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문제 정의
- 지금까지 DAPAS 사업의 대표적인 연구 성과로 평가할 수 있는 2세대 고온초전도 선재로 제작된 저속형 고온초전도 모터의 개발과정, 연구 성과, 그리고 향후 활용과 전망을 기술하였다. 적합한 선재를 수급하기 위하여 품질 기준을 마련하고 선재의 품질 및 설계조건에 적합한 계자코일을 설계하여 제작 검증시험을 통해 고성능의 고온초전도 모터를 개발할 수 있었다.
제안 방법
- 두산중공업은 지난 10여 년간 고온 초전도선재를 적용한 모터를 개발하여 왔고, 1세대 고온초전도 선재를 이용하여 1MW 고속 모터 개발을 성공적으로 수행하였다. 성능과 가격경쟁력을 갖춘 초전도 회전기기를 개발하기 위하여 2세대 고온초전도 선재를 적용한 5MW 선박 추진용 모터 개발을 진행하였으나 2세대 고온초전도 선재의 기술적 완성도가 낮아서 어려움을 겪었으나 적용상의 문제를 추가 개선하여 설계치를 만족하는 회전기용 초전도 계자코일 기술 개발을 구현하였다.
- 그러나, 3단계의 저속형 5MW 모터의 경우, 1, 2단계에서 개발한 모터에 비해 모터용량이 커지면서 모터의 부피 또한 증가하게 되어 thermo- syphon 냉각방식으로는 초전도 코일의 균일한 냉각이 거의 불가능하였다. 따라서, 대형 초전도 응용기기에서 균일한 냉각이 가능한 극저온 냉매의 강제 순환형 냉각 방식을 새로 고안하여 냉각 시스템에 적용하였다. 여기서, 저유량 구간에서 불안정성을 가지는 기존의 원심형 극저온 액체 펌프 대신 자체 개발을 통해서 저렴한 재생터빈 방식의 극저온 액체 펌프를 적용하였고, 냉각에 필요한 냉매의 순환 유량도 줄게 되었다.
- 따라서, 대형 초전도 응용기기에서 균일한 냉각이 가능한 극저온 냉매의 강제 순환형 냉각 방식을 새로 고안하여 냉각 시스템에 적용하였다. 여기서, 저유량 구간에서 불안정성을 가지는 기존의 원심형 극저온 액체 펌프 대신 자체 개발을 통해서 저렴한 재생터빈 방식의 극저온 액체 펌프를 적용하였고, 냉각에 필요한 냉매의 순환 유량도 줄게 되었다. 이로 인해 5MW 고온초전도 모터 냉각 시스템의 높은 신뢰성과 경제성을 얻을 수 있었다.
- 셋째, 개발된 모터의 획기적 경량화 구현하기 위해 고정자 부분을 모듈형 복합재 공심으로 설계하여 5MW 고온초전도 모터에 적용하였다. 초전도 모터의 계자코일은 높은 전류밀도로 운전하게 되므로, 코일의 기자력에 의한 공극자속밀도는 전기자 철심의 포화 자속밀도를 훌쩍 넘어서게 된다.
- 그래서, 초전도 모터는 계자와 전기자 코일 모두 철심이 없는 공심(air-core)형태가 적용된다. 저속형 5MW 고온초전도 모터에서는 공기와 투자율이 같은 비자성체이면서 탄소강에 비해서 매우 가볍고 질긴 복합재인 GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastics)를 이용하여 고정자에 위치하는 전기자 코일을 지지하는 구조로 설계하여 제작하였다. 이와 더불어서 고정자 및 전기자 코일의 형상 설계 과정중 모터의 효율 개선을 위한 몇 가지 노력이 추가되었다.
- 모터의 용량이 증가하면서 전기자 코일의 동손에 의한 발열량 또한 증가하고, 이로 인해 전기자 코일도체 온도가 상승하며 전기자 저항이 커지게 되는 악순환이 거듭되면서 전기자의 동손은 더욱 커지게 된다. 이러한 전기자 코일의 동손에 의한 발열을 냉각하기 위해서 공냉이 가능한 모듈화된 전기자 구조 및 전자기 실드에 수냉 방식을 적용시켜 고정자 내부가 안정적으로 냉각되도록 고려하였다. 또한, 전기자 코일은 eddy current 손실을 줄이기 위해서 도체를 소선화하고 원가 절감을 위해 평각 동선을 사용하는 등 제작과정 및 운전상의 경제성도 확보하였다.
- 이러한 전기자 코일의 동손에 의한 발열을 냉각하기 위해서 공냉이 가능한 모듈화된 전기자 구조 및 전자기 실드에 수냉 방식을 적용시켜 고정자 내부가 안정적으로 냉각되도록 고려하였다. 또한, 전기자 코일은 eddy current 손실을 줄이기 위해서 도체를 소선화하고 원가 절감을 위해 평각 동선을 사용하는 등 제작과정 및 운전상의 경제성도 확보하였다.
