KR20160045765A - 에너지 저장 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

에너지 저장 시스템은, 몸체, 및 유체를 수용하기 위한 내부 용적을 정의하는 벽을 갖는 샤프트, 몸체와 샤프트의 벽 사이에 배치된 씰 부재, 및 샤프트와 유체 연통되는 유체 통로를 포함한다. 몸체는 샤프트의 내부 용적 내에서 제1 높이 위치로부터 제2 높이 위치로 중력으로 이동하도록 샤프트의 내부 용적 내에 배치된다. 씰 부재는 몸체 아래에 위치된 제1 부분 및 몸체 위에 위치된 제2 부분으로 내부 용적을 나눈다. 유체 통로는 샤프트의 내부 용적의 제1 부분과 유체를 연통시킨다. 시스템은 또한, 유체 통로에 작동 가능하게 결합되어 모터/발전기를 구동함으로써, 제1 높이 위치로부터 제2 높이 위치로 몸체가 이동할 때 전기를 발생시키는 펌프/터빈을 포함한다.

Description

에너지 저장 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR STORING ENERGY}

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은, 그 전체가 본원에 참조로 포함되며 2013년 8월 22일자로 출원된 미국 가출원 제61/868,927호에 대한 우선권을 주장한다.

사회에서 필요로 하는 모든 다양한 곳에 동력을 공급하기 위해 적절한 에너지를 제공하는 것은 해마다 점점 더 문제가 되고 있다. 석탄, 석유 및 천연 가스와 같은 종래의 공급원은 더욱 비싸고 발견하기가 더 어려워지고 있다. 동시에, 연소 부산물은 공기 오염을 발생시키고 대기 중 이산화탄소를 증가시켜, 지구 환경에 위협이 되는 심각한 결과를 가져오게 된다. 재생 가능한 에너지원, 특히 태양열 집열기 및 풍력 터빈은, 간헐적인 생산으로부터 신뢰할만하고 전달 가능한 전력 공급으로 전환될 수 있다면, 탄화수소를 크게 대체할 수 있을 것이다. 이는 태양열 및/또는 풍력 공급원으로부터의 출력 중 상당 부분을, 차후 필요한 경우 에너지를 방출하는 대규모 에너지 저장 유닛으로 유도함으로써 달성될 수 있다.

매우 높은 용량의 에너지 저장소에 현재 사용되는 주된 기술은 도 1에 도시된 바와 같은 양수 발전(pumped storage hydro)(단순히 "pumped hydro"라고도 불림)이다. 전형적인 시설(50)은 두 개의 대형 물 저장소를 이용하며, 이 때 제1 또는 하측 저장소(52)는 제2 또는 상측 저장소(54)보다 낮은 높이에 있다. 모터/발전기에 의해 구동되는 발전실(56) 내의 유압 펌프-터빈이, 과잉 에너지가 이용 가능할 때 마다 하측 저장소(52)로부터 상측 저장소(54)로 물을 끌어올린다. 필요 시, 물이 상측 저장소(54)로부터 방출되어 펌프-터빈을 통해 하측 저장소(52) 내로 흐름으로써 전기를 발생시킨다. 대형 시설은 1000 메가와트가 넘는 최고 출력 전력 및 수천 메가와트시의 저장 용량을 가질 수 있다. 발전실(56)은, 둘 다 구동 샤프트에 의해 모터-발전기에 연결된 개별적인 펌프 및 터빈을 포함할 수 있다. 이러한 장치는 종래의 설계와 동일한 방식으로 작동하여 에너지를 저장 및 방출할 수 있지만, 유연성을 크게 증가시키는 "유압식 단락"이라고 불리는 또 다른 방식을 제공한다.

양수 발전은 수십 년간 세계적으로 발전 용량이 120 기가와트가 넘는 최고의 대용량 저장 기술이었지만, 건설 비용 증가와 더불어 저장소 설계와 관련된 지리적, 지질적, 환경적 제약으로 인하여 미래의 확장에 대해서는 매력이 훨씬 덜하게 되었다. 따라서, 이 기술은 탄화수소로부터 재생 가능한 에너지원으로의 에너지 인프라의 중대 전환을 뒷받침하는 데에 요구되는 넓은 적용 가능성, 테라와트 발전 용량, 낮은 비용 및 환경 적합성을 제공하기에 알맞은 방법은 아니다.

대안적인 기술은, 중공 샤프트 내의 피스톤을 상승시키기 위해 가압 유체를 이용함으로써 에너지를 저장하는 것을 포함한다. 큰 샤프트 및 피스톤 직경을 갖는 시스템에서, 몇몇 건설 기법은 제한된 공차 조절로 인해 샤프트 및/또는 피스톤 원주에 큰 차이를 만들 수 있다. 샤프트의 벽과 피스톤 사이의 씰이 양호한 씰 성능에 필요한 밀착 접촉을 유지하기 위해서, 이러한 원주 차이는 피스톤이 상하로 이동할 때 씰 원주에서의 상응하는 역학적 차이를 필요로 할 것이다. 이러한 역학적 차이는 높은 접촉력을 다룰 수 있는 재료로 달성하기 어려울 수 있다. 또한, 씰을 위한 거친 접촉 표면은 씰 성능이 떨어지게 하고 씰 마모를 빠르게 할 수 있다. 거친 접촉 표면에서 작은 통로를 통과하여 씰을 지나는 고압 누출은, 그러한 표면의 연마를 야기하여, 재료를 마모시키고 시스템의 열화를 가속화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 에너지 저장 시스템에 관한 것이며, 시스템은 몸체, 및 유체를 수용하기 위한 내부 용적을 정의하는 벽들을 가진 중공 샤프트를 포함한다. 몸체는 중공 샤프트의 내부 용적 내에 배치되어 중공 샤프트의 내부 용적 내에서 제1 높이 위치로부터 제2 높이 위치로 중력으로 이동한다. 시스템은 중공 샤프트의 벽과 몸체 사이에 배치된 씰 부재를 더 포함한다. 씰 부재는, 장착 표면에 결합되고 접촉 표면에 슬라이딩 가능하게 맞물려서, 몸체 아래에 수직방향으로 위치된 제1 부분 및 몸체 위에 수직방향으로 위치된 제2 부분으로 내부 용적을 나눈다. 시스템은, 중공 샤프트와 유체 연통되는 유체 통로 및 전기 에너지 모터/발전기를 더 포함한다. 유체 통로는 중공 샤프트의 내부 용적의 제1 부분과 유체를 연통시킨다. 모터/발전기는 유체 통로와 작동적으로 결합되어 전기 에너지 모터/발전기를 구동함으로써, 몸체가 중력으로 제1 높이 위치로부터 제2 높이 위치로 이동할 때 전기를 발생시킨다.

또 다른 실시예는 에너지 저장 시스템의 건설 방법에 관한 것이다. 방법은, 벽 및 저부로 정의된 중공 샤프트를 원하는 샤프트 깊이까지 굴착하는 단계; 및 중공 샤프트의 저부에 바닥을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 중공 샤프트의 바닥에 피스톤 기저부를 형성하는 단계 및, 샤프트 깊이보다 작은 피스톤 높이로 피스톤 기저부에 결합되는 피스톤 측벽을 형성하는 단계를 더 포함한다. 피스톤 기저부는 중공 샤프트의 직경보다 작은 직경을 갖는다. 피스톤 측벽은 피스톤의 중공 내부를 정의한다. 방법은, 피스톤의 중공 내부를 충전재로 실질적으로 충전하는 단계, 및 피스톤의 내부를 폐쇄하도록 피스톤 측벽에 결합되는 피스톤 상부를 형성하는 단계를 더 포함한다.

또 다른 실시예는 에너지 저장 시스템의 건설 방법에 관한 것이다. 방법은, 벽 및 저부로 정의되고 직경을 갖는 중공 샤프트를 제1 깊이까지 굴착하는 단계를 포함한다. 방법은, 중공 샤프트의 직경과 같거나 더 큰 외경을 갖는 환형부를 제2 깊이까지 굴착하여 기둥을 정의하는 단계, 및 기둥의 기저부를 따라 터널을 굴착하는 단계를 더 포함한다. 터널은 천장 및 저부를 가지며, 양측 단부에서 환형부 내로 개방된다. 방법은, 터널 내에서 터널 저부 상에 제1 샤프트 바닥 부분을 형성하는 단계, 및 터널 내에서 제1 샤프트 바닥 부분 상에 제1 피스톤 기저부 부분을 형성하는 단계를 더 포함한다. 제1 샤프트 바닥 부분은 터널의 폭보다 작은 폭을 가진다. 제1 피스톤 기저부 부분은 제1 샤프트 바닥 부분으로부터 터널의 천장까지 연장된다. 방법은, 터널을 확장하는 단계, 터널 내에서 제1 부분에 인접한 터널 저부 상에 샤프트 바닥의 제2 부분을 형성하는 단계, 터널 내에서 제1 피스톤 기저부 부분에 인접한 제2 샤프트 바닥 부분 상에 제2 피스톤 기저부 부분을 형성하는 단계, 및 샤프트 바닥 부분 및 피스톤 기저부 부분에 의해 기둥이 완전히 지지될 때까지, 계속해서 터널을 확장하여 샤프트 바닥 부분 및 피스톤 기저부 부분을 형성하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 피스톤 기저부에 결합되고 기둥을 둘러싸는 피스톤 측벽을 형성하는 단계, 및 피스톤의 내부를 폐쇄하도록 피스톤 측벽에 결합되는 피스톤 상부를 형성하는 단계를 더 포함한다.

하기 도면 및 예시적인 실시예의 상세한 설명으로부터 이러한 양태 및 다른 양태들이 명백해질 것이다.

하기의 설명, 첨부된 청구범위, 및 하기에 간략히 기술된 도면에 나타난 첨부된 예시적 실시예들로부터, 본 발명의 특징, 양태 및 이점이 명백해질 것이다.
도 1은 통상적인 종래 기술의 양수 발전소의 개략도이다.
도 2는 에너지 저장 시 및 전력 발생 시의 중력-유압식 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 3은 예시적 실시예에 따른 대규모 중력-유압식 에너지 저장 시스템의 단면도이다.
도 4는 예시적 실시예에 따른 도 3의 중력-유압식 에너지 저장 시스템을 위한 샤프트의 굴착을 보여주는 단면도이다.
도 5는 예시적 실시예에 따른 도 4의 샤프트에 피스톤이 제작되어 배치된 것을 보여주는 단면도이다.
도 6은 도 5의 샤프트 바닥, 샤프트 벽 및 제작된 피스톤의 구조의 상세 단면도이다.
도 7은 또 다른 예시적 실시예에 따른 도 3의 중력-유압식 에너지 저장 시스템을 위한 샤프트의 굴착 및 굴착된 피스톤의 단면도이다.
도 8은 예시적 실시예에 따른 도 7의 굴착된 피스톤을 굴착하기 위한 공정을 보여주는 상면도이다.
도 9는 도 8의 굴착된 피스톤을 굴착하기 위한 공정을 보여주는 파노라마 단면도이다.
도 10은 도 7의 굴착된 피스톤을 굴착하기 위한 다른 공정의 단면도이다.
도 11a는 도 7의 피스톤 하부에 굴착된 터널의 단면도이다.
도 11b는 터널에 형성된 샤프트 바닥의 일부를 도시하는, 도 11a의 터널의 단면도이다.
도 11c는 터널에 형성된 피스톤 기저부의 일부를 도시하는, 도 11a의 터널의 단면도이다.
도 11d는 도 11c의 피스톤 기저부 및 샤프트 바닥의 일부의 상세 단면도이다.
도 11e는 터널에 설치된 축대 형태를 도시하는, 도 11a의 터널의 단면도이다.
도 11f는 터널에 형성되는 피스톤 기저부의 일부를 도시하는, 도 11a의 터널의 단면도이다.
도 11g는 샤프트 바닥 및 피스톤 기저부의 일부를 형성한 후에 확장된 도 11a의 터널의 단면도이다.
도 11h는 샤프트 바닥 및 피스톤 기저부의 제2 부분을 도시하는 도 11a의 터널의 단면도이다.
도 12는 도 7의 샤프트 및 피스톤의 기저부의 단면도이다.
도 13은 도 3의 에너지 저장 시스템에 사용되는 씰 조립체 마운트 및 씰 조립체의 단면도이다.
도 14는 유지보수를 위해 씰 조립체가 분리된, 도 13의 씰 조립체 마운트 및 씰 조립체의 단면도이다.
도 15는 예시적 실시예에 따른 도 13의 씰 조립체를 위한 씰 스테이지의 단면도이다.
도 16은 도 15의 씰 스테이지의 일부의 정면도이다.
도 17은 도 15의 씰 스테이지를 위한 씰 캐리어의 일부의 상면도이다.
도 18은 또 다른 예시적 실시예에 따른 도 15의 씰 캐리어의 일부의 상면도이다.
도 19는 베어링에 접근할 수 있도록 씰 캐리어가 이동된, 도 15의 씰 스테이지의 단면도이다.
도 20은 예시적 실시예에 따른 피스톤 크래들을 도시하는, 도 3의 에너지 저장 시스템의 단면도이다.
도 21은 예시적 실시예에 따른 피스톤 가이드를 도시하는, 도 3의 에너지 저장 시스템의 단면도이다.
도 22는 도 21의 피스톤 가이드의 상세 단면도이다.
도 23은 또 다른 예시적 실시예에 따른 피스톤 가이드를 도시하는, 도 3의 에너지 저장 시스템의 단면도이다.
도 24는 도 23의 피스톤 가이드의 상면도이다.
도 25는 예시적 실시예에 따른 여러 개의 입자 트랩을 도시하는, 도 3의 에너지 저장 시스템의 단면도이다.
도 26은 예시적 실시예에 따른 도 3의 에너지 저장 시스템을 위한 발전소의 상세 단면도이다.
도 27은 또 다른 예시적 실시예에 따른 도 3의 에너지 저장 시스템을 위한 발전소의 상세 단면도이다.

