KR101579004B1 - The power generation system using solar energy - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 태양열 발전시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 태양열을 열원으로 열에너지를 전기에너지로 변환함으로써, 전기 생산 및 난방을 수행하는 태양열 발전시스템에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE
최근 들어서 전세계는 전기 및 가스, 석유 등 한정된 자원에만 의존해 온 탓으로 인해 석유에너지(Energy)의 공급부족 현상이 점차 현실화되고, 반면에 유가의 가격도 지속적으로 상승하고 있으며, 또한 석유에너지의 사용에 따른 온실가스 등의 증가로 인해 환경오염 문제가 매우 심각하게 제기되고 있어, 지구 온난화를 방지하기 위한 차원에서 이산화탄소(CO2)의 배출을 최대한 줄이고자 하는 노력이 세제적으로 가속화되고 있는 실정이다.In recent years, the world has been dependent on limited resources such as electricity, gas, and oil, resulting in a shortage of energy supply. On the other hand, the price of oil continues to rise, The problem of environmental pollution has been raised very seriously due to the increase of greenhouse gas and so on. In order to prevent global warming, the effort to reduce the emission of carbon dioxide (CO 2 ) as much as possible has been accelerated.
이에 따라, 환경적인 공해가 발생되지 않고 친환경적인 차원에서 무한정으로 사용할 수 있는 태양광이나 태양열을 비롯하여 풍력, 조력 등 자연을 이용한 대체 에너지의 개발에 대한 관심이 집중되고 있으며, 그 중에서도 특히 태양광이나 태양열을 이용하여 가정, 산업체에 필요한 전기 에너지의 생산은 물론 온수, 난방 등에 필요한 열원을 생산하기 위한 장치의 개발이 활발히 진행되고 있는 추세이다.Accordingly, attention has been focused on the development of alternative energy using sunlight, solar energy, wind power, and tidal energy, which can be used indefinitely in an environmentally friendly environment without causing environmental pollution. In particular, The development of devices for producing heat energy necessary for hot water and heating as well as production of electric energy for home and industry using solar heat is actively being developed.
특히, 신 재생에너지 중에서 태양에너지는 지구상에서 가장 풍부한 에너지 자원으로 태양에너지를 난방·냉방 및 전기에너지의 생산을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.In particular, among renewable energy, solar energy is the most abundant energy resource on the planet, and research for the production of solar energy heating, cooling and electric energy is actively being carried out.
이와 같은, 태양에너지를 이용하여 전기 에너지로 발전을 하는 방식에는 태양광(太陽光)을 이용하는 방식과 태양열(太陽熱)을 이용하는 방식의 2가지가 있다.There are two ways of generating electric energy by using solar energy, namely, a method using solar light (solar light) and a method using solar heat (solar heat).
이중 태양광을 이용하는 방식 중 가장 일반적으로 사용되는 방식 중 하나인 일명 솔라셀(solar cell)이라 명명되는 태양전지는 주로 실리콘 재질을 이용하여 제작이 된 것으로, 가시광선 파장 영역에서 광전 효과를 이용하여 전기를 발생시키는 원리를 가지고 있다. Si(실리콘) 소재를 이용한 태양전지는 0.4 ㎛에서 1.1㎛까지의 파장 영역의 파장만을 흡수하는 것으로 연구 결과가 보고되고 있는바, 이러한 파장 영역은 주로 가시광선 대역이고 보다 높은 발전 효과를 기대할 수 있는 적외선 영역 대에서는 흡수 효율이 매우 낮다는 문제가 있다. 보다 구체적으로는, 상기 실리콘 재질에 의한 태양전지는 적외선 파장 영역의 태양광은 흡수 효율이 낮을 뿐 아니라 태양 전지 표면 온도를 증가시켜 발전 효율이 감소하게 된다. 다시 말해 태양광이 매우 강한 여름의 낮 시간에는 태양광이 강하여 조도는 높을지언정 오히려 태양전지 표면 온도가 상승하여 발전 효율이 떨어지게 되는 문제가 발생한다.Solar cell, which is one of the most commonly used methods of using dual solar cells, is mainly made of a silicon material, and uses a photoelectric effect in the wavelength range of visible light It has the principle of generating electricity. The solar cell using Si (silicon) material absorbs only the wavelength range from 0.4 ㎛ to 1.1 ㎛, and research results have been reported. Such a wavelength range is mainly a visible light band and a higher power generation effect can be expected There is a problem that the absorption efficiency is very low in the infrared region. More specifically, the solar cell using the silicon material not only has low absorption efficiency of sunlight in the infrared wavelength range, but also increases the surface temperature of the solar cell, thereby reducing the power generation efficiency. In other words, in the daytime of the summer when the sunlight is very strong, the sunlight is strong and the light intensity is high, but the solar cell surface temperature rises and the power generation efficiency is lowered.
