KR20210130319A - 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너 및 이를 포함하는 극저온 유체를 이용한 발전시스템 - Google Patents

극저온 유체용 상변화물질 컨테이너 및 이를 포함하는 극저온 유체를 이용한 발전시스템 Download PDF

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서정민
임형수
인세환
박지호
윤의수
최범석
박무룡
박준영
고준석
홍용주
염한길
박성제
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 열에너지의 저장 및 전달 성능이 우수한 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너 및 이를 포함하는 극저온 유체를 이용한 발전시스템을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 내부에 상변화물질이 수용되는 상변화물질 저장패널과, 상기 상변화물질 저장패널의 일측에 결합되고 제1유체가 유동하는 제1챔버와, 상기 상변화물질 저장패널의 타측에 결합되고 제2유체가 유동하는 제2챔버를 포함하며, 상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버는 반복적으로 적층 결합되고, 상기 제1챔버에서 유동하는 상기 제1유체의 열에너지를 회수하여 상기 상변화물질 저장패널에 저장하고, 저장된 열에너지를 상기 제2챔버에서 유동하는 상기 제2유체 측으로 제공하는 특징을 개시한다.

Description

극저온 유체용 상변화물질 컨테이너 및 이를 포함하는 극저온 유체를 이용한 발전시스템{CRYOGENIC FLUID TYPE PHASE CHANGE MATERIAL CONTAINER AND SYSTEM FOR GENERATING ELECTRICITY USING CRYOGENIC FLUID COMPRISING THEREOF}
본 발명은 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너 및 이를 포함하는 극저온 유체를 이용한 발전시스템에 관한 것으로, 상세하게는 특정 온도에서 온도의 변화 없이 상(狀)이 변하면서 열에너지를 흡수 또는 방출할 수 있는 상변화물질을 통해 일측에서 유동하는 유체가 보유한 열에너지를 회수하여 저장하고, 저장된 열에너지를 타측에서 유동하는 유체 측으로 제공할 수 있는 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너 및 이를 포함하는 극저온 유체를 이용한 발전시스템에 관한 것이다.
대용량의 에너지저장방식으로는 대표적으로 압축공기 에너지저장방식, 이차전치 및 액화공기 에너지저장방식 등을 들 수 있다.
압축공기 에너지저장방식은 전력 수요가 적을 때 공기를 압축하여 잉여의 전기에너지를 압력에너지로 저장하고, 전력 수요가 많을 때 압축된 공기를 팽창시켜 전기에너지를 생산하는 방식이다. 이는 비교적 높은 충/방전 효율을 가지고 수명이 길며 경제성이 높다는 이점이 있으나, 에너지 밀도가 낮기 때문에 넓은 설치 공간이 필요하며 설치할 수 있는 지역이 제한적이라는 단점이 있다.
이차전지는 음극과 양극 사이를 이동하는 전기화학적 방식으로 잉여의 전기전기에너지를 충전하고 필요에 따라 충전된 전기에너지를 방전하는 방식이다. 이는 비교적 에너지 밀도와 충/방전 효율이 우수하고 설치 공간이 작은 이점이 있으나, 수명이 상대적으로 짧고 온도 환경에 민감하여 열관리 및 제어에 따른 안전성의 우려가 있고, 생산되는 폐기물 처리에 따른 설치 및 유지비용이 크다는 단점이 있다.
액화공기 에너지저장방식은 에너지저장의 매체로 공기를 이용하는 점에서는 압축공기 에너지저장방식과 동일하지만, 전력 수요가 적을 때 공기를 액화하여 극저온의 에너지 형태로 저장하였다가 전력수요가 많을 때 가압 기화하여 팽창시켜 전기에너지를 생산하는 방식이다. 이는 비교적 대용량 에너지의 저장이 가능하면서도 압축공기 에너지저장방식과 달리 에너지 밀도가 높아 설치공간의 제약이 적고, 액화공기를 대기압 분위기에서 저장하기 때문에 설치위치 및 주변환경에 대한 제약이 거의 없고 안전하다는 이점이 있다. 그리고, 이차전지와 달리 대용량화에 유리하며 수명이 길고 경제적이며 공기를 에너지저장을 위한 매체로 활용하기 때문에 폐기물 발생의 우려가 없는 친환경적이라는 이점이 있다. 또한, 액화공기 에너지저장방식은 공기를 액화해야 하기 때문에 압축공기 에너지저장방식에 비하여 설치 및 유지비용이 높고 충방전 효율이 상대적으로 떨어지는 단점이 있으나, 버려지는 LNG 냉열이나 발전소, 공장 등의 폐열을 공기액화에 활용하면 다른 에너지저장 방식과 대등하거나 오히려 높은 충/방전 효율을 가질 수 있는 이점이 있다.
