KR101254622B1 - 에너지 재생 시스템 - Google Patents

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Abstract

에너지 재생 시스템은 히트 펌프, 바이오리엑터, 연소기, 및 온도차 전기 생성장치를 포함한다. 상기 히트 펌프는 상기 바이오리엑터를 열적으로 조절하기 위하여 구비되고 냉방, 제습, 냉동, 냉각, 가열 및/또는 급탕을 위한 온수를 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 바이오리엑터는 유기 재료를 수용한다. 상기 유기 재료는 미생물 작용에 의해 바이오매스 연료 및 다른 물질로 변한다. 상기 바이오매스 연료의 화학 에너지는 상기 온도차 전기 생성 장치를 구동시키기 위한 연소기에 의해 열 에너지로 변환되고, 이로 인해 전기 에너지가 생성된다.

Description

에너지 재생 시스템{ENERGY REGENERATION SYSTEM}
본 발명은 에너지 재생 시스템에 관한 것으로서, 특히 바이오매스(biomass) 에너지를 열에너지, 기계적 에너지 및/또는 전기 에너지로 변환하는 시스템에 관한 것이다.
미국 특허 공개번호 제2008/0127657호는 히트-펌프-구동 스터얼링 엔진(heat-pump-driven Stirling engine)을 이용하여 전기를 생산하는 히트-펌프-구동 전기 생성 장치를 개시하고 있다.
미국 등록 특허 제6892522호는 가스 터빈에 의해 발생되는 폐열을 이용하여 전기를 생성하기 위한, 증기 압축 사이클 시스템과 결합된 유기 랭킨(rankine) 사이클 시스템을 개시하고 있다.
미국 특허 공개번호 제2004/0093864호는 스터얼링 엔진을 이용한 전기 생성 장치를 개시하고 있다.
본 발명은 유기 재료를 에너지 재생 사용을 위한 에너지원으로 이용하기 위한 것이다.
본 발명은 제1 워킹 유체와 열접촉하는 열원과 제2 워킹 유체와 열접촉하는 냉원을 생성하는 히트 펌프; 바이오매스 연료를 생성하는 바이오리엑터; 상기 바이오매스 연료를 연소시켜 제3 워킹 유체를 과열시키고, 상기 과열된 제3 워킹 유체는 고온의 증기로 기화하는 연소기; 열단과 냉단을 포함하고, 상기 열단은 고온의 증기와 열접촉하고, 상기 냉단은 히트 싱크와 열접촉함으로써, 전기를 생성하는 온도차 전기 생성장치를 포함하고, 상기 제1 워킹 유체와 상기 제2 워킹 유체는 상기 바이오리엑터를 열적으로 조절하기 위하여 사용되는 에너지 재생 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 바이오리엑터는 제1 리엑터 유닛 및/또는 제2 리엑터 유닛을 포함한다. 상기 제1 리엑터 유닛은 동물의 배설물을 반응 기질로 이용하여 제1 바이오매스 연료를 생성한다. 상기 제2 리엑터 유닛은 동/식물 재료를 반응기질로 사용하여 제2 바이오매스 연료를 생성한다. 상기 제1 바이오매스 연료는 메탄, 수소 및/또는 일산화탄소를 포함하고, 상기 제2 바이오매스 연료는 에틸 알코올을 포함한다.
동/식물 재료는 식물 또는 동물의 일부일 수 있고, 전형적으로는 부엌 쓰레기, 농업 쓰레기, 삼림 쓰레기, 가축 쓰레기 및/또는 음식물 산업 쓰레기를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 온도차 전기 생성 장치는 스터얼링 엔진 및 발전기를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 본 발명의 시스템은 태양전지, 풍력 발전기 및/또는 전기 저장 장치를 더 포함한다. 전기 에너지가 태양 전지 및/또는 풍력 발전기에 의해 생성될 때, 상기 온도차 전기 생성 장치에 의해 생성되는 전기 에너지는 전기 저장 장치에 저장된다. 상기 전기 저장 장치는 하나 이상의 배터리로 구성된다.
