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KR102137977B1 - 태양광 발전 설비용 에너지 저장 시스템의 화재 확산 방지 구조 - Google Patents

태양광 발전 설비용 에너지 저장 시스템의 화재 확산 방지 구조 Download PDF

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KR102137977B1
KR102137977B1 KR1020190006445A KR20190006445A KR102137977B1 KR 102137977 B1 KR102137977 B1 KR 102137977B1 KR 1020190006445 A KR1020190006445 A KR 1020190006445A KR 20190006445 A KR20190006445 A KR 20190006445A KR 102137977 B1 KR102137977 B1 KR 102137977B1
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Abstract

본 발명의 태양광 발전 설비용 에너지 저장 시스템의 화재 확산 방지 구조 는, 복수 개의 배터리 셀과 상기 배터리 셀의 온도 및 충방전 상태를 조절 하기 위한 배터리 관리 시스템을 밀봉한 케이스와, 상기 케이스 내부에서 화재가 발생하였을 때 가스를 외부로 방출하기 위해 상기 케이스의 벽체에 설치된 가스 분출구 및 소화부를 포함하여 이루어진 복수 개의 배터리 모듈과; 상기 배터리 모듈의 온도를 조절하기 위해 상기 각 배터리 모듈에 설치되는 제 1 열교환기와; 상기 제 1 열교환기를 순환한 냉매를 냉각시키기 위한 제 2 열교환기를 포함하여 이루어진다.

