KR102533384B1 - 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 종래의 에너지 저장 및 방출 시스템이 한 가지 형태의 잉여에너지를 처리하도록 이루어졌던 것과는 달리, 다양한 열원으로부터 잉여에너지를 저장하고 고온/중온/저온 최대 3가지 형태의 열저장소를 복합적으로 연계하여 사용함으로써, 다양한 형태의 잉여에너지를 하나의 시스템으로 저장 및 방출할 수 있도록 하는, 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템을 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 열적에너지를 저장하거나 방출함에 있어서 유체의 현열(sensible heat)뿐만 아니라 잠열(latent heat)까지 이용함으로써 보다 고효율로 에너지를 저장 및 방출할 수 있도록 하는, 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템을 제공함에 있다.

Description

다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 {Multi-Purpose Thermal Energy Storage and Discharge System}
본 발명은 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 잉여에너지를 열적에너지로 저장하고, 필요시 이를 열적에너지 또는 전기에너지로 변환하여 방출하는 시스템에 관한 것이다.
산업발전으로 인하여 에너지의 소비가 극대화되고 있는 현재, 에너지의 낭비를 막고 보다 효율적으로 활용하고자 하는 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러한 연구 중 하나가 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)으로서, 부하조정이 어려운 태양광이나 풍력 발전에 의해 과잉생산된 전력을 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 등과 같은 방식으로 동작한다. 이러한 잉여전력을 저장하는 방법은 여러 가지가 있으며, 야간의 잉여전력을 물의 위치에너지로 바꾸어 저장하는 양수식 발전은 이미 실용화되었고, 화학에너지로 바꾸어 저장하는 고성능 전지도 실현성이 높다고 알려져 있다. 이와 더불어 압축공기를 압력에너지로 저장해 가스터빈으로 발전하는 시스템, 관성모멘트가 큰 플라이휠을 전동기로 회전시켜 운동에너지로 저장하는 시스템 등, 에너지의 저장 및 방출을 효과적으로 실현하고자 하는 연구가 매우 다양한 관점에서 활발하게 이루어지고 있다. 일상생활이나 산업활동에 있어 상당한 에너지 사용이 필수적이 되어있는 현재, 이러한 에너지 저장 시스템 기술은 에너지 생산과 수요가 불일치한 경우나 재난 등으로 인하여 에너지 공급이 끊겼을 경우에 대한 대비책으로서도 활용성이 매우 높다.
미국특허등록 제10082045호("Use of regenerator in thermodynamic cycle system", 2018.09.25.)에서는, 전기에너지를 압축기에 공급하여 에너지를 저장하고 팽창엔진을 통해 회수하는 방법으로 고온에너지 및 저온에너지를 저장하는 기술을 개시하고 있다. 상기 선행문헌에서는 고온 또는 저온의 열저장을 위해 2개의 탱크를 사용하며, 작동유체가 고온 또는 저온 열원으로부터 열에너지를 가져와 탱크로 전달하여 저장하는 식으로 작동된다. 그런데 이러한 구성은 다양한 외부 저온 및 고온 열원을 사용하기에 적합하지 못하여 사용조건이 상당히 제한되며, 또한 액체의 현열(sensible heat)을 이용하기 때문에 에너지 저장 시스템의 부피가 과도하게 증가하게 되는 문제가 있다.
잉여에너지는 심야전력, 태양광이나 폐열 등과 같은 고온열원, LNG 등과 같은 저온열원 등 다양한 형태를 가지고 있다. 종래의 에너지 저장 및 방출 시스템은 상기 선행문헌과 같이 대개 한두 가지 형태의 잉여에너지를 처리하도록 설계되어 있다. 대표적인 에너지 저장 및 방출장치인 배터리의 경우 전기에너지를 저장 및 방출하도록 이루어지며, 고온/저온 열저장소의 경우 고온/저온 열에너지를 저장하고 전기 및 고온/저온 열에너지를 방출하는 식으로 이루어진다. 이러한 점을 고려할 때, 잉여에너지를 보다 효율적으로 활용하기 위해서는 보다 다양한 형태의 잉여에너지를 단일의 에너지 저장 및 방출 시스템으로 처리할 수 있어야 한다는 필요성이 대두된다.
1. 미국특허등록 제10082045호("Use of regenerator in thermodynamic cycle system", 2018.09.25.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 다양한 형태의 잉여에너지를 하나의 시스템으로 저장 및 방출할 수 있도록 하는, 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템을 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 열적에너지를 저장하거나 방출함에 있어서 유체의 현열(sensible heat)뿐만 아니라 잠열(latent heat)까지 이용함으로써 보다 고효율로 에너지를 저장 및 방출할 수 있도록 하는, 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중목적 열적 에너지 저장 및 방출 시스템은, 외부의 잉여저온열원으로부터 직접 냉열을 저장하거나 외부의 저온열소비처로 직접 냉열을 방출하는 저온열저장소(100); 저온측저장용순환유체가, 상기 저온열저장소(100) 및 타 유체와 열교환하여 냉열을 저장하는 저온측저장용냉열저장기(115)를 포함하여 순환하는 저온측저장용순환루프(110); 저장용작동유체가, 외부의 잉여전력에 의해 작동되는 저장용압축기(251) 및 상기 저온측저장용순환루프(110)와 연결되어 저장용작동유체 및 저온측저장용순환유체를 열교환시키는 상기 저온측저장용냉열저장기(115)를 포함하여 순환하는 냉방사이클 형태로 형성되는 저장용작동루프(250); 저온측방출용순환유체가, 상기 저온열저장소(100) 및 타 유체와 열교환하여 냉열을 회수하는 저온측방출용냉열회수기(125)를 포함하여 순환하는 저온측방출용순환루프(120); 저온측방출용작동유체가, 상기 저온측방출용순환루프(120)와 연결되어 저온측방출용작동유체 및 저온측방출용순환유체를 열교환시키는 상기 저온측방출용냉열회수기(125) 및 저온측방출용작동유체에 의하여 작동되어 외부의 발전기를 회전시켜 저온측생산전력을 생산하는 저온측방출용팽창터빈(151)을 포함하여 순환하는 냉방사이클 형태로 형성되는 저온측방출용작동루프(150); 를 포함할 수 있다.
또한 상기 저장용작동루프(250)는, 상기 저장용압축기(251) 및 상기 저온측저장용냉열저장기(115) 사이에 구비되며 팽창터빈, 팽창밸브, 열교환기 중 선택되는 적어도 하나의 형태로 형성되어 저장용작동유체를 냉각시키는 냉각기(255)를 포함할 수 있다.
또한 상기 저장용작동루프(250)는, 상기 저장용압축기(251) 후방에 구비되어 저장용작동유체가 타 유체와 열교환하여 저장용작동유체를 냉각시키는 저장용후단냉각기(252)를 포함할 수 있다.
또한 상기 저온측방출용작동루프(150)는, 상기 저온측방출용팽창터빈(151) 전방에 구비되어 저온측방출용작동유체가 타 유체와 열교환하여 저온측방출용작동유체를 가열시키는 저온측방출용증발기(155)를 포함할 수 있다.
또한 상기 저온측방출용증발기(155)는, 외부에서 공급되는 가열수 및 저온측방출용작동유체를 열교환시켜 가열하도록 형성될 수 있다.
또한 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은, 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 내부의 다른 부분으로부터 전달되는 열을 저장하고 시스템 내부의 다른 부분에 열이 나누어지도록 열을 방출하는 중온열저장소(200); 중온측저장용순환유체가, 상기 중온열저장소(200) 및 상기 저장용작동루프(250)와 연결되어 중온측저장용순환유체 및 저장용작동유체를 열교환시키는 중온측저장용냉열회수기(215)를 포함하여 순환하는 중온측저장용순환루프(210); 중온측방출용순환유체가 상기 중온열저장소(200) 및 상기 저온측방출용작동루프(150)와 연결되어 중온측저장용순환유체 및 저온측방출용작동유체를 열교환시키는 중온층방출용냉열저장기(225)를 포함하여 순환하는 중온측방출용순환루프(220); 를 포함할 수 있다.
