KR20240052804A - 해양 배기 배출을 위한 자율적 실시간 배출 모니터 - Google Patents
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Abstract
해양 선박의 규제 및 효율성 모니터링을 돕기 위해 해양 선박의 배기통으로부터 샘플링하기 위한 배출물 샘플링 장치. 배기통 내에 장착되고, 배기통의 외주에 장착된 배출물 센서 장치에 연결된 배기가스 샘플 흡기 장치를 포함하는, 배출물 샘플링 장치.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
2021년 8월 31일자로 출원된 미국 특허 가출원 제63/238,923호(발명의 명칭: "AUTONOMOUS REAL-TIME EMISSIONS MONITOR FOR MARINE EXHAUST EMISSIONS")에 개시된 하나 이상의 발명을 주장한다. 미국 특허법(35 USC §119(e)) 하에서 미국 특허 가출원의 유익이 본 명세서에 청구되며, 앞서 언급한 출원은 본 명세서에 참조에 의해 원용된다.
본 발명은 환경 센서, 더 구체적으로는 선박용 엔진과 관련된 배기 가스의 자율적 실시간 배출 모니터링(autonomous real-time emissions monitoring)을 위한 센서를 이용하는 것에 관한 것이다.
해양 운송 산업은 배기 배출에 관한 국제해사기구(International Maritime Organization: IMO) 규정의 적용을 받는다. 이러한 규정을 집행하는 임무를 맡은 전세계의 해안경비대는 규정 불이행을 감지할 수 있는 옵션이 거의 없다. 기존의 것들은 비용이 들고, 매우 제한된 적용 범위만을 제공한다. 특히 미국 해안경비대(US Coast Guard: USCG) 및 영국 해사 및 연안 경비청(British Marine and Coastguard Agency: MCA) 해안경비대는 규정 준수를 모니터링하는 효과적인 수단이 없으며, 조사기 필요한 선박을 확인하는 데 도움이 되는 시스템을 원한다고 공개적으로 언급하였다. 2020년 1월 1일자로 규제가 더욱 엄격해질 예정이다.
배기가스 정화 시스템과 같은 임의의 완화 프로세스를 제외하고, SOx 배기 배출은 연료의 황 함량과 직접적인 상관관계가 있다. 사실상, 연료 황 농도는 배기 황 농도에 대한 대용물이 되며, 연료 전환 규정은 이런 이해를 반영한다.
규정은, 배기가스 정화 시스템이 없는 선박이 이들이 있는 구역에 적합한 연료로 전환하고, 규정 준수 행동에 관한 기록을 보관할 것을 요구한다. 법은, SO2 배출 통제 지역(SO2 Emissions Control Area: SECA) 구역 내부와 외부에서 상이한 농도의 저유황 연료를 연소하고, 검사 중 검토를 위해 연료 전환 사건의 로그를 보관할 것을 요구한다. 로그에 연료 전환이 실제로 발생되었다는 것이 명시되어 있을 때 연료 전환이 실제로 발생했는지를 확인하는 것은 시간이 오래 걸리고 부정확한 프로세스이며, 이는 벌금과 수감이 부과된다.
드론, 비행기 또는 교량 장착 센서를 사용하여 의심스러운 선박을 감지하기 위해 선박 위의 공기를 "스니핑(sniffing)"하려는 다양한 시도는 미약하고, 범위가 제한되며, 종종 비용이 든다는 것이 입증되었다.
영구 선박 장착 센서는 전세계적으로 효과적이다. 그러나, 연료 검사와 매칭될 만큼 정확한 실험실 등급 감지 장치는 설치 및 유지에 상당히 비용이 들고 - 필수 응용 프로그램으로선 고려할 수 없는 상황이다.
이런 상황으로 인해 전 세계 해안 경비대가 어디에 주의를 집중해야 할지 효과적으로 알 수 없게 되었다.
다른 환경적으로 중요한 가스/증기 배출은 액화 천연가스 연소 엔진과 통상적인 탄화수소 해양 연료유 연소 엔진 간의 연소 역학적 차이, 또는 다른 대체 연료, 즉, 탄소 산화물(COx), 황 산화물(SOx), 질소 산화물(NOx), 미립자(PM), 휘발성 유기 화학물질(VOC), 탄화수소의 가스/증기 배출로 인한 것으로 간주될 수 있다. 또한, 이러한 미량의 배출은 최적화된 성능과 관련한 엔진 조건/상태에 관한 정보를 제공할 수 있다. 배기 스크러버가 선박 배기에서 이산화황(SO2)의 일부를 제거할 것이지만, 배기된 SO2의 모두를 제거하지는 않는다는 것을 유념한다. 촉매 시스템은 대부분의 NOx를 제거하지만, 시스템이 이들 모두를 제거하지는 않으며, 바이오연료와 같은 일부 연료를 연소시킬 때 시스템은 과부하될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 규제 및 효율 모니터링에 유용한 해양 배기통 배출 센서.
다른 실시형태에 따르면, 해양 선박의 배기통으로부터 샘플링하기 위한 배출물 샘플링 장치(emissions sampling apparatus)가 개시된다. 배출물 샘플링 장치는 배기 샘플 흡기 장치 및 배출물 센서 장치(emissions sensor apparatus)를 포함한다. 배기 샘플 흡기 장치는 배기통 내에 장착되고, 배기통 내부로부터 배기 가스를 수용하기 위한 배기 입구; 배기 가스로부터 미립자를 제거하기 위한 배기 입구 내부의 배기 샘플 미립자 필터; 배기 샘플 미립자 필터 출구에 연결된 가스 샘플 통로; 및 가스 샘플 통로에 연결된 제1 단부 및 제2 단부를 구비한 가스 샘플 관을 포함한다.
배출물 센서 장치는 해양 선박 배기통의 외주(outer circumference)에 장착되고, 컨덴서, 가스 건조관, 적어도 1개의 가스 흡수 셀, 펌프, 프로세서 및 열전 발전기 조립체를 포함한다.
컨덴서는 가스 샘플관의 제2 단부에 연결되어 응축물을 배기 가스로부터 분리 및 배출하고, 컨덴서는 가스 투입물, 가스 산출물 및 응축 산출물이 있는 컨덴서 챔버; 컨덴서 챔버에서 배기 가스를 냉각시키기 위해 컨덴서 챔버를 둘러싸는 컨덴서 블록; 컨덴서 챔버의 가스 산출물에 연결된 배기 가스 배출 밸브; 및 응축 산출물에 연결되어 응축물을 배기 가스로부터 제거하는 응축 방출물 포트 밸브를 포함한다.
가스 건조관은 컨덴서 챔버의 가스 산출물에 연결된다. 가스 건조관은 컨덴서 챔버의 가스 산출물에 연결된 제1 중공관 입구 및 미립자 필터에 연결된 제1 중공관 출구를 갖는 제1 중공관; 및 제1 중공관을 둘러싸는 제2 중공관으로서, 제2 중공관 입구 및 가스 배출구에 연결된 제2 중공관 출구를 갖는 제2 중공관을 포함한다.
적어도 1개의 가스 흡수 셀은 배기 가스 내의 이산화황 및 이산화탄소 수준을 결정한다. 미립자 필터의 출구에 연결된 입구 및 가스를 가스 건조관의 제2 중공관 입구로 배출하기 위한 배기구를 포함하는 적어도 1개의 가스 흡수 셀로서, 가스 흡수 셀은 리플렉터(reflector) 및 적외선원을 포함하는 방출기가 있는 제1 단부, 적어도 1개의 검출기 및 적어도 2개의 통과대역 필터를 갖되, 하나는 이산화탄소에 특이적인 통과대역 필터이고 다른 하나는 이산화황에 특이적인 통과대역 필터인, 제2 단부를 갖고, 가스 흡수 셀의 제1 단부 및 가스 흡수 셀의 제2 단부는 가스 흡수 셀의 제1 단부와 가스 흡수 셀의 제2 단부 사이의 길이를 연장시키는 샘플 가스 챔버에 의해 분리된다.
펌프는 해양 선박의 배기 가스로부터 배기 샘플 흡기구, 컨덴서, 가스 건조관의 제1 중공관, 미립자 필터, 가스 흡수 셀, 가스 건조관의 제2 중공관을 통해 그리고 배기구 밖으로 배기 가스를 펌핑한다.
적어도 1개의 가스 흡수 셀의 배기구로부터의 배기 가스는 펌프에 의해 제2 중공관을 통해 가스 배출구로 펌핑되므로, 제2 중공관을 통해 펌핑된 배기 가스의 수증기 함량은 제1 중공관을 통한 배기 가스 흐름보다 더 적은 수증기 함량을 갖는다. 제1 중공관 내의 배기 가스는 수증기를 제1 중공관의 벽을 통해 제2 중공관에 전달하여 배기 가스를 건조시킨다. 제1 중공관 출구로부터의 배기 가스는 제1 중공관 입구에서의 배기 가스보다 더 적은 수증기를 함유한다.
배기통의 열로부터 에너지를 수확하는 열전 발전기 조립체로서, 배기통의 외주에 인접한 제1 측면 및 제2 측면을 갖는 열 전달 패드; 열 전달 패드의 제2 측면에 부착된 열 전달 블록; 방산측(dissipation side) 상에 복수의 핀을 포함하는 히트 싱크; 히트 싱크와 열 전달 블록 사이의 열전 발전기; 히트 싱크를 열 전달 블록에 고정시키는 적어도 1개의 나사; 및 적어도 1개의 나사와 히트 싱크 사이에 스프링을 포함하는, 열전 발전기 조립체.
도 1은 해안 이산화황 배출 스위치 모니터링 시스템의 개요를 도시한다.
도 2a는 이산화황 배출 장치의 등각도(isometric view)를 도시한다.
도 2b는 이산화황 배출 장치의 상면도를 도시한다.
도 2c는 이산화황 배출 장치의 저면도를 도시한다.
도 2d는 이산화황 배출 장치의 측면도를 도시한다.
도 2e는 이산화황 배출 장치의 배면도를 도시한다.
도 3a는 이산화황 배출 장치의 프리필터(prefilter), 배기 가스 필터 센서 서브시스템 및 펌프의 첫 번째 도면을 도시한다.
도 3b는 이산화황 배출 장치의 프리필터, 배기 가스 필터 센서 서브시스템 및 펌프의 대안의 도면을 도시한다.
도 4는 도 3a 내지 도 3b의 프리필터의 클로즈업을 도시한다.
도 5a는 도 3a 내지 도 3b의 층상 필터의 측면도를 도시한다.
도 5b는 도 3a 내지 도 3b의 층상 필터의 분해 등각도를 도시한다.
도 5b는 도 3a 내지 도 3b의 층상 필터의 분해 측면도를 도시한다.
도 6는 배기 가스 필터 센서 서브시스템의 가스 흡수 셀을 도시한다.
도 7은 해양 배기가스 배출의 자율적 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터링 방법의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 8a는 단일 굴뚝의 한 쌍의 적층 상에서의 전면 장착 설치 옵션을 도시한다.
도 8b는 단일 굴뚝의 다중 적층 상에서의 아웃보드측 설치를 도시한다.
도 8c는 곡선형 배기통 상에서의 장착 옵션을 도시한다.
도 8d는 단일 굴뚝의 복수의 적층 상에서의 후면 장착 옵션을 도시한다.
도 8e는 다중 적층에 센서 유닛이 설치된 다중 굴뚝을 도시한다.
