KR101309956B1

KR101309956B1 - 초전도 마그넷을 이용한 태양 에너지 저장 시스템

Info

Publication number: KR101309956B1
Application number: KR20100138969A
Authority: KR
Inventors: 김현기; 정윤도; 김대욱
Original assignee: 정윤도; 김현기
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2013-09-17
Also published as: KR20120077126A

Abstract

대용량의 태양광 에너지를 저장할 수 있는 초전도 에너지 저장 시스템이 제공된다. 본 발명의 초전도 마그넷을 이용한 태양 에너지 저장 시스템은, 태양광을 전기 에너지로 변환하여 승압된 전류를 출력하는 태양광 시스템과, 태양광 시스템의 출력에 연결된 초전도 스위치와, 초전도 스위치에 병렬 연결된 초전도 마그넷을 포함하는 초전도 영구전류스위치 시스템을 포함한다. 태양광 에너지를 초전도마그넷에 충전함으로써 분산전원장치에서 요구하는 빠른 충방전 성능을 가질 수 있으므로 계통제어 측면에서 효과가 탁월하다. 또한, 대용량의 에너지를 지속적으로 공급할 수 있으므로 스마트 그리드 시스템에 적용이 가능하다.

Description

초전도 마그넷을 이용한 태양 에너지 저장 시스템 {Solar energe storage system using superconducting magnet}

본 발명은 초전도 마그넷을 이용한 태양 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양에너지에 의해 배터리에 충전된 전류를 부스트 컨버터를 통해 승압하여 초전도 마그넷 시스템에 대용량의 전류를 충전하는 장치에 관한 것이다.

태양에너지를 전기에너지로 전환하는 태양광 에너지 시스템은 기존 에너지원과 달리 온실가스 배출, 환경파괴 등을 초래하지 않는 무공해 에너지원이다. 태양광은 막대한 부존량을 바탕으로 적용영역의 확대와 기술혁신에 따른 효율성 제고 가능성 등이 매우 크다. 현재 태양광 에너지가 발전단가 측면에서 기존 화석연료 수준보다 다소 높지만 온실가스저감, 에너지 안보 등 사회적 편익을 고려하면 결국 태양광 발전 시스템이 상용화되어 기존의 에너지원을 대체할 새로운 형태의 에너지원으로 대체될 것으로 예상된다.

전력전자 기술은 1960년대 이후 눈부시게 발전하여, 신재생에너지 분야에도 많은 어플리케이션이 적용되고 있는 실정이다. 특히, 에너지 저장시스템은 스마트 그리드(Smart Grid, 지능형 전력망)를 통해 대용량의 전원을 안정적이고 공급하는 기술이 핵심기술로 요구되고 있다.

또한, 태양광 에너지, 풍력 에너지 등의 분산형 전원이 증대됨에 따라 분산형 전원의 계통 연계에 의한 전력 품질공급 신뢰도 향상의 중요성이 대두되고 있다. 전력 품질, 공급 신뢰도를 향상시키기 위해 가장 중요한 요소 중의 하나는 빠른 충방전 특성이다.

그런데, 현재 사용되는 태양광 에너지를 저장하는 리튬 전지는 비용이 높고 충방전 시간이 느리다는 단점이 있어서 대용량의 에너지 저장 시스템으로는 상용화하는데 어려움이 있으며, 대용량의 경우에는 새로운 방식이 요구된다. 특히 스마트 그리드(지능형 전력망) 시스템의 경우 대용량의 에너지를 지속적으로 공급하는 저장시스템의 개발이 스마트 그리드의 상용화에 핵심적인 기술이기 때문에 그와 관련된 기반기술의 확보가 절실히 요구되고 있다. 　

에너지 저장시스템 중에서도 초전도 마그넷은 충방전 시간이 빠르기 때문에 계통제어 측면에서 효과가 탁월한 전력저장 기술이다. 따라서 태양광 에너지를 초전도 영구전류 스위치를 이용하여 초전도 마그넷에 안정적으로 저장할 수 있는 기술은 스마트 그리드의 발전과 더불어 관련 시장 선점을 확보할 수 있다는 측면에서 매우 중요한 기술이다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 초전도 마그넷을 사용하여 태양광 에너지를 저장할 수 있는 대용량의 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 빠른 충방전 성능을 가지고 대용량의 에너지를 안정적으로 공급할 수 있는 초전도 마그넷을 이용한 태양 에너지 저장 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 초전도 마그넷을 이용한 태양 에너지 저장 시스템은, 태양광을 전기 에너지로 변환하여 승압된 전류를 출력하는 태양광 시스템과, 태양광 시스템의 출력에 연결된 초전도 스위치와, 초전도 스위치에 병렬 연결된 초전도 마그넷을 포함하는 초전도 영구전류스위치 시스템을 포함한다.

