KR20120051631A - System for storing and transforming energy by using fluid compression type - Google Patents

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박훈재
최태훈
김응주
이종섭
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한국생산기술연구원
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Abstract

PURPOSE: A fluid compression-type energy storage and a conversion system is provided to produce electricity steadily and independently without outside power by utilizing stored energy in a could. CONSTITUTION: A fluid compression-type energy storage and a conversion system comprise an energy absorbing unit, a liquid compression/storage unit(500), a gas compression/storage unit(300), power conversion/generation unit(400), and a heat exchange/storage unit(500). The liquid compression/storage unit converts the energy of the energy absorbing unit into high-pressure liquid energy. The gas compression/storage unit comprise a gas compression pump(310) and a gas storage tank(320). The gas compression pump compresses the gas by using the high-pressure liquid energy. The gas storage tank stores high-pressure gases discharged from the gas compression pump. The gas compression/storage unit converts the high-pressure liquid energy of the liquid compression/storage unit into high-pressure gas energy. The power conversion/generation unit converts the high-pressure gas energy of the gas compression/storage unit into the electrical energy by using the high-pressure gas discharged from the gas storage tank. The heat exchange/storage unit transfers heat energy to the power conversion/generation unit by heat-exchanging with the gas compression/storage unit.

Description

유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템{SYSTEM FOR STORING AND TRANSFORMING ENERGY BY USING FLUID COMPRESSION TYPE}Fluid Compressed Energy Storage and Conversion System {SYSTEM FOR STORING AND TRANSFORMING ENERGY BY USING FLUID COMPRESSION TYPE}

본 발명은 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템에 관한 것으로, 구체적으로 풍력, 해양, 소수력 등 운동에너지 형태를 갖는 신재생 에너지원을 이용하여 일차로 액체를 압축시킨 후, 압축된 유체를 이용하여 고압의 기체로 압축시켜 저장하고, 저장된 고압의 기체를 이용하여 에너지 수요 발생시에 전기에너지로 변환하는 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fluid compression energy storage and conversion system, and in particular, after compressing a liquid primarily using a renewable energy source having a kinetic energy form such as wind, ocean, hydrophobic force, and the like, using a compressed fluid The present invention relates to a fluid compression energy storage and conversion system that compresses and stores gas into and converts into electrical energy when an energy demand occurs by using a stored gas of high pressure.

환경에 대한 관심이 점차 증가하면서, 석탄, 석유, 원자력 등의 에너지를 대체하는 환경오염을 유발하지 않는 에너지 발전 방법에 대한 기대 또는 관심이 날로 증가하고 있다. 또한, 최근의 유류를 포함한 원자재의 급등에 따라서 전력 생산에 막대한 추가 비용이 소요되며, 추가 비용은 고스란히 소비자에게 전기 사용료의 인상으로 전가되고 있는 환경에서, 발전에 따른 추가 비용이 소요되지 않는 발전 방법에 대한 관심이 폭발적으로 증가하고 있다. 이러한 발전 방법 중 대표적인 것으로서 태양광 발전과 풍력 발전 방법을 들 수 있다.With increasing environmental concern, expectations and interest in energy generation methods that do not cause environmental pollution that replace energy such as coal, oil and nuclear power are increasing day by day. In addition, the recent surge in raw materials, including oil, will require enormous additional costs for power generation, and the additional cost will be passed on to the consumer by raising the electricity bill. There is an explosion of interest in. Typical examples of such power generation methods are solar power generation and wind power generation methods.

태양광 발전은 태양광을 광전 효과에 의하여 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 방식이다. 태양광 발전시스템은 태양 전지로 구성된 모듈과 축전지 및 전력 변환 장치로 구성된다. 태양광 발전방식은 에너지원이 청정이고 무제한이며, 유지 보수가 용이할 뿐만 아니라 수명이 긴 장점이 있다. 그러나, 태양광 발전방식은 전력 생산량이 일사량에 의존할 수밖에 없으며, 에너지 밀도가 낮은 등의 문제점을 갖는다.Photovoltaic power generation is a power generation method that converts sunlight directly into electrical energy by the photoelectric effect. The photovoltaic power generation system consists of a module composed of solar cells, a storage battery and a power converter. Photovoltaic power generation has the advantages of clean and unlimited energy source, easy maintenance and long life. However, the photovoltaic power generation method is inevitably dependent on the amount of solar radiation, there is a problem such as low energy density.

한편, 풍력 발전은 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기 역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적 에너지로 변환한 후, 변환된 기계적 에너지로부터 전기를 생산하는 발전 방식이다. 풍력 발전 시스템은 태양광 발전 방식과 마찬가지로, 풍력 발전 방식 역시 에너지원이 청정이며 무제한인 장점이 있다. 그러나, 풍력 발전 방식은 바람의 방향과 속도가 일정하지 않아서 항상 양질의 발전 성능을 기대할 수 없는 문제점을 갖는다.On the other hand, wind power generation is a power generation method that generates electricity from the converted mechanical energy after converting the rotor into mechanical energy by rotating the rotor using the aerodynamic characteristics of the kinetic energy of the air flow. Like the solar power generation system, the wind power generation system has the advantage that the energy source is clean and unlimited. However, the wind power generation method has a problem in that the direction and speed of the wind is not constant so that high quality power generation performance cannot always be expected.

