KR102415759B1 - 고온초전도 발전기를 이용한 선박 - Google Patents

Abstract

고온초전도 발전기를 이용한 선박이 소개된다.
고온초전도 발전기를 이용한 선박은 전원 공급을 위한 고온초전도 발전기와, 고온초전도 발전기로부터 공급받은 전원을 공급받는 배전반과, 고온초전도 발전기 및 배전반 사이를 연결하는 고온초전도 케이블과, 고온초전도 발전기에 액화연료가스를 냉매로서 제공하는 액화연료가스 탱크와, 고온초전도 발전기에서 배출된 액화연료가스를 연료로서 공급받는 콤프레셔를 포함할 수 있다.

Description

고온초전도 발전기를 이용한 선박{VESSEL USING HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR GENERATOR}

본 발명은 고온초전도 발전기를 이용한 선박에 관한 것이다.

선박에는 발전기를 구동시키기 위한 엔진으로 이중 연료 엔진이 사용되기도 한다. 이중 연료 엔진은 퓨얼 오일(fuel oil) 및 가스(gas) 중 어느 하나 이상을 연료로 하여 구동되는 디젤 엔진을 말하는 것으로, 주로 액화 천연가스 운반선에 적용된다.

한편, 선박의 진동 및 소음, 환경오염 등의 문제가 중요해 짐에 따라, 선박의 추진 속도뿐만 아니라, 발전기를 통해 생산된 전기를 선박의 추진에 사용하는 전기 추진 시스템이 개발되고 있다.

선박의 전기 추진 시스템에서는 엔진과 프로펠러를 샤프트로 직접 연결하는 일반 추진 시스템과는 달리, 엔진이 구동하여 발전기를 구동시키면, 발전기에 의해 생산되는 전기가 추진모터를 구동시켜, 프로펠러를 구동시킬 수 있다.

이러한 전기 추진 시스템은 선박의 공간활용도를 증대시킬 수 있고, 진동, 소음 및 연료소비량을 감소시킬 수 있으며, 배출가스의 감소를 통해 환경오염을 줄일 수 있다.

그런데, 종래 전기 추진 시스템의 경우, 많은 양의 전기 생산을 위해서, 발전기 및 엔진의 수가 증가되면, 선체 공간 활용도가 낮아지고, 운전자들의 엔진의 유지 및 보수에 많은 어려움이 발생될 수 있다.

특허문헌: 국내 특허공개 10-2008-0022903호 (2008. 03. 12. 공개)

본 발명의 실시예들은 액화연료가스 탱크의 액화연료가스를 고온초전도 발전기의 냉매로 활용할 수 있는 고온초전도 발전기를 이용한 선박을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박은, 전원 공급을 위한 고온초전도 발전기; 상기 고온초전도 발전기로부터 공급받은 전원을 공급받는 배전반; 상기 고온초전도 발전기 및 상기 배전반 사이를 연결하는 고온초전도 케이블; 상기 고온초전도 발전기에 액화연료가스를 냉매로서 제공하는 액화연료가스 탱크; 및 상기 고온초전도 발전기에서 배출된 상기 액화연료가스를 공급받는 콤프레셔를 포함할 수 있다.

이때, 본 발명은 상기 고온초전도 발전기의 회전축에 구동 연결되는 발전기 엔진을 더 포함하고, 상기 콤프레셔는 상기 고온초전도 발전기에서 배출된 상기 액화연료가스를 상기 발전기 엔진에 공급하여 상기 발전기 엔진의 연료로 사용되도록 할 수 있다.

