KR102504702B1 - 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법 - Google Patents

가정용 열병합 발전시스템의 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102504702B1
KR102504702B1 KR1020160102064A KR20160102064A KR102504702B1 KR 102504702 B1 KR102504702 B1 KR 102504702B1 KR 1020160102064 A KR1020160102064 A KR 1020160102064A KR 20160102064 A KR20160102064 A KR 20160102064A KR 102504702 B1 KR102504702 B1 KR 102504702B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
inverter
heat source
controller
working fluid
expander
Prior art date
Application number
KR1020160102064A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180017754A (ko
Inventor
장홍순
송영길
한영섭
Original Assignee
한국공학대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국공학대학교산학협력단 filed Critical 한국공학대학교산학협력단
Priority to KR1020160102064A priority Critical patent/KR102504702B1/ko
Publication of KR20180017754A publication Critical patent/KR20180017754A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102504702B1 publication Critical patent/KR102504702B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D1/00—Steam central heating systems
    • F24D1/08—Feed-line arrangements, e.g. providing for heat-accumulator tanks, expansion tanks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F24D3/10—Feed-line arrangements, e.g. providing for heat-accumulator tanks, expansion tanks ; Hydraulic components of a central heating system
    • F24D3/105—Feed-line arrangements, e.g. providing for heat-accumulator tanks, expansion tanks ; Hydraulic components of a central heating system pumps combined with multiple way valves
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)

Abstract

본 발명은 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인버터와의 통신을 통해서 열원을 제어할 수 있는 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법에 관한 것이다. 상술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 의하면, 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법에 있어서, 제어기가 상기 인버터로부터 상기 인버터의 운전 상태에 관한 데이터를 수신하는 단계와, 상기 제어기가 상기 정류회로의 출력단의 전압 값을 수신하는 단계와, 상기 제어기가 상기 인버터 운전 상태에 관한 데이터 및 상기 전압 값에 따라서 상기 열원을 제어하는 제어신호를 발생시키는 단계와, 상기 제어기가 상기 제어신호를 상기 열원에 송신하는 단계와, 상기 제어기가 상기 인버터로부터 상기 인버터의 운전 상태가 정상 운전 상태인지 여부를 수신하여 상기 열원을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법이 제공된다. 본 발명은 인버터와의 통신을 통해서 열원을 제어함으로써 인버터와 정류회로를 보호할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 인버터가 정상 운전 상태에 돌입하면 바로 정상 운전할 수 있다는 장점이 있다.

Description

가정용 열병합 발전시스템의 제어방법{DOMESTIC COMBINED HEAT AND POWER SYSTEM}
본 발명은 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인버터와의 통신을 통해서 열원을 제어할 수 있는 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법에 관한 것이다.
아파트 단지 등 공동주택단지의 난방방식은 난방하는 장소에 열량을 공급하는 방법에 따라서 중앙난방, 지역난방, 개별난방이 있다.
중앙난방은 지하실 또는 별도의 장소에 보일러 등의 열원을 설치하고, 이로부터 각 가정에 증기, 온수 또는 온풍 등의 열매체를 공급하여 난방하는 방식이다.
지역난방은 아파트 단지 등에 개별적으로 열 생산 시설을 갖추는 대신에 열병합발전소, 쓰레기 소각로 등 집중된 대규모의 열 생산 시설에서 생산된 온수를 지하에 매설된 배관을 통하여 일정 지역의 아파트 단지 등에 공급하는 난방방식이다.
개별난방은 각각의 가정에서 개별의 난방기를 채용하여 단독으로 난방하는 방식이다. 개별난방은 각 가정이 원하는 시간에 난방을 하도록 조절할 수 있고, 사용한 만큼만 요금을 내는 장점이 있다. 그러나 개별난방은 소규모 보일러를 사용하기 때문에 열효율이 떨어져 연료비가 지역난방보다 더 든다는 단점이 있다.
