KR20240076513A - 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력공급시스템 - Google Patents

슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력공급시스템 Download PDF

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김도형
문진영
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Abstract

본 발명은 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하이퍼튜브(60)의 추진력을 얻기 위해 선형동기전동기에 필요한 전력을 공급하기 위한 하이퍼튜브용 전력공급시스템에 있어서, 상용전력을 공급하는 변전소(10)와; 상기 하이퍼튜브(60)의 지상 이동라인을 따라 일정 간격으로 설치되면서 충전전력을 상기 하이퍼튜브(60)의 선형동기전동기로 고출력 방전하는 슈퍼커패시터(100)로 이루어지는 복수개의 급전스테이션(30)과; 상기 복수개의 급전스테이션(30)의 전력충방전을 제어하되, 상기 변전소(10)로 공급받은 전력을 상기 복수개의 급전스테이션(30)을 충전시키는 추진전력변전설비(40);로 구성된다.

Description

슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력공급시스템{POWER SUPPLY SYSTEM FOR HYPERTUBE USING SUPERCAPACITOR}
본 발명은 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력공급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고출력이면서 급속 충방전이 가능한 슈퍼커패시터를 구비하는 복수개의 급전스테이션과 에너지저장시스템(ESS)을 결합함으로써 추진전력변전설비(PCS)의 저전력공급으로도 선형동기전동기(LSM)에 필요한 전력을 간접 공급할 수 있도록 구성되는 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력공급시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 하이퍼 튜브는 경로를 진공관으로 연결하고 차량을 고속(최대1,200km/h)으로 운행하는 미래형 교통수단으로서, 그 전력공급방식으로는 외부로부터의 전력선을 이용한 직접 전력공급방식이지만, 이러한 종래 직접 전력공급방식은 고압송전선로와 고압의 변전설비 등의 전력공급망 구축이 매우 복잡하면서 과도한 인프라구축비용이 소요되는 등의 현실적 문제가 있다.
한편, 하기의 특허문헌 1에는 도1에 도시된 바와 같이 철도차량의 진행방향을 기준으로 선두 차량의 하부에 위치하여 무선 급전을 수행하는 무선 급전부(150); 철도차량의 진행방향을 기준으로 후미 차량의 하부에 위치하여 선형추진을 수행하는 선형 추진부(200); 무선 급전을 위한 고주파 인버터(310)와, 선형 추진을 위한 저주파 인버터(320)로 구성되어 있는 인버터부(300); 공심형 3상 지상 코일로서, 철도차량 길이의 1/2 길이 단위의 섹션으로 나누어져 연속적으로 설치되어 있는 코일부(400); 및 상기 코일부(400)와 대응되는 개수로 연속적으로 설치되어 있으며, 철도 차량 진행시 상기 인버터부(300)의 고주파 인버터(310)로부터 공급되는 고주파 3상 전원을 항상 선두 차량에, 저주파 인버터(310)로부터 공급 되는 저주파 3상 전원을 후미 차량에 공급되도록 스위칭하는 섹션 전환 스위치부(500);를 포함하는 공심형 3상 지상코일을 이용한 선형 추진 및 무선 급전 시스템이 개시되어 있다.
그리고, 하기의 특허문헌 2에는 도2에 도시된 바와 같이 고속철도 변전소(2)로부터 전력을 공급받아 배터리(3-2)를 충전하고, 상기 배터리(3-2)에 충전된 전력을 고속철도전동차(2)로 제공하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치(3)에 있어서, 상기 배터리(3-2) 및, 변압기(3-4)를 매개한 고압의 교류전압과 연계되어 온/오프 스위칭 동작을 통해 교류전압을 생성하는 전력 변환장치(3-6)와; 수요예측 및, 에너지 저장장치에 대한 운전전략 설정값 설정과, 충방전 결정에 대한 기준전력값을 관리하고, 이를 통해 전력수요를 연산하여 예측하는 수요전력 연산부(4)와; 상기 배터리(3-2)의 출력과 상기 수요전력 연산부(4)의 출력을 비교하여 상기 전력변환장치(3-6)를 제어하여 전력 충방전을 수행하는 제어부(4-2)를 포함하는 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치가 개시되어 있다.
또한, 하기의 특허문헌 3에는 전기철도 차량(70)에 필요한 전원을 공급하는 판토그라프(Pantograph)(73); 상기 전기철도 차량에 동력을 공급하는 전동기(74); 상기 판토그라프를 통해 전원이 공급되고, 상기 전동기에 공급되는 전압과 주파수를 제어하여 열차의 속도를 제어하도록 하는 전력변환장치(75); 상기 전기철도 차량에 탑재되어 회생 제동에 의해 발생한 회생 전기에너지를 충전 또는 방전하는 에너지 저장장치(76); 및 상기 에너지 저장장치의 작동을 제어하여 전기에너지와 운동에너지간의 변환 및 상기 회생 전기에너지의 충방전을 제어하는 제어장치;를 포함하는 전기철도 차량의 회생 에너지 저장 시스템이 개시되어 있다.