또한, 이러한 종래의 발전시스템은 자연의 에너지원으로부터 직접 전기에너지를 생성하는 방법으로서 전력을 안정적으로 공급할 수 없는 문제점을 안고 있다. 다시 말해서, 풍력, 해양, 태양열, 소수력, 태양광 등 신재생 에너지원은 예측 불가능, 심한 가변성, 저에너지 밀도 및 공간분산성의 특성을 가지므로, 정출력 발전이 불가능하며, 기존 전력망에 계통연계하기에는 전력 품질이 낮아서, 신재생 에너지원으로부터 기존 전력망에 계통연계할 수 있는 안정적이고 정격적인 전력 생산을 가능하게 할 새로운 방법이 필요한 실정이다.In addition, such a conventional power generation system has a problem in that it is not possible to stably supply power as a method of generating electrical energy directly from a natural energy source. In other words, renewable energy sources such as wind, ocean, solar, hydropower, solar, etc. have unpredictable, severe variability, low energy density, and spatial dissipation characteristics, so that constant power generation is not possible, and power is not available for grid connection to the existing grid. Due to the low quality, new methods are needed to enable stable and rated power generation that can be grid-connected from renewable energy sources to existing grids.

따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 고려하여, 풍력 및 해양 등 에너지(예를 들면, 운동에너지) 형태를 갖는 신재생 에너지원으로부터 높은 에너지 밀도와 우수한 에너지 저장 효율로 에너지를 저장하였다가, 예측 가능하고, 필요할 때 언제든지 사용할 수 있는 정출력 고품질의 전기에너지로 변환시켜서, 풍력 및 해양 등 신재생 에너지원을 이용하는 경우 발전 분야의 최대 걸림돌인 발전되는 전기의 예측 불가, 불연속성 및 가변성에 기인한 낮은 산업적 활용성을 극복할 수 있는 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템을 제공한다.Therefore, in view of the above-described problems, the present invention stores energy at high energy density and excellent energy storage efficiency from renewable energy sources having energy (eg, kinetic energy) forms such as wind and ocean, and predicts the energy. And convert it into constant-power high-quality electrical energy that can be used whenever needed, and low industrial performance due to unpredictable, discontinuity and variability of generated electricity, which is the biggest obstacle in the power generation field when using renewable energy sources such as wind and ocean It provides a fluid compression energy storage and conversion system that can overcome the utility.

상기한 과제를 해결하고자 본 발명의 일측면에 따르면, 에너지 흡수부;According to an aspect of the present invention to solve the above problems, the energy absorbing unit;

상기 에너지 흡수부에서의 에너지를 고압의 액체에너지로 변환시키는 액체 압축/저장부; 상기 고압의 액체에너지를 이용하여 기체를 압축하는 기체 압축 펌프와 상기 기체 압축 펌프로부터 배출된 고압 기체를 저장하는 기체 저장 탱크를 구비하며, 상기 액체 압축/저장부에서의 고압 액체에너지를 고압의 기체에너지로 변환시키는 기체 압축/저장부; 상기 기체 저장 탱크로부터 배출되는 고압의 기체를 이용하여, 상기 기체 압축/저장부에서의 고압 기체에너지를 전기에너지로 변환시키는 동력 변환/발전부; 및 상기 기체 압축/저장부와 열교환을 수행하여 생성된 열에너지를 상기 동력 변환/발전부에 전달하는 열 교환/저장부를 포함하며, 상기 열 교환/저장부는 상기 기체 압축 펌프로부터 배출되는 기체로부터 회수한 열에너지와 상기 기체 저장 탱크로부터 유입되는 기체로부터 회수한 열에너지를 각각 상기 기체 저장 탱크로부터 배출되는 고압의 기체로 전달하는 것을 특징으로 하는 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템이 제공된다.A liquid compression / storage unit for converting energy in the energy absorbing unit into high pressure liquid energy; A gas compression pump for compressing gas using the high pressure liquid energy and a gas storage tank for storing the high pressure gas discharged from the gas compression pump, the high pressure liquid energy in the liquid compression / storage unit is a high pressure gas A gas compression / storage unit for converting energy into energy; A power conversion / power generation unit for converting the high pressure gas energy in the gas compression / storage unit into electrical energy by using the high pressure gas discharged from the gas storage tank; And a heat exchange / storage unit configured to transfer heat energy generated by performing heat exchange with the gas compression / storage unit to the power conversion / generation unit, wherein the heat exchange / storage unit recovers gas from the gas discharged from the gas compression pump. Provided is a fluid compression energy storage and conversion system for transferring thermal energy and thermal energy recovered from a gas flowing from the gas storage tank into high pressure gas discharged from the gas storage tank, respectively.

상기 에너지 흡수부는 바람을 이용하는 산간이나 해양에서의 풍력발전, 조류발전, 태양열 발전, 소수력발전, 및 지열발전 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.The energy absorbing unit may be made of any one of wind power generation, tidal power generation, solar power generation, small hydro power generation, and geothermal power generation in the mountains or the ocean using the wind.

상기 액체 압축/저장부는, 상기 에너지 흡수부에서의 에너지를 고압의 액체에너지로 변환시키며 상기 에너지 흡수부에 배치되는 액체 압축펌프; 및 상기 변환된 고압 액체를 저장하는 고압 액체 저장탱크를 포함할 수 있다.The liquid compression / storage unit may include: a liquid compression pump configured to convert energy from the energy absorber into high pressure liquid energy and be disposed in the energy absorber; And it may include a high pressure liquid storage tank for storing the converted high pressure liquid.

상기 동력 변환/발전부는, 상기 기체 압축/저장부에서 배출된 고압 기체의 에너지를 이용하여 기계적 에너지로 변환시키는 터빈; 및 상기 터빈에 의해 구동되어 전기에너지를 발생시키는 발전기를 포함할 수 있다.The power converter / power generation unit, the turbine for converting the mechanical energy using the energy of the high-pressure gas discharged from the gas compression / storage unit; And a generator driven by the turbine to generate electrical energy.