미생물 작용(예를 들어, 발효)에 의해, 상기 바이오리엑터 내의 유기 재료(예를 들어, 동물의 배설물, 동/식물 재료 등)는 전기 생성을 위한 바이오매스 연료로 변환된다. 이러한 동물의 배설물 및 동/식물 재료로 된 유기 재료는 일반적으로 쓰레기로 취급된다. 본 발명은 유기 재료를 에너지 재생 사용을 위한 에너지원으로 이용한다. 따라서, 석유화학 연료 또는 천연가스에 대한 요구가 감소될 수 있고, 온실효과 가스의 배출도 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 재생 시스템을 나타낸 도면.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 재생 시스템을 개략적으로 나타낸 것으로서, 전체 에너지 재생 시스템은 도면 부호 1로 지정된다.
상기 에너지 재생 시스템(1)은 히트 펌프(11), 바이오 리엑터(12), 연소기(13), 및 온도차 전기 생성 장치(14)를 포함한다.
상기 히트 펌프(11)는 열원(熱源)(111) 및 냉원(冷源)(112)을 생성한다. 상기 열원(11)은 제1 워킹 유체(F1)와 열적 반응을 하거나 열교환을 한다. 상기 냉원(112)은 제2 워킹 유체(F2)와 열적 반응을 하거나 열교환을 한다. 상기 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2)는 물 또는 글리콜(glycol) 수용액이다.
상기 바이오리엑터(12)는 바이오매스 연료를 생성하기 위하여 구비된다. 바람직하게는, 상기 바이오리엑터(12)는 제1 리엑터 유닛과 제2 리엑터 유닛(도시되지 않음)을 포함한다. 상기 제1 리엑터 유닛은 메탄, 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 제1 바이오메스 연료를 생성하기 위하여 반응 기질로서 동물의 배설물을 이용한다. 상기 제2 리엑터 유닛은 에틸 알코올을 포함하는 제2 바이오매스 연료를 생성하기 위하여 반응 기질로서 동/식물 재료를 사용한다.
상기 바이오리엑터(12)에서, 유기 재료(예를 들어, 동물의 배설물 또는 동/식물 재료 쓰레기, 등)는 미생물작용에 의해 바이오매스 연료 및 다른 재료로 변한다. 이러한 반응 동안, 열이 생성된다. 상기 반응율은 대체로 온도에 직접적으로 비례한다. 따라서, 상기 바이오리엑터(12)의 열적 관리는 중요하고 필수적이다. 유리하게는, 상기 바이오리엑터(12)가 상기 제1 워킹 유체(F1) 및 제2 워킹 유체(F2)에 의해 열적으로 조절됨으로써, 반응 온도 및 반응율을 조절한다. 예를 들어, 반응 온도는 유지되거나, 반응 온도가 요구되는 반응율에 따라 점차적으로 증가되거나 감소된다. 추가적으로, 상기 제1 워킹 유체(F1)는 냉방, 열, 및/또는 급탕을 위해서도 사용될 수 있다. 상기 제2 워킹 유체(F2)는 냉방, 제습, 냉동, 및/또는 냉각을 위해서도 사용될 수 있다. 상기 제1 워킹 유체(F1)와 제2 워킹 유체(F2)는 사우나나 스파 등을 위한 냉기 및 열기 요구사항을 제공할 수 있다.
상기 바이오리엑터(12)에 의해 생성되는 바이오매스 연료는 연소기(13)로 공급되어 연소됨으로써, 열교환기(15)를 통해 흐르는 제3 워킹 유체(F3)가 과열상태로 가열된다. 상기 과열된 제3 워킹 유체(F3)는 고온 증기(S) 상태로 기화된다. 예를 들어, 상기 과열된 제3 워킹 유체(F3)는 순간 증발기(flash vaporizer)(16)에 의해 기화된다.
스터얼링 엔진은 온도차를 바로 기계적인 에너지로 변환시킬 수 있다는 것이 알려져 있다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 온도차 전기 생성 장치(14)는 스터얼링 엔진(141) 및 발전기(142)를 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 직접적 또는 간접적으로 온도차를 기계적인 에너지 또는 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 다른 주지된 장치도 사용될 수 있다. 스터얼링 엔진 사이클의 경우, 상기 스터얼링 엔진(141)의 열단(hot end)(143)은 상기 고온 증기(S)와 열접촉을 한다. 상기 스터얼링 엔진(141)의 냉단(cold end)(144)은 히트 싱크(HS)와 열접촉을 하고, 그로 인해 스터얼링 엔진(141)이 기계적인 에너지를 생성하게 된다. 상기 발전기(142)는 상기 스터얼링 엔진(141)에 의해 생성되는 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 상기 냉단(144)은 주위온도 및/또는 그라운드(ground)일 수 있다.