또한 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은, 외부의 잉여고온열원으로부터 직접 온열을 저장하거나 외부의 고온열소비처로 직접 온열을 방출하는 고온열저장소(300); 고온측방출용순환유체가, 상기 고온열저장소(300) 및 타 유체와 열교환하는 고온측방출용증발기(325)를 포함하여 순환하는 고온측방출용순환루프(320); 고온측방출용작동유체가, 상기 고온측방출용순환루프(320)와 연결되어 고온측방출용작동유체 및 고온측방출용순환유체를 열교환시키는 상기 고온측방출용증발기(325) 및 고온측방출용작동유체에 의하여 회전되어 외부의 방전기를 회전시켜 고온측생산전력을 생산하는 고온측방출용팽창터빈(351)을 포함하여 순환하는 냉방사이클 형태로 형성되는 고온측방출용작동루프(350); 을 포함할 수 있다.
또한 상기 고온측방출용작동루프(350)는, 상기 고온측방출용팽창터빈(351) 후방에 구비되어 타 유체와 열교환하여 고온측방출용작동유체를 냉각시키는 고온측방출용응축기(355)를 포함할 수 있다.
또한 상기 저온측방출용작동루프(150)는, 상기 저온측방출용팽창터빈(151) 전방에 구비되어 타 유체와 열교환하여 저온측방출용작동유체를 가열시키는 저온측방출용증발기(155)를 포함하며, 상기 고온측방출용작동루프(350)는, 상기 고온측방출용팽창터빈(351) 후방에 구비되어 타 유체와 열교환하여 고온측방출용작동유체를 냉각시키는 고온측방출용응축기(355)를 포함하며, 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은, 완충수가, 상기 저온측방출용작동루프(150)와 연결되어 완충수 및 저온측방출용작동유체를 열교환시키는 상기 저온측방출용증발기(155) 및 상기 고온측방출용작동루프(350)와 연결되어 완충수 및 고온측방출용작동유체를 열교환시키는 상기 고온측방출용응축기(355)를 포함하여 순환하는 매개루프(450); 를 포함할 수 있다.
또한 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은, 상기 저온측방출용증발기(155)의 완충수가 유통되는 부분에 외부로부터 공급되는 가열수가 더 유통되거나, 상기 고온측방출용응축기(355)의 완충수가 유통되는 부분에 외부로부터 공급되는 냉각수가 더 유통될 수 있다.
또한 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은, 고온측방출용순환유체가 상기 고온측방출용응축기(355)의 고온측방출용작동유체가 유통되는 부분 및 상기 고온열저장소(300)를 순환하도록 하는 바이패스유로를 포함하며, 상기 고온측방출용작동루프(350)가 동작불능 시, 상기 고온측방출용응축기(355)가 완충수 및 상기 바이패스유로로 유통되어 온 고온측방출용순환유체를 열교환시키도록 형성될 수 있다.
또한 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은, 저온측방출용순환유체가 상기 저온측방출용증발기(155)의 저온측방출용작동유체가 유통되는 부분 및 상기 저온열저장소(100)를 순환하도록 하는 바이패스유로를 포함하며, 상기 저온측방출용작동루프(150)가 동작불능 시, 상기 저온측방출용증발기(155)가 완충수 및 상기 바이패스유로로 유통되어 온 저온측방출용순환유체를 열교환시키도록 형성될 수 있다.
또한 상기 저온열저장소(100), 상기 중온열저장소(200), 상기 고온열저장소(300)는, 작동온도에서 상변화하면서 열을 흡수하거나 방출함으로써 열저장이 가능한 상변화물질로 형성되는 열저장매체를 수용하며, 기결정된 배열형태 및 간격으로 이격 배치되는 복수 개의 열저장매체개체(11); 복수 개의 상기 열저장매체개체(11)을 수용하며 상기 열저장매체개체(11)과 열교환하는 순환유체가 유통되는 제1, 2유통구(12a)(12b)를 구비하는 열저장외곽탱크(12); 를 포함하는 열저장장치(10) 형태로 형성될 수 있다.
또한 상기 열저장매체개체(11)는, 상기 열저장외곽탱크(12)에 유통되는 순환유체의 흐름방향을 길이방향이라 하고, 길이방향에 직교하는 평면방향을 단면방향이라 할 때, 복수 개의 열저장매체개체(11)이 단면방향으로 기결정된 배열형태 및 간격으로 이격 배치되어 열저장매체개체그룹(11g)을 형성할 수 있다.
또한 상기 열저장장치(10)는, 상기 열저장외곽탱크(12)에 유통되는 순환유체의 흐름방향을 길이방향이라 하고, 길이방향에 직교하는 평면방향을 단면방향이라 할 때, 단면방향으로 연장되는 용기 형태로 형성되며, 순환유체 유량을 균등분배하도록 복수 개의 통공이 균일하게 분포 형성되는 유체분배기(13); 를 포함할 수 있다.
또한 상기 열저장장치(10)는, 상기 열저장외곽탱크(12)에 연결되어 상기 열저장외곽탱크(12) 내 압력의 급격한 변동 또는 진공을 방지하도록 압력을 조절하는 압력감쇄탱크(14); 를 포함할 수 있다.
또한 상기 열저장장치(10)는, 상기 열저장외곽탱크(12) 외면을 둘러싸도록 구비되는 단열수단(15); 을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래의 에너지 저장 및 방출 시스템이 한 가지 형태의 잉여에너지를 처리하도록 이루어졌던 것과는 달리, 다양한 열원으로부터 잉여에너지를 저장하고 고온/중온/저온 최대 3가지 형태의 열저장소를 복합적으로 연계하여 사용함으로써, 다양한 형태의 잉여에너지를 하나의 시스템으로 저장 및 방출할 수 있는 큰 효과가 있다.
더불어 본 발명에 의하면, 열적에너지를 저장하거나 방출함에 있어서 유체의 현열(sensible heat)뿐만 아니라 잠열(latent heat)까지 이용함으로써 보다 고효율로 에너지를 저장 및 방출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 열저장소 구성.
도 2는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 대표실시예.
도 3은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 대표실시예에서의 에너지 저장모드.
도 4는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 대표실시예에서의 에너지 방출모드.
도 5는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 대표실시예에서의 저온열저장소 사용불가 시 에너지 방출모드.
도 6은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 대표실시예에서의 고온열저장소 사용불가 시 에너지 방출모드.
도 7은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제1실시예.
도 8은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제2실시예.
도 9는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제3실시예.
도 10은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제4실시예.
도 11은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제5실시예.
도 12는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제6실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
[1] 열저장소 구성
도 1은 본 발명의 열저장소 구성을 간략히 도시한 것이다. 이후 보다 상세히 설명하겠지만, 본 발명에서는 열저장매체를 이용하여 열적에너지를 저장하였다가 방출하는 적어도 하나의 열저장소를 사용한다. 이 때 본 발명에서는, 유체의 현열(sensible heat)뿐만 아니라 잠열(latent heat)까지 이용함으로써 에너지 저장 및 방출에 있어서의 효율을 크게 향상할 수 있다.
본 발명의 열저장소로서 사용되는 열저장장치(10)의 구성을 간략히 살펴보면 다음과 같다. 상기 열저장장치(10)는, 작동온도에서 상변화하면서 열을 흡수하거나 방출함으로써 열저장이 가능한 단상 또는 상변화물질로 형성되는 열저장매체를 수용하며, 기결정된 배열형태 및 간격으로 이격 배치되는 복수 개의 열저장매체개체(11) 및 복수 개의 상기 열저장매체개체(11)을 수용하며 상기 열저장매체개체(11)과 열교환하는 순환유체가 유통되는 제1, 2유통구(12a)(12b)를 구비하는 열저장외곽탱크(12)를 포함한다.
종래에도 상변화하는 열저장매체를 이용하여 열적에너지를 저장하거나 방출하는 열저장장치가 다양하게 개시되었다. 그런데 종래에는 열저장매체개체의 외피가 대개 구형으로 이루어져 있었으며, 이들이 열저장외곽탱크 내에 무작위적으로 수용되는 형태로 되어 있었다. 이에 따라 순환유체가 구형의 열저장매체개체들이 무작위적으로 쌓여있는 틈새로 흘러가게 되어 흐름이 원활하지 못하고, 또한 순환유체 및 열저장매체개체 간의 열교환도 원활하지 못하였다. 그러나 본 발명에서는, 상기 열저장매체개체(11)가 기결정된 배열형태 및 간격으로 이격 배치되게 함으로써 순환유체가 상기 열저장매체개체(11)들 사이로 원활하게 유통될 수 있게 한다.
