KR102645867B1 - 해저 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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허만웅
박진순
이진학
고동휘
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한국해양과학기술원
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Abstract

해저 에너지 저장 시스템이 개시된다. 상기 해저 에너지 저장 시스템은 해저면(sea floor)에 고정 배치되고 내부에 중공부가 형성되는 탱크; 상기 탱크의 상기 중공부로부터 상기 탱크의 외부로 길게 연장되며, 적어도 일부가 해수면 위에 위치하고, 상기 중공부와 유체 연통되는 유로가 형성된 실린더 구조물; 상기 실린더 구조물의 측면에 형성되며, 해수를 유입시키거나 해수의 유입을 차단하도록 구성되는 수문(water gate); 상기 실린더 구조물의 상기 유로에 배치되며, 상기 수문을 통해 유입된 해수의 위치 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성되는 수차 발전기; 상기 탱크에 형성된 배출관을 통해 상기 중공부에 채워진 해수를 외부로 배출하도록 구성되는 펌프; 및 상기 수문 및 상기 펌프를 제어하도록 구성되는 제어 모듈;을 포함한다. 이 외에도 명세서를 통해 파악되는 다양한 실시 예가 가능하다.

Description

해저 에너지 저장 시스템 {SUBSEA ENERGY STORAGE SYSTEM}
본 문서에서 개시되는 실시 예들은, 해저 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해수의 운동 에너지 및/또는 해수의 위치 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하고 잉여 전력을 활용하여 에너지를 해저에 저장하는 시스템에 관한 것이다.
현대 사회에서 에너지원의 확보는 경제 및 산업 발전의 필수적인 핵심요소이다. 기존에는 화석연료 활용을 통해 에너지원을 확보하였으나, 화석연료의 무분별한 사용으로 인한 화석연료의 고갈과 대기오염으로 인해 기존의 화석연료를 대체할 대체 에너지원의 개발은 매우 필수적인 사항이라 볼 수 있다.
신재생에너지는 화석연료와 달리 재생이 가능하기 때문에 고갈되지 않는다. 또한 화석연료 대비 비교적 지구상에 고르게 분포하며 오염물질이나 이산화탄소 배출이 적어 친환경적인 특징이 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 해양 또는 해상 풍력과 관련된 신재생에너지의 발전 과정에서 발생하는 잉여 전력을 활용하여 에너지를 해저에 저장할 수 있는 해저 에너지 저장 시스템을 제공하고자 한다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면 해저 에너지 저장 시스템이 개시된다.
상기 해저 에너지 저장 시스템은 해저면(sea floor)에 고정 배치되고 내부에 중공부가 형성되는 탱크; 상기 탱크의 상기 중공부로부터 상기 탱크의 외부로 길게 연장되며, 적어도 일부가 해수면 위에 위치하고, 상기 중공부와 유체 연통되는 유로가 형성된 실린더 구조물; 상기 실린더 구조물의 측면에 형성되며, 해수를 유입시키거나 해수의 유입을 차단하도록 구성되는 수문(water gate); 상기 실린더 구조물의 상기 유로에 배치되며, 상기 수문을 통해 유입된 해수의 위치 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성되는 수차 발전기; 상기 탱크에 형성된 배출관을 통해 상기 중공부에 채워진 해수를 외부로 배출하도록 구성되는 펌프; 및 상기 수문 및 상기 펌프를 제어하도록 구성되는 제어 모듈;을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 제어 모듈은, 잉여 전력 발생 시, 상기 펌프를 작동시켜 상기 중공부에 채워진 해수를 배출시키도록 구성될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 제어 모듈은 상기 수차 발전기의 전력 생산이 가능한지 여부를 판단하고, 상기 수차 발전기의 전력 생산이 불가능하다고 판단한 경우, 상기 수문을 닫음으로써 해수의 유입을 차단하고, 상기 펌프를 작동시켜 상기 중공부에 채워진 해수를 배출하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 중공부 또는 상기 유로에 채워진 해수의 수심을 감지하는 센서를 더 포함하고, 상기 제어 모듈은 상기 센서로부터 획득된 데이터에 기반하여, 상기 수차 발전기의 전력 생산이 가능한지 여부를 판단하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 펌프 또는 상기 배출관은 상기 수차 발전기에 비해 해저면에 가까이 위치할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 수차 발전기는 상기 수문으로부터 낙하하는 해수에 의해 회전하도록 구성되는 터빈을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 탱크의 하부에 결합되고 상기 해저면에 고정되는 지지 구조물을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 실린더 구조물은 상기 중공부에 위치하며 개방된 제1 단부를 포함하는 제1 부분, 상기 제1 부분으로부터 상기 탱크의 외부로 연장되며 상기 해수면 아래에 위치하는 제2 부분, 및 상기 해수면 위로 연장되며 개방된 제2 