KR100287132B1 - 고온초전도 베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전기적 에너지를 회전체의 운동에너지로 변환하여 저장하고 필요할 때 다시 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있도록 하는 고온초전도체를 이용한 플라이휠 에너지 저장장치에 관한 것이다.

종래 기술에 의한 고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치는 수직 회전축과 고온초전도 쓰러스트베어링을 사용함으로 인해 회전축 직각 방향으로의 안정성이 비교적 약하게 되어 안정성 확보를 위한 추가 비용이 많이 들고, 또한 회전축에 다수의 플라이휠을 직렬 연결하여 에너지 저장장치를 대용량화할 경우, 설비의 구조물 상·하단간의 길이가 길어짐으로써 설비의 안전성 확보가 어렵고 설치 공정이 어려워 건설비용이 많이 들게 된다.

본 발명에서는 고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치에서 회전축을 중력 방향에 수직인 수평축으로 하여 고온초전도 저어널베어링과 플라이휠, 전동/발전기를 설치하는 구조를 채택함으로써, 상기 에너지 저장장치의 안정성을 향상시킴과 동시에, 다수의 플라이휠과 베어링들의 직렬 연결에 의한 대용량화를 용이하며, 플라이휠 회전축 반경 방향으로의 안정성이 뛰어나 회전축 이탈사고로부터 안전하고, 별도의 무접촉 베어링이나 능동제어장치, 격납 시설의 필요성이 적어 제작비용이 적게 든다. 또한 본 발명에서 제시된 수평축 플라이휠 에너지 저장장치를 대용량화할 경우, 중력 방향과 직각인 회전축을 길게 만들어 설치하게 되므로 대용량 플라이휠 에너지 저장설비의 구조물 상·하단간의 길이가 짧아짐으로써, 설비의 안전성 확보가 용이하고 조립 설치 공정이 쉬워 건설비가 상대적으로 저렴하게 들며, 또한 기존 설비에 적절한 수의 플라이휠과 베어링, 전동/발전기를 수평 방향으로 연결하는 방법으로 쉽게 용량 확장을 할 수 있어 안전성 및 경제성을 갖는 것이다.

Description

고온초전도 베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 저장장치

본 발명은, 전기적 에너지를 회전체의 운동에너지로 변환하여 저장하고 필요할 때 다시 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있도록 하는 고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치에 관한 것이다.

전력 저장의 필요성은 전력의 공급을 수요에 정확히 맞추는 것이 어렵고 비경제적이라는 사실에서 발생한다. 전력의 공급은, 화력 발전·원자력 발전과 같이 열을 발생시켜 발전하는 방식의 경우 일정한 적정 출력을 유지하는 것이 가장 경제적이고, 수력 발전·풍력 발전·태양광 발전과 같이 자연력을 이용하여 발전하는 방식의 경우 계절과 같은 자연환경에 의해 출력이 좌우되는 반면, 전력의 수요는 낮과 밤, 계절의 변화 등 자연환경의 변화, 대규모 공장의 가동, 송전사고 등 다양한 요소에 의해 변한다. 소비와 공급이 동시에 일어나는 전력에너지의 특성상, 전력 설비를 최대수요량에 맞추기 위해 많은 비용이 들고, 출력을 수요에 따라 가·감발하기 위해 제어에 필요한 설비와 인력이 필요하고, 출력 변동 과정에서 발전설비 수명이 단축되고, 수요량과 공급량의 미소한 불일치가 전력의 질적 저하를 가져오는 등 많은 문제가 야기된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 여러 방식의 전력 저장기술이 개발되었다.

종래의 에너지 저장기술로 현재 사용 중이거나 개발 중인 기술로는 양수발전기술, 압축공기 저장 가스터빈 기술, 전지 에너지 저장기술, 초전도 자기 에너지 저장기술, 플라이휠 에너지 저장기술 등이 있다. 이들 기술로 구현한 설비 중 플라이휠 에너지 저장장치는 다양한 용량으로 설치할 수 있고, 수명이 반영구적이며, 축·방전 시간이 가변적이며, 부지 확보가 용이하고, 건설 기간이 짧고, 환경 친화적이며, 사고의 중대성이 낮은 등 많은 장점을 가져, 다양한 조건하에서 이용될 수 있다.

