Abstract
Large scale superconducting magnetic energy storage (SMES) system requires very high magnetic energy density in its superconducting coils to enhance the energy capacity and efficiency of the system. The recent high temperature superconducting (HTS) conductors, so called 2G conductors, show very good performance under very high magnetic field so that they seem to be perfect materials for the large scale SMES coils. A general shape of the coil system with the 2G HTS conductor has been a tor oid, because the magnetic field applied perpendicularly to the surface of the 2G HTS conductor could be minimized in this shape of coil. However, a toroid coil requires a 3-dimensional computation to acquire the characteristics of its critical current density - magnetic field relations which needs very complicated numerical calculation, very high computer specification, and long calculation time. In this paper, we suggested an analytic and statistical calculation method to acquire the maximum magnetic flux density applied perpendicularly to the surface of the 2G HTS conductor and the stored energy in the toroid coil system. Although the result with this method includes some errors but we could reduce these errors within 5 percent to get a reasonable estimation of the important parameters for design process of the HTS toroid coil system. As a result, the calculation time by the suggested method could be reduced to 0.1 percent of that by the 3-dimensional numerical calculation.
대용량 초전도 에너지저장장치(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)용 초전도 권선을 제작하기 위해서는 높은 자장특성을 가고 있는 2세대 고온초전도 (2nd Generation High-Temperature Superconductor, 2G HTS) 선재를 사용하는 것이 효율적이다. 자기에너지 저장 밀도를 높이기 위해서는 권선에 높은 전류밀도를 인가해야 하는데, 도체의 평면에 수직 방향으로 인가되는 자속밀도가 커지면 임계전류가 작아지는 2세대 HTS 선재의 특성상 토로이드 형태의 권선을 구성하는 것이 일반적이다. 이러한 고온초전도 권선을 설계하기 위해서는 권선 특성의 정확한 해석이 필요한데 이를 위해 유한요소법을 사용한 프로그램을 이용하여 해석이 가능하나 토로이드 형태의 권선은 대칭성의 문제로 3차원 해석을 해야만 하며, 이는 모델링에 많은 어려움과 높은 컴퓨터 사양, 그리고 매우 긴 계산 소요시간이 필요함을 의미한다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 분석적이고 통계적으로 고온 초전도 코일에서 작용하는 최대 수직자장과 저장된 에너지를 결정하는데 이해하기 쉽고 효율적으로 계산하는 방법을 제시했다. 이 방법은 현저한 시간단축과 효율적인 설계를 할 수 있는 새로운 계산 방법으로 기존의 유한요소법에 의해 소요되는 계산 시간에 비해 1/1000정도로 계산시간 단축을 할 수 있었다.
