KR101970253B1 - 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기와 함께 합성가스 혼합된 혼합기가 유입되는 흡기 라인, 상기 흡기 라인과 연결되어 상기 혼합기의 연소로 동력을 발생시키는 엔진, 상기 엔진과 연결되어 배기가스를 외부로 배출하는 배기 라인, 상기 배기 라인으로 유동되는 배기가스의 일부를 상기 흡기 라인으로 재순환하는 리턴 라인 및 상기 배기가스 중 유해한 성분을 무해하게 산환/환원시키는 촉매모듈을 포함하는 열병합 발전 유닛 및 열병합 발전 시스템을 특징으로 한다.

Description

열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템{COGENERATION UNIT AND SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 효율 및 안정성이 향상되고, 배기가스의 유해물을 줄이는 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.

에너지 자원으로써 가장 널리 사용되는 화석 연료의 점진적인 고갈은 태양, 바람, 파도, 생물 유기체 및 그 폐기물과 같은 무한한 자연의 에너지를 이용함으로써 끊임없이 재생할 수 있는 대체에너지에 대한 관심으로 이어져 왔다. 그리고 무엇보다도 기존에 사용해온 화석연료와는 달리 공해가 거의 없는 청정한 에너지를 요구하게 되었다. 특히, 1990년대 들어 환경공해와 기후변화협약의 환경문제가 사회적 관심사로 대두되면서 그 중요성이 더욱 더 부각됨에 따라 기술 개발에 박차를 가하게 되었다.

대체에너지 사업 중에서 매립가스(LFG, Landfill Gas)를 이용한 발전사업은 매립가스 에너지 전환사업 중에서 지금까지 가장 많이 적용된 분야이다. 이러한 시스템의 원료가 되는 매립가스의 조성은 주로 45-60%의 메탄(CH4)과 35-40%의 이산화탄소(CO2)와 미량의 N2, O2 등으로 이루어져 있다. 매립가스는 메탄 함유량 50%를 기준으로 약 4,500∼5,500 kcal/m3 가량의 발열량을 지니고 있어 매립가스 자원화 사업의 가장 중요한 물질로 가스엔진 구동의 연료가 된다.

매립가스 등을 이용하는 합성가스 엔진은 전소형(Dedicated) 엔진과 혼소형(Dual Fuel) 엔진으로 구분할 수 있다. 　 혼소형 엔진은 기존 디젤엔진을 그대로 이용하므로 개조가 간단하고 가연한계가 넓어 연료성분의 변화에도 안정적인 운전이 가능하다. 전소형 엔진은 합성가스만을 연료로 사용한다는 점에서 장점이 있으나 연료의 발열량이 어느 정도 높고 가스 성분이 균일해야 한다는 점에서 가스 성분의 변동이 심한 곳에서는 가동에 어려움이 있다. 연소안정성이 확보되는 범위의 운전영역에서 엔진의 연료전환효율을 극대화하기 위해서는 연료-공기혼합기의 특성에 따른 각 부품의 정밀한 제어가 요구된다.

특히, 합성가스 연료의 농도가 희박한 경우에는 점화가 잘 일어나지 않아서 발전이 어려운 문제가 있고, 합성가스의 경우, 자연 흡기식 엔진으로 연소를 시키는 경우, 공급 압력이 낮아 출력을 향상시키는 데 한계가 존재한다.

특히, 합성가스가 엔진에서 연소되어 배출되는 배기가스에는 질소산화물 등의 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds : VOCs)을 포함된다. 이러한 휘발성 유기화합물은 유해대기물질, 악취의 원인 물질로 호흡기관의 장애, 발암성 등 인체에 대한 유해성과 함께 광화학 반응을 통한 스모그의 형성, 악취발생, 도시 오존농도의 상승 등의 환경오염을 일으키는 문제점이 존재한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 출력을 향상시키면서 안정성이 향상된 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배기가스 중에 유해물질을 줄이는 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 열병합 발전 유닛 및 열병합 발전 시스템은 공기와 함께 합성가스 혼합된 혼합기가 유입되는 흡기 라인, 상기 흡기 라인과 연결되어 상기 혼합기의 연소로 동력을 발생시키는 엔진, 상기 엔진과 연결되어 배기가스를 외부로 배출하는 배기 라인, 상기 배기 라인으로 유동되는 배기가스의 일부를 상기 흡기 라인으로 재순환하는 리턴 라인 및 상기 배기가스 중 유해한 성분을 무해하게 산환/환원시키는 촉매모듈을 포함한다.

여기서, 상기 리턴 라인의 일단은 상기 공기 흡기라인과 연결될 수 있다.

한편, 상기 촉매모듈은 상기 배기 라인에 배치되고, 상기 촉매모듈을 통과한 배기 가스의 일부가 상기 흡기 라인으로 재순환된다.

본 발명은 상기 배기가스를 냉각하는 배기가스 열교환기를 더 포함할 수 있다.

상기 촉매모듈과 상기 배기가스 열교환기를 통과한 배기가스 중 일부는 상기 배기 라인과 상기 흡기 라인의 압력차에 의해 상기 리턴 라인을 통해 상기 흡기 라인으로 재순환될 수 있다.