Description

태양광 발전 설비용 에너지 저장 시스템의 화재 확산 방지 구조 {Fire Spread Prevention Structure of Energy Storage System for Photovoltaic Power Generation Facilities}
본 발명은 태양광 발전 설비용 에너지 저장 시스템의 화재 확산 방지 구조 에 관한 것이다.
최근 화석 연료를 대체하기 위한 미래의 에너지로 태양광 에너지, 지열 에 너지, 해양 에너지 등과 같은 신재생 에너지가 부각되고 있다.
신재생 에너지를 사용하는 경우, 수요와 공급의 시기를 조절하여 안정적으로 전력을 공급하기 위하여 에너지 저장 시스템을 사용하게 된다.
특히, 일조시간에만 발전이 가능한 태양광 발전 설비의 경우 생산된 전기를 저장하기 위한 대용량의 에너지 저장 시스템이 필수적이다. 통상 태양광 패널의 설치용량이 100kW일 때, 250kWh 정도의 대용량 에너지 저장 시스템을 설치한다.
태양광 발전 설비는 넓은 면적의 토지가 필요하기 때문에, 야산 등과 같이 경제적 효용가치가 낮아서 매입 비용이 저렴하게 드는 토지에 주로 설치하게 된다. 이에 따라 에너지 저장 시스템은 컨테이너와 같은 이동가능한 시설물 내에 배터리 모듈을 적층한 랙을 복수 개 설치하는 형태로 구성된다.
배터리 모듈의 구조는 컨테이너 내의 실내 공기가 배터리 셀에 직접 접촉되어 대류에 의한 열교환이 용이하도록 오픈된 상태로 설계되어 있다. 이로 인하여, 어느 배터리 모듈의 한 개 배터리 셀에서 화재가 발생하면 그 화염이 컨테이너 내에 있는 모든 배터리 셀에 옮겨 붙어 전소가 되고 있다. 또한, 온도가 낮은 영하 날씨의 겨울에는 컨테이너 출입구를 장시간 열어 놓은 경우 차가운 공기가 에너지 저장 시스템 연결부분 등의 온도를 낮추고 그 표면에 결로 현상이 발생할 수 있는데 이러한 상황을 모른 채 전기를 인가하면 쇼트 및 누전에 의한 화재가 발생할 수도 있게 된다.
또한 배터리 모듈을 이루는 배터리 셀로는 니켈-코발트-망간의 3성분계 리 튬이온 배터리 셀이 주로 사용되고 있으며, 일부에서는 인산철 리튬이온 배터리 셀을 사용하기도 한다. 이러한 리튬이온 배터리 셀의 경우 부피를 줄이면서 용량을 증대시켜 그 용량 밀도가 매우 높게 제작되고 있기 때문에 화재나 폭파 등을 방지하기 위해 취급에 주의가 필요하다.
상기와 같은 이유로 발생하였다고 추정되는 에너지 저장 시스템의 화재 사 고가 빈번하게 발생하고 있으며, 태양광 발전설비에서 발생하는 건수가 제일 많은 것으로 보고되고 있다.
태양광 발전설비의 에너지 저장 시스템에서는 컨테이너 벽면에 단열처리를 함으로써 화재가 발생하더라도 인근의 컨테이너에 불이 옮겨 붙지 못하도록 조치하고 있지만, 배터리 모듈에 화재가 발생하면 컨테이너에 설치된 전체 배터리 모듈에 불이 옮겨 붙어 전소되는 경우가 대부분이며, 한 개의 컨테이너 내에 설치되는 배터리 모듈 수의 수가 많을 뿐 만 아니라 그 가격도 고가여서 피해가 매우 크게 발생하게 된다.
이에 대한 대비책으로 공개특허 10-2018-0032122호, 10-2018-0138497호, 등록특허 10-1732436호, 10-1765540호 등 다양한 해결책이 계속해서 모색되고 있다.
하지만 화재의 원인이 아직까지 명확하게 밝혀지지 않고 있을 뿐 만 아니라 상기 종래의 기술들과 같이 아크, 화염, 온도, 연기를 측정하여 소화설비를 가동하는 형태의 해결책은 근본적인 원인을 제거하는 방안이 되지 못하는 관계로 각광받지 못하고 있는 실정이다.
KR 10-1732436 B, 2017.5.4., 도면 3 KR 10-1765540 B, 2017.8.7., 도면 1 KR 10-2018-0032122 A, 2018.3.29., 청구항 1 KR 10-2018-0138497 A, 2018.12.31., 도면 1
본 발명은 에너지 저장 시스템에서 화재가 발생하였을 때 화재의 확산을 근 본적으로 막을 수 있도록 하여 피해를 최소화하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 태양광 발전 설비용 에너지 저장 시스템의 화재 확산 방지 구조 는,
상부 케이스와 하부 케이스가 결합되어 이루어지며, 복수 개의 배터리 셀과 상기 배터리 셀의 온도 및 충방전 상태를 조절하기 위한 배터리 관리 시스템을 내부에 배치하고, 상부 케이스와 하부 케이스 사이를 가스켓으로 밀봉하며, 상부 케이스와 하부 케이스 중 하나에는 전원 및 신호를 외부로 전달하기 위해 불연성 소재로 이루어진 단자부가 배치되어 있는 케이스와;
상기 케이스 내부에서 화재가 발생하지 않았을 때는 외부 공기가 유입되지 않도록 차단되며, 화재가 발생하여 케이스 내부 압력이 높아졌을 때 케이스 내부의 가스를 외부로 방출하기 위해 상기 케이스의 벽체에 설치되는 릴리프 밸브나 체크밸브로 이루어진 가스 분출구와;
상기 케이스 내부에 배치된 소화부와;
케이스 내부의 온도를 낮추기 위해 상기 케이스 내면이나 외면 또는 배터리 셀들 사이에 배치되거나 상부 케이스 또는 하부 케이스의 벽면에 형성된 유로로 이루어지는 냉매 순환로로 이루어지는 제 1 열교환기와;
전기 공급에 의해 발열하여 케이스 내부의 온도를 높이기 위한 발열판;을 포함하여 배터리 모듈이 형성되고;
적층되어 설치된 상기 배터리 모듈들의 제 1 열교환기들을 순환한 냉매를 냉각시키기 위한 제 2 열교환기가; 설치되는 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 의하면, 하나의 배터리 모듈에서 화재가 발생하더라도, 배터리 모듈의 케이스 내에 화염이 외부로 전파되지 않고, 화재가 발생한 배터리 모듈로부터 인근의 온전한 배터리 모듈에 불이 옮겨 붙지 않아서 화재로 인한 손실을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명 일 실시예 배터리 모듈의 사시도.
도 2는 제 1 열교환기와 제 2 열교환기의 배치관계를 나타낸 도.
도 3은 본 발명 배터리 모듈의 설치 예.
