KR20220044599A - 에너지 저장 장치 - Google Patents

Abstract

에너지 저장 장치는 각각이 제1 및 제2 표면을 갖는 복수의 플레이트를 포함하고, 표면들 중 하나 이상은 내부에 형성된 복수의 그루브를 갖는다. 장치는 그루브에 또는 그루브로부터 열 전달 매체를 제공하거나 수용하기 위한 입구 및 출구 플레넘을 더 포함한다. 복수의 그루브가 내부에 형성된 제1 플레이트의 제1 표면 및 제2 표면 중 하나 이상은 인접한 제2 플레이트의 적어도 제1 표면 및 제2 표면 중 다른 하나와 직접 접촉하여 배치된다. 열 전달 매체가 그루브를 따라 통과할 때, 전달 매체로부터의 열은 충전 작동 모드에서 플레이트로 전달되거나 방전 작동 모드에서 플레이트에서 전달 매체로 전달된다.

Description

에너지 저장 장치

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 "에너지 저장 장치"라는 명칭으로 2019년 8월 22일에 출원된 제16/547,950호의 우선권을 주장하며, 이는 "에너지 저장 장치"라는 명칭으로 2018년 5월 15일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제15/979,628호의 일부 계속 출원이고, 이는 2017년 6월 21일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/522,737호 “에너지 저장 장치"의 우선권을 주장하며, 그 전문이 본 출원에서 참조 문헌으로서 포함된다.

분야

본 발명은 일반적으로 에너지 저장소에 관한 것으로, 더 구체적으로는 모듈형 저비용 열 에너지 저장 장치에 관한 것이다.

많은 양의 순동 예비력에 대한 필요성을 피하면서 전력망의 전력을 평준화하기 위한 에너지 저장소의 생성은 심한 난제였다. 태양광 전지 및 풍력 터빈과 같은 비배치형 재생 에너지 장치의 출시가 계속 증가함에 따라 망 안정성이 악화되었다. 펌프식 저장소 및 배터리 등의 전통적인 에너지 저장소 해결책은 그 용량이 소진되었거나 환경적 우려로 인해 언급하기가 매우 어렵다. 전기를 생산하는데 사용되는 열 펌프 장치로부터 또는 열원으로부터, 전기의 저장이 아닌 전기의 생산 직전에 생성된 에너지를 열로 저장함으로써, 비교적 저비용의 저장이 원자력 발전소의 원자로에 의해 달성되고 활용될 수 있다. 열 저장 그 자체는 새로운 것이 아니지만, 어디에도 존재하지 않을 수도 있는 값비싼 염이나 지질학적 조성이 아닌, 일반적인 재료를 사용하여 비교적 저비용 모듈에 에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 설계가 달성하기 어려운 것이었다. 따라서, 본 발명의 목적은, 일반적이고 용이하게 얻을 수 있는 재료로 구성된 저비용의 모듈형 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.

요약

이들 및 기타 목적은 일 실시양태에서, 실질적으로 플레이트의 면 위로 열 전달 매체를 통과시키기에 충분히 큰 유동 공간과 함께 그 사이에 지지되는 콘크리트형 재료로 구성된 복수의 플레이트를 포함하는 에너지 저장 장치에 의해 달성된다. 유동 공간의 제1 단부와 유체 소통하는 입구 플레넘은 공급원으로부터 열 전달 매체를 수용하고 유동 공간을 통해 플레이트의 면에 걸쳐 열 전달 매체를 분포시키도록 구성된다. 유동 공간의 제2 단부와 유체 소통하는 출구 플레넘은 유동 공간으로부터 열 전달 매체를 수용하고 열 전달 매체를 반환 목적지로 분배하도록 구성되며; 여기서 열 전달 매체 내의 열의 일부는 충전 작동 모드에서 플레이트로 전달되거나, 플레이트 내의 열의 일부는 방전 작동 모드에서 열 전달 매체로 전달된다.

일 실시양태에서, 복수의 플레이트는 금속 케이싱 내에 수용되고, 바람직하게는, 플레이트는 반대쪽 가장자리 상에 지지되고 수평으로 연장되어, 열 전달 매체가 플레이트 사이의 유동 공간을 통해 평행하게 흐르는 열 전달 매체와 수평으로 흐른다. 바람직하게는, 열 전달 매체는 기름 또는 염이다.

