KR20110100137A - 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기압 에너지 저장장치에 관한 것으로, 바닥면이 개방되고 내부에 물과 압축공기가 저장되는 탱크; 일단은 상기 탱크의 개방된 바닥면을 통해 탱크 내부에 배치되고, 타단은 외부에 배치되어 압축공기를 탱크 내부로 공급하는 흡기관; 상기 탱크 내부의 압축공기를 상기 탱크 외부로 배출되는 배기관; 및 상기 탱크의 하측에 구비되어, 상기 탱크를 바닥에 고정하는 고정부재;를 포함하고, 상기 탱크는 일부 또는 전체가 수면 아래로 잠겨있는 것을 특징으로 하는 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치를 제공한다.
본 발명은, 이와 같은 구성에 의해서, 압축공기를 이용하여 저장하는 탱크는 물의 수압과 부력이라는 자연원리를 이용하므로 공기를 압축할 때 발생하는 높은 열을 방지할 수 있고, 고압탱크 폭발 등의 위험요소를 수압을 이용하여 비교적 용이하게 제거할 수 있고, 에너지 저장시설을 대형으로 제작하는 것이 가능하며, 특히 이들 고압상태의 압축공기를 대용량으로 저장하는 것이 가능하며, 이와 같이 얻어진 압축공기를 발전시스템에 적용하여 전기와 같은 다른 형태의 에너지로 변환시키는 것이 가능하다.

Description

수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치{Apparatus for storing air pressure energy by using hydraulic pressure}

본 발명은 공기압 에너지 저장장치에 관한 것으로, 특히 압축공기를 수압을 이용하여 집합 저장시켜서 공기압 에너지 형태로 보관 및 사용이 가능하도록 구성된 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치에 관한 것이다.

에너지의 급격한 수요에 따라 근래 들어 석탄, 석유 및 천연가스등의 화석연료 부족 현상이 심화되고, 환경오염이 점차 사회적 문제로 대두되고 있으며, 이와 같은 문제점을 해결하고자 에너지 효율이 높고 환경오염이 적은 다양한 친환경적인 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다.

일반적으로 자연환경을 이용하여 에너지를 얻는 방법으로서 수위차(水位差)를 이용하는 수력발전, 바람을 이용한 풍력발전, 태양에너지를 이용한 태양열발전, 바다에서 발생하는 파도의 힘을 이용하는 파력발전등의 여러 가지 방법이 있다.

이와 같은 발전방식에 있어서 상기 수력발전의 경우, 댐을 건설하여 풍족한 유량(流量)을 확보해야 하고, 낙하된 후의 물을 재사용하기 어려우며, 갈수기 및 결빙기에는 유수량이 적어 전력생산에 차질이 생기는 단점이 있다.

또한, 풍력발전이나 태양열 발전도 수시로 변하는 자연현상 및 기상의 변화에 영향을 크게 받게 되고, 설치장소의 지형적 제한이 있으며, 원자력 발전과 화력발전은 환경오염 물질을 배출하는 단점이 있다.

한편, 콤프레셔(compressor) 또는 실린더(cylinder)와 같은 공기압축수단을 통해 생산되는 압축공기(壓縮空氣)는 발전시설이나 축전설비에 사용 가능한 에너지원으로서, 종래에는 이를 에너지 형태로 보관하기 위한 별도의 장치가 구비되어 있지 않으므로, 이러한 공기압 에너지 저장장치의 개발이 시급한 실정에 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점과 필요성을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 공기압축수단을 통해 생산된 압축공기의 저장이 가능한 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기와 같이 얻어진 압축공기를 발전시스템에 적용하여 전기와 같은 다른 형태의 에너지로 변환시키는 것이 가능한 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치를 제공하는 데 있다.

