KR101425962B1 - 바이너리 지열 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이너리 지열 발전 시스템에 관한 것으로, 발전 유닛의 응축기로 공급되는 냉각수를 히트 펌프 모듈을 통해 냉각시켜 순환 공급함으로써, 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수와의 온도 차이를 증가시키고, 이에 따라 지열 발전의 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 환경적인 요인 등에 의해 지열수의 온도가 변화하더라도 이에 대응하여 냉각수의 온도를 적절하게 조절할 수 있어 운전 상태 및 발전 효율을 안정적으로 유지시킬 수 있으며, 또한, 환경적인 요인에 의한 냉각수 온도 변화를 방지하여 안정적인 작동 상태를 유지시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공한다.

Description

바이너리 지열 발전 시스템{Binary Geothermal Power Generation System}

본 발명은 바이너리 지열 발전 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 발전 유닛의 응축기로 공급되는 냉각수를 히트 펌프 모듈을 통해 냉각시켜 순환 공급함으로써, 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수와의 온도 차이를 증가시키고, 이에 따라 지열 발전의 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 환경적인 요인 등에 의해 지열수의 온도가 변화하더라도 이에 대응하여 냉각수의 온도를 적절하게 조절할 수 있어 운전 상태 및 발전 효율을 안정적으로 유지시킬 수 있으며, 또한, 환경적인 요인에 의한 냉각수 온도 변화를 방지하여 안정적인 작동 상태를 유지시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템에 관한 것이다.

우리가 살고 있는 지구는 지표로부터 중심까지의 거리가 거의 6,500km로서, 지하로 들어갈수록 온도는 점점 더 올라가, 중심부에선 약 7,000℃에 이르는 것으로 알려져 있다. 지구는 실로 무한에 가까운 막대한 지열에너지(Geothermal Energy)를 지니고 있다.

전 지구적으로 지속적인 유가상승과 공급불안 및 기후변화에 대한 대응책 마련이 시급해지면서, 유망한 해결책으로 무한에 가까운 규모이고 지속가능한 재생에너지이며 각 나라 영토 안에 부존돼 있는 지열에너지가 떠오르고 있다.

지열에너지는 수증기나 지열수의 형태로 생산된다. 고온(150℃ 이상)의 수증기나 지열수는 주로 지열발전(Geothermal Power Generation)에 이용되고, 중·저온(150℃ 이하)의 지열에너지는 온도에 따라 바이너리(Binary) 지열발전, 온천, 온실, 건물 난방 등 다양한 용도로 이용된다.

1904년 이태리(Italy)의 Larderello에서 세계 최초로 지열발전이 실시된 이래 오늘날 20여개 나라에서 거의 10,000 MW에 달하는 여러 형태의 지열발전이 이뤄지고 있다.

종래의 지열 발전 방법은 건조 증기(Dry Steam) 지열 발전 방법, 플래시 증기(Flash Steam) 지열 발전 방법 및 바이너리(Binary) 지열 발전 방법으로 크게 3가지로 분류된다.

건조 증기(Dry Steam) 지열 발전 방법은 건조한 고압의 수증기가 생산되는 경우에 이용된다. 생산된 수증기로 직접 터빈(Turbine)을 돌려 발전하는 방법이다.

플래시 증기(Flash Steam) 지열 발전 방법은 고온의 지열수(Geothermal Fluid)가 생산되는 경우에 이용된다. 압력을 지닌 고온의 지열수를 저압탱크 안으로 분무하면 플래시(순간 증발)되고, 그 수증기로 터빈을 돌려 발전하는 방법이다.

바이너리(Binary) 지열 발전 방법은 생산된 지열수의 온도가 상기한 방법을 이용하기에 충분하지 못한 경우 또는 환경오염을 피해야 할 경우에 이용된다.

바이너리 지열 발전 방법은 기본적으로 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle)에 의한 것으로, 열원(Heat Source)인 지열수를 제1의 매체로 하고, 물보다 훨씬 더 낮은 온도에서 증발이 일어나는 아이소펜테인 같은 제2의 유기 매체를 작동 유체로 사용하여, 지열수와 작동 유체가 직접 접촉함이 없이 열교환기인 증발기(Vaporizer)를 통과하면서, 지열수의 열에 의해 작동 유체가 증발하게 되고, 그 증기로 터빈을 돌려 발전하게 된다. 터빈을 통과한 증기 상태의 작동 유체는 공랭식 또는 수냉식 열교환기인 응축기(Condenser)를 통과하면서 액체 상태로 응축되어 펌프에 의해 다시 증발기로 보내지게 된다. 즉, 작동 유체는 밀폐된 순환시스템(Closed Loop System)인 증기 사이클을 순환하게 되며, 따라서 지열수와 작동 유체가 2원의 사이클(Binary Cycle)을 이루게 된다. 이와 같이 작동하는 관계로 바이너리(Binary) 발전 방법을 이용하면 중·저온의 지열수로도 발전할 수 있으며 환경오염을 피할 수 있다.

