KR20140040213A - 열에너지의 저장 장치, 발전소, 그 방법 및 사용 - Google Patents

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KR20140040213A
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폴 베르간
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Abstract

본 발명은 고체 상태의 열 저장 물질, 열 전달 유체 및 에너지 투입 및 배출 수단을 포함하는 열 에너지 저장 장치로서, 적어도 하나의 열 전달 컨테이너를 포함하고, 고체 상태의 열 저장 물질은 상기 열 전달 컨테이너 주변에 배치되고, 상기 열 전달 컨테이너는 상기 열 전달 유체 및 에너지 투입 및 배출 수단을 포함함으로써 대류 및 전도에 의한 열 전달이 열 전달 유체를 통해 열 전달 컨테이너 내부에서 발생한다. 또한 본 발명은 열 에너지 저장 장치, 상기 저장 장치를 포함하는 발전소, 및 상기 발전소 사용 방법 및 저장 장치 또는 발전소의 사용에 관한 것이다.

Description

열에너지의 저장 장치, 발전소, 그 방법 및 사용{THERMAL ENERGY STORAGE AND PLANT, METHOD AND USE THEREOF}
본 발명은 에너지 저장 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 열 에너지의 저장 장치 및 저장 장치의 생산 방법, 에너지를 생산하는 발전소, 에너지 생산 방법, 및 열 에너지 저장 장치의 사용에 관한 것이다. 본 발명에 따른 열 에너지 저장 장치는 고체 상태의 주요 저장 장치를 포함한다.
열 에너지 저장 장치는 열이 확보 가능할 때 열을 저장했다가 열이 필요할 때 전달하도록 사용될 수 있다.
종래의 알려진 열 저장 장치로는 콘크리트 또는 천연 암석을 저장 매체로 사용한 열 저장 장치들이 있다. 그러나, 열을 저장하고 방출하는데 있어 효율적이거나 실용적이지 못한 점은 고체 상태의 열 저장 장치들의 전형적인 문제점이 되어 왔다.
특허 출원 DE 10 2009 036 550 A1에는 제1부 A 및 제2부 B를 갖는 고체 상태의 열 저장 장치가 기재되어 있다. 열을 공급하거나 빼내기 위한 파이프 시스템이 상기 제1부 A를 관통하도록 배치되는데, 이러한 제1부 A는 작동 매체(working medium)가 상기 파이프 시스템을 관통하여 흐름에 따라 열을 충전하거나 방출하도록 한다. 제1부 B는 고체 상태의 저장 매체를 포함하는데, 이는 열 에너지, 즉 열을 저장하거나 방출하는 콘크리트일 수 있다. 상기 저장 장치는 작동 시, 상기 제1부 A에서는 열 이송 유체가 작동 유체(working fluid)와 반대 방향으로 유동하면서 열기를 싣거나 방출하고, 열 이송 유체는 더 나아가 상기 제2부 B를 관통하도록 배치된 별도의 채널들 안으로 유동하면서 열기를 싣거나 방출함으로써, 결과적으로 상기 제1부 A와 상기 제2부 B 간에 열기가 이송되게 된다. 상기 제2부 B는 열 이송 유체가 유동하도록 배치된 다수의 채널들을 포함하는데, 상기 채널들은 상기 제1부 A와는 분리되어 이격되게 형성된다. 상기 열 이송 유체는 강제 대류(forced convection) 또는 자연 대류(natural convection)에 의해 흐른다. 채널들은 복잡성을 더하며, 감당할 수 있는 응력과 변위의 수준과 범위를 줄임으로써 채널들 안의 유체의 압력을 제한할 뿐만 아니라 최대 온도 및 온도 범위를 제한하게 된다.
그 외 종래 기술에 따른 고체 상태의 열 저장 장치들은 특허 출원 DE 10211598, EP 0049669, EP 1544562, EP 2273225, US3381113, 미국 특허출원 4219074 그리고 CN 100578133에 기재되어 있다. 상기 특허 출원들에서는 그러나 열 이송을 위해 자연 대류에 의해 유동할 수 있는 별도의 열 전달 유체를 구비하지 않는 열 저장 장치를 개시한다.
가장 근접한 종래 기술 DE 10 2009 036 550 A1의 주요 물체가 2010년 3월 12일 CSP-투데이 기사에 기재된바 있다. 여기서는 작동 온도가 400℃까지로 기술하고 있다. 또한, 비용 면에서 콘크리트가 열 저장에는 효과적인 것으로 기술되어 있으나, 그 외 튜브 등으로 인해 비용이 증가하게 되어, 결과적으로 대형 공장의 경우에는 경쟁 기술들에 비해 비용이 조금 밖에 감축되지 못하는 것으로 나타났다. 따라서, 좀 더 비용 효율적인 열 저장 장치의 필요성이 대두되어 왔다. 또한, 열의 충전과 방출을 좀 더 빠른 속도로 수행하는 것 또한 필요성으로 인식되었다.
본 발명의 목적은 상기 언급한 부분들에 있어서 상기 언급한 종래 기술들보다 개선된 열 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다. 또한 본 발명에 따른 열 에너지 저장 장치는 다음과 같은 특성들을 갖추는 것이 바람직하다.
-보다 높은 온도와 높은 유체 압력에서 작동 가능하게 형성됨으로써 터빈-발전기에서 전기를 좀 더 효율적으로 발생시킬 수 있음
-덜 복잡하고 크기는 더 소형임
-요건에 따른 다른 물질의 적용이 가능함
-유지 보수 및 교체가 용이함
-저장 장치의 크기를 줄이거나 늘리는 것이 용이함
-태양열 발전소, 풍력 발전소 및 수력 발전소 등의 전기 그리드 및 전력 생산 발전소 뿐만 아니라 석탄 발전소, 원자력 발전소, 폐기물 연소 발전소 및 태양열 발전소(집광 태양 발전소) 등의 열 발생 발전소에 직접 연결이 가능하고 다양성이 개선됨
-폭발 및 환경에 안전함
- -70 내지 +700℃에서 작동 가능함
-실제적으로 어떤 지형에서든 사용 가능함
-에너지 충전 및 방출에 대한 반응이 빨라짐
-최대 생산량 절감을 가능케 함으로써 그리드의 과부하 및 낭비를 방지하고 연결된 원천지의 생산량이 불충분하거나 에너지 가격이 일별, 주별 또는 기간별로 높을 경우 수송이 가능하게 함으로써 전력 수요에 대한 전력 공급의 균형을 맞출 수 있음
-최대 생산량을 위한 그리드 및 지역 및 국가간 인프라 이전에 대한 그리드 투자 절감을 포함한 축소된 그리드 및 더 최적화된 그리드 패러미터 운영의 현실화
-전력 안전 및 품질의 개선
본 발명은 앞서 언급한 문제점들과 관련해 혜택을 제공한다.
본 발명은 고체 상태의 열 저장 물질, 열 전달 유체 및 에너지 투입 및 배출 수단을 포함하는 열 에너지 저장 장치를 제공하는 것으로서, 상기 저장 장치는 적어도 하나의 열 전달 컨테이너를 포함하고, 상기 고체 상태의 열 저장 물질은 상기 열 전달 컨테이너 주변에 배치되고, 상기 열 전달 컨테이너는 상기 열 전달 유체와 에너지 투입 및 배출 수단을 포함함으로써 대류 및 전도에 의한 열 전달이 열 전달 유체를 통해 열 전달 컨테이너 내부에서 발생하는 것을 특징으로 한다.
