KR20120072118A - 해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템 및 해양형 압축공기 저장탱크 - Google Patents

해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템 및 해양형 압축공기 저장탱크 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템 및 이 시스템에 사용되는 해양형 압축공기 저장탱크에 관한 것이다.
본 발명에 따른 해상풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템은 바람에 의하여 풍차를 회전시켜 전기를 발생시키도록 해상에 설치되는 복수의 풍력발전기, 풍력발전기에 의하여 생산된 전기에너지로 구동되며 외부의 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기, 압축된 공기를 저장하기 위한 것으로서 해양의 일정한 수심 범위 내에 설치되며 내부에 저장된 공기의 압력변화에 따라 해수가 유입 및 유출될 수 있는 게이트가 형성되어 있는 메인탱크 및 메인탱크로부터 배출된 압축공기에 의하여 구동되는 터빈을 포함하여 이루어진다.

Description

해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템 및 해양형 압축공기 저장탱크{Compressed air storage and electricity generating system connected with offshore wind farm and Compressed air storage tank}
본 발명은 에너지 저장 및 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기를 압축하여 저장한 후 압축된 공기로 터빈을 돌려 발전하는 압축공기 저장 및 발전시스템과, 이 시스템에 사용되는 저장탱크에 관한 것이다.
에너지 저장기술, 특히 전력저장기술은 크게 세 가지 목적으로 구분할 수 있다. 첫째는 불의의 사고 등으로 인하여 갑자기 전력공급이 정지되는 경우 전력공급이 재개되기까지 전기를 중단없이 공급하기 위한 것이다. 즉, 전력중단시에 무정전 전원 공급장치(Uninterruptible Power Supply : UPS)를 운용하기 위하여 전력을 저장하는 것이다.
둘째는 특정 시간대에 집중하여 전력의 공급이 요구되는 경우를 대비한 것으로서 부하관리를 위한 전력저장이다. 즉, 도 1의 표에 나타난 바와 같이, 전력소비는 주간의 특정 시간대에 집중되어 있고 심야에는 저하되는데, 원자력발전과 같은 기저공급력은 발전시 부하조절이 어려워 심야에 발전을 할 때에는 잉여전력이 생길 수 밖에 없다. 이에 심야 발전에 따른 잉여전력을 저장해서 발전단가가 높은 주간의 첨두 발전을 대체하여 에너지의 효율적 관리를 도모할 수 있다.
셋째는 재생에너지를 이용한 발전시스템과 연계하여 출력특성을 개선하기 위한 목적이다. 재생에너지를 공공전력의 포트폴리오에 넣는데 있어서 가장 어려운 점은 재생에너지 발전의 간헐성에 있다. 예컨대, 현재 운용되고 있는 재생에너지 기술 중 용량면에서 가장 빠른 속도로 성장하고 있는 태양열과 풍력은 상시적인 발전이 불가능하며 오직 해가 비치거나 바람이 부는 동안에만 전력을 공급할 수 있다(도 2 참조). 즉, 현재의 재생에너지들은 전력을 최대로 필요로 하는 주간에 그 요구를 충족할 수 없는 문제점이 있다.
이에 최대부하가 아닌 시간, 예컨대 심야시간에 발생된 재생전력을 에너지 저장 장치로 저장하였다가 최대전력을 필요로 하는 시기(주간)에 전력망에 전력을 공급할 수 있다는 점에서, 전력 저장 시스템은 재생에너지와 연계되어 매우 높은 시너지효과를 발휘할 수 있다.
다양한 전력 저장 시스템 중 공기를 압축하여 저장하였다가 이 압축공기로 터빈을 구동하여 발전하는 압축공기 에너지 저장 시스템(CAES, Compressed Air Energy Storage)은 대용량 전력 저장장치로 적합하다고 평가되고 있다. 특히, 기존의 대규모 전력저장 및 발전에서 큰 부분을 차지하던 양수발전이 환경적인 문제 및 입지의 문제로 인하여 더 이상의 추가적 건설이 불가능하다는 점을 고려하면, CAES가 거의 유일한 대용량 전력 저장장치로 인정되고 있다.