다른 실시양태에서, 플레이트는 열 전달 매체의 유동 방향에 수직인 방향으로 홈이 나있고, 홈은 열 단절부를 제공하도록 플레이트의 길이를 따라 이격되어, 부분 충전, 즉 열을 포함하는 플레이트의 영역과 열을 많이 포함하지 않는 플레이트의 영역 사이의 열 전달을 따르는 플레이트의 길이를 따른 열 확산을 느리게 한다. 바람직하게는, 홈은 플레이트의 길이를 따라 6 인치 내지 4 피트로 이격된다. 에너지 저장 장치는 바람직하게는 대략 140 ℉ 및 600 ℉ 사이에서 작동하도록 구성된다. 이러한 실시양태에서 에너지 장치는 충전 및 방전 작동이 역류 열 교환기의 작동과 동등한, 각각 반대 유체 유동 방향으로 있도록 구성된다. 이러한 실시양태에서 콘크리트형 플레이트는 미세 철근 또는 기타 유사한 3차원 보강재를 포함할 수 있다. 추가 실시양태에서 플레이트 사이의 유동 공간의 적어도 일부는 단열재를 포함하고/하거나 플레이트 중 적어도 일부의 섹션은 열 단절부를 형성하기 위해 이러한 플레이트의 하류 섹션으로부터 단열된다. 다른 실시양태에서, 플레이트 사이의 단절부가 이러한 열 단절부를 제공하는 더 작은 플레이트가 채용된다.

본 발명은 또한 서로 이격되어 있고 나란히 지지되어 그 사이에 유동 공간을 형성하는 콘크리트형 재료를 포함하는 복수의 열 전달 플레이트를 갖는 열 전달 모듈을 형성하는 단계를 포함하는 열 에너지를 저장하는 방법을 고려하고, 열 전달 플레이트는 유동 공간의 일 단부에 입구 플레넘 및 유동 공간의 다른 단부에 출구 플레넘을 갖는 하우징 내에 둘러싸여 있다. 이 방법은 입구 플레넘을 통해 및 복수의 열 전달 플레이트의 면 위 및 사이에서 열 전달 매체를 지향시키고; 열 전달 매체로부터 열 전달 플레이트로 열을 전달하고; 열 전달 매체를 출구 플레넘을 통해 하우징으로부터 빠져나가게 한다.

바람직하게는, 지향 단계는 복수의 열 전달 플레이트의 위 및 사이에서 수평으로 평행하게 열 전달 매체를 지향시키는 단계를 포함한다. 일 실시양태에서, 방법은 열 전달 플레이트를 미세 철근 또는 기타 유사한 3차원 보강재로 보강하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 이 방법은 부분 충전 후 플레이트의 길이를 따른 열의 확산을 지연시키기 위해 플레이트에 열 단절부를 적용한다. 일 실시양태에서, 열 단절부는 열 전달 매체의 유동 방향에 수직인 방향으로 연장되는 홈이다. 바람직하게는, 홈은 6 인치 내지 4 피트로 이격된다. 다른 실시양태에서, 열 단절부는 인접한, 더 작은 플레이트 사이의 간격이다.

방법은 또한 대략 140 ℉ 및 600 ℉ 사이에서 열 전달 모듈을 작동시킨다. 방법은 또한 역류 열 교환기의 작동과 동등한 반대 유체 유동 방향에 각각 있는 충전 및 방전 작동을 포함할 수 있다.

또 다른 실시양태에서 에너지 저장 장치는, 각각의 플레이트는 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖고, 제1 표면 및 제2 표면 중 하나 이상은 내부에 형성된 복수의 그루브를 갖는 복수의 개별 플레이트; 공급원으로부터 열 전달 매체를 수용하고 그루브를 통해 열 전달 매체를 분포시키도록 구성된 입구 플레넘; 및 그루브로부터 열 전달 매체를 수용하고 열 전달 매체를 반환 목적지로 분배하도록 구성된 출구 플레넘을 포함한다. 각각의 그루브는 입구 플레넘에 더 가깝게 배치된 복수의 개별 플레이트 중 각각의 플레이트의 제1 가장자리로부터, 출구 플레넘에 더 가깝게 배치된 반대쪽 제2 가장자리로 연장된다. 복수의 그루브가 내부에 형성된 제1 플레이트의 제1 표면 및 제2 표면 중 하나 이상은 인접한 제2 플레이트의 적어도 제1 표면 및 제2 표면 중 다른 하나와 직접 접촉하여 배치된다. 열 전달 매체 내의 열의 일부는 열 전달 매체가 그루브를 따라 통과할 때 충전 작동 모드에서 플레이트로 전달되거나, 플레이트 내의 열의 일부는 열 전달 매체가 그루브를 따라 통과할 때 방전 작동 모드에서 열 전달 매체로 전달된다.

각각의 플레이트는 고비열 재료로 형성될 수 있다. 각각의 플레이트는 콘크리트 재료로 형성될 수 있다. 각각의 그루브는 각각의 그루브를 따라 볼 때 일반적으로 원형 구획과 같은 형상일 수 있다. 복수의 개별 플레이트는 제1 표면 및 제2 표면이 수평으로 배치된 수직 스택으로 배열될 수 있다. 복수의 개별 플레이트는 가장자리로 수직으로 배열될 수 있으며, 제1 표면 및 제2 표면은 수직으로 배치된다. 각각의 플레이트는 약 0.5 인치 및 약 6 인치 사이의 두께를 가질 수 있다. 각각의 플레이트는 약 4 인치의 두께를 가질 수 있다. 각각의 그루브는 약 0.25 인치 내지 약 1 인치의 깊이를 가질 수 있다. 각각의 그루브는 약 0.5 인치 내지 약 2.5 인치의 폭을 가질 수 있고, 약 0.25 인치 내지 약 2 인치의 분리 거리만큼 인접한 그루브로부터 분리될 수 있다. 장치는 대략 140 ℉ 및 600 ℉ 사이에서 작동하도록 구성될 수 있다. 플레이트는 미세 철근 또는 기타 유사한 3차원 보강재를 포함할 수 있다.

