KR102663650B1 - 양수식 수력 에너지 발전 시스템 및 방법 - Google Patents

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마젤란 앤드 바렌트스 에스.엘.
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Abstract

양수식 수력 에너지 저장 시스템 및 방법이 개시된다. 이 시스템은 전력 출력을 개선하기 위해 슬러리 같은 고밀도 유체를 사용한다. 일부 경우에서, 유체는 고밀도 유체와 물과 같은 저밀도 유체를 구비하는 바이너리 유체 시스템이다. 저밀도 유체는 시스템의 터빈 유닛을 통해 유동하여 시스템이 고밀도 유체를 처리해야 할 필요가 없으면서 개선된 전력 출력을 달성한다. 이 시스템은 고밀도 유체를 위한 하나의 대기압 저장소 및 저밀도 유체를 위한 다른 하나의 저장소를 구비하게 구성될 수 있다. 이들 각각은 더 고밀도 또는 저밀도 유체로 채워져 있는 가압된 캐비티에 연결되어 있다. 대기압 탱크는 동일한 높이에 있거나 또는 에너지 출력을 증대시키기 위해 고밀도 유체가 있는 탱크가 더 높은 위치에 있을 수 있다. 예를 들어, 이 시스템은 지형적 고도에 놓일 수 있다.

Description

양수식 수력 발전 시스템 및 방법
출원관련에 대한 상호 참조
본 출원은 아래 미국 가출원 관련번호 서류들을 근거, 참고로 한다.
2018년 4월 16일에 제출된 미국 가출원 번호 62/657,941; 2018년 5월 16일에 제출된 미국 가출원 번호 62/672,566; 2018년 6월 5일에 제출된 미국 가출원 번호 62/680,597; 및 2018년 10월 19일에 제출된 미국 가출원 번호 62/747,678(모든 출원 목적을 위해 전체가 여기에 참조로 포함됨).
본 제출서류는 양수 발전 시스템과 방법에 관한 것이다. 특히, 본 제출 공개자료는 고밀도 유동성 액체 유동력과 또는 고밀도 유동성 액체와 물과 같은 저밀도 유동성액체를 혼합해서 사용할 시 유동력 증가로 이에 전력 출력을 증가시키는 시스템과 관련 방법에 관해 제시한다.
태양, 바람 및 물에서 활용되는 것과 같은 신재생 가능 에너지는 우리 환경에 최소한의 영향을 미치기 때문에 전기를 생성하는 데 널리 사용되는 에너지 형태이다. 예를 들어, 재생 가능 에너지는 CO2 배출로 환경을 오염시키지 않는다. 재생 가능 에너지에는 장점이 있지만 단점도 있다. 예를 들어, 자연에 크게 의존하는 재생 가능 에너지는 의존, 신뢰할 수 없다. 햇빛을 필요로 하는 태양 광 발전은 구름의 영향을 받을 수 있다. 풍력은 오고 갈 수 있는 바람에 의존한다. 수력은 제한된 수로에 의존하고 많은 문제 가능성이 제기되는 물에 의존한다.　이러한 불확성 또는　불일치　신재생 에너지는 수요에 불균형 공급을 유발한다. 이러한 불균형은 에너지 가격 책정에 큰 변동을 일으킨다.
근래의 양수발전 시스템은 물이 수압관을 통해 상부 저수지에서 하부 저수지로 흐르는 압류에 의존한다. 그런 다음 물은 터빈을 돌려 전기를 생산하여 전력망으로 보낸다. 상부 저수지를 재충전하기 위해 물을 수압관 위로 끌어 올린다. 양수발전 장치는 터빈 외에 시스템을 재충전하기 위해 물을 끌어 올리는 펌프 시스템이 있기 때문에 제어성 및 신뢰성을 제공한다. 이것은 근래 신재생 에너지원에 전래하는 수요와 공급의 불균형을 안정화시킨다. 또한, 근래 양수 발전과 펌프식 수력에너지 저장 장치에 대한 중요한 고려 사항은 저수지에 필요한 설치 면적이다.
본 실시 예는 최고 전력 출력을 갖는 소형 양수 발전 시스템과 방법에 관한 것이다.
본 실시 예는 일반적으로 이전의 양수 발전 시스템 및 양수 발전 펌프 기능 적용에 관한 것이다. 이 시스템은 기존의 양수 발전 수력 에너지 시스템보다 설치 면적이 작고 출력 에너지가 높다. 이 시스템은 고밀도 유동성 액체를 사용하며, 상부 및 하부 저장소가 동일한 높이에 있을 수 있어서 다양성이 가능하다. 유압 펌프 및 터빈은 예를 들어 지하 광산 위의 표면과 같이 하부 저수지보다 높게 배치된다.
특히, 일 실시형태는 제1 저장소 및 제1 저장소 아래에 배치된 제2 저장소를 포함하는 양수식 수력 발전 시스템에 관한 것이다.　이 시스템은 터빈 장치도 포함한다.　터빈 장치는 제1 터빈 장치 유동 포트 및 제2 터빈 장치 유동 포트를 포함한다.　제1 저장소 및 제2 저장소와 유체 연통하는 수압관이 제공된다.　수압관은 제1 저장소 및 제1 터빈 장치 유동 포트에 연결된 제1 부분 및 제2 저장소 및 제2 터빈 장치 유동 포트에 연결된 제2 부분을 포함한다.　터빈 장치는 제2 저장소에 근접하게 배치된다.　슬러리가 시스템을 통해 순환한다.　슬러리는 물보다 밀도가 높은 고밀도 유체이다.　슬러리는 제1 저장소에서 제2 저장소로 제1 방향 또는 전방 방향으로 유동하여 터빈 장치가 에너지를 발생시키도록 한다. 재충전 모드에서, 슬러리는 시스템을 재충전하기 위해 제2 저장소에서 제1 저장소로 제2 방향 또는 반대 방향으로 터빈 장치를 통해 유동한다.　고밀도 슬러리는 물을 사용하는 시스템에 비해 시스템의 출력을 증가시킨다.
