KR101984334B1 - 파이프라인 시스템 및 파이프라인 시스템의 배수 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 용융염이 통과하여 흐르는 적어도 하나의 파이프라인(5), 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함하되, 상기 용융염이 통과하여 흐르는 파이프라인(5)이 수평면에 대해 경사져 있는 적어도 하나의 구배를 가지며 가장 낮은 위치에서 배수 밸브(25)를 경유하여 배수 라인(27)에 연결되고 가장 높은 위치에서 배기 밸브(23)에 각각 연결되는, 용용염 이송용 파이프라인 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 파이프라인 시스템을 배수하는 방법에 관한 것이다.

Description

파이프라인 시스템 및 파이프라인 시스템의 배수 방법{PIPELINE SYSTEM AND METHOD FOR DRAINING A PIPELINE SYSTEM}
본 발명은 용융염이 통과하여 흐르는 적어도 하나의 파이프라인, 적어도 하나의 유입구(inlet) 및 적어도 하나의 유출구(outlet)를 포함하는 용용염 이송용 파이프라인 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 용용염 이송용 파이프라인 시스템의 배수 방법에 관한 것이다.
용용염 이송용 파이프라인 시스템은 예를 들면 태양광 발전소, 특히 파라볼릭 트로프 태양광 발전소(parabolic trough solar power plant) 또는 프레넬 발전소(Fresnel power plant)에서 사용된다. 파이프라인 시스템은 일반적으로는 태양광 발전소에서 태양 에너지를 수집하는데 사용되는 네트워크 형태로 구성된다. 이러한 태양광 발전소에서, 태양의 복사 에너지는 파라볼릭 미러(parabolic mirror)에 의해 수신기(receiver)상에 집중된다. 파라볼릭 미러와 수신기의 조합은 수집기(collector)라 지칭된다. 일직선으로 늘어선 수집기는 직렬로 연결되어 솔라 루프(solar loop)를 형성한다. 이를 위하여, 수신기는 파이프라인 시스템에 제각기 연결되거나 또는 파이프라인 시스템의 일부분을 구성한다. 수신기에 의해 수집된 복사 에너지를 전달하는 열전달 액체는 파이프라인을 통하여 흐른다.
현재는, 특히 열전달 액체로서 비페닐/디페닐 에테르 혼합물이 사용되고 있지만, 이들의 최대 작동 온도는 약 400℃의 그의 분해온도로 제한된다. 더 우수한 효율을 가능하게 하는 더 높은 작동 온도를 달성하기 위해서는, 다른 열전달 액체가 필요하다. 이러한 목적을 위하여 특히 사용되는 것은 용융염, 예를 들면 질산나트륨과 질산칼륨의 60:40 혼합물인 소위 천일염(solar salt)이다.
그러나, 이러한 용융염의 단점은 그들이 높은 융점을 갖는다는 점이다. 질산나트륨/질산칼륨 혼합물은 예를 들면 공융계, 다시 말하면 44:56의 혼합비에서는 218℃의 온도에서 녹는다. 태양광 발전소에서 직면하게 되는 바와 같은 긴 파이프라인 시스템에서는, 높은 융점을 갖는 용융염을 확실하게 다루기가 어렵다. 용융염의 동결은 파이프라인 시스템에서 커다란 경제적인 피해를 야기할 수 있다. 이러한 피해의 한가지 이유는, 예를 들면, 그들이 녹을 경우의 염의 큰 부피 팽창이다. 밸브 및 파이프라인이 압력을 받아 크게 손상될 위험이 있다.
용융염이 동결하는 경우(이는 태양광 발전소가 작동하지 않을 때, 다시 말하면 태양이 비추지 않을 때에 필수적으로 일어날 수 있다) 또는 태양열 복사가 날씨 때문에 방해를 받을 경우, 부피 수축이 발생하여 파이프라인 시스템 및 작동 상태에 따라 상이한 고화 상태를 초래할 수 있다. 일반적으로는 환기되지 않았을 때, 진공 버블이 파이프라인내에서 생성되고 서로 병합되어 더 많거나 적은 크기가 변할 수 있는 단위를 형성할 것으로 생각된다. 재용융이 발생할 경우, 부피 팽창이 일어나는 용융 부위와 진공 영역사이의 공간 거리(spatial distance)가 상당히 커지기 때문에, 부피 보정(volume compensation)이 부족하게 되어 압력 상승이 완화될 수 있다.
용융염이 파이프라인 시스템내에서 동결하는 것을 방지하기 위하여, 작동하지 않는 긴 시간 동안 파이프라인 시스템을 배수시키는 것이 관례이다. 그러나, 용용염용의 저장 용기를 가진 현재의 파이프라인 시스템의 경우에는, 배수가 오래 걸려 특히 정전되는 경우, 예를 들면 전기적 고장이 일어날 경우를 확실하게 보장할 수 없으므로, 특히 이러한 경우에 파이프라인에 대한 손상이 일어날 수 있다.
배수를 위하여, 현재는 피트(pit)내에 설치되어 용기 트로프(container trough)에 의해 유출에 대해 보호하는 배수 용기가 설치되어 있다. 파이프라인 시스템에 의해 형성되는 개개의 솔라 루프는 배수 도중에 파이프라인내에 함유된 액체가 구배(gradient)로 인하여 배수 용기의 방향으로 이동하도록 약 0.3%의 경미한 구배를 갖는다.
