KR102067788B1 - Orc 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ORC 발전시스템을 개시한다. 본 발명은, 터빈과, 상기 터빈과 연결되는 발전기와, 상기 터빈으로부터 토출되는 유체를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기로부터 공급되는 유체를 유동시키는 제1 펌프와, 상기 제1 펌프에서 토출된 유체에 열에너지를 가하는 증발기와, 상기 증발기에서 상기 터빈으로 공급되는 유체의 온도를 측정하는 온도측정기와, 상기 터빈의 회전축에 설치되어 상기 온도에 근거하여 질량이 가변하는 질량가변부를 포함한다.

Description

ORC 발전시스템{Organic rankine cycle generating system}
본 발명은 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 ORC 발전시스템에 관한 것이다.
ORC 발전시스템은 외부의 열원에서 발생하는 열에너지를 통하여 유체를 기화시키거나 열에너지를 공급하여 터빈을 통하여 팽창함으로써 발전하는 시스템이다.
이러한 ORC 발전시스템은 발전효율을 증대시키기 위하여 다양한 형태로 형성될 수 있다. 특히 발전효율을 증대시키기 위하여 복수개의 터빈을 배치한 후 복수개의 터빈을 순차적으로 작동시킬 수 있다. 이때, 복수개의 터빈은 고압터빈에서 사용되는 터빈, 저압터빈에서 사용되는 터빈, 중압터빈에서 사용되는 터빈 등을 포함할 수 있다.
상기와 같은 ORC 발전시스템은 고압터빈에서 사용되는 터빈, 중압터빈에서 사용되는 터빈, 저압터빈에서 사용되는 터빈 등을 순차적으로 배열하고, 유체를 순차적으로 공급함으로써 발전효율을 증대시킬 수 있다. 이때, 시스템의 전체 발전효율은 유체가 가장 먼저 공급되는 터빈에 따라 상이해질 수 있다. 특히 유체가 가장 먼저 공급되는 터빈으로 유입되는 유체의 압력 및 온도에 따라서 전체 발전 효율이 상이해질 수 있다.
이러한 ORC 발전시스템은 일본공개특허 제2012-149541호(발명의 명칭 : 배열 회수 발전 장치 및 선박, 출원인 : MITSUBISHI HEAVY IND LTD)에 구체적으로 개시되어 있다.
일본공개특허 제2012-149541호
본 발명의 실시예들은 ORC 발전시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 터빈과, 상기 터빈과 연결되는 발전기와, 상기 터빈으로부터 토출되는 유체를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기로부터 공급되는 유체를 유동시키는 제1 펌프와, 상기 제1 펌프에서 토출된 유체에 열에너지를 가하는 증발기와, 상기 증발기에서 상기 터빈으로 공급되는 유체의 온도를 측정하는 온도측정기와, 상기 터빈의 회전축에 설치되어 상기 온도에 근거하여 질량이 가변하는 질량가변부를 포함하는 ORC 발전시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 온도가 최고온도에서 최저온도로 하강하는 경우 상기 질량가변부의 질량은 증가할 수 있다.
또한, 상기 질량가변부는, 상기 터빈의 회전축에 설치되며, 내부에 공간이 형성되는 바디부와, 상기 터빈의 회전축과 연결되어 상기 바디부에 질량을 가감하는 제2 펌프를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ORC 발전시스템을 보여주는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 질량가변부를 보여주는 개념도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 ORC 발전시스템을 보여주는 개념도이다. 도 2는 도 1에 도시된 질량가변부를 보여주는 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, ORC 발전시스템(100)은 터빈(110), 발전기(120), 응축기(130), 제1 펌프(140), 증발기(150), 온도측정기(160) 및 질량가변부(170)를 포함할 수 있다.
터빈(110)은 외부로부터 유체를 공급받아 작동할 수 있다. 이때, 터빈(110)은 유체가 가지고 있는 열에너지를 물리적 회전에너지로 변환시킬 수 있다. 특히 터빈(110)은 종류에 따라서 수증기를 사용하거나 가스를 사용할 수 있다.
발전기(120)는 터빈(110)의 회전축(S)과 연결되어 터빈(110)의 작동 시 회전에너지를 전기에너지로 가변시킬 수 있다. 이때, 발전기(120)는 외부의 기기 또는 변전소 등과 연결되어 생성된 전기에너지를 외부로 공급할 수 있다.
응축기(130)는 터빈(110)으로부터 토출되는 유체를 응축시킬 수 있다. 이때, 응축기(130)는 외부와 열교환을 통하여 유체를 응축시킬 수 있다.
