KR20120083425A - 집적형 태양열 발전 시스템 - Google Patents

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알렉산더 에이치. 슬로컴
자코포 본조르노
찰스 윈필드 포스버그
다니엘 에스. 코드
아담 티. 팩슨
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메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지
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Abstract

태양 에너지를 집적 및 저장하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 상기 시스템 및 방법에 사용하기 위한 태양 에너지 수용기는 상 변화 물질과 같은 태양복사 흡수 물질을 보유하기 위한 용기 및 상기 용기 위에 배치되는 냉각 뚜껑을 포함할 수 있으며, 상기 뚜껑은 상기 뚜껑의 밑면을 따라 수집된 증발된 상 변화 물질을 응결시키고 수집한다.

Description

집적형 태양열 발전 시스템{CONCENTRATED SOLAR POWER SYSTEM}
본 출원은 2009년 9월 18일에 출원된 미국 임시 특허 출원 제61/243,763호 및 제61/243,769호와 2010년 6월 21일에 출원된 미국 임시 특허 출원 제61/356,882호의 우선권 및 이익을 주장한다. 모든 세 출원은 본 명세서에 그 전체가 참고로서 포함된다.
본 발명은 유체가 충진된 수용기 내에 고온으로 태양 에너지를 집적 및 저장하기 위한 태양열 발전 시스템과 관련된다. 저장된 에너지는 전기를 생성하는 데에 사용될 수 있다.
현재 사용되고 있는 대규모 태양열 집적기 및 저장 시스템은 전형적으로 탑 장착 수용기 구조물 상으로 빛을 집속시키는 태양광 반사기들의 필드(field)를 포함한다. 수용기 구조물은 직접 흡수형(예컨대 용융염이 수직면 아래로 흐름) 또는 튜브형(예컨대 물이 튜브를 통해 흐름)일 수 있다. 열 저장 매체는 열 에너지를 흡수하고, 물의 경우에는 스팀(steam)으로 변화하거나 또는 전기 생성을 위한 종래의 스팀 터빈 시스템에서 사용하기 위한 스팀을 생성하는 데 사용될 수 있다. 가열된 매체는 태양이 비치지 않는 경우에 저장 탱크로부터의 뜨거운 매체가 동력 사이클을 위한 열을 제공하는 데 이용될 수 있도록 단열된 저장 탱크로 전달될 수 있다.
태양열 발전 탑은 경제적인 측면에 악영향을 미치는 몇몇 비효율적인 점을 갖는다. 예컨대, 수용기 내의 보일러 튜브가 단열되지 않고 주변 환경에 노출되기 때문에, 이러한 시스템은 공기의 대류 및 뜨거운 표면으로부터의 복사로 인한 높은 열 손실을 초래한다. 또한, 저장 매체는 보일러의 높이까지 펌핑되어야 하는데, 이는 상당한 펌핑 동력을 필요로 한다. 그 결과, 태양열 탑 시스템의 전체 효율은 약 20%로 비교적 낮다. 더욱이, 무거운 수용기를 지지하기 위한 태양열 발전 탑을 건축하는 데 많은 자본 비용이 든다.
탑 장착 수용기의 단점들 중 일부는 태양 에너지를 지면 위의, 바람직하게는 지면에 일부가 매립되는 수용기 내로 재지향시키는 보조 거울을 탑이 지지하는 대안적인 시스템에서 극복된다. 불리한 점을 살펴보면, 보조 거울을 사용하는 것이 태양 에너지를 열 에너지로 변환하는 효율을 더욱 감소시킨다. 시스템 효율은 과열로 인한 손상 없이 보조 거울이 견딜 수 있는 최대 태양 에너지 밀도에 의해 더 제한된다.
태양열 발전 시스템이 높은 에너지 밀도를 저장하는 능력은 저장 매체가 화학적으로 안정적인 온도 범위에 의해 추가적으로 제한된다. 질산염 혼합물과 같은 현재 사용중인 용융염 조성물은 온도가 600 ℃에 가까워짐에 따라 분해되기 때문에, 최대 온도를 제한하고, 그에 따라 시스템의 에너지 저장 밀도 및 수용기의 다운스트림(downstream) 동력 사이클의 효율을 제한한다.
따라서, 효율적인 태양 에너지 변환, 고밀도 에너지 저장 및 강건하고 지속적인 전력 공급을 바람직하게는 낮은 자본 비용으로 촉진하는 태양열 발전 시스템에 대한 필요가 존재한다.
<요약>
본 발명은 위에서 기술된 태양열 발전 시스템(solar power system)의 문제 및 한계 중 다수를 동시에 다루는 집적형 태양열 발전 시스템 및 방법을 제공한다. 다양한 실시예에서, 상기 시스템 및 방법은 열 저장 매체로서 작용하는 상 변화 물질과 같은 (전형적으로 고온의) 태양복사 흡수 물질(solar absorption material)을 포함하는, 태양열 집적기 시스템(solar concentrator system)과 통합된 태양 에너지 수용기를 활용한다. 태양열 집적기 시스템은 태양광을 반사하고 수용기 내로 집적시키는 헬리오스탯(heliostat)의 어레이에 의해 형성될 수 있다. 수용기에서, 태양 복사는 흡수 물질의 체적 중 적어도 일부에 걸쳐 흡수됨으로써 열 에너지로 변환되는데, 열 에너지는 손쉽게 저장되어 예컨대 공정 열원으로서 종래의 스팀 사이클 시스템을 위한 스팀을 생성하여 전기를 생성하거나 또는 담수화 사이클에서 작동 유체를 사전 가열하는 데 사용될 수 있다.
소정의 실시예에서, 수용기는 단열을 제공하는 지면에 (적어도 부분적으로) 매립되고, 따라서 지면 기반 수용기가 탑 장착 수용기보다 더 경제적인 열 저장소가 되게 한다. 헬리오스탯은 각면 빔 하향 광학기(faceted beam-down optic)로서 효과적으로 작용하도록 (예컨대 비탈면 상에서) 수용기보다 높은 위치에 배치될 수 있다. 이러한 구성은 대형 보조 탑 기반 쌍곡선 거울 및 탑의 기저에 있는 많은 주 집적형 전력 수집기를 전형적으로 포함하는 빔 하향 시스템과 연관된 비용과 복잡함을 없앤다.
수용기는 상 변화 물질 "풀(pool)" 또는 "폰드(pond)"를 유지하기 위한 개방형 용기, 및 증발로 인한 상 변화 물질의 손실을 제한하고 포획된 태양 에너지를 수용기에 보유하는 것을 돕도록 용기 위에 배치되는 뚜껑을 포함할 수 있다. 열 저장 매체를 보일러 튜브가 아닌 탱크와 같은 용기에 포함시키는 것은 고온을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 전형적으로는 비교적 저렴한 용기 물질 및 구성을 사용할 수 있게 한다. 뚜껑은 증발된 상 변화 물질(전형적으로 용융염 합성물)의 응결 및 보유를 촉진하여 물질의 손실을 최소화시키는 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 응결된 상 변화 물질은 뚜껑 밑면에 반사층을 형성할 수 있다. 용기 및/또는 뚜껑에 의해 형성된 구조물은 단일 유입 개구(inlet aperture)를 포함할 수 있는데, 이를 통해 인입 태양 복사가 지향된다. 유입 개구를 가로지르는 선택적인 에어 커튼(air curtain)은 수용기로부터의 에너지 및 상 변화 물질 손실을 더 감소시키거나 방지할 수 있을 뿐만 아니라 공기중 분진 및 오염 물질에 의한 상 변화 물질의 오염을 방지할 수 있다. 다르게, 수용기는 예컨대 태양 복사의 강도에 따라 유입 개구를 열고 닫기 위한 문을 포함할 수 있다.
소정의 실시예에서, 열 저장 매체는 700 ℃를 초과하는 온도에서, 바람직하게는 적어도 1000 ℃까지의 온도에서 화학적으로 안정적인 용융염 합성물이다. 용융염에 저장된 열을 작동 유체로 전달하기 위해, 합성물의 일부는 더 차가운 용융염과 혼합되어, 혼합물의 온도를 종래의 열 교환기를 통해 혼합물이 이송되어 스팀을 생성할 수 있도록 하기에 충분히 낮은 값으로 감소시킬 수 있다. 열 교환기를 통과한 후에, 염은 더 차가운 용융염에 대한 저장 사이클 및/또는 수용기 내로 재순환된다. 다르게, 더 높은 열역학적 효율을 달성하기 위해 재생 열 교환기가 사용될 수 있는데, 여기서 탱크로부터의 뜨거운 염은 스팀 생성기 열 교환 사이클로부터 돌아오는 더 차가운 염으로 열을 전달한다. 일부 실시예에서, 염 혼합물은 700 ℃에 가깝거나 이를 초과하는 온도로 열 교환기에 들어가는데, 이는 수냉(water cooling)을 필요로 하지 않는 상당히 효율적인 직접 공기 브레이튼 동력 사이클(direct air Brayton power cycle)의 사용을 촉진한다.
일부 실시예에서, 수용기 내의 용융염은 필요에 따라 용기의 상부로부터 펌핑되어 실질적으로 일정한 동력 입력을 스팀 생성기 또는 다른 동력 사이클에 제공한다. 스팀 생성기로부터의 차가운 염은 용기의 하부로 펌핑된다. 용기는 용기 내의 열적으로 계층화된 뜨거운 층과 차가운 층 사이에 물리적 및 열적 장벽을 제공하는 단열된 분리판을 포함할 수 있다. 뜨겁고 차가운 염 체적을 연속 동작에 바람직한 온도 범위 내에서 (예컨대 실질적으로 일정한 온도로) 유지하기 위해, 분리판은 용융염이 판을 지나 판과 용기 벽 사이의 고리형 틈새 공간을 통해 이동하게 하도록 축 방향으로 위아래로 움직일 수 있다. 그 결과, 태양이 비치지 않아 용기 내의 염의 평균 온도가 감소하는 때에도 고온 스팀이 제공될 수 있다. 또한, 용기 내의 염의 전체 체적이 변하지 않기 때문에, 유리하게도 염의 상부 표면은 태양 전자기장의 초점에 유지된다.
다양한 실시예에 따른 태양열 발전 시스템은 일광이 부족한 구름낀 때 또는 야간을 보상하는 에너지 저장을 제공한다. 따라서, 이러한 시스템은 화석 연료 비축분의 광범위한 연소나 고비용의(그리고 아직까지는 이용 불가능한) 임시 배터리 저장소를 필요로 하지 않고 24시간 내내 기초 부하 전력 요구량의 충족을 촉진한다. 그 결과, 본 명세서에 개시된 다양한 태양열 발전 시스템은 에너지 절약을 제공할 뿐만 아니라 공익 설비 회사의 설비 용량을 실질적으로 회피하게 해준다.
