KR102072565B1 - 삼중발전 시스템을 포함하는 cng 충전소 및 cng 충전소의 운영 방법 - Google Patents

Abstract

삼중발전 적용 CNG 충전소 및 CNG 충전소의 운영 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 CNG 충전소는 한전 전력망으로부터 계통 전력이 유입되며, CNG 충전소에 주전력을 공급하는 주전력 공급부; 천연가스를 연료로 사용하여 전력과 냉/난방 에너지를 통합적으로 생산하며, CNG 충전소에 보조 전력을 공급하는 삼중발전 시스템;을 포함하고, 삼중발전 시스템에서 생산되는 전력과 냉/난방 에너지를 충전소 관리시설에 공급함으로써, 충전소 관리시설과 결합된 형태의 서비스를 제공한다.

Description

삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소 및 CNG 충전소의 운영 방법 {CNG CHARGING STATION WITH TRIGENERATION SYSTEM AND OPERATING METHOD OF THAT}

본 발명은 삼중발전 적용 CNG 충전소 및 CNG 충전소의 운영 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 삼중발전 시스템과 에너지 저장 시스템(ESS)를 활용하여 충전소의 피크전력을 관리하고, 삼중발전 시스템에서 생산되는 전력과 냉난방 에너지를 활용하여 충전소 관리시설과 결합된 형태의 CNG 충전 서비스를 제공하는, CNG 충전소 및 CNG 충전소의 운영 방법에 관한 것이다.

최근 미세먼지를 포함한 대도시 대기질 개선, 탈원전 정책 등이 100대 국정과제에 포함되면서, CNG(Compressed Natural Gas) 충전소의 보급사업이 세부실행 계획으로 추진되어, 향후 CNG 충전소의 보급이 확대될 것으로 예상되고 있다.

도 1은 기존의 CNG 충전소의 하루 전력사용 패턴을 나타낸 그래프이다.

도 1을 참조하면, 기존 CNG 충전소의 하루 전력 사용량은 시간에 따라 매우 급격하게 변화하는 것을 알 수 있는데, 이는 CNG 충전소의 핵심시설인 천연가스 압축기의 동작에 따른 부득이한 현상으로 분석된다.

CNG 충전소는 천연가스를 연료로 사용하는 차량을 비롯하여 각종 이동식 탱크에 CNG를 충전하는 시설로, CNG의 이송 및 저장을 위해 고부하장치인 천연가스 압축기를 다수 보유한다. 고부하장치는 전력 특성상 가동에 따라 최대 전력 피크치가 갑자기 증가하게 되어, 소비전력이 공급계통의 전력 공급량으로 설정된 계약전력을 초과하게 되어 비용을 상승시키는 요인이 된다.

따라서, 기존의 CNG 충전소는 고부하장치의 특성상 발생하는 과도한 기동전력 및 사용량으로 인하여 전력요금이 높게 산정됨에 따라 전력의 효율적인 관리가 요구된다. 또한 전기요금은 최대수요전력에 따라 기본요금이 적용되는 점을 고려할 때, 사용패턴이 급격이 변하는 CNG 충전소에서의 피크전력 관리는 매우 중요한 문제라고 할 수 있다.

상기와 같은 CNG 충전소의 피크전력을 억제하기 위한 방안 중 하나로, 충전소에 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, 이하 'ESS'라 함)을 도입하여 피크전력과 부하를 관리하는 것을 고려해 볼 수 있으나, 이는 초기 투자 비용이 매우 높고, 시간이 지남에 따라 ESS의 배터리 효율이 급격히 감소한다는 점에서 실제 적용에는 많은 어려움이 있다.

본 발명은 CNG 충전소의 피크부하 관리 방안으로, CNG 충전소에 제공되는 전력을 한전 전력망과 삼중발전 시스템 중 적어도 어느 하나로부터 선택적으로 공급받도록 함으로써 최대전력 사용량을 억제하고, ESS를 더 포함하여 충전소에서의 급격한 전력 수요 변동에 탄력적으로 대응하고자 한다.

또한, 본 발명은 삼중발전 시스템에서 생산되는 냉난방 에너지를 이용하여, 충전소 관리시설이 결합된 형태의 CNG 충전소를 제공함으로써, 사용자에게 편리하고 접근성이 좋은 CNG 충전 서비스를 제공하고자 한다.

