KR20130103753A - 태양 본래의 열 에너지를 저장 및 사용하고，높은 레벨의 에너지 효율을 가진 장치，플랜트 및 방법 - Google Patents

Abstract

전력 생산 플랜트용 열 에너지를 저장 및 방출하는 장치(1)는 집광된 태양 복사를 수용할 수 있고, 유동 가능한 과립 모듈러 베드, 그에 결합된 열 교환기의 사용에 기반하고, 이러한 기반으로 저장 단계 및 방출 단계의 활성화는 독립적이다. 작동 유체로부터 유동 기체의 열적 분리, 베드 존의 선택적인 유동화, 연료 기체의 추가적인 열 입력 및 열 전달의 속도의 변화는 극도로 유연성이 있는 발생 화력의 조정을 가능케 한다. 상기와 같은 장치는 주로 다음을 포함한다: 태양 복사를 위한 수용 표면들(20)에 적어도 부분적으로 배치된, 유동 가능한 입자의 적어도 하나의 베드(3, 30); 상기 입자의 유동화를 위해 유동 기체를 공급하는 공급 수단(14, 142, 21); 및 유동 가능한 입자의 베드(3, 30)에서 또는 상기 베드에 근접하여 배치되고 사용에 있어 유체가 흘러 동작하게 하는 열 교환 소자들(4)을 포함하며, 저장 단계에 있어 태양 복사로부터 수용된 열 에너지를 저장하기 위하여, 그리고 방출 단계에 있어 저장된 열 에너지를 상기 열 교환 소자들(4)에 방출하기 위하여, 유동 기체가 선택적으로 이동하도록 입자의 베드(3, 30)가 전체적으로 배치되고, 그리고 상기 전체적인 배치로 인해, 열 저장 단계 및 열 방출 단계가 독립적으로 활성화된다.

Description

태양 본래의 열 에너지를 저장 및 사용하고，높은 레벨의 에너지 효율을 가진 장치，플랜트 및 방법{DEVICE, PLANT AND METHOD WITH HIGH LEVEL OF ENERGY EFFICIENCY FOR STORING AND USE OF THERMAL ENERGY OF SOLAR ORIGIN}

본 발명은 태양 에너지의 사용 및 저장에 기반한 산업용 플랜트(industrial plant)에 관한 것으로, 상기 플랜트 내에서 사용되기에 적합한 태양 열 에너지를 저장하고 방출하는 장치 및 그에 대한 방법에 관한 것이다.

헬리오스타트(heliostats)를 통하여 집광되고, 고정되고 또는 추적으로 인한 태양 에너지의 사용이 알려져 왔다. 또한 나중 용도를 위해 높은 열 전도도(통상적으로 흑연)를 가진 고체 물질에서의 열을, 사용함 없이 저장할 가능성도 공지되어 있다. 열의 이용을 위해서는 일반적으로 열 교환기가 사용되고, 이때 열 교환기는 함유된 열 에너지를 흡수 및 전달할 수 있는, 일반적으로 물, 스팀 또는 다른 매개체 등의 작동 유체에 의해 순환되고 저장 물질에 담길 수도 있다.

흑연 등의 저장 시스템이 높은 온도에 이를 시에(심지어 2000 ℃), 기술은 열을 제거할 수 있는 금속 튜브 번들들의 열 저항으로 처리되는 것이 한계이다.

게다가, 고체에서의 저장은 낮은 열 확산성 값(thermal diffusivity values)에 대해, 그리고 동일한 열적 관성(thermal inertia)에 대해 대기 조건 및 주야 주기가 변화될 시에 요구되는 파워의 추세를 따르는 것을 가능케 하지 않는다.

그러므로, 상술된 바와 같이, 공지된 시스템은 대기 조건이 변화할 시에 부하(load)의 추세를 따르는 유연성 결여, 및 최대 온도에 이르는 한계로 인하여 효율이 낮은 어려움이 있다.

그러므로, 본 발명은 기술 분야에 대해 상술된 결점을 극복하는 것에 목적을 두고 있다.

상술된 문제점은 청구항 1에 따른 장치 및 청구항 17에 따른 방법에 의해 해결된다.

본 발명의 바람직한 수단은 종속 청구항에 있다.

본 발명의 중요한 이점은 태양 열 에너지의 저장을 효율적으로, 그리고 신뢰성 있게 만들어 내고, 열 교환기의 열 응력을 최소화시키고, 그리고 작동 유체에 대해 열 교환의 효율을 높이는 것을 가능케 하되, 수집된 열의 저장 시스템 및 교환 시스템의 이중 역할을 할 수 있는 유동 가능한 과립 베드(fluidisable granular bed)의 사용을 통해 가능케 한다는 점이다. 상기와 같은 사용의 기반은 과립 상(granular phase)의 이동도로 인한 열 전달 효율 및 유동화된 베드의 열 전달의 바람직한 수단이다. 이러한 수단 둘 다는 정확한 유동화로 인해 액체의 작동과 융화될 수 있는 고체 과립 유동학 작동(solid granular rheological behaviour)을 주는 가능성에 연관된다.

