KR102466339B1 - 수력학적으로 보상된 압축 가스 에너지 저장 시스템 - Google Patents

수력학적으로 보상된 압축 가스 에너지 저장 시스템 Download PDF

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KR102466339B1
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앤드류 맥길리스
다빈 영
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하이드로스토 인크.
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Abstract

압축 가스 에너지 저장 시스템은 액체층 위에 압축 가스층을 함유하기 위한 축압기를 포함할 수 있다. 가스 도관은 가스 압축기/팽창기 서브 시스템과 연통하는 상단 단부 및 사용시 축압기의 압축 가스층에 압축 가스를 전달하기 위해 축압기 내부와 연통하는 하단 단부를 가질 수 있다. 샤프트는 액체를 수용하기 위한 내부를 가질 수 있고, 액체 공급 도관을 통해 액체 소스/싱크에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다. 파티션 축압기 내부로부터 축압기 내부를 커버할 수 있고 분리할 수 있다. 내부 축압기 힘은 파티션의 내부 표면에 작용할 수 있고 샤프트 내의 액체는 파티션의 외부 표면에 외부 반발력 가할 수 있고, 이에 의해 파티션에 작용하는 순력은 축압기 힘보다 작다.

Description

수력학적으로 보상된 압축 가스 에너지 저장 시스템
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 "Integrated Air And Water Temperature Control For Underground CAES System"라는 제목으로 2017년 2월 1일에 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호. 62/453,278; "Water Pressurized Isobaric Compressed Air Energy Accumulator With Low Pressure Bulkhead and Density Change Prevention Line"라는 제목으로 2017년 2월 1일에 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호. 62/453,300; "Integrated Thermal Storage in Isobaric Compressed Air Energy Storage System"라는 제목으로 2017년 2월 1일에 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호. 62/453,306 및 "Multi Point Energy Storage Method"라는 제목으로 2017년 2월 1일에 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호. 62/453,315에 대한 우선권을 주장한다. 각각의 이들 출원들의 전체 내용은 본 출원에 참조로 통합된다.
기술 분야
본 발명은 압축 가스 에너지 저장에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압축 가스 에너지 저장 시스템, 예컨대, 예를 들어, 지하에 위치된 수력학적으로 보상된 실질적으로 등압 압축 공기 에너지 저장 축압기를 포함하는 압축 가스 에너지 저장 시스템, 이의 사용 뿐만 아니라 압축 가스 저장 방법에 관한 것이다.
사용량이 적은 기간에 비해 피크 사용량 기간 동안 전력망(power grid)에서 전력 에너지를 소비할 때 발생하는 비용 불일치를 고려하는 전력 저장 장치(storage)가 많이 요구된다. 본질적으로 불연속적이거나 간헐적인 공급 성질을 갖는 재생 가능한 에너지원의 추가는 세계적으로 저렴한 전기 에너지 저장에 대한 수요를 증가시킨다.
따라서, 피크가 아닌 기간 동안 전력망 또는 재생 가능한 소스에서 생산된 전기 에너지를 효과적으로 저장하고 수요에 따라 그리드로 되돌려 주는 것에 대한 요구가 있다. 더욱이, 인프라 준비 비용 및 그러한 인프라 구현으로 인한 환경 영향이 최소화되는 한, 주어진 해결책의 이용 가능성 및 바람직함이 향상된다.
더욱이, 전력을 제공하고 또한 전압 지원과 같은 그리드 안정성을 제공하는 전통적인 형태의 발전을 제거하기 위해 그리드가 변형되고 운영자가 재생 에너지 외에 저장을 찾고 있기 때문에, 관성(inertia) 기반 동기식 저장을 제공하는 저장 방법이 매우 바람직하다.
본 요약은 독자에게 이하의 더 상세한 설명을 소개하고, 청구되거나 아직 청구되지 않은 발명을 제한하거나 정의하지 않도록 의도된다. 하나 이상의 발명은 청구 범위 및 도면을 포함하여 본 문서의 임의의 부분에 개시된 엘리먼트 또는 프로세스 단계의 임의의 조합 또는 서브-조합으로 존재할 수 있다.
일 태양에 따라, 압축 가스 에너지 저장 시스템이 제공되고, 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템은: 지하에 실질적으로 수평의 축압기; 지면을 통해 축압기로부터 위쪽으로 연장되는 샤프트; 샤프트의 내부와 축압기의 내부를 분리하는 벌크 헤드; 작동시 샤프트 베어링 내부의 액체는 제 1 압력 레벨에서 벌크 헤드의 외측에 대항하고; 작동시 상기 축압기는 액체 층의 위에 압축 가스 층을 함유하고, 압축 가스는 제 2 압력 레벨에서 벌크 헤드 내부에 대항하여 지탱하고; 압축 가스층과 가스 압축기/팽창기 서브 시스템 사이에서 압축 가스를 전달하기 위한 가스 도관; 및 축압기 내의 액체 층과 샤프트 사이에 액체를 전달하기 위한 액체 도관을 포함하고; 제 1 압력 레벨과 제 2 압력 레벨 사이의 차이는 압축기/팽창기 서브 시스템과 압축 가스 층 사이에서 압축 가스를 전달하고, 샤프트와 수층 사이에서 액체를 운반함으로써 임계 레벨 아래로 유지된다.
일 실시예에서, 상기 가스 도관은 상기 압축 가스층과 상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템 사이에서 상기 열 저장 서브 시스템을 통해 압축 가스를 전달한다.
일 실시예에서, 압축 가스 에너지 저장 시스템은 가스 방출 서브 시스템을 더 포함한다. 일 실시예에서, 상기 가스 방출 서브 시스템은 적어도 하나의 밸브를 포함하고, 바람직하게는 벌크 헤드와 연관된 적어도 하나의 단방향 밸브를 포함하여 가스 층으로부터 벌크 헤드를 통해 샤프트로 압축 가스의 선택적 방출을 허용한다.
단독으로 또는 임의의 다른 태양과 조합하여 사용될 수 있는 본 출원에 설명된 교리의 하나의 광범위한 양태에 따라, 압축 가스 에너지 저장 시스템은 1 차 개구, 상단 벽, 하단 벽 및 적어도 부분적으로 상기 상단 벽과 상기 하단 벽으로 경계 지어지는 축압기 내부를 갖는 축압기(accumulator)로서, 상기 축압기는 사용시 액체층 위에 압축 가스층을 함유하는, 상기 축압기를 포함할 수 있다. 가스 압축기/팽창기 서브 시스템은 상기 축압기로부터 이격될 수 있고 및 상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템과 연통하는 상단 단부 및 사용시 상기 축압기의 압축된 가스층 내로 압축된 가스를 전달하기 위해 상기 축압기 내부와 연통하는 하단 단부를 갖는 가스 도관을 포함할 수 있다. 샤프트는 상기 1 차 개구에 인접한 하단 단부, 상기 하단 단부로부터 이격된 상단 단부, 및 상기 하단 단부로부터 상기 상단 단부로 상방으로 연장되고 액체를 함유하기 위해 상기 샤프트 내부를 적어도 부분적으로 경계 지을 수 있는 샤프트 측벽을 가질 수 있고, 상기 샤프트는 액체 공급 도관을 통해 액체 소스/싱크에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다. 파티션은 1차 개구를 덮을 수 있고, 상기 축압기 내부와 상기 샤프트 내부를 분리할 수 있다. 상기 파티션은 상기 샤프트 내부와 연통하는 외부 표면 및 상기 축압기 내부와 연통하는 대향하는 내부 표면을 가질 수 있다. 보조 가스 방출 서브 시스템은 축압기 내부와 연통하는 입구 및 출구를 갖는 보조 가스 방출 도관을 포함할 수 있다. 보조 가스 방출 도관은 가스 도관으로부터 이격될 수 있고 축압기 내의 가스층으로부터 가스의 방출을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 사용시, 상기 압축 가스층 및 상기 액체층 중 적어도 하나는 상기 파티션의 내부 표면상의 내부 축압기 힘을 가하여 지탱할 수 있고, 상기 샤프트 내의 액체는 상기 파티션의 외부 표면상에 외부 반발력을 가하여 지탱할 수 있고, 그에 의해 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용되는 동안 상기 파티션에 작용하는 순력(net force)은 상기 축압기 힘과 상기 반발력의 차이이며, 상기 축압기 힘보다 작을 수 있다.
상기 보조 가스 방출 도관은 상기 파티션을 통해 연장될 수 있다.
상기 보조 가스 방출 도관은 상기 샤프트 내부와 유체 연통될 수 있고, 상기 보조 가스 방출 도관을 빠져 나가는 가스는 상기 샤프트에 함유된 액체로 방출될 수 있다.
가스 방출 밸브는 상기 보조 가스 방출 도관내에 위치될 수 있고, 가스의 방출을 허용하도록 선택적으로 개방 가능 할 수 있다.
상기 가스 방출 밸브는 상기 가스층으로부터 상기 샤프트로 가스의 방출을 허용하고 상기 샤프트로부터의 액체가 상기 보조 가스 방출 밸브를 통해 상기 축압기로 유동하는 것을 허용하지 않는 단방향(one-way) 밸브일 수 있다.
상기 가스 방출 밸브는 폐쇄 구성을 향해 바이어스되고 상기 압축 가스층의 압력이 사전 설정된 압력 임계 한계치에 도달할 때 자동으로 개방되는 압력 작동 밸브일 수 있다.
상기 보조 가스 방출 밸브는 원격에서 작동할 수 있고 상기 보조 방출 시스템 제어기에 의해 제어될 수 있다.
액체 도관은 상기 샤프트 내부의 액체와 상기 축압기 내의 액체층 사이에 유체 연통을 제공할 수 있고, 그에 의해 액체가 상기 압축 가스층의 압력 변화에 응답하여 상기 샤프트 내부와 상기 축압기 내의 액체층 사이에서 유동할 수 있다.
액체 도관은 보조 가스 방출 도관을 포함할 수 있다.
가이드 도관은 상기 보조 가스 방출 도관을 통해 빠져 나가는 가스를 수용하기 위해 상기 보조 가스 방출 도관 출구에 근접하여 위치된 입구 단부, 상기 입구 단부로부터 이격된 출구 단부 및 그것들 사이에서 연장되는 도관 측벽을 가질 수 있다.
상기 가이드 도관의 적어도 일부는 상기 샤프트 내에 배치될 수 있다.
상기 가이드 도관의 내부는 상기 샤프트 내부와 유체 연통될 수 있고, 상기 가스 방출 도관의 내부는 상기 샤프트 내의 액체의 제 1 부분을 함유한다.
가스가 상기 가스 방출 도관으로부터 방출될 때, 방출된 가스는 상기 가이드 도관을 통해 상방으로 이동할 수 있고 상기 가이드 도관 내부로부터 상기 샤프트 내부로 제 1 부분 액체의 적어도 일부를 변위 시킬 수 있다.
가스가 상기 보조 가스 방출 도관으로부터 방출될 때, 상기 가이드 도관내에 제약될 수 있고, 상기 샤프트를 통해 상방으로 이동할 때, 상기 가이드 도관 외부에 있는 상기 샤프트 내부의 부분으로 팽창하지 않는다.
상기 가이드 도관의 출구 단부는 상기 샤프트 내의 액체의 자유 표면 위에 배치된다.
상기 가이드 도관의 출구 단부는 주변 대기와 연통될 수 있다.
단독으로 또는 임의의 다른 태양과 조합하여 사용될 수 있는 본 출원에 설명된 교리의 하나의 넓은 측면에 따라, 압축 가스 에너지 저장 시스템은 1 차 개구, 상단 벽, 하단 벽 및 적어도 부분적으로 상기 상단 벽과 상기 하단 벽으로 경계 지어지는 축압기 내부를 갖는 축압기(accumulator)를 포함할 수 있다. 축압기는 사용시 액체층 위에 압축 가스층을 함유할 수 있다. 가스 압축기/팽창기 서브 시스템은 상기 축압기로부터 이격될 수 있고 가스 공급 도관은 상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템과 연통하는 상단 단부 및 사용시 상기 축압기의 압축된 가스층 내로 압축된 가스를 전달하기 위해 상기 축압기 내부와 연통하는 하단 단부를 가질 수 있다. 샤프트는 상기 1 차 개구에 인접한 하단 단부, 상기 하단 단부로부터 이격된 상단 단부, 및 상기 하단 단부로부터 상기 상단 단부로 상방으로 연장되고 액체를 함유하기 위해 상기 샤프트 내부를 적어도 부분적으로 경계짓는 샤프트 측벽을 가질 수 있다. 샤프트는 액체 공급 도관을 통해 액체 소스/싱크에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다. 파티션은 1차 개구를 덮을 수 있고, 상기 축압기 내부와 상기 샤프트 내부를 분리할 수 있다. 상기 파티션은 상기 샤프트 내부와 연통하는 외부 표면 및 상기 축압기 내부와 연통하는 대향하는 내부 표면을 가질 수 있다.
상기 압축 가스층 및 상기 액체층 중 적어도 하나는 상기 파티션의 내부 표면상의 내부 축압기 힘을 가하여 지탱할 수 있고, 상기 샤프트 내의 액체는 상기 파티션의 외부 표면상에 외부 반발력을 가하여 지탱하여, 그에 의해 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용되는 동안 상기 파티션에 작용하는 순력(net force)은 상기 축압기 힘과 상기 반발력의 차이이며, 상기 축압기 힘보다 작다.
액체 도관은 상기 샤프트 내부의 액체와 상기 축압기 내의 액체층 사이에 유체 연통을 제공할 수 있고, 그에 의해 액체가 상기 압축 가스층의 압력 변화에 응답하여 상기 샤프트 내부와 상기 축압기 내의 액체층 사이에서 유동할 수 있다.
상기 액체 도관의 제 1 단부는 상기 파티션의 외부 표면에 근접할 수 있고 상기 샤프트와 유체 연통할 수 있다.
액체 도관은 파티션을 통과할 수 있다.
상기 액체 도관의 제 2 단부는 상기 액체층에 침지될 수 있고 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용중 일 때 상기 가스층으로부터 유체 흐름 가능하게 격리될 수 있다.
추가 가스를 압축 가스 층 내로 전달함으로써 압축 가스 층의 압력이 증가될 때, 상기 내부 축압기의 힘이 증가될 수 있고 액체는 상기 액체 도관을 통해 상기 축압기의 액체층으로부터 상기 샤프트 내부에 전달될 수 있다. 상기 압축 가스층으로부터 가스를 방출함으로써 압축 가스층의 압력이 감소될 때, 상기 내부 축압기 힘의 크기는 감소될 수 있고, 액체는 상기 액체 도관을 통해 상기 샤프트 내부로부터 상기 축압기의 액체층으로 전달될 수 있다.
상기 압축 가스 에너지 저장 시스템 사용시에, 상기 파티션을 가로 지르는 압력 차이는 약 0.3 atm 내지 약 6 atm 사이일 수 있다.
압축기/팽창기 서브 시스템은 : a) 공기 소스로부터 공기로 흡입되어 공기를 압축하고 압축된 공기를 가스 도관을 통해 압축 가스층으로 전달하도록 구성된 적어도 제 1 압축 스테이지를 갖는 가스 압축기; b) 적어도 제 1 팽창 스테이지를 갖는 가스 팽창기; 및 c) 축압기의 압축 가스 층으로부터 압축 공기를 수용하고 압축 공기의 팽창으로부터 전기를 발생시키기 위해 가스 팽창기에 의해 구동되는 제 1 발전기를 포함할 수 있다.
상기 제 1 팽창 스테이지는 상기 가스 공급 도관과 유체 연통될 수 있다.
보조 가스 도관은 상기 가스 공급 도관으로부터 이격될 수 있고, 상기 축압기 내에서 상기 제 1 팽창 스테이지와 압축 가스층을 유체 흐름 가능하게 연결할 수 있다.
공기 소스는 주변 대기를 포함할 수 있다.
상기 제 1 팽창 스테이지를 빠져 나가는 공기는 주변 대기로 방출될 수 있다.
상기 가스 공급 도관은 상기 샤프트 내부를 통과할 수 있고, 상기 액체에 적어도 부분적으로 침지될 수 잇다.
가스 공급 도관은 샤프트 외부에 있을 수 있다.
축압기의 상단 벽은 실질적으로 평면일 수 있고, 실질적으로 수평으로 배향될 수 있다.
상기 가스 공급 도관의 하단 단부는 상기 축압기의 상단 벽의 높은 지점에 위치될 수 있다.
가스 공급 도관은 파티션을 통과할 수 있다.
액체 도관은 파티션 아래를 통과할 수 있다.
가스 공급 도관은 적어도 부분적으로 액체 도관 내에 배치될 수 있다.
상기 액체 도관은 상기 파티션 아래를 통과하는 유동 채널을 포함할 수 있고, 상기 가스 공급 도관은 상기 유동 채널 내에 배치되고 상기 파티션 아래를 통과한다.
상기 축압기는 지면 아래에 적어도 부분적으로 매립될 수 있고, 상기 샤프트의 상단 단부는 지면 위에 있을 수 있다.
액체 소스는 수역(body of water)을 포함할 수 있다.
상기 액체 공급 도관은 상기 샤프트의 상단 단부를 향해 상기 샤프트 내부와 유체 연통될 수 있다.
유량 제어 밸브가 액체 공급 도관에 배치될 수 있다. 상기 유량 제어 밸브는 상기 샤프트와 액체 소스 사이의 유체 연통이 중단되는 폐쇄 위치로 이동될 수 있다.
상기 샤프트의 상단 단부는 주변 대기에 개방될 수 있다.
상기 파티션은 축압기 내부 액세스를 제공하기 위해 개방할 수 있는 개방 가능하고 재 밀봉 가능한 액세스 맨웨이(access manway)를 추가로 포함할 수 있다.
파티션은 1차 개구를 밀봉하도록 배치된 벌크 헤드를 포함할 수 있다.
상기 파티션은 콘크리트, 석재, 금속, 복합 재료 및 플라스틱 중 적어도 하나로 적어도 부분적으로 형성될 수 있다.
상기 축압기는 지면 아래에 적어도 부분적으로 매립될 수 있고, 적어도 부분적으로 지면으로 구성될 수 있다.
단독으로 또는 임의의 다른 태양과 조합하여 사용될 수 있는 본 출원에 설명된 교리의 하나의 넓은 측면에 따라, 압축 가스 에너지 저장 시스템은 1 차 개구, 상단 벽, 하단 벽 및 적어도 부분적으로 상기 상단 벽과 상기 하단 벽으로 경계 지어지는 축압기 내부를 갖는 축압기(accumulator)를 포함할 수 있다. 축압기는 사용시 액체층 위에 압축 가스층을 함유하도록 구성될 수 있다. 가스 압축기/팽창기 서브 시스템은 상기 축압기로부터 이격될 수 있고 가스 도관은 상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템과 연통하는 상단 단부 및 상기 압축기/팽창기 서브 시스템과 상기 축압기의 압축 가스층 사이의 압축 가스층 내로 압축 가스를 전달하기 위해 상기 축압기 내부와 연통하는 하단 단부를 가질 수 있다. 샤프트는 상기 1 차 개구에 인접한 하단 단부, 상기 하단 단부로부터 이격된 상단 단부, 및 상기 하단 단부로부터 상기 상단 단부로 상방으로 연장되고 액체를 함유하기 위해 상기 샤프트 내부를 적어도 부분적으로 경계짓는 샤프트 측벽을 가질 수 있다. 샤프트는 액체 공급 도관을 통해 액체 소스/싱크에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다. 적어도 제 1 압축 열 교환기는 상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템으로 전달되는 가스와 상기 샤프트 내에 함유된 액체 사이에서 열을 교환하도록 구성될 수 있다. 파티션은 1차 개구를 덮을 수 있고, 상기 축압기 내부와 상기 샤프트 내부를 분리할 수 있다. 상기 파티션은 상기 샤프트 내부와 연통하는 외부 표면 및 상기 축압기 내부와 연통하는 대향하는 내부 표면을 가질 수 있다. 상기 압축 가스층 및 상기 액체층 중 적어도 하나는 상기 파티션의 내부 표면상의 내부 축압기 힘을 가하여 지탱할 수 있고, 상기 샤프트 내의 액체는 상기 파티션의 외부 표면상에 외부 반발력을 가하여 지탱하여, 그에 의해 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용되는 동안 상기 파티션에 작용하는 순력(net force)은 상기 축압기 힘과 상기 반발력의 차이이며, 상기 축압기 힘보다 작을 수 있다.
