KR20200071500A - Liquid-air energy storage system using stirling device - Google Patents

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Abstract

An objective of the present invention is to provide a liquid-air energy storage system using a Stirling device, which can form a simple and small system and store gaseous air as liquid air by improving the liquefaction efficiency of the gaseous air by directly cooling the gaseous air by exchanging heat with a Stirling device. According to an embodiment of the present invention, the liquid-air energy storage system using a Stirling device may comprise: a liquefaction unit which includes a Stirling cooler of a Stirling device, and liquefies gaseous air suctioned into the Stirling cooler by power supplied to the Stirling cooler from a power source to create liquid air; a storage unit to store the liquid air created by the liquefaction unit; and a generation unit which includes a Stirling generator of the Stirling device, and uses the Stirling generator for the liquid air stored in the storage unit to perform heat exchange by a heat exchanger to generate power.

Description

스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템{LIQUID-AIR ENERGY STORAGE SYSTEM USING STIRLING DEVICE}Liquid air energy storage system using Stirling device{LIQUID-AIR ENERGY STORAGE SYSTEM USING STIRLING DEVICE}

본 발명은 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a liquid air energy storage system using a Stirling device.

천연가스와 재생가능 에너지원은 기후 변화 문제와 관련하여 해결책으로 그 중요성이 높다. 재생가능 에너지원을 통한 발전량은 매해 소폭 증가하고 있으며, 전세계적으로 전기의 일부가 재생가능 에너지원을 통해 생산될 것으로 예측된다. 재생가능 에너지원을 통한 발전은 출력의 변동폭이 크고 예측하기 어렵다. 따라서 안정적인 출력을 위해 에너지 저장소는 필수적이다. Natural gas and renewable energy sources are of great importance as solutions to climate change problems. The amount of electricity generated through renewable energy sources is increasing slightly every year, and it is predicted that a portion of electricity will be produced from renewable energy sources worldwide. Power generation from renewable energy sources has large fluctuations in output and is difficult to predict. Therefore, energy storage is essential for stable output.

이와 관련된 에너지 저장 시스템으로 최근 제안된 것이 액체 공기 에너지 저장 시스템(Liquid-air energy storage, LAES)이다. 액체 공기 에너지 저장 시스템은 발전된 에너지를 이용하여 공기를 액화시켜 저장, 그 후 필요에 의해 액화된 공기를 이용해 터빈을 돌려 발전하는 시스템이다. 액체 공기 에너지 저장 시스템에서는 시스템 구성의 고도화 또는 시스템 효율을 향상시키는 기술개발과 액체 공기의 저장 효율을 높일 수 있는 장치의 개발이 요구되고 있다.A liquid-air energy storage (LAES) has recently been proposed as a related energy storage system. The liquid air energy storage system is a system that liquefies and stores air using the generated energy, and then turns the turbine using liquefied air as needed to generate electricity. In the liquid air energy storage system, it is required to develop a system capable of improving the storage efficiency of the liquid air and technology development to improve the system configuration or improve the system efficiency.

본 발명의 실시예는 스털링 장치와 열교환을 통해 직접 냉각하는 방식으로 기체 공기의 액화 효율을 향상시켜 액체 공기로 저장할 수 있으며, 보다 간단한 소형 시스템을 형성할 수 있는 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템을 제공하기 위한 것이다.An embodiment of the present invention improves the liquefaction efficiency of gaseous air by directly cooling through heat exchange with a Stirling device, and can be stored as liquid air, and a liquid air energy storage system using a Stirling device capable of forming a simpler compact system. It is intended to provide.

본 발명의 실시예에 따른 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템은 스털링 장치의 스털링 냉동기를 포함하며, 전력원으로부터 스털링 냉동기에 공급되는 전력으로 스털링 냉동기에 흡입되는 기체 공기를 액화하여 액체 공기를 생성하는 액화부, 액화부에서 생성된 액체 공기를 저장하는 저장부, 그리고 스털링 장치의 스털링 발전기를 포함하며, 스털링 발전기를 이용하여 저장부에 저장된 액체 공기를 열교환기를 통해 열교환하여 발전하는 발전부를 포함할 수 있다.A liquid air energy storage system using a Stirling device according to an embodiment of the present invention includes a Stirling refrigerator of the Stirling device, and generates liquid air by liquefying gas air sucked into the Stirling refrigerator with power supplied from the power source to the Stirling refrigerator. It includes a liquefaction unit, a storage unit for storing the liquid air generated by the liquefaction unit, and a Stirling generator of the Stirling device, and includes a power generation unit for generating heat by exchanging liquid air stored in the storage unit using a Stirling generator through a heat exchanger. Can be.

