KR20200088553A - 공기조화냉방용 전력부하를 저감하는 기능을 갖는 외장 컨테이너형 에너지저장시스템 - Google Patents

Abstract

본 실시 예는 주로 리튬-이온 배터리와 같은 2차전지를 활용하는 에너지저장시스템(ESS)에 있어서 배터리의 충방전 성능 극대화와 과열로 인한 화재를 방지하기 위한 배터리 스택의 온도관리방안으로 공기조화냉방장치(Air Conditioner)를 활용하지만, 그로 인해 파생되는 상당한 전력부하를 저감하기 위해 냉방장치의 효율을 높이고, 냉방부하를 저감할 수 있는 기능을 갖는 수냉보조장치를 갖는 외장 컨테이너형 ESS에 관한 것이다.

Description

공기조화냉방용 전력부하를 저감하는 기능을 갖는 외장 컨테이너형 에너지저장시스템 {THE OUTDOOR CONTAINER TYPE ESS WITH THE FUNCTIOIN OF DIMINISHING THE POWER CONSUMPTION FOR AIR CONDITIONING}

에너지 저장(Energy storage)은 장치 혹은 물리적 매체를 이용하여 에너지를 나중에 사용하기 위해 저장하는 것을 말한다. 이에 쓰이는 장치 전체를 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)라고 한다. 일반 가정에서 사용하는 건전지나 전자제품에 사용하는 소형 배터리도 전기에너지를 다른에너지 형태로 변환하여 저장할 수 있지만 이런 소규모 전력저장장치를 ESS라고 말하지는 않고, 일반적으로 수백 kWH 이상의 전력을 저장하는 단독 시스템을 ESS라고 부른다.

ESS는 전력계통에서 발전, 송배전, 수용가에 설치되어 운영이 가능하며, 주파수 조정(Frequency Regulation), 신재생발전기 출력 안정화, 첨두부하 저감(Peak Shaving), 부하평준화(Load Leveling), 비상전원 등의 기능으로 사용된다.

에너지 저장은 저장방식에 따라 크게 물리적 에너지저장과 화학적 에너지저장으로 구분할 수 있다. 대표적인 물리적 에너지저장으로는 양수발전과 압축공기저장, 플라이휠 등을 들 수 있으며, 화학적 에너지저장으로는 리튬이온배터리, 납축전지, 플로우배터리, NaS 전지 등이 있다. 배터리 형식의 ESS를 BESS(Battery Energy Storage System) 이라고 하며, 흔히 ESS라고 하면 BESS를 말한다.

본 실시예에서는 화학적 에너지저장 중 리튬이온배터리를 주로 일컫는 BESS를 대상으로 하고 있으며, 외부환경에 설치하는 컨테이너 형태의 구조물내에 배터리 스택과 제어장치, 온도를 조절하는 공기조화장치, 전력계통을 조합한 외장 컨테이너형 에너지저장장치의 활용이 신재생에너지 연계형을 필두로 산업현장에 널리 적용되고 있다.

외장 컨테이너형 에너지저장장치의 경우, 배터리 용량에 따라 모듈화가 가능하고, 외부환경에 쉽게 설치가 가능하며, 온도제어도 건물내장보다는 간편한 여러 장점이 많아 널리 보급확산이 가속화되고 있다.

보급시장의 대부분을 차지하는 리튬이온 배터리를 활용하는 BESS의 경우, 배터리의 온도제어가 배터리 자체의 충방전 성능의 극대화 및 과열로 인한 열폭주를 막아 화재를 방지하는 중요한 역할을 한다. 따라서 배터리 스택의 온도를 섭씨 20~25도내의 상온으로 유지하는 것이 안정적인 ESS 운영에 필수적인 부분이며, 외부환경에 노출되는 외장형 컨테이너 타입의 ESS의 경우 이러한 조건은 더욱 중요한 부분이다.

일반적으로 외장형 컨테이너 타입의 ESS 내의 배터리 온도조절은 공기조화냉동장치(Air Conditioner)를 주로 사용하며, 컨테이너 내 기온을 낮추고, 습기를 제거함으로써, 열과 습기에 취약한 배터리의 상태를 최적화할 수 있으나, 시스템내 열평형을 맞추기 위한 소모전력이 상당하다.

