KR101463178B1

KR101463178B1 - 온수를 이용한 orc 발전 시스템

Info

Publication number: KR101463178B1
Application number: KR20130114472A
Authority: KR
Inventors: 유영호; 정양범; 견광필; 이제훈
Original assignee: 비아이피 주식회사
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-11-21

Abstract

본 발명은 ORC 발전 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 온수를 이용한 ORC 발전 시스템은 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기, 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈, 터빈에서 나온 저온저압의 작동 유체를 액체로 응축시키는 응축기, 응축기에서 나온 저압의 작동유체를 다시 증발기로 공급하는 펌프를 포함하는 ORC 발전 시스템에 있어서, 상기 증발기는 온수탱크에 연결된 온수 공급 펌프를 통해서 공급되는 온수에 의해서 열교환이 발생되고, 상기 응축기는 저온 탱크에 연결된 냉각수 공급 펌프를 통해서 공급되는 냉각수에 의해서 열교환이 발생되며, 상기 온수 탱크와 저온 탱크를 연결시키는 제1연결관에는 보일러가 설치되고, 상기 증발기를 통과한 온수를 온수 탱크로 재공급하는 제2연결관에는 상기 보일러로 직접 연결되는 제1분지관이 연결되며, 상기 제2연결관과 제1분지관에는 각각 제어 밸브가 설치되고, 상기 응축기를 통과한 냉각수를 저온 탱크로 재공급하는 제3연결관에는 상기 보일러로 직접 연결되는 제2분지관이 연결되며, 상기 제3연결관과 제2분지관에는 각각 제어 밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

온수를 이용한 ORC 발전 시스템{ORC POWER GENERATING SYSTEM WITH HOT WATER}

본 발명은 ORC 발전 시스템에 관한 것으로서, 목욕탕, 사우나 시설 등에서 사용되는 온수를 증발기의 열원으로 이용하고 응축기의 폐열을 재이용하여 에너지 효율을 높인 온수를 이용한 ORC 발전 시스템에 관한 것이다.

유기랭킨사이클(ORC : Organic Rankine Cycle)은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨사이클(Rankin Cycle)로서 비교적 저온의 온도 범위 (60~200℃)의 열원을 회수하여 전기를 생산하는 시스템이다.

이러한 선행기술에는 대한민국 특허청에 출원된 출원번호 제10-2012-058675호, 제10-2009-0120307호 등이 있다.

이러한 선행기술들은 대부분 선박 내부에서 버려지는 폐열을 회수하기 위한 수단으로 ORC 발전 시스템을 이용하게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 유기랭킨사이클(ORC : Organic Rankine Cycle)은 증발기(1) 및 터빈(2), 응축기(3), 펌프(4)의 기본 요소로 구성되어 있다. 증발기(1)는 작동유체에 열을 전달하여 터빈 구동에 필요한 온도까지 가열시키고, 터빈(2)은 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키며, 응축기(3)는 터빈(2)에서 나온 작동 유체를 냉각시키며, 펌프(4)는 응축기(3)에서 나온 저압의 작동유체를 증발 압력까지 가압하는 역할을 한다.