스털링 장치는 고온부와 저온부의 온도 차이를 이용하여 기계적 움직임을 만들고 이를 통해 전력을 생산할 수 있다. 그리고 스털링 장치는 저온부의 온도를 냉각하고, 냉각된 저온부와 기체 공기를 열교환기를 통해 열교환시켜 액체 공기로 생성하여 저장할 수 있다.The Stirling device can make mechanical movements using the temperature difference between the hot and cold parts, and thereby generate power. In addition, the Stirling device cools the temperature of the low temperature portion, and heats the cooled low temperature portion and gas air through a heat exchanger to generate and store liquid air.

스털링 장치는 상온의 대기에서 열을 흡수하여 발전 전력을 생산하고 남은 열을 열교환기를 통해 액체 공기로 배출하며, 액체 공기는 열교환기로부터 열을 흡수하여 상온에 도달한 후 대기 중으로 배출될 수 있다.The Stirling device absorbs heat in the air at room temperature to generate power, discharges the remaining heat to the liquid air through a heat exchanger, and the liquid air absorbs heat from the heat exchanger to reach room temperature and can be discharged into the atmosphere.

스털링 장치는 미리 설정된 온도영역에 대응하여 다단계로 형성될 수 있다. The Stirling device may be formed in multiple stages in correspondence with a preset temperature range.

다단계의 스털링 장치에서 기체 공기는 각 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 통해 냉각되고, 각 단계의 스털링 장치의 저온부와 순차적으로 열교환을 하며, 가장 낮은 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 하여 생성된 액체 공기를 저장부에 저장할 수 있다.In the multi-stage Stirling device, gaseous air is cooled through heat exchange with the low-temperature part of each Stirling device, sequentially exchanges heat with the low-temperature part of each Stirling device, and is generated by exchanging heat with the low-temperature part of the Stirling device of the lowest level. Liquid air can be stored in the reservoir.

다단계의 스털링 장치에서 기체 공기는 가장 낮은 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 통해 점차 온도가 상승하고, 각 단계의 스털링 장치의 저온부와 점진적으로 열교환을 하며, 가장 높은 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 하여 상온의 기체 공기가 되어 외부로 배출될 수 있다.In the multi-stage sterling device, gas air gradually increases in temperature through heat exchange with the cold part of the lowest sterling device, gradually exchanges heat with the cold part of each sterling device, and heat exchanges with the cold part of the highest sterling device. It can be discharged to the outside by being gaseous air at room temperature.

스털링 장치의 발전기를 이용해 상온과 저온의 온도 차이를 통해 전기를 생산할 수 있으며, 스털링 장치가 액화과정 혹은 발전과정에서 효과적으로 작동하여 높은 효율의 사이클 구성을 할 수 있는 효과가 있다. Electricity can be produced through the difference between room temperature and low temperature by using the generator of the Stirling device, and the Stirling device can effectively operate in the liquefaction process or the power generation process, thereby forming a cycle with high efficiency.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 열교환기에서 배출된 열이 스털링 장치를 통해 대기 중으로 방출되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 기체 공기가 액체 공기가 되는 과정을 온도와 엔트로피에 대해 그래프로 나타낸 도면이다.
도 4는 스털링 장치에서 배출된 열이 열교환기를 통해 대기 중으로 방출되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 액체 공기가 기체 공기가 되는 과정을 온도와 엔트로피에 대해 그래프로 나타낸 도면이다.
도 6은 다단 스털링 장치의 각 단계별 최적화된 저온부의 온도와 에너지 저장과 발전 과정에서 변화하는 공기의 온도를 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a liquid air energy storage system using a Stirling device according to an embodiment of the present invention.
2 is a view schematically showing a process in which heat discharged from the heat exchanger is discharged to the atmosphere through a Stirling device.
3 is a graph showing the process of gaseous air becoming liquid air with respect to temperature and entropy.
4 is a view schematically showing a process in which heat discharged from the Stirling device is discharged to the atmosphere through a heat exchanger.
5 is a graph showing the process of liquid air becoming gaseous air with respect to temperature and entropy.
FIG. 6 is a diagram showing the temperature of the low-temperature section optimized for each stage of the multi-stage Stirling device and the temperature of the air changing during energy storage and power generation.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of referring only to specific embodiments and is not intended to limit the invention. The singular forms used herein also include plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. As used herein, the meaning of “comprising” embodies certain properties, regions, integers, steps, actions, elements and/or components, and other specific properties, regions, integers, steps, actions, elements, components and/or groups It does not exclude the existence or addition of.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined differently, all terms including technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as those generally understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. Commonly used dictionary-defined terms are further interpreted as having meanings consistent with related technical documents and currently disclosed contents, and are not interpreted as ideal or very formal meanings unless defined.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템은 액화부, 저장부, 발전부를 포함한다.1 is a view schematically showing a liquid air energy storage system using a Stirling device according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 1, the liquid air energy storage system using a Stirling device according to an embodiment of the present invention includes a liquefaction unit, a storage unit, a power generation unit.