한편, 재생에너지로 각광받고 있는 풍력발전은 풍력발전기를 어디에 설치하느냐에 따라 육상 풍력발전과 해상 풍력발전으로 구분되는데, 해상 풍력발전이 육상에 비해 풍량과 풍질이 우수하다. 즉, 도 3에 나타난 바와 같이, 동일한 발전용량을 가정할 때, 해상 풍력발전기의 허브의 높이가 육상 풍력발전기의 허브에 비하여 낮고, 로터의 직경도 작다. 즉, 동일한 발전을 위하여 들어가는 설비비가 해상 풍력이 작다는 것이며, 역으로 동일한 설비 비용을 기초로 하였을 때에는 해상에서 육상보다 많은 양을 발전할 수 있다는 것을 의미한다.
위와 같이, 풍량과 풍질이 좋은 해상풍력을 사용함과 동시에, 풍력발전의 문제점인 발전의 간헐성을 극복하기 위하여 풍력과 압축공기 에너지 저장 시스템의 접목이 요청되고 있다. 무엇보다도 해양풍력과 CAES를 접목함에 있어서, 해양조건에 맞는 해양 CAES 구조의 개발이 요청되고 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 해양풍력발전에 의해 얻어진 에너지를 이용하여 공기를 고압으로 압축저장 후 터빈으로 발전할 수 있는 해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템 및 이 시스템에 사용되는 해양형 압축공기 저장탱크를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템은 바람에 의하여 풍차를 회전시켜 전기를 발생시키도록 해상에 설치되는 복수의 풍력발전기, 상기 풍력발전기에 의하여 생성된 전기에너지로 구동되며 외부의 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기. 상기 압축된 공기를 저장하기 위한 것으로서 해양의 일정한 수심 범위 내에 설치되며 내부에 저장된 공기의 압력변화에 따라 해수가 유입 및 유출될 수 있는 게이트가 형성되어 있는 메인탱크 및 상기 메인탱크로부터 배출된 압축공기에 의하여 구동되는 터빈을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, 상기 메인탱크가 해양의 일정한 수심 범위 내에 위치하게 하기 위한 수심유지수단을 더 구비하며, 상기 수심유지수단은 중성부력을 이용하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수심유지수단은, 상기 메인탱크에 마련되며 해수가 저장될 수 있는 수용부와 해수가 상기 수용부로부터 유입 및 유출되는 통수구가 형성되어 있는 밸라스트 탱크이며, 상기 밸라스트 탱크에 수용되는 해수의 양을 조절함으로써 상기 메인탱크의 부력이 조정된다.
또한 본 발명의 일 실시예에서, 상기 압축기에서 압축된 공기를 상기 메인탱크로 유입시키는 메인라인과, 상기 메인라인으로부터 분기되어 상기 압축된 공기를 상기 벨라스트 탱크로 도입하는 도입라인과, 상기 메인라인과 도입라인의 분기점에 설치되어 상기 압축된 공기의 경로를 결정하는 밸브를 더 구비한다.
그리고 상기 밸라스트 탱크는 상기 메인탱크의 외측면을 감싸며 설치될 수 있다.
또한 본 발명에서는 상기 메인탱크는 해저에 고정되게 설치되는 앵커로부터 연장된 로프에 연결되어 이동변위가 제한되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 메인탱크는 해상에서 서로 이격되어 복수 개 배치되며, 상기 터빈은 해상에서 이동되는 배에 설치되어, 상기 터빈이 설치된 배는 해상에서 이동하면서, 상기 메인탱크에 연결된 메인라인에 접속하여 상기 터빈을 구동할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 해양형 압축공기 저장탱크는 압축기에 의하여 압축된 공기를 저장하기 위하여 해양의 일정한 수심 범위 내에 배치되는 메인탱크 및 중성부력을 이용하여 상기 메인탱크를 해양의 일정 수심 범위 내에 유지시키기 위한 수심유지수단을 구비한다.
본 발명에서는 압축공기를 저장하여 터빈으로 발전하는 시스템과 해양풍력발전을 연계함으로써, 풍력발전의 최대 약점인 과대 송배전 설비를 최적화할 수 있으며, 일정한 출력이 보장되어 전력의 질을 향상시킬 수 있다.
