KR101936812B1 - 발전 설비가 지하에 설치되고 지열에 의해서 가열된 고온수와 응축수가 재사용되는 지열 발전 방법 - Google Patents

발전 설비가 지하에 설치되고 지열에 의해서 가열된 고온수와 응축수가 재사용되는 지열 발전 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101936812B1
KR101936812B1 KR1020170116245A KR20170116245A KR101936812B1 KR 101936812 B1 KR101936812 B1 KR 101936812B1 KR 1020170116245 A KR1020170116245 A KR 1020170116245A KR 20170116245 A KR20170116245 A KR 20170116245A KR 101936812 B1 KR101936812 B1 KR 101936812B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
horizontal hole
hole
water
steam
turbine
Prior art date
Application number
KR1020170116245A
Other languages
English (en)
Inventor
조정우
오주영
조민기
강훈
박진영
김종형
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020170116245A priority Critical patent/KR101936812B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101936812B1 publication Critical patent/KR101936812B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/20—Geothermal collectors using underground water as working fluid; using working fluid injected directly into the ground, e.g. using injection wells and recovery wells
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/04—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using pressure differences or thermal differences occurring in nature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 지열발전 방법은 증기를 이용하여 터빈을 구동하기 때문에 화력 발전만큼 열효율이 높고, 터빈이 지하에 위치하기 때문에 증기와 물을 지상까지 펌핑할 필요가 없으므로 에너지를 절감할 수 있으며, 지열에 의해서 가열되었지만 증기로 되지 못한 고온수가 재가열되어 발전에 사용되므로 열효율이 좋고 물을 절약할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

Description

발전 설비가 지하에 설치되고 지열에 의해서 가열된 고온수와 응축수가 재사용되는 지열 발전 방법{Methods for geothermal power generation having power generating unit installed in underground and reusing condensate water and high temperature water heated by geotherm}
본 발명은 지열 발전 방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 증기를 이용하여 터빈을 구동하기 때문에 화력 발전만큼 열효율이 높고, 터빈이 지하에 위치하기 때문에 증기와 물을 지상까지 펌핑할 필요가 없으므로 에너지를 절감할 수 있으며, 지열에 의해서 가열되었지만 증기로 되지 못한 고온수와 응축수가 재가열되어 발전에 사용되므로 열효율이 좋고 물을 절약할 수 있는 지열 발전 방법에 대한 것이다.
일반적으로, 지열 발전은 지반에서 추출한 고온수 또는 증기의 열에너지로 터빈을 구동하여 전기를 생산한다. 지열 발전에는 건증기 지열 발전, 습증기 지열 발전, 바이너리 사이클 지열 발전 및 EGS 지열 발전 등이 있다.
도 1은 상기 지열 발전 중 습증기 지열 발전의 일 예를 보여준다. 주입정(injection well, 1)을 통해 주입된 물은 지하 열원(underground geothermal reservoir, R)을 통과하면서 가열되어 증기 및/또는 고온수로 되어 생산정(production well, 2)을 통해 배출되고, 이어서 증기가 지상에 설치된 터빈(5)을 통과하면서 발전을 한다.
생산정(2)을 통해 배출되는 증기와 고온수에는 토사, 암분 등이 포함되어 있으므로, 이를 걸러내기 위해서 생산정(2)의 출구에 필터링 장치, 예를 들어, 모래 필터(sand filter, 3)가 설치된다. 그리고, 모래 필터(3)의 후방에는 고온수와 증기를 분리하기 위해서 기액 분리기(vapor-liquid separator, 4)가 설치된다. 기액 분리기(4)는 증기를 터빈(5)에 공급하고, 터빈(5)은 증기를 공급받아서 발전을 한다. 미설명 참조부호 7은 발전기를 나타낸다.
터빈(5)으로부터 배출된 증기는 열교환기(condenser, 6)를 통과하면서 냉각된 후 주입정(1)에 다시 주입되고, 기액 분리기(4)로부터 배출된 고온수는 열교환기(condenser, 6)를 통과하면서 냉각된 후 주입정(1)에 다시 주입된다.
그런데, 이러한 지열 발전은 주입정(1)을 통해 주입된 물이 지반(R) 속을 통과하게 되므로 유실되는 비율이 높고, 이에 따라 회수율이 매우 낮다는 문제점이 있다. 구체적으로, 주입정(1)을 통해 주입된 물의 약 30% 정도만 생산정(2)을 통해 배출된다.
또한, 생산정(2)에서는 고온수와 증기를 지상까지 끌어올려야 하므로 펌핑이 필요하며, 이에 따라 별도의 전기 에너지가 필요하다는 문제점이 있다.
아울러, 상술한 바와 같이, 고온수와 증기에는 토사 등이 포함되어 있으므로 이를 필터링하는 장치가 필요하다는 문제점도 있다.
한편, 상술한 문제점 중에서 낮은 회수율 문제점 및 펌핑에 소요되는 전기 에너지 문제점은 습증기 지열 발전 뿐만 아니라 다른 방식의 지열발전에도 생긴다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 생산정에서 고온수와 증기를 지상까지 펌핑하는 에너지를 사용하지 않거나 절감할 수 있는, 지열발전 방법을 제공하고자 하는 목적을 갖고 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 지반의 토사, 암분, 암편 등이 고온수와 증기에 섞이지 않으므로 필터링 장치가 필요하지 않은 지열발전 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고온수와 증축수를 생산정에 다시 주입함으로써 물 사용량을 줄일 수 있는 지열발전 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 지열 발전 방법은, (a1) 주입정(1)을 통해서 지상에서 물을 주입하는 단계; (b1) 주입정(1)을 통해서 주입된 물이 제1 수평공(102)을 통해 이동되며 가열되는 단계; (c1) 상기 (b1) 단계에서 가열되어 만들어진 증기로 터빈(5)을 구동하여 발전하는 단계; 및, (d1) 터빈(5) 구동에 사용된 증기를 생산정(2)을 통해서 지상으로 배출하고, 상기 (b1) 단계에서 지열에 의해 가열되었지만 증기로 기화되지 못한 고온수 또는 생산정(2)의 벽면에 만들어진 응축수가 제2 수평공(105)을 통해서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동하는 단계;를 포함한다. 터빈(5)과 발전기(7)는 지하 공동(110)에 설치된다.
제1 수평공(102)은 생산정(2)을 향해서 아래로 경사지도록 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 제2 수평공(105)은 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)을 향해서 아래로 경사지도록 형성되는 것이 바람직하다.
