KR20150001803A - 압축 공기 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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KR20150001803A
KR20150001803A KR1020147031336A KR20147031336A KR20150001803A KR 20150001803 A KR20150001803 A KR 20150001803A KR 1020147031336 A KR1020147031336 A KR 1020147031336A KR 20147031336 A KR20147031336 A KR 20147031336A KR 20150001803 A KR20150001803 A KR 20150001803A
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compressed air
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air
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energy storage
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미셸 데르꼴레
알레싼드로 루쏘
투르코 파올로 델
스테파노 프란시니
마테오 베르티
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누보 피그노네 에스알엘
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Abstract

본 발명은 압축 공기 에너지 저장 시스템에 관한 것으로서, 압축 공기 에너지 저장 시스템은, 제1 압력에서 공기 유동을 수용하고 제2 압력에서 공기 유동을 부분적으로 팽창시키도록 구성되는 가변 노즐 팽창기(115, 115A)로서, 제2 압력은 제1 압력보다 낮으며 가변 노즐 팽창기에서의 공기 유동의 팽창이 유효 기계력을 생성하는 것인, 가변 노즐 팽창기와, 가변 노즐 팽창기로부터의 부분적으로 팽창된 공기 유동 및 연료를 수용하도록 구성되는 열 발생기 요소(125)와, 열 발생기 요소(125)로부터 연소 가스를 수용하고 그리고 유효 기계력을 생성하는 연소 가스를 팽창시키도록 구성되는 터빈(131)을 포함한다.

Description

압축 공기 에너지 저장 시스템{COMPRESSED­AIR ENERGY­STORAGE SYSTEM}
본 발명은 약칭으로 CAES 시스템이라고 칭해지는 압축 공기 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 CAES 시스템을 이용하는 에너지 저장 및 전기 에너지 생성 방법에 관한 것이다.
CAES 파워 플랜트 및 시스템은 통상 에너지의 이용을 최적화하는 수단으로서 이용된다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 전기 분배 그리드가 필요로 하는 전기 에너지는 낮 동안의 피크 및 야간의 감소된 파워 요구에 따라 달라진다. 대형 스팀 파워 플랜트 또는 재생가능 파워 플랜트는 임의로 변경될 수 없는 임의량의 파워를 생산한다. 이로 인해 야간에는 전기 분배 그리드에서 이용가능한 파워가 초과되고 피크 시간 동안에는 파워가 부족해진다. 가스 터빈, 특히 공기유도 가스 터빈을 이용하는 소형 파워 플랜트가 피크 파워 요구를 커버하기 위해 실시되어 왔다. 이런 플랜트는 24 시간 동안의 가변 파워 요건에 따라 작동 및 정지될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 야간에 생성된 초과 에너지를 저장하기 위해 그리고 피크 시간 동안 전력 생산을 증가시키도록 저장된 에너지를 회수하는 것이 또한 충족되어야 한다. 이런 목적을 위해 이용되는 방법들 중 하나가 CAES 기술이다. 이런 시스템은 통상 하나 이상의 압축기를 갖는 압축 트레인을 포함하며, 하나 이상의 압축기는 야간 동안, 즉 그리드에서 이용가능한 것보다 적은 파워가 요구될 때 그리드로부터의 전력에 의해 구동된다. 후속하여, 압축 공기가 낮 동안 그리드로부터의 피크 파워 요구를 커버하도록 이용되는데, 압축 공기를 적절한 아력으로 팽창시켜 압축 챔버에서 공기/연료 혼합물을 연소시켜 연소 가스를 생성하는데, 이 연소 가스는 파워 생성을 위해 터빈에서 팽창된다.
종래 기술에 따른 압축 공기 에너지 저장 시스템이 도 1에 도시되어 있다. 시스템은 압축 공기 저장 체적부(1)을 포함한다. 저장 체적부는 자연 또는 인공 공동일 수 있다. 다른 적절한 체적부가 압축 공기를 저장하는데 이용될 수 있다. 본 명세서에선 "공동"이라는 용어를 구체적으로 참조하지만, 임의의 다른 적절한 체적부가 이용될 수 있다는 것을 당업자들은 알 것이다. 초과 전력이 전기 분배 그리드(G)에서 이용가능할 때, 가역 전기 기계(3)는 기계적 샤프트(7)를 통해 압축기 또는 압축기 트레인(5)을 구동시키기 위해 전기 분배 그리드(G)로부터 이용할 수 있는 전력을 기계력으로 변환시킨다. 선택적으로 압축기 또는 압축기 트레인(5)을 가역 전기 기계(3)에 연결시키고 그리고 압축기 또는 압축기 트레인(5)을 가역 전기 기계(3)로부터 분리시키기 위해 클러치(9)가 제공된다. 압축기 또는 압축기 트레인(5)으로부터의 압축 공기는 압축 공기 라인(11)에 의해 밸브(13)를 통해 공동(1) 내로 이송된다.
더 많은 전력이 전기 분배 그리드(G)로부터 요구되는 경우, CAES 시스템의 파워 생성 섹션(15)이 작동된다. 파워 생성 섹션(15)은 하나 이상의 팽창기를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 제1 고압 팽창기(17)는 제2 저압 팽창기(19)와 직렬로 배치된다. 2개의 팽창기(17, 19)는 통상 하나의 동일한 기계적 샤프트(21)에 연결된다. 기계적 샤프트(21)는 클러치(23)를 통해 가역 전기 모터에 연결되거나 가역 전기 모터로부터 분리될 수 있다. 공동(1)으로부터의 압축 공기는 고압 파이프(25)를 통해 고압 압축기(17)로 공급된다.
공동(1)으로부터의 압축 공기는 고압 팽창기(17)에서 팽창된다. 팽창 공기는 연소 챔버(29)로 이송된다. 제2 저압 팽창기(19)에서 팽창되는 연소 가스를 생성하기 위해 연료(F)가 부분적으로 팽창된 공기의 유동에 추가된다. 후속하여, 배기된 연소 가스가 도면부호 31에서 저압 팽창기로부터 배출된다. 압축 챔버(29) 내의 압력은 연소 챔버를 정확히 작동시키기 위해 신중하게 제어되어야 한다. 따라서, 공동(1)으로부터의 공기의 압력은 고압 팽창기(17)에서의 공기의 팽창 이전에 정밀하게 제어되어, 부분적으로 팽창된 공기가 정확한 압력에서 연소 챔버(29)에 유입되는 것이 필수적이다.
공동(1) 내의 압력은 공동(1) 내에서 압축 및 저장되는 공기의 양에 따라 변화된다. 고압 파이프(25) 내의 공기압은 사실상 일정한 값으로 유지되어야 한다. 이를 위해, 공동(1)으로부터의 공기의 압력을 고압 팽창기(17)의 유출구에서 정확한 연소 압력을 달성하는데 적절한 값으로 감소시키기 위해 압력 조절 밸브(27)가 고압 파이프(25)를 따라 제공된다. 압력 조절 밸브(27) 내의 공기의 팽창은 가압 공기에 포함된 에너지를 감소시키지만, 고압 팽창기(17)의 하류에 있는 연소 챔버(29)에 유입될 때 공기의 적절한 압력값을 달성하는데 있어서는 필수적이다. 압력 조절 밸브(27)는 고압 팽창기의 유입구에서 공기의 압력을 공동(1) 내의 가변 공기압과 상관없는 사실상 일정한 값으로 유지시킨다.
