KR100445224B1 - A Superconductor Flywheel Energy Storage System using a Hybrid Bearings - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보다 안정성을 갖고 회전손실을 극소화시킬 수 있도록 한 복합베어링을 사용한 초전도 플라이휠 에너지 저장장치에 관한 것이다.The present invention relates to a superconducting flywheel energy storage device using a composite bearing that is more stable and minimizes rotational loss.
종래의 초전도 베어링과 영구자석 베어링의 복합형을 채택한 기술은 초전도 베어링이 쓰러스트형으로 되어 있어 상하로의 안정적 부양은 이루었으나, 원심력 방향으로의 안정성은 부족하였다.The conventional superconducting bearing and the combination of the permanent magnet bearing technology adopts a superconducting bearing with a thrust type, which provides stable up and down, but lacks stability in the direction of centrifugal force.
본 발명은 외부 케이스(100)와 소정 질량의 플라이휠(200)및 상기 플라이휠(200)을 지지하는 초전도베어링(400)과 영구자석베어링(300)을 복합사용하는 플라이휠 에너지 저장장치로서, 상기 초전도베어링(400)은 수직 및 원심력 방향으로의 안정성을 확보할 수 있는 저어널형을 적용한 것으로 상기 플라이휠 에너지 저장장치는 중앙부의 스틸회전체(210)와 외부 복합체(220)로 구성된 플라이휠(200)과; 상기 플라이휠(200)을 지지하도록 상부에 상기 스틸회전체(210)의 상면에 고정된 도넛형 회전자석(320)과 케이스(100)에 고정된 도넛형 고정자석(310)으로 된 영구자석베어링(300)과; 상기 케이스(100)의 하부축(120)에 고정된 초전도체(420)와 상기 플라이휠(200)의 대응부에 고정된 저어널형 회전 영구자석(410)으로 된 초전도베어링(400)으로 구성됨을 특징으로 한다.The present invention is a flywheel energy storage device using the superconducting bearing 400 and the permanent magnet bearing 300 to support the outer case 100 and the flywheel 200 of the predetermined mass and the flywheel 200, the superconducting bearing 400 is applied to the journal type to ensure the stability in the vertical and centrifugal force direction, the flywheel energy storage device comprises a flywheel 200 consisting of a steel rotating body 210 and the outer composite 220 in the center; Permanent magnet bearing made of a donut-shaped rotating magnet 320 fixed to the upper surface of the steel rotating body 210 and the donut-shaped staging magnet 310 fixed to the case 100 to support the flywheel 200 ( 300); The superconductor bearing 400 is made of a superconductor 420 fixed to the lower shaft 120 of the case 100 and a journal-type rotating permanent magnet 410 fixed to a corresponding portion of the flywheel 200. do.
Description
본 발명은 에너지 저장 분야에 적용될 수 있는 초전도 플라이휠 에너지 저장장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 보다 안정성을 갖고 회전손실을 극소화시킬 수 있도록 한 복합베어링을 사용한 초전도 플라이휠 에너지 저장장치에 관한 것이다.The present invention relates to a superconducting flywheel energy storage device that can be applied to the field of energy storage, and more particularly, to a superconducting flywheel energy storage device using a composite bearing to be more stable and minimize rotational loss.
전력의 소모량은 주야간으로 크게 변동하여 새벽에는 사용량이 극히 적고, 낮 시간 이후로 급격히 증가하는 양상을 보이는데, 발전소는 최대 부하를 감당할 수 있도록 건설되어야 한다.The consumption of electricity fluctuates day and night, the consumption is very low at dawn and increases rapidly after daytime. The power plant should be constructed to handle the maximum load.
이는 경제적으로 매우 큰 손실이며 사용전력량을 평준화하기 위해 양수발전, 심야전력 이용기기 등을 사용하는데, 또 다른 대안으로 등장한 것이 플라이휠 에너지 저장장치이다.This is very economically costly and uses pumped power generation and midnight power equipment to level power usage. Another alternative is flywheel energy storage.