본 실시 예에 개시된 실시 예들 및 다른 이점, 특징들은 다음의 설명 및 첨부 도면들을 참조하면 이해에 도움이 되고 증명이 확인될 것이다. 또한, 본 실시 예에 개시, 설명된 다양한 실시 예는 특정하지 않고 상호 배타적이지 않은 다양한 조합 및 순열로 존재할 수 있음을 이해해야 한다.
도면에서, 유사한 참조 문자는 일반적으로 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 가리킨다. 또한, 도면은 반드시 축적에 맞춰질 필요는 없으며, 대신 일반적으로 다양한 실시 예의 원리를 설명할 때 강조된다. 아래의 발명의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시 예가 도면을 참조하여 설명된다:
도 1은 양수 발전의 실시 예의 단순화된 도면을 예시한다.
도 2는 양수 발전의 다른 실시 예의 단순화된 도면을 예시한다.
도 3. 양수 발전의 다른 실시 예의 단순화된 도면을 예시한다.
도 4a 내지 도 4d는 양수 발전의 다른 실시 예의 단순화된 도면을 예시한다.
도 5는 터빈 및 펌프의 예시적인 실시 예를 도시한다.
본 실시예의 설명 예는 일반적으로 양수 발전에 관한 것이다. 제출한 양수 발전 체제 원리는 기존 현재 양수 발전 시스템보다 평당 더 높은 에너지 출력을 생성한다. 한 예로, 양수 발전은 종래의 양수 발전 시스템과 달리 평지 또는 심지어 고른 지형에서 구현될 수 있다.
도 1은 양수 발전 시스템(100)의 실시 예의 단순화된 도면이다. 도시된 바와 같이, 펌핑 양수 발전 시스템은 수압관(130)에 의해 연결된 상부 저장소(110) 및 하부 저장소(120)를 포함한다. 예로, 상부 저장소는 하부 저장소 위에 배치된다. 두 저장소의 고도 또는 높이의 차이를 헤드(head)라고 할 수 있다. 수압관은 상부 저장소 포트(111) 및 하부 저장소 포트(121)에 결합된다. 수압관은 파이프 또는 다른 유형의 관일 수 있으며, 이 수압관은 상부 저장소 포트 및 하부 저장소 포트를 통해 상부 저장소와 하부 저장소 사이를 유체 연통시킨다. 터빈(140)은 하부 저장소 포트에 근접하게 배치된다. 터빈 기관 장치는 가역 터빈이다. 예를 들어, 터빈은 프랜시스 터빈으로 제1 방향으로 회전할 때에는 발전기 역할을 하고, 제2 방향으로 회전할 때에는 펌프 역할을 한다. 다른 유형의 터빈 장치 또는 터빈(회전 기관) 장치 구조도 유용할 수 있다. 예를 들어, 분리된 터빈 장치와 펌프 장치를 작동하는 것이 구조상의 고 압력을 대응하는 데에 유리할 수 있다. 예로, 프랜시스 터빈 기관장치는 70 바에서만 작동할 수 있다. 별도의 터빈 회전 기관 장치와 펌프 구성을 사용하면 70 바 이상으로 작동할 수 있다.
작동 시, 상부 저장소에 포함되어 있는 유동성 액체가 중력에 의해 수압관을 통해 하부 저장소로 흐른다. 이를 시스템의 방출 상태라고 할 수 있다. 유동 액체가 수압관을 통해 하부 저장소로 흐르면 프란시스 터빈 기관 회전 장치를 제1 방향으로 돌려 전기를 생성한다. 전기는 전송선을 통해 전송될 수 있다. 예를 들어, 에너지 수요가 있을 때 유동 액체는 전기를 생성하기 위해 상부 저수지에서 하부 저수지로 흐르게 된다. 터빈 회전 장치는 제2 방향으로 회전할 수 있으며, 방향을 바꿔서 밑에서 위로 회전하여, 펌프는 아래쪽 저장소의 유동 액체를 위쪽 저장소 쪽으로 끌어 올려 펌핑할 수 있다. 이를 시스템의 충전 또는 재충전 상태라고 하며, 이 시스템은 전력 에너지 수요가 낮거나 상부 저장소가 비어 있거나 거의 비어 있을 때 재충전될 수 있다.
실시 예에서, 이 장치는 폐쇄 시스템이다. 폐쇄 시스템에서는 저장소가 밀폐되어 있다. 저장소는 밀폐된 고리 모양의 유동성 액체 탱크이다. 예를 들어, 폐쇄 유동 액체를 형성하는 저장소의 상부 저장소가 하부 저장소에 비해 낮은 압력인 반면에 압력 저장소로 지칭될 경우 하부 저장소를 고압 저장소로 지칭할 수 있다. 일 실시 예에서, 상부 저장소는 원통형 대기 탱크일 수 있다. 하부 저장소는 고압 구형 탱크 저장소일 수 있다. 반면 다른 형태 구성의 탱크도 유용할 수 있다. 저장소는 유동성 액체를 채우기 위한 충전 포트가 포함될 수 있다. 탱크는 거의 동일한 용량을 적용할 수 있도록 구성한다.