본 발명에서는 최대 저온열저장소, 중온열저장소, 고온열저장소 3가지의 열저장소를 운영하며, 즉 각 열저장소마다 작동온도범위가 상당히 다르다. 따라서 예를 들어 저온열저장소의 경우 열저장매체의 어는점이 작동온도범위 내에 있도록 하여 융해열 또는 응고열을 이용할 수 있게 하고, 고온열저장소의 경우 열저장매체의 끓는점이 작동온도범위 내에 있도록 하여 증발열 또는 응축열을 이용하게 할 수 있다. 이처럼 작동온도범위에 따라 열저장매체 및 순환유체는 각자에 적절하게 달리 결정될 수 있다.
본 발명에서는 순환유체가 흘러가는 방향이 대부분 고정되어 있지만, 상기 열저장장치(10)가 본 발명의 시스템에만 전용으로 채용되어 사용되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 열저장장치(10)가 액체공기 및 전기 생산시스템에 구비되는 경우, 순환유체의 흐름방향은 액체공기 생산 시와 전기 생산 시에 따라 서로 반대가 될 수 있다. 이러한 이유로, 상기 제1, 2유통구(12a)(12b)는 "유입구/배출구"와 같은 고정적인 용어를 쓰지 않고 "유통구"라는 용어를 쓴 것임을 밝혀둔다.
한편 상술한 바와 같은 본 발명의 열저장매체개체(11)는, 순환유체와의 원활한 열교환을 위하여 순환유체가 흘러갈 수 있는 공간, 즉 적절한 간격을 이루고 배치되는 것이 바람직할 것임은 당연하다. 또한 원하는 배치상태를 쉽게 만들 수 있고, 배치완료 후에는 어그러지지 않고 잘 유지될 수 있어야 할 것이다. 즉 설치의 편의성 및 정밀도 등을 고려할 때, 본 발명의 열저장매체개체(11)는 적절하게 그룹화되어 배치형태를 미리 고정시키는 것이 바람직하다. 따라서 상기 열저장매체개체(110)는, 상기 열저장외곽탱크(12)에 유통되는 순환유체의 흐름방향을 길이방향이라 하고, 길이방향에 직교하는 평면방향을 단면방향이라 할 때, 복수 개의 열저장매체개체(11)가 단면방향으로 기결정된 배열형태 및 간격으로 이격 배치되어 열저장매체개체그룹(11g)을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 열저장매체개체그룹(11g)은 기결정된 형상으로 만들어진 프레임에 상기 열저장매체개체(11)를 고정하는 등의 방식으로 실현될 수 있다.
또한 상기 열저장장치(10)는, 단면방향으로 연장되는 용기 형태로 형성되며, 순환유체 유량을 균등분배하도록 복수 개의 통공이 균일하게 분포 형성되는 유체분배기(13)를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 상기 유체분배기(130)는 기본적으로 유체를 담을 수 있는 용기 형상으로 형성되되, 바닥면에 복수 개의 통공이 균일하게 분포 형성됨으로써 작동유체 유량을 균등분배할 수 있다.
또한 상기 열저장장치(10)는, 상기 열저장외곽탱크(12)에 연결되어 상기 열저장외곽탱크(12) 내 압력의 급격한 변동 또는 진공을 방지하도록 압력을 조절하는 압력감쇄탱크(14)를 포함할 수 있다. 상기 열저장외곽탱크(12) 내 압력이 급격하게 변동할 경우 상기 열저장외곽탱크(12)의 파손위험이 있으므로 당연히 이를 보완해 주어야 하며, 상기 압력감쇄탱크(14)는 이러한 경우 압력의 급격한 변동을 적절히 흡수해 줌으로써 버퍼 역할을 할 수 있다. 또한 저온열저장의 경우 저온에서 순환유체의 증기압이 진공일 수 있으며 이 경우 공기가 유입되는 문제가 발생할 수 있는데, 상기 압력감쇄탱크(14)는 이러한 경우 추가압력을 공급하여 줌으로써 상기 열저장외곽탱크(12) 내부를 대기압으로 유지시켜 주는 역할을 하게 된다.
또한 상기 열저장장치(10)는, 상기 열저장외곽탱크(12) 외면을 둘러싸도록 구비되는 단열수단(15)을 포함할 수 있다. 상기 열저장장치(1)는 저온 열에너지를 저장하기 때문에 외부환경과 열적으로 분리되어야 하며, 따라서 상기 열저장외곽탱크(12) 외면에는 이를 둘러싸도록 구비되어 외부환경과 열적으로 분리하는 단열수단(15)이 당연히 구비된다. 상기 단열수단(15)의 최외면에는 수분침투를 막기 위한 수분차단막이 코팅 등의 방법으로 구비되는 것이 일반적이다. 부가적으로, 상기 열저장장치(10)가 산소 또는 질소의 어는점보다 더 낮은 온도환경 즉 초저온환경에서 동작하는 경우, 단열재에 침투해 있는 산소 또는 질소가 얼어 파손을 일으키는 것을 방지하기 위하여 상기 단열수단(15)의 외면에 공기차단막이 구비되고, 단열재에는 비응축기체가 충전되어 있도록 하는 것이 바람직하다.
[2] 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템의 각부 구성
도 2는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 대표실시예를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은, 저온열저장소(100), 중온열저장소(200), 고온열저장소(300)를 포함하며, 이들을 이용하여 다양한 에너지원으로부터 에너지를 저장하고 또한 다양한 에너지소비처로 에너지를 공급할 수 있도록 형성된다. 각각의 열저장소는 적어도 하나의 순환루프를 가지며, 순환루프는 외부로부터 에너지를 저장해 오거나 또는 외부로 에너지를 방출하는 작동루프와 연결된다. 이하 각부에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
2-1. 저온열저장소 관련
상기 저온열저장소(100)는, 외부의 잉여저온열원으로부터 직접 냉열을 저장하거나 외부의 저온열소비처로 직접 냉열을 방출할 수 있다. 상기 저온열저장소(100)는 앞서 설명한 상기 열저장장치(10) 형태로 이루어질 수 있으며, 이후 설명될 저온측저장용순환루프(110) 및 저온측방출용순환루프(120), 2개의 순환루프에 연결되어 순환유체들이 유통되게 된다. 루프들 간의 명확한 구분을 위하여, 상기 저온측저장용순환루프(110)를 순환하는 순환유체를 "저온측저장용순환유체", 상기 저온측방출용순환루프(120)를 순환하는 순환유체를 "저온측방출용순환유체"라 하겠으나, 실제로 이들은 하나의 상기 저온열저장소(100)를 통과하여 유통되기 때문에 상기 저온열저장소(100) 내에서 서로 혼합될 수 있다.
상기 저온측저장용순환루프(110)는, 저온측저장용순환유체가, 상기 저온열저장소(100) 및 타 유체와 열교환하여 냉열을 저장하는 저온측저장용냉열저장기(115)를 포함하여 순환하도록 형성된다. 상기 저온측저장용냉열저장기(115)는 이종유체열교환기, 즉 2가지 서로 다른 종류의 유체가 서로 격리되지만 밀접해 있는 서로 다른 유통공간에 유통되면서 격벽을 통해 서로 열교환하도록 형성되는 열교환기 형태로 이루어진다. 저온측저장용순환유체는 상술한 바와 같은 이종유체열교환기 구성으로 된 상기 저온측저장용냉열저장기(115)를 통과하면서 타 유체로부터 냉열을 받아와서 상기 저온열저장소(100)에 전달함으로써 냉열이 저장된다.