이러한 바이너리 지열 발전은 기상 조건에 상관없이 발전할 수 있으며, 밀폐된 순환시스템 안에서 작동됨으로 환경 오염이 없고 소음이 낮으며, 대부분의 시설이 지하에 조성되고 지표 시설은 소규모로 매우 환경친화적이며, 운전이 단순하고 시동 및 정지가 간단 용이하여 고부하 시간대에 맞추어 발전할 수도 있고, 기존 발전 플랜트들에서 95％이상에 달하는 가동률을 발휘하고 있으며, 중·소형으로 모듈(Module)화 할 수 있어 점증적으로 모듈을 추가해나가는 방식으로 개발을 분산형으로 확장해나감으로써 위험 부담을 최소화하고 경제성을 극대화할 수 있으며 정비 등으로 인한 가동률 손실을 최소화할 수 있고, 높은 수준의 국산화율을 확보할 수 있으며, 온실가스 감축 효과도 얻을 수 있는 등, 장점이 많은 지속가능한 청정 재생에너지 발전이다.

그러나 이러한 지열 발전 시스템은 시추 관련 기술이나 비용 등 초기 투자 비용이 너무 크기 때문에, 경제성 측면에서 널리 활용되지 못하고 있는 실정이다. 바이너리 지열 발전의 경우에는 낮은 깊이의 암층을 개발하여 그 기술 개발을 향상시키는 노력이 진행되고 있지만, 현재까지 만족할만한 기술 발전을 이루고 있지 못하고 있다.

바이너리 지열 발전에는 전술한 바와 같이 2개의 에너지원 즉, 열원(Hot or Heat Source)과 냉원(Cold Source or Heat Sink)이 필요한데, 종래의 바이너리 지열 발전 방법은 지열수를 열원으로 이용하여 증발기를 가열하고, 공랭(Air-Cooling) 또는 수냉(Water-Cooling)방식을 냉원으로 하여 응축기를 냉각시킨다. 기본적으로 발전 효율(Heat-to-Power Efficiency)은 열원과 냉원의 온도차에 의해 결정된다.

인근에 강이나 연못 같은 수원(水源)이 있어 물을 끌어 순환시키거나 또는 수량이 부족할 경우에는 냉각탑(Cooling Tower)을 설치해서 냉각수를 순환시키는 수냉식이 냉각온도도 낮고 냉각효율도 훨씬 더 높지만, 지열수가 생산되는 지역에 수원이 없는 경우가 많아 일반적으로 공랭식이 널리 이용되고 있다. 공랭식의 경우 전기의 가치가 높아지는 여름철에 대기온도 상승에 따라 냉각온도가 올라가고 발전효율이 크게 떨어져 무더운 지역에서는 발전량이 40％이상까지 감소하는 손실을 입게 된다. 수냉식의 경우에도 계절적인 요인 등에 의해 냉각수의 온도가 변화하므로 냉각 효율 및 발전 효율이 변화하게 되는 등의 문제가 있었다.

특히, 발전 효율을 높이기 위해서는 2개의 에너지원 즉, 열원과 냉원의 온도차가 크게 발생해야 하는데, 종래 기술에 의한 일반적인 공랭식 또는 수냉식 냉각 방식을 통한 구조에서는 냉원으로 사용되는 공기 또는 냉각수의 온도가 상대적으로 높아 열원과 냉원의 온도차가 크지 않게 되고, 이에 따라 지열 발전 시스템의 발전 효율이 낮아지게 되는 문제가 있었다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 발전 유닛의 응축기로 공급되는 냉각수의 온도를 낮추어 순환 공급함으로써, 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수와의 온도 차이를 증가시키고, 이에 따라 지열 발전의 발전 효율을 향상시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 하나의 히트 펌프 모듈을 통해 냉각수를 냉각시킴과 동시에 난방수를 가열하도록 구성함으로써, 별도의 냉각 장치 또는 가열 장치가 독립적으로 구비될 필요가 없어 장치의 구성이 단순해질 뿐만 아니라 히트 펌프 모듈의 작동시 폐열이 발생하지 않으므로 에너지 효율 또한 향상되는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 냉각수의 온도를 히트 펌프 모듈의 작동 상태 조절을 통해 변화시킬 수 있도록 함으로써, 환경적인 요인 등에 의해 지열수의 온도가 변화하더라도 이에 대응하여 냉각수의 온도를 적절하게 조절할 수 있고, 이에 따라 운전 상태 및 발전 효율을 안정적으로 유지시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 냉각탑에 의한 냉각수와 함께 냉각 온도 조절이 가능한 별도의 냉각수를 공급할 수 있도록 함으로써, 환경적인 요인에 의한 냉각수 온도 변화를 방지하여 안정적인 작동 상태를 유지시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 발전 유닛과 열교환한 상태의 지열수 온도에 따라 난방수의 흐름을 선택 조절하여 난방수 또는 지열수를 다시 한번 가열하여 공급하도록 함으로써, 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은, 지하에서 지열수를 추출하여 순환시키는 지열수 순환 유닛; 작동 유체가 펌프, 증발기, 터빈 및 응축기의 증기 사이클을 순환하며, 상기 증발기를 통해 상기 지열수로부터 열을 공급받아 터빈을 회전시키도록 작동하는 발전 유닛; 및 상기 응축기를 통해 상기 작동 유체로부터 열을 공급받아 난방수를 가열 공급하는 난방수 가열 유닛을 포함하고, 상기 난방수 가열 유닛은 난방수를 저장하는 난방수 탱크와, 제 1 냉각수가 상기 응축기로 순환 공급되며 상기 응축기의 작동 유체와 열교환하도록 상기 제 1 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크와, 상기 난방수 탱크의 난방수를 가열하고 상기 냉각수 탱크의 제 1 냉각수를 냉각시키도록 상기 난방수와 제 1 냉각수를 각각 고열원 및 저열원으로하여 작동하는 히트펌프 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공한다.

