KR20230113455A - 전기 및 고온에너지 저장장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 및 고온에너지 저장장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 다양한 품질의 고온에너지 및 전기에너지를 모두 원활하게 저장할 수 있고, 운용 및 관리가 편리하여 활용범위를 종래보다 훨씬 확장할 수 있는, 전기 및 고온에너지 저장장치를 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 물 또는 공기와 같이 다루기 쉬운 작동유체를 이용하여, 고온의 작동유체로 열에너지를 직접 또는 전기에너지를 열에너지 형태로 변환하여 열저장매체에 저장하였다가 필요 시 저온의 작동유체로 열에너지를 회수하는 방식으로 작동하는, 전기 및 고온에너지 저장장치를 제공함에 있다.
Description
본 발명은 전기 및 고온에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양열 등으로 발생한 고온에너지 또는 풍력, 태양광 등으로 발생된 전기를 고온에너지로 변환하여 저장할 수 있게 하는 전기 및 고온에너지 저장장치에 관한 것이다.
산업발전으로 인하여 에너지의 소비가 극대화되고 있는 현재, 에너지의 낭비를 막고 보다 효율적으로 활용하고자 하는 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러한 연구 중 하나가 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)으로서, 부하조정이 어려운 태양광이나 풍력 발전에 의해 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가, 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 등과 같은 방식으로 작동한다.
고온에너지 저장장치의 한 예시로 용융염 방식이 있다. 태양열 방식의 경우, 잉여 태양열을 집열시켜서 합성 오일 등의 온도를 높이고 이를 작동 유체로 이용하여 용융염에 열에너지 형태로 저장한다. 즉, 열에너지를 열에너지로 저장한다. 한편, 태양광이나 풍력의 경우, 잉여 전기에너지를 열에너지로 전환한 후에, 마찬가지로 이 열에너지를 용융염에 열에너지 형태로 저장한다. 전기가 필요한 시점에 저장해 둔 고온의 용융염에 내포된 에너지를 이용하여 발전을 수행한다. 이 경우는 전기에너지를 열에너지로 바꾸어 저장하는 원리이다.
용융염 방식 외에도, 태양광 또는 풍력처럼 전력을 발생시키는 경우 배터리에 전기에너지를 저장하는 방식도 전통적으로 사용되어 오고 있다. 잉여 전력이 대용량인 경우에는 배터리 저장 방식이 비경제적이기 때문에, 전기에너지를 열에너지로 바꾸어 저장하는 방식이 더 채용되어 사용되고 있다. 한 예시로서, 한국특허공개 제2007-0022679호("열 에너지를 저장하는 방법 및 장치", 2007.02.27.)에는, 공급 오프피크 기간에서의 전기에너지 또는 재생에너지를 저장할 수 있도록, 열에너지를 저장할 필요가 있을 때 그라파이트 본체의 내부영역을 가열하고, 열에너지를 사용할 필요가 있을 때 열교환기에 의해 열을 회수하는 장치가 개시된다.
이러한 에너지 저장장치 기술은 현재진행형으로 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있는 터라, 대개의 경우 개발목적에 최적화되도록 설계되며 이에 따라 활용범위가 다소 좁게 형성되는 경우가 많다. 예를 들어 상술한 용융염 열저장장치의 경우 고온에너지, 그 중에서도 태양열 방식의 열에너지를 저장하기에는 매우 적합하지만, 이를 태양광이나 풍력 등에 활용하기 위해서는 전기를 열로 변환하는 별도의 장치가 필요하며, 질이 낮은 전기에너지를 저장하기에도 좋지 않은 등 활용하기에 부적합한 경우가 상당히 있다. 또한 용융염 열저장장치의 경우 작동유체가 용융염이기 때문에 이를 용융상태로 유지해야만 하여 운용 및 관리가 어려워진다는 문제도 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 다양한 품질의 고온에너지 및 전기에너지를 모두 원활하게 저장할 수 있고, 운용 및 관리가 편리하여 활용범위를 종래보다 훨씬 확장할 수 있는, 전기 및 고온에너지 저장장치를 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 물 또는 공기와 같이 다루기 쉬운 작동유체를 이용하여, 고온의 작동유체로 열에너지를 직접 또는 전기에너지를 열에너지 형태로 변환하여 열저장매체에 저장하였다가 필요 시 저온의 작동유체로 열에너지를 회수하는 방식으로 작동하는, 전기 및 고온에너지 저장장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 열저장매체(210)가 수용되는 열저장매체탱크(110); 배관 형태로 형성되어 양단의 작동유체유통구(121)를 통해 상대적 고온환경이 형성되는 고온에너지원(510) 및 상대적 저온환경이 형성되는 저온에너지원(520) 사이에 유통되는 작동유체(220)가 유통되며, 일부가 상기 열저장매체탱크(110)에 수용되고, 상기 열저장매체탱크(110)에 수용되는 부분의 적어도 일부에 전력에 의해 가열되는 가열장치가 구비되는 전열배관(120); 을 포함할 수 있다.
또한 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 에너지 저장모드 시, 상기 전열배관(120)을 통해 상기 고온에너지원(510)에서 상기 저온에너지원(520)으로 흘러가는 상대적 고온의 작동유체(220)로부터 상기 열저장매체탱크(110) 내의 열저장매체(210)로 열에너지가 전달되거나, 외부에서 인가되는 전력에 의해 상기 전열배관(120) 상의 가열장치가 가열되어 상기 열저장매체탱크(110) 내의 열저장매체(210)로 열에너지가 전달될 수 있다.
또한 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 에너지 회수모드 시, 상기 열저장매체탱크(110) 내의 열저장매체(210)로부터 상기 전열배관(120)을 통해 상기 저온에너지원(520)에서 상기 고온에너지원(510)으로 흘러가는 상대적 저온의 작동유체(220)로 열에너지가 전달될 수 있다.
또한 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 적어도 하나가 구비될 수 있다.
또한 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 적어도 하나가 구비될 수 있다.
또한 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 복수 개가 구비되거나, 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 복수 개가 구비되는 경우, 복수 개의 상기 전열배관(120)을 서로 연통시키는 적어도 하나의 연결배관(130); 을 포함할 수 있다.
또한 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 복수 개가 구비되거나, 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 복수 개가 구비되는 경우, 에너지 저장모드 시, 각각의 상기 전열배관(120)에서 서로 독립적으로 고온의 작동유체(220) 또는 전기가열 중 선택되는 적어도 하나로 열저장매체(210)에 열에너지를 전달하도록 형성될 수 있다.
또한 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 복수 개가 구비되는 경우, 상기 열저장매체탱크(110) 내에 각각의 상기 전열배관(120)이 구비되는 공간을 서로 격리 구분하는 적어도 하나의 격리벽(111)이 형성될 수 있다. 이 때 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 서로 격리 구분된 인접공간들 간에 유체의 이동이 가능하도록 상기 격리벽(111) 상에 적어도 하나의 통공(112)이 형성될 수 있다.
또한 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 상기 열저장매체탱크(110) 하부에 구비되어 상기 전열배관(120)을 향해 구비된 적어도 하나의 기체토출구(141)를 통해 비반응성기체를 배출하는 기체배출관(140); 을 포함할 수 있다. 또한 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 상기 기체배출관(140)에서 배출된 기체로부터 비말동반되는 열저장매체 입자를 제거하는 입자제거기(142)를 포함할 수 있다.
또한 상기 열저장매체탱크(110)는, 외부와 격리되도록 밀폐 및 단열되게 형성될 수 있다.
또한 상기 열저장매체탱크(110)는, 상기 전열배관(120)과 절연되도록 형성될 수 있다. 이 때 상기 열저장매체탱크(110)는, 절연재질로 형성되거나, 전도재질로 형성되되 상기 전열배관(120)과의 연결부분에 단전부(113) 또는 단전플랜지(114)가 구비될 수 있다.
또한 상기 전열배관(120)은, 전력이 통과하는 전력입구(122a) 및 전력출구(122b), 상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)에 의해 전력이 인가되는 부분과 나머지 다른 부분을 절연시키는 단전이음매(123)를 포함할 수 있다.
또한 상기 전열배관(120)은, 상기 작동유체유통구(121)에 차단밸브(126)가 구비되며, 상기 차단밸브(126)의 밀폐부가 상기 단전이음매(123) 역할을 하도록 형성될 수 있다.
또한 상기 전열배관(120)은, 상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)가 상기 열저장매체탱크(110) 외부에 형성되거나, 상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)가 상기 열저장매체탱크(110) 내에 수용된 열저장매체(210) 수위 아래에 형성될 수 있다.
또한 상기 전열배관(120)은, 전력이 인가되면 발열하는 재질로 형성되며, 상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)가 상기 전열배관(120)에 직접 연결되는 형태로 형성될 수 있다. 이 때 상기 전열배관(120)은, 전기저항이 서로 다른 복수 개의 영역으로 형성될 수 있다.
