KR20160017738A - 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카운터플로 방식으로 엔진의 폐열과 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 열교환부, 및 발전기가 전기를 생산하도록 상기 열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.

Description

초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 포함하는 선박{Supercritical Carbon Dioxide Power Generation System and Ship having the same}
본 발명은 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
연소로, 보일러 등은 소정의 연료를 연소시키면서 이산화탄소(Carbon Dioxide)가 포함된 배가스를 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 배가스를 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 배가스로부터 이산화탄소를 포집하여 저장하는 CCS(Carbong Capture and Storage) 기술에 대한 개발이 활발하게 진행되면서, 포집한 이산화탄소를 에너지로 변환하는 기술에 대한 개발로 이어지고 있다.
예를 들어, 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 요구를 해소하고자 안출된 것으로, 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템은 엔진으로부터 배출되는 배기(Exhaust Gas) 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부; 상기 배기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 및 상기 배기열교환부에서 이산화탄소가 초임계 상태로 배기로부터 열을 흡수하도록 상기 배기열교환부에 초임계 상태의 이산화탄소를 공급하는 순환부를 포함할 수 있다. 상기 배기열교환부는 서로 반대되는 방향으로 유동하는 배기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시킬 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템은 과급기로부터 배출되어 엔진으로 공급되는 소기(Scavenge Air) 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 소기열교환부; 발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 소기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 및 상기 소기열교환부에서 이산화탄소가 초임계 상태로 소기로부터 열을 흡수하도록 상기 소기열교환부에 초임계 상태의 이산화탄소를 공급하는 순환부를 포함할 수 있다. 상기 소기열교환부는 서로 반대되는 방향으로 유동하는 소기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시킬 수 있다.
본 발명에 따른 선박은 선체를 이동시키기 위한 추진력을 발생시키는 엔진; 상기 선체에 설치되는 발전기; 상기 엔진으로부터 배출되는 배기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부; 및 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 배기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부를 포함할 수 있다. 상기 배기열교환부는 서로 반대되는 방향으로 유동하는 배기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 카운터플로를 적용하여 초임계 이산화탄소가 가열되도록 구현됨으로써, 초임계 이산화탄소를 이용한 열 회수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 전기를 생산하도록 구현됨으로써 소형화를 실현할 수 있으므로, 선박 등과 같이 설치공간이 협소한 곳에 용이하게 설치되어 공간 활용도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 환경오염물질인 이산화탄소를 이용하여 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키므로, 환경오염물질인 이산화탄소를 정화하는데 필요한 설비 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
도 2는 본 발명에 따른 열교환부의 개념도
도 3은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
도 4는 본 발명의 다른 변형된 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
도 5는 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도
이하에서는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도, 도 2는 본 발명에 따른 열교환부의 개념도, 도 3은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도, 도 4는 본 발명의 다른 변형된 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소(Supercritical Carbon Dioxide)를 이용하여 전기를 생산하는 발전기(300)를 동작시키기 위한 것이다. 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 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 열교환부(2), 및 상기 열교환부(2)로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부(3)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 열교환부(2)는 엔진(100)의 폐열 및 초임계 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 초임계 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 초임계 이산화탄소가 이동할 수 있는 파이프 등과 같은 순환배관을 통해 상기 터빈부(3)에 연결된다.
상기 열교환부(2)는 이산화탄소가 초임계 상태에서 카운터플로 방식으로 엔진(100)의 폐열에 의해 가열되도록 구현된다. 예컨대, 상기 엔진(100)의 폐열이 상기 엔진(100)에 설치된 과급기(200)로부터 배출되어 상기 엔진(100)으로 공급되는 소기(Scavange Air)인 경우, 상기 열교환부(2)는 서로 반대되는 방향으로 유동하는 소기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시킨다. 예컨대, 상기 엔진(100)의 폐열이 상기 엔진(100)으로부터 배출되는 배기(Exhaust Gas)인 경우, 상기 열교환부(2)는 서로 반대되는 방향으로 유동하는 배기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시킨다.