그리고, 태양 전지의 소재로서 실리콘(Si) 이외에 다양한 소재가 사용되고, 소재의 특성 별로 흡수가 잘되는 파장 영역대를 가지고 있으나, 문제는 각 소재 별로 고유의 흡수 파장 영역을 가지고 있어 태양광의 전반적인 파장 영역을 동시에 사용하기에 큰 애로가 따른다는 것이다.In addition, various materials other than silicon (Si) are used as the material of the solar cell, and the wavelength region where absorption of each material is well absorbed has a problem. However, the problem is that each material has its own absorption wavelength region, It is very difficult to use at the same time.
한편, 태양열을 이용해 발전하는 방식의 일 예로 공개특허 제10-2011-0008503호가 제시된 바 있다. 이는 태양열 발전 시스템에 관한 것으로 태양열을 집열하는 태양열 집열장치, 상기 태양열 집열장치 내에 설치되며 상기 태양열 집열장치에 의하여 집열된 태양열을 이용하여 열매체를 기화시키는 열매체 기화장치, 상기 열매체 기화장치에 연결되며 상기 열매체 기화장치에 의하여 기화된 고압의 열매체에 의하여 회전하는 터빈, 상기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전장치 및 상기 터빈에 연결되며 상기 터빈을 회전시킨 열매체를 수축시켜 상기 열매체 기화장치에 다시 공급하는 수축장치를 포함한다.On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2011-0008503 is presented as an example of a method of generating electricity using solar heat. The present invention relates to a solar thermal power generation system, and more particularly, to a solar thermal power generation system, which includes a solar heat collecting device for collecting solar heat, a heating medium vaporizing device installed in the solar heat collecting device for vaporizing a heating medium using solar heat collected by the solar heat collecting device, A turbine rotating by a high-pressure heating medium vaporized by the heating medium vaporizer, a power generator for generating electricity by using the rotational force of the turbine, and a cooling fan connected to the turbine, And a retracting device for supplying again.
그런데, 상기 공개특허는 대부분의 에너지원인 열매체의 열에너지 및 압력 에너지를 직접적으로 이용하여 전기를 생산하므로 전기 생산 효율이 낮은 문제점이 있다.
However, the above-mentioned patent discloses that electricity generation efficiency is low due to production of electricity by directly using the thermal energy and the pressure energy of the heat medium which is the energy source.
본 발명의 실시예들에 따르면, 태양열을 열원으로 이용해 제1유체를 가열하고, 이의 열교환을 통해 제2유체를 순환시키는 사이클에 팽창기를 설치하여 전기를 효율적으로 생산할 수 있는 태양열 발전시스템을 제공하기 위한 것이다.According to embodiments of the present invention, there is provided a solar power generation system capable of efficiently generating electricity by installing an inflator in a cycle of heating a first fluid using solar heat as a heat source and circulating a second fluid through heat exchange therewith .
또한, 제1유체가 순환하는 1차 사이클과 유기 냉매인 제2유체를 작동유체로 하는 2차 사이클을 이용해 전기를 생산함으로써, 양호한 운전조건을 얻을 수 있어 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 태양열 발전시스템을 제공하기 위한 것이다.In addition, by producing electricity using the first cycle in which the first fluid circulates and the second cycle in which the second fluid as the organic refrigerant is used as a working fluid, good operation conditions can be obtained and durability and reliability, System.
또한, 버퍼 탱크에 의해 제1유체를 온도가 일정 온도 이상으로 형성된 상태에서 작동함으로써, 보다 안정적인 태양열 발전시스템을 제공하기 위한 것이다.
Further, the present invention is intended to provide a more stable solar power generation system by operating the first fluid by the buffer tank in a state where the temperature is formed at a predetermined temperature or higher.
상술한 본 발명의 일 실시예들에 따른, 온수를 저장하는 축열탱크를 구비한 태양열 발전시스템는 태양열에 의해 제1유체를 가열하는 집열기, 가열된 상기 제1유체를 임시적으로 저장하는 버퍼탱크, 상기 버퍼탱크 내 상기 제1유체가 기설정 온도 이하인 경우, 상기 제1유체와 상기 축열탱크의 온수와 열교환하여 상기 온수의 온도를 상승시키는 열교환기, 상기 열교환기에서 배출되는 상기 제1유체를 상기 집열기로 강제 투입시키는 제1 펌프, 상기 버퍼탱크 내 상기 제1유체의 온도가 기설정 온도 이상일 경우, 가열된 상기 제1유체와 제2유체가 서로 열교환을 수행하여 상기 제2유체의 온도를 상승시키는 증발기, 상기 증발기에 의해 열교환된 제2유체의 열에너지를 이용하여 발전기의 축을 회전시키는 팽창기, 상기 팽창기를 거친 제2유체를 냉각시키는 응축기 및 냉각된 상기 제2유체를 상기 열교환기에 강제로 투입시키는 제2펌프를 포함한다. 여기서, 상기 버퍼탱크와 연결되며, 상기 버퍼탱크 내의 제1유체의 온도가 5℃ 이하로 떨어지면, 상기 제1유체를 가열하는 보일러를 더 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a solar thermal power generation system having a thermal storage tank for storing hot water includes a collector for heating a first fluid by solar heat, a buffer tank for temporarily storing the heated first fluid, A heat exchanger for exchanging heat between the first fluid and the hot water of the heat storage tank to raise the temperature of the hot water when the first fluid in the buffer tank is below a preset temperature, A first pump for forcedly charging the first fluid to the buffer tank when the temperature of the first fluid in the buffer tank is higher than a predetermined temperature, An evaporator, an inflator for rotating the shaft of the generator by using heat energy of the second fluid heat-exchanged by the evaporator, a second fluid passing through the inflator The compressors and the cooled second fluid and a second pump to force the heat exchanger input. The boiler may further include a boiler connected to the buffer tank and heating the first fluid when the temperature of the first fluid in the buffer tank falls below 5 ° C.
