本発明の実施形態に係る目的は、電気エネルギーを回転運動エネルギーとして貯蔵し、必要時に回転運動によって発生した回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して使用することができ、また、費用節減及び優れた効率を実現できるエネルギー貯蔵装置を提供することにある。
また、本発明の実施形態に係る他の目的は、浮揚ユニットによって回転体が浮揚して回転するため、摩擦損失を最小限に抑えてエネルギー変換効率を向上させることができ、また、機械式ベアリングと超伝導体による浮揚を共に適用することで大容量にも適用可能であることは勿論のこと、コストアップを最小限に抑えることができるエネルギー貯蔵装置を提供することにある。
また、本発明の実施形態に係る他の目的は、用途によって、例えば、鉄道の場合のように貯蔵されたエネルギーを迅速に使用する場合、病院や重要施設などで無停電電源装置に貯蔵しておいたエネルギーを長い間貯蔵しておいてから必要な時に使用できる場合などの様々な用途に適用でき、費用対比エネルギー貯蔵効率を高めることができるエネルギー貯蔵装置を提供することにある。
本発明の実施形態に係るエネルギー貯蔵装置は、電気発生部によって発生する電気エネルギーを回転運動エネルギーとして貯蔵したり、貯蔵された回転運動エネルギーを前記電気発生部に提供し、回転軸を備える回転体と、前記回転軸を回転可能に支持するベアリングを備えて、前記回転体の少なくとも一部分を支持したり覆うハウジングと、前記回転体に一部が結合し、前記ハウジングに他の一部が結合して前記回転体を浮揚させる力を発生させる浮揚ユニットとを含み、このような構成によって、浮揚ユニットによって回転体が浮揚して回転するため、摩擦損失を最小限に抑えてエネルギー変換効率を向上させることができ、また、機械式ベアリングと超伝導体による浮揚を共に適用することで大容量にも適用可能であることは勿論のこと、コストアップを最小限に抑えることができる。
一側面によれば、前記浮揚ユニットは、前記ハウジング又は前記回転体のうちいずれか1つに装着される永久磁石と、前記ハウジング又は前記回転体のうちの他の1つに装着される超伝導体を含み、前記永久磁石と前記超伝導体との相互作用によって前記回転体を浮揚させてもよい。
一側面によれば、前記ハウジングは、前記回転軸の下段部が回転可能に支持される支持フレームと、前記支持フレーム及び前記回転体の少なくとも一部分を覆うカバーフレームとを含み、前記カバーフレーム又は前記支持フレームに前記永久磁石又は前記超伝導体のうちいずれか1つが取付けられ、前記回転体に前記永久磁石又は前記超伝導体のうちの他の1つが取付けられてもよい。
一側面によれば、前記永久磁石は前記回転体の下段部に取付けられ、前記超伝導体は前記永久磁石の下部に位置するように前記支持フレームの上段部に取付けられてもよい。
一側面によれば、前記回転体の下段部及び前記支持フレームの上段部は、相互対応する階段式に設けられ、前記回転体の各階段の天井面及びの側面には単位形態の永久磁石が取付けられ、前記単位形態の永久磁石の配置に対応するように、前記支持フレームの各階段の底面及びの側面には単位形態の超伝導体が取付けられてもよい。
一側面によれば、前記永久磁石は前記回転体の上段部に取付けられ、前記超伝導体は前記永久磁石の上部に位置するように前記カバーフレームの上部壁の内面に取付けられてもよい。
一側面によれば、前記浮揚ユニットは永久磁石及び超伝導体を含み、前記ハウジングは、前記回転軸の下段部が回転可能に支持される支持フレームと、前記支持フレーム及び前記回転体を覆うカバーフレームを含み、前記支持フレームの上段部に前記超伝導体が取付けられて、前記回転体の下段部に永久磁石が取付けられ、前記回転体の上段部に前記永久磁石が取付けられて、前記カバーフレームの上部壁の内面に前記超伝導体が取付けられてもよい。
一側面によれば、前記超伝導体を冷却させるための冷却物質が循環する冷却循環部をさらに含んでもよい。
一側面によれば、前記冷却部は、前記超伝導体が装着された領域に前記冷却物質を提供した後に回収する循環ラインと、前記循環ライン上に設けられて前記冷却物質を液化させる液化部材と、前記循環ラインを介して前記冷却物質が移動できるように前記冷却物質をポンピングするポンピング部材を含む。
