KR20210076424A

KR20210076424A - 연기거동 특성을 활용한 초기화재 감지가 강화된 외장 컨테이너형 에너지저장장치

Info

Publication number: KR20210076424A
Application number: KR1020190167608A
Authority: KR
Inventors: 장영철
Original assignee: 주식회사 플랜티
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-06-24

Abstract

본 실시 예는 주로 리튬-이온 배터리와 같은 2차전자를 활용하는 에너지저장시스템(ESS)에서 발생할 수 있는 화재의 발생 초기단계(early stage)에서,화재초기의 연기거동의 특성을 이용하여 빠른 화재감지를 통해 소화장치를 작동시키고 화재경보를 발신하여, ESS와 연계된 전력망을 포함한 주변부로의 급속한 화재확산을 감속시키고, 더 나아가 화재의 양상을 누그러뜨림으로써,본격적인 화재진압까지의 시간을 벌고, 주변부로의 화재확산을 방지하기 위하여, 외장형 컨테이너 내에 설치된 ESS를 대상으로 컨테이너 천장면에서의 연기감지센서 및 이와 연계된 화재초기진압 장치와 경보장치에 관한 것이다.

Description

연기거동 특성을 활용한 초기화재 감지가 강화된 외장 컨테이너형 에너지저장장치 {THE OUTDOOR CONTAINER TYPE ENERGY STORAGE SYSTEM WITH THE REINFORCED EARLY FIRE DETECTION}

에너지 저장(영어: 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 적용되고 있다. 외장 컨테이너형 에너지저장장치의 경우, 배터리 용량에 따라 모듈화가 가능하고, 외부환경에 쉽게 설치가 가능하며, 온도제어도 건물내장보다는 간편한 여러 장점이 많아 널리 보급확산되고 있다.화학적 에너지 저장장치의 경우, 주로 사용되는 리튬이온 배터리는 충·방전을 반복하다보면 덴드라이트(금속 표면 어느 한 부분에 비정상적으로 성장하는 나뭇가지 모양의 결정)가 발생할 수 있고, 외부 온도와 환경에 의해 셀 내 분리막이 손상될 수 있다. 이는 모두 내부 단락을 일으켜 열폭주를 발생시키고 화재로 이어질 수 있다. 이러한 리튬이온 배터리 스택에서의 화재는 일반적인 화재와는 달리, 전기화재이면서 동시에 화학적인 반응이 격렬하게 일어나서 빠른 시간내에 맹렬히 진행되는 화재특성을 가지고 있다. 최근 신재생에너지와 연계하여 신재생에너지[의 간헐성을 극복하고, 전력망내 첨두부하 저감을 위해 BESS의 보급확산이 가속되고 있는데, 설치운영 장소가 사람이 상주하는 건물, 공장 이외에도 사람이 상주하지 않거나 인적이 드문 산간이나 농지 등의 외부환경에도 화재의 위험성에 노출되고 있다. ESS의 배터리 자체의 화재로 이어지는 변형 등을 측정하는 기술, ESS의 온도제어하는 기술, ESS 스택이 거치된 외장형 컨테이너내의 온도제어 기술,ESS 화재시 자동센싱하여 화재를 진압하는 기술 등이 현재 활발히 개발되고 있다.

배터리 ESS 화재를 예방하기 위해서는 배터리 셀의 온도를 제어하는 것이 중요하지만, 일단 온도제어에 실패하여 열폭주로 이어지면 걷잡을 수 없는 빠른 화재확산으로 전개되는 화재 특성을 가지고 있다.모든 화재가 그러하듯이 일단 발생하게 되면, 화재 초기단계를 최대한 빨리 감지하여, 화재진압을 위한 설비가 개시되며, 화재경보가 외부 소방서나 관리자에게 자동으로 경보가 전해져서 자체 화재 피해를 줄이는 것은 물론, 주변으로의 확산을 막는 가장 중요한 점이다. 또한 화재감지가 신뢰성이 있어서, 불필요한 소화방재 행위로 인한 ESS 장비의 소실 및 발전의 장애는 금전적인 손실을 야기하므로, 빠른 화재감지와 신뢰도 높은 감지라는 두 목적을 동시에 성취해야 하는 과제를 내포하고 있다. 특히 ESS가 최근 신재생에너지 연계 방식이 급속히 확산되는 시장상황이므로, 인적이 드물거나 상주하지 않는 야외환경에 설치되는 경우가 많고, 고가의 신재생에너지 장치 또는 건물과 인접하고 있으며, 소방대가 투입하기까지는 상당시간이 걸리는 환경에 노출되어 있는 상황이다. 특히 문제가 발생하면 열폭주로 인한 맹렬한 화재로 인해, 위치한 산간지대 또는 신재생에너지설비까지 화재의 피해를 입는 경우가 상당하다. 배터리 ESS 화재는 절연을 필요로 하는 전기화재이며, 격렬한 화학반응을 보이며, 주변부로의 확산이 큰 재산피해를 유발할 수 있는 연계장치이며, 사람이 상주하지 않거나 인적이 드물어 화재발견 및 소화작업이 도심지보다는 오래걸리는 환경에 노출되어 있다. 따라서 ESS 화재초기의 현상특성을 이용한 초기화재감지 및 경보에 대한 기술을 필요로 하고 있다.

