KR20140015422A - 집광형 태양열 발전 시스템을 위한 유기 랭킨 사이클 - Google Patents

집광형 태양열 발전 시스템을 위한 유기 랭킨 사이클 Download PDF

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누보 피그노네 에스피에이
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Abstract

유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용하여 에너지를 생성하기 위한 시스템은 상기 ORC을 위해 ORC 유체를 사용하도록 구성된 단일 폐쇄 루프, 및 태양열 에너지를 사용하여 ORC 액체를 기화된 ORC로 변환하도록 구성된 태양열 동력원을 포함한다.

Description

집광형 태양열 발전 시스템을 위한 유기 랭킨 사이클{ORGANIC RANKINE CYCLE FOR CONCENTRATED SOLAR POWER SYSTEM}
본 발명의 실시예는 일반적으로 발전 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 태양열 동력원을 갖는 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, ORC) 시스템에 관한 것이다.
랭킨 사이클은 가열원 또는 고온 저장소(reservoir)로부터 열을 수집하기 위해, 그리고 터빈 또는 팽창기를 통해 고온의 가스상 스트림을 팽창시킴으로써 전력을 생성시키기 위해 폐쇄 사이클에서 작동 유기 유체를 사용한다. 팽창된 스트림은 저온 저장소로 열을 전달함으로써 응축기 내에서 응축되고 다시 가열 압력까지 펌핑되어 사이클을 완료한다. 태양열 동력원이 가열원 또는 고온 저장소로서 사용되는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 집광형 태양열 발전(Concentrating Solar Power, CSP) 시스템은 큰 범위의 햇빛을 작은 빔(beam)으로 집중시키기 위해 렌즈 또는 미러(mirror) 및 추적 시스템을 사용한다. 집중된 열은 이어서 종래의 발전 장치를 위한 열원으로서 사용된다. 광범위한 집광 기술이 존재한다. 개발된 것 대부분은 포물선형 트로프(parabolic trough), 집광 선형 프레넬 반사기(concentrating linear fresnel reflector), 스터링 디쉬(Stirling dish) 및 태양열 발전 타워(solar power tower)이다. 다양한 기술이 태양을 추적하고 광을 집중시키는 데 사용된다. 이들 시스템 모두에서, 작동 유체가 집광된 햇빛에 의해 가열되고, 이어서 발전 또는 에너지 저장을 위해 사용된다.
알려진 ORC 시스템이 도 1과 관련하여 논의된다. 도 1은 보일러로서 또한 알려진 열교환기(2), 터빈(4), 응축기(6) 및 펌프(8)를 포함하는 발전 시스템(10)을 도시하고 있다. 열교환기(2)로 시작해, 이러한 폐쇄 루프 시스템을 통해 돌면, 외부 열원(3), 예를 들어 고온 연도 가스(flue gas)가 열교환기(2)를 가열한다. 이는 수용된 가압 액체 매체(12)가 가압 증기(14)로 변하게 하며, 이 가압 증기는 터빈(4)으로 유동한다. 터빈(4)은 가압 증기 스트림(14)을 수용하며, 가압 증기가 팽창함에 따라 전력(16)을 생성시킬 수 있다. 터빈(4)에 의해 방출되는 팽창된 더 낮은 압력의 증기 스트림(18)은 응축기(6)에 진입하며, 이 응축기는 팽창된 더 낮은 압력의 증기 스트림(18)을 더 낮은 압력의 액체 스트림(20)으로 응축시킨다. 더 낮은 압력의 액체 스트림(20)은 이어서 펌프(8)에 진입하며, 이 펌프는 더 높은 압력의 액체 스트림(12)을 발생시키고 또한 폐쇄 루프 시스템을 유동하게 유지한다. 더 높은 압력의 액체 스트림(12)은 이어서 열교환기(2)로 펌핑되어 이러한 공정을 계속한다.