제1 수평공(102)은 적어도 그 일부분이 지하 열원(R)을 관통하도록 형성되고, 이에 따라 제1 수평공(102)의 내부로 이동하는 물이 가열되어 증기로 만들어진다.
그리고, 상기 (d1) 단계에서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동된 고온수 또는 응축수는 제1 수평공(102)에서 재가열된 후 발전에 이용될 수 있다.
지하 공동(110)에는 기액 분리기(120)가 설치될 수 있다. 기액 분리기(120)는 제1 수평공(102)을 통해 공급된 고온수와 증기를 분리한다. 기액 분리기(120)에 의해서 분리된 고온수는 바이패스공(103)을 통해서 제2 수평공(105)으로 이동하고, 기액 분리기(120)에 의해서 분리된 증기는 터빈(5)에 공급되어 발전에 이용된다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 지열 발전 방법은, (a2) 주입정(1)을 통해서 지상에서 물을 주입하는 단계; (b2) 주입정(1)을 통해서 주입된 물이 제1 수평공(102)을 통해 이동되며 가열되는 단계; (c2) 상기 (b2) 단계에서 가열되어 만들어진 증기가 수직공(206)을 통해 위로 이동한 후 터빈(5)을 구동하여 발전하는 단계; 및, (d2) 터빈(5) 구동에 사용된 증기를 생산정(2)을 통해서 지상으로 배출하고, 상기 (b2) 단계에서 지열에 의해서 가열되었지만 증기로 기화되지 못한 고온수 또는 생산정(2)의 벽면에 만들어진 응축수가 제2 수평공(105)을 통해서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동하는 단계;를 포함한다.
상기 제2 실시예에서, 발전기(7)와 터빈(5)은 천심도에 형성된 지하 공동(110)에 설치된다. 따라서, 터빈(5)과 발전기(7) 등과 같은 설비를 설치하기가 용이한다. 그리고, 증기와 고온수를 지상까지 펌핑하지 않아도 되므로 펌핑에 사용되는 전기 에너지를 절감할 수 있다.
생산정(2)과 제2 수평공(105)은 연결공(207)에 의해서 연결될 수 있다. 생산정(2)의 벽면에 응축된 응축수는 연결공(207)을 통해서 제2 수평공(105)으로 이동한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 지열 발전 방법은 주입정(1)을 통해 주입된 물이 복수 개의 제1 수평공(102)을 통해서 터빈(5)에 도달하고, 이에 따라, 더 많은 증기를 생산할 수 있다.
본 발명에서, 생산정(2)의 벽면에는 가이드 부재(140)(140a)가 설치될 수 있다. 가이드 부재(140)(140a)는 생산정(2) 벽면의 응축수를 제2 수평공(105) 또는 연결공(207)으로 유도한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 터빈과 발전기가 지하에 위치하므로, 고온수와 증기의 펌핑이 불필요하거나 펌핑에 사용되는 전기 에너지를 줄일 수 있다. 이에 따라, 그 만큼 발전 효율을 높일 수 있다.
둘째, 지반의 토사, 암분, 암편 등이 고온수와 증기에 섞이지 않으므로 필터링 장치가 필요하지 않다.
셋째, 고온수와 증축수를 생산정에 다시 주입함으로써 물 사용량을 줄일 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 지열 발전 방법의 일 예를 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지열 발전 방법을 보여주는 단면도.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대한 도면.
도 4는 도 2의 가이드 부재를 보여주는 사시도.
도 5a는 가이드 부재의 변형예를 보여주는 사시도.
도 5b는 도 5a의 가이드 부재가 생산정에 설치된 것을 보여주는 단면도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 지열 발전 방법을 보여주는 단면도.
도 7a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 지열 발전 방법을 보여주는 단면도.
도 7b는 도 7a의 평면도.
도 8은 수직 심도에 따른 심부 지온과 제1 수평공 길이를 보여주는 그래프.
도 9는 제1 수평공의 직경에 따른 유속, 가열시간 및, 제1 수평공 길이를 보여주는 그래프.
도 10은 제1 수평공 양단의 높이차(dLv)에 따른 끓는점, 가열 시간 및, 제1 수평공 길이를 보여주는 그래프.
도 11은 증기 사용량에 따른 유속과 제1 수평공 길이를 보여주는 그래프.
도 12a ~ 12d는 도 2의 지열 발전 구조를 굴착하는 방법을 순차적으로 보여주는 단면도.
도 13a ~ 13c는 도 2의 지열 발전 구조를 굴착하는 또 다른 방법을 순차적으로 보여주는 단면도.
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
한편, 아래 도 2 ~ 3, 도 6 ~ 7a에서 화살표는 물, 고온수, 증기, 응축수 등이 이동하는 방향을 나타낸다. 그리고, 이해를 돕고 좁은 지면(紙面)에 발명의 모든 구성을 나타내기 위해서, 도 1 ~ 3, 도 6 ~ 7b, 도 12 ~ 13에서 지하 공동(110), 터빈(5), 발전기(7) 등과 제1 수평공(102)의 경사는 실제보다 과장해서 크게 그려지고 제1,2 수평공(102)(105)의 길이 등은 실제 보다 작게 그려져 있다.
아울러, 각 도면에서 동일한 도면 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 따라서, 동일한 도면 참조부호를 갖는 구성 요소에 대해서는 설명의 중복을 피하기 위해서 그 설명이 일부 생략될 수도 있음을 밝혀둔다.
[제1 실시예]
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 지열 발전 방법을 보여주는 단면도이고, 도 3은 도 2의 A 부분을 확대한 도면이다.
상기 지열 발전 방법은, 주입정(injection well, 1)을 통해서 지상에서 물을 주입하는 단계와, 주입정(1)을 통해서 주입된 물이 제1 수평공(102)을 통해 이동되며 가열되는 단계와, 제1 수평공(102)에서 가열되어 만들어진 증기로 터빈(5)을 구동하여 발전하는 단계 및, 터빈(5)을 구동하는데 사용된 증기가 생산정(production well, 2)을 통해서 지상으로 배출되고 고온수와 응축수가 제2 수평공(105)을 통해서 제1 수평공(102)으로 이동되는 단계를 포함한다.
주입정(1)은 지상에서 지하 열원(underground geothermal reservoir, R)이 위치한 곳까지 수직으로 굴착된 수갱이다. 도면에서 주입정(1)의 길이는 Lv1으로 표시되었다. 주입정(1)의 하단은 제1 수평공(102) 및 제2 수평공(105)과 연결된다.
