KR102178601B1 - 압축공기포를 이용한 ess 화재 예방 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 저장장치(ESS)에 발생하는 복합화재를 효과적으로 진압할 수 있도록 하는 시스템에 관한 것이다. ESS 화재시 화재가 발생한 리튬이온 배터리의 열폭주 및 재발화를 냉각 및 산소 차단효과가 우수한 압축공기포 소화약제를 신속히 공급하여 완전한 진압할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
Description
본 발명은 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 저장장치(ESS)에 발생하는 복합화재를 효과적으로 진압할 수 있도록 하는 시스템에 관한 것이다.
지구 온난화 등 환경문제에 대한 대책으로 태양광, 풍력 등의 신재생 에너지로의 전환이 국가적 사업으로 추진되고 있어 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용하는 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)의 보급이 가파르게 증가되고 있다.
이러한 ESS는 리튬이온 배터리(Li-ion Battery, LiB)와 같은 전력저장원, 전력제어장치(PCS, Power Conversion System), 에너지관리시스템(EMS, Energy Management System) 등으로 구성되는데, 이중 전력저장원인 리튬이온 배터리가 가장 화재에 취약한 부분이다.
리튬이온 배터리는 1990년대 초 처음 상업화 된 이후 높은 에너지 밀도, 낮은 메모리 효과, 낮은 에너지 손실율 등의 장점으로 인해 현재는 대표적인 2차전지로 널리 사용되고 있다.
특히, 스마트폰, 태블릿, 노트북 등 휴대기기의 사용량이 증가하고, 점차 고용량의 2차전지를 요구함에 따라 리튬이온 배터리의 크기와 충전량도 이에 따라 증가하고 있다.
또한, 리튬이온 배터리 기술의 발전과 함께 과거 화석연료를 동력원으로 삼았던 자동차, 발전기 등 전통적인 수요처가 전기자동차(EV) 및 ESS 등으로 기술이 대체되어 가면서 리튬이온 배터리의 응용분야와 수요는 급격히 증가되는 추세이다.
리튬이온 배터리의 광범위한 사용과 대용량화에 따라 2006년 일본 S사의 노트북 배터리 발화사고 및 대규모 리콜 사태, 스마트폰 배터리 발화사고 등의 화재사고로 인하여, 리튬이온 배터리의 화재 위험성이 점차 알려지게 되었다.
최근 몇 년간 중국 배터리 제조 공장의 화재 및 미국 전기자동차용 배터리 공장의 화재로 공장이 전소하는 등 주요 배터리 제조 또는 취급업체들은 대부분 크고 작은 화재 사고로 큰 손실을 입었으며 이러한 ESS의 화재 발생으로 인한 사고가 계속 증가하고 있다.
리튬이온 배터리의 구성요소들을 살펴보면, 전해액이 약 11%, 분리막과 패키징 재료로 쓰이는 폴리에틸렌 등 고분자 재료가 약 10% 가까이 차지하고 있다.
전해액은 인화성 액체로 분류되는 위험물질로, 배터리가 착화할 경우 대부분의 발열량은 이러한 전해액과 폴리에틸렌 등의 플라스틱 성분이 주로 연소하면서 대부분 발생하며, 리튬이온 배터리의 충전율(State of Charge, SOC)이 높을수록, 즉 저장된 전기에너지의 양이 많을수록 발열량은 비례적으로 증가하게 된다.
또한, 리튬이온 배터리의 구성요소를 살펴보면 A, B, C, D급의 화재특성을 모두 갖고 있음을 알 수 있다. 분리막, 파우치 등의 플라스틱 재질이 연소하면서 보이는 A급 일반 가연물 화재의 특성이 있으며, 또한, 과거의 2차전지와는 달리 전해액으로서 인화성 액체에 해당하는 유기용매가 들어 있으므로 B급 유류화재의 특성도 있다.
그리고 자체적으로 충전된 전기 에너지를 갖고 있어 점화원으로 작용할 수 있는 C급 전기화재로 분류할 수도 있으며, 금속화재인 D급화재 특성도 있다.
따라서 ESS 화재는 A, B, C, D급의 특성을 모두 복합적으로 갖고 있어 화재 대응의 측면에서는 매우 어려운 문제가 있으며, 더욱이 리튬이온 배터리의 독특한 화재특성인 열폭주(thermal runaway)와 재발화(reignition) 특성이 있다.
열폭주는 배터리 셀의 자기 발열로 인한 급격한 온도상승을 의미하며, 열폭주는 양극과 음극 사이의 고분자 분리막의 붕괴로부터 시작된다. 이러한 분리막으로 주로 사용되는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀 계열의 고분자는 녹는점이 125~160℃로서, 고온에서 안정성이 취약하다.
분리막이 분해되면 양극과 음극이 직접 접촉되면서 내부에 충전된 에너지의 급격한 방출과 함께 유기 용매인 전해액이 열분해 되고, 이로 인해 인화성 가스(VOC 가스)가 발생한다. 가스 팽창으로 인해 압력이 일정 수준 이상으로 높아지면 배터리 셀 밖으로 인화성 가스와 전해액이 누출되면서 발화하게 된다.
열폭주의 원인으로는 기계적인 충격으로 인한 분리막의 천공, 과충전 및 과방전과 같은 전기적 요인, 제품 자체의 결함 등이 있으며, 또한 배터리와 무관한 외부 화재로 인한 착화도 가능하다.
또한, 재발화는 한번 배터리에서 화재가 시작되었다가 소화 활동에 의해 화염이 진압된 뒤에도 일정 시간 경과 후 다시 불꽃을 내면서 연소가 시작되는 현상이다.
다량의 배터리 셀이 집합된 형태에서 화재가 발생한 경우, 일단 초기 화염이 제거되었다 할지라도 최초 발화된 배터리와 인접한 다른 배터리 셀이 전도열 또는 복사열에 의해 열적 손상을 받아 자체적인 전기 에너지에 의해 열폭주가 시작되고 다시 발화 하게 된다.
리튬이온 배터리의 열폭주 및 재발화 특성 때문에 ESS 화재는 냉각과 동시에 산소를 차단하는 방법만이, 발화한 셀에서 주변 배터리 셀로 열이 더 이상 전파되지 않고 완전한 소화가 가능하게 할 수 있다.
기존의 ESS의 화재 시스템에서 사용중인 일반 소화장치의 소화약제는 주로 물, 분말, 가스 등의 일반 소화약제를 사용하는데, 이러한 일반 소화약제로는 ESS 화재를 진압하는 것은 매우 어렵기(아래 표 1 참조) 때문에 새로운 소화약제에 대한 도입도 요구되고 있다.
| 구분 | 가스소화설비 고체에어로졸 | 스프링클러 | 일반 미분무수 | 일반 소화기 | 압축공기포 |
| 소화약제 |
할로카본 불활성가스 |
물(입자크기 1,000㎛ 이상) | 물(입자크기 1,000㎛ 미만) | A급, D급 소화약제 | 포소화약제+불활성가스 |
| 장점 |
표면화재 초기소화, 가스계는 잔류물 없음 | 대용량 방사시 냉각효과 | 초기소화, 재발화 방지 | 소규모 표면화재 초기소화 | 초기소화, 냉각효과, 산소차단, 표면화재, 심부화재 |
| 특징 (단점) |
- 재발화 방지 불가 - 고체에어로졸은 심각한 잔류물 발생 |
- 막대한 수손피해 - 전기화재 적응성 없음 |
- 냉각성능 미약 - 전기화재 적응성 없음 |
- 재발화 방지 불가 | - 포소화약제 소화약제로 소화효과 극대화 - 배터리 냉각효과 극대화 및 재발화 차단 - 불활성가스에 의한 산소차단 효과 - 압축공기포 사용으로 수손 피해 최소화 |
| ESS 적용성 |
중 (재발화 방지 불가) |
중 (막대한 수손피해) |
중 (전기화재 불가) |
하 (재발화 방지 불가) |
탁월 (재발화 방지 및 배터리랙 단위 화재방호) |
압축공기포 소화약제는 합성계면활성제를 기반으로 하여 팽창비 500배 이상의 높은 팽창률의 거품을 발생시켜서 거품으로 화재의 표면에 덮어 가연성증기와 산소의 접촉을 방지하는 산소 차단효과(질식효과)와 거품속에 함유된 수분에 의한 냉각효과가 탁월하기 때문에 열폭주 및 재발화 특성이 있는 ESS 화재 대응에 매우 효과적이다.