단지 하나의 배수 용기를 가진 현대식 시스템에서, 사용되는 경미한 구배는 특히 파라볼릭 트로프 태양광 발전소 또는 프레넬 발전소에서 사용되고 때로는 100㎞의 파이프라인 길이를 가질 수 있는 바와 같은 긴 파이프라인을 갖는 파이프라인 시스템을 충분히 신속하고 완전하게 배수시키는 데는 일반적으로 불충분하다. 다른 한편으로는, 안전 위치(safety position)를 갖지 않은 밸브 및 콕(cock)을 사용하는 것이 일반적이다. 따라서, 전력 고장이 발생할 경우, 밸브는 예를 들면 솔라 루프를 안전한 배수 상태로 만들지 못할 수 있다. 이러한 경우, 열전달 매질로서 사용되는 염의 동결이 분명히 발생할 것이다. 전원을 대체 공급원으로 대체하는 해법은 시스템내의 모든 기능 문제에 대해 충분히 보장하지 못한다. 마지막으로, 중앙 배수 용기내로의 배수는 긴 흐름 통로 및 흐름 시간을 수반하므로, 열전달 염이 흐르는 도중에 고화될 위험이 있다. 더욱이, 하나의 솔라 루프에서의 문제는 다른 모든 솔라 루프에서 유발되어 라인을 정지시킬 수 있다.
더욱이, 현재 사용되고 있는 파이프라인 시스템에서, 수집기 뱅크(collector bank)는 일반적으로는 가요성 호스 또는 볼-조인트 커넥션을 통과하는 열전달 매질용 분배기에 연결된다. 그러나, 이들은 연속 구배로 구성되지 않는다.
그러나, 배수 도중에, 염 잔사가 가요성 커넥션에 잔류하여 거기에서 고화될 위험이 있다.
현재에는, 용융염으로 인하여 파이프라인내에서 발생하는 문제점들을 최소화하기 위하여 일반적으로는 낮은 융점을 갖는 염이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 용융염들은 많은 단점들을 가지고 있다. 낮은 융점을 갖는 공지된 열전달 염의 예는 나트륨 및 칼륨의 질산염 또는 아질산염의 혼합물, 및 질산칼륨, 질산나트륨 및 질산칼슘의 혼합물이다.
그러나, 이러한 혼합물들은 질산칼륨 및 질산나트륨으로 이루어진 통상적으로 사용되는 천일염보다 더 낮은 열안정성을 가짐으로써, 가동 범위가 500℃ 미만의 온도로 국한된다. 이의 효과는 발전소의 낮은 효율이 허용되어야 한다는 점이다. 이러한 염은 또한 불활성 시스템, 가스 정제 시스템 또는 가스 평형 시스템이 솔라 필드(solar field)내에 설치되어야 하기 때문에 솔라 필드의 영역에서 부수적인 경비(outlay)를 유발하는 폐쇄된 시스템내에서 유지되어야만 한다. 한편으로는 아질산염을 함유하는 염의 경우에는 대기 산소가 아질산염을 질산염으로 산화시키므로 염의 융점이 제어불가능하게 상승할 수 있고, 칼슘을 함유하는 시스템의 경우에는 이산화탄소가 칼슘 이온과 반응하여 불용성 탄산칼슘을 형성하기 때문에, 불활성화는 필수적이다.
다른 대체 염은, 낮은 홀드업(hold-up)을 갖는 시스템에 대해 경제적인 사용이 제한되는, 상당한 양의 고가이지만 쉽게 입수할 수 없는 원소를 함유한다. 이들 염에 있어서의 고가 성분의 예는 리튬, 루비듐 및 세슘이다.
염 이외의 다른 열전달 시스템은 일반적으로 높은 증기압을 갖거나 또는 긴 파이프라인 시스템의 부식 보호를 위한 상당한 경비를 수반한다.
질소로 보호된 배수 탱크가 있는 최저점에서 염욕 반응기를 가열하기 위한 시스템이 화학 산업에 공지되어 있다. 시스템내의 모든 제어 장치는 안전 위치에 있으므로, 의도하지 않은 작동 상태에 놓인 경우에는 열전달 용융염, 일반적으로는 아질산나트륨과 아질산칼륨의 이성분 혼합물은 배수 용기내로 흐른다. 이러한 목표를 달성하기 위하여, 모든 파이프라인은 배수 용기의 방향으로 구배를 갖도록 정렬된다. 파이프라인은 추가의 벤팅(venting)이 전혀 제공되지 않은 경우에 조차도 라인이 비게 되는 그러한 큰 직경을 갖는다. 흐를 수 없는 영역, 예를 들면 상기 제어 장치 및 수직 홈통(downpipe)은 밸브가 차단된 경우에 조차도 그들을 통하여 배수될 수 있는 각자의 배수 라인을 갖는다. 열전달 용융염은 액침 펌프(immersion pump)의 도움을 받아 배수 용기에서 화학 시스템내로 이송된다.
그러나, 염욕 반응기의 이러한 대표적인 해법은 그의 크기가 크기 때문에 솔라 필드에는 적용할 수 없으며 충분하지도 못하다. 예를 들면, 동결을 확실하게 방지하기에는 배수 공정이 너무 길기 때문에 태양광 발전소용으로 하나의 배수 용기를 사용하는 것은 적합하지 않다. 더욱이, 염욕 반응기는 일반적으로 연속적으로 작동된다, 다시 말하면 시스템은 반응기를 가동한 후 다음 교정시까지 연속적으로 작동한다. 그때까지, 시스템은 끊임없이 뜨겁고 시스템의 모든 부품을 관류한다. 이것을 이용하여, 비록 제거하기가 매우 어려울 수 있더라도, 염의 고화로 인하여 발생하는 장애를 피하려는 시도가 있어 왔다. 그러나, 태양광 발전소는 온오프 사이클이 반복된다. 예를 들면, 솔라 필드는 밤에는 복사 에너지를 공급받지 못한다. 솔라 필드에서 시스템의 모든 부품을 연속적으로 뜨겁게 작동시키는 것은 과도한 복사 손실을 유발한다. 따라서, 많은 복사 손실을 피하기 위하여, 특히 심야의 에너지 손실을 낮추기 위해서는 태양광 발전소를 불연속적으로 작동시키는 것이 상책이다.