이와 같은 단점을 해결하기 위한 방안으로서 에너지 효율이 높은 가정용 열병합 발전시스템(Combined Heat and Power System)이 제시되고 있다. 가정용 열병합 발전시스템은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 종합 에너지 시스템으로 일반적으로 고온부는 전력을 생산하기 위한 동력원으로 사용하고, 저온부는 열원으로 사용한다. LPG 또는 도시가스를 열원으로 하는 가정용 초소형 열병합 발전시스템은 가스를 연소하여 얻어지는 열에너지를 이용하여 작동 유체를 가열하여 전기를 생산하고, 또한 남은 열로 난방 또는 온수를 공급한다.
도 1은 종래의 가정용 열병합 발전시스템을 간략하게 도시한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 보일러(1)에서 작동 유체를 가열한 후 고온·고압의 가스 상태의 작동 유체를 이용해서 교류 발전기(4)와 연결된 팽창기(2)를 가동시켜 전기를 생산한 후 팽창기(2)에서 배출되는 저온·저압의 작동 유체를 이용하여 열교환 방식으로 온수통(3)에 저장된 온수를 가열한다.
교류 발전기(4)는 정류회로(5)와 연결되며, 정류회로(5)는 인버터(6)와 연결된다. 인버터(6)는 직류를 입력으로 요구하므로, 교류 발전기(4)에서 발생한 전기를 정류회로(5)를 통해서 먼저 직류로 변환한 후 인버터(6)에서 다시 가정에서 사용할 수 있는 교류로 변환한다. 정류회로(5)로는 3상 브릿지 다이오드를 이용한 정류회로(5)를 사용할 수 있다. 정류회로(5)에서 정류된 직류 출력전압의 평균값은 교류 입력 전압의 약 1.35배가 된다.
가정용 열병합 발전시스템의 교류 발전기(4)로는 보통 영구 자석형 발전기가 사용된다. 교류 발전기(4)의 출력 전압은 대체로 교류 발전기(4)의 회전수에 정비례한다. 따라서 교류 발전기(4)의 출력단에 연결된 전기적인 부하가 동일하면, 팽창기(2)에 공급되는 에너지가 증가할수록 팽창기의 회전 속도가 증가하고, 교류 발전기(4)는 더 많은 양의 전기를 생산한다. 팽창기(2)에 같은 양의 에너지가 공급되는 상태에서 교류 발전기(4)에 체결된 부하가 달라지는 경우에는 부하가 작을수록 교류 발전기(4)의 회전수가 증가한다. 즉, 출력 전압이 높아지게 된다. 다시 말하면 교류 발전기(4)의 회전수는 출력단에 연결된 부하의 크기와 대체로 반비례 관계에 있다.
만일 발전기(4) 출력단으로부터 부하가 제거된다면 발전기(4)에 동력을 제공하는 팽창기(2) 역시 부하가 없는 상태로 회전을 하게 되므로, 팽창기(2)는 매우 빠른 속도로 회전을 하게 될 것이고 발전기(4) 또한 같은 속도로 회전을 하게 될 것이다.
예를 들면 적절한 부하가 체결되어 있는 상태의 회로에서 2000 RPM에서 220V, 2kW 전기를 만들도록 설계된 발전기(4)를 가정해 보자. 이 발전기(4)에서 만들어지는 전기는 정류회로(5)를 통과하면 약 297 Vdc(220 x 1.35)가 된다. 그런데 팽창기(2)가 가정용 열병합 발전시스템으로부터 같은 에너지를 공급받고 있는 상태에서 부하가 체결되어 있지 않다면 팽창기(2)와 발전기(4)는 더 빠른 속도로 회전을 하게 된다. 만일 팽창기(2)가 4000 RPM의 속도로 회전을 하고 이 회전 속도에서의 발전기(4) 출력 전압이 400V라면 정류된 직류 전압은 약 540V가 된다.
도 1에 도시된 종래의 가정용 열병합 발전시스템에 있어서, 인버터(6)가 발전기(4)의 부하 역할을 하게 된다. 인버터(6)는 용량에 따라 운전을 할 수 있는 입력 전압이 명시되어 있으며, 입력 전원은 반드시 이 입력 전압 범위 내에서 전원을 공급하여야 한다. 인버터(6)는 입력전압 범위 미만에서는 동작을 하지 않는다. 따라서 이 경우에는 발전기(4)가 무부하 상태로 회전하게 된다.
