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WO2025071232A1 - 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치 - Google Patents

온도구배를 갖는 열에너지 저장장치 Download PDF

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Publication number
WO2025071232A1
WO2025071232A1 PCT/KR2024/014559 KR2024014559W WO2025071232A1 WO 2025071232 A1 WO2025071232 A1 WO 2025071232A1 KR 2024014559 W KR2024014559 W KR 2024014559W WO 2025071232 A1 WO2025071232 A1 WO 2025071232A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
temperature
low
thermal energy
cell
storage device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/KR2024/014559
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
박훈진
이성광
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gigaette Co Ltd
Original Assignee
Gigaette Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020240130117A external-priority patent/KR20250047176A/ko
Application filed by Gigaette Co Ltd filed Critical Gigaette Co Ltd
Publication of WO2025071232A1 publication Critical patent/WO2025071232A1/ko
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a thermal energy storage device having a temperature gradient, and more specifically, to a thermal energy storage device having a temperature gradient that can convert high-temperature energy generated by solar energy or electricity generated by wind power, solar energy, etc. into high-temperature energy and store it.
  • ESS Energy Storage System
  • An example of a high-temperature energy storage device is the molten salt method.
  • the solar thermal method excess solar heat is collected to increase the temperature of synthetic oil, etc., and this is used as a working fluid to store it in the form of thermal energy in the molten salt.
  • thermal energy is stored as thermal energy.
  • solar or wind power excess electrical energy is converted into thermal energy, and then this thermal energy is similarly stored in the molten salt as thermal energy.
  • power generation is performed using the energy contained in the high-temperature molten salt that has been stored. In this case, the principle is to change electrical energy into thermal energy and store it.
  • Korean Patent Publication No. 2007-0022679 (“Method and device for storing thermal energy”, Feb. 27, 2007) discloses a device that heats the internal area of a graphite body when it is necessary to store thermal energy, and recovers heat by a heat exchanger when it is necessary to use the thermal energy, so as to store electric energy or renewable energy during an off-peak supply period.
  • the molten salt thermal storage device described above is very suitable for storing high-temperature energy, especially solar thermal energy, but in order to utilize it for solar or wind power, a separate device that converts electricity into heat is required, and it is not good for storing low-quality electrical energy, so there are many cases where it is not suitable for use.
  • the molten salt thermal storage device since two tanks, a low-temperature storage tank and a high-temperature storage tank, are installed to store thermal energy, there is also the problem that the system configuration and operation are complicated.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a conventional two-tank molten salt thermal energy storage system.
  • the “external heating source” in FIG. 1 literally refers to a place where heat to be used as energy is collected from the outside, and can be, for example, a solar thermal storage device, an electric heater, a nuclear reactor, etc.
  • the high-temperature thermal storage fluid is moved to the high-temperature tank and stored, as shown in FIG. 1.
  • the high-temperature thermal storage fluid in the high-temperature tank generally forms a temperature environment of about 600°C.
  • the heat of the high-temperature thermal storage fluid can be transferred to the “heat source demander” using another medium.
  • the high-temperature thermal storage fluid loses thermal energy and is “cooled,” and therefore this heat transfer device is called an “external cooling source.”
  • the medium used here can be any medium that can effectively transfer heat and is economical and widely available. Specifically, water is commonly used, as shown in Fig. 1.
  • the low-temperature heat storage fluid whose temperature has dropped, is moved to a low-temperature tank and stored.
  • the low-temperature heat storage fluid in the low-temperature tank generally forms a temperature environment of about 200°C. This low-temperature heat storage fluid then moves to an external heat source to receive heat energy, thereby circulating the heat storage fluid.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2007-0022679 (“Method and Device for Storing Thermal Energy”, February 27, 2007)
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 2023-0113455 (“Electric and High-Temperature Energy Storage Device”, July 31, 2023)
  • the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to provide a thermal energy storage device that can smoothly store thermal energy in a single tank, is convenient to operate and manage, and thus can greatly expand the range of utilization compared to the prior art. More specifically, the present invention provides a thermal energy storage device that sequentially stores a thermal storage fluid in a single tank with a temperature gradient by utilizing the density difference according to the temperature of the thermal storage fluid, and, if necessary, sequentially recovers it with a temperature distribution.
  • a thermal energy storage device (100) having a temperature gradient of the present invention may include: a storage tank (101) in which a thermal storage fluid is stored; a cell separator (105) that separates the storage tank (101) into a plurality of cells; a cell connection pipe (155) that connects the upper part of one cell and the lower part of the other cell among a pair of adjacent cells; a low-temperature pump (115) provided in a cell located at one end of the cells in the storage tank (101) and transporting a low-temperature thermal storage fluid; and a high-temperature pump (125) provided in a cell located at the other end of the cells in the storage tank (101) and transporting a high-temperature thermal storage fluid.
  • a cell located at one end of the cells in the storage tank (101) is referred to as a low-temperature section (110), and a cell located at the other end of the cells in the storage tank (101) is referred to as a high-temperature section (120).
  • the thermal storage fluid stored in the low-temperature section (110) is formed at a lower temperature than the thermal storage fluid stored in the other remaining cells
  • the thermal storage fluid stored in the high-temperature section (120) is formed at a higher temperature than the thermal storage fluid stored in the other remaining cells.
  • a temperature gradient can be formed in the thermal storage fluid in the storage tank (101) so that the temperature of the thermal storage fluid stored in each cell gradually increases as it goes from the low-temperature section (110) to the high-temperature section (120).
  • the thermal energy storage device (100) may be provided with a low-temperature discharge pipe (111) connected to the low-temperature pump (115) in the low-temperature section (110) to discharge low-temperature heat storage fluid within the low-temperature section (110) to the outside, and a low-temperature inlet pipe (112) connected to a lower portion of the low-temperature section (110) to receive low-temperature heat storage fluid from the outside, and a high-temperature discharge pipe (121) connected to the high-temperature pump (125) to discharge high-temperature heat storage fluid within the high-temperature section (120) to the outside, and a high-temperature inlet pipe (122) connected to a higher-temperature upper portion of the high-temperature section (120) to receive high-temperature heat storage fluid from the outside.
  • a low-temperature discharge pipe (111) connected to the low-temperature pump (115) in the low-temperature section (110) to discharge low-temperature heat storage fluid within the low-temperature section (110) to the outside
  • the thermal energy storage device (100) can be formed such that the cell connecting pipe (155) connecting a pair of neighboring cells includes an upper circulation port (151) communicating with a relatively higher temperature upper portion within one cell on the low-temperature section (120) or the low-temperature section (110) side and a lower circulation port (151) communicating with a relatively lower temperature lower portion within the other cell on the high-temperature section (120) or the high-temperature section (120) side, and allows a heat storage fluid within one cell that is relatively low temperature when compared between the one cell and the other cell, a heat storage fluid that is relatively high temperature when compared between the upper and lower portions, and a heat storage fluid within the other cell that is relatively high temperature when compared between the one cell and the other cell, a heat storage fluid that is relatively low temperature when compared between the upper and lower portions, are directly connected to each other, thereby minimizing the temperature difference between the heat storage fluids transported through the cells.
  • the cell connection pipe (155) may be equipped with a flow controller (153) that controls the flow rate
  • the above thermal energy storage device (100) can operate in such a way that, in energy storage mode, high temperature heat storage fluid heated by an external heating source flows into the high temperature section (120) at the other end through the high temperature inlet pipe (122), and as the heat storage fluid in the high temperature section (120) is transferred from the other side to one side of the storage tank (101) through at least one cell connection pipe (155), a temperature gradient is formed so that the temperature of the cells changes from high temperature to low temperature as it moves from the other side to one side, and the low temperature heat storage fluid, whose temperature has decreased while being transferred, is transferred to an external heating source through the low temperature section pump (115) provided in the low temperature section (110) at the one end and heated again by the external heating source, thereby forming a circulation.
  • the above thermal energy storage device (100) can operate in such a way that, in the energy recovery mode, low-temperature heat storage fluid cooled from an external cooling source flows into the low-temperature section (110) at one end through the low-temperature inlet pipe (112), and as the heat storage fluid in the low-temperature section (110) is transferred from one side to the other side of the storage tank (101) through at least one cell connection pipe (155), a temperature gradient is formed so that the temperatures of the cells change from low to high as they go from one side to the other side, and as the high-temperature heat storage fluid is transferred, the temperature of which increases while being transferred, to the external cooling source through the high-temperature section pump (125) provided in the high-temperature section (120) at the other end, and is cooled again by the external cooling source, thereby forming a circulation.
