KR20150039662A - 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미활용 에너지원인 공기열원 및 지열원에서 열원을 흡수하여, 고온의 열을 생산하여, 생산된 열로 전력을 생산하는 발전시스템에 관한 것이다.,
미활용 에너지원을 활용하여 전력을 생산하는데 있어, 미활용 에너지원으로 부터 열원을 흡수하여 발전을 하기 위한 유기랭킨사이클에 열원으로 공급해야 하는데, 이때 상용전원을 사용해야 하기 때문에, 열을 생산하는 사이클에서 소모하는
소비전력보다 많은 전력을 생산해야 하고 생산된 전력량에서 소비전력을 뺀 나머지 전력량이 상업적으로 유효해야 한다.
본 발명에서는 유기랭킨사이클에서의 작동열매체의 응축잠열을 고온전달사이클 작동열매체와 열교환 하여, 유기랭킨사이클 작동열매체는 기체상태에서 액체상태로 상변화 시키고, 고온전달사이클의 작동열매체는 유기랭킨사이클 작동열매체의
응축잠열과 열취득사이클의 응축열을 흡수하여 증발하게 함으로서, 발전시스템 효율을 높힐 수 있다.
또한, 공기열원만 활용하는 경우 외기온도 조건에 따라 흡수열량이 달라지고, 특히, 겨울철 흡수열량이 부족해 유효한 전력을 생산할 수 없게 되는데, 년중 추운 지역에서는 지열원을 열원으로 하는 지열원 발전시스템 기술을 제안한다. 그 외 지역에서는 상기 겨울철 발전효율 문제를 해결하기 위해 공기열원과 지열원을 동시에 활용하는 복합열원 발전시스템을 제안한다.

