KR102181549B1 - 열 에너지 저장 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

열 에너지 저장 시스템 및 그 작동 방법이 제공된다. 열 에너지 저장 시스템은 태양열을 이용하여 온수를 생산하는 집열 모듈 및 상기 집열 모듈에서 생산된 상기 온수와 열 교환하여 온도가 증가된 유체가 저장되는 복수의 탱크들을 포함하되, 상기 복수의 탱크들은, 제1 기준 온도보다 낮은 온도를 갖는 유체가 저장되는 제1 탱크 및 상기 제1 기준 온도보다 높은 온도를 갖는 유체가 저장되고, 상기 제1 탱크보다 큰 체적을 갖는 제2 탱크를 포함한다.

Description

열 에너지 저장 시스템 및 그 작동 방법{Thermal energy storage system and operating method of the same}
본 발명은 열 에너지 저장 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 체적이 상이한 복수의 탱크를 포함하여 열 효율이 향상된 열 에너지 저장 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
신 재생 에너지인 태양열 에너지를 이용한 온수 급탕 시스템은, 집열기로 태양열을 흡수하여 물을 가열 또는 예열한다. 온수 급탕 시스템은 가정용으로 보급되는 자연 순환형과 비교적 큰 건물에 대형으로 설치하는 강제 순환형(설비형)으로 구분된다.
자연 순환형 온수 급탕 시스템은 집열기와 축열조가 상하로 분리되어 있고, 집열기와 축열조 사이를 열 매체 이동관으로 연결한다. 열을 이동시키는 펌프나 팬(fan)과 같은 구동장치가 없어 시공이 간편한 것이 장점이며, 일반적으로 집열기의 면적은 6m2 이하로 제공되며, 가정용으로 많이 사용된다.
반면 강제 순환형 온수 급탕 시스템은 집열기를 옥외에 설치하고 보일러실이나 지하에 축열조를 별도로 설치한다. 따라서 자연 순환형 온수 급탕 시스템에 비해 동파의 우려가 낮다는 장점이 있다. 강제 순환형 온수 급탕 시스템은 집열기를 이용해 태양 복사 에너지를 열 에너지로 변환한 후 변환된 열 에너지를 직접 이용하거나 축열조에 저장해 두었다가 필요할 때 사용한다.
이와 같이, 야간이나 흐린 날 등 태양 에너지의 공급이 부족하거나, 급탕 부하가 증가하는 시간대에 사용하기 위해 열 에너지를 축열조에 저장하여 사용하고는 있으나, 그 효율이 낮아 태양 에너지를 이용한 온수 급탕 시스템이 보편화되기에는 부족한 실정이다.
이에 따라, 열 효율이 향상된 열 에너지 저장 시스템 및 그 작동 방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 에너지 저장 효율이 향상된 열 에너지 저장 시스템 및 그 작동 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 온수의 온도 조절이 용이한 열 에너지 저장 시스템 및 그 작동 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 열 에너지 저장 시스템을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 열 에너지 저장 시스템은 태양열을 이용하여 온수를 생산하는 집열 모듈 및 상기 집열 모듈에서 생산된 상기 온수와 열 교환하여 온도가 증가된 유체가 저장되는 복수의 탱크들을 포함하되, 상기 복수의 탱크들은, 제1 기준 온도 이하의 온도를 갖는 유체가 저장되는 제1 탱크 및 상기 제1 기준 온도보다 높은 온도를 갖는 유체가 저장되고, 상기 제1 탱크보다 큰 체적을 갖는 제2 탱크를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 탱크들은, 제2 기준 온도보다 높은 온도를 갖는 유체가 저장되고 상기 제2 탱크보다 큰 체적을 갖는 제3 탱크를 더 포함하되, 상기 제2 기준 온도는 상기 제1 기준 온도보다 높을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 기준 온도는, 상기 제1 탱크의 상부에 위치한 유체의 온도이고, 상기 제2 기준 온도는, 상기 제2 탱크의 상부에 위치한 유체의 온도일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 탱크들에는 서로 상이한 온도를 갖는 유체가 저장되고, 저장되는 유체의 온도가 낮을수록, 상기 복수의 탱크들의 체적이 작을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 열 에너지 저장 시스템은 상기 제1 탱크의 상단에서 상기 제2 탱크의 하단으로 연결되는 제1 유로를 더 포함하고, 상기 제1 유로를 통해 상기 제1 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 상기 제2 탱크로 이동할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 