이때, 상기 바이너리 지열 발전 시스템은 제 2 냉각수가 상기 응축기로 순환 공급되며 상기 응축기의 작동 유체와 열교환하도록 상기 제 2 냉각수를 저장하는 냉각탑을 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 냉각탑으로부터 상기 응축기로 제 2 냉각수를 순환 공급하는 제 2 냉각수 배관은 상기 냉각수 탱크로부터 상기 응축기로 제 1 냉각수를 순환 공급하는 제 1 냉각수 배관에 연결되도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 제 1 냉각수 배관과 상기 제 2 냉각수 배관은 삼방향 밸브에 의해 서로 연결되고, 상기 삼방향 밸브에 의해 제 1 및 제 2 냉각수 유량이 조절되도록 구성될 수 있다.
즉, 본 발명은, 지하를 거쳐 배치되는 지열수가 유동하는 지열수 라인(101) 및 상기 지열수 라인 상에 배치되어 상기 지열수 라인 상에서 상기 지열수를 순환시키는 지열수 펌프를 구비하는 지열수 순환 유닛(100); 작동 유체가 유동하는 증기 사이클 배관 라인(201) 상에 배치되고 상기 작동 유체를 가압 유동시키는 펌프(210)와, 상기 증기 사이클 배관 라인을 통하여 상기 작동 유체를 상기 펌프로부터 전달받고, 상기 지열수 라인(101)이 배치되어 상기 지열수 라인을 따라 관류되는 상기 지열수와 상기 작동 유체간에 열교환을 이루는 증발기(220)와, 상기 증발기를 거친 작동 유체가 유입되고 상기 증발기에서 열을 공급받은 작동 유체에 의하여 회전력을 전달받는 터빈(230)과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체가 유입되는 응축기(240)를 구비하고, 상기 응축기(240)는 상기 증기 사이클 배관 라인(201)을 통하여 상기 펌프(210)에 연결되어 증기 사이클을 형성하는 발전 유닛(200)을 포함하는 바이너리 지열 발전 시스템에 있어서, 상기 응축기(240)를 통하여 상기 작동 유체로부터 열을 공급받아 난방수를 가열 공급하는 난방수 가열 유닛(300)을 포함하고, 상기 난방수 가열 유닛(300)은: 상기 응축기(240)를 거치는 제 1 냉각수 배관(321)의 양단이 연결되어, 상기 응축기(240)에서 상기 증기 사이클 배관 라인(201)의 작동 유체와 열교환을 이루도록 상기 제 1 냉각수 배관(321)을 따라 유동하는 제 1 냉각수(Q1)를 수용 저장하는 냉각수 탱크(320)와, 모듈 냉매가 유동하는 모듈 라인(335) 상으로 상기 냉각수 탱크(320)에 배치되어 상기 모듈 냉매가 상기 제 1 냉각수와 열교환을 이루도록 하는 모듈 증발기(332)와, 상기 모듈 라인(335) 상에서 배치되어 상기 모듈 증발기(332)와 연결되는 모듈 압축기(331)와, 상기 모듈 압축기(331)로부터 유출되는 상기 모듈 냉매가 유입되는 모듈 응축기(334)와, 상기 모듈 응축기 및 상기 모듈 증발기 사이에 배치되는 모듈 팽창밸브(333)를 포함하는 히트펌프 모듈(330)과, 상기 모듈 응축기(334)의 상기 모듈 냉매와 열교환을 이루는 난방수를 유입 유출 가능하게 저장하는 난방수 탱크(310)를 포함하고, 상기 히트펌프 모듈(330)은 상기 난방수 탱크(310)의 난방수를 가열하고 상기 냉각수 탱크의 상기 제 1 냉각수를 냉각시키도록 상기 난방수 탱크(310)와 상기 냉각수 탱크(320)를 각각 고열원 및 저열원으로 하여 작동하고, 상기 난방수 가열 유닛(300)은, 상기 응축기(240)와 상기 냉각수 탱크(320) 사이로 상기 냉각수 탱크 측으로의 유입 및 유출 측 상기 제 1 냉각수 배관 상에 배치되는 삼방향 밸브(350;350a,350b)와 연결되고, 상기 제 1 냉각수 배관으로부터 분기되는 상기 제 1 냉각수의 일부 및 별도의 급수 시설로부터 공급되는 물로 형성되되 상기 냉각수 탱크 측으로부터 유출되는 측 상기 삼방향 밸브(350b)를 통하여 상기 제 1 냉각수 배관(321) 상에 유입되어 상기 응축기로 순환 공급되는 상기 제 1 냉각수와 혼합되는 제 2 냉각수를 저장하는 냉각탑(340)을 더 구비하고, 상기 삼방향 밸브 중 하나(350a)는, 상기 제 1 냉각수 배관(321) 상 상기 응축기(240)와 상기 냉각수 탱크(320) 사이로 상기 냉각수 탱크(320)로의 유입 측에 배치되어 상기 제 1 냉각수의 상기 냉각탑(340)으로의 분기되는 유량을 조절하고, 상기 삼방향 밸브 중 다른 하나(350b)는, 상기 제 1 냉각수 배관(321) 상 상기 냉각수 탱크(320)와 상기 응축기 사이(240)로 상기 냉각수 탱크(320)로의 유출 측에 배치되어 상기 냉각탑(340)으로부터 유출되어 상기 제 1 냉각수와 혼합되는 상기 제 2 냉각수의 유량(Q2)을 조절하는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공한다.

