전 세계적으로 환경파괴현상과 화석연료고갈에 대비하여 신재생 에너지 기술 분야의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 신재생에너지 중 풍력발전은 이산화 탄소의 배출과 방사능 누출이 없으며 대용량이 가능하고 국토이용 효율을 높 일 수 있는 장점이 있다. 그러나 바람의 방향과 속도 같은 자연조건에 따라 출력이 변동하기 때문에 주파수 변동을 발생시키는 원인이 된다. 생산과 동시 에 소비되어야 하는 전기에너지의 특성상 시간별, 일별, 계절별로 변화하는 전 력수요의 변동에 대비하여 ...
전 세계적으로 환경파괴현상과 화석연료고갈에 대비하여 신재생 에너지 기술 분야의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 신재생에너지 중 풍력발전은 이산화 탄소의 배출과 방사능 누출이 없으며 대용량이 가능하고 국토이용 효율을 높 일 수 있는 장점이 있다. 그러나 바람의 방향과 속도 같은 자연조건에 따라 출력이 변동하기 때문에 주파수 변동을 발생시키는 원인이 된다. 생산과 동시 에 소비되어야 하는 전기에너지의 특성상 시간별, 일별, 계절별로 변화하는 전 력수요의 변동에 대비하여 에너지 저장 장치를 활용하는 방법을 기본으로 계 통의 안정도를 유지하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 현재까지 개발 된 여러 가지 에너지 저장장치들 중 에너지밀도가 높으며 응답속도가 빠른 초 전도 에너지 저장장치(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)는 대 용량 풍력발전기에 적용하기 적합하다. 대용량 SMES를 제작하기 위해서는 높은 자장특성을 갖고 있는 2세대 고온 초전도 선재를 사용하는 것이 효율적이다. SMES의 에너지밀도를 높이기 위해 서는 선재에 많은 전류를 흘려야 하고, 수직자기장이 커지면 임계전류가 작아 지는 2세대 고온초전도 선재의 특성상 토로이드형태의 SMES가 유리하다. 목적에 따라 선재의 사용량을 줄이고 체적을 줄이기 위해서는 SMES를 설계 하기 전에 정확한 설계와 평가가 필요하다. 유한요소법(Finite Elements Method, FEM)을 사용한 상용프로그램을 이용하여 쉽게 해석할 수 있으나, 토 로이드형태의 SMES는 대칭성의 문제로 3차원해석을 해야만 한다. 하지만 여 러 가지 제약조건이 따르며 해석 시간이 많이 소요되므로 반복해석을 통한 최 적설계에 사용하기에는 적절하지 못하다. - vi - 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 분석적이고 통계적으로 고 온 초전도 코일에서 작용하는 최대수직자장과 SMES에 저장된 에너지의 크기 를 결정하는 이해하기 쉽고 효과적으로 계산하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 사용하는 경우 FEM과 비교하여 경계조건에 따라 적정한 보정계수를 도입하면 해석결과의 신뢰성을 유지하면서도 분석에 필요한 시간이 감소되며 해석속도가 빨라지는 결과를 얻었다. 이와 함께 제안한 계산법을 사용한 설계 프로그램을 제작하여 유효성에 대한 검증도 실시하였다. 이와 함께 2세대 초전도 선재를 이용하여 초전도 자석을 제작할 때 턴간 절 연을 위한 절연피복층의 두께를 줄이면서 높은 절연내력을 얻을 수 있는 절연 피복층 증착방법에 대한 연구결과를 부록으로 첨부하였다. 본 실험은 실제 초 전도 코일 제작에서 캡톤 등의 유기화합물 절연테이프를 사용하는 절연방법에 비하여 2세대 초전도 선재 표면에 바로 세라믹 충전물이 포함된 절연박막을 증착하는 공정으로 높은 내력을 보이면서 두께를 줄여서 전체적으로 코일의 공학적 임계전류밀도를 높일 수 있는 방법을 제시한 결과이다.
