WO2015002382A1 - 에너지 저장 장치 - Google Patents

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Definitions

  • An energy storage device is disclosed. More specifically, an energy storage device capable of storing electrical energy as rotational kinetic energy and converting rotational kinetic energy generated by the rotational motion into electrical energy when necessary, and realizing cost reduction and excellent efficiency, is disclosed. do.
  • a common type of storage device is pumping water generated by creating upper and lower reservoirs, such as mountainous areas, by pumping water from the lower reservoir at night, when the cost of electricity is low, and by flowing water from the upper reservoir to the lower reservoir when the cost of electricity is high during the day.
  • ice storage by using relatively cheap power at night and blowing fans during the day to save air conditioning instead of air conditioner, through the rock compressed air is stored and when needed to turn the turbine from the compressed air Compressed air storage to generate power, or a chemical cell type NaS battery, a lithium ion battery, and the like stored using a chemical reaction.
  • a flywheel energy storage device for storing electrical kinetic energy, which is particularly resistant to high-speed charging and discharging, as a motor and storing it as a rotary kinetic energy, and then converting the rotary kinetic energy into electrical energy using a generator, has been developed.
  • the flywheel energy storage device uses the bearing to reduce the rotation loss because the energy is generated by the rotation, in which case the ball bearing is a mechanical flywheel energy storage device, and the electromagnet bearing is an electromagnet flywheel energy storage device.
  • the superconducting flywheel energy storage device is used when the superconducting bearing is used.
  • the mechanical flywheel energy storage device cannot be used as an efficient flywheel system because of the high frictional losses due to the use of a mechanical ball.
  • an electromagnet bearing it is not applicable to a large-scale flywheel system because it needs to support the rotating body using an electromagnet. It is difficult, and when using a superconducting bearing, the cost of the cooling equipment and superconductor is expensive, there is a problem that the cost increases.
  • the electrical energy is stored as rotational kinetic energy and if necessary can be used to convert the rotational kinetic energy generated by the rotational movement to electrical energy, and also to realize cost savings and excellent efficiency It is to provide an energy storage device.
  • another object according to an embodiment of the present invention is to improve the energy conversion efficiency by minimizing frictional losses because the rotating body is supported by the lifting unit to rotate, and also apply the support by the mechanical bearing and superconductor together By providing an energy storage device that can be applied to a large capacity as well as to minimize the cost increase.
  • Another object according to an embodiment of the present invention when using the stored energy quickly, such as in the case of railroad, depending on the use, can be stored for a long time stored in the uninterruptible power supply, such as hospitals or important facilities for use when needed It is to provide an energy storage device that can be applied to various applications, such as the case, to increase the energy storage efficiency for the cost.
  • An energy storage device the electrical energy generated by the electrical generator to store the rotational kinetic energy or provide the stored rotational kinetic energy to the electrical generator, the rotating body having a rotating shaft; A housing having a bearing rotatably supporting the rotating shaft, the housing supporting or wrapping at least a portion of the rotating body; And a flotation unit coupled to the rotating body and a portion coupled to the housing to generate a force for supporting the rotating body.
  • the rotating body is supported by the lifting unit. Because of the rotation, it is possible to improve the energy conversion efficiency by minimizing frictional losses.
  • the bearing by the mechanical bearing and the superconductor together, it can be applied to a large capacity and the cost increase can be minimized.
  • the support unit a permanent magnet mounted to any one of the housing or the rotating body; And a superconductor mounted on the other one of the housing or the rotor, and may support the rotor by the interaction of the permanent magnet and the superconductor.
  • the housing the support frame is rotatably supported on the lower end of the rotating shaft; And a cover frame covering at least a portion of the support frame and the rotating body, wherein either the permanent magnet or the superconductor is attached to the cover frame or the supporting frame, and the permanent magnet or the The other of the superconductors may be attached.
  • the permanent magnet is attached to the lower end of the rotating body
  • the superconductor may be attached to the upper end of the support frame to be located below the permanent magnet
  • the lower end of the rotating body and the upper end of the support frame is provided in a stepped manner corresponding to each other, the permanent magnet of the unit form is attached to the ceiling surface and side of each step of the rotating body, the permanent of the unit form
  • a unit type superconductor may be attached to the bottom and side surfaces of each step of the support frame.
  • the permanent magnet is attached to the upper end of the rotating body
  • the superconductor may be attached to the inner surface of the upper wall of the cover frame to be located above the permanent magnet.
  • the support unit comprises a permanent magnet and a superconductor, the housing, the support frame is rotatably supported by the lower end of the rotating shaft; And a cover frame covering the support frame and the rotor, wherein the superconductor is attached to the upper end of the support frame, and a permanent magnet is attached to the lower end of the rotor, and the permanent magnet is attached to the upper end of the rotor.
  • the superconductor may be attached to an inner surface of the upper wall of the cover frame.
  • the cooling material for cooling the superconductor may further include a cooling circulation portion circulated.
  • the cooling unit the circulation line for recovering after providing the cooling material to the region in which the superconductor is mounted; A liquefaction member provided on the circulation line to liquefy the cooling material; And a pumping member for pumping the cooling material to move the cooling material through the circulation line.
  • the flotation unit includes at least a pair of permanent magnets mounted to correspond to one or the other of the housing or the rotating body, the at least one pair of permanent magnets are the same pole or They can have different poles.
  • the housing the support frame is rotatably supported on the lower end of the rotating shaft; And a cover frame covering at least a portion of the support frame and the rotating body, wherein one of the pair of permanent magnets having the same pole is attached to the upper end of the supporting frame and the other to the lower end of the rotating body. Can be attached.
  • the housing the support frame is rotatably supported on the lower end of the rotating shaft; And a cover frame covering at least a portion of the support frame and the rotating body, wherein one of a pair of permanent magnets having different poles is attached to an upper end of the rotating body, and the other is an upper portion of the cover frame. It can be attached to the inner surface of the wall.
  • the housing the support frame is rotatably supported on the lower end of the rotating shaft; And a cover frame covering at least a portion of the support frame and the rotating body, wherein one of the pair of permanent magnets having the same pole is attached to the upper end of the supporting frame and the other to the lower end of the rotating body.
  • One of the pair of permanent magnets attached and having mutually different poles may be attached to the upper end of the rotating body, and the other may be attached to the inner surface of the upper wall of the cover frame.
  • the bearing may be a pair of ball bearings respectively disposed on the upper end and the lower end of the rotating shaft to rotatably support the rotating shaft.