상기 열 교환/저장부는, 상기 기체 압축/저장부와 열교환을 수행하는 열교환기; 및 상기 열교환기로부터 흡수된 열을 저장하는 열 저장탱크를 포함할 수 있다.The heat exchange / storage unit may include: a heat exchanger performing heat exchange with the gas compression / storage unit; And it may include a heat storage tank for storing the heat absorbed from the heat exchanger.

상기 기체 압축/저장부에서는 복수의 기체 압축펌프를 이용하여 고압 액체를 300기압의 고압 기체가 되도록 다단 압축을 수행할 수 있다.In the gas compression / storage unit, multi-stage compression may be performed so that the high pressure liquid becomes a high pressure gas of 300 atm using a plurality of gas compression pumps.

상기 액체 압축/저장부, 상기 기체 압축/저장부, 상기 동력 변환/발전부 및 상기 열 교환/저장부는 지상에 설치될 수 있다.The liquid compression / storage unit, the gas compression / storage unit, the power conversion / generation unit, and the heat exchange / storage unit may be installed on the ground.

상기 액체 압축펌프는 피스톤식 압축펌프일 수 있다.The liquid compression pump may be a piston type compression pump.

상기 기체 압축펌프는 유압식 기체 압축펌프이고, 상기 기체 저장탱크는 비금속 라이너 복합재료로 이루어질 수 있다.The gas compression pump is a hydraulic gas compression pump, the gas storage tank may be made of a non-metal liner composite material.

상기 에너지 흡수부가 태양열과 접목될 수 있다.The energy absorber may be combined with solar heat.

본 발명에 의하면 우수한 품질의 전력을 안정적으로 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 발전 전력의 불안정 및 비정격성을 해소할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible not only to stably supply power of excellent quality, but also to solve the instability and non-rating of the generated power.

또한, 본 발명은 고압의 기체로 에너지를 저장하여 이용하는 간접발전 형태이므로, 섬이나 오지 등에서 신재생 에너지원을 활용하고자 할 때, 신재생 에너지 발전이 불가능한 경우(예를 들면, 풍력의 경우에 바람이 없는 날, 태양광 발전의 경우에 야간 혹은 흐린 날)에도 저장된 에너지를 활용하여 수요에 대응한 안정적인 발전이 가능하므로 외부전력 없이 독립적인 발전을 할 수도 있다.In addition, the present invention is a form of indirect power generation by using the energy stored in the high-pressure gas, so when using renewable energy sources in islands and remote areas, when renewable energy generation is impossible (for example, wind in the wind In the absence of day, in the case of photovoltaic power generation (night or cloudy day), it is possible to use the stored energy to generate stable power in response to demand, so that independent power generation can be performed without external power.

도 1은 본 발명에 따른 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템의 계통도이다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장시스템이 있는 경우와 종래의 에너지 저장시스템이 없는 경우의 비교를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 에너지 저장시스템이 있는 경우와 종래의 에너지 저장시스템이 없는 경우의 다른 비교를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장시스템이 있는 경우와 종래의 에너지 저장시스템이 없는 경우의 발전전력의 차이를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 에너지 저장 및 변환시스템에서 기체 압축에 따른 차이점을 나타내기 위해 풍력발전에 적용한 경우를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템에서 에너지 저장이 있는 경우와 종래의 에너지 저장시스템이 없는 경우를 나타낸 플로우차트이다.
도 8은 본 발명에 따른 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템을 담수화설비에 적용한 다른 예를 나타낸 계통도이다.
도 9는 본 발명에 따른 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템을 태양열 발전에 적용한 또 다른 예를 나타낸 계통도이다.1 is a conceptual diagram of a fluid compression energy storage and conversion system according to the present invention.
2 is a system diagram of a fluid compression energy storage and conversion system according to the present invention.
3 is a view showing a comparison between when there is an energy storage system according to the present invention and when there is no conventional energy storage system.
4 is a view showing another comparison between when there is an energy storage system according to the present invention and when there is no conventional energy storage system.
5 is a view showing the difference between the generation power when there is an energy storage system according to the present invention and when there is no conventional energy storage system.
6 is a view showing a case applied to the wind power generation to show the difference according to the gas compression in the energy storage and conversion system of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a case where there is energy storage and a conventional energy storage system in the fluid compression energy storage and conversion system according to the present invention.
8 is a schematic diagram showing another example in which the fluid compression energy storage and conversion system according to the present invention is applied to a desalination plant.
9 is a schematic diagram showing another example of applying a fluid compression energy storage and conversion system according to the present invention to solar power generation.

전술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above objects, features and advantages will become more apparent through the following examples in conjunction with the accompanying drawings. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

종래에는 풍력이나 해양 등의 운동에너지 형태를 갖는 신재생 에너지원으로부터 전기에너지를 직접 발생시키는 직접발전을 하였으나, 이는 전기의 예측 불가, 불연속성 및 가변성에 기인한 낮은 산업적 활용성을 극복할 수 없었다.Conventionally, direct power generation that directly generates electrical energy from renewable energy sources having kinetic energy forms such as wind and ocean, has not been able to overcome low industrial utility due to unpredictability, discontinuity and variability of electricity.

