KR102054509B1 - 고고도 대기 에너지 저장장치 - Google Patents

고고도 대기 에너지 저장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고고도의 상공에 위치한 공기의 에너지를 저장하여 필요에 따라 활용할 수 있도록 된 새로운 구조의 고고도 대기 에너지 저장장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고고도 대기 에너지 저장장치는 공기를 저장할 수 있도록 된 에어탱크(10)와, 상하방향으로 연장되도록 구비되어 하단이 상기 에어탱크(10)에 연결된 급기관(20)과, 상공에 구비되어 상기 급기관(20)의 상단에 연결되며 바람을 이용하여 공기를 압축하여 상기 급기관(20)을 통해 에어탱크(10)로 공급하는 압축수단(30)이 구비되어, 고고도에 불어오는 바람에 의해 자동으로 공기가 압축되어 에어탱크(10)에 저장되도록 할 수 있다.
따라서, 별도의 동력을 이용하지 않고 저온의 압축 공기를 얻을 수 있으며, 얻어진 저온의 압축 공기를 이용하여 다양한 장치를 구동할 수 있다.
또한 마찰로 인한 구름과 대지간의 전압차가 초고전압으로 형성되기 전에 축전장치를 통하여 저장함으로 일정량의 전기 에너지를 획득 할 수 있다.

Description

고고도 대기 에너지 저장장치{high altitude energy storage apparatus}
본 발명은 고고도의 상공에 위치한 저온 공기의 에너지를 저장하여 필요에 따라 활용할 수 있도록 고안된 새로운 구조의 고고도 대기 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
관측 자료에 의하면, 대기의 온도는 1km 높아질수록 섭씨 6℃정도 낮아지는 특징이 있으며 제트기류가 통과하는 지역의 고고도 높이에서는 상시 강한 바람이 분다. 이 바람은 상당량의 운동 에너지를 갖고 있다.
또한, 고고도 상공은 공기 마찰로 인하여 대기 입자들이 대전되어 풍부한 전기 에너지를 가지고 있다. 이러한 대기는 대지와 전압차를 형성하여 약 10억 볼트 이상 되면 낙뢰가 된다. 대기와 구름 간의 전위차가 초고전압으로 형성되기 전에 대기와 지면사이에 축전 장치를 설치하면 일정 수준의 전기 에너지를 저장할 수 있다.
그러나 지금까지는 위와 같은 고고도의 다양한 에너지를 저장하여 활용할 수 있는 효과적인 방법이 없었다. 따라서 새로운 방식의 에너지 저장 장치 및 방법이 필요하게 되었다.
등록실용신안 20-0198043호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고고도의 상공에 위치한 공기의 에너지를 저장하여 필요에 따라 활용할 수 있도록 된 새로운 구조의 고고도 대기 에너지 저장장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공기를 저장할 수 있도록 된 에어탱크(10)와, 상하방향으로 연장되도록 구비되어 하단이 상기 에어탱크(10)에 연결된 급기관(20)과, 상공에 구비되어 상기 급기관(20)의 상단에 연결되며 바람을 이용하여 공기를 압축하여 상기 급기관(20)을 통해 에어탱크(10)로 공급하는 압축수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고고도 대기 에너지 저장장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 압축수단(30)에 연결되어 압축수단(30)이 상공에 떠있도록 부력을 제공하는 부력체(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고고도 대기 에너지 저장장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 압축수단(30)의 둘레면에 형성된 도전층(60)과, 상기 도전층(60)에 연결되어 도전층(60)에 인가된 전기를 저장하는 축전수단(70)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고고도 대기 에너지 저장장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상단은 상기 압축수단(30) 또는 부력체(40)에 연결되고 하단은 지면에 고정된 고정케이블(50)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고고도 대기 에너지 저장장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 급기관(20)의 중간부에 구비되어 급기관(20)의 중간부를 개폐하는 개폐밸브(80)와, 상기 급기관(20)의 중간부에 구비되며 고고도의 공기를 상기 압축수단(30)과 급기관(20)을 통해 흡입 및 가압하여 상기 에어탱크(10)에 저장하는 급기펌프(90)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고고도 대기 에너지 저장장치가 제공된다.
본 발명에 따른 고고도 대기 에너지 저장장치는 공기를 저장할 수 있도록 된 에어탱크(10)와, 상하방향으로 연장되도록 구비되어 하단이 상기 에어탱크(10)에 연결된 급기관(20)과, 상공에 구비되어 상기 급기관(20)의 상단에 연결되며 바람을 이용하여 공기를 압축하여 상기 급기관(20)을 통해 에어탱크(10)로 공급하는 압축수단(30)이 구비되어, 고고도에 불어오는 바람에 의해 공기가 압축되어 에어탱크(10)에 저장되도록 할 수 있다.