상기 증기(S)는 전기를 생성하는데 사용될 뿐만 아니라, 요리용 가스 스토브가 상기 증기(S)로 대체될 수도 있다.
상기 제3 유체(F3)가 연소기에 의해 가열되기 전에, 제3 유체(F3)는 열원(111) 및/또는 바이오리엑터(12)에 의해 예비 가열되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제3 유체(F3)는 순차적으로 열원(111) 및 바이오리엑터(12)에 의해 예비 가열되거나, 순차적으로 바이오리엑터(12) 및 열원(111)에 의해 예비 가열된다. 상기 제3 유체(F3)는 제1 유체(F1)와 열교환을 함으로써 예비 가열될 수도 있다.
만약 상기 제1 유체(F1)와 제3 유체(F3)가 모두 동일한 워킹 유체(일 예로 물)로 선택되면, 상기 제1 유체(F1)는 제3 유체(F3)로서 사용될 수 있다.
상기 히트 펌프(11)는 상기 제2 유체(F2)로부터 열을 흡수할 뿐만 아니라, 상기 스터얼링 엔진(141)의 냉단(144)으로부터 열을 흡수할 수도 있다. 다시 말해, 상기 히트 펌프(11)의 냉원(112)은 상기 스터얼링 엔진(141)의 열단(143) 및 냉단(144) 사이의 온도차를 증가시키는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 재생 시스템은 저장 탱크(도시되지 않음)를 더 포함한다. 상기 저장탱크는 가정 폐수, 빗물, 및/또는 바이오리엑터에 의해 생성되는 물을 수집한다. 만약, 대량의 물이 저장탱크에 저장되면, 상기 저장탱크는 상기 바이오리엑터를 열적으로 조정하고/하거나 스터얼링 엔진의 냉단으로부터 열을 흡수하기 위하여 열적으로 안정된 히트 싱크와 같은 기능을 할 수 있다(즉, 히트 싱크(HS)로서 기능함).
본 발명에 따른 에너지 재생 시스템은 태양전지, 풍력 발전기 및/또는 전기 저장 장치(도시되지 않음)를 더 포함한다. 상기 전기 저장 장치는 상기 태양전지, 풍력 발전기 및/또는 온도차 전기 생성 장치에 의해 생성되는 전기 에너지를 저장하기 위한 하나 이상의 배터리(예를 들어, 리튬 중합체 전지)로 구성된다. 전기 요구가 태양전지 및/또는 풍력 발전기에 의해 충족되는 경우, 상기 온도차 전기 생성장치에 의해 생성되는 전기 에너지는 바람직하게는 전기 저장 장치 내에 저장되거나, 열적 조정에 의해, 상기 바이오리엑터의 반응이 정지되거나 반응율이 감소된다.
상기 히트 펌프 작용을 위한 전기 요구도 태양전지, 풍력 발전기, 전기 저장장치, 온도차 전기 생성 장치, 및 전력 회사의 전력 라인 중 적어도 하나로부터 공급받을 수 있다.
본 발명에 따른 에너지 재생 시스템은 소요 전력 단자(로드)를 전력 회사 또는 에너지 재생 시스템의 전력 공급 시스템에 선택적으로 또는 조절가능하도록 연결하기 위한 자동 변환 스위치(ATS)를 더 포함할 수 있다. 상기 소요 전력 단자가 전력 회사의 전력 공급 시스템에 연결되는 경우, 에너지 재생 시스템에 의해 생성되는 전기 에너지가 전기 저장 장치에 저장될 수 있다. 예를 들어, 전력 회사의 전력 공급이 여의치 않은 경우, 상기 자동 변환 스위치가 소요 전력 단자를 에너지 재생 시스템에 자동으로 연결시킴으로써 소요 전력 단자에 대한 전력 공급이 방해되지 않도록 한다.
