KR101808111B1 - Low temperature power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐열 등 저온 열원을 이용하여 전기를 생산하는 저온 발전 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power generation system, and more particularly, to a low temperature power generation system that generates electricity using a low temperature heat source such as waste heat.
산업용 플랜트 설비의 여러 공정에서 발생하는 폐열, 연료전지에서 발생하는 폐열 등을 이용하여 발전하는 폐열 발전 시스템은 저온의 열을 이용하여 발전하는 신재생 에너지의 이용 기술로서 사용되고 있으나, 매우 낮은 효율로 다른 신재생 에너지의 이용 기술보다 널리 보급 되지 못하고 있는 실정이다.The waste heat generation system, which is generated by using waste heat from various processes of industrial plant facilities and waste heat generated from fuel cells, is used as a technology for using renewable energy which is generated by using low temperature heat. However, It is not widely available than the technology of using renewable energy.
특히, 저온 열원을 이용하여 발전하기 위하여 냉동용 냉매 가스 등 비등점이 매우 낮은 유기 작동유체(냉매)를 사용하는 발전 기술은 100℃ 내외의 폐열을 활용할 수 있는 신재생 에너지의 이용 기술이어야 하지만 간접가열 열 교환 방식의 폐쇄회로상에서 지극히 효율이 낮은 기술적인 한계를 가지고 있는 것이 현실이다.In particular, a power generation technology using an organic working fluid (refrigerant) having a very low boiling point, such as refrigerant for refrigeration, for generating electricity using a low-temperature heat source, should be a technology for using renewable energy capable of utilizing waste heat of around 100 ° C. However, It is a reality that there is a technical limit which is extremely inefficient on the heat exchange type closed circuit.
작동유체를 이용한 발전 사이클은 예를 들어 압축, 가열팽창, 증발, 팽창(증발), 응축의 단계로 순환된다. 이 때, 발전 효율을 향상시키기 위해 온도와 압력을 동시에 올려 증발시켜야 한다. 그러나, 물질 특성을 고려하면 증발 조건은 압력은 내리고 온도를 올려야 증발이 용이하며, 응축 조건은 압력은 올리고 온도를 내려야 응축이 용이하다.The power generation cycle using the working fluid is circulated, for example, to compression, expansion, evaporation, expansion (evaporation), and condensation. At this time, in order to improve power generation efficiency, it is necessary to raise the temperature and the pressure at the same time and evaporate. However, considering the characteristics of the material, the evaporation conditions are lowered by the pressure, the evaporation is easy by raising the temperature, and the condensation condition is the condensation condition by raising the pressure and lowering the temperature.
또한, 증발기에서 상 변화되는 과정에서 증발 잠열을 흡수할 수 있는 증발에 필요한 최소 가열 온도를 전제로 한 필요 열량의 공급이 지속되어야 작동유체의 연속적인 증발로 발전이 가능하게 된다. 이와 같이 신재생 에너지의 이용기술로서 경제적인 발전 효율을 충분히 기대할 수 없는 바, 새로운 방법으로 발전 효율을 향상시킬 수 있는 발전 사이클에 의한 저온 발전 시스템 개발이 요구된다.In addition, the supply of the required heat amount based on the minimum heating temperature necessary for the evaporation capable of absorbing the latent heat of evaporation during the phase change in the evaporator is continued, so that the continuous evaporation of the working fluid enables generation of electricity. As such, it is impossible to expect economical power generation efficiency as a utilization technology of new and renewable energy. Therefore, it is required to develop a low temperature power generation system by a power generation cycle which can improve power generation efficiency by a new method.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 종래 발전 사이클의 구성을 일부 변형한 저온 발전 시스템을 제공하고자 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a low-temperature power generation system in which a configuration of a conventional power generation cycle is partially modified.
