KR20130131972A - 하이브리드 플라이휠 에너지 저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치는 전기에너지를 모터를 이용하여 회전체를 회전시켜 운동에너지 상태로 저장해두었다가 필요할 때 회전하고 있는 회전체로부터 발전기를 통해 전기에너지로 변환시키는 기계식 저장장치이다. 회전 손실을 줄이기 위해 볼 베어링과 전자석 베어링, 초전도 베어링을 사용하고 진동을 제어하기 위하여 전자석 베어링을 사용하고 있으나, 진동을 제어하는 댐퍼로서의 전자석 베어링을 볼베어링으로 대체하여 경비를 절감하고 마찰손실을 저감하기 위하여 영구자석 베어링과 초전도 베어링을 조합하여 사용하므로써 경제성과 효율을 향상시킨 플라이휠 에너지 저장장치로 볼 베어링을 기본으로 영구자석 베어링과 초전도 베어링을 용도에 맞게 배치하여 구성의 다양성을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 회전체의 진동을 전자석 베어링 대신 볼 베어링으로 대체하고 영구자석 베어링이나 초전도 베어링으로 부양시킴에 따라 저렴하고 고효율의 플라이휠 에너지 저장장치의 활용도를 증대시킬 수 있다.

Description

하이브리드 플라이휠 에너지 저장장치{HYBRID FLYWHEEL ENERGY STORAGE SYSTEM}

전기에너지를 회전 운동에너지로 저장하는 플라이휠 에너지 저장치가 개시된다. 보다 상세하게는, 회전 운동에너지로 저장할 때 회전 손실을 저감시키기 위해 베어링과 부상시스템이 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 전력계통 안정화에 문제점이 들어나고 있다. 일반적인 신재생의 에너지 발전, 태양광이나 풍력 발전의 경우 불규칙한 자연에너지로 인하여 발전량이 안정적이지 못하여 저장장치의 필요성이 고려되고 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 충방전에 적합한 에너지 저장장치의 개발이 진행 중이다.

일반적인 저장장치의 형태는 산간지역 등 상부 저수지와 하부 저수지를 만들어 전력 비용이 낮은 밤에 하부 저수지에 있는 물을 퍼올려 낮에 전력비용이 비쌀 때 상부 저수지로부터 하부저수지로 물을 흘려내리면서 발전하는 양수발전 시스템이나, 밤의 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 화학반응을 이용하여 저장하는 화학전지로 NaS 전지, 리튬이온 전지 등의 방식 등이 있으며, 특히 고속 충방전에 강한 전기에너지를 모터로 이용하여 회전 운동에너지로 저장해두었다가 필요할 때 발전기를 이용하여 회전운동에너지에서 전기에너지로 변환하여 사용하는 플라이휠 에너지 저장장치 등이 개발되고 있다.

이 중, 플라이휠 에너지 저장장치는 회전하기 때문에 회전 손실을 줄이기 위해 베어링을 사용하는데 볼 베어링을 사용하면 기계식 플라이휠 에너지 저장장치, 전자석 베어링을 이용하면 전자석 플라이휠 에너지 저장장치, 초전도 베어링을 사용하면 초전도 플라이휠 에너지 저장장치로 구분되어 있다.

각각의 경우 기계식 플라이휠 에너지 저장장치는 기계식 볼을 이용하기 때문에 마찰 손실이 커서 효율적인 플라이휠 시스템으로 사용될 수가 없고, 전자석 베어링을 이용한 것은 전자석을 이용하여 회전체를 부양시켜야 되기 때문에 대용량의 플라이휠 시스템을 곤란하며, 초전도 베어리을 이용할 경우는 냉각장비와 초전도체가 비용이 비싸기 때문에 경제성에 어려움이 있다.

따라서, 경제성이 있는 플라이휠 에너지 저장장치의 개발이 요구된다.

