KR101486752B1 - 초전도 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

초전도 계자 코일을 고정된 형태로 형성하고 대용량 전력 변환 장치를 회전축이 아닌 초전도 발전 시스템의 외부에 배치함으로써 높은 제어 신뢰성을 확보하는 동시에 시스템 구성을 간소화할 수 있는 초전도 발전 시스템을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템은, 회전하는 전기자 코일과 고정된 초전도 계자 코일을 포함하며 부하의 변동량에 관계 없이 일정한 전압을 출력하는 초전도 발전기, 상기 초전도 계자 코일을 냉각시키기 위한 극저온 냉각 시스템, 상기 초전도 발전기에 필요한 전력을 발생시키는 여자기 및 상기 초전도 발전기와 상기 여자기의 외부에 고정되어 설치되며, 상기 여자기에서 생성된 전력을 상기 초전도 계자 코일과 상기 극저온 냉각 시스템에서 요구되는 형태로 변환하여 공급하는 전력 변환 장치를 포함한다.

Description

초전도 발전 시스템{SUPER CONDUCTING ELECREIC POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 초전도 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대용량 전력 변환 시스템을 이용하여 초전도 발전기의 출력 전압을 제어하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 초전도 발전기는 절대온도 0K, 즉 섭씨 영하 273도에서 전기 저항이 소멸하는 초전도 현상을 응용한 발전기를 의미한다. 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 손실 없이 고자장의 회전 자계를 만들 수 있어, 초전도 발전기는 기존 상전도 발전기와 대비하여 보다 효율적이고 크기 및 무게가 작다는 장점이 있다.

일반적인 초전도 발전기는 초전도 계자에 전류를 공급한 상태에서 초전도 발전기의 회전체(shaft)가 회전을 하게 되면 초전도 발전기의 계자(회전자)와 고정자 사이에 자기장에 생성되어 고정자에서 전원이 발생한다. 이때, 초전도 계자에 공급할 전류는 외부의 DC 전원공급기(DC power supply)를 통해 공급받을 수도 있고, 여자기를 통해 공급받을 수 있다. 여자기를 통해 공급받는 경우 여자기로부터 출력되는 교류 전원을 직류로 변환하는 정류기(rectifier)가 필요하다.

도 1은 종래 기술에 의한 초전도 발전 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 초전도 발전 시스템은 초전도 발전기(10), 여자기(20), 극저온 냉각 시스템(30) 및 전력 변환 장치(40)를 포함한다.

초전도 발전기(10)는 초전도 계자(16)를 발전기의 권선으로 사용한 초전도 회전자(14)와, 발전기의 회전하지 않는 부분에 전기자 권선을 포함한 고정부 조립체인 초전도 고정자(12)로 구성되어, 초전도 회전자(14)가 회전하면서 초전도 고정자(12) 사이에서 발생하는 자기장에 의해 발전한다. 초전도 계자(16)는 초전도 회전자(14)의 핵심 부분으로, 외부로부터 전기를 받아서 강력한 자석을 만드는 초전도 코일을 말한다.

여자기(20)는 초전도 발전기(10)의 초전도 계자(16)에 교류 전원을 공급한다. 여자기(20)는 여자기 계자(22)와 여자기 전기자(24)로 이루어지며, 여자기 전기자(24)가 초전도 발전기(10)의 초전도 회전자(14)와 동일한 회전축(shaft: 50)에 구비되어 회전축(50)이 회전하면 여자기 전기자(24)와 초전도 회전자(14)가 회전축(50)을 주축으로 같은 속도로 회전한다.

여기에서, 여자기 계자(22)는 고정자이고, 여자기 전기자(24)는 회전자이다. 여자기 계자(22)는 영구 자석으로 구성될 수 있다. 따라서, 영구자석 발전기를 계자로 사용하는 여자기 전기자(24)가 엔진에 의해 회전하면서 여자기 전원을 발생시킨다.

