KR102083021B1 - 압축공기 발전 저장시스템 - Google Patents

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KR102083021B1 KR1020190057068A KR20190057068A KR102083021B1 KR 102083021 B1 KR102083021 B1 KR 102083021B1 KR 1020190057068 A KR1020190057068 A KR 1020190057068A KR 20190057068 A KR20190057068 A KR 20190057068A KR 102083021 B1 KR102083021 B1 KR 102083021B1
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Abstract

본 발명은 대기 중의 무한한 공기를 활용하여 전기를 생산하고 저장하는 압축공기 발전 저장시스템에 관한 것으로, 심야전기 및 잉여 생산전기를 이용하여 압축공기 저장탱크 내에 고압의 공기를 주입하여 저장하되, 공기 중의 미세먼지를 여과하여 공기를 정화시켜서 사회적으로 큰 문제가 되고 있는 초미세먼지 오염을 효과적으로 방지하며, 압축공기 저장탱크 내의 압축공기를 고압으로 분사시켜서 에어 구동체를 구동하여서 신재생에너지 발전기에서 전기를 생산함은 물론 그 생산한 전기를 전기에너지 저장장치에 저장하되, 전기에너지 저장장치 충전시 발생하는 폐열을 이용하여 압축공기를 재가열시킴으로써, 에너지 효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명은 전기에너지 저장장치 충전시 필연적으로 열이 발생하는 데, 제1냉각장치를 이용한 열교환방식을 이용하여 그 폐열을 이용하여 고압 분사장치에서 분사하는 압축공기를 재가열함과 동시에 전기에너지 저장장치를 냉각시킴으로써, 전기에너지 저장장치의 충전을 안정적으로 구현할 수 있다.

Description

압축공기 발전 저장시스템{POWER GENERATION STORAGE SYSTEM FOR USING COMPRESSED AIR}
본 발명은 대기 중의 무한한 공기를 활용하여 전기를 생산하고 저장하는 압축공기 발전 저장시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 심야전기 및 잉여 생산전기를 이용하여 압축공기 저장탱크 내에 고압의 공기를 주입하여 저장하되, 공기 중의 미세먼지를 여과하여 공기를 정화시켜서 사회적으로 큰 문제가 되고 있는 초미세먼지 오염을 효과적으로 방지하며, 압축공기 저장탱크 내의 압축공기를 고압으로 분사시켜서 에어 구동체를 구동하여서 신재생에너지 발전기에서 전기를 생산함은 물론 그 생산한 전기를 전기에너지 저장장치에 저장하되, 전기에너지 저장장치 충전시 발생하는 폐열을 이용하여 압축공기를 재가열시킴으로써, 에너지 효율을 극대화할 수 있는 압축공기 발전 저장시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 신재생에너지는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 바람, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래 에너지원을 그 특성으로 하고 있고, 신재생에너지는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었다.
국내 발전원별 전력량은 석탄 및 LNG가 차지하는 비중은 다소 축소되며, 원자력이 차지하는 비중이 증가하고, 전체 에너지에서 신재생에너지가 분담하는 비중이 2020년 66%, 2030년 11%를 목표로 하고 있다.
그러나 이러한 신재생에너지(풍력, 태양광, 태양열, 조류, 조력, 파력 등)는 원자력, 화력, 수력 등에 의한 발전에 비하여 전력 발전량이 시간별로 불안정하기 때문에 신재생에너지 발전량 비율이 전체 발전량의 10%를 초과하는 경우 전체 전력망의 불안정으로 인해 전력품질에 심각한 피해가 우려된다.
따라서, 전력품질의 안정화를 위해서는 에너지 저장이 필요한데, 이러한 에너지저장 시스템은 경부하 시 유휴전력을 저장하고 과부하 시 전력을 사용함으로써 첨두 부하 분산을 통해 발전소 건설비, 송전선 설치비 등의 투자비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 전력 예비율을 높여 여름·겨울철의 전력 피크와 대규모 정전 사고 등에 효과적인 대응이 가능하고 신재생에너지 확산이라는 부가가치를 창출할 수 있다.