압력 조절 밸브(27) 내의 공기의 팽창은 상당한 에너지 손실을 야기하여 CAES 시스템의 전효율에 악영향을 미친다.
CAES 시스템 또는 파워 플랜트의 최적화된 전효율은 본 명세서에서 "가변 노즐 팽창기"로도 칭해지는 가변 구조의 유입 노즐을 갖춘 팽창기를 제공함으로써 달성된다. 저장 체적부, 예컨대 공동으로부터의 압축 공기는 가변 노즐 팽창기로 이송되어 고압에서 저압으로 부분적으로 팽창된다. "부분적으로 팽창된(partly expanded)"이라는 용어는 가변 노즐 팽창기의 이송 측에서의 공기가 여전히 가압된 상태로 유지된다라는 것을, 즉 주위 압력보다 더 높은 압력을 갖는다는 것을 의미한다.
기계력은 이런 압축 공기 유동의 제1 팽창 동안 가변 노즐 팽창기에 의해 생성된다. 가변 노즐 팽창기의 유입 노즐 구조는 작동 중에 변경될 수 있어, 가변 노즐 팽창기의 유출구에서의 최종 공기 유동 압력이 사실상 일정한 값으로 유지되거나, 적어도 대략 공칭 압력의 허용 오차의 범위 내에서 유지된다. 이런 값 또는 값 범위는 터빈의 연소 챔버 내의 작동 조건에 의해 설정되며, 부분적으로 팽창된 공기 유동은 연료와 혼합되고, 공기/연효 혼합물은 연소 가스 유동을 생성하도록 점화된 후에, 파워 생성을 위해 터빈에서 추가로 팽창된다. 본 명세서에서, 연소 챔버는 임의의 열 발생기 요소일 수도 있다. 가변 노즐 구조는 유입 공기 유동 압력이 변동되는 경우에도 팽창기 유출 압력을 소정의 값으로 또는 대략 소정의 값으로 유지시킨다. 따라서, 압력 감소 및 조절은 기계력을 추출할 수 있는 기계류에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 목적은 CAES 시스템을 이용하는 개선된 에너지 저장 및 전기 에너지 생성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 압축 공기 에너지 저장 시스템으로서, 제1 압력에서 공기 유동을 수용하고 제2 압력에서 공기 유동을 부분적으로 팽창시키도록 구성되는 적어도 하나의 가변 노즐 팽창기(variable-nozzle expander)로서, 제2 압력은 제1 압력보다 낮으며 가변 노즐 팽창기에서의 공기 유동의 팽창이 유효 기계력(useful mechanical power)을 생성하는 가변 노즐 팽창기와, 가변 노즐 팽창기로부터의 부분적으로 팽창된 공기 유동 및 연료를 수용하도록 구성되는 적어도 하나의 열 발생기 요소와, 열 발생기 요소로부터 연소 가스를 수용하고 그리고 유효 기계력을 생성하는 연소 가스를 팽창시키도록 구성되는 적어도 하나의 터빈을 포함하는, 압축 공기 에너지 저장 시스템이 제공된다.
몇몇 실시예에 따르면, 가변 노즐 팽창기는 제2 압력을 소정의 압력 범위 내에서 대략 일정한 압력 값, 즉 공칭값 또는 정격값으로 유지시키도록 구성된다. 예컨대, 공칭값은 연소 챔버 또는 열 생성기 요소의 설계에 의해 결정될 수 있다.
예컨대, 제2 압력,즉 가변 노즐 팽창기의 유출구에서의 압력은 바람직하게는 대략 공칭값의 20% 미만 만큼, 보다 바람직하는 대략 공칭값의 10% 미만 만큼 변동될 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 압력 변동은 대략 공칭값의 6% 내, 예컨대 대략 4% 내이다.
몇몇 실시예에 따르면, 본 발명의 시스템은 터빈 및/또는 가변 노즐 팽창기에 의해 생성된 유효 기계력을 전기력으로 변환시키도록 구성 및 배치되는 적어도 하나의 전기 기계를 포함한다. 또한, 전력은 하나 이상의 기계에 전력을 공급하는데 이용되고 그리고/또는 전기 에너지 분배 그리드에서 분배될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 기계력은 선택적으로 기계력을 전력으로 변환시키도록 또는 전기 분배 그리드(electric distribution grid)로부터의 전력을 기계력으로 변환시키도록 구성된다. 몇몇 실시예에 따르면, 본 발명의 시스템은 적어도 하나의 공기 압축기를 더 포함한다. 전기 기계는 가변 노즐 팽착기 및 터빈에 의해 생성된 기계력을 이용하는 전력을 선택적으로 생성하도록 구성 및 배치되거나, 전기 분배 그리드로부터의 전력을 기계력으로 변환시킬 때 적어도 하나의 공기 압축기를 회전 구동시키도록 구성 및 배치된다. 또한, 본 발명의 시스템은 에너지를 압축 공기의 형태로 저장하기 위해 적어도 하나의 압축 공기 라인 경로에 의해 적어도 하나의 공기 압축기에 연결되는 적어도 하나의 압축 공기 저장 체적부(volume)를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 가변 노즐 팽창기와 노즐은 공통 샤프트를 갖는다. 전기 기계는 공통 샤프트에 또는 적어도 하나의 공기 압축기에 선택적으로 연결될 수 있다.
다른 실시예에서, 가변 노즐 팽창기와 터빈은 2개의 독립적인 출력 샤프트를 갖는다. 이런 경우, 본 발명의 시스템은, 가변 노즐 팽창기에 의해 생성된 유효 기계력을 전력으로 변환시키도록 구성 및 배치되는 제1 전기 기계와, 터빈에 의해 생성된 유효 기계력을 전력으로 변환시키도록 구성 및 배치되는 제2 전기 기계를 더 포함한다. 제1 전기 기계 또는 제2 전기 기계, 또는 제1 전기 기계와 제2 전기 기계는 선택적으로 유효 기계력을 전력으로 변환시키거나 전기 분배 그리드에 의해 전력이 공급될때 기계력을 생성하도록 구성 및 배치되는 가역 전기 기계일 수 있다.
몇몇 실시예에서, 본 발명의 시스템은 선택적으로 제1 전기 기계에 연결되거나 제1 전기 기계로부터 분리될 수 있는 제1 공기 압축기와, 선택적으로 제2 전기 기계에 연결되거나 제2 전기 기계로부터 분리될 수 있는 제2 공기 압축기를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 공기 압축기는 압축 공기 라인에 의해 적어도 하나의 압축 공기 저장 체적부, 예컨대 공동에 연결된다.
공기의 압축은 온도 상승을 유발시킨다. 압축 동안 공기 유동에서 생성된 열은 시스템의 전효율을 증가시키도록 회수될 수 있다. 따라서, 몇몇 개선된 실시예에 따르면, 본 발명의 시스템은 하나 이상의 열 에너지 저장 장치를 포함한다. 유리하게는, 열 에너지 저장 장치(들)는 하나 이상의 압축기에 의해 전달된 압축 공기의 유동으로부터 추출되는 열을 저장하도록 구성된다. 이와는 반대로, 압축 공기가 압축 공기 저장 체적부로부터 가변 노즐 팽창기를 향해 유동하는 경우, 열은 열 에너지 저장 장치(들)로부터 공기 유동으로 전달되어 공기의 에너지 양을 증시키며, 후속하여 가변 노즐 팽창기 및/또는 터빈에서 이용될 수 있다. 복수의 열 에너지 저장 장치가 제공되는 경우, 복수의 열 에너지 저장 장치는 상이한 압력 레벨에서 압축 공기 유동으로부터 열을 제거하도록 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 열 에너지 저장 장치는 2개의 연속으로 배치된 압축 스테이지 사이에서 공기를 냉각시키도록 배치될 수 있다. 이런 경우 열 에너지 저장 장치의 효과는 인터쿨링과 유사할 것이며, 압축기 장치의 전효율을 증가시킨다. 사실상, 열 에너지 저장 장치는 열 교환기를 포함하며, 공기는 냉각 매체에 의해 열을 교환한다. 냉각 매체는 열 저장 매체로서 기능할 수 있다. 냉각 공기는 더 높은 밀도를 가지며, 추가적인 압축에 더 적은 파워가 요구된다.