제1 펌프(140)는 응축기(130)의 유체를 증발기(150)로 유동시킬 수 있다. 이때, 증발기(150)는 외부의 열원으로부터 열에너지를 공급받아 유체로 공급할 수 있다. 특히 외부의 열원은 외부 장치에서 버려지는 폐열일 수 있으며, 보일러 등과 같은 가열장치 등일 수 있다. 또한, 증발기(150)는 외부의 열원으로부터 공급되는 유체와 제1 펌프(140)로부터 공급되는 유체 사이의 열교환을 통하여 열에너지를 공급할 수 있다.
온도측정기(160)는 증발기(150)로부터 토출되는 유체의 온도를 측정할 수 있다. 이때, 온도측정기(160)에서 측정된 온도를 근거로 증발기(150)에서 유체에 가해지는 열에너지를 산출할 수 있다. 특히 온도측정기(160)에서 측정된 온도는 증발기(150)에서 유체에 가해지는 열에너지에 비례할 수 있다.
질량가변부(170)는 터빈(110)과 연결될 수 있다. 특히 질량가변부(170)는 터빈(110)의 회전축(S)에 연결될 수 있다. 예를 들면, 질량가변부(170)는 회전축(S)과 일정각도를 형성하도록 배치되는 하우징(171) 및 회전축(S)과 연결되어 하우징(171)에 질량(M)을 가감하는 제2 펌프(172)를 포함할 수 있다. 이때, 제2 펌프(172)는 하우징(171) 내부의 질량(M)을 가감할 수 있다. 구체적으로 제2 펌프(172)는 하우징(171) 내부로 유체를 공급하거나 하우징(171) 내부의 유체를 외부로 배출시킬 수 있다.
질량가변부(170)는 회전축(S) 내부에 형성되어 제2 펌프(172)와 하우징(171)를 연결하는 연결유로(173)를 포함할 수 있다. 또한, 질량가변부(170)는 연결유로(173)에 설치되어 연결유로(173)를 선택적으로 개방하는 개폐부(174)를 포함할 수 있다. 이때, 개폐부(174)는 밸브 형태로 형성되어 회전축(S)이 일정 이상의 설정속도로 회전하는 경우 연결유로(173)를 폐쇄할 수 있으며, 회전축(S)의 속도가 설정속도 미만인 경우 연결유로(173)를 개방할 수 있다. 예를 들면, 개폐부(174)는 릴리프 밸브, 솔레노이드 밸브 등으로 형성될 수 있다. 다만, 개폐부(174)는 상기에 한정되는 것은 아니며, 특정 조건에서 연결유로(173)를 개방하는 모든 장치 및 모든 구조를 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 개폐부(174)가 솔레노이드 밸브 형태인 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
다른 실시예로써 질량가변부(170)는 서로 상이한 질량(M)을 갖는 복수개의 질량부(미도시)와, 상기 질량부와 연결되며 상기 질량부를 터빈(110)의 회전축(S)과 선택적으로 접촉시키는 클런치부(미도시) 및 상기 클런치부와 연결되며, 상기 클런치부를 작동시키는 구동부(미도시)를 포함할 수 있다. 이러한 경우 질량가변부(170)의 상기 클런치부 및 상기 구동부는 일반적인 차량의 클런치 및 모터와 동일 또는 유사하게 형성될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 질량가변부(170)가 하우징(171), 제2 펌프(172), 연결유로(173) 및 개폐부(174)를 포함하는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
한편, 상기와 같은 ORC 발전시스템(100)의 작동 방법을 살펴보면, 우선 시스템이 작동하는 동안 유체는 터빈(110), 응축기(130), 제1 펌프(140), 증발기(150)를 순차적으로 통과하여 다시 터빈(110)으로 제공될 수 있다.
이때, 응축기(130)에서는 터빈(110)에서 팽창된 유체를 외부와 열교환을 통하여 응축시킬 수 있다. 또한, 제1 펌프(140)는 응축기(130)의 유체를 증발기(150)로 공급할 수 있다. 증발기(150)는 외부의 열원으로부터 열에너지를 공급받아 유체와 열교환함으로써 유체의 온도를 상승시킬 수 있다. 특히 증발기(150)는 유체가 물인 경우 수증기로 변환하여 터빈(110)으로 공급할 수 있다.
터빈(110)은 증발기(150)로부터 공급되는 유체를 팽창하면서 유체의 열에너지를 회전에너지로 변환시켜 발전기(120)를 작동시킬 수 있다. 발전기(120)는 상기와 같은 물리적 에너지인 회전에너지를 통하여 전기에너지를 생성할 수 있다.
