KR102221183B1 - 열 배터리 조립체 및 그의 모니터링 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 명세서에서는 에너지 저장 시스템이 기술된다. 특히 상 변화 물질을 수용하는 배터리 조립체 및 그의 모니터링 시스템을 포함하는 열 에너지 저장 시스템이 제공된다. 또한 배터리 조립체에 의해 제공되는 열 에너지의 관리를 위한 통합 제어 수단을 구비하는 배터리 조립체를 포함하는 열 저장부가 제공된다.
Description
본 발명은 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 상 변화 물질을 수용하는 배터리 조립체 및 그의 모니터링 시스템을 포함하는 열 에너지 저장 시스템에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 배터리 조립체에 의해 제공되는 열 에너지의 관리를 위한 통합 제어 수단을 구비하는 배터리 조립체를 포함하는 열 저장부가 제공된다.
시중에 많은 가열 및 냉각 시스템이 있으며 이들의 다수는 화석 연료에 의존한다. 더욱 친환경적 시스템에 대한 끊임없는 요구 증가에 따라서, 예를 들어, 광기전력, 태양 열 전기 발전기, 수력 전기, 파력(wave power) 및 바이오연료 등과 같은 태양광 혹은 물에 기반한 각종 대안적인 시스템이 제안되어 있었다.
모든 태양-구동 재생 에너지 전환 장치, 몇몇 수력-구동 장치 및 풍력 터빈 에 대한 공통적인 쟁점은, 태양이 항상 빛나지 않고, 바닷물이 항상 높지 않으며 바람이 항상 불지 않음에 따라서 "요구 시" 동작할 수 없다는 점이다. 이것은 언젠가 이들 소위 간헐적 재생원이 그들의 대응하는 국소 전기 그리드에 용이하게 통합될 수 없는 전기를 발전시킬 것이고 그와 같이 해서 많은 저장 해결책이 제안되어 왔다는 것을 의미한다.
WO 2009/138771에 제안된 열 에너지 저장 시스템은, 입수 가능할 경우 간헐적 재생원으로부터의 과잉의 전기 에너지를 열 혹은 냉각으로 전환시켜, 그와 같이 전환된 열 혹은 냉각을 열 저장부에 저장하고 나서, 그들의 고유한 고-액 상 변화 특성을 통해서 에너지 변환을 시행하도록 상 변화 물질(phase change material: PCM)을 이용해서 요구 시 유용한 열 혹은 냉각으로서 이용 가능하게 하는 것이다.
상 변화 물질을 수용하고 있는 열 배터리를 포함하는 공지된 열 에너지 저장 시스템에 있어서, 각 배터리 내의 상 변화 물질은, 그의 대부분의 활성 에너지 저장 및 방출 상 동안, 대략 6℃ 온도 범위에 걸쳐서 고체로부터 액체로 혹은 그 반대로 변화시킬 것이다. 지금까지는, 단지 배터리 내부의 다수의 온도 센서를 이용해서 이러한 임의의 배터리의 충전 상태를 예측하는 것이 가능할 뿐이어서, 이는 실용적이지도 비용 효율적이지도 않다.
실제 응용을 위하여, 특히 고수요 상업적 혹은 공업적 상황에 있어서, 결정 가능한 효율 대책을 가진 상 변화 물질을 포함하는 열 에너지 저장 시스템은 계획 및 에너지 관리 목적을 위하여 에너지 보존의 효과적인 예측을 가능하게 하는 것이 고도로 요망되고 있다.
본 발명의 적어도 하나의 양상의 일 목적은 잔류 에너지 척도(residual energy measure)를 제공하기 위한 통합 수단을 구비한 열 저장 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 적어도 하나의 양상의 일 목적은 조립체 내의 배터리의 효과적인 충전을 위한 통합 수단을 구비하는 열 저장 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 적어도 하나의 양상의 일 목적은 조립체 내의 배터리의 충전 상태를 예측하기 위한 통합 수단을 구비하는 열 저장 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 적어도 하나의 양상의 일 목적은 조립체 내의 배터리 내 상대적 에너지 수준의 결정을 위한 통합 수단을 구비하는 열 저장 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 적어도 하나의 양상의 일 목적은 가압에 대해서 조립체 내의 배터리의 보호를 위한 통합 수단을 구비하는 열 저장 시스템을 제공하는데 있다. 본 출원인은 내부 열교환기 및 PCM을 구비한 열 배터리를 포함하는 신규하면서도 독창적인 열 저장 시스템을 개발하였으며, 여기서 상기 시스템은 전체적인 시스템 에너지 효율 척도; 배터리 충전 효율의 척도; 배터리 내의 상대 에너지 수준의 결정을 포함하는 각종 제어 척도를 제공하기 위한 통합 수단을 포함하고; 상기 시스템은 가압에 대해서 상기 배터리의 보호를 제공한다.
본 출원인은 내부 열교환기 및 PCM를 구비하는 열 배터리를 포함하는 신규하면서도 독창적인 열 저장 시스템을 개발하였다.
따라서, 본 발명은 열 에너지 저장부의 동작을 제어하기 위한 제어 수단과, 내부 열교환기들 및 상 변화 물질들을 구비하는 단일 또는 복수개의 배터리 케이스를 포함하는 열 에너지 저장부를 포함하는 열 저장 시스템을 제공하되,
여기서 상기 배터리 케이스의 각각은 독립적으로 상기 케이스 내에 고정된 1개 이상의 열교환기를 포함하는 배터리, 상 변화 물질, 및 상기 배터리의 가압에 대해서 보호하기 위한 보호 수단을 포함하며, 그리고
상기 제어 수단은 상기 시스템 내의 하나 혹은 다수의 지점에서 온도, 및/또는 압력, 및/또는 파워의 측정을 위한 하나 또는 복수개의 센서에 의해 제공된다.
상기 제어 수단은 통합 시스템 제어기일 수 있다.
상기 제어 수단은 하나 이상의 파워 센서를 통해서 상기 시스템의 충전 및 방전 회로 유량의 측정치를 제공하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 수단은 하나 이상의 입력 온도 센서 및 하나 이상의 전환 밸브를 통해서 상기 조립체 내의 개별적인 배터리의 효율적인 충전을 위한 수단을 제공하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 수단은 상기 하나 이상의 입력 온도 센서를 통해 상기 시스템 내에 저장된 에너지의 측정치와, 상기 시스템 내의 개별적인 배터리의 그리고 전체 배터리 조립체의 파워 입력을 제공하도록 구성될 수 있다.
상기 제어 수단은 상기 조립체 내의 각 배터리에 의해 전달된 에너지 및 하나 이상의 출력 온도 센서를 통한 방전 동안 상기 배터리의 각각 내의 잔류 에너지의 측정치를 제공하도록 구성될 수 있다.
상기 시스템 내의 상기 상 변화 물질은 밀봉된 배터리 케이스의 제공을 통해서 외부 오염물 혹은 분해 성분과의 접촉으로부터 보호될 수 있다.
상기 배터리 케이스는 금속, 합금, 플라스틱, 복합재 샌드위치(composite sandwich) 또는 복합재 재료로 구성될 수 있다.
상기 배터리 케이스는 0.0 bar 내지 4.0 bar의 내부 압력을 견딜 수 있다.
다수의 배터리 케이스가 중간 지지부들 없이 적층될 수 있다.
열교환기들이 상기 배터리들 내에 고정된 로딩 및 언로딩 교환기(loading and unloading heat exchanger)와 통합될 수 있고, 각 열교환기와 각 배터리 케이스 간의 접촉 면적은 최소이다.
상기 배터리 하우징은 하나 이상의 압력 릴리프 밸브 또는 하나 이상의 압력 파열 디스크를 통한 가압에 대한 보호 수단을 포함할 수 있다.
상기 상 변화 물질은 상기 배터리 내에서 0℃ 내지 100℃의 온도 범위 내에서 고체 대 액체 상 변화를 지니도록 이용될 수 있고, 상기 상 변화 물질의 동작 범위는 4 내지 8도의 온도차이다.
상기 시스템은 상 변화 물질 팽창 관리를 위한 수단을 포함할 수 있되, 해당 수단은 증기 장벽, 및 압력 릴리프 밸브 또는 파열 디스크 조립체와 조작적 접속(operative connection)된다.
상기 시스템은, 상기 조립체 내의 각 개별적인 배터리에 관하여, 외부 혹은 내부 용적 보상 특성에 의해 또는 가압된 케이스 설계 특성에 의해 제공되는 상 변화 물질 팽창 관리를 위한 수단을 더 포함할 수 있되, 여기서 해당 수단은 증기 장벽, 및 압력 릴리프 밸브 또는 파열 디스크 조립체와 조작적 접속된다.