본 발명은, 바닥면이 개방되고 내부에 물과 압축공기가 저장되는 탱크(200); 일단은 상기 탱크의 개방된 바닥면을 통해 탱크 내부에 배치되고, 타단은 외부에 배치되어 압축공기를 탱크 내부로 공급하는 흡기관(210); 상기 탱크 내부의 압축공기를 상기 탱크 외부로 배출되는 배기관(230); 및 상기 탱크의 하측에 구비되어, 상기 탱크를 바닥에 고정하는 고정부재(270);를 포함하고, 상기 탱크는 일부 또는 전체가 수면 아래로 잠겨있는 것을 특징으로 하는 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치를 제공한다.

또한, 본 발명은, 바닥면이 개방되고 내부에 물과 압축공기가 저장되는 탱크(300); 일단은 상기 탱크의 개방된 바닥면을 통해 탱크 내부에 배치되고, 타단은 외부에 배치되어 압축공기를 탱크 내부로 공급하는 흡기관(310); 상기 탱크 내부의 압축공기를 상기 탱크 외부로 배출되는 배기관(330);을 포함하고, 상기 탱크(300)는 물속에서 부유하는 것을 특징으로 하는 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치를 제공한다.

상기 흡기관에는 흡기관을 선택적으로 개방 또는 폐쇄하기 위한 제 1체크밸브가 설치되고, 상기 배기관에는 배기관을 통해 이동하는 공기가 역류되는 것을 방지하는 제 2체크밸브가 설치된다.

상기한 바와 같은 본 발명의 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

콤프레셔 또는 실린더와 같은 공기압축수단을 통해 압축공기를 생산한 후 이를 저장하는 것이 가능하고, 특히 이들 고압상태의 압축공기를 대용량으로 저장하는 것이 가능하며, 이와 같이 얻어진 압축공기를 발전시스템에 적용하여 전기와 같은 다른 형태의 에너지로 변환시키는 것이 가능하다.

또한, 압축공기를 이용하여 저장하는 탱크는 물의 수압과 부력이라는 자연원리를 이용하므로 공기를 압축할 때 발생하는 높은 열을 방지할 수 있고, 진공탱크나 고압탱크에는 폭발 등에 대비하여 엄격한 규격이 필요하지만 수압을 이용하는 경우에는 이러한 위험요소를 비교적 용이하게 제거할 수 있고, 에너지 저장시설을 대형으로 제작하는 것이 가능하다.

또한, 갑자기 많은 양의 공기압을 사용하여 탱크 내부 압력이 급격히 떨어지는 경우에도 물의 수압에 의해서 적정 압력을 유지하는 것이 가능한 등의 유리한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치를 나타낸 사시도이며,
도 2 내지 도 3은 도 1의 공기압 에너지 저장장치 일부 구성의 측단면도이며,
도 4 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치를 나타낸 측단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치를 설명하기로 한다.

제1실시예

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치를 나타낸 사시도이며, 도 2 내지 도 3은 상기 공기압 에너지 저장장치 일부 구성의 측단면도이다.

도 1 내지 도 3의 그림을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치는 댐이나 바다와 같은 수중(W)에 설치된다. 수중에 완전히 잠기도록 설치될 수도 있고 또는 상측 일부는 물의 표면 위로 나오도록 설치될 수도 있다. 도 1에서는 설명의 편의를 위해 탱크의 일부만 물속에 잠긴 모습을 도시하고 있고, 도 2에서는 설명의 편의상 탱크 전체가 물속에 잠긴 모습을 도시하고 있다. 본 실시예에 따른 공기압 에너지 저장장치를 보면, 공기를 저장하는 탱크(200), 탱크 내부로 공기를 유입시키는 흡기관(210), 탱크 외부로 공기를 배출하는 배기관(230), 등을 포함한다.

상기 탱크(200)는 대략 직육면체 형상으로 만들거나 또는 원통형으로 만들 수도 있으며, 상기 탱크의 바닥면은 개방되어 물이 자유롭게 드나들 수 있도록 된다. 상기 탱크의 하측에는 탱크를 바닥에 고정하는 고정부재(270)가 배치되며, 상기 고정부재는 볼트 등의 다양한 연결수단에 의해서 상기 탱크를 수중의 바닥에 고정한다.

