KR100792790B1

KR100792790B1 - 압축공기저장발전시스템 및 이를 이용한 발전방법

Info

Publication number: KR100792790B1
Application number: KR1020060079034A
Authority: KR
Inventors: 김영민; 파브라 다니엘; 신동길; 조규백
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-01-10
Also published as: CN101506469A; WO2008023901A1; US20090200805A1; JP2010501776A; CN101506469B; JP4690484B2; US7663255B2

Abstract

본 발명은 압축공기저장 발전시스템 및 발전방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 심야전기 및 잉여생산전기를 이용하여 지중에 매설된 탱크에 고압의 공기를 주입하고, 전력소모량이 많은 시간에는 탱크내의 고압공기가 일정하게 배출되도록 하여 발전기를 구동시킴으로써 에너지를 효율적으로 관리할 수 있도록 하는 압축공기저장 발전시스템 및 이를 이용한 발전방법에 관한 것이다.

본 발명의 발전시스템은 모터의 구동으로 외부의 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기와, 상기 압축된 공기를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 저장된 압축공기를 공급받아 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기와, 상기 연소된 가스에 의해 터빈을 구동시키고, 터빈의 구동으로 발전되는 발전기를 포함하는 압축공기저장발전시스템에 있어서, 상기 저장탱크는 제1저장탱크와 제2저장탱크로 분리구성하여 두 탱크 저면을 연결관으로 연통하고, 상기 제1저장탱크의 상측에는 유입구와 배출구를 형성하여 압축기로부터 압축공기가 유입하거나 저장탱크내의 압축공기를 배출하도록 하고, 상기 제1저장탱크과 제2저장탱크의 하부에는 저장수를 담수하여 제2저장탱크가 밀폐되어 축압기로 사용되도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 압축공기를 저장하는 저장탱크를 복수개로 구성하여 두 저장탱크의 저부를 연결관으로 연통시키고, 상기 두 탱크에는 저장수를 내포하도록 하여 두 탱크를 공간을 분할하도록 함으로써 연결관에 장착된 수압펌프가 저장수를 강제이송하여 일측의 밀폐된 저장탱크 공기를 고압상태로 하고 타측 저장탱크에는 원하는 압력의 압축공기를 주입하도록 한 것이다. 따라서, 연결관에 장착된 밸브를 개방하게되면 압력평형에 의해 밀폐공기가 팽창하면서 저장수는 수압모터를 통과하면서 압축공기가 담긴 탱크로 이동되고, 이동되는 저장수의 체적만큼 압축공기가 지속적으로 배출되도록 한 것이다. 저장수의 이동에 의해 압축공기 저장시와 배출시에 압축공기 저장탱크내의 압력을 일정하게 유지하여 압축기와 터빈의 효율을 극대화하는 기능을 수행하면서, 동시에 심야에는 축압기 기능을 하는 밀폐된 저장탱크에 수압식 에너지를 저장하고 주간에는 저장된 수압식 에너지를 이용해 발전을 하는 에너지 저장기능이 동시에 수행될 수 있는 친환경적인 시스템 및 발전 방법의 제공이 가능하게 되었다.

심야전기, 압축공기, 저장탱크, 펌프, 터빈

Description

압축공기저장발전시스템 및 이를 이용한 발전방법{Compressed Air Energy Storage Generation System and Power Generation method using it}

도 1은 본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템을 개략적으로 도시한 개략도

도 2a, 2b, 2c는 본 발명에 따른 저장조 내의 압력변화를 도시한 과정도

도 3은 본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템을 이용한 발전방법의 블록도

도 4는 종래 압축공기저장 발전시스템을 도시한 계략도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 압축공기저장 발전시스템 20 : 압축기

21 : 냉각기 30 : 저장탱크

31 : 제1저장탱크 32 : 제2저장탱크(축압기)