랭킨 사이클에 사용될 수 있는 알려진 작동 유체는 유기 작동 유체이다. 그러한 유기 작동 유체는 ORC 유체로 지칭된다. ORC 시스템은 고온 연도 가스 스트림으로부터 폐열을 수집하기 위해, 엔진뿐만 아니라 소규모 및 중규모 가스 터빈을 위한 개장(retrofit)으로서 배치되고 있다. 이러한 폐열은 보조 발전 시스템에 사용되어 고온 연도 가스 단독을 생성하는 엔진에 의해 전달되는 전력 외에 최대 추가 20% 전력을 생성시킬 수 있다.
도 2는 태양열 발전 시스템을 사용하는 알려진 ORC 시스템을 도시한다. 시스템(30)은 태양열 수집기(32), 열교환 응축기(34)를 갖는 증기-엔진, 작동 유체를 위한 저장 탱크(36), 및 작동 유체를 태양열 수집기(32)로 전달하기 위한 펌프(38)를 갖는다. 태양열 수집기(32)의 입구에는, 펌프(38)에 의해 저장 탱크(36)로부터 상부 탱크(42)로 펌핑되는 ORC 작동 유체를 위한 레벨링 밸브(leveling valve)(40)가 구비된다. 기화된 ORC 작동 유체가 태양열 수집기(32)로부터, 발전기(46)에 연결될 수 있는 증기 터빈(44)으로 제공된다.
그러나, 기존의 태양열 발전 시스템은 효율적이지 않다. 따라서, 발전 시스템에서의 ORC 시스템의 효율을 개선하기 위한 시스템 및 방법이 바람직하다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용하여 에너지를 생성하기 위한 시스템이 있다. 이 시스템은 ORC를 위해 ORC 유체를 사용하도록 구성된 단일 폐쇄 루프(single closed loop), 및 태양열 에너지를 사용하여 ORC 액체를 기화된 ORC로 변환하도록 구성된 태양열 동력원을 포함한다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용하여 발전하는 방법이 있고, 이 방법은 폐쇄 시스템에서 태양열 동력원에 의한 가열을 통해 ORC 액체를 기화된 ORC로 변환하는 단계와, 팽창기에서 기화된 ORC를 팽창시켜서 에너지를 생성하는 단계와, 기화된 ORC를 냉각하여 다시 ORC 액체로 변화시키고 ORC 액체를 태양열 동력원으로 복귀시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용하여 에너지를 생성하기 위한 시스템이 있다. 이 시스템은 오일계 유체를 매체로 사용하도록 구성된 제 1 폐쇄 시스템과, ORC 유체를 매체로 사용하도록 구성된 제 2 폐쇄 시스템을 포함하고, 상기 제 1 폐쇄 시스템은 상기 제 2 폐쇄 시스템과 열을 교환하도록 구성되고, 상기 제 1 폐쇄 시스템은, 상기 제 2 폐쇄 시스템에서 태양열 에너지를 사용하여 ORC 액체를 기화된 ORC로 변환시키도록 구성된 태양열 동력원을 포함한다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따르면, 유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용하여 발전하는 방법이 있다. 이 방법은 제 1 폐쇄 시스템에서 태양열 동력원에 의해 오일계 유체를 가열하는 단계와, 제 2 폐쇄 시스템에서 기화된 ORC를 팽창시켜서 에너지를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 폐쇄 시스템의 오일계 유체는 상기 제 2 폐쇄 시스템의 ORC 유체와 열을 교환하도록 구성된다.
첨부 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 1은 ORC 사이클의 개략도,
도 2는 태양열 동력원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 개략도,
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 태양열 동력원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 개략도,
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 태양열 동력원 및 보조 열원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 개략도,
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 2개의 폐쇄 루프 시스템에서 태양열 동력원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 개략도,
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 2개의 폐쇄 루프 시스템에서 태양열 동력원 및 보조 열원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 개략도,
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 태양열 동력원과 함께 ORC 사이클 구성을 사용하기 위한 방법의 흐름도,
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 2개의 폐쇄 루프 시스템에서 태양열 동력원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 흐름도.
