재생 열 에너지 시스템, 그러한 시스템을 포함하는 발전 설비 및 그 작동 방법

재생 열 에너지 시스템, 그러한 시스템을 포함하는 발전 설비 및 그 작동 방법{REGENERATIVE THERMAL ENERGY SYSTEM, A POWER GENERATING FACILITY COMPRISING SUCH A SYSTEM AND A METHOD OF OPERATING THE SAME}

본 발명의 분야는 전반적으로 에너지 저장에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단열 압축 공기 에너지 저장(A-CAES; adiabatic compressed air energy storage) 시스템과 관련된 재생 열 에너지 저장(TES; thermal energy storage) 시스템에 관한 것이다.

적어도 몇몇의 공지된 A-CAES 시스템은 고온 압축 공기를 저장하기 위하여 팽창성 격납부, 예컨대 압력 용기 또는 지하 동굴을 사용한다. 인공 압력 용기를 사용하는 저장 설비는 장기간 동안 압축 공기에 의해 유발되는 고압을 견디기 위해 충분한 격납벽 강도를 필요로 한다. 또한, 이들 공지된 압력 용기는 내부에 저장되는 공기의 압축으로 인한 고온에 노출된다. 따라서, 몇몇의 공지된 압력 용기는 대략 섭씨 450도(℃)[화씨 842도(℉)]의 온도를 견디기 위한 두꺼운 벽을 갖는 고가의 금속 합금으로 제조된다. 다른 공지된 격납부는 고압에서의 가스 누출 방지(gas tightness)를 용이하게 하기 위한 복잡한 구조를 갖는 두꺼운 콘크리트벽을 포함한다. 그러한 콘크리트벽은 통상적으로 대략 100℃(212℉)의 온도를 견디도록 구성되고, 이에 따라 능동 냉각 시스템을 필요로 한다.

인공 동굴이든 또는 천연 동굴이든간에, 그러한 공지된 격납부는 국지적인 환경에 대한 열 전달의 감소를 용이하게 하기 위한 상당량의 단열을 필요로 하며, 그로 인해 이후의 전환을 위한 가능한 한 많은 열 에너지를 보존한다. 따라서, 큰 용적이 요구되기 때문에, A-CAES 시스템 내에서의 열 에너지 저장은, 단지 저장된 압축 가스로부터의 열 전달을 감소시키기 위해 상당한 자본의 투자를 필요로 한다.

적어도 몇몇의 공지된 A-CAES 시스템은, 고체 물질의 인벤토리를 포함하는 자립형 용기 내에 고정식 매트릭스 재생기를 포함한다. 고체 물질은 고온 공기가 고체 물질 위에서 이동될 때에 열 에너지를 저장한다. 또한, 고체 물질은 저온 공기가 고체 물질 위에서 이동될 때에 열 에너지를 방출한다. 그러나, 이들 자립형 용기의 벽은, 이 벽을 통해 이동되는 공기의 압력을 견디기에 충분한 강도를 제공해야 한다. 따라서, 벽의 강화는 A-CAES 시스템의 자본 건립 비용을 증가시킨다. 또한, 적어도 몇몇의 공지된 A-CAES 시스템은 상당한 열 손실을 용이하게 하기 위해 장비를 사용하는 간접적 열 전달 시스템을 포함한다.

일 양태에서, 재생 열 에너지 시스템이 제공된다. 시스템은, 상부 유입부, 하부 유입부, 및 바닥 방출부를 포함하는, 열 교환 반응기를 포함한다. 시스템은 또한, 상기 하부 유입부에서 적어도 하나의 상기 열 교환 반응기와 연통하도록 커플링되는 적어도 하나의 유체 소스를 포함한다. 시스템은 또한, 상기 상부 유입부에서 적어도 하나의 상기 열 교환 반응기와 연통하도록 커플링되는 적어도 하나의 저온 입자 저장 소스를 포함한다. 시스템은 또한, 상기 바닥 방출부 및 상기 상부 유입부 각각에서 상기 열 교환 반응기와 연통하도록 커플링되는 적어도 하나의 열 에너지 저장(TES) 용기를 포함한다. 상기 열 교환 반응기는 고체 입자들과 유체 사이에 직접적인 접촉 및 대향류(counter-flow) 열 교환을 가능하게 하도록 구성된다.

