KR101708566B1 - 콘크리트를 이용한 고온용 축열모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 시공이 간편하고 효율이 우수하며, 저비용으로 구축할 수 있는 고온 에너지 축열 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 프리캐스트 콘크리트를 적용한 축열시스템을 제안한다. 즉, 축열시스템 시공 현장에서 타설하는 콘크리트가 아닌 미리 공장에서 모듈 단위로 생산된 콘크리트를 이용하여 시공한다.
또한, 콘크리트의 열 전달을 향상시키기 위해 프리캐스트 콘크리트 축열 모듈 사이에 열 전달 멤브레인을 설치한다.
상기에서 열 전달 멤브레인은 수평, 수직 또는 수평과 수직으로 설치할 수 있다.

Description

콘크리트를 이용한 고온용 축열모듈{ENERGY STORAGE MODULE FOR HIGH TEMPERATURE USING CONCRETE}

본 발명은 고온의 열 에너지를 저장하는 축열 모듈에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 콘크리트를 이용한 축열 모듈에 관한 것이다.

화석연료 대신에 대체에너지를 이용한 발전시스템의 개발이 이루어지고 있으며, 이중 태양열을 이용한 발전시스템의 기술개발이 증가하고 있다. 태양열 발전시스템은 크게 (1) 태양열을 모으는 집열장치, (2) 태양열을 저장하는 축열장치 및 (3) 열에너지를 이용하여 전기를 생산하는 발전장치로 구성된다.

태양열은 흐린 날씨나 밤에 발전을 제한받기 때문에 축열장치의 구비가 중요하다. 태양열 발전소에서 태양열을 저장하기 위한 축열시스템 (thermal energy storage, TES)은 태양열 에너지를 꾸준히 사용하기 위해 태양열 에너지를 축열하는 역할을 한다. 축열시스템에 저장된 에너지는 일사량이 적은 흐린 날씨나 밤 또는, 전력공급량이 수요량보다 적을 때 활용될 수 있다. 축열 방식으로서 현열저장과 잠열저장이 있으며, 현열저장은 액체 또는 고체 매체의 온도를 상승시켜 열에너지를 저장하는 기술이다. 저온의 축열시스템이 요구되는 경우, 물을 이용한 현열저장 (sensible heat) 기술을 이용한다.

그러나, 고온의 열저장시스템의 경우, 100℃를 초과할 때 비압축성 물은 저장매체로서 이용할 수 없다. 따라서 압력용기가 필요하지만 이 압력용기의 개발과 설계에 따른 높은 비용 때문에 이 기술의 경제성은 떨어진다.

잠열 저장 (laten heat storage)은 고체상태에서 액체상태로 전이되는 상 변화 재료 (phase change materials)의 열을 통하여 에너지를 저장하는 방법이다.

고온의 태양열을 활용하는 태양열발전소에서 대표적인 축열시스템은 두 개의 용융염 탱크를 이용하여 축열을 하는 기법이다. 하나의 탱크는 고온의 용융염 탱크 (hot molten salt tank)이고, 또 다른 탱크는 저온의 용융염 탱크 (cold molten salt tank)이다.

그러나, 기존의 용융염과 같은 액체 대신에 가격이 훨씬 저렴한 고체를 축열매체로 이용하는 기술이 유리하다. 고체를 축열매체로 이용할 때, 고온 및 저온의 용융염 액체가 별도로 저장되는 두 개의 탱크가 필요 없다. 고체 축열매체로써는 콘크리트, 주철, 주강, 실리카 내화벽돌, 마그네시아 내화벽돌 등이 있으며, 이중 콘크리트가 가장 저렴하다.

종래, 축열 시스템을 콘크리트로 만들 경우, 도 1의 사진에 보인 바와 같이, 현장에서 유체를 흐르게 하는 파이프를 다수 설치한 다음 콘크리트를 위에서부터 채워 시공하게 되는데, 이러한 시공은 쉽지 않은 편에 속한다. 게다가 먼저 유체 파이프를 시공한 다음, 거푸집을 만들고 콘크리트를 위에서 아래로 타설하여 주는 과정에서 파이프가 손상되는 문제도 발생될 수 있다.

대한민국공개특허1020060009583호의 태양열 축열 시스템은 파이프와 흡열판을 축열 탱크에 구성하나 대형 축열시스템의 편리한 시공에는 도움을 주지 못한다.

따라서 본 발명의 목적은 시공이 간편하고 효율이 우수하며, 저비용으로 구축할 수 있는 고온 에너지 축열 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 프리캐스트 콘크리트를 적용한 축열시스템을 제안한다. 즉, 축열시스템 시공 현장에서 타설하는 콘크리트가 아닌 미리 공장에서 모듈 단위로 생산된 콘크리트를 이용하여 시공한다.

