dmu 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한...

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1 CASPER Computer Aided Systems and Production Engineering Research Lab. DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구 2013. 05. 24. 정용국, 이동건(서울대학교 조선해양공학과) 정우철, 류철호(인하공업전문대학 조선해양과) 신종계(서울대학교 조선해양공학과 해양시스템공학연구소) 2013년도 한국해양과학기술협의회 공동학술대회 2013.05.23 ~ 05.25, 제주국제컨벤션센터(ICC)

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Page 1: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

1 CASPER Computer Aided Systems and Production Engineering Research Lab.

DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

2013. 05. 24.

정용국, 이동건(서울대학교 조선해양공학과)

정우철, 류철호(인하공업전문대학 조선해양과)

신종계(서울대학교 조선해양공학과 및 해양시스템공학연구소)

2013년도 한국해양과학기술협의회 공동학술대회 2013.05.23 ~ 05.25, 제주국제컨벤션센터(ICC)

Page 2: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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목차

서론 연구 배경

연구의 필요성

연구 방법

본론 선박용 전기추진 시스템

DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박 설계 프로세스

전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스

운항성능 추정 프로세스의 적용

결론

Page 3: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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연구 배경

IMO 환경보호위원회, 선박 온실가스 배출 규제 신조선 - 에너지효율 설계지수(EEDI) 규제

현존선 - 에너지효율 운항지수(EEOI) 규제, 선박 에너지효율 관리계획서(SEEMP)

모든 선박 - 시장기반 조치(MBM) 시행

2015년까지 10%, 2020년까지 20%, 2030년까지 30% 감축 계획

SEEMP: Ship Energy Efficiency Management Plan MBM: Market-Based Measures

EEDI: Energy Efficiency Design Index EEOI: Energy Efficiency Operational Indicator

신조선

EEDI 규제

현존선

EEOI 규제, SEEMP 상시 비치

2013년 1월 1일, 총톤수 400GT 이상 선박 규제 시행

모든 선박

MBM 시행

경제적, 시장적 접근방안(탄소세 등)

Page 4: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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연구 배경

IMO 환경보호위원회, 선박 온실가스 배출 규제 신조선 - 에너지효율 설계지수(EEDI) 규제

현존선 - 에너지효율 운항지수(EEOI) 규제, 선박 에너지효율 관리계획서(SEEMP)

모든 선박 - 시장기반 조치(MBM) 시행

2015년까지 10%, 2020년까지 20%, 2030년까지 30% 감축 계획

이산화탄소 감축을 위한 친환경 선박 수요 증가 예상 선박의 운항속도가 아닌 운임비용의 중요성 부각

기존에 발주된 친환경 선박의 연비 개선효과 입증

운임비용 절감, 에너지 절약 및 온실가스 감축 목적의 친환경 선박 수요 증가 예상

SEEMP: Ship Energy Efficiency Management Plan MBM: Market-Based Measures

EEDI: Energy Efficiency Design Index EEOI: Energy Efficiency Operational Indicator

신조선

EEDI 규제

현존선

EEOI 규제, SEEMP 상시 비치

2013년 1월 1일, 총톤수 400GT 이상 선박 규제 시행

모든 선박

MBM 시행

경제적, 시장적 접근방안(탄소세 등)

Page 5: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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연구 배경

친환경 선박: 전기추진 선박의 특징 및 필요성

무공해 추진시스템

Zero-emission 달성

추진 시스템의 소형화

선미부 선형 최적화 가능

복잡한 축계 제거

축 전달 손실 에너지 최소화

구성요소의 유연한 배치

Trim 조절 시 유연한 설계 가능

Photovoltaic system`

PMS

Battery

Motor Propulsion

power

Electrical load

G.S. Spagnolo, D. Papalilo, A. Martocchia, Eco friendly Electric Propulsion Boat(2011)

Y. Hideki, M. Hiroaki, S. Aiichiro, Energy Saving Technology of the Diesel-Electric Propulsion System for Japanese Coastal Vessels(2011)

