KR20170039462A - 열전 모듈을 이용한 전력 저장 장치 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

리튬 이온 이차전지 기반의 전력 저장 장치를 대체할 수 있는 새로운 전력 저장 장치 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 전력 저장 장치는, 외부에서 입력되는 전력을 저장하여 출력하는 전력 저장 장치로서, 발열장치, 제2 작동유체, 열전모듈 및 제1 작동유체가 아래에서부터 위로 순차적으로 적층되어 있고, 외부에서 입력되는 전력을 통해 상기 제2 작동유체는 가열하고 상기 제1 작동유체는 냉각하여 온도차를 형성하는 충전모드와, 이러한 온도차를 통해 상기 열전모듈을 발전시켜 전력을 출력하는 방전모드를 가진다.

Description

열전 모듈을 이용한 전력 저장 장치 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템{Power storage device using thermoelectric module and energy storage system comprising the same}
본 발명은 에너지 저장 시스템(Energy Storage System : ESS)에 관한 것으로, 특히 리튬 이온 이차전지 기반의 전력 저장 장치를 대체할 수 있는 새로운 전력 저장 장치 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.
에너지 저장 시스템은 과잉 생산된 전력을 저장했다가 전력 부족이 발생하면 송전해주는 시스템이다. 태양광, 풍력 등 신재생 에너지를 생산할 때 출력을 안정화하는 데 이용되지만, 정전 등 비상시에도 활용할 수 있을 뿐 아니라 전기 자동차 보급을 위한 핵심 인프라로도 이용된다. 가정에서는 심야 전력 등을 저장했다가 피크 타임에 사용할 수 있도록 해 전기 요금을 아낄 수 있는 제품으로 주목받고 있다. 특히, 폭염과 홍수, 한파 등 예기치 못한 기상 이변과 산업 고도화 등으로 전력의 수요와 공급이 일치하지 않는 경우가 잦아지는 요즘, 에너지 저장 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.
에너지 저장 시스템에는 전기를 모아두는 배터리와 배터리를 효율적으로 관리해 주는 관련 장치들이 포함되어 있다. 저장 방식으로는 리튬 이온 이차전지(LIB), 나트륨황전지(SaS), 레독스흐름전지(RFB), 압축공기저장 시스템(CAFS) 등이 있는데, 현재 대용량 에너지 저장 시스템에는 리튬 이온 이차전지가 이용되고 있다. 보통의 축전지는 자기 방전에 의하여 축전된 전기를 다소 잃게 되지만, 리튬 이온 이차전지에는 그러한 현상이 없다. 단위 부피당 축전 능력도 높고, 주택의 태양광 발전에서 생기는 적은 양의 전기라도 문제없이 저장할 수 있다. 또한, 다른 축전지들의 약점인 '전기가 남아있는 동안에 충전하면 축전지 용량이 감소하는 (메모리 효과)' 것과 같은 현상도 나타나지 않는다. 이러한 특징이 리튬 이온 이차전지의 축전 기능을 높이는 이유이다.
에너지 저장 시스템은 기존의 신재생 에너지의 불안정한 전력 생산을 극복할 수 있다. 기후변화에 따라 생산량이 일정하지 않아도 잉여 전력을 저장할 수 있기에 전체적인 전력량은 부족하지 않게 된다. 그러나, 초기 설치 비용이 매우 높다는 단점이 있다. 그리고 충방전시 손실되는 전력 소모를 줄이기 위한 기술 개발도 필요하다. 특히, 신재생 에너지 등으로 생산된 전류를 배터리에 저장하여 소비가 많은 시간이나 필요한 시간에 사용하기 때문에 일반적으로 오랜 기간동안 사용을 하여야 하므로 긴 수명이 보장되어야 한다.