상기 시스템은 QIN, Q0N 및 QN의 결정을 위한 일련의 센서를 통해서 상기 시스템 내의 임의의 개별적인 배터리(8) 내의 밸런스와, 상기 배터리의 에너지 입력 및 출력을 결정하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다:
QIN = [∑(Fl x ρl x Cpl) x (T5 - T4)]/3600;
QON = [∑(Fo x ρo x Cpo) x (T10 - T9)]/3600; 그리고
QN = QN -1 + QIN - QON;
여기서,
QIN = 최후 충전 사이클 동안 배터리에 대한 에너지 입력;
QON = 최후 방전 사이클 동안 배터리로부터의 에너지 출력;
QN = 배터리 내의 현재 저장된 에너지;
QN -1 = 현재 검사 전에 배터리에 저장된 에너지;
Fl = 충전 회로 유량;
Fo = 방전 회로 유량;
ρl = 충전 회로 유체의 밀도;
ρo = 방전 회로 유체의 밀도;
Cpl = 충전 회로 유체의 비열;
Cpo = 방전 회로 유체의 비열;
TCFT = 배터리 X 충전 회로 흐름 온도;
TCRT = 배터리 X 충전 회로 귀환 온도;
TDFT = 배터리 X 방전 회로 흐름 온도; 그리고
TDRT = 배터리 X 방전 회로 귀환 온도.
상기 제어 시스템은 이하의 일련의 알고리즘을 통해서 상기 시스템 내의 배터리들의 상태의 결정을 위한 수단을 제공하도록 구성될 수 있다:
a) QIN = 1이고 δP ≤ PL1 또는 QIN = 1이고 PBC ≤ PA이면:
- 배터리 케이스는 기밀되지 않음
- 적절한 알람/경고를 활성화함
- 이 배터리를 대기 모드로 함, 즉, 충전을 정지시킴
b) (QIN = 1이고 δP ≥ PL2) 또는 QIN = 1이고 PBC ≥ PL3이면:
- 배터리 케이스 압력은 최대 동작 한계를 초과하고 있음
- 적절한 알람/경고를 활성화함
- 이 배터리를 대기 모드로 함, 즉, 충전을 정지시킴
c) (QIN = 0이고 TBC ≤ TE)이면:
- 이 배터리를 충전 모드 Q=1로 하고, 즉, 충전을 개시함
- SOC = 0
d) (QIN = 1이고 δT ≥ TL2) 또는 QIN = 1이고 TBC ≥ TL3이면:
- 배터리 케이스 온도는 최대 동작 한계를 초과하고 있음
- 적절한 알람/경고를 활성화함
- 이 배터리를 대기 모드로 함, 즉, 충전을 정지시킴
e) PAB1 ≤ ABS(δP) ≤ PAB2 또는 PA ≤ PBC ≤ PB 또는 TE ≤ TBC ≤ TF 또는 TEF1 ≤ ABS(δT) ≤ TEF2이면, 배터리는 구역 EF(도 6(b) 참조)에 대응하는 구역 AB(도 6(a) 참조)에서 동작함
SOC = 100·mPCM·CpS·δTS/ETOT
f) PBC1 ≤ ABS(δP) ≤ PBC2 또는 PB ≤ PBC ≤ PC 또는 TF ≤ TBC ≤ TG 또는 TFG1 ≤ ABS(δT) ≤ TFG2이면, 상기 배터리는 구역 FG(도 6(b) 참조)에 대응하는 구역 BC(도 6(a) 참조)에서 동작함
SOC = 100·(EsL + FBC·CBC·PB)/ETOT
g) PCD1 ≤ ABS(δP) ≤ PCD2 또는 PC ≤ PBC ≤ PD 또는 TG ≤ TBC ≤ TH 또는 TGH1 ≤ ABS(δT) ≤ TGH2이면, 배터리는 구역 GH(도 6(b) 참조)에 대응하는 구역 CD(도 6(a) 참조)에서 동작함
SOC = 100·(EsL + EL + mPCM·CpL·δTL)/ETOT
[표 2]
본 발명의 실시형태들이 이하에 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다:
도 1(a)는 본 명세서에서 상세히 설명된 바와 같은 열 저장 시스템에서 사용하기 위한 단일 배터리 케이스 및 그의 내부 조립체의 측면도이다. 직사각형 구획을 나타내는 도면에도 불구하고, 본 발명은 이것으로 제한되지 않고 상이한 형상, 예컨대 원통형, 삼각형 등의 배터리를 포함한다. 또한, 단일의 열교환기는, 상이한 온도에서 열교환기의 부분들 사이의 열 방출을 피하기 위하여, 열교환기의 상이한 부분들 사이에 수평 열 절연층을 수용하도록 설계될 수 있다. 이것은 복합재 시트 또는 절연 호일일 수 있다;
도 1(b)는 도 1 (a)의 단일 배터리 케이스 및 내부 조립체의 밑면도이다. 직사각형 구획을 나타내는 도면에도 불구하고, 본 발명은 이것으로 제한되지 않고 상이한 형상, 예컨대 원통형, 삼각형 등의 배터리를 포함한다. 또한, 단일의 열교환기는, 상이한 온도에서 열교환기의 부분들 사이의 열 방출을 피하기 위하여, 열교환기의 상이한 부분들 사이에 수직 열 절연층을 수용하도록 설계될 수 있다. 이것은 복합재 시트 또는 절연 호일 또는 절연 발포체일 수 있다;
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 열 저장 시스템의 개략도이다. 수직의 직선 핀(fin)들을 구비한 열교환기를 도시한 도면에도 불구하고, 본 발명은 이것으로 제한되지 않고, 상이한 경사, 예컨대, 수평 혹은 사선을 지니고 직선이 아니라 예컨대 굴곡진 배터리(들)를 포함한다. 배터리를 로딩 및 방전시키기 위한 두 개의 별개의 회로를 도시한 도면에도 불구하고, 본 발명은, 또한, 대안적으로, 열 배터리를 충전 및 방전시키는데 이용되는 하나의 단일 유압 회로를 구비하거나, 또는 2개보다 많은 유압 회로를 구비하는 열 배터리를 포함한다. 4개의 모듈을 도시한 도 2에도 불구하고, 본 발명은 하나 이상의 모듈을 구비한 모든 시스템(들)에 적용된다;
도 3(a)는 도 2에 나타낸 바와 같은 용적 보상 유닛(9)의 개략도;
도 3(b)는 도 5에 나타낸 바와 같은 유닛(8)의 압력 릴리즈 밸브 양상의 확대도;
도 4는 통합된 용적 보상 유닛의 개략도;
도 5는 본 발명의 대안적인 실시형태에 따른 열 저장 시스템의 개략도;
도 6(a)는 내부 배터리 압력과 배터리 충전 상태 간의 관계의 예시도;
도 6(b)는 내부 배터리 온도와 배터리 충전 상태 간의 관계의 예시도.
도 1(a)는 본 명세서에서 상세히 설명된 바와 같은 열 저장 시스템에서 사용하기 위한 단일 배터리 케이스 및 그의 내부 조립체의 측면도이다. 직사각형 구획을 나타내는 도면에도 불구하고, 본 발명은 이것으로 제한되지 않고 상이한 형상, 예컨대 원통형, 삼각형 등의 배터리를 포함한다. 또한, 단일의 열교환기는, 상이한 온도에서 열교환기의 부분들 사이의 열 방출을 피하기 위하여, 열교환기의 상이한 부분들 사이에 수평 열 절연층을 수용하도록 설계될 수 있다. 이것은 복합재 시트 또는 절연 호일일 수 있다;
도 1(b)는 도 1 (a)의 단일 배터리 케이스 및 내부 조립체의 밑면도이다. 직사각형 구획을 나타내는 도면에도 불구하고, 본 발명은 이것으로 제한되지 않고 상이한 형상, 예컨대 원통형, 삼각형 등의 배터리를 포함한다. 또한, 단일의 열교환기는, 상이한 온도에서 열교환기의 부분들 사이의 열 방출을 피하기 위하여, 열교환기의 상이한 부분들 사이에 수직 열 절연층을 수용하도록 설계될 수 있다. 이것은 복합재 시트 또는 절연 호일 또는 절연 발포체일 수 있다;
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 열 저장 시스템의 개략도이다. 수직의 직선 핀(fin)들을 구비한 열교환기를 도시한 도면에도 불구하고, 본 발명은 이것으로 제한되지 않고, 상이한 경사, 예컨대, 수평 혹은 사선을 지니고 직선이 아니라 예컨대 굴곡진 배터리(들)를 포함한다. 배터리를 로딩 및 방전시키기 위한 두 개의 별개의 회로를 도시한 도면에도 불구하고, 본 발명은, 또한, 대안적으로, 열 배터리를 충전 및 방전시키는데 이용되는 하나의 단일 유압 회로를 구비하거나, 또는 2개보다 많은 유압 회로를 구비하는 열 배터리를 포함한다. 4개의 모듈을 도시한 도 2에도 불구하고, 본 발명은 하나 이상의 모듈을 구비한 모든 시스템(들)에 적용된다;
도 3(a)는 도 2에 나타낸 바와 같은 용적 보상 유닛(9)의 개략도;
도 3(b)는 도 5에 나타낸 바와 같은 유닛(8)의 압력 릴리즈 밸브 양상의 확대도;
도 4는 통합된 용적 보상 유닛의 개략도;
도 5는 본 발명의 대안적인 실시형태에 따른 열 저장 시스템의 개략도;
도 6(a)는 내부 배터리 압력과 배터리 충전 상태 간의 관계의 예시도;
도 6(b)는 내부 배터리 온도와 배터리 충전 상태 간의 관계의 예시도.
