WO2014126342A1 - 금속 열 저장장치 - Google Patents

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WO2014126342A1
WO2014126342A1 PCT/KR2014/000321 KR2014000321W WO2014126342A1 WO 2014126342 A1 WO2014126342 A1 WO 2014126342A1 KR 2014000321 W KR2014000321 W KR 2014000321W WO 2014126342 A1 WO2014126342 A1 WO 2014126342A1
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metal heat
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wall
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김병균
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Kim Byunggyun
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Definitions

  • the present invention relates to a metal heat storage device used for storing heat transferred from the outside, and more specifically, high temperature solar energy collected through a solar heat collecting device or the like is stored at a high temperature and then gradually released. It is to provide a metal heat storage device that can significantly improve the natural energy solar storage.
  • solar heat is collected using a solar condenser to obtain high-temperature solar energy, and the stored solar energy is stored and used.
  • Heat storage in a solar boiler that is generally used is made by a variety of methods, a typical example is the solar hot water boiler of the Republic of Korea Utility Model Publication (U) 20-1999-0036697 (1999.09.27.)
  • the configuration of the boiler is provided with an electric heater therein, having a reservoir for storing water in the interior of the outer case, filling the insulation between the outer case and the reservoir to form a heat insulation wall, the reservoir
  • a direct pipe for supplying water is connected to the lower one side of the pipe, and a recovery pipe for recovering hot water circulated to each heating destination is connected to the other side, and a circulation pump for forcibly circulating the hot water is installed in the recovery pipe, and an upper side of the heating pipe is installed.
  • a water supply pipe for supplying water to each heating source that is required forms a hot water tank, and also rotates on both sides of the frame outside the building. It is rotatably installed to provide a lens for condensing the solar heat, the solar tracking sensor is installed on one side of the lens, the drive to rotate the lens according to the angle of the sun in conjunction with the solar tracking sensor on one end of the rotation axis Is connected to the motor, the heat collecting plate having a heating tube inside the focusing position of the lens is connected to the lens and the support bar, and is connected to the circulation pipes at both ends of the heating tube and the upper and lower portions of the reservoir, the heated hot water to the reservoir
  • the supplying circulation pipe is connected to the upper portion of the reservoir, and the circulation tube for transferring the hot water to be heated to the heat collecting plate is composed of a light collecting part having a structure installed at the lower portion of the reservoir.
  • the solar hot water boiler configured as above heats water with solar heat through the condenser and then stores the hot water in a reservoir surrounded by a heat insulating layer having good thermal insulation efficiency.
  • problems such as difficult to use for a long time due to low heat accumulation rate by the method of directly heating water, the actual use of the winter was difficult, and thus it was not practically used.
  • the heat storage tank structure of the solar boiler of the Republic of Korea Registered Utility Model Publication (Y1) 20-0438245 (2008.02.01.) has been proposed, the configuration of the inside of the heat storage tank body frame using the heat medium of the solar collector
  • the heat storage tank structure of the solar boiler comprising a heating unit provided for heating the heating water and a heat exchanger consisting of a heat exchanger for heating and hot water on the upper side so as to exchange heat with the hot heating water heated in the heating unit, the heating unit A first heating part wound around a heat exchange part formed on an upper side of the body frame to heat the heating water; and a second heating part of the body frame to wind the heating water hot. It is composed of a heating unit.
  • This configuration is to heat the heat medium by solar heat, and to heat the water using the heat medium, there is an advantage that can increase the heat accumulation rate than the method of simply heating the water, but also the volume of the heat storage tank There was a problem such as loss of functionality when a large, cloudy weather continues.
  • the present inventors have completed the present invention to solve the above-mentioned problems of the conventional heat storage device.
  • solar energy of high temperature collected through a solar heat collecting device, etc. is stored at a high temperature so as to be gradually released.
  • the present invention has been completed in view of the technical problem of the present invention by providing a metal heat storage device that can drastically improve the solar energy storage of natural energy.
  • the present invention is configured to double-insulate the metal heat storage medium that stores solar energy at a high temperature (100-1300 degrees) so that a heat exchanger is installed to approach the metal heat storage medium so that heating water can be heated for a long time. Configured.
  • the present invention comprises a media compartment and concrete formed by arranging the heat insulation inner wall, the heat insulation outer wall and the heat insulation floor on the inside, the outside and the bottom of the metal heat storage medium, respectively.
  • Outer wall structures including the central column, the outer wall and the upper cover, and infrared reflecting mirrors installed under the upper cover can minimize heat loss.
  • the metal heat storage medium is composed of a block type in the casting state.
  • the inner insulation wall is composed of an infrared reflective metal mirror, a high-density refractory insulating material, a porous refractory insulating material, and a thermal insulation insulating material having excellent heat resistance;
  • An infrared reflecting metal mirror was positioned to be located toward the metal heat storage medium.
  • the outer wall structure uses a fireproof cement, it was composed of concrete containing a waterproofing agent.
  • the high-density light inlet is a high temperature insulation pipe installed to penetrate the outer wall structure and the inner insulation wall to be coupled to the solar heater;
  • a convex lens coupled to the tip of the high temperature insulation pipe; Installed at the convex lens focal position inside the high temperature insulation pipe and configured to include a reflective metal parabolic mirror formed with a transmission hole in the center thereof.
