KR101447004B1 - 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 저장 및/또는 발전 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축가스를 이용하여 전기에너지를 저장하고 회수하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명의 에너지 저장 및/또는 발전 시스템은, 압축가스가 저장 가능한 가스 저장용기(110)와; 유체가 저장 가능한 개방형의 유체 저장탱크(120)와; 상기 가스 저장용기와 유체 저장탱크에 각각 연결되어 인가된 유압을 공압으로 전달하거나 인가된 공압을 유압으로 전달하게 되는 유압/공압 변환부(130)와; 상기 가스 저장용기(110)와 상기 유압/공압 변환부(130) 사이에 마련되어 압축공기를 발생시키는 전동식의 압축기(140)와; 상기 가스 저장용기(110)로 전달되는 압축가스의 흐름을 제어하기 위한 밸브(150)를 포함하여, 효율적으로 전기에너지를 저장하고 이를 회수할 수 있으며, 또한 이러한 과정이 분산되어 이루어질 수 있으므로 중/소형의 분산발전 시스템으로 다양하게 활용이 가능한 효과가 있다.

Description

압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 저장 및/또는 발전 시스템 및 그 방법{System and method for energy storage and/or recovery by isothermal process of compressed gas}
본 발명은 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 저장 및/또는 발전 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 작동유체의 위치에너지를 이용하여 전기에너지를 압축공기로 저장하고 이를 전기에너지로 다수 회수하기 위한 에너지 저장 및/또는 발전 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
신재생 에너지 개발 가속화 및 전력 첨두부하 발생의 심화로 인하여, 에너지 저장 시스템(Energy Storage System; ESS)에 대한 관심과 필요성에 대한 공감대가 나날이 증대되고 있다. ESS의 필요성으로 인하여 개발되고 있는 태양광/풍력 발전은 생산하는 전기의 신뢰성 향상을 위해 저장/정류기로서의 활용 목적과 전력 소모가 낮은 시간대의 전기를 축전하여 첨두부하가 극심한 시간대에 활용하는 에너지 저장기기의 목적으로 나눌 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 지금까지 개발되어 온 ESS는 저장되는 에너지의 형태에 따라 전/자기적 에너지 저장 시스템(축전기)과 기계적 에너지 저장 시스템(플라이휠, CAES, PHS), 열화학적 에너지 저장 시스템(리튬이온 배터리 등) 및 물질의 상변화를 이용하는 열적 저장 시스템으로 구분할 수 있다.
각 기술들 마다 특징과 장/단점을 지니고 있어 그 쓰임새가 다양하지만, 특히 중/대형의 에너지 저장 시스템이면서도 상대적으로 입지조건이 까다롭지 않고, 다른 에너지 저장형태에 비해 에너지 회수율이 높은 CAES(Compressed Air Energy Storage) 시스템은 국내/외의 여러 연구진들에 의해 연구 및 개발이 진행 중인 기술이다.
CAES 시스템은 전력 소모가 낮은 시간대에 저가의 유휴 전기를 사용하여 공기를 압축하고 저장한 뒤, 전력소모가 높아지는 기간에 압축공기를 이용하여 전기를 생산하는 기술을 활용한다. 대부분의 CAES 기술들은 압축공기를 저장하기 위해 지하의 저장 공간들을 활용하며, 저장 공간으로는 암반공동과 암염층 및 천연동굴 등을 고려한다. 비록 양수발전(PHS)에 비해서는 입지조건이 까다롭지 않다고 할 수 있으나, 압축공기를 저장하기 위해서는 저장 공간의 기밀이 반드시 유지되어야 하므로 지하 저장 공간을 이용하여 CAES 시스템을 도입하는 데는 여전히 어려움이 따르고 있다.
예를 들어, 공개특허공보 제10-2012-0005489호(공개일자: 2012.01.16))(이하, "선행기술문헌"이라 함)는 지상의 저장 공간을 이용하여 상기 설명한 CAES의 단점을 극복하고자 하였다. 압축공기용 저장탱크를 지상에 위치시키고, 증압기와 피스톤을 이용하여 공압을 유압으로 또는 유압을 공압으로 변화시키면서 공기를 압축하거나 압축공기를 통해 유압식 발전기로 전력을 생산하는 방법이다. 이 기술을 통해 선행특허는 CAES의 입지조건에 대한 제약점들을 해결하였고, 동시에 등온상태의 압축/팽창 시스템을 구현하여 단열상태의 압축/팽창 시스템에서 발생하는 에너지 소모를 차단하였다.