이에 따라, 본 발명에서는 풍력이나 해양 등의 운동에너지 형태를 갖는 신재생 에너지원으로부터 예측 가능하며 필요할 때 언제든지 사용할 수 있는 정출력 고품질의 전기에너지로 변환시키기 위하여, 직접발전이 아니라 간접발전의 방식을 연구하여 높은 에너지 밀도와 우수한 에너지 저장 효율로 에너지를 저장하였다가, 즉 신재생 에너지원으로부터 액체를 압축시킨 후, 압축된 액체를 이용하여 고압의 기체로 압축시켜 저장하고, 저장된 고압의 기체를 이용하여 에너지 수요 발생시에 언제든지 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 시스템을 창안하였다.Accordingly, in the present invention, indirect power generation, rather than direct power generation, is used in order to convert from renewable energy sources having a form of kinetic energy such as wind or ocean to a constant output high quality electric energy that can be used whenever needed. Research and store energy with high energy density and excellent energy storage efficiency, that is, compress the liquid from renewable energy sources, compress and store the compressed gas into high pressure gas using the compressed high pressure gas, and use the stored high pressure gas. The company created a system that can be converted into electrical energy at any time when energy demand occurs.

도 1은 본 발명에 따른 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템의 계통도이다.1 is a conceptual diagram of a fluid compression energy storage and conversion system according to the present invention, Figure 2 is a schematic diagram of a fluid compression energy storage and conversion system according to the present invention.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템은 바람 등과 같은 자연의 에너지원을 흡수하는 에너지 흡수부(100); 상기 에너지 흡수부(100)에서의 운동에너지를 고압의 액체에너지로 변환시키는 액체 압축/저장부(200); 상기 액체 압축/저장부(200)에서의 고압 액체에너지를 고압의 기체에너지로 변환시키는 기체 압축/저장부(300); 상기 기체 압축/저장부(300)에서의 고압 기체에너지를 전기에너지로 변환시키는 동력 변환/발전부(400); 및 상기 기체 압축/저장부(300)와 열교환을 수행하여 생성된 열에너지를 상기 동력 변환/발전부(400)에 전달하는 열 교환/저장부(500)를 포함한다.As shown in Figures 1 and 2, the fluid compression energy storage and conversion system according to the present invention includes an energy absorbing portion 100 for absorbing a natural energy source, such as wind; A liquid compression / storage unit 200 for converting kinetic energy from the energy absorbing unit 100 into high pressure liquid energy; A gas compression / storage unit 300 for converting the high pressure liquid energy in the liquid compression / storage unit 200 into high-pressure gas energy; A power conversion / power generation unit 400 for converting high-pressure gas energy from the gas compression / storage unit 300 into electrical energy; And a heat exchange / storage part 500 which transfers heat energy generated by performing heat exchange with the gas compression / storage part 300 to the power conversion / generation unit 400.

여기에서, 상기 에너지 흡수부(100)는 도면에 일례로서 바람을 이용하는 산간이나 해양에서의 풍력발전인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 태양광, 태양열 발전이나 지열발전일 수도 있다. 또한, 상기 풍력발전을 이용하면서 태양광 발전이나 지열발전을 별도로 전력을 생산하는 공급원으로 할 수도 있을 뿐만 아니라 상기 풍력발전과 함께 태양광 발전이나 지열발전을 이용할 수 있는 것도 당업자라면 알 수 있을 것이다.Here, the energy absorbing unit 100 is shown as wind power generation in the mountains or the ocean using wind as an example in the drawings, but is not limited to this may be sunlight, solar power or geothermal power. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that solar power generation or geothermal power generation can be used as a separate source of power generation while using the wind power generation, and that solar power generation or geothermal power generation can be used together with the wind power generation.

상기 액체 압축/저장부(200)는 상기 에너지 흡수부(100)에서의 운동에너지를 고압의 액체에너지로 변환시키는 액체 압축펌프(210); 및 상기 변환된 고압 액체를 저장하는 고압 액체 저장탱크(220)를 포함한다.The liquid compression / storage unit 200 may include a liquid compression pump 210 for converting kinetic energy from the energy absorbing unit 100 into high pressure liquid energy; And a high pressure liquid storage tank 220 for storing the converted high pressure liquid.

또한, 상기 액체 압축펌프(210)는 에너지 흡수부(100)(예를 들면, 풍력타워의 너셀(110), 도 6 참조)에 배치되는 것이 바람직하며, 또한 피스톤식 압축펌프로 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 관련하여 구체적으로 설명하면, 본 발명은 전술한 바와 같이 신재생 에너지원으로부터 직접발전하는 것이 아니라 고압의 기체로 저장한 후, 필요할 때 이를 전기에너지로 변환시키는 간접발전이다. 이에 따라, 풍력발전의 경우에 일반적으로 풍력에너지를 직접 전기에너지로 변환시키고 있으나, 본 발명과는 다르지만 다소 유사한 간접적인 방식으로 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 풍력에너지로 직접 기체를 압축할 경우에는 상기 액체 압축/저장부가 풍력타워의 너셀(110)에 위치되고, 그외의 장치인 기체 압축/저장부 및 동력 변환/발전부 등이 지상에 위치된다. 이와 같이, 풍력에너지로 직접 기체를 압축할 경우 기체 압축펌프와 기체 압축시 열 발생 저장을 위한 열교환기가 지상 50 ~ 130m 위치의 풍력타워 너셀(110)에 설치되어야 하므로 설치가 어렵고 너셀과 타워의 무게와 크기가 과대해 지는 단점이 있다.In addition, the liquid compression pump 210 is preferably disposed in the energy absorbing unit 100 (for example, the nussel 110 of the wind tower, see FIG. 6), it is also preferably made of a piston type compression pump. . Specifically described in this regard, the present invention is not indirect power generation from a renewable energy source as described above, but is indirect power generation that is stored as a high-pressure gas, and then converted into electrical energy when necessary. Accordingly, in the case of wind power generation, the wind energy is generally converted directly into electrical energy, but the gas is directly compressed into the wind energy as shown in FIG. In this case, the liquid compression / storage unit is located in the nussel 110 of the wind tower, and other devices such as a gas compression / storage unit and a power conversion / generation unit are located on the ground. As such, when compressing the gas directly with wind energy, the gas compression pump and the heat exchanger for heat generation storage during gas compression should be installed in the wind tower nussel 110 at a position of 50 to 130 m above the ground, which is difficult to install and the weight of the nussel and tower. There is a disadvantage in that the size is excessive.

