KR101550962B1 - 에너지 저장 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치는, 전기 발생부에 의해 발생되는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동 에너지를 전기 발생부에 제공하며, 회전축을 구비하는 회전체; 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링을 구비하며, 회전체의 적어도 일부분을 지지하거나 감싸는 하우징; 및 회전체에 일부가 결합되고 하우징에 다른 일부가 결합되어 회전체를 부양시키는 힘을 발생시키는 부양 유닛;을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 부양 유닛에 의해 회전체가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링과 초전도체에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.

Description

에너지 저장 장치{ENERGY STORAGE APPARATUS}

에너지 저장 장치가 개시된다. 보다 상세하게는, 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하고 필요 시 회전 운동에 의해 발생된 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있으며, 또한 비용 절감 및 우수한 효율을 구현할 수 있는 에너지 저장 장치가 개시된다.

전력 수요가 증가하면서 주야로 사용되는 전력량의 차이가 커지고 최근 자연의 에너지 사용 비중이 지속적으로 늘어나고 있으며 발전량의 크기도 점점 대형화되고 있어 이를 위한 발전 시스템의 용량도 점점 늘어남에 따라 전력 계통 안정화에 문제점이 들어나고 있다. 일반적인 신재생의 에너지 발전, 태양광이나 풍력 발전의 경우 불규칙한 자연 에너지로 인하여 발전량이 안정적이지 못하여 저장 장치의 필요성이 증대되고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 형태의 저장 장치들이 고려되고 있으나, 시간에 따른 신재생 에너지의 발전량이나, 철도 차량의 정지에 따라 순간적으로 배출되는 막대한 전력량의 저장 등을 고려할 때, 고속 충전 및 방전에 적합한 에너지 저장 장치의 개발이 진행 중에 있다.

일반적인 저장 장치의 형태는 산간 지역 등 상부 저수지와 하부 저수지를 만들어 전력 비용이 낮은 밤에 하부 저수지에 있는 물을 퍼올려 낮에 전력 비용이 비쌀 때 상부 저수지로부터 하부 저수지로 물을 흐르게 함으로써 발전하는 양수 발전 시스템이 있다. 또한, 밤에 상대적으로 싼 전력을 이용하여 물을 얼리고 낮에 선풍기를 불어 에어컨을 대신하여 냉방용으로 사용하는 빙축열 저장, 바위를 뚫어 공기를 압축하여 저장했다가 필요할 때 압축된 공기로부터 터빈을 돌려 발전하는 압축공기 저장, 혹은 화학 반응을 이용하여 저장하는 화학전지 타입의 NaS 전지, 리튬 이온 전지 등의 방식 등이 있다. 아울러, 특히 고속 충전 및 방전에 강한 전기 에너지를 모터로 이용하여 회전 운동 에너지로 저장해두었다가 필요할 때 발전기를 이용하여 회전 운동 에너지에서 전기 에너지로 변환하여 사용하는 플라이휠 에너지 저장 장치 등이 개발되고 있다.

이 중, 플라이휠 에너지 저장 장치는 회전에 의해 에너지를 생성하기 때문에 회전 손실을 줄이기 위해 베어링을 사용하는데, 이 때 볼 베어링을 사용하면 기계식 플라이휠 에너지 저장 장치이고, 전자석 베어링을 이용하면 전자석 플라이휠 에너지 저장 장치이며, 초전도 베어링을 사용하면 초전도 플라이휠 에너지 저장 장치이다.

기계식 플라이휠 에너지 저장 장치의 경우, 기계식 볼을 이용하기 때문에 마찰 손실이 커서 효율적인 플라이휠 시스템으로 사용될 수가 없고, 전자석 베어링을 이용하는 경우, 전자석을 이용하여 회전체를 부양시켜야 되기 때문에 대용량의 플라이휠 시스템에는 적용이 곤란하며, 초전도 베어링을 이용할 경우 냉각 장비 및 초전도체의 비용이 비싸기 때문에 비용이 증대되는 문제점이 있다.

따라서, 마찰 손실을 줄임으로써 효율을 높일 수 있으면서도 대용량에도 적용이 가능하고, 아울러 비용 증대를 최소화할 수 있는 플라이휠 에너지 저장 장치의 개발이 요구된다.