본 발명의 실시예에 따른 목적은, 전기 에너지를 회전운동으로 저장하고 필요시 회전운동으로부터 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있는 플라이휠 에너지 저장장치를 저렴하면서도 효율이 높은 시스템을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 플라이휠 에너지 저장장치의 경우 그 용도에 따라 예를 들면 철도의 경우처럼 저장된 에너지를 신속하게 사용할 경우와 병원이나 중요 시설 등에 UPS(무정전전원장치)로 저장해둔 에너지를 오랫동안 저장해두었다가 필요할 때 사용할 수 있는 경우 등 여러 용도에 맞는 플라이휠 에너지 저장장치를 보다 저비용으로 저장 효율이 높은 저장시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치는 회전 손실을 줄이기 위해 사용되는 베어링은 볼 베어링을 사용한다. 종래의 볼 베어링을 사용한 기계식 플라이휠 에너지 저장장치의 경우 볼베어링과 부양되는 축에도 같은 볼베어링 혹은 핀으로 고정되어 있어 역시 접촉에 의한 마찰 손실이 있는 시스템이었다.

본 발명의 경우는 볼 베어링으로 축의 흔들림을 잡아주고 회전체를 부양시키는 베어링은 영구자석 베어링과 초전도 베어링을 사용하여 회전체의 중량을 마찰 없이 부양시켜 마찰 손실을 저감시킬 수 있다.

상기 볼 베어링의 볼은 금속이나 세라믹 그 외에 회전체의 마찰에 의한 강도을 유지할 수 있는 재료로 구성되어 있다.

상기 시스템의 영구자석 베어링과 초전도 베어링은 한 시스템에 동시에 사용될 수도 있고 용도에 따라 분리하여 사용될 수도 있다.

상기 시스템의 영구자석 베어링의 경우 영구자석 베어링 위에 설치될 경우는 반대 극성의 인력을 이용하여 설치하며, 아랫 부분에 설치할 때는 같은 극의 반발력을 이용하여 설치한다.

상기 시스템의 영구자석 베어링은 위에만 설치될 수 있고 아래 부분만 설치될 수도 있으며 용량에 따라 양쪽에 모두 설치될 수 있다.

상기 시스템의 초전도 베어링의 경우 위에만 설치될 수 있고 아래 부분만 설치될 수도 있으며 용량에 따라 양쪽에 모두 설치될 수 있다.

상기 시스템의 초전도 베어링의 경우 자장 아래서 냉각(field cooling)에 의한 초전도체와 영구자석 간의 핀고정력과 자장을 가하지 않는 냉각(zero field cooling)에 의한 초전도체와 영구자석 간의 반발력과 핀고정력의 혼합된 힘을 이용하여 설치될 수 있다.

상기 시스템의 전력변환 장치는 회전축의 상 중 하 어디에 설치하여도 무방하며 시스템에 따라 최적의 위치에 설치될 수 있다.

상기 시스템의 볼 베어링은 시스템의 크기에 따라 한 개 또는 두 개 이상 설치될 수 있으며, 위치도 상 중 하 어디에 설치하여도 무방하며 시스템에 따라 최적의 위치에 설치될 수 있다.

상기 시스템의 회전체의 경우 금속이나 가볍고 인성이 좋은 graphite혹은 합성 복합체 등이 사용될 수 있고 설치 위치도 시스템을 최적화시키기 위해 상 중 하 어디에 설치하여도 무방하다.

상기 시스템에는 회전축의 흔들림의 방지를 위한 전자석 베어링인 댐퍼(damper)가 부착될 필요가 없다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 볼 베어링을 이용한 기계식 플라이휠 에너지 저장장치의 경우 전자석 플라이휠 에너지 저장장치나 초전도 플라이휠 에너지 저장장치에 비해 볼을 사용하여 축의 회전을 잡아주기 때문에 다소 효율이 떨어질 수 있으나, 도리어 다른 종류 시스템의 경우인 회전축의 흔들림을 방지하기 위해 전자석 베어링의 댐퍼를 사용하지 않아 보다 저렴하고 3가지 종류 중에 가장 안정한 시스템으로 구성될 수 있다.

전자석 플라이휠 에너지 저장장치와 초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 경우 비접촉으로 회전축의 흔들림을 조절하기 때문에 순간적인 흔들림에 대처하기 어려우며, 결국 비접촉 간격을 넘어서 회전축이 고정자에 접촉하게 되면 순간적으로 정지하게 되는 비상사태를 초래할 수 있는 경우가 발생할 수 있는 위험성이 있는 것에 비하여 기계식 플라이휠의 경우 순간적 장치의 흔들림에도 견딜 수 있는 3 종류의 시스템 중에 가장 안전한 시스템이다.

