KR101960572B1 - 삼중발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 삼중발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 삼중발전 시스템은 가스엔진에 발전기와 냉난방장치가 각각 분리가능하게 결합되어 발전기만 가동하거나 냉난방장치만 가동하거나 또는 이들을 함께 가동할 수 있다. 즉, 발전과 냉난방 비율을 자유롭게 조절가능하므로 소비자의 다양한 에너지 수요 패턴에 유연하게 대응할 수 있다.

Description

삼중발전 시스템{TRIGENERATION SYSTEM}
본 발명은 분산발전 시스템 중 하나인 열병합 발전 시스템에 관한 것으로서, 특히 전력생산, 냉방 및 난방이 가능한 삼중발전 시스템에 관한 것이다.
최근 이슈가 되고 있는 분산발전이란 기존의 대규모 중앙집중형 발전과는 달리 전력수요지 주위에 소규모 발전원을 분산배치하는 발전방식을 말한다. 중앙집중형 발전은 대단위 화력수력원자력 발전소에서 생산된 전기를 전국에 깔려있는 송배전망을 통하여 일반 가정이나 건물에 공급하는 방식인 반면, 분산발전은 공장이나 건물 단위로 전기 발전 설비를 갖추고 필요한 전력을 자체적으로 발전하는 방식이라 이해할 수 있다.
분산발전은 중앙집중형 발전 방식에 비하여 몇 가지 장점이 있다. 우선 분산발전은 수요지 근처에 위치함으로써 생산된 전기를 수요지까지 공급하는데 필요한 송배전 인프라 건축 비용과 운영비용이 대폭 절감된다. 또한 중앙집중형 발전의 경우 송배전 과정에서 전력손실이 일어나고 이른바 '무효전력'으로 인한 손실도 상당한데 반하여, 분산발전의 경우 이러한 손실이 발생되지 않는다는 이점이 있다.
분산발전의 두 번째 장점은 대단위 발전소와 송전선 인프라를 건설하는데 따른 비용부담 및 민원문제가 발생하지 않는다는 이점이 있다. 특히, 중앙집중형 발전 중 효율이 높다고 하는 원자력 발전소의 건축은 발전소 후보 지역의 선정에 어려움을 겪을 수 있으며, 수력 발전소는 환경 보호 단체의 견제를 받을 수 있다. 고압 송전선의 경우 빈번히 민원의 대상이 된다. 분산발전은 이러한 민원으로부터 자유롭다.
세 번째 장점은 전력계통의 신뢰성을 높일 수 있다는 것이다. 중앙집중형 발전은 광역 송배전망을 통해 전력을 공급하는데, 송배전망 내에서 전체 수요와 공급이 일시적으로라도 상호 불균형이 일어나면 계통망 전체가 붕괴되며 광역정전 사태가 발생할 수 있다. 분산발전에서도 전력 수요와 공급의 불일치로 인한 계통망 붕괴 현상이 발생할 수 있지만, 해당 지역의 계통망만 붕괴되기 때문에 광역정전 사태는 방지를 할 수 있는 것이다.
네 번째 장점은 엔진/터빈에서 발생하는 배열을활용할 수 있어 높은 에너지 효율을 얻을수 있다는 점이다.
분산발전의 대표적인 예는 열병합 발전이다. 열병합 발전 시스템은 가스엔진에서 가스를 연소하여 생산한 동력으로 발전기를 구동하여 전력을 생산한다. 이 때 연소 후 배출되는 배가스의 열과 엔진 냉각수로 버려지던 냉각수 배열을 열교환기로 회수하여 흡수식 냉온수기를 통해 냉난방에 이용하게 되는데, 특히 냉방에 사용할 경우 전력생산, 냉방, 난방이 함께 가능하므로 이를 삼중발전(Trigeneration)이라고 칭한다.
기존의 삼중발전 시스템이 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 참고하면, 먼저 가스엔진에서는 가스연료를 공급받아 동력으로 전환하며, 발전기는 가스엔진의 동력을 전달받아 전력을 생산한다.