일 실시예에 따른, 상기 버퍼탱크는 상기 제1유체의 온도를 측정하는 온도센서 및 측정된 상기 제1유체의 온도에 따라 상기 제1유체의 유동을 제어하는 제어수단을 포함한다.According to one embodiment, the buffer tank includes a temperature sensor for measuring the temperature of the first fluid and a control means for controlling the flow of the first fluid in accordance with the measured temperature of the first fluid.
일 실시예에 따른, 상기 응축기에서 상기 제2유체와 상기 축열탱크의 온수가 서로 열교환을 통해 상기 온수를 가열하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, in the condenser, the hot water of the heat storage tank and the second fluid heat each other to heat the hot water.
일 실시예에 따른, 상기 집열기는 CPC형 집열기를 사용하며, 작동온도 80 ℃ ~ 200℃의 범위에서 상기 집열기의 집광비에 따라 상기 제1유체의 온도를 조절하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment, the collector uses a CPC type collector, and the temperature of the first fluid is adjusted according to a light collecting ratio of the collector in an operating temperature range of 80 to 200 ° C.
일 실시예에 따른, 상기 팽창기는 스크롤형 팽창기를 사용하며, 출력용량이 1~5kW 인 것을 특징으로 한다.According to one embodiment, the inflator uses a scroll-type inflator and has an output capacity of 1 to 5 kW.
일 실시예에 따른, 상기 제1유체는 열매체유 인 것을 특징으로 한다.According to one embodiment, the first fluid is a heat medium oil.
일 실시예에 따른, 상기 제2유체는 유기 냉매인 것을 특징으로 한다.According to one embodiment, the second fluid is an organic refrigerant.
일 실시예에 따른, 상기 팽창기에 유입된 상기 제2유체에 의해 상기 발전기를 구동시킴으로써 태양열 에너지를 전기에너지로 변환시키는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment, solar energy is converted into electric energy by driving the generator by the second fluid introduced into the inflator.
일 실시예에 따른, 상기 축열탱크에 저장된 온수는 난방용 열원을 제공하고, 상기 발전기에서 전기를 생산하는 것을 특징으로 한다.According to one embodiment, hot water stored in the heat storage tank provides a heating source for heating, and electricity is generated in the generator.
이와 같은 구성으로, 태양열을 열원으로 이용해 제1유체를 가열하고, 이의 열교환을 통해 제2유체를 순환시키는 사이클에 팽창기를 설치하여 전기를 효율적으로 생산할 수 있다. 또한, 제1유체가 순환하는 1차 사이클과 유기 냉매인 제2유체를 작동유체로 하는 2차 사이클을 이용해 전기를 생산함으로써, 양호한 운전조건을 얻을 수 있어 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 버퍼 탱크에 의해 제1유체를 온도가 일정 온도 이상으로 형성된 상태에서 작동함으로써, 보다 안정적으로 발전시스템을 구동할 수 있다.
With this configuration, the first fluid can be heated by using solar heat as a heat source, and the inflator can be installed in a cycle for circulating the second fluid through the heat exchange, thereby efficiently producing electricity. Further, by producing electricity using the primary cycle in which the first fluid circulates and the secondary cycle in which the second fluid as the organic refrigerant is used as a working fluid, good operating conditions can be obtained and durability and reliability can be ensured. Further, by operating the first fluid in a state where the temperature is set to a predetermined temperature or more by the buffer tank, the power generation system can be driven more stably.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 태양열을 열원으로 이용해 제1유체를 가열하고, 이의 열교환을 통해 제2유체를 순환시키는 사이클에 팽창기를 설치하여 전기를 효율적으로 생산할 수 있다.As described above, according to the embodiments of the present invention, it is possible to efficiently produce electricity by installing the inflator in the cycle of heating the first fluid using solar heat as a heat source and circulating the second fluid through its heat exchange .
또한, 제1유체가 순환하는 1차 사이클과 유기 냉매인 제2유체를 작동유체로 하는 2차 사이클을 이용해 전기를 생산함으로써, 양호한 운전조건을 얻을 수 있어 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.Further, by producing electricity using the primary cycle in which the first fluid circulates and the secondary cycle in which the second fluid as the organic refrigerant is used as a working fluid, good operating conditions can be obtained and durability and reliability can be ensured.
또한, 버퍼 탱크에 의해 제1유체를 온도가 일정 온도 이상으로 형성된 상태에서 작동함으로써, 보다 안정적으로 발전시스템을 구동할 수 있다.
Further, by operating the first fluid in a state where the temperature is set to a predetermined temperature or more by the buffer tank, the power generation system can be driven more stably.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 발전시스템을 도시한 구성도이다.