단부를 포함하는 제3 부분을 포함하고, 상기 개방된 제2 단부는 상기 해수면 위에 위치하고, 상기 수문은 상기 해수면 아래에 위치하도록 상기 제2 부분에 형성될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 수차 발전기는 상기 제2 부분에 배치되고, 상기 펌프와 상기 수문 사이에 위치할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 해수의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성되는 조류 발전기를 더 포함하고, 상기 조류 발전기는 상기 해수면 아래에 위치하도록 상기 실린더 구조물의 상기 제2 부분에 연결될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 해상풍의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성되는 해상 풍력 발전기를 더 포함하고, 상기 해상 풍력 발전기는 상기 해수면 위에 위치하도록 상기 실린더 구조물의 상기 제3 부분에 연결될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 펌프는 상기 조류 발전기 또는 상기 수차 발전기 중 적어도 하나에 전기적으로 연결될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 수차 발전기, 상기 해상 풍력 발전기 또는 상기 조류 발전기에서 생산된 전력을 저장하도록 구성되는 배터리를 더 포함하고, 상기 펌프는 상기 배터리와 전기적으로 연결될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 펌프가 작동하는 경우, 상기 실린더 구조물의 상기 개방된 제2 단부를 통해 외부 공기가 상기 중공부로 유입될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 개방된 제2 단부는 파도에 의한 해수 유입을 방지하기 위해, 상부로 갈수록 직경이 증가하도록 형성될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 탱크는 적어도 부분적으로 구(sphere) 형상으로 형성되고, 상기 실린더 구조물에는 상기 구의 중심(center of the sphere)이 위치할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따른 해저 에너지 저장 시스템은, 조류 발전기를 이용하여 해수의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 수차 발전기를 이용하여 해수의 위치 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 추가적으로, 해저 에너지 저장 시스템은 해상 풍력 발전기를 이용하여 해상풍의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.
또한, 해저 에너지 저장 시스템은 펌프를 통해 해수의 위치 에너지를 생성하고 전력 생산 가능 상태를 형성함으로써, 에너지를 저장할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 해저 에너지 저장 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 해저 에너지 저장 시스템을 도시한 단면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 해저 에너지 저장 시스템을 도시한 단면도이다.
도 4는 다른 실시 예에 따른 해저 에너지 저장 시스템을 도시한 단면도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 해저 에너지 저장 시스템의 블록도이다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 해저 에너지 저장 시스템(100)을 도시한 사시도이다. 도 2는 일 실시 예에 따른 해저 에너지 저장 시스템(100)을 도시한 단면도이다. 도 3은 일 실시 예에 따른 해저 에너지 저장 시스템(100)을 도시한 단면도이다. 도 4는 다른 실시 예에 따른 해저 에너지 저장 시스템(100)을 도시한 단면도이다. 도 5는 일 실시 예에 따른 해저 에너지 저장 시스템(100)의 블록도이다.
일 실시 예에 따른 해저 에너지 저장 시스템(100)은, 해수 또는 해상풍의 운동 에너지, 및/또는 해수의 위치 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생성하고, 생성된 전기 에너지를 전력 수요처에 송전하도록 구성될 수 있다.
또한, 해저 에너지 저장 시스템(100)은, 생성된 전력 중 일부(예: 잉여 전력)를 이용하여 해수의 위치 에너지(예: 포텐셜 에너지)를 생성함으로써 에너지를 저장하거나, 또는 생성된 전기 에너지를 직접 저장할 수 있다.
일 실시 예에서, 해저 에너지 저장 시스템(100)은, 지지 구조물(110), 탱크(120), 실린더 구조물(130), 수차 발전기(160), 펌프(140), 및 조류 발전기(150)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 지지 구조물(110)은 해저면(1)에 고정 배치될 수 있다. 지지 구조물(110)에는 탱크(120)가 결합될 수 있다. 지지 구조물(110)은 탱크(120)가 조류에 견딜 수 있도록 지지할 수 있다. 지지 구조물(110)은 단면적이 탱크(120)의 단면적에 비해 넓게 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않으며 다양한 형상으로 제공될 수 있다.