제1 수평공(102)은 주입정(1)의 하단에서부터 지하 공동(110)까지 연장되도록 굴착된다. 제1 수평공(102)은 적어도 그 일부분이 지하 열원(R)을 관통하도록 설치된다. 따라서, 제1 수평공(102)의 내부를 통해서 이동하는 물은 지열에 의해서 가열되어 증기로 되는데, 제1 수평공(102) 내부의 압력과 지열에 따라 물의 일부는 증기로 되지 못하고 고온수로 되기도 한다.
제1 수평공(102)은 굴착 후 관로가 설치되어 이루어진다. 이러한 굴착은 조향식 수평천공(HDD, Horizontal Directional Drill) 또는 확공기로 이루어질 수 있는데, 이 점에 대해서는 아래에서 더 설명된다.
제1 수평공(102)이 관로로 이루어지는 것은 지반으로부터 토사, 암분, 암석편 등이 물에 포함되는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다. 상기 관로로는 열전달율이 우수한 동관 등이 사용될 수 있다. 그러나, 제1 수평공(102)에 반드시 관로가 설치되어야 하는 것은 아니며, 관로를 설치하지 않을 수도 있다.
본 명세서에서 제1,2 수평공(102)(103)은 수학적인 의미에서 '수평'으로 설치되는 경우 뿐만 아니라 수직에 비해서 상대적으로 수평에 가깝게 설치되는 경우도 포함한다. 그리고, 제1 수평공(102)은 지하 공동(110)을 향한 하향 경사를 갖도록 형성되는 것이 발전 효율을 높이기 위해서 바람직하다. 상기 하향 경사에 대해서는 아래에서 더 설명된다. 제1 수평공(102)이 경사지도록 형성되므로, 제1 수평공(102)의 양쪽 단부는 높이차(dLv)를 갖는다.
제1 수평공(102)은 적어도 물을 가열하여 발전에 적합한 증기를 만들 수 있는 길이를 갖는다. 도면에서 제1 수평공(102)은 경사지도록 형성되어 있지만, 경사진 각도가 매우 작으므로(즉, 제1 수평공의 길이에 비해 높이차(dLv)가 매우 작으므로), 제1 수평공(102)의 길이를 Lh로 표시하기로 한다.
지하 공동(110)은 2번째 수직공의 지하 심부(Lv)에 형성되는 것으로서, 그 내부에는 터빈(5), 발전기(7), 기액 분리기(120) 등이 설치될 수 있다. 지하 공동(110)은 워터젯 등을 이용하여 굴착될 수 있다.
기액 분리기(120)는 제1 수평공(102)을 통해서 이동된 증기와 고온수를 분리한다. 증기는 터빈(5)으로 공급되어 발전에 이용되고 고온수는 바이패스공(103)을 통해서 제2 수평공(105)으로 이동된다. 바이패스공(103)에는 펌프(104)가 설치될 수 있다. 펌프(104)는 고온수를 펌핑하여 제2 수평공(105)으로 보낸다.
한편, 제1 수평공(102)에서 완전 포화상태 또는 과열 상태의 건증기가 공급되는 경우에는 기액 분리기(120)가 필요하지 않을 수도 있는데, 이 경우에는 제1 수평공(102)이 터빈(5)에 직접 연결될 수도 있다.
터빈(5)은 기액 분리기(120)로부터 증기를 공급받아서 작동되고, 발전기(7)는 터빈(5)의 회전력을 전달받아서 발전한다. 발전된 전기 에너지는 전선(도면에 미도시)을 통해서 지상으로 공급되는데, 상기 전선은 생산정(2)에 설치되거나 별도의 수갱(도면에 미도시)에 설치될 수도 있다.
터빈(5)은 지하 공동(110)에 설치되기에 적합하도록 소형이 바람직하다. 구체적으로, MSTG(Micro Steam Turbine Generator), Siemens Steam Turbine SST-040 등이 사용될 수 있다.
생산정(2)은 지하공동(110)에서 지상까지 수직으로 연장되는 수갱이다. 터빈(5)을 구동한 후 배출되는 증기는 생산정(2)을 통해서 지상으로 배출된다.
생산정(2)의 벽면에는 가이드 부재(140)가 설치될 수 있다. 가이드 부재(140)는 생산정(2)의 벽면에 발생하는 응축수를 제2 수평공(105)으로 유도한다. 상기 응축수는 증기와 벽면의 온도 차이로 인해 발생되는데, 이 응축수가 지하 공동(110) 또는 터빈(5)에 유입되면 발전에 지장을 주게 되므로, 가이드 부재(140)를 이용하여 제2 수평공(105)으로 배출한다.
도 3 ~ 4에 나타난 바와 같이, 가이드 부재(140)는 생산정(2) 중에서 제2 수평공(105)과 연결된 부분 및 그 상측에 설치된다. 가이드 부재(140)는 생산정(2) 벽면에 밀착되는 나선형 스트립(spiral strip)으로서, 그 하단은 제2 수평공(105)의 내측으로 연장된다. 그리고, 가이드 부재(140)는 벽면을 향해 아래쪽으로 경사진 구조를 가지므로, 상부에서 벽면을 타고 흘러내린 응축수는 나선형 가이드 부재(140)를 따라 이동된 후 제2 수평공(105)으로 이동된다. 한편, 터빈(5)에서 배출되는 증기는 가이드 부재(140)의 내측 공간(141)을 관통하여 위로 상승한다.
한편, 도 5a는 가이드 부재의 변형예를 보여주고, 도 5b는 가이드 부재(140a)가 생산정(2)에 설치된 구조를 보여준다. 가이드 부재(140a)는 다수 개의 가이더(142)와 배수관(144)을 포함한다. 다수 개의 가이더(142)는 소정 간격으로 이격되도록 설치된다.
가이더(142)는 링 형상을 갖고, 벽면을 향해 아래쪽으로 경사진 구조를 가지며, 그 외측 테두리가 벽면에 밀착되도록 설치되고, 내측공간(141)은 비어 있는데 이 내측공간(141)을 통해서 증기가 위로 배출된다. 가이더(142)는 배수관(144)을 향해 아래쪽으로 경사지도록 설치된다.
그리고, 가이더(142)에는 관통공(143)이 형성되고, 이 관통공(143)에는 배수관(144)이 삽입되어 설치된다.
배수관(144)은 다수 개의 가이더(142)를 연결하도록 수직으로 설치되고, 그 하단은 제2 수평공(105)의 내측으로 연장된다. 그리고, 배수관(144) 중에서 가이더(142)와 연결된 부분에는 유입공(145)이 형성되는데, 이 유입공(145)을 통해서 응축수가 배수관(144)으로 유입된다.