또는 상기 전열배관(120)은, 상기 전열배관(120) 외면에 감겨 구비되며 외부와 절연되게 형성되는 별도의 발열선(124)을 구비하며, 상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)가 상기 발열선(124)에 연결될 수 있다.
또는 상기 전열배관(120)은, 일부는 전력이 인가되면 발열하는 재질로 형성되는 직접발열부(A)를 형성하고, 일부는 상기 전열배관(120) 외면에 감겨 구비되며 외부와 절연되게 형성되는 별도의 발열선(124)을 구비하는 간접발열부(B)를 형성하고, 상기 직접발열부(A) 및 상기 간접발열부(B)가 직렬로 연결된 형태로 형성될 수 있다.
또한 상기 전열배관(120)은, 열저장매체(210)와의 접촉면적이 커지도록 사행유로 형태로 형성될 수 있다.
또한 상기 전열배관(120)은, 상기 열저장매체탱크(110) 하부에서 열저장매체(210)와의 접촉면적이 상대적으로 커지도록 연장 또는 굴곡되게 형성될 수 있다.
또한 상기 전열배관(120)은, 열저장매체(210)와의 접촉면적이 커지도록 외면에 구비되는 방열핀(125)을 포함할 수 있다.
또한 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 복수 개가 구비되는 경우, 각각의 상기 전열배관(120)과 연결되어 작동유체(220)의 유통을 조절하는 배관시스템(300)이 구비될 수 있다.
이 때 상기 배관시스템(300)은, 상기 고온에너지원(510)에 연결되어 상대적 고온의 작동유체(220)가 유통되는 고온헤더(310), 상기 고온헤더(310) 및 복수 개의 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(110) 각각에 구비된 상기 전열배관(120)을 연결하는 복수 개의 고온배관(315), 상기 고온헤더(310) 상의 복수 개의 상기 고온배관(315) 사이에 구비되는 적어도 하나의 고온헤더밸브(310v), 상기 고온배관(315) 상에 구비되는 고온배관밸브(315v), 상기 저온에너지원(520)에 연결되어 상대적 저온의 작동유체(220)가 유통되는 저온헤더(320), 상기 저온헤더(320) 및 복수 개의 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(110) 각각에 구비된 상기 전열배관(120)을 연결하는 복수 개의 저온배관(325), 상기 저온헤더(320) 상의 복수 개의 상기 저온배관(325) 사이에 구비되는 적어도 하나의 저온헤더밸브(320v), 상기 저온배관(325) 상에 구비되는 저온배관밸브(325v)를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 에너지 저장 및 회수 시스템은, 상술한 바와 같은 전기 및 고온에너지 저장장치(100)를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템(400)에 있어서, 상기 열저장매체탱크(110)는 수평으로 연장 형성되되, 상기 열저장매체탱크(110)의 일측부터 타측까지 열저장매체(210)의 온도가 저온에서 고온으로 구배되되, 저온측에서 고온측으로 가면서 순차적으로 증기발생영역, 재가열영역, 과가열영역이 형성되며, 상기 에너지 저장 및 회수 시스템(400)은, 작동유체(210)를 응축하여 배출하는 응축기(410); 상기 응축기(410)에서 배출된 상대적 저온의 작동유체(210)를 펌핑하는 저온응축액펌프(420); 상기 저온응축액펌프(420)에서 배출된 상대적 저온의 작동유체(210)를 기액분리하는 탈기기(430); 상기 탈기기(430)에서 배출된 상대적 고온의 작동유체(210)를 펌핑하는 고온응축액펌프(440); 상기 증기발생영역에 배치되며 상기 고온응축액펌프(440)에서 배출된 작동유체(210)가 통과하면서 증발하는 증기발생영역전열배관(120g); 상기 증기발생영역전열배관(120g)에서 배출된 작동유체(210) 증기를 저장하는 증기저장부(450); 상기 과가열영역에 배치되며 상기 증기저장부(450)에서 배출된 작동유체(210)가 통과하면서 과가열되는 과가열영역전열배관(120s); 상기 과가열영역전열배관(120s)에서 배출된 상대적 고온의 작동유체(210)에 의해 회전하는 고온터빈(460); 상기 재가열영역(420r)에 배치되며 상기 고온터빈(460)에서 배출된 작동유체(210)가 통과하면서 재가열되는 재가열영역전열배관(120r); 상기 재가열영역전열배관(120r)에서 배출된 상대적 저온의 작동유체(210)에 의해 회전하는 저온터빈(470); 을 포함하며, 상기 저온터빈(470)에서 배출된 작동유체(210)가 상기 응축기(410)로 유입되어 작동유체(210)의 순환이 이루어지도록 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 고온에너지 및 전기에너지를 별도의 전환장치 없이 모두 저장할 수 있는 큰 효과가 있다. 또한 질이 낮은 전기에너지도 저장 가능하며, 전기에너지를 이용하여 국부적인 가열이 가능함으로써 심하게 변동하는 양을 가지는 전기에너지도 원활하게 저장할 수 있는 효과가 있다. 더불어 유입되는 에너지의 품질에 상관없이 높은 품질의 전기에너지 생산이 가능하다는 효과도 있다.
또한 본 발명에 의하면, 작동유체로서 물 또는 공기 등을 사용할 수 있음으로써, 작동유체가 용융염일 경우 용융상태를 유지하기 위해 운용 및 관리가 어려워지는 등의 문제를 원천적으로 배제하는 큰 효과가 있다. 뿐만 아니라 열저장매체도 다양하게 선택가능하며, 이에 따라 열저장매체의 잠열도 사용가능하다는 효과도 있다. 또한 열저장매체가 전기적 단전 역할을 함으로써 전기적으로 안전하다는 효과도 얻을 수 있다.
더불어 본 발명에 의하면, 장치 자체가 단순한 구조를 가지고 있음으로써 제작용이성 및 경제성이 향상될 뿐만 아니라, 모듈 개념을 이용하여 단순한 대용량화가 가능하다는 효과 또한 있다.
도 1은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치.
도 2는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 고온에너지에 의한 에너지 저장모드.
도 3은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전기에너지에 의한 에너지 저장모드.
도 4는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 에너지 회수모드.
도 5는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 다중배치 실시예.
도 6은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 다중배치 실시예.
도 7은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 부가구성 실시예.
도 8은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 열교환매체탱크 제1실시예.
도 9는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 열교환매체탱크 제2실시예.
도 10은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 열교환매체탱크 제3실시예.
도 11은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제1실시예.
도 12는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제2실시예.
도 13은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제3실시예.
도 14는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제4실시예.
도 15는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제5실시예.
도 16은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제6실시예.
도 17은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제7실시예.
도 18은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제8실시예.
도 19는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제9실시예.
도 20은 다양한 물질의 전기저항.
도 21은 다양한 물질의 온도에 따른 전기전도도 그래프.
도 22는 다양한 물질의 온도에 따른 강도 그래프.
도 23은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 대용량화 제1실시예.
도 24는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 대용량화 제2실시예.
도 25는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치를 이용한 공정실시예.
도 2는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 고온에너지에 의한 에너지 저장모드.
도 3은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전기에너지에 의한 에너지 저장모드.
도 4는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 에너지 회수모드.
도 5는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 다중배치 실시예.
도 6은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 다중배치 실시예.
도 7은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 부가구성 실시예.
도 8은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 열교환매체탱크 제1실시예.
도 9는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 열교환매체탱크 제2실시예.
도 10은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 열교환매체탱크 제3실시예.
도 11은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제1실시예.
도 12는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제2실시예.
도 13은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제3실시예.
도 14는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제4실시예.
도 15는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제5실시예.
도 16은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제6실시예.
도 17은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제7실시예.
도 18은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제8실시예.
도 19는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제9실시예.
도 20은 다양한 물질의 전기저항.
도 21은 다양한 물질의 온도에 따른 전기전도도 그래프.
도 22는 다양한 물질의 온도에 따른 강도 그래프.
도 23은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 대용량화 제1실시예.
도 24는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 대용량화 제2실시예.
도 25는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치를 이용한 공정실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 전기 및 고온에너지 저장장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
[1] 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 기본구성 및 작동원리
도 1은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치를 도시한 것이다. 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이 열저장매체(210)가 수용되는 열저장매체탱크(110) 및 작동유체(220)가 유통되는 전열배관(120)을 포함한다.
상기 열저장매체탱크(110)는 열을 저장할 수 있는 열저장매체(210)를 수용하는 역할을 한다. 열저장매체(210)는 열적 에너지를 현열 또는 잠열 형태로 저장하는 물질로서, 고체일 수도 있고, 액체일 수도 있고, 상변화물질일 수도 있다. 열저장매체(210)가 고체인 경우, 예시적으로 콘크리트, 금속, 고체염 등이 될 수 있다. 또는 열저장매체(210)가 액체인 경우, 예시적으로 자연오일, 합성오일, 용융염 등이 될 수 있다. 또는 열저장매체(210)가 상변화물질인 경우, 예시적으로 고체염, 용융염, 금속 등이 될 수 있다. 이러한 예시로부터 알 수 있듯이 열저장매체(210)는 물질에 따라 수백℃를 형성하는 경우도 있어, 외부환경에 영향받아 온도 등이 변화할 경우 원활하게 작동이 이루어지지 못할 수 있다. 이러한 문제를 방지하도록, 상기 열저장매체탱크(110)는 외부와 격리되도록 밀폐 및 단열되게 형성되는 것이 바람직하다(이러한 구체적인 구성에 대해서는 이후 [2] 단락에서 보다 상세히 설명한다).
