KR20150022311A - Heat pump electricity generation system - Google Patents
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Abstract
Description
이 발명은 히트펌프 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미 활용 에너지원인 공기열, 지열, 폐수열 등으로부터 열원을 취득하여 냉난방에 활용하는 히트펌프 시스템 기술로 생산된 고온의 열원으로부터 전기를 생산하는 히트펌프 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a heat pump power generation system, and more particularly, to a heat pump power generation system that acquires heat sources from air heat, geothermal heat, and waste heat, which are unused energy sources, Pump power generation system.
특허 제 1249445호(발명의 명칭 : 가정용 열병합 발전시스템)에서는 보일러로 냉매를 가열, 그 냉매 증기압으로 냉매 터빈을 돌려 발전을 하는 가정용 열병합 발전기 기술을 제안하고 있으나, 보일러 연료로 가스등의 화석연료를 사용해야 한다는 문제가 있게 된다.Patent No. 1249445 proposes a household cogeneration technology in which a refrigerant is heated by a boiler and the refrigerant is turned by the refrigerant vapor pressure in the home cogeneration system, .
특허 제0960609호(발명의 명칭 : 냉매 터빈 발전장치)에서는 저온의 폐열에서 에너지를 공급받아 발전을 하는 냉매 터빈 발전장치에 있어서, 저온 폐열의 온도에 따라 기화될 수 있는 냉매의 종류와 그에 따른 배출 압력이 정해지는 펌프를 설치해야 하는 문제를 기화기로 유입되는 액체 냉매의 압력을 상기 기화기의 온도에 따라 변동 가압하여 발전효율을 높이는 터빈 발전장치 기술을 제안하고 있으나, 기화기는 증기터빈 발전장치의 복수기 내부에 설치되어 거기서 폐열을 공급받아 기화기로 유입되는 가압펌프에 의해 가압된 고압 액체냉매를 고압 기체냉매로 만들어야 하고, 냉매 터빈을 거친 저압 기체냉매를 액체냉매로 응축시키기 위해서는 대기 공기를 이용 응축열을 대기로 방출하거나, 냉각수를 공급받아 응축과정을 통해 냉매를 액화시키고, 응축열로 데워진 냉각수를 방출해야 하므로 폐열로부터 흡수한 열의 일부는 냉매 터빈을 돌려 발전을 하지만 나머지 열을 버리게 되는 문제가 있다. 일반적으로 냉매 터빈 효율을 40%로 하면 60%의 열량이 버려지게 된다.Patent No. 0960609 (entitled "Refrigerant Turbine Generator") is a refrigerant turbine power generator that generates electricity by receiving energy from waste heat at a low temperature. The type of refrigerant that can be vaporized according to the temperature of low temperature waste heat, There has been proposed a turbine generator device technique in which the pressure of the liquid refrigerant flowing into the carburetor is increased by increasing the pressure of the liquid refrigerant depending on the temperature of the carburetor, Pressure liquid refrigerant that is pressurized by a pressurizing pump that is supplied to the vaporizer by supplying waste heat thereto is required to be a high-pressure gas refrigerant. In order to condense the low-pressure gas refrigerant through the refrigerant turbine into liquid refrigerant, The refrigerant is discharged to the atmosphere, or the refrigerant is condensed through the cooling water, It must discharge the cooling water heated by the heat storage portion that has absorbed heat from the waste heat is returned to the power generation turbine refrigerant but there is a problem that discard the remaining columns. Generally, if the refrigerant turbine efficiency is 40%, 60% of the heat is discarded.
특허 제 1166154호(발명의 명칭 : 냉매터빈발전기를 이용한 이원냉동사이클 히트펌프)에서는 기존의 히트펌프에서 역랭킨 사이클로 냉매압축동력을 가하여 냉매의 상태 변위를 일으키면서 기화열을 냉방용으로 또는 응축열을 난방용으로 이용하는 냉난방 작용의 열만을 이용한데 반해, 히트펌프 운전 시 배관 내부에 흐르는 유체냉매의 운동에너지를 활용하여 전기를 생산하는 기술을 제안하고 있으나, 이는 열원 취득부의 효율 및 성능을 높이기 위한 방법이지 히트펌프 운전을 통해 발생한 열을 모두 전기로 변환하는 발전 기술은 제안하지 못하고 있다.In patent No. 1166154 (entitled "Binary Refrigeration Cycle Heat Pump Using Refrigerant Turbine Generator"), refrigerant compression power is applied in a reverse order Rankine cycle in a conventional heat pump to cause state displacement of the refrigerant and heat the evaporation heat for cooling, The present invention proposes a technique for producing electricity by utilizing the kinetic energy of the fluid refrigerant flowing in the piping during the operation of the heat pump. However, this is a method for increasing the efficiency and performance of the heat source acquisition unit, There is no proposal for a power generation technology that converts all the heat generated by the pump operation into electricity.
