KR100722275B1 - 열병합 발전 시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 열병합 발전시스템 및 그의 제어방법은 엔진이 최적 운전조건에서 일정한 출력을 내도록 구성되고, 발전기에서 생산된 전력 중 상기 공기조화기에서 사용되고 남은 전력은 건물의 전원에 공급되도록 구성됨으로써, 엔진의 최적 운전으로 인해 엔진의 효율이 향상됨과 아울러 전력의 활용도가 높아지는 이점이 있다.

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Description

열병합 발전 시스템 및 그의 제어방법{Cogeneration system and its control method}

도 1은 본 발명에 따른 열병합 발전시스템이 도시된 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 열병합 발전시스템이 도시된 블록도,

도 3은 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 제어방법이 도시된 순서도.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

50: 엔진 52: 발전기

54: 공기조화기 56: 건물의 전원

58: 계통연계장치 60: 실외기

62: 실내기 64: 배기가스 열교환기

66: 냉각수 열교환기 68: 폐열공급 열교환기

70: 제어부 72: 외부전원

74: 전류감지부 76: 차단기

본 발명은 열병합 발전시스템에 관한 것으로서, 특히 엔진이 최적 운전조건에서 일정한 출력을 내도록 구성되고, 발전기에서 생산된 전력 중 상기 공기조화기에서 사용되고 남은 전력은 건물의 전원에 공급되도록 구성됨으로써, 엔진의 효율이 향상됨과 아울러 전력의 활용도가 높아질 수 있는 열병합 발전시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 열병합 발전시스템은 코제너레이션 시스템(Cogeneration system)이라고도 불리는 것으로, 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 시스템이다.

이와 같은 열병합 발전시스템은 엔진 또는 터빈을 구동하여 발전하면서 발생되는 배기가스 열 또는 냉각수의 폐열을 회수하여 종합 열효율을 70~80%까지 높이는 것이 가능하여, 회수 폐열을 냉난방, 급탕 등에 많이 활용하고 있는 고효율 에너지 이용방식이다.

종래의 열병합 발전시스템은 엔진과, 상기 엔진에서 출력된 회전력으로 전력을 생산하는 발전기와, 상기 발전기에서 생산된 전력으로 작동되고 냉방과 난방이 절환될 수 있는 히트 펌프식 공기조화기와, 급탕이나 온수 공급을 위한 축열조와, 상기 엔진의 배기가스의 열과 냉각수의 열을 상기 축열조로 공급하는 열 공급라인을 포함하여 구성된다.

상기 히트 펌프식 공기조화기는 압축기, 사방밸브, 실내 열교환기, 팽창기 구, 실외 열교환기를 포함하여 구성되고, 상기 압축기와 사방밸브,실내 열교환기,팽창기구,실외 열교환기는 냉매배관으로 연결된다.

상기와 같이 구성된 종래의 열병합 발전시스템의 작동을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상기 엔진이 구동되면 상기 발전기는 상기 엔진의 출력축에 의해 회전자가 회전되면서 전력을 생산하고, 생산된 전력은 상기 히트 펌프식 공기조화기나 조명 등의 각종 전자제품에 사용된다.

그리고, 상기 엔진의 폐열은 열 공급 라인을 통해 상기 축열조로 공급되어, 급탕이나 온수 공급을 위한 열원으로 이용된다.

한편, 상기 히트 펌프식 공기조화기는 난방 운전시 상기 압축기가 구동되어 냉매를 압축하고, 상기 사방밸브는 상기 압축기에서 압축된 냉매가 실내 열교환기, 팽창기구, 실외 열교환기, 압축기로 순환되도록 유로를 형성하며, 상기 실내 열교환기는 응축기로 작용하면서 실내 공기를 난방한다.

반면에, 냉방운전시에는 상기 압축기가 구동되어 냉매를 압축하고, 상기 사방밸브는 상기 압축기에서 압축된 냉매가 상기 실외 열교환기, 팽창기구, 실내 열교환기, 압축기로 순환되도록 유로를 형성하며, 상기 실내 열교환기는 증발기로 작용하면서 실내 공기를 냉방한다.

그러나, 종래 기술에 따른 열병합 발전시스템은 상기 발전기에서 생산된 전력이 상기 히트 펌프식 공기조화기와 조명 등의 전자제품에만 활용되므로 활용도가 낮은 문제점이 있다.

