KR20220130224A - 다수의 반사부를 기반으로 하여 태양 기원의 열 에너지를 저장하기 위한 장치(device for the storage of thermal energy of solar origin based upon multiple reflections) - Google Patents

Abstract

태양 기원의 열 에너지의 저장 및 전달을 위한 장치(1)로서, 케이싱(2) 자체의 조사 영역(350) 내에 입사 태양 복사선이 진입할 수 있게 하기 위한 조사 개구부(10)를 가지는 케이싱(2); 케이싱(2) 내에 수용된 유동화 가능 고체 입자의 베드(3); 조사 영역(350) 내에 배열되고 상기 조사 개구부(10)를 통해서 진입하는 태양 복사선을, 다수의 반사 후에, 입자 베드(3)에 전달하도록 구성되는, 복수의 반사 및 복사 표면(701; 702; 703)을 포함한다.

Description

다수의 반사부를 기반으로 하여 태양 기원의 열 에너지를 저장하기 위한 장치(DEVICE FOR THE STORAGE OF THERMAL ENERGY OF SOLAR ORIGIN BASED UPON MULTIPLE REFLECTIONS)

본 발명은 태양 기원의 열 에너지를 저장 및 전달하기 위한 장치, 플랜트, 및 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 유동화 가능 입자의 베드(bed)를 이용하여 열 에너지를 저장하기 위한 장치 분야에 관한 것이다.

집중된 태양 복사선과 연관된 열 에너지로부터 시작하여 전기 에너지를 생산하기 위한 플랜트가 알려져 있다. 이러한 플랜트의 일부는 태양 복사선을 수용하는 소위 유동화-베드 장치를 기반으로 하고 있다. 후자는 일반적으로, 태양 복사선을 상단에서부터 열 에너지의 저장부로서 작용하는 유동화 가능 고체 입자의 베드 상으로 집중시키도록 구성되는, "하향 빔(beam down)" 유형의 광학 시스템을 포함한다. 이어서, 그러한 에너지는, 직접적인 형태 또는 전기 에너지로 변환된 형태로, 산업적 용도를 위해서 지연 방식으로도 사용될 수 있다.

이러한 유형의 플랜트와 연관된 전술한 광학 시스템은, 유동화-베드 수용부와 관련하여 높은 고도에 배치된 2차 거울 상으로 태양 복사선을 전달하고 집중된 복사선을 수용부 자체 내에서 반사시키는, 지면에 배열된 하나 이상의 헬리오스탯(heliostat)의 필드로 구성된다.

전술한 플랜트 구성의 가장 큰 문제들 중 일부는 사실상 그와 연관된 광학 시스템과 연관된다.

특히, 알려진 기술의 전술한 2차 거울은 제한된 최대 온도(일반적으로 200℃ 이하)에서 동작될 수 있고, 이는 집중될 수 있는 태양 유동에 제한적인 제약을 가하고 유동이 매우 넓은 반사 표면에서 동일할 것을 요구한다. 그러한 반사 표면(그리고 높은 고도로 상승시키고 지지하기 위한 관련 구조물)은 큰 풍압을 견디도록 고안되어야 하고, 심지어 이러한 이유로, 플랜트 비용에 상당한 영향을 미친다. 또한, 바람이 특히 강한 일부 장소에서, "하향 빔" 광학 시스템을 결과적으로 사용할 수 없다.

알려진 플랜트의 다른 한계점은 태양 복사선을 수집하기 위한 전술한 시스템의 에너지 효율성에 관한 것이다. 특히, 2차 거울은, 사용 재료 및 채택된 반사 표면의 특성에 따라, 80% 내지 95%일 수 있는 반사 효율성을 갖는다.

또한, 알려진 기술의 "하향 빔" 광학 시스템의 2차 반사부는 실제적인 특성에 관한 부가적인 문제를 포함하여, 수용부 내에서 태양 에너지를 집중하는 능력에 부정적인 영향을 미친다. 특히, 2차 반사부에서는: 발생 가능한 조립 부정확성; 열 왜곡으로 인해서 국소적으로 변형될 수 있는, 반사 표면의 완벽하지 않은 편평도; 높은 고도에서 수행되는, 복잡한 유지보수 절차를 필요로 하는, 파울링 현상(fouling phenomena); 풍압 및/또는 기후 변동으로 인한 변형이 발생된다.

본 발명에 의해서 제기되고 해결하려는 기술적 과제는, 공지된 기술을 참조하여 전술한 단점을 극복할 수 있는, 태양 기원의 열 에너지를 저장 및 전달하기 위한 장치, 플랜트, 및 방법을 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제는 청구범위 제1항에 따른 장치 및 청구범위 제21항에 따른 방법에 의해서 해결된다.

본 발명의 바람직한 특징이 종속 청구항에 기재되어 있다.

본 발명은, 내장되거나, 또는 베드 자체를 포함하는 케이싱 내에 수용된 하나 이상의 내부 벽 또는 표면에서의 태양 복사선의 반사 후에 태양 복사선에 노출되는 유동화 가능 입자의 베드를 기반으로 하는 장치, 플랜트, 및 방법을 제공한다.

특히, 태양 복사선은 지면에 배열된 헬리오스탯의 필드에 의해서 집중되고, 개구부를 통해서 수용부 장치에 진입하고, 개구부는 바람직하게는 전술한 케이싱의 측벽에 만들어 진다. 개구부를 통해서 진입하는 태양 복사선은, 프리보드(freeboard)인, 유동화된 입자 베드 위에 배치된 빈 영역 내에 배열된 하나 이상의 내부 벽을 타격한다. 그러한 내부 벽은, 입사되는 집중된 태양 복사선을 수용하고, 이를 직접적으로 그리고 다른 내부 벽에서의 다수의 반사 후에 간접적으로, 입자의 베드를 향해서 반사시키도록 구성되는 반사 및/또는 재-복사 표면을 갖는다.

