KR101835268B1 - 통전전류 가변형 전력케이블 - Google Patents

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KR101835268B1 KR1020170066851A KR20170066851A KR101835268B1 KR 101835268 B1 KR101835268 B1 KR 101835268B1 KR 1020170066851 A KR1020170066851 A KR 1020170066851A KR 20170066851 A KR20170066851 A KR 20170066851A KR 101835268 B1 KR101835268 B1 KR 101835268B1
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Abstract

본 발명은 태양광 발전량에 따라 상전도체와 초전도체 중 어느 하나의 통전부가 선택되어 전류를 전송할 수 있는 전력케이블에 관한 것이다. 본 발명은 태양광 발전에 의해 생성된 전류를 상시적으로 상전도체로 통전하며, 태양광 발전출력이 피크일 때 초전도체로 전류가 통전되도록 제어함으로써, 전류를 송신하는데 발생하는 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 초전도체를 극저온으로 냉각하는데 있어서, 초전도체가 액체질소에 침지하는 형태가 아닌 액체질소를 초전도체에 직접 분사하는 방식을 사용함으로써, 액체질소의 사용량을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

통전전류 가변형 전력케이블{TRANSPORT CURRENT VARIABLE TYPE POWER CABLE}
본 발명은 통전전류 가변이 가능한 저압직류배선용 전력케이블로써, 보다 상세하게는 태양광 발전량에 따라 상전도체와 초전도체 중 어느 하나의 통전부가 선택되어 전류를 전송할 수 있는 전력케이블에 관한 것이다.
우리나라는 1,200 W/㎡ ~ 1,500 W/㎡ 정도의 비교적 높은 일사량을 보이고 있어 태양광 에너지의 활용에 있어 유리한 조건을 보유하고 있다. 태양광 발전의 효율은 현재 13 ~ 14% 내외이고 이를 적극적으로 활용하기 위해서는 태양광 발전량이 가장 많은 시간에 발전된 전류를 최소화된 손실로 축전지에 보내야 한다.
초전도체의 특성을 이용한 초전도 케이블을 통해 전류를 송신할 경우 전력전송의 효율을 증대시킬 수 있다. 초전도체는 임계 온도 이하에서 저항이 사라지는 특성과 초전도체 내부의 자기장을 밖으로 내보내는 자기 반발 현상 등의 특성을 가진다. 이러한 초전도체를 통해 자기 부상열차, 초전도 추진선박 등과 같은 교통분야와 컴퓨터, 마이크로파 등의 전자 공학 분야와 에너지 저장장치, 발전기 등의 에너지 분야 초전도 양자 간섭장치, 핵자기 공명 영상 장치 등의 의료 분야 등 그 응용 분야가 광범위하게 쓰인다.
초전도 케이블을 사용하는 경우 초전도체를 임계 온도(Tc) 이하로 냉각하기 위해 액체질소 또는 액체헬륨을 초전도체의 냉매로 사용하고 있으며, 초전도체를 침지하여 초전도체의 극저온을 유지시키고 있다.
한국 등록특허 제10-0766695호(이하 '선행문헌'이라 칭함)는 냉각 유로 및 회수 유로의 접촉 면적을 최소화하여 열 전달량을 줄임으로써 초전도 케이블의 온도 상승을 억제할 수 있는 초전도 케이블에 관한 것이다. 선행문헌은 케이블내의 냉각 유로 개선 및 열차단과 관련된 기술로써, 초전도체를 임계 온도 이하로 냉각하기 위해 많은 양의 액체질소 또는 액체헬륨을 사용해야 되는 문제점이 있다.
액체질소와 같은 냉매의 소모량을 현격히 줄일 수 있으며, 전력손실을 감소시킬 수 있는 전력케이블의 개발이 필요한 실정이다.
