There have been a lot of efforts to apply the high-temperature superconductor (HTS) to practical uses since it was found. One of the HTS applications is the HTS bearing, which is a non-contacting bearing with extremely low frictional losses and requires no active control. A flywheel energy storage system can be operated with very high efficiency when it employs the HTS bearing, and many studies on HTS flywheel energy storage systems have been conducted. Most of the previous studies for this energy system focus on a large capacity energy storage, and some of them are interested in a special application such as an integrated energy storage and attitude control system for a spacecraft. The flywheel energy storage system can execute an attitude control function as a momentum wheel or a gyroscope because it stores electrical energy into rotational kinetic energy of the flywheel through a motor. The flywheel energy storage system also offers advantages such as high energy density and a great number of charge/discharge cycles.
The present study emphasizes small capacity energy storage for small-sized systems such as, micro/nano sattlites. While the ultimate goals are for both a micro energy storage system and an attitude control system as a momentum wheel for small satellites, this work is concentrated on an energy storage function. The micro HTS flywheel energy storage system has different configurations compared with a large system in terms of the motor/generator as well as the size of the flywheel. From the viewpoint of system compactness, the motor/generator should be designed such that axial flux type planar stator is located under the flywheel as this configuration occupies minimal volume. The operating frequency should also be increased so as to greater energy storage since the moment of inertial of the flywheel decreases according to the square of its radius. The fabrication of a planar stator with less volume is also discrepant with the conventional winding method. From this point of view, the approach for a micro system should be somewhat different from a large system.
This paper introduces the development of a micro HTS flywheel energy storage system and operation results. The idling characteristics of the flywheel energy storage is very important since it determines the efficiency for energy storage function. In the preliminary operating test, the idling characteristics of the flywheel was very poor on account of several reasons, including non-axisymmetry of magnetic field. Causes and solutions are considered and improved system based on the solutions verifies the analysis for the HTS bearing in this work.
고온 초전도체가 발견된 이후, 여러 가지 응용에 대한 연구가 활발한데 기계적인 응용으로 자기부양을 이용한 무접촉 베어링에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 2종 초전도체에 속하는 고온 초전도체는 초전도성을 띄는 임계 온도 이하에서 초전도체 내부로 들어오는 자속(magnetic flux)을 대부분 밀어내고(diamagnetic effect) 그중 일부를 내부에 붙잡아 두는 성질(flux pinning effect)이 있는데, 이를 통해 자석이 능동 제어가 필요 없이 안정적으로 초전도체 위에 뜰 수 있게 된다. 이러한 현상을 이용한 것이 바로 초전도 베어링이다. 초전도 베어링은 베어링의 마찰력을 최소화함으로써 플라이휠 에너지 저장 장치에 큰 이점을 주어 초전도 베어링을 이용한 플라이휠 에너지 저장 장치가 에너지 저장 기술의 중요한 한 분야로 자리 잡게 해 주었다.
플라이휠 에너지 저장 장치는 전기 에너지를 플라이휠의 회전 운동 에너지로 저장했다가 발전기를 통해 저장된 에너지를 다시 전기 에너지로 추출할 수 있는 장치로서, 전기 부하 변동의 완충장치나 순간적인 에너지 저장 장치로 개발되어 왔다. 플라이휠 에너지 저장 장치는 에너지를 변환 하는 모터/발전기의 변환 효율과 플라이휠의 회전을 지탱해주는 베어링의 성능에 따라 전체 효율이 크게 좌우된다. 기존에 많이 사용하고 있던 기계적인 베어링의 일정한 마찰 손실로 인해 플라이휠 에너지 저장 장치는 short-term storage로 이용될 수 밖에 없었으나 잘 설계된 초전도 베어링을 채용할 경우, 에너지 저장 손실률을 매우 줄일 수 있다.
기존의 초전도체를 이용한 플라이휠 에너지 저장 장치에 관한 연구는 대부분 대용량의 에너지 저장에 초점을 두고 있고[3-6], 일부는 우주 공간에서의 비행체에 적용되는 에너지 저장 기능과 비행체의 자세제어 기능을 통합 장치와 같이 특수한 응용에 대해 관심을 두고 있다. 예를 들어, 근래에 많이 개발되고 있는 초소형 인공위성에 관한 연구에서는 2차 전지와 같은 기존의 에너지 저장 매체의 충ㆍ방전 횟수의 제한이나 낮은 에너지 밀도로 인한 무게 증가 등이 중요한 해결 과제인데, 이를 해결하기 위한 노력의 하나로 일부에서는 초전도체를 이용한 초소형 플라이휠 에너지 저장 장치를 그 해결 방안으로 모색하고 있다. 초전도체를 이용한 에너지 저장 장치는 중량에 대한 에너지 밀도가 대단히 높은 편이며 충ㆍ방전 가능 횟수가 매우 크다. 또한 인공위성의 자세를 제어하는 관성 휠(momentum wheel)로써의 동시 기능이 가능해 시스템의 간결화와 중량 감소에 더욱 유리하다.
본 연구는 초전도체 베어링을 이용한 초소형 플라이휠 에너지 저장 장치의 개발에 목적이 있으며, 기존의 계략적인 개념 설계를 바탕으로 3차에 걸친 실험을 통한 상세 설계, 제작 및 실험, 시스템 분석 및 개선 과정 등의 내용을 포함하고 있다.