  • the thermal energy storage device (100) may further include a unit (150) formed as at least one cell disposed between the low-temperature section (110) and the high-temperature section (120).
  • the thermal energy storage device (100) includes a plurality of the unit parts (150), and at least one of the unit parts (150) selected from the plurality of the unit parts (150) forms a medium-temperature part (130), and the medium-temperature part (130) may be equipped with a medium-temperature part pump (135), a medium-temperature discharge pipe (131) connected to the medium-temperature part pump (135) to discharge heat storage fluid within the medium-temperature part (130) to the outside, and a medium-temperature inlet pipe (132) connected to the inside of the medium-temperature part (130) to receive heat storage fluid from the outside.
  • a medium-temperature part pump (135) a medium-temperature discharge pipe (131) connected to the medium-temperature part pump (135) to discharge heat storage fluid within the medium-temperature part (130) to the outside
  • a medium-temperature inlet pipe (132) connected to the inside of the medium-temperature part (130) to receive heat storage fluid from the outside.
  • the thermal energy storage device (100) is a unit row, which is a connection of multiple cells in which a temperature gradient is formed from low temperature to high temperature from one side to the other
  • multiple unit rows are stacked and connected in parallel so that a temperature gradient is formed from low temperature to high temperature from one side to the other throughout the stack, or multiple unit rows are stacked and connected in series so that a temperature gradient is formed from low temperature to high temperature while sequentially following the unit rows.
  • the thermal energy storage device (100) is formed so that the temperature gradient direction within the unit column and the stacking direction of the unit columns are perpendicular to each other, and the temperature gradient direction is the horizontal direction, the stacking direction is the vertical direction, and the gravity direction is the height direction, so that the stacked body of the unit columns forms a rectangular parallelepiped, or the temperature gradient direction is the tangential direction, the stacking direction is the radial direction, and the gravity direction is the height direction, so that the stacked body of the unit columns forms a cylindrical shape.
  • thermal energy storage device (100) can be formed so that a thermal storage fluid can flow between the boundaries between the unit columns.
  • the thermal energy storage device (100) may further include a heat recovery pipe (140) formed in the form of a pipe that sequentially passes through the cells in the storage tank (101) from the low-temperature section (110) to the high-temperature section (120) and through which a heat recovery fluid is circulated inside.
  • a heat recovery pipe (140) formed in the form of a pipe that sequentially passes through the cells in the storage tank (101) from the low-temperature section (110) to the high-temperature section (120) and through which a heat recovery fluid is circulated inside.
  • thermal energy storage device (100) may further include a bubble injection pipe (160) that introduces bubbling fluid into the lower part of the cells in the storage tank (101).
  • the number of tanks is minimized to a single tank, which in turn minimizes pumps, electric fields, and piping, resulting in an economic effect of minimizing initial investment and operating costs.
  • the pumps installed in the storage tank are always guaranteed a stable water level, it has the effect of preventing pump damage or instability in pump operation due to a drop in water level.
  • Figure 1 is a conceptual diagram of a conventional two-tank molten salt thermal energy storage system.
  • Figure 2 is a conceptual diagram of a thermal energy storage device having a temperature gradient of the present invention and its connection to the outside.
  • Figure 3 is a thermal energy storage device having a temperature gradient of the present invention.
  • Fig. 4 is an embodiment having multiple cells.
  • Figure 5 is energy storage mode.
  • Figure 6 is energy recovery mode.
  • Figure 7 shows the detailed configuration of the cell connector.
  • Figure 8 shows the inflow and outflow of heat storage medium in the medium temperature region.
  • Figure 9 Large capacity using parallel configuration - Parallel configuration 1 (arrow indicates energy release mode).
  • Figure 10 Large capacity using parallel configuration - Parallel configuration 2 (arrow indicates energy release mode).
  • Figure 11 shows large capacity using a square serial configuration - a square serial configuration (arrow indicates energy release mode).
  • Figure 12 Large capacity using a circular series configuration - circular series configuration (arrow indicates energy release mode).
  • Fig. 13 is an example of heat recovery using piping.
  • High temperature discharge pipe 122 High temperature inlet pipe
  • Unit section 155 Cell connector
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a thermal energy storage device having a temperature gradient of the present invention and its connection to the outside.
  • the thermal energy storage device of the present invention uses only a single storage tank, and instead, the inside of the storage tank is separated into multiple cells, and the temperature of the thermal storage fluid stored in each of the multiple cells is structured so that it gradually gradients from low temperature to high temperature. At this time, since the temperature difference between the cells that are closely adjacent to each other is not that large, the energy loss due to heat transfer is not significantly large.
  • the thermal energy storage device of the present invention can stably store and operate a thermal storage fluid that covers a high temperature to low temperature with a single tank by having a temperature gradient. Accordingly, as explicitly shown in Fig. 2, by reducing the number of tanks themselves, restrictions on installation space, etc. can be greatly alleviated, and various problems that occurred due to the need for two tanks in the past can be fundamentally resolved.
  • FIG. 3 illustrates the simplest configuration of a thermal energy storage device having a temperature gradient of the present invention.
  • a thermal energy storage device (100) having a temperature gradient of the present invention may include: a storage tank (101) in which a thermal storage fluid is stored; a cell separator (105) that separates the storage tank (101) into a plurality of cells; a cell connecting pipe (155) that connects the upper part of one cell and the lower part of the other cell among a pair of adjacent cells; a low-temperature pump (115) provided in a cell located at one end of the cells in the storage tank (101) and transporting a low-temperature thermal storage fluid; and a high-temperature pump (125) provided in a cell located at the other end of the cells in the storage tank (101) and transporting a high-temperature thermal storage fluid.
  • FIG. 4 illustrates an embodiment having multiple cells. By installing multiple cell separators (105) in this way, the storage tank can be divided into multiple cells, and accordingly, the temperature gradient can be made more gradual.
  • the thermal energy storage device (100) of the present invention is provided with at least one cell separator (105) in the storage tank (101), thereby forming at least two cells, i.e., spaces that are isolated from each other.
  • the storage tank (101) itself is sealed and insulated from the outside, so that heat exchange with the outside is minimized.
  • the thermal storage fluid stored in each cell is blocked from heat exchange with each other to some extent by the cell separator (105) (of course, strictly speaking, some heat transfer may occur through conduction through the cell separator (105), but) so that the thermal storage fluid having a temperature difference can be stably stored in each cell.
  • the thermal storage fluid is only stored in each cell, energy cannot be stored or recovered, so the thermal storage fluid must be able to be transferred between the cells.
  • the internal temperature conditions of each cell can be stably maintained, while, overall, energy storage or recovery operations can be smoothly performed.
  • the cell located at one end is referred to as a low-temperature section (110), and among the cells in the storage tank (101), the cell located at the other end is referred to as a high-temperature section (120).
  • Fig. 3 illustrates a case where the thermal energy storage device (100) is composed of only two cells, the low-temperature section (110) and the high-temperature section (120), and
  • Fig. 4 illustrates a case where the device is composed of more cells.
  • the cell located between the low-temperature section (110) and the high-temperature section (120) is referred to as a unit section (150).
  • a heat storage fluid having a temperature difference can be stably stored between each cell separated by the cell separator (105).
  • the heat storage fluid stored in the low-temperature section (110) is formed at a lower temperature than the heat storage fluid stored in the remaining other cells
  • the heat storage fluid stored in the high-temperature section (120) is formed at a higher temperature than the heat storage fluid stored in the remaining other cells. If there are only two cells in the storage tank (101) as shown in FIG. 3, one of the two cells will become the low-temperature section (110), and the other cell will become the high-temperature section (120). Or, if there are two or more cells in the storage tank (101) as in Fig.
  • the cell at one end becomes the low-temperature section (110), the cell at the other end becomes the high-temperature section (120), and a temperature gradient can be formed in the heat storage fluid in the storage tank (101) so that the temperature of the heat storage fluid stored in each cell gradually increases as it goes from the low-temperature section (110) to the high-temperature section (120).
  • the low temperature section (110) and the high temperature section (120) are provided with the low temperature section pump (115) and the high temperature section pump (125), respectively, and are formed so as to be able to discharge low temperature or high temperature heat storage fluid when necessary. More specifically, first, the low temperature section (110) is provided with a low temperature discharge pipe (111) that is connected to the low temperature section pump (115) and discharges the low temperature heat storage fluid inside the low temperature section (110) to the outside, and a low temperature inlet pipe (112) that is connected to a lower part that is relatively lower in the low temperature section (110) and receives the low temperature heat storage fluid from the outside.