본 발명의 실시예에 따른 목적은, 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하고 필요 시 회전 운동에 의해 발생된 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있으며, 또한 비용 절감 및 우수한 효율을 구현할 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 부양 유닛에 의해 회전체가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링과 초전도체에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 용도에 따라 예를 들면 철도의 경우처럼 저장된 에너지를 신속하게 사용할 경우, 병원이나 중요 시설 등에 무정전 전원 장치에 저장해둔 에너지를 오랫동안 저장해두었다가 필요할 때 사용할 수 있는 경우 등 여러 용도에 적용할 수 있어 비용 대비 에너지 저장 효율을 높일 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치는, 전기 발생부에 의해 발생되는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동 에너지를 상기 전기 발생부에 제공하며, 회전축을 구비하는 회전체; 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링을 구비하며, 상기 회전체의 적어도 일부분을 지지하거나 감싸는 하우징; 및 상기 회전체에 일부가 결합되고 상기 하우징에 다른 일부가 결합되어 상기 회전체를 부양시키는 힘을 발생시키는 부양 유닛;을 포함할 수 있으며, 이러한 구성에 의해서, 부양 유닛에 의해 회전체가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링과 초전도체에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 부양 유닛은, 상기 하우징 또는 상기 회전체 중 어느 하나에 장착되는 영구자석; 및 상기 하우징 또는 상기 회전체 중 다른 하나에 장착되는 초전도체를 포함하며, 상기 영구자석과 상기 초전도체의 상호 작용에 의해 상기 회전체를 부양시킬 수 있다.

일측에 따르면, 상기 하우징은, 상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;을 포함하며, 상기 커버 프레임 또는 상기 지지 프레임에 상기 영구 자석 또는 상기 초전도체 중 어느 하나가 부착되고, 상기 회전체에 상기 영구 자석 또는 상기 초전도체 중 다른 하나가 부착될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 영구자석은 상기 회전체의 하단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 하부에 위치되도록 상기 지지 프레임의 상단부에 부착될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 회전체의 하단부 및 상기 지지 프레임의 상단부는 상호 대응되는 계단식으로 마련되며, 상기 회전체의 각 계단의 천정면 및 측면에는 단위 형태의 영구자석이 부착되고, 상기 단위 형태의 영구자석의 배치에 대응되도록, 상기 지지 프레임의 각 계단의 저면 및 측면에는 단위 형태의 초전도체가 부착될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 영구자석은 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 상부에 위치되도록 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 부양 유닛은 영구자석 및 초전도체를 포함하며, 상기 하우징은, 상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임 및 상기 회전체를 덮는 커버 프레임을 포함하고, 상기 지지 프레임의 상단부에 상기 초전도체가 부착되고 상기 회전체의 하단부에 영구자석이 부착되며, 상기 회전체의 상단부에 상기 영구자석이 부착되고 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 상기 초전도체가 부착될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 초전도체를 냉각시키기 위한 냉각 물질이 순환되는 냉각 순환부를 더 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 냉각부는, 상기 초전도체가 장착된 영역으로 상기 냉각 물질을 제공한 후 회수하는 순환 라인; 상기 순환 라인 상에 마련되어 상기 냉각 물질을 액화시키는 액화부재; 및 상기 순환 라인을 통해 상기 냉각 물질이 이동할 수 있도록 상기 냉각 물질을 펌핑시키는 펌핑부재를 포함할 수 있다.

일측에 따르면, 상기 부양 유닛은 상기 하우징 또는 상기 회전체 중 어느 하나 및 다른 하나에 상호 대응되게 장착되는 적어도 한 쌍의 영구자석을 포함하며, 상기 적어도 한 쌍의 영구자석은 상호 같은 극을 같거나 상호 다른 극을 가질 수 있다.

