KR20220141133A

KR20220141133A - 풍력발전기 날개의 저항 시험용 알루미늄 선박

Info

Publication number: KR20220141133A
Application number: KR1020210047297A
Authority: KR
Inventors: 김광중
Original assignee: 주식회사 번영중공업
Priority date: 2021-04-12
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-10-19

Abstract

본 발명은 알루미늄 선체 전기추진선박에 관한 것으로, 구체적으로는 전기추진 동력의 에너지 효율을 높이기 위한 방법으로써 풍력발전기 날개를 설치했을 때, 공기 저항의 감소 여부를 알아보고 경제성 및 미래 발전성 등의 타당성을 조사하기 위한 목적으로 제작하는 선박에 관한 것이다.

Description

풍력발전기 날개의 저항 시험용 알루미늄 선박{Aluminium boat for testing of wind resist by wind turbine blade}

알루미늄 선체 보트는 다른 종류의 선박과 비교되는 특징이 있다.

1) FRP선체 선박에 비해 상대적으로 고가이나 우수한 내구성 및 재활용이 가능하다.

: FRP선박 대비 상대적으로 고가이나, 강도 및 내구성이 우수하여 안전하고, 폐선 시 재활이 가능하다는 장점이 있다.

2) FRP선체 선박에 비해 작은 동력으로 운용이 가능하여 에너지 효율이 높다.

: 16ft급 선박의 경우 FRP선체 선박은 90마력대가 적용되는 반면, 알루미늄 선체 선박은 50-60마력이 일반적으로 적용되며, 상대적으로 작은 동력으로 운용이 가능해 에너지 효율이 높다는 장점이 있다.

3) 크기에 비해 공간이 넓다.

: 재질의 특성으로 인하여 FRP선체 선박 대비 동일 길이라면 20-30% 정도 공간이 넓다. 이는 공간 활용을 극대화해야 하는 선박의 특성에서 중요한 장점이 된다.

4) 무게가 가볍다.

: 무게가 가볍기 때문에 에너지 소모가 적고, 민첩하다. FRP선체 선박은 진입이 불가능한 영역도 알루미늄 선체선박은 거침없이 진입이 가능하다는 장점이 있다.

5) 내구성이 좋다.

: FRP선체 선박의 경우 운행 중 사고로 보트가 험프 등에 접촉 사고를 냈을 경우 파손이 되어 폐선을 해야 하는 경우가 발생하지만 알루미늄은 찌그러지는 정도로 피해가 적다.

선박이 추진하는 데 필요한 에너지의 사용량을 줄이기 위한 다양한 방법들이 고안되어 사용되고 있으며, 화석연료의 고갈 및 지구온난화 문제에 대응하기 위한 다양한 연구와 시도가 이뤄지고 있는 실정이다.

선박이 추진하는 데 영향을 주는 요소들은 연료, 선체의 재질, 선박의 구조 및 형상, 운용 시스템 등에 의해 결정되며, 해수와의 마찰 저항 및 공기의 저항을 주요 변수로 인식하여 다루고 있다.

선박의 연료 변경에 따른 선형의 설계 변경 및 구조변경이 필수적이기 때문에 연료의 변경은 선박의 미래를 예측하는데 지대한 영향을 미치는 요소이다. 전기추진선의 사용이 늘고 있는 점은 이러한 요소들이 반영된 결과라고 할 것이다.

선박의 저항을 낮추기 위한 노력들의 대표적인 사례들로는 선수 벌브, 유선형의 선형설계, 선체 표면의 나노구조물 형성, 선측의 유체 통로 설치, 프로펠러의 표면 설계, 선미 유동저항 감소 설계 등의 선체 구조와 관련된 분야가 주로 다뤄지며, 저항감소용 도료 사용, 선박의 재질 변경 등의 사항을 고려하여 변경하는 사례들도 많다.

따라서, 알루미늄 선박에 전기추진시스템을 갖추는 것은 미래의 선박시장에서 차지하는 비중이 높아질 가능성이 크다고 할 것이다.