더욱이, 태양광 발전소에서의 염욕 반응기 및 파이프라인 시스템은 그들의 크기에서 서로 다르다. 예를 들면, 태양광 염욕 반응기는 통상적으로는 기껏해야 수백 미터의 파이프라인 길이를 갖는 반면, 파라볼릭 트로프 태양광 발전소에서의 파이프라인의 길이는 100㎞를 초과할 수 있다. 이는 또한 약 1000배 이상의 양의 염을 수반한다. 따라서, 단지 그의 크기 때문에, 태양광 발전소에서의 그들의 파이프라인 시스템은 예를 들면 염욕 반응기에서의 파이프라인 시스템과 유사한 방식으로 작동시킬 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 태양광 발전소에서 사용될 수 있으며 종래 기술의 단점들을 갖지 않은 용융염 이송용 파이프라인 시스템 및 용융염 이송용 파이프라인 시스템의 배수 방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적은 용융염이 통과하여 흐르는 적어도 하나의 파이프라인, 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함하되, 상기 용융염이 통과하여 흐르는 파이프라인이 수평면에 대해 경사져 있는 적어도 하나의 구배를 가지며 가장 낮은 위치에서는 배수 밸브를 경유하여 배수 라인에 연결되고 가장 높은 위치에서는 배기 밸브에 각각 연결되는, 용용염 이송용 파이프라인 시스템에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 목적은 용융염이 배수 라인을 통하여 파이프라인의 밖으로 흐를 수 있도록 배수 밸브 및 배기 밸브를 배수를 위하여 개방시키는 용융염 이송용 파이프라인 시스템의 배수 방법에 의해 달성된다.
배기 밸브를 제공하는 잇점은 가스가 배수 도중에 파이프라인으로 다시 흘러 들어갈 수 있어서 가스가 다시 흘러 들어 가지 않을 때의 배수와 비교하여 배수가 가속될 수 있다는 점이다. 더욱이, 파이프라인의 내측으로부터 배수하는 동안 용융염이 차단됨이 없이 파이프라인의 직경이 더 작게 유지될 수 있다.
예를 들면, 상응하는 배기 밸브가 없는 폐쇄 시스템에서, 밖으로 흐르는 염은 반대 방향으로 흐르는 공기에 의해 방해를 받는다. 특히, 가는(thin) 파이프라인에서 및 구배가 매우 작은 경우에, 염은 전혀 흘러갈 수 없다.
산소의 존재하에 산화되지 않는 염을 사용할 경우에 배기 밸브를 통하여 파이프라인 시스템에 공급하기에 적합한 가스는, 예를 들면, 공기이다. 따라서, 특히 천일염, 다시 말하면 질산칼륨 및 질산나트륨의 바람직하게는 40:60 비율의 혼합물을 사용할 경우에 공기를 사용하여 배기할 수 있는데, 이때 공기는 수증기 및/또는 이산화탄소를 함유하지 않을 수 있다.
대기중 산소의 존재하에 화학적으로 반응하는 염, 예를 들면 칼슘 이온 또는 아질산염을 함유하는 염을 파이프라인 시스템에서 사용할 경우, 사용되는 염에 대해 불활성인 가스, 예를 들면 질소가 배기 밸브를 통하여 공급될 것이다.
필요한 경우 파이프라인 시스템을 완전히 배수시키기 위하여, 파이프라인 시스템의 모든 구성요소들이 구배를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 파라볼릭 트로프 태양광 발전소에서의 수신기 뱅크는 파라볼릭 미러가 태양의 복사 에너지를 항상 이상적으로 포획할 수 있도록 이동 방식(mobile fashion)으로 정렬된다. 수신기 뱅크를 이동가능하게 하기 위하여, 수신기 뱅크를 통하여 연장하는 파이프라인은 이동 방식으로 구성되며, 예를 들면, 가요성 라인에 의해 매니폴드, 분배기 및 배수 라인과 같은 고정 설치된 연결부에 연결된다. 개개의 수신기 뱅크가 연결되는 가요성 라인은 또한 확실하게 배수될 수 있도록 하기 위하여 배기 밸브에서 배수 밸브까지 연속 구배를 갖도록 설치된다. 종래 기술에 따라 현재 사용되고 있고 상방으로 연장하는 그러한 움직임 아크는 이러한 경우에는 회피해야 한다. 이동식 수신기 뱅크가 사용되는 경우, 용융염의 배수가 가능한 적어도 하나의 위치가 제공되어야 한다. 이러한 위치는 전원이 고장난 경우에 조차도 수신기 뱅크가 용융염의 배수가 가능한 위치에서 이동하도록 안전장치가 설치되어 있어야 한다. 이는 예를 들면 스프링 또는 가압 공기로 구동시킴으로써 달성될 수 있다. 용융염의 배수가 가능한 위치가 스프링이 구동하여 달성되는 경우, 가압 공기 저장 장치를 사용하는 것이 유리하다.
바람직한 실시태양에서, 파이프라인 시스템내의 각각의 배수 밸브 및 각각의 배기 밸브는 배수가 필요한 상황이 발생할 경우에 개방되는 자동안전장치(failsafe) 기능을 가진 밸브이다. 배수가 필요한 그러한 상황은, 예를 들면, 솔라 루프에서의 상승된 온도 또는 감소된 온도의 발생, 솔라 루프에서의 승압 또는 감압의 발생, 솔라 루프를 통하여 흐르는 양의 편차(deviation) 또는 전기적 고장이다. 더욱이, 배수는 또한 예를 들면 자동제어에 의해, 예를 들면 연속 작동시의 야간 배수 또는 태양 조사량이 태양광 발전소에 충분하지 않을 경우의 배수를 안전하게 작동시킴으로써 실시할 수 있다. 더욱이, 배수는 또한 수동 조정할 수 있어야만 한다.
솔라 루프에서의 상승되거나 감소된 온도의 발생 및 절연 문제는, 예를 들면, 전체 태양광 필드상에서 적외선 광학 주사 시스템에 의해 신속하게 국소화시킬 수 있다. 이러한 주사 시스템은 또한, 예를 들면, 표준편차를 가진 값이 측정될 경우에 파이프라인 시스템의 배수를 유발할 수도 있다.
