KR102552120B1 - 수중 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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리엑스유니버시테이트 그로닝겐
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Abstract

본 발명은 바다, 대양, 수로 등과 같은 수체(1)의 바닥에 놓여 있는 저장소 구조물(5)을 포함하는 수중 에너지 저장 시스템(UW-ES 시스템)을 제공한다. 저장소 구조물은 변형 가능한 벽 구조물(17A, 17B)을 갖는 가압 저장소(7A, 7B) 및 강성 벽 구조물(6, 14, 18A, 18B)을 갖는 감압 저장소(8A, 8B)를 구비하며, 이는 수체의 물(2)로부터 분리된 작동 액체(9)를 유지하고 있다. 에너지는 감압 저장소로부터 가압 저장소 안으로, 및 그 반대로 작동 액체의 일부를 변위시킴으로써 각각 저장되고 회수된다. 그 안에서 가압 저장소의 변형 가능한 벽 구조물에 작용하는 물(2)의 정수압이 사용된다. UW-ES 시스템은 콤팩트하고 경제적이며, 다양한 동력 취출 시스템과 매우 상조적인 통합을 허용한다.

Description

수중 에너지 저장 시스템
본 발명은 수체의 표면 아래에 에너지를 저장하기 위한 수중 에너지 저장 시스템(underwater energy storage system)에 관한 것이다.
본 맥락에서, 본 문서 전반에 걸쳐 사용된 용어 "수체(waterbody)"는 바다, 대양, 수로 또는 다른 유사하게 큰 수분(water basin)을 의미함을 유의한다.
또한, 본 문서에서 수중 에너지 저장 시스템은 때때로 "UW-ES 시스템"으로 약칭된다.
수체의 표면 아래에 에너지를 저장하기 위한 수체 에너지 저장 시스템은 예를 들어 WO2015053615A1의 도 1a로부터 공지되어 있다.
적어도 대안적인 수중 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목적이며, 이는 공지된 수중 에너지 저장 시스템보다 개선점을 제공한다.
이를 위해, 본 발명은 첨부된 독립항 1에 따른 수중 에너지 저장 시스템을 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 종속항 2-5에 의해 제공된다.
따라서, 본 발명은 수체의 표면 아래에 에너지를 저장하기 위한 수중 에너지 저장 시스템을 제공하며, 수중 에너지 저장 시스템은 저장소 구조물(reservoir structure)을 포함하며, 이는 저장소 구조물이 수체의 바닥에 놓이게 하는 베이스 구조물을 포함하고, 저장소 구조물은 가압 저장소 및 감압 저장소를 포함하며, 이들 각각은 상기 베이스 구조물에 대해 유지되며, 이들 각각은 수체의 표면 아래에 작동 액체를 유지하고 수체의 물로부터 분리되며, 가압 저장소는 변형 가능한 벽 구조물을 구비하고 변형 가능한 벽 구조물에 작용하는 물의 정수압의 영향하에서 변형 가능한 벽 구조물의 변형에 의해 가압 저장소 내에 함유된 작동 액체를 가압하기 위해 배열되고 구성되며, 감압 저장소는 물의 정수압의 영향하에서 가압으로부터 감압 저장소 내에 작동 액체를 차폐하기 위해 배열되고 구성된 강성 벽 구조물을 구비하며, 수중 에너지 저장 시스템은 감압 저장소로부터 가압 저장소 안으로 작동 액체의 일부를 변위시킴으로써 저장소 구조물 내에서 작동 액체의 위치에너지를 증가시킴으로써 에너지를 저장하기 위해 구성된 에너지 저장 서브시스템, 뿐만 아니라 가압 저장소에서 감압 저장소 안으로 유동하도록 작동 액체의 일부를 방출함으로써 저장소 구조물 내에서 작동 액체의 위치 에너지를 감소시킴으로써 저장된 에너지를 회수하기 위해 구성된 에너지 회수 서브시스템을 더 포함한다.