또한, 요구되는 부하에 따라 상기 엔진 및 발전기가 운전되기 때문에, 상기 엔진의 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 공기조화기의 부하에 상관없이 엔진이 일정 출력을 발생시키도록 함으로써, 엔진의 효율을 향상시킴과 아울러, 공기조화기로 공급되고 남은 여분의 전력은 건물의 전원으로 공급됨으로써 활용도가 향상될 수 있는 열병합 발전시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 열병합 발전시스템은 일정한 출력을 발생하도록 이루어진 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되어 일정한 전력을 발생시키는 발전기와, 상기 발전기와 엔진으로부터 전력과 열을 공급받는 공기조화기와, 상기 발전기에서 생산된 전력 중 상기 공기조화기로 공급하고 남은 전력을 상기 건물의 전원에 공급할 수 있도록 상기 발전기와 건물의 전원을 연결시키는 계통연계장치와, 상기 발전기에서 생산된 전력과 상기 공기조화기에서 필요한 전력을 비교하여, 그에 따라 상기 계통연계장치를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 제어방법은 발전기에서 생산된 전력과 공기조화기에서 필요로 하는 전력을 비교하는 제 1단계와, 상기 제 1단계에서 상기 발전기에서 생산된 전력이 상기 공기조화기에서 필요로 하는 전력보다 크면, 상기 발전기에서 생산된 전력 중 상기 공기조화기로 공급되고 남은 전력을 건물의 전원으로 공급하는 제 2단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 열병합 발전시스템이 도시된 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열병합 발전시스템이 도시된 블록도이며, 도 3은 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 제어방법이 도시된 순서도이다.

본 발명에 따른 열병합 발전시스템은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 열이 발생되는 엔진(50)과, 상기 엔진(50)에서 출력된 회전력으로 전력을 생산하는 발전기(52)와, 상기 발전기(52)와 엔진으로부터 전력과 열을 공급받는 공기조화기(54)와, 상기 발전기(52)에서 생산된 전력 중 상기 공기조화기(54)로 공급하고 남은 전력을 상기 건물의 전원(56)에 공급할 수 있도록 상기 발전기(52)와 건물의 전원(56)을 연결시키는 계통연계장치(58)와, 상기 발전기(52)에서 생산된 전력과 상기 공기조화기(54)에서 필요한 전력을 비교하여, 그에 따라 상기 계통연계장치(58)를 제어하는 제어부(70)를 포함하여 구성된다.

상기 발전기(52)는 상기 엔진(50)의 출력축에 회전자가 연결되어, 상기 엔진(50)의 출력축의 회전시 전력을 생산하도록 구성된다.

여기서, 상기 엔진(50)은 상기 공기조화기(54)에서 요구되는 부하에 관계없이 최적 운전조건에서 항상 일정한 출력을 발생하도록 세팅된다.

따라서, 상기 발전기(52)도 항상 일정한 전력을 발생시키게 된다.

그리고, 상기 공기조화기(54)는 냉난방이 가능한 히트 펌프식 공기조화기인 바, 압축기, 사방밸브, 실외 열교환기, 팽창기구가 장착되어 건물의 외부에 배치되는 실외기(60)와, 실내 열교환기가 장착되어 건물의 내부에 배치되는 실내기(62)로 이루어진다.

한편, 상기 열병합 발전시스템은 상기 엔진(50)의 폐열을 회수하는 폐열 회수수단을 더 포함하는 바, 상기 폐열 회수수단은 상기 엔진(50)에서 배기된 배기가스의 열을 빼앗도록 설치된 배기가스 열교환기(64)와, 상기 엔진(50)을 냉각시킨 냉각수의 열을 빼앗도록 설치된 냉각수 열교환기(66)로 이루어진다.

또한, 상기 배기가스 열교환기(64)와 냉각수 열교환기(66)에서 회수된 폐열을 상기 공기조화기(54)측으로 공급하는 폐열공급 열교환기(68)를 더 포함하여 구성된다.

상기 계통연계장치(58)는 일반적으로 양측에서 공급되는 전력의 전압, 주파수, 위상 등을 맞추어주도록 구성된 상용 장치인 바, 여기서는 상기 발전기(52)에서 생산된 전력의 전압, 주파수, 위상 등을 상기 외부전원(72)로부터 상기 건물의 전원(56)으로 공급되는 전력에 대응되게 맞추어준다.