자동안전장치 기능을 가진 밸브로서 사용되는 배수 밸브 및 배기 밸브는 태양광 발전소의 정상 작동중에 폐쇄된다. 배수가 일어날 때, 밸브가 자동적으로 개방된다. 배기 밸브의 경우에 이는 밸브를 개방하는 것을 의미하며, 배수 밸브의 경우에 이는 파이프라인을 배수 라인을 향해 개방함으로써 용융염이 파이프라인 시스템에서 배수 용기쪽으로 유출될 수 있다는 것을 의미한다.
태양광 발전소에서, 파이프라인 시스템의 개별 파이프라인(individual pipeline)은 통상적으로는 U-형상 루프로서 구성되나, 이러한 U-형상 루프의 분기 단부(branch end)에는 유입구 및 유출구가 각각 배치되어 있다. 분기 단부는 일반적으로는 매니폴드 라인에 각각 연결되나, 연속 작동시에 하나의 매니폴드 라인을 경유하여 용융염이 파이프라인으로 전달되며 가열된 용융염은 다른 매니폴드 라인을 경유하여 파이프라인으로부터 제거되어 증발기내로 공급된다. 증발기에서, 물이 용융염에 의해 증발되고 과열되며, 이러한 방식으로 생산된 증기를 이용하여 전기 발생 터빈을 구동시킨다. 용융염이 증발기내에서 냉각되어 매니폴드 라인을 경유하여 파이프라인 시스템의 파이프라인내로 다시 공급되며, 여기에서 용융염이 수용기내에서 다시 가열된다.
본 발명의 바람직한 실시태양에서, 파이프라인 시스템내에 구비된 배수 밸브는 파이프라인과 유입구 및 각각의 유출구가 그들이 개방되었을 때 매니폴드 라인내로 배수되도록 배치된다. 파이프라인 시스템이 신속하게 배수될 수 있도록 하기 위하여, 이러한 경우에는 각각의 개별 솔라 루프가 배수 밸브를 경유하여 배수 라인내로 배수될 수 있는 것이 바람직하다.
용융염이 배수를 위하여 이동해야 하는 개개의 거리를 최소화하기 위하여, 배기 밸브를 U-형상 파이프라인의 배수 밸브들 사이에서 중심을 향하여 위치시키는 것이 또한 바람직하다. 이는 개개의 파이프라인에서의 배기 밸브에서 배수 밸브까지의 최대 거리가 항상 동일한 길이가 되도록 해 준다.
파이프라인의 배수를 추가로 가속할 수 있도록 하기 위해서는, 또한 배기 밸브가 가압 가스 라인에 연결되는 것이 바람직하다. 사용되는 염에 따라, 가압 공기가 예를 들면 용융염이 공기의 구성 성분과 화학적으로 반응하는 특정 성분을 함유하지 않는 경우의 가압 가스로서 사용될 수 있다. 다른 방법으로서, 예를 들면 불활성 가스, 예를 들면 질소, 또는 다른 합성 공기 또는 CO2-제거된 공기를 가압 가스로서 사용할 수도 있다. 가압 가스를 사용함으로써, 배기 밸브가 개방될 때 가스가 압력하에 파이프라인내로 도입되며, 따라서 용융염이 파이프라인으로부터 배출된다. 이는 배수를 가속시킨다. 자동안전장치를 구비한 가압 가스 공급장치를 얻기 위하여, 가압가스가 가압 가스 라인을 경유하여 배기 밸브에 연결되는 가압 가스 저장장치내에 제공되는 것이 특히 바람직하다. 가압 가스 저장장치는 분산 설치될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시태양에서, 파이프라인 시스템은, 각각 수평면에 대하여 경사진 구배를 가지며 각각 가장 낮은 위치에서 배수 밸브를 경유하여 배수 라인에 연결되고 가장 높은 위치에서 배기 밸브에 연결되는, 바람직하게는 U 자 형상으로 구성된 적어도 2개의 파이프라인을 포함한다. 적어도 2개, 바람직하게는 2개 이상의 파이프라인을 사용하여 개별 파이프라인의 총 길이를 감소시킬 수 있다. 또한 각각의 파이프라인을 배수 밸브에 연결하여 각각의 개별 파이프라인을 개별적으로 배수시킬 수 있으며, 모든 파이프라인을 공통 매니폴드 라인을 경유하여 배수하는 것이 필수적인 것은 아니다. 이는 또한 매니폴드 라인을 경유하여 배수하는 것 보다도 더 신속하게 공통 배수 용기내로 배수가능하게 한다.
파이프라인으로부터 제거되는 용융염을 수집하기 위하여, 배수 라인은 각각 배수 용기에 연결되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 파이프라인에서 파이프라인 용기까지의 긴 거리 및 따라서 긴 배수 라인을 피하기 위하여 배수 용기는 개개의 파이프라인에 근접하여 위치되는 것이 또한 바람직하다.
파이프라인으로부터 염을 완전하게 제거할 수 있기 위해서는, 배수 용기가 개개의 배수 라인을 경유하여 배수 용기쪽으로 개방되는 모든 파이프라인의 부피에 상응하는 부피를 갖는 것이 또한 유리하다.
배수 용기의 개수를 감소시키기 위하여, 또한 파이프라인 시스템을 각각 적어도 2개의 파이프라인을 갖고 배수 용기의 역할을 하는 세그먼트(segment)로 분할할 수 있다. 세그먼트는 이러한 경우에는 배수 용기내로 충분히 신속하게 배수될 수 있고 파이프라인의 총 길이, 특히 배수 라인의 총 길이가 아직도 충분히 짧게 유지될 수 있도록 선택된다. 이러한 세그먼트에서, 예를 들면, 일차적으로 파이프라인 시스템의 개개의 파이프라인을 배수 밸브를 경유하여 배수 라인내로 배수하고, 배수 라인을 병합하여 공통 매니폴드 라인을 형성하고, 이를 배수 용기로 개방할 수 있다. 예를 들어 하나의 파이프라인에서 배수하는 도중에 문제가 발생하는 경우, 이러한 효과는 임의의 손상이 기껏해야 그러한 파이프라인을 함유하는 세그먼트내에서 발생할 수 있거나 또는 이러한 세그먼트가 아무런 문제없이 다시 가동될 수 없다는 것이다. 그러나, 다른 세그먼트들은 아무런 문제없이 작동될 수 있다.