액화부는 스털링 장치의 스털링 냉동기(30)를 포함하며, 전력원(10)으로부터 스털링 냉동기(30)에 공급되는 전력으로 스털링 냉동기(30)에 흡입되는 기체 공기를 액화하여 액체 공기를 생성할 수 있다. 여기서, 기체 공기는 흡기 여과기(20)를 통해 스털링 냉동기(30)에 흡입될 수 있다. 전력원(10)은 그리드 파워(Grid power)를 포함하며, 액화과정에서 스털링 냉동기(30)에 전원을 공급하는 액화 전력원(10a)과 발전과정에서 스털링 발전기(40)로부터 전원을 공급받는 발전 전력원(10b)으로 구분할 수 있다.The liquefaction unit includes the Stirling freezer 30 of the Stirling device, and can generate liquid air by liquefying gas air sucked into the Stirling freezer 30 with power supplied from the power source 10 to the Stirling freezer 30. . Here, gas air may be sucked into the Stirling refrigerator 30 through the intake filter 20. The power source 10 includes grid power, and power generated from the liquefied power source 10a that supplies power to the Stirling refrigerator 30 during liquefaction and the Stirling generator 40 during power generation. It can be divided into a power source (10b).

스털링 장치는 고온부와 저온부의 온도 차이를 이용하여 기계적 움직임을 만들고 이를 통해 전력을 생산할 수 있다. 그리고 스털링 장치는 저온부의 온도를 냉각하고, 냉각된 저온부와 기체 공기를 열교환기(50)를 통해 열교환시켜 액체 공기로 생성하여 저장할 수 있다.The Stirling device can make mechanical movements using the temperature difference between the hot and cold parts, and thereby generate power. In addition, the Stirling device cools the temperature of the low temperature portion, and heats the cooled low temperature portion and gas air through the heat exchanger 50 to generate and store liquid air.

저장부는 액화부에서 생성된 액체 공기를 저장할 수 있다. 저장부는 상온으로부터 열침입을 차단하기 위해 단열성능을 지닌 액체 공기 저장용 탱크(100)를 포함할 수 있다.The storage unit may store liquid air generated in the liquefaction unit. The storage unit may include a tank 100 for storing liquid air having thermal insulation performance to block heat intrusion from room temperature.

발전부는 스털링 장치의 스털링 발전기(40)를 포함하며, 스털링 발전기(40)를 이용하여 저장부에 저장된 액체 공기를 열교환기(50)를 통해 열교환하여 발전할 수 있다. 스털링 장치는 상온의 대기에서 열을 흡수하여 발전 전력을 생산하고 남은 열을 열교환기(50)를 통해 액체 공기로 배출하며, 액체 공기는 열교환기(50)로부터 열을 흡수하여 상온에 도달한 후 대기 중으로 배출될 수 있다.The power generation unit includes a Stirling generator 40 of the Stirling device, and may generate power by exchanging liquid air stored in the storage unit through the heat exchanger 50 using the Stirling generator 40. The Stirling device absorbs heat in the air at room temperature to generate power, discharges the remaining heat to the liquid air through the heat exchanger 50, and the liquid air absorbs heat from the heat exchanger 50 to reach room temperature. It can be released into the atmosphere.

