KR20150037174A - 열에너지 저장장치 - Google Patents

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KR20150037174A
KR20150037174A KR20130116531A KR20130116531A KR20150037174A KR 20150037174 A KR20150037174 A KR 20150037174A KR 20130116531 A KR20130116531 A KR 20130116531A KR 20130116531 A KR20130116531 A KR 20130116531A KR 20150037174 A KR20150037174 A KR 20150037174A
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Abstract

본 발명은 열에너지 저장장치에 관한 것으로, 내부 하측에 제 1축열물질을 저장하고 내부 상측에 상기 제 1축열물질보다 비중이 작은 제 2축열물질을 저장하는 열교환탱크, 이 열교환탱크의 제 1축열물질 내부를 통과하며 제 1축열물질이 현열 축열하도록 압축기를 통해 고온의 유체를 유동 안내하는 제 1열교환관부재, 및 이 제 1열교환관부재에 연결되고 열교환탱크의 제 2축열물질 내부를 통과하며 제 2축열물질로부터 열을 흡수한 유체를 터빈으로 유동 안내하는 제 2열교환관부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 축열하고자 하는 온도와 축열량에 따라 열교환기 내부의 압력을 적절히 조절함으로써 축열 효율을 향상시킬 수 있고, 기화열을 이용하는 경우 액화 및 응축으로 온도의 변화를 흡수하므로 현열만을 이용하는 경우보다 열교환기 내부의 온도 변화를 적게 유지할 수 있다.