  • Metal heat storage device provided by the present invention is to provide a metal heat storage medium in a cast state, and to prevent heat loss completely by double insulation using the inner insulation wall and concrete on the outside, especially solar heat Solar energy of high temperature collected through the light collecting device can be stored at a high temperature and then released slowly, which can be utilized as a solar boiler.
  • the solar boiler is configured according to the present invention, it is possible to obtain an effect of stably heating the winter season by using solar energy as natural energy.
  • FIG. 1 is a front cross-sectional view of a ring type metal heat storage device provided by the present invention as one preferred embodiment for use in steam power generation of about 1000 KW.
  • Figure 2 is a cross-sectional view of Figure 1
  • Figure 3 is a perspective view showing the configuration of a metal heat storage medium applied to the present invention
  • Figure 4 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of the inner insulation wall constituting the media compartment applied to the present invention.
  • Figure 5 is a front view showing the configuration of a heat exchanger applied to the present invention
  • Figure 6 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of a high-density light inlet applied to the present invention
  • FIG. 7 is a front sectional view and plan view of a state in which several solar heat collecting devices are installed in the present invention.
  • Figure 1 is a preferred embodiment of the ring-type metal heat storage device provided in the present invention is a front cross-sectional view to be used for steam power generation of about 1000KW
  • Figure 2 is a cross-sectional view of FIG. .
  • Metal heat storage device (1) provided by the present invention is to provide a metal heat storage device (1) that can be stored at a high temperature (200 ⁇ 1300 degrees) of the concentrated heat energy, in particular using a solar heat collecting device,
  • a media interposer chamber 3 formed by arranging;
  • An outer wall structure (4) composed of concrete to insulate the metal heat storage medium (2) again and including a bottom (41), a central column (42), an outer wall (43), and an upper cover (44);
  • An infrared reflecting mirror 5 disposed below the upper cover 44 constituting the outer wall structure 4 so as to reflect infrared rays generated from the metal heat storage medium 2;
  • a heat exchanger (6) disposed spirally inside the metal heat storage medium (2) and having a supply pipe (61) and a drain pipe (62) exposed to the outside of the outer wall structure (4);
  • the solar heater 7 is configured to include a high-density light inlet (8) installed through the outer wall 43 and the heat insulating outer wall 33 to provide solar energy to the solar heater (7).
  • a metal heat storage medium 2 capable of withstanding at a high temperature.
  • a metal heat storage medium 2 is provided so as to withstand high temperatures at a low manufacturing cost.
  • Figure 3 is a perspective view showing the configuration of the metal heat storage medium applied to the present invention
  • the metal heat storage medium (2) is made of a unit member composed of a molten metal scrap and the like in the casting state.
  • the metal scrap is configured to minimize the manufacturing cost by recycling the processing chip or metal pieces of various sizes.
  • the unit member type metal heat storage medium 2 provided in the present invention can be stacked in a rectangular block shape, and the metal heat storage medium 2 is provided with at least one solar heater 7.
  • the present invention an example in which one solar heater 7 is installed in the metal heat storage medium 2 is illustrated.
  • Metal heat storage medium (2) is arranged in a ring type, laminated to be installed in multiple layers.
  • a ring type laminated to be installed in multiple layers.
  • 50 pieces are arranged in a ring type and stacked in seven layers.
  • the media storage chamber 3 for primary thermal insulation of the metal heat storage medium 2 is composed of a heat insulating inner wall 32, a heat insulating outer wall 33, and a heat insulating bottom 34. 31).
  • Figure 4 is an enlarged cross-sectional view showing the configuration of the inner insulation wall constituting the media compartment applied to the present invention
  • the configuration of the quadruple inner insulation wall 31 is an infrared reflecting metal mirror (31a) as shown )
  • the infrared reflective metal mirror 31a is formed of a metal heat storage medium (2). Arranged to be located on the side.
  • the high-temperature infrared rays provided by the metal heat storage medium 2 are reflected back to the metal heat storage medium 2 by the infrared reflecting metal mirror 31a.
  • the heat storage medium 2 is heated again, and the metal heat storage medium 2 is multiplied by the high density refractory heat insulating material 31b, the porous refractory heat insulating material 31c, and the heat resistant heat insulating material 31d having excellent heat resistance.
  • the outer wall structure 4 of the outside of the media storage room 3 is made of concrete, uses a refractory cement, and includes a waterproofing agent to prevent water from being absorbed in a state installed outdoors.
  • the outer wall structure (4) is to maintain a completely blocked state with the outside in the closed state of the upper cover (44), and if necessary to reduce the internal space by vacuum to prevent oxidation of the metal by the high temperature of the air and It prevents heat loss by preventing convection and heat conduction.
  • the infrared reflecting mirror 5 installed below the upper cover 44 of the outer wall structure 4 may reflect infrared rays generated from the high temperature metal heat storage medium 2 toward the metal heat storage medium 2 again.