배터리를 이용하는 외장 컨테이너형 에너지저장장치는 배터리 셀의 문제 또는 공기조화장치의 이상 등으로 인해 화재에 취약한 특성을 가지고 있다.

그런데 그 화재는 절연소화를 요구하는 전기화재이며, 열폭주를 동반하는 격렬한 화학반응을 동반하며, 장치주변에 고가의 발전설비가 연계된 경우가 대부분이고, 화재발견 및 소화작업투입이 오래걸리는 무인환경 또는 인적이 드문 산지 등에 위치하고 있다.

따라서, 화재발생시 이를 빨리 감지할 수 있고, 또한그러한 감지가 신뢰성이 있어서, 이어 작동되는 경보 및 소화행위가 정확해야 한다.

ESS 화재는 일반적으로 전기화학반응에 의한 격렬한 열과 연기를 수반하므로, 초기 화재발생시, 연기가 발생하며, 연기는 천장벽면에 부딪히는 열 플륨(thermal plume)의 형태를 띄게 된다.

이러한 연기의 거동은 일종의 충돌제트(impinging jet)로써, 열에 의한 부력을 동력으로 천장면에 부딪히면서, 연기의 확산부가 일종의 롤케이크의 단면과 같은 모양을 띄게 되는데, 이 확산부의 머리(head)를 감지하는 것이 가장 신속하고 신뢰성있는 화재감지의 열쇠이다.

왜냐하면, 열원 감지의 경우, 충분히 온도가 올라가야, 빛과 열이 감지되어, 이미 화재가 가속화되는 시점에서야 감지가 가능하기 때문에, 감지하기까지 시간이 소요되며, ESS 장비가 많은 전기전자 신호를 나타내는 광원이 많기 때문에, 광원 감지의 경우, 신뢰도 저하가 문제가 될 수 있다.

따라서, 초기화재시 발생하는 충돌제트의 머리부분을 감지하는 연기감지센서를 컨테이너 내부 천장면에 설치하고, 초기연기거동의 두께변화를 통해 신뢰성을 높여 화재발생을 감지하고 이를 전기적 신호로 경보조치하는 일련의 초기화재감지장치를 통해 언급된 과제의 해결 수단으로 삼고자 한다.

가장 빠른 화재감지는 초기발생하는 연기를 감지하는 것이며, 특히 연기의 헤드부분의 두께변화를 통해 신뢰성을 높인 연기감지센서가 가장 빠르고 정확한 방법이다. 이를 통해 화재 초기단계에서 빠른 경보조치 및 초기진압 조치를 통해서, 화재확산을 미연에 방지하거나 최소한 속도를 늦출 수 있다. 이러한 화재 초기단계에서의 감지 및 경보 조치는 ESS 컨테이너 자체의 화재손실을 최소화함과 동시에, 주변부로의 확산 및 전력계통으로의 심각한 손실을 미연에 방지할 수 있는 조기경보시스템으로서의 역할로 그 효과가 기대된다고 할 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 센서부, 제어부, 그리고 스위치와 연결된 독립전원부, 소화부 그리고 통신부의 연결을 나타내는 구성도이다.
도2는 본 발명에 따른 외장 컨테이너형 ESS 의 모습과 소화부의 배치를 나타낸 예시를 묘사한 사시도이다.
도3은 본 발명에 따른 외장 컨테이너(70)의 내외부에 배치된 센서부(10)와 제어부(20), 독립전원부(30), 스위치(40) 및 소화액/소화분말이 충전된 소화부(50), 그리고 통신부(60)를 나타낸 단면도이다.
도4는 화재 초기 단계에서 고온 플륨(plume)으로 구성되는 충돌제트의 일반적인 형상 및 연기 머리(head) 거동을 나타낸 그림이다. 화점(80)으로부터 발생한 고온의 플륨(81)은 외장 컨테이너(70)의 천정면에 부딪히게 되며, 충돌 모멘텀에 의해 연기는 천장제트(82)를 형성하며, 연기의 머리(head)(83)부분은 점점 두꺼워지며 천장면을 따라 확산되어 나가게 된다.

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 화재확산 방지 기능이 강화된 외장 컨테이너형 에너지저장장치는 도1에 도시한 바와 같이, 센서부(10)와 제어부(20), 소화재가 충진된 소화부(50), 센서에서 신호를 받아 소방서 및 관리자에게 화재발생을 무선 또는 유선 등으로 경보하는 통신부(60) 그리고 상기 장치들에 전원을 공급하는 독립전원(30)으로 구성된다.

