WO2018093091A1 - 열전달 매체 용융 조성물, 이를 이용한 열전달 시스템 및 열전달 시스템을 이용한 발전장치 - Google Patents

열전달 매체 용융 조성물, 이를 이용한 열전달 시스템 및 열전달 시스템을 이용한 발전장치 Download PDF

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WO2018093091A1
WO2018093091A1 PCT/KR2017/012638 KR2017012638W WO2018093091A1 WO 2018093091 A1 WO2018093091 A1 WO 2018093091A1 KR 2017012638 W KR2017012638 W KR 2017012638W WO 2018093091 A1 WO2018093091 A1 WO 2018093091A1
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WO
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heat
heat transfer
transfer medium
energy
alkali metal
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PCT/KR2017/012638
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김영
최준석
김동호
윤석호
김욱중
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한국기계연구원
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/08—Materials not undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/10—Liquid materials
    • C09K5/12—Molten materials, i.e. materials solid at room temperature, e.g. metals or salts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a heat transfer medium melt composition, a heat transfer system using the same, and a power generator using the heat transfer system, which are used for generation, transfer, storage, conversion to other energy, and the like, of heat energy in a process or system requiring high temperature.
  • the heat transfer system can be divided into two cases, which are performed at a high temperature and at a low temperature.
  • Low temperature heat transfer systems of about 100 ° C. or less (or about 150 ° C. or less at high pressure) are mainly used to supply waste heat generated from factories, cogeneration plants, and the like to homes, and an aqueous solution composition is mainly used as a heat transfer medium.
  • the high temperature heat transfer system cannot be used as a heat transfer medium such as an aqueous solution composition generally used in the low temperature heat transfer system.
  • a power generation system using solar energy as an example of a high temperature heat transfer system is essential for the practical operation of energy efficient high temperature heat transfer system, but the heat transfer medium in the aqueous state is not available because it is vaporized at about 100 °C. .
  • Such high temperature or ultra high temperature heat transfer systems require a heat transfer medium capable of storing and transferring heat energy at high or ultra high temperatures.
  • the heat transfer medium studied so far is greatly influenced by variables such as place, time, and environment, and is a high temperature environment. There is a limit to the stability.
  • solar power accompanied by a high temperature heat transfer system is used with a reflector for boiling water and focusing on solar energy to produce high pressure steam, which leads the turbine and generator device to generate electricity.
  • a heat transfer medium is used to transfer, store, and convert heat energy to other energy. Therefore, the heat transfer medium used in the solar power system with such a high temperature process should be excellent in thermal stability.
  • the heat transfer medium since the heat transfer medium maintains a molten state at a low temperature in the process, it is highly desirable in view of high process efficiency, and therefore, the heat transfer medium must have a lower low melting point characteristic to maintain the molten state even at a low temperature.
  • a fluid having a low melting point has been studied in the past as a eutectic mixture of biphenyl and disulfonic acid.
  • the fluid containing biphenyl and disulfonic acid has a low melting point, but due to thermal deterioration, it cannot be used above 390 ° C. This low temperature range also severely limits the thermodynamic efficiency of steam turbines driven by heat from the solar collector site.
  • the heat transfer medium which is a molten salt having excellent properties in terms of thermal stability.
  • the molten salt-based heat transfer medium has an advantage of having high density, high heat capacity, and high thermal stability even at a relatively high temperature.
  • US Patent Publication No. 2015-0010875A1 discloses a THERMAL ENERGY STORAGE WITH MOLTEN SALT in which molten salt is used as the heat transfer medium.
  • a molten salt-based heat transfer medium is limited to use above 550 ° C.
  • Typical examples of the nitrate-based heat transfer medium include fluids containing 60% sodium nitrate and 40% potassium nitrate.
  • Nitrogen oxide (NO 3 ⁇ ) based heat transfer media begin to decompose above 550 ° C. and thus cannot be used at higher temperatures. That is, due to the characteristics of the heat transfer medium system that is continuously used in circulation in a closed system, there is a problem that is practically impossible to use in a system requiring a higher temperature for high efficiency.
  • the heat transfer medium melt composition according to an embodiment of the present invention may include an alkali metal chloride, a first alkali metal carbonate, a second alkali metal carbonate and an alkali metal hydroxide.
  • the alkali metal may be independently selected from lithium, sodium and potassium.
  • the composition may include potassium chloride (KCl), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ) and sodium hydroxide (NaOH).
  • KCl potassium chloride
  • Na 2 CO 3 sodium carbonate
  • K 2 CO 3 potassium carbonate
  • NaOH sodium hydroxide
  • the composition may comprise 20 to 50% by weight of potassium chloride, 15 to 50% by weight of sodium carbonate, 10 to 40% by weight of potassium carbonate and 5 to 50% by weight of sodium hydroxide.
  • the composition may comprise 51 to 90% by weight of sodium hydroxide, specifically 60 to 90% by weight. More preferably, the composition may comprise 1 to 10% by weight of potassium chloride, 2 to 20% by weight of sodium carbonate, and 2 to 20% by weight of potassium carbonate.
  • the composition may be a melting point of 200 ⁇ 300 °C.
  • the composition may be a decomposition temperature and boiling point 700 ⁇ 800 °C.
  • the width of the melting point of the composition may be within ⁇ 10 °C centered on the melting peak temperature.
  • the step of transferring the heat energy from the heat source to the heat storage material B) the step of converting the heat energy from the heat storage material transferred heat energy to other energy to lose the heat energy of the heat storage material and C
  • the step A) ⁇ C) may be circulated, including the step of transferring heat storage material having lost heat energy to the heat source.
  • the heat storage material includes the heat transfer medium melting composition.
  • step A) may be performed at 300 ⁇ 700 °C.
  • a power generation device using a heat transfer system includes a heat supply unit for transferring heat energy from a heat source to the heat storage material; A heat exchanger receiving heat energy from the heat storage material of the heat supply unit; A power generation unit converting the heat energy received from the heat exchanger into other energy; And a transfer unit transferring the heat storage material whose heat energy is lost in the heat exchange unit to a heat supply unit.
  • the heat storage material includes the heat transfer medium melting composition.
  • the heat transfer medium melt composition does not decompose and vaporize even at a relatively high temperature of 700 ° C. or higher, so that the thermal stability is excellent, and in particular, it has a relatively very low melting point of 300 ° C. or less, and a very wide melting point range. There is a narrow effect.
  • the heat transfer medium melt composition is advantageous in that it is not corrosive to metals.
  • the heat transfer medium melt composition also has the advantage of having a higher heat capacity.
  • the heat transfer medium melt composition has a low melting point as it has a specific composition ratio, and at the same time, the entire composition of the composition may be completely melted and exist.
  • the heat transfer system comprising the heat transfer medium melt composition is relatively non-corrosive to metals and has a relatively low melting point of 300 ° C. or less, even though it has high thermal stability, at which point the entire composition of the composition may be completely melted.
  • the heat transfer medium melt composition is used, the energy conversion efficiency and the process efficiency are very high.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a heat transfer system using a heat transfer medium melt composition according to an embodiment of the present invention.
  • Example 5 is a graph showing the results of measuring the change in the heat of fusion at the melting point of 264 ⁇ 265 ° C of the heat transfer medium melt composition according to Example 3 and Comparative Example 1.
  • first transfer unit 20 second transfer unit
  • unit of% used unambiguously in the present invention without particular reference means weight%.
  • temperature referred to in the present invention may mean a value of the measured temperature at an atmospheric pressure of 1 atm unless otherwise specified.
  • heat transfer medium is a material capable of loss and storage by transfer of heat energy, and may mean a material used as a means for transferring heat energy of a heat transfer medium to another material or converting it into other energy. have. Therefore, it means a heat transfer medium of a comprehensive concept including various things (heat storage material, heat radiation material, heat transfer material, etc.) that can be used for such means and uses.
  • thermal stability referred to in the present invention may be described based on the boiling point and decomposition temperature of the composition. Specifically, excellent thermal stability may mean a high boiling point and a high decomposition temperature.
