KR20160073353A - 초임계 이산화탄소 발전시스템 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진의 폐열과 이산화탄소를 열교환시키는 열교환부, 발전기가 전기를 생산하도록 상기 열교환부로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부, 상기 터빈부와 상기 발전기가 설치되는 케이싱, 및 상기 터빈부에서 상기 케이싱의 내부로 누설되는 이산화탄소를 회수하기 위한 회수부를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전시스템에 관한 것이다.

Description

초임계 이산화탄소 발전시스템{Supercritical Carbon Dioxide Power Generation System}
본 발명은 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전시스템에 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 엔진의 폐열로부터 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 초임계 이산화탄소 발전시스템은 엔진으로부터 배출되어 과급기를 통과한 배기(Exhaust gas) 및 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부; 발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 배기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 상기 터빈부와 상기 발전기가 설치되는 케이싱; 및 상기 케이싱에 결합되고, 상기 터빈부에서 상기 케이싱의 내부로 누설되는 이산화탄소를 회수하기 위한 회수부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템은 과급기로부터 배출되어 엔진으로 공급되는 소기(Scavenge Air) 및 이산화탄소를 열교환시키는 소기열교환부; 발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 소기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 상기 터빈부와 상기 발전기가 설치되는 케이싱; 및 상기 케이싱에 결합되고, 상기 터빈부에서 상기 케이싱의 내부로 누설되는 이산화탄소를 회수하기 위한 회수부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 전기를 생산하는 과정에서 손실되는 이산화탄소를 회수할 수 있도록 구현됨으로써, 이산화탄소에 대한 손실을 줄일 수 있고, 이로 인해 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 1은 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
도 2는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템에 있어서 회수부를 설명하기 위한 개략적인 블록도
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
이하에서는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1을 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 1을 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 유동할 수 있는 파이프 등과 같은 순환배관을 통해 상기 터빈부(3)에 연결된다.
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 1을 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 1을 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 케이싱(4), 및 회수부(5)를 포함할 수 있다.
상기 케이싱(4)에는 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)가 설치된다. 상기 케이싱(4)은 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)가 설치된 내부 공간을 밀폐하는 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 터빈부(3)를 통과하는 과정에서 상기 터빈부(3)로부터 누설됨에 따라 상기 케이싱(4)의 내부에 채워질 수 있다. 예컨대, 이산화탄소는 상기 터빈부(3)가 갖는 임펠러의 후면 쪽으로 유동함에 따라 상기 터빈부(3)로부터 누설될 수 있다. 상기 임펠러의 후면 쪽은 상기 터빈부(3)와 상기 발전기(300)를 연결하는 샤프트가 위치한 부분으로, 샤프트가 회전 가능하게 설치되어야 하므로 밀폐력이 약한 부분이기 때문이다. 예컨대, 상기 케이싱(4)은 내부가 비어 있는 직방체 형태로 형성될 수 있다.
상기 회수부(5)는 상기 케이싱(4)에 결합된다. 상기 회수부(5)는 상기 터빈부(3)에서 상기 케이싱(4)의 내부로 누설되는 이산화탄소를 회수한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 전기를 생산하는 과정에서 손실되는 이산화탄소를 회수할 수 있으므로, 이산화탄소에 대한 손실을 줄임으로써 운영비용을 절감할 수 있다. 상기 회수부(5)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 케이싱(4)의 내부에 연결되게 설치될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 회수부(5)는 배출기구(51), 액화기구(52), 및 저장기구(53)를 포함할 수 있다.
상기 배출기구(51)는 상기 케이싱(4)의 내부에 존재하는 이산화탄소를 상기 케이싱(4)의 외부로 배출시킨다. 상기 배출기구(51)는 일측이 상기 케이싱(4)의 내부에 연결되고, 타측이 상기 액화기구(52)에 연결되게 설치된다. 상기 배출기구(51)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 케이싱(4) 및 상기 액화기구(52) 각각에 연결되게 설치될 수 있다. 상기 배출기구(51)는 파이프 등과 같은 배관에서 이산화탄소가 유동하는 유로를 개폐하기 위한 밸브를 포함할 수 있다. 상기 배출기구(51)는 이산화탄소를 상기 케이싱(4)의 외부로 배출시키기 위한 이송수단을 포함할 수도 있다. 상기 이송수단은 팬(Fan)일 수 있다.