一側面によれば、前記浮揚ユニットは、前記ハウジング又は前記回転体のうちいずれか1つ及び他の1つに相互対応するように装着される少なくとも一対の永久磁石を含み、前記少なくとも一対の永久磁石は、互いに同じ極を有したり、互いに他の極を有してもよい。
一側面によれば、前記ハウジングは、前記回転軸の下段部が回転可能に支持され支持フレームと、前記支持フレーム及び前記回転体の少なくとも一部分を覆うカバーフレームとを含み、互いに同じ極を有する一対の永久磁石のうちの1つは前記支持フレームの上段部に取付けられ、他の1つは前記回転体の下段部に取付けられてもよい。
一側面によれば、前記ハウジングは、前記回転軸の下段部が回転可能に支持される支持フレームと、前記支持フレーム及び前記回転体の少なくとも一部分を覆うカバーフレームとを含み、互いに他の極を有する一対の永久磁石のうちの1つは前記回転体の上段部に取付けられ、他の1つは前記カバーフレームの上部壁の内面に取付けられてもよい。
一側面によれば、前記ハウジングは、前記回転軸の下段部が回転可能に支持される支持フレームと、前記支持フレーム及び前記回転体の少なくとも一部分を覆うカバーフレームとを含み、互いに同じ極を有する一対の永久磁石のうちの1つは前記支持フレームの上段部に取付けられて、他の1つは前記回転体の下段部に取付けられ、互いに他の極を有する一対の永久磁石のうちの1つは前記回転体の上段部に取付けられて、他の1つは前記カバーフレームの上部壁の内面に取付けられてもよい。
一側面によれば、前記ベアリングは、前記回転軸の上段部及び下段部にそれぞれ配置されて前記回転軸を回転可能に支持する一対のボールベアリングであってもよい。
一方、本発明の実施形態によれば、電気発生部によって発生する電気エネルギーを回転運動エネルギーとして貯蔵したり、貯蔵された回転運動エネルギーを前記電気発生部に提供し、回転軸を備える回転体と、前記回転軸を回転可能に支持して、前記回転体の少なくとも一部分を覆うハウジングと、前記回転体及び前記ハウジングのうちいずれか1つに装着される永久磁石と、前記永久磁石と向かい合うように前記回転体及び前記ハウジングのうち他の1つに装着される超伝導体と、前記超伝導体を冷却させるための冷却物質を提供する冷却部とを含み、前記冷却部の前記冷却物質によって前記超伝導体の温度を低くすることによって電気抵抗を低下させ、前記超伝導体に対して前記永久磁石を離隔させる原理によって前記回転体を浮揚させることができる。
一側面によれば、前記ハウジングは、前記回転軸の下段部が回転可能に支持される支持フレームと、前記支持フレーム及び前記回転体の少なくとも一部分を覆うカバーフレームとを含み、前記カバーフレーム又は前記支持フレームに前記永久磁石又は前記超伝導体のうちいずれか1つが取付けられ、前記回転体に前記永久磁石又は前記超伝導体中他の1つが取付けられてもよい。
一側面によれば、前記永久磁石は前記回転体の下段部に取付けられ、前記超伝導体は前記永久磁石の下部に位置するように前記支持フレームの上段部に取付けられてもよい。
一側面によれば、前記永久磁石は前記回転体の上段部に取付けられ、前記超伝導体は前記永久磁石の上部に位置するように前記カバーフレームの上部壁の内面に取付けられてもよい。
一側面によれば、前記冷却部は、前記超伝導体が装着された領域に前記冷却物質を提供した後に回収する循環ラインと、前記循環ライン上に設けられて前記冷却物質を液化させる液化部材と、前記循環ラインを介して前記冷却物質が移動できるように前記冷却物質をポンピングするポンピング部材を含んでもよい。
一側面によれば、前記ハウジングは前記回転軸の上段部及び下段部にそれぞれ配置されて前記回転軸を回転可能に支持する一対のボールベアリングを含んでもよい。
本発明の実施形態によれば、電気エネルギーを回転運動エネルギーとして貯蔵して、必要時に回転運動によって発生した回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して使用することができ、また、費用節減及び優れた効率を実現することができる。
また、本発明の実施形態によれば、浮揚ユニットによって回転体が浮揚して回転するため、摩擦損失を最小限に抑えてエネルギー変換効率を向上させることができ、また、機械式ベアリングと超伝導体による浮揚を共に適用することで大容量にも適用可能であることは勿論のこと、コストアップを最小限に抑えることができる。