한편, 상기 지열수 순환 유닛에는 상기 증발기를 통해 열교환 과정을 거친 지열수가 열교환할 수 있도록 별도의 열교환기가 더 구비되고, 상기 난방수 탱크에 연결되는 난방수 공급 배관은 상기 난방수 탱크로부터 공급 배출되는 난방수가 상기 열교환기를 거쳐 상기 지열수와 열교환된 후 공급 배출될 수 있도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 지열수 순환 유닛에는 상기 증발기를 통해 열교환 과정을 거친 지열수가 열교환할 수 있도록 상기 증발기를 거친 상기 지열수 라인 상에 배치되는 별도의 지열수 순환 유닛 열교환기가 더 구비되고, 양단이 상기 난방수 탱크에 각각 연결되는 난방수 공급 배관은 상기 지열수 순환 유닛 열교환기를 거침으로써, 상기 난방수가 상기 지열수와 열교환 가능하도록 할 수 있다.

이때, 상기 난방수 공급 배관에는 상기 지열수의 온도에 따라 상기 난방수가 상기 열교환기를 통과한 후 공급 배출되거나 또는 다시 상기 난방수 탱크로 유입되도록 경로 조절할 수 있는 삼방향 밸브가 장착될 수 있다. 즉, 상기 난방수 공급 배관에는 상기 난방수가 상기 지열수 순환 유닛 열교환기를 통과한 후 외부로 공급 배출되거나 또는 다시 상기 난방수 탱크로 유입되도록 경로 조절할 수 있는 삼방향 밸브가 장착될 수 있다.

본 발명에 의하면, 발전 유닛의 응축기로 공급되는 냉각수를 별도의 히트 펌프 모듈을 통해 냉각시켜 순환 공급함으로써, 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수와의 온도 차이를 증가시키고, 이에 따라 지열 발전의 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 하나의 히트 펌프 모듈을 통해 냉각수를 냉각시킴과 동시에 난방수를 가열하도록 구성함으로써, 별도의 냉각 장치 또는 가열 장치가 독립적으로 구비될 필요가 없어 장치의 구성이 단순해질 뿐만 아니라 히트 펌프 모듈의 작동시 폐열이 발생하지 않으므로 에너지 효율 또한 향상되는 효과가 있다.