이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 다른 종류의 열교환매체를 이용하는 것과 대비할 때, 폐열 회수율을 향상시킬 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
우선, 배기가 상측으로 유동하고, 초임계 이산화탄소 외에 다른 종류의 열교환매체로 물(H2O)이 하측으로 유동하면서 카운터플로 방식으로 열교환하는 경우, 물은 액체 상태로 배로부터 열을 흡수함에 따라 일부가 기체로 상변화를 하게 된다. 이에 따라, 물이 하측으로 유동하는 과정에서 기포 내지 증기가 발생하게 된다. 이와 같이 발생한 기포 내지 증기는 물의 유동 방향에 역류하여 상측으로 이동하면서 물의 유동을 저하시킴으로써, 폐열 회수율을 저하시키는 문제가 있다. 따라서, 물과 같이 엔진(100)의 폐열과 열교환하면서 일부가 상변화를 하는 열교환매체는, 카운터플로 방식을 적용하기에 적합하지 않기 때문에, 카운터플로 방식에 비해 폐열 회수율이 낮음에도 불구하고 배기와 동일한 방향으로 유동하면서 열교환하도록 구현될 수밖에 없다.
다음, 도 2에 도시된 바와 같이 배기가 배기부재(110)를 따라 상측으로 유동하고, 초임계 이산화탄소가 열교환부(2)에서 하측으로 유동하면서 카운터플로 방식으로 열교환하는 경우, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 초임계 상태에서 배기로부터 열을 흡수하게 되므로 상변화를 하지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 열교환매체가 배기와 동일한 방향으로 유동하면서 열교환하는 방식과 대비할 때 폐열 회수율이 더 우수한 카운터플로 방식을 적용할 수 있으므로, 폐열 회수율을 향상시킬 수 있다.
도 1을 참고하면, 상기 열교환부(2)는 배기열교환부(21)를 포함할 수 있다.
상기 배기열교환부(21)는 상기 엔진(100)으로부터 배출되어 상기 과급기(200)를 통과한 배기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 초임계 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, 초임계 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.
상기 배기열교환부(21)는 서로 반대되는 방향으로 유동하는 배기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 카운터플로를 적용하여 초임계 이산화탄소가 가열되도록 구현됨으로써, 초임계 이산화탄소를 이용한 폐열 회수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 배기열교환부(21)는 초임계 이산화탄소를 중력 방향 쪽으로 유동시킬 수 있다. 중력 방향 쪽은 초임계 이산화탄소에 중력이 작용하는 방향이다. 예컨대, 중력 방향 쪽은 하측 방향으로, 수직 하방 또는 수직 하방으로부터 소정 각도 범위 이내의 하방일 수 있다. 상기 배기열교환부(21)는 상측 방향으로 유동하는 배기 및 하측 방향으로 유동하는 초임계 이산화탄소를 열교환시킬 수 있다.
도 1을 참고하면, 상기 터빈부(3)는 상기 발전기(300)에 연결된다. 상기 터빈부(3)는 상기 배기열교환부(21)로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 동력을 발생시킨다. 상기 배기열교환부(21)로부터 배출되는 초임계 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 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 열교환매체를 초임계 상태의 작동유체로 이용하는 것과 비교할 때, 상기 열교환부(2) 및 상기 터빈부(3)를 소형화할 수 있다. 초임계 이산화탄소는 물과 같은 다른 열교환매체가 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 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.
셋째, 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.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 순환부(4)를 포함할 수 있다.
상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3) 및 상기 열교환부(2) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 순환부(4)는 상기 열교환부(2)에서 이산화탄소가 초임계 상태로 배기 또는 소기로부터 열을 흡수하도록 상기 열교환부(2)에 초임계 상태의 이산화탄소를 공급한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 카운터플로를 적용하여 초임계 이산화탄소가 가열되도록 구현됨으로써, 초임계 이산화탄소를 이용한 폐열 회수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킨다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도를 낮추고, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 압력을 높이다. 이에 따라, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소는, 상기 순환부(4)를 통해 다시 상기 열교환부(2)에서 배기 또는 소기로부터 열을 흡수하여 상기 터빈부(3)를 작동시킬 수 있는 상태로 조절된다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 배기열교환부(21)로 재공급되어 배기로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킬 수 있다.
상기 순환부(4)는 냉각부(41) 및 압축부(42)를 포함할 수 있다.
상기 냉각부(41)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각함으로써, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도를 낮춘다. 상기 냉각부(41)는 전기 등에 의해 동작하는 쿨러(Cooler)를 이용하여 이산화탄소를 냉각할 수 있다. 상기 냉각부(41)는 이산화탄소를 냉각할 수 있는 냉각매체 및 이산화탄소를 열교환시킴으로써, 이산화탄소를 냉각할 수도 있다.
상기 압축부(42)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 압축함으로써, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 압력을 높인다. 상기 압축부(42)는 상기 냉각부(41) 및 상기 열교환부(2) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 압축부(42)는 상기 냉각부(41) 및 상기 배기열교환부(21) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 압축부(42)는 상기 냉각부(41)에 의해 냉각된 이산화탄소를 압축한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각한 후에 압축함으로써, 상기 압축부(42)가 이산화탄소를 압축하는 압축률을 증대시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소가 상기 열교환부(2)에서 열을 흡수하는 폐열 회수율을 더 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 더 향상시킬 수 있다.
