KR20160017287A - 초임계 이산화탄소 발전시스템 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전시스템 Download PDF

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KR20160017287A
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Abstract

본 발명은 선박에 설치된 엔진의 폐열 및 이산화탄소를 열교환시키는 열교환부, 발전기가 전기를 생산하도록 상기 열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부, 상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시키기 위한 냉각부, 및 상기 냉각부로부터 배출되는 이산화탄소를 압축시키기 위한 압축부를 포함하되, 상기 냉각부는 이산화탄소를 냉각시키기 위한 이젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템에 관한 것이다.

Description

초임계 이산화탄소 발전시스템{Supercritical Carbon Dioxide Power Generation System}
본 발명은 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하기 위한 초임계 이산화탄소 발전시스템에 관한 것이다.
연소로, 보일러 등은 소정의 연료를 연소시키면서 이산화탄소(Carbon Dioxide)가 포함된 배기를 배출한다. 이산화탄소는 지구온난화 등과 같이 환경오염을 초래하는 물질로 알려져 있다. 이에 따라, 이산화탄소로 인한 환경오염을 줄이기 위한 방안으로, 이산화탄소에 대한 배출 규제를 강화하는 방안, 태양력, 풍력 등과 같은 친환경 에너지원으로 대체하는 방안 등이 시도되고 있다.
그러나, 이산화탄소에 대한 배출 규제를 강화하는 방안은 이산화탄소가 포함된 배기를 정화하기 위한 설비를 필요로 하기 때문에 각 국가의 산업발전, 경제적 사정 등을 이유로 제대로 시행되지 못하고 있는 실정이다. 태양력, 풍력 등과 같은 친환경 에너지원으로 대체하는 방안은, 기존에 이산화탄소 배출을 통해 생산하는 에너지량을 대체하기에 개발이 부족한 상태이다.
최근에는 배기로부터 이산화탄소를 포집하여 저장하는 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술에 대한 개발이 활발하게 진행되면서, 포집한 이산화탄소를 에너지로 변화하는 기술에 대한 개발로 이어지고 있다.
예를 들면, 포집한 이산화탄소를 드라이아이스로 제조하여 기존의 냉각물질인 얼음을 대체하는 기술, 포집한 이산화탄소를 탄산가스로 제조하여 맥주, 탄산음료, 조선용접, 산화방지제 등으로 이용하는 기술 등에 대한 개발로 이어지고 있다.
이와 같이 이산화탄소를 다른 용도로 이용하는 기술이 활발하게 개발되면서, 환경오염물질인 이산화탄소에 대한 처리 기술이 새로운 전환점을 맞고 있다. 따라서, 발전시스템에 있어서도 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 초임계 이산화탄소 발전시스템을 제공하기 위한 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템은 선박에 설치된 엔진의 폐열 및 이산화탄소를 열교환시키는 열교환부; 상기 발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시키기 위한 냉각부; 및 상기 냉각부로부터 배출되는 이산화탄소를 압축시키기 위한 압축부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템에 있어서, 상기 냉각부는 해수를 이용하여 상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시키기 위한 제1냉각기구, 및 상기 제1냉각기구에 연결되게 설치되는 제2냉각기구를 포함할 수 있다. 상기 제2냉각기구는 상기 제1냉각기구로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시키기 위한 이젝터를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.
본 발명은 이젝터를 이용하여 작동유체인 이산화탄소를 냉각시키도록 구현됨으로써, 이산화탄소를 냉각시키기 위한 운영비용을 절감할 수 있다.
본 발명은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 전기를 생산하도록 구현됨으로써 열교환부, 터빈부 등을 소형화할 수 있으므로, 선박 등과 같이 설치공간이 협소한 곳에 용이하게 설치되어 선체에 대한 공간 활용도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 이산화탄소가 엔진의 폐열로 가열되도록 구현됨으로써, 이산화탄소를 가열하기 위한 열원을 마련하기 위해 추가로 연소로 등을 이용하여 연료를 연소시킬 필요가 없으므로, 친환경 발전시스템을 구현할 수 있다.