본 발명은 상기 흡기 라인으로 공급된 상기 혼합기를 압축하는 흡기 압축기를 더 포함할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 열병합 발전 유닛 및 이를 포함하는 시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째,　배기가스를 촉매모듈을 통해 산환/환원시키고, 흡기 라인으로 재순환하여 배기가스에 포함된 유해물질을 줄이고, 연소 효율을 향상시키는 이점이 존재한다.

둘째, 배기가스를 흡기 라인으로 순환하기 위해 별도의 에너지 및 별도의 제어를 필요치 않게 되므로, 에너지와 제조비용이 절감되는 이점이 존재한다.

셋째, 배기가스를 흡기 라인으로 재순환 전에 저탕조와 연결된 배기가스 열교환기로 냉각하여서, 혼합기가 고온에 의해 자연발화되는 것을 방지하는 이점이 존재한다.

넷째, 혼합기를 압축하는 터보 차저를 구비하여 터보 차저를 통해서 혼합기를 압축하여 엔진에 공급하므로, 발전 출력이 향상되고, 효율이 향상되는 이점이 존재한다.

다섯째, 공기와 가스가 혼합된 상태에서 터보 차저를 통해 혼합기를 압축하므로, 별도의 연료 가압 장치 및 레귤레이터 없이 연료를 안정적으로 공급하면서 발전 출력이 향상되는 이점이 존재한다.

여섯째, 혼합기를 터보 차저를 통해 압축한 후 다시 냉각하므로, 엔진에 공급되는 연료 양을 증가시켜서, 발전 효율을 향상시키고, 혼합기가 누출 시에 폭발을 방지할 수 있는 이점이 존재한다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 열병합발전 시스템의 작동 시에 혼합기, 배기가스 및 냉각수의 흐름을 표시한 도면이다.
도 3은 도 1의 열병합발전 시스템 중 열병합 유닛의 일부를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 고정자, 코일 및 회전자의 배치를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예와 비교예의 토크 및 출력을 비교 실험한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 비교예의 연료 소비율을 비교 실험한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예와 비교예의 엔진의 흡기 매니폴드에서 압력에 대한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예와 비교예의 질소 산화물 배출량을 비교 실험한 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도면에서 각 구성의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열병합발전 시스템의 개략도, 도 2는 도 1의 열병합발전 시스템의 작동 시에 혼합기, 배기가스 및 냉각수의 흐름을 표시한 도면이다.

본 발명에 따른 열병합발전 시스템은 합성가스를 통해 열과 전기를 생성하고 이를 공급한다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 열병합 발전 시스템은 열병합 발전 유닛(10)과, 저탕조(12)를 포함할 수 있다.

열병합 발전 유닛(10)은 전력과 열을 발생하고, 발생된 전력을 전력소비기기인 조명이나 가전기기 등으로 공급하며, 발생된 열을 열수요처인 저탕조(12)로 전달할 수 있다.

열병합 발전 유닛(10)은 엔진(14)과 엔진(14)에 연결되어 전력을 생성하는 발전기(100)와 저탕조(12)와 급탕 순환 유로(18)로 연결된 급탕 열교환기(16)와, 엔진(14)과 발전기(100) 중 적어도 하나의 열을 회수하여 급탕 열교환기(16)로 전달하는 열전달 유닛을 포함할 수 있다.

또한, 열병합 발전 유닛(10)은 공기와 함께 합성가스 혼합된 혼합기가 유입되는 흡기 라인(20), 흡기 라인(20)으로 공급된 혼합기를 압축하는 흡기 압축기(300), 엔진(14)과 연결되어 배기가스를 배출하는 배기 라인(30), 배기 라인(30)으로 유동되는 배기가스의 일부를 흡기 라인(20)으로 재순환하는 리턴 라인(39) 및 배기가스 중 유해한 성분을 무해하게 산환/환원시키는 촉매모듈(36)을 포함할 수 있다.

엔진(14)은 흡기 라인(20) 및 배기 라인(30)과 연결되어 혼합기의 연소로 동력을 발생시킨다. 흡기 라인(20)을 통해 엔진(14)으로 공급된 혼합기는 엔진(14) 내에서 연소 후에 배기 라인(30)을 통해 배기가스로 배출된다.

엔진(14)은 혼합기가 연소하는 실린더 헤드(14b)와, 실린더 헤드(14b) 내로 혼합기를 유동시키는 흡기 매니폴드(14a)와, 연소된 배기가스를 배기 라인(30)으로 유동시키는 배기 매니폴드(14c)를 포함할 수 있다.

흡기 라인(20)은 공기와 함께 합성가스 혼합된 혼합기가 유입된다. 흡기 라인(20)은 공기와 합성가스를 흡기하여 공기와 합성가스를 혼합 한 후, 흡기 압축기(300) 및 엔진(14)에 공급한다. 합성가스는 매립가스를 포함한다.

흡기 라인(20)은 외기, 합성가스 저장소(미도시), 엔진(14)의 흡기 매니폴드(14a) 및 흡기 압축기(300)와 연결된다.

