KR20110139360A - 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열, 지열, 폐기열, 폐수열, 대기열 등을 이용하여 터빈을 저압으로 구동하는 열병합 발전 시스템에 관한 것으로서, 태양열,지열 등에 의해 가열된 작동액을 고온 작동액 순환부로부터 저온 작동액 순환부로 이동시키는 제1 작동액 순환부, 상기 작동액 순환부와 열 교환이 이루어지도록 저온 냉매 순환부로부터 고온 냉매 순환부로 냉매를 이동시키는 냉매 순환부, 상기 작동액 순환부와 냉매 순환부 사이의 열 교환에 의해 냉매를 기화시키는 제1 열교환기, 상기 제1 열교환기로부터 기화된 냉매에 의해 3바(bar) 이하에서도 동작 가능한 저압 터빈, 상기 저압 터빈으로부터 배출된 기체 냉매를 액체 냉매로 액화시키는 제2 열교환기, 상기 제2 열교환기에 의해 이송된 액체 냉매를 저장하는 저장 탱크, 상기 저장 탱크로부터 저장된 냉매를 이송시키는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템 {COGENERATION SYSTEM USING LOW PRESSURE TURBINE}

본 발명은 태양열, 지열, 폐열, 대기열 등을 이용하여 터빈을 저압으로 구동하는 열병합 발전 시스템에 관한 것으로서, 기체 냉매에 의한 저압 터빈 발전으로 전기를 생산할 뿐만 아니라, 냉매 열을 이용하여 온수 또는 난방 등으로 이용하는 것이 가능한 열병합 발전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 태양열이나 지열, 폐열 등의 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 다양한 방식의 시스템이 시도되어 왔다.

태양열이나 지열 등의 에너지는 자연 친화적이고 환경에 유해한 물질을 생산하지 않는 등 다양한 이점이 부각되고 있으며, 앞으로 자원의 고갈에 따라 더욱 이용이 활성화될 수 있다.

그러나 자연 에너지를 이용하는 경우 태양열이나 지열 등의 자연 에너지를 전기 또는 다른 형태의 에너지로 변환하는 과정에서 비용의 증가, 기술적 어려움 등의 문제점이 대두되어 왔다.

특히, 터빈을 이용하여 동력을 발생하고 전기를 생산하는 경우에는 터빈의 기술적인 한계로 인해 그 이용이 제한되어 왔다.

일반적으로 터빈은 보일, 샤를의 법칙에 따라 고온, 고압의 기체에 의해 동작하며 이를 통해 동력 및 전기를 발생하는 구조로 되어 있다. 태양열이나 지열 등을 열원으로 하여 터빈을 구동하는 경우 터빈의 고온, 고압 동작 조건에 대응되도록 태양열이나 지열 등에 의한 열원의 온도를 2차적으로 상승시켜야 하는 문제점이 있었다.

이로 인해, 터빈에 의한 동력 또는 전기 발생 비용이 증가하고 시스템의 크기가 증가하는 문제점이 있었다.

특히, 가정이나 공장 등 소규모 에너지를 필요로 하는 장소에서는 적용하기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 태양열이나 지열 등을 열원으로 하여 저온, 저압 조건에서 터빈을 구동하는 것을 가능하게 하는 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 태양열이나 지열 등을 그대로 이용함으로써 전기 발생 비용을 감소시키고 시스템의 크기를 줄일 수 있는 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

