KR102087018B1 - 효율이 향상된 orc 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터빈과 연동하는 발전기로부터 열에너지와 냉각에너지를 추출하고 이 에너지를 증발기를 가열하는 열원수단과 응축기를 냉각하는 냉각수단의 보조 에너지원으로 이용함으로써 ORC발전 효율이 향상된 ORC 발전시스템에 관한 것으로, 증발기(110), 터빈(120), 발전기(130), 응축기(140) 및 공급펌프(150)를 포함하고; 상기 증발기(110)의 온도가 상승되도록 열원을 제공하는 열원수단(160)과, 상기 응축기(140)의 온도가 하강하도록 냉각수를 제공하는 냉각수단(170)을 포함하고; 상기 발전기(130)로부터 발산되는 열기를 응집하여 이송하는 제1커버수단(210); 상기 제1커버수단(210)으로부터 제공되는 열기를 상기 열원수단(160)의 공급관(163)으로 제공하는 보조가열부(220)와; 상기 발전기(130)의 회전축(230)에 연결된 프로펠러(231)와; 상기 프로펠러(231)의 바람을 응집하여 이송하는 제2커버수단(230); 및 상기 제2커버수단(230)으로부터 제공되는 바람을 상기 냉각수단(170)의 유입관(172)으로 제공하는 보조냉각부(240)를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

효율이 향상된 ORC 발전시스템{ORC power generation system with improved efficiency}
본 발명은 ORC 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈과 연동하는 발전기로부터 열에너지와 냉각에너지를 추출하고 이 에너지를 증발기를 가열하는 열원수단과 응축기를 냉각하는 냉각수단의 보조 에너지원으로 이용함으로써 ORC발전 효율이 향상된 ORC 발전시스템에 관한 것이다.
21세기에 들어오면서 환경, 에너지문제는 전 세계 모든 나라에서 중요한 이슈가 되고 있다.
이러한 이슈에 대한 노력으로 산업폐열이나 신재생에너지를 이용한 유기랭킨사이클(ORC: Organic Rankine Cycle) 발전기술에 대한 연구가 많이 진행되고 있는 추세이다.
일반적으로 ORC 발전시스템은 도 1에서와 같이 증발기(10), 터빈(20), 발전기(30), 응축기(40) 및 공급펌프(50)를 기본 요소로 구성된다.
먼저, 증발기(10)는 작동유체에 열을 전달하여 터빈(20) 구동에 필요한 온도까지 가열시키고, 터빈(20)은 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜서 발전기(30)에서 전기를 생산하게 된다.
상기 응축기(40)는 상기 터빈(20)에서 나온 작동유체를 냉각시키며, 공급펌프(50)는 응축기(50)에서 나온 저압의 작동유체를 증발 압력까지 가압시키는 역할을 수행하게 된다.
또한 상기 증발기(10)는 폐열이나 온수 등을 공급하는 열원수단에 연결된 온수공급파이프(60)를 통해서 열교환이 발생되고, 상기 응축기(40)는 저온탱크와 같은 냉각수단에 연결된 냉각수공급파이프(70)를 통해서 열교환이 발생되도록 구성된다.
이와 같이 구성되는 ORC 발전시스템은 증발기(10)를 통과하면서 고압이 된 증기가 터빈(20)을 회전시킴으로써 발생되는 축동력을 발전기(30)를 통해 전기에너지로 변환시키는 시스템이다.
본 출원인은 이와 같은 ORC 발전시스템을 연구하던 중, 보다 효율을 향상시킬 수 있는 본 발명을 하기에 이른 것이다.