도 8f는 다중 배기통 및 센서 유닛의 장착이 있는 유람선 굴뚝을 도시한다.
도 9는 히트 싱크의 측면도를 도시한다.
도 10은 열전 발전기(TEG) 및 히트 싱크의 상면도를 도시한다.
도 11은 예시적인 실시형태가 실행될 수 있는 선상 이산화황 배출 장치 및 모니터링 센터와 관련된 컴퓨터의 내부 컴포넌트를 도시한다.
도 12는 선박 데이터를 클라이언트에 전달하기 위한 예시적인 사용자 인터페이스를 도시한다.
도 13은 SECA 경계를 통과할 때의 샘플 전략의 스케치를 도시한다.
도 14는 해양 선박의 배기통에 장착된 다른 실시형태의 배출물 센서 장치를 도시한다.
도 15는 다른 실시형태의 배출물 센서 장치의 투시도를 도시한다.
도 16은 다른 실시형태의 배출물 센서 장치 내의 가스 건조관을 도시한다.
도 17은 가스 건조관과 열전 발전기(TEG) 조립체 사이의 다른 실시형태의 배출물 센서 장치 내부의 장착 브래킷을 도시한다.
도 18은 다른 실시형태의 배출물 센서 장치의 TEG 조립체를 도시한다.
도 19는 다른 실시형태의 배출물 센서 장치와 관련된 가스 샘플 흡입의 단면도를 도시한다.
도 20은 다른 실시형태의 배출물 센서 장치 내의 센서 장치 가스 통로를 도시한다.
도 21은 센서 장치 가스 통로의 나피온(Nafion) 배관 내의 가스 흐름의 개략도를 도시한다.
도 22는 다른 실시형태의 배출물 센서 장치 내의 컨덴서 챔버의 단면도를 나타낸다.
도 23은 다른 실시형태의 배출물 센서 장치의 TEG 조립체의 단면도를 도시한다.
도 2a는 이산화황 배출 장치의 등각도(isometric view)를 도시한다.
도 2b는 이산화황 배출 장치의 상면도를 도시한다.
도 2c는 이산화황 배출 장치의 저면도를 도시한다.
도 2d는 이산화황 배출 장치의 측면도를 도시한다.
도 2e는 이산화황 배출 장치의 배면도를 도시한다.
도 3a는 이산화황 배출 장치의 프리필터(prefilter), 배기 가스 필터 센서 서브시스템 및 펌프의 첫 번째 도면을 도시한다.
도 3b는 이산화황 배출 장치의 프리필터, 배기 가스 필터 센서 서브시스템 및 펌프의 대안의 도면을 도시한다.
도 4는 도 3a 내지 도 3b의 프리필터의 클로즈업을 도시한다.
도 5a는 도 3a 내지 도 3b의 층상 필터의 측면도를 도시한다.
도 5b는 도 3a 내지 도 3b의 층상 필터의 분해 등각도를 도시한다.
도 5b는 도 3a 내지 도 3b의 층상 필터의 분해 측면도를 도시한다.
도 6는 배기 가스 필터 센서 서브시스템의 가스 흡수 셀을 도시한다.
도 7은 해양 배기가스 배출의 자율적 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터링 방법의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 8a는 단일 굴뚝의 한 쌍의 적층 상에서의 전면 장착 설치 옵션을 도시한다.
도 8b는 단일 굴뚝의 다중 적층 상에서의 아웃보드측 설치를 도시한다.
도 8c는 곡선형 배기통 상에서의 장착 옵션을 도시한다.
도 8d는 단일 굴뚝의 복수의 적층 상에서의 후면 장착 옵션을 도시한다.
도 8e는 다중 적층에 센서 유닛이 설치된 다중 굴뚝을 도시한다.
도 8f는 다중 배기통 및 센서 유닛의 장착이 있는 유람선 굴뚝을 도시한다.
도 9는 히트 싱크의 측면도를 도시한다.
도 10은 열전 발전기(TEG) 및 히트 싱크의 상면도를 도시한다.
도 11은 예시적인 실시형태가 실행될 수 있는 선상 이산화황 배출 장치 및 모니터링 센터와 관련된 컴퓨터의 내부 컴포넌트를 도시한다.
도 12는 선박 데이터를 클라이언트에 전달하기 위한 예시적인 사용자 인터페이스를 도시한다.
도 13은 SECA 경계를 통과할 때의 샘플 전략의 스케치를 도시한다.
도 14는 해양 선박의 배기통에 장착된 다른 실시형태의 배출물 센서 장치를 도시한다.
도 15는 다른 실시형태의 배출물 센서 장치의 투시도를 도시한다.
도 16은 다른 실시형태의 배출물 센서 장치 내의 가스 건조관을 도시한다.
도 17은 가스 건조관과 열전 발전기(TEG) 조립체 사이의 다른 실시형태의 배출물 센서 장치 내부의 장착 브래킷을 도시한다.
도 18은 다른 실시형태의 배출물 센서 장치의 TEG 조립체를 도시한다.
도 19는 다른 실시형태의 배출물 센서 장치와 관련된 가스 샘플 흡입의 단면도를 도시한다.
도 20은 다른 실시형태의 배출물 센서 장치 내의 센서 장치 가스 통로를 도시한다.
도 21은 센서 장치 가스 통로의 나피온(Nafion) 배관 내의 가스 흐름의 개략도를 도시한다.
도 22는 다른 실시형태의 배출물 센서 장치 내의 컨덴서 챔버의 단면도를 나타낸다.
도 23은 다른 실시형태의 배출물 센서 장치의 TEG 조립체의 단면도를 도시한다.
본 발명의 실시형태에서, 해양 선박의 적층 배기 가스는 사전 프로그래밍된 간격으로 샘플링되고, 프리필터에서 사전 조절되어 미립자 물질(PM)을 제거하고 수증기 함량(Water Vapor Content: WVC)을 지역 주변 환경과 평형상태로 만든다. 샘플링은 배출물 샘플링 장치의 배기 가스 센서 서브시스템을 통해 배기 가스를 끌어당기는 펌프에 의해 구동된다. 배기 가스 센서 서브시스템은 연소 생성물을 측정한다. 예를 들어, 연소 생성물은 메탄, 이산화황, 이산화탄소, 이산화질소, 일산화질소, 일산화탄소, 및 에탄, 프로판, 아이소프로판, 부탄의 탄화수소를 포함할 수 있다.
연소 생성물은 중-IR(mid-IR) 스펙트럼 밴드에서 메탄(CH4), 이산화질소(NO2), 일산화질소(NO), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 이산화탄소(CO2) 및 이산화황(SO2)의 각 대역 중심에 반응하도록 조정된 비-분산 적외선 흡수 분광광도법(NDIR-AS)에 의해 측정될 수 있다. 비-표적 가스 특이적 기준 대역은 내부 기준에 대해 그리고 SO2 검출 대역의 WVC 배경 보정에 사용된다. 배출물 샘플링 장치는 배기통 가스와 방수방진(ingress protected) 배기 가스 센서 서브시스템 사이의 온도 차이에 의해 구동되는 열전 발전기(TEG)에 의해 자체 전원 공급된다. TEG는 또한, 예를 들어, 선박이 항구에 있을 때 엔진 부하가 낮거나 없기 때문에, TEG가 전달할 수 없는 경우, 배출물 샘플링 장치에 전력을 공급하는 백업 배터리의 충전을 유지하는 역할을 한다. 배출물 샘플링 장치는 엔진이 장기간 유휴 상태일 때, 자동으로 휴지 상태로 전환되어 서비스 중일 때 다시 한번 깨어날 수 있다. 배출물 샘플링 장치는 추가로 위성 항법 시스템(global positioning system: GPS)을 포함하고, 연소 생성물 측정 데이터 및 기타 데이터를 통신 링크를 통해 의사-실시간 간격(pseudo-real-time interval)으로 전송할 수 있다.
배출물 샘플링 장치는 설치 공간이 작고, 자체-전력 공급되며, 유지 비용이 들지 않는다.
높은 정확도 정량화를 (체적 수준에 따라 ppm으로) 가능하게 하기 위해 수증기 함량(WVC) 보정이 적용될 수 있다. 흡수 대역 교차가 발생되는 경우, Beer-Lambert 흡수 단면적 법칙에 기반하여 가스/증기 특이적 흡수 컴포넌트를 (따라서 개개 농도 수준을 ppm(v)로서) 결정하는 데 선형 대수가 적용될 수 있다. 필요한 경우, 정량적 정확도를 더욱 개선시키기 위해 배기 가스 샘플 흐름 경로에서 다른 가스 감지 기술(예를 들어, 전기화학적 가스 감지, 표면 음향파 검출, 압전)이 실행될 수 있었다. PM 배출의 모니터링은 유입 배기 가스 샘플과 병렬 또는 직렬로 배치된 다수의 상용 기성품 PM 검출 기술을 이용하여 달성될 수 있었다.
배출물 샘플링 장치는 바람직하게는 2 내지 500 백만분율 체적(0.1% 내지 3.5% 미만의 연료 황 함량(FSC)과 동일함) 범위 내에서 배기 SO2 함량을 결정할 수 있다. 이 범위에는 모든 엔진 부하 조건 하에서 연소되는 초저유황유(ultra-low sulfur fuel oil: ULSFO), 매우 저유황유(very-low sulfur fuel oil: VLSFO) 및 중유(heavy fuel oil: HFO)의 사용을 아우른다. 배기 CO2 함량 검출 범위는 바람직하게는 1 내지 10체적%이다.
일 실시형태에서, 샘플링은 해양 선박이 모니터링 SECA 경계로부터 20해리 미만인 경우 대략 60분 이하의 간격으로 발생된다. 다른 샘플링 방식도 실행될 수 있다.
개요
도 1은 해안 이산화황 배출 스위치 모니터링 시스템(1)의 개요를 도시한다.
배출물 샘플링 장치(10)는 마운트(4)를 통해 해양 선박 상의 굴뚝의 적어도 하나의 배기통에 부착된다.
도 2a 내지 도 2e를 참조하면, 배출물 샘플링 장치(10)는 먼지, 부유 분진 입자(IP66 또는 NEMA 4x 등급)로부터 장치(10)의 서브시스템을 보호하고 이를 둘러싸는 하우징(161)을 갖는다. 하우징(161)은 히트 싱크(8) 및 열전 발전기(thermo-electric generator: TEG)(6)를 둘러싸는 히트 싱크 하우징(162)에 연결된다. TEG(6)은 해양 선박의 배기통 내의 배출물 샘플링 장치(10)의 연결 및 배치를 위해 마운트(4)에 인접한 열 수집기(130)에 연결된다. 열 수집기(130)는 열 수집기 하우징(131)에 의해 둘러싸일 수 있다. 배기통 상에 설치될 때, 열 수집기(130)는 배기통으로부터의 배기 가스 배기 가스 스트림 내에 존재한다. 또한 하우징(161) 내에는 프리필터(12), 펌프(22), 배기 가스 센서 서브시스템(20), 전자 드라이버 및 프로세서(12), 위성 모뎀(14), 위성 항법 시스템(16), 및 전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)이 존재한다.
