[논문]35 kWh급 초전도 플라이휠 에너지 저장 시스템 설계 및 제작

정세용; 한영희; 박병준; 한상철

[국내논문] 35 kWh급 초전도 플라이휠 에너지 저장 시스템 설계 및 제작
Design and Construction of 35 kWh Class Superconductor Flywheel Energy Storage System 원문보기

Progress in superconductivity, v.14 no.1, 2012년, pp.60 - 65

정세용 (KEPCO Research Institute) , 한영희 (KEPCO Research Institute) , 박병준 (KEPCO Research Institute) , 한상철 (KEPCO Research Institute)

Abstract ▼ AI-Helper

A superconductor flywheel energy storage system (SFES) is an electro-mechanical battery which transforms electrical energy into mechanical energy for storage, and vice versa. A 35 kWh class SFES module was designed and constructed as part of a 100kWh/1MW class SFES composed of three 35 kWh class SFES modules. The 35 kWh class SFES is composed of a main frame, superconductor bearings, a composite flywheel, a motor/generator, electro-magnetic bearings, and a permanent magnet bearing. The high energy density composite flywheel is levitated by the permanent magnet bearing and superconductor bearings, while being spun by the motor/generator, and the electro-magnetic bearings are activated while passing through the critical speeds. Each of the main components was designed to provide maximum performance within a space-limited compact frame. The 35 kWh class SFES is designed to store 35 kWh, with a 350 kW charge/discharge capacity, in the 8,000 ~ 12,000 rpm operational speed range.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 35 kWh급 SFES 3기로 구성된 100kWh/1MW급 SFES를 구현하기 위해 35 kWh급 SFES를 설계 및 제작하였다. 35 kWh급 SFES의 각 주요부품은 콤팩트한 진공챔버 프레임에 조립됨과 동시에 요구되는 성능을 제공할 수 있도록 설계되었다 [5].
본 연구에서 35 kWh급 SFES 3기로 구성된 100kWh/1MW급 SFES를 구현하기 위한 35 kWh급 SFES를 설계 및 제작하였다. 무접촉식 고온초전도 베어링, 고에너지밀도의 복합재 플라이휠, 고효율 전동/발전기, 전자석 베어링 그리고 영구자석 베어링이 콤팩트한 진공챔버 프레임에 조립됨과 동시에 요구되는 성능을 제공할 수 있도록 각 주요부품이 설계되고 제작되었다.

제안 방법

3과 같이 총 무게 948 kg. 지름 907 mm, 높이 1300 mm, 최대 속도 12,000 rpm, 35 kWh 용량의 로터를 유한요소법을 이용하여 설계 하였다, 기본적으로 로터는 4개의 링으로 구성되며 한번 억지끼움하여 로터의 반경방향 응력을 저감시켰다. 각 림의 두께는 41.
지름 907 mm, 높이 1300 mm, 최대 속도 12,000 rpm, 35 kWh 용량의 로터를 유한요소법을 이용하여 설계 하였다, 기본적으로 로터는 4개의 링으로 구성되며 한번 억지끼움하여 로터의 반경방향 응력을 저감시켰다. 각 림의 두께는 41.5, 43.5, 46.5, 52.6 mm로 결정하였다. Fig.
35 kWh급 SFES용 전동/발전기의 설계는 시스템의 1차 굽힘(bending) 주파수를 높이기 위하여 스택 길이가 짧으면서도 12,000 rpm에서 회전체에 부착된 영구자석이 원심력에 의해 회전축에서 분리되지 않는 조건을 기준으로 설계하였다. 고정자는 코어를 갖는 평행 4극 구조로 자석포함 외경이 230 mm에 스택길이를 178.
전동/발전기 하우징 설계 시, 진공 중이면서 10,000 rpm 이상의 고속에서 사용할 수 있는 영구자석형 대용량 전동/발전기의 고정자 코어와 권선을 냉각하기 위하여 세계에서 처음으로 고정자의 권선과 코어에 직접 냉각유로를 만들어서 절연유로 순환냉각하는 방법을 고안하게 되었다. 절연유의 흐름 방향은 Fig.
접하는 두 극의 권선은 직렬로 결선되어 있고, 마주하는 두 쌍의 극은 자기 베어링의 각 축(x, y)을 제어한다. 부하 용량 설계는 전자석 베어링이 최대로 감당할 수 있는 정적하중과 동시에 질량불평형량이 최대속도에서 발생하는 동적하중을 고려하여 회전체의 무게를 1565 kg, 최대 운전속도를 12,000 rpm, 회전체의 외경을 약 240 mm 로 가정했을 때, 베어링에 필요한 힘 즉, 12,270 N을 구하였다. 제작된 35kWh급 SFES용 지름방향 전자석 베어링은 Fig.
본 연구에서 35 kWh급 SFES 3기로 구성된 100kWh/1MW급 SFES를 구현하기 위한 35 kWh급 SFES를 설계 및 제작하였다. 무접촉식 고온초전도 베어링, 고에너지밀도의 복합재 플라이휠, 고효율 전동/발전기, 전자석 베어링 그리고 영구자석 베어링이 콤팩트한 진공챔버 프레임에 조립됨과 동시에 요구되는 성능을 제공할 수 있도록 각 주요부품이 설계되고 제작되었다. 제작된 35 kWh급 SFES는 운전속도인 8,000 ~ 12,000 rpm에서 에너지 35 kWh 저장과 350 kW 출력이 가능하다.