또한, 냉각수의 온도를 히트 펌프 모듈의 작동 상태 조절을 통해 변화시킬 수 있도록 함으로써, 환경적인 요인 등에 의해 지열수의 온도가 변화하더라도 이에 대응하여 냉각수의 온도를 적절하게 조절할 수 있고, 이에 따라 운전 상태 및 발전 효율을 안정적으로 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 냉각탑에 의한 냉각수와 함께 냉각 온도 조절이 가능한 별도의 냉각수를 공급할 수 있도록 함으로써, 환경적인 요인에 의한 냉각수 온도 변화를 방지하여 안정적인 작동 상태를 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 발전 유닛과 열교환한 상태의 지열수 온도에 따라 난방수의 흐름을 선택 조절하여 난방수 또는 지열수를 다시 한번 가열하여 공급하도록 함으로써, 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템의 전체 구성을 개념적으로 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 가열 유닛의 기본 구성을 개념적으로 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 가열 유닛에 냉각탑이 포함된 구성을 개념적으로 도시한 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 탱크의 난방수 흐름을 개념적으로 도시한 블록도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템의 전체 구성을 개념적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 가열 유닛의 기본 구성을 개념적으로 도시한 블록도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템은 지열수와 작동 유체가 각각 서로 다른 사이클을 순환하며 열교환하도록 구성되는 지열 발전 시스템으로, 지열수 순환 유닛(100)과, 발전 유닛(200)과, 난방수 가열 유닛(300)을 포함하여 구성된다.

지열수 순환 유닛(100)은 지하에서 고온의 지열수를 추출하여 발전 유닛(200)의 증발기(220)를 통해 작동 유체와 열교환시킨 후 다시 지하로 배출하는 방식으로 구성되며, 바이너리 지열 발전 시스템에 이용되는 지열수는 약 100℃ ~ 120℃ 정도의 지열수가 주로 이용된다. 이러한 지열수 순환 유닛(100)은 별도의 지열수 펌프(미도시)를 이용하여 지열수를 추출하여 지열수 배관 라인(101)을 통해 유동하도록 구성되며, 지열수 배관 라인(101)의 일부 구간이 발전 유닛(200)의 증발기(220)를 통과하며 작동 유체와 열교환하도록 구성된다. 이러한 지열수 순환 유닛(100)의 구성은 바이너리 지열 발전 시스템에 사용되고 있는 일반적인 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

발전 유닛(200)은 펌프(210), 증발기(220), 터빈(230) 및 응축기(240)로 구성되는 증기 사이클을 이루며, 작동 유체가 이러한 증기 사이클을 순환하며 증발기(220)를 통해 지열수로부터 열을 공급받아 터빈(230)을 회전시키도록 구성된다. 이때, 펌프(210), 증발기(220), 터빈(230) 및 응축기(240)는 작동 유체가 순환하도록 증기 사이클 배관 라인(201)에 의해 연결된다.

좀 더 자세히 살펴보면, 발전 유닛(200)에서 작동 유체는 펌프(210)에 의해 압축되고, 증발기(220)에서 지열수 순환 유닛(100)의 지열수와 열교환하며 기체 상태로 된 후, 터빈(230)을 통과하며 팽창하게 된다. 이 과정에서 터빈(230)이 회전하며 발전 에너지가 생산된다. 터빈(230)을 통과한 작동 유체는 응축기(240)에서 냉각수와 열교환하며 응축되고, 이후 다시 펌프(210)로 유입되어 압축되는 방식으로 사이클을 순환하게 된다.

즉, 작동 유체는 증발기(220)에서 지열수로부터 열 에너지를 공급받아 터빈(230)을 회전시키며 발전 에너지를 생산하고 다시 응축기(240)에서 냉각수를 통해 열 에너지를 방출하게 되는데, 이와 같이 증기 사이클을 이루는 발전 유닛(200)의 발전 효율은 종래 기술에서 설명한 바와 같이 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수와의 온도 차이에 비례하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템은 지열수와 냉각수와의 온도 차이를 증가시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 난방수 가열 유닛(300)을 통해 냉각수의 온도를 감소시키는 방식으로 구성되는데, 난방수 가열 유닛(300)은 발전 유닛(200)의 응축기(240)를 통해 작동 유체로부터 열을 공급받아 난방수(P)를 가열 공급하도록 구성된다.

이러한 난방수 가열 유닛(300)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 난방수(P)를 저장하는 난방수 탱크(310)와, 제 1 냉각수(Q1)를 저장하는 냉각수 탱크(320)와, 난방수 탱크(310)의 난방수(P)를 가열하고 냉각수 탱크(320)의 제 1 냉각수(Q1)를 냉각시키도록 난방수(P)와 제 1 냉각수(Q1)를 각각 고열원 및 저열원으로하여 작동하는 히트 펌프 모듈(330)을 포함하여 구성된다.

좀 더 자세히 살펴보면, 냉각수 탱크(320)는 제 1 냉각수(Q1)를 저장하며, 제 1 냉각수 배관(321)을 통해 제 1 냉각수(Q1)를 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 순환 공급하도록 구성되며, 제 1 냉각수 배관(321)에는 제 1 냉각수(Q1)가 순환 공급되도록 별도의 공급 펌프(370)가 장착된다. 따라서, 발전 유닛(200)의 작동 유체는 응축기(240)에서 제 1 냉각수(Q1)에 대해 열을 방출하며 응축되고, 제 1 냉각수(Q1)는 작동 유체로부터 응축열을 흡수한 후 다시 냉각수 탱크(320)로 유입 순환된다. 한편, 난방수 탱크(310)에는 별도의 급수 시설(400)로부터 물이 공급되어 난방수(P)로 저장되며, 이후 난방수 공급 배관(311)을 통해 각 가정이나 공장 등에 난방수로 공급된다.

