KR20210108446A - 열 형태 에너지 축적 방법 및 플랜트(plant and method for accumulation of energy in thermal form) - Google Patents

열 형태 에너지 축적 방법 및 플랜트(plant and method for accumulation of energy in thermal form) Download PDF

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energy
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마리오 마갈디
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마갈디 파워 에스.피.에이.
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Abstract

열 에너지의 전달 및 축적을 위한 플랜트로서, 상기 플랜트는 유동 가능한 고체 입자들의 베드(3)를 가지는 종류(kind)의 축적 디바이스(1)를 적어도 하나를 포함하고, 상기 플랜트는 축적 디바이스(1) 각각에 대해서:
- 케이싱(2) 내에 배치되고, 그리고 상기 입자들의 베드(3)에 열적으로 연결되는 전기 레지스터 수단(7)들 - 상기 전기 레지스터(7)들은 Joule 효과에 의해 생성되는 열 에너지를 상기 입자들에 전달하도록 구성되고, 그리고 그들은 풍력 또는 광기전 소스로부터의 초과 전기 에너지에 의해 공급됨 - ; 및
- 또한 상기 입자들의 베드와 열적으로 연결되고, 그리고 그것으로부터 열 에너지를 전달받기 위해 선택적으로 작동될(actuated) 수 있는 열 교환 수단들(8; 5);
을 포함하고,
전체 구성은 상기 열 에너지가 레지스터 수단(7)들로부터 상기 베드(3)의 유동 가능한 고체 입자들로 전달되고, 그리고 상기 유동 가능한 고체 입자들로부터 상기 열 교환 수단들(8; 5)로 전달되도록 구성된다.

Description

열 형태 에너지 축적 방법 및 플랜트(PLANT AND METHOD FOR ACCUMULATION OF ENERGY IN THERMAL FORM)
본 발명은 주로 열 형태의 에너지 축적 방법 및 플랜트(plant)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유동 가능한 고체 입자(fluidizable solid particle)들의 베드(bed)를 사용하는 열 에너지 축적을 위한 디바이스(device)들을 사용한다.
특히 태양광(photovoltaic) 및 풍력 타입(wind type)의 재생 가능한 소스(renewable source)로부터 전기 에너지 생산을 위한 저-비용 플랜트(Low-cost plant)들이 알려져 있다.
지난 10년 동안 이탈리아와 전 세계에서 무엇보다도 탈탄소화(decarbonisation)(대기 중 CO2 배출이 없는 에너지원(energy source)들의 사용)의 관점에서 풍력 구성 요소의 사용뿐만 아니라 태양광 발전소(photovoltaic plant)들의 사용이 크게 증가했다. 실제로(indeed) 바람과 태양과 같은 그들의 불연속적인 자연(discontinuous nature)에 대한 재생 가능한 소스들로부터 생산의 구성 요소(component)가 증가함에 따라 몇몇 기간들 동안 이용되지 않은 에너지 가용성(energy availability)의 초과(excess)가 발생하여 생산의 전체 이용(overall exploitation)에 해를 끼치는(detriment) 상황들이 점점 더 자주 결정된다. 더욱이(moreover), 다른 기간들에 재생 가능한 소스들로부터 감소된 에너지 가용성을 보상하기(compensate) 위해 화석(fossil) 또는 원자력 연료들 또는 대규모 수력 발전소(hydroelectric plant)들로부터 에너지 공급이 필요하다.
더욱이, 전기 에너지의 비용은 에너지 시장의 추세에 따라 상당한 변동들이 있으며, 최대값과 최소값의 차이가 큰 경우에는 최소비용으로 그것을 구매하여 축적하고 그리고 이후에 더 높은 가치로 다음 시간(subsequent time)들에 그것을 전달하는 것은 기회가 된다.
전술한 단점들을 해결하기 위해, 때때로 중요한 에너지 레벨(energy level)들을 저장하는 것을 허용하지 않는 전기화학 배터리(electrochemical battery)들에 의존한다(recourse). 더욱이, 몇몇 사용되는 전기화학 축적 시스템들은 무엇보다 그들의 짧은 유효 수명(useful life), 성능들과 관련된 높은 투자 비용, 환경 온도에 대한 후자의 의존성, 화재의 위험, 컨디셔닝 플랜트(conditioning plant)들의 필요성(원하는 온도를 유지하기 위해), 공해 금속(polluting metal)들 사용, 제한된 가용성, 운영 종료 시 폐기의 필요성 및 임의의 경우(case)에서 각 환경 조건에서 공급의 연속성을 보장하는 데 필요한 에너지 양의 위에서 언급한 제한된 축적 능력 때문에 전체 생산 시스템의 가장 중요한 요소이다.
본 발명에 의해 제기되고 해결된 기술적 문제는 특정 효과의 열 형태로 에너지를 축적하기 위한 플랜트를 이용할 수 있게 하여, 공지 기술을 참조하여 위에서 언급한 결점들을 극복하는 것이며, 특히 전기 또는 열 에너지를 최종 사용자에게 공급하는 경우 동작의 연속성을 보장하는 것이다.
전술한 기술적 문제는 청구항 1에 따른 플랜트 및 청구항 21에 따른 방법에 의해 해결된다.
본 발명의 바람직한 특징들은 종속항들에 기재되어 있다.
본 발명은 유동 가능한 고체 입자들의 베드에서 열 형태의 에너지 축적 및 축적된 에너지의 동시적 또는 후속적 전달 및/또는 전환(conversion)을 허용하는 디바이스(device)에 기초하여, 최종 사용자의 필요에 기초하여 출력되는(outgoing) 에너지의 프로그램 가능하고(programmable), 그리고 플랙시블한(flexible) 사용을 허용한다. 유리하게는(advantageously), 축적된 에너지는 전기 에너지로 재변환(re-transform)될 수 있거나, 예를 들어 지역 난방 또는 담수화 플랜트를 위해 열 형태로 직접 사용될 수 있거나, 또는 심지어 토목(civil) 또는 산업 애플리케이션(industrial application)들에서 이러한 두 가지 형태들의 조합된 사용의 대상이 될(subjected to) 수 있다.
입자들의 베드에 축적된 열 에너지는 동일한 베드에 삽입(insert)되거나 열적으로 연결된 구성 요소들에 의해 생산되며, 이 구성 요소는 예를 들어 하나 이상의 태양광, 풍력 시스템들 또는 다른 에너지원들과 관련된 시스템들에 의해 공급되는 과잉 생산(production excess) 또는 사용자의 부하(users' load)들 감소로 인해(due to) 그리드(grid)에서 초과되어 사용 가능한 전기 에너지를 이용한다. 일반적으로, 제안된 디바이스는 다른 소스들에서 오는 전기 에너지(예를 들어, 특히 풍력 또는 태양광 발전소에 의해 생성된 에너지로서, 사용자의 요구 사항과 관련하여 초과되어 사용 가능한 전기 에너지)로부터 오는 전기 에너지를 열 형태로 축적한다.
대안으로, 또는 방금 설명된(illustrate) 것과 결합하여, 여러 소스들(예를 들어, 제강소(steel works), 시멘트 공장(cement plant)들, 화력 플랜트들 또는 기타 산업 프로세스(industrial process)들)에서 발생하는 열 폐기물(waste) 열 에너지의 축적을 위해 이용될 수 있다. 이 경우 전력(power) 열 에너지는 입자들의 베드의 유동화 가스(fluidization gas)를 가열하거나(heat) 이러한 입자들의 베드에 전용 열 교환기(dedicated heat exchanger)를 삽입하여 이용될 수 있다.
