KR101366929B1 - Super conducting electric power generation system - Google Patents

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KR101366929B1
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cryogenic
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superconducting
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김철희
박진수
황정호
김상진
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두산엔진주식회사
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Abstract

The embodiment of the present invention relates to a superconductive generation system. According to an embodiment of the present invention the superconductive generation system includes: a superconductive generator with using a field comprising a superconducting coil; and a cryogenic cooling system including a plurality of cryogenic refrigerant supply units to cool the superconductive coils of the field by using different refrigerants each other and operating sequentially.

Description

초전도 발전 시스템{SUPER CONDUCTING ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM}Superconducting Power System {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.An embodiment of the present invention relates to a superconducting power generation system, and more particularly to a superconducting power generation system having a cryogenic cooling system.

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.In general, a superconducting generator is a generator applying a superconducting phenomenon in which the electric resistance disappears at an absolute temperature of OK, that is, 273 degrees Celsius. In the early superconducting generators, wire rods in which superconductivity occurs in the absolute temperature range of 4K to 20K were used.In recent years, the development of superconducting generators has been accelerated due to the discovery of materials exhibiting superconductivity at relatively high absolute temperatures of 30K to 77K. have.

현재 개발된 대부분의 초전도 발전기는 상전도 발전기에서 계자에 사용되던 구리 권선을 초전도 권선으로 대체한 구조를 갖는다.Most of the superconducting generators currently developed have a structure in which the superconducting windings replace the copper windings used in the field generators in the superconducting generators.

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.As such, when the field is formed of the superconducting winding, the magnetic field of the high magnetic field can be made without loss due to the electrical resistance. Thus, the superconducting generator may have improved efficiency and reduced size and weight compared to the phase conducting generator.

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.However, in order to flow a current without resistance to the superconducting winding made of superconducting wire, a cooling system for cooling the field in which the superconducting winding is installed to cryogenic temperature is additionally required. Nevertheless, since the superconducting wire can flow more current than the copper wire without resistance, the excitation loss is close to zero, and the total loss can be greatly reduced even when the cooling loss is taken into account, thereby improving efficiency in comparison with the phase conduction generator.

하지만, 초전도 권선이 설치된 계자는 작동 온도가 매우 낮아 액화점이 낮은 냉매를 사용하여야 하므로, 초기 냉각에 비용이 지나치게 소모될 뿐만 아니라 냉각 과정이 번거로운 문제점이 있었다.However, the field in which the superconducting winding is installed has to use a refrigerant having a low liquefaction point because the operating temperature is very low, and there is a problem that the cooling process is cumbersome as well as excessive consumption of initial cooling.

일본 공개특허공보 특개2011-091212호(2011.05.06)Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2011-091212 (2011.05.06) 한국등록특허 제10-0681100호(2007.02.02)Korean Patent Registration No. 10-0681100 (2007.02.02) 일본 공개특허공보 특개2001-284665호(2001.10.12)Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-284665 (2001.10.12)

본 발명의 실시예는 초전도 코일을 포함한 계자를 효과적으로 초기 냉각 시킬 수 있는 초전도 발전 시스템을 제공한다.An embodiment of the present invention provides a superconducting power generation system that can effectively cool the field including the superconducting coil effectively.

본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 초전도 코일을 포함하는 계자를 사용한 초전도 발전기 및 서로 다른 냉매를 사용하며 순차로 작동하여 상기 계자의 상기 초전도 코일을 냉각시키는 복수의 극저온 냉매 공급부들을 포함하는 극저온 냉각 시스템을 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a superconducting power generation system includes a superconducting power generator using a field including a superconducting coil and a plurality of cryogenic refrigerant supply units that use different refrigerants and sequentially operate to cool the superconducting coil of the field. It includes a cryogenic cooling system.

상기 복수의 극저온 냉매 공급부들은 제1 냉매를 사용하는 제1 극저온 냉매 공급부와, 상기 제1 냉매보다 액화점이 상대적으로 낮은 제2 냉매를 사용하는 제2 극저온 냉매 공급부를 포함할 수 있다.The plurality of cryogenic refrigerant supply units may include a first cryogenic refrigerant supply unit using a first refrigerant and a second cryogenic refrigerant supply unit using a second refrigerant having a lower liquefaction point than the first refrigerant.

상기 제1 냉매는 질소(N2)이며, 상기 제2 냉매는 네온(Ne)일 수 있다.The first refrigerant may be nitrogen (N 2 ), and the second refrigerant may be neon (Ne).

상기 극저온 냉각 시스템은 상기 계자와 연결된 냉매 공급 라인과, 상기 냉매 공급 라인의 일단에 설치된 메인 밸브와, 상기 제1 극저온 냉매 공급부와 상기 메인 밸브를 연결하는 제1 냉매 이동 라인과, 상기 제2 극저온 냉매 공급부와 상기 메인 밸브를 연결하는 제2 냉매 이동 라인, 그리고 상기 냉매 공급 라인 및 상기 계자에 공급되어 잔류하는 상기 냉매를 감소시키기 위한 진공 펌프를 더 포함할 수 있다.The cryogenic cooling system includes a refrigerant supply line connected to the field, a main valve installed at one end of the refrigerant supply line, a first refrigerant movement line connecting the first cryogenic refrigerant supply unit and the main valve, and the second cryogenic temperature. The apparatus may further include a second refrigerant moving line connecting the refrigerant supply unit and the main valve, and a vacuum pump to reduce the refrigerant remaining after being supplied to the refrigerant supply line and the field.