따라서, 열폭주 및 재발화에 효과적인 압축공기포 소화약제를 이용한 새로운 소화약제의 개발과 ESS에 적합한 새로운 화재 진압기술의 개발이 매우 시급한 실정이다.
또한, 특허 제10-1706717호의 '에너지 저장시스템의 배터리팩 화재예방장치'에 따르면, 컨테이너 타입의 에너지 저장장치에서 배터리 모듈의 온도가 일정 온도이상으로 상승하거나, 배터리 모듈에 화재가 발생할 경우, 공급되는 전원을 차단하고, 배터리 모듈의 화재 발생시 경보음을 발생시킴과 아울러, 화재를 조기에 진화시킬 수 있도록 소화수단을 구비하고 있으나, 화재 발생시 일반적인 소화액을 이용하기 때문에 열폭주 및 재발화 현상에 의한 ESS 화재를 전혀 진압할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 열화상 카메라만을 이용하여 화재를 감지하기 때문에 정확한 화재 감지가 어려운 것은 물론이고, 열폭주 발생전인 화재가 커지기 이전의 낮은 온도에서 소화가스(소화약제)가 방출되어야 하나 기존 화재예방 시스템의 대부분이 열감지기와 같은 재래식 감지기를 사용하고 있어 화재가 이미 커진 시점에서 화재를 감지하므로 ESS 화재에 전혀 대응할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 액체 타입의 소화약제를 사용하는 화재 예방시스템의 경우, 오작동시 ESS의 수손에 의한 성능 저하, 이로 인한 수리 비용 발생의 큰 문제가 발생할 수 있다.
또한, 기존 화재 예방시스템은 소화약제를 공급하는 스프링클러가 배터리 렉당 단일 구성으로 각 하나씩 배치되어 있으므로, 어느 특정위치의 배터리 모듈이나 다수의 배터리 모듈에 동시다발로 화재가 발생 할 경우, 스프링클러와 인접해 있지 않은 배터리 모듈에는 소화약제를 직접분사하지 못하는 문제점이 있었다.
따라서, 어느 특정위치의 배터리 모듈이나 배터리 모듈에 동시다발적으로 화재가 발생할 경우, 화재가 발생한 다수의 배터리 모듈로 소화약제를 즉각적으로, 그리고 직접 공급하여 열폭주 발생전에 화재를 신속하게 진압할 수 있는 새로운 화재예방 시스템의 개발이 매우 시급한 실정이다.
또한, 화재가 발생하지 않았는데(비화재보) 화재 예방시스템이 오작동 할 경우, 배터리 모듈로 소화약제가 공급되지 못하도록 하는 장치들이 전혀 구비되어 있지 않아, 비화재시 오작동 할 경우, 배터리 모듈에 소화약제가 공급되어 배터리 모듈이 수손되는 문제점이 있었다.
이에 ESS 화재시 배터리의 열폭주 및 재발화에 완벽히 대응할 수 있는 소화약제와, 배터리 모듈에 화재가 발생할 경우, 화재가 발생한 배터리 모듈로 소화약제를 즉시로, 그리고 직접 공급할 수 있도록 하고, 비화재보시 오작동이 발생하여도 소화약제가 배터리 모듈로 공급되지 않도록 하는 보호 수단을 구비하는 화재 예방 시스템을 안출하기에 이르렀다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, ESS 화재 시 리튬이온 배터리의 열폭주 및 재발화를 냉각 및 산소 차단효과가 우수한 압축공기포 소화약제를 신속하게 공급하여 복합화재를 완벽하게 진압할 수 있도록 하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다
또한, 본 발명은, ESS 화재 발생시 압축공기포 소화약제와 불활성 효과가 뛰어난 불활성 가스를 혼합한 포혼합약제를 이용하여 금속화재에 대한 대응력을 높여 ESS 화재를 효과적으로 진압할 수 있도록 하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, ESS 화재 발생시 배터리 열폭주 현상을 화재진압용 나노 캡슐을 혼합한 포나노 소화약제를 이용하여 용이하게 진압할 수 있도록 하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 평상시에 열감지 튜브가 경화되어 크랙이 발생하여도 소화약제가 배터리 모듈에 누출되지 않아 ESS의 성능 저하, 수리 비용 발생의 문제를 미연에 방지하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 화재 감지부 오작동 시에 챔버 내의 포혼합약제가 ESS로 배출되지 않도록 하여, 불필요한 소화약제 누출사고로 인하여 ESS의 성능 저하, 수리 비용 발생의 문제를 미연에 방지하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 화재 발생 시 분기방출 모듈을 통해 포혼합약제와 화재진압용 나노 캡슐인 첨가제를 혼합하여 생성된 포나노 소화약제를 우선적으로 해당 배터리 모듈에 공급할 수 있도록 하여 신속하고 효과적으로 화재 진압을 할 수 있게 하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 다수개의 배터리 모듈에 열감응형 튜브를 적절하게 분기하여 배치할 수 있도록 구성하여 배터리 렉 단위 화재 대응을 용이하게 하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 분기방출 모듈을 통해 소화능력을 증가시키기 위해 화재 진압용 나노캡슐 첨가제를 추가할 수 있어 ESS 화재를 효과적으로 진압할 수 있도록 하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, ESS 화재 예방 시스템에 있어서, 다수의 배터리 모듈이 적층되어 구비되는 배터리 렉; 화재를 진압할 수 있는 압축공기포 소화약제를 화재 발생시 분기방출 모듈로 배출하는 소화약제 공급 장치부; 일측은 상기 소화약제 공급 장치부와 연결되고, 타측은 다수의 열감지 튜브가 배열되어 연결되고, 상기 다수의 열감지 튜브가 상기 다수의 배터리 모듈 측에 각각 분기되어 배치될 수 있도록 상기 배터리 렉 일측에 구비되는 분기방출 모듈; 열을 감응하여 일정 온도 이상 상승할 경우, 파열되는 열감지 튜브; 상기 분기방출 모듈 일측에 구비되고, 상기 열감지 튜브의 내부 압력이 일정기준 이하로 감압되는 것을 감지하는 압력 감지부; 상기 압력 감지부가 상기 열감지 튜브의 내부 압력이 기준 이하로 감압되는 것을 감지하면, 상기 소화약제 공급 장치부의 상기 압축공기포 소화약제가 상기 분기방출 모듈을 거쳐 상기 열감지 튜브로 유입되도록 개방되며, 상기 소화약제 공급 장치부와 상기 분기방출 모듈의 사이에 배치되는 제1 개폐장치; 및 제어부; 를 포함하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템을 제공한다.
상기 소화약제 공급 장치부는, 상기 압축공기포 소화약제가 충전되어 있는 소화약제 용기와 소화가스가 충전되어 있는 소화가스 용기의 사이에 배치되고, 개방시 상기 소화가스를 배출하여 상기 압축공기포 소화약제와 소화가스가 혼합되어 생성된 포혼합약제가 상기 제1 개폐장치 측으로 배출될 수 있도록 하는 제2 개폐장치를 포함하고, 상기 제2 개폐장치는 상기 제어부의 제어에 따라 개방 또는 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 렉에서의 화재 발생 유무를 감지하는 화재 감지부;를 포함하고, 상기 화재 감지부는 화재 감지 신호를 상기 제어부로 송신하는 것을 특징으로 하는 한다.