등록특허공보 10-1865559, 등록특허공보 10-1612015, 등록특허공보 10-1463178
본 발명은 상기한 배경 하에서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 터빈과 연동하는 발전기로부터 열에너지와 냉각에너지를 추출하고 이 에너지를 증발기를 가열하는 열원수단과 응축기를 냉각하는 냉각수단의 보조 에너지원으로 이용함으로써 ORC발전 효율이 향상된 ORC 발전시스템을 제공하는 것에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 증발기, 터빈, 발전기, 응축기 및 공급펌프를 포함하고;
상기 증발기의 온도가 상승되도록 열원을 제공하는 열원수단과, 상기 응축기의 온도가 하강하도록 냉각수를 제공하는 냉각수단을 포함하고;
상기 발전기로부터 발산되는 열기를 응집하여 이송하는 제1커버수단;
상기 제1커버수단으로부터 제공되는 열기를 상기 열원수단의 공급관으로 제공하는 보조가열부와;
상기 발전기의 회전축에 연결된 프로펠러와;
상기 프로펠러의 바람을 응집하여 이송하는 제2커버수단; 및
상기 제2커버수단으로부터 제공되는 바람을 상기 냉각수단의 유입관으로 제공하는 보조냉각부를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 제1커버수단는 열기가 공급되는 공급단과, 열교환된 공기가 유입되는 유입관이 형성되며, 상기 공급단은 제1연결관을 통해 보조가열부의 유입단에 연결되고, 상기 유입관는 제2연결관을 통해 상기 보조가열부의 유출관에 연결되고, 상기 제1연결관에는 발전기의 열기를 보조가열부로 강제 이송 및 순환시키는 제3펌프가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 보조가열부는 중공 형태로 공급관)을 감싸도록 설치되고, 일측으로 열기가 유입되는 유입단이 형성되고 타측으로 공기가 배출되는 유출단이 형성되고, 내부에는 보온유지부재가 일정한 공극을 형성하도록 설치된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 제2커버수단은 바람이 토출되는 공급단이 형성되며, 상기 공급단은 제3연결관을 통해 보조냉각부의 유입단에 연결되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 보조냉각부는 중공 형태로 공급관을 감싸도록 설치되고, 중앙 일측으로 바람이 유입되는 유입단이 형성되고 타측으로는 공기가 배출되는 다수의 배출공이 형성되고, 내부에는 냉각수단의 유입관을 일정거리 이격하여 지지하여 주는 지지대가 형성된 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 터빈과 연동하는 발전기로부터 열에너지와 냉각에너지를 추출하고 이 에너지를 증발기를 가열하는 가열수단과 응축기를 냉각하는 냉각수단의 보조 에너지원으로 이용함으로써 ORC발전 효율을 향상시킨 장점을 제공한다.
도 1은 일반적인 ORC 발전시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 ORC 발전시스템의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 보조가열부의 구성도로, (a)는 확대 사시도, (b)는 (a)의 A-A 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 보조냉각부의 구성도로, (a)는 확대 사시도, (b)는 (a)의 B-B 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 ORC 발전시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명 ORC 발전시스템은,
증발기(110), 터빈(120), 발전기(130), 응축기(140) 및 공급펌프(150)를 포함하고, 상기 증발기(110)의 온도가 상승되도록 열원을 제공하는 열원수단(160)과, 상기 응축기(140)의 온도가 하강하도록 냉각수를 제공하는 냉각수단(170)과, 상기 발전기(130)로부터 발산되는 열기를 응집하여 이송하는 제1커버수단(210)과, 상기 제1커버수단(210)으로부터 제공되는 열기를 상기 열원수단(160)의 공급관(161)으로 제공하는 보조가열부(220)와, 상기 발전기(130)의 회전축(131)에 연결된 프로펠러(231)와, 상기 프로펠러(231)의 바람을 응집하여 이송하는 제2커버수단(230)과, 상기 제2커버수단(230)으로부터 제공되는 바람을 상기 냉각수단(170)의 유입관(172)으로 제공하는 보조냉각부(240)를 포함하여 구성된다.
보다 상세하게는,
상기 증발기(110)는 열원수단(160)에 연결된 열원공급파이프를 통해서 열교환이 이루어지고, 작동유체에 열을 전달하여 터빈(120)을 구동하기 위한 필요한 온도로 상승된다.
상기 터빈(120)은 작동유체의 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 축회전을 수행하며, 연동된 발전기(130)가 발전을 수행하도록 하여준다.
상기 응축기(140)는 냉각수단(170)에 연결된 냉각수공급파이프를 통해서 열교환이 이루어지고, 상기 터빈(120)에서 나온 작동유체를 냉각시킨다.
상기 공급펌프(150)는 상기 응축기(140)에서 나온 저압의 작동유체를 증발 압력까지 가압시켜 상기 증발기(110)로 전송하는 사이클을 수행하게 된다.
상기 열원수단(160)은 폐열 또는 온수 등을 상기 증발기(110)로 공급 및 순환시켜 열교환을 일으키는 수단으로, 공급관(161) 및 유입관(162)이 형성되고, 상기 공급관(161)에는 열원매체를 강제 이송하는 제1펌프(163)가 형성되고, 열원매체의 온도를 더욱 상승시켜주는 보조가열부(220)가 장착된다.