연료의 에너지의 일부는 가스엔진에서 동력 생산용 에너지로 전환되고, 나머지는 엔진 냉각수와 연소 후 배출되는 배가스의 열에너지 형태로 존재한다.
가스엔진을 냉각시킨 고온의 냉각수와 배가스 형태의 배열을 흡수식 냉온수기로 보내어 하절기에 냉방, 동절기에 난방용 에너지로 사용한다. 이러한 기존의 삼중발전 시스템의 문제점은 흡수식 냉온수기에 필요한 열에너지가 발전량에 종속된다는 것이다. 즉 전력 사용량(발전량)이 적을 경우 생산되는 열에너지도 감소한다. 따라서 냉난방 수요가 공급을 추가하는 경우 불필요하게 발전을 수행하거나 별도의 냉난방설비를 갖추어야 한다.
전력수요처의 에너지 수요 패턴은 매우 다양하다. 예컨대 사무실이 밀집해 있는 건물의 경우 냉난방 수용에 비하여 전력수요가 많다. 거꾸로 호텔이나 병원의 경우 전력수요에 비하여 냉난방 수요가 더 크게 나타난다. 전력과 냉난방이 비슷한 수준에서 요구되는 경우도 있다. 그러나 기존의 삼중발전 시스템은 수용가의 다양한 에너지 수요 패턴에 유연하게 대응할 수 없고, 주로 전력생산에만 초점이 맞춰져 있다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소비자의 다양한 에너지 수요 패턴에 맞게 에너지의 형태를 전력, 냉방에너지, 난방에너지 사이에서 유동적으로 변환할 수 있도록 구조가 개선된 삼중발전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
위 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 삼중발전 시스템은, 가스를 공급받아 연소하여 회전 동력으로 전환하는 가스엔진; 제1동력제어유닛에 의하여 상기 가스엔진에 분리가능하게 연결되어 선택적으로 전력을 생산하는 발전기; 제2동력제어유닛에 의하여 상기 가스엔진에 분리가능하게 연결되어 냉방 또는 난방을 수행하는 증기압축 방식의 냉난방장치; 상기 가스엔진의 배가스의 열을 회수하는 배열회수장치; 및 상기 배열회수장치에서 회수된 배열을 활용하여 에너지로 변환하는 배열활용장치;를 포함하여, 상기 가스엔진에서 생산된 동력을 전력에너지, 냉방에너지 및 난방에너지 중 적어도 어느 하나의 에너지로 유동적으로 전환가능한 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 배열활용장치는 전력생산을 위한 배열발전장치(ORC, Organic Rankine Cycle)이거나 또는 냉방 및 난방을 위한 흡수식 냉온수기 또는 배열구동 제습 냉방장치를 선택적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 냉난방장치는, 상기 제2동력제어유닛에 의하여 상기 가스엔진에 분리가능하게 연결되어 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 연결되며 상기 냉매와 공기 사이에 열교환을 수행하는 제1열교환기와, 상기 압축기에 연결되어 상기 냉매와 냉난방용 유체 사이에 열교환을 수행하는 제2열교환기와, 상기 제1열교환기와 제2열교환기 사이에 배치되어 냉매를 팽창시키는 팽창밸브를 구비하여, 냉방시에 상기 냉매는 상기 압축기로부터 제1열교환기, 팽창밸브. 제2열교환기 및 압축기로 순환되면서 상기 냉난방용 유체를 냉각시키고, 난방시에 상기 냉매는 상기 압축기로부터 제2열교환기, 팽창밸브, 제1열교환기 및 압축기로 순환되면서 상기 냉난방용 유체를 가열할 수 있다. .