상기 화재 감지부는, 상기 배터리 모듈 과열에 의한 화재 시 발생되는 연기를 감지하고, 연기 감지시 연기 감지신호를 상기 제어부로 송신하는 연기감지 장치; 또는 상기 배터리 모듈 적층 위치를 촬영하여 열화상 데이터를 상기 제어부로 송신하는 열화상 카메라; 또는 상기 배터리 모듈 과열시 발생되는 열을 감지하고, 열감지 신호를 상기 제어부로 송신하는 열감지기; 중 어느 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 렉에서 발생하는 유증기의 화학성분을 감지하는 유증기 감지부; 를 포함하고, 상기 유증기 감지부는 상기 특정 배터리 렉에서 유증기의 특정 화학성분을 감지하고, 유증기 감지 신호를 상기 제어부로 송신하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 압력 감지부가 상기 열감지 튜브의 내부 압력이 기준 이하로 감압되는 것을 감지하여, 상기 제1 개폐장치가 개방된 것으로 감지하고, 상기 화재 감지부의 화재 감지 신호도 입력된 것으로 확인되면 화재보로 판단하여 상기 제2 개폐장치를 개방하고, 상기 화재 감지부의 화재 감지 신호는 입력되지 않은 것으로 확인되면 비화재보로 판단하여 상기 제2 개폐장치를 폐쇄한 상태로 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 압력 감지부가 상기 열감지 튜브의 내부 압력이 기준 이하로 감압되는 것을 감지하여, 상기 제1 개폐장치가 개방된 것으로 감지하고, 상기 유증기 감지부의 유증기 감지 신호도 입력된 것으로 확인되면 화재보로 판단하여 상기 제2 개폐장치를 개방하고, 상기 유증기 감지부의 유증기 감지 신호는 입력되지 않은 것으로 확인되면 비화재보로 판단하여 상기 제2 개폐장치를 폐쇄한 상태로 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 화재 감지부의 화재 감지 신호가 입력되었는데, 상기 제1 개폐장치가 개방된 것으로 감지되지 않은 상태이면 비화재보로 판단하여, 상기 제1 개폐장치 또는 제2 개폐장치를 폐쇄한 상태로 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 유증기 감지부의 유증기 감지 신호가 입력되었는데, 상기 제1 개폐장치가 개방된 것으로 감지되지 않은 상태이면 비화재보로 판단하여, 상기 제1 개폐장치 또는 제2 개폐장치를 폐쇄한 상태로 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 소화약제 공급 장치부는, 화재를 진압할 수 있는 상기 압축공기포 소화약제를 일측에 마련된 챔버로 배출하는 소화약제 용기; 소화가스를 일측에 연결된 가스 유로를 통해 상기 챔버로 배출하는 소화가스 용기; 상기 소화가스 용기의 상기 소화가스를 상기 챔버로 공급하는 가스유로; 상기 소화약제 용기와 상기 소화가스 용기 사이의 상기 가스유로에 구비되고, 개방시 상기 소화가스를 배출하는 제2 개폐장치; 및 상기 압축공기포 소화약제와 상기 소화가스가 유입될 경우, 일정비율로 혼합하여 포혼합약제가 생성되도록 하며 상기 포혼합약제를 분사유로로 배출하는 챔버;를 포함하여 구성되고, 상기 분사유로는 일측이 상기 챔버와 연결되고 타측은 상기 분기방출 모듈과 연결되고, 상기 제1 개폐장치가 중간에 구비되어, 상기 제1 개폐장치의 개방시 상기 포혼합약제를 상기 분기방출 모듈 측으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 분기방출 모듈에 첨가제를 첨가하는 첨가제 추가 장치부;를 더 구비하고, 상기 첨가제 추가 장치부는, 상기 분기방출 모듈에 연결되고, 소화를 위한 추가 첨가제가 수용되어 있는 첨가제 용기; 및 상기 분기방출 모듈과 상기 첨가제 용기 사이에 구비되고, 화재 발생에 따라 상기 첨가제가 상기 분기방출 모듈측으로 배출되도록 개방하는 제3 개폐장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 모듈은, 일측에 상기 열감지 튜브가 삽입되도록 형성된 튜브공;을 더 포함하고, 상기 열감지 튜브는, 상기 튜브공을 통해 상기 배터리 모듈 내에 배치되고, 상기 배터리 모듈 내에 마련된 다수의 배터리 셀에 근접하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 분기방출 모듈은, 다수의 열감지 튜브가 배치된 타측에 상기 압축공기포 소화약제가 유입되도록 형성된 분사공; 상기 첨가제가 유입되도록 상단측에 형성된 첨가제 투입공; 및 상기 다수의 열감지 튜브가 일정 간격 배열되어 연결되고, 상기 열감지 튜브와 각각 연통되도록 형성된 다수개의 분기공;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분기방출 모듈은, 각각의 분기공 하측에 인접하여 수평 부분을 포함하고 양 측단 외측에는 빈 공간이 마련되도록 형성되는 다수의 제1 가이드 부재; 및 상기 제1 가이드 부재 양 측단의 빈 공간 하부에 대응되도록 양 측에 형성되고, 그 사이로 빈 공간이 마련되도록 형성되는 다수의 제2 가이드 부재를 내부에 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 가이드 부재는 양 측단 부분이 외측을 향해 상방 경사지도록 기울어진 부분을 포함하고, 상기 제2 가이드 부재는 중간의 내측 하방을 향해 하방 경사지도록 기울어진 부분을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 개폐장치가 개방된 것으로 감지되고, 상기 화재 감지부의 화재 감지 신호가 입력된 경우에는, 화재보로 판단하여, 상기 제2 개폐장치를 개방하는 것을 특징으로 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 화재 감지부로부터 화재 감지 신호가 입력되었는데, 상기 제1 개폐장치가 개방되지 않은 것으로 감지된 상태라면, 비화재보로 판단하여, 상기 제1 개폐장치 및/또는 제2 개폐장치의 폐쇄 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템을 제공한다.
또한, 상기 배터리 렉에서 발생하는 유증기의 화학성분을 감지하는 유증기 감지부; 를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 유증기 감지부를 통해 상기 특정 배터리 렉에서 유증기의 특정 화학성분이 검출 될 경우, 화재가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템을 제공한다.
또한, 상기 첨가제는, 나노 소재를 포함하여 캡슐화 된 화재진압용 나노 캡슐을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템을 제공한다.
본 발명은 ESS 화재 시 리튬이온 배터리의 열폭주 및 재발화를 냉각 및 산소 차단효과가 우수한 압축공기포 소화약제를 신속하게 공급하여 복합화재를 완벽하게 진압할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 ESS 화재 발생시 압축공기포 소화약제와 불활성 효과가 뛰어난 불활성 가스를 혼합한 포혼합약제를 이용하여 금속화재에 대한 대응력을 높여 ESS 화재를 효과적으로 진압할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은, ESS 화재 발생시 배터리 열폭주 현상을 화재진압용 나노 캡슐을 혼합한 포나노 소화약제를 이용하여 용이하게 진압할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은, 평상시에 열감지 튜브가 경화되어 크랙이 발생하여도 소화약제가 배터리 모듈에 누출되지 않아 ESS의 성능 저하, 수리 비용 발생의 문제를 미연에 방지하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은, 화재 감지부 오작동 시에 챔버 내의 포혼합약제가 ESS로 배출되지 않도록 하여, 불필요한 소화약제 누출사고로 인하여 ESS의 성능 저하, 수리 비용 발생의 문제를 미연에 방지하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은, 화재 발생 시 분기방출 모듈을 통해 포혼합약제와 화재진압용 나노 캡슐인 첨가제를 혼합하여 생성된 포나노 소화약제를 우선적으로 해당 배터리 모듈에 공급할 수 있도록 하여 신속하고 효과적으로 화재 진압을 할 수 있게 하는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은, 다수개의 배터리 모듈에 열감응형 튜브를 적절하게 분기하여 배치할 수 있도록 구성하여 배터리 렉 단위 화재 대응을 용이하게 효과를 갖는다.
또한 본 발명은, 분기방출 모듈을 통해 소화능력을 증가시키기 위해 화재 진압용 나노캡슐 첨가제를 추가할 수 있어 ESS 화재를 효과적으로 진압할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 분기방출 모듈이 배터리 렉에 배치되는 상태를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 분기방출 모듈의 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 분기방출 모듈을 거쳐 소화약제, 첨가제들이 열감지 튜브로 유입되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 분기방출 모듈 내로 유입되는 포혼합약제와 첨가제가 혼합되어 포나노 혼합제가 생성되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 분기방출 모듈을 거쳐 열감지 튜브로 소화약제들이 유입되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 열감지 튜브가 경화에 의해 손상시 시스템 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 화재보시 시스템 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 분기방출 모듈이 배터리 렉에 배치되는 상태를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 분기방출 모듈의 구조를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 분기방출 모듈을 거쳐 소화약제, 첨가제들이 열감지 튜브로 유입되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 분기방출 모듈 내로 유입되는 포혼합약제와 첨가제가 혼합되어 포나노 혼합제가 생성되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 분기방출 모듈을 거쳐 열감지 튜브로 소화약제들이 유입되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 열감지 튜브가 경화에 의해 손상시 시스템 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 화재보시 시스템 작동을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템을 설명하기 위한 블록 구성도이며, 도 3은 본 발명의 분기방출 모듈이 배터리 렉에 배치되는 상태를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템은, 소화약제 공급 장치부(110), 제어부(150), 화재 감지부(155), 압력 감지부(157), 유증기 감지부(158), 분기방출 모듈(160), 첨가제 추가 장치부(170), 열감지 튜브(180) 및 배터리 렉(190)을 포함한다.