시스템은 원하는 양의 전기를 생성하고 시스템이 재충전될 필요가 있을 때 소망하는 파라미터로 설계될 수 있다. 예를 들어, 유속력은 수압관 크기에 의해 결정되고, 헤드는 상부 저장소와 낮은 하부 저장조까지의 사이 높이와, 저장소의 면적은 전력 출력 및 재충전 시간을 결정하도록 구성될 수 있다. 유속력과 헤드는 생산 전력량을 결정하고, 저장소의 부피는 재충전 사이의 시간을 결정한다.
일 실시 예에서, 펌핑 양수 발전 저장 시스템의 유동 액체는 고밀도 유동 액체이다. 고밀도 유체는 물보다 밀도가 높다. 예를 들어, 고밀도 유체의 밀도는 3X 배 이상일 수 있다. 여기서 x는 물의 밀도이다. 실시 예에서, 고밀도 유체는 걸죽한 유동 액체 혼합물이다. 다양한 유형의 걸죽한 유동 액체 혼합물이 사용될 수 있다. 걸죽한 유동 액체 혼합물은 금속 산화물 입자를 예를 들어 물과 같은 저밀도 유동 액체 유체와 혼합된 걸죽한 유동 액체를 포함할 수 있다. 다른 유형의 걸죽한 유동 액체 내 입자의 부피는 약 50% 이상일 수 있다. 예를 들면, 입자의 백분율은 약 50-85%일 수 있다. 다른 구체 예에서, 입자의 백분율은 50-75%일 수 있다. 입자의 부피가 클수록 걸죽한 유동 액체의 밀도가 높아진다. 모든 백분율은 체적 백분율이다. 다른 백분율도 유용할 수 있다.
실시 예에서, 혼합 유동 액체입자는 수압관 손상을 피하기 위해 서브마이크론 크기이다. 나머지 조성물로는 물과 같은 저밀도 유동 액체를 포함한다. 일 실시 예에서, 혼합 유동 액체 입자가 덩어리지는 것을 방지하고, 흐름을 개선하기 위해, 소량의 계면 활성제가 첨가될 수 있다. 예로, 약 1% 미만의 계면 활성제가 첨가될 수 있다. 어떤 경우에는 슬러리의 동결을 방지하기 위해 부동액을 추가할 수 있다. 부동액의 농도는 슬러리가 동결되는 것을 방지하기에 충분해야 한다.
일 실시 예에서, 고밀도 유동 액체는 마그네타이트 슬러리 혼합물이다. 마그네타이트 슬러리 혼합물은 물 밀도를 3배 상회하는 3 내지 4 톤/㎥의 밀도를 달성 할 수 있다. 논의된 바와 같이, 다른 유형의 슬러리 혼합물도 고밀도 유체로 사용될 수 있다. 밀도는 미네랄 함량과 조성에 따라 달라질 수 있다.
고밀도 유체를 사용함으로써, 더 콤팩트한 양수식 수력 에너지 저장 시스템이 달성될 수 있다.　저장소 또는 탱크 부피가 지정된 경우, 에너지 저장 용량은 유동 액체 밀도에 비례한다. 예를 들어, 고밀도 유동 액체는 물보다 3배 밀도가 높고, 시스템의 에너지 저장량은 물을 사용할 때보다 3배 더 많다. 이는 질량 유량이 물보다 물보다 약 3배 더 많기 때문이다. 따라서, 시스템은 더 적은 양의 유동액체 및/또는 상부 및 하부 저장소 사이의 더 적은 높이 차이를 사용하여 동일한 양의 에너지 출력을 생성할 수 있다. 결과적으로 설비 비용이 절감되고 시스템 장소에 구애 받지 않고 설비할 수 있다.
논의된 바와 같이, 고밀도 유동 액체를 사용하면 더 많은 전력을 생산할 수 있다. 고밀도 유동 액체를 처리하도록 기존의 양수 발전 수압관과 펌프를 쉽게 수정, 개조할 수 있으며, 그에 따라 출력 증가를 가능하게 한다. 또한 기존의 양수 발전 시스템을 šZ게 수정하여 사용할 수 있다. 주어진 출력 요구 사항에 대해 필요한 체적이 줄어들고, 수압관이 작아지고 및/또는 저장소 간의 거리가 짧아짐으로 인해 건설 비용이 절감된다.
도 2는 양수 발전 시스템(200)의 다른 실시 예의 단순화된 도면이다. 도 1에서 설명된 것과 유사한 구성요소를 포함할 수 있다. 이러한 구성요소는 설명되지 않거나 상세하게 설명되지 않을 수 있다.
실시 예에서, 이 시스템은 상부 저장소(210)와 하부 저장소(220)가 있는 폐쇄 시스템이다. 저장소들은 유동 액체가 통하는 수압관(230)에 의해 결합된다. 도시된 바와 같이, 시스템은 제1 유동성 액체(251) 및 제2 유동성 액체(255)를 이용하는 이원 유체 시스템으로 구성된다. 예를 들어, 제1 유동성 액체는 고밀도 유동성 액체이고 제2 유동성 액체는 제1 유동성 액체에 비해 저밀도 유동성 액체이다. 예를 들어, 고밀도 유동성 액체는 물보다 밀도가 더 크다. 고밀도 유동성 액체의 밀도는 ≥3.0x이다. 여기서 x는 물의 밀도이다. 다른 고밀도 혼합물 또는 혼합 유동성 액체를 대신 응용할 수 있다. 한 예로, 고밀도 유동성 액체는 마그네타이트 슬러리 혼합물과 같은 혼합물일 수 있다. 일 실시 예에서 제2 유동성 액체는 물이다. 예를 들어, 고밀도 유동성 액체는 저밀도 유동성 액체보다 밀도가 3배 더 높다. 유동성 액체 간에 서로 다른 밀도 차이를 응용하는 것도 유용할 수 있다. 차이가 클수록 시스템이 더 효율적이다. 다른 유형의 저밀도 유동성 액체도 유용할 수 있다.
