초전도 전력기기 종류 5가지

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초전도 전력기기는 전력 전달과 저장 효율을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 이는 미래 에너지 시스템에서 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 이 글에서는 초전도 케이블, 발전기, 변압기, 한류기, 그리고 SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage) 등 다양한 초전도 전력기기의 정의와 구조, 특징에 대해 자세히 알아보겠습니다.

Table of Contents

초전도 케이블

정의

초전도 케이블은 전력 송전의 효율성을 극대화하기 위해 기존의 구리 도체 대신 고온 초전도체를 사용한 케이블입니다. 이러한 케이블은 대도시에서 발생하는 전력 공급 문제를 해결할 수 있는 환경친화적인 솔루션으로 주목받고 있습니다.

구조

초전도 케이블의 구조는 구리 포머, 초전도 선재, 절연층, 차폐층, 그리고 단열 진공관(재킷)으로 구성됩니다. 이러한 복합 구조는 전력 손실을 최소화하고 송전 효율을 극대화하는 데 중요한 역할을 합니다.

특징

고온 초전도 전력 케이블의 냉매: 헬륨보다 저렴한 액체질소를 냉매로 사용하여 경제성을 높이며, 온도 차이가 적어 관로의 구조를 단순화할 수 있습니다.
저전압 대용량 송전: 154[kV] 또는 22.9[kV]의 저전압으로도 대용량 송전이 가능하여 기존 변전소의 고전압 설비를 간소화할 수 있습니다.
송전 손실 감소: 기존 케이블 대비 대전류를 전송할 수 있으며, 교류 손실이 1/20로 감소하고 송전 용량이 3배 이상 증가합니다.
송전 비용 절감: 저전압으로 송전이 가능해지면서 송변전 기기 간소화 및 가격 절감, 충전전류 감소로 인한 전체 시스템 비용 절감이 가능합니다.
관로의 소형화: 송전 능력이 높아져 관로 직경을 60%까지 축소할 수 있으며, 별도의 냉각장치가 필요 없으므로 공간과 공사비도 절감됩니다.
장거리 송전 가능: 충전 전류가 작아져 장거리 송전에서의 제약이 해소됩니다.

초전도 발전기

정의

초전도 발전기는 초전도 선을 발전기의 권선으로 사용하여 효율을 극대화한 발전기입니다. 일반적으로 계자권선을 초전도화하여 직류 전류를 흘리는 교류 발전기로 사용됩니다.

구조

초전도 발전기의 주요 구성 요소로는 냉동기, 액체헬륨 급배장치, 라디에이션 실드, 전기자권선, 계자권선, 저온 로터, 상온 로터, 진공층 등이 있습니다. 이러한 구조는 발전기의 효율성을 극대화하고 열 손실을 최소화하는 데 중요한 역할을 합니다.

특징

초전도 계자권선: 니옵티탄을 사용한 계자권선은 액체헬륨 온도(4.2[K])에서 초전도 상태를 유지합니다.
냉각 및 단열: 효율 유지를 위해 회전자는 냉각과 단열 기능이 추가되어 있으며, 회전자 내부는 진공 처리되어 열 손실을 최소화합니다.
라디에이션 실드: 방사열에 의한 침입열을 경감하기 위해 설치되어 있습니다.
헬륨 급배 장치: 회전자에 액체 헬륨을 공급하고 회수하는 장치로서, 초전도 발전기의 안정적인 운영을 지원합니다.

초전도 변압기

정의

초전도 변압기는 기존의 구리 권선을 초전도 선재로 대체한 변압기로, 냉매로는 액체질소를 사용합니다. 이로 인해 크기와 중량이 크게 감소하며, 에너지 효율이 향상됩니다.

필요성 및 특징

크기 및 중량 감소: 초전도 변압기는 일반 변압기보다 약 50% 크기를 줄일 수 있으며, 절연체 두께 감소와 절연유 순환 설비 불필요로 추가적인 비용 절감이 가능합니다.
손실 저감: 초전도체의 특성상 저항이 0이므로 동손이 발생하지 않으며, 액체질소의 우수한 절연 특성 덕분에 손실이 최소화됩니다.
안전성: 냉매가 안정되어 있어 화재 및 폭발 위험이 없으며, 수명과 정격 용량도 크게 증가합니다.
향후 전망: 도심지 지하 발전소나 해상 풍력 발전 단지 변전소에 활용될 가능성이 큽니다.

초전도 한류기(Superconducting Fault Current Limiter)

정의 및 역할

초전도 한류기는 전력 계통에서 단락 고장 시 고장전류를 제한하기 위해 사용하는 장치입니다. 고온 초전도 전선을 냉각하여 저항을 0에 가깝게 만든 후, 단락 발생 시 저항이 원래대로 돌아와 고장 전류를 제한합니다.

특징 및 영향

저항형 한류기: 고온 초전도 전선을 냉각시켜 저항을 0으로 만들며, 단락 시 줄열이 발생하여 초전도 현상이 깨지고 저항이 증가하여 고장 전류를 제한합니다.
전력 계통에 미치는 영향:

장점: 차단기 내력 증가 억제, 열적 및 기계적 강도 경감, 계통 신뢰도 향상 등
단점: 송전용량 감소, 전력손실 증가, 직렬 공진 발생 가능성 등

SMES(Super Conducting Magnetic Energy Storage)

정의

SMES는 초전도 코일의 자기 인덕턴스에 전력을 저장하고 필요 시 이를 계통에 공급하는 에너지 저장 시스템입니다. 이 시스템은 잉여 전력을 장시간 저장할 수 있으며, 전력 계통의 안정성을 높이는 데 기여합니다.

구조 및 주요 구성 요소

AC-DC 변환기: 교류 전력을 직류로 변환하여 초전도 코일에 저장합니다.
초전도 코일: 전자기 에너지를 무손실로 저장하기 위해 초전도체로 제작되며, 주로 트로이드형이 사용됩니다.
영구 전류 스위치: 에너지 저장 후 폐회로를 형성하여 에너지를 저장하며, 저항이 최소화된 스위치로 제작됩니다.
냉동기: 초전도 상태 유지를 위해 액체 헬륨으로 코일을 냉각시킵니다.

SMES의 특징

높은 에너지 저장 효율: 빠른 입출력 속도와 높은 저장 효율을 자랑하며, 전력 계통의 다양한 문제를 해결할 수 있는 가능성을 지니고 있습니다.
다양한 응용 가능성: 부하 평준화, 전력 계통 안정성 향상, 주파수 조정, 정전 대응 등 다양한 응용이 가능합니다.

이상으로 초전도 전력기기인 초전도 케이블, 발전기, 변압기, 한류기, 그리고 SMES에 대해 알아보았습니다. 초전도 전력기기는 전력 전달의 효율성을 극대화하고 전력 계통의 안정성을 높이는 중요한 기술로, 앞으로 더욱 발전할 것으로 기대됩니다.

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