KR20060081722A - 마이크로터빈 발전 시스템 및 발전 방법 - Google Patents

마이크로터빈 발전 시스템 및 발전 방법 Download PDF

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Abstract

마이크로터빈 발전 시스템은 고정된 입구 노즐 기하학적 형상을 가진 터빈과 전기 발전기를 포함하고있다. 마이크로터빈 발전 시스템의 최대 열역학적 효율은 터빈 입구를 최대 온도에서 또는 그 온도 근처에서 유지하므로서 달성된다. 시스템의 필요한 전력이 일정할 때, 전력은 발전기에 의해 공급된다. 전력의 증가가 필요할 때, 전체적인 요구량은 전기 발전기가 증가된 전력 요구량을 충족시킬 때까지 배터리 또는 다른 외부 저장장치에 의해 공급된다.
마이크로터빈 발전 시스템, 발전기, 압축기, 컨버터, 리큐퍼레이터

Description

마이크로터빈 발전 시스템 및 발전 방법{A MICROTURBINE POWER GENERATING SYSTEM AND A METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명에 따른 발전 시스템을 도시한 도면; 및
도 2는 발전 시스템의 엔진코어를 도시한 도면.
본 발명은 일반적으로 마이크로터빈 발전 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 모듈러, 분산형 발전 유니트에 관한 것이다.
미국의 국내 전기 사용실태를 조사하는 통합 조사기관인 미합중국 전력 조사연구소(EPRI)는 2006년까지 신규 발전량의 40%에 이르는 전기가 분산형 발전기에 의해 공급되어질수 있을 것이라고 예상하고 있다. 세계의 많은 지역에서, 전기 기초구조물(전송 및 배전선)의 부족은 분산형 발전기술의 상업화를 크게 발전시키게 될 것인데, 그 이유는 중앙플랜트는 킬로와트당 더 큰 비용이 들뿐아니라 생산된 전기를 소비자에게 분배하기 위해 설치되는 고가의 기초구조물을 가지고 있어야만 하기 때문이다.
작고, 다연료형인 모듈러 분산형 마이크로터빈 발전 유니트는 세계의 많은 지역에서 나타나고 있는 지금의 하오 " 전압저하" 및 "정전" 사태를 경감시키는 것을 도와줄 수 있다. 작은, 단일가동부 개념은 저렴한 전문기술 유지비를 가능하게 해줄 것이고, 저렴한 총비용은 자본이 부족한 세계의 지역에서 폭넓은 구입을 가능하게 해 줄 것이다. 게다가, 전기와 관련한 규제철폐에 대한 미합중국의 역점사항과 이 분야에서의 세계적 추세를 보면, 전기의 수요자는 전기공급의 알맞은 방법을 선택하는 권리뿐만 아니라 새로운 비용측면에서의 효과적인 선택권을 가지게 된다. 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 제 4,754,607호에는 공동발전에 적합한 마이크로터빈 발전 시스템이 개시되어 있다.
발전 시스템을 소비자에게 상업적으로 매력적으로 보이게 만들기 위해서는, 연료효율의 증대, 크기 및 중량의 감소 및 낮은 서멀 시그네추어, 잡음, 유지비 및 비용 패널티의 저감과 같은 부문에 있어서의 개선이 필요하다. 예를들어, 특히 고정된 기하학적형상의 입구를 가진 터빈의 경우에 우수한 연료의 절약 및 허용가능한 배기율을 성취하는 것은 어렵다. 발전 유니트의 최상의 효율은 높은 압력비 및 높은 터빈 입구 온도를 통해 성취된다. 그와같은 비율과 온도는 완전부하 및 최고속도에서의 작동시에 일어난다. 하지만, 낮은 부분부하 및 공회전시에는, 고정된 기하학적형상의 가스터빈은 감소된 터빈입구온도 및 부분부하에서 구동되므로, 연료효율을 저감시킨다. 고정된 입구노즐 기하학적형상을 가진 터빈을 가진 마이크로터빈 발전 시스템을 위해 연료의 절약 및 보다 낮은 배기율을 개선할 필요성이 요구되고 있다.
