KR20160001241A

KR20160001241A - 발전시스템

Info

Publication number: KR20160001241A
Application number: KR1020140079391A
Authority: KR
Inventors: 김영선
Original assignee: 김영선
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-01-06

Abstract

본 발명은 소각장 소각열이나 발전소 발전 배열, 공장 폐열원으로 부터 열원을 회수하여 전력을 생산하는 유기랭킨사이클에 역랭킨사이클(히트펌프시스템)을 결합하여 비교적 낮은 미활용 열원인 공기열, 지열, 해수열 및 낮은 온도의 폐열로 부터 열원을 취득하여 발전할 수 있도록 하는 유기랭킨 발전시스템 기술을 제안한다.

Description

발전시스템 {Electricity generation system}

쓰레기 소각장의 소각열과 공장에서 배출되는 폐수열, 발전소에서 배출되는 발전배열을 활용하거나, 지열, 해수열, 공기열등의미활용 에너지원으로 부터 열원을 냉난방에 활용하는 역랭킨사이클(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 있다.

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 경제성을 확보할 수 있는 여지가 있지만, 공기열원이나 지열원, 해수열원 등의 미활용에너지를 회수하여 전력을 생산하고자 하는 경우에는 해결해야 할 여러 문제가 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 어느 정도 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 유기랭킨사이클의 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 유기랭킨사이클과 역랭킨사이클을 융합하는 방법을 제안하고 있다.

역랭킨사이클(히트펌프시스템)을 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 본 발명의 발전시스템은 풍부한 열원인 공기열원 및 미활 용에너지원으로 부터 열을 흡수하여, 전기를 생산하여 가장 경쟁력이 있는 신재생에너지를 활용한 발전시스템을 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 발전시스템 개념도 1
도2 는 본 발명의 발전시스템 개념도 1의 실시 예1
도3 는 본 발명의 발전시스템 개념도 1의 실시 예2
도4 은 본 발명의 발전시스템 개념도 1의 실시 예3
도5 는 본 발명의 발전시스템 개념도 2
도6 는 본 발명의 발전시스템 개념도 2의 실시 예1
도7 은 본 발명의 발전시스템 개념도 2의 실시 예2

도1 은 본 발명의 발전시스템 개념도 1 이다.

본 발명은 증발, 팽창, 응축, 압축사이클의 유기랭킨사이클과 응축, 팽창, 증발, 압축사이클의 역랭킨사이클(히트펌프 사이클)을 융합하여 미활용에너지원으로 부터의 낮은 열원을 활용하여 전력을 생산할 수 있는 발전시스템 기술을 제안한다.

유기랭킨사이클은 증발기(105)[증발], 마이크로터빈(101)[팽창], 응축기(103)[응축], 펌프(104)[압축]로 폐루프를 형성하여 사이클을 구성한다.

역랭킨사이클(히트펌프 사이클)은 압축기(111)[압축], 응축기(112)[응축], 팽창밸브(113)[팽창], 증발기(114)[증발]로 폐루프를 형성하여 사이클을 구성한다.

역랭킨사이클의 압축기(111)와 모터/발전기(111g)는 유기랭킨사이클의 마이크로터빈(101)과 한 축으로 연결되어, 마이크로터빈(101)의 회전동력을 전달받아 역랭킨사이클이 작동된다.

초기 상기 발전시스템이 작동되기 위해서는 먼저, 압축기(111)에 연결된 모터/발전기(111g)가 모터로 작동되어 역랭킨사이클이 작동되고, 역랭킨사이클에서 공급한 열원으로 유기랭킨사이클이 동작하게 된다. 유기랭킨사이클이 동작되면 마이크로터빈(111)의 회전동력으로 압축기(111)가 회전되고, 모터/발전기(111g)는 발전기로 작동된다.

역랭킨사이클의 증발기(114)에 미활용에너지원(110)과 유기랭킨사이클의 응축기(103)가 결합되어, 역랭킨사이클의 작동열매체가 증발기(114)에서 미활용에너지원(110)으로 부터의 열원과 유기랭킨사이클 응축기(103)로 부터의 응축열원을 흡수하여 증발하여, 압축기(111)에서 고온 고압의 기체상태가 된다.

