KR20150105162A

KR20150105162A - Orc 발전시스템

Info

Publication number: KR20150105162A
Application number: KR1020140027473A
Authority: KR
Inventors: 김영선
Original assignee: 김영선
Priority date: 2014-03-08
Filing date: 2014-03-08
Publication date: 2015-09-16

Abstract

본 발명은 소각장 소각열이나 발전소 발전 배열, 공장 폐열원으로 부터 열원을 회수하여 전력을 생산하는 유기랭킨사이클의 발전효율을 올리고, 유기랭킨사이클 상 발생되는 다량의 응축잠열을 처리하기 위해 공냉식, 수냉식의 방법이 아닌, 히트펌프시스템 기술과 결합하여, 응축잠열을 다시 회수하여 열원으로 공급하는 방법을 제안한다.
또한, 상기 열원보다 상대적으로 더 낮은 미활용열원인 공기열원, 지열원, 지중열원, 해수열원등의 열원을 활용하여 전력을 생산할 수 있는 유기랭킨사이클과 역랭킨사이클인 히트펌프시스템 기술을 결합한 기술을 제안한다.

Description

ORC 발전시스템 {Organic Rankin Cycle electricity generation system}

쓰레기 소각장의 소각열과 공장에서 배출되는 폐수열, 발전소에서 배출되는 발전배열을 활용하거나, 지열, 해수열, 공기열등의미활용 에너지원으로 부터 열원을 냉난방에 활용하는 히트펌프 시스템 기술을 유기랭킨사이클과 결합하여, 고효율 발전시스템을 구성하는 방법에 관한 것이다..

일반적으로 유기랭킨사이클을 이용하여 열병합 발전소나 공장폐수열을 활용 전기를 생산하는 방법이나, 히트펌프냉난방 시스템에서 팽창밸브 대신에 냉매터빈을 설치하여 전기를 생산하는 사례들이 많이 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 약30% 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 확보할 수 있는 여지가 있지만, 공기열원이나 지열원, 해수열원 등의 미활용에너지를 회수하여 전력을 생산하고자 하는 경우에는 해결해야 할 여러문제가 존재한다.

히트펌프시스템에 의해 상용전기를 사용하여 열을 생산하여, 이 열을 유기랭킨사이클에 공급하여 전기를 생산 하려고 하는 경우, 먼저 히트펌프시스템이 공급하는 응축열이 80도 이상 고온이여야 하는데, 하나의 사이클로 이루어진 히트펌프시스템은 약 60도의 열원밖에 공급하지 못하고, 그 이상의 고온을 생산하려면 히트펌프시스템을 고압으로 운영해야 가능하다.

또한 공기열 히트펌프시스템의 경우 외기온도 조건에 의해 그 효율이 결정되기 때문에, 경제성을 갖기 위해서는 ?은 효율을 달성해야 하고, 매우 높은 온도 조건에서만 히트펌프발전기를 운영하거나, 유기랭킨사이클의 효율이 어느정도 확보 되어야 경제성을 달성할 수 있으나, 현재 기술로서는 어려움이 있다.

유기랭킨사이클은 저온의 폐열원으로 부터 열을 회수하여 전력으로 변환하는 시스템으로 시스템효율은 낮은 상태여서, 폐열원 활용 효율을 높이기 위해서는 시스템효율을 최대한 높혀야 하며, 또한 전력으로 변환된 에너지를 제외하고는 유기랭킨

사이클의 작동열매체 상변화를 위한 응축기에서의 대량의 냉각수가 소요되어 시스템의 소형화에 어려움이 많다.

또한, 폐열원이 아닌 미활용에너지인 공기열, 지열, 해수열등의 열원은 폐열원 보다도 상대적으로 더 낮은 열원으로서, 유기랭킨사이클에 의해서 직접적으로 전력을 생산하기 어렵다.

유기랭킨사이클로 저온의 폐열원에서 열원을 회수하여 더 높은 열원을 생산 유기랭킨사이클에 공급하기 위해서 본 발명에서는 히트펌프기술을 적용하였다.

히트펌프시스템을 사용하여 낮은 폐열원을 더 높은 열원으로 생산하여 유기랭킨사이클에 공급함으로서 발전을 할 수 있다.