Engine Reduction

gear Shaft Shaft

Energy loss Energy loss

Engine Generator

Motor drive

Motor Cable

Cable

R. O’Rourke, Electric-Drive Propulsion for U.S. Navy Ships: Background and Issues for Congress(2000)

Fixed position

No.1 FWT

No.2 FWT

Battery

Battery

Battery

Battery

Battery

Battery

Flexible position

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연구 배경

전기추진 선박 개발 및 연구 사례 미 해군, 함정 내 통합전력시스템(IPS, Integrated Power System) 구축

일본, Super Eco-ship(SES) 프로젝트

− 고효율 가스터빈 및 Contra-rotating POD을 탑재한 전기추진 선박 개발 및 테스트

− 선미부 선형 최적화 – 저항성능 향상

− 최대 화물 수송능력 향상 – 효율적인 공간 활용

Y. Hideki, M. Hiroaki, S. Aiichiro, Energy Saving Technology of the Diesel-Electric Propulsion System for Japanese Coastal Vessels(2011)

선미부 선형 최적화 SES 프로젝트 결과 - 연료 소비량 비교

Page 7: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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연구 필요성

전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스 필요성 국내 전기추진 레저선박 설계 사례 부족

− 어선 및 소형 레저보트 중심 사례 (Kim and Jeong, 2010), (Jeong and Park, 2011)

전기추진 레저선박 추진시스템 설계 과정의 특징

− 선형 및 디자인이 다양하기 때문에 실적선 자료를 참고하기 어려움

− 대형 상선에 비하여 공간이 협소하여 구성 요소 선정 시 제약조건 발생

− 배터리가 차지하는 무게 및 부피가 큼

− 초기 설계 과정에서 추진시스템을 설계하기 위한 기준이 필요함

대형 상선 추진시스템 설계 프로세스

선형 설계 저항성능 추정

요구조건을 만족 하는가?

주기관 선정

디젤 엔진

다음 단계

전기추진 레저선박 추진시스템 설계 프로세스

선형 설계 저항성능 추정

추진시스템 선정

요구조건을 만족 하는가?

모터

배터리 다음 단계

대형 상선에서 연료의 양은 레저선박에 비하여 중요한 요소가 아님

연료탱크

실적선 자료

Trim 및 무게 중심 변경

Kim, H. S. and Jeong, U. C., A Study on the Flow Characteristics between two Hull Forms of Catamaran Leisure Boat(2010) Jeong, U. C. and Park, R. S., A Study on Hull Form Development for Catamaran Type Electric Propulsion Fishing Boat using Model Test (2011)

Page 8: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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연구 필요성

전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스 필요성 국내 전기추진 레저선박 설계 사례 부족

− 어선 및 소형 레저보트 중심 사례 (Kim and Jeong, 2010), (Jeong and Park, 2011)

전기추진 레저선박 추진시스템 설계 과정의 특징

− 선형 및 디자인이 다양하기 때문에 실적선 자료를 참고하기 어려움

− 대형 상선에 비하여 공간이 협소하여 구성 요소 선정 시 제약조건 발생

− 배터리가 차지하는 무게 및 부피가 큼

− 초기 설계 과정에서 추진시스템을 설계하기 위한 기준이 필요함

대형 상선 추진시스템 설계 프로세스

선형 설계 저항성능 추정

요구조건을 만족 하는가?

주기관 선정

디젤 엔진

다음 단계

전기추진 레저선박 추진시스템 설계 프로세스

선형 설계 저항성능 추정

추진시스템 선정

요구조건을 만족 하는가?