33 : 연결관 34 : 저장수

35 : 밀폐공기 36 : 압축공기

40 : 터빈 50 : 연소기

51 : 재생기 60 : 제2발전기

311 : 유입구 312 : 배출구

313 : 압력측정센서 331 : 수압펌프/모터

S1 : 펌핑단계 S2 : 압축공기주입단계

S3 : 배출단계 S4 : 발전단계

S5 : 압력제어단계 S6 : 수압발전단계

S7 : 열교환단계

심야전기란 전력사용량이 적은 심야시간인 밤 10시 이후부터 다음날 8시까지 또는 밤 11시 이후부터 다음날 9시까지만 사용하는 전기를 의미하며, 생산된 잉여전력을 공급하기 때문에 사용요금이 저렴하다. 따라서 심야전기를 이용하는 다양한 방법이 제시되고 있는바 대표적인 장치로는 심야전기를 축적시켜 사용하는 축열식 심야전기보일러 및 심야전기온수기 등이 있다. 이러한 장치는 야간에 심야전기를 축적하고, 주간에 축적된 에너지를 사용하여 대체적으로 주간에 편중된 전력소비량을 분산시키도록 한 것이다.

또한, 상기 심야전기를 이용하는 다른 방법으로는 지하 공동에 심야전기를 이용하여 압축공기를 축적시키고, 주간에 축적된 압축공기를 터빈에 공급하여 발전기가 구동되도록 하여 주간전력소비를 줄일 수 있도록 한 것이다.

그러나 종래의 심야전기를 이용한 압축공기저장(CAES; Compressed Air Energy Storage) 시스템은 도 4를 참조한 바와같이 심야전기를 이용해 구동하는 압축기(20)에 의해 압축된 공기를 저장탱크(30)에 주입시키고, 이를 전력소비량이 많은 시간대에 배출되도록 하여 배출된 압축공기를 연소기(50)에서 연료와 혼합연소시키고, 연소된 연소가스의 압력으로 터빈(40)을 구동시킴으로 인해 발전기가 구동되도록 한 것이다.

이러한 시스템은 심야전기를 이용하여 공기를 압축시켜 에너지를 변환하여 필요시 사용할 수 있도록 한 것이나, 압축공기가 지속적으로 배출됨으로 저장탱크 내의 압력이 점차적으로 저하됨으로 배출되는 압축공기의 압력도 점차적으로 낮아지게 되어 터빈구동효율이 저하되는 단점이 있다. 따라서, 저장된 압축공기를 일정한 압력으로 지속적인 배출이 가능하도록 한 장치의 개발이 절실히 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,

압축공기를 저장하는 저장탱크를 복수개로 구성하여 두 저장탱크의 저부를 연결관으로 연통시키고, 상기 두 탱크에는 저장수를 내포하도록 하여 내부공간을 저장수로 분할하도록 함으로써 심야전력을 이용해 공기를 압축·저장할 때 압축기와 연결된 일측의 저장탱크에 원하는 압력이 압축공기가 주입되면 압력상승을 감지하여 연결관에 장착된 수압펌프로 저장수를 강제이송하여 저장탱크 내의 압력을 일정하게 유지하고 동시에 타측의 밀폐된 제2저장탱크는 밀폐된 공기의 압축에 의한 수압식 에너지가 저장되는 축압기 기능을 갖도록 한 것이다. 또한, 주간에는 터빈과 연결된 일측의 저장탱크내의 압축공기가 배출되고 압력감소를 감지하여 연결관에 수압펌프는 역으로 수압모터로 작동하면서 저장수를 압축공기 저장탱크로 공급하여 저장탱크 내의 압력을 일정하게 유지하면서 동시에 수압모터를 통해 축압기에 저장된 수압식 에너지를 이용해 발전을 하도록 한 것이다.