일 태양에서, 본 발명은 지면 기반 태양 에너지 수용기 및 입사하는 태양 복사를 수용기 개구를 통해 수용기의 내부로 직접 반사하도록(즉, 추가 반사 없이) 구성되는 복수의 헬리오스탯을 포함하는 집적형 태양열 발전 시스템을 제공한다. 수용기는 태양 에너지를 열로 변환하기 위한 태양복사 흡수 물질(이는 그 자체로 시스템의 구성요소일 수 있음)을 포함하도록 구성된다. 태양복사 흡수 물질은 본질적으로 상 변화 물질로 이루어지거나 이를 포함할 수 있는데, 상 변화 물질은 반투명일 수 있고 액체 형태로는 용융염(예컨대 염화염, 불화염, 탄산염, 아질산염, 또는 이들의 혼합물)을 포함할 수 있다. 소정의 실시예에서, 용융염은 염화염이고, 상 변화 물질은 용융염이 습한 공기와 접촉하는 경우에 HCl의 생성을 감소시키기 위한 수산화물을 더 포함한다. 또한, 일부 실시예에서, 태양복사 흡수 물질은 흡수 물질의 태양열 흡수 특성을 변경하기 위한 나노 입자 혼합물을 포함한다.
헬리오스탯은 (예컨대 비탈 상에서) 수용기의 개구 위의 높이에 위치할 수 있고, 개구를 통과하거나 이를 통해 집속되는 태양 복사가 태양복사 흡수 물질의 표면에 주로 지향되도록 배향될 수 있다. 수용기는 적어도 부분적으로 지면에 매립될 수 있다. 일부 실시예에서, 수용기는 용기 및 용기 위에 배치되는 뚜껑을 포함한다. 이어서, 헬리오스탯은 수용기 아래의 높이에 배치될 수 있고, 개구를 통과하는 태양 복사가 뚜껑의 밑면에 지향되도록 배향될 수 있다. 지면 기반 수용기 및 헬리오스탯은 함께 약 600 ℃ 내지 적어도 약 1000 ℃ 범위 내의 온도로 태양복사 흡수 물질을 가열하는 것을 촉진하도록 구성될 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 태양 에너지를 열 에너지로 변환하기 위한 태양복사 흡수 물질을 포함하도록 구성되는 태양 에너지 수용기; 열 에너지를 액화된 태양복사 흡수 물질로부터 역학 및/또는 전기 에너지의 생성에 사용하기 위한 작동 유체로 전달하도록 구성되는 열 교환기; 및 액화된 태양복사 흡수 물질을 열 교환기의 배출구로부터의 더 차가운 태양복사 흡수 물질과 혼합하여 상기 액화된 태양복사 흡수 물질의 온도를 열 교환기로의 전달에 앞서 낮추도록 구성되는 혼합 챔버를 포함하는 태양 에너지 변환 시스템과 관련된다.
이러한 시스템은 수용기와 유체 소통하고/하거나 열 교환기와 혼합 챔버 사이에 있는(그리고 이들과 유체 소통하는) 하나 이상의 열 에너지 저장소를 더 포함할 수 있다. 태양 에너지 수용기는 약 600 ℃ 내지 적어도 약 1000 ℃ 범위 내의 온도로 상 변화 물질을 포함하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템은 작동 유체의 열 에너지를 역학 에너지로 변환하기 위한 터빈 및/또는 역학 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 터빈에 의해 구동되는 발전기를 포함한다.
다른 태양에서, 본 발명은 집적형 태양열 발전 시스템을 사용하여 에너지를 생성하는 방법을 더 제공한다. 상기 방법은 태양 복사를 단일 반사로 수용기 개구를 통해 태양 에너지 수용기 내로 지향시켜 태양 에너지를 수용기 내에 집적시킴으로써 수용기에 포함된 태양복사 흡수 물질을 약 600 ℃ 내지 적어도 약 1000 ℃ 범위 내의 온도로 가열하는 단계, 열 에너지를 가열된 태양복사 흡수 물질로부터 작동 유체로 전달하는 단계 및 작동 유체를 사용하여 역학 에너지 및 전기 에너지 중 적어도 하나를 생성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 열 에너지는 약 700 ℃를 초과하는 온도에서 작동 유체로 전달된다. 작동 유체는 공기이거나 이를 포함할 수 있고, 에너지 생성 단계는 직접 공기 브레이튼 동력 사이클(이는 소정의 실시예에서 수냉을 필요로 하지 않음)을 활용할 수 있다. 일부 실시예에서, 열 에너지는 열 교환기 내에서 상기 가열된 태양복사 흡수 물질로부터 작동 유체로 전달된다. 상기 방법은 수용기로부터의 액화된 태양복사 흡수 물질을 열 교환기의 배출구로부터의 더 차가운 태양복사 흡수 물질과 혼합하여 상기 액화된 태양복사 흡수 물질의 온도를 열 교환기로의 전달에 앞서 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양은 태양 에너지 수용기와 관련된다. 수용기는 태양복사 흡수 물질을 포함하도록 구성된 내부를 갖는 용기 및 용기 위에 배치되는 뚜껑을 포함한다. 용기는 위쪽 부분을 따라 구멍을 구획하여 태양 복사가 태양복사 흡수 물질로 입사할 수 있게 하고, 일부 실시예에서는 뚜껑과 함께 유입 개구를 형성하여 태양 복사가 개구를 통과할 수 있게 한다. 상기 시스템은 뚜껑의 밑면을 따라 수집된 증발된 태양복사 흡수 물질의 적어도 일부의 응결을 촉진하기 위한 냉각 시스템을 더 포함한다. 뚜껑의 밑면은 용기의 내부를 향해 입사하는 태양 복사를 반사하도록 구성될 수 있고, 비결상(nonimaging) 집적기를 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 집적기는 뚜껑의 밑면 및 그와 조합된 뚜껑 밑면에서 수집된 응결된 태양복사 흡수 물질을 포함한다. 뚜껑은 응결된 태양복사 흡수 물질의 적어도 일부를 용기의 내부로 반환하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 수용기는 용기 내부의 바닥에 또는 그 근처에 배치되는 적어도 하나의 대류 개시기 셀(convection initiator cell)을 포함한다. 대류 개시기 셀은 실질적으로 원뿔형인 요소이거나 이를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 수용기로부터의 열 에너지 손실을 감소시키고 개구를 통한 물질 전달을 방지하도록 유입 개구를 닫기 위한 문(선택적으로 단열됨), 또는 열 에너지 손실을 감소시키고 개구를 통한 물질 전달을 감소시키기 위한, 유입 개구를 가로지르는 에어 커튼을 포함할 수 있다.
추가적인 태양에 있어서, 발전에 사용하기 위한 태양 에너지를 포획하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 수용기의 유입 개구를 통해 태양 복사를 지향시키는 단계(개구는 용기 및/또는 용기 위에 배치되는 뚜껑에 의해 형성되고, 용기는 태양복사 흡수 물질을 안에 포함하는 노출된 내부를 가짐), 액화된 태양복사 흡수 물질로부터 올라오는 증기를 응결시키도록 뚜껑을 냉각하는 단계 및 응결된 증기의 적어도 일부를 용기의 내부로 반환하는 단계를 수반한다. 뚜껑의 밑면 위에 퇴적된 응고된 태양복사 흡수 물질은 예컨대 응고된 물질 위로 직접 입사하는 태양 복사 및/또는 수용기 내의 물질의 위쪽 표면으로부터 반사되는 태양 복사의 결과로서 용융될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 열 에너지 손실 및/또는 물질 전달을 감소시키도록 유입 개구를 가로질러 에어 커튼을 형성하는 단계, 및/또는 (예컨대 용기 내부의 바닥에 또는 그 근처에 배치되는 하나 이상의 대류 개시기 셀을 사용하여) 용기 내의 상 변화 물질의 대류를 유도하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 태양에서, 다양한 실시예는 용융염을 포함하고 이를 실질적으로 둘러싸도록 구성되는 용기 구조물, 및 용기 구조물을 위쪽 부분과 아래쪽 부분으로 나누도록 용기 구조물 내에 수평으로 배치되는 수직 이동 가능 분리판을 포함하는 태양 에너지 수용기와 관련된다. 용기 구조물은 태양 복사가 수용기 내로 통과할 수 있게 하는 유입 개구를 구획하는데, 이는 일부 실시예에서 수용기의 일부인 문에 의해 닫힐 수 있다. 분리판은 용융염이 용기의 위쪽과 아래쪽 부분 사이에서 흐를 수 있게 하는 고리형 틈새 공간을 형성한다. 고리형 틈새 공간의 반경 치수는 분리판과 용기 사이의 기계적 고착을 실질적으로 방지하도록 및/또는 용기 내의 분리판의 상대적 이동이 분리판의 이동 방향과 반대쪽에서(예컨대 뜨거운 쪽에서) 염 플룸(plume) 배출 및 혼합을 촉진하게 하도록 선택될 수 있다.
수용기는 분리판의 수직 위치를 제어하기 위한 수직 이동 작동 시스템을 더 포함할 수 있다. 분리판을 움직이도록 작동 시스템을 구동하기 위한 제어기가 또한 포함될 수 있다. 제어기는 염을 분리판의 뜨거운 쪽(즉, 전형적으로 용기의 위쪽 부분)으로부터 열 교환기를 통해 다시 분리판의 차가운 쪽(즉, 용기의 아래쪽 부분)으로 펌핑함으로써 태양 에너지가 추가되고 열 에너지가 추출되는 때에 분리판의 뜨거운 쪽에서 염의 일정한 온도를 실질적으로 유지하도록 분리판을 움직일 수 있다. 달리 말해, 제어기는 수용기에 대한 순 열획득(net thermal gain)이 아래쪽 부분으로부터 위쪽 부분으로 변위된 용융염의 현열 이득(sensible heat gain)과 실질적으로 균형을 이루게 하고, 수용기로부터의 순 열추출(net thermal extraction)이 위쪽 부분으로부터 아래쪽 부분으로 변위된 용융염의 현열 손실과 실질적으로 균형을 이루게 하도록 분리판을 움직일 수 있다. 제어기는 또한 분리판의 위치가 용기 구조물 내의 열적으로 계층화된 뜨겁고 차가운 용융염 층들 사이의 경계와 실질적으로 일치하도록 분리판을 움직일 수 있다.
분리판은 부식 및 크리프(creep) 내성 합금 또는 리브(rib)가 있는 강철판으로 만들어지거나 이를 포함할 수 있다. 또한, 이는 단열 내화 세라믹층을 포함할 수 있다. 분리판은 수용기가 용융염으로 채워지는 경우에 실질적으로 중립 부력을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 분리판은 속이 빈 튜브형 구조물을 포함한다. 분리판의 위쪽 표면은 태양열 흡수율을 향상시키고 정반사율을 감소시키도록 결이 형성되고/되거나, 코팅되고/되거나 산화될 수 있다.
추가적인 태양은 용융염을 보유하는 뚜껑이 있는 용기에 태양 에너지를 저장하는 방법과 관련되는데, 용융염은 수평 분리판에 의해 위쪽 부분과 아래쪽 부분으로 격리되고, 분리판은 염이 통과하여 흐르게 하기 위한 고리형 틈새 공간을 남겨둔다. 상기 방법은 용기 내에 태양 에너지를 수용함으로써 용기의 위쪽 부분에 있는 용융염을 가열하는 단계, 위쪽과 아래쪽 부분에 있는 각각의 용융염의 평균 온도 사이의 적어도 최소의 온도 차이를 연속적으로 유지하도록 분리판을 수직으로 이동시키는 단계 및 용기의 위쪽 부분에 있는 용융염으로부터 열을 추출하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 뚜껑이 있는 용기에 의해 구획되는 유입 개구의 문을 개구를 통과하는 태양 에너지의 강도에 기초하여 열고 닫는 단계를 더 포함할 수 있다. 열을 추출하는 단계는 뜨거운 용융염을 용기의 위쪽 부분으로부터 열 교환기로 펌핑하는 단계 및 더 차가운 용융염을 열 교환기로부터 용기의 아래쪽 부분으로 반환시키는 단계를 수반할 수 있다. 용기의 위쪽과 아래쪽 부분에 있는 용융염의 전체 체적은 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 상기 방법은 용기의 뚜껑을 능동적으로 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있고, 능동적으로 냉각된 뚜껑으로부터 추출된 열은 동력 사이클 및/또는 담수화 사이클에서 작동 유체를 사전 가열하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 증발된 염은 능동적으로 냉각된 뚜껑의 밑면에서 응결된다.