한편, 스털링 장치는 미리 설정된 온도영역에 대응하여 다단계로 형성될 수 있다. 이러한 경우, 다단계의 스털링 장치에서 기체 공기는 각 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 통해 냉각되고, 각 단계의 스털링 장치의 저온부와 순차적으로 열교환을 하며, 가장 낮은 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 하여 생성된 액체 공기를 저장부에 저장할 수 있다. 그리고 다단계의 스털링 장치에서 기체 공기는 가장 낮은 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 통해 점차 온도가 상승하고, 각 단계의 스털링 장치의 저온부와 점진적으로 열교환을 하며, 가장 높은 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 하여 상온의 기체 공기가 되어 외부로 배출될 수 있다.Meanwhile, the Stirling device may be formed in multiple stages in correspondence with a preset temperature region. In this case, in the multi-stage Stirling apparatus, the gas air is cooled through heat exchange with the low-temperature section of each Stirling apparatus, and sequentially exchanges heat with the low-temperature section of each Stirling apparatus, and exchanges heat with the low-temperature section of the Stirling apparatus of the lowest stage. The generated liquid air can be stored in the storage unit. In the multi-stage sterling device, the gas air gradually increases in temperature through heat exchange with the low-temperature part of the sterling device of the lowest level, gradually exchanges heat with the low-temperature part of the sterling device of each step, and with the low-temperature part of the highest-level sterling device. It can be discharged to outside by being gaseous air at room temperature through heat exchange.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 액체 공기 에너지 저장 시스템은 기존의 액화과정에서 사용되던 줄 톰슨 팽창부와 열교환기(50)는 스털링 장치의 스털링 냉동기(30)에 전력을 공급해주어 냉동기로 작동하게 할 수 있다. 그리고 스털링 장치의 발전기를 이용해 상온과 저온의 온도 차이를 통해 전기를 생산하게 할 수 있다. 스털링 장치의 냉동기와 발전기는 동일한 장치로 필요에 따라 냉동기와 발전기로 구동할 수 있다. 스털링 장치의 열역학적 모델인 스털링 사이클은 이론적으로 가장 이상적인 카르노 사이클과 유사하며 높은 효율을 특징으로 한다. 따라서 스털링 장치가 액화과정 혹은 발전과정에서 효과적으로 작동한다면 높은 효율의 사이클 구성이 가능하다. 그리고 스털링 장치와 열교환을 통해 직접 냉각하는 방식으로 기체 공기의 액화 효율을 향상시켜 액체 공기로 저장할 수 있으며, 보다 간단한 소형 시스템을 형성할 수 있다.As described above, the liquid air energy storage system according to an embodiment of the present invention uses the conventional Thomson expansion unit and heat exchanger 50 used in the liquefaction process to supply electric power to the Stirling freezer 30 of the Stirling device, so as a freezer. You can make it work. In addition, the generator of the Stirling device can be used to generate electricity through the difference between the normal temperature and the low temperature. The Stirling unit's freezer and generator can be driven by the same unit as required by the freezer and generator. The Stirling cycle, a thermodynamic model of the Stirling device, is similar to the ideal ideal Carnot cycle and features high efficiency. Therefore, if the Stirling device works effectively in the liquefaction or power generation process, it is possible to construct a high-efficiency cycle. In addition, the liquefaction efficiency of gas air is improved by directly cooling through a heat exchange with the Stirling device, and can be stored as liquid air, thereby forming a simpler and smaller system.

스털링 장치가 효과적으로 작동하기 위해서는 가장 열역학적 효율이 높은 조건에서 작동하여야 한다. 예를 들어 상온과 80K 사이에서 가장 높은 열역학적 효율을 갖도록 설계된 스털링 냉동기(30)를 상온과 150K 사이에서 작동할 경우 냉각용량은 설계된 조건에 비해 증가할 수 있다. 그러나 최적의 작동 조건이 아니기 때문에 열역학적 효율은 낮아지게 된다. 따라서 액체 공기 에너지 저장 시스템 내에서 각 온도영역에 따라 최적화된 스털링 냉동기(30)를 다단계로 효율 높은 사이클을 구성할 수 있다. 이는 스털링 냉동기(30)의 작동 조건 측면에서 뿐만 아니라 액화 과정에서 스털링 냉동기(30)와 공기의 열교환에서 발생하는 비가역성 측면에서도 바람직하다. 온도 차이가 적은 물체 사이에서 열교환이 일어나는 것이 비가역성이 작다.In order for the Stirling device to work effectively, it must be operated in the most thermodynamically efficient conditions. For example, if the Stirling refrigerator 30 designed to have the highest thermodynamic efficiency between room temperature and 80K is operated between room temperature and 150K, the cooling capacity may increase compared to the designed condition. However, the thermodynamic efficiency is lowered because the operating conditions are not optimal. Therefore, the Stirling freezer 30 optimized for each temperature region in the liquid air energy storage system can constitute a highly efficient cycle in multiple stages. This is preferable not only in terms of the operating conditions of the Stirling refrigerator 30, but also in terms of irreversible arising from heat exchange between the Stirling refrigerator 30 and air in the liquefaction process. Heat exchange between objects with little temperature difference is less irreversible.

이러한 다단계의 스털링 장치를 이용함으로써 기존의 액체 공기 에너지 저장 시스템에서 필요로 하였던 압축기, 터빈, 고압의 공기, 열교환기(50) 등이 스털링 장치로 대체되며 시스템의 복잡도가 감소하게 된다. 또한 기존의 100MW 급의 대규모 시스템이 아닌 마이크로 그리드(micro grid) 영역의 작은 규모의 시스템에서도 액체 공기 에너지 저장 시스템을 도입할 수 있다.By using such a multi-stage Stirling apparatus, compressors, turbines, high-pressure air, and heat exchangers 50, etc., which were required in the existing liquid air energy storage system, are replaced by Stirling equipment, and the complexity of the system is reduced. In addition, the liquid air energy storage system can be introduced in a small-scale system in a micro grid area rather than in a large-scale system of 100 MW.