다른 양태에서, 발전 설비가 제공된다. 발전 설비는, 적어도 하나의 발전 장치 및 상기 적어도 하나의 발전 장치에 커플링되는 적어도 하나의 재생 열 에너지 시스템을 포함한다. 상기 적어도 하나의 재생 열 에너지 시스템은, 상부 유입부, 하부 유입부, 및 바닥 방출부를 포함하는 열 교환 반응기를 포함한다. 시스템은 또한, 상기 하부 유입부에서 적어도 하나의 상기 열 교환 반응기와 연통하도록 커플링되는 적어도 하나의 유체 소스를 포함한다. 시스템은 또한, 상기 상부 유입부에서 적어도 하나의 상기 열 교환 반응기와 연통하도록 커플링되는 적어도 하나의 저온 입자 저장 소스를 포함한다. 시스템은 또한, 상기 바닥 방출부 및 상기 상부 유입부 각각에서 상기 열 교환 반응기와 연통하도록 커플링되는 적어도 하나의 열 에너지 저장(TES) 용기를 포함하고, 상기 열 교환 반응기는 고체 입자들과 유체 사이에 직접적인 접촉 및 대향류 열 교환을 가능하게 하며 그리고 고온 가압 공기를 상기 적어도 하나의 발전 장치로 이동시키도록 구성된다.

또 다른 양태에서, 발전 설비의 작동 방법이 제공된다. 방법은, 고체 입자들을 열 교환 반응기를 통해 하방으로 이동시키는 것과 가압 공기를 열 교환 반응기를 통해 상방으로 이동시키는 것을 포함한다. 방법은 또한, 가압 공기로부터 직접적인 접촉을 통해 고체 입자들로 열을 전달하는 것을 포함한다. 방법은 또한, 고체 입자들을 적어도 하나의 열 에너지 저장(TES) 용기 내로 이동시키는 것을 포함한다.

본 발명의 이들 및 다른 특징들, 양태들, 및 이점들은, 아래의 상세한 설명이 동일한 부호가 도면 전체에 걸쳐 동일한 부품을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 읽을 때, 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 예시적인 재생 열 에너지 시스템의 제1 부분의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 재생 열 에너지 시스템을 충전하는 방법에 대한 흐름도이다.
도 3은 도 1에 부분적으로 도시된 재생 열 에너지 시스템의 제2 부분의 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 재생 열 에너지 시스템의 방출 방법에 대한 흐름도이다.
도 5는 도 1 및 도 3에 도시된 재생 열 에너지 시스템을 이용하는 예시적인 발전 설비의 개략도이다.
달리 지시되지 않는다면, 본 명세서에 제공되는 도면은 본 발명의 주요한 진보적 특징들을 예시하기 위한 것이다. 이들 주요한 진보적 특징들은 본 발명의 하나 이상의 실시예를 포함하는 광범위한 시스템에 이용될 수 있다고 여겨진다. 따라서, 도면은, 본 발명의 실시를 위해 요구되도록 당업자에 의해 공지된 모든 종래의 특징을 포함할 것을 의미하지는 않는다.

아래의 명세서 및 청구범위에서, 아래의 의미를 갖도록 정의된 다수의 용어를 참조할 것이다.

단수 형태는, 전후관계가 명백하게 달리 기술되지 않는다면, 복수 형태를 포함한다.

"선택적" 또는 "선택적으로"는, 그 다음에 설명되는 이벤트 또는 상황이 발생하거나 발생하지 않을 수 있다는 것, 그리고 그 설명은 이벤트가 발생하는 경우와 발생하지 않는 경우를 포함한다는 것을 의미한다.

명세서 및 청구범위에 걸쳐서 사용되는 근사 표현(approximating language)은, 관련된 기본 기능에 변화를 초래하지 않는 가운데 변화가 허용될 수 있는, 임의의 정량적 표현을 수정하기 위해 적용될 수 있다. 따라서, "약" 및 "실질적으로" 등의 용어 또는 용어들에 의해 수정되는 값은 특정된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 적어도 몇몇의 경우에, 근사 표현은 값을 측정하는 도구의 정밀도에 대응할 수 있다. 여기서 그리고 명세서와 청구범위에 걸쳐서, 범위 제한들은 조합 및/또는 상호 교환될 수 있고, 그러한 범위들은 식별되며 그리고 전후관계 또는 표현이 달리 지시하지 않는다면 그 내부에 포함되는 하위 범위들을 모두 포함한다.

도 1은 예시적인 재생 열 에너지 시스템(100)의 제1 부분(102)의 개략도이다. 제1 부분(102)은, 충전 작동 중에, 즉 고체 물질(아래에서 더 설명됨)이 저장을 위해 열 에너지로 충전될 때에 사용되는 시스템(100)의 구성요소들을 포함한다.

예시적인 실시예에서, 재생 열 에너지 시스템(100)은, 완전히 닫힌 열 전달 캐비티(114)를 한정하는 복수의 벽(112)을 포함하는, 열 전달 반응기(110)를 포함한다. 벽들(112)은 또한 적어도 하나의 저온 입자 저장 소스(118)와 연통하도록 커플링되는 상부 유입부(116)를 한정한다. 저온 입자 저장 소스(118)는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 호퍼(hopper), 빈(bin), 사일로(silo), 고체 전달 장치, 및 중력 공급 장치를 포함하는, 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 격납 및 운반 시스템이다. 저장 소스(118)와 상부 유입부(116)는 작고 차가운 고체 입자들(119)을 열 전달 캐비티(114) 내로 주입하기 위해 협력한다. 입자들(119)은, 이에 국한되는 것은 아니지만, 모래를 포함하는 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 고체이다.