또한 풍력발전에서는 발전량을 콘트롤할 수 없어 주간시간과 심야시간에 적합하게 전기를 공급할 수 없으나, 본 발명과 같이 풍력발전과 압축공기 저장 및 발전장치를 연계하면 시간대별 전력소비에 맞추어 최적으로 발전할 수 있으므로 효율성이 향상된다.
또한 본 발명에서는 해양풍력발전과 연계하기 위한 압축공기 저장탱크를 해양의 일정 수심에 설치하고, 수압을 이용하여 압축공기를 저장하므로 압축공기를 정압으로 유지할 수 있어 효율적인 발전이 가능할 뿐만 아니라, 설비가 매우 경제적으로 이루어진다는 이점이 있다.
도 1은 전기저장의 목적을 설명하기 위한 시간대별 부하를 보여주는 표이다.
도 2는 풍력발전의 단점인 간헐성을 보여주기 위한 시간대별 발전량을 보여주는 표이다.
도 3은 육상풍력과 해상풍력을 비교하기 위한 표이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템의 개략적 구성도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선 개략적 단면도로서, 해양형 압축공기 저장탱크를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 풍력발전기를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 압축공기를 이용한 발전 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템과 이 시스템에서 사용되는 해양형 압축공기 저장탱크에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템의 개략적 구성도이며, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선 개략적 단면도로서, 해양형 압축공기 저장탱크를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 풍력발전기를 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 압축공기를 이용한 발전 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템(100)은 풍력발전기(10), 압축기(20), 터빈(30) 및 저장탱크(90)를 구비한다.
풍력발전기(10)는 바람에 의해 회전되는 풍차에 의하여 전기를 생산하기 위한 것으로서, 다양한 형태가 개발되어 있는 공지의 장치이다. 이에 풍력발전기(10)에 대해서는 도 6을 참조하여 기본적인 구성에 대해서만 개략적으로 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 풍력발전기(10)는 풍차(11)와 본체(12) 및 타워(13)로 이루어진다. 풍차(11)는 바람에 의하여 자유롭게 회전되도록 구성되며, 본체(12)는 풍차(11)를 회전가능하게 지지하며 풍차(11)의 회전력을 이용하여 전기를 생산한다.
즉, 본체(12)에는 풍차(11)와 연결된 저속 회전축(14)이 마련되고, 이 저속 회전축(14)에는 큰 직경의 기어(15)가 결합되며, 이 기어(15)는 작은 직경의 기어(16)와 맞물린다. 따라서 작은 직경의 기어(16)는 큰 직경의 기어(15)에 비하여 고속으로 회전되며, 작은 기어(16)에 결합된 고속 회전축(17)은 저속 회전축(16)에 비하여 매우 빠르게 회전된다. 고속 회전축(17)은 발전기(18)에 연결되어 전기를 생산하게 된다. 물론, 도 6에 도시된 풍력발전기 본체 내부는 발전 원리를 설명하기 위하여 구성을 개략적으로 도시한 것으로, 실제의 장치는 매우 복잡한 구성으로 되어 있다.
그리고 타워(13)는 풍차(11)와 본체(12)를 지지하는데, 타워(13)의 높이에 따라 풍차로 불어오는 바람의 세기 및 풍질이 정해진다. 즉, 바람의 세기는 높이에 7승근으로 비례하기 때문에 발전효율을 향상시키기 위해서는 풍차(11)가 높게 배치되는 것이 바람직하다. 예컨대, 타워(13)의 높이를 2배로 하면 풍속은 10% 증가하며, 발전량은 34% 정도 증가하는 것으로 알려져 있다.
상기한 구성으로 이루어진 풍력발전기(10)는 해상에 떠 있는 대규모 부유체(f) 위에 복수 개 설치되는 것이 일반적이지만, 단일의 풍력발전기가 소규모 부유체에 의존하여 개별적으로 떠있을 수도 있다.
압축기(20)는 공기를 고압으로 압축하기 위한 공지의 장치로서, 본 실시예에서는 부유체(f) 위에 설치된다. 모터(21)가 회전하면 압축기는 공기를 흡입하여 고압으로 압축한다. 그리고, 압축기(20)에서 공기를 압축할 때에는 복수 회에 걸쳐 다단으로 압축한다. 도 7에는 압축기(20)가 한 개인 것으로 표시하였으나, 실제로는 복수의 압축기가 배치되어 공기가 이 압축기들을 통과하면서 점차 압력이 높아지도록 구성된다. 본 실시예에서, 복수의 압축기(20)를 이용하여 다단 압축함으로써 공기를 대략 20~25bar 정도의 압력으로 후술할 저장탱크(90)에 저장한다. 물론 저장 압력은 조건에 따라 달라질 수 있다.
