KR101310312B1 - 선박 전력 공급 시스템을 개조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 전력 공급 시스템 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 선박 전력 공급 시스템은, 적어도 선박의 단순 운항시 소요되는 통상 전력을 공급할 수 있는 발전용량을 가지고, 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제1 발전기; 제1 발전기와 동일 또는 작은 발전용량을 가지고, 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제2 발전기; 제1 발전기의 발전용량의 50% 이상의 충방전용량을 가지고, 제1 또는 제2 발전기의 가동시 발생되는 전력 중 각종 부하에 공급하고 남는 유휴전력으로 충전되며, 제1 또는 제2 발전기의 공급 전력을 초과하는 전력이 필요시 방전함으로써 각종 부하에 전력을 공급하는 이차전지 스택; 및 각종 부하로부터 필요 전력을 산출하고, 제1 및 제2 발전기의 가동 또는 정지, 이차전지 스택의 충전 또는 방전, 및 각종 부하에의 전력의 공급 또는 차단을 제어하는 제어부;를 구비한다. 본 발명에 의하면, 발전기를 기본적인 전력 공급 시스템으로서 사용하는 선박에서 선박의 에너지 효율을 현저하게 개선하고 환경오염을 저감할 수 있다.

Description

선박 전력 공급 시스템을 개조하는 방법{Reorganizing Method of Power Supply System for Ship}

본 발명은 선박의 전력 공급 시스템을 개조하는 방법에 관한 것이다.

컨테이너선이나 유조선을 포함하는 화물선, 여객선, 대형 어선, 군함 등의 대형 선박은, 선박의 추진 동력과는 별도로 또는 추진 동력을 포함하여 선박에 필요한 전력을 공급하는 전력 공급 시스템을 구비하고 있다. 이러한 전력 공급 시스템에 의해 공급되는 전력은, 선박의 운항에 필요한 각종 기기, 통신 장비, 선박내 조명, 냉난방 설비, 공조 설비, 화물의 선적 및 하선 장비, 밸러스트수(ballast water)의 처리 설비 등 다양한 설비에 전원으로서 사용된다.

안정적으로 전력을 공급받을 수 있는 지상의 설비와 달리, 선박은 자체적으로 필요한 전력을 발전하여야 하는데, 종래의 선박용 발전기로는 전형적으로 경유나 중유 엔진을 이용한 발전기가 사용되었고, 지금도 여전히 가장 많이 사용되고 있다. 특히, 석유 등의 화석연료 중에서도 경유나 중유가 일반적으로 사용되고 있는데, 이는 폭발이나 화재 등의 사고를 예방하기 위해 되도록 끓는점이 높은 연료를 사용하여야 하고, 가격을 고려한 결과이다. 근래에는 NO_x, SO_x, 탄산가스 저감 등의 환경적 고려와 에너지 효율의 개선이라는 관점에서, 경유나 중유 엔진을 이용한 발전기(이하, 간단히 '발전기'라 한다) 이외에, 원자력, 태양광, 풍력 등을 이용한 발전기나 연료전지 등이 대체 발전원으로 관심을 모으고 있다.

그러나, 원자력은 폐연료 처리비용, 방사능 누출의 위험성, 대테러 안전 대책 등을 감안하면 가격이 결코 싸지 않고, 국내외적 규제 등으로 인해 제한적인 범위에서만 사용되고 있다. 또한, 태양광이나 풍력은 환경적 관점에서 가장 바람직하지만, 기상 상태에 따라 발전량의 변동이 크고 일반적으로 선박에 필요한 전력량에는 미치지 못하기 때문에 주전원으로서 실용화하기는 무리이다.

따라서, 연료전지가 미래에 대체가능한 선박용 에너지원으로 가장 관심을 모으고 있고, 일부 시험적으로 적용되고 있다. 그러나, 연료전지는 여전히 초기 설치비용과 유지보수 비용을 포함한 비용이 종래의 발전기에 비해 훨씬 비싸다. 물론, 화석연료의 고갈에 따라 경유나 중유 가격이 상승할 것이고, 연료전지의 설치 및 유지보수 비용이 싸질 것이며, 탄산가스 배출 부담금이 상승하게 되면 이러한 비용면에서의 연료전지의 도입 문턱은 낮아질 것으로 생각되지만, 적어도 현재와 가까운 미래까지는 발전기를 대체할 주전원으로서의 연료전지는 경제적인 관점에서 실용적이지 않다. 더구나, 연료전지는 발전기와는 구조가 크게 달라, 기존의 발전기를 사용하는 선박의 발전기를 연료전지로 대체하는 것이, 공간상의 제약이나 선박 제원의 관점에서도 결코 용이하지 않다.