또한, 건물 등에 독립적으로 사용되는 연료전지의 효율을 보다 향상시킬 수 있는 저온 발전 시스템을 제공하고자 한다. 이 때, 저온 발전 시스템은 저온 열원의 온도 변화에 대응하여 적절하게 제어되는 것을 목적으로 한다. 또한, 발생된 전기 중 잉여 부분은 에너지 저장 장치를 통해 저장할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.It is also intended to provide a low-temperature power generation system capable of further improving the efficiency of a fuel cell independently used in a building or the like. At this time, the low-temperature power generation system is intended to be appropriately controlled in response to the temperature change of the low-temperature heat source. Further, it is desirable to provide a system in which the surplus portion of generated electricity can be stored through the energy storage device.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 저온열원부; 유입되는 액상작동유체가 상기 저온열원부의 열에너지를 흡수하여 기상작동유체로 전환되는 증발부; 상기 증발부에서 유출되는 상기 기상작동유체가 팽창하면서 운동에너지를 발생시키는 팽창부; 상기 운동에너지를 전기에너지로 전환시키는 발전부; 상기 기상작동유체를 냉각하여 액상작동유체로 응축시키는 응축부; 및 상기 응축부에서 유출되는 상기 액상작동유체를 압축하여 상기 증발부로 이송시키는 액펌프;를 포함하는 저온 발전 시스템을 제공한다.In order to solve the above-described problems, an embodiment of the present invention provides a low-temperature heat source unit, An evaporating portion in which an incoming liquid working fluid absorbs thermal energy of the low temperature heat source portion and is converted into a vapor operating fluid; An expansion unit for generating kinetic energy while expanding the vapor-phase working fluid flowing out from the evaporation unit; A generator for converting the kinetic energy into electrical energy; A condenser for cooling the gas-phase working fluid to condense it into a liquid working fluid; And a liquid pump for compressing the liquid working fluid flowing out from the condensing part and transferring the liquid working fluid to the evaporating part.
상기 저온열원부는 연료전지에서 발생하는 폐열일 수 있다.The low-temperature heat source may be waste heat generated in the fuel cell.
상기 팽창부는 케이싱; 상기 케이싱의 입구에 배치되며, 상기 기상작동유체의 압력이 증대되도록 유동 방향을 따라 관경이 확장되는 확관부; 상기 확관부의 종단부에 형성되어 상기 기상작동유체의 유동에 의해 회전하는 복수 개의 블레이드부; 및 상기 블레이드부의 회전력에 의해 회동하는 샤프트;를 포함할 수 있다.The expansion unit includes a casing; An expansion unit disposed at an inlet of the casing and having a diameter enlarged along the flow direction so as to increase the pressure of the gas-phase working fluid; A plurality of blade portions formed at a longitudinal end portion of the expansion portion and rotated by the flow of the gas-phase working fluid; And a shaft that is rotated by a rotational force of the blade unit.
상기 팽창부는 상기 블레이드부의 방사 방향으로 형성되는 적어도 하나 이상의 배출유로;를 더 포함할 수 있다.The expanding portion may further include at least one discharge passage formed in the radial direction of the blade portion.
상기 발전부는 상기 샤프트의 회전력을 이용하는 유도발전기일 수 있다.The power generator may be an induction generator that utilizes the rotational force of the shaft.
상기 발전부에서 생산된 상기 전기에너지를 교류 형태로 변환시키는 인버터부;를 더 포함할 수 있다.And an inverter unit converting the electric energy produced by the power generation unit into an alternating current.
상기 인버터부에서 변환된 교류 전기를 적어도 하나 이상의 전기수요처, 에너지저장부로 공급되도록 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.And a control unit for controlling the AC power converted by the inverter unit to be supplied to at least one or more of the electricity consumers and the energy storage unit.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.As described above, according to the present invention, various effects including the following can be expected. However, the present invention does not necessarily achieve the following effects.
연료전지 등에서 발생하는 폐열을 전기 생산에 효과적으로 사용할 수 있다. 또한, 생산된 전기는 특히 소규모 전력을 요하는 건물 등에 설치된 냉동기, 에어콘 등에 공급하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.Waste heat generated in a fuel cell or the like can be effectively used for electricity production. In addition, the produced electricity can be supplied to a refrigerator or an air conditioner installed in a building or the like requiring a small power, thereby improving the efficiency of the fuel cell.
또한, 저온 발전 시스템은 폐열의 온도 변화에 대응하여 적절하게 제어되는 바 안정적인 운전이 가능하며, 발생된 전기 중 잉여 부분은 에너지 저장 장치를 통해 저장할 수 있다.Also, the low-temperature power generation system is suitably controlled in response to the temperature change of the waste heat, and stable operation is possible, and a surplus portion of generated electricity can be stored through the energy storage device.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 발전 시스템의 계통도.
도 2는 도 1에 대한 작동유체의 순환 흐름을 보여주는 계통도.
도 3은 도 1의 팽창부에 대한 개략적 단면도.
도 4는 도 3의 팽창부 내에서 작동유체의 흐름을 보여주는 개략도.1 is a schematic diagram of a low-temperature power generation system according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 is a schematic diagram showing the circulating flow of the working fluid for Fig. 1; Fig.