배기 밸브를 경유하여 가압 가스를 파이프라인에 인가하는 대안으로서 또는 그 이외에도, 또한 배수 용기를 개별적으로 배기시킬 수도 있다. 이러한 경우, 배기 밸브가 개방될 때, 기압이 배수 용기로의 파이프라인의 배수를 가속시킨다. 재수 용기를 배기시키는 것은, 예를 들면 정전으로 인하여 충분한 가압 가스를 이용할 수 없는 경우에 조차도 신속하고 확실한 배수가 가능하다는 추가적인 잇점이 있다. 이러한 경우에는 배기 밸브를 환경에 개방할 때 대기압에 비해 신속한 압력-구동 배수가 가능하다.
또한, 대안으로서 또는 그 이외에도, 파이프라인이 배수 용기 근처에서 높은 유체 정력학적 전위차로 인하여 가파른 경사면을 갖도록 하는 그러한 방식으로 파이프라인이 진행할 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 예를 들면, 배수 용기를 예를 들면 2 내지 5m 깊이의 지면 아래에 위치시킬 수 있다. 이러한 경우, 용융염에 대해서는 고속 주행 유체 정압이 효과적이다. 용융염을 침적관(dip tube)을 경유하여 배수 용기내에 침적 삽입(dipped insertion)시킴으로써 흐름 방향 및 배수 방향에 대항하여 배수 용기내의 오버레잉 가스(overlaying gas)로부터 가스가 침투하여 상승하는 것을 방지할 수 있다. 흐르는 동안에 액주(liquid column)가 파열하는 것을 방지하기 위하여, 액주의 각각의 위치에서 용융염의 증기압보다 더 높은 압력을 가하는 것이 필수적이다. 배수 용기의 근처에서 또는 배수 용기내의 침적관내의 높은 흐름 저항에 따라 용융염내의 압력을 설정할 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 예를 들면, 용기 벽면의 부식성 침식을 감소시키는 부수적인 장점을 가진 방향 전환용 배플 또는 시스템을 설치할 수 있다.
태양광 발전소의 솔라 필드, 특히 파라볼릭 트로프 태양광 발전소 또는 프레넬 태양광 발전소의 솔라 필드에 파이프라인 시스템을 사용하는 경우, 용융염은 바람직하게는 알칼리금속 또는 알칼리토금속의 적어도 하나의 아질산염 또는 적어도 하나의 질산염을 함유한다. 나트륨, 칼륨 또는 칼슘의 아질산염 또는 질산염, 또는 이들 염의 특정 혼합물이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 질산나트륨과 질산칼륨의 60:40 비율의 혼합물이 사용된다. 추가의 특히 바람직한 염은 특정 혼합물 형태의 칼륨 및 나트륨의 아질산염 및 질산염의 혼합물로서, 이들은 또한 아질산염으로도 지칭된다. 이러한 소위 천일염 이외에도, 또한 열전달 매질로서 적합한 고융점을 가진 임의의 다른 염들을 사용할 수도 있다. 본 발명의 맥락에서, 고융점이란 적어도 100℃의 용융 온도를 의미한다. 더욱이, 470℃ 보다 훨씬 더 높은 온도에서도 열적으로 안정한 염이 바람직하다.
본 발명의 예시적인 실시태양이 첨부된 도면에 나타나 있으며, 하기 설명에서 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 배수 용기를 가진 파라볼릭 트로프 태양광 발전소의 솔라 필드를 도시한 것이고,
도 2 는 본 발명에 따른 배수 장치를 가진 태양광 발전소의 솔라 루프를 도시한 것이고,
도 3 은 솔라 루프의 출발 부분 및 종결 부분을 도시한 것이며,
도 4 는 분할된 파이프라인 시스템을 가진 파라볼릭 트로프 태양광 발전소의 솔라 필드를 도시한 것이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 배수 용기를 가진 파라볼릭 트로프 태양광 발전소의 솔라 필드를 도시한 것이다.
파라볼릭 트로프 태양광 발전소의 솔라 필드(1)는 다수의 솔라 루프(3)를 가지고 있다. 솔라 루프(3)는 각각 열전달 매질이 통과하여 흐르는 파이프라인(5)과 함께 형성된다. 본 발명에 따르면, 용융염, 바람직하게는 천일염, 다시 말하자면 질산칼륨 및 질산나트륨의 40:60 비율의 혼합물, 또는 44:56 혼합비의 공융 혼합물, 또는 아질산염이 열전달 매질로서 사용된다.
솔라 루프(3)에서, 열전달 매질은 입사 태양 에너지에 의해 가열된다. 이러한 목적을 위하여, 파이프라인(5)은 유리관에 의해 분할된 형태로 밀봉된다. 파이프라인(5)과 유리관(7) 사이의 공간은 진공배기된다. 유리관(7) 아래에는, 또한 입사하는 태양광선을 반사하여 유리관(7)상으로 향하게 하는 파라볼릭 트로프가 있다. 유리관(7)상으로 입사하는 복사선으로 인하여, 열이 파이프라인(5)을 통하여 흐르는 열전달 매질로 전달됨으로써 열전달 매질이 가열된다.
솔라 루프(3)의 파이프라인(5)을 통하여 흐르는 열전달 매질은 매니폴드(9)내로 흐르며, 매니폴드(9)에서 열전달 매질 유출구(11) 방향으로 흐른다. 열전달 매질 유출구(11)를 통하여 흐르는 열전달 매질은 통상 열교환기내로 공급되며, 여기에서 스팀 회로로 열을 발산하여, 예를 들면, 전기 발생 터빈을 구동시킨다. 열교환기를 이탈하는 냉각된 열전달 매질은 열전달 매질 유입구(13)를 경유하여 분배기(15)내로 공급되고, 분배기(15)로부터 솔라 루프(3)의 파이프라인(5)내에 공급된다.