최근의 ESS의 잦은 화재는 ESS의 온도조절 실패가 상당한 요인을 차지한다. 즉, 배터리의 온도상승이 열폭주를 야기하여 화재로 이어지는 경우가 많다. 따라서 배터리의 온도조절은 배터리 충방전 성능의 극대화로 인한 운영 상업성 개선은 물론, 화재안전을 위한 필수적인 운영조건으로써, 특히 습기에 취약한 배터리의 특성상 ESS 가 보관되어 있는 공간에 대한 공기조화냉동을 통한 온도 및 제습 제어가 적용된다.

그런데, 외부환경에 의해서, 직사광선 및 외기에 직접 노출되는 외장형 컨테이너 ESS 의 특성상, 그외의 많은 편익에도 불구하고, 냉방부하가 큰 전력소모원으로 부담으로 작용하며, 과부하로 인한 온도조절 실패는 단순히 충방전 성능저하 뿐만 아니라, 화재로도 이어질 수 있는 문제를 야기한다.

상업성적인 측면에서도, 신재생연계 ESS는 ESS의 충방전 전기에 대해서 가중치를 적용하여 매전단가를 결정하는데, ESS의 냉방전력소모로 인한 전력은 이러한 가중치가 적용된 전력으로써, 일반전기보다 훨씬 비싼 단가를 지불하는 구조이다. (2019년 기준 일반전기 대비 약 5배) 따라서 냉방전력부하를 줄이는 것은 ESS의 상업성 측면에서도 매우 절실하게 해결해야하는 문제라고 할 수 있다.

외장 컨테이너형 에너지저장장치에 있어서 공기조화냉동장치의 압축기를 지난 냉매는 컨테이너 외부의 응축기(condenser)를 지나게 된다. 이때 응축기의 외부온도와 응축기내 냉매의 온도차이가 공조기의 효율을 결정짓게 된다. 즉, 응축기에 대해서 냉각 성능을 향상시켜 응축기 입구와 출구의 냉매 온도차를 크게 벌여주는 것이 효율향상에 효과적이다.

도3에 설명되는 카르놋의 열효율에 의하면, 이상조건아래에서는 오로지 고온부와 저온부의 온도차이만이 열효율을 결정짓는 것을 알수 있다. 따라서, 컨테이너 내의 온도센서와 외기온도와의 온도차가 설정값 이상 벌어질 경우, 센서들로부터 신호를 받은 제어기가 공조기 부하가 커진다고 판단하고, 자동밸브를 여는 신호를 보내어 가압된 정제수가 분사노즐을 통과해 컨테이너 외부에 설치된 응축기에 냉각팬에 의한 바람과 함께 분사되게 된다.

이러한 작용을 통해, 냉각부하를 효과적으로 저감시켜줄 수 있는 응축기 수냉시스템을 구현한다.

응축기 표면에 분무노즐을 활용하여 발생시킨 액적형태의 정제된 가압수를 분사함으로써, 응축기내의 냉매의 온도차를 그렇지 않은 경우보다 더욱 크게 한다.

배터리 ESS는 신재생에너지와의 연계가 활발하여 인적이 드물거나 비상주지역에 설치되어 자동운전모드로 운영되는 경우가 많다. 외장형 컨테이너형 ESS는 이러한 환경에 있어서, 경제성및 효율성에서 매우 적합하여 보급이 확산되고 있지만, 화재 등에 취약한 상황이며 그 주원인은 시간에 따른 성능저하 및 설계오류에 의한 냉방부하를 넘어서는 발열로 인한 것이 상당하다.

ESS의 효율적인 충방전 성능유지 및 배터리의 수명, 그리고 화재방지를 위해 컨테이너 내의 온도 및 제습 제어용 공기조화냉방은 필수적이고, 이에 따른 전력소모 역시 필수불가결하지만, 여기에 소모되는 전력은 ESS 충방전 전기를 사용하게 되므로, 이를 지원하는 사업구조상 상당한 고가의 전력을 사용할 수밖에 없는 현실이다.

따라서 본 실시 예가 해결수단으로 제시한 수냉을 이용한 응축기의 효율향상은 결과적으로 냉각부하를 저감시켜서, ESS의 경제성을 향상시키고, 냉방부하를 초과하는 과열상황에 도움을 주어서, ESS 운영에 안정성을 줄 수 있는 효과를 제공한다.

매우 간단하면서도 강력한 열효율 향상의 효과로써, 섭씨 2-3도만 낮추는 효과더라도, 20년간 운영되고, 일반전기 대비 최대 5배의 매전단가를 갖는 전력을 사용하는 ESS의 사업적 특성상 그 경제적 효과는 매우 크다고 하겠다.