베드의 가열 구성 요소들의 상기 전기 또는 화력(thermal power) 시스템은 입자들의 베드를 수용하는 동일한 플랜트에 삽입될 수 있거나, 또는 그것에 대해(thereto) 개별 및/또는 원격 위치에 있을 수 있다.
더욱이, 유동화 된 베드의 가열의 상이한 단계(phase)들, 즉 상이한 온도 범위들에 대해 몇몇 전원(power source)들이 사용될 수 있다.
입자들의 베드를 가열하는 구성 요소들은 베드 그 자체에 침지될(immerse) 수 있으며, 예를 들어 전기 레지스터(electric resistor)들, 열 펌프 요소(heat pump element)들 또는 기타 다른 것들(other)을 포함한다.
입자들의 베드에 침지된 이러한 가열 요소들 또는 구성 요소들은 고온에 견디는 물질(예: 세라믹 또는 내화 수단(refractory mean)들)의 적절한 레이어(layer)들 또는 스크린(screen)들로 얻어지는 보호(protection)를 제공할 수 있다.
레지스터들을 사용하는 경우, 알려진 바와 같이, Joule 효과에 의해 열 에너지를 생산한다.
열 펌프들을 사용하는 경우, 여전히 알려진 바와 같이 그들은 전기 에너지를 이용하여 낮은 온도의 소스에서 높은 온도의 소스로 열 에너지를 전달할 수 있는 열 기계(thermal machine)이다. 낮은 온도의 소스는 예를 들어, 외부 환경이나 산업 프로세스들의 열 잔류물(thermal residue)(폐기물)들로 볼 수 있다(represented).
유리하게는, 가열 구성 요소들, 특히 열 펌프의 레지스터들 및/또는 콘덴서(condenser)는 디바이스의 케이싱(casing)의 측벽(side wall)들 또는 베이스(base)에 연결될 수 있다.
입자들의 베드는 모래(sand) 또는 높은 비열(specific heat)을 갖는 기타 적절한 재료를 포함하거나 또는 구성할 수 있다. 바람직한 구성들에서, 베드의 입자들은 축적 온도(accumulation temperatures)가 약 600℃ 이상(≥)에 도달하고 그리고 더욱 바람직하게는 약 700-1000℃ 범위에 포함된다.
위에서 언급한 바와 같이, 베드는 바람직하게는 유동화 가스, 일반적으로 공기를 분배하고 그리고 공급하기 위한 시스템의 수단(mean)들에 의해 유동화 된다.
유동화는 입자들의 전체 베드 또는 베드의 특정 동작 영역(예를 들어, 전기 저항기(resistance)들, 열 펌프의 컨덴서 또는 기타 가열 구성 요소)과 직접 접촉하는 섹션을 포함할 수 있다. 유리하게는, 유동화 시스템은 서로 독립적으로 활성화될 수 있는 여러 유동화 유닛 및/또는 유동화의 "격실(compartmentation)"인 베드의 선택된 일부분(part)들의 독립적 유동화의 가능성을 제공할 수 있다.
추가적인 바람직한 실시예에서, 가열 구성 요소들(예를 들어, 전술한 전기 레지스터들)은 이후에 상기 유동화 가스를 통해 이러한 베드에 열 에너지를 공급하여 입자들의 베드의 유동화 가스를 가열하도록 배치될 수 있다.
더욱이, 가열 구성 요소들은 디바이스의 다른 포인트들(예를 들어, 입자들의 베드의 자유 표면(free surface) 또는 프리보드(freeboard) 영역)에서 공급될 가스를 가열할 수 있다.
실시예 변형들에서, 가열 요소들은 또한(또는 오직) 입자들의 베드에 침지된 예를 들어, 튜브 번들과 함께 열 교환기들을 가로질러 유동하는 작동 유체 또는 캐리어(예를 들어, 공기 또는 물)를 가열할 수 있다.
이러한 변형들에서 가열 요소들은 특히, 최대 800 - 900℃ 이상의 상기 동작 유체 또는 가스를 가열할 수 있도록 적용된다.
축적 플랜트는 지연된 방식으로 전기 에너지 및/또는 열 에너지의 생산 및 공급을 위해 또 다른 구성 요소 및/또는 플랜트로 열 에너지를 전달하도록 구성된다. 이를 위해 축적 디바이스는 다음의 열 교환 구성 요소들 중 하나 이상을 포함하거나 또는 관련될 수 있다:
- 축적된 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 여전히 다른 타입, 또는 열전(thermoelectric), 열이온(thermionic) 및/또는 열-광기전(thermo-photovoltaic) 타입의 요소들;
- 특히 전기 에너지 생산을 위한 열역학적 사이클을 공급하기 위해 작동 유체가 유동하는 - 입자들의 베드에 의해 랩핑되거나 또는 삽입되는 축적 디바이스 내에 하우징 되는(housed) - 열 교환기들;
- 필요에 따라 사용하는 다른 환경에 양도하기(cede) 위해 입자들의 베드에서 열 에너지를 차감하는(subtract), 열 펌프에 속하는 열 교환기들;
- 일반적으로, 토목, 농업 또는 산업 용도의 열 에너지를 직접적이고 효율적으로 사용하기 위해, 유체, 일반적으로 증기를 가열하기 위해 동작하는 열 교환기들.
바람직하게는, 그러한 열 교환 구성 요소들조차도 - 입자들의 베드에 침지되거나 또는 그것에 의해 랩핑되는 경우 - 고온에 견디는 물질, 예를 들어 세라믹 또는 내화 수단들의 적절한 레이어들 또는 스크린들에 의해 보호된다.
바람직하게는, 상기 열 교환 구성 요소들은 예를 들어 전기 스위치들 및/또는 밸브들에 의해 서로 독립적으로(independently) 선택적으로(selectively) 활성화되어, 다운스트림 사용자(downstream user)의 전기 및/또는 열 에너지에 대한 실제 요청(real request)에 따라 개입하거나(intervene) 또는 비활성화 될(deactivated) 수 있습니다.
축적 디바이스로부터의 열 에너지의 전달은 또한 대안적으로 또는 설명된 모드(mode)들과 함께 입자들이 베드에서 출력하는 고온의 유동화 가스를 직접 사용하여 발생할 수 있다. 전체적으로(wholly) 또는 부분적으로(partially) 사용되는 그러한 가스는 바람직하게는 다운스트림 사용자들에게 보내기 전에 고온에 견디는 세라믹 필터 또는 사이클론(cyclone)들의 수단들에 의해 먼지가 제거된다(dusted).
바람직한 실시예들에 기초하여, 후술하는 바와 같이 축적 디바이스의 두 가지 구성들이 제공된다.
제 1 실시예는 "폐쇄형(closed)"이라고 부를 구성에 기초하며, 여기서 입자들의 베드는 외부 환경을 향한 개구부(opening)들이 없는 케이싱 내에 하우징 된다. 따라서, 이 구성에서 입자들의 베드에 의해 축적된 열 에너지는 위에서 언급한 가열 구성 요소들에 의해서 독점적으로(exclusively) 생산된다.