인버터(6)에 동작 최저 전압 이상으로 일정시간 전원이 공급되면 인버터(6)가 정상 운전을 시작하고, 인버터(6)가 부하로서 작용한다. 인버터(6)가 정상 운전을 시작하는 데까지 걸리는 시간은 인버터(6) 제조사나 모델 등에 따라 다르다.
인버터(6)에 인가되는 전압이 입력전압이 범위를 초과하는 경우에는 인버터(6)에 오류가 발생하고 범위를 초과한 입력전압의 지속 시간이 길어지면 내부 회로에 영구적인 손상을 줄 수 있다.
정리하면 상술한 가정용 열병합 발전시스템은 인버터(6)의 관점에서 위험요소가 따른다. 인버터(6)에 동작 전압 이상의 전원이 일정시간 이상 공급되어 인버터(6)가 정상 운전을 시작하기 전까지는 발전기(5)가 무부하 상태로 발전을 하게 된다. 따라서 팽창기(2)에 공급되는 열에너지를 적절히 조절하지 않으면 빠른 회전에 의한 높은 전압에 의해 인버터(6)가 오작동하거나 손상될 수 있다. 또한, 정류회로(5)도 손상될 수 있다.
등록특허공보 10-1596485 등록특허공보 10-1596486 등록특허공보 10-1587253 등록특허공보 10-1264249 등록특허공보 10-1249445 등록특허공보 10-1587256
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 인버터와의 통신을 통해서 열원을 제어함으로써 인버터와 정류회로를 보호할 수 있는 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 의하면, 작동 유체가 흐르는 순환배관 및 상기 순환배관에 설치되어 상기 작동 유체를 순환시키는 순환펌프와, 상기 순환배관에 흐르는 상기 작동 유체를 가열하여 고온·고압의 가스 상태로 변환시키는 열원과, 상기 고온·고압의 가스 상태의 상기 작동 유체의 팽창력을 회전력으로 변환하는 팽창기와, 상기 팽창기를 원동기로 하여 전기에너지를 생산하는 발전기와, 상기 팽창기에서 배출된 저온·저압의 가스 상태의 상기 작동 유체와 열교환을 하여, 상기 작동 유체를 저온·저압의 액체 상태로 변환시키는 응축기, 상기 발전기의 출력단에 연결된 정류회로와, 상기 정류회로의 출력단에 연결된 인버터와, 상기 열원을 제어하는 제어기를 포함하는 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법에 있어서, 상기 제어기가 상기 인버터로부터 상기 인버터의 운전 상태에 관한 데이터를 수신하는 단계와, 상기 제어기가 상기 인버터 운전 상태에 관한 데이터에 따라서 상기 열원을 제어하는 제어신호를 발생시키는 단계와, 상기 제어기가 상기 제어신호를 상기 열원에 송신하는 단계와, 상기 제어기가 상기 인버터로부터 상기 인버터의 운전 상태가 정상 운전 상태인지 여부를 수신하여 상기 열원을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법이 제공된다.
또한, 상기 제어기가 상기 정류회로의 출력단의 전압 값을 수신하는 단계와,
상기 제어기가 상기 인버터 운전 상태에 관한 데이터 및 상기 전압 값에 따라서 상기 열원을 제어하는 제어신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법이 제공된다.
또한, 상기 가정용 열병합 발전시스템은, 상기 열원과 상기 팽창기 사이의 순환배관에 설치된 삼방 밸브와 상기 삼방 밸브와 상기 온수통을 연결하는 바이패스라인을 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 정류회로에서 출력된 전압의 크기가 미리 정해진 값 이상이고, 전압의 변화율이 미리 정해진 값 이상인 경우에는 상기 열원을 통과한 순환 유체가 상기 바이패스라인을 통해서 상기 온수통으로 바로 공급되도록 상기 삼방밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법이 제공된다.
