 비히클이며, 상기 돛대는 선체 레벨에 배치된 고정 부분(o) 및 수직 축을 중심으로 이동할 수 있는 가동 부분(p)을 포함하는, 비히클에 있어서, 상기 돛대는,
   a. 고정 부분(o)에서, 추력, 표류력, 팽창 가능한 돛에 대한 돛의 차압에 대한 디지털 데이터를 공급하기 위한 물리적 파라미터를 측정하기 위한 센서, 아니면
   b. 가동 부분(p)에서, 돛의 축에 투영된 공기역학적 추력, 돛에 직각으로 축에 투영된 공기역학적 추력, 팽창 가능한 돛에 대한 돛의 차압에 대한 디지털 데이터를 공급하기 위한 물리적 파라미터를 측정하기 위한 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비히클.
2. 제1항에 있어서, 디지털 데이터 계산 알고리즘을 갖춘 컴퓨터는, 폐루프 제어 시스템에 따라, 상기 디지털 데이터에 기초하여, 선박의 동작을 실시간으로 수정하여 그 공기역학적 추력을 최적화 또는 조절하기 위해 돛으로부터 선체로 전달되는 힘을 계산하는, 비히클.
3. 제2항에 있어서, 디지털 데이터 계산 알고리즘을 갖춘 컴퓨터는, 폐루프 제어 시스템에 대한 보완으로서, 개루프 제어 시스템에 따라, 상기 디지털 데이터에 기초하여, 선박의 동작을 실시간으로 수정하여 그 공기역학적 추력을 최적화하기 위해 돛으로부터 선체로 전달되는 힘을 계산하는, 비히클.

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