KR20110064613A - 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치 및 소형 발전방법 - Google Patents

유기물 유체를 이용한 소형 발전장치 및 소형 발전방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업폐열, 지열 및 태양열 등을 이용하여 터빈과 같은 원동기를 작동하여 발전기를 돌려 전기를 생산하는 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치 및 발전방법을 제공한다. 그 발전시스템은 폐쇄된 열원순환시스템(100)과 폐쇄된 유기물순환시스템(200)을 갖으며, 열원순환시스템(100)은 저온 열원으로서 폐열을 이용한 열전달유체가열기(110); 열전달유체가열기(110)에서 열을 흡수하여 쉘내부(122)로 열을 전달하는증발기(120); 증발기(120)로부터 나온 액체를 열전달유체가열기(110)에 공급하기 위한 열전달유체펌프(130)를 포함하여 이루어지고, 유기물순환시스템(200)은, 증발기(120)를 통하여 나온 고압의 증기가 통과하여 기계적 일을 하게 되는 터빈(210); 터빈(210)을 통과한 저압의 증기가 액화되는 응축기(220); 응축기(220)을 통하여 액화된 유기물이 저장되는 액체저장고(230); 액체저장고(230)의 유기물의 압력을 상승시켜 증발기의 내부에 공급하기 위한 유기물액체펌프(240)를 포함하여 구성된다.
폐열, 지열, 태양열, 소형 발전장치, 열원순환시스템, 유기물순환시스템

Description

유기물 유체를 이용한 소형 발전장치 및 소형 발전방법{Compact Electric Power Plant and Power Generating method via Organic Fluid}
본 발명은 산업폐열, 지열 및 태양열등을 이용하여 터빈과 같은 원동기를 작동하여 발전기를 돌려 전기를 생산하는 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치 및 발전방법에 관한 것이다.
종래의 이 분야의 기술은 연료를 연소시켜 발생한 고온(1000℃ 이상)의 열원을 이용하여 고압의 가스를 발생시킨 후 터빈과 같은 원동기를 작동하여 발전을 실행하는 방법을 사용하고 있으나, 상기와 같은 기존발명은 질소산화물이나 이산화탄소등의 배출이 많아 환경문제를 야기하고, 그러므로 환경문제를 완전 해소하는 소형발전용으로 사용하지 못하는 문제점이 있다. 친환경적인 발전장치로서 물을 동작유체로한 기존발전장치가 있으나, 수증기의 큰 부피로 인하여 전체발전장치의 부피가 엄청나게 크기 때문에 초대형 발전장치 이외에는 그 시용성이 크게 제한이 있다.
이에 본 발명은 상술된 문제점들을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 저온이라 활용하기 어려운 저온(150 -500℃)의 열에너지원을 이용하여, 환경 친화적이고 소형화가 가능한 발전기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 제안하는 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치는 폐쇄된 열원순환시스템(100)과 폐쇄된 유기물순환시스템(200)을 포함하여 이루어진다.
상기 열원순환시스템(100)은, 저온 열원으로서 폐열을 이용한 열전달유체가열기(110); 상기 열전달유체가열기(110)에서 열을 흡수하여 쉘내부(122)로 열을 전달하는증발기(120); 상기 증발기(120)로부터 나온 액체를 열전달유체가열기(110)에 공급하기 위한 열전달유체펌프(130)를 포함하여 이루어지고,
상기 유기물순환시스템(200)은, 증발기(120)를 통하여 나온 고압의 증기가 통과하여 기계적 일을 하게 되는 터빈(210)과 같은 원동기; 상기 터빈(210)을 통과한 저압의 증기가 액화되는 응축기(220); 상기 응축기(220)을 통하여 액화된 유기물이 저장되는 액체저장고(230);상기 액체저장고(230)의 유기물의 압력을 상승시켜 증발기의 내부에 공급하기 위한 유기물액체펌프(240)를 포함하여 이루어진다.
또한 지열을 열원으로서 이용하는 경우에는 열전달유체가열기(150), 태양열을 열원으로서 이용하는 경우에는 태양열흡수기(161) 및 태양열반사기(162)를 포함하여 구성되는 열전달유체가열기(160)를 별도로 구비한다.
한편 발전장치의 소형화를 위하여 상기 터빈에는 감속기(211); 발전기(212); 주파수조절기(213); 및 전기공급선(214)이 설치되는 것이 가능하다.