본 발명은 인버터와의 통신을 통해서 열원을 제어함으로써 인버터와 정류회로를 보호할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 인버터가 정상 운전 상태에 돌입하면 바로 정상 운전할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 가정용 열병합 발전시스템을 간략하게 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 일실시예를 간략하게 도시한 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 팽창기를 간략하게 도시한 개념도이다.
도 4는 도 2에 도시된 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 도 2에 도시된 제어기의 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 다른 실시예의 제어방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 도 6에 도시된 가정용 열병합 발전시스템의 제어 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 일실시예를 간략하게 도시한 개념도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 일실시예는 작동 유체가 흐르는 순환배관(10) 및 순환펌프(11), 작동 유체를 가열하는 열원인 보일러(20), 팽창기(30), 발전기(40), 정류회로(50), 인버터(60), 응축기인 온수통(70) 및 제어기(80)를 포함한다.
작동 유체는 온도 및 상 변화에 의해서 열에너지를 흡수하고 방출하는 역할을 한다. 작동 유체는 가정용 열병합 발전시스템의 각각의 구성요소들을 서로 연결하고 있는 순환배관(10)을 따라서 이용하면서 열에너지를 전달한다.
본 발명에 있어서 작동 유체로는 메탄올, 에탄올, HFC계열의 냉매 또는 HCFC계열의 냉매를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템에서는 온수통(70)이 응축기로서의 역할을 하므로, 온수통(70)에 저장된 온수의 온도에 비해서 작동 유체의 응축온도가 높아야 온수통(70)에서의 열교환을 통해 작동 유체가 응축되기 때문이다. 순환펌프(11)는 액체만 펌핑할 수 있으므로, 작동 유체는 팽창 후 반드시 응축되어야 한다. 응축온도가 낮은 다른 작동 유체를 사용할 경우에는 온수통(70) 외에 별도의 응축기가 더 필요할 수 있다.
순환배관(10)에는 작동 유체를 순환시키기 위한 순환펌프(11)가 설치된다. 순환펌프(11)는 순환펌프(11)를 윤활하기 위한 오일이 필요하다.
보일러(20)는 물이나 기름이 저장된 탱크(21)와 그 탱크(21)를 가열하는 가열장치(22)를 포함한다. 가열장치(22)는 탱크(21)의 아래에 배치되며, 가열장치(22)에 공급되는 기름이나 가스와 같은 연료를 태워서 탱크(21)를 가열한다. 보일러(20)의 탱크(21) 내부에는 열교환을 위한 코일형태의 배관(23)이 설치되어 있으며, 순환배관(10)은 이 배관(23)과 연결된다.
보일러(20)를 통과한 작동 유체는 보일러(20) 내부의 탱크(21)에 저장된 물이나 기름으로부터 열을 흡수하여 고온·고압의 가스 형태로 변환된다.
도 3은 도 2에 도시된 팽창기를 간략하게 도시한 개념도이다. 도 3을 참고하면, 팽창기(30)는 하우징(33)과 회전자(34)를 포함한다.
하우징(33)은 작동 유체 유입 영역(351)과 폐 작동 유체 유출 영역(352)으로 나뉘는 내부공간(35)을 형성한다. 하우징(33)에는 팽창기(30) 상류 측 순환배관(10)과 연결되어 작동 유체 유입 영역(351)에 고온·고압의 가스 상태의 작동 유체를 공급하는 유입구(36)가 형성된다. 또한, 폐 작동 유체 유출 영역(352)과 연결되어 저온·저압의 가스 상태로 변화된 작동 유체를 팽창기(30) 하류 측 순환배관(10)에 공급하는 유출구(37)가 형성된다.
회전자(34)는 하우징(33)의 내부공간(35)에 설치되어 고온·고압의 가스 상태의 작동 유체의 열에너지에 의해서 회전하면서 작동 유체의 열에너지를 소비하여 작동 유체를 저온·저압의 가스 상태로 변환시키는 역할을 한다. 회전자(34)는 회전자 샤프트(341)와 회전자 샤프트(341)의 길이 방향을 따라서 설치된 날개(342)를 포함한다.