가스 압축기/팽창기 서브 시스템은 적어도 제 1 압축 스테이지 및 제 2 압축 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 제 1 압축 열 교환기는 상기 가스 소스와 상기 제 1 압축 스테이지 사이에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있고, 상기 제 1 압축 스테이지로 전달되는 가스와 상기 샤프트 내에 함유된 액체 사이에서 열을 교환하도록 구성될 수 있다. 상기 제 2 압축 열 교환기는 상기 제 1 압축 스테이지 사이에서 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있고, 상기 제 2 압축 스테이지로 전달되는 가스와 상기 샤프트 내에 함유된 액체 사이에서 열을 교환하도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 압축 열 교환기는 상기 샤프트 내에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다.
상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템은 제 1 팽창 스테이지 및 제 2 팽창 스테이지를 포함할 수 있고, 제 1 팽창 열 교환기는 상기 축압기와 상기 제 1 팽창 스테이지 사이에서 유체 흐름 가능하게 연결되고 상기 제 1 팽창 스테이지로 전달되는 가스와 상기 샤프트 내에 함유된 액체 사이에서 열을 교환하도록 구성된다. ; 제 2 팽창 열 교환기는 제 1 팽창 스테이지와 제 2 팽창 스테이지 사이에서 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있고, 상기 샤프트 내부에 적어도 부분적으로 배치될 수 있다. 상기 제 2 팽창 열 교환기는 상기 제 2 팽창 스테이지로 전달되는 가스와 상기 샤프트 내에 함유된 액체 사이에서 열을 교환하도록 구성될 수 있다.
제 1 압축 열 교환기는 제 2 팽창 열 교환기로 기능할 수 있다.
제 1 압축 열 교환기는 제 2 팽창 열 교환기와 이격되어 있다.
상기 제 1 열 교환기는 상기 샤프트에 함유된 액체에 침지된 적어도 하나의 공기 경로를 갖는 라디에이터(radiator), 상기 액체의 외부로부터 상기 라디에이터의 입구 단부로 연장되는 공기 유입 도관 및 상기 라디에이터의 출구 단부와 상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템을 유체 흐름 가능하게 연결하는 공기 출구 도관을 포함할 수 있다.
상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템은 관련된 팽창 및 압축 스테이지의 쌍을 포함할 수 있고, 각각의 팽창 및 압축 스테이지는 압축 사이클 동안, 상기 샤프트에 함유된 액체와 압축 스테이지에 의해 압축된 가스 사이의 열을 교환하고, 팽창 사이클 동안, 상기 샤프트에 함유된 액체와 상기 팽창 스테이지에 의해 팽창된 가스 사이의 열을 교환하도록 구성된 개별 열 교환기가 제공된다.
가스 소소는 주변 대기일 수 있다.
제 1 압축 열 교환기는 샤프트 내에 착탈 가능하게 장착될 수 있다.
액체 도관은 상기 샤프트 내부의 액체와 상기 축압기 내의 액체층 사이에 유체 연통을 제공할 수 있고, 그에 의해 액체가 상기 압축 가스층의 압력 변화에 응답하여 상기 샤프트 내부와 상기 축압기 내의 액체층 사이에서 유동할 수 있다.
액체 도관의 상단 단부는 파티션의 외부 표면에 근접할 수 있다.
액체 도관은 파티션을 통과할 수 있다.
상기 액체 도관의 하단 단부는 상기 축압기 내의 상기 액체층에 침지될 수 있고 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용중 일 때 상기 축압기내의 상기 가스층으로부터 유체 흐름 가능하게 격리될 수 있다.
추가 가스를 압축 가스 층 내로 전달함으로써 압축 가스 층의 압력이 증가될 때, 상기 가스 힘의 크기가 증가될 수 있고 액체는 상기 액체 도관을 통해 상기 축압기의 액체층으로부터 상기 샤프트 내부에 전달될 수 있다. 상기 압축 가스층으로부터 가스를 방출함으로써 압축 가스층의 압력이 감소될 때, 상기 가스 힘의 크기는 감소될 수 있고, 액체는 상기 액체 도관을 통해 상기 샤프트 내부로부터 상기 축압기의 액체층으로 전달된다.
상기 가스 공급 도관은 상기 샤프트 내부를 통과할 수 있고, 상기 액체에 적어도 부분적으로 침지될 수 잇다.
가스 공급 도관은 샤프트 외부에 있을 수 있다.
가스 공급 도관은 파티션을 통과할 수 있다.
제 1 압축 열 교환기는 적어도 하나의 직접 컨택 열 교환기를 포함할 수 있다.
상기 제 1 압축 열 교환기에 유입되는 물은 상기 샤프트로부터 흡인될 수 있고, 상기 제 1 압축 열 교환기에서 빠져나가는 물은 상기 샤프트로 리턴될 수 있다.
단독으로 또는 임의의 다른 태양과 조합하여 사용될 수 있는 본 출원에 설명된 교리의 하나의 넓은 측면에 따라, 압축 가스 에너지 저장 시스템은 1 차 개구, 상단 벽, 하단 벽 및 적어도 부분적으로 상기 상단 벽과 상기 하단 벽으로 경계 지어지는 축압기 내부를 갖는 축압기(accumulator)를 포함할 수 있다. 축압기는 사용시 액체층 위에 압축 가스층을 함유하도록 구성될 수 있다. 가스 압축기/팽창기 서브 시스템은 상기 축압기로부터 이격될 수 있고 가스 도관은 상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템과 연통하는 상단 단부 및 상기 압축기/팽창기 서브 시스템과 상기 축압기의 압축 가스층 사이의 압축 가스층 내로 압축 가스를 전달하기 위해 상기 축압기 내부와 연통하는 하단 단부를 가질 수 있다. 샤프트는 상기 1 차 개구에 인접한 하단 단부, 상기 하단 단부로부터 이격된 상단 단부, 및 상기 하단 단부로부터 상기 상단 단부로 상방으로 연장되고 액체를 함유하기 위해 상기 샤프트 내부를 적어도 부분적으로 경계짓는 샤프트 측벽을 가질 수 있다. 샤프트는 액체 공급 도관을 통해 액체 소스/싱크에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다. 열 저장 서브 시스템이 상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템과 상기 축압기 사이에서 유체 연통하게 제공될 수 있고, 출구 온도에서 상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템을 빠져 나가는 압축 가스로부터 열 에너지가 추출될 수 있고, 상기 열 저장 서브 시스템을 빠져 나가는 가스의 온도는 상기 출구 온도보다 낮은 저장 온도로 감소될 수 있다. 파티션은 상기 샤프트의 상기 하단 단부에 위치되고, 상기 1차 개구를 덮고, 상기 샤프트 내부로부터 상기 축압기 내부를 분리할 수 있고, 상기 파티션은 상기 샤프트 내부와 연통하는 외부 표면 및 상기 축압기 내부와 연통하는 대향 내부 표면을 갖는다. 상기 압축 가스층 및 상기 액체층 중 적어도 하나는 상기 파티션의 내부 표면상의 내부 축압기 힘을 가하여 지탱할 수 있고, 상기 샤프트 내의 액체는 상기 파티션의 외부 표면상에 외부 반발력을 가하여 지탱하여, 그에 의해 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용되는 동안 상기 파티션에 작용하는 순력(net force)은 상기 축압기 힘과 상기 반발력의 차이이며, 상기 축압기 힘보다 작을 수 있다.
열 저장 서브 시스템은 다수 스테이지의 열 저장 장치를 포함할 수 있다.
상기 열 저장 서브 시스템의 적어도 일부는 지하에 위치될 수 있다.
상기 가스 도관의 상단 부분은 상기 압축기/팽창기 서브 시스템과 상기 열 저장 서브 시스템 사이에서 연장될 수 있고, 상기 가스 도관의 하단 부분은 상기 열 저장 서브 시스템과 상기 축압기 사이에서 연장될 수 있고, 상기 샤프트 내부에서 적어도 부분적으로 연장될 수 있다.
가스 도관의 상단 부분은 샤프트 외부에 있을 수 있다.
상기 열 저장 서브 시스템은 현열(sensible thermal) 저장 스테이지 및 잠열(latent thermal) 저장 스테이지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
열 저장 서브 시스템은 하나 이상의 상 변화 재료를 포함할 수 있다.
상기 열 저장 서브 시스템은 제 1 상 변화 재료를 사용하는 제 1 잠열 저장 스테이지, 및 상이한 제 2 상 변화 재료를 사용하는 제 2 열 저장 스테이지를 포함할 수 있다.
팽창 프로세스 동안 상기 축압기를 빠져 나가는 가스는 상기 가스 압축기/팽창 서브 시스템에 도달하기 전에 상기 열 저장 서브 시스템을 통과할 수 있고, 상기 축압기에 유입된 압축 가스로부터 추출된 열 에너지의 적어도 일부는 팽창 전에 저장 온도로부터 더 높은 출구 온도로 상기 가스의 온도를 상승시키기 위해 상기 축압기를 빠져나가는 가스로 재유입될 수 있다.
상기 열 저장 서브 시스템의 용량은 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템의 압축 위상 지속 기간 또는 팽창 위상 지속 기간에 기초하여 선택될 수 있다.
상기 열 저장 서브 시스템의 적어도 일부가 상기 샤프트 내에 배치될 수 있고, 상기 샤프트에 함유된 액체에 적어도 부분적으로 침지될 수 있다.
상기 열 저장 서브 시스템은 상기 샤프트에 함유된 액체에 침지될 수 있다.
상기 열 저장 서브 시스템의 적어도 일부는 상기 축압기 내에 배치될 수 있다.
상기 전체 열 저장 서브 시스템은 상기 축압기 내에 배치될 수 있다.
상기 열 저장 서브 시스템은 상기 축압기 내의 액체층에 적어도 부분적으로 침지될 수 있다.
상기 열 저장 서브 시스템은 가압 챔버 내에 배치될 수 있다.
상기 가압 챔버는 지하에 있을 수 있다.
상기 가압 챔버는 상기 축압기 내의 가스층과 유체 연통될 수 있다.
조절기 밸브는 상기 열 저장 서브 시스템의 내부 및 상기 가압 챔버와 유체 연통될 수 있고, 상기 조절기 밸브는 상기 가입 챔버와 상기 열 저장 서브 시스템의 내부 사이의 임계 압력 차이를 유지하도록 구성될 수 있다.
상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템은 적어도 제 1 압축 스테이지 및 상기 제 1 압축 스테이지로부터 다운 스트림에 제 2 압축 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 열 저장 서브 시스템은 상기 제 1 압축 스테이지와 상기 제 2 압축 스테이지 사이에서 유체 연통하는 제 1 열 저장 스테이지, 및 상기 제 2 압축 스테이지 및 상기 축압기 내의 가스층과 유체 연통하는 제 2 열 저장 스테이지를 포함할 수 있다.
상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템은 제 1 팽창 스테이지 및 상기 제 1 팽창 스테이지로부터 다운 스트림에 적어도 제 2 팽창 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 열 저장 서브 시스템은 상기 축압기내 가스층과 상기 제 1 팽창 스테이지 사이에서 유체 연통하는 제 3 열 저장 스테이지, 및 상기 제 1 팽창 스테이지 및 상기 제 2 팽창 스테이지와 유체 연통하는 제 4 열 저장 스테이지를 포함할 수 있다.
상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템은 제 1 압축 스테이지 및 상기 제 1 압축 스테이지로부터 다운 스트림에 적어도 제 2 압축 스테이지, 제 1 팽창 스테이지 및 상기 제 1 팽창 스테이지로부터 다운 스트림에 적어도 제 2 팽창 스테이지를 포함할 수 있다. 상기 열 저장 서브 시스템은 상기 제 1 압축 스테이지와 상기 제 2 압축 스테이지 사이에서 유체 연통하고, 상기 제 1 팽창 스테이지 및 상기 제 2 팽창 스테이지 사이에서 유체 연통하는 제 1 열 저장 스테이지를 포함할 수 있다.
상기 열 저장 서브 시스템은 상기 제 2 압축 스테이지와 상기 축압기 사이에서 유체 연통하고 상기 축압기와 상기 제 1 팽창 스테이지 사이에서 유체 연통하는 제 2 열 저장 스테이지를 포함할 수 있다.
액체 도관은 상기 샤프트 내부의 액체와 상기 축압기 내의 액체층 사이에 유체 연통을 제공할 수 있고, 그에 의해 액체가 상기 압축 가스층의 압력 변화에 응답하여 상기 샤프트 내부와 상기 축압기 내의 액체층 사이에서 유동할 수 있다.
상기 액체 도관의 제 1 단부는 상기 파티션의 외부 표면에 근접할 수 있고 상기 샤프트와 유체 연통한다.
액체 도관은 파티션을 통과할 수 있다.
상기 액체 도관의 제 2 단부는 상기 액체층에 침지될 수 있고 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용중 일 때 상기 가스층으로부터 유체 흐름 가능하게 격리될 수 있다.
추가 가스를 압축 가스 층 내로 전달함으로써 압축 가스 층의 압력이 증가될 때, 상기 가스 힘의 크기가 증가될 수 있고 액체는 상기 액체 도관을 통해 상기 축압기의 액체층으로부터 상기 샤프트 내부에 전달될 수 있다. 상기 압축 가스층으로부터 가스를 방출함으로써 압축 가스층의 압력이 감소될 때, 상기 가스 힘의 크기는 감소될 수 있고, 액체는 상기 액체 도관을 통해 상기 샤프트 내부로부터 상기 축압기의 액체층으로 전달될 수 있다.
상기 가스 공급 도관은 상기 샤프트 내부를 통과할 수 있고, 상기 액체에 적어도 부분적으로 침지될 수 잇다.
가스 공급 도관은 샤프트 외부에 있을 수 있다.
가스 공급 도관은 파티션을 통과할 수 있다.
단독으로 또는 임의의 다른 태양과 조합하여 사용될 수 있는 본 출원에 설명된 교리의 하나의 넓은 측면에 따라, 압축 가스 에너지 저장 시스템은 1 차 개구, 상단 벽, 하단 벽 및 적어도 부분적으로 상기 상단 벽과 상기 하단 벽으로 경계 지어지는 축압기 내부를 갖는 축압기(accumulator)를 포함할 수 있다. 축압기는 액체층 위에 압축 가스층을 함유할 수 있다. 가스 압축기/팽창기 서브 시스템은 상기 축압기로부터 이격된 적어도 제 1 압축기 및 제 1 팽창 스테이지를 가질 수 있다. 제 1 가스 도관은 상기 제 1 압축 스테이지와 연통하는 상단 단부 및 압축 가스를 상기 압축 가스층 내로 전달하기 위해 상기 축압기 내부의 제 1 위치와 연통하는 하단 단부를 가질 수 있다. 샤프트는 상기 1 차 개구에 인접한 하단 단부, 상기 하단 단부로부터 이격된 상단 단부, 및 상기 하단 단부로부터 상기 상단 단부로 상방으로 연장되고 액체를 함유하기 위해 상기 샤프트 내부를 적어도 부분적으로 경계짓는 샤프트 측벽을 가질 수 있다. 샤프트는 액체 공급 도관을 통해 액체 소스/싱크에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다. 파티션은 상기 샤프트의 상기 하단 단부에 위치되고, 상기 1차 개구를 덮고, 상기 샤프트 내부로부터 상기 축압기 내부를 분리할 수 있다. 상기 파티션은 상기 샤프트 내부와 연통하는 외부 표면 및 상기 축압기 내부와 연통하는 대향하는 내부 표면을 가질 수 있다. 상기 압축 가스층 및 상기 액체층 중 적어도 하나는 상기 파티션의 내부 표면상의 내부 축압기 힘을 가하여 지탱할 수 있고, 상기 샤프트 내의 액체는 상기 파티션의 외부 표면상에 외부 반발력을 가하여 지탱할 수 있고, 그에 의해 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용되는 동안 상기 파티션에 작용하는 순력(net force)은 상기 축압기 힘과 상기 반발력의 차이이며, 상기 축압기 힘보다 작을 수 있다.
상기 제 2 가스 도관은 상기 제 1 가스 도관으로부터 이격될 수 있고, 상기 축압기 내부의 제 2 위치와 연통되는 하단 단부 및 상기 제 1 가스 도관의 상단 단부로부터 이격된 상단 단부를 가질 수 있고, 상기 제 1 팽창기와 유체 연통된다.
제 3 가스 도관은 상기 제 1 가스 도관, 및 제 2 가스 도관으로부터 이격될 수 있다. 상기 제 3 가스 도관은 상기 축압기 내부의 제 3 위치와 연통되는 하단 단부 및 상기 제 1 가스 도관의 상단 단부 및 상기 제 2 가스 도관의 상단 단부로부터 이격된 상단 단부를 가질 수 있고, 상기 제 1 팽창기와 이격된 제 2 팽창기와 유체 연통된다.
상기 제 1 가스 도관, 상기 제 2 가스 도관 및 상기 제 3 가스 도관 중 적어도 하나는 상기 샤프트 내부를 통해 연장될 수 있고 상기 샤프트에 함유된 물에 침지될 수 있다.
옵션으로, 상기 제 1 가스 도관 만이 상기 샤프트 내부를 통해 연장될 수 있고 상기 샤프트에 함유된 물에 침지될 수 있고, 상기 제 2 가스 도관 및 상기 제 3 가스 도관은 상기 샤프트 외부에 있을 수 있다.
제 1 팽창기는 제 2 팽창기와는 독립적으로 동작 가능할 수 있다.
제 3 팽창기는 상기 제 1 압축기에 근접할 수 있고, 상기 제 1 가스 도관의 상단 단부와 유체 연통될 수 있다.
상기 제 1 압축기는 상기 샤프트에 근접할 수 있고 상기 제 1 팽창기는 상기 샤프트로부터 이격될 수 있다.
액체 도관은 상기 샤프트 내부의 액체와 상기 축압기 내의 액체층 사이에 유체 연통을 제공할 수 있고, 그에 의해 액체가 상기 압축 가스층의 압력 변화에 응답하여 상기 샤프트 내부와 상기 축압기 내의 액체층 사이에서 유동할 수 있다.
상기 액체 도관의 상단 단부는 상기 파티션의 상단 표면에 근접할 수 있다.
액체 도관은 파티션을 통과할 수 있다.
상기 액체 도관의 하단 단부는 상기 축압기 내의 상기 액체층에 침지될 수 있고 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용중 일 때 상기 축압기내의 상기 가스층으로부터 유체 흐름 가능하게 격리될 수 있다.
추가 가스를 압축 가스 층 내로 전달함으로써 압축 가스 층의 압력이 증가될 때, 가스 힘의 크기가 증가될 수 있고, 액체는 상기 액체 도관을 통해 상기 축압기의 액체층으로부터 상기 샤프트 내부에 전달될 수 있고, 상기 압축 가스층으로부터 가스를 방출함으로써 압축 가스층의 압력이 감소될 때, 상기 가스 힘의 크기는 감소될 수 있고, 액체는 상기 액체 도관을 통해 상기 샤프트 내부로부터 상기 축압기의 액체층으로 전달될 수 있다.
적어도 상기 제 1 가스 공급 도관은 상기 샤프트 내부를 통과할 수 있고, 상기 액체에 적어도 부분적으로 침지될 수 잇다.
적어도 제 1 가스 공급 도관은 샤프트 외부에 있을 수 있다.
적어도 제 1 가스 공급 도관은 파티션을 통과할 수 있다.
열 저장 서브 시스템은 상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템으로부터 다운스트림 및 상기 축압기의 업스트림에서 유체 연통하게 제공될 수 있고, 출구 온도에서 상기 가스 압축기/팽창기 서브 시스템을 빠져 나가는 압축 가스는 열 저장 서브 시스템을 통과하여 상기 압축 가스로부터 열 에너지가 추출되고, 상기 열 저장 서브 시스템에 저장되고 그리고 상기 열 저장 서브 시스템을 빠져 나가는 상기 가스의 온도는 상기 출구 온도보다 낮은 저장 온도로 감소된다.
다른 양태들 및 실시예들이 이하에서 보다 상세하게 설명된다.
본 발명의 실시예는 이제 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 수력학적으로 보상된 압축 가스 에너지 저장 시스템의 일 예의 컴포넌트들의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 압축 가스 에너지 저장 서브 시스템을 위한 벌크 헤드의 컴포넌트의 평면도이다.
도 3은 도 2의 벌크 헤드의 측면도이다.
도 4는 라인 4-4를 따라 취한 도 2의 벌크 헤드의 측 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 임의의 압축 가스 에너지 저장 시스템과 함께 사용 가능한 압축기/팽창기 서브 시스템의 일 예의 컴포넌트의 개략도이다.
도 6a는 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다른 예의 컴포넌트들의 개략적인 단면도이다.
도 7a는 도 6a의 압축 가스 에너지 저장 시스템의 컴포넌트들의 일부의 확대도이다.
도 6b는 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다른 예의 컴포넌트의 개략적인 단면도이다.