상기 압축부(42)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 트랜스크리티컬 사이클(Transcritical Cycle)로 구현될 수 있다. 이산화탄소는 상기 터빈부(3)로부터 배출된 후에 미임계 상태로 변화되고, 상기 압축부(42)에서 초임계 상태로 변화될 수 있다.
상기 압축부(42)는 상기 터빈부(42)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 슈퍼크리티컬 사이클(Supercritical Cycle)로 구현될 수 있다.
도 3을 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 및 초임계 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 초임계 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, 초임계 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 초임계 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 초임계 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 효율 향상 및 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 서로 반대되는 방향으로 유동하는 소기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 카운터플로를 적용하여 초임계 이산화탄소가 소기에 의해 가열되도록 구현됨으로써, 초임계 이산화탄소를 이용한 폐열 회수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 소기열교환부(22)는 상기 순환부(4) 및 상기 터빈부(3) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 소기열교환부(22)는 상기 압축부(42) 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. 상기 순환부(4)는 상기 소기열교환부(22)에서 이산화탄소가 초임계 상태로 소기로부터 열을 흡수하도록 상기 소기열교환부(22)에 초임계 상태의 이산화탄소를 공급할 수 있다.
도 4를 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 초임계 이산화탄소를 열교환시킨다. 상기 배기열교환부(21)는 초임계 이산화탄소 및 상기 엔진(100)으로부터 배출되어 상기 과급기(200)를 통과한 배기를 열교환시킨다. 상기 소기열교환부(22)는 초임계 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 초임계 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.
도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 분기부(5) 및 합류부(6)를 포함할 수 있다.
상기 분기부(5)는 상기 순환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소를 분기시킨다. 이에 따라, 상기 순환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소는 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각으로 공급된다. 상기 분기부(5)는 상기 압축부(42)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각으로 공급되도록 상기 압축부(42)로부터 배출되는 이산화탄소를 분기시킬 수 있다. 상기 분기부(5)에는 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각으로 공급되는 이산화탄소의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브가 설치될 수 있다. 상기 분기부(5)는 일측이 상기 압축부(42)에 연결되고, 타측이 상기 배기열교환부(21)와 상기 소기열교환부(22) 각각에 연결되게 설치된다.
상기 합류부(6)는 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각으로부터 배출되는 이산화탄소를 합류시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각에서 열을 흡수하여 가열된 후에, 상기 합류부(6)에서 합류하여 상기 터빈부(3)로 공급될 수 있다. 상기 합류부(6)는 일측이 상기 터빈부(3)에 연결되고, 타측이 상기 배기열교환부(21)와 상기 소기열교환부(22) 각각에 연결되게 설치된다.
이하에서는 본 발명에 따른 선박의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 선박(10)은 선체(11)에 설치되는 엔진(100), 상기 엔진(100)에 설치되는 과급기(200), 및 상기 선체(11)에 설치되는 발전기(300)를 포함한다. 본 발명에 따른 선박(10)은 상술한 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)을 더 포함한다. 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상술한 바와 같으므로, 구체적인 설명은 생략한다. 본 발명에 따른 선박(10)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.