회전자(34)가 원활하게 회전하기 위해서는 고온·고압 상태에서도 점성을 유지하는 오일이 작동 유체와 함께 팽창기(30)의 내부로 공급되어야 한다. 오일은 유입구(36)를 통해서 작동 유체와 함께 팽창기(30)의 내부로 공급된다. 그리고 유출구(37)를 통해서 작동 유체와 함께 배출된다.
회전형 발전기(40)는 팽창기(30)를 원동기로 하여 전기에너지를 생산한다. 즉, 팽창기(30)가 회전하면 팽창기(30)에 연결된 회전형 발전기(40)의 회전자(미도시)가 회전하면서 발전이 이루어진다. 발전기(40)에서 출력되는 전기는 3상의 교류이다.
정류회로(50)는 발전기(40)의 출력단에 연결되어, 발전기(40)에서 출력된 교류를 직류로 변환하여 출력한다. 정류회로(50)는 3상 브릿지 다이오드를 이용한 정류회로(50)일 수 있다. 정류회로(50)에서 출력되는 직류전압의 평균값은 입력되는 교류전압의 약 1.35배가 된다.
인버터(60)는 정류회로(50)에서 출력된 직류를 가정에서 사용할 수 있는 교류로 변환하여 출력하는 역할을 한다. 인버터(60)는 용량에 따라서 입력 전압의 범위가 정해져 있다. 그 범위 미만에서는 작동하지 않으며, 그 범위를 초과하면 오류가 발생하고, 인버터(60) 내부회로에 영구적인 손상이 발생할 수 있다. 인버터(60)는 입력 전압의 범위의 최소전압 이상의 전압이 일정 시간 이상 공급되어야 정상 운전을 시작하게 된다. 인버터(60)가 정상 운전 상태가 되기 전까지, 발전기(40)는 무부하 상태로 발전한다. 인버터(60)는 MPPT(Maximum power point tracking) 제어 방식으로 제어된다. 즉, 정류회로(50)의 출력을 최대로 회수할 수 있도록 인버터(60)의 출력이 제어된다.
제어기(80)는 인버터(60)의 운전 상태 및 정류회로(50)의 출력단의 전압의 크기에 따라서 열원인 보일러(20)를 제어하여, 인버터(60)에 입력되는 전압이 인버터(60)의 입력 전압의 범위를 벗어나지 않도록 조절하는 역할을 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제어기(80)는 정류회로(50)의 출력단의 전압의 크기 값을 수신하고, RS485 인터페이스를 통해서 인버터(60)로부터 데이터를 수신한다. 그리고 이를 바탕으로 보일러(20)에 제어신호를 송신하여 보일러(20)를 제어한다. 보일러(20)에서 발생한 열에너지는 팽창기(30)에서 회전 운동에너지로 변환된다. 발전기(40)를 이 운동에너지를 이용하여 교류 전기를 발생시킨다. 그리고 정류회로(50)는 교류 전기를 직류 전기로 변환시킨다. 인버터(60)는 직류 전기를 다시 교류로 변환시켜서 가정에 공급한다.
도 5는 도 2에 도시된 제어기(80)의 블록도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제어기(80)는 제1 수신부(81), 제2 수신부(82), 신호 발생부(83) 및 송신부(84)를 포함한다.
제1 수신부(81)는 인버터(60)로부터 인버터(60)의 운전 상태에 관한 데이터를 수신한다. 인버터(60)는 제1 수신부(81)에서 요청을 하면 인버터(60)의 운전 상태에 관한 데이터를 제공한다. 즉, 제1 수신부(81)는 인버터(60)가 대기 운전 상태인지 정상 운전 상태인지 여부에 대한 데이터를 인버터(60)로부터 받는다. 보통 인버터(60)는 RS485 통신 인터페이스를 제공하며, 이 인터페이스를 통하여 외부 장치에서 운전 상태를 확인할 수 있는 기능을 제공한다.