도 7b는 도 6b의 압축 가스 에너지 저장 시스템의 컴포넌트의 일부의 확대도이다.
도 8은 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다른 예의 컴포넌트의 개략적인 단면도이다.
도 9는 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다른 예의 컴포넌트의 개략적인 단면도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이다.
도 11a는 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트들의 개략도이고, 다수의 압축 스테이지들 각각은 개별 열 교환기와 관련된다.
도 11b는 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트들의 개략도이고, 다수의 압축 스테이지들 각각은 개별 열 교환기와 관련된다.
도 12는 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트들의 개략도이고, 다수의 팽창 스테이지들 각각은 개별 열 교환기와 관련된다.
도 13은 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트들의 개략도이고, 압축 및 팽창 스테이지들의 쌍들 각각은 개별 열 교환기와 관련된다.
도 14는 도 13의 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이고, 저장 장치로부터 다수의 팽창기 및 열 교환기를 통한 팽창 (방출(release)) 위상(phase) 동안의 기류(airflow)를 도시한다.
도 15는 도 13의 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이고, 주위로부터 다수의 압축기 및 열 교환기를 통한 압축 (저장) 동안의 기류를 도시한다.
도 16은 일 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템의 컴포넌트의 단면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이다.
도 18은 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이며, 다수의 압축 스테이지 각각은 열 저장 서브 시스템의 개별 스테이지와 관련된다.
도 19는 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이며, 다수의 팽창 스테이지 각각은 열 저장 서브 시스템의 개별 스테이지와 관련된다.
도 20은 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트들의 개략도이고, 압축 및 팽창 스테이지들의 쌍들 각각은 열 저장 서브시스템의 개별 스테이지와 관련된다.
도 21은 도 20의 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이고, 다수의 팽창기 및 열 저장 서브 시스템의 개별 스테이지를 통한 저장 장치로부터 팽창 (방출) 위상 동안의 기류를 도시한다.
도 22는 도 20의 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이고, 다수의 압축기 및 열 저장 서브 시스템의 개별 스테이지를 통해 주변으로부터 압축 (저장) 동안의 기류를 도시한다.
도 23은 대안적인 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템의 컴포넌트들의 단면도이다.
도 24는 다른 대안적인 실시예에 따른 대안적인 압축 가스 에너지 저장 시스템의 컴포넌트들의 단면도이다.
도 25는 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다른 예의 컴포넌트의 개략적인 단면도이다.
도 26은 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다른 실시예의 개략도이다.
도 27은 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다른 예의 컴포넌트의 개략적인 단면도이다.
도 28은 압축 가스 에너지 저장 시스템의 또 다른 예의 컴포넌트들의 개략적인 단면도이다.
청구된 각각의 발명의 실시예를 제공하기 위해 다양한 장치 또는 프로세스가 후술될 것이다. 후술되는 실시예는 청구된 발명을 제한하지 않으며 임의의 청구된 발명은 후술하는 것과 다른 프로세스 또는 장치를 커버할 수 있다. 청구된 발명은 아래에 설명된 임의의 하나의 장치 또는 프로세스의 모든 특징을 갖는 장치 또는 프로세스 또는 아래에 설명된 다수 또는 모든 장치에 공통적인 특징으로 제한되지 않는다. 후술하는 장치 또는 프로세스는 임의의 청구된 발명의 실시예가 아닐 수 있다는 것이 가능하다. 본 문서에서 청구되지 않는 아래에 설명된 장치 또는 프로세스에 개시된 임의의 발명은 다른 보호 도구의 주제일 수 있으며, 예를 들어 지속적인 특허 출원, 출원인, 발명자 또는 소유자는 본 문서에 개시에 의해 임의의 이런 발명을 공중에 포기, 거부 또는 전용하도록 의도되지 않는다.
풍차, 태양 전지 등과 같은 일부 유형의 에너지원에 의해 생성된 에너지는 특정 기간 (예를 들어, 개별적으로 바람이 강하거나, 맑을 때) 동안 생산되고, 다른 기간 동안 (바람이 강하지 않거나 또는 밤에 등) 생성되지 않는 경향이 있을 수 있다. 그러나 에너지 수요가 생산 기간과 항상 일치하는 것은 아니며, 나중에 사용하기 위해 에너지를 저장하는 것이 유용할 수 있다. 마찬가지로, 통상의 발전기 (예를 들어, 석탄, 가스 및/또는 원자력 발전소)를 사용하여 생성된 에너지를 저장하여 피크가 아닌 기간 (예를 들어, 전기 공급이 수요보다 클 수 있는 기간 및/또는 전기 비용이 상대적으로 높을 때) 동안 생성된 에너지의 저장을 가능하게 하고 및/또는 피크 기간 동안 (예를 들어, 전기 수요가 공급과 같거나 클 수 있는 경우, 및/또는 전기 비용이 상대적으로 높은 경우) 에너지가 사용되도록 허용하는데 도움이 될 수 있다.
본 출원에 설명된 바와 같이, 적절한 압축 가스 에너지 저장 시스템을 사용하여 가스 (예를 들어, 공기)를 압축 및 저장하는 것은 나중에 사용하기 위해 에너지를 저장하는 한 방법이다. 예를 들어, 피크가 아닌 시간 동안, 에너지 (즉, 전기)는 압축기를 구동하고 저장을 위해 원하는 비교적 고압으로 가스의 체적을 압축하는데 사용될 수 있다. 그런 다음, 가스는 적절한 축압기와 같은 임의의 적절한 컨테이너 또는 용기(vessel) 내부에서 비교적 고압으로 저장될 수 있다. 저장된 에너지를 추출하기 위하여, 가압 가스는 축압기로부터 방출되어 임의의 적절한 팽창기 장치 등을 구동하는데 사용될 수 있고, 궁극적으로는 발전기 등을 구동하여 전기를 생산하는데 사용될 수 있다. 주어진 압축 가스 에너지 저장 시스템에 저장될 수 있는 에너지의 양은 가스가 압축/저장되는 압력과 관련될 수 있으며, 더 높은 압력 저장은 일반적으로 더 높은 에너지 저장을 가능하게 한다. 그러나, 약 45-150 atm 사이와 같은 통상의 시스템내 비교적 고압에서 가스를 함유하는 것은 비교적 강하고, 특화되며, 종종 비교적 비싼 저장 용기/압력 용기를 요구할 수 있다.
도 1을 참조하면, 가스를 압축, 저장 및 방출하기 위해 사용될 수 있는 수력학적으로 보상된 압축 가스 에너지 저장 시스템(10)의 일 예는 지하에 위치한 축압기(12)를 포함한다 (비록 다른 실시예에서 축압기는 지상에 위치될 수 있다). 이 예에서, 축압기(12)는 압축 가스 및 액체 (예컨대, 물)를 홀딩하기 위한 챔버로서 역할을 하고, 임의의 적절한 유형의 압력 용기 또는 탱크를 포함할 수 있거나, 이 예 에서와 같이 지하 동굴(cave) 또는 지면(200) 아래에 큰 동굴(cavern)일 수 있다. 이 실시 예에서, 축압기(12)는 예를 들어 콘크리트, 금속, 플라스틱 및 이들의 조합 등을 사용하여 라이닝(line)되어 내부(23)로부터 원치 않는 가스 또는 액체의 유출을 방지하도록 돕기 위해 실질적으로 가스 및/또는 액체 비투과성을 갖도록 돕는다. 다른 실시예에서, 축압기는 바람직하게는 라이닝을 요구하지 않고 가스 및/또는 액체에 대해 비투과성이다.
축압기(12)는 임의의 적합한 구성을 가질 수 있으며, 이 예에서 축압기 높이(17)에 의해 서로 분리되는 상단 벽(13) 및 대향하는 하단 벽(15)을 포함한다. 상단 벽 및 하단 벽(13 및 15)은 만곡, 아치형, 각진 것 등을 포함하는 임의의 적절한 구성일 수 있으며, 예시된 예에서 전체적으로 수평 기준면(19)에 전체적으로 평행한 전체 평면 표면으로 도시되어 있다. 축압기(12)는 또한 축압기 폭(도 1에 예시된 페이지로 측정됨)을 갖는다. 하나 이상의 측벽(21)과 함께 상단 벽 및 하단 벽(13 및 15)은 축압기 체적을 갖는 축압기(12)의 내부(23)를 적어도 부분적으로 정의한다. 시스템(10)의 주어진 실시예에서 축압기(12)는 다양한 요인들(예를 들어, 저장될 가스의 양, 주어진 위치에서 이용 가능한 공간 등)에 기초하여 크기가 정해질 수 있고, 일부 예에서는 약 1,000㎥ 내지 약 2,000,000㎥ 또는 그 이상일 수 있다. 예를 들어, 이 실시예에서, 축압기(12)는 액체층(16) 위에 저장된 압축 가스층(14)을 포함하고, 그 체적(및 따라서 용량)은 저장될 가스(14)의 양, 시스템(10)에 대하여 요구된 저장 기간 및 시스템(10)과 관련된 적절한 전원 및/또는 전력 부하(도 5의 전원/부하 S/L 참조)의 용량 또는 다른 특징과 관련될 수 있는 다른 적절한 요인들에 기초하여 선택될 수 있다. 전원/부하 S/L은 일부 예들에서 전력망, 전원(재생 가능하고 옵션으로 비 재생 가능한 소스를 포함) 등일 수 있다.
바람직하게는, 축압기(12)는 지면 아래 또는 수중에 위치될 수 있지만, 대안적으로 적어도 부분적으로 지면 위에 있을 수 있다. 도시된 바와 같이, 축압기(12)를 지면(200) 내에 위치시키는 것은, 지면/토양의 중량이 축압기(12)의 벽(13, 15 및 21)을 백스톱(backstop)/버트레스(buttress)하는 것을 도울 수 있고, 축압기의 내부(23)의 벽(13, 15 및 21)에 가해지는 임의의 외부 작용력에 저항하는 것을 도울 수 있다. 사용되는 압축/팽창 장비가 가장 효율적으로 작동하는 압력에 따라 지면 깊이가 수립된다.
축압기(12)에 압축되어 저장되는 가스는 공기, 질소, 희가스 및 이들의 조합 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 가스 일 수 있다. 원하는 양의 공기가 둘러싸는 주변 환경으로부터 시스템으로 유입될 수 있고 축압기(12) 내에서부터 방출된 가스/공기가 옵션으로 추가 처리를 요구하는 주변 환경으로 유사하게 배기될 수 있기 때문에, 공기를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.이 실시예에서, 압축 가스(14)는 압축된 대기 공기이고, 액체는 물이다.
옵션으로, 예를 들어 축압기의 구성 동안 사용하기 위한 축압기(12)의 내부로의 액세스를 제공하고 및/또는 검사 및/또는 유지보수를 위한 액세스를 허용하는 것을 돕기 위해, 축압기(12)는 시스템(10)이 사용중 일 때 일반적으로 공기/가스 기밀 방식(tight manner)으로 밀봉될 수 있는 적어도 하나의 개구를 포함할 수 있다. 이 예에서, 축압기(12)는 상단 벽(13)에 제공되는 1차 개구(primary opening)(27)를 포함한다. 1차 개구(27)는 임의의 적절한 크기일 수 있고, 특정 요건들에 적절히 기초하여(평면(19)에서 취한) 적절한 단면적을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 단면적은 일 특정 실시예에서, 약 0.75㎡ 내지 약 80㎡이고 더 크거나 또는 더 작을 수 있다.
시스템(10)이 사용중 일 때, 1차 개구(27)는 적절한 밀봉 부재로서 기능할 수 있는 임의의 적절한 유형의 파티션(partition)을 사용하여 밀봉될 수 있다. 도 1의 실시예에서, 시스템(10)은 1차 개구(27)를 덮는 벌크 헤드(24) 형태의 파티션을 포함한다. 도 2는 벌크 헤드(24)의 본 실시예의 컴포넌트의 평면도이고, 도 3 및 4는 개별적으로 벌크 헤드(24)의 측면도 및 측 단면도이다. 이 예에서, 벌크 헤드(24)는 축압기(12)의 내부(23)와 마주하고 그리고 대안적으로, 압축 가스층(14)과 유체 연통하고, 거기에 노출되는 하단 표면(29)을 포함하는 메인 본체(25), 내부(54)를 마주하는 본체(25)의 상단 단부에서 대향하는 상단 표면(31)을 갖는다. 플랜지(26)는 벌크 헤드의 하단 단부를 향해 전체적으로 측방으로 바깥쪽으로 연장되어, 벌크 헤드(24)의 상단 단부는 약 1 내지 8m 사이일 수 있고 개구(27)내에 맞도록(fit) 크기가 정해질 수 있는 상단 폭(33)을 가지며, 벌크 헤드(24)의 하단 단부는 상단 폭(33)보다 크고, 하단 폭(35)을 가지며, 예를 들어, 약 1.2m 내지 약 10m일 수 있다. 이 배열에서, 일반적으로 위쪽을 향해 마주하는 숄더 표면(37)이 정의되고 벌크 헤드(24)의 주변 주위로 연장된다. 벌크 헤드(24)가 제 위치에 있을 때, 도 1에 도시된 바와 같이, 숄더 표면(37)은 축압기의 상단 표면(13)에 맞닿을 수 있고, 개구(27)를 통한 벌크 헤드(24)의 위쪽으로의 움직임에 저항하는데 도움이 될 수 있다. 벌크 헤드(24)는 내부(23)를 밀봉하고 봉입(enclose)하는 것을 돕기 위해 임의의 적절한 메커니즘을 사용하여 상단 벽(13)에 고정될 수 있고 바람직하게는 상단 벽으로 밀봉될 수 있다. 다른 실시예에서, 벌크 헤드(24)는 상이하고 적절한 구성을 가질 수 있다.
벌크 헤드(24)는 현장에서 제조될 수 있거나, 외부에서 제조될 수 있으며, 콘크리트, 금속, 플라스틱, 복합재 등을 포함하는 임의의 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 예시된 실시예에서, 벌크 헤드(24)는 다수의 철근 콘크리트로 샤프트(18)와 축압기(12) 사이의 계면에서 현장에서(in situ) 조립된다.
도 1의 실시예에서, 1차 개구(27)는 축압기(12)의 상단 표면(13)에 제공된다. 대안적으로, 다른 실시예들에서, 1차 개구(27) 및 임의의 관련된 파티션은 예를 들어 측벽(예컨대, 측벽(21))상에, 하단 표면(예를 들어, 하단 표면(15))에, 또는 다른 적절한 위치를 포함하여 축압기(12)의 상이한 부분에 제공될 수 있다. 1차 개구(27)의 위치 및 관련 파티션은 예를 들어 토양 및 지하 조건, 기존 구조물의 이용 가능성(예를 들어, 시스템(10)이 일부 기존 공간 광산, 채석장, 저장 시설 등과 같은 공간에 개조되는 경우), 동작 압력, 샤프트 구성 등을 포함하는 다양한 요인에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 출원에 기술된 시스템(10)의 일부 양태는 기존의 지하 챔버에 개조될 수 있으며, 이는 측벽, 바닥 등에 개구가 구성되어 있을 수 있다. 이들 기존 구성의 일부를 이용하는 것은 시스템에 사용된 챔버의 구성 및/또는 개조를 가능하게 할 수 있고, 챔버의 상단 표면에 추가 개구를 형성할 필요성을 감소시키거나 제거할 수 있다. 축압기의 총 개구 수를 줄이는 것은 밀봉을 용이하게 하고 누출 가능성 등을 줄이는데 도움을 줄 수 있다.
1차 개구(27)가 축압기(12)의 측벽(21)을 따라 연장될 때, 이는 가스층(14)에 의해서만(즉, 축압기(12)의 상부를 향해) 컨택되고, 액체층(16)에 의해서만 컨택되고(즉, 액체층(16) 내에서 그리고 축압기의 바닥을 향하여 침지된) 및/또는 가스층(14)과 액체층(16)의 조합에 의해(즉, 액체에 부분적으로 침지되고 부분적으로 침지되지 않음) 컨택되도록 위치될 수 있다. 액체층(16)의 자유 표면(즉, 액체층(16)과 가스층(14) 사이의 계면)의 특정 위치는 가스가 축압기로 가압되고 (액체층이 낙하하게 함) 및/또는 축압기에서 인출 (액체 레벨 상승)될 때 시스템(10)이 사용되는 동안 변할 수 있다.
도 27에 개략적으로 예시된 바와 같이, 1 차 개구(27)는 축압기(12)의 측벽(15)에 제공되고, 시스템(10H)이 사용중 일 때 벌크 헤드(24)는 전체적으로 액체층(16)에 부분적으로 침지되고 가스층(14)에 부분적으로 노출되도록 위치된다. 이 예에서, 가스 공급 도관(22)은 벌크 헤드(24)를 통과하고 그것의 하단 단부(62)가 축압기(12)의 상부를 향해 위치되어 가스층(14)과 연통하고 축압기(12)의 액체 레벨에 상관없이 액체층(16)으로부터 유체 흐름 가능하게 격리되도록 배치된다. 대안적으로, 가스 공급 도관(22)은 시스템이 이러한 방식으로 구성된 때 벌크 헤드(24)를 통과하지 않도록 위치될 수 있다.
도 1 및 27의 실시예에서, 파티션은 축압기 주변에서 1 차 개구(27)를 덮고 옵션으로 밀봉하도록 위치된 제조된 벌크 헤드(24)를 포함한다. 대안적으로, 다른 실시예에서, 파티션은 암석(rock) 등과 같은 천연 재료로 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 축압기의 내부와 샤프트 사이의 압력 경계의 적어도 일부를 형성하는 것을 돕기 위해 자연 발생 암석의 부분을 남기고 및/또는 성형함으로써 적절한 파티션이 형성될 수 있다. 이러한 형성물은 축압기 내부와 샤프트 사이의 원하는 동작 압력 차이를 견딜 수 있도록 가스 비투과성이 충분히 보장되도록 처리, 코팅 또는 다른 식으로 변형될 수 있다. 이는 일부 실시예에서 샤프트(18) 및 축압기(12)의 굴착(excavation) 및 구성 동안 주변 암석의 일부가 일반적으로 방해 받지 않도록 샤프트(18) 및 축압기(12)를 옵션으로 굴착함으로써 수행될 수 있다. 대안적으로, 암석 또는 다른 이러한 재료는 사전 굴착된 후에 축압기(12) 및/또는 샤프트(18) 내의 적절한 위치로 재도입된다. 이는 별개의 벌크 헤드를 제조하고 시스템(10) 내에 설치하는 필요성을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 특성의 배열에서, 1 차 개구(27)는 축압기(12)의 측벽(21)에 형성될 수 있거나 또는 대안적으로 축압기(12)의 일 측면은 제 1 개구(27)가 실질적으로 전체 축압기 높이(17)에 연장되고 축압기(12)의 실질적으로 하나의 전체 측면을 형성하도록 실질적으로 개방될 수 있다.
도 28을 참조하면, 압축 가스 저장 시스템(10I)의 다른 실시예는 전체적으로 주변 지면(200)과 동일한 재료로 형성된, 도 28에서 크로스-해칭(cross-hatching)을 사용하여 식별된 돌출부(200A)를 포함하는 파티션으로 구성된다. 이 예에서, 시스템(10I)은 다른 실시예들에 도시된 바와 같이 별도로 제작된 벌크 헤드(24)를 포함할 필요가 없다. 본 실시예의 시스템(10)은 가스 공급 도관(22)이 돌출부(200A)로부터 이격되어 파티션을 통해 연장되지 않도록 구성된다. 대신에, 도관(22)을 수용하기 위해 별개의 샤프트 또는 보어(bore)가 제공될 수 있다. 샤프트(18)의 내부와 액체층(16) 사이에 액체 연통을 제공하는 것을 돕기 위해, 액체 공급 도관(40)은 돌출부(200A)를 통해 연장되거나, 예시된 바와 같이, 액체 공급 도관(40)의 적어도 일부는 돌출부(200A) 아래를 통과하고 샤프트(18)를 액체층(16)에 유체 흐름 가능하게 연결하는 유동 채널에 제공될 수 있고, 액체 공급 도관(40)의 인 단부(in end)들(64 및 66)은 통로의 개방 단부들일 수 있다.
옵션으로, 이러한 실시예에서 가스 공급 도관(22)은 도 28에 예시된 바와 같이 파티션/돌출부(200A)를 통과하도록 배열될 수 있다. 이 배열(및 도 27에 도시된 실시예에서)에서, 도관(22)은 그 단부(62)가 액체층(16)이 단부(62)에 도달하는 것을 방지하기 위해 축압기(12)의 상단 측면을 향해 위치되도록 구성될 수 있다. 대안으로, 대안적인 도관(22)을 위한 점선을 사용하여 개략적으로 예시된 바와 같이, 가스 공급 도관(22)은 파티션을 통과할 필요가 없다.
