KR101344197B1 - 초전도 발전 시스템 - Google Patents

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KR101344197B1
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김현규
박진수
김철희
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두산엔진주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 선택적 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템은 상전도 코일을 포함하는 회전자와 회전자의 회전축 방향으로 공극을 두고 회전자와 대향 배치된 초전도 코일을 포함하는 고정자를 갖는 축방향 자속형 초전도 발전기와, 고정자의 초전도 코일을 둘러싸며 냉매를 수용하는 냉매조, 그리고 냉매를 액화시켜 냉매조에 공급하는 극저온 냉각 시스템을 포함한다.

Description

초전도 발전 시스템{SUPER CONDUCTING ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명의 실시예는 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극저온 냉각 시스템을 갖는 초전도 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 초전도 발전기는 절대온도 OK, 즉 섭씨 영하 273도에서 전기 저항이 소멸하는 초전도 현상을 응용한 발전기이다. 초기의 초전도 발전기는 절대온도 4K 내지 20K 범위 내에서 초전도 현상이 발생하는 선재를 사용하다가 근래에는 상대적으로 높은 절대온도 30K 내지 77K에서 초전도 현상을 나타내는 소재가 발견되면서, 초전도 발전기에 대한 개발이 가속되고 있다.
현재 개발된 대부분의 초전도 발전기는 상전도 발전기에서 계자에 사용되던 구리 권선을 초전도 권선으로 대체한 구조를 갖는다.
이와 같이, 초전도 권선으로 계자를 형성하면, 전기 저항으로 인한 손실없이 고자장의 회전자계를 만들 수 있다. 이에, 초전도 발전기는 상전도 발전기와 대비하여 향상된 효율과 감소된 크기 및 무게를 가질 수 있다.
그런데, 초전도 선재로 만들어진 초전도 권선에 저항없이 전류를 흘리기 위해서는 초전도 권선이 설치된 계자를 극저온으로 냉각 시키기 위한 냉각 시스템이 추가로 요구된다. 그럼에도, 초전도 선재는 구리선보다 더 많은 전류를 저항없이 흘릴 수 있기 때문에 여자 손실이 0에 가까워 냉각 손실을 고려하더라도 총 손실을 대폭 줄일 수 있으므로, 상전도 발전기와 대비하여 효율을 향상시킬 수 있다.
하지만, 일반적으로 초전도 발전기는 초전도 코일이 회전자에 형성되어 회전하므로 이를 냉각시키기 위해서는 자성 유체 실링(ferro-fluid sealing)을 사용하여 고진공 상태를 유지해야 했다. 또한, 회전자에 설치된 초전도 코일을 냉각 시스템과 연결하기 위한 로터리 커플링(rotary coupling)과 냉매를 순환시키기 위한 순환 펌프 등도 필요하였다.
이와 같이, 초전도 발전기의 초전도 코일을 냉각시키기 위한 종래의 냉각 시스템은 복잡한 구조를 가질 뿐만 아니라 효율적인 측면에서도 효과적이지 못한 문제점이 있다.
일본 공개특허공보 특개2004-023921호(2004.01.22) 공개특허공보 제10-2006-0001988호(2006.01.06)
본 발명의 실시예는 초전도 코일을 직접 냉각시켜 향상된 냉각 효율을 가질 뿐만 아니라 상대적으로 간소한 구조를 갖는 초전도 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 상전도 코일을 포함하는 회전자와 상기 회전자의 회전축 방향으로 공극을 두고 상기 회전자와 대향 배치된 초전도 코일을 포함하는 고정자를 갖는 축방향 자속(axial flux)형 초전도 발전기와, 상기 고정자의 상기 초전도 코일을 둘러싸며 냉매를 수용하는 냉매조, 그리고 상기 냉매를 액화시켜 상기 냉매조에 공급하는 극저온 냉각 시스템을 포함한다.
상기 초전도 발전기는 회전 전기자형일 수 있다.
또한, 초전도 발전 시스템은 상기 냉매조를 둘러싸는 단열재를 더 포함할 수 있다.
또한, 초전도 발전 시스템은 상기 초전도 발전기의 상기 회전자와 연결되어 상기 회전자에 회전력을 제공하는 엔진을 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 엔진의 회전축 및 상기 회전자의 회전축을 서로 연결하는 커플링을 더 포함할 수 있다.