전기를 생산할 수 있는 신재생 에너지원으로는 태양광을 활용한 태양광 발전과 풍력을 활용한 풍력발전, 물의 흐름이나 낙차를 이용한 소수력발전 등을 들 수 있으나, 태양광 발전, 풍력발전의 경우 기후 조건에 따라 전기를 생산할 수 있는 조건이 일정치 않아, 전기를 저장할 수 있는 에너지 저장 장치(ESS)가 필요하고, 투자대비 회수 측면에서 발전단가가 높아 상업성이 떨어지고 투자해서 투자원금을 회수하는 기간이 매우 길다.New and renewable energy sources that can generate electricity include solar power using solar power, wind power using wind power, and small hydro power using water flow or drift. In the case of photovoltaic power generation and wind power generation, however, (ESS) that can save electricity, and the period of time when the investment cost is recovered due to the low commercial value due to the high price of the power generation. It is very long.
한편 일반적으로 공기열 히트펌프 냉난방 시스템은 혹한기 차가운 공기로부터 열을 흡수하여 난방을 해야 하고, 열원이 풍부한 혹서기에는 반대로 실내의 열을 공기 중으로 방출함으로써 냉방을 해야 한다.On the other hand, in general, air-conditioner heat pump heating and cooling system must absorb heat from cold air and heat it. In contrast to a heat source rich in heat, it is necessary to cool the room by discharging the heat into the air.
이러한 공기열 히트펌프 냉난방 시스템의 아이러니한 문제를 역으로 활용하여, 열원이 풍부한 혹서기에 공기열 히트펌프를 난방모드로 동작시켜 풍부한 열원을 흡수하여 전기를 생산할 수 있는 히트펌프 발전 시스템 기술이 요청된다.A heat pump power generation system technology capable of producing electricity by absorbing a rich heat source by operating the air heat pump in a heating mode in a heat source rich in heat source is demanded by utilizing the ironic problem of the air heat pump system.
기본적으로 히트펌프 냉난방 시스템은 압축-응축-팽창-증발을 반복하는 단 사이클로 구성되어 있고, 이 경우 생산할 수 있는 출수온도가 55~60℃ 정도이다.Basically, the heat pump cooling and heating system is composed of a single cycle of repeating compression - condensation - expansion - evaporation. In this case, the production temperature is about 55 ~ 60 ℃.
더 높은 출수온도를 얻기 위해서는 압축기 2개를 병렬로 하여 냉매를 고압으로 압축하거나, CO₂등의 냉매를 사용하고 고압의 압축기로 압축하여 현열을 활용, 90℃ 정도의 높은 출수 온도를 얻을 수 있으나, 히트펌프 시스템을 고압으로 운영하기 위해, 관련 부품들이 모두 고압에 견딜 수 있는 부품을 사용해야 하므로 발전 시스템 가격상승과 AS 비용이 상승하는 등의 문제가 발생할 수 있다.In order to obtain a higher outlet temperature, it is possible to obtain a high outlet temperature of about 90 ° C. by compressing the refrigerant at a high pressure by using two compressors in parallel, or by using a refrigerant such as CO 2 and using a high- In order to operate the heat pump system at high pressure, all related parts must use high voltage parts, which can lead to problems such as a rise in power generation system cost and an increase in AS cost.
이 발명은 위의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 미 활용 에너지원인 공기열, 지열, 폐수열 등으로부터 열원을 취득하여 약 70℃ 이상의 고온수를 생산할 수 있는 공기열원 또는 이들을 조합한 복합열원 이원사이클 히트펌프 시스템에서, 고온수를 생산하기 위한 축열 탱크 대신 고온의 냉매열을 전기로 변환하는 발전 사이클을 더 구비하여 발전을 하고, 또한 낮은 외기온도 조건에서도 전기를 고효율로 생산할 수 있는 히트펌프 발전 시스템의 제공을 목적으로 한다.An object of the present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an air heat source capable of obtaining a heat source from air heat, ground heat, There is provided a heat pump power generation system capable of generating electricity by further including a power generation cycle for converting high temperature coolant heat into electricity instead of a heat storage tank for producing hot water and capable of producing electricity with high efficiency even under low outside temperature conditions The purpose.
