KR20230092307A - 카르노 배터리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 작동유체로 사용하는 초임계 이산화탄소를 저장유체로도 사용할 수 있는 카르노 배터리 시스템에 관한 것으로써, 작동유체로 사용하는 초임계 이산화탄소를 저온열저장부의 저장유체로 활용하여 전체 시스템의 효율을 높일 수 있다.

Description

카르노 배터리 시스템 {Carnot battery system}
본 발명은 작동유체로 사용하는 초임계 이산화탄소를 저장유체로도 사용할 수 있는 카르노 배터리 시스템에 관한 것이다.
카르노 배터리 시스템은 잉여, 심야 전력을 이용하여 히트펌프를 구동해 전력을 고온의 열에너지 형태로 저장한 뒤 전력이 필요할 때 방전 사이클을 구동하여 열에너지를 다시 전기에너지로 변환하는 전력 저장 기술이다.
도 1을 참조하면, 종래의 카르노 배터리 시스템은 충전사이클(1)에서 터빈(30)과 압축기(40)의 구동에 의해 작동유체가 저온열저장부(10)에서 고온열저장부(20)의 사이를 순환하면서 잔여전력을 고온열저장부(20)의 고온저장열매체에 열로 저장한다. 그리고 방전사이클(2)에서 펌프(50)와 터빈(30)의 구동에 의해 작동유체가 고온열저장부(20)에서 저온열저장부(10)의 사이를 순환하면서 고온열저장부(20)의 고온저장매체에 저장된 열에너지로 전기에너지를 생산한다.
이때, 충전사이클(1)과 방전사이클(2)은 분리되어 있으며 작동유체의 유량이 다르다. 충전사이클(1)과 방전사이클(2)에서 작동유체의 유량을 조절하기 위해 충전사이클(1)과 방전사이클(2)은 인벤토리탱크(60)로 연결된다.
또한 종래의 카르노 배터리 시스템은 저온열저장부(10)의 저온저장유체와 시스템을 순환하는 작동유체가 다르게 구성된다. 작동유체는 초임계 이산화탄소를 사용하지만, 저온저장유체는 초임계 이산화탄소가 아닌 다른 유체를 사용한다. 충전사이클(1) 및 방전사이클(2)의 작동 시 작동유체와 저온저장유체는 열교환기(70)를 사용하여 열전달이 이루어진다.
이러한 종래의 카르노 배터리 시스템은 열교환기(70)에서 작동유체와 저온열저장부(10)의 저온저장유체간에 접근온도차이에 의한 비가역성이 발생하기 때문에 시스템 전체의 효율이 떨어지는 문제가 발생하였다.
미국공개특허 2014-0060051 (2014.03.06.)
본 발명의 목적은 작동유체로 사용하는 초임계 이산화탄소를 저온열저장부의 저장유체로 활용하여 전체 시스템의 효율을 높일 수 있는 카르노 배터리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 터빈, 압축기, 펌프를 포함하여, 작동유체를 상기 터빈과 상기 압축기 사이에서 순환시켜 열에너지를 저장하는 충전사이클과, 작동유체를 상기 펌프와 상기 터빈 사이에서 순환시켜 저장된 열에너지로 전기에너지를 생산하는 방전사이클을 가지는 카르노 배터리 시스템으로써, 저온저장매체를 저장하는 저온열저장부; 상기 작동유체와 열교환을 통해 열에너지를 고온저장매체에 저장하는 고온열저장부; 상기 저온열저장부에서 상기 터빈 및 압축기 사이 또는 상기 펌프 및 터빈 사이를 연결하는 제1유로; 상기 고온열저장부에서 상기 터빈 및 압축기 사이 또는 상기 펌프 및 터빈 사이를 연결하는 제2유로; 상기 작동유체를 상기 저온저장매체로 사용하여, 상기 작동유체는 순환하면서 상기 저온열저장부에서 상기 저온저장매체로 저장되는, 카르노 배터리 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 작동유체는 초임계 이산화탄소를 사용하는, 카르노 배터리 시스템 이 제공될 수 있다.
