KR20070022679A - 열 에너지를 저장하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

상승된 온도에서 그라파이트의 본체에 열 에너지를 저장하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 상기 방법은 열 에너지를 저장할 필요가 있을 때 그라파이트 본체의 내부 영역을 가열하고 열 에너지가 사용될 필요가 있을 때 열교환기에 의해 열을 회수하는 것을 포함한다. 상기 장치는 공급의 오프 피크 기간들로부터 얻을 수 있는 전기 에너지 및 재생 에너지를 저장하는 데 적합한다.

그라파이트, 열 에너지, 열교환기, 오프 피크 기간, 전기 에너지

Description

열 에너지를 저장하는 방법 및 장치{Method and apparatus for storing heat energy}

기술 분야

본 발명은 나중 사용을 위한 에너지 저장에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 그라파이트 본체에 열 에너지를 저장하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

발명의 배경

열 에너지는 다양한 목적들을 위해 이용될 수 있는 에너지의 한 형태이다. 많은 프로세스들이 열 에너지의 이용가능성에 그들의 동작을 의존한다. 그러나, 열 에너지가 이용될 수 있는 용이성은 그것이 이용 가능한 온도(또는 "레벨(level")에 의존한다. 낮은 온도 레벨들로부터 높은 온도 레벨들로 열을 이동시키거나 상승시키기 위해 설계된 히트 펌프들(heat pumps)과 같은 디바이스들은 이 출원인에게 잘 알려져 있다. 그러나, 이들은 응용이 제한된다. 게다가, 히트 펌프들은 상승된 온도들(elevated temperatures)에서 열을 펌핑하는 데는 이용할 수 없다.

열 에너지의 고유 문제점들 중 하나는, 저온의 본체들에 전달되는 경향들 때문에, 그것은 연장된 시간 기간 동안 용이하게 저장될 수 없다는 것이다. 이것은 특히 고온에서의 가열에 응용한다. 따라서, 열이 저장되는 온도가 높으면 높을 수 록, 저온 본체들로의 전달로 인해 더욱 더 손실되는 경향이 크다.

이러한 문제점은 열이 저장되는 리저보어 또는 본체로부터 열이 쉽게 손실될 수 있는 것을 금지함으로써 실질적으로 극복 또는 개선될 수 있다.

열 전달은 전도, 대류 또는 복사에 의해 일어날 수 있다. 전도를 통한 열 손실은 열 절연체 재료들의 사용에 의해 방해될 수 있다는 것, 대류를 통한 용기로부터의 열 손실은 용기와 상기 용기를 둘러싸고 있는 인클로저 사이에 제공된 공간을 진공으로 만듦으로써 방해될 수 있다는 것(진공 플라스크에서와 같은), 및 복사를 통한 열 손실은 방사율(emissivity)이 낮은 표면들을 가진 재료의 사용에 의해 방해될 수 있다는 것이 알려져 있다.

열 에너지와 비교하여, 전기 에너지는 대규모로 저장하는 데 적합하지 않다. 배터리들과 같은, 화학적 에너지의 형태로 전기 에너지를 저장하기 위한 현재 이용 가능한 기술들은 크기가 매우 제한되고 제한된 수명을 가진다. 플라이휠들(flywheels), 초용량들(supercapacitors) 및 연료 전지들과 같은 다른 기술들이 또한 소규모만으로 개발되었다. 모든 것은 열 저장 시스템보다 훨씬 낮은 에너지 밀도들 및 훨씬 높은 코스트에 특징이 있다.

전기의 대규모 상업적 제조자들이 직면하는 문제는 실질적으로 평균 수요를 초과하여 발생하는 용량을 설치하여야 하는 필요성에 있는 데 그 이유는 전기 생산 플랜트가 최대 수요에 부합하도록 충분한 용량을 가져야 하기 때문이다. 오스트레일리아에 있어서, 예를 들면, 전형적으로 하루 당 2개의 피크(peak)가 있는 데, 하나는 아침에 일어나고 다른 하나는 저녁에 일어난다. 정상 시간에는, 피크와 오프- 피크 사이의 차이들은 약 125%의 평균 수요와 약 75%의 평균 수요 사이에서 각각 변한다. 따라서, 오스트레일리아, NSW에서, 예를 들면, 일일 평균 전기 소비가 약 7500 MW이면, 정규 변동은 약 6000 MW 오프 피크에서 약 12000 MW 피크이다. 피크들의 크기는 통상적으로 날씨 조건들과 관련된다. 따라서, 매우 덮고 매우 추운 날씨는 높은 전기 소비를 야기한다. 몇몇 다른 나라들에 있어서, 특히, 북반구에 있어서, 피크와 오프 피크 사이의 변동들은 훨씬 크다.

범세계적으로, 특히 국가 또는 지역에서의 피크와 평균 사이의 변동들을 국가 또는 지역에서의 가구가 전기에 접속되어 있는 범위, 국가 또는 지역에서의 1인당 전기 소비, 전기 비용, 산업체, 광산(mining), 농업 및 개인 가구들 등에 의해 소비되는 전기의 상대 비율들과 같은 인자들의 범위에 의존한다. 피크 기간들 중 전기 사용을 단념시키기 위해 그리고 오프 기간 중 소비를 독려하기 위해, 공익사업체들(utilities)은 종종 피크 기간 중 공급되는 전기에 대해 프리미엄(premium)을 부과한다. 부가적으로 또는 대안으로, 최대 수요 요금이 때때로 부과되는 데, 여기서, 이와 같은 요금은 피크 수요 기간들을 만족시키기 위해 충분한 발생 용량을 생성하기 위한 공익사업체(utility)에 대한 수요와 관련이 있다.

대규모로 전기 에너지를 저장하기 위한 기존 기술들은 펌프 저장 수력-전기 방식(pumped storage hydro-electric schemes) 및 압축 공기 시스템들(compressed air systems)과 같은 기술들을 포함한다. 이들이 지리적 특징들이 허용되는 곳에만 설치될 수 있기때문에, 이들은 피크와 오프-피크 기간들 사이에서의 공급을 벗어나 평활화(smoothing)에 기여할 수 있는 범위로 제한된다.

전기 에너지는 그것 만으로는 용이하게 저장될 수 없기 때문에, 전기 에너지를 열 에너지로 변환하고 그것을 그것이 나중 시간에 이용될 수 있을 때까지 그러한 형태로 저장하기 위한 실용적인 시스템에 대한 요구가 있다.

또한, 오프-피크 기간과 다음 피크 기간 사이의 비교적 짧은 시간 기간 동안 열 에너지의 저장을 위한 요구가 존재한다.

재생 가능한 소스들로부터 에너지의 회수를 위한 기술들이 존재하지만, 이들 기술들은 종종 대부분의 회수된 에너지가 에너지가 이용가능할 때 이용될 수 없고, 반면, 그것이 요구된 때, 재생 가능한 소스가 이용가능하지 않다는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 이들이 이용 가능한 시간과 이들이 요구되는 시간과의 차이들 때문에, 이들 재생 가능한 에너지들은 기존 전력 그리드들(power grids)에 용이하게 통합될 수 없다. 이러한 카테고리에 구비된 기술들은 열 또는 전기의 형태로 태양, 바람 및 파동 에너지의 회수(recovery)에 관련된 것들을 포함한다.

따라서, 재생 가능한 에너지가 이용가능하지 않을 때 사용하기 위한 에너지를 저장함으로써 단속적인 에너지 공급(intermittent energy supply)을 영구 공급으로 전환하기 위한 능력뿐만 아니라 수요 시간들에 이용가능성 시간들을 재할당함으로써 전력 그리드들로의 재생 가능한 에너지들의 더 나은 통합을 위한 요구가 존재한다.

온도가 열 전달을 위한 구동력이기 때문에, 고온들에서 열 에너지를 저장하기 위한 방법 및 장치에 대한 요구도 있다.

미국 특허 제 4,089,176호는 그라파이트 코어를 포함하는 열 에너지 저장 디 바이스를 구비하는 전력 터보기계장치(power turbomachinery)를 동작시키는 방법 및 장치를 기술한다. 상기 그라파이트 코어는 전자기 유도에 의해 그 외면으로부터 가열된다. 그러나, 이 저장 디바이스는 에너지 손실들이 높다는 문제점이 있고, 이것은 그라파이트 본체의 외면상의 높은 동작 온도때문에 외부로부터 그라파이트 본체를 가열하는 데 있어서의 고유 문제이다. 열 손실은 절연물을 사용하여 그것을 최소화하기 위한 시도들에도 불구하고 높다. 게다가, 코어의 외면에 대해 허용될 수 있는 온도는 절연 재료의 최대 동작 온도에 의해 제한된다.

발명의 목적

본 발명의 목적은 상기 문제점들 중 적어도 하나를 극복하거나 개선하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 요구들 중 적어도 하나를 다루기 위한 것이다.

발명의 요약

본 발명의 제 1 특징에 따르면, 상승된 온도에서 그라파이트 본체에 열 에너지를 저장하고 그로부터 상기 열 에너지를 회수(recovering)하는 방법에 있어서, 열 에너지를 저장할 필요가 있을 때 상기 그라파이트 본체의 내부 영역을 가열하는 단계 및 필요할 때 상기 열 에너지를 회수하는 단계를 포함하는, 열 에너지 저장 및 회수 방법이 제공된다.

그라파이트 본체의 내부 영역을 가열함으로써, 그라파이트에 전달되는 에너지의 양이 증가된다. 그라파이트 본체의 외면의 동작 온도가 저장될 에너지의 주어진 양의 저장을 위해 낮을 수 있을 뿐만아니라, 더 저렴하거나 더 효과적인 열 절연체 재료들이 이용될 수 있기 때문에 이것은 또한 에너지 손실들이 최소화될 수 있다는 이점을 갖는다.

그라파이트 본체는 가열되는 내부 영역 주위에 위치될 1, 2, 또는 3차원들로 배치될 수 있는 별도의 부분들, 층들, 섹션들 또는 영역들로 세분될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 사용 중 본체들 조합의 내부 영역을 구성하는 영역 주위에 배열된 표면들 또는 단부들로부터 2개 이상의 그라파이트 본체들을 가열하는 것을 생각한다. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 이상의 본체들, 부분들, 섹션들, 층들 또는 구획들(subdivisions)이 있을 수 있다.

상기 구획들, 본체들, 부분들, 섹션들, 또는 층들은 이들이 서로 열을 전달하는 방식으로 내부 영역에 배열될 수 있다. 따라서, 인접 또는 이웃하는 본체들은 서로 접촉될 수 있다. 인접한 본체들, 부분들, 섹션들, 층들 또는 구획들 사이의 열 전달을 향상시키기 위해, 이웃하는 또는 인접한 본체들 또는 부분들 또는 구획들이 맞닿을 수 있다.

상기 구획들, 본체들, 부분들, 섹션들 또는 층들은 조립체에 함께 유지될 수 있도록 되어 있을 수 있다. 상기 조립체는 유지보수 목적으로 용이하게 분해되고 재조립될 수 있도록 되어 있을 수 있다. 상기 그라파이트 본체는 입방체, 삼각형 프리즘, 5각형 프리즘, 육각형 프리즘, 8각형 프리즘, 직사각형 블록 또는 프리즘, 구면, 타원, 계란형, 원통형, 원통형 프리즘, 불규칙 프리즘, 규칙 프리즘 또는 임의의 다른 적합한 형상으로 될 수 있다.

본 발명의 제 2 양상에 따르면, 상승된 온도에서 복수의 그라파이트 본체들에 열 에너지를 저장하고 그로부터 상기 열 에너지를 회수하는 방법에 있어서, 열 에너지를 저장할 필요가 있을 때 상기 그라파이트 본체들 조립체의 내부 영역을 가열하는 단계 및 필요할 때 상기 열 에너지를 회수하는 단계를 포함하는, 열 에너지 저장 및 회수 방법이 제공된다.

상기 방법은 그라파이트의 본체 또는 조립체의 내부 영역에 배치되거나 대안으로 그것과 열전달 관계에 있을 수 있는 저항기를 통해 전류를 통과시켜 그것의 온도가 상승되게 하는 단계를 포함할 수 있다. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 이상의 저항기들이 있을 수 있다.

상기 저항기 또는 각각의 저항기는 오프-피크 시간들 중 메인 시스템에 접속될 수 있고 수요가 그 피크에 있거나 가까울 경우 메인 시스템으로부터 분리될 수 있는 전기 회로의 일부를 형성할 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 상기 저항기는 재생 가능한 에너지 소스로부터 전기 에너지를 회수하는 전기 공급장치에 의해 에너지가 공급될 수 있는 전기 회로에 접속되거나 접속가능할 수 있다.

상기 또는 각각의 저항기는 바람직하게는 하나 이상의 접속기들에 의해 전기 회로에 접속되거나 상기 전기 공급장치에 접속될 수 있다. 상기 또는 각각의 접속기는 바람직하게는 스틸(steel) 또는 구리(copper)와 같은 금속으로 만들어진다. 저항기의 열화를 피하기 위해, 바람직하게는 전기 컨택트들이 동일한 재료로 바람직하게는 구리로 만들어진다. 상승된 온도에서 전기 접속들과의 고전류 로딩들을 피할 수 있도록 경고(caution)가 있어야 한다.

대안으로 또는 부가적으로, 상기 그라파이트 재료의 본체는 재생가능할 수 있는 에너지 소스로부터 회수된 열을 이용하여 가열될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 방법은 필요할 때 그라파이트 재료 본체로부터 열 에너지를 회수하는 단계를 구비한다. 상기 회수된 열은 열 에너지 자체로서 또는 전기로 변환하기 위해 사용될 수 있다. 상기 열 에너지는 그것을 고체 또는 유체에 전달함으로써 회수될 수 있다.

상기 열은 그라파이트 본체 내부에 적어도 부분적으로 또는 근접하여 배치할 수 있는 열교환기에 의해 그라파이트 재료 본체로부터 회수될 수 있다. 저항기가 그라파이트 재료 본체 외부에 배치된 경우에, 동일 또는 상이한 열교환기가 그라파이트 재료 본체에 저항기에 의해 발생된 열을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 고체 그라파이트 재료 본체로부터의 열 손실들을 감소시키기 위해, 본 발명의 제 1 양상에 따른 방법은 그라파이트 재료 본체를 절연시키고 그것을 제어된 환경에 포함시키는 단계를 포함할 수도 있다.

본 발명의 제 3 양상에 따르면, 상승된 온도에서 그라파이트 재료 본체에 열 에너지를 저장하는 장치에 있어서, 그라파이트 재료 본체의 내부 영역을 가열하기 위한 수단을 포함하는, 열 에너지 저장 장치가 제공된다.

본 발명의 제 4 양상에 따르면, 상승된 온도에서 복수의 그라파이트 재료 본체들에 열 에너지를 저장하는 장치에 있어서, 그라파이트 재료 본체들의 조립체의 내부 영역을 가열하는 수단을 포함하는, 열 에너지 저장 장치가 제공된다.

상기 그라파이트 재료 본체의 내부 영역 및 상기 조립체를 가열하는 수단은:

저항기;

저항기의 온도가 상승하도록 상기 저항기를 통해 전류를 통과시키는 수단: 및

상기 저항기에 의해 발생된 열을 상기 그라파이트 재료 본체에 전달하는 수단을 포함한다.

상기 저항기는 전류를 저항기를 통해 통과시키기 위한 전기 회로에 접속되도록 되어 있을 수 있다. 전기 회로는 주 전원에 또는 재생 가능한 에너지로부터 생성된 전기 소스에 접속될 수 있다.

상기한 바와 같이, 그라파이트 본체는 가열되는 내부 영역 주위에 위치될 1, 2, 3 차원으로 배열될 수 있는 별도의 부분들, 층들, 섹션들 또는 영역들로 세분될 수 있다. 따라서, 본 발명은 또한 사용 중 본체들의 조합의 내부 영역을 구성하는 영역 주위에 배치되는 표면들 또는 단부들로부터 2이상의 그라파이트 본체들을 가열하는 것을 생각한다.

일 실시예에 있어서, 그라파이트 재료의 본체 또는 조립체는 코어 및 하나 이상의 층들, 부분들, 섹션들 또는 상기 코어를 둘러싸거나 감싸는 블록들을 포함한다. 연속 층들 등 및 상기 코어는 열적으로 서로 절연될 수 있다.

상기 코어에서의 동작 온도는 그것을 둘러싸는 제 1 층에서의 동작 온도보다 더 높을 수 있고, 제 1 층에서의 동작 온도는 또한 다음 층 등에서의 동작 온도보다 더 높을 수 있다.

상기 코어의 동작 온도는 그라파이트 본체의 코어를 둘러싸는 그라파이트 재료의 제 1 층과 관련하여 이용되는 구성의 재료의 추천된 동작 온도를 초과할 수 있다.

일례로서, 코어 및 선택적으로 그라파이트 본체의 하나 이상의 둘러싸는 층들의 동작 온도는 900℃를 초과할 수 있고, 반면 외층의 동작 온도는 900℃를 초과하는 온도에서 동작될 수 없는 구성의 재료들의 사용을 허용하도록 900℃ 이하로 유지된다.

본 발명의 장치 및 방법의 동작 온도는 300℃를 초과할 수 있다. 바람직하게는 800℃의 온도를 초과한다. 더욱 바람직하게는, 그것은 1500℃를 초과하고, 더욱 바람직하게는 그것은 2000℃를 초과하여 최대 에너지 저장 밀도를 달성한다. 본 발명의 장치 및 방법의 동작 온도는 300℃-2400℃, 1000℃-2400℃, 1500℃-2400℃, 1900℃-2400℃ 또는 2400℃-3000℃ 범위에 있을 수 있다.