한편, 기존 액화공기 에너지저장방식은 공기를 압축 및 냉각시켜 액화공기를 생산하는 공기액화부와, 생산된 액화공기를 다시 가열 및 팽창시켜 전력을 생산하는 공기기화부를 포함한다.
하지만, 높은 압력에너지를 갖는 극저온의 액화공기는 대략 115K의 온도가 유지되어야 하기 때문에, 액화공기를 생산하는 과정에서는 많은 수량 및 고출력의 압축기 및 열교환기를 필요로 하게 된다. 그리고, 액화공기를 다시 가열 및 팽창시켜 전력을 생산하는 과정에서도 마찬가지 많은 수량 및 고출력의 열교환기를 필요로 하게 된다. 따라서, 전체 시스템의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위한 방안으로, 공기액화부 및 공기기화부를 연결하는 축열식 열교환기를 배치하여, 공기가 액화되는 과정에서 발생되는 온열에너지(Hot Thermal Energy)를 저장해두었다가 액화공기를 기화시키는데 상기 온열에너지를 제공하고, 반대로 액화공기가 기화되는데 발생되는 냉열에너지(Cold Thermal Energy)를 저장해두었다가 공기를 액화시키는데 상기 냉열에너지를 제공하도록 하는 경우가 있다.
하지만, 일반적으로 축열식 열교환기에는 열에너지 저장을 위한 상변화물질 등의 축열재가 내장되는데, 비록 열에너지의 저장 및 저장된 열에너지를 액화 및 기화 과정에 제공할 수는 있지만, 열원이 가지는 열에너지에 비해 저장 효율이 많이 떨어지고, 저장된 열에너지를 전달하는 과정에서도 전달 효율이 떨어지게 되어, 전체 시스템 측면에서 효율이 크게 증대되지 못하는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제2008-0056227호(2008.06.20.공개)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 열에너지의 회수, 저장 및 전달 성능이 우수한 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너 및 이를 포함하는 극저온 유체를 이용한 발전시스템을 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너는, 내부에 상변화물질이 수용되는 상변화물질 저장패널; 상기 상변화물질 저장패널의 일측에 결합되고 제1유체가 유동하는 제1챔버; 및 상기 상변화물질 저장패널의 타측에 결합되고 제2유체가 유동하는 제2챔버;를 포함하고, 상기 제1챔버에서 유동하는 상기 제1유체의 열에너지를 회수하여 상기 상변화물질 저장패널에 저장하고, 저장된 열에너지를 상기 제2챔버에서 유동하는 상기 제2유체 측으로 제공하며, 상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버는 반복적으로 적층 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너에 있어서, 상기 상변화물질 저장패널은 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버와 접촉하는 접촉면적에 대해 상기 상변화물질의 위치 이동을 억제하여 균일한 밀도가 유지되도록, 상기 상변화물질이 수용되는 내부공간을 복수의 공간으로 구획하는 격벽부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너에 있어서, 상기 격벽부재는 수직방향으로 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너에 있어서, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버는 내부공간에서 유동하는 유체가 상기 상변화물질 저장패널과의 접촉시간이 지연되도록 지그재그 형상의 유동경로를 형성하는 유동경로형성부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너에 있어서, 상단부 일측에 구비되고, 외부에서 공급되는 상기 제1유체를 내부로 유입하여 상기 제1챔버와 연결된 제1유입구 측으로 상기 제1유체를 분배하는 제1유입헤드; 하단부 타측에 구비되고, 상기 제1챔버와 연결된 제1배출구에서 배출되는 상기 제1유체를 일괄 유입하여 외부로 배출하는 제1배출헤드; 하단부 일측에 구비되고, 외부에서 공급되는 상기 제2유체를 내부로 유입하여 상기 제2챔버와 연결된 제2유입구 측으로 상기 제2유체를 분배하는 제2유입헤드; 및 상단부 타측에 구비되고, 상기 제2챔버와 연결된 제2배출구에서 배출되는 상기 제2유체를 일괄 유입하여 외부로 배출하는 제2배출헤드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너에 있어서, 상단부 일측에서 상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버에 관통 결합되고, 외부에서 공급되는 상기 제1유체를 내부로 유입하여 상기 제1챔버와 연결된 제1유입구 측으로 상기 제1유체를 분배하는 제1유입관부; 하단부 타측에서 상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버에 관통 결합되고, 상기 제1챔버와 연결된 제1배출구에서 배출되는 상기 제1유체를 일괄 유입하여 외부로 배출하는 제1배출관부; 하단부 일측에서 상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버에 관통 결합되고, 