제 2 실시예에서, "개방형(open)"이라고 부를 구성이 제공되며, 여기서 디바이스는 외부 환경을 향한 개구부가 제공된 케이싱을 가진다. 이러한 개구부를 통해 적절한 광학 시스템에 의해 집중된 태양 복사와 관련된 열 에너지가 입자들의 베드로 전달될 수 있다. 개구부는 스크린 없이 외부와 내부 환경 사이에 직접 연결을 허용하거나 또는 태양 복사에 투명한 창(window) 또는 패널(panel)을 제공할 수 있다.
전기 에너지의 생산을 위해, 가능하게는 헬리오스탯(heliostat)들에 의해 집중되는 태양 에너지 열 포텐셜(solar energy thermal potential)의 그러한 사용은 통상의 기술 분야에서 공지되어 있다. 특히, 태양 복사에 대해, 직접적으로 또는 간접적으로 노출된 유동 가능한 고체 입자들의 베드를 기반으로 하는 상기 열 에너지의 전달 및 축적을 위한 디바이스들은 예를 들어 WO2013/150347A1 및 WO2017/021832A1와 같이 공지되어 있다.
이러한 제 2 실시예에서 유동화된 벤(ben)에 축적된 열 에너지는 다음의 두 가지 원인(contribution)들에서 비롯될 수 있다: 즉, 유동 베드(fluid bed)에 의해 흡수되고 그리고 광학 시스템에 의한 태양 복사 농도(solar radiation concentration)와 같은 1차 에너지(primary energy)의 원인 및 동일한 유동층과 관련된 가열 구성요소에 의해 열 에너지로 변환된(converted) 전기 에너지와 같은 2차 에너지(secondary energy)의 원인.
이 마지막 실시예는 예를 들어 열 담수화(thermal desalination)와 같이 연속성을 필요로 하는 산업 프로세스들에 공급하기 위해 임의의 기상 조건(weather condition)들 하에서 열 에너지의 일정한 가용성을 보장해야 하는 경우에 특히 유리하다.
전술한 바와 같이 제안된 축적 시스템은, 바람직하게는 재생 가능한 소스들로부터 열 에너지를 축적하여 플랙시블하게 전기 및/또는 열 에너지를 생산한다. 그것은 다수의 축적 디바이스들을 사용할 수 있으며, 각각은 커뮤니티(community)들 및 산업 플랜트들의 24시간/365일 서비스에서 전기 및 열 에너지를 생산하기 위해 희망하는 대로 증식될(multiply) 수 있는 모듈(module)을 구현하고, 그리고 현재의 전기-화학적 축적 시스템들뿐만 아니라 화석 연료 에너지 생산 시스템들에 대해, 내구성 및 경제성을 제외하고, 지속 가능한 대안을 나타낸다.
지금까지 설명한 시스템은 수십 GWh까지 측정할 수 있는 양의 열 에너지를 축적할 수 있으며 이에 높은 레벨의 효율을 갖는 대형 터빈(large-sized turbine)들에 제공(serve)되기에 적합하다.
더욱이, 공지 기술과 관련하여 시스템은 전력망의 안정성을 위한 중요한 서비스들을 제공할 수 있으며, 전술한 바와 같이 후자(latter)는 불연속적인 재생 에너지들의 지속적인 증가로 인해 점점 더 불안정해져 이에 따라 화석이나 원자력 소스들에 기반한 전통적인 에너지원들을 포기할 수 있도록 허용한다.
제안된 시스템의 또 다른 이점은 인구 웰빙(population well-being) 및 환경에 대해 제로 환경 영향(zero environmental impact)을 가지고 그리고 저-비용 필수 서비스들을 제공하여 임의의 기후 조건 하에서 전 세계의 임의의 국가에 설치될 수 있기 때문에 위도(latitude)로부터 독립적이라는 점이다.
본 발명의 추가적인 이점들, 특징들 및 사용 모드들은 제한적인 목적들이 아니라 예시의 방식에 의해 도시된, 그것의 일부 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
첨부된 도면들은 다음과 같이 참조될 것이다:
- 도 1a는 본 발명에 따른 식물의 열 에너지를 축적 및 전달하기 위한 디바이스의 바람직한 제 1 실시예에 관한 것으로, 종단면(longitudinal section)에 대한 개략도(schematic representation)를 표시하며, 상기 디바이스는 폐쇄형 구성 내에 유동화 가능한 입자들의 베드에 삽입된 전기 레지스터들을 포함하고 그리고 열 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 위한 열이온, 열전 및/또는 열-광기전 구성 요소들이 구비된다(provided with);
- 도 1b는 도 1a의 디바이스의 제 1 실시예 변형에 관한 것으로, 레지스터들 대신에 열 펌프가 사용된다;
- 도 1c는 도 1a의 디바이스의 제 2 실시예 변형에 관한 것으로, 레지스터들 대신에 유동화 가스를 공급하기 위한 회로와 관련된 히터들이 사용된다;
- 도 1d는 도 1c의 디바이스의 실시예 변형에 관한 것으로, 동작 유체, 예를 들어 공기 또는 물을 가열하는 데 사용되는 히터들을 제공하며, 이는 입자들의 베드에 삽입된 적절한 열 교환기들 내에서 유동한다(flow);
- 도 2a는 본 발명에 따른 플랜트의 열 에너지 전달 및 축적 디바이스의 바람직한 제 2 실시예에 관한 것으로, 종단면에 대한 개략도를 표시하며, 도 1a의 구성에 입자들의 베드에 삽입된 열 교환기들이 추가되었다;
- 도 2b는 도 1b의 디바이스의 바람직한 실시예 변형에 관한 것으로, 그것의 종단면에 대한 개략도를 표시하며, 입자들의 베드에 삽입된 열 교환기들이 추가되었다;
- 도 2c는 도 1c의 디바이스의 바람직한 실시예 변형에 관한 것으로, 그것의 종단면에 대한 개략도를 표시하며, 입자들의 베드에 삽입된 열 교환기들이 추가되었다;
- 도 2d는 도 1d의 디바이스의 바람직한 실시예 변형에 관한 것으로, 그것의 종단면에 대한 개략도를 표시하며, 입자들의 베드에 삽입된 열 교환기들이 추가되었다;
- 도 3a는 본 발명에 따른 플랜트의 열 에너지 전달 및 축적 디바이스의 바람직한 제 3 실시예에 관한 것으로, 그것의 종단면에 대한 개략도를 표시하며, 개방형 구성에서 전기 레지스터를 사용하고, 그리고 열 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 위한 열 이온, 열전 및/또는 열-광기전 구성 요소들이 구비된다;
- 도 3b는 개방형의 대안적인 구성에서 도 2b의 동일한 실시예 변형에 관한 것으로, 그것의 종단면에 대한 개략도를 표시한다;
- 도 3c는 개방형의 대안적인 구성에서 도 2c의 동일한 실시예 변형에 관한 것으로, 그것의 종단면에 대한 개략도를 표시한다;
- 도 3d는 개방형의 대안적인 구성에서 도 2d의 동일한 실시예 변형에 관한 것으로, 그것의 종단면에 대한 개략도를 표시한다;
- 도 4a는 본 발명에 따른 플랜트의 열 에너지 전달 및 축적 디바이스의 바람직한 제 4 실시예에 관한 것으로, 그것의 종단면에 대한 개략도를 표시하며, 도 3a의 구성에서 입자들의 베드에 삽입된 열 교환기들이 추가되었다;