종래의 저장시스템으로는 압축공기 저장(CAES: Compressed Air Energy Storage) 시설과 양수발전이 있으나, 심야의 값싼 전력을 이용하여 하부댐의 물을 상부댐에 양수시켜 첨두부하 시에 발전함으로써, 전체적인 전력계통의 발전효율 향상과 경제적인 전력 계통의 운용이 가능한 양수발전은 수량이 풍부하고 큰 자연낙차를 줄 수 있는 조건이 형성되어야 하는 입지 제한조건 및 환경문제와 더불어 과거에 비해 심야전력의 사용 급증 등의 문제로 인해 그 효용이 떨어지게 되어, 대규모 에너지 저장 기술인 압축공기 저장이 주목을 받게 되었고, 이러한 에너지 저장을 통한 전력효율 극대화는 공급자와 소비자가 정보를 교환하여 에너지 효율을 최적화하는 스마트 그리드(Smart grid)의 핵심요소로 대두되게 되었다.
압축공기 저장 시스템은 잉여 전력으로 공기를 동굴이나 지하에 압축하고, 압축된 공기를 가열하여 터빈을 돌리는 방식으로 대규모 저장이 가능하고 발전 단가가 낮은 장점이 있으나, 압축공기 저장시설의 구축을 위해 암염 층을 융해하여 공동을 건설하거나 천연가스 또는 석유채취 후의 배사구조 대수층을 이용하거나 광산의 폐 갱도 또는 천연 공동을 이용하여 암반 공동을 건설하는 방법 등은 초기 구축비용이 과다하고 국내에는 암염 층이나 배사구조 대수층을 찾아보기 어려운 지리적 제약이 따르는 단점이 있으며, 암반 공동을 건설하는 방식으로는 공개 특허공보 제10-2009-0025648호의 폐광이나 동굴의 유휴 지하공간을 압축공기에너지 저장장치로 활용한 발전방식 및 장치가 있다.
이에, 국내에서도 해상 풍력단지를 포함한 신재생 에너지원의 개발이 구체화되고 에너지 시장의 확대와 신재생에너지 개발의 발달은 압축공기 저장기술의 시장 수요의 증가를 수반할 것이므로, 전력 소비자의 계통 연계성을 고려하면 에너지 저장시설의 위치 선정에서의 유연성이 중요하게 되었고, 압축공기를 저장할 수 있는 인공 구조물 시스템의 개발을 통해 에너지원에 따른 저장용량 및 저장장소를 고려하여 에너지원 별로 최적화하여 적용할 필요성이 있다.
또한, 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 심야전기 보일러 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 주간 전력소비를 줄일 수 있도록 한 것이다.
종래의 심야전기를 이용한 압축공기 저장(CAES; Compressed Air Energy Storage) 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 심야전기를 이용해 구동하는 압축기에 의해 압축된 공기를 저장탱크(1)에 저장하고, 이를 전력 소비량이 많은 시간대에 배출되도록 하면서 배출된 압축공기를 연소기(2)에서 연료와 혼합 연소시키고, 연소된 연소가스의 압력으로 터빈(3)을 구동시킴으로 인해 발전기가 구동되도록 한 것이나, 종래의 시스템은 저장탱크(1)에 저장된 압축공기를 효율적으로 사용하지 못하는 문제가 있기 때문에 이에 대한 개선이 필요한 실정이다.