상기 메인 밸브와 상기 진공 펌프를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어부는 상기 메인 밸브를 제어하여 상기 제1 극저온 냉매 공급부가 공급하는 상기 제1 냉매를 상기 계자에 공급시켜 상기 초전도 코일을 1차로 냉각시키는 제1 단계, 상기 메인 밸브를 제어하여 상기 제1 냉매의 공급을 중단하고 상기 진공 펌프를 가동하여 상기 냉매 공급 라인 및 상기 계자에 공급된 상기 제1 냉매를 감소시키는 제2 단계, 그리고 상기 메인 밸브를 제어하여 상기 제1 냉매가 감소된 상기 냉매 공급 라인 및 상기 계자에 상기 제2 극저온 냉매 공급부가 공급하는 상기 제2 냉매를 공급하여 상기 초전도 코일을 작동 온도까지 2차로 냉각시키는 제3 단계의 순서로 동작할 수 있다.It may further include a control unit for controlling the main valve and the vacuum pump. The control unit controls the main valve to supply the first refrigerant supplied by the first cryogenic refrigerant supply unit to the field to cool the superconducting coil primarily, and to control the main valve to control the first valve. A second step of stopping supply of a coolant and operating the vacuum pump to reduce the first coolant supplied to the coolant supply line and the field; and controlling the main valve to supply the coolant having the reduced first coolant The second refrigerant supplied from the second cryogenic refrigerant supply unit to the line and the field may be operated in a third step of sequentially cooling the superconducting coil to an operating temperature.

상기 극저온 냉각 시스템은 상기 계자에 공급된 상기 냉매의 온도 및 압력 중 하나 이상을 측정하는 감지부를 더 포함할 수 있다.The cryogenic cooling system may further include a sensing unit measuring at least one of a temperature and a pressure of the refrigerant supplied to the field.

상기 제어부는 상기 감지부가 측정한 상기 계자에 공급된 상기 제1 냉매의 온도가 액화점 이하로 낮아지면, 상기 메인 밸브를 제어하여 상기 제1 냉매의 공급을 중단하고 상기 진공 펌프를 가동시킬 수 있다.When the temperature of the first refrigerant supplied to the field measured by the detector is lower than a liquefaction point, the controller may control the main valve to stop the supply of the first refrigerant and to operate the vacuum pump. .

상기 제어부는 상기 감지부가 측정한 상기 냉매 공급 라인의 내부 압력이 10-3 Torr 이하로 낮아지면, 상기 진공 펌프의 가동을 중단하고 상기 메인 밸브를 제어하여 상기 제2 냉매를 공급할 수 있다.The controller may stop the operation of the vacuum pump and control the main valve to supply the second refrigerant when the internal pressure of the refrigerant supply line measured by the detector decreases to 10 −3 Torr or less.

상기한 초전도 발전 시스템에서, 상기 복수의 극저온 냉매 공급부들은 각각 기화된 상기 냉매의 열을 흡수하는 냉동기와, 상기 냉동기에서 냉각된 상기 냉매를 응축시켜 액화시키는 응축기, 그리고 액화된 상기 냉매를 저장하는 액화 저장 탱크를 포함할 수 있다.In the superconducting power generation system, the plurality of cryogenic refrigerant supplying units each include a refrigerator for absorbing heat of the vaporized refrigerant, a condenser for condensing and liquefying the refrigerant cooled in the refrigerator, and a liquefaction for storing the liquefied refrigerant. It may include a storage tank.

상기 복수의 극저온 냉매 공급부들은 상기 냉동기와 상기 응축기 사이에 배치되어 상기 냉매의 응고를 방지하는 히터를 더 포함할 수 있다.The plurality of cryogenic refrigerant supply units may further include a heater disposed between the refrigerator and the condenser to prevent solidification of the refrigerant.

상기 극저온 냉각 시스템은 상기 복수의 극저온 냉매 공급부들에 상기 냉매를 보충하는 냉매 보충 탱크를 더 포함할 수 있다.The cryogenic cooling system may further include a refrigerant replenishment tank that replenishes the refrigerant to the plurality of cryogenic refrigerant supplies.

상기 극저온 냉각 시스템은 상기 복수의 극저온 냉매 공급부들과 폐루프로 연결 가능하게 설치된 버퍼 탱크를 더 포함할 수 있다.The cryogenic cooling system may further include a buffer tank installed to be connected to the plurality of cryogenic refrigerant supply units in a closed loop.

본 발명의 실시예에 따르면, 초전도 발전 시스템은 초전도 코일을 포함한 계자를 효과적으로 초기 냉각 시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the superconducting power generation system can effectively cool the field including the superconducting coil effectively.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 4는 도 1의 초전도 발전 시스템에서 초기 냉각 과정을 나타낸 순서도이다.1 to 3 are schematic block diagrams of a superconducting power generation system according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating an initial cooling process in the superconducting power generation system of FIG. 1.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

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.The drawings are schematic and illustrate that they are not drawn to scale. The relative dimensions and ratios of the parts in the figures are shown exaggerated or reduced in size for clarity and convenience in the figures, and any dimensions are merely illustrative and not restrictive. And to the same structure, element or component appearing in more than one drawing, the same reference numerals are used to denote similar features.