수압관(230)은 제1 및 제2 저장소의 단부에서 제1 및 제2 저장소에 연통 가능하게 체결되어 있는 제1 및 제2 부분(230a, 230b) 및 수압관의 제1 및 제2 부분의 제2 단부에 체결되어 있는 캐비티 저장소를 포함한다. 일 실시형태에서, 캐비티 저장소는 고압 캐비티 탱크이다. 고압 캐비티 탱크는 시스템의 과부하 압력을 견뎌야 한다.　일 실시형태에서, 고압 캐비티 탱크는 시스템의 과부하 압력과 거의 동일한 압력을 유지한다.　캐비티 탱크는 구형의 고압 캐비티 탱크일 수 있다.　다른 유형의 고압 캐비티 탱크도 유용할 수 있다.
실시 예에서, 캐비티 탱크는 제2 또는 하부 저장소에 가깝게 배치되지만, 과부하 압력이 슬러리 칼럼에 의해 가해지는 압력에 가깝게 되는 것을 보장하기 위해 수평 방향으로 약간 떨어져서 배치된다.　수압관의 제1 부분에 결합된 캐비티 탱크의 제1 캐비티 탱크 포트(271)는 캐비티 탱크의 바닥에 배치되고, 반면 수압관의 제2 부분에 결합된 캐비티 탱크의 제2 캐비티 탱크 포트(272)는 캐비티 탱크의 상단에 위치한다. 터빈 장치(240)는 하부 저장 포트에 근접하게 배치된다. 터빈은 프란시스 터빈일 수 있다. 대안적으로, 터빈 장치는 펠튼(Pellton) 터빈 및 펌프와 같이 별도의 터빈을 포함할 수 있다. 다른 유형의 터빈 또는 터빈 유닛의 구성도 유용할 수 있다.
실시 예에서, 캐비티 탱크의 압력은 고밀도 유동 액체의 칼럼에 의해 생성된다. 하부 저장소는 대기압 탱크가 될 수 있다. 예를 들어, 하부 저장소는 원통형 대기압 탱크일 수 있다. 상부 저장소의 경우 대기압 탱크일 수도 있다.
작동시 상부 저장소의 고밀도 유동 액체는 중력에 의해 수압관을 거쳐 캐비티 탱크로 흐른다. 슬러리 압력으로 인해, 캐비티 탱크의 압력은 하부 저장소에 있는 저밀도 유동 액체 칼럼의 압력보다 훨씬 높으므로 위쪽으로 흐른 다음 터빈의 인젝터를 통해 흐른다. 예를 들어 인젝터 포트는 물이 터빈으로 공급되는 입구이다. 밀도의 급격한 차이로 인해, 고밀도 유동 액체는 캐비티 탱크의 바닥에 남아 있고 반면에 저밀도 유동 액체는 캐비티 탱크의 고밀도 유동 액체 위에 배치된다. 또한, 제1 및 제2 캐비티 탱크 포트의 구성은 제1 및 제2 유동 액체의 혼합을 방지하도록 구성된다. 고밀도 유동성 액체가 중력에 의해 제1 이상의 저장소에서 계속해서 흘러 나오면, 저밀도 유동 액체가 다시 위쪽으로 제2 저장소 또는 제1 저장소로 다시 들어가 터빈이 회전하여 전기를 생성한다. 이를 방전 또는 발전 상태라고 할 수 있다. 반대로, 재충전 상태에서는, 저밀도 유동 액체(예를 들어, 물)가 캐비티 저장소로 펌핑되어 고밀도 유동 액체가 다시 위쪽 저장소로 밀려 이동한다. 캐비티 탱크는 고밀도 유동 액체가 저밀도 유동 액체를 다시 하부 저장소로 강제로 보내는 압력을 수용하도록 구성되어야 한다.
실시 예에서, 시스템은 고밀도 유동 액체가 터빈 시스템과 접촉하지 않도록 구성된다. 이는 시스템이 고밀도 유동 액체를 처리하도록 구성하는 것을 회피한다는 점에서 유리하다. 예를 들어, 고밀도 유동 액체 입자 크기는 터빈 손상을 방지하기 위해 서브 마이크론 영역에 있을 필요가 없다. 슬러리의 입자 크기는 약 수 마이크론 내지 수백 마이크론일 수 있다. 슬러리의 입자 크기는 슬러리 내 입자의 부피 비율을 높이고 수압관 내 흐름을 용이하게 하기 위해 균일하지 않은 분포를 가져야 한다.
도 3은 도 2의 양수식 수력 에너지 저장 시스템의 적용을 보여준다. 도 3의 시스템은 도 2의 시스템과 같은 공통된 요소들을 포함한다. 공통 요소들은 설명되지 않거나 상세하게 설명되지 않을 수 있다. 예를 들어, 시스템은 산(305)에 위치한 광산에서 구현된다. 광산은 탄광일 수 있다. 다른 유형의 광산도 유용할 수 있다. 광산에 시스템을 설치하면 지면(301) 깊숙한 광산 샤프트가 존재하므로 건설 비용을 절감하는 이점이 있다.
시스템은 산의 정상에 가깝게 위치하는 상부 저장소(210)를 포함하여, 예를 들어 광산 내에서 산 기슭에 위치한 하부 저장소(220)와의 사이에 고도 차이를 생성한다. 저장소의 다른 위치도 유용할 수 있다. 위치는 지형 및/또는 터널 및/또는 축(shaft)과 같은 기존 구조를 활용할 수 있다. 시스템이 기존 지하 광산에 주입되어 있지만, 소금 돔이나 지층과 같은 자연 지형을 활용하는 다른 위치에 시스템을 구현하는 것도 유용할 수 있다.