전 세계적으로 환경파괴현상과 화석연료고갈에 대비하여 신재생 에너지 기술 분야의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 신재생에너지 중 풍력발전은 이산화 탄소의 배출과 방사능 누출이 없으며 대용량이 가능하고 국토이용 효율을 높 일 수 있는 장점이 있다. 그러나 바람의 방향과 속도 같은 자연조건에 따라 출력이 변동하기 때문에 주파수 변동을 발생시키는 원인이 된다. 생산과 동시 에 소비되어야 하는 전기에너지의 특성상 시간별, 일별, 계절별로 변화하는 전 력수요의 변동에 대비하여 에너지 저장 장치를 활용하는 방법을 기본으로 계 통의 안정도를 유지하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 현재까지 개발 된 여러 가지 에너지 저장장치들 중 에너지밀도가 높으며 응답속도가 빠른 초 전도 에너지 저장장치(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)는 대 용량 풍력발전기에 적용하기 적합하다. 대용량 SMES를 제작하기 위해서는 높은 자장특성을 갖고 있는 2세대 고온 초전도 선재를 사용하는 것이 효율적이다. SMES의 에너지밀도를 높이기 위해 서는 선재에 많은 전류를 흘려야 하고, 수직자기장이 커지면 임계전류가 작아 지는 2세대 고온초전도 선재의 특성상 토로이드형태의 SMES가 유리하다. 목적에 따라 선재의 사용량을 줄이고 체적을 줄이기 위해서는 SMES를 설계 하기 전에 정확한 설계와 평가가 필요하다. 유한요소법(Finite Elements Method, FEM)을 사용한 상용프로그램을 이용하여 쉽게 해석할 수 있으나, 토 로이드형태의 SMES는 대칭성의 문제로 3차원해석을 해야만 한다. 하지만 여 러 가지 제약조건이 따르며 해석 시간이 많이 소요되므로 반복해석을 통한 최 적설계에 사용하기에는 적절하지 못하다. - vi - 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 분석적이고 통계적으로 고 온 초전도 코일에서 작용하는 최대수직자장과 SMES에 저장된 에너지의 크기 를 결정하는 이해하기 쉽고 효과적으로 계산하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 사용하는 경우 FEM과 비교하여 경계조건에 따라 적정한 보정계수를 도입하면 해석결과의 신뢰성을 유지하면서도 분석에 필요한 시간이 감소되며 해석속도가 빨라지는 결과를 얻었다. 이와 함께 제안한 계산법을 사용한 설계 프로그램을 제작하여 유효성에 대한 검증도 실시하였다. 이와 함께 2세대 초전도 선재를 이용하여 초전도 자석을 제작할 때 턴간 절 연을 위한 절연피복층의 두께를 줄이면서 높은 절연내력을 얻을 수 있는 절연 피복층 증착방법에 대한 연구결과를 부록으로 첨부하였다. 본 실험은 실제 초 전도 코일 제작에서 캡톤 등의 유기화합물 절연테이프를 사용하는 절연방법에 비하여 2세대 초전도 선재 표면에 바로 세라믹 충전물이 포함된 절연박막을 증착하는 공정으로 높은 내력을 보이면서 두께를 줄여서 전체적으로 코일의 공학적 임계전류밀도를 높일 수 있는 방법을 제시한 결과이다.
Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) is thought to be the most effective method for large scale electric energy storage system which is inevitable for the real application of alternative electricity generation method such as wind power and solar energy. For real electricity grid applicatio...
Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) is thought to be the most effective method for large scale electric energy storage system which is inevitable for the real application of alternative electricity generation method such as wind power and solar energy. For real electricity grid application, the storage capacity of SMES should be large enough to compensate the fluctuation of electricity generated by wind or solar power station and stabilization of grid. High current density superconducting wire is necessary to construct a large capacity SMES device. REBCO base 2G coated conductor is best available superconducting wire today. But the critical current of the coated conductor is strongly decreased by perpendicular magnetic field applying to the tape surface and magnet system should be designed to decrease the field intensity applied perpendicular to the tape surface. Toroidal magnet system is preferred for SMES because the perpendicular magnetic field intensity is smaller in toroidal system than in solenoidal magnet. Toroidal magnet consists of several pancake coils and optimization of magnet parameters are needed to decrease the magnetic field acting perpendicular to the tape surface. Such parameters are inner and outer radius of toroidal system, size and number of unit pancake coil, and operating current. FEM was generally used to estimate those parameters but it takes long time for complete 3 dimensional analyses. An intuitive and statistical analytic method was tried for fast and simple estimation of most effective parameters such as perpendicular field intensity and stored energy. Starting from theoretically derived basic equation, its results were compared with the results of FEM and a semi-empirical equation was suggested by modifying basic equation. The effective range of suggested semi-empirical equation covers most of the usable toroidal magnet dimension. The equation was used to calculate the effects of several parameters and simple computer program to design a optimum SMES system was made by using them. Basic design parameters estimated by this program for several SMES system with different stored energy corresponded well with the result of FEM.
Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) is thought to be the most effective method for large scale electric energy storage system which is inevitable for the real application of alternative electricity generation method such as wind power and solar energy. For real electricity grid application, the storage capacity of SMES should be large enough to compensate the fluctuation of electricity generated by wind or solar power station and stabilization of grid. High current density superconducting wire is necessary to construct a large capacity SMES device. REBCO base 2G coated conductor is best available superconducting wire today. But the critical current of the coated conductor is strongly decreased by perpendicular magnetic field applying to the tape surface and magnet system should be designed to decrease the field intensity applied perpendicular to the tape surface. Toroidal magnet system is preferred for SMES because the perpendicular magnetic field intensity is smaller in toroidal system than in solenoidal magnet. Toroidal magnet consists of several pancake coils and optimization of magnet parameters are needed to decrease the magnetic field acting perpendicular to the tape surface. Such parameters are inner and outer radius of toroidal system, size and number of unit pancake coil, and operating current. FEM was generally used to estimate those parameters but it takes long time for complete 3 dimensional analyses. An intuitive and statistical analytic method was tried for fast and simple estimation of most effective parameters such as perpendicular field intensity and stored energy. Starting from theoretically derived basic equation, its results were compared with the results of FEM and a semi-empirical equation was suggested by modifying basic equation. The effective range of suggested semi-empirical equation covers most of the usable toroidal magnet dimension. The equation was used to calculate the effects of several parameters and simple computer program to design a optimum SMES system was made by using them. Basic design parameters estimated by this program for several SMES system with different stored energy corresponded well with the result of FEM.
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