상기의 목적을 실현하기 위해 이 발명은, 히트펌프 발전 시스템에 있어서, 제2압축기(301), 제2열교환기(203), 열원 취득부(320)로 폐회로를 구성하는 열취득 사이클(300)과, 제1압축기(201), 제1열교환기(104), 제1팽창밸브(202), 제2열교환기(203)로 폐루프를 구성하는 고온 전달 사이클(200) 및, 상기 열원 취득부(320)가 선택한 열원에 따라 열취득 사이클(300)이 구성되고, 이 열취득 사이클(300)과 고온 전달 사이클(200)이 제2열교환기(203)로 연결되어 이원 사이클을 구성하여 고온의 열을 공급하는 히트펌프 시스템; 및, 제1열교환기(104), 발전기(102)와 회전축으로 연결되어 있는 냉매터빈(101), 응축기(110), 냉매펌프(103)로 폐회로를 구성하여, 제1열교환기(104)에 의해 상기 고온 전달 사이클(200)로부터 열원을 공급받고, 열취득 사이클(300)의 열원 취득부(320)로부터 냉기를 공급받아 발전을 하는 랭킨 사이클(100);의 조합에 의해 전기를 생산함을 특징으로 하는 히트펌프 발전 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a heat pump power generation system comprising a heat recovery cycle (300) constituting a closed circuit by a second compressor (301), a second heat exchanger (203) A high
바람직하게는, 상기 열원 취득부(320)는, 외기증발기(321), 제2팽창밸브(322)로 구성되어, 제2압축기(301), 제2열교환기(203), 제2팽창밸브(322), 외기증발기(321)로 폐루프를 구성하여 공기로부터 열원을 취득하는 열취득 사이클(300)을 구비하게 할 수 있다.Preferably, the heat
바람직하게는, 상기 외기증발기는, 공기열원과 동시에 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)의 응축열을 열원으로 활용하게 할 수 있다.Preferably, the outdoor air evaporator may utilize the heat of condensation of the
바람직하게는, 상기 외기증발기가 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)와 연결된 순환도관을 흐르는 열매체와 열취득 사이클(300)의 냉매와 공기와의 열교환을 위해, 열취득 사이클(300)의 냉매를 위한 열교환기와 순환도관을 흐르는 열매체를 위한 열교환기가 공기열원을 흡수하기 위한 냉각핀을 공유하는 형태로 구성되게 할 수 있다.Preferably, the outside air evaporator is connected to the heating medium flowing through the circulation conduit connected to the
바람직하게는, 상기 외기증발기가 랭킨 사이클(100)의 냉매와 열취득 사이클(300)의 냉매, 그리고 공기와의 열교환을 위해, 랭킨 사이클(100)의 냉매를 위한 열교환기와 열취득 사이클(300)의 냉매를 위한 열교환기가 공기열원을 흡수하기 위한 냉각핀을 공유하는 형태로 구성되게 할 수 있다.The outdoor air evaporator is connected to the heat exchanger for the refrigerant of the Rankine
바람직하게는, 상기 열원 취득부(320)가 열교환기(321"), 제2팽창밸브(322)로 구성되어, 제2압축기(301), 제2열교환기(203), 제2팽창밸브(322), 열교환기(321')로 폐루프를 구성하고, 열교환기(321") 일 측에 지열순환펌프(325"), 지열열교환기(326"), 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)로 지열순환 루프를 구성하여, 지열원 및 랭킨 사이클(100)의 응축열을 동시에 열원으로 활용하게 할 수 있다.Preferably, the heat
바람직하게는, 상기 열원 취득부(320)가 공기열원 지중열원 등이 병렬로 연결되어 있어, 전자밸브 제어에 의해 선택되어 열취득 사이클(300)을 구성하여 다양한 열원으로 히트펌프 시스템을 가동하게 할 수 있다.Preferably, the heat
바람직하게는, 외기온도조건 및 열원의 상태에 따라 열원이 선택되어 가장 최적의 상태에서 히트펌프 시스템을 가동하여 전기를 생산할 수 있다.Preferably, the heat source is selected according to the outside temperature condition and the heat source condition, and the heat pump system can be operated in the most optimal state to produce electricity.
바람직하게는, 상기 열원 취득부(320)가 전자밸브 제어에 의해 특정 열원을 선택하였을 때, 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)와 연결된 열매체 순환도관이 열원 취득부(320)와 선택된 열원에 맞추어 삼방밸브제어에 의해 자동적으로 순환루프가 구성되게 할 수 있다.The heat medium circulation conduit connected to the
상기의 구성을 갖는 이 발명의 히트펌프 발전 시스템에 의하면, 태양광발전이나 풍력발전, 소수력 발전 등은 날씨 조건 등에 의해 전기를 생산하는데 여러 가지 제약이 있고, 발전설비를 갖추기 위해서 초기에 많은 투자가 들어가 전기 생산단가가 높아 아직 경제성을 확보하기가 쉽지 않은 반면, 상대적으로 설비비용이 낮은 히트펌프 시스템을 응용하여, 풍부한 열원인 공기열원으로부터 열을 흡수하여, 전기를 생산할 수 있는 히트펌프 발전 시스템은, 특히 혹서기 넘치는 공기열원을 흡수하여 전기를 생산할 수 있는 신재생 에너지로 주변 온도를 낮추어 도심 열섬 현상을 줄여주고 각 건물단위, 주택단위 소규모 자가발전 시설로서 에너지를 자급자족할 수 있어, 탄소배출에 따른 지구 기후변화를 예방할 수 있는 효과가 있게 된다.According to the heat pump power generation system of the present invention having the above configuration, there are various restrictions on the production of electricity by the weather conditions such as solar power generation, wind power generation, and small hydro power generation. The heat pump power generation system, which is capable of producing electricity by absorbing heat from an abundant source of air heat source by applying a heat pump system with a relatively low equipment cost, Especially, by absorbing air heat source which is full of heat, it is possible to produce electricity by lowering the ambient temperature by reducing the heat island phenomenon and by building units and housing units, it can self-supply energy as a small- It will be effective to prevent global climate change.
