KR20240019629A - 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템 및 신재생에너지 발전 설비 운용 방법 - Google Patents

신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템 및 신재생에너지 발전 설비 운용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템은, 신재생에너지 발전 설비의 잉여 전력을 저장하는 배터리; 상기 배터리를 냉각 용수를 이용하여 냉각시키는 냉각 배관; 상기 냉각 용수로 사용될 수 있는 용수를 저장하는 다우징 탱크; 상기 잉여 전력 또는 상기 배터리에 저장된 전력으로 상기 다우징 탱크에 용수를 공급하는 순환수 펌프; 및 상기 냉각 배관에서 상기 배터리에 의해 가열된 온수를 출수하는 온수 출수구를 포함할 수 있다.

Description

신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템 및 신재생에너지 발전 설비 운용 방법{Dowsing Tank System for Renewable Energy Power Generation Facility and Method for Operating Renewable Energy Power Generation Facility}
본 발명은 다목적 다우징 탱크의 저장용수를 이용한 신재생 잉여전력의 저장 방법, 배터리 냉각 Fail Safe 운용 방법, 양수발전 방법, 난방 및 급탕 용수 생산 방법, EMS 운용 방법 등으로 적용될 수 있는, 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템 및 이를 이용하여 수행되는 신재생에너지 발전 설비 운용 방법에 관한 것이다.
근래에 들어 전세계적인 환경 문제 및 에너지 고갈 문제는 신재생에너지를 이용한 발전 설비들의 보급을 촉진시키고 있으며, 발전량의 예측이 어렵고 불안정한 신재생에너지 발전 설비를 보완하기 위해, ESS들도 함께 보급되고 있다.
ESS를 위해 최근에 Li battery는 상용화가 널리 진행되었고, 전력산업에도 Energy Storage System으로 널리 이용되고 있으나, 최근 다수 발생한 화재 문제로 운영이 대부분 중단된 상태이며, 신재생 잉여전력을 흡수할 길이 없어 “잉여전력 저장 문제”에 직면하게 되었다.
“잉여전력 저장 문제”를 기술하면 다음과 같다.
제주도의 경우 태양광 풍력 등이 최근에 급격히 증가한 상태이나, 육지-제주간 HVDC 송전선로가 단방향으로 구성되어 있어서, 육지에서 제주로 전력전송은 가능하나 제주에서 육지로 잉여전력이 전송되지 못하며 잉여전력은 버려지고 있다. 이같은 제주신재생 잉여전력의 dumping 문제는 태양광 사업자의 태영광 전력생산 중단으로 사업손실을 보고 잇을 뿐만 아니라 국가차원에서 보면 에너지 부족국가가 에너지를 버리고 있다는 도덕적 문제(moral hazard) 이슈로까지 비화되고 있는 실정이다.
에너지를 저장하는 방법으로는 여러가지가 있으나 배터리 저장후 사용하는 효율이 80%를 보이고 있어 에너지 효율이 가장우수하나 화재위험을 해소해야만 한다. 배터리 화재예방을 위해선 배터리 온도관리가 가장중요하며 배터리의 표면을 냉각시키어 주는 시스템이 화재예방에 필수적이고 화재가 발생하면 건물전체의 전소를 위해선 배터리를 물에 완전히 잠기게 하는 소화방식이 필요하다.
이러한 신재생 잉여전력의 dumping 문제는 제주뿐만 아니라 육지에서도 발생하고 있는데 맑은날 부하가 적은 연휴기간 등에 태양광 잉여전력이 발생해 주파수가 제한상한 제한치가 올라가서 계통붕괴의 위험을 전력거래소는 호소하고 있으며, 국내 전력회사에서는 신재생 출력제한 제도를 시행하기에 이르렀다.
대한민국 등록공보 10-2137977호
본 발명은 배터리 화재를 미연에 방지하면서 신재생에너지 발전 설비의 잉여 전력을 효율적으로 이용할 수 있는 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템 및 신재생에너지 발전 설비 운용 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템은, 신재생에너지 발전 설비의 잉여 전력을 저장하는 배터리; 상기 배터리를 냉각 용수를 이용하여 냉각시키는 냉각 배관; 상기 냉각 용수로 사용될 수 있는 용수를 저장하는 다우징 탱크; 상기 잉여 전력 또는 상기 배터리에 저장된 전력으로 상기 다우징 탱크에 용수를 공급하는 순환수 펌프; 및 상기 냉각 배관에서 상기 배터리에 의해 가열된 온수를 출수하는 온수 출수구를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다우징 탱크의 아래벽 또는 상기 냉각 배관의 전부 또는 일부는 100도 초과 800도 미만의 온도에서 용융되는 재질로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 다우징 탱크 내부에 저장된 상기 용수의 높이를 측정하는 물높이 센서를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 순환수 펌프는, 상기 물높이 센서에서 측정된 상기 용수의 높이가 상기 다우징 탱크에 저장된 용수가 상기 배터리를 잠기게 하는 높이가 될 때까지 가동될 수 있다.