본 발명에 따른 신규한 열 에너지 저장 시스템은 통합된 로딩 및 언로딩 열교환기(들) 및 상 변화 물질(들)(PCM(들))을 각각 수용하는 복수개의 열 배터리로부터 조립된다. 본 발명에 따른 열 배터리의 하나의 예시가 도 1에서 제공된다. 직육면체 형상을 나타내는 도면에도 불구하고, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 상이한 형상, 예컨대, 원통형, 구형, 각뿔형 등의 배터리를 포함한다. 또한, 인클로저(enclosure) 내에 단지 하나의 PCM만을 나타낸 도면에도 불구하고, 본 발명은 또한 동일한 인클로저 내에 상이한 PCM의 조합, 및 PCM과 다른 재료, 예컨대, 오일, 왁스 등과의 조합도 포함한다;
각각의 열 배터리는 방수 연결, 예컨대, 탱크 커넥터, 납땜, 경납땜, 크림핑을 확실하게 하는 각종 수단을 통해서 각 포트에 유입되거나 각 포트를 떠나는 유압 파이프에 연결될 수 있다;
본 발명에 따른 열 에너지 저장 시스템은 통합 시스템 제어기를 포함하되, 여기서, 상기 제어기의 특정 제어 기능은 시스템의 특정 용도/이용성에 따라서 적응될 수 있다. 제어기는 각각 시스템의 충전 및 방전 회로 유량의 측정을 위하여 파워 센서(도 2 및 도 5에서 (F1) 및 (F2)로 표시됨)를 이용하고, 상기 파워 센서는 각각 열 파워를 유도하기 위하여 흐름 센서(flow sensor), 온도 센서 및 계산 엔진의 조합으로 구성될 수 있다. 제어기는 또한, 배터리 내의 PCM의 유형 및 용도에 좌우되는, 이하에 상세히 설명되는 바와 같은, 사전 정의된 규칙을 이용해서, 조립체 내의 개별적인 배터리의 효율적인 충전을 제어하기 위하여 입력 온도 센서(도 2 및 도 5에서 (T1) 내지 (T5)로 표시됨) 및 전환 밸브(도 2 및 도 5에서 (DV1) 내지 (DV5)로 표시됨)를 이용한다. 이들 온도 센서는 또한 전체적인 배터리 조립체뿐만 아니라, 조립체 내의 개별적인 배터리의 파워 입력 및 저장된 에너지를 계산하는데 이용된다.
시스템 제어기는 또한 조립체 내의 각 배터리에 의해 전달된 에너지 및 방전 동안 상기 배터리의 각각에 잔류 에너지를 결정하기 위하여 출력 온도 센서(도 2 및 도 4에서 (T6) 내지 (T10)으로 표시됨)를 이용한다. 게다가, 시스템 제어기는 또한 압력 센서(도 2 및 도 5에서 (PS1) 내지 (PS4)로 표시됨)에 의해 측정된 압력으로부터 배터리의 충전 상태를 결정할 수 있다. 이들 압력 센서의 기능은 이하에 더욱 상세히 설명된다. 제어기는 또한 인클로저 내부의 PCM의 평균 온도를 결정하기 위하여 글로벌 온도 센서(도 2 및 도 5에서 (TG1) 내지 (TG4)로 표시됨)를 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 열 에너지 저장 시스템의 특별한 특징은 신선한 공기 혹은 수증기 등과 같은 외부 오염물/분해 성분이 PCM(들)과 접촉하는 것을 방지하도록 밀봉에 의해 산소 및 수증기 등의 침투, 또는 예를 들어 탈수에 의한 PCM 성분의 손실로부터 배터리 조립체 내의 PCM의 보호이다. 이것은 밀봉된 배터리, 특히 밀봉된 배터리 케이스의 제공을 통해서, 또는 PCM(들)의 상부에 증기 혹은 공기 또는 오염물 교환, 예컨대, 오일에 대한 장벽으로서 작용하는 물질의 첨가에 의해 달성된다. 이와 같이 해서, 추가의 양상에 따르면, 본 발명은 앞서 제공된 양상들 중 어느 하나에 따른 열 에너지 저장 시스템을 제공하되, 이때 하나 이상의 배터리는 밀봉되거나, 또는 증기/물/오염물 장벽으로서 작용하는 추가의 물질이 PCM(들)의 상부에 첨가된다.
본 발명에 따른 열 저장 시스템 내의 배터리 조립체에서 이용하기 위한, 때때로 배터리 하우징이라 불리는 배터리 케이스의 구성을 위한 적합한 재료는 배터리의 열 성능의 열화를 최소화하고, 또한 중간 구조 지지 수단에 대한 필요 없이 적층된 시스템 내의 하나 이상의 배터리를 지지하도록 충분한 구조적 지지/강도를 제공하기 위하여 수증기의 유입/유출 및 산소의 유입으로부터 PCM을 차단하도록 그들의 이중 능력에 대해 선택된다. 추가의 물질이 수증기, 산소, 및 추가의 오염물에 대한 장벽으로 사용되는 경우에, 케이스가 오로지 적층된 시스템 내의 하나 이상의 배터리를 지지하는 구조적 지지/강도를 제공해야만 한다.
여기에서 이용하기 위한 적합한 케이스 재료는 금속 및 합금, 코팅된 금속 및 합금, 플라스틱, 재료의 복합재 샌드위치 및 복합재 재료를 포함한다. 여기에서 정의되는 바와 같은 복합재 샌드위치는 두 케이스 층 사이의 중간 혹은 케이스 층에 인접한 추가의 절연층을 지닌 케이스를 의미한다. 복합재 샌드위치의 예로는 금속/절연체/금속; 플라스틱/절연체/플라스틱; 플라스틱/절연체/금속; 금속/절연체; 플라스틱/절연체를 포함한다. 여기에서 정의되는 바와 같은 복합재 재료는 금속 보강재를 가진 플라스틱으로 구성된 케이스를 포함한다. 예시적인 복합재 재료는 플라스틱 층 내에 둘러싸인 금속 메쉬를 가진 플라스틱을 포함한다. 따라서, 추가의 양상에 따르면, 본 발명은 앞서 제공된 양상들 중 어느 하나에 따른 열 에너지 저장 시스템을 제공하되, 여기서 배터리 케이스는 금속, 금속 합금, 플라스틱 또는 복합재 샌드위치이다.
따라서 특정 금속, 코팅된 금속, 플라스틱, 샌드위치 또는 복합재 재료의 선택은 적층된 시스템 내에 하나 이상의 배터리를 지지하는 강도, 공기 및 증기에 대한 투과성, 이용될 특정 PCM(그의 밀도, 그의 용융 온도 및 복합재 재료에 대한 그의 화학적 공격성을 포함함), 열 절연 특성, 열 저장 시스템의 제안된 이용성 및/또는 동작 조건 등을 포함하는 각종 인자에 의해 결정될 것이다. 적합한 금속 및 합금은, PCM의 유형 및 동작 조건에 따른 특정 유용성을 위하여 바람직한 금속의 선택과 함께 구리, 황동, 알루미늄 및 스테인리스 강을 포함한다. 예를 들어, 염화칼슘 6수화물과 이용하기 위한 배터리 케이스에서 이용하기 위한 바람직한 금속은 구리 및 황동을 포함하는 한편, 아세트산나트륨 3수화물과 함께 이용하기 위한 것으로는, 알루미늄, 스테인리스 강, 구리 또는 황동을 포함한다. 예를 들어, 염화칼슘 6수화물과 이용하기 위한 바람직한 코팅된 금속은 구리 코팅을 가진 스테인리스 강을 포함한다.