상술된 것과 함께, 집광된 태양 복사로부터 수용된 열을 저장하는 단계와 상기와 같은 열을 방출하는 단계의 분리, 및 최종적 잠재적인 에너지 생산은, 즉 일반적으로 작동 유체로의 열 전달은 플랜트의 다목적성 및 전반적인 효율을 극적으로 개선시킬 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기와 같은 분리는 작동 유체의 순환로부터 유동 기체의 순환로를 분리시킴으로써, 가능할 수 있다.

특히나 바람직한 실시예에서, 장치는 2 개의 유동 가능한 베드를 포함하고, 그 중 첫 번째 것은 기본적으로 열을 저장할 수 있는 것이고, 두 번째 것은 그 첫 번째 것으로부터 열을 수용하고 작동 유체와 주로 교환할 수 있게 하는 것이다. 또한, 이러한 실시예에 따라서, 베드의 유동화는 유동 기체로서 환경으로부터 얻어진 공기를 사용하여 만들어진다.

최대 에너지의 복구를 이루기 위해서, 유동화된 베드로부터 배출된 가열 공기는 공기 간의 교환기로 보내지고, 여기서, 가열 공기는 그의 열을, 환경으로부터 인출된 냉각 유동화 공기로 방출한다.

저장 단계 동안, 제 1 베드는 수용부를 통하여 헬리오스타트의 필드(field)로부터 열을 수용하고 상술된 공기 간의 열 교환기 내부에 가열된 공기에 의해 유동화 조건으로 유지된다.

에너지 생산이 없는 단계에서 저장된 열을 유지하는데 필요한 경우에 있어서, 제 1 저장 베드는 움직임 없이(at rest) 유지된다.

에너지 생산 단계 동안, 유동화 저장 베드는 이제 격벽, 바람직하게는 금속 유형의 격벽에 의해 분리될 수 있고, 격벽에 인접한 유체 발생 베드(generation fluid bed)와 열을 교환할 수 있을 것이다. 발생 베드 내부에는 작동 유체에 의해 순환되는 튜브 번들이 잠길 수 있다. 또한, 이러한 경우에서, 유동화 공기(fluidisation air)는 공기 간의 교환기를 사용하여 예열될 것이다. 이러한 방식으로 동작하여, 유동화 공기 압축 시스템은, 세광된 고체 미립자(elutriate solid particulate)가 존재할 수 있는 유동화 베드로부터 배출된 공기의 여과시스템뿐만 아니라 실내 온도에서도 동작할 것이다.

유동화된 발생 베드에서의 작동 유체와 집광된 열 교환기의 이점은 유동화 베드의 열 전달 계수가 높고, 튜브 번들의 표면들을 최소화시키고, 그 후 제조에 있어 귀중한 물질(precious materials)이 사용되고 있기 때문이다.

간략하게 보면, 시스템은 실질적으로 3 개의 벌크들로 나누어질 수 있는데, 즉, 저장용 벌크(상술된 실시예에서의 제 1 유동화 베드), 작동 유체를 향한 교환용 벌크(상술된 실시예에서의 제 2 유동화 베드) 및 열 복구용 벌크(상술된 바람직한 실시예에서의 공기 간의 열 교환기)로 나누어질 수 있고, 상기와 같은 벌크들은 큰 유연성 및 효율성을 동작시킬 수 있는 시스템을 달성하기 위해 서로 연관된다.

본 발명의 다른 이점, 수단 및 사용 방식은, 목적에 한정되지 않고 예로서 나타난 일부 실시예들의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

첨부된 도면의 도면을 참조하면, 도면에서:
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플랜트 레이아웃을 도시하고;
도 1a은 도 1의 플랜트의 부분의 레이아웃의 개략도 및 앞면도를 도시한 것으로, 공기 간의 열 교환기를 가진 타워 구조물을 포함하고, 캐쉬 분배(cash distribution), 유동 기체 주입구 순환로 및 그의 경로의 칸막이를 도시하고;
도 2는 도 1a의 플랜트의 부분의 평면도로서, 작동 유체를 수용하는 열 교환기의 튜브들의 배치, 및 저장 수단으로 작동하는 유동 가능한 입자의 제 1 베드와 작동 유체와의 열 교환을 처리하는 유동 가능한 입자의 제 2 베드의 칸막이를 도시하고, 그리고
도 3 및 3a는 도 1의 플랜트에 사용 가능한 방출 및 저장 장치에 관한 것으로, 장치가 보조 에너지원으로서 연료 기체를 사용하고 측면도 및 평면도 각각을 도시한다.