본 발명은 CNG 충전소의 안정적인 운영을 가능하게 하고, CNG 충전소의 초기 투자비용과 전력 요금을 절감함으로써, 궁극적으로는 CNG 충전소의 보급화에 기여하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 충전소 관리시설과 결합된 형태의 서비스를 제공하는 CNG 충전소에 있어서, 한전 전력망으로부터 계통 전력이 유입되며, 상기 CNG 충전소에 주전력을 공급하는 주전력 공급부; 천연가스를 연료로 사용하여 전력과 냉/난방 에너지를 통합적으로 생산하며, 상기 CNG 충전소에 보조 전력을 공급하는 삼중발전 시스템;을 포함하고, 상기 삼중발전 시스템에서 생산되는 전력과 냉/난방 에너지를 상기 충전소의 관리시설에 공급하는 것을 특징으로 하는, 삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소를 제공한다.

본 발명에 따른 CNG 충전소는, 상기 주전력 공급부 또는 상기 삼중발전 시스템으로부터 전력을 공급받아 저장하는 ESS(Energy Storage System)를 더 포함하고, 상기 CNG 충전소로 공급되는 전력은, 상기 주전력 공급부, 상기 삼중발전 시스템 및 상기 ESS 중 어느 하나 이상으로부터 선택적으로 공급받는 것을 특징으로 한다.

상기 삼중발전 시스템은, 상기 CNG 충전소에서 취급하는 천연가스를 연료로 공급받아 사용할 수 있다.

상기 충전소 관리시설은 냉난방 수요를 필요로 하는 시설로서, 오피스룸, 샤워실, 세차시설 및 제어실 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 삼중발전 시스템은, 천연가스를 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 전환가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소의 운영 방법에 있어서, 상기 CNG 충전소는 자체적으로 전력과 냉/난방 에너지를 동시에 생산 가능한 삼중발전 시스템과, 한전 전력망으로부터 공급되는 전력 또는 상기 삼중발전 시스템에서 생산하는 전력을 공급받아 저장하는 ESS(Energy Storage System)을 포함하고, 상기 CNG 충전소에 필요한 전력을, 한전 전력망, 상기 삼중발전 시스템 및 상기 ESS 중 어느 하나 이상으로부터 선택적으로 공급하는 것을 특징으로 하는, 삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소의 운영 방법을 제공한다.

상기 CNG 충전소는 충전소 관리시설과 결합된 형태의 서비스를 제공하고, 상기 삼중발전 시스템에서 생산한 냉/난방 에너지를 상기 충전소 관리시설로 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기 삼중발전 시스템은 상기 충전소 관리시설의 운영시간에 가동되어 전력 및 냉난방 에너지를 생산할 수 있다.

또한, 본 발명은 전력요금이 낮은 경부하 시간대에는 상기 한전 전력망을 통해 공급받는 전력을 상기 ESS에 저장하고, 전력요금이 높은 최대부하 시간대에는 상기 한전 전력망을 통해 공급받은 전력과, 상기 삼중발전 시스템에서 생산된 전력, 및 상기 ESS에 저장된 전력 중 어느 하나 이상을 선택적으로 상기 CNG 충전소로 공급할 수 있다.

본 발명에 따른 CNG 충전소에 구비되는 삼중발전 시스템은 새로운 송배전 시스템을 건설할 필요 없이 건물 단위로 간단히 설치가 가능하므로, CNG 충전소의 설치를 위한 공간을 도심에도 용이하게 확보할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 CNG 충전소는, 충전소에 공급되는 전력을 주전력 공급부와 삼중발전 시스템 중 어느 하나 이상으로부터 선택적으로 공급받도록 함으로써, CNG 충전소에서 전력 소모가 많은 천연가스 압축기에 의한 급격한 전력 수요 변동에도 탄력적으로 대응할 수 있고, 이에 따라 CNG 충전소의 안정적인 운영이 가능하며, 최대 전력 사용량을 억제하여 전력 요금을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명은 삼중발전 시스템의 도입으로 CNG 충전소의 초기 투자비를 획기적으로 줄일 수 있으며, 삼중발전 시스템에서 생산되는 냉난방 에너지를 이용하여 충전소 관리시설과 결합된 형태의 CNG 충전 서비스를 제공할 수 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않는 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 기존의 CNG 충전소의 하루 전력사용량 패턴을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 CNG 충전소를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 CNG 충전소의 전력소비량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 삼중발전 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 2은 본 발명에 따른 CNG 충전소를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면 본 발명에 따른 CNG 충전소는, 천연가스 압축기(100), 주전력 공급부(200), 삼중발전 시스템(300) 및 ESS(500)를 포함한다.

천연가스 압축기(100)는 천연가스를 압축하여 CNG를 생산하는 장치이다. CNG 충전소는 한전 전력망으로부터 계통 전력이 유입되는 주전력 공급부(200)로부터 전력을 공급받을 수 있는데, 이때 전술한 바와 같이 고부하장치인 천연가스 압축기(100)의 특성상 일시적인 피크전력에 의해 전력계통에 심각한 부하가 집중되는 등 안정성에 심각한 문제가 야기될 수 있다.

