KR101542935B1 - 신재생 에너지 복합발전시스템 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 및 태양열 발전이 결합된 신재생 에너지 복합발전시스템이 개시된다. 개시된 신재생 에너지 복합발전시스템은, 탄화수소 연료의 산화 과정에서 생기는 화학에너지를 전자화학적 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 연료 전지 유닛과, 태양의 복사열에너지를 이용하여 전력을 생산하는 태양열 발전 유닛과, 연료 전지 유닛으로부터 발생되는 폐열을 태양열 발전 유닛으로 공급하는 폐열 공급 라인을 구비한다.

Description

신재생 에너지 복합발전시스템{Renewable energy hybrid power system}
본 발명은 신재생 에너지 복합발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지 및 태양열 발전이 결합된 신재생 에너지 복합발전시스템에 관한 것이다.
화력 발전은 석탄이나 천연가스 등과 같은 화석연료를 연소시켜 전력을 생산하게 되는데, 이러한 연소 과정에서 대기에 막대한 양의 연소 가스를 배출하게 된다. 이러한 연소 가스는 지구 온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 포함함에 따라서 환경에 악영향을 미치는 문제점이 있었다.
이에 따라, 근래에 들어 점차 고갈되어 가는 종래의 화석 연료를 대체하기 위해, 또한 환경 오염의 방지를 위해 태양열, 풍력, 연료 전지, 바이오 에너지 등의 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 기술에 대한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
이 중에서 태양열 발전 시스템은 태양의 복사열에너지를 이용하여 전력을 생산하는 시스템으로서, 일반적으로 태양열을 모으는 집열부와, 모인 열을 이용하여 증기를 발생시키는 증기발생부와, 발생된 증기를 이용하여 전력을 생산하는 터빈발전부로 구성되어 있다.
태양열 발전 시스템은 거의 무한대의 에너지를 이용하며 폐기물을 남기지 않아서 환경친화적이라는 점에서 장점이 있으나, 태양열을 이용하는 것이므로 태양이 떠 있는 낮에만 정상적으로 작동이 가능한 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 축열기를 이용하여 낮에 태양열을 저장하였다가 그 저장된 열을 이용하여 밤에도 발전이 가능하도록 하고 있으나, 여전히 일몰 후에는 전력 생산량과 전력 생산 효율이 떨어지는 단점이 있다.
한편, 연료 전지는 탄화수소 연료의 산화 과정에서 생기는 화학에너지를 전자화학적 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료 전지는 전기적으로 충전된 이온을 도전시키는 전해질에 의해 분리되는 애노드 극 및 캐소드 극을 포함한다. 이러한 연료 전지 중 고온용 연료 전지에는 예컨대 용융탄산염 연료 전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)와 고체산화물 연료 전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 등 다양한 종류가 있으며, 다양한 분야에서 개발되어 사용되고 있다.
고온용 연료 전지의 경우 작동 중에 폐열이 발생되며, 이와 같이 발생되는 폐열은 열회수장치(HRU: Heat Recovery Unit)를 이용하여 난방을 하거나 온수를 공급하는 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 그러나, 고온용 연료 전지에서 발생되는 폐열은 대략 400℃ 이상으로서 일반적인 난방이나 온수로 사용하는 것은 그 폐열을 제대로 이용하지 못하는 것이 된다는 문제점이 있다.