표 1에 나타낸 것과 같이, 동작 온도가 높으면 높을 수록, 더 많은 열 에너지가 그라파이트에 저장될 수 있다는 것이 발견되었다. 표 1에 포함된 데이터는 도 7에 그라프로 표현된다.

표 1

고체 그라파이트 재료의 본체는 편리하게는 그것의 열전도율이 가능한 한 높도록 선택된다. 상기 재료의 1000℃에서의 열전도율은 약 80W/m.°K이상을 초과하고, 더욱 바람직하게는, 그것은 100 W/m.°K를 초과하고, 더욱 더 바람직하게는, 그것은 약 200 W/m.°K를 초과한다. 상기 재료의 1000℃에서의 열전도율은 예를 들면 80 W/m.°K-250W/m.°K, 100 W/m.°K-250W/m.°K, 150 W/m.°K-250W/m.°K, 또는 180W/m.°K-220 W/m.°K일 수 있다.

>3500℃에서의 그라파이트의 승화점(sublimation point)은 편리하게는 장치의 제안된 동작 온도 위에 있다.

그라파이트의 높은 열전도율, 높은 승화점 및 낮은 방사율은 그것을 열 저장을 위한 최선의 재료로 만든다.

그라파이트의 방사율(재료 본체의 표면에 의해 방사된 에너지 대 동일한 온도 및 동일한 면적에서 이상적인 흑체에 의해 방사된 에너지의 비로서 정의된)은 편리하게는 그것이 가능한 한 낮도록 그라파이트에 대한 적절한 정제 처리들에 의해 선택되거나 감소될 수 있다. 바람직하게는 약 0.3 이하이다. 바람직하게는, 그것은 0.3 내지 0.05 또는 0.3 내지 0.1 또는 0.3 내지 0.15의 범위에 있을 수 있다.

연소의 위험 때문에, 고온에서 그라파이트 재료와 산소가 접촉하게 되는 방지하는 것이 바람직하다. 약 300℃를 초과하는 온도에서, 그라파이트의 표면은 활성화되어 존재할 수도 있는 어떤 산소와 반응하기 시작하는 것이 발견되었다. 그 이유 때문에, 본 발명에 따른 상기 장치는 또한 비산화성 가스의 분위기에서 또는 진공에서 그라파이트 재료를 포함하도록 되어 있는 인클로저를 포함한다.

상기 그라파이트는 합성 또는 천연일 수 있다. 상기 그라파이트는 바람직하게는 그것이 가능한 한 미네랄 불순물들을 적게 포함하도록 선택된다. 고순도 결정성 그라파이트의 사용이 바람직하다. 고순도를 가진 그라파이트가 사용될 때 더 높은 에너지 저장 밀도들이 가능하기 때문에, 예를 들면 95 중량 % 내지 99.9 중량 %의 순도를 가진 그라파이트를 이용하는 것이 바람직하다. 게다가, 낮은 방사율은 결정성 그라파이트의 특징이다. 90-99 중량 %, 더욱 전형적으로는 약 93 중량 % 내지 약 98 중량 %, 더욱 더 전형적으로는 약 95 중량 %, 96 중량 %, 97 중량 %, 98 중량 % 또는 99 중량 %의 순도를 가진 그라파이트는 우수한 결과들을 가지고 사용될 수 있다. 가장 좋은 결과들에 있어서, 상기 그라파이트는 예를 들면 바람직하게는 결정성인 99.99 중량 % 순도까지의 매우 높은 순도로 만들어질 수 있다.

적어도 1.5, 전형적으로 1.75, 및 바람직하게는 약 2.1 내지 약 2.2의 용적 밀도를 가진 고순도 그라파이트는 저장 매체로서 사용하기 적합하다. 바람직하게는 1.5 내지 2.2, 1.6 내지 2.2, 1.7 내지 2.2, 1.8 내지 2.2, 1.9 내지 2.2 또는 2.0 내지 2.2 범위의 용적 밀도를 가진 고순도 그라파이트가 이용된다.

상기 그라파이트는 고체 그라파이트 또는 압축된 그라파이트 또는 압축된 입상 그라파이트일 수 있다. 각 블록이 이들과 접촉하게 될 때 인접한 블록들과 유효 열접촉을 만드는 것을 보장하면서 그라파이트의 단일 블록이 사용될 수 있고 또는 2개 이상의 작은 블록들이 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 작은 블록들이 그라파이트 파이버들을 블록들 주위에 또는 블록들을 통해 통과시키고 그라파이트 파이버들을 신장시킴으로써 접촉이 적절히 유지될 수 있다. 대안으로, 자연적으로 생기고 상업적으로 채광되는 미정제 그라파이트가 고체 재료의 본체 제조에 사용될 수 있다. 채광된 미정제 천연 그라파이트의 블록들, 전형적으로 약 90 중량 % 그라파이트가, 더 이상의 휘발성 물질들이 방출되지 않을 때까지 예를 들면 약 2200-3000℃, 더욱 전형적으로는 약 2400℃까지 진공에서 가열될 수 있고, 이것은 적어도 약 95 중량 % 순도의 그라파이트를 제공하고, 이것은 본 발명의 방법 및 장치에 사용될 수 있다.

본 발명을 위해 선택된 그라파이트 재료의 순도가 중요한데 그 이유는 순도들이 그것의 전도율에 영향을 주기 때문이다. 순도는 또한 본 발명에 따른 장치의 유효 수명에 영향을 준다. 그라파이트의 경우에 있어서, 그 순도는 전체 연소에 대한 % 재(ash)로서 표현될 수 있다. 허용 가능한 수명을 가지는 본 발명에 따른 장치에 있어서, 그라파이트가 약 5wt%, 바람직하게는 약 4%, 3%, 2%, 또는 1.0%, 더욱 바람직하게는 약 0.6%이하, 특히 약 0.3%이하의 재 함량을 가지는 것이 타당한 것으로 고려된다.

추가의 대안으로서, 그라파이트 본체는 적절한 탄소질 재료의 본체를 형성하고 탄소질 재료를 그라파이트화하기 위해 환원 또는 불활성 분위기하에서 탄소질 재료를 가열하여 원래의 자리에서 제조될 수 있다. 이러한 목적을 위한 적절한 탄소질 재료들이 고체 또는 반-고체인 비교적 높은 탄소 함량의 이들 재료들을 포함한다. 예들은 비정질 탄소, 타르(tar), 역청(bitumen), 피치, 아스팔트, 석탄(coal), 석유 코크(petroleum coke) 및 수크로오스(sucrose)이다. 탄소질 재료의 본체는 탄소 섬유들 또는 탄소 직물(carbon cloth)로 보강될 수 있다. 따라서, 그라파이트 블록을 제조하는 전형적인 방법은, (i) 피치(pitch) 또는 다른 결합제 및 그라파이트 분말의 혼합물을 제조하는 단계, (ii) 그것을 가열하여 혼합물을 연화(softening)하는 단계, (iii) 상기 연화된 혼합물을 원하는 크기 및 형상으로 몰드에 충전하고 1200℃까지 베이킹 노에서 상기 몰딩된 블록을 태우는(charring) 단계, (iv) 상기 몰딩된 블록을 가열 가능한 진공배기 가능한 인클로저로 이송하는 단계, (v) 상기 인클로저를 500 Pa 이하, 전형적으로 100-500 Pa의 절대 압력으로 진공배기하는 단계, (vi) 피치 또는 다른 결합제를 그라파이트화하기 위해, 인클로저 압력을 500 Pa 이하, 전형적으로 100-500 Pa를 유지하면서, 24-48 시간동안 대략 2200-2500℃, 더 전형적으로 대략 2400℃로 점진적으로 블록을 가열하는 단계, (vii) 상기 블록을 냉각하는 단계, (viii) 공기를 상기 인클로저에 들어오게 하는 단계 및 (ix) 상기 그라파이트화된 블록을 제거하는 단계를 포함한다.

상기 장치의 작동 온도가 약 50℃를 초과하는 경우에, 그라파이트 본체는 바람직하게는 환경으로의 열 손실량을 감소시키기 위해 상기 환경으로부터 열적으로 절연되어야 한다.

고체 그라파이트 재료의 본체는 구형으로 성형될 수 있고 그 표면으로부터 그 중심으로 연장하는 보어 또는 웰이 제공될 수 있다. 대안으로, 고체 그라파이트 재료의 본체는 입방체, 프리즘 등과 같은 임의의 다른 편리한 형상을 가질 수 있고 또는 그것은 불규칙한 형상을 가질 수 있다. 재료의 본체의 표면 대 체적비는 재료의 비용, 제조 비용, 에너지 비용 및 재료 본체로부터의 열 손실을 최소화하기 위한 요구를 고려하여, 바람직하게는 가능하게는 낮아야 한다는 것을 알 수 있을 것이다.

보어 또는 웰은 선택적으로 저항기를 고체 그라파이트 재료 본체에 임베딩하기 위해 제공될 수 있다. 고체 그라파이트 재료 본체의 부분을 형성하는 둘러싸는 재료로 웰의 측벽들을 통해 흐르는 총전류의 비를 감소시키기 위해, 그리고 대부분의 전류가 보어 또는 웰의 내부 표면의 원하는 지역 또는 영역 또는 부분을 통해 흐르는 것을 보장하기 위해, 상기 저항기는 보어 또는 웰의 내표면의 실질적인 부분과 저항기 사이에 제공되는 전기 절연 재료의 층에 의해 고체 그라파이트 재료 본체로부터 선택적으로 절연될 수 있다. 이 지역은 편리하게는 고체 그라파이트 재료의 본체 내에 상기 표면으로부터 떨어진 위치에 위치될 수 있다.

상기 장치는 전극, 저항기에 접속될 수 있는 적어도 일부분을 포함할 수 있다. 상기 전극은 또한 각 보어 또는 웰에 임베딩될 수 있다. 상기 보어 또는 웰은 적어도 부분적으로 고순도 입자 입상형 탄소질 재료로 채워져서 전기 저항기를 형성할 수 있다.

각 저항기는 튜브, 바람직하게는 원통형 튜브 형상으로 될 수 있는 적합한 절연체에 의해 둘러싸는 재료로부터 절연될 수 있는 데, 상기 적합한 절연체는 편리하게는 상기 장치의 동작 조건들을 견딜 수 있는 절연 재료 예컨대 알루미나 또는 임의의 다른 유전체 세라믹으로 만들어 질 수 있다.

상기 전기 공급장치는 dc 또는 ac일 수 있다.

상기 장치는 각 전극 저항기 인터페이스에서 측정된 전류 밀도가 약 0.5watts/mm²보다 낮도록 작동될 수 있다. 입상 재료의 재 함량이 낮으면 낮을수록, 상기 장치에 의해 허용될 수 있는 전류 밀도는 더 높아진다는 것이 발견되었다. 약 0.6wt%보다 작은 재 함량을 가진 입상 재료로, 가능한 0.7watts/mm²만큼 높은 전류 밀도가 달성될 수 있다. 이들 도면들은 재킷, 챔버 또는 인클로저 내의 환경에 의존하여 변할 수 있다.

상기 저항기는 전류가 저항기를 통해 흐를 때, 전기 에너지의 열 에너지로의 변환을 일으키는 전류에 대한 저항을 가질 수 있다. 상기 저항기는 보어 또는 웰에 형성되거나 위치될 수 있다. 상기 저항기는 전기 회로에 또한 접속될 수 있는 전극에 전기적으로 접속될 수 있다.

상기 저항기는 더 높은 또는 높은 전기 저항을 가진 첨가된 물질과 함께 탄소질 재료와 같은 상승된 전기 저항의 적합한 재료를 포함할 수 있는 보어 또는 웰에 적어도 부분적으로 임베딩될 수 있다. 높은 전기 저항의 상기 첨가된 재료는 알루미나, 산화 지르코늄 및 다른 적합한 산화물, 탄화물 또는 질화물 세라믹으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.

제 1 전극은 저항기와 접촉하거나, 저항기에 삽입되거나 저항기에 임베딩될 수 있는 도전성 금속 또는 그라파이트로 만들어질 수 있다.

제 1 전극 재료의 저항은 바람직하게는 약 20 마이크로옴.미터, 더욱 바람직하게는 약 10 마이크로옴.미터이하, 더욱 바람직하게는 약 5 마이크로옴.미터이하이다.

상기 장치는 재료 본체에 제공되고 그 표면으로부터 실질적으로 그 중심으로 연장하는 제 2 웰 또는 보어를 통해 재료 본체에 접속될 수도 있는 제 2 전극을 포함할 수 있다. 대안으로, 제 2 전극은 적어도 고체 재료 본체의 표면 일부에 접속될 수 있다. 이러한 방식에서, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에어 전달되는 전류의 흐름 경로는 예컨대 열이 가능한 그 중심에 가깝게 발생되는 것을 보장하면서, 재료 본체를 통한 최소 전기 저항을 일으키도록 선택될 수 있다.

보어 또는 웰에 위치된 탄소질 재료에 적어도 부분적으로 전극들을 임베딩함으로써, 상기 전극들은 전극과 보어 또는 웰 내부의 탄소 입자들 사이의 전기 컨택트를 크게 열화시키지 않고, 어느 정도 보어 또는 웰 안팎으로 이동될 수 있다.

전극의 직경은, 그 길이와 관련하여, 전극을 따라 재료 본체로부터 멀리 전달되는 열이 최소로 되는 것을 보장함에 있어서 중요하다는 것이 발견되었다. 전극의 전기 저항 및 열 전도율은 바람직하게는 낮지만, 그 기계적 강도는 바람직하게는 그 목적을 다하는 데 충분하다. 전류 밀도는 바람직하게는 이러한 전극의 단면적의 약 1W/mm² 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.8W/mm², 더욱 바람직하게는 약 0.5 W/mm²이다.

그라파이트 튜브들은 재료 본체와 전극들 사이에 전기 접속을 부여하기 위해 이용될 수 있다. 상기 그라파이트 튜브들은 열경화성 수지(thermosetting resin)와 결합된 미세 그라파이트로 만들어진 접착제(glue)에 의해 부착될 수 있다.

각 전극의 전체 표면적은 그라파이트가 사용되고 그라파이트의 재 함량이 약 0.5 wt%인 경우에, 전극을 통과한 전류 밀도가 약 0.5watts/mm²의 전극 표면적을 초과하지 않는 것을 보장할 수 있을만큼 충분히 높은 것이 바람직하다. 낮은 재 함량을 가진 그라파이트가 사용되는 경우에, 더 높은 전류 밀도가 허용될 수 있다.

그라파이트 본체의 온도가 산화가 일어나는 온도를 초과하는 경우에, 상기한 바와 같은 불활성 분위기 또는 진공배기된 챔버 또는 인클로저가 바람직하게 채용된다.

다른 실시예에 있어서, 진공을 견디도록 되어 있는 인클로저가 제공되고, 고체 그라파이트 재료 본체는 인클로저와 접촉하지 않는 방식으로 인클로저 내부에 매달린다. 이후 진공이 재료 본체와 인클로저 사이의 공간에 적용된다. 원한다면, 재료 본체와 인클로저 사이의 공간은 비산화성 가스의 블랭킷(blanket)으로 충전될 수 있다. 상기 진공은 바람직하게는 약 5-10밀리바로 적용된다.

상기 비산화성 가스는 바람직하게는 고온에서 수분과 탄소질 재료 사이의 공간에 일어나서 탄소질 재료의 부분적인 산화를 일으킬 수 있는 물 가스 반응의 가능성을 감소시키도록, 수분이 없다.

재료 본체로부터 환경으로의 열 손실들을 감소시키기 위해, 임의의 하나 이상의 열 전도에 의한 열 전달, 대류 및 복사가 저지되거나 제한될 수 있다.

전도 및 대류에 의한 열 전달을 감소시키기 위해 고체 재료의 본체와 인클로저 사이에 진공을 사용하는 것이 잘 작용한다는 것이 발견되었다. 재료 본체와 인클로저 사이의 공간에서의 고체 절연 재료의 사용과 조합한 배기는 허용 가능한 레벨들로 열 손실들을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 상기 절연 재료는 바람직하게는 섬유질(fibrous)이다. 대안으로, 세노스피어들(cenospheres), 펄라이트(perlite), 질석(vermiculite), 다른 열절연 입자들, 다공성 또는 발포 재료 및 반사층들이 유리하게 사용될 수 있다.

전도에 의한 열 손실들을 감소시키기 위해, 고체 그라파이트 재료 본체는 하나 이상의 적절한 절연 재료의 층들로 덮일 수 있다. 따라서, 상기 장치는 고체 그라파이트 재료 본체 주위를 덮거나 배치된 하나 이상의 열절연 재료의 층들을 포함할 수 있고, 상기 열절연 재료는 재료 본체로부터의 열의 손실을 금지하도록 되어 있다. 상기 열 절연체는 전형적으로 미네랄 또는 세라믹이다. 고온들에서, 탄소 또는 그라파이트계 절연 재료가 요구된다.

더욱 전형적으로, 상기 장치는 재킷, 챔버 또는 그라파이트 블록을 둘러싸는 인클로저를 포함하고, 상기 재킷, 챔버 또는 인클로저는 불활성 분위기를 포함하거나 내부적으로 진공배기된다.