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.The embodiments of the present invention specifically illustrate ideal embodiments of the present invention. As a result, various variations of the illustration are expected. Thus, the embodiment is not limited to any particular form of the depicted area, but includes modifications of the form, for example, by manufacture.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)을 설명한다.Hereinafter, a superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 초전도 발전기(10)와 극저온 냉각 시스템(200)을 포함한다.As shown in FIG. 1, the superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention includes a superconducting power generator 10 and a cryogenic cooling system 200.

또한, 도시하지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 초전도 발전기(10)에 발전을 위한 회전력을 제공하는 엔진을 더 포함할 수 있다. 즉, 초전도 발전기(10)는 엔진으로부터 제공받는 회전력을 통해 전기를 생성한다.In addition, although not shown, the superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention may further include an engine providing a rotational force for power generation to the superconducting power generator 10. That is, the superconducting generator 10 generates electricity through the rotational force provided from the engine.

본 발명의 일 실시예에서, 초전도 발전기는(10) 전기자(11)와 초전도 코일(125)을 포함한 계자(12)를 사용한다. 전기자(11)는 구리나 알루미늄과 같은 상전도 권선을 사용한다.In one embodiment of the invention, the superconducting generator 10 uses a field 12 including an armature 11 and a superconducting coil 125. The armature 11 uses a phase conduction winding such as copper or aluminum.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 초전도 발전기(10)의 전기자(11)는 고정자가 되고, 계자(12)는 회전축(15)을 중심으로 회전하는 회전자가 된다. 즉, 도 1의 초전도 발전기(10)는 회전 계자형을 나타낸다. 하지만, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 초전도 발전기(10)는 회전 전기자형으로 형성될 수도 있다.In addition, as shown in FIG. 1, the armature 11 of the superconducting generator 10 becomes a stator, and the field 12 becomes a rotor that rotates about the rotation shaft 15. That is, the superconducting generator 10 of FIG. 1 shows a rotating field type. However, one embodiment of the present invention is not limited thereto, and the superconducting generator 10 may be formed in a rotating armature shape.

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.The superconducting coil 125 may be made of a wire material in which a superconducting phenomenon occurs within a cryogenic temperature, that is, an absolute temperature of 4K to 100K. Superconductor wires are known to those skilled in the art.

또한, 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 전기자(11)의 권선으로 전달 가능하다. 유리 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 코어는 상전도 발전기의 철심과 대비하여 가벼우면서도 우수한 기계적 강도를 갖는다.In addition, in one embodiment of the present invention, the core of the superconducting generator 10 may be formed of Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP). Since the core formed of glass fiber reinforced plastic has air-like properties in terms of magnetic flux, it is possible to transmit a high magnetic field to the winding of the armature 11 without magnetic saturation. The core formed of glass fiber reinforced plastic has a light and excellent mechanical strength compared to the iron core of the phase conduction generator.

극저온 냉각 시스템(200)은 복수의 극저온 냉매 공급부들(201, 202), 냉매 공급 라인(300), 메인 밸브(400), 제1 냉매 이동 라인(310), 제2 냉매 이동 라인(320), 진공 펌프(500), 및 제어부(800)를 포함한다. 여기서, 복수의 극저온 냉매 공급부들(201, 202)은 제1 냉매를 사용하는 제1 극저온 냉매 공급부(201)와, 제1 냉매보다 액화점이 상대적으로 낮은 제2 냉매를 사용하는 제2 극저온 냉매 공급부(202)를 포함한다. 일례로, 제1 냉매는 질소(N2)이며, 제2 냉매는 네온(Ne)일 수 있다.The cryogenic cooling system 200 includes a plurality of cryogenic refrigerant supply units 201 and 202, a refrigerant supply line 300, a main valve 400, a first refrigerant movement line 310, a second refrigerant movement line 320, And a vacuum pump 500 and a control unit 800. Here, the cryogenic refrigerant supply units 201 and 202 may include a first cryogenic refrigerant supply unit 201 using a first refrigerant and a second cryogenic refrigerant supply unit using a second refrigerant having a relatively low liquefaction point than the first refrigerant. 202. For example, the first refrigerant may be nitrogen (N 2 ), and the second refrigerant may be neon (Ne).

또한, 극저온 냉각 시스템(200)은 복수의 극저온 냉매 공급부들(201, 202)을 수용하는 저온 용기(250)를 더 포함할 수 있다. 저온 용기(250)는 단열 성능이 우수한 소재로 만들어지며, 외부의 열이 복수의 극저온 냉매 공급부들(201, 202)에 미치는 영향을 최소화한다. 또한, 저온 용기(250)의 내부 공간은 진공 상태로 유지될 수 있다.In addition, the cryogenic cooling system 200 may further include a low temperature vessel 250 for receiving a plurality of cryogenic refrigerant supplies 201, 202. The low temperature container 250 is made of a material having excellent thermal insulation performance, and minimizes the influence of external heat on the plurality of cryogenic refrigerant supply parts 201 and 202. In addition, the internal space of the low temperature container 250 may be maintained in a vacuum state.