  • a fire-resistant insulation 9
  • the inside of the outer wall structure 4 is configured to maintain a vacuum state to further increase the internal heat insulation to reduce heat loss.
  • the refractory heat insulating material (9) is to choose a lightweight one, preferably to use an airgel type.
  • FIG. 5 is a front view showing the configuration of a heat exchanger applied to the present invention.
  • the heat exchanger 6 installed inside the metal heat storage medium 2 is formed in a spiral shape to allow heat exchange.
  • the bottom heat exchanger 6 is made narrower and gradually widens upward.
  • the upper part is piped near the upper side, and the lower part far from the metal heat storage medium 2 is piped to the drain pipe 62 to heat the fluid (water).
  • the coolant flows into the supply pipe 61 and is gradually heated while moving through the heat exchanger 6 which is formed in a spiral shape, and then discharged through the drain pipe 62. It will be able to heat up.
  • the solar heater 7 and the high density light inlet 8 for supplying the solar heat collected by the solar heater 7 are used.
  • the solar heater 7 has a conical shape that gradually increases in diameter from the inlet.
  • Figure 6 shows an enlarged cross-sectional view showing the configuration of a high-density light inlet applied to the present invention.
  • the high-density light inlet 8 is connected to the solar heater 7 at the front end of the high temperature insulation pipe 81 and the high temperature insulation pipe 81 installed to penetrate the outer wall structure 4 and the inner insulation wall 31.
  • the convex lens 82 is coupled to the convex lens 82, and the reflective metal parabolic mirror 83 is formed at the focal position of the convex lens 82 inside the high-temperature insulation pipe 81 and the transmission hole 84 is formed in the center thereof. Is done.
  • the high temperature insulation pipe 81 may be made of a ceramic material or the like.
  • This configuration condenses the condensed sunlight provided from the condenser to the convex lens 82 and is then provided to the solar heater 7 through the through hole 84 of the reflective metal parabolic mirror 83 to store the metal heat.
  • the medium 2 is heated.
  • the reflected light is generated from the solar heater 7 side.
  • the reflective metal parabolic mirror 83 is installed inside the high temperature insulation pipe 81 so that the light reflected from the solar heater 7 side is again heated by the solar heater. Induction supply to (7) allows the metal heat storage medium (2) to be heated to further increase the heating properties.
  • reference numeral 100 shows a sun-traced light concentrator filed on the same date as the present invention.
  • the present invention configured as described above can be used in conjunction with several or n solar tracked light concentrators 100 as shown in FIG. 7, and describes the operation according to the use of the present invention.
  • the convex lens 82 is installed at the tip of the high temperature insulation pipe 81 of the high density light inlet 8. The light is supplied to the solar heater 7 embedded in the metal heat storage medium 2 while the light is collected again.
  • the solar light collected by the convex lens 82 is focused on the transmission hole 84 formed in the reflective metal parabolic mirror 83 provided in the middle of the high temperature insulation pipe 81, the reflective metal cloth After passing through the through hole 84 of the water diameter 83 is gradually diffused to heat the solar heater (7).
  • the metal heat storage medium 2 is heated. At this time, the solar heater 7 heats the metal heat storage medium 2 made of a casting structure while being provided with a temperature of 200 degrees or more and a height of 1200 to 1300 degrees according to the size of the solar tracking light concentrator 100.
  • the metal heat storage medium 2 heated to a high temperature of 200 to 1300 degrees is made of molten iron scrap, etc., and can store heat within a melting point (1538 degrees) of the ferrous metal. Therefore, it is possible to provide a high heat storage property while configuring a small size of the metal heat storage medium (2).
  • the heat energy stored in the metal heat storage medium (2) is double surrounded by the inner insulation wall 31 of the quadruple structure and the outer wall structure (4) of the concrete structure to reduce the heat loss of the metal heat storage medium (2). Since long-term preservation is possible while minimizing, the metal heat storage medium 2 does not cool without additional heating for several days in a state of heating once at a high temperature.
  • a heat exchanger 6 having a spiral shape is installed inward of the metal heat storage medium 2, and a heat exchanger 6 is formed in a spiral shape by introducing a cold fluid into the supply pipe 61. After slowly heating while moving through the structure to be discharged through the drain pipe 62 to maintain a sufficient heat exchange time will be able to heat the fluid to a high temperature.
  • the present invention is applied to a domestic boiler, and the metal heat storage medium 2 is used as a storage medium. If configured, it can be used for heating in winter, and heating with clean solar energy is possible.
  • the heat storage temperature is lower than that of the present invention, and the chemicals are manufactured by forming a chemical substance, which has a problem of shortening the lifespan due to oxidation during long time use.
  • the storage medium 2 is a cast product, it can be permanently used by a method such as anti-oxidation treatment of only the surface.
  • the metal heat storage device provided in the present invention can be used for home solar boilers as well as industrial solar boilers, heat storage devices for power generation, and the like.