이하, 본 발명을 그 실시예에 따라 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명 배터리 모듈의 사시도이다.
배터리 모듈(1)의 케이스(10)는 알루미늄과 같은 금속이나 FRP 혹은 SMC(Synthetic Material Composite) 등 구조적으로 강성이 있는 재료로 제작되며, 상부 케이스(11)와 하부 케이스(12)로 이루어진다. 배터리 모듈(1)에는 전기를 입 출력시킬 전기 단자(13) 및 배터리 모듈(1) 내부의 온도 및 충방전량을 관리하기 위한 신호 단자(14)가 상기 케이스(10) 전면의 벽면을 관통한 통공(도시되지 않음.)들에 각각 설치되어 있으며, 전기 단자(13)와 신호 단자(14)와 같은 단자부는 불연성 재료로 제작된 것이다.
상부 케이스(11)와 하부 케이스(12) 사이에는 불연성 소재의 가스켓(도시되지 않음.)이 끼워져 상하부 케이스(11,12) 간의 결합부위를 통한 공기의 누설이 방지된다. 전기 단자(13)나 신호 단자(14)를 설치한 후, 상기 단자들의 설치를 위한 케이스 벽면의 통공을 통해서도 공기의 누설이 방지되도록 마감되어 있다.
또한 케이스(10)의 일측 벽에는 가스 분출구(도시되지 않음.)가 설치되는데, 가스 분출구는 케이스 내에서 어떤 이유로 화재가 발생하였을 때, 케이스 내의 공기가 팽창하면서 압력이 높아져 케이스가 깨지거나 폭발하는 것을 방지하기 위해 케이스 내의 공기를 외부로 방출 하기 위한 것이고, 가스 분출구를 통해 외부의 공기가 배터리 모듈 내부로 유입되지는 않는다. 이와 같은 가스 분출구는 릴리프 밸브 또는 체크 밸브로 이루어질 수 있다.
케이스(10) 내에 배터리 셀(도시되지 않음.)과 배터리 관리 시스템(도시되지 않음.)이 배치되면 밀봉된 케이스(10) 내에서 공기가 차지하는 부피가 매우 작고, 이에 따라 배터리 모듈(1)의 케이스(10) 내에서 화재가 발생하더라도 산화 될 산소가 매우 부족하여 연소가 거의 일어나지 않거나 일어나더라도 조기에 소화되게 된다.
그럼에도 불구하고, 배터리 모듈에는 소화부(도시되지 않음.)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
소화부는 소형의 소화 모듈을 각 배터리 모듈 안에 내장시켜 놓아 화재 발생시 그 소화 모듈을 작동시키는 형태로 이루어질 수도 있고, 외부에 소화제 또는 온도 강하제 역할을 하는 화학제 탱크를 두고 각 모듈에 연결시켜 둔 후 어느 모듈에서 온도가 과도하게 상승하면 그 모듈에만 그 화학제를 주입하여 소화 내지 온도를 낮추어 화재발생을 방지할 수 있도록 할 수도 있다.
케이스(10) 내에는 여러 개의 배터리 셀이 배치되고, 또한 전면의 전기 단자(13) 및 신호 단자(14) 측으로는 배터리 관리 시스템(Battery Management System)이 배치된다.
본 출원서에서는 배터리 셀/배터리 관리 시스템과, 전기 단자(13)/신호 단자(14) 및 각종 센서 간의 전기적 연결 관계에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에서는 케이스로 밀폐된 상태의 배터리 모듈에 대한 전도 열전달 방식의 열교환 시스템을 구비하고 있다. 이와 같은 전도 열전달 방식은 배터리 모듈온도를 일정한 범위로 유지하기 위한 소모전력이 기존의 대류 열전달 방식에 의한 것 보다 매우 적게 소모되는 장점이 있다. 대류 열전달 방식에서는 컨테이너 내의 공기와 배터리 모듈의 온도를 제어해야 하나 본 발명의 경우에는 케이스 내에 밀폐된 소량의 공기량과 배터리 셀의 온도만을 제어하면 될 뿐만 아니라, 접촉에 의한 열전도 방식이 대류에 의한 열전달 방식보다 적은 양의 열로 제어 할 수 있고 응답속도도 빠른 장점도 있다.
이와 같은 열교환 시스템은 배터리 모듈의 온도를 조절하기 위해 각 배터리 모듈(1)에 설치되는 제 1 열교환기와, 상기 각 배터리 모듈들의 제 1 열교환기들을 순환하며 열을 교환한 냉매를 냉각시키기 위한 제 2 열교환기(60)로 구성된다.
제 1 열교환기는 냉매 순환로(50)로써 케이스(10) 내면이나 외면, 또는 배터리 셀들 사이에 배치될 수도 있고, 상부 케이스(11) 또는 하부 케이스(12)의 벽면에 유로를 만들어 그 유로를 따라 냉매를 순환시키도록 할 수도 있다. 또는 상기 냉매 순환로를 통한 열전달을 통해서 가열도 이루어 질 수 있다. 가열 방법에 있어서는 전기 공급에 의해 발열하여 배터리 모듈 내부의 온도를 조절하는 발열판(도시되지 않음.)을 설치할 수도 있다.
제 2 열교환기(60)는 제 1 열교환기를 통해 열을 흡수한 냉매를 냉각하기 위한 것으로, 복수 개 배터리 모듈에 각각 설치된 제 1 열교환기에 대해 개별적으로 냉각된 냉매를 보낼 수 있도록 병열적으로 연결하게 되면 제 1,2 열교환기의 배관 관계가 조금 더 복잡해지지만 각 배터리 모듈의 온도를 보다 정밀하게 관리할 수 있을 것이다. 각 배터리 모듈(1)의 온도는 배터리 관리 시스템으로부터 전달받을 수 있음은 물론이다.
또한 컨테이너 내의 전체 배터리 모듈을 대상으로, 또는 도 2와 같이 배터 리 모듈(1)이 적층된 랙 단위로 배터리 모듈의 제 1 열교환기들과 제 2 열교환기(60)의 직렬적 연결관계를 형성하여 운용하는 것도 가능하다.
제 2 열교환기(60)는 펌프, 방열판, 팬 등으로 구성되어야 함은 당연한 것 이므로 구체적 설명은 생략하기로 한다.
또한 상기와 같은 구성에 의하면, 주위와 격리되게 이루어진 배터리 모듈은 컨테이너 내부의 랙에 적층하여 설치할 필요 없이 도 3과 같이 태양광 패널(70)이 설치된 구조물 아래에 설치하는 것도 가능하게 되므로, 배터리 모듈 설치용 컨테이너가 필요없이 운용할 수도 있어 장소 및 비용을 절약할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
1 : 배터리 모듈 10 : 케이스
11 : 상부 케이스 12 : 하부 케이스 13 : 전기 단자 14 : 신호 단자
50 : 제 1 열교환기 60 : 제 2 열교환기 70 : 태양광 패널