이하의 상세한 설명은 본 발명의 실시예들을 구현하는, 현재 고려되는 최상의 방식이다. 이러한 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안되며, 단지 본 발명의 실시예의 일반적인 원리를 예시하기 위한 것이다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 가장 잘 정의된다.

본 발명의 실시예는, 예를 들어 "오프 피크" 기간(즉, 에너지 수요가 "피크" 기간에 비해 적은 기간) 동안 생성된 에너지 및/또는 바람 및 태양과 같은 재생 가능한 공급원으로부터 생성된 에너지를 저장하는 데에 사용될 수 있는 에너지 저장 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특정 실시예에서, 에너지 저장 방법 및 시스템은 육지에서 작동하도록 이루어진다. 다른 특정 실시예에서, 에너지 저장 방법 및 시스템은 예컨대 비제한적으로 바다와 같은 수상 환경에서 작동하도록 이루어진다.

일 실시예에 따르면, "피크" 기간의 에너지 수요는 오프 피크 기간의 에너지 수요보다 약 50% 더 높은 것으로 간주된다. 다른 실시예에 따르면, "피크" 기간의 에너지 수요는, 비제한적으로 오프 피크 기간의 에너지 수요보다 약 100% 또는 200% 더 높은 것을 포함하여, 다른 적합한 수준에서 정의될 수 있다.

본 발명의 일 양태는 피크 기간 동안 사용하기 위해 오프 피크 에너지 및/또는 재생 가능 에너지를 저장하는 것을 포함한다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따르면, 에너지 저장 시스템은, 간헐적인 생산 공급뿐만 아니라 신뢰할만하고 전달 가능한 전력 공급의 역할을 할 수 있다. 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 태양열 및/또는 풍력 공급원으로부터의 출력 중 상당 부분이 에너지 저장 시스템으로 유도되고, 시스템은 그 후 이러한 에너지를, 예를 들어 필요에 따라 방출할 수 있다.

중력-유압식 저장 시스템

도 2를 참조하면, 비슷하거나 더 나은 에너지 저장 성능 및 경제성을 제공하면서 양수 발전의 제약을 피하는, 에너지를 저장하기 위한 에너지 저장 시스템(60)이 도시되어 있다. 에너지 저장 시스템(60)은, 전체가 본원에 참조로 포함되며 본 발명자에게 2012년 5월 1일자로 등록된 "에너지 저장 시스템 및 방법(System and Method for Storing Energy)"라는 명칭의 미국 특허 제8,166,760호에 기술된 에너지 저장 시스템과 동작 면에서 유사할 수 있다. 에너지 저장 시스템(60)은 풍력 또는 태양열 전력과 같은 공급원으로부터 오프 피크 또는 재생 가능 에너지를 저장하는 데 이용될 수 있다.

에너지 저장 시스템(60)은, 유체로 채워진 내부 용적을 갖는 중공의 수직 샤프트(64)에 현가된 대형 피스톤(62)으로서 도시된 몸체를 포함한다. 피스톤(62)은 샤프트(64)의 내부 용적을 피스톤(62) 위의 제1 또는 상부 챔버(66) 및 피스톤(62) 아래의 제2 또는 하부 챔버(68)로 나눈다. 챔버들(66, 68)은 파이프라인(70)(예컨대, 연결 파이프)에 의해 제공된 통로를 통해 서로 유체 연통된다. 피스톤(62)이 샤프트(64) 내에서 이동함에 따라, 챔버(66, 68)의 용적들은 증가 및 감소하여 챔버들(66, 68) 사이에서 유체가 파이프라인(70)을 통해 강제로 흐르게 한다. 예시적인 실시예에 따르면, 피스톤(62)은 유사하게 성형된 샤프트(64) 내에 수용되는 원통형 몸체이다. 다른 실시예에서, 피스톤(62)과 샤프트는 이와 다르게 성형될 수 있다. 피스톤(62)과 샤프트(64)의 벽 사이에 씰(63)이 배치된다. 에너지 저장 시스템(60)은 도 2에서 하나의 피스톤(62)과 샤프트(64)만 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 다른 실시예에서, 에너지 저장 시스템(60)은 여러 개의 피스톤과 샤프트의 어레이를 포함할 수 있고, 챔버들(66, 68)을 연결하는 복수의 통로를 포함할 수 있다.

파이프라인(70)에 펌프-터빈(72)이 배치됨으로써, 파이프라인(70)을 통해 흐르는 유체가 펌프-터빈(72)을 회전시킨다. 펌프-터빈(72)은 예컨대 구동 샤프트(76)를 통해 전기 모터/발전기(74)에 기계적으로 결합된다. 에너지 저장 시스템(60)에 저장되는 에너지는 전기 모터/발전기(74)를 구동하는 데 사용되어, 모터/발전기(74), 구동 샤프트(76), 및 펌프-터빈(72)의 상호연결을 통해 펌프-터빈(72)을 회전시킨다. 펌프-터빈(72)은 강제로 유체가 파이프라인(70)을 통해 상부 챔버(66)로부터 하부 챔버(68)로 흐르게 하여, 피스톤(62) 아래의 하부 챔버(68)에 더 높은 압력을 생성한다. 압력 차이는 샤프트(64)의 상부를 향해 피스톤(62)을 상방으로 들어올려, 에너지를 중력의 위치 에너지 형태로 저장한다. 저장된 에너지는, 샤프트(64) 내에서 피스톤(62)을 하강시킴으로써 에너지 저장 시스템(60)으로부터 출력될 수 있다. 피스톤의 중량은 강제로 유체가 파이프라인(70)을 통해 하부 챔버(68)로부터 상부 챔버(66)로 흐르게 한다. 유체는 펌프-터빈(72)을 통해 흘러, 펌프-터빈(72)을 회전시킨다. 모터/발전기(74)는 모터/발전기(74), 구동 샤프트(76), 및 펌프-터빈(72)의 상호연결을 통해 구동되어 전력을 생산한다. 전력은 예를 들어 전력 배전망(78)으로 공급될 수 있다.

대규모 시스템

도 3을 참조하면, 에너지를 저장하기 위한 대규모 에너지 저장 시스템(100)이 도시되어 있다. 에너지 저장 시스템(100)은, 전술된 에너지 저장 시스템(60)과 유사하게 작동하며, 물과 같은 작동 유체로 채워진 내부 용적을 갖는 깊은 수직 샤프트(104)에 현가된 대형 피스톤(102)으로서 도시된 몸체를 포함한다. 피스톤(102)은 그 높이를 따라 상대적으로 일정한 원주를 갖고 매끄럽고 단단한 외부 표면을 갖도록 구성된다. 피스톤(102)은 샤프트(104)의 내부 용적을 피스톤(102) 위의 제1 또는 상부 챔버(106) 및 피스톤(102) 아래의 제2 또는 하부 챔버(108)로 나눈다. 챔버들(106, 108)은 통로(110)를 통해 서로 유체 연통된다. 통로(110)는 수직 통로(112)(예컨대, 수압관)를 포함한다. 수직 통로(112)는 상부 횡단 통로(116)(예컨대, 방수로)를 통해 상부 챔버(106)와 연통되고 하부 횡단 통로(118)를 통해 하부 챔버(108)와 연통된다. 피스톤(102)이 샤프트(104) 내에서 이동함에 따라, 챔버(106, 108)의 용적들이 증가 및 감소하여 유체가 챔버들(106, 108) 사이에 통로(110)를 통해 강제로 흐르게 한다. 다른 실시예에서, 하부 통로(108)는 통로를 통해 상부 챔버(106)와 유체 연통되지 않을 수 있다. 대신, 하부 통로(108)는 샤프트(104)에 근접하여 제공된 저장소 또는 탱크와 같은 또 다른 비가압 유체 공급원과 유체 연통될 수 있다.

피스톤(102)을 둘러싸며 피스톤(102)과 샤프트(104)의 벽 사이의 환형 공간(105)에 배치된 씰 조립체(130)가 구비된다. 씰 조립체(130)는 상부 챔버(106)와 하부 챔버(108) 사이에서 피스톤(102) 주위에 유체가 흐르는 것을 방지하도록 이루어진다. 피스톤(102)의 외벽과 샤프트(104)의 벽 중 하나는 장착 표면을 제공하는 한편, 다른 표면은 접촉 표면을 제공한다. 씰 조립체(130)는 장착 표면에 결합되며, 환형 공간(105)에 걸쳐 연장되어 접촉 표면에 슬라이드 가능하게 맞물린다. 샤프트(104)의 벽, 피스톤(102)의 외부 표면 및 씰 조립체(130)는, 유체 중 입자 또는 높은 압력이 샤프트(104), 피스톤(102) 또는 씰 조립체(130)에 손상을 유발하는 것을 방지하고 에너지 저장 시스템(100)의 작동 수명을 최대화하도록 이루어진다. 도 3에 도시된 실시예에서, 씰 조립체(130)는 샤프트(104)의 벽에 결합되어 수직 방향으로 고정되어 있고, 피스톤(102)은 씰 조립체(130)를 지나 상하로 슬라이딩되도록 이루어진다. 다른 실시예에서, 씰 조립체(130)는 피스톤(102)에 장착될 수 있으며, 샤프트(104)의 벽을 따라 상하로 슬라이딩되도록 이루어질 수 있다.

상부 횡단 통로(116)에 펌프-터빈(120)이 배치됨에 따라, 통로(110)를 통해 흐르는 유체가 펌프-터빈(120)을 회전시킨다. 펌프-터빈(120)은 상부 횡단 통로(116)를 펌프-터빈(120)으로부터 상부 챔버(106)로 연장되는 제1 부분(122) 및 펌프-터빈(120)으로부터 수직 통로(112)로 연장되는 제2 부분(123)으로 분리한다. 펌프-터빈(120)은, 제1 방향으로 회전할 때 펌프로서 작동하고 반대의 제2 방향으로 회전할 때 터빈으로서 작동하도록 이루어진 회전 장치이다. 펌프-터빈(120)은 예컨대 구동 샤프트(126)를 통해 전기 모터/발전기(124)에 기계적으로 결합된다. 펌프-터빈(120)은 클러치 또는 토크 컨버터와 같은 중간 부재를 통해 구동 샤프트(126)에 결합되어 펌프-터빈(120)이 전기 모터/발전기(124)로부터 기계적으로 분리되게 할 수 있다. 펌프-터빈(120), 전기 모터/발전기(124) 및 구동 샤프트(126) 중 하나 이상은 지면으로부터 지하로 연장된 발전소(128)로서 도 3에 도시된 시설에 수용될 수 있다.

모터/발전기(124)는 외부 공급원 및 전력 수신지, 예컨대 전력 배전망에 연결된다. 에너지 저장 시스템(100)에 저장되는 에너지는 전기 모터/발전기(124)를 구동하는 데 사용되어, 모터/발전기(124), 구동 샤프트(126) 및 펌프-터빈(120)의 상호연결을 통해 펌프-터빈(120)을 회전시킨다. 펌프-터빈(120)은 통로(110)를 통해 유체가 상부 챔버(106)로부터 하부 챔버(108)로 강제로 흐르게 하여, 피스톤(102) 아래의 하부 챔버(108)에 더 높은 압력을 생성한다. 압력 차이는 샤프트(104)의 상부를 향해 피스톤(102)을 상방으로 들어올려, 에너지를 중력의 위치 에너지 형태로 저장한다. 저장된 에너지는, 샤프트(104) 내에서 피스톤(102)을 하강시킴으로써 에너지 저장 시스템(100)으로부터 출력될 수 있다. 피스톤의 중량은 강제로 유체가 통로(110)를 통해 하부 챔버(108)로부터 상부 챔버(106)로 흐르게 한다. 유체는 펌프-터빈(120)을 통해 흘러, 펌프-터빈(120)을 회전시킨다. 모터/발전기(124)는 모터/발전기(124), 구동 샤프트(126), 및 펌프-터빈(120)의 상호연결을 통해 구동되어 전력을 생산한다. 전력은 예를 들어 전력 배전망으로 공급될 수 있다.

