KR20180112841A - 플라이휠 에너지 저장 장치 및 그 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

액체 상에서 및/또는 액체 내에서 부유(floating) 및 회전할 수 있는 적어도 하나의 회전 요소(1), 상기 회전 요소(1)에 에너지를 전달할 수 있는 적어도 하나의 요소 및 상기 회전 요소(1)로부터의 에너지를 변환할 수 있는 적어도 하나의 발전기(3)를 포함하며, 상기 회전 요소(1)에는 액슬이 없는 플라이휠 에너지 저장 장치. 플라이휠 에너지 저장 장치의 사용 방법에 있어서, 액체 상에서 또는 액체 내에서 부유 및 회전하는 적어도 하나의 회전 요소(1)의 운동 에너지로서 그 에너지가 축적되는, 상기 방법.

Description

플라이휠 에너지 저장 장치 및 그 사용 방법
본 발명은 플라이휠(flywheel) 에너지 저장 장치 및 그 사용 방법, 플라이휠 에너지 저장 장치 시스템 및 그 사용 방법에 관한 것이며, 에너지 분야에 속한다.
현재, 우리는 네 가지의 기본적인 전기 에너지 저장 방법, 즉 양수 발전 에너지 저장(pumped hydroelectric energy storage, PHES), 화학 전지(배터리), 압축 공기 에너지 저장(compressed air energy storage, CAES), 플라이휠을 알고 있다.
에너지 저장 장치로서 플라이휠을 경쟁력 있게 사용하는 것은 무거운 강철 또는 가벼운 탄소 섬유 복합재(내구성이 뛰어남)인 플라이휠 구성 재료들과 관련된 높은 투자 비용에 의해 방해 받고 있다. 축적되는 에너지의 양은 플라이휠 질량과 속도 제곱에 비례하므로, 질량을 두 배로 늘리면 에너지는 두 배가 되지만 속도를 두 배로 하면 에너지가 네 배로 증가한다. 높은 질량은 플라이휠 베어링에 대한 엄청난 요구사항들을 나타낸다. 영구 자석의 가격이 하락함에 따라, 볼 베어링에서 자기 부상으로의 전환이 관측되고 있다. 플라이휠의 높은 회전은 공기 마찰로 인한 손실을 유발하므로, 회전식 플라이휠을 진공 용기에 넣어야 한다. 이러한 케이싱은 회전식 플라이휠에 작용하는 극심한 원심력으로 인해 플라이휠의 파괴 가능성에 대해 충분히 견딜 수 있어야 한다.
더욱이, 장시간 동안 회전하는 플라이휠은 축을 중심으로 지구의 회전에 의한 자이로 스코프 효과에 영향을 받게 되는 한편, 플라이휠은 회전축의 배향을 유지하는 경향이 있어, 베어링에 원하지 않는 힘이 작용하게 된다. 플라이휠의 회전축의 편향은 24 시간당 360°, 즉 1 시간당 15°를 나타내며, 이들 힘은 플라이휠의 축에서 원하지 않는 마찰을 유발하여 에너지 저장 효율을 저하시키기 때문에 결코 무시할 수 없다.
축적되는 에너지의 양은 플라이휠의 질량에 비례하므로, 플라이휠은 가변 질량을 가지며 따라서 가변 각운동량을 갖는 것이 바람직하다. 중공 플라이휠을 액체로 채움으로써 가변 각운동량의 문제를 해결하는 플라이휠이 예를 들어 WO/2012/127194 또는 GB2463534로부터 공지되어 있다.
그러나, 가변 용량이 1 MWh(3.6 GJ)를 훨씬 초과하는 에너지 저장 장치의 구성은 여전히 다음과 같은 기술 장벽에 직면해 있다:
- 플라이휠 복합 재료의 높은 가격;
- 플라이휠 보호 케이싱에 요구되는 내구성;
- 요구되는 구동축 강도; 및
- 바람직하지 않은 자이로 스코프 효과.
이러한 기술 장벽들로 인해 용량의 증가 가능성이, 요구되는 에너지 밀도의 감소로 이어지지가 않으며, 더 중요한 것은, 이러한 에너지 저장 방법을 경쟁력 있게 만드는데 필요한 저장 에너지 단위당 비용 절감으로 이어지지 않게 된다.
발명의 특징
전술한 단점들은 플라이휠 에너지 저장 장치 및 그 사용 방법에 의해 상당히 제거된다.