생산정(2) 벽면을 타고 흘러내린 응축수는 가이더(142)의 경사를 따라 배수관(144) 쪽으로 이동되고 이어서, 유입공(145)을 통해 배수관(144)으로 유입된 후, 제2 수평공(105)으로 이동된다.
제2 수평공(105)은 상기 응축수와 고온수를 주입정(1)의 하단으로 이동시킨다. 따라서, 제2 수평공(105)은 생산정(2)에서부터 주입정(1) 하단까지 연장되고, 바람직하게는 주입정(1)의 하단을 향한 하향 경사를 이루도록 설치된다. 상기 하향 경사는 응축수와 고온수가 별도의 펌핑없이 이동할 수 있도록 한다.
한편, 도면에는 제2 수평공(105)이 주입정(1)의 하단에 연결된 것으로 도시되어 있지만, 제2 수평공(105)은 제1 수평공(102)에 직접 연결될 수도 있다. 이 경우에는 제2 수평공(105)의 굴착에 소요되는 비용과 공사 기간을 줄일 수 있다.
제2 수평공(105)은 굴착 후에 관로가 설치되어 만들어진다. 제2 수평공(105)이 관로로 이루어지는 것은 지반으로부터 토사, 암분, 암석편 등이 물에 포함되는 것을 방지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 제2 수평공(105)에 반드시 관로가 설치되어야 하는 것은 아니며, 관로를 설치하지 않을 수도 있다.
[제2 실시예]
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 지열 발전 방법을 보여주는 단면도이다.
상기 지열 발전 방법은, 제1 실시예의 지열 발전 방법과 비교하여, 지하 공동(110)이 천심도(대략, 지하 50m ~ 100m)에 위치한다는 차이점이 있다. 지하 공동(110)이 천심도에 위치하므로, 발전 설비(터빈, 발전기 등)를 지하 공동(110)에 설치하기가 대심도(지하 2 ~ 4 km)의 경우 보다 용이하다. 그리고, 지하의 온도가 일정하고, 증기와 고온수를 지상까지 펌핑할 필요가 없으므로 펌핑에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다.
제1 수평공(102)을 통해서 이동된 증기 및/또는 고온수는 수직공(206)을 통해서 위로 상승한 후 기액 분리기(120)에 공급된다.
수직공(206)을 통해 증기와 고온수를 상승시키는 방법은 펌핑에 의한 방법과 수두차를 이용한 방법 등이 있다.
펌핑을 이용하는 방법은 지열 발전에서 생산된 전기로 펌프(도면에 미도시)를 구동하여 고온수를 빠르게 펌핑하는 방식이다.
그리고, 수두차를 이용하는 방법은 물 주입량을 조절하여 주입정(1)의 수두(vertical level)를 발전기의 수두보다 약간 높도록 유지함으로써 별도의 에너지 공급없이 수직공(206)을 통해 고온수를 상승시키는 방법이다. 이 방법은 펌핑 에너지 공급이 필요 없으므로 발전 효율이 높으나 물 사용량이 많이 증가하는 단점이 있다.
기액 분리기(120)는 증기와 고온수를 분리하여, 증기를 터빈(5)에 공급하고 고온수를 제2 수평공(105)으로 배출한다. 한편, 지하 공동(110)과 제2 수평공(105)의 높이 차이가 큰 경우에는 별도의 천공홀(도면에 미도시)을 통해 형성하고 그 천공홀을 통해서 고온수를 배출할 수도 있다.
터빈(5)을 작동시킨 증기는 생산정(2)을 통해서 지상으로 배출되고, 생산정(2)의 벽면에 생긴 응축수는 연결공(207)을 통해서 제2 수평공(105)으로 이동된다. 생산정(2) 중에서 연결공(207)과 연결된 부분 및 그 상측의 적어도 일부 구간에는 가이드 부재(140)(140a)가 설치되는 것이 바람직하다.
발전된 전기 에너지는 전선(도면에 미도시)을 통해서 지상으로 공급되는데, 상기 전선은 생산정(2)에 설치되거나 별도의 수갱(도면에 미도시)에 설치될 수도 있다.
[제3 실시예]
도 7a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 지열 발전 방법을 보여주는 단면도이고, 도 7b는 도 7a의 평면도이다.
상기 지열 발전 방법은, 제1 실시예의 지열 발전 방법과 비교하여, 복수 개의 제1 수평공(102)이 병렬로 구비되고, 이에 따라 주입정(1)을 통해 주입된 물은 복수 개의 제1 수평공(102)을 통해서 이동한 후 터빈(5)에 도달한다.
구체적으로, 주입정(1)의 하단에는 복수 개의 제1 수평공(102)이 연결되고, 각각의 제1 수평공(102)은 서로 이격된 상태로 지하 열원(R)을 관통하도록 연장된 후 기액 분리기(120)에 연결된다. 한편, 완전 포화상태 또는 과열 상태의 건증기가 공급되는 경우에는 기액 분리기가 필요하지 않을 수도 있는데, 이 경우에는 복수 개의 제1 수평공(102)이 터빈(5)에 직접 연결될 수도 있다.
도면에는 복수 개의 제1 수평공(102)이 좌우 방향(y 방향)으로 서로 이격된 것으로 도시되어 있으나, 복수 개의 제1 수평공(102)이 상하 방향(z 방향)로 서로 이격되거나 상하 좌우로 서로 이격되도록 배치될 수도 있다.
제1 수평공(102)이 복수 개로 구비되면, 제1 수평공(102)이 하나일 때와 비교하여, 더 많은 증기를 터빈(5)에 공급할 수 있으므로 발전 효율이 상승될 수 있다.
한편, 제2 실시예의 지열 발전도 복수 개의 제1 수평공(102)과 수직공(206)을 구비할 수도 있다. 즉, 도 6에는 하나의 제1 수평공(102)과 하나의 수직공(206)을 통해서 증기와 고온수가 공급되는 것으로 도시되어 있으나, 복수 개의 제1 수평공(102)이 병렬로 구비되고, 이러한 복수 개의 제1 수평공(102)이 하나의 수직공(206)에 연결되어 증기와 고온수를 공급하거나 각각의 제1 수평공(102)이 각각의 수직공(206)에 연결되도록 할 수도 있다.
[수직 심도, 제1 수평공의 직경, 제1 수평공 양단의 높이 차이, 증기 유량 등 계산]
아래에서는 제1 실시예에 따른 지열 발전 구조의 수직 심도(Lv), 제1 수평공(102)의 직경(di), 제1 수평공(102) 양쪽 단부의 높이 차이(dLv), 증기 사용량(Q) 등을 구체적으로 계산해 보기로 한다.
본 명세서에서는 천공을 위한 변수를 아래와 같이 4개로 설정하였다.