또한, 유기랭킨사이클 마이크로터빈을 회전시키고 빠져 나온 저온 저압 기체상태의 작동열매체를 액체상태로 상변화 시키기 위해서는 응축기가 필요한데, 기본적으로 전력으로 변환된 에너지를 제외한 나머지 에너지가 매우 크기 때문에, 응축기 가 켜져야 할 뿐 아니라 수냉식의 경우 다량의 냉각수를 필요로 하는데, 본 발명에서는 히트펌프기술을 활용하여, 응축열을 회수하여 다시 열원으로 공급함으로서 별도의 냉각수가 필요 없는 ORC발전시스템을 구성한다.

또한, 본 발명에서는 공기열, 지열, 해수열등의 미활용에너지를 활용하여 전력을 생산하기 위해서, 고온전달사이클과 열취득사이클로 구성된 이원사이클 히트펌프시스템을 구성하여, 낮은 온도의 미활용에너지로 부터 고열원을 생산하여, 유기랭킨사이클에 공급하여 발전을 하면서, 유기랭킨사이클 작동열매체 응축을 위한 응축기를 히트펌프시스템과 결합하여 응축열을 회수하여 다시 열원으로 공급함으로서 유기랭킨사이클 시스템효율을 증대하고 있다.

또한, 폐열원이나, 미활용에너지로 부터 열원을 취득하여 유기랭킨사이클 작동열매체 응축잠열을 함께 흡수하여 유기랭킨사이클 증발기를 통해 고열원을 공급하는 히트펌프시스템과 유기랭킨사이클 작동열매체를 응축시키면서 방출하는 응축잠열을 회수하여 프리히터를 통해 다시 열원을 공급하는 히트펌프시스템을 분리 설치 함으로서 유기랭킨사이클의 많은 량의 응축잠열의 버리지 않고 병렬 설치된 히트펌프시스템에서 분산 흡수하여 시스템 효율을 상승 시킨다.

태양광발전이나 풍력발전, 소수력 발전등은 날씨조건 등에 의해서 전기를 생산하는데 여러 가지 제약이 있고, 발전설비를 갖추기 위해서 초기 많은 투자가 들어가, 전기 생산단가가 높아 아직 경제성을 확보하기가 쉽지 않은 반면, 상대적으로 설비비용이 낮고 설치하는데 제약이 거의 없는 히트펌프시스템을 응용하여, 풍부한 열원인 공기열원으로 부터 열을 흡수하여, 전기를 생산하여 가장 경쟁력이 있는 신재생에너지원인 공기열 히트펌프발전시스템을 제공할 수 있다.

또한, 공기열원 외 미활용 에너지원인 지열, 해수열을 활용하여 상기 시스템으로 전력을 생산할 수 있고, 상대적으로 좀더 높은 온도인 소각장 폐열이나 발전소 발전 배열원, 공장 등 산업시설의 폐열의 활용효율을 높힐 수 있다.

도1 은 본 발명의 폐열 활용 발전용 ORC 발전시스템 구성도
도2 는 본 발명의 폐열 활용 발전용 ORC 발전시스템 또 다른 실시 예 2
도3 은 본 발명의 폐열 활용 발전용 ORC 발전시스템 또 다른 실시 예 3
도4 은 본 발명의 미활용열원(지열, 해수열, 폐열) 발전용 ORC 발전시스템 또 다른 실시 예 4
도5 은 본 발명의 공기열원 발전용 ORC 발전시스템 실시 예 5

도1 은 본 발명의 폐열 활용 발전용 ORC 발전시스템 구성도 이다.

본 발명의 유기랭킨사이클(100)은 증발기(106), 발전기(102)가 축으로 연결된 마이크로터빈(101), 리제너레이터(103), 응축기로 작동하는 제1열교환기(203), 압축펌프(104), 리제너레이터(103), 프리히터(105)로 폐루프를 구성되어 있다.

또한, 프리히터(105) 한 측에는 열공급원으로 히트펌프시스템(200)을 구비하고 있다. 이 히트펌프시스템은 제1압축기(201), 프리히터(105), 제1팽창?브(202), 증발기로 작동하는 제1열교환기(203)로 폐루프를 구성하여 상기 유기랭킨사이클(100) 에서 마이크로터빈(101)을 돌리고 빠져 나온 작동열매체가 저압 저온의 기체상태로 되는데, 이 작동열매체가 제1열교환기(103)에서 응축되면서 응축잠열을 방출하고, 상기 히트펌프시스템(200) 작동열매체가 이를 흡수하여 다시 프리히터(105)을 통해

유기랭킨사이클(100)에 열을 전달하게 된다.