내부 벽에 의해서 반사되지 않은 에너지의 부분은 내부 벽에 의해서 흡수된다. 바람직한 실시형태에서, 그러한 흡수된 에너지의 외부 환경으로의 전달은, 경우에 따라 통합 부분으로서, 벽 자체와 연관된 재료 또는 단열 수단을 이용하는 것을 통해서 방지된다. 이러한 방식으로, 반사 표면은 그 자체의 온도를 높이고, 열 에너지를, 직접적으로 그리고 다른 내부 표면들 사이의 재-복사를 통해서 간접적으로, 입자 베드를 향해서 재-복사시킨다.

다시 말해서, 입자의 베드의 상부 표면 또는 프리보드에 의해서 그리고 상기 베드 표면 위에 배치된 장치의 내부 벽에 의해서 경계 지어지는, 빈 영역, 또는 조사 영역(irradiation region)은 복사 공동으로서 거동하고, 표면은 진입 태양 복사선을 그 특정 특성에 따라, 직접적이거나 간접적으로 입자 베드를 향해서 반사 및 재-복사시킨다.

유동화 베드의 큰 열 확산성으로 인해서, 벽에 의해서 반사된(그리고 경우에 따라 재-복사된) 에너지는 유동화 베드를 구성하는 전체 질량에 전달되고, 이는 이어서 후속 사용시까지 에너지를 포함하고 저장할 수 있다.

바람직한 실시형태에서, 유동화 베드는 바람직하게는 전술한 반사 벽의 흡수도 값보다 큰 흡수도 값을 갖는 고체 입자에 의해서 구성되고, 그에 따라 유동화 베드 자체를 향한 벽에 의해서 반사된(그리고 경우에 따라 재-복사된) 에너지의 신속한 전달을 촉진한다.

실시형태의 변형예에서, 유동화 베드는 모래 또는 다른 과립형 재료로 제조된 입자로 구성될 수 있다.

바람직한 구성에서, 베드 입자는 바람직하게는 620℃ 이상의 최대 온도에 도달한다.

바람직한 실시형태에서, 반사 표면은 고온에 대해, 바람직하게는 1000℃ 초과에 대한 큰 내성, 및/또는 입자 베드의 반사도보다 큰 반사도, 바람직하게는 표준 규정 ASTM G173 및 ISO7668을 참조하여 계산되는 경우에 60% 초과의 반사도를 갖는다.

입자 베드는 유동화 가스, 일반적으로 공기를 공급 및 분배하기 위한 시스템에 의해서 유동화된다.

유동화는 베드의 특정 동작 영역 또는 전체 입자 베드와 관련될 수 있다. 유리하게, 유동화 시스템은 서로 독립적으로 활성화될 수 있는 몇 개의 유동화 유닛을 제공할 수 있다.

실시형태의 변형예에서, 장치는, 특히 베드 자체 내에 잠기는, 예를 들어 전기 저항, 열 펌프 또는 전용 열 교환기와 같은, 가열 구성요소로 입자 베드의 부가적인 열 공급을 제공할 수 있다. 그러한 전용 열 교환기는 관 번들 또는 동등한 요소 내에서 공기 또는 다른 동작 유체의 순환을 제공할 수 있다.

실시형태의 변형예에서, 베드 자체에 진입하는 유동화 공기를 가열하는 것에 의해서 열 에너지를 입자 베드에 공급하는 부가적인 가열 구성요소, 예를 들어 전기 저항이 제공될 수 있다.

유리하게, 상기 가열 구성요소 및/또는 부가적인 가열 구성요소는, 사용자 필요와 관련하여, 바람직하게는 잉여의, 즉 남은 이용 가능한 전기 에너지의 공급원에 의해서, 직접적이거나 간접적으로, 공급될 수 있다.

가열 요소를 가지는 이러한 실시형태에서, 입자 베드 내에 축적된 열 에너지는 이어서 2개의 기여분(contribution): 광학 시스템에 의해서 집중되고 베드 자체에 의해서 흡수된 태양 복사선인 1차 에너지의 기여분, 및 전술한 가열 요소에 의해서 열 에너지로 변환된 전기 에너지인 2차 에너지의 기여분으로부터 올 수 있다.

그러한 실시형태는, 연속성을 요구하는 산업적 프로세스에 공급하기 위해서 임의의 기상 조건 하에서 더 큰 열 에너지의 이용 가능성을 보장하는 것이 필요할 경우에 특히 유리하다.

공지된 기술을 참조하여 설명한 연관 한계를 극복함으로써, 본 발명에 의해서 "하향 빔" 유형의 광학 시스템의 이용 필요성이 제거될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 특히, 본 발명의 장치, 플랜트, 및 방법은 결과적으로 더 큰 수집 효율성, 플랜트 단순화 및 비용 감소를 보장하는 데 있어서 특히 효과적이다.

유사하거나 다른 방식으로, 입자 베드에 축적된 열 에너지는 이어서 전기 에너지로 변환될 수 있고, 열 에너지로서 사용될 수 있으며, 또는 심지어 조합되고 유연한 방식으로 그 2개의 형태로 사용될 수 있다.

이어서 본 발명의 장치, 플랜트, 및 방법은 전기 에너지의 프로그래밍 가능한 생산을 위해서, 전기 네트워크의 조정을 위해서/위하거나 다른 사용자에서의 열 에너지로서 사용될 수 있다.