예시적인 실시예의 하기 상세한 설명은 첨부 도면을 참조한다. 여러 도면에 있어서의 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 요소를 지시한다. 부가적으로, 도면들은 반드시 일정한 축척으로 도시된 것은 아니다. 또한, 하기의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된다. 간략함을 위해, 하기의 설명은 팽창기에 의해 에너지를 생성하기 위한 태양열 동력원과 함께 사용되는 유기 랭킨 사이클(ORC)을 참조한다. 그러나, 태양열 동력원은 상이할 수 있거나, 팽창기는 에너지를 생성하기 위한 다른 터보-기계로 대체될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 언급은, 일 실시예와 관련하여 기술된 특정의 특징, 구조, 또는 특성이 개시된 주제의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서의 문구 "하나의 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예를 말하는 것은 아니다. 또한, 그 특정의 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
도 3에 도시된 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, ORC을 사용하는 전력 생성을 위한 시스템(50)은 시스템을 통해 유동하는 ORC 유체를 기화시키도록 구성된 태양열 동력원(52), 및 기화된 매체를 팽창시킴으로써 에너지/전력을 생성시키도록 구성된 터보-기계(54)를 포함한다. ORC 유체는 ORC에 적합한 임의의 유기 유체일 수 있다. 응축기(56)는 기화된 매체가 그것의 액체 상(liquid phase)으로 복귀되는 것을 보장하며, 펌프(58)는 액체 매체의 압력을 증가시키고 매체가 시스템을 통해 유동하게 유지한다.
매체는 ORC 시스템에 전통적으로 사용되는 유기 유체일 수 있다. 그러나, 개선된 효율을 위해, 사이클로펜탄계 유체가 응용에 따라 매체로서 사용될 수 있다. 사이클로펜탄은 화학식 C5H10을 갖는 고 가연성의 지환식 탄화수소이다. 그것은 평면 위 및 아래에서 2개의 수소 원자와 각각 결합된 5개의 탄소 원자의 고리로 이루어지며, 그것은 휘발유와 유사한 냄새를 갖는 무색 액체로서 존재한다. 그것의 용융점은 -94℃이고 그것의 비등점은 49℃이다. 다른 매체가 또한 사용될 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, ORC 매체는 2-메틸 펜탄, n-펜탄 및 아이소펜탄 중 하나 이상과 혼합된 사이클로펜탄을 포함한다. 예를 들어, 하나의 가능한 조합은 약 95%의 사이클로펜탄, 약 3.5%의 2-메틸 펜탄, 0.75%의 n-펜탄 및 약 0.75%의 아이소펜탄이다.
태양열 동력원(52)은 공지의 태양열원 중 임의의 것일 수 있다. 그러나, 다음에 논의될 본 발명의 실시예는 집광형 태양열 발전(concentrated solar power, CSP) 시스템에 대해 최적화된다. CSP 시스템은 광기전 시스템과는 상이하다. 광기전 시스템이 태양열 에너지를 전기로 직접 변환시킨다. CSP 시스템은 매체가 태양열 에너지에 기초해 기화되고 이어서 에너지가 적절한 터보-기계, 예를 들어 팽창기 또는 터빈에 의해 추출되는 것을 필요로 한다. 따라서, 도 3에 도시된 실시예에 사용되는 매체는 시스템의 다양한 요소를 통과할 때 다양한 열역학적 과정을 겪는다.
터보-기계(54)는 기화된 매체로부터 에너지를 추출하고 이 에너지를, 예를 들어 기계적 에너지로 변환시켜서 터보-기계, 예를 들면 펌프, 압축기 등을 구동하도록 구성된 임의의 기계일 수 있다. 이 터보-기계는 또한 전력을 생성하거나 당해 분야에 알려진 다른 목적을 위해 사용될 수도 있다. 이와 관련하여, 팽창기는 팽창기의 에어포일 또는 임펠러가 횡축을 중심으로 회전하도록 결정하는 기화된 매체를 수용하도록 구성된다. 가스(기화된 매체)의 열역학적 에너지는 팽창기의 (에어포일 또는 임펠러를 유지하는) 샤프트를 회전시켜서, 기계적 에너지를 생성시키는 팽창 과정 동안에 추출된다. 이러한 기계적 에너지는 발전 장치(60), 예를 들어 전기를 생성하기 위한 전기 발전기 또는 압축기를 작동시키는 데 사용될 수 있다.