상술한 내용은 도면들과 함께 아래의 상세한 설명으로부터 보다 손쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따른 비탈면에 장착된 헬리오스탯 및 언덕의 기저에 있는 수용기를 포함하는 태양열 발전 시스템의 개략적인 측면도.
도 2는 일부 실시예에 따른 헬리오스탯 어레이의 개략적인 사시도.
도 3은 일부 실시예에 따른 기울어진 수용기를 포함하는 소규모 태양열 발전 시스템의 개략적인 측면도.
도 4는 일부 실시예에 따른 단일 유입 개구를 갖는 태양 에너지 수용기의 사시도.
도 5a 및 5b는 일부 실시예에 따른 두 개의 유입 개구를 갖는 태양 에너지 수용기의 상이한 사시도들.
도 6a 및 6b는 각각 일부 실시예에 따른 기울어진 태양 에너지 수용기 및 이것의 열 교환기와의 교차면의 절단 사시도들.
도 7은 일부 실시예에 따른 에어 커튼의 속도 분포를 도시하는 개략도.
도 8은 일부 실시예에 따른 대류 개시기 셀의 효과를 도시하는 컴퓨터 시뮬레이션 이미지의 집합.
도 9a 및 9b는 각각 일부 실시예에 따른 아래쪽과 위쪽 위치에 있는 분리판을 갖는 분리형 태양 에너지 수용기의 절단 사시도들.
도 10은 일부 실시예에 따른 분리형 태양 수용기로의 태양 입력의 두 개의 일간 사이클 및 대응되는 분리판 위치를 도시하는 그래프.
도 11은 분리형 태양 수용기 내의 분리기 위치를 결정하기 위한 일부 실시예에 따른 방법을 도시하는 흐름도.
도 12는 분리판과 용기 벽들 사이의 상이한 방사상 틈새들에 대한 용융염 플룸과 대비되는, 분리형 염 충진 태양 에너지 수용기 용기의 측면도.
도 13은 분리형 태양 에너지 수용기를 위한 분리판을 설계하기 위한 일부 실시예에 따른 방법을 도시하는 흐름도.
도 14는 일부 실시예에 따른 열 에너지 저장, 전달 및 발전 시스템을 도시하는 블록도.
1. 태양열 집적기 시스템 구성
본 발명의 다양한 실시예에 따른 집적형 태양열 발전 시스템은 일반적으로 예컨대 뚜껑이 있는 용기를 포함하는 열 수용기와 태양광 반사기 필드를 통합시킨다. 도 1a는 이러한 시스템의 예시 구성(100)을 도시하는데, 여기서 헬리오스탯(102), 즉 태양의 이동을 추적할 수 있는 태양광 반사기는 비탈면 또는 다른 경사(104) 위에 장착된다. 헬리오스탯의 반사 표면은 포물면 형상을 가질 수 있다. 동작시에, 대개 헬리오스탯(102)은 도시된 바처럼 경사 또는 언덕의 기저에 또는 그 근처에 있는 수용기(106)로 입사 일광을 직접 재지향시키도록 배향되며, 보조 반사기는 필요하지 않다. 태양 복사 유입이 매우 높은 조건 하에서, 헬리오스탯(102) 중 일부는 수용기(106)의 과열을 방지하도록 오정렬 또는 오배향될 수 있지만, 아래에서 논의되는 바처럼, 수용기(106)는 종래의 시스템을 훨씬 초과하는 온도를 견디고 그러한 온도에서 동작하도록 설계된다.
수용기(106)는 용융염 합성물 또는 다른 상 변화 물질과 같은 열 저장 유체(109)를 보유하는 용기(108)를 포함한다. 용기 벽들은 단열될 수 있다. 일부 실시예에서, 단열은 도시된 바처럼 태양 복사가 들어올 수 있는 유입 개구(112) 및 수용기 뚜껑(110)만을 지면 위에 남겨두고 수용기(106)를 대부분 지면에 매립함으로써 이루어진다. 헬리오스탯(102)으로부터 반사되고 유입 개구(112)를 통과하는 태양 복사는 수용기에 진입하는 각도에 따라 열 저장 유체의 표면 또는 뚜껑(110)의 밑면 상으로 직접 입사할 수 있다. 저장 유체를 관통하는 태양 복사는 그 경로를 따라 용적 측정 가능하게 흡수된다. 포획된 태양 에너지는 폰드 전체에 걸쳐 대류에 의해 분배될 수 있는데, 이는 용기(108)의 바닥 및/또는 벽에 위치하는 선택적인 대류 셀(114)에 의해 촉진될 수 있다.
일부 바람직한 실시예에서, 열 저장 유체는 고온의 염 합성물, 즉 약 700 ℃ 내지 약 1000 ℃ 또는 그 이상의 범위 내의 온도에서 분해되지 않는 하나 이상의 염의 합성물이다. 고온의 저장 매체를 사용하는 것은 헬리오스탯 어레이가 매우 많은 양의 태양 에너지를 수용기에 집적할 수 있게 하고, 시스템의 더 높은 에너지 효율을 초래할 수 있다. 용융염 폰드의 표면에서, 온도는 전형적으로 용융염 중 일부가 증발하는 수준에 이른다. 증발된 염 증기는 상승하여 뚜껑(110)의 밑면 상에 퇴적되는데, 뚜껑(110)은 응결 및/또는 응고를 촉진하도록 능동적으로 냉각될 수 있다. 응고된 염 상에 입사하는 반사 일광은 유리하게도 이를 다시 용융시킬 수 있다. 응결 및 용융 공정의 결과로서, 뚜껑 상에 형성된 염 층이 연속적으로 보충된다.
도 2는 비탈면(104) 위에 장착되어 지면 수준(116)에 위치한 수용기(106)로 태양 복사를 지향시키는 수십 개의 헬리오스탯(102)을 갖는 시스템의 등측도를 도시한다. 그러나, 전형적인 시스템은 수천 개의 헬리오스탯을 포함할 수 있는데, 이는 국지적인 지형에 따라 어레이 또는 다른 방식으로 배열될 수 있다. 도시된 바처럼 수용기(106)가 언덕으로부터 소정 거리만큼 떨어져 평평한 지면(120) 위에 배치(또는 그 안에 매립)되는 경우, 수용기가 언덕 위에도 위치하는 구성에 비해 더 큰 효율을 달성할 수 있다. 소정의 바람직한 실시예에서, 언덕의 기저로부터의 수용기(106)의 거리는 헬리오스탯 필드의 반경의 대략 절반이다. 언덕의 기저와 수용기 사이의 공간에는, 이러한 가용 공간을 발전을 위해 활용하여 토지 투자에 대한 수익을 높이기 위해 종래의 광전 패널이 설치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 소규모 실시예(300)를 도시하는데, 두 개의 행(302, 304)을 포함하는 헬리오스탯 어레이는 기울어진 원통형 수용기(310)로 일광을 비춘다. 도시된 예에서, 평면 거울 헬리오스탯(306)은 태양열 발전 수집기(308)와 조합하여 사용된다. 태양열 발전 수집기(308)는 대형 유입 개구에 대한 필요를 회피하는데, 그것이 필요한 경우 이는 상당한 열 손실을 야기할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 양호한 초점 특성을 갖는 포물면 반사기 헬리오스탯이 소규모 시스템에서 사용될 수 있다.
대안적인 구성에서, 수용기 용기가 태양열 탑 꼭대기에 장착된다. 뚜껑이 용기 위에 배치된다. 일광은 수용기 아래의 높이에 배치된 헬리오스탯으로부터 반사되고 뚜껑의 밑면으로 지향되는데, 여기서 이는 용기 내의 용융염 폰드 또는 다른 태양복사 흡수 물질(solar absorption material)로 재지향된다. 도 1과 관련하여 위에서 기술된 뚜껑과 유사하게, 증발된 염이 응결하여 자체 보충 거울 표면을 형성할 수 있도록 뚜껑이 능동적 또는 수동적으로 냉각될 수 있다. 적하하는(dripping) 용융염을 다시 폰드로 지향시키도록 고리형 레지(ledge) 또는 적하 립(drip lip)이 뚜껑의 밑면에 제공될 수 있다. 또한, 균일하고 평활한 염 층은 반사성이 높고, 그 자체로 거울로 사용될 수 있어 기저에 놓인 거울 표면으로부터 염 퇴적물을 닦아낼 필요를 없앤다. 염 기반 반사 표면은 매우 높은 강도의 조사(irradiation)에 의해서도 손상 또는 파괴되지 않는다는 점에서 통상적인 거울에 비해 더욱 유리하다. 상기 시스템은 지하 저장 탱크를 포함할 수 있는데, 이는 가열된 염을 수용기 용기로부터 배관을 통해 수용한다. 펌프는 차가운 염을 저장 탱크로부터 수용기 탱크로 들어올릴 수 있는데, 뜨거운 염은 둑을 넘어 하강관(downcomer)으로 흐르고 다시 저장 탱크로 흐른다.
2. 태양 에너지 수용기
본 발명의 소정의 실시예에 따른 태양 에너지 수용기는 도 1에 개략적으로 도시된 바처럼 열 저장 유체(예컨대 용융염)를 보유하기 위한 용기 및 용기 위에 배치되는 뚜껑을 포함할 수 있다. 전형적인 용기는 수십 미터의 직경 및 수 미터의 높이를 가질 수 있는데, 이러한 용기는 수천 톤의 용융염을 보유할 수 있고, 지면 기반 수용기(예컨대 도 1 및 3에 도시된 것)에서 사용하기에 적합하다. 용기 형상은 예컨대 원통형, 호형, 또는 입방형일 수 있다. 용기 바닥 및 측벽은 예컨대 철, 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 망간과 같은 금속으로 형성될 수 있다. 통상적인 유형의 액체염 용기는 스테인레스 스틸 또는 인코넬(Inconel)로 만들어진 외피 및 내화 벽돌로 된 내부 피복(interior lining)을 갖는다. 용융염으로부터 열을 추출하기 위해, 용기의 표면과 접촉하는 열 교환기가 사용될 수 있다. 다르게, 염은 수용기 외부의 열 교환기로 펌핑되어 스팀을 생성하는 데 사용될 수 있다. 다른 상업적이고 산업적인 공정 응용예에 대한 용융염 저장 시스템 및 이로부터 열을 추출하는 방법이 본 기술 분야의 당업자에게 잘 알려져 있다.