WO2015053615A1의 도 1a로부터 공지된 수중 에너지 저장 시스템과 비교하여, 본 발명에 따른 본 발명 UW-ES 시스템은 상이한 저장소 구조물을 구비한다. 주요 차이점은 본 발명 UW-ES 시스템의 저장소 구조물이 수체의 바닥에 놓이게 하는 베이스 구조물을 구비한다는 점과 변형 가능한 구조물을 갖는 가압 저장소를 구비한다는 점이다. 이러한 차이점 덕분에, 위치에너지를 저장 및 회수할 때, 본 발명 UW-ES 시스템은 정수압의 이점을 취할 수 있으며, 이는 수체의 물에서 자연스럽게 이용 가능하고, 가압 저장소의 변형 가능한 벽 구조물 상에 작용한다. 저장소 구조물이 놓여 있는 수체의 바닥 근처에서 매우 강력한 정수압 덕분에, 본 발명 UW-ES 시스템의 저장소 구조물은 WO2015053615A1의 도 1a로부터 공지된 시스템의 저장소 구조물보다 훨씬 더 콤팩트하고 훨씬 더 저렴하게 구축될 수 있다. 이들이 부피가 큰 이유는 상기 공지된 시스템에서 작동 액체 자체의 정수압만이 위치에너지를 저장 및 회수하는데 관여하기 때문이다. 상기 공지된 시스템은 수체의 물의 훨씬 더 높은 정수압을 전혀 사용하지 않는다.
위치에너지를 저장 및 회수하기 위해 변위될 작동 액체로써 수체의 물 자체를 사용하는 다른 시스템이 공지되어 있음을 유의한다. 그런 의미에서 이러한 다른 공지된 시스템은 수체의 물의 정수압을 사용한다. 그러나, 이러한 다른 공지된 시스템은 이러한 시스템의 구조적 부분을 오염시킬 것이라는 단점을 구비한다. 반면, 본 발명에 따른 UW-ES 시스템에서, 작동 액체는 수체의 조절되지 않은 물로부터 분리되어 유지됨에 따라, 조절된 작동 액체이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 수중 에너지 저장 시스템은 수체의 표면 위의 공기 공간(air space) 및 감압 저장소 사이에 공기 흐름을 제공하기 위해 배열되고 구성된 에어 덕트 구조물(air duct structure)을 더 포함한다. 에어 덕트 구조물 덕분에 감압 저장소로부터 가압 저장소로 및 그 반대로의 작동 액체의 일부의 많은 다양한 변위 동안 감압 저장소 내의 공기 압력이 실질적으로 대기압 수준으로 유지되는데 영향을 주는 것이 가능하다. 선택적으로, 원하는 경우, 감압 저장소 내의 공기 압력을 다양한 다른 압력 수준으로 제어하기 위해 제어 가능한 밸브 수단 및/또는 제어 가능한 공기 변위 장치를 갖는 에어 덕트 구조물을 제공하는 것이 가능하다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 본 발명은 본 발명에 따른 수중 에너지 저장 시스템뿐만 아니라 동력 취출 시스템(power take-off system) 또한 포함하는 동력 취출 및 저장 시스템을 제공하며, 동력 취출 시스템은 수중 에너지 저장 시스템의 저장소 구조물의 베이스 구조물에 의해 수체의 바닥에 놓여 있다. 따라서, 이 바람직한 실시예는 수중 에너지 저장 시스템 및 동력 취출 시스템 모두를 위해 수체의 바닥에 적어도 공유된 기초를 제공한다. 이는 두 시스템의 총 설치 및 유지 보수 비용과 관련하여 시너지 효과를 제공한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 동력 취출 및 저장 시스템은 상기 에너지 저장 서브시스템을 통해 상기 동력 취출 시스템에 의해 제공된 에너지를 저장하기 위해 구성된다. 이는 두 시스템의 총 설치 및 유지 보수 비용과 관련하여 추가 시너지 효과를 제공한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 동력 취출 및 저장 시스템의 동력 취출 시스템은 풍력 터빈이다. 풍력 터빈은 비교적 견고한 기초를 필요로 하기 때문에, 두 시스템의 설지 비용과 관련하여 상기 언급된 시너지 효과가 최대한도로 활용된다. 따라서, 본 발명은 일체형 현장 에너지 저장 시스템(integrated in-situ energy storage system)과 결합된 소형 풍력 터빈 시스템을 제공하게 한다. 풍력 터빈 시스템 및 에너지 저장 시스템의 이러한 결합된 시스템은 두 시스템의 최적의 설치 및 유지 보수 비용을 가질 뿐만 아니라, 풍력 에너지가 수확되는 장소에서, 주로 연안 위치에서 바로 저장 가능하기 때문에 최적의 운영 에너지 경제성을 제공한다.