また、本発明の実施形態によれば、用途によって、例えば、鉄道の場合のように貯蔵されたエネルギーを迅速に使用する場合、病院や重要施設などの無停電電源装置に貯蔵しておいたエネルギーを長い間貯蔵しておいてから必要な時に使用する場合などの様々な用途に適用することができ、費用対比エネルギー貯蔵効率を高めることができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態に係る構成及び適用に関して詳細に説明する。以下の説明は、特許請求可能な本発明の様々な態様(aspects)のうちの1つであり、下記の技術(description)は、本発明に対する詳細な技術(detailed description)の一部を形成している。
ただし、本発明を説明するにあたって、公知された機能あるいは構成に関する具体的な説明は本発明の要旨を明瞭にするために省略することにする。
図1は、本発明の第1実施形態に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置の構成を概略的に示した図であり、図2は、図1に示された超伝導体を冷却させるための冷却部を示した図である。
これらの図に示したように、本発明の第1実施形態に係るエネルギー貯蔵装置100、すなわち本実施形態のフライホイールエネルギー貯蔵装置100は、電気発生部110と、例えば電動機/発電機によって発生する電気エネルギーを回転運動エネルギーとして貯蔵したり、貯蔵された回転運動エネルギーを電気発生部110に提供して回転軸121を有する回転体120と、回転軸121を回転可能に支持するベアリング137が装着されて回転体120を覆うハウジング130と、回転体120を浮揚させる浮揚ユニット150とを含む。
まず、電気エネルギーを発生させる電気発生部110は、電動機/発電機としてコイル111及び永久磁石112を備える。したがって、回転体120が回転するとき、コイル111及び永久磁石112の相互作用が成立して電気エネルギーを発生させることができる。そのため、生成された電気エネルギーを電気発生部110によって回転体120に回転運動エネルギー状態で貯蔵しておいてから必要時に電気エネルギーに変換して用いることができる。
それぞれの構成について説明すると、まず回転体120は、図1に示したように、円筒状に設けられた回転軸121を備えることによって回転軸121を基準に回転することができる。ただし、ここで回転による摩擦損失が発生し得るため、本実施形態の場合、回転体120の回転時に発生する摩擦損失を最小限に抑えるために浮揚ユニット150を備える。これについては後述することにする。
一方、ハウジング130は、回転体120をはじめとする複数の構成を保護したり、支持し、また、装着のための空間を提供する役割をする。このようなハウジング130は、図1に示したように、回転軸121の下段部が回転可能に支持される支持フレーム131と、支持フレーム131及び回転体120を覆うカバーフレーム133と、ベアリング137を保護する保護フレーム135とを含む。
敷衍すると、ハウジング130には回転体120を回転可能に支持するベアリング137が装着され得る。本実施形態の場合、ベアリング137は一対のボールベアリング(ball bearing)であり、図1に示したように、回転体120が結合される回転軸121の上段部に1つのボールベアリング137が装着され、回転体120と支持フレーム131との間の位置に他の1つのボールベアリング137が装着されてもよい。このようなボールベアリング137の構造は機械式であるため、回転体120の回転動作が堅固になるようにする。ただし、前述したようにボールベアリング137の場合、摩擦損失の発生量が相対的に大きいが、本実施形態の場合、回転体120が浮揚して回転するため、ボールベアリング137をベアリング137に適用しても摩擦損失の発生を最小限に抑えることができる。
本実施形態においては、ベアリング137をボールベアリング137と説明しているが、これに限定されるものではなく、超伝導体ベアリングなどの他の種類のベアリングが適用され得ることは当然である。
一方、本実施形態の浮揚ユニット150は、回転体120が浮揚した状態で回転できるようにすることによって摩擦損失を減らすことは勿論のこと、大容量にも本実施形態のエネルギー貯蔵装置100が適用可能になるようにし、さらに、コストアップを最小限に抑えることができる。