상부 저장소는 수압관(230)을 통해 하부 저장소와 유체 연통하게 구성된다. 캐비티 탱크(270)는 하부 저장소 아래 수압관 내에 배치된다. 수압관은 제1 및 제2 수압관 부분(230a, 230b)을 포함한다. 제1 수압관 부분은 상부 저장 포트 및 캐비티 탱크의 바닥에 위치하는 제1 캐비티 탱크 포트에 결합되고; 제2 수압관 부분은 하부 저장소 포트 및 캐비티 탱크의 상부에 위치된 제2 캐비티 탱크 포트에 결합된다. 도시된 바와 같이, 제1 수압관은 제1 및 제2 수압관 서브 섹션(230a1 및 230a2)을 포함한다. 제1 수압관 서브 섹션은 지면 위에 배치되고 상부 저장소에 결합되며, 제 2 수압관 서브 섹션은 지면 아래에 배치되고, 캐비티 탱크에 결합된다.
즉, 캐비티 탱크는 지하에 위치한다. 실시 예에서, 터빈 장치(240)는 하부 저장소에 근접하게 배치된다. 예를 들어, 수압관과 하부 저장 포트 사이에 배치된다. 실시 예에서, 터빈 장치는 터빈(354) 및 펌프(356)를 포함한다. 터빈은 예를 들어 펠톤 터빈이다. 다른 유형의 터빈도 유용할 수 있다. 예를 들어, 터빈은 시스템의 높은 압력을 견딜 수 있어야 한다.
고밀도 유동 액체(251)는 상부 저장소에 수용된다. 저밀도 유동 액체(255)는 하부 저장소에 배치된다. 시스템(300)의 작동은 도 2의 시스템(200)의 작동과 유사하다. 예를 들어, 하부 저장소로 흐르는 저밀도 유동 액체는 터빈이 제1 방향으로 회전하여 전력을 생성하게 한다. 시스템을 재충전하기 위해 펌프는 저밀도 유동 액체를 제2 방향으로 캐비티 탱크로 펌핑하여 고밀도 유동 액체가 상부 저장소로 다시 흐르도록 한다.
지하에 고압 캐비티 탱크를 설치하는 것은 리소스태틱 압력을 이용할 수 있어 유동력으로 인한 압력에 대응할 수 있기 때문에 유리하다. 이것은 하부 저장소의 건설 비용을 줄여준다. 또한 산악 지형은 상부 저장소를 위한 천연의 고도를 제공한다. 상부 저수지가 상승되는 높이는 출력 요구 사항에 따라 구성될 수 있다. 예를 들어, 출력 요구 사항이 충족되는 경우, 고도를 낮게 하는 것이 상부 저장소 및 수압관 건설과 관련된 비용을 줄이는 데 유용할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는　양수식 수력 발전 시스템의 다양한 다른 실시형태들을 도시한다. 이 시스템은 도 1 내지 도 3과 같이 공통 구성요소를 포함한다. 공통 구성요소는 설명하지 않거나 자세히 설명하지 않을 수 있다. 이 시스템은 평평한 지형에서 유리하게　이용될 수 있다. 예를 들어, 제1 저장소(410)와 제2 저장소(420)는 대략 동일한 고도에 배치될 수 있다. 이러한 실시 예는 평지 또는 심해에 있는 경우에 특히 유리할 수 있다.　 이것은 상부 및 하부 저장소 사이에 서로 다른 높이 또는 고도를 요구하는 기존의 양수 발전 시스템과　다르다.
도 4a를 참조하면, 양수 발전(400a)의 일 실시 예가 도시되어 있다. 이 시스템은 제1 저장소(410) 및 제2 저장소(420)를 포함한다. 일 실시 예에서, 저장소는 대략 동일한 고도 또는 높이에 배치된다. 예를 들어, 저수지는 평평한 지면에 위치하거나 물을 사용하는 경우 선박 또는 해양 해면 장치에 있다. 다른 높이에 저장소를 제공하는 것도 유용할 수 있다. 바람직하게는, 고밀도 저장소가 저밀도 저장소 위에 위치한다. 저장소들은 수압관(430)에 의해 유체 연통한다. 도시된 바와 같이, 수압관은 U-자형이다. 다른 모양의 수압관도 유용할 수 있다. 수압관의 길이는 수백 미터에서 수 킬로미터까지 될 수 있다.
제1 저장소는 고밀도 유동 액체(451)의 용기 역할을하고, 제2 저장소는 저밀도 유동 액체(455)를 수용하는 역할을 한다. 저밀도 유동 액체에 비해 고밀도 유동 액체의 밀도가 높기 때문에, 중력은 고밀도 유동 액체를 아래쪽으로 흐르게 하여 저밀도 유동 액체를 제2 저장소로 압력에 의해 밀어 넣는다. 이것은 제2 저장소 포트에 근접하게 배치된 터빈 장치(440)를 회전시켜 전력을 생성한다. 예를 들어, 터빈 장치는 프란시스 터빈-펌프와 같이 결합된 터빈-펌프를 포함한다. 이 시스템은 터빈 장치의 회전을 제2 방향으로 되돌려 재충전합니다. 터빈의 방향을 반대로 하면 제1 저장소 쪽으로 물을 펌핑한다. 이렇게 하면, 고밀도 유동 액체가 제1 저장소로 다시 들어가 시스템이 재충전된다. 다른 실시 예에서, 터빈 장치는 펠톤 터빈과 같은 별도의 터빈과 펌프를 포함하여 구성할 수 있다. 다른 유형의 터빈 또는 터빈 장치의 구조도 유용할 수 있다.