또한 압축기(20)들 사이에는 냉각기(22)가 배치되어 압축에 의하여 가열된 공기를 냉각함으로써 후속 압축기에서의 압축효율을 증대시킨다. 그리고 압축공기가 최종적으로 저장탱크(90)에 저장될 때에도 냉각기(23)를 통해 온도를 하강시킨다.
저장탱크(90)는 압축기(20)에 의하여 압축된 공기가 저장되는 곳으로서, 해양이 일정 수심에 설치되는 메인탱크(50)와, 이 메인탱크(50)가 일정 수심 범위 내에서 유지될 수 있도록 하는 수심유지수단을 구비한다.
메인탱크(50)는 예컨대 스틸과 같은 강도가 높고 무거운 소재로 이루어지며, 그 내부에 압축공기가 저장되는 공간(51)이 형성된다. 그리고 메인탱크(50)의 일측에는 해수가 유입 및 유출되는 게이트(52)가 형성되어 있다. 이 게이트(52)는 개폐되도록 설치될 수도 있지만, 본 실시예에서는 항상 개방된 상태를 유지한다.
즉, 메인탱크(50)가 기설정된 수심, 예컨대 수심 200m에 메인탱크(50)가 설치되며, 수압은 대략 20bar가 된다. 따라서, 초기에 메인탱크(50)에 물을 가득 채워 기설정된 수심에 배치된 상태에서 압축기(20)로부터 공기를 압축하여 메인탱크(50)에 20bar보다 약간 높은 압력으로 주입하면 압축공기에 의하여 메인탱크(50) 내부의 해수가 배출될 것이며, 일정 순간에 공기압을 조절하면 수압과 공기압이 서로 평형을 이루어 압축공기가 메인탱크(50) 내에 온전히 저장될 수 있다.
그리고 메인탱크(50)로부터 압축공기가 일부 배출되어 공기압이 하강하면, 해수가 게이트를 통해 유입되어 다시 공기를 압축하게 되는 바, 결국 메인탱크(50) 내의 공기압은 언제나 20bar를 유지할 수 있다. 즉, 메인탱크(50) 내에 공기가 완전히 배출될 때까지, 압축공기의 공기압은 수압에 의하여 정압을 유지하게 된다.
터빈은 일정 압력 이상에서 효율적으로 가동되어 발전을 할 수 있는데, 변압식으로 공기를 저장하는 경우 최고 압력에서 상기한 일정 압력까지만 저장탱크 내의 공기를 사용할 수 있으며, 저장탱크 내의 압력이 정해진 압력 이하로 떨어지면 다시 공기를 압축해야 하므로 비효율적이다.
그러나, 본 발명에서는 해수에 의하여 압축공기의 압력이 일정 압력(예컨대 20bar)으로 계속 유지되는 바, 메인탱크(50)에 저장된 공기가 모두 소진될 때까지 터빈을 가동시킬 수 있어 효율적이다.
그리고 메인탱크(50)의 상측에는 압축기(20)와 메인탱크(50) 사이를 연결하며, 압축공기가 유동되는 메인라인(53)이 설치되며, 메인탱크(50)는 게이트(52)를 제외하고는 밀폐된 상태를 유지한다.
한편, 상기한 바와 같이, 메인탱크(50) 내의 압력이 정압을 유지하기 위해서는 메인탱크(50)가 일정한 수심에 배치된 상태를 유지해야 한다. 이에 본 발명에서는 메인탱크(50)가 일정한 수심을 유지할 수 있도록 수심유지수단을 구비한다.
본 실시예에서 수심유지수단은 중성부력을 이용하는데, 보다 구체적으로는 밸라스트 탱크(60)가 수심유지수단으로 채용된다. 밸라스트 탱크(60)는 메인탱크(50)를 감싸며 배치되며, 메인탱크(50)와의 사이에 해수가 충전될 수 있는 수용부(61)가 형성된다. 그리고 밸라스트 탱크(60)에는 해수가 수용부(61)로 유입 및 유출될 수 있는 복수의 통수구(62)가 형성된다.