따라서, 별도의 동력 없이 저온의 압축 공기를 생성하여 다양한 종류의 장치를 구동함으로 친환경 에너지를 공급할 수 있다.
여기에 추가적으로 압축수단(30) 및 부력체(40)의 표면에 도전층을 통하여 수집된 전기를 축전장치(70)에 저장함으로써 추가적인 친환경 전기 에너지를 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고고도 대기 에너지 저장장치를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 고고도 대기 에너지 저장장치의 압축수단을 도시한 측단면도,
도 3은 본 발명에 따른 고고도 대기 에너지 저장장치의 압축수단의 분해상태를 도시한 측단면도,
도 4는 본 발명에 따른 고고도 대기 에너지 저장장치의 압축수단을 도시한 평단면도,
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 고고도 대기 에너지 저장장치의 변형예를 도시한 참고도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 고고도 대기 에너지 저장장치를 도시한 것으로, 공기를 저장할 수 있도록 된 에어탱크(10)와, 상하방향으로 연장되도록 구비되어 하단이 상기 에어탱크(10)에 연결된 급기관(20)과, 상공에 구비되어 상기 급기관(20)의 상단에 연결되며 바람을 이용하여 공기를 압축하여 상기 급기관(20)을 통해 에어탱크(10)로 공급하는 압축수단(30)과, 상기 압축수단(30)에 구비되어 압축수단(30)이 상공에 떠있도록 부력을 제공하고 표면에 도전층이 형성된 부력체(40)와, 상단은 상기 압축수단(30)에 연결되고 하단은 지면에 고정된 고정케이블(50)과, 상기 압축수단(30)의 표면에 형성된 도전층(60)과, 상기 도전층(60)에 연결되어 생성된 전기를 전달하는 인하도선(61) 및 전기를 저장하는 축전수단(70)과, 상기 급기관(20)의 하부에 구비되어 급기관(20)을 개폐하는 개폐밸브(80)와, 상기 급기관(20)의 하부에 구비된 급기펌프(90)로 구성된다.
이를 자세히 설명하면, 상기 에어탱크(10)는 일반적인 금속제의 탱크 형태로 제작되며, 지면에 설치된 것으로 후술하는 바와 같이, 상기 압축수단(30)과 급기관(20)에 의해 공급된 저온의 압축 공기를 저장할 수 있도록 제작된다.
이때, 상기 에어탱크(10)에 별도의 출력 배기관이 구비되어, 상기 출력 배기관에 다양한 장비를 연결하여 다양한 장비를 작동시키거나, 냉방용 공기로 사용할 수 있다.
상기 급기관(20)은 적절한 탄성과 강도를 갖는 합성수지재 및 절연기능을 갖춘 금속재 등을 사용할 수 있다.
상기 압축수단(30)은 도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 중앙부 하측에 배기구(31a)가 형성된 하판(31)과, 상기 하판(31)의 상면에서 상측으로 이격되도록 구비된 상판(32)과, 상기 하판(31)과 상판(32)의 사이에 상기 배기구(31a)를 중심으로 방사방향으로 연장되도록 구비되어 상기 하판(31)과 상판(32)의 사이에 공기가 유입되는 복수개의 급기통로(34)를 형성하는 복수개의 격판(33)으로 구성된다.
이때, 상기 하판(31)과 상판(32) 및 격판(33)은 중앙부로 갈수록 하향되도록 구성된다.
즉, 상기 하판(31)은 상기 배기구(31a)쪽으로 하향되도록 구성된 깔때기 형상으로 구성된다.
상기 상판(32)은 중앙부가 하측으로 돌출된 콘형상으로 구성된다.
상기 격판(33)은 수직으로 세워진 패널형상으로 구성되며, 상하단은 상기 하판(31)의 상면과 상판(32)의 하측면의 형태에 대응되도록 구성된다.
그리고, 상기 하판(31)과 격판(33) 및 상판(32)은 상기 급기통로(34)의 면적이 중앙부로 갈수록 좁아지도록 구성된다.
따라서, 주변에서 바람이 불어올 경우, 공기가 상기 급기통로(34)를 따라 상기 압축수단(30)의 내부로 유입되면서 점차 속도가 빨라진 후, 상기 배기구(31a)를 통해 하측의 급기관(20)으로 공급되다.