옵션으로, 시스템(10I)은 가스 공급 도관(22)이 액체 공급 도관(40)을 적어도 부분적으로 통과하도록 배열될 수 있다. 이는 파티션/돌출부(200A)에 제공될 필요가 있는 개구의 수를 감소시키는 것을 도울 수 있다. 도 28의 실시예에서, 가스 공급 도관(22)의 다른 선택적인 배열은 점선을 사용하여 도시되고, 샤프트(18)로부터 축압기(12)의 내부로 유동 채널을 통과한다. 이 배열에서, 가스 공급 도관(22)은 액체 공급 도관(40)에 내포되고, 액체 공급 도관을 통과하고 또한 돌출부(200A) 아래를 통과한다. 옵션으로, 적어도 일부의 가스 공급 도관(22)이 액체 공급 도관(40)의 일부 내에 수용되는 구성은 액체 공급 도관(40)과 가스 공급 도관(40)이 모두 파티션을 통과하는 것을 포함하여 시스템(10)의 다른 실시예(본 출원에 설명되고 예시된 것을 포함)를 포함하여 사용될 수 있다.
축압기(12)가 사용중 일 때, 가압 가스층(14) 및 액체층(16) 중 적어도 하나 또는 둘 모두는 벌크 헤드(24)의 내부-표면(29)에 컨택하여 압력을 가할 수 있고, 이는 전체적으로 바깥쪽으로 (이 실시예에서 위쪽으로) 도 1에서 화살표 41로 표시되는 내부 축압기 힘은 벌크 헤드(24)상에 작용한다. 내부 축압기 힘의 크기(41)는 가스(14)의 압력 및 하단 표면(29)의 단면적 (평면(19)에서 취함)에 의존한다. 주어진 하단 표면(29) 면적에 대해, 내부 축압기(41)의 크기는 일반적으로 가스(14)의 압력에 비례하여 변할 수 있다.
바람직하게는, 내부 축압기 힘(41)을 오프셋 및/또는 균형을 맞추기 위해 안쪽으로(이 실시예에서 아래쪽으로) 작용력이 벌크 헤드(24)의 외부-표면(31)에 인가될 수 있다. 이러한 성질의 반발력(counter force)을 인가하는 것은 시스템(10)이 사용되는 동안 벌크 헤드(24)에 작용하는 순력(net force)을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다. 이것은 벌크 헤드(24)가 내부 축압기 힘(41)의 전체 크기에 저항해야 하는 경우에 요구되는 것 보다 더 낮은 압력 공차를 갖는 벌크 헤드(24)의 사용을 가능하게 하는데 도움이 될 수 있다. 이는 벌크 헤드(24)가 상대적으로 작고, 가벼우며 비용이 적게 들게 할 수 있다. 이 배열은 또한 시스템(10)이 사용되는 동안 벌크 헤드(24)가 고장날 가능성을 감소시키는데 도움이 될 수 있다. 옵션으로, 적절한 반발력이 상단 표면(31)을 상단 표면(31)과 컨택하는 가압 가스 또는 액체와 같은 가압된 환경에 적용하고, 상단 표면(31)에 작용하는 압력을 캘리브레이션함으로써 생성될 수 있고 (상단 표면(31)의 상대적 단면적 및 하단 표면(29)에 작용하는 압력에 기초하여), 도 1에서 화살표(46)로 도시된 결과적인 반발력이 바람직한 크기를 갖는다. 일부 구성에서, 반발력(46)의 크기는 내부 축압기 힘(41)의 약 80% 내지 약 99%일 수 있고, 옵션으로 내부 축압기 힘(41)의 약 90 % 내지 약 97 %일 수 있고, 해당 크기에 대략 같을 수 있다.
본 실시예에서, 시스템(10)은 축압기의 상단 벽(13) 내의 개구(27)와 연통하는 하단 단부(43) 및 샤프트 높이(50)에 의해 하단 단부(43)로부터 이격된 상단 단부(48)를 갖는 샤프트(18)를 포함한다. 적어도 하나의 측벽(52)은 하단 단부(43)로부터 상단 단부(48)까지 연장되며, 적어도 부분적으로 체적을 갖는 샤프트 내부(54)를 정의한다. 이 실시예에서, 샤프트(18)는 전체적으로 선형이고 전체적으로 수직 샤프트 축(51)을 따라 연장되지만, 다른 실시예에서 선형 또는 나선형 경사(decline)와 같은 다른 구성을 가질 수 있다. 샤프트(18)의 상단 단부(48)는 도시된 바와 같이 대기(atmosphere)(A)로 개방될 수 있거나, 캡핑되거나, 봉입되거나 달리 밀봉될 수 있다. 이 실시예에서, 샤프트(18)는 약 3 미터의 직경(56)을 갖는 전체적으로 원통형이며, 다른 실시예에서는 직경(56)은 약 2m 내지 약 15m 이상 일 수 있거나, 약 5m 내지 12m 사이에 있을 수 있거나, 또는 약 2m 내지 약 5m 사이일 수 있다. 이러한 배열에서, 샤프트(18)의 내부(52)는 약 1,000 - 150,000㎥의 물을 수용할 수 있다.
이 배열에서, 벌크 헤드(24)는 샤프트(18)와 축압기(12) 사이의 계면에 위치되고, 외부 표면(31)(또는 적어도 일부)은 샤프트(18)의 하단 단부(43)를 폐쇄하고 밀봉한다. 바람직하게는, 샤프트(18)의 다른 경계(예를 들어, 측벽(52))는 전체적으로 액체 비투과성으로, 내부(54)가 액체 예컨대, 물(20)로 채워질 수 있고, 일반적으로 물과 같은 액체를 보유할 수 있다. 물 공급/보충 도관(58)은 샤프트(18)의 내부(54)와 수원(water source)/싱크(150) 사이의 유체 연통을 제공하여 시스템(10)이 사용중 일 때 필요에 따라 샤프트(18)의 내부로 또는 외부로 물이 흐르도록 한다. 옵션으로, 유량 제어 밸브(flow control valve)(59)(도 1에 예시된 바와 같이)가 물 공급/보충 도관(58)에 제공될 수 있다. 유량 제어 밸브(59)는 시스템(10)이 사용되는 동안 개방되어 샤프트(18)과 수원/싱크(150) 사이에서 원하는 물의 유동을 가능하게 한다. 옵션으로, 유량 제어 밸브(59)는 원하는 경우 샤프트(18)와 수원/싱크(150)를 유체 격리시키기 위해 폐쇄될 수 있다. 예를 들어, 유량 제어 밸브(59)는 검사, 유지 보수 등을 위해 샤프트(18)의 내부(54)의 배수를 용이하게 하도록 폐쇄될 수 있다.
수원/싱크(150)는 임의의 적절한 성질을 가질 수 있으며, 예를 들어 도시 수도 공급 또는 저장조에의 연결, 의도적으로 구축된 저장소, 저장 탱크, 급수탑 및/또는 천연 수역 예컨대, 호수, 강 또는 바다, 지하수 또는 대수층(aquifer)을 포함할 수 있다. 예시된 예에서, 수원/싱크(150)는 호수로 도시되어 있다. 물이 도관(58)을 통해 흐르도록 허용함으로써, 충분한 양의 물(20)이 샤프트(18)에 유지될 수 있고, 과량의 물(20)이 샤프트(18)로부터 배출될 수 있는 것을 보장하는데 도움이 될 수 있다. 도관(58)은 임의의 적절한 위치에서 샤프트(18)에 연결될 수 있고, 바람직하게는 상단 단부(48)에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 도관(58)은 물이 중력을 통해 소스/싱크(150)로부터 샤프트(18)로 흐르도록 위치되고 구성될 수 있으며, 외부의 동력 펌프 또는 다른 이송 장치를 포함할 필요가 없다. 도관(58)이 도면에 수평으로 도시되어 있지만, 수평이 아닐 수 있다.
이 예에서, 샤프트(18) 내의 물(20)은 벌크 헤드(24)의 외부에 대항하여 견디어 벌크 헤드(24)의 상부에 지지된다. 이 예에서 벌크 헤드(24)의 외부 표면(31)에 작용하는 압력의 양은 지지되는 물(20)의 체적에 따라 변할 것이고, 주어진 직경(56)에 대해 물 컬럼의 높이(50)에 따라 변할 것이다. 이 배열에서, 반발력(46)의 크기는 일반적으로 샤프트(18)에 홀딩된 물(20)의 양에 비례할 수 있다. 반발력(46)의 크기를 증가시키기 위해, 더 많은 물(20)이 추가될 수 있다. 반발력(46)의 크기를 감소시키기 위해, 물(20)은 내부(54)로부터 제거될 수 있다.
벌크 헤드(24) 하부에 저장된 압축된 공기층(14)은 벌크 헤드(24)가 지면의 주변에, 일 대안으로, 축압기(12)와 샤프트 사이의 계면에서 지면의 주변 석재에 안정적으로 부착되는 기술과 함께, 벌크 헤드(24)와 샤프트(18) 내에 함유된 액체를 지지하기 위한 역할을 한다.
바람직하게는, 설명되는 바와 같이, 물의 양(20)이 벌크 헤드(24)에 대항하여 견디는 압력은 반발력(46)의 크기가 축압기(12)에 저장된 압축 가스층(14)에서 압축 가스에 의해 가해지는 내부 축압기 힘(41)의 크기와 같거나 거의 같도록 유지될 수 있다. 예시된 실시 예에서, 압력 차 (즉, 축압기(12) 내부의 가스 압력과 샤프트(18)의 하단 단부(43)에서의 수력학적(hydrostatic) 압력 차이)를 임계량 - 바람직하게는 0 과 4 Bar 사이 예컨대, 2 Bar 내로 유지하기 위해 동작 시스템(10)은 -벌크 헤드(24)에 작용하는 결과적인 순력 (즉, 내부 축압기 힘(41)과 반발력(46)의 차이)은 미리 결정된 임계 순력 한계치 아래로 유지될 수 있다. 순 압력 차이 및 관련 순력 크기를 임계 순 압력 차이 한계치 아래로 유지하는 것은 벌크 헤드(24)가 매우 크고 강화될 필요가 있고 따라서, 상대적으로 비싸지는 것을 감소시키는데 도움이 될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 벌크 헤드(24)를 축압기(12)에 부착하기 위해 상대적으로 더 강한 벌크 헤드(24) 및/또는 설치 기술을 사용하는 것은 비교적 더 높은 압력 및 순 압력 차이를 견디는데 도움을 줄 수 있지만, 구성 및 설치에 더 많은 비용이 들 수 있으며, 다른 모든 것은 동일하다. 또한, 축압기(12)의 높이(17)는 압력 차이에 중요할 수 있다 : 높이(17)가 약 10 미터이면, 벌크 헤드(24)의 상향 압력은 샤프트(18)내 물로부터의 벌크 헤드(24)의 하향 압력보다 1 Bar 더 높아질 것이다.
샤프트(18) 및 축압기(12) 각각은 광산 샤프트 및 다른 지하 구조물을 생성하는데 사용된 것과 유사한 기술을 사용하여 지면(200)에 형성될 수 있다.
벌크 헤드(24)에서 개별적으로 실질적으로 동일한 외향 및 내향 힘(41, 46)을 유지하는 것을 돕기 위해, 시스템(10)은 임계량 미만인 축압기 및 샤프트 압력의 원하는 차이를 유지하는 데 도움이 될 수 있다. 이들 압력은 임의의 적절한 압축기/팽창기 서브 시스템(100)을 사용하여 축압기(12)의 압축 가스 층(14)으로부터 가스를 추가 또는 제거함으로써 제어될 수 있고, 물은 샤프트(18)에서 액체 층(16)과 물(20) 사이에서 전달될 수 있다.
이 실시예에서, 압축 가스층(14)과 압축기/팽창기 서브 시스템(100) 사이에 압축 공기를 전달하기 위해 가스 도관(22)이 제공되며, 이는 압축 공기 에너지를 전기로 또는 전기로부터 변환할 수 있다. 유사하게, 액체 도관(40)은 샤프트(18)에서 액체층(16)과 물(20) 사이에서 물을 전달하도록 구성된다. 각각의 도관(22 및 40)은 금속, 플라스틱 등을 포함하는 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다.
이 예에서, 가스 도관(22)은 압축기/팽창기 서브 시스템(100)에 연결된 상단 단부(60) 및 가스층(14)과 연통하는 하단 단부(62)를 갖는다. 가스 도관(22)은 이 예에서 내부에 위치되고 샤프트(18) 내에서 연장되고 벌크 헤드(24)를 통과하여 가스층(14)에 도달한다. 샤프트(18) 내에 가스 도관(22)을 위치시키는 것은 표면으로부터 축압기(12)로 제 2 샤프트 및/또는 액세스 포인트를 시추(bore)할 필요를 제거 할 수 있다. 이 위치는 또한 예를 들어 샤프트(18) 내의 물(20)을 통해 이동할 수 있는 다이버 또는 로봇을 사용하거나 및/또는 샤프트(18)로부터의 물의 일부 또는 전부를 배출함으로써 가스 도관(22)이 일반적으로 검사 및 유지 보수를 위해 노출된 상태로 있게 할 수 있다. 대안적으로, 도 1 및 도 28의 실시예에서 점선을 사용하여 도시된 바와 같이, 가스 도관(22)은 샤프트(18) 외부에 있을 수 있다. 샤프트(18) 외부에 가스 도관(22)을 위치시키는 것은 압축기/팽창기 서브 시스템(100)의 원격 배치를 가능하게 할 수 있고 (즉, 샤프트(18)에 근접할 필요는 없으며) 그리고 가스 도관(22)의 외부(또는 그것의 하우징)이 침지될 필요가 없을 수 있다. 이것은 또한 가스 도관(22)이 축압기(12)를 샤프트(18)로부터 분리하는 파티션을 통과할 필요성을 제거할 수 있다.
액체 도관(40)은 이 예에서 시스템(10)이 사용되는 동안 수층(water layer)(16)에 침지된 하단 단부(64) 및 샤프트(18)의 내부(54)와 연통하는 원격 상단 단부(66)로 구성된다. 이 구성에서, 액체 도관(40)은 샤프트(18)에서 액체층(16)과 물(20) 사이의 액체 교환을 가능하게 할 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 액체 도관(40)은 (본 출원에 설명된 바와 같이) 벌크 헤드(24)를 통과할 수 있고, 또는 대안적으로, 점선을 사용하여 도시된 바와 같이, 액체층(16)과 물(20) 사이의 연통을 제공하지만 벌크 헤드(24)을 통과하지 않도록 구성될 수 있다.
이 배열에서, 축적 사이클 동안 더 많은 가스가 가스층(14)으로 전송되고, 그 압력이 증가함에 따라, 대안적으로 약간의 수층(16) 내의 물이 변위되어 샤프트(18)내 물(20)의 압력에 대항하여 샤프트(18) 내로 액체 도관(40)을 통과하여 상방으로 가압될 수 있다. 보다 상세하게는, 물은 바람직하게는 축압기(12)의 바닥으로부터 샤프트(18) 내로 자유롭게 유동할 수 있고, 궁극적으로 보충 도관(replenishment conduit)(58)을 통해 물의 소스/싱크(150)와 교환될 수 있다. 대안적으로, 임의의 적절한 유형의 유량 제한 또는 조절 디바이스(예를 들어, 펌프, 밸브, 오리피스 플레이트 등과 같은)가 수관(40)에 제공될 수 있다. 가스가 가스층(14)으로부터 제거될 때, 수층(16)을 재충전하기 위해 물은 샤프트(18)로부터 보충 도관(58)을 통과하여 가압될 수 있다. 보충 도관(58)을 통한 유동은 물이 수층(16) 내외로 강제될 때, 과량의 물(20)이 배출될 수 있고 보충수가 샤프트(18)에 공급 될 수 있기 때문에 원하는 양의 물(20)이 샤프트(18) 내에 유지될 수 있는 것을 보장하는데 도움이 될 수 있다. 이러한 배열은 축압기(12) 및 샤프트(18)의 압력이 가스가 축압기(12) 내로 강제될 때 적어도 부분적으로 자동적으로 재평형을 유지하도록 할 수 있다.
바람직하게는, 액체 도관(40)의 하단 단부(64)는 시스템(10)이 사용되는 동안 일반적으로 액체층(16)에 침지되어 있고 가스층(14)과 직접 연통하지 않도록 위치된다. 예시된 예에서, 하단 벽(15)은 평면이고 전체적으로 수평이고, (평면(19)에 평행, 또는 수평으로부터 옵션으로 약 0.01 % 내지 약 1 %, 및 옵션으로 약 0.5 % 내지 약 1 %의 최대 등급을 갖도록 배열됨), 액체 도관(40)의 하단 단부(64)는 하단 벽(5)에 가깝게 배치된다. 하단 벽(15)이 평평하지 않거나 전체적으로 수평이 아닌 경우, 액체 도관(40)의 하단 단부(64)는 바람직하게는 하단 단부(64)가 가스층(14)에 노출 될 가능성을 감소시키기 위해 축압기(12)의 상대적으로 낮은 지점에 위치된다.
유사하게, 가스층으로부터 가스의 추출을 용이하게 하기 위해, 가스 도관(22)의 하단 단부(62)는 바람직하게는 상단 벽(13)에 가깝거나 축압기(12)의 내부(23)에서 상대적으로 높은 지점에 위치된다. 이는 축압기(12) 내의 임의의 가스의 포집(trap)을 감소시키는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 상단 벽(13)이 경사로 배향된 경우, 가스 도관(22)이 가스층 (즉, 그것의 하단 단부(62))과 계면하는 지점은 가스의 상당한 포집을 피하기 위해 축압기(12)에서 높은 지점에 있어야 한다.
도 5는 일 실시예에 따른, 본 출원에 설명된 압축 가스 에너지 저장 시스템(10)을 위한 압축기/팽창기 서브 시스템(100)의 컴포넌트의 개략도이다. 이 예에서, 압축기/팽창기 서브 시스템(100)은 전원이 공급되는 모터(110)에 의해 구동되는 하나의 대안으로, 전력망으로부터 또는 재생 가능한 전원 등에 의해 전기 및 옵션으로 적절한 제어기(118)를 사용하여 제어되는 하나 또는 다수 단의 압축기(112)를 포함한다. 압축기(112)는 동작의 축적 스테이지에서 모터(110)에 의해 구동되고, 및 대기 공기 A를 흡입하고 공기를 압축하여 및 축압기(12)에 저장을 위해 가스 도관(22) 내로 아래로 그것을 가압한다 (동일한 것을 포함하는 실시예들에서 열 저장 서브 시스템(120)(도 8을 참조)을 통해). 압축기/팽창기 서브 시스템(100)은 또한 팽창 동작 스테이지 동안 가스 도관(22)으로부터 배출되는 압축 공기에 의해 구동되고, 이어서 발전기(114)를 구동하여 전기를 발생시키는 팽창기(116)를 포함한다. 팽창기(116)를 구동시킨 후, 팽창된 공기는 대기 A로 배출을 위해 전달된다. 별개의 장치로서 도시되었지만, 압축기(112)와 팽창기(116)는 하이브리드 모터/발전기 장치일 수 있는 공통의 장치의 부품일 수 있다. 옵션으로, 모터 및 발전기는 단일 기계로 제공될 수 있다.
압축기/팽창기 서브 시스템(100)으로 유입되거나 나가는 공기는 그 입구 또는 출구 앞에서 컨디셔닝(condition)될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 압축기/팽창기 서브 시스템(100)을 빠져 나가거나 유입되는 공기는 바람직하지 않은 환경 영향을 감소시키거나 공기가 압축기(112) 또는 팽창기(116)의 특정 스테이지의 효율적인 동작 범위에 적절한 온도에 있도록 가열 및/또는 냉각될 수 있다. 제어기(118)는 필요에 따라 가스 도관(22)으로부터 압축 공기의 방출을 방지하거나 가능하게 하기 위한 동작 밸브를 포함하여, 요구된 때 축적과 팽창 스테이지 사이에서 스위칭하도록 압축기/팽창기 서브 시스템(100)을 동작시킨다.