모터

배터리 다음 단계

대형 상선에서 연료의 양은 레저선박에 비하여 중요한 요소가 아님

연료탱크

실적선 자료

Trim 및 무게 중심 변경

Kim, H. S. and Jeong, U. C., A Study on the Flow Characteristics between two Hull Forms of Catamaran Leisure Boat(2010) Jeong, U. C. and Park, R. S., A Study on Hull Form Development for Catamaran Type Electric Propulsion Fishing Boat using Model Test (2011)

Page 9: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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연구 필요성

전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스 필요성 국내 전기추진 레저선박 설계 사례 부족

− 어선 및 소형 레저보트 중심 사례 (Kim and Jeong, 2010), (Jeong and Park, 2011)

전기추진 레저선박 추진시스템 설계 과정의 특징

− 선형 및 디자인이 다양하기 때문에 실적선 자료를 참고하기 어려움

− 대형 상선에 비하여 공간이 협소하여 구성 요소 선정 시 제약조건 발생

− 배터리가 차지하는 무게 및 부피가 큼

− 초기 설계 과정에서 추진시스템을 설계하기 위한 기준이 필요함

대형 상선 추진시스템 설계 프로세스

선형 설계 저항성능 추정

요구조건을 만족 하는가?

주기관 선정

디젤 엔진

다음 단계

전기추진 레저선박 추진시스템 설계 프로세스

대형 상선에서 연료의 양은 레저선박에 비하여 중요한 요소가 아님

연료탱크

실적선 자료

3D Digital Mock-up Model Simulation S/W

추진시스템 설계하기 위한 기준으로 3D DMU 모델과 시뮬레이션 S/W 사용

Kim, H. S. and Jeong, U. C., A Study on the Flow Characteristics between two Hull Forms of Catamaran Leisure Boat(2010) Jeong, U. C. and Park, R. S., A Study on Hull Form Development for Catamaran Type Electric Propulsion Fishing Boat using Model Test (2011)

Page 10: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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연구 방법

전기추진 레저선박 운항성능 추정 프로세스 정의

DMU 모델 이용 레저선박 설계 프로세스

선박용 전기추진 시스템 정의

운항성능 추정 프로세스의 적용

Page 11: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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선박용 전기추진 시스템 정의

Page 12: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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선박용 전기추진 시스템

선박용 하이브리드 추진 시스템 구성요소 및 종류

− 발전기, 배터리, 모터, 모터 드라이버 등

− 하이브리드 추진 시스템, 전기 추진 시스템

Hybrid Propulsion System Electrical Propulsion System

Motor Motor drive

Power distribution

Diesel generator

Battery

BMS

Reduction gear

Diesel engine

Power conversion

Ship Service Power

Motor Motor drive

Power distribution

Diesel generator

Battery

BMS

Power conversion

Ship Service Power

Page 13: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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선박용 전기추진 시스템

선박용 하이브리드 추진 시스템 구성요소 및 종류

− 발전기, 배터리, 모터, 모터 드라이버 등

− 하이브리드 추진 시스템, 전기 추진 시스템

Hybrid Propulsion System Electrical Propulsion System

Motor Motor drive

Power distribution

Diesel generator

Battery

BMS

Reduction gear

Diesel engine

Power conversion

Ship Service Power

Motor Motor drive

Power distribution

Diesel generator

Battery

BMS

Power conversion

Ship Service Power

Page 14: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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선박용 전기추진 시스템

선박용 하이브리드 추진 시스템 구성요소 및 종류

− 발전기, 배터리, 모터, 모터 드라이버 등

− 하이브리드 추진 시스템, 전기 추진 시스템

특징

− 소형 선박용 하이브리드 추진 시스템 – 저속 모터 사용 » 전기 모터의 에너지 출력 밀도는 모터의 회전 수에 비례함

» 저속 모터는 같은 출력을 내는 고속 모터에 비하여 크고 무거움

» 공간 및 무게의 제약조건을 만족하며, 최적 회전 수와 토크를 고려한 모터를 선정해야 함

Hybrid Propulsion System Electrical Propulsion System

Motor Motor drive

Power distribution

Diesel generator

Battery

BMS

Reduction gear

Diesel engine

Power conversion

Ship Service Power

Motor Motor drive

Power distribution

Diesel generator

Battery

BMS

Power conversion

Ship Service Power

Page 15: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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DMU 모델 이용 레저선박 설계 프로세스