복사에 의한 열 전달을 감소시키기 위해, 반사면들이 고체 재료 본체의 외면 위 및 인클로저의 내면 위에 제공될 수 있다. 따라서, 재킷, 챔버 또는 인클로저의 내면들은 복사열 손실을 최소화하기 위해 바람직하게는 높게 폴리싱된다. 기계적 강도, 비용 및 상승된 온도들을 견딜 수 있는 능력의 이유 때문에, 상기 재킷, 챔버 또는 인클로저는 바람직하게는 금속으로 만들어지고, 더욱 바람직하게는 강(steel)으로 만들어진다. 상기 재킷, 챔버, 챔버 또는 인클로저가 내부적으로 진공배기될 때, 상기 그라파이트 본체는 하나 이상의 절연 스페이서들(insulating spacers)에 의해 재킷, 챔버 또는 인클로저로부터 분리된다. 상기 절연 스페이서들은 더 낮은 온도들에서 스테인레스강 합금 또는 알루미늄을 갖는 내화 금속, 몰리브덴 또는 텅스텐과 같은 금속층에 의해 선택적으로 분리된 세라믹 재료의 하나 이상의 층들일 수 있다. 적합한 세라믹 열 절연체들의 예들은 금속 산화물들, 예컨대 베릴륨 산화물, 마그네슘 산화물, 칼슘 산화물, 스트론튬 산화물, 오스뮴 산화물, 란탄 3산화물(lanthanum trioxide), 이트륨 3산화물, 스칸듐 3산화물, 티탄 2산화물, 지르코늄 2산화물, 하프늄 이산화물, 탄탈 5산화물, 니오븀 5산화물, 알루미나, 실리카, 니켈 산화물, 및 다른 무기 재료들 예컨대 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 붕소 탄화물, 탄탈 탄화물, 티탄 탄화물, 텅스텐 탄화물, 지르코늄 탄화물, 알루미늄 질화물, 지르코늄 붕화물, 첨정석(spinel), 멀라이트(mullite), 고토감람석(forsterite), 내화점토(fireclay), 백운석(dolomite), 마그네사이트(magnesite), 고-알루미나 자기들(high-alumina porcelains), 고-마그네시아 자기들(high-magnesia porcelains), 실리마나이트(sillimanite), 남정석(kyanite), 지르코늄 실리케이트 및 이들의 혼합물들을 포함한다. 탄소 또는 그라파이트의 발포 또는 섬유질 형태들이 또한 사용될 수 있다.

절연 스페이서들은 대안으로 재킷, 챔버 또는 인클로저로부터 함침 세라믹(impregnated ceramic)을 분리하는 열교환기와 열접촉하는 그라파이트-함침 세라믹의 하나 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 상기 열교환기는 그라파이트 본체로부터 재킷, 챔버 또는 인클로저로의 열 손실을 최소화하기 위해 충분히 낮은 온도에서 유지될 수 있고, 한편, 그라파이트- 함침 세라믹의 적절한 선택으로, 상기 본체 또는 그라파이트의 본체는 매우 높은 온도에서 유지될 수 있다. 전형적으로, 재킷, 챔버 또는 인클로저 내의 그라파이트의 상기 본체 또는 본체들은 2800℃까지의 최대 온도에서 동작한다. 더욱 전형적으로, 상기 그라파이트의 상기 본체 또는 본체들은 최대 온도 약 1400℃ 내지 약 2000℃, 약 1400℃ 내지 약 1950℃, 약 1400℃ 내지 1900℃, 약 1400℃ 내지 약 1800℃, 약 1400℃ 내지 1700℃, 약 1400℃ 내지 1600℃, 약 1400℃ 내지 약 1500℃, 더욱 전형적으로는 최대 온도 약 1400℃, 1450℃, 1500℃, 1550℃, 1600℃, 1650℃, 1700℃, 1750, 또는 1800℃에서 동작한다. 에너지 방전 중, 온도들은 200 내지 300℃ 또는 200 내지 500℃로 떨어질 수 있다.

챔버 또는 인클로저는 내부적으로 진공배기되고 이후 내부 진공을 고정하도록 밀봉되고 또는 그것은 진공을 유지하기 위한 진공 펌프에 접속될 수 있다. 전형적으로, 진공 펌프가 접속되는 경우, 상기 펌프는 예를 들면 누설들이 챔버 또는 인클로저 내의 압력이 소정값 이상으로 상승시킬 때 단지 간헐적으로 동작하도록 구성된다. 챔버 또는 인클로저 내의 진공은 전형적으로 약 1 Pa 절대치 또는 약 500 Pa 절대치의 범위에, 더욱 전형적으로는 약 20 Pa 절대치 내지 250 Pa 절대치 범위, 더욱 전형적으로는 약 50 Pa 절대치 내지 100 Pa 절대치 범위에 유지된다.

그라파이트 본체들 중 어느 하나와 고온 공기 또는 다른 산화성 가스들 사이의 직접 접촉은 이들 가스들의 온도가 예컨대 그라파이트 본체 또는 본체들의 실질적인 산화를 일으킬 때 회피되는 것임을 알 수 있을 것이다. 이와 같은 산화가 일어나는 온도는 그라파이트의 순도에 의존하지만, 불순물이 있는 그라파이트화된 탄소에 대해서는 250℃만큼 낮고 순수 천연 그라파이트에 대해서는 400℃만큼 낮을 수 있다.

따라서, 제 1 양상의 방법 및 제 2 양상의 장치는 열 에너지의 저장을 위한 시스템을 제공하기 위해 높은 열전도율의 그라파이트 및 고온에서 그것의 비정상적으로 높은 비열을 이용한다.

임의의 재료의 비열은 재료의 온도의 함수이다. 본체를 초기 온도 T₁으로부터 최종 온도 T₂로 상승시키는 데 필요한 전체 열 에너지 H는 다음 식으로 표현다:

여기서 c(t)는 온도 t에서의 본체의 비열이다.

T₂가 본체 주위의 주변 온도보다 높으면, 열 H의 양 또는 그의 일부는 유용한 작업을 하는 데 이용가능하다. 그라파이트 덩어리의 온도와 그라파이트 덩어리에 의해 흡수된 에너지양 사이의 관계는 대략 600℃ 이상의 온도에서, 고온 덩어리에 의한 추가 에너지의 흡수는 특히 철과 같은 재료에 비해 상대적으로 적은 추가 가온(warming)을 생기게 한다. 따라서, 상대적으로 높은 열 저장 능력은 그라파이트에 의해 보여진다. 약 1600℃의 온도에서, 예를 들면, 1톤 질량의 그라파이트는 그것이 20℃에서 저장하는 것보다 많은 대략 3.6GJ의 에너지를 저장한다. 비교에 의해, 동일 온도에서 동일 질량의 철은 대략 1.3GJ(그 단계에서 그것은 용융된다)를 저장한다.

게다가, 그라파이트의 높은 열전도율은 그라파이트 덩어리의 국부적 과열이 최소화되는 것을 보장한다. 에너지가 고순도 그라파이트 블록의 작은 영역으로 가해지면, 그러므로 블록 전체가 거의 균일하게 가열된다. 그라파이트의 열전도율은 또한 그라파이트로 열전달 수단을 구성함으로써 또는 그렇지 않으면 상기한 바와 같이 열전달 수단에 그라파이트를 이용함으로써, 본 발명의 실시예들의 열전달 수단에 채용될 수 있다.

전기의 소스는 특히 저가 요금의 공급이 낮은 전기 수요 시에 이용 가능한 경우 주전기와 같은 임의의 편리한 소스일 수 있다. 유사한 방법이 전기 발생기들에 대한 부하 수요를 평활화하기 위해 전기 공급자들에 의해 사용될 수 있다.

전기 소스는 변하고 바람, 수력 전기, 파도, 태양 및 조력 에너지(tidal energy)와 같은 재생 가능한 에너지 소스들로부터 회수된 전기를 포함할 수 있으며, 그러므로 일부 기간 중 그것의 이용가능성은 수요를 초과하고, 다른 기간 중 그것의 수요는 그것의 이용가능성을 초과한다. 초과 이용가능성의 기간들 및 초과 수요의 기간들의 지속 기간은, 예컨대 주전원 수요에서 경험되는 피크 및 최저(valleys)의 경우에, 약 20 내지 60분에서 수 시간까지 일 수 있고, 또는 이들은 태양 전력의 이용가능성의 경우에서와 같이, 낮에서 밤까지와 같은 더 긴 지속 기간 또는 바람 및 파도 에너지의 경우에서와 같이 수 일일 수 있다. 다량의 에너지가 한 계절 동안 이용 가능한 경우, 그 계절로부터 그것이 요구되는 다른 계절로의 열 형태로의 이와 같은 에너지의 저장은 본 발명의 사상들을 이용하여 고려될 수 있다. 따라서, 본 발명의 본체들에 저장된 열에너지는 열 또는 전기의 피크 수요시에 이용될 수 있다.

전극들로의 전기 접속들이 상대적으로 낮은 온도에서 유지되는 것을 보장하기 위해, 전기 접속들이 이들 주위에 제공된 물 순환(water circulating) 수단에 의해 냉각될 수 있다.

사용될 수 있는 적절한 세라믹 열절연체들의 예들이 위에서 본원에 예시된 것을 포함한다.

추가 전극들이 표면 전류 밀도가 약 0.5-약 1.0watts/mm²를 초과하지 않도록 보장하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치가 오프-피크 기간들 중 에너지를 저장하기 위해 사용되는 경우, 에너지가 상대적으로 높은 비율로 장치에 및 장치로부터 전달되는 것이 중요하다. 피크 소비의 2개의 기간이 경험되는 경우, 예을 들어 하나는 이른 아침 동안 다른 하나는 저녁 동안, 이들 사이의 오프-피크 기간들과 함께, 약 2시간의 상대적으로 짧은 기간이 에너지를 저장하기 위해 이용가능하며, 다른 2시간의 다른 상대적으로 짧은 기간은 본 발명에 따른 장치로부터 그것을 회수하는 데 이용가능하다. 이것은 단지 하나의 피크/일이 있는 경우에 저장되어야 하는 것보다 더 많은 킬로와트시 당 재료를 사용할 필요가 생기게 한다.

본 발명에 따른 장치의 하나의 이점은, 본 발명에 따른 장치가 작동될 수 있는 상대적으로 오염이 없는 방식의 관점에서, 본 발명에 따른 장치가 제조되는 곳보다는 오히려 전기 소비되는 곳에 위치될 수 있다는 것이다.

열에너지의 이용은 그것을 전기로 변환함으로써, 그것을 그 자체로서 이용하거나 그것을 다른 형태로 변환함으로써 달성될 수 있다.

열 에너지의 전기 에너지로의 변환을 위한 기술들의 범위가 현존한다. 이들은 예를 들면 마그네토-동력학(magneto-hydro dynamics), 랭킨 사이클(Rankine cycle)(유기 또는 증기), 브레이톤 사이클(Brayton cycle), 열이온 생성(thermionic generation), 및 열광전기 발생(thermophotovoltaic generation)을 포함한다. 이들 기술들의 가장 큰 공통점은 교류발전기 또는 dc 익사이터(excitor)의 형태로 전력 발생기를 또한 구동하는 증기 구동 터빈을 이용한 전기 발생이다. 이러한 목적을 위해, 열이 본 발명에 따라 저장된 재료 본체와 접촉될 수 있는 튜브들 내의 물을 증발시킴으로써 증기가 발생될 수 있다. 본 발명의 장치와 관련된 회수 수단의 효율을 개선하기 위해, 상기 증기는 본 발명에 따라 장치의 일부를 형성하는 그라파이트 재료 본체와 접촉할 수도 있는 과열기 튜브들에서 과열될 수 있다. 상기 가열 튜브들 및 과열 튜브들은 "1회한 증기 발생기(once through steam generator)" 시스템에 이용되는 연속 튜브들일 수 있다.

따라서, 본 발명은 본 발명에 따른 장치, 상기 장치와 관련된 튜브들 내의 작동유를 증발시키고, 선택적으로 전기의 피크 소모 기간들 중 상기 장치에 저장된 열을 회수하도록 되어 있는 수단을 포함하는, 선택적으로 피크 시간들 동안, 전기 생산을 위한 플랜트로 확장한다.

상기 장치는 또한 증발 수단에서 발생된 증기에 의해 구동되도록 되어 있는 터빈 또는 엔진; 및 전력을 생성하기 위해, 터빈에 의해 구동되도록 되어 있는 전력 발생 수단을 포함할 수 있다. 상기 장치의 효율적인 동작을 위해, 작동유의 조건은 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다.

본 발명의 제 5 양상에 따르면, 이하에 개시된 것과 같은 열 에너지를 저장하는 단계, 필요할 때 이와 같이 저장된 열 에너지를 회수하는 단계 및 상기 회수된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 단계를 구비하는, 열을 저장하고 이와 같이 저장된 열로부터 전력을 발생하는 방법이 제공된다.

상기 회수하는 단계는 작동유를 액상으로부터 기상으로 증발시키는 것을 포함할 수 있다. 또한 상기 기상을 과열하는 것을 포함할 수 있다.

상기 변환 단계는 작동유의 기상 단계를 이용하여 터빈을 구동하는 단계 및 상기 터빈에 의해 구동되는 발전기에서 전기를 발생하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 제 6 양상에 따르면, 이하에 기술되는 것과 같이 열 에너지를 저장하는 장치, 거기에 저장된 열 에너지를 회수하는 수단 및 상기 회수된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수단을 포함하는 열 저장 및 전력 생산 플랜트가 제공된다.

열 에너지를 저장하기 위한 장치로부터 열 에너지를 회수하는 수단은 작동유를 액상으로부터 기상으로 증발시키는 증발기를 포함할 수 있다.

상기 회수된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수단은 기상의 작동유에 의해 구동되는 터빈, 및 전기를 발생하도록 되어 있는 발전기를 포함할 수 있다.

본 발명의 제 7 양상에 따르면, 열 에너지를 저장할 필요가 있을 때 그라파이트 본체의 내부 영역을 가열하는 단계 및 사용될 필요가 있을 때, 열교환기에 의해 상기 열을 회수하는 단계를 포함하는, 상승된 온도에서 그라파이트 본체에 열 에너지를 저장하는 방법이 제공된다.

본 발명의 제 8 양상에 따르면, 그라파이트 재료의 본체의 내부 영역을 가열하는 수단 및 그로부터 열을 회수하는 수단을 포함하고, 그라파이트 재료의 본체 내부 영역을 가열하는 수단은 저항기 및 그 온도를 상승시키기 위해 상기 저항기를 통해 전류를 통과시키는 수단을 포함하고, 상기 회수하는 수단은 열교환 유체를 포함하도록 되어 있는 열교환기를 포함하는, 상승된 온도에서 그라파이트 재료 본체에 열 에너지를 저장하는 장치가 제공된다.

본 발명의 제 9 양상에 따르면, 지금까지 기술된 것과 같은 열 에너지를 저장하는 장치를 포함하는 열 저장 및 전력 생산 플랜트가 제공된다.

본 발명의 제 10 양상에 따르면, 그라파이트의 제 1 블록 및 그라파이트의 적어도 하나의 추가 블록을 포함하고, 상기 그라파이트의 제 1 블록이 상기 그라파이트의 추가 블록 및 각각의 추가 그라파이트 블록으로부터 열적으로 절연되는, 지금까지 기술된 것과 같은 열을 저장하는 장치가 제공된다.

본 발명의 제 10 양상에 따르면,

- 상승된 온도에서 열 에너지를 저장하도록 되어 있는 고체 그라파이트 재료의 제 1 본체;

- 고체 그라파이트 재료로부터 열 에너지를 회수하기 위해 고체 그라파이트 재료의 상기 제 1 본체와 열 교환 관계에 있는 제 1 열교환기;

- 상기 제 1 열교환기에 동작가능하게 접속되어 작동유를 그 소스로부터 상기 제 1 열교환기를 통해 상기 작동유의 상기 열에너지의 일부가 이용될 수 있는 장치로 안내하기 위한 제 1 작동유 회로;

- 상승된 온도에서 열 에너지를 저장하도록 되어 있는 고체 그라파이트 재료의 제 2 본체;

- 고체 그라파이트 재료의 제 2 본체와 열교환 관계에 있는 제 2 열교환기로서, 상기 제 1 및 제 2 열교환기들의 조합된 열교환 영역은 상기 그라파이트의 제 1 및 제 2 본체들에서의 온도 강하를 보상하기 위해 증가될 수 있는, 상기 제 2 열교환기;

- 상기 작동유를 그 소스로부터 상기 제 2 열교환기를 통해 상기 작동유의 상기 열 에너지의 일부가 이용될 수 있는 상기 장치로 안내하기 위해 상기 제 2 열교환기에 동작가능하게 접속된 제 2 작동유 회로로서, 상기 작동유 회로는 개폐되도록 되어 있는 제어 밸브를 포함하는, 상기 제 2 작동유 회로; 및

- 열을 전달하기 위한 증가된 열 교환 면적을 이용하여 작동유 또는 많은 양의 작동유가 상기 제 2 작동유 회로를 통해 상기 제 2 열교환기로 들어가게 함으로써, 그라파이트 본체의 온도 강하의 결과로서 상기 고체 그라파이트 재료의 제 1 본체로부터 회수된 열의 감소를 보상하도록 되어 있는 제어 시스템을 포함하는, 온도 보상 열 저장 및 회수 시스템이 제공된다.

상기 시스템은 선택적으로 상승된 온도에서 열 에너지를 저장하도록 되어 있는, 고체 그라파이트 재료의 하나 이상의 추가 본체 또는 본체들을 포함할 수 있고, 또한 고체 그라파이트 재료의 추가 본체 또는 본체들과 열교환 관계에 있는 하나 이상의 추가 열교환기들, 및 추가 열교환기들에 동작가능하게 접속되어, 작동유를 그 소스로부터 하나 이상의 추가 열교환기들을 통해 작동유의 열에너지의 일부가 이용될 수 있는 디바이스로 안내하는 하나 이상의 추가 작동유 회로들을 포함할 수 있고, 상기 또는 각각의 추가 작동유 회로는 개폐되도록 되어 있는 제어 밸브를 포함한다.