Description

열에너지 저장장치{HEAT-ENERGY STORAGE DEVICE}
본 발명은 열에너지 저장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축열하고자 하는 온도와 축열량에 따라 열교환기 내부의 압력을 적절히 조절함으로써 축열 효율을 향상시킬 수 있고, 기화열을 이용하는 경우 액화 및 응축으로 온도의 변화를 흡수하므로 현열만을 이용하는 경우보다 열교환기 내부의 온도 변화를 적게 유지할 수 있는 열에너지 저장장치에 관한 것이다.
일반적으로, 유기랭킨사이클(ORC : Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨사이클(Rankin Cycle)로서 비교적 저온의 온도 범위 (60~200℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템으로, 저온에서 고압의 기체를 생산하여 터빈을 구동하여야하는 ORC 시스템의 특성상 작동유체로는 비등점이 낮고, 증발압력이 높은 프레온 계열의 냉매를 사용한다.
유기랭킨사이클(ORC : Organic Rankine Cycle)은 증발기 및 터빈, 응축기, 펌프의 기본 요소로 구성되어 있다. 증발기는 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 역할을 하고, 터빈은 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키며, 응축기는 터빈에서 나온 저온저압의 작동유체를 액체로 상변화시켜주는 역할을 하고, 펌프는 응축기에서 나온 저압의 작동유체를 증발기로 공급하는 역할을 한다. 랭킨 사이클 시스템의 출력은 터번에서 수행하는 일(work)과 같다.
선행기술로 대한민국 특허등록공보 제10-1208459호(등록일 : 2012.11.29.)인 "냉방 및 난방용수를 생산하는 ORC 터보발전 시스템"이 제안되었다.
상변화 물질을 이용한 잠열 저장은 전부 고체-액체 간 상변환 시의 융해열을 이용하는 방식인데, 융해열이 현열에 비해 크고 고체-액체간 상 변화 시 체적 변화가 적어 이론적으로 열교환기의 크기를 변화시키지 않고도 많은 양의 열교환을 이룰 수 있지만, 실제 적용 시에 액체에서 고체로 변화하는 경우 열교환기 표면부터 응고되는 축열 물질이 액체 때에 비해 열전달 능률이 현저히 떨어져서 열교환 효율이 나빠지게 된다. 이로 인해 열교환 면적이 대단히 커져야 하는 문제점이 있다.
따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 축열하고자 하는 온도와 축열량에 따라 열교환기 내부의 압력을 적절히 조절함으로써 축열 효율을 향상시키고자 하는 열에너지 저장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기화열을 이용하는 경우 액화 및 응축으로 온도의 변화를 흡수하므로 현열만을 이용하는 경우보다 열교환기 내부의 온도 변화를 적게 유지 가능하고자 하는 열에너지 저장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 열에너지 저장장치는: 내부 하측에 제 1축열물질을 저장하고 내부 상측에 상기 제 1축열물질보다 비중이 작은 제 2축열물질을 저장하는 열교환탱크, 상기 제 1축열물질 내부를 통과하며 상기 제 1축열물질이 현열 축열하도록 압축기를 통해 고온의 유체를 유동 안내하는 제 1열교환관부재, 및 상기 제 1열교환관부재에 연결되고 상기 제 2축열물질 내부를 통과하며 상기 제 2축열물질로부터 열을 흡수한 유체를 터빈으로 유동 안내하는 제 2열교환관부재를 포함한다.
상기 열교환탱크는 둘레면에 단열재를 형성함이 바람직하다.
상기 제 1열교환관부재로부터 토출되는 유체는 응축탱크로 유입되면서 응축열을 방출하고, 상기 응축탱크에서 응축된 유체는 상기 제 2열교환관부재로 공급됨이 바람직하다.
상기 열교환탱크에는 상기 제 1축열물질로 제 1보조축열물질을 공급하는 제 1보조축열물질 공급부가 더 구비될 수 있다.
상기 제 1보조축열물질 공급부는, 상기 열교환탱크의 둘레면에 연결되어 상기 제 1축열물질로 상기 제 1보조축열물질을 공급 안내하는 제 1보조축열물질 인렛, 및 상기 제 1보조축열물질 인렛에 구비되어 상기 제 1보조축열물질의 유동을 단속하는 제 1단속밸브를 포함한다.
상기 열교환탱크는 상기 제 2축열물질로 제 2보조축열물질을 공급하는 제 2보조축열물질 공급부가 더 구비될 수 있다.
상기 제 2보조축열물질 공급부는, 상기 열교환탱크의 둘레면에 연결되어 상기 제 2축열물질로 상기 제 2보조축열물질을 공급 안내하는 제 2보조축열물질 인렛, 및 상기 제 2보조축열물질 인렛에 구비되어 상기 제 2보조축열물질의 유동을 단속하는 제 2단속밸브를 포함한다.
본 발명에 따른 열에너지 저장장치는 축열하고자 하는 온도와 축열량에 따라 열교환기 내부의 압력을 적절히 조절함으로써 축열 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 기화열을 이용하는 경우 액화 및 응축으로 온도의 변화를 흡수하므로 현열만을 이용하는 경우보다 열교환기 내부의 온도 변화를 적게 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열에너지 저장장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열에너지 저장장치의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 열에너지 저장장치의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열에너지 저장장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열에너지 저장장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열에너지 저장장치(100)는 열교환탱크(110), 제 1열교환관부재(120) 및 제 2열교환관부재(130)를 포함한다.
열교환탱크(110)는 내부 하측에 제 1축열물질(112)을 저장하고, 내부 상측에 제 1축열물질(112)보다 비중이 작은 제 2축열물질(114)을 저장한다.
이때, 제 1축열물질(112)은 물 등으로 하고, 제 2축열물질(114)은 공기 등으로 한다. 특히, 제 1축열물질(112)은 물이고, 제 2축열물질(114)은 공기로 함이 바람직하다.
이에 따라, 제 2축열물질(114)은 제 1축열물질(112)로 채워진 나머지 부분에 해당되는 열교환탱크(110) 내부에 충진된 상태가 된다. 이때, 도시하지는 않았지만, 열교환탱크(110)는 제 1축열물질(112)과 제 2축열물질(114)을 최초에 공급하기 위해 개폐되는 개폐유닛을 구비한다.
그리고, 제 1열교환관부재(120)는 제 1축열물질(112)을 채운 열교환탱크(110)의 해당 둘레면으로 삽입되어 제 1축열물질(112) 내부를 통과하게 된다.
아울러, 제 2열교환관부재(130)는 제 2축열물질(114)을 채운 열교환탱크(110)의 해당 둘레면으로 삽입되어 제 2축열물질(114) 내부를 통과하게 된다.
또한, 제 1열교환관부재(120)는 압축기(2)를 통해 고온 상태인 유체를 유동 안내하게 된다. 즉, 고온의 유체가 제 1축열물질(112) 내부를 통과함으로써, 제 1축열물질(112)은 현열 축열된다.