피스톤(102)의 상대적으로 큰 크기와 수직 이동 및 피스톤(102)의 상대적으로 보통의 속도로 인한 상대적으로 작은 항력 손실은, 에너지 저장 시스템(100)에 상당한 에너지가 저장될 수 있게 한다. 예시적인 일 실시예에 따르면, 샤프트는 대략 30 미터의 직경 및 대략 500 미터의 깊이를 갖고, 피스톤은 대략 250 미터의 높이 및 대략 174,000 세제곱미터의 용적을 갖는다. 피스톤(102)은 물에서 음의 부력이 세제곱미터 당 대략 1500 kg인 콘크리트로 실질적으로 형성될 수 있으며, 이는 대략 14700 뉴턴의 하향력을 제공한다. 물에서 1000 미터 높이를 통해 1 세제곱미터의 콘크리트를 하강시킴으로써 방출되는 에너지(일)은 다음과 같다.

W = 힘 x 거리 = 14,700 N x 1,000 m = 14.7 메가줄 = 약 4.1 킬로와트시

250 미터의 높이 변화를 통해 이동하는 대략 174,000 세제곱미터의 용적을 갖는 콘크리트 피스톤의 경우, 결과적인 저장 용량은 40 메가와트시를 초과한다.

구성

피스톤(102) 및 샤프트(104)는 에너지 저장 및 생성 둘 다에 넓은 출력 범위를 제공하기 위해 비교적 단순화된 구성 기법으로 구성된다. 이제 도 4를 참조하면, 샤프트(104)는 예시적인 일 실시예에 따라 기반암에 형성되어 있는 것으로 도시되어 있다. 샤프트(104)는 먼저 암석 내에 드릴로 구멍을 뚫고 형성된 구멍을 폭발성 물질로 채움으로써 형성될 수 있다. 폭발성 물질은 폭발되어 암석을 여러 조각들로 부순다. 부서진 암석 조각들은 굴착기(140)에 의해 컨베이어(142)에 적재되고, 컨베이어는 암석 조각들을 샤프트(104) 밖으로 운반한다. 컨베이어(142)는 수평 컨베이어(144) 및 수직 컨베이어(146)를 둘 다 포함할 수 있다. 암석 조각들은 컨베이어(142) 상에 적재되기 전에 암석 분쇄기에 의해 크기가 감소될 수 있다. 굴착 공정은, 샤프트(104)가 에너지 저장 시스템(100)의 요건에 충분한 깊이에 도달할 때까지 계속된다.

이제 도 5 및 도 6을 참조하면, 굴착에 의해 약화되거나 부서질 수 있는 주위의 암석을 안정화하기 위해, 록 볼트(150)로서 도시된 안정화 장치를 벽(152)에 박아 넣을 수 있다. 추가적으로, 라이너(154)를 벽(152)에 결합하여 상대적으로 단단하고 매끄러운 표면을 형성할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 라이너(154)는 와이어 메쉬(예컨대, 용접된 와이어 메쉬)를 포함한다. 라이너(154)는 샤프트 벽 상에 분무된 충전제(예컨대, 숏크리트)를 더 포함할 수 있다. 방수 시트에 의해 형성된 방수층(155)을 라이너(154)와 벽(152) 사이에 구비하여 샤프트 벽(152) 안으로 또는 밖으로 물이 통과하는 것을 저지할 수 있다. 다른 실시예에서, 방수 재료를 라이너(154)의 충전재에 추가하거나 또는 샤프트 벽(152)에 도포할 수 있다.

라이너(154)는 슬립-폼 공정으로 형성될 수 있다. 라이너(154)는 샤프트(104)의 저부로부터 시작하여 샤프트(104)의 상부에 이르도록 설치될 수 있고, 필요한 경우 라이너(154)에 보강재가 포함된다. 다른 실시예에서, 라이너(154)는 거푸집 공사 공정으로 형성되어, 샤프트 라이너(154)를 샤프트(104)의 상부로부터 샤프트(104)의 저부까지 설치할 수 있다. 라이너(154)는 상대적으로 단단하고 매끄러운 수직 외부 표면을 갖도록 구성되어, 씰 조립체(130)가 피스톤(102)에 결합되는 경우 씰 조립체(130)의 작동을 용이하게 하는 데 적합한 슬라이딩 표면을 제공할 수 있다. 피스톤(102)이 샤프트(104) 내에서 상하로 이동할 때, 씰 조립체(130)가 라이너(154) 상에서 통과하는 모든 지점은 유체 압력의 큰 변동을 겪는다. 피스톤(102)이 상승함에 따라, 씰 조립체(130) 아래의 고압은 라이너(154)의 모든 균열, 기공 또는 투과성 재료 안으로 물이 강제로 들어가게 한다. 그 후 피스톤(102) 및 씰 조립체(130)가 샤프트(104) 내에서 하강하면, 샤프트 벽(152)에 인접한 수압이 내려간다. 라이너(154)는 상대적으로 단단하게 구성되고 고압수가 강제로 들어갈 수 있는 공극이 없으며, 그로 인해 고압수가 다시 라이너(154) 밖으로 흘러나올 때 발생할 수 있는 라이너(154)에 대한 손상을 최소화한다. 다른 실시예에서, 샤프트(104)는 별도로 형성된 라이너를 포함하지 않아도 되며, 상대적으로 단단하고 매끄러운 표면을 제공하기 위해 벽(152)을 형성하는 천연석 재료를 준비(예컨대, 연마, 코팅, 씰링 등)할 수 있다.

샤프트(104)의 저부에 바닥(156)이 구비된다. 바닥(156)은 피스톤(102) 및 샤프트(104) 내부에 수용된 작동 유체에 의해 가해지는 압력을 견딜 수 있도록 이루어진다. 예시적인 실시예에 따르면, 바닥(156)은 철근 콘크리트 및/또는 강철로 형성된다. 예를 들어, 바닥(156)은 콘크리트층(158) 및 콘크리트층(158)의 상부에 배치된 강판(159)을 포함할 수 있다. 콘크리트층(158)은 예를 들어 콘크리트층(158) 내부에 구비된 철근 또는 다른 보강 부재 또는 첨가재(예컨대, 입자, 섬유 등)로 보강될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 바닥(156)은 주위의 암석 내로 작동 유체가 통과하는 것을 방지하기 위한 방수층을 포함하는 강철 구조물일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 바닥(156)은 자갈 또는 다른 충전재를 포함할 수 있다.

도 5 및 도 6을 계속 참조하면, 피스톤(102)은 굴착된 샤프트(104) 내에서 구성된다. 피스톤(102)은 일반적으로 철근 콘크리트, 강철, 암석 또는 몇몇의 유사하게 조밀하고 상대적으로 저비용의 재료로 구성된다. 피스톤(102)은 직경이 샤프트(104)보다 작고, 피스톤(102)과 라이너(154) 사이의 환형 공간(105)은 건설 및 유지보수 활동을 위한 접근을 허용할 만큼 충분히 크다. 작동 유체가 물과 같은 액체인 경우, 피스톤(102)의 수직 이동은 피스톤(102)의 벽 상에 압력 사이클을 생성하게 된다. 피스톤(102)은, 이러한 압력 사이클로 인한 피스톤(102)의 열화가 최소화되는 방식으로 구성된다.

피스톤(102)의 저부에 피스톤 기저부(160)가 구비된다. 예시적인 실시예에 따르면, 기저부(160)는 철근 콘크리트 및/또는 강철로 형성된다. 예를 들어, 기저부(160)는 철근 콘크리트층(162) 및 콘크리트층(162) 아래에 배치된 강판(164)을 포함할 수 있다. 강판(164)의 저부 표면은 통로(163)를 포함하여, 에너지 저장 시스템(100)의 작동 중 작동 유체가 유입되게 할 수 있다. 통로(163)는 예를 들어 강판(164)의 저부 표면에 형성된 복수의 홈 또는 채널에 의해 형성될 수 있다. 통로(163)는, 피스톤이 바닥(156)으로 하강할 때 작동 유체가 기저부(160)와 바닥(156) 사이로부터 빠져나올 수 있게 하고, 피스톤(102)이 바닥(156)으로부터 상승할 때 작동 유체가 기저부(160)와 바닥(156) 사이의 공간으로 들어갈 수 있게 한다. 다른 실시예에서, 강판(159)은 강판(164)의 통로(163) 대신에 또는 이에 더하여 통로를 포함할 수 있다.

피스톤(102)의 측벽은 샤프트(104)의 바닥(156) 상에 제공된 이동식 슬립폼으로 기저부(160) 상에 형성될 수 있다. 피스톤(102)의 측벽은 외부층(166)을 포함한다. 예시적인 실시예에 따르면, 외부층(166)은 금속 또는 합금(예컨대, 강철, 스테인리스강) 또는 다른 내부식성 재료의 시트들로 형성된다. 시트들은 슬립폼의 외측 부분의 내부를 따라 위치되고 예컨대 용접 작업으로 함께 결합되어, 작동 유체의 통과에 잘 견디는 단일 몸체를 형성한다. 외부층(166)은, 피스톤(102)이 장기간 동안 작동 유체에 잠겨서 작동함에 따라, 피스톤의 부식을 저해하기 위한 장벽을 제공하도록 이루어진다. 외부층(166)은, 외부층(166)의 내부 표면(167)에 용접된 스터드(168)로서 도시된, 내측으로 연장된 고정 부재를 포함하여, 내부층(170)과 외부층(166)의 접합을 용이하게 할 수 있다.

내부층(170)은 외부층(166) 내에 형성되어, 스터드(168)를 둘러싸고 외부층(166)에 결합된다. 예시적인 실시예에 따르면, 내부층(170)은 콘크리트 재료로 형성된다. 내부층(170)은 외부층(166)에 인접하게 설치된 철근과 같은 보강 부재를 포함할 수 있다.

슬라이딩 강철 셔터와 같은 보강(bracing) 형태가 외부층(166) 내에 위치되고 내부층(170)의 원하는 두께에서 외부층(166)으로부터 이격되어 슬립폼의 내부 표면을 제공한다. 셔터와 외부층(166) 사이의 공간은 원하는 깊이까지 콘크리트로 충전되어, 내부층(170)의 시작 부분을 형성한다. 콘크리트가 충분히 경화되면, 슬립폼이 일정 거리 상승되고 외부층(166)의 다음 증분(예컨대, 추가의 강철 시트)이 기존의 구조물에 결합된다. 셔터와 외부층(166) 사이의 공간은 다시 콘크리트로 채워져, 내부층(170)을 계속 형성한다. 이러한 과정은 외부층(166)과 내부층(170)이 원하는 높이에 도달할 때까지 계속된다.

전술한 바와 같이, 거의 일정한 원주의 이동 슬립폼으로 구성된 피스톤(102)은, 거의 일정한 외주를 갖도록 이루어진다. 슬립폼 구성 공정 동안 온도 변화를 최소화함으로써, 슬립폼의 열 팽창에 의해 야기될 수 있는 작은 양의 변동을 최소화할 수 있다. 내부층(170) 및 외부층(166)은, 피스톤(102)이 샤프트(104) 내에서 수직방향으로 이동할 때 피스톤(102)과의 접촉을 유지하기 위해 씰 조립체(130)가 왜곡되는 양을 최소화함으로써 씰 조립체(130)의 작동을 용이하게 하기 위해 피스톤(102)의 벽들이 실질적으로 수직이 되도록 형성된다. 예시적인 실시예에 따르면, 내부층(170) 및 외부층(166)은 피스톤(102)의 측벽이 ±100 mm 이내의 수직도를 갖도록 형성된다. 바람직한 실시예에 따르면, 내부층(170) 및 외부층(166)은, 피스톤(102)의 측벽이 ±50 mm 이내의 수직도를 갖도록 형성된다. 특히 바람직한 실시예에 따르면, 내부층(170) 및 외부층(166)은, 피스톤(102)의 측벽이 ±25 mm 이내의 수직도를 갖도록 형성된다.