상기 탱크의 측면에 상하로 흡기관(210)이 배치된다. 흡기관의 일단은 상기 탱크(200)의 아래쪽 물속에 배치된다. 즉, 상기 흡기관의 일단은 탱크의 개방된 하부를 지나서 탱크 내부에 배치될 수도 있고(도 2참조), 탱크의 하단 아래쪽에 배치될 수도 있다(도 3참조).

다시 말하면, 도 2에서와 같이 흡기관의 일단이 탱크 내부에 저장된 물속에 위치하여, 상기 흡기관(210)의 일단에서 나온 공기는 자체 부력의 힘으로 위쪽으로 이동하여 탱크 속에 저장된다. 또는 도 3에서와 같이 흡기관의 일단이 탱크의 하단 바로 아래쪽에 배치된 경우에도 상기 흡기관(210)의 일단에서 나온 공기는 자체 부력의 힘으로 위쪽으로 이동하여 탱크 속에 저장된다. 그리고 흡기관(210)의 타단은 외부 공기 유입장치에 연결된다. 외부 공기 유입장치는 콤프레셔 또는 실린더로 구성되는 공기압축수단이다. 도 1에서는 상기 흡기관(210)이 두 개만 도시되어 있으나, 이것은 예시적인 그림이며 흡기관(210)은 필요에 따라 많은 수의 작은 파이프 형태로 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 흡기관(210)상에는 흡기관을 선택적으로 개방 또는 폐쇄하기 위한 제 1체크밸브(215)가 설치되어 있고, 제 1체크밸브는 흡기관을 통해서 공기가 탱크 속으로 유입될 수는 있으나, 흡기관을 통해 탱크 내부 공기가 배출될 수는 없도록 된다. 탱크의 바닥면은 개방되어 있어서 물이 탱크의 외부와 내부로 자유롭게 소통하며 이동할 수 있고, 탱크 내에서 상측에 저장된 공기의 압력이 상승함에 따라 탱크 내부 물의 높이는 아래로 내려가게 된다. 이렇게 탱크 내부에 저장된 물의 수면이 상하로 이동하면서 압력이 자동으로 조절된다.

또한, 상기 탱크(200)의 상측에는 탱크 내부의 압축공기를 배출하기 위한 배기관(230)이 설치된다. 상기 배기관(230)의 일단은 상기 탱크의 상측을 관통하여 탱크(200)내에 삽입되고, 배기관(230)의 타단은 연결구(240)를 통해서 압축공기를 필요로 하는 외부 장치 즉, 발전기에 연결되어 전기를 생산하는 등의 일을 할 수 있다. 그리고, 상기 배기관(230)에는 배기관을 통해 이동하는 공기가 역류되는 것을 방지하는 제 2체크밸브(235)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 탱크의 상측에는 압력을 조절할 수 있는 압력조절관(260)이 구비될 수 있고, 상기 압력조절관에는 탱크 내부 압력을 보여주는 압력게이지(265)가 설치된다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 콤프레셔, 실린더등과 같은 공기압축수단을 통해 압축공기가 생산되면, 상기 압축공기는 흡기관(210)을 통해 상기 탱크(200)의 내부로 유입된다. 내부로 유입된 공기는 탱크 내에서 부력에 의해 위로 상승하여 상기 탱크(200)의 상측 내부에 저장된다. 유입되는 공기가 증가함에 따라 축적되는 공기량이 늘어나고 압력이 높아지면서 탱크 내부의 수면은 아래로 내려간다.

이와 같이 하여 탱크(200) 내부에 압축공기가 완전히 충진된 상태에서 상기 제 1체크밸브(215)는 상기 흡기관(210)을 폐쇄시킨다. 탱크 내부의 공기는 아래쪽에 존재하는 물에 의해 수압을 받게 되며 일정한 고압상태를 유지하게 된다.