본 발명에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치는 액체 상에서 및/또는 액체 내에서 부유 및 회전할 수 있는 적어도 하나의 회전 요소와, 상기 회전 요소에 에너지를 전달할 수 있는 적어도 하나의 요소와, 회전 요소로부터의 에너지를 변환할 수 있는 적어도 하나의 발전기를 포함한다. 본 발명의 특징은 상기 회전 요소에 액슬(axle)이 없다는 점에 있다.
플라이휠 에너지 저장 장치의 보다 높은 효율을 달성하기 위해, 상기 액슬이 없는 회전 요소는 적어도 부분적으로 중공(hollow)이면서 적어도 부분적으로 액체(바람직하게는 회전 요소가 부유하게 되는 물)로 채워지는 것이 바람직하다.
상기 플라이휠 에너지 저장 장치의 상기 액슬이 없는 회전 요소에는 적어도 하나의 개구가 제공될 수 있다. 바람직하게는, 상기 개구는 상기 회전 요소가 액체 상에 또는 액체 내에 있을 때 상기 개구의 적어도 하부 에지가 액체 높이 아래에 있도록 상기 회전 요소 상에 배치된다. 보다 더 바람직하게는, 상기 개구는 상기 회전 요소의 외벽의 내부 부분보다 상기 회전 요소의 회전축에 더 가깝게 되도록 상기 회전 요소 상에 배치되고, 이에 의해 상기 회전 요소에 의해 야기되는 원심력의 크기에 따른 액체의 충전 및 배출을 통하여 상기 회전 요소가 자발적으로 자신의 질량을 변화시킬 수 있게 한다.
상기 개구는 하나 이상의 밸브를 가질 수 있다. 상기 개구는 상기 회전 요소에 대한 간단한 조작을 허용하며, 상기 하나 이상의 밸브는 상기 회전 요소로 또는 상기 회전 요소로부터 액체를 충전 및 배출하는 제어된 작동을 허용한다.
바람직한 일 실시형태에서, 상기 회전 요소로 에너지를 전달할 수 있는 상기 요소는 엔진이다. 이 에너지는 운동 에너지이거나 또는 외부 소스들로부터의 에너지일 수 있다.
다른 바람직한 실시형태에서, 상기 회전 요소로 에너지를 전달할 수 있는 상기 요소는 변환기이다. 상기 변환기는 상기 회전 요소에 연결된다. 상기 변환기는 상기 액체의 흐름 및/또는 파동 또는 풍동을 상기 회전 요소의 회전 운동 에너지로 변환할 수 있다.
또 다른 바람직한 실시형태에서, 본 발명에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치는 액슬이 없는 회전 요소, 적어도 하나의 변환기, 발전기 및 엔진을 포함한다. 상기 변환기는 상기 액체의 흐름 및/또는 파동 또는 풍동을 회전 요소의 회전 운동 에너지로 변환할 수 있는 자체 회전 요소에 연결된다. 상기 발전기는 상기 회전 요소의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 상기 회전 요소에 연결된다. 상기 엔진은 상기 회전 요소로 에너지를 전달할 수 있으며, 여기서 이러한 에너지는 상기 발전기 또는 다른 소스들로부터의 전기 에너지이다.
개방 수면(예를 들어, 호수, 댐 저수지 또는 바다)에서의 플라이휠 에너지 저장 장치 사용을 허용하기 위해, 적어도 하나의 고정 컴포넌트가 있는 것이 바람직하다. 이 고정 요소는 개방 수면에서의 상기 회전 요소의 자유로운 이동을 방지하거나 제한된 범위 내에서의 회전 요소 이동을 제공하는 역할을 한다. 이러한 고정 요소는 부유 가능하거나 부유 불가능한 요소일 수 있다. 상기 고정 요소가 부유 가능한 경우, 회전 방지 블레이드들 및/또는 바닥 및/또는 뱅크에 대한 가이잉(guying)을 구비할 수 있다. 고정 요소가 부유 불가능한 경우에는, 이것이 바닥 또는 뱅크에 배치된다.
바람직하게는, 상기 발전기는 상기 회전 요소 상에 또는 상기 고정 요소 상에 또는 건조지(dry land) 상에 배치되거나 수 영역(water area) 또는 저수지의 바닥에 배치될 수 있으며, 대안적으로는, 건조지 상에 일부 배치되고 수 영역 또는 저수지의 바닥에 일부 배치될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 엔진은 상기 회전 요소 상에 또는 상기 고정 요소 상에 또는 건조지 상에 배치되거나 수 영역 또는 저수지의 바닥에 배치될 수 있으며, 대안적으로는, 건조지 상에 일부 배치되고 저수지의 바닥에 일부 배치될 수도 있다.