상기 저장용작동루프(250)는, 저장용작동유체가, 외부의 잉여전력에 의해 회전되는 저장용압축기(251) 및 상기 저온측저장용순환루프(110)와 연결되어 저장용작동유체 및 저온측저장용순환유체를 열교환시키는 상기 저온측저장용냉열저장기(115)를 포함하여 순환하는 냉방사이클 형태로 형성된다. 앞서 설명된 상기 저온측저장용냉열저장기(115)에서 저온측저장용순환유체와 열교환하는 '타 유체'가 바로 상기 저장용작동루프(250)를 순환하는 저장용작동유체이다. 즉 상기 저장용압축기(251)가 외부의 잉여전력을 열에너지로 변환하여 저장용작동유체로 넘겨주며, 두 루프의 연결점인 상기 저온측저장용냉열저장기(115)에서 저장용작동유체가 저온측저장용순환유체로 열에너지를 다시 넘겨주고, 저온측저장용순환유체가 이를 상기 저온열저장소(100)로 가져가 저장함으로써, 외부의 잉여전력을 열에너지 형태로 상기 저온열저장소(100)에 저장할 수 있게 된다.
또한 상기 저장용작동루프(250)는, 상기 저장용압축기(251) 및 상기 저온측저장용냉열저장기(115) 사이에 구비되는 냉각기(255)를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각기(255)는 팽창터빈, 팽창밸브, 열교환기 등의 형태로 이루어질 수 있으며, 저장용작동유체를 추가적으로 냉각하는 역할을 한다. 상기 냉각기(255)에서 나오는 저장용작동유체는 기상, 액상, 또는 기상과 액상의 혼합상태일 수 있다.
또한 상기 저장용작동루프(250)는, 상기 저장용압축기(251) 후방에 구비되는 저장용후단냉각기(252)를 더 포함할 수 있다. 상기 저장용후단냉각기(252)는 상기 저장용압축기(251)를 지나면서 압축됨에 따라 온도가 상승된 저장용작동유체를 냉각시킴으로써 온도를 낮춰주는 역할을 한다. 이 때 발생한 폐열은 이후 설명될 상기 고온열저장소(300)에 저장될 수 있다.
상기 저온측방출용순환루프(120)는, 저온측방출용순환유체가, 상기 저온열저장소(100) 및 타 유체와 열교환하여 냉열을 회수하는 저온측방출용냉열회수기(125)를 포함하여 순환하도록 형성된다. 상기 저온측방출용냉열회수기(125) 역시 상기 저온측저장용냉열저장기(115)와 마찬가지로 이종유체열교환기 형태로 형성된다. 저온측방출용순환유체는 상기 저온열저장소(100)에서 가져온 냉열을 상기 저온측방출용냉열회수기(125)를 통과하면서 타 유체로 방출한다.
상기 저온측방출용작동루프(150)는, 저온측방출용작동유체가, 상기 저온측방출용순환루프(120)와 연결되어 저온측방출용작동유체 및 저온측방출용순환유체를 열교환시키는 상기 저온측방출용냉열회수기(125) 및 저온측방출용작동유체에 의하여 회전되어 외부의 발전기를 회전시켜 저온측생산전력을 생산하는 저온측방출용팽창터빈(151)을 포함하여 순환하는 냉방사이클 형태로 형성된다. 앞서 설명된 상기 저온측방출용냉열회수기(125)에서 저온측방출용순환유체와 열교환하는 '타 유체'가 바로 상기 저온측방출용작동루프(150)를 순환하는 저온측방출용작동유체이다. 즉 저온측방출용순환유체가 상기 저온열저장소(100)에서 냉열을 넘겨받으며, 두 루프의 연결점인 상기 저온측방출용냉열회수기(125)에서 저온측방출용순환유체가 저온측방출용작동유체로 냉열을 넘겨준다. 이 때 저온측방출용작동유체는 냉열을 받아 응축하게 되며, 따라서 상기 저온측방출용작동루프(150) 냉방사이클에서 상기 저온측방출용냉열회수기(125)는 응축기 역할을 하게 된다. 이렇게 저온측방출용작동유체가 넘겨받은 냉열이 상기 저온측방출용작동루프(150)의 냉방사이클을 작동시키는 원천(source)이 되며, 냉방사이클이 작동함에 따라 상기 저온측방출용팽창터빈(151)이 회전하면서 외부의 발전기를 회전시킴으로써 저온측생산전력이 생산됨으로써, 상기 저온열저장소(100)의 냉열을 전기에너지 형태로 방출할 수 있게 된다. 부가적으로 저온측방출용작동유체의 원활한 순환을 위해, 상기 저온측방출용작동루프(150)에는 강제순환을 유도하는 저온측방출용펌프(152)가 구비될 수 있다.
또한 상기 저온측방출용작동루프(150)는, 상기 저온측방출용팽창터빈(151) 전방에 구비되는 저온측방출용증발기(155)를 더 포함할 수 있다. 상기 저온측방출용증발기(155)가 구비됨으로써 작동루프의 냉방사이클이 보다 완전해지게 된다. 상기 저온측방출용증발기(155)는 역시 이종유체열교환기 형태로 이루어져 타 유체와 열교환하여 저온측방출용작동유체를 가열시키게 되는데, 여기에서 열교환하는 '타 유체'는 간단하게는 외부에서 공급되는 가열수일 수 있다. 또한 다른 루프와 연계하여 동작할 수도 있는데, 이에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
2-2. 중온열저장소 관련
상기 중온열저장소(200)는, 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 내부의 다른 부분으로부터 전달되는 열을 저장하고 시스템 내부의 다른 부분에 열이 나누어지도록 열을 방출한다. 앞서 설명한 상기 저온열저장소(100)나, 이후 설명될 상기 고온열저장소(300)의 경우 외부와 에너지의 저장 및 방출을 수행하지만, 상기 중온열저장소(200)는 시스템 내부적으로 에너지의 저장 및 방출을 수행하면서 각부의 연계가 보다 원활하게 이루어지도록 하여 시스템 효율을 향상할 수 있게 해 준다. 상기 중온열저장소(200)도 상기 저온열저장소(100)와 마찬가지로 앞서 설명한 상기 열저장장치(10) 형태로 이루어질 수 있으며, 이후 설명될 이후 설명될 중온측저장용순환루프(210) 및 중온측방출용순환루프(220), 2개의 순환루프에 연결되어 순환유체들이 유통되게 된다. 역시 상기 저온열저장소(100)에서와 마찬가지로, 루프들 간의 명확한 구분을 위하여, 상기 중온측저장용순환루프(210)를 순환하는 순환유체를 "중온측저장용순환유체", 상기 중온측방출용순환루프(220)를 순환하는 순환유체를 "중온측방출용순환유체"라 하겠으나, 실제로 이들은 하나의 상기 중온열저장소(200)를 통과하여 유통되기 때문에 상기 중온열저장소(200) 내에서 서로 혼합될 수 있다.
상기 중온측저장용순환루프(210)는, 중온측저장용순환유체가, 상기 중온열저장소(200) 및 상기 저장용작동루프(250)와 연결되어 중온측저장용순환유체 및 저장용작동유체를 열교환시키는 중온측저장용냉열회수기(215)를 포함하여 순환하도록 형성된다. 상기 중온측저장용냉열회수기(215) 역시 이종유체열교환기 형태로 형성된다. 상기 중온측저장용냉열회수기(215)는 상기 저장용압축기(251)에서 압축되면서 온도까지 상승된 저장용작동유체를, 상기 중온열저장소(200)의 상대적 냉열을 이용하여 냉각시키는 역할을 한다. 즉 상기 중온측저장용순환루프(210)는, 중온측저장용순환유체가 상기 중온열저장소(200)의 상대적 냉열을 상기 저장용작동루프(250)로 전달함으로써 상기 저장용작동루프(250)의 냉방사이클이 보다 원활해지게 한다고 볼 수 있다.
