KR102600412B1 - 중력-수력 복합식 전기 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 시스템은, 물이 채워진, 보강 콘크리트 벽을 가지는 실린더(10) 내부에서 수직으로 들어올려져 중력 위치 에너지를 축적하는 역할을 하는 재하된 피스톤(30)을 포함하고, 상기 피스톤(30)은 임펄스 터빈을 사용하여 가압된 물을 상기 실린더의 베이스로부터 전기 발생 시스템(50)으로 안내하는 고압 파이프(20)를 중심에 구비하고, 전기 생산(50) 사이클에서 기계에 의해 상기 물은 상기 피스톤 위로, 상기 실린더(10)로 다시 배출된다. 전기 네트워크로부터 에너지의 흡수 및 저장 사이클을 위해, 상기 시스템은 또한 상기 피스톤(30) 위로 상기 물을 넘겨받고 이를 상기 피스톤(30) 아래로, 고압 채널(20)로 집어넣는 전기 에너지 흡수 시스템(60)을 또한 포함한다.

Description

중력-수력 복합식 전기 에너지 저장 시스템
중력-수력 복합식 전기 에너지 저장 시스템(Combined gravitational - hydraulic electric energy storage system)은 주로, 피크 소비 기간 동안 전기 에너지를 공급하기 위해 전력망이 과잉 전기 에너지 생산을 갖는 시기 동안 크고/상당한 양의 에너지를 저장하기 위하여 사용되는, 전력망(electric grid, 전기 그리드) 운영을 위한 것이다. 상기 시스템은 작동 중 환경 비용과 위험이 전혀 없는 에너지 저장을 제공하고, 제품의 수명이 다 되었을 때 100% 재활용이 가능한 물질로부터 구성된다. 초기 환경 비용(예를 들어, CO2 발자국(footprint))은 터무니없을 만큼 작고, 환경 위험이 높은 재료는 사용되지 않는다. 상기 시스템은 100% 소비자 프로파일링된 전력망 운영을 저장하고 제공하기 위해 임의의 녹색 에너지 생산 시스템에 대한 완충부로서 역할을 할 수 있다.
보고서 "Energy storage systems, a solution for optimizing the operation of electricity networks to which intermittent renewable sources of various energy storage systems are connected(에너지 저장 시스템, 다양한 에너지 저장 시스템의 간헐적 재생산 가능 소스가 연결된 전기 네트워크(electricity networks)의 운영을 최적화하기 위한 솔루션)", AGIR Bulletin, Supplement 1/2015에는 소위 "펌프식 하이드로 시스템(Pumped Hydro System, PHS; 양수발전)"을 포함하는 전기(electricity, 전력)의 저장을 위한 여러가지 기술들이 언급되었다. 시스템이 초과 전력을 생산하는 기간 또는 시간 간격 동안 상류 수조(상부 탱크)에서, 터빈의 출구에 위치한 수조(basin)(하부 탱크, 수력 발전소의 가동 중 여기에 수집됨)로부터 폐수를 펌핑함으로써 에너지를 저장하는 "하이드로-펌핑 스테이션"으로 구성된다. 이러한 하이드로 펌핑 플랜트는 더 낮은 폐수 수집 수조를 필요로 하고, 가역적 터빈-발전기 어셈블리, 일반적으로는 가능한 한 효율적이기 위해 Francis 또는 Kaplan에서 파생된 가역적 터빈을 사용하지만, 물의 양이 매우 많다는 단점이 있다. 이러한 기술들의 환경 비용은 경관 및 강에 극심한 영향을 끼치기 때문에 매우 높다.
사이트 http://www.gravitypower.net/technology-gravity-power-energy-storage/에는 매우 큰 피스톤 및 수직 리턴 파이프를 포함하고, 상기 피스톤은 물이 채워진, 깊은 정(well) 또는 갱(mine)에 위치하고, 상기 피스톤은 그 주위에 누출을 방지하기 위한 슬라이딩 가스켓을 구비하고, 상기 피스톤 외부에 위치한 상기 수직 리턴 파이프는 지면 레벨에 위치한 전기 기계에 연결된 가역적 Francis 터빈 유형에 상기 피스톤의 바닥을 연결하는, 중력 전력 모듈(gravitational power module, GPM-Gravity Power Module)이 제시되어 있다. 상기 피스톤은 강화 암석 또는 콘크리트로 만들어진다. 상기 정은 작동 시작시, 한 번 물이 채워지고, 그러고 나서 닫히면, 이러한 초기 충전 이후 추가적인 물을 필요로하지 않는다. 전기가 생산될 때, 피스톤이 하강하면서 이것이 저장정(storage well)으로부터 물이 리턴 파이프를 통해 상승하게 만들고, 터빈을 통해 전기 기계를 발전기 모드로 돌린다. 우리가 에너지를 저장해야 할 때, 상기 전기 기계는 주전원(mains)에서 동력을 공급받는 모터 모드로 제어되고, 펌프 모드에서 동일한 터빈(가역적)을 회전시켜 상기 리턴 파이프에서 물을 강제로 내려가게 하여, 상기 정의 기저부에서 상기 피스톤이 올라가게 한다. 상기 GPM 모듈은 아이디어 수준에서만 제시되고, 가역적인 기술 (가역적인 터빈/발전기 군)의 사용은 제한된 압력(20-30 bar)으로 낮은 효율을 갖고, 저장 MWh 당 대량의 물을 필요로 한다는 단점이 있다.