  • the “decomposition temperature” of the molten composition referred to in the present invention may mean a temperature at which one or more components of a compound such as chloride, carbonate, hydroxide, etc. in the molten composition starts to decompose.
  • the “boiling point” of the molten composition referred to in the present invention may mean a temperature at which one or more components of a compound such as chloride, carbonate, hydroxide, etc. in the molten composition starts to boil.
  • other energy may mean all kinds of energy except thermal energy. Examples thereof include electrical energy, potential energy, kinetic energy, and the like, and preferably, electrical energy may be exemplified in a final conversion form.
  • the inventors have completed the present invention by finding a heat transfer medium melt composition which is compatible with high heat capacity, high thermal stability and low melting point, in which the whole composition of the composition can be completely melted at a low melting point. Specifically, although it has excellent thermal stability that does not decompose even at relatively high temperatures of 700 ° C. or more, it has a relatively very low melting point of 300 ° C. or less, and the entire composition of the composition is completely melted at a low melting point as it satisfies a specific composition ratio range. The molten composition was found to complete the present invention.
  • the heat transfer medium melt composition according to an embodiment of the present invention may include an alkali metal chloride, a first alkali metal carbonate, a second alkali metal carbonate and an alkali metal hydroxide. At this time, the first alkali metal and the second alkali metal are different alkali metals.
  • the alkali metal is not limited as long as it is an alkali metal belonging to the periodic table, and may be selected from lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium and francium, respectively.
  • the alkali metal may be selected from lithium, sodium and potassium, respectively, and if satisfied, it may be advantageous in terms of commercial and environmental aspects with excellent thermal stability.
  • the heat transfer medium melt composition of the present invention may have a decomposition temperature of 700 ° C. or higher, specifically 700-800 ° C.
  • a decomposition temperature of 700 ° C. or higher, specifically 700-800 ° C.
  • alkali metal chlorides, alkali metal carbonates, and alkali metal hydroxides melt and exist in an ionic state, respectively.
  • Ions such as Cl - and CO 3 2- , OH - are present in the molten phase, and these ions have characteristics of very high decomposition temperature.
  • the heat transfer medium melt composition of the present invention comprising alkali metal chlorides, first alkali metal carbonates, second alkali metal carbonates and alkali metal hydroxides may have excellent properties with relatively low melting points of 200-300 ° C.
  • the heat transfer medium melt composition, when the potassium chloride, sodium carbonate, potassium carbonate and sodium hydroxide, the excellent properties having a relatively very low melting point of 200 ⁇ 280 °C do.
  • the heat transfer medium melting composition may include potassium chloride (KCl), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), potassium carbonate (K 2 CO 3 ), and sodium hydroxide (NaOH).
  • the composition that satisfies this may have a relatively very high decomposition temperature of 700 ° C. or higher, specifically 700-800 ° C., and has a relatively very low melting point of 300 ° C. or lower, specifically 200-300 ° C.
  • Such a heat transfer medium melt composition comprising KCl, Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 and NaOH has excellent properties with a melting point of about 150 ° C. lower than that in particular without NaOH.
  • the melting point of KCl is 770 ° C
  • the melting point of Na 2 CO 3 is 858 ° C
  • the melting point of K 2 CO 3 is 900 ° C
  • the melting point of NaOH is 328 ° C. to be.
  • the melt compositions according to one embodiment of the present invention in which they are mixed and melt in a common mixture, have a significantly low melting point.
  • the composition according to an embodiment of the present invention further contains NaOH has a melting point of 200 ⁇ 300 °C It can be seen that it has a very good effect. It is easier for the heat transfer medium to maintain the composition even at low temperatures in the process. Therefore, the composition of the present invention having a low melting point is high in process efficiency and energy efficiency.
  • the molten composition which is a common mixture, may not have the same temperature when the melting is first started and the temperature when the melting of the whole composition of the composition is completed, depending on the composition and the ratio of the components.
  • the melting point of the melt composition may thus generally be defined differently as the temperature at which melting begins, the temperature at which it is completed or a temperature range therebetween.
  • the "melting point” is defined as the temperature at which melting of the molten composition begins.
  • the heat transfer medium melt composition of the present invention has an excellent effect of having a lower melting point and a narrower range of melting point ranges.
  • the heat transfer medium melt composition comprises all of KCl, Na 2 CO 3 and K 2 CO 3 and in particular NaOH, i.e. with the low melting point characteristics described above as NaOH is further included, the width of the melting point range is very narrow. Has excellent properties.
  • the width of the actual melting point range of the molten composition consisting of KCl, Na 2 CO 3 and K 2 CO 3 is at least ⁇ 70 ° C. centered on the peak temperature, whereas NaOH and KCl, Na 2 CO 3 and K 2 CO 3 are included.
  • the molten composition has a value within ⁇ 10 ° C, preferably within ⁇ 5 ° C, more preferably within ⁇ 3 ° C around the peak temperature. Therefore, the melt composition comprising NaOH and KCl, Na 2 CO 3 and K 2 CO 3 is very narrow in the melting point range, it is easy to set the maximum melting point on the system using it, and the influence of various environmental variables is reduced Has an effect.
  • the width of the melting point range or the width of the melting point referred to in the present invention is the width of the interval between the melting start temperature and the melting completion temperature centered on the peak temperature of the thermal analysis spectrum obtained by a thermal analysis device such as a differential scanning calorimeter. It may mean.
  • composition ratio of the molten composition according to an embodiment of the present invention may have a first composition ratio or a second composition ratio. Both melt compositions that satisfy the first or second composition ratio may have low melting points.
  • the composition having the first composition ratio of 20 to 50% by weight of alkali metal chloride, 10 to 50% by weight of the first alkali metal carbonate, 10 to 50% by weight of the second alkali metal carbonate and 5 to 50% by weight of the alkali metal hydroxide May contain%.
  • the composition having a second composition ratio of 1 to 10% by weight of alkali metal chloride, 2 to 20% by weight of the first alkali metal carbonate, 2 to 20% by weight of the second alkali metal carbonate and 51 to 90% by weight of the alkali metal hydroxide It may include, and specifically 1 to 10% by weight of alkali metal chloride, 2 to 20% by weight of the first alkali metal carbonate, 2 to 20% by weight of the second alkali metal carbonate and 60 to 90% by weight of the alkali metal hydroxide can do.
  • the melting point may be further reduced, thereby maintaining the fluid circulation temperature lower.
  • the melting point distribution of the composition in which the components are co-mixed can be further reduced to facilitate the setting of the maximum melting point in the system, to further reduce the influence of various environmental variables, and to prevent corrosion of container materials such as metallic materials.
  • the impact can be further reduced.
  • the molten composition having the first composition ratio may include KCl, Na 2 CO 3 and K 2 CO 3 and NaOH 5 to 50% by weight. Since NaOH has deliquescent properties and can cause corrosion of metals due to water absorption, when the NaOH content ratio is lower than that of the second composition ratio, the corrosion resistance to the metal is significantly lowered, so that the durability of the device used in the heat transfer system and Weather resistance can be significantly increased.
  • the molten composition having a first composition ratio may include 20 to 50% by weight of KCl, 15 to 50% by weight of Na 2 CO 3 , 10 to 40% by weight of K 2 CO 3, and 5 to 50% by weight of NaOH. More specifically, KCl may include 30 to 45% by weight, 22 to 45% by weight of Na 2 CO 3 , 12 to 35% by weight of K 2 CO 3, and 5 to 15% by weight of NaOH. If this is satisfied, the physical / chemical stability in an environment in which the temperature rise and decrease of the molten composition which is a common mixture is repeatedly performed is improved.