따라서, 저장수의 이동에 의해 압축공기 저장시와 배출시에 압축공기 저장탱크내의 압력을 일정하게 유지하여 압축기와 터빈의 효율을 극대화하는 기능을 수행하면서, 동시에 심야에는 축압기에 수압식 에너지를 저장하고 주간에는 저장된 수압식 에너지를 이용해 발전을 하는 에너지저장기능이 동시에 수행될 수 있는 시스템 및 방법의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 압축공기저장 발전시스템은,

모터의 구동으로 외부의 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기와, 상기 압축된 공기를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 저장된 압축공기를 공급받아 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기와, 상기 연소된 가스에 의해 터빈을 구동시키고, 터빈의 구동으로 발전되는 발전기를 포함하는 압축공기저장발전시스템에 있어서, 상기 저장탱크는 제1저장탱크와 제2저장탱크로 분리구성하여 두 탱크 저면을 연결관으로 연통하고, 상기 제1저장탱크의 상측에는 유입구와 배출구를 형성하여 압축기로부터 압축공기가 유입하거나 저장탱크내의 압축공기를 배출하도록 하고, 상기 제1저장탱크과 제2저장탱크의 하부에는 저장수를 담수하여 제2저장탱크가 밀폐되어 축압기로 사용되도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 제1저장탱크와 제2저장탱크를 연통시키는 연결관에는 수압펌프/모터를 장착하여 펌프기능에 의해 제1저장탱크에서 제2저장탱크로 저장수를 강제 이송시키거나, 압력평형에 의해 고압상태의 제2저장탱크에서 저압상태의 제1저장탱크로 저장수가 이동되도록 할 수 있다.

또한, 상기 제1저장탱크에는 압력측정센서가 장착되어 센싱값과 설정값을 대비하여 수압펌프/모터를 작동시키도록 할 수 있다.

상기 제2저장탱크에 저장된 밀폐공기는 대기압상태로 저장된 제1저장탱크의 압축공기(36) 기압보다 일정크기 큰 기압을 갖도록 하여 제1저장탱크 내부가 대기압 상태일 때 저장수가 제1저장탱크에 90% 이상 담지되도록 한다.

그리고, 상기 수압펌프/모터에는 제2발전기를 더 장착하여 수압모터 기능시 제2저장탱크에 저장된 저장수의 이동에 의해 모터가 구동되어 발전이 이루어지도록 할 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 압축공기저장 발전시스템을 상세히 설명한 다.

도 1은 본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템을 개략적으로 도시한 개략도이고, 도 2a, 2b, 2c는 본 발명에 따른 저장조 내의 압력변화를 도시한 과정도이고, 도 3은 본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템을 이용한 발전방법의 블록도이다.

도 1에 도시된 바와같이 본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템(10)은 압축기(20)와, 압축기에 의해 압축된 공기를 저장하는 저장탱크(30)와, 상기 저장탱크에서 배출되는 압축공기로 구동되는 터빈(40)으로 구성된다.

상기 압축기(20)는 심야전기 또는 잉여공급전기로 모터를 구동시키고 모터의 구동으로 외부의 공기를 유입하여 압축시키는 것이다. 이러한 압축기는 하나 또는 다수개를 병렬로 설치하여 공기압축시간을 단축시키는 것이 가능하다.

다음으로 저장탱크(30)는 외부에 설치하거나 지중에 매설될 수 있는 것으로, 건물이 밀집한 도시에 건설할 때에는 지중에 매설하여 지상공간을 활용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 저장탱크(30)는 기본적으로 두개로 이루어지는 것으로, 필요에 따라 셋 이상으로 구성하여 용량을 증가시키거나, 탱크 자체의 부피를 증가시켜 용량을 증가시킬 수 있다.

도시된 바와같은 저장탱크(30)는 제1저장탱크(31)와 제2저장탱크(32)로 구성되고, 제1저장탱크(31)에는 상부에 압축기(20)로부터 압축된 공기를 주입받는 유입구(311)와 탱크 내부의 압축공기를 배출하는 배출구(312)가 형성되고, 상기 두 저 장탱크의 저부에는 연결관(33)이 서로 연통되어 있다. 또한, 상기 두 저장탱크의 내측하부에는 저장수(34)가 일정량 담수되어 있어 두 탱크사이에 유동이 이루어지도록 하고 있다. 즉, 밀폐되어 있는 제2저장탱크(32)는 상부에 밀폐공기(35)가 위치하고 하부에 저장수(34)가 위치하여 연결관(33)에 의해 저장수가 유입되면 상부 밀폐공기의 체적이 줄어들면서 밀폐공기(35)는 고압으로 되는 축압기 기능을 하는 것이다.