이러한 전력계통의 심각한 부하 집중 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 CNG 충전소의 보조 전력원으로서 삼중발전 시스템(300)을 더 포함한다.

삼중발전 시스템(300)은 천연가스를 연료로 사용하며 전력 생산과 냉방, 난방이 모두 가능한 열병합 발전 시스템의 일종이다. 본 실시예의 삼중발전 시스템(300)은, 히트펌프 타입으로 가스엔진에서 천연가스를 연소하여 생산한 동력으로 발전기를 구동하여 전력을 생산하고, 이때 연소 후 배출되는 배가스의 열과 엔진 냉각수의 배열을 회수하여 냉난방에 이용한다.

이러한 삼중발전 시스템(300)은 분산발전 시스템 중 하나로써, 새로운 송배전 시스템을 건설할 필요 없이 CNG 충전소마다 간단히 설치 가능하며, 자체적으로 발전한 전력을 CNG 충전소에 보조 전력으로 공급할 수 있다.

본 발명에 따른 CNG 충전소는, CNG 충전소에 공급되는 전력을, 주전력 공급부(200)와 삼중발전 시스템(300) 중 어느 하나 이상으로부터 선택적으로 공급받도록 함으로써, CNG 충전소에서 전력 소모가 많은 천연가스 압축기에 의한 급격한 전력 수요 변동에도 탄력적으로 대응할 수 있고, 이에 따라 CNG 충전소의 안정적인 운영이 가능하며, 최대 전력 사용량을 억제하여 전력 요금을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 CNG 충전소는, 주전력 공급부(200)로부터 공급되는 전력(한전 전력망을 통해 공급받은 전력) 또는 삼중발전 시스템(300)에서 생산되는 전력을 저장하는 ESS(500)를 더 포함할 수 있다.

ESS(500)는 주전력 공급부(200) 또는 삼중발전 시스템(300)으로부터 공급받은 전력을 저장해 놓았다가 필요한 시간대에 이를 자유롭게 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 CNG 충전소는, 주전력 공급부(200)와 삼중발전 시스템(300)뿐만 아니라, ESS(500)로부터도 CNG 충전소로 전력을 공급할 수 있으며, 이들 전력 공급처를 선택적으로 제어할 수 있으므로 피크부하를 더욱 효율적으로 관리할 수 있다.

에너지 수요 관리 차원에서 전력 수급 안정화는 가장 중요한 문제인데, 종래에는 충전소의 피크부하를 억제하기 위하여 소비자의 수요 패턴을 분석하여 전력 수요를 관리하는 것에 중점을 두었다면, 본 발명은 전력의 수요 관리가 아닌 공급 관리로 피크부하를 억제하는 것이다.

이와 같이 삼중발전 시스템(300)과 ESS(500)를 함께 활용하는 경우, ESS(500)는 최소 단위 규모로 설치하고, 삼중발전 시스템(300)과 병용하는 것이 바람직하다.

삼중발전 시스템(300)과 ESS(500)를 함께 활용하면, 동일한 용량을 기준으로 ESS(500)보다 설치비용이 훨씬 저렴한 삼중발전 시스템(300)에 의해, CNG 충전소에 설치되는 ESS(500)를 저장 용량을 더 작은 것으로 교체할 수 있기 때문에, CNG 충전소의 초기 투자비를 절감할 수 있다.

즉, 본래 CNG 충전소에 설치되는 ESS(500)의 일부를 저렴한 삼중발전 시스템(300)으로 대체함으로써, 기존 대비 저렴한 설치 비용으로 동일한 또는 그 이상의 효과를 거둘 수 있는 CNG 충전소의 전력 공급 시스템을 구축할 수 있다.

구체적인 예로, CNG 충전소의 최대전력 피크 시간이 4시간이라고 할 때, 200kWh 기준, ESS(500)의 설치비용은 약 3억원으로 예상되는데, 삼중발전 시스템(300)은 50kWh 용량으로 설치하더라도 4시간 동안 가동시켜 200kWh의 전력을 생산하면 되므로, 약 4천만원의 설치비용이 예상된다. 또한, ESS(500)의 배터리는 시간이 지날수록 효율이 떨어지기 때문에 교체가 요구되지만, 삼중발전 시스템(300)은 특별한 이유가 없는 한 시스템 자체를 교체할 필요가 없으므로, 설치 및 운영비용을 획기적으로 저감할 수 있다.

CNG 충전소의 운영자는 삼중발전 시스템(300)의 저렴한 설치비용과, ESS(500) 사용에 의한 전기요금의 할인률 등을 고려하여 삼중발전 시스템(300)과 ESS(500)의 설치 규모를 설정할 수 있을 것이다.