상기 액화기구(52)는 상기 배출기구(51)에 의해 상기 케이싱(4)으로부터 배출되는 이산화탄소를 액화시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 케이싱(4)으로부터 배출되는 이산화탄소의 부피를 감소시킴으로써, 상기 저장기구(53)의 크기를 줄이거나 상기 저장기구(53)에 더 많은 양의 이산화탄소를 저장할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 구축비용을 절감할 수 있다. 상기 액화기구(52)는 일측이 상기 배출기구(51)에 연결되고, 타측이 상기 저장기구(53)에 연결되게 설치된다. 상기 액화기구(52)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 배출기구(51) 및 상기 저장기구(53) 각각에 연결되게 설치될 수 있다.
상기 액화기구(52)는 냉각기구(521) 및 압축기구(522)를 포함할 수 있다.
상기 냉각기구(521)는 상기 케이싱(4)으로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시킨다. 상기 냉각기구(521)는 전기 등에 의해 동작하는 쿨러(Cooler)를 이용하여 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각기구(521)는 이산화탄소를 냉각할 수 있는 냉각매체 및 이산화탄소를 열교환시킴으로써, 이산화탄소를 냉각시킬 수도 있다.
상기 압축기구(522)는 상기 케이싱(4)으로부터 배출되는 이산화탄소를 압축시킨다. 상기 압축기구(522)는 상기 배출기구(51) 및 상기 냉각기구(521) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 상기 압축기구(522)는 상기 냉각기구(521) 및 상기 저장기구(53) 사이에 위치되게 설치될 수도 있다. 이 경우, 상기 압축기구(522)는 상기 냉각기구(521)에 의해 냉각된 이산화탄소를 압축시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 케이싱(4)으로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시킨 후에 압축시킴으로써, 상기 압축기구(522)가 이산화탄소를 압축시키는 압축률을 증대시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 케이싱(4)으로부터 배출되는 이산화탄소의 부피를 더 감소시킴으로써, 상기 저장기구(53)의 크기를 더 줄이거나 상기 저장기구(53)에 더 많은 양의 이산화탄소를 저장할 수 있다.
상기 저장기구(53)는 상기 액화기구(52)로부터 배출되는 액체 상태의 이산화탄소를 저장한다. 상기 저장기구(53)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 액화기구(52)에 연결되게 설치될 수 있다. 상기 저장기구(53)는 저장된 이산화탄소가 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소에 합류하도록 이산화탄소를 공급할 수도 있다. 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)이 선박에 설치되는 경우, 상기 저장기구(53)에 저장된 이산화탄소는 선박에서 화재 진압 등을 위한 용도로 활용될 수도 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 회수부(5)는 센서기구(54)를 포함할 수 있다.
상기 센서기구(54)는 상기 케이싱(4)의 내부 압력을 측정한다. 상기 센서기구(54)는 압력센서일 수 있다. 상기 센서기구(54)는 상기 케이싱(4)의 내부에 위치되게 상기 케이싱(4)에 결합될 수 있다. 상기 센서기구(54)는 측정한 압력을 유선통신 및 무선통신 중에서 적어도 하나를 이용하여 상기 배출기구(51)에 제공할 수 있다.
상기 배출기구(51)는 상기 센서기구(54)가 측정한 압력이 기설정된 기준압력을 초과하면, 상기 케이싱(4)으로부터 이산화탄소를 배출시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 배출기구(51)가 지속적으로 상기 케이싱(4)으로부터 이산화탄소를 배출시킴에 따라 상기 터빈부(3)로부터 누설되는 이산화탄소의 유량이 증가하는 것을 방지할 수 있다. 상기 기준압력은 상기 케이싱(4)의 내부가 이산화탄소로 채워짐에 따라 상기 케이싱(4)이 손상 내지 파손될 우려가 있는 압력값으로, 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 순환부(6)를 포함할 수 있다.
