KR102140944B1 - 열사이펀을 이용해 공조하는 에너지저장시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열사이펀의 원리를 이용해 배터리 컨테이너의 온도를 조절하며, 이를 위해 컨테이너 공조기에 의해 순환공기와 배터리와의 열교환을 시키고, 순환공기의 열은 컨테이너 공조기 뿐만 아니라 열사이펀 원리에 의해 컨테이너 외부와 열교환을 시킨다.
이를 위해, 에너지저장시스템은 내부에 배터리와 공조기가 있는 컨테이너, 배터리와 공조기 사이에 위치한 격벽, 격벽의 상부와 하부에는 각각 상부공간과 하부공간이 있어, 공조기로부터 하부공간을 통해 유입된 순환공기가 배터리를 냉각시키고 상부공간을 통해 다시 공조기로 유입되고, 상부공간 및 컨테이너의 외부상단에 설치된 열사이펀에 의해 열이 순환된다. 한편, 열사이펀 원리가 적용된 장치는 상부공간에는 열사이펀 실내기, 컨테이너의 외부상단에는 열사이펀 실외기가 설치된다.

Description

열사이펀을 이용해 공조하는 에너지저장시스템{Energy Storage System with Air conditioner using thermosiphon}
본 발명은 열사이펀을 이용해 공조하는 에너지저장시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 열사이펀 원리를 이용해 배터리 컨테이너의 온도를 조절하는 에너지저장시스템에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)은 원하는 시간에 전력을 생산하기 어려운 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있게 하는 시스템이다. 특히, 에너지 저장 시스템은 스마트 그리드와 같은 차세대 전력망을 구현하기 위한 핵심 구성요소에 해당한다.
에너지 저장 시스템은 다수 개의 배터리로 구성되어 있으며, 배터리에 생산된 전력을 저장한다. 화학적 특성을 갖는 배터리는 제한적인 운용온도 범위로 인해서 배터리 운용(충전 또는 방전)에 많은 제한을 받는다. 즉, 배터리는 온도에 민감하기 때문에 운용온도를 초과하거나 미만인 경우 내부적으로 열화, 조직 변형 등의 큰 손상을 받으며 수명이 급격하게 감소하고 배터리의 특징이 변경될 수 있다. 따라서 에너지 저장 시스템은 배터리의 온도를 일정 범위 내로 유지하기 위해서 냉각팬과 같은 공조설비를 구비하고 있다.
통상적인 에너지 저장 시스템은 배터리를 보호하기 위해서 밀폐형 컨테이너의 내부에 다수 개의 배터리를 보관해서 운용한다. 따라서 에너지 저장 시스템은 배터리의 열을 외부로 방출하기 어려운 구조를 갖고 있고, 이로 인해 공조설비를 운용하기 위해서 많은 전력 비용이 소요된다.
향후 신재생 에너지의 사용 증가 및 스마트 그리드 사업 추진 등을 통해서 에너지 저장 시스템의 설치 및 활용이 증가할 것으로 예상되는 상황에서, 에너지 저장 시스템의 공조설비 운용에 소요되는 비용을 절감할 필요성이 제기되고 있다.
KR10-1292847 히트파이프를 이용한 데이터 센터의 공조 시스템 (2013.07.29)
본 발명에서 해결하고자하는 과제는 배터리 컨테이너의 열을 빠르고 효율적으로 조절하기위한 것으로, 기존의 컨테이너 공조기에 추가적으로 열사이펀 원리를 적용하고자 하는 것이다.
본 발명에서 해결하기 위해, 열사이펀의 원리를 이용해 배터리 컨테이너의 온도를 조절하며, 이를 위해 컨테이너 공조기에 의해 순환공기와 배터리와의 열교환을 시키고, 순환공기의 열은 컨테이너 공조기 뿐만 아니라 열사이펀 원리에 의해 컨테이너 외부와 열교환을 시킨다.