압축 공기를 가변 노즐 팽창기 및/또는 터빈을 향해 이송할 때 열이 회수될 수 있다. 열은 가변 노즐 팽창기의 상류에 있는 압축 공기의 유동으로 다시 전달되거나, 가변 노즐 팽창기와 터빈 사이로 다시 전달되거나, 가변 노즐 팽창기의 상류에 있는 압축 공기의 유동으로 그리고 가변 노즐 팽창기와 터빈 사이로 다시 전달될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 열은 터빈 배출부에서 연소 가스로부터 또한 회수될 수 있다. 이러한 회수는 열 교환기에 의해 달성될 수 있으며, 압축 공기는 터빈으로부터 배출되는 배기 연소 가스와의 열 교환에 의해 가열된다. 연소 가스로부터의 열의 회수는 열 에너지 저장 장치로부터의 열 회수와 조합되어 이용될 수 있거나, 그런 열 에너지 저장 장치 없이 이용될 수 있다.
터빈 및/또는 가변 노즐 팽창기 내에서의 공기의 팽창 이전에 공기를 가열하기 위한 압축 공기의 유동과의 열 교환을 통한 열의 회수가 바람직하지만, 회수된 열은 또한 다른 방식으로, 예컨대 가열 또는 공기 조절 목적으로 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 압축 공기 에너지 저장 시스템으로부터 에너지를 생성하기 위한 방법으로서, 압축 공기 유동을 가변 노즐 팽창기에서 제1 압력에서 제2 압력으로 적어도 부분적으로 팽창시켜 유효 기계력을 생성하는 단계와, 부분적으로 팽창된 공기 유동을 제2 압력에서 열 발생기 요소로 이송하여 부분적으로 팽창된 공기 유동에 연료를 혼합시켜 고온 가압 연소 가스를 생성하는 단계와, 연소 가스를 터빈에서 팽창시켜 유효 기계력을 생성하는 단계를 포함하며, 제1 압력은 제2 압력보다 높은 에너지 생성 방법에 관한 것이다.
몇몇 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 제2 압력을 소정 범위의 압력 값 내에서 그리고 바람직하게는 사실상 일정한 값으로 유지시키기 위해 가변 노즐 팽창기를 이용하여 공기 유동의 제2 압력을 제어하는 단계를 포함한다. "사실상 일정한(substantially constat)"이란 용어는 대략 소정의 값의 바람직하게는 20% 미만, 보다 바람직하게는 10% 미만, 가장 바람직하게는 6% 미만으로 변동되는 압력을 의미한다.
몇몇 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 가변 노즐 팽창기 및/또는 터빈에 의해 생성된 유효 기계력을 적어도 하나의 제1 가역 전기 기계를 이용하여 전력으로 변환시키는 단계를 포함한다.
예컨대, 본 발명의 방법은 공기 압축 단계 동안 적어도 하나의 가역 전기 기계에 의해 구동되는 적어도 하나의 공기 압축기를 이용하여 압축 공기 저장 체적부 내의 공기를 압축하는 단계와, 파워 생성 단계 동안 압축 공기 유동을 생성하기 위해 압축 공기 저장 체적부로부터의 압축 공기를 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 방법은 공기 압축 단계 동안 적어도 하나의 공기 압축기에 의해 압축된 공기로부터 열을 회수 및 저장하는 단계를 더 포함한다. 또한, 본 발명의 방법은 공기 압축 단계 동안 저장된 열을 이용하여 파워 생성 단계 동안 압축 공기 유동을 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 저장된 열은 예컨대 대기 조절을 위한 독립적인 에너지원으로서 이용될 수 있다. 다른 실시예에서, 본 발명의 방법은 공기 유동을 가열하기 위해 터빈에서 팽창된 가스로부터 열을 회수하는 단계를 포함한다.
도 1은 종래 기술에 따른 CAES 파워 플랜트의 도면이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 CAES 파워 플랜트 또는 시스템의 5개의 실시예의 도면이다.
본 발명의 구성요소 및 실시예가 이하에 기술되며, 본 명세서의 일부분으로서 첨부된 특허청구범위에 추가로 기술된다. 상술된 내용은 이하의 상세한 설명을 더 잘 이해할 수 있도록 그리고 종래 기술에 대한 본 발명의 개선점을 더 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 다양한 실시예의 구성요소를 기술하고 있다. 물론, 본 발명의 다른 구성요소들은 이하에서 그리고 첨부된 특허청구범위에 기술될 것이다. 이런 점에서, 본 발명의 몇몇 실시예에 대한 상세한 설명 이전에, 본 발명의 다양한 실시예들은 이하의 상세한 설명에 기술된 그리고 도면에 도시된 구성요소의 구조 및 배치에 대한 상세 사항으로 본 발명의 실시예의 적용을 제한하는 것이 아니다. 본 발명은 다른 실시예로 실시될 수 있으며, 다양한 방식으로 실시 및 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기술된 용어들은 설명을 위한 것일 뿐 제한적인 것이 아니다.
또한, 본 개시 내용의 기초가 되는 개념은 본 발명의 몇몇 목적을 수행하기 위한 다른 구조체, 방법 및/또는 시스템을 구성하는데 있어서도 기초로서 이용될 수 있음을 당업자들은 알 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 그런 등가 구성이 본 발명의 기술사상 및 범주를 벗어나지 않는 한 그런 등가 구성을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.
첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조하면 개시된 본 발명의 실시예 및 수반되는 많은 이점을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
예시적인 실시예에 대한 이하의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조한다. 상이한 도면들 내의 동일한 도면 부호는 동일한 또는 유사한 구성요소를 나타낸다. 또한, 도면들은 일정한 비율로 도시될 필요는 없다. 또한, 이하의 상세한 설명은 본 발명을 제한하는 것이 아니다. 대신에, 본 발명의 범주는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "(일) 실시예" 또는 "몇몇 실시예"라는 용어는 임의의 실시예와 관련하여 기술된 특정한 구성요소, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 위치에 기술되는 "(일) 실시예에서" 또는 "몇몇 실시예에서"라는 문구는 동일한 실시예(들)를 나태내는 것은 아니다. 또한, 특정한 구성요소, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수도 있다.
본 발명에 따른 CAES 파워 플랜트의 제1 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 전체적으로 도면부호 102로 표시된 파워 플랜트 또는 시스템은 압축 공기 저장 체적부(101)를 포함하며, 도면부호 G로 개략적으로 도시된 전력 분배 그리드에서 초과 전력이 이용가능한 경우에 압축 공기가 저장된다. 본 명세서의 이하에선 압축 공기 저장 체적부(101)는 "공동(cavern)"으로도 칭해질 것이다.
