KR101300699B1 - 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치 및 이의 전력저장방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치 및 이의 전력저장방법에 관한 것으로서, 차량 운행시 발생하는 유효에너지와 외부로부터 이용 가능한 에너지원을 활용하여 새로운 개념의 차량 기능을 창출하는 것을 목적으로 하며, 보다 상세하게는 차량 운행시 버려지는 유효 에너지를 사용하기 편리한 전력으로 전환, 효과적으로 저장하여 사용할 수 있는 수단을 특징으로 하며, 급증하는 전력수요에 맞추어 차량의 운행시, 주정차시에 시간적, 공간적 제약을 받지 않고 필요시 사용할 수 있는 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치 및 이의 전력저장방법에 관한 것이다.

Description

압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치 및 이의 전력저장방법{ADIABATIC COMPRESSED AIR ENERGY STORAGE FOR AUTOMOTIVE VEHICLE AND ENERGY STORAGE METHOD USING THE SAME}
차량 운행시 발생하는 유효에너지와 외부로부터 이용 가능한 에너지원을 활용한 것으로, 차량 운행시 버려지는 유효 에너지를 사용하기 편리한 전력으로 전환, 효과적으로 저장하여 사용할 수 있도록 한 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치 및 이의 전력저장방법에 관한 것이다.
차량 운전시 기존의 경우는 에너지 이용 효율이 30% 내외에 불과하며, 일부 잉여 배열을 열에너지 형태로 이용하기도 하나, 일반적으로 65~70%의 유효에너지를 버리고 있는 실정이다.
최근 들어 보급이 이루어지고 있는 전기자동차의 경우도 외부로부터의 전력을 공급받아 운행하는 개념이며(Plug-in), 하이브리드 자동차의 경우에는 운전조건에 따라 유효한 축동력을 이용 발전하여 배터리에 저장 활용하는 개념이다.
근래에는 Smart 기술을 근간으로 한 Life의 변화가 급격하게 일어나고 있으며, 이는 차량을 이용한 이동 및 이송 중에도 각종 smart기기의 사용 등으로 인한 전력수요가 급증할 것으로 예상되며, 기존의 차량의 경우 엔진 시동을 끈 경우(주정차)에는 배터리 전력의 방전을 우려하여 차량으로부터 전력 공급은 고려치 않는 것이 일반적이어서, 향후 급증하는 전력수요에 대응할 수 있는 새로운 차량의 기능에 대한 고려가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 차량의 공간적 제약 문제를 감안하여 기존의 배터리저장 방식과 달리(저장용량에 비례하여 부피가 커짐) 전력저장 밀도를 용이하게 키울 수 있는 압축공기를 이용한 전력저장 시스템을 접목하는 것이다.
이를 위해, 운행 중 유효한 전력원으로는 차량 외부에 설치가 용이한 PV(Photovoltaic) 장치를 이용한 태양광 발전원과, 엔진의 고온 배가스(700~900oC)를 이용한 발전, 특히 기존 차량의 과급을 위한 터보챠저를 활용한 발전시스템을 통해 기술적용 및 사업성을 극대화 할 수 있도록 한 것이다.
또한, 전력저장의 효율을 높이기 위해서, 공기의 압축과 팽창시 발생하는 열에너지를 효과적으로 제어, 이용할 수 있도록, Adiabatic CAES(단열압축공기 에너지저장, 압축시 발생되는 발생열을 저장해 재활용하는 방식) 개념을 차량 운전 조건에 맞추어 개선, 적용한 것이다.
또한, 이를 위해 열저장 밀도가 높아 공간적 제약에 효과적으로 대응 가능하고, 저장기간 동안 외기와 연동한 열손실 문제를 고민할 필요가 없는 열화학적 열저장 기술을 접목하여 기술적용의 효용성을 극대화하고자 한 것이다.
엔진 형태별 운전 특성에 따라 과급기가 일반적으로 적용되고 있는 압축착화방식의 디젤엔진의 경우에는, 엔진의 과급을 위해 컴프레셔(압축기)와 기계적으로 연동되어 있는 부분을 decouple시키고, 대신 발전장치와 결합하여 엔진 전체적인 구조 변경을 최소화하면서 고온의 배가스를 이용한 발전이 가능하도록 하였으며, 이를 통해 잉여배열을 이용한 기존의 축동력 증대 기능과 본 고안을 통해 제공되는 전력생산의 기능을 사용자가 선택적으로 사용할 수 있도록 하였다.
이에 반해 일반적으로 과급기가 적용되고 있지 않은 불꽃점화방식의 가솔린 엔진(SI엔진)의 경우는 본 고안에서 제안하는 터보챠저 기반 발전시스템 장착을 통해 잉여배열을 활용한 전력생산이 가능하게 되는 특징을 갖는다. 최근 들어 직접분사방식(GDI; Gasoline direct Injection)을 채용하는 가솔린 엔진의 경우 DI엔진과 마찬가지로 터보차져를 이용한 과급방식의 채용이 늘고 있으나, 이 경우에도 사용자의 이용 목적에 따라 기존의 축동력 증대 목적과 더불어 추가적으로 잉여배열을 이용한 전력생산 및 사용 기능을 선택적으로 활용 할 수 있는 기능을 제공하고자 한다.
