KR101162319B1 - 압축공기 저장 및 발전방법 - Google Patents

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

압축공기 저장 및 발전방법{Method for compressed air storage and generating electricity}

본 발명은 에너지 저장 및 발전방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기를 압축하여 저장한 후 압축된 공기로 터빈을 돌려 발전하는 압축공기 저장 및 발전방법에 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.

특히, 풍력발전의 경우 바람의 세기에 따라 발전량의 변동이 심하여 송배전 설비가 과다하게 요구되는 문제점이 있어 전력저장 시스템과의 연계가 더욱 필요한 상황이다.

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.

CAES는 저장조의 형태에 따라 분류하기도 하지만, 저장조 내의 공기압의 변동성 유무로 정압식과 변압식으로 분류한다. 즉, 변압식의 경우 저장조 내의 압축공기가 발전을 위해 배출되면서 저장조 내의 공기압은 점차 하강하는 방식이며, 정압식은 압축공기가 계속 배출되더라도 저장조 내의 공기압은 일정하게 유지되는 방식을 말한다.

변압식의 경우 저장조에 높은 압력으로 공기를 저장할 수 있으므로 주어진 공간에 많은 공기를 저장할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 저장조 내의 공기압이 터빈을 구동시킬 수 있는 일정압력 이하로 저하되면 나머지 공기는 사용하지 못하고 다시 공기를 압축해야 하는 단점이 있다.

반면, 정압식의 경우 지하수압 혹은 인위적인 수두차를 이용하여 저장조 내의 압력을 항상 일정하게 유지하는 것이다. 따라서 저장조 내의 압력이 끝까지 일정하게 유지되므로 일단 저장된 공기를 거의 모두 소진할 때까지 사용할 수 있다는 장점이 있다. 예컨대, 200m 지하에 저장조를 형성하고 지상의 수조로부터 저장조까지 수로를 형성하여 수압을 발생시키면, 저장조 내의 공기압력은 20bar 정도로 유지될 수 있다.

변압식의 경우 50bar 이상으로 공기를 압축하여 저장할 수 있으므로, 이에 비하면 정압식에서는 압축할 수 있는 공기량이 작다는 한계가 있다. 정압식 저장조의 압력을 높이기 위해서는 그만큼 저장조가 지하의 심부에 위치하여야 하므로 설비의 경제성 측면에서 바람직하지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 정압식 저장방식과 변압식 저장방식의 장점을 취합하여 효율적으로 발전이 가능한 압축공기 저장 및 발전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압축공기 저장 및 발전방법은, 외부의 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기와, 상기 압축기에 의하여 압축된 공기를 저장하도록 지하에 형성되는 저장조와, 상기 저장조와 압축기 사이에 공기가 유동되는 유출입로와, 상기 저장조로부터 배출된 압축공기에 의하여 구동되는 터빈과, 상기 저장조에 수압을 인가하도록 물이 저장되는 저수조 및 상기 저수조와 상기 저장조 사이를 연결하되 입구부가 출구부에 비하여 높게 배치되는 수로를 포함하는 압축공기 저장 및 발전시스템을 이용한다.

본 발명에서는 상기의 시스템을 이용하여, (a) 상기 압축기를 통해 공기를 제1압력으로 상기 저장조에 저장하는 압축단계, (b) 상기 저장조 내의 공기압이 제2압력까지 낮아질 때까지, 상기 수로를 폐쇄한 상태에서 상기 저장조에 저장된 압축공기를 배출하여 상기 터빈을 가동시켜 발전하는 변압발전단계 및 (c) 상기 수로를 개방하여 상기 저장조에 수압을 인가함으로써 상기 저장조 내의 공기압을 상기 제2압력으로 일정하게 유지하는 가운데 상기 압축공기를 배출하여 상기 터빈을 가동시켜 발전하는 정압발전단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, 상기 제2압력은 상기 저수조와 수로에 채워진 물의 최고 수위차에 따른 압력과 동일하다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 수로를 따라 흐르는 물의 방향에 따라 정역방향으로 회전하며 전기를 생산하는 수차를 상기 수로에 설치하며, 상기 저장조에 공기를 압축하기 전에 상기 수로를 개방하여 상기 저장조에 물을 채우면서 상기 수차를 회전시켜 발전할 수 있다. 그리고, 상기 수로를 개방시킨 상태에서 물이 채워져 있는 상기 저장조에 공기를 압축하면서 상기 저장조의 물을 배출시킴으로써, 상기 수차를 회전시켜 발전할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는, 상기 터빈은 고압터빈과 저압터빈이 병렬적으로 배치되어, 상기 저장조로부터 배출된 압축공기의 압력이 기설정된 제3압력까지 하강할 때까지는 상기 압축공기를 상기 고압터빈으로 유입시키며, 상기 제3압력 미만으로 하강하면 상기 저압터빈으로 유입시켜 발전할 수 있다.