이를 위해, 에너지저장시스템은 내부에 배터리와 공조기가 있는 컨테이너, 배터리와 공조기 사이에 위치한 격벽, 격벽의 상부와 하부에는 각각 상부공간과 하부공간이 있어, 공조기로부터 하부공간을 통해 유입된 순환공기가 배터리를 냉각시키고 상부공간을 통해 다시 공조기로 유입되고, 상부공간 및 컨테이너의 외부상단에 설치된 열사이펀에 의해 열이 순환된다. 한편, 열사이펀 원리가 적용된 장치는 상부공간에는 열사이펀 실내기, 컨테이너의 외부상단에는 열사이펀 실외기가 설치된다.
본 발명에 따라 열사이펀을 이용한 경우 증기압축 냉동사이클을 단독으로 사용한 경우에 비해서 전력 소모량을 줄이고 냉각 효율을 높일 수 있다.
도 1은 분리형 열사이펀 원리이다.
도 2는 본 발명이 적용된 배터리 컨테이너이다.
도 3은 본 발명의 적용된 배터리 컨테이너 내부의 순환공기 흐름이다.
도 4는 본 발명이 적용된 배터리 컨테이너와 열사이펀 장치이다.
도 5는 본 발명의 적용된 열사이펀 장치와 배터리 컨테이너 공조기이다.
도 6은 본 발명이 적용된 배터리, 공조기, 열사이펀 장치 전체 그림이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 고지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 해당 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예에 따른 절연역률 측정 장치 및 방법에 대해 설명한다.
먼저, 도 1은 분리형 열사이펀의 원리를 나타낸다. 분리형 열사이펀은 증발부(증발기,10)와 응축부(응축기,20)를 분리하고 증기 통로와 응축액 귀환로를 연결한 형태를 갖는 것으로 루프 열사이펀(loop thermosiphon)이라 불리기도 한다.
열사이펀의 작동 원리는 먼저, 증발부에 유입된 가스는 증발부 벽을 가열하며 이에 따라 증발부 관로 내의 포화상태의 작동 유체는 기화한다. 기화된 증기는 증발부 집합관에 모이고 이 증기는 증기압차에 의해서 응축부와의 연결 관로를 따라서 응축부로 이송된다. 응축부로 이송된 증기는 증기 집합관에서 각각의 응축관으로 이송되며 여기서 열을 벽에 전달하여 응축된다. 이후 응축된 작동유체는 중력에 의해서 내벽을 따라 하단의 액체 집합관에 모인 뒤 증발부로 되돌아 간다. 이 과정에서 응축부 벽에 전달된 열은 공기에 의하여 소산된다. 응축부에는 효과적인 열교환을 위해 히트파이프(22)가 사용될 수도 있다.
분리형 열사이펀의 증발기를 에너지 저장 시스템(ESS), 즉 배터리(30)의 컨테이너 내부에 배치하고 응축부를 컨테이너 외부에서 증발기에 비해서 상부에 배치한다. 컨테이너의 일측에는 컨테이너 내부 냉각을 위한 증기압축 냉동사이클 원리의 공조기가 구비된다.
도 2가 배터리 컨테이너 내부를 나타낸다. 배터리는 2열, 2쌍으로 구분되며, 컨테이너 바닥에는 배터리로 홀(hole,34)이 형성된 덕트(32)가 지나간다. 그러나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 배터리가 위치하는 공간과 구별하기 위해 격벽이 설치되며, 격벽 밖에 공조기가 위치한다. 후술하겠만, 열사이펀 증발부가 위치하는 곳은 격벽 중 상부에 위치한 상부공간(52)이다.
도 3은 배터리 컨테이너 내부의 순환공기 흐름이다. 공조기(50)로부터 냉각된 공기가 배터리(30) 하단의 공간으로부터 적대된 배터리를 지나면서 열교환이 되고, 가열된 채 격벽의 상부공간을 통해 다시 공조기로 유입된다. 도 2에서 열사이펀 증발부가 위치하는 공간이 격벽의 상부공간에 격벽에 삽입되는 형식으로 위치할 수 있다. 공조기는 외부에 위치한 실외기(미도시)와 열교환을 함으로서 냉각된 공기를 격벽 하부의 하부공간을 통해 순환팬에 의해 배터리가 적재된 공간으로 불어넣어준다.