열 에너지 저장 시스템은 상기 복수의 탱크들 중 가장 높은 온도를 갖는 유체가 저장된 탱크에서 외부로 연결되는 온수 유로, 상기 온수와 열 교환되는 유체를 공급하는 메인 탱크 및 상기 메인 탱크에서 상기 온수 유로로 연결되는 냉수 유로를 더 포함하고, 상기 온수 유로를 통해 외부로 배출되는 유체가 기 설정된 온도보다 높은 경우, 상기 냉수 유로를 통해 상기 메인 탱크에서 유체가 공급될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 열 에너지 저장 시스템의 작동 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 열 에너지 저장 시스템의 작동 방법은, 집열 모듈 및 복수의 탱크들을 포함하되, 상기 복수의 탱크들은 서로 체적이 상이하며, 체적이 클수록 높은 온도를 갖는 유체가 저장되는 열 에너지 시스템에 있어서, 상기 집열 모듈에서 생산된 온수와 열 교환하여 온도가 증가된 유체의 온도가 측정되는 단계, 상기 온도가 증가된 유체는 온도에 따라 상기 복수의 탱크들 중 어느 하나에 저장되는 단계 및 상기 복수의 탱크들 중 체적이 가장 큰 탱크에서 온수 유로를 통해 상기 온도가 증가된 유체가 외부로 배출되는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 온수와 열 교환되는 유체는 메인 탱크에서 공급되고, 상기 온도가 증가된 유체가 외부로 배출되는 단계에서 상기 온도가 증가된 유체의 온도가 기 설정된 온도보다 높은 경우, 상기 온도가 증가된 유체가 외부로 배출되는 단계는 상기 메인 탱크에서 냉수 유로를 통해 상기 온수 유로로 상기 유체가 유입되는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 탱크들은 제1 탱크 및 상기 제1 탱크보다 체적이 큰 제2 탱크를 포함하고, 상기 온도가 증가된 유체는 온도에 따라 상기 복수의 탱크들 중 어느 하나에 저장되는 단계는, 상기 온도가 증가된 유체의 온도가 제1 기준 온도 이하의 경우 상기 제1 탱크에 저장되고, 상기 제1 기준 온도보다 높은 경우 상기 제2 탱크에 저장되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 온도가 증가된 유체가 상기 제1 탱크에 저장되는 경우 상기 제1 탱크 내의 온도 변화는, 상기 온도가 증가된 유체가 상기 제2 탱크에 저장되는 경우 상기 제2 탱크 내의 온도 변화보다 클 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 온도가 증가된 유체가 상기 제2 탱크에 저장되는 경우, 상기 제2 탱크의 상단의 온도 변화는 상기 제2 탱크의 하단의 온도 변화보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른, 열 에너지 저장 시스템은 복수의 탱크를 포함하고, 상기 복수의 탱크는 서로 상이한 온도의 유체가 저장되며, 높은 온도의 유체가 저장될수록 큰 체적을 갖는다. 이에 따라, 유체의 온도 감소 폭이 낮아진, 열 효율이 증가된 열 에너지 저장 시스템이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 열 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 열 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 열 에너지 저장 시스템에서 시간에 따른 제1 탱크의 수심 별 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 열 에너지 저장 시스템에서 시간에 따른 제2 탱크의 수심 별 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 열 에너지 저장 시스템에서 시간에 따른 제3 탱크의 수심 별 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따른 열 에너지 저장 시스템에서 시간에 따른 제4 탱크의 수심 별 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 작동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템은 집열 모듈(110), 열 교환기(120), 메인 탱크(130), 제1 냉수 유로(132), 제1 냉수 밸브(134), 냉수 펌프(136), 제1 내지 제4 탱크(140, 150, 160, 170), 제1 내지 제3 유로(142, 152, 162), 온수 유로(172), 제1 내지 제4 밸브(144, 154, 164, 174), 온수 펌프(176) 및 온수기(180)를 포함한다.
상기 집열 모듈(110)은 집열판(112) 및 펌프(114)를 포함한다. 상기 집열 모듈(110)은 태양열을 이용하여 온수를 생산할 수 있다.