특허문헌 1 : 대한민국 공개특허 제10-2013-0104267호
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 연료 전지와 태양열 발전을 결합하여 효율적인 발전이 가능하도록 구성된 신재생 에너지 복합발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 신재생 에너지 복합발전시스템은,
탄화수소 연료의 산화 과정에서 생기는 화학에너지를 전자화학적 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 연료 전지 유닛;
태양의 복사열에너지를 이용하여 전력을 생산하는 태양열 발전 유닛; 및
상기 연료 전지 유닛으로부터 발생되는 폐열을 상기 태양열 발전 유닛으로 공급하는 폐열 공급 라인;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 연료 전지 유닛은, 연료 전지 셀이 적층된 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료공급부와, 상기 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급부를 포함하고,
상기 태양열 발전 유닛은, 태양의 복사열을 모으는 집열부와, 상기 집열부에 모인 복사열을 이용하여 증기를 발생시키는 증기발생부와, 상기 증기발생부에서 발생된 증기를 이용하여 전력을 생산하는 터빈발전부를 포함하며,
상기 폐열 공급 라인은 상기 연료 전지 스택에서 발생되는 배기가스에 포함된 폐열을 상기 증기발생부로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료 전지 유닛으로서 용융탄산염 연료 전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료 전지(SOFC)가 사용될 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 유닛은, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료를 개질시키는 개질기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 태양열 발전 유닛은, 상기 집열부와 증기발생부 사이에 마련되어 상기 집열부에 모인 복사열을 저장하였다가 상기 증기발생부에 공급하는 축열기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 폐열 공급 라인을 통해 공급되는 폐열은 상기 축열기에 저장되었다가 상기 증기발생부로 공급될 수 있다.
또한, 상기 폐열 공급 라인의 일단은 상기 연료 전지 스택에 연결되고, 타단은 상기 축열기에 연결되는 제1분기라인과 상기 증기발생부에 연결되는 제2분기라인으로 분기될 수 있다.
또한, 상기 폐열 공급 라인에는 상기 제1분기라인과 제2분기라인이 분기되는 지점에 밸브가 설치되며, 상기 밸브의 조작을 통해 상기 축열기 또는 증기발생부로 선택적으로 폐열이 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 신재생 에너지 복합발전시스템에 의하면, 일몰 후에는 발전이 불가능하거나 발전량이 저하되는 태양열 발전 유닛이 연료 전지 유닛의 폐열을 공급받아 일몰 후에도 안정적이고 지속적으로 발전을 할 수 있으며, 연료 전지 유닛에서 발생되는 고온의 폐열을 발전에 이용하게 되므로, 전체적으로 발전 효율이 향상될 수 있다.
따라서, 태양열의 복사열에너지의 양에 따라 발전량에 차이를 보일 수 있는 태양열 발전 유닛과 지속적인 발전이 가능하되 고온의 폐열이 발생하는 연료 전지 유닛을 결합함으로써, 안정적이고 지속적인 발전이 가능하게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 신재생 에너지 복합발전시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지 복합발전시스템의 구성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 신재생 에너지 복합발전시스템에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명에 따른 신재생 에너지 복합발전시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생 에너지 복합발전시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 신재생 에너지 복합발전시스템(100)은, 연료 전지와 태양열 발전을 결합하여 효율적인 발전이 가능하도록 구성된다. 이를 위해, 상기 신재생 에너지 복합발전시스템(100)은, 연료 전지 유닛(110)과, 태양열 발전 유닛(120)을 구비하며, 상기 연료 전지 유닛(110)에서 발생된 폐열을 태양열 발전 유닛(120)으로 공급함으로써 야간에도 태양열 발전 유닛(120)에 의한 안정적이고 지속적인 전력의 생산이 가능하도록 구성된다.
구체적으로, 상기 연료 전지 유닛(110)은, 탄화수소 연료의 산화 과정에서 생기는 화학에너지를 전자화학적 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 장치이다.
본 발명에 따른 신재생 에너지 복합발전시스템(100)에서, 상기 연료 전지 유닛(110)으로서 고온용의 용융탄산염 연료 전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell) 또는 고체산화물 연료 전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 용융탄산염 연료 전지의 경우 작동온도가 대략 650℃ 정도이고 배기 가스의 폐열은 대략 400℃ 정도이며, 상기 고체산화물 연료 전지의 경우 작동온도가 대략 800℃ 정도이고 배기 가스의 폐열은 대략 600℃ 정도이다. 이와 같이 상기 연료 전지 유닛(110)에서 발생되는 폐열의 온도는 상기 태양열 발전 유닛(120)의 집열부(122)의 온도를 상회하기 때문에 충분히 태양열 발전 유닛(120)에 사용될 수 있다.