도2은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 발전시스템에 보일러를 추가한 것을 도시한 구성도이다.
도3a ~ 도3b는 본 발명의 실시예에 따른 제1유체 및 제2유체의 순환 사이클을 도시한 구성도이다.
도4은 본 발명의 실시예에 따른 팽창기의 작동원리를 설명하기 위해 도시한 설명도이다.
도5은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 발전시스템을 주택에 적용한 예를 도시한 상태도이다.FIG. 1 is a block diagram illustrating a solar power generation system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing the addition of a boiler to a solar thermal power generation system according to an embodiment of the present invention.
3A to 3B are block diagrams illustrating a circulation cycle of a first fluid and a second fluid according to an embodiment of the present invention.
4 is an explanatory view for explaining the operation principle of the inflator according to the embodiment of the present invention.
5 is a state diagram illustrating an example in which a solar power generation system according to an embodiment of the present invention is applied to a house.
이하, 도 1 내지 도4를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 태양열 발전시스템에 대해서 자세히 설명한다.Hereinafter, the solar power generation system according to the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4. FIG.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 발전시스템을 도시한 구성도이고, 도2은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 발전시스템에 보일러를 추가한 것을 도시한 구성도이고, 도3a ~ 도3b는 본 발명의 실시예에 따른 제1유체 및 제2유체의 순환 사이클을 도시한 구성도이고, 도4은 본 발명의 실시예에 따른 팽창기의 작동원리를 설명하기 위해 도시한 설명도이다.FIG. 1 is a configuration diagram showing a solar thermal power generation system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a boiler added to a solar thermal power generation system according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 4 is a view illustrating a principle of operation of an inflator according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도1 내지 도4을 참고하면, 태양열 발전시스템(1)은 태양열을 열원으로 하여 얻은 열에너지를 열교환기(120)를 통해 제1유체에서 제2유체로 전달하고, 제2유체에서 팽창기(70)를 통해 열에너지를 이용하여 운동에너지로 전환하여, 전기를 생산하는 시스템이다. 여기서, 태양열 발전시스템(1)은 2개의 폐회로를 형성하며, 제1유체가 순환하여 열에너지를 전달하는 1차 사이클 및 제1유체에서 전달받은 열에너지 통해 제2유체가 순환하여 전기를 생산하는 2차 사이클인 유기랭킨사이클(ORC: Organic Rankine Cycle)로 구성된다.1 to 4, the solar
보다 구체적으로, 온수를 저장하는 축열탱크(50)를 구비한 태양열 발전시스템(1)은 태양열에 의해 제1유체를 가열하는 집열기, 가열된 상기 제1유체를 임시적으로 저장하는 버퍼탱크(30), 상기 버퍼탱크(30) 내 상기 제1유체가 기설정 온도 이하인 경우, 상기 제1유체와 상기 축열탱크(50)의 온수와 열교환하여 상기 온수의 온도를 상승시키는 열교환기(120), 상기 열교환기(120)에서 배출되는 상기 제1유체를 상기 집열기로 강제 투입시키는 제1 펌프, 상기 버퍼탱크(30) 내 상기 제1유체의 온도가 기설정 온도 이상일 경우, 가열된 상기 제1유체와 제2유체가 서로 열교환을 수행하여 상기 제2유체의 온도를 상승시키는 증발기(20), 상기 증발기(20)에 의해 열교환된 상기 제2유체의 열에너지를 이용하여 발전기(80)의 축을 회전시키는 팽창기(70), 상기 팽창기(70)를 거친 상기 제2유체를 냉각시키는 응축기(90) 및 냉각된 상기 제2유체를 상기 열교환기(120)에 강제로 투입시키는 제2펌프(110)를 포함한다. 여기서, 상기 버퍼탱크(30)와 연결되며, 상기 버퍼탱크(30) 내의 제1유체의 온도가 5℃ 이하로 떨어지면, 상기 제1유체를 인위적으로 가열하는 보일러(40)를 더 포함할 수 있다.More specifically, a solar thermal
다시 말하면, 태양열을 열원으로 이용하여 발전을 시키는 발전시스템은 크게 2개의 폐회로를 구성되며, 하나의 폐회로인 1차 사이클은 제1유체인 물 또는 열매체유가 순환하는 집열기, 버퍼탱크(30), 열교환기(120) 및 제1펌프(60)를 구성하고, 다른 하나의 폐회로인 2차 사이클은 제2유체인 유기 냉매가 순환하는 증발기(20), 팽창기(70), 응축기(90), 수액기(100) 및 제2펌프(110)를 구성한다. 여기서, 2차 사이클은 유기랭킨사이클(ORC: Organic Rankine Cycle)으로써, 낮은 증발온도를 갖는 유기 냉매를 이용하여, 전기를 생산할 수 있다.In other words, the power generation system for generating electricity by using solar heat as a heat source comprises two closed circuits. The primary cycle, which is one closed circuit, includes a collector, in which water or heat medium oil as a first fluid circulates, a
이하, 태양열 발전시스템(1)의 구성에 대해서 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the construction of the solar thermal
먼저, 1차 사이클에서 집열기는 제1유체가 순환하는 유로가 형성된 집광부 및 상기 집광부의 유로에 태양열을 집중시키기 위해 태양광을 반사시키는 반사판을 포함하며, 상기 집광부와 반사판이 하나의 모듈형태로 복수개의 모듈이 구성된다. 특히, 집열기는 1차 사이클에서 제1유체를 가열하는 수단으로써, 제1유체는 집열기 내에서 순환하는 동안 태양열에 의해 고온으로 가열될 수 있다. 여기서, 제1유체는 물 또는 열매체유를 사용할 수 있다.First, in the first cycle, the collector includes a light collecting portion formed with a flow path through which the first fluid circulates, and a reflector reflecting sunlight to concentrate solar heat on the flow path of the light collecting portion, A plurality of modules are formed. In particular, the collector is a means for heating the first fluid in the first cycle, and the first fluid can be heated to high temperature by solar heat while circulating in the collector. Here, the first fluid may be water or a heat medium oil.