상기 저장수를 유통시키는 연결관(33)에는 수압펌프로도 작동하면서 역으로 수압모터로도 작동할 수 있는 수압펌프/모터(331)가 장착된다. 예컨데 심야시간에는 심야전기를 이용해 수압펌프를 작동시켜 제2저장탱크(32)로 저장수(34)를 최대한 이동시키고, 전력사용량이 많은 주간에는 연결관을 개방하여 고압상태의 밀폐공기 팽창에 의해 제2저장탱크에 저장된 저장수(34)가 제1저장탱크로 이동되면서 제1저장탱크(31)에 저장된 압축공기(36)를 지속적으로 배출되도록 한 것이다. 물론 상기 수압펌프와 압축기는 심야전기만 이용하는 것이 아닌 주간에도 전력소비량이 적은 시간 및 잉여공급전력을 사용할 수 있다.

또한, 상기 제1저장탱크(31)의 배출구(312)를 통해 배출되는 압축공기(36)는 연소기(50)에서 연료와 혼합된 후 연소되어 터빈(40)을 구동시키고, 상기 터빈의 구동에 의해 터빈축과 연결된 발전기에서 발전이 이루어지는 것이다.

아울러, 상기 저장탱크(30)에는 유입되는 압축공기(36)와 배출되는 압축공기(36)에 각각 냉각기(21)와 재생기(51)를 장착할 수 있다. 상기 저장탱크에 유입되는 압축공기는 고열을 갖고 있으므로, 냉각기(21)를 통과시켜 부피를 축소시킨 후 저장이 이루어지도록 하여 저장용량을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 배출되는 압축공기(36)에는 재생기를 통과시키면서 상기 재생기(51)에서 터빈에서 배출되는 고온의 배가스와 열교환이 이루어지게 하여 연료와의 혼합에 의한 연소가 용이하게 이루어짐은 물론 부피팽창에 의해 터빈구동효율을 증가시킬 수 있도록 한다.

한편, 상기 제1저장탱크(31) 내부에는 압력측정센서(313)가 더 장착된다. 상기 압력측정센서(313)는 제1저장탱크 내의 압력을 감지해 설정값과 대비하여 수압펌프/모터(331)의 수압펌프를 작동시키도록 하는 것이다. 즉, 압축기(20)가 심야전력을 이용해 원하는 압력의 압축공기를 제1저장탱크에 저장할 때, 압력측정센서는 탱크내부의 압력상승을 감지해 수압펌프를 작동시켜 제1저장탱크내의 저장수를 제2저장탱크로 강제이송되도록 하여 제1저장탱크내의 압력을 일정하게 유지하도록 하는 것이다. 반대로 주간에 제1저장탱크내의 압축공기를 터빈(40)으로 공급할 때에는 상기 압력측정센서(313)는 탱크내부의 압력감소를 감지하여 수압펌프/모터(331)를 개방하여 제2저장탱크내의 저장수를 제1저장탱크로 이송함으로써 제1저장탱크내의 압력을 일정하게 유지하도록 하는 것이다. 상기 수압펌프/모터(331)은 본 실시예와 같이 하나의 장치로 이루어지거나, 수압펌프와 수압모터를 분리구성하여 개별적으로 설치하여 사용할 수 있다. 따라서 상기 시스템에는 각 시스템을 제어하는 제어장치가 더 설치되어 각 장치간에 원활한 구동이 이루어지도록 하는 것이다.