태양광 시스템은 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 PV 모듈과, PV 모듈로부터의 전기 에너지를 안정적으로 충전할 수 있도록 제어하는 PV 컨트롤러와, PV 컨트롤러로부터의 전기 에너지를 충전하고 정전압을 출력하는 배터리 및 배터리로부터의 정전압을 승압된 전류로 변환하여 초전도 영구전류스위치 시스템으로 출력하는 부스트(boost) 컨버터를 구비할 수 있다.

부스트 컨버터는 배터리의 전류를 승압시키는 역할을 한다. 초전도 스위치에 가열전류를 인가하여 초전도 스위치를 오프 시키고 승압된 전류를 출력함으로써 승압된 전류를 초전도 마그넷에 공급하고, 초전도 마그넷에 일정 전류가 공급이 되면 초전도 스위치에의 가열전류 공급을 중단하여 초전도 스위치를 턴온 시키고 전류 공급을 중단한다. 이에 따라 초전도 스위치와 초전도 마그넷 사이에는 루프 회로가 형성되어 초전도 마그넷에는 이 루프 회로를 통해 루프 전류가 흐르게 됨으로써 전기 에너지가 초전도 마그넷에 저장된다.

초전도 마그넷으로는 냉각비용이 매우 적은 고온 초전도(HTS, High Temperature Superconducting) 마그넷이 사용되는 것이 바람직하다.

태양광 에너지를 초전도 마그넷에 안정적으로 저장함으로써 계통제어 측면에서 전력 품질, 공급 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 분산전원장치에서 요구하는 빠른 충방전 성능을 가지기 때문에 계통제어 측면에서 효과가 탁월하다. 이러한 좋은 성능으로 대용량의 에너지를 지속적으로 공급할 수 있으므로 스마트 그리드 시스템에 적용이 가능하다.

도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초전도 마그넷을 이용한 태양에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 도면이고, 도 1b는 각 구성요소 사이에서의 에너지 변환을 보여주는 도면이다.
도 2는 부스트 컨버터로부터의 전류에 따른 HTS 마그넷에서의 전류의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 동작실험을 위한 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 실험에 사용된 부스트 컨버터의 몇가지 승압되는 전류(램핑 전류)의 형태를 보여주는 그래프이다.
도 5는 Case 2의 경우의 HTS 마그넷에서의 충전 전류와 영구전류의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 4의 Case 3의 승압된 전류를 인가했을 때의 충전 전류 및 영구 전류의 실험결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 4의 Case 1-3의 승압된 전류에 따른 HTS 마그넷에서의 충전 동작의 차이를 보여주는 그래프이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초전도 마그넷을 이용한 태양에너지 저장 시스템의 구성을 나타내는 도면이고, 도 1b는 각 구성요소 사이에서의 에너지 변환을 보여주는 도면이다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 초전도 마그넷을 이용한 태양 에너지 저장 시스템(100)은 태양광(Photovoltaic:PV) 시스템(110)과 초전도 영구전류스위치(Superconducting Peristent Current Switch) 시스템(150)이 결합된 장치이다.

PV 시스템(110)은 PV 모듈(101), PV 컨트롤러(103), 배터리(105) 및 부스트 컨버터(107)를 포함한다.

PV 모듈(101)은 태양전지를 직렬 또는 병렬로 회로를 구성한 후, 진공상태에서 열 봉합하여 외부 노출 시 장기간 동안 태양전지를 보호하기 위한 태양전지 판을 의미한다. 태양전지는 다결정 태양전지, 단결정 태양전지, 박막 태양전지, 투명 태양전지, 염료 반응형 유기 태양전지 등을 포함할 수 있다.

본 실시예에서 사용되는 PV 모듈(101)은 박막 태양전지로 구성되며, 170 와트(watt)(24V×7A) 피크 용량을 갖는다. 전류 용량을 증가시키기 위해 다수 개의 PV 모듈(101)을 병렬로 설치하는 것도 가능하다.