이렇게, 마이크로터빈을 돌리고 나온 작동열매체의 열을 리제너레이터(103)를 통해 프리히터(105)로 공급함으로서, 작동열매체의 응축잠열 크기를 줄이고, 이를 히트펌프시스템(200)을 활용하여 나머지 응축잠열을 회수하여 프리히터(105)를 통해 유기랭킨사이클(100)에 다시 열원으로 공급함으로서 전체 시스템효율을 향상시키고, 별도의 공냉식, 수냉식 응축기를 필요없게 하여 시스템 구성을 소형으로 구성할 수 있다.

도2 는 본 발명의 폐열 활용 발전용 ORC 발전시스템 또 다른 실시 예 이다.

본 발명의 도2 구성은 도1 구성중 유기랭킨사이클(100) 증발기(106) 열공급라인에 히트펌프 기술을 활용한 열전달사이클을 구비하여, 비교적 낮은 열원을 좀 더 높은 열원으로 끌어올려 유기랭킨사이클(100)에 공급하여 발전을 할 수 있게 한 것이다.

열전달사이클(300)은 제2압축기(301), 증발기(106), 제2팽창밸브(302), 제2열교환기(303),로 폐루프를 구성한다.

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도3 은 본 발명의 폐열 활용 발전용 ORC 발전시스템 또 다른 실시 예 이다.

도3은 도2의 열전달사?클(300)의 제2열교환기(303)을 제2이중열교환기(303’)로 구성하여 프리히터용 히트펌프시스템(200)의 제1열교환기(203)와 함께 유기랭킨사이클(100) 응축기로 사용 방출되는 응축잠열을, 프리히터를 위한 히트펌프시스템(200)과 나누어 흡수 할 수 있다.

열전달사이클(200)은 제2이중열교환기(303’)를 통해 유기랭킨사이클(100) 응축잠열 일부를 흡수하고, 동시에 외부열원을 흡수하여 증발기(106)를 통해 유기랭킨사이클(100)에 열원을 공급한다.

도4 은 본 발명의 미활용열원(지열, 해수열, 폐열) 발전용 ORC 발전시스템 또 다른 실시 예 이다.

소각장의 소각열이나 발전소의 발전배열은 수백도로 상대적으로 높은 열원이나, 지열, 지중열, 해수열 등은 상대적으로 아주 낮은 열원이다. 이런 낮은 열원을 활용하기 위해 본 발명에서는 고온전달사이클(300)과 열취득사이클(400)로 이원사이클을 구성한 히트펌프시스템 기술을 적용하고 있다.

고온전달사이클(300)은 제2압축기(301), 증발기(106), 제4열교환기(404), 제2팽창밸브(302), 제2이중열교환기(303’)로 폐루프를 구성한다.

또한, 열취득사이클(400)은 제3압축기(401), 제2이중열교환기(303’), 제3팽창밸브(402), 제3열교환기(403), 제4열교환기(404)로 폐루프를 구성한다.

상기와 같이 고온전달사이클(300)과 열취득사이클(400)로 이원사이클 히트펌프시스템을 구비하여 열취득사이클(400)의 작동열매체가 제3열교환기(403)에서 흡수한 열원과 함께 제4열교환기(404)를 통해 고온전달사이클(300) 작동열매체의 재응축열을 흡수하여, 고온전달사이클(300)의 제2이중열교환기(303’)를 통해 더 높은 열원으로 만들어 전달하고, 유기랭킨사이클(100)의 리제너레이터(104)를 통과한 저압 기체상태 작동열매체의 응축잠열의 일부를 고온전달사이클(300) 제2이중열고환기(303’)를 통해 열취득사이클(400) 전달 열원과 함께 흡수하여 증발기(106)를 통해 유기랭킨사이클(100)에 열원을 공급하여 발전을 할 수 있다.

도5 은 본 발명의 공기열원 발전용 ORC 발전시스템 실시 예이다.

도5는 도4의 열취득사이클(400)의 제3열교환기(403)를 외기증발기(403’)로 바꾸어 제3압축기(401), 제2이중열교환기(303’), 제3팽창밸브(402), 외기증발기(403’), 제4열교환기(404)로 폐루프를 구성한 열취득사이클(400)을 구비하여 공기열원을 흡수하여 발전할 수 있다.