  • a low temperature discharge pipe (111) that is connected to the low temperature section pump (115) and discharges the low temperature heat storage fluid inside the low temperature section (110) to the outside
  • a low temperature inlet pipe (112) that is connected to a lower part that is relatively lower in the low temperature section (110) and receives the low temperature heat storage fluid from the outside.
  • the high temperature section (120) is provided with a high temperature discharge pipe (121) that is connected to the high temperature section pump (125) and discharges the high temperature heat storage fluid within the high temperature section (120) to the outside, and a high temperature inlet pipe (122) that is connected to a relatively higher temperature upper portion within the high temperature section (120) and receives the high temperature heat storage fluid from the outside.
  • the cell connection pipe (155) which connects a pair of neighboring cells to each other includes an upper circulation port (151) which communicates with a relatively higher temperature upper portion within one cell on the low-temperature section (120) or the low-temperature section (110) side, and a lower circulation port (151) which communicates with a relatively lower temperature lower portion within the other cell on the high-temperature section (120) or the high-temperature section (120).
  • the cell connecting pipe (155) among the heat storage fluids in one cell that are relatively low in temperature when compared between one cell and the other cell, the heat storage fluid that is relatively high in temperature when compared between the upper and lower parts, and among the heat storage fluids in the other cell that are relatively high in temperature when compared between one cell and the other cell, the heat storage fluid that is relatively low in temperature when compared between the upper and lower parts can be directly connected to each other.
  • the cell connecting pipe (155) has a structure that allows the fluids with the smallest temperature difference among the heat storage fluids in neighboring cells to directly meet each other.
  • FIG. 5 illustrates an energy storage mode.
  • the thermal energy storage device (100) having the temperature gradient in the energy storage mode, can send a low-temperature thermal storage fluid to an external heating source while receiving a high-temperature thermal storage fluid, and store the thermal storage fluid in the storage tank (101) while moving the thermal storage fluid internally through the cells and cell connecting pipes (155).
  • the high-temperature thermal storage fluid heated by the external heating source is introduced into the high-temperature section (120) at the other end through the high-temperature inlet pipe (122).
  • the thermal storage fluid in the high-temperature section (120) is transferred from the other side to one side of the storage tank (101) through at least one cell connecting pipe (155), a temperature gradient is formed so that the temperature of the cells changes from a high temperature to a low temperature as they move from the other side to one side.
  • the low-temperature heat storage fluid which has been transported and has its temperature lowered, is transferred to an external heating source through the low-temperature pump (115) provided in the low-temperature section (110) at one end, and is heated again by the external heating source, thereby forming a circulation.
  • FIG. 6 illustrates an energy recovery mode.
  • the thermal energy storage device (100) having the temperature gradient in the energy recovery mode, can send a high-temperature heat storage fluid to an external cooling source while receiving a low-temperature heat storage fluid, and store the heat storage fluid in the storage tank (101) while moving the heat storage fluid internally through the cells and cell connection pipes (155).
  • a low-temperature heat storage fluid cooled by an external cooling source is introduced into the low-temperature section (110) at one end through the low-temperature inlet pipe (112).
  • the heat storage fluid in the low-temperature section (110) is transferred from one side of the storage tank (101) to the other side through at least one cell connection pipe (155), a temperature gradient is formed so that the temperatures of the cells change from low to high as they go from one side to the other.
  • the high temperature heat storage fluid which has been transported and has increased in temperature, is transferred to an external cooling source through the high temperature pump (125) provided in the high temperature section (120) at the other end, and is cooled again by the external cooling source, thereby completing circulation.
  • FIG. 7 illustrates a detailed configuration of a cell connecting pipe.
  • the cell connecting pipe (155) may be in the form of a pipe having a circular cross-section as illustrated in the left drawing of FIG. 7, or may be in the form of a duct having a rectangular cross-section as illustrated in the right drawing of FIG. 7.
  • the cell connecting pipe (155) be provided with a flow regulator (153) that controls the flow rate of the heat storage fluid passing through the cell connecting pipe (155). If the flow rate inside the cell connecting pipe (155) is too low, mixing due to the density difference inside the cell connecting pipe (155) may become large. To prevent this, the flow rate must be maintained at an appropriate speed or higher.
  • the flow regulator (153) is provided for this purpose, and the flow regulator (153) controls the flow rate by controlling the passage area of the heat storage fluid.
  • the above flow regulator (153) can be a valve if the cell connection pipe (155) is a pipe, or a damper if it is a duct.
  • FIG. 8 illustrates an embodiment in which a heat storage medium is introduced and discharged from a medium-temperature section.
  • the thermal energy storage device (100) of the present invention may include a plurality of unit sections (150). At this time, at least one unit section (150) selected from the plurality of unit sections (150) may form a medium-temperature section (130). While the other unit sections (150) merely store the heat storage fluid in an intermediate stage in which the heat storage fluid is transferred between one side and the other side, the medium-temperature section (130) may further introduce and discharge a heat storage fluid (such as molten salt) in the intermediate stage.
  • a heat storage fluid such as molten salt
  • the medium-temperature section (130) may be equipped with a medium-temperature section pump (135), a medium-temperature discharge pipe (131) connected to the medium-temperature section pump (135) to discharge heat storage fluid within the medium-temperature section (130) to the outside, and a medium-temperature inlet pipe (132) connected to the inside of the medium-temperature section (130) to receive heat storage fluid from the outside.
  • the intermediate temperature section (130) has a similar shape to the low temperature section (110) or the high temperature section (120), and is formed so as to be able to introduce or discharge a heat storage fluid at an appropriate intermediate temperature between the low temperature and the high temperature as needed.
  • the thermal energy storage device having a temperature gradient of the present invention can be made large in various ways.
  • a plurality of cells connected to form a temperature gradient from low temperature to high temperature from one side to the other are called a unit column.
  • various large capacities can be made.
  • Fig. 9 illustrates an example of parallel configuration 1.
  • a plurality of unit rows are stacked and connected in a parallel manner, so that a temperature gradient is formed from low temperature to high temperature from one side to the other throughout the stack.
  • the unit rows are configured in parallel to increase the capacity.
  • the wall thickness of the intermediate tanks can be reduced.
  • the arrows in Fig. 9 indicate the fluid flow for the energy release mode.
  • Fig. 10 illustrates an example of parallel configuration 2.
  • Parallel configuration 2 is a structure in which fluid can easily pass between adjacent unit rows in parallel configuration 1.
  • a heat storage fluid is formed between the boundaries between the unit rows so that it can flow. By doing so, the number of pumps and the number of outlets can be reduced.
  • the part indicated by the arrow in Fig. 10 is a boundary through which fluid can pass, and an example of the structure of this boundary plate is shown at the end of the arrow. Meanwhile, the arrow in Fig. 10 also indicates the fluid flow for the energy release mode.
  • Figures 11 and 12 illustrate examples of large-capacity storage using a series configuration. That is, a plurality of unit columns are stacked and connected in a series-connected manner, so that a temperature gradient is formed from low temperature to high temperature while sequentially following the unit columns. Meanwhile, the temperature gradient direction within the unit column and the stacking direction of the unit columns are formed perpendicular to each other in both the parallel configuration and the series configuration, but in the parallel configuration of Figures 9 and 10 or the series configuration of Figure 11, the temperature gradient direction is horizontal, the stacking direction is vertical, and the gravity direction is height direction, so that the stacked body of the unit columns forms a rectangular solid.
  • the temperature gradient direction is tangential
  • the stacking direction is radial
  • the gravity direction is height direction, so that the stacked body of the unit columns forms a cylindrical shape.
  • the arrows in Figures 11 and 12 also indicate the fluid flow for the energy release mode.
  • FIG. 13 illustrates an example of heat recovery using a pipe, and in this case, a heat recovery pipe (140) may be additionally provided.
  • the heat recovery pipe is formed to recover heat instead of an external cooling source, and is formed in the form of a pipe that sequentially passes through the cells in the storage tank (101) from the low-temperature section (110) to the high-temperature section (120), so that a heat recovery fluid is circulated inside.
  • a heat recovery inlet (141) is formed on the low-temperature section (110) side
  • a heat recovery outlet (142) is formed on the high-temperature section (120) side, so that the heat recovery fluid can be introduced and discharged.
  • a heat recovery bypass (143) is formed in the middle, so that a medium-temperature heat recovery fluid can be bypassed in the middle, if necessary.
  • Various media can be used as the heat recovery fluid, and water and steam are generally widely used.
  • a bubble injection pipe (160) for introducing bubbling fluid into the lower part of the cells in the storage tank (101) may be further provided.