도 2는 열교환기에서 배출된 열이 스털링 장치를 통해 대기 중으로 방출되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 기체 공기가 액체 공기가 되는 과정을 온도와 엔트로피에 대해 그래프로 나타낸 도면이다. 도 1 내지 도 3을 참조하여 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템의 동작을 설명한다. 스털링 장치를 이용하여 전기적 에너지를 통해 기체 공기를 액체 공기로 저장하는 과정을 설명한다. 액화 전력원(10a)으로부터 스털링 장치에 전력이 공급되면 스털링 장치는 스털링 냉동기(30)로 기능을 한다. 액화 전력원(10a)의 전력을 이용하여 스털링 장치 내의 작동 유체가 압축과 팽창을 반복하게 되고 이를 통해 스털링 장치의 저온부가 냉각된다. 흡기 여과기(20)를 통해 열교환기(50)로 기체 공기가 공급된다. 냉각된 저온부와 상온의 기체 공기는 열교환기(50)를 통해 열교환된다. 이러한 과정을 통해 기체 공기는 차가워지며 결국 액화되어 액체 공기를 저장하는 저장부에 저장된다. 이때 스털링 장치는 열교환을 통해 배출된 열을 대기 중으로 방출하게 된다. 도 2를 참조하면, 열교환기(50)에서 배출된 열이 스털링 장치를 통해 대기 중으로 방출되는 과정을 알 수 있다. FIG. 2 is a diagram schematically showing a process in which heat discharged from a heat exchanger is discharged into the atmosphere through a Stirling device, and FIG. 3 is a graph showing a process in which gaseous air becomes liquid air with respect to temperature and entropy. The operation of the liquid air energy storage system using the Stirling device will be described with reference to FIGS. 1 to 3. The process of storing gaseous air as liquid air through electrical energy using a Stirling device will be described. When power is supplied from the liquefied power source 10a to the Stirling device, the Stirling device functions as the Stirling refrigerator 30. Using the power of the liquefied power source 10a, the working fluid in the Stirling apparatus repeats compression and expansion, thereby cooling the low temperature portion of the Stirling apparatus. Gas air is supplied to the heat exchanger (50) through the intake filter (20). The cooled low temperature portion and the room temperature gas air are exchanged through the heat exchanger (50). Through this process, the gaseous air is cooled and eventually liquefied and stored in a storage unit for storing liquid air. At this time, the Stirling device releases heat discharged through heat exchange to the atmosphere. Referring to FIG. 2, it can be seen that the heat discharged from the heat exchanger 50 is discharged to the atmosphere through the Stirling device.

기체의 공기가 액체의 공기가 되는 과정을 온도와 엔트로피에 대해 그래프로 나타내면 도 3에 도시한 바와 같다. 도 2와 도 3을 참조하면, 기존의 액체 공기 에너지 저장 시스템에서 직접 공기를 압축하고 팽창하는 과정이 불필요하고, 스털링 장치와 열교환을 통해 직접 냉각해주는 방식으로 기체 공기를 액체 공기로 저장할 수 있다.When the process in which the gas air becomes a liquid air is graphically illustrated with respect to temperature and entropy, as shown in FIG. 3. 2 and 3, in the existing liquid air energy storage system, the process of directly compressing and expanding air is unnecessary, and gas air can be stored as liquid air by directly cooling through a heat exchange with a Stirling device.

도 4는 스털링 장치에서 배출된 열이 열교환기를 통해 대기 중으로 방출되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 5는 액체 공기가 기체 공기가 되는 과정을 온도와 엔트로피에 대해 그래프로 나타낸 도면이다. 도 4와 도 5를 참조하여 액체 공기를 이용하여 전력을 생성하는 과정을 설명한다. 스털링 장치는 고온부와 저온부에 온도 차이에 의해 기계적인 움직임을 만들 수 있다. 상온과 매우 차가운 액체 공기 사이의 온도 차이를 이용하여 기계적인 움직임을 만들고 이를 통해 전기적 에너지를 생산하는 방식으로 발전 과정(power recovery)이 이루어진다. FIG. 4 is a diagram schematically showing a process in which heat discharged from the Stirling device is discharged into the atmosphere through a heat exchanger, and FIG. 5 is a graph showing the process of liquid air becoming gaseous air with respect to temperature and entropy. The process of generating electric power using liquid air will be described with reference to FIGS. 4 and 5. The Stirling device can make mechanical movements due to the temperature difference between the hot and cold parts. Power recovery is achieved by making mechanical movements using the difference in temperature between room temperature and very cold liquid air, thereby producing electrical energy.