또한, 콘크리트의 열 전달을 향상시키기 위해 프리캐스트 콘크리트 축열 모듈 사이에 열 전달 멤브레인을 설치한다.

상기에서 열 전달 멤브레인은 수평, 수직 또는 수평과 수직으로 설치할 수 있다.

본 발명에 따르면 프리캐스트 콘크리트 모듈을 이용하므로 축열시스템의 시공이 매우 간편하다. 즉, 프리캐스트 콘크리트를 조립하여 축열시스템을 완공할 수 있어 매우 간편하다.

또한, 본 발명에 따른 프리캐스트 콘크리트는 멤브레인을 구비하여 열 전달 효율이 우수하다.

또한, 본 발명에 따르면, 프리캐스트 콘크리트 모듈을 제작할 때 유체 파이프와 멤브레인을 개별 모듈 별로 설치하기 때문에 유체 파이프가 콘크리트에 의해 손상될 염려가 없다.

도 1은 종래 콘크리트를 이용한 축열 시스템의 시공을 보여주는 사진이다.
도 2는 축열시스템에 대한 단면도와 열 전달 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 프리캐스트 콘크리트 모듈의 일 실시예를 설명하기 위한 단면도와 분해 단면도 및 열 전달 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 프리캐스트 콘크리트 모듈의 또 다른 일 실시예를 설명하기 위한 단면도와 분해 단면도 및 열 전달 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 프리캐스트 콘크리트 모듈의 또 다른 일 실시예를 설명하기 위한 단면도와 분해 단면도 및 열 전달 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 프리캐스트 콘크리트 모듈의 또 다른 일 실시예를 설명하기 위한 단면도와 분해 단면도 및 열 전달 모식도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 콘크리트를 이용한 축열시스템의 단면도이다.

태양열에 의해 열 전달 매체(유체 등)의 온도는 400 내지 600℃의 고온에 도달한다. 따라서 이러한 고온의 유체가 콘크리트 사이를 흐르면서 콘크리트에 열을 전달하여 축열을 하고, 태양열 발전이 어려울 때, 마치 전지에서 전기에너지를 방전시켜 사용하듯, 콘크리트에 저온의 유체를 순환시켜 발전 동력을 얻는다. 축열을 위한 프리캐스트 콘크리트 모듈의 기본적인 구성은 도 2에서와 같이 콘크리트(100)와 그 내부에 매설된 유체용 파이프(200)로 이루어진다. 프리캐스트 콘크리트 모듈은 콘크리트 안에 파이프를 매설하여 마치 개개의 블록과 같이 제작된다. 파이프를 구심으로 하여 유체(300)는 방사상으로 열을 전달하여 콘크리트의 온도를 올려 축열 된다. 이러한 파이프(200)는 열 전도도가 우수한 금속으로 구성되며, 예를 들면 알루미늄일 수 있다. 프리캐스트 콘크리트 모듈은 대형의 태양열 발전소의 축열시스템 시공을 간편하게 하여줄 수 있으며, 가정용이나 빌딩과 같은 개별 건물용 태양열 발전시설의 축열 시스템을 지을 때, 더욱 간편하게 시공할 수 있다. 즉, 프리캐스트 콘크리트 모듈을 조립설치하는 것으로 시공이 완성될 수 있기 때문이다. 가정용이나 개별 건물용 축열 시스템의 경우, 프리캐스트 콘크리트 모듈의 조립 갯 수가 적어 더욱 편리한 시공이 될 수 있다. 특히, 태양열 발전소를 하나의 지자체 단위로 구축하는 경우, 축열 시스템을 발전소뿐 아니라 개별 사용자, 즉, 주택이나 건물 단위에 별도로 추가 설치할 수 있으며, 이러한 경우, 시공의 간편한 프리캐스트 콘크리트 모듈의 사용은 태양열 발전의 보급을 확대할 수 있을 것이다.

도 3은 프리캐스트 콘크리트 모듈의 열 전달 효율 및 축열을 향상시키기 위하여 파이프(200)와 더불어 열전도도가 높은 소재로 된 멤브레인(400)을 콘크리트(100) 사이에 내장시킨 것을 보여준다. 즉, 하나의 프리캐스트 콘크리트 모듈(500)은 여러 개의 콘크리트(100) 단편 사이에 파이프(200)와 파이프(200)를 포위하며 콘크리트(100)를 가로지르는 멤브레인(400)이 배열된 샌드위치 구조이다. 이러한 프리캐스트 콘크리트 모듈(500)은 파이프(200)를 중심으로 열 전달 유체(300)에 의한 열의 등방성 방사 외에 콘크리트(100)를 가로지르는 멤브레인(400) 면이 수직방향으로 방사하는 열에 의해 신속하게 콘크리트(100)를 승온시켜 축열 시간을 단축한다. 이는 마치 배터리 충전 속도를 빨리하는 것과 같은 효과를 낸다.