플라이휠 에너지 저장 장치의 구조를 단순화하기 위해, 상기 엔진 및 상기 발전기는 엔진(2)과 발전기(2) 모두로서 작동하는 단일의 엔진/발전기 유닛으로 결합될 수 있으며, 또한 바람직하게는 이 엔진/발전기 유닛은 고정 요소로서 작동할 수도 있다.
바람직한 일 실시형태에서, 상기 엔진은 리니어 엔진이다. 이러한 실시형태에서, 상기 리니어 엔진의 회전 컴포넌트의 자석들은 상기 회전 요소와 상기 고정 요소의 접촉면(contact plane)에서 상기 회전 요소 상에 배치되며, 상기 리니어 엔진의 고정 컴포넌트의 권선들은 상기 고정 요소 상에 배치된다. 궁극적으로, 상기 리니어 엔진의 상기 고정 컴포넌트의 권선들은 상기 회전 요소와 상기 고정 요소의 상기 접촉면에서 상기 회전 요소 상에 배치되며, 상기 리니어 엔진의 상기 회전 컴포넌트의 상기 자석들은 상기 고정 요소 상에 배치된다.
임의의 회전 요소는 적어도 하나의 하이드로포일(hydrofoil)을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플라이휠 에너지 저장 장치를 사용하여 에너지를 저장하는 방법은, 액체 상에서 또는 액체 내에서 부유 및 회전하는 적어도 하나의 회전 요소의 운동 에너지로서 그 에너지가 축적되는 것에 기반한다.
바람직한 일 실시형태에서는, 에너지 저장 요구가 증가함에 따라, 액체 물질로 채울 수 있는 적어도 하나의 회전 요소가 액체 물질로 채워지며, 상기 액체 물질의 양이 증가함에 따라 상기 에너지 저장 장치가 더 무거워짐으로써 더 많은 에너지를 저장할 수 있고, 에너지 방출에 따라 적어도 하나의 회전 요소가 비워지게 된다.
상기 회전 요소는 세그먼트화된 구조를 가질 수 있으며, 즉, 이 회전 요소는 상호 연결된 세그먼트로 구성된다. 각각의 세그먼트들 사이의 상호 연결은 고정식, 부동식으로 제공될 수 있으며, 예를 들어 회전식 힌지를 통해 제공될 수도 있다. 이러한 경우에, 예를 들어, 해파의 충돌시, 상기 회전 요소의 세그먼트는 약간 상승하며, 따라서 전체 장치에 파도의 힘을 전달하지 않는다.
상기 회전 요소는 원뿔대(truncated cone)의 측면(lateral surface) 형상의 인공의 얕은 물 요소를 구비할 수 있다. 이러한 인공의 얕은 물 요소는 상기 회전 요소의 외측에 부착될 수 있으며 적어도 부분적으로 물에 잠길 수 있다. 상기 인공의 얕은 물 요소는 물결 에너지 변환기(8)(즉, 수력 터빈)의 요소들을 수반한다. 상기 변환기는 수력 터빈, 풍력 터빈, 파력 터빈이 될 수 있다.
상기 인공의 얕은 물 요소를 사용할 경우, 깊은 물결이 얕은 물결로 변환되고 이 얕은 물결의 에너지가, 상기 변환기의 요소들을 통해, 상기 회전 요소의 회전 운동으로 변환된다.
상기 플라이휠 에너지 저장 장치를 이용하여 잉여 에너지를 생성 및 저장하는 시스템은 태양 전지, 수력 터빈, 풍력 터빈, 파력 터빈 및 측정 장치, 연구 장치와 같은 전기 에너지 생성을 위한 에너지 장치를 포함한다.
상기 플라이휠 저장 장치를 이용하여 잉여 에너지를 생성 및 저장하기 위한 시스템은 풍력 터빈으로부터의 바람 에너지 및/또는 수력 터빈으로부터의 물 에너지가 회전 요소로 전달되는 방식으로 사용될 수 있다.
본 발명은 잉여 전기 에너지를 플라이휠의 운동 에너지로 변환한 후, 전기 에너지에 대한 요구 시에, 이것을 전기 에너지로 변환하도록 하는 플라이휠을 사용하여 에너지 저장 문제를 해결한다.
본 발명에 따른 액슬이 없는 회전 요소를 구비한 플라이휠 에너지 저장 장치는 지금까지 알려진 해결책에 대한 다음의 단점들을 해결한다:
- 플라이휠 복합 재료의 높은 비용;
- 플라이휠 보호 케이싱에 요구되는 내구성;
- 요구되는 구동축 강도; 및
- 바람직하지 않은 자이로 스코프 효과.