  • the composition having a second composition ratio may include 51 to 90% by weight, specifically 60 to 90% by weight of KCl, Na 2 CO 3 and K 2 CO 3 and NaOH. If this is satisfied, the whole component of the composition is melted and present even at very low melting points of, for example, 265 ° C. Therefore, it is very suitable for a system or apparatus used as a heat transfer medium composition in which the composition in the molten state moves directly to transfer energy as shown in FIG. 1, and is very suitable and preferable as a heat transfer medium composition used in the system or apparatus described below, for example. Do.
  • the heat storage density is high even at a very low melting point, and when used as a heat transfer medium composition, the energy efficiency is very excellent.
  • the composition having a second composition ratio may include 1 to 10% by weight of KCl, 2 to 20% by weight of Na 2 CO 3, 2 to 20% by weight of K 2 CO 3, and 51 to 90% by weight of NaOH. Specifically, it may include 1 to 10% by weight of KCl, 2 to 20% by weight of Na 2 CO 3, 2 to 20% by weight of K 2 CO 3, and 60 to 90% by weight of NaOH. If this is satisfied, the physical / chemical stability in an environment in which the temperature rise and decrease of the molten composition which is a common mixture is repeatedly performed is improved.
  • the heat transfer medium melt composition of the present invention can be used in a heat transfer system or a power generation apparatus using a heat transfer system.
  • the operating temperature range for the heat transfer medium melt composition is not particularly limited, and specifically, may be 200 to 800 ° C, preferably 300 to 700 ° C.
  • the present invention also provides a heat transfer system (method) using the heat transfer medium melt composition described above.
  • the heat transfer system includes the steps of A) transferring heat energy from the heat source to the heat storage material, B) converting heat energy from the heat storage material to which the heat energy is transferred into other energy, and thus losing the heat energy of the heat storage material, and C) heat storage from which the heat energy is lost.
  • the steps A) to C) may be circulated.
  • the heat storage material includes the above-described heat transfer medium melting composition.
  • step A thermal energy is transferred from the heat source to the heat storage material.
  • the heat storage material thus received may be transferred to a place requiring heat energy, and the heat energy of the transferred heat storage material may be converted to other energy, and this process may be referred to as step B).
  • step B the heat storage material loses more thermal energy.
  • the heat storage material whose heat energy is lost is transferred to the heat source of step A) again from step C), and the heat storage material which has lost heat energy receives heat energy from the heat source again.
  • the present invention can provide a power generation system using a heat transfer circulation system capable of repeatedly performing such a cycle and consequently converting a heat source into other energy.
  • step A) may be performed at 200 to 800 ° C, preferably 300 to 700 ° C.
  • the heat energy can be stored, transferred, and converted to other energy, it can have high power generation efficiency and high energy conversion efficiency.
  • the present invention provides a power generation device using the heat transfer system.
  • the generator includes a heat exchanger receiving heat energy from a heat storage material of the heat supply unit; A power generation unit converting the heat energy received from the heat exchanger into other energy; And a transfer unit transferring the heat storage material whose heat energy is lost in the heat exchange unit to a heat supply unit.
  • the heat storage material includes the above-described heat transfer medium melting composition.
  • the heat supply unit may provide heat energy, and an apparatus for supplying heat energy generated by nuclear power generation, geothermal power generation, solar power generation, cogeneration or thermal power generation, and the like may be exemplified.
  • the heat exchanger receives heat energy from the heat supply unit, and serves to transfer the transferred heat energy to a path that requires it.
  • the path is not limited as long as it requires heat energy, and in particular, is not limited as long as it can convert heat energy into other forms of energy.
  • the transfer unit serves to transport and store the thermal energy and the heat storage material including the thermal energy to the target location, such as a generator, which is not limited because it is known in various technical fields.
  • the transfer unit may be formed in one or a plurality, it may be divided into a storage unit and a transfer unit.
  • this is only a specific example, and the present invention is not limited thereto.
  • the power generation device may be a power generation device using a heat transfer system as shown in FIG. Since the temperature shown in FIG. 1 is for conceptually explaining heat exchange, the present invention is not limited thereto. Specifically, “ ⁇ 1000 ° C.” shown in FIG. 1 means a condensing maximum temperature, and indicates applicability as a high heat source. In addition, the 200 ° C shown in Figure 1 is to explain the heat storage material in a state of low energy level by consuming heat energy. In addition, 550 ° C shown in FIG. 1 is for explaining a heat storage material having a high energy level by receiving thermal energy from a heat supply unit.
  • the other energy mentioned in the present invention may be any heat energy delivered from the heat storage material can be converted into other forms of energy, and electrical energy, potential energy, kinetic energy, and the like can be exemplified. Therefore, the heat conversion unit, the power generation unit may be a module, a device or a system for converting the form of the thermal energy, etc., which can refer to a variety of well-known documents, the structure, scale, details are not limited. As a specific example, as shown in FIG. 1, a heat transfer system for transferring heat energy to a solar thermal power generation system may be applied. Thermal energy transmitted from the heat conversion unit may be transferred to a device such as a turbine of a solar generator and converted into other energy.
  • the heat source mentioned in the present invention is not limited as long as it can provide thermal energy, incineration heat, waste heat and solar heat and the like can be exemplified. More specifically, the heat source may be exemplified by nuclear power generation, geothermal power generation, solar thermal power generation, cogeneration and thermal power generation.
  • the heat transfer system and power generation apparatus referred to in the present invention may be performed in a closed system or an open system.
  • thermodynamic movements such as transfer, storage, conversion to other energy, and the like of heat energy can proceed.
  • a heat transfer medium melt composition was prepared comprising 36 wt% KCl, 27 wt% Na 2 CO 3, 27 wt% K 2 CO 3 and 10 wt% NaOH. Also, the melting point of the composition was heated at a rate of 10 K / min using differential scanning calorimeters (DSC), and calorie change was measured. The result is shown in FIG.
  • a heat transfer medium melt composition was prepared comprising 36 wt% KCl, 36 wt% Na 2 CO 3 , 18 wt% K 2 CO 3 and 10 wt% NaOH.
  • the melting point of the composition was measured in the same manner as in Example 1, the results of which are shown in FIG.
  • a heat transfer medium melt composition was prepared comprising 20 wt% KCl, 40 wt% Na 2 CO 3, and 40 wt% K 2 CO 3 .
  • the melting point of the composition was measured in the same manner as in Example 1, the results of which are shown in FIG.
  • both the heat transfer medium melt compositions of Examples 1 and 2 have very low melting points of 270 ° C. or less, specifically about 265 ° C.
  • the heat transfer medium melting composition of Comparative Example 2 has a very high melting point of 450 ° C. or higher, specifically about 470 ° C. That is, NaOH is further included in the composition including KCl, Na 2 CO 3 and K 2 CO 3 to co-melt, so that the melting point is lowered by about 200 ° C. as compared with the case where NaOH is not included.
  • the width of the melting point range of Example 1, Example 2 and Example 3 is about ⁇ 5 °C centered around the peak temperature (265 °C), while in Comparative Example 2 In this case, it can be seen that the peak temperature is about ⁇ 70 ° C around the center (475 ° C). Therefore, it can be seen that in the case of Example 1 and Example 2, which further includes NaOH, the width of the melting point range is very narrow compared with that of Comparative Example 2, which does not contain NaOH.
  • compositions having a NaOH content of less than 51% by weight energy may be stored and released even if some unmelted portion is present at the melting point, and a relatively low NaOH content may further reduce corrosion induction of metals. It is suitable for heat transfer medium composition as a heat storage material.
  • the heat of melting increases rapidly from the 51% by weight portion, indicating that the entire composition is melted at the melting point, which is a very low temperature of 264 to 265 ° C.
  • the melting point also means that the entire composition is melted.
  • heat storage density is higher from high heat of fusion.