선박은 한번 건조하면 적어도 수십년은 사용하는 긴 수명을 가지고 있다. 한편, 많은 나라에서는 선박의 최초 건조시는 물론 일정한 주기로 선박을 검사하여 운항 또는 입항 허가 및 그 갱신을 하는 체제를 취하고 있다. 여기서, 선박의 검사항목에는 기본적으로 안전성, 사고 대비 시스템, 기본 제원 등이 포함되는데, 최근 들어 에너지 효율이나 각종 환경오염 물질의 배출량 등을 포함시키고 있고, 그 기준 또한 갈수록 엄격해지고 있다. 따라서, 갈수록 엄격해지는 기준 대비, 선박의 노후화에 따른 기준 충족의 곤란성의 괴리는 갈수록 심해질 것이 자명하고, 특히 기존의 발전기를 사용하는 선박의 경우 에너지 효율을 개선하고 환경오염을 저감할 수 있는 현실적이고 실용적인 방안이 절실히 요구된다.

본 발명은 상술한 실정을 감안하여 창안된 것으로서, 발전기를 기본적인 전력 공급 시스템으로서 사용하는 선박의 에너지 효율을 개선하고 환경오염을 저감할 수 있는 현실적이고 실용적인 방안과 수단을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 선박 전력 공급 시스템은, 선박의 각종 부하에 전력을 공급하는 선박 전력 공급 시스템으로서, 적어도 선박의 단순 운항시 소요되는 통상 전력을 공급할 수 있는 발전용량을 가지고, 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제1 발전기; 상기 제1 발전기와 동일 또는 작은 발전용량을 가지고, 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제2 발전기; 상기 제1 발전기 또는 제2 발전기의 가동시 발생되는 전력 중 상기 각종 부하에 공급하고 남는 유휴전력으로 충전되며, 상기 제1 발전기 또는 제2 발전기의 공급 전력을 초과하는 전력이 필요시 방전함으로써 상기 각종 부하에 전력을 공급하는 이차전지 스택; 및 상기 각종 부하로부터 필요 전력을 산출하고, 상기 이차전지 스택의 충전상태를 검출하며, 상기 제1 발전기 및 제2 발전기의 가동 또는 정지, 상기 이차전지 스택의 충전 또는 방전, 및 상기 각종 부하에의 전력의 공급 또는 차단을 제어하는 제어부;를 구비한다.

상기 제어부는, 상기 필요 전력이 상기 통상 전력 이하일 경우, 상기 제1 발전기만을 가동하여 발생된 전력을 상기 각종 부하에 공급함과 함께, 상기 각종 부하에 공급하고 남는 유휴전력으로 상기 이차전지 스택을 충전하도록 상기 제1 발전기 및 이차전지 스택을 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 필요 전력이 상기 통상 전력을 초과할 경우, 상기 이차전지 스택의 충전량이 상기 필요 전력과 통상 전력의 차이분보다 클 때 상기 이차전지 스택을 방전시켜 상기 차이분의 전력을 공급하고, 상기 이차전지 스택의 충전량이 상기 차이분 이하일 때 상기 제1 발전기에 더해 상기 제2 발전기를 가동하여 발생된 전력을 상기 각종 부하에 공급함과 함께, 상기 각종 부하에 공급하고 남는 유휴전력으로 상기 이차전지 스택을 충전하도록 상기 제1 발전기, 제2 발전기 및 이차전지 스택을 제어할 수 있다.

또한, 상기 이차전지 스택의 충전단에는 상기 제1 발전기 또는 제2 발전기에서 발생한 교류전력을 직류전력으로 변환하는 정류기를 구비할 수 있고, 상기 이차전지 스택의 방전단에는 상기 이차전지 스택에서 방전되는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터를 구비할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 선박 전력 공급 방법은, 선박의 각종 부하에 전력을 공급하는 선박 전력 공급 방법으로서, 적어도 선박의 단순 운항시 소요되는 통상 전력을 공급할 수 있는 발전용량을 가지고, 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제1 발전기; 상기 제1 발전기와 동일 또는 작은 발전용량을 가지고, 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제2 발전기; 및 충방전이 가능한 이차전지 스택;을 사용하여, 상기 제1 발전기 또는 제2 발전기의 가동시 발생되는 전력 중 상기 각종 부하에 공급하고 남는 유휴전력으로 상기 이차전지 스택을 충전하고, 상기 제1 발전기 또는 제2 발전기의 공급 전력을 초과하는 전력이 필요시 상기 이차전지 스택을 방전함으로써 상기 각종 부하에 전력을 공급한다.