본 발명의 장치는, 공동체 및 산업 플랜트의 서비스에서 전기 및/또는 열 에너지를 연속성을 가지고(24/365) 생산할 특정 필요성에 따라, 증배 가능 모듈-유닛을 구성할 수 있다.

입자 베드 내에 축적된 열 에너지는 또한 베드 자체를 빠져 나가는 가열된 유동화 가스를 통해서 직접적으로 사용될 수 있다.

도달 온도가 상태를 변경하거나 그 기능을 손상시킬 수 있는 경우에, 전술한 반사 및/또는 재-복사 표면으로부터 열 에너지를 회수하고/하거나 분산시키도록 구성되는, 열 교환 수단이 제공될 수 있다.

본 발명은 태양 기원의 열 또는 전기 에너지의 생산을 위한 현재의 시스템에 대한 친환경적이고, 내구적이며, 효과적이며 저렴한 대안을 나타낸다.

본 발명의 부가적인 장점, 특징 및 사용 모드가, 예로서 그리고 비제한적인 목적으로 제시되는, 이하의 일부 실시형태의 구체적인 설명으로부터 명확해질 것이다.

이하의 첨부된 도면을 참고할 것이다:
도 1은, 장치 자체와 그와 연관된 태양 복사선을 수집하기 위한 시스템 사이의 상호 작용을 강조한, 본 발명의 바람직한 제1 실시형태에 따른 열 에너지의 저장 및 전달을 위한 장치의 개략적인 조립체 도면을, 측면 및 부분적 길이방향 단면으로 도시한다.
도 2는 상면도의 도 1의 동일 조립체 도면에 관한 것이다.
도 3은, "광택(glossy)" 유형의 반사 모드를 강조하는 것에 의해서, 본 발명의 바람직한 제2 실시형태의 열 에너지의 저장 및 전달을 위한 장치의 확대도를, 측면 및 부분 길이방향 단면으로 도시한다.
도 4는, "확산" 유형의 반사 모드를 제공하는, 본 발명의 바람직한 제3 실시형태의 열 에너지의 저장 및 전달을 위한 장치의 확대도를, 측면 및 부분 길이방향 단면으로 도시한다.
전술한 도면의 표시는 순수한 예시를 의미하며, 구성요소 및 거리가 반드시 비례하여 도시된 것은 아니다.

본 발명의 실시형태 및 변형예를, 전술한 도면을 참조하여, 이하에서 설명할 것이다.

여러 도면에서, 유사한 구성요소들은 동일 참조 번호로 표시된다.

이하의 상세한 설명에서, 설명 자체에서 이미 취급된 실시형태 및 변형예에 대한 부가적인 실시형태 및 변형예는 이미 설명된 것과의 차이에 대해서만 제한적으로 설명된다.

또한, 이하에서 설명되는 여러 실시형태 및 변형예는, 양립 가능한 경우에 조합되어 사용될 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제1 실시형태에 따른, 태양 기원의 열 에너지의 저장 및 교환을 위한 장치, 또는 수용부가 전체적으로 1로 표시되어 있다.

본 실시형태의 장치(1)는, 경우에 따라 본원에서 고려되는 것과 같은 복수의 장치를 포함하여, 에너지 생산을 위해서 플랜트 내에 삽입되는 것을 의미한다.

또한 도 2에 도시된 바와 같이, 장치(1)는, 전체적으로 500으로 표시되고 입사 태양 복사선을 장치(1)(또는 본원에서 고려되는 것과 유사한 복수의 장치)에 집중시키도록 구성되는, 태양 복사선을 수집하기 위한 광학 시스템과 유리하게 연관된다. 특히, 광학 시스템(500)은, 지면 상에 배열되고 입사 태양 복사선을 수집하여 이를 편향시키는데/ 장치(1)에, 특히 본 예에서 공통 포커스(F)에 집중시키는 데 적합한, 복수의 헬리오스탯(501) 또는 동등한 반사 광학 수단을 포함할 수 있다.

헬리오스탯(501)은, 예를 들어 기본 방향에 따라 배열된, 하위-필드(sub-field)들로 구성될 수 있다.

도시된 구성에서, 장치(1)는, 집중된 태양 복사선을 "상향-빔(beam-up)" 구성에 따라 수용하도록, 헬리오스탯(501)의 배치 평면 위에 위치된다. 따라서, 장치(1)는, 개략적으로 도시되고 800으로 표시된 구조물, 예를 들어 금속 구조물에 의해서 높은 고도에서 지지된다.

이제, 본원에서 설명되는 여러 실시형태에 공통되는 장치의 일부 구성요소를 설명하기 위해서, 도 3의 확대도를 참조할 것이다. (여전히 1로 표시되는) 여기에서 도시된 장치는 먼저 격실 케이싱(2)을 포함하고, 격실 케이싱은, 간략히 말해서 유동화 가능 입자의 베드(3)를 수용하기에 적합한 내부 격실(20)을 가지거나 형성한다. 케이싱(2)은 다각형, 예를 들어 입방체 또는 평행육면체 또는 원통형 기하형태를 가질 수 있다. 본 예에서, 케이싱(2)은 상부 벽 또는 상단부(21), 측벽 또는 스커트(22), 및 하부 벽 또는 기부(base)(23)를 갖는다.

케이싱(2)은 외부와 관련하여 격실(20)을 단열시키도록 구현된다.

케이싱(2)은 다수-층 구성을 가질 수 있다.

장치(1) 그리고 특히 그 케이싱(2)의 기하형태와 관련하여, 본 예에서 수직을 나타내는 길이방향(L), 및 길이방향(L)에 수직인 평면 상에 있고 이어서 이러한 예에서 수평인 횡방향(T)을 정의할 수 있다.