본 발명은 다음의 단계를 포함하는 열 에너지를 저장하는 또 다른 방법을 더 고려한다: 각각의 플레이트는 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖고, 제1 표면 및 제2 표면 중 하나 이상은 내부에, 형성된 복수의 그루브를 갖는 복수의 개별 플레이트; 입구 플레넘; 및 출구 플레넘을 갖고, 여기서 각각의 그루브는 입구 플레넘에 더 가깝게 배치된 복수의 개별 플레이트 중 각각의 플레이트의 제1 가장자리로부터 출구 플레넘에 더 가깝게 배치된 반대쪽 제2 가장자리로 연장되고, 여기서 복수의 그루브가 내부에 형성된 제1 플레이트의 제1 표면 및 제2 표면 중 하나 이상은 인접한 제2 플레이트의 적어도 제1 표면 및 제2 표면 중 다른 하나와 직접 접촉하여 배치되는, 열 전달 모듈을 형성하는 단계; 입구 플레넘으로부터 복수의 개별 플레이트의 복수의 그루브를 통해 출구 플레넘으로 열 전달 매체를 지향시키는 단계; 충전 작동 모드에서 열 전달 매체로부터 복수의 개별 플레이트로 열을 전달하거나, 방전 작동 모드에서 복수의 개별 플레이트로부터 열 전달 매체로 열을 전달하는 단계; 및 출구 플레넘으로부터 열 전달 매체를 빠져나가게 하는 단계.

방법은 대략 140 ℉ 및 600 ℉ 사이에서 열 전달 모듈을 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 열 전달 매체로부터 복수의 개별 플레이트로 열이 전달되는 충전 작동 모드, 및 복수의 개별 플레이트로부터 열 전달 매체로 열이 전달되는 방전 작동 모드는 역류 열 교환기의 작동과 동등한, 반대 유체 유동 방향으로 각각 수행될 수 있다.

본 발명의 이들 및 기타 목적, 특징 및 특성뿐 아니라, 작동 방법 및 구조의 관련 요소의 기능 및 부품의 조합 및 제조의 경제성은 첨부 도면을 참조하여 다음의 설명 및 첨부된 청구범위를 고려할 때 더욱 명백해질 것이며, 이들 모두는 본 명세서의 일부를 구성하고, 여기서 유사한 참조 번호는 다양한 도면에서 대응하는 부분을 지정한다. 다만, 도면은 단지 예시 및 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 한계를 정의하려고 의도되지 않는다는 점이 분명히 이해되어야 한다.

본 발명의 추가적인 이해는 바람직한 실시양태의 다음의 설명을 첨부 도면과 함께 읽을 때 얻어질 수 있고, 여기서:
도 1은 본 발명의 일 예시적인 실시양태에 따른 에너지 저장 장치의 하우징 부분의 단순화된 사시도로서, 그 사이에 유동 공간이 위치해 있는 수 개의 플레이트를 도시한다;
도 2는 흡기 플레넘 및 열 단절부를 나타내는 모든 플레이트를 포함하는 본 발명의 일 예시적인 실시양태에 따른 에너지 저장 장치의 전체 모듈의 단면도를 도시한다;
도 3은 도 1 또는 도 2의 배열의 플레이트 중 하나의 단순화된 사시도이다;
도 4는 본 발명의 일 예시적인 실시양태에 따른 전체 조립된 에너지 저장 장치 하우징의 단순화된 사시도이다;
도 5는 하우징의 종방향 범위를 연장하는 도 1, 2 및 4의 외부 세장형 쉘의 단순화된 사시도로서, 플레이트를 수평으로 지지하는 위치에 플레이트 홀더를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 쉘의 일 단부를 폐쇄하는 일 단부 캡의 단순화된 사시도이다;
도 7은 도 5에 도시된 쉘의 제2 단부를 폐쇄하는 제2 단부 캡의 단순화된 사시도이고, 도 6에 도시된 일 단부 캡의 거울상이다;
도 8은 하우징(은선으로 도시됨) 내에 배치된 것으로 도시된 본 발명의 다른 예시적인 실시양태에 따른 플레이트의 다른 배열을 활용하는 다른 에너지 저장 장치의 부분 개략적이고 단순화된 사시도이다;
도 9는 도 8의 배열의 플레이트 중 하나의 단순화된 사시도이다;
도 10은 도 8의 플레이트 배열의 단부의 단순화된 입면도이다; 및
도 11은 도 10에 나타낸 바와 같은 도 10의 입면도의 일부의 확대도이다.