도 1을 다시 참조하면, 배기통으로부터의 배기 가스(50)는 배출물 샘플링 장치(10)의 프리필터(12)의 입구를 통해 펌프(22)에 의해 펌핑된다. 프리필터(12)는 또한 아래에 추가로 상세하게 논의되는 컨덴서 구성요소를 포함한다. 배기 가스(51)가 프리필터(12)를 통과한 후에, 가스가 적어도 이산화황 함량, 이산화탄소 함량, 배기 가스의 온도, 배기 가스의 압력 및 상대 습도를 측정하는 배기 가스 센서 서브시스템(20)에 유입된다. 이어서, 배기 가스(52)는 배기 가스 센서 서브시스템(20)의 가스 흡수 셀의 배기구의 펌프(22)를 통해 배출물 샘플링 장치(10) 밖으로 펌핑 및 배출된다.
배출물 샘플링 장치(10)는 배기 가스 센서 서브시스템(20), 펌프(22) 및 위성 모뎀(14)으로부터 데이터를 제어, 처리 및 저장하기 위한 전자 드라이버 및 프로세서(18)를 추가로 갖는다. 펌프(22), 전자 드라이버 및 프로세서(12), 및 배기 가스 센서 서브시스템(20)은 전력 공급을 위해 TEG(6)와 통신하는 전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)에 추가로 연결된다.
위성 항법 시스템(GPS)(16)으로부터의 위치는 또한 네트워크(28)를 통해 모니터링 센터(30)에 다른 데이터와 함께 보내기 위해 위성 모뎀(14)에 제공된다. 네트워크(28)는 구리선, 광섬유, 무선 전송, 라우더, 방화벽, 스위치, 게이트웨이 컴퓨터 및/또는 에지 서버를 포함할 수 있다.
해양 선박 상의 배출물 샘플링 장치(10)는 인공위성(26) 및/또는 무선 통신(27)을 통한 네트워크(28)를 통해 모니터링 센터(30)와 통신한다.
열전 발전기(TEG)
도 9 및 도 10을 참조하면, 히트 싱크 하우징(162) 내에 열전 발전기(TEG)(6) 및 히트 싱크(8)가 있다. TEG(6) 및 히트 싱크(8)의 산출물은 배출물 샘플링 장치(10)에 전력을 공급하기 위해 전력 관리 및 백업 시스템(24)에 전력을 공급하는 전원 커넥터(133)이다.
열 수집기(130)는 열 수집기(130) 및 TEG(6)를 최소한의 분리로 함께 유지하기 위해, 예를 들어, 클램프 및 나사(175)를 이용하여 히트 싱크 하우징(162) 및 TEG(6)에 고정된다. 열 수집기(130)와 히트 싱크 하우징(162) 사이에 단열재가 존재할 수 있다. 열 수집기(130)는 배기통의 배기 가스 내에 위치된다. 열 수집기(130)는 스페이서(172a, 172b, 172c, 172d, 172e)에 의해 이격된 복수의 핀(171a, 171b, 171c, 171d, 171e)을 갖는 적어도 2개의 히트 파이프(170a, 170b)를 포함한다.
해양 선박의 내연기관은 작동 시 배기 가스 적층을 통해 배기가스를 배출하고, 배기 가스는 일반적으로 상승된 온도를 갖는 것을 특징으로 한다. 열 수집기(130)의 핀(171a, 171b, 171c, 171d, 171e)은 배기 가스 적층의 배기 가스로부터 직접적으로 열을 수집하고, 열 파이프(170a, 170b)를 통해 열을 전달한다. 열 파이프(170a, 170b)로부터, 열은 열 차폐물(174)을 통해 TEG(6) 및 히트 싱크(8)로 열을 전달하는 열 운반체(173)에 전달된다. 열 차폐물(174)은 열 운반체(173)와 TEG(6) 사이에 존재한다. 열 차폐물(174)은 히트 싱크(8)의 유효성을 개선시키기 위해 열을 차단한다. 히트 싱크(8)에 제공된 열은 열방산측(8a)에서 방산된다. 열 운반체(173)는 전위를 생성하기 위해 고온에서의 배기 가스 적층 및 저온에서의 히트 싱크(8)에 의해 경계를 이루는 2개의 다른 전도체를 포함한다. TEG(6)는 히트 싱크(8)의 열방산측(8a)을 통해 열을 냉각하고 방산하면서 전력을 생성하여 저장될 수 있고 전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)에 전달될 수 있는 전위를 생성하고/하거나, 커넥터(133)를 통해 배출물 샘플링 장치(10)에 직접 전력을 공급한다. 히트 싱크(8)는 TEG(6)로부터 열을 끌어당긴다.
다른 실시형태에서, TEG(6)는 태양광 발전 또는 풍력 발전을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는 다른 자체-전력 공급 옵션으로 대체될 수 있다.
전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)은 배출물 샘플링 장치(10)의 배터리의 전압 및 환경 사양에 따라 TEG(8)로부터의 배터리 충전을 제어한다. 시간 및 온도에 따른 전압 및 전류 흐름에 기반한 충전 상태 계산은 전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)에 의해 수행된다. 충전 상태값은 배터리에 결함이 있거나 충전 상태가 낮을 때 경고가 촉발되게 할 수 있다.
배기 가스 흐름
도 3a 내지 도 3b는 이산화황 배출 장치의 프리필터, 배기 가스 필터 센서 서브시스템 및 펌프를 도시한다. 배기 가스 흐름은 화살표로 표시된다.
일반적으로, 배기 가스는 프리필터(12)를 통해 펌프(22)에 의해 펌핑된다. 프리필터(12)로부터, 배기 가스는 컨덴서 구성요소(33)를 통해 층상 필터(34)로 이동한다. 층상 필터(34)로부터, 배기 가스는 가스 흡수 셀(35)을 통해 이동하고, 배출물 샘플링 장치(10) 밖으로 배출된다. 압력/온도 센서(36)는 가스 흡수 셀(35)과 펌프(22) 사이에 존재한다.
프리필터
도 4는 프리필터(12)를 나타낸다. 프리필터(12)의 제1 단부(12a)는 배기 가스 흡입구(200)를 갖고, 배기 가스 적층 내에 존재한다. 프리필터(12)의 제2 단부(12b)는 바람직하게는 스테인레스강으로 제조된 매니폴드(201)를 통해 컨덴서 구성요소(33)와 통신한다. 제1 단부(12a)는 배기 가스 흡입을 수용하기 위한 다공성 스테인레스강 필터(203)를 갖는 개구부(202)를 갖는다. 배기 가스는 필터(203)를 통과하고, 매니폴드(201)를 통과하고 컨덴서 구성요소(33)의 제1 단부(33a)에 연결된 배관(204) 내로 통과한다. 스테인레스강 필터(203)는 바람직하게는 0.05 미크론(micron) 초과인 미립자를 제거한다.
컨덴서
도 3a 내지 도 3b를 참고하면, 컨덴서(33)는 배관(204)을 둘러싸는 슬리브(205)로 형성된다. 배관(204)은 바람직하게는 다공성이어서, 수분이 배관(204) 내부(204a)로부터 배관(204) 외부(204b)로 전달되게 한다. 일 실시형태에서, 배관(204)은 중합체로 제조되고, 슬리브(205)는 고어텍스 또는 통기성 물질로 제조될 수 있다. 슬리브(205)를 통한 주변 공기는, 증기가 관(204)을 통해 이동할 때 배기 가스를 냉각시키는 데 사용될 수 있다. 도시하지는 않지만, 물 또는 다른 유체는, 증기가 관(204)을 통해 이동할 때 배기 가스를 냉각시키는 데 도움을 주기 위해 슬리브(205) 내에서 순환될 수 있다. 배기 가스 증기는 바람직하게는 주변 대기 조건의 이슬점 온도 미만으로 냉각된다. 컨덴서(33)의 제2 단부(33b)는 층상 필터(34)와 통신된다.
층상 필터
층상 필터(34)는 도 5a 내지 도 5c에 도시된 흡입 플랜지(208)에 결합된 흡입구(207)를 통한 관(206)을 통해 냉각된 공기를 수용한다. 흡입 플랜지(207)로부터, 배기 가스 증기는 제1 가스켓(209), 제1 필터(210), 제2 가스캣(211), 제2 필터(212), 제3 가스캣(213), 제3 필터(214), 제4 가스캣(215), 제4 필터(216) 및 제5 가스켓(217)을 통과하여 배기 플랜지(218)의 배기구(219)를 통해 배기로 향한다. 다중 가스켓(209, 211, 213, 215, 217) 및 필터(210, 212, 214, 216)는 플레이트(220) 및 볼트(221)를 통해 배기 플랜지(218)와 흡입 플랜지(208) 사이에서 제자리에 고정된다. 플레이트(220)는 파이프(206)에 대한 파이프 연결을 추가로 지지한다.
제1 필터(210), 제2 필터(212), 제3 필터(214) 및 제4 필터(216)는 모두 바람직하게는 입자 크기가 상이하다. 예를 들어, 제1 필터(210)는 10㎛ 필터이고, 제2 필터(212)는 1.0㎛ 필터이며, 제3 필터(214)는 0.45㎛ 필터이고, 제4 필터(216)는 와이어메쉬이다. 필터 크기는 적외선(IR) 분산을 방지하기 위해 2㎛ 초과인 입자의 유입을 적절하게 제거하고, 아래에 논의되는 가스 흡수 셀(240)이 샘플 챔버 내의 작은 입자의 침전 문제를 겪지 않는 것을 보장하기 위해 2㎛ 미만인 다수의 미립자를 제거하는 임의의 크기일 수 있다.
가스 흡수 셀
비-분산 적외선 흡수 분광광도법(NDIR-AS)을 이용하는 가스 흡수 셀(240)의 예를 도 6에 나타낸다. 배기 플랜지(218)의 배기구(219)로부터, 배기 가스 증기는 가스 흡수 셀(240)의 흡기 포트(241) 내로 통과한다.
가스 흡수 셀(240)은 방출기(242)를 갖는 제1 단부(240a) 및 검출기(243)를 갖는 제2 단부(240b), 및 샘플 챔버(244)를 형성하는 방출기(242)와 검출기(243) 사이의 길이(L)를 갖는다. 흡기 포트(241) 및 배기 포트(245)는 가스 흡수 셀(240)의 샘플 챔버(244)의 길이(L)를 따라 방출기(242)와 검출기(243) 사이에 있다. 일 실시형태에서, 샘플 챔버(244)는 적어도 28.5㎝의 길이를 갖는다.
제1 단부(240a)에서 방출기(240)는 리플렉터(247) 및 적외선원(246)을 갖는다. 제2 단부(240b)에서 검출기(243)는 하나 이상의 통과대역 필터(248) 및 적외선 검출기(249)를 포함한다. 적외선원(246)으로부터의 적외선 광은 샘플 챔버(244)를 통해 검출기(243) 쪽으로 보내진다. 센서(251)는 가스 압력 및 가스 온도에 대해 샘플 챔버(244) 내에 존재할 수 있다. 도 6에서 센서(251)의 위치는 단지 예시적 목적을 위한 것이며, 샘플 챔버(244) 내의 다른 곳에 있을 수 있다. 샘플 챔버(244)의 가스는 특정 파장의 흡수를 야기하고, 이러한 파장의 감쇠는 가스 농도를 결정하기 위해 검출기(243)에 의해 측정된다. 하나 이상의 통과대약 또는 광학 필터(248)는 검출기(243) 앞에 위치되어 선택된 가스 분자가 흡수할 수 있는 파장을 제외한 모든 적외선 광을 제거한다. 검출기(243)는 필터(248)에 의해 흡수되지 않는 적외선(IR) 광의 양을 측정한다. 샘플 가스 챔버(240)를 통과한 후에, 배기 가스 증기는 배기 포트(245)를 통해 가스 흡수 셀을 나간다.