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Abstract

본 발명은 외부로부터 전달되는 열을 저장하는 용도로 사용하는 금속 열 저장장치에 관한 것으로서, 특히 태양열 집광장치 등을 통해서 집진된 높은 온도의 태양열 에너지는 고온으로 저장하였다가 서서히 방출할 수 있도록 함으로 해서 천연에너지인 태양열 저장을 획기적으로 개선할 수 있게 한 금속 열 저장장치를 제공코자 하는 것이다. 본 발명은 고온(100~1300도)의 태양열에너지를 저장하는 금속열저장매체를 이중으로 단열되도록 구성하여 금속열저장매체와 근접하도록 열교환기를 설치하여 장시간동안 난방수 가열이 가능하도록 구성하되, 상기 금속열저장매체를 단열하는 이중 단열수단으로, 금속열저장매체의 내측과 외측 및 바닥에 각각 단열내벽과 단열외벽 및 단열바닥을 배치하여 형성한 매체내입실과 콘크리트로 구성되며 바닥과 중앙기둥과 외벽벽체 및 상부덮개를 포함하는 외벽구조물 및 상부덮개 아래쪽에 설치한 적외선 반사용 거울과 열저장탱크를 진공처리 함으로서 공기에 의한 대류작용과 열전도를 막아서 열 허실을 최소화 할 수 있게 한 것이다.

Description

금속 열 저장장치
본 발명은 외부로부터 전달되는 열을 저장하는 용도로 사용하는 금속 열 저장장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 특히 태양열 집광장치 등을 통해서 집진된 높은 온도의 태양열 에너지는 고온으로 저장하였다가 서서히 방출할 수 있도록 함으로 해서 천연에너지인 태양열 저장을 획기적으로 개선할 수 있게 한 금속 열 저장장치를 제공코자 하는 것이다.
태양열 보일러의 경우 태양열 집광장치를 이용하여 태양열을 집광하여 고온의 태양열 에너지를 수득하고, 수득한 태양열 에너지를 저장하였다가 사용하게 된다.
일반적으로 사용되고 있는 태양열 보일러에서의 열 저장은 다양한 방법에 의해 이루어지고 있으며, 대표적인 예로는 대한민국 공개실용신안공보(U)20-1999-0036697호(1999.09.27.)의 태양열 온수 보일러가 제공되고 있으며, 이의 구성은 내부에 전기히터가 설치된 보일러에 있어서, 외부케이스의 내부에 물을 저수하는 저수통을 구비하고, 상기 외부케이스와 저수통의 사이에 단열재를 충진시켜 단열벽을 이루고, 상기 저수통의 하부 일측에 물을 공급하는 직수관이 연결되고, 타측에는 각 난방처로 순환된 온수를 회수하는 회수관이 연결됨과 동시에 이 회수관에는 온수를 강제 순환시키는 순환펌프가 설치되고, 상부 일측에는 난방을 요하는 각 난방처로 물을 공급하는 출수관이 연결되어 하나의 온수탱크를 구성하며, 또한 건물의 외부에 양측프레임에 회전축으로 회전가능하게 설치되어 태양열을 집광하는 렌즈를 구비하고, 이 렌즈의 일측에 태양광추적센서가 설치되고, 상기 회전축의 일단에 태양광추적센서와 연동되어 태양의 각도에 따라 렌즈를 회전시키는 구동모터와 연결되고, 상기 렌즈의 초점위치에 내부에 히팅관이 구비된 집열판이 렌즈와 지지바로 연결되고, 상기 히팅관의 양단과 저수통의 상하부에 순환관으로 연결되되, 데워진 온수를 저수통으로 공급하는 순환관은 저수통의 상부에 연결하고, 데워야 할 온수를 집열판으로 이송하는 순환관은 저수통의 하부에 설치된 구조의 집광부로 이루어진 것이다.
이와 같이 구성되는 태양열 온수보일러는 집광부를 통하여 태양열로 물을 가열한 후 보온효율이 좋은 단열층으로 둘러싸인 저수통에 온수를 저수시켰다가 난방용 및 온수로 사용하고 특히 주간에 축척해 두었다가 야간에 난방용으로 사용하도록 하고 있으나, 물을 직접 가열하는 방법으로 열 축적율이 낮아 장시간 사용이 어려운 등의 문제점으로 인해 동절기 실제 사용이 어려워 실용화되지 못하였다.
다른 실시례로는 대한민국 등록실용신안공보(Y1) 20-0438245호(2008.02.01.)의 태양열 보일러의 축열조 구조가 제안된 바 있으며, 그 구성은 태양열 집열기의 열매체를 이용하여 축열조 몸체프레임 내부의 난방수를 가열하기 위해 설치된 가열부와, 상기 가열부에서 가열된 뜨거운 난방수와 열교환 될 수 있도록 내부 상측에 난방 및 급탕용 열교환기로 구성된 열교환부를 포함하는 태양열 보일러의 축열조구조에 있어서, 상기 가열부는, 몸체프레임의 내부 상측에 구성된 열교환부 둘레에 코일관이 권취되어 난방수를 뜨겁게 가열하는 제 1가열부;와, 상기 몸체프레임의 내부 하측에 코일관이 권취되어 난방수를 뜨겁게 가열하는 제 2가열부;로 구성한 것이다.