그러나, 종래의 이러한 선행 기술들은 선박 등 특수 분야에만 한정되어 적용된다는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 온수를 이용한 ORC 발전 시스템은 목욕 시설, 사우나 등 온수를 사용하는 시설에서 가용 가능한 잉여온수를 활용한 ORC 발전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 온수를 이용한 ORC 발전 시스템은 작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기, 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈, 터빈에서 나온 저온저압의 작동 유체를 액체로 응축시키는 응축기, 응축기에서 나온 저압의 작동유체를 다시 증발기로 공급하는 펌프를 포함하는 ORC 발전 시스템에 있어서, 상기 증발기는 온수탱크에 연결된 온수 공급 펌프를 통해서 공급되는 온수에 의해서 열교환이 발생되고, 상기 응축기는 저온 탱크에 연결된 냉각수 공급 펌프를 통해서 공급되는 냉각수에 의해서 열교환이 발생되며, 상기 온수 탱크와 저온 탱크를 연결시키는 제1연결관에는 보일러가 설치되고, 상기 증발기를 통과한 온수를 온수 탱크로 재공급하는 제2연결관에는 상기 보일러로 직접 연결되는 제1분지관이 연결되며, 상기 제2연결관과 제1분지관에는 각각 제어 밸브가 설치되고, 상기 응축기를 통과한 냉각수를 저온 탱크로 재공급하는 제3연결관에는 상기 보일러로 직접 연결되는 제2분지관이 연결되며, 상기 제3연결관과 제2분지관에는 각각 제어 밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 온수 탱크에는 온수의 수위와 온도를 측정하는 센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 온수를 이용한 ORC 발전 시스템은 보일러를 통해서 가열된 온수를 이용하여 증발기의 열원으로 사용하고, 응축기의 냉각은 저온 탱크에 연결된 냉각수를 이용하게 되므로 열효율이 향상된 온수를 이용한 ORC 발전 시스템을 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 ORC 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온수를 이용한 ORC 발전 시스템을 도시하는 개념도.
도 3은 도 2의 변화도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온수를 이용한 ORC 발전 시스템을 도시하는 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에서 이용하는 유기랭킨사이클(ORC:Organic Rankine Cycle)은 증발기(30) 및 터빈(20), 응축기(50), 펌프(40)의 기본 요소로 구성된다.

먼저, 증발기(30)는 작동유체에 열을 전달하여 터빈(20) 구동에 필요한 온도까지 가열시키고, 터빈(20)은 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜서 발전기(10)에서 전기를 생산하게 된다. 그리고, 응축기(50)는 터빈(20)에서 나온 작동유체를 냉각시키며, 펌프(40)는 응축기(50)에서 나온 저압의 작동유체를 증발 압력까지 가압시키는 역할을 하게 된다.

본 발명에 따른 온수를 이용한 ORC 발전 시스템의 상기 증발기(30)는 온수탱크(100)에 연결된 온수 공급 펌프(410)를 통해서 공급되는 온수에 의해서 열교환이 발생되고, 상기 응축기(50)는 저온 탱크(200)에 연결된 냉각수 공급 펌프(420)를 통해서 공급되는 냉각수에 의해서 열교환이 발생된다.

그리고, 상기 온수 탱크(100)와 저온 탱크(200)를 연결시키는 제1연결관(P1)에는 보일러(300)가 설치된다.

상기 보일러(300)는 목욕탕, 사우나 시설 등에서 온수를 생성하기 위하여 설치되는 것을 이용하게 되며, 온수 탱크는 가열된 온수를 저장하는 곳이며, 저온 탱크(200)는 보일러에 가열하고자 하는 물을 저장하는 곳이다.

즉, 본 발명에서는 저온 탱크(200)에 저장된 냉각수를 이용하여 ORC 사이클의 응축기를 냉각시키면서도 동시에 보일러(300)로 공급되는 물의 온도를 상승시키는 효과를 얻을 수 있게 된다.

동시에 보일러(300)를 통해서 가열된 온수가 저장된 온수 탱크(100) 내부의 온수를 이용하여 증발기(30)의 열원으로 사용하게 된다.

또한, 증발기(30)를 통과한 온수를 온수 탱크(100)로 재공급하는 제2연결관(P2)에는 상기 보일러(300)로 직접 연결되는 제1분지관(D1)이 연결되며, 상기 제2연결관(P2)과 제1분지관(D1)에는 각각 제어 밸브(1, 2)가 설치된다.

그리고, 응축기(50)를 통과한 냉각수를 저온 탱크(200)로 재공급하는 제3연결관(P3)에는 상기 보일러(300)로 직접 연결되는 제2분지관(D2)이 연결되며, 상기 제3연결관(P3)과 제2분지관(D2)에는 각각 제어 밸브(3, 4)가 설치되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 온수 탱크(100)에는 온수의 수위와 온도를 측정하는 센서(미도시됨)가 설치되어 온수 탱크(100)에 저장된 온수의 양과 온도를 측정하여 유기랭킨 사이클을 작동시킬 수 있는 지 여부를 판단하여야 한다.