리튬 이온 이차전지 기반의 에너지 저장 시스템은 이차전지 한 개로 국한되는 것이 아니며 수십개~수천개의 이차전지를 포함하는 전력 저장 장치를 포함하여 이루어져 있다. 오랜 기간의 사용은 사이클(cycle) 성능과 관계가 있으며, 오랜 기간 사용에도 사이클에 따른 용량효율(retention)이 높을수록 좋다. 용량효율이 떨어지게 되면 일반적으로 거치식으로 사용되는 전력 저장 장치를 교체해야 하는 불편함이 있다. 그리고, 교체를 하게 되더라도 교체하는 동안 사용하지 못하는 불편함이 생기고 일정 기간에 따른 원가($/time)또한 증가되게 되는 문제가 있다.
그런데, 기존의 리튬 이온 이차전지는 수명 사이클이 정해져 있어서 장기간 사용이 어려운 단점이 있다. 뿐만 아니라 리튬 이온 이차전지의 외부의 충격에 의해 폭발이 일어날 수 있는 등 안전에 취약한 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 리튬 이온 이차전지 기반의 전력 저장 장치를 대체할 수 있는 새로운 전력 저장 장치 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 전력 저장 장치는, 외부에서 입력되는 전력을 저장하여 출력하는 전력 저장 장치로서, 발열장치, 제2 작동유체, 열전모듈 및 제1 작동유체가 아래에서부터 위로 순차적으로 적층되어 있고, 외부에서 입력되는 전력을 통해 상기 제2 작동유체는 가열하고 상기 제1 작동유체는 냉각하여 온도차를 형성하는 충전모드와, 이러한 온도차를 통해 상기 열전모듈을 발전시켜 전력을 출력하는 방전모드를 가진다.
상기 충전모드에서는 상기 발열장치를 이용해 상기 제2 작동유체를 가열시킴과 동시에 상기 열전모듈을 이용해 상기 제1 작동유체를 냉각시킨다.
상기 방전모드에서는 상기 열전모듈에 상기 제2 작동유체와 제1 작동유체가 열적으로 접촉하게 되어 제백효과에 의해 전력을 생산할 수 있다.
상기 제1 작동유체와 제2 작동유체의 온도차는 단열시스템으로 유지하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 상기 제1 작동유체, 열전모듈, 제2 작동유체 및 발열장치는 하우징 안에 위에서부터 아래로 순차적으로 적층되어 있다.
이 때, 상기 제1 작동유체와 제2 작동유체는 각각 탱크에 저장되어 있고, 상기 제1 작동유체가 저장된 탱크는 상기 열전모듈과 면접촉함으로써 상기 제1 작동유체가 상기 열전모듈의 일단에 열적으로 접촉하고, 상기 제2 작동유체는 파이프 및 펌프를 통해 순환할 때에 상기 열전모듈의 타단에 열적으로 접촉한다.
상기 탱크, 열전모듈, 파이프 및 펌프 주변에 단열재가 구비된 것이 바람직하다.
상기 충전모드시 상기 제1 작동유체와 제2 작동유체는 열적으로 접촉하지 않고 상기 방전모드시 상기 제1 작동유체와 제2 작동유체는 상기 열전모듈의 양단에 열적으로 접촉한다. 특히, 상기 제1 작동유체의 가장 온도가 낮은 유체가 상기 열전모듈과 열적으로 접촉하고 상기 제2 작동유체의 가장 온도가 높은 유체가 상기 열전모듈과 열적으로 접촉한다.
다른 실시예에서, 상기 작동유체를 다수의 모듈로 분리한다.
이 때, 상기 전력 저장 장치는 다수의 모듈화된 소형 전력 저장 장치로 구성되고 각 소형 전력 저장 장치는 발열장치, 제2 작동유체, 열전모듈 및 제1 작동유체가 아래에서부터 위로 순차적으로 적층되어 있고 각 구성부재들 사이에 상기 작동유체의 순환을 위한 파이프와 펌프, 상기 작동유체의 온도차를 유지하기 위한 단열재가 구비된다.