- 넷째, 고온초전도 모터의 가장 핵심이라고 할 수 있는 계자코일의 제작 프로세스 확립이다. 고온초전도 선재로 권선되는 계자코일의 안정된 제작과 향후 사업화를 위해서, 권선 작업의 표준화와 코일 부품의 규격화, 그리고 코일 성능평가를 위한 체계적인 품질 검사 항목을 선정하였다. 이로 인해 거의 동일한 전자기적인 특성을 가지는 계자코일이 제작될 수 있었다.
- 다섯째, 이렇게 제작된 모터의 전체적인 성능 평가를 위해서 대용량 초전도 모터 장기실증평가 설비를 구축하였다. 국내의 경우, 한국전기연구원을 비롯한 몇몇 기관에서 모터 및 발전기 시험설비를 구비하고 있으나, 본 과제에서 개발한 대용량 고온초전도 모터의 장기간 연속적으로 시험 및 평가할 수 있는 설비를 갖춘 기관이 거의 없으며, 미국의 CAPS 정도가 5MW급 초전도 모터 신뢰성 시험 설비를 보유하고 있다.
- 지금까지 DAPAS 사업의 대표적인 연구 성과로 평가할 수 있는 2세대 고온초전도 선재로 제작된 저속형 고온초전도 모터의 개발과정, 연구 성과, 그리고 향후 활용과 전망을 기술하였다. 적합한 선재를 수급하기 위하여 품질 기준을 마련하고 선재의 품질 및 설계조건에 적합한 계자코일을 설계하여 제작 검증시험을 통해 고성능의 고온초전도 모터를 개발할 수 있었다. 고온초전도체를 사용하여 제작한 모터/발전기는 기존 구리를 사용하여 제작한 모터/발전기에 비해서 그 무게에 있어서 가볍게 만들 수 있고, 그 부피에 있어서 소형화할 수 있으며, 저속 및 낮은 부하 영역에서도 상대적으로 고효율이란 장점을 가지고 있다.
성능/효과
- 그러나, 3차원 수치해석은 정확도가 높지만, 해석시간이 2차원 수치해석에 비해서 긴 단점을 가지고 있다. 그래서, 새로 개발한 초전도 모터 설계 프로그램에서는 3차원 등가자기회로망법을 적용시킨 자계 해석 프로그램을 구현하여 이러한 단점을 보완하였고, 효율적인 설계 프로세스를 확립하였다.
- 둘째, 대용량 냉각시스템 설계 기술을 확보할 수 있었다. 1, 2단계의 고온초전도 모터에서는 냉매를 자연 순환시키는 thermo-syphon 냉각방식을 채용하였다.
- 넷째, 고온초전도 모터의 가장 핵심이라고 할 수 있는 계자코일의 제작 프로세스 확립이다. 고온초전도 선재로 권선되는 계자코일의 안정된 제작과 향후 사업화를 위해서, 권선 작업의 표준화와 코일 부품의 규격화, 그리고 코일 성능평가를 위한 체계적인 품질 검사 항목을 선정하였다.
- 기존 선박의 전기 추진체계에서 발전기와 모터를 초전도 기기로 대체하면, 손실률이 10%이하로 낮아지게 된다. 또한, 예상되는 이점은 선박의 추진효율 증대, 추진체계의 경량화 및 소형화로 에너지 손실이 기존의 디젤 엔진보다 감소된다는 것이다. 이러한 초전도 발전기와 모터의 활용으로 인한 에너지 절약과 CO2 배출량 감소는 2025년 기준 년간 10.
후속연구
- 나셀에 채용할 수 있는 상전도 발전기의 무게와 부피로 인해서 발전 용량에 한계가 다가오고 있고, 증속기의 필요도 만만치 않은 부하로 작용하게 된다는 것이다. 이러한 풍력 시스템에 초전도 발전기를 적용하게 되면, 증속기가 필요 없는 저속 고토크의 발전기를 이용하여 구조가 간단해지고, 초전도 전력기기의 장점인 고집적화 에너지 구현으로 이룩하여 기기의 소형화 및 경량화가 가능해져서 철손과 동손이 제거한 고효율 대형 해상풍력 발전 시스템의 기술적 대안으로 활용될 전망이다.
- 장래에 에너지 효율을 높이고 저소비 환경의 시대가 도래하면, 선박추진 또는 풍력 발전에 있어서 초전도모터/발전기를 필요로 하는 시장의 요구는 더욱 거세질 수도 있다. 한편 대용량화에 대한 초전도 모터/발전기의 경제성과 효용이 더욱 필요로 하게 되면서 기존 상전도 기기를 대체해 나갈 것으로 예상된다. 이러한 초전도 기기의 도입을 위한 기반기술에 대한 확보가 무척 중요하고 이러한 기술 및 제품의 경쟁력 확보를 위하여 두산중공업이 선도적 기업으로 큰 영향력을 행사하고 있는 실정이다.
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