그리고 상기 제2열교환기에서 냉각 또는 가열된 냉난방용 유체를 저장하기 위한 수조를 더 구비할 수 있다. 그리고 이 수조는 배열활용장치 중 하나인 흡수식 냉온수기와 연결되어, 흡수식 냉온수기에서 냉각 또는 가열된 유체를 저장가능하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 압축기는 복수 개 구비되어 상기 제2동력제어유닛에 의하여 선택적으로 구동가능하다. 또한 상기 압축기는 유량 제어를 통해 압축용량을 1~100% 사이에서 조절가능하다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서 상기 압축기는 2대가 구비되며, 각 압축기는 유량 제어를 통해 총 압축용량의 50%만을 선택적으로 활용가능하여, 2대의 상기 압축기 용량 전체를 100%로 하였을 때, 25%, 50%, 75% 및 100%의 4단계로 구동가능하다. 또한 각 단계에서 압축기 회전수와 밸브를 제어하여 냉매유량을 조절함으로써 5~100% 냉난방 용량제어가 가능하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 상기 가스엔진을 냉각시킨 후의 냉각수의 열은 상기 배열활용장치에 전달된다. 보다 구체적으로 상기 냉각수는 상기 배열회수장치로 유입되어 상기 가스엔진의 배가스에 의하여 승온된 후 상기 배열활용장치에서 열교환된 후, 상기 가스엔진으로 순환된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 배열회수장치와 배열활용장치 사이에 바이패스 밸브가 설치되며, 상기 배열회수장치에서 회수된 열을 선택적으로 상기 제1열교환기에 공급할 수 있다. 다만, 이 경우에 엔진 냉각수를 대기로 방열하는 데 이는 배열회수가 필요없는 경우에 한한다. 또한 난방운전 중 외기 온도가 낮을 때 공기나 냉매를 가열하여 냉매 사이클을 효율좋게 운전할 수 있도록 한다. 그리고 수조를 두어 수조 내 냉/온수를 이용하여 냉난방을 함으로써 추가적인 발전운전 모드 시간을 가져갈 수 있다.
본 발명에 따른 삼중발전 시스템에서는, 상기 제1동력제어유닛만 연결하여 발전만 수행하는 발전모드와, 상기 제2동력제어유닛만 연결하여 냉방 또는 난방만 수행하는 냉난방모드 및 상기 제1동력제어유닛 및 제2동력제어유닛을 모두 연결하여 전력생산 및 냉방과 난방 중 어느 하나를 함께 수행하는 복합모드 중 어느 하나의 모드를 선택 구동 가능하다.
본 발명에 따르면, 가스엔진에 발전기 및 냉난방기를 선택적으로 연결하여 에너지 수요시설에서 요구되는 전력, 냉난방 부하 비율에 따라 에너지 형태를 변환하여 공급할 수 있다.
또한, 가스엔진에서 배출되는 엔진 냉각수와 배가스의 배열을 배열활용장치를 통해 보조적인 냉방/난방에 사용하거나 또는 전력을 생산함으로써 에너지 수요시설의 전력 냉난방부하에 능동적으로 대응할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명은 궁극적으로 에너지 사용율 제고를 통하여, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 종래의 삼중발전 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 삼중발전 시스템을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에서 구현 가능한 5가지 모드의 구체적인 구동예를 설명하기 위한 표이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명에 따른 삼중발전 시스템에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 삼중발전 시스템을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 삼중발전 시스템은 가스엔진, 발전기, 냉난방장치, 배열회수장치 및 배열활용장치를 구비한다.
가스엔진은 가스를 연소하여 동력으로 전환하는 열기관이다. 예컨대 가스연소 피스톤 엔진을 사용할 수 있다. 즉 가스가 연소되면서 피스톤을 구동하고, 피스톤의 왕복운동은 축의 회전운동으로 변환될 수 있다.
발전기는 가스엔진에 선택적으로 결합된다. 즉, 제1동력제어유닛에 의하여 가스엔진의 회전축에 기계적으로 결합되거나 결합되지 않을 수 있다. 발전기가 가스엔진의 회전축에 결합되면 회전운동을 전력으로 생산하게 된다.
냉난방장치는 가스엔진의 동력을 냉방 또는 난방 에너지로 변환하기 위한 것이다. 냉난방장치도 발전기와 마찬가지로 제2동력제어유닛에 의해 가스엔진에 선택적으로 결합된다. 기존의 삼중발전시스템과 달리 본 발명에서는 가스엔진에 직접 냉난방장치를 연결하여 냉난방에너지를 생산한다는 점에서 특징이 있다.