또한, 실시예에 따르면 본 발명의 선박 전력 공급 방법은, 적어도 선박의 단순 운항시 소요되는 통상 전력을 공급할 수 있는 발전용량을 가지고, 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제1 발전기; 상기 제1 발전기와 동일 또는 작은 발전용량을 가지고, 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제2 발전기; 및 충방전이 가능한 이차전지 스택;을 구비하는 선박 전력 공급 시스템을 사용하여 선박의 각종 부하에 전력을 공급하는 선박 전력 공급 방법으로서, (a) 상기 각종 부하가 필요로 하는 필요 전력을 산출하는 단계; (b) 상기 이차전지 스택의 충전량을 포함하는 충전상태를 검출하는 단계; (c) 상기 필요 전력과 상기 통상 전력을 비교하는 단계; (d) 상기 (c) 단계의 비교 결과, 상기 필요 전력이 상기 통상 전력 이하인 경우, 상기 제1 발전기만을 가동하여 발생된 전력을 상기 각종 부하에 공급함과 함께, 상기 각종 부하에 공급하고 남는 유휴전력으로 상기 이차전지 스택을 충전하는 단계; (e) 상기 (c) 단계의 비교 결과, 상기 필요 전력이 상기 통상 전력을 초과하는 경우, 상기 이차전지 스택의 충전량과 상기 필요 전력과 통상 전력의 차이분을 비교하는 단계; (f) 상기 (e) 단계의 비교 결과, 상기 이차전지 스택의 충전량이 상기 차이분보다 클 때 상기 이차전지 스택을 방전시켜 상기 차이분의 전력을 공급하는 단계; 및 (g) 상기 (e) 단계의 비교 결과, 상기 이차전지 스택의 충전량이 상기 차이분 이하일 때 상기 제1 발전기에 더해 상기 제2 발전기를 가동하여 발생된 전력을 상기 각종 부하에 공급함과 함께, 상기 각종 부하에 공급하고 남는 유휴전력으로 상기 이차전지 스택을 충전하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 선박 전력 공급 시스템의 개조 방법은, 경유 또는 중유 엔진을 사용해 발전하여 선박의 단순 운항시 소요되는 통상 전력을 공급하는 제1 발전기; 상기 제1 발전기와 동일 또는 작은 발전용량을 가지고 상기 통상 전력을 초과하는 전력 수요가 발생하는 경우 가동되어 발생되는 전력을 공급하는 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제2 발전기; 및 상기 제1 발전기와 동일한 발전용량을 가지고, 상기 제1 발전기 또는 제2 발전기의 유지보수를 위해 정지시켜야 하는 경우에 사용하는 예비용의 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제3 발전기를 구비하는 선박 전력 공급 시스템을 개조하는 방법으로서, 상기 제3 발전기를 해체하여 제거하는 단계; 충방전이 가능한 이차전지 스택을 장착하는 단계; 선박의 각종 부하로부터 필요 전력을 산출하고, 상기 이차전지 스택의 충전상태를 검출하며, 상기 제1 발전기 및 제2 발전기의 가동 또는 정지, 상기 이차전지 스택의 충전 또는 방전, 및 상기 각종 부하에의 전력의 공급 또는 차단을 제어하는 제어부를 장착하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 발전기의 유휴전력으로 상기 이차전지 스택을 충전가능하게, 또한 상기 이차전지 스택으로부터 방전되는 전력으로 상기 각종 부하에 전력을 공급할 수 있도록, 상기 제어부와, 각종 부하, 제1 발전기, 제2 발전기, 및 이차전지 스택을 연결하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 발전기를 기본적인 전력 공급 시스템으로서 사용하는 선박에서 발전기 1대를 이차전지 스택으로 대체함으로써 선박의 에너지 효율을 현저하게 개선하고 환경오염을 저감할 수 있다.

특히, 본 발명은 기존의 에너지 효율이 떨어지는 선박의 전력 공급 시스템을 일부만을 개조함으로써 구축할 수 있어 기존 선박의 에너지 효율을 현저하게 상승시키고 선박의 사용수명을 연장할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 통상적인 발전기를 사용하는 선박의 전력 공급 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 전력 공급 시스템을 도시한 블록도이도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 전력 공급 시스템의 동작을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 전력 공급 시스템에서 필요 전력에 따라 발전기의 가동 및 정지와 이차전지 스택의 충전 및 방전 동작을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

먼저, 본 발명에 따른 선박 전력 공급 시스템의 설명에 앞서, 기존 및 현행의 발전기를 사용하는 선박의 전력 공급 시스템에 대해 설명한다.

통상적인 발전기를 사용하는 선박의 전력 공급 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 전력을 생산하는 발전기(11,12,13)와 각 발전기들을 제어하고 그로부터 생산된 전력을 각종 부하(31,32,3n)에 공급하는 제어부(20)로 이루어진다.

여기서, 발전기(11,12,13)를 1대가 아닌 3대를 구비하는 이유는 다음과 같다. 선박이 필요로 하는 전력량은 상시적으로 변동하지만, 크게 나누어봤을 때 단순 운항시는 비교적 적은 전력량(이하, '통상 전력'이라 한다)을 필요로 하고, 입출항시, 화물의 선적 또는 하선시, 밸러스트수의 처리시 등은 일시적으로 많은 전력량(이하, '피크 전력'이라 한다)을 필요로 한다. 따라서, 통상 전력만이 필요한 때에는 발전기 1(11)만을 가동하고, 피크 전력이 발생할 때에는 발전기 2(12)를 더 가동함으로써 추가 전력 수요에 대응하는 것이 효율적이다. 한편, 발전기 3(13)은 발전기 1 또는 2(11 또는 12)가 고장등으로 인해 정지되었을 때, 지상으로부터 곧바로 도움을 받을 수 없는 선박의 특성상, 정지되는 발전기를 대체하기 위한 예비용 발전기이다. 이 3대의 발전기(11,12,13)의 발전용량은 서로 다를 수도 있지만, 비상시 상호 대체 가능하도록 전형적으로 동일한 발전용량의 발전기를 사용한다. 발전기(11,12,13)는 선박의 규모나 필요 전력에 따라 적절한 발전용량의 것을 선택하여 설치하면 되는데, 대개 400kW급에서 4000kW급의 것을 사용한다.

