KR20230094617A - 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 폐루프 구조로 설치된 카트의 중량에 비례하는 에너지를 저장하여 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템보다 많은 에너지를 저장 및 공급하는 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.

Description

거대 플라이휠 에너지 저장 시스템{Large-scale flywheel energy storage system}
본 발명은 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 폐루프 구조로 설치된 카트의 중량에 비례하는 에너지를 저장하여 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템보다 많은 에너지를 저장 및 공급하는 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(ESS : Energy Storage System)은 잉여의 에너지를 저장하였다가 에너지 소모가 클 때 이를 사용하는 것이다. 일반적으로 대용량 에너지 저장 시스템은 높은 기술 수준이 요구되지만, 평균적으로 낮은 효율(25 내지 85%)을 가진다. 대용량 에너지 저장 시스템으로 흔히 사용되는 양수발전(Pumped hydro) 시스템은 다른 에너지 저장 시스템에 비하여 70 내지 85%로 효율은 높으나, 높은 설치 비용과 보수 비용이 요구되어 왔다.
한편, 플라이휠 에너지 저장 시스템(FESS : Flywheel Energy Storage System)는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하였다가 필요시 회전 운동에너지를 전기 에너지로 변환하여 재사용 가능한 에너지 저장 시스템이다. 플라이휠 에너지 저장 시스템은 소형화, 모듈화가 가능하면서도 반영구적인 수명과 높은 단위질량당 에너지 저장 밀도, 빠른 응답, 환경친화성, 낮은 유지보수비용, 급속 충/방전 가능 그리고 에너지 저장 효율이 90% 이상인 고효율형 무공해 장치라 할 수 있다.
그러나, 기존의 플라이휠 에너지 저장 시스템은 입력되는 전기에너지를 플라이휠의 회전 운동에너지로 변환하여 저장하는데 있어, 수백 kwh 수준의 적은 에너지가 저장된다는 문제가 있다.
이에, 플라이휠 에너지 저장 시스템에서 저장되는 에너지 용량을 향상시키기 위한 기술이 필요한 실정이다.
종래기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1870339호 “플라이휠 에너지 시스템”이 기재되어 있다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 폐루프 구조로 설치된 카트의 중량에 비례하는 에너지를 저장하여 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템보다 많은 에너지를 저장 및 공급하는 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템은 회전시 공기저항을 줄임으로써 회전관성에너지의 공기저항 손실이 제거되도록 폐루프(Closed loop) 구조로 형성된 열차부; 상기 열차부와 연결되어, 상기 열차부로 전력을 공급하거나 상기 회전관성에너지를 전기에너지로 저장하는 에너지변환부 및 상기 에너지변환부가 설치되는 프레임을 포함할 수 있다.
또한, 상기 열차부는 무거운 재질로 형성되되, 하면에 길이방향을 따라 상기 에너지변환부와 연결되도록 레일이 형성된 다수개의 카트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 에너지변환부는 상기 프레임을 따라 형성되되, 상호 연결된 복수의 플라이휠 유닛으로 구성되고, 상기 플라이휠 유닛은 회전축; 상기 회전축의 중단부에 형성되되, 상기 열차부에 전력을 공급하는 모터 및 상기 열차부의 상기 회전관성에너지를 전기에너지로 변환하여 저장하는 발전기가 일체형으로 형성된 모터발전기; 상기 회전축의 양측 끝단에 형성되고, 상기 모터에 의해 회전하면서 상기 열차부를 작동시키거나 상기 열차부의 상기 회전관성에너지에 의해 회전하는 바퀴 및 상기 회전축에 형성되되, 상기 모터발전기로부터 상기 바퀴 측으로 일정간격 이격되도록 형성되어 상기 프레임에 고정되는 한 쌍의 축고정부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열차부는 상기 회전관성에너지에 의한 상기 카트 사이간의 충돌을 방지하기 위해 상기 프레임의 길이보다 짧게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기에너지는 상기 연결된 카트의 총 무게 및 상기 카트의 속도 변수를 이용하여 산출하는 것으로 아래 계산식에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
(여기서, E는 전기에너지, m은 총 카트 대수의 무게, v는 카트의 속도)
본 발명의 실시 예에 따른 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템은 폐루프 구조로 설치된 카트의 중량에 비례하는 에너지를 저장하여 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템보다 많은 에너지를 저장 및 공급할 수 있다.