팽창기는 1단 또는 다단 팽창기일 수 있다. 1단 팽창기는 단지 하나의 임펠러만을 가지며, 기화된 가스는 단일 임펠러를 통과한 후에 팽창기의 배기 장치로 제공된다. 다단식 임펠러는 복수의 임펠러를 가지며, 하나의 임펠러로부터의 팽창된 매체는 매체로부터 에너지를 추가로 추출하기 위해 다음의 임펠러로 제공된다. 팽창기는 원심형 또는 축형 기계일 수 있다. 원심형 팽창기는 제 1 방향(예를 들어, Y 축)을 따라 기화된 매체를 수용하고, 팽창된 매체를 제 1 방향에 실질적으로 수직인 제 2 방향(예를 들어, X 방향)에서 배출한다. 다시 말해서, 팽창기의 샤프트를 회전시키는 데 원심력이 사용된다. 축형 팽창기에서, 매체는 비행기의 제트 엔진과 유사하게, 동일한 방향을 따라 팽창기에 진입하고 이를 빠져나온다.
응축기(56)는 공랭식 또는 수냉식일 수 있으며, 그것의 목적은 매체가 액체로 될 수 있도록 터보-기계(54)로부터의 팽창된 매체를 추가로 냉각시키는 것이다. 펌프(58)는 당업계에 공지되어 있고 매체의 압력을 원하는 값으로 증가시키기에 적합한 임의의 펌프일 수 있다. 팽창기(54)로부터 배기된 매체로부터의 열은 복열 장치(64)에서 제거되고 태양열 동력원(52)으로 제공되는 액체 매체로 제공될 수 있다. 복열 장치(64)는 동일한 환경을 공유하는 2개의 파이프를 갖는 용기만큼 간단할 수 있다. 예를 들어, (펌프로부터의) 액체 매체는 제 1 파이프를 통해 유동하는 반면, (팽창기로부터의) 기화된 매체는 제 2 파이프를 통해 유동한다. 제 1 파이프 및 제 2 파이프 주위에서 동일한 환경이 존재하기 때문에, 제 2 파이프로부터의 열이 제 1 파이프로 이동하여서, 액체 매체를 가열한다. 보다 복잡한 다른 복열 장치가 사용될 수 있다.
이제 시스템(50)을 통한 매체의 유동이 보다 상세히 논의된다. 지점(A)로부터 매체 유동을 뒤따른다고 가정한다. 이 지점에서, 액체 매체는 펌프(58)로 인해 고압[예를 들어, 40 바(bar)] 상태에 그리고 저온(예를 들어, 55℃) 상태에 있다. 액체 매체가 태양열 동력원(52)을 통과한 후에, 그것의 온도는 증가된다(예를 들어, 250℃). 이러한 예시적인 실시예 및 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 사용된 숫자는 예시의 목적을 위한 것이며 실시예를 제한하고자 하는 것이 아니다. 이들 숫자는 시스템의 특성이 변화함에 따라 시스템마다 변화할 수 있음을 당업자는 인식할 것이다.
태양열 동력원(52)을 통과하는 동안, 매체는 상 변환, 즉 액체 매체로부터 기화된 매체로의 변환을 겪을 수 있다. 태양열 동력원(52)을 통과하는 동안에, 태양열 에너지가 태양으로부터 매체로 전달된다. 기화된 매체는 지점(B)에 도달하고 팽창기(54)의 입구(54a)에 진입하고 팽창기의 샤프트를 회전하게 만들어, 태양열 에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 여전히 가스이고 액체가 아닐 수 있는(예를 들어, 지점(C)에서의 온도는 약 140℃이고 압력은 약 1.3 바임) 팽창된 매체는 이어서 출구(54b)에서 팽창기로부터 방출된다.