상기 냉각수단(170)은 냉각수를 상기 응축기(140)로 공급 및 순환시켜 열교환을 일으키는 수단으로, 공급관(171) 및 유입관(172)이 형성되고, 상기 공급관(171)에는 냉각수를 강제 이송하는 제2펌프(173)가 형성되고, 상기 유입관(172)에는 냉각수의 온도를 더욱 하강시켜주는 보조냉각부(240)가 장착된다.
상기 제1커버수단(210)는 상기 발전기(130)로부터 발산되는 열기를 응집하여 이송하는 수단으로, 상기 발전기(130) 외부에 발전기를 수납하는 형태로 구성될 수 있으며, 발전기 구동 시 표면으로부터 발열되는 열기를 상기 보조가열부(220)로 이송 및 순환시켜준다.
상기 제1커버수단(210)는 열기가 공급되는 공급단(211)과, 열교환된 공기가 유입되는 유입관(214)이 형성되며, 상기 공급단(211)은 제1연결관(212)을 통해 보조가열부(220)의 유입단(221)에 연결되고, 상기 유입관(214)는 제2연결관(213)을 통해 상기 보조가열부(220)의 유출관(222)에 연결되고, 상기 제1연결관(212)에는 발전기의 열기를 보조가열부(220)로 강제 이송 및 순환시키는 제3펌프(215)가 설치된다.
상기 보조가열부(220)는 상기 제1커버수단(210)으로부터 제공되는 열기를 상기 열원수단(160)의 공급관(163)으로 제공하는 구성요소로, 도 3에서와 같이 상기 공급관(163)을 감싸도록 설치된다.
상기 보조가열부(220)는 중공 형태로 공급관(163)을 감싸도록 설치되고, 일측으로 열기가 유입되는 유입단(221)이 형성되고 타측으로 공기가 배출되는 유출단(222)이 형성되고, 내부에는 보온유지부재(224)가 일정한 공극을 형성하도록 설치된다.
상기 보온유지부재(224)는 열기를 장시간 보존하는 금속조각이나 부직포 재질이 될 수 있다.
미 설명 부호 223은 측면 마감부이다.
이와 같이 구성되는 제1커버수단(210) 및 보조가열부(220)는 상기 발전기(130) 구동 시, 발전기로부터 발산되는 열기가 제3펌프(215)에 의해 제1연결관(212)를 통해 보조가열부(220)의 유입단(221)으로 전송된다.
상기 유입단(221)으로 유입된 더운 공기는 보조가열부(220)의 내부로 인입되어 보온유지부재(224)를 통과하여 유출관(222)으로 배출된다. 이때 보조가열부(220) 내부에서는 열원수단(160)의 공급관(161)과 열교환이 일어나게 되고, 공급관(161) 내부에 흐르는 열원매체의 온도는 더욱 상승하게 된다.
즉 상기 공급관(161)을 통해 제공되는 열원매체의 온도를 자체 에너지를 이용하여 상승시켜주게 됨으로써, 증발기(110)에서 열교환이 이루어지는 효율을 상승시켜주게 된다.
또한 상기 보조가열부(220)의 유출단(222)을 통해 배출된 공기는 제2연결관(213)을 거쳐 제1커버수단(210)의 유입관(214)을 통해 유입되고 다시 가열되어 순환되는 동작을 반복하게 된다.
상기 제2커버수단(230)은 발전기(130)의 회전축(131)에 연결된 프로펠러(231)의 바람을 응집하여 이송하는 수단으로, 상기 프로펠러(231)를 감싸도록 설치하는 형태로 구성될 수 있으며, 발전기의 회전축(131) 구동 시 프로펠러(231)를 통해 발생되는 냉각 바람을 상기 보조냉각부(240)로 이송시켜준다.
상기 제2커버수단(230)는 바람이 토출되는 공급단(232)이 형성되며, 상기 공급단(232)은 제3연결관(233)을 통해 보조냉각부(240)의 유입단(241)에 연결되도록 구성된다.
상기 보조냉각부(240)는 상기 제2커버수단(230)으로부터 토출되는 바람을 상기 냉각수단(170)의 유입관(172)에 제공하는 구성요소로, 도 4에서와 같이 상기 유입관(172)을 감싸도록 설치된다.
상기 보조냉각부(240)는 중공 형태로 공급관(172)을 감싸도록 설치되고, 중앙 일측으로 바람이 유입되는 유입단(241)이 형성되고 타측으로는 공기가 배출되는 다수의 배출공(243)이 형성되고, 내부에는 냉각수단(170)의 유입관(172)을 일정거리 이격하여 지지하여 주는 지지대(242)가 형성된다.
