플라이휠 에너지 저장장치용 돔형상 복합재 허브의 설계 및 제작

Abstract

플라이휠 에너지 저장 장치(Flywheel energy storage system)는 잉여의 전기에너지를 회전체의 관성에너지형태로 저장한 다음, 필요 시 이를 전기에너지로 전환하여 사용하는 에너지 저장 장치이다. 플라이휠 에너지 저장장치는 관성에너지를 저장하는 플라이휠 로터(Flywheel rotor), 이를 지지하는 지지베어링, 회전 및 발전을 담당하는 전동/발전기, 전기에너지의 입/출력과 제어를 담당하는 전장부, 시스템의 진공밀폐 및 안전을 위한 챔버로 구성되어 있다. 플라이휠 에너지 저장 장치는 단위무게당 에너지 밀도가 높고 수명이 반영구적이며 순간적인 충전과 방전이 가능한 장점이 있다. 본 연구에서는 플라이휠 에너지 저장 장치에서 가장 핵심이 되는 복합재료 플라이휠 로터 및 허브의 설계와 제작기술을 제안하였다. 플라이휠 로터는 에너지 저장밀도를 높이기 위해서 비 강도와 비 강성이 우수한 복합재료를 사용한다. 섬유가 원주방향으로 적층 된 로터는 고속회전 시 층간 분리 파손을 발생시기 때문에 이를 줄이는 것이 로터 설계의 핵심 기술이다. 본 연구에서 4개의 림(Rim)으로 구성된 하이브리드 복합재 플라이휠 로터의 세가지 설계 안을 제시하였다. 각각의 림은 에폭시 수지를 기지로 탄소섬유와 유리섬유의 체적비율을 조절하여 원주방향 강성을 다양하게 선택할 수 있다. 로터를 조립 할 때(Press-fit)와 로터가 회전할 때 두 상태에서 로터의 최대강도비(Maximum strength ratio)가 최소가 되도록 최적 설계를 수행하였다. 최적설계에서 주어진 조건은 최대에너지, 회전 속도, 로터의 내경과 높이이다. 제작 비용과 강도비(Strength ratio)를 고려하여 두 개의 림을 묶어서 한 쌍으로 같이 와인딩하고, 나머지 두 개의 림을 한 쌍으로 같이 와인딩하고, 두 쌍의 림 사이에 간섭량을 주어 억지끼워맞춤하는 방법을 선택하였다. 설계된 로터는 35kWh의 에너지 저장용량을 가지며 최대회전속도 12krpm 으로 회전한다. 로터의 응력해석 결과 로터 내경은 0.52 %의 원주방향 변형률을 가진다. 이 변형률은 허브(Hub)의 허용 인장 변형률을 초과하기 때문에 회전 시 허브의 원주 방향 변형률을 줄일 필요가 있다. 허브와 로터 사이에 간섭량을 적용하여 정지 시 허브에 0.26% 압축 변형률을 줘서 회전 시 0.26% 인장 변형률이 발생하게 하여 필요한 0.52% 인장 변형률을 만족하며 동시에 허브의 허용 인장 변형률을 초과하지 않는 설계 기술을 제안하였다. 본 연구에서는 설계된 하이브리드 복합재 다층림 플라이휠 로터에 적용하기 위해 복합재 돔 형상 허브(Composite Dome type Hub)를 제안하였다. 제안된 돔 허브는 필라멘트 와인딩 방법(Filament winding method)으로 제작이되고 필라멘트 와인딩 방법은 맨드럴의 형상에 따라 섬유의 각도가 결정이 되기 때문에 이를 고려하여 허브설계를 수행하였다. 돔 형상 허브는 메인 돔(main dome), 첫 번째 보강 층(1st reinforced layer), 두 번째 보강 층(2nd reinforced layer)으로 3개의 층으로 구성하였다. 회전 시 로터와 허브가 이탈되지 않도록 각 층들의 원주방향 강성은 로터의 원주방향 강성 보다 작게설계하였고 원주방향 강성은 탄소섬유와 유리섬유의 체적 비와 파이버 각도로 결정하였다. 설계된 허브는 필라멘트 와인딩 기법으로 제작하고 억지끼워맞춤을 이용하여 로터에 조립하였다. 이때 허브의 압축 변형률을 측정하여 실제 허브와 로터의 간섭량을 예측하였다. 본 연구에서 제안한 복합재 돔 허브와 로터의 성능을 검증하기 위해 길이방향 축소모델을 제작하여 회전 실험을 수행하였다. 축소모델은 실험속도 17,000rpm까지 회전하여 하이브리드 복합재 로터와 허브의 정적 안전성을 검증하였다. 무선데이터 송수신 장치를 이용하여 돔 허브의 변형률을 9,700 rpm까지 측정하였고 예측한 로터의 변형률과 비교하여 돔 형상 허브 설계의 신뢰성을 확보하였고 제작된 돔 형상 허브의 안전성을 검증하였다.