본 명세서에 개시되어 있다.
본 발명의 상기 언급된 양태 및 다른 양태는 동봉된 도면의 개략적인 그림을 참조하여 및 비 제한적인 예시에 의해 이하에 설명된 실시예를 참조하여 설명되고 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 수중 에너지 저장 시스템의 실시예의 예를 단면도로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 수중 에너지 저장 시스템에 사용하기 위한 상기 언급된 에어 덕트 구조물의 특정 실시예의 예를 도 1의 것과 유사한 단면도로 도시한다.
도 1 및 도 2에서 때때로 동일한 참조 번호가 도 1 및 도 2의 다른 실시예와 유사한 부분 및 양태를 위해 사용되었다.
도면의 간단한 설명을 포함하는 상기 서두의 설명에 기초하여, 및 도면에 사용된 상기 설명된 참조 부호에 기초하여, 도 1 및 도 2의 도시된 예시들은 가장 쉽게 자명한 가장 큰 부분을 위한 것이다. 다음의 추가 설명이 주어진다.
먼저 도 1의 도시된 예시를 참조한다. 그 안에 수중 에너지 저장 시스템(30)(UW-ES 시스템(30))은 동력 취출 및 저장 시스템(10)의 부분으로 도시되어 있다. 동력 취출 및 저장 시스템(10)은 2개의 동력 취출 시스템(50, 70)을 더 포함한다. 동력 취출 시스템(50)은 풍력 터빈이다. 동력 취출 시스템(70)은 표면파 에너지 추출기이며, 이는 상기 언급된 문서 WO2015053615A1에 설명된 방식과 유사한 방식으로 수체(1)의 표면파로부터 운동에너지를 추출하기 위해 배열되고 구성된다. 따라서, 표면파 에너지 추출기(70)의 작동은 여기에서 상세하게 논의되지 않는다. 여기서 도 1이 WO2015053615A1의 도 3에 도시된 시스템(1)의 플로트(floats, 9), 기중기 라인(hoist lines, 28) 및 액체 안내 구조물(52)과 각각 유사한 복수의 플로트(71), 기중기 라인(72) 및 액체 안내 구조물(73)을 도시한다는 점에 간단히 유의한다.
UW-ES 시스템(30)의 저장소 구조물(5)의 베이스 구조물(6)은 강성 수밀 늑판(watertight floor)이며, 이는 예를 들어 고정 스커트(anchoring skirt)(19)와 같은 고정 시스템(19)에 의해 수체(1)의 바닥(4)에 대해 고정된다.
저장 구조물(5)은 2개의 (상호적으로 유사한) 가압 저장소(7A, 7B)뿐만 아니라 2개의 대응하는(상호적으로 유사한) 감압 저장소(8A, 8B)를 각각 포함한다. 가압 저장소(7A, 7B)는 부레(bladder) 형인 변형 가능한 벽 구조물(17A, 17B)을 각각 구비한다. 감압 저장소(8A, 8B)는 각각 강성 벽 구조물(18A, 18B)을 구비한다. 추가적으로 강성 베이스 구조물(6) 및 강성 에어 덕트 구조물(14)은 감압 저장소(8A, 8B)의 강성 벽 구조물의 부분으로써 기능한다.