본 발명의 실시양태는 저비용 재료를 이용하여 모듈 방식으로 열 에너지를 저장하기 위한 배열 및 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 하나의 예시적인 접근법이 도 1 내지 도 7에 도시되어 있다. 이러한 일 예에서, 열 에너지 저장은 복수의 플레이트(10)를 정렬함으로써 수행된다(도 1, 2 및 3에 도시됨). 각각의 플레이트(10)는 얇은 단면을 갖고 고비열 재료로 형성된다. 본 명세서에서 사용된, "고비열 재료"는 0.75 kJ/kg-K 이상의 열용량을 갖는 재료이다. 본 발명의 실시양태에서 채용된 적합한 고비열 재료의 몇몇 예는 콘크리트, 고성능 콘크리트, 초고성능 콘크리트, 고강도 콘크리트, 및 고온 콘크리트를 포함한다. 상변화 물질, 열화학 물질 및/또는 다량의 비산재를 포함하는 콘크리트가 또한 채용될 수 있다. 이러한 콘크리트 재료는 쉽게 얻을 수 있는 저비용 재료로부터 쉽게 형성될 수 있는 높은 열용량을 갖는 강한 플레이트를 제공한다. 플레이트(10)가 구성될 수 있는 고비열 재료의 몇몇 다른 예는 내화벽돌, 세라믹, 고체 염 또는 금속이다.

플레이트(10)는 서로 매우 근접하게 위치하고, 플레이트(10) 사이에는 유동 채널(12)이 형성된다. 플레이트(10)는 그 후 인접한 분리기(18) 사이에 형성된 내장형 가이드 슬롯(16)을 갖는 저비용 금속 모듈 하우징 쉘(14) 내에 조립되고, 이는 유동 채널(12)을 형성하는 플레이트(10) 사이의 간격을 유지한다. 대안적으로, 플레이트(10)에 부착되거나 플레이트(10)에 주조될 수 있는 분리기가 콘크리트 플레이트를 이격시키기 위해 활용될 수 있다. 쉘(14)은 조립되고, 이어서 두 개의 단부 캡(22, 24)이 쉘(14)의 각 단부에 각각 위치되고, 예컨대 용접에 의해 쉘(14)에 부착되어, 따라서 플레이트(10)의 각각의 단부 및 각각의 단부 캡(22, 24)의 각 사이에 플레넘(26)을 형성한다. 수평으로 놓인 두 개의 플레넘(26) 및 채널(12)은 열 전달 유체(기름, 염 등)가 플레이트(10) 사이를 순환할 수 있도록 하여, "충전 수준"이 증가함에 따라 조립체의 길이를 따라 아래로 이동하는 열 구배를 따라 플레이트(10)에 에너지를 전달한다. 열이 추출되어야 할 때, 유동이 역전되어 장치가 역류 열 교환기처럼 작동할 수 있게 한다. 도시된 플레넘(26)은 단지 예시의 목적으로 도시된 것이며, 형상, 크기, 입구 크기, 배치, 수량 등 중 하나 이상이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변경될 수 있음을 이해해야 한다.

각각의 플레이트(10)는 홈이 형성될 수 있으며, 즉, 열 전달 유체가 흐르지 않을 때 플레이트(10)를 따라 아래로 이동하는 열파의 영향을 줄이기 위해 플레이트(10)의 길이를 따라 각각의 주어진 거리에서 실질적으로 콘크리트 플레이트(10)의 전체 높이를 따라 수직 방향(즉, 유동 방향에 수직)으로 그루브가 형성될 수 있다. 주어진 거리는 바람직하게는 6 인치 내지 4 피트이지만, 모듈(100)(도 2)의 길이에 따라 더 길어질 수 있다. 홈(28)은 도 2에서 명확하게 관찰될 수 있다. 대안적으로, 홈(28)과 유사한 방식으로 기능하는 인접한 플레이트(10) 사이의 단절부를 갖는 더 작은 개별 플레이트(10)가 사용될 수 있다. 또한, 이러한 더 작은 플레이트는 일반적으로 더 용이한 조립을 제공한다.

도 1에 도면 부호 34로 도식적으로 표현된, 단열 재료를 포함하지만 이에 제한되지 않는 재료의 얇은 스트립은 또한, 성능 특성에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 구조를 함께 결속하고 플레이트 간격을 유지하기 위해 유동 채널(12)의 중심을 따라 하나의 플레넘에서 다른 플레넘으로 연장될 수 있다. 단열재는 또한 홈(28)에 매립되거나 홈을 완전히 교체하고 열 전달 플레이트의 인접한 섹션을 함께 결속할 수 있다. 플레이트(10)가 수평 방향으로 연장되는 것으로 도시되어 있지만, 동등한 실시양태에서 더 적은 정압으로 인해 수평 유동 경로가 더 바람직함에도, 대안적으로 수직 방향으로 연장되고도 여전히 본 발명의 범위 내에 있도록 구성될 수 있음을 이해해야 한다.