상기 고체 상태의 물질은 의도된 작업 환경에서 충분한 열 저장 용량 및 강도를가지는 천연 암석, 금속 및 합금, 기판, 콘크리트, 그라우팅 등과 같은 고체물질 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 열 전달 유체는 어떠한 종류의 액체나 기체가 될 수 있으나, 작업 조건에서 안정적이고 점성이 낮은 것이 바람직하고, 다양한 온도에서 무독성의 높은 열 용량 및 높은 밀도 변화를 가지며, 열 유체 또는 용융 염 등과 같은 대류에서의 좋은 열 전달률을 가진 것이 바람직하다. 이에 따라, 열 오일(thermal oil), 더 구체적으로는 합성 오일 등이 상업적으로 이용 가능하고 변압기용 또는 모터용 오일이 이용 가능하다. 오늘날 열 오일은 대기 압력 조건에서 약 400℃의 온도까지 가능하나, 열 전달 유체 이상으로 압력을 높이게 되면 최대 작업 온도도 상승하게 된다. 더 나은 오일이 현재 개발 중이므로 확보 가능하게 되면 더 바람직할 것이다. 몰튼 염, 천연 또는 합성, 또는 몰튼 금속 또는 합금은 더 높은 온도의 원천이 확보 가능할 경우 약 400-700℃의 온도까지 사용 가능하다. 가령 상기 몰튼 염은 Na, K, Ca 질산염, -질산염 또는 디페닐/비페닐 산화물를 기반으로 할 수 있다. 열 전달 컨테이너는 어떠한 형태나 배향을 가질 수 있으나, 매끄럽거나 골판지 형태의 직립형 원통, 파이프나 튜브의 형태인 것이 바람직하고, 여기에 에너지 입력을 위한 전기 가열 수단 뿐 만 아니라 에너지 투입 및 배출을 위한 파이프 회로 섹션이 배치될 수 있으며, 이는 또한 에너지 투입 및 배출을 위한 수단 및 열 전달 컨테이너 벽의 장거리에 걸쳐 자연 대류를 허용함으로써 열 전달률을 최대화할 수 있다. 여기서 열 전달 컨테이너는 분리된 부분들이 없는, 콘크리트 블록, 암석 또는 그 외 고체 물질 내부의 단일 보이드(void), 볼륨(volume) 등과 같은 구멍(cavity), 그것의 안쪽 또는 중심 볼륨 외부의 공간, 브랜치(branch) 또는 채널들을 가리키는 것으로, 폐쇄 또는 개방된, 그러나 열 전달 유체를 담을 수 있는 것을 의미한다. 이는 특허 DE 10 2009 036 550 A1에 기재된 것과 상반되는 것이다. 상기 열 전달 컨테이너가 비록 본 명세서에서는 브랜치를 갖지 않는 저장 장치 내의 원통, 파이프, 튜브, 보이드(void)의 내부 볼륨(volume) 또는 그 외 가능한 볼륨을 의미하는 것이지만, 설명의 명료함을 위해, 상기 열 전달 컨테이너는 원통, 파이프, 또는 튜브 또는 그 섹션들을 의미하는 것으로 한다. 열 전달은 더 정확하게는 각각의 열 전달 컨테이너에서 발생하는데, 이는 열이 에너지 투입 및 배출 수단과 그 주변의 고체 상태의 열 저장 물질 사이에서 열 전달 유체로 충진된 열 전달 컨테이너를 통해 전달됨을 의미한다. 에너지 투입 및 배출 수단과 고체 상태의 열 저장 물질 사이의 열 전달은 원칙적으로 단일 볼륨 열 전달 컨테이너를 통해 또는 열 전달 유체를 통해 바람직하게는 매우 효과적인 열 전달 메커니즘인 대류를 통해 발생한다. 열 전달 유체로 충진된 열 전달 컨테이너 안에서 작동 가능하게 배치된 에너지 투입 및 배출 수단은 효과적이지만 단순한 열 교환기로서 기능한다. 상기 저장 장치의 모든 부분은 열 저장에 기여하는 각자만의 열 저장 용량을 보유하고 있다. 열 전달 효율은 바람직한 실시예들에 따라 상당한 열 전달이 대류에 의해 발생함으로써 향상되는데, 이는 저속의 전도 및 복사가 추가되는 빠르고 효율적인 열 전달 메커니즘을 의미한다. 본 발명의 해결 방안에 따라, 에너지 충전 및 방출과 함께 변경 가능하고, 크기 변경이 용이한 디자인을 동시에 달성할 수 있다. 본 발명의 열 에너지 저장 장치로 인해, 에너지 투입 및 배출 수단과 그 주변의 고체 상태의 열 저장 물질 간의 모든 열 전달은 각각의 열 전달 컨테이너에서 발생한다. 다시 말해, 고체 상태의 저장 물질의 열 충전 및 방출은 에너지 투입 및 배출 수단과 그 주변의 고체 상태의 열 저장 물질 간의 열 전달 유체로 충진된 열 전달 컨테이너 안에서의 열 전달에 의해 발생한다.
본 발명의 열 에너지 저장 장치에 있어서 가장 단순한 실시예는 단일 구멍(cavity)를 갖는 천연 암석 또는 콘크리트 블록으로서, 여기에는 고체 물질 안에 직접 열 전달 컨테이너가 배치되는데, 여기에는 열 전달 유체가 충진되고 에너지 투입 및 배출 수단으로서 파이프 회로 세그먼트가 배치된다. 이에 따라, 열 에너지가 천연 암석 또는 콘크리트 블록에 저장되고, 열 전달 유체로 충진된 구멍은 열 전달 유체내에서 상당한 열 전달이 대류에 의해 발생함으로써 열 전달률을 증가시켜 파이프 회로 세그먼트와의 사이에서의 열 에너지의 충진 및 방출률을 증대시킨다. 다만, 여기서의 대류에 의한 열 전달은 열 전도 및 복사도에 추가적으로 발생한다.
본 발명의 열 저장의 또 다른 단순한 실시예는 한 번의 작업에 의해 단일 콘크리트 블록내에 다수의 열 전달 컨테이너들을 서로 적당한 거리를 두고 배치하는 것으로서, 여기서 상기 콘크리트 블록은 크기가 작을 수도 있고 클 수도 있다. 이 실시예는 제작이 단순한 것 때문에 유리하다. 가령, 미리 조립된 열 전달 컨테이너 튜브들을 저장 장치의 외부 한계점 내부에 나란히 배열할 경우, 외부 저장 한계점 내부의 튜브들 사이의 볼륨(volume)은 가령 펌핑(pumping) 등으로 시멘트나 유체 그라우팅을 충진시킴으로써 생성된다.
열 전달 컨테이너 외부의 고체 상태의 열 저장 부품들 안에 추가적인 채널이나 파이프를 추가하지 않은 단순한 형태의 저장 장치에서는 열화 없이 고온 및 온도의 급격한 변화를 견디고 유지 보수, 손상된 파이프의 교체 등 뿐만 아니라 제작, 조립, 크기 축소 및 확대 및 변경 등을 용이하게 한다.
상기 저장 장치는 이하 설명한 다수의 바람직한 실시예 및 특징들을 포함한다.
에너지 투입 및 배출 수단은 열 에너지 투입 시 저장 장치 온도보다 따뜻한 유체가 유동하도록 배치되거나 열 에너지 방출 시 저장 장치 온도보다 차가운 유체가 유동하도록 배치된 파이프들을 포함하는 것이 바람직하다. 열 에너지 입력용 파이프들은 에너지 출력용 파이프들과 같은 것일 수도 있고, 에너지 입력과 출력을 위한 열 전달 물질로서 다른 유체들이 사용될 경우 서로 다른 회로 루프(loop) 또는 세그먼트들이 사용될 수도 있다. 줄 발열(Joule heating), 발열 케이블 및 열 추적 등 어떠한 종류의 전기 가열 수단이 에너지 입력 수단으로서 단독으로 또는 다른 파이프 운송 유체와 함께 사용될 수 있다. 심지어 열 전달 컨테이너 안의 유체 또한 열 전달 또는 열 추출 수단으로 바로 사용할 수 있다. 가령, 오일 등의 열 교환 유체를 순환시킴으로써 저장 장치로 열을 전달할 수 있는 반면 열 교환기 안의 별도의 물/스팀 압력 파이프 루프에 의해 열을 추출할 수도 있다.