このような、浮揚ユニット150は、図1に示したように、回転体の下段部に取付けられる永久磁石151と、永久磁石151の下部に位置するように支持フレーム131の上段部に取付けられる超伝導体155とを含んでもよい。
超伝導体155の温度を極低温に下げることによって電気抵抗が0に近づくようにし、これによって永久磁石151が超伝導体155から離隔される原理を利用して、支持フレーム131に対して回転体120を浮揚させることができる。したがって、回転体120が浮揚した状態で回転が可能になるため、摩擦損失を顕著に減少させることができる。
図2を参照すると、超伝導体155を冷却させるための冷却部160を備えてもよい。本実施形態の冷却部160は、超伝導体155が装着された領域に冷却物質、例えば液体窒素163を提供した後に回収する循環ライン161と、循環ライン161上に設けられて液体窒素163を液化させる液化部材165と、循環ライン161を介して液体窒素163が循環できるように液体窒素163をポンピングするポンピング部材167とを含む。また、循環ライン161は液体窒素163を供給する供給タンク168と接続される。
このような構成によって、超伝導体155の冷却程度を調節することができ、そのため、支持フレーム131に対する回転体120の浮揚程度を調節することができ、したがって浮揚した状態における回転体120の回転を可能にすることができる。
一方、他の種類の冷却方法が適用されてもよい。例えば、超伝導体155を銅(Cu)で巻回した後、伝導冷却によって超伝導体155の冷却を行ってもよい。このように、超伝導体155の冷却には多様な方法が適用され得ることは当然である。
このように、本発明の第1実施形態によれば、電気エネルギーを回転運動エネルギーとして貯蔵し、必要時に回転運動によって発生した回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換して使用することができ、費用節減及び優れた効率を実現することができ、さらに、浮揚ユニット150によって回転体120が浮揚して回転するため、摩擦損失を最小限に抑えてエネルギー変換効率を向上させることができ、また、機械式ベアリング137と超伝導体155による浮揚を共に適用することで大容量にも適用可能であることは勿論のこと、コストアップを最小限に抑えることができる長所がある。
また、用途に応じて、例えば鉄道のように貯蔵されたエネルギーを迅速に用いる場合、病院や重要施設などで無停電電源装置に貯蔵しておいたエネルギーを長い間貯蔵してから必要な時に使用する場合などの様々な用途に適用することができ、費用対比エネルギー貯蔵効率を高めることができる長所もある。
一方、以下においては、本発明の第2実施形態に係るエネルギー貯蔵装置について説明するが、前述した第1実施形態のエネルギー貯蔵装置と実質的に同一の部分に関してはその説明を省略することにする。
図3は、本発明の第2実施形態に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置の構成を概略的に示した図である。
ここで、図に示したように、本実施形態におけるフライホイールエネルギー貯蔵装置200は、浮揚ユニット150の装着位置において前述した第1実施形態のエネルギー貯蔵装置と違いがある。
本実施形態の浮揚装置150もまた、永久磁石251及び超伝導体255を含むが、永久磁石251は回転体220の上段部に取付けられ、超伝導体255はカバーフレーム233の上部壁の内面に取付けられてもよい。すなわち、永久磁石251の上部に超伝導体255が位置するように永久磁石251及び超伝導体255が回転体及びカバーフレームに装着されてもよい。
図示していないが、本実施形態の超伝導体255もまた、冷却部の影響を受けて温度が調節され得、これによって超伝導体255と永久磁石251との間の距離を調節することができ、回転体220が支持フレーム231に対して浮揚した状態で回転することができる。
したがって、浮揚ユニット250によって回転体220が浮揚して回転するため、摩擦損失を最小限に抑えてエネルギー変換効率を向上させることができ、また、機械式ベアリング237と超伝導体255による浮揚を共に適用することで大容量にも適用可能であることは勿論のこと、コストアップを最小限に抑えることができる。
一方、以下においては、本発明の第3実施形態に係るエネルギー貯蔵装置について説明するが、前述した実施形態のエネルギー貯蔵装置と実質的に同一の部分に関してはその説明を省略することにする。