또한, 상기 수압펌프/모터(331)는 수압모터 축에 제2발전기를 설치하여 상기 제2저장탱크에서 저장수가 밀폐공기의 압력 팽창에 의해 제1저장탱크로 이동되면서 수차기능을 갖는 수압모터를 구동시켜 제2발전기가 발전되도록 하는 것이다. 즉, 수압펌프/모터(331)는 심야전기를 이용하여 수차를 회전시켜 제2저장탱크에 수압에너지를 저장시키고, 전력소모량이 많은 주간시간대에는 제2저장탱크의 저장수가 제1저장탱크로 이동되면서 수차를 회전시켜 수압펌프/모터(331)축이 회전되도록 하고, 상기 회전되는 수압펌프/모터(331) 축은 회전자로 작용하여 이에 결합되어 있는 제2발전기가 발전되도록 하며, 제1저장탱크로 이동된 저장수는 제1저장탱크의 압축공기가 일정압으로 배출되도록 하여 터빈을 구동시켜 발전이 이루어지게 하는 등 수압에너지와 압축공기를 이용하여 이중으로 발전이 이루어질 수 있도록 한 것이다.

상기한 바와같이 구성되는 압축공기저장 발전시스템(10)의 저장탱크(30) 압력변화를 실시일예로 상세히 설명한다. 이 때 터빈(40)을 구동시키기 위한 압축공기 요구압력이 50 bar 내외일 때를 기준으로 설명한다.

도 2a는 시스템(10)을 구동시키기 전의 기본적인 셋팅으로, 유입구(311)과 배출구(312)가 형성된 제1저장탱크(31)에는 저장수(34)가 담지되고, 밀폐된 제2저장탱크(32)에는 밀폐공기가 내포되어 있으며, 두 탱크에는 연결관(33)에 의해 연통된다. 상기 연결관(33)에는 수압펌프/모터(331)가 장착되어 있다.

이 때 상기 제1저장탱크(31)에 담지된 저장수(34)의 압력은 50 bar이고, 제2저장탱크의 밀폐공기(35)의 압력은 51 bar 이다. 이와같이 제2저장탱크 내의 밀폐공기압력이 일정량 크게 하여 제1저장탱크의 기체압력이 대기압일 때 도시된 바와같이 제2저장탱크 밀폐공기(35)의 압력에 밀려 저장수(34)가 제1저장탱크에 모이도록 하는 것이다. 상기 과정에서 수압펌프/모터(331)은 자유회전 가능하도록 개방된 상태이다.

도 2b를 참조한 바와같이 도 2a의 상태에서 심야전기를 이용해 압축기(20)를 구동하여 압력이 50 bar인 압축공기를 제1저장탱크(31)에 주입하게 된다. 상기 제 1저장탱크는 수용량 이상의 압축공기가 주입되면 압력이 상승하게 되며, 탱크내에 장착된 압력측정센서(313)가 압력상승을 감지하여 수압펌프/모터(331)를 작동시키게 된다.

상기 심야전기로 수압펌프/모터(331)의 수압펌프가 작동되면, 제1저장탱크(31)에 담지된 저장수(34)는 제2저장탱크(32)로 강제 이송되어 제1저장탱크의 압력을 낮추어 50 bar가 되도록 한다. 또한, 상기 제2저장탱크(32) 내의 밀폐공기(35)와 저장수(34)는 점차적으로 높은 압력을 갖게되며, 제1저장탱크와 제2저장탱크에 담수된 저장수의 수위가 같아질 무렵에는 제2저장탱크(32)의 밀폐공기(35)와 저장수(34)는 각각 100 bar가 되는 것이다.

도 2c을 참조한 바와같이 수압펌프(331)를 계속 작동시키면, 저장수(34)는 더 이동하여 75%가 제2저장탱크(32)에 담지된다. 이와같이 수위가 형성되면, 제2저장탱크의 밀폐공기(35)는 체적이 줄어들고 압력은 200 bar가 된다. 또한, 제1저장탱크(31)에는 압축기가 연속적으로 압축공기(36)를 주입시켜 제1저장탱크의 전체 체적중 75%에 50 bar의 압축공기가 수용되는 것이다.