작동하지 않는 시간 동안 태양광 발전소의 파이프라인을 배수시킬 수 있도록, 배수 용기(17)가 구비되어 있다. 배수 용기(17)는 분배기(15) 및 매니폴드(9)에 연결된다. 매니폴드(9) 및 분배기(15)를 경유하여 용융염이 배수 용기(17)내로 흐른다.
배수 용기(17)가 손상되는 경우에 용융염이 밖으로 흘러 환경으로 확산되는 것을 방지하기 위하여, 배수 용기(17)는 바람직하게는 트로프(19)에 의해 밀봉되는데, 이때 트로프(19)의 용량은 배수 용기(17)의 부피에 상응한다.
도 2 는 본 발명에 따라 형성된 파이프라인 시스템을 가진 솔라 루프의 일례를 나타낸다.
솔라 루프(3)는 필수적으로는 U 자 형상으로 구성되고, 하나의 분지(branch)에 의해 매니폴드(9)에 연결되고 두 번째 분지에 의해 분배기(15)에 연결되는 파이프라인(5)을 갖는다. 매니폴드(9) 및 분배기(15)에 대한 파이프라인(5)의 연결은 각각 연결관(21)을 경유하여 확립한다.
본 발명에 따르면, 파이프라인(5)은 수평면에 대하여 경사진 구배를 갖는다. 구배는 바람직하게는 0 내지 1%의 범위이다. 하나의 실시태양에서, 구배는 바람직하게는 0.1 내지 0.5%의 범위, 특히 바람직하게는 0.2 내지 0.4%의 범위이다. 다른 실시태양에서, 구배는 0 내지 0.3%의 범위, 바람직하게는 0.01 내지 0.2%의 범위이다. 각각의 경우에 있어서의 파이프라인(5)의 구배는 배기 밸브(23)에서 배수 밸브(25)까지 연장한다. 본원에서 나타낸 실시태양에서, U-형상 파이프라인(5)의 각각의 분지는 배수 밸브(25)에 연결된다. 배수 밸브(25)는 배수 라인(27)에 대한 파이프라인(5) 및 연결관(21)의 연결을 폐쇄하거나 개방한다. 정상 작동중에, 배수 밸브(25)는 폐쇄된다. 배수 라인(27)은 파이프라인(5)내에 함유된 모든 용융염을 수용할 수 있도록 충분히 크게 구성된 배수 용기(17)와 이어진다.
배수 용기(17)는 파이프라인(5)이 배수될 때 개방되는 안전 밸브(relief valve)(29)를 갖추고 있다. 이로 인하여 배수 용기(17)내의 압력 상승을 피한다. 배수 용기(17)가 필요시에 배수될 수 있도록, 이는 또한 유출구 밸브(31)를 갖는다.
사용되는 밸브, 다시 말하면 배기 밸브(23), 배수 밸브(25), 안전 밸브(29) 및 유출구 밸브(31)는 임의의 원하는 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 로터리 디스크 밸브, 디스크 밸브, 플랩 밸브 및 콕 밸브를 사용할 수 있다. 본 발명의 범주내에서, 밸브란 용어는 또한 단지 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서만 개폐될 수 있는 디스크 밸브 및 플랩 밸브를 포함하는 것으로 간주된다. 그러나, 처리량도 또한 제어될 수 있는, 다시 말하면 임의의 원하는 대용 개구 단면이 "개방(open)" 및 "폐쇄(closed)" 위치 이외의 위치에서 달성될 수 있는 밸브를 사용하는 것이 바람직하다.
태양광 발전소가 정상 작동하는 동안, 배기 밸브(23)도 또한, 예를 들면 태양 용융염으로부터 불활성 가스를 제거할 수 있도록 하기 위하여 안전 밸브로서 사용될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 바람직하게는 배기 밸브(23) 이외에도 상 분리기(33)가 구비된다. 상 분리기(33)에서, 가스는 용융염으로부터 분리된 다음, 밸브(23)를 통하여 제거될 수 있다.
정상 작동하는 동안, 배기 밸브(23) 및 배수 밸브(25)는 폐쇄된다. 용융염은 분배기(15)에서 파이프라인(5)내로 흐르며, 유리관(7) 및 파라볼릭 트로프 미러에 의해 형성된 수용기내에서 가열된다. 이어서, 이러한 방식으로 가열된 태양 용융염은 제 2 연결관(21) 및 매니폴드(9)을 경유하여 열교환기내로 흐르며, 거기에서 열이 연결된 스팀 회로로 발산된다.
시스템의 기능적 문제가 발생한 동안 또는, 예를 들면 전기 고장으로 인하여 전력 손실이 발생한 경우, 또는 계획적인 배수의 경우, 배기 밸브(23)는 개방된다. 그와 동시에, 매니폴드 밸브(35) 및 분배기 밸브(37)는 용융염이 매니폴드(9) 또는 분배기(15)로부터 연결관(21)을 경유하여 파이프라인(5)내로 더 이상 통과할 수 없도록 폐쇄된다. 더욱이, 배수 밸브(25)는 파이프라인(5)에서 배수 라인(27)으로의 연결이 개방되도록 개폐된다. 파이프라인(5)내의 구배로 인하여, 용융염은 중력에 의해 구동되는 침적관(41)을 경유하여 파이프라인(5)에서 배수 용기(17)로 배수된다. 배수 공정을 돕기 위하여, 배기 밸브(23)에 가압 가스를 인가하여 용융염을 인가된 압력에 의해 파이프라인(5)에서 배수 용기로 배출시킬 수 있다. 그 외에 또는 그에 대한 대안으로서, 또한 배수 공정을 더 가속시키기 위하여 배수 용기(17)를 진공 배기시킬 수도 있다.
배수 용기(17)를 진공 배기시키지 않는 경우, 배수 용기(17)내에 함유된 가스가 배수 공정중에 밖으로 흐름으로써 배수 용기(17)내에서 압력이 상승하지 않을 수 있도록 하기 위하여 안전 밸브(29)가 개방될 것이다.