또한, 극저온 냉각 시스템(200)은 초전도 발전기(10)의 계자(12)에 설치되어 제어부(800)에 신호를 전달하는 감지부(18)를 더 포함한다. 감지부(18)는 계자(12)에 공급된 냉매의 온도 및 압력 중 하나 이상을 측정할 수 있다. 그리고 초전도 발전 시스템(200)은 회전하는 계자에 설치된 감지부(18)에 전원을 공급하기 위해 회전축에 설치된 브러시(brush)(17)를 더 포함할 수 있다.In addition, the cryogenic cooling system 200 further includes a sensing unit 18 installed in the field 12 of the superconducting generator 10 and transmitting a signal to the control unit 800. The sensing unit 18 may measure one or more of the temperature and pressure of the refrigerant supplied to the field 12. The superconducting power generation system 200 may further include a brush 17 installed on a rotating shaft to supply power to the sensing unit 18 installed on the rotating field.

냉매 공급 라인(300)은 단열층을 포함하며, 로터리 커플링(rotary coupling, 미도시)와 같은 구성을 이용하여 회전하는 계자(12)의 내부와 연결된다. 여기서, 로터리 커플링은 해당 기술 분야의 종사자에게 공지되어 있다.The coolant supply line 300 includes a heat insulation layer and is connected to the inside of the rotating field 12 using a configuration such as a rotary coupling (not shown). Here, rotary couplings are known to those skilled in the art.

메인 밸브(400)는 냉매 공급 라인(300)과 제1 냉매 이동 라인(310) 및 제2 냉매 이동 라인(320) 사이에 배치된다. 여기서, 메인 밸브(400)로는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)가 사용될 수 있다. 그리고 메인 밸브(400)는 냉매의 누수를 방지하기 위해 실링 처리된다.The main valve 400 is disposed between the refrigerant supply line 300, the first refrigerant movement line 310, and the second refrigerant movement line 320. Here, a solenoid valve may be used as the main valve 400. And the main valve 400 is sealed to prevent leakage of the refrigerant.

제1 냉매 이동 라인(310)은 제1 극저온 냉매 공급부(310)와 메인 밸브(400)를 연결하고, 제2 냉매 이동 라인(320)은 제2 극저온 냉매 공급부(320)와 메인 밸브(400)를 연결한다. 제1 냉매 이동 라인(310) 및 제2 냉매 이동 라인(320)은 냉매 공급 라인(300)과 마찬가지로 단열층을 포함할 수 있다.The first refrigerant movement line 310 connects the first cryogenic refrigerant supply unit 310 and the main valve 400, and the second refrigerant movement line 320 connects the second cryogenic refrigerant supply unit 320 and the main valve 400. Connect it. The first refrigerant movement line 310 and the second refrigerant movement line 320 may include a heat insulating layer similarly to the refrigerant supply line 300.

진공 펌프(500)는 냉매 공급 라인(300)과 연결된다. 이때, 진공 펌프(500)는 메인 밸브(400)를 거쳐 냉매 공급 라인(300)과 연결될 수도 있다. 진공 펌프(500)는 냉매 공급 라인(300) 및 계자(12)의 내부에 공급되어 잔류하는 냉매를 진공에 가까운 상태로 감소시킨다.The vacuum pump 500 is connected to the refrigerant supply line 300. In this case, the vacuum pump 500 may be connected to the refrigerant supply line 300 via the main valve 400. The vacuum pump 500 is supplied into the refrigerant supply line 300 and the field 12 to reduce the residual refrigerant to a state close to vacuum.

제어부(800)는 감지부(18)로부터 전달받은 신호에 기초하여 메인 밸브(400)와 진공 펌프(500)의 동작을 제어한다.The controller 800 controls the operations of the main valve 400 and the vacuum pump 500 based on the signal received from the detector 18.

제1 극저온 냉매 공급부(201)와 제2 극저온 냉매 공급부(202)는 각각 냉동기(211, 221), 응축기(212, 222), 및 액화 저장 탱크(215, 225)를 포함한다.The first cryogenic refrigerant supply unit 201 and the second cryogenic refrigerant supply unit 202 include a refrigerator 211 and 221, a condenser 212 and 222, and a liquefied storage tank 215 and 225, respectively.

또한, 제1 극저온 냉매 공급부(201)와 제2 극저온 냉매 공급부(202)는 히터(213, 223)와, 냉매 보충 탱크(218, 228), 그리고 버퍼 탱크(219, 229)를 더 포함할 수 있다.In addition, the first cryogenic refrigerant supply unit 201 and the second cryogenic refrigerant supply unit 202 may further include heaters 213 and 223, refrigerant supplement tanks 218 and 228, and buffer tanks 219 and 229. have.