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Abstract

열전달 매체 용융 조성물, 이를 이용한 열전달 시스템 및 열전달 시스템을 이용한 발전장치에서, 상기 열전달 매체 용융 조성물은 알칼리 금속 염화물, 제1 알칼리 금속 탄산화물, 제2 알칼리 금속 탄산화물 및 알칼리 금속 수산화물을 포함한다. 그리하여, 금속에 대한 부식성이 없고, 높은 열적 안정성을 가짐에도 300℃ 이하의 매우 낮은 용융점을 가지며, 용융점 범위의 폭이 매우 좁은 효과가 있다. 이에 따라, 상 열전달 매체 용융 조성물을 이용한 열전달 시스템 및 상기 열전달 시스템을 이용한 발전장치는, 에너지 전환 효율 및 공정 효율이 매우 높은 효과가 있다.

Description

열전달 매체 용융 조성물, 이를 이용한 열전달 시스템 및 열전달 시스템을 이용한 발전장치
본 발명은 고온이 요구되는 공정 또는 시스템에서 열에너지의 생성, 전달, 저장, 타에너지로의 전환 등을 위해 사용되는 열전달 매체 용융 조성물, 이를 이용한 열전달 시스템, 및 열전달 시스템을 이용한 발전장치에 관한 것이다.
종래의 화석 연료를 기반으로 생산되는 전기는 경제적인 이점이 있으나, 화석 연료의 고갈에 따라 점진적으로 그 가치가 감소되고 있으며, 환경오염에 대한 문제도 심각하다. 따라서 최근에는 태양 에너지 등의 신재생에너지로 대체하고자 하는 연구에 많은 인력 및 비용이 투입되고 있다.
화석 연료 기반의 전력 생산 시스템을 신재생 에너지를 이용한 시스템으로 대체하기 위해서는 에너지 효율의 극대화가 필수적이다. 이에 따라 시스템 내의 공정에서 수반되는 열에너지의 전달, 저장, 타에너지로의 변환 등을 위해 사용되는 열전달 매체 및 이를 포함하는 열전달 시스템의 에너지 효율을 극대화하기 위해, 이와 관련한 연구에 막대한 인력 및 예산이 투입되고 있다.
열전달 시스템은 크게 고온에서 수행되는 경우와 저온에서 수행되는 경우로 구분될 수 있다. 약 100℃ 이하(또는 고압 상태에서 약 150℃ 이하)의 저온 열전달 시스템은 공장, 열병합 발전소 등으로부터 발생되는 폐열을 가정 등에 공급하는 데에 주로 사용되며, 수용액 조성물이 열전달 매체로서 주로 사용된다. 그러나 고온 열전달 시스템에는 상기의 저온 열전달 시스템에서 일반적으로 사용되는 수용액 조성물 등의 열전달 매체로는 사용이 불가능하다. 구체적으로, 고온 열전달 시스템의 일 예로 태양 에너지 등을 이용한 전력 생산 시스템은 에너지 효율이 높은 고온 열전달 시스템이 실질적 운용을 위해 필수적이나, 수용액 상태의 열전달 매체는 약 100℃에서 기화되므로 사용 자체가 불가하다.
따라서 신재생에너지를 이용한 전력 생산 시스템의 에너지 효율의 극대화를 위해, 에너지 효율이 상대적으로 높은 고온 공정에서 사용할 수 있는 열전달 매체 및 이를 포함하는 열전달 시스템에 대한 연구에 관심이 집중되고 있다. 구체적으로, 450~800℃의 고온에서 열에너지가 전달 및 저장되는 공정이 반복 수행되는 스팀 발전, 초임계 발전, 초초임계 발전 등은 고온 또는 초고온에서 수행됨에 따라 저온에서 수행되는 경우와 비교하여 에너지 효율이 매우 높은 장점이 있다. 일반적으로, 온도가 증가함에 따라 파워블럭의 변환 효율이 증가되므로 발전 효율이 향상되며, 이에 따라 수평화된 에너지 비용은 감소하게 된다.
그러나 고온에서 열에너지를 전달 및 저장이 필요한 시스템은 장소, 시간, 환경 등의 변수에 민감하고 그 규모가 크며 고온의 환경에서 운용되기 때문에 간헐적이고 불규칙한 특성에 의한 다양한 부작용이 발생할 수 있다. 따라서 이러한 시스템은 열에너지의 전달, 저장, 타에너지로의 변환 등이 필요시에 즉각적으로 역동적으로 반응하고 수행될 수 있어야 한다.
이러한 고온 또는 초고온 열전달 시스템은 고온 또는 초고온에서 열에너지를 저장 및 전달할 수 있는 열전달 매체가 필요하나, 현재까지 연구된 열전달 매체로는 장소, 시간, 환경 등의 변수에 영향을 크게 받고 고온 환경임에 따라 안정성이 떨어지는 한계가 있다.
일 예로, 고온 열전달 시스템이 수반되는 태양 전력은 물을 비등시키고 고압인 스팀을 만들기 위한 태양 에너지에 집속시키기 위한 반사경이 이용되며, 스팀은 터빈과 발생기 장치가 전기를 생성하도록 이끈다. 이때 열에너지의 전달, 저장, 타에너지로의 전환을 위해 열전달 매체가 사용된다. 따라서 이러한 고온 공정이 수반되는 태양 발전 시스템에서 사용되는 열전달 매체는 열적 안정성이 우수해야 한다.
또한 열전달 매체는 공정 상 낮은 온도에서는 용융 상태를 유지하는 것이 공정 효율이 높은 측면에서 매우 바람직하므로, 낮은 온도에서도 용융 상태를 유지할 수 있도록 보다 낮은 저융점의 특성을 가져야 한다.
이의 일 예로, 과거에는 바이페닐과 디술포닉산의 공융 혼합물로서 낮은 용융점을 가지는 유체가 연구된 바 있다. 그러나 바이페닐과 디술포닉산을 포함하는 유체는 낮은 용융점을 갖는 특성이 있지만, 열적 열화 때문에 390℃ 이상에서 사용이 불가능한 단점이 있다. 또한 이러한 낮은 온도 범위는 태양열 집열기 현장으로부터의 열에 의해 구동된 증기 터빈의 열역학 효율을 심하게 제한하게 된다.
따라서 열안정성 측면에서 우수한 특성을 가지는 용융염인 열전달 매체에 대한 연구가 최근에 많이 진행되고 있다. 구체적으로, 용융염 기반의 열전달 매체는 비교적 높은 온도에서도 고밀도, 높은 열용량, 높은 열적 안정성을 가지는 장점이 있다. 예컨대 미국공개특허 US2015-0010875A1에는 용융염이 열전달 매체로 사용되는 축열기(THERMAL ENERGY STORAGE WITH MOLTEN SALT)가 공지되어 있다.
그러나 현재까지 이러한 용융염 기반의 열전달 매체는 550℃ 이상에서 사용이 제한되는 한계가 있다. 질산염 계열의 열전달 매체로 질산소듐 60% 및 질산포타슘 40%를 포함하는 유체를 대표적으로 들 수 있다. 질산화물(NO3 -) 기반의 열전달 매체는 550℃ 이상에서 분해되기 시작하므로, 이 이상의 고온에서는 사용할 수 없다. 즉, 닫힌계에서 순환하여 지속적으로 사용되는 열전달 매체 시스템의 특성상, 고효율을 위해 더 높은 온도를 필요로 하는 시스템에서는 실질적으로 사용이 불가한 문제가 존재한다.
따라서 보다 낮은 용융점을 가져 용융 상태의 상변환에 필요한 에너지가 낮고, 더 넓은 온도 범위에서 용융 상태를 유지할 수 있으며, 높은 끓는점 및 열적 안정성을 가지고, 기화되거나 분해되지 않는 열전달 매체의 연구 및 개발이 필요하다.
이에 따라 높은 열적 안정성과 낮은 용융점을 동시에 가지는 열전달 매체를 개발하기 위해 다방면의 연구가 시도되고 있다. 이를 위해, 황산화물 계열의 열전달 매체도 연구된 바 있으나, 황산화물(SO4 2-)은 금속에 대한 부식성이 높아 열전달 시스템에 사용되는 장치의 내구성 및 내후성을 현저히 저하시키는 한계가 있다.