보조 가스 방출(Auxiliary Gas Release)
옵션으로, 압축 가스 에너지 저장 시스템(10)은 압축 가스층(14)으로부터 가스의 방출을 가능하게 하도록 가스 도관(22)으로부터 분리된 하나 이상의 보조 가스 방출 서브 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 축압기(12) 내의 압력이 원하는 최대 저장 압력에 접근 및/또는 초과하는 경우, 압축 가스층(14)으로부터 가스의 적어도 일부를 배기하는 것은 압력을 원하는 범위로 감소시키는데 도움이 될 수 있다. 이는 또한 압축 가스층(14)이 도관(40)의 하단 단부(64)와 유체 연통되게 되는 레벨에 도달하는 것을 방지하는데 사용될 수 있다. 이러한 보조 가스 방출 서브 시스템은 바람직하게는 가스 공급 도관(22)으로부터 분리된 적어도 하나의 보조 가스 방출 도관을 포함하고, 가스를 지면으로, 별개의 배기 샤프트로, 물이 채워진 샤프트(18) 또는 다른 원하는 위치로 배기하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 가스 방출 서브 시스템은 샤프트(18) 내에서부터 벌크 헤드(24) 외부에 대항하는 압력 베어링과 축압기(12)내에서부터 벌크 헤드(24)의 내부에 대항하는 압력 베어링 사이의 차이가 샤프트에 대한 압력 베어링 사이의 차이가 벌크 헤드(24)의 무결성 또는 그것의 제 위치에 설치를 위협하는 레벨까지 상승하는 경우에 가스를 방출하도록 동작함으로써 시스템(10) 내의 압력을 조절하기 위한 추가적인 유연성을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 샤프트(18) 내의 액체(20)가 압력을 낮추는 레벨로 축소되어 벌크 헤드(24)에 작용하는 반발력(46)의 크기를 원하는 레벨 아래로 감소시키는 경우, 가스 방출 서브 시스템은 축압기(12) 내의 압력의 방출을 가능하게 할 수 있다.
이 실시예에서, 가스 방출 서브 시스템은 가스 공급 도관(22)으로부터 이격된 보조 가스 방출 도관(45) 및 압축 가스층(14)과 연통하고 그리고 이 예에서, 벌크 헤드(24)와 연관된 옵션의 밸브(42)(도 1 내지 4 참조)를 포함한다. 밸브(42)는 바람직하게는 가스가 압축 가스층(14)으로부터 샤프트(18)로 이동하는 것을 허용할 수 있지만 샤프트(18)로부터 축압기(12)로의 물(20)의 유동을 방해하거나 방지할 수 있도록 단일 방향 또는 체크 밸브일 수 있다. 밸브(42)는 폐쇄 구성을 향해 바이어스될 수 있고 바람직하게는 압축 가스 층(14) 내의 압력이 미리 설정된 임계 한계치를 초과할 때 자동으로 개방되는 감압 밸브로서 구성되는 것을 포함하는 임의의 적절한 메커니즘을 사용하여 작동될 수 있고 및/또는 필요에 따라 가스층(14)으로부터의 가스가 벌크 헤드(24)를 통해 빠져 나가도록 원격에서 (예를 들어 원격 유압 또는 전기 작동을 통해) 개방 및 폐쇄되도록 구성될 수 있다. 옵션으로, 밸브(42)는 예를 들어 기계식 액추에이터, 전기 기계식 액추에이터, 솔레노이드 액추에이터 등을 포함할 수 있는 적절한 밸브 작동 시스템을 사용함으로써 제어기(118)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 밸브(42)가 축압기(12)로부터 압축 가스를 방출하도록 개방되는지 여부 및 압축 가스가 시스템(10)의 다른 부분 (예컨대, 열 저장 서브 시스템(120) (도 8-9 참조) 본 출원에 설명된 축적 또는 팽창 사이클 동안)을 통해 라우팅되는지 여부 및 방법.
샤프트(18), 축압기(12)의 치수 및 벌크 헤드(24)의 무결성은 축압기 내의 압축 가스층(14)이 압축기/팽창기 서브 시스템(100)에서 사용된 장비의 효율을 최대화하는 압력 범위 내에서 유지될 수 있게 하는 방식으로 서로 관련되는 것이 바람직하다. 옵션으로, 시스템(10)은 약 20 atm 내지 약 40 atm의 압력에서 압축 가스층을 저장하도록 구성될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 지속적으로 효율적으로 동작하려면, 이러한 장비는 압력 범위를 조정해야 할 수도 있다. 이는 샤프트(18) 내의 액체(20)의 양 및 축압기(24) 내의 가스 압축 레벨을 조정하고, 도관 크기 등을 조정함으로써 수행될 수 있다.
옵션으로, 벌크 헤드(24)는 가스 도관(22), 액체 도관(40), 보조 가스 방출 도관(45) 및 다른 그러한 도관을 수용하기 위해 하나 이상의 개구 또는 다른 적절한 구조물을 포함할 수 있어서, 도관은 축압기(12)의 내부(23)로 유입하기 위해 벌크 헤드(24)를 통과한다. 벌크 헤드(24)를 통해 도관 및 다른 이러한 구조를 통과하는 것은 축압기(12)에 도달하기 위해 추가적인 샤프트/보어를 만들 필요가 없고, 상단 벽(13)에 필요한 개별 개구의 수를 감소시킬 수 있다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 샤프트(18)의 벌크 헤드(24) 상부로부터 축압기(12) 내의 가스층(14)을 까지 가스 도관(22)의 통과를 수용하기 위한 제 1 개구(28)가 메인 본체(25)를 통과하여 연장된다. 가스 도관(22)은 축압기(12)로의 샤프트(18)내의 물(20) 또는 축압기(12) 내의 샤프트(18)로의 압축 가스의 누출 또는 다른 제어되지 않은 방출을 최소화하고 바람직하게 방지하기 위해 제 1 개구(28)에/제 1 개구 내에 밀봉되는 것이 바람직하다. 샤프트(18)의 벌크 헤드(24)으로부터 축압기(12) 내의 액체 층(16)으로 액체 도관(40)의 통과를 수용하기 위한 제 2 개구(32)가 벌크 헤드(24)를 통과하여 또한 연장된다. 액체 도관(40)은 축압기(12) 로의 샤프트(18) 내의 물(20) 또는 축압기(12) 내의 샤프트(18) 로의 압축 가스의 방출 또는 제어되지 않은 방출을 최소화하고 바람직하게는 방지하기 위해 제 2 개구(32) 내에 밀봉된다 (도관(40)을 통하는 것을 제외).
또한, 논의된 압력 차이의 감소가 요구되는 경우 압축 가스층(14)으로부터 가스의 방출을 위한 보조 가스 방출 도관(45)을 통하여 그리고 이 예에서 압축 가스층(14)으로부터 밸브(42)를 향한 가스의 통과를 수용하기 위하여 제 3 개구(44)가 벌크 헤드(24)를 통해 연장된다. 밸브(42)는 벌크 헤드(24) 위에 반드시 둘 필요는 없으며 실제로 제 3 개구(44) 내에 통합되거나 또는 다른 방식으로 제 3 개구(44)와 연관될 수 있음을 이해할 것이다. 밸브(42)는 또한 제 2 개구(32) 및 액체 도관(40)에 통합될 수 있어서, 제 3 개구(44)에 요구를 배제할 수 있다.
이 실시예에서, 점검 및 청소를 위해 유지 보수 직원에 의해 축압기(12) 내부로의 유지 보수 액세스를 가능하게 하기 위해 개방 및 재밀봉 가능한 액세스 맨웨이(manway)(30)가 제공된다. 이는 유량 제어 밸브(59)(도 1)를 폐쇄하고 액체(20)의 샤프트(18)를 비우고 압축 가스의 축압기(12)를 비워서 맨웨이(30)가 개방되고 직원이 왔다 갔다 통과할 수 있게 함으로써 수행된다. 벌크 헤드(24)에 대해 말하자면, 변형이 가능하다. 예를 들어, 대안적인 실시예에서, 벌크 헤드(24)는 제 1 개구 및 제 2 개구(28, 32) 만을 가질 수 있고 맨웨이(30)는 없을 수 있다. 대안적인 실시예에서, 벌크 헤드(24)는 맨웨이(30)를 포함할 수 있지만, 제 1 개구 및 제 2 개구(28, 32)를 함유할 필요는 없고, 도관들(22 및 40)은 벌크 헤드(24)를 통과하지 않는다. 또 다른 대안적인 실시예에서, 벌크 헤드(24)는 맨웨이(manway) 및 개구를 함유하지 않아서 축압기(12)와의 유체 연통이 벌크 헤드(24)을 통과하지 않는다. 옵션으로, 맨웨이 등은 또한 도관(23)을 예를 들어 도 28의 실시예에 도시된 돌출부(200A)를 포함하는 다른 유형의 파티션으로 제공될 수 있다.
옵션으로, 보조 가스 방출 도관(45)을 통해 그리고 옵션으로 가스 방출 밸브(42)를 통해 축압기(12)로부터 배기되는 가스를 채널링하는 것을 돕기 위해 도관 또는 다른 유형의 가이드 구조가 제공될 수 있다. 예를 들어, 일부 환경들에서, 샤프트(18)를 통해 특정 경로를 따라 탈출하는 가스를 지향하기 보다는 오히려 단순히 물(20)의 컬럼에 자유롭게 가스를 방출하는 것이 바람직하다. 도 6a는 전술한 바와 같이 압축 가스 에너지 저장 시스템(10)과 유사한 압축 가스 에너지 저장 시스템(10A)의 대안적인 실시예의 컴포넌트의 단면도이며, 유사한 피처는 유사한 참조 문자를 사용하여 식별된다. 그러나, 이 예에서 가스 방출 서브 시스템은 보조 가스 방출 도관(45)의 출력 (이 예에서, 가스 방출 밸브(42)의 출구)에 인접한 하단의, 입구 단부(68)로부터 샤프트(18)의 상단 단부를 향해 제공될 수 있고 옵션으로 샤프트(20)에 보유된 물(20)의 자유 표면 위로 돌출될 수 있는 상단 출구 단부(70)로 위쪽으로 연장되는 가이드 도관(guide conduit)(53)을 더 포함한다.
가이드 도관(53)은 폭(72) (가이드 도관(53)이 원통형 파이프인 경우 직경이라고도 함)을 가지며, 관련 단면적 (평면(19)에 평행한 평면에서 취함)은 샤프트(18)의 단면적의 약 0.5 % 내지 약 5 %가 되도록 구성된다. 도 7a에 또한 도시된 바와 같이, 가이드 도관(53)의 하단 단부(68)는 보조 가스 방출 도관(45)의 모든 출구에 가까이, 바람직하게는 실질적으로 모든 출구에 오버레잉(overlying)되어 밸브(42)를 빠져 나가는 가스가 가이드 도관(53)의 단부(68)로 유입되는 경향이 있고 그것이 출구 단부(70)에 도달할 때까지 샤프트(18)을 통하여 위쪽으로 계속 이동하기 때문에 가이드 도관(53)내에 제한된다.
보조 가스 방출 도관(45)을 통해 축압기(12)를 빠져 나가는 가스는 상대적으로 고압인 경향이 있고 (과압식 타입 상황에서 일반적으로 방출되는 경향이 있을 수 있음), 물(20) 내의 가스 기포는 샤프트(18)를 통해 위쪽으로 이동하기 때문에 팽창하는 경향이 있을 수 있다. 일부 환경에서, 가스 기포의 팽창은 샤프트(18) 내에서 물(20)을 변위 시키는 경향이 있을 수 있다 (예를 들어, 물을 도관(20)을 통해 그리고 액체원/싱크(150) 내로 강제시킴). 이는 벌크 헤드(24) 상에 놓여 있는 물의 질량을 감소시키는 효과(즉, 샤프트(18)의 내부(54)의 평균 밀도를 감소시킬 수 있음)를 가질 수 있으며, 이는 상단 표면(31)에 작용하는 수력학적 압력을 감소시킬 수 있고, 결국 반반력(46)의 크기를 줄일 수 있다. 내부 축압기 압력이 너무 높아서 내부 축압기 힘(41)의 크기가 너무 높아서 가스 방출 밸브(42)를 통해 가스가 배기되는 경우, 반발력(46)의 크기에서의 이러한 감소는 벌크 헤드(24)상의 힘 불균형을 더 증가시킬 수 있고, 벌크 헤드(24)의 과부하 상태를 악화시키는 경향이 있을 수 있다.
예시된 바와 같이, 가스 도관의 팽창을 제한하는 것을 돕는 가이드 도관(53) 또는 유사한 구조는 밀도 변화 방지 구조/경계로서 기능 할 수 있다; 이는 보조 가스 방출 도관(45)을 통해 축압기(12)로부터 방출된 압축 가스를 수용하고 이를 최대의 팽창을 가이드 도관(53)의 내부 체적으로 제한하면서 샤프트(18)의 상방으로 그리고 샤프트 밖으로 전송할 수 있다. 이는 팽창, 상승 가스 기포에 의해 변위되는 물의 양을 제한할 수 있고, 가스 방출/배기 이벤트 동안 반발력(46)의 감소를 감소시키는데 도움이 될 수 있다. 즉, 가이드 도관(53)은 또한 가스 기포가 가스 방출 밸브(42)를 빠져 나갈 때 가스 기포를 물리적으로 수용하는 역할을 하여 가스 기포가 시스템(10A) (또는 10J)을 빠져 나가기 위해 물(20)을 통해 위로 상승할 때, 가이드 도관(53) 내에 함유된 물(20)의 양을 초과하여 매우 많은 물(20)이 변위되는 것을 방지한다. 이러한 추가 피처는 샤프트(18) 내의 물(20)의 양을 추가로 보호함으로써 벌크 헤드(24) 상에 놓인 하향 압력의 양을 보호하는데 도움을 줄 수 있다. 이는 가이드 도관(53)을 포함하지 않는 시스템(10)의 버전을 사용하여 권장되는 것보다, 필요할 경우 보조 가스 방출 도관(45)을 통한 압축 공기의 빠른 방출을 촉진하는 데 도움이 될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 가이드 도관(53)이 없는 경우, 가스 방출 밸브(42) 또는 보조 가스 방출 도관(45)으로부터 방출된 가스는 샤프트(18)를 통해 자유롭게 상승 및 확산될 수 있다. 이와 같이, 자유롭게 퍼지는 가스 기포는 상승(압축 해제)시 체적이 증가하고, 이들은 샤프트(18)로부터 물(20)을 변위 시킴으로써 벌크 헤드(24)에 물(20)에 의한 하향 압력의 양을 감소시킨다. 가이드 도관(53)은 가스 기포의 방출을 제어하여, 이들이 샤프트(18)의 나머지 부분으로 바깥쪽으로가 아니라 가이드 도관(53)을 통해 위쪽으로 팽창하도록 하여 샤프트(18) 내의 물(20)의 대부분을 보존한다. 가스 기포의 방출을 제어하는 가이드 도관(53)은 벌크 헤드(24)가 상대적으로 갑작스러운 순력 불균형으로 인해 방출, 버클링 또는 다른 방식으로 고장을 유발하는 밀도 변화로 인한 치명적인 파손을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
바람직하게는, 가이드 도관(53)의 내부는 전체적으로 하단 단부(68)를 적어도 부분적으로 개방함으로써 샤프트(18)의 내부(54)와 유체 연통되어, 가이드 도관(53)의 내부는 배기된 가스를 수용하도록 계속 구성되면서 시스템이 정상 사용중 일 때(즉, 가이드 도관(53)이 배기 가스로 채워지지 않은 때), 일반적으로 물(20)로 채워질 수 있다. 이러한 방식으로, 가이드 도관(53) 이 벌크 헤드(24)에 밀봉되고 공기/가스만을 포함하는 경우보다 가이드 도관(53)은 샤프트(18)로부터 물(20)이 더 적게 변위 시킨다. 내부가 물로 채워진 상태에서, 가이드 도관(53)은 일부 예에서 가이드 도관(53)의 측벽의 체적과 거의 같은 양의 물만 변위 시킬 수 있다.
설명의 편의를 위해 전체적으로 직선형 수직 도관으로 도시되어 있지만, 가이드 도관(53)은 다른 구성을 가질 수 있으며, 수직 및/또는 선형일 필요는 없다. 옵션으로, 일부 예에서, 가이드 도관(53)의 상단 단부(70)는 샤프트(18)에서 물(20)의 표면 위에 위치될 필요는 없지만, 그 안에 침지될 수 있다. 이러한 배열에서, 가이드 도관(53)의 팽창-제한 효과는 다소 감소될 수 있지만, (즉, 상단 단부(70)가 물보다 높은 경우 보다 더 많은 물이 궁극적으로 변위될 수 있다) 그러나 예상 압력, 밸브(42)를 통한 가스 방출 속도 등과 같은 다른 요인들은 등은 과압 배기 상황동안에 샤프트(18)로부터 변위된 총 물이 허용 가능한 범위 내에 있도록 보장하기 위해 이러한 차이를 보상하도록 조정될 수 있다. 바람직하게는, 상단 단부(70)는 샤프트(18)의 상위 절반에 있을 수 있고(즉, 중간 지점 위에), 보다 바람직하게는 상단 단부(70)는 샤프트(18)의 상단 25%에 있을 수 있으며, 가장 바람직하게는 물(20)의 표면 위가 아니라면, 물의 표면에 전체적으로 근접할 수 있다.
도 6b는 전술한 바와 같이 압축 가스 에너지 저장 시스템(10)과 유사한 압축 가스 에너지 저장 시스템(10J)의 대안적인 실시예의 컴포넌트의 단면도이며, 유사한 특징은 유사한 참조 문자를 사용하여 식별된다. 이 실시예에서 보조 가스 방출 도관(45)이 액체 공급 도관(40)과 실질적으로 동일하게 구성되고 또한 하단 입구 단부(68)로부터 상단 출구 단부(70)까지 연장되는 가이드 도관(53)을 포함하도록 가스 방출 서브 시스템이 구성된다. 이 실시예에서, 가스 방출 서브 시스템은 도 6a 및 7a의 실시예에 예시된 바와 같이 밸브(42)를 포함할 필요가 없다. 대신에, 액체 공급 도관(40)을 통해 적어도 일부 가스가 축압기(12)를 빠져 나가게 함으로써 축압기(12) 내의 과도한 압력이 완화될 수 있다.
시스템(10J)이 정상 동작 조건 하에서 동작될 때, 액체 공급 도관(40)의 하단 단부(64)는 액체층(16)에 침지되고, 이는 가스층(14)으로부터 액체 공급 도관(40)을 격리시킨다. 만약 축압기(12) 내의 압력이 원하는 동작 임계치를 넘어서면, 물은 액체 공급 도관(40)을 통해 축압기(12)로부터 샤프트(18) 내로 강제될 수 있다. 물이 축압기(12)를 빠져 나갈 때, 액체층(16)의 높이는 액체 공급 도관(40)의 하단 단부(64)가 적어도 부분적으로 노출되는 레벨로 떨어질 수 있다. 이것은 압축 가스층(14) 으로부터의 일부 가스가 액체 공급 도관(40) 내로 유동하고 축압기(12)를 빠져 나가도록 하여 축압기(12) 내의 압력을 감소시킬 수 있다. 이 배열에서, 액체 공급 도관(40)은 또한 보조 가스 방출 도관(45)으로서 기능한다. 액체 공급 도관(40)/보조 가스 방출 도관(45)을 통해 유동하는 가스는 샤프트(18)의 내부로 빠져 나가서 본 출원에 설명된 것처럼 팽창 가스 기포를 형성할 수 있다. 이 실시예에서, 가스 방출 서브 시스템은 가이드 도관(53)의 하단 단부(68)가 액체 공급 도관(40)/보조 가스 방출 도관(45)을 빠져 나가는 가스의 적어도 일부를 포획하고 가스를 도 6a 및 7a의 실시예와 관련하여 설명된 것처럼 함유하도록 위치되도록 구성된다. 이 실시예는 시스템(10J)을 단순화하고 (예를 들어 시스템(10A)와 비교하여) 그리고 벌크 헤드(24)에 제공될 개구의 수를 감소시키는 것을 도울 수 있는 별개의 밸브(42) 및 관련 액추에이터 등을 통합할 필요를 제거할 수 있다.
배출 가스의 결과로 축압기(12) 내의 압력이 감소함에 따라, 액체는 액체 공급 도관(40)을 통해 축압기로 유동될 수 있고, 액체층(16) 내의 액체의 레벨은 액체 공급 도관(40)의 하단 단부(64)를 덮도록 상승할 수 있다. 이는 액체 공급 도관(40)으로부터 압축 가스층(14)을 재 격리시킬 수 있고, 액체 공급 도관(40)을 통한 가스의 방출을 정지시킬 수 있다.
옵션으로, 가스 방출 시스템 및 적절하게 구성된 가이드 도관(53)은 또한 도 27의 실시예의 수직 배향 벌크 헤드(24) 및/또는 도 28의 실시예에 도시된 돌출부와 같은 파티션의 다른 실시예 와 함께 사용될 수 있다.