상기 전열배관(120)은, 상술한 바와 같이 작동유체(220)를 유통시키는 역할과 더불어, 외부로부터 인가된 전력에 의해 가열되는 가열장치도 구비된다. 보다 상세히 설명하자면, 상기 전열배관(120)은 배관 형태로 형성되어 양단의 작동유체유통구(121)를 통해 작동유체(220)가 유통된다. 이 때 상기 전열배관(120)의 양단에는 각각 상대적 고온환경이 형성되는 고온에너지원(510) 및 상대적 저온환경이 형성되는 저온에너지원(520)이 연결된다. 즉 상기 전열배관(120) 내에 유통되는 상기 작동유체(220)는 결과적으로는 상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에서 에너지를 이동시키는 역할을 하는 셈이 된다.
한편 상기 전열배관(120)의 일부는 상기 열저장매체탱크(110)에 수용되며, 이에 따라 이 부분에서는 상기 전열배관(120) 내의 작동유체(220)가 상기 열저장매체탱크(110) 내의 열저장매체(210)와 열교환할 수 있게 된다. 또한 상기 전열배관(120) 상에서 상기 열저장매체탱크(110)에 수용되는 부분의 적어도 일부에 전력에 의해 가열되는 가열장치가 구비된다.
이와 같이 형성되는 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)의 작동원리에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 고온에너지에 의한 에너지 저장모드 시의 작동을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 에너지 저장모드 시, 상기 전열배관(120)을 통해 상기 고온에너지원(510)에서 상기 저온에너지원(520)으로 상대적 고온의 작동유체(220)가 흘러간다. 그러면 상대적 고온의 작동유체(220)로부터 상기 열저장매체탱크(110) 내의 열저장매체(210)로 열에너지가 전달되면서, 열저장매체(210)에 열에너지가 저장될 수 있게 된다.
여기에서 상기 고온에너지원(510)은, 예시적으로 태양열을 직접적으로 받아 열에너지가 취득되는 부분이나, 고온의 증기가 발생되는 보일러 등과 같이 상대적으로 고온인 환경이 형성되는 에너지원을 통칭한다. 물론 에너지 저장 관점에서 볼 때의 예시가 이러하고, 반대로 에너지 회수 관점에서 볼 때는 상기 고온에너지원(510)이 증기터빈, 가스팽창기 등이 될 수도 있다. 한편 상기 저온에너지원(520)은, 예시적으로 상온수조, 응축기 등과 같이 상대적으로 저온인 환경이 형성되는 에너지원을 통칭한다.
도 3은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전기에너지에 의한 에너지 저장모드 시의 작동을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 에너지 저장 시, 외부에서 인가되는 전력에 의해 상기 전열배관(120) 상의 가열장치가 가열되어 상기 열저장매체탱크(110) 내의 열저장매체(210)로 열에너지가 전달되면서, 열저장매체(210)에 열에너지가 저장될 수 있게 된다.
이러한 방식으로 작동되는 경우 상기 고온에너지원(510)이 없어도 에너지의 저장이 가능한데, 특히 풍력발전, 조력발전, 지열발전 등과 같이 불규칙적인 전력이 발생하는 발전설비에서 전기에너지를 모아 저장할 때 유용하게 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 에너지 회수모드 시의 작동을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 에너지 회수모드 시, 에너지 저장모드 시와는 반대로, 상기 전열배관(120)을 통해 상기 저온에너지원(520)에서 상기 고온에너지원(510)으로 상대적 저온의 작동유체(220)가 흘러간다. 그러면 상기 열저장매체탱크(110) 내의 열저장매체(210)로부터 상대적 저온의 작동유체(220)로 열에너지가 전달된다. 그러면 이제 작동유체(210)는 열에너지를 내포한 상태로 상기 고온에너지원(510) 쪽으로 흘러가게 되는데, 앞서 설명한 바와 같이 상기 고온에너지원(510)이 증기터빈, 가스팽창기 등으로 형성되는 경우 작동유체(210)가 전달한 열에너지를 이용하여 발전 등을 통해 에너지를 변환하여 사용할 수 있게 된다.
이처럼 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 에너지 저장모드 시, 태양열 등과 같은 고온의 열에너지를 작동유체를 이용하여 그대로 가져와서 열에너지 형태 그대로 열저장매체에 저장하거나, 또는 풍력 등과 같은 불규칙한 전기에너지를 전열배관의 가열장치를 이용하여 열에너지로 변환하여 열저장매체에 저장한다. 기존의 용융염 열저장장치(Molten Salt Energy Storage System)와 같은 경우 고온에너지원으로부터 얻어온 열에너지만이 저장되는 형태로 설계되었으며, 이에 따라 재생에너지 발생부분이 태양열 방식으로 거의 한정되었다. 따라서 태양광이나 풍력 등과 같은 전기에너지를 발생시키는 재생에너지 발전설비에 적용하기 위해서는 전기에너지를 열에너지로 변환하는 별도의 장치가 필요하였다. 그러나 본 발명에 의하면, 별도의 장치나 설비를 더 부가할 필요 없이, 고온에너지 및 전기에너지를 모두 원하는 대로 저장할 수 있다.
뿐만 아니라 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 상술한 바와 같이 전열배관의 가열장치를 이용하여 질이 낮은 전기에너지도 원활하게 저장할 수 있다. 기존에도 잉여 전기에너지를 대용량으로 저장하기 위한 방법으로 수소를 발생시키거나 공기를 액화하는 방식들이 있다. 하지만, 이러한 기존의 방법들은 높은 품질의 전기에너지를 연속적으로 공급해 주어야 한다. 예를 들어, 수소를 발생시키는 경우에는 높은 품질의 전기에너지를 수전해 장치와 초저온 수소액화 장치에 공급해 주어야 하며, 안전과 경제성을 위하여 상당히 높은 수준의 부하를 유지해 주어야 한다. 낮은 품질의 전기에너지가 공급될 경우, 수전해 장치와 수소액화 장치에 문제를 일으킬 수 있으며, 전기 에너지가 연속적으로 공급되지 않은 경우, 잦은 개시운전, 종료운전, 예비 냉각, 잔여 가스의 처리 등의 문제를 유발하게 된다. 반면, 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는 전기에너지를 단순히 열에너지로 바꾸기 때문에 전기에너지의 전류나 전압이 일정하지 않아도 문제가 없으며, 재생에너지의 특성인 비연속적인 공급이 이루어지더라도 열에너지 저장에 문제가 없다. 비연속적인 전기에너지를 저장할 수 있다는 점은 재생에너지를 위한 대형에너지 장치로서 매우 중요한 장점이다.
또한 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 전기에너지를 이용하여 국부적인 가열이 가능하다. 유입되는 전기에너지가 소량인 경우, 일부의 전열배관을 가열하고, 작동유체를 사용하여 다른 부분으로 열을 이동시킬 수 있다. 달리 말하자면, 공급되는 전력량이 급격하게 변하더라도 에너지 저장에 큰 문제가 없다. 이처럼 심하게 변동하는 양을 가지는 전기에너지를 저장할 수 있다는 점도 재생에너지를 위한 대형에너지 장치로서 매우 중요한 장점이다.
뿐만 아니라 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 유입되는 전기에너지의 품질에 상관없이, 높은 품질의 전기에너지 생산이 가능하다. 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에서의 에너지 회수모드 시, 작동유체를 이용하여 열저장매체에 저장되어 있던 열에너지를 고온에너지원 쪽으로 이동시켜 주며, 고온에너지원이 증기터빈 등과 같은 장치로 형성될 경우 그대로 터빈을 회전시켜 고품질의 전기에너지를 생산할 수 있다. 즉 낮은 품질의 전기에너지가 유입되더라도, 생산되는 전기에너지의 품질은 매우 높은 것이다. 정리하자면, 본 발명에 의하면, 불규칙한 전기에너지가 입력되더라도 열에너지 형태로 저장되고, 이 열에너지로부터 안정적인 품질의 고온고압의 작동유체(증기 또는 고온 공기)를 안정적인 유량으로 생산할 수 있으며, 이러한 고품질의 작동유체는 고품질의 전기에너지를 생산할 수 있게 된다.