이때, 상기 압축수단(30)은 지면에서부터 2km 이상의 상공, 예를 들어 2km 내지 15km의 상공에 위치할 수 있다.
상기 부력체(40)는 내부에 비중이 낮은 헬륨 가스 등이 충진된 풍선형태로 구성되며, 상기 압축수단(30)의 상측에 고정되어 상기 압축수단(30)이 2km 내지 15km의 상공에 떠있을 수 있도록 한다. 또한, 부력체(40)의 표면에는 금속 그물망 또는 도전성 물질을 포함하는 도전층이 존재하며, 이러한 부력체(40) 표면의 도전층은 압축수단(30)의 도전층(60) 및 인하도선(61)과 연결되고, 축전수단(70)을 통해 최종적으로 대지의 접지와 연결될 수 있다. 따라서, 대기의 운동에 의해 대전된 입자들이 부력체(40)의 도전성 표면에 접촉될 때 전하를 흡수하여 도전층과 대지 사이에 일정 수준의 전위차가 생성될 경우에 축전수단(70)에 전기 에너지가 저장될 수 있다. 아울러, 부력체(40) 표면의 도전층은 부력체(40)의 표면에 직격뢰가 인가될 경우에 낙뢰로부터 부력체(40)를 안전하게 보호하는 역할을 한다. 직격뢰가 인가될 때 순간적인 고전압, 대전류 등이 인하도선(61)을 통해 축전수단(70)으로 공급될 수 있는데, 축전수단(70) 내의 낙뢰보호 기능에 의해 대전류를 대지로 방류시킴으로써 전체 시스템이 보호될 수 있다.
상기 고정케이블(50)은 강도 및 연성이 높고 절연 내력이 우수한 합성수지 및 신소재로 제작되며, 상기 압축수단(30)과 부력체(40)가 움직이지 않도록 고정하는 것으로, 하단에는 지면에 고정된 윈치(51)가 구비되어, 상기 윈치(51)를 풀거나 감아서, 상기 부력체(40)와 압축수단(30)의 높이를 조절하거나 지면으로 내릴 수 있도록 구성된다.
상기 도전층(60)은 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 하판(31)과 격판(33) 및 상판(32)의 표면에 미세한 금속재의 그물망을 부착하거나, 상기 하판(31)과 격판(33) 및 상판(32)의 표면에 도전도장을 하여 구성된 것으로, 상기 부력체(40)의 표면에 형성된 도전층과 전기적으로 연결되고 인하도선(61)과 전기적으로 연결되며, 대기의 마찰로 인해 대전된 입자들이 상기 도전층(60)에 접촉될 때 입자의 전하를 흡수하여 도전층과 대지 사이에 저장 가능한 전위차가 생성될 경우, 축전수단(70)은 전기 에너지를 저장시킬 수 있다. 아울러, 부력체(30) 표면의 도전층은 상기 도전층(60)에 직격뢰가 인가되는 경우에 압축수단(30)을 낙뢰로부터 보호하는 역할을 한다. 직격뢰가 인가될 때 순간적인 고전압, 대전류 등이 인하도선(61)을 통해 축전수단(70)으로 공급될 수 있는데, 축전수단(70) 내의 낙뢰보호 기능에 의해 대전류를 대지로 방류시킴으로써 전체 시스템이 보호될 수 있다.
인하도선(61)에 의해 상기 축전수단(70)에 연결되어, 고고도의 대기 중에 위치한 압축수단(30) 또는 부력체(40)의 표면에 접촉된 대전입자의 전기 에너지를 수집하여 인하도선(61)을 통해 상기 축전수단(70)으로 공급할 수 있다.
상기 축전수단(70)은 다량의 배터리가 내장된 것으로, 지면에 구비되며, 상기 인하도선(61)을 통해 상기 도전층(60)에 연결되어, 상기 도전층(60)을 통해 수집된 전기 에너지를 저장할 수 있도록 구성된다. 또한 낙뢰보호 장비 등의 기본적인 보호 요소를 갖추도록 구성된다.
상기 개폐밸브(80)는 상기 압축수단(30)에 의해 수집되어 상기 급기관(20)을 통해 에어탱크(10)로 공급되는 공기의 흐름을 조절하는 것으로, 상기 에어탱크(10)쪽으로 개방되는 체크밸브 형태로 구성되어, 상기 압축수단(30)에 의해 수집된 공기는 에어탱크(10)로 공급되고, 에어탱크(10) 내부의 공기는 급기관(20)을 역류하여 상기 압축수단(30)쪽으로 배출되지 못하도록 한다.