본 발명의 마이크로터빈 발전 시스템은 터빈입구온도를 최대화함으로써 가스터빈 엔진의 열역학적 효율을 최대화시킨다. 본 발명은 고정된 입구노즐 기하학적형상을 가진 터빈; 에너지 저장장치; 및 터빈입구를 최대 터빈입구온도나 그 온도에 근접한 온도에서 유지하기 위한 제어기를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다. 상기 제어기는 부하 증가가 시스템에 요구될 때 에너지 저장장치가 부하를 공급하도록 한다.
(실시예)
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 발전 시스템(10)이 도시되어 있다. 이 발전 시스템(10)은 압축기(12), 터빈(14) 및 발전기(16)를 포함하고 있다. 발전기(16)는 압축기(12)로부터 켄틸레버고정되어 있다. 압축기(12), 터빈(14) 및 발전기(16)는 단일 축(18)에 의해 회전될 수 있다. 압축기(12), 터빈(14) 및 발전기(16)는 개별 축에 장착될 수 있지만, 압축기(12), 터빈(14) 및 발전기(16)를 회전시키기 위한 공통 축(18)의 사용은 발전 시스템(10)의 소형화 및 신뢰성을 향상시킨다.
이 축(18)는 포일 베어링과 같은 자가압축식 공기 베어링에 의해 지지될 수 있다. 도 2에 도시된 바와같이, 이 축(18)는 저널 포일 베어링(76,78)과 쓰러스트 포일 베어링(80)에 의해 지지된다. 포일 베어링은 개별적인 베어링 윤활 시스템에 대한 필요성을 제거하고 유지관리 서비스의 발생을 감소시킨다.
압축기(12)의 입구내로 들어가는 공기는 압축된다. 압축기(12)의 출구를 떠 나는 압축공기는 리큐퍼레이터(22)의 차가운 측면내의 차가운 측면 통로(20)를 통해 순환된다. 리큐퍼레이터(22)내에서, 압축공기는 열을 흡수하여 연소를 향상시킨다. 리큐퍼레이터(22)의 차가운 측면을 떠나는 가열압축공기는 연소기(24)에 공급된다.
연료가 또한 연소기(24)에 공급된다. 가스연료 및 액체연료 모두가 사용되어질 수 있다. 가스연료 모드에서는, 임의의 적합한 가스연료가 사용되어질 수 있다. 선택된 연료는 디젤, 플레어가스, 오프가스, 가솔린, 나프타, 프로판, JP-8, 메탄, 천연가스 및 다른 인공가스를 포함한다.
연료의 유동은 유동제어밸브(26)에 의해 제어된다. 연료는 분사노즐(28)에 의해 연소기(24)내로 분사된다.
연소기(24)내에서, 연료 및 압축공기는 혼합되고 점화기(27)에 의해 발열반응으로 점화된다. 바람직한 실시예에 있어서, 연소기(24)는 압축된 고온 연료-공기 혼합물을 작용상태로 연소시킬수 있는 적절한 촉매를 포함하고 있다. 연소기(24)내에서 사용가능한 몇몇의 공지된 촉매로서는 백금, 팔라듐과 활성 니켈 및 코발트 요소를 가진 금속 산화촉매가 있다.
연소후에, 고온팽창 연소가스는 터빈(14)의 입구노즐(30)로 향한다. 입구노즐(30)은 고정된 기하학적형상을 가지고 있다. 연소로부터 생성된 고온팽창가스는 터빈(14)을 통해 팽창되어 터빈동력을 생성한다. 터빈동력은 순차로 압축기(12) 및 발전기(16)를 구동시킨다.
