집중기획⑥에너지 패권을 장악할 ‘재생에너지’... Archista 발전장치 시스템에 이어 집중기획⑦에서는 인류 에너지 문명을 변혁할 수 있는 혁명적인 재생에너지 획득·생산·공급·저장·재생 시스템인 ‘Archista’가 구현된 첨단 과학 기술들 중 Archista 에너지 저장·재생 시스템에 관한 논문을 세계 최초로 게재한다.

 

Archista 에너지 저장·재생 시스템

 

◈ 기술 분야

 

자연 바람의 간헐적 특성과 지역적 편중성으로 풍력 발전기의 발전운전이 지속될 수 없고 전력생산량을 계획할 수도 없다. 따라서 풍력 발전기에서 생산되는 전기에너지로 전력수급을 균등화할 수 없고 생산된 전력의 사용 효율이 낮다. 풍속의 변동에 따른 풍력 발전기에서 전력 생산량의 변동 그리고 전력수요량으로 인해 잉여전력과 결여전력이 발생한다. 이러한 전력 생산과 전력 사용의 등락에 효과적으로 대처하기 위해서는 풍력 발전기에 에너지 저장·재생 시스템을 일체화 하여 운용하는 것이 요구된다.

 

이에 잉여전력을 저장이 용이한 에너지 형태로 변환하여 손실이 없이 보존할 수 있고 결여 전력이 발생 시 즉각 사용에 적합한 전기에너지로 재생할 수 있는 에너지 저장·재생 시스템을 개발하여 Archista를 구성하는 풍력 획득 장치와 동력 전환·전달 장치와 발전장치 시스템과 일체되어 발전운전에 공조할 수 있는 에너지 저장·재생 장치가 풍력 발전장치에 추가될 필요가 있다. 그럼으로써 발전운전 시간을 확장할 수 있고 생산하는 전력의 품질을 높일 수 있으며, 대용량 고집적 에너지 저장·재생 시스템을 확장하여 에너지 생산 효율과 에너지 사용 효율을 높이며 궁극적으로 Archista를 기반으로 전력수급체계가 구축될 수 있다.

 

◎ 기술 배경 및 종래 기술

 

현재 전력수급체계는 에너지 생산시설과 에너지 전달시설과 에너지 소비시설(장치)로 이루어져 있다. 에너지 생산시설에서는 에너지 수요량의 변동에 대비하는 여분의 전력을 생산하여 에너지 전달시설에 보내야 블랙다운의 발생을 방지할 수 있다. 그럼으로 전력시설에서는 전력수요량에 15%이상의 전력을 더 생산하는 실정이고 실시간 사용되지 못하는 전력이 손실되고 있다.

 

전기에너지는 순간적으로 다른 에너지로 변환하는 특성이 있기 때문에 사용되지 못한 전기에너지는 바로 사라지게 된다. 전 세계적으로 사용하지 못한 전기에너지양은 실로 막대하고 그 만큼 환경 훼손과 자원 손실로 이어지게 된다. 이에 예비전력까지를 포함한 전력생산량 중 실시간 전력수요량을 뺀 잉여전력을 저장이 가능한 에너지 형태로 변환하여 보존하고 필요 시 이를 전기에너지로 재생하여 사용할 수 있는 에너지 저장 기술 방안들이 개발이 절실하게 요구되고 있다. 현재 상용화된 가장 대표적인 에너지 저장 시설 또는 장치로는 양수 발전과 배터리가 있다.

 

에너지 저장은 잉여 에너지를 대량으로 비축하기 위한 에너지 뱅크 시설과 이동 가능한 장치에 사용할 에너지를 덜어 쓰기 위한 에너지 컨테이너로 나누어 볼 수 있다. 그러한 관점에서 양수 발전과 축전지는 서로 용도와 용량 그리고 활용 목적에서 매우 상이하다. 양수 발전 시설은 에너지 뱅크 시설이고 축전지는 에너지 컨테이너이다. 정지된 풍력 발전장치에 적합한 에너지 저장 장치는 대량의 에너지를 저장할 수 있는 에너지 뱅크용이 적합하다. 하지만 양수 발전 시설은 풍력 발전 장치에 적용하기가 어렵고 효율이 매우 낮다는 문제가 있다.