역랭킨사이클의 응축기(112)와 유기랭킨사이클의 증발기(105)가 하나의 열교환기로 결합되어, 응축기(112)의 응축열이 증발기(105)로 방출되어 전달되게 된다.

상기와 같이 유기랭킨사이클과 역랭킨사이클이 결합되면 열량이 작고 낮은 열원인 미활용에너지원(110)으로도 전력을 생산하는 고효율 발전시스템을 구성할 수 있다.

도2 는 본 발명의 발전시스템 개념도 1의 실시 예1 로서,

유기랭킨사이클은 마이크로터빈(101), 열교환기(103_114), 펌프(104), 열교환기(105_112)로 폐루프를 형성하여 사이클을 구성한다.

역랭킨사이클은 모터/발전기(111g)가 축으로 연결된 압축기(111), 열교환기(105_112), 팽창밸브(113), 열교환기(103_114), 외기증발기(114)로 폐루프를 형성하여 사이클을 구성한다.

초기, 역랭킨사이클의 모터/발전기(111g)가 모터로 작동되어 압축기(111)를 회전시켜 사이클을 구동시키고, 역랭킨사이클의 작동열매체가 외기증발기(114)로 부터 공기열을 흡수하여 증발하고, 압축기(111)에서 압축되어 고온 고압의 기체 상태로 변화되고, 열교환기(105_112)에서 응축열을 방출하여 유기랭킨사이클에 열원을 공급하고 빠져 나와 팽창밸브(113)를 거치면서 저압 액체 상태가 되어 열교환기(113_114)를 통해 유기랭킨사이클의 응축열원을 흡수하고, 다시 외기증발기(114)에서 공기열원을 흡수하여 증발하여 다시 압축기(111)에서 압축되어 고압 고온의 기체상태로 되어 상기 사이클을 반복하면서 유기랭킨사이클에 계속적으로 열원을 공급하게 된다.

유기랭킨사이클의 작동열매체는 열교환기(105_112)에서 역랭킨사이클의 응축열을 흡수하여 포화증기가 되어 그 증기압으로 마이크로터빈(101)을 회전시켜, 축으로 연결된 역랭킨사이클의 압축기(111)와 모터/발전기(111g)로 회전동력을 전달하여 역랭킨사이클을 구동시키면서 전력을 생산하게 된다.

도3 는 본 발명의 발전시스템 개념도 1의 실시 예2 로서,

도2의 팽창밸브(113)을 발전기(113g)가 축으로 연결된 마이크로터빈(113t)으로 대체하여 작동열매체의 에너지를 전력으로 변환할 수 있게 하고 있다.

도4 은 본 발명의 발전시스템 개념도 1의 실시 예3 으로서,

외기증발기(114)와 한 측이 미활용에너지원(116)으로 연결된 열교환기(115)와 병렬로 연결되어 전자밸브(117f.117b,118f,118b) 제어에 의해 폐루프를 형성하여 역랭킨사이클을 구성함으로서, 공기열 혹은 다른 미활용에너지원으로 부터 열원을 흡수하여 발전을 할 수 있다.

도5 는 본 발명의 발전시스템 개념도 2 이다.

미활용 에너지를 이용하는 발전시스템에 있어서, 다음과 같이 유기랭킨사이클과 역랭킨사이클로 구성된 고온전달사이클, 역랭킨사이클로 구성된 열취득사이클을 결합하여 발전시스템을 구성함으로서 낮은 열량과 낮은 온도의 미활용 에너지원으로 부터 열원을 흡수하여 발전하는 발전시스템을 제안한다.