- 도 4b는 개방형의 대안적인 구성에서 도 1b의 동일한 실시예 변형에 관한 것으로, 그것의 종단면에 대한 개략도를 표시한다;
- 도 4c는 개방형의 대안적인 구성에서 도 1c의 동일한 실시예 변형에 관한 것으로, 그것의 종단면에 대한 개략도를 표시한다;
- 도 4d는 개방형의 대안적인 구성에서 도 1d의 동일한 실시예 변형에 관한 것으로, 그것의 종단면에 대한 개략도를 표시한다;
- 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 축적 플랜트의 블록 다이어그램(block diagram)을 도시하며, 각각 별도의 축적 모듈을 구현하는 전술한 실시예들 및 실시예 변형들 중 어느 하나에 따른 축적 디바이스를 포함하며, 플랜트는 재생 가능한 소스들에 의해 공급되고, 그리고 기존의(existing) 화력 발전소 내부에 삽입된다;
- 도 6은 도 5의 변형 구성에 대한 블록 다이어그램을 도시하며, 증기 재과열(steam re-superheating)을 수행하는 터빈이 삽입된다;
- 도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 에너지 축적 플랜트의 블록 다이어그램을 도시하며, 플랜트는 전기 에너지를 생산하고, 각각 별도의 축적 모듈을 구현하는 전술한 실시예들 및 실시예 변형들 중 어느 하나에 따른 축적 디바이스를 포함하며, 플랜트는 재생 가능한 소스들에 의해 공급되고, 그리고 상기 디바이스들은 전통적인 보일러를 대체한다;
- 도 8은 본 발명의 추가적인 바람직한 실시예에 따른 에너지 축적 플랜트의 블록 다이어그램을 도시하며, 이 플랜트는 열 에너지를 생산하고, 그리고 각각 별도의 축적 모듈을 구현하는 전술한 실시예들 및 실시예 변형들 중 어느 하나에 따른 축적 디바이스를 포함하며, 플랜트는 재생 가능한 소스들에 의해 공급된다; 그리고
- 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축적 플랜트 레이-아웃(lay-out)의 개략도를 도시하며, 전술한 실시예들 및 실시예 변형들 중 어느 하나에 따른 각각의 축적 디바이스에 기초한 50개의 모듈들을 각각 포함한다.
상기 도면에 표시되는 사이즈(size)는 순전히(purely) 예시적인 것(exemplifying)이며, 반드시 비례하게(proportionally) 나타내지는 않는다.
본 발명의 실시예들 및 변형들은 전술한 도면들을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.
유사한 구성 요소들은 여러 도면들에서 동일한 참조 번호로 지정된다.
이하의 상세한 설명에서, 동일한 설명에서 이미 다루어진 실시예들 및 변형들과 관련된 추가적인 실시예들 및 변형들은 이미 설명된 것과 관련된 차이점들로 한정되어 설명될 것이다.
더욱이, 이하에서 설명되는 몇몇 실시예들 및 변형들 뿐만 아니라 상대적인 구성 요소들, 수단들 및 요소들이 조합되어 사용될 가능성이 있다(be likely to).
도 1a를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 열 에너지 전달 및 축적 디바이스는 전체적으로 1로 지정된다.
이 디바이스는 열 에너지를 축적하고 전달하는 기능이 있는 플랜트, 특히 전기 및/또는 열 에너지 생산 플랜트에서 사용되기 위한 것이다.
우선 디바이스(1)는 내부 격실(internal compartment)(20)을 정의하는 컨테인먼트 케이싱(containment casing)(2)을 포함하고, 후자(내부 격실)를 유동화 가능한 입자들의 베드(3)를 하우징 하도록 구성된다.
케이싱(2)은 다각형(polygonal)(예: 입방체(cubic) 또는 평행육면체(parallelepiped))의 기하학적 구조(geometry)를 가질 수 있다. 본 예시에서, 케이싱(2)은 상부 벽(upper wall)(21), 사이드 스커트(side skirt)(23) 및 하부 벽(lower wall) 또는 베이스(24)를 가진다.
디바이스(1)의 기하학적 구조와 관련하여, 본 예시에서 수직 방향인 종방향(longitudinal direction)(L) 및 종방향(L)에 수직하며 본 예시에서 수평 방향(horizontal direction)인 횡방향(cross direction)(T)를 정의할 수 있다.
여기서 디바이스(1)는 폐쇄형 형태로 구성되며, 즉 외부 환경을 향하는 개구부를 갖지 않고, 그리고 바람직하게는 그것(외부 환경)에 대해 단열된다(thermally insulated).
유동화 가능한 입자들의 베드(3)는 고체(solid) 입자들에 의해 형성되는 과립형(granular type)이다. 디바이스(1)의 입자들의 베드에 대한 바람직한 입상 물질(granular material) 타입은 높은 능력, 전도성 및 열 확산율(thermal diffusivity)의 특징들을 가진다.
베드(3)는 내부 격실(20)을 점유하여(occupy) 심지어 사용 중에도 그 자체의 자유 표면(35) 위에(above) 자유 공간(22) 또는 프리보드(freeboard)를 남긴다(leave). 특히, 공간(22)은 자유 표면(35)에 의해 하부 측면(lower side)이 제한되고, 케이싱(2)의 벽(21)에 의해 상부 측면(upper side)이 제한되고, 그리고 케이싱 그 자체의 스커트(23)에 의해 측면으로(laterally) 제한된다.
입자들의 베드(3)는 바람직하게 유동화 수단들에 의해 움직이도록 설정되며, 전체가 4로 지정되고, 그리고 유동화 기체, 특히 공기를 동일한 입자들의 베드(3)를 통해 분배 및 공급하도록 구성된다. 본 실시예에서, 수단(4)들은 입자들의 베드(3)인 케이싱(2)의 하부 베이스(24)에 배치된 유동화 공기를 유입 또는 공급하기 위한 복수의 요소들을 포함한다.
입자들의 베드(3) 내의 유동화 공기 경로는 바닥에서 상부로, 특히 수직 또는 실질적으로 수직이다. 보다 일반적인 용어들로, 유동화 가스의 유입(introduce)은 종방향(L)에 따라 발생한다.
입자들의 베드(3)에서 나오는 유동화 가스는 자유 영역(free area) 또는 프리보드(22) 내에 수집되고 상부 벽(21)에 배치된(placed) 적절한 추출기 후드(extractor hood)들(도시되지 않음)에 의해 포획됩니다.
유리하게는, 유동화 가스의 속도 및/또는 유량을 선택적으로 변화시키기 위한 수단들이 제공될 수 있다. 동일한 방식으로, 입자들의 베드의 일부분들의 선택적 및/또는 차별화된(differentiated) 유동화가 제공될 수 있다.
하나 이상의 전기 레지스터(7)들 또는 저항기는 입자들의 베드(3) 내부에 위치되고, 그리고 바람직하게는 내부에 완전히 침지되어 있다. 본 실시예에서, 그들은 예를 들어, 입자들의 베드의 베이스로부터 유입되고 종방향(L)으로 연장된다(extend).