극저온 냉각 시스템(30)은 초전도 발전기(10)의 초전도 회전자(14)로 극저온의 냉매를 공급하여 초전도 계자(16)를 냉각시키는 역할을 한다. 극저온 냉각 시스템(30)은 냉매를 냉각시키는 냉동기와, 냉동기와 초전도 발전기(10)의 초전도 회전자(14) 사이에서 냉매를 순환시키는 냉매 순환부(32) 등을 포함한다.

전력 변환 장치(40)는 여자기(20)로부터 발생된 3상 교류 전원을 초전도 발전기(10)의 초전도 계자(16)에 사용될 직류 전원으로 변환하여 출력한다.

초전도 발전기(10)는 초전도 코일의 특성인 매우 큰 계자 자속을 이용함으로써 철손과 계자 권선의 동손을 저감시켜 효율을 극대화하므로, 매우 큰 인덕턴스를 가지게 된다. 따라서, 초전도 발전 시스템의 전원 제어를 위해서는 대용량의 전력 변환 장치(40)가 필요한데, 종래 기술에서는 이러한 전력 변환 장치(40)가 여자기(20)와 초전도 회전자(14) 사이의 회전축(50) 상에 체결되어 함께 회전하므로 그 용량과 사이즈에 한계가 있다. 또한, 회전하는 전력 변환 장치(40)의 제어를 위한 무선 제어 방식의 경우, 여자기(20)의 출력을 조절함에 있어 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.

더불어, 극저온 냉각 시스템(30)이 냉각 대상인 초전도 회전자(14)의 초전도 코일을 냉각해야 하므로, 냉매 공급을 위한 로터리 실링(Rotary Sealing) 및 회전형 냉매공급장치인 로터리 커플링(Rotary Coupling)을 구성함에 있어 제품 비용이 상승하게 되는 문제가 있다. 또한, 기존의 극저온 냉각 시스템(30)은 전도 냉각을 위한 강제 순환 방식을 적용하여 냉매 순환 펌프 및 냉매 관로가 필요하며, 이에 따라 시스템 구성이 복잡해지고 전도 냉각에 따른 열손실 발생, 냉각 시간 지연 등의 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 초전도 계자 코일을 고정된 형태로 형성하고 대용량 전력 변환 장치를 회전축이 아닌 초전도 발전 시스템의 외부에 배치함으로써 높은 제어 신뢰성을 확보하는 동시에 시스템 구성을 간소화할 수 있는 초전도 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 초전도 발전 시스템의 극저온 냉각 시스템에 안정적인 전원을 공급하고, 초전도 계자 코일의 효율적 냉각을 통해 열손실을 방지하고 냉각 시간을 줄일 수 있는 초전도 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템은, 회전하는 전기자 코일과 고정된 초전도 계자 코일을 포함하며 부하의 변동량에 관계 없이 일정한 전압을 출력하는 초전도 발전기, 상기 초전도 계자 코일을 냉각시키기 위한 극저온 냉각 시스템, 상기 초전도 발전기에 필요한 전력을 발생시키는 여자기 및 상기 초전도 발전기와 상기 여자기의 외부에 고정되어 설치되며, 상기 여자기에서 생성된 전력을 상기 초전도 계자 코일과 상기 극저온 냉각 시스템에서 요구되는 형태로 변환하여 공급하는 전력 변환 장치를 포함한다.

상기 초전도 계자 코일은 상기 초전도 발전기의 고정자 내에 형성될 수 있다.

상기 전력 변환 장치는, 상기 여자기에서 생성된 교류 전력을 상기 초전도 계자 코일과 상기 극저온 냉각 시스템으로 분배하여 공급하는 전력 분배기, 상기 분배된 교류 전력을 상기 초전도 계자 코일에 필요한 직류 전력으로 변환하는 ADD 컨버터, 상기 초전도 계자 코일과 병렬 연결되어 상기 초전도 계자 코일에서 발생하는 에너지를 열로 소모시키는 저항 부하 및 상기 저항 부하에 직렬 연결되는 스위치를 포함할 수 있다.