따라서, 본 발명의 일 실시양태는 하우징(20)(즉, 쉘(14) 및 단부 캡(22, 24))에 들어 있는 복수의 플레이트(10)로 형성된, 원자로 또는 열 펌프 등의 열원으로부터 열 에너지를 저장하기 위해 큰 표면 대 면적 비율을 갖는 콘크리트 구조물을 채용한다. 바람직하게는, 플레이트(10)는 콘크리트 재료로 형성되고, 강도, 내구성 및 열 전달을 향상시키기 위해 미세 철근 또는 기타 유사한 혼합물을 포함한다. 미세 철근의 대안으로는 강철, 강철 섬유, 유리 섬유, 탄소 섬유, 기타 금속, 복합재 및 고온 플라스틱을 포함한다. 배관을 활용할 필요는 없지만, 금속 배관 또는 복합 배관을 전술한 바람직한 채널 구조에 대한 대안으로 채용할 수 있다. 모듈 내의 모든 열 전달 매체는 금속 케이싱 또는 열을 저장하기 위해 케이싱 내에 채용되는 비교적 얇은 콘크리트 플레이트에 의해 지향된다.

열 전달 매체 또는 유체를 위한 유동 채널은 인접한 플레이트(10) 사이에 형성되어, 표면적을 최대화하고 열 전달 매체를 구동하는데 필요한 전도 거리 및 펌핑 전력을 최소화한다. 분리기(18)는 얇은 재료 스트립, 장대 또는 막대일 수 있고 고온 플라스틱, 금속, 복합재 또는 유리 섬유로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 열 전달 매체는 압축되지 않고, 콘크리트 또는 금속 구조와 부정적으로 상호작용을 하지 않는 적합한 특성을 갖는 기름 또는 염을 포함하며, 이는 이러한 상호작용을 저해하기 위해 보호 코팅으로 처리될 수 있다. 열 전달 매체는 써미놀, 듀라썸 HF, 칼더 1, 모빌썸, 파라썸, 다우썸 또는 필립스 66 등의 탄화수소 기반 유체, 듀라썸 S 또는 실썸 등의 실리콘 기반 유체, 또는 질산염 등의 액체 염일 수 있다.

일 실시양태에서, 플레이트(10)는 그 높이를 따라, 즉 열 전달 매체의 유동에 수직으로 홈이 있으며, 부분 충전, 즉, 플레이트(10)의 열을 저장하는 용량을 부분적으로만 채우는 열 전달 매체로부터 플레이트(10)로의 열 전달에 따르는 플레이트(10) 사이의 열 확산을 느리게 하는 열 단절부를 제공한다. 열 단절부는 플레이트(10)가 플레이트에 걸쳐 온도를 균등화하는 것을 방해하며, 이는 그렇지 않으면, 부분 충전 후 방전 동안 열의 고품질 회복을 방지할 것이다. 다른 실시양태에서, 열 단절부를 제공하는 인접한 플레이트들 사이의 간격을 갖는 더 작은 개별 플레이트가 사용된다.

하우징(14)은 플라스틱, 코팅된 탄소강, 스테인리스강, 복합재 또는 유리 섬유로 형성될 수 있고, 바람직하게는 하우징 내부, 내부 주위 또는 외부 주위에 적층된 단열재를 구비한다. 단열재는 다층 쉘, 유리 섬유, 발포체 유리, 에어로겔, 세라믹, 광물 섬유/양모 또는 실리카 내의 공극일 수 있다.

도 1 내지 도 7의 에너지 저장 장치는 수평 또는 수직 배향으로 플레이트(10)와 함께 작동될 수 있다. 또한, 쉘(14), 단부 캡(22, 24) 및 플레이트(10)는 사용 현장에서 구성될 수 있거나, 완전히 구성된 하우징(14) 및 플레이트(10)는 별도로 배송되어 현장에서 조립되거나, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.

열 에너지는 플레이트(10)의 장축을 따라 이동하는 열 구배를 사용하여 홈이 있는 구조로부터 로딩 및 언로딩될 것이다. 작동 온도는 140 ℉만큼 낮고 600 ℉만큼 높을 것이다. 충전 및 방전 작동은 역류 열 교환기의 작동과 유사하도록 반대 유체 유동 방향으로 발생할 것이다. 수작업을 최소화하고 생산 효율성을 최대화하기 위해, 전통적인 콘크리트 보강재 대신 미세 철근 또는 유사한 혼합물이 사용될 수 있다.

바람직하게는, 유입되는 열 전달 매체의 압력은 대기압 또는 그보다 약간 높은 압력이며; 이는 14.5 내지 21.8 psia이다. 열 전달 매체의 유속은, 바람직하게는, 대략 0 내지 22.0 lbs/s 사이이고, 바람직하게는 모듈당 약 4 lbs/s이다. 플레이트(10)는 두께가 대략 0.5 내지 6 인치 사이이고, 보다 바람직하게는 두께가 약 4 인치이다. 유동 공간은 약 0.04 인치 및 0.5 인치 사이, 보다 바람직하게는 약 0.4 인치의 폭이다.