또한, 친환경, 고효율, 반영구적 운영이 가능하여 환경보호 및 에너지 생산에 기여할 수 있다.
또한, 터널형태로 지하에 매립이 가능하여 공간 확보가 유리하다는 장점이 있다.
또한, 위에서 언급된 본 발명의 실시 예에 따른 효과는 기재된 내용에만 한정되지 않고, 명세서 및 도면으로부터 예측 가능한 모든 효과를 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템의 모습을 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 분리사시도.
도 3은 도 1의 열차부의 모습을 확대한 확대도.
도 4는 도 3의 저면확대도.
도 5는 도 2에서 하면프레임 및 에너지변환부를 확대한 모습을 도시한 확대도.
도 6은 도 2에서 하면판 유닛 및 플라이휠 유닛의 모습을 도시한 사시도.
도 7은 도 2에서 상부프레임을 확대한 모습을 도시한 확대도.
도 8은 도 2에서 열차부, 에너지변환부 및 프레임이 연결된 모습을 나타낸 단면도.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도 1 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템에 관한 것으로, 폐루프 구조로 설치된 카트의 중량에 비례하는 에너지를 저장하여 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템보다 많은 에너지를 저장 및 공급하는 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템을 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템의 모습을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 분리사시도이고, 도 3은 도 1의 열차부의 모습을 확대한 확대도이고, 도 4는 도 3의 저면확대도이고, 도 5는 도 2에서 하면프레임 및 에너지변환부를 확대한 모습을 도시한 확대도이고, 도 6은 도 2에서 하면판 유닛 및 플라이휠 유닛의 모습을 도시한 사시도이고, 도 7은 도 2에서 상부프레임을 확대한 모습을 도시한 확대도이고, 도 8은 도 2에서 열차부, 에너지변환부 및 프레임이 연결된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템(1)은 열차부(10), 에너지변환부(20) 및 프레임(30)을 포함할 수 있다.
먼저, 열차부(10)는 회전 시 공기저항을 줄임으로써 회전관성에너지의 공기저항 손실이 제거되도록 폐루프(Closed loop) 구조로 형성될 수 있다. 열차부(10)는 프레임(30)의 둘레 방향을 따라 형성되어 폐루프를 형성할 수 있다.
또한, 폐루프 구조는 실제 사용 환경을 고려하여 다양하게 설계될 수 있으며, 바람직하게는 원형상일 수 있다. 폐루프 구조는 토러스(Torus) 구조라 불릴 수 있다. 토러스는 원을 삼차원 공간 상에서 원을 포함하는 평면 위의 직선을 축으로 회전하여 만든 회전면으로, 원환면이라고도 한다.
이와 같이, 본 발명의 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템(1)의 열차부(10)는 폐루프 구조로 형성되어 중심부를 축으로 하여 계속 회전할 수 있다.
도 2를 참조하면, 열차부(10)는 하면에 길이방향을 따라 에너지변환부(20)와 연결되도록 레일(12)이 형성된 다수개의 카트(11)를 포함할 수 있다. 카트(11)는 콘크리트, 철, 광석재료 등의 무거운 재질로 형성되어 카트(11)가 가속되면서 회전관성에너지가 증가하도록 할 수 있다. 그러나, 이에 한정하지 않고 진흙, 바위, 물, 목재 등 중량이 큰 재료로 재조될 수 있다.
일반적으로, 플라이휠 에너지 저장 시스템에서 회전관성에너지를 증가시키기 위해 플라이휠 소재를 변경하거나 플라이휠의 반경을 증가시키는 방법이 사용되어 왔으나, 플라이휠 소재의 인장강도의 한계가 있어 회전관성에너지를 증가시키는데 어려움이 있었다. 본 발명의 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템(1)은 카트(11)의 중량을 높여 관성효과와 원심력이 증가하도록 하여 플라이휠에 관성이 잘 전달되고 이로 인해 운동에너지가 발전기에 전달되어 발전이 원활하게 이루어지도록 하는 것이다.