냉동기(cryogenic cooler)(211, 221)는 기화하여 상승한 냉매의 열을 흡수한다. 응축기(212, 222)는 냉동기(211, 221)에서 냉각된 냉매를 응축시켜 다시 액화시킨다. 응축기(212, 222)는 냉동기(211, 221)의 끝단에 설치되어 작동 온도 이하로 냉각되고 기화된 냉매를 효과적으로 최대한으로 재액화시키기 위해 접촉 면적이 확대된 구조를 갖는다. 액화 저장 탱크(215, 225)는 응축기(212, 222)를 통해 액화된 냉매를 저장하여 냉매 공급 라인으로 공급한다. 한편, 히터(213, 223)는 냉동기(211, 221)와 응축기(212, 222) 사이에 배치되어 냉매가 응고되는 것을 방지한다.The cryogenic coolers 211 and 221 absorb the heat of the vaporized and risen refrigerant. The condensers 212 and 222 condense the refrigerant cooled in the freezers 211 and 221 to liquefy again. The condensers 212 and 222 are installed at the ends of the refrigerators 211 and 221 and have a structure in which the contact area is enlarged to effectively liquefy the refrigerant vaporized and cooled below the operating temperature to the maximum. The liquefaction storage tanks 215 and 225 store the liquefied refrigerant through the condensers 212 and 222 and supply the refrigerant to the refrigerant supply line. Meanwhile, the heaters 213 and 223 are disposed between the refrigerators 211 and 221 and the condensers 212 and 222 to prevent the refrigerant from solidifying.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 냉매가 기화 상태와 액화 상태를 반복적으로 상전이 하면서, 중력에 의해 응축기와 냉각 대상인 계자의 내부를 자연 순환하면서 저온을 유지한다. 그러나 필요에 따라 효과적인 냉각을 위하여, 극저온 냉각 시스템(200)은 냉매를 강제 순환시키기 위한 순환 펌프를 더 포함할 수 있다.As described above, in one embodiment of the present invention, the refrigerant is repeatedly phase-changed between the vaporized state and the liquefied state, while maintaining a low temperature while naturally circulating the inside of the condenser and the field to be cooled by gravity. However, for effective cooling as needed, the cryogenic cooling system 200 may further include a circulation pump for forced circulation of the refrigerant.

냉매 보충 탱크(218, 228)는 초전도 발전 시스템(101)의 최초 가동시 극저온 냉매 공급부(201, 202)에 냉매를 유입시키거나, 유출된 냉매를 보충하기 위해 사용된다. 그리고 극저온 냉각 시스템(200)은 냉매 보충 탱크(218, 228)와 응축기(212, 222)를 연결하는 보충 라인(216, 226)과, 보충 라인(216, 226) 상에 설치된 보충 밸브(217, 227)를 더 포함한다.Refrigerant replenishment tanks 218 and 228 are used to inject refrigerant into the cryogenic refrigerant supply units 201 and 202 or to replenish spilled refrigerant during initial operation of the superconducting power generation system 101. The cryogenic cooling system 200 includes a replenishment line 216 and 226 connecting the refrigerant replenishment tanks 218 and 228 and the condenser 212 and 222 and a replenishment valve 217 installed on the replenishment lines 216 and 226. 227).

버퍼 탱크(219, 229)는 필요에 따라 응축기(212, 222)와의 사이에서 냉매의 폐루프 순환이 가능하도록 보충 라인(216, 226)을 통해 응축기(212, 222)와 연결된다.The buffer tanks 219, 229 are connected with the condenser 212, 222 through the replenishment lines 216, 226 to enable closed loop circulation of the refrigerant between the condenser 212, 222 as needed.

메인 밸브(400)에 의해 극저온 냉매 공급부(201, 202)와 초전도 발전기(10)의 계자(12) 사이의 연결이 차단되면, 보충 밸브(217, 227)가 개방되면서 보충 탱크(218, 228)와 응축기(212, 222) 사이에서 냉매의 폐루프 순환이 가능해진다. 냉매가 보충 탱크(218, 228)와 응축기(212, 222) 사이를 순환하면, 기화된 냉매가 재액화된다. 따라서, 극저온 냉매 공급부(201, 202)의 냉매는 극저온 상태로 유지된다.When the connection between the cryogenic refrigerant supply unit 201, 202 and the field 12 of the superconducting generator 10 is interrupted by the main valve 400, the replenishment valves 217, 227 are opened while the replenishment tanks 218, 228 are opened. And closed loop circulation of the refrigerant between the condenser 212 and 222. As the refrigerant circulates between the replenishment tanks 218 and 228 and the condenser 212 and 222, the vaporized refrigerant is reliquefied. Therefore, the coolant of the cryogenic coolant supply units 201 and 202 is maintained in the cryogenic state.

이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)에서 극저온 냉각 시스템(200)의 작동 과정을 중심으로 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 1 to 4 will be described with reference to the operation of the cryogenic cooling system 200 in the superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이, 초전도 발전 시스템(100)이 초기 가동되면, 제어부(800)는 메인 밸브(400)를 조절하여 제1 극저온 냉매 공급부(201)가 공급하는 제1 냉매를 냉매 공급 라인(300)을 통해 초전도 발전기(10)의 계자(12)에 공급한다(S100). 이에, 계자(12)의 초전도 코일(125)은 제1 냉매에 의해 1차로 냉각된다. 이때, 제1 냉매로는 질소가 사용될 수 있다.1 and 4, when the superconducting power generation system 100 is initially operated, the controller 800 controls the main valve 400 to supply the first refrigerant supplied by the first cryogenic refrigerant supply unit 201. The refrigerant is supplied to the field 12 of the superconducting generator 10 through the supply line 300 (S100). Thus, the superconducting coil 125 of the field 12 is first cooled by the first refrigerant. In this case, nitrogen may be used as the first refrigerant.

다음, 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 감지부(18)가 계자(12)에 공급된 제1 냉매의 온도 및 압력을 측정한다. 감지부(18)가 제1 냉매의 온도가 액화점 이하로 낮아짐을 감지(S200)하면, 제어부(800)는 메인 밸브(400)를 제어하여 제1 냉매의 공급을 중단한다(S300). 그리고 제어부(800)는 진공 펌프(500)를 가동하여 냉매 공급 라인(300) 및 계자(18)에 공급된 제1 냉매를 감소시킨다(S400). Next, as illustrated in FIGS. 2 and 4, the sensing unit 18 measures the temperature and the pressure of the first refrigerant supplied to the field 12. When the sensing unit 18 detects that the temperature of the first refrigerant is lower than the liquefaction point (S200), the controller 800 controls the main valve 400 to stop the supply of the first refrigerant (S300). The controller 800 operates the vacuum pump 500 to reduce the first refrigerant supplied to the refrigerant supply line 300 and the field 18 (S400).

다음, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 감지부(18)가 냉매 공급 라인(300)의 내부 압력이 10-3 Torr 이하로 낮아짐을 감지(S500)하면, 제어부(800)는 진공 펌프(500)의 가동을 중단(S600)하고 메인 밸브(400)를 제어하여 제2 극저온 냉매 공급부(202)가 공급하는 제2 냉매를 냉매 공급 라인(300)을 통해 초전도 발전기(10)의 계자(12)에 공급한다(S700). 이에, 계자(12)의 초전도 코일(125)은 제2 냉매에 의해 작동 온도까지 2차로 냉각된다(S800). 이때, 제2 냉매로는 네온이 사용될 수 있다.Next, as illustrated in FIGS. 3 and 4, when the sensing unit 18 detects that the internal pressure of the refrigerant supply line 300 is lowered to 10 −3 Torr or less (S500), the controller 800 may use a vacuum pump. In operation S600, the main valve 400 is controlled to supply the second refrigerant supplied by the second cryogenic refrigerant supply unit 202 to the field of the superconducting generator 10 through the refrigerant supply line 300. 12) (S700). Accordingly, the superconducting coil 125 of the field 12 is secondly cooled to the operating temperature by the second refrigerant (S800). In this case, neon may be used as the second refrigerant.

한편, 메인 밸브(400)가 제1 냉매의 공급을 차단하면, 제1 냉매는 제1 극저온 냉매 공급부(201)와 버퍼 탱크(219)를 순환하면서 극저온 상태를 유지한다. 또한, 제2 냉매가 공급되지 않을 때엔, 제2 냉매도 제2 극저온 냉매 공급부(202)와 버퍼 탱크(229)를 순환하면서 극저온 상태를 유지한다.On the other hand, when the main valve 400 blocks the supply of the first refrigerant, the first refrigerant maintains a cryogenic state while circulating the first cryogenic refrigerant supply unit 201 and the buffer tank 219. In addition, when the second refrigerant is not supplied, the second refrigerant also maintains the cryogenic state while circulating the second cryogenic refrigerant supply unit 202 and the buffer tank 229.

이와 같이, 제1 냉매와 제2 냉매는 항상 극저온 상태를 유지하여 즉시 사용 가능한 상태를 유지하므로, 냉매의 교체 과정이 신속하고 효율적으로 진행될 수 있다.As such, since the first and second refrigerants are always kept in a cryogenic state and immediately usable, the replacement process of the refrigerant can be performed quickly and efficiently.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템(101)은 초전도 코일(125)을 포함한 계자(12)를 효과적으로 초기 냉각 시킬 수 있다.By such a configuration, the superconducting power generation system 101 according to an embodiment of the present invention can effectively cool the field 12 including the superconducting coil 125 effectively.

극저온 냉각 시스템(200)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 시간과 비용이 소모될 수 있다.In the initial operation of the cryogenic cooling system 200, the superconducting coil 125, which is a cooling target, maintains a normal temperature. Therefore, a relatively long time is required to cool the temperature from 20 degrees Celsius to cryogenic due to the specific heat of the superconducting coil 125 itself. And cost can be consumed.

그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초전도 코일(125)을 서로 다른 냉매를 사용하여 단계적으로 작동 온도까지 냉각시켜 냉각 효율을 극대화할 수 있다.However, according to an embodiment of the present invention, the superconducting coil 125 may be cooled to the operating temperature step by step using different refrigerants to maximize the cooling efficiency.