본 발명에 따른 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템은, 적어도 하나 또는 다수개의 배터리 렉(190)이 설치되는 구조물에 적어도 부분적으로 결합된다. 예컨대, 배터리 렉(190)이 설치되는 구조물은, 사용자(USER)가 출입 가능한 규모의 ESS의 건물 내부, 또는 컨테이너 등일 수 있다.
이어서, 소화약제 공급 장치부(110)는 소화약제 용기(111), 챔버(112), 소화가스 용기(113), 가스 유로(114) 및 제2 개폐장치(115)를 포함하고, 분사유로(116)와 연결된다.
소화약제 용기(111)는 내부에 압축공기포 소화약제가 충전되어 있으며, 구조물 외부에 배치되는 것이 바람직하나, 구조물 내부에도 배치될 수도 있을 것이다. 소화약제 용기(111)에 충전된 압축공기포 소화약제는, 포소화약제, 초순수, 기타 유체 소화약제 등을 사용할 수 있으며, 친환경으로 이루어진 압축공기포 포소화약제를 충전하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 소화약제 용기(111)에 충전된 압축공기포 소화약제는, 팽창비 500배 이상의 높은 팽창률의 거품을 발생시키고, 발생된 거품으로 화재의 표면에 덮어 가연성 증기와 산소의 접촉을 방지하는 산소 차단효과(질식효과)와 거품 속에 함유된 수분에 의한 냉각효과가 탁월하기 때문에 열폭주 및 재발화 특성이 있는 ESS 화재 대응에 매우 효과적이다.
또한 이러한 압축공기포 소화약제에는 다양한 종류의 불활성 가스를 포함하도록 구성하여 리튬이온 배터리 소화에 관해 산소 차단 및 냉각효과를 최대한 상승시킬 수 있도록 구성할 수 있다.
챔버(112)는, 소화약제 용기(111) 상부에 구비되는 혼합 챔버로서, 후술할 제2 개폐장치(115) 개방시 소화가스 용기(113)로부터 유입되는 소화가스와 소화약제 용기(111)로부터 유입되는 압축공기포 소화약제를 일정 비율로 혼합하고, 이에 따라 생성되는 포혼합약제를 분사유로(116)로 배출하는 역할을 한다.
이렇게 챔버(112) 내에서 혼합되어 생성되는 상기 포혼합약제는, 불활성 효과가 가장 뛰어난 아르곤 가스를 주성분으로 하는 소화가스와 냉각 효과와 산소차단 효과가 탁월한 압축공기포 소화약제를 사용하므로 점착력까지 증대되어 적은 양으로도 냉각 및 산소차단 효과를 극대화 할 수 있는 장점이 있다.
또한 챔버(112)는 상기 소화가스가 유입되는 유입구(미도시)의 내경과 소화약제 용기(111)로부터 유입되는 상기 압축공기포 소화약제가 유입되는 유입구(미도시)의 내경 비율이 1:1 ~ 1:4 범위 또는 4:1 ~ 1:1 범위로 자유롭게 구성할 수 있다.
이에 따라 챔버(112)의 상기 소화가스가 유입되는 유입구(미도시)의 내경과 상기 압축공기포 소화약제가 유입되는 유입구(미도시)의 내경 범위를 조절하여 챔버(112) 내에서 상기 소화가스와 상기 압축공기포 소화약제의 혼합 비율이 조절되며, 화재 특성에 맞는 다양한 효과의 포혼합약제를 조합해 낼 수 있다.
소화가스 용기(113)는, 상술한 바와 같이 불활성 가스인 소화가스가 충전되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 소화가스는 공기, 아르곤, 이산화탄소, 질소 중 어느 하나, 또는 하나 이상의 조합으로 이루어진 혼합 가스가 충전되어 있으며, 불활성 효과가 뛰어난 아르곤이 주성분인 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 불활성 가스 중 유일하게 아르곤 가스만이 리튬 배터리 금속화재에 적응성이 있으므로, 배터리 렉(190) 화재 발생시 소화 성능을 극대화할 수 있다.
소화가스 용기(113)의 일측은 가스 유로(114)를 통해 챔버(112)와 연결되며, 그 사이의 가스 유로 상에는 제2 개폐장치(115)가 배치된다. 소화가스는 제2 개폐장치(115) 개방되어야 가스 유로(114)를 따라 소화가스 용기(113)로부터 챔버(112)로 유입되며, 연속적으로 소화약제 공급 장치부(110)에 연결된 분사유로(116)를 따라 외부를 향하게 되며, 이 때 분사유로(116)는 제1 개폐장치(151)와 연결된다. 따라서 제2 개폐장치(115)가 개방되는 경우에만 포혼합약제가 소화약제 공급 장치부(110)로부터 공급될 수 있게 된다. 다만 후술하는 바와 같이 제1 개폐장치(151)가 폐쇄된 상태라면, 포혼합약제가 공급되더라도, 분기방출 모듈(160) 측으로 제공되지는 않을 것이다.
이러한 소화약제 용기(111) 및 소화가스 용기(113)는, 일정 부피를 가지며 일정 수준 이상의 외부 충격에 견딜 수 있도록 재질과 구조로 설계되는 것이 바람직하다.
가스 유로(114)는 소화가스 용기(113)와 챔버(112)를 연결하여 제2 개폐장치(115) 개방시 소화가스 용기(113)의 소화가스를 챔버(112)로 유입되게 하는 유로이다.
제2 개폐장치(115)는 가스 유로(114) 상에 마련되며, 제어부(150)의 제어에 의해 개폐되는는 솔레노이드 밸브를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 제2 개폐장치(115)는 개방시 소화가스 용기(113)에 충전된 소화가스를 가스 유로(114)를 거쳐 챔버(112)로 공급되게 하는 역할을 한다.
분사유로(116)는 일측은 챔버(112)와 연결되고, 타측은 분기방출 모듈(160) 일측과 연결되어 챔버(112)에서 혼합된 상기 압축공기포 소화약제를 분기방출 모듈(160)로 유입되게 하는 통로 역할을 하는 유로이다.
분사유로(116)는 다수개의 배터리 렉(190)에 각각 마련되는 다수개의 분기방출 모듈(160)에 다양한 형태와 구조로 각각 분기되는 형태의 유로로 형성된다.
제어부(150)는 구조물 외부에 구비되는 수동조작도 가능한 제어판, 제어부스 등이 될 수 있으며, 구조물 내부에 구비되거나, 별도의 관제센터 등에 서버, 자동화 시스템, 모니터링 시스템, PC 등의 다양한 조합으로 구성되거나, 마이크로프로세서 등과 같은 유닛으로 구현될 수도 있으며, 본 발명에 따른 시스템의 전반적인 동작에 요구되는 데이터 및 소프트 웨어 등을 저장 할 수 있다.
제어부(150)는 제1 개폐장치(151), 제2 개폐장치(115), 제3 개폐장치(172), 화재 감지부(155) 및/또는 유증기 감지부(158) 등 시스템 내에 마련된 장치들을 제어할 수 있는데, 특별히 제2 개폐장치(115), 제3 개폐장치(172)를 제어할 수 있도록 한다.
제1 개폐장치(151)는 압력 감지부(157)의 감지 신호에 따라 바로 개방 동작을 하는 솔레노이드 밸브로, 분사유로(116) 상에 배치된다. 제1 개폐장치(151)는 후술할 압력 감지부(157)가 열감지 튜브(180)의 내부 압력이 기준 이하로 감압되는 것을 감지하면, 바로 개방될 수 있도록 하며, 이 경우 챔버(112)와 분기방출 모듈(160)의 사이에 있는 분사유로(116)를 개방시키게 된다. 다만, 제1 개폐장치(151)가 개방되더라도 소화약제 공급 장치부(110)로부터 포혼합약제가 공급되지 않으면, 열감지 튜브(180) 측으로는 아무런 소화약제 공급이 되지 않는다. 즉, 제1 개폐장치(151)가 개방되더라도, 제2 개폐장치(115)가 개방되기 전이라면, 소화약제는 공급되지 않는다.