전술한 바와 같이, 선행기술문헌은 CAES 시스템의 도입에 필요한 입지조건의 제약들을 지상용 압축공기 저장탱크를 도입하여 해결하였다. 또한 증압기와 피스톤을 이용해 공기 압축 및 발전 프로세스를 등온과정에서 실현함으로써 에너지 손실을 최소화 할 수 있었고, 여러 개의 밸브를 이용해 공기와 작동유체의 흐름을 제어하여 발전효율을 극대화하였다.
그러나 이 기술을 구현하기 위하여 선행기술문헌은 다양한 장치들이 유기적으로 결합된 복잡한 시스템을 구성하여야 한다. 특히, 등온 압축 및 팽창과정을 구현하기 위해서는 압축 및 팽창과정을 한 번의 지속적 프로세스가 아닌 여러 번의 단계적 프로세스로 분할해야 하는데, 외부의 다른 에너지 없이 펌프 또는 터빈과 증압기 및 피스톤만으로 단계적 구성을 실현하기 위해서는 한 번의 압축 및 팽창을 위해 여러 번의 공압 및 유압간 변환과정이 필수적이다. 이 과정에서 각 기기들의 유입/유출에 대한 제어와 내부 상황을 모니터링 하기 위한 여러 측정기기들의 활용이 필요함을 고려한다면, 선행특허는 많은 초기 비용과 복잡한 제어시스템의 도입을 전제로 할 때만 기술적 구현이 가능함을 알 수 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 작동유체의 위치에너지를 이용하여 압축가스의 등온 프로세스가 이루어져 설치 및 운전환경을 간소화할 수 있는 에너지 저장 및/또는 발전 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 전기에너지를 이용하여 압축가스를 충전하는 과정과 이를 다시 전기에너지로 회수하는 과정이 분산되어 처리가 가능하도록 설치 및 운전환경을 간소화할 수 있으며, 중/소형의 분산발전 시스템으로 다양하게 활용이 가능한 에너지 저장 및/또는 발전 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에너지 저장 및/또는 발전 시스템은, 가스 저장용기가 연결 가능한 가스 저장용기 연결부와; 유체가 저장 가능한 개방형의 유체 저장탱크와; 상기 가스 저장용기 연결부와 유체 저장탱크에 각각 연결되어 인가된 유압을 공압으로 전달하거나 인가된 공압을 유압으로 전달하게 되는 유압/공압 변환부와; 상기 가스 저장용기와 상기 유압/공압 변환부 사이에 마련되어 압축공기의 공급이 가능한 압축공기 공급부에 의해 달성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 압축공기 공급부에는 기체의 흐름을 단속할 수 있는 밸브를 더 포함한다.