배수 작업 후에 솔라 루프를 다시 가동시키기 위하여, 일차적으로는 안전 밸브(29)가 폐쇄된다. 그 다음에, 용융염이 배수 용기(17)에서 파이프라인(5)으로 환류할 수 있도록 배수 밸브(25)가 개폐된다. 이러한 단계 후에, 가압 가스가 배기 밸브(39)를 경유하여 배수 용기(17)에 공급된다. 가압 가스는 이러한 경우에는, 사용되는 염에 따라, 예를 들면 압축 공기, 합성 공기, CO2-세정 공기 또는 불활성 가스, 예를 들면 질소이다. 공기의 성분들과 염의 성분들이 화학 반응을 전혀 일으키지 않는 경우에는 단지 압축 공기만이 사용될 수 있다.
가압 가스를 배기 밸브(39)를 통하여 배수 용기(17)내에 인가하면, 배수 용기(17)내의 압력이 상승한다. 압력 상승은 용기(17)내에 함유된 열전달 매질을 수직관(riser pipe)으로서 작용하는 침적관(41)을 통하여 배수 라인(27)으로 전달하고, 거기에서 배수 밸브(25)를 통하여 파이프라인(5)으로 재순환된다. 배수 밸브(25)는 이러한 경우에는 충진 공정의 가동시에 서서히 개방된다. 충진 공정의 예상되는 마지막 단계에서, 밸브(25)는 다시 서서히 폐쇄된다. 충진 공정의 실질적인 마지막 단계는, 임의적으로는 펄스 작동(pulsed operation)시에는, 최소량의 흐름에 의해 관찰된다. 충진 단계의 종결은 침적관(41)의 말단부에서 상 검출기(43)을 사용함으로써 촉발시킨다. 충진 공정이 종결된 경우, 배기 밸브(23)는 폐쇄된다. 더욱이, 이제 흐름이 파이프라인(5)에서 연결관(21)을 경유하여 매니폴드(9) 및 분배기(15)로 통과할 수 있도록 배수 밸브(25)도 또한 폐쇄된다. 운전을 재개하기 위하여, 매니폴드 밸브(35) 및 분배기 밸브(37)도 또한 이어서 개방된다. 파이프라인내에 함유된 가스는 염 흐름과 함께 비말동반되어 상 분리기(33) 및 배기 밸브(23)에 의해 밖으로 운반되는 불활성 가스 분리에 의해 제거된다.
배수 용기(17)내에 너무 많은 염이 있는 경우, 배기 밸브(39)를 경유하여 가압 가스를 인가하고 동시에 매니폴드 밸브(35) 또는 분배기 밸브(37)는 개방하고 배기 밸브는 폐쇄하면서 배수 밸브(25)중의 하나를 개방함으로써 과량의 염이 염 회로내로 전달될 수 있다.
용융염이 파이프라인(9, 15, 21 및 5)을 통하여 흐르는 속도는 개개의 밸브(35, 37)의 개방도에 의해 제어될 수 있다.
압축 공기를 인가하여 용융염을 배수 용기(17)로 전달하는데 대한 대안으로서, 또한 수중 펌프를 사용할 수도 있다. 또한, 압축 공기를 인가하는데 수중 펌프가 사용될 수도 있다.
배수 밸브(25) 및 배기 밸브(23)는 바람직하게는 자기 보정 장치를 가진 밸브로서 형성되고 기능상 문제가 발생한 경우 파이프라인(5)내에 함유된 용융염이 배수 용기(17)내로 흐를 수 있도록 하기 위하여 그들을 각각 개방하도록 개폐된다. 배수 용기(17)로부터 및 배수 용기(17)내에서의 솔라 루프(9)의 충진 및 배수는 각각 솔라 루프(3)의 충진 및 배수를 신속하게 할 수 있으므로, 라인 시스템은 높은 기능적 신뢰도로 밤에는 배수되고 아침에는 충진될 수 있다.
기능적 신뢰도에 있어서의 상승은 파이프라인내에 적합한 가열 시스템을 설치함으로써 달성될 수 있다. 가열을 위하여, 예를 들면, 파이프라인의 내측에 가열 소자를 배치할 수 있다. 이러한 경우, 파이프라인 내측의 염은 초기에는 가열 소자상에서 용융되어 용융염이 전송될 수 있는 채널을 형성한다. 이는 용융염의 부피 팽창으로 인하여 파이프라인(5)상에 과도한 압력이 가해지는 것을 방지할 것이다. 또한, 가열 소자를 따라 온도를 균일하게 분포시켜 파이프라인(5)의 전체 길이에 걸쳐 가열 소자 주변에서 동시에 염을 용융시킴으로써 용융염이 통과하여 흐를 수 있고 따라서 압력이 평형화될 수 있는 채널을 형성할 수 있다.
수집기용의 안전 등급의 초점 이탈 장비(defocusing instrument)를 사용하여 파이프라인내에서의 용융염의 과열을 방지할 수 있다.
도 3 은 솔라 루프의 유입 단부 및 배기 밸브가 설치된 그의 단부를 도시한 것이다.
태양광 발전소가 항상 최적으로 작동될 수 있도록 하기 위하여, 개개의 수신기는 바람직하게는 파라볼릭 미러가 태양의 복사 에너지를 최적으로 포획할 수 있도록 이동 양식으로 배열된다. 이러한 목적을 위하여, 개개 수신기의 파이프라인은 회전될 수 있어야 한다. 이를 가능하게 하기 위하여, 가요성 라인(45)이 수신기의 이동식 파이프라인과 매니폴드, 분배기 및 배수 라인(27)과 같은 고정 설치된 연결부사이에 설치된다. 가요성 라인(45)은 그들이 용융염이 밖으로 흘러나올 수 있도록 배기 밸브(23)에서 배수 라인(27) 쪽으로 구배를 가지도록 구성된다.
파이프라인의 제 2 위치는 도 3 에 쇄선으로 도시되어 있다.