인버터(60)가 대기 운전 상태인 경우에는 발전기(40)가 사실상 무부하 상태이므로, 인버터(60)가 정상 운전 상태인 경우와 동일하게 열원을 제어한다면, 팽창기(30) 및 회전 발전기(40)가 지나치게 빠른 속도로 회전하여, 정류회로(50)에서 출력되는 전압이 인버터(60)의 입력 전압의 범위를 벗어날 수 있다.
제2 수신부(82)는 정류회로(50)의 출력단의 전압 값을 수신한다.
신호 발생부(83)는 제1 수신부(81)에서 수신한 인버터(60)의 운전 상태에 관한 데이터 및 제2 수신부(82)에서 수신된 전압 값에 따라서 열원을 제어하는 제어신호를 발생시킨다. 예를 들어, 신호 발생부(83)는 인버터(60)의 운전 상태와 정류회로(50)에서 출력되는 전압 값에 따른 제어신호 값이 저장된 룩업 테이블(lookup table)을 이용하여 제어신호를 발생시킬 수 있다. 또한, 입력된 인버터(60) 운전 상태에 관한 데이터 및 전압 값을 기초로 연산하여 제어신호를 출력할 수도 있다. 제어신호는 예를 들어, 보일러(20)의 가열장치에 공급되는 가스의 양을 조절하는 밸브(미도시)의 개폐량을 조절하는 신호일 수 있다.
인버터(60)의 운전 상태가 대기 운전 상태인 경우에는 정상 운전 상태인 경우에 비해서 열원에서 공급되는 에너지가 대체로 낮도록 제어되며, 정류회로(50)에서 출력되는 전압 값이 증가할수록 열원에서 공급되는 에너지가 대체로 낮도록 제어된다. 또한, 정상 운전 상태라도 인버터(60)에 이상이 발견되면 즉시 열원이 차단되도록 제어하여, 무부하 상태에서의 팽창기(30)의 고속회전으로 인한 고전압 전류가 정류회로(50) 및 인버터(60)에 공급되는 것을 수초 이내로 최소화한다.
송신부(84)는 제어신호를 열원인 보일러(20)에 송신하는 역할을 한다.
다시, 도 2를 참고하면, 팽창기(30)에서 배출된 작동 유체는 온수가 저장되어 있는 온수통(70) 내부에 설치된 코일형태의 배관(71)을 통과하면서 저온·저압의 액체 형태로 상변화를 일으키면서 열에너지를 온수통(70) 내부의 온수에 전달한다.
온수통(70)은 온수를 사용하는 각종 난방 부하(미도시)들과 연결되어 있다. 예를 들어, 온수통(70)은 세면대, 욕조, 샤워기, 난방배관 등의 온수 부하들과 연결될 수 있다. 온수 부하에서 온수를 사용하면, 온수통(70)과 연결된 상수도 배관(미도시)을 통해서 냉수가 보충된다.
또한, 본 실시예에 따른 가정용 열병합 발전시스템은 보일러(20)와 팽창기(30) 사이의 순환배관(10)에 설치된 삼방 밸브(15)와 삼방 밸브(15)와 온수통(70)을 연결하는 바이패스라인(16)을 더 포함한다. 바이패스라인(16)은 인버터(60)를 보호하기 위한 일종의 안전장치이다. 제어기(80)는 정류회로(50)의 출력단에서 측정된 전압의 크기와 전압의 크기의 변화율을 메모리에 미리 저장되어 있는 한계 값과 비교하여, 전압의 크기와 변화율이 한계 값을 초과하는 경우에는 삼방 밸브(15)를 제어하여 보일러(20)를 통과한 작동 유체가 바로 온수통(70)으로 공급되도록 한다.
대부분은 보일러(20)에 가스 공급을 중단하는 방법으로 대응할 수 있으나, 출력 전압이 급격하게 상승하여, 가스 공급 중단으로 대응이 어려울 경우에는 삼방 밸브(15)를 제어하여 작동 유체가 팽창기(30)를 바이패스하도록 하여 인버터(60)를 보호한다.
도 6은 본 발명에 따른 가정용 열병합 발전시스템의 다른 실시예의 제어방법을 설명하기 위한 블록도이다. 본 실시예는 인버터(60)의 상태 신호만으로 열원을 제어한다는 점에서 도 2에 도시된 실시예와 차이가 있다.