한편, 이러한 플라이휠 에너지 저장장치는 전기에너지를 플라이휠의 회전에 따른 운동에너지의 형태로 저장하므로 각종 마찰에 의한 에너지 손실을 실용적인 수준으로 줄이는 것이 기술 개발의 관건이 되었다. 마찰에 의한 에너지 손실은 크게 공기 마찰 손실, 베어링 마찰 손실, 전자기 손실로 나눌 수가 있는데, 이 중 베어링 마찰 손실을 줄이고 플라이휠의 고속 회전을 가능하게 하기 위해 영구자석과 전자석을 이용한 무접촉베어링을 채용한 플라이휠 에너지 저장장치가 개발되었다. 상기 전자석 베어링에서는 영구자석 또는 전자석의 인력과 척력을 사용하여 플라이휠을 부상시켜 마찰 없는 회전을 실현하나, 그 플라이휠의 회전축을 잡아주기 위하여 능동제어(active control)를 해야만 한다. 이와같은 방법에는 그 제어를 위한 회로 및 제어 장치 제작에 많은 비용이 들고, 플라이휠 작동 시에 계속적으로 에너지가 소모되므로 에너지 저장효율이 떨어지는 문제점이 있다.

최근 고온초전도체 발견 이후 고온초전도체가 자속을 통과시키지 않는 반자성과, 일단 침입한 자속은 자속고정점에 의하여 빠져나가지 않도록 고정되는 성질을 이용하여 능동제어가 필요 없는 무접촉베어링이 개발되어 플라이휠 에너지 저장장치에 채용되었다. 이러한 고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치는 고온초전도 베어링의 냉각상태만 유지된다면 위치 제어와 무접촉 유지를 위한 다른 장비나 에너지의 투입 없이도 마찰 없고 안정된 플라이휠의 회전이 가능하다는 장점이 있다.

첨부도면 도 3은 종래 기술로서 고온초전도 쓰러스트베어링을 이용한 수직축 플라이휠 에너지 저장장치를 개념적으로 예시한 것이다. 플라이휠(11)과 고온초전도 쓰러스트베어링(13), 전동/발전기(16)는 중력 방향과 평행한 회전축(12)에 부착되어 진공/안전용기(17) 내부에 설치된다. 상기 쓰러스트베어링(13)은 고온초전도체로 이루어진 베어링 고정자(14)와 영구자석 회전자(15)로 구성되어 축 방향으로의 부상력을 주로 제공하고, 축 반경 방향으로의 고정력도 제공한다. 상기 플라이휠(11)은 높은 에너지 저장밀도를 위한 고속회전에 견딜 수 있는 재질과 형태로 제작되며, 상기 진공/안전용기(17)는 내부 진공을 유지해 공기 저항 손실을 줄이고 만일의 사고 발생시 내부 구성물 이탈을 방지하기 위해 제작된다. 상기 전동/발전기(16)는 내부의 접촉식 베어링을 없애 마찰을 없애고 회전시 전자기적 손실을 줄일 수 있도록 설계 제작되어 외부의 전력 변환설비와 제어설비에 연결된다.

상기한 바 종래 기술에 의한 고온초전도 쓰러스트베어링을 이용한 수직축 플라이휠 에너지 저장장치는, 그 회전축이 중력 방향과 평행함으로써 몇 가지 문제점을 가지게 된다. 그 문제점을 크게 나누어 설명하면 다음과 같다.

첫째, 안정성의 문제이다. 고온초전도체의 자기고정력은 외부 자장의 변화에 의해 결정된다. 상기 종래 기술에 의한 수직축 플라이휠 구성에서 회전체가 평형 위치에서 축의 반경 방향으로 이탈하는 경우, 축 방향으로 이탈하는 경우에 비해 영구자석에 의해 발생된 자장의 변화가 비교적 적음으로써 베어링이 회전체에 작용하는 복원력이 약하게 된다. 큰 회전관성을 가지고 고속으로 회전하는 플라이휠이 회전축의 평형 위치에서 축에 직각인 방향으로 이탈할 경우 매우 큰 안전상의 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 회전축에 별도로 고온초전도 저어널베어링을 설치하거나 전자석에 의한 능동제어장치를 설치하여 회전축 반경 방향으로의 고정력을 보강할 수 있으나, 이러한 해결책은 장치 제작비용의 증가를 야기한다는 문제점이 있다.