실시 예에서, 제1 또는 고밀도 유동 액체 및 제2 또는 저밀도 유동 액체의 부피는 방전 또는 충전 상태에서 고밀도 유동 액체가 터빈과 접촉하지 않도록 구성된다. 이러한 구성은 고밀도 유동 액체를 처리하도록 펌프를 구성할 필요를 방지한다는 점에서 유리하다. 이것은 또한 슬러리 내에 더 큰 입자의 사용을 가능하게 하여 비용을 감소시킨다는 점에서 유리하다.
도 4b는 양수 발전 시스템(400b)의 다른 실시 예를 도시한다. 도 4b의 시스템은 도 4a에서 설명한 것과 유사하다. 공통 요소는 설명하지 않거나 자세하게 설명하지 않을 수 있다.
시스템은 거의 동일한 고도 또는 높이에 위치하는 제1 및 제2 저장소(410 및 420)를 포함한다. 다른 높이에 저장소를 제공하는 것도 유용할 수 있다. 저장소는 수압관(430)에 의해 유체 연통한다. 도시된 바와 같이, 수압관은 U-자형 수압관이다. 다른 모양의 수압관도 유용할 수 있다.일 실시형태에서, 수압관은 도 2 및 도 3에 설명된 것과 같은 캐비티 저장소 또는 탱크(470)에 의해 분리된, 제1 및 제2 부분(430a, 430b)으로 분할되어 있다.　예를 들어, 캐비티 저장소는 구형 고압 캐비티 저장소이다.　상부 및 하부 저장소는 원통형 대기압 저장소일 수 있다.　저장소의 다른 구성도 유용할 수 있다.
캐비티 저장소를 제공하면 시스템의 유체 용량을 증가시킨다는 점에서 유리하다.　도시된 바와 같이, 캐비티 탱크는 제1 및 제2 수압관 부분 사이에서 제2 저장소 아래에 배치된다.　예를 들어, 제1 저장소에 결합된 제1 수압관 부분은 캐비티 탱크의 바닥에 위치한 제1 캐비티 탱크 포트에 연결되고, 제2 수압관 부분은 제2 저장소 및 캐비티 탱크의 상단에 위치하는 제2 캐비티 탱크 포트에 체결된다. 이 구성은 또한 고밀도 유체와 저밀도 유체가 혼합할 위험을 줄인다.　시스템의 작동은 캐비티 탱크로 인해 증가된 용량을 제외하고는 그림 4a에 설명된 것과 유사하다.
도 4c는 양수발전 시스템(400c)의 다른 실시 예를 도시한다. 도 4c의 시스템은 도 4a 내지 도 4b에 설명된 것과 유사하다. 공통 요소는 설명하지 않거나 자세하게 설명하지 않을 수 있다.
시스템은 대략 동일한 고도 또는 높이에 위치하는 제1 및 제2 저장소(410 및 420)를 포함한다. 다른 높이에 저수지를 제공하는 것도 유용할 수 있다. 저장소는 수압관(430)에 의해 유동성 액체를 서로 유체 연통한다. 도시된 바와 같이, 수압관은 U-자형을 이용한다. 다른 모양의 수압관도 유용할 수 있다. 일 실시 예에서, 유동성 액체 분리기(480)는 제1 및 제2 유동성 액체(451 및 455) 사이의 수압관 안에 배치된다. 유동성 액체 분리기는 예를 들어, 두 유동성 액체 사이의 밀도를 갖는 내마소성이 높은 플라스틱으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 분리기는 저밀도 유동성 액체에서는 가라 앉지만 고밀도 유동성 액체 위에 떠 있다. 유동성 액체 분리기는 수압관 내에서 슬라이딩 가능하도록 구성되며, 고밀도 및 저밀도 유동성 액체의 분리를 유지시킨다. 분리기를 사용하면, 고밀도 유동성 액체 내의 작은 입자가 우연히 터빈 장치를 통해 운반되지 않도록 한다.　유동성 액체 분리기의 사용은 또한 도 2 및 3에 설명된 실시 예에도 적용될 수 있다. 시스템은 유동성 액체 분리기가 터빈 (440)에 도달하지 않도록 구성된다. 시스템의 작동은 도 4a 및 도 4b에 설명된 것과 유사하다.
도 4d는 양수발전 시스템(400d)의 다른 실시 예를 도시한다.　도 4d의 시스템은 그림 4a 내지 도 4c에서 설명한 것과 유사하다.　공통 요소는 설명하지 않거나 자세히 설명하지 않을 수 있다.