 

풍력 발전 장치와 일체가 되어 동조할 수 있는 에너지 저장 및 재생 장치의 개발이 아직 이루어지지 못한 실정이다.

자연 바람의 간헐적 특성으로 인해 풍력 발전시설에서 생산하는 전력량을 계획할 수가 없고, 더욱이 풍력 발전시설만으로는 전력수요량의 변동을 대처할 수가 없음으로 풍력 발전시설만으로는 전력 수급의 불균등화 문제를 해결할 수 없다.

 

풍력 발전 장치에서 강풍에 대량의 전력이 생산되더라도 전력수요량 이상의 전력은 무용지물이다. 또한 풍력 발전 장치에서 발전량의 변동 폭이 크기에 맞추어 설계하지 않은 기존 송전망에 혼란을 일으킬 수 있다.

바람이 불지 않거나 약하게 부는 경우에 풍력 발전 장치는 전기에너지를 생산할 수 없다. 이것은 자연 바람의 특성에서 비롯된 것임으로 풍력 발전 장치 또는 동력 전환·전달 장치나 발전기 장치에서 기술적으로 해결될 수 있는 문제가 아니다.

 

현재 풍력 발전기에서 생산된 전기를 계통에 송전하거나 수요처로 공급하고 남는 전력을 저장하기 위해 한 시설로는 거의 대부분 화학적 에너지 저장 방식인 축전지가 채용되고 있다. 주로 납산 전지(lead-acid battery), 납 탄소 전지(lead-carbon battery)가 사용되고 있다. 축전지 방식의 에너지 저장 장치는 풍력 발전기에서 유도되는 교류 전기를 직류 전기로 변환해야 배터리에 화학적 에너지로 저장이 가능하고, 배터리에 저장된 화학에너지는 직류전기로 재생되기 때문에 전력계통과 수요처로 송전하기 위해서는 교류 전기로 변환해야 한다. 그럼으로 교류 전기를 직류 전기로 변환하는 인버터와 직류 전기를 교류 전기로 변환하는 컨버터로 구성되는 전력변환장치를 갖추어야 한다.

 

기존 풍력 발전장치의 기계 구조 특성상, 축전지 방식의 에너지 저장 장치의 에너지를 재생하여 풍력 발전기의 운전 시간이 확대되도록 하는 방법이나, 풍력 발전기의 운전에 작용하여 품질이 높은 전기에너지가 유도되도록 하는 방법은 실현되기 어렵다. 왜냐하면 풍력 발전 장치의 발전운전이 활성화 될 수 있도록 에너지 저장·재생 장치에 보존된 다양한 에너지 형태를 재생하기에 기존 풍력 발전기의 기계 구조는 적합하지 않다.

 

풍력 발전 시스템이 에너지 저장 및 재생 장치와 유기적인 동조화가 이루어지지 않고서는 풍력이 재생에너지의 주된 위치를 확보할 수 없고 나아가 재생에너지를 기반으로 전력수급의 균등화가 불가능하다고 할 수 있다.

 

◎ Archista 에너지 저장·재생 시스템 기술 과제

 

Archista의 에너지 저장 재생 시스템은 잉여 전력을 변환이 용이하고 에너지 손실이 최소화되고 아울러 보존이 용이할 뿐만 아니라 필요 시 즉각 사용에 적합한 에너지 형태와 크기로 재생할 수 있는 효율이 높고 유지관리가 용이한 에너지 저장·재생 장치들로 구성될 필요가 있다.

 

풍속이 낮을 때나 강풍에도 풍력을 획득할 수 있는 효율적인 풍력 획득 기술 장치의 개발과 더불어 풍력 발전 장치의 운전이 불가능한 상황에서도 전기수요처에 전기에너지를 공급할 수 있는 에너지 저장·재생 기술 장치의 개발과 더불어 이에 동조하는 풍력 발전 장치의 개발이 이루어질 필요가 있다.