에너지 투입 및 배출 수단은 위에서 아래로 그리고 뒤에서 위로 열 전달 컨테이너 안으로 삽입된 파이프를 포함할 수 있는데, 바람직하게는 하향 및 상향 흐름 파이프 섹션들은 이격되게 배치됨으로써 열 전달 유체 안에 담길 때 그 전체 길이에 걸쳐서 열을 충진 또는 방출될 수 있도록 배치된다. 상기 파이프는 길이 방향으로 배치된 표면적이 증가하도록 물결 주름이나 그 외 유사 구조를 가질 수 있으며, 하향 및 상향 흐름 파이프 섹션들의 일부 사이에 분리 벽을 형성함으로써 열 전달률을 증대시킬 수 있다. 또는, 파이프들은 열 전달 컨테이너의 상단 및 바깥 또는 그 반대 또는 캐비티(cavity)들의 바닥에서 안쪽으로 끼우거나 바깥으로 뺄 수 있다. 열 전달 컨테이너의 양 단부에서 파이프를 안쪽으로 끼우거나 바깥으로 빼는 것 또한 가능하다. 또는, 에너지 투입 및 배출 수단은 위에서 바닥으로 열 전달 컨테이너 안으로 끼워지며, 폐쇄되는 외부 파이프를 포함하고, 외부 파이프의 하단부 근처로부터 위로 끼워지며, 개방되는 내부 파이프를 포함하는데, 상기 내부 파이프는 파이프 배치에 있어서 동심원 파이프로서 원통형 열 전달 컨테이너 안에 동심원 형태로 배치된다. 동심원 디자인은 대류를 위해 심지어 반지름 거리에도 바람직할 수 있고, 하나의 단일 동축 열 전달 컨테이너를 갖는 완전한 동심원 실시예를 갖는 가능성도 바람직한데, 이는 변형 없이 완벽하게 원형 대칭 온도 프로필 때문에 최고 온도의 경우 바람직할 수 있다.
에너지 투입 및 배출 수단은 초임계의 물, 증기, 물, 합성 또는 천연 열 오일, 합성 또는 천연 몰튼 염, 연도 가스 또는 배기 가스를 운반(carry) 하는 파이프들을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 파이프들 또는 에너지 입력 또는 출력에 대한 파이프 회로 부품들에는 가령 등고 간격(elevation interval)으로 배치된 스페이서(spacer) 클램프(clamp) 등의 스페이서 구조와 같은 열 전달 컨테이너 내에서의 정확한 포지셔닝(positioning) 수단이 포함되는 것이 바람직하다. 본 발명의 이점은 온수, 증기 및 초임계 물 등과 같이 발전소에 의해 제공되는 전형적인 가열 유체를 사용할 때 시스템이 직접 연결될 수 있다는 것이다. 현대 석탄 발전소들은 375-700℃에서 초임계 물을 제공할 수 있는데, 그것은 확보 가능한 곳이 바람직하다. 원자력 발전소는 150-300℃의 증기 또는 물을 제공하는데, 이 또한 바로 확보 가능한 경우가 바람직하다. 폐기물 연소장 및 청정 에너지 발전소들은 사용하는 기술에 따라 다른 온도의 압력에서 증기나 물을 제공한다. 태양열 발전소들은 가열된 오일 또는 몰튼 염들을 제공하는데, 이는 물·증기와 열교환되어 전기 에너지를 생산한다. 가령 페라이트계 강을 기반으로 하고 고온 고압에 적합한 작은 크기의 파이프, 부품, 밸브 등은 구하기가 쉽다. 최고 온도와 압력인 경우를 위해서는 소위 슈퍼합금을 사용할 필요가 있을 수 있다. 초임계 물 또는 고온 고압 증기를 직접적으로 연결하는 것이 효과적인데, 이는 열 에너지의 충전 또는 방출에 추가적인 에너지 변환이 필요하지 않기 때문이다. 또한, 현대 석탄 및 원자력 발전소에서 수득할 수 있는 더 높은 온도 및 압력 범위는 효율적인 터빈을 구동함으로써 전기 발전기를 작동시키는데 사용될 수 있다. 전기 가열 요소 또는 장치, 가열 로드(rod)나 케이블 등의 줄 가열 수단(Joule heating means) 등은 장기적인 단절 시 유체 상태에서 오일, 몰튼 염 또는 금속을 투입 및 배출 파이프 도는 열 전달 캐비티(cavity)들에 포함될 수 있다. 또한, 이러한 유체가 안전하게 고체화될 수 있는 저장기(storage vessel)들이 상기 염 또는 금속을 저장하는데 연동될 수 있다.
열 전달 컨테이너는 수직으로 직립한 형태의 원통 파이프로서, 저장 장치의 상단에서는 위로 연장되고, 상단에는 플랜지, 리드(lid), 캡(cap) 등이 포함되는데, 여기에는 작은 고압 파이프 형태의 에너지 투입 및 배출 수단이 배치되고, 열 전달 컨테이너는 주변의 고체 물질과 적어도 동일한 높이까지 열 오일 또는 그외 열 전달 유체로 채워지고, 최상단 부분은 가득 충진되거나 증기가 충진되고, 바람직하게는 누철 탐지 및 취급용 센서와 수단이 구비되어 열 투입 및 배출 수단으로부터 누출을 탐지 및 조작한다. 하부 컨테이너 또한 파이프 단부는 또한 플랜지, 리드 등을 포함할 수 있다. 상기 플랜지 안에는, 에너지 투입 및 배출 수단으로서의, 고압 파이프를 통과하여 제공하기 위한, 그리고 선택적인 열 추적을 위한 피드스루(feethroughs) 또는 부싱(bushings), 그리고 센서 수단이 제공되는 것이 바람직하고, 상기 컨테이너는 열 오일로 충진되고 바람직하게는 20 바(bar) 미만, 더 바람직하게는 8 바 미만, 더욱더 바람직하게는 대기 압력으로 유지되며, 상기 센서 수단은 압력이나 그 외에도 고압 파이프들로부터의 누설을 나타내는 다른 패러미터들을 검사한다.
고체 상태의 열 저장 물질은 그라우팅(grouting)과 콘크리트를 포함하는 것이 바람직하고, 콘크리트는 기초 저장 장치를 형성하고 하나 이상의 수직 방향의 캐비티나 채널들을 포함하는 것이 바람직하는데, 여기서 이들 각각은 원통, 튜브 또는 파이프, 또는 그것의 섹션 형태의 열 전달 컨테이너를 포함하고, 이를 중심으로 그라우팅이 배치되고, 상기 그라우팅은 컨테이너 표면과 콘크리트 사이의 공간을 채우게 된다. 하나의 유닛 안에 배치되는 채널과 열 전달 컨테이너의 수는 원하는 충전 및 추출 성능과 각 열 교환 컨테이너의 구체적인 크기 및 물리적 디자인 등에 따라 달라진다. 그라우팅은 두 가지 주요 기능을 갖는다: 첫째는 열 교환기와 주요 고체 상태 물질간에 지속적인 연계를 제공하는 것이고, 둘째는 가장 중요한 영역에서의 향상된 성능의 물질의 사용을 용이하게 하는 것이다. 그라우팅은 일반적으로 고품질이고, 고강도 모르타르(mortar) 또는 콘크리트 페이스트(paste)로서 고온 및 큰 온도 변화에도 높은 강도를 보이는 동시에 파이프와 콘크리트간에 틈새 없이 직접적인 접촉을 보장함으로써 향상된 기계 강도와 높은 열 전도성을 제공한다. 상기와 같은 저장 장치는 열 전달 컨테이너들 사이에서 고강도 섬유 강화 그라우팅을 포함하며, 고강도, 고밀도 섬유 또는 철근 콘크리트를 포함하며, 상기 콘크리트는 조립식 강화 구조를 포함하는 것이 바람직하다. 섬유는 가령 강철, 탄소 또는 현무암 섬유 등이 될 수 있다. 이와 유사하게 강화 바(bar) 또한 강철 또는 탄소 또는 현무암 섬유 번들로 이루어질 수 있다. 저장 장치는 SiO2와 같이 고온 환경에 불리한 집합체는 포함하지 않는다. 그러나, 현무암, 사문암, 자철석 및 감람석 등은 그 높은 열 전도성과 열 용량 때문에 매우 고온에서의 작업에서도 수용 가능한 암석 집합체들의 예이다.