예를 들면, 흡기 라인(20)은 공기가 유입되는 공기 흡기 라인(21)과, 합성가스가 유입되는 합성가스 흡기 라인(22)과, 공기 흡기 라인(20) 및 합성가스 흡기 라인(20)과 연결되어 공기와 합성가스를 혼합하는 믹서(23)와, 믹서(23)와 연결되어 혼합기를 엔진(14)에 공급하는 혼합기 흡기 라인(24)을 포함할 수 있다.

공기 흡기 라인(21)은 공기를 유동시킨다. 공기 흡기 라인(21)의 일단은 외기와 연결되고 타단은 믹서(23)와 연결된다. 공기 흡기 라인(21)에는 흡기된 공기를 정화하는 공기 필터(41a)와, 사일런스(41) 등이 배치될 수 있다.

합성가스 흡기 라인(22)은 합성가스를 유동한다. 합성가스 흡기 라인(22)의 일단은 합성가스 저장소와 연결되고 타단은 믹서(23)와 연결된다.

믹서(23)는 합성가스 흡기 라인(22), 공기 흡기 라인(21) 및 혼합기 흡기 라인(24)과 연결된다. 믹서(23)는 공기와 합성가스를 적절한 비율로 혼합하고, 그 혼합된 혼합기를 혼합기 흡기 라인(24)에 제공한다.

혼합기 흡기 라인(24)은 믹서(23)에서 혼합된 혼합기를 엔진(14)의 흡기 매니폴드(14a)에 제공한다. 혼합기 흡기 라인(24)은 일단은 믹서(23)와 연결되고, 타단은 엔진(14)의 흡기 매니폴드(14a)에 연결된다.

믹서(23)와 연결되어 혼합기를 엔진(14)에 공급하는 혼합기 흡기 라인(24)을 포함할 수 있다.

실시예는 엔진(14)의 출력 축에 회전자가 연결되어 출력축의 회전 시 전력을 생산하고, 생산된 전력을 전력선을 통해 공급하는 발전기(100)를 더 포함할 수 있다.

열전달 유닛은 열매체를 통해, 엔진 또는 발전기(100)의 열을 급탕 열교환기를 통해 저탕조(12)로 전달한다. 예를 들면, 열전달 유닛은 열매체가 엔진(14) 또는 발전기(100)의 열을 회수하는 열회수부(미도시)와, 열회수부와 급탕 열교환기(16)를 연결하는 열매체 순환 유로(11)를 포함할 수 있다. 여기서, 열매체는 물이 사용될 수 있다.

열매체 순환 유로(11)는 열매체가 급탕 열교환기(16), 엔진(14), 발전기(100)로 순환되도록 한다.

급탕 열교환기(16)는 열매체 순환 유로(11)를 순환하는 열매체와 급탕 순환 유로(18)를 순환하는 열매체 사이에 열교환시킨다. 급탕 열교환기(16)는 열매체 순환 유로(11)의 열 에너지를 급탕 순환 유로(18)로 전달한다.

물론, 열전달 유닛은 엔진, 발전기(100) 및 배기가스의 열을 급탕 열교환기를 통해 저탕조(12)로 전달할 수도 있다. 이에 대해서는 도 3 에서 후술한다.

또한, 열병합 발전 유닛(10)은 저탕조(12)와 방열유로(382)로 연결되어 저탕조(12)의 물을 방열하는 방열유닛(381)을 더 포함할 수 있다. 저탕조(12)의 물은 온수가 필요한 곳에 제공되나, 방열유닛(381)에 의해 냉각되어 급탕 열교환기(16)의 냉각수로 활용된다.

흡기 압축기(300)는 흡기 라인(20)으로 공급된 혼합기를 압축하여 엔진(14)으로 제공한다.

이하, 흡기 압축기(300)에 대해 도 3을 참조하여 상술한다.

도 3은 도 1의 열병합발전 시스템 중 열병합 유닛의 일부를 도시한 도면이다.

흡기 압축기(300)는 혼합기 흡기 라인(24)을 유동하는 혼합기를 일정한 압력으로 압축한다. 흡기 압축기(300)는 혼합기 흡기 라인(24)과 연결된다. 구체적으로, 흡기 압축기(300)는 엔진(14)의 흡기 매니폴드(14a)와 믹서(23) 사이의 혼합기 흡기 라인(24)에 연결된다.

흡기 압축기(300)는 배기가스 외에 다른 별도의 동력원에 의해 작동되거나, 배기 라인(30)으로 배출되는 배기가스에 의하여 회전하여 흡기 라인(20)으로 공급된 혼합기를 압축할 수 있다. 이하에서는 흡기 압축기(300)는 배기가스를 동력원으로 작동되는 것을 전제로 설명한다. 배기가스에 의하여 흡기 압축기(300)가 작동되면, 별도의 에너지를 흡기압축기에 공급할 필요가 없기 때문에, 에너지가 절약되는 이점이 존재한다.

구체적으로, 흡기 압축기(300)는 압축기 임펠러(310), 압축기 임펠러(310)를 수용하는 터보차저 하우징(330), 압축기 임펠러(310)와 축으로 연결된 터빈 임펠러(320) 및 터빈 임펠러(320)를 수용하는 터빈 하우징(340)을 포함한다.