한편, 본 발명의 다른 관점에 의한 에너지 저장 및/또는 발전 시스템은, 압축가스가 저장 가능한 가스 저장용기와; 유체가 저장 가능한 개방형의 유체 저장탱크와; 상기 가스 저장용기와 유체 저장탱크에 각각 연결되어 인가된 유압을 공압으로 전달하거나 인가된 공압을 유압으로 전달하게 되는 유압/공압 변환부와; 상기 가스 저장용기와 상기 유압/공압 변환부 사이에 마련되어 압축공기를 발생시키는 전동식의 압축기와; 상기 가스 저장용기로 전달되는 압축가스의 흐름을 제어하기 위한 밸브에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 유압/공압 변환부는 최소한 상기 유체 저장탱크의 상단부보다는 아래에 배치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 압축기의 토출단에는 기체의 흐름을 단속할 수 있는 제2밸브를 더 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 유체 저장탱크와 유압/공압 변환부 사이의 유체의 흐름을 이용하여 전기를 발생시키는 발전부를 더 포함하며, 보다 바람직하게는, 상기 발전부는, 상기 유체 저장탱크와 유압/공압 변환부를 연결하여 유체가 흐르는 제1라인과 이 제1라인에서 바이패스되는 제2라인 사이에 마련되어 구동이 이루어지는 발전기로 구성됨을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 가스 저장용기는 이동이 가능하도록 마련되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 에너지 저장 방법은, 압축가스가 저장 가능한 가스 저장용기와, 유체가 저장 가능한 개방형의 유체 저장탱크와, 상기 가스 저장용기와 유체 저장탱크에 각각 연결되어 인가된 유압을 공압으로 전달하거나 인가된 공압을 유압으로 전달하게 되는 유압/공압 변환부를 포함하여 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 저장 방법에 있어서, 전동식 압축기를 이용하여 공급된 압축가스에 의해 상기 유압/공압 변환부에서 변환된 유압을 통하여 상기 유체 저장탱크 내에 일정 수위까지 유체를 저장하는 제1단계와; 상기 유체 저장탱크 내에 저장된 유체의 위치에너지를 이용하여 상기 유압/공압 변환부를 통해 상기 가스 저장용기 내에 압축공기를 저장하는 제2단계에 의해 달성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 에너지 발전 방법은, 압축가스가 저장 가능한 가스 저장용기와, 유체가 저장 가능한 개방형의 유체 저장탱크와, 상기 가스 저장용기와 유체 저장탱크에 각각 연결되어 인가된 유압을 공압으로 전달하거나 인가된 공압을 유압으로 전달하게 되는 유압/공압 변환부와, 상기 유체 저장탱크와 유압/공압 변환부 사이의 유체의 흐름을 이용하여 전기를 발생시키는 발전부를 포함하여 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 발전 방법에 있어서, 상기 가스 저장용기에 저장된 압축가스에 의해 상기 유압/공압 변환부에서 상기 유체 저장탱크로의 유체 흐름에 의해 발전이 이루어지는 제1단계와; 상기 유압/공압 변환부에 충진된 압축가스를 외부로 배출하여 상기 유체 저장탱크에 저장된 유체의 위치에너지에 의해 상기 유체 저장탱크에서 상기 유압/공압 변환부로의 유체 흐름에 의해 발전이 이루어지는 제2단계에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 저장 및/또는 발전 시스템 및 방법은 압축공기를 가스 저장용기에 충전함에 있어서 유체의 위치에너지를 이용하여 효율적으로 전기에너지를 저장하고 이를 회수할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 에너지 저장시스템의 설치 및 운전환경을 간소화할 수 있으며, 특히 전기에너지를 이용하여 압축가스를 충전하는 과정과 이를 다시 전기에너지로 회수하는 과정이 분산되어 이루어질 수 있으며, 따라서 중/소형의 분산발전 시스템으로 다양하게 활용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 및/또는 발전 시스템의 전체 구성을 보여주는 도면,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장 및/또는 발전 시스템의 작동예를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에너지 저장 및/또는 발전 시스템의 구성도.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참고하면, 본 발명은 압축가스가 저장되는 가스 저장용기(110), 유체가 저장되는 유체 저장탱크(120), 가스 저장용기(110)와 유체 저장탱크(120)에 각각 연결되어 유압/공압을 변환하게 되는 유압/공압 변환부(130), 가스 저장용기(110)와 유압/공압 변환부(130) 사이에 마련되어 압축공기를 발생시키는 전동식의 압축기(140)와, 가스 저장용기(110)로 전달되는 압축가스의 흐름을 제어하기 위한 밸브(150)를 포함한다. 또한, 본 발명의 압축가스를 이용하여 전기에너지를 회수하기 위한 수단으로 발전부를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 가스와 유체는 각각 공기와 물로 예시하여 설명하겠으나, 이에 한정되는 것은 아니며 종류에 관계없이 다양한 가스와 유체가 활용될 수 있음을 이해하여야 한다.
가스 저장용기(110)는 압축공기가 저장되며, 내부의 압력을 검출할 수 있는 주지의 압력센서나 압력게이지가 마련될 수 있다.
가스 저장용기(110)는 유압/공압 변환부(130)와는 별개로 분리되어 이동이 가능할 수 있으며, 따라서 가스 저장용기(110)는 압축공기의 충진과, 충진된 압축공기를 이용하여 발전이 이루어지는 위치가 다를 수가 있다.