상기 외부에서 입력되는 전력에 따라 상기 소형 전력 저장 장치의 전부 혹은 일부를 사용하도록 한다.
본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은 전력생산부에서 생산된 전력의 일부를 저장하거나 저장된 전력을 방전하는 전력 저장 장치와, 상기 전력생산부에서 생산된 전력 중 일부를 상기 전력 저장 장치에 저장하고 나머지는 전력망에 공급되도록 충전 제어 신호를 출력하거나, 상기 전력 저장 장치에 저장된 전력을 방전하여 상기 전력생산부에서 생산된 전력과 함께 상기 전력망에 공급되도록 방전 제어 신호를 출력하는 전력제어부를 포함하고, 상기 전력 저장 장치는 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 전력 저장 장치이다.
본 발명에 따르면, 열전모듈을 이용해 전력 저장 장치를 구현하므로 이차전지를 사용할 때에 비하여 오랜 기간 사용하여도 사이클에 따른 용량효율이 떨어지는 문제없이 사용할 수 있다. 따라서, 전력 저장 장치의 보증 기간을 늘릴 수 있다. 전력 저장 장치 교체 주기를 늘릴 수 있으므로, 비용 절감 효과 및 교체하는 동안 사용하지 못하는 불편함을 방지할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 전력 저장 장치는 반영구적 사용이 가능하다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 전력 저장 장치는 이차전지를 사용하는 경우에 비하여 외부충격에 의한 폭발 및 안전사고 위험이 낮다.
또한, 본 발명에 따르면, 대류현상을 이용해 발전효율을 극대화할 수 있고, 작동유체를 다수의 모듈로 분리하여, 충방전시 전류량에 관계없이 소형모듈의 온도차를 최대화하여 효율을 극대화할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 저장 장치의 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 저장 장치의 충전모드와 방전모드를 각각 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명에 따른 다른 전력 저장 장치의 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 1을 참조하면, 에너지 저장 시스템(10)은 전력생산부(20)에 연결되는 전력 저장 장치(30) 및 전력제어부(40)를 포함한다.
상기 전력생산부(20)는 신재생 에너지 등 다양한 발전 원리에 의해 전력을 생산하도록 구성된 발전기를 포함한다.
상기 전력생산부(20), 전력 저장 장치(30) 및 전력제어부(40)는 전력라인(50)을 통해서 서로 연결되어 있다. 상기 전력라인(50)은 전력이 이동할 수 있는 경로를 제공할 뿐만 아니라, 상기 에너지 저장 시스템(10)을 운영하기 위한 제어 신호의 경로가 될 수도 있다. 상기 전력라인(50)은 반드시 도시한 연결 구성에 한정되는 것은 아니다.
상기 에너지 저장 시스템(10)은 상기 전력생산부(20)에서 생산한 전력을 저장하였다가 전력망(60)에 공급하는 시스템이다. 상기 전력망(60)은 상용 전력망이 될 수 있으며, 소규모 지역의 자체 전력망이 될 수도 있다. 또한, 경우에 따라 스마트 그리드에서 전력을 저장하는 전력 저장 장치가 될 수 있으며, 생산된 전력을 바로 소비하는 부하 또는 전력변환장치가 될 수도 있다.
상기 전력 저장 장치(30)는 상기 전력제어부(40)의 제어 신호에 의해 상기 전력생산부(20)에서 생산된 전력의 일부를 저장하거나, 상기 전력제어부(40)의 제어 신호에 의해 저장된 전력의 일부를 방전한다. 이를 위해, 상기 전력 저장 장치(30)는 열전모듈을 이용하며, 이에 대해서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 더 상세히 후술하기로 한다.