우선, 도 1 및 1a를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 집광된 태양 복사로부터 나온 전력 생산 플랜트가 100에 의해 전체적으로 표기된다.

플랜트(100)는, 집광된 태양 복사에 의해 수용된 열 에너지를 저장하고 상기와 같은 에너지를 작동 유체(working fluid)에 방출하는 하나 이상의 장치(1)를 포함하고 있으며, 이때 상기 작동 유체는 통상적으로 물 또는 스팀이다.

장치(1)는 실제로 헬리오스타트를 추적함으로써, 예를 들면 상기 장치 상에서 전달되고/집광되는 태양 복사로부터 비롯된 열 에너지를 저장하는 경향이 있다.

장치(1)는 봉쇄 케이스(containment casing)(2)를 포함하고, 상기 봉쇄 케이스는 주변 환경에 대해 열 손실을 최소화하기 위해 단열되는 금속으로 구성되는 것이 바람직하다.

케이스(2)는 태양 복사가 집광되도록 하는 하나 이상의 수용 표면들(20)을 포함할 수 있다.

케이스(2)의 베이스에서, 유동 기체(fluidising gas)용 공급 주입구(feeding inlet)(21)가 구비되고, 상기 공급 주입구의 역할이 간략하게 언급될 것이다. 주입구(21)에는 상기와 같은 유동 기체의 분할 격벽 또는 분배기(21로도 간단하게 식별됨)가 위치하고 있고, 상기 주입구는 이하에 기술된 유동 가능한 입자의 하나 이상의 베드(3, 30)를 지지함과 동시에 유동 기체가 균일하게 들어오도록 할 수 있다.

케이스(2) 내에는 저장 존(storage zone)이 위치하고, 이때 저장 존은 이하에서 기술된 바람직한 수단에 따른 열 저장에 적합한 유동 가능한 입자의 제 1 베드(30)의 형태를 하고 있다. 바람직한 실시예에서, 저장 베드(30)의 영역은 케이스(2)의 내부 표면에 근접한 수용 표면들(20)에 바로 접해 위치하고 있으며, 이로 인해, 상기 수용 표면들(20) 상에 집광된 태양 복사에 의해 직접적으로 영향을 받을 수 있다.

또한, 케이스(2) 내에서는, 그리고 장치(1)의 가장 중앙에 있는 존에서는 유동 입자의 제 2 베드(3)가 구비되고, 이때 상기 제 2 베드는 저장 베드(30)와 이어져 있거나 분리될 수 있고, 이때 상기 제 2 베드의 기능은 이하에서 설명된 바와 같이, 저장 베드에 저장된 열 에너지를 작동 유체에 방출하기 위한 것이다. 이를 위해, 입자의 베드(3) 내에서 또는 상기 베드에 근접하여 열 교환 소자들이 배열되고, 특히 열 교환기의 튜브 번들(tube bundles)(4)이 배열되어 사용 시에 작동 유체가 흐르게 된다.

바람직한 추가적인 실시예에서, 입자의 2 개의 베드(3, 30)는 선택적으로 유동이 가능한 동일한 베드의 인접한 부분들일 수 있다.

언급된 바와 같이, 장치(1)의 주입구(21)는 케이스(2) 내에서 공급이 가능할 수 있되, 특히 유동 기체의 입자의 베드(3, 30)의 베이스를 통하여 공급이 가능할 수 있고 이때 유동 기체는 이 경우에 공기로 이루어진 것이 바람직하다. 특히, 전반적인 장치로 인하여, 분할 격벽(21)을 통해 밀려 들어간 기체는 베드(3 및/또는 30)의 입자를 이동시킬 수 있어서, 동일한 베드(30)의 입자들 간에서 그리고/또는 상기 베드와 수용 표면들(20)의 내부 간에서, 또는 서로 인접한 베드 부분들의 입자들 간에서, 2 개의 베드들(3, 30)의 입자 간에서, 또는 베드(3)의 입자와 튜브 번들(4) 간에서 상호 열 교환에 대응하여 적합한 입자의 흐름/운동을 발생시킬 수 있다.

입자의 베드(3)에 대한 튜브 번들들(4)의 위치, 또는 상기 입자의 베드에 대한 튜브의 표면의 상당한 노출은 열 전달 속도를 최대화시킬 수 있고, 상기 열 전달 속도는 열 팽창 계수와, 동일한 열 교환에 영향을 받는 표면과의 곱과 비례한다.

튜브 번들들(4)은 입자의 베드(3)에 전체적으로 또는 부분적으로 잠겨질 수 있거나, 상기 베드를 향해 위치할 수 있다. 선택은 유동 공기 유속(fluidisation air velocity)의 함수로서의 입자의 베드의 최소 및 최대 높이, 및 장치에 사용되는 취급 방식(modality of handling)에 따라 달라진다: 유속이 증가될 시에, 열 교환에 영향을 받는 튜브 번들의 표면도 증가한다. 플랜트의 다목적성을 개선시키기 위해서, 유동 공기 유속을 변환시키는 수단과, 그에 따른 유속 흐름이 실제로 제공된다.

그러므로, 유동 기체의 순환 유속(crossing velocity)을 변화시키면, 유동 베드와 교환 표면 간의 전반적인 열 전달 계수는 모니터링될 수 있고, 변화될 수 있어서, 전달된 화력(thermal power) 양을 유연성 있게 규정할 수 있다.

이로써, 유동화가 없거나, 또는 최소 유동화 유속보다 낮은 기체 유속으로 인해, 열 전달은 실질적으로 감소될 수 있다.

게다가, 베드의 입자 충전 양의 변화에 따라 제 1 저장 베드(30) 및/또는 방출 베드(3)의 높이를 변화시키는 것이 가능하고, 상기와 같은 변화는 가열될 시, 동작 중에 작동될 수 있되, 적합한 배기부 및 각 장치(1)에 결합된 입자 적재 시스템 또는 이와 유사한 장치의 그룹을 사용하여 작동될 수 있다. 유동화 유속을 변화시킴으로써, 베드(30, 3)가 고정될 시에, 베드 내에 존재하는 미립자 물질에 관한 베드(30, 3) 둘 다의 높이에 따라서 다수의 작동 레버가 가능해 지고, 이때 작동 레버는 장치(1)를 처리할 수 있게 하고 시스템(100)이 극도로 유연하게 한다.

도 1a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 본 예에서, 장치(1)는 고가 타워 구조물(70)을 가지거나, 또는 상기 구조물과 결합된다. 장치의 중앙 존에는 본 예에서 공기 간의 유형을 한 기체 간의 교환기(7)가 위치하고, 이때 상기 기체 간의 교환기는 장치의 지지 구조부 내에 수직으로 연장된다.

장치(1) 내의 환경은 본 예에서는 장치의 중앙 존에서 공기 간의 교환기(air-air exchanger)(7)와 연통된다. 특히, 장치(1)의 베이스는 교환기의 섹션과 연통하고, 교환기에서 뜨거운 공기가 입자의 베드(3 및/또는 30)로부터 흘러 배출되는 반면, 예열된 환경 공기가 빠져나가는 공기 간의 교환기(7)의 섹션은 입자의 베드(3, 30)의 베이스에서의 분할 격벽(distribution septum)(21)에 연결되되, 장치(1)의 기류 주입구를 균일하게 하는 매니폴드 또는 공기 챔버(14)를 통하여 연결된다.

이러한 방식으로, 교환기(7)는, 분배기(21)의 역류 환경 공기 주입구에서 예열되어 입자의 베드(3 및/또는 30)로부터의 뜨거운 공기 배출구의 유동화를 잃어가도록 하고, 그 후, 베드로부터의 공기 배출구의 유동화 열 함량을 복구시키도록 한다.

즉, 유동화 공기 순환은, 순환이 되도록 하는 수단, 특히 공기 간의 교환기(7) 내부의 하나 이상의 송풍기/콤프레셔(8)에 의해 강행되고, 입자의 베드(3, 30)를 나온 뜨거운 공기는 상기 교환기(7) 내의 역류에서 강행되고 유동되는 뜨거운 공기를 잃어가는 도중에 예열되기 위해 냉각 환경 공기를 필요로 한다. 예열된 환경 공기는 공급 매니폴드 순환로(142)를 통하여 공기 챔버(14) 및 분할 격벽(21)에 이른다. 공기 간의 열 교환기(7)를 통하여 통과된 후에 냉각된, 입자의 베드들(3, 30)로부터 배출된 공기는 다운플로우 파이프(5), 먼지 분리기(6), 또는 먼지 배기부를 통하여 공급되고, 그 후에, 외부 환경으로 방출된다.

바람직하게, 먼지 분리기(6) - 통상적으로 관성 충돌기(inertial impactors) - 저 압력 강하 및 사이클로이드의 동작(cycloidal operation)을 가진 유형 또는 이와 균등한 장치는 다운플로우 파이프(5)와 연결되어 장치(1)의 구조물의 베이스에 위치하고, 입자의 베드들(3, 30) 외부에 위치한 바람체 가름기(elutriato)로부터 유동화 공기의 먼지를 제거하기 위해 구비된다.

이미 언급된 바와 같이, 입자의 베드(3)는 격벽들(41)을 통한 경우 입자의 베드(30)로부터 물리적으로 분리될 수 있지만, 그러나 전반적으로 나타난 모듈러 구조는 베드 존의 선택적인 유동화를 가능케 한다. 일반적으로, 장치(1)는 입자의 베드(3 및 30)의 하나 이상의 부분들의 선택적인 유동화 및/또는 차별화된 유동화, 및/또는 베드 또는 베드의 일부의 선택적인 유동화 및/또는 차별화된 유동화를 가능케 한다.