또한, 초전도 발전 시스템은 상기 초전도 발전기의 상기 회전자에서 생성된 전기를 전력 계통으로 전달하기 위한 슬립링 및 브러시 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
또한, 초전도 발전 시스템은 상기 냉매조에 수용된 상기 냉매의 수위를 측정하는 냉매 수위 센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 초전도 발전 시스템은 상기 냉매조에 상기 냉매를 처음 공급하는 냉매통을 더 포함할 수 있다.
또한, 초전도 발전 시스템은 상기 냉매 수위 센서의 신호에 따라 상기 냉매통으로부터 공급되는 상기 냉매의 양을 조절하는 냉매 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기한 초전도 발전 시스템에서, 상기 냉각 시스템은 상기 냉매조에서 기화된 상기 냉매의 열을 흡수하는 냉동기와, 상기 냉동기에서 냉각된 상기 냉매를 응축시켜 액화하는 응축기를 더 포함할 수 있다.
상기 냉동기와 상기 응축기 사이에 배치되어 상기 냉매의 응고를 방지하는 히터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 초전도 코일을 직접 냉각시켜 향상된 냉각 효율을 가질 뿐만 아니라 상대적으로 간소한 구조로 이를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1의 극저온 냉각 시스템을 구체적으로 나타낸 초전도 발전 시스템의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)을 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 초전도 발전기(10), 극저온 냉각 시스템(80), 및 냉매조(75)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 초전도 발전기(10)에 발전을 위한 회전력을 제공하는 엔진(50)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 초전도 발전기(10)는 엔진(50)으로부터 제공받는 회전력을 통해 전기를 생성한다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 냉매 수위 센서(77), 단열재(76), 커플링(55), 슬립링 및 브러시(20) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 초전도 발전기(10)는 상전도 코일(115)을 포함한 회전자(11)와, 초전도 코일(125)을 포함한 고정자(12)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 초전도 발전기(10)의 고정자(12)는 계자가 되고, 회전자(11)는 전기자가 된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전기(10)는 회전 전기자형으로 형성된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 고정자(12)는 회전자(11)의 회전축 방향으로 공극을 두고 회전자(11)와 대향 배치된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전기(10)는 축방향 자속(axial flux)형으로 형성된다.
구체적으로, 계자의 초전도 코일(125)과 전기자의 상전도 코일(115)은 공극을 두고 서로 마주보고 있으며, 초전도 코일(125)에서 발생된 자속 방향은 회전자(11)의 회전축(111)에 수평한 방향으로 이동하여 전기자의 코어를 거친 후 다시 회전자(11)의 회전축에 수평한 방향으로 이동하여 계자의 초전도 코일(125)로 향한다. 도 2에서 화살표는 자속 방향을 나타낸다.
또한, 회전자(11)의 회전축(111)과 엔진(50)의 회전축(511)은 커플링(55)을 통해 서로 연결되며, 회전자(11)는 엔진(50)으로부터 회전력을 제공받는다. 그리고 계자의 초전도 코일(125)에서 생성된 축방향 자속을 통해 전기자의 상전도 코일(115)에서 발생하는 전기는 회전자(11)의 회전축(111)에 장착된 브러시(brush) 및 슬립링(slipring)(20)을 통해 전력 계통으로 연결된다.
초전도 코일(125)은 극저온, 즉 절대온도 4K 내지 100K 범위 내에서 초전도 현상이 발생하는 선재로 만들어질 수 있다. 초전도(superconductor) 선재는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지되어 있다. 상전도 코일(115)은 구리나 알루미늄과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 초전도 발전기(10)의 코어는 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP; Glass Fiber Reinforced Plastic)으로 형성될 수 있다. 유리 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 코어는 자속의 측면에서 공기와 같은 특성을 가지고 있으므로 자기포화 없이 고자장을 전기자의 권선으로 전달 가능하다. 유리 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 코어는 상전도 발전기의 철심과 대비하여 가벼우면서도 우수한 기계적 강도를 갖는다.