도 1을 참조하면, 탱크(120)는 지지 구조물(110)에 배치될 수 있다. 탱크(120)에는 실린더 구조물(130)이 결합될 수 있다. 탱크(120)는 적어도 부분적으로 구(sphere) 형상으로 이루어질 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 탱크(120)의 내부에는 중공부(S)가 형성될 수 있다. 중공부(S)에는 공기가 수용되거나 해수가 수용될 수 있다. 예를 들어, 탱크(120)의 중공부(S)는 적어도 부분적으로 구 형상으로 형성될 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다. 일 실시 예에서, 탱크(120)의 내부에는 실린더 구조물(130)의 제1 부분(131), 제1 부분(131) 내부에 배치되는 수차 발전기(160), 및 펌프(140)가 배치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 실린더 구조물(130)은 탱크(120)의 내부의 중공부(S)로부터 탱크(120)를 관통하여 해수면(2) 위로 길게 연장될 수 있다. 실린더 구조물(130)은 원통 형상의 구조물로서 내부에 유로(134)가 형성될 수 있다. 실린더 구조물(130)은 중공부(S) 내부에 위치한 제1 단부(137), 및 해수면(2) 위에 위치한 제2 단부(139)가 각각 개방되며 유로(134)와 연통될 수 있다. 실린더 구조물(130)의 측면에는 해수가 유입되는 개폐 가능한 수문(135)(water gate)이 형성될 수 있다. 수문(135)은 유로와 연통될 수 있다.
도 2를 참조하면, 실린더 구조물(130)에는 구 형상의 탱크(120)의 중심(center of the sphere)이 위치할 수 있다. 즉, 실린더 구조물(130)은 탱크(120)의 중심부를 통과하도록 연장될 수 있다.
도 2 및 도 3를 참조하면, 실린더 구조물(130)은 탱크(120)의 중공부(S)에 위치하는 제1 부분(131), 제1 부분(131)으로부터 연장되어 탱크(120)의 외부 및 해수면(2) 아래에 위치하는 제2 부분(132), 및 제2 부분(132)으로부터 연장되어 해수면(2) 위로 노출된 제3 부분(133)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 실린더 구조물(130)의 제1 부분(131)에 수차 발전기(160)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 수차 발전기(160)는 제1 부분(131)에 포함된 유로(134)에 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 실린더 구조물(130)의 제2 부분(132)에는 조류 발전기(150)의 연장 부분(154)이 연결될 수 있다. 실린더 구조물(130)의 제2 부분(132)에는 수문(135)이 형성될 수 있다. 이 때, 조류 발전기(150)의 연장 부분(154)은 수문(135)보다 하부에 위치할 수 있다. 수문(135)은 해수면(2)에 비교적 가깝게 형성될 수 있다.
도 4에 도시된 실시 예에서, 실린더 구조물(130)의 제3 부분(133)에는 해상 풍력 발전기(170)의 연장 부분(174)이 연결될 수 있다.
일 실시 예에서, 실린더 구조물(130)의 제1 단부(137)는 제1 부분(131)에 형성되고, 제2 단부(139)는 제3 부분(133)에 형성될 수 있다. 실린더 구조물(130)의 제2 단부(139)는 해수면(2) 위로 노출되어 외부 공기가 유입되거나 배출되는 통로로 기능할 수 있다. 예를 들어, 제2 단부(139)를 통해 유입된 공기는 유로를 따라 이동하여 제1 단부(137)를 통해 중공부(S) 내부로 이동할 수 있다. 일 실시 예에서, 실린더 구조물(130)의 수문(135)은 제2 부분(132)에 형성될 수 있다. 해수는 수문(135)을 통해 유로(134)로 유입될 수 있다. 유입된 해수는 유로(134)를 따라 이동하여 제2 단부(139)를 통해 중공부(S) 내부로 이동할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 실린더 구조물(130)의 제2 단부(139)는 파도에 의해 해수가 유입되는 것을 방지하기 위해, 상부로 갈수록 실린더 구조물(130)의 직경이 증가하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 단면도를 참조하면, 제2 단부(139)에 인접한 실린더 구조물(130)의 측면은 외측으로 경사지게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부로 갈수록 실린더 구조물(130)의 단면이 증가하도록 형성될 수 있다. 이 때, 유로(134)의 직경은 실린더 구조물(130)의 직경과 함께 증가하는 것으로 도시되나, 반드시 이에 한정되지 않으며, 유로(134)의 직경은 동일하게 형성되되 실린더 구조물(130)의 직경만 증가하도록 형성될 수 있다.