외부에서 공급되는 상기 제2유체를 내부로 유입하여 상기 제2챔버와 연결된 제2유입구 측으로 상기 제2유체를 분배하는 제2유입관부; 및 상단부 타측에서 상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버에 관통 결합되고, 상기 제2챔버와 연결된 제2배출구에서 배출되는 상기 제2유체를 일괄 유입하여 외부로 배출하는 제2배출관부를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너에 있어서, 상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버를 감싸고, 내면에는 진공부가 구비되는 단열커버를 더 포함할 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 극저온 유체를 이용한 발전시스템은, 기상의 유체를 액화시켜 저장탱크에 저장하는 유체액화부; 상기 저장탱크에 저장된 액상의 유체를 기화시켜 전력을 생산하는 유체기화부; 및 상기 유체액화부와 상기 유체기화부를 연결하는 전술한 상변화물질 컨테이너;를 포함하고, 상기 상변화물질 컨테이너는 상기 유체액화부의 유체의 액화 시 발생되는 온열에너지를 회수하여 상기 상변화물질 저장패널에 저장하고, 저장된 온열에너지를 상기 유체기화부의 유체의 기화를 위해 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 극저온 유체를 이용한 발전시스템에 있어서, 상기 유체는 공기일 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1챔버에서 유동하는 제1유체 및 제2챔버에서 유동하는 제2유체와 접촉되는 판상 구조의 상변화물질 저장패널을 통하여, 제1유체 및 제2유체가 보유하는 열에너지를 효과적으로 회수 및 저장할 수 있고, 열에너지의 열전달 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 극저온 유체를 이용한 발전시스템에 적용되는 상변화물질 컨테이너를 통하여, 유체의 액화 시 발생되는 온열에너지를 회수하여 저장하고 유체의 기화를 위해 저장되었던 온열에너지를 제공하거나, 반대로 유체의 기화 시 발생되는 냉열에너지를 회수하여 저장하고 유체의 액화를 위해 저장되었던 냉열에너지를 제공하므로, 극저온 유체의 저장 효율뿐만 아니라 전체 발전시스템의 효율을 크게 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 상변화물질 컨테이너를 설명하기 위한 측단면 예시도(a) 및 정면 예시도(b)이다.
도 2는 도 1의 A-A선을 따라 취한 다양한 단면 예시도이다.
도 3은 도 1의 B-B선을 따라 취한 다양한 단면 예시도이다.
도 4는 도 1의 C-C선을 따라 취한 다양한 단면 예시도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 상변화물질 컨테이너를 설명하기 위한 측단면 예시도(a) 및 정면 예시도(b)이다.
도 6은 도 5의 A-A선, B-B선, 및 C-C선을 따라 취한 단면 예시도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 상변화물질 컨테이너를 설명하기 위한 측단면 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 극저온 유체를 이용한 발전시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 상변화물질 컨테이너를 설명하기 위한 측단면 예시도(a) 및 정면 예시도(b)이고, 도 2는 도 1의 A-A선을 따라 취한 다양한 단면 예시도이며, 도 3은 도 1의 B-B선을 따라 취한 다양한 단면 예시도이고, 도 4는 도 1의 C-C선을 따라 취한 다양한 단면 예시도이다.
본 실시예에 따른 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너(100)는 상변화물질 저장패널(110), 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)를 포함할 수 있다.
상변화물질 저장패널(110)은 판 형상으로 형성될 수 있으며, 열전도성 소재로 이루어질 수 있다.
그리고, 상변화물질 저장패널(110)의 내부공간에는 상변화물질(Phase Change Material:PCM)이 수용될 수 있다.
상변화물질(PCM)은 특정한 온도에서 온도의 변화 없이 고체에서 액체, 액체에서 기체로, 또는 그 반대 방향으로 상(狀)이 변하면서 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 잠열재, 축열재 또는 열조절 기능을 하는 물질을 의미한다. 이와 같이 상변화물질이 상변화될 시 동일한 온도를 유지하면서 흡수 또는 방출하는 열을 잠열이라고 하는데, 현열에 비해 잠열은 상변화 온도에서 수십 배에서 수백 배의 에너지저장 및 방출 능력을 가질 수 있다.
상변화물질로는 유기물질, 무기물질 및 자연계에서 얻을 수 있는 식물성 등 다양한 온도에서 상변화를 일으키는 물질이 있는데, 예를 들어, 유기물질로는 탄소와 수소로 이루어진 하이드로카본 계열의 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸 등의 물질이 있으며, 무기물질로는 수화물 형태의 염화칼슘 등이 있다.