도 1은 이 발명의 실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 발전 시스템의 도면이고,
도 2는 이 발명의 실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 발전 시스템의 다른 실시 예를 나타낸 도면이고,
도 3은 이 발명의 실시 예에 따른 지열원 히트펌프 발전 시스템의 도면이고,
도 4는 이 발명의 실시 예에 따른 복합열원 히트펌프 발전 시스템의 도면이다.1 is a view of an air heat source heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention,
2 is a view showing another embodiment of an air heat source heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention,
3 is a view of a geothermal source heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention,
4 is a diagram of a combined heat source heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention.
이하에서는, 이 발명의 바람직한 실시 예를 첨부하는 도면들을 참조하여 상세하게 설명하는데, 이는 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 이 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be described in detail in order to facilitate a person skilled in the art to which the present invention belongs. And does not mean that the technical idea and scope of the present invention are limited.
이 발명의 실시 예에서는 공기열원뿐만 아니라 혹한기에도 안정적으로 전기를 생산하기 위해 선택적으로 지열원이나 폐수열원 등의 열원을 활용할 수 있는 열원 취득부(320)로 구성된 열취득 사이클(300)과, 열취득 사이클(300)로부터 취득한 열을 흡수하여 더 높은 열을 생산하기 위한 고온 전달 사이클(200)을 열교환기(203)로 연결함으로써, 열취득 사이클(300)에서는 응축기로 동작하고, 고온 전달 사이클(200)에서는 증발기로 작동하여, 열취득 사이클(300)의 열을 고온 전달 사이클(200)로 전달하고, 고온 전달 사이클(200)에서 제1압축기(201)로 냉매를 압축, 약 70~80℃의 고압고온의 냉매기체를 생성하는 이원사이클 히트펌프 시스템에 의해 비교적 낮은 압력으로 운영하여 고온수를 안정적으로 생산할 수 있다.In the embodiment of the present invention, a
그리고 상기 열취득 사이클(300)과 고온 전달 사이클(200)로 구성된 이원사이클 히트펌프 시스템에 전기를 생산할 수 있는 랭킨 사이클(100)을 열교환기(104)를 통해 연결함으로써 고온 전달 사이클(200)의 70~80℃의 고온고압의 냉매로부터 열을 공급받아 전기를 생산할 수 있다.And connecting the Rankine
이 경우 랭킨 사이클(100)의 냉매는 고온 전달 사이클(200)로부터 공급받을 수 있는 열이 70~80℃ 정도이므로 끓는점이 낮은 냉매를 사용해야 한다. 저온에서 액체와 기체로 쉽게 상태 변화하는 저온 비등점 냉매로는 R141b(비등점이 약32℃), R123(비등점이 약28℃), R245fa(비등점이 15℃), R245ca(비등점이 25℃)등이 알려져 있다. 이 발명의 실시 예에서는 상기 저온비등점냉매를 작동유체로 사용할 수 있다.In this case, the refrigerant in the Rankine cycle (100) needs to use a refrigerant having a low boiling point since the heat that can be supplied from the high temperature transfer cycle (200) is about 70 to 80 ° C. The low temperature boiling point refrigerant that easily changes state from liquid to gas at low temperature is R141b (boiling point about 32 ℃), R123 (boiling point about 28 ℃), R245fa (boiling point is 15 ℃), R245ca It is known. In the embodiment of the present invention, the low temperature boiling point refrigerant can be used as a working fluid.