여기서, 상기 온수 출수구를 통해 출수되는 상기 가열된 온수로, 난방 또는 급탕용으로 제공되는 급탕 용수를 가열하는 급탕 탱크를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 배터리에 저장된 전력으로 상기 급탕 용수를 가열하기 위한 히터를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 히터는, 상기 급탕 용수의 온도가 소정의 상한 온도에 도달할 때까지 가동될 수 있다.
여기서, 상기 다우징 탱크에서 상기 냉각 배관으로 흐르는 용수로 전력을 생산하는 수력발전기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 신재생에너지 발전 설비 운용 방법은, 신재생에너지 발전 설비의 잉여 전력으로 배터리를 충전하는 단계; 상기 배터리를 냉각시키기 위한 냉각 용수로 사용될 수 있는 용수를 저장하는 다우징 탱크에 용수를 공급하는 순환수 펌프를, 상기 잉여 전력 또는 상기 배터리에 저장된 전력으로 구동하여, 상기 다우징 탱크의 소정의 다우징 높이를 유지시키는 단계; 및 상기 냉각 용수로 상기 배터리를 냉각시킨 후, 가열된 냉각 용수를 출수하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 출수되는 상기 가열된 냉각 용수로, 급탕 탱크에 저장된 난방 또는 급탕용으로 제공되는 급탕 용수를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 히터를 이용하여 상기 배터리에 저장된 전력으로 상기 급탕 용수의 온도가 소정의 상한 온도에 도달할 때까지 상기 급탕 용수를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다우징 탱크에서 상기 배터리의 냉각을 위한 냉각 배관으로 흐르는 상기 용수로 전력을 생산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다우징 높이는, 상기 다우징 탱크에 저장된 용수가 상기 배터리를 잠기게 하는 높이일 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템 및/또는 신재생에너지 발전 설비 운용 방법을 실시하면, 에너지 저장용 배터리 화재를 미연에 방지하면서 신재생에너지 발전 설비의 잉여 전력을 효율적으로 이용할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템 및/또는 신재생에너지 발전 설비 운용 방법은, 편차가 심한 신재생에너지 발전 전력을 잉여 전력 최소화하여 효과적으로 이용할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템 및/또는 신재생에너지 발전 설비 운용 방법은, 배터리 상시 냉각을 통한 배터리 화재를 예방하며, 특수한 상황에서 배터리 상시 냉각가 실패시(fail시) “fail safe"를 적용하여 안전을 확보할 수 있는 이점이 있다.
보다 구체적으로, 다우징 탱크 및 순환수배관, 밸브 케이싱, 소재를 열가소성소재(PVC 등)로 구성하여 배터리 냉각 실패 현상 발생시(열폭주로 800도시까지 상승), 소재가 110도 정도에서 자연스럽게 용융(Melt down)됨으로써 다우징탱크의 저장용수를 배터리로 자유낙하 시키고, 배터리는 물속에 완전히 잠기게 되며, 화재를 강력하게 차단할 수 있다.
본 발명의 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템 및/또는 신재생에너지 발전 설비 운용 방법은, 배터리 표면 냉각에서 탈취한 냉각수 열을 난방(급탕) 용수에 사용할 수 있는 이점이 있다. 추가적으로, 신재생에너지 발전의 잉여전력을 상기 난방(급탕) 용수로서 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 다목적 다우징 탱크 시스템의 외형을 표현한 정면도/측면도/평면도.
도 2는 본 발명의 사상에 따른 다목적 다우징 탱크 시스템의 용수의 흐름을 표현하기 위한 투시 정면도.
도 3은 도 2의 다목적 다우징 탱크 시스템에 의한 가열된 온수의 활용을 위한 급탕/난방 구조를 추가한 개념도.
도 4a는 정상 운전시 도 2의 다우징 탱크 시스템의 상태를 도시한 투시 정면도.
도 4b는 냉각실패시 fail safe 상태를 도시한 투시 정면도.
도 5는 본 발명의 사상에 따른 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템을 이용하는 신재생에너지 발전 설비 운용 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도.
도 6은 배터리를 냉각한 용수를 급탕/난방으로 활용하는 방법을 도시한 흐름도.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 일종의 개선된 건물 태양광-배터리 및 난방 시스템을 제시하되, 기존의 건물 태양광-배터리(K-BEMS) 및 난방 시스템 문제점을 다음과 같이 해소하는 것을 제시한다.
