KR101044375B1 - 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템 - Google Patents

폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온실 난방의 필요 여부에 따라 열병합발전 시스템의 폐열회수장치가 선택적으로 구동되도록 함으로서 에너지 효율을 높일 수 있도록 하는 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료를 연소하는 연소기를 포함하고 상기 연소기에서의 연소를 이용하여 전기를 생산하는 연소식 발전기와, 상기 연소식 발전기로부터 배출되는 배가스의 경로를 변경하는 배가스전환스위치와, 상기 연소식 발전기로부터 배출되는 배가스를 온실에 공급하며, 상기 배가스전환스위치의 전환에 의해 배가스가 택일적으로 통과하게 되는 제1배가스공급라인 및 제2배가스공급라인과, 상기 제1배가스라인에 결합되어 배가스의 열에 의해 난방수를 가열하는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기에서 열교환된 난방수를 온실에 공급하는 난방라인과, 상기 제2배가스라인에 결합되어 배가스의 열에 의해 물을 가열하여 증기를 발생시키는 제2열교환기와, 상기 제2열교환기에서 열교환된 증기를 이용하여 구동되는 폐열회수라인과, 상기 폐열회수라인에 설치되어 전기를 생산하는 스팀터빈 발전기와, 상기 연소식 발전기에서 생산된 전기를 상기 온실에 공급하는 제1전기라인과, 상기 스팀터빈 발전기에서 생산된 전기를 상기 온실에 공급하는 제2전기라인을 포함한다.

Description

폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템{COMBINED HEAT AND POWER SYSTEM WITH HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR FOR GREENHOUSE CARBON DIOXIDE ENRICHMENT}
본 발명은 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온실 난방의 필요 여부에 따라 열병합발전 시스템의 폐열회수장치가 선택적으로 구동되도록 함으로써 에너지 효율을 높일 수 있도록 하는 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템에 관한 것이다.
이산화탄소 시비(carbon dioxide enrichment)는 작물 재배시 공기 중의 이산화탄소 농도를 인위적으로 높여 줌으로써 광합성 작용을 활발하게 하여 생육을 촉진하고 품질을 향상시키는 재배 방법이다. 특히 하우스와 같이 환기가 원활히 이루어지기 힘든 공간에서 이루어지는 시설원예 재배에서는 이산화탄소 부족으로 인해 광합성이 제한될 수 있으므로 이산화탄소 시비를 통해 이를 보충하는 방법이 널리 이용되고 있다.
이산화탄소의 공급 방법으로는 하우스 외부에 액화탄산가스탱크를 설치하고 기화기를 통해 온도를 높여 하우스 내부로 공급하는 방식이 사용되었으나 위험하고 설치비용 및 단가가 비싼 문제점이 있었다. 따라서 최근에는 이산화탄소와 함께 열과 전기를 생산하여 온실난방 및 전력공급에 이용함으로써 자원 이용률을 극대화할 수 있는 열병합발전(CHP : Combined Heat and Power) 시스템을 통해 이산화탄소를 공급하는 방식이 주목받고 있다.
도 1은 종래 온실용 열병합발전 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 이를 참고하면, 종래 온실용 열병합발전 시스템은 외부로부터 연료와 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(11)를 포함하고 연소기(11)에서의 연소를 이용하여 전기를 발생시키는 가스엔진(10), 연소 후 배가스 중 NOx 및 연료 미연 성분을 제거하는 배가스처리장치(20), 연소 후 배가스의 열을 이용하여 난방수를 가열하는 열교환기(30)를 구비한다. 가스엔진(10)을 대신하여 가스터빈이 사용되는 경우도 있다.
가스엔진(10)에서 배출되어 이산화탄소를 포함하는 연소배가스는 배가스처리장치(20)를 거치면서 NOx 및 연료 미연 성분이 제거되고, 송풍기(21)에 의해 이송되어 배가스공급라인(L1)을 타고 온실에 공급되며, 이산화탄소 시비를 위해 필요한 양을 초과하는 배가스는 3방밸브(22)를 통해 대기 중으로 방출된다. 열교환기(30)에서 열을 흡수한 난방수는 난방라인(L2)을 통해 온실에 공급되어 온실난방에 이용된다. 가스엔진(10)에서 생산된 전기는 전기라인(L3)을 통해 온실에 공급되어 온실 내부 조명 등에 사용된다. 이와 같이, 연소 과정에서 생성된 이산화탄소, 열과 전기를 이산화탄소 시비, 온실난방 및 내부 조명으로 모두 사용함으로써 에너지 이용률을 높인다.