따라서 열에너지의 생성, 전달, 저장 그리고 타에너지로의 전환을 위한 열전달 시스템에서 사용되는 장치들의 내구성, 내후성을 저하시키는 문제로부터 자유로우며, 보다 높은 열적 안정성과 보다 낮은 용융점을 가지는 열전달 매체의 연구가 필요하다.
본 발명의 목적은 700℃ 이상의 상대적으로 고온에서도 분해 및 기화되지 않는 열적 안정성을 가지는 것은 물론, 특히 보다 낮은 용융점을 가지며, 용융점 범위의 폭이 매우 좁은 열전달 매체 용융 조성물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 금속에 대한 부식성이 없는 열전달 매체 용융 조성물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 높은 열용량, 높은 열적 안정성 및 낮은 용융점을 가짐에 따라 에너지 전환 효율이 높은 열전달 매체 용융 조성물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 낮은 용융점을 가짐과 동시에, 그 용융점에서 조성물 전체가 완전히 용융되어 존재할 수 있는 열전달 매체 용융 조성물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 상기 열전달 매체 용융 조성물을 이용한 열전달 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 상기 열전달 시스템을 이용한 발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 예에 따른 열전달 매체 용융 조성물은 알칼리 금속 염화물, 제1 알칼리 금속 탄산화물, 제2 알칼리 금속 탄산화물 및 알칼리 금속 수산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 알칼리 금속은 독립적으로 리튬, 나트륨 및 칼륨 중에서 선택되는 것일 수 있다.
바람직한 일 예에 있어서, 상기 조성물은 염화칼륨(KCl), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3) 및 수산화나트륨(NaOH)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태로, 상기 조성물은 염화칼륨 20~50 중량%, 탄산나트륨 15~50 중량%, 탄산칼륨 10~40 중량% 및 수산화나트륨 5~50 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태로, 바람직하게는, 상기 조성물은 수산화나트륨 51~90 중량%, 구체적으로 60~90 중량%를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 조성물은 염화칼륨 1~10 중량%, 탄산나트륨 2~20 중량%, 및 탄산칼륨 2~20 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 조성물은 용융점이 200~300℃일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 조성물은 분해온도 및 끓는점이 700~800℃일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 조성물의 용융점의 폭은 용융 피크온도를 중심으로 ±10℃ 이내일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 열전달 시스템은 A) 열원으로부터 열에너지가 축열물질로 전달되는 단계, B) 열에너지가 전달된 축열물질로부터 열에너지가 타에너지로 전환되어 상기 축열물질의 열에너지가 손실되는 단계 및 C) 열에너지가 손실된 축열물질이 상기 열원으로 이송되는 단계를 포함하여, 상기 A)~C) 단계가 순환되는 것일 수 있다. 이때 상기 축열물질은 상기 열전달 매체 용융 조성물을 포함한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 A) 단계는 300~700℃에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 열전달 시스템을 이용한 발전 장치는 열원으로부터 열에너지를 축열물질로 전달하는 열공급부; 상기 열공급부의 축열물질로부터 열에너지를 전달받는 열교환부; 상기 열교환부에서 전달받은 열에너지를 타에너지로 전환하는 발전부; 및 상기 열교환부에서 열에너지가 손실된 축열물질을 열공급부로 이송하는 이송부;를 포함할 수 있다. 이때 상기 축열물질은 상기 열전달 매체 용융 조성물을 포함한다.
본 실시예들에 의하면, 열전달 매체 용융 조성물은 700℃ 이상의 상대적으로 초고온에서도 분해 및 기화되지 않아 열적 안정성이 우수함은 물론, 특히 300℃ 이하의 상대적으로 매우 낮은 용융점을 가지며, 용융점 범위의 폭이 매우 좁은 효과가 있다.
또한 상기 열전달 매체 용융 조성물은 금속에 대한 부식성이 없는 장점이 있다.
또한 상기 열전달 매체 용융 조성물은 보다 높은 열용량을 가지는 장점이 있다.
또한 상기 열전달 매체 용융 조성물은 특정 조성비를 가짐에 따라 낮은 용융점을 가짐과 동시에, 그 용융점에서 조성물 전체 성분이 완전히 용융되어 존재할 수 있는 효과가 있다.
따라서 상기 열전달 매체 용융 조성물을 포함하는 열전달 시스템은 금속에 대한 부식성이 없고, 높은 열적 안정성을 가짐에도 300℃ 이하의 상대적으로 매우 낮은 용융점을 가지며, 그 용융점에서 조성물 전체 성분이 완전히 용융되어 존재할 수 있는 열전달 매체 용융 조성물이 사용됨에 따라, 에너지 전환 효율 및 공정 효율이 매우 높은 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 열전달 매체 용융 조성물을 이용한 열전달 시스템을 도시한 개념도이다.
도 2 내지 도 4는 각각 실시예 1 내지 실시예 3에 따른 열전달 매체 용융 조성물의 용융점을 측정한 열분석 스펙트럼이다.
도 5는 실시예 3 및 비교예 1에 따른 열전달 매체 용융 조성물의 264~265℃의 용융점에서의 용융열 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 비교예 2에 따른 열전달 매체 용융 조성물의 용융점을 측정한 열분석 스펙트럼이다.
* 부호의 설명
10 : 제1이송부 20 : 제2이송부
30 : 열공급부 40 : 열교환부
41 : 발전기 41a : 터빈
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 열전달 매체 용융 조성물, 이를 이용한 열전달 시스템 및 열전달 시스템을 이용한 발전장치를 상세히 설명한다.
본 발명에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
또한 본 발명에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 본 발명에서 특별한 언급 없이 불분명하게 사용된 %의 단위는 중량%를 의미한다.
또한 본 발명에서 언급되는 “온도”는 특별한 언급이 없는 한 1 atm의 상압에서의 측정된 온도의 값을 의미할 수 있다.
또한 본 발명에서 언급되는 “열전달 매체”는 열에너지의 전달에 의한 손실 및 저장이 가능한 물질로, 열전달 매체가 가지는 열에너지를 타물질에 전달하거나 타에너지로 전환하기 위한 수단으로 사용되는 물질을 의미할 수 있다. 따라서 이러한 수단 및 용도로 사용될 수 있는 다양한 것들(축열재료, 방열재료, 열전달재료 등)을 포함하는 포괄적 개념의 열전달 매체를 의미한다.
또한 본 발명에서 언급되는 “열적 안정성”은 조성물의 끓는점과 분해온도를 기준으로 설명될 수 있다. 구체적으로, 열적 안정성이 우수하다는 것은 끓는점이 높으며 분해온도가 높은 것을 의미할 수 있다.
또한 본 발명에서 언급되는 용융 조성물의 “분해온도”는 용융 조성물 내의 염화물, 탄산화물, 수산화물 등의 화합물 중 하나 이상의 성분이 분해되기 시작하는 온도를 의미할 수 있다.
또한 본 발명에서 언급되는 용융 조성물의 “끓는점”은 용융 조성물 내의 염화물, 탄산화물, 수산화물 등의 화합물 중 하나 이상의 성분이 끓기 시작하는 온도를 의미할 수 있다.
또한 본 발명에서 언급되는 “타에너지”는 열에너지를 제외한 모든 종류의 에너지를 의미할 수 있다. 이의 예로, 전기에너지, 위치에너지, 운동에너지 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 최종 전환 형태로 전기에너지가 예시될 수 있다.
본 발명자는 높은 열용량, 높은 열적 안정성 및 낮은 용융점을 양립하며, 낮은 용융점에서 조성물 전체 성분이 완전히 용융되어 존재할 수 있는 열전달 매체 용융 조성물을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다. 구체적으로, 700℃ 이상의 상대적으로 초고온에서도 분해되지 않는 우수한 열적 안정성을 가짐에도 300℃ 이하의 상대적으로 매우 낮은 용융점을 가지며, 특정 조성비 범위를 만족함에 따라 낮은 용융점에서 조성물 전체 성분이 완전히 용융되어 존재하는 용융 조성물을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 일 예에 따른 열전달 매체 용융 조성물은 알칼리 금속 염화물, 제1 알칼리 금속 탄산화물, 제2 알칼리 금속 탄산화물 및 알칼리 금속 수산화물을 포함할 수 있다. 이때 제1 알칼리 금속과 제2 알칼리 금속은 서로 다른 알칼리 금속이다.