한국 등록특허 제10-077182호(등록일 2007.11.12, 고온 초전도 전력 케이블)
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 태양광 발전에 의해 생성된 전류를 상시적으로 상전도체로 통전하며, 태양광 발전출력이 피크일 때 초전도체로 전류가 통전되도록 제어하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 초전도체를 극저온으로 냉각하는데 있어서, 초전도체가 냉매에 침지하는 형태가 아닌 냉매를 초전도체에 직접 분사하는 방식을 사용하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 통전전류 가변형 전력케이블은 태양광모듈, 상기 태양광모듈에 의해 생성된 전류의 발전출력을 측정하는 측정부, 상기 전류를 상시 통전하기 위한 상전도통전부와 상기 전류를 극저온상태에서 통전하기 위한 초전도통전부를 포함하는 통전부, 상기 통전부를 상기 극저온상태로 냉각시키기 위한 냉각부 및 상기 초전도통전부가 상기 극저온상태로 냉각되면, 상기 전류가 상기 초전도통전부에 통전되도록 제어하는 통전제어부를 포함한다.
본 발명의 따른 상기 냉각부는 상기 통전부를 상기 극저온상태로 냉각시키기 위한 냉매가 저장되는 냉매저장부, 상기 통전부와 소정거리만큼 이격되어 상기 냉매를 분사하는 적어도 하나의 냉매분사관, 상기 발전출력이 기 설정된 발전양을 초과하면, 상기 냉매를 상기 냉매분사관으로 주입시키는 냉매주입부 및 상기 분사된 냉매를 회수하여 상기 냉매저장부로 전송하는 냉매회수부를 포함한다.
본 발명의 따른 상기 냉매주입부는 상기 통전부를 초기 냉각시 상기 냉매를 무화상태로 상기 냉매분사관으로 주입하며, 소정의 시간 후에 액상생태로 상기 냉매를 상기 냉매분사관에 주입한다.
본 발명의 따른 통전전류 가변형 전력케이블은 상기 통전부 및 상기 냉매분사관이 내측에 안착되는 외관튜브, 상기 외관튜브의 외측에 형성되며, 상기 냉매의 냉각 온도를 유지하기 위한 단열층, 상기 외관튜브와 상기 단열층 사이에 진공층이 형성시키기 위해 상기 단열층의 내측에 구비되는 진공커버, 외부와 전기적으로 절연되도록 상기 단열층을 둘러 감싸는 절연층, 상기 단열층과 상기 절연층 사이에 형성되는 단열커버, 상기 외관튜브와 냉매분사관사이에 형성되며, 상기 냉매분사관이 거치되는 거치대 및 상기 전력케이블을 지지하기 위해 상기 단열층 내부에 구비되는 강심연선를 더 포함한다.
본 발명은 태양광 발전에 의해 생성된 전류를 상시적으로 상전도체로 통전하며, 태양광 발전출력이 피크일 때 초전도체로 전류가 통전되도록 제어함으로써, 저전압으로 전류를 송신하는데 발생하는 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 초전도체를 극저온으로 냉각하는데 있어서, 초전도체가 냉매에 침지하는 형태가 아닌 냉매를 초전도체에 직접 분사하는 방식을 사용함으로써, 냉매의 사용량을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 통전전류 가변형 전력케이블의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 통전전류 가변형 전력케이블의 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 통전전류 가변형 전력케이블의 절단도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 통전전류 가변형 전력케이블의 구성도이다. 도 1을 참고하면, 통전전류 가변형 전력케이블은 태양광모듈(1000), 측정부(2000), 통전부(3010), 냉각부(4000), 통전제어부(5000), 축전부(6000)를 포함할 수 있다.
태양광모듈(1000)은 태양으로부터 태양에너지를 전달받아 전기에너지로 변환하는 장치이다. 태양광모듈(1000)은 복수개의 태양전지(solar cell)가 연결된 형태로 이루어질 수 있다. 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 구조 및 방법은 공지된 기술로써, 그 자세한 설명은 생략한다.
측정부(2000)는 태양광모듈(1000)에 의해 생성된 전류의 발전출력을 측정하는 장치이다.
통전부(3010)는 태양광모듈(1000)에 의해 발전된 전류를 축전지(6000)로 수송하는 장치이다. 도 1과 같이, 통전부(3000)는 상전도통전부(3011)와 초전도통전부(3012)로 이루어질 수 있다. 상전부통전부(3011)는 태양광모듈(1000)에 의해 발전된 전류를 상시적으로 통전하기 위한 장치이다. 상전부통전부(3011)는 구리도선과 같이 전기전도열이 높은 특성을 가지는 도체로 이루어질 수 있다. 초전도통전부(3012)는 임계온도 이하인 극저온상태에서 저항이 사라지는 초전도체로 이루어진다. 따라서 초전도통전부(3012)는 극저온상태에서 전류를 통전한다.
