[논문]초전도 플라이휠 에너지 저장기술

한상철; 성태현

문제 정의

종래 기술의 고온초전도 쓰러스트 베어링을 이용한 수직축 플라이휠 에너지 저장장치의 경우 회전축 반경 방향으로의 안정성이 비교적 약하고, 확장에 의한 설비의 대용량화가 용이하지 않다는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 종래 기술에 의한 고온 초전도 플라이휠 에너지 저장장치가 가지는 문제점들을 개선한 새로운 방식의 플라이휠 에너지 저장장치를 개발하였다. 새로운 방식의 고온 초전도 플라이휠 에너지 저장장치 구성은, 회전축을 중력 방향에 수직 인 수평축으로 하여 고온 초전도 저어널 베어링과 플라이휠, 전동/발전기를 설치하는 구조를 채택함으로써, 상기 에너지 저장 장치의 안정성을 향상시킴과 동시에, 다수의 플라이휠과 베어링들의 직렬 연결에 의한 대용량화를 용이하게 하여 이루 어진다气
본 연구에서는 앞에서 기술한 자석 배열을 포함한 베어링 기술 그리고 플라이횔 장치의 구성 설계를 시현하기 위해 고온 초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 시작품을 제작하였다.

가설 설정

첫째, 안정성의 문제이다. 종래 기술에 의한 수직축 플라이 휠 구성에서 회전체가 평형 위치에서 축의 반경 방향으로 이탈하는 경우, 축방향으로 이탈하는 경우에 비해 영구자석에 의해 발생된 자장의 변화가 비교적 적음으로써 베어링이 회전체에 작용하는 복원력이 약하게 된다.

제안 방법

또한 한국전력공사 전력연구원은 특수한 자석배열과 Y계 고온 초전도 단결정들을 원통형으로 배열한 수평 축 초전도 저어널 베어링을 개발하고, 이 베어링에 직경 40cm, 중량 16kg의 휠을 장착하여 설계기준(진공, 10, 000 rpm)으로 1 kWh 이고 상용기준(무진공. 3, 000 rpm)으로 7 WE급 프로토타입의 플라이휠 에너지저장장치를 제작하여 성능시험을 수행하였다'; .현재 30kg의 휠을 부양할 수 있는 초전도 베어링과 액체질소 자동공급 시스템, 1 mtorr 진공 그리고 40, 000 rpm까지 구동하고 1 kW의 부하를 사용할 수 있는 무접촉 모타/발전기를 장착한 300 Wh급의 초전도 플라이휠 에너지 저장장치를 개발하여 성능시험 중이다 2.
회전자의 구조는 다수의 원통형 자석을 동일극이 이웃하도록 N-S S-N N-S S-N 극의 순서로 소정 간격을 두고 비자 성체의 원통 안에 강제 배열하여 자속의 방향이 회전자의 반경 방향으로 형성되도록 하였다(그림 3). 고정자의 구조는 종래의 고온 초전도 저어널 베어링 고정자에 포함된 고온초전도 체 원통의 외주면 상에 대향하여 자석을 설치하여 회전자 자석에 미치는 인력과 척력을 보강하여 부상력을 증가시킬 수 있도록 하였으며, 또 다른 예로 고정자의 상하면으로는 자석들을 대향 설치하여 회전자와 고정자 간에 인력과 척력을 발생시키고 좌우 측면으로는 고온 초전도체를 설치하여 회전자에 대한 고정력을 발생시키도록 하여 부상력을 더욱 증가시켰다.
회전자의 구조는 다수의 원통형 자석을 동일극이 이웃하도록 N-S S-N N-S S-N 극의 순서로 소정 간격을 두고 비자 성체의 원통 안에 강제 배열하여 자속의 방향이 회전자의 반경 방향으로 형성되도록 하였다(그림 3). 고정자의 구조는 종래의 고온 초전도 저어널 베어링 고정자에 포함된 고온초전도 체 원통의 외주면 상에 대향하여 자석을 설치하여 회전자 자석에 미치는 인력과 척력을 보강하여 부상력을 증가시킬 수 있도록 하였으며, 또 다른 예로 고정자의 상하면으로는 자석들을 대향 설치하여 회전자와 고정자 간에 인력과 척력을 발생시키고 좌우 측면으로는 고온 초전도체를 설치하여 회전자에 대한 고정력을 발생시키도록 하여 부상력을 더욱 증가시켰다.
고정자로는 자속고정용 고온 초전도체를 상기 회전자의 외측으로 간극을 두어 상부와 하부에 각각 설치하였다. 회전체에 작용하는 중력 등의 힘을 자기 입력 (magnetic pressure)으로 상쇄시키기 위해 반원통형의 자속고정용 고온 초전도체가 간격을 두고 계란형으로 떨어져 있다.

성능/효과

하단간의 길이가 길어짐으로써 설비의 안전성 확보가 어렵고 설치공정이 어려워 건설비용이 많이 들게 된다. 그러나 여기서 제안하는 수평 축 플라이휠 에너지 저장장치는 다수의 회전축을 안정적으로 연결하기에 용이한 장점이 있어, 대용량의 에너지 저장에 적합한 방식이다.
결론적으로, 본 연구에서 제시한 바고 온 초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 구성 개념은, 플라이휠 에너지저장장치를 구성함에 있어 중력 방향과 직각 인수 평축과 고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 구성 개념은, 플라이휠 에너지 저장장치 를 구성함에 있어 중력 방향과 직각인 수평축과 고온초전도 저어널 베어링을 채용하여, 종래 기술에 비해 그 안정성과 확장성을 향상시키고 제작. 건설비용을 줄인 것으로, 종래의 플라이휠 에너지 저장장치에 안전성 경제성 측면에서 큰 향상을 가져다 줄 수 있다.
결론적으로, 본 연구에서 제시한 바고 온 초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 구성 개념은, 플라이휠 에너지저장장치를 구성함에 있어 중력 방향과 직각 인수 평축과 고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 구성 개념은, 플라이휠 에너지 저장장치 를 구성함에 있어 중력 방향과 직각인 수평축과 고온초전도 저어널 베어링을 채용하여, 종래 기술에 비해 그 안정성과 확장성을 향상시키고 제작. 건설비용을 줄인 것으로, 종래의 플라이휠 에너지 저장장치에 안전성 경제성 측면에서 큰 향상을 가져다 줄 수 있다.

후속연구

이러한 수평축 방식의 플라이휠 에너지 저장장치를 개발하여 대용량화한다면, 종래의 방식에 비해 안정성 및 경제성 면에서 탁월한 향상을 이룰 수 있으며, 이는 곧 세계를 선도하는 기술이 될 것이다.

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