  • a rotary body for storing the electrical energy generated by the electrical generator as a rotational kinetic energy or providing the stored rotational kinetic energy to the electrical generator, the rotating body having a rotating shaft; A housing rotatably supporting the rotating shaft and surrounding at least a portion of the rotating body; A permanent magnet mounted to one of the rotating body and the housing; A superconductor mounted on the other one of the rotating body and the housing so as to face the permanent magnet; And a cooling unit providing a cooling material for cooling the superconductor, wherein the cooling material lowers the temperature of the superconductor to lower the electrical resistance to separate the permanent magnets from the superconductor. It can support the rotating body through.
  • the housing the support frame is rotatably supported on the lower end of the rotating shaft; And a cover frame covering at least a portion of the support frame and the rotating body, wherein either the permanent magnet or the superconductor is attached to the cover frame or the support frame, and the permanent magnet or the The other of the superconductors may be attached.
  • the permanent magnet is attached to the lower end of the rotating body
  • the superconductor may be attached to the upper end of the support frame to be located below the permanent magnet
  • the permanent magnet is attached to the upper end of the rotating body
  • the superconductor may be attached to the inner surface of the upper wall of the cover frame to be located above the permanent magnet.
  • the cooling unit the circulation line for recovering after providing the cooling material to the region in which the superconductor is mounted; A liquefaction member provided on the circulation line to liquefy the cooling material; And a pumping member for pumping the cooling material to move the cooling material through the circulation line.
  • the housing may include a pair of ball bearings respectively disposed on the upper end and the lower end of the rotating shaft to rotatably support the rotating shaft.
  • electrical energy may be stored as rotational kinetic energy, and if necessary, the rotational kinetic energy generated by the rotational motion may be converted into electrical energy, and cost reduction and excellent efficiency may be realized.
  • the rotating body is supported by the flotation unit and rotates, it is possible to improve the energy conversion efficiency by minimizing the friction loss, and also by applying the support by the mechanical bearing and the superconductor together, Applicability can of course be minimized.
  • the case of using the stored energy quickly such as in the case of railroad, the case of storing the energy stored in the uninterruptible power supply for a long time in hospital or important facilities, etc. It can be applied to various applications, which can increase energy storage efficiency for cost.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a flywheel energy storage device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view illustrating a cooling unit for cooling the superconductor shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a view schematically showing the configuration of a flywheel energy storage device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view schematically showing the configuration of a flywheel energy storage device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a configuration of a flywheel energy storage device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a configuration of a flywheel energy storage device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a configuration of a flywheel energy storage device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a configuration of a flywheel energy storage device according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a flywheel energy storage device according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view showing a cooling unit for cooling the superconductor shown in FIG.
  • the energy storage device 100 includes an electric generator 110, for example, an electric motor / generator. Storing the electrical energy generated by the rotational kinetic energy or providing the stored rotational kinetic energy to the electricity generating unit 110 and supporting the rotating body (120) having a rotating shaft (121) and the rotating shaft (121) to be rotatable.
  • the bearing 137 may be mounted to include a housing 130 surrounding the rotating body 120 and a lifting unit 150 supporting the rotating body 120.
  • the electrical generator 110 for generating electrical energy includes a coil 111 and a permanent magnet 112 as an electric motor / generator. Therefore, when the rotor 120 rotates, the coil 111 and the permanent magnet 112 may interact to generate electrical energy. Through this, the generated electrical energy may be stored in the rotational kinetic energy state by the electricity generating unit 110 in the rotational kinetic energy state, and then converted into electrical energy when necessary.
  • the rotating body 120 is provided in a cylindrical shape and includes a rotating shaft 121 to rotate about the rotating shaft 121. However, at this time, friction loss may occur due to the rotation.
  • the support unit 150 is provided to minimize the friction loss generated when the rotation body 120 rotates. This will be described later.
  • the housing 130 serves to protect or support a number of components, including the rotating body 120 and to provide a space for mounting.
  • the housing 130 includes a support frame 131 on which the lower end of the rotation shaft 121 is rotatably supported, and a cover frame 133 covering the support frame 131 and the rotor 120. ) And a protection frame 135 to protect the bearing 137.
  • the housing 130 may be equipped with a bearing 127 for rotatably supporting the rotating body 120.
  • the bearing 137 is a pair of ball bearings, and as shown in FIG. 1, one ball bearing 137 at the upper end of the rotating shaft 121 to which the rotating body 120 is coupled.
  • the ball bearing 137 may be mounted at a position between the rotor 120 and the support frame 131. Since the ball bearing 137 structure is mechanical, the rotation of the rotating body 120 can be made firm. However, as described above, in the case of the ball bearing 137, the friction loss generation amount is relatively large, but in this embodiment, since the rotor 120 is supported and rotated, even if the bearing 137 is applied to the ball bearing 137 The occurrence of frictional losses can be minimized.
  • the bearing 137 is described as a ball bearing 137, but the present invention is not limited thereto, and other types of bearings such as superconductor bearings may be applied.
  • the flotation unit 150 of the present embodiment by allowing the rotation body 120 to rotate in a reduced state to reduce the friction loss as well as to apply the energy storage device 100 of the present embodiment to a large capacity. In addition, cost increases can be minimized.
  • the support unit 150 as shown in Figure 1, the permanent magnet 151 attached to the lower end of the rotating body, and is attached to the upper end of the support frame 131 to be located below the permanent magnet 151 It may include a superconductor 155.
  • a cooling unit 160 for cooling the superconductor 155 may be provided.
  • the cooling unit 160 of the present embodiment includes a circulation line 161 for supplying and recovering a cooling material, for example, liquid nitrogen 163, to the area where the superconductor 155 is mounted, and on the circulation line 161. And a liquefaction member 165 to liquefy the liquid nitrogen 163 and a pumping member 167 to pump the liquid nitrogen 163 to circulate the liquid nitrogen 163 through the circulation line 161.
  • circulation line 161 may be connected to supply tank 168 for supplying liquid nitrogen 163.
  • the superconductor 155 may be surrounded by copper (Cu), and then the superconductor 155 may be cooled through conduction cooling. As such, the cooling method of the superconductor 155 may be variously applied.
  • electrical energy may be stored as rotational kinetic energy, and if necessary, rotational kinetic energy generated by the rotational movement may be converted into electrical energy, thereby realizing cost reduction and excellent efficiency.