일 실시 예에서, 유로(134)는 실린더 구조물(130)의 개방된 제1 단부(137)를 통해 외부 대기와 연통되고, 실린더 구조물(130)의 제2 단부(139)를 탱크(120) 내부의 중공부(S)와 연통될 수 있다. 유로(134)는 실린더 구조물(130)의 측면에 형성된 수문(135)을 통해 해수와 연통될 수 있다.
일 실시 예에서, 수차 발전기(160)는 수문(135)을 통해 유입되는 해수의 위치 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성될 수 있다. 수차 발전기(160)는 유로(134)를 따라 낙하하는 해수에 의해 회전하는 터빈(미도시)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 수차 발전기(160)는 실린더 구조물(130)에 배치될 수 있다. 예를 들어, 수차 발전기(160)는 실린더 구조물(130)의 유로(134)에 배치될 수 있다. 이 때, 수차 발전기(160)는 실린더 구조물(130)의 제1 부분(131)에 배치될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 수차 발전기(160)는 상하 방향으로 볼 때, 수차 발전기(160)와 펌프(140) 사이에 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 펌프(140)는 적어도 일부가 탱크(120) 내부에 배치되도록 구성될 수 있다. 일 실시 예에서, 펌프(140)는 탱크(120)의 중공부(S)와 연통된 배출관(145)을 통해 해수를 배출하도록 구성될 수 있다. 해수 배출이 완료된 상태는 해수가 중공부(S)에 약 20% 채워진 상태일 수 있다. 도 3을 참조하면 펌프(140)는 탱크(120)의 중공부(S)에 채워진 해수를 외부로 배출시킴으로써, 탱크(120)의 중공부(S)에는 실린더 구조물(130)의 개방된 제2 단부(139)를 통해 유입된 공기가 채워질 수 있다. 이 때, 수문(135)은 폐쇄된 상태일 수 있다. 상기 상태에서, 해저 에너지 저장 시스템(100)은 수문(135)을 통해 해수를 낙하시켜 수차 발전기(160)를 이용하여 전력 생산이 가능할 수 있다. 즉, 펌프(140)는 전력 생산이 가능한 상태를 형성할 수 있다. 다시 말해, 펌프(140)는 해수의 위치 에너지 형태의 포텐셜 에너지를 생성하는 것으로 이해될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 펌프(140)는 잉여 전력으로 작동되도록 구성될 수 있다. 다양한 실시 예에서, 펌프(140)는 수차 발전기(160)에 비해 해저면(1)에 가까이 위치할 수 있다.
일 실시 예에서, 배출관(145)은 탱크(120)의 하부에 배치될 수 있다. 이를 통해, 펌프(140)가 중공부(S)에 채워진 해수를 배출시킴에 따라, 중공부(S)의 수심이 낮아지고, 펌프(140)의 작동 부하가 감소하여 전력 부하가 감소될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 해저 에너지 저장 시스템(100)은 조류 발전기(150) 및/또는 해상 풍력 발전기(170)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 해저 에너지 저장 시스템(100)은 조류 발전기(150)와 해상 풍력 발전기(170)를 각각 포함하거나, 또는 조류 발전기(150)와 해상 풍력 발전기(170) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 조류 발전기(150)는 조류(예: 해수의 운동 에너지)를 전기 에너지로 변환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 조류 발전기(150)는 해수면(2) 아래에 위치할 수 있다. 일 실시 예에서, 조류 발전기(150)는 실린더 구조물(130)의 제2 부분(132)의 측면에 연결될 수 있다. 예를 들어, 조류 발전기(150)는 실린더 구조물(130)에 연결되는 연장 부분(154), 연장 부분(154)에 배치되는 바디(151), 바디(151)에 연결된 회전축(152), 및 회전축(152)에 형성된 블레이드(153)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 연장 부분(154)은 실린더 구조물(130)의 연장 방향(예; 상하 방향)에 수직한 방향으로 연장될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않는다. 일 실시 예에서, 바디(151)는 조류의 흐름에 따라 회전하는 회전축(152)과 연동되어 전력을 생산하는 코일(미도시)을 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 해상 풍력 발전기(170)는 해상풍을 전기 에너지로 변환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 해상 풍력 발전기(170)는 해수면(2) 위에 위치할 수 있다. 