그러나, 이러한 방법에 의하더라도 이산화탄소 시비를 위한 연소 과정에서 발생한 열이 온실 내부에서 충분히 소비되지 못하는 경우에는 시스템의 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 특히 주간이나 하절기에는 일조량이 충분하여 태양광조사만으로도 온실 난방에 필요한 열에너지를 충분히 공급할 수 있으므로 난방라인(L2)을 통한 추가적인 열공급이 불필요하고, 따라서 연소를 통해 생성된 열에너지는 그대로 외부로 방출되므로 에너지 이용률이 낮아진다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 난방라인에 추가적으로 온수탱크(31)를 설치하는 방법이 이용된다. 이는 온실 난방에 추가적인 열공급이 필요치 않은 경우 여분의 열을 온수로 저장해두었다가 일조량이 부족한 밤에 사용함으로써 에너지 손실을 줄이고자 하는 방법이나, 한여름과 같이 한밤 중에도 대기 온도가 높아 온실이 적정 온도를 유지할 수 있는 시기에는 저장된 열을 사용할 필요가 없으므로 결국 에너지 손실이 발생하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열병합발전 시스템을 이용한 온실난방이 필요하지 않은 경우 선택적으로 폐열회수장치를 구동시킴으로써 에너지 손실을 줄일 수 있도록 하는 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템은 연료를 연소하는 연소기를 포함하고 상기 연소기에서의 연소를 이용하여 전기를 생산하는 연소식 발전기와, 상기 연소식 발전기로부터 배출되는 배가스의 경로를 변경하는 배가스전환스위치와, 상기 연소식 발전기로부터 배출되는 배가스를 온실에 공급하며, 상기 배가스전환스위치의 전환에 의해 배가스가 택일적으로 통과하게 되는 제1배가스공급라인 및 제2배가스공급라인과, 상기 제1배가스라인에 결합되어 배가스의 열에 의해 난방수를 가열하는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기에서 열교환된 난방수를 온실에 공급하는 난방라인과, 상기 제2배가스라인에 결합되어 배가스의 열에 의해 물을 가열하여 증기를 발생시키는 제2열교환기와, 상기 제2열교환기에서 열교환된 증기를 이용하여 구동되는 폐열회수라인과, 상기 폐열회수라인에 설치되어 전기를 생산하는 스팀터빈 발전기와, 상기 연소식 발전기에서 생산된 전기를 상기 온실에 공급하는 제1전기라인과, 상기 스팀터빈 발전기에서 생산된 전기를 상기 온실에 공급하는 제2전기라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템에 따르면, 온실난방이 필요한 경우 난방라인을 가동하여 이산화탄소 시비를 위한 연소 과정에서 발생하는 열을 공급받아 온실난방에 사용할 수 있고, 온실난방이 필요하지 않은 경우 폐열회수라인을 가동하여 여분의 열로써 스팀터빈 발전기를 구동시킴으로써 추가적인 발전이 가능하다.
온실의 난방 필요 여부에 따라 선택적으로 난방라인 또는 폐열회수라인을 구동시킴으로써 불필요한 에너지 손실을 줄이고, 에너지를 효율적으로 사용하게 되므로 시스템의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 종래 온실용 열병합발전 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템의 제1작동상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템의 제2작동상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템(100)의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시에 따른 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템(100)의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면 본 실시예에 따른 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템(100)은 연료를 연소하는 연소기(111)를 포함하고 상기 연소기(111)에서의 연소를 이용하여 전기를 생산하는 연소식 발전기(110), 상기 연소식 발전기(110)로부터 배출되는 배가스의 경로를 변경하는 배가스전환스위치(120)와, 상기 연소식 발전기(110)로부터 배출되는 배가스를 온실(200)에 공급하며, 상기 배가스전환스위치(120)의 전환에 의해 배가스가 택일적으로 통과하게 되는 제1배가스공급라인(L11) 및 제2배가스공급라인(L12)과, 상기 제1배가스공급라인(L11)에 결합되어 배가스의 열에 의해 난방수를 가열하는 제1열교환기(130)와, 상기 제1열교환기(130)에서 열교환된 난방수를 상기 온실(200)에 공급하는 난방라인(L21)과, 상기 제2배가스공급라인(L12)에 결합되어 배가스의 열에 의해 물을 가열하여 증기를 발생시키는 제2열교환기(135)와, 상기 제2열교환기(135)에서 열교환된 증기를 이용하여 구동되는 폐열회수라인(L22)과, 상기 폐열회수라인(L22)에 설치되어 전기를 생산하는 스팀터빈 발전기와(136), 상기 연소식 발전기(110)에서 생산된 전기를 상기 온실(200)에 공급하는 제1전기라인(L31)과, 상기 스팀터빈 발전기(136)에서 생산된 전기를 상기 온실(200)에 공급하는 제2전기라인(L32)을 포함한다.