터빈연소가스는 고온 측면 통로(32)에 의해 리큐퍼레이터(22)의 고온 측면내 에서 순환된다. 리큐퍼레이터(22)내에서, 고온 측면상의 터빈연소가스로부터의 열은 차가운 측면상의 압축공기에 전달된다. 이런 방식으로, 약간의 연소열은 연소기(24)로의 경로상의 압축공기의 온도를 상승시키도록 회수되어 사용된다. 그것의 열의 일부를 빼앗긴 후, 연소생성물은 리큐퍼레이터(22)를 빠져나간다. 추가적인 열회수 단계가 발전 시스템(10)상에 더해질 수 있다.
발전기(16)는 영구자석 회전자(34) 및 고정자 와인딩(36)을 가진 링이 감겨진, 2극무치(two-pole toothless; TPTL) 무솔(brushless) 영구자석 기계장치가 될 수 있다. 회전하는 터빈(14)에 의해 생성된 터빈동력은 회전자(34)를 회전시키는데 사용된다. 회전자(34)는 축(18)에 부착된다. 회전자(34)가 터빈동력에 의해 회전될 때, 교류전류가 고정자 와인딩(36)에 유도된다. 축(18)의 속도는 시스템(10)에 부과되는 외부에너지 수요량에 따라 변경될 수 있다. 축 속도에 있어서의 변화는 발전기(16)에 의해 생성된 교류전류의 주파수(다시말해, 불규칙한 주파수)에 있어서의 변화를 산출할 것이다. 발전기(16)에 의해 생성된 AC 의 주파수에는 상관없이, 교류는 정류기(38)에 의해 직류로 정류된 다음 일정한 주파수를 가진 교류를 생성하기 위해 솔리드-스테이트 전자 인버터(40)에 의해 일정한 간격으로 나누어진다. 따라서, 보다 작은 전력이 요구될 때에는, 축 속도 및 그에따른 터빈(14)의 속도는 AC 출력값의 주파수에 영향을 미치지 않고 감소되어질 수 있다.
정류기(38)가 발전기(16)로부터 전력을 뽑아낼 때, 부하가 발전기(16)상에 걸린다. 추출되는 에너지의 크기가 증가될수록, 부하는 증가된다. 추출되는 에너지의 크기가 감소될수록, 부하는 감소된다.
게다가, 축 속도를 감소시키는 것은 공기유동을 감소시키는데, 압축기가 더 천천히 구동하기 때문이다. 결과적으로, 터빈입구온도는 근본적으로 일정하게 유지되어, 부분부하에서 높은 효율을 유지시킨다.
정류기(38) 및 인버터(40)의 사용은 본 발명의 발전 시스템에 의해 제공되도록 되어 있는 전기제품서비스를 결정하는데 있어 폭넓은 유연성을 허용한다. 어떠한 인버터(40)도 선택되어질 수 있기 때문에, 교류의 주파수는 소비자에 의해 선택되어질 수 있다. 불규칙한 주파수의 교류 전력을 직접 사용한다면, 정류기(38) 및 인버터(40)는 제거되어질 수 있다. 고주파수 전력이 형광 광원으로 사용될 때, 램프를 보다 더 효율적으로 작동시킬 뿐만 아니라, 유전자 밸러스트가 충전기 밸러스트에 의해 대체되어질 수 있다. 조명 시스템에 사용되는 그와같은 직접적인 고주파수 전압은 25% 더 높은 효율을 낳는다. 오직 직류만이 요구되어진다면, 인버터(40)는 제거되어질 수 있다. 최종 직류는 도금, 엘리베이터 작동 및 백열 광원에 사용되어질 수 있다.