일반적으로 냉매터빈(101)에 의해 발전기(102)를 돌려 전기를 생산하는 효율이 40%로 알려져 있다. 따라서 고온 전달 사이클(200)로 공급받은 열량의 40%만 전기로 전환되고 나머지는 냉매터빈(101)을 통해, 고압고온의 기체냉매에서 저압고온의 기체냉매로 변환된 냉매를 응축기(110)를 통해 저온저압의 냉매액체로 상변화를 시켜야 하는데, 상변화를 통해 발생한 열을 일반적으로는 공기나 냉각수로 식히게 되면서 나머지 60%의 열원이 손실되게 된다.Generally, it is known that the efficiency of generating electricity by turning the
이 발명의 실시 예에서는 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)와 열취득 사이클(300)의 열원 취득부(320)를 피드백 순환도관(112)으로 연결하여, 응축기(110)에서 발생한 열을 열원 취득부(320)에서 열취득 사이클(300)의 냉매의 증발을 통해 타 열원과 함께 흡수되게 하여, 피드백 순환도관(112)의 열매체(부동액)를 냉각하여, 다시 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)로 보내 응축열을 흡수하게 함으로써, 냉매터빈(101)을 돌리는데 소모된 에너지를 뺀 나머지 에너지를 다시 열취득 사이클(300)에서 회수하게 함으로써, 발전효율을 높일 뿐만 아니라, 열원 취득부(320)가 공기열원을 흡수하기 위한 외기증발기(321)일 경우, 혹한기 낮은 온도조건으로 인하여 외기증발기(321)에 결빙이 생기는 것을 방지하여, 비교적 낮은 외기온도 조건에서도 히트펌프 발전 시스템을 가동하여 전기를 생산할 수 있도록 할 수 있다.In the embodiment of the present invention, the
도 1은 이 발명의 실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 발전 시스템의 도면이다.1 is a diagram of an air heat source heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention.
이 발명의 실시 예에 따른 실시 예에 따른 히트펌프 발전 시스템은, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 일반적인 히트펌프 시스템의 경우, 압축-응축-팽창-증발 사이클을 반복하는 단 사이클로 이루어져 있어, 이 경우 생산할 수 있는 출수 온도가 55~60℃ 정도로, 이 열원으로 발전하기에는 어려움이 있는 것과 달리, 열취득 사이클(300)과 고온 전달 사이클(200)로 구성된 이원 사이클 히트펌프 시스템에 랭킨 사이클(100)을 결합하여, 3개의 사이클에 의해 전기를 생산할 수 있게 한다.As shown in FIG. 1, in the case of a general heat pump system, the heat pump power generation system according to the embodiment of the present invention is composed of a single cycle in which the compression-condensation-expansion-evaporation cycle is repeated, The Rankine
열취득 사이클(300)은, 제2압축기(301), 제2열교환기(203), 제2팽창밸브(322), 외기증발기(321), 액분리기(302)로 폐회로를 구성한다.The
고온 전달 사이클(200)은, 제1압축기(201), 제1열교환기(104), 제1팽창밸브(202), 제2열교환기(203)로 폐회로를 구성한다.The high
상기 열취득 사이클(300)과 고온 전달 사이클(200)은 제2열교환기(203)로 연결되고, 제2열교환기는 열취득 사이클(300)에서는 응축기로 작동하고, 고온 전달 사이클(200)에서는 증발기로 작동하여 열원을 전달한다.The
랭킨 사이클(100)은 제1열교환기(104), 발전기(102)가 회전축으로 연결된 냉매터빈(101), 응축기(101), 냉매펌프(103)로 폐회로를 구성하여, 고온 전달 사이클(200)에서 응축기 역할을 하는 제1열교환기(104)의 약70~90℃의 응축열을 전달받아 발전을 할 수 있다.The Rankine
랭킨 사이클(100)의 냉매는 저온의 열원(70~90℃)으로부터 열원을 공급받아 고압의 증기를 생산하여 냉매터빈(101)을 돌리기 위해서는 비등점이 낮은 냉매를 사용한다.The refrigerant of the Rankine
랭킨 사이클(100)의 고압의 기체냉매는 냉매터빈(100)을 돌리고 나면 저압으로 변하는데, 이 저압의 기체냉매를 액체냉매로 상변화 시키기 위해 응축기(110)를 사용한다.The high pressure gas refrigerant in the Rankine
상기 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)는 별개의 열매체(부동액)가 순환하는 순환도관으로 일 측이 연결되고, 타 측이 열취득 사이클(300)의 외기증발기(321)와 연결되어, 외기증발기(321)를 통해 냉각된 열매체에 의해 응축기(110)가 냉각되면서 랭킨 사이클(100)의 저압고온의 기체냉매가 저압저온의 액체냉매로 상변화 하게 된다. 이때 응축기(110)에서의 냉각과정에서 순환도관의 열매체가 가열되는데, 이 열매체를 통해 응축열이 외기증발기(321)로 전달되어 공기열원과 함께 흡수되면서 열취득 사이클(300)의 냉매의 증발 흡수열량을 높여 효율을 높일 수 있게 한다.The other side of the
도 2는 이 발명의 실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 발전 시스템의 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.2 is a view showing another embodiment of an air heat source heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention.