또한 밸라스트 탱크(60)의 상측에는 수용부(61) 내로 압축공기를 도입할 수 있는 도입라인(63)이 연결된다. 이 도입라인(63)은 메인라인(53)으로부터 분기되며, 도입라인(63)과 메인라인(53) 사이에는 밸브(70)가 설치된다. 밸브(70)에 의하여 압축기(20)로부터 압축된 공기가 메인탱크(50)의 공간(51) 또는 밸라스트 탱크(60)의 수용부(61) 중 어느 한 곳으로 선택적으로 주입된다. 그리고, 실시예에 따라서는 메인탱크(50)의 공간(51)으로부터 밸라스트 탱크(60)의 수용부(61)로 압축공기가 주입될 수 있는 밸브를 채용할 수도 있다.
압축공기를 이용하여 밸라스트 탱크(60) 내의 해수의 양을 조절함으로써, 저장탱크(90) 전체의 밀도를 저장탱크(90)가 배치된 영역이 해수의 밀도와 동일하게 함으로써 저장탱크(90)가 일정 수심을 유지할 수 있도록 한다.
예컨대, 메인탱크(50)의 대부분이 압축공기로 채워진 경우 저장탱크(90) 전체의 밀도가 낮아지므로 저장탱크(90)가 부력에 의하여 상승할 수 있다. 따라서, 이러한 경우에는 통수구(62)를 통해 수용부(61) 내로 해수가 유입되게 함으로써 저장탱크(90)의 밀도를 높여 저장탱크(90)의 수심을 일정하게 유지할 수 있다. 즉, 수용부(61)의 공기압이 수압이 평형을 이룬 상태에서 수용부(61) 내의 압축공기를 도입라인(63)을 통해 배출하면 압력이 하강하면서 해수가 수용부(61)로 유입될 수 있다.
역으로, 메인탱크(50) 내의 공기를 많이 소모하면 수압에 의하여 많은 양의 해수가 메인탱크(50)에 채워지는데, 이 경우 저장탱크(90)의 밀도가 높아져 저장탱크(90)가 가라앉을 수 있다. 따라서 통수구(62)를 통해 해수를 밸라스트 탱크(60)의 수용부(61)로부터 배출시켜 저장탱크(90) 전체의 밀도를 낮춤으로써 저장탱크(90)가 일정 수심을 유지하게 한다. 이를 위해서, 도입라인(63)을 통해 수압보다 높은 압력의 압축공기를 수용부(61)로 주입하면 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 밸라스트 탱크(60)를 이용하여 메인탱크(50)가 일정한 수심을 유지할 수 있도록 하며, 이를 통해 메인탱크(50) 내부의 압축공기의 압력을 일정한 압력으로 유지할 수 있다.
또한, 저장탱크(90)는 해류 등에 의해서 이동될 수 있는데, 이동 변위를 제한하도록 앵커(미도시) 등으로 저장탱크(90)를 구속할 수 있다. 물론, 본 발명의 다른 실시예에서는 견고한 앵커를 해저에 설치하고 저장탱크(90)에 연결함으로써 저장탱크(90)의 수심을 유지하는 수단으로 사용할 수도 있다. 그러나, 본 실시예에서는 수심유지수단으로 밸라스트 탱크를 사용하는 바, 앵커는 해류 등에 의해 저장탱크가 일정 범위 이상으로 이동되는 것을 방지하는 목적으로 사용된다.
한편, 터빈(30)은 부유체(f) 위에 설치되어, 저장탱크(90)로부터 배출된 압축공기에 의하여 가동된다. 즉, 압축공기는 연소기(미도시)에서 연료와 혼합되어 연소되며, 이 연소가스가 터빈을 회전시킨다. 터빈(30)이 회전되면 터빈과 연결되어 있는 발전기(40)에서 전기를 생산한다.
그리고 본 실시예에서는 저장탱크가 정압식으로 구성되어 압력이 20bar 정도로 높지 않으므로 저압 터빈 하나만 구동하면 되므로 경제적이다. 즉, 저장탱크가 변압식으로 구성된 경우에는 터빈도 고압 터빈과 저압 터빈을 함께 가동하여야 하므로 비효율적이다.