상기 중온측방출용순환루프(220)는, 중온측방출용순환유체가 상기 중온열저장소(200) 및 상기 저온측방출용작동루프(150)와 연결되어 중온측저장용순환유체 및 저온측방출용작동유체를 열교환시키는 중온층방출용냉열저장기(225)를 포함하여 순환하도록 형성된다. 상기 중온측방출용냉열저장기(225) 역시 이종유체 열교환기 형태로 형성된다. 상기 중온측방출용냉열저장기(225)는 저온측방출용작동유체의 냉열을 가져와서 상기 중온열저장소(200)에 저장하게 된다. 이 때 상기 중온측방출용냉열저장기(225)의 상기 저온측방출용작동루프(150) 상에서의 위치를 보자면, 냉방사이클에서의 압축기 위치에 해당한다. 즉 상기 중온측방출용냉열저장기(225)에서 저온측방출용작동유체가 냉열을 빼앗김으로써 온도 및 압력이 상승하게 되는데, 이는 냉방사이클에서 압축기에서 유체가 압축되어 온도 및 압력이 상승하는 것과 같은 작용이다. 즉 상기 중온측방출용냉열저장기(225)는 상기 저온측방출용작동루프(150)에서는 냉방사이클에서의 압축기 역할을 하게 되어, 상기 저온측방출용작동루프(150)가 더욱 원활하게 작동할 수 있게 해 준다.
2-3. 고온열저장소 관련
상기 고온열저장소(300)는, 외부의 잉여고온열원으로부터 직접 온열을 저장하거나 외부의 고온열소비처로 직접 온열을 방출할 수 있다. 상기 고온열저장소(300) 역시 상기 저온/중온열저장소(100)(200)와 마찬가지로 앞서 설명한 상기 열저장장치(10) 형태로 이루어질 수 있다. 한편 상기 고온열저장소(300)에는 앞서 다른 열저장소들에 구비되는 저장용순환루프가 반드시 형성될 필요는 없는데, 이는 일반적으로 고온열원은 다른 에너지로 변환할 필요없이 그대로 받아오기 상당히 용이하기 때문이다. 물론 상기 고온열저장소(300)에도 저장용순환루프를 더 구비해도 무방하나, 여기에서는 일단 고온측방출용순환루프(320) 1개의 순환루프만 연결되어 순환유체가 유통되는 것으로 설명한다.
상기 고온측방출용순환루프(320)는, 고온측방출용순환유체가, 상기 고온열저장소(300) 및 타 유체와 열교환하는 고온측방출용증발기(325)를 포함하여 순환하도록 형성된다. 상기 고온측방출용증발기(325) 역시 앞서의 냉열저장/회수기들과 마찬가지로 이종유체열교환기 형태로 형성된다. 고온측방출용순환유체는 상기 고온열저장소(100)에서 가져온 온열을 상기 고온측방출용증발기(325)를 통과하면서 타 유체로 방출한다.
상기 고온측방출용작동루프(350)는, 고온측방출용작동유체가, 상기 고온측방출용순환루프(320)와 연결되어 고온측방출용작동유체 및 고온측방출용순환유체를 열교환시키는 상기 고온측방출용증발기(325) 및 고온측방출용작동유체에 의하여 회전되어 외부의 방전기를 회전시켜 고온측생산전력을 생산하는 고온측방출용팽창터빈(351)을 포함하여 순환하는 냉방사이클 형태로 형성된다. 앞서 설명된 상기 고온측방출용증발기(325)에서 고온측방출용순환유체와 열교환하는 '타 유체'가 바로 상기 고온측방출용작동루프(350)를 순환하는 고온측방출용작동유체이다. 즉 고온측방출용순환유체가 상기 고온열저장소(300)에서 온열을 넘겨받으며, 두 루프의 연결점인 상기 고온측방출용증발기(325)에서 고온측방출용순환유체가 고온측방출용작동유체로 온열을 넘겨준다. 이 때 고온측방출용작동유체는 온열을 받아 증발하게 되며, 따라서 상기 고온측방출용작동루프(350) 냉방사이클에서 상기 고온측방출용증발기(325)는 그 명칭대로 증발기 역할을 하게 된다. 이렇게 고온측방출용작동유체가 넘겨받은 온열이 상기 고온측방출용작동루프(350)의 냉방사이클을 작동시키는 원천(source)이 되며, 냉방사이클이 작동함에 따라 상기 고온측방출용팽창터빈(351)이 회전하면서 외부의 발전기를 회전시킴으로써 고온측생산전력이 생산됨으로써, 상기 고온열저장소(300)의 온열을 전기에너지 형태로 방출할 수 있게 된다. 부가적으로 고온측방출용작동유체의 원활한 순환을 위해, 상기 고온측방출용작동루프(350)에는 강제순환을 유도하는 고온측방출용펌프(352)가 구비될 수 있다.
또한 상기 고온측방출용작동루프(350)는, 상기 고온측방출용팽창터빈(351) 후방에 구비되는 고온측방출용응축기(355)를 더 포함할 수 있다. 상기 고온측방출용응축기(355)가 구비됨으로써 작동루프의 냉방사이클이 보다 완전해지게 된다. 상기 고온측방출용응축기(355)는 역시 이종유체열교환기 형태로 이루어져 타 유체와 열교환하여 고온측방출용작동유체를 냉각시키게 되는데, 여기에서 열교환하는 '타 유체'는 간단하게는 외부에서 공급되는 냉각수일 수 있다. 또한 다른 루프와 연계하여 동작할 수도 있는데, 이에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
2-4. 매개루프 관련
앞서, 상기 저온측방출용작동루프(150)는 타 유체와 열교환하여 저온측방출용작동유체를 가열시키는 저온측방출용증발기(155)를 포함하고, 상기 고온측방출용작동루프(350)는 타 유체와 열교환하여 고온측방출용작동유체를 냉각시키는 고온측방출용응축기(355)를 포함할 수 있다고 설명하였다. 또한 저온측방출용작동유체와 열교환하는 '타 유체'는 외부에서 공급되는 가열수이고, 고온측방출용작동유체와 열교환하는 '타 유체'는 외부에서 공급되는 냉각수일 수 있다고 설명하였다. 여기에서 증발기/응축기가 서로 대칭관계에 있는 부품들이므로, 하나의 루프를 돌려 한쪽에서는 가열을 하고 다른 쪽에서는 냉각을 하도록 함으로써 저온측/고온측방출용작동루프(150)(350)를 서로 연계시킬 수 있을 것인데, 이러한 역할을 하는 것이 바로 매개루프(450)이다. 보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다.
상기 매개루프(450)는, 완충수가, 상기 저온측방출용작동루프(150)와 연결되어 완충수 및 저온측방출용작동유체를 열교환시키는 상기 저온측방출용증발기(155) 및 상기 고온측방출용작동루프(350)와 연결되어 완충수 및 고온측방출용작동유체를 열교환시키는 상기 고온측방출용응축기(355)를 포함하여 순환하도록 형성된다. 즉 완충수가 상기 매개루프(450)를 돌면서, 상기 고온측방출용응축기(355)에서 고온측방출용작동유체를 냉각시키면서(즉 완충수가 냉각수 역할을 함) 완충수 자신은 가열되고, 상기 저온측방출용증발기(155)에서 저온측방출용작동유체를 가열시키면서(즉 완충수가 가열수 역할을 함) 완충수 자신은 냉각되는 것이다. 이러한 완충수가 순환하는 상기 매개루프(450)를 통해, 저온측/고온측방출용작동루프(150)(350)가 서로 원활하게 연계될 수 있게 된다. 부가적으로, 상기 매개루프(450)는 완충수의 충분한 용량을 적절하게 확보할 수 있도록 하는 완충수탱크(451) 및 완충수를 강제순환시켜 보다 원활한 순환이 이루어질 수 있도록 하는 완충수순환펌프(452)를 더 포함할 수 있다.
물론 이 때, 상기 저온측방출용증발기(155)/고온측방출용응축기(355) 각각에 가열수/냉각수가 더 유통되어도 무방하다. 즉 상기 저온측방출용증발기(155)의 완충수가 유통되는 부분에 외부로부터 공급되는 가열수가 더 유통되거나, 상기 고온측방출용응축기(355)의 완충수가 유통되는 부분에 외부로부터 공급되는 냉각수가 더 유통되도록 이루어지는 것이다.
[3] 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템의 다양한 에너지 저장 또는 방출모드
도 2는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템의 대표실시예로서, 포함할 수 있는 모든 장치를 다 포함한 것이다. 이러한 대표실시예에서, 에너지 저장모드, 에너지 방출모드, 저온/고온열저장소 사용불가 시 에너지 방출모드 각각에서 각부가 어떻게 동작하는지 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 대표실시예에서의 에너지 저장모드를 설명하기 위한 도면이다. 이에 따라 에너지 저장에 사용되는 루프들만 표시하였는데, 즉 상기 저온측저장용순환루프(110), 상기 중온측저장용순환루프(210), 상기 저장용작동루프(250) 3개의 루프만 표시하였다.