도면의 개요
도 1은 회전 및 고정 요소의 단면을 나타낸다.
도 2는 엔진 및 발전기와 그들의 고정 및 회전 컴포넌트들의 상세를 나타낸다.
도 3은 태양 광 패널, 풍력 및 조력 터빈이 장착된 에너지 저장 장치를 나타낸다.
도 4는 해파 변환 시스템을 구비한 에너지 저장 장치를 나타낸다.
도 5는 하이드로포일을 구비한 에너지 저장 장치를 나타낸다.
도 6은 2개의 회전 요소를 구비한 에너지 저장 장치의 단면을 나타낸다.
구체적 실시예들
본 발명을 실시예들에 의해 더욱 상세하게 설명한다.
제 1 실시예
하나의 회전 요소(1), 하나의 독립 엔진(2) 및 하나의 독립 발전기(3)를 포함하는 플라이휠 에너지 저장 장치가 구성되었다.
회전 요소(1)는 액슬이 없다. 회전 요소(1)는 담수(fresh water)보다 낮은 특정 질량을 갖는 LDPE(low density polyethylene) 재료로 제조된다. 회전 요소(1)는 콘크리트, 판금 등과 같은 고체 물질로 제조된 원형의 인공 물 저장체의 물 표면 상에 부유하게 된다. 인공 물 저장체의 벽들은 회전 요소(1)의 움직임 한계를 나타낸다. 회전 요소(1)는 중공(hollow)이며 액체 물질로 채워질 수 있다. 본 경우에 있어, 액체 물질은 회전 요소(1)가 그 위에서 부유하게 되는 물이다. 그 내면 상에, 회전 요소(1)는 원을 이루어 대칭적으로 배열된 4개의 개구(5)를 가지며, 따라서 이러한 부유식 회전 요소(1)의 개구들(5)은 물 표면 아래에 있게 된다. 개구(5)는 회전 요소(1)의 외벽의 내부 부분보다 회전 요소(1)의 회전축에 더 근접하도록 회전 요소(1) 상에 배열된다. 회전 요소(1)에 의해 야기되는 원심력의 크기에 따른 액체의 충전 및 배출을 통하여 회전 요소(1)의 자발적인 질량 변화가 이루어진다.
사용되는 엔진(2) 및 발전기(3)는 회전 요소(1)보다 큰 직경을 갖는다. 엔진(2) 및 발전기(3) 모두는 회전 컴포넌트(15, 17) 및 고정 컴포넌트(14, 16)를 갖는다. 엔진(2)의 직경은 발전기(3)의 직경과 동일하다. 엔진(2)은 회전 요소(1)에 에너지를 전달하고, 발전기(3)는 회전 요소(1)로부터의 에너지를 변환한다. 엔진(2)의 고정 컴포넌트(14)는 인공 저장체의 뱅크(bank)에 부착되고 발전기(3)의 고정 컴포넌트(16)는 엔진(2) 상부에 부착되며, 고정 컴포넌트(14 또는 16)는 엔진(2)의 권선(18) 또는 발전기(3)의 권선(19)에 각각 연결된다. 엔진(2)의 회전 컴포넌트(15) 및 발전기(3)의 회전 컴포넌트(17)는 각각 자석(20 또는 21)을 포함한다. 엔진(2)의 회전 컴포넌트(15)와 발전기(3)의 회전 컴포넌트(17)는 각각 로프(22 또는 23)를 사용하여 회전 요소(1)와 결합된다. 저장된 전기 에너지가 엔진(2)의 권선에 전달되며, 이에 따라 엔진(2)의 회전 컴포넌트(15)의 자석을 밀어내는 전자기장을 유도한다.
제 1 에너지가 전달되면, 엔진(2)은 회전 요소(1)를 회전시킴으로써, 전기 에너지를 회전 운동으로 변환시킨다. 회전 요소(1)의 회전 속도가 증가함에 따라, 회전하는 회전 요소(1) 내부의 물이 원심력에 의해 외벽으로 밀어 넣어지며, 이것이 다시 회전 요소(1) 내부의 수위(water level)와 외부의 수위 사이에 불균일을 발생시킨다. 회전 요소(1) 내부 물의 질량 증가는 회전 요소(1)의 전체 질량 증가로 인해 회전 요소(1)의 잠김(immersion)을 야기하며, 회전 요소(1) 내부의 외벽에 대한 물의 원심 효과에 의해 회전 요소(1)의 전체 각운동량도 또한 증가한다. 발전기(3)가 전기 에너지를 발생시킬 때 에너지의 방출이 행해진다. 에너지 발생을 통해, 발전기(3)는 결합된 로프를 경유하여 회전 요소(1)를 감속시킨다. 회전 에너지가 감소함에 따라, 회전 요소(1)가 감속되며, 회전 요소(1) 내부의 물에 작용하는 원심력이 감소되어, 물은, 회전 요소(1)가 부유하게 되며 회전 요소(1)로부터 개구들(5)을 통한 자연 방출에 의해 이러한 불균일의 균형을 이루게 되는 물의 표면보다 높은 수위에 도달하게 된다.