용기 위에 배치되는 뚜껑은 마찬가지로 내화 벽돌로 피복될 수 있고, 적어도 하나의 용기 벽의 위쪽 테두리를 따라 용기에 연결될 수 있다. 일부 바람직한 실시예에서, 뚜껑은 용기 위의 공간을 실질적으로 둘러싸고, 한쪽에 하나의 유입 개구만을 남겨둔다. 소정의 실시예에서, 개구는 약 2 제곱미터의 면적을 갖는다. 증발된 염의 손실 및 이에 동반한 개구를 통한 에너지의 손실을 방지하기 위해, 수용기는 아래에서 보다 상세히 논의되는 바처럼 개구를 일시적으로(특히 어둡거나 태양 복사 강도가 낮은 때에) 닫기 위한 문 또는 유사한 수단을 포함하거나 또는 개구를 가로질러 에어 커튼을 생성할 수 있다.
도 4는 염 충진 용기(402), 뚜껑(404), 개구(406) 및 몇몇 열 교환기 창(408)을 포함하는 예시 호형 수용기(400)의 3차원 정면도를 도시한다. 이러한 호형 수용기는 예컨대 90도를 포괄하여 헬리오스탯 어레이를 마주하는 데 사용될 수 있다. 전형적인 비탈면에서, 이러한 두 개의 수용기 및 헬리오스탯 어레이가 사용될 수 있다.
특히 폰드의 표면에서의 용융염의 상승된 온도로 인해, 염은 전형적으로 소정의 증발을 겪으며, 증기는 온도가 용융 온도보다 낮은 온도의 표면 상에서 응결될 것이다. 다양한 실시예에서, 뚜껑은 공기 또는 물에 의해 배면 냉각되고{예컨대 도 1에 도시된 냉각 튜브(120)를 사용하여}, 따라서 뚜껑의 밑면은 이러한 응결 표면을 제공한다. (용기 뚜껑의 밑면이 금속이고 용융점보다 높은 온도로 유지되는 경우, 이는 빠르게 산화 및 퇴색되어 수용기에서 산란되는 태양광에 대한 반사율을 감소시킬 것이다.) 응결되는 염은 액체염보다 훨씬 더 낮은 전도 계수를 갖기 때문에, 이는 보호 코팅으로서 사용될 수 있다. 뜨거운 염으로부터 냉각 유체로 전달되는 열 에너지는 스팀 생성기로 향하는 경로에서 물을 사전 가열하는 데 사용될 수 있거나, 그렇지 않으면 효율을 증가시키도록 회수되어 동력 사이클에 공급될 수 있다.
염 응결층은 정상 상태 두께까지 축적될 수 있고, 복수의 상 변화를 거쳐 뚜껑 밑면에 평활한 고체-액체-기체층을 형성할 수 있다. 이러한 층은 반사성이 매우 높고, 따라서 파괴 불가능한 거울을 구성한다. 이는 수체(water body)의 표면에 필적하는 빗각(grazing) 입사 반사를 향상시킬 수 있고, 따라서 염 폰드에 직접 입사하지 않는 헬리오스탯으로부터의 일광을 재지향시킬 수 있다. 또한, 뚜껑의 밑면에 있는 염 층은 폰드 표면으로부터 산란되는 복사를 다시 폰드로 재지향시킬 수 있다. 이러한 효과를 향상시키기 위해, 뚜껑은 곡면을 가질 수 있고, 바람직하게는 비결상 집적기를 형성할 수 있다. 뚜껑의 곡면 형상 또는 기울어진 형상은 또한 용융염이 용기에 다시 흘러들어가 용기에 의해 재포획될 수 있도록 한다.
도 5a 및 5b는 각각 다른 예시 수용기 실시예의 3차원 측면도 및 3차원 부분 절단 정면도를 도시한다. 여기서, 수용기(500)는 염(도시되지 않음)을 위한 공동(504)을 생성하는 대형 원통 형상 용기(502)를 포함한다. 일광은 두 개의 개구(506, 507)를 통해 두 개의 헬리오스탯 어레이로부터 집속될 수 있다. 전형적으로, 각각의 헬리오스탯 어레이는 확산되는 일광 광선의 0.01 라디안 발산(divergence) 및 헬리오스탯 각각으로부터의 모든 빔과 항상 직교할 수는 없는 개구를 통한 집속된 빔의 교차로 인한 빔의 크기를 제어하도록 90도의 호를 형성한다. 하나의 개구(예컨대 506)를 통해 수용기 안으로 비춰 들어가는 일광이 다른 개구(예컨대 507) 밖으로 즉시 비춰 나오는 것을 방지하기 위해, 수용기는 예컨대 용기 뚜껑으로부터 매달린 원뿔 형상 구조물일 수 있는 반사 구조물(508)을 포함한다. 소정의 실시예에서, 반사 구조물(508)은 그 안에 축조된 열 교환기를 갖는데, 이는 염 증기가 그 표면 상에서 응결되어 위에서 기술된 뚜껑의 밑면 상의 염 코팅과 유사한 보호 및 반사 코팅을 형성하도록 야기한다. 일부 실시예에서, 뚜껑(510){수용기의 내부를 드러내도록 도 5b에서는 그 절반만이 도시됨} 또는 뚜껑의 일부는 염의 적재 및/또는 유지 보수를 촉진하도록 탈착 가능하다.
도 6a는 예컨대 도 2에 도시된 태양열 발전 시스템에서 사용될 수 있는 기울어진 원통형 수용기(600)의 단면도를 도시하고, 도 6b는 기울어진 원통형 수용기(600)의 열 교환기 인터페이스의 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 일광은 집적 전력 수집기(208)를 사용하여 집적될 수 있고, 유입 개구(602)를 통과하여 용기 내부의 용융염 폰드(604)의 표면 상에 입사할 수 있다. 일광의 일부는 염 안으로 굴절되고 염 체적을 통해 흡수되며, 일광의 다른 부분은 폰드 표면으로부터 반사된 후 뚜껑(606)의 밑면으로부터 반사되는데, 뚜껑은 염 응결을 촉진하도록 냉각되어 보호 및 반사 코팅을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 뚜껑은 도시된 바처럼 평면형이다. 일반적으로, 뚜껑의 형상은 본 기술 분야의 당업자에게 알려진 방식으로 확산 반사 광학 법칙에 기초하여 최적화될 수 있다.
염 폰드(604)는 금속 용기(610)가 보유하고 있는 내화 피복(608)으로 용기에 담겨질 수 있다. 일부 실시예에서, 내화 피복의 창(612)은 열 교환기(614)로의 열 흐름을 가능하게 하는데, 열 교환기는 열 공정 산업 또는 직접 스팀 생성에 종종 사용되는 보조 염 열 전달 루프를 가열하기 위한 유입구/배출구(616)를 갖는다. 고온에서의 크리프(creep)를 방지하도록 저 응력 방식으로 열 교환기(614)를 용기(610)에 결합하기 위해, 안티몬, 주석, 마그네슘, 알루미늄, 또는 이들의 공융 혼합물과 같은 액체 금속(618)이 사용될 수 있다. 또한, 전도 및 대류 손실을 감소시키기 위해, 용기(610)는 단열층(620)(예컨대 스팀 터빈 시스템의 고온 스팀 파이프를 덮는 데 사용되는 단열재와 유사함)에 의해 덮일 수 있다. 용기(610)의 바닥(622)은 바람직하게는 또한 단열될 뿐만 아니라, 시스템의 중량을 지탱하도록 구조적으로 구성된다. 이러한 요건을 충족하는 물질 및 구조는 다른 상업적 및 산업적 응용예에서 사용하기 위해 널리 연구되었으며, 본 기술 분야의 당업자에게 잘 알려져 있다.
다양한 실시예에서, 고온 용융염의 높은 증기압은 어떠한 완화도 없는 경우 유입 개구를 통한 염 증기의 상당한 손실을 초래한다. 손실률은 염 온도 및 조성뿐만 아니라 수용기 및 개구의 사양에 좌우된다. 850 ℃의 NaCl/KCl 염 혼합물 및 개구에서의 5 m/s의 풍속에 대해, 손실률은 약 0.2 kg/m2/h로 계산되었다. 염의 이러한 손실은 보충하는 데 비용이 많이 들뿐만 아니라 시스템의 에너지 효율을 감소시키는데, 그 까닭은 유입 개구를 가로지르는 물질 전달은 대응되는 열 전달 손실과 연관되기 때문이다. 증발된 염 증기가 수용기를 빠져나가는 것을 방지하기 위해, 본 발명의 다양한 실시예는 개구를 가로지르는 에어 커튼을 포함할 수 있다. 에어 커튼은 연관된 배관과 함께 뚜껑 내에 축조되거나 또는 원격으로 배치되는 하나 이상의 전동 송풍기에 의해 생성될 수 있다.
도 7은 송풍기 배출구에서 폭 e를 갖는 에어 제트(air jet)의 폭 및 길이에 따른 속도 프로파일을 도시한다. 에어 제트를 가로지르는 질량 흐름은 그 폭, 길이, 두께 및 배출구 속도의 함수이다. 송풍기의 전력 요건은 마찬가지로 이러한 파라미터들에 좌우되고, 이에 따라 파라미터들은 에어 커튼의 효율, 즉 송풍기가 요구하는 전력에 대한 커튼으로 인해 절감된 전력의 비율을 최대화하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 배출구 속도는 조절 가능할 수 있다. 적합한 에어 커튼의 일 유형에 대한 추가 세부사항, 그리고 특히 에어 제트 파라미터, 환경 파라미터 및 커튼의 전력 균형 사이의 관계는 Adam Taylor Paxson, "Design and Validation of an Air Window for Molten Salt Solar Thermal Receiver"(2009년 6월)(매사추세츠 공과 대학 이학사 논문)에서 살펴볼 수 있는데, 이는 본 명세서에 그 전체가 참고로서 포함된다.
일부 실시예에서, 수용기는 도 1에 도시된 바처럼 용기의 바닥 또는 벽에 배치되는 날카로운 테두리를 갖거나 "뾰족한"(예컨대 원뿔 형상의) 대류 개시기 셀을 포함한다. 이러한 대류 개시기 셀은 용융염 폰드의 조건을 견딜 수 있는 용융 또는 파쇄된 탄화 규소 블록 또는 다른 안정적인 물질로 형성될 수 있다. 이는 용기 내의 용융염의 대류 혼합을 개시 및/또는 향상시키는 열 핵형성 장소로서 작용할 수 있고, 용융염이 열적으로 계층화되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이는 염 내의 열점을 최소화하고 염 폰드의 위쪽 표면의 과열 및 비등(boiling)을 방지하는 것을 돕는다. 도 8은 바닥에 대류 개시기 셀을 갖는 용기 내의 온도 필드의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 도시한다.
일부 실시예에서, 수용기 용기는 (전형적으로는 수평으로 배열된) 분리판에 의해 위쪽 부분과 아래쪽 부분으로 분리된다. 도 9a 및 9b는 예시 분리형 수용기(900)를 3차원 단면도로 도시한다. 동작시에, 가열된 용융염은 열역학 사이클을 구동하는 데 필요한 바에 따라 위쪽 부분(902)으로부터 펌핑된다. 예컨대, 뜨거운 용융염은 열 교환기의 유입구로 이송될 수 있고, 열 교환기를 빠져나오는 더 차가운 염은 수용기 용기의 아래쪽 부분(904)으로 다시 펌핑될 수 있다. 그 결과, 용융염은 열적으로 계층화되는데, 즉 용기의 꼭대기와 바닥 사이에 (대개 비선형의) 온도 구배를 갖는 염의 층들을 형성한다.