또한, 예시적인 실시예에서, 벽들(112)은 적어도 하나의 유체 소스, 즉 공기 압축기(122)와, 예컨대 이에 국한되는 것은 아니지만 다단 공기 압축기와, 연통하도록 커플링되는 하부 유입부(120)를 한정한다. 대안적으로, 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는, 액체와 가스를 포함하는 임의의 유체가 사용된다. 또한, 대안적으로, 시스템(100)은, 연속적으로 커플링되는 복수의 공기 압축기(122)를 갖는 단계식 공기 압축 시스템(도시 생략)을 포함한다. 또한, 대안적으로, 하부 유입부(120)는 공기 유입 매니폴드(도시 생략)에 커플링될 수 있는 복수의 유입구(도시 생략)를 한정한다. 공기 압축기(122)는 전기 모터(124)에 커플링된다. 대안적으로, 공기 압축기(122)는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 필요에 따라 모두 기어식 커플링을 갖는, 증기 터빈, 가스 터빈, 수력 터빈, 풍력 터빈, 가솔린 연소 엔진, 및 디젤 엔진을 포함하는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 메커니즘에 의해 구동된다. 공기 압축기(122)는 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 저온의 대기(126)를 받아들이고 고온 압축 공기(128)를 열 전달 캐비티(114)로 방출하도록 구성된다.

예시적인 실시예에서, 재생 열 에너지 시스템(100)은, 열 전달 캐비티(114) 내로의 고온 압축 공기(128)의 주입 이전에 압축 공기로부터 습기를 제거하도록 구성되는, 습기 제거 장치를 포함한다. 그러한 습기 제거 장치는, 공기 압축기(122)의 상류측에서 공기 압축기(122)와 연통하도록 커플링되는 상류측 습기 분리기(123), 공기 압축기(122)의 하류측에서 공기 압축기(122)와 연통하도록 커플링되는 하류측 습기 분리기(125), 및 공기 압축기(122) 내부에 있는 복수의 단간(interstage) 습기 분리기(127) 중 적어도 하나를 포함한다. 상류측 습기 분리기(123), 하류측 습기 분리기(125), 및 단간 습기 분리기(127) 각각은 공기로부터 물(129)의 제거를 가능하게 한다.

또한, 예시적인 실시예에서, 벽들(112)은 고온 고체 입자들(132)의 저장을 가능하게 하도록 구성되는 내향으로 경사진 바닥 방출부(130)를 한정한다. 바닥 방출부(130)는 또한 중력의 도움에 의해 열 전달 캐비티(114) 밖으로 고온 고체 입자들(132)의 방출을 가능하게 하도록 구성된다.

더욱이, 예시적인 실시예에서, 재생 열 에너지 시스템(100)은, 공기 추출 도관(142)을 통해 열 전달 캐비티(114)와 연통하도록 커플링되는 적어도 하나의 사이클론 필터(140)를 포함한다. 도관(142)은 상부 유입부(116)와 하부 유입부(120) 사이에 위치하게 되고, 저온 가압 공기(144) 및 동반된 입자들(146)을 열 전달 캐비티(114)로부터 사이클론 필터(140)로 지향시키도록 구성된다. 적어도 하나의 저온 가압 공기 저장 용기(148)가 사이클론 필터(140)와 연통하도록 커플링된다. 또한, 사이클론 필터(140)는 동반된 입자들(146)을 유지하도록 구성되는 경사부(150)를 포함한다. 저장 소스(118)는 경사부(150)와 연통하도록 커플링된다.

또한, 예시적인 실시예에서, 재생 열 에너지 시스템(100)은, 바닥 방출부(130)에서 열 교환 반응기(110)와 연통하도록 커플링되는 적어도 하나의 열 에너지 저장(TES) 용기(160)를 포함한다. TES 용기(160)는 고온 고체 입자들(132)을 그 내부에 받아들이고 저장하도록 구성되는 입자 저장 캐비티(162)를 한정한다. 캐비티(162)는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 하나의 완전한 사이클에 걸쳐 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하기에 충분한 크기를 갖는다. TES 용기(160)는 본 명세서에 설명되는 바와 같이 재생 열 에너지 시스템(100)의 하나의 완전한 사이클에 걸쳐 사전 결정된 온도 범위 내에 고온 고체 입자들(132)을 유지하는 것을 가능하기에 충분한 단열층(164)을 포함한다. 예컨대, 그리고 이에 국한되는 것은 아니지만, 단열층(164)은, 12 내지 24 시간 동안 고온 고체 입자들(132)을 사전 결정된 온도 범위 내에 유지할 수 있도록 한다. TES 용기(160)는 대략 대기압에서 작동하도록 구성된다.