그러나, 본 발명의 방식인 풍력에너지로 압축된 액체를 이용하여 기체를 압축하는 경우(도 6의 (b) 참조)에는 상기 액체 압축펌프(210)만을 상기 너셀(110)에 위치시키고, 그외의 모든 장치, 즉 상기 액체 압축/저장부(200), 상기 기체 압축/저장부(300), 상기 동력 변환/발전부(400) 및 상기 열 교환/저장부(500)를 모두 지상에 설치할 수 있어, 본 발명의 시스템은 풍력발전의 경우에 있어서 너셀의 경량화와 소형화를 추구할 수 있고, 풍력타워의 내구성 조건을 완화시키며, 설치와 유지보수 비용을 절감시킬 수 있다.However, in the case of compressing the gas by using the liquid compressed by the wind energy of the present invention (see FIG. 6 (b)), only the liquid compression pump 210 is located in the nussel 110, and other All the devices, that is, the liquid compression / storage unit 200, the gas compression / storage unit 300, the power conversion / power generation unit 400 and the heat exchange / storage unit 500 can all be installed on the ground In the case of wind power generation, the system of the present invention can pursue lightweighting and miniaturization of the nussel, alleviates the durability condition of the wind tower, and can reduce installation and maintenance costs.

본 발명과는 상이한 전술한 풍력에너지로 직접 기체를 압축하는 방식(화력발전소나 풍력발전소에서 발생한 잉여의 전력에너지를 고압 기체 에너지로 저장하는 방식)은 종래의 직접발전보다는 효율적이어서 일부 도입이 되고 있지만, 이 방식은 이미 풍력에너지를 전기에너지로 변환하면서 에너지의 손실이 발생하고, 이를 다시 펌프를 이용하여 고압 기체 에너지로 저장하는 과정에서 재차 에너지 손실이 발생하게 된다.The method of directly compressing the gas with the aforementioned wind energy different from the present invention (the method of storing surplus power energy generated by a thermal power plant or a wind power plant as a high-pressure gas energy) is more efficient than conventional direct power generation, but has been introduced. In this method, energy loss occurs while converting wind energy into electrical energy, and energy loss occurs again while storing it as high pressure gas energy using a pump.

그러나, 본 발명에 따른 시스템으로 신재생 에너지원(예를 들면, 풍력발전)을 이용하여 직접 유체(액체)를 압축하게 되면 신재생 에너지원을 전기로 직접 변환할 때 발생하는 에너지 손실을 방지할 수 있으며, 증속기(112)(도 6의 (a) 참조)를 생략할 수 있으므로 효율이 향상되고 풍력발전 가용풍속 범위를 확대할 수 있다. 또한, 본 발명의 액체 압축펌프(210)는 풍속이 강한 경우 감속기로도 작용 가능하므로, 도 6의 (a)에 도시된 브레이크(111)를 생략할 수 있다.However, if the system according to the present invention directly compresses the fluid (liquid) using a renewable energy source (for example, wind power), it is possible to prevent energy loss that occurs when directly converting the renewable energy source into electricity. The speed increaser 112 (refer to FIG. 6A) may be omitted, thereby improving efficiency and extending the available wind speed range. In addition, since the liquid compression pump 210 of the present invention can act as a speed reducer when the wind speed is strong, the brake 111 shown in FIG. 6A can be omitted.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 기체 압축/저장부(300)는 상기 액체 압축/저장부(200)에서 배출된 액체를 고압의 기체에너지로 변환시키는 기체 압축펌프(310); 및 상기 변환된 고압 기체를 저장하는 고압 기체 저장탱크(320)를 포함한다. 상기 기체 압축펌프(310)는 유압식 기체 압축펌프로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 기체 압축/저장부(300)에서는 복수의 기체 압축펌프(310)를 이용하여 고압 액체를 약 300기압의 고압 기체가 되도록 다단 압축을 수행한다. 또한, 상기 기체 압축펌프(310)에는 열교환을 수행하기 위하여 다수의 펌프용 열교환기(311)가 구비될 수 있다. 상기 고압 기체 저장탱크(320)는 비금속 라이너 복합재료로 이루어지는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 2, the gas compression / storage unit 300 includes a gas compression pump 310 for converting the liquid discharged from the liquid compression / storage unit 200 into high-pressure gas energy; And a high pressure gas storage tank 320 for storing the converted high pressure gas. Preferably, the gas compression pump 310 is composed of a hydraulic gas compression pump, and the gas compression / storage unit 300 uses a plurality of gas compression pumps 310 to convert the high pressure liquid into a high pressure gas of about 300 atm. Perform multistage compression. In addition, the gas compression pump 310 may be provided with a plurality of pump heat exchanger 311 to perform heat exchange. The high pressure gas storage tank 320 is preferably made of a non-metal liner composite material.

구체적으로, 본 발명에 따른 시스템에서는 기체를 고압으로 압축(약 300기압)하여 고압 기체 저장탱크(500리터, 300기압)(320)에 저장함으로써 에너지 저장 밀도를 높여 저장 공간을 줄이고(액체 상태의 유체는 고압으로 압축하여도 부피 변화가 거의 없어서 에너지 밀도를 높이는 데 한계가 있음), 고압 기체 저장탱크(320)의 개수를 증가시킴으로써 저장용량의 확장성을 확보할 수 있다.Specifically, in the system according to the present invention by compressing the gas to a high pressure (about 300 atm) to store in a high-pressure gas storage tank (500 liters, 300 atm) 320 to increase the energy storage density to reduce the storage space (liquid state of Even if the fluid is compressed at a high pressure, there is almost no change in volume, thereby limiting the energy density.), And the expandability of the storage capacity can be secured by increasing the number of the high pressure gas storage tanks 320.