더불어 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 상술한 바와 같은 원리로 작동되기 때문에 작동유체의 물질 선택에 있어서도 종래보다 훨씬 자유롭다. 본 발명에서는 작동유체를 물 또는 공기 등으로 선택하여도 무방한데, 이러한 물질로 작동유체를 선택할 경우 운전상 매우 편리하다. 기존의 용융염 열저장장치 장치의 경우, 작동유체가 용융염이므로 항상 용융 상태를 유지해 주어야 한다. 예를 들어, 배관 단열이 불량하면 용융염이 고체가 되어 배관을 막히게 하는 원인이 된다. 따라서 전체 시스템이 염의 녹는점 이상으로 유지되도록 극도로 주의해야 한다. 반면, 본 발명에서는 작동유체가 물 또는 공기이므로 이러한 문제로부터 완전히 자유롭다. 예를 들어, 배관 단열이 불량하다면, 약간의 에너지 손실만 있을 뿐이다.
물론 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 열저장매체의 물질 선택에 있어서도 높은 자유도를 가진다. 즉 본 발명에서는 다양한 열저장매체를 사용할 수 있으며, 잠열도 사용 가능하다. 본 발명에서의 열저장매체는 저장탱크에 저장되고 이동하지 않으므로 액체, 고체, 상변화물질 모두 가능하다. 예를 들어, 염을 사용하는 경우에도 액체(용융)상태와 고체상태 그리고 양쪽을 오가는 상태 모두 가능하다. 기존의 용융염 열저장장치는 용융 상태의 현열(Sensible Heat)만이 활용 가능하였으나, 본 발명에서는 액체-고체 잠열도 활용 가능하여 장치 크기를 거의 절반 정도로 줄일 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 열저장매체가 전기적 단전 역할을 하므로 전기적으로 안전하다. 본 발명에서는 다량의 전기 에너지를 사용하게 되므로, 전기 안전이 매우 중요하다. 본질적으로 열저장매체(콘크리트, 기름, 염 등)이 매우 강력한 전기적 단전체이므로, 전열배관으로부터 열저장매체로 누전될 가능성이 없어 매우 안전하다. 전열배관의 전력 입구나 출구만 적절하게 시공된다면 전기적으로 매우 안전하다.
더불어 (이후 보다 상세히 설명하겠지만) 본 발명의 장치는 모듈 개념을 이용한 단순한 대용량화가 가능하다. 단열배관/열저장매체/전력공급장치를 모듈화하면, 모듈 개수를 늘리는 방식으로 대용량화가 가능한 것이다. 이러한 방식의 대형 에너지 저장 방식에서 매우 중요하다. 수소 발생이나 공기 액화 방식은 이러한 모듈 개념의 단순환 대용량화가 불가능하여, 대용량화를 위해서는 대용량의 설비를 설계/제작/운전하여야 하므로, 대용량화를 위한 위험이 매우 높다. 그러나 본 발명에 의하면 이러한 제한이 모두 원천적으로 배제되어, 매우 용이하게 대용량화를 실현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)의 대용량화와 관련된 구성 및 그 외 부가구성에 대하여 설명한다.
본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 하나가 구비되거나, 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 하나가 구비되도록 형성될 수도 있다. 그러나 이에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 복수 개가 구비될 수 있고, 또한 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 복수 개가 구비될 수 있다.
이처럼 상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 복수 개가 구비되거나, 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 복수 개가 구비되는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는 복수 개의 상기 전열배관(120)을 서로 연통시키는 적어도 하나의 연결배관(130)을 포함할 수 있다. 도 5의 예시에서는, 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 3개의 제1, 2, 3전열배관(120_1)(120_2)(120_3)이 구비된다. 제1전열배관(120_1)의 일측 작동유체유통구가 상기 고온에너지원(510)에 연결되고, 제3전열배관(120_3)의 타측 작동유체유통구가 상기 저온에너지원(520)에 연결되므로, 나머지 작동유체유통구들은 서로를 연결하는 데에 사용된다. 도 5의 예시에서, 제1, 2전열배관(120_1)(120_2)은 제1연결배관(130_1)으로 연결되고, 제12, 3전열배관(120_2)(120_3)은 제2연결배관(130_2)으로 연결된다. 이처럼 상기 제1, 2, 3전열배관(120_1)(120_2)(120_3)이 서로 직렬로 연결됨으로써, 일측의 상기 고온에너지원(510)에서 흘러들어온 작동유체(220)가 타측의 상기 저온에너지원(520)까지 원활하게 흘러가면서 열저장매체(210)와 열교환할 수 있게 된다.
한편 도 5는 에너지 저장모드 시의 작동을 도시하고 있는데, 도 5의 예시에서는 상기 제1, 2전열배관(120_1)(120_2)에서는 고온의 작동유체(220)가 직접 열저장매체(210)에 열에너지를 전달하고 있으며, 상기 제3전열배관(120_3)의 전력입구/출구(122a_3)(122b_3)로 전력이 인가됨으로써 전기가열에 의해 열저장매체(210)에 열에너지를 전달하고 있는 것을 알 수 있다. 즉 상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 복수 개가 구비되거나, 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 복수 개가 구비되는 경우, 에너지 저장모드 시, 각각의 상기 전열배관(120)에서 서로 독립적으로 고온의 작동유체(220) 또는 전기가열 중 선택되는 적어도 하나로 열저장매체(210)에 열에너지를 전달하도록 적절히 선택될 수 있다.
도 5의 예시에서, 예를 들어 상기 고온에너지원(510)이 태양광발전기라 한다면, 작동유체(220)는 상기 고온에너지원(510)에서 매우 많은 열에너지를 흡수하여 상당한 고온이 되어 있게 될 것이다. 이러한 고온의 작동유체(220)는 상기 제1, 2전열배관(120_1)(120_2)을 거치는 과정에서 열저장매체(210)로 열에너지를 전달하여 저장하고, 그러면서 작동유체(220) 자체의 온도는 점차로 떨어지게 된다. 따라서 상기 제3전열배관(120_3)을 지나는 시점에서는 온도가 많이 떨어진 상태가 되며, 따라서 상기 제3전열배관(120_3)에서는 열전달을 이용한 열에너지의 저장성능이 상당히 떨어지게 될 것이 당연하다. 이 때 상기 제3전열배관(120_3)에는 풍력발전기로부터 들어오는 전력을 연결할 수 있다. 이렇게 되면, 상기 제3전열배관(120_3)에서 작동유체(220)는 이미 열저장매체(210)로 넘겨줄 에너지를 별로 가지고 있지 않으므로 에너지 저장 관점에서도 실질적으로 별다른 손실 없이 그대로 상기 저온에너지원(520)으로 흘러가고, 대신 상기 제3전열배관(120_3)은 전기에너지를 열에너지로 변환하여 저장하는 역할을 주로 하게 된다. 이런 식으로 하나의 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)만 가지고도 태양광 및 풍력발전으로 얻은 에너지를 모두 고효율로 저장할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 다중배치의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 복수 개가 구비되는 경우, 상기 열저장매체탱크(110) 내에 각각의 상기 전열배관(120)이 구비되는 공간을 서로 격리 구분하는 적어도 하나의 격리벽(111)이 형성되게 할 수 있다. 도 6에서는 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 제1, 2전열배관(120_1)(120_2)이 구비되며, 이들 사이에 하나의 상기 격리벽(111)이 형성되는 예시를 도시하고 있다.
열저장매체(210)가 유체인 경우 상기 격리벽(111)이 없으면 유체가 자연스럽게 이동하게 되어 장기적으로는 전체적인 온도분포가 대략 균일하게 형성되게 된다. 그런데 필요에 의해 영역에 따라 온도구배를 의도적으로 형성해야 할 수도 있는데, 이러한 경우 상기 격리벽(111)을 이용하여 유체의 이동을 제한함으로써 온도구배를 보다 원활하게 실현할 수 있다. 이처럼 적절하게 온도구배를 형성한 상태에서 각 온도영역에 나누어 전열배관들을 구비하고 적절한 장치들을 연결해 줌으로써 전반적인 시스템 열효율을 상당히 증대시킬 수 있다(이러한 구체적인 구성에 대해서는 이후 [3] 단락에서 보다 상세히 설명한다).
한편 이처럼 상기 격리벽(111)이 형성되어 서로 격리 구분된 공간 간에 온도차이가 발생함에 따라, 각 공간들의 압력이나 수위가 달라질 수 있으며, 이는 구조적 안정성에 악영향을 끼칠 위험이 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 서로 격리 구분된 인접공간들 간에 유체의 이동이 가능하도록 상기 격리벽(111) 상에 적어도 하나의 통공(112)이 형성되는 것이 바람직하다. 도 5에서는 액체상의 열저장매체(210)가 예시적으로 도시되어 있는데, 상부에 형성된 통공(112)은 열저장매체(210) 상측 빈 공간에 채워진 기체의 이동을 허용함으로써 압력을 맞출 수 있게 해 주고, 하부에 형성된 통공(112)은 액체상의 열저장매체(210)의 이동을 허용함으로써 수위를 맞출 수 있게 해 준다.