터빈 임펠러(320)는 배기가스에 의해 회전되고, 압축기 임펠러(310)에 축으로 연결되어 회전력을 전달한다. 터빈 임펠러(320)는 터빈 하우징(340) 내에 배치되고, 터빈 하우징(340)은 배기 라인(30)에 배치된다. 터빈 하우징(340)은 배기 라인(30)에 연결된다. 배기가스는 터빈 하우징(340) 내로 유동되어 터빈 임펠러(320)를 회전시킨다.

압축기 임펠러(310)는 터빈 임펠러(320)에 의해 회전되어, 흡기된 혼합기를 압축하여 배출한다. 압축기 임펠러(310)는 터보차저 하우징(330) 내에 배치되고, 터보차저 하우징(330)은 혼합기 흡기 라인(24)에 배치된다. 혼합기는 터보차저 하우징(330) 내로 유동되어 압축기 임펠러(310)에 의해 압축된 후 엔진(14)으로 유동된다.

따라서, 본 발명은　혼합기를 압축하는 터보 차저를 구비하여 터보 차저를 통해서 혼합기를 압축하여 엔진(14)에 공급하므로, 발전 출력이 향상되고, 효율이 향상되는 이점이 존재하고, 공기와 가스가 혼합된 상태에서 터보 차저를 통해 혼합기를 압축하므로, 별도의 연료 가압 장치 및 레귤레이터 없이 연료를 안정적으로 공급하면서 발전 출력이 향상되는 이점이 존재한다.

흡기 압축기(300)를 사용하는 경우, 엔진(14)으로 유동되는 혼합기의 온도와 압력이 매우 높아지게 되는 데, 이러한 고온 고압의 혼합기가 외부로 유출 시에 폭발의 우려가 존재하고, 엔진(14)으로 유입 시에 합성가스 량이 상대적으로 적어지므로, 출력이 저하될 수 있다.

따라서, 실시예에서는 흡기 압축기(300)에서 압축된 혼합기를 냉각하는 쿨러(50)를 더 포함할 수 있다. 쿨러(50)는 흡기 압축기(300)에서 압축된 혼합기를 냉각하여 엔진(14)에 제공한다.

쿨러(50)는 혼합기 흡기 라인(24)에서 엔진(14)과 터보차저 하우징(330) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 쿨러(50)는 외기와 냉매를 열교환하는 방열기(52)와, 혼합기 흡기 라인(24)을 유동하는 혼합기와 냉매를 열교환하는 내부 열교환기(51) 및 내부에 냉매가 유동되고, 내부 열교환기(51)와 방열기(52) 사이를 순환하는 순환유로(53)를 포함할 수 있다. 방열기(52)에는 방열기(52)를 공기 유동을 제공하는 팬(54)이 더 배치될 수 있다.

쿨러(50)에 의해 압축된 혼합기가 냉각되면, 혼합기의 온도가 낮아지고, 체적이 작아지므로, 엔진(14)에 공급되는 연료 양을 증가시켜서, 발전 효율을 향상시키고, 혼합기가 누출 시에 폭발을 방지할 수 있는 이점이 존재한다.

배기 라인(30)을 통해 배기가스가 배출되면, 질소 산화물 등의 유해한 물질로 인해 대기오염이 발생되게 된다.

리턴 라인(39)은 배기 라인(30)을 통해 배출되는 배기가스의 일부를 다시 엔진(14)으로 공급하여서, 불 연소된 연소물이 엔진에서 재연소 되고, 배기 라인(30)을 통해 배출되는 배기가스의 양이 줄어들게 되므로, 엔진의 연소 효율이 및 신뢰성이 향상되고, 배기가스를 통해 배출되는 휘발성 유기화합물을 줄일 수 있다.

구체적으로, 리턴 라인(39)은 배기 라인(30)으로 유동되는 배기가스의 일부를 흡기 라인(20)으로 재순환한다. 리턴 라인(39)은 엔진의 배기압에 의해 상대적으로 고압인 배기 라인(30)에서 외기의 압력과 동일한 흡기 라인(20)으로 압력차에 의해 배기가스를 재순환시킨다.

압력차에 의해 배기가스를 흡기 라인(20)으로 재순환하게 되면, 별도의 압축기나, 제어를 위한 컨트롤러 등이 불 필요한 이점이 존재한다.

촉매모듈(36)은 배기가스 중 유해한 성분을 무해하게 산환/환원시킨다. 촉매모듈(36)은 배기 라인(30)에 배치되어, 촉매모듈(36)을 통과하는 배기가스 중의 유해한 CO(일산화탄소), HC(탄화수소), NOX(질소 산화물)을 인체에 무해한 CO2(이산화탄소), H2 O(물), N2(질소)로 산화·환원시키는 장치이다.

촉매모듈(36)은 구조상으로 펠리트형(Pellet Type)과 모노리드형(Monolith Type)이 있고, 기능상으로는 산화촉매 컨버터와 삼원촉매 컨버터(3-Way Catalytic Converter)의 2종류가 있다.

