KR101784878B1 - 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈 - Google Patents

트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일정한 규모의 시설원예용 온실에 이산화탄소를 공급하는 트라이젠 시스템; 상기 온실에 전기를 공급하는 일반 발전기; 및 상기 온실에 난방을 공급하는 보일러; 를 포함하여 이루어지되, 상기 트라이젠 시스템의 이산화탄소 생산 용량보다 일반 발전기의 전기 생산 용량이 더 크며, 상기 일반 발전기의 전기 생산 용량보다 보일러의 난방 생산 용량이 더 크게 형성됨으로써, 하나의 에너지 공급 모듈에서 일정한 규모의 시설원예용 온실에 필요한 에너지인 전기, 난방 및 이산화탄소를 효율적으로 공급할 수 있는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈에 관한 것이다.

Description

트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈 {Energy supply module for energy independent facility horticulture utilizing tri-generation technology}
본 발명은 일정한 규모의 시설원예에 필요한 에너지를 공급할 수 있으며, 전기, 난방 및 작물의 생장을 돕는 이산화탄소를 보다 효율적으로 공급할 수 있는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 가스엔진을 사용한 발전기나 지에치피(GHP; Gas engine Heat Pump)를 이용한 트라이젠 시스템은 값싼 가스연료(천연가스, 도시가스 등)를 사용해 난방(급탕), 냉방 및 이산화탄소 시비를 할 수 있도록 구성되며, 가스엔진에 의해 구동되는 발전기를 이용해 발전을 하여 전기를 공급할 수 있도록 구성된다.
이때, 종래의 발전기나 지에치피를 이용한 트라이젠 시스템은 도 1과 같이 가스엔진이나 가스터빈과 같은 연소기(101)가 구동됨으로써 발전기(102)가 발전을 하여 온실(200) 내의 조명장치(230)와 같은 전기장치에 전기를 공급하는 전기 공급 수단과, 연소기(101)가 작동함으로써 발생되는 배기열과 연소기를 냉각 한 후 승온된 냉각수를 이용해 열교환기(110)에서 열교환된 온수를 온실(200)의 난방에 이용할 수 있도록 하는 난방 공급 수단과, 연소기(101)기 작동함으로써 발생되는 배기가스 중의 이산화탄소를 온실의 이산화탄소 시비에 활용할 수 있도록 하는 이산화탄소 공급 수단으로 구성된다.
그런데 이와 같은 종래의 트라이젠 시스템은 시설원예용 온실의 규모가 일정 규모 이상으로 커지게 되면 하나의 트라이젠 시스템만으로는 전기, 난방 및 이산화탄소 중 어느 하나 이상의 에너지가 부족하게 되며, 부족한 에너지를 보충하기 위해 트라이젠 시스템의 용량을 키우게 되면 나머지 에너지들이 남게되어 매우 비효율적으로 활용되는 문제점이 있다.
또한, 에너지 중 이산화탄소의 공급 용량을 키우기 위해 가스엔진의 크기를 크게 하면 연소된 후 배출되는 배기가스 중에 포함된 유해가스 성분들을 제어하기 어려워, 배기가스를 그대로 이산화탄소 시비에 활용할 수 없는 문제점이 있다.
KR 10-1398395 B1 (2014.05.16)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 하나의 에너지 공급 모듈에서 일정한 규모의 시설원예용 온실에 필요한 에너지인 전기, 난방 및 이산화탄소를 효율적으로 공급할 수 있는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈은, 가스엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스 중의 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 미연탄화수소(UHC)의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하로 유지되도록 제어되어, 일정한 규모의 시설원예용 온실에 이산화탄소를 공급하는 트라이젠 시스템; 상기 온실에 전기를 공급하는 일반 발전기; 및 상기 온실에 난방을 공급하는 보일러; 를 포함하여 이루어지되, 상기 트라이젠 시스템의 이산화탄소 생산 용량보다 일반 발전기의 전기 생산 용량이 더 크며, 상기 일반 발전기의 전기 생산 용량보다 보일러의 난방 생산 용량이 더 크게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트라이젠 시스템은 온실에 이산화탄소 공급을 주로 하고 가스엔진에 연결된 발전기와 가스엔진에서 발생되는 열을 이용하여 전기 및 난방을 보조하며, 상기 일반 발전기는 온실에 전기의 공급을 주로하고 일반 발전기의 엔진에서 발생되는 열을 이용하여 난방을 보조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 일반 발전기는 가스엔진을 이용하며, 상기 보일러는 가스 연료를 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트라이젠 시스템, 일반 발전기 및 보일러에 연결되어 온실로 공급되는 에너지를 제어하는 에너지 제어부; 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 트라이젠 시스템은, 상기 가스엔진의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제1삼원촉매; 상기 배기가스의 유동방향으로 상기 제1삼원촉매의 전방에 설치되는 전방 산소센서와 후방에 설치되는 후방 산소센서; 및 상기 가스엔진 및 산소센서들에 연결되어 가스엔진을 제어하는 제어부; 를 포함하여 이루어지며, 상기 가스엔진으로는 0.03kPa 이하인 초저압의 가스연료가 공급되며, 상기 제어부에서는 가스엔진의 공기과잉율인 람다(λ)의 평균을 이론공연비보다 매우 미세하게 낮은 리치 상태로 제어하되, 배기가스 중의 질소산화물(NOx)의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 배기가스 중의 일산화탄소(CO)의 농도보다 낮게 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배기가스 중의 일산화탄소 농도는 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 특정한 설정값 이상으로 유지되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 농작물의 생육에 필요한 배기가스 중의 유해가스 농도 기준치는 50ppm이고, 상기 일산화탄소의 농도는 0.2ppm 내지 16.3ppm 으로 제어되며, 상기 질소산화물의 농도는 0ppm 내지 0.2ppm 으로 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 일산화탄소의 농도는 가스엔진의 회전수 및 부하에 따라 제어되되, 상기 가스엔진의 회전수 및 부하가 낮으면 일산화탄소의 농도가 낮게 제어되고 상기 가스엔진의 회전수 및 부하가 높으면 일산화탄소의 농도가 높게 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스엔진의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제2삼원촉매를 더 포함하여 이루어지며, 상기 제2삼원촉매는 배기가스의 유동방향으로 상기 후방 산소센서의 후방에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부에 