한편, 본 발명에 따른 CNG 충전소는, 충전소 관리시설(400)과 결합된 서비스 형태로 제공될 수 있으며, 충전소 관리시설(400)에서 필요로 하는 전력 및 냉난방 에너지는 삼중발전 시스템(300)으로부터 제공받을 수 있다.

여기서 충전소 관리시설(400)이란, 충전소와 결합되어 운영되는 시설로 CNG 충전소의 오피스룸, 샤워실 및 세차시설 및 제어실(control room)등을 예로 들 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니며, 충전소 사용자 또는 운영자에게 편의를 제공하며 냉난방 수요가 있는 시설이라면, 어떠한 형태를 갖춘 시설이라도 적용될 수 있다.

본 발명은 전력과 냉난방 에너지원을 통합적으로 생산 가능한 삼중발전 시스템(300)을 이용하여, 충전소 관리시설(400)에서 필요로 하는 전기 및 냉난방 에너지를 공급하므로, 충전소 관리시설(400)에는 별도의 냉난방 열원기를 갖출 필요가 없게 된다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 CNG 충전소에 분산전원으로서 삼중발전 시스템(300)을 도입하여 피크전력을 관리하는 것이 핵심이라고 할 수 있는데, 삼중발전 시스템(300)을 이용하는 것은 다음과 같은 장점이 있다.

우선, 삼중발전 시스템(300)은 새로운 송배전 시스템을 건설할 필요 없이 건물 단위로 간단히 설치가 가능하므로, CNG 충전소의 설치를 위한 공간을 도심에도 용이하게 확보할 수 있다.

또한, 삼중발전 시스템(300)의 도입으로, ESS(500)의 설치 댓수를 줄이거나 또는 용량을 줄일 수 있으므로, CNG 충전소의 초기 투자비를 획기적으로 줄일 수 있으며, 삼중발전 시스템(300)에서 생산되는 냉난방 에너지를 이용하여 충전소 관리시설(400)과 결합된 형태의 CNG 충전 서비스를 제공할 수 있다.

더불어, 가스연료를 취급하는 CNG 충전소의 특성상, 천연가스를 연료로 사용하는 삼중발전 시스템(300)에 연료를 용이하게 공급할 수 있으므로 연료 공급에 부담이 없고, 운영이 용이하여 CNG 충전소 보급화에 기여할 수 있게 된다.

계속 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 'CNG 충전소의 운영 방법'에 대하여 설명하고자 한다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에서 CNG 충전소는 주전력 공급부(200)를 통해 공급되는 한전 전력; 삼중발전 시스템(300)에서 생산되는 전력; 및 ESS(500)에 저장된 전력; 중 어느 하나 이상으로부터 선택적으로 공급받을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 CNG 충전소는 시간대별로 주전력 공급부(200), 삼중발전 시스템(300) 및 ESS(500) 중 어느 하나 이상을 선택적으로 사용하도록 함으로써 피크부하 및 전력수요를 관리할 수 있다.

예를 들어, 냉난방에너지 수요가 발생하는 충전소 관리시설(400)의 운영시간에는 삼중발전 시스템(300)을 이용하여 전력을 생산할 수 있으므로, 이 시간대에는 한전 전력망과 삼중발전 시스템(300)을 활용하여 CNG 충전소에 전력을 공급할 수 있다.

또한, 전력요금이 낮은 '경부하 시간대'에는 한전 전력망을 통해 공급받은 전력을 ESS(500)에 저장하고, 전력요금이 높은 '최대부하 시간대'에는 한전 전력망을 통해 공급받은 전력과, 삼중발전 시스템(300)에서 생산된 전력 및 ESS(500)에 저장된 전력을 선택적으로 사용할 수 있다.

도 3은 상기 실시예에 의한 CNG 충전소의 전력소비량을 나타낸 그래프로, A는 한전 전력망에 의한 전력망을 공급받는 경우를 나타낸 것이고, B는 한전 전력망과 삼중발전 시스템으로부터 전력을 공급받는 경우를 나타낸 것이며, C는 한전 전력망과 삼중발전 시스템 및 ESS로부터 전력을 공급받는 경우를 각각 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, B 그래프는 위 실시예에서처럼 충전소 관리시설(400)의 운영시간(약 6시~20시)에는 삼중발전 시스템(300)을 가동함으로써, 한전 전력망에 의한 전력소비량이 A 그래프에 비하여 삼중발전 시스템(300)에 의해 생산된 전력만큼 감소한 것을 알 수 있다.

또한, C 그래프를 살펴보면, 경부하 시간대(약 2시~5시)에는 전력망을 통해 전력을 ESS(500)에 충전하므로 전력소비량이 다소 증가하고, 최대부하 시간대(약 12시~15시)에는 ESS(500)의 사용으로 그만큼에 해당하는 전력소비량이 감소한 것을 알 수 있다.