열 저장 서브 시스템(thermal storage subsystem)
옵션으로, 압축 가스 에너지 저장 시스템의 일부 실시예는 축압기(12)로 지향되는 압축 가스(즉, 압축기(112)로부터 다운 스트림)로부터 열을 흡수하고, 일정 시간 동안 열 에너지의 적어도 일부를 격리시킨 다음, 옵션으로 축압기(12)로부터 추출/방출되는 가스로 열을 다시 방출하는데 (즉, 팽창기(116)의 업스트림) 사용될 수 있는 열 저장 서브 시스템을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 가스는 압축된 후 약 180 ℃ 내지 약 300 ℃의 출구 온도에서 압축기/팽창기 서브 시스템(100)을 빠져 나갈 수 있고, 열 저장 서브 시스템에 의해 출구 온도보다 더 낮은, 일부 예에서 약 30 ℃ 내지 약 60 ℃일 수 있는 저장 온도로 냉각될 수 있다.
도 8은 대안적인 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템(10B)의 컴포넌트의 단면도이다. 압축 가스 에너지 저장 시스템(10B)은 압축 가스 에너지 저장 시스템(10 및/또는 10A)과 유사하며, 압축기/팽창기 서브 시스템(100)과 축압기(12) 사이의 가스 유동 경로에 제공되는 열 저장 서브 시스템(120)이 추가된다. 이 예에서, 압축 가스층(14)과 압축기/팽창기 서브 시스템(100) 사이에서 압축 가스를 전달하는 가스 도관(22)은 압축기/팽창기 서브 시스템(100)과 열 저장 서브 시스템(120) 사이에서 연장되는 상단 부분(22A) 및 열 저장 서브 시스템(120)과 축압기(12) 사이에서 연장되는 하단 부분(22B)을 포함한다.
열 저장 서브 시스템(120)은 예를 들어 잠재(latent) 및/또는 감지 가능한(sensible) 저장 장치를 포함하는 임의의 적절한 유형의 열 저장 장치를 포함할 수 있다. 열 저장 장치(들)는 단일 스테이지, 2 스테이지 및/또는 다수의 스테이지 저장 장치(들)로 구성될 수 있다. 열 저장 서브 시스템(120) 또는 그 일부는 지상, 지하, 샤프트(18) 내, 축압기(12) 내 등을 포함하는 임의의 적절한 위치에 위치될 수 있다. 예시된 실시 예에서, 열 저장 서브 시스템(120)은 지하에 위치하며, 이는 지상 토지의 사용을 감소시키는 것에 도움이 될 수 있고, 예를 들어, 캐스케이드로 배열된 하나 이상의 상 변화 재료 및/또는 가압된 물 또는 다른 열 전달 유체를 갖는 스테이지와 같은 다수의 현열 및/또는 잠열 저장 스테이지를 포함하는 다수의 스테이지를 사용한다. 부분 저장/검색 사이클을 위해 시스템을 동작시키는 경우, 스테이지의 크기는 상 변화 재료의 시간 사이클에 따라 크기가 정해질 수 있어서 시간이 걸리는 상 변화는 필요한 시간 사이클내에서 효율적으로 발생할 있다는 것에 유의할 것이다.
일반적으로, 가스가 축적 사이클 동안 압축기/팽창기 서브 시스템(100)에 의해 압축되고 축압기(12)를 향한 저장을 위해 전달될 때, 압축 가스의 열은 현열 및/또는 잠열 저장을 위해 압축 가스로부터 열 저장 서브 시스템(120) 내로 뽑아질 수 있다. 이러한 방식으로, 열 에너지의 적어도 일부는 예를 들어 압축 가스로부터 물(20) 또는 액체층(16)으로 침출되어서, 실질적으로 손실(즉, 시스템(10)에 의해 복원 불가능한) 되는 대신에 미래 사용을 위해 저장된다.
유사하게, 가스가 축압기(12)로부터 압축기/팽창기 서브 시스템(100)을 향해 방출되는 팽창 사이클 동안, 옵션으로 열 저장 서브 시스템(120)을 통과하여 저장된 열 에너지의 적어도 일부를 압축기/팽창기 서브 시스템(100)의 팽창기 스테이지로 재 흡수될 수 있다. 바람직하게는, 압축 가스는 따라서 가열되어 원하는 온도에서 압축기/팽창기 서브 시스템(100)에 도달될 수 있다 (팽창 온도-바람직하게는 저장 온도보다 따뜻하고/높고, 일부 예에서, 냉각기 압축 가스로 범위 밖에서 작동하지 않고 비교적 효율적인 동작 온도 범위 내에서 팽창기를 작동시키는데 도움이 될 수 있는 출구 온도의 약 10 ℃ 내지 약 60 ℃ 내에 있을 수 있다).
일부 실시예에서, 열 저장 서브 시스템(120)은 잠열의 포획을 허용하는 온도 등급에 따라 선택될 수 있는 하나 이상의 상 변화 재료, 바람직하게는 다수의 상 변화 재료, 다수의 스테이지 및 재료를 채용할 수 있다. 일반적으로, 상 변화 재료 열은 대략 섭씨 150도 이상의 열을 저장하는데 유용할 수 있다. 재료는 제 위치에 고정되고, 저장 또는 팽창될 압축 공기는 재료를 통해 유동된다. 다수의 캐스 케이딩 상 변화 재료를 사용하는 실시예에서, 각각의 상이한 상 변화 재료는 저장 스테이지를 나타내며, 제 1 유형의 상 변화 재료는 상을 변화시켜 섭씨 200 내지 250 도에서 열을 저장하고, 제 2 유형의 상 변화 재료는 상을 변화시켜 섭씨 175 내지 200 도에서 열을 저장하고, 제 3 유형의 상 변화 재료는 상을 변화시켜 섭씨 150 내지 175 도에서 열을 저장할 수 있다. 시스템의 일부 실시예와 함께 사용될 수 있는 상 변화 재료의 일 예는 Coastal Chemical Co. of Houston, Texas에 의해 제조되는 HITEC® 열 전달 염 또는 소듐 나이트레이트 및 포타슘 나이트레이트의 공융 혼합물(eutectic mixture)을 포함한다.
현열 저장, 가압 수, 또는 임의의 다른 적절한 유체 및/또는 냉각제를 사용하는 열 저장 서브 시스템(120)의 실시예에서 현열 저장 매체로서 사용될 수 있다. 이러한 물은 열 흡수 프로세스 동안 일반적으로 물을 액상으로 유지하기에 충분한 동작 압력으로 가압되고 유지된다. 옵션으로, 가압된 물은 열 교환기 또는 일련의 열 교환기를 통과하여 도관(22)을 통해 축압기를 빠져 나가는 가스 스트림으로 및 가스 스트림으로부터 열을 포획 및 회수할 수 있다. 일반적으로, 현열 저장 장치는 섭씨 100도 이상의 온도의 열을 저장하는데 유용할 수 있다.
일부 실시예에서, 열 저장 서브 시스템(120)은 잠열(latent heat) 및 현열(sensible heat) 저장 스테이지 둘 다를 결합할 수 있고, 다수 스테이지 또는 단일 스테이지와 함께 상 변화 재료를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 특히 상 변화 재료의 경우, 압축 및 팽창 동안 공기가 전달되는 스테이지의 수는 제어기(118)에 의해 조정될 수 있다. 이는 시스템(10)이 열 저장 및 방출 프로그램을 원하는 및/또는 요구되는 동작 상태와 일치시키도록 적응시키는 것을 도울 수 있다.
옵션으로, 가스 도관(22)의 적어도 일부는 샤프트(18)에 유지되는 물(20)에 침지되지 않도록 샤프트(18)의 외부에 있을 수 있다. 이는 가스 도관(22)의 이러한 부분을 단열하는데 도움이 될 수 있으며, 도관(22) 내의 가스와 물(20) 사이의 열 전달을 줄이는데 도움이 될 수 있다. 이는 가스로부터 열 저장 서브 시스템(120)으로 훨씬 많은 과잉 열을 전달하고, 물(20)에서 열이 전송/손실될 가능성을 감소시키기 위한 일부 실시예에서 일반적으로 바람직할 수 있는 것으로 압축기/팽창기 서브 시스템(100)과 열 저장 서브 시스템(120) 사이에서 연장되는 가스 도관(22)의 일부에 특히 유용할 수 있다. 운송 중에 손실된 열을 감소시킴과 동시에 원하는 온도에서 열 저장 서브 시스템(120)으로부터 압축기/팽창기 서브 시스템(100)으로 온난화 가스가 이동하는데 바람직할 수 있는 것으로 팽창 스테이지 동안 유사한 고려 사항이 적용될 수 있다.
도 9는 대안적인 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템(10C)의 개략도이다. 압축 가스 에너지 저장 시스템(10C)은 본 출원에 설명된 다른 압축 가스 에너지 저장 시스템과 유사 하지만, 열 저장 서브 시스템(120) 과 압축기/팽창기 서브 시스템(100) 사이에서 압축 가스를 전달하는 가스 도관(22)의 상단 부분(22A)이 샤프트(18) 및 물(20)을 통하지 않고 지면(200)을 통해 연장되도록 구성된다. 추가 변형이 가능하다.
더욱이, 예시된 실시예들에서, 열 저장 서브 시스템(120)은 압축기/팽창기 서브 시스템(100)으로부터 압축 가스를 수용하거나 압축 가스를 제공하지만, 대안들은 열 저장이 스테이지들 사이에 열 에너지를 저장하기 위해 팽창기(116)의 다수의 스테이지들 및 압축기(112)의 다수의 스테이지들과 보다 밀접하게 통합된다. 이는 압축기(112) 및 팽창기(116)의 다운스트림 스테이지에서 장비가 가장 효율적인 동작 범위 내에 있는 온도에서 압축 가스를 수용하고 처리할 수 있도록 하기 위해 수행될 수 있다. 예를 들어, 열 저장 서브 시스템(120) 컴포넌트들은 도 11a 내지 도 15의 실시예에 도시되고 본 출원에 설명된 열 교환기(500a, 500b, 500c) 등과 동일하거나 유사한 방식으로, 및 옵션으로 조합되어 위치될 수 있다. 이는 프로세스에서 둘 이상의 스테이지에서 열 전달 및/또는 저장을 가능하게 하여 시스템 효율을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다.
도 16을 참조하면, 열 저장 서브 시스템(120)의 다른 예는 샤프트(18) 내의 액체(20)에 침지되고, 전달된 공기로부터 열을 저장 및 방출하기 위해 압축기/팽창기 서브 시스템(100)으로 및 거기로부터 공기를 전달한다. 이 배열에서, 열 저장 서브 시스템(120)은 열 저장 서브 시스템(120) 내의 열 저장 재료와 그것을 통해 전달되는 공기 사이에서 열을 교환함으로써, 열 교환된 공기 (A')를 축압기(12)내 가스 층(14)으로 전달한다. 이 실시예에서, 열 저장 서브 시스템(120)은 단일 스테이지(단일 스테이지 압축기/팽창기 서브 시스템(100)과 함께 사용하기 위한)를 갖지만 다수의 잠재(L) 및 감지 가능한(S) 재료 섹션의 조합을 포함한다.
이 실시예에서, 각각의 잠재 재료 섹션은 각각의 양의 상 변화 재료(PCM)를 함유하고, 감지 가능한 재료 섹션은 각각의 양의 물 또는 다른 액체 재료, 고체 열 질량 또는 열을 흡수하기에 적절한 임의의 다른 재료를 함유한다. 재료의 양 및 유형은 바람직하게는 특정 압축 공기 에너지 저장 시스템의 저장 기간 및 방출 위상(phase)에 기초하여 주어진 실시예에 대해 수립/선택된다. 이것은 열을 저장 또는 방출하는 동안 PCM이 위상을 변경하는데 걸리는 시간 또는 액체가 가열 또는 냉각되는데 걸리는 시간이 일반적으로 위상 타이밍에 "매칭(matched)"되는 것을 보장하는데 도움이 될 수 있다. 이는 반응하기에 너무 느리거나 너무 빠른 PCM 재료를 사용하는 것과 비교하여 열 저장 및 방출 기능을 위해 재료 자체를 비교적 효율적으로 사용하는데 도움이 될 수 있다.
또한 도 17을 참조하면, 옵션으로, 단열(insulating) "재킷(jacket)"(125)(열 저장 서브 시스템(120)의 일부를 폐색하지 않기 위해 점선으로 도시됨)은 열 저장 서브 시스템(120)의 상단 부분을 감싸서 샤프트(18) 내의 액체(20) 및 열 저장 서브 시스템(120) 사이의 일부 단열을 제공하여서 PCM 열 저장 시스템의 성능을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있는 빠른 열 성층화(stratification)를 촉진시킨다. 전술한 바와 같이, 주변 유입 압축기/팽창기 서브 시스템(100)으로부터의 공기 (A)는 열 저장 서브 시스템(120)을 통해 공기를 통과시킴으로써 압축기(112)로 진입하기 전에 공기 (A') (도 11a 및 11b 참조)가 되도록 컨디셔닝될 수 있어서 공기(A')는 압축기(112)의 특정 스테이지의 효율적인 동작 범위에 적절한 온도에 있게 한다.
옵션으로, 제어기(118)는 또한 열 저장 서브 시스템(120)을 통해 압축기(112)로 유입되는 공기와 열 저장 서브 시스템(120)내 열 저장 재료의 열 저장 재료 사이에서 교환되는 열의 성질을 변경하거나 또는 압축기가 열 저장 서브 시스템(120)을 통과하지 않도록 압축기(112) 로의 공기의 라우팅을 변경하도록 열 저장 서브 시스템(120)의 상태를 변경하도록 구성될 수 있다.
도 18은 압축 가스 에너지 저장 시스템(10)을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템(100)의 컴포넌트의 개략도이며, 다수의 압축 스테이지들 및 각각은 열 저장 서브 시스템(120)의 개별 스테이지와 관련된다. 특히, 압축 위상(보관) 스테이지에서, 주변 (A)로부터 유입되는 공기는, 옵션으로 열 교환기를 통해 유입 공기의 온도를 수정하기 위해, 제 1 압축 스테이지 동안 모터(110a)에 의해 구동되는 압축기(112a)로 먼저 전달된다. 압축의 제 1 스테이지에이어서, 공기 (A)는 열 저장 서브 시스템(120)의 제 1 스테이지(120a)를 통해 전달되어 공기 (A)로부터 제거된 열을 저장하고, 이에 의해 공기 (A')로 컨디셔닝되고 이는 그런 다음 압축의 제 2 스테이지를 위해 모터(110b)에 의해 구동되는 압축기(112b)로 전달된다. 압축의 제 2 스테이지에 이어서, 공기 (A')는 그런 다음 열 저장 서브 시스템(120)의 제 2 스테이지(120b)와 같은 열 저장 서브 시스템(120)의 임의의 추가 스테이지를 통해 전달되어 공기 (A'')로 컨디셔닝될 개별 스테이지에서 열을 저장한다. 열 저장 서브 시스템(120)의 마지막 스테이지는 이 예에서 모터(110x)에 의해 구동되는 압축기(112x)에 의해 압축된 압축 공기로부터 열을 저장하고 그렇게 함으로써 공기 (A''')로 컨디셔닝되는 스테이지(120x)로서 표현된다. 압축 및 열 저장의 x 번째 스테이지에 이어서, 공기(A''')는 다른 실시예와 관련하여 상기에서 설명된 바와 같이 축압기(12) 내로 전달된다. 저장 위상 동안 열 저장 서브 시스템(120)의 스테이지들에 저장된 열은 설명될 바와 같이 방출 위상 동안 방출되는 공기로 재결합하기 위해 완전히 저장될 수 있지만, 다른 서브 시스템의 온도를 조절하는 것을 돕는 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다른 목적으로 일부 용량 또는 양이 사용될 수 있다. 개별 열 저장 스테이지를 갖는 3 스테이지 압축이 도 6에 도시되어 있지만, 본 발명의 이 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템은 개별 열 저장 스테이지를 갖는 단지 2 스테이지 또는 3 스테이지 이상의 압축 스테이지를 가질 수 있음에 유의해야 한다. 더욱이, 대안적인 실시예에서, 주어진 압축 스테이지가 반드시 열 저장 스테이지가 반드시 뒤따를 필요는 없다. 또한, 대안적인 실시예에서, 압축 가스 에너지 저장 시스템에서 아직 압축 되지 않은 유입 공기는 시스템으로부터 열을 소산시킬 수 있는 열 교환기보다는 압축기에 유입되기 전에 열 저장 서브 시스템 또는 그것 스테이지를 먼저 통과하여 열 함량을 감소시킬 수 있다.
도 19는 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이며, 다수의 팽창 스테이지 각각은 열 저장 서브 시스템(120)의 개별 스테이지와 관련된다. 특히, 팽창(방출) 위상 동안 즉, 축압기(12)로부터 방출된 압축 공기(A)는 먼저 열 저장 서브 시스템(120)의 제 1 스테이지(120a)를 통해 전달되어 스테이지(120a)로부터의 열을 전달되는 공기에 통합함으로써 공기 (A')로 컨디셔닝된다. 공기 (A')는 제 1 팽창 스테이지에 대하여 제 1 팽창기(116a) 구동 발전기(114a)에 제공된다. 팽창의 제 1 스테이지에 이어서, 공기 (A')는 열 저장 서브 시스템(120)의 제 2 스테이지(120b)를 통해 전달되어, 저장된 열을 전달되는 공기에 통합함으로써 공기 (A'')가 되도록 컨디셔닝되어 팽창의 제 2 스테이지를 위한 팽창기(116b) 구동 발전기(114b)로 전달된다. 압축의 제 2 스테이지에 이어서, 공기 (A'')는 열 저장 서브 시스템(120)의 임의의 추가 스테이지를 통해 전달된다. 열 저장 서브 시스템(120)의 마지막 스테이지는 이 예에서 열을 저장하고 스테이지(120x)를 통해 전달되는 압축된 공기로 저장된 열을 방출하여 그렇게 함으로써 공기 (A''')로 컨디셔닝되는 스테이지(120x)로서 표현된다. 열 저장 장치로부터의 열 방출 및 팽창의 x 번째 스테이지에 이어서, 공기(A''')는 다른 실시예와 관련하여 상기에서 설명된 바와 같이 주변 대기(A)로 전달된다. 열 저장 서브 시스템(120)의 스테이지에 저장된 열은 압축 가스 에너지 저장 시스템의 저장 스테이지 동안 압축된 유입 공기로부터 저장될 수 있지만, 대안적으로 또는 일부 조합에서 다른 서브 시스템의 온도 조절과 같은 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다른 측면 또는 서브 시스템의 동작 동안 저장될 수 있다. 개별 열 저장 스테이지를 갖는 3 스테이지 팽창이 도 19에 도시되어 있지만, 본 발명의 이 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템은 개별 열 저장 스테이지를 갖는 단지 2 스테이지 또는 3 스테이지 이상의 팽창 스테이지를 가질 수 있음에 유의해야 한다. 더욱이, 대안적인 실시예에서, 주어진 팽창 스테이지가 반드시 열 저장으로부터 열 방출 스테이지에 의해 프로세싱 체인에서 항상 선행되는 것은 아니다. 더욱이, 대안적인 실시예에서, 팽창(압축 해제)되는 공기는 본 출원에 설명된 바와 같이 열 교환기를 통과하여 열 저장 서브 시스템 또는 그것의 스테이지를 통하지 않고 열을 수집하여 팽창기에 유입되기 전에 열 함량을 증가시킬 수 있다.
도 20은 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트들의 개략도이고, 압축 및 팽창 스테이지들의 쌍들 각각은 열 저장 서브시스템(120)의 개별 스테이지와 관련된다. 이 실시예에서, 열 저장 서브 시스템(120)의 주어진 위상은 저장 이전에 또는 후속 압축 스테이지 이전에 공기로부터 열을 제거하기 위해 공기가 열 저장 서브 시스템(120)을 통해 축압기(12)로 전달되도록 라우팅함으로써 그리고 축압기로부터 방출 된 후 또는 팽창 스테이지 후에 공기에 열을 추가하기 위해 열 저장 서브 시스템(120)을 통해 축압기(12) 밖으로 전달되는 공기를 라우팅함으로써 압축 및 팽창 스테이지 둘 모두에서 사용된다. 어떤 의미에서, 따라서, 압축 및 팽창 스테이지 쌍 스테이지는 120a, 120b, 120x 의 열 저장 서브 시스템(120)을 공유하고, 도면에 도시된 바와 같이 공기 유동은 밸브 (V)를 사용하여 제어된다. 이 실시예는 저장 위상 동안 축압기(12)를 향해 전달되는 압축 공기로부터 저장된 "동일한" 열이 방출 위상 동안 축압기(12)로부터 방출되는 공기 내로 방출되는 경우에 적절하다.