먼저 잉여저온열원 및 잉여전력을 저장하는 과정을 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 저온열저장소(100)는 직접 잉여저온열원으로부터 냉열을 저장할 수도 있고, 상기 저장용작동루프(250)를 통해 잉여전력을 열에너지로 바꾸어 냉열로서 저장할 수도 있다. 상기 저장용작동루프(250)에서는, 잉여전력에 의해 회전되는 상기 저장용압축기(251)가 냉방사이클에서의 압축기 역할을 하며, 저장용작동유체를 압축시켜 압력을 상승시킨다. 상기 중온측저장용냉열회수기(215)는 저장용작동유체가 압축되면서 압력과 함께 상승된 온도를 상기 중온열저장소(200)의 상대적 냉열로 낮춰주는 중간역할을 한다. 저장용작동유체는 상기냉각기(255)를 통과하며 더 냉각되고, 마침내 상기 저온측저장용냉열저장기(115)를 통과하면서 저온측저장용순환유체에 냉열을 넘겨주고 그 자신은 가열되게 된다. 즉 상기 저온측저장용냉열저장기(115)는 상기 저장용작동루프(250)에서 냉방사이클의 응축기 역할을 한다고 볼 수 있다. 이렇게 저장용작동유체가 상기 저장용작동루프(250)를 돌면서 잉여전력을 변환하여 가져온 냉열은, 상기 저온측저장용냉열저장기(115)를 통해 저온측저장용순환유체로 넘어오고, 저온측저장용순환유체는 상기 저온열저장소(100)를 통과하면서 냉열 형태로 된 에너지를 저장하게 된다.
다음으로 잉여고온열원을 저장하는 과정을 살펴보면, 앞서도 설명한 바와 같이 고온의 열원은 굳이 다른 형태의 에너지로 변환하지 않고도 매우 용이하고 원활하게 저장이 가능하다. 따라서 상기 고온열저장소(300)는 잉여고온열원으로부터 직접 온열을 전달받아 저장하는 식으로 에너지를 저장할 수 있다.
이처럼 본 발명에서는, 잉여저온열원, 잉여고온열원, 잉여전력 등과 같은 다양한 형태의 에너지를 모두 저장할 수 있다. 잉여저온열원은 LNG설비 등에서 발생하고, 잉여고온열원은 태양광, 폐열 등의 형태로 발생하며, 잉여전력은 심야전력 등과 같은 형태로 발생한다. 종래에는 이러한 다양한 형태의 에너지를 각각 별도의 시스템으로 저장하였기 때문에, 각각의 시스템을 따로 설비하기 위한 자원의 낭비가 상당했으며, 또한 각자 독립적인 시스템인 터라 시스템 효율을 향상하는 데 한계가 있었다. 그러나 본 발명에서는 다양한 형태의 에너지를 하나의 시스템으로 저장하기 때문에, 시스템 설비에 드는 자원이 당연히 절약될 뿐만 아니라, 각각의 에너지 저장 또는 방출 서브시스템들을 서로 연계동작시킴으로써 전체적인 시스템 효율을 추가적으로 더욱 향상할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 대표실시예에서의 에너지 방출모드를 설명하기 위한 도면이다. 이에 따라 에너지 방출에 사용되는 루프들만 표시하였는데, 즉 상기 저온측방출용순환루프(120), 상기 저온측방출용작동루프(150), 상기 중온측방출용순환루프(220), 상기 고온측방출용순환루프(320), 상기 고온측방축용작동루프(350), 상기 매개루프(450)를 표시하였다.
먼저 저온측 에너지 방출에 대하여 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 저온열저장소(100)는 직접 저온열소비처로 냉열을 방출할 수도 있고, 상기 저온측방출용작동루프(150)를 통해 열에너지를 전기에너지 형태로 바꾸어 저온측생산전력으로서 생산할 수도 있다. 상기 저온측방출용작동루프(150)에서는, 상기 저온열저장소(100)의 냉열을 이용하여 상기 저온측방출용냉열회수기(125)가 응축기 역할을 함으로써 저압기체 상태의 저온측방출용작동유체를 액상으로 응축시킨다. 저온측방출용작동유체는 상기 저온측방출용팽창터빈(151)을 통과하면서 이를 회전시키며, 즉 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 방출함으로써 저온측생산전력을 생산하게 된다.
다음으로 고온측 에너지 방출에 대하여 설명한다. 역시 앞서 설명한 바와 같이, 고온열저장소(300)는 직접 고온열소비처로 온열을 방출할 수도 있고, 상기 고온측방출용작동루프(350)를 통해 열에너지를 전기에너지 형태로 바꾸어 고온측생산전력으로서 생산할 수도 있다. 상기 고온측방출용작동루프(350)에서는, 상기 고온열저장소(300)의 온열을 이용하여 상기 고온측방출용증발기(325)가 증발기 역할을 함으로써 액상의 고온측방출용작동유체를 고압기체 상태로 증발시킨다. 고온측방출용작동유체는 상기 고온측방출용팽창터빈(351)을 통과하면서 이를 회전시키며, 즉 역시 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 방출함으로써 고온측생산전력을 생산하게 된다.
이러한 저온측/고온측 에너지 방출과정에서, 각각 별도의 냉방사이클이 돌아가게 된다. 이 때 앞서 설명한 상기 매개루프(450)를 통하여, 상기 저온측방출용작동루프(150)의 상기 저온측방출용증발기(155)가 가열을 필요로 하는 것과, 상기 고온측방출용작동루프(350)의 상기 고온측방출용응축기(355)가 냉각을 필요로 하는 것을 서로 연계시켜 줄 수 있다. 이처럼 상기 매개루프(450)를 이용함으로써 각각의 작동루프가 완전히 서로 독립적으로 작동하는 것이 아니라 상기 저온열저장소(100) 및 상기 고온열저장소(300)의 냉열 및 온열이 서로의 작동루프의 작동효율을 더욱 향상시키도록 작용하게 하여, 결과적으로 전체적인 시스템 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 대표실시예에서의 저온열저장소 사용불가 시 에너지 방출모드를 설명하기 위한 도면이다. 이 경우 상기 고온측방출용순환루프(320), 상기 고온측방출용작동루프(350)만 작동하게 되며, 각각의 작동은 앞서 전체 에너지 방출모드에서와 마찬가지이다. 다만 이 경우 상기 저온열저장소(100)를 이용할 수 없기 때문에 상기 매개루프(450)가 돌아가면서 완충수를 냉각해오기 어렵다. 이 경우 앞서 설명한 바와 같이 상기 고온측방출용응축기(355)의 완충수가 유통되는 부분에 외부로부터 공급되는 냉각수가 더 유통되도록 형성됨으로써, 냉각수를 이용하여 고온측방출용작동유체의 응축이 이루어지게 하면 된다. 이 때 냉각수는 상온의 공기, 강물, 해수 등이 될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 대표실시예에서의 고온열저장소 사용불가 시 에너지 방출모드를 설명하기 위한 도면이다. 이 경우 상기 저온측방출용순환루프(120), 상기 중온측방출용순환루프(220), 상기 저온측방출용작동루프(150)만 작동하게 되며, 각각의 작동은 앞서 전체 에너지 방출모드에서와 마찬가지이다. 다만 이 경우 상기 고온열저장소(300)를 이용할 수 없기 때문에 상기 매개루프(450)가 돌아가면서 완충수를 가열해오기 어렵다. 이 경우 앞서 설명한 바와 같이 상기 저온측방출용증발기(155)의 완충수가 유통되는 부분에 외부로부터 공급되는 가열수가 더 유통되도록 형성됨으로써, 가열수를 이용하여 저온측방출용작동유체의 증발이 이루어지게 하면 된다. 이 때 가열수는 상온의 공기, 강물, 해수 등이 될 수 있다.