경부하와 최대부하는 산업용 전력요금을 정할 때 쓰는 용어로써, 하루 전력사용 시간을 시간대별로 나누어 말하는 부하 종류를 말한다. 경부하 시간대는 하루 중에 부하를 가정 적게 쓰는 시간대로 전력 요금이 낮으며, 최대부하 시간대란 하루 중에 부하를 가장 많이 쓰는 시간대로 전력 요금이 높게 책정된다.

상기에서 경부하 시간대 및 최대부하 시간대로 정의된 시간은 예시적인 것이며, 이는 한전에서 정하는 바에 따라 달라질 수 있으며, 계절이나 요일에 따라서도 다르게 설정될 수 있다.

다시 말하면, 본 발명에 따른 CNG 충전소는 시간대별 전력소비량 및 발전량에 따라 CNG 충전소로 공급되는 전력 생산처를 선택적으로 제어할 수 있으며, 이에 따라 피크전력을 효율적으로 관리할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명에 적용되는 삼중발전 시스템(300)은 기존의 삼중발전 시스템과는 차별되는 특징이 있기에, 그 상세한 구성에 대해 더 자세히 설명하고자 한다.

기존에 알려진 삼중발전 시스템의 경우, 먼저 가스엔진에서 가스연료를 공급받아 동력으로 전환하며, 발전기는 가스엔진의 동력을 전달받아 전기를 생산하고, 가스엔진을 냉각시킨 고온의 냉각수와 배가스 형태의 배열을 흡수식 냉온수기로 보내어 하절기에는 냉방, 동절기에는 난방용 에너지로 사용한다.

이러한 기존의 삼중발전 시스템의 문제는 흡수식 냉온수기에 필요한 열에너지가 발전량에 종속된다는 것이다. 따라서, 전력 사용량(발전량)이 적은 경우 생산되는 열에너지도 감소하며, 냉난방 수요가 공급을 초과하는 경우에는 불필요하게 추가 발전을 수행하거나 별도의 냉난방 설비를 갖추어야 한다.

즉, 기존의 삼중발전 시스템은 주로 전력 생산에만 초점이 맞춰져 있어, 전력 수요처의 다양한 에너지 수요 패턴에 유연하게 대응할 수 없다는 문제가 있다.

그러나 본 발명에 따른 삼중발전 시스템(300)은, 천연가스 압축기(100)의 보조 전력원으로서의 역할은 물론, 충전소 관리시설(400)에 냉난방 에너지를 공급하는 역할도 중요하기 때문에, 충전소 관리시설(400)의 냉난방 수요에 유동적으로 대처할 수 있어야 한다.

이에 따라 본 발명은 사용자의 다양한 에너지 수요 패턴에 맞게, 에너지의 형태를 전력, 냉방에너지 및 난방에너지 사이에서 유동적으로 변환할 수 있도록 구조가 개선된 삼중발전 시스템(300)을 제공한다.

도 4는 본 발명에 적용되는 삼중발전 시스템(300)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 적용되는 삼중발전 시스템(300)은, 가스엔진, 발전기, 냉난방장치, 배열회수장치 및 배열활용장치를 구비한다.

가스엔진은 천연가스를 연소하여 동력으로 전환하는 열기관이다. 예컨대 가스연소 피스톤 엔진을 사용할 수 있다. 즉 천연가스가 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 삼중발전 시스템과는 달리 본 발명에서는 가스엔진에 직접 냉난방장치를 연결하여 냉난방 에너지를 생산한다는 점에서 특징이 있다.

본 발명에서 냉난방장치는 다양한 형태의 냉동사이클 및 히트펌프사이클을 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 4에서 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.

다음으로 열펌프사이클을 설명한다. 열펌프사이클은 도 4에서 빨강색 화살표로 표시되는데 냉동사이클과는 반대 방향으로 사이클을 형성한다.

압축기에서 단열압축되어 고온고압의 냉매 증기는 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 제2 열교환기는 응축기로 사용된다. 냉동사이클과 열펌프사이클은 이미 널리 알려진 기술이므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

본 발명에서 냉난방장치를 냉동사이클로 활용할 것인지 열펌프사이클로 활용할 것인지는 냉매의 순환방향에 의하여 결정되는데, 냉매의 순환방향은 압축기에 연결된 사방밸브에 의하여 조절될 수 있다. 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 수 있지만, 도 4에 도시된 바와 같이 단열처리된 수조에 일시적으로 저장된 후 냉난방에 사용될 수도 있다.