이 발명의 실시 예에 따른 공기열원 히트펌프 발전 시스템은, 도 1에서 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)와 공기열원 이원사이클 히트펌프 시스템의 열취득 사이클(300)의 외기증발기(321")가 열 교환하는 방법에 있어 순환도관을 통해 열매체를 매개로 열 교환하는 것과 달리, 외기증발기(321") 내부에서 랭킨 사이클(100)의 냉매와 열취득 사이클(300)의 냉매가 바로 열 교환하여, 외기증발기(321")가 열취득 사이클(300)에서는 공기열원과 랭킨 사이클(100)의 냉매의 응축열을 흡수하는 증발기로 작동하고, 랭킨 사이클(100)에서는 랭킨 사이클(100)의 냉매가 열취득 사이클(300) 냉매와 공기로부터 냉각되어 응축기 역할을 하게 한다.The air heat source heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention includes a
도 3은 이 발명의 실시 예에 따른 지열원 히트펌프 발전 시스템의 도면이다.3 is a diagram of a geothermal source heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention.
이 발명의 실시 예에 따른 지열원 히트펌프 발전 시스템은, 이원사이클 히트펌프 시스템에서 열원 취득부(320)가 제3열교환기(323"), 지열순환펌프(325"), 지열열교환기(326"), 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)로 폐회로를 구성하여, 지열과 랭킨 사이클의 응축열을 열원으로 활용하는 열취득 사이클(300)을 구비한다.The geothermal source heat pump power generation system according to the embodiment of the present invention is characterized in that in the two-cycle heat pump system, the heat
상기 지열열교환기(326")는 모세관을 활용하여, 낮은 지표면에 층층이 매설하여 깊은 지층까지 열교환용 파이프를 매설하여 얻는 지열보다는 계절에 따라 영향을 받는 낮은 열원이지만 비교적 작은 비용으로 지열을 활용하여 전기를 생산할 수 있다.The
도 4는 이 발명의 실시 예에 따른 복합열원 히트펌프 발전 시스템의 도면이다.4 is a diagram of a combined heat source heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention.
이 발명의 실시 예에 따른 복합열원 히트펌프 발전 시스템은, 공기열원 히트펌프 발전 시스템의 경우, 혹한기 외기온도가 너무 낮아 발전효율이 낮아져 발전이 불가한 경우가 발생할 수 있는데, 공기열원 이외의 지중열원과 폐수열원 등을 활용하여 혹한기에도 지속적으로 발전기를 가동하여 전기를 생산할 수 있는 복합열원을 활용한다.In the case of an air heat source heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention, the outside temperature of the cold air is too low to generate electricity, which may result in inefficiency of power generation. And a waste heat source to utilize a complex heat source capable of generating electricity by continuously operating a generator even in a cold season.
열취득 사이클(300)의 열원 취득부(320)의 공기열원과 지열원/폐수열원을 전자밸브를 사용, 외기 온도 조건과 지중열원 상태에 따라 선택적으로 히트펌프 발전 시스템을 운영할 수 있게 한다.The air heat source of the heat
전자밸브(303,305)를 ON하고 전자밸브(304,306)를 OFF하면 제2압축기(301), 제2열교환기(203), 제2팽창밸브(322), 외기증발기(321), 액분리기(302)로 폐회로가 구성되어, 열원 취득부(320)는 열취득 사이클(300)의 열원으로 공기열원이 선택되게 된다.The
전자밸브(303,305)를 OFF하고 전자밸브(304,306)를 ON하면 열원 취득부(320)는 지열과 폐수열을 열원으로 선택하게 되어, 제2압축기(301), 제2열교환기(203), 제3팽창밸브(324), 제3열교환기(323), 액분리기(302)로 폐회로가 구성되어, 열취득 사이클(300) 열원으로 지열과 폐수열원이 선택되어 지열, 폐수열원 히트펌프 발전 시스템으로 동작한다.When the
피드백 순환도관(112)에 연결된 삼방밸브(114,115)는 피드백 순환도관(112)의 열매체(부동액)의 열을 열원 취득부(320)가 공기열원을 선택하였을 경우에는 외기증발기(321)로 보내고, 지열, 폐수열원이 선택되었을 경우, 제4열교환기(327)로 보내 지열, 폐수열원과 함께 제3열교환기(323)에서 흡수된다.Three-
랭킨 사이클(100)과 복합열원 히트펌프 시스템을 조합하여 히트펌프 발전 시스템을 구성하면 혹한기에도 안정적으로 미 활용 에너지원인 공기열, 지열, 폐수열 등으로부터 열원을 흡수하여 효율적으로 전기를 생산할 수 있다.By constructing the heat pump power generation system by combining the Rankine cycle (100) and the complex heat source heat pump system, it is possible to efficiently generate electricity by absorbing the heat source from air heat, geothermal heat,
이 발명은 상기의 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재되는 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하고, 이러한 변형도 이 발명의 범위 내에 포함된다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and such modifications are also included in the scope of the invention.