아울러 본 발명은 가정이나 공장 등 소규모 에너지를 필요로 하는 장소에서도 전기 및 온수 등을 함께 생산하는 것이 가능한 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 태양열, 지열, 폐기열, 폐수열, 대기열 등을 이용하여 터빈을 저압으로 구동하는 열병합 발전 시스템에 있어서, 태양열,지열 등에 의해 가열된 작동액을 고온 작동액 순환부로부터 저온 작동액 순환부로 이동시키는 제1 작동액 순환부, 상기 작동액 순환부와 열 교환이 이루어지도록 저온 냉매 순환부로부터 고온 냉매 순환부로 냉매를 이동시키는 냉매 순환부, 상기 작동액 순환부와 냉매 순환부 사이의 열 교환에 의해 냉매를 기화시키는 제1 열교환기, 상기 제1 열교환기로부터 기화된 냉매에 의해 3바(bar) 이하에서도 동작 가능한 저압 터빈, 상기 저압 터빈으로부터 배출된 기체 냉매를 액체 냉매로 액화시키는 제2 열교환기, 상기 제2 열교환기에 의해 이송된 액체 냉매를 저장하는 저장 탱크, 상기 저장 탱크로부터 저장된 냉매를 이송시키는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제2 열교환기와 연결되어 상기 냉매 순환부의 액화시 열을 흡수하도록 구성된 제2 작동액 순환부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 냉매는 R11, R124, R142b, R152 중 어느 하나인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 제1 열교환기를 통과한 기체 냉매는 상기 저압 터빈의 하부로 들어가서 상부로 배출되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 태양열이나 지열, 폐열 등을 열원으로 하여 저온, 저압 조건에서 터빈을 구동하는 것을 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 의하면 태양열이나 지열 등을 그대로 이용함으로써 전기 발생 비용을 감소시키고 시스템의 크기를 줄일 수 있는 것이 가능하게 된다.

아울러, 본 발명에 의하면 가정이나 공장 등 소규모 에너지를 필요로 하는 장소에서도 전기 및 온수 등을 함께 생산하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템에 있어서 온수 발생부를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템에 있어서 저압 터빈을 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템은 태양열 또는 지열 등을 이용하여 터빈을 저압으로 구동하고 이를 통해 전기 및 온수를 동시에 생산 가능하도록 구성된다.

이를 구체적으로 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템은 제1 열교환기(30), 제2 열교환기(40), 저압터빈(50)을 구비한다. 또한, 본 발명에 따른 열병합 발전 시스템은 저장탱크(60), 펌프(70)를 구비할 수 있다.

태양열 또는 지열 등의 에너지원에 의해 가열된 작동액은 고온 작동액 순환부(10a)룰 통해 제1 열교환기(30)로 들어간다. 이때 고온 작동액 순환부(10a)를 통해 들어가는 작동액의 온도는 40도 이상이면 된다. 들어간 고온의 작동액은 제1 열교환기(30)를 거쳐 저온 작동액 순환부(10b)를 통해 순환한다.

본 발명에서 사용되는 작동액은 물, 부동액, 브레인유 등 다양한 액체가 사용될 수 있다.

한편, 저압 터빈(50)을 동작시키기 위한 냉매는 저온 냉매 순환부(20a)로부터 제1 열교환기(30)를 거쳐 고온 냉매 순환부(20b)로 이동한다.

제1 열교환기(30)에서 냉매는 기화되고 기화된 냉매는 저압 터빈(50)으로 이동한다.

터빈을 동작하기 위한 냉매는 다양하게 사용 가능하나, 구체적으로 R11, R124, R142b, R152 등이 사용될 수 있다. 냉매는 본 발명에 따른 열병합 발전 시스템이 설치되는 지역의 특성과 온도에 따라 적합한 냉매를 사용할 수 있다. 아울러 대체 냉매인 천연 냉매도 사용 가능하다.

저압 터빈(50)으로 들어간 기체 냉매는 저온, 저압 조건 하에서 터빈을 동작시키게 된다. 구체적으로는 터빈(50)은 1 바(bar) 이상 3바(bar) 이하에서도 동작 가능하며, 150 내지 500rpm으로 회전 가능하도록 제작된다.

이를 위해, 도 3에 도시된 것처럼, 기체 냉매는 저압 터빈(50)의 하부로 들어가서 상부로 배출되어야 한다. 터빈 하부로 들어간 냉매(G1)는 터빈 내부를 거쳐 터빈 상부에서 배출되는 냉매(G2)가 된다.

일반적인 터빈의 경우와 달리 저압 터빈(50)의 하부에서는 터빈 블레이드(미도시함)의 기밀이 유지된 상태에서 터빈을 회전시키고 상부에서는 터빈 블레이드(미도시함)의 기밀이 해제된 상태에서 터빈 외부로 이동하게 된다. 이를 통해 터빈(50)을 저압으로도 동작 가능하게 되며, 터빈의 회전에 의해 동력을 발생시키고 전기를 생산하는 것이 가능하게 된다.

저압 터빈(50)으로부터 배출된 기체 냉매는 제2 열교환기(40)로 이동한다. 기체 냉매는 제2 열교환기(40)를 거치면서 액화되고 저장탱크(60)로 이동한다.