이 인공 물 저장체는 호수, 댐 저수지, 강, 바다 또는 대양의 바닥에 배치되거나, 또는 지면이나 굴착된 구덩이 바닥에 놓일 수 있다. 이 인공 물 저장체는 예를 들어 호수, 댐 저수지, 강, 바다 또는 대양의 표면, 또는 지면에 원형 구덩이를 굴착하여 만들어진 인공 수면 상에 놓인 보트와 같이 부유할 수 있도록 구성될 수 있다.
제 2 실시예
하나의 회전 요소(1), 하나의 독립 엔진(2) 및 하나의 변환기(4)를 포함하는 플라이휠 에너지 저장 장치가 구성되었다.
회전 요소(1)는 액슬이 없다. 회전 요소(1)는 토로이드 형상(원형 단면을 가짐)을 가지며, 담수보다 낮은 특정 질량을 갖는 LDPE(low density polyethylene) 재료로 제조된다. 회전 요소(1)는 콘크리트, 판금 등과 같은 고체 물질로 제조된 원형의 인공 물 저장체의 수면 상에 부유하게 된다. 인공 물 저장체의 벽들은 회전 요소(1)의 움직임 한계를 나타낸다. 회전 요소(1)는 중공이며 액체 물질로 채워질 수 있다. 본 경우에 있어, 액체 물질은 회전 요소(1)가 그 위에서 부유하게 되는 물이다.
개구(5)는 밸브(13)를 가지며, 회전 요소(1)가 액체 상에 또는 액체 내에 있을 때 개구(5)의 적어도 하부 에지가 액체의 높이 아래에 있게 되도록 회전 요소(1) 상에 배치된다. 동시에, 개구(5)는 회전 요소(1)의 외벽의 내부 부분보다 회전 요소(1)의 회전축에 더 가깝다. 회전 요소(1)에 의해 야기되는 원심력의 크기에 따른 액체의 충전 및 배출을 통하여 회전 요소(1)의 자발적인 질량 변화가 이루어진다.
변환기(4)는 액체의 흐름 및 파동(wave motion)을 변환시킨다. 이것은 회전 요소(1)에 연결되어있다. 변환기(4)는 액체의 에너지를 회전 요소(1)로 전달하고, 발전기(3)는 회전 요소(1)로부터의 에너지를 변환한다.
변환기(4)는 풍동(wind motion)의 에너지를 변환시킨다. 이것은 회전 요소(1)에 연결되어 있다. 변환기(4)는 풍동 에너지를 회전 요소(1)로 전달하고, 발전기(3)는 회전 요소(1)로부터의 에너지를 변환한다. 발전기(3)는 회전 요소(1)보다 큰 직경을 갖는다.
제 3 실시예
하나의 회전 요소(1), 하나의 독립 엔진(2) 및 변환기(4) 및 하나의 독립 발전기(3)를 포함하는 플라이휠 에너지 저장 장치가 구성되었다. 변환기(4)는 4개의 개구를 갖는다. 플라이휠 에너지 저장 장치는 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 특징들을 갖는다.
제 4 실시예
하나의 회전 요소(1), 하나의 변환기(4) 및 하나의 독립 발전기(3)를 포함하는 플라이휠 에너지 저장 장치가 구성되었다. 이러한 구성의 플라이휠 에너지 저장 장치는 다른 소스로부터의 전기 에너지를 사용함 없이 변환기(4)로부터의 에너지를 회전 요소(1)의 회전 운동으로 직접 변환하는 것만으로 회전 요소(1)를 회전시킨다.