이와 같은 구성은 태양열로 열매체를 가열하고, 열매체를 이용하여 용수를 가열할 수 있도록 한 것으로, 단순히 물을 가열하는 방법 보다 열 축적률을 높일 수 있는 등의 장점이 있으나, 이 또한 축열조의 부피가 커지고, 흐린 날씨가 연속될 때 기능성을 상실하는 등의 문제점이 있었다.
<선행기술문헌>
특허문헌 KR 2019990036697 U 1999.09.27.
특허문헌 KR 200438245 Y1 2008.02.01.
이에 본 발명자는 상기한 종래 열 저장장치의 제반 문제점을 일소코자 본 발명을 완성한 것으로, 본 발명에서는 특히 태양열 집광장치 등을 통해서 집진된 높은 온도의 태양열 에너지는 고온으로 저장하였다가 서서히 방출할 수 있도록 함으로 해서 천연에너지인 태양열 저장을 획기적으로 개선할 수 있게 한 금속 열 저장장치를 제공함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.
과제 해결수단으로 본 발명에서는 고온(100~1300도)의 태양열에너지를 저장하는 금속열저장매체를 이중으로 단열되도록 구성하여 금속열저장매체와 근접하도록 열교환기를 설치하여 장시간동안 난방수 가열이 가능하도록 구성하였다.
상기 금속열저장매체를 단열하는 이중 단열수단으로 본 발명에서는 금속열저장매체의 내측과 외측 및 바닥에 각각 단열내벽과 단열외벽 및 단열바닥을 배치하여 형성한 매체내입실과 콘크리트로 구성되며 바닥과 중앙기둥과 외벽벽체 및 상부덮개를 포함하는 외벽구조물 및 상부덮개 아래쪽에 설치한 적외선 반사용 거울을 이용하여 열 허실을 최소화 할 수 있게 하였다.
상기 금속열저장매체는 주물 상태의 블록타입으로 구성하였다.
상기 내부단열벽체는 적외선반사 금속거울과, 고밀도내화 단열재와, 다공질내화 단열재와, 열저항성이 우수한 보온내화 단열재를 적층하여 구성하되; 적외선반사 금속거울을 금속열저장매체 쪽에 위치되도록 배치하였다.
상기 외벽구조물은 내화시멘트를 사용하며, 방수제를 포함하는 콘크리트로 구성하였다.
상기 외벽구조물의 상부덮개와 그 아래쪽에 설치되는 적외선 반사용 거울 사이에 에어로겔 타입의 경량으로 구성되는 내화단열재를 더 설치하였다.
상기 고밀도 광투입구는 태양열히터에 결합되도록 외벽구조물과 내부단열벽체에 관통되도록 설치한 고온단열파이프와; 고온단열파이프의 선단에 결합되는 볼록렌즈와; 상기 고온단열파이프 내부의 볼록렌즈 초점 위치에 설치되며 중앙에 투과공이 형성된 반사용 금속 포물경을 포함하도록 구성하였다.
본 발명에서 제공하는 금속 열 저장장치는 주물 상태로 금속열저장매체는 제공하고, 그 외부에 내부단열벽체 및 콘크리트를 이용하여 2중으로 단열토록 함으로 해서 열 허실을 완벽히 막을 수 있게 한 것으로, 특히 태양열 집광장치 등을 통해서 집진된 높은 온도의 태양열 에너지는 고온으로 저장하였다가 서서히 방출할 수 있어 태양열 보일러로 활용이 가능한 것이다.
따라서 본 발명으로 태양열 보일러를 구성할 경우 천연에너지인 태양열을 이용하여 동절기 난방을 안정적으로 행할 수 있게 되는 효과를 득할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명에서 제공하는 링 타입의 금속 열 저장장치의 바람직한 일 실시례로 1000KW정도의 증기발전에 이용할 수 있도록 한 정단면도
도 2는 도 1의 평단면도
도 3은 본 발명에 적용된 금속열저장매체의 구성을 보인 사시도
도 4는 본 발명에 적용된 매체내입실을 구성하는 내부단열벽체의 구성을 보인 확대단면도
도 5는 본 발명에 적용된 열교환기의 구성을 보인 정면도
도 6은 본 발명에 적용된 고밀도 광투입구의 구성을 보인 확대 단면도
도 7은 본 발명에 수개의 태양열 집광장치를 설치한 상태 정단면도 및 평면도
이하에서 본 발명에서 제공하는 금속 열 저장장치의 실시례를 첨부 도면에 의거하여 설명한다.
도 1은 본 발명에서 제공하는 링 타입의 금속 열 저장장치의 바람직한 일 실시례로 1000KW정도의 증기발전에 이용할 수 있도록 한 정단면도를 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 평단면도를 도시한 것이다.