이후, 탱크 내부에 저장된 압축공기를 사용할 필요가 있는 경우, 상기 배기관(230)의 제 2체크밸브(235)가 열리고 탱크(200) 내부에 충진된 압축공기는 상기 배기관(230)을 통해 외부로 배출되며, 이와 같이 배출된 압축공기는 후공정에서 전술한 나선형 역풍기 또는 정압기 등 고압공기를 필요로 하는 장치로 유입되고, 이들 장치를 경유하여 일정한 압력으로 분사되면서 발전기 구동에 의해 전기를 생산하거나 축전설비에 축전하는 것이 가능하다.

한편, 압축공기가 탱크(200)에 지속적으로 저장되면, 상기 탱크 내부의 압력이 점차 상승하게 되지만, 설정치 이상의 압력으로 상승하는 경우에는 압력조절관(260)를 통해 탱크 내부의 공기 일부를 외부로 배출시켜서 탱크 내부의 압력을 항상 일정하게 유지시키는 것이 가능하다.

제2실시예

도 4 내지 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치를 나타낸 측단면도이며, 본 실시예에 따른 공기압 에너지 저장장치는 물속에서 바닥에 고정되는 것이 아니라 물의 수면에 떠 있는 부유식으로 구성된다.

본 실시예에 따른 부유식 공기압 에너지 저장장치는 댐이나 바다와 같은 수중에 설치되되, 물의 표면에 부유한 상태로 설치된다. 도 4에서는 탱크의 일부가 물속에 잠긴 모습을 도시하고 있다. 본 실시예에 따른 공기압 에너지 저장장치를 보면, 공기를 저장하는 탱크(300), 탱크 내부로 공기를 유입시키는 흡기관(310), 탱크 외부로 공기를 배출하는 배기관(330) 등을 포함한다.

상기 탱크(300)는 대략 직육면체 형상으로 만들거나 또는 원통형으로 만들 수도 있으며, 상기 탱크의 바닥면은 개방되어 물이 자유롭게 드나들 수 있도록 된다. 그리고, 상기 탱크는 물 위에서 부유하는(떠 있는) 형상이다. 다만, 탱크가 물 위에서 다른 장소로 떠내려가는 것을 방지하기 위해서 로프 등을 이용하여 특정위치에서 머무를 수 있도록 할 수는 있을 것이다. 다시 말하면, 상기 탱크의 측면이나 바닥에 로프(미도시) 등 고정수단을 연결한 후 상기 로프를 도시되지 않은 고정지점에 연결할 수 있을 것이다.

상기 탱크의 측면에 상하로 흡기관(310)이 배치되되, 흡기관의 일단은 상기 탱크(300)의 아래쪽에 배치되고 흡기관(310)의 타단은 외부 공기 유입장치에 연결된다. 상기 흡기관의 일단은 탱크의 개방된 하부를 지나서 탱크 내부에 배치될 수도 있고(도 4 참조), 탱크의 하단 아래쪽에 배치될 수도 있다(도 5 참조).

외부 공기 유입장치는 콤프레셔 또는 실린더로 구성되는 공기압축수단이다. 도 4에서는 상기 흡기관(310)이 하나만 도시되어 있으나, 이것은 예시적인 그림이며 흡기관(310)은 필요에 따라 많은 수의 작은 파이프 형태로 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 흡기관(310)상에는 흡기관을 선택적으로 개방 또는 폐쇄하기 위한 제 1체크밸브(미도시)가 설치되어 있고, 제 1체크밸브는 흡기관을 통해서 공기가 탱크 속으로 유입될 수는 있으나, 흡기관을 통해 탱크 내부 공기가 배출될 수는 없도록 된다. 탱크의 바닥면은 개방되어 있어서 물이 탱크의 외부와 내부로 자유롭게 소통하며 이동할 수 있고, 탱크 내에서 상측에 저장된 공기의 압력이 상승함에 따라 탱크 내부 물의 높이는 아래로 내려가게 된다. 이렇게 탱크 내부에 저장된 물의 수면이 상하로 이동하면서 압력이 자동으로 조절된다.