배터리 화재 및 이로 인한 건물 전소를 방지하기 위해, 물에 의한 배터리 냉각을 추진하되, 냉각 실패시 (배터리는 열폭주 현상을 나타내고 800도시까지 온도가 상승), PVC 배관 등이 110도 정도에서 자연스럽게 용융(Melt down)됨으로써, 자동으로 다우징 탱크의 물이 자유 낙하 하는 “Fail safe”를 특허 구성요소로써 추가하였다.
배터리를 저장하고도 남은 잉여전력의 처분을 위해, 신재생 잉여전력으로 (1) 배터리를 충전하고, (2) 배터리의 정출력 power를 이용해서 물을 양수하여 양수발전후 흘러내려가는 물을 이용해서 배터리의 열을 상시 냉각해주어 화재를 방지하며(Self protection), (3) 배터리 냉각후 교환한 열과 양수발전에서 나온 전력 그리고 신재생 잉여전력을 모두 Heater에 사용하여 최종적으로 난방용수, 급탕용수로 사용하는 시스템을 제안하고 있다.
다시 한번 더 요약하면, 본 발명의 사상에 따라에서 신재생 사업자의 EMS(Energy Management System) 구동 알고리즘을 통하여, 배터리의 화학에너지, 양수발전을 할 수 있는 다우징탱크의 위치에너지, 온수 및 난방을 사용할 수 있는 열에너지 3가지 형태로 전환하여 저장/이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 사상에 따른 다목적 다우징 탱크 시스템의 외형을 표현한 정면도/측면도/평면도이다.
도 2는 본 발명의 사상에 따른 다목적 다우징 탱크 시스템의 용수의 흐름을 표현하기 위한 투시 정면도이다.
도 3은 도 2의 다목적 다우징 탱크 시스템에 의한 가열된 온수의 활용을 위한 급탕/난방 구조를 추가한 개념도이다.
본 발명에서 제시하고 있는 도 1 내지 도 3의 다목적 다우징 탱크의 도입을 통해 네가지 목적(발명효과)을 달성할 수 있다. 신재생 잉여전력을 이용해 펌핑(양수)시킨 다우징 탱크 시스템의 저장용수 기능은 아래 네가지이다.
① 들쪽날쭉 신재생 전력을 정출력 양수발전(수력발전) 유도
② 동시에, 배터리 상시 냉각을 통한 배터리 화재 예방 : 화재방지를 위해 배터리 표면 냉각을 수행하지만, 이러한 설계가 실패시(fail시) 더욱 더 안전을 강화함
③ 동시에, 배터리 표면 냉각에서 탈취한 냉각수 열을 난방(급탕)용수에 사용
④ 동시에, 신재생 추가 잉여전력 발생시(잉여전력 미해소시) : 히터 가동 => 난방/급탕/전기화로 잉여전력 활용
도시한 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템은, 신재생에너지 발전 설비의 잉여 전력을 저장하는 배터리(10); 상기 배터리(10)를 냉각 용수를 이용하여 냉각시키는 냉각 배관(110); 상기 냉각 용수로 사용될 수 있는 용수를 저장하는 다우징 탱크(120); 상기 잉여 전력 또는 상기 배터리(10)에 저장된 전력으로 상기 다우징 탱크(120)에 용수를 공급하는 순환수 펌프(140); 및 상기 냉각 배관(110)에서 상기 배터리(10)에 의해 가열된 온수를 출수하는 온수 출수구(180)를 포함할 수 있다.
본 발명의 사상에 따라, 상기 다우징 탱크(120)의 아래벽 또는 상기 냉각 배관(110)의 전부 또는 일부는 100도 초과 800도 미만의 온도에서 용융되는 재질로 형성한다. 이는 원자력에서 많이 사용되는 개념으로서 “fail safe"를 구현하기 위한 것이다.
보다 구체적으로 상기 다우징 탱크(120) 및 순환수 배관(130), 다우징 탱크 밸브(150)의 케이싱, 냉각 배관(110) 중 적어도 하나 이상의 전부 또는 일부의 소재를 열가소성소재(PVC 등)로 구성하면, 배터리 냉각 실패 현상 발생시(열폭주로 800도시까지 상승), 소재가 110도 정도에서 자연스럽게 용융(Melt down)됨으로써 다우징 탱크(120)에 저장된 용수를 배터리(10)로 자유낙하시키고, 배터리는 물속에 완전히 잠기게 되어, 건물 등 전체 설비의 안전을 확보할 수 있다.(Fail safe).