본 발명에서 냉난방장치는 다양한 형태의 냉동사이클 및 히트펌프 사이클을 채용할 수 있다. 예컨대 본 실시예에서 사용하는 사이클 시스템은 압축기, 공기와의 열교환을 수행하는 제1열교환기, 냉난방유체와의 열교환을 수행하는 제2열교환기 그리고 제1열교환기와 제2열교환기 사이에 설치되는 팽창밸브를 구비한다.
압축기는 가스엔진에 제2동력제어유닛에 의하여 결합 및 분리될 수 있다.
냉동사이클의 경우를 먼저 설명한다. 도 2에서 파란색 화살표로 표시된 것이 냉동사이클에서의 냉매의 순환 방향이다.
압축기에서 증기 상태의 냉매가 단열압축되면서 고온고압의 상태로 사방밸브를 거쳐 제1열교환기로 유입된다. 제1열교환기에서 냉매는 등압냉각과정을 거친다. 즉 냉매로부터 공기로 열이 전달되면서 냉매는 액체 상태로 상변화하면서 응축된다. 냉난방장치가 냉방사이클로 활용되는 경우 제1열교환기는 냉동사이클에서의 응축기로 작용한다. 제1열교환기에서 배출된 냉매는 팽창밸브를 통과하면서 단열팽창하여 저온저압 상태로 변환된다. 냉매는 제2열교환기로 유입되어 냉난방유체와 열교환되면서 등압가열된 후 다시 원래의 상태로 압축기로 유입되어 사이클이 완성된다. 냉동사이클에서 제2열교환기는 증발기로 작용한다. 제2열교환기에서 냉매와 열교환하며 냉각된 유체를 이용하여 건물에 냉방을 수행하게 된다.
열펌프사이클은 도 2에서 빨강색 화살표로 표시되는데 냉동사이클과 반대 방향으로 사이클을 형성한다. 즉, 압축기에서 단열압축되어 고온고압의 냉매증기는 사방밸브와 제2열교환기를 거치면서 등압냉각된다. 즉, 냉난방유체와 열교환되면서 냉난방유체를 가열한 후 응축되어 액체 상태로 상변화된다. 냉난방장치가 열펌프사이클로 사용되는 경우 제2열교환기는 응축기로 작용한다. 여기서 가열된 냉난방유체를 이용하여 건물에 난방이 이루어진다. 제2열교환기를 나온 냉매는 팽창밸브에서 단열팽창되어 저온저압의 상태로 된다. 냉매액은 제1열교환기를 통과하면서 공기로부터 열을 전달받고 냉매 증기 상태로 변화하여 압축기로 유입된다. 열펌프사이클에서 제1열교환기는 증발기로 작용한다.
즉, 냉동사이클의 경우 제1열교환기는 응축기로 제2열교환기는 증발기로 활용되며, 반대로 열펌프 사이클로 활용될 경우 제1열교환기는 증발기로 제2열교환기는 응축기로 사용된다. 냉동사이클과 열펌프사이클은 이미 널리 알려진 기술이므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.
본 발명에서 냉난방장치를 냉동사이클 또는 열펌프사이클로 활용할지는 냉매의 순환방향에 의하여 결정되는데, 냉매의 순환방향은 압축기에 연결된 사방밸브에 의하여 조절된다. 압축기와 제1열교환기 그리고 압축기와 제2열교환기는 모두 사방밸브를 통해서만 연결되는데, 압축기에서 나온 냉매를 사방밸브에서 제1열교환기 또는 제2열교환기로 가이드하여 냉동사이클과 열펌프사이클을 결정한다.
그리고 냉난방유체는 냉난방장치에서 열교환된 후 즉시 냉난방에 사용될 수도 있지만 도 2에 도시된 바와 같이 단열처리된 수조에 일시적으로 저장된 후 냉난방에 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에서 압축기는 1기만 사용할 수도 있지만, 수요자의 다양한 전력부하 및 냉난방 부하의 비율에 대응하기 위하여 복수 개를 사용할 수도 있다. 본 실시예에서는 2개의 압축기를 사용한다. 따라서 제2동력제어유닛도 2개가 마련된다. 2기의 압축기가 함께 구동될 수도 있고, 1기의 압축기만 구동되거나, 경우에 따라서는 압축기를 구동하지 않을 수도 있다. 이에 대해서는 뒤에서 본 발명에 따른 삼중발전 시스템의 운전모드를 설명할 때 다시 설명하기로 한다. 그리고 각 압축기는 압축능력을 100%로 사용할 수도 있지만, 압축기 내 장착되 바이패스 벨브 제어를 통해 압축기 토출 배관의 냉매 증기 일부를 압축기 흡입배관으로 보내어 단계적으로 시스템의 냉매 유량을 제어할 수 있다. 또한 압축기 회전수 제어를 통해 정격 냉난방 능력 대비 5~100% 운전이 가능하다.