용기의 위쪽과 아래쪽 부분(902, 904)을 물리적으로 격리시키는 분리판(906)은 단열될 수 있고, 따라서 또한 열적으로 계층화된 뜨거운 층과 차가운 층 사이에 열 장벽을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 분리판은 부식 및 크리프 내성 합금 또는 리브가 있는 강철로 만들어지고, 내화 벽돌 또는 내화 세라믹층에 의해 단열된다. 이러한 판은 무겁지만, 단열 내화 벽돌의 적당한 두께는 이것이 용융염에서 중립 부력을 갖게 하기에 충분할 수 있다. 다르게, 속이 빈 튜브형 구조물이 분리판 구조를 거의 중립 부력을 갖게 만드는 데 사용될 수 있다. 이러한 구조물의 속이 빈 튜브 또는 챔버는 챔버 벽의 응력을 최소화하기 위해 동작 온도에서 근소한 내부 압력을 갖도록 설계될 수 있다. 예컨대, 분리판은 일련의 덮개가 있는 파이프들 또는 다른 적합한 챔버들로부터 구축될 수 있다.
수용기로 들어가는 빛은 적어도 그 중 작은 부분이 분리판(906)에 부딪히도록 용융염을 깊게 관통할 수 있는데, 이는 대류 흐름을 야기하여 위쪽 부분(904)에 있는 뜨거운 염을 균일한 고온으로 가열시킨다. 분리판은 작동 케이블(908), 링크 또는 다른 동력 전달 요소에 의해, 실린더에 의해, 또는 수용기(900) 주위의 환경에서 동작 가능한 임의의 다른 적합한 작동 시스템 구성요소에 의해 축 방향으로 위아래로 움직일 수 있다. 분리판(906)과 용기 벽 사이의 고리형 틈새 공간(또는 "방사상 틈새")은 분리판(906)이 움직이는 동안에 염이 분리판(906)을 지나 위쪽과 아래쪽 부분(902, 904) 사이에서 움직일 수 있게 한다. 예컨대, 분리판(906)이 위쪽으로 움직이는 경우, 용융염은 위쪽 부분(902)으로부터 고리형 틈새 공간을 통해 아래쪽 부분(904)으로 흐른다. 수용기는 순간 동작 상태 및 조건(예컨대 그 시간의 태양 에너지 수용기 또는 열 에너지원으로서의 수용기의 용도, 입사 태양 복사의 강도, 수용기를 통해 펌핑되는 염의 비율 등)에 따라 적합한 속도와 올바른 방향으로 분리판을 움직이도록 수직 작동 시스템을 구동시키는 제어기(910)를 포함할 수 있다. 제어기(910)는 적절한 분리판 이동을 결정하기 위한 방법(예컨대 아래에서 도 11을 참조하여 기술되는 방법)을 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현할 수 있다. 예컨대, 제어기(910)는 용도 특정 전자 회로, 또는 적합한 소프트웨어로 프로그래밍된 범용 컴퓨터이거나 이를 포함할 수 있다.
도 9a 및 9b는 분리판(906)의 위치가 태양 복사 유입 및 수용기로부터의 열 에너지 추출과 개념적으로 어떻게 관련되는지를 도시한다. 도 9a에 도시된 바처럼, 화창한 날이 끝날 때, 분리판(906)은 아래로 이동하였고, 수용기의 뜨거운 쪽은 완전히 채워진다. 즉, 용기의 위쪽 부분(902)이 용기의 전체 내부 체적을 차지한다. 도 9b는 어떠한 태양 복사 입력도 없이 열 추출 기간이 길어진 후의 시스템(900)을 도시하는데, 개구는 환경으로의 손실을 감소시키도록 단열 문(912)으로 밀봉되며, 흐린 낮과 밤이 지난 후에 분리판은 위로 이동하였고, 차가운 쪽(914)이 가득 찬다. 도 10은 하나의 "이상적인 날"과 하나의 대체로 흐린 "과도적인 날"로 된 두 개의 낮/밤 사이클에 걸친 분리판 위치를 도시한다. 일반적인 규칙으로서, 수용기(900)에 대한 순간 태양 복사 입력이 열 추출의 비율 미만인 경우, 분리판은 탱크에서 위로 이동하여 뜨겁고 차가운 체적 사이의 필요한 온도 분포를 유지시킨다. 태양 복사 입력이 열 추출의 비율보다 큰 경우, 분리판은 수용기에서 아래로 이동한다.
분리판(906)은 전형적으로 분리판(906) 위와 아래의 용융염 각각의 온도(각각의 온도는 용기의 각 부분에 대해 평균됨)가 실질적으로 일정하게 또는 지정된 범위(대개는 좁음) 내에 유지되도록 올라가고 내려간다. 위쪽 부분의 뜨거운 용융염의 온도를 안정화시키는 것(그 부분의 염의 체적은 변화함)은 동력 사이클의 열역학 공정 파라미터를 변화시킬 필요 없이 연속적인 열 추출을 가능하게 한다. 수용기에 대한 임의의 순 열획득(태양 에너지 입력 및 용융염으로부터의 열 추출에 기인함)이 아래쪽 부분으로부터 위쪽 부분으로 변위된 용융염 부분의 열 이득과 균형을 이루는(즉, 실질적으로 같은) 경우, 그리고 반대로 수용기에 대한 임의의 순 열손실이 용기의 위쪽 부분으로부터 아래쪽 부분으로 변위된 용융염 부분의 열 손실과 실질적으로 같은 경우, 위쪽 및/또는 아래쪽 부분의 온도 변화는 일반적으로 방지된다.
도 11은 시스템에 들어오거나 나가는 순 열흐름과 염의 변위된 체적에 대한 열 전달 사이의 원하는 균형을 달성하는 분리판의 수직 위치에 대한 제어 전략을 도시한다. 주어진 시간 간격 Δt 동안에 일정한 속도 vplate로 분리판이 움직인다고 가정하면, 그 위치는 거리 Δz = vplateΔt만큼 변화한다. 염의 결과적인 변위된 체적은 Δz와 분리판 면적 Aplate의 곱이다. 변위된 체적의 온도를 아래쪽 용기 부분의 온도로부터 위쪽 용기 부분의 온도로, 또는 그 역으로 가져오는 데 필요한 열은 염의 밀도 ρsalt 및 비열 용량 csalt와, 뜨겁고 차가운 염 사이의 온도 차이 ΔT에 좌우되며,
Figure pct00001
이다. 따라서, 시간 Δt 동안의 수용기에 대한 순 열 획득을 ΣQsys로 표기하면, 그 간격 동안의 요구되는 분리판 속도는 아래와 같다.
Figure pct00002
순 열속(net heat flux)이 양인 경우 분리판은 아래로 움직이고, 음인 경우 분리판은 위로 움직인다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 분리형 용기 수용기는 전형적으로 분리판과 용기 벽 사이의 넉넉한 방사상 틈새를 구획하여 제조를 촉진하고 동작 유연성을 지원한다. 틈새가 더 작을수록 염의 통과 흐름의 속도, 그리고 결과적으로 흐름 저항 및 분리판에 대한 항력이 일반적으로 더 크다. 일정한 분리판 속도를 위해, 블로바이(blow-by) 염 속도는 고리형 틈새 면적에 반비례한다. 탱크 직경 Dtank보다 훨씬 작은 방사상 틈새 δgap을 갖는 원통형 탱크의 경우, 고리형 틈새 면적은 아래와 같이 근사될 수 있다.
Figure pct00003
틈새 블로바이 염의 전체 체적 유량은 열 교환기를 통한 체적 유량 QHX와 피스톤으로 작용하는 이동 분리판에 의해 변위된 염의 체적의 합이다.
Figure pct00004
따라서 고리형 염 흐름의 평균 속도는 아래와 같다.
Figure pct00005
분리판에 대한 항력의 추정치는 아래에 따라 확인될 수 있다.
Figure pct00006
여기서, Cd는 기하학적 구조에 좌우되는 항력 계수이다. 유체 흐름에 수직인 원형 평판의 경우, 항력 계수 Cd는 1.12이다. 이러한 마지막 등식에서 볼 수 있는 바처럼, 항력은 틈새 면적의 제곱의 역에 따라 증가한다. 즉, 틈새 면적이 작을수록 항력이 더 크다. 이어서, 분리판에 대한 더 큰 항력은 더 큰 정위 작동기를 필요로 하는데, 이는 시스템의 비용을 증가시킨다. 또한, 매우 작은 틈새는 수용기에서 분리판과 용기 벽 사이의 염 결빙 또는 다른 형태의 기계적 고착이 쉽게 일어나게 만들 수 있는데, 이는 시스템을 움직이지 못하게 할 것이다. 다른 한편으로, 분리판과 용기 벽 사이의 넉넉한 방사상 틈새는 매우 낮은 흐름 속도를 초래한다. 이처럼 점성이 낮은 용융염이 천천히 움직이는 분리판을 지나 천천히 흐르는 것은 전형적으로 분리판 상의 항력을 무시할 수 있게 만든다.
수용기 비용 및 동작 강건성에 대한 영향 외에도, 고리형 틈새는 일반적으로 시스템 성능에 상당한 영향을 미친다. 도 12에 도시된 바처럼, 상이한 틈새 간격은 상이한 흐름 및 혼합 패턴을 초래한다. 도 12의 삽화 (i)은 넓은 간격을 도시하는데, 이는 분리판을 지나는 느린 속도 및 혼합되지 않은 차가운 염의 약한 층류 플룸(laminar plume)을 초래한다. 다른 한편으로, 도 12의 삽화 (ii)는 상대적으로 더 작은 간격을 도시하는데, 이는 차가운 염의 잘 혼합된 플룸을 보장함으로써 용기의 위쪽 부분에서 균일한 온도를 달성한다. 즉, 차가운 염은 뜨거운 염 영역 안으로 깊이 관통하기에 충분한 운동량을 갖고, 플룸의 층류-난류 천이적 성질 또는 완전한 난류 성질은 뜨거운 염 체적과의 양호한 혼합을 촉진한다. 다양한 틈새 간격, 분리판 속도 및 염 특성(예컨대 조성 및 온도)에 대한 더 낮은 밀도의 뜨거운 염 쪽으로 위를 향해 차가운 염을 "주입"하는 것으로부터 초래되는 난류 및 혼합은 본 기술 분야의 당업자에게 일반적으로 알려진 방법에 의해 손쉽게 모델링 및 특성화될 수 있다. 더욱이, 개연성 있는 플룸의 기하학적 구조, 유체 비말 동반 혼합 및 플룸 확산각은 부력 구동 층류 열 플룸 및 난류 열 및 제트 플룸에 관한 공표된 이전의 저작으로부터 추론될 수 있다. 예컨대, 본 명세서에 참고로서 포함되는 Moses 등의 "An experimental study of laminar plumes"(J. Fluid Mech., 251권, 581 내지 601면)(1993) 및 Pera 등의 "Laminar plume interactions"(J. Fluid Mech., 68권, 2부, 259 내지 271면)(1975)를 참조한다.
