KR101082934B1 - 압축공기저장 발전시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 저장된 압축공기를 효율적으로 사용할 수 있는 압축공기저장 발전시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 압축공기가 저장된 저장부와, 상기 저장부에서 배출된 압축공기의 압력을 조절하는 압력조절부와, 상기 압력조절부에서 배출된 압축공기와 연료가 혼합되어 연소되는 연소부와, 상기 연소부에서 배출되는 연소가스에 의해 가동되는 발전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템을 제공한다. 따라서 본 발명에 의하면 저장된 압축공기를 효율적으로 사용할 수 있기 때문에 전력생산 효율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

Description

압축공기저장 발전시스템 및 이의 제어방법{COMPRESSED AIR ENERGY STORAGE GENERATION SYSTEM AND METHOD OF CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 에너지를 효율적으로 관리하기 위한 기계장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 심야전기 및 잉여생산전기를 이용해서 압축공기를 저장하고, 전력소모량이 많은 시간에는 저장된 압축공기를 이용해서 발전하는 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
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.
종래의 심야전기를 이용한 압축공기저장(CAES; Compressed Air Energy Storage) 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 심야전기를 이용해 구동하는 압축기에 의해 압축된 공기를 저장탱크(1)에 저장하고, 이를 전력소비량이 많은 시간대에 배출되도록 하면서 배출된 압축공기를 연소기(2)에서 연료와 혼합 연소시키고, 연소된 연소가스의 압력으로 터빈(3)을 구동시킴으로 인해 발전기가 구동되도록 한 것이다.
그러나 종래의 시스템은 저장탱크(1)에 저장된 압축공기를 효율적으로 사용하지 못하는 문제가 있기 때문에 이에 대한 개선이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 저장된 압축공기를 효율적으로 사용할 수 있는 압축공기저장 발전시스템 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 압축공기가 저장된 저장부와, 상기 저장부에서 배출된 압축공기에 의하여 진공압을 형성하는 이젝터가 구비된 압력조절부와, 상기 압력조절부에서 배출된 압축공기와 연료가 혼합되어 연소되는 연소부와, 상기 연소부에서 배출되는 연소가스에 의해 가동되는 발전부를 포함하며, 압축공기와 유입된 외기가 혼합되어 압축공기의 유량이 증가되는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템을 제공한다.
상기 압력조절부에는 상기 저장부에서 배출된 압축공기에 의하여 진공압이 형성되는 이젝터가 구비되며, 압축공기는 상기 이젝터 내부로 유입된 외기와 혼합되어 감압되는 것을 특징으로 한다.
상기 이젝터에는 외기가 유입되도록 외기유로가 구비되며, 상기 외기유로에는 상기 이젝터로 유입되는 외기의 양을 조절할 수 있도록 외기밸브가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 연소부와 상기 발전부 사이에는 제1 측정부재가 구비되고, 상기 제1 측정부재에서 측정되는 압력과 설계압력이 동일해지도록 상기 외기밸브의 개폐정도를 조절하는 제어부가 구비될 수 있다.
상기 압력조절부에는 압축공기의 압력을 조절해서 상기 연소부로 공급하는 레귤레이터와, 압축공기를 가압해서 상기 연소부로 공급하는 컴프레서가 더 구비되며, 상기 저장부와 상기 압력조절부가 상호 연통되도록 공급유로가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 공급유로는 상기 저장부와 상기 이젝터를 연통시키는 제1 유로와, 상기 저장부와 상기 레귤레이터를 연통시키는 제2 유로와, 상기 저장부와 상기 컴프레서를 연통시키는 제3 유로로 구성되고, 상기 저장부 출구에는 상기 저장부와 상기 제1 내지 제3 유로가 연통되도록 4방향 밸브가 구비되며, 상기 제어부는 상기 저장부에 구비된 제2 측정부재에서 측정된 압력을 입력받아서 상기 저장부와 상기 제1 내지 제3 유로가 선택적으로 연통되도록 상기 4방향 밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 압축공기를 이젝터가 구비된 압력조절부에 공급하는 단계와, 압력조절부에 공급된 압축공기의 압력을 조절하는 단계와, 압력 조절된 공기를 연소부에 공급하는 단계와, 상기 연소부에서 배출되는 연소가스로 발전부를 구동시키는 단계를 포함하며, 제어부는 상기 이젝터에서 배출되는 압축공기의 압력과 설계압력이 동일해지도록 이젝터 내부로 유입되는 외기의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템의 제어방법을 제공한다.