도 1의 하부 좌측 부분에 보이는 바와 같이, UW-ES 시스템(30)은 에너지 저장 서브시스템(11A) 및 에너지 회수 서브시스템(12A)을 더 포함하며, 이는 가압 저장소(7A) 및 감압 저장소(8A)에 대응한다. 또한, 도 1의 하부 우측 부분에 보이는 바와 같이, UW-ES 시스템(30)은 에너지 저장 서브시스템(11B) 및 에너지 회수 서브시스템(12B)을 포함하며, 이는 가압 저장소(7B) 및 감압 저장소(8B)에 대응한다.
도 1의 하부 좌측 부분에 보이는 바와 같이, 에너지 저장 서브시스템(11A)은 에너지 저장 도관(15A)을 포함하며, 이를 통해 작동 액체(9)의 일부가 감압 저장소(8A)로부터 가압 저장소(7A) 안으로 변위될 수 있다. 작동 액체(9)의 이 변위는 변형 가능한 부레 저장소(7A)에 작용하는 물(2)의 정수압의 작용에 대해 행해져야 한다. 작동 액체(9)의 이 변위를 수행하는 에너지는 표면파 에너지 추출기(70)의 작용에 의해 제공된다.
도 1의 하부 좌측 부분에 더 보이는 바와 같이, 에너지 회수 서브시스템(12A)은 에너지 회수 도관(16A) 및 터빈(22A)을 포함하며, 이를 통해 작동 액체(9)의 일부가 가압 저장소(7A)로부터 감압 저장소(8A) 안으로 유동할 수 있다. 이러한 작동 액체(9)의 유동은 변형 가능한 부레 저장소(7A)에 작용하는 물(2)의 정수압의 작용에 의해 생성된다. 터빈(22A)은 작동 액체(9)의 이러한 유동으로부터 전기에너지를 발생시키는 역할을 한다.
도 1의 하부 우측 부분에 보이는 바와 같이, 에너지 저장 서브시스템(11B)은 에너지 저장 도관(15B)을 포함하며, 이를 통해 작동 액체(9)의 일부는 감압 저장소(8B)로부터 가압 저장소(7B) 안으로 변위될 수 있다. 이러한 작동 액체(9)의 변위는 변형 가능한 부레 저장소(7B)에 작용하는 물(2)의 정수압의 작용에 대해 행해져야 한다. 이러한 작동 액체(9)의 변위를 수행하기 위한 에너지는 펌프(21)의 작용에 의해 제공되며, 이는 풍력 터빈(50)에 의해 제공된 에너지에 의해 구동된다.
도 1의 하부 우측에 추가로 보이는 바와 같이, 에너지 회수 서브시스템(12B)은 에너지 회수 도관(16B) 및 터빈(22B)을 포함하며, 이를 통해 작동 액체(9)의 일부는 가압 저장소(7B)로부터 감압 저장소(8B) 안으로 유동할 수 있다. 작동 액체(9)의 이러한 유동은 변형 가능한 부레 저장소(7B)에 작용하는 물(2)의 정수압의 작용에 의해 생성된다. 터빈(22B)은 작동 액체(9)의 이러한 유동으로부터 전기 에너지를 발생시키는 역할을 한다.
도 1의 상황에서, 가압 저장소(7A)는 비교적 팽창된 조건으로 도시되어 있지만, 다른 가압 저장소(7B)는 비교적 붕괴된 상태로 도시되어 있다. 이에 대응하여, 감압 저장소(8A)는 비교적 적은 양의 작동 액체(9)를 함유하지만, 다른 감압 저장소(8B)는 비교적 많은 양의 작동 액체(9)를 함유한다.
도 1의 UW-ES 시스템(30)은 수체(1)의 표면(3) 위의 공기 공간 및 감압 저장소(8A, 8B) 사이에 공기 흐름을 제공하기 위해 배열되고 구성된 에어 덕트 구조물(14)을 구비한다. 도 1의 예시에서, 에어 덕트 구조물(14)은 강성의, 샤프트 형 에어 덕트 구조물이다. 샤프트는 예를 들어, 샤프트의 내부에 설치되고 부착된 엘리베이터, 계단 등에 의해 유지 보수 등을 위해 저장소 구조물(5)의 내부에 접근하는데 사용 가능하다.