또한, 종래 대규모 전력저장에서 기존의 양수발전은 환경적, 입지적 문제가 있어 추가적 건설이 어려운 한계가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0025648호
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 심야전기 및 잉여 생산전기를 이용하여 압축공기 저장탱크 내에 고압의 공기를 주입하여 저장하되, 공기 중의 미세먼지를 집진 여과하여 사회적으로 큰 문제가 되고 있는 초미세먼지 오염을 효과적으로 방지할 수 있는 압축공기 발전 저장시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 압축공기 저장탱크 내의 압축공기를 고압으로 분사시켜서 에어 구동체를 구동하여서 신재생에너지 발전기에서 전기를 생산함은 물론 그 생산한 전기를 전기에너지 저장장치에 저장하되, 전기에너지 저장장치 충전시 발생하는 폐열을 이용하여 고압 분사장치에서 분사하는 압축공기를 재가열하여 팽창시킴으로써, 에너지 효율을 더욱 극대화할 수 있는 압축공기 발전 저장시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 전기에너지 저장장치 충전시 필연적으로 열이 발생하는 데, 제1냉각장치를 이용한 열교환방식을 이용하여 그 폐열을 이용하여 고압 분사장치에서 분사하는 압축공기를 재가열함과 동시에 전기에너지 저장장치를 냉각시킴으로써, 전기에너지 저장장치의 충전을 안정적으로 구현할 수 있는 압축공기 발전 저장시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 압축공기 발전 저장시스템은 대기 중의 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기; 상기 압축된 공기를 저장하는 압축공기 저장탱크; 압축한 공기를 상기 압축공기 저장탱크 안에 저장하기 전에 압축공기에 포함된 미세먼지와 이물질을 사전에 제거하는 여과장치; 상기 압축공기 저장탱크의 압축공기를 고압 분사하기 위한 고압분사 노즐장치; 상기 고압분사 노즐장치에서 분사되는 압축공기의 부피를 팽창시키는 재가열기; 상기 고압분사 노즐장치에 의해 고압 분사된 압축공기에 의해 구동되는 에어 구동체; 상기 에어 구동체의 구동으로 전기를 생성하는 신재생에너지 발전기; 상기 신재생에너지 발전기에서 생성한 전기를 저장하는 전기에너지 저장유닛; 및 전기에너지 충전시, 상기 전기에너지 저장유닛에서 발생하는 폐열을 상기 재가열기에 공급하는 폐열회수기;를 포함한다.
본 발명의 압축공기 발전 저장시스템은 상기 압축기; 상기 압축공기 저장탱크; 상기 여과장치; 상기 고압분사 노즐장치; 상기 재가열기; 상기 에어 구동체; 상기 신재생에너지 발전기; 전기에너지 저장유닛; 및 상기 폐열회수기는 하나의 패키지로 구성될 수 있다.
상기 여과장치는 입구에서부터 출구까지 1차 필터, 2차 필터, 및 3차 필터의 3단 적층구조를 이루고,
상기 1차 필터는 가장 큰 입자를 걸러주기 위한 전처리 필터이고, 상기 2차 필터는 1차 필터의 경우보다는 작은 입자를 걸러주기 위한 전처리 필터이며, 상기 3차 필터는 가장 작은 입자를 걸러주기 위한 헤파 필터로 구성될 수 있다.
상기 전기에너지 저장장치는, 전극 소자가 배치된 케이스, 상기 케이스 상부에 배치되는 상부 커버, 및 케이스 하부에 배치되는 하부 커버를 포함하되,
상기 케이스는 전극 소자가 수납되면 전극 소자의 외부를 감싸며 외부로부터의 열적, 물리적 충격으로부터 상기 전극 소자를 보호하며,
상기 케이스는 전극 소자가 원통형의 형상으로 권취된 경우, 속이 비고 전 후면이 개방된 원통형의 형상으로 마련되며, 전 후면이 개방된 케이스의 전면에는 상부 커버가 결합되며, 후면에는 하부 커버가 결합되며.
상기 전극 소자는 중앙에 코어를 중심으로 전극이 권취되며, 코어와 전기적으로 절연 상태를 가지며, 상기 케이스 내측면과도 전기적으로 절연된 상태를 가지며,
상기 전극 소자는 양극전극, 음극전극, 격리막이 각각 적층된 상태에서, 중앙에 배치된 코어를 중심으로 권취된 형태로 구성되며, 상기 격리막은 양극전극과 음극전극을 전기적으로 각각 절연시키면서 전해액이 투과되도록 제작될 수 있다.
상기 신재생에너지 발전기는 풍력 발전기, 조류 발전기, 조력 발전기 또는 파력 발전기중 어느 하나로 구성될 수 있다.