본 발명은 환경오염물질인 이산화탄소를 이용하여 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키므로, 환경오염물질인 이산화탄소를 정화하는데 필요한 설비 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
도 5는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
도 6은 본 명의 다른 변형된 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
이하에서는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소(Supercritical Carbon Dioxide)를 이용하여 전기를 생산하기 위한 발전기(300)를 동작시킨다. 이산화탄소는 임계 온도 및 임계 압력 이상의 조건에서 초임계 이산화탄소로 된다. 초임계 이산화탄소는 밀도가 높은 특성을 가짐과 동시에 점도가 낮은 특성을 갖는다. 즉, 초임계 이산화탄소는 밀도가 높은 기체 특성을 갖는다.
본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 엔진(100)의 폐열과 이산화탄소를 열교환시키는 열교환부(2), 및 상기 열교환부(2)로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부(3)를 포함한다.
상기 터빈부(3)는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.
첫째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 전기를 생산하도록 구현됨으로써, 물과 같은 다른 유체를 초임계 상태의 작동유체로 이용하는 것과 비교할 때, 상기 열교환부(2), 상기 터빈부(3) 등을 소형화할 수 있다. 초임계 이산화탄소는 물과 같은 다른 유체가 초임계 상태일 때와 비교할 때, 밀도가 더 높은 특성을 갖기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 전체적인 크기가 감소될 수 있으므로, 선박 등과 같이 설치공간이 협소한 곳에도 용이하게 설치될 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 엔진(100)의 폐열로 가열되도록 구현됨으로써, 이산화탄소를 가열하기 위한 열원을 마련하기 위해 추가로 연소로 등을 이용하여 연료를 연소시킬 필요가 없다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 연소로 등을 통해 추가로 이산화탄소를 발생시키지 않으면서 전기를 생산할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 친환경 발전시스템을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 엔진(100)의 폐열을 열원으로 이용함으로써 운영비용을 절감할 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 환경오염물질인 이산화탄소를 이용하여 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 환경오염물질인 이산화탄소를 무해한 물질로 정화하지 않으면서 이산화탄소를 전기를 생산하기 위한 용도로 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 환경오염물질인 이산화탄소를 정화하는데 필요한 설비 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.
이하에서는 상기 열교환부(2) 및 상기 터빈부(3)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 열교환부(2)는 엔진(100)의 폐열 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 열교환부(2)를 통과하면서 엔진(100)의 폐열에 의해 가열된다. 이 경우, 상기 엔진(100)의 폐열이 열원으로 기능한다. 상기 열교환부(2)는 이산화탄소가 순환 유동하는 순환배관(10)을 통해 상기 터빈부(3)에 연결된다. 상기 순환배관(10)은 이산화탄소가 유동할 수 있는 유로를 제공하는 파이프 등을 포함할 수 있다. 상기 순환배관(10)은 폐루프(Closed loop)를 형성한다. 이산화탄소는 상기 순환배관(10)을 따라 순환 유동하면서 상기 발전기(300)가 전기를 생산하도록 하는 작동유체로 기능한다.
상기 열교환부(2)는 배기열교환부(21)를 포함할 수 있다.
