KR100960785B1 - 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 중공축과, 중심에 상기 중공축이 배치되는 진공챔버, 상기 진공챔버의 내부 가장자리에 설치되는 소정 질량의 플라이휠, 및 상기 플라이휠과 상기 중공축을 서로 연결시키며 상기 플라이휠과 함께 상기 진공챔버 내부에서 회전 가능하게 설치되는 허브가 구비되는 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치에 있어서, 상기 중공축의 내, 외측으로 초전도베어링과 전자석베어링이 각각 설치되되 서로간의 자기력이 차폐 가능하게 설치되는 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치가 제공된다.

이에 의하면, 초전도베어링과 전자석베어링 간의 자기력 상호 간섭을 그 사이에 배치되는 마그넷실드를 통해 차폐 가능함으로써 축 회전시의 기구적 메커니즘을 안정화시켜 회전손실을 방지할 수 있으며, 설계 가용성을 높일수 있는 장점이 있다.

중공축, 플라이휠, 전력저장장치, 초전도베어링, 전자석베어링, 마그넷실드

Description

대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치 {Large capacity hollow-type flywheel electric power storage device}

본 발명은 플라이휠 전력저장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보다 안정성을 갖고 회전손실을 극소화시킬 수 있도록 한 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치에 관한 것이다.

일반적으로 전력의 소모량은 주, 야간으로 크게 변동하여 새벽에는 사용량이 극히 적고, 낮 시간 이후로는 급격히 증가하는 양상을 보인다.

이를 위해 발전소는 낮 시간대의 최대 부하를 감당할 수 있도록 건설되어야 하는데, 이는 경제적으로 매우 큰 손실이다. 따라서, 사용전력량을 평준화하기 위해 양수발전, 심야전력 이용기기 등이 사용되는데, 또 다른 대안으로 등장한 것이 플라이휠 전력저장장치이다.

이러한 플라이휠 전력저장장치는 전동발전기, 플라이휠(flywheel), 및 베어링의 장치들로 이루어진 것으로 전기에너지를 모터를 이용하여 플라이휠의 회전속도를 올리는 방법으로 플라이휠의 관성 에너지로 저장하였다가, 필요시에 플라이휠에 연결된 발전기로 전기를 발전하여 다시 사용하는 장치이다.

이와 같은 플라이휠 전력저장장치의 구성요소 중 상기한 베어링의 종류로는 기계식 베어링, 초전도 베어링 혹은 전자석을 이용한 무접촉 베어링이 사용된다.

우선, 기계식 베어링이 사용되는 경우는 고속에서의 운전이 어려워 저속으로 운전하기에 저용량이라는 단점이 있고, 회전 상태에서 마찰에 의한 손실이 매우 크므로 거의 사용되지 않는다.

또, 전자석 베어링이 사용되는 경우는 전자석과 영구자석의 반발을 이용하여 휠을 부양시키고, 부양 상태를 유지하기 위해서 전자석을 세밀하게 조절해 주어야 하는 형태로서 플라이휠을 부양시키기 위해서 전자석에 사용되는 에너지가 비교적 커서 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

아울러, 초전도 베어링이 사용되는 경우는 초전도체와 자석의 부양력와 고정력을 이용하여 휠을 부양시키고, 무접촉이라서 고속회전이 가능하기 때문에 작은 부피에 큰 에너지를 저장할 수 있으나, 휠을 부양하기 위해서는 고가의 초전도체가 다량으로 필요하고, 초전도체와 자석간의 면적에 비례하여 와류 손실이 커지기 때문에 대용량화 하기가 용이하지 않다.

한편, 이러한 문제점들을 감안하여 종래에는 중공축의 내, 외부에 각각 초전도 베어링과 영구자석 베어링이 복합적으로 설치된 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치가 공지되어 있는바, 이는 평상시 전자석 베어링의 기능을 최소화하고 초전도 베어링으로 회전체를 부양시켜 회전손실이 적은 상태로 운전을 하며, 외란이 가해졌을 경우만 전자석 베어링을 활성화시켜 진동을 억제하고 다시 전력 소모를 최소화하는 상태로 복귀되도록 사용된다.

그러나, 종래의 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치에 설치되는 전자석 베어링과 초전도 베어링 모두 자기력을 이용한 부재로서 중공축의 내, 외측에 설치됨에 있어서, 자기력의 상호 간섭이 없도록 축의 길이방향으로 서로 이격설치되어야 된다.