[4] 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템의 여러 실시예
앞서 설명한 바와 같이, 도 2는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템의 대표실시예로서, 포함할 수 있는 모든 장치를 다 포함한 것이다. 그러나 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은 이 모든 장치를 다 포함하여 구성되어야만 작동되는 것은 아니다. 예를 들어 고온/중온열저장소 없이 저온열저장소만 가지고 잉여저온열원 및 잉여전력을 저장하였다가 저온측생산전력으로 방출하는 보다 간소화된 시스템으로 이루어질 수도 있는 등, 다양한 실시예가 가능하다. 이하에서 이러한 여러 실시예를 소개한다.
도 7은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제1실시예를 도시한다. 제1실시예에서는, 상기 저온열저장소(100)만을 이용하여 잉여저온열원 및 잉여전력으로부터 에너지를 저장하고, 저온열소비처 및 저온측생산전력으로 에너지를 방출하게 된다. 이에 따라, 제1실시예에서는 상기 저온열저장소(100)에 연결된 상기 저온측저장용순환루프(110), 상기 저온측방출용순환루프(120)를 포함하며, 또한 각 순환루프에 연결된 상기 저장용작동루프(250), 상기 저온측방출용작동루프(150)를 포함한다. 이 경우 상기 매개루프(450)는 작동하지 못하므로, 가열수는 외부로부터 공급되는 것으로 한다. 제1실시예에 의하면, 잉여저온열원, 잉여전력으로부터 에너지를 저장하고, 저온열소비처, 저온측생산전력으로 에너지를 방출한다.
도 8은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제2실시예를 도시한다. 제2실시예는 제1실시예에 상기 중온열저장소(200)가 더 구비되는 경우이다. 이에 따라 제1실시예가 포함하는 루프들에 더하여, 상기 중온열저장소(200)에 연결된 상기 중온측저장용순환루프(21), 상기 중온측방출용순환루프(220)를 포함한다. 상기 중온열저장소(200)에 의하여 상기 저장용작동루프(250) 및 상기 저온측방출용작동루프(150)가 연계동작함으로써 시스템 효율이 향상될 수 있다. 제2실시예에 의하면, 제1실시예와 마찬가지로, 잉여저온열원, 잉여전력으로부터 에너지를 저장하고, 저온열소비처, 저온측생산전력으로 에너지를 방출한다.
도 9는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제3실시예를 도시한다. 제3실시예는 제1실시예에 상기 고온열저장소(300)가 더 구비되는 경우이다. 이에 따라 제1실시예가 포함하는 루프들에 더하여, 상기 고온열저장소(300)에 연결된 상기 고온측방출용순환루프(320)를 포함하며, 또한 이 수환루프에 연결된 상기 고온측방출용작동루프(350)를 포함한다. 더불어 이제는 상기 고온열저장소(300)가 작동하므로 함께 작동가능하게 된 상기 매개루프(450) 또한 포함할 수 있다. 제3실시예에서는 상기 매개루프(450)가 외부의 냉각수 또는 가열수 추가 공급/배출이 없는 폐루프 형태로 형성되는 예시를 도시하고 있다. 제3실시예에 의하면, 잉여저온열원, 잉여고온열원, 잉여전력으로부터 에너지를 저장하고, 저온열소비처, 저온측생산전력, 고온열소비처, 고온측생산전력으로 에너지를 방출한다. 즉 가장 다양한 형태의 에너지 저장 및 방출이 가능하다.
도 10은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제4실시예를 도시한다. 제4실시예는 제3실시예에서 상기 매개루프(450)가 외부의 냉각수 또는 가열수 추가 공급/배출이 더해지도록 형성되는 예시를 도시하고 있다. 제4실시예에 의하면, 제3실시예와 마찬가지로, 잉여저온열원, 잉여고온열원, 잉여전력으로부터 에너지를 저장하고, 저온열소비처, 저온측생산전력, 고온열소비처, 고온측생산전력으로 에너지를 방출한다. 즉 가장 다양한 형태의 에너지 저장 및 방출이 가능하다. 여기에 상기 중온열저장소(200) 및 그에 연결된 루프들을 추가하면 대표실시예가 된다.
도 11은 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제5실시예를 도시한다. 제5실시예는 제4실시예에서 상기 고온측방출용작동루프(350)가 생략된 예시를 도시하고 있다. 이 경우 고온측방출용순환유체가 상기 고온측방출용응축기(355)의 고온측방출용작동유체가 유통되는 부분 및 상기 고온열저장소(300)를 순환하도록 하는 바이패스유로가 형성된다. 이에 따라 상기 고온측방출용작동루프(350)가 동작불능 시, 상기 고온측방출용응축기(355)가 완충수 및 상기 바이패스유로로 유통되어 온 고온측방출용순환유체를 열교환시키도록 형성된다. 제5실시예에 의하면, 잉여저온열원, 잉여고온열원, 잉여전력으로부터 에너지를 저장하고, 저온열소비처, 저온측생산전력, 고온열소비처로 에너지를 방출한다.
도 12는 본 발명의 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 제6실시예를 도시한다. 제6실시예는 제4실시예에서 상기 저온측방출용작동루프(150)가 생략된 예시를 도시하고 있다. 이 경우 저온측방출용순환유체가 상기 저온측방출용증발기(155)의 저온측방출용작동유체가 유통되는 부분 및 상기 저온열저장소(100)를 순환하도록 하는 바이패스유로가 형성된다. 이에 따라 상기 저온측방출용작동루프(150)가 동작불능 시, 상기 저온측방출용증발기(155)가 완충수 및 상기 바이패스유로로 유통되어 온 저온측방출용순환유체를 열교환시키도록 형성된다. 제6실시예에 의하면, 잉여저온열원, 잉여고온열원, 잉여전력으로부터 에너지를 저장하고, 저온열소비처, 고온측생산전력, 고온열소비처로 에너지를 방출한다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10: 열저장소
11 : 열저장매체개체 11g : 열저장매체개체그룹
12 : 열저장외곽탱크
12a : 제1유통구 12b : 제2유통구
13 : 유체분배기 14 : 압력감쇄탱크
15 : 단열수단
100 : 저온열저장소
110 : 저온측저장용순환루프
115 : 저온측저장용냉열저장기
120 : 저온측방출용순환루프
125 : 저온측방출용냉열회수기
150 : 저온측방출용작동루프
151 : 저온측방출용팽창터빈
152 : 저온측방출용펌프
155 : 저온측방출용증발기
200 : 중온열저장소
210 : 중온측저장용순환루프
215 : 중온측저장용냉열회수기
220 : 중온측방출용순환루프
225 : 중온측방출용냉열저장기
250 : 저장용작동루프
251 : 저장용압축기
252 : 저장용후단냉각기
255 : 냉각기
300 : 고온열저장소
320 : 고온측방출용순환루프
325 : 고온측방출용증발기
350 : 고온측방출용작동루프
351 : 고온측방출용팽창터빈
352 : 고온측방출용펌프
355 : 고온측방출용응축기
450 : 매개루프
451 : 완충수탱크
452 : 완충수순환펌프

Claims (19)

  1. 외부의 잉여저온열원으로부터 직접 냉열을 저장하거나 외부의 저온열소비처로 직접 냉열을 방출하는 저온열저장소(100);
    저온측저장용순환유체가, 상기 저온열저장소(100) 및 타 유체와 열교환하여 냉열을 저장하는 저온측저장용냉열저장기(115)를 포함하여 순환하는 저온측저장용순환루프(110);
    저장용작동유체가, 외부의 잉여전력에 의해 회전되는 저장용압축기(251) 및 상기 저온측저장용순환루프(110)와 연결되어 저장용작동유체 및 저온측저장용순환유체를 열교환시키는 상기 저온측저장용냉열저장기(115)를 포함하여 순환하는 냉방사이클 형태로 형성되는 저장용작동루프(250);
    저온측방출용순환유체가, 상기 저온열저장소(100) 및 타 유체와 열교환하여 냉열을 회수하는 저온측방출용냉열회수기(125)를 포함하여 순환하는 저온측방출용순환루프(120);
    저온측방출용작동유체가, 상기 저온측방출용순환루프(120)와 연결되어 저온측방출용작동유체 및 저온측방출용순환유체를 열교환시키는 상기 저온측방출용냉열회수기(125) 및 저온측방출용작동유체에 의하여 회전되어 외부의 발전기를 회전시켜 저온측생산전력을 생산하는 저온측방출용팽창터빈(151)을 포함하여 순환하는 냉방사이클 형태로 형성되는 저온측방출용작동루프(150);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 저장용작동루프(250)는,
    상기 저장용압축기(251) 및 상기 저온측저장용냉열저장기(115) 사이에 구비되며 팽창터빈, 팽창밸브, 열교환기 중 선택되는 적어도 하나의 형태로 형성되어 저장용작동유체를 냉각시키는 냉각기(255)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 저장용작동루프(250)는,
    상기 저장용압축기(251) 후방에 구비되어 저장용작동유체가 타 유체와 열교환하여 저장용작동유체를 냉각시키는 저장용후단냉각기(252)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 저온측방출용작동루프(150)는,