상기 열 교환기(120)에는 상기 집열 모듈(110)에서 생산된 상기 온수가 공급되고, 상기 온수는 유체와 열 교환하여 상기 유체의 온도를 증가시킬 수 있다. 상기 온도가 증가된 유체는 복수의 탱크에 저장될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 복수의 탱크는 제1 내지 제4 탱크(130, 140, 150, 160)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 상기 복수의 탱크는 두 개의 탱크, 세 개의 탱크 또는 다섯 개 이상의 탱크를 포함할 수 있다.
상기 메인 탱크(130)는 유체를 저장할 수 있다. 상기 메인 탱크(130)에서 상기 제1 냉수 유로(132)를 통해 상기 유체를 상기 열 교환기(120)로 공급하여, 상기 유체가 상기 온수와 열 교환되고, 상기 온도가 증가된 유체가 생산될 수 있다.
상기 제1 냉수 유로(132)는 상기 메인 탱크(130)에서 상기 열 교환기(120)로 연결될 수 있다. 상기 제1 냉수 유로(132) 상에는 상기 제1 냉수 밸브(134) 및 상기 냉수 펌프(136)가 제공될 수 있다.
상기 제1 냉수 밸브(134)는 상기 제1 냉수 유로(132) 상에서 상기 메인 탱크(130)에 인접하여 제공될 수 있다. 상기 제1 냉수 밸브(134)를 개폐하여 상기 메인 탱크(130)에서 상기 열 교환기(120)로 제공되는 상기 유체의 유속 및 유량을 제어할 수 있다.
상기 냉수 펌프(136)는 상기 제1 냉수 유로(132) 상에서 상기 열 교환기(120)에 인접하여 제공될 수 있다. 상기 냉수 펌프(136)를 이용하여 상기 메인 탱크(130)에 저장된 상기 유체를 상기 열 교환기(120)로 공급할 수 있다.
상기 집열 모듈(110)에서 생산된 온수와 열 교환하여 온도가 증가된 유체의 온도가 측정된다(S110). 구체적으로, 상기 온도가 증가된 유체의 온도를 구분하는 제1 내지 제3 기준 온도가 정의될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 기준 온도는, 각각, 상기 제1 내지 제3 탱크(140, 150, 160)의 상부에 위치한 유체의 온도일 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1 내지 제3 기준 온도는, 각각, 상기 제1 내지 제3 탱크(140, 150, 160)에 저장된 유체 중에서, 가장 온도가 높은 유체의 온도에 해당될 수 있다.
상기 온도가 증가된 유체는 온도에 따라 복수의 탱크들 중 어느 하나에 저장된다(S120). 상기 제1 내지 제4 탱크(140, 150, 160, 170)에는 상기 제1 내지 제3 기준 온도에 따라 서로 상이한 온도를 갖는 유체가 저장되고, 상기 제1 내지 제4 탱크(140, 150, 160, 170)의 체적은 서로 상이할 수 있다.
상기 열 교환기(120)에서 상기 제1 탱크(140)로 연결되는 유로 상에 상기 제1 밸브(144)가 제공되고, 상기 열 교환기(120)에서 상기 제2 탱크(150)로 연결되는 유로 상에 상기 제2 밸브(154)가 제공되고, 상기 열 교환기(120)에서 상기 제3 탱크(160)로 연결되는 유로 상에 상기 제3 밸브(164)가 제공되고, 상기 열 교환기(120)에서 상기 제4 탱크(170)로 연결되는 유로 상에 상기 제4 밸브(174)가 제공될 수 있다.
상기 제1 내지 제4 밸브(144, 154, 164, 174)를 개폐하여 상기 열 교환기(120)에서 열 교환하여 온도가 상승된 유체를 상기 제1 내지 제4 탱크(140, 150, 160, 170) 중 어느 하나에 저장할 수 있다.
상기 제1 탱크(140)에는 상기 제1 기준 온도 이하의 온도를 갖는 유체가 저장될 수 있다. 구체적으로, 상기 유체의 온도가 상기 제1 기준 온도 이하인 경우, 상기 제1 밸브(144)가 열리고, 상기 제2 내지 제4 밸브(154, 164, 174)가 닫혀, 상기 유체는 상기 제1 탱크(140)에 저장될 수 있다.
상기 제2 탱크(150)에는 상기 제1 기준 온도보다 높고, 상기 제2 기준 온도 이하의 온도를 갖는 유체가 저장되고, 상기 제1 탱크(140)보다 큰 체적을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 유체의 온도가 상기 제1 기준 온도보다 높고, 상기 제2 기준 온도 이하인 경우, 상기 제2 밸브(154)가 열리고, 상기 제1, 제3 및 제4 밸브(144, 164, 174)가 닫혀, 상기 유체는 상기 제2 탱크(150)에 저장될 수 있다.