상기 알칼리 금속은 주기율표에 속하는 알칼리 금속이라면 제한되지 않으며, 예컨대 각각 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 및 프랑슘 등에서 선택될 수 있다. 바람직한 일 예로, 알칼리 금속은 각각 리튬, 나트륨 및 칼륨 중에서 선택될 수 있으며, 이를 만족할 경우, 우수한 열안정성과 함께 상업적, 환경적 측면에서 유리할 수 있다.
본 발명의 열전달 매체 용융 조성물은 700℃ 이상, 구체적으로 700~800℃의 분해온도를 가질 수 있다. 용융 조성물의 용융점 이상의 온도에서는 알칼리 금속 염화물, 알칼리 금속 탄산화물, 알칼리 금속 수산화물은 용융되어 각각 이온 상태로 존재한다. Cl- 및 CO3 2-, OH- 등의 이온은 용융상으로 존재하며, 이들 이온들은 분해온도가 매우 높은 특성을 갖는다.
알칼리 금속 염화물, 제1 알칼리 금속 탄산화물, 제2 알칼리 금속 탄산화물 및 알칼리 금속 수산화물을 포함하는 본 발명의 열전달 매체 용융 조성물은 200~300℃의 상대적으로 낮은 용융점을 가지는 우수한 특성을 가질 수 있다.
바람직한 일 예에 있어서, 상기 열전달 매체 용융 조성물은 칼륨의 염화물, 나트륨의 탄산화물, 칼륨의 탄산화물 및 나트륨의 수산화물을 포함할 경우, 200~280℃의 상대적으로 매우 낮은 용융점을 가지는 우수한 특성이 구현된다.
구체적으로 보다 바람직하게는, 상기 열전달 매체 용융 조성물은 염화칼륨(KCl), 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3) 및 수산화나트륨(NaOH)을 포함할 수 있다. 이를 만족하는 조성물은 700℃ 이상, 구체적으로 700~800℃의 상대적으로 매우 높은 분해온도를 가질 수 있으며, 300℃ 이하, 구체적으로 200~300℃의 상대적으로 매우 낮은 용융점을 가진다. 이러한 KCl, Na2CO3, K2CO3 및 NaOH를 포함하는 열전달 매체 용융 조성물은 특히 NaOH를 포함하지 않는 경우와 비교하여 용융점이 약 150℃ 정도 더 낮은 우수한 특성을 가진다.
본 발명의 우수한 용융점 특성을 보다 상세히 설명하면, KCl의 녹는점은 770℃, Na2CO3의 녹는점은 858℃, K2CO3의 녹는점은 900℃, 그리고 NaOH의 녹는점은 328℃이다. 하지만 이들이 혼합되어 공용 혼합물 상태의 용융물인 본 발명의 일 예에 따른 용융 조성물은 현저히 낮은 용융점을 가진다. 특히 KCl, Na2CO3 및 K2CO3로 구성된 용융 조성물이 400~500℃의 용융점을 가지는 것에 비해, NaOH가 더 포함된 본 발명의 일 예에 따른 조성물은 용융점이 200~300℃인 점에서 매우 우수한 효과를 가짐을 알 수 있다. 열전달 매체는 공정 상 낮은 온도에서도 용융 상태를 유지하는 것이 조성물의 이동이 수월하다. 따라서 낮은 용융점을 가지는 본 발명의 조성물은 공정 효율 및 에너지 효율이 높다.
공용 혼합물인 용융 조성물은 각 성분들의 조성 및 조성비에 따라 용융이 처음 시작될 때의 온도와 조성물 전체 성분의 용융이 완료될 때의 온도가 일치하지 않을 수 있다. 따라서 용융 조성물의 용융점은 일반적으로, 용융이 시작되는 온도, 완료되는 온도 또는 이들 사이의 온도 범위로서 달리 정의될 수 있다.
이에, 본 발명에서는 “용융점”을 용융 조성물의 용융이 시작되는 온도로 정의한다.
본 발명의 열전달 매체 용융 조성물은 보다 낮은 용융점을 가지는 우수한 효과와 함께, 용융점 범위의 폭이 보다 좁은 효과도 가진다. 구체적으로, 열전달 매체 용융 조성물은 KCl, Na2CO3 및 K2CO3와 특히 NaOH를 모두 포함함으로써, 즉, NaOH가 더 포함됨에 따라 상술한 낮은 용융점 특성과 함께, 용융점 범위의 폭이 매우 좁은 뛰어난 특성을 갖는다. KCl, Na2CO3 및 K2CO3로 구성된 용융 조성물의 실제 용융점 범위의 폭은 피크온도를 중심으로 ±70℃ 이상의 값인 반면, NaOH와 KCl, Na2CO3 및 K2CO3를 포함하는 용융 조성물의 경우는 피크온도를 중심으로 ±10℃ 이내, 바람직하게는 ±5℃ 이내, 보다 바람직하게는 ±3℃ 이내의 값을 가진다. 따라서 NaOH와 KCl, Na2CO3 및 K2CO3를 포함하는 용융 조성물은 용융점 범위의 폭이 매우 좁음에 따라, 이를 이용하는 시스템 상 최대 용융점 설정이 수월하고, 다양한 환경 변수에 의한 영향이 감소되는 효과를 가진다.
본 발명에서 언급되는 “용융점 범위의 폭” 또는 “용융점의 폭”은 시차주사열량계 등의 열분석 장치로 측정하여 얻은 열분석 스펙트럼의 피크온도를 중심으로 용융 시작 온도와 용융 완료 온도의 구간의 폭을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 용융 조성물의 조성비는 제1조성비 또는 제2조성비를 가질 수 있다. 제1조성비 또는 제2조성비를 만족하는 용융 조성물 모두 낮은 용융점을 가질 수 있다.
구체적으로, 제1조성비를 가지는 조성물은 알칼리 금속 염화물 20~50 중량%, 제1 알칼리 금속 탄산화물 10~50 중량%, 제2 알칼리 금속 탄산화물 10~50 중량% 및 알칼리 금속 수산화물 5~50 중량%를 포함할 수 있다. 또한 제2조성비를 가지는 조성물은 알칼리 금속 염화물 1~10 중량%, 제1 알칼리 금속 탄산화물 2~20 중량%, 제2 알칼리 금속 탄산화물 2~20 중량% 및 알칼리 금속 수산화물 51~90 중량%를 포함할 수 있으며, 구체적으로 알칼리 금속 염화물 1~10 중량%, 제1 알칼리 금속 탄산화물 2~20 중량%, 제2 알칼리 금속 탄산화물 2~20 중량% 및 알칼리 금속 수산화물 60~90 중량%를 포함할 수 있다. 이러한 제1조성비 또는 제2조성비를 만족할 경우, 용융점이 보다 감소하여 유체 순환 온도를 더 낮게 유지할 수 있는 효과가 구현될 수 있다. 또한 각 성분들이 공용 혼합되어 있는 조성물의 용융점 분포가 더 축소되어 시스템 상 최대 용융점 설정이 수월할 수 있고, 다양한 환경 변수에 의한 영향이 더 감소될 수 있으며, 금속성 재질 등의 용기 재료의 부식에 대한 영향을 더 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 제1조성비를 가지는 용융 조성물은 KCl, Na2CO3 및 K2CO3와 NaOH 5~50 중량%를 포함할 수 있다. NaOH는 조해성을 가져 수분 흡수에 의한 금속의 부식을 유발할 수 있으므로, 제2조성비와 비교하여 NaOH 함량비가 낮은 제1조성비를 만족할 경우, 금속에 대한 부식성이 현저히 낮아져 열전달 시스템에 사용되는 장치의 내구성 및 내후성이 현저히 증가될 수 있다.