상기 레지스터(7)들은 예를 들어 광기전 및/또는 풍력 타입의 전기 에너지 생산 수단들에 의해 공급되고, 그리고 그들은 바람직하게는 예를 들어 세라믹 물질의 레이어들과 같이 고온에 내성인 스크린들(도시되지 않음)에 의해 보호된다.
자유 영역 또는 프리보드(22) 내에 케이싱(2)의 벽(21)에 연결되거나 또는 그 위에(on) 마운팅(mount)될 수 있는 하나 이상의 열교환 구성 요소(8)들이 하우징된다. 열 교환 구성 요소(8)들은 입자들의 베드(3)에 열적으로 연결되고 그리고 전기 스위치(미도시)들과 같은 시스템들에 의해 활성화될 수 있다. 본 예시에서, 유리하게는 구성 요소(8)들은 열전, 열이온, 열-광기전 타입 또는 그들의 조합이다. 구성 요소(8)들은 열 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하도록 구성되며, 이후에 실제로 입자들의 베드(3)의 열 에너지를 임의의 타입의 사용자들에 의해 사용 가능한 전기 에너지로 변환한다.
구성 요소(8)들은 유동화된 입자들의 베드(3) 내부에도 수용될 수 있으며, 이후에 유동화된 입자들에 침지되거나 또는 그에 의해 래핑된다.
구성 요소(8)들조차도 바람직하게 예를 들어, 세라믹 재료의 레이어들과 같이 고온 또는 마모에 강한 스크린들(도시되지 않음)에 의해 보호된다.
도 1b, 1c 및 1d 각각은 도 1a의 디바이스의 실시예 변형을 각각 표시하며, 여기서 전기 레지스터(7)들은 실제로 입구(inlet) 에너지, 특히 전기 에너지를 입자들의 베드(3)의 가열 열 에너지(heating thermal energy)로 변환하도록 구성된 입자들의 베드의 구성 요소들 또는 상이한 가열 수단들로 대체된다(replaced).
도 1b에서, 입자들의 베드(3)의 내부 열 교환기(70)들은 열 펌프(71)의 회로에 속하도록(belonging to) 위치되며, 후자(열 펌프)는 저온의 소스와 접촉하는 제 2 교환기(72), 압축기(73) 및 라미네이션 밸브(lamination valve)(74)를 포함한다.
도 1d의 변형에서, 70'으로 지정된 입자들의 베드에 침지된 교환기들은 동작 유체의 사용을 기반으로 하는 열 교환 회로(71')의 일부분이다.
도 1c에서, 유동화 가스를 공급하기 위한 회로 내부에 공기 히터(heater)(700)들이 삽입되어, 포함되는 열 에너지를 증가시키도록 허용하여 입자들의 베드(3)로 들어오는(inletting) 가스의 온도를 증가시킨다.
도 2a는 본 발명에 따른 디바이스의 제 2 실시예에 관한 것으로 본 명세서에서 1'로 지정된다. 디바이스(1')는 베드(3), 특히 튜브 번들(tube bundle)(5)들 내에 하우징된 추가 열 교환 요소들을 가진다는 사실 때문에 위에서 설명된 바와 같은 제 1 실시예 및 관련된 변형들과 상이하다. 그러한 튜브 번들(5)들은 동작 유체(예: 액체 및/또는 증기 상태의 물)에 의해 가로질러(cross)질 수 있고, 그리고 베드(3)의 입자들로부터 열을 받을 수 있다.
특히, 도 2a의 구성에서, 설계 온도 및 압력 조건들 하에서 튜브 번들(5)들을 통해 디바이스(1')에서 나가는 동작 유체는 전기 에너지의 생산을 위해 발전기에 커플링 된(coupled) 터빈(510)에서 확장(expand)하도록 만들어질 수 있거나 또는 다른 산업 목적들(예: 온수 생산, 컨디셔닝 시스템(conditioning system)들 또는 담수화 플랜트(desalination plant)들)을 위해 사용될 수 있다. 다시 말해서, 튜브 번들(5)들은 디바이스(1')가 삽입되는 플랜트의 추가 구성 요소들(예를 들어, 하나 이상의 터빈(510)들, 컨덴서(521)들, 과열 방지기(attemperator)(530)들, 중간 열 교환기(intermediate heat exchanger)(511)들, 펌프(520)들 등 각각 그 자체로 공지된 것)에 연결된다.
실시예 변형들은 입자들의 베드(3)와 관련된 열 교환 요소들 또는 단일 구성 요소들로서 튜브 번들(5)들을 제공할 수 있다.
도 1b 내지 도 1d와 유사하게, 도 2b, 2c 및 2d 각각은 도 2a의 디바이스의 실시예 변형을 각각 표시하며, 여기서 전기 레지스터(7)들은 실제로 입구 에너지(특히, 전기 에너지)를 입자들의 베드(3)의 가열 열 에너지로 변환하도록 구성된 입자들의 베드의 구성 요소들 또는 상이한 가열 수단들로 대체된다.
도 2b에서, 입자들의 베드(3) 내부에 열 교환기(70)들이 위치되며, 열 펌프(71)의 회로에 속하고, 후자(열 펌프)는 저온의 소스와 접촉하는 제 2 교환기(72), 압축기(73) 및 라미네이션 밸브(74)를 포함한다.
도 2d의 변형에서, 70'으로 지정된 입자들의 베드에 침지된 교환기들은 동작 유체의 사용을 기반으로 하는 열 교환 회로(71')의 일부분이다.
도 2c에서, 유동화 가스를 공급하기 위한 회로 내부에 공기 히터(700)들이 삽입되어, 공급되는 열 에너지를 증가시키도록 허용하여 입자들의 베드(3)로 들어오는 가스의 온도를 증가시킨다.
도 3a는 본 명세서에서 100으로 지정된 본 발명의 디바이스의 바람직한 제 3 실시예에 관한 것이다. 제 1 실시예 및 상대적인 상기 설명된 변형들을 참조하여 설명된 디바이스와 관련하여, 디바이스(100)는 케이싱(2)의 상부 벽(21)에 조사 개구부(10)를 가진다. 디바이스(100)와 관련된 광학 시스템(도시되지 않음)은 실제로 그러한 개구부(10)에 들어오는 입사 태양 복사(incident solar radiation)을 격실(20) 내에 집중시킨다(concentrate). 이러한 방식으로, 베드(3)의 입자들은 태양 기원(origin)의 1차 열 에너지를 흡수한다.
본 예시에서, 개구부(10)는 케이싱(2)의 상부 벽(21)에 배치된 것으로 표시되고 그리고 바람직하게는 그에 관하여 종방향으로 중심에 위치된다(centred). 실시예 변형들은 그것의 상이한 위치(positioning)를 제공할 수 있다. 동일한 방식으로, 개구부(10)는 동작 조건들 하에서 차폐(shielding) 또는 커버(covering) 수단들 없이 외부를 향해 완전히 개방될 수 있거나 또는 그것은 입사 태양 복사에 투명한 보호 창(protection window)을 가질 수 있다.
여기에서 고려되는 구성은 전기 레지스터(7)들 또는 이미 언급된 다른 구성 요소들의 전원(power supply)으로부터 그리고 조사 개구부(10)를 통해 집중된 태양 복사로부터 열 에너지를 축적하는 것을 허용한다.