한편, 본 발명에서 압축기는 1개만 사용할 수도 있지만, 수요자의 다양한 전력부하 및 냉난방 부하의 비율에 대응하기 위하여 복수개를 사용할 수도 있다. 본 실시예에서는 2개의 압축기를 사용한다. 따라서 제2동력제어유닛도 2개가 마련된다. 2개의 압축기가 함께 구동될 수도 있고, 1개의 압축기만 구동되거나, 경우에 따라서는 압축기를 구동하지 않을 수도 있다. 이에 대해서는 뒤에서 본 발명에 따른 삼중발전 시스템(300)의 운전모드를 설명할 때 다시 설명하기로 한다.

그리고 각 압축기는 압축능력을 100%로 사용할 수도 있지만, 압축기 내 장착되어 바이패스 밸브 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 회수하는데에도 사용된다. 가스엔진의 배가스는 대략 400~600℃의 고온이며, 냉각수는 가스엔진을 냉각시키면서 대략 70~90℃ 정도의 온도가 된다.

배열회수장치에서 냉각수는 배가스에 의하여 가열 및 승온된 후, 도 4에서 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 열전달 후 외부로 방출된다.

다만, 배열회수장치와 배열활용장치 사이에는 삼방밸브가 설치되어, 냉각수를 배열활용장치로 보내지 않고, 도 4에서 A2로 표시된 루트를 따라 순환되도록 할 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 되어 난방 능력이 저감될 수 있다. 이때 삼방밸브를 조절하여 배열회수장치로부터 고온의 냉각수를 제1열교환기 측으로 보내어 냉매가 고온으로 가열될 수 있도록 하는 것이다. 냉각수는 다시 가스엔진으로 회수되어 순환된다.

한편, 상기와 같이 냉매를 가열할 수도 있지만, 증발기로 향하는 공기를 가열하여 냉매 사이클의 압축비를 올려 효율을 올리는 방법도 적용 가능하다.

앞에서 설명한 예에서는, 냉각수 자체가 배열회수장치에서 열교환한 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. 이때 냉각수는 배열회수장치에서 열교환한 후 바로 가스엔진으로 리턴되는 방식으로 순환될 수 있다.

배열활용장치는 배열회수장치에서 회수된 열에너지를 전력으로 전환하거나 또는 냉방/난방에 활용하기 위한 것이다.

배열활용장치로는 다양한 장치가 이용될 수 있다. 일예로 유기랭킨 사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)을 이용하여 가스엔진에서 발생한 배열을 이용하여 추가적인 전력을 생산할 수도 있고, 제습냉방장치에 구비되는 흡착제에 열을 가하는 열원으로 배열을 이용할 수도 있다.

또한, 배열활용장치를 냉난방에 사용하기 위해서 흡수식 냉온수기를 사용할 수도 있다. 흡수식 냉온수기는 가스엔진에서 발생한 배열을 열원으로 하여 추가적으로 냉난방유체를 가열 또는 냉각시킨다. 냉난방유체는 직접 냉방 및 난방을 수행하는데 사용될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 단열 처리가 된 수조에 일시적으로 저장된 후 활용될 수도 있다.

상기의 유기랭킨 사이클, 제습냉방장치 및 흡수식 냉온수기는 공지의 기술인 바 자세한 설명은 생략하기로 한다.

위에서 설명한 본 발명에 따른 삼중발전 시스템(300)에서 가장 큰 구조적 특징은 냉난방을 위한 압축기를 직접 가스엔진에 연결하였다는 점이다.

기존의 삼중발전 시스템에서는 발전기만을 가스엔진에 직접 연결하고, 발전기에서 나오는 배열을 활용하여 냉난방을 수행하였다. 즉 발전이 우선이고, 발전의 부산물인 폐열을 이용하여 부가적으로 냉난방을 수행한 것이다.

그러나 본 발명에 따른 삼중발전 시스템(300)은, 수요자의 다양한 에너지 수표 패턴에 유연하게 대응하고, 충전소 관리시설(400)의 냉난방 수요에 유동적으로 대처하기 위하여, 발전기와 압축기를 직접 가스엔진에 결합시켜 전력과 냉난방 에너지의 생산 비율을 원하는 비율로 조절할 수 있게 한 것이다.

본 발명에 따른 삼중발전 시스템(300)은, 에너지 사용 패턴에 따라 냉방모드, 난방모드, 냉방-발전모드, 난방-발전모드, 발전모드의 5가지 모드로 운용될 수 있다.

냉방모드와 난방모드에서는 발전기는 가스엔진과 결합되지 않고 압축기만 가스엔진에 결합된다. 배열활용장치는 5가지 모드에서 모두 운전상태를 유지한다.