제 5 실시예
도 6에 도시된 플라이휠 에너지 저장 장치가 구성되었다. 이 장치는 하나의 회전 요소(1), 하나의 독립 엔진(2), 회전 요소(25)에 연결된 VAWT 타입의 풍력 변환기(28), 회전 요소(25)의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 발전기(26) 및 하나의 독립 발전기(3)를 포함한다. 회전 요소들(1, 25, 40)의 바닥 측에는 하이드로포일(hydrofoil)들(50)이 배치된다. 회전 요소(1, 25)의 회전 속도가 증가함에 따라, 하이드로리프트 힘에 의해 하이드로포일들(50)이 회전 요소들(1, 25)의 수위 위로의 부유를 유발함으로써, 회전 요소들(1, 25)의 벽에 대한 물의 점성 마찰을 급속하게 감소시킨다. VAWT 타입의 풍력 에너지 변환기(28)는 풍력 에너지의 작용에 의해 회전 요소(25)를 회전시킨다. 이러한 회전에 기초하여, 발전기(26)가 로프들(24)에 의해 전기 에너지를 생성하고, 이것이 로프들(24)에 의해 회전 요소(1)를 적절하게 회전시키는 엔진(2)에 전달되거나 또는 전기 에너지가 분배 네트워크로 전달된다. 이러한 경우에도, 엔진(2)은 다른 소스들로부터의 에너지를 사용하여 회전 요소(1)를 회전시킬 수 있다. 발전기(3), 발전기(26) 및 엔진(2)은 스테이터(6) 상에 위치된다. 스테이터(6)는 물 저장체의 바닥에 부착된 파일런(pylon)들(27) 상에 배치되는 원형 요소에 의해 형성된다.
제 6 실시예
플라이휠 에너지 저장 장치는, 발전기(3) 및 엔진(2)이 회전 요소(1) 상에 배치되고, 발전기(26)가 회전 요소(25) 상에 배치되고, 전기 에너지가 예를 들어 트랙션 라인(traction line)의 형태로(예컨대, 전철의 경우) 버스 바(bus-bar)에 의해 스테이터(6)에 전달된다는 점을 제외하면, 제 5 실시예에 따라 구성되었다. 이러한 구체적 실시예는 제 5 실시예보다 덜 바람직하다.
제 7 실시예
플라이휠 에너지 저장 장치는, 섬의 해안이 스테이터(6)를 고정하기 위한 기반을 형성하게 되는 자연 섬 주위에서 수행된다는 점을 제외하면, 제 5 및 제 6 실시예에 따라 구성되었다. 섬 형상이 비-원형인 경우, 스테이터(6)는 일부 장소들에서 수위와 간섭할 수 있으므로, 이들 장소에서는 부분적으로만 또는 대안적으로 스테이터(6)가 바다의 끝편에만 고정된다. 발전기(3), 발전기(26) 및 엔진(2)은 스테이터(6) 상에 위치된다.
제 8 실시예
이 실시예는, 가이잉(guying)(12)을 포함한다는 점을 제외하면, 제 1 실시예와 동일하다. 본 경우에 있어, 고정 요소(6)는 원형의 형태일 수 있는 폰툰(pontoon)이며, 회전을 방지하는 로프 또는 로드를 사용하여 인공 또는 자연의 물 저장체의 뱅크 또는 바닥에 가이잉될 수 있다. 가이잉(12)에는 엔진(2)과 발전기(3)가 부착되어 있다. 가이잉(12)의 직경은 회전 요소(1)의 직경보다 크다.
제 9 실시예
이 실시예는, 가이잉(12) 대신에, 원형 형상으로 이루어진 폰툰이 이 폰툰의 점성 마찰을 상당히 증가시키도록 위치된 블레이드들(11)을 포함함으로써 폰툰의 회전을 방지한다는 점을 제외하면, 제 3 실시예와 동일하다.
제 10 실시예
또 다른 실시예는 2개의 회전 요소(1)의 사용을 포함한다. 이들 중 하나는 다른 것보다 크다. 이들이 액체의 표면 상에 놓여지므로, 두 회전 요소(1)는 액체의 표면 상에 동심원적으로 뷰유하여 서로 반대되는 방향으로 회전한다. 에너지 전달은 2개의 회전 요소(1) 사이에 고정된 단일의 장치(즉, 엔진/발전기)로서의 엔진(2) 및 발전기(3)를 사용하여 달성된다. 버스 바에 의해 회전 요소들(1) 중 하나에 전달된 에너지는 다른 회전 요소(1)의 회전을 일으킨다. 작용 및 반작용의 법칙에 의해 다른 회전 요소(1)의 회전을 일으킨다. 플라이휠 에너지 저장 장치로부터의 에너지 전달은 동일한 투-인-원 엔진/발전기 유닛에 의해 제공된다. 플라이휠 에너지 저장 장치에 저장되는 에너지의 양은 다음 방정식에 의해 결정된다:
E = 1/2 m v2,
여기서, m은 회전 요소(1)의 질량이고,
v는 회전 요소(1)의 무게 중심의 원주 속도이다.