살펴보면, 특허문헌 1 내지 3에는 전기철도차량에 필요한 고압의 전력을 직접 공급하는 직접 급전방식이 개시되어 있는 바, 결국 이러한 직접 급전시설은 하이퍼튜브의 급전설비에 적용할 경우 고압송전선로와 고압의 변전설비 등의 전력공급망 구축이 매우 복잡하면서 과도한 인프라구축비용이 소요되는 등 실용성이 현저히 떨어지는 치명적인 문제가 있다.
등록특허공보 제10-1525559호(공심형 3상 지상코일을 이용한 선형 추진 및 무선 급전 시스템) 공개특허공보 제10-2018-0127106호(교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치) 공개특허공보 제10-2009-0131917호(전기철도 차량의 회생 에너지 저장 시스템)
상기한 종래기술의 문제를 개선하기 위하여 본 발명은 변전소의 전력과 에너지충전시스템의 저장전력 그리고 하이퍼튜브의 감속시 발생되는 회생전력이 공급되는 추진전력변전설비의 저전력이 복수개의 급전스테이션에 공급되면 급전스테이션의 슈퍼커패시터(S-CAP)를 통해 하이퍼튜브의 선형동기전동기(LSM)에 필요한 전력을 간접 공급하도록 구성하되, 급전스테이션의 슈퍼커패시터(S-CAP)는 가속시 고출력 방전 및 감속시 회생전력에 의한 고출력 충전이 가능하도록 구성되는 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하이퍼튜브의 추진력을 얻기 위해 선형동기전동기에 필요한 전력을 공급하기 위한 하이퍼튜브용 전력공급시스템에 있어서, 상용전력을 공급하는 변전소와; 상기 하이퍼튜브의 지상 이동라인을 따라 일정 간격으로 설치되면서 충전전력을 상기 하이퍼튜브의 선형동기전동기로 고출력 방전하는 슈퍼커패시터로 이루어지는 복수개의 급전스테이션과; 상기 복수개의 급전스테이션의 전력충방전을 제어하되, 상기 변전소로 공급받은 전력을 상기 복수개의 급전스테이션을 충전시키는 추진전력변전설비;가 포함되는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템을 제공하게 된다.
이상과 같이 구성되는 본 발명은 추진전력변전설비 및 송전선로 등을 저전력공급망으로 구축할 수 있어 설비가 단순해지면서 저비용시공이 가능하고, 복수의 급전스테이션의 슈퍼커패시터(S-CAP)에 의해 하이퍼튜브의 가속시 고출력 방전 및 감속시 회생전력에 의한 고출력 충전이 가능하여 추진전력변전설비의 저전력을 하이퍼튜브의 선형동기전동기(LSM)에 필요한 전력으로 간접 공급할 수 있으며, 에너지저장시스템에서 태양광발전의 전기를 충전하였다가 외부전력차단시 추진전력변전설비에 일시적으로 저전력을 비상 공급할 수 있는 등의 효과를 제공하게 된다.
도1 내지 도3은 종래기술의 각 구성을 예시하는 구성도,
도4는 본 발명에 따른 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템의 일 실시예를 예시하는 구성도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 그 일 실시예에 따르면, 도4에 도시된 바와 같이 하이퍼튜브(60)의 추진력을 얻기 위해 선형동기전동기(Linear Synchronous Motor)에 필요한 전력을 공급하기 위한 하이퍼튜브용 전력공급시스템에 있어서, 상용전력을 공급하는 변전소(10)와; 비상전력을 공급할 수 있는 에너지충전시스템(20)과; 하이퍼튜브(60)의 지상 이동라인을 따라 일정 간격으로 설치되면서 충전된 전력을 상기 선형동기전동기(LSM)로 고출력 방전할 수 있는 슈퍼커패시터(S-CAP)(100)가 구비된 복수개의 급전스테이션(30)과; 상기 복수개의 급전스테이션(30)의 충방전을 제어하되, 상기 변전소(10)와 에너지충전시스템(20)으로부터 공급받은 전력 및 하이퍼튜브(60)의 감속시 발생되는 회생전력을 이용하여 상기 복수개의 급전스테이션(30)을 충전시키는 추진전력변전설비(40);로 구성되어 있다.
이때, 본 발명에 따른 변전소(10)는 시스템 전체의 상용전력을 공급하도록 구성되어 있고, 에너지충전시스템(20)(Energy Storage System)은 평상시 태양광발전에 의한 전기 또는 추진전력변전설비(40)의 잉여전력을 저장하였다가 변전소(10)의 전력공급차단시 전력으로 변환하여 추진전력변전설비(40)에 비상 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
여기서, 추진전력변전설비(40)는 복수개의 급전스테이션(30)에 공급 및 충방전되는 전력을 제어하도록 구비되는데, 변전소(10)로부터 시스템 전체의 상용전력을 공급받고, 변전소(10)로부터의 전력공급이 차단되면 에너지충전시스템(20)으로부터 비상전력을 공급받도록 구성되어 있다.
특히, 본 발명에 따른 추진전력변전설비(40)는 하이퍼튜브(60)의 감속시 발생되는 회생전력을 공급받도록 구성하게 되고, 다시 공급받은 회생전력을 저전력으로 각 복수개의 급전스테이션(30)에 공급하여 슈퍼커패시터(S-CAP)(100)의 고출력 충전이 가능하도록 구성되어 있다.