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  4. 상부 케이스와 하부 케이스가 결합되어 이루어지며, 복수 개의 배터리 셀과 상기 배터리 셀의 온도 및 충방전 상태를 조절하기 위한 배터리 관리 시스템을 내부에 배치하고, 상부 케이스와 하부 케이스 사이를 가스켓으로 밀봉하며, 상부 케이스와 하부 케이스 중 하나에는 전원 및 신호를 외부로 전달하기 위해 불연성 소재로 이루어진 단자부가 배치되어 있는 케이스와;
    상기 케이스 내부에서 화재가 발생하지 않았을 때는 외부 공기가 유입되지 않도록 차단되며, 화재가 발생하여 케이스 내부 압력이 높아졌을 때 케이스 내부의 가스를 외부로 방출하기 위해 상기 케이스의 벽체에 설치되는 릴리프 밸브나 체크밸브로 이루어진 가스 분출구와;
    상기 케이스 내부에 배치된 소화부와;
    케이스 내부의 온도를 낮추기 위해 상기 케이스 내면이나 외면 또는 배터리 셀들 사이에 배치되거나 상부 케이스 또는 하부 케이스의 벽면에 형성된 유로로 이루어지는 냉매 순환로로 이루어지는 제 1 열교환기와;
    전기 공급에 의해 발열하여 케이스 내부의 온도를 높이기 위한 발열판;을 포함하여 배터리 모듈이 형성되고;

    적층되어 설치된 상기 배터리 모듈들의 제 1 열교환기들을 순환한 냉매를 냉각시키기 위한 제 2 열교환기가; 설치되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 설비용 에너지 저장 시스템의 화재 확산 방지 구조.
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