그리고 본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 터빈은 고압터빈과 저압터빈을 직렬로 배치하여, 상기 저장조로부터 배출된 압축공기가 상기 고압터빈과 저압터빈을 순차적으로 통괴하게 하며, 상기 저장조와 상기 고압터빈 사이에 부스터압축기를 설치하여 상기 저장조 내의 공기압이 기설정된 제3압력 이하로 떨어진 경우 상기 부스터압축기를 이용하여 상기 압축공기를 승압시켜 상기 고압터빈에 유입시킴으로써 발전할 수 있다. 상기 기설정된 제3압력은 40~60bar 범위로 설정될 수 있다.

한편, 상기 저장조의 제1압력은 60~80bar의 범위에서 설정되며, 상기 제2압력은 20~30bar의 범위에서 설정될 수 있다.

본 발명에 따른 압축공기 저장 및 발전방법에서는 기존의 정압식 저장과 변압식 저장의 장점을 모두 취합하여 발전효율이 획기적으로 향상된다. 즉, 변압식의 장점인 저장조 내의 공기압을 최대한으로 상승시켜 주어진 공간에 최대한 많은 양의 공기를 저장한다는 점과, 정압식의 장점인 저장조 내의 공기가 모두 소진될 때까지 발전을 수행할 수 있다는 점이 본 발명에서는 모두 달성된다.

이에 따라 변압식과 동일한 설비를 사용하면서도 변압식과 정압식을 혼용함으로써 종래의 방식에 비하여 높은 발전효율을 달성할 수 있다.

뿐만 아니라, 저장조에 수조의 물이 채워지고 빠지는 과정에서 수차는 양방향으로 회전하며 발전을 수행하므로 발전효율은 더욱 상승된다는 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 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 저장 및 발전방법에 이용되는 압축공기 저장 및 발전시스템의 개략적 구성도이다.
도 4는 전체 발전과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 저장 및 발전방법의 개략적 흐름도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 전체 발전과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 저장 및 발전방법의 각 과정을 설명하기 위한 것으로서, 도 7에는 초기 상태, 도 8에는 수조 연결단계, 도 9에는 공기 압축단계 및 변압발전단계, 도 10에는 정압발전단계가 나타나 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 저장 및 발전방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

우선, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 발전방법에 사용되는 압축공기 저장 및 발전시스템에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 저장 및 발전방법에 이용되는 압축공기 저장 및 발전시스템의 개략적 구성도이며, 도 4는 전체 발전과정을 설명하기 위한 모식도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 압축공기 저장 및 발전시스템은 압축기(20), 터빈(30), 저장조(50) 및 저수조(60)를 구비한다.

압축기(20)는 공기를 고압으로 압축하기 위한 공지의 장치로서 지상에 설치된다. 모터(21)가 회전하면 압축기(20)는 공기를 흡입하여 고압으로 압축한다. 그리고, 압축기(20)에서 공기를 압축할 때에는 복수 회에 걸쳐 다단으로 압축한다. 도 4에는 압축기(20)가 한 개 설치된 것으로 표시하였으나, 실제로는 복수의 압축기가 배치되어 공기가 이 압축기들을 통과하면서 점차 압력이 높아지도록 구성된다.

본 실시예에서, 복수의 압축기(20)를 이용하여 공기를 다단 압축함으로써 후술할 저장조(50)에 기설정된 제1압력, 즉 60~80bar 정도의 압력으로 저장한다. 물론 저장 압력은 조건에 따라 달라질 수 있다. 여기서 제1압력이 60bar 미만으로 저장하게 되면 압축되는 공기의 양이 너무 작아서 효율적이지 않으며, 80bar를 초과하면 압축이 용이하지 않기 때문이다.

또한 압축기(20)들 사이에는 냉각기(22)가 배치되어 압축에 의하여 가열된 공기를 냉각함으로써 후속 압축기에서의 압축효율을 증대시킨다. 그리고 압축공기가 최종적으로 저장조(50)에 저장될 때에도 냉각기(23)를 통해 온도를 하강시킨다.