도 7은 도 6에 도시된 가정용 열병합 발전시스템의 제어 순서도이다.
먼저, 제어기(80)가 보일러(20)를 가동시킨다(S1).
다음, 미리 정해진 범위 내에서 보일러(20)에 유입되는 가스량을 소량으로 조절함으로써, 보일러(20)의 출력을 조절한다(S2). 이를 통해서 정류회로(50) 출력단의 전압을 인버터(60) 입력 전압 범위 내로 조절한다.
다음, 인버터(60)로부터 운전 상태에 관한 신호를 수신하여, 인버터(60)가 정상 운전 상태에 도달했는지 판단한다(S3). 아직 정상 운전 상태에 도달하지 않았다면, 다시 S2 단계를 진행한다.
인버터(60)가 정상 운전 상태에 도달했다면, 보일러(20)를 정상 가동시킨다(S4).
다음, 인버터(60)로부터 운전 상태에 관한 신호를 수신하여, 인버터(60)가 정상 운전 상태인지를 확인한다(S5). 정상 운전 상태라면, S4 단계로 돌아간다.
정상 운전 상태가 아니라면, 보일러의 출력을 제한한다(S6). 즉, 인버터(60)와 정류회로(50)를 보호하기 위해서 보일러(20)에 유입되는 가스량을 줄여서 발전기(40)가 무부하 상태로 고속 회전하는 것을 방지한다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
예를 들어, 열원으로 보일러(20)를 사용하는 것으로 설명하였으나, 순환배관(10)을 직접 가열하는 방식의 열원도 사용될 수 있다. 이때, 열전달 효율을 향상시키기 위해 가열되는 위치의 순환배관(10)에는 핀이 설치될 수 있다.
또한, 난방 부하들과 연결된 온수통(70)이 응축기인 것으로 설명하였으나, 난방배관과 같은 난방 부하를 응축기로 바로 사용할 수도 있다.
10: 순환배관 11: 펌프
20: 보일러 21: 탱크
22: 가열장치 30: 팽창기
40: 발전기 50: 정류회로
60: 인버터 70: 온수통
80: 제어기

Claims (3)

  1. 작동 유체가 흐르는 순환배관 및 상기 순환배관에 설치되어 상기 작동 유체를 순환시키는 순환펌프와, 상기 순환배관에 흐르는 상기 작동 유체를 가열하여 고온·고압의 가스 상태로 변환시키는 열원과, 상기 고온·고압의 가스 상태의 상기 작동 유체의 팽창력을 회전력으로 변환하는 팽창기와, 상기 팽창기를 원동기로 하여 전기에너지를 생산하는 발전기와, 상기 팽창기에서 배출된 저온·저압의 가스 상태의 상기 작동 유체와 열교환을 하여, 상기 작동 유체를 저온·저압의 액체 상태로 변환시키는 응축기, 상기 발전기의 출력단에 연결된 정류회로와, 상기 정류회로의 출력단에 연결된 인버터와, 상기 열원을 제어하는 제어기를 포함하는 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 제어기가 상기 인버터로부터 상기 인버터의 운전 상태에 관한 데이터를 수신하는 단계와,
    상기 제어기가 상기 인버터 운전 상태에 관한 데이터에 따라서 상기 열원의 출력을 제어하는 제어신호를 발생시키는 단계와,
    상기 제어기가 상기 제어신호를 상기 열원에 송신하는 단계와,
    상기 제어기가 상기 인버터로부터 상기 인버터의 운전 상태가 정상 운전 상태인지 여부를 수신하여 상기 열원을 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 가정용 열병합 발전시스템은,
    상기 열원과 상기 팽창기 사이의 순환배관에 설치된 삼방 밸브와 상기 삼방 밸브와 상기 응축기를 연결하는 바이패스라인을 더 포함하며,
    상기 제어기는 상기 정류회로에서 출력된 전압의 크기가 미리 정해진 값 이상이고, 전압의 변화율이 미리 정해진 값 이상일 경우에는 상기 열원을 통과한 순환 유체가 상기 바이패스라인을 통해서 상기 응축기로 바로 공급되도록 상기 삼방밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기가 상기 정류회로의 출력단의 전압 값을 수신하는 단계와,
    상기 제어기가 상기 인버터 운전 상태에 관한 데이터 및 상기 전압 값에 따라서 상기 열원을 제어하는 제어신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법.