다수의 콘크리트 유닛들이 위에 겹겹이 배치되고, 캐비티(cavity)들이나 채널들은 최상 유닛의 상부 표면에서부터 최하 유닛의 적어도 하부까지 정렬되고 연장되며, 상부 파이프 또는 뚜껑(lid) 있는 튜브 단부, 즉 열 전달 컨테이너는 콘크리트 위로 연장되고, 다수의 콘크리트 유닛들은 콘크리트 유닛 스택더미를 형성하고, 몇몇 스택더미들은 단열 벽, 바닥, 지붕 안에 나란히 배치되고, 상부 파이프나 튜브 단부는 단열재를 들어올림으로써 상단에서부터 쉽게 도달할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하고, 선택적으로, 단열재는 스택더미 또는 스택더미 그룹들 사이에 배치되어 저장 장치 내에 다른 온도 영역을 제공하는 것이 바람직하다. 그러나, 접촉을 피하기 위한 적합한 크기의 틈새가 콘크리트 유닛 스택더미들 사이에 편리하게 배치됨으로써, 열 팽창 및 수축을 허용하고 단열 효과 및 습기 방출 루트 등을 제공한다. 내부 단열은 다양한 이유로 유용할 수 있으며, 저장 장치의 일부가 다른 여러 작업 온도에서 작동될 때 바람직할 수 있다. 가령 특정 터빈-전력 발전기의 작동 시 가능한 고온 작동이 그 예이다. 저장 장치는 건물 등 외부 구조안에 위치하고, 몇몇 원천 및 사용자들과 연결될 수 있으며, 이때 각 저장 장치는 다른 온도의 열을 전달 또는 사용할 수 있다. 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 저장 장치는 일부 또는 전부가 지하에 배치될 수 있다.
에너지 투입 및 배출 수단과 열 전달 유체가 충진된 수직 방향의 열 전달 컨테이너의 내벽 사이의 간격은 대류에 의한 최대 열 전달률과 전도성 및 관련 비용을 고려하여 정하는 것이 바람직하다. 간격이 너무 짧은 경우에는 열 전달이 주로 전도에 의해 그리고 일부는 복사에 의해 일어나고, 적합한 간격에서는 대류가 우세해져서 열 전달률을 증가시킨다. 열 교환기의 크기가 커지면 열을 주변 고체에 전달하는 표면적이 넓어짐을 의미한다. 그러나 열 전달 캐비티(cavity)가 커지면 더 비싼 열 오일 또는 그 외 유체를 열 에너지를 운반하는 파이프와 열 전달 컨테이너 내벽 사이에 충진시켜야 함을 의미한다. 다수의 시뮬레이션 또는 실험을 통해, 저장 장치의 목표로 하는 작업 특징들에 따른 열 전달 유체에 대한 적합한 크기, 열 전달 컨테이너 크기 및 작업 온도 등을 정할 수 있을 것이다. 시작점으로, 복사열 전달 유체로 충진된 열 전달 컨테이너의 환형 공간 너비는 에너지 투입 및 배출 파이프의 직경의 2-10배가 되어야 한다.
저장 장치는 0, -650 또는 60-600℃ 등 -70 내지 +700℃의 매우 광범위한 동적 온도 범위에서 작동될 수 있도록 적합하게 형성되는 것이 바람직하다. 동적 온도 범위 △T는 50 이상, 100 이상, 200 이상 또는 심지어 400℃ 이상 일 수 있다. 잘 알려진대로, 갈라짐, 누출 또는 그 외 작업상의 문제 없이 상기와 같은 넓은 온도 범위에서 작동 가능한 저장 장치는 기존에 없었다. 작업 온도와 동적 온도 범위는 연결된 원천과 사용자들에 따라, -70 내지 +700℃의 현재 최대의 현실적인 추정 온도 범위내에서 다양하게 설정될 수 있다. 원칙적으로는, 작업 온도와 범위를 제한하는 것은 물질, 열 오일 또는 몰튼 염들의 한계치들이다. 실질적으로, 설계 패러미터들은 연결된 원천과 터빈의 종류, 저장 장치 내부로 유동하고 배출되는 유체의 지배(governing) 온도, 및 결과적인 동적 온도 범위에 다라 선택되는데, 이는 물질과 형태와 관련해 적합한 선택이 필요하다. 적합한 콘크리트, 그라우팅, 파이프, 원통 물질로는 다양한 종류가 있다. 저장 장치는 에너지 투입 및 배출을 위해 유체를 파이프를 통과하도록 하는 헤더(header) 또는 매니폴드(manifold)로서 직렬 또는 병렬로 배치되고 밸브로 조절 가능한 파이프 및 밸브를 포함 또는 연결되는 것이 바람직하다. 몇몇 열 전달 컨테이너를 포함하는 에너지 저장 장치에 있어서 투입 및 배출 파이프들은 병렬로 배치됨으로써 최대한 최적의 가열 및 냉각을 달성할 수 있다. 저장 장치는 증기 응축기 및 컨디셔닝 루프(conditioning loop)내의 펌프 등과 같은 열 전달 유체 컨디셔닝 수단을 포함 또는 연결되는 것이 바람직하다. 증기 압력 조절은 안전에 매우 중요하다. 또한 유체와 작업 패러미터들이 설정됨에 따라, 에너지 투입 및 배출을 위한 파이프내의 에너지를 운반하는 유체에 대해서는 이와 같은 배열 요건이 요구될 수 있다. 누출된 고온 유체를 안전한 위치로 유도하는 안전 밸브 및 파이프는 열 전달 컨테이너의 상단 또는 선택적으로는 바닥에도 유치할 수 있는 뚜껑(lid) 또는 플랜지에 배치되는 것이 바람직하다. 모든 밸브와 펌프는 열 전달 컨테이너의 상단의 뚜껑 또는 플랜지 밖에 배치되는 반면, 파이프 연결부는 가령 나사산이 형성된 피드스루(feedthrough)로서 뚜껑 또는 플랜지 안에 배치되고, 센서 수단은 열 전달 컨테이너안에 배치되나 뚜껑 또는 플랜지에 연결된다. 이렇게 함으로써 접근성이 향상되기 때문에 작동 및 유지를 용이하게 하는 이점을 제공한다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 열 에너지 저장 장치의 생성 방법을 제공하는 것으로, 다수의 수직 방향의 열 전달 컨테이너들을 상기 저장 장치 내부에 배치하는 단계, 및 상기 컨테이너들의 상단부에 가까운 높이까지 상기 컨테이너들의 외부 공간에 그라우트나 시멘트를 충진시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 종래 열 저장 장치들에 비해 대단히 큰 이점을 제공한다. 본 발명의 전형적인 실시예들에 따르면, 열 전달 컨테이너들은 스택더미의 콘크리트 블록들 사이의 채널들 내부에 배치되고, 컨테이너와 블록들 사이의 환형 공간 내부에 그라우팅이 충진된다. 이는 열 전도에 유리한 밀접한 접촉을 보장하고 열적 유도 응력이 가장 높은 환형 공간에서 고품질의 그라우팅을 사용 가능하게 한다.
그러나, 본 방법의 간단한 실시예에 따르면, 한번 작업을 통해 몰딩할 수 있는 단일 콘크리트 블록 내부에 열 전달 컨테이너들을 적합한 간격을 두고 나란히 배열하는 것 또한 가능한데, 여기서 콘크리트 블록은 작거나 클 수 있다. 이 실시예를 표준화하는 것은 이점이 될 수 있는데, 이는 제작이 간단하기 때문이다. 가령, 기조립된 열 전달 컨테이너 튜브들이 저장 장치의 외부 한계점이나 프레임워크 내부에 나란히 배열될 수 있다면, 상기 외부 저장 장치 한계점 내부의 튜브들 사이의 공간에 가령 펌핑을 통해 시멘트나 유체 그라우팅을 충진하여 단일 콘크리트 블록을 제작할 수 있다. 열 전달 컨테이너들은 제작 과정 시 대형 콘크리트 블록의 냉각 등과 같은 온도 조절에 사용될 수 있다. 열 팽창 및 수축을 위한 채널 또는 파티션 틈, 그리고 화학적으로 묶이지 않은 물의 배출 등은 대형 저장 장치 내부에 배치되는 것이 바람직하다. 스페이서(spacer)도 필요 시 사용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 열 전달 컨테이너 튜브들은 에너지 투입 및 배출을 위한 파이프 회로 세그먼트들이 기설치된 상태에서 현장에 전달되는데, 연결부는 상부 컨테이너 단부 내부의 보호 커버 아래에 제공되는 것이 바람직하며, 컨테이너들은 열 전달 유체와 기충진되어 있을 수 있다.