냉각부(4000)는 통전부(3010)를 극저온상태로 냉각시키기 위한 장치이다. 도 1을 참조하면 냉각부(4000)는 냉각저장부(4100), 냉매주입부(4200), 냉매분사관(4300), 냉매회수부(4400)를 포함할 수 있다.
냉매저장부(4100)는 통전부(3010)를 극저온상태로 냉각시키기 위한 냉매가 저장되는 장치이다. 여기서 냉매로는 극저온상태로 냉각가능한 액체질소, 액체헬륨 등이 사용될 수 있다.
냉매주입부(4200)는 태양광모듈(1000)에 의해 생성된 전류의 발전출력이 기 설정된 발전양을 초과하면, 냉매를 냉매분사관(4300)으로 주입시키는 장치이다. 일 예로, 기 설정된 발전양이 500A(ampere)인 경우, 태양광모듈(100)에 의해 생성된 전류가 500A(ampere)를 초과하면, 냉매를 전력케이블로 주입시켜 통전부(3010)를 극저온상태로 냉각시킨다.
냉매주입부(4200)는 통전부(3010)를 초기 냉각시 냉매를 무화상태로 분사관(4300)으로 주입하며, 소정의 시간 후에 액상생태로 냉매를 분사관(4300)에 주입한다. 통전전류가 증가됨에 따라 냉각시스템이 동작되면 초기 온도가 180 K ~ 77 K까지 하강하게 되며, 이때 열 수축 및 충격이 발생된다. 초기 냉각 시 냉매(LN2) 투입을 무화상태(기체)로 투입하면서 내부 열 수축 및 충격을 완화시킬수 있다. 따라서 냉매주입부(4200)는 최초 무화상태(기체)로 냉매를 주입한 이후, 점차 액상상태로 냉매를 투입하여 통전부(3010)를 극저온으로 냉각한다.
냉매분사관(4300)는 통전부(3010)와 소정거리만큼 이격되어 주입된 냉매를 분사하는 장치이다. 냉매분사관(4300)에 대한 설명은 도 2 내지 도 3을 통해 후술하도록 한다.
냉매회수부(4400)는 분사된 냉매를 회수하여 냉매저장부(4100)로 전송하는 장치이다. 냉매회수부(4400)에 의해 회수된 냉매를 냉매순환로를 통해 냉매저장부(4100)로 수송됨으로써, 분사된 냉매는 순환되어 재사용된다.
통전제어부(5000)는 초전도통전부(3012)가 극저온상태로 냉각되면, 태양광모듈(1000)에 의해 생성된 전류가 초전도통전부(3012)에 통전되도록 제어하는 장치이다. 초전도체는 앞서 설명한 바와 같이, 극저온 상태에서 저항이 사라지는 특성을 가짐으로써, 저전압으로 전력손실을 줄일 수 있는 이점이 있다.
이와 같이, 태양광모듈(1000)에서 생성되는 발전량이 많을 때에 한하여 초전도통전부(3012)를 통해 전류를 전송함으로써, 전송손실을 줄일 수 있을 뿐 아니라 냉매 사용도 감소할 수 있는 효과가 발생된다.
도 2는 본 발명에 따른 통전전류 가변형 전력케이블의 구조도이다. 이하의 설명에 따라 본 발명에 따른 통전전류 가변형 전력케이블을 보다 명확하게 설명할 수 있다. 한편, 앞서 기재한 사항은 생략 또는 간략하게 기재한다.
도 2를 참조하면, 측정부(2000)는 태양광모듈(1000)에 의해 생성된 발전출력량을 측정한다. 태양광모듈(1000)에 의해 생성된 전류량이 기 설정된 출력량보다 적으면, 통전제어부(5000)에 의해 스위치가 OFF 되어 상전도통전부(3011)에 전류가 통전된다.