상기 신재생에너지 발전기에서 생성한 전기의 일부를 상기 압축기로 공급하는 압축기 공급용 전원 피드백 라인이 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 압축공기 발전 저장방법은, 압축기에서 대기 중의 공기를 흡입 압축하여서 압축공기 저장탱크에 저장하되 저장 전에 여과장치에서 압축공기에 포함된 미세먼지와 이물질을 사전에 제거하는 제1단계; 고압분사 노즐장치에서 압축공기 저장탱크의 압축공기를 고압 분사하여 에어 구동체를 구동하되, 상기 고압분사 노즐장치에서 분사되는 압축공기를 가열하여 부피를 팽창시키는 제2단계; 상기 에어 구동체의 구동으로 신재생에너지 발전기에서 전기를 생성하는 제3단계; 상기 신재생에너지 발전기에서 생성한 전기를 전기에너지 저장유닛에 저장하는 제4단계; 및 폐열회수기에서, 전기에너지 충전시, 상기 전기에너지 저장유닛에서 발생하는 폐열을 상기 재가열기에 공급하는 제5단계;를 포함한다.
상기 제5단계에서는, 상기 폐열회수기와 상기 전기에너지 저장유닛 사이에 설치된 냉각장치를 통해서 열교환방식으로 상기 전기에너지 저장유닛에서 발생하는 폐열을 상기 재가열기에 공급한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 심야전기 및 잉여 생산전기를 이용하여 압축공기 저장탱크 내에 고압의 공기를 주입하여 저장하되, 공기 중의 미세먼지를 집진 여과하여 최근 사회적으로 큰 문제가 되고 있는 초미세먼지를 제거함으로써, 대기 중의 공기를 효과적으로 정화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 압축공기 저장탱크 내의 압축공기를 고압으로 분사시켜서 에어 구동체를 구동하여서 신재생에너지 발전기에서 전기를 생산함은 물론 그 생산한 전기를 전기에너지 저장장치에 저장하되, 전기에너지 저장장치 충전시 필연적으로 고열이 발생하고, 그 고열의 폐열을 이용하여 고압 분사장치에서 분사하는 압축공기를 재가열하여 팽창시킴으로써, 에너지 효율을 더욱 극대화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 전기에너지 저장장치 충전시 필연적으로 열이 발생하는 데, 제1냉각장치 및 제2냉각장치를 이용한 열교환방식으로 그 고열의 폐열을 이용하여 고압 분사장치에서 분사하는 압축공기를 재가열함과 동시에 전기에너지 저장장치를 효과적으로 냉각시킴으로써, 전기에너지 저장장치의 충전을 안정적으로 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 심야전기를 이용한 압축공기 저장시스템을 도시한 도면
도 2는 본 발명의 압축공기 발전 저장시스템을 도시한 구성도
도 3은 본 발명의 압축공기 발전 저장시스템을 도시한 블록도
도 4는 본 발명의 압축공기 발전 저장시스템의 패키지 구성을 보인 개념도
도 5는 본 발명의 전기에너지 저장유닛을 도시한 사시도
도 6은 본 발명의 전극 소자를 도시한 사시도
도 7은 본 발명의 압축공기 발전 저장방법을 설명하는 흐름도
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 압축공기 발전 저장시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 압축공기 발전 저장시스템을 도시한 구성도, 도 3은 본 발명의 압축공기 발전 저장시스템을 도시한 블록도, 도 4는 본 발명의 압축공기 발전 저장시스템의 패키지 구성을 보인 개념도, 도 5는 본 발명의 전기에너지 저장유닛을 도시한 사시도, 및 도 6은 본 발명의 전극 소자를 도시한 사시도이다.
위 도면을 참조하면, 본 발명의 압축공기 발전 저장시스템은, 대기 중의 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기(110); 압축된 공기를 저장하는 압축공기 저장탱크(120); 압축한 공기를 상기 압축공기 저장탱크(120) 안에 저장하기 전에 압축공기에 포함된 미세먼지와 이물질을 사전에 제거하는 여과장치(130); 압축공기 저장탱크(120)의 압축공기를 고압 분사하기 위한 고압분사 노즐장치(140); 고압분사 노즐장치(140)에서 분사되는 압축공기의 부피를 팽창시키는 재가열기(150); 고압분사 노즐장치(140)에 의해 고압 분사된 압축공기에 의해 구동되는 에어 구동체(160); 에어 구동체(160)의 구동으로 전기를 생성하는 신재생에너지 발전기(170); 신재생에너지 발전기(170)에서 생성한 전기를 저장하는 전기에너지 저장유닛(180); 및 전기에너지 충전시, 전기에너지 저장유닛(180)에서 발생하는 폐열을 재가열기(150)에 공급하는 폐열회수기(190);를 포함한다.