구체적으로, 극저온 냉각 시스템(200)의 초기 가동시 상대적으로 저가의 제1 냉매를 이용하여 초전도 코일(125)을 1차로 냉각시킨 후, 사용 냉매를 제2 냉매로 효율적으로 전환하여 초전도 코일(125)을 작동 온도까지 2차로 냉각시킬 수 있다.Specifically, in the initial operation of the cryogenic cooling system 200, after the superconducting coil 125 is first cooled by using a relatively low cost first refrigerant, the superconducting coil 125 may be efficiently converted into a second refrigerant. ) Can be secondarily cooled to operating temperature.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 냉매와 제2 냉매의 전환을 자동화하여 전체적인 냉각 시간을 단축 시킬 수 있을 뿐만 아니라 사용자의 작업 편의성도 향상시킬 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, by automating the switching of the first refrigerant and the second refrigerant can not only shorten the overall cooling time but also improve the user's convenience.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. will be.

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.It is therefore to be understood that the embodiments described above are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the appended claims, It is intended that all changes and modifications derived from the equivalent concept be included within the scope of the present invention.

10: 초전도 발전기 11: 전기자
12: 계자 15: 회전축
17: 브러시 18: 감지부
125: 초전도 코일 200: 극저온 냉각 시스템
201: 제1 극저온 냉매 공급부
202: 제2 극저온 냉매 공급부
211, 221: 냉동기 212, 222: 응축기
213, 223: 히터 215, 225: 액화 저장 탱크
216, 226: 보충 라인 217, 227: 보충 밸브
218, 228: 냉매 보충 탱크 219, 229: 버퍼 탱크
300: 냉매 공급 라인 310: 제1 냉매 이동 라인
320: 제2 냉매 이동 라인 400: 메인 밸브
500: 진공 펌프 800: 제어부10: superconducting generator 11: armature
12: field 15: axis of rotation
17: brush 18: detector
125: superconducting coil 200: cryogenic cooling system
201: first cryogenic refrigerant supply unit
202: second cryogenic refrigerant supply unit
211, 221: Refrigerator 212, 222: Condenser
213, 223: heaters 215, 225: liquefied storage tank
216, 226: Fill line 217, 227: Fill valve
218 and 228 refrigerant coolant tanks 219 and 229 buffer tanks
300: refrigerant supply line 310: first refrigerant movement line
320: second refrigerant movement line 400: main valve
500: vacuum pump 800: control unit

Claims (12)