본 발명에 따른 온수를 이용한 ORC 발전 시스템의 작동 형태에 대해 살펴보면,

먼저, 온수 탱크(100)에 설치된 센서를 통해서 온수의 온도와 양이 설계 조건을 만족하는 여부를 확인하고, ORC 가동 여부를 결정하게 된다.

그리고, 보일러(300) 가동여부에 따라서 제1 제어 밸브(1)와 제2 제어밸브(2)의 개폐를 결정하게 된다. 보일러(300)가 가동 중이면 제1 제어 밸브(1)를 닫고, 제2 제어 밸브(2)를 열어서 낮아진 온수의 온도를 상승시켜주어야 한다.

도 3은 도 2의 변화도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 반대로 보일러(300)가 가동 중지인 경우에는 제1 제어 밸브(1)를 열고 제2 제어 밸브(2)를 닫아서 온수 탱크(100)로 순환되도록 한다.

이와 동시에 도 2에 도시된 바와 같이 온수 공급 펌프(410)가 작동되면 냉각수 공급 펌프(420)이 작동되어야 하고, 보일러(300)가 가동 상태이면 제4 제어밸브(4)는 닫히고, 제3 제어 밸브(3)는 열리게 된다. 이때 응축기(50)로부터 열교환된 냉각수는 개방된 제2 분지관(D2)를 통해서 보일러(300)로 공급된다.

다만, 제1 연결관(P1)에 설치된 공급 펌프(430)는 냉각수 공급 펌프(420)를 통해서 공급되는 냉각수의 양에 따라서 보일러로 직접 공급하는 냉각수의 양을 조절하게 된다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 보일러(300)의 작동이 중지되면, 제3 제어 밸브(3)는 닫히고, 제4 제어 밸브(4)가 열려서 열교환된 냉각수가 저온 탱크(200)로 바로 유입되도록 한다.

이상과 같이 본 발명은 ORC 발전 시스템을 제공하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예는 단지 하나의 실시 예에 불과하므로 본 발명의 진정한 범위는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

1,2,3,4: 제어 밸브
10: 발전기
20: 터빈
30: 증발기
40: 펌프
50: 응축기
100: 온수 탱크
200: 저온 탱크
300: 보일러
410: 온수 공급 펌프
420: 냉각수 공급 펌프
P1: 제1연결관
P2: 제2연결관
P3: 제3연결관
D1: 제1분지관
D2: 제2분지관

Claims

작동유체에 열을 전달하여 기체로 상변화시키는 증발기, 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 터빈, 터빈에서 나온 저온저압의 작동 유체를 액체로 응축시키는 응축기, 응축기에서 나온 저압의 작동유체를 다시 증발기로 공급하는 펌프를 포함하는 ORC 발전 시스템에 있어서,
상기 증발기는 온수탱크에 연결된 온수 공급 펌프를 통해서 공급되는 온수에 의해서 열교환이 발생되고,
상기 응축기는 저온 탱크에 연결된 냉각수 공급 펌프를 통해서 공급되는 냉각수에 의해서 열교환이 발생되며,
상기 온수 탱크와 저온 탱크를 연결시키는 제1연결관에는 보일러가 설치되고,
상기 증발기를 통과한 온수를 온수 탱크로 재공급하는 제2연결관에는 상기 보일러로 직접 연결되는 제1분지관이 연결되며, 상기 제2연결관과 제1분지관에는 각각 제어 밸브가 설치되고,
상기 응축기를 통과한 냉각수를 저온 탱크로 재공급하는 제3연결관에는 상기 보일러로 직접 연결되는 제2분지관이 연결되며, 상기 제3연결관과 제2분지관에는 각각 제어 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 온수를 이용한 ORC 발전 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 온수 탱크에는,
온수의 수위와 온도를 측정하는 센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 온수를 이용한 ORC 발전 시스템.