KR101015804B1 - 태양광과 풍력의 복합 대체 에너지 발전을 연계한 열병합 발전 시스템 - Google Patents

태양광과 풍력의 복합 대체 에너지 발전을 연계한 열병합 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 전기를 생성함과 동시에 발전 폐열을 공급하는 열병합 발전 시스템에 화석연료를 사용하지 않고 깨끗한 전기를 생산하는 태양광 발전기와 풍력 발전기를 연계하는 통합 에너지 발전 시스템을 구축함으로써,
지역이나 건축물 전체에서 발생하는 다양한 에너지 수요(동일 수요처)를 도로 자체에서 생성한 전기만으로 동시에 충족할 수 있음은 물론 잉여전력을 얻게 되어,
풍차나 도로에 가설된 가로등이나 제설용 히터 등에 용도별로 유용한 에너지를 적절히 공급하므로서 에너지 이용 효율을 극대화시킬 수 있으며 또한 발전 폐열 뿐만 아니라 자연에너지를 병행하여 활용함으로써 광범위하게 연중 사계절 열공급(난방 및 급탕)과 전력공급 모두 가능하여 에너지 절약 및 경비절감에 기여할 수 있으며 대기오염 저감에 의한 환경보호와 축전과 축열기능으로 전기와 열수요의 계절적 불균형에 적극 대응 할 수 있는 효과가 있다.
열병합 발전 시스템, 복합 발전, 복합 열원 난방, 대체 에너지, 태양광 발전기, 풍력 발전기, 축전, 축열

Description

태양광과 풍력의 복합 대체 에너지 발전을 연계한 열병합 발전 시스템{Multiple purpose integrated power cogeneration system using solar energy and wind power}
본 발명은 태양광과 풍력의 복합 대체 에너지 발전을 연계한 열병합 발전 시스템에 관한 것으로서, 고효율의 에너지 절약형 시설로서 전기를 생성함과 동시에 발전 폐열을 공급하는 열병합 발전 시스템에 화석연료를 사용하지 않고 깨끗한 전기를 생산하는 태양광 발전기와 풍력 발전기를 연계하는 통합 에너지 발전 시스템을 구축함으로써,
지역이나 건축물 전체에서 발생하는 다양한 에너지 수요(동일 수요처)를 도로 자체에서 생성한 전기만으로 동시에 충족할 수 있음은 물론 잉여전력을 얻게 되어,
풍차나 도로에 가설된 가로등이나 제설용 히터 등에 용도별로 유용한 에너지를 적절히 공급하므로서 에너지 이용 효율을 극대화시킬 수 있으며 또한 발전 폐열 뿐만 아니라 자연에너지를 병행하여 활용함으로써 광범위하게 연중 사계절 열공급(난방 및 급탕)과 전력공급 모두 가능하여 에너지 절약 및 경비절감에 기여할 수 있으며 대기오염 저감에 의한 환경보호와 축전과 축열기능으로 전기와 열수요의 계절 적 불균형에 적극 대응 할 수 있는 효과가 있다.
종래 다량의 전기에너지와 열에너지를 소비하는 아파트 등의 공동주택이나 업무용 빌딩, 소규모 공장 단지 등에서 전기에너지를 전력회사로부터 공급받고 있으나 발전에 따른 냉각 배열손실과 송전손실이 많고 난방 또는 냉방용 열에너지는 자체 보일러 또는 냉매 에어콘을 이용한 불규칙적이고 간헐적인 열에너지 공급으로 인하여 열효율이 현저하게 낮다.
상기한 문제점을 해결하여 열에너지와 전기에너지를 동시에 공급하는 열병합 발전(Cogeneration)은 원격지에서의 송전으로 송전 손실이 많은 일반 발전기에 비하여 대규모 발전소 건설의 부담이 경감되며 전기 등 에너지 수요지에서 전기를 직접 공급하는 분산형 전원으로 송전 손실이 적고 또한 에너지 수요에 즉각 대응이 가능하며 연료를 공급받아 발전기에서 전기를 생산하고 발전하는 과정에서 필연적으로 발생하는 폐열(배열)을 회수하여 유용하게 이용하는 고효율 에너지 기술로서종래의 발전방식보다 30∼40%의 전력 및 연료 등의 에너지 절감효과로 환경친화적이고 에너지 절약성이 좋은 장점이 있으나, 종래의 일반적인 열병합발전용 난방 및 급탕 배관만으로는 계절별로 난방열량의 과부족이 발생되어 에너지부하에 원활하게 대응할 수 없게 되고 대규모 집중형 시스템으로서 전력 및 열의 수송에 따른 비용의 과다와 전력 및 열손실로 인하여 경제성에 문제가 있었다.