발전 시스템(10)은 전력을 추가적으로 저장하고 백업하기 위한 배터리(46)도 포함할 수 있다. 인버터(40)와 조합하여 사용될 때, 이 조합은 발전기 고장이후, 수 시간동안 연속적으로 전력을 제공할 수 있다. 또한, 부하 증대가 요구될 때, 제어기는 배터리(46)가 부하를 공급하게 한다. 배터리(46)는 시스템(10)상에 피크 부하 요구를 조정하기 위한 크기로 이루어질 수 있다. 발전 시스템(10)의 작동시, 발전기 설계의 비효율성으로 인해 발전기(16)에서 열이 발생된다. 유용한 열을 획득할 뿐만 아니라 발전기(16)의 수명을 연장하기 위해 압축기 입구 공기는 발전기 (16)상에서 유동하고 발전기(16)로부터 과열을 흡수한다. 또한 정류기(38)와 인버터(40)는 공기 스트림에 위치될 수 있다. 공기가 상기 소스로부터 열을 흡수한 후, 이것은 압축기(12)에서 압축되어 리큐퍼레이터(22)에서 더 예열된다.
제어기(42)는 연소기(24)로의 연료유동의 양을 제어함으로써 축 속도를 제어한다. 제어기(42)는 센서그룹(44)에 의해 발생된 센서신호를 사용하여 발전 시스템(10)에 대한 외부 요구량을 결정할 뿐만 아니라 최대효율로 시스템(10)을 작동하는 제어명령을 발생시킨다. 센서그룹(44)은 시스템(10)에서 작동 온도 및 압력을 측정하기 위해 위치센서, 축 속도센서 그리고 다양한 온도 및 압력센서 같은 센서를 포함할 수 있다. 상기 센서들을 사용하여, 제어기(42)는 안정적인 상태작동시 시동 및 최적성능 양자를 제어한다. 또한 제어기(42)는, 인버터(40)에 제공된다면, 배터리(46)에서 직류 전류저장의 상태를 결정하여 실제 충전, 실제 방전 및 배터리의 일정한 충전의 상태를 유지하기 위해 작동을 조정한다.
또한 제어기(42)는 센서그룹(44)으로부터 속도 및 온도신호를 사용하여 시스템의 요구된 부하를 계산한다. 계산된 부하 요구를 기초하여, 제어기(42)는 발전기(16)가 부하를 제공하여야만 하는지, 배터리(46)가 부하를 제공하여야만 하는지에 대한 여부를 결정한다.
전력의 일정한 요구량을 공급하는 동안, 제어기(42)는 발전기(16)가 전체 시스템부하를 공급하게 한다. 부하요구가 증가될 때, 제어기(42)는 잠시동안만 배터리(46)가 전체부하 요구를 충족시키게 한다. 배터리(46)가 전체부하를 공급하고 있는 동안, 발전기(16)는 부하해제 되어 로터 속도가 새롭고 보다 높은 레벨로 증 가하게 한다. 보다 높은 로터 속도가 획득되면, 제어기(42)는 발전기(16)가 전체 부하를 공급하게 한다.
부하를 배터리(46)로 전환하는 것은 터빈입구(30)가 최고 온도에 근접한 온도로 또는 최고 온도로 유지되게 하는데, 이것은 시스템(10)이 최대효율로 작동하게 하고 배기율을 감소시킨다.
제어기(42)는 최대온도 또는 최대온도에 근접한 온도로 터빈입구온도를 유지시키도록 연료유동제어밸브(26)에 명령한다. 추가적으로, 제어기(42)는 발전기(16)의 부하를 조정함으로써 시스템(10)에 전기부하요구에 관계없이 터빈부하를 제어한다. 터빈 속도가 설정점(시스템 부하 요구의 값에 따른 속도 설정점)이하로 떨어지면, 제어기(42)는 정류기(38)와 인버터(40)에 명령하여 발전기(16)의 부하를 감소시킨다. 터빈 속도가 속도설정점 이상으로 증가하면, 제어기(42)는 정류기(38)와 인버터(40)에 명령하여 발전기의 부하를 증가시킨다. 부하요구가 증가될 때, 배터리(46)는 부하를 인도하여 발전기(16)를 부하 해제시키고 로터(38)의 속도를 증가시킨다.