지점(C)에서 기화된 매체 내에 여전히 에너지(열)가 남아 있기 때문에, 이 매체는 그것으로부터 열을 추가로 제거하기 위해 복열 장치(64)로 지향된다. 지점(D)에서 기화된 매체로부터 복열 장치(64) 내에서 제거된 열은 액체 매체를 태양열 동력원으로 제공하기 전에 (복열 장치 내부에서) 지점(E)에서 액체 매체로 제공된다. 지점(F)에 있는 냉각된 기화 매체는 이제 응축기(56) 내에서 냉각되어 그것을 다시 액체 상으로 되게 한다. 이어서, 액체 매체는 펌프(58)로 제공되고 사이클이 반복된다. 하나의 구성요소로부터 다른 구성요소로 매체를 운반하는 배관(66)은 매체가 시스템(50) 밖으로 탈출하지 않도록 밀봉됨에 유의한다. 다시 말해서, 도 3에 도시된 시스템은 폐쇄 루프 시스템이다.
상기에 논의된 시스템은 전기 발전기(60)가 사용될 때 전기 에너지로의 태양열 에너지의 변환 효율을 증가시킨다. 또한, 본 시스템은 그것의 매체를 위한 물을 필요로 하지 않으며, 매체는 태양열 동력원에 의해 직접적으로 기화될 수 있다. 사이클로펜탄계 유체를 사용한다면, 사이클로펜탄의 비등 온도가 약 49℃이기 때문에 이러한 매체는 태양열 동력원 내에서 직접적으로 기화됨에 유의한다.
도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 보조 열원(70)이, 예를 들어 태양열 동력원(52)의 하류측에 그리고 팽창기(54)의 상류측에 추가될 수 있다. 다른 응용에서, 보조 동력원(70)은 위치(A)에 제공될 수 있다. 보조 동력원은 태양열, 지열, 화석, 원자력 또는 다른 공지의 동력원일 수 있다. 예를 들어, 터보-기계의 배기 장치 또는 발전 장치가 보조 동력원일 수 있다.
다른 응용에서, 저장 탱크(72)가 사이클로펜탄계 매체의 저장을 위해 제공될 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 저장 탱크(72)는 응축기(56)의 하류측에 제공된다. 다양한 밸브(74, 76)가 시스템 내에서 유동하는 매체의 양을 제어하기 위해 배관 시스템을 따라 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 밸런싱 라인(balancing line)(78) 및 밸브(80)가 시스템을 통한 매체의 유동을 제어하기 위해 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고, 시스템(100)은 제 1 폐쇄 루프 시스템(102) 및 제 2 폐쇄 루프 시스템(104)을 포함할 수 있다. 제 2 폐쇄 루프 시스템(104)은 도 3 및 도 4에 도시된 것들과 유사한, 그리고 또한 도 3 및 도 4에 도시된 실시예의 시스템에 유사하게 연결되는, 터보-기계(106), 응축기(108), 펌프(110) 및 복열 장치(112)를 포함할 수 있다. 그러나, 도 3에 도시된 태양열 동력원 대신에, 제 2 폐쇄 루프 시스템은 하나 이상의 기화기(114) 및 하나 이상의 열교환 장치(116)를 포함할 수 있다. 도 5는 2개의 열교환 장치(116, 118)를 도시하고 있지만, 시스템이 기능하기에 1개의 장치면 충분하다. 일 응용에서, 열교환 장치는 필요하지 않다.
제 1 폐쇄 루프 시스템(102)은 도 3의 태양열 동력원(52)과 유사한 태양열 동력원(120), 및 도 3의 펌프(58)와 유사한 펌프(122)를 포함할 수 있다. 제 1 폐쇄 루프 시스템(102)은 유동 매체로서 오일계 물질을 사용할 수 있는 반면, 제 2 폐쇄 루프 시스템(104)은 유동 매체로서 사이클로펜탄계 유체를 사용하는 ORC 시스템일 수 있다. 제 2 폐쇄 루프 시스템(104)의 유기 매체는 본 발명의 이러한 실시예에서 태양열 동력원(120)을 통해 순환하는 것이 아니라, 오히려 태양열 동력원으로부터의 열을 전달하기 위해 제 1 폐쇄 루프 시스템(102)의 오일계 물질과 열적 접촉하여 배치된다.