케이싱(2)은 조사 개구부(10)를 갖는다. 본 실시형태에서, 전술한 반사부는 입사 태양 복사선을 집중시켜, 개구부(10)에 또는 개구부에서 또는 그에 근접하여 실제로 유입시킨다. 유리하게, 전술한 바와 같이, 복사선은 하나의 단일 포커스(F)에 집중된다. 포커스(F)가 개구부(10)에 상응하게 하는 수용부 장치(1)의 그리고 필드 헬리오스탯의 상호간의 위치는 개구부 자체의 크기를 최소로 줄일 수 있게 하고, 결과적으로 개구부를 통한 복사 손실 및 자연 대류에 의한 손실을 감소시킬 수 있게 한다.

일반적으로, 복사선이 격실(20) 내에서 전달되도록 구성된다.

본 실시형태에서, 개구부(10)는 내부 격실(20), 및 이어서 그 내부에 수용된 입자 베드(3)와 외부 환경을 직접적으로 연통시킨다. 특히, 개구부(10)는, 사용 시에, 예를 들어 투명 창 또는 기타와 같은 폐쇄 또는 차폐 수단을 가지지 않는다. 다시 말해서, 장치(1)는 폐쇄 또는 차폐 수단이 없이 동작되도록 구성된다. 동작 기간이 아닌 동안에, 개구부는 다시 제거 가능하고 적절히 단열된 수단에 의해서 폐쇄될 수 있고, 그에 따라 시스템을 보호할 수 있고 외부 환경을 향하는 열 에너지의 분산을 방지하거나 감소시킬 수 있다.

전술한 개구부(10)에 근접하여, 구성요소 예를 들어 차폐부 또는 장벽이 배치될 수 있고, 장치 자체에 진입하는 집중된 복사선을 방해하지 않으면서, 외부 환경으로부터 오는 공기 유동 또는 바람이 장치에 진입하는 것을 제한할 수 있다. 또한, 개구부(10) 주위에, 당업계에 자체적으로 알려진 예를 들어 CPC (Compound Parabolic Concentrator) 형태의 부가적인 광학 기기가 제공될 수 있고, 그에 따라 (부재시에) 개구부(10) 자체의 외부로 누출될 수 있는, 집중된 태양 복사선의 전체 또는 일부를 회수할 수 있다.

심지어 동작 중에도 개구부(10)가 투명 창 또는 다른 동등한 수단에 의해서 차폐되는 실시형태가 또한 제공될 수 있다.

본 예에서, 개구부(10)는, 상부 벽(21)에 근접하여, 케이싱(2)의 측면 스커트(22)에 배열되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 그러한 표시는 예시적인 것을 의미한다. 개구부는 하부 마진(lower margin)(230)에 의해서 제한된다.

바람직하게는, 입자 베드(3)의 프리보드(35)는, 정적 조건 및 동작 유동화 조건 모두에서, 하부 마진(230) 아래로 떨어진다.

바람직하게, 개구부(10)는 입자 베드의 프리보드(35)에 의해서 하부 측면 상에서, 스커트(22)의 상부 부분에 의해서 측면에서, 그리고 벽(21)에 의해서 상단부에서 제한되는, 격실(20)의 자유 영역, 또는 빈 공간(350)에 배열된다. 그러한 영역(350)은 조사 영역으로 정의될 수 있다.

유동화 가능 입자의 베드(3)는, 고체 입자에 의해서 형성된, 과립형이다.

장치(1)의 입자 베드를 위한 바람직한 과립형 재료의 유형은, 큰 열 능력 및 확산성의 열적 특성을 갖는 유형이다. 바람직한 과립형 재료의 예가 강 모래이고, 이러한 강 모래는, 상기 열 특성을 가지는 것과 별개로, 자연적으로 둥근 입자 형상을 가지며 그에 따라 입자들의 상호 마모 현상을 최소화한다.

입자 베드(3)의 위에 서 있는 케이싱(2)의 내부 벽은, 유동화될 경우에도, 헬리오스탯(501)에 의해서 집중된 태양 복사선과 직접적이거나 간접적으로 관련된다. 조사 영역(350)의 그러한 벽은, 이하에서 설명하는 바와 같이, 상이한 유형의 반사 특성들을 가질 수 있는 재료 및/또는 프로세싱으로 제조된 격실(20) 내에서 노출되는 반사 표면을 갖는다.

정반사 - 표면은 광을 하나의 단일 방향으로 반사시킨다. 진출 복사선 방향은 입사 평면 내에 있고, 반사각은 입사각과 동일하다.

확산 - 표면은 광을 모든 방향으로 동일하게 반사시키고, 광 반사는 방향과 독립적이고, 광 반사는 방향 및 진입/입사 평면과 독립적이다.

광택 - 표면은 정반사로부터 확산까지의 혼합 거동을 갖는다.

도 1의 제1 실시형태에서, 틸팅된 내부 벽(701)이 제공되고, 이는 집중된 태양 복사선을 직접적으로 수용하고, 정반사 모드에서 동작하는, 701로 또한 식별된 반사 및/또는 재-복사 표면을 갖는다. 입사 태양 복사선이, 케이싱(2)의 횡단면에 상응하는 반사 면적에 따라, 베드(3)의 프리보드(35)에서 거의 전체적으로 반사되도록 배열된다.

도 3의 제2 실시형태에서, 틸팅된 차폐부(702)로서 개략적으로 도시된 벽은 "광택적" 광학 거동을 갖는다.