외부층(166)은 단단하고 매끄러운 방수 외부 표면을 제공하도록 이루어진다. 강판으로 외부층(166)을 형성함으로써, 씰 조립체(130)의 누출을 최소화하고 씰 조립체(130)의 수명을 최대화하는 낮은 조도(roughness)를 달성하는 것이 가능하다. 예시적인 실시예에 따르면, 외부층(166)은 0.5 ㎛ 미만의 평균 조도(Ra)를 갖는 재료로 형성된다. 바람직한 실시예에 따르면, 외부층(166)은 0.1 ㎛ 미만의 평균 조도(Ra)를 갖는 재료로 형성된다. 다른 실시예에서, 피스톤(102)은 외부층(166)을 포함하지 않아도 된다. 대신에, 피스톤(102)은 내부층(170)으로 형성되고, 이 내부층이 경화(예컨대, 화학적 경화)되고 연마되어 단단하고 매끄러운 외부 표면을 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 외부층(166)은, 상대적으로 단단하고 매끄러운 방수 외부 표면을 제공하도록 내부층(170)에 분무, 접착 또는 결합된 또 다른 재료(예컨대, 중합체 재료, 세라믹 재료, 복합 재료 등)일 수 있다. 이러한 상대적으로 단단하고 매끄러운 방수 외부 표면은, 씰 조립체(130)가 샤프트(104)의 벽에 결합된 고정 부재인 경우, 씰 조립체(130)의 작동을 용이하게 하는 데 적합한 슬라이딩 표면을 제공한다.

기저부(160), 외부층(166) 및 내부층(170)은 캐비티(172)를 정의하는 중공 쉘을 함께 형성한다. 캐비티(172)는 암석(예컨대, 샤프트(104)를 굴착할 때 제거되는 암석 조각들), 시멘트 등과 같은 조밀하고 저렴한 충전재(174)로 점차적으로 채워진다. 일부 실시예에서, 충전재(174)는, 피스톤(102)의 밀도를 높이고 에너지 저장 시스템(100)의 에너지 저장 용량을 증가시키기 위해 철광석과 같이 암석 조각보다 밀도가 더 큰 재료를 포함할 수 있다.

캐비티(172)가 충전재(174)로 채워진 후, 기저부(160) 반대측의 피스톤 단부에 피스톤 상부(176)가 결합된다. 상부(176)는 방수 씰링층을 제공한다. 상부(176)는 콘크리트로 덮인 방수 시트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 상부(176)는 강판(예컨대, 외부층(166)과 유사한 강판)으로 형성된 외부층을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상부는, 상대적으로 단단하고 매끄러운 방수 외부 표면을 제공하도록, 피스톤(102)의 상부에 분무, 접착 또는 결합된 또 다른 재료(예컨대, 중합체 재료, 세라믹 재료, 복합 재료 등)로 형성된 외부층을 포함할 수 있다.

피스톤(102)은, 샤프트(104) 내에서 피스톤(102)이 수직 배향으로부터 기울어지게 하는 횡력을 최소화하기 위해 피스톤(102)이 균일하게 균형 잡히도록 구성된다. 충전재를 이용한 캐비티(172) 충전 시의 불균형을 최소화하기 위해 건설 공정 중 압력 센서 또는 스트레인 게이지와 같은 측정 장치를 이용할 수 있다. 예를 들어, 측정 장치는 다양한 위치(예컨대, 바닥(156) 아래, 바닥(156)의 상부, 피스톤 기저부(160)의 저부, 피스톤 기저부(160)의 상부 등)에 설치될 수 있다. 측정 장치는 네트워크에 연결되어, 중앙 위치의 분석 장치(예컨대, 컴퓨터)에 측정 정보를 제공할 수 있다. 측정 장치로부터의 데이터(예컨대, 압력 판독값, 변형 판독값 등)을 분석 장치와 비교함으로써, 피스톤(102)의 질량 분포를 결정할 수 있고, 예컨대 더 조밀한 재료(예컨대, 철광석, 철) 및 덜 조밀한 재료(예컨대, 암석 조각 등)의 첨가 또는 개구(예컨대, 샤프트 또는 피스톤(102)에 형성된 캐비티)를 선택적으로 증가 또는 감소시킴으로써, 피스톤(102)의 질량의 균형을 잡기 위한 조정이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 피스톤(102)의 질량 중심이 한 쪽으로 치우치는 경우, 반대측에서 피스톤(102)의 상부에 드릴로 구멍을 뚫고 철광석 또는 철과 같이 제거된 암석보다 더 조밀한 재료로 채울 수 있다. 대안적으로, 질량이 치우친 쪽과 동일한 측에서 피스톤(102)의 상부에 드릴로 구멍을 뚫고 제거된 암석보다 덜 조밀한 재료로 다시 채우거나 채우지 않은 채로 남겨둘 수 있다.

대안적 구성

도 7 내지 도 9를 참조하면, 또 다른 예시적인 실시예에 따라 굴착 공정으로 구성되는 피스톤(102)이 도시되어 있다. 굴착 공정은, 하기에 기술된 바와 같이, 전술한 제작 공정과 유사하게 피스톤(102) 및 샤프트(104) 구조물을 제조하지만, 피스톤(102)은 암석 조각 및 콘크리트와 같은 충전재로 형성된 코어 대신에 천연석으로 형성된 코어를 갖는다.

샤프트(104)는 전술된 바와 같이 지면에 개구를 굴착함으로써 형성된다. 그러나, 굴착 공정은 샤프트(104)의 원하는 깊이의 일부에 대해서만 계속된 후에 중단된다. 예를 들어, 샤프트(104)는 원하는 샤프트(104) 깊이와 원하는 피스톤(102) 높이 사이의 차이와 대략 동일한 깊이까지 굴착될 수 있다. 예시적인 일 실시예에 따르면, 피스톤(102)은 샤프트(104)의 깊이의 대략 1/2의 높이를 가지며, 샤프트(104)는 전술된 공정으로 원하는 최종 깊이의 대략 1/2의 깊이까지 굴착된다.

그 후 중앙 암석 기둥(182)을 둘러싸는 환형부(180)를 절삭하여 피스톤(102)을 형성하기 위해 제2 공정이 이용된다. 환형부(180)는 하나 이상의 굴착기(184)로 형성되며, 이는 도 8 및 도 9에 개략적으로 도시되어 있다. 굴착기(184)는 예를 들어 관절 붐 상에 회전 절삭 헤드를 구비한 자유 단면 굴착기(예컨대, 연속 채탄기)일 수 있다. 다른 실시예에서, 환형부(180)는 또 다른 장치, 예컨대 트렌칭 작업기 또는 드릴 및 폭약으로 형성될 수 있다. 환형부(180)는 점검 및 유지보수를 위한 접근을 허용하는 데 충분히 큰 간극을 피스톤과 샤프트 벽 사이에 생성하도록 형성된다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 환형부(180)는 샤프트(104)의 외주 주위에 위치된 3개의 굴착기(184)를 사용하여 형성된다. 각각의 굴착기(184)는 연속적인 원형 경로를 따라 트렌치를 절삭 형성하여, 트렌치를 점점 더 깊어지게 만든다. 제거된 재료는 굴착기(184)의 후방으로 공급된다. 재료는 컨베이어(185) 상에 적재되고, 컨베이어는 샤프트(104)로부터 재료를 운반한다. 컨베이어(185)는 수평 컨베이어(186)와 수직 컨베이어(188)를 둘 다 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 컨베이어(185)는 환형부(180)의 주변부 주위에 현가된 원형 수평 컨베이어(186) 및 환형부(180)의 엣지에서 샤프트(189)에 구비된 수직 컨베이어(188)를 포함한다. 샤프트(189)는 샤프트(104) 및 환형부(180)와 동시에 굴착될 수 있다. 제거된 재료는 각각의 굴착기(184)에 의해 수평 컨베이어(186) 상에 퇴적되고 수직 컨베이어(188)로 운반되어 환형부(180) 및 샤프트(104)로부터 제거된다. 환형부(180)를 형성하는 굴착 공정은, 암석 기둥(182)이 피스톤(102)에 대해 원하는 높이를 가지기에 충분한 깊이에 환형부(180)가 도달할 때까지 계속된다.

전술된 바와 같이, 환형부(180)가 형성되고 있을 때, 샤프트 벽(152)은 록 볼트(150) 및 라이너(154)에 의해 점차적으로 안정화될 수 있다. 라이너(154)는 슬립-폼 공정으로 형성될 수 있거나 숏크리트 분무 공정으로 형성될 수 있다. 마찬가지로, 암석 기둥(182)은 점차적으로 안정화될 수 있다.

이제 도 10 내지 도 11g를 참조하면, 암석 기둥(182)의 기저부를 통해 환형부(180)로 바깥쪽으로 연장된 캐비티(190)를 형성함으로써, 암석 기둥(182)을 주위의 암석(183)으로부터 분리하여 피스톤(102)을 형성한다. 도 11a를 참조하면, 캐비티(190)는, 먼저 암석 기둥(182)의 폭에 걸쳐서 수평 터널(192)을 형성하고 양측에서 환형부(180)로부터 연장시킴으로써 형성된다. 터널(192)은 자유 단면 굴착기, 드릴 및 폭발(blast), 또는 임의의 다른 통상적인 채광 기법을 사용하여 굴착될 수 있으며, 전술된 바와 같이, 제거된 재료는 컨베이어 시스템(142)에 의해 터널(192)로부터 제거된다. 예시적인 실시예에 따르면, 터널(192)은 대략 3 내지 4 미터의 폭, 또는 암석 기둥(182)의 총 직경의 대략 15% 미만의 폭을 가진다. 그러므로 암석 기둥(182)은 실질적으로 천연석에 의해 지지된 상태이다. 터널(192)은 샤프트(104)의 바닥(156) 및 피스톤(102)의 기저부(160)의 제작을 가능하게 하는 높이를 가진다.

도 11b를 참조하면, 터널(192)의 천장(194)이, 천장(194) 내로 박아 넣어지는 록 볼트(196)와 같은 안정화 장치로 안정화될 수 있다. 터널(192)의 일 측을 따라, 콘크리트층(162)의 일부를 형성하는 콘크리트 스트립(198)이 설치된다. 콘크리트 스트립(198)은 터널(192)의 폭보다 작은 폭을 가짐으로써, 작업자들이 터널(192) 내에서 작업하기에 충분한 여유 공간을 제공한다. 콘크리트 스트립(198)은, 예컨대 콘크리트 스트립(198) 내부에 구비된 철근 또는 다른 보강 부재 또는 첨가재(예컨대, 입자, 섬유 등)으로 보강될 수 있다. 강판(159)의 일부를 형성하는 강판(199)이 콘크리트 스트립(198)의 상부 표면 상에 배치된다. 강판(199)은 예컨대 스터드, 볼트, 접착제 등으로 콘크리트 스트립(198)에 결합될 수 있다. 콘크리트 스트립(198) 및 강판(199)은 함께 터널(192)의 길이를 따라 연장되고, 샤프트(104)의 바닥(156)의 일부를 형성한다. 콘크리트(198) 및 강판(199)은 터널(192)의 총 길이의 일부에 해당되는 길이를 갖는 각각의 부분들로 설치될 수 있다.

도 11c 및 도 11d를 참조하면, 강판(199)의 상부에 또 다른 강판(200)이 배치되어, 강판(164)의 일부를 형성한다. 강판(200)의 저부 표면은 통로(163)를 포함하여 에너지 저장 시스템(100)의 작동 중 작동 유체가 유입될 수 있게 한다. 강판(200)과 터널(192)의 천장(194) 사이에 철근(204)이 설치된다.

도 11e를 참조하면, 콘크리트(198) 및 강판(199)과 인접하도록 철근(204) 옆에 축대 형태(206)가 설치되고, 천장(194)과 터널(192)의 바닥(195) 사이에 연장된다. 축대 형태(206)는 터널(192)의 전체 길이를 따라 연장될 수 있거나 또는 터널(192)의 일부만을 따라서 연장될 수 있고, 이러한 경우, 축대 형태(206)는 강판(200)과 천장(194) 사이에서 터널(192)에 걸쳐 연장되는 단부를 포함할 수 있다.

도 11f를 참조하면, 강판(200), 천장(194), 축대 형태(206) 및 터널(192)의 벽(197) 사이의 공간을 완전히 채우기 위해 콘크리트를 붓는다. 콘크리트 스트립(202)과 강판(200)이 함께 터널(192)의 길이를 따라 연장되며 피스톤(102)의 기저부(160)의 일부를 형성한다. 콘크리트 스트립(202) 및 강판(200)은, 터널(192)의 총 길이의 일부에 해당되는 길이를 갖는 각각의 부분들로 설치될 수 있다. 부분들로 형성되는 경우, 철근(204)이 콘크리트 스트립(202)의 다수의 부분들을 통해 연장되도록, 철근(204)은 축대 형태(206)를 지나 연장되도록 이루어질 수 있다.