또한, 본 발명의 압축공기 발전 저장시스템에서는, 압축기(110); 압축공기 저장탱크(120); 여과장치(130); 고압분사 노즐장치(140); 재가열기(150); 에어 구동체(160); 신재생에너지 발전기(170); 전기에너지 저장유닛(180); 및 폐열회수기(190)는 하나의 패키지로 구성될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 컨테이너 안에 내장된 패키지 구조로 구성되어 일정장소에 다수 배치될 수 있다.
이하, 본 발명의 압축공기 발전 저장시스템을 좀 더 구체적으로 설명하면, 우선 압축기(110)는 무한정으로 공급될 수 있는 대기 중의 공기를 흡입하여 압축시키는 데, 급유식 오일펌프를 사용할 수 있으며, 저전력을 사용하는 고효율의 압축기로 이른 시간 안에 고압의 공기를 압축공기 저장탱크(120)에 저장하는 역할을 한다.
압축공기 저장탱크(120)의 공기가 줄어들면 센서(미도시)가 감지하고, 자동으로 압축공기 저장탱크(120)에 공기를 채워주도록 구성될 수 있다.
신재생에너지 발전기(170)에서 생산되는 전기를 지원받아 연속적이고 안정적으로 압축공기 저장탱크(120)에 압축공기를 유지시켜 주는 역할을 한다. 이를 위해서 신재생에너지 발전기(170)에서 생성한 전기의 일부를 압축기(110)로 공급하는 압축기 공급용 전원 피드백 라인(171)이 구비될 수 있다.
압축공기 저장탱크(120)는 이동이 가능한 탱크로 구성될 수도 있지만, 지하 암반 등에 형성한 동굴이나 캐버티 외부를 밀폐시킨 구조물을 압축공기 저장탱크(120)로 활용할 수 있으며, 공기압축을 끝낸 후에는 자동으로 단전(斷電)하도록 구성할 수 있다.
또한, 여과장치(130)는 공기 중에 포함된 초미세먼지, 황사, 매연 등의 이물질을 집진하여 여과하여 줌으로써, 최근 사회적으로 큰 문제가 되고 있는 중금속이 포함된 초미세먼지 등을 대기 중에서 제거하여, 에너지 측면은 물론 친환경적 측면에서 긍정적 효과를 동시에 누릴 수 있다.
여과장치(130)는 입구에서부터 출구까지 1차 필터(F1), 2차 필터(F2), 및 3차 필터(F3)의 3단 적층구조를 이루고, 상기 1차 필터(F1)는 가장 큰 입자를 걸러주기 위한 전처리 필터이고, 2차 필터(F2)는 1차 필터의 경우보다는 작은 입자를 걸러주기 위한 전처리 필터이며, 3차 필터(F3)는 가장 작은 입자를 걸러주기 위한 헤파 필터로 구성될 수 있다.
헤파 필터는 High Efficiency Particulate Air Filter Units의 약자로써 0.3㎛ 입경의 미세 DOP 에어로졸로 시험하였을 때, 그 제거 효율이 99.97% 이상의 성능을 가지는 것을 말합니다.
또한, 고압분사 노즐장치(140)는 압축공기 저장탱크(120)의 압축공기를 공급받아서 노즐을 통해서 고압 분사하여 에어 구동체(160), 예를 들어 터빈을 회전시키는 역할을 하도록 한다. 터빈은 고압터빈과 저압터빈이 함께 구성될 수도 있다.
또한, 재가열기(150)는 고압분사 노즐장치(140)에서 분사되는 압축공기를 가열하고, 압축공기의 부피를 팽창시켜서 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
부연 설명하면, 폐열회수기(190)는 전기에너지 충전시, 전기에너지 저장유닛(180)에서 발생하는 폐열을 재가열기(150)에 공급하며, 재가열기(150)는 그 폐열을 이용하여 고압분사 노즐장치(140)에서 분사되는 압축공기를 가열하고, 압축공기의 부피를 팽창시켜서 에너지 효율을 극대화하는 것이다.