도 1의 예시에서, 풍력 터빈(50)은 수체(1)의 바닥(4)에 놓여 있다. 이는 저장소 구조물(5)의 베이스 구조물(6)을 통해 실현된다.
이제 도 1의 에어 덕트 구조물(4)과 상이한 에어 덕트 구조물(114)을 도시하는 도 2를 참조한다. 에어 덕트 구조물(114)은 강성의, 샤프트 형이 아니다. 대신에, 에어 덕트 구조물(114)은 부표(buoy)에 의해 수체(1)의 표면(3)에서 부유 상태를 유지하는 가요성 호스를 포함한다.
본 발명이 전술한 설명 및 도면에 상세하게 설명되고 예시되었지만, 이러한 설명 및 예시는 예시적 및/또는 도시적인 것으로 고려되며 제한적이지 않으며; 본 발명은 개시된 실시예로 제한되지 않는다.
예를 들어, 도시된 예시에서 가압 저장소의 변형 가능한 벽 구조물은 부레 형이다. 그러나, 이러한 가압 저장소의 많은 다양한 다른 변형 가능한 벽 구조물은 예를 들어 텔레스코픽 방식으로 연장 가능하고 수축 가능한 변형 가능한 벽 구조물과 같이 적용될 수 있다.
또 다른 예시로, 도시된 예시에서, UW-ES 시스템의 저장소 구조물의 베이스 구조물은 고정 수단(19)의 도움으로 수체(1)의 바닥(4)에 놓여 있다. 대안적으로, 저장소 구조물의 계류(mooring) 또한 저장소 구조물의 또는 UW-ES 시스템의 또는 훨씬 더 큰 동력 취출 및 저장 시스템의 무게에 의해서만 달성될 수 있다.
또 다른 예시로, 도시된 예시에서, 에너지 저장 서브시스템(11A) 및 에너지 회수 서브시스템(12A)은 각각 2개의 서로 분리된 구성에 의해 형성되는 한편, 에너지 저장 서브시스템(11B) 및 에너지 회수 서브시스템(12B)은 각각 2개의 서로 분리된 구성에 의해 형성된다. 대안적으로, 단일 구성은 에너지 저장 서브시스템 및 에너지 회수 서브시스템 모두의 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 터빈 발전기로써 및 반대로 전기 모터 구동 펌프로써 모두 작동할 수 있는 공지된 및 소위 가역적 수력 터빈은 이러한 에너지 회수 서브시스템 및 이러한 에너지 저장 서브시스템 모두의 기능을 각각 수행하는데 적용될 수 있다.
개시된 실시예에 대한 다른 변형은 도면, 개시 및 첨부된 청구 범위의 연구로부터, 청구된 발명을 실시함에 있어 당업자에 의해 이해되고 영향을 받을 수 있다. 청구 범위에서, 단어 "포함하는"은 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정 관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 단일 부분은 청구 범위에 언급된 여러 항목의 기능을 수행할 수 있다. 명확성 및 간결한 설명을 위해, 특징들은 동일하거나 별도의 실시예들의 일부로서 여기에 개시되지만, 본 발명의 범위는 개시된 특징들 전부 또는 일부의 조합을 갖는 실시예들을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 특정 조치들이 서로 다른 종속항들에서 인용된다는 사실은 이러한 조치들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 청구 범위의 임의의 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1 및 도 2에 사용된 참조 부호는 다음의 방식으로 본 발명의 상기 언급된 부분 및 양태 뿐만 아니라 관련 부분 및 양태를 지칭하고 있다.