미리 설정되어 입력되어 있는 기초 연료량에 전방 산소센서에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량 및 후방 산소센서에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량을 더해, 상기 가스엔진으로 공급되는 연료량이 보정되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스엔진에는 공급되는 가스연료와 공기와의 혼합을 위한 믹서가 설치되며, 상기 믹서에는 가스연료의 공급량을 조절할 수 있는 공연비 제어 밸브가 설치되며, 상기 공연비 제어 밸브에 의해 가스연료의 공급량이 선형적으로 변하도록 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공연비 제어 밸브는 가스연료가 공급되는 유로의 개구가 사각형 단면으로 형성되며, 상기 공연비 제어 밸브는 서보모터 또는 스텝모터에 연결된 조절판을 포함하여 이루어져, 상기 조절판이 개구의 단면과 나란한 방향으로 이동되어 개구의 개방된 면적이 선형적으로 변하도록 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 믹서는, 공기가 유동되는 공기 유로와 가스연료가 유동되는 연료 유로가 서로 연통되도록 형성되며, 상기 공기와 가스연료가 혼합되어 혼합기가 유동되는 혼합기 유로가 형성되는 몸체; 및 상기 몸체에 형성된 공기 유로의 내주면에 밀착 결합되되, 상기 공기 유로와 연료 유로가 만나는 부분에 배치되는 코어; 를 포함하여 이루어지되, 상기 코어는 링 형태로 형성되어 외주면에 원주방향을 따라 오목한 홈이 형성되어 상기 홈이 연료 유로와 연결되며, 상기 홈에는 내측을 향해 다수의 관통홀이 형성되되 원주방향을 따라 다수의 관통홀이 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈은, 하나의 에너지 공급 모듈에서 일정한 규모의 시설원예용 온실에 필요한 에너지인 전기, 난방 및 이산화탄소를 효율적으로 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한, 트라이젠 시스템의 가스엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스에 포함된 유해가스의 농도가 농작물의 생육에 필요한 농도 이하로 유지되면서 유해가스 중의 하나인 질소산화물(NOx)의 농도가 0(zero) 또는 0에 가깝게 유지될 수 있어, 시설원예용 온실의 이산화탄소 시비에 안정적이며 용이하게 활용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 발전기나 지에치피(GHP)를 이용해 온실에 이산화탄소 시비를 할 수 있는 트라이젠 시스템을 나타낸 구성도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈을 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈들이 각각의 온실에 각각 연결되도록 설치된 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 트라이젠 시스템의 일 실시예를 나타낸 구성도.
도 6은 전방 산소센서 만을 이용해 이론공연비로 제어한 상태에서의 배기가스 중의 유해가스 농도를 나타낸 그래프.
도 7은 전방 산소센서 및 후방 산소센서를 이용해 이론공연비로 제어한 상태에서의 배기가스 중의 유해가스 농도를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 제1삼원촉매의 전방과 후방에 설치된 전방 산소센서 및 후방 산소센서를 이용해 람다의 평균을 이론공연비보다 낮게(리치 하게) 제어한 상태에서의 배기가스 중의 유해가스 농도를 나타낸 그래프.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 특정한 설정값 이상으로 배기가스 중의 일산화탄소의 농도가 유지되도록 제어되지 않았을 경우 질소산화물의 농도를 나타낸 그래프.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 제2삼원촉매가 더 설치된 상태에서 특정한 설정값 이상으로 배기가스 중의 일산화탄소의 농도가 유지되도록 제어되었을 경우 가스엔진의 회전수 별 질소산화물의 농도를 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 연료량 보정을 위한 제어 방법을 나타낸 그래프.
도 14는 본 발명에 따른 후방 산소센서에서 측정되는 전압값에 대한 스레숄드 값을 약간 리치하게 설정하여 제어하는 상태를 나타낸 그래프.
도 15는 본 발명에 따른 가스엔진에 설치된 믹서, 공연비 제어 밸브 및 가스연료 공급 라인의 구성을 나타낸 구성도.
도 16 내지 도 18은 본 발명에 따른 믹서 및 공연비 제어 밸브를 나타낸 사시도, A방향으로 본 우측면도 및 단면도.
도 19는 본 발명에 따른 믹서로 유입되는 공연비 제어 밸브의 개구 면적이 선형적으로 조절되는 것을 나타낸 그래프.
도 20 및 도 21은 본 발명에 따른 코어를 나타낸 단면도 및 BB방향 단면도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
<실시예 1>
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈을 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈(2000)은, 가스엔진(100)에서 연소 후 배출되는 배기가스 중의 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 미연탄화수소(UHC)의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하로 유지되도록 제어되어, 일정한 규모의 시설원예용 온실(700)에 이산화탄소를 공급하는 트라이젠 시스템(1000); 상기 온실(700)에 전기를 공급하는 일반 발전기(1100); 및 상기 온실(700)에 난방을 공급하는 보일러(1200); 를 포함하여 이루어지되, 상기 트라이젠 시스템(1000)의 이산화탄소 생산 용량보다 일반 발전기(1100)의 전기 생산 용량이 더 크며, 상기 일반 발전기(1100)의 전기 생산 용량보다 보일러(1200)의 난방 생산 용량이 더 크게 형성될 수 있다.
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈(2000)은 크게 트라이젠 시스템(1000), 일반 발전기(1100) 및 보일러(1200)를 포함하여 이루어져, 일정한 규모로 형성된 시설원예용 온실(700)로 이산화탄소, 전기 및 난방을 공급할 수 있도록 구성될 수 있다.
트라이젠 시스템(1000)은 가스엔진(100)을 이용할 수 있으며, 가스엔진(100)에서 연소 후 배출되는 배기가스 중의 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 미연탄화수소(UHC)의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하로 유지되도록 제어되어, 가스엔진(100)에서 연소 후 배출되는 배기가스를 직접 온실(700)로 공급하여 이산화탄소의 시비에 활용할 수 있다.
일반 발전기(1100)는 전기를 발생시켜 온실(700)에 전기를 공급할 수 있다. 그리고 일반 발전기(1100)는 전기를 발생시킬 수 있는 다양한 종류의 발전기가 사용될 수 있으며, 일례로 엔진을 구동시켜 엔진에 연결된 발전기를 이용해 전기를 생산하는 발전기가 사용될 수 있다.