상기 극저온 냉각 장치는 상기 초전도 발전기의 작동 온도에 따른 냉매를 액화시켜 상기 초전도 계자 코일을 냉각시키고, 기화되는 냉매를 회수하여 재액화시켜 다시 공급할 수 있다.

상기 여자기는 상기 전기자 코일과 동일한 회전축에 구비되어 회전하는 여자기 전기자 코일 및 고정된 형태의 여자기 계자 코일을 포함할 수 있다.

상기 실시예에 따른 초전도 발전 시스템은, 상기 전기자 코일을 통해 생성된 교류 전력을 상기 초전도 발전기 하우징의 외부 부하로 전달하기 위한 브러쉬를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 초전도 발전 시스템의 고정된 초전도 계자 코일과 여자기 출력이 발생하는 전기자 코일이 모두 고정된 시스템으로, 여자기의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고 그 크기를 제어하기 위한 대용량 전력 변환 장치가 시스템 외부에 고정 가능하여 신뢰성 면에서 우수하며 유지 및 보수가 용이해지는 효과가 있다.

또한, 초전도 계자 코일을 회전하지 않는 고정자에 장착하여 직접 냉각하므로 열손실을 최소화할 수 있고, 상하부 냉매 동시 공급을 통해 냉각 시간을 줄일 수 있으며, 극저온 냉각 시스템과 초전도 계자 코일이 모두 고정되어 있어 로터리 실링(Rotary Sealing)을 위한 자성유체씰과 회전형 냉매 공급 장치인 로터리 커플링(Rotary Coupling)이 불필요하게 되어 극저온 냉각 시스템의 구성을 간소화할 수 있다.

또한, 전력 변환 장치의 병렬 저항 부하를 이용해 에너지를 소모시킴으로써 초전도 계자 전류 제어가 가능하므로 초전도 코일의 높은 인덕턴스(High Inductance) 문제를 극복할 수 있으며, 이를 통해 초전도 발전 시스템에서의 일정 출력 전압 제어가 가능하다.

또한, 초전도 발전기에 필수적인 극저온 냉각 시스템이 외부 전원 없이 여자기의 전력을 통한 자체 운전이 가능하여 초전도 발전 시스템이 항상 극저온 상태를 유지할 수 있으므로 시스템의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 초전도 발전 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템의 구성도.
도 3은 도 2의 전력 변환기를 보다 상세히 설명하기 위한 도면.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템의 구성도이고, 도 3은 도 2의 전력 변환기(400)를 보다 상세히 설명하기 위한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 발전 시스템은, 회전하는 전기자 코일(120)과 고정된 초전도 계자 코일(110)을 포함하며, 부하의 변동량에 관계 없이 일정한 전압을 출력하는 초전도 발전기(100)와, 초전도 계자 코일(110)을 냉각시키기 위한 극저온 냉각 시스템(200)과, 초전도 발전기(100)에 필요한 전력을 발생시키는 여자기(300)와, 시스템의 외부에 고정되어 설치되며, 여자기(300)에서 생성된 전력을 초전도 계자 코일(110)과 극저온 냉각 시스템(200)에서 요구되는 형태로 변환하여 공급하는 전력 변환 장치(400)를 포함한다.

또한, 회전하는 전기자 코일(120)을 통해 생성된 교류 전력을 초전도 발전기(100) 하우징의 외부 부하로 전달하기 위한 브러쉬(500)와, 자속의 누설을 방지하기 위한 자기실드(130)를 더 포함할 수 있다.

초전도 계자 코일(110)은 초전도 발전기(100)의 고정자 내에 형성되며, 초전도 선재로 랩핑(wrapping)된 초전도 코일로 구성될 수 있다. 초전도 계자 코일(110)은 직류 전원으로 자속을 생성하여 전기자 코일(120)에 전달함으로써 전기자 코일(120)의 회전시 전력이 발생하도록 한다. 초전도 계자 코일(110)은 극저온으로 유지되기 위해 극저온 냉각 시스템(200)과 연결된다.