본 발명의 실시형태에서, 통과대역 또는 광학 필터(248)는 이산화황에 특이적이다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 통과대역 또는 광학 필터(248)는 이산화탄소, 이산화황 및 물에 특이적이다.
또 다른 실시형태에서, 통과대역 또는 광학 필터(248)는 이산화탄소 필터, 이산화탄소 기준 필터, 이산화황 필터 및 이산화황 기준 필터에 대응하는 4개의 필터를 포함한다.
다른 실시형태에서, 상대 습도 센서(250)는 배기 가스의 수증기 함량을 측정하기 위해 배기 포트(245)에 존재한다.
대안의 실시형태에서, 가스 흡수 셀(240)은 단일 IR 광원(246)을 갖고, 검출기(243)는 2개의 검출기 앞의 상이한 가스, 예를 들어 이산화탄소 및 이산화황에 대한 2개의 상이한 통과대역 필터(248)에 대응하는 2개의 검출기를 포함한다. 표적 가스(예를 들어, 이산화황 또는 이산화탄소)에 의해 흡수된 적외선 광은 표적 가스의 검출을 위한 특정 대역폭을 갖는 활성 필터를 통과한다. 표적 가스와 상호작용하지 않는 적외선 광은 기준 필터를 통과한다. 이러한 두 대역폭에서 전달된 광 강도 사이의 차이는 가스 농도로 전환된다. 이중 파장 센서는 광원 또는 가스 셀의 노화 효과가 기준 파장에서 출력 신호에 의해 자동으로 보장되기 때문에 장기간의 작동 동안 안정한 측정을 보장한다.
이산화탄소용 필터(248)는 바람직하게는 4.45㎛이며, 기준은 4.65㎛이다. 이산화황용 필터(248)는 바람직하게는 7.3㎛이며, 기준은 7.85㎛이다. 배경 보정을 사용하는 수증기 함량의 검출은 7.85㎛이고, 기준은 4.65㎛이다.
다른 실시형태에서, 이산화탄소용의 1개 초과의 필터가 존재할 수 있고, 이산화황용의 1개 초과의 필터가 존재할 수 있다.
일 실시형태에서, 이산화탄소용 필터(248)는 1.9 내지 2.1㎛이다. 다른 실시형태에서, 이산화탄소용 필터(248)는 2.6 내지 2.9㎛이다. 또 다른 실시형태에서, 필터(248)는 4.1 내지 4.5㎛이다.
일 실시형태에서, 이산화황용 필터(248)는 7.1 내지 7.6㎛이다.
일 실시형태에서, 다른 필터는 이산화탄소 및 이산화황 또는 다른 배기 가스와 중첩되지 않는 다양한 대역(예를 들어, 1.3 내지 1.5㎛, 1.75 내지 2.0㎛, 2.5 내지 3.0㎛, 및 5.0 내지 8.0㎛)으로 존재할 수 있다.
일 실시형태에서, 기준 대역은 또한 필터보다 +/- 0.2㎛ 이하인 필터(248)로서 존재할 수 있다. 예를 들어, 기준 필터는 3.09㎛, 3.72㎛, 3.95㎛ 및/또는 7.85㎛일 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 단일 IR 광원(246)은 방출기 및 IR 광원(246)에 인접한 필터(248)를 갖는 다중 소스를 포함한다.
가스 농도는 하나 이상의 검출기에 의해 전자 드라이버의 프로세서 및 프로세서(18)로 보내진다. 이어서, 배기 가스(52)는 배출물 샘플링 장치(10)의 배기구 밖으로 펌핑된다.
1개의 가스 흡수 셀만을 나타내지만, 다중 가스 흡수 셀이 존재하고, 메탄, 이산화질소, 일산화탄소, 및 적어도 에탄, 프로판, 아이소프로판 및 부탄을 포함하는 탄화수소와 같은 상이한 가스의 가스 농도를 결정하기 위해 연속으로 설치될 수 있다. 메탄에 대한 필터는 7.65㎛의 필터 대역 센터를 갖는다. 이산화질소에 대한 필터는 5.52㎛의 필터 대역 센터를 갖는다. 일산화질소에 대한 필터는 6.21㎛의 필터 대역 센터를 갖는다. 일산화탄소에 대한 필터는 4.61㎛의 필터 대역 센터를 갖는다. 탄화수소에 대한 필터는 3.40㎛의 필터 대역 센터를 갖는다.
대안적으로, 가스 흡수 셀은 2개 초과의 필터 및 이들의 관련된 기준 필터가 들어있을 수 있다.
전자 드라이버/프로세서
프로세서(18)는 가스 흡수 셀(240) 및 다양한 센서로부터 적층 내의 배기 가스와 관련된 데이터를 수신하고, 가스와 관련된 데이터 및 다른 데이터를 위성 모뎀(14)에 의해 모니터링 센터(30)로 전송한다. 데이터는 바람직하게는 전송되는 데이터의 양을 줄이기 위해 바이트 어레이(byte array)로 전송된다. 배출물 샘플링 장치(10)로부터의 데이터는, 예를 들어, 위성 모뎀(14)을 통해 통신 채널을 실행하기 위해 통신하거나 에너지를 절약할 수 있는지의 여부와 상관없이 정기적인 방식으로 모니터링 시스템(30)으로 전송된다는 것을 유의해야 한다.
인공위성(26)이 이용 가능하지 않거나 배출물 샘플링 장치(10)가 데이터를 전송하기에 충분한 이용 가능한 에너지를 갖지 않는 경우, 타임 스탬프 배기가스 샘플 데이터가 수집되고, 하나 이상의 컴퓨터-판독 가능 RAM(822) 및 하나 이상의 컴퓨터-판독 가능 ROM(824) 또는 하나 이상의 컴퓨터-판독 가능한 유형의(tangible) 저장 장치(830)와 같은 메모리에 저장되어 다른 시간에 업로드된다. 필요한 경우 배출물 샘플링 장치(10)로부터 데이터가 수동으로 추가로 추출될 수 있다.
배출물 샘플링 장치(10)의 전력 관리 시스템(24)은 데이터 수집을 우선시한다는 점을 유념해야 한다. 전력 관리 시스템(24)은 낮은 배터리 상태 중에 데이터 전송을 중단함으로써 에너지 소비량을 감소시킨다.
전자 드라이버 및 프로세서(18)와 관련된 내부 컴포넌트의 예는 도 11에 도시한다. 전자 드라이버 및 프로세서(18)는 도 11에 도시한 바와 같이, 하나 이상의 버스(826) 상의 하나 이상의 프로세서(820), 하나 이상의 컴퓨터-판독 가능 RAM(822) 및 하나 이상의 컴퓨터-판독 가능 ROM(824), 및 하나 이상의 작동 시스템(828) 및 하나 이상의 컴퓨터-판독 가능한 유형의 저장 장치(830)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 작동 시스템(828)은 하나 이상의 RAM(822)(전형적으로 캐시 메모리를 포함함)을 통한 하나 이상의 프로세서(820)에 의한 실행을 위해 하나 이상의 컴퓨터-판독 가능한 유형의 저장 장치(830) 상에 저장된다. 도 11에 도시된 실시형태에서, 컴퓨터-판독 가능한 유형의 저장 장치(830)의 각각은 내부 하드 드라이브의 자기 디스크 저장 장치이다. 대안적으로, 컴퓨터-판독 가능한 유형의 저장 장치(830)의 각각은 반도체 저장 장치, 예컨대, ROM(824), EPROM, 플래시 메모리 또는 컴퓨터 프로그램 및 디지털 정보를 저장할 수 있는 임의의 다른 컴퓨터-판독 가능한 유형의 저장 장치이다.
내부 컴포넌트(800a)는 또한 모니터링 시스템(30)의 일부로서 존재하는 하나 이상의 휴대용 컴퓨터-판독 가능한 유형의 저장 장치로부터 읽고 쓰기 위한 R/W 드라이브 또는 인터페이스(832)를 포함한다.
컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 명령어 실행 장치에 의해 사용되는 명령어를 유지하고 저장할 수 있는 유형의 장치일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는, 예를 들어, 전자 저장 장치, 자기 저장 장치, 광학 저장 장치, 전자자기 저장 장치, 반도체 저장 장치 또는 앞서 언급한 것의 임의의 적합한 조합일 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체의 더 구체적인 예의 비포괄적인 목록에는 다음이 포함된다: 휴대용 컴퓨터 디스크, 하드 디스크, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 읽기 전용 메모리(ROM), 소거 가능 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(EPROM 또는 플래시 메모리), 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM), 휴대용 컴팩트 디스크 읽기 전용 메모리(CD-ROM), 디지털 다용도 디스크(DVD), 메모리 스틱, 플로피 디스크, 기계적으로 암호화된 장치, 예컨대, 펀치-카드 또는 명령이 기록된 홈(groove)에서의 융기 구조, 및 앞서 언급한 것의 임의의 적합한 조합. 본 명세서에 사용된 바와 같은 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 전파 또는 다른 자유롭게 전파되는 전자기파, 도파관을 통해 전파되는 전자기파 또는 기타 전송 매체(예를 들어, 광섬유 케이블을 통한 광 펄스 통과) 또는 전선을 통해 전송되는 전기 신호와 같이 그 자체로 일시적인 신호로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에 기재된 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로부터 각각의 컴퓨팅/처리 장치에 또는 네트워크, 예를 들어, 인터넷, 근거리 통신망, 광역 네트워크 및/또는 무선 네트워크를 통해 외부 컴퓨터 또는 외부 저장 장치에 다운로드될 수 있다. 네트워크는 구리 전송 케이블, 광 전송 섬유, 무선 전송, 라우더, 방화벽, 스위치, 게이트웨이 컴퓨터 및/또는 에지 서버를 포함할 수 있다. 각 컴퓨팅/처리 장치에서 네트워크 어댑터 카드 또는 네트워크 인터페이스는 네트워크로부터 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어를 수신하고 각각의 컴퓨팅/처리 장치 내의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에서 저장을 위해 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어를 전달한다.
본 발명의 작업을 수행하기 위한 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어는 어셈블러 명령어, 명령어-집합-구조(ISA) 명령어, 기계 명령어, 기계 의존적 명령어, 마이크로코드, 펌웨어 명령어, 상태-설정 데이터, 집적 회로용 구성 데이터, 또는 객체 지향 프로그래밍 언어 및 절차적 프로그래밍 언어 또는 유사한 프로그래밍 언어를 포함하는 하나 이상의 프로그래밍 언어의 임의의 조합으로 작성된 소스 코드 또는 객체 코드 중 하나일 수 있다. 일부 실시형태에서, 예를 들어, 프로그래밍 가능 논리 회로, 필드-프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA) 또는 프로그래밍 가능 논리 어레이(PLA)를 포함하는 전자 회로는 본 발명의 양상을 수행하기 위해 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어의 상태 정보를 이용함으로써 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어를 실행하여 전자 회로를 개인화할 수 있다.