도 4는 열사이펀 장치 및 공조기(50)가 적용된 컨테이너에서의 공기흐름이다. 공조기로부터 냉각된 순환공기가 배터리 모듈의 하단으로 유입되고 배터리 모듈과의 열교환을 통해 가열된 순환공기는 열사이펀 장치의 증발기를 지나면서 열사이펀 장치의 냉매를 가열시키고, 순환공기의 온도는 낮아진 채 공조기로 유입된다. 한편, 공조기의 증발기는 실외기와 공조기 냉매를 통해 열교환된다. 열사이펀 장치의 냉매와 공조기 냉매를 구별하기 위해 각각 열사이펀 냉매, 공조기 냉매로 구별시킨다.
열사이펀 장치의 증발기를 지난 순환공기는 공조기의 증발기에서 다시 냉각된 후 순환팬에 의해 다시 배터리 모듈의 하단으로 공급된다.
한편, 순환공기에 의해 가열된 열사이펀 냉매는 컨테이너 외부상단에 위치한 열사이펀 응축기로 전달된다. 열사이펀 응축기에서는 외부공기에 의해 냉각되며, 이를 위해 냉각팬이 설치되거나 부족하면 별도의 살수장치가 추가될 수 있다. 가열된 열사이펀 냉매는 열사이펀 증발기의 상단에서 열사이펀 응축기의 상단으로 전달되며, 냉각 후에는 열사이펀 응축기의 하단에서 열사이펀 증발기의 하단으로전달되면서 폐쇄순환된다. 이는 공조기의 증발기 및 외부기로서 응축기와 컴프레서도 마찬가지이다.
이를 요약하면 다음과 같다. 증기압축 냉동사이클에서 토출된 저온의 공기는 컨테이너 내부로 유동하면서 배터리 모듈을 냉각하면서 열을 흡수하면서 순환한다. 열을 흡수한 순환공기는 열사이펀의 증발기를 통과하면서 온도가 하강하고, 증발기 내부에서는 열사이펀의 작동 유체가 열을 전달 받아서 증발해서 응축부로 상승한다. 상대적으로 저온의 외기는 응축부를 통과하면서 열을 전달 받아서 온도가 상승하고 작동유체는 응축되어 증발부로 중력에 의해서 하강하는 사이클을 반복한다. 이와 같이 열사이펀은 밀폐된 공간 내에서 작동 유체가 에너지 저장 시스템 컨테이너 내부의 열을 작동유체의 상변화에 의해서 외부로 배출한다.
도 5는 본 발명의 적용된 열사이펀 장치와 배터리 컨테이너 공조기를 더욱 자세히 설명한다. 열사이펀 장치는 실외기와 실내기로 구분되며, 실내기로는 열사이펀 증발기가 격벽의 상부공간에 위치한다. T1, T2, T3 3개 지점에서 측정된 공기온도이며, To는 실외온도이다.
열사이펀 적용 냉각장치를 ESS 실증단지(제주 조천S/S)의 배터리 컨테이너에 설치하고 열사이펀 미적용 배터리 컨테이너(1번 컨테이너)와 열사이펀 적용 배터리 컨테이너(7번 컨테이너) 냉각장치의 성능 비교 시험을 수행하였다. 배터리 컨테이너는 외기에 노출된 상태에서 성능 시험을 수행하였고, 성능 시험 동안 배터리는 PCS제어(0.25C-rate)를 통하여 충전(2시간) 및 방전(2시간) 운전을 반복 수행하였다 컨테이너 내부공간온도(To)는 공조기 열사이펀 냉각장치를 이용하여 21℃와25℃ 사이에서 유지되며 공조기는 설정온도(To) 25℃에서 동작하고 21℃에서 정지하도록 설정하였다. 열사이펀 냉각장치는 3가지 조건이 모두 충족되어야 동작되도록 설정하였고 3가지 조건은 아래와 같다.