[표 1]
Figure 112017088215983-pat00001
위와 같이 설정된 4가지 변수값의 변화에 따라 지열 발전에 필요한 최소한의 제1 수평공 길이(Lh, 즉, 수평 천공 길이)를 계산하였다. 상기 4개 변수 중 특정 변수를 분석할 때에는 나머지 3개 변수값으로 기본값을 적용하였다. 그리고, 대상 지역은 현재 지열 발전소가 시공 중인 대한민국 경상북도 포항으로 선정하였다. 참고로, 포항의 지열 구배는 45℃/km이다.
(1) Lv(수직 심도) 계산
도 2에 나타난 바와 같이, Lv는 지상에서 제1 수평공(102) 하단까지의 길이를 나타낸다. 분석을 위해서, Lv의 범위를 1km ~ 6km로 한정하고 나머지 3개 변수를 기본값으로 설정하였다. 분석 결과를 [표 2]와 도 8에 나타내었다.
[표 2]
Figure 112017088215983-pat00002
Lv가 3km 이하(즉, Lv ≤ 3km)일 때에는 심부 지온이 물의 끓는점 보다 낮기 때문에 지열에 의한 증기터빈 발전이 불가능하다. 그리고, Lv가 5km 이상인 경우에는 더 깊이 천공을 하더라도 수평 천공 길이(Lh) 축소 효과는 미미하다.
따라서, Lv가 3.5 ~ 4km인 경우(즉, 3.5km ≤ Lv ≤ 4km)가 포항 지역의 지열 발전에 적정하며 가장 경제적인 것으로 판단된다.
(2) 제1 수평공의 직경(di) 계산
제1 수평공(102)의 직경(di)을 0.1m ~ 1.5m로 증가시키면서 변수 분석을 실시하였고, 그 결과를 [표 3]과 도 9에 나타내었다.
[표 3]
Figure 112017088215983-pat00003
터빈(5)의 증기 사용량(Q)에 따라 제1 수평공(102) 내부의 유속이 결정되는데, 제1 수평공(102)의 직경(di)이 증가할수록 유속이 느려져서 가열시간이 증가하지만 관 내부의 물 무게가 증가하여 필요한 온도까지 가열하는데 필요한 열량이 많아지므로 수평 천공 길이(Lh)는 일정한 값이 도출되었다.
따라서, 직경(di)은 독립 인자가 아니라, 터빈(5)의 증기 사용량에 따라 결정되는 의존 인자인 것으로 판단된다.
심부 지열의 열전달 효율을 고려할 때, 직경(di)이 작을수록 열전달에 유리하므로, 최소값(0.155 ~ 0.3m)을 적용하는 것이 유리할 것으로 판단되며, 이 점은 열전달 효율과 경제성을 복합적으로 고려해야 한다.
(3) dLv (제1 수평공 양쪽 단부의 높이 차이) 계산
제1 수평공(102) 양단의 높이차(dLv)가 증가할수록 지하 공동(110)에서의 대기압과 정수압이 증가하여 끓는점이 높아진다. 따라서, 높아진 끓는점까지 가열하기 위해서 가열시간(hr)이 늘어나고 이로 인해 제1 수평공(102)의 길이도 높이차(dLv)에 비례해서 증가한다. 구체적인 결과는 [표 4]와 도 10에 도시되어 있다.
그러나, 높이차(dLv)를 주는 것이 터빈 발전에 보다 효율적이므로, 제1 수평공(102)의 길이를 일부 증가하는 것에 비해 발전 효율 상승폭이 더 크다면 적절한 높이차(dLv)를 유지하는 것이 바람직하다. 본 결과는 단순한 변수분석 결과이므로, 해당 높이차(dLv)는 발전 시설의 실험 결과를 바탕으로 정밀하게 조사된 후 적용되는 것이 바람직하다.
[표 4]
Figure 112017088215983-pat00004
소규모 발전시, 적절한 dLv는 10m ~ 30m이고 가열에 필요한 길이(Lh)는 269m ~ 324m로 조사되었다. 그리고, θ는 2.1˚ ~ 5.3˚의 범위를 갖게 된다.
(4) Q(증기 사용량) 계산
가열 시간을 일정하게 유지할 때 증기 사용량(Q)에 비례해서 유속(v)과 Lh가 증가하는데, Lh는 증기 사용량(Q)에 가장 민감하게 반응하는 것으로 나타났다. 구체적인 계산 결과는 [표 5]와 도 11에 나타나 있다.
따라서, 전기 발전량에 따라 Lh를 가장 많이 고려하여 설계해야 하고, 현재 기술 수준에서 수평 시추길이는 0.8km ~ 1km 이내가 적절하므로 증기 사용량(Q)은 1m3/hr ~ 3m3/hr의 소형 발전설비로 설정하고 Lh는 300m ~ 900m 이내로 설계하는 것이 현실적인 것으로 판단된다.
[표 5]
Figure 112017088215983-pat00005
(5) 결론
위 (1)~(4)를 종합하면, 각 설계인자의 최적 범위는 [표 6]과 같다.
[표 6]
Figure 112017088215983-pat00006
[지열 발전 구조 시공방법]
아래에서는 도 2의 지열 발전 구조를 시공하는 방법을 설명하기로 한다.
(1) 시공방법 1
먼저, 도 12(a)에 나타난 바와 같이, 주입정(1)과 제1 수평공(102)을 한꺼번에 굴착한다. 주입정(1)과 제1 수평공(102)을 한꺼번에 굴착하는 것은, 주입정(1)과 제1 수평공(102)을 각각 굴착하는 것 보다, 시공 기간과 비용을 줄일 수 있다. 한편, 도면 참조부호 160은 굴착 수단을 나타낸다.
이러한 굴착은 당업계에 이미 알려진 기술 예를 들어, 조향식 수평천공(HDD, Horizontal Directional Drill)으로 이루어질 수 있다. 상기 조향식 수평천공은 지반 굴착과 동시에 관로를 매설할 수 있는 공법이다. 상기 매설된 관로는 지반으로부터 불순물이 유입되는 것을 방지하는데, 열전달 효율을 고려하면 동관이 바람직하다.
또한, 상기 굴착은 본 출원인의 특허등록 제10-1652991호, 제10-1677278호, 제10-1710582호 등에 기재된 확공기를 이용하여 이루어질 수도 있다. 확공기의 후방에 관로를 연결하면 굴착과 동시에 관로를 매설할 수 있다.
이어서, 도 12(b)에 나타난 바와 같이, 생산정(2)을 수직으로 굴착한다. 생산정(2) 굴착도 상술한 기술(조향식 수평천공기 또는 확공기)을 이용하여 이루어질 수 있다.