보일러(1200)는 열을 발생시켜 온실(700)에 난방을 공급할 수 있다. 그리고 보일러(1200)는 열을 발생시킬 수 있는 다양한 보일러가 사용될 수 있으며, 일례로 연료를 연소시켜 열을 발생시키는 연소식 보일러가 사용될 수 있다.
그리하여 시설원예용 온실(700)에서는 난방에 가장 많은 에너지가 필요하고 그 다음으로 전기 및 그 다음으로 이산화탄소가 필요하므로, 보일러(1200)를 이용해 난방에 활용하되 용량을 가장 크게 형성하고, 그 다음으로 일반 발전기(1100)를 이용해 전기를 활용하되 난방 용량보다는 작게 형성하고, 그 다음으로 트라이젠 시스템(1000)을 이용해 이산화탄소 시비에 활용하되 용량을 가장 작게 형성하여, 보다 효율적으로 일정한 규모의 시설원예용 온실(700)에 난방, 전기 및 이산화탄소를 공급할 수 있다. 이때, 상대적으로 트라이젠 시스템(1000)의 이산화탄소 생산 용량이 가장 작게 형성되므로, 트라이젠 시스템(1000)의 가스엔진(100) 크기를 작게 할 수 있으므로 가스엔진(100)에서 연소 후 배출되는 배기가스의 양이 적어 배기가스 중에 포함된 유해가스의 농도를 제어하기 용이할 수 있다. 즉, 시설원예용 온실의 규모가 상대적으로 작은 경우에는 트라이젠 시스템의 가스엔진에 발전기를 연결하여 구동시키고 가스엔진의 열을 이용해 온실에 난방, 전기 및 이산화탄소를 공급할 수 있으며, 배기가스 중의 유해가스 농도도 일정수준 이하로 유지시킬 수도 있다. 그러나 온실의 특정한 규모 이상으로 커지게 되면 에너지들을 효율적으로 사용하기 어렵고 에너지 용량을 키우기 위해서는 가스엔진의 크기가 커져야하므로 배기가스가스 중의 유해가스 농도를 일정수준 이하로 저감시키기 어렵기 때문이다. 이때, 일례로 트라이젠 시스템(1000)은 이산화탄소의 생산 용량이 50kW 급으로 형성될 수 있고, 일반 발전기(1100)의 전기 생산 용량은 100kW 급으로 형성될 수 있으며, 보일러(1200)의 난방 생산 용량은 1MW 급으로 형성될 수 있다. 또한, 시설원예용 온실(700)은 면적 1ha 규모가 하나의 온실로 형성될 수 있으며, 도 4와 같이 온실(700)들이 복수개 배열되어 시설원예 단지를 형성할 수 있으며, 온실마다 각각 본 발명의 에너지 공급 모듈이 설치될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈은, 하나의 에너지 공급 모듈에서 일정한 규모의 시설원예용 온실에 필요한 에너지인 전기, 난방 및 이산화탄소를 효율적으로 공급할 수 있으며, 배기가스 중에 포함된 유해가스의 농도를 제어하기 용이할 수 있다.
또한, 상기 트라이젠 시스템(1000)은 온실(700)에 이산화탄소 공급을 주로 하고 가스엔진(100)에 연결된 발전기(600)와 가스엔진(100)에서 발생되는 열을 이용하여 전기 및 난방을 보조하며, 상기 일반 발전기(1100)는 온실(700)에 전기의 공급을 주로하고 일반 발전기(1100)의 엔진에서 발생되는 열을 이용하여 난방을 보조할 수 있다.
즉, 트라이젠 시스템(1000)은 가스엔진(100)에 발전기(600)가 연결되어 전기를 생산할 수 있고, 가스엔진(100)에서 발생되는 열을 이용할 수 있다. 그리하여 트라이젠 시스템(1000)은 배기가스 중의 유해가스 농도를 제어하여 온실에 이산화탄소를 공급하는 것을 주로 하되, 생산되는 전기 및 열을 이용해 일반 발전기(1100) 및 보일러(1200)를 보조할 수 있다. 또한, 일반 발전기(1100)는 구동을 위한 엔진에서 발생되는 열을 이용해 보일러(1200)를 보조할 수 있다. 이때, 보일러(1200)의 난방 용량이 부족한 경우에 트라이젠 시스템(1000) 및 일반 발전기(1100)가 온실(700)로의 난방 공급을 보조할 수도 있으며, 트라이젠 시스템(1000) 및 일반 발전기(1100)의 난방 보조 용량을 초과하는 난방에 필요한 에너지만을 보일러(1200)가 담당할 수도 있다. 또한, 일반 발전기(1100)의 전기 용량이 부족한 경우에 트라이젠 시스템(1000)이 전기 공급을 보조할 수 있으며, 트라이젠 시스템(1000)에서 발생되는 전기 보조 용량을 초과하는 에너지만을 일반 발전기(1100)가 담당할 수도 있다.
그리하여 트라이젠 시스템이 난방 및 전기를 보조할 수 있으며, 일반 발전기가 난방을 보조할 수 있어, 보다 효율적인 에너지의 활용이 가능할 수 있다.
또한, 상기 일반 발전기(1100)는 가스엔진을 이용하며, 상기 보일러(1200)는 가스 연료를 이용할 수 있다.
즉, 트라이젠 시스템(1000), 일반 발전기(1100) 및 보일러(1200)가 모두 가스 연료를 이용한 가스엔진이나 연소기를 사용할 수 있어, 전기 공급 시설이 부족하고 가스 연료의 공급이 원활한 지역에서 일정한 규모의 시설원예에 필요한 에너지인 난방, 전기 및 이산화탄소를 용이하게 공급할 수 있다. 여기에서 트라이젠 시스템(1000)에서 연소 후 배출되는 배기가스만을 온실(700)로 공급하여 이산화탄소 시비에 활용하며, 일반 발전기(1100) 및 보일러(1200)에서 배출되는 배기가스는 대기 중으로 배출될 수 있다.
또한, 상기 트라이젠 시스템(1000), 일반 발전기(1100) 및 보일러(1200)에 연결되어 온실(700)로 공급되는 에너지를 제어하는 에너지 제어부(1300); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 온실(700)에 필요한 에너지는 계절, 주야, 습도 및 농작물의 종류 등에 따라 달라질 수 있으므로, 에너지 제어부(1300)에서 보다 효율적으로 에너지를 활용할 수 있도록 트라이젠 시스템(1000), 일반 발전기(1100) 및 보일러(1200)를 제어할 수 있다.