본 예에서, 상기와 같은 선택적인 유동화는 격벽들(141)에 의한 공기 챔버(14) 및 밸브들(143)에 의한 공급 순환로(142) 둘 다를 구획하여 이루어지고, 이로 인해, 스팀/전력 생산 또는 저장의 특정 요건에 따라 선택이 가능한 베드(3 및/또는 30)의 부분들에서만 공기 공급이 가능해진다.

이로써, 유동화가 되는 경우에서만 열 전달 회로에 근접한 열 스위치들로서 베드의 부분들을 동작시키는 것이 가능한다. 과립상 베드 수단(bed granular means)의 상술된 선택적인 존의 유동화는 에너지 요구 다운스트림(energy demand downstream)에 대해 열 추출 지속성 및 플랜트의 유연성을 확보한다.

게다가, 본 예에서, 수용 표면들(20)에 인접한 베드의 영역에서도 공기 챔버(14)의 구획화가 제공된다. 이러한 구성은 태양 복사가 없는 경우에 동일한 수용 표면들(20)을 통해 외부 환경을 향하여 제 1 베드(30)에 저장된 열 손실을 현저하게 줄이기 위하는 것을 가능케 한다. 이러한 구획화는 각 장치(1) 또는 장치 그룹과 결합된 복사 센서(태양열 측정기, 예를 들면, 복사계(pyranometer) 또는 이와 균등한 장비)로부터 나온 신호에 의해 시간 및/또는 처리에 따라 상술된 자동 밸브(143)로 동작된다.

입자의 베드의 유동화 방식(regime)은 활발한 것이 바람직하고, 열 전달 계수(heat transfer coefficient)를 최대화시키기 위한 경우가 바람직하다.

저장 및 방출 베드들(3 및 30)용 입자 물질의 선택은 베드 입자 정화의 현상을 최소화시키기 위한 필요성에 응답하여, 마모 및 손상에 대한 형편없는 특성에 특히나 기반함으로써, 유동화 공기의 미립물(fines)의 생성 및 전달을 제한시킬 수 있다. 이러한 숙고에 기반하여, 바람직한 구성은 산화물에 대해 비활성 과립 물질의 베드 입자(직사각형, 바람직하게 구형 및/또는 바람직하게는 50 내지 500 미크론 정도의 크기를 가짐)를 위해 사용되는 것이 바람직함으로써, 상기와 같은 치수는 본래의 것이 바람직하고, 즉 작은 입자의 집합으로부터는 얻어지지 않는다.

도 1의 예에서, 작동 유체는 베드(3)의 입자로부터 전달되는 열 에너지를 열 교환기(4)의 순환 동안 수용하고, 과열된 스팀이 되도록 하는 액체 상태의 물이다. 그 후, 온도 및 압력의 미리 결정된 조건에서의 상기 스팀은 발생기와 결합된 스팀 터빈(10)에서 전기를 늘려 생성하기 위해 이용된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 작동 유체 순환은 장치(1) 내의 튜브 번들들(4)을 정의하는 관들(90)을 제공하고, 본 예에서, 전기 발생기에 연결된, 상술된 스팀 터빈(10), 콘덴서(11), 터빈(40)의 블리드(bleed)를 가진 게터(getter)(40), 공급 펌프(12), 추출 펌프(120) 또는 이렇게 방금 언급한 균등한 수단을 제공한다.

상술된 구성은 스팀 발생 처리로부터 열 에너지 저장 처리를 분리하는 현저한 이점을 가진다.

저장 단계에서, 태양 에너지는 저장 베드(30) 또는 그의 부분의 유동화를 통하여 수용 표면들(20)에 집광되고, 열 에너지는 표면들(20)로부터 입자의 베드(30)로 정확하게 전달된다. 상기와 같이 이러한 단계는 생산 단계와는 무관하다. 단지 유일하게 저장하는 방식에서, 제 1 베드(30)가 유동화된다.

생산 단계에서, 제 2 방출 베드(3)는 또한 활성화되어, 열 전달은 저장 베드(30)로부터 입자의 방출 베드(3)로, 상기 방출 베드로부터 튜브 번들들(4)로, 그 후에 튜브 번들들에 흐르는 작동 유체로 일어난다.

그러므로, 튜브 번들들(4)을 순환하는 작동 유체는 제 2 베드(30)로부터, 제 1 베드(30)에 의해 저장된 열 에너지를 수용하고, 베드(30 및 3)의 존들의 입자를 유동화시키는 열 전달은 베드들(3, 30)을 활성화시킴으로써 일어난다. 작동 유체로 전달되는 열 에너지는 본원에서 간주되는 예시와는 다른 산업 목적용으로 사용될 수도 있다.

특히, 상술된 설명에 있어서, 장치를 독립형 전력 생산 플랜트에 적용하는 예시로 언급하였다. 그럼에도 불구하고 이해하는 바와 같이, 장치의 가능한 적용 분야는 넓고, 이러한 장치는 전력 플랜트, 담수 플랜트, 지역 난방 플랜트 등의 산업용 플랜트를 위해 스팀 또는 열 생산에 관한 것이기도 하다.

이러한 구성으로, 태양 에너지가 없다 하더라도(예를 들면, 밤), 스팀의 동작 및 전달의 지속성은 확보될 수 있고, 이로써, 장치(1)로부터 열이 출력된다.

특히, 장치(1)의 크기, 입자의 베드들(3, 30), 튜브 번들들(4)의 표면들 및 유동 기체의 유속 범위는 예를 들면, 태양이 있는 시간 동안 열 에너지를 저장하고, 밤 시간 동안에는 입자의 베드들(3, 30)의 유동화를 통하여 열 교환기에서 동일하게 방출하는 것을 확보할 수 있다.

게다가, 상술된 바와 같이, 유동화 베드의 모듈러 구조 및 각 섹션에 대한 모듈러화(modulating), 입자 그 자체의 유동 유속, 나아가 입자의 베드 높이를 사용하여, 튜브 번들들로 전달되는 열 에너지 양을 조정할 수 있되, 하나 이상의 섹션들을 열 전달에 대해 전용화하기 위해, 또는 상기 섹션들의 선택적인 유동화 및/또는 차별화된 유동화를 통하여 저장하기 위해 선택하여 플랜트의 연속적인 동작을 확보함으로써, 조정될 수 있다.

게다가, 다양한 장치(1)를 제공하는 플랜트의 경우, 작동 유체로 전달되는 열의의 양을 각 장치에 대해 조정하는 성능은 생성된 스팀의 일정한 온도 및 압력을 유지시키는데 필요하고, 이는 작동 유체의 온도를 일정하게 유지시키거나, 감소시키거나 증가시키거나, 또는 동일한 온도에서 작동 유체의 흐름을 증가시키는 이점을 가능케 한다.

장치(1)의 크기 및 동작 논리는 태양 복사가 없는 경우에도 주어진 에너지 출력을 달성하기 위해 연동될 수 있다.

플랜트 하류로의 필요에 따라서, 24 시간 내에, 단지 저장을 위해 이렇게 작동하는 부분 및 생산 부분에 있어서, 단일 장치를 관리하거나, 또는 생성된 화력의 전반적인 변화를 초래하는 각 유닛의 유동화 유속을 변화시킬 수도 있다. 주어지고 저장된 열 에너지에 대해, 이는 낮은 파워로 연장된 기간 동안 또는 보다 높은 파워를 빠르게 방출하는 것을 가능케 한다.

서로 다른 실시예(미도시)에 있어서, 부분적인 시스템, 격리된 격벽들에 의해 수용 표면들(20)의 셔터(shutter) 종류가 제공된다. 활성화가 자동으로 될 수 있고 태양 궤도를 따를 수 있는 상기 격벽들은 표면 수용부(20)의 가려진 존(obscured zone)에 대응하는 저장 베드(30)의 부분을 격리시키는 것을 가능케 하고, 이로써, 동일한 수용 표면(20)이 입사 복사(incident radiation)에 영향을 받지 않을 시에 베드의 부분에 의해 외부에 대해 재-복사를 방지한다.

상술된 다른 구성 모두와 결합하여 사용될 수 있는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따라서, 생산 플랜트 하류로에 필요에 따른 특정 파워 레벨의 달성을 확보하고/확보하거나, 태양 노출이 길게 없는 것을 보상하기 위해, 유동 베드 내에 기체 연료의 사용을 제공한다.

중요한 이점은 유동 베드에서 직접 기체 연료가 연소될 가능성이 얻어진다는 점이다. 일반적으로, 종래 기술 분야의 장치에 있어서, 이러한 동작은 주요 제조 플랜트로부터 분리된 생산 유닛에서 실행된다.

이러한 구성은 도 3 및 3a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 도 3 및 3a는 연료 기체(15 - 151)에 대한 가능한 순환로를 도시한다. 연료 기체는 공기 챔버(14)의 각 섹터에 주입되기 위해 제공되고, 이때 상기 공기 챔버에서 예열된 유동화 공기와의 연료 기체의 예비-혼합(pre-mixing)은 유동 기체(151)의 분배 순환로에서 일어나거나 발생하게 된다.

가연성 기체가 있는 경우, 장치 내부의 기체의 위험한 축적물로부터 시스템을 확보하도록, 장치(1)에는 연소의 트리거를 위해 장치(1)의 환경에 삽입된 하나 이상의 토치들(torches)(22) 및 케이스(2) 상의 하나 이상의 파열판(rupture discs)(222)이 갖추어져 있다. 적용 가능할 수 있는 이러한 방편 등은 폭발의 위험을 방지할 목적을 가진다.

기체 그 자체의 연소에 있어서, 이는 공지된 기술인 바, 다음에서 더 이상 기술되지 않는다.

이러한 추가적인 구성의 사용은 일반적으로 연료 화석을 연소함으로써 생성되는 15%의 유효 출력(rated power)의 이하의 최소량을 가능케 하는 재생 가능한 소스로부터 에너지의 생산을 조정 처리한다는 사실로 인해, 보다 편리해질 수도 있다.

본 발명이 다음에 의해 이점을 가질 수 있다는 것을, 보다 더 이해할 수 있을 것이다:

- 공기 간의 교환기가 장치 그 자체의 지지 구조부 내에서 높이가 연장되는 바람직한 구조를 명확하게 얻을 수 있는 플랜트의 크기, 특히 저장 및 방출 장치 및 매우 콤팩트한 상대적인 구조의 크기;

- 냉각 유동을 환경 공기에서 구현한 콤프레셔-송풍기들(8)의 크기 및 동작;

- 송풍기 - 콤프레셔(8)와 같은 낮은 온도(약 100 ℃)에서 유동화 공기를 배출시키는 작동을 하는 먼지 배기부(6)의 크기 및 동작;

- 300 내지 500 W/m2K의 통상적인 계수를 이용하여 베드 내에 열 교환에 할당된 작동 유체의 과열 및 예열 증발의 단계를 극적으로 소형화시킨 튜브 번들들(4)의 크기.

최종적으로 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 바람직한 형태 및 다양한 장치의 실시예들, 나아가 본 발명의 플랜트에 대해 상술된 바와 같이, 동일한 바람직한 수단을 나타내고 다음의 청구항에 정의된 바와 같이 저장 및 열 교환의 방법도 제공한다.

본 발명은 바람직한 실시예에 대해 지금까지 설명해 왔다. 의도된 바와 같이, 첨부된 청구항의 권리 범위 내에 포함될 수 있는 동일한 독창적인 개념에 대한 다른 실시예들도 있을 수 있다.

Claims (23)