상기 제3 탱크(160)에는 제2 기준 온도보다 높고, 상기 제3 기준 온도 이하인 온도를 갖는 유체가 저장되고, 상기 제2 탱크(150)보다 큰 체적을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 유체의 온도가 상기 제2 기준 온도보다 높고, 상기 제3 기준 온도보다 낮은 경우, 상기 제3 밸브(164)가 열리고, 상기 제1, 제2 및 제4 밸브(144, 154, 174)가 닫혀, 상기 유체는 상기 제3 탱크(160)에 저장될 수 있다.
상기 제4 탱크(170)는 제3 기준 온도보다 높은 온도를 갖는 유체가 저장되고, 상기 제3 탱크(160)보다 큰 체적을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 유체의 온도가 상기 제3 기준 온도보다 높은 경우, 상기 제4 밸브(174)가 열리고, 상기 제1 내지 제3 밸브(144, 154, 164)가 닫혀, 상기 유체는 상기 제4 탱크(170)에 저장될 수 있다.
다시 말하면, 높은 온도의 유체가 저장되는 탱크일수록 탱크의 체적은 크고, 낮은 온도의 유체가 저장되는 탱크일수록 탱크의 체적은 작을 수 있다.
상기 제1 유로(142)는 상기 제1 탱크(140)의 상단에서 상기 제2 탱크(150)의 하단으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 탱크(140)에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가, 상기 제1 탱크(140)의 상단에서 상기 제1 유로(142)를 통해 상기 제2 탱크(150)의 하단으로 유입되어, 상대적으로 낮은 온도를 가진 상기 제2 탱크(150) 하단의 유체와 혼합될 수 있다. 이에 따라, 온도가 상이한 유체의 혼합 과정에서 발생되는 열 손실이 최소화될 수 있다.
상기 제2 유로(152)는 상기 제2 탱크(150)의 상단에서 상기 제3 탱크(160)의 하단으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 탱크(150)에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가, 상기 제2 탱크(150)의 상단에서 상기 제2 유로(152)를 통해 상기 제3 탱크(160)의 하단으로 유입되어, 상대적으로 낮은 온도를 가진 상기 제3 탱크(160) 하단의 유체와 혼합될 수 있다. 이에 따라, 온도가 상이한 유체의 혼합 과정에서 발생되는 열 손실이 최소화될 수 있다.
상기 제3 유로(162)는 상기 제3 탱크(160)의 상단에서 상기 제4 탱크(170)의 하단으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 제3 탱크(160)에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가, 상기 제3 탱크(160)의 상단에서 상기 제3 유로(162)를 통해 상기 제4 탱크(170)의 하단으로 유입되어, 상대적으로 낮은 온도를 가진 상기 제4 탱크(170) 하단의 유체와 혼합될 수 있다. 이에 따라, 온도가 상이한 유체의 혼합 과정에서 발생되는 열 손실이 최소화될 수 있다.
상기 복수의 탱크들 중 체적이 가장 큰 탱크에서 온수 유로를 통해 상기 온도가 증가된 유체가 외부로 배출된다(S130). 상기 온수 유로(172)는 상기 제4 탱크(170)의 상단에서 상기 온수기(180)로 연결되고, 상기 온수 유로(172) 상에 상기 온수 펌프(176)가 제공될 수 있다. 구체적으로, 상기 온수 펌프(176)는 상기 온수 유로(172)를 통해, 상기 제4 탱크(170)에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체를 상기 제4 탱크(170)의 상단에서 상기 온수기(180)로 공급할 수 있다. 상기 온수기(180)는 사용자에게 상기 온도가 증가된 유체를 제공할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 온수기(180)는 보일러와 연결되어 제공될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 열 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템에서 탱크의 체적 변화에 따른 연간 태양 의존율(annual solar fraction, SF)을 확인할 수 있다. 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템은 복수의 탱크들을 포함하고, 상기 복수의 탱크들의 체적 차이는 탱크의 체적 변화량(Vt)으로 정의될 수 있다.
먼저, 집열 모듈이 모함하는 집열판의 면적(Ac)이 900m2인 경우, 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 연간 태양 의존율(SF)은 탱크의 체적 변화량(Vt)에 비례하여 증가하고, SF=0.0081Vt+0.7848로 나타낼 수 있다.