  • the bubbling gas injected into the bubble injection pipe (160) can force an active flow while passing through the heat storage fluid, thereby increasing the heat transfer rate to the heat recovery fluid.
  • high-temperature energy can be stored in a single tank in which the water level is maintained constant, thereby minimizing the number of tanks, and accordingly, minimizing pumps, electric fields, piping, etc., thereby minimizing initial investment costs and operating costs, resulting in an economic effect.

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Abstract

본 발명의 목적은 열에너지를 단일 탱크에 원활하게 저장할 수 있고, 운용 및 관리가 편리하여 활용범위를 종래보다 훨씬 확장할 수 있는 열에너지 저장장치를 제공함에 있다. 본 발명의 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치는, 열저장유체가 수용되는 저장탱크; 저장탱크를 2개 이상의 셀로 분리하는 셀분리판; 이웃하는 셀의 상부와 하부를 연결하는 셀연결관; 저온의 열저장유체를 이송하는 저온부펌프; 고온의 열저장유체를 이송하는 고온부펌프; 를 포함할 수 있다.

Description

온도구배를 갖는 열에너지 저장장치
본 발명은 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양열 등으로 발생한 고온에너지 또는 풍력, 태양광 등으로 발생된 전기를 고온에너지로 변환하여 저장할 수 있게 하는 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치에 관한 것이다.
산업발전으로 인하여 에너지의 소비가 극대화되고 있는 현재, 에너지의 낭비를 막고 보다 효율적으로 활용하고자 하는 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러한 연구 중 하나가 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)으로서, 부하조정이 어려운 태양광이나 풍력 발전에 의해 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가, 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 등과 같은 방식으로 작동한다.
고온에너지 저장장치의 한 예시로 용융염 방식이 있다. 태양열 방식의 경우, 잉여 태양열을 집열시켜서 합성 오일 등의 온도를 높이고 이를 작동 유체로 이용하여 용융염에 열에너지 형태로 저장한다. 즉, 열에너지를 열에너지로 저장한다. 한편, 태양광이나 풍력의 경우, 잉여 전기에너지를 열에너지로 전환한 후에, 마찬가지로 이 열에너지를 용융염에 열에너지 형태로 저장한다. 전기가 필요한 시점에 저장해 둔 고온의 용융염에 내포된 에너지를 이용하여 발전을 수행한다. 이 경우는 전기에너지를 열에너지로 바꾸어 저장하는 원리이다.
용융염 방식 외에도, 태양광 또는 풍력처럼 전력을 발생시키는 경우 배터리에 전기에너지를 저장하는 방식도 전통적으로 사용되어 오고 있다. 잉여 전력이 대용량인 경우에는 배터리 저장 방식이 비경제적이기 때문에, 전기에너지를 열에너지로 바꾸어 저장하는 방식이 더 채용되어 사용되고 있다. 한 예시로서, 한국특허공개 제2007-0022679호("열 에너지를 저장하는 방법 및 장치", 2007.02.27.)에는, 공급 오프피크 기간에서의 전기에너지 또는 재생에너지를 저장할 수 있도록, 열에너지를 저장할 필요가 있을 때 그라파이트 본체의 내부영역을 가열하고, 열에너지를 사용할 필요가 있을 때 열교환기에 의해 열을 회수하는 장치가 개시된다.
이러한 에너지 저장장치 기술은 현재진행형으로 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있는 터라, 대개의 경우 개발목적에 최적화되도록 설계되며 이에 따라 활용범위가 다소 좁게 형성되는 경우가 많다. 예를 들어 상술한 용융염 열저장장치의 경우 고온에너지, 그 중에서도 태양열 방식의 열에너지를 저장하기에는 매우 적합하지만, 이를 태양광이나 풍력 등에 활용하기 위해서는 전기를 열로 변환하는 별도의 장치가 필요하며, 질이 낮은 전기에너지를 저장하기에도 좋지 않은 등 활용하기에 부적합한 경우가 상당히 있다. 또한 용융염 열저장장치의 경우, 저온저장탱크와 고온저장탱크, 이렇게 2개의 탱크를 설치하여 열에너지를 저장하기 때문에 시스템 구성과 운전이 복잡하다는 문제도 있다.
도 1은 종래의 2탱크 방식의 용융염 열에너지저장 개념도를 도시한 것으로, 도 1을 참조하여 종래의 2탱크 방식에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1에서의 "외부가열원"은 말 그대로 외부로부터 에너지로서 사용할 열을 모으는 곳을 말하는 것으로서, 구체적으로는 태양광축열장치, 전기가열기, 원자로 등이 될 수 있다. 이러한 외부가열원에 의하여 열저장유체가 가열되면, 도 1에 도시된 바와 같이 고온열저장유체가 고온탱크로 이동하여 저장된다. 고온탱크 내의 고온열저장유체는 일반적으로 600℃ 정도의 온도환경을 형성한다. 이러한 고온열저장유체가 가지고 있는 열에너지가 "외부냉각원"으로 이동하면, 다른 매체를 이용하여 고온열저장유체가 가지고 있는 열이 "열원수요처"로 전달될 수 있게 된다. 이 과정에서 고온열저장유체는 열에너지를 잃고 "냉각"되기 때문에 이러한 열전달장치를 "외부냉각원"이라고 칭하는 것이다. 한편, 여기에 사용되는 매체는 열을 효과적으로 전달할 수 있으며 경제적이고 널리 사용이 가능하다면 어떤 매체든 될 수 있는데, 구체적으로는 도 1에 표시된 바와 같이 물을 사용하는 것이 일반적이다. 이렇게 매체를 통해 열원수요처로 열에너지를 공급한 후 온도가 떨어진 저온열저장유체는, 저온탱크로 이동하여 저장된다. 저온탱크 내의 저온열저장유체는 일반적으로 200℃ 정도의 온도환경을 형성한다. 이러한 저온열저장유체가 다시 외부가열원으로 이동하여 열에너지를 받아들임으로써, 열저장유체의 순환이 이루어지게 된다.
이처럼 종래의 2탱크 방식에서는, 고온열저장유체를 저장하는 고온탱크 및 저온열저장유체를 저장하는 저온탱크, 이렇게 2개의 탱크를 사용하였다. 이에 따라 2개의 탱크를 각각 설치하기 위해 상당한 부피의 공간이 필요한데, 각각의 탱크가 모두 꽉 채워져 있는 것이 아니기 때문에 당연히 항상 상당히 많은 잉여공간이 발생하게 된다. 이처럼 종래의 2탱크 방식의 경우 상당한 공간의 낭비가 있을 수밖에 없어, 설치나 용량 등에도 제한이 있고 상술한 바와 같이 구성과 운전 등이 복잡해지는 문제가 있었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 한국특허공개 제2007-0022679호("열 에너지를 저장하는 방법 및 장치", 2007.02.27.)
(특허문헌 2) 한국특허공개 제2023-0113455호("전기 및 고온에너지 저장장치", 2023.07.31.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 열에너지를 단일 탱크에 원활하게 저장할 수 있고, 운용 및 관리가 편리하여 활용범위를 종래보다 훨씬 확장할 수 있는 열에너지 저장장치를 제공함에 있다. 보다 상세하게는, 열저장유체의 온도에 따른 밀도차를 이용하여, 단일 탱크에 열저장유체를 온도구배를 가지도록 순차적으로 저장하고, 필요한 경우 온도 분포를 가지도록 순차적으로 회수하는 열에너지 저장장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치(100)는, 열저장유체가 수용되는 저장탱크(101); 상기 저장탱크(101)를 복수 개의 셀로 분리하는 셀분리판(105); 서로 이웃하는 한 쌍의 셀들 중 일측셀 상부와 타측셀 하부를 연결하는 셀연결관(155); 상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 일측끝단에 위치하는 셀에 구비되어 저온의 열저장유체를 이송하는 저온부펌프(115); 상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 타측끝단에 위치하는 셀에 구비되어 고온의 열저장유체를 이송하는 고온부펌프(125); 를 포함할 수 있다.
또한 상기 열에너지 저장장치(100)는, 상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 일측끝단에 위치하는 셀을 저온부(110)라 하고, 상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 타측끝단에 위치하는 셀을 고온부(120)라 하며, 상기 저온부(110)에 저장되는 열저장유체가 나머지의 다른 셀에 저장되는 열저장유체에 비해 저온으로 형성되고, 상기 고온부(120)에 저장되는 열저장유체가 나머지의 다른 셀에 저장되는 열저장유체에 비해 고온으로 형성되며, 상기 저온부(110)에서 상기 고온부(120)로 갈수록 각각의 셀에 저장되는 열저장유체의 온도가 점진적으로 증가하도록, 상기 저장탱크(101) 내 열저장유체에 온도구배가 형성될 수 있다.