둘째, 확장성의 문제이다. 플라이휠 에너지 저장설비의 대용량화를 위해서는 플라이휠의 회전속도를 증가시키거나 회전관성을 증가시켜야 한다. 회전속도는 플라이휠 소재의 재료적인 한계에 의해 결정되므로, 플라이휠 설비의 대용량화는 플라이휠의 회전관성을 증가시켜 용이하게 이루어질 수 있어야 한다. 플라이휠의 회전관성을 증가시키기 위해 휠의 반경을 증가시키는 방법 또한 휠 소재의 인장강도라는 한계에 부딪히므로, 플라이휠 에너지 저장장치의 대용량화는 축 방향으로 휠과 베어링들을 길게 직렬 연결하는 방법이나 여러 개의 플라이휠 장치들을 병렬로 연결하는 방법으로 구현해야 함을 알 수 있다. 플라이휠 장치들을 병렬로 연결하는 방법은 전동/발전기, 진공/안전용기, 냉각 설비, 제어 설비 등이 플라이휠 장치 각각에 필요하게 되어 매우 비경제적이므로, 결국 회전축 방향으로 휠과 베어링들을 직렬 연결하는 방법이 가장 효율적이라고 볼 수 있다. 그러나 상기 종래 기술에 의한 수직축 플라이휠 에너지 저장장치를 대용량화할 경우 회전축을 중력 방향으로 길게 만들어 휠과 베어링들을 설치해야 하므로 전체 설비의 높이가 커져, 설치가 어렵고 건설비가 많이 들며 설비의 안전성 확보에 어려움이 따르게 된다.

결론적으로 종래 기술의 고온초전도 쓰러스트베어링을 이용한 수직축 플라이휠 에너지 저장장치의 경우 회전축 반경 방향으로의 안정성이 비교적 약하고, 확장에 의한 설비의 대용량화가 용이하지 않다는 문제점이 있다.

이와같은 문제점을 개선하기 위하여 본 발명에서는 고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치에서 회전축을 중력 방향에 수직인 수평축으로 하여 고온초전도 저어널베어링과 플라이휠, 전동/발전기를 설치하는 구조를 채택함으로써, 상기 에너지 저장장치의 안정성을 향상시킴과 동시에, 다수의 플라이휠과 베어링들의 직렬 연결에 의한 대용량화를 용이하게 할 수 있는 고온초전도 베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 저장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예로서, 하나의 플라이휠로 구성된 고온초전도 저어널베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 저장장치의 개략구성단면도.

도 2는 본 발명의 또 다른 구성 예로, 고온초전도 저어널베어링을 이용한 플라이휠 에너지 저장장치를 여러 개의 플라이휠을 수평축에 직렬 연결하여 구성함으로써 대용량화한 경우를 도시한 단면도.

도 3은 종래 기술의 고온초전도 쓰러스트베어링을 이용한 수직축 플라이휠에너지 저장장치를 간략히 예시한 단면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