집열기는 CPC형 집열기를 사용하며, 작동온도 범위인 80℃ ~ 200℃에서 상기 집열기의 집광비에 따라 제1유체의 온도를 조절할 수 있다.A CPC type collector is used as the collector, and the temperature of the first fluid can be controlled according to the condensing ratio of the collector at an operating temperature range of 80 ° C to 200 ° C.
특히, 집열기에서 가열된 고온의 제1유체는 버퍼탱크(30)에 유입되며, 상기버퍼탱크(30) 내 제1유체의 온도가 기설정온도 이상일 경우 증발기(20)에 유입되고, 기설정온도 이하일 경우 열교환기(120)에 유입될 수 있다. 여기서, 상기 증발기(20)로 공급된 제1유체는 제2유체와 열교환을 수행하며, 열교환된 제2유체는 약 100 ℃ ~ 150℃로 가열될 수 있다. Particularly, the high-temperature first fluid heated by the collector flows into the
일 예로, 겨울철과 같이 태양열이 부족함으로 인해 제1유체가 기설정 온도로 가열되지 않은 상태에서 증발기(20)로 제1유체를 공급하면, 충분한 열량조건이 형성되지 않아 발전효율이 떨어지거나, 시스템에 과중한 부하가 발생할 수 있다. 따라서, 버퍼탱크(30) 내에 제1유체의 온도가 기설정온도가 될 때까지 제1유체는 열교환기(120)를 통해 축열탱크(50)의 온수를 가열하고, 제1펌프(60)에 의해 다시 집열기에서 가열될 수 있다.For example, when the first fluid is supplied to the
또한, 난방수요가 증가하여 축열탱크(50) 내의 온수 온도를 증가시킬 필요가 있을때 보일러(40)를 이용하여, 제1유체를 가열함으로써, 제1유체의 온도를 상승시킬 수 있다. 따라서, 보일러(40)를 이용하여, 버퍼탱크(30) 내의 제1유의 온도를 상승시켜 제2유체를 가열하거나, 축열탱크(50)의 온수를 가열할 수 있다.Further, when the heating demand increases and it is necessary to increase the temperature of the hot water in the
아울러, 변형된 실시예로써, 보일러(40)는 상기 버퍼탱크(30)와 연결되며, 겨울철에 난방을 위해 보일러(40)가 작동할 경우, 보일러(40)에 의해 가열된 제1유체는 상기 증발기(20)의 열원으로 공급되어, 제2유체의 온도를 상승시키는 보조적인 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 제2유체의 온도가 상승하면 발전기(80)의 발전효율 역시 향상될 수 있다.In addition, in a modified embodiment, the
또한, 상기 증발기(20)에서 제2유체와 열교환을 마친 제1유체는 약 40℃ ~ 80℃로 온도가 떨어지고 열교환기(120)로 이동하여 축열탱크(50)의 온수와 열교환하여 온수를 가열하고 제1펌프(60)에 의해 다시 집열기로 재 유입되어, 1차 사이클을 반복하여 순환된다. 여기서, 축열탱크(50)는 난방용 배관과 연결되어 있으며, 축열탱크(50)에 충진된 온수는 난방용 배관 통해 순환하여 주택의 난방으로 사용될 수 있다.The temperature of the first fluid after the heat exchange with the second fluid in the
정리하면, 1차 사이클은 집열기를 통해 제1유체가 가열되며, 가열된 제1유체는 버퍼탱크(30)에 임시적으로 저장되며, 제1유체의 온도가 기설정 온도 이하일 경우, 열교환기(120)로 제1유체가 유입되고, 제1펌프(60)에 의해 집열기로 재 투입된 후 집열기에 의해 재가열될 수 있다. 이로 인해 버퍼탱크(30) 내의 제1유체가 기설정 온도이상일 경우, 제1유체가 증발기(20)로 유입되고, 증발기(20)에서 제2유체와 열교환하여 제2유체의 온도를 상승시킬 수 있다.