여기에서 에너지 제어부(1300)는 온실 통합 제어 시스템(1500)에 연결될 수 있으며, 온실 통합 제어 시스템(1500)에는 온실환경 제어부(1400)가 연결될 수 있으며, 온실환경 제어부(1400)가 온실에 연결될 수 있다. 그리하여 온실(700)의 환경 제어에 필요한 에너지의 수요에 따라 에너지 제어부(1300)를 통해 난방, 전기 및 이산화탄소의 생산 및 온실로의 공급 등을 제어할 수 있다.
[실시예 2]
도 5는 본 발명에 따른 트라이젠 시스템의 일 실시예를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 트라이젠 시스템(1000)은, 상기 가스엔진(100)의 배기관(110)에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제1삼원촉매(410); 상기 배기가스의 유동방향으로 상기 제1삼원촉매(410)의 전방에 설치되는 전방 산소센서(430)와 후방에 설치되는 후방 산소센서(440); 및 상기 가스엔진(100) 및 산소센서(430,440)들에 연결되어 가스엔진(100)을 제어하는 제어부(500); 를 포함하여 이루어지며, 상기 가스엔진(100)으로는 0.03kPa 이하인 초저압의 가스연료가 공급되며, 상기 제어부(500)에서는 가스엔진(100)의 공기과잉율인 람다(λ)의 평균을 이론공연비보다 아주 미세하게 낮도록 리치 상태로 제어하되, 배기가스 중의 질소산화물(NOx)의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 배기가스 중의 일산화탄소(CO)의 농도보다 낮게 유지되도록 제어하도록 구성될 수 있다.
즉, 트라이젠 시스템(1000)은, 가스엔진(100)을 구동시켜 가스엔진에서 발생되는 열과 구동력을 이용해 난방, 전기 및 이산화탄소의 시비에 활용할 수 있도록 할 수 있다. 또는 가스엔진(100)을 구동시켜 가스엔진의 구동력을 이용해 전기, 냉방 및 이산화탄소 시비에 활용할 수 있도록 할 수 있다. 이때, 난방은 가스엔진(100)의 냉각을 위한 냉각수가 순환되는 라디에이터(200)에 온수배관 통해 온수탱크와 연결하여 시설원예용 온실(700)의 난방 및 온수로 활용될 수 있다. 그리고 냉방은 가스엔진(100)에 연결되어 구동되는 콤프레셔(300)를 이용해 냉매를 압축하여 이 압축된 냉매를 이용해 시설원예용 온실(700)의 냉방에 활용할 수도 있다. 또는 압축된 냉매를 이용한 히트펌프를 사용해 난방과 냉방을 전환하여 활용될 수도 있다. 또한, 전기는 가스엔진(100)에 연결되어 구동되는 발전기(600)를 통해 시설원예용 온실(700)의 조명 등에 활용할 수 있다. 또한, 이산화탄소는 가스엔진(100)에서 연소된 후 배기관(110)을 통해 배출되는 배기가스에서 유해가스들을 제거하여 유해가스의 농도를 저감시킨 후 시설원예용 온실(700)에 공급하여 배기가스에 포함된 이산화탄소가 활용될 수 있다.
가스엔진(100)은 비교적 값이 싼 액화석유가스(LPG), 천연가스, 도시가스, 바이오가스 및 신재생연료 등의 가스연료를 사용해 구동되는 엔진이 될 수 있다. 그리고 라디에이터(200)는 가스엔진(100)에 연결되어 냉각수가 순환되면서 가스연료의 연소에 의해 발생되는 열을 냉각시킬 수 있다. 이때, 라디에이터(200)는 가스엔진(100)의 구동축에 연결되어 구동되는 쿨링팬에 의해 냉각될 수 있으며, 가열된 냉각수는 라디에이터(200)에 연결된 별도의 온수탱크로 보내져 난방 및 온수로 사용될 수 있고 라디에이터(200)에 차가운 냉각수가 공급되어 냉각수가 보충될 수 있다. 또한, 콤프레셔(300)는 가스엔진(100)의 구동축에 연결되며, 가스엔진(100)에 의해 콤프레셔(300)가 구동되어 냉매를 압축시키는 역할을 할 수 있다.
제1삼원촉매(410)는 가스엔진(100)의 배기관(110)에 설치되어, 가스엔진(100)의 연소실에서 연소되어 배출되는 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하여 배기가스 중의 유해가스 농도를 저감시키며, 배기관(110)을 통해 배출되는 배기가스를 직접 시설원예용 온실(700)에 공급하여 이산화탄소 시비에 활용할 수 있으며, 배기가스에 포함된 이산화탄소가 및 질소가 활용될 수 있다.
전방 산소센서(430) 및 후방 산소센서(440)는 제1삼원촉매(410)의 전방과 후방에 설치될 수 있다. 즉, 배기가스의 유동방향으로 제1삼원촉매(410)의 전방에 전방 산소센서(430)가 설치되어, 제1삼원촉매(410)를 거치기 전인 가스엔진(100)에서 연소된 후 배출된 배기가스 중의 산소 농도를 측정할 수 있다. 그리고 배기가스의 유동방향으로 제1삼원촉매(410)의 후방에 후방 산소센서(440)가 설치되어, 제1삼원촉매(410)를 거친 후 유해가스들이 제거된 상태에서의 배기가스 중의 산소 농도를 측정할 수 있다.
제어부(500)는 가스엔진(100)에 연결되어 가스엔진(100)을 제어하되, 산소센서(430,440)들에 연결되어 산소센서(430,440)들에서 측정된 산소 농도에 따라 가스엔진(100)을 제어할 수 있다.