 

Archista의 운전시간이 확장되고, 생산 전력의 품질을 개선할 수 있고, 바람의 간헐적 특성으로 인한 전력 생산량의 변동과 전력 수요의 변동으로 인한 전력수급의 불균등화 문제를 해결할 수 있고, 에너지 생산 효율과 에너지 사용 효율을 높일 수 있도록 에너지 저장·재생 시스템을 개발하여 Archista에 일체화할 필요가 있다.

 

그럼으로써 운전 시간이 확장될 수 있고, 생산 전력의 품질이 향상될 수 있으며, 에너지 생산 효율과 에너지 사용 효율을 높이고, 장차에 전력수급의 균등화를 이룰 수 있다. 궁극적으로 Archista의 확대와 더불어 에너지 뱅크가 구축될 수 있도록 대용량 고집적 에너지 저장·재생 시스템이 확충될 필요가 있다.

 

◎ Archista 에너지 저장·재생 장치 시스템 구성

 

Archista에 일체로 구성된 에너지 저장·재생 시스템은 잉여전력을 납축전지에 화학적 에너지로 저장하고 필요 시 직류전기로 재생하는 축전 장치와, 잉여전력을 사용하여 공기를 탱크에 압축 저장하고 필요 시 이를 임펠러 블레이드에 분사하여 작용 풍압을 높이는 축기 장치와, 잉여전력을 사용하여 물을 탱크에 저장하고 또는 이를 가열하여 보존된 열수를 수요처에 공급하는 축수 장치와, 잉여 전력을 사용하여 중량물을 끌어올려 위치에너지로 저장하고 결여전력 발생 시 고품질 전기에너지로 재생하는 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치로 구성된다. 그럼 에너지 저장·재생 시스템을 구성하는 장치들 각각에 대해 상세하게 언급한다.

 

▲ Archista 에너지 저장·재생 시스템 구성도     © 특허뉴스

 

◉ 축전 장치

 

Archista의 타워-2F와 타워-3F에 설치되는 축전 장치는 전력변환장치(PCS), 축전지(battery), 배터리관리장치(battery managing unit), 운전 제어부(operation control unit)로 구성된다.

전력변환장치(PCS)는 양방향 전력변환장치로 교류를 직류로 변환하는 인버터(inverter)와 직류를 교류로 변환하는 컨버터(converter)로 구성되어 있다.

 

축전지(battery)는 납 탄소 전지(lead carbon battery) 또는 나트륨 인산 배터리, 등이 채용된다. 축전 장치의 제어부는 중앙 운영 시스템의 명령에 따라 충전 및 방전 시기 및 조건을 조정하고 저장 용량의 파악과 저장의 확장을 효율적으로 관리하는 소프트웨어이다.

 

전력수급체계에서 발생하는 잉여전력은 인버터를 통해 직류전기로 전환하여 축전지에 화학적 에너지로 저장한다. 축전 장치의 배터리에 저장된 에너지는 Archista를 구성하는 장치들의 운전 관리를 위한 각종 감지 센서들과 장치들의 운전 제어부 그리고 중앙 운영 시스템에 직류전기를 공급하는 전원으로 활용된다.

 

Archista의 운전이 정지된 상태에서도 감지 센서들과 제어 장치들이 정상적으로 작동하여 유지 관리가 이루어지고 Archista의 기동이 신속하게 실행될 수 있다. 특히, 축전 장치의 배터리에 저장된 에너지는 제2발/전동기에서 회전에너지로 재생되어 제1발전기축의 회전력을 보강할 수 있음으로 Archista의 운전시간이 확장될 수 있고, 낮은 풍속에서도 전력품질을 높일 수 있으며, 시동을 촉진할 수 있다.

 

2.5m/s 이하의 풍속에서 제2발/전동기에서 유도되는 규정 주파수 이하의 전기에너지는 기본적으로 축전 장치의 배터리에 저장된다. 결여 전력이 발생 시 중앙 운영 시스템은 시동을 촉진하기 위해 축전 장치의 배터리에 저장된 에너지를 제2발/전동기에 투입하여 회전에너지를 발생시켜 제1발전기축의 회전력을 지원한다.