다음으로, 집열 모듈이 모함하는 집열판의 면적(Ac)이 1050m2인 경우, 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 연간 태양 의존율(SF)은 탱크의 체적 변화량(Vt)에 비례하여 증가하고, SF=0.0067Vt+0.8784로 나타낼 수 있다.
마지막으로, 집열 모듈이 모함하는 집열판의 면적(Ac)이 1200m2인 경우, 제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 연간 태양 의존율(SF)은 탱크의 체적 변화량(Vt)에 비례하여 증가하고, SF=0.004Vt+0.9389로 나타낼 수 있다.
제1 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템에서, 집열판의 면적(Ac)이 증가할수록 태양 에너지 저장량이 증가하여, 연간 태양 의존율(SF)이 증가하는 것을 알 수 있다.
집열판의 면적(Ac)이 동일한 경우, 탱크의 체적 변화량(Vt)이 증가함에 따라 연간 태양 의존율(SF)이 증가하는 것을 알 수 있다. 다시 말하면, 복수의 탱크들 중 낮은 온도의 유체가 저장되는 탱크의 체적이 작고, 높은 온도의 유체가 저장되는 탱크의 체적이 클수록, 태양열 에너지 저장 효율이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제2 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템은 집열 모듈(110), 열 교환기(120), 메인 탱크(130), 제1 냉수 유로(132), 제1 냉수 밸브(134), 냉수 펌프(136), 제2 냉수 유로(138), 제2 냉수 밸브(139), 제1 내지 제4 탱크(140, 150, 160, 170), 제1 내지 제3 유로(142, 152, 162), 온수 유로(172), 제1 내지 제4 밸브(144, 154, 164, 174), 온수 펌프(176) 및 온수기(180)를 포함한다.
상기 집열 모듈(110), 상기 열 교환기(120), 상기 메인 탱크(130), 상기 제1 냉수 유로(132), 상기 제1 냉수 밸브(134), 상기 냉수 펌프(136), 상기 제1 내지 제4 탱크(140, 150, 160, 170), 상기 제1 내지 제3 유로(142, 152, 162), 상기 온수 유로(172), 상기 제1 내지 제4 밸브(144, 154, 164, 174), 상기 온수 펌프(176) 및 상기 온수기(180)는 도 1을 참조하여 설명된 것과 동일하게 제공될 수 있다.
상기 제2 냉수 유로(138)는 상기 메인 탱크(130)에서 상기 온수 유로(172)로 연결될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 제4 탱크(170)의 상단에서 상기 온수 유로(172)를 통해 상기 온수기(180)로 상기 제4 탱크(170)에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 이동한다. 상기 온수 유로(172)를 통해 상기 온수기(180)로 제공되는 유체의 온도가 기 설정된 온도보다 높은 경우, 상기 메인 탱크(130)에서 상기 제2 냉수 유로(138)를 통해 상기 온수 유로(172)로 상기 메인 탱크(130)에 저장된 유체를 공급할 수 있다. 따라서, 상기 온수 유로(172)를 통해 상기 온수기(180)에서 외부로 배출되는 유체의 온도는 기 설정된 온도와 실질적으로 동일하게 제공될 수 있다.
상기 제2 냉수 밸브(139)는 상기 제2 냉수 유로(138) 상에 제공될 수 있다. 상기 제2 냉수 밸브(139)를 개폐하여 상기 메인 탱크(130)에서 상기 온수기(180)로 제공되는 상기 유체의 유속 및 유량을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 열 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제2 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템에서 탱크의 체적 변화에 따른 연간 태양 의존율(annual solar fraction, SF)을 확인할 수 있다. 제2 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템은 복수의 탱크들을 포함하고, 상기 복수의 탱크들의 체적 차이는 탱크의 체적 변화량(Vt)으로 정의될 수 있다.
먼저, 집열 모듈이 모함하는 집열판의 면적(Ac)이 900m2인 경우, 제2 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 연간 태양 의존율(SF)은 탱크의 체적 변화량(Vt)에 비례하여 증가하고, SF=0.0085Vt+0.7887로 나타낼 수 있다.
다음으로, 집열 모듈이 모함하는 집열판의 면적(Ac)이 1050m2인 경우, 제2 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 연간 태양 의존율(SF)은 탱크의 체적 변화량(Vt)에 비례하여 증가하고, SF=0.0095Vt+0.8832로 나타낼 수 있다.