특허 문헌 중에서는 2014년 12월 31일에 공개된 발명 CN 204061053 (U), 발명의 명칭 "Hydropower system for storage of wind energy(풍력 에너지의 저장을 위한 수력 발전 시스템)"이 알려져 있다. 상기 발명에 따른 시스템은 주 수직정(primary vertical well) 및 제2의 더 깊은 수직정(둘 모두는 해안 지역에 배열됨), 상기 제1 수직정의 하부에 위치한 수력 발전 유닛(hydroelectric generation unit)(터빈 발전기 그룹), 및 상기 제2 수직정의 하부에 배열된 펌프의 그룹으로 구성된다. 지하선을 통해 잉여 전기(excess electricity)를 공급하는 수력 발전 유닛에서 상기 제1 수직정에 해수가 주입된다. 그 후에 물은 외부 풍력 터빈에 의해 구동되는 펌프 그룹에 의해, 상기 제2 수직정의 기저부에서 파이프를 통해 이것이 펌핑되는 곳으로부터 지표면으로, 수조에서 유도된다. 따라서, 고여있는 물(pool water)은 풍력 에너지를 위치 에너지의 형태로 저장하고, 그러고 나서 전기를 생성하는 데 사용될 수 있다.
또한, 2012년 8월 30일에 공개된 발명 DE10 2011012261 (A1), 발명의 명칭 "Electric power storing device for storage tank power plant, recovers potential energy generated by emptying tank into surrounding waters using pump devices under application of electric energy, during filling of tank(탱크 충전 동안 전기 에너지 인가 하에 펌프 장치를 사용하여 주변 물속에서 탱크를 비워 생성된 위치 에너지를 회복하는, 저장 탱크 발전소용 전력 저장 장치" (Werner RAU)가 알려져 있다. 상기 장치는 일부 밸러스트 재료(ballast material)(예를 들어, 자갈, 콘크리트) 위에 물이 채워진 탱크를 갖고, 상기 탱크는 해저에 배치된다. 상기 탱크는 압축 없이 공기 교환이 가능하고 탱크를 비워 물 위에 공기 챔버가 형성될 수 있도록 하기 위하여 파이프 또는 호스를 통해 외부 공기에 연결된다. 유입 밸브, 전기 모터/발전기에 연결된 역전 터빈을 통해, 물은 외부로부터 탱크로 공급되거나 내부로부터 주변 물로 다시 펌핑된다. 전기 에너지의 인가 하에 수압 또는 공압 펌프 장치를 사용하여 주변 물속으로 탱크를 비워서 생성되는 위치 에너지는 상기 탱크를 충전하는 동안 회복된다. 역전 터빈 및 전기 모터/발전기의 전력이 전력망의 요구에 맞게 조정되도록 물의 유량이 조절된다.
낮은 효율성을 가지는 가역 기술(가역 터빈/발전기 그룹)을 사용하는 발명
또한, 2012년 3월 1일에 공개된 발명 US 2012/0049673, 발명의 명칭 "Generator system for water tank(물 탱크를 위한 발전기 시스템)" (Myung Hoe KOO)이 알려져 있다. 상기 발명은 상부 개구 및 하부 개구를 갖는 실린더 형태의 물 탱크; 상기 물 탱크에 수직으로 배치되어, 상기 물 탱크의 하부 개구의 부근에서 연결되는 제1 수직 기둥 및 제2 수직 기둥으로 상기 물 탱크를 나누는 분리벽을 포함하는 발전기 시스템을 제공한다. 각각의 실린더 플레이트는 물 탱크의 대응하는 수직 기둥을 통해 피스톤 운동을 수행하도록 배치되고 구성되고, 상기 실린더 플레이트는 로프를 통해 풀리(pulley)에 연결되고, 이들 각각은 물이 아래쪽으로만 흐르도록 하기 위한 복수의 일방향 구멍들을 갖는다. 태양 전지판(solar panel)에 의해 구동되는 전기 모터는 제1 실린더 플레이트 또는 제2 실린더 플레이트를 교대로 들어올리기 위해 풀리를 구동한다. 터빈 발전기는 물 탱크의 하부 개구에 배치되고, 실린더 플레이트를 낙하시켜 발생되는 물의 흐름으로 전기를 생성하기 위해, 리턴 파이프는 터빈 발전기에서 물 탱크로 물을 되돌리기 위해 제공되는 물 탱크의 상부 개구로 개방된 더 높은 말단 및 물 탱크의 하부 개구에 배치된 더 낮은 말단을 갖는다.
터빈의 효율은 리턴 파이프에서 물 기둥에 의해 감소된다.
본 발명에 의해 해결된 기술적 문제는 중력-수력 전기 에너지 저장 시스템에 저장되는 MWh 당 필요한 물의 양의 감소이고, 따라서 구축된 부피 당 높은 저장 에너지 밀도이다.
본 발명에 따른 중력-수력 복합식 전기 에너지 저장 시스템은 균일한 질량 분포를 위해 피스톤의 표면에 대칭적으로 고정된 높은 체적 질량 밀도의 재료의 블록이 로딩되고/재하된(weighed) 큰 헤비 피스톤(large heavy piston)을 포함하고, 이는 물이 채워진, 보강 콘크리트 벽과 고품질 스틸 라이너가 있는 실린더 내부에서 수직으로 그것을 들어올려 중력 위치 에너지를 축적하는 역할을 하고, 상기 피스톤은 일부 가이드를 통해 상기 실린더의 수직벽에서 가이드되고, 중심에는 원형 개구부를 구비하고, 상기 실린더의 축에는 상기 피스톤을 통과하고 임펄스 터빈을 사용하여 가압된 물을 상기 실린더의 베이스로부터 전기 발생 시스템으로 안내하는 고압 채널이 있고, 배출 채널(exhaust channel)은 탑부(top)에서 밀폐되고 탈기되고, 전기 생산 사이클에 사용된 물은 대기압에 있는 리턴 채널을 통해 상기 피스톤 위, 상기 실린더로 다시 배출되고, 전력 네트워크로부터 에너지의 흡수 및 저장 사이클을 위해, 리턴 채널을 통해 상기 피스톤 위의 물을 가져오고, 이를 피스톤 아래의 압력 채널로 유입시켜 이를 상승시키고, 그 결과 에너지를 축적시키는, 고압 펌프 및 가변 흐름의 시스템을 또한 포함한다.