배열회수장치는 가스엔진에서 연소 부산물로 발생하는 고온의 배가스의 열을 회수하기 위한 것이다. 또한 가스엔진을 냉각한 후 가열된 냉각수의 열을 회수하는데도 사용된다. 냉각수는 가스엔진을 냉각시키면서 대략 70~90℃ 정도의 온도가 된다. 그리고 가스엔진의 배가스는 대략 400~600℃의 고온이다. 배열회수장치에서 냉각수는 배가스에 의하여 가열, 승온된 후 도 2의 A1으로 표시된 루트를 따라 순환된다. 즉 가열된 냉각수는 배열활용장치로 유입되어 열에너지로 활용된다. 냉각수는 배열활용장치에서 열전달 과정을 통해 냉각된 후 다시 가스엔진으로 리턴되는 순환과정을 거치게 된다. 배가스는 배열회수장치에서 열전달후 외부로 방출된다.
다만, 배열회수장치와 배열활용장치 사이에는 삼방밸브가 설치되어 냉각수를 배열활용장치로 보내지 않고 도 2에 A2로 표시된 루트를 따라 순환될 수 있다. 냉난방장치를 겨울철에 열펌프사이클로 사용하는 경우 제1열교환기에서는 냉매가 제1열교환기에서 공기로부터 열을 흡수해야 하는데 실외 공기의 온도가 낮은 경우 냉매가 충분히 열을 전달받을 수 없게 된다. 즉 난방 능력이 저감될 수 있다. 이에 배열회수장치에서 삼방밸브를 통해 냉각수를 A2 루트로 바이패스시켜 제1열교환기로 보내어 냉매가 고온으로 가열될 수 있도록 열전달한다. 냉각수는 다시 가스엔진으로 회수되어 순환된다.
한편 상기와 같이 냉매를 가열할 수도 있지만, 증발기로 향하는 공기를 가열하여 냉매 사이클의 압축비를 올려 효율을 올리는 방법도 적용가능하다.
앞에서 설명한 예에서는 냉각수 자체가 배열회수장치에서열교환한 후 배열활용장치 또는 제1열교환기에서 열을 전달하는 열전달매체로 작용하는 것으로 설명하였다. 그러나 실시예에 따라서는 냉각수를 직접 열전달매체로 사용하지 않고 별도의 열유체를 사용할 수도 있다. 예컨대, 배열회수장치에서 별도의 열유체가 냉각수 및 배가스와 열교환한 후 배열활용장치 또는 제1열교환기로 보내지면서 순환사이클을 형성할 수 있다. 이 때 냉각수는 배열회수장치에서 열교환한 후 바로 가스엔진으로 리턴되는 방식으로 순환될 수 있다.
배열활용장치는 배열회수장치에서 회수된 열에너지를 전력으로 전환하거나 또는 냉방/난방에 활용하기 위한 것이다. 열에너지를 전력으로 활용하기 위해서는 유기랭킨사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)을 배열활용장치로 사용할 수 있다. 유기랭킨사이클은 폐열을 전기에너지로 생산하는 시스템으로서 물보다 증기압이 높은 유기열매체를 작동유체로 사용하는 사이클을 말한다. 본 발명에서는 가스엔진에서 발생한 배열을 이용하여 유기랭킨사이클 시스템에서 전력에너지를 추가적으로 생산할 수 있다. 유기랭킨사이클은 공지의 시스템인 바 자세한 설명은 생략한다.