따라서 본 발명의 시스템은 다른 시스템의 경우 움직이는 물체에 설치하기가 곤란하지만, 회전할 때 안정성이 높아 움직이는 철도, 버스 등의 물체 위에도 설치할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 저렴하고 효율이 높은 플라이휠 에너지 저장장치는, 풍력이나 태양광과 같이 발전량의 변화가 아주 급격하여 신속한 저장이 필요할 때나, 철도분야에서 차량정지 하거나 차량이 출발하여 신속한 충방전 분야에서 많은 전기에너지를 저장할 수 있으며, 많은 양을 순간적으로 발전시킬 수 있다. 또한 천천히 저장해두었다가 신속하게 사용될 수 있는 무정전 전원장치에 널리 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 플라이휠 에너지 저장장치는 저장 에너지 밀도가 높고, 긴수명, 환경친화적이고, 발생가스, 유해산업페기물 발생이 없고 순간 충방전 특성이 우수하며, 반복된 충방전에 강한 장점이 있지만, 비용이 비싸다는 것으로 널리 사용되지 못해왔다. 그러나 본 발명을 통해 저렴하고 효율이 높은 플라이휠 에너지 저장장치를 개발할 수 있어 널리 활용될 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 기계식 플라이휠 에너지 저장장치, 전자석 플라이휠 에너지 저장장치, 초전도 플라이휠 에너지 저장장치 크게 3 종류의 시스템을 안정성 측면에서 비교하여 볼 때, 접촉식 제어 방식이 비접촉식 제어 방식에 비하여 훨씬 안정적인 장점이 있어 보다 넓은 용도에 활용될 수 있다. 예를 들어 타 방식의 경우 움직이는 물체에 사용하기가 어려운 반면, 본 발명의 경우 움직이는 물체에서도 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼베어링 두 개와 영구자석 베어링을 하부에 설치한 플라이휠 에너지 저장장치를 도시한 도면이다.
도 2는 발명의 일 시시예에 따른 볼베어링 두 개와 초전도 베어링을 하분에 설치한 플라이휠 에너지 저장장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼베어링 두 개와 영구자석 베어링을 상부에 설치한 플라이휠 에너지 저장장치를 도시한 도면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼베어링 두 개와 초전도 베어링을 상부에 설치한 플라이휠 에너지 저장장치를 도시한 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼베어링 두 개와 영구자석 베어링을 상 하부 두 군데에 설치한 플라이휠 에너지 저장장치를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼베어링 두 개와 초전도 베어링을 상 하부 두 군데에 설치한 플라이휠 에너지 저장장치를 도시한 도면이다.
도 7은 회전체의 하부에 계단식 베어링이 설치된 것을 도시한 도면이다.
도 8은 회전축에 영구자석이 고정되고 하부 고정판에 영구자석이 고정되는 것을 도시한 도면이다.
도 9는 회전축에 영구자석이 고정되고 하부 고정판에 초전도체가 고정되는 것을 도시한 도면이다.
도 10은 회전축에 영구자석이 고정되고 하부 고정판에 중력의 수직 방향으로는 초전도체가 고정되고 중력 방향으로는 영구자석이 고정되는 것을 도시한 도면이다.
도 11은 회전축에 영구자석이 고정되고 하부 고정판에 중력의 수직 방향으로는 영구자석이 고정되고 중력 방향으로는 초전도체가 고정되는 것을 도시한 도면이다.

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 일 실시예에 따른 볼베어링 두 개와 영구자석 베어링을 하부에 설치한 플라이휠 에너지 저장장치를 도시한 평면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치(100)은 전기에너지를 회전운동에너지로 변환시키는 전동/발전기(103, 104)에 의해 회전체(105)를 회전시키므로써 회전운동에너지로 저장되었다가 필요시 회전운동에너지로부터 전동/발전기(103, 104)에 의해 전기에너지로 변환시킬 수 있는 저장장치이다.

다만, 이하에서는, 본 실시예의 플라이휠 에너지 저장장치(100)를 구성하는 타입에 대해 설명할 것이나, 이에 한정되는 것은 아니며, 영구자석 베어링, 초전도 베어링, 볼 베어링, 전동/발전기 및 회전체의 다양한 배치에 의해 플라이휠 에너지 저장장치를 구성할 수 있음은 당연하다.