제어부(20)는 수동 또는 자동으로 현재 선박의 필요 전력량을 산출하고 그에 따라 각 발전기(11,12,13)의 가동과 정지를 제어하는 콘솔 또는 전력 관리 시스템이다. 또한, 제어부(20)는 각종 부하(31,32,3n)에 필요로 하는 전력을 공급 또는 차단하는 제어를 행한다.

한편, 각종 부하(31,32,3n)는 종류에 따라 다른 정격 전압(예컨대, 440V, 220V, 24V 등)과 전류를 필요로 하고, 또한 대부분 교류전원을 사용한다. 따라서, 발전기(11,12,13)에는 일정한 전압과 일정한 주파수의 교류전력을 생산하는 교류발전기를 사용한다. 그래서, 부하에 따라서는 변압과 정류(교류를 직류로 변환) 과정이 필요해지는데, 이러한 변압과 정류는 각 부하(31,32,3n)가 자체적으로 변압기와 정류기를 내장하여 수행할 수도 있고, 제어부(20)에서 수행할 수도 있다.

이렇게 구성된 통상적인 선박 전력 공급 시스템의 제어부(20)는, 단순 운항시와 같이 통상 전력만이 필요한 때에는 발전기 1(11)만을 가동하고, 입출항시와 같이 피크 전력이 발생할 때에는 발전기 2(12)를 더 가동하며, 발전기 1 또는 2(11 또는 12)를 유지보수를 위해 정지시키는 경우에는 발전기 3(13)을 가동하도록 운용한다.

한편, 각 발전기(11,12,13)는 특성상 최대 발전용량의 약 80% 정도의 전력을 생산하도록 운전할 때 에너지 효율이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 즉, 발전기(11,12,13)는 전술한 바와 같이 일정한 주파수의 교류전력을 생산하여야 하기 때문에, 가동 중에는 디젤 엔진의 회전수를 항상 일정하게 유지하여야 하고, 따라서 필요로 하는 전력량이 발전용량에 못 미쳐 발전량을 줄이고자 하더라도 연료(경유 또는 중유)의 사용량이 그에 비례하여 줄어들지는 않는다. 그에 따라, 정박시와 같이 통상 전력보다도 적은 전력량이 필요하거나, 특히 통상 전력을 약간 넘는 피크 전력이 필요하여 발전기 2(12)를 더 가동하여야 하는 경우에 에너지 효율이 급격하게 저하되며, 필요로 하는 전력 대비 오염물질의 배출량도 급격하게 증가한다.

본 발명은, 이러한 발전기를 사용하는 통상적인 선박 전력 공급 시스템의 문제를 개선하기 위한 것으로, 이하 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 선박 전력 공급 시스템에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선박 전력 공급 시스템을 도시한 블록도로서, 도 1과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하며 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 실시예에 따른 선박 전력 공급 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 전력을 생산하는 2대의 발전기(11,12)와, 반복적인 충방전이 가능한 이차전지 스택(100)과, 각 발전기(11,12) 및 이차전지 스택(100)을 제어하고 전력을 각종 부하(31,32,3n)에 공급하는 제어부(200)를 구비한다.

본 실시예에서 2대의 발전기(11,12) 각각은 전술한 기존의 전력 공급 시스템(도 1)에서의 각 발전기와 동일하다. 본 실시예가 전술한 통상적인 시스템과 다른 점은, 1대의 발전기(13)를 생략하고 그 대신에 이차전지 스택(100)을 구비하고, 그에 따라 제어부(200)의 구체적인 구성 즉 제어로직이 다르다는 점이다.

이차전지 스택(100)은 대용량 충방전장치로서, 상세히는 후술하지만, 발전기(11,12)의 가동시에 유휴 전력으로 충전하였다가 필요시(피크 전력이 발생하는 경우 또는 발전기 1 또는 2의 유지보수시)에 방전함으로써 필요한 전력을 공급한다.