도 7은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 부가구성 실시예를 도시한 것으로, 도 7의 실시예에서는, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 상기 열저장매체탱크(110) 하부에 구비되어 상기 전열배관(120)을 향해 구비된 적어도 하나의 기체토출구(141)를 통해 비반응성기체를 배출하는 기체배출관(140)을 포함한다. 이 경우 열저장매체(210)는 액체인 것이 바람직하다.
열저장매체(210)는 상기 전열배관(120) 주변에서 열에너지를 흡수하게 되는데, 따라서 상기 전열배관(120)에 가까운 쪽은 고온으로, 먼 쪽은 저온으로 형성된다. 열저장매체(210)가 액체인 경우 자연스럽게 대류에 의한 유체의 이동이 발생하게 되는데, 상기 기체배출관(140)에서 기체가 배출됨으로써 이러한 유체의 이동을 보다 활발하게 만들어줄 수 있다. 상기 기체배출관(140)에서 배출된 기체는 상기 열저장매체탱크(110) 상부로 모이게 되며, 이를 다시 회수하여 기체공급원으로 보내서 순환시킴으로써 원활한 기체공급이 이루어질 수 있다. 이 때 기체의 유량이 너무 높으면 기체를 회수하는 과정에서 열저장매체(210) 입자가 비말에 동반되어 함께 회수됨으로써 기체공급원에 누적될 우려가 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는, 상기 기체배출관(140)을 포함할 경우 배출된 기체로부터 비말동반되는 열저장매체 입자를 제거하는 입자제거기(142)도 포함하는 것이 바람직하다.
이 때 기체가 열저장매체(210)나 전열배관(120) 등과 반응하여 부식이나 변형 등을 발생시키면 시스템 효율이나 내구성 등을 저하시킬 우려가 있음은 당연하다. 따라서 기체는 특히 열저장매체(210)나 전열배관(120) 등의 재질과 비반응성인 것이 좋다. 예를 들어 산소의 경우 산화성이 있기 때문에 적합하지 않으며, 현실적으로는 질소 정도를 적용하는 것이 적절하다.
[2] 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 상세구성
이하에서는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 각부의 상세구성에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 열저장매체탱크(110)에 대하여 보다 상세히 살펴보자면 다음과 같다.
앞서 상기 열저장매체탱크(110)는 외부와 격리되도록 밀폐 및 단열되게 형성되어야 한다고 설명하였다. 또한 현실적으로 열저장매체(210)가 용융염인 경우 등을 상정할 때, 상기 열저장매체탱크(110)는 안정적이고 견고하며 반응성이 적어야 하는 등 다양한 조건을 더 만족시켜야 할 것이다. 기본적으로 상기 열저장매체탱크(110)의 재질은, 일반적인 견고한 탱크설비에 많이 사용되는 금속, 콘크리트 등인 것이 바람직하며, 염에 대한 부식 방지를 더 고려한다면 스테인레스 라이닝 및 카본 스틸 탱크 방식이 적용될 수 있다.
이와 더불어 상기 열저장매체탱크(110)를 통해 전기가 누출되는 것도 방지되어야 하며, 따라서 상기 열저장매체탱크(110)는 상기 전열배관(120)과 절연되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이 때 상기 열저장매체탱크(110)가 콘크리트 등과 같이 원래부터 절연재질로 형성된다면, 이러한 조건은 자연히 달성된다. 도 8은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 열교환매체탱크 제1실시예를 도시한 것으로, 상기 열저장매체탱크(110)가 절연재질로 형성되는 경우이다. 이 경우 실질적으로 상기 열저장매체탱크(110) 및 상기 전열배관(120) 사이에 별도의 단전구조가 형성될 필요가 없다.
한편 상기 열저장매체탱크(110)가 금속 등과 같이 전도재질로 형성되는 경우, 도 8과 같은 식으로 구성되면 상기 전열배관(120)으로 통하는 전기가 상기 열저장매체탱크(110)로 누출될 위험이 있다. 따라서 이러한 경우, 도 9의 열교환매체탱크 제2실시예에서와 같이 상기 열저장매체탱크(110) 상에서 상기 전열배관(120)과의 연결부분에 단전부(113)가 구비되는 것이 바람직하다. 도 9의 예시는 상기 단전부(113)가 제작단계에서 고정적으로 구비되는 경우인데, 실제 운용을 하다보면 상기 단전부(113)를 교체해야 하는 경우 등이 생길 수 있다. 이러한 부품교체 등을 보다 원활하게 수행할 수 있도록, 도 10의 열교환매체탱크 제3실시예에서와 같이 상기 열교환매체탱크(110)에 교체가능한 단전플랜지(114)가 구비되도록 할 수도 있다.
상기 전열배관(120), 그 중 먼저 상기 전열배관(120)의 전기에너지 전달과 관련된 구성에 대하여 보다 상세히 살펴보자면 다음과 같다.
상기 전열배관(120)은 앞서도 설명한 바와 같이 전력이 통과하는 전력입구(122a) 및 전력출구(122b)를 포함한다. 이 때 상기 전열배관(120)에 직접 전기가 통하는 경우, 외부와 연결되는 부분까지 전기가 통하여 전기누출이 발생하는 것을 방지하기 위해, 상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)에 의해 전력이 인가되는 부분과 나머지 다른 부분을 절연시키는 단전이음매(123)가 구비되는 것이 바람직하다. 도 11은 상기 전열배관(120)의 제1실시예로서, 상기 전열배관(120)의 상기 작동유체유통구(121)에 작동유체의 유출입을 적절히 조절할 수 있도록 차단밸브(126)가 구비되며, 상기 차단밸브(126)의 밀폐부가 상기 단전이음매(123) 역할을 하도록 형성되는 예시를 도시한다. 일반적으로 밸브에서는 유체의 누출을 방지하기 위한 오링(O-ring)과 같은 밀폐부를 필수적으로 구비하고 있는데, 이러한 밀폐부의 재질은 대개 고무 등과 같은 탄성재이며, 이러한 재질은 일반적으로 전기적 절연성능도 상당히 우수하다. 따라서 상기 차단밸브(126)를 구비하게 되면 자연히 전기적 절연도 실현될 수 있다.
한편 상기 전열배관(120)에서 상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)는, 앞서의 여러 도면들에 도시된 바와 같이 상기 열저장매체탱크(110) 외부에 형성될 수 있으며 이렇게 하면 교체 등의 작업이 편리해지는 장점이 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 도 12는 전열배관 제2실시예로서, 상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)가 상기 열저장매체탱크(110) 내에 수용된 열저장매체(210) 수위 아래에 형성되는 경우를 도시하고 있다. 전열배관 제2실시예와 같은 구성의 경우 교체 등의 작업은 다소 불편해질 수 있겠지만, 열저장매체(210)에 접촉하지 않은 부분의 과열을 방지할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 과열방지 필요성이 높은 경우에는 도 12의 전열배관 제2실시예와 같은 구성을 도입할 수 있다.
도 13은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제3실시예를 도시한 것으로, 앞서의 여러 도면에도 이러한 실시예가 적용된 형태로 도시되어 있다. 이 경우 상기 전열배관(120)은, 전력이 인가되면 발열하는 재질로 형성되며, 상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)가 상기 전열배관(120)에 직접 연결되는 형태로 형성된다. 이러한 경우 인가된 전력에 대해 발열이 많이 발생하는 재질이 선호될 수 있는데, 한편 지나치게 고온이 형성될 경우 상기 전열배관(120) 자체가 용융되어버릴 우려가 있어, 다양한 측면을 잘 고려하여야 한다.
도 14는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제4실시예를 도시한 것으로, 이 경우 상기 전열배관(120)은 전기저항이 서로 다른 복수 개의 영역으로 형성된다. 도 14의 전열배관 제4실시예에서는, 전열배관 제1, 2, 3영역(120a)(120b)(120c)이 서로 다른 전기저항을 가지도록 형성되는 예시가 도시되어 있다. 이와 같이 함으로써 각 영역의 가열정도를 조절할 수 있어, 열교환효율을 보다 향상할 수 있다. 이처럼 영역별로 전기저항이 다르게 형성되게 하기 위해서, 가장 쉽게는 각부의 재질을 다르게 형성할 수 있다. 물론 이외에도 형상을 다르게 형성하는 등과 같이 전기저항을 조절하는 다양한 방법을 사용할 수 있다.
도 15는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제5실시예를 도시한 것으로, 이 경우 상기 전열배관(120)은 상기 전열배관(120) 외면에 감겨 구비되며 외부와 절연되게 형성되는 별도의 발열선(124)을 구비한다. 따라서 당연히 상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)는, 상기 전열배관(120)이 아닌 상기 발열선(124)에 연결된다. 이와 같이 할 경우 상기 전열배관(120)은 단지 작동유체(220)의 유통 및 열전달만 담당하면 되기 때문에, 열전도도만 높으면 되고 전기저항, 인가전력에 대한 발열량 등의 물성은 고려하지 않아도 되어, 재질을 선택함에 있어서의 자유도가 좀더 높아진다. 다만 이 경우 상기 전열배관(120)으로의 전기누출을 방지하기 위해 상기 발열선(124) 및 상기 전열배관(120)은 서로 단전되어야 하는데, 이를 위해서는 상기 발열선(124)에 단전피복이 형성되어 있으면 된다.