즉, 플라이휠 에너지 저장장치는 전력 평준화 등에 사용될 수 있는 기구이다.That is, the flywheel energy storage device is a mechanism that can be used for power leveling and the like.
플라이휠 에너지 저장장치란 모터/발전기, 휠, 베어링의 시스템으로 이루어진 것으로 전기에너지를 모터를 이용하여 휠의 회전속도를 올리는 방법으로 휠의 관성 에너지로 저장하였다가, 필요시에 휠에 연결된 발전기로 전기를 발전하여 다시 사용하는 장치이다.Flywheel energy storage system consists of a system of motors / generators, wheels, and bearings. Electric energy is stored as inertia energy of the wheels by increasing the rotational speed of the wheels by using a motor. It is a device to develop and use again.
산업상 이용은 전력평준화용 대형 저장장치 및 무정전 전원장치, 소형 에너지 저장장치 등으로 사용될 수 있다.Industrial applications can be used for large storage and uninterruptible power supplies, small energy storage devices and the like for power leveling.
이와 같은 플라이휠 에너지저장장치에 대한 종래의 기술은 기계식 베어링을 사용하거나, 초전도 베어링 혹은 전자석을 이용한 무접촉 베어링을 사용하는 방법이 있다.Conventional technology for such a flywheel energy storage device is a method using a mechanical bearing, or a contactless bearing using a superconducting bearing or an electromagnet.
기계식 베어링을 사용하는 경우는 고속에서의 운전이 어려워 저속으로 운전하기에 저용량이라는 단점이 있고, 회전상태에서 마찰에 의한 손실이 매우 크므로 거의 사용되지 않는다.In the case of using a mechanical bearing, it is difficult to operate at a high speed and has a disadvantage of low capacity to operate at a low speed, and is rarely used because the loss due to friction is very large in a rotating state.
전자석 베어링을 이용한 방법은 전자석과 영구자석의 반발을 이용하여 휠을 부양하고, 부양 상태를 유지하기 위해서 전자석을 세밀하게 조절해 주어야 하는 형태로서 플라이휠을 부양시키기 위해서 전자석에 사용되는 에너지가 비교적 커서 효율이 떨어진다는 단점이 있다.The method using the electromagnet bearing uses the repulsion of electromagnets and permanent magnets to support the wheels and finely adjust the electromagnets to maintain the levitation state. This has the disadvantage of falling.
초전도 베어링을 이용한 방법은 초전도체와 자석의 부양력과 고정력을 이용하여 휠을 부양시키고, 무접촉이라서 고속회전이 가능하기 때문에 작은 부피에 큰 에너지를 저장할 수 있으나, 휠을 부양하기 위해서는 고가의 초전도체가 다량으로 필요하고, 초전도체와 자석간의 면적에 비례하여 와류 손실이 커지기 때문에 대용량화하기가 용이하지 않다.In the method using superconducting bearings, the wheels are supported by the buoyancy and holding force of the superconductor and magnet, and because they can be rotated at high speed because they are contactless, they can store a large amount of energy in a small volume. Since it is necessary, and the eddy current loss increases in proportion to the area between the superconductor and the magnet, it is not easy to increase the capacity.
또한 초전도체를 냉각시키기 위한 부대장비도 커지게 되는 단점이 있다.In addition, there is a disadvantage that the auxiliary equipment for cooling the superconductor also becomes large.
초전도 베어링과 영구자석 베어링의 복합형을 채택한 기술로서 종래의 미국특허(미국 6,153,958)가 제안된 바 있다.A conventional US patent (US 6,153,958) has been proposed as a technique employing a hybrid of a superconducting bearing and a permanent magnet bearing.