도 1은 플레이트(10) 사이의 유동 공간 또는 채널(12)을 형성하기 위해, 하우징(20)의 쉘(14) 부분의 상부 벽의 밑면으로부터 연장되는 모듈형 가이드 슬롯(16)에 의해 이격된 세 개의 플레이트(10)를 갖는 쉘(14)을 도시한다. 홈(28)은 수직으로 연장되는 그루브로서 도시되어 있지만, 열 전달 매체의 유동은 바람직하게는 수평으로 연장되며, 플레이트(10)의 실질적으로 전체 면에 걸쳐 유동 공간을 통해 평행하게 연장되며; 그러나 유동은 또한 모듈의 단부 대신 상단 및 하단 상에 플레넘을 갖고 수직으로 지향될 수도 있음을 이해해야 한다.

도 2는 플레이트(10)의 연장된 치수의 어느 한 단부에 플레넘(26)을 갖는 모든 플레이트(10)를 포함하는 전체 모듈(100)의 절취도를 도시하며, 좌측의 플레넘은 더 잘 보이고, 모듈(100)의 좌측 상부 모서리에 도시된 입구 또는 출구 노즐(30)을 갖는다. 오른쪽의 플레넘(26) 또는 왼쪽의 것이 상기 입구 플레넘 또는 출구 플레넘인지는 어떠한 차이도 없는데, 왜냐하면 도 2에서 양방향 화살표(32)에 의해 표시된 열 전달 매체가 플레이트(10)를 충전하는 한 방향 및 콘크리트 플레이트로부터 열을 방출하는 반대 방향의 양방향으로 흐를 것이기 때문이다. 도 3은 플레이트(10) 중 하나의 사시도이다. 도 4는 조립된 하우징 구성요소의 사시도를 도시하고, 도 5, 6 및 7은 분해된 하우징 구성요소의 사시도를 도시한다.

이제 도 8 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 다른 예시적인 실시양태에 따른 에너지 저장 장치(200)의 다른 실시양태가 이제 논의될 것이다. 도 1 내지 도 7과 관련하여 전술한 배열과 유사하게, 장치(200)는 저비용 금속 모듈 하우징 쉘(220)(도 8에서 은선으로 개략적으로 도시됨) 내에 배치된, 전술한 플레이트(10)와 유사한 재료 구성의 복수의 플레이트(210)를 채용하고, 플레넘(226)은 장치(200)의 어느 한 단부에 형성된다. 유동 채널(12)을 형성하기 위해 플레이트(10)를 이격시키는데 의존한 전술한 배열과 달리, 도 8 내지 도 11에 도시된 배열은 플레이트(210) 사이를 순환하는 열 전달 유체(예를 들어, 기름, 염 등)를 위한 유동 경로를 생성하기 위해 플레이트(210) 각각에 형성된 복수의 그루브(212)를 활용한다. 각각의 그루브(212)는 플레넘(226) 중 첫번째 부근에 배치된 각각의 플레이트(210)의 제1 가장자리(번호가 매겨지지 않음)로부터 플레넘(226) 중 반대쪽 두번째에 더 가깝게 배치된 반대쪽 제2 가장자리(번호가 매겨지지 않음)로 연장된다. 도 8 내지 도 11에 도시된 예시적인 실시양태에서 보여진 바와 같이, 각각의 그루브(212)는 각각의 플레이트(210)를 가로질러 직선으로 연장될 수 있다. 대안적으로, 그루브(212) 중 하나 이상은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 비직선 방식(예를 들어, 곡선형, 구불구불한 형태, 지그재그형 등)으로 연장될 수 있다.

그루브(212)는 열 전달 유체의 유로 역할을 하므로, 플레이트(210)는 바람직하게는 서로 직접 접촉하여 배치되고, 따라서 도 8에 도시된 바와 같이(책장 위의 책과 유사하게) 가장자리 상에 쉽게 배치될 수 있거나, 또는 스택으로 평평하게 쌓일 수 있다. 예시적인 일 실시양태에서, 그루브(212)는 플레이트(210) 자체의 형성 동안 각각의 플레이트(210)의 특징부로서 주조되지만; 그러한 그루브(212)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 임의의 기타 적합한 방법을 통해 및/또는 시간적으로 나중에 형성될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 비록 도시된 실시양태에서 이러한 그루브(212)가 각각의 플레이트(210)의 한 표면에만 형성되지만, 이러한 그루브는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 하나 초과의 표면(예를 들어, 반대쪽 표면)에 형성될 수 있음을 이해해야 한다.