우선, 산화촉매 컨버터는 촉매 펠리트라고 하는 입상의 알루미나 표면에 촉매작용을 하는 파라듐(Pd) 또는 파라듐+백금(Pt)의 귀금속을 중간층(Wash)위에 미세하고 고르게 코팅(담지)한 것으로, 배기가스중의 일산화탄소와 탄화수소를 이산화탄소와 물로 만드는 기능을 갖고 있다.

그리고 삼원촉매 컨버터는 촉매작용을 하는 귀금속 즉, 백금+로듐(Rh) 또는 백금+로듐+파라듐을 사용한 것으로, 배기가스중의 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물을 저감시키는 기능을 갖고 있으며, 고온에서는 98% 이상을 상회하는 높은 효율성을 갖고 있기 때문에 현재 삼원촉매 컨버터가 가장 많이 사용되고 있다.

촉매모듈(36)을 통과한 배기 가스의 일부는 리턴 라인(39)을 통해서 흡기 라인(20)으로 재순환된다. 따라서, 촉매모듈(36)에서 1차적으로 배기 가스 중에 유해물질을 줄이고, 2차적으로 리턴 라인(39)에 의해 배기가스의 양을 줄여서 유해물질 배출량을 줄이게 된다.

실시예는 배기가스를 냉각하는 배기가스 열교환기(13)를 더 포함할 수 있다. 배기가스 열교환기(13)는 배기가스의 열을 방열하여 리턴 라인(39)으로 제공되는 배기가스의 온도를 낮춘다.

따라서, 배기가스의 온도가 배기가스 열교환기(13)에 의해 낮아지면, 흡기 라인(20)으로 재순환된 배기가스에 의해 흡기 라인(20) 내에 혼합기의 온도가 상승되어서 자연발화되는 것을 방지하게 되는 이점이 존재한다.

예를 들면, 도 2에 도시하는 바와 같이, 배기가스 열교환기(13)는 배기가스의 열을 저탕조(12)로 전달하면서, 배기가스를 방열할 수 있다. 구체적으로, 배기가스 열교환기(13)는 열매체 순환 유로(11)와 배기 라인(30)에 배치된다. 배기가스의 열은 열매체 순환 유로(11)를 통해 급탕 열교환기(16)로 전달되고, 급탕 열교환기(16)로 전달된 열은 급탕 순환 유로(18)를 통해 저탕조(12)로 전달된다.

따라서, 배기가스 열교환기(13)가 열매체 순환 유로(11)에 연결되면, 배기가스의 열을 외부로 방열하여 낭비하지 않고, 저탕조(12)를 가열하는 데 재사용할 수 있다.

다른 예를 들면, 도면에는 도시하지 않았지만, 배기가스 열교환기(13)는 열전달 매체를 통해 외기와 배기가스 사이의 열을 교환하는 구조일 수도 있다.

촉매모듈(36)과 배기가스 열교환기(13)를 통과한 배기가스 중 일부는 배기 라인(30)과 흡기 라인(20)의 압력차에 의해 리턴 라인(39)을 통해 흡기 라인(20)으로 재순환된다.

따라서, 리턴 라인(39)은 배기 라인(30)에서 촉매모듈(36) 및 배기가스 열교환기(13) 보다 하류에 배치된다.

배기 라인(30)은 엔진과 촉매모듈(36)을 연결하는 제1 배기 라인(31), 촉매모듈(36)과 배기가스 열교환기(13)를 연결하는 제2 배기 라인(33), 배기가스 열교환기(13)와 외기를 연결하는 제3 배기 라인(34)을 포함할 수 있다. 리턴 라인(39)의 일단은 제3 배기 라인(34)에 연결되어서, 유해성분이 제거되고, 온도가 낮아진 배기가스가 흡기 라인(20)으로 재순환되고, 재순환된 배기 가스가 엔진(14)에 제공된다.

리턴 라인(39)의 다른 일단은 흡기 라인(20)에서 흡기 압축기(300) 보다 상류에 연결될 수 있다. 따라서, 리턴 라인(39)을 통해 재순한된 배기가스는 합성가스 및 공기와 함께 압축되어 엔진(14)으로 공급될 수 있다. 더욱 구체적으로, 리턴 라인(39)의 다른 일단은 공기 흡기 라인(21)과 연결되는 것이 바람직하다. 즉, 리턴 라인(39)의 다른 일단은 공기 흡기 라인(21)에서, 믹서(23)와 공기 필터(41a)의 사이에 연결된다.

배기 라인(30)에는 배기 소음을 저감시키는 소음기(37)가 배치될 수 있다. 소음기(37)는 배기 라인(30)에서 촉매모듈(36), 배기가스 열교환기(13), 리턴 라인(39)의 분기점 보다 하류에 위치될 수 있다. 구체적으로, 소음기(37)는 제3 배기 라인(34)에 배치될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(100)를 도시한 도면, 도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 고정자, 코일 및 회전자의 배치를 도시한 도면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자를 도시한 도면이다.

도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 실시예에 따른 발전기(100)와 발전기(100) 내부구성을 설명한다.

발전기(100)는 엔진(14)의 출력 축에 회전자가 연결되어 출력축의 회전 시 전력을 생산하고, 생산된 전력을 전력선을 통해 열병합 발전기(100)가 설치된 건물 내의 조명이나 가전기기 등의 전력 소비기기로 공급할 수 있다.