대규모 콘크리트 축열 블록의 축열 효율성을 향상시키기 위해서는 고온의 콘크리트 축열 온도를 짧은 기간 내에 높이는 것이 유리하며, 이를 위해서는 파이프의 배열 간격이 좁아야 하며, 파이프의 간격을 좁히기 위해서는 파이프의 개수가 증가하고 이에 따라 시공비용이 상승한다.

반면에, 본 발명은 축열 모듈 사이에 열전도율이 높은 멤브레인을 설치하기 때문에, 열전달 파이프로부터 멤브레인을 통해 콘크리트 내부로 더욱 빠르게 열을 전달할 수 있다. 따라서, 멤브레인이 없는 경우에 비해 멤브레인을 설치하는 경우, 열전달 파이프의 개수를 줄일 수 있고 이에 따라 시공 비용이 절감되면서도 열 전달 효율을 더욱 높일 수 있다.

파이프(200)의 분포를 균일하게 하는 것이 바람직하며, 단면에서 볼 때 정방형의 마름모의 꼭지점에 해당하는 위치마다 파이프(200)가 배치되게 하였다. 파이프(200)가 배치되어 구성된 하나의 면에 파이프(200)의 상부와 하부에 각각 멤브레인(400)을 배치하여 파이프(200)를 포위하게 하고 이러한 멤브레인(400)을 사이에 두고 콘크리트(100) 단편이 배치되어 샌드위치 구조를 형성한다.

도 4는 멤브레인(400)에 의한 열 전달이 수직과 수평 방향에서 이루어지도록 멤브레인(400)을 수직과 수평 방향으로 배치한 경우이다. 즉, 콘크리트(100) 단면의 상하부에 각각 열 전달 유체를 흘려줄 파이프(200)를 배치하고, 상기 파이프(200)를 상하에서 포위하는 멤브레인(400)을 배치하는 것은 도 3과 같으나, 도 4는 콘크리트(100) 단편의 양면에도 멤브레인(400)을 배치하여 멤브레인(400)에 의해 콘크리트를 수직으로 열을 전달함과 동시에 수평으로도 전달하게 된다. 또한, 파이프의 위아래를 둘러싼 수평 멤브레인을 수직 멤브레인에 접합시킨다. 따라서 고온의 액체가 흐르는 파이프로부터 먼저 수평 멤브레인을 통해 열이 전달되며, 이후 수직 멤브레인을 통해 콘크리트 내부로 열을 빠르게 전달할 수 있다. 따라서 더욱 신속하게 축열 될 수 있다.

도 5는 도 4와 실질적으로 동일한 원리로 프리캐스트 콘크리트 모듈(700)이 구성되나 도 4를 90°회전시켜 놓은 상태이다. 따라서 축열의 효율 향상 효과는 도 4의 경우와 거의 같다. 고온의 액체가 흐르는 파이프로부터 먼저 수직멤브레인을 통해 열이 전달되며, 이후 수평 멤브레인을 통해 콘크리트 내부로 열을 빠르게 전달할 수 있다. 축열 시스템을 시공하는 공간 형태에 맞게 도 4 또는 도 5의 콘크리트 모듈을 선택할 수 있다.

도 6은 도 4의 콘크리트(100) 단편의 중간에 멤브레인(400)을 하나 더 추가한 형태의 프리캐스트 콘크리트 모듈(800)이다. 즉, 콘크리트(100) 단편의 어느 한쪽, 즉, 도면에서는 좌측에 파이프(200)와 파이프(200)를 샌드위치 구조로 포위하는 두 겹의 멤브레인(400)이 배치되고, 콘크리트(100) 단편의 나머지 삼면은 모두 멤브레인(400)을 배치하여 포위한다. 또 다른 콘크리트(100) 단편은 우측에 파이프(200)와 파이프(200)를 샌드위치 구조로 포위하는 두 겹의 멤브레인(400)이 배치되고, 콘크리트(100) 단편의 나머지 삼면은 모두 멤브레인(400)을 배치하여 포위하여 좌측에 파이프(200)와 파이프(200)를 샌드 하여 포위하는 두 겹의 멤브레인(400)이 배치된 콘크리트 단편과 접합하면서 콘크리트 모듈(800)을 구성한다. 이때, 콘크리트 단편과 단편이 접하는 경계면에는 멤브레인(400) 하나만 배치하면 된다. 고온의 액체가 흐르는 파이프로부터 먼저 수직멤브레인을 통해 열이 전달되며, 이후 수평 멤브레인을 통해 콘크리트 내부로 열을 빠르게 전달할 수 있다. 편의상 좌측면에 파이프가 배치되는 콘크리트 단편을 제1 콘크리트 단편, 우측에 파이프가 배치되는 것을 제2 콘크리트 단편으로 칭할 수 있다. 제1 콘크리트 단편과 제2 콘크리트 단편이 서로 멤브레인을 사이에 두고 접하여 조립되면서 콘크리트 모듈을 형성한다.