도 21은 도 20의 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이고, 다수의 팽창기 스테이지 및 열 저장 서브 시스템(120)의 다수의 개별 스테이지를 통한 저장 장치로부터 팽창 (방출) 위상 동안의 기류를 도시한다. 이 위상에서, 밸브(V)의 제어를 통하여, 기류는 도 19에 도시된 것과 유사한 방식으로 다수의 팽창 스테이지를 통해 지향된다. 점선은 밸브(V)의 제어에 의해 팽창 위상 동안 기류가 방지되는 다수의 압축 스테이지를 도시한다.
도 22는 도 20의 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이고, 다수의 압축 스테이지 및 열 저장 서브 시스템(120)의 다수의 개별 스테이지를 통해 주변으로부터 압축 (저장) 위상 동안의 기류를 도시한다. 이 위상에서, 밸브(V)의 제어를 통하여, 기류는 도 18에 도시된 것과 유사한 방식으로 다수의 압축 스테이지를 통해 지향된다. 점선은 밸브(V)의 제어에 의해 압축 위상 동안 기류가 방지되는 다수의 팽창 스테이지를 도시한다.
도 23은 일 실시예에 따른 대안적인 압축 가스 에너지 저장 시스템(10D)의 컴포넌트들의 단면도이다. 이 실시예에서, 압축 가스 에너지 저장 시스템(10D)은 본 출원에서 설명된 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다른 실시예와 유사하다. 그러나, 이 실시예에서, 열 저장 서브 시스템(120)은 축압기(12) 내에 위치되고 압축 가스층(14)에 압축 가스 내에 침지된다. 열 저장 서브 시스템(120)은 샤프트(18)를 액체(20)로 채우기 전에 벌크 헤드(24)로 차단되는 개구(27)를 통과하는 구성 동안 축압기(12) 내에 위치될 수 있다. 따라서, 열 저장 서브 시스템(120)은 축압기(12) 내에 배치하기 전에 구성, 단열 등이 완료될 수 있도록 디자인될 수 있고/있거나 축압기(12) 내에서 용이하게 조립되는 컴포넌트로 구성된다. 이것은 유닛이 그것들의 구성에서 고도로 단열되고 품질 제어될 수 있게 하며, 이는 열 저장 서브 시스템(120)이 앵커링 지지(미도시)를 제외하고 축압기(12)와 일반적으로 독립될 수 있게 하는 것을 허용한다.
옵션으로, 열 저장 서브 시스템(120)의 내부와 연관된 조절 밸브(regulating valve)(130)는 열 저장 서브 시스템(120) 내의 압력이 그 내부와 주변 축압기(12)의 압축 가스층의 압력 간의 디자인된 압력 차이보다 커지면 개방 되도록 제공 및 구성될 수 있다. 열 저장 서브 시스템(120) 내의 압력은 잠재 또는 감지 가능한 재료의 바람직한 동작을 위해 특정 레벨로 유지될 수 있다. 예를 들어, 감지 가능한 재료로서 가열된 물은 특정 압력에서 유지될 수 있다. 조절 밸브(130)는 내부의 가압 가스가 축압기(12)로 빠져 나가도록 개방될 수 있고, 압력 차이가 지정된 레벨에 도달하기에 충분히 낮아지면 폐쇄될 수 있다. 대안적인 일 실시예에서, 이러한 조절 밸브는 표면에서 열 저장 서브 시스템(120)의 내부와 주변 (A) 사이에 유체 연통을 제공하여 가스가 축압기(12)가 아닌 주변으로 빠져 나갈 수 있게 한다. 열 저장 서브 시스템(120)은 압축 가스층(14)에 완전히 침지된 것으로 도시되지만, 대안적인 열 저장 서브 시스템(120)은 부분적으로 또는 완전히 액체층(16) 내에 침지되도록 구성될 수 있다.
도 24는 다른 대안적인 실시예에 따른 대안적인 압축 가스 에너지 저장 시스템(10E)의 컴포넌트들의 단면도이다. 이 실시예에서, 압축 가스 에너지 저장 시스템(10E)은 전술한 압축 가스 에너지 저장 시스템과 유사하다. 그러나, 열 저장 서브 시스템(120)은 축압기(12)와 동일한 압력, 또는 축압기 압력과 실질적으로 유사한 압력 또는 옵션으로 축압기 압력보다 더 적거나 또는 더 큰 압력에서 유지될 수 있는 지면(200) 내의 등압(isobaric) 가압 챔버(140) 내에 위치된다. 옵션으로, 열 저장 서브 시스템(120)은 차단된 개구를 통해 구성 동안 가압 챔버(140) 내에 위치될 수 있어서 챔버(140)는 바람직하게는 대기압보다 큰 작업 압력으로 가압될 수 있다. 열 저장 서브 시스템(120)은 따라서, 챔버(140) 내에 배치하기 전에 구성, 단열 등이 완료되도록 디자인될 수 있고/있거나 챔버(140) 내에 용이하게 조립되는 컴포넌트로 구성될 수 있다. 이것은 유닛이 그것들의 구성에서 고도로 단열되고 품질 제어될 수 있게 하며, 이는 열 저장 서브 시스템(120)이 앵커링 지지(미도시)를 제외하고 챔버(140)와 일반적으로 독립될 수 있게 하는 것을 허용한다. 열 저장 서브 시스템(120)의 내부와 연관된 조절 밸브(130)가 제공되고 열 저장 서브 시스템(120) 내의 압력이 내부와 주변 가압 챔버(140) 사이의 디자인된 압력 차이보다 커지면 개방되도록 구성된다. 열 저장 서브 시스템(120) 내의 압력은 잠재 또는 감지 가능한 재료의 최적 동작을 위해 특정 레벨로 유지되는 것이 요구될 수 있다. 예를 들어, 감지 가능한 재료로서 가열된 물은 특정 압력에서 유지될 것이 요구될 수 있다. 조절 밸브(130)는 내부의 가압 가스가 가압 챔버(140)로 빠져 나가도록 허용하고, 압력 차가 지정된 레벨에 도달하기에 충분히 낮아지면 폐쇄될 것이다. 대안적인 일 실시예에서, 이러한 조절 밸브(130)는 표면에서 열 저장 서브 시스템(120)의 내부와 주변 (A) 사이에 유체 연통을 제공하여 가스가 가압된 챔버(140)가 아닌 주변으로 빠져 나갈 수 있게 한다.
축압기(12) 위에 열 저장 서브 시스템(120)을 위치시켜서 압축/팽창 서브 시스템(100)에 물리적으로 더 가까이 하는 것은 필요한 배관 길이를 줄이는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 유체 전송 전력 요건들 축소 뿐만 아니라 배관, 설치 및 유지 보수 비용을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다.
압축 가스 에너지 저장 시스템(10E)의 실시예는 등압 챔버(140)를 포함하지만, 챔버(140)가 엄격하게 등압이 아닌 대안이 가능하다. 또한, 대안적인 실시예에서, 가압 챔버(140)는 가스층(14)과 유체 연통할 수 있으며, 따라서, 축압기(12) 와 함께 압축기/팽창기 서브 시스템(100)에 의해 압축된 압축 가스를 위한 저장 면적으로서 역할을 할 수 있다. 이러한 방식으로, 열 저장 서브 시스템(120)이 침지되는 가스의 압력은 축 압기(12)로 그리고 축압기로부터 전달되는 가스의 동일한 팽창 및 압축을 통해 유지될 수 있다.
또한, 전술한 실시예에서 열 저장 서브 시스템(120)은 지하에 매립되지만, 이러한 열 저장 서브 시스템(120)은 탱크로 지상에 있을 수 있고/있거나 샤프트(18)에 연결되지만 구성 후에 파티션되는 큰 동굴내 지하에 있을 수 있음을 이해할 것이다.
열 교환기
옵션으로, 본 출원에 설명된 압축 가스 저장 시스템(10)은 예를 들어 압축기(112) 및/또는 팽창기(116)를 통과할 때 그리고 옵션으로 2 개 이상의 압축 및/또는 팽창 스테이지 사이에서 이동할 때 가스의 온도를 조절하기 위해 압축기/팽창기 서브 시스템(100)에 통합될 수 있는 하나 이상의 열 교환기 (또는 그와 유사한 것)가 제공될 수 있다. 이러한 열 교환기는 임의의 적절한 유형일 수 있고 시스템(10) 내의 임의의 적절한 위치에 배치될 수 있고, 옵션으로 샤프트(18) 내부에 위치될 수 있고 물(20) 내에 그 안에 적어도 부분적으로 침지되어 물(20)이 교환기의 가열원/싱크로 동작된다.
도 10에 예시된 바와 같이, 열 교환기(500)의 일 예는 샤프트(18) 내의 액체(20)에 침지되고 압축기/팽창기 서브 시스템(100)으로부터 업스트림에 위치하여 주변 공기(A)가 압축기/팽창기 서브 시스템(100)에 도달하기 전에 열 교환기(500)를 통해 이동하도록 된다. 열 교환기(500)는 샤프트(18)의 액체(20)와 열 교환기(500)에 의해 전달되는 공기 사이에서 열을 교환하고, 열 교환된 공기 (A')(따뜻해지거나 또는 냉각된)를 압축기/팽창기 서브 시스템(100)으로 전달할 수 있다.
이 실시예에서, 열 교환기(500)는 샤프트(18) 내의 액체(20)에 침지된 공기 경로를 갖는 라디에이터(radiator)(504)를 포함한다. 공기 유입 도관(502)은 액체(20)의 외부로부터 라디에이터(504)로 연장되어 대기 공기(A)를 수용하고 라디에이터의 공기 경로로 전달한다. 이 실시예에서, 공기 유입 도관(502)의 개구를 보호하기 위해 레인 커버(rain cover) 및 먼지 필터가 제공될 수 있다.
공기 유출 도관(506)은 라디에이터(504)로부터 연장되어 공기 경로로부터 압축기/팽창기 서브 시스템(100)으로의 열 교환(A') 후 대기를 수용 및 전달한다. 이 실시예에서, 라디에이터(504)는 일반적으로 물(20)에 노출 및 예상되는 온도, 유동 및 부식 조건에서의 사용에 적절할 수 있는 열 전도성 배관으로 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 배관은 스테인레스 스틸로 만들어 지지만, 다른 금속, 플라스틱, 이들의 조합 등과 같은 다른 재료가 사용될 수 있다.
옵션으로, 라디에이터(504)는 샤프트(18)의 벽의 내부 표면에 부착된 서스펜션 브라켓(미도시)을 사용하여 샤프트(18) 내에 현수될 수 있다. 이 실시예에서, 라디에이터(504)는 샤프트(18)에서 액체를 제거할 필요없이 서빙를 위한 라디에이터의 제거를 허용하기 위해 제거 가능한 핀 또는 다른 이런 분리 가능한 커플링을 갖는 브라켓에 장착된다. 대안적인 실시예에서, 라디에이터(504)는 샤프트(18)를 가로 질러 연장되는 웨이트 베어링 바 또는 바들로부터 매달릴 수 있고, 유지 보수 또는 교체를 위해 매달지 않고 샤프트(18) 밖으로 당겨질 수 있다. 일 실시예에서, 라디에이터(504)는 바람직하게는 샤프트(18)에 배치됨에도 불구하고 축압기(12)와 보충 도관(58) 사이의 물의 흐름을 과도하게 억제하지 않도록 형상화된다. 이와 같이, 도면에 도시된 바와 같이 샤프트에 전체적으로 수직으로 위치될 수 있어 샤프트(18)의 작은 단면적을 차지할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서 라디에이터(504)는 실수로 샤프트(18)에 유입되는 큰 물체가 샤프트(18)의 바닥으로 가라 앉는 것을 방지하기 위해 일종의 격자로서 수평으로 이중으로 배향될 수 있다.
옵션으로, 일부 실시예들에서, 압축기(112)로부터 업스트림에 제공되는 열 교환기(500)는 샤프트(18) 내에 위치될 필요가 없으며, 다른 적절한 위치에 위치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 열 교환기(500)는 여전히 샤프트(18)의 내부(54)에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있고, 열 교환기(500)의 하나의 스트림으로서 샤프트(18) 내부로부터의 물을 이용하도록 구성될 수 있다. 이것은 압축기(112)로 유입되는 공기와 샤프트(18) 내의 물 간에 열 교환을 가능하게 하는데 도움이 될 수 있다. 이러한 실시예에서 열 교환기(500)는 예를 들어, 직접 컨택 열 교환기, 튜브 및 쉘 열 교환기, 플레이트 및 프레임 열 교환기, 보일러, 증발 냉각기, 나선형 열 교환기, 헤어 핀 열 교환기 등을 포함하는 가스 스트림과 액체 스트림 사이의 열 전달을 가능하게 할 수 있는 임의의 적절한 유형의 열 교환기일 수 있다.
예시된 예제에서, 압축기/팽창기 서브 시스템(100)은 제어기(118)를 사용하여 제어되는 모터(110)에 의해 구동되는 단일 또는 다수의 스테이지의 압축기(112)를 포함한다. 압축기(112)는 동작의 축적 스테이지 동안 모터(110)에 의해 구동되고 대기 공기(A)를 흡인하고, 공기를 압축하고, 공기를 축압기(12)에 저장하기 위해 가스 도관(22/22A)으로 내려 가게 한다(이를 포함하는 실시예에서 열 저장 서브 시스템(120)을 통해). 압축기/팽창기 서브 시스템(100)은 또한 팽창 동작 스테이지 동안 가스 도관(22/22A)으로부터 배출되는 압축 공기에 의해 구동되고, 이어서 발전기(114)를 구동하여 전기를 발생시키는 팽창기(16)를 포함한다. 팽창기(116)를 구동시킨 후에, 팽창된 공기는 대기 (A)로의 배출을 위해 전달된다. 전술한 바와 같이, 주변 진입 압축기/팽창기 서브 시스템(100)으로부터의 공기(A)는 열 교환기(500)를 통해 공기를 통과시킴으로써 공기 (A')가 압축기(112)의 특정 스테이지의 효율적인 동작 범위에 적합한 온도가 되도록 함으로써 압축기(112)로 유입되기 전에 공기 (A')이 되도록 컨디셔닝된다.
제어기(118)는 또한 열 교환기(500)를 통해 압축기(112)로 유입되는 공기와 샤프트(18) 내의 액체(20) 사이에서 교환되는 열의 성질을 변경하기 위해 또는 압축기(112) 로의 공기의 라우팅을 변경하기 위해 열 교환기(들)(500)의 상태를 변경하도록 구성될 수 있다.
도 11a는 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템(100)의 컴포넌트들의 개략도이고, 다수의 압축 단계들 각각은 개별 열 교환기와 관련된다. 특히, 압축(저장) 스테이지 동안, 주변(A)로부터의 유입 공기는 제 1 열 교환기(504a)를 통해 먼저 전달되어 샤프트(18)에서 물(20)과 열을 교환함으로써 공기(A')가 되도록 컨디셔닝되고, 이는 그런 다음 제 1 압축 스테이지를 위해 모터(110a)에 의해 구동되는 압축기(112a)로 전달된다. 압축의 제 1 스테이지에 이어서, 공기(A')는 샤프트(18)에서 물(20)과 열을 교환하기 위해 제 2 열 교환기(504b)를 통해 전달되고, 그렇게 함으로써 공기(A'')로 컨디셔닝되고 이는 압축의 제 2 스테이지를 위해 모터(110b)에 의해 구동되는 압축기(112b)로 전달된다. 압축의 제 2 스테이지에 이어서, 공기 (A'')는 개별 열 교환기를 포함하는 임의의 추가 압축 스테이지를 통해 전달된다. 마지막 열 교환기는 이 예에서 샤프트(18)에서 물(20)과 열을 교환하여 공기 (A''')로 컨디셔닝되고 이는 그런 다음 "x 번째" 압축 스테이지를 위해 모터(110x)에 의해 구동되는 압축기(112x)로 전달되는 열 교환기(504x)로 표현된다. 이 x 번째 압축 스테이지에 이어서, 공기는 다른 실시예와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 축압기(12)로 전달된다.
옵션으로, 하나 이상의 열 교환기(500)는 유체 유동 경로 내의 다른 위치에 위치될 수 있고, 샤프트(18) 내에 배치될 필요는 없다. 일부 구성에서, 샤프트(18) 외부에 있는 열 교환기(500)는 예컨대, 적절한 유체 도관을 통해 샤프트(18)에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있어서 열 교환기(500)는 여전히 공기와 샤프트(18)내의 물(20) 간에 열을 교환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 11b의 대안적인 실시예에 예시된 바와 같다.
개별 열 교환기를 갖는 3 스테이지 압축이 도면들 11a 및 11b에 도시되어 있지만, 본 발명의 이 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템은 개별 열 교환기를 갖는 단지 2 스테이지 또는 3 스테이지 이상의 압축 스테이지를 가질 수 있음에 유의해야 한다. 이러한 실시예에서 사용되는 열 교환기는 직접 컨택, 튜브 및 쉘(shell) 및 플레이트 프레임 열 교환기를 포함하는 임의의 적절한 유형일 수 있다.
도 11b를 참조하여, 이 예에서 열 교환기(500a)가 샤프트(18) 외측에 있고, 물(20)에 침지되지 않는다. 바람직하게는, 열 교환기(500a)는 제 1 압축기(112a)에 인접하여 위치될 수 있다. 이 열 교환기(500a)는 바람직하게는 직접 컨택 열 교환기로 구성되며, 여기서 주변 환경 (A)으로부터 흡입된 공기가 이 경우 샤프트(18)로부터 나온 물(20), 액체와 직접 물리적 컨택을 하게 된다. 가스 입구(510)는 환경으로부터 공기를 흡입하도록 구성되고, 가스 출구(512)는 제 1 압축기(112a)로부터 업스트림에 유체 흐름 가능하게 연결된다. 물 입구는 입구 도관(516)을 통해 물(20)에 유체 흐름 가능하게 연결되어 샤프트(18)로부터 물을 끌어 당긴다. 바람직하게는, 물 출구 도관을 통해 열 교환기(504a)를 빠져 나가는 물은 출구 도관(520)을 통해 샤프트(18)로 리턴될 수 있다. 대안적으로, 물은 샤프트(18) 이외의 소스로부터 열 교환기(504a)로 공급될 수 있으며, 열 교환기(504a) 를 빠져 나가는 물이 샤프트(18)로 리턴 되기 보다는 대안 드레인이나 싱크로 지향될 수 있다. 직접 컨택 열 교환기(504a)는 공동 유동(co-flow)(동일 방향으로의 공기 및 물 유동) 또는 역류(conunterflow)(반대 방향으로의 공기 및 물 유동) 열 교환기로 구성될 수 있고, 원한다면 2 개 이상의 스테이지를 포함할 수 있다.
도 12는 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트들의 개략도이고, 다수의 팽창 스테이지들 각각은 개별 열 교환기와 관련된다. 특히, 팽창(예를 들어, 방출) 스테이지 동안, 축압기(12)로부터 방출된 압축 공기는 먼저 제 1 팽창기(116a) 구동 발전기(114a)를 통해 전달된 다음 제 1 열 교환기(505a)를 통해 전달되어 샤프트(18)에서 물(20)과 열을 교환함으로써 공기 (A''')로 컨디셔닝된다. 팽창의 제 1 스테이지에 이어서, 공기(A''')는 제 2 팽창기(116b) 구동 발전기(114b)를 통해 전달된 다음 제 2 열 교환기(505b)를 통해 전달되어 샤프트(18)에서 물(20)과 열을 교환함으로써 공기 (A'')로 컨디셔닝된다. 팽창의 제 2 스테이지에 이어서, 공기 (A'')는 그런 다음 개별 열 교환기를 포함하는 임의의 추가 팽창 스테이지를 통해 전달된다. 마지막 열 교환기는 이 예에서, 즉 팽창기(116a) 구동 발전기(114x)를 통과하여 그렇게 함으로써 시스템으로부터 주변(A)로 전달되는 공기(A')으로 컨디셔닝되는 "x번째" 팽창 스테이지 후에 샤프트(18)에서 물(20)과 열을 교환할 수 있게 하는 열 교환기(505x)로 표현된다. 개별 열 교환기를 갖는 3 스테이지 압축이 도 12에 도시되어 있지만, 본 발명의 이 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템은 개별 열 교환기를 갖는 단지 2 스테이지 또는 3 스테이지 이상의 팽창 스테이지를 가질 수 있음에 유의해야 한다.
도 13은 압축 가스 에너지 저장 시스템을 위한 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트들의 개략도이고, 압축 및 팽창 스테이지들의 쌍들 각각은 개별 열 교환기와 관련된다. 이 실시예에서, 공통 열 교환기(504a, 504b, 504c)는 예를 들어 열 교환기를 통해 축압기로 전달되는 공기를 라우팅하고 그리고 열 교환기를 통해 축압기 밖으로 전달되는 공기를 라우팅함으로써 개별적으로 각각의 압축/팽창 스테이지에 대한 압축 및 팽창 스테이지 둘 모두 동안에 사용된다. 어떤 의미에서, 압축 및 팽창 스테이지 쌍은 도면에 도시된 바와 같이 열 교환기를 공유하며 공기 유동은 밸브(V)를 사용하여 제어된다.