상기 연료 전지 유닛(110)은, 연료 전지 셀이 적층된 연료 전지 스택(111)과, 상기 연료 전지 스택(111)에 연료를 공급하는 연료 공급부(112)와, 상기 연료 전지 스택(111)에 공기를 공급하는 공기 공급부(113)를 포함하여 구성된다. 그리고, 상기 연료 전지 스택(111)에 공급되는 연료를 개질시키는 개질기(114)가 더 구비될 수 있다. 상기 연료 전지 유닛(110)의 구체적 구성과 작동은 이미 널리 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 연료 전지 유닛(110)의 연료 전지 스택(112) 내에서 이루어지는 산화-환원 반응은 발열반응이므로, 연료 전지 스택(112)으로부터 배출되는 배기가스는 대략 400℃ 이상의 고온의 폐열을 포함하고 있다.
상기 태양열 발전 유닛(120)은, 태양의 복사열에너지를 이용하여 전력을 생산하는 장치로서, 태양의 복사열을 모으는 집열부(121)와, 상기 집열부(121)에 모인 복사열을 이용하여 증기를 발생시키는 증기발생부(122)와, 상기 증기발생부(122)에서 발생된 증기를 이용하여 전력을 생산하는 터빈발전부(123)를 포함하여 구성된다. 상기 터빈발전부(123)는 상기 증기발생부(122)에서 발생된 증기에 의해 회전되는 터빈(123a)과, 상기 터빈(123a)에 연결되어 전력을 생산하는 발전기(123b)로 이루어진다.
그리고, 상기 집열부(121)와 증기발생부(122) 사이에는 집열부(121)에 모인 복사열을 저장하였다가 상기 증기발생부(122)에 공급하는 축열기(124)가 마련될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 연료 전지 유닛(110)으로부터 배출되는 폐열은 상기 태양열 발전 유닛(120)으로 공급된다. 이를 위해, 상기 연료 전지 스택(112)에는 상기 태양열 발전 유닛(120)으로 폐열을 공급하는 폐열 공급 라인(116)이 연결된다. 구체적으로, 상기 폐열 공급 라인(116)의 일단은 상기 연료 전지 유닛(110)의 연료 전지 스택(112)의 배기구에 연결되고, 타단은 상기 태양열 발전 유닛(120)의 증기발생부(122)에 연결된다. 이에 따라, 상기 연료 전지 유닛(110)의 연료 전지 스택(112)에서 발생된 폐열은 상기 태양열 발전 유닛(120)의 증기발생부(122)로 공급되어, 터빈발전부(123)에서 발전을 위해 사용되는 증기를 발생시키는데 이용될 수 있다.
상기한 구성에 의하면, 일몰 후에는 발전이 불가능하거나 발전량이 저하되는 태양열 발전 유닛(120)이 연료 전지 유닛(110)의 폐열을 공급받아 일몰 후에도 안정적이고 지속적으로 발전을 할 수 있는 장점이 있다. 또한, 상기 연료 전지 유닛(110)에서 발생되는 고온의 폐열을 발전에 이용하게 되므로, 전체적으로 발전 효율이 향상되는 장점이 있다.
한편, 상기한 바와 같이 태양열 발전 유닛(120)에 축열기(124)가 구비된 경우에는, 상기 폐열 공급 라인(116)의 타단은 상기 증기발생부(122)에 연결될 수도 있고 상기 축열기(124)에 연결될 수도 있다. 후자의 경우, 상기 연료 전지 유닛(110)에서 발생된 폐열은 상기 태양열 발전 유닛(120)의 축열기(124)로 공급되어 저장되었다가 증기발생부(122)로 공급되어, 터빈발전부(123)에서 발전을 위해 사용되는 증기를 발생시키는데 이용될 수 있다.
또한, 상기 폐열 공급 라인(116)의 타단은 제1분기라인(116a)과 제2분기라인(116b)으로 분기될 수 있으며, 상기 제1분기라인(116a)은 상기 축열기(124)에 연결되고 상기 제2분기라인(116b)은 상기 증기발생부(122)에 연결될 수 있다.