Page 16: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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DMU 모델 이용 전기추진 레저선박 설계

레저선박 설계 프로세스의 특징 (국내) 중소기업 중심의 레저선박 산업 환경

제조공정 중심의 개발 프로세스 – 설계 검증 미수행

DMU 모델 이용 레저선박 설계 프로세스*

고부가가치 레저선박의 수요 및 관심 증가

DMU 모델을 활용한 설계 검증 및 효율성 증가

*오대균, 이경우, 이창우, 디지털 목업 모델 기반 40ft급 알루미늄 레저보트 설계 (2011)

국내 레저선박 산업 환경 특징

중소기업 중심 산업 환경

설계 검증 미수행

제조공정 중심 개발 프로세스

고부가가치 레저선박 수요 및 관심 증가

설계 검증 필요성 대두

DMU 모델 기반 레저선박 설계*

DMU 모델 기반 설계 검증

DMU 모델 기반 저항성능 추정

업무 효율성 증가

Page 17: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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DMU 모델 이용 전기추진 레저선박 설계

DMU 모델 이용 레저선박 설계 프로세스*

초기 요구조건 정의

기본설계 수행

− 선형 설계

− 1차 주기관 선정

− 일반 배치

DMU 모델 기반 계산

− 중량 추정

− 유체정역학적 계산

− 상세 주요 제원 추정

평가 및 재계산

− 평가 후 반복 계산

초기 요구조건

주요 제원 (L, B, D, T, disp.) 요구속력 (Vmax, Vservice)

선형 설계 구조 설계

선형 구조 모델

주요 기관 배치 1차 주기관 선정 일반 배치

중량 추정

초기 DMU 모델 생성

유체정역학적 계산

하중 조건

상세 주요 제원 (Cp, Cb, LCB…)

트림 조절

DMU 모델 수정

최종 G/A 주요 제원

설계 결과

*오대균, 이경우, 이창우, 디지털 목업 모델 기반 40ft급 알루미늄 레저보트 설계 (2011)

Page 18: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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전기추진 레저선박 운항성능 추정 프로세스 정의

Page 19: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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전기추진 레저선박 운항성능 추정 프로세스

전기추진 레저선박 운항성능 추정 레저선박 운항성능 정의

− 레저선박의 목적이나 용도를 고려하여 운항성능 개념 정의

− 정해진 시간 동안 주어진 구역에서 선박을 운항 할 수 있어야 함

− 1회 충전 시 운항 할 수 있는 시간 또는 거리

운항성능 추정 프로세스

− 초기 설계 과정에서 추진시스템을 설계하기 위한 기준

− 운항 시나리오(발전기 가동 시간, 운항 속도)에 따른 운항성능 추정

− 전기추진 시스템 구성요소의 사양과 선체 주요 제원 결정

Step. 1 요구사항 분석

Step. 2 입력자료 정의

Step. 3 전기추진 시스템 설계

Step. 4 전기추진 시스템 운항성능 평가 및 분석

Page 20: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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전기추진 레저선박 운항성능 추정 프로세스

전기추진 레저선박 운항시간 도출 운항시간 = 사용 가능한 에너지 총량 / 단위 시간 당 사용하는 에너지

Input variables

tG 발전기 가동 시간 [hour]

DHP 전달 마력 (속도의 함수) [kW]

Input constants

EB 배터리 용량 [kWh]

SoC 배터리 SoC [%]

EfB 배터리 효율 [%]

EG 발전기 출력량 [kW]

EfG 발전기 효율 [%]

MS Sea Margin [%]

MM 모터 Margin [%]

ED 선내 전원 소요량 [kW]

Calculate function

사용가능 한 에너지 총량 [kWh]

단위 시간당 사용하는 에너지 [kW]

