KR20160088847A - 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 포함하는 선박 Download PDF

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KR20160088847A
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박재훈
함진기
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최문호
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현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 엔진으로부터 배출된 배기(Exhaust gas)를 분기시키는 분기부, 상기 분기부에 의해 분기된 제1배기를 이용하여 전기를 생산하기 위한 동력을 발생시키는 가스터빈부, 상기 분기부에 의해 분기되어 상기 엔진에 설치된 과급기를 통과한 제2배기 및 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부, 및 상기 배기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하기 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 과급기가 설치된 엔진의 폐열로부터 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 배출된 배기(Exhaust gas)를 분기시키는 분기부; 상기 분기부에 의해 분기된 제1배기를 이용하여 전기를 생산하기 위한 동력을 발생시키는 가스터빈부; 상기 분기부에 의해 분기되어 상기 엔진에 설치된 과급기를 통과한 제2배기 및 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부; 및 상기 배기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하기 위한 동력을 발생시키는 터빈부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박은 선체를 이동시키기 위한 추진력을 발생시키는 엔진; 상기 엔진으로부터 배출되는 배기(Exhaus Gas)를 이용하여 상기 엔진에 공급하기 위한 소기(Scavenge Air)를 압축하는 과급기; 상기 선체에 설치되는 발전기; 상기 엔진으로부터 배출된 배기를 분기시키는 분기부; 상기 분기부에 의해 분기된 제1배기를 이용하여 전기를 생산하기 위한 동력을 발생시키는 가스터빈부; 상기 분기부에 의해 분기되어 상기 엔진에 설치된 과급기를 통과한 제2배기 및 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부; 및 상기 배기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하기 위한 동력을 발생시키는 터빈부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 전기를 생산하도록 구현됨으로써 전체적인 크기를 소형화할 수 있으므로, 선박 등과 같이 설치공간이 협소한 곳에 용이하게 설치되어 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 있을 뿐만 아니라 엔진의 폐열을 열원으로 이용함으로써 운영비용을 절감할 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 발명의 변형된 실시예에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
도 3은 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도
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 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)으로부터 배출된 배기(Exhaust gas)를 분기시키는 분기부(2), 상기 분기부(2)에 의해 분기된 제1배기를 이용하여 전기를 생산하기 위한 동력을 발생시키는 가스터빈부(3), 상기 분기부(2)에 의해 분기되어 상기 엔진(100)에 설치된 과급기(200)를 통과한 제2배기 및 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부(4), 및 상기 배기열교환부(4)로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하기 위한 동력을 발생시키는 터빈부(5)를 포함한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 제1배기를 이용하여 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 제2배기로부터 열을 흡수한 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 상기 엔진(100)으로부터 배출되는 배기로부터 상기 가스터빈부(3) 및 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하는 터빈부(5)가 전기를 생산하도록 구현됨으로써, 발전효율을 증대시킬 수 있다.
둘째, 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 배기열교환부(4), 상기 터빈부(5) 등을 소형화할 수 있다. 초임계 이산화탄소는 물과 같은 다른 유체가 초임계 상태일 때와 비교할 때, 더 밀도가 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.
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.
넷째, 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 분기부(2), 상기 가스터빈부(3), 상기 배기열교환부(4), 및 상기 터빈부(5)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1을 참고하면, 상기 분기부(2)는 상기 엔진(100)으로부터 배출되는 배기를 분기시킨다. 상기 분기부(2)는 상기 엔진(100) 및 상기 과급기(200) 사이에 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 분기부(2)는 상기 엔진(100)으로부터 배출되는 배기를 상기 과급기(200)에 공급되기 이전에 제1배기와 제2배기로 분기시킬 수 있다. 상기 분기부(2)에 의해 분기된 제1배기는 상기 가스터빈부(3)로 공급된다. 상기 분기부(2)에 분기되 제2배기는 상기 과급기(200)로 공급된다. 상기 분기부(5)는 상기 가스터빈부(3) 및 상기 과급기(200) 각각으로 공급되는 배기의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브를 포함할 수 있다.