이 점에 관해서, 태양열 동력원(120)으로부터의 오일계 물질은 기화기(114) 내에서 제 2 폐쇄 루프 시스템의 매체를 기화시키고, 기화된 매체를 터보-기계(106)로 제공한다. 또한, 하나 이상의 열교환 장치(116, 118)에서 제 2 폐쇄 루프 사이클의 매체를 사전가열하는데 오일계 물질을 추가로 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 예시적인 실시예에 따르면, 열교환 장치(116, 118)는 생략될 수 있다. 냉각된 오일계 물질은 이어서 팽창 용기(124)에 도달하고, 이로부터 그것은 태양열 동력원(120)으로 다시 제공되기 위해 펌프(122)로 유동한다. 오일계 물질은 제 2 폐쇄 루프 시스템의 매체 또는 환경과 혼합되지 않는다. 팽창 용기(124)는 팽창 용기(124)의 상부 부분(내측)을 질소 블랭킷(nitrogen blanket)하도록 구성된 질소원(126)과 유체 연통할 수 있다. 질소가 팽창 용기 내측에 진입할지라도, 질소는 오일계 물질 위에서 유동하기 때문에 제 1 폐쇄 루프 시스템(102)을 통해 유동하지 않는다.
도 6에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같은 다양한 요소가 시스템(100)에 추가될 수 있다. 예를 들어, 보조 열원(130)이 제 2 폐쇄 루프 시스템의 매체를 추가로 가열하기 위해 기화기(114)의 상류측 또는 하류측에, 제 2 폐쇄 루프 시스템에 추가될 수 있다. 밸브(132)가 매체의 유동을 제어하기 위해 추가될 수 있으며, 대응하는 밸브(136)를 갖는 밸런싱 라인(134)이 제 2 폐쇄 루프 시스템에 제공될 수 있다. 발전기(140) 또는 다른 터보-기계가 제 2 폐쇄 루프 시스템(104) 내의 팽창기(106)에 연결될 수 있다.
이제 그러한 시스템을 작동시키기 위한 방법이 논의된다. 도 7에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, ORC을 사용하는 에너지를 생성하기 위한 방법이 있다. 방법은 폐쇄 시스템에서 태양열 동력원에 의한 가열을 통해 액체 사이클로펜탄계 유체를 기화된 사이클로펜탄계 유체로 변환시키는 단계(700), 팽창기에서 기화된 사이클로펜탄계 유체를 팽창시켜 에너지를 생성하는 단계(702), 및 기화된 사이클로펜탄계 유체를 냉각시켜 다시 액체 사이클로펜탄계 유체로 복귀시키고 액체 사이클로펜탄계 유체를 태양열 동력원으로 복귀시키는 단계(704)를 포함한다.
도 8에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따르면, ORC을 사용하는 에너지를 생성하기 위한 방법이 있다. 방법은 제 1 폐쇄 시스템에서 오일계 유체를 태양열 동력원에 의해 가열하는 단계(800), 및 에너지를 생성하기 위해 제 2 폐쇄 시스템에서 기화된 사이클로펜탄계 유체를 팽창시키는 단계(802)를 포함하고, 제 1 폐쇄 시스템의 오일계 유체는 제 2 폐쇄 시스템의 액체 사이클로펜탄계 유체와 열교환하도록 구성된다.
개시된 예시적인 실시예는 태양열 에너지를 기계적 에너지 또는 전기 에너지로 변환시키기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이러한 설명은 본 발명을 제한하려는 의도가 아님을 이해하여야 한다. 이와는 반대로, 예시적인 실시예는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되는 대안, 변경 및 동등물을 포괄하도록 의도된다. 또한, 예시적인 실시예의 상세한 설명에서, 청구된 발명의 포괄적인 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 상세사항이 기재된다. 그러나, 당업자는 그러한 구체적인 상세사항 없이도 다양한 실시예가 실시될 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징 및 요소가 실시예에서 특정 조합으로 기술되었지만, 각각의 특징 또는 요소는 실시예의 다른 특징 및 요소 없이 단독으로, 또는 본 명세서에 개시된 다른 특징 및 요소와 함께 또는 그것 없이 다양한 조합으로 사용될 수 있다.