𝑡 =𝑇𝑇𝑡𝑇𝑇 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸

𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 𝑐𝑇𝐸𝑐𝑐𝑐𝑡𝑐𝑇𝐸 𝑐𝐸𝐸 𝑡𝑐𝑐𝐸

=𝐸𝐵 ∙ 𝑆𝑇𝑆 ∙ 𝐸𝐸𝐵 + 𝐸𝐺 ∙ 𝐸𝐸𝐺 ∙ 𝑡𝐺

𝐷𝐷𝐷 ∙ 𝑀𝑆 ∙ 𝑀𝑀 + 𝐸𝐷

Output values

t 운항 시간 [hour]

배터리 용량 [kWh]

배터리 무게 [kg]

배터리 부피 [m3]

배터리

발전기 출력량 [kW]

발전기 무게 [kg]

발전기 부피 [m3]

발전기

모터 출력 [kW]

모터 무게 [kg]

모터부피 [m3]

모터

Page 21: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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운항성능 추정 프로세스의 적용

Page 22: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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운항성능 추정 프로세스의 적용 1

적용대상 선박 개요 노후화된 디젤 추진 레저선박을 전기추진 시스템으로 변환

저항 성능 정보는 존재하지 않음

입력 조건

− 모터 : 40 kW급 2기 탑재

− 발전기 : 모터 출력의 ½

− 배터리 : 144 kWh 이상

운항성능 추정 프로세스 적용 방안 적용대상 선박 DMU 모델 생성

DMU 모델 이용 유체정역학적 계산

저항 및 유효마력 추정

배터리 및 추진시스템 설계

운항성능 추정 결과 도출

운항성능 추정 프로세스 적용대상 선박

적용대상 선박 주요 제원

LOA 16.40 [m]

Bmld 4.50 [m]

Dmld 1.90 [m]

LWT 13.70 [ton]

DWT 18.53 [ton]

Page 23: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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운항성능 추정 프로세스의 적용 1

적용대상 선박 DMU 모델 생성 유체정역학적 계산 및 저항 추정을 위한 DMU 모델 생성

CATIA 이용 선형 및 주요 구성요소 모델링

적용대상 선박 DMU 모델 생성

DMU 모델 이용 유체정역학적 계산

저항 및 유효마력 추정

배터리 및 추진시스템 설계

운항성능 추정 결과 도출

000 - MARADO assembly

100 – Hull structures

200 – Propulsion system

600 – Outfittings and Furnishings

900 – Major spaces

적용대상 선박 DMU 모델

Page 24: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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운항성능 추정 프로세스의 적용 1

DMU 모델 이용 유체정역학적 계산 선박 설계 전용 소프트웨어(Maxsurf) 활용

모델링 된 선체의 설계 흘수에서의 선박계산 결과 도출

− 배수량 등곡선도 도출

− 하중 조건에 따른 평형상태 파악 (Trim 값)

− 계산 결과는 저항 추정과정에서 입력 값으로 사용됨

적용대상 선박 DMU 모델 생성

DMU 모델 이용 유체정역학적 계산

저항 및 유효마력 추정

배터리 및 추진시스템 설계

운항성능 추정 결과 도출

주요 유체정역학적 항목 계산 수행 결과

항목 경하 중량 조건 만재 중량 조건 단위

Draft 0.774 0.874 [m]

Displacement 13.70 18.53 [ton]

Water plane area 43.259 45.911 [m2]

Trim -0.104 -0.033 [m]

Wetted area 55.463 59.942 [m2]

Cp 0.698 0.720 -

Water line length 14.522 14.590 [m]

Cb 0.193 0.233 -

Cm 0.343 0.381 -

Cwp 0.765 0.800 -

Page 25: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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운항성능 추정 프로세스의 적용 1