일 실시 예에서, 해상 풍력 발전기(170)는 실린더 구조물(130)의 제3 부분(133)의 측면에 연결될 수 있다. 예를 들어, 해상 풍력 발전기(170)는 실린더 구조물(130)에 연결되는 연장 부분(174), 연장 부분(174)에 배치되는 바디(171), 바디(171)에 연결된 회전축(172), 및 회전축(172)에 형성된 블레이드(173)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 연장 부분(174)은 실린더 구조물(130)의 연장 방향(예; 상하 방향)에 수직한 방향으로 연장될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않는다. 일 실시 예에서, 바디(171)는 해상풍에 의해 회전하는 회전축(172)과 연동되어 전력을 생산하는 코일(미도시)을 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 해저 에너지 저장 시스템(100)은 배터리(184), 센서(182), 및 제어 모듈(180)을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 배터리(184)는 수차 발전기(160), 조류 발전기(150), 및/또는 해상 풍력 발전기(170)에서 생산된 전력을 저장하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 배터리(184)는 생산 전력 중 송전되고 남은 잉여 전력을 저장할 수 있다. 배터리(184)는 펌프(140) 및 제어 모듈(180)에 전기적으로 연결될 수 있다. 배터리(184)의 용량은 펌프(140)가 중공부(S)에 채워진 해수를 배출시키기에 충분한 용량으로 제공될 수 있다. 배터리(184)는 제어 모듈(180)에 의해 제어되고, 펌프(140)의 작동 전력을 공급할 수 있다.
일 실시 예에서, 센서(182)는 탱크(120)의 중공부(S)의 상태를 감지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 센서(182)는 중공부(S)에 채워진 해수의 수심을 감지하는 수심 센서를 포함할 수 있다. 센서(182)는 제어 모듈(180)에 전기적으로 연결될 수 있다. 센서(182)는 탱크(120)의 내부에 배치될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제어 모듈(180)은, 수차 발전기(160), 조류 발전기(150), 해상 풍력 발전기(170), 수문(135), 펌프(140), 센서(182), 및 배터리(184)를 제어하도록 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시 예에서, 제어 모듈(180)은 잉여 전력 발생 시, 펌프(140)를 작동시켜 중공부(S)에 채워진 해수를 배출시키도록 구성될 수 있다. 이 때, 제어 모듈(180)은 펌프(140)를 효율적으로 작동시키기 위해 수문을 닫을 수 있다.
일 실시 예에서, 제어 모듈(180)은 수차 발전기(160)의 전력 생산이 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 제어 모듈(180)은 탱크(120) 내부에 제공된 센서(182)의 데이터에 기반하여 판단하거나, 수차 발전기(160)의 터빈이 회전하는지 여부에 기반하여 수차 발전기(160)의 전력 생산이 가능한지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 센서(182)의 수심 값이 수차 발전기(160)의 위치보다 높은 경우, 제어 모듈(180)은 수문(135)을 닫고 펌프(140)를 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어 모듈(180)은 수차 발전기(160)가 해수에 잠겨 터빈이 정지한 것으로 판단하는 경우, 수문(135)을 닫고 펌프(140)를 작동시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 제어 모듈(180)은 수차 발전기(160)의 전력 생산이 불가능하다고 판단한 경우, 수문(135)을 닫음으로써 해수의 유입을 차단하고, 펌프(140)를 작동시켜 상기 중공부(S)에 채워진 해수를 배출하도록 구성될 수 있다. 이 때, 더 이상 전력 생산이 불가능한 경우, 제어 모듈(180)은 수문(135)을 닫고 펌프(140)를 작동시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 제어 모듈(180)은 발전기들(150, 160, 170)에서 생산된 전력을 송전하거나 배터리(184)에 저장하도록 구성될 수 있다. 이 때, 제어 모듈(180)은 펌프(140)를 작동시키기에 충분한 양의 전력을 배터리(184)에 저장하도록 제어할 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 해저 에너지 저장 시스템(100)의 작동을 설명한다.