도 3a는 또한 조사 개구부(10)의 마우스(mouth)에 배치된 디바이스(100)의 형상화된(shaped) 가둠 구조(confinement structure)(80) 또는 인비테이션(invitation)을 도시한다. 가둠 구조(80)는 전체적으로 또는 주로 디바이스(100) 외부로 발달할(develop) 수 있으며, 즉 빈 공간(22) 내에서 부분적으로 돌출할(project) 수 있거나 돌출할 수 없다.
가둠 구조(80)는 조사 개구부(10)의 수단들에 의해 케이싱(2)의 내부와 외부 사이의 직접적인 연통을 유지하도록 관통-개구부(through-opening), 즉 튜브형(tubular) 구조를 가진다.
실시예 변형에서, 가둠 구조(80)는 프리보드(22)가 외부를 향한 입자들 및/또는 공기의 누출을 감소시키거나 피하는데(avoid) 도움이 되는 안정화 챔버(calm chamber)를 정의한다.
본 실시예 변형에서, 가둠 구조(80)는 케이싱(2)의 내부를 향하여 감소하는 섹션을 가지는 테이퍼 된(tapered) 형상(특히, 원추형(conical))을 가진다. 가둠 구조의 이러한 섹션은 전용 광학 시스템에 의해 집중된 태양 복사의 방향을 간섭하지(interfere) 않도록 허용한다.
더욱이, 본 실시예 변형에서, 디바이스(100)는 일반적으로 조사 개구부(10) 또는 가둠 구조(80)에 배치된 보조 디바이스(9)를 포함한다. 보조 디바이스(9)는 열전 및/또는 열이온 및/또는 열광기전 패널(panel)들로 구성되며 전기 에너지 생성을 위해 입사 태양 복사에 직접 노출되도록 구성된다. 대안적으로, 디바이스(9)는 그 자체의 캐리어 유체의 수단들에 의해 태양 복사의 열을 직접 흡수하는 경향이 있는(apt to) 열 교환기로 구성된다.
다른 실시예들에 대해 설명된 것과 유사하게, 도 3b, 3c 및 3d 각각은 도 3a의 디바이스의 실시예 변형을 각각 도시하며, 여기서 전기 레지스터(7)들은 실제로 입구 에너지(특히, 전기 에너지)를 입자들의 베드(3)의 가열 열 에너지로 변환하도록 구성된 입자들의 베드의 구성 요소들 또는 여러 가열 수단들로 대체된다.
도 3b에서, 입자들의 베드(3)의 내부 열 교환기(70)들은 열 펌프(71)의 회로에 속하는 위치에 있으며, 후자(열 펌프)는 저온의 소스와 접촉하는 제 2 교환기(72), 압축기(73) 및 라미네이션 밸브(74)를 포함한다.
도 3d의 변형에서, 70'으로 지정된 입자들의 베드에 침지된 교환기들은 동작 유체의 사용을 기반으로 하는 열 교환 회로(71')의 일부분이다.
도 3c에서, 유동화 가스를 공급하기 위한 회로 내부에 공기 히터(700)들이 삽입되어, 포함된 열 에너지를 증가시키도록 허용하여 입자들의 베드(3)로 들어오는 가스의 온도를 증가시킨다.
도 4a를 참조하면, 이것은 본 명세서에서 100'으로 지정된 본 발명의 디바이스의 제 4 실시예를 개략적으로 설명한다. 도 2a의 구성과 유사하게, 디바이스(100')는 베드(3), 특히 튜브 번들(5)들 내에 하우징된 추가 열 교환 요소들을 가진다는 사실로 인해 도 3a를 참조하여 설명된 것과는 상이하다. 상기 튜브 번들들의 구성 및 이와 관련된 추가 플랜트 구성 요소들의 구성은 실제로 도 2a를 참조하여 위에서 이미 설명된 것과 동일하다.
보조 디바이스(9)는 입자들의 베드에 침지된 열 교환 요소(5)들로부터 독립적일 수 있거나 그것에 연결될 수 있다.
도 4b, 4c 및 4d는 각각 도 4a의 디바이스의 각각의 실시예 변형을 표시하며, 여기서 전기 레지스터(7)들은 실제로 입구 에너지(특히, 전기 에너지)를 입자들의 베드(3)의 가열 열 에너지로 변환하도록 구성된 입자들의 베드의 구성 요소들 또는 여러 가열 수단들로 대체된다.
도 4b에서, 입자들의 베드(3)의 내부 열 교환기(70)는 열 펌프(71)의 회로에 속하는 위치에 있으며, 후자(열 펌프)는 저온의 소스와 접촉하는 제 2 교환기(72), 압축기(73) 및 라미네이션 밸브(74)를 포함한다.
도 4d의 변형에서, 70'으로 지정된 입자들의 베드에 침지된 교환기는 동작 유체의 사용을 기반으로 하는 열 교환 회로(71')의 일부분이다.
도 4c에서, 유동화 가스를 공급하기 위한 회로 내부에 공기 히터(700)들이 삽입되어, 포함된 열 에너지를 증가시키는 것을 허용하여 입자들의 베드(3)로 유입되는 가스의 온도를 증가시킨다.
도 3a-3d 및 도 4a-4d를 참조하여 방금 설명된 것과 같은 "개방형" 구성에서, 축적 및 전달 디바이스는 열이온 및/또는 열전 및/또는 열-광기전 타입의 구성 요소들을 제공할 수 있으며, 상기 열이온 및/또는 열전 및/또는 열-광기전 타입의 구성 요소들은 도 1a 및 2a를 참조하여 언급되고 그리고 여러 실시예 변형들을 참조하여 위에서 소개된 다른 열 교환 구성 요소들 또는 저항기(7)들을 공급하도록 구성된 동일한 타입의 구성 요소(8)들의 케이싱(2) 외부(예를 들어, 조사 개구부(10) 주위)에 배치된다.
"폐쇄형" 및 "개방형" 형태의 본 발명 디바이스의 가능한 추가적인 구성(도시되지 않음)은 입자들의 베드에서 나오는 고온의 유동화 가스를 직접적으로 사용하여 대안적으로 또는 설명된 모드들과 함께 축적 디바이스로부터의 열 에너지 전달이 발생한다. 전체적으로 또는 부분적으로 사용되는 그러한 가스는 바람직하게는 다운스트림 사용자들에게 발송되기 전에 고온에 견디는 세라믹 필터들 또는 사이클론들로 먼지가 제거된다.
위에서 언급한 바와 같이, 지금까지 설명된 디바이스들 각각은 에너지를 열 형태로 축적하도록 구성된 플랜트에 삽입될 수 있다. 몇몇 가능한 추가 플랜트 구성들은 하기에 설명되어 있다.
도 5는 전체가 200으로 지정된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플랜트의 블록 다이어그램을 도시한다. 플랜트(200)는 전술한 실시예들 및 실시예 변형들 중 어느 하나에 따른 복수의 디바이스들을 포함하며, 각각의 디바이스는 별도의 축적 모듈을 구현한다. 도시된 예시에서는 210', 210'', 210ⁿ으로 각각 지정된 n개의 축적 디바이스들이 예시된다. 바람직하게는, 상기 언급된 디바이스들은 조사 개구부가 없는 유형이고, 그리고 예를 들어, 도 1a-1d 또는 도 2a-2d의 실시예 변형들에 따라 구현된다. 제안된 구성에서, 위에서 언급한 모듈들에 의해 축적된 열 에너지가 증기 생산에 사용되도록 제공된다.