  • the rotating body 120 is supported and rotated by the lifting unit 150, the friction loss can be minimized, thereby improving energy conversion efficiency, and also supported by the mechanical bearing 137 and the superconductor 155. By applying it together, it can be applied to large capacity as well as it can minimize cost increase.
  • the energy storage device according to the second embodiment of the present invention will be described, but description thereof will be omitted for parts substantially the same as the energy storage device of the first embodiment described above.
  • FIG. 3 is a view schematically showing the configuration of a flywheel energy storage device according to a second embodiment of the present invention.
  • the flywheel energy storage device 200 of this embodiment differs from the energy storage device of the first embodiment described above in the mounting position of the flotation unit 150.
  • the flotation device 150 of this embodiment also includes a permanent magnet 251 and a superconductor 255, the permanent magnet 251 is attached to the upper end of the rotating body 220, the superconductor 255 is a cover frame 233 It can be attached to the inner surface of the upper wall of the). That is, the permanent magnet 251 and the superconductor 255 are mounted on the rotating body and the cover frame so that the superconductor 255 is located on the upper part of the permanent magnet 251.
  • the temperature of the superconductor 255 of the present embodiment may also be controlled by the influence of the cooling unit, and through this, the distance between the superconductor 255 and the permanent magnet 251 may be adjusted, such that the rotating body 220 is supported. The money can be transferred in the suspended state with respect to the frame 231.
  • the rotor 220 is supported and rotated by the flotation unit 250, it is possible to improve the energy conversion efficiency by minimizing frictional loss, and also by the support of the mechanical bearing 237 and the superconductor 255 together. By applying it, it is possible to apply to large capacity and to minimize cost increase.
  • FIG. 4 is a view schematically showing the configuration of a flywheel energy storage device according to a third embodiment of the present invention.
  • the flotation unit 350 may be provided at the upper and lower sides of the rotating body 320 to support the rotating body 320 by the interlocking thereof. have.
  • the superconductor 355a is attached to the upper end of the support frame 331 so that the permanent magnet 351a is attached to the lower end of the rotor 320 and positioned below the permanent magnet 351a, and the permanent magnet (at the upper end of the rotor 320).
  • Superconductor 355b may be attached to the inner surface of the top wall of cover frame 333 so that 351b is attached and positioned thereon.
  • the superconductors 355a and 355b of the flotation unit 350 having such a configuration may also be controlled under the influence of a cooling unit (not shown), and thus, between the superconductors 355a and 355b and the permanent magnets 351a and 351b. Since the distance may be adjusted, the rotating body 320 may be fired in a state in which the supporting frame 331 is supported.
  • the rotating body 320 is supported and rotated by the lifting unit 350, the friction loss can be minimized, thereby improving energy conversion efficiency, and also supported by the mechanical bearing 337 and the superconductors 355a and 355b. By applying it together, it can be applied to large capacity and can minimize cost increase.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a configuration of a flywheel energy storage device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the energy storage device 400 of the present embodiment includes a flotation unit 450, which may include a pair of permanent magnets 451 and 455 having the same poles. That is, the rotating body 420 may be supported using repulsive force generated between the permanent magnets 451 and 455.
  • One permanent magnet 451 may be attached to the lower end of the rotating body 420, the other permanent magnet 455 may be attached to the upper end of the support frame 431. Due to the repulsive force generated between them, the rotating body 420 can be supported with respect to the support frame 431, thereby allowing the rotation of the rotating body 420 in the suspended state.
  • the rotating body 420 is supported and rotated by the flotation unit 450, it is possible to improve the energy conversion efficiency by minimizing frictional losses, and also by the mechanical bearings 437 and the permanent magnets 451 and 455.
  • By applying the flotation together it can be applied to a large capacity as well as minimizing cost increase.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a configuration of a flywheel energy storage device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the flotation unit 550 of the energy storage device 500 of the present embodiment may include a pair of permanent magnets 551 and 555 having different poles from each other, unlike the above-described third embodiment. . That is, the rotating body 520 may be supported by the attraction force generated between the permanent magnets 551 and 555.
  • One permanent magnet 551 may be attached to the upper end of the rotating body 520, the other permanent magnet 555 may be attached to the inner surface of the upper wall of the cover frame 533. Due to the attraction force generated therebetween, the rotating body 520 may be supported with respect to the support frame 531, thereby allowing the rotating body 520 to be rotated in the supported state.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a configuration of a flywheel energy storage device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the flotation unit 650 of the energy storage device 600 of the present embodiment may include two pairs of permanent magnets 651 and 655. Among them, a pair of permanent magnets 651 are disposed at the bottom with respect to the rotor 620 and have the same poles, and a pair of permanent magnets 655 are arranged at the top with respect to the rotor 620. And have different poles.
  • the energy storage device according to the seventh embodiment of the present invention will be described, but a description thereof will be omitted for parts substantially the same as the energy storage device of the above-described embodiments.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a configuration of a flywheel energy storage device according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the rotating body 720 and the support frame 731 of the energy storage device 700 of the present embodiment may be provided in a stepped manner corresponding to each other, and the support unit 750 may be attached. More specifically, as shown in Figure 8, the lower end of the rotating body 720 and the upper end of the support frame 731 facing it are provided in a stepped manner corresponding to each other, the ceiling surface of each step of the rotating body 720 And the permanent magnet 751 of the unit form is attached to the side, and to correspond to this, the superconductor 755 of the unit form may be attached to the bottom and side of each step of the support frame 731.
  • the permanent magnet 751 and the superconductor 755 have a complex structure, so that the support of the rotating body 720 with respect to the support frame 731 may be more smoothly supported.
  • temperature control of the superconductor 755 may be performed by allowing the circulation line of the cooling unit (not shown) to be formed along the upper end of the support frame 731, thereby rotating the body 720 with respect to the support frame 731. ) Can be controlled more precisely.
  • the permanent magnet 751a may be attached to the ceiling surface and the side of the rotating body 720a illustrated in FIG. 9, and the superconductor 755a corresponding to the permanent magnet 751a one to one on the top and side surfaces of the support frame 731a. Can be attached. Therefore, due to the interaction between the superconductor 755a and the permanent magnet 751a, the rotating body 720a may be floated, and the rotation may be performed in the flotation state.
  • permanent magnets 751b may be attached to the ceiling surface and side surfaces of the rotating body 720b illustrated in FIG. 10, and one-to-one correspondence with the permanent magnets 751b may correspond to the top and side surfaces of the support frame 731b.