도 7에는 터빈(30)이 고정되게 설치되는 것으로 도시되어 있지만, 터빈(30)은 부유체(f) 위에 반드시 고정되어 있어야 하는 것은 아니며, 도 4에 도시된 바와 같이, 배(s) 위에 설치되어 이동식으로 사용될 수도 있다.
즉, 도 4에서와 같이, 다수의 부유체(f)가 마련되어 대규모의 풍력단지가 조성된다면, 터빈(30)을 배에 설치하여 이동하면서 발전을 할 수도 있다. 즉, 저장탱크(90)의 메인라인(53)을 터빈(30) 측에 접속하여 발전을 할 수도 있다. 터빈(30)과 연결된 발전기(40)에서 전기가 생산되면 케이블(미도시)을 통해 육지로 송전한다.
이하, 상기한 구성으로 이루어진 해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템(100)에 의한 발전 과정에 대하여 개략적으로 설명한다.
풍력발전기(10)로부터 발생된 전력은 압축기(20)에 연결된 모터(21)에 전원을 공급하며, 모터(21)는 회전하면서 압축기(20)를 가동시킨다. 압축기(20)는 공기를 저장탱크(90)에 압축하는데, 최종 공기 압력은 상기한 바와 같이 20bar 정도이다. 공기는 복수의 압축기(20)와 압축기들 사이의 냉각기(22)를 거치면서 목표 압력까지 압축되어 최종적으로 저장탱크(90)에 저장된다.
저장탱크(90)에서는 압축공기가 주입됨에 따라 해수는 게이트(52)를 통해 배출되며 최종적으로 해수의 압력과 압축공기의 압력이 평형을 이루면서 저장탱크(90) 내에 압축공기가 보존된다.
압축공기가 발전을 위해 메인라인(53)을 따라 배출되면 해수가 게이트(52)를 통해 유입되어 감압된 공기를 다시 가압함으로써 저장탱크(90) 내의 공기는 정압상태를 유지한다.
그리고 저장탱크(90)에 저장된 압축공기가 배출될 때에는 즉시 터빈으로 유입되는 것이 아니라 열교환기(35, recuperator)를 통한다.
열교환기(35)를 통한 압축공기는 터빈(30)으로 유입되어 별도로 공급되는 연료와 함께 연소되어 터빈을 돌리고, 연소된 가스는 다시 열교환기(35)를 통과한 후 배출된다.
그리고 후속적으로 저장탱크(90)로부터 배출된 압축공기는 열교환기(35)에서 고온의 연소 가스로부터 열을 전달받으므로, 터빈(30)으로 유입되기 전에 예열되어 발전효율을 향상시킨다. 즉, 저장탱크(90)로부터 최초로 배출된 압축공기는 열교환기(35)를 통과하기는 하지만 열을 전달받을 대상이 없어 예열되지 않은 상태로 터빈에 유입되지만, 후속해서 터빈으로 유입되는 압축공기는 연소 후의 가스와 열교환되어 예열된다.
터빈이 가동됨에 따라, 터빈과 연결되어 있는 발전기(40)에서는 전력을 생산하게 된다.
상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템은 풍력발전만을 하는 경우에 비하여 다음과 같은 장점이 있다.
즉, 풍력발전의 경우 풍량과 풍속의 변화에 따라 풍력발전기의 출력변화가 심하며, 이에 따라 대규모 단지의 경우 전력계통의 문제를 유발하므로 대규모의 송배전 설비가 필요하다. 그러나 압축공기를 저장하여 터빈으로 발전하는 시스템과 연계하는 경우, 송배전 설비를 최적화할 수 있으며, 일정한 출력이 보장되어 전력의 질을 향상시킬 수 있다.
또한 풍력발전에서는 발전량을 콘트롤할 수 없어 주간시간과 심야시간에 적합하게 전기를 공급할 수 없으나, 압축공기 저장 및 발전장치와 연계하면 시간대별 전력소비에 맞추어 최적으로 발전할 수 있으므로 효율성이 향상된다.