도 13은 열 수용기 분리판에 대한 설계 공정을 흐름도로 도시한다. 상기 공정은 원하는 수준의 혼합을 초래하는 틈새 크기를 결정하는 단계 및 선택된 틈새에 대한 항력 및 열 간격을 시스템의 동작 온도 범위에 걸쳐 계산하는 단계를 수반한다. 항력이 수용 불가능하게 큰 경우, 방사상 틈새가 감소된다. 이러한 공정은 높은 혼합과 낮은 항력 사이의 수용 가능한 타협을 찾을 때까지 반복적으로 되풀이된다. 선택적으로, 천공, 채널, 또는 다른 형상과 같은 흐름 변경 지형 구조물 또는 표면 코팅을 갖도록 분리판 설계가 정련된다. 이러한 조정에 이어, 충분한 혼합 및 허용 가능한 항력을 달성하도록 방사상 틈새가 다시 미세 조정된다.
분리판은 다양한 방식으로 변경될 수 있다. 예컨대, 평평한 동심 원반 분리판 기하 구조의 열적 및 물리적 격리는 예컨대 적절한 크기의 우회 구멍 또는 천공을 갖도록 변경될 수 있다. 유사하게, 우회 홈 또는 규칙적으로 이격된 채널이 분리판의 측면에 물결 모양으로 만들어질 수 있는데, 이는 플룸 불안정성을 야기하고 혼합을 촉진하는 차등적인 흐름의 영역을 생성한다. 또한, 분리판의 바닥 표면은 비평면형으로 만들어질 수 있다. 예컨대, 홈 또는 채널을 갖는 볼록 또는 오목 프로파일이 원하는 영역으로 흐름을 지향시키는 데 사용될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 분리판의 위쪽 표면은 태양열 흡수율을 향상시키고 정반사율을 감소시키도록 결을 갖고/갖거나, 코팅되고/되거나 산화된다. 이러한 구성의 다양한 조합 및 치환이 특정한 결과를 달성하도록 이용될 수 있다.
3. 용융염 합성물
다양한 실시예에서의 사용이 예상되는 염 합성물은 세 부류의 염, 즉 염화염, 탄산염, 불화염의 단원소, 2원소 및 3원소 합성물을 포함한다. 적합한 2원소 염화염의 예는 50 mol % NaCl 및 50 mol % KCl의 공융 혼합물이며, 이는 657 ℃의 용융점 및 1100 ℃까지의 동작 범위를 갖는다. 적합한 3원소 탄산염은 예컨대 32 wt. % Li2CO3, 33 wt. % Na2CO3 및 35 wt. % K2CO3의 혼합물이며, 이는 432 ℃의 용융점 및 950 ℃까지의 동작 범위를 갖는다. 53 wt. % KNO3, 40 wt. % NaNO2 및 7 wt. % NaNO3를 갖는 혼합물과 같은 종래의 질산/질산염은 온도가 600 ℃에 접근하면 분해되기 때문에 전형적으로는 적합한 후보가 아니다.
바람직한 부류의 염들은 몇몇 주요 요건을 충족한다. 이들은 모두 광범위한 동작 온도를 갖고, 태양 스펙트럼과 관련된 파장의 범위에 걸쳐 반투명이고, 적어도 1000 ℃까지의 온도에서 주변 물질(즉 용기 벽 및 뚜껑) 및 공기와 화학적으로 양립 가능하다. 또한, 이들은 비교적 저렴하고 낮은 독성을 갖는다. 소정의 실시예에 따른 예시 염들 및 비교를 위한 종래의 질산염-아질산염의 다양한 열 물리적 및 광학적 특성이 표 1에 열거된다.
Figure pct00007
(* NaCl-KCl 및 Li2CO3-Na2CO3-K2CO3의 경우 800 ℃에서, KNO3-NaNO2-NaNO3의 경우 350 ℃에서)
고온에서 염화염은 습기와 반응하여 적은 양의 HCl을 생성할 수 있다. 이러한 효과는 NaOH와 같은 적은 양의 수산화물을 용융염에 첨가함으로써 최소화될 수 있다.
다양한 실시예에서, 수용기에서 사용하기 위한 염의 선택은 태양열 발전 시스템의 동작 파라미터에 기초한다. 바람직하게는, 용융염은 낮은 용융 온도 및 생성될 최대 스팀 온도보다 큰 높은 분해 온도를 갖는다. 뜨거운 염이 스팀 생성기로 펌핑된 후 "차갑게" 되돌아가는 경우, 저장될 수 있는 전체 에너지는 "뜨겁고" "차가운" 염 온도 및 염의 질량과 비열의 함수이다. 스팀이 용융염의 용기와 접촉하는 코일로부터 생성되는 경우, 저장되는 에너지는 물이 코일로 들어오는 바닥으로 차가운 염이 가라앉고 스팀이 코일에서 빠져나가는 꼭대기에 뜨거운 염이 머무르도록 염이 탱크 내에서 계층화되는 능력의 함수일 것이다.
일반적으로, 염화염과 같은 고온 염은 스팀 온도에 가까운 용융 온도를 가지며, 따라서 저장되는 에너지는 스팀 온도보다 수백도 더 뜨거운 온도로 염을 가열하는 것에 좌우된다. 많은 시간 동안 또는 심지어 수일간의 저장을 위해, 일간 종료시(the end of the day)의 "뜨거운" 염 온도와 태양이 염을 재가열하기 시작하는 때의 온도의 차이는 이상적으로는 300 ℃ 내지 400 ℃ 정도로 매우 높고, 따라서 필요한 염의 체적이 최소화된다. 또한, 염은 바람직하게도 개방된 대기 환경에서 사용되는 경우에 분해되지 않는데, 그 까닭은 염을 공기로부터 격리하기 위한 고체 창을 사용하는 것은 시간에 따라 분해되고 시스템 비용을 증가시킬 것이기 때문이다.
일 실시예에서, 염 혼합물은 염화 나트륨과 염화 칼륨을 1:1 비율(질량으로)로 포함한다. 이러한 저렴한 혼합물은 약 670 ℃의 공융점 및 약 1400 ℃의 비등점을 갖는다. 따라서, 이는 과열된 스팀을 생성하는 데 이상적이다. 더욱이, 이는 지극히 강건하다. 과열되는 경우 분해될 수 있는 질산염 또는 용락(burn through), 파열 또는 피로해질 수 있는 보일러 튜브와 달리, 이는 본질적으로 손상될 수 없다. 또한, NaCl/KCl 염 혼합물은 비교적 투명하기 때문에, 이는 태양 복사속(solar flux)이 증가함에 따라 대류 혼합을 생성할 것이고, 이에 의해 시스템이 자체 안정되도록, 즉 상당히 균일한 온도 분포를 달성하고 국지적 과열을 방지하도록 야기할 것이다.
소정의 실시예에서, 염 합성물은 합성물의 열 용량 및 전도율을 향상시키고 태양광 감쇠 계수를 증가시키는 나노 입자를 더 포함하여 폰드의 모든 체적 전체에 걸쳐 태양 에너지의 흡수를 촉진한다. 예컨대, 태양 에너지가 수용기 벽 또는 바닥이 아닌 주로 폰드의 표면 아래에서 흡수되도록 폰드 내의 나노 입자의 농도를 조절하는 것이 바람직할 수 있다. 입자의 농도를 조절함으로써, 최적의 대용량 흡수 프로파일이 손쉽게 달성될 수 있다. 위에서 논의된 에어 커튼을 이용함으로써, 공기중 분진 또는 먼지에 의한 폰드의 오염 및 에너지 흡수 프로파일에 대한 연관된 변화가 지연 또는 감소될 수 있다.
나노 입자는 산화물(예컨대 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 및 이들의 화합물), 금속(예컨대 금, 은, 백금, 구리, 알루미늄 및 이들의 합금) 및/또는 다른 내화 물질(예컨대 흑연 또는 다이아몬드)로부터 제조될 수 있다. 이는 가는 나노 막대, 나노 디스크, 또는 나노 튜브일 수 있거나, 구형, 편원형(oblate), 또는 장구형(prolate) 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 입자의 적어도 하나의 특징적인 치수는 1 내지 1000 nm 범위 내에 있다. 나노 입자의 첨가는 점성을 증가시키고 합성물의 열 팽창 계수를 감소시킬 수 있는데, 이는 폰드 내의 자연스러운 순환 및 혼합을 방해할 수 있다. 또한, 나노 입자는 밀도를 증가시킬 수 있는데, 이는 펌프와 같은 시스템 구성요소에 대해 더 높은 중량 지탱 요건을 부과한다. 이러한 효과를 제한하기 위해, 입자 농도는 예컨대 5 % vol. 미만 또는 3% vol. 미만 또는 1 % vol. 미만으로 제한될 수 있다.
염 합성물에 사용될 입자의 선택은 일반적으로 특정한 시스템 요건에 좌우되고, 다양한 고려 사항 간의 타협을 구성할 수 있다. 산화물 및 탄소 기반 입자는 금속 기반 입자에 비해 화학적으로 더 비활성이고 따라서 용융염과 더욱 양립 가능하다는 장점을 가질 수 있다. 다른 한편으로, 금속 및 다이아몬드 입자는 열 전도성을 더 향상시키는 데 바람직할 수 있다. 금속 입자 부류 내에서, 불활성 금속은 전형적으로 알루미늄 및 구리보다 더 높은 화학적 안정성을 갖지만, 또한 더 높은 비용과 연관된다. 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 입자는 더 높은 열 전도율 향상을 제공할 수 있지만, 또한 더 높은 점성을 나타낼 수 있다. 더 작은 입자는 더 큰 입자에 비해 분산이 보다 쉽게 안정화된다는 점에서 유리할 수 있다.
4. 열 에너지 저장 및 역학 또는 전기 에너지로의 변환
다양한 실시예에서, 수용기는 분해되지 않고 700 ℃, 바람직하게는 1000 ℃를 초과하는 온도를 견딜 수 있는 용융염 합성물(예컨대 탄산염 및/또는 염화염을 포함함)을 활용한다. 이러한 고온 합성물은 고밀도의 태양 대 열 에너지 변환을 촉진한다. 또한, 이는 고밀도의 열 에너지 저장을 가능하게 한다. 즉, 피크 수용기 온도와 동력 사이클 온도(예컨대 600 ℃일 수 있음) 사이의 용융염의 열 용량은 태양이 비치지 않는 때의 동력 사이클을 위한 에너지를 저장하는 데 사용된다. 이러한 이유로 인해, 고온 용융염 합성물은 전체 시스템 효율을 증가시킬 수 있다.
그러나, 700 ℃를 초과하는 열 저장 매체의 온도에서, 스팀을 생성하는 데 통상적으로 이용되는 많은 물질 및 시스템은 손상 또는 파괴될 것이고, 따라서 사용될 수 없다. 종래의 열 전달 시스템의 이러한 한계는 도 14에 도시된 것과 같은 변경에 의해 극복될 수 있다. 도시된 실시예에서, 태양열 수용기로부터의 뜨거운 용융염은 세라믹, 탄소 화합물, 탄화 규소, 또는 고온 물질로 만들어진 배관을 통해 짧은 거리에 걸쳐 이동부가 없는 혼합기로 이송되는데, 여기에서 용융염은 동일한 조성을 갖는 더 차가운 매체와 혼합된다. 그 결과, 혼합물의 온도가 감소한다. 예컨대, 1000 ℃의 제1 온도를 갖는 뜨거운 염은 600 ℃의 제2 온도를 갖는 더 차가운 염과 1:3의 비율로 혼합될 수 있는데, 이는 700 ℃의 제3 온도를 갖는 용융염을 낳는다. 이어서, 혼합물은 열 교환기를 통과할 수 있는데, 여기에서 혼합물은 자신의 열 에너지 중 일부를 2차 열 사이클(예컨대 열을 스팀 터빈의 회전 에너지로, 궁극적으로는 전기로 변환하는 스팀 사이클)의 물에 전달한다. 혼합물의 온도는 열 교환기에서 더 감소한다. 열 교환기를 떠난 후에, 용융염은 태양 에너지 수용기를 보충하는 데 사용되는 제1 스트림 및 더 차가운 용융염을 제2 온도로 보유하는 저장 탱크 내로 재순환되는 제2 스트림으로 분할된다.