도 4의 제3 실시형태에서, "확산" 거동은, 케이싱(2)의 측면 스커트(22)와 상부 벽(21)을 결합시키는 곡선형 벽(24)에 속하는 반사 및/또는 재-복사 표면(703)에 의해서 제공된다. 또한, 도 4의 구성에서, 표면(24)에 대향되는 보조 반사 및/또는 재-복사 표면을 가지는, 부가적인 틸팅된 벽 또는 차폐부(25)가 또한 제공된다.

여전히 도 4를 참조하면, 경첩형 차폐부 형태의 그리고 집중된 복사선을 획득하기 위한 단계(phase)와 관련된 개방 위치의, 조사 개구부(10)를 폐쇄하기 위한 시스템(101)의 개요가 도시되어 있다. 에너지 획득이 요구되지 않고 그 대신 에너지의 유지가 요구될 경우에, 장치(101)는 폐쇄될 수 있다.

다른 바람직한 구성은, (또한 또는 유일하게) (특히, 측면 스커트(22)의 부분이 조사 영역(350) 및/또는 상부 벽(21)을 형성하고/하거나 여전히 그들 사이의 부분들을 결합하는) 케이싱(2)의 내부 벽이 직접적으로 하나 이상의 반사 표면을 가지는 것을 제공할 수 있다.

심지어 상호 조망 인자(mutual view factor)로 인해서, 개구부(10)로부터 진출하는 총 복사 유동의 최소화 및 유동화 베드에 진입하는 총 유동의 최대화를 가능하게 하도록, 케이싱(2)의 내부 벽의 표면(들)이 결과적으로 편평할 수 있거나 선택된 프로파일을 가질 수 있다.

상기 반사 및/또는 재-복사 표면은, 그러한 표면이 받는 큰 열 유동에 의해서 유도되는 높은 온도를 견딜 수 있는 재료, 예를 들어 바람직하게는 세라믹 타일, 내화 시멘트 및/또는 유사 재료로 구성된다.

전술한 구성에서, 내부 표면(2)에 의해서 전체적으로 방출되는 전자기 에너지, 다수의 상호 조망 인자를 통해서, 표면(701 내지 703)에 의해서 방출된 복사선 및 반사된 복사선의 합은, 집중된 태양 복사선에 노출된 모든 표면보다 더 큰 흡수 계수를 갖도록 유리하게 선택된, 입자 베드(3)에 의해서 흡수된다.

특히, 영역(350)의 내부 표면에 의해서 반사된 태양 복사선은, 상호 조망 인자에 따라, 직접적으로 또는 다수의 반사부의 아래쪽으로, 입자 베드(3)를 타격한다. 또한, 상기 내부 표면은, 그 자체의 흡수 및 반사 계수에 따라, 반사되지 않은 에너지 부분을 흡수하고, 이는 그러한 표면의 온도 상승을 유발하고, 이는 이어서, 상호 조망 인자에 따라, 태양 에너지를, 직접적으로 그리고 내부 표면들 사이의 재-복사를 통해서 간접적으로, 입자 베드를 향해서 재-복사한다.

그러한 구성은, 복사 공동이 공동 자체의 평균 크기에 비해서 감소된 크기를 갖는 외측을 향하는 개구부를 구비할 경우, 복사 공동 또는 흑체와 유사한 장치 거동을 결정한다. 그러한 조건 하에서, 개구부에 입사되는 전체 집중 태양 복사선의 대부분이 공동 내에서 반복적으로 반사, 흡수 및 재-복사되며, 그에 따라 그 최소 부분만이 성공적으로 진행하고, 그렇게 캡쳐된 태양 에너지는 유동화된 입자 베드 내에서 축적되어 유지된다.

전술한 도면의 구성에서, 입자 베드(3)는 유동화 가스, 특히 공기를 공급 및 분배하도록 구성되는 유동화 수단(4)에 의해서 격실(20) 내에서 이동된다. 본 실시형태에서, 수단(4)은, 입자 베드(3)의 기부인 케이싱(2)의 하부 기부(23)에 배열된, 유동화 공기(41)를 공급하거나 유입시키는 복수의 요소를 포함한다. 입자 베드(3) 내의 유동화 공기의 루트는 이어서 하단부로부터 상향이고, 특히 수직 또는 실질적으로 수직이다. 더 일반적으로, 유동화 가스 유입구가 길이방향(L)을 따라서 배치된다.

본 예에서, 균일한 또는 실질적으로 균일한 입자 베드(3)의 유동화가 제공된다.

베드(3)의 유체 역학 체제는 베드의 여러 부분들의 입자들 사이의 효과적인 열 교환을 가능하게 한다. 이는, 베드 입자가 연속적으로 교환되고 순환된다는 사실에 의해서 촉진된다. 사용 시에, 프리보드(35) 또는 그 부근에 배열된 입자는 반사된 또는 재-복사된 태양 복사선에 의해서 열 에너지를 흡수하고, 이들은 열 에너지를 다른 베드 입자에 전달한다.

입자들 사이의 열 교환은 유동화 체제에 의해서 결정된 대류 운동에 의해서 촉진된다.

실시형태의 변형예는 베드(3)의 상이한 영역들 또는 부분들 내에서 차별화된 유동을 제공할 수 있다. 몇 개의 베드 영역 또는 부분의 유동화, 또는 이를 위해서 선택될 수 있는 유동화 체제는 입자 베드(3)에 유입되는 유동화 공기의 유동의 속력 그리고 경우에 따라 유량을 차별화할 수 있다.

유동화 요소는 결과적으로, 본 예에서와 같이, 입자 베드(3)의 기부에서 균일하게 배열될 수 있거나, 차별화된 방식으로 배치될 수 있다.

구조적으로 유사하고, 경우에 따라, 예를 들어 속력 및/또는 유량과 관련하여 상이하게 제어되는 유동화 요소들이 더 제공될 수 있다.