상기 압력조절부에는 압축공기의 압력을 조절해서 상기 연소부로 공급하는 레귤레이터와, 압축공기를 가압해서 상기 연소부로 공급하는 컴프레서가 더 구비되며, 상기 제어부는 저장부에 저장된 압축공기가 이젝터, 레귤레이터, 컴프레서로 선택적으로 공급되도록 4방향 밸브를 제어하는 단계가 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템 및 이의 제어방법에 따르면 저장된 압축공기를 효율적으로 사용할 수 있기 때문에 전력생산 효율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 압축공기저장 발전시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 압축공기저장 발전시스템 및 이의 제어방법의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 압축공기가 저장된 저장부(100)와, 저장부(100)에서 배출된 압축공기에 의하여 진공압을 형성하는 이젝터(210)가 구비된 압력조절부(200)와, 압력조절부(200)에서 배출된 압축공기와 연료가 혼합되어 연소되는 연소부(300)와, 연소부(300)에서 배출되는 연소가스에 의해 가동되는 발전부(400)를 포함하며, 압축공기와 유입된 외기가 혼합되어 압축공기의 유량이 증가되는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템을 제공한다.
심야전기는 전력수요가 적은 밤에 축열하였다가 전력수요가 많은 낮에 이용하여 전력부하의 조화와 기존 발전설비의 이용률을 증대시키는 방법으로 청정에너지라는 장점을 살려 최근 다양한 산업에의 활용이 증가되고 있는데, 저장부(100)는 압축공기를 저장하기 위해 이러한 심야전기 또는 잉여공급전기로 구동되는 압축기(미도시)를 사용한다. 이러한 압축기는 하나 또는 복수 개를 병렬로 설치하여 공기압축시간을 단축시키는 것이 가능하다.
저장부(100)는 지상에 설치하거나 지하에 매설될 수 있는 것으로, 건물이 밀집한 도시에 건설한 때에는 지하에 매설하여 지상공간을 활용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 저장부(100)를 지하에 매설할 경우 고압의 압축공기를 견디는 것이 용이하여 저장부(100) 설치에 소요되는 비용을 절감할 수 있다는 이점이 있다.
전력생산이 요구되면 저장부(100)에 저장된 압축공기를 연소부(300)에 공급하여 연료와 혼합 연소시키고, 연소부(300)에서 배출되는 연소가스를 이용해서 발전부(400)를 구동시키게 된다. 발전부(400)는 일반적인 터빈과 제너레이터로 구성되며, 연소부(300)에서 배출되는 연소가스가 터빈을 회전시키면 터빈에 연결된 제너레이터가 회전하면서 전력을 생산하게 된다.
저장부(100)에 저장된 압축공기의 압력이 높을 경우에는 감압해서 연소부(300)에 공급해야 한다. 종래에는 이러한 경우 압축공기를 감압시키기 위해서 감압 레귤레이터가 사용되었다. 그러나 이와 같이 감압 레귤레이터를 사용해서 압축공기를 감압시키는 것은 압축공기가 가지고 있는 에너지를 활용하지 않고 버리는 것과 같으므로 에너지 활용 측면에서 효율적이지 못하다는 문제가 있다.
본 실시예에서는 높은 압력의 압축공기가 가지고 있는 에너지를 활용할 수 있도록 압력조절부(200)에 이젝터(210)가 구비된다. 이젝터(210)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 오목하게 함몰된 부분이 형성된다. 이젝터(210)로 공급된 압축공기가 함몰된 부분을 지나가게 되면 단면적이 좁아지면서 압축공기의 속도가 증가하게 되고, 압축공기의 속도가 증가하면 베르누이의 법칙에 의해 압력은 감소하게 된다. 이때, 압축공기의 압력 대기압보다 낮아지면서 진공압이 형성되면 외기가 이젝터(210) 내부로 유입되게 되고, 압축공기는 이러한 외기와 혼합되면서 유량이 증가하게 되며, 유량이 증가된 압축공기가 연소부(300)에 공급됨으로써 발전부(400)의 발전량도 증가하게 된다.
즉, 이젝터(210)를 사용하면 고압의 압축공기를 감압시킬 수 있을 뿐만 아니라 고압의 압축공기가 갖는 에너지를 버리지 않고 활용할 수 있는 것이다.
이젝터(210)에는 외기가 유입되도록 외기유로(211)가 구비되며, 상기 외기유로(211)에는 상기 이젝터(210)로 유입되는 외기의 양을 조절할 수 있도록 외기밸브(212)가 구비되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 고압의 압축공기가 이젝터(210)를 지남에 따라 외기가 이젝터(210)로 유입되는데, 이를 위해 본 실시예에서는 외부와 연통되어 외기가 유입되도록 외기유로(211)가 구비된다.