상기 순환부(6)는 상기 터빈부(3) 및 상기 열교환부(2) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 순환부(6)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킨다. 상기 순환부(6)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도를 낮추고, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 압력을 높인다. 이에 따라, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소는, 상기 순환부(6)를 통해 다시 상기 열교환부(2)에서 배기의 열을 흡수하여 상기 터빈부(3)를 작동시킬 수 있는 상태로 조절된다. 상기 순환부(6)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(6)는 냉각부(61) 및 압축부(62)를 포함할 수 있다.
상기 냉각부(61)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시킴으로써, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도를 낮춘다. 상기 냉각부(61)는 전기 등에 의해 동작하는 쿨러를 이용하여 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각부(61)는 이산화탄소를 냉각할 수 있는 냉각매체 및 이산화탄소를 열교환시킴으로써, 이산화탄소를 냉각할 수도 있다.
상기 압축부(62)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 압축시킴으로써, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 압력을 높인다. 상기 압축부(62)는 상기 냉각부(61) 및 상기 열교환부(2) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 압축부(62)는 상기 냉각부(61) 및 상기 배기열교환부(21) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 압축부(62)는 상기 냉각부(61)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(62)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(62)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(62)에서 초임계 상태로 변화될 수 있다. 이산화탄소는 상기 터빈부(3)로부터 배출된 후에 미임계 상태로 변화되고, 상기 압축부(62) 및 상기 열교환부(2)를 통과하면서 초임계 상태로 변화될 수도 있다.
상기 압축부(62)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 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(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(6) 및 상기 터빈부(3) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 소기열교환부(22)는 상기 압축부(62) 및 상기 터빈부(3) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 상기 순환부(6)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 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 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(6)로부터 배출되는 이산화탄소는 분기된 후에 상기 열교환부(2)로 공급된다. 상기 순환부(6)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(6)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 : 케이싱 5 : 회수부
6 : 순환부 100 : 엔진

Claims (7)

  1. 엔진으로부터 배출되어 과급기를 통과한 배기(Exhaust gas) 및 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부;
    발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 배기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부;
    상기 터빈부와 상기 발전기가 설치되는 케이싱; 및
    상기 케이싱에 결합되고, 상기 터빈부에서 상기 케이싱의 내부로 누설되는 이산화탄소를 회수하기 위한 회수부를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회수부는
    상기 케이싱의 내부에 존재하는 이산화탄소를 상기 케이싱의 외부로 배출시키기 위한 배출기구;
    상기 배출기구에 의해 상기 케이싱으로부터 배출되는 이산화탄소를 액화시키기 위한 액화기구; 및
    상기 액화기구로부터 배출되는 액체 상태의 이산화탄소를 저장하기 위한 저장기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 액화기구는
    상기 케이싱으로부터 배출되는 이산화탄소를 압축시키기 위한 압축기구, 및
    상기 케이싱으로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시키기 위한 냉각기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회수부는 상기 케이싱의 내부에 존재하는 이산화탄소를 상기 케이싱의 외부로 배출시키기 위한 배출기구, 및 상기 케이싱의 내부 압력을 측정하기 위한 센서기구를 포함하고;
    상기 배출기구는 상기 센서기구가 측정한 압력이 기설정된 기준압력을 초과하면, 상기 케이싱으로부터 이산화탄소를 배출시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 과급기로부터 배출되어 상기 엔진으로 공급되는 소기(Scavenge Air) 및 이산화탄소를 열교환시키는 소기열교환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템
  6. 제5항에 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
  7. 과급기로부터 배출되어 엔진으로 공급되는 소기(Scavenge Air) 및 이산화탄소를 열교환시키는 소기열교환부;
    발전기에 연결되고, 상기 발전기가 전기를 생산하도록 상기 소기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부;
    상기 터빈부와 상기 발전기가 설치되는 케이싱; 및
    상기 케이싱에 결합되고, 상기 터빈부에서 상기 케이싱의 내부로 누설되는 이산화탄소를 회수하기 위한 회수부를 포함하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
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