상기 배기열교환부(21)는 상기 엔진(100)으로부터 배출되어 과급기(200)를 통과한 배기(Exhaust Gas) 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 배기열교환부(21)를 통과하면서 상기 엔진(100)의 폐열 중에서 배기에 의해 가열된다. 이 경우, 상기 엔진(100)의 폐열 중에서 배기가 열원으로 기능한다. 상기 배기열교환부(21)를 통과한 배기는, 상기 이산화탄소가 가열되도록 열을 방출한 후에, 스택(미도시)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기는 파이프 등의 배관을 따라 이동하면서 상기 과급기(200), 상기 배기열교환부(21), 및 스택을 순차적으로 통과할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 터빈부(3)는 상기 발전기(300)에 연결된다. 상기 터빈부(3)는 상기 배기열교환부(21)로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 동력을 발생시킨다. 상기 배기열교환부(21)로부터 배출되는 이산화탄소는, 상기 터빈부(3)를 통과하면서 상기 터빈부(3)가 갖는 임펠러를 회전시킴으로써 동력을 발생시킬 수 있다. 상기 발전기(300)는 상기 터빈부(3)로부터 제공되는 동력을 이용하여 전기를 생산한다. 상기 발전기(300)는 샤프트 등을 통해 상기 터빈부(3)에 연결될 수 있다.
상기 터빈부(3)는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다. 상기 배기열교환부(21)로부터 배출되는 이산화탄소는 초임계 상태로 상기 터빈부(3)를 통과하면서 동력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 터빈부(3)가 동력을 발생시키도록 구현됨으로써, 상기 터빈부(3)를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산되는 전기에 대한 발전효율을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소를 압축시키기 위한 압축부(4), 및 이산화탄소를 냉각시키기 위한 냉각부(5)를 포함할 수 있다.
상기 압축부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 압축시킴으로써, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 압력을 높인다. 상기 압축부(4)는 상기 냉각부(5) 및 상기 열교환부(2) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 압축부(4)는 상기 냉각부(5) 및 상기 배기열교환부(21) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 압축부(4)는 상기 냉각부(5)에 의해 냉각된 이산화탄소를 압축시킨다.
이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시킨 후에 압축시킴으로써, 상기 압축부(4)가 이산화탄소를 압축시키는 압축률을 증대시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 상기 열교환부(2)에서 열을 흡수하는 폐열 회수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이산화탄소를 이용하여 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 향상시킬 수 있다. 상기 압축부(4)는 상기 순환배관(10)을 따라 순환 유동하는 이산화탄소를 압축시킬 수 있다.
상기 압축부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소가 액체 상태인 경우, 펌프(Pump)를 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 사이클 내에서 미임계 상태와 초임계 상태 간에 변화하는 트랜스 크리티컬 사이클(Transcritical Cycle)로 구현될 수 있다. 이산화탄소는 상기 터빈부(3)로부터 배출된 후에 미임계 상태로 변화되고, 상기 압축부(4)에서 초임계 상태로 변화될 수 있다. 이산화탄소는 상기 터빈부(3)로부터 배출된 후에 미임계 상태로 변화되고, 상기 압축부(4) 및 상기 열교환부(2)를 통과하면서 초임계 상태로 변화될 수도 있다.
상기 압축부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소가 초임계 상태인 경우, 컴프레서(Compressor)를 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 전체 사이클 내에서 초임계 상태로 유지되는 슈퍼 크리티컬 사이클(Supercritical Cycle)로 구현될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 냉각부(5)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시킴으로써, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도를 낮춘다. 상기 냉각부(5)는 상기 순환배관(10)을 따라 순환 유동하는 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다.
상기 냉각부(5)는 제1냉각기구(51), 및 제2냉각기구(52)를 포함할 수 있다.
상기 제1냉각기구(51)는 해수를 이용하여 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시킨다. 상기 제1냉각기구(51)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소 및 선박의 외부로부터 공급되는 해수를 열교환시킴으로써, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 상기 제1냉각기구(51)는 상기 터빈부(3) 및 상기 제2냉각기구(52) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 제1냉각기구(51)는 상기 순환배관(10)을 통해 상기 터빈부(3) 및 상기 제2냉각기구(52) 각각에 연결되게 설치될 수 있다.
상기 제2냉각기구(52)는 상기 제1냉각기구(51) 및 상기 압축부(5) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 제2냉각기구(52)는 상기 순환배관(10)을 통해 상기 제1냉각기구(51) 및 상기 압축부(5) 각각에 연결되게 설치될 수 있다. 상기 제2냉각기구(52)는 이젝터(521)를 포함할 수 있다.