본 발명은 바람직한 실시예에 대한 근거로서 예시적으로 설명되었으나, 본 발명에서 설명된 개념의 사상 및 범주 내에서 당업자에 의해 다양한 변화와 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구항 기재에 의해 허용된 전체 범주를 가진다.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
1 : 에너지 재생 시스템 11 : 히트 펌프
12 : 바이오리엑터 13 : 연소기
14 : 온도차 전기 생성 장치 15 : 열교환기
16 : 순간 증발기 111 : 열원
112 : 냉원 143 : 열단
144 : 냉단

Claims (19)

  1. 열원과 냉원을 생성하고, 상기 열원은 제1 워킹 유체와 열접촉하고, 상기 냉원은 제2 워킹 유체와 열접촉하는 히트 펌프;
    바이오매스 연료 및 열 에너지를 생성하는 바이오리엑터;
    상기 바이오매스 연료를 연소시켜 제3 워킹 유체를 과열시키고, 상기 과열된 제3 워킹 유체는 고온의 증기로 기화하는 연소기;및
    열단과 냉단을 포함하고, 상기 열단은 상기 고온의 증기와 열접촉하고, 상기 냉단은 히트 싱크와 열접촉함으로써, 전기를 생성하는 온도차 전기 생성 장치를 포함하고,
    상기 제1 워킹 유체와 상기 제2 워킹 유체는 상기 바이오리엑터를 열적으로 조정하기 위하여 사용되는
    에너지 재생 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 워킹 유체는 냉방, 급탕 또는 가열을 위해 더 사용되고, 상기 제2 워킹 유체는 냉방, 제습, 냉동 또는 냉각을 위해 더 사용되는
    에너지 재생 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바이오리엑터는 제1 리엑터 유닛과 제2 리엑터 유닛을 포함하고, 상기 제1 리엑터 유닛은 동물의 배설물을 반응 기질로 사용함으로써 제1 바이오매스 연료를 생성하고, 상기 제2 리엑터 유닛은 동/식물 재료를 반응 기질로 사용함으로써 제2 바이오매스 연료를 생성하는
    에너지 재생 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 바이오매스 연료는 메탄, 수소 또는 일산화탄소를 포함하고, 상기 제2 바이오매스 연료는 메틸 알코올 및 에틸 알코올을 포함하는
    에너지 재생 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 워킹 유체는 상기 연소기에 의해 과열되기 전에 상기 열원 또는 상기 바이오리엑터에 의해 예비 가열되는
    에너지 재생 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 워킹 유체는 상기 연소기에 의해 과열되기 전에 순차적으로 상기 열원 및 상기 바이오리엑터에 의해 예비 가열되는
    에너지 재생 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제3 워킹 유체는 상기 연소기에 의해 과열되기 전에 순차적으로 상기 바이오리엑터 및 상기 열원에 의해 예비가열되는
    에너지 재생 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제3 유체는 과열되어 순간 증발기(flash vaporizer)에 의해 고온의 증기로 기화하는
    에너지 재생 시스템.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 냉원은 상기 히트 싱크로서 기능하는
    에너지 재생 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고온의 증기 중 일부는 요리용으로 사용되는
    에너지 재생 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체, 상기 제2 유체, 및 상기 제3 유체는 물 또는 수용액인
    에너지 재생 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 온도차 전기 생성 장치는 스터얼링 엔진 및 발전기를 포함하는
    에너지 재생 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    가정 폐수, 상기 바이오리엑터에 의해 발생되는 폐수 또는 빗물을 저장하기 위한 저장 탱크를 더 포함하는
    에너지 재생 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 저장 탱크는 상기 히트 싱크로서 기능하는
    에너지 재생 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 저장 탱크는 상기 바이오리엑터를 열적으로 조절하기 위해 사용되는
    에너지 재생 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    태양 전지, 풍력 발전기 또는 전기 저장 장치를 더 포함하는
    에너지 재생 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전기 저장 장치는 하나 이상의 배터리로 구성되는
    에너지 재생 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    전력 회사의 전력 라인 또는 상기 에너지 재생 시스템에 소요 전력 단자를 선택적으로 연결시키기 위한 자동 변환 스위치(ATS)를 더 포함하는
    에너지 재생 시스템.
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