상기 선행 기술에서는 95%이상의 휠 무게를 영구자석 베어링이 감당하고 초전도 베어링으로 안정된 부양을 이루는 방법을 사용하였는데, 여기에도 초전도 베어링이 쓰러스트형으로 되어 있어 상하로의 안정적 부양은 이루었으나, 원심력 방향으로의 안정성은 부족하였으며, 쓰러스트형 베어링의 특성상 회전 손실은 존재할 수밖에 없었다.In the above prior art, a method in which the permanent magnet bearing covers the wheel weight of 95% or more and forms a stable support with a superconducting bearing is used. Here, the superconducting bearing has a thrust type, so that the up and down stable support is achieved, but in the direction of centrifugal force. The stability of the bearing was insufficient, and due to the characteristics of the thrust bearing, rotation loss was inevitable.
이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 본 발명에서는 상부에 영구자석 베어링과 하부에 저어널형 초전도 베어링을 복합하여 사용하므로서 기존의 영구자석 베어링과 쓰러스트형 초전도 베어링을 사용한 복합형 초전도 플라이휠에 존재하던 원심력방향으로의 안정성 부족 및 회전손실을 개선하여, 안정적인 부양이 이루어지도록 한 복합 베어링을 사용한 초전도 플라이휠 에너지 저장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.In order to improve such a problem, in the present invention, the permanent magnet bearing in the upper part and the journal superconducting bearing in the lower part are used in combination, so that the conventional superconducting flywheel using the conventional permanent magnet bearing and the thrust type superconducting bearing is present in the centrifugal force direction. The purpose of the present invention is to provide a superconducting flywheel energy storage device using a composite bearing to improve the stability of the lack of stability and rotation loss, so that a stable flotation is achieved.
도 1은 초전도 베어링의 형태별 안정성 비교도면으로서,1 is a diagram comparing the stability of each type of superconducting bearing,
(a)는 쓰러스트형 베어링이고,(a) is a thrust bearing,
(b)는 저어널형 베어링의 힘의 관계도를 도시한 것이다.(b) shows the relationship between the forces of journal bearings.
도 2는 본 발명 복합 초전도 플라이휠 에너지저장장치의 구성을 보인 종단면구성도.Figure 2 is a longitudinal cross-sectional view showing the configuration of the present invention composite superconducting flywheel energy storage device.
도 3 은 영구자석 베어링의 특성곡선 그래프.3 is a characteristic curve graph of a permanent magnet bearing.
도 4 은 복합 베어링에서 휠에 미치는 힘 곡선 그래프.4 is a force curve graph on a wheel in a composite bearing;
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
100: 케이스 110: 상부축100: case 110: upper shaft
120: 하부축 130: 상부가이드베어링120: lower shaft 130: upper guide bearing
140: 하부가이드베어링 150: 모터/발전기용 고정코일140: lower guide bearing 150: fixed coil for the motor / generator
160: 모터/발전기용 할바크영구자석 200: 플라이휠160: Halbach permanent magnet for motor / generator 200: flywheel
210: 스틸회전체 211: 상부축돌기210: steel rotating body 211: upper shaft projection
212: 하부축돌기 220: 외부복합체212: lower axon 220: outer complex
300: 영구자석베어링 310: 도넛형 고정자석300: permanent magnet bearing 310: donut-type fixed magnet
320: 도넛형 회전자석 400: 초전도베어링320: donut-shaped rotating magnet 400: superconducting bearing
410: 저어널형 회전 영구자석 420: 초전도체410: Journal type rotating permanent magnet 420: Superconductor
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 플라이휠을 지지하는 초전도베어링과 영구자석베어링을 복합사용하는 플라이휠 에너지 저장장치에 있어서, 상기 초전도베어링은 수직 및 원심력 방향으로의 안정성을 확보할 수 있는 저어널형의 초전도베어링으로 구성함을 특징으로 한다.In the present invention in order to achieve the above object in the flywheel energy storage device using a superconducting bearing and a permanent magnet bearing supporting the flywheel, the superconducting bearing is a journal superconducting superconductor that can ensure stability in the vertical and centrifugal force direction It is characterized by consisting of a bearing.