이러한 제1 개폐장치(151)는 중심이 되는 분사유로(116)에 단일 구성으로 하여 구비될 수도 있으며, 분기방출 모듈(160)측에 인접한 다수의 분기된 분사유로(116) 각각에 다수개가 구비되어 배터리 렉(190) 화재 발생시 개별적으로 제1 개폐장치(151)를 제어할 수 있도록 구성할 수도 있을 것이다.
상기 제2 개폐장치(115)의 개폐를 제어하는 것은 제어부(150)의 제어에 따르는데, 제어부(150)는 부수적으로 화재 감지부(155) 및/또는 유증기 감지부(158)로부터의 감지 신호를 활용한다. 즉, 압력 감지부(157)에서 열감지 튜브(180)에서의 압력 저하를 감지하였는데, 이러한 압력 저하가 화재에 의해 열감지 튜브(180)가 녹아 내림에 따른 것일 수도 있으나, 또는 열감지 튜브(180)의 크랙, 불량이나 파손에 기인한 것일 수도 있을 것이다. 후자의 경우에도 소화약제를 배터리 측으로 공급해 버리면, 화재가 아님에도 불구하고 배터리가 오염, 수손되는 문제점이 발생한다. 이에 화재 감지부(155)와 유증기 감지부(158)를 추가함으로써, 화재가 맞는지 또는 화재가 아닌지에 대한 추가 판단을 할 수 있도록 한다.
화재 감지부(155)는 연기감지 장치(1551), 열화상 카메라(1552) 및 열감지기(1553)와 같은 다양한 구성을 하나 이상 조합하여 적용할 수 있다. 연기감지 장치(1551)는, 상기 배터리 모듈(191) 과열에 의한 화재 발생 시 발생되는 연기를 감지하고, 연기 감지시 연기 감지신호를 상기 제어부(150)로 송신하는 기능을 한다. 열화상 카메라(1552)는 상기 구조물 내의 배터리 모듈(191)의 적층위치에 대한 열화상을 촬영하여 촬영된 열화상 데이터를 상기 제어부(150)로 송신하는 기능을 한다. 열감지기(1553)는 구조물 내의 배터리 모듈(191)의 과열시 발생되는 열을 감지하여 열감지 신호를 제어부(150)로 송신한다.
제어부(150)는 화재 감지부(155)인 연기감지 장치(1551)의 연기 감지신호, 열화상 카메라(1552)의 열화상 데이터 또는 열감지기(1553)의 열감지 신호를 수신하고, 수신된 신호 및 데이터들을 종합적으로 고려하여 특정 배터리 모듈(191)의 화재 발생 여부를 판단하게 된다. 이러한 제어부(150)는 수신된 신호 및 데이터를 함께 분석하여, 화재 발생 유무, 화재발생 규모 및 위험도 등을 판단할 수도 있다.
압력 감지부(157)는 분기방출 모듈(160) 일측에 구비되어 열감지 튜브(180) 내부의 압력이 일정기준 이하로 감압되는지 여부를 항시 감시한다. 즉, 특정 배터리 모듈(191)의 화재 발생에 의한 파손 또는 오랜 시간이 흘러 경화되어 물리적으로 파손(크랙 발생)될 경우, 열감지 튜브(180)의 내부 압력이 감소하게 되는데, 압력 감지부(157)를 통해 열감지 튜브(180)의 내부 압력이 기준 이하로 감압 되는지를 감지할 수 있다.
제1 개폐장치(151)는 압력 감지부(157)를 통한 열감지 튜브(180)의 내부 갑압 감지시 즉시로 개방된다. 즉, 열감지 튜브(180)가 화재로 인해 녹으며 내압이 감소되거나, 또는 화재와 무관한 파손, 손상, 크랙에 의해 내압이 감소되는지에 대해 구분하지 않고, 제1 개폐장치(151)는 개방될 수밖에 없게 된다.
제1 개폐장치(151)가 개방된 상태에서 포혼합약제가 공급되면, 분기방출 모듈(160)을 거쳐 각각의 열감지 튜브(180)를 거쳐, 열감지 튜브(180)가 개방된 위치로 포혼합약제가 배출될 것이다.
그러나 제1 개폐장치(151)가 개방된 상태이더라도 포혼합약제가 공급되지 않고 있다면, 열감지 튜브(180) 측에서 포혼합약제가 배출되지 않을 것이다. 이러한 포혼합약제의 공급 즉, 소화약제 공급 장치부(110)로부터 포혼합약제가 제1 개폐장치(151)를 향해 분사유로(116)로 공급될 것인지는, 그 내부에 있는 제2 개폐장치(115)의 동작에 의해 결정된다.
이러한 제2 개폐장치(115)의 개방 여부는 제어부(150)의 제어에 따르는데, 제어부(150)는 상기한 화재 감지부(155)로부터의 입력 신호에 기초하여 판단하거나, 또는 후술할 유증기 감지부(158)의 입력 신호에 기초하여 판단할 수 있으며, 경우에 따라서는 중첩적으로 고려하여 판단할 수도 있다.
유증기 감지부(158)는 특정 배터리 모듈(191) 과열시 발생되는 VOC 유증기(휘발성 유기 화합물)의 화학성분을 감지하는데, 유증기 중 배터리 모듈(191) 과열시 발생되는 화학성분이 감지될 경우, 유증기 감지 신호를 제어부(150)로 송신한다. 이 때 제어부(150)는 화재 발생여부 내지는 제2 개폐장치(115) 개방여부를 판단하게 된다.
제어부(150)에서 판단할 수 있는 각 조건들을 나눠보면, 열감지 튜브(180) 측의 압력 저하로 인한 제1 개폐장치(151)의 개방이 인지된 상태에서, 화재 감지부(155) 또는 유증기 감지부(158)로부터의 감지 신호가 있는 경우와 없는 경우가 있을 수 있다. 또한, 화재 감지부(155) 또는 유증기 감지부(158)로부터의 감지 신호가 있는데, 제1 개폐장치(151)의 개방 신호는 없는 경우도 있을 수 있다.
첫째로, 제어부(150)가 제1 개폐장치(151)의 개방을 인지한 상태에서, 화재 감지부(155) 또는 유증기 감지부(158)로부터의 감지 신호도 수신한 경우에는 화재보로 판단하여, 폐쇄 상태였던 제2 개폐장치(115)를 개방한다. 화재보 즉, 실제 화재가 난 것으로 보고, 제2 개폐장치(115)를 개방하여 소화약제 공급 장치부(110)로부터 포혼합약제가 분사유로(116)로 공급되고, 이는 개방된 제1 개폐장치(151)를 지나 분기방출 모듈(160) 측으로 제공되어, 열감지 튜브(180)의 개방 위치로 향하게 된다.
둘째로, 제어부(150)가 제1 개폐장치(151)의 개방을 인지한 상태이긴 하나, 화재 감지부(155) 또는 유증기 감지부(158)로부터 아무런 감지 신호가 수신되지 않은 경우에는, 비화재보로 판단한다. 즉, 실제 화재가 아니고, 열감지 튜브(180) 등의 손상, 파손을 포함한 화재가 아닌 이유라고 판단하고, 제2 개폐장치(115)를 개방하지 않도록 한다. 이를 통해, 화재가 아님에도 기구, 기계적인 오류에 의해 배터리 측에 포혼합약제가 배출되어, 배터리가 오염, 수손되는 것을 방지해 주는 역할을 한다. 한편, 이러한 경우 제어부(150)에서 관리자 또는 BMS(Battery Management System) 측으로 알람 신호를 보낼 수 있도록 한다.
셋째로, 화재 감지부(155) 또는 유증기 감지부(158)로부터의 감지 신호가 있는데도 불구하고, 제1 개폐장치(151)의 개방 신호는 여전히 없는 경우도 있을 수 있다. 이 경우는 비화재보로 판단하여, 제2 개폐장치(115)를 개방하지 않도록 하는데, 마찬가지로 이 경우에도 제어부(150)에서 관리자 또는 BMS 측으로 알람 신호를 보낼 수 있도록 한다. 즉, 아직 기구, 기계적인 열감지 튜브(180)의 녹는 현상은 없으나, 화재의 예비적인 징후가 있을 수도 있음을 통보할 수 있게 된다.