본 발명에서 제공하는 금속 열 저장장치(1)는 특히 태양열 집광장치 등을 이용하여 집광된 열에너지를 고온(200~1300도)으로 저장할 수 있도록 한 금속 열 저장장치(1)를 제공한 것으로,
링타입으로 배치되는 금속열저장매체(2)와; 금속열저장매체(2)를 단열토록 금속열저장매체(2)의 내측과 외측 및 바닥에 각각 내부단열벽체(31)로 구성한 단열내벽(32)과 단열외벽(33) 및 단열바닥(34)을 배치하여 형성한 매체내입실(3)과; 금속열저장매체(2)를 재차 단열하도록 콘크리트로 구성되며 바닥(41)과 중앙기둥(42)과 외부벽체(43) 및 상부덮개(44)를 포함하는 외벽구조물(4)과; 상기 금속열저장매체(2)에서 발생하는 적외선을 반사하도록 외벽구조물(4)을 구성하는 상부덮개(44) 아래쪽에 설치한 적외선 반사용 거울(5)과; 상기 금속열저장매체(2)의 안쪽에 나선형으로 배치되며 공급관(61)과 배수관(62)이 외벽구조물(4)의 외부에 노출되는 열교환기(6)와; 상기 금속열저장매체(2)에 매립 설치되는 태양열히터(7)와; 상기 태양열히터(7)에 태양열에너지를 제공할 수 있도록 상기 외부벽체(43)와 단열외벽(33)을 관통하여 설치되는 고밀도 광투입구(8)를 포함하는 구성으로 이루어진 것이다.
상기와 같이 고온으로 열에너지를 저장하기 위해서 고온에서 견딜 수 있는 금속열저장매체(2)가 필요하며 본 발명에서는 제작비용이 저렴하면서도 고온에서 견딜 수 있도록 금속열저장매체(2)를 제공한다.
도 3은 본 발명에 적용된 금속열저장매체의 구성을 보인 사시도를 도시한 것으로서, 상기 금속열저장매체(2)는 금속 스크랩 등을 녹여 주물 상태로 구성한 단위부재로 제작한다. 이때 금속스크랩은 가공칩이나 다양한 크기의 금속편을 재활용토록 하여 제조단가를 최소화 할 수 있게 구성한다.
본 발명에서 제공하는 상기 단위부재타입의 금속열저장매체(2)는 사각블록형상으로 적층가능하며, 이들 금속열저장매체(2)에는 적어도 한 개소 이상의 태양열히터(7)가 설치된다. 본 발명에서는 금속열저장매체(2)에 하나의 태양열히터(7)를 설치한 예를 도시하고 있다.
금속열저장매체(2)는 링타입으로 배치되며, 적층하여 다층으로 설치토록 한다. 본 발명에서는 50여개를 링타입으로 배열하고, 7층으로 적층한 예가 도시되어 있다.
상기 금속열저장매체(2)를 1차 단열하는 매체내입실(3)은, 단열내벽(32)과 단열외벽(33) 및 단열바닥(34)으로 구성되며 이들은 4중 구조의 내부단열벽체(31)로 구성한다.
도 4는 본 발명에 적용된 매체내입실을 구성하는 내부단열벽체의 구성을 보인 확대단면도를 도시한 것으로서, 상기 4중 구조 내부단열벽체(31)의 구성은 도시된 바와 같이 적외선반사 금속거울(31a)과, 고밀도내화 단열재(31b)와, 다공질내화 단열재(31c)와, 열저항성이 우수한 보온내화 단열재(31d)를 적층하여 구성하되, 적외선반사 금속거울(31a)을 금속열저장매체(2) 쪽에 위치되도록 배치한 구성이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 내부단열벽체(31)는 적외선반사 금속거울(31a)에 의해 금속열저장매체(2)에서 제공되는 고온의 적외선이 금속열저장매체(2) 쪽으로 다시 반사되어 금속열저장매체(2)를 재차 가열하며, 아울러 고밀도내화 단열재(31b)와, 다공질내화 단열재(31c)와, 열저항성이 우수한 보온내화 단열재(31d) 등에 의해 금속열저장매체(2)를 다중으로 에워 싸 외부로 열이 손실되는 것을 방지하여 금속열저장매체(2)의 잠열을 열 손실 없이 오래도록 보존할 수 있게 하는 기능성을 제공하게 되는 것이다.
상기 매체내입실(3) 외부의 외벽구조물(4)은 콘크리트로 구성되며, 내화시멘트를 사용하며, 방수제를 포함시켜 실외에 설치한 상태에서 수분이 흡수되는 것을 방지할 수 있게 한다.
상기 외벽구조물(4)은 상부덮개(44)를 닫은 상태에서 외기와 완전히 차단된 상태를 유지할 수 있도록 하며, 필요에 따라서 내부 공간을 감압하여 진공되도록 구성함으로 금속의 고온에 의한 산화를 막고 공기의 대류 및 열전도를 막아서 열손실을 방지한다.
상기 외벽구조물(4)의 상부덮개(44) 아래쪽에 설치되는 적외선 반사용 거울(5)은 고온의 금속열저장매체(2)에서 발생하는 적외선을 다시 금속열저장매체(2) 쪽으로 반사시킬 수 있게 한다. 또한 상기 상부덮개(44)와 적외선 반사용 거울(5) 사이에는 내화단열재(9)를 설치한다. 이때 외벽구조물(4) 내부는 진공 상태를 유지하도록 구성하여 내부 단열성을 더욱 높일 수 있게 하여 열손실을 줄이도록 한다.