즉, 본 발명에서는 고정력을 부여하는 초전도 베어링으로 기존의 쓰러스트가 아닌 저어널 형을 사용하는 것을 특징으로 한다.In other words, the present invention is characterized by using a journal type instead of a conventional thrust as a superconducting bearing to impart a fixed force.
일반적으로 사용되는 쓰러스트 타입의 초전도 베어링은 수직방향으로의 강성과 안정성은 좋으나, 원심력 방향인 수평방향으로의 강성이 낮아 안정성에 문제가 있고, 자속 접촉 면적이 크기 때문에 회전손실이 크다. 이에 반해 본 발명에서 사용한 저어널형 초전도 베어링은 원심력 방향으로 초전도체가 둘러싸고 있는 상태이기 때문에 안정성이 높다. 또한 회전자인 자석을 같은 극끼리 마주보도록 배치하여 극과 극 사이에서 강한 자장이 나오도록 되어 있어 아주 좁은 영역에서 자속이 초전도체와 접촉하기 때문에 회전손실도 상대적으로 매우 작다. 수직방향으로의 자속의 변화가 급격하게 일어나기 때문에 고정력도 충분하도록 함을 특징으로 한다.Generally used thrust type superconducting bearings have good rigidity and stability in the vertical direction, but have low stability in the horizontal direction, which is the centrifugal force. In contrast, the journal type superconducting bearing used in the present invention has high stability because the superconductor is surrounded in the centrifugal force direction. In addition, the magnets, which are the rotors, are arranged to face the same poles, so that a strong magnetic field is generated between the poles and the poles, so the magnetic flux contacts the superconductor in a very narrow area, so the rotation loss is relatively small. The change in the magnetic flux in the vertical direction occurs so rapidly that the holding force is sufficient.
이하 본 발명의 실시 예를 보다 구체적으로 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
도 1은 쓰러스트형 초전도 베어링과 저어널형 초전도 베어링을 표시한 것으로 (a)는 쓰러스트형 베어링의 역학관계를 도시한 것이고, (b)는 저어널형 베어링의 역학관계를 도시한 것이다.1 shows a thrust type superconducting bearing and a journal type superconducting bearing, (a) shows the dynamics of the thrust bearing, and (b) shows the dynamics of the journal bearing.
도시된 도면에 도시된 바와 같이 쓰러스트형 베어링에 비하여 저어널형 초전도 베어링이 원심력 방향으로도 안정성이 높은 것을 보여주고 있다.As shown in the figure, it is shown that the journal type superconducting bearing has higher stability in the centrifugal force direction than the thrust bearing.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서 복합 베어링을 사용한 초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 구성을 보인 종단면 구성도이다.Figure 2 is a longitudinal cross-sectional view showing the configuration of a superconducting flywheel energy storage device using a composite bearing as an embodiment of the present invention.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명 초전도 플라이휠 에너지 저장장치는 외부 케이스(100)와 소정 질량의 플라이휠(200) 및 상기 플라이휠(200)을 지지하는 초전도베어링(400)과 영구자석베어링(300)을 복합사용하는 플라이휠 에너지 저장장치로서, 상기 초전도베어링(400)은 수직 및 원심력 방향으로의 안정성을 확보할 수 있는 저어널형의 초전도베어링(400)으로 구성된 것이다.As shown in the drawing, the superconducting flywheel energy storage device of the present invention is a combination of an outer case 100, a flywheel 200 having a predetermined mass, and a superconducting bearing 400 and a permanent magnet bearing 300 supporting the flywheel 200. As a flywheel energy storage device to be used, the superconducting bearing 400 is composed of a journal type superconducting bearing 400 capable of securing stability in the vertical and centrifugal force directions.