여기서, 레일(12)은 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 카트(11)의 하면에 길이방향을 따라 형성되되, 에너지변환부(20)의 바퀴(212)가 삽입되도록 홈의 형태로 형성될 수 있다. 레일(12)은 바퀴(212)와 대응되는 위치에 형성되어 바퀴(212)가 레일(12)에서 회전될 수 있다. 이에 열차부(10)는 바퀴(212)가 레일(12)에 삽입된 상태로 프레임(30) 위에 안착될 수 있다.
또한, 레일(12)은 바퀴(212)의 형태에 따라 다양하게 형성될 수 있다. 구체적으로, 바퀴(212)가 릴 형태로 형성될 경우, 레일(12)은 도 4에 도시한 바와 같이, 바퀴(212)의 형태를 따라 동일하게 형성될 수 있다. 이에, 레일(12)은 바퀴(212)와 정방향으로 연결되어 효율적으로 에너지를 바퀴(212)에 전달하고 바퀴(212)로부터 전달받을 수 있다.
열차부(10)는 하나의 카트(11)가 인접한 카트(11)와 연결되도록 연결수단(13)를 포함할 수 있다. 연결수단(13)은 카트(11) 사이에 형성되되, 카트(11)의 가속이 전진하는 방향의 카트(11)에 잘 전달되도록 일체형으로 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다. 연결수단(13)과 카트(11)의 연결방식은 본 발명의 기술분야에서 통상적으로 사용되는 다양한 방식이 혼용되어 사용될 수 있다.
또한, 열차부(10)는 회전관성에너지에 의한 카트(11) 사이간의 충돌을 방지하기 위해 프레임(30)의 길이보다 짧게 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다.
에너지변환부(20)는 열차부(10)와 연결되어, 열차부(10)로 전력을 공급하거나 회전관성에너지를 전기에너지로 저장할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 5를 참조하면, 에너지변환부(20)는 프레임(30)을 따라 형성되되, 상호 연결된 복수의 플라이휠 유닛(21)으로 구성될 수 있다. 또한, 에너지변환부(20)는 하면프레임(32)의 외면에 형성되되, 상부프레임(31)의 내부에 수용되도록 형성될 수 있다.
여기서 플라이휠은 회전에너지를 저장하는데 사용되는 회전 기계 장치이다. 플라이휠은 에너지를 축적할 수 있고 축적된 에너지의 양은 플라이휠의 회전 속도의 제곱에 비례한다. 이러한 플라이휠을 이용한 에너지 저장 시스템은 화학반응을 이용하는 배터리에 비해 저장효율이 높고 저온에서 성능저하가 없으며 수명이 길다는 이점이 있다.
도 6을 참조하면, 플라이휠 유닛(21)은 회전축(210), 모터발전기(211), 바퀴(212) 및 축고정부재(213)를 포함할 수 있다.
먼저 회전축(210)은 에너지변환부(20)의 다른 구성들(211, 212, 213)이 연결되도록 하는 구성으로, 원형 기둥 형태로 형성되어 모터의 구동에 의해 회전할 수 있다. 또한, 회전축(210)은 바퀴(212)의 회전에 의해 회전력을 발전기에 전달 할 수 있다.
모터발전기(211)는 회전축(210)의 중단부에 형성되되, 모터 및 발전기가 일체형으로 형성되어, 동작 상황에 따라 모터 또는 발전기를 선택적으로 동작하도록 할 수 있다.
모터는 바퀴(212)에 전력을 공급하여 열차부(10)을 작동하도록 할 수 있다. 발전기는 열차부(10)의 회전관성에너지를 전기에너지로 변환하여 저장할 수 있다.
여기서, 전기에너지는 연결된 카트의 총 무게 및 상기 카트의 속도 변수를 이용하여 산출하는 것으로 다음과 같은 계산식에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00002
이 계산식에서 E는 전기에너지, m은 총 카트 대수의 무게, v는 카트의 속도를 나타낸다.