초전도 코일(125)을 포함하는 계자(12)를 사용한 초전도 발전기(10); 및
상기 계자(12)의 상기 초전도 코일(125)을 냉각시키는 극저온 냉각 시스템(200)
을 포함하며,
상기 극저온 냉각 시스템(200)은,
서로 다른 냉매를 사용하며 순차로 작동하는 제1 극저온 냉매 공급부(201)와 제2 극저온 냉매 공급부(202)를 포함하는 복수의 극저온 냉매 공급부들(201, 202)과;
상기 계자(12)와 연결된 냉매 공급 라인(300)과;
상기 냉매 공급 라인(300)의 일단에 설치된 메인 밸브(400)와;
상기 제1 극저온 냉매 공급부(201)와 상기 메인 밸브(400)를 연결하는 제1 냉매 이동 라인(310); 그리고
상기 제2 극저온 냉매 공급부(202)와 상기 메인 밸브(400)를 연결하는 제2 냉매 이동 라인(320)
을 포함하는 초전도 발전 시스템.A superconducting generator 10 using the field 12 including the superconducting coil 125; And
Cryogenic cooling system 200 for cooling the superconducting coil 125 of the field 12
/ RTI >
The cryogenic cooling system 200,
A plurality of cryogenic refrigerant supply units 201 and 202 including a first cryogenic refrigerant supply unit 201 and a second cryogenic refrigerant supply unit 202 sequentially operating using different refrigerants;
A refrigerant supply line (300) connected to the field (12);
A main valve 400 installed at one end of the refrigerant supply line 300;
A first refrigerant movement line 310 connecting the first cryogenic refrigerant supply unit 201 and the main valve 400; And
A second refrigerant movement line 320 connecting the second cryogenic refrigerant supply unit 202 to the main valve 400.
Superconducting power generation system comprising a. 제1항에서,
상기 냉매는 질소(N2) 및 네온(Ne) 중 하나 이상을 포함하는 초전도 발전 시스템.In claim 1,
And the refrigerant comprises at least one of nitrogen (N 2 ) and neon (Ne). 제1항에서,
상기 냉매 공급 라인(300) 및 상기 계자(12)에 공급되어 잔류하는 상기 냉매를 감소시키기 위한 진공 펌프(500)와;
상기 메인 밸브(400)와 상기 진공 펌프(500)를 제어하는 제어부(800)
를 더 포함하며,
상기 제어부(800)는,
상기 메인 밸브(400)를 제어하여 상기 제1 극저온 냉매 공급부(201)가 공급하는 제1 냉매를 상기 계자(12)에 공급시켜 상기 초전도 코일(125)을 1차로 냉각시키는 제1 단계;
상기 메인 밸브(400)를 제어하여 상기 제1 냉매의 공급을 중단하고 상기 진공 펌프(500)를 가동하여 상기 냉매 공급 라인(300) 및 상기 계자(12)에 공급된 상기 제1 냉매를 감소시키는 제2 단계; 그리고
상기 메인 밸브(400)를 제어하여 상기 제1 냉매가 감소된 상기 냉매 공급 라인(300) 및 상기 계자(12)에 상기 제1 냉매보다 액화점이 상대적으로 낮은 제2 냉매를 상기 제2 극저온 냉매 공급부(202)가 공급하여 상기 초전도 코일(125)을 작동 온도까지 2차로 냉각시키는 제3 단계
의 순서로 동작하는 초전도 발전 시스템.In claim 1,
A vacuum pump (500) for reducing the remaining refrigerant supplied to the refrigerant supply line (300) and the field (12);
Control unit 800 for controlling the main valve 400 and the vacuum pump 500
Further comprising:
The control unit (800)
A first step of controlling the main valve 400 to supply the first refrigerant supplied by the first cryogenic refrigerant supply unit 201 to the field 12 to cool the superconducting coil 125 firstly;
The main valve 400 is controlled to stop the supply of the first refrigerant and to operate the vacuum pump 500 to reduce the first refrigerant supplied to the refrigerant supply line 300 and the field 12. Second step; And
The second cryogenic refrigerant supply unit controls the main valve 400 to supply the second refrigerant having a lower liquefaction point than the first refrigerant in the refrigerant supply line 300 and the field 12 in which the first refrigerant is reduced. A third step of supplying 202 to second cool the superconducting coil 125 to an operating temperature
Superconducting power generation system operating in the order of. 제3항에서,
상기 극저온 냉각 시스템(200)은 상기 계자(12)에 공급된 상기 냉매의 온도 및 압력 중 하나 이상을 측정하는 감지부(18)를 더 포함하는 초전도 발전 시스템.4. The method of claim 3,
The cryogenic cooling system (200) further comprises a sensing unit (18) for measuring at least one of the temperature and pressure of the refrigerant supplied to the field (12). 제4항에서,
상기 제어부(800)는 상기 감지부(18)가 측정한 상기 계자(12)에 공급된 상기 제1 냉매의 온도가 액화점 이하로 낮아지면, 상기 메인 밸브(400)를 제어하여 상기 제1 냉매의 공급을 중단하고 상기 진공 펌프(500)를 가동시키는 초전도 발전 시스템.5. The method of claim 4,
The controller 800 controls the main valve 400 when the temperature of the first refrigerant supplied to the field 12 measured by the detector 18 is lower than a liquefaction point, thereby controlling the first refrigerant. Superconducting power generation system to stop the supply of the operation of the vacuum pump (500). 제5항에서,
상기 제어부(800)는 상기 감지부(18)가 측정한 상기 냉매 공급 라인(300)의 내부 압력이 10-3 Torr 이하로 낮아지면, 상기 진공 펌프(500)의 가동을 중단하고 상기 메인 밸브(400)를 제어하여 상기 제2 냉매를 공급하는 초전도 발전 시스템.The method of claim 5,
The controller 800 stops the operation of the vacuum pump 500 when the internal pressure of the refrigerant supply line 300 measured by the detector 18 is lower than 10 −3 Torr, and the main valve ( 400) to supply the second refrigerant superconducting power generation system. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
상기 복수의 극저온 냉매 공급부들(201, 202)은 각각 기화된 상기 냉매의 열을 흡수하는 냉동기(211, 221)와, 상기 냉동기(211, 221)에서 냉각된 상기 냉매를 응축시켜 액화시키는 응축기(212, 222), 그리고 액화된 상기 냉매를 저장하는 액화 저장 탱크(215, 225)를 포함하는 초전도 발전 시스템.7. The method according to any one of claims 1 to 6,
The plurality of cryogenic refrigerant supply units 201 and 202 may respectively include refrigerators 211 and 221 absorbing heat of the vaporized refrigerant and condensers condensing and liquefying the refrigerant cooled in the refrigerators 211 and 221. 212, 222, and a liquefied storage tank (215, 225) for storing the liquefied refrigerant. 제7항에서,
상기 복수의 극저온 냉매 공급부들(201, 202)은 상기 냉동기(211, 221)와 상기 응축기(212, 222) 사이에 배치되어 상기 냉매의 응고를 방지하는 히터(212, 223)를 더 포함하는 초전도 발전 시스템.In claim 7,
The plurality of cryogenic refrigerant supply parts 201 and 202 may further include a heater 212 and 223 disposed between the refrigerators 211 and 221 and the condensers 212 and 222 to prevent solidification of the refrigerant. Power generation system. 제7항에서,
상기 극저온 냉각 시스템(200)은 상기 복수의 극저온 냉매 공급부들(201, 202)에 상기 냉매를 보충하는 냉매 보충 탱크(218, 228)를 더 포함하는 초전도 발전 시스템.In claim 7,
The cryogenic cooling system (200) further comprises a refrigerant supplement tank (218, 228) for replenishing the refrigerant to the plurality of cryogenic refrigerant supply units (201, 202). 제7항에서,
상기 극저온 냉각 시스템(200)은 상기 복수의 극저온 냉매 공급부들(201, 202)과 폐루프로 연결 가능하게 설치된 버퍼 탱크(219, 229)를 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
In claim 7,
The cryogenic cooling system 200 further includes a buffer tank (219, 229) installed to be connected to the plurality of cryogenic refrigerant supply units (201, 202) in a closed loop.
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