이와는 반대로 전력소모량이 많이 소요되는 주간에는 연결관을 개방하여 두 탱크의 압력차에 의한 압력평형작용으로 제2저장탱크의 저장수가 연결관의 수압펌프/모터(331)의 수압모터를 구동시키면서 제1저장탱크로 이동되고, 이동된 저장수의 부피만큼 제1저장탱크에 저장된 압축공기(36)가 배출구를 통해 배출되는 것이다.

다시 상세히 설명하면, 도 2c의 상태에서 수압펌프/모터(331)를 개방하면, 고압인 제2저장탱크(32)의 밀폐공기(35)가 팽창하면서 저장수를 제1저장탱크(31)로 이동시키고, 상기 저장수의 이동에 따라 제1저장탱크에 수용된 50 bar의 압축공기(36)는 배출구를 통해 배출되는 것이다.

즉, 제2저장탱크(32)의 밀폐공기의 압력과 제1저장탱크의 압축공기 압력이 유사할 때까지 제2저장탱크의 저장수(34)는 제1저장탱크로 지속적인 이동이 이루어지며, 저장수의 이동에 의해 제1저장탱크에 저장된 압축공기가 지속적으로 배출되는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 압축공기저장 발전시스템을 이용한 발전방법을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

압축기(20)와, 저부가 연결관(33)에 의해 연통된 제1(31), 2저장탱크(32)와, 상기 연결관에 장착되어 제1, 2저장탱크의 사이에 안치된 저장수(34)를 유동시키는 수압펌프/모터(331)와, 상기 제1저장탱크로부터 배출되는 압축공기(36)로 구동되어 발전하는 터빈(40)으로 구성되는 압축공기저장 발전시스템을 이용한 발전방법에 있어서, 본 발명의 발전은 압축공기주입단계(S1)와, 펌핑단계(S2)와, 배출단계(S3)와, 발전단계(S4)로 이루어진다.

상기 압축공기주입단계(S1)는 심야전기 및 잉여생산전기를 이용하여 압축기를 구동해 제1저장탱크로 압축공기를 주입하는 단계이다.

다음으로 펌핑단계(S2)는 수압펌프/모터(331)의 펌프기능에 의해 제1저장탱 크내에 담수된 저장수를 제2저장탱크로 강제이송시켜 제2저장탱크의 밀폐공기를 가압하고, 제1저장탱크에는 공간을 확보하게 함으로써 압축기를 이용한 압축공기의 유입량을 증가시키도록 하는 단계이다.

상기 배출단계(S3)에서는 제1저장탱크에 저장된 압축공기를 배출하여 터빈을 구동시키도록 하고, 상기 연결관(33)에 장착된 수압펌프/모터(331)를 개방하여 배출되는 압축공기 량만큼 제2저장탱크(32)의 밀폐공기(35) 압력팽창에 의해 저장수(34)를 제1저장탱크(31)로 이송하는 단계이다.

또한, 제1저장탱크(31)에 압축공기의 저장압력과 배출압력을 일정하게 위해 상기 펌핑단계와 배출단계에서는 압력제어단계(S5)가 병행하여 진행되도록 할 수 있다.

즉, 압축기로 제1저장탱크에 압축공기를 주입시 일정량 이상일 경우 제1저장탱크 내의 압축공기 압력이 증가하게 되는데, 이 때 상기 제1저장탱크(31)내에 설치된 압력측정센서(313)가 압력을 측정한 센싱값을 사용자가 입력한 설정값과 대비하여 설정값 이상일 경우 수압펌프/모터(331)의 펌프기능을 구동시켜 저장수를 제2저장탱크로 강제펌핑하도록 한다.

그리고, 전력소모량이 많은 시간대에 압축공기를 사용할 때에는 제1저장탱크에 압축공기가 배출되어 압력이 저하됨으로, 상기 압력측정센서는 측정한 센싱값과 설정값을 비교하여 압력이 저하 될 때 수압펌프/모터(331)를 개방시켜 제2저장탱크의 저장수를 압력평형작용에 의해 제1저장탱크로 이송되도록 하여 제1저장탱크의 압축공기압력을 일정하게 유지하도록 하는 것이다.