상기 동력 변환/발전부(400)는 상기 기체 압축/저장부(300), 구체적으로 고압 기체 저장탱크(320)에서 배출된 고압 기체의 에너지를 이용하여 기계적 에너지로 변환시키는 터빈(410); 및 상기 터빈에 의해 구동되어 전기에너지를 발생시키는 발전기(420)를 포함한다.The power converter / power generator 400 includes a turbine 410 for converting the gas compression / storage unit 300 into mechanical energy using energy of the high pressure gas discharged from the high pressure gas storage tank 320; And a generator 420 driven by the turbine to generate electrical energy.

상기 열 교환/저장부(500)는 상기 기체 압축/저장부와 열교환을 수행하는 열교환기(510); 및 상기 열교환기로부터 흡수된 열을 저장하는 열 저장탱크(520)를 포함한다. 상기 열 교환/저장부(500)에서는 기체의 압축시에 발생된 열을 회수하고, 상기 동력 변환/발전부(400)에서 발전시에 회수열을 공급한다.The heat exchange / storage unit 500 may include a heat exchanger 510 which performs heat exchange with the gas compression / storage unit; And a heat storage tank 520 for storing heat absorbed from the heat exchanger. The heat exchange / storage unit 500 recovers heat generated at the time of compression of the gas, and supplies the recovered heat during power generation at the power conversion / generator 400.

즉, 기체 압축시 발생열을 열교환기(311, 331, 510)를 활용하여 열에너지 저장 후 터빈 가동시 활용할 수 있다. 다시 말해서, 기체를 대기압에서 300기압으로 압축할 경우 최소한 3단 이상의 압축 과정을 거쳐야 하며, 각 압축 과정에서 매우 높은 열이 발생하게 되므로 발생열을 활용하지 않을 경우 시스템의 효율이 급감하게 되므로 고온 고압에서 작동하는 열교환기가 필수적으로 필요하며, 상기 열교환기로부터 흡수된 열은 열 저장탱크(520)의 열매체유에 저장하였다가 발전시 터빈(410)으로 유입되는 고압 기체를 가열함으로써 발전 효율을 높이는데 활용된다.That is, the heat generated during gas compression may be utilized when the turbine operates after storing the thermal energy by using the heat exchangers 311, 331, and 510. In other words, if the gas is compressed from atmospheric pressure to 300 atmospheres, it must go through at least three stages of compression, and very high heat is generated in each compression process. An operating heat exchanger is essential, and the heat absorbed from the heat exchanger is stored in the heat medium of the heat storage tank 520 and used to increase power generation efficiency by heating high pressure gas introduced into the turbine 410 during power generation. .

도 2에서, 도면부호 10은 액체의 흐름 라인이고, 도면부호 20은 공기의 흐름 라인이며, 도면부호 30은 열매체유의 흐름 라인을 나타낸 것이다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템에서는 냉각을 위하여 냉각타워(330)가 구비되고, 여러 흐름 라인에 필요한 밸브가 구비된다.In FIG. 2, reference numeral 10 denotes a flow line of liquid, reference numeral 20 denotes a flow line of air, and reference numeral 30 denotes a flow line of heat medium oil. In addition, as shown in Figure 2, in the system of the present invention, a cooling tower 330 is provided for cooling, and valves necessary for various flow lines are provided.

이하, 본 발명의 특징을 보다 명확하게 나타내기 위하여 여러 도면을 참조해서 설명한다. 도 3은 본 발명에 따른 에너지 저장시스템이 있는 경우와 종래의 에너지 저장시스템이 없는 경우의 비교를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 에너지 저장시스템이 있는 경우와 종래의 에너지 저장시스템이 없는 경우의 다른 비교를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 에너지 저장시스템이 있는 경우와 종래의 에너지 저장시스템이 없는 경우의 발전전력의 차이를 나타낸 도면이다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, various features will be described with reference to the accompanying drawings for clarity. 3 is a view showing a comparison between when there is an energy storage system according to the present invention and when there is no conventional energy storage system, and FIG. 4 is when there is an energy storage system according to the present invention and there is no conventional energy storage system. Figure 5 shows another comparison of the case, Figure 5 is a view showing the difference between the generation power when there is an energy storage system according to the present invention and there is no conventional energy storage system.

도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 종래의 에너지 저장시스템이 없는 경우에는 필요할 때 발전전력을 할 수 없는 경우가 있는데 반하여, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 에너지 저장시스템에서는 정출력이 가능하게 된다.As shown in (b) of FIG. 3, when there is no conventional energy storage system, power generation may not be possible when necessary, whereas energy according to the present invention is illustrated in (c) of FIG. 3. In the storage system, constant output is possible.