도 3 에 도시된 실시태양에서, 배기 밸브(23) 및 배수 라인(27)은 고정되며, 배수 라인(27)과 배기 밸브(23) 사이에 놓인 파이프라인은 그들이 회전될 수 있도록 구성된다. 이러한 회전은 화살표(47)로 도시되어 있다.
파이프라인 시스템이 분할된 솔라 필드가 도 4 에 도시되어 있다.
도 4 에 도시된 실시태양에서, 5개의 솔라 필드(3)가 각각 결합되어 세그먼트(49)를 형성한다. 각각의 세그먼트(49)는 배수 용기(17)내에서 각각의 솔라 루프(3)의 배수 라인(27)을 개방하도록 배치된다. 여기서, 솔라 루프(3)의 배수 라인(27)은 매니폴드 라인(51)에 결합되고, 이어서 배수 용기(17) 쪽으로 개방된다. 배수 용기(17)의 크기는 세그먼트(45)의 모든 솔라 루프(3)로부터의 용융염이 배수 용기(17)에 의해 수신될 수 있도록 선택된다. 배수 용기(17)에 배치된 솔라 루프(3)의 개수는 전체 솔라 필드의 배수가 예정된 시간내에 실시될 수 있도록 선택된다. 이러한 경우, 배수 시간은 더 많은 솔라 루프(3)가 용기(17) 쪽으로 배수되는 경우에 더 적합하다는 것이 고려되어야 한다.
1 솔라 필드
3 솔라 루프
5 파이프라인
7 유리관
9 매니폴드
11 열전달 매질 유출구
13 열전달 매질 유입구
15 분배기
17 배수 용기
19 트로프
21 연결관
23 배기 밸브
25 배수 밸브
27 배수 라인
29 안전 밸브
31 유출구 밸브
33 상 분리기
35 매니폴드 밸브
37 분배기 밸브
39 배기 밸브
41 침적관
43 상 검출기
45 가요성 라인
47 회전 영역
49 세그먼트
51 매니폴드 라인

Claims (18)

  1. 용융염이 통과하여 흐르는 적어도 하나의 파이프라인(5), 적어도 하나의 유입구 및 적어도 하나의 유출구를 포함하는, 파라볼릭 트로프 태양광 발전소(parabolic trough solar power plant) 또는 프레넬 발전소(Fresnel power plant)에서의 용융염 이송용 파이프라인 시스템으로서,
    용융염이 통과하여 흐르는 파이프라인(5)이, 수평면에 대하여 경사진 적어도 하나의 구배를 가지며, 각각 가장 낮은 위치에서 배수 밸브(25)를 경유하여 배수 라인(27)에 연결되고 가장 높은 위치에서 배기 밸브(23)에 연결되고, 상기 배수 라인(27)이 배수 용기(17) 내로 개방되며, 상기 배수 용기(17)가, 용융염을 파이프라인(5)으로부터 배수 용기(17) 내로 배수시키는 침적관(41)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 배수 밸브(25) 및 각각의 배기 밸브(23)가 배수가 필요한 상황이 발생할 경우에 개방하는 자동안전장치(failsafe) 기능을 가진 밸브인 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 파이프라인(5)이 U-형상 루프로서 구성되되, 상기 U-형상 루프의 분지 단부에 상기 유입구 및 유출구가 각각 배치된 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배기 밸브(23)가 파이프라인(5)내의 유입구와 유출구 사이에서 중심부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 밸브(23)가 가압(pressurized) 가스 라인에 연결되는 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    적어도 2개의 파이프라인(5)을 포함하되, 상기 적어도 2개의 파이프라인(5)은 각각 수평면에 대하여 경사진 구배를 가지며, 각각 가장 낮은 위치에서 배수 밸브(25)를 경유하여 배수 라인(27)에 연결되고 가장 높은 위치에서 배기 밸브(23)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배수 용기(17)가 적어도, 개개의 배수 라인(27)을 경유하여 배수 용기(17) 내로 개방되는 모든 파이프라인(5)의 부피에 상응하는 부피를 갖는 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배수 용기(17)가 진공 배기되는 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 침적관(41)의 말단부에 상 검출기(43)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 파이프라인 시스템이 세그먼트(segment)화 되어 있고, 각각의 세그먼트(49)가 적어도 2개의 파이프라인(5)을 갖고 각각의 세그먼트(49)가 배수 용기로 지정되는 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 파이프라인(5)이 파이프라인(5)의 움직임을 가능하게 하는 적어도 하나의 가요성 부분(45)을 포함하고, 상기 가요성 부분(45)이, 상기 파이프라인(5)이 또한 가요성 부분(45)의 영역에서 배기 밸브(23)로부터 배수 밸브(25) 방향으로 구배를 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 용융염이 나트륨, 칼륨 또는 칼슘의 적어도 하나의 아질산염 또는 적어도 하나의 질산염, 또는 상기 적어도 하나의 아질산염과 상기 적어도 하나의 질산염의 임의의 혼합물을 함유하는 것을 특징으로 하는, 파이프라인 시스템.
  15. 용융염이 배수 라인(27)을 통하여 파이프라인(5) 밖으로 흐를 수 있도록 배수 밸브(25) 및 배기 밸브(23)를 배수를 위하여 개방하는, 제 1 항 내지 제 6 항, 제 8 항, 제 9 항 및 제 11 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 따른 파라볼릭 트로프 태양광 발전소 또는 프레넬 발전소에서의 용융염 이송용 파이프라인 시스템의 배수 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 파이프라인 시스템이, 상기 파이프라인을 통한 용융염의 압력, 온도 및/또는 체적 유량이 예측된 설정값으로부터 예측된 허용오차 이상 차이가 나는 경우, 또는 파이프라인의 수동 배수 또는 운전상 요구되는 자동 배수가 실시되는 경우에, 배수되는 것을 특징으로 하는, 배수 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    가압 가스가 배수 도중에 배기 밸브(23)를 통하여 파이프라인(5)내로 도입되는 것을 특징으로 하는, 배수 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 가압 가스가 질소, 합성 공기, CO2-세정 공기 또는 공기인 것을 특징으로 하는, 배수 방법.
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