본 방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 먼저 상단 및 바닥면 사이에 분포된 수직 채널들을 포함하는 콘크리트 유닛 블록들이 제작되고, 채널들에 비해 직경이 작은 열 전달 컨테이너이 해당 채널 안에 배치되고, 그라우트는 컨테이너들과 콘크리트 채널 표면 사이의 공간 내부에 충진되고, 에너지 투입 및 배출 수단과 센서 수단들은 상기 컨테이너 내부로 끼워지고, 상기 수단은 해당 열 전달 컨테이너들 내부의 뚜껑(lid)에 탈착가능한 방식으로 연결된다. 열 전달 유체 또한 상기 컨테이너들 내부에 제공되고, 에너지 투입 및 배출용 파이프 회로 세그먼트 포지셔닝을 위한 스페이서들, 조절 밸브 및 그 외 작업 및 조절 수단들이 제공되고 작동 가능하게 배치된다. 콘크리트 유닛 블록들은 일반적인 건설 사이트 크레인에 의해 취급 가능한 크기와 무게를 갖도록 기제작되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 에너지 원천 및 에너지 전달, 소비 또는 생산 수단 등을 포함하는 에너지 발생을 위한 공장을 제공한다. 여기서, 에너지 원천과 상기 수단들은 작업 가능하게 배치된다. 이와 같은 공장은 열 에너지 저장 장치가 상기 에너지 원천과 상기 수단들 사이에 작업 가능하게 배치된다는 점, 상기 저장 장치가 고체 상태의 열 저장 물질, 열 전달 유체 및 에너지 투입 및 배출 수단을 포함한다는 점, 상기 저장 장치가 적어도 하나의 열 전달 컨테이너를 더 포함한다는 점, 고체 상태의 열 저장 물질이 열 전달 컨테이너 주변에 배치되어 있다는 점, 그리고 열 전달 컨테이너가 열 전달 유체와 에너지 투입 및 배출용 수단을 포함함으로써 열 전달 유체 대류 및 전도에 의한 모든 열 전달이 내부에서 발생한다는 점에서 특징이 있다. 본 발명의 공장은 다수의 에너지 원천과 다수의 사용자들에 대해 작업 가능하게 배치된 본 발명의 열 에너지 장치를 포함한다.
상기 공장에 대한 에너지의 원천은 열원 또는 전원 또는 두 가지의 조합일 수 있다. 가령, 바람직한 실시예에 따르면, 다수의 원천들, 소위 열원들이 다양한 전달 온도에서 서로 연결되며, 열 저장 장치는 다양한 영역에서 다양한 온도에서 열을 저장하기에 적합하게 형성되며, 상기 영역들은 단열재 또는 에어갭에 의해 분리될 수 있고, 에너지 입력과 출력에 사용되는 초임계 물 및 증기와 같은 각 유체를 위한 터빈-전기 발전기 조합을 비롯한 몇몇 전달, 소비 또는 생산 수단이 연결될 수 있고, 지역 발열 또는 산업계에 증기를 제공하기 위한 파이프 등이 형성될 수 있다.
상기 공장 또는 저장 장치는 특별 사용 모드에서 에너지 저장보다는 유체간 열 교환기로서 주로 이용될 수 있다. 가령, 집광 태양열 발전소로부터 전달되는 가열 오일 등은 열 교환 컨테이너 내부에서 순환되어 내부 파이프 시스템에서 순환되는 물/증기와 직접 열 교환될 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 공장과의 에너지 발생 방법을 제공하는 것으로, 피크 생산 기간, 낮은 시장 가격 또는 플러스 생산 기간에는 에너지를 저장하고 낮은 생산량 또는 높은 시장 가격 기간에는 에너지를 전달하는 것을 특징으로 한다. 다수의 원천들이 공장에 연결되는 바람직한 실시예에 따른 방법에 있어서, 에너지 원천들은 생산과 비용에 관한 단계 주기를 갖고 있으며, 피크 생산, 플러스 생산 또는 낮은 에너지 가격 기간에 있을 때는 저장할 원천이 선택된다.
또한, 본 발명은 본 발명의 모든 가능한 실시예에 따른 저장 장치의 사용 또는 공장을 제공하는 것으로, 피크 또는 플러스 생산 또는 낮은 시장 가격 기간에는 에너지 원천에서 에너지를 저장하고 불충한 생산 또는 높은 시장 가격의 기간에는 상기 에너지를 전달하기 위한 저장 장치의 사용 또는 공장에 관한 것이다. 본 발명에 따른 사용의 결과, 전기 에너지 그리드 전달 역량에 대한 수요를 감축, 에너지 공급의 안전성 증대, 그리드의 과부하 없이 최대 전기 소비량 증대 중 하나 이상의 혜택을 가져올 수 있다.
본 발명은 또한 에너지 전달에 있어 예측불가능한 성과를 보여줄 수 있는 바람, 파도, 해류, 태양 등과 같은 몇몇 재생가능 에너지 원천들을 저장함으로써 에너지 공급의 안정성이라는 중대한 목적을 달성할 수 있다. 본 발명에 의한 이러한 에너지 저장 역량은 앞으로 더 에너지 공급의 더 많은 부분이 재생가능 원천에서 올 것으로 예상됨에 따라 그 중요성이 더해지고 있다. 또한 본 발명은 지열 에너지 원천에도 적용될 수 있는데, 밤 동안에 열을 저장한 것을 사용해 낮 동안의 전력 생산을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 열 에너지 저장 장치는 또한 냉장 저장 장치로 사용했을 때 혜택을 가져다 준다. 따뜻한 기후의 선진국에서는 에너지 소비의 상당 부분은 냉방에 있는데, 본 발명의 저장 장치는 냉방 목적으로 저렴한 비용으로 저온(에너지 싱크)에서 에너지를 저장하여 저온 유체 상태로 에너지가 전달되게 할 수 있다.
본 발명은 8 개의 도면을 참조로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 저장 장치의 실시예를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 저장 장치의 또 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 저장 장치에서의 에너지 투입 및 배출 파이프의 배치 형태를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 저장 장치에서 콘크리트 블록에 강화재(reinforcement)의 배치 형태를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 저장 장치의 실시예를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 공장을 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 공장의 또 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 공장의 또 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 9 내지 13은 열 전달 컨테이너에서의 에너지 투입 및 배출 수단의 여러 가지 배치 형태를 도시하고 있다.
도 14는 본 발명의 열 저장 장치를 위한 콘크리트 유닛 블록을 몰딩하는 방법들 중 하나를 도시하고 있다.
도 1을 참조로, 본 발명의 저장 장치의 간단하지만 효과적인 일 실시예를 설명한다. 열 에너지 저장 장치 및 열 교환 유닛(1)이 종단면 및 횡단면을 통해 도시되었다. 상기 저장 장치는 고체 상태의 열 저장 물질(2, 4), 도시된 실시예에 따라 더 구체적으로는, 콘크리트(2)와 그라우팅(grouting, 4), 열 전달 유체(3) 및 에너지 투입 및 배출 수단(5), 도시된 실시예에 따라 더 구체적으로는 압력 파이프들을 포함한다. 상기 압력 파이프의 수는 적용 분야에 따라 달라진다. 상기 저장 장치는 도시된 실시예에서 원통 또는 파이프 섹션으로서의 적어도 하나의 열 전달 컨테이너(6)를 더 포함할 수 있다. 상기 고체 상태의 열 저장 물질, 그라우팅(4)와 콘크리트(2)는 상기 열 전달 컨테이너(6) 주변에 배치된다. 상기 열 전달 컨테이너(6)는 열 전달 유체(3)와 에너지 투입 및 배출(5) 수단을 포함함으로써, 열 전달 유체에 의한 열 전달 대류와 전도가 전부 종래 기술에 따른 해결 방안과는 반대로 열 전달 컨테이너 내부에서 이루어질 수 있도록 되어 있다. 각각 하향 및 상향 흐름을 갖는, 파이프(5)의 투입부와 배출부는 최적의 대류 조건을 위해 서로 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다. 작동 시, 상기 파이프는 열의 충전 또는 배출 등의 그 작동 모드에 따라, 주변의 열 전달 유체보다 따뜻하거나 차가운 유체를 포함할 것이다. 열의 충전 시, 상기 파이프(5)들은 열 전달 유체보다 따뜻하며, 열 전달 유체는 컨테이너 벽보다 따뜻하며, 컨테이너 벽은 그라우팅보다 따뜻하다. 이에 따라, 대류는 열 전달 유체가 더 따뜻한 파이프(5)들을 따라서는 상향으로 유동하고 더 차가운 열 전달 컨테이너(6)의 벽을 따라서는 하향으로 유동하도록 된다. 열의 배출 시, 상기 파이프(5)들은 열 전달 유체보다 차갑고 열 전달 유체는 열 전달 컨테이너 벽보다 차갑고 컨테이너 벽은 그라우팅보다 차갑다. 이에 따라 대류는 열 전달 유체가 상기 더 차가운 파이프(5)을 따라 주로 하향으로 유동하고 열 전달 컨테이너(6)의 벽을 따라 상향으로 유동하도록 된다. 저장 장치의 모든 대상 물질 또는 부품들은 상기 저장 장치의 열 저장 역량에 기여한다. 도시된 실시예에서, 두 개의 원통형 콘크리트 블록(7)들이 도시되어 있는데, 여기서는 파이프들과 열 전달 컨테이너가 상기 블록들을 통과하도록 연장되고, 상기 블록들은 블록 더미들의 일부이다.