종래 기술과 관련하여, 본 발명에 따른 중력-수력 복합 사이클 전기 저장 시스템은 다음과 같은 이점을 갖는다:
- 운영 중 환경 비용과 환경 위험이 없다. 상기 시스템은 폐쇄되어 있고, 따라서 환경과 물질 교환이 없고, 내부 유체(물)이 누출되는 경우 환경에 대해 중성(neutral)이다. 터빈 또는 펌프가 고장난 경우, 표준 PHS 시스템에서와 같이 자유롭게 흐르는 물에 오일이 방출되지 않는다. 시공은 작업에 투입되는 재료 및 장비의 매우 낮은 탄소 발자국과 저장되는 MWh 당 매우 낮은 평균 비용이 장점이다. 발전소(플랜트)의 수명 주기가 끝날 무렵, 내부의 모든 재료는 100% 재활용이 가능하다.
- 저장되는 MWh 당 감소된 물의 양을 필요로 하고, 물은 완전히 폐쇄된 사이클에서 100% 재사용된다.
- 상기 시스템은 입력을 위한 그리고 출력을 위한 별개의 장비를 가지며, 따라서 오프 피크 시간(off-peak hours)(2 내지 6시간 또는 녹색 에너지가 초과로 이용 가능한 경우) 동안 최대 부하(loading, 로딩)가 가능하고, 피크 시간(6 내지 18 시간, 이용 가능한 녹색 에너지가 거의 없거나 전혀 없는 경우) 동안 무부하(unloading, 언로딩)가 가능하도록 불균형한 크기를 가질 수 있다;
- 그리드 운영(grid operation)은 제어할 수 없는 녹색 에너지(즉, 바람, 태양, 파도 등)의 100% 예상 사용에 적합한 임의의 운영 형태(sense of operation) - 전력의 입력 또는 출력 - 에 대해 100% 프로파일링 된다.
- 설치된 출력 용량의 0 내지 100% 사이의 전력 생산의 지속적인 변동을 가능하게 하여 중소 배전 그리드(small/medium distribution grid)에 대해 소비자를 완전히 프로파일링 할 수 있다.
- 설치된 입력 용량의 0 내지 100% 사이의 전력의 지속적인 흡수를 가능하게 하여 제어할 수 없는 중소 발전 설비 용량(power generation capacity)에 대해 생산을 완전히 프로파일링 할 수 있다.
- 장비의 기계적/전기적 유지보수 비용만으로 이론상 무제한의 로딩-언로딩 사이클 수를 허용한다.
- 이론적으로 무제한의 기간 동안 저장 중 손실 없이 에너지의 장기간 저장이 가능하다.
- 차지하는 공간(footprint)이 작고 특별한 지구물리학적(geophysical) 요구 사항이 없기 때문에 그리드 변전소 근처에 이러한 유닛(장치)의 설치가 가능하다.
- 점유 면적이 매우 작고, 구조물이 전부 지하에 있기 때문에 혼잡한 (도시) 영역에 이러한 유닛의 설치가 가능하고, 다른 목적으로 표면에서 토지의 재사용이 가능하며, 뿐만 아니라 랜드마크 영향도 없다.
본 발명의 실시예는 도 1 내지 도 6과 관련하여 이하에 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 중력-수력 복합식 전기 저장 시스템의 개략도이다.
도 2는 실린더 벽/실린더형 수조의 상세한 형태를 나타낸다.
도 3은 압력 채널 형태의 상세를 나타낸다.
도 4는 헤비 피스톤 형태의 상세를 나타낸다.
도 5a는 실린더의 콘크리트 벽에 대한 형태의 개략도이다.
도 5b는 실린더의 프리캐스트 콘크리트 세그먼트(precast concrete segment)에 대한 형태를 나타낸다.
도 6은 실린더 칼라(collar)에 대한 형태를 나타낸다.
본 발명에 따른 중력-수력 복합식 전기 에너지 저장 시스템은 이에 연결된 전기 네트워크가 과잉 전기를 생산하는 기간 또는 시간 간격 동안, 또는 유닛(unit)의 운영자가 에너지를 저장하기로 결정한 때, 그리고 생산 네트워크의 전기 생산 사이클에서 피크 소비 기간 동안, 또는 유닛의 운영자가 에너지를 추출하도록 결정한 때, 에너지 흡수 및 저장 사이클로 작동한다. 상기 시스템은 또한 피크 소비 기간 동안 사용할 제어할 수 없는 재생 에너지(바람 및/또는 태양)의 장기간 또는 단기간 저장에 사용될 수 있다. 상기 시스템은 또한 전력 생산 변동에 관계 없이 중-소 그리드에 100% 소비자 프로파일링된 전력을 제공하도록 구성될 수 있다(적절한 규모/충분한 크기로).