도 16은 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 전열배관 제6실시예를 도시한 것으로, 앞서 설명한 여러 방식이 혼합된 경우이다. 이 경우 상기 전열배관(120)은, 일부는 전력이 인가되면 발열하는 재질로 형성되는 직접발열부(A)를 형성하고, 일부는 상기 전열배관(120) 외면에 감겨 구비되며 외부와 절연되게 형성되는 별도의 발열선(124)을 구비하는 간접발열부(B)를 형성한다. 물론 상기 전열배관(120)은 기본적으로 작동유체(220)를 유통시킨다는 기계적인 목적을 달성해야 하기 때문에, 자연히 상기 직접발열부(A) 및 상기 간접발열부(B)는 직렬로 연결된 형태로 형성된다(여기에서의 연결은 기계적 연결 뿐만 아니라 전기적 연결도 포함한다). 도 16의 전열배관 제6실시예에서는 (작동유체 흐름방향을 따라) 직접발열부(A)-간접발열부(B)-직접발열부(A)가 순차적으로 배치되어 있는 형태가 도시되어 있는데, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 필요에 따라 간접발열부(B)가 먼저 배치되도록 할 수도 있는 등 다양한 변경 실시가 가능함은 당연하다.
상기 전열배관(120), 그 중 상기 전열배관(120)의 고온에너지 전달과 관련된 구성에 대하여 보다 상세히 살펴보자면 다음과 같다.
앞서도 설명한 바와 같이, 상기 전열배관(120)은 전력인가에 따라 발열하는 가열장치가 구비됨으로써 전기에너지를 열저장매체(210)에 전달할 수도 있고, 고온에너지원(510)에서 고온의 열에너지를 흡수한 고온의 작동유체(220)가 상기 전열배관(120)을 통과하면서 열전달에 의해 열에너지를 열저장매체(210)에 전달할 수도 있다. 이 때 열교환효율이 높을수록 열저장성능이 향상될 것은 당연하며, 이를 위해 상기 전열배관(120)의 형상을 다양하게 형성할 수 있다.
앞서의 도면들에서는 상기 전열배관(120)이 기본적으로 U자 형태로 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 도 17의 전열배관 제7실시예에서는, 상기 전열배관(120)이 열저장매체(210)와의 접촉면적이 커지도록 사행유로 형태로 형성되는 경우를 도시하고 있다. 또한 상기 전열배관(120)의 배치방향도 꼭 작동유체유통구(121)가 상측에 형성되어야만 하는 것은 아니며, 도 17의 하측도면에서와 같이 측면에 형성되게 할 수도 있는 등 다양한 변경 실시가 가능하다.
한편 열저장매체(210)가 액체인 경우, 하부의 열저장매체(210)에 보다 많은 열을 가해주면 뜨거워진 열저장매체(210)가 대류에 의해 상승하고 덜 뜨거운 상부의 열저장매체(210)가 내려와서 열전달효율이 향상될 수 있다. 도 18의 전열배관 제8실시예는 바로 이러한 효과를 고려하여 하부의 열저장매체(210)에 보다 많은 열이 가해질 수 있도록 하기 위한 것이다. 도 18의 전열배관 제8실시예에서 상기 전열배관(120)은, 상기 열저장매체탱크(110) 하부에서 열저장매체(210)와의 접촉면적이 상대적으로 커지도록 연장 또는 굴곡되게 형성된다. 도 18의 상측도면에서는 상기 전열배관(120) 하부가 더 길게 연장된 형태를, 도 18의 하측도면에서는 상기 전열배관(120) 하부에 보다 많은 굴곡이 형성된 형태를 각각 도시하고 있다.
더불어 열저장매체(210)와의 열교환효율을 더욱 향상시키기 위해, 상기 전열배관(120)은 열저장매체(210)와의 접촉면적이 커지도록 외면에 구비되는 방열핀(125)을 포함할 수 있다. 도 19의 전열배관 제9실시예에 이러한 방열핀(125)의 예시가 잘 도시되어 있다. 첨언하자면, 앞서의 도면들에서는 상기 전열배관(120) 내부의 작동유체(220)를 표시하기 위해, 상기 단전이음매(123) 등은 측면도로 표시하되 상기 전열배관(120) 자체만은 단면도로 표시하였다. 도 19에서는 상기 전열배관(120)의 외면에 상기 방열핀(125)이 결합되므로, 이러한 연결구조를 잘 보일 수 있도록 도 19의 상측도면에서 상기 전열배관(120)도 단면도가 아닌 측면도로 표시하였다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 전열배관(120)은 전력을 인가받아 직접 열을 발생시키는 재질로 이루어질 수 있다. 이 경우 상기 전열배관(120)은 전기저항이 높을수록 유리하다. 도 20은 다양한 물질의 전기저항을 보여주고 있다. 흔히 가열용 저항선으로 사용하는 전선의 재질은 니크롬으로 알려져 있으며, 또한 흔히 배관으로 사용하는 부재의 재질은 스테인레스 스틸이나 스틸로 알려져 있다. 도 20에 표시된 바로, 이들의 저항값의 대략적인 크기(order of magnitude)가 같음을 확인할 수 있다. 따라서 일반적인 스테인레스 스틸 또는 스틸 배관으로도 상기 전열배관(120)을 실현할 수 있다고 볼 수 있다.
그러나 상기 전열배관(120)은 전기저항 뿐만 아니라 다른 여러 가지 사항도 고려되어야 하는데, 일례로 열저장매체(210)가 염일 경우 염에 수분이 포함되어 있는지의 여부에 따라 부식성이 결정되므로, 이러한 점도 재질 선택에 고려될 필요가 있다(이는 열저장매체 물질 선택의 조건이 될 수도 있다). 더불어 열저장매체(210)가 용융염일 경우 용융상태를 유지하기 위해서는 수백℃를 유지해야 하며, 즉 상기 전열배관(120)은 수백℃ 정도의 고온환경에 배치되어야 함을 고려해야 한다. 고온환경에서 대부분의 금속은 강도가 상당히 약해진다는 점이 알려져 있으며, 전기저항 또한 달라질 수 있다. 도 21은 다양한 물질의 온도에 따른 전기전도도 그래프를, 도 22는 다양한 물질의 온도에 따른 강도 그래프를 각각 도시하고 있다. 도 21에 보이는 바와 같이 온도가 높아질수록 전기전도도가 높아지며, 이는 온도가 높아질수록 전기저항은 낮아진다는 것을 보여준다. 또한 도 22에 보이는 바와 같이 온도가 높아질수록 강도가 증가하다가 감소하는 경향인 물질도 있고, 온도가 높아짐에 따라 강도가 지속적으로 감소하는 경향인 물질도 있다. 도 21 및 도 22를 함께 고려할 때, 상기 전열배관(120) 주변 고온환경의 온도가 600℃ 정도까지인 것이 현실적인 한계로 볼 수 있다. 상기 전열배관(120)은 이처럼, 상술한 바와 같은 여러 가지 사항을 고려하여 적절하게 결정될 수 있다.
[3] 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 활용예
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치는 기본적으로 단순한 구조를 가지는 모듈 형태로 형성됨으로써, 대용량화가 매우 용이하게 실현될 수 있다. 즉 상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 복수 개가 구비되는 경우, 도 23의 대용량화 제1실시예와 같이 각각의 상기 전열배관(120)과 연결되어 작동유체(220)의 유통을 조절하는 배관시스템(300)이 구비되는 것만으로 쉽게 대용량화를 실현할 수 있다. 도 23의 대용량화 제1실시예와 같은 경우, 특히 제작과 이송의 편의를 위해 전체 시스템이 별도로 제작된 다음 물 위에 부유한 상태에서 선박을 이용하여 이송할 수도 있으며, 너무 무거운 경우 열저장매체를 채우지 않고 이송한 후 설치한 다음에 채우게 할 수도 있는 등, 사용자 편의성이 상당히 향상되는 장점 또한 있다.
도 24는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치의 대용량화 제2실시예를 도시한 것이다. 도 24의 대용량화 제2실시예에서는, 상기 배관시스템(300)의 보다 정교한 실시예가 개시된다. 이 경우 상기 배관시스템은, 고온헤더(310), 고온배관(315), 저온헤더(320), 저온배관(325) 및 각각에 구비되는 밸브들을 구비한다. 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다.
상기 고온헤더(310)에는 상기 고온에너지원(510)에 연결되어 상대적 고온의 작동유체(220)가 유통되며, 이와 유사하게 상기 저온헤더(320)에는 상기 저온에너지원(520)에 연결되어 상대적 저온의 작동유체(220)가 유통된다.