상기 급기펌프(90)는 필요에 따라 구동하는 장비로, 구동 시 고고도의 공기를 상기 압축수단(30)과 급기관(20)을 통해 흡입한 후, 가압하여 상기 에어탱크(10)에 저장하는 것으로, 바람이 충분히 강하지 않을 경우 또는 에어탱크(10) 내의 공기 압력을 높일 필요가 있을 경우, 상기 급기펌프(90)를 구동시키면 공기가 상기 압축수단(30)과 급기관(20)을 통해 강제로 흡입되어 상기 에어탱크(10)에 저장된다.
이와 같이 구성된 고고도 대기 에너지 저장 장치는 공기를 저장할 수 있도록 된 에어탱크(10)와, 상하방향으로 연장되도록 구비되어 하단이 상기 에어탱크(10)에 연결된 급기관(20)과, 상공에 구비되어 상기 급기관(20)의 상단에 연결되며 바람을 이용하여 공기를 압축하여 상기 급기관(20)을 통해 에어탱크(10)로 공급하는 압축수단(30)이 구비되어, 고고도에서 부는 강한 바람에 의해 공기가 압축되어 에어탱크(10)에 저장되도록 할 수 있다.
따라서, 별도의 동력을 이용하지 않고도, 압축 공기를 얻을 수 있으며, 이와 같이 얻어진 고압의 공기를 이용하여 다양한 종류의 장치를 구동함으로써, 친환경 에너지를 공급할 수 있는 장점이 있다.
특히, 상기 에어탱크(10)에 저장되는 고고도의 공기는 지면에 가까운 공기에 비해 온도가 낮으므로 냉방에 활용되면 여름철 최대 전력을 크게 낮출 수 있다.
그리고, 상기 압축수단(30)에는 압축수단(30)이 상공에 떠있도록 부력을 제공하는 부력체(40)가 연결됨으로, 상기 압축수단(30)이 고고도에 효과적으로 떠있도록 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 압축수단(30)의 표면에 형성된 도전층(60)과, 상기 도전층(60)에 연결되어 도전층(60)에 인가된 전기를 저장하는 축전수단(70)이 더 구비되어, 고고도의 공기에 발생된 전기를 효과적으로 수집하여 축전수단(70)에 저장하여 다양하게 활용할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 상기 압축수단(30)에 연결되고 하단은 지면에 고정된 고정케이블(50)이 더 구비됨으로, 부력체(40) 및 압축수단(30)을 최대한 고정 시키고 급기관(20)을 수직 상태로 만들어 효과적인 에너지 흡수 장치를 만들 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 급기관(20)의 하부에 구비되어 급기관(20)을 개폐하는 개폐밸브(80)와, 상기 급기관(20)의 하부에 구비되며 고고도의 공기를 상기 압축수단(30)과 급기관(20)을 통해 흡입 및 가압하여 상기 에어탱크(10)에 저장하는 급기펌프(90)가 더 구비됨으로, 바람이 충분히 강하지 않을 때 , 상기 에어탱크(10)에 저장된 고압의 공기가 급기관(20)과 압축수단(30)을 역류하여 배출되는 것을 방지할 수 있으며, 바람이 충분히 강하지 않을 때 상기 급기펌프(90)를 구동시켜 고고도의 차가운 공기를 강제로 흡입하여 상기 에어탱크(10)에 저장함으로써, 일정 압력의 차가운 공기를 활용할 수 있는 장점이 있다.
본 실시예의 경우, 상기 고정케이블(50)은 상기 압축수단(30)에 연결된 것을 예시하였으나, 상기 고정케이블(50)은 상기 부력체(40)에 연결될 수 있다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 부력체(40)는 설치 지역의 특성 및 급기관(20)의 물리적 특성에 따라 생략될 수 있다.
이러한 경우, 상기 급기관(20)은 절연 내력과 강도가 높으면서 가벼운 합성수지 또는 신소재 재질로 구성되어, 급기관(20)이 상기 압축수단(30)을 지지하도록 구성되며, 상기 압축수단(30) 또는 급기관(20)에는 단부가 지면에 고정된 복수개의 고정케이블(50)가 연결되어, 급기관(20)을 수직으로 유지할 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 압축수단(30)은 도 6 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 상하방향으로 연장되고 상면은 밀폐되고 상단 둘레부에는 복수개의 흡기공(35a)이 형성되며 하단에는 상기 급기관(20)이 연결되는 연결관(35)과, 상기 연결관(35)의 상단과 하측 둘레부에서 외측으로 연장된 상하측 가이드판(36, 37)과, 상기 상하측 가이드판(36,37)의 사이에 방사방향으로 연장되도록 구비되어 상기 상하측 가이드판(36,37) 사이의 공간을 복수개로 분할하는 복수개의 격판(38)과, 상기 연결관(35)의 내주면에 상하방향으로 회동되도록 결합되어 하강시 상기 흡기공(35a)을 밀폐하는 댐퍼판(39)과, 상기 댐퍼판(39)의 내측에 결합되어 댐퍼판(39)이 하측으로 회동되어 상기 흡기공(35a)을 밀폐하도록 하는 무게추(39a)로 구성될 수 있다.