저장탱크(60)는 액체 냉매를 저장하는 역할을 하며, 저장된 액체 냉매는 펌프(70)에 의해 다시 제1 열교환기(30)로 이송된다. 이때, 펌프(70)와 제1 열교환기(30) 사이에는 냉매가 일 방향으로 이동하도록 체크밸브(미도시함)가 설치될 수 있다.

이때, 저압 터빈(50)의 전 후에는 각각 압력센서(100)가 설치될 수 있다. 압력센서는 저압 터빈(50) 전 후의 압력을 측정하고, 측정된 압력에 의해 기체 냉매의 흐름을 제어할 수 있다. 이때는 저압 터빈(50) 전방에 설치된 솔레노이드 밸브(110)를 통해서 냉매 흐름을 제어하는 것이 가능하게 된다. 또한, 저압 터빈(50) 후방에는 냉매가 일 방향으로 이동하도록 체크밸브(미도시함)가 설치될 수 있다.

한편, 제2 열교환기(40)에는 저온 작동액 순환부(80a)와 고온 작동액 순환부(80b)가 연결될 수 있다.

냉매가 액화되는 열에 의해 저온 작동액 순환부(80a)로부터 제2 열교환기(40)로 들어온 저온 작동액가 열을 흡수하고 고온 작동액 순환부(80b)를 거쳐 고온 작동액로 이동한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 고온 작동액 순환부(80b)를 통해 전달된 고온 작동액은 온수(91), 난방(92) 등 다양한 용도로 이용 가능하게 된다. 온수(91), 난방(92) 등으로 작동액을 사용하면 급수부(93)를 통해 작동액을 보충해서 계속 사용 가능하게 된다.

이와 같이 본 발명의 구성에 따른 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템 구성에 의하면, 태양열이나 지열 등을 열원으로 하여 저온, 저압 조건에서 터빈을 구동하는 것이 가능하게 되며, 태양열이나 지열 등을 그대로 이용함으로써 전기 발생 비용을 감소시키고 시스템의 크기를 줄일 수 있는 것이 가능하게 된다.

아울러, 가정이나 공장 등 소규모 에너지를 필요로 하는 장소에서도 전기 및 온수 등을 함께 생산하는 것도 가능하게 된다.

10: 제1 작동액 순환부
10a: 고온 작동액 순환부
10b: 저온 작동액 순환부
20: 냉매 순환부
20a: 저온 냉매 순환부
20b: 고온 냉매 순환부
30: 제1 열교환기
40: 제2 열교환기
50: 저압 터빈
60: 저장 탱크
70: 펌프
100: 압력센서
110: 솔레노이드 밸브

Claims (4)

1. 태양열, 지열, 폐기열, 폐수열, 대기열 등을 이용하여 터빈을 저압으로 구동하는 열병합 발전 시스템에 있어서,
   태양열,지열, 폐기열, 폐수열 등에 의해 가열된 작동액을 고온 작동액 순환부로부터 저온 작동액 순환부로 이동시키는 제1 작동액 순환부,
   상기 작동액 순환부와 열 교환이 이루어지도록 저온 냉매 순환부로부터 고온 냉매 순환부로 냉매를 이동시키는 냉매 순환부,
   상기 작동액 순환부와 냉매 순환부 사이의 열 교환에 의해 냉매를 기화시키는 제1 열교환기,
   상기 제1 열교환기로부터 기화된 냉매에 의해 3바(bar) 이하에서도 동작 가능한 저압 터빈,
   상기 저압 터빈으로부터 배출된 기체 냉매를 액체 냉매로 액화시키는 제2 열교환기,
   상기 제2 열교환기에 의해 이송된 액체 냉매를 저장하는 저장 탱크,
   상기 저장 탱크로부터 저장된 냉매를 이송시키는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 열교환기와 연결되어 상기 냉매 순환부의 액화시 열을 흡수하도록 고온 작동액 순환부와 저온 작동액 순환부로 구성된 제2 작동액 순환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 냉매는 R11, R124, R142b, R152 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 열교환기를 통과한 기체 냉매는 상기 저압 터빈의 하부로 들어가서 상부로 배출되는 것을 특징으로 하는 저압터빈을 이용한 열병합 발전 시스템.

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