발전기(100)에서 생산된 전력은 전력선을 통해 전력 소비기기로 직접 공급되거나, 발전기(100)에 연결된 배터리(미도시)에 축전된 후 배터리에서 전력 소비기기와 엔진(14)으로 공급될 수 있다.

발전기(100)는 발전기(100)가 구동함에 따라 발생하는 동손, 기계손, 철손, 영구자석와전류손 등의 손실에 의한 열이 발생한다. 이렇게 발생한 열을 냉각하기 위해 본 실시예에 따른 발전기(100)는 냉각팬(150)을 구동하여 외부공기를 발전기(100)내부로 유동시켜 내부를 냉각하도록 하고 있다.

본 실시예에 따른 발전기(100)는 외부공기를 발전기(100) 내측으로 이동시켜,발전기(100)의 고정자(120), 회전자(140) 및 코일(132)을 냉각시킨다. 본 실시예에 따른 발전기(100)는 내부가 중공이고 원통형의 외형을 형성하는 하우징(110), 하우징(110)내측에 배치되고,하우징(110)의 내 둘레에 고정되는 고정자(120), 고정자(120)내측에 배치되어 고정자(120)와의 상호작용에 의해 회전하는 회전자(140) 및 하우징(110) 내측에 배치되고 발전기(100)에서 발생하는 손실에 의한 발열을 냉각하는 냉각팬(150)을 포함한다.

하우징(110)은 내측에 고정자(120) 및 회전자(140)가 수용되는 공간을 형성한다. 하우징(110)은 내측에 냉각팬(150)이 배치되는 공간을 형성할 수 있다. 하우징(110) 내부에는 회전자(140)와 연결되는 샤프트(142)가 하우징(110)을 관통하며 배치된다. 하우징(110)은 내부가 중공인 원통형 형상을 가질 수 있다.

하우징(110)은 둘레면을 형성하는 외주벽(112), 외주벽(112)의 전면과 후면에 배치되는 전면벽(114)과 후면벽을 포함할 수 있다. 전면벽(114)와 후면벽(116)에는 냉각팬(150)에 의해 유동하는 공기가 관통하는 유동홀이 형성될 수 있다. 샤프트(142)는 양단이 전면벽(114)과 후면벽(116)각각에 회전가능하게 지지될 수 있다.

본 실시예에 따른 발전기(100)는 하우징(110) 내둘레에 맞닿게 배치되며,고정되는 고정자(120)와 고정자(120) 내측에서 회전가능하게 배치되는 회전자(140)를 포함한다. 본 실시예에 따른 발전기(100)는 회전자(140)와 연결되어 회전자(140)의 회전력을 전달하는 샤프트(142)와,하우징(110)내측에 배치되어,샤프트(142)를 지지하는 베어링(118)을 더 포함할 수 있다. 베어링은 전면벽(114)및/또는 후면벽(116)에 배치될 수 있다.

샤프트(142)는 자속이 흐르지 않는 비자성체 재질로 구성될 수 있다. 본 실시예에 따른 샤프트(142)는 STS재질 일 수 있다.

본 실시예에 따른 회전자(140)는, 고정자(120)의 내부에 회전이 가능하게 설치되고, 회전 시 자력 에너지를 이용하여 코일(132)들에 전류를 발생시킬 수 있는 영구 자석이 설치되는 원기둥 형상의 구조체일 수 있다.

본 실시예에 따른 발전기(100)는 고정자(120)에 권선된 코일(132)을 포함한다. 고정자(120)는 회전자(140)의 외둘레를 둘러싸는 형태로 배치된다.

고정자(120)는, 링형상을 가지며 하우징의 내둘레에 배치되는 요크(122)와,요크(122)의 내둘레를 따라 내측의 중심방향으로 돌출된 복수의 치(124)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 요크(122)는 외둘레가 하우징(110)의 내둘레와 면접하게 배치된다. 요크(122)의 외둘레는 하우징(110)의 내둘레와 전체적으로 면접하여,고정자(120)에서 발생하는 열을 하우징으로 전도시킨다. 본 실시예에 따른 요크(122)에는 냉각팬(150)에 의해 유동하는 공기가 통과하는 공기통로(130)가 형성된다.

본 실시예에 따른 요크(122)에는 9개의 치(124)가 요크(122)내측으로 돌출형성된다. 본 실시예에 따른 고정자(120)의 요크(122) 내둘레에는 9개의 치가 돌출된다. 이는 하나의 실시예에 따른 것으로 요크(122)의 크기 또는 권선되는 코일 등을 고려하여 돌출되는 치(124)의 개수가 변경될 수 있다.

복수의 치(124)는 등간격으로 형성될 수 있다. 복수의 치 각각은 요크에서 돌출된 넥(126)과 넥(126)에서 마그네트 일부를 둘러싸는 방향으로 돌출된 슈(128)를 포함할 수 있다. 슈(128)는 넥(126)의 단부에서 서로 반대되는 양방향으로 돌출형성된다. 슈(128)는 회전자(140)의 외둘레에 대향하게 배치된다. 고정자(120)의 내측에 배치된 복수의 슈(128)는 전체적으로 회전자(140)의 외둘레에 대응하는 형상을 형성한다.