결국, 압력 감지부(157)를 통해 열감지 튜브(180)의 내부 압력이 기준 이하로 감압되어 제1 개폐장치(151)가 개방되더라도, 화재 감지 신호 및/또는 유증기 감지 신호까지 있는 경우에만 화재보로 판단하여, 소화 동작을 수행하도록 한다.
또한, 비화재 상태여서 실제 열감지 튜브(180)의 일측이 개방되지 않았음에도 불구하고 제2 개폐장치(115)가 개방되는 경우, 소화가스의 누설 혹은 과압에 의한 기기손상이 발생할 수 있는데, 제어부(150)의 제어에 의해 제2 개폐장치(115)가 폐쇄상태를 유지하도록 함으로써, 이러한 문제점을 사전에 방지할 수 있게 된다.
분기방출 모듈(160)은 일측은 분사유로(116)와 연통되도록 연결되고, 분사유로(116)를 거쳐 유입되는 포혼합약제를 수용하도록 형성되며, 타측은 다수의 열감지 튜브(180)로 분기되도록 연결되는데, 내부로 유입되는 포혼합약제는 다수의 열감지 튜브(180)로 분리되어 공급될 수 있게 된다.
첨가제 추가 장치부(170)는 첨가제 용기(171) 및 제3 개폐장치(172)를 포함하며, 분기방출 모듈(160)에 연결된다.
첨가제 용기(171)는 분기방출 모듈(160) 상단에 구비되는데, 소화를 위한 추가 첨가제가 수용, 충전되어 있다. 이러한 첨가제는 캡슐화 된 소화약제이며, 나노 소재로 이루어진 화재 진압용 나노 캡슐인 것이 바람직하다. 이러한 화재진압용 나노 캡슐은 나노 크기의 활성화 소화성분들이 내부에 수용되어 있는 것이다.
제3 개폐장치(172)는 분기방출 모듈(160)과 첨가제 용기(171) 사이에 구비되고, 제어부(150)의 제어에 의해 솔레노이드 밸브가 개방되어 충전된 첨가제를 분기방출 모듈(160)로 유입시키게 된다.
제3 개폐장치(172)가 개방되면 분기방출 모듈(160) 내로 상기 첨가제가 유입되고, 상기 첨가제와 상기 포혼합약제가 일정비율로 혼합되어 포나노 혼합제가 생성된다. 이렇게 생성된 포나노 혼합제는 상기 소화가스가 상기 소화가스 용기(113)에서 방출되는 압력에 의해 상기 열감지 튜브(180)내로 유입된다. 이러한 첨가제 추가 장치부(170)는 분기방출 모듈(160) 상단 이외에도 분사유로(116) 일측 또는 챔버(112)의 일측 어디라도 배치하여 구성할 수도 있다.
열감지 튜브(180)는 다수의 배터리 모듈(191) 내에 광범위하게 배치되는데, 이러한 배터리 모듈(191)의 일측에 열감지 튜브(180)가 삽입되도록 튜브공(195; 도 5)이 형성된다. 열감지 튜브(180)는 튜브공(195)을 통해 배터리 모듈(191) 내에 연장 배치되고, 배터리 셀(192)의 최대한 넓은 부분을 대면하도록 지그재그 내지는 구불구불한 코일 형태(도 7 참조)로 배치된다.
열감지 튜브(180)는 열에 반응하는 열감응형 감지튜브(sensing tube)로, 화재가 발생한 배터리 모듈(191)이 일정 온도(통상 110~130℃) 이상 상승할 경우, 녹거나 파열된다. 분기방출 모듈(160)을 거쳐 유입되는 포혼합약제는 파열된 개방 공간을 통해 배터리 셀(192) 측으로 방출될 수 있다(도 7 참조).
배터리 렉(190)은, 다수의 배터리 셀(192)이 집적 배치된 다수(예건대, 4~6 개)의 배터리 모듈(191)을 적층시키기 위한 렉(rack)이다. 열감지 튜브(180)가 배터리 렉(190) 내의 배터리 모듈(191) 또는 배터리 셀(192)을 대면하여 다양한 형태로 배치될 수 있도록 분기방출 모듈(160)이 배터리 렉(190)에 인접하여 구비된다.
배터리 렉(190)에는, 적어도 하나의 배터리 관리 시스템(BMS: Battery Management System)이 전기적으로 연결될 수 있다. 각각의 BMS(미도시)는, 제어부(150)와 연결되어 배터리 모듈(191)의 상태를 모니터링할 수 있도록 구성할 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 분기방출 모듈의 구조를 설명하기 위한 사시도이다. 도 4를 참조하면, 분기방출 모듈(160)은 수직 상하 방향으로 연장 형성되고, 내부는 비어 있는 박스의 외관을 갖도록 하며, 분사공(161), 첨가제 투입공(162), 분기공(163), 제1 가이드 부재(164) 및 제2 가이드 부재(165)를 포함한다.
분기방출 모듈(160)은 구조물 내에 배치된 배터리 렉(190) 일측에 구비되는 것으로, 다수개의 배터리 모듈(191)들의 일측면을 향하도록 길이가 긴 바(bar) 형태이고 내부에 유입되는 포혼합약제 또는 포나노 혼합제를 수용할 수 있도록 충분한 공간을 갖도록 형성된다.
이러한 분기방출 모듈(160)은 다수개의 열감지 튜브(180)를 배터리 렉(190), 배터리 모듈(191) 및 배터리 셀(192)에 다양한 형태로 자유롭게 분기 배치하기 위해서, 분기방출 모듈(160)을 배터리 렉(190) 측면에 설치하는 것이 바람직하나, 상부에 배치하여 설치할 수도 있으며, 긴 바 형태 외에 정사각형, 직사각형 등 다양한 형태로 사용할 수도 있을 것이다.
이러한 분기방출 모듈(160)의 분사공(161)은 포혼합약제가 유입되는 분사유로(116)와 연통된다. 첨가제 투입공(162)은 첨가제 용기(170)와 연통되도록 상단 중앙부에 형성되며, 제3 개폐장치(172)의 개방에 따라 첨가제가 유입될 수 있도록 한다.
분기공(163)은 배터리 렉(190) 방향을 향해, 상하로 다수 형성되고, 각각 열감지 튜브(180)가 연결 설치된다. 연결된 열감지 튜브(180)는 배터리 렉(190)의 각 층별로 위치된 다수의 배터리 모듈(191)을 향해 연장되어 배치된다.
제1 가이드 부재(164)는 각각의 분기공(163) 하측에 인접하여 다수 형성되는데, 각각의 분기공 하측을 받쳐주는 형상으로 인접한 수평 부분을 포함하고 양 측단 외측에는 빈 공간이 마련되도록 형성된다. 이 때, 제1 가이드 부재(164)의 양 측단 부분은 외측을 향해 상방 경사지도록 기울어지는 부분을 포함하는 것이 바람직하다.
제 1가이드 부재(164)는 기본적으로 수평 방향으로 연장 형성되므로, 상방에 형성된 첨가제 투입공(162)으로부터 낙하하는 첨가제가 중력에 의해 낙하할 때에, 바로 바닥으로 떨어지지 않고, 제1 가이드 부재(164)에서 어느 정도 머물며 혼합될 수 있도록 하는 가이드 역할을 한다. 특히 외측이 상방 경사지도록 하여 그 내측으로 수용공간을 형성함에 따라 어느 정도의 첨가제를 공중에서 수용할 수 있도록 한다.
제2 가이드 부재(165)는 분기방출 모듈(160) 내부 양측에 각각 다수 형성되는데, 제1 가이드 부재(164)의 사이사이에 각각 형성되는 것이 바람직하고, 각 일측이 일정각도 바닥을 향하도록 비스듬하게 형성된다. 즉, 제1 가이드 부재(164) 양 측단의 빈 공간 하부에 대응되도록 양 측에 형성되고, 그 사이로 빈 공간이 마련되도록 형성되고, 특히 중간의 내측 하방을 향해 양쪽으로부터 하방 경사지도록 기울어진 부분을 포함하는 것이 바람직하다.