예를 들어, 압축공기의 충진 시에는 도심 외곽에 설치된 에너지 저장 시스템의 유압/공압 변환부와 결합되어 가스 저장용기(110)에 압축공기를 충진할 수 있으며, 이후 압축공기가 충진된 가스 저장용기(110) 만을 분리하여 발전이 필요한 장소로 이동한 후에 해당 위치에 설치된 에너지 저장 시스템의 유압/공압 변환부와 조립된 후에 가스 저장용기(110)의 압축공기를 이용하여 발전이 이루어질 수 있을 것이다.
이를 위하여 가스 저장용기(110)는 차량 등의 운반수단과 일체로 마련되거나, 운반수단에 적재가 가능하도록 고정부재 또는 바퀴와 같은 이동수단이 부가될 수가 있을 것이다.
유체 저장탱크(120)는 개구부(121)가 형성된 개방형태의 탱크로써 물을 저장하게 된다.
유압/공압 변환부(130)는 유압(수압)을 공압으로 또는 공압을 유압(수압)으로 변환하게 되며, 피스톤(131)이 마련되어 피스톤(131)을 기준으로 양단에 인가되는 수압과 공압의 압력차에 따라서 작동이 이루어진다. 유압/공압 변환부로는 주지의 증압기가 사용될 수가 있을 것이다.
유압/공압 변환부(130)는 최소한 유체 저장탱크(120)의 상단부보다는 아래에 배치되는 것이 바람직하며, 따라서 유압/공압 변환부(130)에 발생된 압력(공압)에 의해 유체 저장탱크(120)에 저장되는 물은 위치에너지로 저장되어 수압으로 작용한다.
압축기(140)는 전동식으로 구동이 이루어지며, 유휴 전기에 의해 구동이 이루어져 압축공기를 발생시키게 되며, 이와 같이 발생된 압축공기는 일련의 과정을 거쳐서 최종적으로는 가스 저장용기(110)에 저장된다.
밸브(150)는 가스 저장용기(110)로 전달되는 공기의 흐름을 제어하게 되며, 바람직하게는 압축기(140)의 토출단에도 제2밸브(141)가 마련되어 유압/공압 변환부(130) 내에 충진되는 공기의 흐름을 단속할 수 있다.
본 발명에서 밸브(150) 또는 제2밸브(141)는 수조작이 이루어지는 매뉴얼 밸브일 수 있으며, 또는 전기적인 신호에 의해 동작이 이루어지는 전자밸브일 수 있다. 밸브(150), 제2밸브(141) 이외에도 본 실시예에서 언급되는 모든 밸브는 기본적으로 매뉴얼 밸브 또는 전자밸브 모두가 적용이 가능할 것이다.
본 발명은 유체 저장탱크(120)와 유압/공압 변환부(130) 사이의 유체의 흐름을 이용하여 전기를 발생시키는 발전부를 포함한다.
발전부는 가스 저장용기(110)에 저장된 압축가스를 이용하여 유체의 흐름에 의해 발전이 이루어질 수 있으며, 또는 유체 저장탱크(120)에 저장된 유체의 위치에너지를 이용하여 발전이 이루어질 수 있다. 이에 대한 구체적인 작동예는 도 3에서 다시 설명될 것이다.
구체적 일례로써, 발전부는 유체의 흐름에 의해 구동되는 발전기에 의해 제공될 수 있으며, 바람직하게는, 발전기(160)는 유체 저장탱크(120)와 유압/공압 변환부(130)를 연결하여 유체가 흐르는 제1라인(L1)과 이 제1라인(L1)에서 바이패스되는 제2라인(L2) 사이에 마련되며, 제1라인(L1) 상에 마련된 제3밸브(161)와 제2라인(L2) 상에 마련된 제4밸브(162)에 의해 발전기(160) 측으로의 유체 흐름의 단속이 이루어질 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 에너지 저장 시스템의 전기 에너지를 저장 과정과, 전기 에너지의 회수 과정을 살펴보면 다음과 같다.
도 2의 (a)(b)(c)는 본 발명의 에너지 저장 시스템에서 전기 에너지를 이용하여 가스 저장용기(110)에 압축공기를 저장하는 과정을 차례로 보여주는 도면이다. 참고로, 도 2에서 에너지 저장 과정 중에 동작하지 않는 발전부는 도시되어 있지 않다.