이와 더불어 Turbocharger를 주로 사용하는 DI(압축착화방식)엔진의 경우(혹은, 터보차져를 채용하는 가솔린 엔진), 과급에 사용되는 Turbocharger의 축동력 대신, 본 고안에서 제안하는 Turbocharger 발전을 통해 생산되는 전력을 이용할 수 있는 전력으로 구동되는 압축기를 이용하면 기존의 과급과 동일한 효과를 거둘 수 있을 뿐 아니라, 기존의 기계적 메커니즘을 이용한 터보차져과급시 발생하는 터보렉 문제(가솔페달을 밟았을 때 즉각적으로 반응하지 않는 현상)를 동시에 해결할 수 있는 기술적 개선을 달성할 수 있도록 한, 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치 및 이의 전력저장방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 차량의 터보차져를 위한 터빈(12)과 연결되어 제 1전력(A)을 발생하는 발전장치(10); 상기 제 1전력(A)으로 구동되어 압축공기를 제공하는 부가 컴프레셔(30); 상기 압축공기를 외기와 열교환시켜 냉각시키는 열교환장치(40); 상기 냉각된 압축공기가 저장되는 저장탱크(50); 상기 저장탱크(50) 내 압축공기에 의해 구동되어, 전력수요처에 사용하기 위한 제 2전력(B)을 발생하는 전력발생수단(60); 상기 열교환장치(40)에서 배출되는 고온외기의 열에너지를 저장하기 위한 열저장장치(70); 상기 열저장장치(70) 내 저장체(72)가 고온외기와 반응하여 배출하는 스팀을 저장하고, 저장체(72)의 열에너지 배출시 필요한 스팀을 제공하는 스팀처리수단(80); 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 기존 차량 운전시 발생하는 잉여배열의 효과적인 활용을 통해 차량 유효에너지 이용 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 DI 차량 및 GDI 방식의 SI엔진의 터보챠저 과급 방식에 있어 발생하는 터보렉 문제를 별도의 축동력이나 전력소비 없이 해결할 수 있는 효과가 있다.(GDI 방식이 아닌 일반 SI 엔진의 경우는 일반적으로 터보차져를 이용하지 않고 있으나 배기가스를 통한 발전을 위한 용도로 신규 적용하는 것임)
또한, 본 발명은 이용 및 편리성이 우수한 전력에너지 형태로의 저장을 통해, 전력 공급이라는 차량의 기능을 획기적으로 개선한 효과가 있다,
또한, 본 발명은 최근 들어 Smart Life에 길들여지고 있는 소비자의 전력수요 욕구를 차량 이동시뿐만 아니라(Turbocharger 발전 및 유효 태양에너지의 활용), 잉여 전력의 저장을 통해 주정차시에도 저장된 전력 공급을 통해 전력 사용의 시간과 공간적 제약을 상당 부분 개선할 수 있으며, 차량 주정차시에도 기존의 배터리나 별도의 엔진 시동 없이 필요한 전력 공급이 가능한 수단을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 야외 활동이 많은 최근의 life를 감안할 때, 피크닉이나 야외에서의 전력수요 공급이 용이할 수 있는 수단으로써의 역할도 기대할 수 있으며,또한 하이브리드 자동차 기술과 접목하여, 본 발명의 압축공기형태로 저장된 전력에너지를 모터에 공급하여 전기차 운행모드로 운전시 필요한 전력 공급도 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래의 터보차져 구성을 나타낸 일실시예의 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 발전장치를 터보차져에 적용한 모습을 나타낸 일실시예의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 압축공기 저장 및 열에너지를 저장하는 모습(Charging Process)을 나타낸 일실시예의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 저장된 열에너지를 이용해 압축공기를 팽창시켜 전력발생수단을 가동시키는 모습(Discharging Process)을 나타낸 일실시예의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치의 전력저장방법을 나타낸 일실시예의 흐름도.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이러한 본 발명에 따른 일실시예를 살펴보면,
차량의 터보차져를 위한 터빈(12)과 연결되어 제 1전력(A)을 발생하는 발전장치(10); 상기 제 1전력(A)으로 구동되어 압축공기를 제공하는 부가 컴프레셔(30); 상기 압축공기를 외기와 열교환시켜 냉각시키는 열교환장치(40); 상기 냉각된 압축공기가 저장되는 저장탱크(50); 상기 저장탱크(50) 내 압축공기에 의해 구동되어, 전력수요처에 사용하기 위한 제 2전력(B)을 발생하는 전력발생수단(60); 상기 열교환장치(40)에서 배출되는 고온외기의 열에너지를 저장하기 위한 열저장장치(70); 상기 열저장장치(70) 내 저장체(72)가 고온외기와 반응하여 배출하는 스팀을 저장하고, 저장체(72)의 열에너지 배출시 필요한 스팀을 제공하는 스팀처리수단(80); 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열저장장치(70)는 상기 열에너지의 저장 및 저장된 열에너지의 방출이 가능한 고상의 저장체(72)가 내장된 다수의 열저장 유닛(71)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열저장장치(70)는 내부에 저장된 