이와 같이 구성되는 제2커버수단(230) 및 보조냉각부(240)는 상기 발전기(130) 구동 시, 프로펠러(231)로부터 발생되는 냉각 바람이 공급관(232)을 통해 토출되고 제3연결관(233)을 거쳐 보조냉각부(240)의 유입단(241)으로 유입된다.
상기 유입단(241)으로 유입된 냉각 바람은 보조냉각부(240)의 내부로 인입되어 응축기(140)를 통해 열교환 된 냉각수가 흐르는 유입관(172)과 접촉되면서 배출공(243)으로 빠져나가게 된다.
이때 보조냉각부(240) 내부에서는 냉각수단(170)의 유입관(172)과 열교환이 일어나게 되고, 유입관(172) 내부에 흐르는 냉각수의 온도는 더욱 하강하게 된다.
즉 상기 유입관(172)을 통해 제공되는 냉각수의 온도를 자체 냉각에너지를 이용하여 하강시켜주게 됨으로써, 냉각수단(170) 및 응축기(140)에서 열교환이 이루어지는 냉각 효율을 상승시켜주게 되는 것이다.
이상에서와 같이 본 발명은 터빈과 연동하는 발전기로부터 열에너지와 냉각에너지를 추출하고 이 에너지를 증발기를 가열하는 열원수단과 응축기를 냉각하는 냉각수단의 보조 에너지원으로 이용함으로써 ORC발전 효율을 향상시킨 장점을 제공하게 된다.
110: 증발기 120: 터빈
130: 발전기 131: 회전축
140: 응축기 150: 공급펌프
160: 열원수단 163: 제1펌프
170: 냉각수단 173: 제2펌프
210: 제1커버수단 220: 보조가열부
221: 유입단 222: 유출단
224: 보온유지부재 230: 제2커버수단
231: 프로펠러 240: 보조냉각부
242: 지지대 243: 배출공

Claims (5)

  1. 증발기(110), 터빈(120), 발전기(130), 응축기(140) 및 공급펌프(150)를 포함하고;
    상기 증발기(110)의 온도가 상승되도록 열원을 제공하는 열원수단(160)과, 상기 응축기(140)의 온도가 하강하도록 냉각수를 제공하는 냉각수단(170)을 포함하고;
    상기 발전기(130)로부터 발산되는 열기를 응집하여 이송하는 제1커버수단(210)과; 상기 제1커버수단(210)으로부터 제공되는 열기를 상기 열원수단(160)의 공급관(161)으로 제공하는 보조가열부(220)와; 상기 발전기(130)의 회전축(131)에 연결된 프로펠러(231)와; 상기 프로펠러(231)의 바람을 응집하여 이송하는 제2커버수단(230); 및 상기 제2커버수단(230)으로부터 제공되는 바람을 상기 냉각수단(170)의 유입관(172)으로 제공하는 보조냉각부(240)를 포함하고;
    상기 제1커버수단(210)는 열기가 공급되는 공급단(211)과, 열교환된 공기가 유입되는 유입관(214)이 형성되며, 상기 공급단(211)은 제1연결관(212)을 통해 보조가열부(220)의 유입단(221)에 연결되고, 상기 유입관(214)는 제2연결관(213)을 통해 상기 보조가열부(220)의 유출관(222)에 연결되고, 상기 제1연결관(212)에는 발전기의 열기를 보조가열부(220)로 강제 이송 및 순환시키는 제3펌프(215)가 설치되며;
    상기 보조가열부(220)는 중공 형태로 공급관(163)을 감싸도록 설치되고, 일측으로 열기가 유입되는 유입단(221)이 형성되고 타측으로 공기가 배출되는 유출단(222)이 형성되고, 내부에는 보온유지부재(224)가 일정한 공극을 형성하도록 설치되고;
    상기 제2커버수단(230)는 바람이 토출되는 공급단(232)이 형성되며, 상기 공급단(232)은 제3연결관(233)을 통해 보조냉각부(240)의 유입단(241)에 연결되도록 구성되며;
    상기 보조냉각부(240)는 중공 형태로 공급관(172)을 감싸도록 설치되고, 중앙 일측으로 바람이 유입되는 유입단(241)이 형성되고 타측으로는 공기가 배출되는 다수의 배출공(243)이 형성되고, 내부에는 냉각수단(170)의 유입관(172)을 일정거리 이격하여 지지하여 주는 지지대(242)가 형성된 것을 특징으로 하는 효율이 향상된 ORC 발전시스템.
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