  • Permanent magnet 755b having a may be attached. Accordingly, repulsive force is generated between the permanent magnets 751b and 755b so that the rotating body 720b can be floated, and the rotating body 720b can be rotated in the floating state.
  • a permanent magnet 751c may be attached to the ceiling surface and the side of the rotating body 720c illustrated in FIG. 11, and a superconductor 755c is attached to the upper surface of the support frame 731c and the permanent magnet 753c is attached to the side. ) May be attached.
  • the rotating body 720c can be floated and can rotate the rotating body 720c in the floating state.
  • a permanent magnet 751d may be attached to the ceiling surface and the side of the rotating body 720d illustrated in FIG. 12, and a permanent magnet 755d may be attached to the upper surface of the support frame 731d and the superconductor 753d may be attached to the side. ) May be attached.
  • the rotating body 720d can be floated and can rotate the rotating body 720d in a floating state.
  • the permanent magnet 751 or the superconductor 755 is attached to the corresponding position so as to interact with each other so that the support of the rotor 720 relative to the support frame 731 can be supported, and thus the rotor in the support state.
  • frictional losses can be minimized.
  • the structure is not limited thereto, and the three bearing structures may be variously changed according to the length of the rotating shaft and the formation of the system. You can optimize your system.

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치는, 전기 발생부에 의해 발생되는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동 에너지를 전기 발생부에 제공하며, 회전축을 구비하는 회전체; 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링을 구비하며, 회전체의 적어도 일부분을 지지하거나 감싸는 하우징; 및 회전체에 일부가 결합되고 하우징에 다른 일부가 결합되어 회전체를 부양시키는 힘을 발생시키는 부양 유닛;을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 부양 유닛에 의해 회전체가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링과 초전도체에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.

Description

에너지 저장 장치
에너지 저장 장치가 개시된다. 보다 상세하게는, 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하고 필요 시 회전 운동에 의해 발생된 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있으며, 또한 비용 절감 및 우수한 효율을 구현할 수 있는 에너지 저장 장치가 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 전력 계통 안정화에 문제점이 들어나고 있다. 일반적인 신재생의 에너지 발전, 태양광이나 풍력 발전의 경우 불규칙한 자연 에너지로 인하여 발전량이 안정적이지 못하여 저장 장치의 필요성이 증대되고 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 충전 및 방전에 적합한 에너지 저장 장치의 개발이 진행 중에 있다.
일반적인 저장 장치의 형태는 산간 지역 등 상부 저수지와 하부 저수지를 만들어 전력 비용이 낮은 밤에 하부 저수지에 있는 물을 퍼올려 낮에 전력 비용이 비쌀 때 상부 저수지로부터 하부 저수지로 물을 흐르게 함으로써 발전하는 양수 발전 시스템이 있다. 또한, 밤에 상대적으로 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 화학 반응을 이용하여 저장하는 화학전지 타입의 NaS 전지, 리튬 이온 전지 등의 방식 등이 있다. 아울러, 특히 고속 충전 및 방전에 강한 전기 에너지를 모터로 이용하여 회전 운동 에너지로 저장해두었다가 필요할 때 발전기를 이용하여 회전 운동 에너지에서 전기 에너지로 변환하여 사용하는 플라이휠 에너지 저장 장치 등이 개발되고 있다.
이 중, 플라이휠 에너지 저장 장치는 회전에 의해 에너지를 생성하기 때문에 회전 손실을 줄이기 위해 베어링을 사용하는데, 이 때 볼 베어링을 사용하면 기계식 플라이휠 에너지 저장 장치이고, 전자석 베어링을 이용하면 전자석 플라이휠 에너지 저장 장치이며, 초전도 베어링을 사용하면 초전도 플라이휠 에너지 저장 장치이다.
기계식 플라이휠 에너지 저장 장치의 경우, 기계식 볼을 이용하기 때문에 마찰 손실이 커서 효율적인 플라이휠 시스템으로 사용될 수가 없고, 전자석 베어링을 이용하는 경우, 전자석을 이용하여 회전체를 부양시켜야 되기 때문에 대용량의 플라이휠 시스템에는 적용이 곤란하며, 초전도 베어링을 이용할 경우 냉각 장비 및 초전도체의 비용이 비싸기 때문에 비용이 증대되는 문제점이 있다.
따라서, 마찰 손실을 줄임으로써 효율을 높일 수 있으면서도 대용량에도 적용이 가능하고, 아울러 비용 증대를 최소화할 수 있는 플라이휠 에너지 저장 장치의 개발이 요구된다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하고 필요 시 회전 운동에 의해 발생된 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있으며, 또한 비용 절감 및 우수한 효율을 구현할 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 부양 유닛에 의해 회전체가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링과 초전도체에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 용도에 따라 예를 들면 철도의 경우처럼 저장된 에너지를 신속하게 사용할 경우, 병원이나 중요 시설 등에 무정전 전원 장치에 저장해둔 에너지를 오랫동안 저장해두었다가 필요할 때 사용할 수 있는 경우 등 여러 용도에 적용할 수 있어 비용 대비 에너지 저장 효율을 높일 수 있는 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 에너지 저장 장치는, 전기 발생부에 의해 발생되는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동 에너지를 상기 전기 발생부에 제공하며, 회전축을 구비하는 회전체; 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링을 구비하며, 상기 회전체의 적어도 일부분을 지지하거나 감싸는 하우징; 및 상기 회전체에 일부가 결합되고 상기 하우징에 다른 일부가 결합되어 상기 회전체를 부양시키는 힘을 발생시키는 부양 유닛;을 포함할 수 있으며, 이러한 구성에 의해서, 부양 유닛에 의해 회전체가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링과 초전도체에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 부양 유닛은, 상기 하우징 또는 상기 회전체 중 어느 하나에 장착되는 영구자석; 및 상기 하우징 또는 상기 회전체 중 다른 하나에 장착되는 초전도체를 포함하며, 상기 영구자석과 상기 초전도체의 상호 작용에 의해 상기 회전체를 부양시킬 수 있다.