플랜트(200)는 그것의 초과 전기 에너지(exceeding electric energy)를 이용하기 위해, 도면들에서 풍력 및 광기전 소스로 예시된 재생 가능한 소스(400)들에 의해 공급된다. 본 명세서에서 고려되는 실시예에서, 플랜트는 특히 발전 시스템 또는 파워 블록(202)에 속하는 터빈 및 화석 연료 보일러(300)를 포함하는 기존의 열전 플랜트 내부에 삽입되거나 또는 통합된다(incorporate).
그리드로부터의 수요(demand)에 따라, 플랜트(200)는 전력 생산을 위해 이 경우에서 전기 에너지 생산을 위해 플랜트에 이미 존재하는 파워 블록(202) 또는 발전 시스템으로 보낼 증기를 생성하기 위해 각 모듈에 포함된 적절한 열 교환 요소들 또는 적절한 열 교환기의 수단들로 인해 열 에너지의 방출을 제공한다.
플랜트(200)는 파워 블록(202) 및 그리드("grid")(500)로의 에너지 공급(특히, 축적 모듈들(210'-210ⁿ)로 들어가는 에너지 흐름들)을 제어하는 유닛(201) 또는 제어 시스템의 수단들에 의해 관리된다.
본 명세서에 예시된 구성에서, 발전 그룹(generation group)(202)에 근접한 플랜트에 대해 이용 가능한 영역에 의존하는(depend upon) 축적 모듈들의 개수는, 화석 연료의 소비 및 이에 상응하는 환경의
Figure pct00001
배출을 줄이거나 또는 제거하여, 이미 존재하는 보일러(300)의 동일한 화력 또는 그 일부만을 생성하도록 할 수 있다.
설치된 모듈들의 개수는 초기에 제한되고 그리고 이후에 보일러(300)의 동일한 화력 발전에 도달하도록 증가될 수 있다.
도 6은 도 5의 구성의 변형에 대한 블록 다이어그램을 도시하며, 여기서 발전 그룹(202)에는 터빈(230)이 삽입되어 증기 재과열을 수행한다.
도 6에 예시된 플랜트 변형의 사이클에서 증기 재가열("re-heating")이 제공되어 생산 효율성을 높일 수 있다. 이러한 재가열은 위에 설명된 디바이스들을 참조하여, 211'-211ⁿ으로 지정된 이미 설명된 유형의 추가 축적 모듈들의 수단들에 의해 수행된다.
이후에, 모듈식 디바이스들의 세트는 바람직하게는 두 개의 섹션들로 나뉘며, 여기서 두 섹션들의 모듈들은 재생 가능한 소스(400)들로부터의 전기 에너지를 변환하여 열 에너지를 축적한다. 모듈(210'-210ⁿ)들의 제 1 섹션에서 나가는 생성된 증기는 터빈(230)에 유입되고 그리고 제 1 팽창 단계(first expansion step) 후에 그 증기를 다시 가열하기 위해 모듈(211'-211ⁿ)들의 다른 섹션으로 다시 가져오며, 이후에 터빈(230)에 다시 유입된다.
다만 표시된 구성에서, 고체 연료를 가지는 보일러(300)가 제공되어 2개의 전용 라인(dedicated line)들 또는 섹션(301,302)들을 통해 증기 과열(steam superheating)을 통합시킨다.
도 7은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예 변형에 따른 에너지 축적 설비의 블록 다이어그램을 도시한다. 도 5와 관련하여 이미 설명된 것에 관하여, 여기에서 고려되는 플랜트에서 축적 모듈(210'-210ⁿ)들은 화석 연료 보일러를 완전히 대체한다.
도 8은 도 7의 방안(scheme)의 변형을 도시하며, 생성된 에너지가 열 사용자(205)들을 위해 사용된다. 여기에서 고려되는 플랜트는 이전 구성들과 마찬가지로 재생 가능한 소스들로부터의 전기 에너지를 변환하여 열 에너지를 축적하고 수요에 따라 연결된 열 사용자들에게 열 에너지를 전달한다.
도 9는 50개의 모듈들을 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축적 플랜트의 레이-아웃의 개략도를 도시하며, 각각은 위에서 언급된 실시예들 및 실시예 변형들 중 어느 하나에 따른 각각의 축적 디바이스를 기반으로 한다. 모듈은 재생 가능한 소스들로부터의 전기 에너지를 변환하여 열 에너지를 축적하고 그리고 요청 시 전용 발전 그룹의 수단들을 통해 전기 에너지를 생산한다.
예시된 것과 같은 모듈식 시스템은 높은 전력 밀도(power density)로 인해 작은 공간을 점유하여, 임의의 필요한 에너지 축적 레벨에 도달할 수 있으며, 예를 들어, 5 헥타르(hectares) - 100개의 열 모듈들 - 3000MWh를 40%의 효율성을 갖는 터빈에 공급하여, 1,000,000명의 주민들이 있는 도시에 공급할 수 있는 1200MWh에 필적한다(equal to).
전술한 모든 바람직한 구성들에서, 각 축적 모듈에는 연결된 사용자들의 동작 파라미터(operating parameter)들에 유체 온도를 맞추기(adapt) 위해 생산된 증기를 템퍼링하기(temper) 위한 시스템이 구비된다.
더욱이, 이미 말했듯이 각 플랜트 구성은 단일 모듈에 열 에너지를 축적하기 위한 단계들을 관리하고, 그리고 필요한 경우 전기 에너지의 형태로 또는 그 자체로 방출하는 것을 관리하는 제어 시스템을 제공한다.
이러한 맥락에서 전기 에너지 및 열 에너지의 결합 생산을 위해 추가적인 공동-생산 구성(additional co-generative configuration)들이 가능하다.
위에서 설명된 바와 같이, 막대한 양의 열 에너지를 축적할 수 있는 가능성은, 새로 적합하게 고안되고 그리고 구축된 터빈/발전기 그룹들 대신에, 심지어 기존의 화석 연료 발전소들을 사용하도록 허용할 수 있다. 후자의 가능성은 화석 연료들로 생산된 전기 에너지에 의해 돌아가는(perform) 현재를 재생 가능한 소스들에 의해 생산된 전기로 전환하는 요즘의 경제에 상당한 경제적 및 환경적 이점들을 가져올 수 있다.
본 발명은 본 발명의 플랜트와 관련하여 위에서 이미 설명된 기능들 기초하여 열 에너지를 전달하고 그리고 축적하는 방법을 추가적으로 제공한다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 주제(subject)를 설명하였다. 동일한 본 발명의 핵심에 속하는 다른 실시예들이 존재할 수도 있음을 의미하며, 모두 이하에서 전달되는 청구 범위들의 보호 범위에 속한다.