먼저 액체 공기와 스털링 장치의 저온부가 열교환을 한다. 이를 통해 스털링 장치의 저온부가 냉각되며 상온의 온도로 유지되는 스털링 장치의 고온부와 온도 차이가 발생한다. 스털링 장치는 고온부와 저온부의 온도 차이를 이용하여 기계적 움직임을 만들고 이를 통해 전력을 생산한다. 스털링 장치의 고온부는 도 4에 도시한 바와 같이 대기로부터 열을 흡수하여 일을 생산하고 남는 열을 저온부로 방출하며, 방출된 열은 열교환기(50)를 통해 액체 공기로 전달된다. 발전 과정의 액체 공기에 대해 나타내면 도 5에 도시한 바와 같다. 도 4와 도 5를 참조하면, 액체 공기는 열교환기(50)를 통해 저온부에서 방출한 열을 흡수하며 기화되어 상온에 도달하고, 대기중으로 배출된다. 기존 액체 공기 에너지 저장 시스템의 발전과정에서 고압의 공기를 터빈(turbine)을 통해 팽창시켜 일을 발생시켜 전력을 생산하는 것과 다르게 스털링 장치와의 열교환을 통해 액체 공기의 온도가 상승하여 배출되고, 전력은 스털링 장치에서 생산하게 된다. 스털링 장치에서 생산된 전력은 발전 전력원(10b)에 공급된다.First, the liquid air and the low temperature portion of the Stirling device exchange heat. Through this, the low temperature portion of the Stirling device is cooled, and a temperature difference is generated from the high temperature portion of the Stirling device that is maintained at a normal temperature. The Stirling device makes mechanical movements by using the temperature difference between the hot and cold parts, and generates power through them. As shown in FIG. 4, the high-temperature portion of the Stirling device absorbs heat from the atmosphere to produce work and discharges the remaining heat to the low-temperature portion, and the discharged heat is transferred to the liquid air through the heat exchanger 50. The liquid air in the power generation process is shown in FIG. 5. 4 and 5, the liquid air absorbs heat emitted from the low-temperature portion through the heat exchanger 50 and vaporizes to reach room temperature and is discharged into the atmosphere. Unlike the production of electric power by inflating high-pressure air through a turbine in the process of power generation of an existing liquid air energy storage system, the temperature of liquid air rises and discharges through heat exchange with a Stirling device, and discharges electricity. Is produced by the Stirling machine. The power produced by the Stirling device is supplied to the power generation power source 10b.

기존의 액체 공기 에너지 저장 시스템에서는 공기 자체가 직접 압축 과정과 팽창 과정을 거쳐 냉동 사이클(에너지 저장 과정)과 발전 사이클(에너지 발전 과정)의 과정을 거쳐 액체 공기로 저장되거나 전력을 생산하였다. 본 발명의 실시예에서는 에너지 저장 과정에서 스털링 장치를 이용하여 전력을 소비하여 저온부의 온도를 차갑게 냉각하고, 냉각된 저온부와 기체 공기를 열교환기(50)를 통해 열교환시켜 직접 액체 공기로 만들어 저장한다. 그리고 발전 과정에서는 스털링 장치를 이용하여 상온의 대기에서 열을 흡수하여 발전하여 전력을 생산하고 남은 열을 열교환기(50)를 통해 액체 공기로 배출한다. 액체 공기는 열교환기(50)로부터 열을 흡수하여 상온에 도달한 후 대기 중으로 배출된다.In the existing liquid air energy storage system, the air itself is stored as liquid air or produced power through a process of refrigeration cycle (energy storage process) and power generation cycle (energy generation process) through a direct compression and expansion process. In an embodiment of the present invention, in the energy storage process, power is consumed by using a Stirling device to cool the temperature of the low temperature portion coolly, and the cooled low temperature portion and gas air are exchanged through the heat exchanger 50 to be directly made into liquid air and stored. . In the power generation process, heat is generated by absorbing heat in the air at room temperature using a Stirling device to generate electric power and discharge the remaining heat to the liquid air through the heat exchanger 50. Liquid air absorbs heat from the heat exchanger (50), reaches room temperature, and is discharged into the atmosphere.