본 실시예에서의 상변화물질은 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)의 내부에서 유동하는 유체의 작동온도범위를 고려하여 적정의 온도에서 상변화를 일으킬 수 있는 물질을 선택하여 사용할 수 있다.
예를 들어, 기체 상태에서 액체 상태로 상변화되는 유체의 작동온도가 115K일 경우, 액체 상태에서 고체 상태로 상변화되는 상변화물질의 작동온도는 110 내지 120K일 수 있다. 이처럼 유체의 상변화 온도와 상변화물질의 상변화 온도의 차이가 상대적으로 작은 경우에는 상변화물질에서는 현열 또는 잠열을 이용한 열에너지의 저장 효율이 향상될 수 있고, 상변화물질의 무게 및 부피도 줄일 수 있다.
한편, 상변화물질 저장패널(110)은 복수개가 구비될 수 있으며, 복수개의 상변화물질 저장패널(110)은 제1방향(A1)으로 이격 배치될 수 있다.
상변화물질 저장패널(110)의 사이공간에는 챔버(120)가 배치될 수 있으며, 챔버(120)는 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)를 포함할 수 있다.
제1챔버(121)는 상변화물질 저장패널(110)의 일측에 배치 및 결합될 수 있다.
제2챔버(122)는 상변화물질 저장패널(110)의 타측에 배치 및 결합될 수 있다.
결과적으로, 상변화물질 저장패널(110), 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)는 제1방향(A1)을 따라 반복적으로 적층 결합될 수 있다.
제1챔버(121)에는 제1유체가 유동될 수 있고, 제2챔버(122)에는 제2유체가 유동될 수 있는데, 제1챔버(121)에서 유동하는 제1유체는 상변화물질 저장패널(110)의 일측면에 접촉될 수 있고, 제2챔버(122)에서 유동하는 제2유체는 상변화물질 저장패널(110)의 타측면에 접촉될 수 있다.
이에 따라, 상변화물질 저장패널(110)은 제1챔버(121)에서 유동하는 제1유체 또는 제2챔버(122)에서 유동하는 제2유체가 보유한 열에너지를 흡수하여 저장할 수 있다.
그리고, 상변화물질 저장패널(110)은 저장된 열에너지를 제1챔버(121)에서 유동하는 제1유체 또는 제2챔버(122)에서 유동하는 제2유체 측으로 다시 제공할 수 있다.
또한, 상변화물질 저장패널(110)은 제1챔버(121)에서 유동하는 제1유체의 열에너지를 회수하여 제2챔버(122)에서 유동하는 제2유체 측으로 열에너지를 제공할 수 있고, 반대로 제2챔버(122)에서 유동하는 제2유체의 열에너지를 회수하여 제1챔버(121)에서 유동하는 제1유체 측으로 열에너지를 제공할 수도 있다.
여기서, 상변화물질 저장패널(110)은 고체에서 액체, 액체에서 기체로, 또는 그 반대 방향으로 상변화되는 조건에 따라, 온열에너지(Hot Thermal Energy) 또는 냉열에너지(Cold Thermal Energy)를 흡수하거나 방출할 수 있으며, 이는 챔버(120)에 수용되는 유체의 작동온도 조건에 의해 결정될 수 있다.
한편 도 2를 참조하면, 상변화물질 컨테이너(100)는 격벽부재(112)를 더 포함할 수 있다.
격벽부재(112)는 상변화물질이 수용되는 상변화물질 저장패널(110)의 내부공간에 구비될 수 있으며, 상변화물질 저장패널(110)의 내부공간을 복수개의 공간으로 구획할 수 있다.
격벽부재(112)는 수직방향으로 구비될 수 있으며, 수평방향으로 설정된 간격으로 이격 배치될 수 있다. 이때, 상변화물질 저장패널(110)의 상단부에는 상변화물질을 채우기 위한 투입구(111a)가 구비될 수 있다. 사용 시 투입구(111a)에는 마개(111b)가 결합될 수 있다.
이러한 격벽부재(112)는 유체와 접촉하는 상변화물질 저장패널(110)의 접촉면적에 대해 내부공간에 수용되는 상변화물질이 흐트러지는 등의 위치 이동을 최소화할 수 있고, 균일한 밀도가 유지되도록 할 수 있다. 따라서, 유체와 접촉하는 상변화물질 저장패널(110)의 접촉면적에 대해 균일한 열전달 성능을 보장할 수 있다.
한편 도 3 및 도 4를 참조하면, 챔버(120)는 내부로 유체를 유입하기 위한 유입구와 챔버(120)에 수용된 유체를 외부로 배출하기 위한 배출구를 가질 수 있다.