이때, 가스엔진(100)으로는 0.03kPa 이하인 초저압의 가스연료가 공급되며, 상기 제어부(500)에서는 가스엔진(100)의 람다(λ)의 평균을 이론공연비보다 아주 미세하게 낮도록 리치 상태로 제어하되, 배기가스 중의 질소산화물(NOx)의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 배기가스 중의 일산화탄소(CO)의 농도보다 낮게 유지되도록 제어하도록 구성될 수 있다. 여기에서 일반적으로 사용되는 가스연료의 공급 압력은 2.5kPa 내지 2.8kPa 이며 보통 2.7kPa 로 공급되는데, 본 발명에서는 배기가스 중의 유해가스 저감을 위해 가스엔진(100)으로 0.03kPa 이하인 초저압의 가스연료가 공급될 수 있다. 이때, 압력이 -0.2kPa 내지 0.03kPa 인 가스연료가 믹서(180)로 공급되며, 믹서(180)에서 공기와 가스연료가 혼합되어 혼합기가 가스엔진(100)의 연소실 내로 유입될 수 있다. 그리고 제어부(500)를 통해 가스엔진(100)의 람다(λ)의 평균을 이론공연비보다 낮도록 리치 상태로 제어하되, 배기가스 중의 질소산화물(NOx)의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 배기가스 중의 일산화탄소(CO)의 농도보다 낮게 유지되도록 제어하도록 구성될 수 있다. 즉, 일례로 람다(λ)의 평균을 이론공연비보다 아주 미세하게 낮은 리치 상태로 제어하여, 람다(λ)의 평균을 이론공연비로 제어할 때 보다 일산화탄소의 농도는 더 높게 나오지만 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하로 유지되며, 질소산화물의 농도도 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하로 유지되면서 농도가 많이 낮아질 수 있다. 즉, 람다(λ)의 평균을 이론공연비보다 낮게 리치 상태가 되도록 제어하면 이론공연비로 연소되도록 제어될 때에 비해 상대적으로 혼합기 중의 가스연료량이 많아지게 되고, 이에 따라 혼합기 중의 산소량이 적어지게 되어, 배기가스 중의 일산화탄소(CO) 농도 및 미연탄화수소(UHC)의 농도는 약간 증가하지만 질소산화물(NOx)의 농도가 매우 낮은 상태로 유지될 수 있다. 이때, 배기가스 중의 질소산화물, 이산화탄소 및 탄화수소의 각각의 농도는 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하로 유지될 수 있고, 질소산화물의 농도가 일산화탄소의 농도보다 낮게 유지되며, 일산화탄소의 농도와 탄화수소의 농도는 서로 유사하게 나타나며 일정한 농도로 유지될 수 있다.
그리하여 일례로 도 6과 같이 배기가스 중의 일산화탄소의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치인 50ppm 이하로 유지되더라도, 전방 산소센서(430)만을 이용해 제어했을 경우에는 질소산화물의 농도가 기준치를 초과하는 경우가 발생하게 된다. 그리고 도 7와 같이 전방 산소센서(430)와 후방 산소센서(440)를 함께 이용하는 경우에 배기가스 중의 일산화탄소의 농도가 기준치인 50ppm 이하로 유지되더라도 질소산화물의 농도가 기준치를 초과하는 경우가 발생하게 된다. 반면 도 8과 같이 본 발명에서는 전방 산소센서(430), 후방 산소센서(440) 및 제1삼원촉매(410)를 이용하고 람다(λ)의 평균을 리치하게 제어하므로 배기가스 중의 일산화탄소 농도 및 질소산화물의 농도가 기준치 이하로 유지되고, 일산화탄소의 농도보다 질소산화물의 농도가 낮으면서 질소산화물의 농도가 낮은 상태로 안정적으로 유지될 수 있다.
이와 같이 배기가스에 포함된 유해가스의 농도가 농작물의 생육에 필요한 농도 이하로 유지되면서 유해가스 중의 하나인 질소산화물(NOx)의 농도를 현저하게 낮출 수 있어, 시설원예용 단지의 이산화탄소 시비에 안정적이며 용이하게 활용할 수 있다.
또한, 상기 배기가스 중의 일산화탄소 농도는 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 특정한 설정값 이상으로 유지되도록 제어될 수 있다.
즉, 도 9 및 도 10과 같이 배기가스 중의 일산화탄소 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 동시에 배기가스 중의 질소산화물 농도보다 높게 유지되더라도, 실제로 가스엔진에서 연소 후 생성된 질소산화물의 농도가 연소 초기에는 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 일산화탄소의 농도보다 낮게 유지되다가, 점점 증가하여 질소산화물의 농도가 일산화탄소의 농도보다 높아져 결국에는 목표로 설정한 농작물의 생육에 필요한 기준치를 초과하는 상황이 발생할 수 있다. 그러므로 도 11 및 도 12와 같이 일산화탄소의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 미리 설정된 특정한 설정값 이상으로 유지되어야 질소산화물의 농도가 일산화탄소의 농도보다 낮은 상태에서 일정한 농도로 유지될 수 있다.
또한, 상기 농작물의 생육에 필요한 배기가스 중의 유해가스 농도 기준치는 50ppm이고, 상기 일산화탄소의 농도는 0.2ppm 내지 16.3ppm 으로 제어되며, 상기 질소산화물의 농도는 0ppm 내지 0.2ppm 으로 제어될 수 있다.
즉, 농작물의 생육에 필요한 배기가스 중의 유해가스 농도 기준치는 50ppm일 수 있다. 그리고 이때 일산화탄소의 농도는 유해가스 기준치 보다 낮은 농도이면서 특정한 설정값 범위인 0.2ppm 내지 16.3ppm 로 제어되면, 질소산화물의 농도가 0ppm 내지 0.2ppm 으로 제어될 수 있어 배기가스 중의 질소산화물 농도가 매우 낮은 상태로 안정적으로 유지될 수 있다.
또한, 상기 일산화탄소의 농도는 가스엔진(100)의 회전수 및 부하에 따라 제어되되, 상기 가스엔진(100)의 회전수 및 부하가 낮으면 일산화탄소의 농도가 낮게 제어되고 상기 가스엔진(100)의 회전수 및 부하가 높으면 일산화탄소의 농도가 높게 제어될 수 있다.
이는 가스엔진의 회전수 및 부하에 따라 배기가스 중의 유해가스 농도가 증가할 수 있으므로, 가스엔진의 회전수 및 부하가 높은 조건에서는 일산화탄소의 농도가 상대적으로 높게 유지되도록 제어되고, 반대로 회전수 및 부하가 낮은 조건에서는 일산화탄소의 농도가 상대적으로 낮게 유지되도록 제어되어, 가스엔진의 회전수 및 부하가 변하더라도 배기가스 중의 일산화탄소의 농도가 낮게 유지되도록 하면서 동시에 질소산화물의 농도도 매우 낮은 상태로 안정적으로 유지되도록 할 수 있다.
또한, 상기 가스엔진(100)의 배기관(110)에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제2삼원촉매(420)를 더 포함하여 이루어지며, 상기 제2삼원촉매(420)는 배기가스의 유동방향으로 상기 후방 산소센서(440)의 후방에 설치될 수 있다.