마지막으로, 집열 모듈이 모함하는 집열판의 면적(Ac)이 1200m2인 경우, 제2 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템의 연간 태양 의존율(SF)은 탱크의 체적 변화량(Vt)에 비례하여 증가하고, SF=0.0066Vt+0.9512로 나타낼 수 있다.
제2 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템에서, 집열판의 면적(Ac)이 증가할수록 태양 에너지 저장량이 증가하여, 연간 태양 의존율(SF)이 증가하는 것을 알 수 있다.
집열판의 면적(Ac)이 동일한 경우, 탱크의 체적 변화량(Vt)이 증가함에 따라 연간 태양 의존율(SF)이 증가하는 것을 알 수 있다. 다시 말하면, 복수의 탱크들 중 낮은 온도의 유체가 저장되는 탱크의 체적이 작고, 높은 온도의 유체가 저장되는 탱크의 체적이 클수록, 태양열 에너지 저장 효율이 향상될 수 있다. 탱크의 체적 변화량(Vt)이 증가함에 따라 복수의 탱크들에 저장되는 태양 에너지 저장량이 증가하여, 연간 태양 의존율(SF)이 증가하는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 실험 예들에 따른 열 에너지 저장 시스템에서 시간에 따른 제1 탱크의 수심 별 온도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실험 예들에 따른 열 에너지 저장 시스템에서 시간에 따른 제2 탱크의 수심 별 온도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실험 예들에 따른 열 에너지 저장 시스템에서 시간에 따른 제3 탱크의 수심 별 온도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실험 예들에 따른 열 에너지 저장 시스템에서 시간에 따른 제4 탱크의 수심 별 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실험 예 1에 따른 열 에너지 저장 시스템은 서로 체적이 상이한 제1 내지 제4 탱크를 포함하는 반면, 실험 예 2에 따른 열 에너지 저장 시스템은 서로 체적이 동일한 제1 내지 제4 탱크를 포함한다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 실험 예 1에 따른 열 에너지 저장 시스템과 실험 예 2에 따른 열 에너지 저장 시스템에서 복수의 탱크들의 시간에 따른 수심 별 온도 변화를 확인할 수 있다.
상기 복수의 탱크들의 수심 별 온도 변화는, 연중 태양열 조사량 평균의 표준편차가 가장 작은 1월 중 어느 하루에 16시부터 24시까지 1시간 간격으로 측정되었다. 16시 이후, 온수기를 통해 유체가 배출되고, 상기 제1 내지 제4 탱크에서 유체의 이동이 발생할 수 있다. 구체적으로, 상기 제3 탱크의 상단에서 상기 제4 탱크의 하단으로 유체가 이동하고, 상기 제2 탱크의 상단에서 상기 제3 탱크의 하단으로 유체가 이동하고, 상기 제1 탱크의 상단에서 상기 제2 탱크의 하단으로 유체가 이동하고, 메인 탱크에서 열 교환기를 통과하여 상기 제1 탱크의 상단으로 유체가 이동한다.
도 6을 참조하면, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 상기 제1 탱크의 시간에 따른 수심 별 온도 변화를 확인할 수 있다. 상기 제1 탱크에서, 상기 제1 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 제1 유로를 통해 상기 제2 탱크로 이동하고, 상기 제1 탱크에는 상기 메인 탱크에서 공급된 유체가 저장된다.
16시에서 24시로 시간이 경과함에 따라 태양열에 의한 온수 생산이 중단된다. 따라서, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 상기 제1 탱크에 저장된 유체의 온도가 감소하며, 수심에 따른 온도 차이는 거의 없는 것을 알 수 있다.
실험 예 1에 따른 상기 제1 탱크에 저장된 유체의 온도 감소 폭이 실험 예 2에 따른 상기 제1 탱크에 저장된 유체의 온도 감소 폭보다 작은 것을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 상기 제2 탱크의 시간에 따른 수심 별 온도 변화를 확인할 수 있다. 상기 제2 탱크에서, 상기 제2 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 제2 유로를 통해 상기 제3 탱크로 이동하고, 상기 제2 탱크에는 상기 제1 탱크에서 공급된 유체가 저장된다.