컴퓨터 또는 기타 프로그래밍 가능한 데이터 처리 장치의 프로세서를 통해 실행되는 명령어가 흐름도 및/또는 블록 다이어그램 블록 또는 블록들에서 지정된 기능/행위를 실행하기 위한 수단을 생성하도록, 이러한 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어는 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터, 또는 기타 프로그래밍 가능한 데이터 처리 장치의 프로세서에 제공되어 기계를 생산할 수 있다. 명령어가 저장된 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 흐름도 및/또는 블록 다이어그램 블록 또는 블록들에서 지정된 기능/행위의 양상을 실행하는 명령어를 포함하는 제조 항목을 포함하도록, 이러한 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어는 또한 컴퓨터, 프로그래밍 가능한 데이터 처리 장치 및/또는 특정 방식으로 작용하는 다른 장치를 지시할 수 있는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장될 수 있다.
컴퓨터, 다른 프로그램 가능한 장치 또는 다른 장치 상에서 실행되는 명령어가 흐름도 및/또는 블록 다이어그램 블록 또는 블록들에서 지정된 기능/행위를 실행하도록, 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어는 또한 컴퓨터, 기타 프로그래밍 가능한 데이터 처리 장치 또는 다른 장치에 로드되어 일련의 동작 단계가 컴퓨터, 다른 프로그램 가능한 장치 또는 다른 장치 상에서 수행되어 컴퓨터 실행 프로세스를 생성하게 할 수 있다.
샘플링 데이터 수집
실시형태에서, 데이터는 적어도 60분마다 배기 가스로부터 수집된다. 해양 선박이 모니터링 SECA 경계로부터 20 해리 미만일 때 수집 속도는 증가될 수 있다.
도 13은 바다(121)에서 항구(123)로 그리고 다시 바다(122)로 SECA 경계(파선-점선(120))를 횡단할 때의 샘플 전략의 스케치를 도시한다. 선박의 인바운드 경로는 파선(124)으로 나타내고, 선박의 아웃바운드 경로는 단-장 파선(125)으로 나타낸다. 경로(124 및 125) 각각에 대한 각 화살표(126)는 대략 1시간의 항해를 나타낸다.
경로(124 및 125)를 따라 원(127a 내지 127j)은 시스템이 조치를 취하는 지점을 나타내며, 이는 다음의 설명에서 자세하게 설명할 것이다. 검정색 원(127g 내지 127h)은 범위를 벗어났거나 "불량"(즉, 비준수)인 판독값을 나타내지만, 열린(흰색) 원(127a 내지 127f 및 127j)는 범위 내에 있는(즉, 준수) 판독값을 나타낸다. 점선이 있는 원은 낮은-방출 판독값을 나타내고, 실선이 있는 원은 높은-방출 판독값을 나타낸다.
예시적인 전략은 다음과 같이 진행되며, 숫자는 도 11의 지점을 참조한다:
(127a) - 이 지점에서, 선박은 인바운드 경로(124) 상에서 SECA 경계(120) 외부에 있고, 따라서 황 함량이 높은 연료가 허용된다. 배출물 샘플링 장치(10)로부터의 판독값은 높지만, 여전히 준수하고 있는데, 이 시점에서 SECA의 더 제한된 범위가 아직 적용되지 않기 때문이다. 시스템은 선택된 스케줄에 따라, 예를 들어, 도 11에 나타낸 바와 같이 1시간마다 판독값을 가져온다. 더 빈번하거나 덜 빈번한 스케줄이 또한 적절한 경우에 선택될 수 있었다. 판독이 수행될 때, 판독으로부터의 데이터 - 예를 들어, 시간, 위치, 준수 상태 및 아마도 미가공 센서 데이터 수는 이후에 해안에 있는 모니터링 센터(30)에 전송하기 위해 선박의 저장소에 저장된다.
(127b) - 선박은 SECA 경계(120)에 접근 중이다. 시스템은 고유황 연료에서 저유황 연료로의 전환을 보여주는 데이터를 포착하기 위해, 더 빈번하게, 아마도 10분마다 또는 더 빈번하게 판독을 시작한다.
(127c) - 선박은 필요한 경우 저유황 연료로 전환되었고, 시스템은 배출이 준수되고 있다는 것을 나타내는 판독값을 통해 이를 확인한다.
(127d) - 이 시점에, 선박은 해안-기반 이동 전화 네트워크 범위 내에 있다. 시스템은 네트워크에 연결되어 상태 보고서를 서버에 전송하는데, 이는 적어도 온보드 시스템이 정상적으로 작동하고 선박이 규정을 준수한다는 것을 나타낸다. 원한다면, 이때 온보드 저장소의 전체 데이터 업로드가 중앙 서버로 전송될 수 있었다.
(127e) - 선박은 포트(123)에 있다. 시스템은 배출을 계속 모니터링하여 규정을 준수하는지를 확인한다. 단계(127d)에서 그렇게 하지 않았다면, 선박이 항구에 있는 동안 이때 저장소에 있는 데이터를 모니터링 센터(30)에 업로드할 수 있다.
(127f) - 선박은 출항로(125)를 통해 항구를 떠났다. 판독값은 배출이 내부-SECA 표준을 준수하는 것으로 나타난다.
(127g) - 시스템은 "불량" 또는 범위를 벗어난 판독값을 갖는 샘플을 검출하였다. 선박이 SECA 경계(120) 밖에서 너무 빨리 고유황 연료로 전환되었을 가능성이 있거나, 이는 불량 샘플 또는 과도 상태(transient condition)에 의해 야기되는 잘못된 판독일 수 있다.
(127h) - 시스템은 샘플이 실제로 비준수 상태를 나타내고, 가짜 판독값에 기반하지 않는지를 확인하기 위해 일정 기간 동안 더 빈번하게 판독값을 취한다. 판독값은 계속 범위를 벗어나고, 따라서, 시스템은 이를 비준수 상황으로 기록한다.
(127j) - 선박이 SECA 경계(120) 밖에 있기 때문에, 시스템은 더 높은 범위를 적용하게 된다. 시스템에 의해 얻은 판독값은 다시 한 번 "양호"가 되며, 이는 선박이 이 지역에 적용 가능한 표준을 준수한다는 것을 나타낸다.
(127k) - 선박이 (지도를 벗어나) 다음 항구에 도착할 때, 마지막 업로드가 온보드 저장소에서 중앙 서버로 전송되기 때문에 이력 데이터가 모두 축적된다.
배출물 샘플링 장치(10)를 사용하여 선박에 있는 사용자 또는 집행 기관 또는 정부 기관에 준수 여부에 관한 경고가 전송될 수 있다.
장착 옵션
도 8a 내지 도 8f는 선상 배출물 샘플링 장치(10)에 대한 설치 옵션의 예를 나타낸다. 도 8a 내지 도 8d 및 도 8f에서, 다중 배기통(141, 143, 144, 145 및 146)이 있는 단일 굴뚝(140)이 있다. 도 8e는 도 8a에 도시된 종류의 다중 굴뚝(147a 및 147b)을 도시한다. 각 도면에서, 배출물 샘플링 장치(10)를 설치하기 위한 위치(142)는 박스로 나타낸다.
도 8a 및 도 8e는 전면 장착 옵션을 도시하고, 도 8d는 후면 장착 옵션을 도시한다. 도 8b는 아웃보드측 설치를 도시한다.
도 8c는 2개의 직선 파이프(141)에 추가로 곡선 배기통(144)을 갖는 선박을 나타낸다. 곡선 파이프(144)의 경우, 도시된 바와 같은 측면 장착부(142)가 바람직할 것이다.
도 8f는 다중 배기통(149)이 "날개" 단부에서 수평으로 굴뚝(148)을 이탈하는 설계의 유람선 굴뚝(148)을 도시한다.
자율적 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터링 방법
도 7은 해양 배기가스 배출물의 자율적 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터링 방법을 도시한다.
제1 단계에서, 모니터링 센터(30)의 모니터링 시스템은 배기가스 배출물 분석 데이터 및 해양 선박의 진단 데이터를 수신한다(단계(901)). 데이터는 데이터 어레이를 모니터링 시스템에 전송할 수 있다.
배기가스 배출물 분석 데이터는 날짜, 시간, 위도 및 경도, 이산화황 값, 이산화탄소 값, 가스 습도, 가스 압력, 배출물 샘플링 장치(10)의 고도, 해양 선박의 속도, 및 해양 선박의 머리, 사용 중인 연료 유형 및 해양 선박의 배기와 관련된 다른 정보를 포함할 수 있다. 추가로, 다른 가스값, 예컨대, 메탄, 이산화질소, 일산화질소, 일산화탄소 및 탄화수소가 또한 전송될 수 있다.
위도 및 경도 데이터, 시간, 고도, 해양 선박의 머리 및 속도는 GPS 시스템(16)에 공급될 수 있다.
이산화황 값, 이산화탄소 값, 및 메탄, 이산화질소, 일산화질소, 일산화탄소 및 탄화수소의 임의의 값은 바람직하게는 통과대역 필터(248) 뒤의 검출기(243)로부터의 미가공 검출기 값이다.
가스 압력 및 가스 온도는 바람직하게는 센서(251)에 의해 가스 흡수 셀(240)의 샘플 챔버(244) 내에서 취해진다.
가스 습도는 상대 습도 센서(250)에 의해 공급된다. 이산화황 센서 값 및 이산화탄소 센서 값은 가스 흡수 셀(240)에 의해 제공된 판독값으로부터 전자 드라이버 및 프로세서(18)에 의해 계산될 수 있다. 가스 압력은 또한 가스 압력/온도 센서(36)에 의해 제공될 수 있다.
진단 데이터에는 외함 온도(enclosure temperature) 또는 배출물 샘플링 장치 내의 온도 센서로부터의 열 데이터, 배터리 전압, TEG 전압, 지오로케이션, 샘플 가스 컨디셔닝, 프리필터 또는 층상 필터에 존재하는 필터 압력, 및 변조 검출 횟수가 포함될 수 있다.
외함 온도는 배출물 샘플링 장치 내의 내부 가스 압력/온도 센서에 의해 측정되어 배출물 샘플링 장치가 배출물 샘플링 장치의 열 작동 허용 오차를 벗어나게 하는 환경 조건에 의해 야기될 수 있는 데이터의 이상을 결정한다.
배터리 전압 및 TEG 전압은 내부 아날로그-대-디지털(ADC) 컨버터를 이용하여 측정되어 열 에너지 수확 유효성 및 배터리 용량 및 성능 저하를 모니터링한다.
필터 압력은 샘플에 대한 가스를 진공 펌핑하기 전 및 펌핑 직후에 가스 경로에서의 진공 압력 차이의 측정값인데, 이는 시간에 따른 필터 막힘의 경향을 보여줄 수 있다. 가스 압력 센서는 층상 필터(34)의 배기구(219) 또는 흡기구(207)에 존재할 수 있다. 추가로, 압력/온도 센서(36)가 사용될 수 있다.
변조 횟수는 배출물 샘플링 장치(10)의 하우징이 제거 또는 개방되었는지의 여부를 나타내고, 배출물 샘플링 장치가 제조 이후로 개방되었는지를 나타내는 광 검출기가 광에 노출된 횟수를 집계한 것인데, 횟수가 증가된 후의 값에 의문이 생길 수 있다. 변조 검출 횟수가 촉발된 경우, 데이터는 여전히 수집되지만, 결함이 있을 수 있는 것으로 표시된다는 것을 유념한다.
데이터 수집 또는 모니터링 센터(30)에 대한 데이터의 전송을 위해 선박 데이터 시스템에 연결되어 있지 않다는 것을 유념한다.
모니터링 센터(30)에 제공된 데이터는 추가 선박 데이터로 보충될 수 있다. 예를 들어, 연료 소비 및 특정 연료 소비 중에 해양 선박이 처해 있거나 있었던 관련 기상 조건을 이해하기 위한 추가 데이터를 제공하기 위해 정오 보고서를 얻을 수 있다.