이와 같은 구조의 콘크리트 모듈(800)은 더욱 밀도 있게 멤브레인(400)이 들어있어 축열 효율이 크게 향상된다.

멤브레인(400)의 소재는 열 전도도가 우수한 알루미늄, 또는 그라파이트가 바람직하다. 프리캐스트 콘크리트 모듈의 조립 시공으로 축열 시스템을 구축한 다음 최종적인 마감재로는 단열재를 사용하여 열이 방열되지 않게 한다.

프리캐스트 콘크리트 모듈의 제조는 콘크리트 단편을 블록 만드는 과정과 동일하게 만들고, 파이프와 파이프를 감쌀 수 있는 형태의 멤브레인 또는 콘크리트 단면 사이에 파티션을 형성할 수 있는 평면상의 멤브레인을 만들어 이들을 시멘트 등의 접착제를 이용하여 조립하는 방법을 통해 이루어질 수 있다.

이와 같이 하여, 프리캐스트 콘크리트 모듈을 이용하여 태양열 발전소용 축열 시스템을 간편하게 시공할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 콘크리트
200: 파이프
300: 유체
400: 멤브레인
500, 600, 700, 800: 콘크리트 모듈

Claims (6)

1. 콘크리트 축열시스템을 제작하기 위한 프리캐스트 콘크리트 모듈로서,
   프리캐스트 콘크리트 모듈은 콘크리트 내부에 다수의 열전달 유체용 파이프를 포함한 블록 형태로 제작되어, 축열시스템 구축 시, 상기 프리캐스트 콘크리트 모듈을 조립하는 것으로서 시공이 이루어질 수 있고,
   콘크리트의 열전달을 향상시키기 위해 프리캐스트 콘크리트 모듈 내에 열 전도성을 갖는 멤브레인을 구비하며,
   콘크리트 단편과 단편 사이에 열전달 유체용 파이프들을 콘크리트 단편의 좌우에 소정 간격으로 배열하고, 상기 파이프를 상하로 둘러싸도록 수직 멤브레인을 배치하고, 콘크리트 단편의 상하면에 별도의 수평 멤브레인을 배치하되, 상기 수평 멤브레인과 수직 멤브레인의 단부가 서로 접하게 배치되어 인접한 콘크리트 단편과 조립되어 콘크리트 단편 사이사이에 열전달 유체용 파이프와 멤브레인이 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 프리캐스트 콘크리트 모듈.
   
   
   
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6. 콘크리트 축열시스템을 제작하기 위한 프리캐스트 콘크리트 모듈로서,
   프리캐스트 콘크리트 모듈은 콘크리트 내부에 다수의 열전달 유체용 파이프를 포함한 블록 형태로 제작되어, 축열시스템 구축 시, 상기 프리캐스트 콘크리트 모듈을 조립하는 것으로서 시공이 이루어질 수 있고,
   콘크리트의 열전달을 향상시키기 위해 프리캐스트 콘크리트 모듈 내에 열 전도성을 갖는 멤브레인을 구비하며,
   제1 콘크리트 단편의 좌측에 열전달 유체용 파이프를 배열하고, 상기 파이프를 상하로 둘러싸도록 수직 멤브레인을 배치하고, 제1 콘크리트 단편의 상하면에 별도의 수평 멤브레인을 배치하되, 상기 수평 멤브레인과 수직 멤브레인의 단부가 서로 접하게 배치되고, 제2 콘크리트 단편의 우측에 열전달 유체용 파이프를 배열하고, 상기 파이프를 상하로 둘러싸도록 수직 멤브레인을 배치하고, 제2 콘크리트 단편의 상하면에 별도의 수평 멤브레인을 배치하되, 상기 수평 멤브레인과 수직 멤브레인의 단부가 서로 접하게 배치되고, 상기 제1 콘크리트 단편 우측과 제2 콘크리트 단편의 좌측이 서로 접하되, 제1 콘크리트 단편 우측과 제2 콘크리트 단편의 좌측 사이에 수직 멤브레인이 배치되고, 수직 멤브레인은 수평 멤브레인과 접하게 되어 조립되어 콘크리트 단편 사이사이에 멤브레인이 배치되고, 콘크리트 단편 사이를 하나 걸러 열전달 유체용 파이프가 배치되게 구성되는 것을 특징으로 하는 프리캐스트 콘크리트 모듈.
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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