일측에 따르면, 상기 하우징은, 상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;을 포함하며, 상호 같은 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 지지 프레임의 상단부에 부착되고 다른 하나는 상기 회전체의 하단부에 부착될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 하우징은, 상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;을 포함하며, 상호 다른 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 다른 하나는 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 하우징은, 상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;을 포함하며, 상호 같은 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 지지 프레임의 상단부에 부착되고 다른 하나는 상기 회전체의 하단부에 부착되고, 상호 다른 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 다른 하나는 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다.

일측에 따르면, 상기 베어링은 상기 회전축의 상단부 및 하단부에 각각 배치되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 볼 베어링일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하고 필요 시 회전 운동에 의해 발생된 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있으며, 또한 비용 절감 및 우수한 효율을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 부양 유닛에 의해 회전체가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링과 초전도체에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 용도에 따라 예를 들면 철도의 경우처럼 저장된 에너지를 신속하게 사용할 경우, 병원이나 중요 시설 등에 무정전 전원 장치에 저장해둔 에너지를 오랫동안 저장해두었다가 필요할 때 사용할 수 있는 경우 등 여러 용도에 적용할 수 있어 비용 대비 에너지 저장 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 초전도체를 냉각시키기 위한 냉각부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제8 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 도 8의 여러 변형예들을 부분적으로 도시한 도면들이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 초전도체를 냉각시키기 위한 냉각부를 도시한 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 장치(100), 즉 본 실시예의 플라이휠 에너지 저장 장치(100)는, 전기 발생부(110), 예를 들면 전동기/발전기에 의해 발생되는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동 에너지를 전기 발생부(110)에 제공하며 회전축(121)을 갖는 회전체(120)와, 회전축(121)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(137)이 장착되며 회전체(120)를 감싸는 하우징(130)과, 회전체(120)를 부양시키는 부양 유닛(150)을 포함할 수 있다.

먼저, 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(110)는, 전동기/발전기로서 코일(111) 및 영구자석(112)을 구비한다. 따라서, 회전체(120)가 회전할 때 코일(111) 및 영구자석(112)의 상호 작용이 이루어져 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 이를 통해, 생성된 전기 에너지를 전기 발생부(110)에 의해 회전체(120)에 회전 운동 에너지 상태로 저장해두었다가 필요 시 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있다.

각각의 구성에 대해 설명하면, 먼저 회전체(120)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 원통형으로 마련되며 회전축(121)을 구비함으로써 회전축(121)을 기준으로 회전할 수 있다. 다만, 이 때 회전에 의한 마찰 손실이 발생될 수 있는데 본 실시예의 경우, 회전체(120)의 회전 시 발생되는 마찰 손실을 최소화하기 위하여 부양 유닛(150)을 구비한다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.

한편, 하우징(130)은, 회전체(120)를 비롯한 다수의 구성을 보호하거나 지지하고 또한 장착을 위한 공간을 제공하는 역할을 한다. 이러한 하우징(130)은, 도 1에 도시된 것처럼, 회전축(121)의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임(131)과, 지지 프레임(131) 및 회전체(120)를 덮는 커버 프레임(133)과, 베어링(137)을 보호하는 보호 프레임(135)을 포함할 수 있다.

부연하면, 하우징(130)에는 회전체(120)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(127)이 장착될 수 있다. 본 실시예의 경우, 베어링(137)은 한 쌍의 볼 베어링(ball bearing)이며, 도 1에 도시된 것처럼, 회전체(120)가 결합되는 회전축(121)의 상단부에 하나의 볼 베어링(137)이 장착되고, 회전체(120) 및 지지 프레임(131)의 사이에 위치에서 다른 하나의 볼 베어링(137)이 장착될 수 있다. 이러한 볼 베어링(137) 구조는 기계식이기 때문에 회전체(120)의 회전 동작이 견고하게 이루어질 수 있도록 한다. 다만, 전술한 것처럼 볼 베어링(137)의 경우, 마찰 손실 발생량이 상대적으로 큰데, 본 실시예의 경우 회전체(120)가 부양되어 회전되기 때문에, 볼 베어링(137)으로 베어링(137)을 적용하더라도 마찰 손실의 발생을 최소화할 수 있다.

본 실시예에서는, 베어링(137)을 볼 베어링(137)으로 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 초전도체 베어링과 같은 다른 종류의 베어링이 적용될 수 있음은 당연하다.