구체적으로, 제1조성비를 가지는 용융 조성물은 KCl 20~50 중량%, Na2CO3 15~50 중량%, K2CO3 10~40 중량% 및 NaOH 5~50 중량%를 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로 KCl 30~45 중량%, Na2CO3 22~45 중량%, K2CO3 12~35 중량% 및 NaOH 5~15 중량%를 포함할 수 있다. 이를 만족할 경우, 공용 혼합물인 용융 조성물의 온도 상승 및 감소가 반복적으로 수행되는 환경에서의 물리/화학적 안정성이 향상된다.
또한, 제2조성비를 가지는 조성물은 KCl, Na2CO3 및 K2CO3와 NaOH 51~90 중량%, 구체적으로 60~90 중량%를 포함할 수 있다. 이를 만족할 경우, 예컨대 265℃의 매우 낮은 용융점에서도 조성물의 전체 성분이 용융되어 존재하는 효과를 가진다. 따라서 도 1에서와 같이 용융된 상태의 조성물이 직접 이동하여 에너지를 전달하는 열전달 매체 조성물로 사용되는 시스템 또는 장치에 매우 적합하며, 예컨대 후술하는 시스템 또는 장치에 사용되는 열전달 매체 조성물로서 매우 적합하고 바람직하다. 뿐만 아니라, 매우 낮은 용융점에서도 축열밀도가 높아, 열전달 매체 조성물로 사용될 시 에너지 효율이 매우 우수한 효과를 가진다.
보다 구체적으로, 제2조성비를 가지는 조성물은 KCl 1~10 중량%, Na2CO3 2~20 중량%, K2CO3 2~20 중량% 및 NaOH 51~90 중량%를 포함할 수 있으며, 구체적으로 KCl 1~10 중량%, Na2CO3 2~20 중량%, K2CO3 2~20 중량% 및 NaOH 60~90 중량%를 포함할 수 있다. 이를 만족할 경우, 공용 혼합물인 용융 조성물의 온도 상승 및 감소가 반복적으로 수행되는 환경에서의 물리/화학적 안정성이 향상된다.
본 발명의 열전달 매체 용융 조성물은 열전달 시스템 또는 열전달 시스템을 이용한 발전 장치에 사용될 수 있다. 이때 열전달 매체 용융 조성물에 대한 가동 온도 범위는 크게 제한되지 않으며, 구체적으로 200~800℃, 바람직하게는 300~700℃일 수 있다.
본 발명은 또한 상술한 열전달 매체 용융 조성물을 이용한 열전달 시스템(방법)을 제공한다. 상기 열전달 시스템은 A) 열원으로부터 열에너지가 축열물질로 전달되는 단계, B) 열에너지가 전달된 축열물질로부터 열에너지가 타에너지로 전환되어 상기 축열물질의 열에너지가 손실되는 단계 및 C) 열에너지가 손실된 축열물질이 상기 열원으로 이송되는 단계를 포함하여, 상기 A)~C) 단계가 순환되는 것일 수 있다. 이때 상기 축열물질은 상술한 열전달 매체 용융 조성물을 포함한다.
구체적으로, 상기 A) 단계에서는 열원으로부터 열에너지가 축열물질로 전달된다. 이렇게 열에너지를 전달 받은 축열물질은 열에너지를 필요로 하는 곳으로 이송될 수 있고, 이송된 축열물질의 열에너지는 타에너지로 전환될 수 있으며, 이 과정을 상기 B) 단계라 할 수 있다. 이때 상기 B) 단계에서 타에너지로 전환됨에 따라 축열물질은 그 이상의 열에너지의 손실이 발생한다. 열에너지가 손실된 축열물질은 C) 단계에서 다시 A) 단계의 열원으로 이송되고, 열에너지가 손실된 축열물질은 상기 열원으로부터 다시 열에너지를 전달받게 된다. 따라서 본 발명은, 이러한 순환이 반복적으로 이루어져 결과적으로 열원을 타에너지로 전환시킬 수 있는 열전달 순환 시스템을 이용한 발전 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 A) 단계는 200~800℃, 바람직하게는 300~700℃에서 수행되는 것일 수 있다. 이러한 높은 온도 범위에서 열에너지의 저장, 전달, 타에너지로의 전환이 가능함에 따라 높은 발전 효율, 높은 에너지 전환 효율을 가질 수 있다.
또한 본 발명은 상기 열전달 시스템을 이용한 발전 장치를 제공한다. 상기 발전 장치는 상기 열공급부의 축열물질로부터 열에너지를 전달받는 열교환부; 상기 열교환부에서 전달받은 열에너지를 타에너지로 전환하는 발전부; 및 상기 열교환부에서 열에너지가 손실된 축열물질을 열공급부로 이송하는 이송부를 포함할 수 있다. 이때 상기 축열물질은 상술한 열전달 매체 용융 조성물을 포함한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 열공급부는 열에너지를 제공할 수 있는 것이라면 무방하며, 원자력 발전, 지열 발전, 태양열 발전, 열병합 발전 또는 화력 발전 등으로 발생되는 열에너지를 공급하는 장치가 예시될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 열교환부는 열공급부로부터 열에너지를 전달받으며, 전달된 열에너지를 필요로 하는 경로로 전달시키는 역할을 한다. 상기 경로는 열에너지를 필요로 하는 것이라면 제한되지 않으며, 구체적으로 열에너지를 다른 형태의 에너지로 전환할 수 있는 것이라면 제한되지 않는다.
본 발명의 일 예에 있어서, 이송부는 열에너지 및 열에너지를 포함하는 축열물질을 발전기 등의 목적 위치에 전달시키기 위한 운송 및 저장 역할을 하며, 이는 다양한 기술분야에서 공지되어 있는 사항이므로 제한되지 않는다. 구체적인 일 예로, 이송부는 하나 또는 복수 개로 형성될 수 있으며, 저장부 및 전달부로 구분될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 발전 장치는 도 1에 도시된 바와 같은 열전달 시스템을 이용한 발전 장치가 예시될 수 있다. 도 1에 도시된 온도는 열교환을 개념적으로 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로, 도 1에 도시된 “~1000℃”는 집광 최대 온도를 의미하며, 고열원으로서의 이용 가능성을 나타낸다. 또한 도 1에 도시된 200℃는 열에너지를 소모하여 에너지 준위가 낮은 상태의 축열물질을 설명하기 위한 것이다. 아울러 도 1에 도시된 550℃는 열공급부로부터 열에너지를 공급받아 에너지 준위가 높은 상태의 축열물질을 설명하기 위한 것이다.
본 발명에서 언급되는 타에너지는 축열물질로부터 전달되는 열에너지가 다른 형태의 에너지로 전환될 수 있는 것이라면 무방하며, 전기에너지, 위치에너지, 운동에너지 등이 예시될 수 있다. 따라서 열전환부, 발전부는 열에너지의 형태를 변환하기 위한 모듈, 장치 또는 시스템 등일 수 있으며, 이는 공지된 다양한 문헌을 참고할 수 있으므로, 그 구조, 규모, 구체적 사항은 제한되지 않는다. 구체적인 일 예로, 도 1에 도시된 바와 같이, 태양열 발전 시스템에 열에너지 전달을 위한 열전달 시스템이 적용될 수 있다. 열전환부로부터 전달된 열에너지는 태양열 발전기의 터빈 등과 같은 장치에 전달되어 타에너지로 변환될 수 있다.
본 발명에서 언급되는 열원은 열에너지를 제공할 수 있는 것이라면 제한되지 않으며, 소각열, 폐열 및 태양열 등이 예시될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 열원은 원자력 발전, 지열 발전, 태양열 발전, 열병합 발전, 화력 발전 등이 예시될 수 있다.