 

◉ 축기 장치

 

Archista의 언더그라운드 베이스 또는 타워-2F에 설치되는 축기 장치는 에어펌프 모터(air pump motor), 공기탱크(air tank), 공기호스(air hose), 솔레노이드 밸브(solenoid valve), 분사노즐(injection nozzle), 운전 제어부(operation control unit)로 구성되어 있다.

 

에어펌프 모터는 공기를 끌어들여 압력을 가해 공기탱크로 집어넣는 모터와 압축펌프이고, 공기탱크는 압축공기를 내부에 저장하는 용기이다. 탱크에 저장된 공기는 고압 호스로 안내 블레이드 내부의 관로를 통해 펜더 블레이드의 상단에 설치된 분사노즐에 연결된다. 중앙 운영 시스템의 명령에 따라 축기 장치의 제어부는 에어펌프 모터의 작동과 탱크에 저장된 압축공기량과 저장 가능용량 및 배기용량을 산정하고 저장과 재생을 조정하고 분사노즐의 개폐를 관리하는 소프트웨어이다.

 

중앙 운영 시스템은 발생하는 잉여전력을 사용하여 축기장치의 에어펌프 모터를 구동함으로써 공기탱크에 공기가 압축 저장된다. 한편 중앙 운영 시스템은 시동을 촉진하기 위해 또는 결여 전력 발생 시 중앙 운영 시스템의 명령에 따라 축기 장치의 제어부는 솔레노이드 밸브를 개방함으로써 탱크 내부에 저장된 압축공기가 터보 임펠러의 블레이드에 분사되어 터보 임펠러에 작용 풍압이 더 증대된다. 또한 중앙 운영 시스템은 축기 장치의 공기탱크에 저장된 압축공기를 펜더 블레이드의 상단 일 측에 방향조절이 가능하게 구비된 분사노즐을 개방하여 플라이휠 상부의 이물이나 눈을 제거할 수 있다.

 

특히, 발전선박에서는 선체에 대형 공기탱크의 설치가 용이함으로 대용량 에너지 저장이 용이하다. 그럼으로 해상에서 Archista 발전선박은 생산전력을 축기 장치에 저장할 수 있어 해저 케이블을 설치할 필요가 없이 자유로운 이동이 가능하고, 전력수요처로 이동하여 선체에 저장된 압축공기를 터보 임펠러의 블레이드에 분사시킴으로써 바로 고품질의 전기에너지로 재생할 수 있다.

 

 

 

◉ 축수 장치

 

Archista의 언더그라운드 베이스에 설치되는 축수(열수) 장치는 양수펌프 모터(water pump motor), 물탱크(water tank), 히터(heater), 급·송수관(water pipe), 운전 제어부(operation control unit)로 구성되어 있다.

 

양수펌프 모터는 물을 저수탱크에 뿜어 넣는 모터와 펌프이고, 저수탱크는 물을 내부에 저장하고 열수를 보관하는 용기이다. 저수탱크 내부에 히터가 설치되어 있다. 수관은 수원에서 양수펌프 모터까지 물을 끌어들이기 위한 급수관과 물탱크에서 수요처로 물을 공급하기 위한 송수관이 별도로 구비된다. 배수펌프는 저수탱크에 저장된 물을 송수관을 통해 수요처로 보낸다. 중앙 운영 시스템은 축수 장치의 제어부에 명령하여 양수펌프 모터와 송수펌프의 작동과 탱크에 저장된 물을 가열하는 히터의 작동 그리고 배수량 등을 제어할 수 있다.

 

중앙 운전 시스템은 전력수급체계에서 발생하는 잉여전력을 사용하여 축수 장치의 양수펌프 모터를 구동시켜 탱크에 물을 저장하고, 또는 탱크에 저장된 물을 가열하여 보존하고, 필요 시 송수펌프를 작동하여 탱크에 저장된 물(열수)을 수요처로 송수한다. 또한, 중앙 운영 시스템의 명령에 따라 물탱크의 물을 분사시켜 풍력 획득 장치와 타워를 세척하고 냉각할 수 있다.