일부 실시예에서, 동력 사이클은 직접 공기 브레이튼 사이클이며, 이는 예컨대 다양한 터빈 판매자로부터 상업적으로 입수 가능한 기술로 구현될 수 있다. 종래의 수냉 사이클과는 대조적으로, 직접 공기 사이클은 대기로 직접 따뜻한 배기 공기를 배출한다. 이러한 건식 냉각은 물 공급이 매우 제한되는 뜨겁고 건조한 지역(예컨대 사막)에 종종 위치하는 태양열 발전 시스템에 상당한 장점을 가져다준다.
고온 염(예컨대 대략 700 ℃ 또는 이를 초과하는 동작 온도를 촉진하는 염)의 경우 직접 공기 브레이튼 사이클이 사용될 수 있으므로, 동력 사이클에 대한 저온 열 싱크(heat sink)를 제공하기 위한 냉각수가 필요하지 않다. 동력 사이클에 대한 염 도입 온도가 약 704 ℃이고 배출 온도가 약 600 ℃인 경우, 사이클 효율은 더 낮은 온도 범위에서 동작하는 종래의 건식 냉각 동력 사이클이 제공하는 것보다 상당히 더 높은 효율인 약 40%이다. 그러나, 사이클 효율은 열이 동력 사이클에 전달되는 온도 범위에 강하게 좌우되며, 종래의 태양 동력 탑의 더 낮은 온도에서는 상당히 비효율적이다. 예컨대, 500 ℃의 피크 용융염 온도에서 효율은 단지 32%이다. 다른 한편으로, 냉각수가 이용 가능한 경우 폐쇄 브레이튼 동력 사이클(예컨대 초임계 이산화탄소 사이클)이 사용될 수 있는데, 이는 피크 이산화탄소 온도가 550 ℃인 경우 약 43 내지 44%의 효율을, 피크 이산화탄소 온도가 약 650 ℃인 경우 47 내지 48%의 효율을 초래한다. 대응되는 용융염 온도는 10 내지 20 ℃ 더 높을 것이다. 이는 고온 용융염을 사용하는 태양열 발전 시스템이 효율을 비교적 적게 희생하고 수냉에 대한 종속성으로부터 벗어날 수 있음을 예증한다.
5. 예시
예시 1: 태양열 집적기 및 열 에너지 저장 시스템
표 2 내지 5는 비탈면에 장착된 헬리오스탯 및 50 wt. % NaCl / 50 wt. % KCl 혼합물을 사용하는 지면 기반 수용기를 포함하는, 본 발명에 따른 태양열 발전 시스템의 일 실시예에 대한 시스템 설계 파라미터를 제공한다. 시스템은 연속적인("24/7") MW의 전력 출력을 달성할 수 있다. 이는 헬리오스탯 필드 및 수용기에 대한 약 72 에이커의 전체 토지 면적을 필요로 한다. 몇몇 이러한 시스템은 서로에게 이웃하여 위치할 수 있고, 이들의 열 출력은 고온, 고압의 스팀 파이프를 통해 결합되어 중앙 스팀 터빈 및 발전기 집합에 공급될 수 있다. 상이한 수용기들로부터 열 에너지를 수집하고 이를 중앙 스팀 플랜트에 가져가는 방법은 본 기술 분야에 잘 알려져 있다.
표 2는 태양열 발전 시스템의 치수 및 광학 설계 파라미터 및 다양한 성능 특성을 열거한다. 여기서, 설계 파라미터에 기초하는 성능 파라미터의 계산은 음영과 차단을 방지하기 위한 헬리오스탯의 간격을 해명하고, 일광을 수용기 개구로 지향시키기 위한 언덕 위의 헬리오스탯에 대한 태양의 코사인 효과 및 필요한 헬리오스탯 기울기를 해명한다. 이러한 유형의 기하학적 및 광학적 계산은 본 기술 분야의 당업자에게 잘 알려져 있다.
Figure pct00008
표 3은 시스템에 대한 토지(특히 비탈면 토지) 요건을 요약한다. 확인할 수 있는 바처럼, 미국 남서부의 전력 수요의 상당 부분을 생성하는 데 필요한 비탈면 면적은 많은 부분이 구릉성인 이용 가능한 미국 연방 토지의 광대한 넓이를 감안할 때 비교적 온당하다.
Figure pct00009
표 4는 시스템에 대한 전형적인 열 동작 파라미터를 열거한다. 염 깊이는 4 m 미만으로 유지되는데, 그 까닭은 일광이 50% NaCl/KCl과 같은 염에서 그보다 더 깊이 관통할 수 없기 때문이다. 유사하게 높은 온도와 입사 전력 수준과 양립 가능한 다른 더 투명한 염이 이용 가능한 경우, 더 적은 직경을 갖는 더 깊은 염 폰드가 사용될 수 있는데, 이는 잠재적으로 더 높은 열 효율을 초래한다. 현열만이 저장 방법으로서 사용되고 저비용 대량 물질에 대한 밀도와 비열의 곱은 비교적 좁은 범위 내에 있으므로, 열 저장 시스템의 크기가 상당하며, 따라서 높은 차분 온도(즉 열 저장 매체의 최대 및 최소 온도 사이의 차이)가 필요하다.
Figure pct00010
표 5는 일부 실시예에서 염을 포함하는 원통형 탱크의 벽에 부착될 수 있는 열 교환기 판의 설계 파라미터를 도시한다. 표는 폰드 위의 "창"(즉 열 경로 길이를 줄이도록 열 교환기가 부착될 수 있게끔 내부의 내화 벽돌 피복이 더 얇아지거나 심지어 떼어지는 강철 용기 위의 영역)은 원하는 전력에 대한 폰드의 크기에 상응하는 수치를 가짐을 나타낸다. 달리 말해, 시스템 비율이 양호하고 설계가 실행 가능하다.
Figure pct00011
예시 2: 분리형 열 수용기
표 6은 분리형 탱크(예컨대 도 9a 및 9b에서 도시된 것)를 갖는 태양열 발전 시스템의 일 실시예에 대한 시스템 설계 파라미터를 제공한다. 상기 시스템은 4 MW의 전력 출력 및 40 시간의 열 저장을 달성한다. 분리판은 구조 보강을 위해 리빙(rib)된다. 이는 단열 내화 물질을 한쪽 또는 양쪽에 첨가하거나 또는 덮개가 있는 금속 튜브로부터 구축함으로써 쉽게 근사 중립 부력을 가질 수 있다.
Figure pct00012
본 발명의 소정의 실시예들을 기술하였지만, 본 명세서에 개시된 개념들을 포함하는 다른 실시예들이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있음이 본 기술 분야의 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 기술된 실시예들은 모든 면에서 예시적일 뿐 한정적이지 않은 것으로 간주되어야 한다.

Claims (60)

  1. 태양 에너지 수용기로서,
    태양복사 흡수 물질(solar absorption material)을 포함하도록 구성된 내부를 갖는 용기 - 상기 용기는 그 위쪽 부분을 따라 구멍을 구획하여 태양 복사가 상기 태양복사 흡수 물질로 입사할 수 있게 함 - ;
    상기 용기 위에 배치되는 뚜껑 - 상기 용기 및 상기 뚜껑 중 적어도 하나는 유입 개구를 형성하여 태양 복사가 상기 개구를 통과할 수 있게 함 - ; 및
    상기 뚜껑의 밑면을 따라 수집된 증발된 태양복사 흡수 물질의 적어도 일부의 응결을 촉진하기 위한 냉각 시스템
    을 포함하는 태양 에너지 수용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용기 내부의 바닥에 또는 그 근처에 배치되는 적어도 하나의 대류 개시기 셀(convection initiator cell)을 더 포함하는 태양 에너지 수용기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 대류 개시기 셀은 실질적으로 원뿔형인 요소를 포함하는 태양 에너지 수용기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 뚜껑의 밑면은 상기 용기의 내부를 향해 입사하는 태양 복사를 반사하도록 구성되는 태양 에너지 수용기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 뚜껑의 밑면은 비결상 집적기(concentrator)를 형성하는 태양 에너지 수용기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 집적기는 응결된 태양복사 흡수 물질이 수집되는 상기 뚜껑의 밑면을 포함하는 태양 에너지 수용기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 뚜껑은 응결된 태양복사 흡수 물질의 적어도 일부를 상기 용기의 내부로 반환하도록 구성되는 태양 에너지 수용기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수용기로부터의 열 에너지 손실을 감소시키고 상기 개구를 통한 물질 전달을 방지하기 위한, 상기 유입 개구를 닫기 위한 문을 더 포함하는 태양 에너지 수용기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수용기로부터의 열 에너지 손실을 감소시키고 상기 개구를 통한 물질 전달을 감소시키기 위한, 상기 유입 개구를 가로지르는 에어 커튼을 더 포함하는 태양 에너지 수용기.
  10. 발전에 사용하기 위한 태양 에너지를 포획하는 방법으로서,
    태양복사 흡수 물질을 안에 포함하는 노출된 내부를 갖는 용기 및 상기 용기 위에 배치되는 뚜껑 중 적어도 하나에 의해 형성되는 수용기의 유입 개구를 통해 태양 복사를 지향시키는 단계;
    액화된 태양복사 흡수 물질로부터 올라오는 증기를 응결시키기 위해 상기 뚜껑을 냉각하는 단계; 및
    상기 응결된 증기의 적어도 일부를 상기 용기의 내부로 반환하는 단계
    를 포함하는 태양 에너지 포획 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 뚜껑의 밑면 상에 퇴적된 응고된 태양복사 흡수 물질을 용융시키는 단계를 더 포함하는 태양 에너지 포획 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 용융시키는 단계는 상기 응고된 물질 상에 직접 입사하는 태양 복사 및 상기 수용기 내의 물질의 위쪽 표면으로부터 반사되는 태양 복사 중 적어도 하나로부터 비롯되는 태양 에너지 포획 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 수용기로부터의 열 에너지 손실을 감소시키고 상기 유입 개구를 통한 물질 전달을 감소시키기 위해 상기 유입 개구를 가로질러 에어 커튼을 형성하는 단계를 더 포함하는 태양 에너지 포획 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 용기 내부의 바닥에 또는 그 근처에 배치되는 적어도 하나의 대류 개시기 셀을 사용하여 상기 용기 내의 상 변화 물질의 대류를 유도하는 단계를 더 포함하는 태양 에너지 포획 방법.