그리고, 본 발명에 따른 복수개의 급전스테이션(30)은 추진전력변전설비(40)로부터 저전력을 충전받아 하이퍼튜브(60)의 선형동기전동기(Linear Synchronous Motor)에 공급하도록 구성되어 있다.
이때, 본 발명에 따른 각 급전스테이션(30)은 다수의 슈퍼커패시터(100)로 구성되어 있고, 슈퍼커패시터(100)는 추진전력변전설비(40)로부터 저전력을 충전받아 하이퍼튜브(60)의 가속시 고출력 방전이 가능할 뿐만 아니라 하이퍼튜브(60)의 감속시 발생되는 회생전력을 추진전력변전설비(40)를 통해 공급받아 고출력 충전이 가능하여 그 에너지효율을 현저히 향상시킬 수 있도록 구성되어 있다.
일반적으로, 슈퍼커패시터(Super Capacitor)는 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC) 또는 울트라 커패시터(Ultra Capacitor)라고도 일컬어지며, 화학 반응을 이용하는 배터리와 달리, 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용하는 에너지 저장장치이다.
특히, 슈퍼커패시터는 도전체에 부착된 전극과 그에 함침된 전해질 용액으로 구성되며, 전극의 계면에 각각 부호가 다른 한 쌍의 전하층(전기이중층)이 생성된 것을 이용한다.
슈퍼 커패시터는 일반 커패시터 대비 단위면적당 수십 배 더 많은 에너지를 저장할 수 있고, 리튬이온전지와 비교하면 고속 충 방전, 반영구적 수명 등의 우수한 특성뿐만 아니라 영하 40도에서 영상 65도까지 사용가능하며, 유지 및 보수비용이 대단히 경제적이다.
이러한 슈퍼커패시터는 급속 충방전이 가능하고 높은 충방전 효율을 나타내며, 충전/방전 동작의 반복으로 인한 열화가 매우 작아서 보수가 필요 없이 반영구적인 사이클 수명 특성을 나타내기 때문에, 보조배터리나 배터리대체용으로 사용될 수 있는 에너지저장장치이다.
여기서, 본 발명의 각 급전스테이션(30)을 구성하는 슈퍼커패시터(Super Capacitor)(100)는 다수의 셀을 포함하는 모듈로 이루어지면서 고전류 밀도에서 고출력 충방전이 가능하도록 구성되어 있고, 이를 위해 자연방전률 및 등가직렬저항을 감소시켜 전력손실을 최소화하도록 설계된다.
특히, 본 발명의 각 급전스테이션(30)을 구성하는 슈퍼커패시터(Super Capacitor)(100)는 전기용량이 1,000~6,000F이고, 전압정격이 2.7V, 사이클이 400,000 이상, 출력밀도가 16~19kw/kg이 되도록 설계되어, 하이퍼튜브(60)의 선형동기전동기가 기동할 때 필요한 고전류를 초단위의 극히 짧은 시간에 고출력 방전이 가능하고, 동시에 추진전력변전설비(40)를 통해 충전되는 저전력으로부터 고출력 충전이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 슈퍼커패시터(100)는 친환경적이면서 사이클수명을 향상시킴으로써 그 교체주기를 보다 연장할 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명에서는 각 슈퍼커패시터(100)로부터 하이퍼튜브(60)의 선형동기전동기로 공급되는 전력을 스위칭하는 전력공급스위치(50)가 구비되는데, 전력공급스위치(50)는 각 슈퍼커패시터(100)와 대응되도록 설치되면서 각 슈퍼커패시터(100)로부터 출력되는 전력을 스위칭하도록 구성되어 있다.
요컨대, 본 발명에 따른 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템은 변전소(10)의 전력과 에너지충전시스템(20)의 저장전력 그리고 하이퍼튜브(60)의 감속시 발생되는 회생전력이 공급되는 추진전력변전설비(40)의 저전력이 복수개의 급전스테이션(30)에 공급되면 급전스테이션(30)의 슈퍼커패시터(100)를 통해 하이퍼튜브(60)의 선형동기전동기(LSM)에 필요한 전력을 간접 공급하도록 구성되되, 급전스테이션의 슈퍼커패시터(S-CAP)는 가속시 고출력 방전 및 감속시 회생전력에 의한 고출력 충전이 가능하도록 구성됨으로써 추진전력변전설비(40) 및 송전선로 등을 저전력공급망으로 구축할 수 있어 설비가 단순해지면서 저비용시공이 가능하고, 복수의 급전스테이션의 슈퍼커패시터(S-CAP)에 의해 하이퍼튜브의 가속시 고출력 방전 및 감속시 회생전력에 의한 고출력 충전이 가능하여 추진전력변전설비의 저전력을 하이퍼튜브(60)의 선형동기전동기(LSM)에 필요한 전력으로 간접 공급할 수 있으며, 에너지저장시스템에서 태양광발전의 전기를 충전하였다가 외부전력차단시 추진전력변전설비에 일시적으로 저전력을 비상 공급할 수 있는 등의 작용효과를 제공하는 데에 그 기술적 특징이 있다 할 것이다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 이는 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로, 본 발명의 실질적인 범위는 상술된 실시예에 의해 한정되어져서는 안되며, 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 청구범위와 균등한 구성에 의해 정해져야 함은 당연하다.
10: 변전소 20: 에너지충전시스템 30: 급전스테이션 40: 추진전력변전설비 50: 전력공급스위치 60: 하이퍼튜브 100: 슈퍼커패시터(100)