상기 플라이휠 에너지 저장장치는 중앙부의 스틸회전체(210)와 외부 복합체(220)로 구성된 플라이휠(200)과;The flywheel energy storage device includes a flywheel (200) consisting of a steel rotating body (210) and an outer composite (220) at the center;
상기 플라이휠(200)을 지지하도록 상부에 상기 스틸회전체(210)의 상면에 고정된 도넛형 회전자석(320)과 케이스(100)에 고정된 도넛형 고정자석(310)으로 된 영구자석베어링(300)과;Permanent magnet bearing made of a donut-shaped rotating magnet 320 fixed to the upper surface of the steel rotating body 210 and the donut-shaped staging magnet 310 fixed to the case 100 to support the flywheel 200 ( 300);
상기 케이스(100)의 하부축(120)에 고정된 초전도체(420)와 상기 플라이휠(200)의 대응부에 고정된 저어널형 회전 영구자석(410)으로 된 초전도베어링(400)으로 구성된다.It consists of a superconducting bearing 400 made of a superconductor 420 fixed to the lower shaft 120 of the case 100 and a journal-type rotating permanent magnet 410 fixed to a corresponding portion of the flywheel 200.
또한 상기 플라이휠(200)의 내부는 스틸회전체(210)이며, 외부는 복합체(220)로 이루어져 있다.In addition, the inside of the flywheel 200 is a steel rotating body 210, the outside is made of a composite 220.
즉, 플라이휠(200)의 중앙부에 모터/발전용 할바크영구자석(160)과 저어널형 초전도베어링의 회전영구자석(410)을 포함하는 스틸회전체(210)와 외부 복합체(220)로 구성되며, 상기 모터/발전용 할바크영구자석(160)에 대응하는 케이스(100)의 상부축(110)에는 모터/발전용 고정코일(150)이 구비되며, 상기 저어널형 초전도베어링(400)의 영구자석(410)은 같은 극이 마주보도록 배치한다.That is, the center of the flywheel 200 is composed of a steel rotating body 210 and the outer composite 220, including the motor / power generation Halbach permanent magnet 160 and the rotating permanent magnet 410 of the journal superconducting bearing The upper shaft 110 of the case 100 corresponding to the Halbach permanent magnet 160 for the motor / power is provided with a fixed coil 150 for the motor / power, and the permanent of the journal superconducting bearing 400 is provided. The magnets 410 are arranged so that the same poles face each other.
즉, 상기 플라이휠(200)의 내부에는 상부의 영구자석 베어링의 회전자석(320)과 할바크 배열로 되어 있는 모터/발전기용 할바크영구자석(160), 하부 초전도 베어링용 저어널형 회전 영구자석(410)이 포함되어 있다. 상부의 영구자석 베어링(300)부는 도우넛 형태로 되어 있는 도넛형 고정자석(310)과 도넛형 회전자석(320)이 서로 끌어당기면 플라이휠(200)의 무게를 감당하도록 되어 있다.That is, inside the flywheel 200, the rotating magnet 320 of the upper permanent magnet bearing and the Halbach permanent magnet 160 for the motor / generator, which are arranged in a Halbach arrangement, the journal permanent rotary type permanent magnet for the lower superconducting bearing ( 410 is included. The upper portion of the permanent magnet bearing 300 is a donut-shaped stator magnet 310 and the donut-shaped rotating magnet 320, which is in the form of a donut, are drawn to each other to bear the weight of the flywheel 200.
상기 플라이휠(200)의 스틸회전체(210) 중앙 상부와 하부에는 각각 상부축돌기(211)와 하부축돌기(212)가 구비되며, 상기 상부축돌기(211)와 하부축돌기(212)에 대응하는 케이스(100)의 상부와 하부에는 각각 상부가이드베어링(130)과 하부가이드베어링(140)이 구비되어 있어 공진점에서 플라이휠(200)의 떨림을 억제하도록 하였다.An upper axel 211 and a lower axle 212 are provided at the center upper and lower portions of the steel rotating body 210 of the flywheel 200, respectively, in the upper axle 211 and the lower axle 212. An upper guide bearing 130 and a lower guide bearing 140 are provided at upper and lower portions of the corresponding case 100, respectively, to suppress the shaking of the flywheel 200 at the resonance point.