이차전지 스택(100)은 이차전지 단위 셀들의 집합체이다. 각각의 단위 셀들은 다양한 종류의 이차전지를 사용할 수 있지만, 긴 수명과 높은 에너지 밀도를 장점으로 가지고 있는 리튬 이차전지가 바람직하다. 이차전지 스택(100)은 다수의 단위 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈화한 이차전지 모듈들을 복수개 직렬 또는 병렬로 연결하여 적층, 집합시킨 것이다. 이차전지 스택(100) 내의 각각의 단위 셀 또는 각각의 모듈에는 과충전이나 과방전 등으로부터 이차전지를 보호하는 보호회로가 내장되어 있다. 또한, 이차전지 스택(100)에는, 전지 관리 시스템(Battery Management System; BMS)이 내장되어 있다. 이 BMS는 각 이차전지 모듈별로 충전량, 방전용량 등의 충전상태(State of Charge)를 검출하고, 그에 따라 방전이 가능한 모듈과 충전이 필요한 모듈을 선별하여 제어부(200)의 지시에 따라 또는 주기적으로 제어부(200)에 보고한다. 또한, BMS는 제어부(200)의 지시에 따라 모듈별로 충전 또는 방전을 수행하며, 만충전 또는 완전방전 상태를 검출하면 각각 충전을 정지하거나 또는 방전을 정지한다.

여기서, 이차전지 스택(100)의 최대 충방전용량은 최대 피크 전력(통상 전력을 넘는 전력)이 어느 정도인지에 따라 결정하면 되는데, 피크 전력이 대개 통상 전력의 30% 이하이므로 발전기(11,12) 1대의 최대 발전용량의 25% 이상, 바람직하게는 절반 정도 이상이면 통상적인 피크 전력을 이차전지 스택(100)에서 공급할 수 있게 된다. 또한, 반드시 그럴 필요는 없지만 비상시나 유지보수시에 종래의 발전기 3(13)을 대체할 수 있도록, 이차전지 스택(100) 최대 충방전용량은 발전기(11,12) 1대의 최대 발전용량에 필적하도록 선정할 수 있다.

한편, 이차전지 스택(100) 내의 각 모듈 및 단위 셀들은 기본적으로 직류형태로 전력를 저장한다. 따라서, 교류전력을 생산하는 발전기(11,12)로부터의 전력을 이차전지 스택(100)에 충전하여 저장하기 위해서는 먼저 직류전력으로 변환할 필요가 있다. 이를 위해, 이차전지 스택(100)의 충전단에는 교류전력을 직류전력으로 변환하는 정류기(110)가 구비된다. 반대로, 이차전지 스택(100)에 충전되어 있는 전력을 방전함으로써 공급할 때에는 직류전력을 부하(31,32,3n)에서 필요로 하는 교류전력으로 변환할 필요가 있다. 이를 위해, 이차전지 스택(100)의 방전단에는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 인버터(120)가 구비된다.

또한, 전술한 바와 같이, 각 부하(31,32,3n)가 필요로 하는 전력의 정격 전압은 서로 다를 수 있다. 따라서, 이차전지 스택(100)으로부터 각 부하(31,32,3n)에 전력을 공급할 때에는 각 부하의 정격 전압에 맞는 전력을 공급하여야 한다. 이를 위해, 이차전지 스택(100) 또는 제어부(200)가 변압기를 구비하거나, 또는 전술한 BMS가 필요한 전압의 전력을 공급할 수 있도록 이차전지 스택(100) 내의 각 모듈들을 직병렬 연결을 동적으로 변경하도록 할 수 있다.

제어부(200)는 현재 선박의 필요 전력과 이차전지 스택(100)의 충전상태를 감지하고, 그에 따라 각 발전기(11,12)의 가동 및 정지와 이차전지 스택(100)의 충방전을 제어하는 콘솔 또는 전력 관리 시스템이다. 또한, 제어부(200)는 각종 부하(31,32,3n)에 필요로 하는 전력을 공급 또는 차단하는 제어를 행한다. 상세하게는 후술하는 제어부(200)의 제어로직은, 하드웨어인 전자회로로 구현되거나, 전형적으로 프로그램화한 소프트웨어나 펌웨어의 형태로 구현된다.

한편, 도 2에서 제어부(100)와, 각종 부하(31,32,3n), 발전기 1(11), 발전기 2(12), 이차전지 스택(100), 정류기(110) 및 인버터(120) 간의 연결은 단순화하여 도시하였지만, 각각의 연결 지점에는 필요에 따라 제어부(100)에 의해 독립적으로 제어가능한 스위치가 설치되어 있다.

또한, 제어부(200)의 현재 필요 전력 산출 및 각종 부하(31,32,3n)에의 전력 공급 제어를 위해서는, 각 부하(31,32,3n)에 제어부(200)와 양방향 통신이 가능한 스마트 미터(전자식 전력량계)를 구비하는 것이 바람직하다. 그리하여 제어부(200)는 자동화된 알고리즘에 따라, 각종 부하(31,32,3n)가 필요로 하는 전력을 상시적으로 모니터링하고, 필요한 전력을 공급하거나 불필요한 전력 소모를 차단할 수 있게 된다.