도 11의 상세도에 도시된 예시적인 실시양태에서, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 형상 또는 형상들의 그루브가 채용될 수 있지만, 각각의 그루브(212)는 각각의 그루브를 따라 보았을 때 일반적으로 원형 구획과 같은 형상이다. 바람직하게는, 각각의 그루브의 가장자리는 응력 집중을 최소화하기 위해 둥글게 처리되거나 모서리가 깎여진다. 계속해서 도 11을 참조하면, 각각의 그루브(212)는 각각의 플레이트(210)의 제1 표면(210A)으로부터 반대쪽 제2 표면(210B)을 향해 깊이(d)만큼 내측으로 연장되며, 제1 및 제2 표면(210A, 210B)은 일반적으로 각 플레이트(210)의 두께(T)를 정의하고, 인접한 그루브는 분리 거리(S)만큼 이격된다. 본 발명의 예시적인 실시양태에서, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 두께가 채용될 수 있지만, 일반적으로 0.5 및 6 인치 사이의 두께(T)를 갖는 플레이트(210)가 채용된다. 이러한 실시양태에서, 약 0.25 인치 내지 약 1 인치의 깊이(d), 약 0.5 인치 내지 약 2.5 인치의 폭(W), 및 약 0.25 인치 내지 약 2 인치의 분리 거리(S)를 갖는 그루브가 채용되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 치수가 채용될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 형상의 그루브가 채용될 수 있음을 이해해야 한다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 각각의 플레이트(210)는 그루브(212)가 연장되는 반대쪽 가장자리 사이의 방향에서 길이(L)로 연장되고, 그루브(212)가 연장되는 방향에 일반적으로 수직인 방향에서 높이(H)로 연장된다. 본 발명의 예시적인 실시양태에서, 길이(L)가 약 2 피트 내지 약 4 피트이고 높이가 약 8 피트 내지 약 9 피트인 플레이트(210)가 채용되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 치수의 플레이트(210)가 채용될 수 있다. 도 8에 도시된 에너지 저장 장치(200)에 활용되는 복수의 플레이트(210)는 10 개의 열로 배열되며, 각 열은 23 개의 플레이트를 갖는다. 열 및/또는 열당 플레이트의 수량 중 하나 또는 양자 모두는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변경될 수 있음을 이해해야 한다.

본 발명의 실시양태는 모듈 내의 금속 배관에 대한 필요성을 제거한다는 것을 이해해야 한다. 기능 유닛의 일부인 금속 케이싱은 유동 공간의 각 단부에 단순 플레넘의 용이한 부착을 가능하게 한다. 모듈은 콘크리트의 유익한 열적 특성, 즉 비열, 내구성, 저비용, 준비된 가용성 등을 활용한다. 모듈은 콘크리트 플레이트(및/또는 플레이트에 형성된 그루브) 사이의 유동 공간의 크기 및 낮은 속도로 인해 열 전달 매체를 이동시키기 위해 상대적으로 낮은 펌핑 전력만을 필요로 한다. 본 개념에 따른 설계에 의해 제공되는 큰 습윤 영역은 비열이 높은 많은 재료가 제기하는 열 전달 문제를 상쇄하는 데 도움이 되며, 유동 축을 따른 짧은 에너지 침착을 제공하고; 따라서 열 구배의 생성을 지원한다. 수평 유동 배열은 유체로부터 상당한 양의 정적 헤드 압력을 발생시키지 않으면서 더 긴 열 구배 거리를 허용한다. 수평 유동 배열은 또한 용이한 입구 및 출구 배관 부착 및 유닛 교체를 허용한다. 수평 배열은 또한 콘크리트에 단순히 홈을 냄으로써, 즉 콘크리트에 수직 그루브를 추가하거나 콘크리트의 개별 섹션을 사용하여 "열 단절부"의 추가를 용이하게 한다. 이 개념은 보강을 위한 노동 집약적인 철근의 전통적인 사용을 더욱 제거한다.

열 전달 유체 또는 매체를 가열하기 위한 열은 원자로, 석탄 발전소, 태양열 또는 기타 유사한 열원의 1차 또는 2차 루프와 열 교환 관계에 있는 열 교환기로부터 유래될 수 있다. 대안적으로는, 열은 가스 터빈 사이클이나 열 펌프에서 유래될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시양태는 호환 가능한 지리학적 형태로 펌핑된 수력 또는 압축 공기의 외부에서 현재 이용 가능한 가장 경제적인 에너지 저장소를 제공하고, 부지 선정에 제한이 없다. 본 발명은 원자력 발전소 등의 열원, 저렴한 재료, 및 단순한 설계에 대해 기존 장비를 활용하여 대규모 상업적 규모에서 실제로 다루어지지 않고 한동안 존재했던 훨씬 더 큰 과제를 해결할 수 있다. 본 발명은 가압된 환경을 필요로 하지 않으며 치명적인 안전 사건의 감소된 위험을 제시한다.

본 발명의 특정 실시양태가 상세히 설명되었지만, 본 개시내용의 전체 교시에 비추어 이러한 세부사항에 대한 다양한 수정 및 대안이 개발될 수 있다는 것이 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 개시된 특정한 실시양태는 첨부된 청구범위 및 그 임의의 모든 등가물의 전체 범위가 주어지는 본 발명의 범위에 대해 제한하는 것이 아니라 단지 예시를 위한 것임을 의미한다.