100 : 냉매터빈 발전사이클 101 : 냉매터빈
102 : 발전기 104 : 제1열교환기
110 : 응축기 111 : 열매체(부동액) 탱크
112 : 피드백 순환도관 113 : 압축펌프
114,115 : 삼상밸브 200 : 고온 전달 사이클
201 : 제1압축기 202 : 제1팽창밸브
203 : 제2열교환기 300 : 열취득 사이클
301 : 제2압축기 302 : 액분리기
303,304,305,306 : 전자밸브 320 : 열취득부
321,321" : 외기증발기 322 : 제2팽창밸브
323 : 제3열교환기 324 : 제3팽창밸브
325,325" : 순환펌프 327 : 제4열교환기
330 : 지열열교환기 340 : 폐수열열교환기100: Refrigerant turbine power generation cycle 101: Refrigerant turbine
102: generator 104: first heat exchanger
110: condenser 111: heating medium (antifreeze) tank
112: feedback circulation conduit 113: compression pump
114, 115: three-phase valve 200: high temperature transfer cycle
201: first compressor 202: first expansion valve
203: second heat exchanger 300: heat recovery cycle
301: second compressor 302: liquid separator
303, 304, 305, 306: electromagnetic valve 320:
321,321 ": ambient air evaporator 322: second expansion valve
323: third heat exchanger 324: third expansion valve
325,325 ": circulation pump 327: fourth heat exchanger
330: geothermal heat exchanger 340: waste water heat exchanger
Claims (9)
제2압축기(301), 제2열교환기(203), 열원 취득부(320)로 폐회로를 구성하는 열취득 사이클(300)과,
제1압축기(201), 제1열교환기(104), 제1팽창밸브(202), 제2열교환기(203)로 폐루프를 구성하는 고온 전달 사이클(200) 및,
상기 열원 취득부(320)가 선택한 열원에 따라 열취득 사이클(300)이 구성되고, 이 열취득 사이클(300)과 고온 전달 사이클(200)이 제2열교환기(203)로 연결되어 이원 사이클을 구성하여 고온의 열을 공급하는 히트펌프 시스템; 및,
제1열교환기(104), 발전기(102)와 회전축으로 연결되어 있는 냉매터빈(101), 응축기(110), 냉매펌프(103)로 폐회로를 구성하여, 제1열교환기(104)에 의해 상기 고온 전달 사이클(200)로부터 열원을 공급받고, 열취득 사이클(300)의 열원 취득부(320)로부터 냉기를 공급받아 발전을 하는 랭킨 사이클(100);의 조합에 의해 전기를 생산함을 특징으로 하는 히트펌프 발전 시스템.In a heat pump power generation system,
A heat acquisition cycle 300 constituting a closed circuit by the second compressor 301, the second heat exchanger 203 and the heat source acquisition section 320,
A high temperature transfer cycle 200 constituting a closed loop by the first compressor 201, the first heat exchanger 104, the first expansion valve 202 and the second heat exchanger 203,
A heat acquisition cycle 300 is formed in accordance with the heat source selected by the heat source acquisition unit 320 and the heat acquisition cycle 300 and the high temperature transfer cycle 200 are connected to the second heat exchanger 203, A heat pump system configured to supply high temperature heat; And
The first heat exchanger 104 constitutes a closed circuit by the refrigerant turbine 101 connected to the generator 102 by a rotary shaft, the condenser 110 and the refrigerant pump 103, And a Rankine cycle 100 that receives a heat source from the high temperature transfer cycle 200 and generates electricity by receiving cold air from the heat source acquisition unit 320 of the heat acquisition cycle 300. [ Heat pump power generation system.
상기 열원 취득부(320)는, 외기증발기(321), 제2팽창밸브(322)로 구성되어, 제2압축기(301), 제2열교환기(203), 제2팽창밸브(322), 외기증발기(321)로 폐루프를 구성하여 공기로부터 열원을 취득하는 열취득 사이클(300)을 구비함을 특징으로 하는 히트펌프 발전 시스템.The method according to claim 1,
The heat source acquisition unit 320 includes an outside air evaporator 321 and a second expansion valve 322. The second compressor 301, the second heat exchanger 203, the second expansion valve 322, And a heat acquisition cycle (300) for constructing a closed loop by the evaporator (321) to obtain a heat source from the air.