또한, 상기 고온초전도 발전기, 상기 발전기 엔진 및 상기 배전반은, 상호 근접하게 위치되도록 선박 내 동일한 공간에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명은 필요에 따라 상기 배전반에 전원을 공급하는 연료 발전기를 더 포함하고, 상기 연료 발전기는 중유와 액화연료가스를 혼소하거나 선택적으로 연료로 사용가능한 DFDE 엔진 발전기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 액화연료가스 탱크에서 상기 고온초전도 발전기에 이동되는 상기 액화연료가스의 온도를 측정하는 감지센서; 상기 액화연료가스의 온도를 기 설정된 기준 온도 이하로 낮추기 위한 쿨러; 및 상기 감지센서에서 측정된 상기 액화연료가스의 온도가 상기 기 설정된 기준 온도보다 높으면, 상기 액화연료가스의 온도를 상기 기 설정된 기준 온도 이하로 낮추기 위한 작동신호를 상기 쿨러에 인가하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 적은 수의 고온초전도 발전기를 통해서, 많은 양의 전기 생산이 가능하고, 별도의 냉매 추가 없이, 액화연료가스 탱크의 액화연료가스를 고온초전도 발전기의 냉매로 활용할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 선박 내 저장공간이 극대화되어 많은 수의 액화연료가스 탱크를 적재할 수 있고, 상황에 따라 필요한 전력만을 생산할 수 있어 에너지 절약이 가능하다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박의 주요 구성(고온초전도 발전기가 2개일 때)을 도시한 시스템도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박의 주요 구성(고온초전도 발전기가 3개일 때)을 도시한 시스템도이다.
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박의 주요 구성을 도시한 시스템도이다.
도 4는 본 발명의 다른 변형예에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박의 제어로직을 도시한 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박의 주요 구성(고온초전도 발전기가 2개일 때)을 도시한 시스템도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박의 주요 구성(고온초전도 발전기가 3개일 때)을 도시한 시스템도이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박은, 고온초전도 발전기(100), 배전반(200), 고온초전도 케이블(300), 액화연료가스 탱크(400), 콤프레셔(500) 및 발전기 엔진(600)을 포함할 수 있다.

구체적으로, 고온초전도 발전기(100)는 초전도 발전기는 전기 저항이 소멸하는 초전도 현상을 응용한 발전기로, 본 실시예에서는 절대온도 0K(-273°)보다 높은 온도(예를 들면, -173°)에서 발생하는 초전도 현상을 응용하여 전기 에너지를 생산할 수 있는 고온초전도 발전기가 사용될 수 있다.

이러한 고온초전도 발전기(100)는 발전기 엔진(600)의 회전축에 구동 연결된 회전체를 구비하고, 초전도 권선으로 계자를 형성하여 전기 저항으로 인한 손실 없이 고 자장의 회전자계를 만들 수 있는데, 초전도 계자에 전류를 공급한 상태에서, 발전기 엔진(600) 회전축의 회전에 의해 고온초전도 발전기(100)의 회전체가 회전을 하게 되면, 초전도 발전기의 계자(회전자)와 고정자 사이에 자기장에 생성되어 고정자에서 전원이 출력될 수 있다.

여기서, 고온초전도 발전기(100)의 초전도 회전자에는 극저온의 냉매를 공급하여 초전도 계자를 냉각시켜야 하는데, 이때, 사용되는 냉매로는, 액화연료가스 탱크(400)에서 공급되는 액화연료가스가 사용된다. 액화연료가스는 통상 -163°이하 온도를 유지하므로, 별도의 냉매 추가없이, 액화연료가스 탱크(400)의 액화연료가스가 고온초전도 발전기(100)의 냉매로 사용될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에서는, 고온초전도 발전기(100)에 필요한 냉매를 선박에 적재된 액화연료가스 탱크(400)로부터 공급받을 수 있으므로, 고온초전도 발전기(100)의 초전도 계자를 냉각시키기 위한 별도의 극저온 냉각 시스템이 불필요해질 수 있다.

결국, 본 실시예에 따르면, 극저온 냉각 시스템을 선박 내 설치하는 경우 발생되는 설치 비용, 설치 공간 등을 절감할 수 있다. 특히, 고온초전도 발전기(100)는 일반 발전기와 비교하여 발전 효율이 우수(4~5대의 일반 발전기를 2~3대의 고온초전도 발전기로 대체 가능)하고, 발전기의 크기 및 무게가 작으므로, 일반 발전기에 설치되어야 적재공간을 액화연료가스 탱크(400)의 적재공간으로 활용할 수 있다.

배전반(200)은 고온초전도 발전기(100)로부터 공급받은 전원을 공급받아, 전원이 필요한 선박 내 수요처에 제공할 수 있다. 예를 들어, 배전반(200)은 프로펠러를 구동시키는 추진 모터에 전원을 공급하거나, 선박 내 전기에너지가 필요한 장치(예를 들어, 등화 기기, 통신 기기, 측정 기기...) 및 거주구(식당, 휴게실...)에 전원을 공급할 수 있다.

본 실시예에서는, 고온초전도 발전기(100)에서 생산된 전원이 전기 추진 모터에 공급되는 전기 추진 시스템을 일 예로 설명하였지만, 이에 한정되지는 아니하며, 고온초전도 발전기(100)에서 생산된 전원은 디젤 연료 또는 액화연료가스를 사용하는 연료 추진 엔진(디젤 엔진, 가스(증기) 엔진...)에 공급될 수 있음은 물론이다.