적합한 수증기 및 산소 장벽층을 제공하는 플라스틱은 여기에서 이용하기에 적합하다. 이용하기에 적합한 플라스틱은 폴리프로필렌, 발포 폴리프로필렌, 가교 폴리에틸렌, 폴리카보네이트, 폴리페닐 설파이드, 에틸렌 비닐 알코올(EVOH) 공중합체, 나일론을 포함한다. 유리섬유 등과 같은 충전재가 플라스틱에 포함될 수도 있다.
여기에서 이용하기에 적합한 절연 재료는 발포 폴리프로필렌, 실리카 에어로겔, 진공 절연체, 발포 폴리우레탄을 포함한다.
여기에서 배터리 케이스 재료로서 이용하기 위한 예시적인 복합재 샌드위치는 탄소 섬유로 둘러싸인 노멕스(nomex) 벌집형, 탄소 혹은 알루미늄으로 둘러싸인 알루미늄 벌집형, 폴리프로필렌으로 둘러싸인 알루미늄 벌집형, 폴리프로필렌 층(들)으로 둘러싸인 알루미늄층, 및 전술한 플라스틱과 금속의 임의의 조합을 포함한다.
여기서 배터리 케이스 재료로서 이용하기 위한 예시적인 복합재 샌드위치는 스테인리스 강 네트(net)로 보강된 나일론층, 알루미늄 바로 보강된 폴리프로필렌, 및 이전의 플라스틱과 금속의 임의의 조합을 포함한다.
각 배터리 케이스 내측의 열교환기들은 이들이 케이스 또는 상호접속된 열교환기 조립체를 전체로서 압박하는 일 없이 상기 케이스 내에서 모든 세 평면에서 팽창 및 수축할 수 있도록 고정된다. 열교환기 지지부는, 전도 열 손실을 최소화하고 이에 따라서 전체 시스템의 열 효율을 증가시키기 위하여, 각 열교환기와 각 배터리 케이스 간의 접촉 면적이 최소(2.5kWh 배터리에 대해서 600㎟ 미만)로 되도록 배열된다.
배터리 케이스는 열 에너지 저장 시스템의 통상 작동 압력의 2.0배를 견디도록 설계된다. 작동 압력이 상기 시스템 내에서 이용되는 PCM의 크기, 용도 및 유형에 좌우될 것이지만, 이것은 전형적으로 O.Obar 내지 2.0bar의 범위일 것이다. 따라서, 추가의 양상에 따르면, 본 발명은 앞서 제공된 양상들 중 어느 하나의 양상에 따른 열 에너지 저장 시스템을 제공하되, 여기서 배터리 케이스는 O.Obar 내지 4.0mbar의 내부 압력을 견딜 수 있다.
배터리가 중간 지지부 없이 복수개의 배터리, 예컨대, 6개의 배터리까지 적층될 수 있도록 충분한 강도의 배터리 케이스 재료가 선택된다. 따라서, 추가의 양상에 따르면, 본 발명은 앞서 제공된 양상들 중 어느 하나의 양상에 따른 열 에너지 저장 시스템을 제공하되, 여기서 배터리 케이스는 중간 지지부 없이 다수 적층 배터리 시스템 내에 복수개의 추가의 배터리를 지지하도록 개별적인 배터리에 대한 충분한 강도를 지니는 금속, 금속 합금, 코팅된 금속, 코팅된 합금, 플라스틱, 복합재 샌드위치 또는 복합재 재료이다.
도 2 및 도 5에서 이하에 예시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 열 에너지 저장 시스템은, 특히 독립적으로 선택된 다수의 적층된 배터리일 수 있는 적층된 배터리 배열을 지닌 적층된 시스템 내에 배열될 수 있는 앞서 기재된 바와 같은 단일 또는 복수개의 배터리 조립체를 포함한다. 이것은 또한 반드시 각 층 상에 동일한 개수의 배터리를 나란히 배치할 필요 없이, 단일 층 배열에 배터리를 나란히 배치하거나, 또는 각 층 상에 2개 이상의 배터리를 나란히 가진 다수 층으로 배치하는 능력을 포함한다.
본 발명에 따른 열 에너지 저장 시스템의 추가의 유리한 특성은 가압에 대한 하나 이상의 배터리 케이스(들)의 보호 수단이다. 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 이것은 PCM 상부의 추가의 물질이 공기, 수증기 및 오염물에 대해서 장벽으로서 작용하는 경우에 하나 이상의 압력 릴리프 밸브(들), 또는 하나 이상의 압력 파열 디스크(들)에 의해서, 또는 그의 조합을 통해서, 또는 주변으로 개구를 통해서 달성된다. 따라서, 추가의 양상에 따르면, 본 발명은 가압에 대한 배터리 케이스(들)의 보호 수단을 추가로 포함하는 이전에 제공된 양상들 중 어느 하나에 따른 열 에너지 저장 시스템을 제공한다.
여기에서의 에너지 저장 시스템의 상업적 및 공업적 이용성은 이용되는 특정 PCM의 융점에 좌우될 것이다. 전형적으로, 본 발명에 따른 열 에너지 저장 시스템은 0℃ 내지 100℃ 범위의 융점을 지니는 PCM을 이용하지만, 이것은 제한적인 설정치가 아니고, 다른 예시적인 융점은 900℃ 내지 -80℃이다. 여기에서 임의의 특정 열 에너지 저장 시스템에 이용될 특정 PCM(들)의 선택은 목적으로 하는 용도에 좌우될 것이다. 여기에서 이용하기 위한 적합한 PCM은 이하에 상세히 설명된다.
이들 시스템의 동작 범위는 이용되는 특정 PCM에 대한 전이 온도 대역에 좌우된다. 전형적으로, 대부분의 PCM에 대한 전이 온도 대역은 4 내지 8도 온도차(℃)이다. 따라서, 추가의 양상에 따르면, 본 발명은 앞서 제공된 양상들 중 어느 하나의 양상에 따른 열 에너지 저장 시스템을 제공하되, 여기서 이용되는 PCM(들)은 0℃ 내지 100℃ 범위의 융점을 지니고/지니거나, 및/또는 이용되는 PCM의 동작 범위는 4 내지 8도 온도차이다. 의심의 여지를 피하기 위하여, 여기에서 이용하기에 적합한 PCM은 고체 대 액체 상 변화 또는 고체 대 고체 상변화를 지니는 재료이며, 이때 후자에서 상은 재료의 결정질 구조의 변화로서 의도된다. 의심의 여지를 피하기 위하여 여기에서 이용하기에 적합한 PCM은 열화학적 재료를 포함할 수 있다.
임의의 특정 용도를 위한 임의의 특정 열 저장 시스템에서 이용하기 위한 임의의 특정 PCM의 선택은 어떠한 재료가 그의 고유한 열역학, 카이네틱, 화학 및 물리적 특성 그리고 경제적 인자 간의 가장 적절한 밸런스를 제공할지에 좌우될 것이다. 이러한 선택과 관련된 열역학적 특성은 목표로 하는 동작 온도 범위 내의 용융 온도; 단위 용적당의 높은 융해 잠열; 높은 비열, 높은 밀도 및 높은 열 전도도; 오염 문제를 저감시키기 위하여 동작 온도에서 작은 증기압 및 상 변형에 대한 작은 용적 변화; 동질 용융을 포함한다. 이러한 선택에 관련된 카이네틱 특성은 액체 상의 과냉각을 피하기 위한 높은 핵화율; 시스템이 저장 시스템으로부터의 열 회수의 요구를 충족할 수 있도록 높은 결정 성장률을 포함한다. 이러한 선택과 관련된 화학적 특성은 화학적 안정성; 완전한 가역적 동결/용융 사이클; 많은 횟수의 동결/용융 사이클 후의 분해 없음; 비부식, 비독성, 불연성 및 비폭발성 재료를 포함한다. 관련된 경제적 특성은 충분한 용적 내의 PCM의 상대적 비용 및 상업적 이용 가능성이다.
여기에서 이용하기 위한 적합한 PCM은 염화/브롬화칼슘 6수화물 공정(eutectic), 염화칼슘/염화마그네슘 6수화물, 염화칼슘 6수화물, 브롬화칼슘 6수화물, 티오황산나트륨 5수화물, 아세트산나트륨 3수화물을 포함한다.