배열회수장치를 또 다른 냉방에 이용하기 위해서 본 실시예에서는 제습냉방장치를 사용할 수 있다. 제습냉방장치는 흡착제를 이용하여 실내로 유입되는 공기 중의 수분을 제거하여 냉방부하 중 잠열부하를 줄이는 장치인데, 흡착제가 계속 수분을 흡착하면 성능이 떨어지므로 흡착제에 열을 가하여 흡착제의 수분을 제거한 후 다시 사용하곤 한다. 여기서 흡착제에 열을 가하는 열원으로 배열을 이용할 수 있다. 제습냉방장치도 공지의 기술인 바 자세한 설명은 생략하기로 한다.
배열활용장치를 냉난방에 사용하기 위해서 본 실시예에서는 흡수식 냉온수기를 사용할 수 있다. 흡수식 냉온수기는 일반적으로 물을 냉매로 사용하고, 리튬 브로마이드를 흡습제로 사용하여 사이클을 이루면서 냉방 및 난방을 수행하는 장치이다. 흡수식 냉온수기를 활용하기 위해서 도 2에 도시된 바와 같은 냉각탑이 설치된다. 흡수식 냉온수기는 가스엔진에서 발생한 배열을 열원으로 하는 흡수식 냉온수기를 활용하여 추가적으로 냉난방유체를 가열 또는 냉각시킬 수 있다. 냉난방유체는 직접 냉방 및 난방을 수행하는데 사용될 수도 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이, 단열 처리가 된 수조에 일시적으로 저장된 후 활용될 수 있다. 흡수식 냉온수기도 공지의 장치인 바 자세한 설명은 생략하기로 한다.
위에서 설명한 본 발명에 따른 삼중발전 시스템에서 가장 큰 구조적 특징은 냉난방을 위한 압축기를 직접 가스엔진에 연결하였다는 점이다. 기존의 시스템에서는 가스엔진에는 발전기만을 직접 연결하고 발전기에서 나오는 배열을 활용하여 냉난방을 수행하였다. 즉 발전이 우선이고, 발전의 부산물인 폐열을 이용하여 부가적으로 냉난방을 수행한 것이다. 그러나 앞에서도 설명하였지만 수요자의 에너지 사용 패턴은 다양하기 때문에 냉난방부하와 전력부하의 비를 수요자의 패턴에 대응시켜야 한다. 본 발명에서는 발전기와 압축기를 직접 가스엔진에 결합시켜 전력과 냉난방 비율을 원하는 비율로 조절할 수 있게 하였다.
이에 따라 본 발명에 따른 삼중발전 시스템에서는 에너지 사용 패턴에 따라 5가지의 모드로 시스템을 운용가능하다.
도 3은 본 발명에서 구현 가능한 5가지의 모드를 설명하기 위한 표이다.
도 3을 참고하면, 본 발명에서 삼중발전 시스템을 운용하는 모드는 냉방모드, 난방모드, 냉방-발전모드, 난방-발전모드, 발전모드, 이렇게 5가지이다.
도 3에서, 엔진 동력효율은 32%, 냉방COP는 3, 난방COP는 4로 가정하며, 발전기 효율을 90%, 총효율(동력효율+배열회수)은 88%로 전제한다. 또한 압축기 요구동력을 엔진 최대출력의 75%로 가정(실제 최대출력의 75%만 압축기 사용)하고, 냉난방 사이클은 동일한 온도조건을 전제한다. 예를 들어 1800 rpm에서 엔진 출력이 100 kW일 때 압축기에 필요한 동력은 75kW로 설계합니다. 그래서 냉방-발전, 난방-발전 모드에서 압축기가 100% 운전을 해도 냉난방 운전 모드와 달리 남는 동력이 있어 발전이 가능하게 됩니다.
모드의 운전조건에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
냉방모드와 난방모드에서는 발전기는 가스엔진과 결합되지 않고 압축기만 가스엔진과 결합된 상태이다. 배열활용장치는 5가지 모드에서 모두 운전상태를 유지한다.