한편, 본 실시예의 부양 유닛(150)은, 회전체(120)가 부양된 상태에서 회전을 할 수 있도록 함으로써 마찰 손실을 줄임은 물론 대용량에도 본 실시예의 에너지 저장 장치(100)가 적용 가능하도록 하며, 아울러 비용 증대를 최소화할 수 있다.

이러한, 부양 유닛(150)은, 도 1에 도시된 것처럼, 회전체의 하단부에 부착되는 영구자석(151)과, 영구자석(151)의 하부에 위치되도록 지지 프레임(131)의 상단부에 부착되는 초전도체(155)를 포함할 수 있다.

초전도체(155)의 온도를 극저온으로 낮춤으로써 전기저항이 0에 가까워지도록 하고, 이를 통해 영구자석(151)이 초전도체(155)로부터 이격되는 원리를 이용하여, 지지 프레임(131)에 대해 회전체(120)를 부양시킬 수 있다. 따라서, 회전체(120)가 부양된 상태에서 회전이 가능하기 때문에 마찰 손실을 현저히 줄일 수 있다.

도 2를 참조하면, 초전도체(155)를 냉각시키기 위한 냉각부(160)가 구비될 수 있다. 본 실시예의 냉각부(160)는, 초전도체(155)가 장착된 영역으로 냉각 물질, 예를 들면 액체 질소(163)를 제공한 후 회수하는 순환 라인(161)과, 순환 라인(161) 상에 마련되어 액체 질소(163)를 액화시키는 액화부재(165)와, 순환 라인(161)을 통해 액체 질소(163)가 순환할 수 있도록 액체 질소(163)를 펌핑시키는 펌핑부재(167)를 포함할 수 있다. 또한, 순환 라인(161)은 액체 질소(163)를 공급하는 공급 탱크(168)와 연결될 수 있다.

이러한 구성에 의해서, 초전도체(155)의 냉각 정도를 조절할 수 있으며, 이에 따라 지지 프레임(131)에 대한 회전체(120)의 부양 정도를 조절할 수 있고 따라서 부양된 상태에서의 회전체(120)의 회전을 가능하게 할 수 있다.

한편, 다른 종류의 냉각 방법이 적용될 수 있다. 예를 들면, 초전도체(155)를 구리(Cu)로 둘러싼 후 전도 냉각을 통해서 초전도체(155)의 냉각을 실행할 수 있다. 이처럼, 초전도체(155)의 냉각 방법은 다양하게 적용될 수 있음은 당연하다.

이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하고 필요 시 회전 운동에 의해 발생된 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있어 비용 절감 및 우수한 효율을 구현할 수 있고, 아울러, 부양 유닛(150)에 의해 회전체(120)가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링(137)과 초전도체(155)에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 용도에 따라 예를 들면 철도의 경우처럼 저장된 에너지를 신속하게 사용할 경우, 병원이나 중요 시설 등에 무정전 전원 장치에 저장해둔 에너지를 오랫동안 저장해두었다가 필요할 때 사용할 수 있는 경우 등 여러 용도에 적용할 수 있어 비용 대비 에너지 저장 효율을 높일 수 있는 장점도 있다.

한편, 이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 제1 실시예의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

이에 도시된 것처럼, 본 실시에의 플라이휠 에너지 저장 장치(200)는, 부양 유닛(150)의 장착 위치에 있어서 전술한 제1 실시예의 에너지 저장 장치와 차이가 있다.

본 실시예의 부양 장치(150) 역시, 영구자석(251) 및 초전도체(255)를 포함하는데, 영구자석(251)은 회전체(220)의 상단부에 부착되고, 초전도체(255)는 커버 프레임(233)의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다. 즉, 영구자석(251)의 상부에 초전도체(255)가 위치되도록 영구자석(251) 및 초전도체(255)가 회전체 및 커버 프레임에 장착되는 것이다.

도시하지는 않았지만, 본 실시예의 초전도체(255) 역시 냉각부의 영향을 받아 온도가 조절될 수 있고, 이를 통해 초전도체(255)와 영구자석(251) 간의 거리를 조절할 수 있어, 회전체(220)가 지지 프레임(231)에 대해 부양된 상태에서 화전할 수 있다.