상기 연소식 발전기(110)는 가스엔진, 가스터빈 등이 사용될 수 있으며, 연료를 연소시켜 연소 후에는 고온의 배가스를 배출한다.
상기 배가스전환스위치(120)는 그 조작에 의해 연소기(120)의 배가스의 배출 경로가 변경된다. 배가스의 배출 경로는 제1배가스공급라인(L11) 또는 제2배가스공급라인(L12) 중 택일적으로 선택된다.
본 실시예에서 제1배가스공급라인(L11) 및 제2배가스공급라인(L12)에는 배가스를 온실(200) 측으로 공급하는 송풍기(121), 온실(200)에 공급되고 남은 여분의 배가스를 대기중으로 배출할 수 있도록 하는 3방밸브(122), 배가스에 포함된 NOx 및 연료미연 성분을 제거할 수 있도록 암모니아를 공급하여 NOx 성분을 선택적으로 환원시키는 유레아 탱크 혹은 촉매를 이용하여 배가스 중의 연료미연 성분을 감소시키는 촉매변환기 등의 배가스처리장치(125)가 설치된다.
제1배가스공급라인(L11)에는 제1열교환기(130)가 결합되어 난방라인(L21)을 순환하는 난방수를 가열한다. 가열된 난방수는 펌프 등에 의해 가압되어 난방라인(L21)을 타고 온실(200)에 공급된다.
제2배가스공급라인(L12)에는 제2열교환기(135)가 결합되어 폐열회수라인(L22)을 순환하는 물을 가열하여 증기를 발생시킨다. 폐열회수라인(L22)에는 스팀터빈과 제너레이터를 포함하여 가열된 증기를 이용해 전기를 생산하는 스팀터빈 발전기(136)가 설치되며, 본 실시예에서는 스팀터빈 발전기(136)를 거친 증기를 응축하는 응축기(137)와 폐열회수라인(L22)을 통해 증기를 유동시키는 펌프(138)가 구비된다. 스팀터빈 발전기(136)에서 생산된 전기는 제2전기라인(L32)을 통해 온실(200)에 공급된다.
상기 연소식 발전기(110)는 제1전기라인(L31)을 통해 온실(200)과 연결되어 연소식 발전기(110)에서 생산된 전력이 온실(200)에 공급될 수 있도록 한다. 제1전기라인(L31)과 제2전기라인(L32)은 추가적으로 그리드(140)에 연결할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템(100)의 작동을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템의 제1작동상태를 도시한 도면이다.
도 3의 실시예는 태양광조사만으로는 온실난방이 불충분하여 추가적인 열에너지를 공급받아야 하는 경우 시스템의 구동 상태를 도시한 것으로, 배가스전환스위치(120)는 제1배가스공급라인(L11)에 연결된다.
연소식 발전기(110)가 연료를 연소시키면 연소열이 발생한다. 이때 발생하는 열에너지로부터 연소식 발전기(110)에서 전기가 생산되도록 한다. 생산된 전기는 제1전기라인(L31)을 통해 온실에 공급되어 온실 내부 조명이나 기타 전기시설을 구동시키는 데에 사용된다.
또한, 제1전기라인(L31)을 그리드(140)에 연결하여 생산된 전기를 판매함으로써 농가 소득 증대에 기여하도록 할 수 있다.
연소 후 생성된 고온의 배가스는 제1배가스공급라인(L11)을 통해 유동하면서 제1열교환기(130)에서 난방라인(L21)을 흐르는 난방수를 가열한다. 가열된 난방수는 난방라인(L21)을 통해 온실(200)에 공급되어 온실(200)의 온도를 상승시키고 유지하는 데에 사용되며, 난방라인(L21)을 통해 순환하여 다시 제1열교환기(130) 측으로 회수되면서 재가열되는 것을 반복한다.
제1배가스공급라인(L11)을 통해 흐르는 배가스는 배가스처리장치(125)를 거치면서 NOx 및 연료 미연 성분이 제거되고, 송풍기(121)에 의해 유동되어 온실(200)에 이산화탄소를 공급한다. 공급된 이산화탄소는 온실(200) 이산화탄소 시비에 사용되어 생육이 활발히 이루어지도록 한다. 다만, 이산화탄소 시비에 있어서도 공기 중 이산화탄소 농도가 일정 수준을 넘으면 오히려 광합성이 둔화되는 경향을 나타내므로 필요한 만큼의 이산화탄소를 공급하고 남은 배가스는 3방밸브(122)를 통해 대기 중으로 방출한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템의 제2작동상태를 도시한 도면이다. 외부 온도가 높거나 태양광조사만으로 온실난방에 필요한 열에너지가 충분히 공급되는 경우 이산화탄소 시비를 위한 연소과정에서 발생하는 열을 이용해 추가적으로 전기를 생산하기 때문에 불필요한 열을 저장하거나 방출할 필요가 없다.