열에너지를 상기 저장탱크(50)에서 전력발생수단(60)으로 제공되는 압축공기를 팽창시키는데 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스팀처리수단(80)은 상기 열저장장치(70)에서 발생된 스팀을 응축하기 위한 응축수단(81); 상기 응축수단(81)의 응축수를 저장하기 위한 응축수 탱크(82); 상기 응축수 탱크(82) 내 응축수를 가열하여 스팀형태로 열저장장치(70)에 제공하기 위한 히팅장치(83); 가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열저장장치(70)는 열에너지를 저장한 내부의 저장체(72)가 흡착과정을 통해 열에너지를 발산토록 하기 위해 스팀을 제공받되, 상기 저장체(72)의 반응초기에는 스팀처리수단(80)을 통해 스팀을 제공받고, 사전설정시간이 경과되어 저장체(72)가 발열되면, 스팀처리수단(80)의 응축수 탱크(82)로부터 직접 응축수를 공급받아 내부에서 스팀이 발생되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전력발생수단(60)은 공기 터빈 또는 터보 팽창기가 사용되어 전력을 생산하고, 생산된 전력은 차량 내, 외의 전력수요처에 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부가 컴프레셔(30)는 차량에 설치된 PV 모듈(90)을 통해 발생되는 제 3전력(C)에 의해서도 구동이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열저장장치(70)는 내부를 구성하는 열저장 유닛(71)마다 열저장 상태를 감지하는 센서가 장착되어 있고, 사용자는 상기 센서를 외부에서 모니터링 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 차량 내 터빈(12)의 동력을 발전장치(10)와 연결하여 제 1전력(A)을 생산하는 단계(S100); 필요시(사용자가 전력저장보다 과급이 더 중요하다고 판단할 경우) 선택적으로, 상기 제 1전력(A)으로 차량 컴프레셔(20)를 구동시켜 엔진(11)에 과급을 공급하는 단계(S200); 상기 제 1전력(A) 또는 PV 모듈(90)을 통한 제 3전력(C)에 의해 부가 컴프레셔(30)를 구동시키는 단계(S300); 상기 부가 컴프레셔(30)에서 발생된 압축공기를 외기로 냉각시키는 단계(S400); 냉각된 압축공기를 저장하는 단계(S500); 열교환에 사용된 외기의 열에너지를 저장하는 단계(S600); 열에너지 저장시 발생되는 스팀을 공냉하여 응축수로 저장하는 단계(S700); 차량 내, 외의 전력소요처에서 전력을 필요로 하는 경우, 스팀을 열저장장치(70)에 공급하여 저장된 열에너지가 발열되도록 하는 단계(S800); 상기 열저장장치(70) 내부온도가 사전설정온도에 도달하면, 스팀 대신 응축수가 열저장장치(70)에 공급되도록 하는 단계(S900); 상기 열에너지로 공급하고자 하는 압축공기를 팽창시키는 단계(S1000); 팽창된 압축공기로 전력발생수단(60)을 구동시켜 전력수요처에서 사용하기 위한 제 2전력(B)을 생산하는 단계(S1100); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치 및 이의 전력저장방법을 상세히 설명하도록 한다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치는 발전장치(10), 차량 컴프레셔(Compressor, 20), 부가 컴프레셔(30), 열교환장치(40), 저장탱크(50), 전력발생수단(60), 열저장장치(열화학적 저장장치, 70)을 포함한다.
상기 발전장치(10)는 차량의 터보차져(Turbo Charger)에 동력전달수단(ex: 축 연결 등)에 의해 동력전달가능하게 연결되어 제 1전력(A)을 발생시키는 장치로, 발전기 등에 이에 해당될 수 있다.
이러한 상기 발전장치(10)가 연결되는 터보차져의 경우, 기본적인 원리를 설명하면, 엔진(11) 실린더 내부로 유입되는 공기의 밀도를 높이기 위해 공기를 강제적으로 가압시키기 위한 동력원 확보를 위해, 고온의 연소 배가스를 이용하여 터보차져를 구동, 발생하는 축동력을 컴프레셔에 연결하여 가압된 공기를 엔진(11)(인테이크 측)으로 밀어 넣어주는 기능을 갖으며, 배기 매니폴더 바로 밑에 장착되어 있다.
보다 상세하게는 엔진(11) 실린더에서 폭발 후 배기로 분출되어야 할 배기 가스가 터빈(12) 내로 유입되고, 유입된 배기가스의 압력으로 터빈(12) 내부의 터빈 휠이 회전하게 된다.
또한, 이러한 터빈 휠 반대편에 동력전달가능하게 연결되어 있는 차량 컴프레셔(20) 내부의 컴프레셔 휠 또한 터빈 휠의 회전에 의해 함께 회전하게 되고, 이러한 컴프레셔 휠이 회전하면서 외부의 공기(외기, 새로운 공기)를 흡입하여 그 공기를 다양한 냉각장치(ex: 인터쿨러 등, 13)를 통해 냉각시킨 후, 엔진(11) 실린더로 공기를 강제 유입시키는(과급, supercharging, 過給) 것이다.
즉, 본 발명에서는 차량의 터보차져(Turbo charger)를 이용한 발전방식 중, 엔진(11)의 과급을 위해 상호간 기계적으로 동력전달가능하게 축으로 연결되어 있는 터보차져와 차량 컴프레셔(20)(압축기)를 분리(Decouple)시키고, 이러한 상기 차량 컴프레셔(20)의 위치에 발전장치(10)를 연결한 것으로, 상기 엔진(11)에서 발생된 배기가스에 의해 터보차져의 터빈축이 회전되면서 발전장치(10)를 구동시켜 제 1전력(A)이 발생(생성)될 수 있도록 한 것이다.