상기 외기증발기는, 공기열원과 동시에 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)의 응축열을 열원으로 활용함을 특징으로 하는 히트펌프 발전 시스템.The method according to claim 2,
Wherein the outdoor air evaporator utilizes the heat of condensation of the condenser (110) of the Rankine cycle (100) as a heat source at the same time as the air heat source.
상기 외기증발기가 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)와 연결된 순환도관을 흐르는 열매체와 열취득 사이클(300)의 냉매와 공기와의 열교환을 위해, 열취득 사이클(300)의 냉매를 위한 열교환기와 순환도관을 흐르는 열매체를 위한 열교환기가 공기열원을 흡수하기 위한 냉각핀을 공유하는 형태로 구성됨을 특징으로 하는 히트펌프 발전 시스템.The method according to claim 2,
The outside air evaporator is connected to a heat exchanger for the refrigerant of the heat acquisition cycle 300 and a heat exchanger for the heat of the heat acquisition cycle 300 for heat exchange between the heat medium flowing through the circulation conduit connected to the condenser 110 of the Rankine cycle 100 and the refrigerant of the heat acquisition cycle 300, And a heat exchanger for a heating medium flowing through the circulation conduit is configured to share a cooling fin for absorbing an air heat source.
상기 외기증발기가 랭킨 사이클(100)의 냉매와 열취득 사이클(300)의 냉매, 그리고 공기와의 열교환을 위해, 랭킨 사이클(100)의 냉매를 위한 열교환기와 열취득 사이클(300)의 냉매를 위한 열교환기가 공기열원을 흡수하기 위한 냉각핀을 공유하는 형태로 구성됨을 특징으로 하는 히트펌프 발전 시스템.The method according to claim 2,
The outside air evaporator is connected to the heat exchanger for the refrigerant of the Rankine cycle 100 and the refrigerant of the heat acquisition cycle 300 for the heat exchange between the refrigerant of the Rankine cycle 100 and the refrigerant of the heat- Wherein the heat exchanger is configured to share a cooling fin for absorbing an air heat source.
상기 열원 취득부(320)가 열교환기(321"), 제2팽창밸브(322)로 구성되어, 제2압축기(301), 제2열교환기(203), 제2팽창밸브(322), 열교환기(321')로 폐루프를 구성하고, 열교환기(321") 일 측에 지열순환펌프(325"), 지열열교환기(326"), 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)로 지열순환 루프를 구성하여, 지열원 및 랭킨 사이클(100)의 응축열을 동시에 열원으로 활용함을 특징으로 하는 열원취득 사이클(300)을 구비한 히트펌프 발전 시스템.The method according to claim 1,
The heat source acquisition unit 320 is composed of a heat exchanger 321 "and a second expansion valve 322. The heat source acquisition unit 320 includes a second compressor 301, a second heat exchanger 203, a second expansion valve 322, And a geothermal circulation pump 325 ", a geothermal heat exchanger 326", and a condenser 110 of a Rankine cycle 100 constitute a closed loop by means of a heat exchanger 321 ' Loop, and the heat source of the heat source is characterized by simultaneously using the heat of the geothermal heat source and the heat of condensation of the Rankine cycle (100) as a heat source.
상기 열원 취득부(320)가 공기열원 지중열원 등이 병렬로 연결되어 있어, 전자밸브 제어에 의해 선택되어 열취득 사이클(300)을 구성하여 다양한 열원으로 히트펌프 시스템을 가동할 수 있음을 특징으로 하는 히트펌프 발전 시스템.The method of claim 1,
The heat source acquisition unit 320 is connected in parallel with a heat source such as an air source in the air source and is selected by the solenoid valve control to configure the heat acquisition cycle 300 to operate the heat pump system with various heat sources Heat pump power generation system.
외기온도조건 및 열원의 상태에 따라 열원이 선택되어 가장 최적의 상태에서 히트펌프 시스템을 가동하여 전기를 생산함을 특징으로 하는 히트펌프 발전 시스템.The method of claim 7,
Wherein a heat source is selected according to the outside temperature condition and the heat source condition, and the heat pump system is operated in the most optimal state to produce electricity.
상기 열원 취득부(320)가 전자밸브 제어에 의해 특정 열원을 선택하였을 때, 랭킨 사이클(100)의 응축기(110)와 연결된 열매체 순환도관이 열원 취득부(320)와 선택된 열원에 맞추어 삼방밸브제어에 의해 자동적으로 순환루프가 구성됨을 특징으로 하는 히트펌프 발전 시스템.The method of claim 7,
When the heat source acquisition unit 320 selects a specific heat source by the solenoid valve control, the heat medium circulation conduit connected to the condenser 110 of the Rankine cycle 100 is connected to the heat source acquisition unit 320 and the selected heat source, And a circulation loop is automatically formed by the circulation pump.
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