또한 상기 열에너지 저장장치(100)는, 상기 저온부(110)에, 상기 저온부펌프(115)와 연결되어 상기 저온부(110) 내의 저온열저장유체를 외부로 배출하는 저온배출관(111) 및 상기 저온부(110) 내에서 상대적으로 더 저온인 하부와 연통되어 외부로부터 저온열저장유체를 유입받는 저온유입관(112)이 구비되며, 상기 고온부(120)에, 상기 고온부펌프(125)와 연결되어 상기 고온부(120) 내의 고온열저장유체를 외부로 배출하는 고온배출관(121) 및 상기 고온부(120) 내에서 상대적으로 더 고온인 상부와 연통되어 외부로부터 고온열저장유체를 유입받는 고온유입관(122)이 구비될 수 있다.
또한 상기 열에너지 저장장치(100)는, 서로 이웃하는 한 쌍의 셀들을 서로 연통시키는 상기 셀연결관(155)이, 상기 저온부(120) 또는 상기 저온부(110) 쪽인 일측셀 내에서 상대적으로 더 고온인 상부와 연통되는 상부유통구(151) 및 상기 고온부(120) 또는 상기 고온부(120) 쪽인 타측셀 내에서 상대적으로 더 저온인 하부와 연통되는 하부유통구(151)를 포함하며, 일측셀 및 타측셀 간을 비교할 때 상대적으로 저온인 일측셀 내 열저장유체 중에서, 상부 및 하부 간을 비교할 때 상대적으로 고온인 열저장유체와, 일측셀 및 타측셀 간을 비교할 때 상대적으로 고온인 타측셀 내 열저장유체 중에서, 상부 및 하부 간을 비교할 때 상대적으로 저온인 열저장유체가 서로 직접적으로 연통되게 함으로써, 셀들 간을 통과하여 이송되는 열저장유체 간 온도차를 극소화하도록 형성될 수 있다. 또한 상기 셀연결관(155)은, 상기 셀연결관(155)을 통과하는 열저장유체의 유량을 조절하는 유량조절기(153)를 구비할 수 있다.
상기 열에너지 저장장치(100)는, 에너지 저장모드 시, 외부가열원에서 가열된 고온의 열저장유체가 상기 고온유입관(122)을 통해 타측끝단의 상기 고온부(120)로 유입되고, 상기 고온부(120) 내의 열저장유체가 적어도 하나의 상기 셀연결관(155)을 통해 상기 저장탱크(101)의 타측에서 일측으로 이송됨에 따라, 셀들의 온도가 타측에서 일측으로 가면서 고온에서 저온이 되도록 온도구배가 형성되고, 이송되어 오면서 온도가 내려간 저온의 열저장유체가 일측끝단의 상기 저온부(110)에 구비된 상기 저온부펌프(115)를 통해 외부가열원으로 전달되어 다시 외부가열원에서 가열됨으로써 순환이 이루어지도록 동작할 수 있다.
상기 열에너지 저장장치(100)는, 에너지 회수모드 시, 외부냉각원에서 냉각된 저온의 열저장유체가 상기 저온유입관(112)을 통해 일측끝단의 상기 저온부(110)로 유입되고, 상기 저온부(110) 내의 열저장유체가 적어도 하나의 상기 셀연결관(155)을 통해 상기 저장탱크(101)의 일측에서 타측으로 이송됨에 따라, 셀들의 온도가 일측에서 타측으로 가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성되고, 이송되어 오면서 온도가 올라간 고온의 열저장유체가 타측끝단의 상기 고온부(120)에 구비된 상기 고온부펌프(125)를 통해 외부냉각원으로 전달되어 다시 외부냉각원에서 냉각됨으로써 순환이 이루어지도록 동작할 수 있다.
또한 상기 열에너지 저장장치(100)는, 상기 저온부(110) 및 상기 고온부(120) 사이에 배치되는 적어도 하나의 셀로서 형성되는 단위부(150); 를 더 포함할 수 있다.
이 때 상기 열에너지 저장장치(100)는, 복수 개의 상기 단위부(150)를 포함하되, 복수 개의 상기 단위부(150) 중 선택되는 적어도 하나의 상기 단위부(150)가 중온부(130)를 형성하며, 상기 중온부(130)는, 중온부펌프(135), 상기 중온부펌프(135)와 연결되어 상기 중온부(130) 내의 열저장유체를 외부로 배출하는 중온배출관(131), 상기 중온부(130) 내와 연통되어 외부로부터 열저장유체를 유입받는 중온유입관(132)이 구비될 수 있다.
또한 상기 열에너지 저장장치(100)는, 일측에서 타측으로 가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성되는 복수 개의 셀들의 연결체를 단위열이라 할 때, 복수 개의 단위열이 적층배치되되 병렬연결된 형태로 형성됨으로써 적층체 전체적으로 일측에서 타측으로 가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성되거나, 복수 개의 단위열이 적층배치되되 직렬연결된 형태로 형성됨으로써 단위열들을 순차적으로 따라가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성될 수 있다.
이 때 상기 열에너지 저장장치(100)는, 단위열 내의 온도구배방향 및 단위열들의 적층배치방향이 서로 수직하게 형성되되, 온도구배방향이 가로방향, 적층배치방향이 세로방향, 중력방향이 높이방향이 됨으로써 단위열들의 적층체가 직육면체를 형성하거나, 온도구배방향이 접선방향, 적층배치방향이 반경방향, 중력방향이 높이방향이 됨으로써 단위열들의 적층체가 원통형태를 형성할 수 있다.
또한 상기 열에너지 저장장치(100)는, 단위열들 간의 경계면 사이로 열저장유체가 유통가능하게 형성될 수 있다.
부가적으로, 상기 열에너지 저장장치(100)는, 상기 저장탱크(101) 내의 셀들을 상기 저온부(110)에서 상기 고온부(120)까지 순차적으로 통과하는 배관 형태로 형성되어 내부에 열회수유체가 유통되는 열회수배관(140); 을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 열에너지 저장장치(100)는, 상기 저장탱크(101) 내 의셀들 하부에 버블링유체를 유입시키는 버블주입관(160); 을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 고온에너지를 수위가 일정하게 유지되는 단일 탱크에 저장할 수 있는 큰 효과가 있다.
또한 탱크 개수가 단일 탱크로 최소화되고, 이에 따라 펌프, 전계장, 배관 등이 최소화되어 초기 투자비 및 운전비가 최소화되는 경제적인 효과가 있다.
또한 수위가 일정하기 때문에 저장탱크에 가해지는 수두압이 일정하며, 이에 따라 수위 변경에 따른 반복 하중이 없어, 반복하중에 따른 구조적인 피로 파괴의 위험성이 제거되어 탱크의 구조적인 안전성이 높아지는 효과가 있다.
또한 저장탱크에 설치된 펌프들이 항상 안정된 수위를 보장 받기 때문에, 수위 저하에 따른 펌프 파손이나 펌프 운전의 불안정성을 피할 수 있는 효과가 있다.
더불어 본 발명에 의하면, 장치 자체가 단순한 구조를 가지고 있음으로써 제작용이성 및 경제성이 향상될 뿐만 아니라, 모듈 개념을 이용하여 단순한 대용량화가 가능하다는 효과 또한 있다.
도 1은 종래의 2탱크 방식의 용융염 열에너지저장 개념도.
도 2는 본 발명의 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치와 외부와의 연결 개념도.
도 3은 본 발명의 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치.
도 4는 복수 개의 셀을 가지는 실시예.
도 5는 에너지저장모드.
도 6은 에너지회수모드.
도 7은 셀연결관의 상세구성.
도 8은 중온부에서 열저장매체의 유출입.
도 9는 병렬구성을 이용한 대용량화 - 병렬구성 1 (화살표는 에너지방출모드).
도 10은 병렬구성을 이용한 대용량화 - 병렬구성 2 (화살표는 에너지방출모드).
도 11은 사각형 직렬구성을 이용한 대용량화 - 사각형 직렬구성 (화살표는 에너지방출모드).
도 12는 원형 직렬구성을 이용한 대용량화 - 원형 직렬구성 (화살표는 에너지방출모드).
도 13은 배관을 이용한 열회수 실시예.