상기와 같은 작업이 진행되는 동안 증발기(150)에 공급되는 열에너지는 가변할 수 있다. 즉, 외부의 열원에서 많은 열에너지가 증발기(150)로 공급되는 경우나 일정한 기준에서 미달되는 열에너지가 증발기(150)로 공급되는 경우와 같이 증발기(150)로 공급되는 열에너지는 일정하지 않을 수 있다. 이때, 상기 열에너지의 편차에 의하여 유체의 온도가 가변할 수 있다. 이런 경우 유체의 온도는 수시로 가변할 수 있으며, 이에 의해서 터빈(110)에서 잉여 에너지가 발생할 수 있다. 특히 유체의 온도가 제1 온도(또는 최저온도)인 경우 터빈(110)의 회전수가 작아질 수 있으며, 유체의 온도가 제2 온도(또는 최고온도)인 경우 터빈(110)의 회전수가 많아질 수 있다. 이러한 경우 발전기(120)에서 생성되는 전기에너지가 가변할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 질량가변부(170)는 유체의 온도가 제2 온도에서 제1 온도로 가는 지점에서 일정 온도가 되면 질량(M)을 회전축(S)에 더함으로써 고온에서 회전하는 회전축(S)의 관성을 이용하여 상기 제1 온도에서의 터빈(110)의 회전수를 증대시킬 수 있다. 특히 상기와 같은 경우 유체의 온도가 제1 온도에 도달하면 터빈(110)의 회전수가 감소하므로 이를 보강하기 위하여 상기 제2 온도에서 상기 제1 온도에 도달하기 전에 터빈(110)의 회전축(S)에 관성을 더함으로써 상기 제1 온도에서 터빈(110)의 회전수를 증가시킬 수 있다.
한편, 상기와 같이 유체의 온도가 상기 제1 온도에 도달하면, ORC 발전시스템(100)은 현재 상태를 유지할 수 있다. 유체의 온도가 상기 제1 온도에서 상승하기 시작하면 하우징(171) 내부의 질량(M)은 외부로 배출될 수 있다. 이때, 개폐부(174)가 개방되고 제2 펌프(172)가 작동하여 하우징(171) 내부의 질량(M)을 연결유로(173)를 통하여 하우징(171) 외부로 배출시킬 수 있다. 특히 상기와 같은 경우 터빈(110)의 회전수가 증가하기 시작하는 구간에서 하우징(171) 내부의 질량(M)을 외부로 배출시킴으로써 터빈(110)의 회전수가 더디게 증가하는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같은 작업은 터빈(110)이 작동하는 경우 지속적으로 수행될 수 있다. 특히 질량가변부(170)는 유체의 온도에 따라서 상기의 작업을 반복적으로 수행할 수 있다.
따라서 ORC 발전시스템(100)은 외부로부터 공급되는 열에너지에 따라서 질량가변부(170)를 통하여 터빈(110)의 회전축(S)에 관성을 더하거나 뺌으로써 열에너지가 적을 때에 회전축(S)의 회전수가 너무 떨어지는 것을 방지하여 전체 효율을 증대시킬 수 있다.
특히 ORC 발전시스템(100)은 발전기(120)의 발전 효율의 최저값과 최대값이 너무 차이는 것을 방지함으로써 발전기(120)의 성능을 향상시킬 수 있으며, 안정적으로 전기에너지를 생성할 수 있다.
ORC 발전시스템(100)은 외부의 열원에 따라 터빈(110)의 회전축(S)에 관성을 더하거나 뺌으로써 터빈(110)의 회전수를 좁은 범위에서 움직이게 하여 터빈(110)의 작동 범위를 벗어나는 것을 방지할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100: ORC 발전시스템
110: 터빈
120: 발전기
130: 응축기
140: 제1 펌프
150: 증발기
160: 온도측정기
170: 질량가변부
171: 하우징
172: 제2 펌프
173: 연결유로
174: 개폐부

Claims (3)

  1. 터빈;
    상기 터빈과 연결되는 발전기;
    상기 터빈으로부터 토출되는 유체를 응축시키는 응축기;
    상기 응축기로부터 공급되는 유체를 유동시키는 제1 펌프;
    상기 제1 펌프에서 토출된 유체에 열에너지를 가하는 증발기;
    상기 증발기에서 상기 터빈으로 공급되는 유체의 온도를 측정하는 온도측정기; 및
    상기 터빈과 상기 발전기 사이에 배치되며, 상기 터빈의 회전축에 설치되어 상기 온도에 근거하여 질량이 가변하여 상기 회전축에 관성을 더하거나 빼는 질량가변부;를 포함하는 ORC 발전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도가 최고온도에서 최저온도로 하강하는 경우 상기 질량가변부의 질량은 증가하는 ORC 발전시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량가변부는,
    상기 터빈의 회전축에 설치되며, 내부에 공간이 형성되는 하우징;
    상기 터빈의 회전축과 연결되어 상기 하우징에 질량을 가감하는 제2 펌프;
    상기 제2 펌프와 상기 하우징을 연결하는 연결유로; 및
    상기 연결유로에 배치되며, 상기 연결유로를 선택적으로 개방하는 개폐부;를 포함하는 ORC 발전시스템.
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