위와 같이 구성된 본 실시예의 선박 전력 공급 시스템의 동작에 대해 도 2 및 도 3을 참조하여 설명함으로써, 본 발명의 선박 전력 공급 방법에 대해 설명한다. 여기서, 설명의 편의상, 선박의 운항전에 이차전지 스택(100)은 만충전시켜 두는 것으로 전제한다.

먼저, 선박이 운항중이면 발전기 1(11)은 항상적으로 가동중인 상태가 된다(S10).

선박이 운항중일 때 제어부(200)는 항상적으로(주기적으로) 각종 부하(31,32,3n)로부터 필요로 하는 필요 전력을 산출한다(S20).

또한, 선박이 운항중일 때 제어부(200)는 항상적으로(주기적으로) 이차전지 스택(100)의 충전량(방전가능 전력)을 포함한 충전상태를 검출한다(S30). 구체적으로는, 이차전지 스택(100)에 구비된 BMS에 명령을 내리거나 또는 BMS로부터의 주기적인 보고를 받아 이차전지 모듈별 충전상태(충전량, 만충전 또는 완전방전 상태인지 등)를 검출한다.

또한, 제어부(100)는 단계 S20에서 산출된 필요 전력과 통상 전력을 비교한다(S40). 여기서, 통상 전력은 선박의 단순 운항시에 필요한 전력으로서, 전형적으로는 발전기 1(11)의 최대 발전용량의 80%가 되는 전력으로 미리 설정되어 있다. 바꾸어 말하면, 통상 전력이 예컨대 400kW인 경우, 전술한 바와 같이 발전기의 최대 효율이 발현되는 80% 운전시에 400kW가 되도록 발전기 1(11)은 500kW급의 발전기를 사용한다. 아울러, 이 예에서는 발전기 2(12)도 500kW급의 발전기를 사용하고, 이차전지 스택(100)은 125~500kW급의 것을 사용한다.

단계 S40의 비교 결과, 필요 전력이 통상 전력 이하인 경우, 가동중인 발전기 1(11)만을 가동하여 발생된 전력으로 충분하므로 발전기 2(12)를 가동하거나 이차전지 스택(100)에 저장된 전력을 사용하지 않고, 발전기 1(11)로부터 발생된 전력을 각종 부하(31,32,3n)에 공급한다(S50). 동시에, 각종 부하(31,32,3n)에 공급하고 남는 유휴전력으로 이차전지 스택(100)을 충전한다(S60). 물론, 이때 이차전지 스택(100)이 이미 만충전 상태이면 유휴전력이 있더라도 이차전지 스택(100)을 과충전하지는 않는다. 또한, 이차전지 스택(100)을 충전하다가 만충전 상태에 도달한 것이 BMS에 의해 검출되면 충전을 멈춘다.

한편, 단계 S40의 비교 결과, 필요 전력이 통상 전력을 넘을 때에는, 다시 이차전지 스택(100)의 현재 충전량이 충분한지를 확인한다(S70). 즉, 필요 전력이 통상 전력을 넘는 초과분 즉 필요 전력과 통상 전력의 차이분을 이차전지 스택(100)의 현재 충전량과 비교한다.

단계 S70의 확인(비교) 결과, 이차전지 스택(100)의 현재 충전량이 상기 차이분보다 클 때에는 이차전지 스택(100)을 방전시켜 상기 차이분의 전력을 공급한다(S80). 물론, 이때 이차전지 스택(100)을 방전하는 도중에, 완전방전 상태에 도달한 것이 BMS에 의해 검출되면 방전을 멈추고, 다음의 단계 S90으로 이행한다. 여기서, 이차전지 스택(100)의 현재 충전량이 상기 차이분보다 크기는 하지만 미미하게 큰 경우에는, 이차전지 스택(100)을 방전하다가 곧바로 충전량이 차이분보다 작아지게 되어 전력 공급이 부족하게 된다. 따라서, 단계 S70에서 비교할 때 이차전지 스택(100)의 현재 충전량이 상기 차이분보다 소정의 기준치 이상 클 때 단계 S80으로 이행하도록 할 수도 있다.

단계 S70의 확인(비교) 결과, 이차전지 스택(100)의 현재 충전량이 상기 차이분 이하일 때에는, 현재 가동중인 발전기 1(11)에 더해 발전기 2(12)를 가동하여 이 두 대의 발전기(11,12)로부터 발생된 전력을 각종 부하(31,32,3n)에 공급한다(S90). 동시에, 각종 부하(31,32,3n)에 공급하고 남는 유휴전력으로 이차전지 스택(100)을 충전한다(S100). 물론, 이때 이차전지 스택(100)을 충전하다가 만충전 상태에 도달한 것이 BMS에 의해 검출되면 충전을 멈춘다. 또한, 이차전지 스택(100)이 만충전되었으면 또는 일정 주기마다, 현재 충전량과 상기 차이분을 비교하는 단계 S70으로 되돌아가 현재 충전량이 충분하면 발전기 2(12)를 정지하고 이차전지 스택(100)으로부터 차이분의 전력을 공급하도록 해도 된다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 선박 전력 공급 시스템을 이용하여, 이상과 같은 방법으로 선박에 전력을 공급하게 되면, 기존의 3대의 발전기를 이용하는 시스템(도 1 참조)에 비해 에너지 효율을 현저하게 향상시킬 수 있고, 또한 탄산가스 등의 오염 물질 배출량도 현저하게 저감할 수 있다.