**부호의 설명**
100 : 열에너지 저장장치
101 : 저장탱크 105 : 셀분리판
110 : 저온부 115 : 저온부펌프
111 : 저온배출관 112 : 저온유입관
120 : 고온부 125 : 고온부펌프
121 : 고온배출관 122 : 고온유입관
130 : 중온부 135 : 중온부펌프
131 : 중온배출관 132 : 중온유입관
140 : 열회수배관 141 : 열회수유입구
142 : 열회수배출구 143 : 열회수우회로
150 : 단위부 155 : 셀연결관
151 : 상부유통구 152 : 하부유통구
153 : 유량조절기 160: 버블주입관
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치와 외부와의 연결 개념도를 도시한 것이다. 도 1을 다시 참조하면, 종래의 2탱크 방식의 열에너지 저장장치의 경우, 고온탱크 및 저온탱크, 이렇게 2개의 탱크를 반드시 필요로 하였다. 그러나 본 발명의 열에너지 저장장치는, 단일 개의 저장탱크만 사용하며, 대신 저장탱크 내부가 복수 개의 셀로 분리되게 하되, 복수 개의 셀에 각각 저장된 열저장유체의 온도가 저온에서 고온까지 점진적으로 구배되도록 하는 구조로 된다. 이 때, 서로 밀접해있는 셀들 간에는 온도차가 그다지 크지 않기 때문에 열전달로 인한 에너지손실이 유의미하게 크지 않다. 그러나 충분히 셀 개수를 늘려 저온부와 고온부 간의 거리를 벌려 준다면, 충분히 원하는 만큼의 저온부 / 고온부 간 온도차를 안정적으로 유지할 수 있게 된다. 이처럼 본 발명의 열에너지 저장장치는 온도구배를 갖도록 함으로써, 하나의 탱크로 고온에서 저온까지를 아우르는 열저장유체를 안정적으로 저장하며 운용할 수 있다. 이에 따라, 도 2에 명시적으로 나타나다시피, 탱크 자체의 개수를 줄임으로써 설치 공간 등의 제한을 훨씬 완화할 수 있는 등, 종래에 2개의 탱크를 필요로 하였기 때문에 발생하는 여러 문제들을 원천적으로 해소할 수 있다.
도 3은 본 발명의 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치의 가장 간단한 구성을 도시한 것이다. 본 발명의 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치(100)는, 열저장유체가 수용되는 저장탱크(101); 상기 저장탱크(101)를 복수 개의 셀로 분리하는 셀분리판(105); 서로 이웃하는 한 쌍의 셀들 중 일측셀 상부와 타측셀 하부를 연결하는 셀연결관(155); 상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 일측끝단에 위치하는 셀에 구비되어 저온의 열저장유체를 이송하는 저온부펌프(115); 상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 타측끝단에 위치하는 셀에 구비되어 고온의 열저장유체를 이송하는 고온부펌프(125); 를 포함할 수 있다. 도 4는 복수 개의 셀을 가지는 실시예를 도시한 것으로, 이처럼 상기 셀분리판(105)을 복수로 설치하면 저장탱크를 복수 개의 셀로 나눌 수 있으며, 이에 따라 온도구배도 더 점진적으로 만들 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 열에너지 저장장치(100)는, 상기 저장탱크(101) 내에 최소 1개의 상기 셀분리판(105)이 구비됨으로서, 최소 2개의 셀, 즉 서로 격리된 공간이 형성되게 한다. 상기 저장탱크(101) 자체는 물론 외부와 밀폐 및 단열됨으로서 외부와의 열교환은 최소화되게 형성된다. 각각의 셀에 저장된 열저장유체는, (물론 아주 엄밀하게는 상기 셀분리판(105)을 통한 전도에 의해 약간의 열전달이 이루어질 수는 있겠지만) 상기 셀분리판(105)에 의해 어느 정도 서로간의 열교환이 차단되어, 온도차가 있는 열저장유체를 각각 안정적으로 저장할 수 있다. 다만 각각의 셀에 열저장유체가 단지 저장만 되어 있으면 에너지의 저장 또는 회수가 이루어질 수 없으므로, 셀 간에 열저장유체가 이송될 수 있어야 한다. 이 때 이하 설명될 본 발명의 여러 구성들에 의해, 각각의 셀 하나하나의 내부적인 온도조건은 안정적으로 유지되면서도, 전체적으로 볼 때는 에너지의 저장 또는 회수 동작이 원활하게 이루어지게 할 수 있다.
먼저, 상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 일측끝단에 위치하는 셀을 저온부(110)라 하고, 상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 타측끝단에 위치하는 셀을 고온부(120)라 하기로 한다. 도 3은 상기 열에너지 저장장치(100)가 상기 저온부(110) 및 상기 고온부(120) 즉 2개의 셀로만 이루어지는 경우를, 도 4는 더 많은 셀들로 이루어지는 경우를 각각 도시한다. 도 4와 같은 경우 상기 저온부(110) 및 상기 고온부(120) 사이에 배치되는 셀은 단위부(150)라 하기로 한다.
상술한 바와 같이, 상기 셀분리판(105)에 의해 분리된 각각의 셀들 간에는 온도차가 있는 열저장유체가 각각 안정적으로 저장가능하다. 본 발명에서는, 상기 저온부(110)에 저장되는 열저장유체가 나머지의 다른 셀에 저장되는 열저장유체에 비해 저온으로 형성되고, 상기 고온부(120)에 저장되는 열저장유체가 나머지의 다른 셀에 저장되는 열저장유체에 비해 고온으로 형성되게 한다. 도 3에서와 같이 상기 저장탱크(101) 내 셀이 단 2개뿐인 경우라면, 2개의 셀 중 일측셀이 상기 저온부(110)가 되고, 타측셀이 상기 고온부(120)가 될 것이다. 또는 도 4에서와 같이 상기 저장탱크(101) 내 셀이 2개 이상의 복수 개인 경우라면, 일측끝단의 셀이 상기 저온부(110)가 되고, 타측끝단의 셀이 상기 고온부(120)가 되며, 상기 저온부(110)에서 상기 고온부(120)로 갈수록 각각의 셀에 저장되는 열저장유체의 온도가 점진적으로 증가하도록, 상기 저장탱크(101) 내 열저장유체에 온도구배가 형성될 수 있게 된다.
상기 저온부(110) 및 상기 고온부(120)에는, 각각 상기 저온부펌프(115) 및 상기 고온부펌프(125)가 구비되어, 필요한 경우 저온 또는 고온의 열저장유체를 배출할 수 있게 형성된다. 보다 구체적으로는, 먼저 상기 저온부(110)에는, 기 저온부펌프(115)와 연결되어 상기 저온부(110) 내의 저온열저장유체를 외부로 배출하는 저온배출관(111) 및 상기 저온부(110) 내에서 상대적으로 더 저온인 하부와 연통되어 외부로부터 저온열저장유체를 유입받는 저온유입관(112)이 구비된다. 또한 상기 고온부(120)에는, 상기 고온부펌프(125)와 연결되어 상기 고온부(120) 내의 고온열저장유체를 외부로 배출하는 고온배출관(121) 및 상기 고온부(120) 내에서 상대적으로 더 고온인 상부와 연통되어 외부로부터 고온열저장유체를 유입받는 고온유입관(122)이 구비된다.
상술한 바와 같은 상기 저온부(110), 상기 고온부(120) 또는 이들 사이의 상기 단위부(150)는 상기 셀분리판(105)으로 서로 분리되되, 상기 셀분리판(105)에는 또한 상기 셀연결관(155)이 구비됨으로서 셀들 간에 열저장유체가 이동할 수 있다. 단, 상기 셀연결관(155)은 다음과 같은 구성으로 이루어진다. 서로 이웃하는 한 쌍의 셀들을 서로 연통시키는 상기 셀연결관(155)은, 상기 저온부(120) 또는 상기 저온부(110) 쪽인 일측셀 내에서 상대적으로 더 고온인 상부와 연통되는 상부유통구(151) 및 상기 고온부(120) 또는 상기 고온부(120) 쪽인 타측셀 내에서 상대적으로 더 저온인 하부와 연통되는 하부유통구(151)를 포함한다. 이에 따라 상기 셀연결관(155)에 의해서는, 일측셀 및 타측셀 간을 비교할 때 상대적으로 저온인 일측셀 내 열저장유체 중에서, 상부 및 하부 간을 비교할 때 상대적으로 고온인 열저장유체와, 일측셀 및 타측셀 간을 비교할 때 상대적으로 고온인 타측셀 내 열저장유체 중에서, 상부 및 하부 간을 비교할 때 상대적으로 저온인 열저장유체가 서로 직접적으로 연통될 수 있게 된다. 즉 상기 셀연결관(155)은 이웃하는 셀들 내 열저장유체 중 가장 온도차가 적은 유체들이 서로 직접적으로 만날 수 있도록 하는 구조를 가지는 것이다. 결과적으로 셀들 간을 통과하여 이송되는 열저장유체 간 온도차를 극소화하도록 형성됨으로써, 셀들 간 열저장유체의 이송이 이루어진다 하더라도, 각 셀에 저장되는 열저장유체의 온도는 상당히 안정적으로 유지될 수 있다.