유리하게는 본 발명에 따른 열 에너지 저장 시스템은 PCM 팽창 관리 수단을 포함한다. 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5에 예시된 바와 같이, 이것은 조립체 내 각 배터리와 관련하여 추가의 용적 보상 특징부에 의해 또는 가압 케이스 설계 특징부에 의해 달성된다. 보상된 용적, 즉 대기압 작동 설계를 포함하는 여기에서의 열 에너지 저장 시스템에서, PCM 팽창은 다이어프램의 다른 쪽이 대기에 개방되므로 대기 수준에서 배터리 내측의 압력을 유지하기 위하여 각 배터리에서 다이어프램 팽창 용기 또는 다이어프램 팽창 용적을 이용해서 관리된다. 대안적으로, 개구가 열 배터리의 내부 용적과 주위 간의 압력 밸런스를 허용하도록 인클로저 내에 존재한다.
PCM 팽창 관리를 위한 용적 보상 수단을 구비한 배터리를 편입하고 있는 여기에서의 열 에너지 저장 시스템에서, PCM 용적이 온도에 따라 (임의의 특정 배터리에서) 변할 경우, 배터리 내의 공기는 배터리 케이스 내에서 또는 PCM 용적에서 일정한 대기압 부근을 유지하도록 팽창 용기 또는 통합된 팽창 용적에 대해서 이동한다. 적합한 팽창 용기는 다이어프램 설계를 지니는 것을 포함한다. 의심의 여지를 피하기 위하여, 배터리와 상기 용기 혹은 용적 간의 온도에 따른 PCM 용적 변화 및 후속의 공기 이동으로 배터리 케이스 내 또는 PCM 용적 내에 거의 일정한 대기압을 유지하도록 동등한 동작을 가능하게 임의의 대안적인 팽창 용기 또는 통합된 팽창 용적 설계가 여기에서 이용하기에 적합한 것으로 고려된다. 예시적인 다이어프램 시스템이 여기에서 제공되며, 도 3(a)에 예시되어 있다. 이 시스템에서, 팽창 파이프는 배터리를 팽창 용기에 연결한다. 이 팽창 파이프는 고압에 대해서 시스템을 보호하도록 증기 장벽, 및 압력 릴리프 밸브 또는 파열 디스크 조립체를 추가적으로 편입시킬 수 있다. 압력 릴리프 밸브가 사용될 경우, 릴리프 설정치는 전형적으로 약 0.25bar 내지 약 0.5bar이다. 여기에서의 열 에너지 저장 시스템은 3.0bar에서 정격인 표준 중앙 가열 팽창 용기를 이용하며, 이때 상기 용기는 이하의 방정식에 따라 크기 조절된다:
V
EX
=
V
PCM
x (
E
PCM
/100) x
F
S
여기서
V
EX
= 팽창 용기의 공칭 용량[L]
V
PCM
= 배터리 내의 PCM의 용적[L]
E
PCM
= PCM의 팽창 계수(8 - 12%)[%]
F
S
= 안전 계수(= 1.50)
도 3(a)는 슈레이더 밸브(Schrader valve)를 포함할 수 있는 다이어프램 팽창 용기의 동작을 예시하며, 이 경우, 개방 상태로 있거나, 또는 대기로 배출하도록 단지 하나의 개구를 포함할 수도 있으며, 배터리가 충분히 충전된 경우와 배터리가 충분히 방전된 경우 둘 다에서의 다이어프램의 상대적 위치를 나타내고 있다. 의심의 여지를 피하기 위하여, 대안적인 밸브 설계가 이용될 수 있으며, 단, 이들은 개방된 채로 있을 수 있다. 다른 예시적인 통합된 다이어프램 시스템이 여기에서 제공되며, 도 4에 예시되어 있다. 이 시스템에서, 다이어프램은 배터리 케이스 내에 통합되어 있다. 다이어프램은 부가적으로 증기 장벽 및 공기 장벽으로서 작용할 수 있다. 도 4는 개방된 채의 슈레이더 밸브, 또는 대안적으로 개구를 포함하는 통합된 다이어프램 팽창 용적의 동작을 예시하며, 배터리가 완전히 충전된 경우와 배터리가 완전히 방전된 경우 둘 다에서의 다이어프램의 상대적 위치를 도시한다. 의심의 여지를 피하기 위하여, 대안적인 밸브 설계가 이용될 수 있으며, 단 이들은 개방된 채로 있을 수 있다.
대안적인 실시형태에 있어서, 배터리 케이스의 상부면에 구멍, 또는 대안적으로 이 면으로부터 튜브(이것은 이어서 사형 경로를 취할 수 있되, 단 그의 최종 출구는 상기 상부면의 수준에 혹은 그 이상에 있음)가 있다. 실리콘 오일과 같은 불활성 유체가 PCM의 상부에 떠서 다이어프램 팽창 용기(증기 및/또는 공기 장벽을 포함함)의 기능을 수행한다. 튜브의 최종 출구에서 불활성 유체에 대한 저장소가 있을 수 있다.
가압된 케이스 설계를 포함하는 여기에서의 열 에너지 저장 시스템에서, 상기 저장 조립체 내의 개벌적인 배터리의 케이스는 밀봉되고, 배터리 케이스는 배터리가 가열되고 공기 용적이 압축될 경우 압력의 증가를 견디도록 설계된다. 배터리는 고압에 대해서 시스템을 보호하기 위하여 압력 센서와 압력 릴리프 밸브 또는 파열 디스크 조립체가 장착되어 있다. 도 3(b)에 도시된 가압 케이스 설계 및 압력 릴리즈 밸브를 가진 배터리를 내포하는 조립체의 상세도가 도 5에 예시되어 있다. 각 배터리와 연관된 압력 센서는 배터리 케이스 내의 압력을 모니터링하기 위하여 그리고 또한 이하에 기재되는 바와 같은 배터리의 충전 상태의 결정을 위하여 이용된다. 배터리의 높이는 PCM 위쪽의 배터리 케이스 내의 공기의 용적이 설계 작동 한계 내에 압력을 유지하는데 충분한 것을 확실하게 하기 위하여 크기 조절된다. 압력 릴리프 밸브는 통상 설계 작동 압력의 1.5배에서 설정된다.
따라서, 추가의 양상에 따르면, 본 발명은 PCM 팽창 관리 수단을 구비한 앞서 제공된 양상들 중 어느 하나에 따른 열 에너지 저장 시스템을 제공한다.
위에서 상세히 설명된 바와 같은 모니터링 시스템을 구비한 본 발명의 열 에너지 저장 시스템의 추가의 이점은, 이것이 조립체 내의 배터리의 충전 상태를 예측할 수 있다는 점이다.
본 발명에 따른 열 에너지 저장 시스템 내에서 배터리들의 배터리 저장 적층부 내의 임의의 개별적인 배터리 내의 에너지 입력과 출력, 따라서 밸런스는 해당 저장 저층부에 적합한 센서가 장착된 경우 계산될 수 있다. 이들 센서가 어떻게 배열될 수 있는지의 예시는 도 2 및 도 5에서 제공된다. 예를 들어, (예시된 바와 같은) 배터리 번호 4의 에너지는 이하의 방정식 2, 3 및 4에 따라서 임의의 주어진 시간에 계산될 수 있다:
QIN = [∑(Fl x ρl x Cpl) x (T5 - T4)]/3600 (2)
QON = [∑(Fo x ρo x Cpo) x (T10 - T9)]/3600 (3)
QN = QN -1 + QIN - QON (4)
식 중,
QIN = 최후 충전 사이클 동안 배터리에 대한 에너지 입력[kWh]
QON = 최후 방전 사이클 동안 배터리로부터의 에너지 출력[kWh]
QN = 배터리 내의 현재 저장된 에너지[kWh]
QN -1 = 현재 검사 전에 배터리에 저장된 에너지[kWh]
Fl = 충전 회로 유량[L/s]
Fo = 방전 회로 유량[L/s]
ρl = 충전 회로 유체의 밀도[kg/L]
ρo = 방전 회로 유체의 밀도[kg/L]
Cpl = 충전 회로 유체의 비열[kJ/kg.K]
Cpo = 방전 회로 유체의 비열[kJ/kg.K]
T5 = 배터리 4 충전 회로 흐름 온도[℃]
T4 = 배터리 4 충전 회로 귀환 온도[℃]
T10 = 배터리 4 방전 회로 흐름 온도[℃]
T9 = 배터리 4 방전 회로 귀환 온도[℃]
명백한 바와 같이, 임의의 선택된 배터리 X의 측정치는, T5를 배터리 X 충전 회로 흐름 온도 TXCFT의 측정을 위하여 관련 센서로; T4를 배터리 X 충전 회로 귀환 온도 Tx의 측정을 위하여 관련 센서로; T10을 배터리 X 방전 회로 흐름 온도 TXDFT의 측정을 위하여 관련 센서로; 그리고 T9를 배터리 X 방전 회로 귀환 온도 TXDFT의 측정을 위하여 관련 센서로 교체하여 결정될 수 있다.