또한 고유가 시대가 다가오므로 인해 에너지 절약이 그 어느때 보다도 절실한 현재 선진 각국에서 활발히 기술개발이 진행되고 있으며 실용화 단계에 접어든 대체에너지로는 자연에서 생성할 수 있는 태양에너지와 풍력에너지를 주종으로 지열, 파력, 조력 등을 이용한 대체에너지 개발이 활발히 진행되고 있으나, 태양광을 이용한 태양에너지는 에너지를 응집시키는 기술력이 아직 부족하고, 구름이 많거나 비가 오게 되면 발전이 불가능하며, 설치비가 많이 들어 비경제적이고, 소규모 발전에만 적합한 문제점이 있으며, 풍력은 바람이 없으면 발전이 불가능하고, 설치 적지가 한정되어 있으며, 가동률이 낮아서 경제적이지 못한 단점이 있다.
그 중에서 광 에너지와 열 에너지로 대별되는 태양 에너지 중에서 태양광 에너지는 광전지(솔라셀)을 이용하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사용하며, 태양열 에너지는 집열판 등을 이용하여 열을 흡수하여 열매체에 전달하고 열매체에 흡수된 열을 이용하여 물의 온도를 높이는 방법으로 이용하고 있는데, 태양열 에너지는 에너지밀도가 낮고 일조시간이 짧고, 혹한이나 한파가 잦은 동절기에는 에너지 흡수량이 절대적으로 부족하여 집열효율이 떨어지므로 다른 보조 열원과 병합하여 사용하여야 하는 문제점이 있다.
또한 태양광 발전기의 광전지셀(PHOTOVOLTAIC CELL)에 태양광이 조사되면 광(光)기전력현상에 의해 전기가 발생되는 태양광 발전기도 구름이 끼거나 우기와 같이 태양광을 집광할 수 없을 때에는 전기를 생산할 수 없는 문제점이 있다.
또한 도로에 관련된 시설로 야간에 빛을 밝혀서 시민의 활동을 자유롭게하는 가로등은 별도의 전력선 설치 등 전기 공급시설이 필요하고,
동절기에 일정 기온 이하에서 도로가 결빙되거나 강설로 눈이 쌓이게 되면 차량사고와 교통체증, 도로 결빙에 따른 파손 등 경제적 손실이 막대하게 발생되므로서 도로의 유지관리가 어려우며 계절에 관계없이 보다 쾌적하고 안전한 도로상태를 유지하게 하는 노면 결빙 방지 시설로서 별도의 히터를 구비하여야 하나 동절기에만 주로 사용하는 히터시스템의 불규칙한 피크수요에 대응하기 위하여 발전용량을 늘려야 하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명자는 종래의 에너지 문제를 해결하는 대체 에너지를 연구한 바 버려지는 미활용 에너지를 회수 재활용하여 전기 및 열 수요처 전체를 발전소화 하는 방법으로 환경친화성, 에너지 절약성 및 에너지 공급의 유연성을 동시에 가지는 본 발명의 태양광과 풍력의 복합 대체 에너지 발전을 연계한 열병합 발전 시스템을 개발하게 된 것이다.