압축 공기는 압축 공기 라인 경로(103)를 통해 공동(101)으로 공급되며, 밸브(105)가 압축 공기 라인 경로(103)를 따라 제공될 수 있다. 압축 공기는 압축기 트레인(107)에 의해 이송된다. 압축기 트레인은 유량 및 압축률에 따라 직렬 또는 병렬인 복수의 압축기, 또는 단일 압축기를 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서의 이하에서 "압축기 트레인(compressor train)"이란 용어는 직렬 또는 병렬인 압축기의 세트, 또는 단일 압축기를 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
압축기 트레인(107)은 가역 전기 기계(109)에 의해 구동된다. "가역 전기 기계(reversible electric machine)"라는 용어는 전력으로부터 기계력을 그리고 유효 기계력으로부터 전력을 선택적으로 생성할 수 있는 임의의 장치로 이해하여야 한다.
가역 전기 기계(109)는 샤프트(111)와 클러치(113)에 의해 압축기 트레인(107)에 연결되거나 압축기 트레인(107)으로부터 분리될 수 있다.
또한, 가역 전기 기계(109)는 선택적으로 팽창기(115)에 연결되거나 팽창기(115)로부터 분리될 수 있다. 가역 전기 기계(109)와 팽창기(115) 사이의 연결은 샤프트(117)와 클러치(119)를 통해 달성된다. 클러치(113, 119)는 가역 전기 기계(109)를 압축기 또는 압축기 트레인(107)에, 또는 팽창기(115)에 선택적으로 연결시키도록 제어된다.
팽창기(115)는 가변 노즐 팽창기, 즉 팽창기의 효율을 최적화하기 위해 팽창기의 유입구에서의 공기의 압력에 따라 변경될 수 있는 구조의 유입 노즐을 포함하는 팽창기이다. 고압 유입 라인(121)은 도면부호 115A로 개략적으로 표시된 가변 노즐 팽창기(115)의 노즐에 공동(101)을 연결시킨다.
몇몇 실시예에서, 3방향 밸브(123)가 고압 유입 라인(121)과 가변 노즐 팽창기(115)를 연결시키도록 제공될 수 있는데, 3방향 밸브(123)는 공동(101)으로부터의 공기를 (이하에서 기술되는 바와 같이)본 명세서에서 연소 챔버(125)로 칭해지는 열 발생기 요소를 향해 부분적으로 또는 전체적으로 전환시킨다.
가변 노즐 팽창기(115)는 연료 이송부에 또한 연결되는 연소 챔버(125)와 유체 연통된다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 연료 이송부는 기체 연료를 이송하기 위한 가스 그리드(127)를 포함한다. 연소 챔버(125) 내에서의 공기/가스 혼합물의 연소는 연결부(129)를 통해 터빈(131)으로 이송되는 연소 가스를 생성시킨다.
터빈(131)은 샤프트(133)를 통해 제2 가역 전기 기계(135)에 기계적으로 연결된다. 샤프트(133) 상의 클러치(137)는 선택적으로 가역 전기 기계(135)를 터빈(131)에 연결시키거나 가역 전기 기계(135)를 터빈(131)으로부터 분리시킬 수 있다. 클러치(141)를 갖춘 추가의 샤프트(139)는 선택적으로 가역 전기 기계(135)를 제2 압축기 또는 압축기 트레인(143)에 연결시키거나 가역 전기 기계(135)를 제2 압축기 또는 압축기 트레인(143)으로부터 분리시킨다. 압축기 트레인(107)과 관련하여 상술된 바와 같이, 압축기 트레인(143)도 직렬 또는 병렬로 배치된 복수의 압축기, 또는 단일 압축기를 포함할 수 있다.
제2 압축 공기 라인 경로(145)가 압축기 트레인(143)의 유출구를 공동(101)에 연결시킨다. 밸브(147)가 압축 공기 라인 경로(145)를 따라 제공될 수 있다.
지금까지 기술된 CAES 파워 플랜트(102)는 다음과 같이 작동된다. 전력 생성 단계 동안, 공동(101)으로부터의 압축 공기가 고압 유입 라인(121)을 통해 가변 노즐 팽창기(115)로 이송된다. 공동(101)으로부터의 공기 유동이 가변 노즐 팽창기(115)를 통해 부분적으로 팽창되어, 공기 유동의 압력이 제1의 고압에서 제2의 저압으로 강하된다. 가변 노즐 팽창기(115)의 구조는 가변 노즐 팽창기(115)의 출력부에서의 제2의 저압이 좁은 범위 내에서, 바람직하게는 대략 소정의 압력값으로 유지되도록 제어된다. 이런 압력값은 연소 챔버(125)의 설계 제한에 의해 결정된다. 가변 노즐 팽창기(115)의 구조는 유입 압력, 즉 공동(101)으로부터의 공기 유동의 압력의 변화에 대응하도록 변화될 수 있다.
상술된 바와 같이, 공동(101) 내의 압력은 사실상 전력 생성 단계 동안 변경될 수 있는데, 그 이유는 공동(101) 내의 공기의 양이 점진적으로 감소되어 공동(101) 내의 압력이 감압되기 때문이다. 통상, CAES 파워 플랜트의 공동 내의 공기 압력은 30 바아 내지 120 바아일 수 있다. 이런 값은 예시적인 값일 뿐 본 발명의 범주를 제한하려는 것이 아니다.
가변 노즐 팽창기(115)는, 공기 압력이 가변 노즐 팽창기 유입구에서의 제1의 고압에서 가변 노즐 팽창기의 유출구에서의 제2의 저압으로 감소될 때, 연소 챔버(125)의 유입구에서의 압력을 조절하고 그리고 공기 유동의 압력을 유효 기계력으로 변환시키는 두 가지 기능을 위해 제공된다.
제1의 고압에서 제2의 저압으로의 공기 유동의 팽창은 가변 노즐 팽창기(115)의 출력 샤프트(117)에서 이용가능한 기계력을 생성한다. 전력 생성 단계 동안, 클러치(119)는 가변 노즐 팽창기(115)를 제1 가역 전기 기계(109)에 연결시킴으로써, 제1 가역 전기 기계(109)가 샤프트(117)로부터 수용된 유효 기계력을 유효 전력으로 변환시키며, 이런 유효 전력은 전기 분배 그리드(G)에 전달된다.
가변 노즐 팽창기(115)의 출력부에 이송된 부분적으로 팽창된 공기 유동은 연소 챔버(125)로 공급되어, 고온 압축 연소 가스를 생성하도록 기체 연료 또는 다른 연료가 추가되며, 이런 고온의 압축 연소 가스는 연결부(129)를 통해 터빈(131)으로 이송된다. 터빈(131) 내에서 연소 가스가 팽창되어, 연소 가스에 포함된 에너지가 유효 기계력으로 변환된다. 샤프트(133)에서 이용가능한 유효 기계력은 제2 가역 전기 기계(135)에 의해 전력으로 변환되며, 제2 가역 전기 기계(135)는 클러치(137)와 샤프트(133)에 의해 터빈(131)에 연결된다. 따라서, 추가적인 전력이 전기 분배 그리드(G)에 유입된다.
전력 생성 단계 동안, 클러치(113, 114)는 압축기 또는 압축기 트레인(107, 143)이 작동되지 않도록 분리된다.
따라서, 공동(101) 내에 저장된 압축 공기는 더 많은 파워가 전기 분배 그리드(G)로부터 요구될 때 피크 시간 동안 전력을 생성하는데 이용된다.
