KR20150094190A

KR20150094190A - 소형 열병합 orc발전시스템

Info

Publication number: KR20150094190A
Application number: KR1020140015171A
Authority: KR
Inventors: 김영선
Original assignee: 김영선
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2015-08-19

Abstract

본 발명은 열공급시스템으로 히트펌프시스템을 활용하여 유기랭킨사이클과 결합하여 소형 열병합 ORC발전시스템을 제공한다.
상기와 같이 히트펌프시스템과 유기랭킨사이클이 결합되면, 히트펌프시스템의 열교환기를 유기랭킨사이클과 공유하여 설계가 가능해져 경제적이고 효율적인 소형열병합 ORC발전시스템을 구성할 수 있다.
또한, 히트펌프시스템 열취득사이클 외기증발기 부분을 공조형으로 설계하여, 공기로 부터 열원을 흡수하여 냉각된 공기를 그냥 외부로 배출해서 버리는 것이 아닌 냉방용으로 공급함으로서 전체적인 에너지 효율을 높힐 수 있다.
또한, 보조열원공급시스템을 구성하여 혹한기 낮은 외기온도 조건에 의해 발전이 불가할 때, 보조열원공급시스템으로 부터 열원을 공급받아 난방과 동시 전력을 생산할 수 있다.

Description

소형 열병합 ORC발전시스템 {Combined cogeneration Organic Rankine cycle electricity generation system}

히트펌프시스템 기술을 이용하여 미활용 에너지원인 공기열원과 바이오메스, LNG, 석탄, 메탄가스 등 다양한 열원으로 부터 열을 공급받아 유기랭킨사이클 발전열원으로 공급하여 전력을 생산하는 소형열병합 ORC발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로 유기랭킨사이클을 이용하여 열병합 발전소나 공장폐수열을 활용 전기를 생산하는 방법이나, 히트펌프냉난방 시스템에서 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 있다.

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.

경제성을 갖추려면 유기랭킨사이클과 열취득사이클과 고온전달사이클로 구성된 이원사이클의 히트펌프시스템의 효율을 높혀야 한다.

열취득사이클의 열원으로 지중열원을 선택하는 경우, 년중 안정된 열원을 확보할 수 있지만 지중열교환기를 설치하는 데 초기 과다한 투자비가 문제가 되며, 공기열원의 경우 외기온도조건이 낮아지면 흡수열량이 적어져 전력생산이 어려워진다.

공기열원만을 활용하여 전력을 생산하는 경우, 공기열원 발전시스템의 시스템효율은 계절별 외기온도 조건에 민감할 수 밖에 없다.

특히, 겨울철 외기온도가 아주 낮은 조건에서는 경제적인 발전이 어려워 진다. 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 유기랭킨사이클에서 공급하는 열량 으로 부터 고온의 열량을 생산 다시 유기랭킨사이클에 전력을 생산하기 위한 열원으로 공급함으로서, 전체적인 시스템 효율 을 높힐 수 있다.

또한, 년중 추운지역의 경우, 공기열원만으로는 상업적으로 유효한 전력을 생산하기 어렵기 때문에, 열취득사이클에서 열원을 외기온도조건에 따라 바이오메스, 메탄가스, 폐목재, LNG, LPG등 다양한 열원을 보조열원으로 공급하여, 공기열원

과 함께 활용하여 히트펌프시스템에 의해 열을 변환하여 유기랭킨사이클에 공급함으로서 혹한기 난방과 동시에 전력을 생산할 수 있다.

낮은 외기온도 조건에서도 공기열원과 동시에 다양한 보조열원을 활용하여 하절기에는 공기열원 흡수후 냉각된 공기를 실내에 공급 냉방에 활용하고, 혹한기에도 외기조건에 관계없이 전력을 생산하면서 동시에 난방이 가능한 소형열병합 ORC발전시스템을 제공함으로서 다양한 신재생에너지를 보조열원으로 사용할 수 있게 되어 탄소배출 저감으로 지구 기후 온난화 문제 해결에도 해결책을 줄 수 있다.

도1 은 본 발명의 소형 열병합 ORC발전시스템 실시예
도2 는 본 발명의 소형 열병합 ORC발전시스템 공기열원 발전 및 냉방공급 예
도3 은 본 발명의 소형 열병합 ORC발전시스템 공기열원 및 보조열원 사용 발전 및 난방공급 예
도4 는 본 발명의 소형 열병합 ORC발전시스템 난방운전 예
도5 는 본 발명의 보조열원 난방 예

도1 은 본 발명의 소형 열병합 ORC발전시스템 실시 예이다.

본 발명에서 유기랭킨사이클(100)과 열공급시스템으로서의 히트펌프시스템을 결합 함으로서 경제적인 소형 열병합ORC 발전시스템을 구성할 수 있다.

본 발명의 열취득사이클(300)은 제2압축기(301), 제3열교환기(207), 제2팽창밸브(302), 외기증발기(303), 제4열교환기(310)로 폐루프를 구성된다.