전술한 바와 같이 여러 가지 문제점을 가지고 있는 종래 기술의 열병합 발전시스템을 개선시키기 위하여 다양한 방법으로 미활용 에너지를 재활용하고 열효율을 개선시키는 방안이 제시되어 왔으나 미흡한 바,
열에너지를 공유시키는 네트워크 구성으로 난방이나 급탕, 조명, 제빙 등 에너지부하에 계절이나 시간에 구애받지 않고 유연하게 대처하여야 하는 기술 과제,
축열조의 에너지 저장 및 축열 성능을 향상시켜야 하는 기술 과제 등,
미활용에너지의 유효이용, 에너지 부하의 원활한 대응, 경제적 운전에 따른 종합 열효율향상 등 열역학적이나 경제성면에서 합리적이지 못한 풀어야 할 기술적 과제가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 종합적으로 해결한 것으로서,
고효율의 에너지 절약형 시설로서 전기를 생성함과 동시에 발전 폐열을 공급하는 열병합 발전 시스템에 화석연료를 사용하지 않고 깨끗한 전기를 생산하는 태양광 발전기와 풍력 발전기를 연계하는 통합 에너지 발전 시스템을 구축함으로써,
지역이나 건축물 전체에서 발생하는 다양한 에너지 수요(동일 수요처)를 도로 자체에서 생성한 전기만으로 동시에 충족할 수 있음은 물론 잉여전력을 얻어,
열에너지를 공유시키는 배선 및 배관망 구성으로 전기 및 열 수용가는 물 론 풍차나 도로에 가설된 가로등이나 제설용 히터 등에 용도별로 유용한 에너지를 적절히 공급하므로서 에너지 이용 효율을 극대화시킬 수 있으며 또한 발전 폐열 뿐만 아니라 자연에너지를 병행하여 활용함으로써 광범위하게 연중 사계절 열공급(난방 및 급탕)과 전력공급 모두 가능한 태양광과 풍력의 복합 대체 에너지 발전을 연계한 열병합 발전 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
이와 같이 형성된 본 발명의 태양광과 풍력의 복합 대체 에너지 발전을 연계한 열병합 발전 시스템은,
열병합 발전 시스템에 화석연료를 사용하지 않고 깨끗한 전기를 생산하는 태양광 발전기와 풍력 발전기를 연계하는 통합 에너지 발전 시스템을 구축하여 복수 개의 자연에너지를 이용한 소출력 발전시스템을 유기적으로 결합하고 열수요처 자체를 소출력 발전소화하여 에너지 공급을 상호 보완적으로 운영함으로써,
지역이나 건축물 전체에서 발생하는 다양한 에너지 수요(동일 수요처)를 도로 자체에서 생성한 전기만으로 동시에 충족할 수 있음은 물론 잉여전력을 얻을 수 있어 효율적이고 경제적으로 에너지를 얻음은 물론 한가지 종류의 발전으로 전력을 생산 공급하는 것보다 안정된 에너지를 공할 수 있으며,
발전 폐열 뿐만 아니라 자연에너지를 병행하여 활용함으로써 광범위하게 연중 사계절 열공급(난방 및 급탕)과 전력공급 모두 가능하여 에너지 절약 및 경비절감에 기여할 수 있으며 대기오염 저감에 의한 환경보호와 축전과 축열기능으로 전 기와 열수요의 에너지 부하에 따라 수요처 특성에 맞춰 광범위하면서도 유연하게 대처할 수 있는 효과가 있다.
따라서 한전에서의 전력 공급이 끊겨도 자체에서 생산된 전기를 전기수요처의 상용 전력 및 비상 전력으로 공급함은 물론 난방 수요처의 난방 관련 설비의 구동 전력으로 공급하여 계절별, 수요처별 부하에 따른 에너지 수요와 난방 관련 설비의 부하에 환경친화적이고 값싼 전기와 열에너지를 연중 24시간 안정적으로 공급할 수 있다.
본 발명의 구성을 첨부 도면에 의해 상세하게 설명하면 다음과 같으며 본 발명의 요지를 불명료하게 흐릴 수 있는 공지의 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명은,
도시가스를 공급받아 전기를 생산하는 열병합 발전기(30)로 부터 발전한 전기를 공급하는 동시에 발전 폐열로 난방(급탕)이 가능한 복합 열병합 발전 시스템에 있어서,
열과 전기를 수용 하는 수용가(80)와 도로 가로등(70), 도로 히터(60)가 설치된 전기 및 열 수요처에 열과 전기를 생산하는 열병합 발전기(30)와 태양광 태양 열 복합 발전기(20), 풍력 발전기(10)가 연계된 복합 에너지원 발전 시스템을 구축하고,
상기 복합 에너지원 발전 시스템에 열병합 발전기(30)에서 발생되는 발전 폐열과 태양광 태양열 복합 발전기(20)에서 발생되는 태양열을 수용가(80)에 공급하여 난방을 수행하는 복합 열원 난방 시스템을 연계하여 전기와 열을 수요처에 공급함에 있어서,
상기 풍력 발전기(10)와 태양광 태양열 복합 발전기(20)의 광전지(태양전지)(21)에서 생성된 전기는 축전기(40)에서 축전하여 도로 가로등(70), 결빙 방지 장치로서 지하에 매설된 도로 히터(60)에 전기를 공급하고,
상기 태양광 태양열 복합 발전기(20)의 집열판(22)에서 생성된 태양열과 열병합 발전기(30)에서 생성된 열에너지는 열매를 매개로 축열조(50)에 저장하여 수용가에 공급함으로서,
복합 전력 에너지원, 복합 열원이 상호 연계되어 전기와 열에너지를 공유시키는 배선 및 배관망 구성으로 복합 에너지원에 의한 축전과 축열로 열병합 발전 시스템의 종합 에너지 효율을 극대화 시키는 구성이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의하여 상세히 설명한다.