도1은 본 발명에 따른 외장형 컨테이너와 공기조화냉동장치 그리고 센서, 제어기, 노즐, 자동밸브, 가압수원을 나타내는 단면도이다.
도2는 본 발명에 따른 외장 컨테이너형 ESS의 공기조화냉각 장치의 구조를 설명하는 구성도이다.
도3은 본 발명에 따른 실시예에 적용되는 공기조화냉동의 열효율식이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 공기조화냉방용 전력부하를 저감하는 기능을 갖는 외장 컨테이너형 에너지저장시스템은 도1에 도시한 바와 같이, 외장형 컨테이너(10)와 그 안에 거치되는 배터리 ESS(11)의 스택은 컨덴서(20)와 증발기(21) 등으로 구성되는 공기조화냉각장치에 의해서 외장형 컨테이너(10)내의 온도 및 습도를 제어하게 된다.

섭씨25도 전후의 온도 이하 또는 이상에서는 배터리의 충방전 효율이 떨어지고, 수명이 단축되며, 특히 습도에 취약한 배터리는 온도와 습도 이상범위에서는 열폭주로 인해 화재의 위험성도 갖기 ‹š문에 외장형 컨테이너(10) 내에서의 공기조화냉각운영은 매우 중요하다.

그러나 하절기 같은 외부환경이 열약한 경우, 냉각부하가 가중되게 되며, 외장형 컨테이너(10)의 경우는 높은 단열기준을 적용하더라도, 취약한 환경에 의해 순간적으로 높은 냉각부하가 필요한 경우가 발생한다. 이러한 열약한 조건은 외장형 컨테이너(10)의 내부온도와 외부온도의 차이로 계산이 가능하며, 이러한 온도차이는 실내온도센서(30)과 실외온도센서(35)로 실시간으로 측정하게 된다.

온도센서(30,35)간의 차이값은 실시간으로 제어기(31)로 측정되며 이 온도차이가 설정값 이상으로 판단되면, 제어기(31)는 계패신호를 자동밸브(33)로 보내게 된다. 자동밸브(33)는 제어기의 신호에 의해 단계적으로 밸브를 계패하여 노즐(32)로 공급되는 냉각수의 양을 조절한다.

가압수원(34)에 저장된 냉각수는 필터링되고 저온의 지하수 같은 수원을 활용하며, 노즐(32)를 통과하면서 작은 액적으로 분무되게 된다. 이 액적분무는 응축기(20)의 열교환기(주로 판형을 갖음)에서 액적의 잠열효과로 냉각을 극대화하여 저온부의 온도를 낮추게 되어, 결과적으로는 열효율식에 의한 열효율을 높이게 된다.

이것은 매우 간단하면서도 강력한 열효율 향상의 효과로써, 섭씨 2-3도만 낮추는 효과더라도, 20년간 운영되고, 일반전기 대비 최대 5배의 매전단가를 갖는 전력을 사용하는 ESS의 사업적 특성상 그 경제적 효과는 매우 크다고 하겠다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사사범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

10: 외장형 컨테이너
11: 배터리 ESS
20: 공조기 컨덴서
21: 공조기 증발기
30: 온도센서
31: 제어기
32: 노즐
33: 자동밸브
34: 가압수원
35: 외기온도센서

Claims (5)

1. 실외에 설치되는 컨테이너 형태의 배터리 에너지저장장치에 대해서, 컨테이너 내부의 온도 및 컨테이너 외부표면 또는 외기의 온도를 감지하는 온도센서의 온도차가 설정값 이상일 경우, 자동밸브가 열려서 가압된 정제수가 노즐을 통해 응축기로 분사되어 응축기내의 냉매 온도를 낮추는 작용을 하는 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서 가압된 정제수는 펌프로 가압되고, 단열된 용기에 저장되어 저온을 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서 자동밸브는 제어기의 신호에 따라 개폐의 정도를 선형적으로 조절하여 분사량 및 분사시간을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템
   
4. 청구항 1에 있어서 제어기는 컨테이너내의 실내기온과 컨테이너 외벽의 온도차이를 설정값 이상 될 경우, 자동밸브에 계폐의 여부 및 계폐의 정도에 대해서 신호를 보내는 것을 특징으로 하는 시스템
   
5. 청구항 1에 있어서 노즐은 정제수를 액적분무하여 냉각팬을 통해 발생한 풍량을 이용해 응축기의 표면에 균일하게 분사되는 것을 특징으로 하는 시스템
   

Images