상기 전력제어부(40)는 상기 전력생산부(20)에서 생산된 전력이 상기 전력망(60)에 공급될 때, 전력의 품질 안정화를 위해 상기 전력망(60)에 공급되는 전력량을 제어하기도 한다. 본 명세서에서 전력의 품질 안정화란, 상기 에너지 저장 시스템(10)에서 공급되는 전력의 전압 및 전류, 교류(AC) 형태의 출력인 경우 주파수, 위상 등 상기 전력망(60)이 요구하는 전력의 형태를 유지하는 것을 의미한다.
에너지 저장 시스템(10)은 특히 전력 저장 장치(30)에 특징이 있다. 이 전력 저장 장치(30)는 리튬 이온 이차전지 기반의 기존 전력 저장 장치를 대체할 수 있는 새로운 전력 저장 장치이며, 열전모듈을 이용한다.
고체 상태인 소재의 양단에 존재하는 온도차에 의해 열 의존성을 갖는 전자(혹은 홀)는 양단에서 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전현상으로 나타난다. 이러한 열전현상은 양단간의 온도차를 이용하여 기전력을 얻어내는 제벡(Seebeck) 효과, 기전력으로 냉각과 가열을 하는 펠티어(Peltier) 효과로 나눌 수 있다. 제벡 효과에 의하면, 전기적 에너지를 생산하는 열전발전을 할 수 있고, 펠티어 효과에 의하면, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전냉각/가열을 할 수 있다.
이러한 열전현상을 보이는 재료가 열전재료이고 보통은 서로 다른 N형과 P형으로 된 열전 엘리먼트를 집적한 열전모듈을 이용한다. 본 발명에서는 이러한 열전모듈을 이용하여 전력 저장 장치(30)를 구현한다.
도 2는 본 발명에 따른 전력 저장 장치의 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 전력 저장 장치(30)는 열전모듈(120)을 이용한 것으로, 전력 저장 장치(30)는 하우징(100) 안에 제1 작동유체(A), 열전모듈(120), 제2 작동유체(B) 및 발열장치(140)가 위에서부터 아래로 순차적으로 적층되어 있는 구성이다. 반대로, 발열장치(140), 제2 작동유체(B), 열전모듈(120), 제1 작동유체(A)는 아래에서부터 위로 순차적으로 적층되어 있다.
제1 작동유체(A)는 저온으로, 제2 작동유체(B)는 고온으로 운용한다. 제1 작동유체(A)와 제2 작동유체(B)는 각각 탱크(110, 130)에 저장되어 있을 수 있다. 온도차를 유지할 수 있도록 구성부재들 사이에는 단열재가 구비될 수 있다.
이 때, 제1 작동유체(A)는 열전모듈(120)의 일단에 열적으로 접촉할 수 있고, 제2 작동유체(B)는 열전모듈(120)의 타단에 열적으로 접촉할 수 있다. 예를 들어, 제1 작동유체(A)가 저장된 탱크(110)가 열전모듈(120)과 면접촉함으로써 제1 작동유체(A)가 열전모듈(120)의 일단에 열적으로 접촉하고, 제2 작동유체(B)는 파이프와 같은 부재를 통해 펌프의 추진력으로 순환할 때에 열전모듈(120)의 타단에 열적으로 접촉하도록 구성할 수 있다. 그 반대의 경우도 가능하다. 그리고, 제1 작동유체(A)와 제2 작동유체(B)가 모두 각각의 파이프와 같은 부재를 통해 순환할 때에 열전모듈(120)의 양단에 열적으로 접촉하도록 구성할 수도 있다.
도 2는 전력 저장 장치의 기본적인 개념을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 것으로, 발열장치(140)는 제2 작동유체(B)가 저장된 탱크(130) 아래에서 제2 작동유체(B)를 가열하는 예를 들어 설명하고 있으나, 다양한 변형예가 가능하다. 발열장치(140)는 예컨대 저항 등으로 구성할 수 있다.