또한, 상기 탱크(300)의 상측에는 탱크 내부의 압축공기를 배출하기 위한 배기관(330)이 설치된다. 상기 배기관(330)의 일단은 상기 탱크의 상측을 관통하여 탱크(300)내에 삽입되고, 배기관(330)의 타단은 압축공기를 필요로 하는 외부 장치 즉, 발전기에 연결되어 전기를 생산하는 등의 일을 할 수 있다. 그리고, 상기 배기관(330)에는 배기관을 통해 이동하는 공기가 역류되는 것을 방지하는 제 2체크밸브(미도시)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 탱크의 상측에는 압력을 조절할 수 있는 압력조절관(360)이 구비될 수 있고, 상기 압력조절관에는 탱크 내부 압력을 보여주는 압력게이지(365)가 설치된다.

본 제2실시예에 따른 부유식 공기압 에너지 저장장치는, 탱크가 수중의 바닥에 고정되지 않고 물속에서 떠있는(부유하는) 구성만 상이할 뿐 그 밖의 구성요소는 위에서 설명한 제1실시예와 유사하므로 그 밖의 구체적인 내용에 대해서는 중복설명을 피하기 위해서 생략하도록 한다.

이상 설명한 본 발명에 따른 공기압 에너지 저장장치는, 외부에서 공기가 유입되는 유입구는 탱크 하단부의 물속에 설치된다. 유입구에서 나온 공기는 물속에서 나오면 공기방울은 부력에 의해서 상부로 떠 올라 탱크의 상측에 저장되고 계속하여 유입되는 공기에 의해 탱크 내의 공기압력이 높아지면 탱크 내에 있는 물을 아래로 밀어내게 되고 공기압에 따라 탱크 내부의 수위가 상하로 이동하게 된다. 새로 유입되는 압축공기는 물속에서 공급되므로 탱크 내의 높은 공기압을 차단하여 공기압력과는 관계없이 탱크 하부의 깊이에 따른 수압의 영향만을 받게 되므로 공기의 압력이 낮은 저압이라도 비교적 쉽게 탱크 내부로 공기를 공급할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치를 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않으며 그 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims (4)

1. 바닥면이 개방되고 내부에 물과 압축공기가 저장되는 탱크(200);
   일단은 상기 탱크의 아래쪽 물속에 배치되고, 타단은 외부에 배치되어 압축공기를 탱크 내부로 공급하는 흡기관(210);
   상기 탱크 내부의 압축공기를 상기 탱크 외부로 배출되는 배기관(230); 및
   상기 탱크의 하측에 구비되어, 상기 탱크를 바닥에 고정하는 고정부재(270);를 포함하고,
   상기 탱크는 일부 또는 전체가 수면 아래로 잠겨있고, 상기 흡기관의 일단에서 나온 공기는 부력에 의해 상승하여 상기 탱크의 내부 상측에 저장되는 것을 특징으로 하는 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치.
   
2. 바닥면이 개방되고 내부에 물과 압축공기가 저장되는 탱크(300);
   일단은 상기 탱크의 아래쪽 물속에 배치되고, 타단은 외부에 배치되어 압축공기를 탱크 내부로 공급하는 흡기관(310);
   상기 탱크 내부의 압축공기를 상기 탱크 외부로 배출되는 배기관(330);을 포함하고,
   상기 탱크(300)는 물속에서 부유하고,
   상기 흡기관의 일단에서 나온 공기는 부력에 의해 상승하여 상기 탱크의 내부 상측에 저장되는 것을 특징으로 하는 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치.
   
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 흡기관에는, 흡기관을 선택적으로 개방 또는 폐쇄하기 위한 제 1체크밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 배기관에는, 배기관을 통해 이동하는 공기가 역류되는 것을 방지하는 제 2체크밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 수압을 이용한 공기압 에너지 저장장치.
   
   
   

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