도 3 (a)에서와 같이, 제1챔버(121)에 제1유체를 공급하기 위한 제1유입구(121a)와, 제1챔버(121)에 수용된 제1유체를 배출하기 위한 제1배출구(121b)가 형성될 수 있고, 이때, 제1유입구(121a)는 제1챔버(121)의 상단부 일측에 구비될 수 있고, 제1배출구(121b)는 제1챔버(122)의 하단부 타측에 구비될 수 있다. 이처럼 제1유입구(121a) 및 제1배출구(121b)가 최대로 이격 배치되게 대각방향으로 구비함으로써, 제1유입구(121a)를 통해 제1챔버(121)의 내부로 유입된 제1유체는 제1배출구(121b)를 통해 곧바로 배출되지 않고 제1챔버(121)에 채워지는 과정에서 유동이 잠시 정체될 수 있다. 이에 따라, 제1유체 및 상변화물질 저장패널(110) 간의 열에너지 전달 효율이 높아질 수 있다. 이 경우 제1유체는 액체일 수 있다.
그리고, 도 4 (a)에서와 같이, 제2챔버(122)에 제2유체를 공급하기 위한 제2유입구(122a)와, 제2챔버(122)의 제2유체를 배출하기 위한 제2배출구(122b)가 형성될 수 있고, 이때, 제2유입구(122a)는 제2챔버(122)의 하단부 일측에 구비될 수 있고, 제2배출구(122b)는 제2챔버(122)의 상단부 타측에 구비될 수 있다. 따라서, 제2유입구(122a)를 통해 제2챔버(122)의 내부로 유입된 제2유체는 제2배출구(122b)를 통해 곧바로 배출되지 않고 제2챔버(122)에 채워지는 과정에서 유동이 잠시 정체될 수 있다. 이로서, 제2유체 및 상변화물질 저장패널(110) 간의 열에너지 전달 효율이 높아질 수 있다. 이 경우 제2유체는 기체일 수 있다.
한편, 챔버(120)는 유동경로형성부(125)를 포함할 수 있다.
유동경로형성부(125)는 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)의 내부공간에 각각 구비될 수 있으며, 유입구(121a,122a)로 유입된 유체가 배출구(121b,122b)를 향해 유동하는 과정에서 상변화물질 저장패널(110)과의 접촉 시간이 지연되도록 지그재그 형상의 유동경로를 형성할 수 있다.
실시예에 따른 유동경로형성부(125)는 상변화물질 저장패널(110)의 상하방향으로 유입구(121a,122a) 및 배출구(121b,122b)가 서로 이격 배치되어 있기 때문에, 유입구(121a,122a)에서 배출구(121b,122b)로 유동하는 유체가 지그재그 형상의 유동경로를 가지도록 수평방향으로 구비되는 복수개의 유동경로형성부(125)가 상하방향을 따라 이격 배치되어 있다.
이러한 유동경로형성부(125)를 통하여 제1챔버(121)에서 유동하는 제1유체 및 제2챔버(122)에서 유동하는 제2유체의 유동시간이 지연되어 상변화물질 저장패널(110)과의 접촉 시간이 늘어나므로, 상변화물질 저장패널(110)과의 열전달 효율이 더욱 높아질 수 있다.
한편, 도 1을 다시 참조하면, 상변화물질 컨테이너(100)는 제1유입헤드(102), 제1배출헤드(103), 제2유입헤드(104) 및 제2배출헤드(105)를 더 포함할 수 있다.
제1유입헤드(102)는 상변화물질 컨테이너(100)의 상단부 일측에 구비될 수 있으며, 제1유입포트(102a)를 통해 공급되는 제1유체를 내부로 유입하여 각각의 제1챔버(121)의 내부공간과 연결된 제1유입구(121a) 측으로 제1유체를 분배할 수 있다.
제1배출헤드(103)는 상변화물질 컨테이너(100)의 하단부 타측에 구비될 수 있으며, 각각의 제1챔버(121)의 내부공간과 연결된 제1배출구(121b)에서 배출되는 제1유체를 일괄 유입하여 제1배출포트(103a)를 통해 외부로 배출할 수 있다.
제2유입헤드(104)는 상변화물질 컨테이너(100)의 하단부 일측에 구비될 수 있으며, 제2유입포트(104a)를 통해 공급되는 제2유체를 내부로 유입하여 각각의 제2챔버(122)의 내부공간과 연결된 제2유입구(122a) 측으로 제2유체를 분배할 수 있다.
제2배출헤드(105)는 상변화물질 컨테이너(100)의 상단부 타측에 구비될 수 있으며, 각각의 제2챔버(122)의 내부공간과 연결된 제2배출구(122b)에서 배출되는 제2유체를 일괄 유입하여 제2배출포트(105a)를 통해 외부로 배출할 수 있다.