    상기 저온측방출용팽창터빈(151) 전방에 구비되어 저온측방출용작동유체가 타 유체와 열교환하여 저온측방출용작동유체를 가열시키는 저온측방출용증발기(155)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 저온측방출용증발기(155)는,
    외부에서 공급되는 가열수 및 저온측방출용작동유체를 열교환시켜 가열하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은,
    상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템 내부의 다른 부분으로부터 전달되는 열을 저장하고 시스템 내부의 다른 부분에 열이 나누어지도록 열을 방출하는 중온열저장소(200);
    중온측저장용순환유체가, 상기 중온열저장소(200) 및 상기 저장용작동루프(250)와 연결되어 중온측저장용순환유체 및 저장용작동유체를 열교환시키는 중온측저장용냉열회수기(215)를 포함하여 순환하는 중온측저장용순환루프(210);
    중온측방출용순환유체가 상기 중온열저장소(200) 및 상기 저온측방출용작동루프(150)와 연결되어 중온측저장용순환유체 및 저온측방출용작동유체를 열교환시키는 중온층방출용냉열저장기(225)를 포함하여 순환하는 중온측방출용순환루프(220);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은,
    외부의 잉여고온열원으로부터 직접 온열을 저장하거나 외부의 고온열소비처로 직접 온열을 방출하는 고온열저장소(300);
    고온측방출용순환유체가, 상기 고온열저장소(300) 및 타 유체와 열교환하는 고온측방출용증발기(325)를 포함하여 순환하는 고온측방출용순환루프(320);
    고온측방출용작동유체가, 상기 고온측방출용순환루프(320)와 연결되어 고온측방출용작동유체 및 고온측방출용순환유체를 열교환시키는 상기 고온측방출용증발기(325) 및 고온측방출용작동유체에 의하여 회전되어 외부의 방전기를 회전시켜 고온측생산전력을 생산하는 고온측방출용팽창터빈(351)을 포함하여 순환하는 냉방사이클 형태로 형성되는 고온측방출용작동루프(350);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 고온측방출용작동루프(350)는,
    상기 고온측방출용팽창터빈(351) 후방에 구비되어 타 유체와 열교환하여 고온측방출용작동유체를 냉각시키는 고온측방출용응축기(355)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 저온측방출용작동루프(150)는, 상기 저온측방출용팽창터빈(151) 전방에 구비되어 타 유체와 열교환하여 저온측방출용작동유체를 가열시키는 저온측방출용증발기(155)를 포함하며,
    상기 고온측방출용작동루프(350)는, 상기 고온측방출용팽창터빈(351) 후방에 구비되어 타 유체와 열교환하여 고온측방출용작동유체를 냉각시키는 고온측방출용응축기(355)를 포함하며,
    상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은,
    완충수가, 상기 저온측방출용작동루프(150)와 연결되어 완충수 및 저온측방출용작동유체를 열교환시키는 상기 저온측방출용증발기(155) 및 상기 고온측방출용작동루프(350)와 연결되어 완충수 및 고온측방출용작동유체를 열교환시키는 상기 고온측방출용응축기(355)를 포함하여 순환하는 매개루프(450);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은,
    상기 저온측방출용증발기(155)의 완충수가 유통되는 부분에 외부로부터 공급되는 가열수가 더 유통되거나,
    상기 고온측방출용응축기(355)의 완충수가 유통되는 부분에 외부로부터 공급되는 냉각수가 더 유통되는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은,
    고온측방출용순환유체가 상기 고온측방출용응축기(355)의 고온측방출용작동유체가 유통되는 부분 및 상기 고온열저장소(300)를 순환하도록 하는 바이패스유로를 포함하며,
    상기 고온측방출용작동루프(350)가 동작불능 시, 상기 고온측방출용응축기(355)가 완충수 및 상기 바이패스유로로 유통되어 온 고온측방출용순환유체를 열교환시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템은,
    저온측방출용순환유체가 상기 저온측방출용증발기(155)의 저온측방출용작동유체가 유통되는 부분 및 상기 저온열저장소(100)를 순환하도록 하는 바이패스유로를 포함하며,
    상기 저온측방출용작동루프(150)가 동작불능 시, 상기 저온측방출용증발기(155)가 완충수 및 상기 바이패스유로로 유통되어 온 저온측방출용순환유체를 열교환시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 저온열저장소(100)는,
    작동온도에서 상변화하면서 열을 흡수하거나 방출함으로써 열저장이 가능한 상변화물질로 형성되는 열저장매체를 수용하며, 기결정된 배열형태 및 간격으로 이격 배치되는 복수 개의 열저장매체개체(11);
    복수 개의 상기 열저장매체개체(11)을 수용하며 상기 열저장매체개체(11)과 열교환하는 순환유체가 유통되는 제1, 2유통구(12a)(12b)를 구비하는 열저장외곽탱크(12);
    를 포함하는 열저장장치(10) 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  14. 제 6항에 있어서, 상기 중온열저장소(200)는,
    작동온도에서 상변화하면서 열을 흡수하거나 방출함으로써 열저장이 가능한 상변화물질로 형성되는 열저장매체를 수용하며, 기결정된 배열형태 및 간격으로 이격 배치되는 복수 개의 열저장매체개체(11);
    복수 개의 상기 열저장매체개체(11)을 수용하며 상기 열저장매체개체(11)과 열교환하는 순환유체가 유통되는 제1, 2유통구(12a)(12b)를 구비하는 열저장외곽탱크(12);
    를 포함하는 열저장장치(10) 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  15. 제 7항에 있어서, 상기 고온열저장소(300)는,
    작동온도에서 상변화하면서 열을 흡수하거나 방출함으로써 열저장이 가능한 상변화물질로 형성되는 열저장매체를 수용하며, 기결정된 배열형태 및 간격으로 이격 배치되는 복수 개의 열저장매체개체(11);
    복수 개의 상기 열저장매체개체(11)을 수용하며 상기 열저장매체개체(11)과 열교환하는 순환유체가 유통되는 제1, 2유통구(12a)(12b)를 구비하는 열저장외곽탱크(12);
    를 포함하는 열저장장치(10) 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  16. 제 13, 14, 15항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 열저장매체개체(11)는,
    상기 열저장외곽탱크(12)에 유통되는 순환유체의 흐름방향을 길이방향이라 하고, 길이방향에 직교하는 평면방향을 단면방향이라 할 때,
    복수 개의 열저장매체개체(11)이 단면방향으로 기결정된 배열형태 및 간격으로 이격 배치되어 열저장매체개체그룹(11g)을 형성하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  17. 제 13, 14, 15항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 열저장장치(10)는,
    상기 열저장외곽탱크(12)에 유통되는 순환유체의 흐름방향을 길이방향이라 하고, 길이방향에 직교하는 평면방향을 단면방향이라 할 때,
    단면방향으로 연장되는 용기 형태로 형성되며, 순환유체 유량을 균등분배하도록 복수 개의 통공이 균일하게 분포 형성되는 유체분배기(13);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  18. 제 13, 14, 15항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 열저장장치(10)는,
    상기 열저장외곽탱크(12)에 연결되어 상기 열저장외곽탱크(12) 내 압력의 급격한 변동 또는 진공을 방지하도록 압력을 조절하는 압력감쇄탱크(14);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
  19. 제 13, 14, 15항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 열저장장치(10)는,
    상기 열저장외곽탱크(12) 외면을 둘러싸도록 구비되는 단열수단(15);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중목적 열적에너지 저장 및 방출 시스템.
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