상기 이젝터(521)는 상기 제1냉각기구(51)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시킨다. 상기 이젝터(521)는 별도의 운동 없이 압력 차이를 이용하여 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소를 냉각시키기 위한 운영비용을 절감할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 제2냉각기구(52)는 분기기구(522), 및 팽창기구(523)를 포함할 수 있다.
상기 분기기구(522)는 상기 이젝터(521)로부터 배출되는 이산화탄소를 분기시킨다. 상기 분기기구(522)는 상기 이젝터(521)로부터 배출되는 이산화탄소의 일부를 상기 압축부(4)로 공급하고, 나머지 일부를 상기 팽창기구(523)로 공급할 수 있다. 상기 분기기구(522)는 상기 압축부(4)로 공급하는 이산화탄소의 유량, 및 상기 팽창기구(523)로 공급하는 이산화탄소의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브를 포함할 수 있다.
상기 팽창기구(523)는 일측이 상기 분기기구(522)에 연결되게 설치된다. 상기 팽창기구(523)는 상기 분기기구(522)로부터 공급되는 이산화탄소를 팽창시킨다. 이에 따라, 상기 팽창기구(523)는 상기 분기기구(522)로부터 공급되는 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 상기 팽창기구(523)는 타측이 상기 이젝터(521)에 연결되게 설치된다. 이에 따라, 상기 팽창기구(523)로부터 배출되는 이산화탄소는 상기 이젝터(521)로 공급된다.
상기 이젝터(521)는 상기 팽창기구(523)로부터 공급되는 이산화탄소 및 상기 터빈부(3)로부터 공급되는 이산화탄소를 혼합하여 배출시킨다. 이 과정에서, 상기 팽창기구(523)로부터 공급되는 이산화탄소가 상기 터빈부(3)로부터 공급되는 이산화탄소에 비해 낮은 온도를 가지므로, 상기 이젝터(521)는 전기, 해수 등의 냉각매체를 이용하지 않고도 상기 터빈부(3)로부터 공급되는 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 상기 이젝터(521)로부터 배출되는 이산화탄소는 상기 분기기구(522)를 통과하면서 분기되고, 상기 팽창기구(523)로 분기된 이산화탄소는 상기 팽창기구(523)를 통과하면서 냉각되어 다시 상기 이젝터(521)로 공급된다.
도 3을 참고하여 상기 이젝터(521)에 관해 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다. 상기 이젝터(521)는 제1유입부재(521a), 배출부재(521e), 분출부재(521b), 제2유입부재(521c) 및 혼합부재(521d)를 포함할 수 있다.
상기 제1유입부재(521a)는 상기 터빈부(3)에 연결되게 설치된다. 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소는 상기 순환부재(10)를 따라 유동하여 상기 제1유입부재(521a)를 통해 상기 이젝터(521)의 내부에 유입된다.
상기 분출부재(521b)는 상기 제1유입부재(521a)를 통해 유입된 이산화탄소를 상기 혼합부재(521d)로 분출한다. 상기 분출부재(521b)는 상기 제1유입부재(521a)에 비해 이산화탄소가 유동하기 위한 통로가 작게 형성된다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 제1유입부재(521a) 및 상기 분출부재(521b)를 통과하면서 유동 속도가 증가하여 상기 혼합부재(521d)로 분출된다. 따라서, 상기 분기기구(522)에 의해 상기 팽창기구(523) 쪽으로 분기된 이산화탄소는, 상기 분출부재(521b)로부터 분출되는 이산화탄소의 유동 속도로 인해 별도의 동력 없이도 상기 팽창기구(523)를 통과하여 상기 제2유입부재(521c) 쪽으로 유동하게 된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소를 냉각시키기 위한 운영비용을 더 절감할 수 있다.