저장조(50)는 압축기(20)에 의하여 압축된 공기가 저장되는 곳으로서, 지하의 일정 심도에 설치된다. 후술하겠지만, 저장조(50)가 설치되는 심도에 따라 수위차에 의한 수압의 크기가 달라지므로 심도의 설정은 매우 중요하다. 본 실시예와 같이 저장조(50)를 기설정된 제2압력, 즉 25bar 정도의 정압으로 유지하기 위해서는 250m 정도의 수위차가 있어야 하므로, 저장조(50)의 바닥면으로부터 후술할 수조의 수면까지 250m가 확보되어야 한다.

또한, 본 실시예에서 저장조(50)는 고압을 견뎌야 하므로 구조적으로 안정한 원통형으로 형성되며, 상부는 돔 형상으로 이루어진다. 그리고 압축공기를 저장하기 위한 저장조(50)는 공기가 유출되지 않도록 기밀성이 보장되어야 하는 바, 저장조(50)의 내면은 콘크리트 등으로 라이닝(51)을 설치한다.

저장조(50)의 상부에는 압축공기가 유입 및 유출되는 유출입로(55)가 형성된다. 이 유출입로(55)는 미도시된 밸브를 이용하여 압축기(20)와 저장조(50)를 연결하거나, 후술할 터빈(30)과 저장조(50)를 연결한다.

물이 담겨지는 저수조(60)는 지상에 형성되며, 수로(65)에 의하여 저장조(50)와 상호 연결된다. 수로(65)의 입구부(66)는 저수조(60)의 하면에 형성되며, 출구부(67)는 저장조(50)의 하부에 형성된다. 저수조(60)에 담겨진 물의 수면으로부터 저장조(50)의 바닥까지는 일정한 높이 차, 본 실시예에서는 대략 250m 정도의 높이 차를 유지한다. 후술하겠지만, 저장조(50)에 물이 충분히 채워지는 경우에도 수면과 저장조 바닥면 사이에 높이차를 그대로 유지하기 위해서, 저수조(60)는 상하방향으로 높이 형성되기 보다는 얕고 넓게 형성하는 것이 유리하다.

그리고 수로(65)에는 밸브(69)가 설치되어 수로(65)를 개폐할 수 있다. 또한 수로(65)에는 정방향 및 역방향으로 회전가능한 수차(70)가 설치된다. 수차(70)는 양수발전에서와 마찬가지로 물의 흐름에 따라 회전되며, 수차(70)와 연결된 발전기(미도시)에서는 수차(70)의 회전을 이용하여 전기를 생산한다.

한편, 터빈은 지상에 설치되어, 저장조(50)로부터 배출된 압축공기에 의하여 가동된다. 즉, 유출입로(55)를 통해 배출된 압축공기는 연소기(미도시)에서 연료와 혼합되어 연소되며, 이 연소 가스가 터빈을 회전시킨다. 터빈(30)이 회전되면 터빈과 연결되어 있는 발전기(40)에서 전기를 생산한다.

본 실시예에서 터빈은 하나만 설치되는 것이 아니라, 도 4에 도시된 바와 같이, 고압터빈(31)과 저압터빈(32)이 병렬적으로 설치된다. 즉, 본 실시예에서 저장조(50)로부터 배출되는 압축공기의 압력은 제1압력으로부터 제2압력까지 하강하고, 추후 제2압력을 계속 유지하게 되는데, 터빈은 일반적으로 특정한 압력 범위 내에서 최대의 효율이 달성되도록 제조된다. 이에 기설정된 제3압력, 본 실시예에서는 25bar를 기준으로 그 위에서는 압축공기를 고압터빈(31)으로 유입시키고, 그 아래에서는 저압터빈(32)으로 유입시킨다.

즉, 저장조(50)로부터 배출된 압축공기는 후술할 열교환기(80)를 통해 터빈으로 유입되는데, 열교환기(80) 후단에 밸브(85)가 설치되어 압축공기를 고압터빈(31) 또는 저압터빈(32)으로 유입되게 할 수 있다.

본 실시예에서는, 상기한 바와 같이, 고압터빈(31)과 저압터빈(32)을 병렬적으로 운영하는 것이 효율의 측면에서 바람직하지만, 다른 실시예에서는 넓은 압력범위를 가지는 터빈만을 사용할 수도 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 고압터빈(31)과 저압터빈(32)을 직렬로 설치할 수도 있다.