따라서, 상기 시스템은 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 이상의 추가 열교환기들 및 열 저장 블록들 또는 블록들의 쌍들 또는 세트들을 포함할 수 있다. 각각의 열 저장 블록 또는 열저장 블록들의 쌍 또는 세트는, 상기 시스템이 본 발명에 따라 시스템의 구성 및/또는 확장을 용이하게 하기 위해 단일 형태로 제조될 수 있는 모듈러 시스템(modular system)으로서 만들어지는 것을 허용하도록, 대응하는 열교환기 또는 열교환기들의 쌍 또는 세트와 연관될 수 있다.

상기 열은 작동유로 전달되는 잠열(latent heat) 및/또는 현열(sensible heat) 형태로 회수될 수 있다. 가스 또는 액체 증기의 형태로 전달되는 열은 터빈을 구동하기 위해 이용될 수 있다. 작동유는 물일 수 있다.

본 발명의 제 12 양상에 따르면, 열을 열 저장 매체로부터 회수할 때, 열 저장 매체의 온도 감소를 보상하는 방법에 있어서,

- 상승된 온도에서 고체 그라파이트 재료의 제 1 본체에 열을 저장하는 단계;

- 상기 고체 그라파이트 재료의 상기 제 1 본체와 열교환 관계에 있는 제 1 열교환기 내의 제 1 작동유를 가열함으로써 상기 고체 그라파이트 재료의 상기 제 1 본체로부터 열 에너지를 회수하는 단계;

- 제 1 작동유 회로 내의 상기 제 1 작동유를 상기 작동유의 상기 열 에너지의 일부가 이용될 수 있는 장치로 안내하는 단계;

- 상승된 온도에서 고체 그라파이트 재료의 제 2 본체에 열을 저장하는 단계;

- 고체 그라파이트 재료의 상기 제 2 본체와 열교환관계에 있는 제 2 열교환기 내의 제 1 작동유를 가열함으로써 고체 그라파이트 재료의 상기 제 2 본체로부터 열 에너지를 회수하는 단계;

- 제 2 작동유 회로 내의 상기 제 2 작동유를 이와 같은 작동유의 상기 열에너지의 일부가 이용될 수 있는 장치로 안내하는 단계; 및

- 작동유 또는 많은 양의 작동유가 상기 제 2 열교환기에서 가열되게 함으로써, 고체 그라파이트 재료의 제 1 본체의 온도 강하의 결과로서 고체 그라파이트 재료의 상기 제 1 본체로부터 회수된 열의 감소를 보상하는 단계를 포함하는, 열 저장 매체의 온도 감소를 보상하는 방법이 제공된다.

상기 또는 각각의 열교환기의 튜브들은 고체 그라파이트 재료의 본체와 직접 접촉할 수 있고, 그 표면과 실질적으로 평행한 관계로 배열될 수 있다. 대안으로, 상기 또는 각각의 열교환기의 튜브들은 2개의 인접한 블록들 사이에 클램핑될 수 있다.

본 발명의 이 실시예 및 다른 실시예들에서, 열교환기 또는 이들의 임의의 부분, 예컨대 상기 튜브들이 강(steel)으로 만들어지는 경우, 및 열교환기(들)가 고온에서 그라파이트와 직접 접촉되어 있는 경우에, 상기 강은 고온 그라파이트로부터 고온 강의 표면으로 이동하는 탄소 분자들에 의해 탄소처리될 수 있다.

상기 강의 탄소처리를 피하기 위해, 적절한 도전 재료가 열교환기(들)의 튜브들과 그라파이트 사이에 놓일 수 있다.

800 또는 900℃까지의 온도에 있어서, 고 니켈강 합금들(high nickel steel alloys)이 열교환기(들)의 구성 재료로서 사용될 수 있다.

열교환기(들)의 검사 및 유지보수 뿐만아니라 조립을 용이하게 하기 위해, 고체 그라파이트의 본체들 중 하나 이상에는 공동(cavity)이 제공될 수 있고, 공동내에 수용된 하나 이상의 열교환기들이 제거 및 교환될 수 있도록, 이 공동은 블록에 제공되거나 분리가능하거나 제거 가능한 인서트(insert) 또는 서브조립체(subassembly)의 부분들 또는 세그먼트들 사이에 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 다양한 소스들로부터 유도된 열 형태로 에너지를 포획하고 저장하는 데 사용될 수 있다. 저장 장치로의 입력 에너지는 전기 저항 가열 소자들에 대한 전기, 집중된 광 비임(들) 또는 산업 공정으로부터의 폐열 형태의 태양 에너지일 수 있다. 에너지가 전기인 경우에, 상기 입력은 공급 기간에 걸치 가격 차이들의 이점을 취하기 위해 그리드 접속 전력으로부터, 또는 윈드 터빈(wind turbine) 또는 공기 흐름에 파워가 공급되는 전기 발생기들(air flow powered electrical generators), 광전지 셀들(photovoltaic cells), 또는 파도 또는 조수 흐름 전기 발생기들과 같은 재생 가능한 소스들로부터 올 수 있다.

본 발명의 장치에 저장된 에너지는 기전력으로서 열을 이용하는 다양한 기술들에 이용될 수 있다. 가장 간단한 것은 다양한 공정 사용들을 위해 보일러 생성 증기로서 저장 장치를 이용하는 것이다. 전기를 생성하기 위해, 상기 열에너지는 작동유를 가열하여 터빈/발전기 또는 모터/발전기를 구동하는 데 사용될 수 있다. 고온 가스는 가스 터빈 또는 연소식 모터 발전기(combustion motor generator)를 위한 기전력으로 사용될 수 있다. 대안으로, MHD(Magnetohydrodynamic) 발전, 열이온 방출 발전(Thermionic Emission generation), 또는 스터링 엔진(Stirling Engine)/발전이 이용될 수 있다. 상기 장치는 가스 터빈 또는 내연 기관/발전기를 위한 연료 또는 연소 공기를 위한 예열기로서 사용될 수 있다. 가장 단순한 상업적 발생 옵션은 증기를 발생시켜 터빈/발전기 또는 모터/발전기를 구동하는 데 저장 장치를 사용하는 것이다.

작동유

작동유는 증기를 형성하기 위해 증발될 수 있는 물일 수 있다. 물/증기에 대한 대안으로서, 다른 작동유들의 범위가 열을 전달하기 위해 또는 터빈 또는 모터에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 작동유는 그것이 열 저장 동작 온도 범위 내에서 용융 및/또는 증발되는 한 실온에서 액체 또는 고체일 수 있다. 액체 작동유는 메탄올, 에탄올 또는 이소프로파놀과 같은 알콜, 에틸렌과 같은 탄화수소, 또는 수은과 같은 금속으로부터 선택될 수 있다.

작동유가 실온에서 고체인 경우에, 그것은 리튬 질산염과 같은 염(salt), 황과 같은 비금속 원소 또는 비스무스, 주석 또는 안티몬과 같은 금속 원소일 수 있다.

특정 작동유는 그 열 용량, 열 저장 동작 온도 범위에 대한 그 용융점 또는 끓는점 또는 그것의 열교환기 재료에 대한 부식 및 퇴적 효과들(fouling effects)의 결여(lack)에 대해 선택될 수 있다. 물이 스테인레스 강 또는 고 니켈 튜브 또는 파이프 열교환기들에 사용될 때, 상기 물은 고순도, 전형적으로 최대 이물질 포함 레벨이 50 ppb(parts per billion)인 것이 바람직하다.

기체 작동유는 암모니아, 질소, 헬륨 또는 아르곤과 같은 불활성 가스, 이산화 탄소 또는 부탄 또는 펜탄과 같은 탄화수소 가스로부터 선택될 수 있다.

열 저장을 위한 열 절연체

절연체는 그라파이트 재료 본체로부터의 열 손실을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 열 전달은 복사, 대류 및 전도를 통해 일어난다.

복사열 전달은 코어의 후방을 향해 열 에너지를 반사시킴으로써 향상될 수 있다. 반사 재료들의 층들이, 예컨대 내화 금속들(예컨대 몰리브덴), 그라파이트, 스테인레스강들 또는 요구 온도에서 작동할 임의의 다른 재료들이 반사 라이닝(reflective lining)으로서 이용될 수 있다. 필수적인 것은 아니지만, 이들 반사형 절연체들을 경량 다공성 재료들 예컨대 셀룰러, 섬유질, 또는 느슨하게 팩된 입상 형태의 알루미나, 탄소, 실리카, 산화 지르코늄, 알루미노실리케이트, 다양한 알칼리 실리케이트들, 첨정석(spinel) 을 조합하는 것이 일반적이고, 더 전형적인 것은 많은 이들 형태들을 조합하는 것이다. 이들 절연 재료들은 보드(board), 블록 또는 벽돌(brick)과 같은 강성 형태(rigid form) 또는 느슨한 섬유와 같은 유연한 형태 또는 블랭킷 형태(blanket form)일 수 있다. 입상 절연체는 알루미나, 실리카, 알루미노실리케이트, 알칼리 실리케이트, 알루미나 입자들, 질석(vermiculite), 펄라이트(perlite), 세노스피어들(cenospheres) 또는 임의의 다른 적합한 다공성 미입자들일 수 있다.

전도(conduction)는 낮은 체적 밀도의 절연체에 의해 또는 다수의 구멍들(voids) 또는 흐르지 않는 공기(stagnant air) 또는 가스 공간들을 배치함으로써 극복되거나 향상될 수 있다. 절연층 내에서의 대류 전달은 폐쇄 셀 절연체(closed cell insulation)에 의해 최소화될 수 있다.

이들 3개의 열 전달 모드들은 열 손실들을 최소화하기 위해 가장 좋은 열 절연체 설계를 달성하도록 균형이 맞춰져야 한다. 절연 재료들 및 라이닝 두께(lining thickness)의 최종 선택은 포함되는 데 요구되는 온도 및 허용될 수 있는 열 손실들에 의존한다.

절연체의 최대 동작 온도 평가는 재료들이 동작하는 조건들에 의존한다. 산화 또는 부식 가스들의 존재는 반사 절연체의 반사도를 감소시키므로 이들의 효율성을 감소시킬 것이다. 고진공상에서의 그라파이트 반사기들은 약 +3000℃까지 유효할 수 있고, 한편 전형적으로 섬유질 절연 알루미노실리케이트 내화재들(refractories)은 통상 약 1400℃로 제한될 수 있다. 섬유질, 발포 또는 입상 절연체들은 모두 고유하게 큰 표면적들을 가지며 그래서 이들은 기체 작용제들에 의해 공격받기 쉽다.

섬유질 알루미나는 약 1600℃까지 사용될 수 있고 발포 탄소는 특정 응용들에서 약 3000℃까지 사용될 수 있다. 이들 재료들은 보통 외부 재킷, 챔버 또는 인클로저를 통해 층들을 형성하는 낮은 내화도의 재료들을 갖는 복합 라이닝의 고온면(high temperature face)으로서 사용될 수 있다.

열교환기 튜브들 또는 파이프들을 위한 금속들

열 저장 장치로부터 열로서 에너지를 추출하는 데 이용되는 열교환기는 튜브들 또는 파이프들을 포함할 수 있다. 작동유를 포함하는 용기(vessel)가 작동유 동작 온도 범위 및 압력에서 동작할 수 있는 한 금속 또는 비금속 재료 중 어떤 행태라도 사용될 수 있다.

열교환기는 금속일 수 있다. 이용될 재료는 작동유, 주위 열 저장 및 분위기의 압력 및 온도를 포함하는 동작 조건들에 의존한다. 파이프들 또는 튜브들은 바람직하게는 심리스 구조(seamless construction)로 만들어진다. 열교환기의 구조 및 설계에 사용되는 금속 또는 금속 합금은 바람직하게는 설계 요건들을 만족시킬 수 있고, 다음과 같은 것일 수 있다:

AS1210-1997: 압력 용기들

AS4041-1998/Amdt. 1-2001: 압력 파이핑

AS1228-1997/Amdt. 1-1998 : 압력 장비-보일러들

ASME 보일러 및 압력 용기 코드-2004

ASME831.1-2001: 파워 파이핑

DIN En 13445-2002: 그 시간에 이용 가능한 개선된 또는 관련 표준들로서의 불에 타지 않는 압력 용기들.

낮은 온도의 사용 종료시, 300 시리즈 스테인레스강들이 이용될 수 있는 데, 이 300 시리즈 스테인레스강들은 304 (UNS # S30400), 316 (UNS # S31600), 321 (UNS # S32100), 347 (UNS # S34700), 309 (UNS # S30900), 310 (UNS # S31000), 이들의 유도체들 및 유사 합금을 포함하지만 배타적이지 않다. 다른 스테인레스강들은 153MA (UNS # S30415), 235MA (UNS # S30815) 및 353MA (UNS# S35315), 이들의 유도체들 및 유사 합금들을 포함한다.

(상기 합금들 304, 321, 347 및 253MA이 파이프들이 경험할 수 있는 최대 온도가 500℃인 증기 응용들에, 전형적으로는 <400℃의 증기 터빈 동작 온도들에 대해 가장 적합하다).

동작 온도가 증가함에 따라, 이 후 금속 요구 조건은 600 및 800 시리즈들과 같은 고 니켈 합금들로 이동하며, 이 600 및 800 시리즈는 600 (UNS # N06600), 601 (UNS# N06601), 602CA (UNS # N06025), 625 (UNS # N06625), 690 (UNS # N06690), 800 (UNS# N08800), 825 (UNS # N08825), 이들의 유도체들 및 유사 합금들을 포함하지만 배타적이지 않다. 또한 N (UNS # 10003), X (UNS # 06002)을 포함하는 합금들의 헤이스텔로이 범위(Hastelloy range)의 다른 고 니켈 합금들 및 HR-120 (UNS # N08120), HR-160 (UNS # N12160), 230 (UNS # N06230), 556 (UNS # R30556)과 같은 전문가 헤인즈 합금들(specialist Haynes alloys), 이들 유도체들 및 유사 합금이 있다.

합금들 600, 800H 및 헤인즈 556이 약 500℃의 증기 터빈 동작 온도에 대해 파이프들이 경험할 수 있는 최대 동작 온도가 900℃인 증기 응용들에 가장 적합하다. 여기에 나열된 상기 합금들은 최대 사용 온도를 증가시키는 순서로 되어 있다.

다음의 코드들은 열교환기 튜브들을 위한 구성 재료를 선택하는 데 적합하다: ASME B31.1-2001 : 파워 파이핑 코드, 및 ASME 보일러 및 압력 용기 코드-2004.

보일러 튜브들에서 허용 가능한 최대 온도는 또한 이들이 경험할 수도 있는 압력에 의존한다. 전형적으로 임의의 주어진 합금에 있어서, 포함된 액체의 동작 압력이 증가하기 때문에, 사용 최대 온도는 감소한다. 이들 변경들을 개략 나타낸 테이블들은 ASMEB31. 1-2001: 파워 파이핑 또는 관련 등가 표준들내에 포함된다.

제어 원리(Control Philosophy)

분위기(atmosphere )

그라파이트 본체는 챔버 또는 인클로저에 위치될 수 있다. 보호 분위기가 ㅊ챔버 또는 인클로저에 사용되어 그라파이트가 산화로부터 보호된다. 이것은 부분 진공을 유지하고 및/또는 질소와 같은 불연 가스 또는 헬륨 또는 아르곤과 같은 ㅂ불활성 가스들 중 하나를 이용함으로써 달성될 수 있다.

낮은 양의 압력 가스(low positive pressure gas)가 원하는 한계들(limits) 내에서, 챔버 또는 인클로저 내에 유지되어야 한다. 상기 압력은 약 2barA에서 밀리바(millibar) 레벨의 설정점을 가질 수 있다. 압력은 + 또는 - 50%의 설정점값의 범위에 유지될 수 있지만 바람직하게는 + 또는 -1% 이하로 유지될 수 있다. 압력 제어의 램핑(ramping)은 전형적으로 PID 컨트롤러(proportional-integral-derivative feedback control)를 이용하여 달성될 수 있다.

챔버 또는 인클로저 내의 분위기는 유지되어야 하는 특정 압력에 의존하여, 질소와 같은 불연성 가스 또는 헬륨 또는 아르콘과 같은 불활성 가스들 중 하나일 수 있다. 요구 압력이 감소되기 때문에, 챔버 또는 인클로저의 구조적 강도가 증가될 필요가 있다.

일 예에서 5 내지 15밀리바의 동작 압력이 사용될 수 있다. 압력이 약 1밀리바로 낮아지면, 코로나 방전(corona discharge)이 전기 접속들 주위에서 문제가 된다. 그러나, 동작 압력이 더 떨어지면, 약 900 마이크로 바로 떨어지면, 코로나 방전은 회피될 수 있다.

압력이 분위기 압력 위로 증가할 경우, 챔버 또는 인클로저의 구조적 강도도 증가될 필요가 있다. 열 저장 챔버 또는 인클로저에 대한 구조적 강도 요건을 최소화하기 위해, 동작 압력은 분위기 압력 바로 위로 유지될 수 있다. 상기 분위기는 성질이 불연성 또는 불활성이고 바람직하게는 분위기 압력 바로 위의 압력으로 유지되어 산소의 진입이 최소화되거나 회피될 수 있다.