명료한 도시를 위해 일부 도면에서의 일부 항목들은 기호가 표시되었으나, 어떤 부분들은 다른 부분들을 더 명료하게 도시하기 위해 척도나 방향이 정확하지 않거나 심지어 생략되기도 했다. 같거나 유사한 항목들은 모든 도면에서 같은 기호로 표시되었다.
도 2는 두 개의 다른 실시예를 도시하고 있는데, 첫번째는 6각형의 콘크리트 블록(7)을 기본 저장 장치로 하고, 7 개의 열 전달 컨테이너(6)들이 상기 블록들을 통과하도록 수직으로 배치된 저장 장치고 두번째는, 4각형 단면의 큰크리트 블록(7)을 기본 저장 장치로 하고, 9개의 열 전달 컨테이너용 채널들을 포함하는 저장 장치이다. 또한 도 2에는 8개의 4각형 단면 콘크리트 블록들이 길이 방향으로 서로 위에 쌓인 모습이 도시되어 있다. 스택더미 상태의 블록들은 척도가 정확하지 않은 상태로, 블록들간의 분리는 점선으로 표시되었으며, 각 채널도 점선으로 개략적으로 표시되었으나, 이는 본 발명의 단순함과 다양성을 보여준다. 상기 스택더미 블록들은 바람직한 실시예에 따라서는 수직으로 세워지도록 형성됨으로써 열 전도와 대류를 위해 긴 거리를 제공함으로써 열 전달 역량을 향상시킬 수 있다.
도 3은 열 충전 및 배출을 위한 에너지 투입 및 배출용 파이프(5)들의 일 배치 형태를 도시하고 있다. 스택 또는 유닛들 사이에서 직렬 또는 병렬 흐름을 허용하는 밸브(17)들이 제공되는 다른 배치 형태 또한 가능하다. 실시예에 따라서, 열 전달 컨테이너(6)에 파이프 시스템, 증기 및 압력 및 누출 조절을 위한 센서 수단 등이 제공될 수 있으나, 설명의 명료성을 위해 그러한 파이프 및 수단은 도시되지 않았다. 칼럼 안전 커버(column safety cover, 16)이 스택들의 상단 위에, 그러나 밸브(17), 엑세스 덱(access deck, 18) 및 그외 단열층(19) 아래의 조절 장치들보다는 아래에 배치된다.
도 4는 수직 강화재(vertical reinforcement, 8)와 루프 강화재(loop reinforcement, 9)를 갖는 강화 구조가 콘크리트 블록(7)에 배치되는 형태를 도시하고 있다. 걍화재 구조는 또한 콘크리트 블록 외부에 배열될 수도 있으며, 강화재의 부분들은 가령 리프링 러그(lifting lug)들을 포함하는 구조로서 콘크리트 블록 바깥으로 연장될 수 있다. 강화재는 콘크리트 블록측 및 바닥면 상의 그리드 또는 금속 멤브레인으로서 배치될 수 있으며, 수증기 탈출을 위한 개구부는 있을 수도 있고 없을 수도 있다.
도 5는 건물 구조(10) 내부에 배치된 형태의 열 저장 장치(1)의 단면도를 도시하고 있다. 상기 열 저장 장치(1)은 단열재(11), 멤브레인(12), 바닥 솔(bottom sole, 13), 바닥 슬래브(bottom slab, 14), 및 작동 또는 엑세스 룸(access room, 15)을 포함한다. 상기 저장 장치(1)는 땅(20) 위에 직립하도록 배치된다. 파이프, 플랜지, 밸브, 및 센서 수단과 같은 부품들은 유지, 보수, 작동 등을 위해 작동 또는 엑세스 룸(15)에서 바로 가져와 사용할 수 있다. 지붕 및 상부 단열재 일반적인 크레인으로 들어올릴 수 있으며, 개별 콘크리트 블록 및 열 전달 컨테이너들도 마찬가지이다. 디자인이 심플하기 때문에, 상기 저장 장치는 크기를 키우거나 줄이기가 쉽고 유지 보수도 쉽다. 상기 저장 장치를 지하로 들어가게 제작할 경우 저장 장치의 상단부는 지면과 같은 평면 상에 위치할 수 있다.
일 예로, 본 발명에 따른 저장 장치는 다수의 동일한 스택들, 및 서로 위에 쌓이도록 배치된 8개의 강화된 콘크리트 유닛들을 포함하고, 여기서 각 유닛은 수평면이 180cm 대 180cm 이고, 높이는 200cm이다. 각 유닛 안에는 3 대 3의 일련의 수직 원통형 캐비티(cavity)들 또는 직경 30cm의 중심에서 중심으로 60cm 이격되게 배치된 채널들이 형성됨으로써, 총 16미터의 저장 높이에 대해 연속적인 채널을 제공한다. 각 채널 또는 캐비티의 내부 및 그 총 높이에 대해서는, 직경 20cm의 원통형의 열 전달 컨테이너가 삽입되는데, 이것은 열 전달 유체로 충진되고, 에너지 투입 및 배출 수단, 더 구체적으로는 고압의 작은 직경의 파이프 루프 세그먼트가 이 상기 컨테이너 안에 배치된다. 열 전달 컨테이너와 콘크리트의 캐비티 벽 사이의 5cm 갭은 섬유 강화 고강도 콘크리트 그라우트로 충진된다. 인플로우(inflow) 열 유체 파이프들이 단일 투입 파이프를 통해 상단에서 연결되고 매니폴드(manifold)가 스택 안에서 모든 열 전달 컨테이너들로의 균등한 열 인플로우를 보장한다. 마찬가지로, 모든 배출 파이프들은 스택의 상단에서 매니폴드를 통해 함께 연결됨으로써 단일 아웃플로우 파이프를 구성하게 된다. 그러나, 매니폴드, 파이프 및 조절 밸브 등은 다양한 방식으로 배치될 수 있다.
도 6, 도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 공장의 실시예들 도시하는 것으로, 각 실시예는 본 발명의 적어도 하나의 열 에너지 저장 장치(1)를 포함한다. 매우 간단한 방식으로, 도 6은 현대 석탄 공장 또는 원자력 발전소 등의 열 원천(21)을 갖는 공장을 도시하고 있다. 여기에서는 고온 유체 매체 원천이 에너지 투입을 위한 열 운반 유체로 직접 사용되고, 이 고온의 유체는 도 6에 선들로 나타낸 바와 같이 파이프를 통해 저장 장치(1) 또는 터빈(23)으로 운반된다. 열의 손실은 화살표(22)들로 표시되어 있으며, 재활용되거나 사용한 열은 화살표(26)로 표시되어 있으며, 터빈-발전기는 각각 도면 부호 23과 24, 그리고 시장으로의 전력은 도면 부호 25로 표시되어 있다. 도 7은 전력 유닛 원천 또는 그리드 원천(27)을 갖는 발전소를 도시하고 있으며, 도 8은 화력 유닛 원천 또는 폐기물 연소 유닛(31)을 갖는 발전소를 도시하고 있다. 배출물은 도 6과 도 7에 도시된 실시예들을 위한 전력(25) 및 도 8에 도시된 실시예를 위한 산업계 또는 소비자들로 운송될 화력(32) 에너지이다. 이에 대한 대안으로는, 도 7에 도시된 투입 원천에서 전기 원천으로서 보일러(30)에 연결되는 특징이 있는데, 이것은 열 전달 컨테이너 내부에 형성되는 도시된 직접 전기 가열기(29)보다는 효과가 덜하다. 도 7에서는, 원천 생산이 시장 수요보다 높거나 가격이 낮을 때 원천이 그리드(28)에 의해 시장(25)으로 직접 연결되고 에너지 저장 장치를 위한 전기 가열기(29) 및 보일러(30)를 통해 간접적으로 연결되는 것을 도시하고 있다.