상기 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치는 열전달유체가열기를 이용하여 유기물액체를 고온, 고압의 증기로 만드는 단계; 상기 증발기(120)에서 열전달유체는 열전달유체가열기에서 열을 흡수하여 고온의 열전달유체가 되어 이동한 뒤 증발기 내의 관(121)에서 저온의 열전달유체로의 변화가 이루어지고, 이로 인하여 증발기의 쉘내부(122)로 열을 전달하는 단계; 상기 열전달유체펌프에서는 증발기 내의 관을 통과한 액체를 열전달유체가열기에 공급하기 위하여 가압하는 단계;를 포함하며, 상기 각각의 단계와 동시적으로 실행되는, 상기 증발기를 통하여 나온 고압의 증기가 터빈을 통과하는 동안 기계적 일을 하게 되는 단계; 상기 터빈을 통과한 저압의 증기가 응축기에서 액화되는 단계; 상기 액체저장고에서 응축기를 통과한 액화된 유기물이 저장되는 단계; 상기 유기물액체펌프에서 액체저장고의 유기물의 압력을 상승시켜 증발기의 쉘내부에 공급하는 단계를 포함하는 유기물 유체를 이용한 소형발전방법을 통하여 이루어 진다..
또한 발전장치의 소형화에 따른 유기물 유체를 이용한 소형발전방법에 있어서는 상기 감속기에서 터빈의 회전수를 줄이는 단계 및 상기 주파수조절기에서 발전기에서 생산되는 전기의 주파수를 조정해주는 단계를 더 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치에 의하면, 이용되지 못하고 버려지는 폐열을 재활용하거나, 환경친화적인 지열이나 태양열을 이용하여 발전을 실행하므로, 전체적 에너지 효율증대와 지구 온난화 방지에 일조할 수 있는 잇점이 있다.
또한 발전기를 소형화하여 가정이나 중소기업에서 활용할 수 있는 잇점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1을 참조하면, 본 발명에 따른 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치는 두개의 밀폐된 순환시스템으로 이루어져 있다. 즉 열원순환시스템(100)과 유기물순환시스템(200)이 그것이다.
본 발명의 계통도에 있는 열원순환시스템(100)내에 있는 열전달유체는 열전달유체가열기(110)에서 열을 흡수하는 과정에서 그 상(Phase)의 변화없이 고온의 열전달유체로 변화한다. 이후 증발기(120)에서 열을 방출하는 과정에서 저온의 열전달유체로 변한다.
본 발명에서 적용할 열원순환시스템(100)내에서 밀폐 순환되는 열전달유체로는 안정성과 효율이 높은 KS구격 KS M 2501에 따른 THERM 1250 또는 1350의 열전달유체를 사용한다.
열원순환시스템(100)내의 열전달유체가열기(110)에서 발생된 고온의 열전달유체는 파이프(140)를 통과한 뒤에, 증발기(120)의 관(121)을 통하여 흐른다. 이 관들은 유기물순환시스템(200)의 증발기(120)의 쉘내부(122)의 저온도의 액체 속에 잠겨져 있으므로, 열전달유체가 흐르는 동안 유기물순환시스템(200)의 액체에 열을 전달하고 저온의 열전달유체로 변한다.
이 열전달유체는 열전달유체펌프(130)에 의하여 열전달유체가열기(110)으로 돌아가고, 여기서 고온의 열전달유체로 다시 변하게 된다. 따라서 열원순환시스템(100)속에서 연속적인 재순환이 이루어진다.
한편, 증발기(120)의 관(121)의 고온의 열전달유체가 저온의 열전달유체로 열전달하는 과정에서 쉘내부(122)의 유기물액체는 열원순환시스템(100)의 열전달유체로부터 열을 흡수하여 증발한다.
유기물순환시스템(200)에 있는 증발기(120)의 쉘내부(122)의 고압증기는 이제 터빈(210)이 발전기(211)와 같은 부하를 구동시킴으로서 기계적 일을 하게 된다. 터빈(210)를 통과한 저압 증기는 응축기(220)을 통하는 사이에 액체로 변하고, 액체저장고(230)에 저장되었다가 유기물액체펌프(240)에 의하여 압력이 상승한다.
여기서 응축기(220)를 통한 냉각 방식은 공기나 물에 의한 냉각을 사용한다.