제 11 실시예
또 다른 실시예는 가이잉된 플로팅 폰툰 내부의 수면 상에 부유하게 되는 플로팅 회전 요소(1)이며, 회전 요소(1)는 풍력 터빈 요소들을 움직인다. 플로팅 회전 요소(1)는 수직 회전축을 갖는 풍력 터빈의 베어링을 생성한다. 바람의 힘이 회전 요소(1)의 회전 운동으로 변환된다. 한편, 회전 에너지는 발전기(3)에 의해 전기 에너지로 변환된다.
유사하게, 흐르는 물(강, 만조, 간조, 해류, 물결)의 힘이 회전 요소(1)에 부착된 수력 터빈을 사용하여 변환될 수 있다.
제 12 실시예
또 다른 사용 실시예는 수면 상에 부유되는 플로팅 회전 요소(1)이며, 이것은 바람직하게는 회전 요소(1)의 외측에 부착되어 적어도 부분적으로 물에 잠기게 되는 원뿔대(truncated cone)의 측면(lateral surface) 형상의 인공의 얕은 물 요소(7) 및 이 인공의 얕은 물 요소(7) 상에 배치되는 물결 에너지 변환기(8)(즉, 수력 터빈)의 요소들을 구비한다. 대기 폭풍과 풍력 과정에 의해 생성되는 해파는 깊은 물결로서 물 표면 상에서 전파되며, 여기서는 가장 높은 파도 지점과 가장 낮은 파도 지점 사이의 차이가, 파도가 얕은 해안에 부딪쳐서 얕은 물결이 되는 경우만큼 중요하지 않다. 이러한 효과는, 파도가 요소(7)에 충돌할 경우에 가장 낮은 파도 지점과 가장 높은 파도 지점 사이의 차이를 증가시키고, 그 결과 변환기(8)의 요소들을 사용하여 파도 에너지를 요소(1)의 회전 운동으로 변환시키는 효율이 증가하게 되는 인공의 얕은 물 요소(7)를 사용함으로써 달성된다.
제 13 실시예
또 다른 사용 실시예는 수면 상에 부유하면서 태양 광으로부터 전기 에너지를 생산하는 광전지 패널(9)이 있는 구조물들을 수반하는 플로팅 고정 요소(6)이며, 플로팅 회전 요소(1)는 풍력 에너지를 회전 요소(1)의 회전 운동으로 변환하는 풍력 터빈 요소들, 및 밀물 및 썰물의 에너지, 또는 해류 또는 강 흐름의 에너지를 회전 요소(1)의 회전 운동으로 변환하는 조력 터빈(10) 요소들을 수반한다. 이 장치는 예를 들어 공기 및 물의 온도, 풍속 또는 유속, 또는 기타 대기 및 물의 매개 변수(예를 들어 CO2)의 측정을 위한 임의의 장치를 포함할 수 있다.
제 14 실시예
또 다른 사용 실시예는 회전 요소(1)의 서킷 둘레에 대칭으로 배치된 4개의 하이드로포일(50)을 구비하는 회전 요소(1)이며, 회전이 없는 경우(원심력 0, 회전 요소에서 물이 최소, 회전 요소(1)가 최소 질량을 가지며 물 위로 최대 부상), 이들 하이드로포일(50)은 물 위에 있게 되며 회전 요소(1)에 대한 부력 효과에 의해 작용하지 않는다. 높은 회전의 경우에, 원심력에 의해서 회전 요소(1) 내로 충분한 액체가 유입되어 하이드로포일(50)이 이미 물 표면과 접촉하는 방식으로 회전 요소(1)가 자체 중량에 의해 잠길 경우, 하이드로포일(50)의 유체 역학 힘이 회전 요소(1)가 물에 더 잠기는 것을 방지하도록 작용하기 시작하여, 물에서의 회전 요소(1)의 점성 마찰은 더 이상 증가하지 않게 된다.