또한, 에어 구동체(160) 내에는 감속기(미도시)가 내장되어 에어 구동체(160)의 회전속도를 조절해 주도록 할 수 있다. 3500~4500 RPM의 회전속도를 꾸준히 유지해 신재생에너지 발전기(170)가 안정적인 전기생산을 해주는 역할을 한다.
또한, 폐열회수기(190)와 전기에너지 저장유닛(180) 사이에 설치된 제1냉각장치(10)를 통해서 폐열회수기(190)와 전기에너지 저장유닛(180) 간의 열교환이 이루어진다. 즉, 제1냉각장치(10)는 냉매순환 라인(L1)을 따라 냉매제가 순환하며, 순환펌프(P1)는 냉매제를 강제 순환하는 역할을 한다.
동일한 방식으로 폐열회수기(190)와 재가열기(150) 사이에 설치된 제2냉각장치(20)를 통해서 폐열회수기(190)와 재가열기(150) 간의 열교환이 이루어진다. 즉, 제2냉각장치(20)는 냉매순환 라인(L2)을 따라 냉매제가 순환하며, 순환펌프(P2)는 냉매제를 강제순환하는 역할을 한다.
냉매란 넓은 의미에서 냉각 작용을 일으키는 모든 물질을 가리키며, 특히 냉동장치, 열펌프, 공기조화장치 및 온도차 열에너지 이용기관 등의 사이클 내부를 순환하면서 저온부(증발기)에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하여 고온부(응축기)에서 열을 방출시키는 작동유체를 가리킨다. 냉매제의 종류는 할론 카본 냉매〔프레온(FREON) 냉매〕 2) 탄화수소 냉매(Hydrocarbon) 3) 암모니아(Ammonia R-717) NH₄) 4) 물(H₂O) 등을 사용할 수 있다.
또한, 신재생에너지 발전기(170)는 에어 구동체(160)의 구동으로 전기를 생성하는 데, 풍력 발전기, 조류 발전기, 조력 발전기 또는 파력 발전기중 어느 하나로 구성될 수 있다. 신재생에너지 발전기(170)는 에어 구동체(160)로 받은 회전력에 의해서 구동할 수 있는데, 약 30kw/h 용량의 전기를 생산하도록 할 수 있으며, 생산한 전기를 발전기 6대를 연결해 180kw/h 용량의 전기를 생산할 수 있다.
또한, 전기에너지 저장유닛(ESS; Energy storage system)(180)은 신재생에너지 발전기(170)에서 과잉 생산된 전력 또는 불규칙하게 생산되는 신재생 에너지를 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치를 말한다. 구체적으로, 전기에너지 저장장치란 에너지를 필요한 때와 장소에 공급하기 위해 전기 전력계통에 전기를 저장해 두는 시스템을 말한다.
다시 말해서, 기존의 2차 전지처럼 하나의 제품에 시스템이 통합된 스토리지로 구성되는 하나의 집합체이다. 발전시 불안정한 발전 에너지를 저장했다가 필요한 시점에 안정적으로 전력 계통에 다시 공급해주는 필수 장치로 ESS의 중요성이 대두되고 있다.
만약, ESS가 없다면 태양광에 의존하는 불안정한 전력 공급으로 인해 전력 계통에 갑작스런 단전 등 심각한 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 환경에서 스토리지가 매우 중요한 분야로 대두되고 있다.
이러한 전기에너지 저장장치는 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 이용되고 있으며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생에너지를 이용한 발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하 평준화(Load Leveling), 비상 전원 등의 기능으로 사용되고 있다.
전기에너지 저장장치는 저장방식에 따라 크게 물리적 에너지 저장과 화학적 에너지 저장으로 구분된다. 물리적 에너지 저장으로는 양수발전, 압축공기 저장, 플라이휠 등을 이용한 방법이 있고, 화학적 에너지 저장으로는 리튬이온 배터리, 납축전지, Nas 전지 등을 이용한 방법이 있다.