본 발명의 열 에너지 저장 시스템들의 추가의 유리한 특성은 이들이 그들의 무결성(integrity) 및 상태를 모니터링하기 위하여 압력 센서를 장비한 점에 있다. 이들 압력 센서는, 가압된 케이스 설계의 압력이 PCM 용융물 또는 동결물로서 충전 상태에 따라 변함에 따라서 용적을 변화시키고, 이에 따라서 배터리의 상부의 공기의 용적을 변화시키고, 이에 따라서 내부 공기 압력을 변화시키므로, 시스템 내의 배터리의 충전 상태를 모니터링하는 대안적인 혹은 추가의 방식으로서 사용될 수 있다. 검정은 측정된 압력을 충전 상태로 전환시킬 수 있는 룩업 테이블을 작성하는데 이용될 수 있다.
PCM의 충전 상태의 변화와 배터리 내의 내부 압력과 평균 온도의 변화 간의 관계는 도 6(a) 및 도 6(b)에 예시되어 있고, 도 6(a)를 참조하면, 이것은 따라서 여기에서 설명된다. 제1 구역(또는 스테이지, 또는 상) 동안, 즉, 도 6(a)에서 'A'점과 'B'점 사이에, PCM은 고체이고, 즉, 동결되고, 따라서 배터리 내의 압력 변화는 배터리 케이스가 고도로 절연되기 때문에 동결된 PCM의 온도의 함수인 배터리 케이스 내의 공기의 온도 변화에 주로 기인된다. 충전 상태는 에너지가 주로 감지 가능한 구역에서 보존/방출되기 때문에 서서히 증/감되고, 즉, 고체 PCM은 그의 평균 온도를 증/감시킨다. 'B'점과 'C'점 사이의 도 6(a)에 예시된 추가의 구역(또는 스테이지, 또는 상)에서, PCM은 배터리 가열 사이클 동안 고체에서 액체로, 그리고 배터리 방전 사이클 동안 액체에서 고체로 상을 변화시킨다. 대부분의 PCM에 대해서 이러한 소위 전이 온도 대역은 4℃ 내지 8℃일 것이다. 그와 같이, 이 상 동안 배터리 내의 압력의 변화는 액체(즉 용융) 상태에서 PCM의 퍼센트에 직접 비례할 것이다. 이 구역에서, 에너지는 PCM의 상의 변화로 인해 잠열로서 보존/방출된다. 'C'점과 'D'점 사이의 도 6(a)에 예시된 바와 같은 다음 구역(또는 스테이지, 또는 상)에서, PCM은 완전히 용융되고, 따라서 배터리 내의 압력의 변화는, 배터리 케이스가 고도로 절연되기 때문에 액체(용융) PCM의 온도에 비례할 베터리 케이스 내의 공기의 온도의 변화에 주로 기인한다. 충전 상태는 감지 가능한 구역에서 주로 저장되고, 즉, 고체 PCM은 그의 평균 온도를 증가시킨다. 도 6(b)를 참조하면, 이것은 따라서 본 명세서에서 설명되어 있다. 제1 구역(또는 스테이지, 또는 상) 동안, 즉, 도 6(b)에서 'E'점과 'F'점 사이에서, PCM은 고체이고, 즉, 동결되고, 따라서 배터리의 충전 상태의 변화는 동결 PCM의 온도의 함수이다. 충전 상태는, 에너지가 주로 감지 가능한 구역에서 보존/방출되기 때문에 서서히 증/감되고, 즉, 고체 PCM은 그의 평균 온도를 증/감시킨다. 'F'점과 'G'점 사이의 도 6(b)에 예시된 추가의 구역(또는 스테이지, 또는 상)에서, PCM은 배터리 가열 사이클 동안 고체에서 액체로, 그리고 배터리 방전 사이클 동안 액체에서 고체로 상을 변화시킨다. 대부분의 PCM에 대해서 이러한 소위 전이 온도 대역은, 4℃ 내지 8℃일 것이다. 이 구역에서, 에너지는 PCM의 상 변화로 인해 잠열로서 저장/방출된다. 'G'점과 'H'점 사이의 도 6(b)에 예시된 바와 같은 다음 구역(또는 스테이지, 또는 상)에서, PCM은 완전히 용융되고, 따라서 배터리 내의 충전 상태의 변화는 액체(용융) PCM의 온도에 비례할 것이다. 충전 상태는 감지 가능한 구역에서 주로 저장되고, 즉, 액체 PCM은 그의 평균 온도를 증가시킨다.
배터리 압력과 평균 온도가 서로 상보적이고 배터리의 충전 상태의 배타적인 표시를 부여하며, 즉, 온도는 용융/동결 구역 외부에서 배터리의 충전 상태의 양호한 표시자이고, 압력은 용융/동결 구역에서 배터리의 충전 상태의 양호한 표시자임은 도 6(a) 및 도 6(b)로부터 명백하다. 충전 상태와 압력 또는 충전 상태와 온도 간의 관계는 도 6(a) 및 도 6(b)에서 직선이 아닐 수 있거나 또는 모든 구역에서 직선이 아닐 수 있다.
인클로저가 주위에 대한 개구를 제시할 경우, 압력은 배터리의 임의의 충전 상태에서 대기 상태일 것이다. 이 경우에, 온도에 부가해서, PCM의 수준은 배터리의 충전 상태의 상보적인 표시자로서 사용될 수 있다. 이 특정 시스템이 수증기, 공기, 및 오염물 교환, 예컨대, 오일에 대해서 PCM을 보호하기 위하여 추가의 물질을 필요로 하므로, 이 물질은, 수준 센서, 예를 들어, 초음파 수준 센서 또는 회전 센서에 고정된 부유 아암(float arm)을 통해서 배터리의 충전 상태 및/또는 전자적 척도의 시각적 표시를 허용하는, 배터리의 인클로저에 대해서 외부에 있는 챔버, 예컨대, 메스 실린더 내의 PCM의 팽창 및 수축에 따라 그의 수준을 변화시킬 수 있었다. 이것은 또한 전자적 척도를 위한 PCM/추가의 물질 시스템 위쪽의 열 배터리 내의 시각적 표시 혹은 수준 센서의 경우에 투명한 컷-아웃부를 부가함으로써 인클로저 용적에서 달성될 수 있었다.
최대 작동 압력이 모든 배터리 유형에 대해서 유사할 것이며, 즉, 가열 동안 PCM의 팽창을 흡수하도록 배터리의 공기의 용적이 배터리 내의 PCM의 용적에 비례해서 증가할 것임이 이해된다. 그러나 여기서의 유용성을 위하여, 임의의 특정 배터리 유형은 압력-온도 특징을 결정하기 위하여 시험된 유형이고, 이 데이터는 PCM 저장 제어기에 저장된다.
배터리의 충전 및 방전 회로의 정격 파워는 압력-온도 특징에 영향을 미칠 것이고, 따라서 이들 파라미터는 이들을 보정하기 위하여 제어기 내에 저장될 것이다.
여기에서 상세히 설명된 제어 시스템을 이용해서 배터리의 상태를 결정하기 위하여 이용되는 알고리즘은 이하에 설명되며, 이용되는 기호는 표 1에 상세히 기재되어 있다. 배터리의 충전 상태는 최소 온도와 최대 온도 사이에서 배터리에 저장될 수 있는 최대 에너지의 분획으로서 정의되며, 이는 배터리 내의 PCM에 대해서 그리고 안전 요건에 대해서 최종 용도에 따라서 변할 수 있다. 저장 가능한 최대 에너지는 이하의 설명에 따라서 3가지 양으로 구성된다. 이용되는 기호는 표 1에 상세히 기재되어 있다:
1) 도 6(b)에서의 용융 구역 TF와 도 6(b)에서의 기초 참조 온도 TE의 개시 시에 고체 상태 재료 간의 온도차로 인한 감지 가능한 열:
ESS = mPCM·CpS·δTEF/3600
2) 용융/동결 과정 동안 재료의 상 변화로 인한 잠열. 이것은 각 PCM의 특성이고, 배터리 내의 PCM의 양에 비례한다:
EL = mPCM·HL/3600
3) 도 6(b)에서의 최대 온도 한계 TH에서의 액체 상태 재료와 도 6(b)에서 동결 구역의 개시 시의 액체 상태 재료의 온도 TG 간의 온도차로 인한 감지 가능한 열:
EsL = mPCM·CpL·δTGH/3600
4) 총 저장 가능한 에너지는 따라서 다음과 같다:
ETOT = ESS + EL +EsL
본 명세서에서 상세히 설명된 제어 시스템을 이용해서 배터리의 상태를 결정하는데 이용되는 알고리즘들은 이하에 설명되며, 이용된 기호는 표 2에 상세히 설명되어 있다.
h) QIN = 1이고 δP ≤ PL1 또는 QIN = 1이고 PBC ≤ PA이면:
- 배터리 케이스는 기밀되지 않음
- 적절한 알람/경고를 활성화함
- 이 배터리를 대기 모드로 함, 즉, 충전을 정지시킴
i) (QIN = 1이고 δP ≥ PL2) 또는 QIN = 1이고 PBC ≥ PL3이면:
- 배터리 케이스 압력은 최대 동작 한계를 초과하고 있음
- 적절한 알람/경고를 활성화함
- 이 배터리를 대기 모드로 함, 즉, 충전을 정지시킴
j) (QIN = 0이고 TBC ≤ TE)이면:
- 이 배터리를 충전 모드 Q=1로 하고, 즉, 충전을 개시함
- SOC = 0
k) (QIN = 1이고 δT ≥ TL2) 또는 QIN = 1이고 TBC ≥ TL3이면:
- 배터리 케이스 온도는 최대 동작 한계를 초과하고 있음
- 적절한 알람/경고를 활성화함
- 이 배터리를 대기 모드로 함, 즉, 충전을 정지시킴
l) PAB1 ≤ ABS(δP) ≤ PAB2 또는 PA ≤ PBC ≤ PB 또는 TE ≤ TBC ≤ TF 또는 TEF1 ≤ ABS(δT) ≤ TEF2이면, 상기 배터리는 구역 EF(도 6(b) 참조)에 대응하는 구역 AB(도 6(a) 참조)에서 동작함
SOC = 100·mPCM·CpS·δTS/ETOT
m) PBC1 ≤ ABS(δP) ≤ PBC2 또는 PB ≤ PBC ≤ PC 또는 TF ≤ TBC ≤ TG 또는 TFG1 ≤ ABS(δT) ≤ TFG2이면, 상기 배터리는 구역 FG(도 6(b) 참조)에 대응하는 구역 BC(도 6(a) 참조)에서 동작함
SOC = 100·(EsL + FBC·CBC·PB)/ETOT
n) PCD1 ≤ ABS(δP) ≤ PCD2 또는 PC ≤ PBC ≤ PD 또는 TG ≤ TBC ≤ TH 또는 TGH1 ≤ ABS(δT) ≤ TGH2이면, 상기 배터리는 구역 GH(도 6(b) 참조)에 대응하는 구역 CD(도 6(a) 참조)에서 동작함
SOC = 100·(EsL + EL + mPCM·CpL·δTL)/ETOT
복수개의 열교환기가 동일한 케이스 내에 봉합되어 있는 경우, 각 열교환기의 부하 및 방전 포트들은 (a) 열교환기 조립체(직렬 연결)의 입구에서부터 출구로의 온도의 증가(방전 상) 혹은 강하(부하 상)를 최대화하기 위하여, 또는 (b) 열교환기 조립체(병렬 연결)의 입구와 출구 간의 유량 및 관련된 압력 강하를 최소화하기 위하여 다른 열교환기의 것들과 연결될 수 있다. 동일한 인클로저에서, 직렬 연결과 병열 연결 둘 다는 상이한 열교환기들을 연결하는데 이용될 수 있다. 또한, 각 연결은 요건 및 제어 전략에 따라서 병렬 또는 직렬이 되도록 요구 시 구성될 수 있으며, 예컨대, 연결은, 압력 강화를 최소화하기 위하여 통상 병렬이고, 외부 파워가 요구될 때, 결과적으로 압력 강하를 극복하기 위하여 부스트 펌프를 이용해서, 전환 밸브를 통해서 직렬로 일시적으로 변화된다. 또한, 동일한 인클로저 내의 상이한 열교환기들이 상이한 독립적인 유압 회로를 이용할 수 있다. 또한, 열 절연체, 예컨대, 복합재 시트 혹은 발포 셀 절연 또는 절연 호일은, 상이한 충전 상태에서 동일한 인클로저의 상이한 부분 간의 열 방출을 회피하기 위하여 동일한 인클로저 내의 단일 열교환기들 사이에 배치될 수 있다.
도 1(a)에서는, 1개 이상의 열교환기(2) 및 PCM(3)을 수용하는 배터리 케이스(1)가 예시되어 있다. PCM과 배터리 케이스 사이의 내부 용적 A는 기체, 예컨대, 공기 또는 질소로 채워져 있고, PCM 수준의 팽창 및 수축에 따라서 용적이 변한다. 냉각(동결) 시와 가열(용융) 시의 상이한 PCM 수준이 점 B 및 C로 표시되어 있다. 배터리 케이스 내측의 열교환기는 복수개의 지지부(4)를 통해서 고정된다. 각종 충전 및 방전 포트는 (5)로 표시되어 있다. 추가의 연결 포트는 (6)으로 표시되어 있다.
도 2에서, 배터리 1 내지 4로 구체적으로 나타낸 바와 같은, 복수개의 상호 접속된 배터리 조립체(8)를 수용하는, 열원(도시 생략)으로부터 가열 부하(heating load)(도시 생략)로의 흐름의 관리를 위한 열 저장 시스템(7)이 예시되어 있으며, 이때 각 배터리 조립체는 배출 수단을 구비한 적어도 하나의 용적 보상 유닛(9)과 조작적 접속되어 있으며, 통합 제어 시스템(10)은, 각각 충전 및 방전 회로 유량을 측정하는 센서(F1 및 F2), 개별적인 배터리의 효과적인 충전을 제어하기 위한 전환 밸브(DV1, DV2, DV3, DV4, DV5) 및 배터리 조립체로의 열 흐름의 온도를 측정하는 온도 센서(T1, T2, T3, T4, T5), 각 배터리에 의해 전달된 에너지 및 방전 동안 각 배터리 내의 잔류 에너지를 결정하기 위한 온도 센서(T6, T7, T8, T9, T10) 및 압력 릴리프 밸브(PRV)를 통해서 시스템의 동작을 관리한다.
도 3(a)에서, 각각 점선과 두꺼운 선으로 표시된 완전 충전된 상태 혹은 완전 방전된 상태에 관한 위치를 지니는 다이어프램 팽창 용기(11)와, 슈레이더 밸브(12), 증기 장벽(13), 압력 릴리즈 밸브(PRV) 및 배터리용의 연결 포트 A(조립체 내)가 도시되어 있다.
도 3(b)에서, 증기 장벽(14), 압력 릴리즈 밸브(PRV) 및 배터리용의 연결 포트 A(조립체 내)가 도시되어 있다.
도 4에서, 다이어프램은 배터리 인클로저 내에 통합되어 있다. 각각 점선 및 두꺼운 선으로 표시된 완전 충전된 혹은 완전 방전된 상태에 관한 위치와, 슈레이더 밸브(12), 압력 릴리즈 밸브(PRV)를 구비한다. 도 5에서, 도 2에 대한 동일한 참조 부호를 지니는 구성요소 혹은 특징부가 제공되며, 이들은, 달리 구체적으로 나타내지 않는 한, 동일한 구성요소 혹은 특징부를 나타낸다. 도 5는 복수개의 상호접속된 배터리 조립체(8)를 수용하는 열 저장 시스템(7)을 도시하고, 배터리 1 내지 4가 예시되어 있으며, 각 배터리 조립체는 밀봉되어 있고, 배터리의 충전 상태를 결정하기 위한 압력 센서(PS1, PS2, PS3, PSS4)와 조작적 접속된 적어도 하나의 압력 릴리즈 밸브(PRV)와 조작적 접속되어 있으며, 통합 제어 시스템(10)은 도 2에 대한 설명에서 상세히 설명된 바와 같은 센서(F1, F2, T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9 및 T10), 전환 밸브(DV1, DV2, DV3, DV4 및 DV5)를 통해서 시스템의 동작을 관리한다.
도 6에서, 이하의 구역들은 PCM의 온도 변화와 배터리 내의 내부 압력의 변화 간의 관계를 예시하되: 'A'점과 'B'점 사이에서 PCM이 고체이고; 'B'점과 'C'점 사이에서, PCM이 배터리 가열 사이클 동안 고체에서 액체로, 그리고 배터리 방전 사이클 동안 액체에서 고체로 상을 변화시키며; 'C'점과 'D'점 사이에서, PCM은 완전히 용융된다.
본 발명에 따른 신규한 열 에너지 저장 시스템은 통합된 로딩 및 언로딩 회로를 각각 수용하는 복수개의 열 배터리로부터 조립된다.