동작 중, 챔버 또는 인클로저 내의 압력은 포함된 분위기의 팽창 및 수축으로 인해 변한다. 압력 제어는 재킷, 챔버 또는 인클로저 내의 압력을 모니터링함으로써 그리고 압력이 특정 최대 설정점에 도달할 때 배기 밸브를 개방하거나 압력이 최소 압력 설정점으로 떨어질 때 챔버 또는 인클로저에 대한 분위기 가스 공급 밸브를 개방함으로써 달성된다.

압력은 전형으로 200PaG와 400PaG 사이에서 전형적으로 유지된다.

열 저장 및 가열 시스템(ThermalStorage & Heating System )

그라파이트 블록은 바람직하게는 그 중심에서, 바람직하게는 그 중심 주위의 그라파이트의 하나 이상의 층들 및 그 중심 주위의 열교환기 모듈 블록들의 2개 이상(의 층들)과 함께 가열된다. 상기 층들에는 절연체가 개재될 수 있고 열교환기 블록 층들은 열 저장 온도, 열 에너지의 추출 비율 및 요구되는 온도 프로파일에 의존한다.

상기 장치는 원하는 동작 온도에 도달될 때까지 전력이, 가열 요소들에 인가되도록 동작된다. 일단 이러한 온도에 도달하면, 요소들로의 파워가 오프로 되고 온도가 최소 설정점으로 떨어질 때까지 다시 온으로 되지 않는다. 파워의 인가 비율들의 램핑은 전형적으로 PID 컨트롤러((proportional-integral-derivative feedback control)를 이용하여 달성된다.

최대 저장 온도는 금속 열교환기가 안전하게 동작될 수 있는 온도로 설명된다. 열전쌍(thermocouple)이 온도를 측정하기 위해 제공될 수 있다. 최대 동작 온도가 초과되지 않도록 보장하기 위해 열교환기에 인접하여 위치될 수 있다.

가열 요소들(heating elements)이 있는 그라파이트의 중심은, 가열 요소들과 열교환기 사이에서 저장 및 열교환기의 절연된 층들을 가로질러 일어나는 온도 기울기에서 이점이 취해질 수 있기 때문에, 에너지가 블록으로부터 회수하고 있을 때의 최대 온도로 가열될 수 있다.

열교환기 및 저장 블록

열교환기에 사용될 재료들은 작동유, 유체 작동 압력, 유체 온도에 의존할 것이다. 전형적인 작동유는 물/증기가 단지 옵션으로서 고려되지 않아야 하지만 물/증기이다. 폐쇄 사이클 터빈(closed cycle turbine)을 구동하기 위한 가스들 또는 유기 작동유들의 사용이 또한 본 발명에 의해 예견된다.

전형적으로 증기 터빈에 접속된 열 저장 장치용 작동유는 10 내지 100 바(bar)의 압력에서 물/증기이다. 이 증기는 900℃의 온도에 있는 열 저장 장치의 일부에 임베딩된 열교환기로부터 생성된다. 공정 증기의 통상의 요건은 전형적이지만 배타적이 아닌, 6 내지 10 바 포화 증기이다. 열 저장장치로부터 에너지를 회수하기 위해 사용되는 열교환기는 전형적으로 사용하게 될 열교환기 튜브들의 수가 요구 출력에 부합하도록 변경될 수 있는 금속 직관형 증기 발생형 시스템(metallic once through steam generation type system; OTSG)이다. 온도가 블록의 일부분에서 감소하기 때문에, 블록의 다른 부분은 과열된 증기를 발생하기 위해 사용될 수 있고 폐영역(depleted area)은 과열 부분을 위한 예열기로서 작용할 수 있다. 이러한 유형의 보일러는 부포화 가열(Sub Saturation heating)을 위한 제 1 스테이지 및 과열 온도들로 증기를 만들기 위한 제 2 스테이지를 갖는 스테이지드 OTSG(Staged OTSG)로서 기술될 수 있다. 증기 드럼(steam drum)은 이들 스테이지들 사이에 제공될 수 없다. 이러한 관례(practice)를 따름으로써, 저장장치로부터 추출될 수 있는 에너지의 양이 최대로 될 수 있다.

2개 이상의 저장 블록들 및 2개 이상의 열교환기 블록들이 제공될 수 있다. 어떤 것이든 STG를 작동시킬 수 있는 충분한 열교환기 길이를 가질 수 있다. 가능하다면, 터빈 증기로부터 추출된 증기는 급수(feed water)를 특정 동작 압력에 대해 포화 온도에 접근하는 온도들로 예열하는 데 이용할 수 있다. 동작시, 적어도 하나의 블록들은 가능한 최고 온도에 있을 필요가 있고, 그래서 이들 모두를 동일 온도로 가열하는 것보다는 오히려 적어도 하나의 블록이 항상 더 고온으로 유지될 수 있다.

블록 온도는 얼마나 많은 열교환기 튜브들이 서브 포화된 물 가열 또는 증기 생성을 위해 동작할 수 있는가를 결정한다. 임의의 시간에 동작하는 튜브들의 수는 필요한 처리량 및 그라파이트와 작동유 사이의 온도차에 의존한다. 이용되는 튜브 파이프들의 수는 동작 온도 범위에 걸쳐 5 또는 20배 이상으로 변할 수 있다. 튜브 파이프들의 최소 수는 온도차가 가장 클 때 이용될 수 있지만 이러한 차이는 열교환기 면적을 감소시키기 때문에 증가시킬 필요가 있을 수 있다.

2개의 블록들이 상이한 온도들에 있기 때문에, 이들은 상이한 압력들에서 동작될 수 있다. 더 높은 압력, 더 낮은 온도의 블록이 압력 감소 밸브를 통해 더 높은 온도의 블록에 접속될 수 있다. 압력 감소 밸브는, STG 요구들에 의해 제어되는 설정 압력으로, 제 2의 더 높은 온도의 블록의 압력을 제어할 수 있다.

다음은 열 저장 장치가 동작될 수 있는 방법에 대한 몇가지 설계 옵션들이다:

옵션 1

하나의 블록이 습관적으로 고온 블록 더 높은 온도의 블록을 위한 물을 예열하기 위해 냉각기 블록으로 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 에너지 추출이 최소화될 수 있다. 이것은 엄밀히 말하자면 동작의 OSTG 원리를 위반하지만 가장 단순한 옵션이며 가장 간단한 제어 옵션이다.

옵션 2

다른 옵션은 고온, 전형적으로 약 1000℃로 올라간 저장장치의 중심 코어를 가지는 것이다. 상기 코어는 열교환기들을 포함하는 블록들 또는 외부층들로부터 그것을 분리하는 절연체를 가질 수 있다. 상기 장치로부터 적어도 에너지의 최소 감소(drawdown)가 있을 수 있기 때문에, 상기 열교환기 섹션에서의 온도는 자체 조절되는 것으로 예상된다. 또한 더 낮은 온도에서 동작될 수 있는 내부 열교환기 층 주위에 제 2 층이 있을 수 있다. 블록이 충분한 양의 증기를 생산할 수 없을 때까지 열은 먼저 외부 열교환기로부터 회수될 수 있다.

이후 외측 열교환기는 내측 열교환기를 위한 물을 예열하기 위해 사용될 수 있다. 저장 블록들의 다른 하나는 대안으로 더 높은 온도의 저장 블록을 위한 예열기로서 사용될 수 있다. 이러한 설계의 이점은 저장장치의 외측 에지 근방의 블록 표면이 더 낮은 온도에 있을 수 있고 그래서 챔버 또는 인클로저 표면 온도가 낮아져, 열 손실들을 감소시킬 것이라는 것이다.

조절 작용 및 증기 량(Attemperation and steam Quality)

다량의 유량이 급수의 유량 및 급수에 대한 온도을 모니터링하여 유지된다. 하나의 급수 펌프가 열 저장 보일러를 위한 급수와 과열저감기(desuperheater) 물 양자에 사용될 수 있다. 전체 유량은 급수에 의해 설정될 수 있고 반면 과열저감기 제어 밸브는 과열저감기에 의해 사용되는 이러한 급수의 비(proportion)를 제어할 수 있다. 이것은 열 저장장치로부터의 가변량 증기가 일정량 및 질로 공정 요건 또는 모터 또는 터빈에 공급될 수 있다는 것을 의미한다.

공정, 모터 또는 터빈에 대한 필요 증기 질량 수요량이 결정되고 이후 이러한 설정이 급수 펌프에 유지된다. 과열방지기(attemperator)로 가는 이러한 물의 비가 열교환기를 떠나는 증기의 온도에 의해 결정된다. 상기 과열저감기 유량은 열 저장장치로부터의 증기의 온도가 증가할 때 증가한다. 열교환기에 의해 생성된 증기의 양은 얼마나 많은 열교환기 파이프들이 저장 블록 온도를 작동하고 있는가에 의존하여 변할 수 있다.

증기 생성

저장 블록은 증기 생성을 위해 사용될 수 있다. 열교환기에 의해 생성된 증기는 얼마나 많은 열교환기 면적이 이용되는가 그리고 저장 블록 온도에 의존하여 변할 것이다. 열교환기를 떠난 후, 상기 증기는 전형적으로 거의 포화 상태로, 요구 증기 조건들로 조절된다.

증기 터빈 동작

전형적으로 고효율 증기 터빈은 약 500℃ 및 약 60 바의 압력에서 동작한다.

증기 터빈에 의해 요구되는 증기 온도는 증기가 증기 터빈에 도달하기 전에 열 저장 장치를 떠나는 증기의 조절에 의해 유지될 수 있다.

이하, 본 발명의 최선의 형태들은 첨부 도면들을 참조하여 예로서 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예의 개략도.

도 3a는 본 발명에 따른 장치를 통합하는 전력 생산 플랜트의 일 실시예를 나타낸 개략 흐름도.

도 3b는 보일러 및 도 3a 장치의 부분을 형성하는 과열기 튜브들을 위한 전형적인 레이아웃을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예를 통합하는 열 저장 및 전력 생산 플랜트를 나타낸 개략 흐름도.

도 5는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예를 통합하는 열 저장 및 전력 생산 플랜트를 나타낸 개략 흐름도.

도 6는 본 발명의 다른 양상에 따른 온도 보상 열 저장 및 회수 시스템의 전 개도를 나타낸 개략 흐름도.

도 7은 증가하는 온도에서 1톤의 그라파이트에 저장될 수 있는 에너지의 양을 나타낸 그라프.

도 8은 본 발명에 따른 열 저장 장치의 또 다른 실시예의 개략도.

최선의 실시예의 상세한 설명

도 1에는 열 에너지를 저장하는 장치(10)의 일 실시예가 도시되어 있다. 상기 장치(10)는 0.5 중량 %이하의 불순물들을 함유하는 고순도 그라파이트의 본체(12)를 포함한다. 상기 장치(10)는 열을 본체(12)에 전달하는 수단(14)을 포함하고, 상기 수단(14)은 전극(16) 및 저항기(18)를 포함한다. 상기 저항기(18)는 본체(12)의 상면(12.1)으로부터 그 표면으로부터 떨어져 있는 본체(12) 내의 지점(12.2)로 연장하는 보어 또는 웰(20) 내에 위치된다.

세라믹 튜브(ceramic tube)(22)는 보어 또는 웰(20)에 끼워진다. 그러나 그 직경은 보어 또는 웰(20)의 직경보다 작아, 튜브(22)의 외면과 보어 또는 웰(20)의 내면 사이에 환형 공간(20.1)을 생기게 한다.

상기 전극(16)은 스템부(16.1) 및 기초부(16.2)를 포함한다. 베이스부(16.2)는 입상 그라파이트 또는 탄소의 혼합물 내에, 저항기(18)를 구성하는 세라믹 미립자들과 함께 또는 세라믹 미립자들 없이 임베딩된다. 열 전연체(24)는 베이스부(16.2)의 상면(16.21)과 본체(12)의 상면(12.1) 사이의 공간을 덮는다. 다른 열 절연체(도시하지 않음)가, 본체(12)로부터 환경으로의 열 손실을 방지하기 위해, 본체(12)의 상면(12.1) 위에 제공될 수 있다.

상기 장치(10)는 또한 상기 본체(12)로부터 열을 제거하거나 추출하는 수단(26)을 포함하고, 상기 수단(26)은 환형 공간(20.1) 내에서 웰(20) 내측에 부분적으로 위치된다. 상기 수단(26)은 나선형 코일(26.2)의 형상으로 성형된 튜브(26.1)의 형상으로 되어 있다. 사용시, 전기 에너지는 전극(16)의 스템부(16.1)를 통해 장치(10)로 안내된다. 전기는 베이스부(16.2)로부터 입상 그라파이트 또는 탄소의 혼합물로, 저항기(18)를 구성하는 세라믹 미립자들과 함께 또는 세라믹 미립자들 없이 전달된다. 저항기(18)의 저항에 의해, 열은 전기가 저항기(18)를 통해 흐를 때 발생된다. 상기 열은 고순도 그라파이트(12)의 본체에 의해 저항기로부터 멀리 전달된다. 장치(10)로부터 열을 추출할 필요가 있을 때, 물이 튜브(26.1)를 통해 통과된다. 고순도 그라파이트 재료(12)의 본체의 온도가 튜브(26.1)를 통과한 유체의 온도보다 높은 한, 열은 그라파이트(12)의 본체로부터 상기 유체로 흐를 것이다. 상기 유체는 물일 수 있고 그것이 튜브(26.1)를 통과할 때, 그것은 과열된 증기로 될 수 있는 증기로 변환될 수 있다.

도 2에는 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예가 열 저장 블록 조립체(210)의 형태로 도시되어 있다. 상기 열 저장 블록 조립체(21)는, 좌변(212.2), 바닥(212.3) 및 전 및 후변들(도시하지 않음)을 가진 상자형 외부 스틸 케이싱(212)을 포함한다. 덮개(lid)(212.4)는 상부를 덮는다. 바닥(212.3)은 한쌍의 비임들(212.5)에 의해 지지되어 상기 장치(210)는 포크리프트 트럭(forklift truck)에 의해 용이하게 운송될 수 있다.

외부 스틸 케이싱(212) 내에는, 5개의 세라믹 지지체들(214.1, 214.2, 214.3, 214.4, 214.5)이 열 에너지를 저장하기 위한 고순도 결정성 그라파이트(216)의 고체 블록을 지지하기 위해 제공된다. 상기 저장 블록(216)은 대략 직사각형 단면으로 되어 있다. 상기 저장 블록(216)은 상기 세라믹 지지체들(213.1 내지 214.5)의 상면 위에 놓인 4개의 세라믹 절연체 타일들(218.1, 218.2, 218.3, 218.4)에 의해 상기 세라믹 지지체들(214.1, 214.2, 214.3, 214.5)로부터 분리되어 있다. 제조를 편리하고 용이하게 하기 위해, 상기 저장 블록(216)은 가까운 허용오차로 마무리된, 작은 블록들(도시하지 않음)로 만들어져서 이들은 함께 적층되었을 때 충분히 가까이 접촉하여 유지될 수 있어, 블록(216)에 도입된 어떤 열 에너지를 신속하게 분배하거나 상기 블록(216)으로부터 제거될 수 있다. 사용시 외부 스틸 케이싱(212) 및 그 내용물들은 외부 스틸 케이싱(212)의 내부로 들어온 불활성 가스에 의해 약간 정의 내압을 받을 수 있다.

환경으로 손실되는 열 에너지량을 방지하거나 감소시키기 위해, 열 절연체 재료(220)는 열 저장 블록(216)의 외면과 변들(212.1, 212.2), 바닥(212.3)과 스틸 케이싱(212)의 덮개(212.4) 사이에 채워지는 층들로 제공된다. 상기 열 절연체(220)는 상기 장치의 동작 온도까지의 온도들을 견딜 수 있는 적절한 재료의 층들로 제공된다. 1300℃까지의 범위에 있어서, "Kaowool" 또는 "Fiberfrax"와 같은 재료가 이용될 수 있다. 1300℃ 위의 그라파이트 저장 매체에 가까운 더 높은 온도 영역에서는 그라파이트 또는 산화물에 기초한 다른 절연체 재료들, 질화물 또는 탄화물계 펠트들(felts)이 3000℃까지의 온도에 대해 사용될 수 있다. 이들 재료들의 조합은 층들 사이의 경계 온도가 이들의 설계 최대 동작 온도들과 일치되도록 사용될 수 있다.

상기 열 저장 블록(216)은 필요할 때 4개의 저항기들(222, 224, 226, 228)에 의해 가열될 수 있다.

각각의 저항기들(222, 224, 226, 228)은, 저장 블록(216)의 상면으로부터 그 바닥면으로 연장하는, 저장 블록(216)에 제공되는 보어(bore)에 채워지는, 고순도 입상 탄소 조성물로 만들어진다. 저장 블록(216)의 바닥에서, 2개의 전기 접속기들(230, 232)이 저항기들(222, 224, 226, 228)을 각각 상호접속하기 위해 제공된다. 전기 접속기들(230, 232)는 3000℃까지의 온도들을 견딜 수 있는 적합한 도전 그라파이트로 만들어진다. 전기 접속기들(230, 232)은 저항기들(222, 224) 및 (226, 228)의 하단들과 각각 전기 접촉하고 있다. 탄소 함유 재료는 저항기들(222, 224, 226, 228)을 형성하도록 저장 블록(216)의 보어들에 채워지고, 각 저항기들의 상면은 각각 상면 위에 놓여 있는 터미널(234, 236, 238, 240)에 의해 각각 덮인다. 각 터미널(234, 236, 238, 240)은 기초부(234.1, 236.1, 238.1, 240.1) 및 기초부(234.1 내지 240.1)의 중심에 접속되고, 저장 블록(216)의 상면과 덮개(212.4) 사이에 제공된 절연체(220)에 수직으로 연장하는 중심 터미널 로드(234.2, 236.2, 238.2, 240.2)를 포함한다. 전기 도전체들(242, 244, 246, 248)은 각각 터미널(234, 236 및 238, 240)의 중심 터미널 로드들(234.2, 236.2, 238.2, 240.2)에 각각 접속된다. 중심 터미널 로드들(234.2, 236.2, 238.2, 240.2)이 절연체(220)로 연장하기 때문에, 이들의 말단들은 사용시 이들 각각의 기초부들(234.1, 236.1, 238.1, 240.1)보다 낮은 온도들에서 동작하고 있다.