상기 제2유입부재(521c)는 상기 팽창기구(523)에 연결되게 설치된다. 상기 팽창기구(523)로부터 배출되는 이산화탄소는 상기 분긱기구(522)를 따라 유동하여 상기 제2유입부재(521c)를 통해 상기 혼합부재(521d)로 유입된다.
상기 혼합부재(521d)는 상기 분출부재(521b)로부터 유입되는 이산화탄소 및 상기 제2유입부재(521c)로부터 유입되는 이산화탄소를 혼합시킨다. 상기 제2유입부재(521c)로부터 유입되는 이산화탄소는 상기 팽창기구(523)를 통과하면서 냉각된 것이므로, 상기 분출부재(521b)로부터 유입되는 이산화탄소에 비해 온도가 낮다. 따라서, 상기 분출부재(521b)로부터 유입되는 이산화탄소 및 상기 제2유입부재(521c)로부터 유입되는 이산화탄소는 상기 혼합부재(521d)에서 서로 혼합됨에 따라 온도가 낮아지게 된다.
상기 배출부재(521e)는 상기 혼합부재(521d)로부터 배출되는 이산화탄소를 배출시킨다. 상기 배출부재(521e)로부터 배출되는 이산화탄소는 상기 순환부재(10)를 따라 상기 분기기구(522) 쪽으로 유동할 수 있다. 상기 배출부재(521e)는 디퓨져(Diffuser)일 수 있다.
도 3을 참고하면, 상기 제2냉각기구(52)는 열교환기구(524)를 포함할 수 있다. 상기 열교환기구(524)는 상기 이젝터(521)로부터 배출되는 이산화탄소, 및 상기 팽창기구(523)로부터 배출되는 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 상기 열교환기구(524)는 상기 이젝터(521)로부터 배출되는 이산화탄소를 추가로 냉각시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 더 낮은 온도인 상태로 상기 압축부(5)로 공급되도록 구현됨으로써, 이산화탄소에 대한 압축률을 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 상기 열교환부(2)에서 열을 흡수하는 폐열 회수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이산화탄소를 이용하여 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 향상시킬 수 있다.
도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 전환부(6)를 포함할 수 있다.
상기 전환부(6)는 상기 제1냉각기구(51)로부터 배출되는 이산화탄소의 유동경로를 전환시킨다. 상기 전환부(6)는 제1유동경로 및 제2유동경로 간에 이산화탄소의 유동경로를 전환시킬 수 있다. 상기 제1유동경로는 상기 제1냉각기구(51)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 제2냉각기구(52)를 경유하여 상기 압축부(5)로 공급되는 유동경로이다. 상기 제2유동경로는 상기 제1냉각기구(51)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 제2냉각기구(52)를 바이패스하여 상기 압축부(5)로 공급되는 유동경로이다. 이에 따라, 상기 제2유동경로를 따라 유동하는 이산화탄소는, 상기 제2냉각기구(52)를 거치지 않고 바로 상기 제1냉각기구(51)에서 상기 압축부(5)로 공급된다.
상기 전환부(6)는 일단이 상기 제1냉각기구(51) 및 상기 제2냉각기구(52) 사이에서 순환배관(10)에 연결되고, 타단이 상기 제2냉각기구(52) 및 상기 제1냉각기구(51) 사이에서 순환배관(10)에 연결되게 설치될 수 있다. 상기 전환부(6)는 상기 제1유동경로 및 상기 제2유동경로 간에 이산화탄소의 유동경로를 전환시키기 위한 유로전환밸브를 포함할 수 있다.