예를 들어, 본 발명의 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템(1)에서 열차부(10)의 예상 최대 속력이 100m/s이고, 카트(11) 한 량의 무게가 245,938kg이며, 총 카트(11)의 대수가 616량일 경우, 예상 에너지 저장량은 약 757.49GJ로 계산될 수 있다. 이때, 카트(11) 한 량이 저장할 수 있는 에너지 용량은 1.23GJ라 할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템(1)은 외부 전력이 공급되면 모터를 통해 바퀴(212)가 움직이면서 열차부(10)를 작동하게 하고, 열차부(10)가 움직이면서 회전관성에너지가 발생하면, 이를 다시 바퀴(212), 회전축(210) 및 발전기에 전달하여 전기에너지로 저장되도록 할 수 있다.
바퀴(212)는 회전축(210)의 양측 끝단에 형성되고, 모터에 의해 회전하면서 열차부(10)를 작동시키거나 열차부(10)의 회전관성에너지에 의해 회전할 수 있다. 바퀴(212)는 본 발명의 기술분야에서 사용되는 통상적인 회전체는 모두 사용 가능하다.
축고정부재(213)는 회전축(210)에 한 쌍으로 형성되되, 모터발전기(211)로부터 바퀴(212) 측으로 일정간격 이격되도록 형성되어 하면프레임(32)에 고정될 수 있다.
프레임(30)은 에너지변환부(20)가 설치될 수 있다. 프레임(30)은 열차부(10)와 마찬가지로 폐루프 구조로 형성되어, 프레임(30)에 설치된 에너지변환부(20)에 의해 열차부(10)의 회전관성에너지가 증가되도록 할 수 있다. 프레임(30)은 터널형태로 지하에 매립이 가능하여 설치 시 공간 확보가 용이할 수 있다.
프레임(30)은 단일프레임으로 형성되거나 복수의 프레임이 조합을 이루도록 형성될 수 있다. 바람직하게는 에너지변환부(20)의 장착 및 분리가 용이하도록 복수의 프레임이 조합될 수 있다. 프레임(30)은 상부프레임(31) 및 하면프레임(32)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 7 내지 도 8을 참조하면, 상부프레임(31)은 하측이 개방된 'ㄷ'자 형상으로 형성되어, 프레임(30)의 상면과 양측면을 구성할 수 있으며, 내부에 에너지변환부(20)가 수용될 수 있다. 상부프레임(31)은 전체 형상이 폐루프 구조로 형성될 수 있다.
상부프레임(31)은 바퀴홀(310) 및 가이드프레임(311)을 포함할 수 있다.
도 8를 참조하면, 바퀴홀(310)은 상부프레임(31)의 상면에 형성되되, 상부프레임(31)의 내부에 수용된 에너지변환부(20)의 바퀴(212)가 삽입되어 바퀴(212)의 일부가 상측으로 돌출되도록 할 수 있다. 바퀴홀(310)은 바퀴(212)가 배열된 위치와 대응되는 위치에 형성되되, 바퀴(212)의 너비보다 크게 형성되어 바퀴(212)가 회전시 방해가 되지 않는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다.
가이드프레임(311)은 상부프레임(31)의 상면에 수직방향으로 일정길이를 가지도록 형성되되, 바퀴홀(310)을 사이에 두고 한 쌍으로 형성될 수 있다. 가이드프레임(311)은 바퀴홀(310)을 기준으로 외측으로 일정간격 이격되도록 형성될 수 있다. 이때, 가이드프레임(311)은 열차부(10)의 너비보다 넓게 형성되어 열차부(10)가 작동하는데 용이하도록 할 수 있다.
가이드프레임(311)은 상기와 같이 구성되어, 열차부(10)가 바퀴(212)와 연결되어 프레임(30)에서 이탈하지 않고 작동하도록 할 수 있다.
하면프레임(32)은 판형태로 형성되되, 상부프레임(31)의 상면형태와 동일하게 형성되어 조립되는 형태로 형성될 수 있다. 하면프레임(32)은 도 5에 도시한 바와 같이, 복수의 하면판 유닛(320)으로 구성되어 플라이휠 유닛(21)과 각각 결합될 수 있다.