스위치/스타터 제어부(48)는 발전 시스템(10)을 시동시키기 위해 오프 스키드(off-skid)가 제공될 수 있다. 축(18)의 회전은 모터로서 발전기(16)를 사용함으로써 시동될 수 있다. 시동시, 스위치/스타터 제어부(48)는 발전기(16)의 고정자와인딩(36)에 여자전류를 공급한다. 시동동력은 배터리(46)에 의해 공급된다. 대안적으로, 압축공기장치는 발전 시스템(10)을 움직이게 하는데 사용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 발전 시스템(10)의 "엔진 코어"(50)가 도시되어 있다. 압 축기(12)는 보어를 갖는 임펠러(52), 압축기 스크롤(54) 및 디퓨저 채널(56)을 포함하고 있다. 공기입구(58)에 들어가는 공기는 공기필터(59)에 의해 필터링되고 압축기 스크롤(54)로 향한다. 압축기스크롤(54)로부터의 공기유동은 리큐퍼레이터(22)로 향한다.
터빈(14)은 터빈스크롤(60), 복수의 고정된 노즐베인(62), 및 보어 없는 터빈 휠(64)을 포함한다. 연소기(24)를 빠져나간 고온 팽창가스는 노즐베인(62)을 통하여 터빈 스크롤(60)내로 향하고 이것은 터빈휠(64)상으로 고온팽창가스를 재인도한다. 터빈 배출가스는 배출디퓨져(66)을 통하여 터빈(14)을 빠져나가며 이것은 온도 및 터빈 배출가스의 소음을 감소시킨다.
발전기(16)의 로터(34)는 사마륨 코발트 같은 희토류물질로 이루어진 자석(68)을 포함한다. 자석(68)은 인코넬 718 같은 비자성물질로 이루어진 봉쇄슬리브(70)로 에워싸여 있다. 고정자 와인딩(36)은 발전기 하우징(73)에 수용된다. 로터(34)는 보어와 이 보어의 표면에 선택적으로 접촉하는 봉쇄슬리브(도시안됨)를 가지고 있다. 전력 컨덕터(72)는 고정자 와인딩(36)으로부터 뻗어있고 발전기 하우징(79)에 고정되어 있는 전력 컨덕터 스터드(74)에서 종결한다.
단일 축(18)은 로터(34)와 압축기 임펠러(52)에 있는 보어를 통하여 뻗어 있는 타이축(tieshaft)(75)으로서 도 2에 도시되어 있다. 타이축(75)는 얇고, 대략 0.25 내지 0.5 인치 미만의 직경을 가지고 있다. 이 보어는 타이 축(75)이 로터(34) 및 임펠러(52)를 통하여 뻗어있게 하는 간극을 갖는다. 그러나, 타이축(75)은 터빈휠(64)를 통하여 뻗어있지 않지만, 타이축(75)은 터빈휠(64)에 고정되어 있 다. 타이축(75)은 관성용접에 의해 터빈 휠허브의 중앙에 고정될 수 있다. 따라서, 터빈휠(64)은 타이축(75)이 통하여 뻗어있는 보어를 갖지 않으므로 보어가 없다. 보어를 제거하여 터빈휠(64)의 응력을 감소시킨다.
타이축(18)에 의해 함께 클램프될 때, 압축기임펠러(52), 터빈휠(64)과 로터(34)가 단일 유니트로서 회전된다. 그러나, 높은 작동 온도와 회전속도 하에서 임펠러(52), 터빈휠(64) 및 로터(34)는 확장하고 떨어지는 경향이 있다. 또한 작동시 타이축(75)의 휨은 면들을 분리시키는 경향이 있다. 고 회전 속도(8,000 rpm 이상)에서 임펠러(52), 터빈휠(64) 및 로터의 면들사이에 접촉을 유지시키기 위해, 타이축(75)에 미리 하중이 부여된다. 예를 들면, 티타늄으로 이루어진 타이축에 항복강도의 약 90%의 인장력으로 하중이 부여될 수 있다. 조립시, 타이축(75)이 인장상태로 위치되고 임펠러(52)와 로터(34)는 타이축(75)을 걸쳐 미끄러지고, 너트(77)가 타이축(75)의 나사가공된 끝부에 고정된다. 너트가 회전됨에 따라 인장력이 유지된다. 이 인장력은 임펠러(52)와 로터(34)의 중심에서 가장 높다. 임펠러(52)와 로터(34)가 회전될 때, 이들 구성요소의 외부에 고 응력이 타이축(75)에 의해 적용되는 응력에 의해 상쇄된다.