본 발명에서 언급되는 열전달 시스템, 발전 장치는 닫힌계 또는 열린계에서 수행될 수 있다. 열전달 매체 용융 조성물을 이용하여 계를 순환시킴으로써, 열에너지의 전달, 저장, 타에너지로의 전환 등의 열역학적 운동이 진행될 수 있다.
이하 본 발명을 도면 및 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
KCl 36 중량%, Na2CO3 27 중량%, K2CO3 27 중량% 및 NaOH 10 중량%를 포함하는 열전달 매체 용융 조성물을 제조하였다. 또한 상기 조성물의 용융점을 시차주사열량계(Differential scanning calorimeters, DSC)를 이용하여 10 K/min의 속도로 가열하며 열량변화를 측정하였다. 이의 결과는 도 2에 도시되어 있다.
<실시예 2>
KCl 36 중량%, Na2CO3 36 중량%, K2CO3 18 중량% 및 NaOH 10 중량%를 포함하는 열전달 매체 용융 조성물을 제조하였다. 또한 상기 조성물의 용융점을 실시예 1과 동일하게 측정하였으며, 이의 결과는 도 3에 도시되어 있다.
<실시예 3>
하기 표 1의 조성비를 가지는 열전달 매체 용융 조성물을 제조하였다. 또한 상기 표 1의 조성비 중 KCl 8 중량%, Na2CO3 16 중량%, K2CO3 16 중량% 및 NaOH 60 중량%의 조성비를 가지는 열전달 매체 용융 조성물의 용융점을 실시예 1과 동일하게 측정하였으며, 이의 결과는 도 4에 도시되어 있다.
또한 상기 표 1의 조성비를 가지는 열전달 매체 용융 조성물의 264~265℃의 용융점에서의 용융열 변화를 실시예 1과 동일한 측정 방법으로 측정하였으며, 그 결과는 도 5에 도시되어 있다.
[비교예 1]
하기 표 1의 조성비를 가지는 열전달 매체 용융 조성물을 제조하였다. 또한 상기 조성물의 264~265℃의 용융점에서의 용융열 변화를 실시예 1과 동일한 측정 방법으로 측정하였으며, 그 결과는 도 5에 도시되어 있다.
Figure PCTKR2017012638-appb-T000001
[비교예 2]
KCl 20 중량%, Na2CO3 40 중량% 및 K2CO3 40 중량%를 포함하는 열전달 매체 용융 조성물을 제조하였다. 또한 상기 조성물의 용융점을 실시예 1과 동일하게 측정하였으며, 이의 결과는 도 6에 도시되어 있다.
도 2 및 도 3으로부터, 실시예 1 및 실시예 2의 열전달 매체 용융 조성물 모두는 270℃ 이하, 구체적으로 약 265℃의 매우 낮은 용융점을 갖는 것을 확인할 수 있다. 반면, 비교예 2의 열전달 매체 용융 조성물은 450℃ 이상, 구체적으로 약 470℃의 매우 높은 용융점을 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, KCl, Na2CO3 및 K2CO3를 포함하는 조성물에 NaOH가 더 포함되어 공융화됨으로써, 용융점이 NaOH가 포함되지 않은 경우와 비교하여 약 200℃ 가까이 낮아짐을 알 수 있다.
또한 도 2 내지 도 4 및 도 6으로부터, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 경우는 용융점 범위의 폭이 피크온도(265℃)를 중심으로 약 ±5℃인 반면, 비교예 2의 경우는 피크온도를 중심(475℃)으로 약 ±70℃인 것을 확인할 수 있다. 따라서 NaOH가 더 포함된 실시예 1 및 실시예 2의 경우는 NaOH가 포함되지 않은 비교예 2의 경우와 비교하여 용융점 범위의 폭이 매우 현저히 좁아짐을 알 수 있다.
특히 도 5로부터, NaOH의 함량이 51 중량% 미만인 경우는 용융열이 높지 않아 조성물의 일부가 용융되지 않은 부분이 존재함을 유추할 수 있다. 즉, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3의 NaOH의 함량이 51 중량% 미만인 조성물은 낮은 용융점을 가질지라도 그 용융점에서 조성물 전체가 완전히 용융되어 있지는 않음을 알 수 있다.
다만, NaOH의 함량이 51 중량% 미만인 조성물의 경우는 용융점에서 일부 용융되지 않은 부분이 존재할지라도 에너지의 저장 및 방출이 가능하고, NaOH 함량이 비교적 낮아 금속에 대한 부식성 유발을 보다 감소시킬 수 있는 측면에서 축열물질로서의 열전달 매체 조성물에 적합하다.
반면 NaOH의 함량이 51~90 중량%인 경우는 51 중량% 부분에서부터 용융열이 급격이 증가하는 것으로 보아 그 용융점에서 조성물 전체 성분이 용융되었음을 알 수 있으며, 이는 264~265℃의 매우 낮은 온도인 용융점에서도 조성물 전체 성분이 용융되어 존재함을 의미한다. 또한 용융열이 높은 것으로부터 축열밀도가 보다 높음을 알 수 있다.
또한 NaOH의 함량이 51 중량% 이상인 조성물의 경우는 실질적으로 용융점 또는 그 부근에서 전체 성분이 완전히 용융되어 존재하므로, 도 1에서와 같이 용융 상태의 조성물이 직접 이동하여 에너지를 전달하는 열전달 매체 조성물에 매우 적합하다.

Claims (11)

  1. 알칼리 금속 염화물, 제1 알칼리 금속 탄산화물, 제2 알칼리 금속 탄산화물 및 알칼리 금속 수산화물을 포함하는 열전달 매체 용융 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 금속은 독립적으로 리튬, 나트륨 및 칼륨 중에서 선택되는 것인 열전달 매체 용융 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    염화칼륨, 탄산나트륨, 탄산칼륨 및 수산화나트륨을 포함하는 열전달 매체 용융 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    염화칼륨 20~50 중량%, 탄산나트륨 15~50 중량%, 탄산칼륨 10~40 중량% 및 수산화나트륨 5~50 중량%를 포함하는 열전달 매체 용융 조성물.
  5. 제3항에 있어서,
    수산화나트륨 51~90 중량%를 포함하는 열전달 매체 용융 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    염화칼륨 1~10 중량%, 탄산나트륨 2~20 중량%, 및 탄산칼륨 2~20 중량%를 포함하는 열전달 매체 용융 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    용융점이 200~300℃이고, 분해온도 및 끓는점이 700~800℃인 열전달 매체 용융 조성물.
  8. 제3항에 있어서,
    열전달 매체 용융 조성물의 용융점의 폭은 용융 피크온도를 중심으로 ±10℃ 이내인 열전달 매체 용융 조성물.
  9. A) 열원으로부터 열에너지가 축열물질로 전달되는 단계;
    B) 열에너지가 전달된 축열물질로부터 열에너지가 타에너지로 전환되어 상기 축열물질의 열에너지가 손실되는 단계; 및
    C) 열에너지가 손실된 축열물질이 상기 열원으로 이송되는 단계를 포함하여, 상기 A)~C) 단계가 순환되는 열전달 시스템으로,
    상기 축열물질은 알칼리 금속 염화물, 제1 알칼리 금속 탄산화물, 제2 알칼리 금속 탄산화물 및 알칼리 금속 수환화물을 포함하는 열전달 매체 용융 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 A) 단계는 300~700℃에서 수행되는 열전달 시스템.
  11. 열원으로부터 열에너지를 축열물질로 전달하는 열공급부;
    상기 열공급부의 축열물질로부터 열에너지를 전달받는 열교환부;
    상기 열교환부에서 전달받은 열에너지를 타에너지로 전환하는 발전부; 및
    상기 열교환부에서 열에너지가 손실된 축열물질을 열공급부로 이송하는 이송부를 포함하며,
    상기 축열물질은 알칼리 금속 염화물, 제1 알칼리 금속 탄산화물, 제2 알칼리 금속 탄산화물 및 알칼리 금속 수환화물을 포함하는 열전달 매체 용융 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전달 시스템을 이용한 발전 장치.
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