또한, 상기 저온열저장부에는, 충전사이클 및 방전사이클에 따라 상기 작동유체의 유량을 조절하는 조절밸브가 설치되는, 카르노 배터리 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 고온열저장부는, 제1고온열저장탱크 및 제2고온열저장탱크로 구성되고 상기 고온저장매체가 상기 제1고온열저장탱크 및 제2고온열저장탱크를 이동하면서 열교환기에 의해 상기 제2유로의 작동유체와 열교환하는, 카르노 배터리 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1유로와 상기 제2유로에는 열교환기가 설치되어 작동유체가 열교환하는, 카르노 배터리 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 카르노 배터리 시스템은 작동유체로 사용하는 초임계 이산화탄소를 저온열저장부의 저장유체로 활용하여 전체 시스템의 효율을 높이는 효과가 있다.
또한, 작동유체인 초임계 이산화탄소를 저온열저장부의 저장유체로 사용함으로써, 저온열저장부의 열교환기를 제거하고 저온열저장부를 하나의 저장탱크로 구성하여 시스템 효율을 높이고 시스템을 단순화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 카르노 배터리 시스템에 대한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 카르노 배터리 시스템에서 충전사이클에 대한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 카르노 배터리 시스템에서 방전사이클에 대한 구성도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현할 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략한다.
이하에서 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참고로 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 카르노 배터리 시스템은, 터빈(30), 압축기(40), 펌프(50)를 포함하고, 작동유체를 터빈(30)과 압축기(40) 사이에서 순환시켜 열에너지를 저장하는 충전사이클과, 작동유체를 펌프(50)와 터빈(30) 사이에서 순환시켜 저장된 열에너지로 전기에너지를 생산하는 방전사이클을 가진다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 카르노 배터리 시스템에서 충전사이클은, 작동유체가 저온열저장부(100), 압축기(40), 고온열저장부(200), 터빈(30), 저온열저장부(100)로의 유동을 가지면서 잔여전력으로 저온의 열이 고온의 열로 변환되어 저장된다.
충전사이클은 제1유로에 의해 터빈(30), 저온열저장부(100), 압축기(40)가 연결되며, 제2 유로에 의해 압축기(40), 고온열저장부(200), 터빈(30)이 연결된다. 작동유체는 저온열저장부(100)에서 제1유로로 압축기(40)로 유동하며, 압축기(40)에서 제2유로로 고온열저장부(200)로 유동한다. 고온열저장부(200)에서 제2유로로 터빈(30)으로 유동하며 터빈(30)에서 제1유로로 다시 저온열저장부(100)로 유동한다.
저온열저장부(100)는 저온저장매체를 저장하는 저장탱크이다. 여기서 저온저장매체는 초임계 이산화탄소를 사용하며, 초임계 이산화탄소는 작동유체이기도 하다.
작동유체는 초임계 이산화탄소로써 이산화탄소를 20bar, 섭씨 영하20도 상태로 만들어 그 유동특정을 이용한 것이다.
그리고 초임계 이산화탄소를 저온정장매체로도 사용함으로써, 기존의 저온저장매체에서 별도로 사용하던 저온저장매체를 작동유체로 공유할 수 있도록 하였다.
즉, 기존에는 저온저장매체에 저장된 별도의 저온저장매체와 작동유체간에 열교환기로 별도의 열교환하는 과정이 필요하였다. 이 과정에서 저온저장매체와 작동유체간의 접근온도차가 필요하다. 저온저장매체와 작동유체간의 접근온도차에 의한 비가역성에 의해 충전사이클에서는 필연적으로 저온열저장부에서 열손실이 발생한다.
하지만 본 발명의 일 실시예에 따른 카르노 배터리 시스템은 작동유체를 초임계 이산화탄소로 구성하고 동시에 저온저장매체로도 사용함으로써, 저온열저장부(100)에서 열교환기를 제거할 수 있다. 이는 저온열저장부에서의 열손실을 막아 시스템 전체의 효율을 높여준다.
또한 저온열저장부(100)에 저장된 조임계 이산화탄소를 작동유체로 바로 사용할 수 있기 때문에 저온저장매체를 저장하기 위한 별도의 저장탱크를 제거할 수 있다. 산업계에서 상용화되어 사용되고 있는 섭씨 영하 20도의 이산화탄소 저장탱크를 바로 저온열저장부(100)로 사용할 수 있다. 이는 시스템 전체의 구성을 간소화하여 시스템의 제작 비용을 줄일 수 있으며, 저온열저장부(100)를 단일화하여 충전사이클 전체의 효율을 높여줄 수 있다.