이때, 상기 배터리(10)로 자유낙하시 상기 다우징 탱크 내부에 저장된 용수의 양이 상기 배터리(10)를 충분히 잠기게 할 정도가 되어야 하며, 이는 상기 다우징 탱크 내부에 저장된 용수의 높이(수위)로 확인할 수 있다.
이를 감안하여, 상기 다우징 탱크(120) 내부에 저장된 상기 용수의 높이를 측정하는 물높이 센서(170)를 더 포함할 수 있으며, 상기 순환수 펌프(140)는, 상기 물높이 센서(170)에서 측정된 상기 용수의 높이가 상기 다우징 탱크에 저장된 용수가 상기 배터리(10)를 잠기게 하는 높이가 될 때까지 가동된다.
추가적으로 도시한 다우징 탱크 시스템은, 상기 다우징 탱크(120)에서 상기 냉각 배관(110)으로의 상기 용수의 흐름을 단속하는 밸브(150); 상기 다우징 탱크(120)에서 상기 냉각 배관(110)으로 위치에너지에 의해 흐르는 용수로 전력을 생산하는 수력발전기(160)를 더 포함할 수 있다. 이는 상기 순환수펌프(140)를 가동하는데 사용한 에너지를 최대한 회수하기 위함이다.
추가적으로 도시한 다우징 탱크 시스템은, 배터리 냉각 실패 현상 발생시 자유낙하하는 상기 다우징 탱크(120)에 저장된 용수를 담기 위한 수조(105)를 더 포함할 수 있다.
다음, 도 1 및 도 2에 도시한 각 구성요소들에 대하여 상세히 예시하겠다.
상기 수조(water reservoir)(105)는 도 1의 정면도, 좌측면도 우측면도에서 검정색으로 표시된 부분이다. 수조(105)는 금속이나 난연성 소재로 구성되며, 배터리 화재시 용수(물)를 담을 수 있는 용기 역할을 수행한다.
배터리 화재는 리튬전지인 배터리(10)의 표면을 pvc 배관이 지나면서 1차적으로 냉각을 하지만, 그럼에도 불구하고 배터리 냉각이 실패할 경우, 배터리(10)는 800도시까지 열폭주(thermal runaway) 현상이 나타나며 PVC 배관(110), 밸브(150), 다우징 탱크(120) 바닥 등은 110도 정도에서 용융(Mel down)됨으로써, 다우징 용수가 자유낙하해서 배터리(Li ion battery)를 완전히 침수시킨다. 즉, Fail Safe 현상을 나타낸다.
배터리 상부의 PVC 배관 내부에는 수력발전기(160)와 수차가 위치하며, 다우징 탱크(120)에서 내려온 용수는 수력발전기(160) 터빈(수차)을 거쳐 정출력 발전을 한뒤 배터리 표면을 냉각하고, 그 후 배터리(10)의 열은 water storage tank로 출수된다. 즉 신재생 발전의 불규칙한 전력으로 펌핑된 물은 다우징탱크의 물로 저장된 후 양수발전 수차를 돌려 정출력 전력을 생산한뒤 배터리 표면의 열을 식히고 water storage tank로 환수되어 건물의 난방용수 혹은 급탕용수로 사용된다.
도시한 다우징 탱크(dousing tank)(120)는 도 1 및 도 2에서 2층에 위치하고 있으며, Fail Safe를 위해, PVC 열가소성 수지로 구성될 수 있다.
도 1의 하부(1층)엔 배터리가 들어가며 배터리 화재시 열가소성 수지가 용융되면서 다우징 용수를 덤핑하여 화재를 완진한다. 다우징 탱크(120)의 순환수는 순환수펌프(140)에 의해 펌핑되며, 물높이 H1까지는 다우징탱크의 용수를 항상 우선적으로 저장하며, H1 이상이 될 경우에는 양수발전을 하여 정출력 전력을 생산할 수 있도록 설계하였다.
순환수펌프(140)에 의해 들어간 순환 용수는 도 1의 정면도 하단 우측에 녹색으로 표기된 순환수 배관(130)을 통해 배출된다. 다우징 탱크(120)의 순환 용수가 H1 높이까지 항상 확보하는 것은 배터리 냉각 Fail Safe 달성을 위함이 주된 목적이다. 추가적으로, 적정 수두(Head, H1)를 확보함으로써 양수발전 위치에너지 E = mg H 확보를 통한 정출력 전력 생산을 도모하기 위해서도, H1 높이를 확보할 수 있다.
이에 따라, H1 이하에서는 PVC 밸브(150)인 V1이 닫힌 상태이다. 그 후, H1을 초과(도달)한 상태에서 PVC 밸브(150) V1이 개방(open) 된다.