생산정(2) 굴착이 완료되면, 도 12(c)에 나타난 바와 같이, 지하 공동(110)을 굴착한다. 지하 공동(110) 굴착은 워터젯 장치(170)을 이용하여 이루어질 수 있다. 워터젯 장치는 고압수를 연마재와 함께 분사하여 암반을 굴착, 분쇄한다.
지하 공동(110) 굴착이 완료되면, 도 12(d)에 나타난 바와 같이, 조향식 수평천공기기 또는 상기 확공기를 이용하여 제2 수평공(105)을 굴착한다. 한편, 생산정(2)을 굴착하고 제2 수평공(105) 굴착을 먼저 완료한 후 지하 공동(110)을 굴착할 수도 있다.
아울러, 바이패스공(103)을 굴착하여 지하공동(110)과 제2 수평공(105)을 연결한다.
(2) 시공방법 2
먼저, 도 13(a)에 나타난 바와 같이, 주입공(1)과 제1 수평공(102) 및 생산정(2)을 한꺼번에 굴착한다. 주입공(1)과 제1 수평공(102) 및 생산정(2)을 한꺼번에 굴착하는 것은, 주입공(1)과 제1 수평공(102) 및 생산정(2)을 각각 분리하여 굴착하는 것 보다, 시공 시간과 비용을 줄일 수 있다.
이러한 굴착은, 위에서 설명한 바와 같이, 조향식 수평천공(HDD, Horizontal Directional Drill) 또는 상술한 확공기로 이루어질 수 있다.
주입정(1)을 아래쪽으로 수직 굴착한 후 주입정(1)의 하단에서 제1 수평공(102)을 수평 방향으로 굴착하고, 제1 수평공(102)의 좌측 끝단(도 13(a)의 좌측 끝단)에서 위를 향하여 수직으로 생산정(2)을 굴착한다. 이에 대한 대안으로서, 생산정(2)을 먼저 굴착한 후, 제1 수평공(102)과 주입정(1)을 순차적으로 굴착할 수도 있다.
이어서, 도 13(b)에 나타난 바와 같이, 생산정(2)과 주입정(1)을 연결하도록 제2 수평공(105)을 수평방향으로 굴착한다. 이에 대한 대안으로서, 생산정(2)과 제1 수평공(102)을 연결하도록 제2 수평공(105)을 굴착할 수도 있는데, 이 경우에 고온수와 응축수는 주입정(1)을 거치지 않고 제2 수평공(105)에서 제1 수평공(102)으로 이동한다.
마지막으로, 도 13(c)에 나타난 바와 같이, 지하공동(110)을 굴착한다. 상술한 바와 같이, 지하 공동 굴착은 워터젯 장치(170)를 이용해서 이루어질 수 있다. 그리고, 지하공동(110) 굴착이 완료되면 바이패스공(103)을 굴착하여 지하 공동(110)과 제2 수평관(105)을 연결한다.
한편, 이상에서는 도 2의 지열 발전 구조의 시공 방법을 설명하였으나, 도 6 ~ 7b의 지열 발전 구조의 시공 방법은 본 명세서를 참조한 당업자가 쉽게 알 수 있을 것이므로 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.
1 : 주입정 2 : 생산정
3 : 모래 필터 4 : 기액 분리기
5 : 터빈 6 : 열교환기
7 : 발전기 102 : 제1 수평공
103 : 바이패스공 104 : 펌프
105 : 제2 수평공 110 : 지하 공동
120 : 기액 분리기 140, 140a : 가이드 부재
141 : 가이드 부재의 내측 공간 142 : 가이더
143 : 관통공 144 : 배수관
145 : 유입공 160 : 굴착수단
170 : 워터젯 장치 206 : 수직공
207 : 연결공 R : 지하 열원
Lv : 지상에서 제1 수평공 하단까지의 길이
Lv1 : 주입정의 길이
dLv : 제1 수평공 양단의 높이차
Lh : 제1 수평공의 길이

Claims (12)

  1. (a1) 주입정(1)을 통해서 지상에서 물을 주입하는 단계;
    (b1) 주입정(1)을 통해서 주입된 물이 제1 수평공(102)을 통해 이동되며 가열되는 단계;
    (c1) 상기 (b1) 단계에서 가열되어 만들어진 증기로 터빈(5)을 구동하여 발전하는 단계; 및,
    (d1) 터빈(5) 구동에 사용된 증기를 생산정(2)을 통해서 지상으로 배출하고, 상기 (b1) 단계에서 지열에 의해서 가열되었지만 증기로 기화되지 못한 고온수 또는 생산정(2)의 벽면에 만들어진 응축수가 제2 수평공(105)을 통해서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동하는 단계;를 포함하고,
    터빈(5)과 발전기(7)는 지하 공동(110)에 설치되며,
    제1 수평공(102)은 적어도 상기 제1 수평공(102)의 일부분이 지하 열원(R)을 관통하도록 설치되어 제1 수평공(102)의 내부로 이동하는 물이 가열되어 증기로 만들어지며,
    상기 (d1) 단계에서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동된 고온수 또는 응축수는 제1 수평공(102)에서 재가열된 후 발전에 이용되고,
    제1 수평공(102)은 생산정(2)을 향해서 아래로 경사지도록 형성된 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.
  2. (a1) 주입정(1)을 통해서 지상에서 물을 주입하는 단계;
    (b1) 주입정(1)을 통해서 주입된 물이 제1 수평공(102)을 통해 이동되며 가열되는 단계;
    (c1) 상기 (b1) 단계에서 가열되어 만들어진 증기로 터빈(5)을 구동하여 발전하는 단계; 및,
    (d1) 터빈(5) 구동에 사용된 증기를 생산정(2)을 통해서 지상으로 배출하고, 상기 (b1) 단계에서 지열에 의해서 가열되었지만 증기로 기화되지 못한 고온수 또는 생산정(2)의 벽면에 만들어진 응축수가 제2 수평공(105)을 통해서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동하는 단계;를 포함하고,
    터빈(5)과 발전기(7)는 지하 공동(110)에 설치되며,
    제1 수평공(102)은 적어도 상기 제1 수평공(102)의 일부분이 지하 열원(R)을 관통하도록 설치되어 제1 수평공(102)의 내부로 이동하는 물이 가열되어 증기로 만들어지며,
    상기 (d1) 단계에서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동된 고온수 또는 응축수는 제1 수평공(102)에서 재가열된 후 발전에 이용되고,
    지하 공동(110)에는 제1 수평공(102)과 연결된 기액 분리기(120)가 설치되고, 기액 분리기(120)는 고온수와 증기를 분리하며, 기액 분리기(120)에 의해서 분리된 고온수는 바이패스공(103)을 통해서 제2 수평공(105)으로 이동하는 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.