 

◉ 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치

 

Archista의 언더그라운드 베이스와 그라운드 베이스 또는 타워-1과 타워-2 그리고 별도의 시설에 설치되는 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치는 프레임(frame), 자기작용 조정 발/전동기(MAA generator/motor), 변속기어장치(transmission gear unit), 중량물(lift), 주축(shaft), 스프라켓(sprocket), 체인벨트(chain belt), 래칫 기어(ratchet gear)와 스톱 바(stop bar), 속도위치센서(speed position sensor), 운전 제어부(operation control unit) 등으로 구성된다.

 

프레임은 Archista의 본체 일 측과 함께 구성되며 설치되는 여러 부품들과 장치들을 보호 지지한다. 자기작용 조정 발/전동기는 잉여 전력을 회전에너지로 변환하는 역할을 하는 전동기로 또한 위치에너지로부터 변환된 회전에너지를 전달받아 전기에너지로 변환하는 발전기로서 역할을 겸한다.

 

변속기어장치는 발/전동기와 축 결합되어 저장 과정에서는 회전에너지를 저속도 고 토크로 변환하고, 재생 과정에서는 회전에너지를 고속도 저 토크로 변환하는 역할을 한다. 주축은 변속기어장치에 축 결합되어 회전에너지를 전달받거나 또는 회전에너지를 변속기어장치에 전달한다.

 

스프로켓은 복열로 구성되며 주축의 일단에 키 고정 설치되어 주축과 연동한다. 체인벨트는 역시 복열로 구성되며 복열 스프로켓과 치 결합되며 그의 일 종단과 중량물 케이지의 상단이 결합된다.

 

비중이 11.38인 납을 소재로 제작된 바벨은 중량물 케이지에 적합한 중량으로 적층된다. 중량물 케이지는 복열 체인벨트에 의해 상하 직선이동하게 된다.

 

중량물 케이지를 정지상태로 유지시키고 낙하를 방지하기 위한 래칫 기어와 스톱 바가 중량물 케이지의 하단 양측에 구비되고, 중량물 케이지의 이동속도와 위치를 감지하는 속도·위치 센서가 구비되어 검출된 정보는 운전 제어부로 전달된다.

 

중량물 케이지 양측에 구비된 래칫 기어와 스톱 바에 대응하는 리니어 레일이 프레임의 내측에 수직되게 설치되어 중량물 케이지의 상하 이동 속도가 일정하게 제어된다. 중앙 운영 시스템의 명령에 따라 운전 제어부는 저장 운전과 재생 운전 그리고 정지상태를 제어한다.

 

퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치는 대량으로 에너지를 저장할 수 있고 저장과 보존과정에서 에너지 손실이 적고 상대적으로 고집적으로 시설 공간이 적게 소요되는 장점이 있다. 결여 전력의 발생 시 즉각 적합한 크기의 규정 주파수의 전기에너지를 자체적으로 재생할 수 있다. 특히. Archista의 본체인 타워의 높이를 높이거나 베이스의 높이와 폭을 넓힘으로써 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치의 대용량화가 가능하다.

 

▲ 에너지 저장·재생 시스템 특징     © 특허뉴스

 

 

▲ 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치 구성도     © 특허뉴스

 

◎ Archista 에너지 저장·재생 시스템 운용

 

잉여 전력의 발생 시 중앙 운영 시스템은 다음과 같은 방법으로 에너지 저장 운전을 실시한다. 제2발/전동기에서 유도되는 전기를 축전 장치의 인버터를 통해 직류전기로 변환하여 배터리에 저장한다. 또한 잉여 전력을 사용하여 축기 장치의 에어펌프 모터를 작동시켜 공기탱크에 공기를 압축하여 저장한다. 또한 잉여 전력을 사용하여 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치의 자기작용 발/전동기를 작동하여 발생하는 기계회전에너지로 중량물을 끌어올려 정지시킴으로써 위치에너지로 보존되도록 한다.

 

중앙 운영 시스템은 축전 장치의 운전 제어부와 축기 장치의 운전 제어부와 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치의 운전 제어부의 상위에서 선택적으로 또는 합동으로 에너지 저장·재생이 효율적으로 실시되도록 관리한다.

 

중앙 운영 시스템은 빅 데이터를 활용하여 효율적인 에너지 저장·재생을 실시한다.