제 2열교환관부재(130)는 열교환탱크(110)의 제 2축열물질(114)을 통과하고, 일측이 열교환탱크(110)의 외부로 노출되게 연장된 제 1열교환관부재(120)에 연결된다.
그리고, 제 2열교환관부재(130)는 제 2축열물질(114)을 채운 열교환탱크(110)의 해당 둘레면으로 삽입되어 제 2축열물질(114) 내부를 통과하게 됨에 따라, 제 2축열물질(114)로부터 열을 흡수하게 된다.
제 2열교환관부재(130)는 타측이 열교환탱크(110)의 외측으로 연장된 후 터빈(4)에 연결된다. 따라서, 열을 흡수한 유체는 터빈(4)으로 공급되어 기계적 에너지로 변환된다. 즉, 터빈(4)은 유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 역할을 한다.
따라서, 압축기(2)에 의해 온도가 상승된 고온의 유체가 열교환탱크(110)를 통해 제 1축열물질(112)을 통과하게 되면, 제 1축열물질(112)은 고온의 유체에 의해 가열되면서 온도와 압력이 상승하게 된다.
제 1축열물질(112)이 현열 축열을 하게 되면서 온도가 계속 상승하게 되고, 해당 압력의 포화온도보다 더 높아지면 증발이 일어나면서 기화열 축열을 시작한다.
이때, 증발된 제 1축열물질(112)은 비중 차이에 의해 상부에 위치하면서 제 2축열물질(114)과 혼합된다.
특히, 제 1열교환관부재(120)와 제 2열교환관부재(130)는 열교환이 잘 이뤄지도록 도전성이 큰 재질로 형성되며, 모세관으로 구성됨이 바람직하다. 물론, 제 1열교환관부재(120)와 제 2열교환관부재(130)의 직경이나 개수에는 한정되지 않는다.
또한, 열교환탱크(110)는 외부로 열기를 빼앗기지 않도록 둘레면에 단열재(140)를 형성한다. 단열재(140)는 스티로폼 등 다양한 재질로 적용 가능하다.
한편, 응축탱크(150)가 구비된다. 제 1열교환관부재(120)는 응축탱크(150)에 연결되며, 응축탱크(150)는 열교환탱크(110)의 외부에 배치된다.
그래서, 제 1열교환관부재(120)로부터 토출되는 유체는 응축탱크(150)로 유입되면서 응축열을 방출하게 된다.
또한, 응축탱크(150)에서 응축된 유체는 제 2열교환관부재(130)로 공급된다.
결과적으로, 압축된 유체가 응축탱크(150)로 공급된 후 팽창에 의해 온도가 낮아지면서 열교환탱크(110)의 제 2축열물질(114) 내부로 유입된 후 열을 흡수하면서 기체상태의 제 2축열물질(114)로부터 열을 흡수하게 된다.
이로 인해, 제 2축열물질(114)은 액화 응축되면서 응축열을 방출하게 된다. 이때, 제 2축열물질(114)은 액화 응축되어 비중 차이에 의해 하부로 떨어짐으로써 제 1축열물질(112)이 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열에너지 저장장치(100)는 열교환탱크(110), 제 1열교환관부재(120), 제 2열교환관부재(130), 제 1보조축열물질 공급부(160) 및 제 2보조축열물질 공급부(170)를 포함한다.
이때, 열교환탱크(110), 제 1열교환관부재(120) 및 제 2열교환관부재(130)는 상술한 것으로 대체한다.
그리고, 제 1보조축열물질 공급부(160)는 열교환탱크(110) 내부의 제 1축열물질(112)로 제 1보조축열물질(162)을 공급하는 역할을 하고, 제 2보조축열물질 공급부(170)는 열교환탱크(110) 내부의 제 2축열물질(114)로 제 2보조축열물질(172)을 공급하는 역할을 한다.
그래서, 제 1보조축열물질(162)은 제 1축열물질(112)과 동일한 것으로 하고, 제 2보조축열물질(172)은 제 2축열물질(114)과 동일한 것으로 한다.
여기서, 제 1보조축열물질 공급부(160)는 제 1보조축열물질 인렛(163) 및 제 1단속밸브(165)를 포함한다.
제 1보조축열물질 인렛(163)은 열교환탱크(110)의 둘레면에 연결되어 제 1축열물질(112)로 제 1보조축열물질(162)을 공급 안내하는 역할을 한다.
이때, 제 1보조축열물질 인렛(163)은 파이프 형상으로 이루어지고, 열교환탱크(110)에 일체 또는 분리 가능하게 구비된다. 물론, 제 1보조축열물질 인렛(163)은 다양한 형상으로 변형 가능하다.
또한, 제 1단속밸브(165)는 제 1보조축열물질 인렛(163)에 구비되어 제 1보조축열물질(162)의 유동을 단속 및 열교환탱크(110) 내부에 저장된 제 1축열물질(112)의 누출을 방지하는 역할을 한다.
아울러, 제 2보조축열물질 공급부(170)는 제 2보조축열물질 인렛(173) 및 제 2단속밸브(175)를 포함한다.
제 2보조축열물질 인렛(173)은 열교환탱크(110)의 둘레면에 연결되어 제 2축열물질(114)로 제 2보조축열물질(172)을 공급 안내하는 역할을 한다.
이때, 제 2보조축열물질 인렛(173)은 파이프 형상으로 이루어지고, 열교환탱크(110)에 일체 또는 분리 가능하게 구비된다. 물론, 제 2보조축열물질 인렛(173)은 다양한 형상으로 변형 가능하다.
또한, 제 2단속밸브(175)는 제 2보조축열물질 인렛(173)에 구비되어 제 2보조축열물질(172)의 유동을 단속 및 열교환탱크(110) 내부에 저장된 제 2축열물질(114)의 누출을 방지하는 역할을 한다.
이에 따라, 액체 상태인 제 1보조축열물질(162)이 열교환탱크(110) 내부에 저장된 액체 상태인 제 1축열물질(112)과 혼합되고, 기체 상태인 제 2보조축열물질(172)이 열교환탱크(110) 내부에 저장된 기체 상태인 제 2축열물질(114)과 혼합됨으로써, 열교환탱크(110) 내부의 압력은 유지된다.
미설명된 도면부호는 상술한 것으로 대체한다.
결과적으로, 본 발명에 따른 열에너지 저장장치(100)는 열교환탱크(110) 내부를 고압으로 유지함으로써 축열 물질의 비등점(Boiling Point)을 높여 현열 축열량을 증가시키는 구조이다.
즉, 물인 제 1축열물질(112)은 대기압에서 100℃까지 현열을 이용할 수 있지만, 압력을 20kg/㎠로 높이면 212℃에서 비등이 일어남에 따라, 더 많은 양의 현열을 축열할 수 있게 된다.
그리고, 공기인 제 2축열물질(114)이 열교환탱크(110) 내부의 나머지 공간에 채워짐으로써, 채워지는 양으로 열교환탱크(110) 내부의 압력을 제어할 수 있으며, 상온에서 액체 상태인 제 1축열물질(112)과 반응하지 않은 채 고압으로 충진됨으로써 열교환탱크(110) 내부 압력의 제어가 가능하다.
아울러, 축열이 진행됨에 따라, 열교환탱크(110) 내부의 온도가 상승하면서 압력이 함께 상승(기체상태 방정식에 의하여)하므로 제 1축열물질(112)의 비등점도 상승하게 됨에 따라, 현열 축열량이 증가한다.
온도가 더욱 상승하여 비등이 발생하면, 이때부터는 제 1축열물질(112)이 증발하면서 기화열을 흡수하게 된다.
즉, 열교환탱크(110) 내부에 저장된 액상의 제 1축열물질(112)이 열교환되어 기화됨에 따라 기상의 제 2축열물질(114)로 상변화된다.
그리고, 열교환탱크(110) 내부에 저장된 기상의 제 2축열물질(114)은 열교환되어 응축됨에 따라 액상의 제 1축열물질(112)로 상변화된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
2: 압축기 4: 터빈
100: 열에너지 저장장치 110: 열교환탱크
112: 제 1축열물질 114: 제 2축열물질
120: 제 1열교환관부재 130: 제 2열교환관부재
140: 단열재 150: 응축탱크
160: 제 1보조축열물질 공급부
170: 제 2보조축열물질 공급부