레져 보트 등의 소형 선박에 적용하는 전기추진용 선외기의 일반적인 적용 상황은 다음과 같다.

- 전기추진 선외기의 주요 구성은 크게 상부에 파워 헤드(power head), 중앙부(mid section) 및 하부에 로워 유닛(lower unit)으로 구성된다.

- 상부의 파워 헤드(power head)는 주 동력원인 전기모터 구성품이 위치하고 있으며, 중앙부(mid section)의 주 기능은 전기모터의 동력을 하부인 로워 유닛으로 전달하면서 선외기를 선박의 선미에 고정시키는 역할을 하게 되며 이에 관계된 동력전달 샤프트 등이 위치한다.

- 전기추진 선외기의 주요 구성부에 해당되는 로워 유닛(lower unit)의 경우 전기 모터로부터 전달받은 동력을 추진력으로 전환하는 기능 및 이를 위해 프로펠러, 기어박스 등이 위치하고 있다.

- 전기추진 선외기가 장착된 알루미늄 선박의 경우 전진, 정지, 역전 등 조작성이 매우 우수하여 양식장 관리어선, 유어선 등 소형 어선에 적합하며, 특히, 후진에도 전진과 같은 힘을 신속히 낼 수 있어서 도서지방의 제한된 해역에서 운전이 용이할 것으로 전망한다.

대한민국 등록특허 2016-0134261 선박의 마찰저항 감소방법 및 이에 사용되는 시트 대한민국 공개특허 2015-0041881 선박의 마찰저항 감소 시스템 및 감소방법 대한민국 공개특허 2004-0046263 선박의 표면마찰 저항 감소방법 대한민국 공개특허 2002-0077112 선박의 선체표면 난류제어에 의한 항력감소 방법 및 장치 대한민국 공개특허 2003-0077451 수중마찰저항이 작은 도막 및 지지체의 수중마찰 감소방법 대한민국 공개 실용신안 20-0435347 생산저장선박의 공기저항 감소장치 대한민국 공개특허 10-1941061 유동저항 감소를 위한 선박의 선미구조 대한민국 공개특허 10-2099523 선체마찰저항 저감장치 및 선박 대한민국 공개특허 10-1259626 마찰저항 감소선박 대한민국 공개특허 10-2014-0120149 가변형 선수벌브를 이용한 선박의 저항 절감장치 및 방법 대한민국 등록특허 10-1475267 선박의 저항 감소장치 대한민국 공개특허 10-2011-0053629 저항감소 바퀴가 구비된 선박 대한민국 공개특허 10-0529664 유체마찰력 감소장치 및 방법 대한민국 공개특허 10-16165655 장기방오성 및 우수한 마찰저항 저감성능을 갖는 방오도료 조성물 및 이의 제조방법

알루미늄 선체 선박은 알루미늄의 재질 특성상 선체의 하중을 줄일 수 있기 때문에 엔진의 추진효율도 좋아져서 선박의 에너지 절감에 기여하는 것은 당연한 것이다. 다만, 전기추진 선박의 경우에 축전지의 축전용량의 한계 등으로 인해서 선박운용의 제한이 따르는 것이 사실이다. 따라서, 육상에서 충전한 축전지를 선박에서 사용하는 방식으로는 선박의 운용이 자유롭지 못한 문제점이 있다.

또한, 축전에 의한 전기사용은 에너지 효율의 측면에서 볼 때, 에너지 사용량을 증가시키는 문제점이 상존한다. 원유의 역률이 0.99 인데 비해서 전기의 역률은 0.25이기 때문에 동일한 힘을 얻기 위해서는 전력발생량을 대폭 증가해야 하는 이율배반적인 상황에 마주하게 되는 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 선박 추진시의 에너지 효율을 높이는 방법을 찾아본 결과 공기저항을 줄이는 방법에 대해서 착안하게 되었으며, 풍력발전 날개를 설치하는 것이 가장 효과적인 방안이라는 점을 도출하였다. 따라서, 풍력발전기 날개의 구조 형상 및 설치 위치 등의 요소들을 시험하는 선박이 필수적이다.