이러한 전력 저장 장치(30)는 외부에서 입력되는 전력을 통해 제2 작동유체는 가열하고 제1 작동유체는 냉각하여 온도차를 형성하는 충전모드와, 이러한 온도차를 통해 상기 열전모듈(120)을 발전시켜 전력을 출력하는 방전모드를 가진다. 이를 통해, 외부에서 입력되는 전력을 저장하여 출력하는 기능을 수행할 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여 이러한 전력 저장 장치(30)의 충전모드를 상세히 설명한다. 도 3에서는 제1 작동유체(A)가 저장된 탱크(110)가 열전모듈(120)과 면접촉함으로써 제1 작동유체(A)가 열전모듈(120)의 일단에 열적으로 접촉하고, 제2 작동유체(B)는 제2 작동유체(B)가 저장된 탱크(130)로부터 인출되어 열전모듈(120)의 타단에 접하고 다시 탱크(130)로 순환되게 하는 파이프(150)를 통해 순환할 때에 열전모듈(120)의 타단에 열적으로 접촉하는 예를 들어 도시하였다. 물론, 앞서 언급한 바와 같이 다양한 변형예가 가능하다.
충전모드란 외부에서의 잉여 전력 등이 입력되어 전력 저장 장치(30)에 저장이 되는 단계이다. 따라서, 도 1과 같은 에너지 저장 시스템(10)으로 구성하는 경우에는 도 3에 도시한 바와 같이 전력생산부(20)로부터 에너지가 전력 저장 장치(30)로 입력이 된다. 입력된 에너지는 열전모듈(120)을 가동시켜 제1 작동유체(A)를 냉각하고(펠티어 효과), 발열장치(140)를 가동시켜 제2 작동유체(B)를 가열함으로써 제1 및 제2 작동유체(A, B)간의 온도차를 극대화한다.
다시 말해, 충전시에는 발열장치(140)를 이용해 제2 작동유체(B)를 가열시키고 이와 동시에 열전모듈(120)을 이용해 제1 작동유체(A)를 냉각시킨다. 각 작동유체(A, B)가 저장된 탱크(110, 130) 주변, 작동유체(A, B) 사이 등에는 단열재(160) 등을 개재하는 것과 같이 단열시스템화하여 온도차가 유지되고 이러한 상태로 에너지가 충전된다.
이러한 충전모드는 작동유체(A, B)에 대해서 현열축열의 방식으로 수행될 수 있다. 축열 종류로는 현열축열, 잠열축열, 화학축열을 고려해 볼 수 있고, 본 실시예에서는 현열축열을 이용할 수 있다. 잘 알려진 바와 같이, 현열축열이란 물질(축열제, 본 실시예에서는 작동유체)의 비열(물질의 온도를 단위 온도만 상승시키는데 필요한 열량)을 이용한 것이며, 물질의 온도를 상승, 하강시키기 위해 필요한 열에너지를 축적한다.
작동유체(A, B)는 단위체적 당 축열양이 커야 하고, 열전달이 좋아야 하며, 열전모듈(120)의 사용온도에서 이용할 수 있어야 한다. 가격이 저렴할수록 좋고, 자원이 풍부해서 장기적인 측면에서 대량으로 얻을 수 있으면 좋다. 그리고, 화학적으로 안정하며, 열적 성질이 퇴화되지 않아야 하고, 부식성, 독성, 폭발성이 없는 것으로 함이 바람직하다. 대표적인 작동유체(A, B) 종류로는 물을 들 수 있다. 축열밀도가 물보다 더 큰 유체도 이용할 수 있다.