전술된 예시적인 실시예는 본 발명의 모든 면을 제한하기보다는 예시하는 것으로 의도된다. 따라서, 본 발명은 당업자에 의해 본 명세서에 포함된 기재로부터 유래될 수 있는 많은 변화가 상세한 구현예에서 있을 수 있다. 그러한 모든 변화 및 변경은 하기의 특허청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 것으로 간주된다. 본 출원의 설명에 사용된 요소, 행위, 또는 지시는 그러한 것으로 명시적으로 기재되지 않는 한 본 발명에 대해 중대하거나 본질적인 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태(관사 "a")는 하나 이상의 아이템을 포함하는 것으로 의도된다.
본 명세서는 임의의 장치 또는 시스템의 제조 및 사용 그리고 임의의 포함된 방법의 수행을 비롯해 당업자가 개시된 주제를 실시하는 것을 가능하게 하기 위해 개시된 주제의 예를 사용한다. 그 주제의 특허가능한 범위는 특허청구범위에 의해 한정되며, 당업자의 머리에 떠오르는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는 특허청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용하여 에너지를 생성하기 위한 시스템에 있어서,
    ORC를 위해 ORC 유체를 사용하도록 구성된 단일 폐쇄 루프; 및
    태양열 에너지를 사용하여 ORC 액체를 기화된 ORC로 변환하도록 구성된 태양열 동력원을 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일 폐쇄 루프는,
    상기 태양열 동력원에 유체적으로 연결되고, 상기 기화된 ORC를 수용하여 팽창기의 회전부가 회전하도록 기화된 ORC를 팽창시키도록 구성된 팽창기;
    상기 팽창기의 출력부에 유체적으로 연결되고, 상기 기화된 ORC로부터 열을 제거하도록 구성된 복열 장치;
    상기 복열 장치에 유체적으로 연결되고, 상기 기화된 ORC를 다시 ORC 액체로 변환시키도록 구성된 냉각 장치; 및
    상기 냉각 장치와 상기 복열 장치 사이에 유체적으로 연결되고, 상기 ORC 액체를 상기 복열 장치로 펌핑하도록 구성된 펌프를 포함하고,
    상기 펌프로부터 펌핑된 ORC 액체는 상기 팽창기로부터 나오는 상기 기화된 ORC로부터 열을 수용하는
    에너지 생성 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 팽창기와 결합되고, 상기 팽창기의 회전부가 상기 기화된 ORC의 팽창에 의해 회전될 경우 전기 에너지를 생성하도록 구성된 발전기를 더 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창기에 연결되고 상기 팽창기에 의해 구동되도록 구성된 압축기 또는 다른 터보-기계를 더 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 장치와 상기 펌프 사이에 유체적으로 제공된 저장 탱크를 더 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창기는 1단만을 갖고, 상기 팽창기는 축류 팽창기인
    에너지 생성 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템의 요소들을 유체적으로 연결하는 배관; 및
    상기 팽창기의 유출 파이프로 유입 파이프를 상기 팽창기에 유체적으로 연결하는 밸런싱 바이패스 라인을 더 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양열 동력원은 태양열 에너지를 집광하도록 구성된
    에너지 생성 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양열 동력원의 상류측 또는 하류측에 연결되어 상기 ORC 유체를 더 가열하는 추가 동력원을 더 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  10. 유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용하여 발전하는 방법에 있어서,
    폐쇄 시스템에서 태양열 동력원에 의한 가열을 통해 ORC 액체를 기화된 ORC로 변환하는 단계;
    상기 팽창기에서 상기 기화된 ORC를 팽창시켜서 에너지를 생성하는 단계, 및
    상기 기화된 ORC를 냉각하여 다시 ORC 액체로 변화시키고 상기 ORC 액체를 상기 태양열 동력원으로 복귀시키는 단계를 포함하는
    유기 랭킨 사이클을 이용한 발전 방법.