도 2의 (a)는 압축 초기 상태를 예시한 것으로, 밸브(150)는 차단되고 제2밸브(141)는 개방된 상태에서 유휴 전기를 이용하여 압축기(140)가 작동되며, 압축기(140)에서 발생된 압축공기는 피스톤(131)을 가압하여 유압/공압 변환부(130) 내의 물이 유체 저장탱크(120)로 이동하게 된다.
따라서 유체 저장탱크(120)의 수위는 높아지게 되며, 이에 따라 유체 저장탱크(120)의 수압은 상승하게 되고 유압/공압 변환부(130) 내부의 압력이 증가한다. 한편, 유압/공압 변환부(130) 내부의 발생되는 압력은 유체 저장탱크(120)의 수위에 의해 결정될 수 있으며, 따라서 유체 저장탱크(120)의 수위를 조절하여 유압/공압 변환부(130) 내부의 희망하는 압력을 얻을 수가 있다(도 2의 (b) 참고).
도 2의 (c)를 참고하면, 유압/공압 변환부(130) 내의 압력이 목표 압력에 도달하게 되면, 제2밸브(141)를 차단하고 밸브(150)를 개방하여 가스 저장용기(110)는 유압/공압 변환부(130) 내의 압축공기에 충진이 이루어지며, 이러한 과정은 유체 저장탱크(120) 내에 저장된 물의 위치에너지에 의해 이루어지며 유체 저장탱크(120)의 수위가 내려가게 된다.
가스 저장용기(110)에 압축공기가 충진된 후에는 밸브(150)를 차단하고 제2밸브(141)를 개방한 후에 앞서 설명한 과정을 반복하여 최종적으로 원하는 압력까지 가스 저장용기(110) 내에 압축공기를 충진할 수 있다.
한편, 이러한 과정에서 공기의 압축과정은 단열 압축이므로 일시적으로 유압/공압 변환부(130) 내의 압축공기의 온도가 상승하게 되지만, 압축된 공기를 가스 저장용기(110)로 충진하는 과정은 단열팽창 과정이므로 공기의 온도가 하강하게 된다. 따라서, 이러한 두 과정의 상쇄효과로 인하여 전체 압축과정의 최종상태는 등온압축의 형태로 진행되며, 가스 저장용기(110)는 유압/공압 변환부(130)의 용적에 비하여 매우 크기 때문에 압축과정에서 가스 저장용기(110)의 내부 온도는 대기온도와 비슷하다.
다음으로 도 3에 참고하여, 본 발명의 에너지 저장 시스템을 이용하여 가스 저장용기(110) 내에 충진된 압축공기를 이용하여 전기 에너지를 회수하는 과정을 살펴보도록 한다.
도 3의 (a)(b)(c)는 본 발명의 에너지 저장 시스템을 이용하여 전기 에너지를 회수하는 과정을 차례로 보여주는 도면이다.
도 3의 (a)에서 예시하고 있는 것과 같이, 밸브(150)를 개방하게 되면, 가스 저장용기(110)에 충진된 고압의 압축공기에 의해 피스톤(131)은 도면의 좌측으로 이동하면서 유압/공압 변환부(130)에 저장된 물은 유체 저장탱크(120)로 이동하며, 이때 유체 저장탱크(120)로 흐르는 물의 흐름을 이용하여 발전기(160)를 통해 전기를 얻을 수가 있다.
도 3의 (b)를 참고하면, 유체 저장탱크(120)의 수위가 일정 수준까지 상승하게 되면, 개방되었던 밸브(150)를 차단하며, 이에 따라서 가스 저장용기(110)에서 유체 저장탱크(120)로 흐르는 물의 흐름은 중단되고 발전기(160)를 통한 발전도 중단된다.
다음으로 도 3의 (c)에 예시된 것과 같이, 제2밸브(141)를 개방하여 유압/공압 변환부(130)에 충진된 압축공기를 외부로 배출하며, 이에 따라서 유체 저장탱크(120)에 일정 수압으로 저장된 물은 유압/공압 변환부(130)로 흐름이 발생하며, 이때 유체 저장탱크(120)에서 유압/공압 변환부(130)로 흐르는 물의 흐름을 이용하여 다시 한차례 발전기(160)를 통해 전기를 얻을 수가 있다.
