즉각적인 에너지 - 플라이휠의 효율을 높이는 진공 공정

즉각적인 에너지 - 플라이휠의 효율을 높이는 진공 공정

플라이휠은 운동 에너지를 저장하여 이를 즉시 다시 방출합니다. 대량의 에너지가 즉시 필요한 경우에 이상적입니다. 진공 공정은 이 기술의 효율을 더욱 높입니다.

모든 어린이는 바퀴를 땅에 대고 2~3번 움직였다 놓으면 윙 소리를 내며 플라이휠에 의해 앞으로 움직이는 장난감 자동차의 태엽 감기라는 물리적 원리에 익숙합니다. 아이의 손이 차를 밀면 휠에 연결된 작은 금속 디스크가 빠르게 회전합니다. 몇 그램에 지나지 않는 판금의 회전 에너지면 놀이방에서 경주를 펼치기에 충분합니다.

실행 성능을 최적화하는 진공 공정

그러나 플라이휠은 단순한 장난감, 그 이상입니다. 오늘날의 여러 응용 기술 중 플라이휠은 주 전원 공급 장치의 공급 변동을 완화하고, 일시적으로 제동 에너지를 저장하는 데 사용됩니다. 진공은 플라이휠 기술을 더욱 효율적으로 사용할 수 있도록 하기 위해 적용됩니다. 회전수와 회전 속도가 증가하면 공기 저항과 공기 난류 영향도 높아지기 때문입니다. 이로 인해 속도가 줄어들면서 회전 저장 장치의 성능이 크게 저하되며, 마찰열을 형성시켜 고급 플라스틱 플라이휠마저도 망가뜨릴 수 있습니다. 이러한 현상은 휠이 고진공 상태 및 공기 저항이 없는 캡슐형 하우징에서 회전하면 방지될 수 있습니다. 또한, 공회전 상태에서 불가피한 에너지 손실을 최소화하고 플라이휠의 효율도 높아집니다.

마찰 손실을 최소화하기 위해 회전축으로 일반적인 볼 베어링이 아닌 자기 베어링도 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이는 휠축이 자기장 안에 떠있어, 마찰 없이 동작할 수 있습니다.

속도의 중요성

플라이휠은 움직이는 물체에 있는 에너지를 저장하므로, 일반적인 플라이휠은 주로 금속으로 만들어져 다소 무겁습니다. 제한 요인은 각속도라고 하는 것으로, 이른바 휠의 외측 가장자리가 회전하는 속도를 말합니다. 속도가 증가하면 원심력도 증가하고, 결국 재료가 한계에 도달해 파열될 수 있습니다. 따라서, 플라이휠에 많은 양이 필요하지 않은 고강도 탄소 섬유 재료를 사용하는 추세입니다.

회전 질량의 에너지양은 회전 속도의 제곱씩 증가합니다. 이는 에너지 저장 능력이 더 무겁거나 큰 디스크 보다, 더 빠른 속도로 회전할 때 더욱 효과적으로 늘어날 수 있다는 뜻입니다. 섬유 강화 플라스틱은 가볍고, 1분당 최대 100,000회 회전의 매우 빠른 회전을 견딜 수 있는 강도를 가집니다.

Porsche 918 RSR, 진공 챔버의 플라이휠 발전기 | 'porsche 918 rsr' by cmonville, used under CC BY 2.0

신뢰할 수 있는 입증된 기술

운동 에너지의 즉각적인 저장소로서의 플라이휠의 원리는 다양하게 응용되어 사용됩니다. 그리스 로마 시대 도자기 돌림판이나 산업 혁명 시기의 증기 기관, 오늘날 경주용 자동차에서 구동 장치로 사용됩니다. FIA 규정에 따라, 제동 시 충전하고 가속 시 다시 방전하는 플라이휠 에너지 저장소의 사용이 허용됩니다. 플라이휠 에너지 저장소가 장착된 2대의 아우디 R18 e-tron quattro 차는 2012년 르망에서 열린 24시간 경주에서 1, 2위를 차지하기도 했습니다.

그러나 대개 오늘날의 플라이휠은 주전원의 변동을 완화하기 위한 발전기의 구동 장치로 사용됩니다. 모든 기관 및 설비 교란의 97%는 3초 미만으로 지속되며 이러한 시간으로는 디젤 구동 비상 장치를 원하는 속도로 끌어올릴 수 없습니다. 반대로 플라이휠 발전기의 에너지는 1000분의 1초 이내에 이용할 수 있습니다. 주전원의 짧은 변동을 보상하고 비상 동력 장치가 운영을 시작할 수 있을 때까지 완충 장치의 역할을 합니다.

Busch는 다양한 응용 분야에서 회전 저장소 장치를 위한 진공 기술을 공급하고 관리합니다.


융합 실험을 위한 높은 동력

플라이휠 발전기는 대량의 에너지에 신속하게 접근하는 데도 사용됩니다. 독일 가르힝의 막스 플랑크 플라즈 물리학 연구소(Max Planck Institute for Plasma Physics)의 ASDEX Upgrade 융합 실험이 그런 예입니다. 이 실험에서는 400톤의 플라이휠이 분당 3,000회의 회전 속도로 가속화됩니다. 그러면, 플라스마를 가열하기 위한 150MW의 전력을 10초 동안 공급할 수 있습니다.

음속의 3배

모터스포츠를 위해 개발된 탄소 섬유 플라이휠은 지름이 30밀리미터로 60,000번 회전합니다. 이는 외측 가장자리에서 음속의 3배 속도에 도달한다는 뜻입니다. 플라이휠은 봉인된 챔버의 진공 장치에서 회전하며, 전력은 전자 커플링(magnetic coupling) 통해 전도됩니다.


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