이때, 냉각수 탱크(320)와 난방수 탱크(310)는 히트 펌프 모듈(330)에 의해 각각 냉각 및 가열된다. 즉, 히트 펌프 모듈(330)은 모듈 라인(335) 상에 배치되는 모듈 압축기(331), 모듈 응축기(334), 모듈 팽창 밸브(333) 및 모듈 증발기(332)로 구성되는 냉동 사이클을 이루며, 냉매가 이러한 냉동 사이클을 순환하도록 구성된다. 이때, 모듈 증발기(332)가 냉각수 탱크(320) 내부에 위치하여 냉매와의 열교환을 통해 제 1 냉각수(Q1)를 냉각시키고, 모듈 응축기(334)는 난방수 탱크(310) 내부에 위치하여 냉매와의 열교환을 통해 난방수(P)를 가열시킨다.

이러한 구조에 따라 별도의 냉각 장치 또는 가열 장치가 독립적으로 구비되지 않고 하나의 히트 펌프 모듈(330)을 통해 제 1 냉각수(Q1)를 냉각시킴과 동시에 난방수(P)를 가열하도록 구성되므로, 장치의 구성이 단순해질 뿐만 아니라 히트 펌프 모듈(330)의 작동시 폐열이 발생하지 않으므로 에너지 효율 또한 향상된다.

또한, 발전 유닛(200)의 발전 효율은 전술한 바와 같이 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수의 온도 차이에 비례하게 되는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템은 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 공급되는 제 1 냉각수(Q1)가 히트 펌프 모듈(330)에 의해 냉각된 상태로 공급되므로 종래 기술에 비해 냉각수의 온도가 더 낮아지게 된다. 따라서, 고열원과 저열원의 온도 차이가 더 증가하게 되므로, 발전 효율이 향상된다.

한편, 냉각수 탱크(320)에 저장된 제 1 냉각수(Q1)의 온도는 히트 펌프 모듈(330)의 작동 상태 조절에 의한 냉각 성능 변화를 통해 변화시킬 수 있으므로, 종래 기술과 달리 환경적인 요인에 종속되지 않고 사용자의 필요에 따라 냉각수의 온도를 적절하게 조절할 수 있다. 예를 들면, 지열수 순환 유닛(100)에 의해 추출되는 지열수의 온도는 항상 일정하게 유지되지 않고 환경적인 요인에 의해 일정 정도 변화하게 되는데, 이와 같이 지열수의 온도가 변화하게 되면, 발전 유닛(200)의 작동 상태가 변화하게 되므로, 발전 유닛(200)의 운전이 불안정해지거나 발전 효율에 변화가 발생하게 된다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템은 히트 펌프 모듈(330)의 작동 상태를 조절하여 제 1 냉각수(Q1)의 온도를 지열수 온도 변화에 대응되게 조절할 수 있으며, 이를 통해 발전 유닛(200)의 운전 상태 및 발전 효율을 더욱 안정적으로 유지시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 가열 유닛에 냉각탑이 포함된 구성을 개념적으로 도시한 블록도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 가열 유닛(300)은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 제 2 냉각수(Q2)를 순환 공급하는 냉각탑(340)이 더 구비될 수 있다.

냉각탑(340)에는 별도의 급수 시설(400)로부터 물이 공급되며, 실외 공기와의 통풍을 통해 제 2 냉각수(Q2)로 냉각 저장되도록 구성된다. 이와 같이 냉각 저장된 제 2 냉각수(Q2)는 제 2 냉각수 배관(341)을 통해 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 순환 공급되며, 응축기(240)에서 발전 유닛(200)의 작동 유체와 열교환하도록 구성된다.

이때, 제 2 냉각수 배관(341)이 제 1 냉각수 배관(321)에 연결되도록 구성될 수 있으며, 이를 통해 제 1 냉각수(Q1)와 제 2 냉각수(Q2)가 서로 혼합되어 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 공급되도록 할 수 있다.

또한, 제 1 냉각수 배관(321)과 제 2 냉각수 배관(341)은 유량 조절이 가능한 삼방향 밸브(350;350a,350b)에 의해 서로 연결되도록 구성되고, 이러한 삼방향 밸브(350)를 통해 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 공급되는 제 1 냉각수(Q1) 및 제 2 냉각수(Q2)의 유량을 조절할 수 있다.