또한, 예시적인 실시예에서, 재생 열 에너지 시스템(100)은, TES 용기(160)와 연통하도록 커플링되는 적어도 하나의 고체 전달 펌프(166)를 포함한다. 펌프(166)는 아래에서 더 설명되는 바와 같이 고온 입자들(168)을 TES 용기(160)로부터 전달하도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 고체 전달 펌프(166)는 미국 조지아주 애틀란타 소재의 GE Energy사로부터 상업적으로 입수 가능한 GE Posimetric ^® 펌프이다. 대안적으로, 여기에 사용되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 펌핑 장치가 사용된다.

또한, 예시적인 실시예에서, 재생 열 에너지 시스템(100)은, 고체 입자들(119) 및 고온 압축 공기(128)의 체류 시간을 증가시키도록 구성되는 적어도 하나 장치를 포함한다. 예컨대, 이에 국한되는 것은 아니지만, 복수의 공기 및 입자 전향 장치(163)가 열 전달 캐비티(114) 내에서 벽들(112)에 커플링되어 그 벽들로부터 내측을 향해 연장된다. 또한, 예컨대, 그리고 이에 국한되는 것은 아니지만, 공기 및 입자 전향 장치들(163) 및 벽들(112)은 길고 복잡한 열 전달 채널(165)을 한정한다. 더욱이, 예컨대, 그리고 이에 국한되는 것은 아니지만, 열 전달 돌출부들(167)이, 예컨대 이에 국한되는 것은 아니지만 열 핀들이, 채널(165) 내부에 위치하게 된다. 전향 장치들(163), 채널(165), 및 돌기들(167)은 체류 시간을 증가시키는 것을 가능하게 하여 입자들(119)과 공기(128) 사이의 열 전달을 더욱 촉진한다.

도 2는 재생 열 에너지 시스템(100)(도 1에 도시됨)을 충전시키는 방법(200)에 대한 흐름도이다. 충전 작동 도중에, 작고 차가운 고체 파티클들(119)(도 1에 도시됨)이 저장 소스(118)(도 1에 도시됨)로부터 상부 유입부(116)(도 1에 도시됨)를 통해 열 전달 캐비티(114)(도 1에 도시됨) 내로 주입된다(202). 입자들(119)은 대략 섭씨 0도(℃)[화씨 32도(℉)] 내지 대략 49℃(120℉) 사이의 온도 범위 내에서 주입된다. 대안적으로, 입자들(119)은 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 온도 범위 내에서 주입된다. 입자들(119)은 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 압력으로 주입된다.

또한, 충전 작동 도중에, 입자들(119)은 중력의 도움에 의해 열 교환 반응기(110)(도 1에 도시됨)를 통해 하방으로 지향하게 된다(204). 저온의 대기(ambient air)(126)(도 1에 도시됨)가 공기 압축기(122)(도 1에 도시됨)에 의해 받아들여지고 압축된다. 대기(126)는 대략 0℃(120℉) 내지 대략 49℃(120℉) 사이의 온도 범위 내에 있고, 대략 1기압의, 즉 1.015 bar, 101.353 킬로파스칼(kPa), 및 14.7 제곱인치당 파운드(psi)의 대기압을 갖는다. 대안적으로, 공기 압축기(122)로의 유입 공기(126)는 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 범위 내의 온도와 압력을 갖는다.

또한, 충전 작동 도중에, 공기 압축기(122)는 대략 250℃(482℉) 내지 대략 700℃(1292℉) 사이의 온도 범위, 및 대략 20 bar(2000 kPa, 290 psi) 내지 대략 70 bar(7000 kPa, 1015 psi) 사이의 압력 범위를 갖는 고온 압축 공기(128)(도 1에 도시됨)를 열 전달 캐비티(114) 내로 방출한다(208). 대안적으로, 공기 압축기(122)로부터 방출되는 고온 압축 공기(128)는, 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 범위의 온도 및 압력을 갖는다. 고온 압축 공기(128)는 열 전달 캐비티(114)를 통해 상방으로 이동된다(210).

더욱이, 충전 작동 도중에, 입자들(119) 및 공기(128)는 서로 반대 방향으로 유동하기 때문에, 입자들(119)과 공기(128)는 열 전달 캐비티(114) 내에서 서로 직접 접촉하게 된다. 공기(128)와 입자들(119) 간의 그러한 직접적인 접촉은 그들 사이의 열 전달을 가능하게 하여, 공기(128)는 열 에너지를 입자들(119)로 전달한다(212). 열 교환은, 고온 고체 입자들(132), 저온 가압 공기(144), 및 동반된 입자들(146)(모두 도 1에 도시됨)을 발생시킨다. 전향 장치들(163), 채널(165), 및 돌출부들(167)은 체류 시간을 증가시키는 것을 가능하게 하여 입자들(119)과 공기(128) 간의 열 전달을 더욱 촉진하도록 한다.