시스템은 대략 동일한 고도 또는 높이에 위치하는 제1 저장소(410) 및 제2 저장소(420)를 포함한다. 다른 높이에 저장소를 제공하는 것도 유용할 수 있다. 저장소는 수압관(430)에 의해 유체 연통한다.　도시된 바와 같이, 수압관은 U-자형 수압관이다. 도 4b와 유사하게, 수압관은 제1 부분(430a) 및 제2 부분(430b)으로 분할되어 있다. 또한 도 4c와 유사하게, 고밀도 및 저밀도 유체의 분리를 보장하기 위해 유체 분리기(480)가 수압관에 제공된다. 일 실시형태에서, 캐비티 탱크는 유체 분리기가 캐비티 탱크를 통해 수압관의 제1 또는 제2 부분으로 통과할 수 있도록 하는 유체 분리기 케이지(475)로 구성된다.　예를 들어, 케이지는 케이지 외부의 유체 흐름을 허용하고 분리를 유지하면서 유체 분리기의 가이드 역할을 한다.　케이지는 한 세트의 수직 바 또는 측면 오리피스가 있는 천공 파이프일 수 있다.　케이지는 유체 분리기가 캐비티 저장소 위와 아래로 흐를 수 있도록 구성된다.　시스템의 작동은 도　4a 내지 도 4c에 도시되어 있는 것과 유사하다.　또한, 유체 분리기는 도 2 및 도 3에 도시된 시스템 내에 구성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 5는 터빈 장치(240)의 일 실시 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 터빈 장치는 별개의 터빈(554) 및 펌프(556)를 포함한다. 예를 들어, 터빈 장치는 수압관(230)에 결합된 별도의 유동 경로 또는 파이프를 포함한다. 도시된 바와 같이, 터빈 장치는 펌프 경로(546) 및 터빈 경로(542)를 포함한다.　도 2 및 도 3 그리고 도 4a 내지 도 4d에 도시되어 있는 적용에서, 수압관의 상단은 저밀도 유체를 포함하는 제2 또는 하위 저장소에 연결되는 반면, 수압관의 하단은 직접 또는 간접적으로 캐비티 탱크를 통해 고밀도 유체를 포함하는　제1 또는 상위 저장소에 연결된다.　예를 들어, 수압관의 상단은 터빈 출구(561)이고, 수압관의 하단은 터빈 입구(562)이다. 논의된 바와 같이, 시스템은 고밀도 유체가 터빈 유닛과 접촉하지 않도록 구성된다. 예를 들어, 저밀도 유체만이 터빈 장치를 통해 흐른다.
발전 모드에서, 물과 같은 저밀도 유동성 액체는 상향 화살표로 지시되어 있는 바와 같이, 하부 리저버를 향하여 위쪽으로 터빈 경로를 통해 가압된다. 이로 인해 터빈이 제 1 방향으로 회전하여 전력을 생성한다. 재충전 모드에서, 저밀도 유동성 액체는, 하향 화살표로 표시된 바와 같이, 펌프 경로를 통해 상위 저장소를 향해 아래쪽으로 다시 양수된다.　이로 인해 고밀도 유체가 상위 저장소로 다시 밀려 시스템을 재충전한다.
이와 같이 시스템이 설명된 예처럼, 고밀도 유동성 액체를 사용하면 출력이 향상된다.　동일한 고도에 있는 제1 및 제2 대기압 탱크 및 도 4b와 도 4d에 도시되어 있는 시스템과 같이 아래에 고압 캐비티 탱크를 포함하는 평평한 지형에서 고밀도 유체와 물과 같은 저밀도 유체를 갖는 바이너리 유체 시스템을 사용하는 시스템의 경우, 캐비티 탱크 바닥에서의 압력은 고밀도 유체=c*H*dl 칼럼에 의해 가해지는 압력이고, 터빈 입구의 압력은 cHdl-cHd2=cH(dl-d2)이다.
여기서, H는 제1(고밀도 유체) 저장소와 가압된 캐비티 탱크 사이의 높이 차이이고,
dl은 고밀도 유체의 밀도,
d2는 저밀도 유체의 밀도이며,
c는 상수이다.
시스템에 의해 생산된 전력 P는 유동량 Q와 터빈 입구의 압력에 비례하며, P=k *Q*cH(d1-d2)로 정의할 수 있다.　여기서 k는 상수이다. 고밀도 유동성 액체 밀도가 저밀도 유동성 액체 밀도의　 3배인 경우, 바이너리 유체 시스템을 사용하면, 출력이 약 2배 증가한다.　설명한 바와 같이, 시스템에 고밀도 유동성 액체를 사용할 경우 전력 출력을 향상시킨다.　　
다른 높이의 제1 및 제2 대기압 탱크와 도 2 및 도 3에 설명된 시스템과 같이 아래의 고압 캐비티 탱크를 포함하는, 고밀도 유체 및 물과 같은 저밀도 유체를 사용하는 경우, 가압된 캐비티 탱크의 바닥에서의 압력은　cHdl이고, 터빈 입구의 압력은 cHdl-chd2이다. 여기서 h는 캐비티 탱크와 제2(저밀도 유체) 저장소 사이의 높이 차이이다.　시스템에 의해 생성된 전력은 P=k*Q*(cHdl-chd2)으로 정의될 수 있다. 만약　H가 h보다 훨씬 크면, 고밀도 유체만 사용하고 터빈을 통해 물만 통과시키는 것과 거의 같은 전력을 얻는다.