도 2는 해수 배출이 완료된 상태를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 상태는 수차 발전기(160)를 통한 전력 생산이 가능한 상태이다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 제어 모듈(180)은 수문(135)을 개방하여, 수문(135)을 통해 해수를 유입시킬 수 있다. 이 때 펌프(140)의 작동은 정지된 상태일 수 있다. 수문(135)을 통해 유입된 해수는 중공부(S)로 낙하하면서 수차 발전기(160)를 동작시킬 수 있다. 수차 발전기(160)는 수문(135)으로부터 낙하하는 해수의 위치 에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 제어 모듈(180)은 생산된 전력을 송전할지 또는 배터리(184)에 저장할지 여부를 판단할 수 있다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 제어 모듈(180)은 센서(182)를 통해 탱크(120) 및/또는 중공부(S)의 상태를 모니터링할 수 있다. 제어 모듈(180)은 수차 발전기(160)의 터빈의 회전 여부, 또는 수차 발전기(160)가 해수에 잠겼는지 여부 등에 기반하여, 수차 발전기(160)가 작동 가능한 상태인지 판단할 수 있다.
도 3은 수차 발전기(160)를 통한 전력 생산이 완료된 상태로서, 수차 발전기(160)를 통한 전력 생산이 불가능한 상태이다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 제어 모듈(180)은 수문(135)을 닫아 해수의 유입을 차단시키고, 펌프(140)를 작동시켜 해수 배출을 시작할 수 있다. 이 때, 펌프(140)는 배터리(184)에 저장된 전력으로 구동되거나, 조류 발전기(150)에서 생산된 전력으로 구동될 수 있다. 중공부(S)에 채워진 해수가 배출됨에 따라, 중공부(S)의 압력이 감소하고, 실린더 구조물(130)의 개방된 제2 단부(139)를 통해 외부의 공기가 중공부(S)로 유입될 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 제어 모듈(180)은 중공부(S)의 수심을 측정하는 센서(182), 또는 펌프(140)의 작동 부하 등을 모니터링 함으로써, 해수 배출이 완료된 상태(예: 도 2)인지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 해수 배출이 완료된 상태는 해수가 중공부의 약 20%만큼 채워진 상태일 수 있다.
일 실시 예에서, 조류 발전기(150) 및/또는 해상 풍력 발전기(170)는 탱크(120) 내부 또는 중공부(S)의 상태(예: 도 2, 도 3)와 관계없이 조류의 에너지를 이용하여 지속적으로 전력을 생산할 수 있다. 조류 발전기(150) 및/또는 해상 풍력 발전기(170)에서 생산된 전력은 펌프(140) 구동을 위한 예비 전력으로 저장되거나, 전력 수요처에 공급될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 문서에서, "~하도록 설정된(adapted to or configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다. 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 설정된 (또는 구성된) 프로세서"는 해당 동작들을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치(예: 메모리)에 저장된 하나 이상의 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 AP)를 의미할 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어(firmware)로 구성된 유닛(unit)을 포함하며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. "모듈"은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. "모듈"은 기계적으로 또는 전자적으로 구현될 수 있으며, 예를 들면, 어떤 동작들을 수행하는, 알려졌거나 앞으로 개발될, ASIC(application-specific integrated circuit) 칩, FPGAs(field-programmable gate arrays), 또는 프로그램 가능 논리 장치를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따른 구성 요소(예: 모듈 또는 프로그램 모듈) 각각은 단수 또는 복수의 개체로 구성될 수 있으며, 전술한 해당 서브 구성 요소들 중 일부 서브 구성 요소가 생략되거나, 또는 다른 서브 구성 요소를 더 포함할 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 일부 구성 요소들(예: 모듈 또는 프로그램 모듈)은 하나의 개체로 통합되어, 통합되기 이전의 각각의 해당 구성 요소에 의해 수행되는 기능을 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따른 모듈, 프로그램 모듈 또는 다른 구성 요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱(heuristic)하게 실행되거나, 적어도 일부 동작이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.