상기 차량 컴프레셔(20)는 전술된 바와 같이, 터보차져를 이용하기 위해 기존에 터빈(12)과 축연결되어 있던 압축기이다.
이러한, 상기 차량 컴프레셔(20)의 기능은 상기에서 기재한 바와 같이, 엔진(11)의 과급을 위한 것으로써, 본 발명에서는 이러한 차량 컴프레셔(20)가 터빈(12)과 직접 연결되지 않도록 분리한 것이고, 이러한 차량 컴프레셔(20)를 전기로 구동되는 컴프레셔로 구성하여, 상기 발전장치(10)에서 발생되는 제 1전력(A)으로 구동되도록 한 것이다.
상기 제 1전력(A)으로 구동되는 차량 컴프레셔(20)의 역할은 전술된 바와 같이 엔진(11)의 과급을 위한 역할을 하는 것으로, 다시 말해, 과급을 위해 구동을 하는 차량 컴프레셔(20)가 터빈(12)의 회전력에 의해 작동되는 것이 아니라, 터빈(12)의 회전력에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전장치(10)에 의해 제 1전력(A)을 공급받거나 그 외의 전력수단(예> 제 3전력(C))으로 구동되는 것이다.
상기 부가 컴프레셔(30)는 전술된 엔진(11)의 과급을 위한 상기 차량 컴프레셔(20)와는 별도로 차량 내부에 설치되는 것으로, 이러한 상기 부가 컴프레셔(30)의 구동전원으로는 전술된 차량 컴프레셔(20)를 구동시킨 발전장치(10)의 제 1전력(A)이 사용된다.
더불어, 본 발명에서의 차량(차량의 외측)의 외주연에 태양광을 이용하기 위한 PV 모듈(Photovoltaic module, 90)을 다수 설치하여, 상기 PV 모듈(90)을 통해 제 3전력(C)을 생산할 수 있도록 하는데, 차량이 운전되어 구동중이 아닌 경우(엔진(11)이 멈춰있는 경우, 배기가스가 터빈(12)에 공급되지 않는 경우), 상기 제 3전력(C)을 통해 부가 컴프레셔(30)가 구동될 수 있도록 할 수 있다. 물론, 이를 위해, 상기 PV 모듈(90)은 부가 컴프레셔(30)에 전기적으로 연결되어 있어야 함은 당연할 것이다.
전술된 바와 같이, 제 1전력(A) 또는 제 3전력(C)을 통해 부가 컴프레셔(30)는 구동되어, 외기를 흡입하여 압축함으로써 고온고압의 압축공기를 만들게 된다.
상기 열교환장치(40)는 전술된 부가 컴프레셔(30)와 연결됨으로써, 상기 부가 컴프레셔(30)를 통해 압축되어 고온고압이 된 압축공기를 냉각시키기 위한 것이다.
즉, 상기 열교환장치(40)에서는 외기를 전술된 고온고압의 압축공기와 열교환시켜, 고온고압의 압축공기를 저온고압의 압축공기 형태로 만들고, 상기 고온고압의 압축공기와 열교환되어 온도가 상승된 고온 외기는 후술될 열저장장치(70)에 전달하는 역할을 하게 된다.
상기 저장탱크(50)는 전술된 열교환장치(40)를 거치며 외기와 열교환을 통해, 부가 컴프레셔(30)에서 배출되었을 때보다 상대적으로 낮은 온도를 가지게 된 저온고압의 압축공기가 저장되는 곳이다.
이러한 상기 저장탱크(50)에 저장된 압축된 고압의 공기는, 사용자 또는 다양한 전력수요처에서 전력을 사용하고자 하는 경우, 후술될 전력발생수단(60)을 구동시키는데 사용되는 것이다.
상기 열저장장치(70)는 전술된 열교환장치(40) 및 후술될 저장탱크(50)와 연결된 것으로서, 내부에 열에너지를 저장 및 발열 가능한 고상(고체상태)의 저장체(72)(열화학물질, ex: MgSO4.7H2O - Magnesium Sulfate)가 내장되어 있는 다수의 열저장 유닛(71)으로 이루어져 있다.
이러한 열저장장치(70)는 전술된 열교환장치(40)에서 고온고압 압축공기와 열교환에 사용됨으로써 승온된 고온 외기가 유입되며, 유입된 외기는 다수 열저장 유닛(71) 내부에 저장되어 있는 저장체(72)와 반응하게 됨으로써, 저장체(72)는 고온 외기의 열에너지를 내부에 저장하면서 저장체(72) 안에 흡착되어 있는 수분(물성분)을 탈착시키게 되고, 결과적으로 저장체(72)는 고체 상태인 MgSO4(s)만이 각 열저장 유닛(71)에 남고, 수분은 수증기 형태로 배출되는 형태가 된다.(MgSO4.7H2O(s, solod) + Heat ⇒ MgSO4(s)+ 7H2O(g, gas), Charging Process)
다시 말해, 저장체(72)는 유입된 고온 외기와 반응하여, 잠재적인 발열상태를 가지는(발열잠재력을 가지는) 저장체(72)와 물로 분리(탈착)되면서 스팀을 발생(이와 같은 반응을 탈착과정(Dehydration of storage material)이라 명명한다.)하게 되는 것이다.