또한, 고온전달사이클(200)은 제1압축기(201), 제1열교환기(106), 제5열교환기(213), 제1팽창밸브(206), 제3열교환기(207)로 폐루프를 구성한다.

고온전달사이클(200). 작동열매체의 잉여의 응축열을 열취득사이클(300)로 전달하여, 열취득사이클(300) 작동열매체로 하여금 공기열원과 함께 흡수하게 함으로서 낮은 외기온도 조건에서도 히트펌프시스템의 효율을 유지시킬 수 있다.

이를 위해, 제5열교환기(213), 순환펌프(215), 제4열교환기(310)로 폐루프를 형성하여 피드백루프를 구성한다.

상기 히트펌프시스템으로 부터 열원을 공급받아 전력을 생산하는 유기랭킨사이클(100)은 제1열교환기(106), 발전기(102)가 축으로 연결된 마이크로터빈(101), 제3열교환기(207), 압축펌프(105)로 폐루프를 구성한다.

유기랭킨사이클(100)의 작동열매체는 히트펌프시스템으로 부터 공급되는 열원으로 부터 열을 흡수하여 과포화증기로 되어 마이크로터빈(101)을 돌리기 위해 비등점이 낮은 냉매를 사용한다.

마이크로터빈(101)을 돌리고 나온 저압 기체상태의 작동열매체는 제3열교환기(207)에서 응축되어 액체 상태로 상변화되어 압축펌프(105)에 의해 제1열교환기(106)로 보내져 발전사이클을 반복하게 된다.

상기 소형열병합 ORC발전시스템에서 전력을 생산하는 과정에서, 열취득사이클(300)의 외기증발기(303)에서 열교환된 공기는 냉각되게 된다. 이 냉각공기를 냉방에 활용하기 위해서 본 발명에서는 외기덕트(309)와 연결된 공기흡입구(304), 외기증발기(303), 송풍기(305), 급기/배기덕트(308)가 연결된 열교환공기 배출구(307) 등이 구비된 열교환덕트;(306)를 구성하여, 급기/배기덕트(308)을 통해 냉각공기를 급기댐퍼(306)제어 급기덕트(317)을 통해 실내로 보내거나, 배기댐퍼(314) 제어하여, 배기덕트(315)를 통해 외부로 배출한다.

본 발명에서는 상기 소형열병합 ORC발전시스템이 혹한기 낮은 외기온도 조건에서도 난방과 동시에 전력을 생산하기 위해 보조열원 공급시스템(400)을 추가 구성하고 있다.

보조열원 공급시스템(400)은 바이오매스, 메탄가스, 폐목재 팰릿이나 잡목등으로 부터 열원을 취득할 수 있는 보조열원보일러(401)와 순환펌프(402)가 구비된 순환도관으로 연결된 보조열원 열교환기(403), 축열조(407)와 보조열원 열교환기(403) 사이에 순환펌프(406)가 구비된 순환도관이 연결되어, 보조열원 보일러(401)로 부터의 열을 축열조(407)에 저장 난방급탕으로 공급하게 된다.

상기 축열조(407)로 리턴되는 순환도관상에 제6열교환기(413)을 설치하여, 전자밸브 제어에 의해 제5열교환기(213), 순환펌프(215), 제6열교환기(413), 제4열교환기(310)으로 피드백루프를 구성하여, 고온취득사이클(200) 작동열매체의 잉여응축열을 제5열교환기(213)에서 재응축하여 취득한 열과, 제6열교환기(413)로 부터 흡수한 일부 보조열원을 제4열교환기(310)을 통해 열취득사이클(300)로 보내 공기열원과 함께 흡수하여, 유기랭킨사이클(100) 발전열원으로 공급하여 낮은 외기조건에서도 전력을 생산한다.

본 발명에서는 혹한기 상기 보조열원 공급시스템(400)의 보조열원보일러(401)가 가동을 하지 않아 보조열원을 확보하지 못하여, 낮은 외기온도로 발전이 불가할 경우, 소형열병합 ORC발전시스템이 난방운전이 가능하도록, 제1열교환기(106)과

병렬로 제2열교환기(208)를 설치하여, 전자밸브 제어에 의해 제1압축기(201), 제2열교환기(208), 제5열교환기(213), 제1팽창밸브(206), 제3열교환기(207)로 폐루프를 형성하여 고온전달사이클(200)을 구성하고, 제2열교환기(208)와 축열조(407)사이에 순환도관을 연결하여, 난방기기로 동작할 수 있게 한다.

도2 는 본 발명의 소형 열병합 ORC발전시스템 공기열원 발전 및 냉방공급 예를 보여준다. 또한, 도3 은 본 발명의 소형 열병합 ORC발전시스템 공기열원 및 보조열원 사용 발전 및 난방공급을 하는 흐름을 보여준다. 도4 는 본 발명의 소형 열병합 ORC발전시스템 난방운전 예이다. 도5는 보조열원 공급시스템(400)만 작동하여 난방/급탕을 공급하는 예이다.