증발기(505)[증발], 마이크로터빈(501)[팽창], 응축기(503)[응축], 펌프(504)[압축]사이클의 유기랭킨사이클;

응축기(512)[응축], 마이크로터빈(513)[팽창], 증발기(514)[증발], 모터/발전기(511g)가 축으로 연결된 압축기(511)[압축]사이클의 역랭킨사이클로 구성된 고온전달사이클;

응축기(523)[응축], 팽창밸브(524)[팽창], 증발기(525)[증발], 압축기(521)[압축]사이클의 역랭킨사이클로 구성된 열취득사이클;

상기 열취득사이클의 응축사이클과 고온전달사이클의 증발사이클을 결합하여 이원사이클을 구성하고, 고온전달사이클의 응축사이클과 유기랭킨사이클의 증발사이클을 결합하고, 열취득사이클의 응축사이클과 결합되어 있는 고온전달사이클의 증발사이클에 유기랭킨사이클의 응축사이클을 함께 결합하여 전체적인 발전사이클을 구성하고 있다.

상기와 같이 역랭킨사이클로 구성된 고온전달사이클과 열취득사이클을 케스케이드로 연결하면, 비교적 낮은 열원으로도 높은 열을 만들어 유기랭킨사이클에 공급할 수 있게 되어서 미활용에너지원(530) 활용도가 높아 질 수 있다.

도6 는 본 발명의 발전시스템 개념도 2의 실시 예1 로서,

유기랭킨사이클은 마이크로터빈(501), 열교환기(503_514), 펌프(504), 열교환기(505_512)로 폐루프를 형성하여 사이클을 구성한다.

고온전달사이클은 모터/발전기(511g)가 축으로 연결된 압축기(511), 열교환기(505_512), 마이크로터빈(513), 열교환기(503_514), 열교환기(514_523)로 폐루프를 형성하여 역랭킨사이클을 구성한다.

열취득사이클은 모터/발전기(522)와 고온전달사이클의 마이크로터빈(513)가 한 축으로 연결된 압축기(521), 열교환기(514_523), 팽창밸브(524), 외기증발기(525)로 폐루프를 형성하여 역랭킨사이클을 구성한다.

도7 는 본 발명의 발전시스템 개념도 2 의 실시예 2 이다.

본 발명의 발전시스템 실시예 에서는 도6의 열취득사이클에서 외기증발기(525)에 한 측이 미활용에너지원(532)에 연결 되어 있는 열교환기(531)가 병렬로 연결되어 있어, 전자밸브(526f,526b/533f,533b) 제어에 의해 외기증발기(525) 혹은 열교환기(531)에 의해 폐루프를 형성하여 역랭킨사이클을 구성 함으로서, 다양한 미활용에너지원(532)으로 부터 열원을 흡수하여, 고온전달사이클을 통해 유기랭킨사이클로 전달하여 전력을 생산할 수 있다.

101,113t,501,513,521 : 마이크로터빈
111g,113g,511g,522 : 모터/발전기
103,112,503,512,523 : 응축기
104,504 : 펌프
105,114,505,514,525 : 증발기
105_112,103_114,115,505_512,503_514,514_523,531 : 열교환기
111,511,521 : 압축기
113,524 : 팽창밸브
114,525 : 외기증발기
110,116,530,532 : 미활용에너지원
117f,117b,118b,118f,526f,526b,533f,533b : 전자밸브

Claims

미활용에너지를 이용한 발전시스템에 있어서,

증발, 팽창, 응축, 압축사이클의 유기랭킨사이클;
응축, 팽창, 증발, 압축사이클의 역랭킨사이클;

상기 유기랭킨사이클의 증발사이클과 역랭킨사이클의 응축사이클이 결합되고, 유기랭킨사이클의 응축사이클과 역랭킨사이클의 증발사이클이 결합되어 융합사이클을 구성함을 특징으로 하는 발전시스템.
청구항 1항에 있어서,

열교환기(105_112),마이크로터빈(101),열교환기(103_114),펌프(104)로 폐루프를 형성하여 구성된 유기랭킨사이클;
압축기(111), 열교환기(105_112), 팽창밸브(113), 열교환기(103_114), 외기증발기(114)로 폐루프를 형성하여 구성된 역랭킨사이클;