① 컨테이너 내부공기온도 (T1 > 23℃(ON), T1 < 19 (OFF))
② 실외공기온도 (To < 23℃, ON)
③ 공조기 송풍기 작동 감지 (바람S/W)
열사이펀 실외기의 증발냉각을 위한 살수분사는 오전 9시에서 18시까지 운용하고 동작은 열사이펀 냉각장치와 연동되도록 하였다.
성능측정은 컨테이너 내외부온도와 소비전력을 4초의 샘플링 주기로 측정하였다. 컨테이너의 내부온도 측정에는 T-type 열전대를, 외부온도 측정에는 RTD 온도센서를 사용하였고 전력 측정에는 전력계를 사용하였다.
실증 결과열사이펀 미적용 배터리 컨테이너와 열사이펀 적용 배터리 컨테이너 냉각장치의 성능 시험 결과, 열사이펀을 적용한 컨테이너 냉각장치의 에너지 사용량이 미적용 컨테이너 냉각장치 대비 11.8~18.7%까지 절감되었음을 알 수 있다.
Figure 112018063330851-pat00001
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 열사이펀 증발기
20: 열사이펀 응축기
22: 히프파이프
30: 배터리
32: 덕트
34: 홀
40: 격벽
50: 공조기
52: 상부공간

Claims (8)

  1. 에너지저장시스템의 공조장치에 있어서,
    상기 에너지저장시스템은 내부에 배터리와 공조기가 있는 컨테이너;
    상기 배터리와 상기 공조기 사이에 위치한 격벽;
    상기 격벽의 상부와 하부에는 각각 상부공간과 하부공간이 있어, 상기 공조기로부터 상기 하부공간을 통해 유입된 순환공기가 상기 배터리를 냉각시키고 상기 상부공간을 통해 다시 상기 공조기로 유입되고,
    상기 상부공간 및 상기 컨테이너의 외부상단에 설치된 열사이펀에 의해 열이 순환되며,
    상기 열사이펀은 상기 상부공간에는 열사이펀 실내기; 및 상기 컨테이너의 외부상단에는 열사이펀 실외기;가 설치되고,
    상기 열사이펀 실내기는 상기 배터리를 냉각시킨 순환공기가 통과하면서 냉매를 증발시키는 증발부가 형성되며,
    상기 열사이펀 실외기는 외부의 냉각유체에 의해 상기 냉매가 응축되는 응축부가 형성되되,
    상기 열사이펀은 컨테이너 내부공기온도, 실외공기온도 및 공조기 송풍기 작동 감지와 관련된 조건을 모두 충족하는 경우에 동작하고,
    상기 컨테이너 내부공기온도와 관련된 조건은 상기 열사이펀 실내기의 흡입공기온도를 기반으로 설정하며, 상기 실외공기온도와 관련된 조건은 상기 열사이펀 실외기의 흡입공기온도를 기반으로 설정하는 것을 특징으로 하는 열사이펀을 이용해 공조하는 에너지저장시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 응축부의 냉각을 위해 냉각팬이 설치되는 것을 특징으로 하는 열사이펀을 이용해 공조하는 에너지저장시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각팬에 추가해 살수처리를 하는 것을 특징으로 하는 열사이펀을 이용해 공조하는 에너지저장시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 응축부에서의 냉매라인은 히트파이프로 형성된 것을 특징으로 하는 열사이펀을 이용해 공조하는 에너지저장시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공조기의 실외기로부터 냉각된 상기 순환공기는, 상기 공조기 내 순환팬을 통해 상기 배터리의 하단으로 전달될 수 있는 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 열사이펀을 이용해 공조하는 에너지저장시스템.
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