3 is a schematic cross-sectional view of the expanding portion of Fig.
Figure 4 is a schematic diagram showing the flow of working fluid within the expansion of Figure 3;
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 발전 시스템의 계통도이고, 도 2는 도 1에 대한 작동유체의 순환 흐름을 보여주는 계통도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 발전 시스템은 저온열원부(10), 증발부(20), 팽창부(30), 발전부(40), 응축부(50), 액펌프(60), 인버터부(70), 제어부(미도시), 냉각탑(80) 등을 포함한다. 이 때, 작동유체는 증발부(20), 팽창부(30), 발전부(40), 응축부(50)를 순환하는 사이클을 갖는다.FIG. 1 is a system diagram of a low-temperature power generation system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a systematic diagram showing a circulation flow of a working fluid in FIG. 1 and 2, a low temperature power generation system according to an embodiment of the present invention includes a low temperature
저온열원부(10)는 고온열원에 대한 상대적인 개념으로 본 발명에서 사용되는 작동유체의 끓는 점보다 최소한 더 높은 온도를 갖는 열원을 의미한다.The low-temperature
저온열원부(10)는 예를 들어, 연료전지에서 발생하는 폐열일 수 있다. 연료전지는 외부에서 전원 공급이 차단되더라도, 자체적인 에너지 생산을 통해 시스템에 대한 독립적 운전이 가능하도록 한다. 한편, 연료전지는 그 작동에 따라 폐열이 발생하며, 이는 배관을 배치하여 폐열온수의 형태로 활용될 수 있다.The low temperature
즉, 연료전지에서 발생되는 폐열온수는 배관을 통해 증발부(20)로 공급된 후, 증발부(20)에서 열 교환에 의해 냉각되면 다시 연료전지로 유입될 수 있다. 일 실시예에 따른 저온열원부(10)는 연료전지에서 발생하는 폐열을 예로 들었지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.That is, the waste heat and hot water generated in the fuel cell may be supplied to the
증발부(20)는 유입되는 액상작동유체가 저온열원부(10)의 열에너지를 흡수하여 기상작동유체로 전환되도록 한다. 여기서, 작동유체는 저온에서 상 변화가 가능한 다양한 종류의 냉매가 사용될 수 있다. 다만, 연료전지에서 발생하는 폐열의 온도가 약 60도인 점을 고려하면, 그 부근에서 상 변화되는 것이 바람직하다.The evaporating
이 때, 증발부(20)는 열 교환되는 표면적을 높이기 위해 귄취되는 형태의 내부 구조를 포함할 수 있다. 또한, 증발부(20)의 내부는 열 전도율이 높은 재질을 사용하여 열에너지의 흡수 효율을 향상시킬 수 있다.At this time, the
증발부(20)로 유입되는 액상작동유체는 액펌프(60)에 의해 압축 상태에 있다. 이 때, 작동유체는 이송에 따라 비록 압력이 높아진 상태지만 그 종류에 따라 저온에서도 용이하게 증발할 수 있다. 그 결과, 액상작동유체는 고압 증기인 기상작동유체로 상 변화된다.The liquid working fluid flowing into the evaporator (20) is in a compressed state by the liquid pump (60). At this time, the working fluid can be easily evaporated even at a low temperature depending on the kind, even though the pressure is increased according to the transfer. As a result, the liquid working fluid is phase-changed to a gas-phase working fluid, which is a high-pressure steam.