이하에서는, 상기 열에너지 저장장치(100)의 동작과정을 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는 에너지 저장모드를 도시한 것이다. 상기 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치(100)는, 에너지 저장모드 시, 외부가열원으로 저온의 열저장유체를 보내면서 고온의 열저장유체를 받아서, 셀 및 셀연결관(155)을 통해 열저장유체를 내부적으로 이동시키면서 상기 저장탱크(101)에 저장할 수 있다. 보다 상세히 설명하자면, 에너지 저장모드 시, 먼저 외부가열원에서 가열된 고온의 열저장유체가 상기 고온유입관(122)을 통해 타측끝단의 상기 고온부(120)로 유입된다. 다음으로, 상기 고온부(120) 내의 열저장유체가 적어도 하나의 상기 셀연결관(155)을 통해 상기 저장탱크(101)의 타측에서 일측으로 이송됨에 따라, 셀들의 온도가 타측에서 일측으로 가면서 고온에서 저온이 되도록 온도구배가 형성된다. 다음으로, 이송되어 오면서 온도가 내려간 저온의 열저장유체가 일측끝단의 상기 저온부(110)에 구비된 상기 저온부펌프(115)를 통해 외부가열원으로 전달되어 다시 외부가열원에서 가열됨으로써 순환이 이루어지게 된다.
도 6은 에너지 회수모드를 도시한 것이다. 상기 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치(100)는, 에너지 회수모드 시, 외부냉각원으로 고온의 열저장유체를 보내면서 저온의 열저장유체를 받아서, 상기 셀 및 셀연결관(155)을 통해 열저장유체를 내부적으로 이동시키면서 상기 저장탱크(101)에 저장할 수 있다. 보다 상세히 설명하자면, 에너지 회수모드 시, 먼저 외부냉각원에서 냉각된 저온의 열저장유체가 상기 저온유입관(112)을 통해 일측끝단의 상기 저온부(110)로 유입된다. 다음으로, 상기 저온부(110) 내의 열저장유체가 적어도 하나의 상기 셀연결관(155)을 통해 상기 저장탱크(101)의 일측에서 타측으로 이송됨에 따라, 셀들의 온도가 일측에서 타측으로 가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성된다. 다음으로, 이송되어 오면서 온도가 올라간 고온의 열저장유체가 타측끝단의 상기 고온부(120)에 구비된 상기 고온부펌프(125)를 통해 외부냉각원으로 전달되어 다시 외부냉각원에서 냉각됨으로써 순환이 이루어지게 된다.
도 7은 셀연결관의 상세구성을 도시한 것이다. 상기 셀연결관(155)은, 도 7 좌측도면에 도시된 바와 같이 원형의 단면을 갖는 배관 형태일 수도 있고, 또는 도 7 우측도면에 도시된 바와 같이 사각형의 단면을 갖는 덕트 형태일 수도 있다. 이 때 상기 셀연결관(155)은, 상기 셀연결관(155)을 통과하는 열저장유체의 유량을 조절하는 유량조절기(153)를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 셀연결관(155) 내부의 유속이 너무 작으면, 상기 셀연결관(155) 내부에서 밀도차에 의한 혼합이 커질 수 있다. 이를 방지하기 위해서 유속을 적정속도 이상으로 유지해 주어야 한다. 상기 유량조절기(153)가 바로 이를 위해 구비되는 것으로, 상기 유량조절기(153)가 열저장유체의 통과면적을 조절하여 유속을 조절한다. 상기 유량조절기(153)는, 상기 셀연결관(155)이 배관인 경우 밸브, 덕트인 경우 댐퍼가 될 수 있다.
도 8은 중온부에서 열저장매체가 유출입되는 실시예를 도시한 것이다. 상술한 바와 같이 본 발명의 열에너지 저장장치(100)는 복수 개의 상기 단위부(150)를 포함할 수 있다. 이 때, 복수 개의 상기 단위부(150) 중 선택되는 적어도 하나의 상기 단위부(150)가 중온부(130)를 형성하도록 할 수 있다. 다른 상기 단위부(150)는 단지 열저장유체가 일측 및 타측 사이에서 이송되는 중간단계에서 열저장유체를 저장하는 역할만 하는 반면, 상기 중온부(130)는 중간에 (용융염과 같은) 열저장유체를 더 유출입시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 중온부(130)에는, 중온부펌프(135), 상기 중온부펌프(135)와 연결되어 상기 중온부(130) 내의 열저장유체를 외부로 배출하는 중온배출관(131), 상기 중온부(130) 내와 연통되어 외부로부터 열저장유체를 유입받는 중온유입관(132)이 구비될 수 있다.
즉 상기 중온부(130)는, 상기 저온부(110) 또는 상기 고온부(120)와 유사한 형태를 가짐으로써, 필요에 따라 저온 및 고온 사이의 적당한 중온에서 열저장유체를 유입시키거나 또는 배출시킬 수 있게 형성되는 것이다. 이렇게 중간에 중온의 열저장유체를 유출입시킴에 따라, 별도의 외부가열원 또는 외부냉각원과 연결시키는 등 시스템을 보다 확장 운용하거나, 에너지 저장 또는 회수 과정에서 적절히 온도를 높이거나 낮춰줌으로서 전체적인 시스템 성능을 향상하는 등의 동작을 실현할 수 있다.
본 발명의 온도구배를 갖는 열에너지 저장장치는 다양한 방식으로 대용량화시킬 수 있다. 상기 열에너지 저장장치(100)에서, 일측에서 타측으로 가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성되는 복수 개의 셀들의 연결체를 단위열이라 한다. 이 단위열들을 어떻게 적층배치하느냐에 따라 다양한 대용량화가 가능하다.
도 9는 병렬구성 1의 실시예를 도시한 것이다. 도 9에서는, 복수 개의 단위열이 적층배치되되 병렬연결된 형태로 형성됨으로써 적층체 전체적으로 일측에서 타측으로 가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성되게 하고 있다. 즉 단위열들을 병렬로 구성하여 대용량화시킨 것이다. 이 경우에는 이웃하는 탱크들의 수두압이 동일하므로, 중간 탱크들의 벽면의 두께를 줄일 수 있다. 도 9의 화살표는 에너지방출모드에 대한 유체 흐름을 표시한 것이다.
도 10은 병렬구성 2의 실시예를 도시한 것이다. 병렬구성 2는, 병렬구성 1에서 이웃하는 단위열들 사이는 유체가 쉽게 오갈 수 있는 구조로 바꾼 것이다. 즉, 단위열들 간의 경계면 사이로 열저장유체가 유통가능하게 형성되게 한 것이다. 이와 같이 함으로써 펌프 개수와 유출구 개수를 줄일 수 있다. 도 10에서 화살표로 표시된 부분은 유체가 통과할 수 있는 경계면이며, 화살표 끝에 이 경계판의 구조 예시를 보였다. 한편 도 10의 화살표는 역시 에너지방출모드에 대한 유체 흐름을 표시한 것이다.
도 11 및 도 12는 직렬구성을 이용한 대용량화 예시를 도시한 것이다. 즉 복수 개의 단위열이 적층배치되되 직렬연결된 형태로 형성됨으로써 단위열들을 순차적으로 따라가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성되게 한 것이다. 한편, 단위열 내의 온도구배방향 및 단위열들의 적층배치방향이 서로 수직하게 형성되게 하는 것은 병렬구성/직렬구성 모두 마찬가지이되, 앞서의 도 9, 10의 병렬구성 또는 도 11의 직렬구성에서는, 온도구배방향이 가로방향, 적층배치방향이 세로방향, 중력방향이 높이방향이 됨으로써 단위열들의 적층체가 직육면체를 형성하게 된다. 한편 도 12의 직렬구성에서는, 온도구배방향이 접선방향, 적층배치방향이 반경방향, 중력방향이 높이방향이 됨으로써 단위열들의 적층체가 원통형태를 형성하게 된다. 도 11 및 도 12의 화살표 역시 에너지방출모드에 대한 유체 흐름을 표시한 것이다.