PV 모듈(101)에서 생성되는 전기 에너지는 날씨 조건 및 모듈의 경사 등에 좌우되므로 이 전기 에너지를 직접 사용하는 것은 어렵다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 PV 컨트롤러(103)와 배터리(105)를 사용한다. 생성된 전기 에너지는 PV 컨트롤러(103)를 거쳐 배터리(105)에 충전된다. PV 컨트롤러(103)는 전력 에너지의 안정성을 유지하고 배터리 충전을 안정하게 유지한다. 또한, PV 컨트롤러(103)는 충전량과 단선 상황을 표시할 수 있다. 이와 같이 태양광으로부터의 전기 에너지를 배터리(105)에 충전하므로, 상용 전력을 사용하지 않고도 충전된 태양 에너지를 사시사철 사용할 수 있다. 배터리(105)의 전력량은 배터리를 직렬로 추가 연결함으로써 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서 각 배터리(105)의 사용 가능 전력의 전류/주기는 5 A로 45 시간, 15 A로 13 시간, 25 A로 7 시간이다.

배터리(105)는 부스트 컨버터(107)에 정전압을 제공하고, 부스트 컨버터(107)는 초전도 영구전류스위치 시스템(150)에 승압된 전류(램핑 전류)를 공급한다. 초전도 영구전류스위치 시스템(150)은 부스트 컨버터(107)의 출력에 연결된 초전도 PCS(Persistent Current Switch)(이하, '초전도 스위치'라 함)(157)와, 초전도 스위치(157)에 병렬 연결된 고온 초전도(HTS, High Temperature Superconducting) 마그넷(159)을 구비한다.

부스트 컨버터(107)는 초전도 스위치(157)에 가열전류를 인가하여 초전도 스위치(157)를 오프 시키고 승압된 전류를 출력함으로써 승압된 전류를 HTS 마그넷(159)에 공급한다. 이에 따라 HTS 마그넷(159)에 흐르는 전류가 점차 증가하게 되고, HTS 마그넷(159)에 일정 전류가 공급이 되면 부스트 컨버터(107)는 초전도 스위치(157)에의 가열전류 공급을 중단하여 초전도 스위치(157)를 턴온 시키고 승압된 전류의 출력을 중단한다. 그러면 초전도 스위치(157)와 HTS 마그넷(159) 사이에는 루프 회로가 형성되어 HTS 마그넷(159)에는 이 루프 회로를 통해 루프 전류가 흐르게 됨으로써 전기 에너지가 초전도 마그넷에 저장된다.

이를 요약하면, 도 1b에 도시된 것처럼, PV 모듈(101)은 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 PV 컨트롤러(103)에 공급하고, PV 컨트롤러(103)는 전기 에너지를 안정적으로 배터리(105)에 충전한다. 배터리(105)는 부스트 컨버터(107)를 통해 승압된 전류를 제공하고, 승압된 전류는 초전도 스위치(157)를 오프 시킴으로써 HTS 마그넷(159)에 공급되고, 다시 초전도 스위치(157)를 턴온 시킴으로써 마그넷(159)에는 초전도 스위치(157)를 통해 루프 전류가 흐르게 된다. 이렇게 루프 전류의 형태로 HTS 마그넷(159)에 저장된 에너지는 필요시에 스마트 그리드 시스템 등의 전력망에 공급된다.

이와 같은 동작을 거쳐서 태양광 에너지는 전기 에너지로 변환되어 HTS 마그넷(159)에 충전된다. 이러한 충전 과정의 예가 도 2에 도시되어 있다. 초전도 스위치(157)에 가열 전류가 인가되어 초전도 스위치(157)가 가열되기 시작하면 부스트 컨버터(107)로부터 승압된 전류가 공급되어 마그넷(159)에 흐르는 전류도 차츰 증가하게 된다. 승압된 전류는 예를 들면 50 A까지 상승한다. 승압된 전류가 목표치에 도달하기 전에 초전도 스위치(157)에 인가되는 가열 전류는 차단되어 초전도 스위치(157)의 가열은 중단되고 HTS 마그넷(159)에의 충전 전류는 이제 영구전류 모드로 바뀌어 HTS 마그넷(159)에 루프 전류가 흐르게 된다. 이때 부스트 컨버터(107)는 턴오프 된다.

< 실험결과 >

이하의 실험에서 Bi-2223를 사용한 HTS 마그넷(159)의 인덕턴스는 9.1 mH이고, 권선수(number of turns)는 130 × 2 = 260이다. PV 시스템(110)의 구성 요소로는 표 1과 같은 규격이 사용되었다.