본 발명의 전기에너지 저장유닛(180)은 신재생에너지 발전기(170)에서 생성한 전기를 저장하는 데, 전극 소자(300)가 배치된 케이스(200), 상기 케이스(200) 상부에 배치되는 상부 커버(210), 및 케이스(200) 하부에 배치되는 하부 커버(220)를 포함하되, 케이스(200)는 전극 소자(300)가 수납되면 전극 소자(300)의 외부를 감싸며 외부로부터의 열적, 물리적 충격으로부터 상기 전극 소자(300)를 보호한다.
케이스(200)는 전극 소자(300)가 원통형의 형상으로 권취된 경우, 속이 비고 전 후면이 개방된 원통형의 형상으로 마련되며, 전 후면이 개방된 케이스(200)의 전면에는 상부 커버(210)가 결합되며, 후면에는 하부 커버(220)가 결합된다.
전극 소자(300)는 중앙에 코어(310)를 중심으로 전극이 권취되며, 코어(310)와 전기적으로 절연 상태를 가지며, 상기 케이스(200) 내측면과도 전기적으로 절연된 상태를 가지며, 전극 소자(300)는 양극전극(340), 음극전극(350), 격리막(330)이 각각 적층된 상태에서, 중앙에 배치된 코어(310)를 중심으로 권취된 형태로 구성되며, 격리막(330)은 양극전극(340)과 음극전극(350)을 전기적으로 각각 절연시키면서 전해액이 투과되도록 제조될 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 압축공기 발전 저장방법을 설명하는 흐름도이다.
위 도면을 참조하면, 본 발명의 압축공기 발전 저장방법은 압축기(110)에서 대기 중의 공기를 흡입 압축하여서 압축공기 저장탱크(120)에 저장하되 저장 전에 여과장치(130)에서 압축공기에 포함된 미세먼지와 이물질을 사전에 제거하는 제1단계(S10); 고압분사 노즐장치(140)에서 압축공기 저장탱크(120)의 압축공기를 고압 분사하여 에어 구동체(160)를 구동하되, 상기 고압분사 노즐장치(140)에서 분사되는 압축공기를 가열하여 부피를 팽창시키는 제2단계(S20); 상기 에어 구동체(160)의 구동으로 신재생에너지 발전기(170)에서 전기를 생성하는 제3단계(S30); 상기 신재생에너지 발전기(170)에서 생성한 전기를 전기에너지 저장유닛(180)에 저장하는 제4단계(S40); 및 폐열회수기(190)에서, 전기에너지 충전시, 상기 전기에너지 저장유닛(180)에서 발생하는 폐열을 상기 재가열기(150)에 공급하는 제5단계(S50);를 포함한다.
상기 제5단계(S50)에서는, 폐열회수기(190)와 전기에너지 저장유닛(180) 사이에 설치된 제1냉각장치(10), 그리고 폐열회수기(190)와 재가열기(150) 사이에 설치된 제2냉각장치(20)를 통해서 열교환방식으로 전기에너지 저장유닛(180)에서 발생하는 폐열을 재가열기(150)에 공급하도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 심야전기 및 잉여 생산전기를 이용하여 압축공기 저장탱크 내에 고압의 공기를 주입하여 저장하되, 공기 중의 미세먼지를 집진 여과하여 최근 사회적으로 큰 문제가 되고 있는 초미세먼지를 제거함으로써, 대기 중의 공기를 효과적으로 정화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 압축공기 저장탱크 내의 압축공기를 고압으로 분사시켜서 에어 구동체를 구동하여서 신재생에너지 발전기에서 전기를 생산함은 물론 그 생산한 전기를 전기에너지 저장장치에 저장하되, 전기에너지 저장장치 충전시 발생하는 폐열을 이용하여 고압 분사장치에서 분사하는 압축공기를 재가열하여 팽창시킴으로써, 에너지 효율을 더욱 극대화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 전기에너지 저장장치 충전시 필연적으로 열이 발생하는 데, 제1냉각장치 및 제2냉각장치를 이용한 열교환방식으로 그 폐열을 이용하여 고압 분사장치에서 분사하는 압축공기를 재가열함과 동시에 전기에너지 저장장치를 냉각시킴으로써, 전기에너지 저장장치의 충전을 안정적으로 구현할 수 있다.
이상에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 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.