일측에 따르면, 상기 하우징은, 상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;을 포함하며, 상기 커버 프레임 또는 상기 지지 프레임에 상기 영구 자석 또는 상기 초전도체 중 어느 하나가 부착되고, 상기 회전체에 상기 영구 자석 또는 상기 초전도체 중 다른 하나가 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 영구자석은 상기 회전체의 하단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 하부에 위치되도록 상기 지지 프레임의 상단부에 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 회전체의 하단부 및 상기 지지 프레임의 상단부는 상호 대응되는 계단식으로 마련되며, 상기 회전체의 각 계단의 천정면 및 측면에는 단위 형태의 영구자석이 부착되고, 상기 단위 형태의 영구자석의 배치에 대응되도록, 상기 지지 프레임의 각 계단의 저면 및 측면에는 단위 형태의 초전도체가 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 영구자석은 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 상부에 위치되도록 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 부양 유닛은 영구자석 및 초전도체를 포함하며, 상기 하우징은, 상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임 및 상기 회전체를 덮는 커버 프레임을 포함하고, 상기 지지 프레임의 상단부에 상기 초전도체가 부착되고 상기 회전체의 하단부에 영구자석이 부착되며, 상기 회전체의 상단부에 상기 영구자석이 부착되고 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 상기 초전도체가 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 초전도체를 냉각시키기 위한 냉각 물질이 순환되는 냉각 순환부를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 냉각부는, 상기 초전도체가 장착된 영역으로 상기 냉각 물질을 제공한 후 회수하는 순환 라인; 상기 순환 라인 상에 마련되어 상기 냉각 물질을 액화시키는 액화부재; 및 상기 순환 라인을 통해 상기 냉각 물질이 이동할 수 있도록 상기 냉각 물질을 펌핑시키는 펌핑부재를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 부양 유닛은 상기 하우징 또는 상기 회전체 중 어느 하나 및 다른 하나에 상호 대응되게 장착되는 적어도 한 쌍의 영구자석을 포함하며, 상기 적어도 한 쌍의 영구자석은 상호 같은 극을 같거나 상호 다른 극을 가질 수 있다.
일측에 따르면, 상기 하우징은, 상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;을 포함하며, 상호 같은 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 지지 프레임의 상단부에 부착되고 다른 하나는 상기 회전체의 하단부에 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 하우징은, 상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;을 포함하며, 상호 다른 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 다른 하나는 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 하우징은, 상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;을 포함하며, 상호 같은 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 지지 프레임의 상단부에 부착되고 다른 하나는 상기 회전체의 하단부에 부착되고, 상호 다른 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 다른 하나는 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 베어링은 상기 회전축의 상단부 및 하단부에 각각 배치되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 볼 베어링일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 전기 발생부에 의해 발생되는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동 에너지를 상기 전기 발생부에 제공하며, 회전축을 구비하는 회전체; 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하며, 상기 회전체의 적어도 일부분을 감싸는 하우징; 상기 회전체 및 상기 하우징 중 어느 하나에 장착되는 영구자석; 상기 영구자석과 마주보도록 상기 회전체 및 상기 하우징 중 다른 하나에 장착되는 초전도체; 및 상기 초전도체를 냉각시키기 위한 냉각 물질을 제공하는 냉각부;를 포함하며, 상기 냉각부의 상기 냉각 물질에 의해 상기 초전도체의 온도를 낮춤으로써 전기저항을 낮추어 상기 초전도체에 대해 상기 영구자석을 이격시키는 원리를 통해 상기 회전체를 부양시킬 수 있다.
일측에 따르면, 상기 하우징은, 상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및 상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;을 포함하며, 상기 커버 프레임 또는 상기 지지 프레임에 상기 영구자석 또는 상기 초전도체 중 어느 하나가 부착되고, 상기 회전체에 상기 영구자석 또는 상기 초전도체 중 다른 하나가 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 영구자석은 상기 회전체의 하단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 하부에 위치되도록 상기 지지 프레임의 상단부에 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 영구자석은 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 상부에 위치되도록 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다.
일측에 따르면, 상기 냉각부는, 상기 초전도체가 장착된 영역으로 상기 냉각 물질을 제공한 후 회수하는 순환 라인; 상기 순환 라인 상에 마련되어 상기 냉각 물질을 액화시키는 액화부재; 및 상기 순환 라인을 통해 상기 냉각 물질이 이동할 수 있도록 상기 냉각 물질을 펌핑시키는 펌핑부재를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 하우징은 상기 회전축의 상단부 및 하단부에 각각 배치되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 볼 베어링을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하고 필요 시 회전 운동에 의해 발생된 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있으며, 또한 비용 절감 및 우수한 효율을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 부양 유닛에 의해 회전체가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링과 초전도체에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 용도에 따라 예를 들면 철도의 경우처럼 저장된 에너지를 신속하게 사용할 경우, 병원이나 중요 시설 등에 무정전 전원 장치에 저장해둔 에너지를 오랫동안 저장해두었다가 필요할 때 사용할 수 있는 경우 등 여러 용도에 적용할 수 있어 비용 대비 에너지 저장 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 초전도체를 냉각시키기 위한 냉각부를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제8 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 12는 도 8의 여러 변형예들을 부분적으로 도시한 도면들이다.
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 제1 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 초전도체를 냉각시키기 위한 냉각부를 도시한 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 에너지 저장 장치(100), 즉 본 실시예의 플라이휠 에너지 저장 장치(100)는, 전기 발생부(110), 예를 들면 전동기/발전기에 의해 발생되는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동 에너지를 전기 발생부(110)에 제공하며 회전축(121)을 갖는 회전체(120)와, 회전축(121)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(137)이 장착되며 회전체(120)를 감싸는 하우징(130)과, 회전체(120)를 부양시키는 부양 유닛(150)을 포함할 수 있다.
먼저, 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(110)는, 전동기/발전기로서 코일(111) 및 영구자석(112)을 구비한다. 따라서, 회전체(120)가 회전할 때 코일(111) 및 영구자석(112)의 상호 작용이 이루어져 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 이를 통해, 생성된 전기 에너지를 전기 발생부(110)에 의해 회전체(120)에 회전 운동 에너지 상태로 저장해두었다가 필요 시 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있다.
각각의 구성에 대해 설명하면, 먼저 회전체(120)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 원통형으로 마련되며 회전축(121)을 구비함으로써 회전축(121)을 기준으로 회전할 수 있다. 다만, 이 때 회전에 의한 마찰 손실이 발생될 수 있는데 본 실시예의 경우, 회전체(120)의 회전 시 발생되는 마찰 손실을 최소화하기 위하여 부양 유닛(150)을 구비한다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 하우징(130)은, 회전체(120)를 비롯한 다수의 구성을 보호하거나 지지하고 또한 장착을 위한 공간을 제공하는 역할을 한다. 이러한 하우징(130)은, 도 1에 도시된 것처럼, 회전축(121)의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임(131)과, 지지 프레임(131) 및 회전체(120)를 덮는 커버 프레임(133)과, 베어링(137)을 보호하는 보호 프레임(135)을 포함할 수 있다.