  15. 태양 에너지 수용기로서,
    용융염을 포함하고 이를 실질적으로 둘러싸도록 구성되는 용기 구조물 - 상기 용기 구조물은 태양 복사의 통과를 가능하게 하는 유입 개구를 구획함 - ; 및
    상기 용기 구조물을 위쪽 부분과 아래쪽 부분으로 나누도록 상기 용기 구조물 내에 수평으로 배치되는 수직 이동 가능 분리판 - 상기 분리판은 상기 용융염이 상기 용기의 위쪽 부분과 아래쪽 부분 사이에서 흐를 수 있게 하는 고리형 틈새 공간을 형성함 -
    을 포함하는 태양 에너지 수용기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 유입 개구를 닫기 위한 문을 더 포함하는 태양 에너지 수용기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 분리판의 수직 위치를 제어하기 위한 수직 이동 작동 시스템을 더 포함하는 태양 에너지 수용기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 분리판을 움직이도록 상기 작동 시스템을 구동하기 위한 제어기를 더 포함하는 태양 에너지 수용기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 염을 상기 분리판의 뜨거운 쪽으로부터 열 교환기를 통해 다시 상기 분리판의 차가운 쪽으로 펌핑함으로써 태양 에너지가 추가되고 열 에너지가 추출되는 때에 상기 분리판의 뜨거운 쪽에서 상기 염의 일정한 온도를 실질적으로 유지하도록 상기 분리판을 움직이는 태양 에너지 수용기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 분리판의 위치가 상기 용기 구조물 내의 열적으로 계층화된 뜨거운 용융염 층과 차가운 용융염 층 사이의 경계와 실질적으로 일치하도록 상기 분리판을 움직이는 태양 에너지 수용기.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 분리판은 부식 및 크리프(creep) 내성 합금을 포함하는 태양 에너지 수용기.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 분리판은 리브(rib)가 있는 강철판을 포함하는 태양 에너지 수용기.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 분리판은 단열 내화 세라믹층을 포함하는 태양 에너지 수용기.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 분리판은 속이 빈 튜브형 구조물을 포함하는 태양 에너지 수용기.
  25. 제15항에 있어서,
    상기 분리판은 상기 수용기가 용융염으로 채워지는 경우에 실질적으로 중립 부력을 갖는 태양 에너지 수용기.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 분리판의 위쪽 표면은 태양열 흡수율을 향상시키고 정반사율을 감소시키기 위해 결 형성, 코팅, 산화 처리 중 적어도 하나가 되는 태양 에너지 수용기.
  27. 제15항에 있어서,
    상기 고리형 틈새 공간의 반경 치수는 상기 분리판과 상기 용기 사이의 기계적 고착을 실질적으로 방지하도록 선택되는 태양 에너지 수용기.
  28. 제15항에 있어서,
    상기 고리형 틈새 공간의 반경 치수는 상기 용기 내의 상기 분리판의 상대적 이동이 상기 분리판의 뜨거운 쪽에서 염 플룸(plume) 배출 및 혼합을 촉진하게 하도록 선택되는 태양 에너지 수용기.
  29. 태양 에너지를 저장하는 방법으로서,
    용융염을 보유하는 뚜껑이 있는 용기 내에 태양 에너지를 수용함으로써 상기 용기의 위쪽 부분에 있는 용융염을 가열하는 단계;
    상기 위쪽 부분을 상기 용기의 아래쪽 부분과 격리시키고 염이 통과하여 흐르게 하기 위한 고리형 틈새 공간을 남겨두는 수평 분리판을 수직으로 이동시켜, 상기 위쪽 부분에 있는 용융염의 평균 온도와 상기 아래쪽 부분에 있는 용융염의 평균 온도 사이의 적어도 최소의 온도 차이를 연속적으로 유지하는 단계; 및
    상기 용기의 위쪽 부분에 있는 용융염으로부터 열을 추출하는 단계
    를 포함하는 태양 에너지 저장 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    열을 추출하는 단계는 뜨거운 용융염을 상기 용기의 위쪽 부분으로부터 열 교환기로 펌핑하는 단계 및 더 차가운 용융염을 상기 열 교환기로부터 상기 용기의 아래쪽 부분으로 반환시키는 단계를 포함하는 태양 에너지 저장 방법.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 용기의 위쪽 부분과 아래쪽 부분에 있는 용융염의 전체 체적은 실질적으로 일정하게 유지되는 태양 에너지 저장 방법.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 용기의 뚜껑을 능동적으로 냉각하는 단계를 더 포함하는 태양 에너지 저장 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 용기의 상기 능동적으로 냉각된 뚜껑으로부터 추출된 열을 사용하여 동력 사이클 또는 담수화 사이클 중 적어도 하나에서 작동 유체를 사전 가열하는 단계를 더 포함하는 태양 에너지 저장 방법.
  34. 제32항에 있어서,
    증발된 염을 상기 능동적으로 냉각된 뚜껑의 밑면에서 응결시키는 단계를 더 포함하는 태양 에너지 저장 방법.
  35. 제29항에 있어서,
    상기 뚜껑이 있는 용기에 의해 구획되는 유입 개구의 문을 상기 개구를 통과하는 태양 에너지의 강도에 기초하여 열고 닫는 단계를 더 포함하는 태양 에너지 저장 방법.
  36. 집적형 태양열 발전 시스템(concentrated solar power system)으로서,
    태양 에너지를 열로 변환하기 위한 태양복사 흡수 물질을 포함하도록 구성되는 지면 기반 태양 에너지 수용기; 및
    입사하는 태양 복사를 추가 반사 없이 상기 수용기의 개구를 통해 상기 수용기의 내부로 직접 반사하도록 구성되는 복수의 헬리오스탯
    을 포함하는 집적형 태양열 발전 시스템.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 태양복사 흡수 물질을 더 포함하고, 상기 태양복사 흡수 물질은 상 변화 물질을 포함하는 집적형 태양열 발전 시스템.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 상 변화 물질은 반투명인 집적형 태양열 발전 시스템.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 상 변화 물질은 액체 형태로는 용융염을 포함하는 집적형 태양열 발전 시스템.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 용융염은 염화염, 불화염, 탄산염, 아질산염, 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 집적형 태양열 발전 시스템.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 용융염은 염화염이고, 상기 상 변화 물질은 상기 용융염이 습한 공기와 접촉하는 경우에 HCl의 생성을 감소시키기 위한 수산화물을 더 포함하는 집적형 태양열 발전 시스템.
  42. 제36항에 있어서,
    상기 태양복사 흡수 물질은 상기 태양복사 흡수 물질의 태양 복사 흡수 특성을 변경하기 위한 나노 입자 혼합물을 포함하는 집적형 태양열 발전 시스템.
  43. 제36항에 있어서,
    상기 헬리오스탯들은 상기 수용기의 개구 위의 높이에 위치하고, 상기 개구를 통과하는 태양 복사가 상기 태양복사 흡수 물질의 표면에 주로 지향되도록 배향되는 집적형 태양열 발전 시스템.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 헬리오스탯들은 비탈면 상에 장착되는 집적형 태양열 발전 시스템.
  45. 제36항에 있어서,
    상기 수용기는 적어도 부분적으로 지면에 매립되는 집적형 태양열 발전 시스템.
  46. 제36항에 있어서,
    상기 수용기는 용기 및 상기 용기 위에 배치되는 뚜껑을 포함하는 집적형 태양열 발전 시스템.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 헬리오스탯들은 상기 수용기 아래의 높이에 배치되고, 상기 개구를 통과하는 태양 복사가 상기 뚜껑의 밑면에 지향되도록 배향되는 집적형 태양열 발전 시스템.
  48. 제36항에 있어서,
    상기 지면 기반 수용기 및 상기 헬리오스탯들은 함께 약 600 ℃ 내지 적어도 약 1000 ℃ 범위 내의 온도로 상기 태양복사 흡수 물질을 가열하는 것을 촉진하도록 구성되는 집적형 태양열 발전 시스템.
  49. 태양 에너지 변환 시스템으로서,
    태양 에너지를 열 에너지로 변환하기 위한 태양복사 흡수 물질을 포함하도록 구성되는 태양 에너지 수용기;
    열 에너지를 액화된 태양복사 흡수 물질로부터 역학 에너지 및 전기 에너지 중 적어도 하나의 생성에 사용하기 위한 작동 유체로 전달하도록 구성되는 열 교환기; 및
    상기 액화된 태양복사 흡수 물질을 상기 열 교환기의 배출구로부터의 더 차가운 태양복사 흡수 물질과 혼합하여 상기 액화된 태양복사 흡수 물질의 온도를 상기 열 교환기로의 전달에 앞서 낮추도록 구성되는 혼합 챔버
    를 포함하는 태양 에너지 변환 시스템.
  50. 제49항에 있어서,
    상기 수용기와 유체 소통하는 열 에너지 저장소를 더 포함하는 태양 에너지 변환 시스템.
  51. 제49항에 있어서,
    상기 열 교환기와 상기 혼합 챔버 사이에 있고 이들과 유체 소통하는 열 에너지 저장소를 더 포함하는 태양 에너지 변환 시스템.
  52. 제49항에 있어서,
    상기 태양 에너지 수용기는 약 600 ℃ 내지 적어도 약 1000 ℃ 범위 내의 온도로 상 변화 물질을 포함하도록 구성되는 태양 에너지 변환 시스템.
  53. 제49항에 있어서,
    상기 작동 유체의 열 에너지를 역학 에너지로 변환하기 위한 터빈을 더 포함하는 태양 에너지 변환 시스템.
  54. 제49항에 있어서,
    역학 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 터빈에 의해 구동되는 발전기를 더 포함하는 태양 에너지 변환 시스템.
  55. 집적형 태양열 발전 시스템을 사용하여 에너지를 생성하는 방법으로서,
    태양 복사를 태양 에너지 수용기 내로 상기 수용기의 개구를 통해 단일 반사로 지향시켜 태양 에너지를 상기 수용기 내에 집적시킴으로써, 상기 수용기 내에 포함된 태양복사 흡수 물질을 약 600 ℃ 내지 적어도 약 1000 ℃ 범위 내의 온도로 가열하는 단계;
    열 에너지를 상기 가열된 태양복사 흡수 물질로부터 작동 유체로 전달하는 단계; 및
    상기 작동 유체를 사용하여 역학 에너지 및 전기 에너지 중 적어도 하나를 생성하는 단계
    를 포함하는 에너지 생성 방법.
  56. 제55항에 있어서,
    열 에너지는 약 700 ℃를 초과하는 온도에서 상기 작동 유체로 전달되는 에너지 생성 방법.
  57. 제56항에 있어서,
    상기 작동 유체는 공기를 포함하고, 상기 에너지 생성 단계는 직접 공기 브레이튼(Brayton) 동력 사이클을 활용하는 에너지 생성 방법.
  58. 제57항에 있어서,
    상기 브레이튼 동력 사이클은 수냉(water cooling)을 필요로 하지 않는 에너지 생성 방법.
  59. 제55항에 있어서,
    상기 열 에너지는 열 교환기 내에서 상기 가열된 태양복사 흡수 물질로부터 상기 작동 유체로 전달되는 에너지 생성 방법.
  60. 제59항에 있어서,
    상기 수용기로부터의 액화된 태양복사 흡수 물질을 상기 열 교환기의 배출구로부터의 더 차가운 태양복사 흡수 물질과 혼합하여 상기 액화된 태양복사 흡수 물질의 온도를 상기 열 교환기로의 전달에 앞서 감소시키는 단계를 더 포함하는 에너지 생성 방법.
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