Claims (7)

  1. 내부 하측에 제 1축열물질을 저장하고, 내부 상측에 상기 제 1축열물질보다 비중이 작은 제 2축열물질을 저장하는 열교환탱크;
    상기 제 1축열물질 내부를 통과하며, 상기 제 1축열물질이 현열 축열하도록 압축기를 통해 고온의 유체를 유동 안내하는 제 1열교환관부재; 및
    상기 제 1열교환관부재에 연결되고, 상기 제 2축열물질 내부를 통과하며, 상기 제 2축열물질로부터 열을 흡수한 유체를 터빈으로 유동 안내하는 제 2열교환관부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환탱크는 둘레면에 단열재를 형성하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1열교환관부재로부터 토출되는 유체는 응축탱크로 유입되면서 응축열을 방출하고;
    상기 응축탱크에서 응축된 유체는 상기 제 2열교환관부재로 공급되는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환탱크는 상기 제 1축열물질로 제 1보조축열물질을 공급하는 제 1보조축열물질 공급부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 제 1보조축열물질 공급부는,
    상기 열교환탱크의 둘레면에 연결되어 상기 제 1축열물질로 상기 제 1보조축열물질을 공급 안내하는 제 1보조축열물질 인렛; 및
    상기 제 1보조축열물질 인렛에 구비되어 상기 제 1보조축열물질의 유동을 단속하는 제 1단속밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  6. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 열교환탱크에는 상기 제 2축열물질로 제 2보조축열물질을 공급하는 제 2보조축열물질 공급부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제 2보조축열물질 공급부는,
    상기 열교환탱크의 둘레면에 연결되어 상기 제 2축열물질로 상기 제 2보조축열물질을 공급 안내하는 제 2보조축열물질 인렛; 및
    상기 제 2보조축열물질 인렛에 구비되어 상기 제 2보조축열물질의 유동을 단속하는 제 2단속밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0236880A (ja) * 1988-07-27 1990-02-06 Nec Corp 点滴・輸血終了通知装置
JP2013510257A (ja) * 2009-11-09 2013-03-21 中国科学院工程熱物理研究所 超臨界空気蓄エネルギーシステム

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