초과 전력이 전기 분배 그리드(G)에서 이용가능할 때, CAES 파워 플랜트는 다음과 같이 반대로 작동된다.
클러치(119, 137)가 분리되고 클러치(113, 141)가 결합되어, 제1 가역 전기 기계(109)와 제2 가역 전기 기계(135)가 제1 압축기 또는 압축기 트레인(107) 및 제2 압축기 또는 압축기 트레인(143)을 각각 회전 구동시킬 수 있다. 압축기 트레인은 압축 공기 저장 체적부, 즉 공동(101) 내의 대기를 임계 압력이 달성될 때까지 또는 파워가 전기 분배 그리드(G)로부터 이용가능할 때까지 압축시킨다.
이런 방식으로, 전기 분배 그리드(G)에서 이용가능한 잉여 파워가 낭비되지 않으며 압축 공기의 포텐셜 에너지의 형태로 공동(101) 내에 저장되며, 필요한 경우 가변 노즐 팽창기(115)와 터빈(131) 내에서의 순차적인 팽창에 의해 이용될 수 있다.
가변 노즐 팽창기(115)를 이용함으로써, 파워 플랜트의 전효율을 증가시킬 수 있는데, 즉 전력 생성 단계 동안 전기 에너지로 변환될 수 있는 공동(101) 내에 저장된 피크 오프(peak-off) 에너지의 양을 증가시킬 수 있다.
상술된 바와 같이 실제로는, 고압 유입 라인(121)에서의 큰 압력 변동은 전력 생성 단계 동안의 공동(101) 내에서의 점진적인 압력 강하에 의해 유발된다. 종래 기술에 따른 CAES 파워 플랜트에선, 적어도 가압 공기의 형태로 저장된 에너지의 일부가 터빈의 연소 챔버로 이송되는 정압 공기 유동을 생성하기 위한 압력 제어 밸브를 통한 팽창 과정 중에 낭비된다. 공동 내의 압력이 더 높을수록, 더 많은 양의 파워가 압력 조절 및 압력 제어를 위한 팽창으로 인해 낭비된다.
역으로 도 2의 파워 플랜트에선, 공동(101)으로부터의 압축 공기 유동으로 이용가능한 사실상 전체 에너지가 낭비 없이 파워 생성을 위해 이용될 수 있는데, 그 이유는 압력 제어의 기능이 가변 노즐 팽창기(115)에 의해 수행되기 때문이다. 이런 기계는 공기 유동을 고압의 유입 압력에서 사실상 일정한 저압의 유출 압력으로 팽창시켜, 압력 강하를 유효 기계력으로 변환시킬 수 있다.
3방향 밸브(123)가 제공되는 경우, 3방향 밸브(123)는 공동(101)으로부터의 압축 공기를 가변 노즐 팽창기(115)를 우회하여 보조 라인(151)을 통해 연소 챔버(125)로 직접 이송하는데 이용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 CAES 파워 플랜트 또는 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 도2의 CAES 파워 플랜트와 다른 점은 도 3의 CAES 파워 플랜트에는 단 하나의 가역 전기 기계가 제공된다는 것이다. 가변 노즐 팽창기와 터빈은 동일한 샤프트에 연결되며, 선택적으로 가역 전기 모터에 연결되거나 가역 전기 모터로부터 분리될 수 있다.
보다 구체적으로는, 전체적으로 도면부호 202로 표시된 도 3의 CAES 파워 플랜트는 압축 공기 저장 체적부(201), 예컨대 공동을 이용한다. 공동(201)은 가변 노즐 팽창기(215)와 유체 연통된다. 도면부호 215A는 가변 구조 유입 노즐을 개략적으로 나타낸다. 가변 노즐 팽창기(215)는 연소 챔버(225)와 유체 연통되는데, 연료는 예컨대 가스 분배 그리드(227)를 통해 연소 챔버(225)로 이송된다. 연소 챔버(225)의 유출구는 도면부호 229에서 터빈(231)에 연결된다.
단일의 기계적 샤프트(233)와 클러치(219)가 선택적으로 터빈(231)의 로터와 가변 노즐 팽창기(215)의 로터를 가역 전기 기계(29)에 연결시키거나 가역 전기 기계(29)로부터 분리시킨다.
도 2의 가역 전기 기계(109) 및 가역 전기 기계(135)와 유사하게, 가역 전기 기계(209)는 전기 모터로서 또는 발전기로서 선택적으로 작동될 수 있다.
샤프트(211)와 클러치(213)를 통해, 가역 전기 기계(209)는 압축기 또는 압축기 트레인(207)에 선택적으로 연결되어, 결과적으로 압축 공기 라인(203)을 통해 공동(201)과 유체 연통될 수 있다.
도 3의 CAES 파워 플랜트(202)는 다음과 같이 작동된다.
전력 생성 단계 동안, 압축 공기는 공동(201)으로부터 압축 공기 라인(221)을 통해 가변 노즐 팽창기(215)로 이송된다. 가변 노즐 팽창기(215)로 이송된 공기 유동은 가변 유입 압력에서 더 낮은 유출 압력으로 팽창되는데, 이런 유출 압력은 사실상 일정하게 유지되거나 좁은 압력 범위 내에서 유지된다. 유출 압력의 적절한 변동 범위는 정격값의 대략 4%이다. 이런 값은 이 실시예의 바람직한 예로서 제공될 뿐, 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니다. 유효 기계력은 공기 유동의 제1 팽창에 의해 생성되며, 기계적 샤프트(233)에서 이용가능하다. 부분적으로 팽창된 공기 유동은 연소 챔버(225) 내에서 기체 연료 또는 다른 연료와 혼합되며, 공기/연료 혼합물은 터빈(231) 내에서 팽창되는 고온 압축 연소 가스의 유동을 생성하도록 점화된다. 터빈(231) 내에서의 연소 가스의 팽창은 샤프트(233)에서 이용가능한 유효 기계력을 생성한다.
상술된 공기 유동 및 연소 가스의 순차적인 이중 팽창으로 생성된 기계력은 가역 전기 기계(209)를 구동시키는데 이용된다. 가역 전기 기계(209)는 기계력을 전기 분배 그리드(G)에 유입되는 전력으로 변환시킨다.
공기 압축 단계 동안, 잉여 전력이 전기 분배 그리드(G)에서 이용가능할 때, 가역 전기 기계(209)는 클러치(219)의 분리에 의해 기계적 샤프트(233)로부터 분리되어, 클러치(213)와 샤프트(211)에 의해 압축기 또는 압축기 트레인(207)에 선택적으로 연결된다. 전기 분배 그리드(G)로부터의 전력은 공동(201) 내의 공기를 압축시키는데 이용된다.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 CAES 파워 플랜트를 도시한다. 도 3과 동일한 도면 부호는 파워 플랜트의 동일한 또는 등가의 부품을 나타내는데 이용된다. 도 4의 파워 플랜트는 열 에너지 회수 장치가 제공되어 있다는 점에서 도 3의 파워 플랜트와 상이한데, 이 열 에너지 회수 장치는 공기 압축 단계 동안 압축 공기로부터 열을 회수 및 저장하고 그리고 전력 생성 단계 동안 압축 공기의 팽창 이전에 압축 공기를 가열하도록 구성된다.