16시에서 24시로 시간이 경과함에 따라, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 상기 제2 탱크에 저장된 유체의 온도가 감소하며, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 상기 제1 탱크에 저장된 유체와 달리 시간이 경과함에 따라 수심에 따른 온도 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 상기 제3 탱크로 이동하는, 상기 제2 탱크의 상단은, 상기 제1 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 상기 제2 탱크로 공급되는, 상기 제2 탱크의 하단보다 작은 온도 차이를 나타낸다.
실험 예 1에 따른 상기 제2 탱크에 저장된 유체의 온도 감소 폭이 실험 예 2에 따른 상기 제2 탱크에 저장된 유체의 온도 감소 폭보다 작은 것을 알 수 있다.
도 8을 참조하면, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 상기 제3 탱크의 시간에 따른 수심 별 온도 변화를 확인할 수 있다. 상기 제3 탱크에서, 상기 제3 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 제3 유로를 통해 상기 제4 탱크로 이동하고, 상기 제3 탱크에는 상기 제2 탱크에서 공급된 유체가 저장된다.
16시에서 24시로 시간이 경과함에 따라, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 상기 제3 탱크에 저장된 유체의 온도가 감소하며, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 상기 제2 탱크에 저장된 유체보다 시간 경과에 따른 수심 별 온도 차이가 더 큰 것을 알 수 있다. 구체적으로, 상기 제3 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 상기 제4 탱크로 이동하는, 상기 제3 탱크의 상단은, 상기 제2 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 상기 제3 탱크로 공급되는, 상기 제3 탱크의 하단보다 작은 온도 차이를 나타낸다.
실험 예 1에 따른 상기 제3 탱크에 저장된 유체의 온도 감소 폭이 실험 예 2에 따른 상기 제3 탱크에 저장된 유체의 온도 감소 폭보다 작은 것을 알 수 있다.
도 9를 참조하면, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 상기 제4 탱크의 시간에 따른 수심 별 온도 변화를 확인할 수 있다. 상기 제4 탱크에서, 상기 제4 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 온수 유로를 통해 온수기로 이동하고, 상기 제4 탱크에는 상기 제3 탱크에서 공급된 유체가 저장된다.
16시에서 24시로 시간이 경과함에 따라, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 상기 제4 탱크에 저장된 유체의 온도가 감소하며, 실험 예 1 및 실험 예 2에 따른 상기 제3 탱크에 저장된 유체보다 시간 경과에 따른 수심 별 온도 차이가 더 큰 것을 알 수 있다. 구체적으로, 상기 제4 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 상기 온수기로 이동하는, 상기 제4 탱크의 상단은, 상기 제3 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 상기 제4 탱크로 공급되는, 상기 제4 탱크의 하단보다 작은 온도 차이를 나타낸다.
실험 예 1에 따른 상기 제4 탱크에 저장된 유체의 온도 감소 폭이 실험 예 2에 따른 상기 제4 탱크에 저장된 유체의 온도 감소 폭보다 작은 것을 알 수 있다.
도 6 내지 도 9를 참조하여 설명한 것과 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 열 에너지 저장 시스템은 높은 온도의 유체를 저장할수록 큰 체적을 갖는 복수의 탱크를 포함한다. 이에 따라, 온수기를 통해 사용자에게 공급되는 유체의 온도 감소폭이 낮아져, 열 효율이 증가된 열 에너지 저장 시스템을 제공할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
110: 집열 모듈
112: 집열판
114: 펌프
120: 열 교환기
130: 메인 탱크
132: 제1 냉수 유로
134: 제1 냉수 밸브
136: 냉수 펌프
138: 제2 냉수 유로
139: 제2 냉수 밸브
140: 제1 탱크
142: 제1 유로
144: 제1 밸브
150: 제2 탱크
152: 제2 유로
154: 제2 밸브
160: 제3 탱크
162: 제3 유로
164: 제3 밸브