10: 제1냉각장치
20: 제2냉각장치
110: 압축기
120: 압축공기 저장탱크
130: 여과장치
140: 고압분사 노즐장치
150: 재가열기
160: 에어 구동체
170: 신재생에너지 발전기
171: 압축기 공급용 전원 피드백 라인
180: 전기에너지 저장유닛
190: 폐열회수기
F1: 1차 필터
F2: 2차 필터
F3: 3차 필터
L1, L2: 냉매순환 라인
P1, P2: 순환펌프

Claims (7)

  1. 대기 중의 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기(110);
    상기 압축된 공기를 저장하는 압축공기 저장탱크(120);
    압축한 공기를 상기 압축공기 저장탱크(120) 안에 저장하기 전에 압축공기에 포함된 미세먼지와 이물질을 사전에 제거하는 여과장치(130);
    상기 압축공기 저장탱크(120)의 압축공기를 고압 분사하기 위한 고압분사 노즐장치(140);
    상기 고압분사 노즐장치(140)에서 분사되는 압축공기의 부피를 팽창시키는 재가열기(150);
    상기 고압분사 노즐장치(140)에 의해 고압 분사된 압축공기에 의해 구동되는 에어 구동체(160);
    상기 에어 구동체(160)의 구동으로 전기를 생성하는 신재생에너지 발전기(170);
    상기 신재생에너지 발전기(170)에서 생성한 전기를 저장하는 전기에너지 저장유닛(180); 및
    전기에너지 충전시, 상기 전기에너지 저장유닛(180)에서 발생하는 폐열을 상기 재가열기(150)에 공급하는 폐열회수기(190);를 포함하고,
    상기 압축기(110); 상기 압축공기 저장탱크(120); 상기 여과장치(130); 상기 고압분사 노즐장치(140); 상기 재가열기(150); 상기 에어 구동체(160); 상기 신재생에너지 발전기(170); 전기에너지 저장유닛(180); 및 상기 폐열회수기(190)는 하나의 패키지로 구성되며,
    상기 여과장치(130)는 입구에서부터 출구까지 1차 필터(F1), 2차 필터(F2), 및 3차 필터(F3)의 3단 적층구조를 이루고,
    상기 1차 필터(F1)는 가장 큰 입자를 걸러주기 위한 전처리 필터이고, 상기 2차 필터(F2)는 1차 필터의 경우보다는 작은 입자를 걸러주기 위한 전처리 필터이며, 상기 3차 필터(F3)는 가장 작은 입자를 걸러주기 위한 헤파 필터로 구성되며,
    상기 전기에너지 저장유닛(180)은, 전극 소자(300)가 배치된 케이스(200), 상기 케이스(200) 상부에 배치되는 상부 커버(110), 및 케이스(200) 하부에 배치되는 하부 커버(220)를 포함하되, 상기 케이스(200)는 전극 소자(300)가 수납되면 전극 소자(300)의 외부를 감싸며 외부로부터의 열적, 물리적 충격으로부터 상기 전극 소자(300)를 보호하며, 상기 케이스(200)는 전극 소자(300)가 원통형의 형상으로 권취된 경우, 속이 비고 전 후면이 개방된 원통형의 형상으로 마련되며, 전 후면이 개방된 케이스(200)의 전면에는 상부 커버(210)가 결합하며, 후면에는 하부 커버(220)가 결합하며. 상기 전극 소자(300)는 중앙에 코어(310)를 중심으로 전극이 권취되며, 코어(310)와 전기적으로 절연 상태를 가지며, 상기 케이스(200) 내측면과도 전기적으로 절연된 상태를 가지며, 상기 전극 소자(300)는 양극전극(340), 음극전극(350), 격리막(330)이 각각 적층된 상태에서, 중앙에 배치된 코어(310)를 중심으로 권취된 형태로 구성되며, 상기 격리막(330)은 양극전극(340)과 음극전극(350)을 전기적으로 각각 절연시키면서 전해액이 투과되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압축공기 발전 저장시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신재생에너지 발전기(170)에서 생성한 전기의 일부를 상기 압축기(110)로 공급하는 압축기 공급용 전원 피드백 라인(171)이 구비되는 것을 특징으로 하는 압축공기 발전 저장시스템.
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