콘크리트 스트립(198, 202) 및 강판(199, 200)의 형성 중, 압력 센서 또는 스트레인 게이지와 같은 측정 장치가 다양한 위치(예컨대, 강판(199)의 아래, 강판(199)의 상부, 강판(200)의 저부, 강판(200)의 상부 등)에 설치될 수 있다.

도 11g 및 도 11h를 참조하면, 콘크리트 스트립(198, 202) 및 강판(199, 200)이 터널(192)에 설치된 후, 터널(192)을 확장한다. 상기 절차를 반복하여, 이미 설치된 구조물에 인접한 또 다른 세트의 콘크리트 스트립(198, 202) 및 강판(199, 200)을 설치한다. 인접한 강판들(199) 및/또는 인접한 강판들(200)은 예컨대 용접 작업 또는 기계적 파스너로 함께 결합될 수 있다. 암석 기둥(182)의 기저부가 주위의 암석으로부터 완전히 분리되어 피스톤(102)의 코어를 형성할 때까지 원래의 터널(192)의 양측에 절차를 반복한다. 콘크리트 스트립(198, 202) 및 강판(199, 200)은 바닥(195)으로부터 터널(192)의 천장(194)까지 연장된 구조물을 형성한다. 그러므로, 절차 중 개방된 터널(192)의 상대적으로 좁은 폭을 제외하고, 암석 기둥(182)은 하부로부터 연속적으로 지지되어, 터널(192)의 붕괴 또는 피스톤(02)의 크랙 형성 가능성을 최소화한다.

이제 도 12를 참조하면, 암석 기둥(182)이 주위의 암석으로부터 분리되어 안정화되고, 샤프트 바닥(156) 및 피스톤 기저부(160)가 구성된 후에, 환형부(180)에서 암석 기둥(182)의 원통형 측면에 외부층(166)이 형성된다. 안정화층(171)은 예를 들어 암석 기둥(182) 상에 분무된 숏크리트일 수 있다. 철근(207)의 일부로서 도시된 보강 부재가 환형부(180)에서 암석 기둥(182)의 기저부 주위에 설치된다. 외부층(166)은, 피스톤(102)의 총 높이보다 작은 높이 및 피스톤(102)의 총 원주보다 작은 폭을 가진 부분들로 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 외부층(166)은 대략 2 내지 4 미터의 높이를 가진 부분들로 형성된다. 외부층(166)을 형성하는 백킹 스터드(168)를 구비한 강판이, 내부층(170)의 원하는 두께에 의해 암석 기둥(182)으로부터 분리된 철근(207) 외부에 위치된다. 보강 형태(208)가 외부층(166) 주위에 조립되어, 피스톤(102)이 원하는 원주 및 윤곽을 갖도록 외부층(166)을 위치시킨다. 그 후 안정화층(171)과 외부층(166) 사이의 공간이 콘크리트로 채워져, 내부층(170)의 일부를 형성하도록 철근(204)을 둘러싼다. 그 후 절차를 반복하여, 내부층(170) 및 외부층(166)이 원하는 높이(예컨대, 암석 기둥(182)의 상부)로 형성될 때까지 제1 부분에 인접한 외부층(166) 및 내부층(170)의 다음 부분을 형성한다. 전술된 바와 같이, 다른 실시예에서, 피스톤(102)은 외부층(166)을 포함하지 않아도 되고, 내부층(170)의 외부 표면은 경화되고 연마되어 피스톤(102)의 충분히 단단하고 매끄러운 외부 표면을 제공할 수 있거나, 또는 내부층(170)이 또 다른 재료로 코팅될 수 있다. 내부층(170) 및 외부층(166)의 모든 세그먼트에 대해 동일한 보강 형태를 사용함으로써, 피스톤(102)은 그 높이를 따라 일정한 원주 및 프로파일을 갖도록 형성된다.

내부층(170) 및 외부층(166)이 원하는 높이까지 형성된 후 피스톤 상부(176)는 기저부(160) 반대측의 암석 기둥(182)의 단부에 결합된다. 상부(176)는 방수 씰링층을 제공한다.

씰 조립체

이제 도 13 내지 도 17을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(100)을 위한 씰 조립체(130)가 도시되어 있다. 씰 조립체(130)는 상부 챔버(106)와 하부 챔버(108) 사이의 샤프트(104) 내부에서 피스톤(102)을 지나는 과도한 유체 누출을 방지하도록 이루어진다. 씰 조립체(130)는 샤프트(104)의 벽(152)에 결합된 라이너(154)와 피스톤(102) 사이의 간극에 배치된다. 예시적인 실시예에서, 씰 조립체(130)는 라이너(154)에 고정된 씰 조립체 마운트(210)로 라이너(154)에 결합된다. 씰 조립체(130)는 피스톤(102)의 외부 표면(214)에 슬라이딩 가능하게 맞물린 다수의 씰(212)을 포함한다. 외부 표면(214)은 매끄럽고 단단한 표면(예컨대, 외부층(166) 또는 내부층(170)의 경화된 외부 표면)으로 이루어져서 씰(212)에 대한 마모를 감소시키고 씰 조립체(130)를 지나는 유체의 누출을 감소시킨다.

예시적인 실시예에 따르면, 에너지 저장 시스템(100)은 수십 내지 수천 메가와트시 이상의 전기에 상당하는 에너지를 저장하고 최대 수백 메가와트 이상의 출력 레벨을 수용하도록 이루어질 수 있다. 에너지 저장 시스템(100)은 높은 유체 압력을 생성하는 대형 피스톤(102)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 시스템(100)이 250 미터의 높이 및 2500 kg/㎥의 밀도를 갖는 피스톤(102)을 포함하고 작동 유체가 물인 경우, 작동 압력은 3.7 MPa(약 540 psi)이다(즉, 씰 조립체(130) 바로 밑의 압력은 씰 조립체(130) 바로 위의 수압보다 3.7 MPa 더 높다). 다른 실시예에서, 작동 압력은 피스톤(102)의 크기 및 밀도에 따라 1 MPa(145 psi) 미만에서 10 MPa(1450 psi) 초과의 범위일 수 있다.

씰 조립체 마운트(210)는, 피스톤(102)이 가장 낮은 위치에 있을 때(즉, 샤프트(104)의 바닥(156)에 있을 때) 피스톤(102)의 상부와 대략 동일한 높이에서 라이너(154)에 구비된다. 씰 조립체 마운트(210)는, 마운트(210) 아래의 고압 작동 유체와 마운트(210) 위의 저압 유체 사이의 큰 압력 차이를 견딜 수 있도록 구성된다. 씰 조립체 마운트(210)는 예를 들어 강철 구조물 또는 강철 커버 또는 쉘을 구비한 철근 콘크리트 구조물로서 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 씰 조립체 마운트(210)는, 대략 사다리꼴의 단면, 샤프트(104)의 벽에 결합된 외부 표면(216), 절단된 원뿔형의 상부 표면(217), 내부 표면(218), 및 절단된 원뿔형의 하부 표면(219)을 갖는 링 형상 부재이다. 다른 실시예에서, 씰 조립체 마운트(210)는 다른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상부 표면(217) 및/또는 하부 표면(219)은 샤프트 바닥(156)에 대략 평행한 수평 표면일 수 있거나, 또는 만곡된 표면일 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 씰 조립체 마운트(210)는 예를 들어 록 볼트로 벽(152) 및/또는 라이너(154)에 영구적으로 고정되도록 형성된다. 다른 실시예에서, 씰 조립체 마운트(210)는 제거 가능한 구조물일 수 있다.

씰 조립체 마운트(210)는, 내부 표면(218)이 피스톤(102)의 외부 표면(214)으로부터 상대적으로 좁은 간극(215)에 의해 분리되도록 내측으로 연장된다. 예시적인 실시예에 따르면, 간극(215)은 피스톤(102)의 전체 원주 둘레에 대략 20 센티미터(8 인치)의 일정한 폭을 갖는다.

도 13을 참조하면, 씰 조립체(130)는 간극(215)에서 씰 조립체 마운트(210)의 내부 표면(218)에 결합된다. 씰 조립체(130)는 씰(212)이 장착되는 장착 링(220)을 포함한다. 예시적인 실시예에 따르면, 장착 링(220)은 백킹 플레이트(225)에 결합된 씰 스테이지(226)와 함께 구성된다. 예시적인 실시예에 따르면, 씰 조립체(130)는 수직으로 배열된 3개의 씰 스테이지(226)를 포함하도록 이루어진다. 다른 실시예에서, 씰 조립체(130)는 3개 미만의 씰 스테이지(226)를 포함해도 되고, 또는 3개가 넘는 스테이지(226)를 포함해도 된다.

씰 조립체(130)는 씰 조립체 마운트(210)의 하부 표면(219)에 결합된 내측방향 연장 브라켓(228)에 의해 지지된다. 씰 조립체(130)는 잠금판(222) 및 잠금핀(224)에 의해 씰 조립체 마운트(210)에 대해 제 자리에 고정된다. 잠금판(222)은 씰 조립체 마운트(210)의 슬롯(227)에 맞물려, 씰 조림체 마운트(210)에 대한 씰 조립체(130)의 상방향 이동을 방지하고 씰 조립체(130)를 브라켓(228)에 끼운다. 잠금판(222)은 다수의 아치형 부분들로 나누어진다.

도 14를 참조하면, 잠금핀(224)을 제거함으로써 씰 조립체(130)는 씰 조립체 마운트(210)로부터 제거될 수 있다. 잠금핀(224)이 제거되면, 잠금판(222)의 부분들은 슬롯(227)으로부터 내측으로 슬라이딩될 수 있다. 그러면 씰 조립체(130)는 상방향으로 이동될 수 있다(에컨대, 천장 크레인 기구에 의해 들어올려질 수 있다). 이러한 방식으로, 작동 유체가 액체인 경우, 샤프트(104) 밖으로 작동 유체를 퍼낼 필요 없이 씰 조립체(130)에 접근하여 씰(212)을 점검 및 교체할 수 있고, 에너지 저장 시스템(100)의 유지보수의 어려움 및 비용을 크게 감소시킨다.

도 15 내지 도 18을 참조하면, 작동 유체의 높은 압력을 견디도록 설계된 강철 채널(230) 내부에 조립되는 단일 씰 스테이지(226)가 도시되어 있다. 강철 채널(230)은, 수직 웹(232), 상부 환형 플랜지(234) 및 하부 환형 플랜지(236)에 의해 형성된 C자형 단면을 가진다. 채널(230)의 강도 및 강성을 증가시키기 위해 보강 부재(238)(예컨대, 핀(fin), 연결판(gusset plate), 브레이스 등)이 구비될 수 있다.

씰(212)은 씰 캐리어(240)에 결합된다. 도 17의 상면도를 참조하면, 씰 캐리어(240)는 강철과 같은 강한 탄성 재료로 형성된 연속 링으로 형성될 수 있다. 도 18의 대안적인 실시예의 상면도를 참조하면, 씰 캐리어(244)는, 피스톤(120)의 원주 변동을 수용하기 위한 팽창 및 수축 능력을 증가시키기 위해 파형을 가진 연속 링일 수 있다. 씰 캐리어(240)는 씰(212) 및 접촉 패드(246)를 수용하기 위한 공간을 포함한다. 씰(212)은, 씰 조립체(130)와 피스톤(102) 사이에서의 작동 유체의 통과에 대항하여 씰을 생성하기 위해 피스톤(102)에 대해 압축되어 외부 표면(214)에 들어맞을 수 있는, 합성 중합체(예컨대, 폴리우레탄, 폴리부타디엔, 등)와 같은 탄성 재료로 형성된다. 예시적인 실시예에 따르면, 씰(212)은 수십 또는 심지어 수백 미터 직경의 연속 링에 현장 용접 또는 접합될 수 있는 세그먼트들로 형성(예컨대, 기계가공, 몰딩, 압출, 등)될 수 있다. 접촉 패드(246)는, 압축에 견디는 Vesconite 또는 초고분자량 폴리우레탄과 같은 강한 저마찰 재료로 형성된다. 접촉 패드(246)는 씰(212)의 상부 및/또는 하부에 배치되고, 씰 캐리어(240)에 볼트로 접합되거나 또는 부착되며, 씰 캐리어(240)와 피스톤(102) 사이의 접촉을 방지하도록 이루어진다. 씰(212) 및 접촉 패드(246)는, 피스톤(102)의 외부층(166)과 같은 강철 표면 상에서 슬라이딩할 때, 또는 피스톤(102)의 내부층(170)과 같은 매끄러운 콘크리트 표면 상에서 슬라이딩할 때 낮은 마찰계수를 갖도록 이루어진다. 씰 조립체(130)가 피스톤(102)의 표면에서 상승된 불연속부(예컨대, 융기부, 돌출부, 볼록부 등)를 만난 경우, 상대적으로 단단한 접촉 패드(246)는 씰 캐리어(240)를 불연속부의 영역에서 위치상 바깥쪽으로 변위시켜, 상대적으로 부드러운 씰(212)을 전단 작용으로부터 보호한다.