고온열저장부(200)는 작동유체와의 열교환을 통해 고온저장매체에 열에너지를 저장한다.
고온열저장부(200)는, 제1고온열저장탱크(210) 및 제2고온열저장탱크(220)로 구성된다.
저온의 작동유체는 압축기(40)에서 압축되어 고온열저장부(200)로 유동한다. 열교환기(700)를 사용하여 저온의 작동유체의 열을 고온저장매체로 전달한다.
고온열저장부(200)는 제1고온열저장탱크(210) 및 제2고온열저장탱크(220)로 구성하여 고온저장매체가 제1고온열저장탱크(210)에서 제2고온열저장탱크(220)로 유동하면서 열교환기(700)에 의해 제2유로(400)의 작동유체와 열교환한다. 제1고온열저장탱크(210)에 저장된 고온저장매체는 작동유체에서 열을 받아 제2고온열저장탱크(220)에 저장된다.
고온저장매체는 고온저장유로(500)에 의해 제1고온열저장탱크(210)에서 제2고온열저장탱크(220)로 유동하면서 열교환기(700)에서 제2유로(400)의 작동유체와 열교환하여 작동유체로부터 고온의 열을 전달받는다.
고온저장매체는 열매체오일을 사용할 수 있으며, 돌이나 콘크리트 등도 사용할 수 있다.
고온열저장부(200)에서 열교환한 작동유체는 터빈(30)을 거쳐 다시 저온열저장부(100)로 회수된다.
이러한 충전사이클에서 저온열저장부(100)에 저온저장매체인 작동유체는 초임계 이산화탄소로 섭씨 영하20도로 저장된다. 이러한 작동유체는 제1유로(300)를 유동하여 압축기(40)에서 압축되고, 고온열저장부(200)에 열을 전달하여 고온열저장매체를 섭씨 영상 300도로 저장한다. 고온열저장부(200)와 열교환한 작동유체는 제2유로(400)를 유동하여 터빈(30)을 거쳐 다시 저온열저장부(100)로 회수된다.
이때, 작동유체로 섭씨 영하20도의 초임계 이산화탄소를 사용하고, 고온열저장부(200)의 고온열저장매체를 섭씨 영상 300도로 저장하는 경우, 제1유로(300)와 제2유로(400)에는 열교환기(700)가 설치되어 제1유로(300)와 제2유로(400)가 서로 열교환할 수 있도록 할 수 있다.
또한 터빈(30)은 제너레이터(G)에 연결되고, 압축기(40)는 모터(M)에 연결되어 구동된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 카르노 배터리 시스템에서 방전사이클은, 작동유체가 고온열저장부(200), 터빈(30), 저온열저장부(100), 펌프(50), 고온열저장부(200)로의 유동을 가지면서 고온열저장부(200)에 저장된 열에너지로 전기에너지를 생산한다.
방전사이클은 발전사이클로써 고온열저장부(200)에 저장된 열에너지를 사용하여 터빈(30)을 돌려 전력을 생산한다.
방전사이클은 작동유체의 흐름이 상술한 충전사이클과 반대이며, 각 구성들의 구체적인 내용은 상술한 것과 동일하므로 차이점에 대해서만 설명한다.
방전사이클에서는 고온열저장부(200)에서 제2고온열저장탱크(220)에서 제1고온열저장탱크(210)로 고온저장매체가 유동하면서 작동유체와 열교환한다. 작동유체는 고온열저장부(200)의 열교환기(700)에서 고온의 고온저장매체에서 열에너지를 전달받아 터빈(30)으로 유동한다.
작동유체는 저온열저장부(100)에서 펌프(50)에 의해 고온열저장부(100) 방향으로 제2유로(400)를 통해 유동한다.
저온열저장부(100)에서 저온저장매체를 작동유체로 사용하는 것에 의해 상술한 방전사이클과 같이 시스템의 열효율이 높아진다.