In summary, the first cycle heats the first fluid through the collector, the heated first fluid is temporarily stored in the
한편, 2차 사이클은 상기 집열기에서 가열된 제1유체와 증발기(20)에서 열교환을 수행한 제2유체가 고온의 증기 상태에서 팽창기(70)에 유입되며, 증기가 팽창하는 압력에 의해 팽창기(70)가 회전하여, 팽창기(70)와 연결된 발전기(80)의 구동축을 회전시켜 전기를 발생시킬 수 있다. 여기서, 제2유체는 유기 냉매를 사용할 수 있다.Meanwhile, in the second cycle, the first fluid heated in the collector and the second fluid having undergone heat exchange in the
상기 팽창기(70)는 터보형(터빈)과 용적형으로 구분되며, 터보형 팽창기(70)는 주로 대용량에 적합하고, 용적형 팽창기(70)로는 왕복동, 로타리, 스크롤 등이 있는데, 본 발명에서는 스크롤형 팽창기(70)를 사용하며, 출력용량이 1~5kW 인 것을 특징으로 한다.The
여기서, 스클로 팽창기(70)의 작동원리는 다음과 같다. Here, the operating principle of the
고압의 제2유체가 고정스크롤의 중앙에 형성된 유입구로 들어와서 가스가 팽창함에 따라 선회스크롤을 공전 선회시키며 점점 외주부로 이동하여 결국에는 외주부 끝단이 열리며 토출구로 배출된다. 이 과정에 유발된 선회스크롤의 선회운동을 크랭크샤프트에서 전달받아 축 동력이 발생하게 된다.The second fluid of high pressure enters the inlet formed at the center of the fixed scroll, and as the gas expands, the orbiting scroll revolves and gradually moves to the outer periphery so that the end of the outer periphery is finally opened and discharged to the discharge port. The revolving motion of the revolving scroll caused by this process is transmitted from the crankshaft, and a shaft force is generated.
상기 스크롤 팽창기(70)는 내측에 공간부가 형성되고 후측에는 축공이 형성되는 프레임과, 상기 프레임의 전면에 고정되되 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 제1나선형날개가 형성되며 중심부에는 제2유체가 유입되는 유입구가 형성되고 외측에는 제2유체가 유출되는 토출구가 형성되는 고정스크롤과, 전면에는 상기 고정 스크롤의 제1나선형날개와 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 제2나선형날개가 형성되고 후면 중앙에는 지지홈이 형성되어 고정스크롤과의 사이의 공간에서 선회하여 중심부에서 유입된 제2유체를 연속적으로 압축하는 선회스크롤과, 상기 프레임의 공간부에 설치되어 선회스크롤의 자전을 방지하는 올드햄링과, 상기 프레임의 축공에 회전이 자유롭게 축설되되 전단에는 상기 선회스크롤의 지지홈에 회전이 자유롭게 끼워지는 편심축부가 구비되고 후단에는 회전축부가 구비되는 크랭크샤프트와, 상기 크랭크샤프트가 회전시에 균형을 맞춰주기 위해 상기 크랭크샤프트의 회전축부에 설치되는 밸런스웨이트와, 상기 프레임의 후단부를 마감하는 레어커버로 이루어진다. The scroll inflator (70) includes a frame having a space formed inside thereof and a shaft hole formed at a rear side thereof, a first helical blade fixed to the front surface of the frame and extending from the center to a peripheral portion, And a second helical wing extending from the center portion to the outer periphery and engaging with the first helical wing of the fixed scroll is formed on the front surface of the fixed scroll. The orbiting scroll is provided with a support groove formed at a rear center thereof to continuously compress the second fluid introduced from the center portion by pivoting in a space between the fixed scroll and the fixed scroll. And a rotary shaft rotatably installed in the shaft hole of the frame, A balance weight provided on a rotary shaft portion of the crankshaft so as to balance the crankshaft when the crankshaft rotates; And a rear cover closing a rear end portion of the rear cover.
따라서, 이러한 구조를 갖는 스크롤 팽창기(70)는 유입구(73)를 통해 제2유체가 유입되면 고정스크롤의 제1나선형날개를 따라 안내되며 배출구로 배출되는데 이때, 선회스크롤이 고정스크롤과 사이의 공간에서 선회하여 중심부에서 유입된 제2유체를 연속적으로 압축하게 되면 선회스크롤의 선회운동이 발생하게 된다.Accordingly, when the second fluid flows through the
이에 따라, 선회스크롤의 지지홈에 위치한 크랭크샤프트의 편심축부가 회동하게 되고, 편심축부와 일체로 연결된 회전축부가 정위치에서 일방향으로 회전하게 된다. 이와 같은 크랭크샤프트의 회전축부의 회전에 따라 발전기(80)가 구동되며, 구동된 발전기(80)를 통해 전기를 생산할 수 있다.As a result, the eccentric shaft portion of the crankshaft located in the support groove of the orbiting scroll rotates, and the rotary shaft integrally connected to the eccentric shaft portion rotates in one direction at the predetermined position. The
한편, 상기 스크롤 팽창기(70)를 거친 제2유체는 약 40 ℃ ~ 80℃로 온도가 낮아진 상태로 응축기(90)에 유입되어 냉각수를 이용한 열교환을 통해 응축되어 수액기(100)로 모여 제2펌프(110)의 구동으로 증발기(20)로 재 투입될 수 있다.Meanwhile, the second fluid passing through the
이때, 제2펌프(110)의 구동으로 일정압력을 가해 제2 유체를 강제순환 시키게 되며, 이와 같은 제2유체는 스크롤 팽창기(70)를 거치면서 압력은 낮아진다.At this time, by driving the
한편, 상기 제2유체와 열교환을 수행한 후 온도가 상승한 온수는 축열탱크(50)로 유입되며, 축열탱크(50)에서 저장된 온수는 난방용 배관에 투입되어, 주택용 난방으로 사용되거나 생활용수로 사용된 후 온도가 저하된 온수는 냉각기(91)를 거친 뒤 상기 응축기(90)에 재 투입될 수 있다.