진단 데이터는 배출물 샘플링 장치(10)가 올바르게 기능하는지의 여부, 배출물 샘플링 장치(10)가 변조되었는지의 여부 또는 배출물 샘플링 장치(10)가 장치 수명 종료 전에 교체되어야 하는지의 여부를 결정하는 데 사용된다.
모니터링 센터(30)의 모니터링 시스템은 데이터를 추출하고, 데이터를 저장소에 저장한다(단계(902)).
이어서, 모니터링 시스템은 거리 및 시간에 따른 탄소 배출량을 계산하고, 탄소 배출률을 저장소에 저장한다(단계(903)).
모니터링 시스템은 특정 위치의 연료 수준에서의 황 배출률을 계산하고, 황 배출률 및 해양 선박의 특정 위치를 저장소에 저장한다(단계(904)).
모니터링 시스템은 해양 선박의 특정 위치가 규제 구역에 있는지의 여부를 결정한다(단계(905)). 규제 구역은 경계를 나타내는 위도 및 경도 좌표의 목록으로 정의된다. 예를 들어, 지오펜스(geofence)를 사용하여 각 샘플이 임의의 경계 내부 또는 외부에서 채취되었는지의 여부를 결정할 수 있다.
해양 선박의 특정 위치가 규제 구역에 있고(단계(906)), 황 배출률이 규제 구역에 대한 예상 범위 내에 있는 경우(단계(907)), 모니터링 시스템은 황 배출률이 예상 범위 내에 있다는 것 및 해양 선박의 연료 준수에 관한 통지를 사용자에게 전송하고(단계(908)), 방법이 종결된다. 특정 위치의 황 수준의 계산 및 이들의 관련된 제한은 MARPOL Annex VI의 규정 14에 기반한다.
사용자는 해양 선박의 소유자, 해양 선박의 선장 또는 해양 선박에 존재하는 다른 사람, 해안 경비대, 기타 법 집행 기간 또는 연료 소비 또는 환경 요인을 모니터링하는 사용자, 기타 사용자일 수 있다.
특정 위치가 규제 구역(단계(906))에 있고 황 배출률이 규제 구역의 예상 범위 내에 있지 않은 경우(단계(907)), 모니터링 시스템은 배출물 샘플링 장치(10)가 올바르게 기능하는지의 여부를 결정한다(단계(909)). 배출물 샘플링 장치(10)의 기능은 진단 데이터를 미리 결정된 파라미터 내의 기준점과 비교함으로써 결정될 수 있다. 모니터링 시스템이 배출물 샘플링 장치(10)가 미리 결정된 파라미터를 벗어나 기능함으로써 올바르게 기능하지 않거나 변조된 것으로 결정하면(단계(910)), 대체 배출물 샘플링 장치(10)는 해양 선박으로 전송되고, 계산된 황 배출률을 사용자에게 통지하고(단계(911)), 방법이 종료된다. 배출물 샘플링 장치의 변조는 수신된 변조 횟수에 의해 결정될 수 있다.
특정 위치가 규제 구역(단계(906))에 있고 황 배출률이 규제 구역의 예상 범위 내에 있지 않은 경우(단계(907)), 모니터링 시스템은 이산화황 배출 장치(10)가 올바르게 기능하는지의 여부를 결정한다(단계(909)). 모니터링 시스템이 배출물 샘플링 장치(10)가 올바르게 기능하고 미리 결정된 파라미터 내에 있는지와 변조 횟수가 미리 결정된 양을 초과하지 않았다고 결정하는 경우(단계(910)), 계산된 황 배출률 및 부적합에 관한 통지가 사용자에게 전송되고(단계(912)), 방법은 종료된다.
특정 위치가 규제 구역에 있지 않은 경우(단계(906)), 방법은 종료된다.
본 발명의 양상은 본 발명의 실시형태에 따른 방법, 장치(시스템) 및 컴퓨터 프로그램 제품의 흐름도 예시 및/또는 블록 다이어그램을 참조하여 본 명세서에 기재된다. 흐름도 예시 및/또는 블록 다이어그램의 각 블록, 및 흐름도 예시 및/또는 블록 다이어그램의 블록의 조합이 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어에 의해 실행될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도면의 흐름도 및 블록 다이어그램은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품의 가능한 실행의 구조, 기능 및 동작을 도시한다. 이와 관련하여, 흐름도 또는 블록 다이어그램의 각 블록은 지정된 논리 함수(들)를 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 명령어를 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 명령어의 일부를 나타낼 수 있다. 일부 대안의 실행에서, 블록에 표시된 기능은 도면에 표시된 순서와 다르게 발생될 수 있다. 예를 들어, 연속적으로 도시된 2개의 블록은 실제로는 실질적으로 동시에 실행될 수 있거나, 관련된 기능에 따라서 블록이 때때로 역순으로 실행될 수 있다. 블록 다이어그램 및/또는 흐름도 예시의 각 블록, 및 블록 다이어그램 및/또는 흐름도 예시에서 블록의 조합이 지정된 기능 또는 동작을 수행하는 특수 목적의 하드웨어 기반 시스템에 의해 실행되거나 특수 목적 하드웨어 및 컴퓨터 명령어의 조합을 실행 또는 수행할 수 있다는 것을 또한 유념할 것이다.
본 발명은 임의의 가능한 기술적 세부 통한 수준의 시스템, 방법 및/또는 컴퓨터 프로그램 제품일 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 프로세서가 본 발명의 양상을 수행하게 하기 위한 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령어를 갖는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(또는 매체)를 포함할 수 있다.
사용자 인터페이스
도 12는 선박 데이터를 클라이언트에 전달하기 위한 예시적인 사용자 인터페이스를 도시한다. 디스플레이는 도면에 도시된 바와 같이 태블릿 디스플레이(510)와 같은 요망되는 임의의 하드웨어에서 실행될 수 있다. 도면의 예시적 디스플레이는, 지리적 위치(위도/경도)(513)에 대한 열 및 시간(514)에 대한 열이 있는 시간-데이터 섹션(512)으로 나뉜다. 스크롤바(523)는 당업계에서 통상적인 방식으로 표를 통해 용이하게 탐색할 수 있돋록 제공될 수 있다. 식별 섹션(515)은 선박의 신원에 관한 정보를 표시하기 위해 제공될 수 있고, 이는 그림(524), 및 예시적 디스플레이의 "유형: 드라이 벌크(Dry Bulk)" 메모와 같은 다른 정보를 포함할 수 있다. 검색 박스(516)가 또한 제공될 수 있다.
지도 디스플레이(511)는 시간-데이터 섹션(512)에 나타낸 시간 간격 동안의 선박의 경로(118)를 나타낸다. 시간-데이터 엔트리(521) 중 하나가 선택되고, 이 시점에 선박 경로(518) 상에서의 이의 위치가 지도에 원(520)으로 표시된다.
지도는 또한 SECA의 경로를 파선-점선(517)으로 나타낸다. 항구로 입항하는 선박은 SECA(517)의 경계를 통과하기 전에 저유황 연료로 전환할 필요가 있다.
이 예에서, 선박은 연료 전환이 늦어졌다. 선박이 코스 선(518)의 점선 위치(519)에 있는 시간 동안, 이는 여전히 고유황을 연소하고 있었고, 이는 이 기간 동안 선박이 규정을 준수하고 있지 않았다는 것을 의미한다. 이러한 비준수 기간에 대응하는 시간-데이터 디스플레이(512) 상의 엔트리(522)는 위반의 발생을 보여주기 위해 강조된다.
대안적인 실시형태
배출물 센서 장치(300)는 도 12의 사용자 인터페이스 및 샘플링 데이터 수집에 추가로, 도 7에 논의된 바와 같은 해양 배기가스 배출물의 자율적 실시간 이산화황 및 이산화탄소 모니터링과 동일한 방법, 이전에 논의된 전자 장치 및 프로세스를 사용할 수 있다.
도 14 내지 도 18을 참조하면, 배출물 센서 장치(300)는 장착 플레이트(615)를 통해 해양 선박 상의 굴뚝의 적어도 하나의 배기통(141)에 부착된다. 본 실시형태에서, 장착 플레이트(615)는, 배기통(141)의 전체 외주(141a)를 둘러싸고 고정 스트랩(623 625, 627, 629) 상의 스트랩 조임 너트(622, 624, 626, 628)를 이용하여 배기통(141)의 외주에 대해 조여져서, 장착 스트랩(620, 621)을 장착 플레이트(615)에 연결하는, 장착 스트랩(620, 621)을 통해 배기통(141)에 고정된다.
더 구체적으로 도 18에 도시하는 바와 같이, 장착 플레이트(615)는 제1 플랜지(615b) 및 제1 플랜지(615b) 반대편의 제2 플랜지(615c)가 있는 후면 플레이트(615a)를 갖는다. 제1 플랜지(615b)는 제1 구멍(616a) 및 제2 구멍(616b)을 갖는다. 제1 플랜지(615b)의 제1 구멍(616a)은 제1 스트랩 조임 너트(622)를 구비한 제1 앵커 스트랩(623)을 수용하고, 장착 스트랩(620)의 제1 단부(620a)에 연결된다. 제1 플랜지(615b)의 제2 구멍(616b)은 제2 스트랩 조임 너트(624)를 구비한 제2 앵커 스트랩(625)을 수용하고, 장착 스트랩(621)의 제1 단부(621a)에 연결된다. 제2 플랜지(615c)는 제1 구멍(616c) 및 제2 구멍(616d)을 갖는다. 제2 플랜지(615c)의 제1 구멍(616c)은 제3 스트랩 조입 너트(626)를 구비한 제3 앵커 스트랩(627)을 수용하고, 장착 스트랩(620)의 제2 단부(620b)에 연결된다. 제2 플랜지(615c)의 제2 구멍(616d)은 제 4 스트랩 조임 너트(628)를 구비한 제4 앵커 스트랩(629)을 수용하고, 장착 스트랩(621)의 제2 단부(621b)에 연결된다. 후면 플레이트(615a)에는 아래에 더욱 상세하게 설명되는 히트 싱크(478)를 포함하는 열전 발전기(TEG) 조립체(450)가 장착된다.