도 13은 배관을 이용한 열회수 실시예를 도시한 것으로, 이 경우 열회수배관(140)을 더 구비할 수 있다. 열회수배관(Heat Recovery Pipe)은 외부 냉각원을 대신하여 열을 회수할 수 있도록 형성된 것으로, 상기 저장탱크(101) 내의 셀들을 상기 저온부(110)에서 상기 고온부(120)까지 순차적으로 통과하는 배관 형태로 형성되어 내부에 열회수유체가 유통된다. 도시된 바와 같이, 상기 저온부(110) 측에 열회수유입구(141)가 형성되고, 상기 고온부(120) 측에 열회수배출구(142)가 형성되어 열회수유체의 유입-배출이 이루어질 수 있다. 또한 중간에 열회수우회로(143)가 형성됨으로써, 필요에 따라 중온의 열회수유체를 중간에 우회시킬 수도 있다. 열회수유체로는 다양한 매체가 가능하며, 일반적으로 물-증기가 널리 사용된다.
더불어 이 때 상기 저장탱크(101) 내 의셀들 하부에 버블링유체를 유입시키는 버블주입관(160)을 더 구비시킬 수 있다. 상기 버블주입관(160)으로 주입되는 버블링가스(Bubbling Gas)는 열저장유체 내를 통과하면서 활발한 흐름을 강제적으로 만듦으로써, 결과적으로 열회수유체로의 열전달속도를 높일 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 의하면, 고온에너지를 수위가 일정하게 유지되는 단일 탱크에 저장할 수 있어 탱크 개수가 최소화되고, 이에 따라 펌프, 전계장, 배관 등이 최소화되어 초기 투자비 및 운전비가 최소화되는 경제적인 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 열저장유체가 수용되는 저장탱크(101);
    상기 저장탱크(101)를 복수 개의 셀로 분리하는 셀분리판(105);
    서로 이웃하는 한 쌍의 셀들 중 일측셀 상부와 타측셀 하부를 연결하는 셀연결관(155);
    상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 일측끝단에 위치하는 셀에 구비되어 저온의 열저장유체를 이송하는 저온부펌프(115);
    상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 타측끝단에 위치하는 셀에 구비되어 고온의 열저장유체를 이송하는 고온부펌프(125);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 일측끝단에 위치하는 셀을 저온부(110)라 하고, 상기 저장탱크(101) 내 셀들 중 타측끝단에 위치하는 셀을 고온부(120)라 하며,
    상기 저온부(110)에 저장되는 열저장유체가 나머지의 다른 셀에 저장되는 열저장유체에 비해 저온으로 형성되고, 상기 고온부(120)에 저장되는 열저장유체가 나머지의 다른 셀에 저장되는 열저장유체에 비해 고온으로 형성되며,
    상기 저온부(110)에서 상기 고온부(120)로 갈수록 각각의 셀에 저장되는 열저장유체의 온도가 점진적으로 증가하도록, 상기 저장탱크(101) 내 열저장유체에 온도구배가 형성되는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    상기 저온부(110)에, 상기 저온부펌프(115)와 연결되어 상기 저온부(110) 내의 저온열저장유체를 외부로 배출하는 저온배출관(111) 및 상기 저온부(110) 내에서 상대적으로 더 저온인 하부와 연통되어 외부로부터 저온열저장유체를 유입받는 저온유입관(112)이 구비되며,
    상기 고온부(120)에, 상기 고온부펌프(125)와 연결되어 상기 고온부(120) 내의 고온열저장유체를 외부로 배출하는 고온배출관(121) 및 상기 고온부(120) 내에서 상대적으로 더 고온인 상부와 연통되어 외부로부터 고온열저장유체를 유입받는 고온유입관(122)이 구비되는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    서로 이웃하는 한 쌍의 셀들을 서로 연통시키는 상기 셀연결관(155)이,
    상기 저온부(120) 또는 상기 저온부(110) 쪽인 일측셀 내에서 상대적으로 더 고온인 상부와 연통되는 상부유통구(151) 및 상기 고온부(120) 또는 상기 고온부(120) 쪽인 타측셀 내에서 상대적으로 더 저온인 하부와 연통되는 하부유통구(151)를 포함하며,
    일측셀 및 타측셀 간을 비교할 때 상대적으로 저온인 일측셀 내 열저장유체 중에서, 상부 및 하부 간을 비교할 때 상대적으로 고온인 열저장유체와, 일측셀 및 타측셀 간을 비교할 때 상대적으로 고온인 타측셀 내 열저장유체 중에서, 상부 및 하부 간을 비교할 때 상대적으로 저온인 열저장유체가 서로 직접적으로 연통되게 함으로써,
    셀들 간을 통과하여 이송되는 열저장유체 간 온도차를 극소화하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 셀연결관(155)은,
    상기 셀연결관(155)을 통과하는 열저장유체의 유량을 조절하는 유량조절기(153)를 구비하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    에너지 저장모드 시,
    외부가열원에서 가열된 고온의 열저장유체가 상기 고온유입관(122)을 통해 타측끝단의 상기 고온부(120)로 유입되고,
    상기 고온부(120) 내의 열저장유체가 적어도 하나의 상기 셀연결관(155)을 통해 상기 저장탱크(101)의 타측에서 일측으로 이송됨에 따라, 셀들의 온도가 타측에서 일측으로 가면서 고온에서 저온이 되도록 온도구배가 형성되고,
    이송되어 오면서 온도가 내려간 저온의 열저장유체가 일측끝단의 상기 저온부(110)에 구비된 상기 저온부펌프(115)를 통해 외부가열원으로 전달되어 다시 외부가열원에서 가열됨으로써 순환이 이루어지도록 동작하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    에너지 회수모드 시,
    외부냉각원에서 냉각된 저온의 열저장유체가 상기 저온유입관(112)을 통해 일측끝단의 상기 저온부(110)로 유입되고,
    상기 저온부(110) 내의 열저장유체가 적어도 하나의 상기 셀연결관(155)을 통해 상기 저장탱크(101)의 일측에서 타측으로 이송됨에 따라, 셀들의 온도가 일측에서 타측으로 가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성되고,
    이송되어 오면서 온도가 올라간 고온의 열저장유체가 타측끝단의 상기 고온부(120)에 구비된 상기 고온부펌프(125)를 통해 외부냉각원으로 전달되어 다시 외부냉각원에서 냉각됨으로써 순환이 이루어지도록 동작하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    상기 저온부(110) 및 상기 고온부(120) 사이에 배치되는 적어도 하나의 셀로서 형성되는 단위부(150);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    복수 개의 상기 단위부(150)를 포함하되, 복수 개의 상기 단위부(150) 중 선택되는 적어도 하나의 상기 단위부(150)가 중온부(130)를 형성하며,
    상기 중온부(130)는, 중온부펌프(135), 상기 중온부펌프(135)와 연결되어 상기 중온부(130) 내의 열저장유체를 외부로 배출하는 중온배출관(131), 상기 중온부(130) 내와 연통되어 외부로부터 열저장유체를 유입받는 중온유입관(132)이 구비되는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  10. 제 4항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    일측에서 타측으로 가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성되는 복수 개의 셀들의 연결체를 단위열이라 할 때,
    복수 개의 단위열이 적층배치되되 병렬연결된 형태로 형성됨으로써 적층체 전체적으로 일측에서 타측으로 가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성되거나,
    복수 개의 단위열이 적층배치되되 직렬연결된 형태로 형성됨으로써 단위열들을 순차적으로 따라가면서 저온에서 고온이 되도록 온도구배가 형성되는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    단위열 내의 온도구배방향 및 단위열들의 적층배치방향이 서로 수직하게 형성되되,
    온도구배방향이 가로방향, 적층배치방향이 세로방향, 중력방향이 높이방향이 됨으로써 단위열들의 적층체가 직육면체를 형성하거나,
    온도구배방향이 접선방향, 적층배치방향이 반경방향, 중력방향이 높이방향이 됨으로써 단위열들의 적층체가 원통형태를 형성하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    단위열들 간의 경계면 사이로 열저장유체가 유통가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  13. 제 4항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    상기 저장탱크(101) 내의 셀들을 상기 저온부(110)에서 상기 고온부(120)까지 순차적으로 통과하는 배관 형태로 형성되어 내부에 열회수유체가 유통되는 열회수배관(140);
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
  14. 제 4항에 있어서, 상기 열에너지 저장장치(100)는,
    상기 저장탱크(101) 내 의셀들 하부에 버블링유체를 유입시키는 버블주입관(160);
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열에너지 저장장치.
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