또한, 충전 작동 도중에, 저온 가압 공기(144) 및 동반된 입자들(146)은 열 전달 캐비티(114)로부터, 공기(144)를 입자들(146)로부터 분리시키기 위해 사이클론 작용을 이용하여 사이클론 필터(140)로 추출된다(214). 공기(144)는 적어도 하나의 저온 가압 공기 저장 용기(148)로 지향하게 된다(218). 공기(144)는 대략 20℃(68℉) 내지 60℃(140℉) 사이의 범위 이내의 온도값과 대략 20 bar(2000 kPa, 290 psi) 내지 대략 70 bar(7000 kPa, 1015 psi) 사이의 범위 이내의 압력값을 갖는다. 대안적으로, 공기(144)는 본 명세서에서 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 온도 범위 내에 있다.

또한, 충전 작동 도중에, 동반된 입자들(146)은 중력의 도움에 의해 사이클론 필터(140)를 통해 하방으로 지향하게 되고(220), 사이클론 필터(140)의 경사부(150)(도 1에 도시됨)에 저장된다. 입자들(146)은 대략 20℃(68℉) 내지 대략 60℃(140℉) 사이의 범위 이내의 온도값을 갖는다. 대안적으로, 입자들(146)은 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 온도 범위 이내에 있다. 입자들(146)은 재생 용도를 위해 저온 입자 저장 소스(118)로 이동된다.

더욱이, 충전 작동 도중에, 고온 고체 입자들(132)은 내향으로 경사진 바닥 방출부(130)에서 퇴적된다. 고온 고체 입자들(132)은 중력의 도움에 의해 열 전달 캐비티(114) 밖으로 TES 용기(160)를 향해 전달된다(222). TES 용기(160)는 입자 저장 캐비티(162) 내에 고온 고체 입자들(132)을 받아들이고 저장한다. 고온 고체 입자들(132)은 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 하나의 완전한 사이클에 걸쳐 대략 240℃(464℉) 내지 대략 690℃(1274℉) 사이의 사전 결정된 온도 범위 이내에 유지된다(224). 예컨대, 그리고 이에 국한되는 것은 아니지만, 고온 고체 입자들(132)은 대략 12 내지 대략 24 시간 동안 예시적인 온도 범위 이내에서 유지된다. TES 용기(160)는 대략 대기압에서 유지된다.

도 3은 재생 열 에너지 시스템(100)의 제2 부분(170)의 개략도이다. 제2 부분(170)은 방출 작동 도중에, 즉 고온 고체 물질(아래에서 더 설명됨) 내에 저장된 열 에너지가 전력을 발생시키기 위해 방출될 때에 사용되는 시스템(100)의 구성요소들을 포함한다. 전술한 충전 작동을 위한 제1 부분(102; 도 1에 도시됨)에 사용되는 시스템(100)의 많은 동일한 구성요소가 방출 작동을 위해 또한 사용된다.

전술한 바와 같이, 예시적인 실시예에서, 재생 열 에너지 시스템(100)은 TES 용기(160)와 연통하도록 커플링되는 적어도 하나의 고체 전달 펌프(166)를 포함한다. 고체 전달 펌프(166)는 또한 상부 유입부(116)를 통해 열 교환 반응기(110)의 열 전달 캐비티(114)와 연통하도록 커플링된다. 고체 전달 펌프(166)는 TES 용기(160)로부터 열 전달 캐비니(114)내로 고온 입자들(168)을 전달하도록 구성된다.

또한, 전술한 바와 같이, 저장된 저온 가압 공기(144)는 대략 20 bar(2000 kPa, 290 psi) 내지 대략 70 bar(7000 kPa, 1015 psi) 사이의 압력 범위 내에서 공기 저장 용기(148) 내에 수용된다. 따라서, 고체 전달 펌프(166)는 공기(144)의 압력을 극복하기에 충분한 압력으로 입자들(168)을 열 교환 반응기(110) 내로 주입하도록 구성된다.

또한, 전술한 바와 같이, 사이클론 필터(140)는 공기 추출 도관(142)을 통해 열 전달 캐비티(114)와 연통하도록 커플링된다. 사이클론 필터(140)는 또한 동반 입자 복귀 도관(175)을 통해 열 전달 캐비티(114)와 연통하도록 커플링된다.

더욱이, 예시적인 실시예에서, 재생 열 에너지 시스템(100)은 기계에, 예컨대, 이에 국한되는 것은 아니지만 발전기(182)에, 회전 가능하게 커플링되는 적어도 하나의 팽창기(180)를 포함한다. 팽창기(180)는 사이클론 필터(140)와 연통하도록 커플링된다.