도 5와 같이 직렬설치하는 경우, 상기한 제3압력 이상의 압력을 가지는 압축공기는 고압터빈(31)을 통과하면서 팽창됨으로써 압력이 제3압력 밑으로 저하되고, 저압터빈(32)에서 다시 팽창되는 구조이다. 이렇게 고압터빈(31)과 저압터빈(32)을 직렬로 설치할 경우, 저장조(50) 내의 압축공기의 압력이 제3압력까지 떨어지면 고압터빈(31)을 운전하는 것이 곤란해지는 바, 저장조(50)와 고압터빈(31) 사이에 별도의 부스터압축기(29)를 설치하여 압축공기를 상기한 제3압력으로 승압시킨 후 고압터빈(31)으로 유입시킨다.

한편, 저장조(50)와 터빈 사이에는 열교환기(80, recuperator)를 설치한다. 열교환기(80)는 터빈으로부터 배출된 고온의 가스와 터빈으로 유입되기 전의 저온의 압축공기 사이에 열교환을 함으로써, 압축공기를 예열하기 위한 것이다.

즉, 저장조(50)에서 나와 열교환기(80)를 통과한 압축공기는 연소기(미도시)에서 연료와 함께 연소되고, 연소 가스는 고압터빈(31) 또는 저압터빈(32)을 돌리고 열교환기(80)를 통과한 후 배출된다. 그리고 후속적으로 저장조(50)로부터 배출된 압축공기는 열교환기(80)에서 고온의 연소 가스로부터 열을 전달받으므로, 터빈으로 유입되기 전에 예열되어 발전효율을 향상시킨다. 즉, 저장조(50)로부터 최초로 배출된 압축공기는 열교환기(80)를 통과하기는 하지만 열을 전달받을 대상이 없어 예열되지 않은 상태로 터빈에 유입되지만, 후속해서 터빈으로 유입되는 압축공기는 연소 후의 가스와 열교환되어 예열된다.

이하, 상기한 구성으로 이루어진 압축공기 저장 및 발전시스템을 이용하여 본 발명에 따른 방법에 의한 발전과정을 도 6 내지 도 10을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명에 따른 압축공기 저장 및 발전방법의 개략적 흐름도이며, 도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축공기 저장 및 발전방법의 각 과정을 설명하기 위한 것으로서, 도 7에는 초기 상태, 도 8에는 수조 연결단계, 도 9에는 공기 압축단계 및 변압발전단계, 도 10에는 정압발전단계가 나타나 있다.

우선, 시스템을 구축한다(M10). 즉, 저장조(50)와 저수조(60)를 각각 형성하고 수로(65)를 통해 이들을 연결한다. 이 때에는 수로(65)의 밸브(59)를 폐쇄하여 물이 저장조(50)로 유입되지 못하도록 한다. 상기한 바와 같은 상태가 압축공기 저장 및 발전시스템을 운영하기 전의 초기 상태이며, 도 7에 도시된 상태이다.

상기한 상태에서 물을 충전한다(M20). 즉, 저장조(50) 상부의 유출입로(55)를 개폐하는 플러그(56)를 개방시키고 수로(65)의 밸브(59)를 개방하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 물이 저장조(50)로 유입되어 충전된다. 이렇게 물이 저장조(50)로 유입되는 과정에서 물은 수차(70)를 정방향으로 회전시키므로 수차(70)에 연결된 발전기(미도시)에서는 전기가 생산된다.

저장조(50)에 물이 일정량 채워지면, 저장조(50)에 공기를 압축하는 압축단계(M30)를 수행한다. 모터(21)를 회전시켜 압축기(20)를 가동하면, 압축기(20)에서는 외부의 공기를 흡입하여 대략 70bar 정도의 제1압력으로 압축하며, 압축공기는 유출입로(55)를 통해 저장조(50)에 저장된다. 물론, 상기한 바와 같이, 공기를 압축할 때에는 복수 회에 걸쳐 다단으로 압축한다.

70bar의 고압으로 압축된 공기는 저장조(50)에 유입되면서, 저장조(50)에 충전되어 있던 물을 수로(65)로 밀어낸다. 도 9에 도시된 바와 같이, 저장조(50)의 물이 모두 배출되면 저장조(50) 내에는 압축공기만으로 채워진다. 그리고, 물은 수로(65)를 통해 배출되면서, 수차(70)를 역방향으로 회전시키므로 수차(70)와 연결된 발전기에서는 다시 전기를 생산한다.