유동화 체제는 심지어 비등 유형(boiling type) 및/또는 일반적으로 베드(3) 내의 또는 그 영역 또는 부분 내의 입자의 대류 이동을 촉진하는 체제일 수 있다.

일부 실시형태의 변형예에서, 전체 배드 또는 그 영역 또는 부분을 위해서 선택된 유동화 체제는 심지어, 예를 들어 제트, 분수 또는 임펄스와 유사한, 소위 "주둥이형(spouted)"일 수 있다. 주둥이형의 유동화 베드는 일반적으로 동일한 베드의 기부에서 중앙 유동화 가스의 제트를 특징으로 하는 유체 역학 체제를 가지며, 이는, 제트에 직접 노출된 입자와 주변 입자 사이의 큰 속력차로 인해서, 제트의 측면 부분 내에서 끌어 당겨진 고체에 의해서 공급되는 중앙 부분 내에서 사실상 분수와 유사한 효과를 생성함으로써, 제트 자체에서 그리고 위에서 볼 경우 (원통형인) 영역에서 지속되는 베드 컬럼에 의해서 끌어 당겨지는 이동을 생성한다.

베드(3) 내에, 열 교환 요소(5), 특히 관 번들(tube bundle)들이 수용된다. 그러한 열교환기는, 연속성을 가지고 또는 선택된 동작 조건 하에서, 동작 유체, 예를 들어 증기 또는 CO2에 의해서 교차될 수 있다.

특히, 입자 베드(3)에 축적된 열 에너지를 사용하는 단계인, 열 교환 단계에서, 동작 유체가 관 번들(5) 내에서 유동될 수 있고 베드 입자로부터 열을 수용할 수 있다. 대조적으로, 순수 저장 단계 중에, 관 번들(5)은 휴지 상태일 수 있고, 즉 동작 유체의 순환이 없다.

저장 단계는 태양이 존재할 경우에 활성화된다. 동작 유체에 열 에너지를 전달하는, 열 교환 단계는 바람직하게는 태양이 없을 경우에도 활성화될 수 있다.

설계 온도 및 압력의 조건 하에서 장치(1)를 빠져 나가는 동작 유체는 전기 에너지의 생산을 위해서 발전기에 커플링된 터빈 내에서 팽창될 수 있거나, 다른 산업적 목적을 위해서, 예를 들어, 특히 매우 높은 온도의 열 에너지가 계속적으로 요구될 경우, 산업 프로세스에서 사용되는 유체 캐리어의 생산을 위해서 사용될 수 있다. 다시 말해서, 본 예에서, 관 번들(5)은 플랜트의 부가적인 구성요소, 예를 들어 각각이 자체적으로 알려진, 하나 이상의 터빈, 응축기, 열 교환기, 펌프 및 기타에 연결된다.

장치(1)는, 자체 경로가 입자 베드(3) 내에서 종료되고 조사 영역(350)에서 그로부터 외부로 나오는 유동화 공기를 흡입하기 위한 수단(6)을 추가로 포함한다. 그러한 흡입 수단(6)은 이어서 입자 베드(3)의 프리보드(35) 위의 케이싱(2) 내에서 공기를 흡입하도록 구성된다. 본 예에서, 흡입 수단(6)은 케이싱(2)의 상부 벽(21)에 배열된, 예를 들어 후드 형태의, 빈 공간(350)으로부터 공기를 수집하기 위한 요소(61)를 포함한다.

바람직하게는, 흡입 수단(6)은 개구부(10)를 통해서 외부 환경 내로 유동화 공기 및/또는 그에 의해서 끌어 당겨진 입자가 방출 또는 대량 방출되는 것을 방지하도록 구성된다.

유리하게, 흡입 수단(6)은 제어 수단(미도시), 바람직하게는 유량 센서를 제공하고, 이는, 유동화 수단(4)과 연관된 부가적인 제어 수단(미도시)과 협력하여, 입자 베드(3)에 진입한 유동화 공기 유동 이상으로 공기 유동이 장치(1)로부터 추출되는 것을 결정한다.

유리하게, 장치(1)는 장치의 프리보드(35)에서 입자 베드(3)를 빠져 나오고 수단(6)에 의해서 흡입되는 (가열된) 유동화 공기와 유동화 수단(4)에 의해서 입자 베드(3)에 진입하는 유동화 공기 사이의 열 교환을 제공한다. 다시 말해서, 열 교환 수단에 의해서 얻어진, 열 재생이 제공된다. 이러한 것이 열 교환 구성요소(512), 유동화 공기의 분진을 제거하기 위한 구성요소(513), 유동화 공기를 외부 환경으로부터 흡입하기 위한 구성요소(514), 및 유동화 수단(4)에 속하는 유동화 시스템 내의 공기(515) 유입용 구성요소에 의해서, 도면에 개략적으로 도시되어 있다.

실시형태의 변형예에서, 장치(1)는 입자 베드(3)의 프리보드(35) 위에서 무풍 챔버(calm chamber)를 갖는다. 그러한 무풍 챔버는 베드 입자에 대한 느린 속력의 또는 속력이 없는 영역을 의미하고, 이는, 본 예에서, 빈 공간(350)에 의해서 형성된다.

무풍 챔버는 개구부(10)를 통한 공기 및/또는 입자의 누출 또는 대량 누출의 방지에 기여한다.