또한, 도 4 및 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 종래의 에너지 저장시스템이 없는 경우에는 에너지 손실량이 발생하고 발전을 할 수 없는 경우가 있으나, 도 4 및 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 에너지 저장시스템이 있는 경우에는 에너지를 저장하였다가 이를 필요할 때 에너지로 방출할 수 있으며, 수요가 있을 시에 발전을 할 수 있어 안정적으로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 섬이나 오지 등에서 신재생 에너지원을 활용하고자 할 때, 신재생 에너지 발전이 불가능한 경우(예를 들면, 풍력의 경우에 바람이 없는 날, 태양광 발전의 경우에 야간 혹은 흐린 날)에도 저장된 에너지를 활용하여 수요에 대응한 안정적인 발전이 가능하므로 외부전력 없이 독립적인 발전을 할 수도 있다.In addition, as shown in (a) of FIG. 4 and FIG. 5, when there is no conventional energy storage system, the amount of energy loss may occur and power generation may not be possible. As shown, when there is an energy storage system according to the present invention, energy can be stored and released as energy when needed, and power can be generated when there is demand, thereby making it stable. Accordingly, when using renewable energy sources in islands and remote areas, even when renewable energy generation is impossible (for example, windless days in the case of wind, night or cloudy days in the case of solar power) By utilizing the stored energy, it is possible to generate stable power in response to demand, so that independent power generation can be performed without external power.

도 8은 전술한 설명 및 도 2에 도시한 계통도와 같은 개념이고, 구체적으로 본 발명에 따른 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템을 담수화설비에 적용한 다른 예를 나타낸 계통도이다. 도 8에 도시된 담수화설비에서는 열원이 필요한데, 이러한 열원을 풍력이나 태양열 또는 집열장치를 통해 이용할 수 있다. 이러한 열원은 기체를 압축하여 열을 발생시킨다. 또한, 도 9도 전술한 설명 및 도 2에 도시한 계통도와 같은 개념이고, 구체적으로 본 발명에 따른 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템을 태양열 발전에 적용한 또 다른 예를 나타낸 계통도이다.8 is the same concept as the above-described description and the schematic diagram shown in FIG. 2, and specifically, is a schematic diagram illustrating another example in which the fluid compression energy storage and conversion system according to the present invention is applied to a desalination plant. In the desalination plant illustrated in FIG. 8, a heat source is required, and the heat source may be used through wind power, solar heat, or a heat collecting device. These heat sources compress the gas to generate heat. In addition, FIG. 9 is the same concept as the above-described description and the schematic diagram shown in FIG. 2, and specifically, is a schematic diagram illustrating another example in which the fluid compression energy storage and conversion system according to the present invention is applied to solar power generation.

도 7은 본 발명에 따른 유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템에서 에너지 저장이 있는 경우와 종래의 에너지 저장시스템이 없는 경우를 나타낸 플로우차트이다.7 is a flowchart illustrating a case where there is energy storage and a conventional energy storage system in the fluid compression energy storage and conversion system according to the present invention.

도 7의 (a)는 종래의 에너지 저장시스템이 없는 경우로서, 예측불가능한 풍력에너지(S10)로부터 증속기 및 발전기를 사용하여 직접발전(S20)을 해서 전기에너지(S30)를 생성하고, 전력을 공급(S40)한다. 이 경우, 상기 전기에너지(S30)로부터 잉여발전량(S50)이 발생한 경우에 이는 전량 손실량이 된다.FIG. 7A illustrates a case where there is no conventional energy storage system, and generates electric energy S30 by directly generating power S20 using an increaser and a generator from unpredictable wind energy S10 and generating power. Supply (S40). In this case, when the surplus power generation amount S50 is generated from the electric energy S30, this is the total amount loss.

도 7의 (b)는 본 발명에 따른 에너지 저장 및 변환시스템의 방식으로서, 예측불가능한 풍력에너지(S100)로부터 펌프를 이용하여 액체를 압축(S200)한 액체 압축에너지(S300)를 고압 액체 저장탱크에 저장하고, 펌프를 이용하여 기체를 압축(S400)한 기체 압축에너지(S500)를 고압 기체 저장탱크에 저장하고 수요 발생시에 상기 고압 기체 저장탱크에 저장된 기체 압축에너지를 터빈을 이용하고 기체 압축시 발생된 열을 활용하여 기체를 가열해서 발전(S600)을 하고 전기에너지(S700)를 생성하고, 전력을 공급(S800)한다.Figure 7 (b) is a method of the energy storage and conversion system according to the present invention, the liquid compression energy (S300) of compressing the liquid (S200) using a pump from the unpredictable wind energy (S100) high pressure liquid storage tank The gas compression energy (S500) stored in the high pressure gas storage tank is stored in the high pressure gas storage tank, and the gas compressed energy stored in the high pressure gas storage tank is stored in the high pressure gas storage tank. The generated heat is used to heat the gas to generate electricity (S600), generate electrical energy (S700), and supply power (S800).

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. Will be clear to those who have knowledge of.

100: 에너지 흡수부 200: 액체 압축/저장부
210: 액체 압축펌프 220: 고압 액체 저장탱크
300: 기체 압축/저장부 310: 기체 압축펌프
320: 고압 기체 저장탱크 330: 냉각타워
400: 동력 변환/발전부 410: 터빈
420: 발전기 500: 열 교환/저장부
510: 열교환기 520: 열 저장탱크100: energy absorption unit 200: liquid compression / storage unit
210: liquid compression pump 220: high pressure liquid storage tank
300: gas compression / storage 310: gas compression pump
320: high pressure gas storage tank 330: cooling tower
400: power conversion / generation unit 410: turbine
420: generator 500: heat exchange / storage
510: heat exchanger 520: heat storage tank

Claims (10)