도 1 부터 도 6까지를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장장치(100)는 여러 구성 요소들의 단수 혹은 복수에 의해 구성될 수 있는 경우 수를 모두 포함할 수 있다.

먼저 플라이휠 에너지 저장장치(100)를 설명하면, 전기에너지를 전동/발전기(103, 104)에 의해 회전체(105)에 회전 운동에너지 상태로 저장해두었다가 필요 시 전동/발전기(103, 104)에 의해 전기에너지로 변환하여 사용할 수 있다. 이 때 회전에 의한 마찰 손실을 적게 하기 위하여 주고 진동 제어를 위해 볼 베어링(101, 102)을 사용하며, 회전체를 부양시켜 회전체 무게로 인한 마찰 손실을 없게 하기 위해 회전체에 부착되어 있는 상부영구자석(110)과 하부 고정판(520)에 고정되어 있는 하부영구자석(120)은 서로 같은 극으로 설치되어 영구자석의 척력이 작용되는 영구자석베어링으로 구성되어 있고, 진동을 제어하기 위하여 상부 볼 베어링과 함께 하부 볼 베어링이 하부 고정판(520)에 고정되어 있다. 시스템을 운전하기 위하여 정렬할 경우 정렬은 쉽게 하기 위하여 정렬지그(530)가 하부에 설치되어 있으나 운전이 시작되면 하부 정렬 지그는 제거될 수도 있는 플라이휠 에너지 저장장치(100)의 구조이다.

사용된 볼(101)은 볼 케이스(102)에 의해 고정되어 있고 상부 영구자석(110)과 하부 영구자석(120)은 같은 극으로 마주보도록 한다.

도 2는 플라이휠 에너지 저장장치(100)의 구도는 도 1과 같이 하고 있으며, 부양 유닛, 즉 본 실시예의 부양시스템을 도 1이 상부 영구자석(110)과 하부 영구자석(120)으로 구성한 것에 비하여 상부영구자석(310)은 회전체에 부착되어 회전을 하고 하부는 하부 고정판(520)에 고정되어 있는 초전도체(300)로 구성되어 있는 초전도 베어링을 이용한 플라이휠 에너지 저장장치(100)의 구조이다.

도 3 은 플라이휠 에너지 저장장치(100)를 부양시켜 마찰 손실을 없도록 하기 위하여 도 1에서 상부영구자석(110)과 하부영구자석(120)으로 구성되어 있는 영구자석 베어링을 시스템의 상부에 설치하는 것이다. 상부 영구자석(210)은 중앙 고정판(500)에 고정되어 있고 하부영구자석(220)은 회전체에 부착되어 회전하도록 구성되어 있으며, 이 때 영구자석은 서로 반대극으로 설치되어 영구자석 간의 인력이 작용하는 영구자석 베어링을 이용한 플라이휠 에너지 저장장치(100)의 구조이다.

도 4 은 플라이휠 에너지 저장장치(100)를 부양시켜 마찰 손실을 없도록 하기 위하여 도 2에서 상부영구자석(310)과 하부 초전도체(300)로 구성되어 있는 초전도 베어링을 시스템의 상부에 설치하는 것이다. 상부 초전도체(400)는 중앙 고정판(500)에 고정되어 있고 하부영구자석(410)은 회전체에 부착되어 회전하도록 구성되어 있는 초전도 베어링을 이용한 플라이휠 에너지 저장장치(100)의 구조이다.

도 5 는 플라이휠 에너지 저장장치(100)를 부양시켜 마찰 손실을 없도록 하기 위하여 도 1에서 상부영구자석(110)과 하부영구자석(120)으로 구성되어 있는 영구자석 베어링과 도 3에서 도 1의 영구자석 베어링을 시스템의 상부에 설치하는 영구자석 베어링 두 개를 사용하여 구성한 플라이휠 에너지 저장장치(100)이다. 하부에 설치된 상부 영구자석(110)은 회전체(105)에 부착되어 있고 하부영구자석(120)은 하부 고정판(520)에 고정되어 있으며, 상부에 설치된 상부 영구자석(210)은 중앙 고정판(500)에 고정되어 있고 상부에 설치된 하부 영구자석(220)은 회전체에 부착되어 회전하도록 구성되어 있고, 이 때 영구자석은 상부의 영구자석 베어링의 경우는 서로 반대극으로 설치되어 있으며, 하부에 설치된 영구자석 베어링은 같은 극으로 설치되어 있는 플라이휠 에너지 저장장치(100)의 구조이다.