On the other hand, hot water having increased in temperature after performing the heat exchange with the second fluid flows into the
한편, 도5은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 발전시스템을 주택에 적용한 예를 도시한 상태도이다.5 is a state diagram illustrating an example in which a solar thermal power generation system according to an embodiment of the present invention is applied to a house.
도5를 참고하면, 태양열 발전시스템(1)은 주택(200)의 지붕에 집열기(10)를 설치하고, 이를 통해 주택(200) 내에서 필요한 전기, 난방용 또는 생활용 온수를 생산하여 공급한다.5, the solar thermal
이때, 태양열 발전시스템(1)는 그 용도가 독립된 주택용으로 한정되지 않고, 아파트의 벽이나 지붕에 집열기(10)를 넓게 설치해서 아파트 전체에서 필요한 열의 일부 또는 전부를 공급할 수도 있고, 여러 개의 주택을 하나로 묶어 이들 주택(200) 지붕 위에서 만들어진 열을 한군데에 모았다가 대단위 전기 생산 또는 난방을 할 수도 있다.At this time, the solar
즉, 도 1에 도시된 바와 같은 제1유체 및 제2유체가 순환하는 집열기(10), 버퍼탱크(30), 보일러(40), 열교환기(120), 축열탱크(50), 제 1펌프(60)와, 증발기(20), 팽창기(70), 응축기(90), 수액기(100), 제2펌프(110)로 이루어지는 본 발명에 따른 발전시스템(1)을 통해 발전기(80)를 구동하여 전기를 효율적으로 생산하여, 도 6에 도시된 바와 같은 주택(200) 내의 온풍기(210), 에어컨(220), 전등(230), 냉장고(240), TV(250) 등과 같은 전기기구의 구동을 위해 사용할 수 있다.1, a
아울러, 상기 축열탱크(50)의 온수는 응축기(20)를 통해 제2유체와의 열교환를 수행하는 것 이외에 별도로 주택(200) 내 난방을 위해 설치되는 난방용 배관과 연결되어 필요에 따라 난방 또는 생활 용수를 제공할 수 있다.The hot water of the
이에 따라, 축열탱크에 생성된 온수는 주택(200) 내의 욕조(260), 샤워기(270) 및 온풍기(210)에 공급하여 사용할 수 있다.Accordingly, hot water generated in the heat storage tank can be supplied to the
다시 말하면, 주택(200) 내부에 구비된 태양열 발전시스템(1)에 의해 상기 팽창기(70)에 유입된 상기 제2유체에 의해 상기 발전기(80)를 구동시킴으로써 태양열 에너지를 전기에너지로 변환시켜 주택(200) 내부에 사용할 수 있다. 또한, 태양열 발전시스템(1)은 주택(200)에 상기 축열탱크(50)의 제1유체 또는 상기 응축기(90)의 냉각수는 난방용 열원을 제공하고, 상기 발전기(80)에서 전기를 생산하는 동시에 주택(200) 내에서 사용할 수 있다.In other words, by driving the
이와 같은 구성으로, 태양열을 열원으로 이용해 제1유체를 가열하고, 이의 열교환을 통해 제2유체를 순환시키는 사이클에 팽창기를 설치하여 전기를 효율적으로 생산할 수 있다. 또한, 제1유체가 순환하는 1차 사이클과 유기 냉매인 제2유체를 작동유체로 하는 2차 사이클을 이용해 전기를 생산함으로써, 양호한 운전조건을 얻을 수 있어 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 버퍼 탱크에 의해 제1유체를 온도가 일정 온도 이상으로 형성된 상태에서 작동함으로써, 보다 안정적으로 발전시스템을 구동할 수 있다.
With this configuration, the first fluid can be heated by using solar heat as a heat source, and the inflator can be installed in a cycle for circulating the second fluid through the heat exchange, thereby efficiently producing electricity. Further, by producing electricity using the primary cycle in which the first fluid circulates and the secondary cycle in which the second fluid as the organic refrigerant is used as a working fluid, good operating conditions can be obtained and durability and reliability can be ensured. Further, by operating the first fluid in a state where the temperature is set to a predetermined temperature or more by the buffer tank, the power generation system can be driven more stably.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes may be made thereto by those skilled in the art to which the present invention belongs. Therefore, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, are included in the scope of the present invention.