Claims (15)

1. 각각의 플레이트는 제1 표면 및 제2 표면 중 적어도 하나는 내부에 형성된 복수의 그루브를 갖는, 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖는 복수의 개별 플레이트;
   공급원으로부터 열 전달 매체를 수용하고 그루브를 통해 열 전달 매체를 분포시키도록 구성된 입구 플레넘; 및
   그루브로부터 열 전달 매체를 수용하고 열 전달 매체를 반환 목적지로 분배하도록 구성된 출구 플레넘
   을 포함하고, 여기서 각각의 그루브는 입구 플레넘에 더 가깝게 배치된 복수의 개별 플레이트 중 각각의 플레이트의 제1 가장자리로부터 출구 플레넘에 더 가깝게 배치된 반대쪽 제2 가장자리로 연장하고,
   상기 복수의 그루브가 형성된 제1 플레이트의 제1 표면 및 제2 표면 중 하나 이상은 인접한 제2 플레이트의 적어도 제1 표면 및 제2 표면 중 다른 하나와 직접 접촉하여 배치되고,
   열 전달 매체가 그루브를 따라 통과할 때 열 전달 매체의 열의 일부가 충전 작동 모드에서 플레이트로 전달되거나 열 전달 매체가 그루브를 따라 통과할 때 플레이트 내의 열의 일부가 방전 작동 모드에서 열 전달 매체로 전달되는, 에너지 저장 장치.
2. 제1항에 있어서, 각각의 플레이트는 고비열 재료로 형성되는, 에너지 저장 장치.
3. 제2항에 있어서, 각각의 플레이트는 콘크리트 재료로 형성되는, 에너지 저장 장치.
4. 제1항에 있어서, 각각의 그루브는 각각의 그루브를 따라 볼 때 일반적으로 원형 구획과 같은 형상인, 에너지 저장 장치.
5. 제1항에 있어서, 복수의 개별 플레이트는 제1 표면 및 제2 표면이 수평으로 배치된 수직 스택으로 배열되는, 에너지 저장 장치.
6. 제1항에 있어서, 복수의 개별 플레이트는 제1 표면 및 제2 표면이 수직으로 배치되며 가장자리로 수직으로 배열되는, 에너지 저장 장치.
7. 제1항에 있어서, 각각의 플레이트는 약 0.5 인치 및 약 6 인치 사이의 두께를 갖는, 에너지 저장 장치.
8. 제7항에 있어서, 각각의 플레이트는 약 4 인치의 두께를 갖는, 에너지 저장 장치.
9. 제1항에 있어서, 각각의 그루브는 약 0.25 인치 내지 약 1 인치의 깊이를 갖는, 에너지 저장 장치.
10. 제9항에 있어서, 각각의 그루브는 약 0.5 인치 내지 약 2.5 인치의 폭을 가지며, 약 0.25 인치 내지 약 2 인치의 분리 거리만큼 인접한 그루브로부터 분리되는, 에너지 저장 장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 장치는 대략 140 ℉ 및 600 ℉ 사이에서 작동하도록 구성되는, 에너지 저장 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 플레이트는 미세 철근 또는 기타 3차원 보강재를 포함하는, 에너지 저장 장치.
13. 각각의 플레이트는 제1 표면 및 반대쪽 제2 표면을 갖고, 제1 표면 및 제2 표면 중 하나 이상은 내부에, 형성된 복수의 그루브를 갖는 복수의 개별 플레이트; 입구 플레넘; 및 출구 플레넘을 갖고, 여기서 각각의 그루브는 입구 플레넘에 더 가깝게 배치된 복수의 개별 플레이트 중 각각의 플레이트의 제1 가장자리로부터 출구 플레넘에 더 가깝게 배치된 반대쪽 제2 가장자리로 연장되고, 여기서 복수의 그루브가 내부에 형성된 제1 플레이트의 제1 표면 및 제2 표면 중 하나 이상은 인접한 제2 플레이트의 적어도 제1 표면 및 제2 표면 중 다른 하나와 직접 접촉하여 배치되는, 열 전달 모듈을 형성하는 단계;
    입구 플레넘으로부터 복수의 개별 플레이트의 복수의 그루브를 통해 출구 플레넘으로 열 전달 매체를 지향시키는 단계;
    충전 작동 모드에서 열 전달 매체로부터 복수의 개별 플레이트로 열을 전달하거나, 방전 작동 모드에서 복수의 개별 플레이트로부터 열 전달 매체로 열을 전달하는 단계; 및
    출구 플레넘으로부터 열 전달 매체를 빠져나가게 하는 단계를 포함하는, 열 에너지를 저장하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 대략 140 ℉ 및 600 ℉ 사이에서 열 전달 모듈을 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
15. 제13항에 있어서, 열 전달 매체로부터 복수의 개별 플레이트로 열이 전달되는 상기 충전 작동 모드 및 복수의 개별 플레이트로부터 열 전달 매체로 열이 전달되는 상기 방전 작동 모드는 역류 열 교환기의 작동과 동등한 반대 유체 유동 방향으로 각각 수행되는, 방법.

Images