  3. (a1) 주입정(1)을 통해서 지상에서 물을 주입하는 단계;
    (b1) 주입정(1)을 통해서 주입된 물이 제1 수평공(102)을 통해 이동되며 가열되는 단계;
    (c1) 상기 (b1) 단계에서 가열되어 만들어진 증기로 터빈(5)을 구동하여 발전하는 단계; 및,
    (d1) 터빈(5) 구동에 사용된 증기를 생산정(2)을 통해서 지상으로 배출하고, 상기 (b1) 단계에서 지열에 의해서 가열되었지만 증기로 기화되지 못한 고온수 또는 생산정(2)의 벽면에 만들어진 응축수가 제2 수평공(105)을 통해서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동하는 단계;를 포함하고,
    터빈(5)과 발전기(7)는 지하 공동(110)에 설치되며,
    제1 수평공(102)은 적어도 상기 제1 수평공(102)의 일부분이 지하 열원(R)을 관통하도록 설치되어 제1 수평공(102)의 내부로 이동하는 물이 가열되어 증기로 만들어지며,
    상기 (d1) 단계에서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동된 고온수 또는 응축수는 제1 수평공(102)에서 재가열된 후 발전에 이용되고,
    제1 수평공(102)은 복수 개가 병렬로 형성되고, 주입정(1)을 통해 주입된 물은 복수 개의 제1 수평공(102)을 통해서 이동한 후 터빈(5)에 도달하는 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.
  4. (a2) 주입정(1)을 통해서 지상에서 물을 주입하는 단계;
    (b2) 주입정(1)을 통해서 주입된 물이 제1 수평공(102)을 통해 이동되며 가열되는 단계;
    (c2) 상기 (b2) 단계에서 가열되어 만들어진 증기가 수직공(206)을 통해 위로 이동한 후 터빈(5)을 구동하여 발전하는 단계; 및
    (d2) 터빈(5) 구동에 사용된 증기를 생산정(2)을 통해서 지상으로 배출하고, 상기 (b2) 단계에서 지열에 의해서 가열되었지만 증기로 기화되지 못한 고온수 또는 생산정(2)의 벽면에 만들어진 응축수가 제2 수평공(105)을 통해서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동하는 단계;를 포함하고,
    터빈(5)과 발전기(7)는 지하 공동(110)에 설치되며,
    제1 수평공(102)은 적어도 상기 제1 수평공(102)의 일부분이 지하 열원(R)을 관통하도록 설치되어 제1 수평공(102)의 내부로 이동하는 물이 가열되어 증기로 만들어지며,
    상기 (d2) 단계에서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동된 고온수 또는 응축수는 제1 수평공(102)에서 재가열된 후 발전에 이용되고,
    제1 수평공(102)은 생산정(2)을 향해서 아래로 경사지도록 형성된 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.
  5. (a2) 주입정(1)을 통해서 지상에서 물을 주입하는 단계;
    (b2) 주입정(1)을 통해서 주입된 물이 제1 수평공(102)을 통해 이동되며 가열되는 단계;
    (c2) 상기 (b2) 단계에서 가열되어 만들어진 증기가 수직공(206)을 통해 위로 이동한 후 터빈(5)을 구동하여 발전하는 단계; 및
    (d2) 터빈(5) 구동에 사용된 증기를 생산정(2)을 통해서 지상으로 배출하고, 상기 (b2) 단계에서 지열에 의해서 가열되었지만 증기로 기화되지 못한 고온수 또는 생산정(2)의 벽면에 만들어진 응축수가 제2 수평공(105)을 통해서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동하는 단계;를 포함하고,
    터빈(5)과 발전기(7)는 지하 공동(110)에 설치되며,
    제1 수평공(102)은 적어도 상기 제1 수평공(102)의 일부분이 지하 열원(R)을 관통하도록 설치되어 제1 수평공(102)의 내부로 이동하는 물이 가열되어 증기로 만들어지며,
    상기 (d2) 단계에서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동된 고온수 또는 응축수는 제1 수평공(102)에서 재가열된 후 발전에 이용되고,
    지하공동(110)에는 수직공(206)과 연결된 기액 분리기(120)가 설치되고, 기액 분리기(120)는 수직공(206)을 통해서 이동된 고온수와 증기를 분리하며, 상기 증기는 터빈(5)을 구동하고, 상기 고온수는 제2 수평공(105)을 통해 이동한 후 제1 수평공(102)에서 다시 가열되는 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.
  6. (a2) 주입정(1)을 통해서 지상에서 물을 주입하는 단계;
    (b2) 주입정(1)을 통해서 주입된 물이 제1 수평공(102)을 통해 이동되며 가열되는 단계;
    (c2) 상기 (b2) 단계에서 가열되어 만들어진 증기가 수직공(206)을 통해 위로 이동한 후 터빈(5)을 구동하여 발전하는 단계; 및
    (d2) 터빈(5) 구동에 사용된 증기를 생산정(2)을 통해서 지상으로 배출하고, 상기 (b2) 단계에서 지열에 의해서 가열되었지만 증기로 기화되지 못한 고온수 또는 생산정(2)의 벽면에 만들어진 응축수가 제2 수평공(105)을 통해서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동하는 단계;를 포함하고,
    터빈(5)과 발전기(7)는 지하 공동(110)에 설치되며,
    제1 수평공(102)은 적어도 상기 제1 수평공(102)의 일부분이 지하 열원(R)을 관통하도록 설치되어 제1 수평공(102)의 내부로 이동하는 물이 가열되어 증기로 만들어지며,
    상기 (d2) 단계에서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동된 고온수 또는 응축수는 제1 수평공(102)에서 재가열된 후 발전에 이용되고,
    생산정(2)과 제2 수평공(105)을 연결하는 연결공(207)을 포함하고,
    생산정(2)의 벽면에 응축된 응축수는 연결공(207)을 통해서 제2 수평공(105)으로 이동하는 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.