부연하면, 하우징(130)에는 회전체(120)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(127)이 장착될 수 있다. 본 실시예의 경우, 베어링(137)은 한 쌍의 볼 베어링(ball bearing)이며, 도 1에 도시된 것처럼, 회전체(120)가 결합되는 회전축(121)의 상단부에 하나의 볼 베어링(137)이 장착되고, 회전체(120) 및 지지 프레임(131)의 사이에 위치에서 다른 하나의 볼 베어링(137)이 장착될 수 있다. 이러한 볼 베어링(137) 구조는 기계식이기 때문에 회전체(120)의 회전 동작이 견고하게 이루어질 수 있도록 한다. 다만, 전술한 것처럼 볼 베어링(137)의 경우, 마찰 손실 발생량이 상대적으로 큰데, 본 실시예의 경우 회전체(120)가 부양되어 회전되기 때문에, 볼 베어링(137)으로 베어링(137)을 적용하더라도 마찰 손실의 발생을 최소화할 수 있다.
본 실시예에서는, 베어링(137)을 볼 베어링(137)으로 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 초전도체 베어링과 같은 다른 종류의 베어링이 적용될 수 있음은 당연하다.
한편, 본 실시예의 부양 유닛(150)은, 회전체(120)가 부양된 상태에서 회전을 할 수 있도록 함으로써 마찰 손실을 줄임은 물론 대용량에도 본 실시예의 에너지 저장 장치(100)가 적용 가능하도록 하며, 아울러 비용 증대를 최소화할 수 있다.
이러한, 부양 유닛(150)은, 도 1에 도시된 것처럼, 회전체의 하단부에 부착되는 영구자석(151)과, 영구자석(151)의 하부에 위치되도록 지지 프레임(131)의 상단부에 부착되는 초전도체(155)를 포함할 수 있다.
초전도체(155)의 온도를 극저온으로 낮춤으로써 전기저항이 0에 가까워지도록 하고, 이를 통해 영구자석(151)이 초전도체(155)로부터 이격되는 원리를 이용하여, 지지 프레임(131)에 대해 회전체(120)를 부양시킬 수 있다. 따라서, 회전체(120)가 부양된 상태에서 회전이 가능하기 때문에 마찰 손실을 현저히 줄일 수 있다.
도 2를 참조하면, 초전도체(155)를 냉각시키기 위한 냉각부(160)가 구비될 수 있다. 본 실시예의 냉각부(160)는, 초전도체(155)가 장착된 영역으로 냉각 물질, 예를 들면 액체 질소(163)를 제공한 후 회수하는 순환 라인(161)과, 순환 라인(161) 상에 마련되어 액체 질소(163)를 액화시키는 액화부재(165)와, 순환 라인(161)을 통해 액체 질소(163)가 순환할 수 있도록 액체 질소(163)를 펌핑시키는 펌핑부재(167)를 포함할 수 있다. 또한, 순환 라인(161)은 액체 질소(163)를 공급하는 공급 탱크(168)와 연결될 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 초전도체(155)의 냉각 정도를 조절할 수 있으며, 이에 따라 지지 프레임(131)에 대한 회전체(120)의 부양 정도를 조절할 수 있고 따라서 부양된 상태에서의 회전체(120)의 회전을 가능하게 할 수 있다.
한편, 다른 종류의 냉각 방법이 적용될 수 있다. 예를 들면, 초전도체(155)를 구리(Cu)로 둘러싼 후 전도 냉각을 통해서 초전도체(155)의 냉각을 실행할 수 있다. 이처럼, 초전도체(155)의 냉각 방법은 다양하게 적용될 수 있음은 당연하다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하고 필요 시 회전 운동에 의해 발생된 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있어 비용 절감 및 우수한 효율을 구현할 수 있고, 아울러, 부양 유닛(150)에 의해 회전체(120)가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링(137)과 초전도체(155)에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 용도에 따라 예를 들면 철도의 경우처럼 저장된 에너지를 신속하게 사용할 경우, 병원이나 중요 시설 등에 무정전 전원 장치에 저장해둔 에너지를 오랫동안 저장해두었다가 필요할 때 사용할 수 있는 경우 등 여러 용도에 적용할 수 있어 비용 대비 에너지 저장 효율을 높일 수 있는 장점도 있다.
한편, 이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 제1 실시예의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실시에의 플라이휠 에너지 저장 장치(200)는, 부양 유닛(150)의 장착 위치에 있어서 전술한 제1 실시예의 에너지 저장 장치와 차이가 있다.
본 실시예의 부양 장치(150) 역시, 영구자석(251) 및 초전도체(255)를 포함하는데, 영구자석(251)은 회전체(220)의 상단부에 부착되고, 초전도체(255)는 커버 프레임(233)의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다. 즉, 영구자석(251)의 상부에 초전도체(255)가 위치되도록 영구자석(251) 및 초전도체(255)가 회전체 및 커버 프레임에 장착되는 것이다.
도시하지는 않았지만, 본 실시예의 초전도체(255) 역시 냉각부의 영향을 받아 온도가 조절될 수 있고, 이를 통해 초전도체(255)와 영구자석(251) 간의 거리를 조절할 수 있어, 회전체(220)가 지지 프레임(231)에 대해 부양된 상태에서 화전할 수 있다.
따라서, 부양 유닛(250)에 의해 회전체(220)가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링(237)과 초전도체(255)에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.
한편, 이하에서는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 실시예들의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 에너지 저장 장치(300)는, 부양 유닛(350)이 회전체(320)를 기준으로 상부 및 하부에 각각 마련되어 이들의 연동에 의해서 회전체(320)를 부양시킬 수 있다.
먼저, 회전체(320)의 하단부에 영구자석(351a)이 부착되고 그의 하부에 위치되도록 초전도체(355a)가 지지 프레임(331)의 상단부에 부착되며, 회전체(320)의 상단부에 영구자석(351b)이 부착되고 그의 상부에 위치되도록 초전도체(355b)가 커버 프레임(333)의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다.