씰 캐리어(240)의 상부측을 따라 베어링 표면(250)이 제공된다. 에너지 저장 시스템(100)의 작동 중, 하부 챔버(108)의 고압 유체는 씰 캐리어(240)의 저부에 상향력을 인가하고 씰 캐리어(240)의 외부 표면에 내향력을 인가하여, 씰 캐리어(240)를 베어링 표면(250)에 대해 상방으로 그리고 피스톤(102)에 대해 내측방향으로 강제한다. 베어링 표면(250)은 상부 플랜지(234)의 밑면에 장착된 베어링 구조물(254) 및 베어링 씰(252)과 접촉한다. 베어링 씰(252) 및 베어링 구조물(254)은 재료 및 구성 면에서 각각 씰(212) 및 강철 채널(230)과 유사할 수 있다. 베어링 표면(250)은 씰 캐리어(240)가 상부 플랜지(23)에 대해 반경방향으로 슬라이딩 할 수 있게 하는 한편 채널(230)과 씰 캐리어(240) 사이에서의 유체 통과를 방지한다. 베어링 표면(250)은, 씰 조립체(130)에 의해 제공된 씰의 무결성을 손상시키지 않으면서, 씰 캐리어(240)가 피스톤 표면(214)의 수직성에서의 어떠한 변화도 따라갈 수 있게 한다. 예시적인 실시예에 따르면, 씰 캐리어(240)는 반경방향으로 ±25 mm 이동할 수 있도록 이루어진다.

작동 시, 씰(212)은 씰 조립체(130) 아래의 하부 챔버(108) 내의 작동 유체의 압력으로 인해 반경방향 내측으로 팽창하여, 씰 캐리어(240)와 피스톤(102) 사이의 간극을 빽빽이 채움으로써 유체가 누출되는 것을 방지한다. 씰 캐리어(240)는 씰 캐리어(240)를 따라 구역(258)에 작용하는 압력에 의해 피스톤(102)을 향해 강제된다. 구역(258)은 대략 씰(212)의 중앙으로부터 상부 접촉 패드(246)의 저부까지 연장된다. 구역(258)에 작용하는 압력의 대부분은 접촉 패드(246)에 의해 흡수된다. 접촉 패드(246) 및 씰(212)은 강철 표면 상에서 슬라이딩할 때 낮은 마찰계수를 갖기 때문에, 씰 조립체(130)는 씰(212)에 낮은 마찰, 우수한 씰링, 및 긴 수명을 제공한다.

강철의 모듈러스는 전술한 바와 같이 피스톤을 구성(예컨대, 제작 절차 또는 굴착 절차)함으로써 생기는 피스톤(102)의 원주에서의 어떠한 작은 변화에도 따라가기 위해 충분히 큰 비율만큼 씰 캐리어(240)가 신장 또는 압축될 수 있게 한다. 예를 들어, 500 메가파스칼의 항복 강도 및 180 기가파스칼의 탄성률을 가진 스테인리스강의 경우, 최대 변형률은 다음과 같다.

변형률 = 500 MPa/180 GPa = 2.8 x 10^-3 = 0.28%

96 피트(30 미터)의 직경을 갖고 스테인리스강으로 형성된 씰 캐리어(240)의 경우, 씰 캐리어(240)의 원주에서 최대 변형률은 다음과 같다.

0.0028 x π x 96 = 0.84 피트(26 센티미터)

1200 메가파스칼의 항복 강도 및 210 기가파스칼의 탄성률을 갖는 고강도 강철의 경우, 최대 변형률은 다음과 같다.

변형률 = 1200 MPa/210 GPa = 0.57%

30 미터의 직경을 갖고 이러한 고강도 강철로 형성된 씰 캐리어(240)의 경우, 씰 원주에서의 최대 신장은 54 센티미터이다. 전술된 피스톤 구성 절차를 이용하여, 씰 캐리어 신장의 0.28%는 대체로 매우 적절할 것이다. 그러나 신장의 0.57%조차도 불출분한 시스템에서, 파형을 가진 씰 캐리어(244)의 구성은, 씰 캐리어(240)가 팽창 또는 수축될 수 있는 양을 증가시킬 수 있다. 강철 재료보다 더 낮은 탄성률 및 훨씬 더 높은 탄성 한계를 가짐으로써, 씰 캐리어(240)의 원주방향 팽창이 여러 번 가능한 씰(212)에 의해, 반경방향으로의 추가적인 팽창 또는 수축이 제공된다.

씰 캐리어(240)는 또한 작동 유체의 고압을 겪으므로, 피스톤(102)의 원주가 씰 캐리어(240)의 이완된 원주보다 작은 경우 압축될 수 있다. 씰 캐리어(240)의 좌굴 가능성을 피하기 위해, 씰 캐리어(240)는 적어도 피스톤(102)의 최소 원주만큼 작은 이완된 원주를 갖도록 이루어진다.

유지보수 동안, 베어링 씰(252)에 대한 접근성을 향상시키기 위해, 씰 조립체(130)를 씰 조립체 마운트(210)로부터 상방으로, 작동 유체로부터 표면으로 들어올린 후, 씰 캐리어(240)를 이동시킬 수 있다. 씰 캐리어(240)의 수직 이동은, 채널(230)의 수직 웹(232)에 맞물리는 도 15 및 도 19의 고정 핀(256)으로서 도시된 부재에 의해 한정된다. 고정 핀(256)을 제거함으로써, 씰 캐리어(240)는 도 19에 도시된 바와 같이 채널(230)의 저부로 하강할 수 있다. 씰 캐리어(240)가 채널(230)의 저부로 하강함으로써, 점검 및 수리를 위해 베어링 표면(250) 및 베어링 씰(252)에 접근할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 씰 조립체 마운트(210)는 피스톤(102)에 장착되어, 씰 조립체 마운트(210)의 외부 표면(216)이 간극에 의해 라이너(154)로부터 분리되도록 외측으로 연장될 수 있다. 씰 조립체(130)는 외부 표면(216)에 결합되어, 씰(212)이 라이너(154)에 대해 강제되도록 간극 내로 연장된다. 이러한 실시예에서, 라이너(154)는, 효과적인 씰의 형성을 가능하게 하고 압력 변화로부터의 손상을 방지하기 위해 매끄럽고 단단한 방수 표면을 제공하도록 이루어진다.

전술된 바와 같은 씰 조립체(130)는, 피스톤(102)과 샤프트(104)의 벽 사이에서 방해 받지 않는 유체의 유동이 유체역학적 항력에 의해서만 제한되는 속도로 제어되지 않는 방식으로 피스톤(102)이 하강할 수 있게 하는, 에너지 저장 시스템(100)의 재해적 고장 가능성을 감소시킨다. 씰 조립체(130)는, 각각의 씰 스테이지(226)가 에너지 저장 시스템(100)의 최대 작동 압력을 다룰 수 있도록 이루어질 수 있다. 개개의 씰 스테이지(226) 중 하나가 고장 난 경우, 씰 스테이지(266) 중 적어도 하나가 온전한 이상, 씰 조립체(130)는 계속 작동할 것이다. 씰 스테이지(226)가 전부 고장 난 경우, 씰 조립체(130)의 견고한 구조 및 피스톤(102)과 씰 조립체 마운트(210) 사이의 상대적으로 좁은 간극(215)이 유체 유동을 제한하고 낙하하는 피스톤(102)의 속도를 한정한다.

피스톤 크래들

이제 도 20을 참조하면, 샤프트(104)의 하측 부분에 배치된 피스톤 크래들(260)이 도시되어 있다. 피스톤 크래들(260)은 피스톤과 샤프트 벽 사이의 간극을 점차 좁아지게 하여 유체의 유동을 제한한다. 피스톤(102)이 샤프트(104)의 바닥(156)에 접근함에 따라, 피스톤(102)과 샤프트(104)의 벽 사이의 간극이 감소하여, 하부 챔버(108)로부터 상부 챔버(106)로 피스톤(102) 주위에서의 작동 유체의 유속을 감소시킨다. 유속의 감소는 피스톤(102) 아래에서 하부 챔버(108)의 압력을 증가시켜, 피스톤(102)의 하강을 늦추는 쿠션을 제공한다. 그러므로 피스톤 크래들(260)은 피스톤(102)이 상승한 상태로 씰 조립체(130)가 고장 난 경우 피스톤(102)의 하강을 늦추는 메커니즘을 제공한다.

예시적인 실시예에서, 피스톤 크래들(260)은 철근 콘크리트 및 강철 구조물이다. 피스톤 크래들(260)의 외부 표면은, 작동 유체에 오랫동안 노출되어 열화되거나 고압 유동으로 부식되는 것을 피하기 위해 스테인리스강과 같은 내구성 있는 재료로 이루어진다. 피스톤 크래들(260)은, 피스톤(102)의 하측 부분을 수용하도록 이루어지고 피스톤(102)의 직경보다 최소한도로 큰 직경을 갖는 중앙 소켓(263)을 정의하는 내부 표면(261)을 포함한다. 피스톤 크래들(260)은 또한, 샤프트(104)의 공칭 내경(예컨대, 라이너(154)의 내경)으로부터 소켓(263)의 직경까지 피스톤을 수용하는 공간의 직경을 감소시키는 절단된 원뿔형의 상부 표면(262)을 포함한다.

피스톤 크래들(260)은 또한, 갑작스럽게 통로(110)를 통한 유체의 제한되지 않은 유동을 허용하는 통로(110)에서의 실패에 대한 보호(예컨대, 밸브 또는 펌프-터빈(120)과 같은 메커니즘)를 제공한다. 피스톤(102)이 샤프트 바닥(156)에 접근함에 따라, 이는 하부 횡단 통로(118) 내로의 유동을 차단하기 시작하여 사실상 게이트 밸브로서 작용할 것이다. 피스톤 크래들(260)은, 하부 횡단 통로(118)로의 구멍(266)과 피스톤(102) 사이에 작은 공간(264)이 남아서, 심지어 피스톤(102)이 완전히 하강했을 때에도 하부 횡단 통로(118) 안팎으로의 유체의 작은 유속을 허용하여, 정상 작동 중 피스톤(102)의 상승 및 하강을 가능하게 하도록 이루어진다.

하부 횡단 통로(118)로의 구멍(266)의 형상은, 피스톤(102)이 하강할 때 통로(110) 내로의 유속이 부드럽게 감소하여, 제어된 방식으로 피스톤(102)의 가속을 감소시키고 피스톤(102)과 샤프트 바닥(156) 사이의 충격력을 최소화하도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 둥근 모양 대신에, 구멍(266)은 수직 슬롯 또는 V자 형상으로 이루어질 수 있다. 구멍(266)의 표면은, 작동 유체에 오랫동안 노출되어 열화되거나 고압 유동으로 부식되는 것을 피하기 위해 스테인리스강과 같은 내구성 있는 재료로 이루어진다. 하부 횡단 통로(118) 및 피스톤 크래들(260)의 구조는, 피스톤이 하강할 때 발생하는 어떠한 압력 증가도 견디도록 충분히 견고하다. 다른 실시예에서, 하부 횡단 통로(118)는 구멍(266)이 피스톤 크래들(260) 위에 배치되도록 위치될 수 있다.

피스톤 가이드

이제 도 21 및 도 22를 참조하면, 피스톤(102)과 샤프트(104)의 벽 사이의 공간에 높이 간격으로 피스톤 가이드(270)와 같은 정렬 부재들이 구비된다. 피스톤 가이드(270)는 피스톤(102)이 기울어지거나 측방향으로 이동하지 못하게 하여, 피스톤(102)을 수직 배향으로 샤프트(104) 내에서 중앙에 오게 유지한다. 샤프트(104) 내부에 피스톤(102)을 정렬함으로써, 피스톤 가이드(270)는 씰 조립체(130), 라이너(154) 또는 피스톤(102)에 대한 손상 및 피스톤(102)과 샤프트(104)의 벽 사이의 오정렬 또는 접촉으로 야기된 마찰로 인한 시스템 효율의 감소를 방지한다. 피스톤 가이드(270)는 샤프트(104) 내에서 피스톤(102)을 중앙에 유지하고 씰 조립체(130)의 고장 시에도 제어되지 않고 하강하는 것을 방지하도록 이루어지고, 그로 인해 재해적 고장 가능성을 감소시키며 에너지 저장 시스템(100)의 작동 유연성을 증가시킨다.