図4は、本発明の第3実施形態に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置の構成を概略的に示した図である。
ここで、図に示したように、本実施形態のエネルギー貯蔵装置300は、浮揚ユニット350が回転体320を基準に上部及び下部にそれぞれ設けられ、これらの連動によって回転体320を浮揚させることができる。
まず、回転体320の下段部に永久磁石351aが取付けられ、その下部に位置するように超伝導体355aが支持フレーム331の上段部に取付けられ、回転体320の上段部に永久磁石351bが取付けられ、その上部に位置するように超伝導体355bがカバーフレーム333の上部壁の内面に取付けられてもよい。
このような構成の浮揚ユニット350の超伝導体355a,355bもまた、冷却部(図示せず)の影響を受けて温度が調節され得、これによって超伝導体355a,355bと永久磁石351a,351bとの間の距離を調節することができるため、回転体320が支持フレーム331に対して浮揚した状態で回転することができる。
したがって、浮揚ユニット350によって回転体320が浮揚して回転するため、摩擦損失を最小限に抑えてエネルギー変換効率を向上させることができ、また、機械式ベアリング337と超伝導体355a,355bによる浮揚を共に適用することで大容量にも適用可能であることは勿論のこと、コストアップを最小限に抑えることができる。
一方、以下においては、本発明の第4実施形態に係るエネルギー貯蔵装置について説明するが、前述した実施形態のエネルギー貯蔵装置と実質的に同一の部分に関してはその説明を省略することにする。
図5は、本発明の第4実施形態に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置の構成を概略的に示した図である。
ここで、図に示したように、本実施形態のエネルギー貯蔵装置400は、浮揚ユニット450を含み、これは相互の極が同一の一対の永久磁石451,455を含んでもよい。すなわち、永久磁石451,455間で発生する斥力を用いて回転体420を浮揚させることができる。
1つの永久磁石451は回転体420の下段部に取付けられ、他の1つの永久磁石455は支持フレーム431の上段部に取付けられてもよい。これらの間に発生する斥力によって、支持フレーム431に対して回転体420は浮揚することができ、これによって浮揚した状態で回転体420の回転が可能である。
したがって、浮揚ユニット450によって回転体420が浮揚して回転するため、摩擦損失を最小限に抑えてエネルギー変換効率を向上させることができ、また、機械式ベアリング437と永久磁石451,455による浮揚を共に適用することで大容量にも適用可能であることは勿論のこと、コストアップを最小限に抑えることができる。
一方、以下においては、本発明の第5実施形態に係るエネルギー貯蔵装置について説明するが、前述した実施形態のエネルギー貯蔵装置と実質的に同一の部分に関してはその説明を省略することにする。
図6は、本発明の第5実施形態に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置の構成を概略的に示した図である。
ここで、図に示したように、本実施形態のエネルギー貯蔵装置500の浮揚ユニット550は、前述した第3実施形態とは異なり相互の極が異なる一対の永久磁石551,555を含んでもよい。すなわち、永久磁石551,555間に発生する引力を用いて回転体520を浮揚させてもよい。
1つの永久磁石551は回転体520の上段部に取付けられ、他の1つの永久磁石555はカバーフレーム533の上部壁の内面に取付けられてもよい。これらの間に発生する引力によって、支持フレーム531に対して回転体520は浮揚することができ、これによって浮揚した状態で回転体520の回転が可能である。
一方、以下においては、本発明の第6実施形態に係るエネルギー貯蔵装置について説明するが、前述した実施形態のエネルギー貯蔵装置と実質的に同一の部分に関してはその説明を省略することにする。
図7は、本発明の第6実施形態に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置の構成を概略的に示した図である。