배가스전환스위치(120)는 제2배가스공급라인(L12)에 연결되도록 전환되며, 연소 후 배가스는 제2배가스공급라인(L12)으로 도시된 경로를 따라 순환하게 된다. 제2배가스공급라인(L12)을 통해 유동하는 고온의 배가스는 제2열교환기(135)에서 폐열회수라인(L22)을 흐르는 물을 가열하여 증기를 발생시킨 후 온실(200)에 공급되어 이산화탄소 시비에 사용된다.
제2열교환기(135)에서 가열된 증기는 폐열회수라인(L22)을 흐르면서 스팀터빈 발전기(136)를 구동시켜 전기를 생산한다. 생산된 전기는 제2전기라인(L32)을 타고 온실에 공급되어 온실 내부 조명 및 기타 전기기기를 작동시키는 데에 사용되며, 그리드(140)에 연결하여 판매할 수 있다.
이산화탄소 시비를 위한 연소식 발전기(110)의 사용은 고온의 배가스를 발생시키므로 생성된 열을 효율적으로 이용하지 못하면 시스템의 효율이 낮아지게 된다. 본 실시예에 따르면 온실난방이 필요한 경우에는 난방라인(L21)이 가동되어 배가스의 열을 온실(200)에 전달하여 온실난방에 사용하며, 온실난방이 필요하지 않은 경우 폐열회수라인(L22)이 가동되어 배가스의 열을 추가적인 전력 생산에 사용함으로써 시스템 효율을 높일 수 있다.
난방라인(L21)이나 폐열회수라인(L22)의 선택적 가동은 온실 온도 등의 요인에 의해 배가스전환스위치(120)를 전환시키는 것으로 가능하며, 이를 통해 불필요한 부분에 에너지를 사용함으로써 손실이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10 : 가스엔진 11 : 연소기
20 : 배가스처리장치 30 : 열교환기
31 : 온수탱크
L1 : 배가스공급라인 L2 : 난방라인
L3 : 전기라인
100 : 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템
110 : 연소식 발전기 111 : 연소기
120 : 배가스전환스위치 121 : 송풍기
122 : 3방밸브 125 : 배가스처리장치
130 : 제1열교환기 135 : 제2열교환기
136 : 스팀터빈 발전기 137 : 응축기
138 : 펌프 140 : 그리드
200 : 온실
L11 : 제1배가스공급라인 L12 : 제2배가스공급라인
L21 : 난방라인 L22 : 폐열회수라인
L31 : 제1전기라인 L32 : 제2전기라인

Claims (4)

  1. 연료를 연소하는 연소기를 포함하고, 상기 연소기에서의 연소를 이용하여 전기를 생산하는 연소식 발전기;
    상기 연소식 발전기로부터 배출되는 배가스의 경로를 변경하는 배가스전환스위치;
    상기 연소식 발전기로부터 배출되는 배가스를 온실에 공급하며, 상기 배가스전환스위치의 전환에 의해 배가스가 택일적으로 통과하게 되는 제1배가스공급라인 및 제2배가스공급라인;
    상기 제1배가스라인에 결합되어 배가스의 열에 의해 난방수를 가열하는 제1열교환기;
    상기 제1열교환기에서 열교환된 난방수를 상기 온실에 공급하는 난방라인;
    상기 제2배가스라인에 결합되어 배가스의 열에 의해 물을 가열하여 증기를 발생시키는 제2열교환기;
    상기 제2열교환기에서 열교환된 증기를 이용하여 구동되는 폐열회수라인;
    상기 폐열회수라인에 설치되어 전기를 생산하는 스팀터빈 발전기;
    상기 연소식 발전기에서 생산된 전기를 상기 온실에 공급하는 제1전기라인;
    상기 스팀터빈 발전기에서 생산된 전기를 상기 온실에 공급하는 제2전기라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1배가스공급라인 및 상기 제2배가스공급라인에는 상기 배가스 중의 NOx 및 미연 연료 성분을 제거하는 배가스처리장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1배가스공급라인 및 상기 제2배가스공급라인에는 배가스 배출을 위한 3방밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1전기라인 및 상기 제2전기라인은 그리드에 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 폐열회수장치를 구비한 온실 이산화탄소 시비용 열병합발전 시스템.
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