회전유니트(52, 64, 38, 18(34))는 내측 및 외측 포일저널베어링(76, 78)에 의해 방사상방향으로 지지된다. 회전유니트(52, 64, 38, 18(34))는 포일 스러스트베어링(80)에 의해 축선 방향으로 지지되어 있다. 베이스(79)가 연료입구, 공기입구(58), 압축기(12), 터빈(14), 발전기(16), 리큐퍼레이터(22), 연소기(24), 정류기(38)와 인버터(40)를 지지하므로 시스템(10)이 패키지 유니트로서 존재하게 한 다.
다양한 냉매 포트는 엔진코어(50)를 위해 제공된다. 고정자 와인딩(36)에 걸쳐 냉매를 순환시키기 위해 포트(82, 84)가 제공된다. 또한, 베어링(76, 78, 80)에 걸쳐 냉매를 순환시키기 위해 포트(86, 88)가 제공된다.
발전 시스템(10)은 회전모듈, 열교환기모듈, 연소기모듈과 전자모듈 같은 몇몇의 주요모듈로 설치될 수 있다. 이들 각각의 모듈은 상대적으로 가볍고 컴팩트하다. 이 모듈은 액체라인을 파괴시키지 않고 대체될 수 있다. 포일베어링(76, 78, 80)을 사용함으로써 오일을 사용하는 윤활시스템이 필요 없게 되어 발전 시스템(10)의 유지비용을 낮게 한다. 소정된 유지관리는 주로 점화기(27), 필터(59)와 그리고 연소기(24)에 있는 촉매요소를 대체하는 것으로 이루어져있다.
발전 시스템(10)은 종래의 회수되는 브리튼 사이클로 작동한다. 회수되는 사이클에 있어서, 압력비율이 낮아질수록, 터빈배출온도가 입구온도에 보다 가까워지기 때문에 브리튼 사이클은 비교적 낮은 압력비율(3.8)로 작동될 수 있어서 전체효율을 최대화 시킨다. 이러한 것은 카르노의 법칙에 따라, 고온에서 이 사이클에 대해 열을 추가하게 하여 열을 이 사이클에 제공하는 것과 연관된 엔트로피 손실을 감소시킨다. 고온 열추가는 전체 열효율을 향상시킨다. 공기는 단일 상태 방사상 압축기에서 3.8 bar로 압축된다. 압축된 공기는 터빈배출가스의 폐열을 사용하여 압축된 공기의 온도가 상승되는 리큐퍼레이터(22)로 향한다. 터빈으로부터의 배출가스의 온도는 약 1,300℉로 한정되어 리큐퍼레이터(22)의 수명을 연장시키는 것을 돕는다. 1,300℉이상의 배출가스온도를 위해, 리큐퍼레이터(22)는 스테 인레스강 대신에 초합금으로 이루어질 수 있다. 사용자의 경제적인 요구에 의해 리큐퍼레이터(22)는 85% 또는 90% 효율로 설계될 수 있다. 가장 효과적인 구성으로 그리고 90%회수를 사용하여, 전체 순수 사이클 효과는 30% 이고 디젤로 약 11,900 BTU/kWh의 고 열비율값을 생산한다.