100: 해저 에너지 저장 시스템
110: 지지 구조물 120: 탱크
130: 실린더 구조물 131: 제1 부분
132: 제2 부분 133: 제3 부분
134: 유로 135: 수문
137: 제1 단부 139: 제2 단부
140: 펌프 145: 배출관
150: 조류 발전기 151: 바디
152: 회전축 153: 블레이드
154: 연장 부분 160: 수차 발전기
170: 해상 풍력 발전기 180: 제어 모듈
182: 센서 184: 배터리
S: 중공부

Claims (15)

  1. 해저 에너지 저장 시스템에 있어서,
    해저면(sea floor)에 고정 배치되고 내부에 중공부가 형성되는 탱크;
    상기 탱크의 상기 중공부로부터 상기 탱크의 외부로 길게 연장되며, 적어도 일부가 해수면 위에 위치하고, 상기 중공부와 유체 연통되는 유로가 형성된 실린더 구조물;
    상기 실린더 구조물의 측면에 형성되며, 해수를 유입시키거나 해수의 유입을 차단하도록 구성되는 수문(water gate);
    상기 실린더 구조물의 상기 유로에 배치되며, 상기 수문을 통해 유입된 해수의 위치 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성되는 수차 발전기;
    상기 탱크에 형성된 배출관을 통해 상기 중공부에 채워진 해수를 외부로 배출하도록 구성되는 펌프; 및
    상기 수문 및 상기 펌프를 제어하도록 구성되는 제어 모듈;을 포함하고,
    상기 실린더 구조물은 상기 중공부에 위치하며 개방된 제1 단부를 포함하는 제1 부분, 상기 제1 부분으로부터 상기 탱크의 외부로 연장되며 상기 해수면 아래에 위치하는 제2 부분, 및 상기 해수면 위로 연장되며 개방된 제2 단부를 포함하는 제3 부분을 포함하고,
    상기 개방된 제2 단부는 상기 해수면 위에 위치하고,
    상기 수문은 상기 해수면 아래에 위치하도록 상기 제2 부분에 형성되며,
    상기 펌프가 작동하는 경우, 상기 실린더 구조물의 상기 개방된 제2 단부를 통해 외부 공기가 상기 중공부로 유입되고,
    상기 개방된 제2 단부는 파도에 의한 해수 유입을 방지하기 위해, 상부로 갈수록 직경이 증가하도록 형성되며,
    해수의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성되는 조류 발전기를 더 포함하고, 상기 조류 발전기는 상기 해수면 아래에 위치하도록 상기 실린더 구조물의 상기 제2 부분에 연결되며,
    해상풍의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성되는 해상 풍력 발전기를 더 포함하고, 상기 해상 풍력 발전기는 상기 해수면 위에 위치하도록 상기 실린더 구조물의 상기 제3 부분에 연결되는 해저 에너지 저장 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 모듈은, 잉여 전력 발생 시, 상기 펌프를 작동시켜 상기 중공부에 채워진 해수를 배출시키도록 구성되는 해저 에너지 저장 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 수차 발전기의 전력 생산이 가능한지 여부를 판단하고,
    상기 수차 발전기의 전력 생산이 불가능하다고 판단한 경우, 상기 수문을 닫음으로써 해수의 유입을 차단하고, 상기 펌프를 작동시켜 상기 중공부에 채워진 해수를 배출하도록 구성되는 해저 에너지 저장 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 중공부 또는 상기 유로에 채워진 해수의 수심을 감지하는 센서를 더 포함하고,
    상기 제어 모듈은 상기 센서로부터 획득된 데이터에 기반하여, 상기 수차 발전기의 전력 생산이 가능한지 여부를 판단하도록 구성되는 해저 에너지 저장 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 펌프 또는 상기 배출관은 상기 수차 발전기에 비해 해저면에 가까이 위치하는 해저 에너지 저장 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 수차 발전기는 상기 수문으로부터 낙하하는 해수에 의해 회전하도록 구성되는 터빈을 포함하는 해저 에너지 저장 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탱크의 하부에 결합되고 상기 해저면에 고정되는 지지 구조물을 더 포함하는 해저 에너지 저장 시스템.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 수차 발전기는 상기 제1 부분 또는 상기 제2 부분에 배치되고, 상기 펌프와 상기 수문 사이에 위치하는 해저 에너지 저장 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 수차 발전기, 상기 해상 풍력 발전기, 또는 상기 조류 발전기에서 생산된 전력을 저장하도록 구성되는 배터리를 더 포함하고,
    상기 펌프는 상기 배터리와 전기적으로 연결되는 해저 에너지 저장 시스템.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 탱크는 적어도 부분적으로 구(sphere) 형상으로 형성되고,
    상기 실린더 구조물에는 상기 구의 중심(center of the sphere)이 위치하는 해저 에너지 저장 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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