보다 구체적으로는, 도 4에 도시된 실시예에서 압축기 트레인(207)은 직렬로 배열되는 2개 이상의 압축기를 포함할 수 있다. 다른 실시예에선 단일 압축기가 이용될 수 있다. 주변 환경으로부터의 공기는 압축기(207)에 의해 흡입되어 라인(301)을 통해 열 에너지 저장 장치(303)로 이송된다. 몇몇 예시적인 실시예에서, 열 에너지 저장 장치(303)는 예컨대 열 에너지를 액화열의 형태로 저장하는 솔트와 같은 축열 물질을 포함할 수 있다. 압축 공기는 열 에너지 저장 장치(303)를 통해 유동되며, 열은 열 에너지 저장 장치(303)로부터 제어되어 예컨대 다량의 축열 솔트에 액화열의 형태로 저장된다. 따라서, 제1 열 에너지 저장 장치(303)는 인터쿨러 열 교환기와 유사하게 기능하지만, 압축 공기 유동으로부터 추출된 열은 대기 중으로 방출되지 않고 축적된다. 열 에너지 저장 장치(303)에서의 냉각 이후에, 공기는 압축 공기 라인(203)을 통해 압축 공기 저장 체적부 또는 공동(201) 내로 이송된다.
이런 장치 배열에 의해, 공기 압축 단계 동안 전기 분배 그리드(G)에서 이용가능한 잉여 전력, 즉 피크 오프 에너지는 공동(201)에 저장되는 압력 에너지로 부분적으로 변환되고 그리고 열 에너지 저장 장치(303에 저장되는 열 에너지로 부분적으로 변환된다.
추가적인 전력이 전기 분배 그리드(G)에서 요구될 때, 전력 생성 단계가 개시된다. 압축 공기가 공동(201)으로부터 가변 노즐 팽창기(215) 및 연소 챔버(225)로 이송된다. 연소 챔버(225) 내에서 가스 그리드(227) 등으로부터의연료가 가변 노즐 팽창기(215)로부터 이송된 부분적으로 팽창된 공기 유동과 혼합된다. 공기/연료 혼합물이 점화된다. 따라서, 압축 고온 연소 가스가 생성되고, 후속하여 터빈(231)에서 팽창되어, 가변 노즐 팽창기(215)에 의해 생성된 유효 기계력과 함께 샤프트(233)에서 이용가능한 유효 기계력이 생성되며, 가역 전기 기계(209)에 의해 전력으로 변환된다.
압축 공기 라인(203, 221)에 유입되는 압축 공기는 열 에너지 저장 장치(203)을 통해 유동되고 가열된다. 따라서, 열 에너지 저장 장치(203)에 저장된 열 에너지가 회수되어 가변 노즐 팽창기 내에서의 팽창 이전에 공기 유동 온도를 상승시키는데 이용된다. 또한, 이런 열 에너지의 일부는 가역 전기 기계를 구동시키기 위한 샤프트(223)에서 이용가능한 추가의 유효 기계력으로 변환된다.
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 CAES 파워 플랜트를 도시한다. 동일한 도면 부호는 도 3 및 도 4의 동일한 또는 등가의 부품을 나타낸다.
도 5의 실시예와 도 4의 실시예의 주요한 차이점은 제2 열 에너지 저장 장치(305)와, 2개의 압축기(207A, 207B)를 포함하는 압축기 트레인을 이용한다는 점이다. 압축기(207A)를 떠나는 압축 공기로부터 열이 회수되어 열 에너지 저장 장치(303)에 축적된다. 압축기(207B)로부터 회수된 열은 제2 열 에너지 저장 장치(305)에 축적된다.
도 5에서, 제1 열 에너지 저장 장치(303)는 가변 노즐 팽창기(215)의 유출구와 연소 챔버(225)의 유입구 사이의 연결부에 배치된다. 제2 열 에너지 저장 장치(305)는 공동(201)과 가변 노즐 팽창기(215)의 유입구 사이의 연결 라인에 배치된다.
이런 장치 배열에 의해, 공기 압축 단계 동안 회수되는 열 에너지의 일부가 가변 노즐 팽창기(215) 내에서의 제1 팽창 이전에 공동(201)으로부터의 압축 공기 유동을 가열하는데 이용된다. 이와는 반대로, 열 에너지의 제2 부분은 연소 챔버(225)로의 유입 이전에 가변 노즐 팽창기(215)에 유입되는 부분적으로 팽창된 공기 유동의 가열에 의해 회수된다.
도 6은 본 발명에 따른 또 다른 CAES 파워 플랜트를 도시한다. 도 4 및 도 5와 동일한 도면 부호는 동일한 또는 등가의 부품을 나타내는데 이용된다.
도 6의 파워 플랜트는 추가적인 열 회수 장치가 제공된다는 점에서 주로 도 4의 파워 플랜트와 상이하다. 전력 생성 단계 동안, 공동(201)으로부터의 압축된 공기 유동은 열 에너지 저장 장치(305)와 열 에너지 저장 장치(303)에서 순차적으로 가열된다. 후속하여, 가열된 압축 공기 유동은 터빈(231)을 떠나 열 교환기(307)에 유입되는 배기 연소 가스에 대한 열 교환에 의해 추가로 가열된다. 후속하여, 압축되고 가열된 공기 유동은 가변 노즐 팽창기(215)로 이송된다.
상술된 실시예에서, 가역 전기 기계가 기계력 또는 전력을 교번적으로 생성하도록 시스템에서 이용된다. 다시 말해, 이점이 더 적은 실시예나 별개의 전기 기계가 전력 생성 및 기계력 생성을 위해 이용될 수 있으며, 적절한 클러치 장치가 시스템의 다양한 구성요소들 사이의 정확한 기계적 연결을 달성하도록 제공될 수 있다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 특정 실시예들이 도면에 도시되고 몇몇 예시적인 실시예와 관련되어 구체적이고 상세하게 완전히 상술되었지만, 다양한 변형예, 변경예 및 생략예들이 본 명세서에 개시된 신규한 기술사상, 원리 및 개념과, 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 이점으로부터 사실상 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 당업자들은 알 것이다. 따라서, 개시된 본 발명의 적절한 범주는 그런 모든 변형예, 변경예 및 생략예를 포함하도록 첨부된 특허청구범위의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다. 다양한 실시예의 상이한 구성요소, 구조 및 수단들은 다양하게 조합될 수 있다. 예컨대, 열 에너지 회수 장치가 도 2 및/또는 도 3의 실시예에 조합될 수도 있다. 유사하게, 터빈으로부터의 연소 가스로부터의 열 회수도 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5의 실시예에서 제공될 수 있다.