도 6은 다단 스털링 장치의 각 단계별 최적화된 저온부의 온도와 에너지 저장과 발전 과정에서 변화하는 공기의 온도를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하여 다단 스털링 장치(60)에 대해 설명한다. 본 발명의 실시예에서 스털링 장치는 열교환기(50)를 통해 기체 공기와 열교환을 하게 된다. 이러한 과정에서 기체 공기는 상온인 300K와 완벽히 액화되는 온도인 77K 사이의 온도를 갖게 된다. 따라서 고효율의 액체 공기 에너지 저장 시스템을 구성하기 위해서 이러한 온도 범위의 기체 공기와 스털링 장치의 저온부는 열교환기(50)를 통해 효율적으로 열교환을 해야 한다. 스털링 장치는 일반적으로 최적화된 저온부의 작동 온도와 열교환 용량을 갖고 있다. 예를 들어 어떠한 장치는 150K의 저온부를 가질 때 100W의 열교환 용량을 갖고 작동하며, 다른 장치는 77K에서 10W의 열교환 용량을 갖고 작동할 때 효율적으로 작동할 수 있다. 따라서 77K까지 도달할 수 있는 스털링 장치 한 대를 이용하여 액체 공기 에너지 저장 시스템을 구성하는 것이 아닌 300K 부터 77K의 온도 영역을 일정 구간 나누어서 나뉘어진 온도 영역에 최적화된 스털링 장치를 여러 대를 단계적으로 이용하여야 고효율의 액체 공기 에너지 저장 시스템을 구성할 수 있다. 이러한 구성을 다단 스털링 장치(60)(stirling machine array)로 명칭하였다. 도 6은 다단 스털링 장치(60)를 7단계로 형성하였을 때 다단 스털링 장치(60)의 각 단계별 최적화된 저온부의 온도와 에너지 저장과 발전 과정에서 변화하는 공기의 온도를 나타낸 것이다. 다단 스털링 장치(60)는 각 단계별로 최적화된 온도에 해당하는 기체 공기와 열교환기(50)를 통해 열교환을 하여 작동한다. 에너지 저장 과정에서 기체 공기는 각 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 통해 냉각되며, 특정 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 마쳐 충분히 냉각되면 더욱 낮은 온도에 최적화된 스털링 장치의 저온부와 열교환을 하게 된다. 이를 반복하여 가장 낮은 저온부 온도를 갖는 스털링 장치와 열교환을 마치면 기체 공기는 액체 공기가 되어 액체 공기 저장 탱크인 저장부에 저장된다. 발전 과정에서는 에너지 저장 과정과 반대로 진행된다. 가장 낮은 저온부 온도를 갖는 스털링 장치와 열교환을 통해 점차 온도가 상승하여 다음으로 낮은 저온부 온도를 갖는 스털링 장치와 열교환을 하고 점점 더 높은 온도의 저온부를 갖는 스털링 장치와 열교환을 하게 된다. 이를 마치면 상온의 기체 공기가 되어 외부로 배출된다.FIG. 6 is a diagram showing the temperature of the low-temperature section optimized for each stage of the multi-stage Stirling device and the temperature of the air changing during energy storage and power generation. The multi-stage Stirling device 60 will be described with reference to FIG. 6. In the embodiment of the present invention, the Stirling device exchanges heat with gas air through the heat exchanger 50. In this process, the gaseous air has a temperature between 300K at room temperature and 77K at full liquefaction. Therefore, in order to construct a high-efficiency liquid air energy storage system, the gas air in this temperature range and the low temperature portion of the Stirling device must efficiently exchange heat through the heat exchanger 50. Stirling devices generally have an optimized low temperature operating temperature and heat exchange capacity. For example, some devices operate with a heat exchange capacity of 100W when they have a cold section of 150K, while others can operate efficiently when operating with a heat exchange capacity of 10W at 77K. Therefore, rather than constructing a liquid air energy storage system using a single Stirling device that can reach 77K, the temperature range from 300K to 77K is divided into sections, and several Stirling devices optimized for the divided temperature range are used in stages. High-efficiency liquid air energy storage system can be constructed. This configuration was referred to as a multi-stage Stirling machine 60 (stirling machine array). Figure 6 shows the temperature of the air that changes in the energy storage and power generation process and the temperature of the optimized low-temperature part for each step of the multi-stage Stirling device 60 when the multi-stage Stirling device 60 is formed in seven steps. The multi-stage Stirling device 60 operates by exchanging gas air and heat exchanger 50 corresponding to the temperature optimized for each step. In the energy storage process, gaseous air is cooled through heat exchange with the low-temperature portion of the sterling device in each stage, and when it is sufficiently cooled by completing the heat exchange with the low-temperature portion of the sterling device in a specific stage, it exchanges heat with the low-temperature portion of the sterling device optimized for a lower temperature. . By repeating this, when the heat exchange with the Stirling device having the lowest low temperature is completed, the gaseous air becomes liquid air and is stored in the storage unit, which is a liquid air storage tank. In the power generation process, it goes against the energy storage process. The temperature gradually rises through heat exchange with the Stirling device having the lowest temperature, and then exchanges heat with the Stirling device having the lowest temperature. Upon completion of this, it becomes gaseous air at room temperature and is discharged to the outside.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described through the above, the present invention is not limited to this, and it is possible to carry out various modifications within the scope of the claims and detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it is within the scope of the present invention.