즉, 그래프에 도시된 바와 같이 제1삼원촉매(410)만을 이용하고 전방 산소센서(430) 및 후방 산소센서(440)를 통해 람다(λ)의 평균을 이론공연비보다 낮게 리치 상태가 되도록 제어하면, 일산화탄소의 농도 및 질소산화물의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하인 40ppm 과 10ppm으로 각각 유지될 수 있으나, 후방 산소센서(440)의 후방에 더 설치된 제2삼원촉매(420)를 이용해 한 번 더 배기가스 중의 유해가스들을 제거하면 일산화탄소의 농도가 7ppm으로 유지되고 질소산화물의 농도는 거의 0(zero)에 가깝게 일정한 상태로 유지될 수 있다. 그리하여 가스엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스를 시설원예용 하우스(700)에 직접 공급하여 안정적으로 이산화탄소 시비에 활용할 수 있다.
그리고 아래는 본 발명에 따른 제1삼원촉매(410) 및 제2삼원촉매(420)가 설치된 상태에서 제어되었을 때의 가스엔진의 조건 별 제어표이다. 여기에서 발전기의 경우 1800rpm (60Hz) 이나 1500rpm (50Hz) 을 사용한다.
Figure 112016051555709-pat00001
또한, 상기 제어부(500)에 미리 설정되어 입력되어 있는 기초 연료량에 전방 산소센서(430)에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량 및 후방 산소센서(440)에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량을 더해, 상기 가스엔진(100)으로 공급되는 연료량이 보정되도록 제어될 수 있다.
즉, 제어부(500)에는 가스엔진(100)의 람다를 이론공연비가 되도록 제어할 수 있는 기초 연료량에 대한 맵 데이터(map data)가 미리 설정되어 입력되어 있다. 그리고 제어부(500)에서는 전방 산소센서(430)에서 측정된 값에 의해 보정되는 연료량과 후방 산소센서(440)에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량을 더해 가스엔진(100)의 믹서(180)로 공급되는 가스연료의 연료량이 보정되도록 제어할 수 있다. 이때, 도 13과 같이 전방 산소센서(430)에서 측정된 값을 통해 I 게인(gain) 적분제어를 하고, 리치(rich) 상태 및 린(lean) 상태에서 딜레이(delay) 제어를 하며, P 게인(gain) 비례제어를 하여 연료량의 보정이 이루어질 수 있다. 그리하여 리치 딜레이 시간과 린 딜레이 시간을 조절하여 후방 산소센서(440)의 출력이 원하는 스레숄드(threshold) 값 근처에서 피드백(feedback) 되도록 제어할 수 있으며, 이때 기준점인 스레숄드 값을 조금 높게 설정하여 일산화탄소의 농도를 약간 증가시키고 질소산화물의 농도를 0(zero) 또는 0에 가까운 상태로 유지되도록 할 수 있다. 일례로 도 14와 같이 후방 산소센서(440)에서 측정되어 출력되는 전압값이 미리 설정된 이론공연비에 해당되는 기준값(0.45V)보다 약간 높게 설정된 값(0.48V)이 되도록 제어하여 일산화탄소의 발생량을 약간 증가시키고 질소산화물 발생을 제로화 시킬 수 있다.
[세부 실시예]
도 15는 본 발명에 따른 가스엔진에 설치된 믹서, 공연비 제어 밸브 및 가스연료 공급 라인의 구성을 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이 상기 가스엔진(100)에는 공급되는 가스연료와 공기와의 혼합을 위한 믹서(180)가 설치되며, 상기 믹서(180)에는 가스연료의 공급량을 조절할 수 있는 공연비 제어 밸브(170)가 설치되며, 상기 공연비 제어 밸브(170)에 의해 가스연료의 공급량이 선형적으로 변하도록 조절될 수 있다.
즉, 가스엔진(100)에는 연소실 내로 공급되는 혼합기의 공연비를 조절할 수 있도록 믹서(180) 및 믹서(180)에 설치된 공연비 제어 밸브(170)가 구비될 수 있다. 그리고 공연비 제어 밸브(170)는 제어부(500)에 연결되어 제어될 수 있다. 그리하여 믹서(180)에 설치된 공연비 제어 밸브(170)를 이용해 연소실로 공급되는 혼합기 중의 가스연료량을 조절할 수 있으며, 이때 상기 공연비 제어 밸브(170)에 의해 가스연료량이 선형적으로 변하도록 조절될 수 있다. 그리하여 믹서(180)에서 공기와 혼합되는 가스연료의 연료량이 선형적으로 조절되도록 제어할 수 있어 보다 정밀하게 공연비를 제어할 수 있으며, 이에 따라 배기가스 중의 유해가스 농도를 낮출 수 있다.
그리고 믹서(180)로는 외부의 공기가 에어 클리너를 통해 여과된 후 유입되도록 구성될 수 있고, LPG 등의 연료 공급원(120)에서 제1압력조절기(130)를 통해 약 2.7kPa 의 압력으로 조절되어 공급되는 가스연료가 솔레노이드 밸브(150)들과 제로 거버너(160)로 구성되는 제로 거버너 어셈블리(Zero Governor Assembly)를 거치면서 -0.2kPa 내지 0.03kPa 의 압력으로 조절되어 믹서(180)로 공급될 수 있다. 그리고 공급되는 가스연료에 포함된 이물질을 제거할 수 있도록 연료필터(140)가 설치될 수 있고, 솔레노이드 밸브(150)들에 의해 연료의 공급 및 차단이 이루어질 수 있으며, 가스연료의 압력이 조절된 후 엔진측으로 공급되는 가스연료의 압력을 확인할 수 있도록 압력게이지(161)가 설치될 수 있다. 이때, 제1압력조절기(130), 연료필터(140), 솔레노이드 밸브(150)들, 제로 거버너(160) 및 압력게이지(161)가 순차적으로 연결될 수 있으며, 연결관(162)으로 공연비 제어 밸브(170)에 연결될 수 있다.
또한, 상기 공연비 제어 밸브(170)는 가스연료가 공급되는 유로의 개구(173)가 사각형 단면으로 형성되며, 상기 공연비 제어 밸브(170)는 서보모터 또는 스텝모터(171)에 연결된 조절판(172)을 포함하여 이루어져, 상기 조절판(172)이 개구(173)의 단면과 나란한 방향으로 이동되어 개구(173)의 개방된 면적이 선형적으로 변하도록 조절될 수 있다.