따라서, 부양 유닛(250)에 의해 회전체(220)가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링(237)과 초전도체(255)에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.

한편, 이하에서는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 실시예들의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 에너지 저장 장치(300)는, 부양 유닛(350)이 회전체(320)를 기준으로 상부 및 하부에 각각 마련되어 이들의 연동에 의해서 회전체(320)를 부양시킬 수 있다.

먼저, 회전체(320)의 하단부에 영구자석(351a)이 부착되고 그의 하부에 위치되도록 초전도체(355a)가 지지 프레임(331)의 상단부에 부착되며, 회전체(320)의 상단부에 영구자석(351b)이 부착되고 그의 상부에 위치되도록 초전도체(355b)가 커버 프레임(333)의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다.

이러한 구성의 부양 유닛(350)의 초전도체(355a, 355b) 역시 냉각부(미도시)의 영향을 받아 온도가 조절될 수 있으며, 이를 통해 초전도체(355a, 355b)와 영구자석(351a, 351b) 간의 거리를 조절할 수 있어, 회전체(320)가 지지 프레임(331)에 대해 부양된 상태에서 화전할 수 있다.

따라서, 부양 유닛(350)에 의해 회전체(320)가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링(337)과 초전도체(355a, 355b)에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.

한편, 이하에서는, 본 발명의 제4 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 실시예들의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 에너지 저장 장치(400)는, 부양 유닛(450)을 포함하며, 이는 상호 극이 같은 한 쌍의 영구자석(451, 455)을 포함할 수 있다. 즉, 영구자석(451, 455)들 간에 발생되는 척력을 이용하여 회전체(420)를 부양시킬 수 있다.

하나의 영구자석(451)은 회전체(420)의 하단부에 부착되고, 다른 하나의 영구자석(455)은 지지 프레임(431)의 상단부에 부착될 수 있다. 이들 간에 발생되는 척력으로 인해, 지지 프레임(431)에 대해 회전체(420)는 부양될 수 있고, 이를 통해 부양된 상태에서 회전체(420)의 회전이 가능하다.

따라서, 부양 유닛(450)에 의해 회전체(420)가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링(437)과 영구자석(451, 455)에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.

한편, 이하에서는, 본 발명의 제5 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 실시예들의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 에너지 저장 장치(500)의 부양 유닛(550)은, 전술한 제3 실시예와는 달리 상호 극이 다른 한 쌍의 영구자석(551, 555)을 포함할 수 있다. 즉, 영구자석(551, 555)들 간에 발생되는 인력을 이용하여 회전체(520)를 부양시킬 수 있다.

하나의 영구자석(551)은 회전체(520)의 상단부에 부착되고, 다른 하나의 영구자석(555)은 커버 프레임(533)의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다. 이들 간에 발생되는 인력으로 인해, 지지 프레임(531)에 대해 회전체(520)는 부양될 수 있고, 이를 통해 부양된 상태에서 회전체(520)의 회전이 가능하다.

한편, 이하에서는, 본 발명의 제6 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 실시예들의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 에너지 저장 장치(600)의 부양 유닛(650)은, 두 쌍의 영구자석들(651, 655)을 포함할 수 있다. 그 중 한 쌍의 영구자석(651)은 회전체(620)를 기준으로 하부에 배치되며 상호 같은 극을 갖고, 다른 한 쌍의 영구자석(655)은 회전체(620)를 기준으로 상부에 배치되며 상호 다른 극을 갖는다.

따라서, 회전체(620)를 하방에서 미는 힘이 발생되고 동시에 회전체(620)를 상방에서 끌어당기는 힘이 발생됨으로써 회전체(620)가 부양될 수 있으며, 이를 통해 부양된 상태에서 회전체(620)의 회전이 가능하다.

한편, 이하에서는, 본 발명의 제7 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 실시예들의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.