70bar 정도의 고압 압축공기가 저장조(50)를 채우면 수로(65)의 밸브(59)를 폐쇄함으로써 압축단계가 완료된다. 이러한 압축단계는 주로 심야시간에 이루어지는 것이 일반적이다. 즉, 원자력과 같은 기저발전에서는 발전량을 콘트롤하기 곤란하므로 전기 사용량이 현저하게 저하되는 심야에는 잉여전기가 발생하게 되며, 이러한 잉여전기를 이용하여 공기를 압축시키는 것이다. 다시 말해서, 압축공기를 통해 전력을 저장하는 것이다. 그러나, 원자력과 같은 기저발전이 아니라 풍력발전과 같은 재생에너지의 경우 발전이 간헐적으로 일어나므로, 재생에너지에 의하여 생산된 전기를 사용하여 공기를 압축하는 경우에는 특별히 시간대의 제한을 받지 않는다.

상기한 바와 같이 압축단계가 완료되면 이 압축공기를 이용하여 발전을 수행하는데, 압축단계와 반대로 발전은 전기 사용량이 많은 주간 시간대에 행하는 것이 일반적이다. 주간 시간대에 압축공기를 이용한 발전을 하는 것은 첨두 발전을 대체하기 위한 것이다. 물론 압축단계와 발전단계의 수행 시간이 특정된 것은 아니며 필요한 시간에 수행할 수 있다.

발전단계는 변압발전단계(M40)와 정압발전단계(M50)로 나누어진다. 변압발전단계(M40)에서는 수로(65)를 폐쇄한 상태에서 저장조(50)내의 압축공기를 배출시키면서 고압터빈(31)을 가동한다. 고압터빈(31)이 회전하면 발전기(40)에서 전기를 생산한다. 이렇게 발전을 수행하게 되면 저장조(50)의 공기가 배출되면서 저장조(50)의 공기압은 제3압력인 50bar까지 하강한다. 압축공기의 압력이 50bar를 밑돌면 고압터빈(31)을 회전시키기 곤란하므로 열교환기(80) 후단의 밸브(85)를 작동시켜 압축공기가 저압터빈(32)으로 유입되도록 변경한다.

이에 따라 압축공기는 저장조(50)에서 배출되어 저압터빈(32)으로 유입되면서 계속적으로 전기를 생산한다. 그리고 저장조(50)의 공기압이 제2압력인 25bar 정도로 하강하면 변압발전단계(M40)가 종료되고 정압발전단계(M50)로 모드변환한다.

정압발전단계(M50)에서는 저장조(50) 내의 공기압이 일정하게 유지되어야 하므로 수로(65)의 밸브(59)를 개방하여 물이 저장조(50)로 유입될 수 있는 조건을 만든다. 정압발전단계(M50)의 시작점에서는 저장조(50)의 공기압이 25bar 정도로 수로의 수위차에 따른 수압과 동일하여 압력평형을 이루므로, 수로(65)의 물이 저장조(50)로 유입되지 못한다.

그러나 정압발전단계(M50)를 수행하면서 압축공기가 저장조(50)에서 배출되면 저장조(50)의 공기압이 하강하게 되므로, 도 10에 도시된 바와 같이, 압력 구배에 따라 수로(65)의 물이 저장조(50)로 밀려 들어가면서 다시 저장조(50) 내의 공기를 25bar로 압축시킨다. 결국 저장조(50) 내의 압축공기가 배출되면 저수조(60)의 물이 저장조(50)를 계속 채우면서 압축공기에 수압을 인가하므로, 저장조(50) 내의 압축공기의 공기압은 공기가 모두 배출될 때까지 계속 25bar를 유지한다.

그리고 저수조(60)의 물이 계속 저장조(50)로 유입되는 가운데 수차(70)는 정방향으로 회전되면서 전기가 생산된다.

상기한 바와 같이, 저장조(50) 내의 압축공기를 변압발전단계(M40)와 정압발전단계(M50)를 거치면서 모두 배출시키면 압축 및 발전의 한 싸이클이 완성되며, 저장조(50)는 물로 가득 채워진다.