반면, 태양광모듈(1000)에 의해 생성된 전류량이 기 설정된 출력량보다 높으면, 냉매주입부(4200)에 냉매를 주입하여 통전부(3010)를 냉각한다. 냉매주입부(4200)에 주입된 냉매는 냉매분사관(4300)을 통해 통전부(3010)에 분사된다. 도 2를 살펴보면, 냉매분사관(4300)은 상전도분사관(4310)과 초전도분사관(4320)으로 구성될 수 있다. 본 발명은 통전부(3010)를 냉매에 침지(浸漬)하는 구조가 아닌 분사하는 방식으로써, 상전도분사관(4310)과 초전도분사관(4320)에 냉매를 달리 분사한다.
냉매분사관(4300)에 의해 통전부(3010)가 극저온으로 냉각되면, 통전제어부(5000)에 의해 스위치가 ON되어, 초전도통전부(3012)에 전류가 통전된다.
도 2와 같이, 상전도통전부(3011)와 초전도통전부(3012)는 병렬로 연결된다. 상전도통전부(3011)는 발전시작부터 지속적으로 전류를 통전시키고 있으며. 태양광모듈(1000)의 발전량이 증가되면, 초전도통전부(3012)로 전류가 통전되는 구조이다. 이와 같이, 상전도통전부(3011)와 초전도통전부(3012)가 병렬로 연결됨으로써, 초전도통전부(3012)는 기존의 온도조건보다 완화된 조건으로 전류를 통전할 수 있다. 본 발명의 선행연구를 통해 확보한 데이터에 의하면 냉각이 진행된 후 통전부(3010)의 내부 온도가 150K 이하로 감소되면, 초전도선은 70%정도의 효율로 통전이 진행되는 것을 확인하였다.
또한, 통전부(3010)와 냉매분사관(4300)은 냉각층(3030) 내에 위치되며, 냉각층(3030)의 외측으로는 진공층(3060)이 형성된다. 냉각층(3030)과 진공층(3060)은 외관튜브(3020)에 의해 구분되며, 냉각층(3030) 및 진공층(3060)과 같은 전력케이블의 구조는 도 3을 통해 더욱 자세히 설명한다.
한편, 도 2와 같이 냉매분사관(4300)을 통해 분사된 냉매는 냉매회수부(4400)에 의해 회수되어 냉매저장부(4100)로 순환된다. 액화상태로 분사된 냉매는 통전부(3010)를 냉각 후 증기(기체)로 변하게 된다. 따라서 냉매회수부(4400)는 증기로 변환된 냉매를 회수하여 냉매저장부(4100)로 전송한다.
도 3은 본 발명에 따른 통전전류 가변형 전력케이블의 절단도이다. 도 3을 살펴보면, 상전도통전부(3011)와 초전도통전부(3012)는 고정바(3020)에 고정된다. 고정바(3020)는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸과 같은 금속으로 이루어진다.
거치대(3100)는 제1거치대(3101)와 제2거치대(3102)로 구분되어 상전도분사관(4310)과 초전도분사관(4320)이 각각 거치될 수 있다. 상전도분사관(4310)과 초전도분사관(4320)이 외관튜브(3040)에 직접적으로 연결되지 않고, 거치대(3100)를 통해 연결됨으로써, 냉매분사관(4300)과 외관튜브(3040)의 밀착에 따라 발생되는 열 손실을 방지할 수 있다. 한편, 냉매분사관내의 압력이 외관 튜브내의 압력보다 높음에 따라 냉매분사관내에 흐르는 냉매(액체 질소)는 자연적으로 분사된다.
외관튜브(3040)에 의해 통전부(3010)와 냉매분사관(4300)이 외부에 노출되지 않으며, 분사된 냉매에 의해 외관튜브(3040)의 내부는 냉각층(3030)이 된다.
외관튜브(3040)의 외측으로는 진공층(3060)이 형성되며, 진공층(3060)을 형성하기 위해 단열층(3050) 사이에 진공커버(3070)가 구비된다. 진공커버(3070)는 스테인레스 스틸(stainless steel)와 같은 금속으로 이루어진다.