실험 결과의 측정을 위하여 도 3에 도시한 것처럼 충전전류는 홀 센서를 HTS 마그넷(159)에 설치하여 측정하였고, 부스트 컨버터의 승압된 전류는 션트 저항을 이용하여 측정하였다. 모든 측정 신호는 DAQ 보드를 통해 증폭한 후에 컴퓨터에 기록하였다.

도 4는 실험에 사용된 부스트 컨버터(107)의 몇가지 승압된 전류의 형태를 보여준다. 본 실험에서는 Case 1, Case 2, Case 3의 3가지 형태의 승압된 전류를 사용하였으며, 각각 80, 64, 48 mA/sec의 정격을 갖는다. 부스트 컨버터(107)는 8개의 모듈을 가진 하나의 유닛에 연결되도록 설계된 것으로서 50A까지 승압된 전류를 공급할 수 있다. 본 실험에서 부스트 컨버터(107)는 24개의 모듈을 가진 3개의 유닛으로 결합될 수 있도록 설계되어 최대 150A까지 용이하게 확장 가능하다.

도 5는 Case 2의 경우에 HTS 마그넷(159)에서의 충전 전류와 영구전류의 변화를 보여준다. 도시된 것처럼, 초전도 스위치(157)에 1A의 가열전류가 인가되는 동안에는 HTS 마그넷(159)에 충전 전류가 공급되어 30A에 이르고, 초전도 스위치(157)에 가열전류가 끊어지면 HTS 마그넷(159)에는 영구전류가 흐르게 된다. 영구전류는 2시간 동안 감소하였는데 대략 1.2mA/sec의 감소율을 나타내었다. 이는 HTS 마그넷(159)의 n 값이 낮은 것과, 결합 저항에 기인하는 것이다.

도 6은 도 4의 Case 3의 승압된 전류를 인가했을 때의 충전 전류 및 영구 전류의 실험결과로서, 각각 영구전류가 40, 30, 20 A인 경우를 보여주고 있다. 이 결과에서 볼 수 있는 것처럼 충전전류는 다양한 동작 전류 하에서 PV 시스템(110)으로부터 HTS 마그넷(159)에 저장된다. 실험에서는 실제 초전도 마그넷과 비교하여 매우 작은 것이 사용되었으며, 그로 인하여 마그넷의 인덕턴스(9mH 정도)가 실제보다 훨씬 작아서 영구전류의 감소는 본 실험에서 크게 발생하였다. 이와 같은 현상은 HTS 와이어의 플럭스 크립(flux creep)에 기인한다. 영구전류의 감소율은 40, 30, 20 A에서 각각 4.10, 2.05, 0.89 mA/s이다. 도 7은 도 4의 Case 1-3의 승압된 전류에 따른 HTS 마그넷(159)에서의 충전 동작의 차이를 보여주고 있다.

이상 본 발명을 몇가지 예를 들어 설명하였으나, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 태양광 시스템, 101 PV 모듈,
103 PV 컨트롤러, 105 배터리,
107 부스트 컨버터, 150 초전도 영구전류스위치 시스템,
157 초전도 스위치, 159 HTS 마그넷

Claims

삭제
태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 PV 모듈과, PV 모듈로부터의 전기 에너지를 안정적으로 충전할 수 있도록 제어하는 PV 컨트롤러와, PV 컨트롤러로부터의 전기 에너지를 충전하고 정전압을 출력하는 배터리 및 상기 배터리로부터의 전압을 램핑 전류로 변환하여 출력하는 부스트 컨버터를 구비하는 태양광 시스템; 및
상기 부스트 컨버터의 출력에 연결된 초전도 스위치와, 초전도 스위치에 병렬 연결된 초전도 마그넷을 구비하는 초전도 영구전류스위치 시스템
을 포함하는 초전도 마그넷을 이용한 태양 에너지 저장 시스템.
제2항에 있어서, 상기 부스트 컨버터는 상기 초전도 스위치에 가열전류를 인가하여 초전도 스위치를 오프 시키고 승압된 전류를 출력함으로써 승압된 전류를 초전도 마그넷에 공급하고, 초전도 마그넷에 일정 전류가 공급이 되면 초전도 스위치에의 가열전류 공급을 중단하여 초전도 스위치를 턴온 시키고 전류 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는 초전도 마그넷을 이용한 태양 에너지 저장 시스템.
제3항에 있어서, 상기 초전도 마그넷은 고온 초전도(HTS, High Temperature Superconducting) 마그넷인 것을 특징으로 하는 초전도 마그넷을 이용한 태양 에너지 저장 시스템.