Claims (14)

  1. 액체 상에서 또는 액체 내에서 부유(floating) 및 회전할 수 있는 적어도 하나의 회전 요소(1), 에너지를 상기 회전 요소(1)로 전달할 수 있는 적어도 하나의 요소 및 상기 회전 요소(1)로부터의 에너지를 변환할 수 있는 적어도 하나의 발전기(3)를 포함하는 플라이휠(flywheel) 에너지 저장 장치로서,
    - 상기 회전 요소(1)는 액슬(axle)이 없고;
    - 상기 회전 요소(1)는 적어도 부분적으로 중공(hollow)이면서 적어도 부분적으로 액체로 채워질 수 있고;
    - 상기 회전 요소(1)에는 액체 상에 또는 액체 내에 상기 회전 요소(1)가 있을 경우, 개구(5)의 하부 에지(lower edge)가 액체 높이 미만이 되도록 상기 회전 요소(1) 상에 배치되는 적어도 하나의 상기 개구(5)가 제공되며, 상기 개구(5)는 상기 회전 요소(1)의 외벽의 내부 부분보다 상기 회전 요소(1)의 회전축에 더 가깝게 되도록 상기 회전 요소(1) 상에 배치되고, 이에 의해 상기 회전 요소(1)에 의해 야기되는 원심력의 크기에 따른 액체의 충전 및 배출을 통하여 상기 회전 요소(1)가 자발적으로 자신의 질량을 변화시킬 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 요소(1)로 에너지를 전달할 수 있는 상기 요소는 엔진(2)인 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 요소로 에너지를 전달할 수 있는 상기 요소는 상기 회전 요소(1)에 연결된 변환기(4)이며, 상기 변환기(4)는 상기 액체의 흐름 및/또는 파동 또는 풍동을 상기 회전 요소(1)의 회전 운동 에너지로 변환할 수 있는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    - 상기 액체의 흐름 및/또는 파동 또는 풍동을 회전 요소(25)의 회전 운동 에너지로 변환할 수 있는 자체 회전 요소(25)에 연결된 적어도 하나의 변환기(28);
    - 상기 회전 요소(25)의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 상기 회전 요소(25)에 연결된 발전기(26)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    부유할 수 있는 적어도 하나의 고정 컴포넌트(6)를 더 포함하며, 회전을 방지하는 블레이드들(11) 및/또는 바닥 및/또는 뱅크(bank)에 대한 가이잉(guying)(12)을 선택적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    부유할 수 없으며 바닥 및/또는 뱅크에 배치되는 적어도 하나의 고정 컴포넌트(6)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기(3)는 상기 회전 요소(1) 상에 또는 고정 요소(6) 상에 또는 건조지(dry land) 상에 배치되거나 수 영역(water area) 또는 저수지의 바닥에 배치되며, 대안적으로는, 건조지 상에 일부 배치되고 수 영역 또는 저수지의 바닥에 일부 배치되는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  8. 제 4 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 엔진(2)은 상기 회전 요소(1) 상에 또는 고정 요소(6) 상에 또는 건조지 상에 배치되거나 수 영역 또는 저수지의 바닥에 배치되며, 대안적으로는, 건조지 상에 일부 배치되고 저수지의 바닥에 일부 배치되는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  9. 제 2 항, 제 4 항 및 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진(2) 및 상기 발전기(3)는 엔진(2)과 발전기(2) 모두로서 작동하는 단일의 엔진/발전기 유닛으로 결합되며, 또한 이 엔진/발전기 유닛은 고정 요소로서 작동하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  10. 제 2 항, 제 4 항, 제 8 항 및 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진(2)은 리니어 엔진이고, 상기 리니어 엔진(2)의 회전 컴포넌트(15)의 자석들(20)은 상기 회전 요소(1)와 고정 요소(6)의 접촉면(contact plane)에서 상기 회전 요소(1) 상에 배치되며, 상기 리니어 엔진(2)의 고정 컴포넌트(14)의 권선들(18)이 상기 고정 요소(6) 상에 배치되거나, 또는 상기 리니어 엔진(2)의 상기 고정 컴포넌트(14)의 권선들(18)이 상기 회전 요소(1)와 상기 고정 요소(6)의 상기 접촉면에서 상기 회전 요소(1) 상에 배치되며, 상기 리니어 엔진(2)의 상기 회전 컴포넌트(15)의 상기 자석들(20)이 상기 고정 요소(6) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 요소(1)는 적어도 하나의 하이드로포일(hydrofoil)(50)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전 요소(25)는 적어도 하나의 하이드로포일(50)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 에너지 저장 장치.
  13. 액체 상에서 또는 액체 내에서 부유 및 회전하는 적어도 하나의 회전 요소(1)의 운동 에너지로서 그 에너지가 축적되는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 플라이휠 에너지 저장 장치의 사용 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    에너지 저장 요구가 증가함에 따라, 액체 물질로 채울 수 있는 적어도 하나의 회전 요소(1)가 액체 물질로 채워지며, 상기 액체 물질의 양이 증가함에 따라 상기 에너지 저장 장치가 더 무거워짐으로써 더 많은 에너지를 저장할 수 있고, 에너지 방출에 따라 적어도 하나의 회전 요소(1)가 비워지게 되는 것을 특징으로 하는 사용 방법.
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