일반적으로 선체에 작용하는 유체의 영향에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 에너지 밀도가 높은 물과 선체의 관련성에 대한 연구가 집중되었던 것이 사실이다. 그 결과로 선수 벌브, 유선형 선형설계, 선체 표면의 나노구조물, 선측의 유체 통로, 프로펠러의 표면 설계, 선미 유동저항 감소 설계 등의 선체 구조와 관련된 분야가 주로 다뤄지며, 저항감소용 도료 사용 등의 적용 사례들이 다수 존재한다. 다만, 공기저항과 선체의 연관성에 대한 연구는 지지부진한 실정이라고 할 수 있다.

본 발명은 공기저항을 줄여서 선박의 추진효율을 줄이기 위한 방법으로 선체에서 공기저항을 가장 많이 받는 곳을 선택하여 풍력발전기 날개를 설치하여 공기저항의 감소 여부를 알아보는 것이다. 이때, 기존의 풍력발전기 날개를 설치하는 것은 제외한다. 기존의 풍력발전기 날개의 단면적은 최대 12%에 불과하여 공기저항을 줄이는 효과를 기대할 수 없기 때문이다. 따라서, 풍력발전기의 단면적이 커서 공기의 저항이 선체에 직접 접촉하지 않도록 하는 것이 본 발명의 주요 목적이며, 공기저항의 여부를 시험하는 핵심 요소이다.

공기의 저항을 받는 선체에 풍력발전기 날개를 설치하여서 공기 저항의 발생특성을 연구함으로써 전기추진선박의 에너지 저감 효과를 시험하는 선박의 필요성을 확보하는 효과가 있다.

도 1은 알루미늄 선체 선박의 정면도로써, 정면에서 볼 때 단면적이 큰 풍력발전기 날개의 배치를 보여준다.

< 20 ~ 정면도 >
도 2는 선박의 측면에서 풍력발전기 날개의 배치를 보여준다.

< 30 ~ 측면도 >
도 3은 단면적이 큰 풍력발전기 날개의 예시를 보여준다.

< 40 ~ 단면적이 큰 풍력발전기 날개 예시 >

본 발명은 정면도(도 1)와 측면도(도 2)에 표현한 바와 같이 풍력발전기 날개(도 3)를 선체의 각 부에 설치하고 CFD 기술을 활용할 수 있도록 기본 시험을 실시한다.

공기저항과 선체의 영향 특성을 기본적 요소로 반영하는 CFD 프로그램을 활용하여 풍향에 따른 선형의 최적화 및 풍력발전기 날개의 설치 위치를 조절할 수 있으며, 이로 인하여 풍력발전기의 날개가 공기저항 감소에 기여할 수 있는지 도출해 내게 된다.

10 : 알루미늄 전기 추진선박의 선체
20 : 정면도
30 : 측면도
40 : 풍력발전기 날개
101 : 조타실 풍력발전기 날개
201 : 선외변 풍력발전기 날개

Claims

알루미늄 선체의 전기추진 선박에서 풍력발전기 날개를 부착하여 공기저항을 시험하는 선박.
청구항 1에 있어서,
선체에 공기가 직접 접촉하는 부위에 부착하는 풍력발전기 날개는 단면적을 크게 하여서 공기저항을 분산되게 하는 선박.
청구항 1에 있어서,
선체에 공기가 직접 접촉하는 부위에 부착하는 풍력발전기 날개는 조타실 전면 또는 선수 및 또는 선측에 부착하여 공기저항을 분산되게 하는 선박.
청구항 2에 있어서,
풍력발전기 날개는 운전자의 시야를 방해하지 않기 위해서 투명재질로 제작하여서 공기저항을 분산되게 하는 선박.