처음에는 열원순환시스템(100)내에서 모든 액체는 열전달유체가열기(110)에 모인다. 그러나 폐열이 열전달유체가열기(110)속의 열전달유체에 가해짐에 따라 열원회로의 열전달유체는 고온의 액체가 되고, 관(121)들은 증발기(120)의 쉘내부(122)의 유기물액체에 잠겨있는데, 이 관들에 의하여 열전달유체는 열을 유기물 액체에 빼앗기 재순환하게 된다.
유기물순환시스템(200)에서 사용되는 열전달 유기물로는 기존에 R-123, Tolluen, Iso-Pentane 등이 사용되었으나, 공기오염 등 환경적인 문제가 있어 장기적으로 사용이 제한되고, 소형화에는 실내설치를 염두에 두지 않을 수 없음으로 기존의 열원을 사용하지 않고, 화제 폭발 등 사용시의 안정성이 보장되는 펜타플루오로프로판(R-245)을 사용하도록 한다.
도2를 참조하면, 본 발명에 따른 열원으로 지열을 사용하는 유기물 유체를 이용한 소형발전장치에 있어서는 열전달유체가열기(150)를 지하수등 지하의 열원과 연결하여 열전달유체를 가열한다.
도3을 참조하면, 본 발명에 따른 열원으로 태양열을 사용하는 유기물 유체를 이용한 소형발전장치에서는 열전달유체가열기(160)를 태양열흡수기(161)과 태양열반사기(162)를 포함하여 구성한다.
상기 구성을 통하여 태양열을 이용하여 열전달유체를 가열한다.
일반적으로 대용량의 발전장치를 구성하는 경우에 있어서는 터빈(210)과 발전기(212) 사이의 간격이 일정 거리 이상으로 벌어져 있기에 터빈의 고속회전으로 인한 초고주파수 전력의 문제가 발생하지 아니하지만, 발전기의 소형화를 위하여는 터빈과 발전기 사이의 간격을 최소화하여야 하고, 이 경우 터빈의 고속 회전으로 인하여 초고주파 전력이 발생하여 전력공급에 차질이 발생한다.
따라서 본 발명에 있어서는 상기 문제를 해결하기 위하여, 터빈(210)과 발전기(212) 사이에 감속기(211)를 두고, 발전기(212)에 주파수조절기(213)를 부착하여 안정적인 전력공급을 가능하게 하였다.
일반 열기관에 있어서는 열효율이 가장 중요한 반면, 본 발명에 따른 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치에 있어서는, 상기 발전장치를 제작하는데 요하는 투자비에 대한 얻는 동력(전력)이 더 중요하다. 왜냐하면 여기에 사용되는 열에너지 자체는 저가 또는 무상이기 때문이다.
또한 폐열회수 유기체열기관은 폐기열의 온도를 낮추는 역할을 함으로 국가적 과제인 폐기온도의 강하에도 크게 이바지할 수 있다.
본 고안에 있어서 동작유체는 일반 열기관에서와 같이 공기에 노출되지 않고, 밀폐된 회로를 통하여 재순환함으로 공기를 오염시키는 염려가 없다.
도 1은 본 발명에 따른 열원으로 폐열을 사용하는 유기물 유체를 이용한 소형발전장치의 구성도.
도 1은 본 발명에 따른 열원으로 지열을 사용하는 유기물 유체를 이용한 소형발전장치의 구성도.
도 1은 본 발명에 따른 열원으로 태양열을 사용하는 유기물 유체를 이용한 소형발전장치의 구성도.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
110: 열전달유체가열기 120: 증발기
130: 열전달액체펌프 140: 열전달유체관
210: 터빈 211: 감속기
212: 발전기 213: 주파수조절기
220: 응축기 230: 액체저장고
240: 유기물액체펌프

Claims (6)

  1. 폐쇄된 열원순환시스템(100)과 폐쇄된 유기물순환시스템(200)을 갖는 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치에 있어서,
    상기 열원순환시스템(100)은,
    저온 열원으로서 폐열을 이용한 열전달유체가열기(110);
    상기 열전달유체가열기(110)에서 열을 흡수하여 쉘내부(122)로 열을 전달하는증발기(120);
    상기 증발기(120)로부터 나온 액체를 열전달유체가열기(110)에 공급하기 위한 열전달유체펌프(130)를 포함하여 이루어지고,
    상기 유기물순환시스템(200)은,
    증발기(120)를 통하여 나온 고압의 증기가 통과하여 기계적 일을 하게 되는 터빈(210);
    상기 터빈(210)을 통과한 저압의 증기가 액화되는 응축기(220);
    상기 응축기(220)을 통하여 액화된 유기물이 저장되는 액체저장고(230);
    상기 액체저장고(230)의 유기물의 압력을 상승시켜 증발기의 내부에 공급하기 위한 유기물액체펌프(240)를 포함하여 이루어지는 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치.