101 : 압축 공기 저장 체적부 102 : 파워 플랜트 또는 시스템
105, 147 : 밸브 107 : 압축기 트레인
109 : 가역 전기 기계 115 : 팽창기
125 : 연소 챔버 131 : 터빈
135 : 제2 가역 전기 기계 143 : 제2 압축기 또는 압축기 트레인
G : 전력 분배 그리드

Claims (30)

  1. 압축 공기 에너지 저장 시스템으로서,
    제1 압력에서 공기 유동을 수용하고 제2 압력에서 상기 공기 유동을 부분적으로 팽창시키도록 구성되는 적어도 하나의 가변 노즐 팽창기로서, 상기 제2 압력은 상기 제1 압력보다 낮으며 상기 가변 노즐 팽창기에서의 상기 공기 유동의 팽창이 유효 기계력을 생성하는 것인, 가변 노즐 팽창기와,
    상기 가변 노즐 팽창기로부터의 부분적으로 팽창된 공기 유동 및 연료를 수용하도록 구성되는 적어도 하나의 열 발생기 요소와,
    상기 열 발생기 요소로부터 연소 가스를 수용하고 그리고 유효 기계력을 생성하는 상기 연소 가스를 팽창시키도록 구성되는 적어도 하나의 터빈을 포함하는
    압축 공기 에너지 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가변 노즐 팽창기는 상기 제2 압력을 소정의 압력 범위 내에서 대략 일정한 압력 값으로 유지시키도록 구성되는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가변 노즐 팽창기는 상기 제2 압력을 사실상 일정한 값으로 유지시키도록 구성되는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터빈 및/또는 상기 가변 노즐 팽창기에 의해 생성된 상기 유효 기계력을 전기력으로 변환시키도록 구성 및 배치되는 적어도 하나의 전기 기계를 더 포함하는 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 분배 그리드로부터의 전력을 기계력으로 변환시키도록 구성 및 배치되는 적어도 하나의 전기 기계와,
    적어도 하나의 공기 압축기와,
    상기 적어도 하나의 공기 압축기에 의해 이송되는 압축 공기를 저장하기 위해 적어도 하나의 압축 공기 라인 경로에 의해 상기 적어도 하나의 공기 압축기에 연결되는 적어도 하나의 압축 공기 저장 체적부를 더 포함하는 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 기계는 기계력을 전력으로 또는 전기 분배 그리드로부터의 전력을 기계력으로 선택적으로 변환시키도록 구성되는 가역 전기 기계이며,
    상기 압축 공기 에너지 저장 시스템은, 적어도 하나의 공기 압축기와, 적어도 하나의 압축 공기 라인 경로에 의해 상기 적어도 하나의 공기 압축기에 연결되는 적어도 하나의 압축 공기 저장 체적부를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 전기 기계는 상기 전기 분배 그리드로부터의 전력을 기계력으로 변환시킬 때 선택적으로 상기 전력을 생성하거나 상기 적어도 하나의 공기 압축기를 구동시키도록 구성 및 배치되는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가변 노즐 팽창기와 상기 터빈은 공통 샤프트를 갖는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가역 전기 기계는 상기 공통 샤프트에 또는 상기 적어도 하나의 공기 압축기에 선택적으로 연결될 수 있는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가변 노즐 팽창기와 상기 터빈은 2개의 독립적인 출력 샤프트를 가지며,
    상기 압축 공기 에너지 저장 시스템은, 상기 가변 노즐 팽창기에 의해 생성된 상기 유효 기계력을 전력으로 변환시키도록 구성 및 배치되는 적어도 하나의 제1 전기 기계와, 상기 터빈에 의해 생성된 상기 유효 기계력을 전력으로 변환시키도록 구성 및 배치되는 적어도 하나의 제2 전기 기계를 더 포함하는 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전기 기계와 상기 제2 전기 기계는 가역 전기 기계이며, 선택적으로 상기 가변 노즐 팽창기와 상기 터빈으로부터의 유효 기계력을 전력으로 변환시키거나 전기 분배 그리드에 의해 전력이 공급될때 기계력을 생성하도록 구성 및 배치되는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 선택적으로 상기 제1 전기 기계에 연결되거나 상기 제1 전기 기계로부터 분리될 수 있는 적어도 하나의 제1 공기 압축기와, 선택적으로 상기 제2 전기 기계에 연결되거나 상기 제2 전기 기계로부터 분리될 수 있는 적어도 하나의 제2 공기 압축기를 더 포함하는 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 공기 압축기와 상기 제2 공기 압축기는 압축 공기 라인에 의해 적어도 하나의 압축 공기 저장 체적부에 연결되는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 선태적으로 열 에너지를 저장하고 그리고 열 에너지를 상기 공기 유동으로 이송하도록 구성되는 적어도 하나의 제1 열 에너지 저장 장치를 더 포함하는 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 열 에너지 저장 장치는 상기 적어도 하나의 공기 압축기로부터의 압축 공기의 유동으로부터 열 에너지를 선택적으로 저장하도록 구성되는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 제2 열 에너지 저장 장치를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 제1 열 에너지 저장 장치와 상기 적어도 하나의 제2 열 에너지 저장 장치는 선택적으로 열 에너지를 두 가지 상이한 온도로 저장하고 그리고 열 에너지를 상기 공기 유동으로 이송하도록 구성되는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 열 에너지 저장 장치는 열 에너지를 상기 가변 노즐 팽창기의 상류에 있는 상기 공기 유동으로 이송하도록 구성 및 배치되는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 열 에너지 저장 장치는 열 에너지를 상기 가변 노즐 팽창기의 상류에 있는 상기 공기 유동으로 이송하도록 구성 및 배열되며, 상기 적어도 하나의 제2 열 에너지 저장 장치는 열 에너지를 상기 가변 노즐 팽창기와 상기 열 발생기 요소 사이의 상기 공기 유동으로 이송하도록 구성 및 배치되는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터빈으로부터 배출되는 팽창된 배기 가스로부터 열을 회수하여 회수된 열을 상기 공기 유동으로 전달하도록 구성 및 배치되는 열 회수 시스템을 더 포함하는 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 회수 시스템은 상기 가변 노즐 팽창기의 상류에 있는 상기 공기 유동을 가열하도록 구성 및 배치되는 것인 압축 공기 에너지 저장 시스템.
  20. 압축 공기 에너지 저장 시스템으로부터 에너지를 생성하기 위한 방법으로서,
    압축 공기 유동을 가변 노즐 팽창기에서 제1 압력에서 제2 압력으로 적어도 부분적으로 팽창시켜 유효 기계력을 생성하는 단계와,
    상기 부분적으로 팽창된 공기 유동을 상기 제2 압력에서 열 발생기 요소로 이송하여 상기 부분적으로 팽창된 공기 유동에 연료를 혼합시켜 고온 가압 연소 가스를 생성하는 단계와,
    상기 연소 가스를 터빈에서 팽창시켜 유효 기계력을 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 압력은 상기 제2 압력보다 높은 것인
    에너지 생성 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제2 압력을 소정 범위의 압력 값 내에서 유지시키기 위해 상기 가변 노즐 팽창기를 이용하여 상기 공기 유동의 제2 압력을 제어하는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 공기 유동의 제2 압력을 상기 가변 노즐 팽창기를 이용하여 사실상 일정한 값으로 유지시키는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가변 노즐 팽창기와 상기 터빈은 공통 출력 샤프트를 구동시키며, 상기 유효 기계력은 상기 공통 출력 샤프트에서 이용가능한 것인 에너지 생성 방법.