170: 제4 탱크
172: 온수 유로
174: 제4 밸브
176: 온수 펌프
180: 온수기

Claims (11)

  1. 태양열을 이용하여 온수를 생산하는 집열 모듈; 및
    상기 집열 모듈에서 생산된 상기 온수와 열 교환하여 온도가 증가된 유체가 저장되는 복수의 탱크들을 포함하되,
    상기 복수의 탱크들은,
    제1 기준 온도 이하의 온도를 갖는 유체가 저장되는 제1 탱크;
    상기 제1 기준 온도보다 높은 온도를 갖는 유체가 저장되고, 상기 제1 탱크보다 큰 체적을 갖는 제2 탱크; 및
    제2 기준 온도보다 높은 온도를 갖는 유체가 저장되고 상기 제2 탱크보다 큰 체적을 갖는 제3 탱크를 더 포함하되,
    상기 제2 기준 온도는 상기 제1 기준 온도보다 높은 것을 포함하는 열 에너지 저장 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 기준 온도는, 상기 제1 탱크의 상부에 위치한 유체의 온도이고,
    상기 제2 기준 온도는, 상기 제2 탱크의 상부에 위치한 유체의 온도인 것을 포함하는 열 에너지 저장 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 탱크들에는 서로 상이한 온도를 갖는 유체가 저장되고, 저장되는 유체의 온도가 낮을수록, 상기 복수의 탱크들의 체적이 작은 것을 포함하는 열 에너지 저장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탱크의 상단에서 상기 제2 탱크의 하단으로 연결되는 제1 유로를 더 포함하고,
    상기 제1 유로를 통해 상기 제1 탱크에 저장된 유체 중 상대적으로 높은 온도를 가진 유체가 상기 제2 탱크로 이동하는 것을 포함하는 열 에너지 저장 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 탱크들 중 가장 높은 온도를 갖는 유체가 저장된 탱크에서 외부로 연결되는 온수 유로;
    상기 온수와 열 교환되는 유체를 공급하는 메인 탱크; 및
    상기 메인 탱크에서 상기 온수 유로로 연결되는 냉수 유로를 더 포함하고,
    상기 온수 유로를 통해 외부로 배출되는 유체가 기 설정된 온도보다 높은 경우, 상기 냉수 유로를 통해 상기 메인 탱크에서 유체가 공급되는 열 에너지 저장 시스템.
  7. 집열 모듈 및 복수의 탱크들을 포함하되, 상기 복수의 탱크들은 서로 체적이 상이하며, 체적이 클수록 높은 온도를 갖는 유체가 저장되는 열 에너지 저장 시스템의 작동 방법에 있어서,
    상기 집열 모듈에서 생산된 온수와 열 교환하여 온도가 증가된 유체의 온도가 측정되는 단계;
    상기 온도가 증가된 유체는 온도에 따라 상기 복수의 탱크들 중 어느 하나에 저장되는 단계; 및
    상기 복수의 탱크들 중 체적이 가장 큰 탱크에서 온수 유로를 통해 상기 온도가 증가된 유체가 외부로 배출되는 단계를 포함하되,
    상기 복수의 탱크들은 제1 탱크, 상기 제1 탱크보다 체적이 큰 제2 탱크, 및 상기 제2 탱크보다 체적이 큰 제3 탱크를 포함하고,
    상기 온도가 증가된 유체는 온도에 따라 상기 복수의 탱크들 중 어느 하나에 저장되는 단계는,
    상기 온도가 증가된 유체의 온도가 제1 기준 온도 이하인 경우 상기 제1 탱크에 저장되고, 상기 제1 기준 온도보다 높은 경우 상기 제2 탱크에 저장되고, 상기 제1 기준 온도보다 높은 제2 기준 온도 이상인 경우 상기 제3 탱크에 저장되는 것을 포함하는 열 에너지 저장 시스템의 작동 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 온수와 열 교환되는 유체는 메인 탱크에서 공급되고,
    상기 온도가 증가된 유체가 외부로 배출되는 단계에서 상기 온도가 증가된 유체의 온도가 기 설정된 온도보다 높은 경우,
    상기 온도가 증가된 유체가 외부로 배출되는 단계는,
    상기 메인 탱크에서 냉수 유로를 통해 상기 온수 유로로 상기 유체가 유입되는 단계를 더 포함하는 열 에너지 저장 시스템의 작동 방법.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 온도가 증가된 유체가 상기 제1 탱크에 저장되는 경우 상기 제1 탱크 내의 온도 변화는, 상기 온도가 증가된 유체가 상기 제2 탱크에 저장되는 경우 상기 제2 탱크 내의 온도 변화보다 큰 것을 포함하는 열 에너지 저장 시스템의 작동 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 온도가 증가된 유체가 제2 탱크에 저장되는 경우,
    상기 제2 탱크의 상단의 온도 변화는 상기 제2 탱크의 하단의 온도 변화보다 작은 것을 포함하는 열 에너지 저장 시스템의 작동 방법.
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