리큐퍼레이터(22)에서 가열된 후, 압축된 공기는 연소기(24)로 향하는데, 여기에서 추가적인 가열이 부가되어 압축된 공기의 온도를 1,650F까지 상승시킨다. 통상의 설계에 따라 이루어진 연소기(24)는 25ppm이하의 NOx(질소산화물) 레벨을 산출할 수 있고, 그리고 촉매를 사용하는 연소기(24)는 실제로 검출할 수 없는 NOx율을 산출할 수 있다(상업적인 NOx 센서는 2 내지 3 ppm의 검출범위로 제한되어있다). 그 다음에 높은 엔탈피 가스는 터빈(14)을 통해서 팽창한다. 엔진 코어(50)에서 단지 움직이는 부분인 단일 축(18), 발전기(16), 터빈(14), 및 압축기(12)는 약 80,000rpm이상의 고속으로 회전한다. 결과적으로 약 1,200hertz의 높은 주파수는 인버터(40)로 그리드 호환성의 50 또는 60 사이클로 감소된다. 결과적으로 낮은 무게(비교가능한 디젤 발전기의 크기의 약 삼분의 일) 그리고 작은 설치공간(예를들면, 약 3피트*5피트*6피트높이)에 의한 높은 동력밀도를 야기한다.
최소한의 재료를 사용하여 대량의 동력을 허용하는 고속의 부품을 통해 높은 동력밀도와 낮은 무게의 기술이 가능해진다. 이 유니트는 전천후의 인클로우저에 완전히 수용된다. 발전 시스템(10)은 클린 연료, 리퀴드 또는 가스의 공급이 적게 요구되는 "플러그 엔드 플레이"기술이다.
그러므로, 여기에 개시된 것은 고효율의 발전 시스템(10)이다. 터빈(14)이 고유의 불안정한 터빈(14)일지라도, 이것은 안정된 시스템(10)내에서 작동된다. 터빈(14)은 최대 입구온도에서 또는 이 온도 근처에서 작동될 수 있어서, 요구량의 증가를 맞출 수 있으면 엔진은 멈추지않을 것이다. 터빈이 최대 입구온도에서 또는 이 온도에 근접한 온도에서 작동되기 때문에, 시스템의 열역학적 효율은 최대로 되고 그리고 배기는 줄어든다. 요구량의 증가가 에너지 저장장치에 의해 충족할 때, 발전기의 전기출력은 터빈 속도를 감소시킴으로써 줄어들 수 있다. 그러므로, 터빈 부하는 시스템 부하의 요구와 관계없이 제어된다.
마이크로터빈 발전 시스템(10)은 천연가스, 디젤 및 JP-8을 포함하는 다수의 연료를 사용할 수 있다. 발전 시스템(10)은 낮은 서멀 시그너추어 및 최소의 소음발생을 가지고 있다. 공기 베어링의 사용은 오일 윤활시스템의 필요성을 제거한다. 발전 시스템(10)은 단일의 가동부설계로 인하여 신뢰성이 높으며 최소의 사후관리가 필요하다. 솔리드-스테이트 전자 인버터의 사용은 시스템(10)이 가변 AC 출력을 제공하게한다. 모듈 및 자체 수용 설계로 인해 설치가 용이하고 그리고 시스템(10)이 하나의 가동부를 가지고 있고 그리고 접근이 용이한 주요부를 가지고 있으므로 서비스가 용이하다. 엔진코어(50)의 폭, 길이 및 높이는 조절가능하여 다양한 치수요구사항에 널리 맞출 수 있다.
발전 시스템(10)은 비교가능한 내연기관에 비하여 더 작고, 더 가벼우며, 더욱 연료효율이 높고 그리고 더 낮은 서멀 시그너추어, 소음, 유지보수 및 코스트 페널티를 가지고 있다. 그러므로, 낮은 초기비용, 낮은 설치비용, 높은 효율, 높은 신뢰성, 및 간단하고 낮은 유지보수비용으로 인해, 발전 시스템(10)은 비교가능 한 크기의 발전기술보다 작동 비용 및 고정 비용이 낮다.
발전 시스템(10)을 위한 잠재적인 응용은 많고 다양하다. 응용은 독립적인 동력을 위한 오프-그리드 응용, 피크 쉐이빙, 종동 부하 또는 베이스 로드 서비스를 위한 온-그리드 응용, 비상 백-업 및 연속적인 전력공급, 원동기 응용(예를들면, 펌프, 공조기) 및 오토모티브 하이브리드 차량 등을 포함한다.