  24. 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가변 노즐 팽창기 및/또는 상기 터빈으로부터의 상기 유효 기계력을 전력으로 변환시키는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
  25. 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가변 노즐 팽창기 및/또는 상기 터빈으로부터의 상기 유효 기계력을 적어도 하나의 제1 가역 전기 기계를 이용하여 전력으로 변환시키는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
  26. 제20항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가변 노즐 팽창기로부터의 상기 유효 기계력을 적어도 하나의 제1 가역 전기 기계를 이용하여 변환시키고 그리고 상기 터빈으로부터의 상기 유효 기계력을 적어도 하나의 제2 가역 전기 기계를 이용하여 변환시키는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
  27. 제20항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 압축 단계 동안 적어도 하나의 전기 기계에 의해 구동되는 적어도 하나의 공기 압축기를 이용하여 압축 공기 저장 체적부 내의 공기를 압축하는 단계와,
    파워 생성 단계 동안 상기 압축 공기 유동을 생성하기 위해 상기 압축 공기 저장 체적부로부터의 압축 공기를 이용하는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
  28. 제20항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기 기계는 가역 전기 기계이며,
    상기 에너지 생성 방법은, 상기 유효 기계력을 전력으로 변환시키기 위해 상기 가역 전기 기계를 선택적으로 이용하는 단계 또는 전기 분배 그리드로부터의 전력을 상기 적어도 하나의 공기 압축기를 구동시키기 위한 기계력으로 변환시키는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
  29. 제20항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기 압축 단계 동안 상기 적어도 하나의 공기 압축기에 의해 압축된 공기로부터 열을 회수 및 저장하는 단계와,
    상기 공기 압축 단계 동안 저장된 열을 이용하여 상기 파워 생성 단계 동안 상기 압축 공기 유동을 가열하는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
  30. 제20항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기 유동을 가열하기 위해 상기 터빈에서 팽창된 가스로부터 열을 회수하는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210025654A (ko) * 2018-07-05 2021-03-09 지멘스 악티엔게젤샤프트 천연가스 재기화를 포함하는 확장된 가스 터빈 공정
KR102340148B1 (ko) 2020-08-31 2021-12-16 고등기술연구원연구조합 태양열을 이용한 공기 발전 및 전기차 충전 시스템

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITFI20130299A1 (it) * 2013-12-16 2015-06-17 Nuovo Pignone Srl "improvements in compressed-air-energy-storage (caes) systems and methods"
FR3033836B1 (fr) * 2015-03-19 2018-08-03 Valeo Systemes De Controle Moteur Systeme de production d'energie ou de couple
JP6571491B2 (ja) * 2015-10-28 2019-09-04 株式会社神戸製鋼所 ヒートポンプ
JP6419058B2 (ja) * 2015-11-06 2018-11-07 株式会社神戸製鋼所 圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法
JP6621348B2 (ja) * 2016-03-10 2019-12-18 株式会社神戸製鋼所 圧縮空気貯蔵発電装置
US11506121B2 (en) 2016-05-26 2022-11-22 Hamilton Sundstrand Corporation Multiple nozzle configurations for a turbine of an environmental control system
EP3249196B1 (en) 2016-05-26 2020-12-02 Hamilton Sundstrand Corporation An energy flow of an advanced environmental control system
EP3249195B1 (en) * 2016-05-26 2023-07-05 Hamilton Sundstrand Corporation An energy flow of an advanced environmental control system
EP4019403A1 (en) 2016-05-26 2022-06-29 Hamilton Sundstrand Corporation Mixing ram and bleed air in a dual entry turbine system
JP6889604B2 (ja) * 2017-04-26 2021-06-18 株式会社神戸製鋼所 圧縮空気貯蔵発電装置
WO2019113575A1 (en) * 2017-12-08 2019-06-13 Schlumberger Technology Corporation Compressed n2 for energy storage
CN113202572B (zh) * 2021-06-09 2023-01-24 中国科学院工程热物理研究所 一种发电与储能双模式动力系统
CN113883077B (zh) * 2021-10-27 2024-03-26 西安陕鼓动力股份有限公司 一种多机串联运行的单轴压缩机组系统的控制方法
CN114810351A (zh) * 2022-04-12 2022-07-29 西安热工研究院有限公司 一种耦合储能系统且压缩流量可调的燃机系统及控制方法
CN114718690B (zh) 2022-06-08 2022-08-26 西安热工研究院有限公司 一种重力压缩空气储能系统
CN114718688B (zh) * 2022-06-08 2022-08-26 西安热工研究院有限公司 一种基于磁悬浮平衡的重力压缩空气储能系统和方法
CN114718683B (zh) * 2022-06-08 2022-08-26 西安热工研究院有限公司 一种分级密封的重力压缩空气储能系统和储能方法
CN114810262B (zh) * 2022-06-23 2022-10-11 西安热工研究院有限公司 一种膜式密封的重力压缩空气储能系统和储能方法
CN114810261B (zh) * 2022-06-23 2022-10-11 西安热工研究院有限公司 一种重力式压缩空气储能系统及方法
CN115333249B (zh) * 2022-10-13 2023-01-13 中国科学院电工研究所 混合工况压缩空气储能系统的控制方法

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3677008A (en) * 1971-02-12 1972-07-18 Gulf Oil Corp Energy storage system and method
DE2236059C2 (de) * 1972-07-22 1974-08-22 Rheinisch-Westfaelisches Elektrizitaetswerk Ag, 4300 Essen Luft-Pumpspeicherwerk für Kraftwerksanlagen
GB1583648A (en) * 1976-10-04 1981-01-28 Acres Consulting Services Compressed air power storage systems
US4237692A (en) 1979-02-28 1980-12-09 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Air ejector augmented compressed air energy storage system
JPS58176407A (ja) 1982-04-08 1983-10-15 Nippon Sanso Kk 多軸式複合サイクル発電方法
US4765142A (en) * 1987-05-12 1988-08-23 Gibbs & Hill, Inc. Compressed air energy storage turbomachinery cycle with compression heat recovery, storage, steam generation and utilization during power generation
US4885912A (en) 1987-05-13 1989-12-12 Gibbs & Hill, Inc. Compressed air turbomachinery cycle with reheat and high pressure air preheating in recuperator
JPH0245622A (ja) 1988-08-08 1990-02-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 圧縮空気貯蔵発電装置
US4942736A (en) * 1988-09-19 1990-07-24 Ormat Inc. Method of and apparatus for producing power from solar energy
WO1996001942A1 (en) 1994-07-11 1996-01-25 Westinghouse Electric Corporation Improved compressed air energy storage system
US5778675A (en) * 1997-06-20 1998-07-14 Electric Power Research Institute, Inc. Method of power generation and load management with hybrid mode of operation of a combustion turbine derivative power plant
US6276123B1 (en) * 2000-09-21 2001-08-21 Siemens Westinghouse Power Corporation Two stage expansion and single stage combustion power plant
JP2002339760A (ja) 2001-05-16 2002-11-27 Hitachi Ltd ガスタービン発電方法および装置
JP2003301798A (ja) 2002-04-09 2003-10-24 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 圧縮機及びガスタービン
US7325401B1 (en) * 2004-04-13 2008-02-05 Brayton Energy, Llc Power conversion systems
US7640643B2 (en) 2007-01-25 2010-01-05 Michael Nakhamkin Conversion of combined cycle power plant to compressed air energy storage power plant
US8011189B2 (en) * 2007-01-25 2011-09-06 Michael Nakhamkin Retrofit of simple cycle gas turbine for compressed air energy storage application having expander for additional power generation
US7669423B2 (en) 2007-01-25 2010-03-02 Michael Nakhamkin Operating method for CAES plant using humidified air in a bottoming cycle expander
US8341964B2 (en) 2009-10-27 2013-01-01 General Electric Company System and method of using a compressed air storage system with a gas turbine
US20110094231A1 (en) * 2009-10-28 2011-04-28 Freund Sebastian W Adiabatic compressed air energy storage system with multi-stage thermal energy storage
US8572972B2 (en) 2009-11-13 2013-11-05 General Electric Company System and method for secondary energy production in a compressed air energy storage system

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210025654A (ko) * 2018-07-05 2021-03-09 지멘스 악티엔게젤샤프트 천연가스 재기화를 포함하는 확장된 가스 터빈 공정
KR102340148B1 (ko) 2020-08-31 2021-12-16 고등기술연구원연구조합 태양열을 이용한 공기 발전 및 전기차 충전 시스템

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