도 17을 참조하면, TEG 조립체(450) 및 히트 싱크(478)를 둘러싸는 히트 싱크 하우징(606)이 있다. 제1 플랜지(607a)가 후면 플레이트(615a)에 평행하도록, 히트 싱크 하우징(606)은 후면 플레이트(615a)의 볼트(608)를 수용하고, 장착 플레이트(615)의 제1 플랜지(615b)와 후면 플레이트(615a)의 열 블록 전달부(479) 사이에 수용되는 제1 플랜지(607a)를 가진다. 제2 플랜지(607b)는 후면 플레이트(615a)의 볼트(608)를 수용하고, 장착 플레이트의 제2 플랜지(615c)와 열 블록 전달부(479) 사이에 수용된다. 히트 싱크 하우징(606)의 제1 플랜지(607a)에는 열방산을 위한 복수의 구멍(610a)을 포함하는 "L"자형의 수직 부분(610)과 제1 플랜지(607a)과 직각인 수직 부분(610)의 단부(610b)가 있는 L-자형 브래킷(609)이 연결되어 있다. "L"의 수평 부분(611)은 센서 가스 장치 경로용 하우징(650)을 수용하기 위한 편평한 표면(611a)을 형성한다. 히트 싱크 하우징(606)의 제2 플랜지(607b)는 L-자형 브래킷(609)의 거울상인 L-자형 브래킷(612)에 연결된다. L-자형 브래킷(612)은 히트 싱크 하우징(606)의 제2 플랜지(607b)에 연결된다. "L"의 수직 부분(613)은 열방산을 위한 복수의 구멍(613a)을 포함한다. 수직 부분(613)의 단부(613b)는 제2 플랜지(607b)에 직각이다. "L"의 수평 부분(614)은 센서 가스 장치 경로용 하우징(650)을 수용하기 위한 편평한 표면(614a)을 형성한다. L-자형 브래킷(609)과 L-자형 브래킷(612)은 추가 열 방산을 위한 일련의 구멍(617a)이 있는 하단 조각(617)에 연결된다. 반전된 L 조각(618)은 편평한 표면(611a)에 평행하고 L-자형 브래킷(609)의 수직 부분(610)에 직각이다. 반전된 L 조각(619)은 편평한 표면(614a)에 평행하고 수직 부분(613)에 직각이다. 반전된 L 조각(618, 619)은 둘 다 하단 조각(617) 반대편이고, 컨덴서 챔버(400)가 장착된 편평부를 제공한다. 컨덴서 챔버(400)는 샘플 가스관(344)에 연결된다.
도 16을 참조하면, 볼트(620)를 통한 히트 싱크 하우징의 편평부(611a, 614a)에 센서 가스 장치 경로에 대한 하우징(650)이 장착되고 고정되어 있다. 하우징(650) 내부에는 펌프(350), 가스 건조관(351, 352), NDIR 광학 관 또는 가스 흡수 셀(240), 온도/습도 센서(353), 검출기(243), 방출기(242) 및 미립자 필터(355)가 있다. 또한 전자 드라이버 및 프로세서(12), 위성 모뎀(14), 위성 항법 시스템(16), 및 전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)이 존재하지만, 도시하지는 않는다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 하우징(650) 및 컨덴서 챔버(400)는 외부 하우징(600)이 둘러싸고 있다. 외부 하우징(600)은 하우징(650)의 나사(651)에 맞물린다. 외부 하우징(600)은 먼지, 부유 분진 입자(IP66 또는 NEMA 4x 등급)로부터 장치의 서브시스템을 보호하고 이를 둘러싼다.
도 14 및 도 19는 샘플 가스관(344)을 통해 배출물 센서 장치(300)에 연결된 별개의 배기 샘플링 장치(335)를 나타낸다. 샘플링 장치(335)와 배출물 센서 장치(300)는 함께 배출물 샘플링 장치를 형성하는 것으로 간주된다는 것을 유념한다. 샘플링 장치(335)는 클램프(320)를 통해, 배기통(141)의 외주(141a)에 장착되며, 배기 샘플 흡기구(307)는 배기통(141)을 나가는 배기 가스(50) 내에 존재한다. 배기 샘플 흡기구(307)는 제1 개구부 단부(307a) 및 제2 개구부 단부(307b)를 갖는 관 또는 다른 유사한 형상이다. 배기 샘플 흡기구(307) 내에는 필터 차폐물(335)로 둘러싸인 대형 미립자 필터(334)가 있다. 필터 차폐물(335)은 배기가스가 유입되는 것을 여전히 허용하면서 미립자 필터(334)를 보호한다. 미립자 필터(334)는 가스 샘플 통로(336)를 통한 압축 피팅(338)에 의해 제1 단부(344a)에서 샘플 가스관(344)에 연결된다. 대형 미립자 필터(344)는 다공성 스테인레스강 필터일 수 있고, 0.05 미크론 초과인 미립자를 제거할 수 있다.
샘플링 장치(335)에 연결하기 위해 나타낸 클램프(320)는 볼트 프레임(321)과 볼트(322)를 포함하지만, 다른 수단이 또한 사용될 수 있다.
배기통(141) 내의 배기 가스(50)는 샘플 가스 유입구(344)를 통해 흐르고, 배기 가스(50)의 일부는 대형 미립자 필터(344)에서 흐른다. 대형 미립자 필터(344)를 나간 후에, 배기 가스(50)는 가스 샘플 챔버(336)를 통해 가스 샘플관(344)으로 흐른다. 이어서, 배기 가스(50)는 가스 샘플관(344)의 제2 단부(344b)를 나가고, 배출물 센서 장치(300) 내의 컨덴서(400)로 흐른다.
도 22를 참조하면, 배기 가스(50)는 컨덴서 챔버(400)의 제1 단부(400a)에 유입되고, 샘플 가스 배출 우산 밸브(402)를 통해 제2 단부(400b)로 흘러서 펌프(350)에 의해 진공을 끌어당길 때 가스 건조관(351, 352)에 연결된 가스 샘플 배출관(403)으로 흐른다. 샘플 가스 배출 우산 밸브(402)는 펌프(350)가 맞물릴 때에 배기 가스(50)가 빠져나가는 것을 허용하기 위해서만 개방된다는 것에 유념한다. 배기 가스(50)는 컨덴서 챔버(400)를 둘러싸는 컨덴서 블록(401)에 의해 컨덴서 챔버(400) 내에서 냉각된다. 응축 챔버(400)는 가스 샘플 투입물 또는 가스 샘플관(344)의 제2 단부(344b)를 통해 우연히 유입된 응축물 또는 물을 수집한다. 응축 배출 포트 우산 밸브(404)는 진공이 펌프(350)에 의해 컨덴서 챔버(400) 내부로 끌어당길 때를 제외하고 응축 산출물(400c)을 통해 응축물이 컨덴서 챔버(400)를 나가는 것을 가능하게 한다.
도 20은 센서 장치 가스 경로를 나타낸다. 가스 건조관(351, 352) 및 NDIR 광학 관 또는 가스 흡수 셀(240)은 검출기(243)와 방출기(242) 사이에 존재한다. 가스 흡수관(245)에 펌프(350) 및 온도/습도 센서(354)가 존재한다. 건조관(351, 352)과 가스 흡수 셀(240) 사이에 미세 미립자 필터(355)가 존재한다. 가스 배출구(245)는 건조관(351, 352) 외부에 존재한다.
가스 샘플 배출관(403)은 건조관(351, 352)에 연결되어 배기 가스 샘플 내에 존재하는 임의의 추가 수분을 추출한다. 가스 건조관(351)은 바람직하게는 도 21에 도시된 바와 같이 수증기가 중공관의 중합체 벽을 통과할 수 있게 하는 중합체로 이루어진 중공관이다. 가스 건조관(351)은 바람직하게는 Nafion™ 배관이지만, 다른 배관이 또한 사용될 수 있었다. 가스 건조관(351)은 중공관 또는 쉘(352)로 둘러싸여 있다. 가스 건조관(351)은 습식 샘플 배기 가스(50)를 수용하기 위한 제1 단부(351a) 및 건조 배기가스 샘플 가스(50)를 배출하기 위한 제2 단부(351b)를 갖는다.
배기 가스 샘플(50)이 가스 건조관(351)을 나간 후에, 가스는 미세 미립자 필터(355)를 통해 이동하고, 습도, 온도 및 압력 센서(354)를 통과하여 가스 흡수 셀(240)로 이동한다. 비-분산 적외선 흡수 분광광도법(NDIR-AS)을 이용하는 가스 흡수 셀(240)을 도 6에 나타낸다. 배기 플랜지(218)의 배기구(219)로부터, 배기 가스 증기는 가스 흡수 셀(240)의 흡기 포트(241) 내로 통과한다. 배기 가스 샘플이 배기 가스 증기(50)를 통과한 후, 가스 흡수 셀(240)을 나가고, 가스 건조관(351)의 제2 단부(351b) 근처의 (376)에서 건식 퍼지 가스로 흐른다. 배기 가스(50a)는 쉘 내의 펌프(350)에 의해 가스 건조관(351)의 제1 단부(351a) 근처의 습식 퍼지 가스 외부(375)로 펌핑된다.
건조된 배기 가스와 동일한 건식 퍼지 가스(50a)의 수증기의 부분압력은 샘플 배기 가스(50)의 부분압력보다 작으므로, 배기 가스 샘플(50)에서 가스 건조관(351)에 존재하는 수증기는 가스 건조관(351)의 중합체를 통해 제2 단부(351b)로 나가기 전에 쉘(352) 내부의 퍼지 가스 경로로 전달된다. 습식 퍼지 가스 외부(375)로부터, 유체는 가스 배출구(245)로 흐르고, 배출물 샘플링 장치(300)를 나간다.
도 23은 열전 발전기 조립체를 도시한다.
히트 싱크 하우징(606) 내에는 열전 발전기(TEG) 450, 및 히트 싱크(478)가 있다. TEG(450) 및 히트 싱크(478)의 산출물은 배출물 샘플링 장치(300)에 전력을 공급하기 위해 전력 관리 및 백업 시스템(24)에 전력을 공급하는 전원 커넥터(도시하지 않음)이다.
배기통(141)으로부터의 열은 열 전달 패드(480)를 통해 흡수된다. 열 전달 패드(480)는 유연한 접착 물질이고, 열 전달 블록(479)으로의 열 전달을 최대화하기 위해 배기관(141)의 예상 직경의 변화를 수용할 수 있다. 열 전달 패드(480)는 열 전달 블록(479)에 부착된다. 열 전달 블록(479)은 예상된 배기통(141) 직경의 곡률을 수용하고 TEG(476)의 크기에 매칭되는 표면적까지 열을 운반하도록 곡선형이다. 열 전달 블록(479)의 좁아짐은 히트 싱크(478)에 대한 복사열을 직접 차단하는 단열재 또는 열 차폐물의 층을 허용한다는 것을 유념한다.
열 전달 블록(479)은 TEG(450)를 통해 히트 싱크(478)에 연결된다. 히트 싱크는 제1 나사쌍(475a) 및 제2 나사쌍(475b)에 의해 열 전달 블록(479)에 고정된다. 나사(475a, 475b)는 나사(475a, 475b) 쌍과 히트 싱크(478) 사이에 존재하는 스프링(477a, 477b)을 압축하여 히트 싱크(478)와 열 전달 블록(479) 사이에 TEG(450)를 고정시킨다. 스프링(477a, 477b)은 히트 싱크(478) 및 열 전달 블록(479)의 열 팽창 및 수축을 초래하고 TEG(450)를 손상으로부터 보호하는 TEG(450)를 통한 열 전달을 향상시키기 위해 강한 압력을 가한다.
히트 싱크(478)는 핀(481)의 넓은 표면적을 통해 열을 방산시키는 "냉각" 또는 열방산측(478a)을 갖는다. 핀(481)은 스프링(477a, 477b)이 편평한 표면과 접촉할 수 있게 하는 방식으로 절단된다는 점을 유념한다.
TEG(476)는 배기통(141)의 외주(141a)에 장착될 때 열 전달 블록(479)과 히트 싱크(478) 사이에서 보이는 열 차이에 기반하여 적절한 전력을 생산한다. 히트 싱크(478)는 TEG(476)로부터 열을 끌어당긴다. 다시 말해서, TEG(476)는 히트 싱크(478)의 열방산측(478a)을 통해 열을 냉각하고 방산하면서 전력을 생성하여 저장될 수 있고 전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)에 전달될 수 있는 전위를 생성하고/하거나, 와이어(도시하지 않음)를 통해 배출물 샘플링 장치(300)에 직접 전력을 공급한다.