이에 따라, 중공축의 길이는 불필요하게 길어져 불안정하게 됨으로써 회전속도 저하에 따른 회전손실이 발생되어, 결국에는 전력저장 밀도가 낮아지게 되는 문제가 발생된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 전자석 베어링과 초전도 베어링이 복합적으로 사용됨에 따른 자기력의 상호간섭을 배제하여 회전손실 발생을 방지할 수 있는 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치는 중공축과, 중심에 상기 중공축이 배치되는 진공챔버, 상기 진공챔버의 내부 가장자리에 설치되는 소정 질량의 플라이휠, 및 상기 플라이휠과 상기 중공축을 서로 연결시키며 상기 플라이휠과 함께 상기 진공챔버 내부에서 회전 가능하게 설치되는 허브가 구비되는 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치에 있어서, 상기 중공축의 내, 외측으로 초전도베어링과 전자석베어링이 각각 설치되되 서로간의 자기력이 차폐 가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명은 상기 초전도베어링과 전자석베어링 사이에 금속재질의 원통형으로 설치되는 마그넷실드를 더 포함하여 이루어진다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치에 의하면, 초전도베어링과 전자석베어링 간의 자기력 상호 간섭을 그 사이에 배치되는 마그넷실드를 통해 차폐 가능함으로써 축 회전시의 기구적 메커니즘을 안정화시켜 회전손실을 방지할 수 있으며, 설계 가용성을 높일수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치에 대해 상세하게 살펴본다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치를 나타내 보인 단면도, 및 도 2는 도 1의 "A"부분에 대한 확대 단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치는 상, 하측 중공축(P)과, 중심에 상기 상, 하측 중공축(P)이 배치되는 고진공 상태의 진공챔버(110)와, 상기 진공챔버(110) 내부 가장자리에 설치 되는 소정 질량의 플라이휠(120)과, 상기 플라이휠(120)과 상기 중공축(P)을 연결시켜 주며 상기 플라이휠(120)과 함께 상기 진공챔버(110) 내부에서 회전 가능하게 설치되는 허브(130)와, 상기 상, 하측 중공축(P)의 내부에 상기 플라이휠(120)과 허브(130)의 진동제어를 위해 각각 설치되는 외륜형 초전도베어링(140)과, 상기 상, 하측 중공축(P)의 외부에 상기 플라이휠(120)과 허브(130)의 진동제어를 위해 상기 초전도베어링(140)과 대응되게 각각 설치되는 전자석베어링(150)과, 상기 초전도베어링(140) 사이에 배치되어 회전구동시 진동이 최소화되는 전동발전기(160), 및 상기 초전도베어링(140)과 전자석베어링(150) 간의 자기력 차폐용으로 설치되는 금속재질의 마그넷실드(170)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 초전도베어링(140)은 상기 상, 하측 중공축(P)의 내부에 냉각 유체용의 액체질소를 저장하는 냉동조(141)와, 상기 냉동조(141)의 외측에 YBCO(Yttrium Barium Copper Oxide) 벌크 형태로 설치되어 상기 냉동조(141)에 의해 냉각되는 초전도체(142)와, 상기 초전도체(142)와 상호작용하도록 구비되어 회전가능한 영구자석(143)과, 상기 영구자석(143)을 그 외측에서 회전 지지하도록 구비되는 영구자석 하우징(144), 및 회전자 보강재(145)로 이루어진다.

상기한 냉동조(141)에 저장되는 액체 질소는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것으로 액체 헬륨 등으로 대체하여 사용할 수 있음은 물론이다.

또, 상기 전자석베어링(150)은 고정자지지대(151a)에 의해 지지되는 고정자코어(151)와, 상기 고정자코어(151)에 장착된 고정자코일(152), 및 상기 상, 하측 중공축(P)을 지지하도록 구비되는 회전자코어(153)로 이루어진다.

한편, 상기 마그넷실드(170)는 상기 영구자석 하우징(144)과 회전자 보강재(145) 사이에 내삽되되 일정 두께를 갖는 원통형으로 설치되어, 상기 초전도베어링(140)의 영구자석(143)에서 발생되는 자기력과 상기 전자석베어링(150)의 회전자코어(153)에서 발생되는 자기력 간의 간섭을 서로 배제하여 회전손실을 최소화할 수 있도록 구비된다.

다만, 상기 마그넷실드(170)는 본 실시예에서 상기 중공축(P) 내부에 상기 초전도베어링(140)을 설치시 상기 마그넷실드(170)가 별도 설치되지 않고 함께 일체식으로 조립되어 조립성이 향상될 수 있도록 상기 영구자석 하우징(144)과 회전자 보강재(145) 사이에 내삽되게 일체화하여 구비되는 것으로 예시한 것이다.

따라서, 상기 초전도베어링(140)는 회전자보강재(145)의 외측에 설치될 경우에도 영구자석(143)과 회전자코어(153) 간의 자기력 간섭을 배제할 수 있는 본 발명의 사상적 범주에 속하는 것이므로, 이는 본 발명에 있어서 설계변경 가능한 정도라 할 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치에 따르면, 초전도베어링(140)과 전자석베어링(150)의 자기력 상호 간섭을 마그넷실드(170)를 설치하여 용이하게 차폐 가능함으로써 초전도베어링(140)과 전자석베어링(150)을 중공축(P) 내, 외측의 동축상에 설치가 가능하여 종래와 같이 축 길이를 길게 할 필요가 없게 된다.

따라서, 축 회전시 기구적 메커니즘이 안정화 될 수 있어 회전손실을 방지할 수 있으며, 설계 가용성을 높일수 있는 장점이 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 이에 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치를 나타내 보인 단면도, 및

도 2는 도 1의 "A"부분에 대한 확대 단면도이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

110: 진공챔버 120: 플라이휠

130: 허브 140: 초전도베어링

150: 전자석베어링 160: 전동발전기

170: 마그넷실드

Claims (2)

1. 중공축(P)과, 중심에 상기 중공축(P)이 배치되는 진공챔버(110), 상기 진공챔버(110)의 내부 가장자리에 설치되는 소정 질량의 플라이휠(120), 및 상기 플라이휠(120)과 중공축(P)을 서로 연결시키며 상기 플라이휠(120)과 함께 상기 진공챔버(110) 내부에서 회전 가능하게 설치되는 허브(130)가 구비되는 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치에 있어서,

   상기 중공축(P)의 내, 외측으로 초전도베어링(140)과 전자석베어링(150)이 각각 설치되되 서로간의 자기력이 차폐 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 초전도베어링(140)과 전자석베어링(150) 사이에 금속재질의 원통형으로 설치되는 마그넷실드(170)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대용량 중공형 플라이휠 전력저장장치.

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