적용대상 선박의 저항 및 유효마력 추정 Maxsurf Hullspeed 모듈 활용

활주형 선형, 배수량형 선형에 알맞은 저항 추정식 선택

모터 최소 출력을 결정하는 기준으로 사용

적용대상 선박 DMU 모델 생성

DMU 모델 이용 유체정역학적 계산

저항 및 유효마력 추정

배터리 및 추진시스템 설계

운항성능 추정 결과 도출

속도에 따른 저항 추정 결과

Speed

[knots]

Savitsky-planning method Holtrop method

LWT Full load LWT Full load

5 - - 0.73 kN 0.79 kN

10 - - 4.82 kN 6.04 kN

15 11.20 kN 11.70 kN 9.59 kN 13.42 kN

20 18.36 kN 18.84 kN 14.95 kN 20.22 kN

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20EHP [kW

]

Speed [knots]

Holtrop

Savitsky-planning

속도-유효마력 추정 결과

Page 26: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

26

운항성능 추정 프로세스의 적용 1

배터리 및 추진시스템 구성요소 설계 추진시스템 – 입력 조건 값 사용

− 모터 : 40 kW급 2기 탑재

− 발전기 : 20 kW급 2기 탑재 (모터 출력의 ½)

배터리 시스템 – 상용 리튬이온 배터리 정보 활용

− Winston社 상용 리튬이온 배터리 정보 활용

− 입력 조건을 만족하는 배터리 기본 구성 요소 조합 후 다양한 요소를 고려하여 선택

» 무게, 부피, 전압, 전류 등

적용대산 선박 DMU 모델 생성

DMU 모델 이용 유체정역학적 계산

저항 및 유효마력 추정

배터리 및 추진시스템 설계

운항성능 추정 결과 도출

배터리 기본 구성 요소 결정 – 144 kWh 이상

모델명 수량 [개] 부피 [m3] 용량 [kWh] 무게 [kg] 전류 [A]

WB-LSP30000AHA 3 0.572 148.500 930.000 30000

WB-LYP10000AHA 5 0.953 170.000 865.000 10000

WB-LSP2000AHA 44 0.703 145.200 748.000 2000

WB-LYP300AHA 142 0.873 144.840 1363.200 300

Page 27: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

27

운항성능 추정 프로세스의 적용 1

배터리 및 추진시스템 구성요소 설계 추진시스템 – 입력 조건 값 사용

− 모터 : 40 kW급 2기 탑재

− 발전기 : 20 kW급 2기 탑재 (모터 출력의 ½)

배터리 시스템 – 상용 리튬이온 배터리 정보 활용

− Winston社 상용 리튬이온 배터리 정보 활용

− 입력 조건을 만족하는 배터리 기본 구성 요소 조합 후 다양한 요소를 고려하여 선택

» 무게, 부피, 전압, 전류 등

적용대상 선박 DMU 모델 생성

DMU 모델 이용 유체정역학적 계산

저항 및 유효마력 추정

배터리 및 추진시스템 설계

운항성능 추정 결과 도출

배터리 기본 구성 요소 결정 – 144 kWh 이상

모델명 수량 [개] 부피 [m3] 용량 [kWh] 무게 [kg] 전류 [A]

WB-LSP30000AHA 3 0.572 148.500 930.000 30000

WB-LYP10000AHA 5 0.953 170.000 865.000 10000

WB-LSP2000AHA 44 0.703 145.200 748.000 2000

WB-LYP300AHA 142 0.873 144.840 1363.200 300

배터리 직렬 연결 가정 / 부피, 무게 및 전류의 세기를 종합하여 평가함

Page 28: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

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운항성능 추정 프로세스의 적용 1

적용대상 선박 운항거리 및 운항시간 도출 최대 운항속도

− 모터의 최대출력(80 kW)에 해당하는 운항속도

− 운항시간 도출 시 상한 값으로 사용

적용대상 선박 DMU 모델 생성

DMU 모델 이용 유체정역학적 계산

저항 및 유효마력 추정

배터리 및 추진시스템 설계

운항성능 추정 결과 도출

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

0.0 5.0 10.0 15.0

DHP [kW

]

Speed [knots]

DHP[kW]