제2 가이드 부재(165)는 제1 가이드 부재(164)와 함께, 분사유로(116)를 거쳐 분기방출 모듈(160)로 유입되는 포혼합약제와 첨가제 투입공(162)을 통해 유입되는 첨가제(화재 진압용 나노캡슐)가 골고루 혼합될 수 있도록 믹서(mixer)와 같은 역할을 한다.
도 5는 본 발명의 분기방출 모듈을 거쳐 소화약제, 첨가제들이 열감지 튜브로 유입되는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 분기방출 모듈 내로 유입되는 포혼합약제와 첨가제가 혼합되어 포나노 혼합제가 생성되는 것을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명의 분기방출 모듈을 거쳐 열감지 튜브로 소화약제들이 유입되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 집적된 배터리 셀(192)이 배터리 모듈(191)을 이루어 배터리 렉(190)에 5개 층으로 적층되어 있다. 이러한 각각의 배터리 모듈(191) 내에는 각 층별 열감지 튜브(180)가 지그재그 형으로 올려져 있게 되며, 각 층의 열감지 튜브(180)는 분기방출 모듈(160)의 각 층별 형성된 분기공(163)에 연결 설치된다. 분기방출 모듈(160)은 상방으로 첨가제 투입공(162)을 통해 제3 개폐장치(172) 및 첨가제 용기(171)와 순차 연결된다.
화재 발생시에는 제1 개폐장치(151)가 개방된 상태에서 제어부(150)는 제2 개폐장치(115)를 개방하게 되고, 압축공기포 소화약제와 소화가스는 챔버(112)로 유입된 후 챔버(112) 내에서 일정비율로 혼합되어 포혼합약제가 생성된다. 챔버(112)로 유입되는 소화가스의 압력에 의해 포혼합약제는 분사유로(116)를 거쳐 분기방출 모듈(160)로 향하게 되어, 분사유로(116)를 따라 포혼합약제가 분사공(161)으로 내입되어 낙하하게 되는데, 이 때 제3 개폐장치(172)가 제어부(150)에 의해 개방되면, 첨가제도 첨가제 투입공(162)으로 인입되어 혼합되어 동시 낙하하게 된다.
도 6을 참조하면, 화재가 발생한 배터리 렉(190)의 해당 제3 개폐장치(172)가 개방되면, 화재가 발생한 해당 배터리 렉(190)의 분기방출 모듈(160) 내로 첨가제가 공급되어, 첨가제 투입공(162)을 통해 하방으로 방출됨과 동시에 방출 압력 내지는 중력에 의해 수직으로 낙하하게 된다. 아울러 첨가제 투입공(162)의 측방으로 인접한 위치에 구비된 분사공(161)을 통해서는 포혼합약제가 방출됨과 동시에 수직으로 낙하하게 된다.
낙하하는 포혼합약제 및 첨가제는 수평한 제1 가이드 부재(164)의 중앙부의 오목한 부분에 안착되며 머물게 되는 동시에 측방으로 분산되는 움직임을 갖게 된다. 제1 가이드 부재(164)의 설치 위치는 양 측방이 상하로 개방되어 있고, 제2 가이드 부재(165)의 설치 위치는 중앙 부분이 상하로 개방되어 있으므로, 낙하하는 포혼합약제와 첨가제는 좌우로 지그재그 형태의 움직임이 유도되며 유동 경로와 충돌에 의해 상호 골고루 혼합되며 포나노 혼합제를 이루게 된다. 이렇게 생성된 포나노 혼합제는 분기공(163)을 거쳐 열감지 튜브(180)로 유입된다.
제1 가이드 부재(164)는 중앙 부분에 위치되고 양 측방은 벽체와 이격되어 개방되며, 측방으로 갈수록 상방을 향해 경사지도록 하는 것이 바람직하다. 제2 가이드 부재(165)는 상기 제1 가이드 부재(164) 측방의 개방된 공간을 마주보도록 양 측방에 형성되고, 그 사이 공간은 이격되어 개방되도록 하며, 상방에서 중앙 하방을 향해 비스듬하게 경사지도록 형성하는 것이 바람직하다.
도 7을 참조하면, 화재가 발생한 배터리 모듈(191)에 인접한 열감지 튜브(180)는 해당 부분이 열을 감응하며 녹아 파열되어 파열공(181)을 형성하게 된다. 열감지 튜브(180) 내로 공급되는 포나노 혼합제의 공급 압력에 의해 파열공(181)을 통해 포나노 혼합제가 누출되어 배터리 모듈(191) 상으로 공급된다. 파열공(181)을 통해 가압 공급된 포나노 혼합제에 의해 냉각 및 질식된 배터리 모듈(191) 또는 배터리 셀(192) 화재는 즉시로 소화된다.
도 8은 본 발명의 열감지 튜브가 경화에 의해 손상시 시스템 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 8 을 참조하면, 본 발명에 따른 시스템의 열감지 튜브(180)는 화재가 없더라도, 시간이 지날수록 경화되어 크랙이 발생할 수 있는데 이 때 발생된 파열공으로 인해 ESS 장치의 수손 피해를 방지하기 위한 시스템 작동에 대해 설명한다.
화재 감지부(155)로부터의 화재 감지 신호가 없거나, 특정 배터리 모듈(191) 과열시 발생되는 VOC 유증기의 화학성분이 감지되지 않은 경우에는, 제어부(150)는 화재가 아닌 것으로 즉, 비화재보로 판단, 결정한다. 비화재보인 경우에는, 제2 개폐장치(115)를 폐쇄하고 폐쇄상태를 유지하도록 제어한다.
그런데 열감지 튜브(180)가 파열, 손상되는 경우, 압력 감지부(157)를 통해 열감지 튜브(180)의 내부 압력이 기준 이하로 감압되는 것이 감지되고, 이 때 제1 개폐장치(151)가 개방되더라도, 여전히 화재 감지부(155)로부터의 화재 감지 신호가 없거나, 특정 배터리 모듈(191) 과열시 발생되는 VOC 유증기의 화학성분이 감지되지 않는 다면, 비화재보로 보고 제2 개폐장치(115)의 폐쇄 상태를 유지하여, 소화 동작이 진행되지 않도록 한다.
그러면 챔버(112) 내의 포혼합약제가 배출되지 않기 때문에 열감지 튜브(180)의 파열된 부분으로 포혼합약제가 누출됨으로 인한 ESS의 성능 저하, 수리 비용 발생의 문제를 미연에 방지하게 된다. 경우에 따라서는, 제1 개폐장치(151)는 설치 환경 및 사용자 요구에 따라 상시 개방 상태로 둘 수 있으며, 이 때 제어부(150)에 의한 제어는 필요 없을 수도 있다.
도 9는 본 발명의 화재보 및 비화재보 시 시스템 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 9를 참조하면, 압력 감지부(157)는 분기방출 모듈(160) 일측에 구비되어 열감지 튜브(180) 내부의 압력이 일정기준 이하로 감압되는지 여부를 항시 감시하게 되는데, 화재로 인한 튜브 파열로 인해 감압되는 것을 감지하면, 압력 감지부(157)는 즉시로 제1 개폐장치(151)를 개방시킨다.
이에 추가적으로 화재 감지 신호 및/또는 유증기 감지 신호가 제어부(150)에서 수신되면, 제어부(150)는 화재 상태, 즉 화재보로 판단하여, 제2 개폐장치(115)를 개방하고, 또 필요시에는 제3 개폐장치(172)를 개방한다.
제2 개폐장치(115)가 개방되면 챔버(112)에서 혼합된 포혼합약제가 챔버(112)로 유입되는 소화가스의 압력에 의해 분사유로(116)를 거쳐 분기방출 모듈(160)로 유입된다. 화재가 발생한 배터리 렉(190)의 제3 개폐장치(172)가 추가로 개방되면 첨가제가 유입되면서 포나노 혼합제가 생성된다.
파열공(181)이 발생한 열감지 튜브(180)는 상대적으로 낮은 압력이 되므로 포나노 혼합제는 파열공(181)을 향해 가압되어 화재가 발생된 위치의 파열공(181)으로 방출되고, 방출되는 포나노 혼합제에 의해 배터리 모듈(191)에 발생한 화재는 냉각과 질식 효과에 의해 완벽히 소화된다.