1: 수체
2: 수체의 물
3: 수체의 표면
4: 수체의 바닥
5; 105: 저장소 구조물
6: 베이스 구조물
7A, 7B: 가압 저장소
8A, 8B: 감압 저장소
9: 작동 액체
10: 동력 취출 및 저장 시스템
11A, 11B: 에너지 저장 서브시스템
12A, 12B: 에너지 회수 서브시스템
14; 114: 에어 덕트 구조물
15A, 15B: 에너지 저장 도관
16A, 16B: 에너지 회수 도관
17A, 17B: 변형 가능한 벽 구조물
18A, 18B: 강성 벽 구조물
19: 고정 시스템
21: 펌프
22A, 22B: 터빈
30: 수중 에너지 저장(UW-ES) 시스템
50: 동력 취출 시스템(풍력 터빈)
70: 동력 취출 시스템(표면파 에너지 추출기)
71: 플로트
72: 기중기 라인
73: 액체 안내 구조

Claims (6)

  1. 수체(1)의 표면(3) 아래에 에너지를 저장하기 위한 수중 에너지 저장 시스템에 있어서, 수중 에너지 저장 시스템은 저장소 구조물(5; 105)을 포함하며, 이는 저장소 구조물이 수체의 바닥(4)에 놓이게 하는 베이스 구조물(6)을 포함하고, 저장소 구조물은 가압 저장소(7A, 7B) 및 감압 저장소(8A, 8B)를 포함하며, 이들 각각은 상기 베이스 구조물에 대해 유지되고, 이들 각각은 수체의 표면(3) 아래에 작동 액체(9)를 유지하고 수체의 물(2)로부터 분리되며, 가압 저장소(7A, 7B)는 변형 가능한 벽 구조물(17A, 17B)을 구비하고 변형 가능한 벽 구조물에 작용하는 물(2)의 정수압의 영향하에서 변형 가능한 벽 구조물의 변형에 의해 가압 저장소 내에 함유된 작동 액체(9)를 가압하기 위해 배열되고 구성되며, 감압 저장소(8A, 8B)는 물(2)의 정수압의 영향하에서 가압으로부터 감압 저장소 내에 작동 액체(9)를 차폐하기 위해 배열되고 구성된 강성 벽 구조물(6, 14, 18A, 18B)을 구비하며, 수중 에너지 저장 시스템은 감압 저장소로부터 가압 저장소 안으로 작동 액체의 일부를 변위시킴으로써 저장소 구조물 내에서 작동 액체(9)의 위치에너지를 증가시킴으로써 에너지를 저장하기 위해 구성된 에너지 저장 서브시스템(11A, 11B), 뿐만 아니라 가압 저장소에서 감압 저장소 안으로 유동하도록 작동 액체의 일부를 방출함으로써 저장소 구조물 내에서 작동 액체의 위치에너지를 감소시킴으로써 저장된 에너지를 회수하기 위해 구성된 에너지 회수 서브시스템(12A, 12B)을 더 포함하는, 수중 에너지 저장 시스템(30).
  2. 제1항에 있어서,
    수체(1)의 표면(3) 위의 공기 공간 및 감압 저장소(8A, 8B) 사이에 공기 흐름을 제공하기 위해 배열되고 구성된 에어 덕트 구조물(14; 114)을 더 포함하는, 수중 에너지 저장 시스템(30).
  3. 제1항 또는 제2항에 따른 수중 에너지 저장 시스템(30) 및 동력 취출 시스템(50, 70)을 포함하는 동력 취출 및 저장 시스템(10)에 있어서, 동력 취출 시스템은 수중 에너지 저장 시스템(30)의 저장소 구조물(5)의 베이스 구조물(6)에 의해 수체(1)의 바닥(4)에 놓여 있는, 동력 취출 및 저장 시스템(10).
  4. 제3항에 있어서,
    동력 취출 및 저장 시스템은 상기 에너지 저장 서브시스템(11A, 11B)을 통해 상기 동력 취출 시스템(50, 70)에 의해 제공된 에너지를 저장하기 위해 구성되는, 동력 취출 및 저장 시스템(10).

  5. 제3항에 있어서,
    동력 취출 시스템(50)은 풍력 터빈(50)인, 동력 취출 및 저장 시스템(10).
  6. 제4항에 있어서,
    동력 취출 시스템(50)은 풍력 터빈(50)인, 동력 취출 및 저장 시스템(10).
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