도 3은 도 1의 팽창부에 대한 개략적 단면도이고, 도 4는 도 3의 팽창부 내에서 작동유체의 흐름을 보여주는 개략도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 팽창부(30)는 증발부(20)에서 유출되는 기상작동유체가 팽창하면서 운동에너지를 발생시키도록 한다. 예를 들면, 팽창부(30)는 유체의 유동에 의해 회동하는 일종의 터빈과 유사하다. 구체적으로, 팽창부(30)는 케이싱(32), 확관부(34), 블레이드부(36), 샤프트(38), 배출유로(33) 등을 포함한다.Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of the expansion part of Fig. 1, and Fig. 4 is a schematic view showing the flow of working fluid in the expansion part of Fig. Referring to FIGS. 3 and 4, the
케이싱(32)은 팽창부(30)의 각 구성 요소가 모두 수용될 수 있는 수용공간이 마련된 부재이다. 이 때, 각 구성 요소는 유동 방향을 따라 케이싱(32) 내에서 일렬로 배열될 수 있다.The casing 32 is a member provided with a receiving space in which all the components of the expanding
확관부(34)는 케이싱(32)의 입구에 배치되며, 기상작동유체의 압력이 증대되도록 유동 방향을 따라 그 관경이 확장되는 형상을 갖는 관이다. 확관부(34)는 유동에 따른 마찰 저항을 고려하여 그 내측면에 유동 속도가 저하되는 것을 방지할 수 있는 홈 등이 더 형성될 수 있다. 그 결과, 기상작동유체의 흐름이 원활하게 유도될 수 있다.The expansion portion (34) is disposed at the inlet of the casing (32), and has a shape in which the diameter of the expansion portion is increased along the flow direction so as to increase the pressure of the vapor working fluid. The
블레이드부(36)는 확관부(34)의 종단부에 형성되어 기상작동유체의 유동에 의해 회전하는 복수 개로 이루어진다. 블레이드부(36)는 유동 방향과 수직 즉, 방사 방향으로 배열된다. 블레이드부(36)는 기상작동유체의 운동에너지를 회전력으로 전환시킨다.The blade portion (36) is formed at a longitudinal end portion of the expansion portion (34) and is made of a plurality of revolutions by the flow of the vapor-phase working fluid. The
샤프트(38)는 블레이드부(36)의 회전력에 의해 회동한다. 구체적으로 샤프트(38)는 블레이드부(36)의 중심에 결합될 수 있다. 샤프트(38)는 팽창부(30) 내의 회전력을 발전부(40)로 전달하여 전기에너지를 생산할 수 있도록 한다.The
배출유로(33)는 블레이드부(36)의 방사 방향으로 적어도 하나 이상 형성된다. 즉, 기상작동유체는 고압 상태에서 확관부(34)의 입구를 통해 유입되고, 배출유로(33)를 통해 토출된다.At least one
발전부(40)는 팽창부(30)에서 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 전환시킨다. 발전부(40)는 팽창부(30)를 구성하는 케이싱(32) 내부에 수용될 수 있으며 이와 달리 팽창부(30) 외부에 배치될 수 있다. 발전부(40)는 예를 들어, 샤프트(38)의 회전력을 이용하는 유도발전기일 수 있다. 즉, 발전부(40)는 샤프트(38)의 단부에 형성되는 회전자와 회전자의 외주연에 배치되는 고정자를 포함하여 전기에너지를 발생시킬 수 있다.The
응축부(50)는 기상작동유체를 냉각하여 액상작동유체로 응축한다. 즉, 응축부(50)는 팽창기에서 배출되는 저압의 기상작동유체를 저압의 액상작동유체로 변환시킬 수 있다. 이를 위해, 응축부(50)는 외기나 냉각수를 이용하여 기상작동유체를 액화시킬 수 있다.The
또한, 일 실시예에 따른 저온 발전 시스템을 냉각탑(80)을 더 포함할 수 있다. 냉각탑(80)은 응축기에서 열 교환된 냉각수를 냉각시킨다. 즉, 냉각탑(80)은 냉각수회수라인을 통해 회수되는 냉각수를 냉각시킨 후 이를 냉각수공급라인을 통해 응축기로 송출하여 기상작동유체를 응축한다. 냉각수는 응축부(50)와 냉각탑(80) 사이를 반복적으로 순환한다.In addition, the low temperature power generation system according to an embodiment may further include a
액펌프(60)는 응축부(50)에서 유출되는 액상작동유체를 압축하여 증발부(20)로 이송시킨다. 즉, 액펌프(60)는 저압의 액상작동유체를 소정 압력으로 가압하여 증발부(20)로 송출한다. 한편, 액펌프(60)는 저온열원부(10)의 온도에 따라 이송량이 제어될 수 있다. 구체적으로, 액펌프(60)는 저온열원부(10)에서 측정된 온도에 따라 액펌프(60) 내에 배치된 모터의 회전수를 조절하여 토출되는 액상작동유체의 유량을 제어할 수 있다. 그 결과, 저온 발전 시스템은 열원부(예를 들면, 연료전지에서 발생한 폐열)의 온도 변화에 대응하여 안정적으로 운용될 수 있다.The
또한, 저온 발전 시스템은 발전부(40)에서 생산된 전기에너지를 교류 60Hz 형태로 변환시키는 인버터부(70)를 더 포함할 수 있다. 또한, 저온 발전 시스템은 인버터부(70)에서 변환된 교류 전기를 적어도 하나 이상의 전기수요처, 에너지저장부로 공급되도록 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 즉, 생산된 전기는 특히 소규모 전력을 요하는 건물 등에 설치된 냉동기, 에어콘 등에 공급하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 잉여 교류 전기는 외부에 판매될 수 있다.The low-temperature power generation system may further include an
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 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 embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention.