  3. 삭제
KR1020160102064A 2016-08-10 2016-08-10 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법 KR102504702B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160102064A KR102504702B1 (ko) 2016-08-10 2016-08-10 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160102064A KR102504702B1 (ko) 2016-08-10 2016-08-10 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180017754A KR20180017754A (ko) 2018-02-21
KR102504702B1 true KR102504702B1 (ko) 2023-02-27

Family

ID=61525144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160102064A KR102504702B1 (ko) 2016-08-10 2016-08-10 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102504702B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102568347B1 (ko) 2023-02-07 2023-08-23 주식회사 시너지 열병합 발전 시스템 및 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101249445B1 (ko) * 2013-01-02 2013-04-09 (주)거나백 가정용 열병합 발전시스템

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2494709A (en) * 2011-09-19 2013-03-20 Energetix Genlec Ltd Organic Rankine cycle heat engine with switched driver
KR101264249B1 (ko) 2013-02-27 2013-05-22 (주)거나백 가정용 열병합 발전시스템
KR101587253B1 (ko) 2014-12-08 2016-01-20 (주)거나백 작동 유체의 손실 없이 부품 교체가 가능한 가정용 열병합 발전시스템
KR101596486B1 (ko) 2014-12-08 2016-02-22 (주)거나백 순환펌프 보호 기능을 구비한 가정용 열병합 발전시스템
KR101596485B1 (ko) 2014-12-08 2016-02-22 (주)거나백 유분리기를 구비한 가정용 열병합 발전시스템
KR101587256B1 (ko) 2015-03-17 2016-01-20 (주)거나백 복합수조를 구비한 열병합 발전시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101249445B1 (ko) * 2013-01-02 2013-04-09 (주)거나백 가정용 열병합 발전시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180017754A (ko) 2018-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2494184C (en) Integrated micro combined heat and power system
JP4889956B2 (ja) 発電装置
US20030213246A1 (en) Process and device for controlling the thermal and electrical output of integrated micro combined heat and power generation systems
US6053418A (en) Small-scale cogeneration system for producing heat and electrical power
US20030213245A1 (en) Organic rankine cycle micro combined heat and power system
US20030213248A1 (en) Condenser staging and circuiting for a micro combined heat and power system
EP1047862A2 (en) Small-scale cogeneration system for producing heat and electrical power
US9964000B2 (en) Combined heat and power system including expander having expansion volume ratio equal to or less than that of theoretical rankine cycle
KR101264249B1 (ko) 가정용 열병합 발전시스템
KR101587256B1 (ko) 복합수조를 구비한 열병합 발전시스템
KR101249445B1 (ko) 가정용 열병합 발전시스템
US20030213854A1 (en) Evaporator configuration for a micro combined heat and power system
JP4684762B2 (ja) 発電装置
CN105386803A (zh) 一种气液混合回收的低品质余热发电系统及控制方法
US10883390B2 (en) Cogeneration system for integration into solar water heating systems
KR102504702B1 (ko) 가정용 열병합 발전시스템의 제어방법
JP5871663B2 (ja) バイナリ発電装置の制御方法
KR20170134127A (ko) 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템
KR101587253B1 (ko) 작동 유체의 손실 없이 부품 교체가 가능한 가정용 열병합 발전시스템
KR20170134122A (ko) 가정용 열병합 발전시스템
KR20180017752A (ko) 복수의 팽창기를 구비한 열병합 발전시스템
KR101596486B1 (ko) 순환펌프 보호 기능을 구비한 가정용 열병합 발전시스템
JP2000303803A (ja) 発電システム
KR101596485B1 (ko) 유분리기를 구비한 가정용 열병합 발전시스템
JP2019023432A (ja) ランキンサイクル装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant