KR20130127426A - 열 에너지를 저장하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20130127426A
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브라이언 본 헤르젠
스콧 레이몬드 프레이저
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브라이트 에너지 스토리지 테크놀로지스, 엘엘피
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Abstract

열 에너지 저장 시스템은, 주변 수역 내에 위치하며 컨테이너 벽을 구비한 컨테이너를 포함한다. 벽은 내표면과 외표면을 가지고, 상기 내표면은 컨테이너의 내부 체적에 노출되며 이를 한정하고, 상기 외표면은 내표면의 반대편에 위치하며 주변 수역에 노출된다. 내부 체적은 물이 실질적으로 가득 충진되어 있고, 컨테이너는 외표면을 따르는 주변 수역의 물로부터, 내표면을 따르는 내부 체적 내의 물을 열적으로 분리하도록 구성된다. 내부 체적 내의 물과 열 소통된 열 공급원이 내부 체적 내의 물에 열 포텐셜을 전달하도록 구성된다.

Description

열 에너지를 저장하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR STORING THERMAL ENERGY}
본 발명의 실시예들은 전반적으로 열 에너지 저장에 관한 것으로, 특히 수중 저장 장치 내에 열 에너지를 저장하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
재생 에너지(renewable energy, RE) 공급원들은 비재생 에너지 공급원과 높은 탄소 배출을 줄이는 시대에서 종래의 동력 공급원들에 대한 대안을 제공한다. 그러나, 피크 수요가 존재하는 경우 많은 형태의 재생 에너지가 유효하지 않기 때문에, RE 공급원들은 종종 완전히 활용되지 않는다. 예컨대, RE 공급원들은 바람직하지 않은 피크가 아닌 시간 동안 가장 유효할 수 있거나, 또는 다른 모든 피크 동력 공급원들과 함께 피크 시간 동안 공급망(grid)을 공유해야만 하는, 동력이 가장 필요한 인구 중심 또는 위치로부터 멀리 있는 지역에 위치할 수 있다.
RE 공급원들은 예로서 수력, 지열, 해양 온도차 발전(ocean thermal energy conversion, OTEC)을 포함할 수 있다. 예컨대, 수력은 저수지와 결합된 경우, 가변 동력 부하에 대응하거나 응동(load-follow)하기 위해 증감될 수 있는 하나의 RE 공급원이다. 지열 및 OTEC 역시 좋은 기저부하 RE 공급원들이다; 그러나, 지열 및 OTEC의 실행 가능한 위치가 제한된다. 전통적으로 해양의 변온층에 걸쳐 사용된 해양 열 에너지 변환기는 표면의 물과 깊은 수심의 물 간의 온도차가 있는 담수 수역에 추가로 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. RE 공급원들은 예로서 태양, 바람, 파도, 및 조수를 포함할 수도 있다. 그러나, 이러한 공급원들은 동력을 제공하는 능력 면에서 단속적인 경향이 있다. 그러므로, 공급망 에너지 공급에 실질적으로 기여하기 위해서는, 이러한 공급원들을 위한 에너지 저장장치가 필요하다.
전기 공급망을 위한 비용효율적인 저장장치를 전기 서비스 전달의 초기부터 추구하였지만, 아직 유효하지 않다. 적당한 저장장치의 부재 시에, 하루 동안 그리고 각 계절마다 동력 수요의 변동으로 인해, 일부 시간 동안만 사용되는 발전 설비(generation assets)가 요구되며, 이는 최대 용량 미만으로 사용되는 설비를 위해 자본, 작동, 및 유지 비용을 증가시킬 수 있다. 또한, 몇몇 발전 설비는 감소 또는 차단하기가 어려우며, 최대 동력으로 빠르게 복귀하기가 어렵다. 에너지 저장장치는 동력 수요 및 공급에 더 잘 대응하기 위해 버퍼를 제공하여, 동력 공급원들이 더 높은 용량 및 그에 따른 더 높은 효율로 작동할 수 있게 한다.
압축 공기 에너지 저장(compressed air energy storage, CAES)은 주지의 에너지 저장 기술들의 많은 단점을 극복하는 매력적인 에너지 저장 기술이다. CAES에 대한 하나의 접근방안이 도 1에 도시되어 있다. CAES 시스템(10)은 예로서 풍력, 파력(예컨대, “솔터 덕(Salter Duck)”을 경유함), 전류력, 조력, 또는 태양력과 같은, 예컨대 재생 에너지 공급원으로부터 유래될 수 있는 입력 동력(12)을 포함한다. 다른 실시예에서, 입력 동력(12)은 전력 공급망으로부터 유래될 수 있다. 재생 에너지(RE) 공급원의 경우, 이 공급원은 단속적 동력을 공급할 수 있다. 전력 공급망의 경우, 시스템(10)은 상기 공급망에 연결되고 제어되어, 늦은 저녁이나 이른 아침 시간과 같은 피크가 아닌 시간 동안, 전력을 인출하여 압축 유체 에너지로서 저장할 수 있고, 이후 시스템(10)으로부터 인출된 에너지를 프리미엄을 받고 팔 수 있는(예컨대, 전기 에너지 중개매매) 피크 시간 동안, 저렴한 기저부하 동력을 저장함으로써 피크 성능을 제공하기 위해 석탄과 같은 기저부하 동력 시스템을 증대시키도록 전력을 복구할 수 있다.
입력 동력(12)은 유체 유입구(16)로부터의 유체를 압축하도록 기계 동력(14)에 결합되고, 유체 압축(18)이 일어난다. 펌프들 및 열 교환기들을 통해, 또는 압축 유체와 냉각 유체 간의 직접 접촉을 통해, 냉각을 도입할 수 있다. 유체 압축부(18)의 유체는 유체 유입부(22)를 통해 압축 유체 저장장치(20)로 운반된다.
시스템(10)으로부터 저장된 에너지를 인출하는 것이 바람직할 때, 압축 유체는 유체 토출부(24)를 통해 압축 유체 저장장치(20)로부터 인출될 수 있고, 유효한 에너지를 가져오는 유체 팽창(26)이 일어나며, 상기 에너지는 예컨대 전력 발생(30)을 위한 기계 동력(28)을 추출하는 기계 장치로 운반될 수 있다. 발생된 전력은 이를 전달받는 것이 바람직한 다른 장치 또는 공급망으로 운반될 수 있다. 토출 유체(32)는 대략 표준 또는 주위 압력에서 환경에 배출된다.
등온(즉, 준등온)에 가깝게 작동되는 경우, 시스템(10)은 유체 압축부(18)로부터의 유체를 냉각하기 위한 강제-대류 냉각부(34), 및 유체 팽창부(26)로부터의 유체를 가열하기 위한 강제-대류 가열부(36)를 포함한다. 압축 유체 저장은 대략 주위 온도 및 압력에서 일어나기 때문에, 유체 압축(18)을 위한 냉각(34) 및 유체 팽창(26) 후의 가열(36)은 주위 온도 및 압력에서 시스템(10)을 둘러싸는 다량의 환경 유체를 사용하여 수행될 수 있다.
도 2는 CAES 시스템(10)의 해양-기반 준등온 구현례를 도시한다. 시스템(10)의 부품들은 바다(40)의 수표면에 인접하게 플랫폼(38) 상에 위치한다. 플랫폼(38)은 해저(42)에 의해 지지된다. 압축 공기 저장 조립체(44)가 평균 깊이(46)에 위치하며, 압축기/팽창기 시스템(C/E, 48)이 발전기(50)에 결합된다. C/E(48)는 준등온 작동을 위한 다수의 압축 단계들과 팽창 단계들을 포함할 수 있고, 열 교환기 패키지(이 도면에 미도시)가 압축 또는 팽창 단계들 간의 유체를 각각 냉각 또는 재가열할 수 있다.
유체 호스 또는 관 또는 가압 유체 운반 시스템(52)이 바다(40)의 표면에서 또는 그 인근에서 유체 저장 주머니 조립체(44)를 C/E(48)와 연결한다. 동력을 C/E(48)에 입력한 경우(54), C/E(48)는 유체를 압축하고, 이를 유체 호스 또는 관(52)을 통해 유체 저장관 조립체(44)로 운반하고, 그 안에 에너지를 저장하도록 작동한다. 동력(54)은 바람, 파도 움직임, 조수 움직임과 같은 재생 가능한 공급원을 통해 공급되거나, 예컨대 동력 공급원으로부터 에너지를 인출할 수 있는 모터로서 작동되는 발전기(50)를 통해 공급될 수 있다. 또한, 발전기(50)가 AC 또는 DC 전력을 발생시키도록 구동하기 위해, 유체 호스 또는 관(52)을 통해 유체 저장관 조립체(44)로부터 압축 저장된 에너지를 인출함으로써, C/E(48)를 반대로 작동시킬 수 있다.
해양-기반 준등온 작동에 있어서 CAES 시스템(10)의 작동이 비용효율적인 공급원들로부터의 에너지의 발생을 이용하는 동안, 준등온 CAES 시스템은 통상적으로 복수의 압축 단계들에서 유체를 압축하고, 단계들 내의 또는 그 사이의 냉각 또는 가열은 펌프들 및 열 교환기들을 통해 이루어진다. 그러나, 단열 CAES 시스템은 유체 압축 중에 발생된 열 에너지의 저장을 가능하게 하고, 상기 열 에너지는 폐기되는 것이 아니라, 이후 유체 팽창 전 또는 중에 압축 공기를 예열하도록 사용된다.
충분한 압축 단계들이 있다면, 시스템은 단지 외부 환경과의 충분한 열 교환에 의해 거의 등온 효율로 작동할 수 있다. 그러나, 많은 단계들을 구비한 압축 시스템은 상당히 고가일 수 있다.
더욱 새로운 단열 CAES 설계에서, 열 에너지는 고온으로 저장되고, 이는 고가의 매체 및 수용 시스템을 요구한다. 예컨대, 열 저장을 위한 하나의 제안은 600℃로 저장된 돌 또는 세라믹 벽돌로 충진된 열 저장 컨테이너의 사용을 포함한다. 이러한 고온 시스템은 봉입 및 단열하기가 어려우며 고가이다. 다른 한편으론, 물이 매우 높은 열 용량을 가지며 매우 저렴하지만, 낮은 압력 또는 적당한 압력에서의 비교적 낮은 끓는점 때문에 저장 매체로 사용하기가 어렵다.
에너지 저장 매체로서 물 또는 다른 저비용 무독성 액체를 포함하는 열 에너지 저장 시스템을 구비하는 것이 유리할 것이다. 열 에너지 저장 시스템이 지상 및 해양 모두에 배치되거나, 일부는 지상에 그리고 일부는 해양에 배치될 수 있다는 것을 고려하면, 두 환경 모두에서 저비용 열 저장장치를 포함할 수 있는 열 에너지 저장 시스템을 구비하는 것이 유리할 것이다.
본 발명은 이러한 이점을 가진 열 에너지를 저장하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적 및 그 밖의 목적은 이하의 설명을 통해 보다 명료히 확인할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 열 에너지 저장 시스템은, 주변 수역 내에 위치하며 컨테이너 벽을 구비하는 컨테이너를 포함한다. 벽은 내표면과 외표면을 가지고, 상기 내표면은 컨테이너의 내부 체적에 노출되며 이를 한정하고, 상기 외표면은 내표면의 반대편에 위치하며 주변 수역에 노출된다. 내부 체적은 물이 실질적으로 가득 충진되어 있고, 컨테이너는 외표면을 따르는 주변 수역의 물로부터, 내표면을 따르는 내부 체적 내의 물을 열적으로 분리하도록 구성된다. 내부 체적 내의 물과 열 소통된 열 공급원이 내부 체적 내의 물에 열 포텐셜을 전달하도록 구성된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 열 에너지 저장 시스템을 배치하는 방법은 수역 내에 열 저장 컨테이너를 위치시키는 단계를 포함한다. 열 저장 컨테이너는 제1 표면 및 제2 표면을 가진 벽을 구비하고, 제1 표면은 컨테이너의 내부에 위치하는 제1 체적을 향하고, 제2 표면은 제1 표면으로부터 반대편에 위치하며 수역을 향한다. 상기 방법은 또한 제1 체적을 실질적으로 충진하는 연행된 체적의 물(entrained volume of water)에 열 공급원을 열적으로 결합시키는 단계로서, 열 공급원은 연행된 체적의 물에 열을 전달하도록 구성된 단계를 포함한다. 벽은 이를 통한 수역으로부터 연행된 체적의 물로의 열 에너지의 전달을 방해하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 공기를 압축하고 이후 작업을 수행하기 위해 팽창시키는 압축 공기 에너지 저장 시스템은 압력 변경 시스템을 포함하고, 상기 압력 변경 시스템은 다수의 압축 단계들을 통해 공기를 압축하도록 구성되며, 다수의 팽창 단계들을 통해 압축 공기를 팽창시키도록 구성된다. 압력 변경 시스템에 열적으로 결합된 열 시스템은 각 압축 단계에서 압축 공기로부터 열을 제거하도록 구성되며, 각 팽창 단계에서 압축 공기에 열을 공급하도록 구성된다. 상기 시스템은 열 저장 매체 및 열 밀폐장치(thermal enclosure)를 더 포함하고, 상기 열 저장 매체는 열 회수 시스템에 의해 제거된 열을 저장하며 상기 저장된 열을 열 추가 시스템에 공급하도록 구성된 수용액을 포함하고, 상기 열 밀폐장치는 그 저장 체적 내에 상당량의 열 저장 매체를 저장하도록 구성되며, 저장 체적 위에 위치하는 증기 장벽을 포함한다.
다른 다양한 특징들 및 이점들이 후술하는 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다.
도면은 본 발명을 수행하기 위해 현재 고려되는 바람직한 실시예들을 도시한다.
이러한 도면에서:
도 1은 압축 공기 에너지 저장(CAES) 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 열 에너지 저장장치 없이 해양 환경에서의 도 1의 CAES 시스템을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 환경에서의 도 1의 시스템의 단열 작동을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기에 열적으로 결합된 열 저장 용기를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 4의 열 저장 용기의 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 열 저장 용기의 분해도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 교환기에 열적으로 결합된 열 저장 용기를 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 교환기에 열적으로 결합된 도 7의 열 저장 용기를 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 저장 용기의 다층 벽을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 압축 및 팽창 시스템을 도시한 공정 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 밀폐장치의 등각도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 밀폐장치의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열 밀폐장치의 등각도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열 밀폐장치의 단면도이다.
본 발명의 실시예들은 단열 요소 및 준등온 요소 모두와 작동하는, 다수의 단계들을 가진 압력 변경 장치를 포함한다. 압축 상태에서, 장치는 가스에 여러 압축 단계들을 제공하며, 각 단계 후 압축열을 제거하여, 각 단계에서의 온도 상승을 관리한다. 이후, 이러한 압축열은 열 에너지 저장장치 내에 포획되고, 그에 따라 상기 열 에너지 저장장치는 열 저장장치를 구비한 완전 단열 시스템과 비교하여 비교적 적당한 온도로 작동될 수 있다. 팽창 상태에서, 동일한 압력 변경 장치가 반대로 작동하거나, 또는 다른 실시예들에서, 상이한 압력 변경 장치가 사전 압축된 가스에 여러 팽창 단계를 제공하며, 각 팽창 단계 전에 열을 가스에 추가한다. 또 다른 실시예들에서, 열은 단계들 사이가 아닌 각 단계 중에 가스에 추가되거나 추출될 수 있다.
공기를 예컨대 네 단계로 1atm 내지 25atm의 압력 및 20℃의 주위 온도로부터 압축한다면, 각 단계의 최종 온도 상승이 75℃까지 유지될 수 있고, 열 저장 매체의 온도가 100℃ 아래로, 1atm에서의 물의 끓는점 이하로 유지될 수 있다. 이는, 저렴한 고분자 박막들을 주로 포함하며 현장에 이미 존재하는 흙 또는 물을 포함할 수 있는 열 저장 용기와 함께, 열 저장 용기 내의 열 저장 매체를 주위 압력에 대해 비교적 낮은 압력차로 저장하는 열 에너지 저장장치를 구비한 매우 저비용의 CAES 시스템을 가능하게 할 수 있다.
열 저장 용기가 수중에 있거나 열 저장 용기가 압력 용기인 다양한 실시예들에서, 더 적은 단계들을 가진 시스템을 설계하는 것과, 더 높은 온도에서 물을 저장 매체로 사용하는 것이 가능하다. 예컨대, 열 저장 용기가 대략 10atm의 압력으로 90m의 깊이에 있다면, 최대 작동 온도는 180℃에 이를 수 있다.
본 발명의 실시예들은 대양, 바다, 호수, 저수지, 만, 항구, 해협, 강, 또는 임의의 다른 인공 또는 자연 수역과 같은 수역 및 열 에너지 저장 용기의 배치 또는 설치를 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, “바다”는 임의의 이러한 수역을 나타내고, “해저”는 그 바닥면을 나타낸다. “침전물(예컨대, “해저 침전물”)”은 본원에 사용된 바와 같이 바다의 저면 또는 바닥면으로부터의 해양 물질을 나타내고, 예로서 자갈, 모래, 슬릿, 점토, 진흙, 유기 물질, 또는 바다의 바닥면에 정착한 다른 물질을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예를 포함하는 해양 환경에서의 도 1의 시스템의 단열 작동을 도시한 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 유사하게, CAES 시스템(10)은 동력 입력(54) 및 발전기/모터(50)에 결합된 C/E(48)를 포함한다. C/E(48)는 또한 해저(42)에 안착된 압축 공기 저장장치(44)에 유체 호스(52)를 통해 결합된다.
도 2에 도시된 바와 대조적으로, 도 3의 CAES 시스템(10)은 C/E(48)의 유체 압축 단계 중에 발생된 열을 저장하기 위한 열 저장 매체를 구비한 열 저장 용기(56)를 포함한다. 펌프(58)가 C/E(48)에 열적으로 결합되며, C/E(48) 내의 압축 유체와 열 저장 용기(56)의 열 저장 매체 간의 열 전달을 용이하게 하도록 설계된다. 이하의 실시예들에 설명된 바와 같이, 작동 유체와 열 저장 매체 간의 열 전달은 C/E(48)에 인접하게 또는 열 저장 용기(56)에 인접하게 일어날 수 있다. 본 발명의 실시예들은 열 저장 매체를 위해 담수이든 염수이든 물을 사용하는 것으로서 본원에서 열 저장 매체를 기술할 것이다. 그러나, 다른 수용액 또는 글리콜이나 오일과 같은 다른 액체와 같은, 다른 열 저장 유체 매체 역시 사용할 수 있다.
단열 작동 중에, 열 저장 용기(56)는 열층화(thermal stratification)가 그 내부에 발생하도록 작동된다; 그러므로, 온수가 열 저장 용기(56)의 상부로 공급 및 인출될 수 있고, 냉수가 열 저장 용기(56)의 하부로 공급 및 인출될 수 있다. 그러므로, 일 예에서, 압축 중에, 냉수는 용기(56)의 하부(비교적 저온)로부터 인출되고, 압축 후에 상부(비교적 고온)로 복귀될 수 있다. 반대로, 팽창 중에, 온수는 용기(56)의 상부(비교적 고온)로부터 인출되고, 하부(비교적 저온)로 복귀되거나, 선택적으로 용기에 전혀 복귀되지 않고, 주변 물로 되돌아갈 수 있다. 따라서, C/E 작동 모드들 모두에서, 열 저장 탱크의 안정된 층화가 달성되고, 안정된 조건 하에서 물의 고유한 열 확산율이 낮기 때문에 물 부분들의 온도차가 유지된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기(60)에 열적으로 결합된 열 저장 용기(56)를 도시한 개략도이다. 열 저장 용기(56)는 본 실시예에서 열 저장 매체인 물이 실질적으로 가득 충진된 밀폐형 내부 체적(64)을 형성 또는 한정하는 벽(62)을 포함한다. 벽(62)의 내표면(66)은 밀폐형 체적(64)을 향하고, 벽(62)의 외표면(68)은 주변 수역을 향한다. 벽(62)은 외표면(68)을 따르는 주위 온도의 물로부터, 내표면(66)을 따르는 밀폐형 체적(64) 내의 물을 열적으로 분리하도록 구성된다. 그러나, 내외표면(66, 68) 간의 열 전달이 물 체적들 간의 직접 접촉보다 더 느린 속도이긴 하지만 일어날 수 있다.
일 실시예에서, 벽(62)은 직물 물질 또는 고분자막과 같은 접힐 수 있는 물질(collapsible material)로 구성된다. 직물 물질 또는 고분자막은 특정한 방향으로 또는 사방으로 강도와 강성을 개선하기 위해 내장형 인장 부재들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 벽(62)은, 얇은 가요성 물질 부분들에 의해 상호연결되거나 오버레이층을 가진 별개의 인장 부재들(예컨대, 케이블들)로 구성될 수 있다.
벽(62)은 돔 형상을 형성하는 상부(70)를 포함한다. 일 실시예에서, 돔 형상은 실질적으로 타원형의 돔을 형성한다. 돔(70)은 밀폐형 체적(64) 내에서 물의 가장 고온인 부분을 수용하도록 구성된다. 상부(70)를 돔 형상으로 형성하면, 벽(62)의 주름을 줄일 뿐만 아니라, 높은 구조적 지지 및 단위 체적당 더 낮은 열 전달면을 제공한다.
벽(62)의 하부(72)는 하부벽(76)에 결합된 측벽(74)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 측벽(74)은 원추형이고, 그 직경은 하부벽(76)에 접근함에 따라 감소한다. 그러나, 측벽(74)을 위한 다른 형상이 고려된다. 예컨대, 도 5를 참조하면, 측벽(74)은 원통형이다.
다시 도 4를 참조하면, 예컨대 내부 체적(64) 내의 물의 부력으로 인해 또는 주변 수역 내의 흐름으로 인해 열 저장 용기(56)에 가해진 힘에 대항하도록 중량과 마찰을 공급하기 위해, 열 저장 용기(56)는 무거운 밸러스트 물질(ballast material, 78)로 안정화될 수 있다. 일 실시예에서, 밸러스트 물질(78)은 배치 장소 인근으로부터 또는 해저 상의 다른 장소로부터 캐낸 침전물을 포함한다. 다른 실시예에서, 밸러스트 물질(78)은, 예컨대 모래, 자갈, 돌, 철광석, 콘크리트, 슬래그, 조각 물질 등과 같이 물보다 더 무겁거나 더 조밀한, 해저에서 유래되지 않은 물질들을 포함한다. 밸러스트 물질(78) 외에도, 용기(56)의 밸러스트 충진 부분이 해저를 가로질러 미끄러지지 않게 하도록 쵸크(chock)로서 작동하기 위해, 하나 이상의 장벽(80)들이 하부벽(76) 주위에 위치할 수 있다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 주위 환경의 물로부터 밀폐형 체적(64) 내의 물의 단열을 증가시키기 위해, 단열 물질(82)이 벽(62)에 결합되며, 벽(62)에 가깝게 위치한다. 단열 물질(82)은 예컨대 도 9와 관련하여 이하에 설명되는 바와 같은 하나 이상의 단열 물질로 구성될 수 있다. 이러한 단열 물질은 접힐 수 있다. 그러므로, 단열 물질(82)은 가장 고온의 물을 수용하도록 구성된 상부(70)의 단열을 증가시키는 한편, 하부(72)를 외부 환경과 열 교환하도록 더욱 자유롭게 내버려둘 수 있다. 저온 유체가 주위 온도보다 현저히 더 저온인 경우, 하부(72)는 대안으로 환경의 주위 온도로부터 저온 저장장치를 보호하기 위해 단열재를 포함할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 온수관(84)이 펌프(58)로부터 밀폐형 체적(64) 내로 연장되고, 온수관(84)의 개구(86)는 밀폐형 체적(64)으로부터 온수를 인출하거나 밀폐형 체적(64)으로 온수를 토출하도록 위치한다. 온수가 온수관(84)으로부터 토출되는 경우 밀폐형 체적(64) 내의 물의 수직 혼합을 감소시키기 위해, 개구(86) 인근에서 온수관(84)에 결합된 단부 유동 플레이트(88)가 토출 유동을 실질적으로 수평하게, 또는 밀폐형 체적(64) 내의 열 구배 방향에 수직하는 하나 이상의 방향으로 유도한다. 몇몇 실시예들에서는, 단부 유동 플레이트(88)가 없다. 냉수관(90)이 펌프(58)로부터 밀폐형 체적(64) 내로 연장되고, 냉수관(90)의 개구(92)는 밀폐형 체적(64)으로부터 냉수를 인출하거나 밀폐형 체적(64)으로 냉수를 토출하도록 위치한다. 냉수관(90) 역시 냉수 토출 유동을 실질적으로 수평하게 유도하기 위해 단부 유동 플레이트(94)를 포함할 수 있다. 점선으로 도시된 다른 실시예에 따르면, 냉수관(90)은 이를 통과하는 냉수의 예상된 유입/토출 온도에 실질적으로 상응하는 온도 구배의 레벨로 측벽(74)을 통해 열 저장 용기(56)를 통과할 수 있다. 수온들의 수직 혼합을 추가로 감소 또는 방해하기 위해, 상부(70)는 체적(64)의 부분들에서 수직 유동을 관리하도록 개구(98) 또는 개구들을 구비한 하나 이상의 배플(96)들을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 냉수 저장소로서 주위 온도의 주변 물을 사용하는 것이 유리할 수 있고, 그에 따라 냉수 경계면 관(90)은 점선으로 도시된 바와 같이 용기의 내부가 아닌 주위의 주변 물에서 끝날 수 있다. 이러한 실시예들에서, 측벽(74)의 홀(99, 점선으로 나타냄)들이 하부(72)의 물을 유입 및 유출되게 하여, 상부(70)로 추가 또는 제거되는 온수를 수용한다. 열 층화(및 연관된 상이한 액체 밀도)에 의해 그리고 배플링(96)이 포함된 경우 배플링에 의해, 상부(70)의 온수가 주위의 물 또는 냉각된 물로부터 격리된 상태로 남아있다. 외부 물을 향하는 개구(99)들이 온수가 도달할 수 있는 최저점보다 더 낮게 위치하는 한, 온수는 밀폐장치(56) 내에 남아있을 것이다.
열 교환기(60)는 C/E(48) 내에 또는 그 인근에 위치하고, 그에 따라 C/E(48)의 작동 유체와 열 교환기(60) 내의 유체 간에 열 교환이 일어난다. 본 실시예에서, 펌프(58)는 물의 안팎으로 열을 전달하기 위해 열 교환기(60)를 통해 밀폐형 체적(64)으로부터 물을 펌핑한다. 예컨대, C/E(48)의 압축 단계 중에, 펌프(58)는 압축열로부터의 열을 냉수에 전달하기 위해, 냉수를 냉수관(90)을 통해 인출하여 열 교환기(60)에 공급한다. 따라서, 냉수는 가열되고, 이후 펌프(58)는 온수관(84)을 통해 밀폐형 체적(64)의 상부에 온수를 공급할 수 있다. 일 실시예에서, 열 교환기(60)는 물의 온도를 1atm 끓는점(약 100℃)보다 높게 상승시키기 위해 물에 열을 전달하도록 구성된다. 이러한 온도가 보통 대기압에서의 물의 끓는점보다 높은 동안, 바다(40) 속의 열 저장 용기(56)의 위치에서의 주위 수압으로 인해, 고온의 물은 더 높은 압력에서 액체 상태로 남아있게 된다. C/E(48)의 팽창 단계 중에, 상기 공정은 밀폐형 체적(64)의 일 부분에서 온수를 인출하고 다른 부분에 냉수를 공급하기 위해 반대가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 밀폐형 체적(64) 내의 물은 염수이거나 담수일 수 있다. 담수를 사용하는 이점은 열 전달 시스템 부품들의 부식 감소, 및 염수 노출을 견디기 위해 필요한 것보다 더 간단한 부품들의 구성을 포함한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기(60)에 열적으로 결합된 열 저장 용기(56)를 도시한 개략도이다. 열 저장 용기(56)는 본 실시예에서 열 저장 매체인 물이 실질적으로 가득 충진된 개방형 내부 체적(102)을 한정 또는 제한하는 반구형 또는 타원형 벽(100)을 포함한다. 벽(100)의 내표면(104)은 내부 체적(102)을 향하고, 벽(100)의 외표면(106)은 주변 수역을 향한다. 벽(100)은 외표면(106)을 따르는 주변 수역의 물로부터, 내표면(104)을 따르는 내부 체적(102) 내의 물을 단열하도록 구성된다. 단열 물질(82)은 예컨대 도 9와 관련하여 이하에 설명되는 바와 같은 하나 이상의 접힐 수 있는 단열 물질들로 구성될 수 있다. 그러므로, 내외표면(104, 106) 간의 열 전달이 현저히 감소한다.
내부 체적(102)의 하부에는 배플링 또는 스킨(107, 점선으로 나타냄)이 있을 수 있고, 이는 흐름을 포함할 수 있는 주변의 물과 내부 체적(102) 내의 물의 혼합율을 줄일 것이다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 스킨(107)은 수밀하도록 설계될 수 있고, 벽(100)과 함께 내부 체적(102) 주위에 완벽한 밀폐장치를 제공한다.
도 7은 또한 열 저장 용기(56)에 결합 가능한 다른 고정 실시예를 도시한다. 복수의 앵커 또는 파일론(108)들이 해저에 부착될 수 있고, 앵커(108)들과 열 저장 용기(56) 간에 결합된 복수의 앵커 케이블(110)들이 열 저장 용기(56)의 부력을 고정할 뿐만 아니라, 주변 수역의 역류에 대해 상기 용기의 위치를 고정한다.
도 4에 도시된 바와 유사하게, 온수관(84)이 열 저장 용기(56)의 상부(112) 내로 연장된다. 냉수관(90)이 일례로 열 저장 용기(56)의 하부(114) 내로 연장될 수 있다. 다른 예에 따르면, 온수가 내부 체적(102)으로부터 인출됨에 따라 주위 환경의 물이 내부 체적에 들어올 수 있기 때문에, 냉수관(90)은 주변 수역 내로 연장될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 교환기(116)에 열적으로 결합된 도 7의 열 저장 용기(56)를 도시한 개략도이다. 도 8은 내부 체적(102) 내의 물과 열 공급원(49, C/E)의 작동 유체와의 열 교환의 위치가 도 4 또는 도 7에 도시된 바와 같이 C/E(48)가 아닌 내부 체적(102) 자체의 내부인 것을 도시한다. 이 실시예에서, 펌프(58)는 내부 체적(102) 내의 물을 가열 또는 냉각하기 위해, C/E(48)의 작동 유체가 열 저장 용기(56)를 통해 그리고 열 교환기(116) 내로 흐르게 하도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 열 공급원은 회로 및 열 교환기(60)를 통해 작동 유체를 이동시키기 위한 자체 펌핑 기능을 가질 수 있다. 이런 방식으로, 내부 체적(102) 내에 형성된 열 구배의 층화 해제(de-stratification)가 온수관 또는 냉수관으로부터의 물의 유입 또는 토출을 통해 강화되지 않는다.
도 8은 또한 열 저장 용기(56)에 결합 가능한 대안적인 앵커(118)를 보여준다. 앵커(118)는 일례로, 전술한 바와 같이 해저로부터 유래되거나 유래되지 않은 밸러스트 물질(78)로 충진된 주머니를 포함한다. 다른 예로, 앵커(118)는 병진력을 받을 때 열 저장 용기(56)의 위치를 실질적으로 유지할 정도로 무거운 임의의 가중 객체일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 저장 용기(56)의 다층 벽(120)을 도시한다. 도 9는 일정한 비율로 그려진 것은 아니다. 벽(120)은 접힐 수 있는 섬유강화 고분자막으로 구성된 제1층(122)을 포함한다. 막은 예컨대 약 55%의 섬유(128)들이 공통 열가소성층(126)들의 양측에 (예컨대, 열간 압연에 의해) 봉지된 섬유강화 고분자 매트릭스(124)이다. 이러한 매트릭스(124) 구조의 두께는 예컨대 약 0.14㎜(0.055")일 수 있다. 이러한 유형의 매트릭스(124)는 해양 응용을 위해 얇고 저렴하며 매우 견고한 신축형 용기를 가능하게 한다. 열가소성 물질(160)은 플루오르폴리머뿐만 아니라 LDPE(저밀도 폴리에틸렌), HDPE(고밀도 폴리에틸렌), PVC(폴리비닐 클로라이드), PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), 또는 폴리에스테르와 같은 플라스틱일 수 있다. 다른 물질들 역시 고려된다. 물질은 또한 예컨대 혼합 물질 플라스틱, 또는 사용 또는 작동으로부터 제거된 유체 저장관의 재생 플라스틱으로 이루어질 수 있고, 여기서 이러한 유체 저장관은 설치 장소에 제거된 유체 저장관의 아무것도 남지 않도록 설치물로부터 제거된다. 다른 재생 가능한 플라스틱 공급원 역시 고려된다.
섬유(128)들은 예컨대 유리, 탄소, 또는 금속 섬유와 같은 물질로 구성될 수 있고, 방향성 복합 적층체로 배향되며, 그 방향은 예로서 주응력의 하나 이상의 방향에 상응할 수 있다. 예컨대, 섬유유리가 매우 저렴하며, 일반적으로 장기간의 침수에 잘 견딘다. 섬유유리는 또한 구체적으로 내구성, 신뢰성, 수명, 해양 환경에 대한 적합성, 및 염수 내성 덕분에 해양 산업에서 널리 사용된다. 다양한 유형의 유리 섬유들 각각은 다양한 응용들에서 각자의 이점이 있다. 일례로, 유리 섬유들은 인장 강도를 위해 최적화될 수 있는 비교적 고가의 S-2 유리 물질일 수 있다. 다른 예로, 유리 섬유들은 E-유리 물질일 수 있다.
섬유(128)는 열 저장 용기(56) 내에서 중요한 구조적 요소이다. 섬유들의 인장 강도는 사용될 열가소성 매트릭스보다 약 100배 더 높을 수 있다. 섬유의 인장은 고정 시스템으로부터의 힘(예컨대, 침전물 밸러스트의 중량) 및 용기 내의 최종 축방향 응력으로 열 저장 유체의 부력에 대항한다. 이러한 인장은 용기(56)를 통해 수직으로 이루어지면 된다. 사용되는 임의의 섬유 물질에 대해, 설계는 바닷물로부터 섬유(128)를 보호한다. 플라스틱 단독으로 물질 강도를 달성하려는 시도는 제조 비용을 실질적으로 증가시킬 수 있고, 최종 두께는 적절하게 가요성이 있거나 접힘 가능하지 않을 수 있다.
실제로 바닷물에 노출되는 열가소성 섬유강화 고분자 매트릭스(124)의 매트릭스 물질은 바닷물 환경에서 광범위하게 사용되어 왔다. 섬유(128)들은 열가소성 섬유강화 고분자 매트릭스(124)에 내장되며, 이후 완전히 봉지되도록 적층된 상부(130) 및 하부(132)에 내장되기 때문에, 보통의 조건에서는 바닷물에 직접 노출되지 않을 것이다. 외부 적층체들(130, 132)을 위한 물질은 섬유(128)들을 완전히 봉지하기 위해 얇은 “면판(face sheet)”의 열가소성 물질(126)과 대략 동일하다.
섬유강화 고분자 매트릭스(124) 물질은 또한 수리 가능하도록 설계된다. 예컨대, 구멍 또는 균열이 물질(124)에 형성되면, 구멍 주위에 물질(124)을 재결합하거나, 구멍 주위의 물질에 동일한 물질의 패치 또는 다른 부착 가능한 패치를 부착함으로써, 구멍을 패치처리할 수 있다. 깊은 곳에 배치하는 경우, 다이버 대신 원격 작동 차량에 의해 이러한 패치를 적용할 수 있다.
벽(120)의 제2층(134)은 가스를 연행하는 고분자 물질로 구성된 단열 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 고분자 물질은 질소를 연행하여 네오프렌형 단열 물질을 형성한다. 벽(120)의 제3층은 가스를 연행하는 고분자 물질로 구성된 다른 단열 물질을 포함한다. 일 실시예에서, 제3층(136)의 고분자 물질은 공기를 연행하여 일종의 버블랩(bubble wrap) 단열 물질을 형성한다.
도시된 바와 같이, 제1층(122)은 제2층(134)과 제3층(136) 사이에 위치한다. 다른 실시예들은 제1층(122)의 일측에만 하나 이상의 단열층을 위치시키는 것을 포함한다.
본 발명의 실시예들은, 수중에서의 열 에너지의 저장이 바람직한 다른 비CAES 시스템들 외에도, 기존의 해양 CAES 시스템들을 이용한 열 저장 용기의 설계 및 작동을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 열 저장 용기는 저비용 열 저장 시스템의 제조 및 배치를 가능하게 한다.
수중에서 형성될 수 없는 열 에너지 저장(TES) 구조들도 있다. 도 10은 일반적인 공정도를 도시하는데, 여기서 다단 압축 및 팽창 시스템(150)은 압축 과정으로부터 열 에너지를 획득하여 열 에너지 저장 매체에 저장하고, 이후 팽창 과정에 열을 제공한다. 열 에너지 저장 매체는 예컨대 전술한 열 밀폐장치와 같은 열 밀폐장치(152) 내에 저장된다. 압축/팽창 과정은 내부에 배치된 상이한 요소들로 도시된다. 응용을 위해 선택된 단계(154)들의 수는 공기를 압축하는 최종 압력, 및 열 에너지 저장장치(152) 내의 원하는 최대 온도에 따라 변화될 수 있다. 이는 일반적인 N개의 단계(154)로 도시된다. 각 단계(154)에는 압축 시퀀스를 위한 압축 단계와 열 교환 과정이 있다. 열 교환은 순차적일 수 있거나(즉, 압축 후 압축 공기로부터 열을 제거할 수 있음), 또는 몇몇 실시예들에서는, 열 교환이 압축과 동시에 일어날 수 있다. 공기는 직렬로 압축된다. 다시 말하면, 동일한 공기가 하나의 단계(154)로부터 다음 단계로 진행되고, 각 단계에서 압력이 증가한다. 열 교환의 통상적인 실시예는 냉각기 열 물질의 매니폴드가 모든 단계(154)들에 병렬로 제공된 경우이다. 다시 말하면, 열 물질은 하나의 단계(154)를 통해서만 진행되므로, 예컨대 다섯 단계가 존재한다면, 다섯 개의 병렬 유동들이 있고, 이들은 일반적으로 TES(152) 내의 공통 저온 구역(cool zone)으로부터 공급되며, 마찬가지로 서로 결합되어, 공통 온도에서 TES(152) 내의 고온 구역(warm zone)으로 주입된다. 펌프(156)가 단계(154)들 전체에 걸쳐 열 물질을 순환시키기 위해 사용된다. 기계 동력(158)이 시스템을 통해 압축 공기를 구동하도록 사용된다.
일반적으로, 팽창 과정은 압축 과정의 반대이다. 실제로, 몇몇 실시예들에서, 간단히 고압 공급원으로부터 주위 발생 기계 동력으로 다시 진행되는 동일한 장비를 사용할 수 있다. TES(152)로부터 인출된 열이 팽창 전 또는 팽창과 동시에 추가된다는 점을 제외하면(압축 모드에서 압축 후 또는 압축과 동시인 것과 대조적임), 열 교환 과정은 압축 과정에서와 유사하다. 다시, 공기압이 실질적으로 조정되며, 열 물질이 열 교환 과정에 병렬로 제공된다.
도 11은 돔형 상부(250), 원통형 벽(252), 및 베이스(254)를 구비한 열 밀폐장치(248)의 등각도이다. 이러한 구조는 지면과 같은 지지면(256) 또는 지반(grade) 위에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 베이스(254)는 만곡형 또는 돔형일 수 있고, 열 밀폐장치(248)는 지반 아래에 위치할 수 있으므로, 열 밀폐장치(248)의 적어도 일부가 지지면(256)의 표면 아래로 연장된다. 양호한 구조적 특성 및 단열 특성을 가진 이러한 대형 열 밀폐장치(248)를 합리적인 비용으로 구성할 수 있다. 열 밀폐장치(248)의 단열 성능을 증가시키기 위해 별도의 단열재를 추가할 수 있다.
도 12는 지반 아래에 있는 열 저장 탱크(258)의 일례를 도시한다. 요홈 또는 천공(260)이 지면(261) 아래에 형성되고, 폼(예컨대, 폴리이소시아누레이트)과 같은 단열 물질(262) 또는 저전도성 광물(예컨대, 질석 또는 규조토)이나 짚과 같은 일반적으로 천연의 단열 물질로 충진될 수 있다. 비교적 저렴하며 요홈 또는 천공(260)의 베이스에 이미 존재할 수 있는 건조된 흙을 사용할 수도 있다. 단열 물질(262)의 상부에는 방수 라이너(264)가 배치되고, 상기 방수 라이너는 폐기물 매립지를 라이닝하기 위해 사용된 것처럼 토목섬유 또는 간단한 열가소성막/판과 유사할 수 있다. 대안으로, 라이너(264)는 당해 기술분야의 숙련자들에게 익숙한 틸트-업(tilt-up) 또는 다른 간단한 콘크리트 구조로 구성될 수 있다. 물 또는 열 물질의 온도에 대한 고려는 라이너 물질 선택에 영향을 미칠 수 있다. 부틸 라이너들이 몇몇 태양열 온수 탱크들을 위해 일반적으로 사용되며, 몇몇 상황에서 적절한 물질을 포함한다. 하나의 중요한 열손실 메커니즘은 증발 냉각이다. 투습저항 커버(266)가 증발열 손실을 실질적으로 감소시킨다. 탱크(258) 내에 사용될 저장 매체는 외부 주위 압력에서 끓는점보다 높은 온도로 작동하지 않을 것이고, 이후 커버(266)의 구조는 저장 매체의 증기압 때문에 강화될 필요가 없다. 이러한 경우를 위해, 커버(266)는 라이너(264)와 유사한 온도를 경험할 것이므로 라이너와 유사한 박막일 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 탱크(258)의 설계는 저장 매체의 주위의 끓는점보다 높은 저장 매체 온도를 처리할 수 있다. 이러한 상황에서, 커버(266)는 상당량의 증기압을 견딜 수 있도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 돔형 커버 구조(266)가 점선으로 나타낸 바와 같이 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 돔형 커버 구조(266)는 콘크리트로 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 증기압이 더 낮은 경우, 커버(266)는 얇은 가요성 박막으로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 추가적인 단열층(268)이 존재한다. 밀폐장치(258)의 커버(266)의 하부에는, 일반적으로 높은 열 전달 계수를 가진 응축 열 저장 물질이 구비될 수 있다. 단열층(268)은 버블랩, 스프레이-온 폴리우레탄 폼, 또는 네오프렌과 같은, 가스를 연행하는 고분자 물질의 형태를 취할 수 있다. 이는 짚 또는 섬유유리와 같은 섬유성 물질일 수 있다. 이는 또한 알루미늄 코팅된 PET의 얇은 반사판과 같은 복사열 손실에 대항하는 단열층일 수 있다. 버블랩 역시 알루미늄 코팅된 적층 조립체들의 일부로서 이러한 응용들에서 복사열 손실을 감소시키기 위해 일반적으로 사용된다. 단열층(268)은 기상 조건, 태양 복사, 강한 바람, 및 강우와 같은 외부 환경의 요소들을 견딜 수 있도록 돕는 특징들을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 특징들은, 강우를 떨어지게 하고 강한 바람 속에서 소정의 틈새 지지를 제공하기 위해, 가장자리들보다 더 높은 상승부에서 커버층(268)의 하나 이상의 부분들을 지지하는 것을 포함한다. 층(268)은 열 저장 매체의 열과 수분을 견디기 위해 최적화된 내부 단열층, 추가적인 저비용 단열층, 및 이후 UV 저항성, 외부 방수, 바람 및 다른 기후 요소들에 대처하기에 충분한 강도 및 강성을 가진 외부층과 같은 수 개의 층들을 가질 수 있다.
도 13은 내부 부품들을 지지하기 위한 쉘로서 ISO 선적 컨테이너를 사용하는 독립형(self-contained) 열 밀폐장치(280)를 도시한다. 다른 실시예들에서, 밀폐장치는 외부 모듈성(modularity)을 위한 처리 경계면들을 포함하는, 표준 ISO 선적 컨테이너 크기의 다른 컨테이너일 수 있다. 도면은 열 밀폐장치(280)의 부품들을 보여주기 위해 상부벽 및 측벽이 제거된 단면도이다. 단열재(282)가 밀폐장치의 벽(281)을 향해 배치될 수 있다. 측면(283) 및 바닥면(285) 상의 라이너(284)는 단열재(282)를 건조하게 유지하는 단일 부품일 수 있다. 유사한 단열재(282) 라이너 물질(284)이 도시되지 않은 상부벽 및 측벽에 배치될 수 있다. 이 실시예에서, 온수 및 냉수 라인들 또는 관들(290, 288)이 시스템의 나머지 부분에 대한 배관이 용이하도록 서로 인접하게 밀폐장치(280)에 진입한다. 이 실시예에서, 냉수관(288)은 수 개의 가능한 경로 중 하나에 의해 탱크(280)의 하부로 안내된다. 열 밀폐장치(280) 내의 열 포텐셜을 최대화하기 위해, 온수관(290) 및 냉수관(288)으로 하여금 탱크(280)의 상하부에 인접한 영역에 각각 접근하게 하는 것이 유리할 수 있다. 냉수 라인(288)이 밀폐장치(280) 내에서 사용될 열 유체의 더 고온인 부분을 가로지른다면, 냉수 라인은 열 교환을 감소시키기 위해 밀폐장치 내부에서 단열될 수 있다. 냉수 라인(288) 또는 온수 라인(290)은 밀폐장치 외부에서도 단열될 수 있다. 열 층화의 유지를 도울 수 있는 2개의 배플(292)들이 도시되지만, 다양한 실시예들에서는 배플(292)들이 더 많거나 더 적을 수 있다.
도 14는 단열된 압력 용기(294)를 도시한다. 이러한 설계의 하나의 이점은 높은 최대 온도가 달성될 수 있다는 것이다. 예컨대 저장 매체로서 물과 함께 널리 유효한 프로판 탱크를 사용하면, 약 220℃의 피크 온도가 가능할 것이다. 이는 상당한 내부 압력이 있을 수 없는 용기와 비교하여, 주위 온도로부터 최대 저장 온도까지의 온도 상승보다 2배가 넘게 높은 것이다. 이는 또한 더 고가의 용기를 초래한다. 그러나, 다단 압력 변경 시스템의 설계에 의한 유입 온도의 관리로 인해, 온도 상승이 가능하고, 그에 따라 용기 비용이 합리적이 된다.
일 실시예에서, 컨테이너(294)들을 함께 배치함으로써, 다수의 압력 용기(294)들을 직사각형 프리즘 배치로 패키징할 수 있고, 둥근 탱크(294)들 사이 및 주위의 틈새 체적들을 에어갭 단열재로서 이용하거나 단열재로 충진한다. 이후, 결합된 조립체는 ISO 크기의 컨테이너 내에 배치될 수 있고, 다수의 컨테이너들이 더 크고 고효율의 열 저장 시스템을 형성하도록 결합될 수 있다.
일반적으로 열분리를 개선하여 열 저장 시에 열손실을 개선하는 하나의 주요 인자는 열 밀폐장치의 표면적에 대한 저장 체적을 최대화하는 것이다. 이로써, 단일체에 가까운 종횡비를 가진 형상, 예컨대 구체 또는 정육면체를 설계하는 것에 대한 한계 편익(marginal benefit)이 있다. 모듈식 열 밀폐장치가 도 13에 도시된 바와 같이 사용되는 실시예들에 대해, 다른 모듈들에 인접한 벽들 및 컨테이너들 간의 시임(seam)들을 밀봉함으로써 주위 온도에 노출된 외부 표면적을 감소시키기 위해, 다수의 열 밀폐장치들을 서로 적층하고, 매우 밀접하게 패키징할 수 있다. 이런 방식으로, 심지어 더 작은 하위 요소들 및 덜 이상적인 형상들로도, 유효 외부 표면적에 대한 높은 체적을 달성할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 일 양상에 따르면, 열 에너지 저장 시스템은, 주변 수역 내에 위치하며 컨테이너 벽을 구비하는 컨테이너를 포함한다. 벽은 내표면과 외표면을 가지고, 상기 내표면은 컨테이너의 내부 체적에 노출되며 이를 한정하고, 상기 외표면은 내표면의 반대편에 위치하며 주변 수역에 노출된다. 내부 체적은 물이 실질적으로 가득 충진되어 있고, 컨테이너는 외표면을 따르는 주변 수역의 물로부터, 내표면을 따르는 내부 체적 내의 물을 열적으로 분리하도록 구성된다. 내부 체적 내의 물과 열 소통된 열 공급원이 내부 체적 내의 물에 열 포텐셜을 전달하도록 구성된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 열 에너지 저장 시스템을 배치하는 방법은 수역 내에 열 저장 컨테이너를 위치시키는 단계를 포함한다. 열 저장 컨테이너는 제1 표면 및 제2 표면을 가진 벽을 구비하고, 제1 표면은 컨테이너의 내부에 위치하는 제1 체적을 향하고, 제2 표면은 제1 표면으로부터 반대편에 위치하며 수역을 향한다. 상기 방법은 또한 제1 체적을 실질적으로 충진하는 연행된 체적의 물에 열 공급원을 열적으로 결합시키는 단계로서, 열 공급원은 연행된 체적의 물에 열을 전달하도록 구성된 단계를 포함한다. 벽은 이를 통한 수역으로부터 연행된 체적의 물로의 열 에너지의 전달을 방해하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 공기를 압축하고 이후 작업을 수행하기 위해 팽창시키는 압축 공기 에너지 저장 시스템은 압력 변경 시스템을 포함하고, 상기 압력 변경 시스템은 다수의 압축 단계들을 통해 공기를 압축하도록 구성되며, 다수의 팽창 단계들을 통해 압축 공기를 팽창시키도록 구성된다. 압력 변경 시스템에 열적으로 결합된 열 시스템은 각 압축 단계에서 압축 공기로부터 열을 제거하도록 구성되며, 각 팽창 단계에서 압축 공기에 열을 공급하도록 구성된다. 상기 시스템은 열 저장 매체 및 열 밀폐장치를 더 포함하고, 상기 열 저장 매체는 열 회수 시스템에 의해 제거된 열을 저장하며 상기 저장된 열을 열 추가 시스템에 공급하도록 구성된 수용액을 포함하고, 상기 열 밀폐장치는 그 저장 체적 내에 상당량의 열 저장 매체를 저장하도록 구성되며, 저장 체적 위에 위치하는 증기 장벽을 포함한다.
이러한 전술한 설명은 최상의 방식을 포함하는 실시예들을 이용하여 본 발명을 개시하였고, 또한 당해 기술분야의 숙련자가 임의의 장치들 또는 시스템들을 제조 및 사용하는 것과 임의의 통합된 방법들을 수행하는 것을 포함하여, 본 발명을 실시할 수 있게 하였다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정의되며, 당해 기술분야의 숙련자들에게 일어나는 다른 실시예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예들이 청구범위의 문자 그대로의 표현(literal language)과 다르지 않은 구조적 요소를 포함하거나, 또는 청구범위의 문자 그대로의 표현과 실질적인 차이가 없는 균등한 구조적 요소를 포함하는 경우, 이들은 청구범위의 범주 내에 존재하도록 의도된다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2010년 7월 14일자로 출원된 미국 가출원 제61/364,364호, 및 2010년 7월 14일자로 출원된 미국 가출원 제61/364,368호에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시내용이 이에 포함된다.

Claims (33)

  1. 열 에너지 저장 시스템에 있어서,
    주변 수역 내에 위치하며 컨테이너 벽을 구비하는 컨테이너로서, 상기 컨테이너 벽은 내표면과 외표면을 가지고, 상기 내표면은 컨테이너의 내부 체적에 노출되며 이를 한정하고, 상기 외표면은 내표면의 반대편에 위치하며 주변 수역에 노출되고, 상기 내부 체적은 물이 실질적으로 가득 충진되어 있고, 상기 컨테이너는 외표면을 따르는 주변 수역의 물로부터, 내표면을 따르는 내부 체적 내의 물을 열적으로 분리하도록 구성된 컨테이너;
    상기 내부 체적 내의 물과 열 소통되며, 상기 내부 체적 내의 물에 열 포텐셜을 전달하도록 구성된 열 공급원을 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨테이너 벽은 접힐 수 있는(collapsible), 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컨테이너 벽은 직물 물질 및 고분자막 중 하나를 포함하는, 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 컨테이너의 제1 부분 주위에 위치하는 단열 물질을 더 포함하는 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단열 물질은 가스를 연행하는 고분자 물질을 포함하는, 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 단열 물질은 다층 고분자층 물질을 포함하고, 각 고분자층 간의 공간은 수역으로부터의 물이 각 고분자층 간에 위치할 수 있게 하는, 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 컨테이너는 실질적으로 타원형의 돔을 포함하는, 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 내부 체적 내에 위치하며, 상기 내부 체적 내의 물의 순환을 방해하도록 구성된 배플링을 더 포함하는 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 열 저장 시스템은:
    상기 컨테이너 내에 위치하며, 상기 컨테이너의 상부로부터 제1 거리만큼 제1 방향으로 연장되고, 제1 개구를 구비한 관으로서, 상기 제1 개구는 제1 관의 내부 체적을 컨테이너의 내부 체적과 유체 결합시키도록 구성된 관; 및
    제1 개구에 인접하게 상기 관에 결합되며, 열 저장 매체가 제1 개구로부터 실질적으로 수평인 방향으로 흐르도록 유도하도록 구성된 단부 유동 유도기를 더 포함하는, 시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 열 저장 매체는 담수를 포함하는, 시스템.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 컨테이너에 결합되며, 상기 컨테이어 벽에 가해진 외력에 대항하도록 구성된 앵커를 더 포함하는 시스템.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 열 공급원은 압력 변경 장치인, 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 열 공급원은 열 포텐셜을 전달하도록 구성된 경우, 상기 내부 체적 내의 물의 온도를 1atm에서의 끓는점을 초과하는 온도까지 상승시키기 위해, 상기 내부 체적 내의 물에 열을 전달하도록 구성된, 시스템.
  14. 열 에너지 저장 시스템을 배치하는 방법에 있어서,
    수역 내에 열 저장 컨테이너를 위치시키는 단계로서, 상기 열 저장 컨테이너는 제1 표면 및 제2 표면을 가진 벽을 구비하고, 제1 표면은 컨테이너의 내부에 위치하는 제1 체적을 향하고, 제2 표면은 제1 표면으로부터 반대편에 위치하며 수역을 향하는 단계;
    제1 체적을 실질적으로 충진하는 연행된 체적의 물에 열 공급원을 열적으로 결합시키는 단계로서, 상기 열 공급원은 상기 연행된 체적의 물에 열을 전달하도록 구성된 단계를 포함하고;
    상기 벽은 이를 통한 수역으로부터 연행된 체적의 물로의 열 에너지의 전달을 방해하도록 구성된, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 열 공급원은 압력 변경 장치인, 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 벽은 접힐 수 있는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 수역 내에 상기 열 저장 컨테이너를 위치시키는 단계는 수역 내에 접힌 상태의 열 저장 컨테이너를 위치시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 벽은 직물 물질 및 고분자막 중 하나를 포함하는, 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    벽에 단열 물질을 결합시키는 단계로서, 상기 단열 물질은 이를 통한 수역으로부터 벽으로의 열 에너지의 전달을 방해하도록 구성된 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 컨테이너 벽에 가해진 힘에 대항하기 위해 수역의 바닥면에 상기 열 저장 컨테이너를 고정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 공기를 압축하고 이후 작업을 수행하기 위해 팽창시키는 압축 공기 에너지 저장 시스템에 있어서,
    다수의 압축 단계들을 통해 공기를 압축하도록 구성되며, 다수의 팽창 단계들을 통해 압축 공기를 팽창시키도록 구성된 압력 변경 시스템;
    상기 압력 변경 시스템에 열적으로 결합되며, 각 압축 단계에서 압축 공기로부터 열을 제거하도록 구성되고, 각 팽창 단계에서 압축 공기에 열을 공급하도록 구성된 열 시스템;
    열 회수 시스템에 의해 제거된 열을 저장하며 상기 저장된 열을 열 추가 시스템에 공급하도록 구성된 수용액을 포함하는 열 저장 매체;
    저장 체적 내에 상당량의 열 저장 매체를 저장하도록 구성되며, 상기 저장 체적 위에 위치하는 증기 장벽을 포함하는 열 밀폐장치를 포함하는 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 열 밀폐장치는 수중에 있는, 시스템.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 열 밀폐장치는 지표면 아래에 위치하는 기저벽을 포함하는, 시스템.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 밀폐장치는 흙으로 구성된 벽을 더 포함하는, 시스템.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 열 밀폐장치는 열 저장 매체 위에 위치하는 돔형 커버를 더 포함하는, 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 돔형 커버는 단열 콘크리트를 포함하는, 시스템.
  27. 제21항에 있어서,
    상기 열 밀폐장치는 증기 장벽을 단열하도록 위치하는 단열층을 더 포함하고, 상기 단열층은 연행된 가스를 가진 고분자를 포함하는, 시스템.
  28. 제21항에 있어서,
    상기 열 밀폐장치는 단열 압력 용기인, 시스템.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 열 밀폐장치 내부의 압력은 상기 열 밀폐장치 외부의 압력과 실질적으로 동일한, 시스템.
  30. 제21항에 있어서,
    상기 열 밀폐장치는 상기 열 밀폐장치 외부의 압력보다 실질적으로 더 높은 압력을 수용하도록 구성된, 시스템.
  31. 제21항에 있어서,
    상기 열 시스템은 상기 열 저장 매체에 병렬로 유체 결합되는 복수의 열 교환기를 포함하는, 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    각 열 교환기는 각각의 압축 단계에서 압축 공기로부터 열을 제거하도록 구성된, 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    각 열 교환기는 각각의 팽창 단계에서 압축 공기에 열을 공급하도록 추가로 구성된, 시스템.
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