고온초전도 케이블(300)은 고온초전도 발전기(100) 및 배전반(200) 사이를 전기적으로 연결하여, 고온초전도 발전기(100)에서 생산된 전기 에너지를 배전반(200)에 전달할 수 있다. 이때, 고온초전도 케이블(300)의 재질은 고온초전도체가 사용될 수 있다.

액화연료가스 탱크(400)는 액화연료가스를 수용하기 위한 카고 탱크로, 내부에 액화연료가스가 저장될 수 있고, 피드펌프(410)를 통해 액화연료가스를 외부로 배출시킬 수 있다. 예를 들어, 피드펌프(410)는 제 1 냉매관(810)을 이용하여 액화연료가스를 냉매로서 고온초전도 발전기(100)에 제공할 수 있다.

콤프레셔(500)는 선박의 엔진룸(610)에 설치될 수 있다. 이 콤프레셔(500)는 제 2 냉매관(820)을 통해 고온초전도 발전기(100)에 연결되어, 고온초전도 발전기(100)에서 배출된 액화연료가스를 공급받을 수 있다. 콤프레셔(500)는 고온초전도 발전기(100)로부터 공급받은 액화연료가스를 발전기 엔진(600)에 공급함으로써, 고온초전도 발전기(100)를 구동시키기 위한 발전기 엔진(600)의 연료로 사용되도록 할 수 있다.

이들 고온초전도 발전기(100), 발전기 엔진(600) 및 배전반(200)은, 상호 근접하게 위치되도록 선박 내 동일한 공간(10)에 배치될 수 있다. 이와 같이, 고온초전도 발전기(100), 발전기 엔진(600) 및 배전반(200)이 선박 내 동일한 공간(10)에 배치됨으로써, 열손실을 줄일 수 있고, 선박 내 한정된 나머지 공간을 효율적으로 사용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 변형예에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박의 주요 구성을 도시한 시스템도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형예에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박은, 고온초전도 발전기(100), 배전반(200), 고온초전도 케이블(300), 액화연료가스 탱크(400), 콤프레셔(500), 발전기 엔진(600) 및 연료 발전기(700)를 포함할 수 있다. 여기서, 연료 발전기(700)를 제외한 나머지 구성은, 앞서 설명한 일 실시예의 구성과 대응되므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

연료 발전기(700)는 필요에 따라 배전반(200)에 전원을 공급할 수 있다. 이러한 연료 발전기(700)는 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진 발전기일 수 있다. 여기서, DFDE 엔진 발전기는 중유와 천연가스를 혼소(混燒)하거나 선택적으로 연료로 사용할 수 있는 엔진으로써, 중유만을 연료로 사용하는 경우보다 황 함유량이 적어 배기가스 중 황 산화물의 함량이 적을 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 변형예에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박의 제어로직을 도시한 블록도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 변형예에 따른 고온초전도 발전기를 이용한 선박은, 고온초전도 발전기(100), 배전반(200), 고온초전도 케이블(300), 액화연료가스 탱크(400), 콤프레셔(500), 발전기 엔진(600), 감지센서(920), 쿨러(930) 및 컨트롤러(910)를 포함할 수 있다.

여기서, 감지센서(920)는 액화연료가스 탱크(400)의 배출구 또는 제 1 냉매관(810)에 설치되어, 액화연료가스 탱크(400)에서 배출된 액화연료가스, 다시 말해, 고온초전도 발전기(100)로 공급되는 액화연료가스의 온도를 측정할 수 있다. 감지센서(920)에서 측정된 액화연료가스의 온도 측정값은 컨트롤러(910)에 인가될 수 있다.

쿨러(930)는 액화연료가스의 온도를 기 설정된 기준 온도 이하로 낮추기 위한 냉각장치로서, 컨트롤러(910)로부터 작동신호를 인가받아 액화연료가스를 냉각시킬 수 있다. 여기서, 기 설정된 기준 온도는 고온초전도 발전기(100)의 냉매로서 사용하기에 적합한 온도가 되는 기준 온도(예를 들면, -173°~ -163°)로 이해될 수 있다.

이러한 쿨러(930)는 열매체를 압축하기 위한 압축기와, 압축기를 통과한 열매체를 냉각시키는 냉각기와, 냉각기를 통과한 열매체의 부피를 팽창시키고 온도를 냉각시키는 팽창기와, 팽창기를 통과한 열매체와 액화연료가스 간 열교환을 시키는 열교환기로 구성될 수 있다. 본 실시예에서, 쿨러(930)는 압축기, 냉각기, 팽창기 및 열교환기로 구성되지만, 이 외에도, 액화연료가스를 냉각시키기 위한 다양한 형태의 냉각장치로 변경될 수 있음은 물론이다.