상기 전환부(6)는 상기 제1냉각기구(51)로 공급되는 해수의 온도에 따라 상기 제1냉각기구(51)로부터 배출되는 이산화탄소의 유동경로를 전환시킨다. 상기 전환부(6)는 해수의 온도가 기설정된 기준온도 미만이면, 상기 제1냉각기구(51)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 제2유동경로를 따라 유동하도록 유동경로를 전환시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제1냉각기구(51)로부터 배출되는 이산화탄소는 상기 제2냉각기구(52)를 거치지 않고, 바로 상기 압축부(5)로 공급된다. 상기 기준온도는 해수의 온도가 압축률 증대를 위해 이산화탄소를 충분히 냉각시킬 수 있는 온도로, 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 해수의 온도가 충분히 낮은 경우, 이산화탄소의 유동 거리가 불필요하게 증가하는 것을 방지할 수 있고, 이산화탄소가 불필요하게 과냉각되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 선박은 특성상 다양한 지역을 운항하므로, 지역, 날씨, 계절 등에 따라 선박 주변에 위치한 해수의 온도가 변하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 선박의 특성에 적합한 발전시스템을 제공할 수 있다.
상기 전환부(6)는 해수의 온도가 기설정된 기준온도를 초과하면, 상기 제1냉각기구(51)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 제1유동경로를 따라 유동하도록 유동경로를 전환시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제1냉각기구(51)로부터 배출되는 이산화탄소는 상기 제2냉각기구(52)를 거친 후에 상기 압축부(5)로 공급된다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 열교환부(2)는 소기열교환부(22)를 포함할 수 있다.
상기 소기열교환부(22)는 상기 과급기(200)로부터 배출되어 상기 엔진(100)으로 공급되는 소기(Scavenge Air) 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 소기열교환부(22)를 통과하면서 상기 엔진(100)의 폐열 중에서 소기에 의해 가열된다. 이 경우, 상기 엔진(100)의 폐열 중에서 소기가 열원으로 기능한다. 상기 소기열교환부(22)를 통과한 소기는, 상기 이산화탄소가 가열되도록 열을 방출한 후에, 상기 엔진(100)으로 공급된다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.
우선, 소기는 상기 엔진(100)에 공급되는 연소용 공기로, 상기 엔진(100)의 효율을 향상시키기 위해 상기 과급기(200)를 통과하면서 압축되어 상기 엔진(100)으로 공급된다. 그러나, 소기는 상기 과급기(200)를 통과하면서 온도가 함께 상승한다. 이와 같이 온도가 상승된 소기가 상기 엔진(100)에 공급되면, 상기 엔진(100)의 효율이 저하될 수 있고, 상기 엔진(100)의 수명이 단축될 수 있다.
다음, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 소기로부터 열을 흡수하므로, 상기 과급기(200)를 통과하여 상기 엔진(100)으로 공급되는 소기의 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 소기를 이용하여 이산화탄소를 가열함으로써 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 향상시킬 수 있음과 동시에, 상기 엔진(100)에 공급되는 소기의 온도를 낮춤으로써 상기 엔진(100)의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 상기 엔진(100)의 수명을 연장할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 과급기(200)를 통과한 소기의 온도를 낮추기 위한 별도의 냉각 설비를 생략할 수 있으므로, 구축비용 및 운영비용을 절감할 수 있다.
상기 소기열교환부(22)는 상기 순환부(4) 및 상기 터빈부(3) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 소기열교환부(22)는 상기 압축부(4) 및 상기 터빈부(3) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 소기열교환부(22)로 재공급되어 소기로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킬 수 있다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 다른 변형된 실시예에 따르면, 상기 열교환부(2)는 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22)를 모두 포함할 수 있다.
상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22)는 각각 상기 엔진(100)의 폐열 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 상기 배기열교환부(21)는 이산화탄소 및 상기 엔진(100)으로부터 배출되어 상기 과급기(200)를 통과한 배기를 열교환시킨다. 상기 소기열교환부(22)는 이산화탄소 및 상기 과급기(200)를 통과하여 상기 엔진(100)으로 공급되는 소기를 열교환시킨다.
이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 하나의 엔진(100) 및 과급기(200)로부터 이산화탄소가 열을 흡수하는 폐열 회수율을 더 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 더 향상시킬 수 있다.