복수 개의 상기 고온배관(315)은 상기 고온헤더(310) 및 복수 개의 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(110) 각각에 구비된 상기 전열배관(120)을 연결하는 역할을 하며, 역시 이와 유사하게 복수 개의 상기 저온배관(325)은 상기 저온헤더(320) 및 복수 개의 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(110) 각각에 구비된 상기 전열배관(120)을 연결하는 역할을 한다.
상기 고온헤더밸브(310v)는 상기 고온헤더(310) 상의 복수 개의 상기 고온배관(315) 사이에 적어도 하나가 구비되며, 역시 이와 유사하게 상기 저온헤더밸브(320v)는 상기 저온헤더(320) 상의 복수 개의 상기 저온배관(325) 사이에 적어도 하나가 구비된다. 상기 고온배관밸브(315v)는 상기 고온배관(315) 상에 구비되며, 상기 저온배관밸브(325v)는 상기 저온배관(325) 상에 구비된다.
상기 배관시스템(300)이 이와 같이 구비되는 경우, 여러 밸브들을 선택적으로 여닫음으로써 원하는 위치의 전열배관(120)에만 작동유체(220)가 흘러가도록 제어할 수 있다.
도 24의 대용량화 제2실시예에서, 검은색은 밸브가 닫힌 것을, 하얀색은 밸브가 열린 것을 표시한다. 도 24와 같은 밸브 여닫음 상태에서, 저온에너지원(520)에서 배출된 작동유체는 화살표를 따라 고온에너지원(510)까지 진행하는데, 즉 "열저장매체 사용영역"이라고 표시된 부분의 전열배관(120)들만을 통과하여 진행한다. 다시 말해 "열저장매체 미사용영역" 및 "열저장매체 기사용영역"이라고 표시된 부분의 전열배관(120)에는 작동유체가 통과하지 않는다.
"열저장매체 기사용영역"이란 작동유체가 이전에 지나가면서 에너지를 이미 많이 회수하여 에너지저장량이 많지 않은 영역을 의미한다. 이러한 영역은 실질적으로 에너지 회수효과는 별로 없으면서 불필요하게 작동유체의 유로길이만 증가하게 할 뿐이다. 실질적으로 유로에는 유로저항이 존재하며, 유로길이가 길어질수록 작동유체의 유속이 줄어들게 되므로, 실제 설비를 구성할 때에는 작동유체가 원활히 흘러가게 하기 위해서 중간중간 적절한 위치에 펌프가 구비되어 작동유체를 더 펌핑해 주어야 하는데, 이 역시 에너지를 불필요하게 소모하는 작동이다. 그러나 도 24에서와 같이 밸브 여닫음을 조절함으로써 작동유체가 "열저장매체 기사용영역"을 지나가지 않게 함으로써 작동유체의 유로길이를 적절하게 효과적으로 줄일 수 있다.
또한 작동유체는 "열저장매체 미사용영역"도 지나가지 않게 되는데, 그러면 "열저장매체 미사용영역"에 저장된 열에너지는 소비되지 않고 남아있을 수 있게 된다. 저온에너지원(520)에서 고온에너지원(510)으로 가면서 작동유체는 에너지를 회수하며, 증기터빈 등과 같은 형태로 된 고온에너지원(510)에 도달하면 터빈을 회전시켜 전기를 발생시키는 등과 같이 에너지를 사용하게 된다. 이 때 작동유체가 항상 열저장매체 전체를 통과하게 할 경우 필요 이상의 에너지를 사용하게 되어, 저장된 에너지를 불필요하게 소모하게 될 우려가 있다. 도 24의 예시에 의하면, 밸브를 적절하게 여닫음으로써 작동유체가 지나가는 영역, 즉 에너지를 회수하는 영역을 선택적으로 조절할 수 있으므로, 이와 같은 문제를 쉽게 극복할 수 있게 된다.
도 25는 본 발명의 전기 및 고온에너지 저장장치를 이용한 공정실시예로서, 즉 상술한 바와 같은 전기 및 고온에너지 저장장치(100)를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템(400)의 한 실시예를 도시한 것이다. 이 경우, 상기 열저장매체탱크(110)는 수평으로 연장 형성되되, 상기 열저장매체탱크(110)의 일측부터 타측까지 열저장매체(210)의 온도가 저온에서 고온으로 구배되되, 저온측에서 고온측으로 가면서 순차적으로 증기발생영역, 재가열영역, 과가열영역이 형성된다. 또한 이 때 상기 에너지 저장 및 회수 시스템(400)은, 응축기(410)에서부터 저온터빈(470)에 이르는 루프(loop)로 작동유체(210)를 순환시킴으로써 에너지를 효과적으로 회수한다. 각부에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
응축기(410)는, 작동유체(210)를 응축하여 배출하는 역할을 한다. 저온응축액펌프(420)는, 상기 응축기(410)에서 배출된 상대적 저온의 작동유체(210)를 펌핑하는 역할을 한다. 탈기기(430)는, 상기 저온응축액펌프(420)에서 배출된 상대적 저온의 작동유체(210)를 기액분리하는 역할을 한다. 고온응축액펌프(440)는, 상기 탈기기(430)에서 배출된 상대적 고온의 작동유체(210)를 펌핑하는 역할을 한다. 증기발생영역전열배관(120g)은 상기 증기발생영역에 배치되며, 상기 증기발생영역전열배관(120g)에서 상기 고온응축액펌프(440)에서 배출된 작동유체(210)가 통과하면서 증발한다. 증기저장부(450)는, 상기 증기발생영역전열배관(120g)에서 배출된 작동유체(210) 증기를 저장하는 역할을 한다. 과가열영역전열배관(120s)은 상기 과가열영역에 배치되며, 상기 과가열영역전열배관(120s)에서 상기 증기저장부(450)에서 배출된 작동유체(210)가 통과하면서 과가열된다. 고온터빈(460)은, 상기 과가열영역전열배관(120s)에서 배출된 상대적 고온의 작동유체(210)에 의해 회전하며, 이로써 발전 등이 수행되어 에너지가 회수될 수 있게 된다. 재가열영역전열배관(120r)은 상기 재가열영역(420r)에 배치되며, 상기 재가열영역전열배관(120r)에서 상기 고온터빈(460)에서 배출된 작동유체(210)가 통과하면서 재가열된다. 저온터빈(470)은, 상기 재가열영역전열배관(120r)에서 배출된 상대적 저온의 작동유체(210)에 의해 회전하며, 이로써 발전 등이 수행되어 에너지가 한 번 더 회수될 수 있게 된다. 이와 같이 상기 저온터빈(470)에서 배출된 작동유체(210)는 다시 상기 응축기(410)로 유입됨으로써 작동유체(210)의 순환이 이루어지며, 이러한 순환을 통해 에너지의 효과적이고 원활한 회수가 이루어질 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 전기 및 고온에너지 저장장치
110 : 열저장매체탱크
111 : 격리벽 112 : 통공
113 : 단전부 113 : 단전플랜지
120 : 전열배관 121 : 작동유체유통구
122a : 전력입구 122b : 전력출구
123 : 단전이음매 124 : 전열선
125 : 방열핀 130 : 연결배관
140 : 기체배출관 141 : 기체토출구
142 : 입자제거기
210 : 열저장매체 220 : 작동유체
300 : 배관시스템
310 : 고온헤더 310v : 고온헤더밸브
315 : 고온배관 315v : 고온배관밸브
320 : 저온헤더 320v : 저온헤더밸브
325 : 저온배관 325v : 저온배관밸브
400 : 에너지 저장 및 회수 시스템
410 : 응축기 420 : 저온응축액펌프
430 : 탈기기 440 : 고온응축액펌프
450 : 증기저장부 460 : 고온터빈
470 : 저온터빈 120g : 증기발생영역전열배관
120s : 과가열영역전열배관 120r : 재가열영역전열배관
510 : 고온에너지원 520 : 저온에너지원
110 : 열저장매체탱크
111 : 격리벽 112 : 통공
113 : 단전부 113 : 단전플랜지
120 : 전열배관 121 : 작동유체유통구
122a : 전력입구 122b : 전력출구
123 : 단전이음매 124 : 전열선
125 : 방열핀 130 : 연결배관
140 : 기체배출관 141 : 기체토출구
142 : 입자제거기
210 : 열저장매체 220 : 작동유체
300 : 배관시스템
310 : 고온헤더 310v : 고온헤더밸브
315 : 고온배관 315v : 고온배관밸브
320 : 저온헤더 320v : 저온헤더밸브
325 : 저온배관 325v : 저온배관밸브
400 : 에너지 저장 및 회수 시스템
410 : 응축기 420 : 저온응축액펌프
430 : 탈기기 440 : 고온응축액펌프
450 : 증기저장부 460 : 고온터빈
470 : 저온터빈 120g : 증기발생영역전열배관
120s : 과가열영역전열배관 120r : 재가열영역전열배관
510 : 고온에너지원 520 : 저온에너지원
Claims (27)
- 열저장매체(210)가 수용되는 열저장매체탱크(110);
배관 형태로 형성되어 양단의 작동유체유통구(121)를 통해 상대적 고온환경이 형성되는 고온에너지원(510) 및 상대적 저온환경이 형성되는 저온에너지원(520) 사이에 유통되는 작동유체(220)가 유통되며, 일부가 상기 열저장매체탱크(110)에 수용되고, 상기 열저장매체탱크(110)에 수용되는 부분의 적어도 일부에 전력에 의해 가열되는 가열장치가 구비되는 전열배관(120);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는,
에너지 저장모드 시,
상기 전열배관(120)을 통해 상기 고온에너지원(510)에서 상기 저온에너지원(520)으로 흘러가는 상대적 고온의 작동유체(220)로부터 상기 열저장매체탱크(110) 내의 열저장매체(210)로 열에너지가 전달되거나,
외부에서 인가되는 전력에 의해 상기 전열배관(120) 상의 가열장치가 가열되어 상기 열저장매체탱크(110) 내의 열저장매체(210)로 열에너지가 전달되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는,
에너지 회수모드 시,
상기 열저장매체탱크(110) 내의 열저장매체(210)로부터 상기 전열배관(120)을 통해 상기 저온에너지원(520)에서 상기 고온에너지원(510)으로 흘러가는 상대적 저온의 작동유체(220)로 열에너지가 전달되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는,
상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 적어도 하나가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는,
하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 적어도 하나가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는,