Description

발전시스템 {Electricity Generation System}
미활용 에너지원인 공기열원과 지열원으로 부터 열원을 취득하여 열원을 생산하여 유기랭킨사이클에 열원으로 공급하여, 유기랭킨사이클에서 공급받은 열원으로 작동열매체를 증발시켜 생성된 과포화증기로 냉매터빈을 돌려 전력을 생산하는 미활용 에너지원을 활용한 발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로 유기랭킨사이클을 이용하여 열병합 발전소나 공장폐수열을 활용 전기를 생산하는 방법이나, 히트펌프 냉난방시스템에서 팽창밸브 대신에 냉매터빈을 설치하여 전기를 생산하는 사례들이 제안되고 있다.
유기랭킨사이클에서는 작동열매체의 증기압에 의해 터빈을 돌려 전기를 생산하고 작동열매체의 기체에서 액체로의 상변화를 위해 냉각팬을 돌려 공기로 식혀 응축 시키거나, 냉각탑을 설치하여 냉각수에 의해서 응축하는 방법을 사용한다.
(대한민국 특허등록번호 10-0960609 냉매터빈 발전장치)
상기 유기랭킨사이클은 냉매의 운동에너지만을 활용하여 전기를 생산하고, 냉매의 응축잠열은 활용하지 못하고 있고, 히트펌프 냉난방시스템에서는 냉매의 응축잠열만을 활용하고, 유체냉매의 운동에너지는 활용하지 못하고 잇다.
히트펌프냉난방 시스템에서 팽창밸브 대신에 냉매터빈을 설치하여 유체냉매의 운동에너지를 활용 전기를 생산하지만, 냉매 압축기 소비전력의 30~50% 전력을 회수하여 전체적인 효율을 높이기는 하지만 발전기라고 할 수는 없다.
(대한민국 특허등록번호 10-1166154, 냉매터빈발전기를 이용한 이원냉동사이클 히트펌프)
유기랭킨사이클을 활용하여 폐열에서 전기를 생산하는 경우에는 어차피 버려지는 열에서 에너지를 회수 하기 때문에 경제성 을 확보하기 용이하지만, 미활용 에너지원인 공기열이나 지열, 폐수열로 부터의 낮은 열원에서 발전에 필요한 고온의 열원을 생산하기 위해서는 상용전기를 사용해야 하기 때문에, 이 경우 공급한 전력보다 더 많은 전력을 생산해야 하고, 생산된 전력으로 발전시스템 투자비용이 짧은 시간 안에 회수될 수 있어야 상업성을 갖는다.
따라서, 경제성을 갖추려면 유기랭킨사이클과 열취득사이클과 고온전달사이클로 구성된 이원사이클의 히트펌프시스템의 효율을 높혀야 한다.
공기열원만을 활용하여 전력을 생산하는 경우, 공기열원 발전시스템의 시스템효율은 계절별 외기온도 조건에 민감할 수밖에 없다. 특히, 겨울철 외기온도가 아주 낮은 조건에서는 경제적인 발전이 어려워진다. 이를 해결하기 하기 위해서는 발전시스템 자체 효율을 올릴 수 있는 수단과, 공기열원 이외의 열원을 함께 활용하여 문제를 해결해야 한다.
본 발명은 발전시스템 전체 효율을 높이기 위하여, 유기랭킨사이클 작동열매체의 과포화증기로 냉매터빈을 돌리고 난 후, 저압 기체상태의 작동열매체의 상변화을 위해 공기나 냉각수로 응축하여 소실되는 응축잠열을 고온전달사이클로 전달,
열교환하여 고온전달사이클 작동열매체의 증발을 돕고, 유기랭킨사이클은 낮은 온도로 응축 액화되어, 냉매터빈에 걸리는 증기압력차를 키워 냉매터빈 효율을 증대하는 방법으로 유기랭킨사이클의 효율을 개선하고, 유기랭킨사이클에 열을 공급하는 고온전달사이클이 열취득사이클에서 흡수하는 열량과 유기랭킨사이클로 부터
응축열을 흡수하여, 고온의 열량을 생산 다시 유기랭킨사이클에 전력을 생산하기 위한 열원으로 공급함으로서, 전체적인 시스템 효율을 높힐 수 있다.
또한, 년중 추운지역의 경우, 공기열원만으로는 상업적으로 유효한 전력을 생산하기 어렵기 때문에, 이런 지역에서는 지열원만 으로도 년중 안정적인 전력을 공급할 수 있는 지열원 발전시스템을 제안한다.
계절별로 외기온도 조건이 다르고, 특히 겨울철 공기열원만으로는 전력생산이 어려운 경우, 본 발명의 또 다른 과제해결 수단은 공기열원 지열원을 동시에 활용하는 방법이다. 이 경우, 겨울철 추운 외기온도 조건에서도 지열원으로 부터 상대적으로
높은 열원을 확보할 수 있기 때문에 상업적으로 경제성 있는 발전시스템을 제공할 수 있다.
지역별 온도조건에 따라 공기열원을 활용한 발전시스템을 제공하거나, 공기열원과 지열원을 함께 활용하는 발전시스템을 제공할 수 있어, 전력생산 단가를 낮추어 상업적으로 효율적이고 경제적인 발전시스템을 제공할 수 있다.
도1 은 본 발명의 지중열원 활용 발전시스템 실시예
도2 는 본 발명의 지중열원과 공기열원 동시활용 발전시스템 실시예