100 : 유기랭킨사이클(ORC)
101 : 냉매터빈
102 : 발전기
103~104 : 전자밸브
105 : 압축펌프
106 : 제1열교환기
200 : 고온전달사이클
201 : 제1압축기
202, 203, 204, 209, 210, 211 : 전자밸브
208 : 제2열교환기
206 : 제1팽창밸브
207 : 제3열교환기
213 : 제5열교환기
215 : 순환펌프
300 : 열취득사이클
301 : 제2압축기
302 : 제2팽창밸브
303 : 외기증발기
304 : 외기 흡입구
305 : 송풍기
306 : 열교환덕트
307 : 열교환공기 배출구
308 : 급기/배기덕트
309 : 외기덕트
310 : 제4열교환기
314 : 배기제어댐퍼
315 : 배기덕트
316 : 급기제어댐퍼
317 : 급기덕트
400 : 보조열원 공급시스템
401 : 보조열원 보일러
402,406,408 : 순환펌프
403 : 보조열원 열교환기
404, 405, 411, 412, 414, 415 : 전자밸브
407 : 축열조
409 : 난방/급탕 공급도관
410 : 난방수 회수도관
413 : 제6열교환기

Claims

소형 열병합 ORC발전시스템에 있어서,
제2압축기, 제3열교환기, 제2팽창밸브, 외기증발기, 제4열교환기로 폐루프를 구성하는 열취득사이클(300);
제1압축기, 제1열교환기, 제5열교환기, 제1팽창밸브, 제3열교환기로 폐루프를 구성하는 고온전달사이클(200);
제5열교환기, 순환펌프, 제4열교환기로 폐루프를 구성하는 피드백루프;
제1열교환기, 발전기가 축으로 연결된 마이크로터빈, 제3열교환기, 압축펌프로 폐루프를 구성하는 유기랭킨사이클(100);
상기 열취득사이클, 고온전달사이클, 피드백루프로 구성되어 외기증발기를 통해 공기열원을 흡수하여, 제1열교환기를 통해서 유기랭킨사이클에 열원을 공급하는 히트펌프시스템;

상기와 같이 열공급시스템으로서 히트펌프시스템과 유기랭킨사이클로 구성됨을 특징으로 하는 소형열병합 ORC발전시스템.
청구항 1항에 있어서,
외기덕트와 연결된 공기흡입구, 외기증발기, 송풍기, 급기/배기덕트가 연결된 열교환공기배출구 등이 구비된 열교환덕트;
상기 급기/배기덕트로 배출되는 열교환 공기를 실내로 공급하기 위한 급기댐퍼가 구비된 급기덕트;
상기 급기/배기덕트로 배출되는 열교환 공기를 실외로 배출하기 위한 배기댐퍼가 구비된 배기덕트;
상기 열교환덕트를 통해 외기를 흡입하여 외기증발기에서 공기열원을 흡수하고 냉각된 공기를 급기덕트를 통해 실내 냉방 용으로 공급하거나 실외로 배출하는 열취득사이클을 구비한 히트펌프시스템;

상기와 같은 히트펌프시스템을 열공급시스템으로 활용함을 특징으로 하는 소형열병합 ORC발전시스템.
청구항 제1항에 있어서,
축열조와 보조열원 열교환기, 보조열원 열교환기와 보조열원 보일러가 각각 순환펌프가 구비된 순환도관으로 연결되어, 보조열원 보일러로 부터 열원을 취득하여 축열조에 저장하여 난방/급탕을 공급하는 보조열원 공급시스템(400);

상기 보조열원 열교환기에서 열교환된 작동열매체가 축열조로 들어가는 순환도관 상에 제6열교환기를 설치하여, 피드백루프와 연결하여 전자밸브 제어에 의해 제5열교환기, 순환펌프, 제6열교환기, 제4열교환기로 피드백루프를 구성하여,피드백루프의 작동열매체가 순환하면서 고온취득사이클 작동열매체의 잉여 응축열원과 보조열원 보일러의 열원을 흡수하여,공기열원과 함께 열취득사이클의 열원으로 공급하여 낮은 외기온도 조건에서도 전력을 생산함을 특징으로 하는 소형열병합 ORC발전시스템.
청구항 제1항에 있어서,
제1열교환기와 병렬로 제2열교환기를 설치하여 전자밸브 제어에 의해 제1압축기, 제2열교환기, 제5열교환기, 제1팽창밸브, 제3열교환기로 고온전달사이클 폐루프를 구성하여, 제2열교환기와 축열조 사이에 순환도관을 구비하여, 공기열원으로 부터
열을 취득, 난방/급탕을 공급함을 특징으로 하는 소형열병합 ORC발전시스템..
청구항 제3항에 있어서,
보조열원 열교환기와 보조열원 보일러를 연결하는 순환도관상의 순환펌프를 가변속도 순환펌프로 구비하여, 순환도관을 순환하는 작동열매체의 온도를 순환펌프 속도 제어에 의해 제어함을 특징으로 하는 보조열원 열공급시스템.