제1유입헤드(102), 제1배출헤드(103), 제2유입헤드(104) 및 제2배출헤드(105)를 통하여, 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)에서 유동하는 제1유체 및 제유체의 질량유동을 균일하게 함으로써, 열전달 성능을 보다 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 상변화물질 컨테이너를 설명하기 위한 측단면 예시도(a) 및 정면 예시도(b)이고, 도 6의 (a)는 도 5의 A-A선을, 도 6의 (b)는 도 5의 B-B선을, 도 6의 (c)는 도 5의 C-C선을 따라 취한 단면 예시도이다.
제2실시예에 따른 상변화물질 컨테이너(100)는 전술한 제1실시예에 따른 상변환물질 컨테이너(100)와 전체적으로 동일하게 구성되고, 다만, 전술한 제1실시예에서는 제1유입헤드(102), 제1배출헤드(103), 제2유입헤드(104) 및 제2배출헤드(105)를 포함하는 것인데 반해, 제2실시예에 따른 상변화물질 컨테이너(100)는 제1유입관부(106), 제1배출관부(107), 제2유입관부(108) 및 제2배출관부(109)를 구비하는 것에서 차이점이 있다. 이에 전술한 제1실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 설명을 생략하고 차이점에 대해서만 설명한다.
즉, 제1유입관부(106)는 배관 구조를 이루며, 상단부 일측에서 상변화물질 저장패널(110), 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)를 관통하여 결합될 수 있고, 이때, 제1유입관부(106)에는 제1챔버(121)의 내부공간과 연결되는 제1유입구(121a)가 형성될 수 있다. 따라서, 제1유입포트를 통해 공급되는 제1유체를 내부로 유입하여 각각의 제1챔버(121)의 내부공간과 연결된 제1유입구(121a) 측으로 제1유체를 분배할 수 있다.
제1배출관부(107)는 배관 구조를 이루며, 하단부 타측에서 상변화물질 저장패널(110), 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)를 관통하여 결합될 수 있고, 이때, 제1배출관부(107)에는 제1챔버(121)의 내부공간과 연결되는 제1배출구(121b)가 형성될 수 있다. 따라서, 각각의 제1챔버(121)의 내부공간과 연결된 제1배출구(121b)에서 배출되는 제1유체를 일괄 유입하여 제1배출포트를 통해 외부로 배출할 수 있다.
제2유입관부(108)는 배관 구조를 이루며, 하단부 일측에서 상변화물질 저장패널(110), 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)를 관통하여 결합될 수 있고, 이때, 제2유입관부(108)에는 제2챔버(121)의 내부공간과 연결되는 제2유입구(122a)가 형성될 수 있다. 따라서, 제2유입포트를 통해 공급되는 제2유체를 내부로 유입하여 각각의 제2챔버(122)의 내부공간과 연결된 제2유입구(122a) 측으로 제2유체를 분배할 수 있다.
제2배출관부(109)는 배관 구조를 이루며, 상단부 일측에서 상변화물질 저장패널(110), 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)를 관통하여 결합될 수 있고, 이때, 제2배출관부(109)에는 제2챔버(121)의 내부공간과 연결되는 제2배출구(122b)가 형성될 수 있다. 따라서, 각각의 제2챔버(122)의 내부공간과 연결된 제2배출구(122b)에서 배출되는 제2유체를 일괄 유입하여 제2배출포트를 통해 외부로 배출할 수 있다.
제1유입관부(106), 제1배출관부(107), 제2유입관부(108) 및 제2배출관부(109)는 상변화물질 저장패널(110), 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)에 일부분이 일체로 형성될 수도 있고, 이 경우 상변화물질 저장패널(110), 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)가 적층 결합됨에 따라 전체 배관 조립이 완료될 수 있다.
제1유입관부(106), 제1배출관부(107), 제2유입관부(108) 및 제2배출관부(109)를 통하여, 상변화물질 컨테이너(100)의 전체 부피 및 하중을 줄일 수 있고, 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)에서 유동하는 제1유체 및 제유체의 질량유동을 균일하게 함으로써, 열전달 성능을 보다 높일 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 상변화물질 컨테이너를 설명하기 위한 측단면 예시도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 상변화물질 컨테이너(100)는 상변화물질 저장패널(110), 제1챔버(121) 및 제2챔버(122)를 감싸는 단열커버(130)를 더 포함할 수 있다.