예시적인 실시예에 따르면, 피스톤 가이드(270)는 가요성 받침대(272)를 포함한다. 받침대(272)의 단부는, 라이너(154)에 제공된 포켓(274)에 수용된다. 피스톤 가이드(270)는 피스톤(102)의 원주 둘레에 서로의 옆에 배열된 다수의 받침대(272)를 포함할 수 있다. 받침대(272)는, 작동 유체에 잠겼을 때 부식에 견디는 탄소 섬유 복합재 또는 금속 또는 금속 합금(예컨대, 스테인리스강)과 같은 강한 탄성 재료로 제작될 수 있다.

받침대(272)는 샤프트(104)의 벽과 피스톤(102) 사이의 간극에 걸쳐 내측으로 연장되며, 내측의 자유 단부는 접촉 패드(278)를 지지하는 지지 플레이트(276)에 결합된다. 받침대(272)는 피스톤(102)의 측면에 대해 지지 플레이트(276) 및 접촉 패드(278)를 가압하여, 피스톤(102)의 외부 표면(214)을 따라 슬라이딩한다. 지지 플레이트(276) 및 접촉 패드(278)는 둘 다 피스톤(102)의 곡률에 맞게 만곡된다(도 24 참조). 접촉 패드(278)는, 초고분자량 폴리우레탄 또는 Vesconite와 같이, 예상되는 어떠한 압력 레벨도 견디도록 충분히 높은 압축 강도를 가진 저마찰 재료로 제작된다. 지지 플레이트(276)는 금속 또는 합금(예컨대, 스테인리스강)과 같은 강성 재료로 형성된다.

받침대(272)는, 피스톤(102)이 샤프트(104)의 중앙에 유지되는 한 최소한의 힘이 인가되도록, 피스톤(102)의 측면에 대해 지지 플레이트(276) 및 접촉 패드(278)를 가압한다. 피스톤(102)이 가이드(270)의 방향으로 중앙 위치에서 벗어난 경우, 받침대(272)가 굽혀지고 접촉 패드(278)에 의해 피스톤(102)에 가해지는 접촉 압력이 증가하여, 피스톤(102)을 샤프트(104)의 중앙으로 강제로 되돌린다.

접촉 패드(278)는, 낮은 압력으로 높은 힘에 대한 능력을 제공하기에 충분히 넓은 표면적을 갖는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 접촉 패드는 100 인치의 폭 및 100 인치의 높이를 가질 수 있고, 따라서 제곱 인치 당 10 파운드의 접촉 압력만 인가되어도 100,000 파운드(>45,000 kgf)의 센터링 힘을 제공할 수 있다. 피스톤 경사가 너무 커지기 전에 적용되는 경우, 이러한 힘은 매우 큰 피스톤이라도 수직에 가깝게 유지하고 따라서 더욱 큰 측방향 힘에 대한 필요를 없애는 데에도 아주 적절하다. 일부 실시예에서, 피스톤 가이드(270)는 하나 이상의 측정 장치(279)(예컨대, 압력 센서, 스트레인 게이지 등)를 포함할 수 있다. 측정 장치(279)는 지지 플레이트(276) 또는 받침대(272)에 배치되어 피스톤(102)의 측방향 이동을 검출할 수 있다. 측정 장치(279)는, 에너지 저장 시스템(100)의 올바른 작동을 확인하고 임의의 구조적 고장이 심각한 손상을 일으키기 전에 교정 작용을 가능하게 하기 위해 원격으로 모니터링될 수 있다.

전술된 바와 같이, 받침대(272), 지지 플레이트(276) 및 접촉 패드(278)는, 유지보수 및 교체를 위해, 그리고 피스톤(102)과 샤프트(104)의 벽 사이의 간극을 청소하여 씰 조립체(130)를 제거되게 하기 위해 유닛으로서 포켓(274)으로부터 제거될 수 있다(예컨대, 천장 크레인 기구에 의해 들어올려질 수 있다). 에너지 저장 시스템(100)으로부터 작동 유체를 제거하지 않고도 피스톤 가이드(270)를 제거할 수 있다.

이제 도 23 및 도 24를 참조하면, 또 다른 예시적인 실시예에 따른 피스톤 가이드(270)가 도시되어 있다. 받침대(272) 대신에, 피스톤 가이드(270)는 유압 피스톤(271)을 포함한다. 유압 피스톤(271)은 라이너(154) 상에 배치된 플레이트(273)에 결합되고, 샤프트(104)의 벽과 피스톤(102) 사이의 간극에 걸쳐 내측으로 연장된다. 내측 자유 단부는 피봇 연결부(275)로 지지 플레이트(276)에 결합된다. 유압 피스톤(271)은 피스톤(102)의 측면에 대해 지지 플레이트(276) 및 접촉 패드(278)를 가압한다. 피봇 연결부(275)는, 피스톤(102)이 중앙 위치로부터 벗어난 경우 지지 플레이트(276) 및 접촉 패드(278)가 피스톤과의 접촉을 유지할 수 있게 한다. 피스톤(102)이 가이드(270)의 방향으로 그러한 중앙 위치에서 벗어난 경우, 유압 피스톤(271)이 압축되고 접촉 패드(278)에 의해 피스톤(102)에 가해진 접촉 압력이 증가되어, 샤프트(104)의 중앙으로 피스톤(102)을 강제로 돌려보낸다. 다른 실시예에서, 유압 피스톤(271)은 공압 피스톤 또는 스프링 장치(예컨대, 코일 스프링)와 같은 또 다른 적합한 기구로 대체될 수 있다. 도 24를 참조하면, 피스톤 가이드(270)는 피스톤(102)의 원주의 일부 주위에 반경방향으로 배열된 다수의 유압 피스톤(271)을 포함할 수 있다. 유압 피스톤의 압력은, 펌프(미도시)에 의해 증가되어 피스톤을 샤프트의 중앙을 향해 다시 강제로 돌려보내거나 또는 감소되어 피스톤(102)과 접촉 패드(278) 사이의 마찰을 최소화할 수 있다.

입자 트랩

이제 도 25를 참조하면, 에너지 저장 시스템(100)이 하나 이상의 입자트랩(280)을 포함하는 것이 도시되어 있다. 에너지 저장 시스템(100)의 건설로부터 남아 있거나 피스톤(102) 또는 샤프트(104)의 벽의 열화로 생성된 입자들은 에너지 저장 시스템(100)을 통해 유동할 수 있고, 펌프-터빈(72) 및 씰 조립체(130)와 같은 구성요소들에 연마 손상을 일으킬 수 있다. 앞서 기술된 건설 방법은, 샤프트(104)의 벽 또는 피스톤(102)으로부터 이러한 입자들이 방출되는 것을 최소화하도록 이루어진다. 그러나, 연마 입자들이 여전히 피스톤(102) 및 샤프트(104)의 건설로부터 생성될 수 있거나, 또는 에너지 저장 시스템을 충전하는 데 사용되는 작동 유체와 같은 다른 공급원으로부터 에너지 저장 시스템(100) 내로 도입될 수 있다. 입자 트랩(280)은, 연마 입자들이 에너지 저장 시스템(100)을 통해 자유롭게 유동하여 구성요소들을 손상시키는 것을 방지하도록 이루어진다.

입자 트랩(250)은, 작동 유체 중의 난류가 미립자 트랩(280)으로부터 에너지 저장 시스템(100)의 다른 영역으로 입자들을 운반하는 것을 방지하면서, 입자들이 수집 영역에 안착할 수 있게 하는 수직 통로와 같은 구조에 의해 제공된다. 입자 트랩은 예를 들어 피스톤(102)의 상부, 씰 조립체 마운트(210)의 상부, 샤프트 바닥(156), 및 수직 통로(112)의 저부 단부에 제공될 수 있다. 에너지 저장 시스템(100)의 작동 중, 작동 유체 중의 연마 입자들은 입자 트랩(280) 중 하나에 안착되어 에너지 저장 시스템(100)의 유지보수 중에 제거될 때까지 입자 트랩(280)에 남아 있기 쉬울 것이다.

발전

이제 도 26을 참조하면, 발전소(128)가 더 상세히 도시되어 있다. 펌프-터빈(120)과 수직 통로(112) 사이에서 상부 횡단 통로(116)의 제2 부분(123)에 메인 밸브(282)가 배치된다. 예시적인 실시예에 따르면, 메인 밸브(282)는 수력 발전 시스템에 일반적으로 사용되는 밸브와 유사한 글로브 밸브이다. 상부 횡단 통로(116)의 구멍 아래에서 수직 통로(112)에 제2 밸브(284)가 배치된다. 예시적인 실시예에 따르면, 제2 밸브(284)는 게이트 밸브이다. 제2 밸브(284)는 수직 통로(112)을 폐쇄함으로써, 예를 들어 샤프트(104)로부터의 유체 유동을 방지하여 수직 통로(112) 또는 발전소(128)에 대한 유지보수를 가능하게 하거나 또는 작동 유체가 수직 통로(112)의 상측 부분에서의 누출을 통해 빠져 나오는 것을 방지할 수 있다. 상부 횡단 챔버(116)에 대한 연결부 위에서, 수직 통로의 상부 단부는 공기를 포함하고 서지 챔버(286)를 형성할 수 있다. 서지 챔버(286) 내의 공기는 작동 유체의 급격한 압력 변화에 반응하여 쿠션을 제공함으로써 수격을 완화시킨다. 메인 밸브(282) 또는 펌프-터빈(120)이 손상되거나 오동작하는 경우, 수직 통로(112)로부터 샤프트(104)로의 추가적인 유체 통로(미도시)가 제공될 수 있다. 추가적인 유체 통로는 작동 유체가 발전소(128)를 우회하게 하여, 피스톤(102)을 하강시키고 작동 유체의 압력을 줄인다.

이제 도 27을 참조하면, 또 다른 실시예에서, 에너지 저장 시스템(100)은 유압식 단락 전력 시스템(290)을 포함할 수 있다. 펌프-터빈 대신에, 유압식 단락 전력 시스템(290)은 개별적인 펌프(292) 및 터빈(294)(예컨대, 펠톤 터빈)을 포함한다. 펌프(292) 및 터빈(294)은 각각 구동 샤프트(293, 295)에 의해 공통의 모터/발전기(296)에 연결된다. 펌프(292)는 상부 횡단 통로(112)에 배치된다. 터빈(294)은, 수직 통로(112)와 유체 연통되고 샤프트(104) 내로 흐르게 하는 출구(299)를 가진 제3 통로(297)에 배치된다. 터빈(294)은 샤프트(104) 내의 작동 유체의 레벨 위에 위치된다. 터빈(294)과 수직 통로(112) 사이의 제3 통로(297)에 밸브(298)(예컨대, 글로브 밸브)가 배치된다.

펌프(292)는 높은 전력 요건(예컨대, 대략 300 메가와트)를 가질 수 있고, 이러한 전력 레벨에서 오직 에너지 저장 시스템(100)에 전력을 저장할 수 있다. 반대로, 터빈(294)은 0 내지 최대 전력까지 거의 전체 범위에서 에너지 저장 시스템(100)으로부터의 출력 전력을 제공할 수 있다. 유압식 단락 전력 시스템(290)은 펌프(292)와 터빈(294)을 동시에 작동시킴으로써 펌프 능력 한계를 극복할 수 있다. 밸브(298)를 부분적으로 개방하여 펌프(292)가 요구하는 동력의 일부를 생성함으로써 펌프(292)에 의한 고압수 출력 중 일부를 터빈(294)을 통해 전달하는 동안, 펌프(292)는 최대 전력으로 작동될 수 있다.

터빈(294)은 샤프트(104)의 작동 유체 레벨 위에 위치되기 때문에, 출구(299)로부터의 작동 유체는, 터빈(294)이 샤프트(104)의 작동 유체 레벨 아래에 위치되는 경우에 필요한 것과 같이 압력 하우징 또는 가압 터빈 챔버가 필요 없이, 샤프트(104) 내로 자유롭게 유동할 수 있다. 샤프트(104)의 작동 유체 레벨 위에 터빈(294)을 위치시킨 결과, 터빈(294)은 지면 위에 있게 되어, 터빈(294)의 설치 및 유지보수를 용이하게 할 수 있다.