도 1을 참조하면, 중력-수력 복합 사이클 전기 저장 시스템은, 보강 콘크리트 벽이 있고 고압을 견디는 고품질 스틸 라이너를 가지며 축에는 고압 채널/파이프(20)가 있는 똑바른 실린더(right cylinder)(10)로 구성되고, 상기 실린더에는 움직이는 큰 헤비 피스톤(30)이 있고, 이는 상기 피스톤 아래 및 위로 물이 채워진 실린더(10) 내부에서 수직으로 그것을 들어올려 중력 위치 에너지(potential gravitational energy)를 축적하는 역할을 한다. 상기 피스톤(30)은, 중심에, 상기 고압 채널(20)이 상기 피스톤(30)을 통과할 수 있도록 원형 개구부를 구비하고, 상기 고압 채널(20)은 상단에 적어도 하나의 엘보우(elbow, L자 부분)를 갖는다. 에너지의 흡수 및 저장 사이클에서는, 상기 피스톤(30) 위의 물이 상기 고압 채널(20)을 통해 전력 입력 시스템(60)에 의해 압력 하에 펌핑되고, 상기 피스톤 아래에서 이를 상승시키고, 이로 인해 중력 위치 에너지를 축적하고, 전기 생산 사이클에서는, 상기 실린더(10)의 베이스로부터 가압된 물이 상기 고압 채널(20)을 통해 전기 발생 시스템(50)으로 안내되고, 동시에 이의 중력 위치 에너지를 사용하여 상기 피스톤(30)을 하강시킨다. 상기 고압 채널 내 압력은 상기 피스톤(30)의 위치에 관계없이 일정하므로, 입력(60) 및 출력(70) 에너지 시스템은 쉽게 설계될 수 있다. 상기 전기 발생 사이클에서 처리된 물은, 상기 실린더(10)의 물 충전의 상부 레벨에서 만들어지고 수조가 건설된 지리적 영역에 특정한 동결 깊이 아래에 건설되는, 대기압에 있는 리턴 채널(25)을 통해 상기 피스톤(30) 위의 상기 실린더(10)로 다시 배출된다. 따라서, 상기 실린더(10) 내 물은 상기 시스템의 작동 중에 증발 손실에 의해서만 보상되는 폐쇄 회로에서 사용되고, 서리(frost)로부터 보호된다.
실린더(10)는 원하는 저장 용량에 따라 수십 미터의 직경 및 높이를 가지는 큰 치수의 똑바른 실린더형 수조이다. 이는 이하에 설명되는 방법에 의해 대지 레벨 아래에 건설된다. 상기 실린더(10)는 프리캐스트 프리텐션 실린더형 쉘/중공 세그먼트(12)의 형태로, 프리캐스트 콘크리트로 만들어진 벽을 갖고(이러한 콘크리트 세그먼트의 예는 도 5b에 도시됨), 상기 콘크리트 세그먼트는 스틸 스트랜드(steel strand)로 포스트텐션이 적용되고, 상기 실린더(10)는 탑부에 실린더형 칼라(70)를 구비하고(도 6에 도시됨), 바닥부에는 뒤집혀 배치된 돔(reverse positioned dome)(40)을 구비한다. 상기 실린더(10)는 고품질 스틸 라이너(11)로 내부 코팅된다. 상기 실린더(10)는 물로 채워지고, 상기 피스톤(30)은 소정 부피의 물(volume of water) 내부에 있다. 상기 피스톤(10)에는 상기 피스톤(30)의 표면에 대칭적으로 고정된 높은 체적 질량 밀도를 가지는 재료의 블록으로 만들어진 중량체(weights)(31)가 로딩된다. 상기 피스톤(30) 위에 상기 리턴 채널(25)의 상부와 일직선이 되도록 설명된 상기 실린더의 상부 레벨까지 물이 있다. 상기 중량체(31)는 설치 과정에서 배치되는 상기 피스톤의 표면에 대칭적으로 고정되고, 동시에 균일한 질량 분포의 범위에서 직경상 반대 위치에서 쌍을 이룬다.
상기 실린더(10)에는 축방향으로, 고압 채널(20)이 있고, 이는 임펄스 터빈, 예를 들어 Pelton 유형으로 만들어진 전력 발생 시스템(50)으로 압력 하에 물을 유도한다. 상기 고압 채널(20)은 바닥부에 물 유입구-배출구(29)를 구비하고, 이를 통해 작동 사이클에 따라 피스톤 아래로부터 물이 유입되거나 배출된다. 고압 채널(20)은 탑부에서 밀폐되고 탈기된다. 전기 발생 시스템(50)에서 처리된 물은 상기 리턴 채널(25)을 통해 상기 실린더(10)로 다시 배출되며, 상기 채널은 대기압에 있다. 외부로부터 에너지를 입력하기 위해, 상기 입력 시스템(60)은 고압 펌프 시스템을 포함하고, 가변 흐름에 의해 상기 리턴 채널(25)(상기 피스톤(30) 위)로부터 물을 취하게 되고, 이를 상기 피스톤(30) 아래로 강제되는 상기 고압 채널(20)로 유입시키고, 이에 따라 상기 피스톤(30)이 올라가고 위치 에너지가 축적된다. 두 개의 물 회로는 완전히 분리되어 있다. 고압 회로(high pressure circuit)는 상기 실린더의 베이스에서 시작하여 터빈 접근 밸브(이는 전력 발생 사이클에서만 열림) 및 고압 펌프의 출구에 있는 방향 밸브(이는 에너지 흡수 및 저장 사이클에서만 열림)에서 멈춘다.