냉매조(75)는 고정자(12)의 초전도 코일(125)을 둘러싼다. 즉, 냉매조(75)는 초전도 코일(125)을 포함하는 고정자(12) 전부 또는 일부를 둘러싼다. 그리고 냉매조(75)에는 냉매(RF)가 수용된다.
냉매조(75)에 수용된 냉매(RF)에 의해 초전도 코일(125)은 초전도 현상이 일어나는 극저온을 상태를 유지하게 된다. 냉매조(75) 내부에는 액화 상태의 냉매(RF)가 수용된다. 그리고 액화 상태의 냉매(RF)는 초전도 코일(125)과 직접 접촉하여 초전도 코일(125)을 냉각시킨다. 일례로, 냉매(RF)는 질소, 네온, 헬륨, 수소 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 극저온 냉매 중 하나 이상일 수 있다.
냉매 수위 센서(77)는 냉매조(75)에 설치되어 냉매조(75)에 수용된 냉매(RF)의 수위를 파악하여 이를 조절하는데 활용된다.
단열재(76)는 냉매조(75)를 둘러싸 보호하면서 냉매조(75)의 온도를 유지시킨다. 즉, 단열재(76)는 냉매조(75)에 외부로부터 열이 침입되는 것을 차단한다.
극저온 냉각 시스템(80)은 냉동기(81), 응축기(82), 히터(83), 냉매 제어 밸브(87), 공급 유로(86), 하우징(89), 및 냉매통(88)을 포함한다.
하우징(89)의 내부에는 냉동기(81), 응축기(82), 히터(83), 냉매 제어 밸브(87), 및 공급 유로(86)가 배치되며, 하우징(89) 내부의 공간은 진공 상태로 유지될 수 있다.
냉매통(88)은 냉매조(75)에 액체 상태의 냉매(RF)를 처음 공급한다. 즉, 냉매통(88)에 액체 상태로 보관된 냉매(RF)가 공급 유로(86)를 통해 냉매조(75)로 처음 유입된다. 이때, 냉매 제어 밸브(87)는 냉매 수위 센서(77)의 신호에 따라 냉매통(88)으로부터 냉매조(75)에 공급되는 냉매(RF)의 양을 조절한다. 즉, 냉매 제어 밸브(87)는 냉매 수위 센서(77)의 신호에 따라 적정량의 냉매(RF)를 냉매조(75)에 공급한다.
냉매조(75)에 공급된 액체 상태의 냉매(RF)는 초전도 코일(125)을 냉각시키면서 열을 흡수하여 일부가 기화된다.
냉동기(cryogenic cooler)(81)는 냉매조(75)에서 기화되어 상승한 냉매(RF)의 열을 흡수한다. 그리고 응축기(82)는 냉매(RF)를 응축시켜 다시 액화시킨다. 응축기(82)는 냉동기(81)의 끝단에 설치되어 작동 온도 이하로 냉각되고 기화된 냉매(RF)를 효과적으로 최대한으로 재액화시키기 위해 접촉 면적이 확대된 구조를 갖는다. 한편, 히터(83)는 냉동기(81)와 응축기(82) 사이에 배치되어 냉매(RF)가 응고되는 것을 방지한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 냉매(RF)가 기화 상태와 액화 상태를 반복적으로 상전이 하면서, 중력에 의해 냉매조(75)와 냉각 시스템의 응축기(82) 사이를 자연 순환하게 된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면 냉매(RF)를 강제 순환시키기 위한 펌프와 같은 구성이 불필요하다.
또한, 냉각 대상인 초전도 코일(125)이 회전하지 않고 고정자(12)에 형성되므로, 자성 유체 실링(ferro-fluid sealing) 및 로터리 커플링(rotary coupling)과 같은 구성이 불필요하다.
또한, 냉매(RF)가 초전도 코일(125)과 직접 접촉하여 초전도 코일(125)을 냉각시키므로, 초전도 코일(125)을 극저온으로 냉각시키는 시간을 단축 시킬 수 있을 뿐만 아니라 전체적인 냉각 효율도 향상시킬 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)을 극저온 냉각 시스템(80)의 작동 원리를 중심으로 설명한다.