Claims (19)
- 열 에너지 저장 시스템의 동작을 제어하기 위한 제어 수단과, 내부 열교환기들 및 상 변화 물질들을 구비하는 단일 또는 복수개의 배터리 케이스를 포함하는 배터리 조립체를 포함하는 상기 열 에너지 저장 시스템으로서,
상기 배터리 케이스의 각각은 독립적으로 상기 케이스 내에 고정된 1개 이상의 열교환기를 포함하는 배터리, 상 변화 물질, 및 상기 배터리의 가압에 대해서 보호하기 위한 보호 수단을 포함하며, 그리고
상기 제어 수단은 상기 시스템 내의 하나 혹은 다수의 지점에서 파워의 측정을 위한 적어도 하나의 파워 센서를 이용하고, 상기 제어 수단은 하나 이상의 파워 센서를 통해서 상기 시스템의 충전 및 방전 회로 유량의 측정치를 제공하도록 구성된 통합 시스템 제어기이고, 상기 시스템 제어기는 사전 정의된 규칙을 이용해서 상기 시스템 내의 개별적인 배터리의 효율적인 충전을 제어하기 위하여 상기 시스템 내의 입력 온도 센서 및 전환 밸브를 이용하고,
상기 시스템 제어기는 또한 상기 시스템 내의 각 배터리에 의해 전달된 에너지 및 방전 동안 상기 배터리의 각각의 잔류 에너지를 결정하기 위하여 출력 온도 센서를 이용하고,
상기 온도 센서들은 또한 전체 배터리 조립체뿐만 아니라 상기 시스템 내의 개별적인 배터리의 파워 입력 및 저장된 에너지를 계산하는데 이용되는, 열 에너지 저장 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 파워 센서는 열 파워를 유도하기 위하여 흐름 센서(flow sensor), 온도 센서 및 계산 엔진의 조합으로 구성된, 열 에너지 저장 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어 수단은 하나 이상의 입력 온도 센서 및 하나 이상의 전환 밸브를 통해서 상기 배터리 조립체 내의 개별적인 배터리의 효율적인 충전을 위한 수단을 제공하도록 구성된, 열 에너지 저장 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 하나 이상의 입력 온도 센서를 통해 상기 시스템 내에 저장된 에너지의 측정치와, 상기 시스템 내의 개별적인 배터리의 그리고 전체 배터리 조립체의 파워 입력을 제공하도록 구성된, 열 에너지 저장 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 배터리 조립체 내의 각 배터리에 의해 전달된 에너지 및 하나 이상의 출력 온도 센서를 통한 방전 동안 상기 배터리의 각각 내의 잔류 에너지의 측정치를 제공하도록 구성된, 열 에너지 저장 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시스템 내의 상기 상 변화 물질은 밀봉된 배터리 케이스의 제공을 통해서 외부 오염물 혹은 분해 성분과의 접촉으로부터 보호되는, 열 에너지 저장 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배터리 케이스는 금속, 합금, 플라스틱, 복합재 샌드위치(composite sandwich) 또는 복합재 재료로 구성되는, 열 에너지 저장 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배터리 케이스는 0.0 bar 내지 4.0 bar의 내부 압력을 견딜 수 있는, 열 에너지 저장 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 다수의 배터리 케이스가 중간 지지부들 없이 적층될 수 있는, 열 에너지 저장 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1개 이상의 열교환기는 상기 배터리들 내에 고정되어, 통합된 로딩 및 언로딩 교환기(integrated loading and unloading heat exchanger)이고, 각 열교환기와 각 배터리 케이스 간의 접촉 면적은 최소인, 열 에너지 저장 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배터리 케이스는 하나 이상의 압력 릴리프 밸브 또는 하나 이상의 압력 파열 디스크를 통한 가압에 대한 보호 수단을 포함하는, 열 에너지 저장 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배터리 내에서 이용되는 상기 상 변화 물질은 0℃ 내지 100℃의 온도 범위 내에서 고체 대 액체 상 변화를 지니고, 상기 상 변화 물질의 동작 범위는 4 내지 8도의 온도차이고,
상 변화 물질 팽창 관리를 위한 수단을 더 포함하되, 해당 수단은 증기 장벽, 및 압력 릴리프 밸브 또는 파열 디스크 조립체와 조작적 접속(operative connection)되고,
상기 배터리 조립체 내의 각 개별적인 배터리에 관하여, 외부 혹은 내부 용적 보상 특성에 의해 또는 가압된 케이스 설계 특성에 의해 제공되는 상 변화 물질 팽창 관리를 위한 수단을 더 포함하되, 해당 수단은 증기 장벽, 및 압력 릴리프 밸브 또는 파열 디스크 조립체와 조작적 접속되는, 열 에너지 저장 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서, QIN, Q0N 및 QN의 결정을 위한 일련의 센서를 통해서 상기 시스템 내의 임의의 개별적인 배터리(8) 내의 밸런스와, 상기 배터리의 에너지 입력 및 출력을 결정하기 위한 수단을 더 포함하되,
QIN = [∑(Fl x ρl x Cpl) x (T5 - T4)]/3600;
QON = [∑(Fo x ρo x Cpo) x (T10 - T9)]/3600; 그리고
QN = QN-1 + QIN - QON;
식 중,
QIN = 최후 충전 사이클 동안 배터리에 대한 에너지 입력;
QON = 최후 방전 사이클 동안 배터리로부터의 에너지 출력;
QN = 배터리 내의 현재 저장된 에너지;
QN-1 = 현재 검사 전에 배터리에 저장된 에너지;
Fl = 충전 회로 유량;
Fo = 방전 회로 유량;
ρl = 충전 회로 유체의 밀도;
ρo = 방전 회로 유체의 밀도;
Cpl = 충전 회로 유체의 비열;
Cpo = 방전 회로 유체의 비열;
TCFT = 배터리 X 충전 회로 흐름 온도;
TCRT = 배터리 X 충전 회로 귀환 온도;
TDFT = 배터리 X 방전 회로 흐름 온도; 그리고
TDRT = 배터리 X 방전 회로 귀환 온도인, 열 에너지 저장 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어 수단은 이하의 일련의 알고리즘을 통해서 상기 시스템 내의 상기 배터리들의 상태의 결정을 위한 수단을 제공하도록 구성된, 열 에너지 저장 시스템:
o) QIN = 1이고 δP ≤ PL1 또는 QIN = 1이고 PBC ≤ PA이면:
- 배터리 케이스는 기밀되지 않음
- 적절한 알람/경고를 활성화함
- 상기 배터리를 대기 모드로 함, 즉, 충전을 정지시킴
p) (QIN = 1이고 δP ≥ PL2) 또는 QIN = 1이고 PBC ≥ PL3이면:
- 배터리 케이스 압력이 최대 동작 한계를 초과하고 있음
- 적절한 알람/경고를 활성화함
- 상기 배터리를 대기 모드로 함, 즉, 충전을 정지시킴
q) (QIN = 0이고 TBC ≤ TE)이면:
- 상기 배터리를 충전 모드 Q=1로 하고, 즉, 충전을 개시함
- SOC = 0
r) (QIN = 1이고 δT ≥ TL2) 또는 QIN = 1이고 TBC ≥ TL3이면:
- 배터리 케이스 온도는 최대 동작 한계를 초과하고 있음
- 적절한 알람/경고를 활성화함
- 상기 배터리를 대기 모드로 함, 즉, 충전을 정지시킴
s) PAB1 ≤ ABS(δP) ≤ PAB2 또는 PA ≤ PBC ≤ PB 또는 TE ≤ TBC ≤ TF 또는 TEF1 ≤ ABS(δT) ≤ TEF2이면, 상기 배터리는 상기 상 변화 물질이 고체 상태에 해당하는 구역 EF에 대응하는 구역 AB에서 동작함
SOC = 100·mPCM·CpS·δTS/ETOT
t) PBC1 ≤ ABS(δP) ≤ PBC2 또는 PB ≤ PBC ≤ PC 또는 TF ≤ TBC ≤ TG 또는 TFG1 ≤ ABS(δT) ≤ TFG2이면, 상기 배터리는 상기 상 변화 물질이 액체 및 고체 간의 상 변화 상태에 해당하는 구역 FG에 대응하는 구역 BC에서 동작함
SOC = 100·(EsL + FBC·CBC·PB)/ETOT
u) PCD1 ≤ ABS(δP) ≤ PCD2 또는 PC ≤ PBC ≤ PD 또는 TG ≤ TBC ≤ TH 또는 TGH1 ≤ ABS(δT) ≤ TGH2이면, 상기 배터리는 상기 상 변화 물질이 액체 상태에 해당하는 구역 GH에 대응하는 구역 CD에서 동작함
SOC = 100·(EsL + EL + mPCM·CpL·δTL)/ETOT
[표 2]
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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