이러한 구성의 부양 유닛(350)의 초전도체(355a, 355b) 역시 냉각부(미도시)의 영향을 받아 온도가 조절될 수 있으며, 이를 통해 초전도체(355a, 355b)와 영구자석(351a, 351b) 간의 거리를 조절할 수 있어, 회전체(320)가 지지 프레임(331)에 대해 부양된 상태에서 화전할 수 있다.
따라서, 부양 유닛(350)에 의해 회전체(320)가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링(337)과 초전도체(355a, 355b)에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.
한편, 이하에서는, 본 발명의 제4 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 실시예들의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 에너지 저장 장치(400)는, 부양 유닛(450)을 포함하며, 이는 상호 극이 같은 한 쌍의 영구자석(451, 455)을 포함할 수 있다. 즉, 영구자석(451, 455)들 간에 발생되는 척력을 이용하여 회전체(420)를 부양시킬 수 있다.
하나의 영구자석(451)은 회전체(420)의 하단부에 부착되고, 다른 하나의 영구자석(455)은 지지 프레임(431)의 상단부에 부착될 수 있다. 이들 간에 발생되는 척력으로 인해, 지지 프레임(431)에 대해 회전체(420)는 부양될 수 있고, 이를 통해 부양된 상태에서 회전체(420)의 회전이 가능하다.
따라서, 부양 유닛(450)에 의해 회전체(420)가 부양되어 회전하기 때문에 마찰 손실을 최소화함으로써 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 기계식 베어링(437)과 영구자석(451, 455)에 의한 부양을 같이 적용시킴으로써 대용량에도 적용 가능함은 물론 비용 증대를 최소화할 수 있다.
한편, 이하에서는, 본 발명의 제5 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 실시예들의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 에너지 저장 장치(500)의 부양 유닛(550)은, 전술한 제3 실시예와는 달리 상호 극이 다른 한 쌍의 영구자석(551, 555)을 포함할 수 있다. 즉, 영구자석(551, 555)들 간에 발생되는 인력을 이용하여 회전체(520)를 부양시킬 수 있다.
하나의 영구자석(551)은 회전체(520)의 상단부에 부착되고, 다른 하나의 영구자석(555)은 커버 프레임(533)의 상부벽의 내면에 부착될 수 있다. 이들 간에 발생되는 인력으로 인해, 지지 프레임(531)에 대해 회전체(520)는 부양될 수 있고, 이를 통해 부양된 상태에서 회전체(520)의 회전이 가능하다.
한편, 이하에서는, 본 발명의 제6 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 실시예들의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 도시된 것처럼, 본 실시예의 에너지 저장 장치(600)의 부양 유닛(650)은, 두 쌍의 영구자석들(651, 655)을 포함할 수 있다. 그 중 한 쌍의 영구자석(651)은 회전체(620)를 기준으로 하부에 배치되며 상호 같은 극을 갖고, 다른 한 쌍의 영구자석(655)은 회전체(620)를 기준으로 상부에 배치되며 상호 다른 극을 갖는다.
따라서, 회전체(620)를 하방에서 미는 힘이 발생되고 동시에 회전체(620)를 상방에서 끌어당기는 힘이 발생됨으로써 회전체(620)가 부양될 수 있으며, 이를 통해 부양된 상태에서 회전체(620)의 회전이 가능하다.
한편, 이하에서는, 본 발명의 제7 실시예에 따른 에너지 저장 장치에 대해서 설명하되 전술한 실시예들의 에너지 저장 장치와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 8은 본 발명의 제7 실시예에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 에너지 저장 장치(700)의 회전체(720) 및 지지 프레임(731)은 상호 대응되는 계단식으로 마련될 수 있고 부양 유닛(750)이 부착될 수 있다. 보다 상세하게는, 도 8에 도시된 것처럼, 회전체(720)의 하단부 및 그에 대면되는 지지 프레임(731)의 상단부는 상호 대응되는 계단식으로 마련되고, 회전체(720)의 각 계단의 천정면 및 측면에는 단위 형태의 영구자석(751)이 부착되고, 이에 대응되도록, 지지 프레임(731)의 각 계단의 저면 및 측면에는 단위 형태의 초전도체(755)가 부착될 수 있다.
이와 같이, 영구자석(751) 및 초전도체(755)가 복합 구조를 가짐으로써 지지 프레임(731)에 대한 회전체(720)의 부양이 보다 원활하게 이루어질 수 있다. 특히, 지지 프레임(731)의 상단부를 따라 냉각부(미도시)의 순환 라인이 형성되도록 함으로써 초전도체(755)의 온도 조절을 수행할 수 있으며, 이에 따라 지지 프레임(731)에 대한 회전체(720)의 부양을 보다 정밀하게 제어할 수 있다.
도 9 내지 도 12는 도 8의 여러 변형예들을 부분적으로 도시한 도면들이다.
도 9에 도시된 회전체(720a)의 천정면 및 측면에는 영구자석(751a)이 부착될 수 있고, 지지 프레임(731a)의 상면 및 측면에는 영구자석(751a)과 일대일 대응되는 초전도체(755a)가 부착될 수 있다. 따라서, 초전도체(755a)와 영구자석(751a) 간의 상호 작용으로 인해 회전체(720a)는 부양될 수 있고, 부양 상태에서 회전을 실행할 수 있다.
한편, 도 10에 도시된 회전체(720b)의 천정면 및 측면에는 영구자석(751b)이 부착될 수 있고, 지지 프레임(731b)의 상면 및 측면에는 영구자석(751b)과 일대일 대응되며 같은 극을 갖는 영구자석(755b)이 부착될 수 있다. 따라서, 영구자석(751b, 755b)들 간에 척력이 발생되어 회전체(720b)는 부양될 수 있고, 부양 상태에서 회전체(720b)의 회전을 실행할 수 있다.
한편, 도 11에 도시된 회전체(720c)의 천정면 및 측면에는 영구자석(751c)이 부착될 수 있고, 지지 프레임(731c)의 상면에는 초전도체(755c)가 부착되고 측면에는 영구자석(753c)이 부착될 수 있다. 이러한 구성에 의해서, 회전체(720c)는 부양될 수 있고, 부양 상태에서 회전체(720c)의 회전을 실행할 수 있다.
한편, 도 12에 도시된 회전체(720d)의 천정면 및 측면에는 영구자석(751d)이 부착될 수 있고, 지지 프레임(731d)의 상면에는 영구자석(755d)이 부착되고 측면에는 초전도체(753d)가 부착될 수 있다. 이러한 구성에 의해서, 회전체(720d)는 부양될 수 있고, 부양 상태에서 회전체(720d)의 회전을 실행할 수 있다.