전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)은 배출물 샘플링 장치(10)의 배터리의 전압 및 환경 사양에 따라 TEG(476)로부터의 배터리 충전을 제어한다. 시간 및 온도에 따른 전압 및 전류 흐름에 기반한 충전 상태 계산은 전력 관리 및 배터리 백업 시스템(24)에 의해 수행된다. 충전 상태값은 배터리에 결함이 있거나 충전 상태가 낮을 때 경고가 촉발되게 할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 기재된 본 발명의 실시형태는 본 발명의 원리를 적용한 예시일 뿐이라는 것이 이해되어야 한다. 예시된 실시형태의 상세한 설명에 대한 본 명세서의 언급은 청구범위를 제한하려는 의도가 아니며, 청구범위 그 자체는 본 발명에 필수적인 것으로 간주되는 특징을 열거한다.
Claims (14)
- 해양 선박의 배기통으로부터 샘플링하기 위한 배출물 샘플링 장치(emissions sampling apparatus)로서,
상기 배기통 내에 장착된 배기 샘플 흡기 장치로서, 상기 배기통 내부로부터 배기 가스를 수용하기 위한 배기 입구; 상기 배기 가스로부터 미립자를 제거하기 위한, 상기 배기 입구 내부의 배기 샘플 미립자 필터; 배기 샘플 미립자 필터 출구에 연결된 가스 샘플 통로; 및 상기 가스 샘플 통로에 연결된 제1 단부 및 제2 단부를 구비한 가스 샘플 관을 포함하는, 상기 배기 샘플 흡기 장치;
상기 해양 선박의 상기 배기통의 외주(outer circumference)에 장착된 배출물 센서 장치(emissions sensor apparatus)
를 포함하되, 상기 배출물 센서 장치는,
a) 상기 가스 샘플관의 상기 제2 단부에 연결되어 응축물을 상기 배기 가스로부터 분리 및 배출하는 컨덴서로서, 가스 투입물, 가스 산출물 및 응축 산출물이 있는 컨덴서 챔버; 컨덴서 챔버에서 배기 가스를 냉각시키기 위해 상기 컨덴서 챔버를 둘러싸는 컨덴서 블록; 상기 컨덴서 챔버의 상기 가스 산출물에 연결된 배기 가스 배출 밸브; 및 상기 응축 산출물에 연결되어 응축물을 상기 배기 가스로부터 제거하는 응축 방출물 포트 밸브를 포함하는, 상기 컨덴서;
b) 상기 컨덴서 챔버의 상기 가스 산출물에 연결된 가스 건조관으로서, 상기 컨덴서 챔버의 상기 가스 산출물에 연결된 제1 중공관 입구 및 미립자 필터에 연결된 제1 중공관 출구를 갖는 제1 중공관; 및 상기 제1 중공관을 둘러싸는 제2 중공관으로서, 제2 중공관 입구 및 가스 배출구에 연결된 제2 중공관 출구를 갖는 상기 제2 중공관을 포함하는, 상기 가스 건조관;
c) 상기 미립자 필터의 상기 출구에 연결된 입구 및 가스를 상기 가스 건조관의 상기 제2 중공관 입구로 배출하기 위한 배기구를 갖는 상기 배기 가스 내의 이산화황 및 이산화탄소 수준을 결정하기 위한 적어도 1개의 가스 흡수 셀로서, 리플렉터(reflector) 및 적외선원을 포함하는 방출기가 있는 제1 단부, 적어도 1개의 검출기 및 적어도 2개의 통과대역 필터를 갖되, 그 중 하나는 이산화탄소에 특이적인 통과대역 필터이고 다른 하나는 이산화황에 특이적인 통과대역 필터인, 제2 단부를 갖고, 상기 가스 흡수 셀의 상기 제1 단부 및 상기 가스 흡수 셀의 상기 제2 단부는 가스 흡수 셀의 상기 제1 단부와 가스 흡수 셀의 상기 제2 단부 사이의 길이를 연장시키는 샘플 가스 챔버에 의해 분리되는, 상기 가스 흡수 셀;
d) 상기 해양 선박의 상기 배기 가스로부터 상기 배기 샘플 흡기구, 상기 컨덴서, 상기 가스 건조관의 상기 제1 중공관, 상기 미립자 필터, 상기 가스 흡수 셀, 상기 가스 건조관의 상기 제2 중공관을 통해 그리고 상기 배기구 밖으로 상기 배기 가스를 펌핑하기 위한 펌프로서,
상기 적어도 1개의 가스 흡수 셀의 상기 배기구로부터의 상기 배기 가스는 상기 펌프에 의해 상기 제2 중공관을 통해 상기 가스 배출구로 펌핑되므로, 상기 제2 중공관을 통해 펌핑된 상기 배기 가스의 수증기 함량은 상기 제1 중공관을 통한 상기 배기 가스 흐름보다 더 적은 수증기 함량을 가짐으로써, 상기 제1 중공관 내의 상기 배기 가스는 수증기를 상기 제1 중공관의 벽을 통해 상기 제2 중공관에 전달하여 상기 배기 가스를 건조시키고;
상기 제1 중공관 출구로부터의 배기 가스는 상기 제1 중공관 입구에서의 상기 배기 가스보다 더 적은 수증기를 함유하는, 상기 펌프;
e) 상기 가스 흡수 셀로부터 이산화황 및 이산화탄소 수준을 수용하고 상기 펌프를 제어하기 위한 프로세서; 및
f) 상기 배기통의 열로부터 에너지를 수확하는 열전 발전기 조립체로서, 배기통의 상기 외주에 인접한 제1 측면 및 제2 측면을 갖는 열 전달 패드; 열 전달 패드의 상기 제2 측면에 부착된 열 전달 블록; 방산측(dissipation side) 상에 복수의 핀을 포함하는 히트 싱크; 상기 히트 싱크와 상기 열 전달 블록 사이의 열전 발전기; 상기 히트 싱크를 열 전달 블록에 고정시키는 적어도 1개의 나사; 및 적어도 1개의 나사와 상기 히트 싱크 사이에 스프링을 포함하는, 열전 발전기 조립체
를 포함하는, 배출물 샘플링 장치. - 제1항에 있어서, 상기 프로세서와 통신하는 모뎀을 더 포함하는, 배출물 샘플링 장치.
- 제1항에 있어서, 이산화황에 대한 상기 통과대역 필터는 7.3 미크론(micron)이고, 이산화탄소에 대한 상기 통과대역 필터는 4.45 미크론인, 배출물 샘플링 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 통과대역 필터는 7.85 미크론의 이산화황 기준 필터 및 4.65 미크론의 이산화탄소 기준 필터를 더 포함하는, 배출물 샘플링 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 하우징 내에 있고 상기 프로세서, 상기 펌프 및 상기 열전 발전기 조립체와 통신하는 전력 관리 시스템 및 배터리 백업을 더 포함하는, 배출물 샘플링 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 중공관은 다공성 중합체로 제조된, 배출물 샘플링 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 배출물 센서 장치는 상기 배기통의 상기 외주에 인접한 장착 플랜지를 더 포함하고, 상기 장착 플랜지는 상기 열전 발전기 조립체를 수용하고 각각 구멍을 획정하는 제1 플랜지 및 제2 플랜지를 갖는, 배출물 샘플링 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 제1 플랜지의 상기 구멍은 각각 스트랩 조임 너트를 구비한 제1 고정 스트랩을 수용하고, 상기 제2 플랜지의 상기 구멍은 각각 스트랩 조임 너트를 구비한 제2 고정 스트랩을 수용하고, 상기 제1 고정 스트랩 및 상기 제2 고정 스트랩은 상기 배기통의 외주를 둘러싸는 스트랩에 연결되어 상기 배기통의 외주에 상기 배출물 샘플링 장치를 부착하는, 배출물 샘플링 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 장착 플랜지의 상단에 그리고 상기 장착 플랜지의 상기 제1 플랜지와 상기 제2 플랜지 사이에 장착된 히트 싱크 하우징을 더 포함하고, 상기 히트 싱크 하우징은,
제1 히트 싱크 플랜지;
상기 제1 히트 싱크 플랜지에 직각으로 연결된 복수의 구멍을 획정하는 수직 부분 및 편평한 표면을 형성하는 수평 부분을 갖는, 제1 L-자형 브래킷;
제2 히트 싱크 플랜지;
상기 제2 히트 싱크 플랜지에 직각으로 연결된 복수의 구멍을 획정하는 수직 부분 및 편평한 표면을 형성하는 수평 부분을 갖는, 제2 L-자형 브래킷;
상기 제1 L-자형 브래킷을 상기 제2 L-자형 브래킷에 연결하는 하단 브래킷 조각; 및
상기 제1 L-자형 브래킷의 상기 수직 부분에 수직으로 연결된 제1 반전 L-자형 조각; 및
상기 제2 L-자형 브래킷의 상기 수직 부분에 수직으로 연결된 제2 반전 L-자형 조각
을 포함하는, 배출물 샘플링 장치. - 제7항에 있어서, 상기 컨덴서는 상기 제1 반전 L-자형 조각 및 상기 제2 반전 L-자형 조각에 장착된, 배출물 샘플링 장치.
- 제9항에 있어서, 상기 제1 L-자형 브래킷의 상기 편평한 표면 및 상기 제2 L-자형 브래킷의 상기 편평한 표면에 장착된 하우징을 더 포함하고, 상기 하우징은 상기 펌프, 상기 가스 건조관, 상기 가스 흡수 셀 및 상기 프로세서를 둘러싸는, 배출물 샘플링 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 하우징 위에 수용된 외부 하우징을 더 포함하는, 배출물 샘플링 장치.
- 제1항에 있어서, 메탄, 이산화질소 및 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 2종의 가스의 수준을 결정하기 위한 상기 적어도 1개의 가스 흡수 셀에 연속으로 연결된 제2 가스 흡수 셀을 더 포함하고, 상기 제2 가스 흡수 셀은 상기 적어도 1개의 가스 흡수 셀의 상기 출구에 연결된 입구를 포함하되, 상기 제2 가스 흡수 셀은 리플렉터 및 적외선원을 포함하는 방출기가 있는 제1 단부, 적어도 1개의 검출기 및 적어도 2개의 통과대역 필터를 갖되, 그 중 하나는 에탄에 특이적인, 제2 단부 또는 미립자 필터의 상기 출구에 연결된 입구 및 상기 배출물 샘플링 장치로부터 가스를 배출시키기 위한 배기구를 갖되, 상기 가스 흡수 셀은 리플렉터 및 적외선원을 포함하는 방출기가 있는 제1 단부, 적어도 1개의 검출기 및 적어도 2개의 통과대역 필터로서, 하나는 메탄 또는 이산화질소에 특이적인 통과대역 필터이고 다른 하나는 탄화수소에 특이적인, 상기 통과대역 필터를 갖는, 제2 단부를 갖고, 상기 제2 가스 흡수 셀의 상기 제1 단부 및 상기 제2 가스 흡수 셀의 상기 제2 단부는 상기 제2 가스 흡수 셀의 상기 제1 단부와 상기 제2 가스 흡수 셀의 상기 제2 단부 사이의 길이를 연장시키는 샘플 가스 챔버에 의해 분리되는, 배출물 샘플링 장치.
- 제13항에 있어서, 상기 탄화수소는 에탄, 프로판, 아이소프로판 및 부탄을 포함하는, 배출물 샘플링 장치.
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