또한 본 발명에서는 해양풍력발전과 연계하기 위한 압축공기 저장탱크를 해양의 일정 수심에 설치하고, 수압을 이용하여 압축공기를 저장하므로 압축공기를 정압으로 유지할 수 있어 효율적인 발전이 가능할 뿐만 아니라, 설비가 매우 경제적으로 이루어진다는 이점이 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서는 터빈을 배에 설치하여 이동식으로 운영하는 등 해양풍력과 연계하기 위한 최적의 설비를 제공한다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100 ... 해양풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템
10 ... 풍력발전기 20 ... 압축기
30 ... 터빈 40 ... 발전기
50 ... 메인탱크 60 ... 밸라스트 탱크
70 ... 밸브 90 ... 해양형 압축공기 저장탱크

Claims (13)

  1. 바람에 의하여 풍차를 회전시켜 전기를 발생시키도록 해상에 설치되는 복수의 풍력발전기;
    상기 풍력발전기에 의하여 생성된 전기에너지로 구동되며 외부의 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기;
    상기 압축된 공기를 저장하기 위한 것으로서 해양의 일정한 수심 범위 내에 설치되며 내부에 저장된 공기의 압력변화에 따라 해수가 유입 및 유출될 수 있는 게이트가 형성되어 있는 메인탱크; 및
    상기 메인탱크로부터 배출된 압축공기에 의하여 구동되는 터빈;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메인탱크가 해양의 일정한 수심 범위 내에 위치하게 하기 위한 수심유지수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수심유지수단은 중성부력을 이용하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 수심유지수단은, 상기 메인탱크에 마련되며 해수가 저장될 수 있는 수용부와 해수가 상기 수용부로부터 유입 및 유출되는 통수구가 형성되어 있는 밸라스트 탱크이며,
    상기 밸라스트 탱크에 수용되는 해수의 양을 조절함으로써 상기 메인탱크의 부력이 조정되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압축기에서 압축된 공기를 상기 밸라스트 탱크로 도입하기 위한 도입라인이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 압축기에서 압축된 공기를 상기 메인탱크로 유입시키는 메인라인과,
    상기 메인라인으로부터 분기되어 상기 압축된 공기를 상기 벨라스트 탱크로 도입하는 도입라인과,
    상기 메인라인과 도입라인의 분기점에 설치되어 상기 압축된 공기의 경로를 결정하는 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 밸라스트 탱크는 상기 메인탱크의 외측면을 감싸며 설치되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 메인탱크는 해저에 고정되게 설치되는 앵커로부터 연장된 로프에 연결되어 이동변위가 제한되는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 메인탱크는 해상에서 서로 이격되어 복수 개 배치되며,
    상기 터빈은 해상에서 이동되는 배에 설치되어,
    상기 터빈이 설치된 배는 해상에서 이동하면서 상기 메인탱크에 연결된 메인라인에 접속하여 상기 터빈을 구동하는 것을 특징으로 하는 해상풍력발전 연계형 압축공기 저장 및 발전시스템.
  10. 압축기에 의하여 압축된 공기를 저장하기 위하여 해양의 일정한 수심 범위 내에 배치되며, 내부에 저장된 공기의 압력변화에 따라 해수가 유입 및 유출되는 게이트가 형성되어 있는 메인탱크; 및
    중성부력을 이용하여 상기 메인탱크를 해양의 일정 수심 범위 내에 유지시키기 위한 수심유지수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 해양용 압축공기 저장탱크.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수심유지수단은, 상기 메인탱크에 마련되며 해수가 저장될 수 있는 수용부와 해수가 상기 수용부로부터 유입 및 유출되는 통수구가 형성되어 있는 밸라스트 탱크이며,
    상기 밸라스트 탱크에 수용되는 해수의 양을 조절함으로써 상기 메인탱크의 부력이 조정되는 것을 특징으로 하는 해상용 압축공기 저장탱크.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 압축기에서 압축된 공기를 상기 메인탱크로 유입시키는 메인라인과,
    상기 메인라인으로부터 분기되어 상기 압축된 공기를 상기 벨라스트 탱크로 도입하는 도입라인과,
    상기 메인라인과 도입라인의 분기점에 설치되어 상기 압축된 공기의 경로를 결정하는 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 해상용 압축공기 저장탱크.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 밸라스트 탱크는 상기 메인탱크의 외측면을 감싸며 설치되는 것을 특징으로 하는 해상용 압축공기 저장탱크.
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