도 9 내지 도 13은 열 전달 컨테이너 내부에서의 에너지 투입 및 배출을 위한 수단(5)의 여러 배치 형태를 도시함으로써 본 발명의 다양성을 도시하고 있다. 상기 열 전달 컨테이너 내부의 에너지 투입 및 배출을 위한 수단(5)은 파이프, 파이프 루프 또는 파이프 회로 세그먼트들, 전기 가열 요소들, 및 일부 실시예에 따른 열 전달 유체와 같은 유체를 포함한다. 도 9에서는, 열 배출에서의 같은 종류의 열 투입이 사용된 반면 열 전달 컨테이너 내부의 열 전달 유체는 전형적으로 다른 종류가 사용된다. 일 예로, 물/증기가 배출과 마찬가지로 투입에도 사용되는 반면 열 전달 유체는 오일인 경우이다. 도 10에서는 열 전달 유체에 직접 배치된 줄(Joule) 타입 전기 가열 요소(5)를 통해 열 투입이 이루어지는 반면 열 배출은 파이프 유체를 통해 제공된다. 일 예로 저장 장치가 전기 그리드 또는 윈드 팜(풍력발전단지)과 연결되는 경우가 될 수 있는데, 그러한 경우 필요 시 터빈과 발전기를 통해 전기를 발생시키는데 사용되는 증기가 배출물이 될 것이다. 열 전달 유체는 오일 또는 몰튼 염, 또는 그 외 적합한 유체가 될 수 있다. 도 11에서는, 열 투입 유체는 열 전달 유체와 동일한 것인 반면, 열 배출은 또 다른 유체를 통해 이루어지게 된다. 일 예로, 열 투입은 집중형 태양 에너지 발전소(concentrated solar plant, CSP)로부터의 오일이고, 같은 오일이 열 전달 유체로 사용되는 경우가 될 수 있다. 반면에 상기 열 배출은 증기나 다른 유체에 의해 제공된다. 도 12에서는, 열 투입 시스템, 열 배출 시스템 및 열 전달 유체 안의 유체가 모두 다른 것이다. 가령, 투입은 CSP 발전소로부터의 몰튼 염을 통해 이루어지고, 배출물은 증기일 수 있고, 열 전달 유체는 오일 또는 몰튼 염일 수 있다. 도 13에서는 모든 유체가 같다. 이것은 모든 유체들이 같은 냉각수일 수 있는 냉각 저장 시스템의 전형적인 형태일 수 있다. 또한, 열 배출뿐만 아니라 열 투입이 오일에 의해 이루어지고, 가령 오일에서 증기로의 변환이 저장 시스템 바깥에서 이루어지는 경우이다. 투입 파이프(5)는 실질적으로 열 전달 컨테이너의 총 길이에 걸쳐서 연장되고, 바람직하게는 열 전달 컨테이너의 중심에서 연장되는데, 이는 작동 시 열 전달 컨테이너 중심선을 따라 최대 또는 최소 온도 선을 제공함으로써 높은 열 전달률을 제공하기 때문이다. 이보다는 덜 바람직한 대안으로는 열 전달 투입 또는 배출 수단을 열 전달 컨테이너로의 연결부로서 사용하는 경우가 될 수 있는데, 가령 컨테이너의 중심에서 바닥에서의 투입 및 상단에서의 측벽들로의 하나 이상의 배출이 본 발명에서 열 투입 또는 배출을 위한 수단이라는 용어에 포함될 수 있다.
특히 주지할 사실은 “저장 시스템”은 대부분의 경우 열 저장 시스템뿐 만 아니라 열 교환기로 사용될 수 있다는 것이다. 사실상, 이 시스템은 “빌트-인” 열 교환기를 갖는 시스템이다. 더 구체적으로는, 상기 저장 시스템은 매체 사이의 열 교환과 시간에 따른 열 교환을 제공한다. 특히, 집중형 태양 에너지 발전소의 낮 시간 작동을 위한 열 교환기 모드에서 주로 사용될 수 있다.
도 14는 본 발명의 열 저장 시스템을 위한 콘크리트 유닛 블록을 주조하는 방법들 중 하나를 도시하고 있다. 더 구체적으로, 바닥 플레이트(33), 채널 로드(34), 콘크리트(35), 힌지 벽(hinged wall, 36), 및 천공성 상단 플레이트(perforated top plate, 39) 등이 도시되어 있다. 콘크리트는 위에서 부어진 후 (4), 형태를 진동시키거나 삽입된 진동기를 통해 압축되고, 채널 로드(34)를 갖는 상단 플레이트(top plate, 39)는 콘크리트의 경화가 충분히 이루어진 후 당겨지게 되고, 상기 벽들은 바깥으로 접혀지고 (37), 경화가 충분할 때 상기 바닥 플레이트(33) 또한 제거된다. 상기 방법은 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 그외 콘크리트 블록 제작 방법들로는 영구적인 외부 강화뿐 만 아니라 외부의 에워싸는 금속 시트를 사용해 거푸집 공사를 하는 방법 등이 실행 가능하다.
본 발명의 대형 열 저장 시스템의 열 손실은 놀라울 정도로 낮다. 10,000 MWh 저장 용량의 100,000m3의 단열 저장 시스템에 있어서, 하루 열 손실은 저장된 열 에너지의 1‰(천당) 미만이 될 것이다.
오늘날의 발전소들, 특히 예전 버전의 발전소들은 발전 생산량을 수요에 맞추는데 있어 융통성이 없었다. 하루 동안의 에너지 가격의 변동 폭은 2 이상의 팩터(factor)를 가질 수 있다. 석탄 발전소, 원자력 발전소 및 모든 발전소에 대한 주된 비용은 투자이다. 발전소에서 본 발명의 열 저장 시스템을 사용하기 위한 추가적인 투자는 수익 및 에너지 전달의 보장에 있어서 놀라울 정도로 큰 혜택을 가져오는 것으로 추정된다. 이는 생산량을 줄이거나 생산을 아예 하지 않을 경우 에너지가 장비되거나 최저 가격에 팔리게 되는 반면, 생산량을 늘리게 되면 더 높은 가격에 팔리게 되고 추가로 에너지 공급 안보가 증대되기 때문에 가능하다. 이와 동시에, 전력 전달 안보도 증가하는데, 이 또한 상당한 가치가 있다.