저장 블록(216)의 하변(216)은 전기 절연 패드(250)에 의해 전기 접속기들(230, 232)로부터 전기 절연된다. 절연 패드(250)에는 저항기들(222, 224, 226, 228) 중 하나의 하단들에 각각 대응하는 4개의 구멍들이 제공되어, 저항기들(222, 224, 226, 228)이 상기한 바와 같이 접속기들(230, 232)과 전기 접촉하게 할 수 있다.

제거 가능 열교환기 조립체(252)가 상기 열 저장 블록(216)으로부터 열 에너지를 제거할 필요가 있을 때는, 상기 열 저장 블록(216)으로부터 열 에너지를 제거할 목적으로 저장 블록(216) 중심에 제공된다. 제거 가능 조립체(252)는 튜브들이 동작 중 공동(258)의 내면들과 긴밀하게 접촉하는 관형 열교환기(도시하지 않음)를 수용하기 위해 2개의 그라파이트 블록 세그먼트들 사이에 공동(238)을 함께 정의하는 2개의 그라파이트 블록 세그먼트들(254, 256)을 포함한다.

상기 열교환기들은 650℃ 이상 900℃이하의 온도들에서 동작할 수 있는 고니켈 합금 튜브들로 제조된다.

상기 장치(210)를 조립하기 위해, 열 절연체(220)가 그 변들 중 하나, 즉 변(212.1)으로부터 외부 스틸 케이싱으로 충전된 다음, 상기 세라믹 지지체들(214.1 내지 214.5)이 삽입된다. 열 절연체는 또한 인접 세라믹 지지체들(214.1 내지 214.5) 사이에 제공된다. 그 다음 전기 절연체들(218.1 내지 218.4), 전기 접속기들(230, 232) 및 전기 절연체 패드(250)가 도입된다. 이후, 열 저장 블록(216)의 구성 블록들은 케이싱(212)에 배치되고 저항기들(222, 224, 226, 228)은 입상 탄소질 재료를 그라파이트 재료의 블록들에 제공되는 보어들에 도입하여 채움으로써 제조된다. 그 다음 저항기들(222, 224, 226, 228)의 상면들 위에 터미널들(234, 236, 238, 240)을 배치한다. 도전체들(242, 244, 246, 248)이 중심 터미널 로드들(234.2, 236.2, 238.2, 240.2)의 말단들에 접속된다. 도전체들(242, 244, 246, 248)의 자유단들은 전기 공급장치에 접속된다. 끝으로, 저장 블록(216)의 구성 부분들을 함께 고정하는 압력을 제공하기 위해, 절연체(220)의 최종층들이 저장 블록(216)과 변(212.2) 사이의 외부 스틸 케이싱(212)에 삽입된다.

그라파이트 저장 블록(216)의 산화를 회피하기 위해, 이후 질소, 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스가 케이싱(212)에 도입되어 그것에 남을 수 있는 어떤 공기도 배출하고 그라파이트 및 다른 탄소질 재료가 상기 장치(210)의 동작 중 뜨거워질 때 공기의 진입을 방지한다.

양호한 열 접촉이 저장 블록들(254, 256)과 관형 열교환기(260) 사이에서 달성될 때, 1,000W/m² °K 보다 전체 열전달 계수가 달성가능하다는 것이 발견되었다. 이것은 매우 바람직하게는 종래의 연소식 증기 보일러에서 달성 가능한 약 60W/m²°K의 전체 열전달 계수와 비교하며, 종래의 연소식 증기 보일러에서 열은 연료의 연소에 기인한 고온 염관 가스들(hot flue gases)로부터 대류 열전달에 의해 보일러 또는 증기 튜브들 내의 물 또는 증기로 전달된다. 이와 같은 보일러들에서의 전체 열전달 계수는 이들 고온 가스(연소 생성물들)측 위에서, 보일러 튜브들 주위에 형성하고, 튜브로의 열 에너지의 전달을 금지하는 가스 필름에 의해 제한된다.

그것의 휠씬 높은 열전달 계수때문에, 상기 장치(210)의 부분을 형성하는 상기 열교환기(260)는 종래의 보일러 또는 과열기들(super heaters)에서 요구되는 것보다 훨씬 작을 수 있다.

제거 가능한 조립체(252)는, 치수 허용오차가 작도록 보장하기 위한 노력이 기우려 질 때, 개개의 접촉이 한편에서는 블록 세그먼트들(254, 256) 및 관형 열교환기의 튜브들 사이에서, 다른 한편에서는 블록 세그먼트들(254, 256)과 블록(216) 사이에서 달성될 수 있다는 이점을 제공하고, 따라서 열 전달을 촉진한다. 열교환기 조립체(252)의 제거가능성은 열교환기(260)의 검사 및 유지보수를 용이하게 한다.

도 2에는 단지 하나의 제거 가능한 열교환기 조립체(252)가 도시되어 있지만, 수개의 이와 같은 제거 가능한 열 교환 조립체들이, 저장 블록(216)으로부터 열 에너지의 회수를, 그것이 그렇게 할 필요가 있을 때, 용이하게 하기 위해 저장 블록(216) 전체에 걸쳐 분포된 여러 위치들에 제공될 수 있다. 유사하게, 4개의 저항기들(222, 224, 226, 228)만이 도시되어 있지만, 임의의 수의 저항기들이 저장 블록에 저장될 필요가 있는 열 에너지의 저장 블록(216)으로의 입력을 용이하게 하기 위해 제공될 수 있다. 저항기들 및 열교환기들의 수 및 분포는 그 응용 및 특정 응용에 사용될 그라파이트 재료의 도전율 및 열용량과 같은 물리적 특성에 의존할 것이다. 이들은 적당한 실험 및 노력에 의해 이 기술에서 숙련된 사람에 의해 결정될 수 있다. 사용중, 전기 에너지는 저항기들(222, 224, 226, 228)에 의해 열 에너지로 변환되어 열 에너지의 형태로 장치(210)에 저장된다. 이것은 전기를 도전체 들(242, 246)을 통해 터미널들(234, 238)로 안내함으로써 행해지고, 이것은 또한 전기를 저항기들(222, 226)로 안내한다. 저항기들(222, 224, 238, 240)의 하단들이 각각 전기 도전체들(230, 232)에 의해 상호접속되기 때문에, 도전체(242)를 통해 저항기(222)로 들어가는 전류는 전기 접속기(230)를 통해 저항기(224)로 안내되고 장치(210) 밖으로 터미널(236) 및 도전체(244)를 통해 안내된다. 유사하게, 도전체(246)를 통해 장치(210)로 들어오는 전류는 터미널(238)을 통해 저항기(226)로 안내되고, 거기로부터 전기 접속기(232)를 통해 저항기(228)로 그리고 장치 밖으로 터미널(240) 및 도전체(248)를 통해 안내된다. dc 전류가 사용되는 경우에, 전류의 흐름 방향은 상기한 것과는 반대일 수 있다. ac 전류가 사용되는 경우에, 전류의 흐름 방향은 교호할 것이다.

저항기들(232, 224, 226, 228)의 저항에 의해, 열은 전류가 저항기를 통해 흐를 때 발생된다. 이러한 열은 그것이 필요로 될 때까지 저장되어 있는 그라파이트 블록(216)을 통해 방산된다.

장치(210)로부터 열 에너지를 회수할 필요가 있을 때, 물과 같은 유체가 열교환기(260)를 통해 순환된다. 이것은, 그라파이트 블록(216)의 온도가 열교환기(260)를 통과하는 물의 온도보다 높은 한 열교환기(260)를 통과한 물에 열이 전달되게 한다. 상기 물은 증기를 형성하기 위해 증발될 수 있고, 이 증기는 바람직하게는 과열 증기를 형성하도록 더 가열되고, 이 과열된 증기는 전력을 발생하기 위해 터빈 또는 엔진을 구동하는 데 이용될 수 있다.

도 3a를 참조하면, 전력 생산 플랜트(28)는 전력을 발생할 수 있는 발전 기(32)를 구동하는 증기 터빈(30)을 포함한다. 라인(34)에 의해, 과열된 증기는 증기 터빈(30)에 공급된다. 과열된 증기는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 부분을 형성하는 입방체 형상의 그라파이트 블록(36)의 표면들 위에 나란히 배열된 과열기 튜브들(35)의 뱅크에서 발생되고, 여기서 오프-피크 시간들 동안 주 전기 공급 네트워크로부터 빠져 나온 전기를 이용하여 가열하는 저항으로부터 얻어진 열이 저장된다. 주 전기 공급이 본 발명의 이 실시예에서 언급되었지만, 그것은 전기의 소스가 상기한 것과 같이 변할 수 있고 바람, 수력 및 파도 에너지와 같은 재생 가능한 에너지 소스들로부터 회수되는 전기를 포함할 수 있고, 일부 기간들 중 그것의 이용 가능성은 그것의 요구를 초과하고 다른 기간들 중 그것의 수요는 그들의 이용가능성을 초과한다는 것을 알 수 있다.

그라파이트 블록(36)은 스틸 케이싱(38) 내에 위치된다. 추가의 그라파이트 블록(36)이 증기이 블록(36)에 의해 과열되는 방식과 유사한 방식으로 포화된 증기를 생성하기 위해 제공된다. 그라파이트 블록(40)은 스틸 케이싱(42) 내에 위치된다. 절연체(44)는 케이싱(42)과 블록(40)사이 및 케이싱(38)과 블록(36) 사이에 제공된다. 보일러 튜브들(46)은 블록(40)의 표면들을 따라 나란히 배열된다.

도 3b는 어떻게 도 3a의 보일러 튜브들(46)이 나란히 배열되고 적합한 합금으로 만들어진 전달판(transfer plate; 48)의 외면에 길이방향으로 용접되어 있는 가를 나타낸다. 전달판(48)의 내면은 합금으로의 탄소의 이동을 방지하기 위해 적합한 재료로 플라즈마 코팅되며, 여기서 더 낮은 등급의 합금들이 사용된다. 탄화는 합금의 기계적 특성들을 감소시키는 효과를 갖는다.

터빈(30)에 공급되는 증기의 온도, 압력 및 과열정도를 제어하기 위해, 증기 혼합/조절 유닛(50)이 제공되어 라인(52)을 통해 케이싱(38)으로부터 방출된 과열된 증기가 필요하다면 포화된 증기 라인(54)을 통해 케이싱(42)으로부터 방출된 포화된 증기와 혼합될 수 있다. 제어 밸브들(56, 58, 60)이 터빈(30)에 공급된 증기의 동작 조건들을 제어하기 위해, 도시된 것과 같이 라인들에 제공된다.

배출 증기는 임의의 하나 이상의 추출점들(70, 72, 74, 76)에서 증기 터빈(30)으로부터 추출될 수 있고, 재사용을 위해 재순환되는 응축물(condensate)을 형성하기 위해 응축되기 전에 급수를 예열하는 데 사용된다. 상기 응축물은 보일러 급수 탱크(80)로 되돌아간다. 동작 시, 전력 소비의 오프-피크 기간들 동안, 전력이 그라파이트 블록들(36, 40)에 임베딩된 저항기들(도 3a에는 도시되지 않음)에 의해 열로 변환되도록 전력 생산 플랜트(28)가 동작된다. 피크 기간들 중, 블록(40)에 저장된 열이 이용되어 블록(40)의 외면들 위에 배열된 보일러 튜브들(46)내의 물을 증발시키며, 그후 포화된 증기가 형성되고, 이것은 증기 드럼(55)에서 물로부터 분리된다. 상기 포화된 증기는 라인(54)에 의해 제어 밸브(58)를 통해, 그라파이트 블록(36)의 외면들 위에 배열된 과열기 튜브들(35)로 공급된다. 과열 후, 상기 증기는 과열된 증기 라인(52)에 제공된 제어 밸브(56)를 통해 방출된다. 상기한 바와 같이, 과열된 증기는 과열된 증기 라인(34)에 의해 증기 터빈(30)으로 공급되기 전에 증기 혼합 및 조절 유닛(50)을 통과한다. 과열된 증기의 과열 정도를 제어하기 위해, 과열기 튜브들(35)에서 생성된 과열된 증기는 필요 이상으로 과열될 수 있고 이후 터빈(30)에 공급된 증기의 과열 정도가 제어 밸브(60)를 동작시 킴으로써, 포화된 증기를 증기 드럼(55)으로부터 증기 혼합 및 조절 유닛(50)으로 들여옴으로써 증기 혼합 및 조절 유닛(50)에서 조절되어, 포화된 증기가 라인(61)을 통해 유닛(50)으로 흐르게 한다.

도 4는 열 저장 및 전력 생산 플랜트(428)의 일 실시예를 나타낸다. 상기 플랜트(428)는 발전기(432)를 구동하는 증기 터빈(430)을 포함한다. 라인(434)에 의해, 과열된 증기는 증기 터빈(430)으로 공급된다. 과열된 증기는 고순도 그라파이트 블록들(436.1, 436.2, 436.3, 436.4, 436.5, 436.6, 436.7, 436.8, 436.9, 436.10, 436.11, 436.12, 436.13, 436.14, 436.15, 436.16, 436.17, 436.18, 436.19)의 어레이 내부에 위치된 금속 튜브들(435.1, 435.2, 435.3, 435.4, 435.5, 435.6, 435.7, 435.8, 435.9, 435.10, 435.11, 435.12, 435.13, 435.14, 435.15, 435.16, 435.17, 435.18)의 18개의 뱅크들에서 발생되고, 금속 튜브들(435.1, 435.2, 435.3, 435.4, 435.5, 435.6, 435.7, 435.8, 435.9, 435.10, 435.11, 435.12, 435.13, 435.14, 435.15, 435.16, 435.17, 435.18)의 뱅크들 각각은 2개의 인접한 그라파이트 블록들 사이에 각각 개재되어 있다.

상기 그라파이트 블록들(436.1, 436.2, 436.3, 436.4, 436.5, 436.6, 436.7, 436.8, 436.9, 436.10, 436.11, 436.12, 436.13, 436.14, 436.15, 436.16, 436.17, 436.18, 436.19)은 스틸 케이싱(438) 내측에 위치되어 스틸 케이싱에 의해 둘러싸인다.

편리하게는 그라파이트 브록들의 산화를 방지하기 위해 불활성 가스를 포함하는 절연체 시스템(439)이 연강 케이싱(mild steel casing; 438)과 그라파이트 블 록들(436.1, 436.2, 436.3, 436.4, 436.5, 436.6, 436.7, 436.8, 436.9, 436.10, 436.11, 436.12, 436.13, 436.14, 436.15, 436.16, 436.17, 436.18, 436.19) 사이에 제공된다.

전기 에너지는 일련의 저항기들(418.1, 418.2, 418.3, 418.4, 418.5, 418.6, 418.7, 418.8, 418.9, 418.10, 418.11, 418.12, 418.13, 418.14, 418.15, 418.16, 418.17, 418.18, 418.19)의 저항가열에 의해 열 에너지로 변환되고, 도 1 및 도 2와 관련하여 기술된 것과 같이 이들 저항기 각각은 대응하는 그라파이트 블록(436.1, 436.2, 436.3, 436.4, 436.5, 436.6, 436.7, 436.8, 436.9, 436.10, 436.11, 436.12, 436.13, 436.14, 436.15, 436.16, 436.17, 436.18, 436.19)에 임베딩된다.

전기 에너지는 공급 그리드(443)로부터 공급되는 변환기(441)에 동작 가능하게 접속된 저장력 전기 공급 라인(439)을 통해 저항기(418.1, 418.2, 418.3, 418.4, 418.5, 418.6, 418.7, 418.8, 418.9, 418.10, 418.11, 418.12, 418.13, 418.14, 418.15, 418.16, 418.17, 418.18, 418.19)로 안내된다. 변압기(441)는 풍차(447)에 의해 구동되는 발전기(445)로부터 공급될 수 있다.

발전기(432)에 의해 발생된 전력은 변압기(433)를 통해 그리드(443)에 공급된다. 보일러 공급수 또는 응축물은 보일러 급수 라인(449)을 통해 금속 튜브들(435.1, 435.2, 435.3, 435.4, 435.5, 435.6, 435.7, 435.8, 435.9, 435.10, 435.11, 435.12, 435.13, 435.14, 435.15, 435.16, 435.17, 435.18)에 공급된다. 공급량은 제어 밸브(451)에 의해 제어된다. 증기 축적기(453)는 기동들(start-ups) 을 위한 증기를 제공할 수 있다. 상기 증기 축적기(453)는 라인(455) 및 제어 밸브(457)를 통해 스틸 튜브(435.1)의 증기 방출단 및 종래의 보일러와 같은 독립적인 증기 공급장치 또는 다른 장치(428)에 동작 가능하게 접속되어, 장치(428)가 기동될 때 증기는 증기 축적기(453)로부터 제어 밸브(459)를 통해 금속 튜브들(435.1, 435.2, 435.3, 435.4, 435.5, 435.6, 435.7, 435.8, 435.9, 435.10, 435.11, 435.12, 435.13, 435.14, 435.15, 435.16, 435.17, 435.18)의 뱅크에 공급될 수 있다.