적어도 몇몇의 변형예에서, 재생 열 에너지 시스템(100)은 사이클론 필터(140) 및 팽창기(180)와 연통하도록 커플링되는 적어도 하나의 연소 장치(181)를 포함한다. 연소 장치(181)는 사이클론 필터(140)에 커플링되는 고온 공기 연장 라인(183)을 포함한다. 연소 장치(181)는 또한 연료 라인(185)을 포함한다. 연소 장치(181)는 또한 고온 공기 연장 라인(183) 및 연료 라인(185)에 커플링되는 공기/연료 혼합기(186)를 포함한다. 연소 장치(181)는 또한 공기/연료 혼합기(186) 및 고온 공기 연장 라인(183)에 커플링되는 연소 챔버(187)를 포함한다. 연소 장치(181)는 또한 연소 챔버(187), 고온 공기 연장 라인(183), 및 팽창기(180)에 커플링되는 열 전달 장치(188)를 포함한다. 연소 장치(181)는 또한 열 전달 장치(188)에 커플링되는 배기 도관(189)을 포함한다.

도 4는 재생 열 에너지 시스템(100)(도 3에 도시됨)의 방출 방법(300)에 대한 흐름도이다. 방출 작동 도중에, 고온 고체 입자들(132)(도 3에 도시됨)은 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 하나의 완전한 사이클에 걸쳐 대략 240℃(464℉) 내지 대략 690℃(1274℉) 사이의 사전 결정된 온도 범위 이내에 유지된다(302). 예컨대, 그리고 이에 국한되는 것은 아니지만, 고온 고체 입자들(132)은 12 내지 24 시간 동안 예시적인 온도 범위 이내에 유지된다. TES 용기(160)(도 3에 도시됨)는 대략 대기압으로 유지된다. 고온 입자들(168)(도 3에 도시됨)은 유사한 온도 범위 내에서 상부 유입부(116)(도 3에 도시됨)를 통해 TES 용기(160)로부터 열 전달 캐비티(114)(도 3에 도시됨) 내로 전달된다.

또한 방출 작동 도중에, 그리고 전술한 바와 같이, 저온 가압 공기(144)는 공기 저장 용기(148)(도 3에 도시됨) 내에 수용된다(304). 공기(144)는 대략 20℃(68℉) 내지 60℃(140℉) 사이의 범위 이내의 온도값과 대략 20 bar(2000 kPa, 290 psi) 내지 대략 70 bar(7000 kPa, 1015 psi) 사이의 범위 이내의 압력값을 갖는다. 저장된 저온 가압 공기(144)는 열 전달 캐비티(114) 내로 방출된다(306). 공기(144)는 열 전달 캐비티(114)를 통해 상방으로 지향하게 된다(308). 고체 전달 펌프(166)(도 3에 도시됨)는 공기(144)의 압력을 극복하기에 충분한 압력으로 입자들(168)을 열 전달 반응기(110) 내로 주입한다.

또한, 방출 작동 도중에, 입자들(168)과 공기(144)는 서로의 반대 방향으로 유동하기 때문에, 입자들(168)과 공기(144)는 열 전달 캐비티(114) 내에서 서로 직접적으로 접촉하게 된다. 공기(144)와 입자들(168) 간의 그러한 직접적인 접촉은 그들 사이에 열 전달을 가능하게 하여 입자들(168)은 열 에너지를 공기(144)로 전달한다(312). 열 전달은 고온 가압 공기(172), 동반된 입자들(174), 및 저온 입자(190)(모두 도 3에 도시됨)를 발생시킨다.

더욱이, 방출 작동 도중에, 고온 가압 공기(172) 및 동반된 입자들(174)은 열 전달 캐비티(114)로부터, 공기(172)를 입자들(174)로부터 분리시키기 위해 사이클론 효과를 이용하는 사이클론 필터(140)(도 3에 도시됨)로 추출된다. 고온 가압 공기(172) 및 동반된 입자들(174)은 대략 240℃(464℉) 내지 대략 690℃(1274℉) 사이의 온도 범위 이내에 있다.

또한, 방출 작동 도중에, 동반된 입자들(174)은 중력의 도움에 의해 사이클론 필터(140)를 통해 하방으로 지향하게 되고(318), 사이클론 필터(140)의 경사부(150)(도 3에 도시됨)에서 저장된다. 몇몇의 재사용 가능한, 즉 여전히 전달 가능한 열 에너지는 입자들(174) 내에 체류할 수 있다. 따라서, 대략 240℃(464℉) 내지 대략 690℃(1274℉)의 온도 범위 이내의 그러한 입자들(174)은 공기(144)로의 추가 열 에너지 전달을 위해 열 전달 캐비티(114) 내로 재주입된다(320). 대안적으로, 입자들(174)은 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 온도 범위 이내에서 열 전달 캐비티(114) 내로 재주입된다. 입자들(174)의 온도가 대략 20℃(68℉) 내지 대략 60℃(140℉) 사이의 사전 결정된 범위 이내의 값을 달성할 때에, 입자들(174)은 재생 용도를 위해 저온 입자 저장 소스(118)로 전달된다(322). 대안적으로, 입자들(174)은 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 온도 범위 이내에서 저온 입자 저장 소스(118)로 이동된다.