Claims (28)

  1. 열 형태 에너지 축적용 플랜트로서, 상기 플랜트는 적어도 하나의 축적 디바이스(1)를 포함하고, 상기 축적 디바이스(1)는:
    컨테인먼트 케이싱(containment casing)(2);
    상기 케이싱(2) 내에 수용된(received) 유동 가능한 고체 입자(fluidizable solid particle)들의 베드(bed)(3) - 상기 가열 수단들은 상기 입자들에 열 에너지를 전달하도록 구성됨 -;
    입자들의 상기 베드(3)와 열적으로 연결되는(thermally connected) 가열 수단(heating mean)들(7; 70; 70'; 700); 및
    입자들의 상기 베드(3)와 열적으로 연결되고, 그리고 그로부터(therefrom) 열 에너지를 수용하도록 활성화되는(activated) 열 교환 수단들(8; 5);
    을 포함하고, 그리고
    전체 구성(overall configuration)은 상기 열 에너지를 상기 가열 수단들(7; 70; 70'; 700)로부터 상기 유동 가능한 고체 입자들의 상기 베드(3)로 전달되고, 그리고 동시에 또는 지연된 방식(deferred manner)으로, 상기 유동 가능한 고체 입자들로부터 상기 열 교환 수단들(8; 5)로 전달되도록 구성되고,
    상기 플랜트는 과잉 전기 에너지(excess electric energy)의 수단들에 의해 또는 산업 프로세스(industrial process)들로부터의 열 폐기물(thermal waste)인 잔류 열 에너지(residual thermal energy)의 수단들에 의해 상기 가열 수단들에 공급하도록 구성되는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 수단들은,
    상기 케이싱(2) 내에 배치(arrange)되고, 그리고 상기 입자들의 상기베드(3)에 접촉하는(in contact with),
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 수단들은,
    상기 케이싱(2) 내에 배치되고 그리고 입자들의 상기 베드(3)와 열적으로 연결되는 전기 레지스터 수단(electric resistor mean)(7)들;
    을 포함하고, 그리고
    상기 전기 레지스터 수단(7)들은 Joule 효과에 의해 열 에너지를 생성하며, 그것을 상기 베드(3)의 상기 입자들로 전달하도록 구성되는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전기 레지스터 수단(7)들은,
    적어도 부분적으로, 입자들의 상기 베드(3)에 의해 랩핑되거나(lap) 입자들의 상기 베드(3)에 침지되도록(immerse) 배열되는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  5. 제 3 항에 있어서
    상기 전기 레지스터 수단(7)들은,
    입자들의 상기 베드(3)의 자유 표면(free surface)(35)에 대해 수직 방향(orthogonal direction)의 길이 방향으로(longitudinally) 연장되는(extend) 하나 이상의 직사각형 요소(oblong element)들을 포함하는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 수단들(7;70;70') 또는 상기 열 교환 수단들(8; 5) 중 적어도 하나는,
    내고온성 물질(material resistant to high temperatures)의 스크린(screen)들 또는 레이어(layer)들을 가지는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 수단들(700)은 상기 케이싱(2)의 외부에(externally) 배치되는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열 수단들(700)은,
    상기 베드(3)의 상기 입자들의 유동화 가스(fluidization gas)의 서킷(circuit)(4)에 열적으로 연결되고, 그리고
    상기 케이싱(2)에 들어가기(enter) 전에 상기 가스를 가열하도록 구성되는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 수단들은,
    사용 중에(in use) 동작 유체(operating fluid)에 의해 가로지르는(crossed) 열 교환기들(70;70')을 포함하는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 수단들(70)은 열 펌프 디바이스(heat pump device)(71)의 서킷의 일부인,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 교환 수단들은,
    사용 중에 동작 유체에 의해 가로지르도록 구성된 튜브 번들(5)들; 열-광기전 소자(thermo-photovoltaic element)들(8); 열이온 소자(thermionic element)들(8); 열전 소자(thermoelectric element)들(8); 중 적어도 하나의 구성 요소(component)들을 포함하는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이싱(2)은 입사 태양 복사(incident solar radiation)의 진입(entry)을 허용하도록 구성된 조사 개구부(irradiation opening)(10)를 가져, 입자들의 상기 베드(3)가 상기 입사 태양 복사로부터 열 에너지를 수용하도록 하는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 조사 개구부(10)는,
    사용 중에 폐쇄(closing) 또는 차폐(shielding) 수단들이 없는(devoid) 외부 환경에 상기 케이싱(2)의 내부 격실(inner compartment)(20)을 직접적으로 연통시키는(in communication with),
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 조사 개구부(10)는,
    상기 케이싱(2)의 상부 벽(21)에 배치되어, 유동 가능한 고체 입자들의 상기 베드(3) 또는 사용 중에 그것의 일부가 상기 입사 태양 복사에 직접적으로 노출되는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이싱(2)은 외부에 대해 폐쇄되거나, 또는 외부에 대해 단열되는(insulate),
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  16. 제 1 항에 있어서,
    유동화 가스를 유동 가능한 고체 입자들의 상기 베드(3) 내로 유입하도록(introduce) 구성되는 유동화 수단(fluidizing mean)(4)들을 포함하는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 유동화 가스의 속도 또는 유량 중 적어도 하나를 변경하기 위한 수단들을 포함하는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 유동화 수단들은 입자들의 상기 베드의 선택된 일부분들의 독립적인 유동화(independent fluidization)를 위해 구성되는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 교환 수단들과 유체 연통하는 터빈(turbine)을 포함하는 상기 축적 디바이스의 하단부(downward)들에 배치되는 전기 에너지 생산 수단(mean for production of electric energy)(202)들을 포함하는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  20. 제 1 항에 있어서,
    축적 디바이스 각각의 상기 열 교환 수단들을 가로지르는 동작 유체에 열적으로 직렬 또는 병렬로 배치되는 복수의 축적 디바이스들(1; 1'; 100; 100')를 포함하는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
  21. 열 형태의 에너지 축적 방법으로서, 상기 방법은:
    유동 가능한 고체 입자들의 베드(3)와 열적으로 연결되어 배치된 가열 수단들(7; 70; 70'; 700)에 의해 열 에너지를 생산하는 단계 - 상기 가열 수단들은 과잉 전기 에너지의 수단들에 의해, 또는 다른 산업 플랜트(other industrial plant)들로부터 오는 열 폐기물인 잔류 열 에너지의 수단들에 의해 공급됨 -;
    유동 가능한 고체 입자들의 상기 베드(3)에 열 에너지를 축적하는 단계; 및
    외부에 상기 열 에너지를 전달하거나 또는 상기 유동 가능한 고체 입자들의 상기 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것 중 적어도 하나를 위해, 열 교환 수단들(8; 5)로 축적된 열 에너지를 전달하는 후속(subsequent) 단계;
    를 제공하는,
    열 형태의 에너지 축적 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    선택된 동작 조건들 하에 활성화(activate)되는 상기 베드(3)의 상기 유동 가능한 고체 입자들의 유동화 단계;
    를 포함하는,
    열 형태의 에너지 축적 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 방법은 유동화 가스의 유량 또는 속도 중 적어도 하나의 조정(adjustment)을 제공하는,
    열 형태의 에너지 축적 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 방법은 입자들의 상기 베드의 선택된 일부분들의 독립적인 유동화를 제공하는,
    열 형태의 에너지 축적 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 방법은 입자들의 상기 베드에서 배출(outlet)하는 고온 유동화 가스로부터의 열 에너지 전달을 제공하는,
    열 형태의 에너지 축적 방법.
  26. 제 21 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 제 1 항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 따른 플랜트를 사용하는,
    열 형태의 에너지 축적 방법.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 과잉 전기 에너지는 재생 가능한 소스(renewable source)로부터 오는,
    열 형태의 에너지 축적 방법.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 과잉 전기 에너지는 재생 가능한 소스로부터 오는,
    열 형태 에너지 축적용 플랜트.
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