  7. (a2) 주입정(1)을 통해서 지상에서 물을 주입하는 단계;
    (b2) 주입정(1)을 통해서 주입된 물이 제1 수평공(102)을 통해 이동되며 가열되는 단계;
    (c2) 상기 (b2) 단계에서 가열되어 만들어진 증기가 수직공(206)을 통해 위로 이동한 후 터빈(5)을 구동하여 발전하는 단계; 및
    (d2) 터빈(5) 구동에 사용된 증기를 생산정(2)을 통해서 지상으로 배출하고, 상기 (b2) 단계에서 지열에 의해서 가열되었지만 증기로 기화되지 못한 고온수 또는 생산정(2)의 벽면에 만들어진 응축수가 제2 수평공(105)을 통해서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동하는 단계;를 포함하고,
    터빈(5)과 발전기(7)는 지하 공동(110)에 설치되며,
    제1 수평공(102)은 적어도 상기 제1 수평공(102)의 일부분이 지하 열원(R)을 관통하도록 설치되어 제1 수평공(102)의 내부로 이동하는 물이 가열되어 증기로 만들어지며,
    상기 (d2) 단계에서 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)으로 이동된 고온수 또는 응축수는 제1 수평공(102)에서 재가열된 후 발전에 이용되고,
    제1 수평공(102)이 복수 개가 병렬로 형성되고, 주입정(1)을 통해 주입된 물은 복수 개의 제1 수평공(102)과 수직공(206)을 통해서 이동하여 터빈(5)에 도달하는 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.
  8. 제1항, 제2항, 제3항 및, 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산정(2)의 벽면에는 가이드 부재(140)가 설치되고, 가이드 부재(140)는 상기 벽면의 응축수를 제2 수평공(105) 또는 연결공(207)으로 유도하며,
    가이드 부재(140)는 나선형 스트립 구조로서, 가이드 부재(140)의 외측이 생산정(2) 벽면에 밀착되고 가이드 부재(140)의 내측 공간(141)은 비어 있으며, 상기 나선형 스트립은 벽면을 향해 아래쪽으로 경사진 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.
  9. 제1항, 제2항, 제3항 및, 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    생산정(2)의 벽면에는 가이드 부재(140a)가 설치되고, 가이드 부재(140a)는 상기 벽면의 응축수를 제2 수평공(105) 또는 연결공(207)으로 유도하고,
    가이드 부재(140a)는 링 형상의 가이더(142)에 배수관(144)이 연결된 구조이고,
    가이더(142)의 외측 테두리는 생산정(2) 벽면에 밀착되도록 설치되고 상기 가이더(142)의 내측 공간(141)은 비어 있으며, 가이더(142)는 배수관(144)을 향해 경사지도록 설치된 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.
  10. 제2항, 제3항, 제5항, 제6항 및, 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 수평공(102)은 생산정(2)을 향해서 아래로 경사지도록 형성된 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    제2 수평공(105)은 주입정(1) 또는 제1 수평공(102)을 향해서 아래로 경사지도록 형성된 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    지하 공동(110)은 지하 3.5km ~ 4km에 위치하고, 제1 수평공(102)은 0.155m ~ 0.3m의 내경을 가지며, 제1 수평공(102) 양단의 높이차(dLv)는 10m ~ 30m이되 제1 수평공(102)은 생산정(2)을 향해서 아래로 2.1˚ ~ 5.3˚로 경사지며, 터빈(5)에 공급되는 증기는 1m3/hr ~ 3m3/hr 인 것을 특징으로 하는 지열 발전 방법.

KR1020170116245A 2017-09-12 2017-09-12 발전 설비가 지하에 설치되고 지열에 의해서 가열된 고온수와 응축수가 재사용되는 지열 발전 방법 KR101936812B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170116245A KR101936812B1 (ko) 2017-09-12 2017-09-12 발전 설비가 지하에 설치되고 지열에 의해서 가열된 고온수와 응축수가 재사용되는 지열 발전 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170116245A KR101936812B1 (ko) 2017-09-12 2017-09-12 발전 설비가 지하에 설치되고 지열에 의해서 가열된 고온수와 응축수가 재사용되는 지열 발전 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101936812B1 true KR101936812B1 (ko) 2019-04-03

Family

ID=66165243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170116245A KR101936812B1 (ko) 2017-09-12 2017-09-12 발전 설비가 지하에 설치되고 지열에 의해서 가열된 고온수와 응축수가 재사용되는 지열 발전 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101936812B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007211633A (ja) * 2006-02-08 2007-08-23 Toshiba Corp 地熱発電システム
JP2016164395A (ja) * 2015-03-06 2016-09-08 ジャパン・ニュー・エナジー株式会社 地熱発電システム及び地熱発電方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007211633A (ja) * 2006-02-08 2007-08-23 Toshiba Corp 地熱発電システム
JP2016164395A (ja) * 2015-03-06 2016-09-08 ジャパン・ニュー・エナジー株式会社 地熱発電システム及び地熱発電方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100823361B1 (ko) 에너지 교환방법 및 에너지 교환장치
CA2742565C (en) Methods and systems for providing steam
EP3477220A1 (en) Method and apparatus for repurposing well sites for geothermal energy production
US7320221B2 (en) Method and apparatus for using geothermal energy for the production of power
US8430166B2 (en) Geothermal energy extraction system and method
CN105579661B (zh) 用于从井筒的等温段获取井下能量的系统和方法
CA2742563C (en) Methods and systems for providing steam
CN103748316B (zh) 用蒸汽和氧气的原位燃烧和分别注入的烃采收
CN103410488A (zh) 天然气水合物排水采气开采装置及其开采方法
US20110041500A1 (en) Supplemental heating for geothermal energy system
CN204252967U (zh) 干热岩多循环加热系统
CN105625993B (zh) 干热岩多循环加热系统及其生产方法
US8201409B1 (en) Closed loop, hot dry rock heat recovery fluid
US20120018120A1 (en) Geothermal energy extraction system and method
KR20180013355A (ko) 인공저류층 지열방식을 통한 심부지열발전시스템
KR101936812B1 (ko) 발전 설비가 지하에 설치되고 지열에 의해서 가열된 고온수와 응축수가 재사용되는 지열 발전 방법
CN207741060U (zh) 一组深入干热岩层的蒸汽生产装置
KR101055977B1 (ko) 지열 열교환기
CA3140862A1 (en) System and method for energy storage using geological formations as reservoirs
RU2004126073A (ru) Способ разработки местророждений битума и высоковязких нефтей и комплексная система оборудования, их обустровства для его осуществления (варианты)
JPH09112407A (ja) 地熱を利用した蒸気の採取方法及び採取装置
KR101673916B1 (ko) 연돌효과를 이용한 발전 시스템
RU2823425C1 (ru) Способ извлечения низкотемпературного петротермального тепла
RU2579061C1 (ru) Способ шахтно-скважинной добычи трудноизвлекаемой (битумной) нефти и технологический комплекс оборудования для его осуществления
RU2701029C1 (ru) Способ извлечения петротермального тепла