본 실시예에 따른 고정자(120)는 요크(122)에 공기가 유동할 수 있는 공기통로가 형성된다. 본 실시예에 따른 공기통로(130)는 요크(122)에 등간격으로 형성될 수 있다. 본 실시예에 따른 공기통로(130)는 치(124)의 상측에 배치된다. 본 실시예에 따른 공기통로(130)는 반원형상을 가진다. 본 실시예에 따른 공기통로(130)는 요크(122)의 외둘레로부터 일정간격 이격배치된다.

고정자(120)는 복수의 치(124)사이에 코일(132)이 권선되는 공간이 형성된다. 코일(132)은 복수의 치(124)각각에 둘러싸도록 배치될 수 있다. 복수의 치(124)사이에 코일(132)이 권선되더라도,공기가 유동할 수 있는 틈(134)이 형성된다.

본 실시예에 따른 발전기(100)는 회전자(140)와 샤프트(142)로 연결되고,회전으로 발전기(100)내부의 공기를 강제로 유동시키는 냉각팬(150)을 더 포함한다. 냉각팬(150)의 작동으로 외부의 공기가 발전기(100)내부로 유동하여,고정자(120) 및 회전자(140)를 냉각시킨다.

본 실시예에 따른 냉각팬(150)은 하우징(110)내측에 배치될 수 있다. 냉각팬(150)은 축류팬으로 하우징의 전면벽(114)또는 후면벽(116)에 형성된 유동홀을 통해 외부공기를 유입시키고,내부공기를 외부로 유동시킨다.

도 7은 본 발명의 일 실시예와 비교예의 토크 및 출력을 비교 실험한 그래프이다.

도 7을 참조하면, 비교예는 일반적인 흡기식 열병합 발전 유닛(10)의 엔진 토크 및 엔진 출력을 엔진(14) 회전수 별로 표시한 것이고, 실시예는 상술한 바와 같이, 흡기 압축기(300)와 쿨러(50)를 구비한 열병합 발전 유닛(10)의 엔진 토크 및 엔진 출력을 엔진(14) 회전수 별로 표시한 것이다.

그래프에서 알 수 있듯이, 정격 운전 구간인 1800rpm에서, 실시예의 엔진 토크는 19.5 kgf.m이고, 비교예의 엔진 토크는 15.5 kgf.m로, 실시예가 비교예 보다 25.8%의 엔진 토크가 상승됨을 알 수 있다.

또한, 정격 운전 구간인 1800rpm에서, 실시예의 엔진 출력은 36.5 kw이고, 비교예의 엔진 토크는 29.2 kw 로, 실시예가 비교예 보다 25.0%의 엔진 출력이 상승됨을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예와 비교예의 연료 소비율을 비교 실험한 그래프이다.

도 8을 참조하면, 비교예는 일반적인 흡기식 열병합 발전 유닛(10)의 연료 소비율을 엔진(14) 회전수 별로 표시한 것이고, 실시예는 상술한 바와 같이, 흡기 압축기(300)와 쿨러(50)를 구비한 열병합 발전 유닛(10)의 연료 소비율을 엔진(14) 회전수 별로 표시한 것이다.

그래프에서 알 수 있듯이, 정격 운전 구간인 1800rpm에서, 실시예의 연료 소비율은 0.203 kg/kwh 이고, 비교예의 연료 소비율은 0.220 kg/kwh 로, 실시예가 비교예 보다 8.3% 감소됨을 알 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예와 비교예의 엔진(14)의 흡기 매니폴드(14a)에서 압력에 대한 그래프이다.

도 9를 참조하면, 비교예는 일반적인 흡기식 열병합 발전 유닛(10)의 흡기 매니폴드(14a) 내 압력을 엔진(14) 회전수 별로 표시한 것이고, 실시예는 상술한 바와 같이, 흡기 압축기(300)와 쿨러(50)를 구비한 열병합 발전 유닛(10)의 흡기 매니폴드(14a) 내 압력을 엔진(14) 회전수 별로 표시한 것이다.

그래프에서 알 수 있듯이, 정격 운전 구간인 1800rpm에서, 실시예의 흡기 매니폴드(14a) 내 압력은 1396 hpa 이고, 비교예의 흡기 매니폴드(14a) 내 압력은 198 hpa 로, 실시예가 비교예 보다 412hpa 증가됨을 알 수 있다.

따라서, 실시예가 비교예 보다 흡기 매니폴드(14a) 내에 압력이 증가된 것은 혼합기의 공급량이 그만큼 높아지는 것을 의미한다.

도 10은 본 발명의 일 실시예와 비교예의 질소 산화물 배출량을 비교 실험한 그래프이다.

도 10을 참조하면, 비교예는 일반적인 흡기식 열병합 발전 유닛(10)의 배기가스 내에 질소 산화물 배출량을 엔진 회전수 별로 표시한 것이고, 실시예는 상술한 바와 같이, 배기가스 내에 질소 산화물 배출량을 엔진 회전수 별로 표시한 것이다.