상기와 같은 탈착과정을 통해 열저장장치(또는 다수의 열저장 유닛(71))에서 발생되는 스팀(Steam)은 별도의 배관을 통해 스팀처리수단(80)으로 이동하게 된다.
더불어, 상기 열저장장치(70) 내 각 열저장 유닛(71)들 각각에는 열저장 상태를 감지하는 센서가 장착되어 있고, 사용자는 상기 센서를 외부에서 모니터링 할 수 있도록 할 수 있는데, 상기 센서라 함은 내부의 온도를 측정할 수 있는 온도센서 등 다양한 센서가 해당될 수 있으며, 또한, 상기 열저장 유닛(71)마다 케이스를 내부가 국부적으로 들여다보이도록 구성하여, 내부의 저장체(72)가 물과 열을 저장하고 있는 저장체(72)로 분리되어 있는지의 여부, 고상/기상/액상 중 어느 형태를 유지하고 있는지 등을 외부에서 사용하자 확인가능토록 할 수도 있음이다.
상기 저장탱크(50)에 저온고압으로 저장되어 있던 압축공기의 경우, 차량에서 전력이 필요한 경우가 발생되면 후술될 전력발생수단(60)에 제공되는 것인데, 이때, 상기 저장탱크(50)에 저장되어 있는 압축공기는 팽창시켜 사용되도록 하는데, 이러한 초기의 원활한 팽창을 위해서는 압축공기를 팽창시키기 위한 반응열이 필요하므로, 이러한 반응열로 상기에서 설명한 저장체(72)에 저장된 열에너지(발열에너지)의 발열을 사용하고자 한 것이다.
즉, 상기 열저장장치(70)처럼 내부에 잠재적인 열공급 상태의 저장체(72)가 저장되어 있는 열저장장치(70) 내부, 즉 열저장장치(70)를 이루는 다수의 열저장 유닛(71) 내 저장체(72)에, 후술될 스팀처리수단(80)을 통해 스팀을 공급함으로써, 상기 저장체(72)가 스팀과 반응하면서 발열을 하여 저장되어 있는 열(열에너지)이 발열(발열에너지)되도록 한 것(MgSO4 (s)+ 7H2O(g) ⇒ MgSO4.7H2O(s) + Heat(압축공기 팽창에 사용되는 열), Discharging Process)이고, 이러한 열에너지를 이용하여, 저장탱크(50)에서 배출되는 저온고압의 압축공기가 팽창되어 전력발생수단(60)으로 이동될 수 있도록 하는 것이다.
상기 스팀처리수단(80)은 전술된 열저장장치(70)에서 발생된 스팀을 응축수 형태로 저장하거나, 또는 저장된 응축수를 스팀의 형태로 열저장장치(70)에 공급하는 역할을 한다.
이를 위한 상기 스팀처리수단(80)은 열저장장치(70)에서 발생된 스팀을 냉각시켜 응축수 형태로 만드는 응축수단(ex: 냉각팬(Fan), 81) 등을 위한 공냉장치)과, 상기 응축수단(81)에서 응축된 응축수를 저장하는 응축수 탱크(82)로 이루어진다.
더불어, 이러한 상기 스팀처리수단(80)에는 별도의 전원장치를 이용해 구동되는 히팅장치(83)(전기이용)가 더 구비되어, 상기 열저장장치(70)에서 저장체(72)에 저장된 열에너지의 발열이 필요한 경우(상기 저장탱크(50)에 저장되어 있는 압축공기를 팽창시켜 전력발생수단(60)에 공급하고자 하는 경우), 액체 상태인 응축수 탱크(82) 내 응축수를 히팅장치(83)로 가열하여 기체상태인 스팀의 형태로 열저장장치(70)에 다시 제공할 수 있도록 한다.
더불어, 상기와 같이 열저장장치(70)의 열에너지를 사용하기 위해 저장체(72)와 반응되는 스팀을 스팀처리수단(80)에서 제공하는 경우, 전술된 응축수 탱크(82)에 저장되어 있던 응축수를 상기의 히팅장치(83)를 이용하여 가열함으로써 생성하여 제공하되, 상기 각 열저장 유닛(71) 내 저장체(72)의 발열이 일정수준 발생될 때까지 스팀을 공급하다가, 스팀을 공급하기 위한 사전 설정시간이 경과하거나, 또는 충분한 발열에너지(반응열)가 발생된 시점(ex: 열저장장치(70) 내부의 온도가 사전설정온도에 도달하게 되는 경우)이 되면, 응축수 탱크(82)의 응축수를 가열하여 스팀을 발생시키던 상기 히팅장치(83)를 오프(off)시켜, 열저장장치(70) 내에서 발생되는 열에너지에 의해 계속적으로 스팀이 발생되면서, 저장탱크(50)에서 전력발생수단(60)로 이동되는 저온고압 공기가 전력발생수단(60)로 이송되기 전, 열저장장치(70)에서 발생된 발열에너지에 의해 팽창되도록 한다. 이로써, 저장탱크(50)로부터 이동되는 저온고압 공기의 연속적인 공기 팽창이 가능토록 하는 것이다.
상기 전력발생수단(60)은 전술된 바와 같이, 상기의 스팀처리수단(80)에 의해 스팀이 공급되어 열저장장치(70)에서 발생되는 열에너지를 통해 팽창된 고온고압의 공기가 유입되는 것으로, 유입되는 고온고압의 압축공기에 의해 구동되어, 전력수요처에서 사용하기 위한 제 2전력(B)을 생성(발생)하는 곳이다.