상기와 같이 두개의 사이클을 융합하여, 공기로 부터 열원을 흡수하여 발전함을 특징으로 하는 발전시스템.
청구항 2항에 있어서,

마이크로터빈(101)에 모터/발전기(111g)와 압축기(111)를 한 축으로 연결하여, 마이크로터빈(101)의 회전동력을 전달 함을 특징으로 하는 발전시스템.
청구항 2항에 있어서,

팽창밸브(113)을 모터/발전기(113g)가 축으로 연결된 마이크로터빈(113t)으로 대체하여, 유체의 에너지로 부터 전력을 생산함을 특징으로 하는 발전시스템.
청구항 1항에 있어서,

마이크로터빈(101), 열교환기(103_114), 펌프(104), 열교환기(105_112)로 폐루프를 형성하여 구성한 유기랭킨사이클;
마이크로터빈(101)의 축과 연결된 압축기(111), 열교환기(105_112), 모터/발전기(113g)가 축으로 연결된 마이크로터빈(113t), 열교환기(103_114), 외기증발기(114)와 한 측이 미활용에너지원(116)과 연결되어 있는 열교환기(115)가 병렬로 연결되어 전자밸브(117f,117b/118f,118b) 제어에 의해 외기증발기(114) 혹은 열교환기(115)로 폐루프를 형성 하여 구성되는 역랭킨사이클;

상기와 같이 융합사이클을 구성하여 공기나 혹은 다른 미활용 에너지원으로 부터 열원을 흡수하여 발전함을 특징으로 하는 발전시스템.
미활용 에너지를 이용하는 발전시스템에 있어서,

증발, 팽창, 응축, 압축사이클의 유기랭킨사이클;
응축, 팽창, 증발, 압축사이클의 역랭킨사이클로 구성된 고온전달사이클;
응축, 팽창, 증발, 압축사이클의 역랭킨사이클로 구성된 열취득사이클;

상기 열취득사이클의 응축사이클과 고온전달사이클의 증발사이클을 결합하여 이원사이클을 구성하고, 고온전달사이클의 응축사이클과 유기랭킨사이클의 증발사이클을 결합하고, 열취득사이클의 응축사이클과 결합되어 있는 고온전달사이클의 증발사이클에 유기랭킨사이클의 응축사이클을 함께 결합하여 전체적인 발전사이클을 구성함을 특징으로 하는 발전시스템.
청구항 6항에 있어서,

열교환기(505_512), 마이크로터빈(501), 열교환기(503_514), 펌프(504)로 폐루프를 형성하여 구성한 유기랭킨사이클;
마이크로터빈(501)과 축으로 연결된 압축기(511), 열교환기(505_512), 마이크로터빈(513), 열교환기(503_514),열교환기(514_523)으로 역랭킨사이클을 구성한 고온전달사이클;

마이크로터빈(513)과 모터/발전기(522)가 축으로 연결된 압축기(521), 열교환기(514_523), 팽창밸브(524), 외기증발기(525)로 역랭킨사이클을 구성한 열취득사이클;

상기와 같이 유기랭킨사이클과 고온전달사이클, 열취득사이클로 구성됨을 특징으로 하는 발전시스템.
청구항 6항에 있어서,

열교환기(505_512), 마이크로터빈(501), 열교환기(503_514), 펌프(504)로 폐루프를 형성하여 구성한 유기랭킨사이클;
마이크로터빈(501)과 축으로 연결된 압축기(511), 열교환기(505_512), 마이크로터빈(513), 열교환기(503_514),열교환기(514_523)으로 역랭킨사이클을 구성한 고온전달사이클;
마이크로터빈(513)과 모터/발전기(522)가 축으로 연결된 압축기(521), 열교환기(514_523), 팽창밸브(524), 외기증발기(525)와 미활용에너지원(532)과 연결되어 있는 열교환기(531)가 병렬로 연결되어, 전자밸브(526f,526b/533f,533b) 제어에 의해 폐루프를 형성하여 역랭킨사이클을 구성한 열취득사이클;

상기와 같이 유기랭킨사이클과 고온전달사이클, 열취득사이클로 구성됨을 특징으로 하는 발전시스템.