아울러 상기 축압기인 제2저장탱크에서 제1저장탱크로 저장수가 이동될때 저장수는 연결관에 장착된 수압펌프/모터(331)의 모터를 구동시키게 되고, 상기 수압모터부분의 구동에 의해 제2발전기(60)의 발전이 이루어지는 수압발전단계(S6)가 더 이루어진다.

다음으로, 상기 발전단계(S4)는 배출단계에서 배출된 압축공기(36)가 연소기(50)에서 연료와 혼합연소되고, 상기 연소가스가 터빈에 유입되어 터빈날개와 부딪쳐 터빈(40)을 구동시키으로써 발전이 이루어지게 하는 단계이다.

또한, 상기 배출단계에서 배출된 압축공기(36)는 열교환단계(S7)가 더 수행된 후 발전이 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 상기 배출된 압축공기(36)는 재생기(51)를 통과하면서 터빈(40)에서 발생된 고온의 배가스와 열교환이 이루어져 고온상태로 연소기(50)에 투입되며, 이 때 열이 가해진 압축공기는 점차적으로 체적이 증가되고, 연소와 동시에 체적이 급격히 증가되어 터빈의 출력을 향상되도록 하는 것이다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 압축공기저장 발전시스템 및 이를 이 용한 발전방법은,

압축공기를 저장하는 저장탱크를 복수개로 구성하여 두 저장탱크의 저부를 연결관으로 연통시키고, 상기 두 탱크에는 저장수를 내포하도록 하여 두 탱크를 공간을 분할하도록 함으로써 연결관에 장착된 수압펌프가 저장수를 강제이송하여 일측의 밀폐된 저장탱크 공기를 고압상태로 하고 타측 저장탱크에는 원하는 압력의 압축공기를 주입하도록 한 것이다.
따라서, 연결관에 장착된 수압펌프/모터를 개방하게되면 압력평형에 의해 밀폐공기가 팽창하고, 상기 밀폐공기의 팽창에 의해 저장수는 수압모터를 통과하면서 압축공기가 담긴 타측 탱크로 이동되고, 타측 탱크에는 이동되는 저장수의 체적만큼 압축공기가 외부로 배출되도록 한 것이다.
이와같이 두 공간으로 분획된 저장탱크 내에서 내부공기의 압축상태에 따라 저장수가 분획된 저장탱크 내부를 이동하도록 하여 최종적으로 배출되는 압축공기의 압력과 량을 일정하게 유지할 수 있도록 함으로써, 압축기와 터빈의 효율을 극대화 할 수 있으며, 이와 동시에 심야에는 축압기 기능을 하는 밀폐된 저장탱크에 수압식 에너지를 저장하고 주간에는 저장된 수압식 에너지를 이용해 발전을 하는 에너지 저장기능이 동시에 수행될 수 있는 친환경적인 시스템 및 발전 방법의 제공이 가능하게 되었다.

Claims

모터의 구동으로 외부의 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기(20)와, 상기 압축된 공기를 저장하는 저장탱크(30)와, 상기 저장탱크에 저장된 압축공기를 공급받아 연료와 혼합하여 연소시키는 연소기(50)와, 상기 연소된 가스에 의해 터빈(40)을 구동시키고, 터빈의 구동으로 발전되는 발전기를 포함하는 압축공기저장발전시스템에 있어서,

상기 저장탱크(30)는 제1저장탱크(31)와 제2저장탱크(32)로 분리구성하여 두 탱크 저면을 연결관(33)으로 연통하고, 상기 제1저장탱크(31)의 상측에는 유입구(311)와 배출구(312)를 형성하여 압축기(20)로부터 압축공기(36)가 유입하거나 저장탱크내의 압축공기를 배출하도록 하고, 상기 제1저장탱크(31)과 제2저장탱크(32)의 하부에는 저장수(34)를 담수하여 제2저장탱크(32)가 밀폐되어 축압기로 사용되도록 한 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템.
제 1항에 있어서,