11, 21 : 회전체의 주 회전 관성을 제공하는 플라이휠

12, : 수직축 플라이휠 장치의 회전축

13 : 고온초전도 쓰러스트베어링

14 : 고온초전도체를 포함한 쓰러스트베어링 고정자

15 : 자성체를 포함한 쓰러스트베어링 회전자

16, 26 : 단일 기기로 전동기와 발전기의 역할을 하는 전동/발전기

17, 27 : 진공을 유지하고 플라이휠 이탈 사고에 대비하여 안전성을 확보하기 위한 진공/안전용기

22 : 수평축 플라이휠 장치의 회전축

23 : 고온초전도 저어널베어링

24 : 고온초전도체를 포함한 저어널베어링 고정자

25 : 자성체를 포함한 저어널베어링 회전자

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 전기적 에너지를 하나 또는 다수 플라이휠의 회전 운동에너지의 형태로 저장하는 플라이휠 에너지 저장장치로서 상기 플라이휠을 설치 지지하는 회전축은 중력 방향에 수직방향인 수평축을 사용하고, 상기 수평축에는 고온초전도 저어널베어링을 설치하여 회전체의 하중을 지탱하도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기한 고온초전도 저어널베어링은 회전자에 일정한 하중이 작용할 경우에 강한 부상력을 발휘하도록 고온초전도 선재로 형성된 고온초전도자석을 회전축의 저어널로 하여 이루어진 고온초전도 자석저어널과; 상기한 고온초전도 자석저어널 또는 자석저어널에 대향하는 반원통형으로서 다수의 고온초전도체로 이루어진 고정자를 구비하여, 자속고정에 의해 회전체에 작용하는 중력 등의 힘을 자기압력(magnetic pressure)으로 상쇄시켜 부상력을 제공하도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기 회전체는 플라이휠에 직접적으로 부착시키지 않고 베어링 부분과 상기 플라이휠을 축으로만 연결시켜 플라이휠 형상을 다양하게 변형 가능하도록 하며, 상기 수평 회전축에는 다수의 플라이휠과 고온초전도 저어널베어링을 직렬 연결하여 회전체의 회전 관성을 증가시켜 대용량화하도록 한다.

또한 상기 수평 회전축에는 회전체의 회전 관성을 증가시키기 뿐만아니라 그 시스템을 독립적이면서 병렬로 적층시켜 에너지 저장 시스템의 집적도를 향상시켜 대용량화하도록 다수의 플라이휠과 다수의 고온초전도 저어널베어링을 직렬 연결하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 하나 혹은 다수의 플라이휠과 다수의 고온초전도 저어널베어링을 회전축에 설치하고 무접촉 전동/발전기를 축에 연결 설치하여 진공/안전용기 외부의 전력 변환설비와 제어설비에 연결한다. 이와같은 플라이휠 에너지 저장장치의 대용량화를 위해서는 다수의 플라이휠과 베어링들을 회전축에 축설하여 회전관성을 증가시킨다. 상기한 고온초전도 저어널베어링으로는 "강한 부상력의 고온초전도 베어링"의 명칭으로 이미 특허 출원된 혼합형 고온초전도 저어널베어링을 사용하여 부상력을 강화할 수 있다.

이하 본 발명에서 제시한 개념에 따른 고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 구성 예를 도면에 의거하여 설명한다.

단 냉각 장치, 진공 설비, 전력 변환설비, 제어설비 등 당 업계에서 통상적으로 사용되고 있으며, 본 발명에서 제시한 개념과의 연관성이 미흡한 장비들은 도면에 나타내지 않고 설명을 생략하였다.

도 1은 본 발명의 구성 예로서 하나의 플라이휠로 구성된 고온초전도 저어널베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 저장장치의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명에 있어 관성작용을 하는 플라이휠(21)과, 회전체를 지지하는 고온초전도 저어널베어링(23), 전동/발전기(26)가 중력 방향과는 서로 수직인 방향으로 설치된 회전축(22)에 의하여 진공/안전용기(27) 내부에 설치된다.

상기 저어널베어링(23)은 고온초전도체를 포함한 베어링 고정자(24)와 자성체를 포함한 회전자(25)로 구성되어 중력 반대방향으로의 부상력과, 여타 방향으로의 고정력을 제공한다.

상기 플라이휠(21)은 높은 에너지 저장밀도를 위한 고속회전에 견딜 수 있는 재질과 형태로 제작되며, 상기 진공/안전용기(27)는 내부 진공을 유지해 공기 저항 손실을 줄이고 만일의 사고 발생시 내부 구성물 이탈을 방지하기 위해 제작된다.

상기 전동/발전기(26)는 내부의 접촉식 베어링을 없애 마찰을 없애고 회전시 전자기적 손실을 줄일 수 있도록 설계 제작되어 외부의 전력 변환설비와 제어설비에 연결된다.

위에 예시한 바와 같이 플라이휠 장치를 수평축으로 구성하고 플라이휠의 부상 및 고정을 위해 고온초전도 저어널베어링을 사용할 경우, 종래 기술에 의한 수직축 고온초전도 플라이휠 장치에 비해 회전축 반경 방향으로 더 강한 고정력을 얻을 수 있어, 추가 장치 없이도 더 높은 안정성을 구현할 수 있다.

도 2는 본 발명의 또 다른 실시예의 구성을 도시한 것으로서 고온초전도 저어널베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 저장장치를 여러 개의 플라이휠을 직렬 연결하여 구성함으로써 대용량화한 경우를 도시한 것이다.

중력 방향과 수직인 회전축(22)에 다수의 플라이휠(21)이 축설되고, 회전체의 하중이 균일하게 분산되어 회전축의 휨을 방지하도록 다수의 고온초전도 저어널베어링(23)이 설치된다.