100 : 유기랭킨사이클
101 : 마이크로터빈
102 : 발전기
103 : 리제너레이터
104 : 압축펌프
105 : 프리히터
106 : 증발기
200 : 프리히터용 히트펌프시스템
201 : 제1압축기
202 : 제1팽창밸브
203 : 제1열교환기
204 : 열공급라인
205 : 열리턴라인
300 : 열전달사이클
301 : 제2압축기
302 : 제2팽창밸브
303 : 제2열교환기
303’ : 제2이중열교환기
304 : 열공급라인
305 : 열리턴라인
400 : 열취득사이클
401 : 제3압축기
402 : 제3팽창밸브
403 : 제3열교환기
403’ : 외기증발기
404 : 제4열교환기
405 : 열공급라인
406 : 열리턴라인

Claims

유기랭킨사이클 발전시스템에 있어서,
증발기, 발전기가 축으로 연결된 마이크로터빈, 리제너레이터, 제1열교환기(응축기), 압축펌프, 리제너레이터, 프리히터로 폐루프를 구성하는 유기랭킨사이클;
제1압축기, 프리히터, 제1팽창밸브, 제1열교환기(증발기)로 폐루프를 구성하는 프리히터용 히트펌프시스템;

상기와 같이 제1열교환기가 유기랭킨사이클 작동열매체의 응축기로 작동되어 응축열을 방출하고, 프리히터용 히트펌프시스템 작동열매체가 제1열교환기에서 증발하여 제1압축기에 의해 고온고압 기체상태가 되어 프리히터를 통해 응축열을 방출함을 특징으로 하는 유기랭킨사이클 발전시스템.
청구항 1항에 있어서,
제2압축기, 증발기, 제2팽창밸브, 제2열교환기로 폐루프를 구성하는 열전달사이클;
상기와 같이 제2열교환기에 연결된 열공급라인을 통해 열원을 공급받아 증발기를 통해 유기랭킨사이클에 고온의 열원을 공급하는 열전달시이클을 구비함을 특징으로 하는 유기랭킨사이클 발전시스템.
청구항 2항에 있어서,
열전달사이클의 제2열교환기를 제2이중열교환기로 교체 구성하여 프리히터용 히트펌프시스템의 제1열교환기와 함께 유기랭킨사이클 응축기로 활용하여, 응축잠열을 분산 흡수하여, 프리히터용 히트펌프시스템은 프리히터를 통해 유기랭킨사이클 열원으로 재공급하고, 열전달사이클은 제2이중열교환기를 통해 외부열원과 함께 증발기를 통해 유기랭킨사이클에 열원을 공급함을 특징으로 하는 유기랭킨사이클 발전시스템.
청구항 1항에 있어서,
제2압축기, 증발기, 제4열교환기, 제2팽창밸브, 제2이중열교환기로 폐루프를 구성하는 고온전달사이클;
제3압축기, 제2이중열교환기, 제3팽창밸브, 제3열교환기, 제4열교환기로 폐루프를 구성하는 열취득사이클;
상기와 같이 고온전달사이클과 열취득사이클로 이원사이클 히트펌프시스템을 구비하여 열취득사이클의 작동열매체가 제3열교환기에서 흡수한 열원과 함께 제4열교환기를 통해 고온전달사이클 작동열매체의 재응축열을 흡수하여, 고온전달사이클의 제2이중열교환기를 통해 전달하고, 유기랭킨사이클의 리제너레이터를 통과한 저압 기체상태 작동열매체의 응축잠열의 일부를 고온전달사이클 제2이중열고환기를 통해 열취득사이클 전달 열원과 함께 흡수하여 증발기를 통해 유기랭킨사이클에 열원을 공급하여 발전함을 특징으로 하는 유기랭킨사이클 발전시스템.
청구항 4항에 있어서,
상기 열취득사이클의 제3열교환기를 외기증발기로 바꾸어 제3압축기, 제2이중열교환기, 제3팽창밸브, 외기증발기, 제4열교환기로 폐루프를 구성한 열취득사이클을 구비하여 공기열원을 흡수하여 발전함을 특징으로 하는 유기랭킨사이클 발전시스템.