그래프에서 알 수 있듯이, 실시예는 비교예에 비하여 질소 산화물 배출량이 현저하게 준 것을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

10: 열병합 발전 유닛 20: 흡기 라인
14: 엔진 100: 발전기
300: 흡기 압축기

Claims (13)

1. 공기와 함께 합성가스 혼합된 혼합기가 유입되는 흡기 라인;
   상기 흡기 라인과 연결되어 상기 혼합기의 연소로 동력을 발생시키는 엔진;
   상기 엔진과 연결되어 배기가스를 외부로 배출하는 배기 라인;
   상기 배기 라인으로 유동되는 배기가스의 일부를 상기 흡기 라인으로 재순환하는 리턴 라인; 및
   상기 배기가스 중 유해한 성분을 무해하게 산화/환원시키는 촉매모듈을 포함하고,
   상기 흡기라인은,
   공기가 유입되는 공기 흡기라인과,
   합성가스가 유입되는 합성가스 흡기라인과,
   상기 공기 흡기라인 및 상기 합성가스 흡기라인과 연결되어 상기 공기와 상기 합성가스를 혼합하는 믹서와,
   상기 믹서와 연결되어 혼합기를 상기 엔진에 공급하는 혼합기 흡기라인을 포함하고,
   상기 리턴 라인의 일단은 상기 공기 흡기라인과 연결되며,
   상기 흡기 라인으로 공급된 상기 혼합기를 압축하는 흡기 압축기과 흡기 압축기에서 압축된 혼합기를 냉각하는 쿨러를 더 포함하는 열병합 발전 유닛.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 촉매모듈은 상기 배기 라인에 배치되고, 상기 촉매모듈을 통과한 배기 가스의 일부가 상기 흡기 라인으로 재순환되는 열병합 발전 유닛.
5. 제1항에 있어서,
   상기 배기가스를 냉각하는 배기가스 열교환기를 더 포함하는 열병합 발전 유닛.
6. 제5항에 있어서,
   상기 엔진에서 발생된 열을 제공받는 저탕조를 더 포함하고,
   상기 배기가스 열교환기는 상기 배기가스의 열을 상기 저탕조로 전달하는 열병합 발전 유닛.
7. 제5항에 있어서,
   상기 촉매모듈과 상기 배기가스 열교환기를 통과한 배기가스 중 일부는 상기 배기 라인과 상기 흡기 라인의 압력차에 의해 상기 리턴 라인을 통해 상기 흡기 라인으로 재순환되는 열병합 발전 유닛.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 흡기 압축기는,
   압축기 임펠러;
   상기 압축기 임펠러를 수용하는 터보차저 하우징;
   상기 압축기 임펠러와 축으로 연결된 터빈 임펠러; 및
   상기 터빈 임펠러를 수용하는 터빈 하우징을 포함하는 열병합 발전 유닛.
10. 제9항에 있어서,
    상기 터보차저 하우징은 상기 흡기 라인에 배치되고, 상기 터빈 하우징은 상기 배기 라인에 배치되는 열병합 발전 유닛.
11. 제5항에 있어서,
    상기 배기 라인은,
    상기 엔진과 상기 촉매모듈을 연결하는 제1 배기 라인;
    상기 촉매모듈과 상기 배기가스 열교환기를 연결하는 제2 배기 라인;
    상기 배기가스 열교환기와 외기를 연결하는 제3 배기 라인을 더 포함하며,
    상기 리턴 라인의 일단은 상기 제3 배기 라인에 연결되는 열병합 발전 유닛.
12. 제1항에 있어서,
    상기 엔진에 연결되어 전력을 생성하는 발전기를 더 포함하는 열병합 발전 유닛.
13. 전력과 열을 발생하고 발생된 전력을 공급하는 열병합 발전 유닛; 및
    상기 열병합 발전 유닛에서 발생된 열을 전달받는 저탕조를 포함하고,
    상기 열병합 발전 유닛은,
    공기와 함께 합성가스 혼합된 혼합기가 유입되는 흡기 라인
    상기 흡기 라인과 연결되어 상기 혼합기의 연소로 동력을 발생시키는 엔진;
    상기 엔진과 연결되어 배기가스를 배출하는 배기 라인;
    상기 배기 라인으로 유동되는 배기가스의 일부를 상기 흡기 라인으로 재순환하는 리턴 라인; 및
    상기 배기가스 중 유해한 성분을 무해하게 산환/환원시키는 촉매모듈을 포함하고,
    상기 흡기라인은,
    공기가 유입되는 공기 흡기라인과,
    합성가스가 유입되는 합성가스 흡기라인과,
    상기 공기 흡기라인 및 상기 합성가스 흡기라인과 연결되어 상기 공기와 상기 합성가스를 혼합하는 믹서와,
    상기 믹서와 연결되어 혼합기를 상기 엔진에 공급하는 혼합기 흡기라인을 포함하고,
    상기 리턴 라인의 일단은 상기 공기 흡기라인과 연결되며,
    상기 흡기 라인으로 공급된 상기 혼합기를 압축하는 흡기 압축기과 흡기 압축기에서 압축된 혼합기를 냉각하는 쿨러를 더 포함하는 열병합 발전 시스템.
    
    

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