본 발명은 상기한 특정 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를들면, 플라이휠이 배터리(46) 대신에 저장장치로서 사용될 수 있다. 피크 전력이 요구될 때, 플라이휠의 운동량은 터빈(14)의 정지없이 추가적인 전력이 공급되게 하고 그리고 추가적인 부하가 발전기(16)에 부과되게 한다.
본 발명에 의하면 종래의 비교가능한 발전 시스템에 비하여 더 작고, 더 가벼우며, 더욱 연료효율이 높은 마이크로터빈 발전 시스템을 제공할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 마이크로터빈 발전 시스템에 의하면 낮은 초기비용, 낮은 설치비용, 높은 효율, 높은 신뢰성 및 간단하고 낮은 유지보수 비용으로 인해, 작동 비용 및 고정 비용을 낮출 수 있다.

Claims (12)

  1. 마이크로터빈 발전 시스템에 있어서,
    가스 열 에너지를 기계적인 에너지로 변환하기 위한 터빈;
    상기 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 회전부 및 비회전부를 가지고 있는 전력 컨버터; 및
    상기 전력 컨버터의 회전부와 터빈을 연결하기 위한 단일의 타이축을 포함하고 있으며, 상기 마이크로터빈 발전 시스템의 작동중에 상기 전력 컨버터의 회전부, 터빈 및 타이축은 일체로 회전하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 공기와 연료 혼합물을 점화함으로써 가스 열 에너지를 생성하기 위한 연소기, 상기 연소기를 위한 연료 공급장치, 흡입 공기를 압축하고 연소기에 제공하기 위한 압축기를 더 포함하고 있고, 연소기는 타이축에 결합되고 상기 마이크로터빈 발전 시스템의 작동중에 상기 전력 컨버터의 회전부, 터빈 및 타이축과 일체로 회전하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 전력 컨버터로부터 고온 압축 공기를 수용하기 위한 제1 경로 및 터빈으로부터 고온 배기 가스를 수용하기 위한 제2 경로를 가지고 있는 리큐퍼레이터를 더 포함하고 있고, 상기 리큐퍼레이터는 상기 제1 경로를 떠나 상기 연소기로 들어가는 고온의 압축 공기를 위한 출구 및 낮은 온도의 배기 가스를 방출하기 위한 출구를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 전력 컨버터는 마이크로터빈 발전 시스템의 작동중에 교류 전기를 생성하는 발전기를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 발전기에 결합된 정류기와 정류기에 결합된 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 연소기는 촉매를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 터빈으로부터 하류측에 있는 배기 통로와 압축기의 상류측에 있는 흡입 통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로터빈 발전 시스템.
  8. 고온 가스로부터 발전하는 방법에 있어서,
    타이 축을 제공하는 단계;
    터빈, 전력 컨버터의 회전부 및 타이 축이 전력 컨버터의 고정부에 대하여 회전가능하도록 타이 축에 전력 컨버터의 회전부와 터빈을 연결하는 단계;
    터빈, 전력 컨버터의 회전부 및 타이 축을 회전시켜 전력 컨버터에 전류가 유도되도록 고온의 가스를 터빈을 통하여 유동시키는 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 흡입 공기를 압축하는 단계, 연소기에서 연료와 압축 공기를 혼합하는 단계, 고온의 가스를 생성하기 위하여 연료와 압축 공기의 혼합물을 연소시키는 단계, 터빈에 고온의 가스를 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 전력 컨버터의 회전부는 영구 자석이고 고정부는 고정자이며, 회전에 의해 고정자에 교류 전기 에너지가 유도되는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 직류 전기 에너지를 생성하기 위하여 교류 전기 에너지를 정류하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 소정의 주파수를 갖는 교류 전기 에너지를 생성하기 위하여 직류 전기 에너지를 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
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