본 개시의 발명의 개념은 본 발명의 사상 또는 필수적인 특징을 벗어나지 않고 다른 특정한 형태로 실시될 수 있다.　따라서, 전술한 실시형태는 본 명세서에 설명된 발명을 제한하기보다는 예시적인 측면인 것으로 고려되어야 한다.　따라서, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 첨부된 청구 범위에 의해 표시되며, 청구 범위와 동등한 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경은 여기에 포함되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 양수식 수력 발전 시스템으로, 상기 시스템은,
    제1 저장소로, 고밀도 유체를 포함하도록 구성되고, 제1 저장소의 바닥에 위치하는 제1 저장소 유동 포트를 포함하는, 제1 저장소;
    제2 저장소로, 제2 저장소는 상기 고밀도 유체보다 밀도가 작은 저밀도 유체를 포함하도록 구성되고, 제2 저장소의 바닥에 위치하는 제2 저장소 유동 포트를 포함하는, 제2 저장소;
    캐비티 탱크 높이에 위치하는 캐비티 탱크로, 제1 저장소의 제1 높이가 캐비티 탱크의 캐비티 탱크 높이보다 높고, 캐비티 탱크는 상부 캐비티 탱크 포트 및 하부 캐비티 탱크 포트를 구비하게 구성되되, 상부 캐비티 탱크 포트가 하부 캐비티 탱크 포트보다 위에 위치하는, 캐비티 탱크;
    터빈 유닛으로, 터빈 유닛은 제1 터빈 유닛 유동 포트 및 제2 터빈 유닛 유동 포트를 포함하고, 제2 터빈 유닛 유동 포트는 제2 저장소 유동 포트에 체결되어 있는, 터빈 유닛;
    수압관으로, 상기 수압관은,
    제1 저장소 유동 포트 및 하부 캐비티 탱크 포트에 연결되어 있는 수압관의 제1 부분으로, 수압관의 제1 부분의 가장 낮은 부분이 캐비티 탱크의 바닥 아래에 있는, 수압관의 제1 부분, 및
    상부 캐비티 탱크 포트 및 제1 터빈 유닛 유동 포트에 결합된 수압관의 제2 부분을 포함하는, 수압관을 포함하되,
    고밀도 유체는 캐비티 탱크 내에서 저밀도 유체 아래에 위치하고,
    고밀도 유체는 저밀도 유체와 직접 접촉하고 있으며,
    발전 모드에서, 고밀도 유체는 수압관을 통과하여 캐비티 탱크를 향해 그리고 제2 저장소를 향해 유동하여 저밀도 유체가 터빈을 통과하여 제2 저장소 안으로 흐르도록 강제하여, 저밀도 유체가 제1 방향으로 터빈 유닛을 회전시켜 발전하게 하고,
    재충전 모드에서, 터빈 유닛은 저밀도 유체를 제2 저장소로부터 수압관을 통해 제1 저장소로 펌핑하여 고밀도 유체가 다시 제1 저장소 안으로 유동하도록 강제시키며, 및
    저밀도 유체 및 고밀도 유체는 고밀도 유체가 터빈 유닛을 통과하는 것을 방지하게 구성된 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 저장소의 제1 높이가 제2 저장소의 제2 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 저장소의 제1 높이와 제2 저장소의 제2 높이가 대략적으로 동일한 고도에 있는 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 저장소 및 제2 저장소가 원통형 대기압 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    고압 캐비티 탱크는 구형 고압 캐비티 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    고밀도 유체는 입자가 있는 슬러리를 포함하는 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    슬러리가 금속 산화물 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    슬러리는 50 내지 80% 입자를 포함하고; 및
    입자 크기는 수 마이크론 내지 수백 마이크론 범위인 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    슬러리가 마그네타이트 입자를 포함하여 마그네타이트 슬러리를 형성하는 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    저밀도 유체는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    고밀도 유체의 밀도가 저밀도 유체의 밀도보다 적어도 3배 큰 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    제2 저장소의 제2 저장소 높이가 캐비티 탱크 높이와 거의 동일한 고도에 위치하는 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    제2 저장소의 제2 저장소 높이가 캐비티 탱크 높이보다 높은 고도에 위치하는 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    터빈 유닛이 터빈 및 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 양수식 수력 발전 시스템.
  15. 양수식 수력 발전 시스템에서 전력을 생산하는 방법으로,
    고밀도 유체를 보유하는 제1 저장소, 저밀도 유체를 보유하는 제2 저장소, 제1 저장소의 제1 저장소 높이 및 제2 저장소의 제2 저장소 높이보다 낮은 캐비티 탱크 높이에 위치하는 캐비티 탱크, 제2 저장소 근방에 체결된 터빈 유닛 및 시스템 내에서 유체 연통을 제공하기 위한 수압관을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 수압관은,
    제1 저장소를 캐비티 탱크의 하부 부분에 체결하는 제1 수압관 부분, 및
    캐비티 탱크의 상부 부분을 터빈 유닛과 제2 저장소에 체결하는 제2 수압관 부분을 포함하고,
    발전 모드에서, 고밀도 유체를 제1 저장소로부터 수압관을 통해 제2 저장소를 향해 유동시켜, 저밀도 유체가 제2 저장소 내로 강제로 유동되어 터빈을 제1 방향으로 회전시킴으로써 전력을 생산하고;
    재충전 모드에서, 터빈 유닛에 의해 저밀도 유체를 수압관을 통해 제1 저장소를 향해 유동시켜 고밀도 유체가 제1 저장소 내로 강제로 유동되어 양수식 수력 발전 시스템을 재충전하며; 및
    고밀도 유체는 캐비티 탱크 내에서 저밀도 유체 아래에 위치하고,
    고밀도 유체는 저밀도 유체와 직접 접촉하고 있으며,
    저밀도 유체와 고밀도 유체가 양수식 수력 발전 시스템을 통해 순환하되, 고밀도 유체는 터빈 유닛을 통과하지 않도록 구성되어 있는 것;을 포함하는 전력 생산 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    고밀도 유체의 밀도가 저밀도 유체의 밀도보다 적어도 3배 큰 것을 특징으로 하는 전력 생산 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    제1 저장소의 제1 저장소 높이가 제2 저장소의 제2 저장소 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 전력 생산 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    제1 저장소의 제1 저장소 높이가 제2 저장소의 제2 저장소 높이와 거의 동일한 고도에 있는 것을 특징으로 하는 전력 생산 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    제2 저장소의 제2 저장소 높이가 캐비티 탱크 높이와 거의 동일한 고도에 위치하는 것을 특징으로 하는 전력 생산 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    제2 저장소의 제2 저장소 높이가 캐비티 탱크 높이보다 높은 고도에 위치하는 것을 특징으로 하는 전력 생산 방법.
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