이러한 단열커버(130)는 상변화물질 컨테이너(100)의 외형을 형성할 수 있으며, 단열커버(130)의 내면에는 단열 성능이 더욱 높아지도록 진공부(131)가 마련될 수 있다. 이러한 진공부(131)를 포함한 단열커버(130)는 외부의 열을 차단하여 챔버(120)를 통과하는 유체뿐만 아니라, 상변화물질 저장패널(110)의 열에너지가 약해지지 않도록 할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 상변화물질 컨테이너를 이용한 극저온 유체를 이용한 발전시스템에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 극저온 유체를 이용한 발전시스템을 설명하기 위한 예시도이다.
극저온 유체를 이용한 발전시스템은 잉여전기를 이용하여 기상의 유체를 압축하여 극저온으로 액화시켜 저장탱크(250)에 저장하고, 전기를 필요로 할 때 저장된 액상의 유체를 이용하여 전력(G)을 생산할 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 유체는 가스를 저온으로 액화시켜 저장하거나 수송할 수 있는 다양한 가스가 이용될 수 있으며, 이하 설명에서는 편의 상 공기를 이용한 발전시스템에 대해 설명한다. 이때 공기는 이산화탄소 및 수분이 제거된 공기일 수 있다.
본 실시예에 따른 극저온 유체를 이용한 발전시스템은 유체액화부(200), 유체기화부(300) 및 상변화물질 컨테이너(100)를 포함할 수 있다.
유체액화부(200)는 기상의 유체를 액화시켜 저장탱크(250)에 저장하는 것으로, 압축기(210), 제1열교환기(220) 및 제1팽창기(230)를 포함할 수 있다.
즉, 공기는 압축기(210)를 통과하면서 압축되고, 제1열교환기(220)를 통과하면서 냉각되며, 제1팽창기(230)를 통과하면서 팽창되면서 극저온의 액화공기를 얻을 수 있고, 액화공기는 저장탱크(250)에 저장된다.
제1열교환기(220)를 통과한 유체(공기)는 기상 혹은 액상 상태일 수 있고, 기상과 액상이 혼합된 이상 상태일 수 있고, 제1팽창기(230)를 통과하면서 완전히 액화될 수 있다.
압축기(210)는 잉여전력을 이용하여 작동될 수 있고, 제1열교환기(230)는 적정온도로 공기를 예냉시키기 위해 복수개가 구비될 수 있다. 그리고, 최종 제1팽창기(230)를 통과한 액화공기의 온도는 극저온(대략 115K) 상태를 유지할 수 있다.
유체기화부(300)는 저장탱크(250)에 저장된 액상의 유체를 기화시켜 전력(G)을 생산하는 것으로, 펌프(310), 제2열교환기(320), 제2팽창기(330)를 포함할 수 있다.
즉, 액화공기는 펌프(310)를 통과하면서 가압되고, 제2열교환기(320)를 통과하면서 가열되며, 제2팽창기(330)를 통과하며 팽창되면서 전력(G)을 생산할 수 있다.
제2열교환기(320)에 제공되는 열원은 가스터빈의 버려지는 배기일 수 있고, 제2열교환기(320)는 적정온도를 공기를 예열시키기 위해 복수개가 구비될 수 있다.
상변화물질 컨테이너(100)는 유체액화부(200) 및 유체기화부(300)를 연결하도록 구비되며, 일단부는 유체액화부(200)에 연결되고, 타단부는 유체기화부(300)에 연결될 수 있다.
즉, 유체액화부(200)의 제1열교환기(220)를 통과한 공기는 상변화물질 컨테이너(100)의 제1챔버(121)을 통과하면서 열교환된 다음 제1팽창기(230) 측으로 공급될 수 있다.
따라서, 상변화물질 컨테이너(100)의 상변화물질 저장패널(110)은 제1챔버(121)을 통과하는 공기의 온열에너지(Hot Thermal Energy)를 회수하여 저장할 수 있다.
그리고, 유체기화부(300)의 펌프(31)를 통과한 액화공기는 상변화물질 컨테이너(100)의 제2챔버(122)을 통과하면서 열교환된 다음 제1열교환기(320) 측으로 공급될 수 있다.
따라서, 상변화물질 컨테이너(100)의 상변화물질 저장패널(110)은 제2챔버(122)를 통과하는 액화공기의 냉열에너지(Cold Thermal Energy)를 회수하여 저장할 수 있다.
