초전도 자기 에너지 저장(SMES)
초전도 자기 에너지 저장, 즉 SMES는 전기를 자기장 에너지로 직접 저장하는 장치다. 초전도 코일에 직류를 흘리면 저항이 없어 전류가 줄지 않고 에너지가 보존된다. 구성은 초전도 코일, 전력변환장치, 극저온 냉각장치의 세 부분이다. 전력변환장치는 교류 계통과 직류…
주요 장면
대본
무엇인가
초전도 자기 에너지 저장, 즉 SMES는 전기를 자기장 에너지로 직접 저장하는 장치다.
초전도 코일에 직류를 흘리면 저항이 없어 전류가 줄지 않고 에너지가 보존된다.
구성
구성은 초전도 코일, 전력변환장치, 극저온 냉각장치의 세 부분이다.
전력변환장치는 교류 계통과 직류 코일 사이를 잇는 인버터와 컨버터다.
냉각장치는 코일을 임계온도 이하로 유지하고, 제어장치는 충방전을 조정한다.
에너지 식
저장 에너지는 인덕턴스와 전류의 제곱에 비례한다.
E는 저장 에너지, L은 코일 인덕턴스, I는 코일 전류다.
그래서 전류가 두 배가 되면 에너지는 네 배가 된다.
계산 예제
저장 에너지는 인덕턴스와 전류로 계산한다. 아래 값은 가상의 예다.
전류 1,000 A와 인덕턴스 2 H를 넣으면 E는 1×10⁶ J, 즉 1 MJ이다.
1 kWh는 3.6×10⁶ J이므로 이 에너지는 약 0.28 kWh다. 소용량 단시간 보상에 맞는 크기다.
전류가 두 배가 되면 에너지는 몇 배가 될지 직접 구해 보자.
정답은 네 배다. 에너지는 전류의 제곱에 비례하기 때문이다.
헷갈리는 점
헷갈리기 쉬운 것은 선재의 종류다. 저온초전도 LTS와 고온초전도 HTS를 구분한다.
HTS는 액체질소 온도 이상에서 동작할 수 있어 냉각 설비 부담을 줄인다.
LTS는 높은 자기장에서 동작 특성이 좋아 상용 SMES에 주로 쓰인다.
응용과 한계
SMES는 수 밀리초 안에 충방전이 가능해 순간 전력 보상에 쓰인다.
대표 응용은 순간전압강하 보상, 계통 안정화, 마이크로그리드 모드 전환 보상이다.
단점은 선재 가격과 냉각 비용이라서, 단시간 대출력 응용에 집중하는 방향이 현실적이다.
정리
마지막으로 핵심을 정리한다.
SMES는 전류가 감쇠하지 않는 코일에 에너지를 저장해 응답이 빠른 장치다.
답안에는 원리, 구성, 응용을 함께 써야 점수를 얻기 쉽다.