극저온 냉각 시스템(80)의 초기 가동 시에는 냉각 대상인 초전도 코일(125)이 상온을 유지하고 있으므로, 초전도 코일(125) 자체의 비열 때문에 섭씨 20도의 상온에서 극저온으로 온도를 냉각하기 위해서는 상대적으로 오랜 시간이 소요될 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에서, 냉매조(75)는 초기에 액체 상태의 냉매(RF)를 냉매통(88)으로부터 공급받아 초전도 코일(125)을 상대적으로 단기간에 초전도 현상이 일어나는 극저온 상태로 낮출 수 있다.
냉매조(75)에 수용된 액화 상태의 냉매(RF)는 냉각 대상인 초전도 코일(125)과의 열교환을 통해 초전도 코일(125)을 초전도 현상이 일어나는 극저온 상태로 떨어뜨리고, 냉매(RF)는 기화되어 공급 유로(86)를 통해 극저온 냉각 시스템(80)의 응축기(82)와 냉동기(81)로 향하게 된다.
기화된 냉매(RF)는 응축기(82)와 냉동기(81)에 의해 상변화하여 재액화되고, 재액화된 냉매(RF)는 중력에 의해 다시 냉매조(75)로 유입된다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)의 극저온 냉각 시스템(80)은 냉매(RF)가 자연 순환되어 강제 순환을 위한 별도의 구성이 요구되지 않는다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 초전도 코일(125)을 직접 냉각시켜 향상된 냉각 효율을 가질 뿐만 아니라 상대적으로 간소한 구조로 이를 구현할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 초전도 발전기 11: 회전자
12: 고정자 20: 브러시
50: 엔진 55: 커플링
75: 냉매조 76: 단열재
77: 냉매 수위 센서 80: 극저온 냉각 시스템
81: 냉동기 82: 응축기
83: 히터 86: 공급 유로
87: 냉매 제어 밸브 88: 냉매통
89: 하우징 101: 초전도 발전 시스템
111: 회전자의 회전축 115: 상전도 코일
125: 초전도 코일 511: 엔진의 회전축
RF: 냉매

Claims (11)

  1. 상전도 코일(115)을 포함하는 회전자(11)와 상기 회전자(11)의 회전축(111) 방향으로 공극을 두고 상기 회전자(11)와 대향 배치된 초전도 코일(125)을 포함하는 고정자(12)를 갖는 축방향 자속(axial flux)형 초전도 발전기(10);
    상기 고정자(12)의 상기 초전도 코일(125)을 둘러싸며 냉매(RF)를 수용하는 냉매조(75); 및
    상기 냉매(RF)를 액화시켜 상기 냉매조(75)에 공급하는 극저온 냉각 시스템(80);
    상기 냉매조(75)에 수용된 상기 냉매(RF)의 수위를 측정하는 냉매 수위 센서(77);
    상기 냉매조(75)에 상기 냉매(RF)를 처음 공급하는 냉매통(88); 및
    상기 냉매 수위 센서(77)의 신호에 따라 상기 냉매통(88)으로부터 공급되는 상기 냉매(RF)의 양을 조절하는 냉매 제어 밸브(87)
    를 포함하는 초전도 발전 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 초전도 발전기(10)는 회전 전기자형인 초전도 발전 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 냉매조(75)를 둘러싸는 단열재(76)를 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
  4. 제1항에서,
    상기 초전도 발전기(10)의 상기 회전자(11)와 연결되어 상기 회전자(11)에 회전력을 제공하는 엔진(50)을 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 엔진(50)의 회전축(511) 및 상기 회전자(11)의 회전축(111)을 서로 연결하는 커플링(55)을 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
  6. 제1항에서,
    상기 초전도 발전기(10)의 상기 회전자(11)에서 생성된 전기를 전력 계통으로 전달하기 위한 슬립링 및 브러시(20) 중 하나 이상을 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
    상기 극저온 냉각 시스템(80)은 상기 냉매조(75)에서 기화된 상기 냉매(RF)의 열을 흡수하는 냉동기(81)와, 상기 냉동기(81)에서 냉각된 상기 냉매(RF)를 응축시켜 액화하는 응축기(82)를 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
  8. 제7항에서,
    상기 냉동기(81)와 상기 응축기(82) 사이에 배치되어 상기 냉매(RF)의 응고를 방지하는 히터(83)를 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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