따라서, 유압식 단락 전력 시스템(290)은 단순히 터빈 동력을 변화시킴으로써 최대 펌프 능력에서 0의 펌프 능력으로 매끄럽고 신속하게 변화될 수 있다. 이는 풍력 및 태양열과 같이 변동이 심한 전력 공급원이 저장 및 생산되는 전력의 양을 빠르게 변화시킬 수 있는 배전 시스템에서 에너지 저장 시스템(100)의 유용성을 크게 증가시킨다.

전술된 에너지 저장 시스템은 일반적으로 작동 유체로서 물을 사용하는 것으로 기술되었지만, 다른 실시예에서는 또 다른 유체를 사용해도 된다. 예를 들어, 유체는 또 다른 액체이거나 또는 공기일 수 있으며, 또는 몇몇 다른 기체가 물 대신에 사용될 수 있다. 작동 유체로서 기체가 사용되는 경우, 펌프-터빈을 압축기-터빈으로 대체할 수 있다. 작동 유체로서 물 대신에 압축 기체가 사용되는 경우, 피스톤을 상승시키는 것과 기체를 압축하는 것 둘 다에 의해서 에너지가 저장되므로, 주어진 샤프트 및 피스톤으로 저장할 수 있는 에너지의 양은 훨씬 더 크다.

본 발명의 실시예들은, 신뢰할 수 있고 전달 가능한 전력 공급의 역할을 할 수 있는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 구체적인 실시예에서, 시스템은 태양열 집열기 및 풍력 터빈에 의해 수집된 것과 같은 재생 가능 공급원에 의해 생산된 에너지를 이용할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 태양열 및/또는 풍력 공급원으로부터의 출력 중 상당 부분이 대규모 에너지 저장 유닛으로 유도되며, 그 후 이러한 유닛은 나중에(예컨대, 필요할 때에) 에너지를 방출할 수 있다.

전술된 특정 실시예들은 "오프 피크" 에너지를 후속의 "피크" 사용을 위해 저장하기 위한 시스템에 관한 것이지만, 본 발명의 실시예들은 또한, 에너지 생산의 조절 또는 빈도 조절을 위한 시스템에 관한 것이다. 이러한 시스템에서, 생산된 에너지 레벨과 요구되는 에너지 레벨 간의 차이가 균형을 이루어, 이러한 차이를 감소 또는 최소화한다. 이러한 실시예들에 따르면, 피스톤(예컨대, 도 3의 피스톤(102)과 유사한 피스톤)이 이동할 수 있는 경로는 약 200 미터 이상의 길이(이에 제한되지 않음)와 같은 적합한 수직 길이를 가질 수 있다. 구체적인 실시예에서, 경로의 수직 길이는 대략 200 미터 내지 400 미터이다.

본 발명의 특정 실시예들에 대한 상기 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제시되었다. 이는 개시된 정확한 형태로 본 발명을 제한하거나 하나도 빠트리는 것 없이 만들고자 함이 아니다. 상기의 교시를 고려하여 다수의 변형 및 변경이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범주는 이러한 상세한 설명이 아니라 여기에 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 것이다.

Claims (27)

1. 에너지 저장 시스템에 있어서,
   몸체;
   유체를 수용하기 위한 내부 용적을 정의하는 벽들을 가진 중공 샤프트로서, 상기 몸체가 상기 중공 샤프트의 내부 용적 내에 배치되어 상기 중공 샤프트의 내부 용적 내에서 제1 높이 위치로부터 제2 높이 위치로 중력으로 이동하는 것인, 중공 샤프트;
   상기 중공 샤프트의 상기 벽들과 상기 몸체 사이에 배치되며, 장착 표면에 결합되고 상기 접촉 표면에 슬라이딩 가능하게 맞물려서, 상기 몸체 아래에 수직방향으로 위치된 제1 부분 및 상기 몸체 위에 수직방향으로 위치된 제2 부분으로 상기 내부 용적을 나누는, 씰 부재;
   상기 중공 샤프트와 유체 연통되며, 상기 중공 샤프트의 상기 내부 용적의 상기 제1 부분과 유체를 연통시키는 유체 통로; 및
   상기 유체 통로와 작동 가능하게 결합되어, 상기 몸체가 중력으로 상기 제1 높이 위치로부터 상기 제2 높이 위치로 이동할 때 전기를 발생시키도록 구동되는 전기 에너지 모터/발전기를 포함하는, 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 접촉 표면은 매끄러운 수직 표면을 포함하는, 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 접촉 표면은 ±100 mm 내의 수직도를 갖는, 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 접촉 표면은 0.5 ㎛ 미만의 평균 조도를 갖는, 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 중공 샤프트의 상기 벽이 상기 장착 표면을 포함하고, 상기 몸체의 외주 표면은 상기 접촉 표면을 포함하며, 상기 씰 부재는 상기 몸체가 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에서 이동할 때 상기 몸체에 연속적으로 맞물리는, 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 씰 부재는 씰 캐리어에 장착되고, 상기 씰 캐리어는 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에서 상기 몸체의 움직임에 대해 횡방향으로 이동할 수 있도록 상기 장착 표면에 결합되며, 팽창 또는 수축 가능한 원주를 갖는, 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 씰 캐리어는 수직 표면을 포함하며, 상기 내부 용적의 상기 제1 부분에서의 유체는 상기 수직 표면 상에 내향력을 가하여, 상기 씰 부재를 상기 접촉 표면에 강제하는, 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 씰 부재는, 상기 중공 샤프트의 상기 내부 용적으로부터 유체를 제거하지 않고 상기 중공 샤프트의 상기 벽과 상기 몸체 사이로부터 제거 가능하도록 이루어진, 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 중공 샤프트의 상기 내부 용적에 배치된 크래들을 더 포함하되
   상기 크래들은 상기 몸체의 하측 부분을 수용하도록 이루어진 소켓을 정의하는 내부 표면을 포함하며,
   상기 몸체와 상기 내부 표면 사이의 공간의 횡단면적은, 상기 몸체와 상기 중공 샤프트의 상기 벽 사이의 공간의 횡단면적보다 작은, 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 몸체의 주변부 주위에 배치된 복수의 정렬 부재를 더 포함하되,
    상기 정렬 부재는 상기 중공 샤프트의 상기 벽에 결합되고, 상기 몸체의 외주 표면에 슬라이딩 가능하게 맞물리며,
    상기 정렬 부재는, 상기 중공 샤프트의 중앙을 향한 방향으로 상기 몸체에 힘을 인가하여, 상기 몸체의 상기 외주 표면과 상기 중공 샤프트의 상기 벽 사이에 간극을 유지함으로써, 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에서 상기 몸체의 움직임에 대해 횡방향으로 상기 몸체의 이동을 제약하는, 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 정렬 부재는, 상기 중공 샤프트의 상기 내부 용적으로부터 유체를 제거하지 않고 상기 몸체와 상기 중공 샤프트의 상기 벽 사이로부터 제거 가능하도록 이루어진, 시스템.
12. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 정렬 부재 중 하나에 배치되며, 상기 제1 위치와 상기 제2 위치 사이에서 상기 몸체의 움직임에 대해 측방향으로의 상기 몸체의 이동을 검출하도록 이루어진 측정 장치를 더 포함하는 시스템.
13. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 정렬 부재에 의해 상기 몸체에 인가된 힘은 제어 가능하게 증가 또는 감소되는, 시스템.
14. 제1항에 있어서,
    상기 유체 통로와 유체 연통되고 상기 전기 에너지 모터/발전기에 기계적으로 결합된 터빈을 더 포함하되,
    상기 터빈은 상기 유체 통로로부터 유체 압력을 수용하고 상기 전기 에너지 모터/발전기를 구동하여, 상기 제1 높이 위치로부터 상기 제2 높이 위치로 중력에 의해 상기 몸체가 이동할 때 전기를 발생시키는, 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 유체 통로와 유체 연통되고 상기 전기 에너지 모터/발전기에 기계적으로 결합된 유체 펌프를 더 포함하되,
    상기 유체 펌프는 상기 전기 에너지 모터/발전기에 의해 구동되며, 상기 유체 통로에 유체 압력을 가하여, 상기 제2 높이 위치로부터 상기 제1 높이 위치로 상기 몸체를 이동시킴으로써 에너지를 저장하는, 시스템.
16. 제15항에 있어서,
    상기 터빈은 상기 중공 샤프트 내에 수용된 유체의 유체 레벨 위에 위치되는, 시스템.
17. 제16항에 있어서,
    상기 유체 펌프와 상기 제1 챔버 사이의 상기 통로에 배치된 차단 밸브를 더 포함하는 시스템.
18. 제17항에 있어서,
    상기 터빈과 상기 제1 챔버 사이의 상기 통로에 배치된 제2 밸브를 더 포함하는 시스템.
19. 제1항에 있어서,
    상기 몸체 및 상기 중공 샤프트의 상기 벽은, 상기 내부 용적 내에 수용된 유체에 대해 실질적으로 불침투성인, 시스템.
20. 에너지 저장 시스템의 건설 방법에 잇어서,
    벽 및 저부로 정의된 중공 샤프트를 원하는 샤프트 깊이까지 굴착하는 단계;
    상기 중공 샤프트의 상기 저부에 바닥을 형성하는 단계;
    상기 중공 샤프트의 상기 바닥에 상기 중공 샤프트의 직경보다 작은 직경을 갖는 피스톤 기저부를 형성하는 단계;
    상기 샤프트 깊이보다 작은 피스톤 높이로 상기 피스톤 기저부에 결합되고, 상기 피스톤의 중공 내부를 정의하며, 상기 에너지 저장 시스템에 수용된 유체에 대해 실질적으로 불침투성인 피스톤 측벽을 형성하는 단계;
    상기 피스톤의 상기 중공 내부를 충전재로 실질적으로 충전하는 단계; 및
    상기 피스톤의 상기 내부를 폐쇄하도록 상기 피스톤 측벽에 결합되는 피스톤 상부를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
21. 제20항에 있어서,
    상기 중공 샤프트의 상기 벽 내부를 따라, 상기 에너지 저장 시스템 내에 수용된 유체에 대해 실질적으로 불침투성인 라이너를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
22. 제20항에 있어서,
    상기 피스톤의 상기 중공 내부를 충전재로 충전하기 전에, 상기 피스톤 기저부에 압력 센서를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
23. 제22항에 있어서,
    상기 충전재의 분포 및 밀도를 제어하여 상기 압력 센서 상에 균일한 압력을 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
24. 에너지 저장 시스템의 건설 방법에 있어서,
    벽 및 저부로 정의되며 직경을 갖는 중공 샤프트를 제1 깊이까지 굴착하는 단계;
    상기 중공 샤프트의 직경과 같거나 더 큰 외경을 가지며 기둥을 정의하는 환형부를 제2 깊이까지 굴착하는 단계;
    상기 기둥의 기저부를 따라, 천장 및 저부를 가지며, 양측 단부에서 상기 환형부 내로 개방되는 터널을 굴착하는 단계;
    상기 터널 내에서 상기 터널 저부 상에, 상기 터널의 폭보다 작은 폭을 갖는 제1 샤프트 바닥 부분을 형성하는 단계;
    상기 터널 내에서 제1 샤프트 바닥 부분 상에, 상기 제1 샤프트 바닥 부분으로부터 상기 터널의 상기 천장으로 연장되는 제1 피스톤 기저부 부분을 형성하는 단계;
    상기 터널을 확장하는 단계;
    상기 터널 내에서 상기 제1 부분에 인접한 상기 터널 저부 상에 샤프트 바닥의 제2 부분을 형성하는 단계;
    상기 터널 내에서 상기 제1 피스톤 기저부 부분에 인접한 상기 제2 샤프트 바닥 부분 상에 제2 피스톤 기저부 부분을 형성하는 단계;
    샤프트 바닥 부분 및 피스톤 기저부 부분에 의해 상기 기둥이 완전히 지지될 때까지, 계속해서 상기 터널을 확장하여 상기 샤프트 바닥 부분 및 피스톤 기저부 부분을 형성하는 단계;
    상기 피스톤 기저부에 결합되고, 상기 기둥을 둘러싸며, 상기 에너지 저장 시스템 내에 수용된 유체에 대해 실질적으로 불침투성인 피스톤 측벽을 형성하는 단계; 및
    상기 피스톤의 상기 내부를 폐쇄하도록 상기 피스톤 측벽에 결합되는 피스톤 상부를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
25. 제24항에 있어서,
    상기 중공 샤프트의 상기 벽의 상기 내부를 따라, 상기 에너지 저장 시스템 내에 수용된 유체에 대해 실질적으로 불침투성인 라이너를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
26. 제24항에 있어서,
    상기 피스톤 기저부 부분에 압력 센서를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
27. 제26항에 있어서,
    상기 기둥으로부터 재료를 추가하거나 제거하여 상기 압력 센서 상에 균일한 압력을 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.

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