결과적으로, 유체액화부(200)의 유체(공기)의 액화 시 발생되는 온열에너지를 회수하여 저장한 상변화물질 저장패널(110)은 유체기화부(300)의 유체(액화공기)의 기화를 위한 온열에너지를 제공할 수 있고, 유체기화부(300)의 유체(액화공기)의 기화 시 발생되는 냉열에너지를 회수하여 저장한 상변화물질 저장패널(110)은 유체액화부(200)의 유체(공기)의 액화를 위한 냉열에너지를 제공할 수 있게 된다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 극저온 유체를 이용한 발전시스템은 상변화물질 컨테이너(100)를 통하여 유체액화부(200) 및 유체기화부(300)의 열효율을 높일 수 있어, 전체 발전시스템의 효율을 높일 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
100: 상변화물질 컨테이너
110: 상변화물질 저장패널
120: 챔버
121: 제1챔버
122: 제2챔버
200: 유체액화부
300: 유체기화부

Claims (9)

  1. 내부에 상변화물질이 수용되는 상변화물질 저장패널;
    상기 상변화물질 저장패널의 일측에 결합되고 제1유체가 유동하는 제1챔버; 및
    상기 상변화물질 저장패널의 타측에 결합되고 제2유체가 유동하는 제2챔버;를 포함하고,
    상기 제1챔버에서 유동하는 상기 제1유체의 열에너지를 회수하여 상기 상변화물질 저장패널에 저장하고, 저장된 열에너지를 상기 제2챔버에서 유동하는 상기 제2유체 측으로 제공하며,
    상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버는 반복적으로 적층 결합되는 것을 특징으로 하는 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상변화물질 저장패널은 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버와 접촉하는 접촉면적에 대해 상기 상변화물질의 위치 이동을 억제하여 균일한 밀도가 유지되도록, 상기 상변화물질이 수용되는 내부공간을 복수의 공간으로 구획하는 격벽부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 격벽부재는 수직방향으로 구비되는 것을 특징으로 하는 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1챔버 및 상기 제2챔버는 내부공간에서 유동하는 유체가 상기 상변화물질 저장패널과의 접촉시간이 지연되도록 지그재그 형상의 유동경로를 형성하는 유동경로형성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너.
  5. 제1항에 있어서,
    상단부 일측에 구비되고, 외부에서 공급되는 상기 제1유체를 내부로 유입하여 상기 제1챔버와 연결된 제1유입구 측으로 상기 제1유체를 분배하는 제1유입헤드;
    하단부 타측에 구비되고, 상기 제1챔버와 연결된 제1배출구에서 배출되는 상기 제1유체를 일괄 유입하여 외부로 배출하는 제1배출헤드;
    하단부 일측에 구비되고, 외부에서 공급되는 상기 제2유체를 내부로 유입하여 상기 제2챔버와 연결된 제2유입구 측으로 상기 제2유체를 분배하는 제2유입헤드; 및
    상단부 타측에 구비되고, 상기 제2챔버와 연결된 제2배출구에서 배출되는 상기 제2유체를 일괄 유입하여 외부로 배출하는 제2배출헤드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너.
  6. 제1항에 있어서,
    상단부 일측에서 상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버에 관통 결합되고, 외부에서 공급되는 상기 제1유체를 내부로 유입하여 상기 제1챔버와 연결된 제1유입구 측으로 상기 제1유체를 분배하는 제1유입관부;
    하단부 타측에서 상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버에 관통 결합되고, 상기 제1챔버와 연결된 제1배출구에서 배출되는 상기 제1유체를 일괄 유입하여 외부로 배출하는 제1배출관부;
    하단부 일측에서 상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버에 관통 결합되고, 외부에서 공급되는 상기 제2유체를 내부로 유입하여 상기 제2챔버와 연결된 제2유입구 측으로 상기 제2유체를 분배하는 제2유입관부; 및
    상단부 타측에서 상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버에 관통 결합되고, 상기 제2챔버와 연결된 제2배출구에서 배출되는 상기 제2유체를 일괄 유입하여 외부로 배출하는 제2배출관부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 유체용 상변화물질 컨테이너.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상변화물질 저장패널, 상기 제1챔버 및 상기 제2챔버를 감싸고, 내면에는 진공부가 구비되는 단열커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화물질 컨테이너.
  8. 기상의 유체를 액화시켜 저장탱크에 저장하는 유체액화부;
    상기 저장탱크에 저장된 액상의 유체를 기화시켜 전력을 생산하는 유체기화부; 및
    상기 유체액화부와 상기 유체기화부를 연결하는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 상변화물질 컨테이너;를 포함하고,
    상기 상변화물질 컨테이너는 상기 유체액화부의 유체의 액화 시 발생되는 온열에너지를 회수하여 상기 상변화물질 저장패널에 저장하고, 저장된 온열에너지를 상기 유체기화부의 유체의 기화를 위해 제공하는 것을 특징으로 하는 극저온 유체를 이용한 발전시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유체는 공기인 것을 특징으로 하는 극저온 유체를 이용한 발전시스템.
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