다음, 도 4를 참조하여 이러한 전력 저장 장치(30)의 방전모드를 설명한다. 방전모드란 충전모드에서 만든 온도차를 통해 열전모듈(120)이 발전(제벡 효과)하게 함으로써 전력 저장 장치(30)에 저장되어 있던 입력 에너지를 외부로 뽑아내는 단계이다. 따라서, 도 1과 같은 에너지 저장 시스템(10)으로 구성하는 경우에는 도 4에 도시한 바와 같이, 전력 저장 장치(30)로부터 발전된 에너지가 전력망(60)으로 출력된다. 이 때, 열전모듈(120) 양단에 제1 작동유체(A)와 제2 작동유체(B)가 열적으로 접촉하게 하여 열전모듈(120) 양단의 온도차를 통해 발전하도록 한다. 본 실시예에서 제2 작동유체(B)는 펌프(미도시) 등에 의하여 열전모듈(120) 타단에 접한 파이프(150)측으로 이동하여, 열전모듈(120) 양단에 제1 작동유체(A)와 제2 작동유체(B)가 접하여 양단 온도차를 통해 열전모듈(120)이 전력을 생산해낸다.
특히 본 발명에서는 저온의 제1 작동유체(A)를 상단에, 고온의 제2 작동유체(B)를 하단에 위치시킴으로써 대류에 의한 온도차를 극대화한다. 제1 작동유체(A)를 상단에 위치시키면, 열전모듈(120)의 냉각에 의해 제1 작동유체(A)의 가장 온도가 낮은 유체가 열전모듈(120)과 접촉된다. 그리고, 제2 작동유체(B)를 하단에 위치시키면, 발열장치(140)의 가열에 의해 제2 작동유체(B)의 가장 온도가 높은 유체가 열전모듈(120)과 접촉된다. 제벡 효과는 열전모듈(120) 양단의 온도차에 비례하여 발생되는 전력의 양이 커지게 되므로, 이러한 상하 배치 구성에 따라 발전효율을 극대화해 최대의 전력을 생산해낼 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 다른 전력 저장 장치의 구성을 설명하기 위하여 개략적으로 도시한 도면이다.
작동유체(A, B)를 다수의 모듈로 분리하면, 작은 입력 에너지로도 제1 및 제2 작동유체(A, B)간의 온도차를 크게 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 하나의 전력 저장 장치(30') 안에 다수의 모듈화된 소형 전력 저장 장치(30a, 30b, 30c)가 구성되어 있다. 각 소형 전력 저장 장치(30a, 30b, 30c)는 앞선 실시예에서처럼 제1 작동유체(A)와 이것을 저장하는 탱크(110'), 열전모듈(120'), 제2 작동유체(B)와 이것을 저장하는 탱크(130') 및 발열장치(140')를 포함한다. 각 구성부재들 사이에는 작동유체의 순환을 위한 파이프와 펌프, 그리고 온도차를 유지하기 위한 단열재가 구비될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 전력 저장 장치(30')는 앞선 실시예의 전력 저장 장치(30)에 비하여 소형 전력 저장 장치(30a, 30b, 30c)를 집적한 모듈형 설계인 점에 있어서 차이가 있다.
외부에서 입력되는 잉여 전력이 작은 경우에는 도 2에 도시한 바와 같은 단일형 설계의 전력 저장 장치(30)에 대해 제1 작동유체(A) 전체를 냉각하고 제2 작동유체(B) 전체를 가열하는 데에 에너지가 많이 필요하여 충분한 온도차를 내기 어려울 수 있다.
본 실시예와 같이 소형 전력 저장 장치(30a, 30b, 30c)를 집적하여 두면, 입력되는 잉여 전력이 작은 경우에는 예를 들어 소형 전력 저장 장치(30a, 30b, 30c) 중 소형 전력 저장 장치(30c) 하나만 작동하도록 한다. 냉각하거나 가열해야 할 작동유체(A, B) 양이 적으므로, 입력된 에너지에 의해 작동유체(A, B)간 온도차를 극대화할 수 있다. 따라서, 충방전시 전류량에 관계없이 소형모듈의 온도차를 최대화하여 효율을 극대화하는 효과가 있다.
이와 같이 어떤 소형 전력 저장 장치(30a, 30b, 30c)를 작동하도록 할 것인가는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같은 전력제어부(40)를 통하여 결정되고 그에 따라 운용이 될 수 있다.