또한, 상기 계통연계장치(58)는 상기 발전기(52)와 건물의 전원(56),공기조화기(54)사이에 설치되어, 상기 발전기(52)에서 생산된 전력을 상기 공기조화기 (54)와 건물의 전원(56)으로 분배시키게 된다.

한편, 상기 제어부(70)는 상기 발전기(52)에서 생산된 일정한 전력량과 상기 공기조화기(54)에서 필요한 전력량의 차이값을 비교하여, 상기 차이값에 따라 상기 계통연계장치(58)를 제어하도록 구성된다.

또한, 상기 제어부(70)는 상기 건물의 전원으로 전기를 공급하는 외부 전원(72)의 이상여부를 감지하여 건물의 정전여부를 판단하고, 그에 따라 상기 계통연계장치(58)를 제어하도록 구성된다.

상기 제어부(70)는 상기 외부전원(72)의 이상여부를 판단하기 위해 상기 외부전원(72)으로부터 공급되는 전류를 감지하는 전류감지부(74)가 구비된다.

여기서, 상기 외부전원(72)은 전력회사 등에서 공급되는 상용전원이다.

상기 외부전원(72)과 건물의 전원(56)사이에는 건물의 정전시 상기 제어부(70)의 신호에 따라 상기 외부전원(72)과 건물의 전원(56)과의 연결을 차단하는 차단기(76)가 설치된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열병합 발전시스템의 제어방법을 살펴보면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, 먼저 상기 엔진(50) 및 발전기(52)가 운전되면, 상기 엔진(50)은 상기 공기조화기(54)에서 요구되는 부하에 상관없이 항상 일정한 출력을 발생시키게 되고, 그에 따라 상기 발전기(52)에서 생산되는 전력도 항상 일정하게 된다.(S1)

그리고, 상기 발전기(52)에서 발생되는 전력은 상기 공기조화기(54)에 공급되게 된다.(S2)

이 때, 상기 제어부(70)는 상기 발전기(52)에서 생산된 전력과 상기 공기조화기(54)에서 필요로 하는 전력의 차이값을 비교하는 제 1단계를 수행한다.(S3)

상기 제 1단계에서 상기 발전기(52)에서 생산된 전력이 상기 공기조화기(54)에서 필요로 하는 전력보다 크다고 판단되면, 제 2단계에서는 상기 계통연계장치(58)를 제어하여 상기 발전기(52)에서 생산된 전력 중 상기 공기조화기(54)로 공급되고 남은 전력이 상기 건물의 전원(56)으로 공급되도록 한다.(S4)

즉, 상기 계통연계장치(58)를 통해 상기 발전기(52)와 상기 건물의 전원(56)을 연결되도록 하여 상기 공기조화기(54)로 공급되고 남은 전력이 상기 건물의 전원(56)으로 공급되게 한다.

여기서, 상기 건물의 전원(56)은 상기 외부전원(72)에서도 소정의 전력을 공급받고 있는 상태인 바, 상기 계통연계장치(58)는 상기 발전기(52)에서 상기 건물의 전원(56)으로 공급되는 전력의 전압,주파수,위상 등이 상기 외부전원(72)에서 공급되는 전력의 것과 일치시킨 후 상기 건물의 전원(56)으로 공급한다.

이후, 제 3단계에서는 상기 제어부(70)의 전류감지부(74)가 상기 외부전원(72)으로부터 공급되는 전류를 감지하여, 상기 외부전원(72)의 정상여부를 판단한다.(S5)

상기 제 3단계에서 상기 외부전원(72)이 정상이 아닐 경우, 상기 제 4단계에서는 상기 제어부(70)가 상기 차단부(76)를 제어하여 상기 외부전원(72)과 건물의 전원(56)과의 연결을 차단한다.(S6)

상기 제 5단계에서는 상기 제어부(70)가 상기 계통연계장치(58)를 제어하여, 상기 공기조화기(54)로 전력 공급을 중단하고, 상기 발전기(52)에서 생산된 전력을 상기 건물의 전원(56)으로 비상 공급하게 된다.(S7)

여기서, 상기 발전기(52)에서 생산된 전력 중 일부만을 상기 건물의 전원(56)으로 공급하는 것도 가능하나, 여기서는 상기 발전기(52)에서 생산된 전력 전부를 상기 건물의 전원(56)으로 공급하는 것으로 한정하여 설명한다.