  2. 폐쇄된 열원순환시스템(100)과 유기물순환시스템(200)을 갖는 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치에 있어서,
    상기 열원순환시스템(100)은,
    저온 열원으로서 지열을 이용한 열전달유체가열기(150);
    상기 열전달유체가열기(150)에서 열을 흡수하여 쉘내부(122)로 열을 전달하는증발기(120);
    상기 증발기(120)로부터 나온 액체를 열전달유체가열기(150)에 공급하기 위한 열전달유체펌프(130)를 포함하여 이루어지고,
    상기 유기물순환시스템(200)은,
    증발기(120)를 통하여 나온 고압의 증기가 통과하여 기계적 일을 하게 되는 터빈(210);
    상기 터빈(210)을 통과한 저압의 증기가 액화되는 응축기(220);
    상기 응축기(220)을 통하여 액화된 유기물이 저장되는 액체저장고(230);
    상기 액체저장고(230)의 유기물의 압력을 상승시켜 증발기의 내부에 공급하기 위한 유기물액체펌프(240)를 포함하여 이루어지는 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치.
  3. 폐쇄된 열원순환시스템(100)과 유기물순환시스템(200)을 갖는 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치에 있어서,
    상기 열원순환시스템(100)은,
    저온 열원으로서 태양열을 이용하며, 태양열흡수기(161) 및 태양열반사 기(162)를 포함하여 구성되는 열전달유체가열기(160);
    상기 열전달유체가열기(160)에서 열을 흡수하여 쉘내부(122)로 열을 전달하는증발기(120);
    상기 증발기(120)로부터 나온 액체를 열전달유체가열기(160)에 공급하기 위한 열전달유체펌프(130)를 포함하여 이루어지고,
    상기 유기물순환시스템(200)은,
    증발기(120)를 통하여 나온 고압의 증기가 통과하여 기계적 일을 하게 되는 터빈(210);
    상기 터빈(210)을 통과한 저압의 증기가 액화되는 응축기(220);
    상기 응축기(220)을 통하여 액화된 유기물이 저장되는 액체저장고(230);
    상기 액체저장고(230)의 유기물의 압력을 상승시켜 증발기의 내부에 공급하기 위한 유기물액체펌프(240)를 포함하여 이루어지는 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치.
  4. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서 상기 터빈에는 감속기(211); 발전기(212); 주파수조절기(213); 및 전기공급선(214)이 설치되는 것을 특징으로 하는 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 유기물 유체를 이용한 소형 발전장치를 이용하는 발전방법에 있어서,
    연전달유체가열기를 이용하여 고온, 고압의 유기체 증기로 만드는 단계;
    상기 증발기(120)에서 열전달유체는 열전달유체가열기에서 열을 흡수하여 고온의 열전달유체가 되어 이동한 뒤 증발기 내의 관(121)에서 저온의 열전달유체로의 변화가 이루어지고, 이로 인하여 증발기의 쉘내부(122)로 열을 전달하는 단계;
    상기 열전달유체펌프에서는 증발기 내의 관을 통과한 액체를 열전달유체가열기에 공급하기 위하여 가압하는 단계;를 포함하며, 상기 각각의 단계와 동시적으로 실행되는,
    상기 터빈에서 증발기를 통하여 나온 고압의 증기가 기계적 일을 하게 되는 단계;
    상기 응축기에서 터빈을 통과한 저압의 증기가 액화되는 단계;
    상기 액체저장고에서 응축기를 통과한 액화된 유기물이 저장되는 단계;
    상기 유기물액체펌프에서 액체저장고의 유기물의 압력을 상승시켜 증발기의 쉘내부에 공급하는 단계를 포함하는 유기물 유체를 이용한 소형발전방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 감속기에서 터빈의 회전수를 줄이는 단계 및
    상기 주파수조절기에서 발전기에서 생산되는 전기의 주파수를 조정해주는 단계를 더 포함하는 유기물 유체를 이용한 소형발전방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101338186B1 (ko) * 2012-05-18 2013-12-09 주식회사 포스코플랜텍 유기물 랭킨 사이클 발전장치의 증발기
KR101399932B1 (ko) * 2013-04-05 2014-05-30 (주)썬테크 저온의 열원을 이용한 발전 장치

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