전기자 코일(120)은 회전하는 전기자 코일형으로, 초전도 계자 코일(110)에서 생성된 자속을 이용해 3상 교류 전력을 발생시킨다. 발생한 3상 교류 전력은 브러쉬(500)를 통해 하우징 외부와 연결되어 외부 부하로 전달될 수 있다.

극저온 냉각 시스템(200)은 초전도 발전 시스템의 작동 온도에 적합한 냉매(질소, 네온 등)를 사용하며, 냉매를 액화시켜 초전도 계자 코일(110)을 냉각시킨다. 이 때, 초전도 계자 코일(110)의 효율적인 냉각 및 냉각 시간 단축을 위해 냉매를 액화시키는 시스템을 사용하여 상/하부 동시에 공급하고, 열교환기에서 기화되는 냉매를 회수하여 재액화 냉각 챔버에서 기화 냉매를 액화 냉매로 재냉각하여 공급 및 회수하는 시스템으로 구성될 수 있다. 또한, 도시하지는 않았으나, 극저온 냉각 시스템(200)은 압축기 및 펌프 등과 같이 냉매를 냉각 및 순환시키기 위한 추가적인 구성을 더 포함할 수 있다.

여자기(300)는 전기자 코일(120)과 동일한 회전축에 구비되어 회전하는 여자기 전기자 코일(320) 및 고정된 형태의 여자기 계자 코일(310)을 포함한다. 극저온 냉각 시스템(200)의 냉각 부하 및 초전도 코일의 용량에 따라 발전기 설계시에 여자기(300)의 용량이 선정될 수 있으며, 고정자에서 전력이 출력되는 회전 계자 타입으로 설치될 수 있다. 여자기 계자 코일(310) 및 여자기 전기자 코일(320)은 원가 대비 실용성이 높은 규소 강판을 사용하여 코어(Core)를 제작하고 구리 도선을 랩핑하여 제조할 수 있다. 초전도 발전기(100)의 고정된 초전도 계자 코일(110)에 인가되는 전력과 고정된 극저온 냉각 시스템(200)에 인가되는 전력은 브러쉬와 같은 별도 장치 없이 직입할 수 있다.

전력 변환 장치(400)는, 여자기(300)에서 생성된 교류 전력을 초전도 계자 코일(110)과 극저온 냉각 시스템(200)으로 분배하여 공급하는 전력 분배기(410)와, 분배된 교류 전력을 초전도 계자 코일(110)에 필요한 직류 전력으로 변환하는 ADD 컨버터(420)와, 초전도 계자 코일(110)과 병렬 연결되어 초전도 계자 코일(110)에서 발생하는 에너지를 열로 소모시키는 저항 부하(440)와, 저항 부하(440)에 직렬 연결되는 스위치(430)를 포함할 수 있다. 여기에서, 전력 분배기(410)는 여자기(300)의 출력 전압을 극저온 냉각 시스템(200)과 초전도 계자 코일(110)의 전원으로 공급하는 회로를 포함할 수 있다.

전력 변환 장치(400)는 여자기(300)의 고정된 전기자 코일(310)에서 생성된 3상 교류 전력을 ADD 컨버터(420) 내의 3상 풀브릿지 다이오드 회로를 이용한 AC-DC 컨버터에서 직류 전력으로 변환하고, 변환된 직류 전력을 DC-DC 컨버터에서 초전도 발전기(100)의 일정 출력 전압 제어를 위해 초전도 계자 코일(110)에 필요한 전압과 전류로 변환한다. 또한, 병렬 저항 부하(440)를 구성하여 초전도 계자 코일(110)에서 발생하는 에너지를 열로 소모시킬 수 있다.

브러쉬(500)는 전기자 코일(120)에서 출력되는 3상 교류 전력을 외부 계통과 연결하는 장치로서, 회전축(shaft)에 설치되며, 유지 및 보수가 용이하도록 발전기 하우징 외부로 인출되도록 구성할 수 있다.