본 실시예에서 냉방모드에서는 입력에너지(가스연료) 100에 대하여 가스엔진은 32를 동력으로 전환시킨다. 그리고 이 동력은 증기압축식 냉동사이클의 냉매 압축기를 구동시켜 증발기에서의 냉열과 응축기에서의 열을 생산하며, 동시에 엔진 배열 역시 발생한다. 냉방모드라고 해서 냉열만을 생산하는 것은 아니고, 응축기에서의 열과 배열 두 가지 열이 생산된다.
난방모드에서는 냉방모드와 마찬가지로 발전기는 운전하지 않고 냉난방장치와 배열활용장치만 사용한다. 냉난방장치는 열펌프사이클로 운전되어 난방열을 만들어내고, 배열활용장치에서는 그냥 배열을 바로 사용하거나, 흡수식 냉온수기를 이용하거나, 또는 배열발전장치를 구동하거나, 또는 외기 온도가 낮을 시 냉매를 가열하거나 외부 온도를 가열하는데 사용될 수 있다.
물론 냉방모드와 난방모드에서도 배열활용장치를 이용하여 전력을 일부 생산할 수 있을 것이다.
냉방모드와 난방모드는 모두 에너지 수요 패턴에서 냉난방부하가 매우 큰 경우를 대비한 것이다. 그러나 발전과 냉난방이 동시에 이루어지는 것이 일반적이다. 이에 냉난방과 발전을 함께 수행하는 모드가 중요하다.
냉방-발전모드에서는 압축기와 발전기를 모두 가동한다. 발전기에서는 전력을 생산하고, 냉난방장치에서는 냉동사이클로 운전되어 냉열을 생산한다. 배열활용장치에서는 배열을 이용하여 난방용 열을 생산할 수 있다. 이 때 중요한 점은 2대의 압축기를 이용하여 냉방 능력을 조절할 수 있다는 것이다. 2대의 압축기는 각각 대수제어를 통해 50%와 100%의 2단계로 압축능력을 발휘할 수 있도록 되어 있다. 또한 2기의 압축기 중 1기만 운용할 수도 있다. 따라서 2대의 전체 압축능력을 100으로 본다면 25%, 50%, 75%, 100%의 4단계로 압축능력을 조절할 수 있다. 즉, 냉방부하가 큰 경우에는 75%, 100%로 운전하면서 발전량을 줄이고, 전력부하가 크고 냉방부하는 작은 경우 압축기를 25%, 50%로 운전하여 에너지 패턴에 대응할 수 있다.
발전-난방모드도 위와 마찬가지이다. 발전기와 냉난방장치 및 배열활용장치를 모두 가동한다. 냉난방장치는 열펌프사이클로 작동되어 난방용 열을 만들어 낸다. 이 때에도 2기의 압축기의 선택적 사용과 대수 제어를 통해 압축능력을 4단계로 조절하여 난방부하와 전력부하에 능동적으로 대처할 수 있다.
마지막으로 발전모드는 발전기만 가동하고 냉난방장치는 가동하지 않는 상태이다. 물론 배열활용장치를 가동하여 추가적으로 전력을 생산할 수도 있고 약간이지만 냉난방부하에 대처할 수도 있다. 전력부하가 큰 경우를 대비한 모드이다.
본 발명에 따른 삼중발전 시스템에서, 냉방, 난방 및 발전 용량은 각각 50~130kW, 50~150kW, 20~100kW 정도이며, 이에 맞게 가스엔진의 용량을 설정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 기존의 삼중발전과 달리 소전력생산과 냉난방 에너지 생산의 비율을 자유롭게 조절할 수 있는 바 사용자의 다양한 에너지 소비 패턴에 능동적으로 대응할 수 있다는 이점이 있다.