첫째, 본 발명에 따른 선박(10)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), 및 상기 순환부(4)를 소형화할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박(10)은 전체적인 크기가 감소될 수 있으므로, 선체(11) 내부에 대한 공간활용도를 향상시킬 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 선박(10)은 이산화탄소가 상기 선체(11)에 설치된 엔진(100)의 폐열로 가열되도록 구현됨으로써, 이산화탄소를 가열하기 위한 열원을 마련하기 위해 추가로 연소로 등을 이용하여 연료를 연소시킬 필요 없이 전기를 생산할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 선박(10)은 종래에 선체(11) 내부에 설치된 발전기의 대수를 줄일 수 있으므로, 건조비용 및 운영비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 친환경 선박을 구현할 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 선박(10)은 환경오염물질인 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하도록 구현됨으로써, 환경오염물질인 이산화탄소를 상기 선체(11) 내부에서 전기를 이용하여 동작하는 기기들에 전기를 공급하기 위한 용도로 활용할 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 상기 선체(11)는 본 발명에 따른 선박(10)의 전체적인 외관을 이룬다. 상기 선체(11)에는 상기 엔진(100), 상기 과급기(200), 상기 발전기(300), 및 상기 발전시스템(1)이 설치된다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 상기 엔진(100)은 상기 선체(11)를 이동시키기 위한 추진력을 발생시킨다. 상기 엔진(100)은 상기 선체(11)의 외부에 설치된 추진장치(12, 도 5에 도시됨)를 회전시킴으로써, 추진력을 발생시킬 수 있다. 상기 엔진(100)은 경유 또는 중유를 연료로 사용하는 디젤엔진(Diesel Engine), 경유와 LNG를 연료로 사용하는 혼소엔진(Dual Feul Engine), 및 가스엔진(Gas Engine) 중 어느 하나일 수 있다. 상기 디젤엔진은 경유 또는 중유를 연료로 사용하는 것이다. 상기 혼소엔진은 경유와 액화천연가스(LNG)를 연료로 사용하는 것이다. 상기 가스엔진은 액화석유가스(LPG), 석탄가스, 목탄가스, 천연가스 등의 가스를 연료로 사용하는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 선박(10)은 다양한 연료를 사용하는 엔진(100)의 폐열을 이용하여 전기를 생산할 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 상기 과급기(200)는 상기 엔진(100)으로부터 배출되는 배기를 이용하여 상기 엔진(100)에 공급하기 위한 소기를 압축한다. 상기 열교환부(2)는 초임계 이산화탄소를 배기와 소기 중에서 어느 하나와 열교환시킬 수 있다. 이 경우, 상기 열교환부(2)는 상기 배기열교환기(21) 및 상기 소기열교환기(22) 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 열교환부(2)는 초임계 이산화탄소를 배기와 소기 모두와 열교환시킬 수도 있다. 이 경우, 상기 열교환부(2)는 상기 배기열교환기(21) 및 상기 소기열교환기(22)를 모두 포함할 수 있다. 상기 열교환부(2)가 상기 소기열교환기(22)를 포함하는 경우, 본 발명에 따른 선박(10)은 해수를 이용하여 소기를 냉각시키는 냉각설비를 생략할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박(10)은 건조비용 및 운영비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 엔진(100)의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참고하면, 상기 발전기(300)는 상기 터빈부(3)가 발생시킨 동력을 이용하여 전기를 생산한다. 상기 발전기(300)는 상기 선체(11)에 설치된다. 상기 발전기(300)는 생산한 전기를 저장하거나, 생산한 전기를 상기 선체(11)에서 전기를 이용하여 동작하는 기기들에 공급할 수 있다.
2 : 열교환부 3 : 터빈부
4 : 순환부 10 : 선박
21 : 배기열교환부 22 : 소기열교환부
41 : 냉각부 42 : 압축부

Claims (7)

  1. 엔진으로부터 배출되는 배기(Exhaust Gas) 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부;
    상기 배기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 및
    상기 배기열교환부에서 이산화탄소가 초임계 상태로 배기로부터 열을 흡수하도록 상기 배기열교환부에 초임계 상태의 이산화탄소를 공급하는 순환부를 포함하고,
    상기 배기열교환부는 서로 반대되는 방향으로 유동하는 배기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔진에 설치된 과급기로부터 배출되어 상기 엔진으로 공급되는 소기(Scavenge Air) 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 소기열교환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 터빈부는 상기 배기열교환부 및 상기 소기열교환부 각각으로부터 배출되어 합류한 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키고,
    상기 배기열교환부 및 상기 소기열교환부는 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배기열교환부는 초임계 이산화탄소에 중력이 작용하는 중력 방향 쪽으로 초임계 이산화탄소를 유동시켜서, 서로 반대되는 방향으로 유동하는 배기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  5. 과급기로부터 배출되어 엔진으로 공급되는 소기(Scavenge Air) 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 소기열교환부;
    발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 소기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부;
    상기 소기열교환부에서 이산화탄소가 초임계 상태로 소기로부터 열을 흡수하도록 상기 소기열교환부에 초임계 상태의 이산화탄소를 공급하는 순환부를 포함하고,
    상기 소기열교환부는 서로 반대되는 방향으로 유동하는 소기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  6. 선체를 이동시키기 위한 추진력을 발생시키는 엔진;
    상기 선체에 설치되는 발전기;
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부; 및
    상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 배기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부를 포함하고,
    상기 배기열교환부는 서로 반대되는 방향으로 유동하는 배기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 것을 특징으로 하는 선박.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 엔진에 설치된 과급기로부터 배출되어 상기 엔진으로 공급되는 소기 및 초임계 이산화탄소를 열교환시키는 소기열교환부를 더 포함하고,
    상기 배기열교환부 및 상기 소기열교환부는 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 선박.
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