즉, 도 16 내지 도 19와 같이 공연비 제어 밸브(170)는 가스연료가 믹서(180)로 공급되는 유로의 개구(173) 단면적이 선형적으로 조절되도록 함으로써 믹서(180)로 유입되는 가스연료의 연료량이 선형적으로 조절되도록 할 수 있다. 이때, 가스연료가 통과되는 개구(173)의 단면(수평방향으로 본 개구의 형태)이 사각형 단면으로 형성되고, 스텝모터(171)에 연결되어 개구(173)를 개폐하는 조절판(172)의 하단이 수평방향의 직선 형태로 형성되어, 스텝모터(171)에 의해 변위가 정밀하게 조절될 수 있는 조절판(172)에 의해 개구(173)의 개방된 면적이 선형적으로 변하도록 조절할 수 있다.
또한, 상기 믹서(180)는, 공기가 유동되는 공기 유로(182)와 가스연료가 유동되는 연료 유로(183)가 서로 연통되도록 형성되며, 상기 공기와 가스연료가 혼합되어 혼합기가 유동되는 혼합기 유로(185)가 형성되는 몸체(181); 및 상기 몸체(181)에 형성된 공기 유로(182)의 내주면에 밀착 결합되되, 상기 공기 유로(182)와 연료 유로(183)가 만나는 부분에 배치되는 코어(186); 를 포함하여 이루어지되, 상기 코어(186)는 링 형태로 형성되어 외주면에 원주방향을 따라 오목한 홈(187)이 형성되어 상기 홈(187)이 연료 유로(183)와 연결되며, 상기 홈(187)에는 내측을 향해 다수의 관통홀(188)이 형성되되 원주방향을 따라 다수의 관통홀(188)이 이격되어 배치될 수 있다.
즉, 믹서(180)는 몸체(181)의 일측으로 외부의 공기가 유입되도록 공기 유로(182)가 형성되고, 상기 공기 유로(182)에 연결되도록 연료 유로(183)가 형성될 수 있다. 그리고 몸체(181)의 타측으로 공기 유로(182)와 나란하게 연결되도록 혼합기 유로(185)가 형성될 수 있으며, 연료 유로(183)는 공기 유로(182) 및 혼합기 유로(185)에 수직인 방향으로 형성될 수 있다. 그리고 코어(186)는 공기 유로(182)의 내주면에 밀착 결합되되 공기 유로(182)와 연료 유로(183)가 만나는 부분에 배치될 수 있으며, 코어(186)는 중앙이 관통된 링 형태로 형성되어 외주면이 공기 유로(182)를 형성하는 몸체(181)의 내주면에 밀착되도록 결합될 수 있다. 또한, 도 20 및 도 21와 같이 코어(186)는 외주면에 반경방향 내측으로 오목하게 홈(187)이 형성되되, 원주방향 둘레 전체에 형성될 수 있으며, 홈(187)의 외주면과 코어(186)의 내주면을 관통하도록 관통홀(188)이 형성되되 원주방향을 따라 서로 이격되어 다수개의 관통홀(188)이 형성될 수 있다. 이때, 홈(187)이 연료 유로(183)와 연결되도록 몸체(181)에 코어(186)가 결합되어, 연료 유로(183)를 통해 공급되는 가스연료가 코어(186)의 홈(187)을 따라 유동되어 관통홀(188)들을 통해 공기 유로(182)로 유입되어 공기와 가스연료가 혼합된 후 혼합기 유로(185)를 통해 가스엔진의 연소실로 유입될 수 있다.
그리하여 믹서(180)의 내부로 유입되는 공기와 가스연료가 균일하게 혼합된 후 가스엔진의 연소실로 유입될 수 있어 연소 후 배출되는 배기가스 중의 유해가스 농도가 더욱 줄어들 수 있다.
또한, 제어부(500)에 의해 부하 변동 및 공연비 변동에 대한 배기가스 중의 유해가스를 저감시킬 수 있다. 일례로 부하 및 회전수 변동 저감을 위해 ETC(Electric Throttle Chamber) 제어 기술을 적용할 수 있다. 이때, 믹서(180)와 흡기덕트(191) 사이에 설치되며 제어부(500)에 연결된 ECT(190)의 제어를 통해 가스엔진의 회전수를 일정하게 유지할 수 있으며, 이를 통해 배기가스 중의 유해가스를 저감시킬 수 있다.