또한 열병합 발전의 기본적 이점들, 즉 엔전의 배열을 모두 활용하여 추가적인 전력생산이나 냉난방을 선택적으로 수행할 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (15)

  1. 가스를 공급받아 연소하여 회전 동력으로 전환하는 가스엔진;
    제1동력제어유닛에 의하여 상기 가스엔진에 분리가능하게 연결되어 선택적으로 전력을 생산하는 발전기;
    제2동력제어유닛에 의하여 상기 가스엔진에 분리가능하게 연결되어 냉방 또는 난방을 수행하는 냉난방장치;
    상기 가스엔진의 배가스의 열을 회수하는 배열회수장치; 및
    상기 배열회수장치에서 회수된 배열을 활용하여 에너지로 변환하는 배열활용장치;를 포함하여,
    상기 가스엔진에서 생산된 동력을 전력에너지, 냉방에너지 및 난방에너지 중 적어도 어느 하나의 에너지로 유동적으로 전환가능하며,
    상기 냉난방장치는, 상기 제2동력제어유닛에 의하여 상기 가스엔진에 분리가능하게 연결되어 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 연결되어 상기 냉매와 공기 사이에 열교환을 수행하는 제1열교환기와, 상기 압축기에 연결되어 상기 냉매와 냉난방용 유체 사이에 열교환을 수행하는 제2열교환기와, 상기 제1열교환기와 제2열교환기 사이에 배치되어 냉매를 팽창시키는 팽창밸브를 구비하여, 냉방시에 상기 냉매는 상기 압축기로부터 제1열교환기, 팽창밸브. 제2열교환기 및 압축기로 순환되면서 상기 냉난방용 유체를 냉각시키고, 난방시에 상기 냉매는 상기 압축기로부터 제2열교환기, 팽창밸브, 제1열교환기 및 압축기로 순환되면서 상기 냉난방용 유체를 가열하며,
    상기 제2열교환기에서 냉각 또는 가열된 냉난방용 유체를 저장하기 위한 단열처리된 수조를 더 구비하며, 상기 냉난방용 유체는 상기 수조에서 일시적으로 저장된 후 냉난방에 사용되며,
    냉방 또는 난방능력이 최대가 되도록 상기 압축기를 구동하는 경우에도 상기 발전기에서 발전이 가능하도록 상기 가스엔진과 압축기의 용량이 결정되고,
    상기 압축기는 2대가 구비되며, 각 압축기는 대수 제어를 통해 총 압축용량의 50%만을 선택적으로 활용가능하여, 2대의 상기 압축기의 압축용량 전체를 100%로 하였을 때, 25%, 50%, 75% 및 100%의 4단계로 구동가능한 것을 특징으로 하는 삼중발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배열활용장치는 전력생산을 위한 유기랭킨사이클 시스템(ORC, Organic Rankine Cycle)인 것을 특징으로 하는 삼중발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배열활용장치는 냉방 및 난방을 위한 흡수식 냉온수기인 것을 특징으로 하는 삼중발전 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배열활용장치는 흡수식 냉온수기이며,
    상기 수조는 상기 배열활용장치와 연결되어, 상기 배열활용장치에서 냉각 또는 가열된 유체를 저장가능한 것을 특징으로 하는 삼중발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압축기는 복수 개 구비되어 상기 제2동력제어유닛에 의하여 선택적으로 구동가능한 것을 특징으로 하는 삼중발전 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가스엔진을 냉각시킨 후의 냉각수의 열은 상기 배열활용장치에 전달되어 열교환되는 것을 특징으로 하는 삼중발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각수는 상기 배열회수장치로 유입되어 상기 가스엔진의 배가스에 의하여 승온된 후 상기 배열활용장치에서 열교환된 후, 상기 가스엔진으로 순환되는 것을 특징으로 하는 삼중발전 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배열회수장치와 배열활용장치 사이에 바이패스 밸브가 설치되며,
    상기 배열회수장치에서 회수된 열을 선택적으로 상기 제1열교환기에 공급가능한 것을 특징으로 하는 삼중발전 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1동력제어유닛만 연결하여 발전만 수행하는 발전모드와,
    상기 제2동력제어유닛만 연결하여 냉방 또는 난방만 수행하는 냉난방모드 및
    상기 제1동력제어유닛 및 제2동력제어유닛을 모두 연결하여 전력생산 및 냉방과 난방 중 어느 하나를 함께 수행하는 복합모드 중 어느 하나의 모드를 선택 구동 가능한 것을 특징으로 하는 삼중발전 시스템.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서,
    냉방, 난방 및 발전 용량은 각각 50~130kW, 50~150kW, 90~250kW인 것을 특징으로 하는 삼중발전 시스템.
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