상기 실시예에서는 하나의 전동/발전기(26)를 회전축의 말단에 설치한 예를 보였으나, 다른 실시예로서 실제 역학적 측면을 고려하여 가동시 회전축에 걸리는 비틀림이 과다하지 않도록 하나 혹은 다수를 적절한 위치에 축설할 수 있다.

이와 같이 고온초전도 저어널베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 저장장치를 대용량화할 경우 중력 방향과 직각인 회전축을 길게 만들어 설치하게 되므로, 종래 기술에 의한 수직축 플라이휠 에너지 저장장치를 대용량화할 경우보다 설비의 안전성 확보가 용이하고 조립 설치 공정이 쉬워 건설비가 상대적으로 저렴하게 된다. 또한 기존 설비에 적절한 수의 플라이휠과 베어링, 전동/발전기를 수평 방향으로 연결하는 방법으로 쉽게 용량 확장을 할 수 있다는 장점이 있다.

결론적으로 본 발명 고온초전도 저어널베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 저장장치는, 플라이휠 에너지 저장장치를 구성함에 있어 중력 방향과 직각인 수평축과 고온초전도 저어널베어링을 채용하여, 종래 기술에 비해 그 안정성과 확장성을 향상시키고 제작·건설비용을 줄인 것이다.

본 발명은 종래 기술의 고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치에 비해 플라이휠 회전축 반경 방향으로의 안정성이 뛰어나 회전체 이탈사고로부터 더 안전하고, 별도의 무접촉 베어링이나 능동제어장치, 격납 시설의 필요성이 적어 제작비용이 적게 든다는 장점이 있다.

또한 본 발명에서 제시된 수평축 플라이휠 에너지 저장장치를 대용량화할 경우, 중력 방향과 직각인 회전축을 길게 만들어 설치하게 되므로 종래 기술의 수직축 플라이휠 에너지 저장장치를 대용량화할 경우에 비해 다음과 같은 장점이 있다. 우선 플라이휠의 직렬 연결에 의한 대용량 플라이휠 에너지 저장설비의 구조물 상·하단간의 길이가 짧아짐으로써, 설비의 안전성 확보가 용이하고 조립 설치 공정이 쉬워 건설비가 상대적으로 저렴하게 된다. 또한 기존 설비에 적절한 수의 플라이휠과 베어링, 전동/발전기를 수평 방향으로 연결하는 방법으로 쉽게 용량 확장을 할 수 있게 된다.

이러한 장점을 볼 때, 본 발명에서 제시한 바 고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 구성 개념은 종래의 플라이휠 에너지 저장장치에 안전성 경제성 측면에서 큰 향상을 가져다주는 매우 유용한 기술인 것이다.

Claims (3)

1. 전기적 에너지를 하나 또는 다수 플라이휠의 회전 운동에너지의 형태로 저장하는 플라이휠 에너지 저장장치에 있어서, 상기 에너지 저장장치는 플라이휠(21)을 설치 지지하는 회전축(22)이 중력방향에 수직방향인 수평축으로 이루어지며, 상기 수평 회전축(22)은 회전자에 일정한 하중이 작용할 경우에 강한 부상력을 발휘하도록 고온초전도 선재로 형성된 고온초전도자석을 회전축의 저어널로 하여 이루어진 고온초전도 자석저어널과; 상기한 고온초전도 자석저어널에 대향하여 자속고정에 의해 회전체에 작용하는 중력 등의 힘을 자기압력(magnetic pressure)으로 상쇄시켜 부상력을 제공하도록 하는 반원통형으로서 다수의 고온초전도체로 이루어진 고정자를 구비한 고온초전도 저어널 베어링(23)에 의하여 회전체의 하중을 지탱하도록 구성됨을 특징으로 하는 고온초전도 베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 저장장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 회전체는 플라이휠에 직접적으로 부착시키지 않고 베어링 부분과 상기 플라이휘일을 축으로만 연결시켜 플라이휠 형상을 다양하게 변형 가능하도록 함을 특징으로 하는 고온 초전도 베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 저장장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 수평 회전축에는 다수의 플라이휠과 고온초전도 저어널베어링을 직렬 연결하여 회전체의 회전 관성을 증가시켜 대용량화하도록 함을 특징으로 하는 고온초전도 베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 저장장치.