또한, 제1삼원촉매(410) 및 제2삼원촉매(420)는 일례로 팔라듐(Pd)과 로듐(Rh)으로 구성될 수 있으며, 보다 상세하게는 제1삼원촉매(410)는 2개의 셀이 직렬로 연결된 형태로 형성될 수 있으며, 하나의 셀은 팔라듐으로만 0.5리터부피로 형성되고 나머지 하나의 셀은 팔라듐과 로듐이 9:1로 혼합되어 0.5리터부피로 형성될 수 있다. 그리고 제2삼원촉매(420)는 2개의 셀이 직렬로 연결된 형태로 형성될 수 있으며, 두 개의 셀 모두 팔라듐과 로듐이 9:1로 혼합되어 각각 0.7리터씩의 부피로 형성될 수 있다. 여기에서 팔라듐은 백금(Pt)보다 가격이 저렴하고 열에 대한 내구성이 우수한 장점이 있으며, 팔라듐은 탄화수소와 일산화탄소를 산화시켜 저감시킬 수 있다. 그리고 로듐은 주로 질소산화물 중 NO를 환원시켜 질소산화물을 저감시키며, 일산화탄소와 탄화수소의 산화도 일부 일어날 수 있다. 또한, 제1삼원촉매는 MCC(Manifold Catalyst Converter)라고 하며, 주로 냉간 시동 시 일산화탄소와 탄화수소의 저감용으로 사용되며, 일부 질소산화물도 저감시키는 역할을 할 수 있다. 또한, 제2삼원촉매는 UCC(Underbody Catalyst Converter)라고 하며, 주 촉매로써 일산화탄소, 탄화수소 및 질산화물을 동시에 저감시키는 역할을 할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
2000 : 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈
1000 : 트라이젠 시스템
100 : 가스엔진
110 : 배기관 120 : 연료 공급원
130 : 제1압력조절기 140 : 연료필터
150 : 솔레노이드 밸브 160 : 제로 거버너
161 : 압력게이지 162 : 연결관
170 : 공연비 제어 밸브
171 : 스텝모터(또는 서보모터) 172 : 조절판
173 : 개구
180 : 믹서
181 : 몸체 182 : 공기 유로
183 : 연료 유로
185 : 혼합기 유로 186 : 코어
187 : 홈 188 : 관통홀
190 : ETC 191 : 흡기덕트
200 : 라디에이터
300 : 콤프레셔
410 : 제1삼원촉매 420 : 제2삼원촉매
430 : 전방 산소센서 440 : 후방 산소센서
500 : 제어부
600 : 발전기
700 : 시설원예용 온실
1100 : 일반 발전기
1200 : 보일러
1300 : 에너지 제어부
1400 : 온실환경 제어부
1500 : 온실 통합 제어 시스템

Claims (13)

  1. 가스엔진에서 연소 후 배출되는 배기가스 중의 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 미연탄화수소(UHC)의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하로 유지되도록 제어되어, 일정한 규모의 시설원예용 온실에 이산화탄소를 공급하는 트라이젠 시스템;
    상기 온실에 전기를 공급하는 일반 발전기; 및
    상기 온실에 난방을 공급하는 보일러; 를 포함하여 이루어지되,
    상기 트라이젠 시스템의 이산화탄소 생산 용량보다 일반 발전기의 전기 생산 용량이 더 크며, 상기 일반 발전기의 전기 생산 용량보다 보일러의 난방 생산 용량이 더 크게 형성되며,
    상기 트라이젠 시스템은,
    상기 가스엔진의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제1삼원촉매; 상기 배기가스의 유동방향으로 상기 제1삼원촉매의 전방에 설치되는 전방 산소센서와 후방에 설치되는 후방 산소센서; 및 상기 가스엔진 및 산소센서들에 연결되어 가스엔진을 제어하는 제어부; 를 포함하여 이루어지고, 상기 가스엔진으로는 0.03kPa 이하인 초저압의 가스연료가 공급되며, 상기 제어부에서는 가스엔진의 람다(λ)의 평균을 이론공연비보다 낮도록 리치 상태로 제어하되, 배기가스 중의 질소산화물(NOx)의 농도가 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 배기가스 중의 일산화탄소(CO)의 농도보다 낮게 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 트라이젠 시스템은 온실에 이산화탄소 공급을 주로 하고 가스엔진에 연결된 발전기와 가스엔진에서 발생되는 열을 이용하여 전기 및 난방을 보조하며,
    상기 일반 발전기는 온실에 전기의 공급을 주로하고 일반 발전기의 엔진에서 발생되는 열을 이용하여 난방을 보조하는 것을 특징으로 하는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 일반 발전기는 가스엔진을 이용하며, 상기 보일러는 가스 연료를 하는 것을 특징으로 하는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 트라이젠 시스템, 일반 발전기 및 보일러에 연결되어 온실로 공급되는 에너지를 제어하는 에너지 제어부; 를 더 포함하여 이루어지는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 중의 일산화탄소 농도는 농작물의 생육에 필요한 기준치 이하이면서 특정한 설정값 이상으로 유지되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 농작물의 생육에 필요한 배기가스 중의 유해가스 농도 기준치는 50ppm이고, 상기 일산화탄소의 농도는 0.2ppm 내지 16.3ppm 으로 제어되며, 상기 질소산화물의 농도는 0ppm 내지 0.2ppm 으로 제어되는 것을 특징으로 하는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 일산화탄소의 농도는 가스엔진의 회전수 및 부하에 따라 제어되되, 상기 가스엔진의 회전수 및 부하가 낮으면 일산화탄소의 농도가 낮게 제어되고 상기 가스엔진의 회전수 및 부하가 높으면 일산화탄소의 농도가 높게 제어되는 것을 특징으로 하는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스엔진의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 유해가스들을 제거하는 제2삼원촉매를 더 포함하여 이루어지며, 상기 제2삼원촉매는 배기가스의 유동방향으로 상기 후방 산소센서의 후방에 설치되는 것을 특징으로 하는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부에 미리 설정되어 입력되어 있는 기초 연료량에 전방 산소센서에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량 및 후방 산소센서에서 측정되는 값에 의해 보정되는 연료량을 더해, 상기 가스엔진으로 공급되는 연료량이 보정되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가스엔진에는 공급되는 가스연료와 공기와의 혼합을 위한 믹서가 설치되며, 상기 믹서에는 가스연료의 공급량을 조절할 수 있는 공연비 제어 밸브가 설치되며,
    상기 공연비 제어 밸브에 의해 가스연료의 공급량이 선형적으로 변하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공연비 제어 밸브는 가스연료가 공급되는 유로의 개구가 사각형 단면으로 형성되며,
    상기 공연비 제어 밸브는 서보모터 또는 스텝모터에 연결된 조절판을 포함하여 이루어져, 상기 조절판이 개구의 단면과 나란한 방향으로 이동되어 개구의 개방된 면적이 선형적으로 변하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 믹서는,
    공기가 유동되는 공기 유로와 가스연료가 유동되는 연료 유로가 서로 연통되도록 형성되며, 상기 공기와 가스연료가 혼합되어 혼합기가 유동되는 혼합기 유로가 형성되는 몸체; 및
    상기 몸체에 형성된 공기 유로의 내주면에 밀착 결합되되, 상기 공기 유로와 연료 유로가 만나는 부분에 배치되는 코어; 를 포함하여 이루어지되,
    상기 코어는 링 형태로 형성되어 외주면에 원주방향을 따라 오목한 홈이 형성되어 상기 홈이 연료 유로와 연결되며, 상기 홈에는 내측을 향해 다수의 관통홀이 형성되되 원주방향을 따라 다수의 관통홀이 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 트라이젠 기술을 이용한 에너지 독립형 시설원예 에너지 공급 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101569677B1 (ko) * 2015-02-04 2015-11-17 한국기계연구원 고희박연소를 이용한 트라이젠 시스템 및 그 제어방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008099569A (ja) * 2006-10-17 2008-05-01 Toyota Turbine & System:Kk 温室栽培システム
KR101569677B1 (ko) * 2015-02-04 2015-11-17 한국기계연구원 고희박연소를 이용한 트라이젠 시스템 및 그 제어방법

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