이후, 상기 제어부(70)는 상기 외부전원(72)의 이상여부를 계속해서 감지하고, 상기 외부전원(72)이 정상으로 회복되어 상기 건물의 정전이 해제되면, 상기 계통연계장치(58)를 제어하여 상기 발전기(52)에서 생산된 전력이 상기 공기조화기(54)로 공급되도록 한다.(S2)

따라서, 상기 엔진(50)은 상기 공기조화기(54)에서 요구되는 부하에 관계없이 최적 운전조건에서 일정한 출력을 내도록 운전되기 때문에, 요구되는 부하의 변동으로 인해 상기 엔진(50)에 큰 부하가 걸리는 것이 방지됨과 아울러, 상기 엔진(50)의 효율이 향상될 수 있게 된다.

또한, 상기 발전기(52)에서 일정한 전력이 생산되는 바, 상기 공기조화기(54)에서 사용되고 남은 전력은 상기 건물의 전원(56)에 공급함으로써, 남은 전력이 모두 활용될 수 있다.

또한, 상기 건물의 전원(56)은 상기 외부전원(72)과 발전기(52)로부터 동시에 전력을 공급받을 수 있게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 열병합 발전시스템은 엔진이 최적 운전조건에서 일정한 출력을 내도록 구성되고, 발전기에서 생산된 전력 중 상기 공기조화기에서 사용되고 남은 전력은 건물의 전원에 공급되도록 구성됨으로써, 엔진의 최적 운전으로 인해 엔진의 효율이 향상됨과 아울러 전력의 활용도가 높아지는 이점이 있다.

또한, 상기 발전기와 건물의 전원사이에 계통연계장치가 설치됨으로써, 상기 건물의 전원은 상기 외부전원과 발전기로부터 동시에 전력을 공급받을 수 있게 된다.

또한, 건물의 정전시 상기 발전기에서 생산된 전력이 건물의 전원으로 비상 공급될 수 있기 때문에, 별도의 비상발전기가 필요없이 건물의 정전에 대비할 수 있는 이점이 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 출력을 발생하도록 이루어진 엔진과;

   상기 엔진에 의해 구동되어 전력을 발생시키는 발전기와;

   상기 발전기와 엔진으로부터 전력과 열을 공급받는 공기조화기와;

   상기 발전기에서 생산된 전력 중 상기 공기조화기로 공급하고 남은 전력을 상기 건물의 전원에 공급할 수 있도록 상기 발전기와 건물의 전원을 연결시키는 계통연계장치와;

   상기 발전기에서 생산된 전력과 상기 공기조화기에서 필요한 전력을 비교하여, 그에 따라 상기 계통연계장치를 제어하는 제어부를 포함하고,

   상기 제어부는 상기 건물의 전원으로 전기를 공급하는 외부 전원의 이상여부를 감지하여 건물의 정전여부를 판단하고, 상기 계통연계장치를 제어하는 열병합 발전시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 열병합 발전시스템은 건물의 정전시 상기 제어부의 신호에 따라 상기 외부전원과 건물의 전원과의 연결을 차단하는 차단기를 더 포함하는 열병합 발전시스템.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 엔진은 일정한 출력을 발생시키고,

   상기 발전기는 일정한 전력을 발생시키는 열병합 발전시스템.
5. 삭제
6. 발전기에서 생산된 전력과 공기조화기에서 필요로 하는 전력을 비교하는 제 1단계와;

   상기 제 1단계에서 상기 발전기에서 생산된 전력이 상기 공기조화기에서 필요로 하는 전력보다 크면, 상기 발전기에서 생산된 전력 중 상기 공기조화기로 공급되고 남은 전력을 건물의 전원으로 공급하는 제 2단계와;

   외부전원의 정상여부를 판단하는 제 3단계와;

   상기 외부전원이 정상이 아닐 경우, 상기 외부전원과 건물의 전원과의 연결을 차단하는 제 4단계와;

   상기 발전기에서 생산된 전력을 건물의 전원으로 비상 공급하는 제 5단계를 포함하는 열병합 발전시스템의 제어방법.

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