350 톤의 입자 베드를 포함하는, 전술한 것과 유사한 플랜트의 예시적인 구성이 이하의 치수적 매개변수 중 하나 이상으로 구현될 수 있다:

- 반사 표면이 약 10,000 m²인 필드 헬리오스탯;

- 최소 60 m 및 최대 200 m의 포커스 거리로서, 포커스 거리는 헬리오스탯의 중심과 이를 타격하는 평행 태양 광선의 초점화 지점 사이의 거리로서 정의된다;

- 지면 상에 있는 헬리오스탯의 필드에 대한 약 40 m 고도에서 장치의 유입구 개구부를 배치하는 것;

- 약 15 내지 20인, 장치의 내부 반사 표면의 전체 범위와 유입구 개구부의 표면의 전체 범위 사이의 치수적 비율.

본 발명의 장치는 모듈형 특성을 가지며, 즉 이는 열 교환과 관련하여 직렬로 또는 병렬로 하나 이상의 유사한 장치에 연결되도록 양호하게 피팅된다(fit).

또한, 설명된 상이한 형태 및 실시형태의 변형예에 따른 장치의 유형들이 바람직하게는 산업 플랜트의 더 많은 생산 및/또는 작동 유연성을 위해서 연관될 수 있다.

또한 바람직한 구성에서, 본 발명의 하나 이상의 장치를 기반으로 하는 플랜트는 유리하게는 전기 에너지의 일일 생산을 제공하는 광기전 시스템에 연관될 수 있다. 그러한 구성에서, 저장 및 전달 장치는, 태양이 떠 있는 시간동안에는 태양 기원의 열 에너지를 저장하는 체제로 그리고 황혼 이후에는 열 에너지를 전달하는 체제로 관리될 수 있다.

또한, 동일 구성에서, 플랜트는 담수화 플랜트 또는 태양 기원의 열 에너지를 활용하는 다른 시스템과 연관될 수 있다. 이러한 경우에, 장치는 혼합 체제: 플랜트의 연속적인 동작, 예를 들어 담수화 동작을 위해서만 관련 열 에너지를 제공함으로써, 야간의 전기 에너지 생산 및 동시적인 일일 전달 모두를 위한 저장으로 관리될 수 있다.

에너지 생산 연속성을 보장하여, 재생 가능하지 않은 공급원에 의해서 생산되는 에너지의 생산을 줄이거나 제거하기 위해서, 본 발명의 장치는 재생 가능 에너지(예를 들어, 광전지, 풍력, 지열)의 다른 공급원 또는 재생 가능하지 않은 다른 공급원에 의해서 공급되는 플랜트와 통합될 수 있다.

본 발명은, 본 발명의 장치 및 플랜트와 관련하여 이미 전술한 기능을 기반으로 하여, 태양 기원의 열 에너지의 저장 및 교환을 위한 방법을 추가로 제공한다.

지금까지 본 발명의 목적에 대해 그 바람직한 실시형태를 참조하여 설명하였다. 이는 이하에 기재된 청구범위의 보호 범위 내에 모두가 포함되는, 동일한 발명의 핵심에 포함되는 다른 실시형태가 존재할 수 있다는 것을 의미한다.

Claims (28)

1. 태양 기원의 열 에너지의 저장 및 전달을 위한 장치(1)로서,
   케이싱(2) 내에 형성된 조사 영역(350) 내에 입사 태양 복사선이 진입할 수 있게 허용하도록 구성되는 조사 개구부(10)를 가지는 격실 케이싱(2);
   상기 케이싱(2) 내에 수용된 유동화 가능 입자들의 베드(3); 및
   상기 조사 영역(350) 내에 배열되고, 상기 조사 개구부(10)를 통해서 진입하는 태양 복사선을 직접적으로 상기 입자들의 베드(3)의 프리보드(35) 상으로 또는 상기 조사 영역(350)의 다른 반사 또는 재-복사 표면 상으로 반사시키도록 구성되는 적어도 하나의 반사 또는 재-복사 표면(701; 702; 703)을 포함하는,
   장치(1).
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 열 에너지가 유입 태양 복사선으로부터 상기 입자들의 베드(3)로 전달되며 동시에 또는 이후에 상기 입자들로부터 열 교환 수단(5)으로 전달되도록 전체적으로 구성되고, 상기 입자들의 베드(3)에 열적으로 연결되어 열 에너지를 수용하도록 활성화될 수 있는, 열 교환 수단(5);
   을 더 포함하는,
   장치(1).
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 입자들의 베드(3)를 빠져 나오는 가열된 유동화 가스를 사용자에 공급하기 위한 수단(mean)들;
   을 포함하는,
   장치(1).
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 조사 개구부(10)는,
   상기 케이싱(2)의 상기 조사 영역(350)을 외부 환경과 직접 연통시키고, 사용 시에 폐쇄 또는 차폐 수단에 의해서 연통시키지 않는,
   장치(1).
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 조사 개구부(10)는,
   상기 케이싱(2)의 벽 또는 측면 스커트(22)에 배열되는,
   장치(1).
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 입자들의 베드(3)의 프리보드(35)는,
   유동화 조건 하에서, 상기 조사 개구부(10)의 하부 마진(230)의 아래에 배열되는,
   장치(1).
   