상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 복수 개가 구비되거나, 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 복수 개가 구비되는 경우,
복수 개의 상기 전열배관(120)을 서로 연통시키는 적어도 하나의 연결배관(130);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는,
상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 복수 개가 구비되거나, 하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 복수 개가 구비되는 경우,
에너지 저장모드 시,
각각의 상기 전열배관(120)에서 서로 독립적으로 고온의 작동유체(220) 또는 전기가열 중 선택되는 적어도 하나로 열저장매체(210)에 열에너지를 전달하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는,
하나의 상기 열저장매체탱크(110) 내에 상기 전열배관(120)이 복수 개가 구비되는 경우,
상기 열저장매체탱크(110) 내에 각각의 상기 전열배관(120)이 구비되는 공간을 서로 격리 구분하는 적어도 하나의 격리벽(111)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 8항에 있어서, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는,
서로 격리 구분된 인접공간들 간에 유체의 이동이 가능하도록 상기 격리벽(111) 상에 적어도 하나의 통공(112)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는,
상기 열저장매체탱크(110) 하부에 구비되어 상기 전열배관(120)을 향해 구비된 적어도 하나의 기체토출구(141)를 통해 비반응성기체를 배출하는 기체배출관(140);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 10항에 있어서, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는,
상기 기체배출관(140)에서 배출된 기체로부터 비말동반되는 열저장매체 입자를 제거하는 입자제거기(142)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 열저장매체탱크(110)는,
외부와 격리되도록 밀폐 및 단열되게 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 열저장매체탱크(110)는,
상기 전열배관(120)과 절연되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 13항에 있어서, 상기 열저장매체탱크(110)는,
절연재질로 형성되거나,
전도재질로 형성되되 상기 전열배관(120)과의 연결부분에 단전부(113) 또는 단전플랜지(114)가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전열배관(120)은,
전력이 통과하는 전력입구(122a) 및 전력출구(122b),
상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)에 의해 전력이 인가되는 부분과 나머지 다른 부분을 절연시키는 단전이음매(123)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 15항에 있어서, 상기 전열배관(120)은,
상기 작동유체유통구(121)에 차단밸브(126)가 구비되며,
상기 차단밸브(126)의 밀폐부가 상기 단전이음매(123) 역할을 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 15항에 있어서, 상기 전열배관(120)은,
상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)가 상기 열저장매체탱크(110) 외부에 형성되거나,
상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)가 상기 열저장매체탱크(110) 내에 수용된 열저장매체(210) 수위 아래에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 15항에 있어서, 상기 전열배관(120)은,
전력이 인가되면 발열하는 재질로 형성되며,
상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)가 상기 전열배관(120)에 직접 연결되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 18항에 있어서, 상기 전열배관(120)은,
전기저항이 서로 다른 복수 개의 영역으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 15항에 있어서, 상기 전열배관(120)은,
상기 전열배관(120) 외면에 감겨 구비되며 외부와 절연되게 형성되는 별도의 발열선(124)을 구비하며,
상기 전력입구(122a) 및 상기 전력출구(122b)가 상기 발열선(124)에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 15항에 있어서, 상기 전열배관(120)은,
일부는 전력이 인가되면 발열하는 재질로 형성되는 직접발열부(A)를 형성하고,
일부는 상기 전열배관(120) 외면에 감겨 구비되며 외부와 절연되게 형성되는 별도의 발열선(124)을 구비하는 간접발열부(B)를 형성하고,
상기 직접발열부(A) 및 상기 간접발열부(B)가 직렬로 연결된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전열배관(120)은,
열저장매체(210)와의 접촉면적이 커지도록 사행유로 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전열배관(120)은,
상기 열저장매체탱크(110) 하부에서 열저장매체(210)와의 접촉면적이 상대적으로 커지도록 연장 또는 굴곡되게 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전열배관(120)은,
열저장매체(210)와의 접촉면적이 커지도록 외면에 구비되는 방열핀(125)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(100)는,
상기 고온에너지원(510) 및 상기 저온에너지원(520) 사이에 복수 개가 구비되는 경우,
각각의 상기 전열배관(120)과 연결되어 작동유체(220)의 유통을 조절하는 배관시스템(300)이 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 25항에 있어서, 상기 배관시스템(300)은,
상기 고온에너지원(510)에 연결되어 상대적 고온의 작동유체(220)가 유통되는 고온헤더(310),
상기 고온헤더(310) 및 복수 개의 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(110) 각각에 구비된 상기 전열배관(120)을 연결하는 복수 개의 고온배관(315),
상기 고온헤더(310) 상의 복수 개의 상기 고온배관(315) 사이에 구비되는 적어도 하나의 고온헤더밸브(310v),
상기 고온배관(315) 상에 구비되는 고온배관밸브(315v),
상기 저온에너지원(520)에 연결되어 상대적 저온의 작동유체(220)가 유통되는 저온헤더(320),
상기 저온헤더(320) 및 복수 개의 상기 전기 및 고온에너지 저장장치(110) 각각에 구비된 상기 전열배관(120)을 연결하는 복수 개의 저온배관(325),
상기 저온헤더(320) 상의 복수 개의 상기 저온배관(325) 사이에 구비되는 적어도 하나의 저온헤더밸브(320v),
상기 저온배관(325) 상에 구비되는 저온배관밸브(325v)
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 및 고온에너지 저장장치.
- 제 1항에 의한 전기 및 고온에너지 저장장치(100)를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템(400)에 있어서,
상기 열저장매체탱크(110)는 수평으로 연장 형성되되, 상기 열저장매체탱크(110)의 일측부터 타측까지 열저장매체(210)의 온도가 저온에서 고온으로 구배되되, 저온측에서 고온측으로 가면서 순차적으로 증기발생영역, 재가열영역, 과가열영역이 형성되며,
상기 에너지 저장 및 회수 시스템(400)은,
작동유체(210)를 응축하여 배출하는 응축기(410);
상기 응축기(410)에서 배출된 상대적 저온의 작동유체(210)를 펌핑하는 저온응축액펌프(420);
상기 저온응축액펌프(420)에서 배출된 상대적 저온의 작동유체(210)를 기액분리하는 탈기기(430);
상기 탈기기(430)에서 배출된 상대적 고온의 작동유체(210)를 펌핑하는 고온응축액펌프(440);
상기 증기발생영역에 배치되며 상기 고온응축액펌프(440)에서 배출된 작동유체(210)가 통과하면서 증발하는 증기발생영역전열배관(120g);
상기 증기발생영역전열배관(120g)에서 배출된 작동유체(210) 증기를 저장하는 증기저장부(450);
상기 과가열영역에 배치되며 상기 증기저장부(450)에서 배출된 작동유체(210)가 통과하면서 과가열되는 과가열영역전열배관(120s);
상기 과가열영역전열배관(120s)에서 배출된 상대적 고온의 작동유체(210)에 의해 회전하는 고온터빈(460);
상기 재가열영역(420r)에 배치되며 상기 고온터빈(460)에서 배출된 작동유체(210)가 통과하면서 재가열되는 재가열영역전열배관(120r);
상기 재가열영역전열배관(120r)에서 배출된 상대적 저온의 작동유체(210)에 의해 회전하는 저온터빈(470);
을 포함하며,
상기 저온터빈(470)에서 배출된 작동유체(210)가 상기 응축기(410)로 유입되어 작동유체(210)의 순환이 이루어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
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