다만, 압축공기가 이젝터(210)로 유입된 외기와 혼합되는 정도에 따라 이젝터(210) 출구측 공기의 압력이 달라지기 때문에 이젝터(210)로 유입되는 외기의 양을 조절할 필요가 있다. 이를 위해 외기유로(211)에는 외기밸브(212)가 구비되어 유입되는 외기의 양을 조절한다.
본 실시예에서는 연소부(300)와 발전부(400) 사이에 제1 측정부재가 구비되고, 제1 측정부재에서 측정되는 압력과 설계압력이 동일해지도록 외기밸브(212)의 개폐정도를 조절하는 제어부(500)가 구비될 수 있다.
전술한 바와 같이, 연소부(300)에서 배출되는 연소가스의 압력은 터빈의 설계압력에 따라 조절될 필요가 있다. 연소부(300)에서 배출되는 연소가스의 압력은 압축공기와 이젝터(210)로 유입된 외기가 혼합되는 정도에 따라 달라지기 때문에 제어부(500)는 이젝터(210)로 유입되는 외기의 양을 조절할 수 있도록 외기밸브(212)의 개폐정도를 조절한다.
또한, 제어부(500)는 연소부(300)와 발전부(400) 사이에 구비된 제1 측정부재에서 측정된 연소가스의 압력을 실시간으로 입력받아서 연소가스의 압력과 터빈의 설계압력이 동일해지도록 제어하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
압력조절부(200)에는 압축공기의 압력을 조절해서 연소부(300)로 공급하는 레귤레이터(220)와, 압축공기를 가압해서 연소부(300)로 공급하는 컴프레서(230)가 더 구비되며, 저장부(100)와 압력조절부(200)가 상호 연통되도록 공급유로(110)가 구비되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이 저장부(100)에 저장된 압축공기의 압력이 높은 경우 뿐만 아니라 낮은 경우도 있을 수 있다. 압축공기의 압력이 낮은 경우를 대비해서 본 실시예서는 레귤레이터(220)와 컴프레서(230)가 구비된다.
연소부(300)에서 배출되는 연소가스의 압력이 터빈의 설계압력과 동일해지기 위해서는 연소부(300)에 공급되는 압축공기의 압력을 조절하는 것이 중요하다. 저장부(100)에 저장된 압축공기의 압력이 일정 압력보다 낮은 경우에는 압축공기가 가압되어 연소부(300)로 공급될 수 있도록 압축공기를 컴프레서(230)에 공급한다.
저장부(100)에 저장된 압축공기의 압력이 일정 압력보다 크지만, 그 차이가 크지 않을 경우에는 압축공기를 레귤레이터(220)에 공급해서 감압한 후 연소부(300)에 공급한다. 이러한 압력을 갖는 압축공기를 이젝터(210)에 공급하면 압축공기의 압력이 지나치게 많이 감압될 수 있기 때문이다.
공급유로(110)는 저장부(100)와 이젝터(200)를 연통시키는 제1 유로(111)와, 저장부(100)와 레귤레이터(220)를 연통시키는 제2 유로(112)와, 저장부(100)와 컴프레서(230)를 연통시키는 제3 유로(113)로 구성되고, 저장부(100) 출구에는 저장부(100)와 제1 내지 제3 유로(111, 112, 113)가 연통되도록 4방향 밸브(120)가 구비되며, 제어부(500)는 저장부(100)에 구비된 제2 측정부재에서 측정된 압력을 입력받아서 저장부(100)와 제1 내지 제3 유로(111, 112, 113)가 선택적으로 연통되도록 4방향 밸브(120)를 제어하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이, 저장부(100)에 저장된 압축공기의 압력에 따라 압축공기는 제1 내지 제3 유로(111, 112, 113)를 통해 이젝터(210), 레귤레이터(220), 컴프레서(230)와 각각 연통될 수 있다.
본 실시예에서는 저장부(100)와 제1 내지 제3 유로(111, 112, 113)가 연통되도록 저장부(100) 출구에 4방향 밸브(120)를 구비하고 있으며, 제어부(500)는 저장부(100)에 구비된 제2 측정부재에서 측정된 압력을 입력받아서 저장부(100)와 제1 내지 제3 유로(111, 112, 113)가 선택적으로 연통되도록 4방향 밸브(120)를 제어한다.