이때, 상기 흡기공(35a)은 상기 연결관(35)의 표면에 상호 일정한 각도로 이격되도록 제작된다. 이와 같이 구성된 압축수단(30)은 한쪽에서 바람이 불어올 경우, 도 8에 도시한 바와 같이, 바람이 불어온 쪽의 흡기공(35a)에 구비된 댐퍼판(39)이 상측으로 회동되면서 흡기공(35a)을 개방하여 바람이 상기 연결관(35)을 통해 급기관(20)의 내부로 유입되도록 하며, 다른 쪽의 댐퍼판(39)은 열리지 않아서, 바람이 유출되는 것을 막아 상기 급기관(20)으로 효과적으로 유입되는 장점이 있다.
10. 에어탱크 20. 급기관
30. 압축수단 40. 부력체
50. 고정케이블 60. 도전층
70. 축전수단 80. 개폐밸브
90. 급기펌프

Claims (5)

  1. 공기를 저장할 수 있도록 제작된 에어탱크(10)와,
    상하방향으로 연장되도록 구비되어 하단이 상기 에어탱크(10)에 연결된 급기관(20)을 구비하고, 2km 내지 15km의 상공에 위치하여 상기 급기관(20)의 상단에 연결되며, 바람을 이용하여 공기를 압축하여 상기 급기관(20)을 통해 상기 에어탱크(10)로 압축된 공기를 공급하는 압축수단(30)을 포함하되,
    상기 압축수단(30)은, 일 방향으로 개방되는 댐퍼판(39)을 구비하여 상기 급기관(20) 내부의 바람이 외부로 유출되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는
    고고도 대기 에너지 저장장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압축수단(30)에 연결되어 압축수단(30)이 상공에 떠있도록 부력을 제공하며, 표면에 도전층을 갖춘 부력체(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    고고도 대기 에너지 저장장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 압축수단(30)의 표면 또는 부력체(40)의 표면에 형성되어 대기의 마찰로 인해 대전된 입자들이 접촉될 때 입자의 전하를 흡수하여 대지 사이에 저장 가능한 전위차를 생성하는 도전층(60)과,
    인하도선(61)을 통해 상기 도전층(60)과 연결되어 상기 도전층(60) 또는 부력체(40)에 의해 생성된 전위차에 따라 전기 에너지를 저장하는 축전수단(70)을 더 포함하는
    고고도 대기 에너지 저장장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상단은 상기 압축수단(30) 또는 부력체(40)에 연결되고 하단은 지면에 고정된 고정케이블(50)을 더 포함하고,
    상기 압축수단(30)은,
    상하방향으로 연장되고 상면은 밀폐되고 상단 둘레부에는 복수개의 흡기공(35a)이 형성되며 하단에는 상기 급기관(20)이 연결되는 연결관(35)과,
    상기 연결관(35)의 상단 둘레부에서 외측으로 연장된 상측 가이드판(36)과,
    상기 연결관(35)의 하단 둘레부에서 외측으로 연장된 하측 가이드판(37)과,
    상기 상측 가이드판(36) 및 상기 하측 가이드판(37)의 사이에 방사방향으로 연장되도록 구비되어 상기 상측 가이드판(36) 및 상기 하측 가이드판(37) 사이의 공간을 복수개로 분할하는 복수개의 격판(38)과,
    상기 댐퍼판(39)의 내측에 결합되어 댐퍼판(39)이 하측으로 회동되어 상기 흡기공(35a)을 밀폐하도록 하는 무게추(39a)를 포함하는
    고고도 대기 에너지 저장장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 급기관(20)의 중간부에 구비되어 급기관(20)의 하부를 개폐하는 개폐밸브(80)와, 상기 급기관(20)의 하부에 구비되며 고고도의 공기를 상기 압축수단(30)과 급기관(20)을 통해 흡입 및 가압하여 상기 에어탱크(10)에 저장하는 급기펌프(90)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고고도 대기 에너지 저장장치.
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