도 1과 도 2는 본 발명의 전체적 구성을 도시한 개략적인 구성도로서,
본 발명은 전술한 바와 같이 열에너지와 전기 에너지를 동시에 공급하는 열 병합 발전기(30)에 자연 에너지를 이용하는 태양광 태양열 복합 발전기(20)와 풍력 발전기(10)를 부가 설치하여 복합 에너지 열병합 발전 시스템을 구축한다.
본 발명은 열병합 발전기(30)를 주전력원으로 하고 보조 전력원으로서 태양광 태양열 복합 발전기(20)와 풍력 발전기(10)에서 상호 보완적으로 생산된 전력을 모아서 하나의 전력으로 통합 및 조정하여 자체에서 생산된 전기를 해당 지역의 수용가(80)와 도로 가로등(70), 도로 히터(60) 등 전기 수요처에 송전함으로써 한전에서의 상용 전력이나 비상 전력 공급 없이도 환경친화적이고 값싼 전기를 연중 24시간 안정적으로 공급할 수 있게 한다.
즉, 365일 24시간 가동되는 열병합 발전기(30)를 중심으로 태양광의 조도가 일정레벨 이상일 경우에는 태양광으로 발전하고, 태양광의 조도가 일정레벨 이하일 경우에는 풍력으로 상호 보완적으로 발전하여 전력 부하에 유연하게 대처하되, 태양광 태양열 복합 발전기(20)와 풍력 발전기(10)는 미도시한 제어장치에 의하여 콘트롤되는 무인 자동화 운전을 실시한다.
상기한 풍력 발전기(10)는 풍차장치가 지상에 설치되며 내부에 공간부가 형성된 타워형 지주 선단에 풍력에 의해 회전 작동되는 날개차가 결합된 공지의 구성으로서 풍력 발전기(10)에 의하여 생성된 전기는 전선 케이블 배선망을 경유하여 축전기(40)에 연결되는 시스템 구성으로, 환경 조건에 따라 정격 풍속이상의 풍력 이 발생하면 자연 에너지인 풍력을 날개차의 회전운동으로 변환 풍력 발전기(10)를 구동시켜 전기를 생성하게 되는데 조명기구를 풍력 발전기(10)의 타워에 구비하게 되면 가로등이 별도로 필요 없으며 자체 생성 전기로 조명을 수행하면서 시각적인 효과도 부차적으로 구현할 수 있다.
태양광 태양열 복합 발전기(20)는 태양열을 집열하여 열을 공급하는 집열판(22)에 수광된 태양광이 조사되면 광(光)기전력현상에 의해 전기를 발생시키는 광전지(22)(PHOTOVOLTAIC CELL)이 복합적으로 구비되어 전기와 열을 동시에 공급하는 장치로서 전기는 풍력 발전기(10)에서 생성된 전기와 함께 축전기에 축전되어 열병합발전기(30)에서 생성하는 전기와 함께 일조량이나 풍량에 상관없이 연중 상호 보완적으로 전기를 공급하게 된다.
즉, 바람이 부는 쾌청한 날에는 풍력과 태양광을 모두 이용하여 전기를 생산하고, 흐린날에는 풍력으로 전기를 생산하며, 바람이 없는 괘청한 날에는 태양광에 의해 전기를 생산하게 되며, 잉여 전기를 축전하는 본 발명의 축전기(40)는 급속 충,방전이 가능하고 높은 충,방전 효율, 반영구적인 수명 고출력 등의 특성이 있는 슈퍼축전기를 사용하는 것이 바람직하다.