상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22)는 서로 병렬로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 순환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소는 분기된 후에 상기 열교환부(2)로 공급된다. 상기 순환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소의 일부는 상기 배기열교환부(21)로 공급되고, 나머지 일부는 소기열교환부(22)로 공급된다. 상기 터빈부(3)는 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각으로부터 배출되어 합류한 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다.
이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3) 및 상기 순환부(4)를 통과하는 이산화탄소의 유량에 비해 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각을 통과하는 이산화탄소의 유량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22)가 서로 직렬로 연결된 것과 비교할 때, 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각의 용량을 줄일 수 있으므로, 설치비용 및 운영비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22)가 서로 직렬로 연결된 것과 비교할 때, 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각에서 이산화탄소가 열을 흡수하는 폐열 회수율을 더 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 더 향상시킬 수 있다.
2 : 열교환부 3 : 터빈부
4 : 압축부 5 : 냉각부
51 : 제1냉각기구 52 : 제2냉각기구
100 : 엔진 521 : 이젝터

Claims (6)

  1. 선박에 설치된 엔진의 폐열 및 이산화탄소를 열교환시키는 열교환부;
    상기 발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부;
    상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시키기 위한 냉각부; 및
    상기 냉각부로부터 배출되는 이산화탄소를 압축시키기 위한 압축부를 포함하고,
    상기 냉각부는 해수를 이용하여 상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시키기 위한 제1냉각기구, 및 상기 제1냉각기구에 연결되게 설치되는 제2냉각기구를 포함하며,
    상기 제2냉각기구는 상기 제1냉각기구로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시키기 위한 이젝터를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2냉각기구는 상기 이젝터로부터 배출되는 이산화탄소를 분기시키기 위한 분기기구, 및 상기 분기기구에 연결되게 설치되는 팽창기구를 포함하고;
    상기 분기기구는 상기 이젝터로부터 배출되는 이산화탄소의 일부를 상기 압축부로 공급하고, 나머지 일부를 상기 팽창기구로 공급하며;
    상기 팽창기구는 상기 분기기구로부터 공급되는 이산화탄소가 냉각되도록 이산화탄소를 팽창시키는 팽창기구를 포함하고;
    상기 이젝터는 상기 팽창기구로부터 공급되는 이산화탄소 및 상기 터빈부로부터 배출되는 이산화탄소를 혼합하여 배출시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2냉각기구는 상기 이젝터로부터 배출되는 이산화탄소가 냉각되도록 상기 이젝터로부터 배출되는 이산화탄소, 및 상기 팽창기구로부터 배출되는 이산화탄소를 열교환시키는 열교환기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1냉각기구로 공급되는 해수의 온도에 따라 상기 제1냉각기구로부터 배출되는 이산화탄소의 유동경로를 전환시키는 전환부를 포함하고;
    상기 전환부는 해수의 온도가 기설정된 기준온도 미만이면, 상기 제1냉각기구로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 제2냉각기구를 바이패스하여 상기 압축부로 공급되도록 상기 제1냉각기구로부터 배출되는 이산화탄소의 유동경로를 전환시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부는 상기 엔진으로부터 배출되어 과급기를 통과하는 배기(Exhaust gas) 및 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부, 및 상기 과급기로부터 배출되어 상기 엔진으로 공급되는 소기(Scavenge Air) 및 이산화탄소를 열교환시키는 소기열교환부 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부는 상기 엔진으로부터 배출되어 과급기를 통과하는 배기 및 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부, 및 상기 과급기로부터 배출되어 상기 엔진으로 공급되는 소기 및 이산화탄소를 열교환시키는 소기열교환부를 포함하고,
    상기 임펠러는 상기 배기열교환부 및 상기 소기열교환부 각각으로부터 배출되어 합류한 초임계 이산화탄소에 의해 회전되며,
    상기 배기열교환부 및 상기 소기열교환부는 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
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