1. 집광된 태양 복사를 수용하는 열 에너지를 저장 및 방출하는 장치(1)에 있어서,
   - 상기 태양 복사를 위한 수용 표면들(20)에 적어도 부분적으로 배치된, 유동 가능한 입자의 적어도 하나의 베드(3, 30);
   - 상기 입자의 유동화를 위해 유동 기체를 공급하는 공급 수단(14, 142, 21); 및
   - 유동 가능한 입자의 베드(3, 30)에서 또는 상기 베드에 근접하여 배치되고 사용에 있어 유체가 흐르도록 하는 열 교환 소자들(4)을 포함하며,
   저장 단계에 있어 태양 복사로부터 수용된 열 에너지를 저장하기 위하여, 그리고 방출 단계에 있어 저장된 열 에너지를 상기 열 교환 소자들(4)에 방출하기 위하여, 유동 기체가 선택적으로 이동하도록 입자의 베드(3, 30)가 전체적으로 배치되고, 그리고
   상기 전체적인 배치로 인해, 열 저장 단계 및 열 방출 단계가 독립적으로 활성화되는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 입자의 베드는:
   - 상기 태양 복사를 위한 수용 표면들(20)에 배치되고, 집광된 태양 복사로부터 수용된 열 에너지를 저장하는 제 1 저장부(30); 및
   - 상기 제 1 저장부(30)에 인접하게 배치되고, 상기 제 1 저장부에 의해 저장된 열 에너지를 상기 열 교환 소자들(4)에 방출하는 제 2 방출부(3)를 포함하며,
   상기 제 1 저장부(30) 및 상기 제 2 방출부(3)는 각각의 저장 단계 및 상기 방출 단계를 실행하되, 각각의 유동화에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 입자의 베드의 제 1 저장부(30) 및 제 2 방출부(3)는 공통 봉쇄 케이스(2) 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열 교환 소자들(4)은 사용에 있어 상기 입자의 베드(3, 30) 중 적어도 베드(3) 부분과 접촉하도록, 그리고/또는 상기 입자의 베드(3, 30)가 유동 기체에 의해 유동화될 시에 상기 베드(3, 30) 중 적어도 베드(3) 부분에 의해 둘러싸이도록 배치되는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열 교환 소자들은 튜브 번들들(4)인 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열 에너지 저장 및 방출 장치는 상기 입자의 베드(3, 30) 또는 상기 베드의 부분 내에서, 연소 가능한 기체의 안전한 연소를 위한 공급 수단(15, 151) 및 수단(22, 222)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공급 수단(14, 142, 21)은, 입자의 베드의 제 1 저장부(30) 및 제 2 방출부(3) 또는 입자의 베드의 부분들의 유동 기체, 및/또는 선택적인 유동화 및/또는 차별화된 유동화를 이용하여, 입자의 베드(3, 30) 중 하나 이상의 부분의 선택적인 유동화 및/또는 차별화된 유동화를 가능케 하는 격벽부(141)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 저장 단계 및 방출 단계의 독립적인 활성화는 작동 유체의 순환로 및 유동 기체의 순환로의 분리에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열 에너지 저장 및 방출 장치는 기체 간의, 바람직하게는 공기 간의 열 교환기(7)를 포함하고,
   상기 전체적인 배치로 인해, 사용에 있어서 상기 열 교환기(7)는 입자의 베드(3, 30)의 유동화를 위해 또는 입자의 베드의 제 1 저장부(30) 및 제 2 방출부(3)의 유동화를 위해 사용되는 유동 기체인 제 1 냉각 기체, 및 입자의 베드(3, 30)로부터 또는 입자의 베드의 제 1 저장부(30) 및 제 2 방출부(3)로부터 배출된 유동 기체인 제 2 가열 기체를 공급하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 기체 간의 교환기(7)는 타워 구조물(70) 내에 위치하여 배치된 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 에너지 저장 및 방출 장치는 유동 기체로서 공기가 사용되기에 적합한 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 에너지 저장 및 방출 장치는 유동 기체의 강행된 순환을 위한 수단(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 에너지 저장 및 방출 장치는 유동 기체의 유속을 선택적으로 변화시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 에너지 저장 및 방출 장치는, 유동 기체의 먼지를 제거하고 입자의 베드(3, 30)의 유동화 존의 하류로에 배치된 수단(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 및 방출 장치.
15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 따른 열 에너지 저장 및 방출 장치(1)를 하나 이상 포함하는 산업 용도용 스팀 또는 열을 생성하는 플랜트(100)
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 플랜트(100)는 전력 생산 플랜트인 것을 특징으로 하는 플랜트(100).
17. 태양 본래의 열 에너지를 저장하고 유동 기체에 의해 선택적으로 이동이 가능한 유동 가능한 입자의 베드(3, 30)의 사용을 제공하는, 집광된 태양 복사로부터의 산업 용도용 스팀 또는 열 생성 방법에 있어서,
    - 상기 베드의 제 1 부분(30)의 입자 이동을 이용하여 상기 집광된 태양 복사로부터 수용되는 열 에너지를 저장하는 제 1 단계; 및
    - 상기 제 1 단계에 저장된 열 에너지를, 작동 유체가 흐르는 열 교환 소자들(4)에 방출하는 제 2 단계를 포함하며,
    - 상기 열 에너지를 저장하는 단계 및 방출하는 단계는 서로 독립적으로 활성화될 수 있는 집광된 태양 복사로부터의 산업 용도용 스팀 또는 열 생성 방법.
18. 청구항 17에 있어서,
    상기 저장하는 단계 및 상기 방출하는 단계의 독립적인 활성화는 작동 유체의 순환로 및 유동 기체의 순환로의 열적 분리에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 집광된 태양 복사로부터의 산업 용도용 스팀 또는 열 생성 방법.
19. 청구항 17 또는 18에 있어서,
    상기 집광된 태양 복사로부터의 산업 용도용 스팀 또는 열 생성 방법은, 입자의 베드(3, 30) 부분의 유동화를 위해 사용되는 유동 기체인 제 1 냉각 기체와, 상기 입자의 베드(3, 30) 부분으로부터 배출되는 유동 기체인 제 2 가열 기체 사이에서, 기체 간의, 바람직하게는 공기 간의 열 교환기를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 집광된 태양 복사로부터의 산업 용도용 스팀 또는 열 생성 방법.
20. 청구항 17 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 기체는 공기인 것을 특징으로 하는 집광된 태양 복사로부터의 산업 용도용 스팀 또는 열 생성 방법.
21. 청구항 17 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 기체의 유속의 선택적인 변화가 제공되는 것을 특징으로 하는 집광된 태양 복사로부터의 산업 용도용 스팀 또는 열 생성 방법.
22. 청구항 17 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집광된 태양 복사로부터의 산업 용도용 스팀 또는 열 생성 방법은 전력을 생성하는 것을 특징으로 하는 집광된 태양 복사로부터의 산업 용도용 스팀 또는 열 생성 방법.
23. 청구항 17 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집광된 태양 복사로부터의 산업 용도용 스팀 또는 열 생성 방법은 입자의 베드(3, 30) 또는 상기 베드의 부분 내에 기체 상태의 화석 연료의 연소를 제공하는 것을 특징으로 하는 집광된 태양 복사로부터의 산업 용도용 스팀 또는 열 생성 방법.
    

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