이처럼, 상호 대응되는 위치에 영구자석(751) 또는 초전도체(755)가 상호 작용 가능하도록 부착됨으로써 지지 프레임(731)에 대한 회전체(720)의 부양이 가능해질 수 있으며, 따라서 부양 상태에서 회전체(720)의 회전을 실행함으로 마찰 손실을 최소화할 수 있다.
다만, 전술한 실시예들에서는 영구자석과 초전도체, 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.
본문에 포함되어 있음.

Claims (20)

  1. 전기 발생부에 의해 발생되는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동 에너지를 상기 전기 발생부에 제공하며, 회전축을 구비하는 회전체;
    상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링이 장착되며, 상기 회전체의 적어도 일부분을 지지하거나 감싸는 하우징; 및
    상기 회전체에 일부가 결합되고 상기 하우징에 다른 일부가 결합되어 상기 회전체를 부양시키는 힘을 발생시키는 부양 유닛;
    을 포함하는 에너지 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부양 유닛은,
    상기 하우징 및 상기 회전체 중 어느 하나에 장착되는 영구자석; 및
    상기 하우징 및 상기 회전체 중 다른 하나에 장착되는 초전도체를 포함하며,
    상기 영구자석과 상기 초전도체의 상호 작용에 의해 상기 회전체를 부양시키는 에너지 저장 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및
    상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;
    을 포함하며,
    상기 커버 프레임 또는 상기 지지 프레임에 상기 영구자석 또는 상기 초전도체 중 어느 하나가 부착되고, 상기 회전체에 상기 영구자석 또는 상기 초전도체 중 다른 하나가 부착되는 에너지 저장 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 영구자석은 상기 회전체의 하단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 하부에 위치되도록 상기 지지 프레임의 상단부에 부착되는 에너지 저장 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전체의 하단부 및 상기 지지 프레임의 상단부는 상호 대응되는 계단식으로 마련되며,
    상기 회전체의 각 계단의 천정면 및 측면에는 단위 형태의 영구자석이 부착되고,
    상기 단위 형태의 영구자석의 배치에 대응되도록, 상기 지지 프레임의 각 계단의 저면 및 측면에는 단위 형태의 초전도체가 부착되는 에너지 저장 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 영구자석은 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 상부에 위치되도록 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착되는 에너지 저장 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 부양 유닛은 영구자석 및 초전도체를 포함하며,
    상기 하우징은,
    상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임;
    상기 지지 프레임 및 상기 회전체를 덮는 커버 프레임을 포함하고,
    상기 지지 프레임의 상단부에 상기 초전도체가 부착되고 상기 회전체의 하단부에 영구자석이 부착되며,
    상기 회전체의 상단부에 상기 영구자석이 부착되고 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 상기 초전도체가 부착되는 에너지 저장 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 초전도체를 냉각시키기 위한 냉각 물질을 제공하는 냉각부를 더 포함하는 에너지 저장 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 초전도체가 장착된 영역으로 상기 냉각 물질을 제공한 후 회수하는 순환 라인;
    상기 순환 라인 상에 마련되어 상기 냉각 물질을 액화시키는 액화부재; 및
    상기 순환 라인을 통해 상기 냉각 물질이 이동할 수 있도록 상기 냉각 물질을 펌핑시키는 펌핑부재를 포함하는 에너지 저장 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 부양 유닛은 상기 하우징 또는 상기 회전체 중 어느 하나 및 다른 하나에 상호 대응되게 장착되는 적어도 한 쌍의 영구자석을 포함하며,
    상기 적어도 한 쌍의 영구자석은 상호 같은 극을 같거나 상호 다른 극을 갖는 에너지 저장 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및
    상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;
    을 포함하며,
    상호 같은 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 지지 프레임의 상단부에 부착되고 다른 하나는 상기 회전체의 하단부에 부착되는 에너지 저장 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및
    상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;
    을 포함하며,
    상호 다른 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 다른 하나는 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착되는 에너지 저장 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및
    상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;
    을 포함하며,
    상호 같은 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 지지 프레임의 상단부에 부착되고 다른 하나는 상기 회전체의 하단부에 부착되고,
    상호 다른 극을 갖는 한 쌍의 영구자석 중 하나는 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 다른 하나는 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착되는 에너지 저장 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 베어링은 상기 회전축의 상단부 및 하단부에 각각 배치되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 볼 베어링인 에너지 저장 장치.
  15. 전기 발생부에 의해 발생되는 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하거나 저장된 회전 운동 에너지를 상기 전기 발생부에 제공하며, 회전축을 구비하는 회전체;
    상기 회전축을 회전 가능하게 지지하며, 상기 회전체의 적어도 일부분을 감싸는 하우징;
    상기 회전체 및 상기 하우징 중 어느 하나에 장착되는 영구자석;
    상기 영구자석과 마주보도록 상기 회전체 및 상기 하우징 중 다른 하나에 장착되는 초전도체; 및
    상기 초전도체를 냉각시키기 위한 냉각 물질을 제공하는 냉각부;
    를 포함하는 에너지 저장 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하우징은,
    상기 회전축의 하단부가 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임; 및
    상기 지지 프레임 및 상기 회전체의 적어도 일부분을 덮는 커버 프레임;
    을 포함하며,
    상기 커버 프레임 또는 상기 지지 프레임에 상기 영구자석 또는 상기 초전도체 중 어느 하나가 부착되고, 상기 회전체에 상기 영구자석 또는 상기 초전도체 중 다른 하나가 부착되는 에너지 저장 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 영구자석은 상기 회전체의 하단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 하부에 위치되도록 상기 지지 프레임의 상단부에 부착되는 에너지 저장 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 영구자석은 상기 회전체의 상단부에 부착되고, 상기 초전도체는 상기 영구자석의 상부에 위치되도록 상기 커버 프레임의 상부벽의 내면에 부착되는 에너지 저장 장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 초전도체가 장착된 영역으로 상기 냉각 물질을 제공한 후 회수하는 순환 라인;
    상기 순환 라인 상에 마련되어 상기 냉각 물질을 액화시키는 액화부재; 및
    상기 순환 라인을 통해 상기 냉각 물질이 이동할 수 있도록 상기 냉각 물질을 펌핑시키는 펌핑부재를 포함하는 에너지 저장 장치.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 회전축의 상단부 및 하단부에 각각 배치되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 볼 베어링을 포함하는 에너지 저장 장치.
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