컨테이너(70) 내에 위치한 배터리 셀 스택에서의 열폭주로 인한 발화초기, 천정면으로의 연기가 발생하게 된다. 화점(80)으로부터 발생한 고온의 플륨(81)은 외장 컨테이너(70)의 천정면에 부딪히게 되며, 충돌 모멘텀에 의해 연기는 천장제트(82)를 형성하며, 연기의 머리(head)(83)부분은 점점 두꺼워지며 천장면을 따라 확산되어 나가게 된다. 기존의 확립된 화재연구의 결과들에 따르면, 화재초기에는 온도보다는 연기발생으로 인한 연기거동의 감지가 가능한 가장 빠른 화재초기현상이다.

따라서 화재초기 발생이 예상되는 연기해드(83)를 감지하기 위해, 천장제트(82)에 비해 두께가 두껍게 연기해드(83)이 형성된다는 것에 착안하여, 천장면으로부터 수직방향으로의 시간에 따른 연기두께의 변화율을 감지하는 연기감지센서(12)를 통해 초기 화재에 대한 신뢰성 있는 신호를 센서부(10)를 통해 감지한다. 감지된 신호를 통해 독립전원부(30)와 연결된 통신부(60)를 통해 관리자에게 경보를 전달하게 된다. 화재가 더욱더 진행되어서 온도센서(11)의 온도변화까지 수반하게 되면, 화재가 다음단계로 진행되며, 또한 신뢰성이 더욱 높아지므로, 이에 대해서 소화부(50)를 통해 화재소화를 위한 소화제 분사를 실시하게 된다. 이러한 단계적인 경보 및 화재소화 단계가 전개되면서, 화재대응의 단계적 조치로 피해를 최소화 할 수 있다.

본격적인 화재가 발생된것으로 제어부(20)에서 판단되면, 가압충전된 소화부(50)에서 소화재가 컨테이너(70)및 컨테이너 주변부로 비산분사되게 한다. 각각의 분사구의 개폐는 제어부(20)와 독립전원(30)으로 연결된 스위치(40)에서 결정되어, 분사목표지역을 향해 분사된다.

독립전원(30)을 사용함으로써 화재진행에 따른 전원단락으로 인한 시스템의 셧다운을 방지한다.

소화부(50)에 충진된 소화재는 전기화재 및 리튬이온배터리의 열폭주에 맞는 화학반응 제어에 맞는 소화액 또는 소화분말을 사용하여, 컨테이너(70) 표면을 덮게하여 컨테이너 내부로의 산소유입을 억제하여 소화에 도움이 되게 하고, 주변부로 분사된 소화재로 인해 주변으로의 화재확산을 억제한다.

전기화재의 경우, 통전으로 인한 감전사고 및 추가화재가 발생하므로, 절연소화 및 특수화재 소화에 맞는 소화재를 넓게 비산하는 것이 효과적이다.

이러한 작용을 통하여 완전소화 또는 화재확산 속도를 늦춰 화재진압 시간을 벌고, 주변부로의 화재확산을 막는다면 상당한 화재피해를 줄일 수 있을것으로 기대한다.화재가 발생했다고 판단되면, 배터리로 소화액을 직접 분사하는 것이 현명해보이지만, 사실 리튬이온배터리의 열폭주를 막기에는 현존 소화재로는역부족인 측면이 많고, 오히려 배터리 전소를 용인한채, 화재의 확산속도를 늦춰서 차라리 주변부로의 전이를 방지하는 것이 전체적인 피해감소효과로는 효율적으로 판단된다.

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

10: 센서부
11: 온도센서
12: 연기감지센서
20: 제어부
30: 독립전원부
40: 스위치
50: 소화부
60: 통신부
70: 외장 컨테이너
80: 화점
81: 고온플륨 (hot plume)
82: 천장제트 (ceiling jet)
83: 연기머리 (ceiling jet head)

Claims

실외 또는 실내에 설치되는 컨테이너 형태의 배터리 에너지저장장치에 대해서, 천장면에 연기감지센서를 통해 천장면으로부터 수직방향으로의 연기두께의 시간에 따른 변화를 감지하여 열원의 온도감지가 어려운 화재초기 단계의 화재 발생 유무를 감지하여 통신부로 화재경보신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 시스템
청구항 1에 있어서, 센서부와 제어부, 경보를 소방서와 관리자에게 유선 또는 무선 또는 유/무선 동시에 전송하는 것을 통신부, 그리고 스위치를 구동하는 전력이 독립적으로 운영되는 전력원을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템
청구항 1에 있어서, 센서부에서 연기감지센서를 통해 초기 연기거동 감지신호를 통신부로 송신하여 화재 초기 상태를 경보하고, 센서부에서 온도센서를 통해 화재감지에 대한 신뢰도가 높아질 경우에 소화액 분사를 구동하는 것을 특징으로 하는 시스템
청구항 3에 있어서, 전기화재 및 화학성 열폭발로 인한 화재에 적합한 분말형태의 소화제 또는 액상형태의 소화액을 가압용기에 충진하여, 스위치에 의해 컨테이너 내부는 물론, 외벽 및 컨테이너 사방주변으로 비산되는 것을 특징으로 하는 시스템