도 6 은 플라이휠 에너지 저장장치(100)를 부양시켜 마찰 손실을 없도록 하기 위하여 도 2에서 회전체에 부착되어 있는 상부영구자석(310)과 하부 고정판(520)에 고정되어 있는 초전도체(300)로 구성되어 있는 초전도 베어링과 도 4에서 도 2의 초전도 베어링을 시스템의 상부에 설치하는 초전도 베어링 두 개를 사용하여 구성한 플라이휠 에너지 저장장치(100)이다. 하부에 설치된 상부 영구자석(310)은 회전체(105)에 부착되어 있고 하부 초전도체(300)는 하부 고정판(520)에 고정되어 있으며, 상부에 설치된 상부 초전도체(400)는 중앙 고정판(500)에 고정되어 있고 상부에 설치된 하부 영구자석(410)은 회전체에 부착되어 회전하도록 구성되어 있는 플라이휠 에너지 저장장치(100)의 구조이다.

한편, 본 실시예의 플라이휠 에너지 저장장치(100)는 두 개의 영구자석 베어링을 사용한 경우와 두 개의 초전도 베어링을 사용한 경우와 마찬가지로 상부를 영구자석 베어링을 사용하고 하부를 초전도 베어링을 사용할 수도 있으며, 반대로 상부를 초전도베어링을 사용하고 하부를 영구자석 베어링의 복합 구조로도 구성할 수 있다.

도 7 은 회전체의 하부에 계단식 베어링을 설치할 수 있다. 이 베어링은 볼 베어링의 기계식 베어링 이외에도 전자석 플라이휠 에너지 저장장치나 초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 베어링으로도 사용될 수 있다.

도 8 은 회전축에는 영구자석이 고정되어 있고 하부 고정판에 영구자석이 고정되어 있다.

도 9 는 회전축에는 영구자석이 고정되어 있고 하부 고정판에 초전도체가 고정되어 있다.

도 10 은 회전축에 영구자석이 고정되어 있고 하부 고정판에 중력의 수직한 방향으로 초전도체가 고정되어 있고 중력방향으로 영구자석이 고정되어 있다.

도 11 은 회전축에 영구자석이 고정되어 있고 하부 고정판에 중력의 수직한 방향으로 영구자석이 고정되어 있고 중력방향으로 초전도체가 고정되어 있다.

다만, 본 실시예에서는 영구자석 베어링과 초전도 베어링, 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 저장장치
101 : 볼(ball)
102 : 볼 케이스
103 : 전동/발전기 코일
104 : 전동/발전기 영구자석
105 : 회전체
106 : 회전축
110 : 하부에 설치된 상부영구자석
120 : 하부에 설치된 하부영구자석
210 : 상부에 설치된 상부영구자석
220 : 상부에 설치된 하부영구자석
300 : 하부에 설치된 초전도체
310 : 하부에 설치된 상부영구자석
400 : 상부에 설치된 초전도체
410 : 상부에 설치된 상부영구자석
500 : 중앙 고정판
510 : 상부 고정판
520 : 하부 고정판
530 : 정렬을 위한 지그
600 : 회전판에 고정된 영구자석
610 : 하부 고정판에 고정된 영구자석
700 ; 하부 고정판에 고정된 초전도체

Claims (1)

1. 전동기 또는 발전기에 의해 발생되는 전기에너지를 회전 운동에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동에너지를 상기 전동기 또는 발전기에 제공하는 회전체;
   상기 회전체의 적어도 일부분에 접촉 가능하도록 배치되며, 상기 회전체의 회전에 의한 마찰 손실을 감소시키는 베어링; 및
   상기 회전체를 부양시키는 부양 유닛;
   을 포함하는 하이브리드 플라이휠 에너지 저장장치.

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