10: 저온열원부 20: 증발부
30: 팽창부 40: 발전부
50: 응축부 60: 액펌프
70: 인버터부 80: 냉각탑
32: 케이싱 34: 확관부
36: 블레이드부 38: 샤프트
33: 배출유로10: low-temperature heat source unit 20:
30: Expansion section 40: Power generation section
50: condenser part 60: liquid pump
70: inverter section 80: cooling tower
32: casing 34:
36: blade portion 38: shaft
33: Exhaust flow path
Claims (7)
유입되는 액상작동유체가 상기 저온열원부의 열에너지를 흡수하여 기상작동유체로 전환되는 증발부;
상기 증발부에서 유출되는 상기 기상작동유체가 팽창하면서 운동에너지를 발생시키는 팽창부;
상기 운동에너지를 전기에너지로 전환시키는 발전부;
상기 기상작동유체를 냉각하여 액상작동유체로 응축시키는 응축부; 및
상기 응축부에서 유출되는 상기 액상작동유체를 압축하고, 상기 저온열원부의 온도에 따라 토출되는 상기 액상작동유체의 유량을 제어하여 상기 증발부로 이송시키는 액펌프;를 포함하고,
상기 팽창부는
케이싱;
상기 케이싱의 입구에 배치되며, 상기 기상작동유체의 압력이 감소되도록 유동 방향을 따라 관경이 확장되는 확관부;
상기 확관부의 종단부에 형성되어 상기 기상작동유체의 유동에 의해 회전하는 복수 개의 블레이드로 형성된 블레이드부; 및
상기 블레이드부의 회전력에 의해 회동하는 샤프트;를 포함하는 저온 발전 시스템.
A low-temperature heat source unit capable of supplying energy by itself;
An evaporating portion in which an incoming liquid working fluid absorbs thermal energy of the low temperature heat source portion and is converted into a vapor operating fluid;
An expansion unit for generating kinetic energy while expanding the vapor-phase working fluid flowing out from the evaporation unit;
A generator for converting the kinetic energy into electrical energy;
A condenser for cooling the gas-phase working fluid to condense it into a liquid working fluid; And
And a liquid pump for compressing the liquid working fluid flowing out from the condensing part and controlling the flow rate of the liquid working fluid discharged according to the temperature of the low temperature heat source part to transfer the liquid working fluid to the evaporation part,
The expansion unit
Casing;
An expansion unit disposed at an inlet of the casing and having a diameter enlarged along the flow direction so as to reduce the pressure of the gaseous working fluid;
A blade portion formed at a longitudinal end portion of the expansion portion and formed of a plurality of blades rotated by the flow of the vapor-phase working fluid; And
And a shaft that is rotated by a rotational force of the blade portion.
상기 저온열원부는 연료전지에서 발생하는 폐열인 저온 발전 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the low-temperature heat source unit is waste heat generated in the fuel cell.
상기 팽창부는
상기 기상작동유체가 토출되는 상기 블레이드부의 말단에 방사 방향으로 형성되는 적어도 하나 이상의 배출유로;를 더 포함하는 저온 발전 시스템.
The method according to claim 1,
The expansion unit
And at least one discharge passage formed in a radial direction at the end of the blade portion from which the vapor-phase working fluid is discharged.
상기 발전부는 상기 샤프트의 회전력을 이용하는 유도발전기인 저온 발전 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the power generation section is an induction generator that utilizes the rotational force of the shaft.
상기 발전부에서 생산된 상기 전기에너지를 교류 형태로 변환시키는 인버터부;를 더 포함하는 저온 발전 시스템.
The method according to claim 1,
And an inverter unit converting the electric energy produced by the power generation unit into an AC type.
상기 인버터부에서 변환된 교류 전기를 적어도 하나 이상의 전기수요처, 에너지저장부로 공급되도록 제어하는 제어부;를 더 포함하는 저온 발전 시스템.The method according to claim 6,
And a control unit for controlling the AC power converted by the inverter unit to be supplied to at least one or more of the electricity consumers and the energy storage unit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020170061667A KR101808111B1 (en) | 2017-05-18 | 2017-05-18 | Low temperature power generation system |
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2017
- 2017-05-18 KR KR1020170061667A patent/KR101808111B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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JP6049565B2 (en) * | 2013-07-31 | 2016-12-21 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | Geothermal turbine |
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