도 8은 본 발명의 제7 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 실시예의 에너지 저장 장치(700)의 회전체(720) 및 지지 프레임(731)은 상호 대응되는 계단식으로 마련될 수 있고 부양 유닛(750)이 부착될 수 있다. 보다 상세하게는, 도 8에 도시된 것처럼, 회전체(720)의 하단부 및 그에 대면되는 지지 프레임(731)의 상단부는 상호 대응되는 계단식으로 마련되고, 회전체(720)의 각 계단의 천정면 및 측면에는 단위 형태의 영구자석(751)이 부착되고, 이에 대응되도록, 지지 프레임(731)의 각 계단의 저면 및 측면에는 단위 형태의 초전도체(755)가 부착될 수 있다.

이와 같이, 영구자석(751) 및 초전도체(755)가 복합 구조를 가짐으로써 지지 프레임(731)에 대한 회전체(720)의 부양이 보다 원활하게 이루어질 수 있다. 특히, 지지 프레임(731)의 상단부를 따라 냉각부(미도시)의 순환 라인이 형성되도록 함으로써 초전도체(755)의 온도 조절을 수행할 수 있으며, 이에 따라 지지 프레임(731)에 대한 회전체(720)의 부양을 보다 정밀하게 제어할 수 있다.

도 9 내지 도 12는 도 8의 여러 변형예들을 부분적으로 도시한 도면들이다.

도 9에 도시된 회전체(720a)의 천정면 및 측면에는 영구자석(751a)이 부착될 수 있고, 지지 프레임(731a)의 상면 및 측면에는 영구자석(751a)과 일대일 대응되는 초전도체(755a)가 부착될 수 있다. 따라서, 초전도체(755a)와 영구자석(751a) 간의 상호 작용으로 인해 회전체(720a)는 부양될 수 있고, 부양 상태에서 회전을 실행할 수 있다.

한편, 도 10에 도시된 회전체(720b)의 천정면 및 측면에는 영구자석(751b)이 부착될 수 있고, 지지 프레임(731b)의 상면 및 측면에는 영구자석(751b)과 일대일 대응되며 같은 극을 갖는 영구자석(755b)이 부착될 수 있다. 따라서, 영구자석(751b, 755b)들 간에 척력이 발생되어 회전체(720b)는 부양될 수 있고, 부양 상태에서 회전체(720b)의 회전을 실행할 수 있다.

한편, 도 11에 도시된 회전체(720c)의 천정면 및 측면에는 영구자석(751c)이 부착될 수 있고, 지지 프레임(731c)의 상면에는 초전도체(755c)가 부착되고 측면에는 영구자석(753c)이 부착될 수 있다. 이러한 구성에 의해서, 회전체(720c)는 부양될 수 있고, 부양 상태에서 회전체(720c)의 회전을 실행할 수 있다.

한편, 도 12에 도시된 회전체(720d)의 천정면 및 측면에는 영구자석(751d)이 부착될 수 있고, 지지 프레임(731d)의 상면에는 영구자석(755d)이 부착되고 측면에는 초전도체(753d)가 부착될 수 있다. 이러한 구성에 의해서, 회전체(720d)는 부양될 수 있고, 부양 상태에서 회전체(720d)의 회전을 실행할 수 있다.

이처럼, 상호 대응되는 위치에 영구자석(751) 또는 초전도체(755)가 상호 작용 가능하도록 부착됨으로써 지지 프레임(731)에 대한 회전체(720)의 부양이 가능해질 수 있으며, 따라서 부양 상태에서 회전체(720)의 회전을 실행함으로 마찰 손실을 최소화할 수 있다.

다만, 전술한 실시예들에서는 영구자석과 초전도체, 볼베어링으로 구성되는 경우에 대해 설명하였으나, 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 회전축의 길이와 시스템의 형성에 따라 3가지 베어링의 구조를 다양하게 변화시켜 시스템을 최적화 할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 플라이휠 에너지 저장 장치
110 : 베어링
120 : 회전체
121 : 회전축
130 : 하우징
131 : 지지 프레임
133 : 커버 프레임
150 : 부양 유닛
151 : 영구자석
155 : 초전도체

Claims (14)