상기 내화단열재(9)는 경량의 것을 선택하며, 바람직하기로는 에어로겔 타입의 것을 사용토록 한다.
도 5는 본 발명에 적용된 열교환기의 구성을 보인 정면도를 도시한 것이다.
금속열저장매체(2)의 안쪽에 설치되는 열교환기(6)는 나선형으로 구성되어 열교환이 이루어질 수 있게 한 것으로, 아래쪽이 좁고 위로 갈수록 점차 넓어지는 구성으로 이루어져 있으며 금속열저장매체(2)와 가까운 위쪽에는 공급관(61)을 배관하고, 금속열저장매체(2)와 멀리 떨어진 아래쪽은 배수관(62)을 배관하여 유체(물)를 가열할 수 있게 한다.
상기 공급관(61)으로는 차가운 유체가 유입되어 나선형으로 형성되어 있는 열교환기(6)를 통해 이동하면서 서서히 가열된 후 배수관(62)을 통해서 배출되는 구조로 열교환 시간을 충분히 유지하여 유체를 고온으로 가열할 수 있게 되는 것이다.
그리고 상기 금속열저장매체(2)를 가열하는 수단으로 본 발명에서는 태양열히터(7) 및 태양열히터(7)로 집광된 태양열을 공급하는 고밀도 광투입구(8)를 사용하고 있다.
상기 태양열히터(7)는 입구에서부터 점차 직경이 커지는 원추형으로 구성된다.
도 6은 본 발명에 적용된 고밀도 광투입구의 구성을 보인 확대 단면도를 도시한 것이다.
상기 고밀도 광투입구(8)는 태양열히터(7)에 결합되도록 외벽구조물(4)과 내부단열벽체(31)에 관통되도록 설치한 고온단열파이프(81)와, 고온단열파이프(81)의 선단에 결합되는 볼록렌즈(82)와, 상기 고온단열파이프(81) 내부의 볼록렌즈(82) 초점 위치에 설치되며 중앙에 투과공(84)이 형성된 반사용 금속 포물경(83)을 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기 고온단열파이프(81)는 세라믹 재질 등으로 구성될 수 있다.
이러한 구성은 집광장치로부터 제공되는 집광된 태양광을 볼록렌즈(82)로 재차 집광한 후 반사용 금속 포물경(83)의 투과공(84)을 통해서 태양열히터(7)에 제공되어 금속열저장매체(2)를 가열하게 된다. 이때 태양열히터(7) 쪽에서 반사 빛이 생성되는데, 본 발명에 의하면 고온단열파이프(81) 내부에 반사용 금속 포물경(83)이 설치되어 있어 태양열히터(7) 쪽에서 반사되는 빛을 다시 태양열히터(7)로 유도 공급하여 금속열저장매체(2)를 가열토록 함으로 해서 가열성을 더욱 높일 수 있게 한 것이다.
도면 중 미설명 부호 100은 본 발명과 동일자 출원하는 태양 추적식 집광장치를 도시한 것이다.
이상과 같이 구성되는 본 발명은 도 7에 도시된 바와 같이 수개 혹은 n개의 태양 추적식 집광장치(100)와 연계하여 사용할 수 있는 것으로, 이하에서 본 발명의 사용에 따른 작용을 설명한다.
태양 추적식 집광장치(100)를 통해서 집광된 태양광에너지가 고밀도 광투입구(8)로 제공되면 고밀도 광투입구(8)의 고온단열파이프(81) 선단에 설치되어 있는 볼록렌즈(82)를 통해서 재차 집광이 이루어진 상태로 금속열저장매체(2)에 매립되어 있는 태양열히터(7)에 공급한다.
이때 볼록렌즈(82)에 의해 집광된 태양광은 고온단열파이프(81)의 중도에 설치되어 있는 반사용 금속 포물경(83)에 형성된 투과공(84)에 초점이 맞춰져 있으므로, 반사용 금속 포물경(83)의 투과공(84)을 통과한 후 점차 확산되어 태양열히터(7)를 가열하게 된다.
태양열히터(7)가 가열됨에 따라 금속열저장매체(2)를 가열하게 된다. 이때 태양열히터(7)는 상기 태양 추적식 집광장치(100)의 크기에 따라 200도 이상, 높게는 1200~1300도의 온도가 제공되면서 주물 구성으로 이루어진 금속열저장매체(2)를 가열하게 된다.
200도~1300도의 고온으로 가열되는 상기 금속열저장매체(2)는 철 스크랩 등을 녹여 만든 구성으로, 철금속의 융해점(1538도) 이내에서 열을 저장할 수 있다. 따라서 금속열저장매체(2)의 크기를 작게 구성하면서도 높은 열 저장성을 제공할 수 있는 것이다.
또한 금속열저장매체(2)에 저장된 열에너지의 경우 4중 구조의 내부단열벽체(31)와 콘크리트 구성의 외벽구조물(4)에 의해 2중으로 에워싸여져 있어 금속열저장매체(2)의 열 손실을 최소화 하면서 장기 보존이 가능하므로, 고온으로 한번 가열한 상태에서 수일 이상 추가 가열 없이도 금속열저장매체(2)가 식지 않게 된다.