7. 제1항에 있어서,
   유입 복사선이 반사 표면(701; 702; 703) 상의 다수의 반사 후에 입자들의 베드(3)의 프리보드(35)를 타격하도록 전체적으로 구성되고, 조사 영역(350) 내에 배열되고 상기 조사 개구부(10)를 통해서 진입하는 태양 복사선을 반사시키도록 각각 구성되는, 복수의 반사 표면들(701; 702; 703)을 포함하는,
   장치(1).
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 반사 또는 재-복사 표면(701; 702; 703)은,
   복사 공동 구성에 따라, 상기 태양 복사선에 의해서 흡수된 열 에너지를 상기 조사 영역(350) 내에서 재-복사시키도록 구성되는,
   장치(1).
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 반사 또는 재-복사 표면(701; 702; 703)은,
   상기 조사 영역(350) 내에 수용된 틸팅된 벽 상에 구현되거나 또는 상기 개구부(10)를 빠져 나가는 복사 에너지를 감소시키기 위한 상호 조망 인자를 구비하여 상기 케이싱(2)을 형성하는 벽(21, 22)과 연관되는,
   장치(1).
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 반사 또는 재-복사 표면(701; 702; 703)은,
    입사각과 동일한 복사 반사각을 가지는 정반사 반사도; 복사선 입사 평면과 독립적으로, 모든 방향으로 반사되는 확산 반사도; 정반사 반사도와 확산 반사도 사이의 복합 거동을 가지는 광택 반사도를 포함하는 도식화(schematization)들 중 하나에 속하는 반사도를 가지는,
    장치(1).
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 케이싱(2)은,
    상기 조사 개구부(10)를 제외하고, 단열 재료로 제조되는,
    장치(1).
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 케이싱(2)은,
    열 회수 또는 손실 중 적어도 하나를 위한 시스템에 의해서 고온에 대한 내성을 가지는 재료로 제조되는,
    장치(1).
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 베드(3)의 입자가 상기 반사 표면(701; 702; 703)보다 큰 흡수도를 가지는,
    장치(1).
    
14. 제2항에 있어서,
    상기 열 교환 수단은,
    사용 시에 동작 유체와 교차되도록 구성되는 관 번들(5); 열-광전지 요소; 열이온 요소; 및 열전기 요소를 포함하는 구성 요소들 중 하나 이상을 포함하는,
    장치(1).
    
15. 제1항에 있어서,
    유동화 가능 고체 입자의 베드(3) 내에 유동화 가스를 유입시키도록 구성되는 유동화 수단(4)을 포함하는,
    장치(1).
    
16. 제15항에 있어서,
    상기 유동화 가스의 유동 속력 또는 유량 중 적어도 하나를 선택적으로 변경하기 위한 수단들을 포함하는,
    장치(1).
    
17. 제1항에 있어서,
    상기 입자들의 베드(3)의 프리보드(35) 위의 유동화 가스를 흡입하도록 구성되는, 후드-유사 구성(61)을 가지는 흡입 수단(6)들;
    을 포함하는,
    장치(1).
    
18. 제15항에 있어서,
    상기 입자들의 베드(3)를 빠져 나오는 유동화 가스와 상기 입자들의 베드(3)에 진입하는 유동화 가스 사이의 열 교환 수단(512)들;
    을 포함하는,
    장치(1).
    
19. 제1항에 있어서,
    상기 입자들의 베드(3)에 열적으로 연결된 가열 수단들을 포함하고,
    상기 가열 수단들은, 열 에너지를 상기 입자들에 전달하도록 구성되는,
    장치(1).
    
20. 제1항에 있어서,
    상기 케이싱(2)을 지면(ground) 위의 고도(elevation)에서 유지하도록 구성되는 지지 구조물(800);
    을 포함하는,
    장치(1).
    
21. 전기 또는 열 에너지 중 적어도 하나를 생산하기 위한 플랜트(plant)로서,
    높은 고도에 배열된 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 장치(1); 및
    지면 상에 배열되고 복수의 헬리오스탯(501)들을 포함하는, 태양 복사선을 수집하기 위한 수단(500)들;
    을 포함하고, 그리고
    상기 태양 복사선이 상기 수집 수단(500)들에 의해서 수집되고, 하나 이상의 장치(1)들의 상기 조사 개구부(10)에서 집중되도록 구성되고,
    상기 수집 수단(500)들 또는 상기 수집 수단들의 하위-그룹은, 상기 태양 복사선을 상기 장치(1)의 조사 개구부(10)에 또는 상기 조사 개구부의 부근에 배열된 공통 초점(f) 내에 집중시키는,
    플랜트.
    
22. 제21항에 있어서,
    상기 수집 수단(500)들은,
    상기 태양 복사선을 하단부로부터 상기 하나 이상의 장치(1)에 수렴시키는, 복사선 구성을 형성하는,
    플랜트.
    
23. 태양 복사선의 열 에너지로부터 시작하여 전기 또는 열 에너지 중 적어도 하나를 생산하기 위한 방법으로서,
    유동화 가능 입자들을 가지는 유형의 열 에너지 저장을 위한 베드(3)를 포함하는 수용부 장치(1)의 조사 개구부(10)에서의 태양 복사선의 집중 단계; 및
    유입 개구부(10)의 하류에 배열된 하나 이상의 반사 또는 재-복사 표면(701 내지 703)에 의한 상기 입자들의 베드 상에서의 상기 태양 복사선의 한번 이상의 반사(a single or multiple reflection) 단계;
    를 제공하는,
    방법.
    
24. 제23항에 있어서,
    열 에너지의 저장을 위한 단계에 대해 동시에 또는 이후에 선택적으로 활성화될 수 있는, 상기 베드(3)의 입자들에 의해서 열 에너지를 전달하는 단계;
    를 포함하는,
    방법.
    
25. 제23항에 있어서,
    상기 입자들의 베드(3)를 빠져 나오는 가열된 유동화 가스를 사용하는 단계;
    를 포함하는,
    방법.
    
26. 제23항에 있어서,
    선택된 동작 조건 하에서 활성화되는, 상기 베드(3)의 입자를 유동화하는 단계;
    를 포함하는,
    방법.
    
27. 제26항에 있어서,
    유동화 가스의 유동 속력 또는 유량 중 적어도 하나를 선택적으로 조정하는 단계;
    를 제공하는,
    방법.
    
28. 제23항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 장치 또는 플랜트를 이용하는,
    방법.

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