Claims (7)

  1. 하이퍼튜브(60)의 추진력을 얻기 위해 선형동기전동기에 필요한 전력을 공급하기 위한 하이퍼튜브용 전력공급시스템에 있어서,
    상용전력을 공급하는 변전소(10)와;
    상기 하이퍼튜브(60)의 지상 이동라인을 따라 일정 간격으로 설치되면서 충전전력을 상기 하이퍼튜브(60)의 선형동기전동기로 고출력 방전하는 슈퍼커패시터(100)로 이루어지는 복수개의 급전스테이션(30)과;
    상기 복수개의 급전스테이션(30)의 전력충방전을 제어하되, 상기 변전소(10)로 공급받은 전력을 상기 복수개의 급전스테이션(30)을 충전시키는 추진전력변전설비(40);
    가 포함되는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 슈퍼커패시터(100)는 상기 추진전력변전설비(40)로부터 저전력을 충전받아 상기 하이퍼튜브(60)의 가속시 고출력 방전 및 감속시 고출력 충전이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 슈퍼커패시터(100)는 전기용량이 1,000~6,000F이고, 전압정격이 2.7V, 사이클이 400,000 이상, 출력밀도가 16~19kw/kg이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 추진전력변전설비(40)는 상기 하이퍼튜브(60)의 감속시 발생되는 회생전력을 공급받아 상기 복수개의 급전스테이션(30)에 공급하여 상기 슈퍼커패시터(100)의 고출력 충전이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 변전소(10)의 전력차단시 상기 추진전력변전설비(40)에 비상전력을 공급할 수 있는 에너지충전시스템(20);이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 에너지충전시스템(20)은 평상시 태양광발전에 의한 전기 또는 상기 추진전력변전설비(40)의 잉여전력을 저장하였다가 상기 변전소(10)의 전력공급차단시 상기 추진전력변전설비(40)에 비상공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 슈퍼커패시터(100)와 각각 대응되도록 설치되면서 각 슈퍼커패시터(100)로부터 상기 하이퍼튜브(60)의 선형동기전동기로 출력되는 전력을 스위칭하는 전력공급스위치(50);가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 슈퍼커패시터를 이용한 하이퍼튜브용 전력 공급 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20090131917A (ko) 2008-06-19 2009-12-30 한국철도기술연구원 전기철도 차량의 회생 에너지 저장 시스템
KR101525559B1 (ko) 2013-11-14 2015-06-03 한국철도기술연구원 공심형 3상 지상코일을 이용한 선형 추진 및 무선 급전 시스템
KR20180127106A (ko) 2017-05-19 2018-11-28 주식회사 우진산전 교류기반 고속철도 변전소용 에너지 저장장치

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