ここで、図に示したように、本実施形態のエネルギー貯蔵装置600の浮揚ユニット650は、二対の永久磁石651,655を含んでもよい。そのうち一対の永久磁石651は、回転体620を基準に下部に配置されて互いに同じ極を有し、他の一対の永久磁石655は回転体620を基準に上部に配置されて互いに他の極を有する。
したがって、回転体620を下方から押す力が発生し、同時に回転体620を上方に引き寄せる力が発生することによって回転体620が浮揚され得、これによって浮揚した状態で回転体620の回転が可能である。
一方、以下においては、本発明の第7実施形態に係るエネルギー貯蔵装置について説明するが、前述した実施形態のエネルギー貯蔵装置と実質的に同一の部分に関してはその説明を省略することにする。
図8は、本発明の第7実施形態に係るフライホイールエネルギー貯蔵装置の構成を概略的に示した図である。
図8を参照すると、本実施形態のエネルギー貯蔵装置700の回転体720及び支持フレーム731は相互対応する階段式で設けられてもよく、浮揚ユニット750が取付けられてもよい。より詳しくは、図8に図に示したように、回転体720の下段部及びそれに対面する支持フレーム731の上段部は、相互対応する階段式で設けられ、回転体720の各階段の天井面及びの側面には単位形態の永久磁石751が取付けられ、ここで、対応するように、支持フレーム731の各階段の底面及びの側面には単位形態の超伝導体755が取付けられる。
このように、永久磁石751及び超伝導体755が複合構造を有することによって、支持フレーム731に対する回転体720の浮揚がより円滑に行われ得る。特に、支持フレーム731の上段部に沿って冷却部(図示せず)の循環ラインが形成されるようにすることによって超伝導体755の温度調節を行うことができ、そのため、支持フレーム731に対する回転体720の浮揚をより精密に制御することができる。
図9〜図12は、図8の様々な変形例を部分的に示した図である。
図9に示された回転体720aの天井面及びの側面には永久磁石751aが取付けられてもよく、支持フレーム731aの上面及びの側面には永久磁石751aと一対一で対応する超伝導体755aが取付けられてもよい。したがって、超伝導体755aと永久磁石751aとの間の相互作用によって回転体720aは浮揚することができ、浮揚状態で回転を行うことができる。
一方、図10に示された回転体720bの天井面及びの側面には永久磁石751bが取付けられてもよく、支持フレーム731bの上面及びの側面には永久磁石751bと一対一で対応して同じ極を有する永久磁石755bが取付けられてもよい。したがって、永久磁石751b,755b間に斥力が発生して、回転体720bは浮揚することができ、浮揚状態で回転体720bの回転を行うことができる。
一方、図11に示された回転体720cの天井面及びの側面には永久磁石751cが取付けられてもよく、支持フレーム731cの上面には超伝導体755cが取付けられ、側面には永久磁石753cが取付けられてもよい。このような構成によって、回転体720cは浮揚することができ、浮揚状態で回転体720cの回転を行うことができる。
一方、図12に示された回転体720dの天井面及びの側面には永久磁石751dが取付けられてもよく、支持フレーム731dの上面には永久磁石755dが取付けられ、側面には超伝導体753dが取付けられてもよい。このような構成によって、回転体720dは浮揚することができ、浮揚状態で回転体720dの回転を行うことができる。
このように、相互対応する位置に永久磁石751又は超伝導体755が相互作用できるように取付けられることによって、支持フレーム731に対する回転体720の浮揚が可能になり、したがって浮揚状態で回転体720の回転を行うことで摩擦損失を最小限に抑えることができる。
ただし、前述した実施形態においては、永久磁石と超伝導体、ボールベアリングで構成される場合について説明したが、構造がこれらに限定されるものではなく、回転軸の長さとシステムの形成によって3種類のベアリングの構造を多様に変化させてシステムを最適化することができる。
本発明は、記載された実施形態に限定されるものではなく、本発明の思想及び範囲を逸脱せずに多様に修正及び変形できるということはこの技術の分野における通常の知識を有する者にとって自明である。したがって、そのような修正例又は変形例は本発明の特許請求の範囲に属すると言わなければならない。