1. 전기 발생부에 의해 발생되는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동 에너지를 상기 전기 발생부에 제공하며, 회전축을 구비하는 회전체;
   상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링이 장착되며, 상기 회전체의 적어도 일부분을 지지하거나 감싸는 하우징;
   상기 하우징 및 상기 회전체 중 어느 하나에 장착되는 영구자석과, 상기 하우징 및 상기 회전체 중 다른 하나에 장착되는 초전도체를 포함하는 부양 유닛; 및
   상기 초전도체를 냉각시키기 위한 냉각 물질을 제공하는 냉각부;
   를 포함하며,
   상기 영구자석과 상기 초전도체의 상호 작용에 의해 상기 회전체를 부양시키며,
   상기 냉각부는,
   상기 초전도체가 장착된 영역으로 상기 냉각 물질을 제공한 후 회수하는 순환 라인;
   상기 순환 라인 상에 마련되어 상기 냉각 물질을 액화시키는 액화부재; 및
   상기 순환 라인을 통해 상기 냉각 물질이 이동할 수 있도록 상기 냉각 물질을 펌핑시키는 펌핑부재를 포함하며,
   상기 순환 라인을 따라 순환되는 상기 냉각 물질을 조절하여 상기 초전도체의 냉각 정도의 조절이 가능하며,
   상기 회전체의 일부분 및 상기 회전체의 일부분에 대향되는 상기 하우징의 일부분은 상호 대응되는 계단식으로 마련되고, 상기 회전체의 일부분 및 상기 하우징의 일부분 중 어느 하나에 상기 초전도체가 부착되고 다른 하나에 상기 영구자석이 부착되는 에너지 저장 장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 하우징은,
   상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및
   상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;
   을 포함하며,
   상기 커버 프레임 또는 상기 지지 프레임에 상기 영구자석 또는 상기 초전도체 중 어느 하나가 부착되고, 상기 회전체에 상기 영구자석 또는 상기 초전도체 중 다른 하나가 부착되는 에너지 저장 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 영구자석은 상기 회전체의 하단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 하부에 위치되도록 상기 지지 프레임의 상단부에 부착되는 에너지 저장 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 회전체의 하단부 및 상기 지지 프레임의 상단부는 상호 대응되는 계단식으로 마련되며,
   상기 회전체의 각 계단의 천정면 및 측면에는 단위 형태의 영구자석이 부착되고,
   상기 단위 형태의 영구자석의 배치에 대응되도록, 상기 지지 프레임의 각 계단의 저면 및 측면에는 단위 형태의 초전도체가 부착되는 에너지 저장 장치.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 영구자석은 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 상부에 위치되도록 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착되는 에너지 저장 장치.
   
7. 전기 발생부에 의해 발생되는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동 에너지를 상기 전기 발생부에 제공하며, 회전축을 구비하는 회전체;
   상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링이 장착되며, 상기 회전체의 적어도 일부분을 지지하거나 감싸는 하우징;
   상기 하우징 및 상기 회전체 중 어느 하나에 장착되는 영구자석과, 상기 하우징 및 상기 회전체 중 다른 하나에 장착되는 초전도체를 포함하는 부양 유닛; 및
   상기 초전도체를 냉각시키기 위한 냉각 물질을 제공하는 냉각부;
   를 포함하며,
   상기 하우징은,
   상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및
   상기 지지 프레임 및 상기 회전체를 덮는 커버 프레임을 포함하고,
   상기 지지 프레임의 상단부에 상기 초전도체가 부착되고 상기 회전체의 하단부에 영구자석이 부착되며,
   상기 회전체의 상단부에 상기 영구자석이 부착되고 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 상기 초전도체가 부착되며,
   상기 냉각부는,
   상기 초전도체가 장착된 영역으로 상기 냉각 물질을 제공한 후 회수하는 순환 라인;
   상기 순환 라인 상에 마련되어 상기 냉각 물질을 액화시키는 액화부재; 및
   상기 순환 라인을 통해 상기 냉각 물질이 이동할 수 있도록 상기 냉각 물질을 펌핑시키는 펌핑부재를 포함하며,
   상기 순환 라인을 따라 순환되는 상기 냉각 물질을 조절하여 상기 초전도체의 냉각 정도의 조절이 가능한 에너지 저장 장치.
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