물은 비압축성 액체(incompressible liquid)이고 따라서 위치 에너지를 전달하는데 이상적인 물질이다. 에너지는 상기 피스톤(30)의 수직 위치를 통해 시스템 내부에 저장된다. 상기 실린더(10)는 상기 피스톤 아래 및 위에 물이 채워져 있기 때문에, 상기 고압 채널(29)에서 압력은 상기 피스톤(30)의 수직 위치와 관계 없이 일정할 것이다. 적은 양의 물을 사용하기 위해서는, 상기 피스톤(30)(로드 중량체(31)와 함께)의 총 중량이 높아야 하고, 상기 피스톤(30)의 총 중량이 높을수록 정수압(hydrostatic pressure)이 높고, 그리하여 물의 입방 미터(cubic meter) 당 시스템에 저장되는 에너지의 양이 많아진다.
예시적인 실시예에서, 상기 실린더(10)는 대략 수십 미터/ 20-100 m 사이의 깊이 h와 10 내지 75 m 사이의 직경 D를 가지고 지면 레벨 아래에 건설된다. 상기 실린더는 프리텐션 프리캐스트 콘크리트 세그먼트(12)로 만들어지고, 스틸 스트랜드(15)로 연결(join) 및 포스트텐션되고, 고품질 스틸 라이너(11)로 내부 코팅된다. 도 2에 상기 실린더 벽(10)의 상세가 도시되어 있다. 상기 실린더의 수직벽의 내부면에는 고품질 스틸 라이너(11)가 있고, 라이너 세그먼트는 공장에서 제조되고 이들은 현장에서 설치, 용접 및 수정(조정)되며, 이것은 상기 피스톤(30)이 쉽게 미끄러지게 하고 상기 프리캐스트 콘크리트 세그먼트(12) 사이의 조인트(joint)로부터 수평 전단 영역에서 압력을 받을 수 있게 한다. 상기 고품질 스틸 라이너는 상기 실린더(10)에서 후프 응력(hoop stress)을 받도록 스틸 스트랜드로 포스트텐션 또한 되는 프리텐션 세그먼트와 함께 결합되어 작동한다. 상기 실린더의 수직벽의 외부면에는 방수(19)가 적용되고, 이는 또한 건설 및 작동 중에 지반의 팽창 및 압축을 제어(taking over)하는 것을 가능하게 하는 역할을 한다.
가능한 한 가장 낮은 건설 비용으로 높은 작동 압력에서 시스템의 무결성(integrity)을 보장하기 위해, 상기 프리텐션 프리캐스트 콘크리트 세그먼트(12)는 제조 공장에서 제어되는 방식으로 제조되고, 캐스팅(casting)되기 전에 프리텐션되고, 고품질 스틸 스트랜드(15)가 통과하여 당겨질 구멍을 갖는 상기 실린더(10)의 바깥쪽에 있게 될 부분에 제공된다. 이들은 설치 후에, 상기 피스톤(30)의 중량체(31) 로딩으로부터 얻어지는 정수압과 동등한 상기 고품질 스틸 라이너(11)의 추가 저항과 함께, 균형에 필요한 후프 응력까지 현장에서 포스트텐션될 것이고, 따라서 상기 벽에서 콘크리트는 최대 효율을 위해 상기 피스톤의 위치에 관계없이 압축된 상태로만 작동할 것이다. 또한, 상기 프리텐션 프리캐스트 콘크리트 세그먼트(12)에는 제조 공장에서부터, 가장자리에, 스트랜드 인장 장치(strand tensioning devices) - 스트랜드 구멍을 위해 필요한 간극뿐만 아니라 이들 사이의 조립을 위한 일부 연결 요소(72)에 대한 일부 접근 장소가 구비된다. 실시예에서, 상기 스트랜드 구멍은 상기 콘크리트 세그먼트(12)의 길이에 대해 내부 환상형 평행 채널/구멍의 형태를 갖는다.
조립식 유닛(prefabricated units)의 어셈블리 형태는 도 5a에 도시된다. 조립식 요소 - 프리텐션 프리캐스트 콘크리트 세그먼트(12)는 스크류 및 너트 유형의 제거 가능한 연결 요소(72)에 의해 제 위치에 장착된다. 상기 조립식 요소(12)는 도 5a에 도시된 바와 같이 스트랜드 구멍이 계속 이어지도록 교대로 (수직으로 엇갈리게) 장착되지만, 연속적인 연결 라인을 또한 방지할 수 있다. 피스톤(30)에서 그 아래의 정수압은 매우 높고(200-500 bar), 그 위의 정수압은 낮으며(0-10 bar), 이는 일관되고/상당한 원형 전단력으로 이어진다. 이를 이어받기 위해, 상기 프리텐션 프리캐스트 콘크리트 세그먼트(12)는 교대로 정교하게 조립되어 연속적인 조인트 라인을 피하고, 이로써 조인트에 대해 불가피한 저항 (및 내재적으로 비용)을 감소시킬 수 있다. 상기 고품질 스틸 라이너(11)의 변형을 방지하기 위해, 상기 고품질 스틸 스트랜드(15)의 설치 및 인장(텐셔닝, tensioning) 후, 상기 연결 요소(72) 및 상기 스트랜드(15)의 신축 요소(stretching elements) 및 요소 사이의 조인트에 대한 접근 지점이 고밀도 콘크리트로 현장에서 봉해질 것이다.