본 발명의 열 저장 시스템은 본 명세서에 기재 또는 도시된 모든 특징을 포함할 수 있으며, 어떠한 조합도 본 발명의 실시예가 될 수 있다. 본 발명의 발전소는 본 명세서에 기재 또는 도시된 모든 특징을 포함할 수 있으며, 어떠한 조합도 본 발명의 실시예가 될 수 있다. 본 발명의 방법들은 본 명세서에 기재 또는 도시된 모든 특징을 포함할 수 있으며, 어떠한 조합도 본 발명의 실시예가 될 수 있다

Claims (22)

  1. 고체 상태의 열 저장 물질, 열 전달 유체 및 에너지 투입 및 배출 수단을 포함하는 열 에너지 저장 장치로서,
    상기 저장 장치는 적어도 하나의 열 전달 컨테이너를 포함하고,
    고체 상태의 열 저장 물질은 상기 열 전달 컨테이너 주변에 배치되고,
    상기 열 전달 컨테이너는 상기 열 전달 유체 및 에너지 투입 및 배출 수단을 포함함으로써 대류 및 전도에 의한 열 전달이 열 전달 유체를 통해 열 전달 컨테이너 내부에서 발생하며,
    단열재는 상기 저장 장치의 하부, 주변 및 상부에 배치된 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 투입 및 배출 수단은 열에너지 저장 시 저장 장치의 온도보다 따뜻한 유체가 유동하도록 배치되며 열 에너지 방출 시 저장 장치의 온도보다 차가운 유체가 유동하도록 배치된 파이프들을 포함하고, 바람직하게는 전기 원천에 연결함으로써 에너지 투입을 위한 전기 가열 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열 전달 컨테이너는 상기 저장 장치의 상부에서 상측으로 연장되고, 상단부에 상기 에너지 배출 수단이 통과하도록 배치된 플랜지 또는 이와 유사한 장치가 구비되는 수직 직립형 원통, 튜브 또는 파이프이고, 상기 열 전달 컨테이너는 주변 고체 물질과 적어도 동일한 높이까지 열 오일로 충진되고, 최상부는 기체로 충진되고 상기 열 투입 및 배출 수단으로부터의 누출을 탐지 및 처리하기 위해 배치된 센서 및 누출 탐지 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 열 에너지 전달 컨테이너는 상단부 및 하단부에 플랜지 또는 그와 유사한 장치를 구비하는 연장된 직립형 원통 컨테이너, 튜브 또는 파이프이고, 고압 파이프를 통과하여 공급되기 위한 피드스루(feedthrough), 커넥터, 관통기 또는 부싱(bushing)들이 상기 에너지 투입 및 배출 수단 및 센서 수단으로서 상기 플랜지들의 적어도 하나를 통과하도록 배치되고, 상기 컨테이너 또는 파이프는 열 오일, 몰튼 염(molten salt) 또는 그외 적합한 유체로 충진되고 1-8 바(bar)의 압력, 바람직하게는 대기 압력에서 유지되고, 상기 센서 수단은 상기 고압 파이프들로부터의 누출을 표시하는 압력 또는 그외 패러미터들을 모니터하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 상태의 열 저장 물질은 그라우팅(grouting), 시멘트 및 콘크리트를 포함하고, 상기 콘크리트는 기본 저장 장치를 형성하고 원통, 튜브 또는 파이프 또는 그 일부 형태로 된 열 전달 컨테이너를 각각 포함하는 하나 이상의 수직 방향의 캐비티(cavity) 또는 채널들을 포함하고, 상기 캐비티 또는 채널들 주변에는 그라우팅 또는 시멘트가 배치되고, 상기 그라우팅 또는 시멘트는 상기 컨테이너와 콘크리트 사이의 공간을 충진하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    다수의 콘크리트 유닛이 서로 위에 배치되고, 상기 캐비티 또는 채널들은 정렬되고 최상위 유닛의 상단면으로부터 적어도 최하위 유닛의 하부까지 연장되고, 상부 열 전달 컨테이너의 단부에는 상기 콘크리트 위로 연장되는 플랜지 또는 뚜껑(lid)을 구비하고, 상기 다수의 콘크리트 유닛들은 콘크리트 유닛 스택(stack)을 형성하고, 몇몇 스택들은 단열 벽, 바닥 및 지붕 내부에 나란히 배치되고, 상기 플랜지들 또는 뚜껑들은 단열재를 들어올림으로써 상부에서 용이하게 접근가능하고, 선택적으로는 상기 저장 장치의 서로 다른 온도 부분들을 제공하기 위해 스택 또는 스택 그룹들 사이에 단열재 또는 에어갭(air gap)들이 배치되는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    에너지 투입 및 배출 수단은 상기 열 전달 컨테이너 내부에 마련되되 상부에서 하부로 그리고 후방에서 상부로 삽입되는 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 투입 및 배출 수단은 초임계(supercritical) 물, 온수, 증기, 연도 가스(flue gas), 열 오일 또는 몰튼 염을 운반하는 파이프들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 투입 및 배출 수단과 열 전달 유체로 충진된 수직 방향의 열 전달 컨테이너의 내벽 사이의 간격은 대류 및 전도 및 관련 비용에 의한 최대 열 전도율 사이의 최적의 수치로 조절되는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장 장치는 상기 열 전달 캐비티들의 외부에는 고강도 섬유 강화 그라우팅을, 그러나 내부에는 고강도 고밀도 섬유 강화 콘크리트를 포함하고, 상기 콘크리트는 바람직하게는 조립식의(prefabricated) 강화 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장 장치는 200℃를 초과할 수 있는 동적 온도 범위(dynamic temperature range)에서, -70 내지 +700℃, 바람직하게는 40-700℃ 온도 범위의 온도에서 작동되기에 적합하게 된 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    파이프 및 밸브들은 유체가 에너지 투입 및 배출 파이프들을 통과하는 유체가 유동하는 헤더(header) 및 매니폴드(manifold)들로서 배치되고 상기 헤더 및 매니폴더는 밸브들에 의해 직렬 또는 병렬로 조절 가능한 것임을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장 장치는 증기응축기 및 펌프와 같은 열 전달 유체의 컨디셔닝(conditioning) 수단을 포함 또는 연결된 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 열 에너지 저장 장치 제작 방법으로서, 상기 저장 장치 안에 다수의 열 전달 컨테이너들을 수직 방향으로 배치하는 단계, 상기 컨테이너들의 외부 공간에 상기 컨테이너들의 상단부에 근접한 높이까지 그라우트 또는 시멘트를 충진하는 단계, 및 상기 저장 장치 아래, 주변 및 상단에 단열재를 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치 제작 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상단면 및 바닥면 사이에 수직 채널들이 배치되는 콘크리트 유닛 블록들이 먼저 제작되고, 상기 채널들보다 작은 직경을 갖는 열 전달 컨테이너가 해당 채널들 안에 배치되고, 상기 컨테이너들과 콘크리트 채널 표면들 사이의 공간들에는 그라우트가 충진되고, 에너지 투입 및 배출 수단 및 센서 수단을 상기 컨테이너들 내부에 삽입하고, 상기 수단들을 해당 열 전달 컨테이너들 내부의 뚜껑(lid)에 배치하는 것을 특징으로 하는 열 에너지 저장 장치 제작 방법.
  16. 작동 가능하게 배치된 에너지 원천 및 에너지 운송, 소비, 또는 생산 수단을포함하는 에너지 발전소로서,
    열 에너지 저장 장치가 상기 원천 및 상기 수단들 사이에 작동 가동하게 배치되고, 상기 저장 장치는 고체 상태의 열 저장 물질, 열 전달 유체 및 에너지 투입 및 배출을 위한 수단을 포함하고, 상기 저장 장치는 적어도 하나의 열 전달 컨테이너, 열 전달 유체와 에너지 투입 및 배출 수단을 포함하는 열 전달 컨테이너 주변에 배치된 고체 상태의 열 저장 물질, 및 상기 저장 장치의 아래, 주변 및 상단에 배치된 단열재를 포함함으로써 상기 열 전달 유체에 의한 모든 열 전달 대류 및 전도가 해당 열 전달 컨테이너에서 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 에너지 발전소.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 원천은 열원인 것을 특징으로 하는 에너지 발전소.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 원천은 전기인 것을 특징으로 하는 에너지 발전소.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 원천들, 즉 열원들이 서로 다른 전달 온도로 연결되고, 전원들도 연결되고, 상기 열 저장 장치는 그 서로 다른 영역의 서로 다른 온도에서 열을 저장하기에 적합하게 형성되고, 선택적으로는 단열재 또는 에어갭에 의해 분리되고, 몇몇 운송, 소비 또는 생산 수단들이 연결되고, 각각 초임계 물과 증기와 같은 에너지 투입과 배출에 사용되는 각 유체를 위한 터빈-전기 발전기, 및 산업에 사용할 지역 난방 및 증기용 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발전소.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 발전소를 통한 에너지 생산 방법에 있어서,
    낮은 수요, 낮은 시장 가격 및 과잉 생산 기간 시 에너지를 저장하는 단계; 및 높은 수요, 높은 시장 가격 또는 낮은 생산 기간 시 에너지를 운송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 생산 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    다수의 원천들이 상기 발전소에 연결되어 있고, 상기 원천들은 생산과 비용을 위한 상(phase) 주기(cycle)들을 갖고 있고, 상기 원천이 피크(peak) 생산, 과잉 생산 또는 낮은 에너지 가격의 모드에 있을 때 저장을 위해 선택되어지는 것을 특징으로 하는 에너지 생산 방법.
  22. 피크(peak) 또는 과잉 생산 또는 낮은 시장 가격 기간 시 에너지 원천으로부터 에너지를 저장하고, 낮은 생산 또는 높은 시장 가격 기간 시 상기 에너지를 운송하기 위한 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 저장 장치 또는 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 발전소의 사용 방법.

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