이와 같은 본 발명에서는 특히 부피를 줄이기 위하여 초전도 저어널 베어링을 내부에 고정자가 위치하고 외부에 회전자가 있는 형태로 설계하였다.In the present invention as described above, in order to reduce the volume, the superconducting journal bearing is designed in such a way that a stator is positioned inside and a rotor is located outside.
이 경우 회전자가 플라이휠의 내부에 삽입될 수 있기 때문에 불필요한 부피를 크게 줄일 수 있으며, 모터/발전기도 플라이휠의 내부로 삽입되어 전체 시스템의 크기가 줄어 부피당저장율(에너지 저장량/시스템 부피)이 크게 향상시킬 수 있는 것이다.In this case, since the rotor can be inserted inside the flywheel, unnecessary volume can be greatly reduced, and the motor / generator is also inserted into the flywheel, which reduces the size of the entire system, greatly improving the storage rate per volume (energy storage / system volume). It can be done.
(실시예)(Example)
본 발명의 구체적인 실시예로서 20kg의 휠을 사용하여 플라이휠을 제작하였다. 단 이것이 본 발명의 특허청구조건을 제한하는 것은 아니며, 제작의 편리를 위하여 20kg의 휠을 사용하였을 뿐이다.As a specific example of the present invention, a flywheel was manufactured using a wheel of 20 kg. However, this does not limit the claims of the present invention, it merely used a 20kg wheel for the convenience of manufacturing.
도 3은 직경 150mm 내경 110mm 두께 20mm 의 영구자석을 사용한 경우에 자석 간에 작용하는 힘을 표시한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the result of the force acting between the magnets in the case of using a permanent magnet having a diameter of 150mm inner diameter 110mm thickness 20mm.
이 결과에서 20kg의 휠 무게를 감당하기 위해서는 영구자석간의 거리는 약 15mm 정도가 되어야 함을 알 수 있다.From this result, it can be seen that the distance between the permanent magnets should be about 15 mm in order to bear the wheel weight of 20 kg.
휠의 내경은 60mm로 하였으며 초전도 베어링의 초전도체 외경은 55mm, 회전 자석의 내경은 58mm로 하였다.The inner diameter of the wheel was 60mm, the outer diameter of the superconductor of the superconducting bearing was 55mm, and the inner diameter of the rotating magnet was 58mm.
도 4는 제작된 영구자석 베어링과 초전도 베어링을 장착한 무게 20kg의 휠에 작용하는 힘을 표시한 그래프로서, 초전도 베어링 자체는 ±80N의 힘을 지탱할 수 있으며, 영구자석 베어링과의 평형 상태에서 안정적 부양영역이 ±20N, ±2mm 영역임을 보여주고 있다.4 is a graph showing a force acting on a wheel having a weight of 20 kg equipped with a manufactured permanent magnet bearing and a superconducting bearing, and the superconducting bearing itself can support a force of ± 80 N and is stable in equilibrium with the permanent magnet bearing. It shows that the levitation area is ± 20N, ± 2mm.
이와같은 본 발명은 저어널형 초전도 베어링을 사용하여 회전손실을 대폭 줄임으로써 에너지 저장 효율을 크게 증가시켰으며, 원심력 방향으로의 안정성을 확보함에 따라 실질적인 에너지 저장장치로의 활용이 가능하게 하였다. 또한 모터/발전기를 휠의 중공에 위치시켜 부피당 저장량을 극대화하였기 때문에 산업적인 이용을 촉진할 수 있는 것으로 매우 중요한 에너지저장치를 제공할 수 있는 유용한 기술인 것이다.The present invention greatly increases the energy storage efficiency by greatly reducing the rotational loss by using the journal type superconducting bearing, and enables the practical use as a practical energy storage device by securing stability in the direction of centrifugal force. In addition, since the motor / generator is located in the hollow of the wheel to maximize the storage per volume, it is a useful technology that can provide a very important energy storage because it can promote industrial use.
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