지표면(향후 실린더(10)의 상부 부분 주위)에 대해 제안된 부지 형태를 도시하는 도 6을 참조하면, 토대(foundation)(71)는 지역의 지형학적 특성 및 상기 실린더(10)의 치수, 및 중량체(31)를 포함하는 상기 피스톤(30)의 제안된 장래 중량에 따라 치수화된 원형 고리의 형태로 만들어진다. 상기 토대(71) 위에는, 실린더(10)와 동일한 제안된 직경을 갖는 실린더형 넥(neck)을 가지고 아래쪽으로 계속되고 상기 프리텐션 프리캐스트 콘크리트 세그먼트(12)를 고정/장착하기 위해 필요한 연결 요소(72)를 또한 포함하는 조밀한 보강 콘크리트 슬래브(70)가 현장에 건설된다. 시공은, 조립식 아이템(12)의 설치, 스트랜드(15)의 설치, 고품질 스틸 라이닝(11)의 장착을 위해, 굴착 바닥에서 용이한 접근을 확보하기 위하여, 설계된 프리 텐션 프리캐스트 콘크리트 세그먼트(12)의 크기에 따라서, 단계적으로 아래쪽으로 굴착함으로써 수행될 것이다. 설치(설비)의 설계된 최소(바닥) 레벨에 도달하면, 바닥 반전 돔(bottom reversed dome)(40)이 스틸로 보강되며 현장에서 폼 콘크리트(form concrete)가 타설되고, 상기 반전된 바닥 돔의 스틸 보강재에 그리고 물 유입구-배출구(29)를 위한 고압 채널(20)에 연결되는 일부 클램핑 이어(clamping ears)(41)를 제공하되, 물 순환을 위해 상기 클램핑 이어(41) 사이에 공간이 제공된다. 그립 러그(gripping lugs, 파지 돌출부)는 상기 고압 채널(20)에 의해 가해지는 상향력(upward force)이 상기 바닥 반전 돔(40)의 보강재(reinforcement)를 향하여 방출되도록 반드시 보장해야 한다. 상기 반전된 돔은 자체 시스템 중량을 사용하여 고압 채널을 고정하는데 필요한 토대를 제공하는 범위로 설계되므로 건설 비용이 더욱 절감된다.
상기 고압 채널(20)은 1-10 m 사이의 직경 D를 갖고 현장 접근 제한 및 비용 분석에 따라 3-12 m 사이의 길이의 섹션으로 제조 시설에서 제조되는 고품질 스틸(예를 들어, EN 10027-2에 따른 스틸 1.5423, 그러나 다른 사용가능한 변형을 배제하지 않음)로 만들어진다. 스틸 세그먼트가 제조되고, 최소한의 스트라이에이션(striation)이 피스톤 원형 워터 씰(piston circular water seals)/절연 가스켓(33)에 노출되도록 조인트 플랜지가 구비된 말단에 1 mm 보다 우수한 공차(tolerance)로 표면이 교정된다. 조인트의 상세는 도 3에 도시되고, 여기서 상부 섹션(21)은 정밀 텅(tongue) 및 그루브 조인트(groove joint)(26)에 의해 하부 섹션(22)에 조립되고, 고정 그립은 대응하는 플랜지(27) 및 제거 가능한 조인트 요소(25), 예를 들어 스크류 및 너트 유형에 의해 상기 고압 채널 내부에 만들어진다. 상기 섹션들 사이의 조인트에서, 상기 플랜지는 일부 고무 가스켓(24)(바람직하게는 환상형)에 대응하는 구멍(바람직하게는 반환상형(semi-toroidal))을 구비한다.
도 4에서는 헤비 피스톤(30)의 형태를 보여준다. 상기 피스톤은 스틸로 만들어지고, 공장에서 제조되고, 현장에서 장착된다. 상기 피스톤(30)은 예를 들어 중앙이 팁(tip)으로 절단된 원형 섹터의 형상을 가지는 시트형 스틸(sheet steel) 세그먼트로 구성될 수 있고, 조립되어 설계된 형태를 형성할 수 있다. 이러한 피스톤(30)은 균일하게 분포된 정적 하중만을 받게 되고, 실질적으로 이는 압력 차이가 있는 두 영역 사이의 분리막일 뿐이다. 그러므로, 상기 피스톤의 변형을 방지하기 위해, 스틸 T-프로파일로 만들어진 지지 그리드(support grid)로 충분하다. 상기 피스톤(30)은 피스톤이 위 아래로 움직이는 동안 상기 피스톤의 원하는 수평 위치를 보장하도록 상기 실린더 내부에서 상기 피스톤을 안내하는 역할을 하는 롤러 가이드(35)를 구비한다. 상기 가이드는 각 설치에 따라, 개수 및 크기가 경우에 따른 기준별로 만들어진다. 도 4에 도시된 제안된 형태에서, 상기 롤러 가이드(35)는 상기 피스톤(30)의 상부 표면에 설치되는 스틸 프로파일로 만들어진 직각 삼각형의 형상을 갖는다. 상기 피스톤(30) 상에 높은 체적 질량 밀도를 가지는 재료의 블록(31)이 설치/고정되고, 상기 블록은 공장에서 제조되고, 시간에 따른 열화(degradation)를 방지하기 위해 물과의 접촉으로부터 격리된다. 상기 블록(31)은 상기 가이드(35)에 의해 요구되는 저항을 최소화하기 위해 상기 피스톤(30)의 불균형을 방지하는 순서로 (설치 및 가능한 유지 보수 작업 동안) 상기 피스톤에 로딩 및 언로딩될 것이다.