도시한 배터리(10)는 다우징 탱크(120) 밑부분에 위치한다. 중력에 의한 위치에너지에 의해 낙하하는 용수가 배관을 따라 흘러 수력발전기(160) 수차를 돌리고 난 후, 배터리 표면의 전부 또는 일부를 둘러싸는 냉각 배관(110)을 흐르면서, 상기 배터리(10)를 냉각한 뒤 온수(따뜻한 물)로 출수되며, 상기 온수는 급탕 혹은 난방용수로 사용될 수 있다.
즉, 본 발명의 사상에 따라 편차가 심한 신재생에너지 발전량에 대비하여, 신재생 발전의 잉여 전력은, 배터리(10)에 저장되거나, 양수발전을 위한 위치에너지로 저장되거나, 급탕 온수 공급 등을 위한 온수 열에너지로 저장/활용될 수 있다. 이를 지원하는 본 발명의 다우징 탱크 시스템의 구동 알고리즘은 철저하게 신재생의 불규칙한 잉여전력을 사용하기 위함이며, 구체적인 순서는 후술하겠다.
본 발명의 양수발전기는 수차를 구비한 수력발전기(160)의 형태로 구현될 수 있으며, 신재생 발전의 들쭉날쭉한 잉여 전력을 사용하여 다우징 탱크(120)에 저장용수로 위치에너지화하여 담아두면 수차 혹은 터빈을 이용하여 발전을 할 수 있고 이것은 정출력이다. 이 정출력전력을 사용하여 히터 등을 가동할 수 있으며 가동한 히터는 난방용수 혹은 급탕제조에 사용되어 열의 형태로 신재생 에너지를 저장/활용할 수 있다.
도시한 순환수펌프(140)는 양수펌프라고도 호칭하며, 물을 순환시키어 양수하여 다우징 탱크(120)의 물높이 H를 확보하는 역할을 수행한다. 순환수펌프(140)는 배터리(10)를 완충하고 남은 신재생 에너지와 배터리(10)를 합한 전력으로 혹은 배터리(10)가 방전하는 단독 전력으로 가동될 수 있다.
도시한 물높이(H) 센서(170)는 다우징 탱크(120) 내의 용수의 물높이를 측정하며, 그 값은 상기 순환수펌프(140)를 구동하는데 이용되며, 또한, 신재생 사업자가 운용하는 EMS 컴퓨터로 전송될 수 있다.
본 발명이 제안하는 냉각 배관(110)은 그 전부 또는 일부(PVC Pipe P1)가 열가소성 PVC 파이프로 구현되어, 용융점이 110℃에서 150℃ 사이에 위치한다. 평소에는 냉각 용수가 내부에 흘러서 배터리(10)를 냉각하는 역할을 수행하여, 궁극적으로는 배터리(10)의 열을 도 3의 급탕 탱크(220)(water storage tank)로 전송한다.
그런데, 냉각에 실패할 경우 배터리(10)는 800℃ 까지 열폭주하며, PVC pipe P1은 melt down 되고, 다우징 탱크(120)의 저장된 용수는 자유낙하하여 시스템(또는 건물) 전체의 안전을 확보한다(즉, Fail Safe).
도시한 PVC 밸브 V1(150)은 다우징 탱크(120)와 배터리를 감싸며 흐르는 냉각 배관(110) 사이에 존재하며, H1 높이가 확보되면 EMS 등에 의해 제어되어 Open 될 수 있다.
상기 PVC 밸브 V1(150)이 OPEN 되면, 상기 수력발전기(160)는 용수의 낙차를 이용하여 수차를 돌리고 발전기 Generator가 기동 되어 전력을 생산한다. 이때, 상기 수력발전기(160)가 생산하는 전력은 상기 배터리(10)에 저장될 수도 있으나, 도 3의 급탕 탱크(220) 내에 열에너지로 전환되도록, 부가 히터(auxiliary heater)(240)를 가동하는데 바로 사용될 수 있다. 즉, 도 3에 도시한 급탕 시스템(200)을 부가하여, 보다 효율적인 신재생 발전 잉여 전력의 저장/활용을 도모할 수 있다. 이 경우, 상기 부가 히터(240)는 배터리 power 1p + 양수 발전기 power 2p + 신재생 power(알파) = 2p+α 로 기동된다고 볼 수 있다.
도 3에 도시한 급탕 시스템(200)의 중요 구성요소로서, 상기 급탕 탱크(Water Storage Tank)(220)는, 배터리(10)를 식히고 난 열을 보다 다량의 물(급탕 용수)에 저장한다. 내부에 저장된 급탕 용수의 수온을 측정하기 위한 온도 센서를 구비하며, 상기 온도센서의 값이 최대치 이하에서 상기 부가 히터(240)가 가동된다. 상기 급탕 탱크(220)에 저장된 열 에너지는 난방에 사용되거나, 온수 swimming pool water 등의 급탕 수요(hat water demand)에 대하여 사용된다.
도시한 급탕 시스템(200)은, 최고 온도의 급탕 용수의 온도를 적정온도의 온수로 만들어주기 위해 찬물(mains water)과 혼합(mixing) 하는 역할을 수행하는 믹서(Water Storage Tank Mixing Device)(210)를 구비하는 급탕 기구(400)를 더 포함할 수 있다. 도 3에서 상기 믹서(Mixing Device)(210)에 입력되는 mains water는 한국수자원공사 등에서 제공하는 원천수(원수)를 의미할 수 있다.
도시한 space heating demand(300)는 건물난방에 사용되는 도구를 의미한다. 공기 난방이 될수도 있고, 물에 의한 바닥난방이 될 수도 있다.
본 발명의 사상에 따른 다우징 탱크 시스템과 급탕 시스템(200)를 이용하는 경우, 신재생 잉여 전력의 최종적인 저장 형태(output)는, 다우징 탱크(120)의 저장용수를 이용하여, 화학 에너지(battery's chemical energy), 위치 에너지(potential energy for hydro power generation) 및 열 에너지(thermal power output)의 3가지 형태가 된다.
도 4a는 정상 운전시 도 2의 다우징 탱크 시스템의 상태를 도시한 것이며, 도 4b는 냉각실패시 fail safe 상태를 도시한 것이다. 즉, 도시한 수조(105)는 크게 다음과 같이, 도 4a의 평상시, 또는 도 4b의 화재시에 따라 두가지 역할을 달리한다.
도 4a에서 평상시 수조는 배터리(10)와 수력발전기(160), 냉각 배관(110)을 포함한다. 수조는 배터리(10) 충방전의 장소를 제공하며 수력발전기(160)의 양수발전 장소로 사용된다. 배터리(10)는 배터리(10)를 식히는 냉각 배관(PVC 배관)(110)에 감싸져 있으며, 상기 냉각 배관(110)은 수력발전기(160) 수차(터빈)의 유로이기도 하다. 즉 다우징 탱크(120)을 거쳐 나온 물은 수력발전기(160) 수차를 돌리고 배터리(10) 표면을 냉각한 뒤 따뜻한 물이 되어, 도 3의 급탕 탱크(water storage tank)로 들어가서 난방용수 혹은 급탕용수로 사용된다.
도 4b에서 화재시 즉, 배터리 냉각 실패시, 배터리(10)는 800도시까지 열폭주(Thermal Runaway) 하며, PVC 배관(110), 밸브(150), 다우징 탱크(120) 등은 110도 정도에서 용융(Melt Down) 현상을 겪으면서 물이 자유낙하(fail safe) 한다. 도시한 바와 같이 배터리(리튬전지)(10)를 완전히 침수시키어 화재로부터 안전을 확보한다.(cooling fail but it is safe)
도 5는 본 발명의 사상에 따른 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템을 이용하는 신재생에너지 발전 설비 운용 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도시한 신재생에너지 발전 설비 운용 방법은, 신재생에너지 발전 설비의 잉여 전력으로 배터리를 충전하는 단계(S110 ~ S140); 상기 배터리를 냉각시키기 위한 냉각 용수로 사용될 수 있는 용수를 저장하는 다우징 탱크에 용수를 공급하는 순환수 펌프를, 상기 잉여 전력 또는 상기 배터리에 저장된 전력으로 구동하여, 상기 다우징 탱크의 소정의 다우징 높이를 유지시키는 단계(S150 ~ S170); 및 상기 냉각 용수로 상기 배터리를 냉각시킨 후, 가열된 냉각 용수를 출수하는 단계(S200)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다우징 높이는, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 다우징 탱크에 저장된 용수가 상기 배터리를 잠기게 하는 높이일 수 있다. 구현에 따라, 상기 다우징 높이는 양수 발전의 효율을 확보하는데 충분한 높이일 것의 조건을 and 조건으로 추가 만족시키는 높이일 수 있다.
이 경우, 상기 신재생에너지 발전 설비 운용 방법은, 상기 다우징 탱크에서 상기 배터리의 냉각을 위한 냉각 배관으로 흐르는 상기 용수로 전력을 생산하는 단계를 더 포함한다.