자기 실드(130)는 초전도 계자 코일(110)에서 발생하는 자속이 전기자 코일(120)을 통해 다시 계자 코일(110)로 돌아오는 과정에서 외부로 누설되는 것을 방지하기 위해 초전도 계자 코일(110)의 외경에 원통형으로 구성될 수 있으며, 재질은 자성체를 사용한다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

100 : 초전도 발전기 110 : 초전도 계자 코일
120 : 전기자 코일 130 : 자기 실드
200 : 극저온 냉각 시스템 300 : 여자기
310 : 여자기 계자 코일 320 : 여자기 전기자 코일
400 : 전력 변환 장치 410 : 전력 분배기
420 : ADD 컨버터 430 : 스위치
440 : 저항 부하 500 : 브러쉬

Claims (8)

1. 회전하는 전기자 코일과 고정된 초전도 계자 코일을 포함하며, 부하의 변동량에 관계 없이 일정한 전압을 출력하는 초전도 발전기;
   상기 초전도 계자 코일을 냉각시키기 위한 극저온 냉각 시스템;
   상기 초전도 발전기에 필요한 전력을 발생시키는 여자기; 및
   상기 초전도 발전기와 상기 여자기의 외부에 고정되어 설치되며, 상기 여자기에서 생성된 전력을 상기 초전도 계자 코일과 상기 극저온 냉각 시스템에서 요구되는 형태로 변환하여 공급하는 전력 변환 장치;
   를 포함하되,
   상기 초전도 계자 코일은 상기 초전도 발전기의 고정자 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 발전 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 여자기는
   상기 전기자 코일과 동일한 회전축에 구비되어 회전하는 여자기 전기자 코일; 및
   고정된 형태의 여자기 계자 코일; 을 포함하는
   초전도 발전 시스템.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 전기자 코일을 통해 생성된 교류 전력을 상기 초전도 발전기 하우징의 외부 부하로 전달하기 위한 브러쉬;
   를 더 포함하는 초전도 발전 시스템.
7. 회전하는 전기자 코일과 고정된 초전도 계자 코일을 포함하며, 부하의 변동량에 관계 없이 일정한 전압을 출력하는 초전도 발전기;
   상기 초전도 계자 코일을 냉각시키기 위한 극저온 냉각 시스템;
   상기 초전도 발전기에 필요한 전력을 발생시키는 여자기; 및
   상기 초전도 발전기와 상기 여자기의 외부에 고정되어 설치되며, 상기 여자기에서 생성된 전력을 상기 초전도 계자 코일과 상기 극저온 냉각 시스템에서 요구되는 형태로 변환하여 공급하는 전력 변환 장치;
   를 포함하되,
   상기 전력 변환 장치는 상기 여자기에서 생성된 교류 전력을 상기 초전도 계자 코일과 상기 극저온 냉각 시스템으로 분배하여 공급하는 전력 분배기, 상기 분배된 교류 전력을 상기 초전도 계자 코일에 필요한 직류 전력으로 변환하는 ADD 컨버터, 상기 초전도 계자 코일과 병렬 연결되어 상기 초전도 계자 코일에서 발생하는 에너지를 열로 소모시키는 저항 부하 및 상기 저항 부하에 직렬 연결되는 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전 시스템.
8. 회전하는 전기자 코일과 고정된 초전도 계자 코일을 포함하며, 부하의 변동량에 관계 없이 일정한 전압을 출력하는 초전도 발전기;
   상기 초전도 계자 코일을 냉각시키기 위한 극저온 냉각 시스템;
   상기 초전도 발전기에 필요한 전력을 발생시키는 여자기; 및
   상기 초전도 발전기와 상기 여자기의 외부에 고정되어 설치되며, 상기 여자기에서 생성된 전력을 상기 초전도 계자 코일과 상기 극저온 냉각 시스템에서 요구되는 형태로 변환하여 공급하는 전력 변환 장치;
   를 포함하되,
   상기 극저온 냉각 장치는 상기 초전도 발전기의 작동 온도에 따른 냉매를 액화시켜 상기 초전도 계자 코일을 냉각시키고, 기화되는 냉매를 회수하여 재액화시켜 다시 공급하는 것을 특징으로 하는 초전도 발전 시스템.

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