속도-전달마력 추정 결과

11.5 knots

Page 29: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

29

운항성능 추정 프로세스의 적용 1

적용대상 선박 운항거리 및 운항시간 도출 운항 시나리오에 따른 운항성능 추정 결과 도출

− 운항시간 = 사용 가능한 에너지 / 단위 시간 당 사용 에너지

− 발전기 가동 시간과 운항속도를 변수로 사용

− 발전기 가동 시간은 4 시간 이하로 제한

적용대상 선박 DMU 모델 생성

DMU 모델 이용 유체정역학적 계산

저항 및 유효마력 추정

배터리 및 추진시스템 설계

운항성능 추정 결과 도출

운항 시나리오에 따른 운항시간

5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5

운항속도 [kts]

발전기가동시간

[hour]

0

1

2

3

4

32.2 22.1 14.8 10.2 7.2 5.3 4.0 3.1 2.5 2.0 1.7 1.4 1.2 1.0

44.0 30.2 20.3 13.9 9.9 7.2 5.4 4.2 3.4 2.7 2.3 1.9 1.6 1.4

55.9 38.3 25.8 17.7 12.5 9.2 6.9 5.4 4.3 3.5 2.9 2.4 2.1 -

67.8 46.4 31.2 21.4 15.2 11.1 8.4 6.5 5.2 4.2 3.5 - - -

79.6 54.6 36.7 25.2 17.8 13.0 9.8 7.6 6.1 4.9 4.1 - - -

최대운항거리 및 최대운항시간

운항속도 [kts] 최대운항거리 [km] 최대운항시간 [hour]

5.0 737.13 79.61

5.5 555.63 54.55

6.0 407.63 36.69

6.5 302.76 25.15

7.0 230.81 17.81

7.5 181.03 13.03

8.0 145.83 9.84

8.5 120.32 7.64

9.0 101.37 6.08

9.5 86.98 4.94

10.0 75.85 4.10

10.5 47.11 2.42

11.0 42.19 2.07

11.5 30.11 1.41

Page 30: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

30

운항성능 추정 프로세스의 적용 1

적용대상 선박 운항거리 및 운항시간 도출 운항 시나리오에 따른 운항성능 추정 결과 도출

− 운항시간 = 사용 가능한 에너지 / 단위 시간 당 사용 에너지

− 발전기 가동 시간과 운항속도를 변수로 사용

− 발전기 가동 시간은 4 시간 이하로 제한

01

23

4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 발전기가동시간 (hour)

운항가능시간

(hour)

운항속도 (knots)

운항 시나리오에 따른 운항시간

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

100

200

300

400

500

600

700

800

최대운항시간

(hour)

최대운항거리

(km

) 운항속도 (knots)

최대운항거리

최대운항시간

최대운항거리 및 최대운항시간

적용대상 선박 DMU 모델 생성

DMU 모델 이용 유체정역학적 계산

저항 및 유효마력 추정

배터리 및 추진시스템 설계

운항성능 추정 결과 도출

Page 31: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

31

운항성능 추정 프로세스의 적용 1

적용대상 선박 운항거리 및 운항시간 도출 운항 시나리오에 따른 운항성능 추정 결과 도출

− 운항시간 = 사용 가능한 에너지 / 단위 시간 당 사용 에너지

− 발전기 가동 시간과 운항속도를 변수로 사용

− 발전기 가동 시간은 4 시간 이하로 제한

운항 시나리오에 따른 운항시간

5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5

운항속도 [kts]

발전기가동시간

[hour]

0

1

2

3

4

32.2 22.1 14.8 10.2 7.2 5.3 4.0 3.1 2.5 2.0 1.7 1.4 1.2 1.0

44.0 30.2 20.3 13.9 9.9 7.2 5.4 4.2 3.4 2.7 2.3 1.9 1.6 1.4

55.9 38.3 25.8 17.7 12.5 9.2 6.9 5.4 4.3 3.5 2.9 2.4 2.1 -

67.8 46.4 31.2 21.4 15.2 11.1 8.4 6.5 5.2 4.2 3.5 - - -

79.6 54.6 36.7 25.2 17.8 13.0 9.8 7.6 6.1 4.9 4.1 - - -

최대운항거리 및 최대운항시간

운항속도 [kts] 최대운항거리 [km] 최대운항시간 [hour]