이를 위한 상기 전력발생수단(60)으로는 공기 터빈 또는 터보 팽창기가 사용될 수 있음이며, 압축공기를 통해 구동으로 전력을 생산할 수 있는 것이라면, 사용자의 다양한 실시예에 따라 전술된 상기의 공기 터빈(Air Turbine) 또는 터보 팽창기(Turbo Expander) 외에 다양한 전력발생수단(60)이 사용될 수 있음은 당연하다.
이하에서는 상기와 같은 구성 및 구조를 갖는 본 발명의 바람직한 실시예의 전력저장방법을 설명하도록 한다.
1. 차량 내 터빈(12)의 동력을 발전장치(10)와 연결하여 제 1전력(A)을 생산하는 단계(S100): 엔진(11) 작동시 터보차저(터빈(12))에서 발생하는 축동력을 발전장치(10)와 연결하여 전력을 생산토록 한 것(터보차저를 장착하지 않는 SI 엔진의 경우에는 터보차저도 장착)으로, 이를 더욱 자세히 설명하면, 엔진(11)의 과급을 위한 터보차져 구성에서, 상호간 연결되는 차량의 터빈(12)과 차량 컴프레셔(20) 상호간을 분리한 후, 상기 차량의 터빈(12)에 별도의 발전장치(10)가 연결되도록 함으로써, 상기 터빈(12)에 유입되는 배기가스의 압력에 의해 터빈(12)이 회전하게 되고, 이러한 회전력에 의해 발전장치(10)가 구동되면서 제 1전력(A)이 발생되도록 하는 단계이다.
2. 상기 제 1전력(A)으로 차량 컴프레셔(20)를 구동시켜 엔진(11)에 과급을 공급하는 단계(S200): 전술된 S100단계를 통해 발전장치(10)로부터 제 1전력(A)이 발생되면, 발전장치(10)를 터빈(12)과 연결하기 위해 분리해뒀던 차량 컴프레셔(20)(전기로 구동되는 차량 컴프레셔(20))에 전술된 제 1전력(A)을 공급하여, 상기 차량 컴프레셔(20)가 구동되도록 하는 단계이다. 이로써, 사용자의 필요에 의해 전력저장보다 과급의 목적이 중요하다고 판단하면 상기 차량 컴프레셔(20)에 전력을 공급하게 되고, 상기 차량 컴프레셔(20)에서는 외기를 흡입한 후 고온고압의 압축공기로 가압하게 되고, 이러한 고온고압의 압축공기는 원래 목적이었던 엔진(11) 과급(고온고압의 압축공기를 냉각장치(13)로 이동시켜 냉각시킴으로써 저온고압의 압축공기로 만든 후, 이러한 저온고압의 압축공기를 엔징에 공급하는 것.)의 역할을 하게 되는 것이다.
3. 상기 제 1전력(A) 또는 PV 모듈(90)을 통한 제 3전력(C)에 의해 부가 컴프레셔(30)를 구동시키는 단계(S300): 전술된 S100단계를 통해 발생되는 제 1전력(A) 또는 차량 외부에 설치됨으로써 태양광을 에너지원으로 하여 전력을 발생시키는 PV 모듈(90)을 통한 제 3전력(C)을 이용하는 단계로, 상기와 같은 잉여의 전력 발생시(차량의 배기가스 배출에 의해 발전장치(10)가 구동되어 발생되는 제 1전력(A) 또는 차량의 PV 모듈(90)을 통해 발생되는 제 3전력(C) 등), 상기 제 1, 3전력(A, C) 중 어느 하나를 이용하여 차량 컴프레셔(20)와는 다른 별도의 부가 컴프레셔(30)를 구동시키는 단계이다.
즉, 상기 부가 컴프레셔(30)는 차량이 운행중이어서 배기가스가 배출되는 경우에 생산되는 제 1전력(A)으로 구동이 될 수 있으며, 배기가스가 배출되지 않는 경우, 즉 차량이 운행되지 않고 주정차되어 있는 등의 경우에는 태양광을 이용한 제 3전력(C)을 이용되어 구동될 수 있는 것이다.
이러한, 상기 부가 컴프레셔(30)의 역할은 외부의 공기(외기)를 유입하여 고온고압의 압축공기로 만드는 것임은 당연하다.
4. 상기 부가 컴프레셔(30)에서 발생된 압축공기를 외기로 냉각시키는 단계(S400): 전술된 S300단계를 통해 고온고압으로 가압된 압축공기에서 발생되는 발열을 효과적으로 냉각시키기 위한 것으로, 상기 S400단계에서는 상기와 같이 부가 컴프레셔(30)를 통과한 고온고압의 압축공기가 열교환장치(40)를 거치도록 함으로써, 상기 열교환장치(40)에서는 유입된 고온고압 압축공기를 외기와 열교환시켜, 상기 고온고압 압축공기는 저온고압 압축공기 형태가 되도록 하고, 열교환된 오기는 승온되어 고온 외기 형태가 되도록 하는 것이다.