상기 피스톤(30)의 하부 표면에는, 도 4에 도시된 바와 같이 실린더의 스틸 라이닝을 향하는 외부의 하부 가장자리에, 상기 실린더(10)의 상기 스틸 라이너(11)에 대해 원형 유압 절연 가스켓(32)에 압력을 경사지게 배출하도록 설계된 일체형 스틸 가이드(모놀리식 스틸 가이드, 단일형 스틸 가이드, monolithic steel guide)(36)가 제공될 것이다. 또한 상기 피스톤(30)이 상기 고압 채널(20) 위로 움직이는 중심 부분에는, 상기 고압 채널(20)의 외벽에 대해 원형 유압 절연 가스켓(33) 상의 압력을 경사지게 배출하도록 설계된 일체형 스틸 가이드(37)가 제공될 것이다.
전기 에너지 입력(흡수) 시스템(60)은 전기 에너지 발생(생산) 시스템(50)과 구별된다. 이것은 최적화되고 고효율의 전기 및 수압 장비의 사용을 허용한다. 전기 에너지의 생산은 예를 들어, 낮은 물 소비를 보장하는 Pelton 터빈과 같은 임펄스 터빈으로 수행되고, 따라서 상기 시스템은 물의 입방 미터 당 저장되는 에너지의 양을 증가시킬 수 있다. 상기 시스템의 치수는 또한 입력 레벨이 출력 레벨과 비교하여 완전히 다른 것을 허용한다는 점에서 불균형화가 가능할 수 있다(예컨대, 오프 피크 시간 동안에는 최대 로딩하고 피크 시간 동안에는 언로딩함).
전력 발생 시스템(50)은 발전기(electric power generators)에 연결된 하나 이상의 Pelton 터빈을 포함할 수 있다. 상기 전력 발생 시스템(50)은 유량 조절이 있는 전형적인 Pelton 시스템일 수 있고, 따라서 터빈에서 흡기 밸브(intake valves)의 선형 제어를 통해 설치된 용량의 0 내지 100% 사이의 지속적인 전력 생산의 변동이 있을 수 있다. 상기 에너지 입력(흡수) 시스템(60)은 조정가능한 양의 에너지를 흡수하고 고효율을 얻을 수 있도록 하기 위해 여러 개의 고압 펌프를 포함하고, 상기 펌프들의 세트는 한 개 또는 두 개만 가변 유량을 갖고, 나머지는 고정 유량 및 압력을 갖도록 포함하여, 더 저렴하고 더 효율적이고 유지 보수가 더 적다. 에너지 입력 시스템(60)의 설계는 고정 전력 단계를 위한 고정 전력 동기 전기 모터 및 선형의 조정가능한 값을 위한 가변 전력 전기 모터를 사용함으로써 전력 전달 효율을 최대화한다.
예를 들어 풍력 발전 지대(wind farm)의 경우, 제어된 방식으로 전기를 지속적으로 흡수하기 위해, 전기 에너지 흡수 시스템(입력 시스템)(60)은 고정 정격 전력(fixed rated power)을 가지고 조정 요소가 없는 전기 모터에 부착된 일정 압력 및 일정 유량의 여러 개의 펌프를 구비하며, 이들은 비용이 저렴하고, 유지 보수가 적으며, 효율성이 높다. 0-100% 범위에서 지속적으로 조정하기 위해서는 일정한 압력을 갖지만, 사용되는 전력 제어 시스템을 구비한 부착된 전기 모터를 가진 가변 유량을 갖는 하나 또는 두 개의 펌프를 사용할 것이다. 이러한 가변 시스템은 고정 시스템과 비교하여 150%의 단위 용량을 가지므로, 컨트롤러로 하여금 흡수되어야 하는 필요로 하는 전력의 변화의 속도 및 방향에 관계 없이 에너지 흡수를 지속적으로 조정할 수 있게 한다.
본 발명은 또한 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었기 때문에, 많은 대안, 변경 및 변형이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백하다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 이하의 청구항에 기재된 바와 같은, 그 적용의 사상 및 범위에 속하는 모든 그러한 대안, 수정 및 변형을 포함하는 것이 의도된다.

Claims (9)

  1. 물이 채워진, 실린더 형태(10)의 탱크에 배치된 헤비 피스톤(heavy piston)(30)(상기 피스톤은 그 주위에 유출을 방지하기 위한 슬라이딩 가스켓을 구비함) 및 대지 레벨(ground level)에 위치한 전기 기계에 연결된 터빈으로 상기 탱크의 바닥부(bottom)로부터 물 흐름(water flow)을 연결하는 수직 리턴 파이프(vertical return pipe)를 포함하는 중력-수력 복합식 전기 에너지 저장 시스템(Combined gravitational-hydraulic electric energy storage system)으로서, 상기 피스톤(30)은 균일한 질량 분포를 위해 상기 피스톤의 표면에 대칭적으로 고정된 높은 체적 질량 밀도의 재료의 블록(31)으로 재하되고(weighed), 이는 보강 콘크리트(reinforced concrete) 벽이 있고 스틸 라이너(steel liner)(11)로 덮인 내부면을 가지는 상기 실린더(10)의 내부에서 수직으로 그것을 들어올려 중력 위치 에너지를 축적하는 역할을 하고, 상기 피스톤(30)은 롤러 가이드(roller guides)(35)에 의해 상기 실린더(10)의 벽에서 가이드되고, 중심에 원형 개구부를 구비하고, 상기 실린더의 축에 고압 채널(20)이 위치하고, 상기 피스톤(30)에는 절연 가스켓들(32, 33)이 구비되되, 이둘은 상기 실린더(10)의 상기 스틸 라이너(11)에 대해 그리고, 상기 피스톤(30)의 중심을 통과하고 임펄스 워터 터빈(impulse water turbine, 충동 수차)를 사용하여 상기 실린더의 베이스로부터 전력 발생 시스템(50)으로 가압된 물을 안내하는 상기 고압 채널(20)에 대해 구비되고, 상기 고압 채널(20)은 탑부(top)에서 탈기될 뿐만 아니라 밀폐되고, 상기 전력 발생 시스템(50)에 의한 전기 생산 과정에서 사용된 물은 대기압에 있는 리턴 채널(25)을 통해 상기 피스톤(30) 위에서, 상기 실린더(10)로 다시 배출되고, 그리고 전기 네트워크로부터 전기 에너지의 입력 및 저장 사이클을 위해, 상기 리턴 채널(25)을 통해 상기 피스톤(30) 