하이브리드 베어링을 이용한 대용량 플라이휠 에너지 저장장치의 성능평가장치 설계

Abstract

플라이휠 에너지 저장장치는 저마찰식 베어링으로 지지되어 있는 회전체를 진공상태에서 전동/발전기를 이용하여 고속으로 회전, 전기 에너지를 기계적 에너지로, 또는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다.[1] 에너지 저장장치의 고용량화로 인하여 플라이휠 저장 장치가 대형화 및 고속화되면서 지지부의 부담이 가중되고, 시스템 제어의 불안정성 문제가 대두되고 있다. 플라이휠 에너지 저장장치는 회전체의 안전설계, 시스템의 안정적인 운용, 파손에 따른 시스템 보호장치 구축을 고려하여 개발된다. 회전체의 안전설계는 시스템 개발 시 요구되어지는 사양을 바탕으로한 안전계수의 선정, 그리고 스핀테스트 및 파손 스핀테스트를 통한 회전체 검증을 통하여 수행된다. 안전적인 시스템 운용은 실제 장치의 가동 시 지지부의 제어를 통한 진동방지와 예상치 못한 사고에 대한 실시간 관측을 의미 한다. 마지막으로 파손의 안정성은 회전체의 파손 및 이탈에 대한 장치 외벽의 안정성을 의미하고 일반적으로 테스트 피트를 이용하여 위험성을 제거한다. 본 연구에서는 플라이휠 에너지 저장장치 개발 시 고려되는 시스템의 초기 설계, 운용 및 구성방법에 대하여 논하였고, 회전실험 및 실시간 로터의 이상관측 장치를 이용한 파손 스핀테스트를 통하여 회전체의 설계안을 검증하였다. 중형 플라이휠 회전장비를 구축하여 저강성 베어링에 따른 로터의 동적 거동을 분석하였으며, 비접촉 베어링에서 발생한 제어 문제로 인한 시스템 대형화의 어려움을 해결하기 위하여 하이브리드 베어링을 이용한 대용량 플라이휠 에너지 저장장치의 성능평가 시스템을 설계하였다. 플라이휠 에너지 저장장치는 구조적 상사성을 가지고 있다. 형상에 따른 비례계수에 의하여 회전속도, 경화온도, 간섭량의 특성관계를 통해 동일한 응력을 갖는 회전체의 설계가 가능하다. 형상비례에 따른 상사계수는 회전체의 운전속도에 따른 임계속도 변화, 그리고 비접촉 지지장치인 능동형 자기베어링의 강성 및 전동/발전기의 토크, 파워와의 관계에 동일하게 적용된다. 최적화된 소형로터의 설계로부터 대용량 고속 회전장치의 기초설계가 가능하여 안전적인 설계가 가능한 형상비례 설계법을 제안하였다. 제안된 회전체의 형상비례 관계는 다양한 형태의 복합재 로터 설계안을 통하여 검증된다. 플라이휠 로터는 강체 모드를 기준으로 동적 특성을 나타낸다. 회전속도는 1차 굽힘모드 이하에서 설계되어, 저속회전 시 능동형 자기 베어링의 낮은 강성에 의하여 나타나는 병진운동, 원추운동 그리고 축방향 운동이 시스템의 주 진동원이 된다. 플라이휠 로터의 동적 특성을 확인하기 위하여 5축 능동형 자기베어링, BLDC 전동/발전기, 진공챔버 및 펌프로 구성된 회전시스템을 구축하였다. 10kWh 플라이휠 로터를 5,000rpm 까지 회전시켜 저속 진동모드의 해석치와 실험치를 비교 분석하였다. 플라이휠 에너지 저장장치는 회전체의 파손 및 외란에 의한 불안정성을 내재하고 있다. 장치 운용 시 회전체의 안정성을 확보하기 위해 회전하는 로터의 기계적 변형률을 무선으로 측정할 수 있는 비접촉식 모니터링 시스템을 구축하였다. 모니터링 시스템은 스트레인 게이지와 무선송수신 장치를 이용한 링타입 텔레메트리 시스템과 변형률 측정량에 따라 단일 광섬유에 다량의 센서 부착이 가능하고, 신호잡음이 적은 광섬유 격자 센서와 반경방향으로 집광∙ 시준기(c-lens collimator) 및 응답기(interrogator)로 구성된 반경방향 광학 커플러(Radial Optical Rotary Coupler)의 두 종류로 개발이 이루어 졌다. 설계된 플라이휠 로터의 안전계수는 회전실험 및 파손실험을 통하여 검증된다. 5kWh 플라이휠 로터를 이용하여 최대 회전속도 18,000rpm에서 안전하게 회전함을 확인하였고, 파손속도 22,000rpm 보다 10% 낮은 약 20,000rpm에서 허브의 파손이 발생함을 확인하였다. 파손실험 시 모니터링은 회전속도에 따른 스핀들의 변위와 텔레메트리 시스템을 이용한 복합재 로터 표면의 기계적 변형율을 측정하였다. 측정된 원주방향 변형율과 반경방향 변형율은 해석치와 유사함을 확인하였다. 마지막으로 다양한 실험을 통하여 얻어진 설계기술을 바탕으로 대용량 플라이휠 에너지 저장장치용 성능평가 장치의 구성요소인 에너지를 저장하는 회전부, 강체모드 제거를 통해 운용 안정성을 높인 하이브리드 베어링 지지부, 로터를 회전시키는 구동부, 회전, 정지 및 제어이탈 시 지지하는 보조 베어링의 설계 구축안을 제시하였다. 본 논문에서는 형상비례를 이용한 대용량 플라이휠 에너지 저장장치의 설계 방법을 제안하고, 회전/파손 실험을 통하여 플라이휠 로터의 설계 안전계수 검증, 회전체의 동적 거동을 해석과 실험을 통하여 비교 분석하고, 대용량 플라이휠 에너지 저장장치의 성능평가 장치 설계를 수행하였다.