예를 들어, 선박의 운항에 따른 필요 전력이 도 4의 실선과 같다고 가정했을 때, 예컨대 최대 발전용량이 각각 500kW급인 발전기 3대(11,12,13)을 사용하는 기존의 선박 전력 공급 시스템의 경우, 필요 전력이 통상 전력(예컨대, 400kW)을 약간이라도 초과하면(0~t1, t2~t3, t4~t5의 구간) 반드시 2대의 발전기(11,12)를 가동하여 800kW의 전력을 발전한다. 따라서, 필요 이상의 전력의 낭비가 불가피하고, 그에 따라 오염물질의 배출 증가도 불가피하다.

이에 반해, 본 발명에 따르면 필요 전력이 통상 전력을 초과하더라도(0~t1, t2~t3, t4~t5의 구간), 이차전지 스택(100)의 현재 충전량이 충분하다면 발전기 2(12)를 가동할 필요 없이 이차전지 스택(100)으로부터 전력을 공급할 수 있고, 필요 전력이 발전기(11,12)의 생산 전력보다 작을 때(t1~t2, t3~t4의 구간 등)에 발생하는 유휴전력으로 이차전지 스택(100)을 충전할 수 있어 불필요한 전력 낭비와 오염물질의 배출을 억제할 수 있다.

나아가, 기존의 전력 공급 시스템에서 발전기 1 또는 2(11 또는 12)의 유지보수를 위해 정지하여야 할 경우 통상 전력을 넘는 필요 전력이 발생했을 때 가동되는 예비용의 발전기 3(13)의 역할을, 이차전지 스택(100)이 담당할 수도 있어, 비상시에도 충분히 대처할 수 있다.

특히, 이차전지 스택(100)은 전술한 바와 같이 모듈화함으로써 필요한 만큼만의 전력을 방전하여 공급할 수 있고, 복수의 모듈들간의 직병렬 연결을 동적으로 변경함으로써 필요로 하는 정격 전압 및 전류의 전력을 자유롭게 공급할 수 있어, 전력의 낭비가 거의 없고 여러 가지 상황에 복합적이고 능동적으로 대처할 수 있다.

한편, 이상의 설명에서 제어부(200)는 산출된 필요 전력에 따라 발전기 1(11), 발전기 2(12) 및/또는 이차전지 스택(100)을 가동 및/또는 방전하여 각종 부하(31,32,3n)에 전력을 공급하였지만, 산출된 필요 전력이 실제로는 불필요한 전력이나 시급도가 낮은 전력수요를 포함하고 있는 경우에 일부 부하(31,32,3n)에의 전력을 차단할 수도 있다. 이를 위해서는 제어부(200)에 선박의 운항 모드(입출항, 단순 운항, 화물의 선적 및 하선, 밸러스트수 처리, 폭풍우 상황, 좌초등 비상시 등)별로, 각 부하(31,32,3n)에의 전력 공급 여부 또는 전력 공급 우선 순위를 설정해 놓고, 운항 모드와 전력 공급 여부 또는 우선 순위에 따라 각 부하(31,32,3n)에의 전력 공급 또는 차단을 결정할 수 있다.

나아가, 이상의 설명에서 각 부하(31,32,3n)는 제어부(200)의 제어를 받는 수동적인 요소로 설명되었지만, 각 부하(31,32,3n)가 능동적으로 전력을 요구할 수도 있다. 즉, 각 부하(31,32,3n)에 개별적인 제어부(미도시)를 마련하여, 이 제어부가 중앙의 제어부(200)와 통신하여 현재 발전기(11,12) 및 이차전지 스택(100)에 의해 공급 가능한 여유 전력을 감지하고, 이 여유 전력이 자신이 필요로 하는 전력보다 많을 때 중앙의 제어부(200)에 전력 공급을 요청하는 방식(이른바 수요 응답(Demand Response) 방식)을 채택할 수도 있다. 이 경우, 각 부하는 상술한 운항 모드에 따른 자신의 우선 순위에 따라 다른 부하의 전력 공급 및/또는 차단을 중앙의 제어부(200)에 요청할 수도 있다.

한편, 이상과 같은 본 발명에 따른 시스템은 처음부터 구축할 수도 있지만, 본 발명은 기존의 시스템이 설치된 선박을 개조하여 구축할 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 선박 전력 공급 시스템의 개조 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1을 참조하여 설명한 기존의 선박 전력 공급 시스템에서, 발전기 3(13)을 해체하여 제거한다.