열전모듈(120, 120')은 N형 열전 엘리먼트와 P형 열전 엘리먼트를 집적한 것이다. N형 열전 엘리먼트와 P형 열전 엘리먼트로 이루어진 P-N 열전 엘리먼트 1쌍이 기본 단위가 되며, P-N 열전 엘리먼트 상부 및 하부의 절연 기판, 그리고 전극을 포함하여 열전모듈이 구성될 수 있다. 전극은 상부의 절연 기판과 P-N 열전 엘리먼트 사이, 그리고 하부의 절연기판과 P-N 열전 엘리먼트 사이에 구비되어 P-N 열전 엘리먼트들을 직렬로 연결하게 된다. 예를 들어 상부의 절연 기판측이 탱크(110, 100')에 면접촉하고, 하부 절연 기판측이 제2 작동유체(B)측을 향하도록 할 수 있다.
열전모듈(120, 120')은 잉곳(ingot) 형태의 열전재료를 일정 크기로 절단하여 열전레그를 만들어 세라믹 기판에 접합하는 벌크(bulk)형, 소결한 열전재료 펠렛을 세라믹 기판에 접합한 형태, 또는 스퍼터링과 같은 MEMS(MicroElectroMechanical System) 공정을 이용하여 열전레그를 초소형으로 제작하고 기판으로는 유연성(flexible)이 있는 재료를 이용한 형태 등이 모두 가능하다.
열원의 온도(즉, 작동유체(A, B)간 온도차)에 따라 열전재료의 성능지수(ZT)가 변화하므로, 열전모듈(120, 120')은 높은 열전성능을 보일 수 있는 온도대역의 열전재료를 선정함이 바람직하다. 예를 들어, 작동유체(A, B)간 온도차를 100-150℃ 정도로 한다면 Bi2Te3와 같은 열전재료로 이루어진 열전 엘리먼트를 집적한 열전모듈을 이용하도록 한다. 작동유체(A, B)간 온도차를 400-500℃ 정도로 한다면 CoSb3, CeFe4Sb12, 이외에 Cu2Se와 같은 열전재료로 이루어진 열전 엘리먼트를 집적한 열전모듈을 이용하도록 한다. 물론 여기 언급된 열전재료 이외에 작동유체(A, B)간 온도차에 따라 열전재료의 ZT 특성으로부터 적절한 재료를 찾아 이용할 수 있다.
열전모듈(120, 120')은 내부 구성요소의 외부면 형태 즉, 단면상 사각형, 원형, 다각형의 형태에 구애받지 않도록 다수개의 조각으로 각각 나누어진 것을 포함시킬 수 있고, 또한 그 면적을 다양하게 조절할 수 있다. 예컨대 가로 x 세로가 수십 cm2가 되는 열전모듈을 사용할 수도 있고, 초소형의 크기로 만들어 부착하고자 하는 부위의 형태에 구애받지 않고 가로 x 세로가 수 cm2 크기가 되는 다수의 조각으로 나누어 부착하는 경우도 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 열전모듈을 이용해 전력 저장 장치를 구현하면 이차전지를 사용할 때에 비하여 오랜 기간 사용하여도 사이클에 따른 용량효율이 떨어지는 문제없이 사용할 수 있다. 따라서, 전력 저장 장치의 보증 기간을 늘릴 수 있다. 전력 저장 장치 교체 주기를 늘릴 수 있으므로, 비용 절감 효과 및 교체하는 동안 사용하지 못하는 불편함을 방지할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 전력 저장 장치는 반영구적 사용이 가능하다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 전력 저장 장치는 이차전지를 사용하는 경우에 비하여 외부충격에 의한 폭발 및 안전사고 위험이 낮다.