도 5에 도시한 신재생에너지 발전 설비 운용 방법은, 예컨대, 다음 3가지 기능들을 순차적으로 진행할 수 있다.
① 배터리 완충 : H1 높이까지 물이 차면, 신재생 잉여전력은 배터리를 완전히 충전(완충)한다. 배터리의 에너지 효율은 80%이고, 양수발전의 20%보다 월등히 우수하므로 배터리를 우선 충전한다. 또한, 양수펌프는 배터리 출력 power가 없으면, 기동 불가하며, 이모든 전력의 소스는 신재생 잉여전력이며, 양수발전은 단지 순환수펌프을 구동하는데 사용된 에너지의 일부를 최대한 회수하기 위함임을 운전 순위에 있어서 감안하여야 한다.
② 이후 배터리 파워가 사용 되어, 양수펌프가 가동되어, 다우징탱크의 H1 높이까지 우선적으로 물을 채운다.: H1까지는 화재시 배터리를 완전히 침수시키기 위한 높이이며, 신재생 잉여전력으로 순환수를 펌핑하여 다우징 용수를 먼저 확보함은 안전이 최우선이기 때문이다. 즉, 안전을 위해 다우징 H1 높이까지 우선 물을 채운다.
③ 수력발전(정출력 생산), 배터리 표면냉각, 급탕용수 공급 : 신재생의 들쭉날쭉 불규칙 전력이 H1 이상 높이의 물을 다우징 탱크에 채우고, 배터리를 완충하면, 다시 순환수 펌프가 가동되며 물이 펌핑 되지만, H1 이상의 물 높이에서는 다우징 탱크의 밸브 V1이 열리며, 물이 배관을 통해 하부로 순환되기 시작된다.
이후, 파이프 P1을 통해 양수발전을 거친 물은 배터리 표면을 냉각하고 더워진 물(온수)은 도 3의 설명과 같이 급탕 용수로 사용될 수 있다.
도 6은 배터리를 냉각한 용수를 급탕/난방으로 활용하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도시한 흐름도는 도 5에 도시한 신재생에너지 발전 설비 운용 방법의 S200 단계 이후에 수행될 수 있으며, 그에 따라, 상기 신재생에너지 발전 설비 운용 방법은, 출수되는 상기 가열된 냉각 용수로, 급탕 탱크에 저장된 난방 또는 급탕용으로 제공되는 급탕 용수를 가열하는 단계를 더 수행하고, 도 6의 흐름도의 과정들이 수행될 수 있다.
즉, 상기 신재생에너지 발전 설비 운용 방법은, 히터를 이용하여 상기 배터리에 저장된 전력으로 상기 급탕 용수의 온도가 소정의 상한 온도에 도달할 때까지 상기 급탕 용수를 가열하는 단계(S310 ~ S330)를 더 포함할 수 있다.
이후, 급탕 요청 또는 난방 요청이 발생하면(S360), 상기 급탕 탱크에 저장된 급탕 용수를 난방 장치나 급탕 배관으로 제공할 수 있다(S380).
도 5 및 도 6에 따른 신재생에너지 발전 설비 운용 방법이 수행하는 알고리즘은 주요 기능들의 다음의 예시적인 수행 과정으로 정리해 보겠다.
도 5 및 도 6은 신재생 사업자의 EMS(Energy Management System) 구동 알고리즘으로서 반영될 수 있다. 태양광을 예로 들면 태양광 전력은 계통으로 보통 전송하는데, 제주도 등의 사례에서 볼 수 있듯이 잉여전력으로 간주되면 계통에서 흡수못하면 전량 버려져야만 한다. 그러나 본 발명에서 제시한 시스템을 사용할 경우 배터리 화학에너지, 양수발전을 할 수 있는 다우징 탱크의 위치에너지, 온수 및 난방을 사용할 수 있는 열에너지 3가지 형태로 전환하여 저장할 수 있다.
도 5를 보다 자세히 예시적으로 설명하면, 신재생의 들쭉날쭉한 불규칙 잉여전력을 계통에서 흡수 할 수 없는 경우, 이를테면 제주도의 사례에서 신재생 출력제한에서 볼 수 있듯이, 신재생 사업자는 태양광 전력, 풍력 전력 등을 계통으로 전송할 수 없고 버려야만 한다. 하지만 배터리의 화학에너지로 저장하는 방안이 그동안 기술개발이 이루어졌으나, 배터리 화재상태로 ESS(Energy Storage System) 사업은 좌초 위기에 빠졌다.