한편 본 발명은 상기 금속열저장매체(2)의 내측으로 나선형으로 구성된 열교환기(6)가 설치되어 있는 바, 공급관(61)으로는 차가운 유체가 유입되어 나선형으로 형성되어 있는 열교환기(6)를 통해 이동하면서 서서히 가열된 후 배수관(62)을 통해서 배출되는 구조로 열교환 시간을 충분히 유지하여 유체를 고온으로 가열할 수 있게 되는 것이다.
(비교례)
물 1m3가 저장하는 에너지양 = 비열(1)×단위무게(1cm3×비중1)×1000×상승온도(90℃ - 40℃ = 50℃;물이 비등 안 되는 90℃로 가열할 경우: 40℃는 열교환 가능온도)=50000cal
철 1m3가 저장하는 에너지양 = 비열(0.108)×단위무게(1cm3×비중7.876)×1000×상승온도(1200℃ - 40℃ = 1160℃;철을 1200℃로 가열할 경우)=977184cal
이상에서 살펴 본 바와 같이 물을 저장매체로 사용하는 것 보다 약 20배가 많은 열저장이 가능한 것으로, 본 발명을 가정용 보일러에 적용하고 종래 물을 저장매체로 하는 체적으로 금속열저장매체(2)를 구성할 경우 동절기 난방용으로 사용이 가능한 것으로 청정 태양열에너지로 난방이 가능하게 되는 것이다.
한편 종래 사용되고 있는 용융염이나 PCM 물질, 열매체유의 경우 열저장 온도가 본 발명에 비해 낮을 뿐 아니라 화학물질을 조성하여 제조한 것으로 장시간 사용시 산화작용으로 수명이 짧아지는 문제점이 있으나, 본 발명은 금속열저장매체(2)가 주물품이므로 표면만 산화방지 처리하는 등의 방법으로 영구 사용할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시례에 관해 설명하고 있으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 보호 범위는 설명된 실시례에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명에서 제공하는 금속 열 저장장치는 가정용 태양열보일러는 물론이고 산업용 태양열보일러, 발전용 열저장장치 등에 사용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 링타입으로 혹은 사각타입으로 배치되는 금속열저장매체(2)와;
    금속열저장매체(2)를 단열토록 금속열저장매체(2)의 내측과 외측 및 바닥에 각각 내부단열벽체(31)로 구성한 단열내벽(32)과 단열외벽(33) 및 단열바닥(34)을 배치하여 형성한 매체내입실(3)과;
    금속열저장매체(2)를 재차 단열하도록 콘크리트로 구성되며 바닥(41)과 중앙기둥(42)과 외부벽체(43) 및 상부덮개(44)를 포함하는 외벽구조물(4)과;
    상기 금속열저장매체(2)에서 발생하는 적외선을 반사하도록 외벽구조물(4)을 구성하는 상부덮개(44) 아래쪽에 설치한 적외선 반사용 거울(5)과;
    상기 금속열저장매체(2)의 안쪽에 나선형으로 배치되며 공급관(61)과 배수관(62)이 외벽구조물(4)의 외부에 노출되는 열교환기(6)와;
    상기 금속열저장매체(2)에 매립 설치되는 태양열히터(7)와;
    상기 태양열히터(7)에 태양열에너지를 제공할 수 있도록 상기 외부벽체(43)와 단열외벽(33)을 관통하여 설치되는 고밀도 광투입구(8)를 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 열 저장장치.
  2. 청구항 1에 있어서;
    상기 금속열저장매체(2)는 주물 상태의 블록타입으로 구성한 것을 특징으로 하는 금속 열 저장장치.
  3. 청구항 1에 있어서;
    상기 내부단열벽체(31)는 적외선반사 금속거울(31a)과, 고밀도내화 단열재(31b)와, 다공질내화 단열재(31c)와, 보온내화 단열재(31d)를 적층하여 구성하되;
    적외선반사 금속거울(31a)을 금속열저장매체(2) 쪽에 위치되도록 배치한 것을 특징으로 하는 금속 열 저장장치.
  4. 청구항 1에 있어서;
    상기 외벽구조물(4)은 내화시멘트를 사용하며, 방수제를 포함하는 콘크리트로 구성한 것을 특징으로 하는 금속 열 저장장치.
  5. 청구항 1에 있어서;
    상기 외벽구조물(4)의 상부덮개(44)와 그 아래쪽에 설치되는 적외선 반사용 거울(5) 사이에 에어로겔 타입의 경량으로 구성되는 내화단열재(9)를 더 설치하는 것을 특징으로 하는 금속 열 저장장치.
  6. 청구항 1에 있어서;
    상기 고밀도 광투입구(8)는 태양열히터(7)에 결합되도록 외벽구조물(4)과 내부단열벽체(31)에 관통되도록 설치한 고온단열파이프(81)와;
    고온단열파이프(81)의 선단에 결합되는 볼록렌즈(82)와;
    상기 고온단열파이프(81) 내부의 볼록렌즈(82) 초점 위치에 설치되며 중앙에 투과공(84)이 형성된 반사용 금속 포물경(83)을 포함하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 금속 열 저장장치.
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