컨트롤러(910)는 감지센서(920)에서 측정된 액화연료가스의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 높으면, 액화연료가스의 온도를 기 설정된 기준 온도 이하로 낮추기 위한 작동신호를 쿨러(930)에 인가할 수 있다.

예를 들어, 액화연료가스 탱크(400)에서 배출된 액화연료가스가 BOG(대략 -140° ~ -60°온도)이거나 BOG를 포함한 액화연료가스(-163°보다 높은 온도)일 경우, 이 액화연료가스의 온도는 고온초전도 발전기(100)의 냉매로서 사용하기에 부적합할 수 있다.

이에 따라, 감지센서(920)를 통해 액화연료가스 탱크(400)에서 배출된 액화연료가스의 온도를 측정한 후, 측정된 액화연료가스의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 높으면, 컨트롤러(910)는 액화연료가스의 온도를 기 설정된 기준 온도 이하로 낮추기 위한 작동신호를 쿨러(930)에 인가함으로써, 액화연료가스의 온도를 고온초전도 발전기(100)의 냉매로서 사용하기에 적합한 온도로 낮출 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 적은 수의 고온초전도 발전기를 통해서, 많은 양의 전기 생산이 가능하고, 별도의 냉매 추가 없이, 액화연료가스 탱크의 액화연료가스를 고온초전도 발전기의 냉매로 활용할 수 있고, 선박 내 저장공간이 극대화되어 많은 수의 액화연료가스 탱크를 적재할 수 있고, 상황에 따라 필요한 전력만을 생산할 수 있어 에너지 절약이 가능하다는 장점을 갖는다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

100 :고온초전도 발전기 200 :배전반
300 :고온초전도 케이블 400 :액화연료가스 탱크
500 :콤프레셔 600 :발전기 엔진
700 :연료 발전기

Claims (5)

1. 전원 공급을 위한 고온초전도 발전기;
   상기 고온초전도 발전기로부터 공급받은 전원을 공급받는 배전반;
   상기 고온초전도 발전기 및 상기 배전반 사이를 연결하는 고온초전도 케이블;
   상기 고온초전도 발전기에 액화연료가스를 냉매로서 제공하는 액화연료가스 탱크;
   상기 고온초전도 발전기에서 배출된 상기 액화연료가스를 공급받는 콤프레셔;
   상기 액화연료가스 탱크에서 상기 고온초전도 발전기에 이동되는 상기 액화연료가스의 온도를 측정하는 감지센서;
   상기 액화연료가스의 온도를 기 설정된 기준 온도 이하로 낮추기 위한 쿨러; 및
   상기 감지센서에서 측정된 상기 액화연료가스의 온도가 상기 기 설정된 기준 온도보다 높으면, 상기 액화연료가스의 온도를 상기 기 설정된 기준 온도 이하로 낮추기 위한 작동신호를 상기 쿨러에 인가하여, 상기 액화연료가스의 온도를 상기 고온초전도 발전기의 냉매로서 사용하기에 적합한 온도로 조절하는 컨트롤러를 포함하는 고온초전도 발전기를 이용한 선박.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 고온초전도 발전기의 회전축에 구동 연결되는 발전기 엔진을 더 포함하고,
   상기 콤프레셔는
   상기 고온초전도 발전기에서 배출된 상기 액화연료가스를 상기 발전기 엔진에 공급하여 상기 발전기 엔진의 연료로 사용되도록 하는 고온초전도 발전기를 이용한 선박.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 고온초전도 발전기, 상기 발전기 엔진 및 상기 배전반은,
   상호 근접하게 위치되도록 선박 내 동일한 공간에 배치되는 고온초전도 발전기를 이용한 선박.
4. 제 2 항에 있어서,
   필요에 따라 상기 배전반에 전원을 공급하는 연료 발전기를 더 포함하고,
   상기 연료 발전기는
   중유와 액화연료가스를 혼소하거나 선택적으로 연료로 사용가능한 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진 발전기를 포함하는 고온초전도 발전기를 이용한 선박.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 쿨러는
   열매체를 압축하기 위한 압축기;
   상기 압축기를 통과한 열매체를 냉각시키는 냉각기;
   상기 냉각기를 통과한 열매체의 부피를 팽창시키고 온도를 냉각시키는 팽창기; 및
   상기 팽창기를 통과한 열매체와 상기 액화연료가스 간 열교환을 시키는 열교환기를 포함하는 고온초전도 발전기를 이용한 선박.

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