압축공기를 어떠한 유로로 공급하는 것이 바람직한지에 대한 기준압력범위는 연소부(300)에 공급되어야 할 압축공기의 압력에 따라 설정할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 압축공기저장 발전시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 또한, 본 발명은 압축공기를 이젝터(210)가 구비된 압력조절부(200)에 공급하는 단계(S2)와, 압력조절부(200)에 공급된 압축공기의 압력을 조절하는 단계(S3)와, 압력 조절된 공기를 연소부(300)에 공급하는 단계(S4)와, 연소부(300)에서 배출되는 연소가스로 발전부(400)를 구동시키는 단계(S5)를 포함하며, 제어부(500)는 이젝터(210)에서 배출되는 압축공기의 압력과 설계압력이 동일해지도록 이젝터(210) 내부로 유입되는 외기의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템의 제어방법을 제공한다.
즉, 압축공기의 압력이 높을 경우 압력조절부(200)에 구비된 이젝터(210)로 압축공기를 공급해서 외기와 혼합되어 유량이 증가될 수 있도록 구성함으로써 압축공기를 감압시킴과 동시에 유량을 증가시키는 것이다.
압력조절부(200)에는 압축공기의 압력을 조절해서 연소부(300)로 공급하는 레귤레이터(220)와, 압축공기를 가압해서 연소부(300)로 공급하는 컴프레서(230)가 더 구비되며, 제어부(500)는 저장부에 저장된 압축공기가 이젝터(210), 레귤레이터(220), 컴프레서(230)로 선택적으로 공급되도록 4방향 밸브(120)를 제어하는 단계(S1)가 더 포함될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100 : 저장부 200 : 압력조절부
300 : 연소부 400 : 발전부
500 : 제어부

Claims (7)

  1. 압축공기가 저장된 저장부;
    상기 저장부에서 배출된 압축공기에 의하여 진공압을 형성하는 이젝터가 구비된 압력조절부;
    상기 압력조절부에서 배출된 압축공기와 연료가 혼합되어 연소되는 연소부;
    상기 연소부에서 배출되는 연소가스에 의해 가동되는 발전부;
    를 포함하며,
    압축공기와 유입된 외기가 혼합되어 압축공기의 유량이 증가되는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이젝터에는 외기가 유입되도록 외기유로가 구비되며,
    상기 외기유로에는 상기 이젝터로 유입되는 외기의 양을 조절할 수 있도록 외기밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연소부와 상기 발전부 사이에는 제1 측정부재가 구비되고,
    상기 제1 측정부재에서 측정되는 압력과 설계압력이 동일해지도록 상기 외기밸브의 개폐정도를 조절하는 제어부가 구비되는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압력조절부에는 압축공기의 압력을 조절해서 상기 연소부로 공급하는 레귤레이터와, 압축공기를 가압해서 상기 연소부로 공급하는 컴프레서가 더 구비되며,
    상기 저장부와 상기 압력조절부가 상호 연통되도록 공급유로가 구비되는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공급유로는 상기 저장부와 상기 이젝터를 연통시키는 제1 유로와, 상기 저장부와 상기 레귤레이터를 연통시키는 제2 유로와, 상기 저장부와 상기 컴프레서를 연통시키는 제3 유로로 구성되고,
    상기 저장부 출구에는 상기 저장부와 상기 제1 내지 제3 유로가 연통되도록 4방향 밸브가 구비되며,
    상기 제어부는 상기 저장부에 구비된 제2 측정부재에서 측정된 압력을 입력받아서 상기 저장부와 상기 제1 내지 제3 유로가 선택적으로 연통되도록 상기 4방향 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템.
  6. 압축공기를 이젝터가 구비된 압력조절부에 공급하는 단계;
    압력조절부에 공급된 압축공기의 압력을 조절하는 단계;
    압력 조절된 공기를 연소부에 공급하는 단계;
    상기 연소부에서 배출되는 연소가스로 발전부를 구동시키는 단계;
    를 포함하며,
    제어부는 상기 이젝터에서 배출되는 압축공기의 압력과 설계압력이 동일해지도록 이젝터 내부로 유입되는 외기의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템의 제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압력조절부에는 압축공기의 압력을 조절해서 상기 연소부로 공급하는 레귤레이터와, 압축공기를 가압해서 상기 연소부로 공급하는 컴프레서가 더 구비되며,
    상기 제어부는 저장부에 저장된 압축공기가 이젝터, 레귤레이터, 컴프레서로 선택적으로 공급되도록 4방향 밸브를 제어하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 압축공기저장 발전시스템의 제어방법.
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KR100792790B1 (ko) 2006-08-21 2008-01-10 한국기계연구원 압축공기저장발전시스템 및 이를 이용한 발전방법

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