도1 은 본 발명의 지중열원 활용 발전시스템 실시예 이다.
지중열원을 취득하기 위한 열취득사이클(300)은 제2압추기(301), 제2열교환기(203), 제2팽창밸브(302), 제3열교환기(304)로 폐회로를 구성하고, 작동열매체가 제3열교환기(304)에서 지중열원을 흡수 증발하기 위해, 제3열교환기(304),
지중열 순환펌프(305), 지중열 순환도관1(306), 지중열교환기(307), 지중열순환도관2(308)로 폐루프를 구성하여, 지중열폐루프를 통해 열원을 공급받은 열취득사이클(300)의 작동열매체는 제3열교환기(304)에서 증발하여, 제2압축기(301)에서 고온고압의 기체상태로 되어 제2열교환기(203)에서 응축열을 방출하게 된다.
고온전달사이클(200)은 제1압축기(201), 제1열교환기(104), 제1팽창밸브(202), 제2열교환기(203)으로 폐회로를 구성하여, 작동열매체가 제2열교환기(203)를 통해서 열취득사이클(300) 작동열매체의 응축열과, 유기랭킨사이클(100) 작동열매체의
응축열을 흡수하여 제1압축기(201)에서 고온고압의 기체 상태가 되어, 제1열교환기(104)에서 응축열을 방출하여, 유기랭킨사이클(100)에 전력생산을 위한 열량을 공급하게 된다.
유기랭킨사이클(100)은 발전기(102)가 축으로 연결된 냉매터빈(101), 제2열교환기(203), 압축펌프(202), 제1열교환기(104)로 폐회로를 구성하여, 제1열교환기(104)를 통해서 고온전달사이클(200)로 부터 공급받은 열원을 흡수하여, 작동열매체가 과포화증기가 되어 그 증기압에 의해 냉매터빈(101)을 돌려 전력을 생산하게 된다. 터빈을 돌리고 나온 작동열매체는 저압 상태의 기체로 제2열교환기(203) 작동열매체에 응축열을 전달하고 액체상태로 상변화하게 되고, 압축펌프(103)에 의해 제1열교환기(104)로 보내져 상기 사이클이 반복되면서 전력을 생산하게 된다.
지중열원은 지표면에서 5m 아래로 내려가면, 외기온도 조건에 영향을 덜 받고 년중 10~15도의 열원을 가지고 있어, 상시 일정한 열원을 흡수할 수 있고, 유기랭킨사이클(100) 작동열매체의 응축잠열과 열취득사이클(300)의 응축열을 흡수하여 많은 열원을 다시 유기랭킨사이클(100)에 전달 할 수 있어서, 전체적인 발전시스템 효율을 높혀 상업적으로 유효한 전력량을 생산할 수 있다.
도2 는 본 발명의 지중열원과 공기열원 동시활용 발전시스템 실시 예이다.
겨울철 차가운 외기온도 조건으로 인해 흡수열량이 부족해 상업적으로 유효한 전력을 생산하기 힘들기 때문에, 본 발명에서는 공기열원과 지중열원을 동시에 활용하여, 지중열교환기(307) 설치하기 위한 투자비용도 절감하고, 부족한 공기열원을 보완 하여 겨울철 추운 외기온도 조건에서도 유효전력을 생산할 수 있다.
지중열원과 공기열원을 동시에 활용하기 위한 열취득사이클(300)은 제2압축기(301), 제2열교환기(203), 제2팽창밸브(302), 외기증발기(303), 제3열교환기(304)로 폐회로를 구성하고, 제3열교환기(304), 지중열 순환펌프(305), 지중열 순환도관1(306), 지중열교환기(307), 지중열 순환도관2(308)으로 폐루프를 구성하여, 지중열을 제3열교환기(304)를 통해 공급할 수 있다.
상기와 같이 열취득사이클(300)의 작동열매체는 외기증발기(303)로 부터 공기열원을 흡수하고, 제3열교환기(304)를 통해 지중열을 흡수하여, 제2열교환기(203)를 통해 고온전달사이클(200)로 열을 전달 한다.
일반적으로 지중열교환기를 설치하는데 막대한 투자비가 소요되게 되는데, 이는 상업적으로 유효한 지중열원 발전시스템을 제공하는데 문제가 될 수 있다.
본 발명에서는 공기열원과 지중열원을 같이 활용할 수 있기 때문에, 지중열교환기를 모세관을 활용하여, 지표면에서 5m정도 깊이의 지중에 모세관을 설치하여, 그 위치의 지중열원을 활용한다면 초기 투자비용을 줄여, 전체적으로 상업적으로 유효한 전력을 생산하는 발전시스템을 제공할 수 있다.
100 : 유기랭킨사이클
101 : 냉매터빈
102 : 발전기
103 : 압축펌프
104 : 제1열교환기
200 : 고온전달사이클
201 : 제1압축기
202 : 제1팽창밸브
203 : 제2열교환기
300 : 열취득사이클
301 : 제2압축기
302 : 제2팽창밸브
303 : 외기증발기
304 : 제3열교환기
305 : 지중열 순환펌프
306 : 지중열 순환도관1
307 : 지중열 교환기
308 : 지중열 순환도관2