그리고 다시 저장조(50)에 공기를 압축하는 압축단계(M30)를 수행하면서 새로운 발전 싸이클을 반복하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 압축공기 저장 및 발전방법에서는 기존의 정압식 저장과 변압식 저장의 장점을 모두 취합하여 발전효율이 획기적으로 향상된다. 즉, 변압식의 장점인 저장조 내의 공기압을 최대한으로 상승시켜 주어진 공간에 최대한 많은 양의 공기를 저장한다는 점과, 정압식의 장점인 저장조 내의 공기가 모두 소진될 때까지 발전을 수행할 수 있다는 점이 본 발명에서는 모두 달성된다.

이에 따라 변압식과 동일한 설비를 사용하면서도 발전모드를 변압식과 정압식을 혼용함으로써 종래의 방식에 비하여 높은 발전효율을 달성할 수 있다.

뿐만 아니라, 저장조에 수조의 물이 채워지고 빠지는 과정에서 수차는 양방향으로 회전하며 발전을 수행하므로 발전효율은 더욱 상승된다는 이점이 있다.

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 ... 압축공기 저장 및 발전시스템
20 ... 압축기 31 ...고압터빈
32 ... 저압터빈 40 ... 발전기
50 ... 저장조 60 ... 수조
70 ... 수차 80 ... 열교환기

Claims (9)

1. 외부의 공기를 흡입하여 압축시키는 압축기와, 상기 압축기에 의하여 압축된 공기를 저장하도록 지하에 형성되는 저장조와, 상기 저장조와 압축기 사이에 공기가 유동되는 유출입로와, 상기 저장조로부터 배출된 압축공기에 의하여 구동되는 터빈과, 상기 저장조에 수압을 인가하도록 물이 저장되는 저수조 및 상기 저수조와 상기 저장조 사이를 연결하되 입구부가 출구부에 비하여 높게 배치되는 수로를 포함하는 압축공기 저장 및 발전시스템을 이용한 것으로서,
   (a) 상기 압축기를 통해 공기를 제1압력으로 상기 저장조에 저장하는 압축단계;
   (b) 상기 저장조 내의 공기압이 제2압력까지 낮아질 때까지, 상기 수로를 폐쇄한 상태에서 상기 저장조에 저장된 압축공기를 배출하여 상기 터빈을 가동시켜 발전하는 변압발전단계; 및
   (c) 상기 수로를 개방하여 상기 저장조에 수압을 인가함으로써 상기 저장조 내의 공기압을 상기 제2압력으로 일정하게 유지하는 가운데 상기 압축공기를 배출하여 상기 터빈을 가동시켜 발전하는 정압발전단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압축공기 저장 및 발전방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2압력은 상기 저수조와 수로에 채워진 물의 최고 수위차에 따른 압력과 동일한 것을 특징으로 하는 압축공기 저장 및 발전방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 수로를 따라 흐르는 물의 방향에 따라 정역방향으로 회전하며 전기를 생산하는 수차를 상기 수로에 설치하는 것을 특징으로 하는 압축공기 저장 및 발전방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 저장조에 공기를 압축하기 전에 상기 수로를 개방하여 상기 저장조에 물을 채우면서 상기 수차를 회전시켜 발전하는 것을 특징으로 하는 압축공기 저장 및 발전방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 수로를 개방시킨 상태에서 물이 채워져 있는 상기 저장조에 공기를 압축하면서 상기 저장조의 물을 배출시킴으로써, 상기 수차를 회전시켜 발전하는 것을 특징으로 하는 압축공기 저장 및 발전방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 터빈은 고압터빈과 저압터빈이 병렬적으로 배치되어,
   상기 저장조로부터 배출된 압축공기의 압력이 기설정된 제3압력까지 하강할 때까지는 상기 압축공기를 상기 고압터빈으로 유입시키며, 상기 제3압력 미만으로 하강하면 상기 저압터빈으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 압축공기 저장 및 발전방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 터빈은 고압터빈과 저압터빈을 직렬로 배치하여,
   상기 저장조로부터 배출된 압축공기가 상기 고압터빈과 저압터빈을 순차적으로 통괴하게 하며,
   상기 저장조와 상기 고압터빈 사이에 부스터압축기를 설치하여 상기 저장조 내의 공기압이 기설정된 제3압력 이하로 떨어진 경우 상기 부스터압축기를 이용하여 상기 압축공기를 승압시켜 상기 고압터빈에 유입시키는 것을 특징으로 하는 압축공기 저장 및 발전방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 제3압력은 40~60bar 범위인 것을 특징으로 하는 압축공기 저장 및 발전방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1압력은 60~80bar의 범위에서 설정되며,
   상기 제2압력은 20~30bar의 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 압축공기 저장 및 발전방법.

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