저온열저장부(100)는 터빈(30)과 압축기(400)와 제1유로(300)에 의해 연결된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 다른 카르노 배터리 시스템은 작동유체를 저온열저장부(100)의 저온저장매체로 사용함으로써 종래 시스템에서 필요한 도 1과 같은 인벤토리탱크(60)가 필요없다.
종래 시스템의 인벤토리탱크(60)는 충전사이클과 방전사이클에서 작동유체의 충진량 차이를 조절해주기 위한 것이다. 충전사이클과 방전사이클은 유동하는 작동유체의 유량이 다르므로 인벤토리탱크(60)를 별도로 구성하여 작동유체의 유량을 조절한다. 이는 작동유체와 저온열저장부의 저온저장매체가 다르기 때문에 필요한 것이다.
본 발명의 일실시예에 다른 카르노 배터리 시스템은 저온열장부(100)에 저장된 저온저장매체를 작동유체로 사용하기 때문에 작동유체의 유량을 조절하기 위한 별도의 구성이 필요 없다.
대신에 저온열저장부(100)에는 조절밸브(600)가 설치되어 작동유체의 유량을 조절한다.
조절밸브(600)는 충전사이클과 방전사이클에 대응하기 위해 저온열저장부(100)에 연결된 입출구부에 각각 조절밸브(600)를 설치하여 저온열저장부(100)에서 유동하는 작동유체의 유량을 조절할 수 있다.
저온열저장부(100)가 기존의 인벤토리탱크 역할도 동시에 수행할 수 있기 때문에 시스템이 간단해지는 장점을 가진다.
이렇듯 발명에 따른 카르노 배터리 시스템은 작동유체로 사용하는 초임계 이산화탄소를 저온열저장부의 저장유체로 활용하여 전체 시스템의 효율을 높일 수 있다.
또한, 작동유체인 초임계 이산화탄소를 저온열저장부의 저장유체로 사용함으로써, 저온열저장부의 열교환기를 제거하고 저온열저장부를 하나의 저장탱크로 구성하여 시스템 효율을 높일 수 있다.
또한, 작동유체의 유량을 조절하기 위한 별도의 구성을 제거할 수 있기 때문에 시스템을 단순화 할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
10: 저온열저장부
20: 고온열저장부
30: 터빈
40: 압축기
50: 펌프
60: 인벤토리탱크
70: 열교환기
100: 저온열저장부
200: 고온열저장부
210: 제1고온열저장탱크
220: 제2고온열저장탱크
300: 제1유로
400: 제2유로
500: 고온열저장유로
600: 조절밸브
700: 열교환기

Claims (5)

  1. 터빈, 압축기, 펌프를 포함하여, 작동유체를 상기 터빈과 상기 압축기 사이에서 순환시켜 열에너지를 저장하는 충전사이클과, 작동유체를 상기 펌프와 상기 터빈 사이에서 순환시켜 저장된 열에너지로 전기에너지를 생산하는 방전사이클을 가지는 카르노 배터리 시스템으로써,
    저온저장매체를 저장하는 저온열저장부;
    상기 작동유체와 열교환을 통해 열에너지를 고온저장매체에 저장하는 고온열저장부;
    상기 저온열저장부에서 상기 터빈 및 압축기 사이 또는 상기 펌프 및 터빈 사이를 연결하는 제1유로;
    상기 고온열저장부에서 상기 터빈 및 압축기 사이 또는 상기 펌프 및 터빈 사이를 연결하는 제2유로;
    상기 작동유체를 상기 저온저장매체로 사용하여, 상기 작동유체는 순환하면서 상기 저온열저장부에서 상기 저온저장매체로 저장되는,
    카르노 배터리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 작동유체는 초임계 이산화탄소를 사용하는,
    카르노 배터리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저온열저장부에는, 충전사이클 및 방전사이클에 따라 상기 작동유체의 유량을 조절하는 조절밸브가 설치되는,
    카르노 배터리 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 고온열저장부는, 제1고온열저장탱크 및 제2고온열저장탱크로 구성되고 상기 고온저장매체가 상기 제1고온열저장탱크 및 제2고온열저장탱크를 이동하면서 열교환기에 의해 상기 제2유로의 작동유체와 열교환하는,
    카르노 배터리 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1유로와 상기 제2유로에는 열교환기가 설치되어 작동유체가 열교환하는,
    카르노 배터리 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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