터빈(430)에 공급되는 증기의 양을 제어하기 위해, 제어 밸브(456)가 제공된다.

동작시, 전력 발생 및 열 저장 플랜트(428)가 동작되어 전기 소비의 오프-피크 기간들 중, 전력이 저항기들(418.1, 418.2, 418.3, 418.4, 418.5, 418.6, 418.7, 418.8, 418.9, 418.10, 418.11, 418.12, 418.13, 418.14, 418.15, 418.16, 418.17, 418.18, 418.19)에 의해 열로 변환된다.

피크 기간들 중, 그라파이트 블록들(436.1, 436.2, 436.3, 436.4, 436.5, 436.6, 436.7, 436.8, 436.9, 436.10, 436.11, 436.12, 436.13, 436.14, 436.15, 436.16, 436.17, 436.18, 436.19)에 저장된 열이 이용되어 제어 밸브(456)를 통해 라인(434)에 의해 공급되는 과열된 증기를 발생하는 금속 튜브들(435.1, 435.2, 435.3, 435.4, 435.5, 435.6, 435.7, 435.8, 435.9, 435.10, 435.11, 435.12, 435.13, 435.14, 435.15, 435.16, 435.17, 435.18) 내의 보일러 공급수 및/또는 응축물을 증발시킨다.

도 4에 도시된 열 저장 및 전력 생산 플랜트의 실시예는 1회한 증기 발생기(once through steam generator; OTSG) 설계에 기초하고 있다. 또한 발명자들은 본 발명의 원리들은 도 5에 도시된 것과 같은 증기 드럼형 설계에 적용될 수 있다는 것을 예상한다.

따라서, 도 5는 열 저장 및 전력 생산 플랜트(528) 형태의 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 상기 플랜트(528)는 발전기(532)를 구동하는 증기 터빈(530)을 포함한다. 라인(534)에 의해, 과열된 증기는 증기 터빈(530)에 공급된다.

과열된 증기는 9개의 고순도 그라파이트 블록들(536.1, 536.2, 536.3, 536.4, 536.5, 536.6, 536.7, 536.8, 536.9)의 제 1 어레이 내측에 위치된, 과열기 튜브들(535.1, 535.2, 535.3, 535.4, 535.5, 535.6, 535.7, 535.8)의 8개의 뱅크들에서 발생되고, 과열기 튜브들(535.1, 535.2, 535.3, 535.4, 535.5, 535.6, 535.7, 535.8)의 뱅크들 각각은 2개의 인접한 그라파이트 블록들 사이에 각각 개재된다.

상기 그라파이트 블록들(536.1, 536.2, 536.3, 536.4, 536.5, 536.6, 536.7, 536.8, 536.9)은 연강 케이싱(538) 내측에 위치되어 연강 케이싱에 의해 둘러싸인다.

그라파이트 블록들의 산화를 방지하기 위해 진공 또는 불활성 가스를 포함하는 절연체 시스템(539.1)은 연강 케이싱(538)과 그라파이트 블록들(536.1, 536.2, 536.3, 536.4, 536.5, 536.6, 536.7, 536.8, 536.9) 사이에 제공된다.

상기 과열기 튜브들(535.1, 535.2, 535.3, 535.4, 535.5, 535.6, 535.7, 535.8)에는 증기 드럼(555)으로부터 제어 밸브(558) 및 증기 라인들(553, 554)을 통해 포화된 증기가 공급된다. 상기 증기 드럼(555)에는 19개의 고순도 그라파이트 블록들(540.1, 540.2, 540.3, 540.4, 540.5, 540.6, 540.7, 540.8, 540.9 540.10, 540.11, 540.12, 540.13, 540.14, 540.15, 540.16, 540.17, 540.18, 540.19)의 제 2 어레이 내측에 위치된 보일러 튜브들(546.1, 546.2, 546.3, 546.4, 546.5, 546.6, 546.7, 546.8, 546.9, 546.10, 546.11, 546.12, 546.13, 546.14, 546.15, 546.16, 546.17, 546.18)의 18개의 뱅크드로부터 포화된 증기가 공급되고, 보일러 튜브들(546.1, 546.2, 546.3, 546.4, 546.5, 546.6, 546.7, 546.8, 546.9, 546.10, 546.11, 546.12, 546.13, 546.14, 546.15, 546.16, 546.17, 546.18)의 뱅크들 각각은 2개의 인접한 그라파이트 블록들 사이에 각각 개재되어 있다. 상기 그라파이트 블록들(540.1, 540.2, 540.3, 540.4, 540.5, 540.6, 540.7, 540.8, 540.9, 540.10, 540.11, 540.12, 540.13, 540.14, 540.15, 540.16, 540.17, 540.18, 540.19)은 연강 케이싱(542) 내에 위치되고 연강 케이싱에 의해 둘러싸인다.

그라파이트 블록들의 산화를 방지하기 위해 진공 또는 불활성 가스를 또한 포함하는 절연체 시스템(539.2)이 연강 케이싱(542)과 그라파이트 블록들(540.1, 540.2, 540.3, 540.4, 540.5, 540.6, 540.7, 540.8, 540.9 540.10, 540.11, 540.12, 540.13, 540.14, 540.15, 540.16, 540.17, 540.18, 540.19) 사이에 제공된다. 9개의 고순도 그라파이트 블록들(536.1, 536.2, 536.3, 536.4, 536.5, 536.6, 536.7, 536.8, 536.9)의 제 1 어레이에 있어서, 전기 에너지는 일련의 9개의 저항기들(518.1, 518.2, 518.3, 518.4, 518.5, 518.6, 518.7, 518.8, 518.9)의 저항가열에 의해 열 에너지로 변환되고, 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 이들 저항기 들 각각은 대응하는 그라파이트 블록(536.1, 536.2, 536.3, 536.4, 536.5, 536.6, 536.7, 536.8, 536.9)에 임베딩된다.

유사하게, 19개의 고순도 블록들(540.1, 540.2, 540.3, 540.4, 540.5, 540.6, 540.7, 540.8, 540.9, 540.10, 540.11, 540.12, 540.13, 540.14, 540.15, 540.16, 540.17, 540.18, 540.19)의 제 2 어레이에 있어서, 전기 에너지는 일련의 19개의 저항기들(518.10, 518.11, 518.12, 518.13, 518.14, 518.15, 518.16, 518.17, 518.18, 518.19, 518.20, 518.21, 518.22, 518.23, 518.24, 518.25, 518.26, 518.27, 518.28)의 저항 가열에 의해 열 에너지로 변환되고, 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 이들 저항기들 각각은 대응하는 그라파이트 블록(540.1, 540.2, 540.3, 540.4, 540.5, 540.6, 540.7, 540.8, 540.9 540.10, 540.11, 540.12, 540.13, 540.14, 540.15, 540.16, 540.17, 540.18, 540.19)에 임베딩된다.

전기 에너지는 공급 그리드(543)로부터 공급될 수 있는 변압기(541)에 동작 가능하게 접속될 수 있는 저장력 전기 공급 라인(539)을 통해 저항기들(518.1 내지 518.28)로 안내된다. 상기 변압기(541)는 또한 풍차(547)에 의해 구동되는 발전기(545)로부터 공급될 수 있다. 발전기(532)에 의해 발생된 전력은 변압기(533)를 통해 그리드(543)로 공급된다. 보일러 공급수 또는 응축물은 튜브들(546.1, 546.2, 546.3, 546.4, 546.5, 546.6, 546.7, 546.8, 546.9, 546.10, 546.11, 546.12, 546.13, 546.14, 546.15, 546.16, 546.17, 546.18)에 보일러 급수 라인(549) 및 물 드럼(drum; 580)을 통해 공급된다. 공급량은 제어 밸브(551)에 의해 제어된다.

증기 축적기(553)는 기동들을 위한 증기를 제공할 수 있다. 상기 증기 축적 기(553)가 라인(559) 및 제어 밸브(557)를 통해 증기 드럼(555) 및 종래의 보일러와 같은 독립적인 증기 공급장치 또는 다른 장치(528)에 동작가능하게 접속되어, 장치(528)가 기동될 때 증기가 증기 축적기(553)로부터 제어 밸브(562)를 통해 보일러 튜브들(546.1, 546.2, 546.3, 546.4, 546.5, 546.6, 546.7, 546.8, 546.9, 546.10, 546.11, 546.12, 546.13, 546.14, 546.15, 546.16, 546.17, 546.18)의 뱅크에 공급될 수 있다. 터빈(530)에 공급되는 증기의 온도, 압력 및 과열 정도를 제어하기 위해, 증기 혼합/조절 유닛(550)이 제공되어, 과열기 튜브들(535.1 내지 535.8)을 통해 라인(552)을 통해 방출된 과열된 증기가, 필요하다면, 증기 드럼(655)으로부터 포화된 증기 라인(554) 및 추가 라인(561)을 통해 공급된 포화된 증기와 혼합될 수 있다.

제어 밸브들(556, 560)이 터빈(30)에 공급된 증기의 동작 조건들을 제어하기 위해, 과열 및 포화된 증기 라인들에 각각 제공된다. 동작시, 전력 발생 및 열 저장 플랜트(528)가 작동되어 전기 소비의 오프-피크 기간들 동안, 그리드(543)로부터의 전기가 저항기들에 공급될 때 저항기들(518.1 내지 518.28)에 의해 전력이 열로 변환된다. 상기 열은 상기 그라파이트 블록들(536.1 내지 536.9 및 540.1 내지 540.19)에 저장된다.

피크 기간들 동안, 상기 그라파이트 블록들(540.1 내지 540.19)에 저장된 열이 이용되어 증기 보일러(555)로 방출되는 포화된 증기를 생성하기 위해 보일러 튜브들(546.1 내지 546.19) 내의 보일러 공급 수 및/또는 응축물을 증발시킨다. 동시에, 상기 그라파이트 블록들(536. 1 내지 536. 9)에 저장된 열은 라인(552), 증기 혼합 및 조절 유닛(550) 및 라인(534)을 통해 터빈(530)으로 공급되는 과열된 증기를 생성하기 위해 과열기 튜브들(535.1 내지 535.8) 내의 포화된 증기를 과열시키기 위해 이용된다. 상기 터빈(530)은 그리드(543)에 공급되는 전기를 또한 발생시키는 발전기(532)를 구동한다.

도 6에는 본 발명에 따른 열 저장 및 회수 시스템(610)의 개략 흐름도가 도시되어 있다. 상기 시스템(610)은 3쌍의 가열 블록 세그먼트들(612.1, 612.2, 614.1 ; 614.2 및 616.1, 616.2)을 포함한다. 가열 블록 세그먼트들(612.1, 612.2 ; 614.1, 614.2 및 616.1, 616.2)의 각 쌍 사이에, 블록들(612.1, 612.2; 614.1, 614.2; 616.1, 616.2)의 쌍들의 인접 표면들 사이에 긴밀한 접촉을 제공하기 위해 열교환기 튜브들(618, 620, 622)의 뱅크가 고정될 수 있다. 열교환기 튜브들(618, 620, 622)의 뱅크들 각각은 병렬로 접속되어 있는 3개의 튜브들(618.1, 618.2, 618.3; 620.1, 620.2, 620.3; 및 622.1, 622.2, 622.3)로 구성된다.

급수 공급 라인(624)은 보일러 급수를 열교환기 튜브들(618, 620, 622)의 뱅크들로 안내하고, 한편 과열된 증기 출구 라인 또는 다기관(manifold; 626)은 과열된 증기를 열교환기들(618, 620, 622)의 뱅크들로부터 그것이 터빈, 엔진 등(도시하지 않음)을 구동하는 데 이용될 수 있는 곳으로 이송한다. 전력 입력 공급 케이블(628)은 전력을 레티큘레이션 케이블들(reticulation cables; 630.1, 630.2, 630.3)에 전달하고, 이 레티큘레이션 케이블들은 또한 전력을 가열 블록 세그먼트들(612.1, 612.2, 614.1, 614.2, 616.1, 616.2) (명확하게 하기 위해, 가열 블록 세그먼트들(612.1, 612.2)의 저항기들만이 도면에 번호가 붙여져 있음) 각각에 제 공된 3쌍의 저항기들(632, 632.2)에 전력을 전달한다.

동작시, 오프-피크 시간들 중 그리드로부터 얻거나 태양, 바람, 파도 또는 조력 에너지원과 같은 재생 가능한 에너지원으로부터 회수된 전력이 사용되어 가열 블록 세그먼트들(612.1, 612.2; 614.1, 614.2 및 616.1, 616.2) 각각의 저항기들(632.1, 632.2)의 저항 가열에 의해 가열 블록 세그먼트들(612.1, 612.2; 614. 1, 614.2; 616.1, 616.2)을 가열한다. 가열 블록 세그먼트들(612.1, 612.2, 614.1, 614.2, 616.1, 616.2)로부터 열 에너지를 회수하기를 원할 때, 보일러 공급수가 제어 밸브(634)를 개방함으로써 열교환기(618)로 도입되어, 보일러 공급수가 열교환기들(618.1, 618.2, 618.3)을 통해 흐르게 하고 열을 저장 블록 세그먼트들(612.1, 612.2)로부터 추출하게 한다. 상기 물은 증발되고 형성하는 상기 증기는 그것이 제어 밸브(636)를 통해 과열된 증기 라인 또는 다기관(626)으로 배출되기 전에 필요 온도 및 압력으로 과열된다.

가열 블록 세그먼트들(614.1, 614.2 및 616.1, 616.2)의 상기 열교환기 뱅크들(620, 622)에는 제어 밸브들(638, 640)을 각각 조작함으로써 급수 라인(624)으로부터 급수가 공급될 수 있다. 대안으로, 이들은 라인에 있는 제어 밸브(644)를 개방함으로써, 라인(642)을 통해 가열된 보일러 공급수 또는 포화된 증기가 공급되어, 상기 가열된 보일러 공급수 또는 포화된 증기가, 다른 제어 밸브들(646, 648)이 개방되면, 열교환기(618)로부터 열교환기들(620, 622) 중 하나 또는 모두로 전달되게 허용한다. 다른 제어 밸브들(646, 648)은, 대안으로(및 바람직하게) 예를 들어 과열된 증기 라인(626)으로 방출되기 전에 증발 및 과열되도록, 포화된 증기 또는 가열된 보일러 공급수의 흐름이 열교환기(618)로부터, 그것의 온도가 원하는 온도 및 압력의 과열된 증기의 제조에 너무 낮을 때, 열교환기(620)를 통해 열교환기(622)로 향하도록 보장하기 위해 조작될 수 있다. 제어 밸브들(654, 656)은 각각의 열교환기에서 발생된 과열된 증기가 과열된 증기 다기관(626)으로 방출되기 전에 포화된 증기 및/또는 가열된 보일러 공급수를 열교환기(620)로부터 열교환기(622)로 또는 열교환기로부터 열교환기들 트레인(트레인의 밸런스는 도시되지 않음)의 후속 열교환기들로 각각 보내기 위해 제공된다. 또한, 예를 들면 열이 각각의 저장 블록 세그먼트들(612.1, 612.2; 614.1, 614.2; 616.1, 616.2)에 저장되어 있는 시간들 동안, 열교환기들(618, 620, 622) 중 임의의 하나 이상을 급수 라인(624), 물 및 과열된 증기 라인 또는 다기관(626) 모두로부터 절연할 수 있다.

저장 블록 세그먼트들(612.1, 612.2; 614.1, 614.2; 616.1, 616.2)의 세트들 각각은 열교환기들(620, 622)에 각각 급수하는 제어 밸브들(658, 660) 중 하나를 개방함으로써 보일러 급수 라인(624)으로부터 분리되어 공급될 수 있다.

효율적으로 동작시키기 위해, 증기로 구동되는 터빈들 또는 엔진들은 통상적으로 매우 제한된 범위의 온도들 및 압력들에 걸쳐 운반될 증기를 요구한다. 이와 같은 보일러들에서의 상대적으로 일정한 온도들 및 가열 플럭스들 때문에, 종래의 보일러 및 과열기에서 생성된 증기는 비교적 쉽게 제어될 수 있으며, 그러므로 에너지 전달량 및 그 결과로 얻어진 증기의 온도 및 압력은 보통 상당히 일정하다.

열 저장 블록들(612.1, 612,2; 614.1, 614.2; 및 616.1, 616.2)에서, 열의 추출은 결과적으로 이들 온도를 점진적으로 감소시킨다. 에너지 전달량은 관련 블 록((612.1, 612.2; 614.1, 614.2; 616.1, 616.2)과 수용 유체, 및 에너지 전달이 일어나는 면적간의 온도차(AT)의 함수이다. 이 관계는 다음 식으로 표현될 수 있다:

q=f (A, AT)

여기서, 'q'= 에너지 전달량,

'A'= 열교환기 면적.

균일한 에너지 전달량을 유지하기 위해, 그러므로 생성된 증기의 일관된 조건을 유지하기 위해, AT의 변화로 인해, 전달 면적(열교환기 표면)을 변경할 필요가 있다.

동작시, 상기 시스템(610)은 가열 블록 세그먼트들(612.1, 612.2; 614.1, 614.2 및 616.1, 616.2)로부터 열을 순차적으로 회수하기 위해, 제어 밸브들(634, 636, 638, 640, 644, 646, 648, 650, 652, 654, 656, 658, 660)의 조작에 의해 제어된다. 가열 블록 세그먼트들(612.1, 612.2)의 온도가 가열 블록 세그먼트들(612.1, 612.2) 사이의 온도차(AT) 및 열교환기(618) 내의 증기 또는 물이 원하는 온도 및 압력의 과열된 증기가 더 이상 열교환기(618)에서 생성되지 않는 지점으로 떨어진 지점으로 떨어지면, 제어 밸브(636)는 폐쇄되며 한편 제어 밸브(644)는 개방되어 증기 및/또는 가열된 보일러 공급수가 라인(642)을 통해, 방출되기전 더 증발되고 과열되는 열교환기(620)로, 제어 밸브(650)를 통해 과열된 증기 다기관(626)으로 흐르게 허용한다.