이에, 본 발명의 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템(1)의 하면프레임(32)은 에너지변환부(20)가 유지 및 보수가 필요할 때 해당 플라이휠 유닛(21)이 위치한 하면판 유닛(320)만 분리가 가능하여 에너지변환부(20)의 유지 및 보수가 용이하도록 하는 이점이 있다.
그러나, 상술한 복수의 프레임(31, 32)의 형태는 일례에 불과한 것으로, 상기에 한정되지는 않으며, 프레임(30)의 구성은 다양하게 조성될 수 있다. 예를 들어, 상면프레임, 측면프레임, 하면프레임(32)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같은 구성을 통해 본 발명의 실시예에 따른 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템(1)은 열차부(11), 에너지변환부(20) 및 프레임(30)이 연결되어 있어, 외부에서 전력을 공급받아 모터가 카트(11)를 가속시키며, 외부에서 전력이 필요할 경우 저장된 관성회전에너지가 발전기를 통해 전기에너지로 변환되어 외부로 에너지를 공급할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템(1)은 폐루프 구조로 설치된 카트의 중량에 비례하는 에너지를 저장하여 종래의 플라이휠 에너지 저장 시스템보다 많은 에너지를 저장 및 공급할 수 있다.
또한, 친환경, 고효율, 반영구적 운영이 가능하여 환경보호 및 에너지 생산에 기여할 수 있다.
또한, 터널형태로 지하에 매립이 가능하여 공간 확보가 유리하다는 장점이 있다.
이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
1 : 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템
10 : 열차부
11 : 카트
12 : 레일
13 : 연결수단
20 : 에너지변환부
21 : 플라이휠 유닛
210 : 회전축
211 : 모터발전기
212 : 바퀴
213 : 축고정부재
30 : 프레임
31 : 상부프레임
310 : 바퀴홀
311 : 가이드프레임
32 : 하면프레임
320 : 하면판 유닛

Claims (5)

  1. 회전시 공기저항을 줄임으로써 회전관성에너지의 공기저항 손실이 제거되도록 폐루프(Closed loop) 구조로 형성된 열차부;
    상기 열차부와 연결되어, 상기 열차부로 전력을 공급하거나 상기 회전관성에너지를 전기에너지로 저장하는 에너지변환부 및
    상기 에너지변환부가 설치되는 프레임을 포함하는 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열차부는,
    무거운 재질로 형성되되, 하면에 길이방향을 따라 상기 에너지변환부와 연결되도록 레일이 형성된 다수개의 카트를 포함하는 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지변환부는,
    상기 프레임을 따라 형성되되, 상호 연결된 복수의 플라이휠 유닛으로 구성되고,
    상기 플라이휠 유닛은,
    회전축;
    상기 회전축의 중단부에 형성되되, 상기 열차부에 전력을 공급하는 모터 및 상기 열차부의 상기 회전관성에너지를 전기에너지로 변환하여 저장하는 발전기가 일체형으로 형성된 모터발전기;
    상기 회전축의 양측 끝단에 형성되고, 상기 모터에 의해 회전하면서 상기 열차부를 작동시키거나 상기 열차부의 상기 회전관성에너지에 의해 회전하는 바퀴 및
    상기 회전축에 형성되되, 상기 모터발전기로부터 상기 바퀴 측으로 일정간격 이격되도록 형성되어 상기 프레임에 고정되는 한 쌍의 축고정부재를 포함하는 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 열차부는,
    상기 회전관성에너지에 의한 상기 카트 사이간의 충돌을 방지하기 위해 상기 프레임의 길이보다 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 전기에너지는,
    상기 연결된 카트의 총 무게 및 상기 카트의 속도 변수를 이용하여 산출하는 것으로 아래 계산식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 거대 플라이휠 에너지 저장 시스템.
    Figure pat00003
    (여기서, E는 전기에너지, m은 총 카트 대수의 무게, v는 카트의 속도)
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