열병합 발전기(30)는 전기를 공급합과 동시에 발전폐열을 이용 난방 및 급탕을 위해 축열하는 축열조(50)에 열을 축적하여 수용가(80)에 난방(급탕)열을 공급 하게 되는데 태양열과 더불어 열에너지를 공유시키는 배관망 구성으로 열매체의 가열 및 축열에 따른 에너지 효율을 극대화시키게 되는 것으로 축열조(50)는 태양열과 열교환되고 배관으로 공급되는 열매(물)로부터 열을 회수하여 축열하게 되며 이렇게 상호 보완적으로 부족한 열량릉 보충함으로써 축열조(저장탱크)의 크기가 축소되고 더불어 에너지 절약과 공해방지에 기여하게 된다.
도시하지는 않았으나 상기 축열조(50)에는 열 공급이 원활하지 않을 경우에 온수의 온도를 기준 온도와 비교하여 열을 보충하여 주게끔 충전된 물 등의 열매체를 가열하는 히터를 추가적으로 설치할 수 있으며 열매체의 온도를 감지하는 온도센서(미도시함)와 마이크로 프로세서로 구동되는 제어장치도 동시에 구비하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 열공급 배관상의 필요한 요소 위치에는 압력 손실을 예방하는 부스터 펌프나 온수의 순환용 펌프, 용수나 가스의 유로를 개방 또는 폐쇄시켜 유량을 조절하거나 방향을 전환시키며 역류를 차단하는 다수의 밸브장치를 선택적이고 보충적으로 장착하여 열병합 발전 시스템을 안정적으로 가동할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
결국 본 발명은 미활용에너지를 회수 이용하여 사계절 난방(급탕)과 냉방, 전력공급이 모두 가능한 복합 에너지원 열병합 발전 시스템으로서 전력 생산공정에서 발생하는 폐열(배열)과 풍력이나 태양열, 태양광 등 자연에너지를 복합적으로 활용하므로서 에너지 절약 및 경비절감에 기여할 수 있으며 대기오염 저감에 의한 환경보호와 축전과 축열기능으로 전기와 열수요의 계절적 불균형에 적극 대응 할 수 있어 계절이나 시간 등 환경 여건에 구애받지 않는 효과가 있다.
그리고 상기한 배선 및 배관의 설치 및 순환 구조는 도시와 설명의 편의를 위하여 예시한 바람직한 실시예로서, 설치 조건에 맞춰 본 발명의 기술적 요지의 동일성 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 전체적 구성을 도시한 블럭 구성도
도 2은 본 발명에 따른 복합 대체 에너지 열병합 발전 시스템의 개략적인 통합 시스템 구성도
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10:풍력 발전기 20:태양광 태양열 복합 발전기
21:광전지 22:집열판
30:열병합 발전기 40:축전기
50:축열기 60:도로 히터
70:도로 가로등 80:수용가

Claims (1)

  1. 도시가스를 공급받아 전기를 생산하는 열병합 발전기(30)로 부터 발전한 전기를 공급하는 동시에 발전 폐열로 난방(급탕)이 가능한 복합 열병합 발전 시스템에 있어서,
    열과 전기를 수용 하는 수용가(80)와 도로 가로등(70), 도로 히터(60)가 설치된 전기 및 열 수요처에 열과 전기를 생산하는 열병합 발전기(30)와 태양광 태양열 복합 발전기(20), 풍력 발전기(10)가 연계된 복합 에너지원 발전 시스템을 구축하고,
    상기 복합 에너지원 발전 시스템에 열병합 발전기(30)에서 발생되는 발전 폐열과 태양광 태양열 복합 발전기(20)에서 발생되는 태양열을 수용가(80)에 공급하여 난방을 수행하는 복합 열원 난방 시스템을 연계하여 전기와 열을 수요처에 공급함에 있어서,
    상기 풍력 발전기(10)와 태양광 태양열 복합 발전기(20)의 광전지(태양전지)(21)에서 생성된 전기는 축전기(40)에서 축전하여 도로 가로등(70), 결빙 방지 장치로서 지하에 매설된 도로 히터(60)에 전기를 공급하고,
    상기 태양광 태양열 복합 발전기(20)의 집열판(22)에서 생성된 태양열과 열병합 발전기(30)에서 생성된 열에너지는 열매를 매개로 축열조(50)에 저장하여 수용가에 공급함으로서,
    복합 전력 에너지원, 복합 열원이 상호 연계되어 전기와 열에너지를 공유시 키는 배선 및 배관망 구성으로 복합 에너지원에 의한 축전과 축열로 열병합 발전 시스템의 종합 에너지 효율을 극대화 시키는 구성임을 특징으로 하는 태양광과 풍력의 복합 대체 에너지 발전을 연계한 열병합 발전 시스템
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