  11. 유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용하여 에너지를 생성하기 위한 시스템에 있어서,
    오일계 유체를 매체로 사용하도록 구성된 제 1 폐쇄 시스템; 및
    ORC 유체를 매체로 사용하도록 구성된 제 2 폐쇄 시스템을 포함하고,
    상기 제 1 폐쇄 시스템은 상기 제 2 폐쇄 시스템과 열을 교환하도록 구성되고,
    상기 제 1 폐쇄 시스템은, 상기 제 2 폐쇄 시스템에서 태양열 에너지를 사용하여 ORC 액체를 기화된 ORC로 변환시키도록 구성된 태양열 동력원을 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 폐쇄 시스템은,
    상기 기화된 ORC을 수용하고, 팽창기의 회전부가 회전하도록 기화된 ORC를 팽창시키도록 유체적으로 구성된 팽창기;
    상기 팽창기의 출력부에 유체적으로 연결되고, 상기 기화된 ORC로부터 열을 제거하도록 구성된 복열 장치;
    상기 복열 장치에 유체적으로 연결되고, 상기 기화된 ORC를 다시 ORC 액체로 변환시키도록 구성된 냉각 장치;
    상기 냉각 장치와 상기 복열 장치 사이에 유체적으로 연결되고, 상기 ORC 액체를 상기 복열 장치로 펌핑하도록 구성된 펌프; 및
    상기 ORC 액체에 열을 부가하여 상기 ORC 액체를 기화된 ORC로 변환하도록 구성된 하나 이상의 열교환 장치를 포함하며,
    상기 펌프로부터 펌핑된 ORC 액체는, 상기 복열 장치에서 상기 팽창기로부터 나오는 상기 기화된 ORC 유체로부터 열을 수용하고,
    상기 하나 이상의 열교환 장치는 상기 복열 장치와 상기 팽창기 사이에 유체적으로 연결된
    에너지 생성 시스템.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열교환 장치는 상기 제 1 폐쇄 시스템의 오일계 유체로부터 열을 제거하도록 구성된
    에너지 생성 시스템.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 열교환 장치는,
    상기 팽창기에 유체적으로 연결되고, 상기 제 2 폐쇄 시스템에서 상기 ORC 액체를 기화시키도록 구성된 기화기; 및
    상기 복열 장치와 상기 기화기 사이에 유체적으로 연결되고, 상기 제 1 폐쇄 시스템의 오일계 유체로부터 열을 제거함으로써, 상기 ORC 액체를 가열하도록 구성된 적어도 하나의 예열기를 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 폐쇄 시스템은,
    상기 하나 이상의 열교환 장치에 유체적으로 연결된 저장 용기; 및
    상기 태양열 동력원에 유체적으로 연결되고, 상기 제 1 폐쇄 시스템을 통해 상기 오일계 유체를 펌핑하도록 구성된 펌프를 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창기와 결합되고, 상기 팽창기의 회전부가 상기 기화된 ORC의 팽창에 의해 회전될 경우 전기 에너지를 생성하도록 구성된 발전기를 더 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창기에 연결되고, 상기 팽창기에 의해 생성된 회전 에너지를 사용하도록 구성된 압축기 또는 다른 터보-기계를 더 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  18. 제 11 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 폐쇄 시스템에 연결되어 상기 ORC 유체를 더 가열하는 추가 동력원을 더 포함하는
    에너지 생성 시스템.
  19. 유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용하여 발전하는 방법에 있어서,
    제 1 폐쇄 시스템에서 태양열 동력원에 의해 오일계 유체를 가열하는 단계; 및
    제 2 폐쇄 시스템에서 기화된 ORC 유체를 팽창시켜서 에너지를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 폐쇄 시스템의 오일계 유체는 상기 제 2 폐쇄 시스템의 ORC 유체와 열을 교환하도록 구성된
    유기 랭킨 사이클을 이용한 발전 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 폐쇄 시스템과 상기 제 2 폐쇄 시스템 사이에 연결된 적어도 하나의 열교환 장치에 의해 상기 ORC 액체를 기화하는 단계를 더 포함하는
    유기 랭킨 사이클을 이용한 발전 방법.
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