5. 냉각된 압축공기를 저장하는 단계(S500): 전술된 S400단계를 통해 냉각이 된 저온고압 압축공기가 저장탱크(50)에 저장되도록 하여, 차량 내, 외(차량 내에서 사용될 수 있는 다양한 전력(ex: 실내등의 전력 등) 또는 차량 외부인 가정 또는 실외에서 사용될 수 있는 다양한 전력(ex: 랜턴의 전력 등))에서 전력수요처가 발생되는 경우, 즉 전력의 필요로 인해 저장된 압축공기를 사용해야 하는 경우 상기 저장탱크(50)에 저장되어 있는 저온고압의 압축공기를 배출하여 사용할 수 있도록 한 것이다.
6. 열교환에 사용된 외기의 열에너지를 저장하는 단계(S600): 전술된 S400단계를 통해, 고온고압의 압축공기와 열교환됨으로써 승온된 고온 외기가 가지고 있는 열에너지를 열저장장치(70)에 저장하는 단계이다.
즉, 상기의 고온 외기는 다수의 열저장 유닛(70)으로 이루어진 열저장장치(70) 내부에 유입되고, 유입된 고온 외기의 열에너지는 각 열저장 유닛(70) 내 저장체(72)와 반응하게 되는 것이다. 즉, 고온 외기의 열을 전달받은 저장체(72)는, 내부의 저장물질이 잠재적 열공급 상태로 변환되는 저장체(72)(고체상태의 물질)와 물로 분리되면서 스팀을 발생하게 되는 탈착과정(Dehydration of storage material)을 거치게 된다.
이러한 과정을 통해, 상기 저장체(72)는 고온 외기의 열에너지를 내부에 저장하게 되고, 이때 발생되는 수분은 스팀 형태로 발산되는 것이다.
7. 열에너지 저장시 발생되는 스팀을 공냉하여 응축수로 저장하는 단계(S700): 전술된 S600단계를 통해 열저장장치(70)에 열에너지를 저장할 시, 저장체(72)에서 분리되는 수분(스팀의 형태로 분리된다.)을 별도의 관을 통해 스팀처리수단(80)으로 이동시키는 단계이다. 즉, 상기 스팀처리수단(80)에서 이송된 스팀을 공냉시켜 액상 형태의 응축수로 저장을 하는 것이다.
8. 차량 내, 외의 전력소요처에서 전력을 필요로 하는 경우, 스팀을 열저장장치(70)에 공급하여 저장된 열에너지가 발열되도록 하는 단계(S800): 저장탱크(50)에 저장되어 있는 압축공기를 이용한 전력을 필요로 하게 되는 경우, 상기 저장탱크(50)의 압축공기를 팽창시켜 사용되도록 해야하기 때문에, 이러한 저장탱크(50)의 압축공기 팽창을 위해서는 별도의 반응열이 필요하게 된다.
이에, 상기 S700단계에서 응축수 탱크(82)에 저장해 놓은 응축수를 별도의 히팅장치(83)를 통해 가열하여 스팀의 형태로 만든 후, 잠재적인 열공급 상태로 변환되어 있는 각 열저장 유닛(71)의 저장체(72)에 스팀을 공급하는 것이다. 이에, 열저장 유닛(71) 내부에서는 잠재적인 열공급 상태로 변환되어 있는 저장체(72)가 스팀과 반응하면서 발열을 하게 되는 것이다. 이러한 발열을 저온고압 압축공기의 팽창에 필요한 반응열로 사용하는 것이다.
9. 상기 열저장장치(70) 내부온도가 사전설정온도에 도달하면, 스팀 대신 응축수가열저장장치(70)에 공급되도록 하는 단계(S900): 상기 열저장장치(70) 내 각 열저장 유닛(70)의 저장체(72)에 초기 반응열이 없는 상태에서 스팀을 생성하기 위해서는, 전술된 바와 같이, 응축수 탱크(82)로부터 공급받은 응축수를 가열하여 스팀의 형태로 사용하게 되지만, 사전설정시간이 경과 후, 각 열저장 유닛(70)(또는 저장체(72))에서 충분한 반응열이 발생하고 난 시점에는 히팅장치(83)를 통한 스팀 생산을 중단하는 것이다.
즉, 사전설정시간이 경과 후에는 상기 히팅장치(83)를 통한 스팀은 공급하지 않고, 응축수 탱크(82) 내 응축수를 직접 열저장장치(70) 내에 공급이 되도록 하는 단계로, 열저장장치(70) 내 다수의 열저장 유닛(71)(더욱 자세히는 저장체(72))에서 발생되는 반응열(저장되어 있던 열에너지의 발열)을 이용하여 스팀이 지속적으로 발생되면서, 저장탱크(50)에서 이동되는 저온고압 압축공기의 팽창에 저장체(72)에서 발열된 열에너지가 사용하도록 함으로써, 저온고압 압축공기의 연속적인 공기 팽창이 가능하도록 한다.
10. 상기 열에너지로 공급하고자 하는 압축공기를 팽창시키는 단계(S1000): S900에 기재된 것처럼, 열저장장치(70)에 스팀을 공급하여 열에너지가 발산되도록 하고, 이러한 발열에너지에 의해 저장탱크(50)로부터 배출되어 후술될 전력발생수단(60)으로 이동되는 저온고압 압축공기가 원활하게 팽창될 수 있도록 한다.