에너지 흡수부;
상기 에너지 흡수부에서의 에너지를 고압의 액체에너지로 변환시키는 액체 압축/저장부;
상기 고압의 액체에너지를 이용하여 기체를 압축하는 기체 압축 펌프와 상기 기체 압축 펌프로부터 배출된 고압 기체를 저장하는 기체 저장 탱크를 구비하며, 상기 액체 압축/저장부에서의 고압 액체에너지를 고압의 기체에너지로 변환시키는 기체 압축/저장부;
상기 기체 저장 탱크로부터 배출되는 고압의 기체를 이용하여, 상기 기체 압축/저장부에서의 고압 기체에너지를 전기에너지로 변환시키는 동력 변환/발전부; 및
상기 기체 압축/저장부와 열교환을 수행하여 생성된 열에너지를 상기 동력 변환/발전부에 전달하는 열 교환/저장부를 포함하며,
상기 열 교환/저장부는 상기 기체 압축 펌프로부터 배출되는 기체로부터 회수한 열에너지와 상기 기체 저장 탱크로부터 유입되는 기체로부터 회수한 열에너지를 각각 상기 기체 저장 탱크로부터 배출되는 고압의 기체로 전달하는 것을 특징으로 하는
유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템.Energy absorption unit;
A liquid compression / storage unit for converting energy in the energy absorbing unit into high pressure liquid energy;
A gas compression pump for compressing gas using the high pressure liquid energy and a gas storage tank for storing the high pressure gas discharged from the gas compression pump, the high pressure liquid energy in the liquid compression / storage unit is a high pressure gas A gas compression / storage unit for converting energy into energy;
A power conversion / power generation unit for converting the high pressure gas energy in the gas compression / storage unit into electrical energy by using the high pressure gas discharged from the gas storage tank; And
And a heat exchange / storage unit configured to transfer heat energy generated by performing heat exchange with the gas compression / storage unit to the power conversion / generation unit,
The heat exchange / storage unit transfers the heat energy recovered from the gas discharged from the gas compression pump and the heat energy recovered from the gas introduced from the gas storage tank to the high pressure gas discharged from the gas storage tank, respectively.
Fluid Compressed Energy Storage and Conversion System. 제1항에 있어서,
상기 에너지 흡수부는 바람을 이용하는 산간이나 해양에서의 풍력발전, 조류발전, 태양열 발전, 소수력발전, 및 지열발전 중 어느 하나로 이루어지는
유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템.The method of claim 1,
The energy absorbing unit is made of any one of wind power generation, tidal power generation, solar thermal power generation, small hydro power generation, and geothermal power generation in the mountain or ocean using the wind
Fluid Compressed Energy Storage and Conversion System. 제1항에 있어서,
상기 액체 압축/저장부는,
상기 에너지 흡수부에서의 에너지를 고압의 액체에너지로 변환시키며 상기 에너지 흡수부에 배치되는 액체 압축펌프; 및
상기 변환된 고압 액체를 저장하는 고압 액체 저장탱크를 포함하는
유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템.The method of claim 1,
The liquid compression / storage unit,
A liquid compression pump that converts energy in the energy absorbing portion into high pressure liquid energy and is disposed in the energy absorbing portion; And
Comprising a high pressure liquid storage tank for storing the converted high pressure liquid
Fluid Compressed Energy Storage and Conversion System. 제1항에 있어서,
상기 동력 변환/발전부는,
상기 기체 압축/저장부에서 배출된 고압 기체의 에너지를 이용하여 기계적 에너지로 변환시키는 터빈; 및
상기 터빈에 의해 구동되어 전기에너지를 발생시키는 발전기를 포함하는
유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템.The method of claim 1,
The power conversion / power generation unit,
A turbine for converting the high pressure gas discharged from the gas compression / storage unit into mechanical energy; And
A generator driven by the turbine to generate electrical energy;
Fluid Compressed Energy Storage and Conversion System. 제1항에 있어서,
상기 열 교환/저장부는,
상기 기체 압축/저장부와 열교환을 수행하는 열교환기; 및
상기 열교환기로부터 흡수된 열을 저장하는 열 저장탱크를 포함하는
유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템.The method of claim 1,
The heat exchange / storage unit,
A heat exchanger performing heat exchange with the gas compression / storage unit; And
A heat storage tank for storing the heat absorbed from the heat exchanger
Fluid Compressed Energy Storage and Conversion System. 제1항에 있어서,
상기 기체 압축/저장부에서는 복수의 기체 압축펌프를 이용하여 고압 액체를 300기압의 고압 기체가 되도록 다단 압축을 수행하는
유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템.The method of claim 1,
In the gas compression / storage unit, multi-stage compression is performed using a plurality of gas compression pumps so that the high pressure liquid becomes a high pressure gas of 300 atm.
Fluid Compressed Energy Storage and Conversion System. 제1항에 있어서,
상기 액체 압축/저장부, 상기 기체 압축/저장부, 상기 동력 변환/발전부 및 상기 열 교환/저장부는 지상에 설치되는
유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템.The method of claim 1,
The liquid compression / storage unit, the gas compression / storage unit, the power conversion / power generation unit and the heat exchange / storage unit is installed on the ground
Fluid Compressed Energy Storage and Conversion System. 제3항에 있어서,
상기 액체 압축펌프는 피스톤식 압축펌프인
유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템.The method of claim 3,
The liquid compression pump is a piston type compression pump
Fluid Compressed Energy Storage and Conversion System. 제1항에 있어서,
상기 기체 압축펌프는 유압식 기체 압축펌프이고, 상기 기체 저장탱크는 비금속 라이너 복합재료로 이루어진
유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템.The method of claim 1,
The gas compression pump is a hydraulic gas compression pump, the gas storage tank is made of a non-metal liner composite material
Fluid Compressed Energy Storage and Conversion System. 제1항에 있어서,
상기 에너지 흡수부가 태양열과 접목되는
유체압축식 에너지 저장 및 변환시스템.The method of claim 1,
The energy absorbing portion is combined with solar heat
Fluid Compressed Energy Storage and Conversion System.
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