초기에, 보일러 공급수는 열교환기(620)로 보일러 급수 라인(624)을 통해 들 어오지 않는다. 상기 제어 밸브(638)는 바람직하게는 여전히 가열 블록 세그먼트들(612.1, 612.2)로부터 추출될 수 있는 열의 양이 더 이상 보일러 공급수를 열교환기(618)를 통해 순환시키는 것이 더 이상 경제적이지 않은 레벨로 감소되면 단지 개방된다. 그 지점에서, 상기 제어 밸브(634)는 폐쇄되고 반면 제어 밸브(638)는 개방된다. 상기 제어 밸브(640)는 이후 여전히 폐쇄되어 있지만, 그것은 몇 시간 후, 저장 블록 세그먼트들(614.1, 614.2)로부터 열을 추출하는 것이 더 이상 경제적이거나 또는 기술적으로 가능하지 않을 때 제어 밸브(638)와 유사한 방식으로 개방될 수 있다.

가열 블록 쌍들(612.1, 612.2)에 대해 위에서 기술된 것과 같은 동일한 공정이 가열 블록 쌍들(614.1, 614.2 및 616.1, 616.2)에 대해 반복된다.

터빈 또는 엔진으로의 증기 공급을 위해, 다기관(626)에 필요로 될 수 있는 것과 같이, 제어 밸브들의 개폐가 미리 설정된 온도 및 압력 조건들에 응답하는 것을 보장하기 위해 제어 밸브들의 동작은 자동화될 수 있고 프로그램가능 장치(도시하지 않음)에 의해 제어될 수 있다.

이용되는 열교환기 관류(heat exchanger tubing)는, 예를 들어, 바람직하게는 적절한 설계 코드 표준들과 일치하도록 시스템의 온도들 및 압력들에 의해 발생된 응력들을 견디도록 선택된다. 850℃까지의 요건들을 만족시키는 이들 합금들은 합금 600, 합금 800H 및 556 합금을 포함한다.

기동은 열 충격(thermal shock)을 제어하기 위해, 바람직하게는 약 300℃에서 및 압력하에서, 포화된 물(그것이 주어진 압력에서 증기로 되는 온도 바로 아래 의 물)을 이용함으로써 달성될 수 있다. 포화된 물의 유량은 필요 유량에 도달될 때까지 점진적으로 증가되어 관류에서의 온도의 감소 속도를 제어하고, 그 결과로 발생된 열 응력들을 제어한다.

본 발명의 열 에너지 저장 시스템은 큰 범위의 출력 용량들(5kW 출력만큼 작은 발전기들로부터 수백 MW 출력까지)에 걸쳐 사용될 수 있고 수주 동안 필요에 따라서는 훨씬 긴 기간 동안 전력을 저장하도록 설계될 수 있다.

상기 시스템은 에너지가 이용 가능할 때 그것을 회수 및 저장함으로써 그리고 그것을 이용 가능하지 않거나 이용 가능성이 감소된 기간들 동안 저장장치로부터 방출함으로써 재생 가능한 에너지들(예컨대 바람, 태양, 수력, 조수 및 파도 에너지)의 간헐적 이용 가능성 사이의 갭(gap)을 커버하도록 설계될 수 있다. 도 2와 관련하여 기술된 제거 가능한 인서트들(inserts)은 선택적으로 도 4, 도 5, 및 도 6의 그라파이트 블록들 사이에 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 장치들 및 방법들의 사용 범위는 다음과 같은 것을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다:

피크 기간들에서의 방출을 위한 오프 피크에 이용 가능한 잉여 에너지의 저장 및 따라서 기존 발생 자산들의 더 양호한 이용.

피크 기간들에서의 이용 가능성을 위해 기존 발생 용량의 부하 중심들로의 위치시켜, 전송 및 배전 시스템에 대한 고가의 네트워크 업그레이들에 필요성 회피.

분배 시스템들이 단일 공급 라인들 때문에 정전되는 경우에 안전한 방법으 로서 분배 시스템들 내에 발생 용량(분배된 발생) 제공.

바람과 같은 불규칙한 소스들을 극복하기 위해, 재생 가능한 에너지원들의 네트워크들로의 통합.

전력의 신뢰성 있는 재생 가능한 에너지 공급장치로 화석 연료들로 운전하는 고비용 및 오염 오프-그리드 또는 "고립된(islanded)" 그리드 시스템들을 대체.

도 7에는 300℃ 내지 2400℃의 저장 온도에서 그라파이트에 저장될 수 있는 에너지(메가와트시로 나타냄)가 도시되어 있다. 도 7의 그라프들은 표 1에 포함된 데이터의 그라프 표현들이다. 하 그라프는 그라파이트의 톤 당 저장되는 에너지를 나타내고, 한편 상 그라프는 그라파이트의 입방 미터 당 저장되는 에너지를 나타낸다. 도 8에는 본 발명에 따른 열 저장 장치(800)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 상기 장치(800)는 중간 온도층(804)에 의해 둘러싸인 입방체형 고온 코어(80)를 포함하며, 이 중간 온도층(804)은 또한 저온층(806)에 의해 둘러싸인다.

고온 코어(802), 중간 온도층(804) 및 저온층(806) 모두는 고순도 그라파이트로 만들어지고 인클로저(808) 내에 완전히 포함된다.

고온 열 절연체 재료(810)는 고온 코어(802)를 중간 온도층(804)으로부터 분리하고, 한편 중간 온도 열 절연체 재료(812)는 중간 온도층(804)을 저온층(806)으로부터 분리한다. 다른 열 절연체(814)는 저온층(806)과 인클로저(808) 사이에 제공된다.

전기 도전체(816)는 전기를 고온 코어(802)에 임베딩되는 49개의 저항기들(818)의 어레이로 전달한다. 상기 저항기들(818)은 도 8에 도시된 것과 같이, 7 개의 저항기들의 7개의 열들에 각각 배열된다.

열교환기 튜브들(820, 822, 824, 826)의 4개의 뱅크들이 저온층(806)에 제공되는 데, 중간 온도층(804)의 4변들 각각에 하나씩 제공된다. 열교환기 튜브들(828, 830, 832, 834)의 4개의 다른 뱅크들이 중간 온도층에 제공되는 데, 고온 코어(802)의 변들 각각에 하나씩 제공된다.

도 8에 도시된 것과 같이, 상기 열교환기 튜브들(820, 822, 824, 826, 828, 830, 832, 834)은 각각 직렬 형식으로 상호접속된다. 그러나, 본 발명의 대안의 실시예에 있어서, 이들은 증기 또는 고온수 회로들을 분리하기 위해 접속될 수 있고 또는 또 다른 대안의 실시예들에 있어서, 이들 중 2개 이상이 병렬 형식으로 동일한 증기 또는 고온수 회로에 접속될 수 있고 또는 예를 들어 그라파이트의 각각의 층에 의해 가열된 튜브들에 보일러 공급수를 운반하거나 그로부터 증기 또는 과열된 증기를 운반하도록 설계 및 동작될 수 있다.

사용시, 풍력 발전 지역들, 태양열 집열기들 등과 같은 다양한 소스들로부터 발생된 전기 또는 오프 피크 전기는 열 저장 장치(800)로 전기 도전체(816)를 통해 전달될 수 있고 열 에너지는 저항기들(818)에 의해 변환된다.

필요할 때, 열 에너지는 물 또는 증기를 하나 이상의 열교환기 튜브들의 뱅크들을 통해 통과시킴으로써 중간 온도층(804) 또는 저온층(806) 중 어느 하나로부터 추출될 수 있다.

열이 저온층(806) 또는 중간 온도층(804)으로부터 추출될 때, 이들의 온도는 도 7에 나타낸 그라프에 따라 감소한다. 중간 온도층(804)의 온도가 고온 코 어(802)의 온도 이하로 감소하기 때문에, 중간 온도층(804)과 고온 코어(802) 사이의 온도차는 열이 고온 코어(802)로부터 고온 열 절연체 재료(810)를 통해 중간 온도층(804)으로 전달되게 할 것이다. 유사하게, 저온층(806)의 온도가 중간 온도층(804)의 온도 이하로 떨어지면, 열은 중간 온도 열 절연체 재료(812)를 통해 저온층(806)으로 전달된다.

열 저장 장치(800)의 계층 구성(layered construction) 때문에 그리고 고온 코어(802)와 중간 온도층(804) 사이 및 중간 온도층(804)과 저온층(806) 사이의 열 절연체 재료 때문에, 고온 코어(802)의 높은 동작 온도들을 견디어 내지 않아도 되는 열교환기 튜브들의 뱅크를 위한 구성의 재료들을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 더 낮은 가격의 재료들을 사용하는 것이 가능한 데, 그러한 재료들이 사용되지 않으면 가격은 올라갈 것이다. 그러나, 열교환기 튜브들의 동작 온도가 제조업자들에 의해 부여된 안전한 동작 한계들을 초과하지 않는 방식으로 열 저장 장치(800)의 동작을 제어하는 것이 중요하게 된다.

게다가, 가장 낮은 동작 온도를 갖는 층이 외부에 가장 가깝도록 그것을 그라파이트의 층들이 둘러싼 상태에서, 고온 코어(802)를 중심에 위치하도록 배열함으로써, 다른 열 절연체 재료(814)를 통한 장치로부터의 에너지 손실들이 최소화될 수 있다.

Claims (17)

1. 상승된 온도에서 그라파이트 본체에 열 에너지를 저장하고 그로부터 상기 열 에너지를 회수(recovering)하는 방법으로서,

   열 에너지를 저장할 필요가 있을 때 상기 그라파이트 본체의 내부 영역을 가열하는 단계 및 필요할 때 상기 열 에너지를 회수하는 단계를 포함하는, 열 에너지 저장 및 회수 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가열 단계는 상기 그라파이트의 온도가 상승하도록 전류를 상기 그라파이트의 상기 내부 영역에 배치된 저항기(resistor)를 통해 통과시키는 단계를 포함하는, 열 에너지 저장 및 회수 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 그라파이트 재료 본체를 절연시키는 단계를 구비하는, 열 에너지 저장 및 회수 방법.
4. 상승된 온도에서 그라파이트 본체에 열 에너지를 저장하고 그로부터 상기 열 에너지를 회수하는 장치로서,

   필요할 때 상기 그라파이트 재료 본체의 내부 영역을 가열하는 수단 및 상기 저장된 에너지를 회수하는 수단을 포함하는, 열 에너지 저장 및 회수 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 저항기를 통해 상기 전류를 통과시키는 수단은 재생 가능한 에너지 소스 및 오프-피크 전기로부터 선택된 전기 소스에 접속된 전기 회로를 포함하는, 열 에너지 저장 및 회수 장치.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   비산화성 가스(non-oxidising gas)의 분위기에서 또는 진공에서 상기 그라파이트 재료를 포함하도록 되어 있는 인클로저(enclosure)를 더 포함하는, 열 에너지 저장 및 회수 장치.
7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 그라파이트의 본체에 상기 저항기를 임베딩하기 위한 보어(bore) 또는 웰(well)을 포함하는, 열 에너지 저장 및 회수 장치.
8. 열을 저장하고 이와 같이 저장된 열로부터 전력을 발생하는 방법으로서,

   청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 청구된 것과 같은 열 에너지를 저장하는 단계, 및 상기 회수된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 단계를 구비하는, 전력 발생 방법.
9. 열 저장 및 전력 생산 플랜트에 있어서,

   청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 청구된 것과 같은 열 에너지를 저장하는 장치 및 상기 회수된 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 수단을 포함하는, 열 저장 및 전력 생산 플랜트.
10. 온도 보상 열 저장 및 회수 시스템으로서,

    - 상승된 온도에서 열 에너지를 저장하도록 되어 있는 고체 그라파이트 재료의 제 1 본체;

    - 고체 그라파이트 재료로부터 열 에너지를 회수하기 위해 고체 그라파이트 재료의 상기 제 1 본체와 열 교환 관계에 있는 제 1 열교환기;

    - 상기 제 1 열교환기에 동작가능하게 접속되어 작동유를 그 소스로부터 상기 제 1 열교환기를 통해 상기 작동유의 상기 열에너지의 일부가 이용될 수 있는 장치로 안내하기 위한 제 1 작동유 회로;

    - 상승된 온도에서 열 에너지를 저장하도록 되어 있는 고체 그라파이트 재료의 제 2 본체;

    - 고체 그라파이트 재료의 제 2 본체와 열교환 관계에 있는 제 2 열교환기로서, 상기 제 1 및 제 2 열교환기들의 조합된 열교환 면적은 상기 그라파이트의 제 1 및 제 2 본체들에서의 온도 강하를 보상하기 위해 증가될 수 있는, 상기 제 2 열교환기;

    - 상기 작동유를 그 소스로부터 상기 제 2 열교환기를 통해 상기 작동유의 상기 열 에너지의 일부가 이용될 수 있는 상기 장치로 안내하기 위해 상기 제 2 열교환기에 동작가능하게 접속된 제 2 작동유 회로로서, 상기 작동유 회로는 개폐되도록 되어 있는 제어 밸브를 포함하는, 상기 제 2 작동유 회로; 및

    - 열을 전달하기 위한 증가된 열 교환 면적을 이용하여 작동유 또는 많은 양의 작동유가 상기 제 2 작동유 회로를 통해 상기 제 2 열교환기로 들어가게 함으로써, 그라파이트 본체의 온도 강하의 결과로서 상기 고체 그라파이트 재료의 제 1 본체로부터 회수된 열의 감소를 보상하도록 되어 있는 제어 시스템을 포함하는, 온도 보상 열 저장 및 회수 시스템.
11. 열을 열 저장 매체로부터 회수할 때, 열 저장 매체의 온도 감소를 보상하는 방법으로서,

    - 상승된 온도에서 고체 그라파이트 재료의 제 1 본체에 열을 저장하는 단계;

    - 상기 고체 그라파이트 재료의 상기 제 1 본체와 열교환 관계에 있는 제 1 열교환기 내의 제 1 작동유를 가열함으로써 상기 고체 그라파이트 재료의 상기 제 1 본체로부터 열 에너지를 회수하는 단계;

    - 제 1 작동유 회로 내의 상기 제 1 작동유를 상기 작동유의 상기 열 에너지의 일부가 이용될 수 있는 장치로 안내하는 단계;

    - 상승된 온도에서 고체 그라파이트 재료의 제 2 본체에 열을 저장하는 단 계;

    - 고체 그라파이트 재료의 상기 제 2 본체와 열교환관계에 있는 제 2 열교환기 내의 제 1 작동유를 가열함으로써 고체 그라파이트 재료의 상기 제 2 본체로부터 열 에너지를 회수하는 단계;

    - 제 2 작동유 회로 내의 상기 제 2 작동유를 이와 같은 작동유의 상기 열에너지의 일부가 이용될 수 있는 장치로 안내하는 단계; 및

    - 작동유 또는 많은 양의 작동유가 상기 제 2 열교환기에서 가열되게 하고, 감소하는 온도를 보상하여 상기 작동유로의 일정한 열 에너지 전달을 유지시키기 위해 상기 열교환기 시스템 표면적을 변경시키는 수단을 제공함으로써, 고체 그라파이트 재료의 제 1 본체의 온도 강하의 결과로서 고체 그라파이트 재료의 상기 제 1 본체로부터 회수된 열의 감소를 보상하는 단계를 포함하는, 열 저장 매체의 온도 감소를 보상하는 방법.
12. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

    그라파이트의 제 1 블록 및 적어도 하나의 그라파이트의 추가 블록을 포함하고, 상기 그라파이트의 제 1 블록은 상기 그라파이트의 추가 블록 또는 각각의 그라파이트의 추가 블록으로부터 열적으로 절연되는, 열 에너지 저장 및 회수 장치.
13. 제 1 항 또는 제 12 항에 있어서,

    중심 고온 코어 및 상기 중심 고온 코어를 둘러싸는 적어도 하나의 층을 포 함하는, 열 에너지 저장 및 회수 장치.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 코어와 상기 코어를 둘러싸는 상기 층 또는 각 층 사이에 열 절연체(thermal insulation)를 포함하는, 열 에너지 저장 및 회수 장치.
15. 제 4 항 내지 제 7 항 또는 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 저항기는 금속 또는 그라파이트로부터 선택된 동일 재료로 만들어진 한쌍의 전기 컨택트들을 통해 전기 공급장치에 접속되고, 상기 전기 컨택트는 임의의 다른 금속과 물리적으로 접촉하지 않는, 열 에너지 저장 및 회수 장치.
16. 제 1 항에 있어서,

    상기 그라파이트의 본체는 복수의 부분들 또는 구획들(subdivisions)로 세분되는, 열 에너지 저장 및 회수 장치.
17. 상승된 온도에서 복수의 그라파이트 본체들에 열 에너지를 저장하고 그로부터 상기 열 에너지를 회수하는 방법으로서,

    상기 열 에너지를 저장할 필요가 있을 때 상기 그라파이트 본체들 조립체의 내부 영역을 가열하는 단계, 및 필요할 때 그로부터 상기 열 에너지를 회수하는 단 계를 포함하는, 열 에너지 저장 및 회수 방법.

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