대상 데이터

35 kWh급 SFES 로터 외경이 120 mm 이고 백업베어링 등의 제한으로 35 kWh급 초전도 베어링은 고정자를 이루고 있는 초전도 벌크가 초전도 베어링 회전자를 감싸는 구성인 내륜형 타입이며 회전부는 φ88.8 mm으로 설계되었다.
35kWh급 SFES의 로터부 설계가 진행되면서 질량과 회전속도 등이 도출되면 지름방향 전자석 베어링 초기 설계를 할 수 있다. 전자석 베어링의 개념적인 구성은 Fig. 8과 같이 8개 pole로 구성된 내륜형 타입으로 설계하였다. 접하는 두 극의 권선은 직렬로 결선되어 있고, 마주하는 두 쌍의 극은 자기 베어링의 각 축(x, y)을 제어한다.

성능/효과

이는 단결정 초전도 벌크 면적 중 씨드(seed) 부근에서 주로 피닝 면적(pinning area)이 집중되며 이러한 피닝(pinning) 집중에 의한 자기분포가 벌크 면적(bulk area)에 가장 큰 영향을 미친 것이라 판단된다. 또한 이 값은 지름방향으로 전자석 베어링의 1.1 x E6 N/m 의 절반 수준인 0.4 x E6 N/m 으로 하이브리드로 작동하기 좋은 조건으로 예측되었으며, 축방향의 강성은 지름방향보다 60 % 높다.
여기서 재료는 NdFe33H로 정해졌고, 로터의 직경과 영구자석 베어링의 여유 두께 제한에 따른 치수 결정에 대한 제약이 많았다. 먼저 주어진 영구자석 베어링 크기에 따른 영구자석 베어링의 위치강성을 Fig. 9와 같이 로터와 공극을 2.7 mm에서 3.3 mm까지 0.1 mm씩 증가시키며 해석을 수행한 결과, 강성값은 2,740 N/mm로 계산되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초전도 플라이휠 에너지 저장 시스템이란 무엇인가?	초전도 플라이휠 에너지 저장 시스템(SFES, Superconductor Flywheel Energy Storage System)은 전기를 이용하여 플라이휠을 회전시켜 전기 에너지를 운동 에너지로 저장하는 기계식 축전지이다. SFES는 공기저항을 최소화할 수 있는 진공챔버 프레임, 무접촉식 고온초전도 베어링, 고에너지밀도의 복합재 플라이휠, 고효율 전동/발전기, 전자석 베어링 그리고 영구자석 베어링으로 구성되어 있다.
	SFES의 구성은 무엇인가?	초전도 플라이휠 에너지 저장 시스템(SFES, Superconductor Flywheel Energy Storage System)은 전기를 이용하여 플라이휠을 회전시켜 전기 에너지를 운동 에너지로 저장하는 기계식 축전지이다. SFES는 공기저항을 최소화할 수 있는 진공챔버 프레임, 무접촉식 고온초전도 베어링, 고에너지밀도의 복합재 플라이휠, 고효율 전동/발전기, 전자석 베어링 그리고 영구자석 베어링으로 구성되어 있다. 영구자석 베어링과 고온초전도 베어링으로 부양시킨 복합재 플라이휠을 전동/발전기로 회전시켜 에너지를 저장하며, 임계속도(critical speed)에서 전자석 베어링을 작동하여 진동을 최소화한다.
	SFES가 에너지를 저장하는 방법은 무엇인가?	SFES는 공기저항을 최소화할 수 있는 진공챔버 프레임, 무접촉식 고온초전도 베어링, 고에너지밀도의 복합재 플라이휠, 고효율 전동/발전기, 전자석 베어링 그리고 영구자석 베어링으로 구성되어 있다. 영구자석 베어링과 고온초전도 베어링으로 부양시킨 복합재 플라이휠을 전동/발전기로 회전시켜 에너지를 저장하며, 임계속도(critical speed)에서 전자석 베어링을 작동하여 진동을 최소화한다. 수동적으로 플라이휠의 진동을 제어할 수 있는 초전도 베어링 기술은 SFES를 다른 플라이휠 에너지 저장기술과 구분하는 강점이다.

참고문헌 (6)

J. R. Hull, "Superconducting bearings", Supercond. Sci. Technol., vol. 13, p.R1 (2000).
Nagaya, S. et al., "Study on high temperature superconducting magnetic bearings for 10 kWh flywheel energy storage system," IEEE Trans. Applied Supercon., vol 11, pp. 1649-1652 (2001).
Coombs, T. et al., "Superconducting magnetic bearings for energy storage flywheels," IEEE Trans. Applied Supercon., vol. 9, pp. 968-971 (1999).
Ichihara, T. et al., "Application of superconducting magnetic bearings to a 10 kWh-class flywheel energy storage system", IEEE Trans. Applied Supercon., vol. 15, pp. 2245-2248 (2005).
Jung, S. et al., "Design and Construction of 35 kWh Class Superconductor Flywheel Energy Storage System Main Frame", Progress in Superconductivity, vol. 13, pp. 52-57 (2011).

원문보기 상세보기
Park, B. et al., "Static properties of superconductor journal bearing substator for superconductor flywheel energy storage system", Progress in Superconductivity, vol. 10, pp. 55-59, (2008)

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