위에서부터 상기 물을 취하고 상기 피스톤(30) 아래 상기 고압 채널(20)로 상기 물을 유입시켜 상기 피스톤(30)을 상승시키는 고정 또는 가변 유량(흐름)을 가지는 고압 펌프를 포함하는 전기 에너지 입력 시스템(60)을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는, 중력-수력 복합식 전기 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실린더(10)는 원하는 저장 용량에 따른 미터 또는 수십 미터 정도의 큰 실린더형 수조(basin)이고, 대지 레벨 아래에 지어지고, 스트랜드 구멍을 구비한 실린더형 쉘 세그먼트(cylindrical shell segments)(12)의 형태로 프리캐스트 콘크리트 세그먼트를 결합하여 구성되는 벽을 갖고, 상기 콘크리트 세그먼트(12)는 제거 가능한 연결 요소(72)에 의해 제자리에 장착되고, 일부 스틸 스트랜드(steel strands)(15)로 포스트텐션되고, 상기 실린더(10)는 상기 실린더(10)와 동일한 직경을 가지는 실린더형 칼라를 가지고 아래쪽으로 계속되고 토대(foundation)(71)에 놓인 조밀한 스틸 보강 콘크리트 슬래브(dense steel reinforced concrete slab)(70)를 탑부에 구비하고, 바닥부에는 반전된 돔(reversed dome)(40)을 구비하고, 상기 실린더의 벽은 상기 피스톤(30)이 쉽게 미끄러질 수 있도록 실린더형 라이너 세그먼트로 만들어진 스틸 라이너(11)가 내부에 라이닝되고, 외부에는 작동 중 지반의 팽창 및 압축을 제어(taking over)할 뿐만 아니라 대지의 물로부터 구조물을 보호하는 역할을 하는 방수부(19)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 저장 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤(30)은 스틸로 만들어지고, 공장에서 기계로 제조되고 현장에서 장착되고, 상부 표면에는 공장에서 기계로 제조되고 물과 접촉하지 않도록 격리된 블록(31) 및 이의 수평 위치를 보장하는 역할을 하는 롤러 가이드(35)가 장착되고, 상기 피스톤(30)의 하부 표면에는, 이의 가장자리에, 일체형 스틸 가이드(monolithic steel guide)(36)가 구비되고, 이는 상기 실린더(10)의 상기 스틸 라이너(11)에 대해 경사진 원형 수압 절연 가스켓(circular hydraulic insulation gasket)(32)에 압력을 배출하고, 상기 피스톤(30)이 상기 고압 채널(20)과 교차하는 중심 부분에는 일체형 스틸 가이드(37)가 구비되어 상기 고압 채널(20)의 외벽에 대해 다른 원형 수압 절연 가스켓(33)에 압력을 덜어낼 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 전기 저장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고압 채널(20)은 섹션(21, 22)으로 제조되는 스틸로 만들어진 상단에 적어도 하나의 엘보(elbow)를 가지는 실린더형 파이프이고, 최소한의 스트라이에이션(striation)이 피스톤 원형 워터 씰(piston circular water seals)(33)에 노출되도록 말단에 조인트 플랜지(27)를 구비하고, 상부 섹션(21)은 정밀 텅(tongue) 및 그루브 조인트(groove joint)(26)에 의해 하부 섹션(22)에 조립되고, 고정 그립은 대응하는 플랜지(27) 및 제거 가능한 조인트 요소(25)에 의해 상기 고압 채널 내부에 만들어지고, 상기 섹션들 사이의 조인트에서, 상기 플랜지는 일부 고무 가스켓(24)에 대응하는 구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 저장 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤(30)은 상기 실린더(10)의 상기 스틸 라이너(11)에 대해 원형 수압 절연 가스켓(32)에 압력을 배출하도록 설계된 일체형 스틸 가이드(36)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 저장 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤(30)은 상기 고압 채널(20)의 외벽에 대해 원형 수압 절연 가스켓(33)에 압력을 배출하도록 설계된 일체형 스틸 가이드(37)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 저장 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    0-100% 범위에서 조정 가능한 입력 전력(input power)의 범위를 가지는 상기 전기 에너지 입력 시스템(60)은 전력/속도 조정 없이 고정 정격 전력(fixed rated power)을 가지는 전기 모터에 의해 구동되는 복수의 일정 압력 및 일정 유량 펌프를 구비하고, 0-100% 범위에서 지속적으로 조정하기 위해, 전력/속도 제어 조정이 가능한 전기 모터에 의해 구동되는 일정한 압력을 갖지만 가변 유량을 가지는 하나 이상의 펌프를 사용하는 것을 특징으로 하는 전기 저장 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    0-100% 범위에서 조정 가능한 출력 전력(output power)의 범위를 가지는 상기 전기 발생 시스템(50)은, 각각이 0-100% 범위에서 유량 제어를 갖고 발전기에 연결되는 하나 이상의 Pelton 터빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 저장 시스템.
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