11. 팽창된 압축공기로 전력발생수단(60)을 구동시켜 전력수요처에서 사용하기 위한 제 2전력(B)을 생산하는 단계(S1100): 상기 S1000단계를 통해 팽창된 고온고압의 압축공기는 전력발생수단(60)에 공급되어 전력발생수단(60)을 구동시킴으로써, 상기 전력발생수단(60)에 생산된 전력을 전력수요처에 사용될 수 있도록 하는 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.
10: 발전장치 11: 엔진
12: 터빈 13: 냉각장치
20: 차량 컴프레셔 30: 부가 컴프레셔
40: 열교환장치 50: 저장탱크
60: 전력발생수단 70: 열저장장치
71: 열저장 유닛 72: 저장체
80: 스팀처리수단 81: 응축수단
82: 응축수 탱크 90: PV 모듈
A: 제 1전력 B: 제 2전력
C: 제 3전력

Claims (9)

  1. 차량의 터보차져를 위한 터빈(12)과 연결되어 제 1전력(A)을 발생하는 발전장치(10);
    상기 제 1전력(A)으로 구동되어 압축공기를 제공하는 부가 컴프레셔(30);
    상기 압축공기를 외기와 열교환시켜 냉각시키는 열교환장치(40);
    상기 냉각된 압축공기가 저장되는 저장탱크(50);
    상기 저장탱크(50) 내 압축공기에 의해 구동되어, 전력수요처에 사용하기 위한 제 2전력(B)을 발생하는 전력발생수단(60);
    상기 열교환장치(40)에서 배출되는 고온외기의 열에너지를 저장하기 위한 열저장장치(70);
    상기 열저장장치(70) 내 저장체(72)가 고온외기와 반응하여 배출하는 스팀을 저장하고, 저장체(72)의 열에너지 배출시 필요한 스팀을 제공하는 스팀처리수단(80);
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열저장장치(70)는
    상기 열에너지의 저장 및 저장된 열에너지의 방출이 가능한 고상의 저장체(72)가 내장된 다수의 열저장 유닛(71)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열저장장치(70)는
    내부에 저장된 열에너지를 상기 저장탱크(50)에서 전력발생수단(60)으로 제공되는 압축공기를 팽창시키는데 사용하는 것을 특징으로 하는 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 스팀처리수단(80)은
    상기 열저장장치(70)에서 발생된 스팀을 응축하기 위한 응축수단(81);
    상기 응축수단(81)의 응축수를 저장하기 위한 응축수 탱크(82);
    상기 응축수 탱크(82) 내 응축수를 가열하여 스팀형태로 열저장장치(70)에 제공하기 위한 히팅장치(83);
    가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열저장장치(70)는
    열에너지를 저장한 내부의 저장체(72)가 흡착과정을 통해 열에너지를 발산토록 하기 위해 스팀을 제공받되,
    상기 저장체(72)의 반응초기에는 스팀처리수단(80)을 통해 스팀을 제공받고,
    사전설정시간이 경과되어 저장체(72)가 발열되면, 스팀처리수단(80)의 응축수 탱크(82)로부터 직접 응축수를 공급받아 내부에서 스팀이 발생되도록 하는 것을 특징으로 하는 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전력발생수단(60)은
    공기 터빈 또는 터보 팽창기가 사용되어 전력을 생산하고, 생산된 전력은 차량 내, 외의 전력수요처에 사용되는 것을 특징으로 하는 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 부가 컴프레셔(30)는
    차량에 설치된 PV 모듈(90)을 통해 발생되는 제 3전력(C)에 의해서도 구동이 가능한 것을 특징으로 하는 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 열저장장치(70)는
    내부를 구성하는 열저장 유닛(71)마다 열저장 상태를 감지하는 센서가 장착되어 있고, 사용자는 상기 센서를 외부에서 모니터링 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치.
  9. 차량 내 터빈(12)의 동력을 발전장치(10)와 연결하여 제 1전력(A)을 생산하는 단계(S100);
    차량의 전력저장보다 과급이 더 중요하다고 판단되는 경우 선택적으로, 상기 제 1전력(A)으로 차량 컴프레셔(20)를 구동시켜 엔진(11)에 과급을 공급하는 단계(S200);
    상기 제 1전력(A) 또는 PV 모듈(90)을 통한 제 3전력(C)에 의해 부가 컴프레셔(30)를 구동시키는 단계(S300);
    상기 부가 컴프레셔(30)에서 발생된 압축공기를 외기로 냉각시키는 단계(S400);
    냉각된 압축공기를 저장하는 단계(S500);
    열교환에 사용된 외기의 열에너지를 저장하는 단계(S600);
    열에너지 저장시 발생되는 스팀을 공냉하여 응축수로 저장하는 단계(S700);
    차량 내, 외의 전력소요처에서 전력을 필요로 하는 경우, 스팀을 열저장장치(70)에 공급하여 저장된 열에너지가 발열되도록 하는 단계(S800);
    상기 열저장장치(70) 내부온도가 사전설정온도에 도달하면, 스팀 대신 응축수가 열저장장치(70)에 공급되도록 하는 단계(S900);
    상기 열에너지로 공급하고자 하는 압축공기를 팽창시키는 단계(S1000);
    팽창된 압축공기로 전력발생수단(60)을 구동시켜 전력수요처에서 사용하기 위한 제 2전력(B)을 생산하는 단계(S1100);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축공기 에너지저장을 이용한 차량용 전력저장장치의 전력저장방법.
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