또한, 방출 작동 도중에, 전달 가능한 열 에너지가 실질적으로 소진된 일부 저온 입자들(190)은 내향으로 경사진 바닥 방출부(130)(도 3에 도시됨)에서 퇴적된다. 입자들(190)은, 고온 입자들(132) 내에 저장된 열 에너지를 빼내는 것에 대한 확률을 감소시키는 방식으로, 중력의 도움에 의해 열 전달 캐비티(114) 밖으로 TES 용기(160)를 향해 전달된다(324). TES 용기(160)는 저온 입자들(190)을 받아들이고 입자 저장 캐비티(162) 내에 저장한다. 저온 입자들(190)은 재생 용도를 위해 저온 입자 저장 소스(118)로 전달된다(326).

더욱이, 방출 작동 도중에, 대략 240℃(464℉) 내지 대략 690℃(1274℉) 사이의 범위 내의 온도값과 대략 20 bar(2000 kPa, 290 psi) 내지 대략 70 bar(7000 kPa, 1015 psi) 사이의 범위 내의 압력값을 갖는 고온 가압 공기(172)는, 팽창기(180)(도 3에 도시됨)로 지향하게 된다(328). 대안적으로, 공기(172)는 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 온도 범위 및 임의의 압력 범위 내에 있다. 팽창기(180)(도 3에 도시됨)는 발전기(182)(도 3에 도시됨)를 구동하고(330), 소비된 공기(184)(도 3에 도시됨)는 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템(100)의 작동을 가능하게 하는 임의의 장소로 방출된다.

적어도 몇몇의 변형예에서, 사이클론 필터(140)로부터의 고온 공기는 라인(183)을 통해 연소 장치(181)로 이동된다. 고온 공기 및 연료의 일부는 라인(183)과 연료 라인(185)을 통해 이들이 혼합되는 공기/연료 혼합기(186)로 이동된다. 공기/연료 혼합물은 연소 챔버(187)로 이동되고 추가의 고온 공기가 라인(183)으로부터 연소 챔버(187) 내로 주입된다. 고온 가스가 발생되고 열 교환 장치(188)로 이동된다. 라인(183)으로부터 이동된 고온 공기에 대한 가스로부터의 열 전달은 팽창기(180) 이전에 공기(172)의 온도를 더 증가시킨다. 연소 가스는 배기 도관(189)을 통해 이동된다.

도 5는 재생 열 에너지 시스템(100)을 이용하는 예시적인 발전 설비(500)의 개략도이다. 예시적인 실시예에서, 발전 설비(500)는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 증기 터빈 발전기, 가스 터빈 발전기, 수력 터빈 발전기, 풍력 터빈 발전기, 가솔린 연소 엔진 구동식 발전기, 및 디젤 엔진 발전기, 및 이들의 임의의 조합을 포함하는 복수의 발전기(502)를 포함한다.

이에 국한되는 것은 아니지만, 발전 설비(500)를 작동시키는 하나의 예는, 논-피크(non-peak) 주기 도중에 열 에너지를 저장하고 피크 주기 도중에 저장된 열 에너지를 소비하는 것을 포함한다. 논-피크 발전 주기 도중에, 발전 설비의 소유주/조작자는 추후의 피크 주기 도중의 추가의 발전에 대한 필요를 예상한다. 발전기(502)는 전력을 공기 압축기(122; 도 1에 도시됨)의 전기 모터(124)로 전송하고 열 에너지는 전술한 재생 열 에너지 시스템(100)에 저장된다. 피크 주기 도중에, 재생 열 에너지 시스템(100)은 저장된 열 에너지를 실질적으로 회복시키고, 발전기(182)에 의해 발생된 전력은 전송을 위해 발전기(502)에 의해 발생되는 전력에 추가된다. 충전 및 방출 작동을 포함하는 그러한 재생 작동은, 재생 열 에너지 시스템(100)의 완전한 사이클을 나타낸다. 일례로서, 이에 국한되는 것은 아니지만, 그러한 사이클은 주중에 2회 발생될 수 있다. 즉, 방출 작동은 대략 5:00 AM과 대략 9:00 AM 사이에 수행되고, 다시 대략 5:00 PM과 대략 10:00 PM 사이에 수행된다. 충전 작동은 방출 작동이 진행 중이지 않을 때에 이들 2개의 시간 간격 사이에 수행된다. 대안적으로, 발전 설비(500)의 몇몇 실시예는, 방출하고 있는 제2 시스템(100)에 하나의 시스템(100)이 충전하고 공급하도록 하는, 복수 반복의 재생 열 에너지 시스템(100)을 포함할 수 있다.