또한, 본 발명에 따르면, 대류현상을 이용해 발전효율을 극대화할 수 있고, 작동유체를 다수의 모듈로 분리하여, 충방전시 전류량에 관계없이 소형모듈의 온도차를 최대화하여 효율을 극대화할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10 : 에너지 저장 시스템 20 : 전력생산부
30, 30' : 전력 저장 장치 30a, 30b, 30c : 소형 전력 저장 장치
40 : 전력제어부 50 : 전력라인
60 : 전력망 100 : 하우징
110, 110', 130, 130' : 탱크
120, 120' : 열전모듈 140, 140' : 발열장치
150 : 파이프 160 : 단열재

Claims (13)

  1. 외부에서 입력되는 전력을 저장하여 출력하는 전력 저장 장치로서,
    발열장치, 제2 작동유체, 열전모듈 및 제1 작동유체가 아래에서부터 위로 순차적으로 적층되어 있고,
    외부에서 입력되는 전력을 통해 상기 제2 작동유체는 가열하고 상기 제1 작동유체는 냉각하여 온도차를 형성하는 충전모드와,
    이러한 온도차를 통해 상기 열전모듈을 발전시켜 전력을 출력하는 방전모드를 가지는 전력 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충전모드에서는 상기 발열장치를 이용해 상기 제2 작동유체를 가열시킴과 동시에 상기 열전모듈을 이용해 상기 제1 작동유체를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 방전모드에서는 상기 열전모듈에 상기 제2 작동유체와 제1 작동유체가 열적으로 접촉하게 되어 제백효과에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 작동유체와 제2 작동유체의 온도차는 단열시스템으로 유지하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 작동유체, 열전모듈, 제2 작동유체 및 발열장치는 하우징 안에 위에서부터 아래로 순차적으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 작동유체와 제2 작동유체는 각각 탱크에 저장되어 있고, 상기 제1 작동유체가 저장된 탱크는 상기 열전모듈과 면접촉함으로써 상기 제1 작동유체가 상기 열전모듈의 일단에 열적으로 접촉하고, 상기 제2 작동유체는 파이프 및 펌프를 통해 순환할 때에 상기 열전모듈의 타단에 열적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 탱크, 열전모듈, 파이프 및 펌프 주변에 단열재가 구비된 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 충전모드시 상기 제1 작동유체와 제2 작동유체는 열적으로 접촉하지 않고 상기 방전모드시 상기 제1 작동유체와 제2 작동유체는 상기 열전모듈의 양단에 열적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 작동유체의 가장 온도가 낮은 유체가 상기 열전모듈과 열적으로 접촉하고 상기 제2 작동유체의 가장 온도가 높은 유체가 상기 열전모듈과 열적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 작동유체를 다수의 모듈로 분리한 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전력 저장 장치는 다수의 모듈화된 소형 전력 저장 장치로 구성되고 각 소형 전력 저장 장치는 발열장치, 제2 작동유체, 열전모듈 및 제1 작동유체가 아래에서부터 위로 순차적으로 적층되어 있고 각 구성부재들 사이에 상기 작동유체의 순환을 위한 파이프와 펌프, 상기 작동유체의 온도차를 유지하기 위한 단열재가 구비된 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 외부에서 입력되는 전력에 따라 상기 소형 전력 저장 장치의 전부 혹은 일부를 사용하는 것을 특징으로 하는 전력 저장 장치.
  13. 전력생산부에서 생산된 전력의 일부를 저장하거나 저장된 전력을 방전하는 전력 저장 장치와,
    상기 전력생산부에서 생산된 전력 중 일부를 상기 전력 저장 장치에 저장하고 나머지는 전력망에 공급되도록 충전 제어 신호를 출력하거나, 상기 전력 저장 장치에 저장된 전력을 방전하여 상기 전력생산부에서 생산된 전력과 함께 상기 전력망에 공급되도록 방전 제어 신호를 출력하는 전력제어부를 포함하고,
    상기 전력 저장 장치는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 전력 저장 장치인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템.
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