Claims (3)

  1. 미활용열원을 활용하는 발전시스템에 있어서,
    제2압축기(301), 제2열교환기(203), 제2팽창밸브(302), 제3열교환기(304),로 폐회로를 구성하는 열취득사이클(300);

    제1압축기(201), 제1열교환기(104), 제1팽창밸브(202), 제2열교환기(203)로 폐회로를 구성하는 고온전달사이클(200);

    발전기(102)와 축으로 연결되어 있는 냉매터빈(101), 제2열교환기(203), 압축펌프(103), 제1열교환기(104)로 폐회로를 구성하는 유기랭킨사이클(100);

    상기 열취득사이클(300)의 작동열매체가 제3열교환기(304), 지중열 순환펌프(305), 지중열 순환도관1(306), 지중열교환기(307), 지중열 순환도관2(308)로 폐루프를 구성하는 지중열폐루프를 통해서 지중열원을 흡수하여 증발하여, 제2압축기(301)에 의해 고온고압의 기체냉매로 상변화되어 제2열교환기(203)에서 응축열을 방출하고,

    상기 고온전달사이클(200)의 작동열매체가 제2열교환기(203)을 통해 열취득사이클(300)의 응축열과 유기랭킨사이클(100) 작동열매체의 응축열을 흡수하여 증발, 제1압축기(201)에 의해 고온고압의 기체상태로 되어 제1열교환기(104)에서 응축열
    을 방출하고,

    상기 유기랭킨사이클(100)의 작동열매체가 제1열교환기(104)를 통해 고온전달사이클(200)의 고온의 응축열을 흡수하여 과포화증기가 되어 그 증기압에 의해 냉매터빈(101)을 돌려 전력을 생산하고, 냉매터빈을 돌리고 나온 저압 기체상태의
    작동열매체가 제2열교환기(203)에서 응축되어, 압축펌프(103)에 의해 다시 제1열교환기(104)로 보내, 전력을 생산하는 사이클을 반복함을 특징으로 하는 발전시스템.
  2. 청구항 제1항에 있어서,
    제2압축기(301), 제2열교환기(203), 제2팽창밸브(302), 외기증발기(303), 제3열교환기(304)로 폐회로를 구성하는 열취득사이클(300);

    상기 열취득사이클(300)의 작동열매체가 1차적으로 외기증발기(203)에서 공기열원으로 부터 열원을 흡수하고, 제3열교환기(304), 지중열 순환펌프(305), 지중열 순환도관1(306), 지중열교환기(307), 지중열 순환도관2(308)로 폐루프를 구성하는 지중열폐루프를 통해서 지중열원을 흡수하여 증발하고, 제2압축기(301)에 의해 고온고압의 기체로 되어, 제2열교환기(203)에서 응축열을 방출하고,

    상기, 고온전달사이클(200)의 작동열매체가 제2열교환기(203)를 통해 열취득사이클(300)의 응축열과 유기랭킨사이클(100)의 응축열을 흡수 증발하여, 제1압축기(201)에 의해 고온고압의 기체상태로 되어 제1열교환기(104)에서 응축열을 방출하여,

    상기 유기랭킨사이클(100) 작동열매체가 제1열교환기(104)에서 고온전달사이클(200)의 응축열을 흡수하여, 과포화증기가 되어, 그 증기압으로 냉매터빈(101)을 돌려 전력을 생산하고, 저압의 기체상태의 작동열매체는 제2열교환기(203)에서 열교환 을 통해 응축되어 압축펌프(103)에 의해 제1열교환기(104)로 보내져 상기 사이클에 의해 전력을 생산함을 특징으로 하는 발전시스템.
  3. 청구항 제2항에 있어서,
    열취득사이클(300)의 열원으로 공기열원과 지중열원을 동시에 사용하는 경우에 있어서, 지중열교환기(307)로 모세관을 사용함을 특징으로 하는 발전시스템
KR20130118232A 2013-10-02 2013-10-03 발전시스템 KR20150039662A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107575272A (zh) * 2017-08-23 2018-01-12 山西德泓利科技有限责任公司 一种基于多毛细双相控蒸发器的orc发电系统

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