전술한 재생 열 에너지 시스템은 이후의 사용을 위해 열 에너지를 발생시키고 저장하기 위한 비용 효율적인 방법을 제공한다. 본 명세서에 설명되는 실시예는 피크 전력 사용 주기 도중의 미래의 사용을 위해 낮은 전력 사용 주기 동안에 열 에너지 저장 용기 내에 열 에너지를 저장하는 것을 가능하게 한다. 구체적으로, 본 명세서에 설명되는 장치, 시스템, 및 방법은 고온 압축 공기로부터의 열을 중력의 도움에 의해 직접적인 접촉을 통하여 작고 차가운 고체 입자들로 전달하는 것을 가능하게 한다. 보다 구체적으로, 본 명세서에 설명되는 장치, 시스템, 및 방법은 내부에서 발생된 전력 중 적어도 일부를 이용하여 낮은 전력 사용 주기 동안에 공기 압축기를 구동하도록 발전 설비를 이용하는 것을 가능하게 한다. 이제 고온의 작은 입자들 내에 함유된 열 에너지는 대기압에서 특정한 시간 주기 동안에 특정한 온도 범위 내에 입자들을 유지하도록 구성되는 단열 용기 내의 입자들에 의해 저장된다. 저온 가압 공기는 저장 용기로 이동된다. 높은 전력 사용 주기 도중에, 고온 입자들은 저장된 저온 가압 공기와 혼합하도록 이동되어 열 에너지를 다시 공기로 전달한다. 재가열된 공기는 발전기에 커플링된 팽창기로 이동된다. 따라서, 작은 고온 입자들이 공기를 저장하기 위해 사용하는 것보다 작은 용기 내에 저장되기 때문에, 보다 견고한 구조적 재료의 사용 및 공기 저장을 위한 단열이 더 이상 요구되지 않는다. 더욱이, 입자들 및 공기가 직접 접촉하기 때문에, 간접적인 열 전달을 가능하게 하기 위해 필요한 장비가 요구되지 않는다.

본 명세서에 설명되는 방법, 시스템, 및 장치의 예시적인 기술적 효과는, (a) 열 에너지를 저장하도록 사용되는 용기의 용적을 감소시키는 것, 및 (b) 저온 입자들을 고온 공기와 그리고 고온 입자들을 저온 공기와, 그들 사이에 열 에너지를 재생 방식으로 전달하도록 하기 위해, 직접 접촉시키는 것 중 적어도 하나를 포함한다.

발전 설비를 위한 재생 열 에너지 시스템 및 작동 방법의 예시적인 실시예가 상세하게 전술되어 있다. 재생 열 에너지 시스템, 발전 설비, 및 그러한 시스템과 설비를 작동시키는 방법은 본 명세서에 설명된 특정한 실시예로 제한되지 않고, 시스템의 구성요소 및/또는 방법의 단계는 본 명세서에 설명된 다른 구성요소 및/또는 단계와 독립적으로 그리고 별개로 이용될 수 있다. 예컨대, 방법은 또한 열 에너지 저장를 필요로 하는 다른 시스템 및 방법과 조합하여 이용될 수 있고, 본 명세서에 설명되는 재생 열 에너지 시스템, 발전 설비, 및 방법만을 실시하는 것으로 제한되지 않는다. 오히려, 예시적인 실시예는 많은 다른 열 에너지 저장 및 전달 용례와 관련하여 실행 및 이용될 수 있다.

비록 본 발명의 다양한 실시예의 특정한 특징들이 몇몇 도면에 도시되고 다른 도면에는 도시되지 않을 수 있지만, 이것은 오직 편의를 위한 것이다. 본 발명의 원리에 따르면, 도면의 임의의 특징은 임의의 다른 도면의 임의의 특징과 조합하여 참조 및/또는 청구될 수 있다.

여기에 기술된 설명은, 최상의 모드를 포함하는 본 발명을 개시하기 위하여, 그리고 또한 임의의 장치 또는 시스템을 제조하고 이용하는 것 및 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하는 본 발명을 임의의 당업자가 실시할 수 있도록 하기 위해, 예들을 이용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 한정되고, 당업자에게 일어나는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는, 청구범위의 문자 그대로의 표현과 상이하지 않은 구조적 요소를 갖는다면 또는 청구범위의 문자 그대로의 표현과 실질적이지 않은 차이를 갖는 균등한 구조적 요소를 포함한다면, 특허청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.