상기 제1저장탱크(31)와 제2저장탱크(32)를 연통시키는 연결관(33)에는 수압펌프/모터(331)를 장착하여 펌프기능에 의해 제1저장탱크에서 제2저장탱크로 저장수(34)를 강제 이송시키거나, 압력평형에 의해 저장수가 고압상태의 제2저장탱크에서 저압상태의 제1저장탱크로 이동되도록 한 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템.
제 2항에 있어서,

상기 제1저장탱크(31)에는 압력측정센서(313)가 장착되어 센싱값과 설정값을 대비하여 수압펌프/모터(331)를 작동시키도록 한 것을 특징으로하는 압축공기저장 발전시스템.
제 1항에 있어서,

상기 제2저장탱크(32)에 저장된 밀폐공기(35)는 대기압상태로 저장된 제1저장탱크의 압축공기(36) 기압보다 일정크기 큰 기압을 갖도록 하여 제1저장탱크 내부가 대기압상태일 때 저장수가 제1저장탱크에 90% 이상 담지되도록 함을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템.
제 2항에 있어서,

상기 수압펌프/모터(331)에는 제2발전기(60)를 더 장착하여 수압모터 기능시 제2저장탱크(32)에 저장된 저장수의 이동에 의해 모터가 구동되어 발전이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템.
압축기(20)와, 저부가 연결관(33)에 의해 연통된 제1(31), 2저장탱크(32)와, 상기 연결관에 장착되어 제1, 2저장탱크의 사이에 안치된 저장수(34)를 유동시키는 수압펌프/모터(331)와, 상기 제1저장탱크로부터 배출되는 압축공기(36)로 구동되어 발전하는 터빈(40)으로 구성되는 압축공기저장 발전시스템을 이용한 발전방법에 있어서,

제1저장탱크(31)에 압축기로 압축된 공기를 주입하는 압축공기주입단계(S1)와;

심야전기를 이용하여 연결관(33)에 장착된 수압펌프/모터(331)를 구동시켜 제1저장탱크에 담수된 저장수(34)를 제2저장탱크로 강제펌핑하여 제2저장탱크의 밀폐공기(35)를 가압하는 펌핑단계(S2)와;

제1저장탱크에 저장된 압축공기를 배출하고, 상기 연결관(33)에 장착된 수압펌프/모터(331)를 개방하여 배출되는 압축공기의 부피만큼 제2저장탱크(32)의 저장수(34)를 압력평형에 의해 제1저장탱크(31)로 이송하는 배출단계(S3)와;

상기 배출된 압축공기가 연소기(50)에서 연료와 혼합연소되어 터빈(40)을 구동하는 발전단계(S4);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 압축공기저장발전시스템을 이용한 발전방법.
제 6항에 있어서,

상기 펌핑단계(S2)와 배출단계(S3)에서는 제1저장탱크(31)에 설치된 압력측정센서(313)의 센싱값을 사용자가 입력한 설정값과 대비하여 설정값 이상일 경우 수압펌프/모터(331)의 펌프기능을 구동시켜 저장수를 제2저장탱크로 펌핑시키고, 설정값이하일 경우에는 수압펌프/모터(331)를 개방하여 압력차에 의해 제2저장탱크의 저장수가 제1저장탱크로 이동되도록 하는 압력제어단계(S5)가 더 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축공기저장발전시스템을 이용한 발전방법.
제 6항에 있어서,

상기 배출단계(S3)에서는 제2저장탱크(32)의 수압에너지에 의해 제1저장탱크(31)로 이동시 수압펌프/모터(331)의 수압모터를 구동시켜 제2발전기로 발전이 이루어지도록 하는 수압발전단계(S6)가 더 이루어짐을 특징으로 하는 압축공기저장발전시스템을 이용한 발전방법.
제 6항에 있어서,

상기 배출되는 압축공기(36)는 재생기(51)를 통과하면서 터빈(40)에서 발생된 고온의 배가스와 열교환되어 고온상태로 연소기(50)에 투입되도록 하는 열교환단계(S7)가 더 이루어짐을 특징으로 하는 압축공기저장발전시스템을 이용한 발전방법.