즉, 냉방모드와 난방모드에서는 발전기는 운전하지 않고 냉난방장치와 배열활용장치만 사용한다. 냉난방장치는 냉방모드에서는 냉동사이클로, 난방모드에서는 열펌프사이클로 각각 운전되어 냉방에너지 또는 난방에너지를 만들어내고, 배열활용장치는 배열회수장치에서 회수된 열에너지를 전력으로 전환하거나 냉방 또는 난방에 활용할 수 있다.

냉방모드와 난방모드는 모두 에너지 수요 패턴에서 냉난방 부하가 매우 큰 경우를 대비한 것이다. 그러나 발전과 냉난방이 동시에 이루어지는 것이 보편적일 것이므로, 냉난방과 발전을 함께 수행하는 모드가 중요하다.

냉방-발전모드에서는 압축기와 발전기를 모두 가동한다. 발전기에서는 전력을 생산하고, 냉난방장치는 냉동사이클로 운전되어 냉열을 생산한다. 배열활용장치는 배열회수장치에서 회수된 열에너지를 전력으로 전환하거나 냉방 또는 난방에 활용할 수 있다.

이때 중요한 점은, 2개의 압축기를 이용하여 냉방능력을 조절할 수 있다는 것이다. 2개의 압축기는 1개 또는 2개 모두 운용될 수 있으며, 압축기 각각은 50%와 100%의 2단계로 압축능력을 발휘하도록 제어될 수 있다. 2개 압축기의 전체 압축능력을 100으로 본다면, 25%, 50%, 75%, 100%의 4단계로 압축능력을 조절할 수 있는 것이다. 따라서 냉방부하가 큰 경우에는 75%, 100%로 운전하면서 발전량을 줄이고, 전력부하가 크고 냉방부하가 작은 경우에는 압축기를 25%, 50%로 운전하여 발전량을 늘림으로써 에너지 수요 패턴에 유연하게 대응할 수 있다.

난방-발전모드도 마찬가지로 발전기와 냉난방장치 및 배열활용장치를 모두 가동한다. 냉난방장치는 열펌프사이클로 작동되어 난방용 열을 생산하며, 이때에도 2개의 압축기의 선택적 사용과 대수 제어를 통해 압축능력을 4단계로 조절함으로써 난방부하와 전력부하에 능동적으로 대처할 수 있다.

마지막으로, 발전모드는 전력부하가 큰 경우를 대비한 모드로써, 발전기만 가동하고 냉난방장치는 가동하지 않는다. 물론 배열활용장치를 활용하여 추가적인 전력을 생산하거나, 약간이지만 냉난방 에너지를 생산할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 삼중발전 시스템(300)은, 기존의 삼중발전 시스템과 달리 소전력 생산과 냉난방 에너지 생산의 비율을 자유롭게 조절할 수 있으므로, 사용자의 다양한 에너지 소비 패턴에 능동적으로 대응할 수 있다는 이점이 있다.

이렇게 개선된 구조를 가진 본 발명에 따른 삼중발전 시스템(300)은, 충전소 관리시설(400)과 결합된 형태의 CNG 충전소, 특히 '냉난방 수요가 발생하는' 충전소 관리시설(400)과 결합된 CNG 충전소 서비스에 아주 적합하게 적용될 수 있는 것이다.

이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 천연가스 압축기 200 : 주전력 공급부
300 : 삼중발전 시스템 400 : 충전소 관리시설
500 : ESS(에너지 저장 시스템)

Claims (9)