1: 태양열 발전시스템 70: 팽창기
10: 집열기 80: 발전기
20: 증발기 90: 응축기
30: 버퍼탱크 91: 냉각기
40: 보일러 100: 수액기
50: 축열탱크 110: 제2펌프
60: 제1펌프 120: 열교환기1: solar power generation system 70: inflator
10: Collector 80: Generator
20: Evaporator 90: Condenser
30: buffer tank 91: cooler
40: boiler 100: receiver
50: heat storage tank 110: second pump
60: First pump 120: Heat exchanger
Claims (10)
태양열에 의해 제1유체를 가열하는 집열기;
가열된 상기 제1유체를 임시적으로 저장하는 버퍼탱크;
상기 버퍼탱크 내 상기 제1유체가 기설정 온도 이하인 경우, 상기 제1유체와 상기 축열탱크의 온수와 열교환하여 상기 온수의 온도를 상승시키는 열교환기;
상기 열교환기에서 배출되는 상기 제1유체를 상기 집열기로 강제 투입시키는 제1 펌프;
상기 버퍼탱크 내 상기 제1유체의 온도가 기설정 온도 이상일 경우, 가열된 상기 제1유체와 제2유체가 서로 열교환을 수행하여 상기 제2유체의 온도를 상승시키는 증발기;
상기 증발기에 의해 열교환된 상기 제2유체의 열에너지를 이용하여 발전기의 축을 회전시키는 팽창기;
상기 팽창기를 거친 상기 제2유체를 냉각시키는 응축기; 및
냉각된 상기 제2유체를 상기 열교환기에 강제로 투입시키는 제2펌프;
를 포함하는 태양열 발전시스템.
1. A solar power generation system having a heat storage tank for storing hot water,
A collector for heating the first fluid by solar heat;
A buffer tank for temporarily storing the heated first fluid;
A heat exchanger for exchanging heat between the first fluid and the hot water of the heat storage tank to raise the temperature of the hot water when the first fluid in the buffer tank is below a preset temperature;
A first pump for forcing the first fluid discharged from the heat exchanger into the collector;
An evaporator for performing heat exchange between the heated first fluid and the second fluid to raise the temperature of the second fluid when the temperature of the first fluid in the buffer tank is equal to or higher than a preset temperature;
An inflator for rotating the shaft of the generator using thermal energy of the second fluid heat-exchanged by the evaporator;
A condenser for cooling the second fluid through the inflator; And
A second pump for forcing the cooled second fluid into the heat exchanger;
≪ / RTI >
상기 버퍼탱크와 연결되며, 상기 버퍼탱크 내의 제1유체의 온도가 5℃ 이하로 떨어지면, 상기 제1유체를 인위적으로 가열하는 보일러를 더 포함하는 태양열 발전시스템.
The method according to claim 1,
Further comprising a boiler connected to the buffer tank for artificially heating the first fluid when the temperature of the first fluid in the buffer tank falls below 5 ° C.
상기 버퍼탱크는
상기 제1유체의 온도를 측정하는 온도센서; 및
측정된 상기 제1유체의 온도에 따라 상기 제1유체의 유동을 제어하는 제어수단;
을 포함하는 태양열 발전시스템.
The method according to claim 1,
The buffer tank
A temperature sensor for measuring a temperature of the first fluid; And
Control means for controlling the flow of the first fluid in accordance with the measured temperature of the first fluid;
≪ / RTI >
상기 응축기에서 상기 제2유체와 상기 축열탱크의 온수가 서로 열교환을 통해 상기 온수를 가열하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전시스템.
The method according to claim 1,
And the hot water of the heat storage tank is heat-exchanged with the second fluid and the hot water in the condenser.
상기 집열기는 CPC형 집열기를 사용하며, 작동온도80℃ ~ 200℃의 범위에서 상기 집열기의 집광비에 따라 상기 제1유체의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the collector uses a CPC type collector and controls the temperature of the first fluid according to a light collection ratio of the collector in an operating temperature range of 80 to 200 ° C.
상기 팽창기는 스크롤형 팽창기를 사용하며, 출력용량이 1~5kW 인 것을 특징으로 하는 태양열 발전시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the inflator uses a scroll type inflator and has an output capacity of 1 to 5 kW.
상기 제1유체는 열매체유 인 것을 특징으로 하는 태양열 발전시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the first fluid is a heat medium oil.
상기 제2유체는 유기 냉매인 것을 특징으로 하는 태양열 발전시스템..
The method according to claim 1,
Wherein the second fluid is an organic refrigerant.
상기 팽창기에 유입된 상기 제2유체에 의해 상기 발전기를 구동시킴으로써 태양열 에너지를 전기에너지로 변환시키는 것을 특징으로 하는 태양열 발전시스템.
The method according to claim 1,
And the solar energy is converted into electric energy by driving the generator by the second fluid introduced into the inflator.
상기 축열탱크에 저장된 온수는 난방용 열원을 제공하고, 상기 발전기에서 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 태양열 발전시스템.The method according to claim 1,
Wherein the hot water stored in the heat storage tank provides a heat source for heating and generates electricity in the generator.
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- 2014-07-23 KR KR1020140093261A patent/KR101579004B1/en active IP Right Grant
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