그리고, 바람직하게는 발전기 3(13)이 있던 자리에, 발전기 1(11)의 발전용량의 50% 이상(100% 이하)의 충방전용량을 가지는 전술한 바와 같은 이차전지 스택(100)을 장착한다. 별도의 연료 저장 탱크와 연료 선처리 설비 등이 필요한 연료전지와 달리 이차전지 스택(100)은 연료 저장 탱크나 연료 선후처리 설비가 필요 없어 구조가 간단하고 용적도 많이 차지하지 않는다. 따라서, 발전기 3(13)의 자리에 충분히, 그리고 간단하게 설치할 수 있다.

이어서, 전술한 바와 같은 제어부, 즉 선박의 각종 부하(31,32,3n)로부터 필요 전력을 산출하고, 이차전지 스택(100)의 충전상태를 검출하며, 발전기 1 및 2(11,12)의 가동 또는 정지, 이차전지 스택(100)의 충전 또는 방전, 및 각종 부하(31,32,3n)에의 전력의 공급 또는 차단을 제어하는 제어부를 장착한다.

마지막으로, 제어부(200)와, 각종 부하(31,32,3n), 발전기 1 및 2(11,12), 및 이차전지 스택(100)을 연결하면 된다. 구체적으로는, 발전기 1 또는 2(11,12)의 가동시 각종 부하(31,32,3n)에 공급하고 남는 유휴전력으로 이차전지 스택(100)을 충전가능하게, 또한 이차전지 스택(100)을 방전함으로써 각종 부하(31,32,3n)에 필요한 전력을 공급할 수 있도록 결선하고 필요한 스위치들을 제어부(200)에 의해 제어가능하도록 설치한다.

이상과 같이 기존의 에너지 효율이 떨어지는 선박의 전력 공급 시스템을 일부만을 개조함으로써 에너지 효율을 현저하게 상승시키고 선박의 사용수명을 연장할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

예를 들어, 전술한 설명에서는 기존의 전력 공급 시스템이 3대의 발전기를 사용하고, 본 발명에 따른 시스템은 2대의 발전기와 1대의 이차전지 스택을 사용하는 것으로 설명하고 도시하였으나, 발전기의 대수와 이차전지 스택의 대수는 필요에 따라 변경할 수 있다.

또한, 전술한 설명에서 발전기 2(12)의 발전용량은 발전기 1(11)의 발전용량과 동일한 것으로 설명하였으나, 피크 전력(통상 전력을 초과하는 전력)이 대개의 경우 통상 전력의 30% 이하이므로, 발전기 2(12)의 발전용량은 발전기 1(11)의 발전용량보다 작게 할 수도 있다.

또한, 전술한 설명에서는 이차전지 '스택'이란 표현을 사용하였으나, 본 발명에서 '스택'이란 사전적인 의미에서 수직적으로 적층한 경우만이 아니라 이차전지 단위 셀 또는 모듈들을 그 형태에 구애받지 않고 모아놓은 집합체의 의미를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.

11,12,13: 발전기 100: 이차전지 스택
110: 정류기 120: 인버터
200: 제어부 31,32,3n: 부하

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12. 경유 또는 중유 엔진을 사용해 발전하여 선박의 단순 운항시 소요되는 통상 전력을 공급하는 제1 발전기; 상기 제1 발전기와 동일 또는 작은 발전용량을 가지고 상기 통상 전력을 초과하는 전력 수요가 발생하는 경우 가동되어 발생되는 전력을 공급하는 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제2 발전기; 및 상기 제1 발전기와 동일한 발전용량을 가지고, 상기 제1 발전기 또는 제2 발전기의 유지보수를 위해 정지시켜야 하는 경우에 사용하는 예비용의 경유 또는 중유 엔진을 사용하는 제3 발전기를 구비하는 선박 전력 공급 시스템을 개조하는 방법으로서,
    상기 제3 발전기를 해체하여 제거하는 단계;
    충방전이 가능한 이차전지 스택을 장착하는 단계;
    선박의 각종 부하로부터 필요 전력을 산출하고, 상기 이차전지 스택의 충전상태를 검출하며, 상기 이차전지 스택의 충전상태를 검출하며, 상기 제1 발전기 및 제2 발전기의 가동 또는 정지, 상기 이차전지 스택의 충전 또는 방전, 및 상기 각종 부하에의 전력의 공급 또는 차단을 제어하는 제어부를 장착하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 발전기의 유휴전력으로 상기 이차전지 스택을 충전가능하게, 또한 상기 이차전지 스택으로부터 방전되는 전력으로 상기 각종 부하에 전력을 공급할 수 있도록, 상기 제어부와, 각종 부하, 제1 발전기, 제2 발전기, 및 이차전지 스택을 연결하는 단계;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 발전기 또는 제2 발전기를 가동할 때에는, 항상 상기 제1 발전기 및 제2 발전기 각각의 에너지 효율이 가장 높은 상태를 유지하도록 운전하는 것을 특징으로 하는 선박 전력 공급 시스템의 개조 방법.

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