5.0 737.13 79.61

5.5 555.63 54.55

6.0 407.63 36.69

6.5 302.76 25.15

7.0 230.81 17.81

7.5 181.03 13.03

8.0 145.83 9.84

8.5 120.32 7.64

9.0 101.37 6.08

9.5 86.98 4.94

10.0 75.85 4.10

10.5 47.11 2.42

11.0 42.19 2.07

11.5 30.11 1.41

적용대상 선박 DMU 모델 생성

DMU 모델 이용 유체정역학적 계산

저항 및 유효마력 추정

배터리 및 추진시스템 설계

운항성능 추정 결과 도출

Page 32: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

32

운항성능 추정 프로세스의 적용 2

적용대상 선박 개요 2011년 농림수산식품부, “연료비 절감을 위한 소형전기어선 추진 시스템 개발” 프로젝트에서 개발된 소형전기어선용 선형

프로젝트 시 수행한 시운전 결과와 운항성능 추정 프로세스 적용 결과 비교

적용대상 선박 주요 제원 및 선형

− 배수량 2.5톤급 쌍동형 소형어선

적용대상 선박 주요 제원

항목 값 단위 비고

Lpp 6.50 [m] 쌍동형 선박

B 3.00 [m]

B’ 0.65 [m] 단동폭 길이

D 1.00 [m]

d 0.40 [m]

Cb 0.40 [m]

Displacement 2.34 [ton] 적용대상 선박의 선형

Page 33: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

33

운항성능 추정 프로세스의 적용 2

운항성능 추정 프로세스 적용 결과 모형시험 결과를 바탕으로 속도-전달마력 관계 도출

전기추진 시스템 구성요소 사양 결정

− 배터리 시스템 : 에너지 총량 14.4 kWh

− 추진 시스템 : 15 kW급 모터 2기 (발전기 용량은 모터 용량의 ½로 가정)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

2 3 4 5 6 7 8 9 10

전달마력

(kW

)

운항속도 (knots)

속도 – 전달마력 관계

0

5

10

15

20

25

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35

0

20

40

60

80

100

120

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180

200

2 3 4 5 6 7 8 9 10

최대운항시간

(hour)

최대운항거리

(km

)

운항속도 (knots)

Max. operating distance

Max. operating time

운항성능 추정 프로세스 적용 결과 (15 kW-Twin)

Page 34: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

34

결론

결론 전기추진 레저선박 운항성능 추정 프로세스 필요성 확인

DMU 모델을 활용한 전기추진 레저선박 운항성능 추정 프로세스 정립

기존에 개발되었던 전기추진 선박에 운항성능 추정 프로세스 적용 및 검증

기대효과 전기추진 레저선박 도입 평가 기준으로 활용

전기추진 레저선박의 추진시스템을 설계하기 위한 기준으로 활용

향후 연구 계획 모든 구성 요소의 사양이 주어지지 않았을 때, 운항성능 추정 프로세스의 적용

운항성능 추정 프로세스를 응용한 어플리케이션 개발

다양한 종류의 선박에 적용 및 범용적 평가 프로세스 정립

Page 35: DMU 모델을 이용한 전기추진 레저선박의 운항성능 추정 프로세스에 관한 연구

35 CASPER Computer Aided Systems and Production Engineering Research Lab.

THANK YOU!

정용국 / Yong-Kuk Jeong

[email protected]

Department of Industrial Engineering and Naval Architecture Seoul National University

2013년도 한국해양과학기술협의회 공동학술대회 2013.05.23 ~ 05.25, 제주국제컨벤션센터(ICC)