10 ; 전력원 20 ; 흡기 여과기
30 ; 스털링 냉동기 40 ; 스털링 발전기
50 ; 열교환기 60 ; 다단 스털링 장치10; Power source 20; Intake filter
30; Stirling freezer 40; Sterling generator
50; Heat exchanger 60; Multi-stage sterling device

Claims (7)

스털링 장치의 스털링 냉동기를 포함하며, 전력원으로부터 상기 스털링 냉동기에 공급되는 전력으로 상기 스털링 냉동기에 흡입되는 기체 공기를 액화하여 액체 공기를 생성하는 액화부,
상기 액화부에서 생성된 액체 공기를 저장하는 저장부, 그리고
상기 스털링 장치의 스털링 발전기를 포함하며, 상기 스털링 발전기를 이용하여 상기 저장부에 저장된 액체 공기를 열교환기를 통해 열교환하여 발전하는 발전부
를 포함하는 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템.A liquefaction unit comprising a Stirling refrigerator of a Stirling device, and liquefying gas air sucked into the Stirling refrigerator with electric power supplied from the power source to the Stirling refrigerator,
Storage unit for storing the liquid air generated in the liquefaction unit, and
A power generation unit including a Stirling generator of the Stirling device, and generating heat by exchanging liquid air stored in the storage unit through a heat exchanger using the Stirling generator.
Liquid air energy storage system using a Stirling device comprising a. 제1항에서,
상기 스털링 장치는 고온부와 저온부의 온도 차이를 이용하여 기계적 움직임을 만들고 이를 통해 전력을 생산하는 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템.In claim 1,
The Stirling apparatus is a liquid air energy storage system using a Stirling apparatus that generates mechanical movement by using a temperature difference between a high temperature portion and a low temperature portion, thereby generating electric power. 제2항에서,
상기 스털링 장치는 상기 저온부의 온도를 냉각하고, 냉각된 저온부와 기체 공기를 상기 열교환기를 통해 열교환시켜 액체 공기로 생성하여 저장하는 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템.In claim 2,
The Stirling device is a liquid air energy storage system using a Stirling device that cools the temperature of the low temperature portion and heats the cooled low temperature portion and gas air through the heat exchanger to generate and store liquid air. 제2항에서,
상기 스털링 장치는 상온의 대기에서 열을 흡수하여 발전 전력을 생산하고 남은 열을 상기 열교환기를 통해 액체 공기로 배출하며, 상기 액체 공기는 상기 열교환기로부터 열을 흡수하여 상온에 도달한 후 대기 중으로 배출되는 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템.In claim 2,
The Stirling device absorbs heat in the air at room temperature to produce electric power and discharges the remaining heat to the liquid air through the heat exchanger, and the liquid air absorbs heat from the heat exchanger to reach room temperature and discharges to the atmosphere Liquid air energy storage system using a stirling device. 제2항에서,
상기 스털링 장치는 미리 설정된 온도영역에 대응하여 다단계로 형성되는 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템.In claim 2,
The Stirling device is a liquid air energy storage system using a Stirling device that is formed in multiple stages in response to a preset temperature range. 제5항에서,
상기 다단계의 스털링 장치에서 기체 공기는 각 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 통해 냉각되고, 각 단계의 스털링 장치의 저온부와 순차적으로 열교환을 하며, 가장 낮은 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 하여 생성된 액체 공기를 상기 저장부에 저장하는 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템.In claim 5,
In the multi-stage Stirling apparatus, gas air is cooled through heat exchange with the low-temperature section of each Stirling apparatus, and sequentially exchanges heat with the low-temperature section of each Stirling apparatus, and is generated by exchanging heat with the low-temperature section of the Stirling apparatus of the lowest stage. A liquid air energy storage system using a Stirling device that stores the liquid air in the storage unit. 제5항에서,
상기 다단계의 스털링 장치에서 기체 공기는 가장 낮은 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 통해 점차 온도가 상승하고, 각 단계의 스털링 장치의 저온부와 점진적으로 열교환을 하며, 가장 높은 단계의 스털링 장치의 저온부와 열교환을 하여 상온의 기체 공기가 되어 외부로 배출되는 스털링 장치를 이용한 액체 공기 에너지 저장 시스템.In claim 5,
In the multi-stage sterling device, gas air gradually increases in temperature through heat exchange with the low-temperature portion of the sterling device of the lowest stage, gradually exchanges heat with the low-temperature portion of the sterling device of each stage, and with the low-temperature portion of the highest-stage sterling device. A liquid air energy storage system using a Stirling device that is heat-exchanged to become gaseous air at room temperature and discharged to the outside.
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