단열층(3050)은 진공층(3060)의 외측에 구비되며, 액체질소와 같은 냉매의 냉각 온도를 유지하기 위해 구비된다. 단열층(3050) 내부에는 전력케이블을 지지하기 위한 강심연선(3120)이 구비될 수 있다. 일 예로, 전력 케이블이 전주에 설치될 경우, 강심연선(3120)에 전력케이블이 지지됨에 따라 전력케이블이 늘어지거나 휘어지는 문제점을 해결할 수 있다.
단열층(3050)의 외측으로는 외부와 전기적으로 절연되도록 전기 절연성이 우수한 PVC(폴리염화비늘)와 같은 절연층(3080)이 구비된다. 또한, 단열층(3050)과 절연층(3080) 사이에는 단열커버(3090)가 형성된다.
1000 : 태양광모듈 2000 : 측정부
3010 : 통전부 3011 : 상전도통전부
3012 : 초전도통전부 3020 : 고정바
3030 : 냉각측 3040 : 외관튜브
3050 : 단열층 3060 : 진공층
3070 : 진공커버 3080 : 절연층
3090 : 단열커버 3100 : 거치대
3101 : 제1거치대 3102 : 제2거치대
3120 : 강심연선 4000 : 냉각부
4100 : 냉매저장부 4200 : 냉매주입부
4300 : 냉매분사부 4310 : 상전도분사관
4320 : 초전도분사관 4400 : 냉매회수부
5000 : 통전제어부 6000 : 축전부

Claims (5)

  1. 태양광모듈;
    상기 태양광모듈에 의해 생성된 전류의 발전출력을 측정하는 측정부;
    상기 전류를 상시 통전하기 위한 상전도통전부와 상기 전류를 극저온상태에서 통전하기 위한 초전도통전부를 포함하는 통전부;
    상기 통전부를 상기 극저온상태로 냉각시키기 위한 냉매가 저장되는 냉매저장부, 상기 통전부와 소정거리만큼 이격되어 상기 냉매를 분사하는 적어도 하나의 냉매분사관, 상기 발전출력이 기 설정된 발전양을 초과하면, 상기 냉매를 상기 냉매분사관으로 주입시키는 냉매주입부, 및 상기 분사된 냉매를 회수하여 상기 냉매저장부로 전송하는 냉매회수부가 포함된 냉각부; 및
    상기 초전도통전부가 상기 극저온상태로 냉각되면, 상기 전류가 상기 초전도통전부에 통전되도록 제어하는 통전제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통전전류 가변형 전력케이블;을 포함하는 것을 특징으로 하는 통전전류 가변형 전력케이블
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉매주입부는 상기 통전부를 초기 냉각시 상기 냉매를 무화상태로 상기 냉매분사관으로 주입하며, 소정의 시간 후에 액상생태로 상기 냉매를 상기 냉매분사관에 주입하는 것을 특징으로 하는 통전전류 가변형 전력케이블
  4. 제1항에 있어서.
    상기 통전부 및 상기 냉매분사관이 내측에 안착되는 외관튜브;
    상기 외관튜브의 외측에 형성되며, 상기 냉매의 냉각 온도를 유지하기 위한 단열층;
    상기 외관튜브와 상기 단열층 사이에 진공층이 형성시키기 위해 상기 단열층의 내측에 구비되는 진공커버;
    외부와 전기적으로 절연되도록 상기 단열층을 둘러 감싸는 절연층; 및
    상기 단열층과 상기 절연층 사이에 형성되는 단열커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 통전전류 가변형 전력케이블
  5. 제4항에 있어서,
    상기 외관튜브와 냉매분사관사이에 형성되며, 상기 냉매분사관이 거치되는 거치대; 및
    상기 전력케이블을 지지하기 위해 상기 단열층 내부에 구비되는 강심연선를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통전전류 가변형 전력케이블
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012160667A (ja) 2011-02-02 2012-08-23 Toshiba Corp 太陽光発電システム
KR101254008B1 (ko) * 2011-07-13 2013-04-15 (주)온테스트 신재생 에너지 모듈을 위한 성능 검증 장치 및 그 방법

Patent Citations (2)

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