본 실시예에서 유압/공압 변환부(130)에 충진된 압축공기의 배기는 압축기를 통해 압축공기가 공급되는 제2밸브(141)를 통하여 이루어지는 것으로 설명하였으나, 이와는 별도로 마련된 배기용 전용밸브가 마련될 수도 있을 것이다.
이와 같이 본 발명은 압축공기를 외부로 배출하는 동안에 발전기(160)에서 두 차례에 걸쳐서 발전이 이루어지게 되며, 가스 저장용기(110)에서 유압/공압 변환부(130)로 압축공기가 유입되는 과정은 단열 팽창 과정이므로 일시적으로 유압/공압 변환부(130) 내부의 기온이 하강하겠지만, 총 부피가 가스 저장용기(110)의 전체 용적에 비해 작고 유입되는 공기의 속도를 밸브를 통해 조절이 가능하므로 공기의 팽창을 단계적으로 수행하여 단열 팽창에 의한 공기 온도 저하의 영향은 무시될 수 있다. 따라서, 압축공기의 저장과정에서와 마찬가지로 발전 과정에서도 압축공기의 온도는 대기온도와 유사하여 압축공기를 이용한 발전 과정 역시도 등온과정으로 볼 수 있다.
한편, 본 발명은 전기에너지를 이용하여 가스 저장용기 내에 압축공기를 충진하는 에너지 저장과, 충진된 압축공기를 이용한 전기에너지의 회수가 별개로 분리되어 이루어질 수 있다.
도 4에 예시된 것과 같이, 충진 사이트는 압축공기의 충진이 이루어지는 장소로써, 압축공기의 충진 과정에서 압축기의 작동으로 인하여 장시간의 소음이 발생될 수가 있으며, 따라서 주거 지역 등에서 벗어난 도심 외곽에 설치되어 유휴 전기를 이용하여 작업이 이루어질 수 있다.
따라서, 충진 사이트에는 유체 저장탱크(120)와 유압/공압 변환부(130)만이 설치되며, 유압/공압 변환부(130)에는 가스 저장용기 연결부(132)가 마련되어 가스 저장용기(110)는 충진 작업 후에 설비로부터 분리되어 이동이 가능할 수 있다. 한편, 도시되지 않았으나 가스 저장용기 연결부(132)에는 기체의 흐름을 단속하기 위한 별도의 제어밸브가 부가될 수 있다.
가스 저장용기(110)는 이동의 편리성을 위하여 차량 등의 운반수단과 일체로 마련되거나, 운반수단에 적재가 가능하도록 고정부재 또는 바퀴와 같은 이동수단이 부가될 수 있을 것이다.
한편, 압축기(140) 역시도 설비에 고정될 필요 없이 압축공기 공급부(133)로 마련되어 압축기(140)의 탈부착이 가능할 수 있으며, 압축공기 공급부(133)에는 제2밸브(141) 만이 마련될 수 있을 것이다.
한편, 전기소비량이 큰 지역과 같은 전력 공급이 필요한 장소인 발전 사이트에서는 압축공기가 충진된 가스 저장용기를 이용하여 전기에너지를 회수할 수가 있다.
발전 사이트에는 유체 저장탱크(120)와, 유압/공압 변환부(130) 및 발전기(160) 만이 마련되며, 충진된 가스 저장용기(110)가 가스 저장용기 연결부(132)를 통해 연결되어 압축공기를 공급하게 되며, 압축기(140)가 조립되는 압축공기 공급부(131)와 제2밸브(141)는 발전 과정에서 압축공기를 외부로 방출하기 위한 수단으로 기능할 수가 있다.