상기 폐열 공급 라인(116)에는 제1분기라인(116a)과 제2분기라인(116b)이 분기되는 지점에 밸브(117)가 설치될 수 있으며, 상기 밸브(117)를 조작함으로써 상기 축열기(124) 또는 증기발생부(122)로 선택적으로 폐열이 공급되도록 할 수 있다. 예를 들어, 태양열만으로도 안정적인 발전이 가능한 낮에는 제1분기라인(116a)을 통해 축열기(124)에 폐열을 공급하여 저장하고, 일몰 후에는 제2분기라인(116b)를 통해 증기발생부(122)에 직접 폐열을 공급함으로써 지속적인 발전이 가능하도록 할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 신재생 에너지 복합발전시스템(100)에 의하면, 태양열의 복사열에너지의 양에 따라 발전량에 차이를 보일 수 있는 태양열 발전 유닛(120)과 지속적인 발전이 가능하되 고온의 폐열이 발생하는 연료 전지 유닛(110)을 결합함으로써, 안정적이고 지속적인 발전이 가능하게 되는 장점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100...신재생 에너지 복합발전시스템 110...연료 전지 유닛
111...연료 전지 스택 112...연료 공급부
113...공기 공급부 114...개질기
116...폐열 공급 라인 116a...제1분기라인
116b...제2분기라인 117...밸브
120...태양열 발전 유닛 121...집열부
122...증기발생부 123...터빈발전부
123a...터빈 123b...발전기
124...축열기

Claims (8)

  1. 탄화수소 연료의 산화 과정에서 생기는 화학에너지를 전자화학적 반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 연료 전지 유닛;
    태양의 복사열에너지를 이용하여 전력을 생산하는 것으로, 태양의 복사열을 모으는 집열부와, 상기 집열부에 모인 복사열을 이용하여 증기를 발생시키는 증기발생부와, 상기 증기발생부에서 발생된 증기를 이용하여 전력을 생산하는 터빈발전부를 포함하는 태양열 발전 유닛; 및
    상기 연료 전지 유닛으로부터 발생되는 폐열을 상기 태양열 발전 유닛의 증기 발생부로 공급하는 폐열 공급 라인;을 구비하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 복합발전시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료 전지 유닛은, 연료 전지 셀이 적층된 연료 전지 스택과, 상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료공급부와, 상기 연료 전지 스택에 공기를 공급하는 공기공급부를 포함하고,
    상기 폐열 공급 라인은 상기 연료 전지 스택에서 발생되는 배기가스에 포함된 폐열을 상기 증기발생부로 공급하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 복합발전시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 연료 전지 유닛으로서 용융탄산염 연료 전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료 전지(SOFC)가 사용되는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 복합발전시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 연료 전지 유닛은, 상기 연료 전지 스택에 공급되는 연료를 개질시키는 개질기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 복합발전시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 태양열 발전 유닛은, 상기 집열부와 증기발생부 사이에 마련되어 상기 집열부에 모인 복사열을 저장하였다가 상기 증기발생부에 공급하는 축열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 복합발전시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 폐열 공급 라인을 통해 공급되는 폐열은 상기 축열기에 저장되었다가 상기 증기발생부로 공급되는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 복합발전시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 폐열 공급 라인의 일단은 상기 연료 전지 스택에 연결되고, 타단은 상기 축열기에 연결되는 제1분기라인과 상기 증기발생부에 연결되는 제2분기라인으로 분기되는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 복합발전시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 폐열 공급 라인에는 상기 제1분기라인과 제2분기라인이 분기되는 지점에 밸브가 설치되며, 상기 밸브의 조작을 통해 상기 축열기 또는 증기발생부로 선택적으로 폐열이 공급되는 것을 특징으로 하는 신재생 에너지 복합발전시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2013038423A2 (en) 2011-06-27 2013-03-21 Thermax Limited Combined cooling/heating and power generation system utilizing sustainable energy

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