따라서 본 발명은 ESS 화재와 같은 복합화재 현장에서, 화재의 종류, 규모나 범위에 구분없이 압축공기포 소화약제와 소화가스를 혼합하여 생성된 포혼합약제 또는 첨가제가 추가된 포나노 혼합제를 공급하여, 모든 등급의 복합 화재도 효과적으로 진압할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 명세서는 많은 특징을 포함하는 반면, 그러한 특징은 본 발명의 범위 또는 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서의 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절히 결합되어 구현될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
110 : 소화약제 공급 장치부 111 : 소화약제 용기
112 : 챔버 113 : 소화가스 용기
114 : 가스 유로 115 : 제2 개폐장치
116 : 분사유로 150 : 제어부
151 : 제1 개폐장치 155 : 화재 감지부
157 : 압력 감지부 158 : 유증기 감지부
160 : 분기방출 모듈 170 : 첨가제 추가 장치부
171 : 첨가제 용기 172 : 제3 개폐장치
180 : 열감지 튜브 190 : 배터리 렉
191 : 배터리 모듈 192 : 배터리 셀
195 : 튜브공
112 : 챔버 113 : 소화가스 용기
114 : 가스 유로 115 : 제2 개폐장치
116 : 분사유로 150 : 제어부
151 : 제1 개폐장치 155 : 화재 감지부
157 : 압력 감지부 158 : 유증기 감지부
160 : 분기방출 모듈 170 : 첨가제 추가 장치부
171 : 첨가제 용기 172 : 제3 개폐장치
180 : 열감지 튜브 190 : 배터리 렉
191 : 배터리 모듈 192 : 배터리 셀
195 : 튜브공
Claims (11)
- ESS 화재 예방 시스템에 있어서,
다수의 배터리 모듈이 적층되어 구비되는 배터리 렉;
화재를 진압할 수 있는 압축공기포 소화약제를 화재 발생시 분기방출 모듈로 배출하는 소화약제 공급 장치부;
일측은 상기 소화약제 공급 장치부와 연결되고, 타측은 다수의 열감지 튜브가 배열되어 연결되고, 상기 다수의 열감지 튜브가 상기 다수의 배터리 모듈 측에 각각 분기되어 배치될 수 있도록 상기 배터리 렉 일측에 구비되는 분기방출 모듈;
열을 감응하여 일정 온도 이상 상승할 경우, 파열되는 열감지 튜브;
상기 분기방출 모듈 일측에 구비되고, 상기 열감지 튜브의 내부 압력이 일정기준 이하로 감압되는 것을 감지하는 압력 감지부;
상기 압력 감지부가 상기 열감지 튜브의 내부 압력이 기준 이하로 감압되는 것을 감지하면, 상기 소화약제 공급 장치부의 상기 압축공기포 소화약제가 상기 분기방출 모듈을 거쳐 상기 열감지 튜브로 유입되도록 개방되며, 상기 소화약제 공급 장치부와 상기 분기방출 모듈의 사이에 배치되는 제1 개폐장치; 및
제어부; 를 포함하고,
상기 배터리 모듈은, 일측에 상기 열감지 튜브가 삽입되도록 형성된 튜브공을 더 포함하고,
상기 분기방출 모듈은, 내부는 비어 있는 박스 형태의 외관으로 이루어지며, 상기 소화약제 공급장치부와 연통되기 위한 분사공을 구비하고, 상기 분사공에는 소화약제가 유입되는 분사유로가 연결되어, 상기 박스 형태의 외관의 내부로 소화약제가 유입되어 수용될 수 있도록 하고, 측방으로는 다수의 분기공이 상기 튜브공을 대면하며 형성되며,
상기 열감지 튜브는, 상기 분기방출 모듈의 다수의 분기공에 각각 연결 설치되고 상기 튜브공을 통해 상기 배터리 모듈 내부로 연장되어 배치되고, 상기 배터리 모듈 내에 마련된 다수의 배터리 셀 위를 거치도록 올려져 근접 배치되는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 소화약제 공급 장치부는,
상기 압축공기포 소화약제가 충전되어 있는 소화약제 용기와 소화가스가 충전되어 있는 소화가스 용기의 사이에 배치되고, 개방시 상기 소화가스를 배출하여 상기 압축공기포 소화약제와 소화가스가 혼합되어 생성된 포혼합약제가 상기 제1 개폐장치 측으로 배출될 수 있도록 하는 제2 개폐장치를 포함하고,
상기 제2 개폐장치는 상기 제어부의 제어에 따라 개방 또는 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 배터리 렉에서의 화재 발생 유무를 감지하는 화재 감지부;를 포함하고,
상기 화재 감지부는 화재 감지 신호를 상기 제어부로 송신하는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 화재 감지부는,
상기 배터리 모듈 과열에 의한 화재 시 발생되는 연기를 감지하고, 연기 감지시 연기 감지신호를 상기 제어부로 송신하는 연기감지 장치; 또는
상기 배터리 모듈 적층 위치를 촬영하여 열화상 데이터를 상기 제어부로 송신하는 열화상 카메라; 또는
상기 배터리 모듈 과열시 발생되는 열을 감지하고, 열감지 신호를 상기 제어부로 송신하는 열감지기; 중 어느 하나 이상을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 배터리 렉에서 발생하는 유증기의 화학성분을 감지하는 유증기 감지부; 를 포함하고,
상기 유증기 감지부는 상기 특정 배터리 렉에서 유증기의 특정 화학성분을 감지하고, 유증기 감지 신호를 상기 제어부로 송신하는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 소화약제 공급 장치부는,
화재를 진압할 수 있는 상기 압축공기포 소화약제를 일측에 마련된 챔버로 배출하는 소화약제 용기;
소화가스를 일측에 연결된 가스 유로를 통해 상기 챔버로 배출하는 소화가스 용기;
상기 소화가스 용기의 상기 소화가스를 상기 챔버로 공급하는 가스유로;
상기 소화약제 용기와 상기 소화가스 용기 사이의 상기 가스유로에 구비되고, 개방시 상기 소화가스를 배출하는 제2 개폐장치; 및
상기 압축공기포 소화약제와 상기 소화가스가 유입될 경우, 일정비율로 혼합하여 포혼합약제가 생성되도록 하며 상기 포혼합약제를 분사유로로 배출하는 챔버;를 포함하여 구성되고,
상기 분사유로는 일측이 상기 챔버와 연결되고 타측은 상기 분기방출 모듈과 연결되고, 상기 제1 개폐장치가 중간에 구비되어, 상기 제1 개폐장치의 개방시 상기 포혼합약제를 상기 분기방출 모듈 측으로 공급하는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 분기방출 모듈에 첨가제를 첨가하는 첨가제 추가 장치부;를 더 구비하고,
상기 첨가제 추가 장치부는,
상기 분기방출 모듈에 연결되고, 소화를 위한 추가 첨가제가 수용되어 있는 첨가제 용기; 및
상기 분기방출 모듈과 상기 첨가제 용기 사이에 구비되고, 화재 발생에 따라 상기 첨가제가 상기 분기방출 모듈측으로 배출되도록 개방하는 제3 개폐장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템.
- 삭제
- 제7항에 있어서, 상기 분기방출 모듈은,
다수의 열감지 튜브가 배치된 타측에 상기 압축공기포 소화약제가 유입되도록 형성된 분사공;
상기 첨가제가 유입되도록 상단측에 형성된 첨가제 투입공; 및
상기 다수의 열감지 튜브가 일정 간격 배열되어 연결되고, 상기 열감지 튜브와 각각 연통되도록 형성된 다수개의 분기공;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템.
- 제1항 또는 제9항에 있어서, 상기 분기방출 모듈은,
각각의 분기공 하측에 인접하여 수평 부분을 포함하고 양 측단 외측에는 빈 공간이 마련되도록 형성되는 다수의 제1 가이드 부재; 및
상기 제1 가이드 부재 양 측단의 빈 공간 하부에 대응되도록 양 측에 형성되고, 그 사이로 빈 공간이 마련되도록 형성되는 다수의 제2 가이드 부재를 내부에 포함하는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템.
- 제10항에 있어서,
상기 제1 가이드 부재는 양 측단 부분이 외측을 향해 상방 경사지도록 기울어진 부분을 포함하고,
상기 제2 가이드 부재는 중간의 내측 하방을 향해 하방 경사지도록 기울어진 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축공기포를 이용한 ESS 화재 예방 시스템.
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