Archista의 풍력 획득 장치와 동력 전환·전달 장치와 발전기 장치 시스템과 함께 전일체화 되어 상호 유기적인 운전이 효과적으로 실시됨으로 Archista의 운영에 시너지 효과가 극대화 될 뿐만 아니라 에너지 생산과 사용 효율이 높고 전력수급의 균등화가 실현될 수 있다.

 

결여 전력의 발생 시, 중앙 운영 시스템은 다음과 같은 방법으로 에너지 재생 운전을 실시한다. 축전 장치의 배터리에 저장된 직류전기를 사용하여 제2발/전동기가 구동시킴으로써 회전에너지로 재생한다.

변속기어장치를 통해 정격 속도 고 토크로 변환된 회전력이 제1발전기축의 회전에 가세되어 제1발전기에서 더 많은 전기에너지가 유도된다.

 

또한 축기장치의 탱크에 저장된 압축공기가 터보 임펠러의 블레이드 풍압면에 분사됨으로써 터보 임펠러에 더 큰 풍압이 작용하여 플라이휠 중심축에서 회전력이 증가하기 때문에 제1발전기의 자기작용이 더 확대되어 제1발전기에서 더 많은 전기에너지가 유도된다.

 

또한 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치의 중량물의 잠금을 해제함으로써 중량물에 보존된 위치에너지가 활성화되고 이를 기계회전에너지로 전환시켜 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치에 장착된 자기작용 자율 조정 발/전동기에서 규정 주파수의 전기에너지를 유도하여 전력수급을 균등화한다. 전력수급의 균등화를 자동으로 대처하기 위해 중앙 운영 시스템은 빅 데이터를 활용하여 효율적인 에너지 저장·재생을 실시한다.

 

◎ Archista 에너지 저장·재생 시스템 특징 및 장점

 

바람의 간헐적 특성으로 인해 Archista의 풍력 획득 장치에서 획득되는 에너지의 증감에 따라서 전력 생산량이 증감하고, 전기 수요량이 증감함으로 인해 발생하는 전력수급의 불균등화를 Archista 에너지 저장·재생 장치 시스템을 확충함으로써 해결할 수 있다. 즉 Archista에 에너지 저장·재생 시스템을 일체화 동조화함으로써 잉여 전력이 발생 시 이를 보존이 용이한 에너지 형태로 변환하여 저장하였다가 결여 전력이 발생 시 즉각 저장된 에너지를 사용에 적합한 크기의 에너지로 재생함으로써 에너지 생산 효율과 에너지 사용 효율을 높일 수 있다. 에너지 저장·재생 장치 시스템을 확충함으로써 에너지 뱅크로서 역할을 실행할 수 있기 때문에 송전제한을 최소화할 수 있어 기존 송전망의 문제를 완화시킬 수 있다.

 

Archista에 에너지 저장·재생 시스템이 일체화됨으로써 Archista는 정격운전이 확대 실시될 수 있어 에너지 생산 효율과 사용 효율을 높아 경제성이 배가된다. Archista 에너지 저장·재생 시스템의 대용량화로 에너지 뱅크가 구축될 수 있기 때문에 재생에너지의 교통망의 통합과 같은 분야 간의 동조화, 보다 광범위한 실행가능 기술들의 확대에 기여할 수 있다. 즉 전기자동차, 전기선박, 전기비행기의 충전을 위한 전기에너지 스테이션의 요구에 적극 부응할 수 있을 뿐만 아니라, IT의 팽창과 자동화 로봇산업의 발달로 인한 전력수요의 급증으로 전력계통에 블랙다운이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 전력시스템에 점점 더 많은 유연성을 제공할 수 있다.

 

특히, Archista 발전선박에서 생산하는 전력을 대량으로 저장하기 위한 방법으로 축기 장치가 개발될 필요가 있다. 축기 전용선박이 대량의 압축공기를 운송한다.

 

▲ Archista 축기 전용운반선     © 특허뉴스

 

    

다음편은...

[단독/집중기획⑧] 에너지 패권을 장악할 ‘재생에너지’... Archista 중앙 운영 시스템

 

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