도 14는 도 13의 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이고, 저장 장치로부터 다수의 팽창기 및 열 교환기를 통한 팽창 (방출) 위상 동안 기류를 도시한다. 이 위상에서, 밸브(V)의 제어를 통하여, 기류는 도 12에 도시된 것과 유사한 방식으로 다수의 팽창 스테이지를 통해 지향된다. 점선은 밸브(V)의 제어에 의해 팽창 위상 동안 기류가 방지되는 다수의 압축 스테이지를 도시한다.
도 15는 도 13의 대안적인 압축기/팽창기 서브 시스템의 컴포넌트의 개략도이고, 주위로부터 다수의 압축기 및 열 교환기를 통한 압축 (저장) 동안 기류를 도시한다. 이 위상에서, 밸브(V)의 제어를 통하여, 기류는 도면들 11a 및 11b에 도시된 것과 유사한 방식으로 다수의 압축 스테이지를 통해 지향된다. 점선은 밸브(V)의 제어에 의해 압축 위상 동안 기류가 방지되는 다수의 팽창 스테이지를 도시한다.
상술한 더 많거나 적은 열을 교환하기 위한 다양한 구성은 원하는 열 전송을 달성하기 위해 서로 또는 다른 구성과 다양한 조합으로 사용될 수 있다.
더욱이, 주위의 (A)로부터 압축기/팽창기 서브 시스템(100)으로 전달되는 공기가 샤프트 내의 액체에 침지되고 그 대신 주변으로부터 압축기/팽창기 서브 시스템(100)으로 보다 직접적으로 전달되는 임의의 열 교환기를 바이패스하기 위해 날씨 변화 또는 동작 요구를 고려하여 때때로 라우팅될 수 있는 대안이 가능하다.
본 출원에 개시된 실시예에서, 압축 가스 에너지 저장 시스템은 등압 또는 유사-등압(near-isobaric)으로 동작하여 그에의해 벌크 헤드상에 하향으로 샤프트 내 액체에 의해 가해지는 압력과 벌크 헤드상에 위쪽으로 축압기내에서 압축 가스에 의해 가해지는 압력 사이의 차이는 압축기/팽창기 서브 시스템과 가스층 사이에서 압축 가스를 전달하고 그리고 샤프트와 액체층 사이에 액체를 전달함으로써 임계 레벨 아래로 유지된다. 그러나, 축압기와 샤프트 사이의 벌크 헤드 또는 다른 분할 구조가 강하고 압력 차이가 더 클 수 있도록 제 위치에 충분히 부착되는 대안이 가능하다.
다수의 가스 액세스 포인트
옵션으로, 압축 가스 에너지 저장 시스템의 실시예는 2 개 이상의 가스 입구/출구 지점을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 2 개, 3 개 이상의 가스 공급 도관(22)은 공통 축압기(12)와 연관될 수 있고, 공통 압축 가스층(14)과 연통될 수 있다. 바람직하게는, 2 개 이상의 가스 공급 도관은 압축 가스 층(14) 및 그 안에 저장된 에너지를 산업용 설비, 이웃, 도시, 카운티 등의 상이한 면적(일부 예에서 수 킬로미터 길이일 수 있는 하지의 축압기(12)의 크기에 따라) 과 같은 표면상의 다수의 물리적 위치로부터 액세스하기 위해 서로로부터 이격될 수 있다. 이것은 서로 이격된 하나 이상의 전원 및/또는 전력 부하에 대한 연결을 가능하게 할 수 있고, 전기 에너지가 제공되거나 그리드 G에서 가져올 수 있는 근접한 원하는 위치에서 압축 가스층(14)에 대한 액세스를 제공하는 것을 도울 수 있다.
옵션으로, 하나 이상의 가스 공급 도관(22)은 급수/보충 도관(58) 및/또는 수원/싱크(150)와 이격될 수 있다. 예를 들어, 일부 환경에서 수원/싱크(150)의 위치는 예컨대, 소스/싱크(150)가 도시된 바와 같이 자연 발생 호수인 경우 변경 불가능하거나 비현실적 이다. 시스템에 의해 사용되는 물을 제공하는 것을 돕기 위해, 급수/보충 도관(58)은 호수에 물리적으로 근접하거나 샤프트(18)과 호수(150) 사이의 액체 전달을 가능하게 하기 위해 잘 위치된 축압기(12)의 일단에 제공될 수 있다 (예컨대, 소스/싱크 호수(150)로부터 샤프트(18)로의 유동이 중력에 의해 구동되는 경우). 그러나, 그리드(G)에 대한 연결 지점에 가깝고 호수(150)로부터 상대적으로 떨어진 축압기(12)의 다른 부분에 적어도 하나의 가스 입구/출구 지점을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 축압기(12) 내의 물이 층(16)을 형성하고, 축압기(12)의 내부(23) 내에서 비교적 자유롭게 유동하는 경향이 있을 수 있기 때문에, 대부분의 실시예에서 단일 샤프트(18) 및 물 공급/보충 도관(58)을 이용하여 전체 축압기(12)에 대하여 실질적으로 전체 필요한 물을 제공하는 것이 합리적일 수 있다. 대안적으로, 2 개 이상의 샤프트(18) 및 관련 급수/보충 도관(58)이 제공될 수 있다.
옵션으로, 압축기/팽창기 서브 시스템(100)의 컴포넌트는 본 명세서의 일부 실시예에 예시된 바와 같이 동일한 물리적 위치에 함께 위치될 수 있다. 대안적으로, 압축기/팽창기 서브 시스템(100)의 컴포넌트는 서로 분리되어 상이한 위치에 제공될 수 있다. 예를 들어, 압축기(112)는 하나의 위치(예컨대, 압축을 위해 흡인에 적절한 비교적 깨끗한 공기가 있는 영역)에 위치하고 그리고 제 1 가스 도관(22)에 의해 가스층(14)에 연결될 수 있고 한편 팽창기(116)는 다른 위치(예컨대, 도시의 내부 및 그리도 연결 지점에 가까운 위치)에 위치될 수 있고, 별개의 제 2 가스 도관(22)에 의해 가스층(14)에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 다수의 압축기(112) 및/또는 팽창기(116)는 다수의 상이한 위치에 제공될 수 있고, 각각은 개별 가스 도관(22)을 통해 가스층(14)에 연결될 수 있다.
예를 들어, 도 25는 압축 가스 에너지 저장 시스템(10F)의 다른 실시예의 개략도이며, 본 출원에 설명된 다른 압축 가스 에너지 저장 시스템과 유사하며, 이는 공통 축압기(12)와 연통하는 3 개의 이격된 가스 공급 도관(22)을 포함한다. 이 예에서, 가스 공급 도관(22) 중 하나 (예시된 우측)는 샤프트(18) 내에 제공되고, 물 공급/보충 도관(58)에 근접한 반면, 다른 2 개의 가스 공급 도관(22)은 서로 이격되고 샤프트(18)를 통과하지 않는다.
도 26은 압축 가스 에너지 저장 시스템(10G)의 다른 실시예의 개략도이며, 이는 본 출원에서 설명된 다른 압축 가스 에너지 저장 시스템과 유사하고, 여기서 압축기/팽창기 서브 시스템(100)의 컴포넌트는 표면을 가로질러 분리되고 분포된다. 이 예에서, 압축기(112) 및 관련 장비는 샤프트(18)에 근접하여 제공되고, 압축 가스는 관련 가스 공급 도관(22) 아래로 가스층(14) 내로 강제된다. 다른 2 개의 가스 도관(22)은 각각 가스층(14)으로부터 가스를 추출하기 위한 개별 팽창기(116)에 연결된다. 이 예에서, 가스는 하나의 가스 도관(22)을 통해 축압기로 공급되고 다른 도관(22)을 통해 추출된다. 일부 실시예에서, 하나의 가스 도관(22) 및 팽창기(116)는 다수의 위치로부터 공기를 흡입하고 다수의 압축기(112)를 제공할 필요없이 에너지를 추출하고/하거나 그리드 (G)에 연결되는 것이 바람직한 각각의 위치에 제공 될 수 있다 (예컨대, 전력을 필요로 하는 각각의 건물에 대해 하나의 가스 도관(22) 및 팽창기(116)를 제공하는 것). 이러한 예들에서, 압축기(112)의 용량 (또는 주어진 위치에서의 복수의 압축기/스테이지)은 제공된 복수의 팽창기(116) 중 어느 하나의 용량보다 클 수 있다. 옵션으로, 각 압축기(112) 및/또는 팽창기(116)는 독립적으로 동작 가능할 수 있다.

Claims (120)

  1. 압축 가스 에너지 저장 시스템으로서,
    a) 1 차 개구, 상단 벽, 하단 벽 및 적어도 부분적으로 상기 상단 벽과 상기 하단 벽으로 경계 지어지는 축압기 내부를 갖는 축압기(accumulator)로서, 상기 축압기는 사용시 액체층 위에 압축 가스층을 함유하는, 상기 축압기;
    b) 가스 압축기(comprssor) 및 팽창기 서브 시스템과 연통하는 상단 단부 및 사용시 상기 축압기의 상기 압축 가스층 내로 압축 가스를 전달하기 위해 상기 축압기 내부와 연통하는 하단 단부를 갖는 가스 도관 및 상기 축압기로부터 이격된, 상기 가스 압축기 및 팽창기 서브 시스템;
    c) 상기 1 차 개구에 인접한 하단 단부, 상기 하단 단부로부터 이격된 상단 단부, 및 상기 하단 단부로부터 상기 상단 단부로 상방으로 연장되고 액체를 함유하기 위해 샤프트 내부를 적어도 부분적으로 경계짓는 샤프트 측벽을 갖는 샤프트(shaft)로서, 상기 샤프트는 액체 공급 도관을 통해 액체 소스/싱크에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있는, 상기 샤프트;
    d) 상기 1차 개구를 덮고 상기 축압기 내부를 상기 샤프트 내부로부터 분리하는 파티션(partition)으로서, 상기 파티션은 상기 샤프트 내부와 연통하는 외부 표면 및 상기 축압기 내부와 연통하고 대향하는 내부 표면을 갖는, 상기 파티션; 및
    e) 상기 축압기 내 가스층으로부터 가스의 방출을 가능하게 하도록 구성된 보조 가스 방출 서브 시스템으로서, 상기 보조 가스 방출 서브 시스템은 상기 축압기 내부 및 출구와 연통하는 입구를 갖는 보조 가스 방출 도관을 포함하고, 상기 보조 가스 방출 도관은 가스 도관으로부터 이격된, 상기 보조 가스 방출 서브 시스템을 포함하고;
    f) 사용시, 상기 압축 가스층 및 상기 액체층 중 적어도 하나는 상기 파티션의 내부 표면상의 내부 축압기 힘을 가하여 지탱하고 상기 샤프트 내의 액체는 상기 파티션의 외부 표면상에 외부 반발력을 가하여 지탱하여, 그에 의해 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용되는 동안 상기 파티션에 작용하는 순력(net force)은 상기 축압기 힘과 상기 반발력의 차이이며, 상기 축압기 힘보다 작은, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 가스 방출 서브 시스템은 상기 축압기 내로부터 가스의 방출을 허용하도록 선택적으로 개방 가능하고, 압축 가스층과 유체 연통되는 가스 방출 밸브를 포함하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 가스 방출 밸브는 폐쇄 구성을 향해 바이어스(bias)되고 상기 압축 가스층의 압력이 사전 설정된 압력 임계 한계치에 도달할 때 자동으로 개방되는 압력 작동 밸브인, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  4. 압축 가스 에너지 저장 시스템으로서,
    a) 1 차 개구, 상단 벽, 하단 벽 및 적어도 부분적으로 상기 상단 벽과 상기 하단 벽으로 경계 지어지는 축압기 내부를 갖는 축압기(accumulator)로서, 상기 축압기는 사용시 액체층 위에 압축 가스층을 함유하는, 상기 축압기;
    b) 가스 압축기 및 팽창기 서브 시스템과 연통하는 상단 단부 및 사용시 상기 축압기의 상기 압축 가스층 내로 압축 가스를 전달하기 위해 상기 축압기 내부와 연통하는 하단 단부를 갖는 가스 도관 및 상기 축압기로부터 이격된, 상기 가스 압축기 및 팽창기 서브 시스템;
    c) 상기 1 차 개구에 인접한 하단 단부, 상기 하단 단부로부터 이격된 상단 단부, 및 상기 하단 단부로부터 상기 상단 단부로 상방으로 연장되고 액체를 함유하기 위해 샤프트 내부를 적어도 부분적으로 경계짓는 샤프트 측벽을 갖는 샤프트로서, 상기 샤프트는 액체 공급 도관을 통해 액체 소스/싱크에 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있는, 상기 샤프트;
    d) 상기 가스 압축기 및 팽창기 서브 시스템과 상기 축압기 사이에서 유체 연통하게 제공되는 열 저장 서브 시스템으로서, 출구 온도에서 상기 가스 압축기 및 팽창기 서브 시스템을 빠져 나가는 압축 가스로부터 열 에너지가 추출되고, 상기 열 저장 서브 시스템을 빠져 나가는 가스의 온도는 상기 출구 온도보다 낮은 저장 온도로 감소되는, 상기 열 저장 서브 시스템;
    e) 상기 샤프트의 상기 하단 단부에 위치되고, 상기 1차 개구를 덮고, 상기 샤프트 내부로부터 상기 축압기 내부를 분리된 파티션으로서, 상기 파티션은 상기 샤프트 내부와 연통하는 외부 표면 및 상기 축압기 내부와 연통하는 대향 내부 표면을 갖는, 상기 파티션;
    상기 압축 가스층 및 상기 액체층 중 적어도 하나는 상기 파티션의 내부 표면상의 내부 축압기 힘을 가하여 지탱하고 상기 샤프트 내의 액체는 상기 파티션의 외부 표면상에 외부 반발력을 가하여 지탱하여, 그에 의해 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용되는 동안 상기 파티션에 작용하는 순력(net force)은 상기 축압기 힘과 상기 반발력의 차이이며, 상기 축압기 힘보다 작은, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 팽창 프로세스 동안 상기 축압기를 빠져 나가는 가스는 상기 가스 압축기 및 팽창기 서브 시스템에 도달하기 전에 상기 열 저장 서브 시스템을 통과하고, 상기 축압기에 유입된 압축 가스로부터 추출된 열 에너지의 적어도 일부는 팽창 전에 저장 온도로부터 더 높은 출구 온도로 상기 가스의 온도를 상승시키기 위해 상기 축압기를 빠져나가는 가스로 재유입되는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 가스 압축기 및 팽창기 서브 시스템은 제 1 압축 스테이지 및 상기 제 1 압축 스테이지의 다운스트림에 적어도 제 2 압축 스테이지를 포함하고, 상기 열 저장 서브 시스템은 상기 제 1 압축 스테이지와 상기 제 2 압축 스테이지 사이에서 유체 연통하는 제 1 열 저장 스테이지, 및 상기 제 2 압축 스테이지 및 상기 축압기 내의 가스층과 유체 연통하는 제 2 열 저장 스테이지를 포함하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 가스 압축기 및 팽창기 서브 시스템은 제 1 팽창 스테이지 및 상기 제 1 팽창 스테이지로부터 다운스트림에 적어도 제 2 팽창 스테이지를 포함하고, 상기 열 저장 서브 시스템은 상기 축압기 내의 가스층과 상기 제 1 팽창 스테이지 사이에서 유체 연통하는 제 3 열 저장 스테이지, 및 상기 제 1 팽창 스테이지와 상기 제 2 팽창 스테이지 사이에서 유체 연통하는 제 4 열 저장 스테이지를 포함하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 샤프트 내부의 액체와 상기 축압기 내의 액체층 사이에 유체 연통을 제공하는 액체 도관을 추가로 포함하여, 액체가 상기 압축 가스층의 압력 변화에 응답하여 상기 샤프트 내부와 상기 축압기 내의 액체층 사이에서 유동할 수 있는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 액체 도관의 제 1 단부는 상기 파티션의 외부 표면에 근접하고 상기 샤프트와 유체 연통하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 액체 도관이 상기 파티션을 통과하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 액체 도관의 제 2 단부는 상기 액체층에 침지되고 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템이 사용중 일 때 상기 가스층으로부터 유체 흐름 가능하게 격리된, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  12. 제 4 항에 있어서, 상기 압축 가스 에너지 저장 시스템 사용시에, 상기 파티션을 가로 지르는 압력 차이는 0.3 atm 내지 6 atm인, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  13. 제 4 항에 있어서, 상기 압축기 및 팽창기 서브 시스템은 :
    a) 공기 소스로부터 공기로 흡입되고, 공기를 압축하고 압축된 공기를 상기 가스 도관을 통해 압축 가스층으로 전달하도록 구성된 적어도 제 1 압축 스테이지를 갖는 가스 압축기;
    b) 적어도 제 1 팽창 스테이지를 갖는 가스 팽창기; 및
    c) 상기 축압기의 압축 가스층으로부터 압축 공기를 수용하고 상기 압축 공기의 팽창으로부터 전기를 발생시키기 위해 상기 가스 팽창기에 의해 구동되는 제 1 발전기를 포함하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 공기 소스는 주변 대기를 포함하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  15. 제 4 항에 있어서, 상기 가스 도관은 상기 샤프트 외부에 있는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  16. 제 4 항에 있어서, 상기 액체 공급 도관은 상기 파티션 아래로 통과하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  17. 제 4 항에 있어서, 상기 축압기는 지면 아래에 적어도 부분적으로 매립되고, 상기 샤프트의 상단 단부는 지면 위에 있는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  18. 제 4 항에 있어서, 상기 액체 공급 도관에 배치된 유량 제어 밸브(flow control valve)를 더 포함하고, 상기 유량 제어 밸브는 상기 샤프트와 액체 소스 사이의 유체 연통이 중단되는 폐쇄 위치로 이동 가능한, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  19. 제 4 항에 있어서, 상기 파티션은 상기 1 차 개구를 밀봉하도록 배치된 벌크 헤드(bulkhead)를 포함하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 파티션은 적어도 부분적으로 콘크리트, 석재, 금속, 복합 재료 및 플라스틱 중 적어도 하나로 형성되는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  21. 제 4 항에 있어서, 상기 축압기는 지면 아래에 적어도 부분적으로 매립되고, 상기 파티션은 적어도 부분적으로 지면으로 구성되는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  22. 제 4 항에 있어서, 상기 열 저장 서브 시스템은 다수의 스테이지 열 저장 장치를 포함하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  23. 제 4 항에 있어서, 상기 열 저장 서브 시스템은 가압 챔버 내에 배치되는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  24. 제 4 항에 있어서, 상기 가스 압축기 및 팽창기 서브 시스템은 제 1 압축 스테이지 및 상기 제 1 압축 스테이지의 다운스트림에 적어도 제 2 압축 스테이지, 제 1 팽창 스테이지 및 상기 제 1 팽창 스테이지로부터 다운스트림에 적어도 제 2 팽창 스테이지를 포함하고, 상기 열 저장 서브 시스템은 상기 제 1 압축 스테이지와 상기 제 2 압축 스테이지 사이에서 유체 연통하고 상기 제 1 팽창 스테이지와 상기 제 2 팽창 스테이지 사이에서 유체 연통하고 제 1 열 저장 스테이지를 포함하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 열 저장 서브 시스템은 상기 제 2 압축 스테이지와 상기 축압기 사이에서 유체 연통하고, 상기 축압기와 상기 제 1 팽창 스테이지 사이에서 유체 연통하는 제 2 열 저장 스테이지를 포함하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  26. 제 4 항에 있어서, 상기 샤프트 내부의 액체와 상기 축압기 내의 액체 층 사이에 유체 연통을 제공하는 액체 도관을 추가로 포함하여, 상기 압축 가스층의 압력 변화에 응답하여 상기 샤프트 내부와 상기 축압기 내의 액체 층 사이에서 액체가 흐를 수 있도록 하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  27. 제 4 항에 있어서, 상기 열 저장 서브 시스템은 물을 포함하는 현열(sensible thermal) 저장 유체를 사용하는 현열 저장 장치를 포함하고, 상기 현열 저장 장치 내의 물은 섭씨 100도 이상의 저장 온도로 가열되고, 사용하는 동안 물을 액체 상태로 유지하기에 충분한 동작 압력에서 유지되는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 열 저장 서브시스템은 지상에 배치되고, 가압된 물을 함유하는 적어도 하나의 탱크를 포함하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템.
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