1. 충전소 관리시설과 결합된 형태의 서비스를 제공하는 CNG 충전소에 있어서,
   한전 전력망으로부터 계통 전력이 유입되는 주전력 공급부;
   천연가스를 연료로 사용하여 전력과 냉/난방 에너지를 생산하는 삼중발전 시스템; 및
   상기 주전력 공급부 또는 상기 삼중발전 시스템으로부터 전력을 공급받아 저장하는 ESS(Energy Storage System)을 포함하고,
   상기 CNG 충전소로 공급되는 전력은, 상기 주전력 공급부, 상기 삼중발전 시스템 및 상기 ESS 중 어느 하나 이상으로부터 공급받되,
   상기 CNG 충전소의 운영시간에는 상기 삼중발전 시스템의 가동에 의해 생산되는 냉/난방 에너지를, 상기 CNG 충전소와 결합되어 운영되며 냉난방 수요가 발생하는 충전소 관리시설로 공급하고,
   상기 삼중발전 시스템은,
   상기 CNG 충전소에서 취급하는 천연가스를 공급받아 연소하여 회전 동력으로 전환하는 가스엔진;
   상기 가스엔진에 분리 가능하게 연결되어 선택적으로 전력을 생산하는 발전기; 및
   상기 가스엔진에 분리 가능하게 연결되어 냉방 또는 난방을 수행하는 냉난방장치;를 포함하며,
   상기 발전기와 상기 냉난방장치는 각각 상기 가스엔진에 직접 결합되어, 상기 발전기의 구동과 상기 냉난방장치의 구동이 독립적으로 이루어짐으로써, 상기 삼중발전 시스템에 의한 냉/난방 에너지의 생산이 발전량에 종속되지 않고, 상기 삼중발전 시스템에 의한 전력 생산과 냉/난방 에너지의 생산이 동시에 또는 선택적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
   삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉난방장치는,
   상기 가스엔진에 분리가능하게 연결되어 냉매를 압축하는 압축기;
   상기 압축기에 연결되어 상기 냉매와 공기 사이에 열교환을 수행하는 제1열교환기;
   상기 압축기에 연결되어 상기 냉매와 냉난방용 유체 사이에 열교환을 수행하는 제2열교환기;
   상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기 사이에 배치되어 냉매를 팽창시키는 팽창밸브;를 포함하되,
   냉방시에는, 상기 냉매는 상기 압축기로부터 상기 제1열교환기, 상기 팽창밸브, 상기 제2열교환기 및 상기 압축기 순으로 순환되면서 상기 냉난방용 유체를 냉각시키고,
   난방시에는, 상기 냉매는 상기 압축기로부터 상기 제2열교환기, 상기 팽창밸브, 상기 제1열교환기 및 상기 압축기 순으로 순환되면서 상기 냉난방용 유체를 가열하는 것을 특징으로 하는,
   삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 삼중발전 시스템은,
   상기 발전기는 운전하지 않고 상기 냉난방장치를 가동하여 냉방 에너지를 생산하는 냉동모드;
   상기 발전기는 운전하지 않고 상기 냉난방장치를 가동하여 난방 에너지를 생산하는 난방모드;
   상기 발전기와 상기 냉난방장치를 모두 가동하여 전력과 냉방 에너지를 생산하는 냉방-발전보드;
   상기 발전기와 상기 냉난방장치를 모두 가동하여 전력과 난방 에너지를 생산하는 난방-발전보드; 및
   상기 냉난방장치는 운전하지 않고 상기 발전기를 가동하여 전력을 생산하는 발전모드;
   중 어느 하나의 모드로 운전되는 것을 특징으로 하는,
   삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 충전소 관리시설은 냉난방 수요를 필요로 하는 시설로서, 오피스룸, 샤워실, 세차시설 및 제어실 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 삼중발전 시스템은,
   상기 가스엔진의 배가스의 열을 회수하는 배열회수장치; 및
   상기 배열회수장치에서 회수된 배열을 활용하여 에너지로 변환하는 배열활용장치;를 더 포함하여,
   상기 가스엔진에서 생산된 동력을 전력에너지, 냉방에너지 및 난방에너지 중 적어도 어느 하나의 에너지로 유동적으로 전환가능한 것을 특징으로 하는,
   삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소.
   
6. 삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소의 운영 방법에 있어서,
   상기 CNG 충전소는 자체적으로 전력과 냉/난방 에너지를 동시에 생산 가능한 삼중발전 시스템과, 한전 전력망으로부터 공급되는 전력 또는 상기 삼중발전 시스템에서 생산하는 전력을 공급받아 저장하는 ESS(Energy Storage System)을 포함하고,
   상기 CNG 충전소에 필요한 전력을, 한전 전력망, 상기 삼중발전 시스템 및 상기 ESS 중 어느 하나 이상으로부터 선택적으로 공급하되,
   상기 CNG 충전소의 운영시간에는, 상기 삼중발전 시스템을 항시 가동하여 생산되는 냉/난방 에너지를, 상기 CNG 충전소와 결합되어 운영되며 냉난방 에너지 수요가 발생하는 충전소 관리시설로 공급하고,
   상기 삼중발전 시스템은, 상기 CNG 충전소에서 취급하는 천연가스를 공급받아 동력을 발생시키는 가스엔진에 각각 발전기와 냉난방장치를 직접 결합시켜, 상기 삼중발전 시스템에 의한 냉/난방 에너지의 생산이 발전량에 종속되지 않고, 상기 발전기에 의한 전력 생산과 상기 냉난방장치에 의한 냉/난방 에너지의 생산이 독립적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
   삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소의 운영 방법.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 청구항 6에 있어서,
   전력요금이 낮은 경부하 시간대에는 상기 한전 전력망을 통해 공급받는 전력을 상기 ESS에 저장하고,
   전력요금이 높은 최대부하 시간대에는 상기 한전 전력망을 통해 공급받은 전력과, 상기 삼중발전 시스템에서 생산된 전력, 및 상기 ESS에 저장된 전력 중 어느 하나 이상을 선택적으로 상기 CNG 충전소로 공급하는 것을 특징으로 하는,
   삼중발전 시스템을 포함하는 CNG 충전소의 운영 방법.

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