본 발명에서는 ESS의 배터리를 효율적으로 냉각하는 시스템으로서, 동시에 양수발전을 하여 또다른 정출력 파워를 생산할 수 있으며, 배터리 파워, 1P, 양수발전 파워, 2P, 신재생 파워, +알파, 해서 총 2P+α power로 히터를 가동하여 최종적으로 열에너지 형태로(water storage tank heat) 저장하는 시스템을 제시한다. 단, 배터리 안전 등으로 최고온도 상한치(T1) 보다는 온도가 낮아야 한다. 즉, 온도 설정치(예를 들면 90도)에 도달하면 배터리 쿨링등에 문제가 발생할 수 있으므로 더이상의 에너지 저장을 수행하지 않는다. 이렇게 배터리 전력을 사용하여, 양수펌프 기동, 양수발전, 배터리 쿨링, 저장용수 열에너지 저장 등을 수행하는 시간은 최소 10분이상 등 상당시간이 소요될 것으로 생각된다. 즉 시간이 흘러서 다시 계통에서 신재생 에너지를 흡수할 수 있다면 계통으로 전력전송을 할 수 있으며, 그렇지 못하다면, 다시 배터리를 충전한다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 배터리
105 : 수조
110 : 냉각 배관
120 : 다우징 탱크
140 : 순환수 펌프
180 : 온수 출수구
200 : 급탕 시스템
220 : 급탕 탱크
300 : 건물 난방 도구
400 : 급탕 기구

Claims (13)

  1. 신재생에너지 발전 설비의 잉여 전력을 저장하는 배터리;
    상기 배터리를 냉각 용수를 이용하여 냉각시키는 냉각 배관;
    상기 냉각 용수로 사용될 수 있는 용수를 저장하는 다우징 탱크;
    상기 잉여 전력 또는 상기 배터리에 저장된 전력으로 상기 다우징 탱크에 용수를 공급하는 순환수 펌프; 및
    상기 냉각 배관에서 상기 배터리에 의해 가열된 온수를 출수하는 온수 출수구
    를 포함하는 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다우징 탱크의 아래벽 또는 상기 냉각 배관의 전부 또는 일부는 100도 초과 800도 미만의 온도에서 용융되는 재질로 형성된 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다우징 탱크 내부에 저장된 상기 용수의 높이를 측정하는 물높이 센서
    를 더 포함하는 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 순환수 펌프는,
    상기 물높이 센서에서 측정된 상기 용수의 높이가 상기 다우징 탱크에 저장된 용수가 상기 배터리를 잠기게 하는 높이가 될 때까지 가동되는 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 온수 출수구를 통해 출수되는 상기 가열된 온수로, 난방 또는 급탕용으로 제공되는 급탕 용수를 가열하는 급탕 탱크
    를 더 포함하는 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배터리에 저장된 전력으로 상기 급탕 용수를 가열하기 위한 히터
    를 더 포함하는 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 히터는, 상기 급탕 용수의 온도가 소정의 상한 온도에 도달할 때까지 가동되는 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다우징 탱크에서 상기 냉각 배관으로 흐르는 용수로 전력을 생산하는 수력발전기
    를 더 포함하는 신재생에너지 발전 설비를 위한 다우징 탱크 시스템.
  9. 신재생에너지 발전 설비의 잉여 전력으로 배터리를 충전하는 단계;
    상기 배터리를 냉각시키기 위한 냉각 용수로 사용될 수 있는 용수를 저장하는 다우징 탱크에 용수를 공급하는 순환수 펌프를, 상기 잉여 전력 또는 상기 배터리에 저장된 전력으로 구동하여, 상기 다우징 탱크의 소정의 다우징 높이를 유지시키는 단계; 및
    상기 냉각 용수로 상기 배터리를 냉각시킨 후, 가열된 냉각 용수를 출수하는 단계
    를 포함하는 신재생에너지 발전 설비 운용 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    출수되는 상기 가열된 냉각 용수로, 급탕 탱크에 저장된 난방 또는 급탕용으로 제공되는 급탕 용수를 가열하는 단계
    를 더 포함하는 신재생에너지 발전 설비 운용 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    히터를 이용하여 상기 배터리에 저장된 전력으로 상기 급탕 용수의 온도가 소정의 상한 온도에 도달할 때까지 상기 급탕 용수를 가열하는 단계
    를 더 포함하는 신재생에너지 발전 설비 운용 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 다우징 탱크에서 상기 배터리의 냉각을 위한 냉각 배관으로 흐르는 상기 용수로 전력을 생산하는 단계
    를 더 포함하는 신재생에너지 발전 설비 운용 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 다우징 높이는,
    상기 다우징 탱크에 저장된 용수가 상기 배터리를 잠기게 하는 높이인 신재생에너지 발전 설비 운용 방법.

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