이러한 구조에 따라 여름철과 같이 외부 온도가 상대적으로 높은 경우에는 냉각탑(340)의 냉각 효율이 감소하게 되므로, 이 경우 제 1 냉각수(Q1)의 유량을 좀 더 높이는 방향으로 조절하고, 반대로 겨울철과 같이 외부 온도가 상대적으로 낮은 경우에는 냉각탑(340)의 냉각 효율이 증가하게 되므로, 이 경우 제 1 냉각수(Q1)의 유량을 좀 더 낮추는 방향으로 조절할 수 있다. 이와 같은 조절을 통해 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 공급되는 냉각수의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있으며, 이에 따라 발전 유닛(200)의 작동 상태 및 발전 효율을 안정적으로 유지시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 탱크의 난방수 흐름을 개념적으로 도시한 블록도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 지열수 순환 유닛(100)에는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 증발기(220)를 통해 열교환 과정을 거친 지열수가 다시 열교환할 수 있도록 별도의 열교환기, 즉 지열수 순환 유닛 열교환기(110)가 더 구비될 수 있다.

이때, 난방수 탱크(310)에 연결된 난방수 공급 배관(311)은 난방수 탱크(310)로부터 공급 배출되는 난방수(P)가 지열수 순환 유닛(100)의 지열수 순환 유닛 열교환기(110)를 거쳐 지열수와 열교환된 후 공급 배출될 수 있도록 형성되며, 난방수 공급 배관(311)에는 난방수(P)의 유동을 위해 별도의 공급 펌프(370)가 장착된다.

이러한 구조에 따라 히트 펌프 모듈(330)에 의해 가열된 난방수(P)는 공급 배출되는 과정에서 다시 한번 지열수와 열교환하며 재차 가열된 상태로 각 가정이나 공장과 같은 공급처로 공급될 수 있다.

이 경우, 난방수 공급 배관(311)에는 도 4에 도시된 바와 같이 별도의 삼방향 밸브(360)가 장착될 수 있으며, 이러한 삼방향 밸브(360)에 의해 지열수 순환 유닛 열교환기(110)를 통과한 난방수(P)가 각 공급처로 공급 배출되거나 또는 다시 난방수 탱크(310)로 유입되는 방식으로 선택적으로 경로 조절되도록 구성되는 것이 바람직하고, 이러한 경로 조절은 지열수의 온도에 따라 선택적으로 적용되도록 구성될 수 있다.

즉, 도시되지는 않았으나, 지열수 배관 라인(101)에는 발전 유닛(200)의 증발기(220)를 통과한 후의 지열수 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(미도시)가 장착되고, 이러한 온도 센서에 의해 측정된 지열수의 온도가 난방수 탱크(310)로부터 공급 배출되는 난방수(P)의 온도보다 높은 경우, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 지열수 순환 유닛(100)의 지열수 순환 유닛 열교환기(110)를 통과한 난방수의 흐름은 삼방향 밸브(360)에 의해 각 공급처로 공급 배출되도록 조절된다. 반면, 온도 센서에 의해 측정된 지열수의 온도가 난방수 탱크(310)로부터 공급 배출되는 난방수(P)의 온도보다 낮은 경우, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 지열수 순환 유닛(100)의 지열수 순환 유닛 열교환기(110)를 통과한 난방수의 흐름은 삼방향 밸브(360)에 의해 다시 난방수 탱크(310)로 유입되도록 조절된다. 이때, 지열수는 난방수(P)와의 열교환을 통해 일정 정도 가열된 상태로 순환된다.

이러한 구조에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템은 지열수의 온도에 따라 지열수와의 열교환을 통해 난방수(P)를 한번 더 가열하여 공급 배출하거나 또는 난방수(P)를 난방수 탱크(310)로 재순환시키는 방식으로 지열수를 일정 정도 가열하여 순환시킬 수 있으므로, 필요에 따라 더욱 다양한 방식으로 안정되게 운전할 수 있고, 이에 따라 발전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 지열수 순환 유닛 110: 열교환기
200: 발전 유닛 210: 펌프
220: 증발기 230: 터빈
240: 응축기 300: 난방수 가열 유닛
310: 난방수 탱크 320: 냉각수 탱크
330: 히트 펌프 모듈 340: 냉각탑
350, 360: 삼방향 밸브

Claims (6)