이와 같이, 압축공기의 충진과, 이를 이용한 발전이 분산되어 이루어질 수 있으며, 따라서 중/소형 분산발전 시스템으로 다양하게 활용이 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 가스 저장용기 120 : 유체 저장탱크
130 : 유압/공압 변환부 131 : 피스톤
132 : 가스 저장용기 연결부 133 : 압축공기 공급부 140 : 압축기 150 : 밸브
160 : 발전기

Claims (10)

  1. 가스 저장용기가 연결 가능한 가스 저장용기 연결부와;
    유체가 저장 가능한 개방형의 유체 저장탱크와;
    상기 유체 저장탱크의 상단부보다는 아래에 배치되어 상기 가스 저장용기 연결부와 유체 저장탱크에 각각 연결되며, 인가된 유압을 공압으로 전달하거나 인가된 공압을 유압으로 전달하게 되는 유압/공압 변환부와;
    상기 가스 저장용기와 상기 유압/공압 변환부 사이에 마련되어 압축공기의 공급이 가능한 압축공기 공급부를 포함하는 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 변환시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압축공기 공급부에는 기체의 흐름을 단속할 수 있는 밸브를 더 포함하는 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 변환시스템.
  3. 압축가스가 저장 가능한 가스 저장용기와;
    유체가 저장 가능한 개방형의 유체 저장탱크와;
    상기 유체 저장탱크의 상단부보다는 아래에 배치되어 상기 가스 저장용기와 상기 유체 저장탱크에 각각 연결되며, 인가된 유압을 공압으로 전달하거나 인가된 공압을 유압으로 전달하게 되는 유압/공압 변환부와;
    상기 가스 저장용기와 상기 유압/공압 변환부 사이에 마련되어 압축공기를 발생시키는 전동식의 압축기와;
    상기 가스 저장용기로 전달되는 압축가스의 흐름을 제어하기 위한 밸브를 포함하는 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 변환시스템.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서, 상기 압축기의 토출단에는 기체의 흐름을 단속할 수 있는 제2밸브를 더 포함하는 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 변환시스템.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 유체 저장탱크와 유압/공압 변환부 사이의 유체의 흐름을 이용하여 전기를 발생시키는 발전부를 더 포함하는 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 변환시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 발전부는,
    상기 유체 저장탱크와 유압/공압 변환부를 연결하여 유체가 흐르는 제1라인과 이 제1라인에서 바이패스되는 제2라인 사이에 마련되어 구동이 이루어지는 발전기로 구성됨을 특징으로 하는 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 변환시스템.
  8. 제3항에 있어서, 가스 저장용기는 이동이 가능하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 변환시스템.
  9. 압축가스가 저장 가능한 가스 저장용기와, 유체가 저장 가능한 개방형의 유체 저장탱크와, 상기 가스 저장용기와 유체 저장탱크에 각각 연결되어 인가된 유압을 공압으로 전달하거나 인가된 공압을 유압으로 전달하게 되는 유압/공압 변환부를 포함하여 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 저장 방법에 있어서,
    전동식 압축기를 이용하여 공급된 압축가스에 의해 상기 유압/공압 변환부에서 변환된 유압을 통하여 상기 유체 저장탱크 내에 일정 수위까지 유체를 저장하는 제1단계와;
    상기 유체 저장탱크 내에 저장된 유체의 위치에너지를 이용하여 상기 유압/공압 변환부를 통해 상기 가스 저장용기 내에 압축공기를 저장하는 제2단계를 포함하는 에너지 저장 방법.
  10. 압축가스가 저장 가능한 가스 저장용기와, 유체가 저장 가능한 개방형의 유체 저장탱크와, 상기 가스 저장용기와 유체 저장탱크에 각각 연결되어 인가된 유압을 공압으로 전달하거나 인가된 공압을 유압으로 전달하게 되는 유압/공압 변환부와, 상기 유체 저장탱크와 유압/공압 변환부 사이의 유체의 흐름을 이용하여 전기를 발생시키는 발전부를 포함하여 압축가스의 등온 프로세스 거동을 이용한 에너지 발전 방법에 있어서,
    상기 가스 저장용기에 저장된 압축가스에 의해 상기 유압/공압 변환부에서 상기 유체 저장탱크로의 유체 흐름에 의해 발전이 이루어지는 제1단계와;
    상기 유압/공압 변환부에 충진된 압축가스를 외부로 배출하여 상기 유체 저장탱크에 저장된 유체의 위치에너지에 의해 상기 유체 저장탱크에서 상기 유압/공압 변환부로의 유체 흐름에 의해 발전이 이루어지는 제2단계를 포함하는 에너지 발전 방법.
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