1. 지하를 거쳐 배치되는 지열수가 유동하는 지열수 라인(101) 및 상기 지열수 라인 상에 배치되어 상기 지열수 라인 상에서 상기 지열수를 순환시키는 지열수 펌프를 구비하는 지열수 순환 유닛(100);
   작동 유체가 유동하는 증기 사이클 배관 라인(201) 상에 배치되고 상기 작동 유체를 가압 유동시키는 펌프(210)와, 상기 증기 사이클 배관 라인을 통하여 상기 작동 유체를 상기 펌프로부터 전달받고, 상기 지열수 라인(101)이 배치되어 상기 지열수 라인을 따라 관류되는 상기 지열수와 상기 작동 유체간에 열교환을 이루는 증발기(220)와, 상기 증발기를 거친 작동 유체가 유입되고 상기 증발기에서 열을 공급받은 작동 유체에 의하여 회전력을 전달받는 터빈(230)과, 상기 터빈을 거친 상기 작동 유체가 유입되는 응축기(240)를 구비하고, 상기 응축기(240)는 상기 증기 사이클 배관 라인(201)을 통하여 상기 펌프(210)에 연결되어 증기 사이클을 형성하는 발전 유닛(200)을 포함하는 바이너리 지열 발전 시스템에 있어서,
   상기 응축기(240)를 통하여 상기 작동 유체로부터 열을 공급받아 난방수를 가열 공급하는 난방수 가열 유닛(300)을 포함하고,
   상기 난방수 가열 유닛(300)은:
   상기 응축기(240)를 거치는 제 1 냉각수 배관(321)의 양단이 연결되어, 상기 응축기(240)에서 상기 증기 사이클 배관 라인(201)의 작동 유체와 열교환을 이루도록 상기 제 1 냉각수 배관(321)을 따라 유동하는 제 1 냉각수(Q1)를 수용 저장하는 냉각수 탱크(320)와,
   모듈 냉매가 유동하는 모듈 라인(335) 상으로 상기 냉각수 탱크(320)에 배치되어 상기 모듈 냉매가 상기 제 1 냉각수와 열교환을 이루도록 하는 모듈 증발기(332)와, 상기 모듈 라인(335) 상에서 배치되어 상기 모듈 증발기(332)와 연결되는 모듈 압축기(331)와, 상기 모듈 압축기(331)로부터 유출되는 상기 모듈 냉매가 유입되는 모듈 응축기(334)와, 상기 모듈 응축기 및 상기 모듈 증발기 사이에 배치되는 모듈 팽창밸브(333)를 포함하는 히트펌프 모듈(330)과,
   상기 모듈 응축기(334)의 상기 모듈 냉매와 열교환을 이루는 난방수를 유입 유출 가능하게 저장하는 난방수 탱크(310)를 포함하고,
   상기 히트펌프 모듈(330)은 상기 난방수 탱크(310)의 난방수를 가열하고 상기 냉각수 탱크의 상기 제 1 냉각수를 냉각시키도록 상기 난방수 탱크(310)와 상기 냉각수 탱크(320)를 각각 고열원 및 저열원으로 하여 작동하고,
   상기 난방수 가열 유닛(300)은, 상기 응축기(240)와 상기 냉각수 탱크(320) 사이로 상기 냉각수 탱크 측으로의 유입 및 유출 측 상기 제 1 냉각수 배관 상에 배치되는 삼방향 밸브(350;350a,350b)와 연결되고, 상기 제 1 냉각수 배관으로부터 분기되는 상기 제 1 냉각수의 일부 및 별도의 급수 시설로부터 공급되는 물로 형성되되 상기 냉각수 탱크 측으로부터 유출되는 측 상기 삼방향 밸브(350b)를 통하여 상기 제 1 냉각수 배관(321) 상에 유입되어 상기 응축기로 순환 공급되는 상기 제 1 냉각수와 혼합되는 제 2 냉각수를 저장하는 냉각탑(340)을 더 구비하고,
   상기 삼방향 밸브 중 하나(350a)는, 상기 제 1 냉각수 배관(321) 상 상기 응축기(240)와 상기 냉각수 탱크(320) 사이로 상기 냉각수 탱크(320)로의 유입 측에 배치되어 상기 제 1 냉각수의 상기 냉각탑(340)으로의 분기되는 유량을 조절하고,
   상기 삼방향 밸브 중 다른 하나(350b)는, 상기 제 1 냉각수 배관(321) 상 상기 냉각수 탱크(320)와 상기 응축기 사이(240)로 상기 냉각수 탱크(320)로의 유출 측에 배치되어 상기 냉각탑(340)으로부터 유출되어 상기 제 1 냉각수와 혼합되는 상기 제 2 냉각수의 유량(Q2)을 조절하는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 지열수 순환 유닛(100)에는 상기 증발기를 통해 열교환 과정을 거친 지열수가 열교환할 수 있도록 상기 증발기를 거친 상기 지열수 라인 상에 배치되는 별도의 지열수 순환 유닛 열교환기(110)가 더 구비되고,
   양단이 상기 난방수 탱크에 각각 연결되는 난방수 공급 배관(311)은 상기 지열수 순환 유닛 열교환기(110)를 거침으로써, 상기 난방수가 상기 지열수와 열교환 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 난방수 공급 배관에는 상기 난방수가 상기 지열수 순환 유닛 열교환기(110)를 통과한 후 외부로 공급 배출되거나 또는 다시 상기 난방수 탱크로 유입되도록 경로 조절할 수 있는 삼방향 밸브(360)가 장착되는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템.
   
   

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