도 1을 참고하면, 상기 가스터빈부(3)는 상기 발전기(300)에 연결된다. 상기 가스터빈부(3)는 제1배기를 이용하여 동력을 발생시킨다. 상기 제1배기는 상기 가스터빈부(3)를 통과하면서 상기 가스터빈부(3)가 갖는 임펠러를 회전시킴으로써 동력을 발생시킬 수 있다. 상기 발전기(300)는 상기 가스터빈부(3)로부터 제공되는 동력을 이용하여 전기를 생산한다. 상기 발전기(300)는 샤프트 등을 통해 상기 가스터빈부(3)에 연결될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하는 터빈부(5)에 추가로 상기 가스터빈부(3)를 이용하여 전기를 생산함으로써, 발전효율을 증대시킬 수 있다.
도 1을 참고하면, 상기 배기열교환부(4)는 상기 엔진(100)으로부터 배출되어 상기 과급기(200)를 통과한 제2배기 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 배기열교환부(4)를 통과하면서 제2배기에 의해 가열된다. 이 경우, 제2배기가 열원으로 기능한다. 상기 배기열교환부(4)를 통과한 제2배기는, 이산화탄소가 가열되도록 열을 방출한 후에, 스택(미도시)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기는 파이프 등의 배관을 따라 이동하면서 상기 과급기(200), 상기 배기열교환부(4), 및 스택을 순차적으로 통과할 수 있다. 상기 배기열교환부(4)는 상기 터빈부(5)에 연결되게 설치된다. 상기 배기열교환부(4)는 이산화탄소가 이동할 수 있는 파이프 등과 같은 순환배관을 통해 상기 터빈부(5)에 연결된다.
도 1을 참고하면, 상기 터빈부(5)는 상기 발전기(300)에 연결된다. 상기 터빈부(5)는 상기 배기열교환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 동력을 발생시킨다. 상기 배기열교환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소는, 상기 터빈부(5)를 통과하면서 상기 터빈부(5)가 갖는 임펠러를 회전시킴으로써 동력을 발생시킬 수 있다. 상기 발전기(300)는 상기 터빈부(5)로부터 제공되는 동력을 이용하여 전기를 생산한다. 상기 발전기(300)는 샤프트 등을 통해 상기 터빈부(5)에 연결될 수 있다.
상기 터빈부(5)는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다. 상기 배기열교환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소는 초임계 상태로 상기 터빈부(5)를 통과하면서 동력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 터빈부(5)가 동력을 발생시키도록 구현됨으로써, 상기 터빈부(5)를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 상기 터빈부(5) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산되는 전기에 대한 발전효율을 향상시킬 수 있다.
상기 터빈부(5) 및 상기 가스터빈부(3)는 서로 다른 발전기(300)에 연결되게 설치됨으로써, 서로 다른 발전기(300)에 대해 개별적으로 전기를 생산하기 위한 동력을 제공할 수 있다.
도 1을 참고하면, 상기 터빈부(5) 및 상기 가스터빈부(3)는 동일한 발전기(300)에 연결되게 설치될 수도 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(5) 및 상기 가스터빈부(3)가 서로 다른 발전기(300)에 연결되게 설치되는 실시예와 대비할 때, 발전기의 대수를 줄일 수 있으므로, 구축비용 및 유지보수비용을 절감할 수 있다.
상기 터빈부(5) 및 상기 가스터빈부(3)가 동일한 발전기(300)에 연결되게 설치되는 경우, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(5) 및 상기 가스터빈부(3) 중에서 적어도 하나에 연결되게 설치되는 변속부(6)를 포함할 수 있다.
상기 변속부(6)가 상기 가스터빈부(3)에 연결되게 설치되는 경우, 상기 변속부(6)는 상기 가스터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 연결하는 샤프트 등과 같은 제1동력전달기구에 설치될 수 있다. 상기 제1동력전달기구는 일측이 상기 가스터빈부(3)에 연결되고, 타측이 상기 발전기(300)에 연결된다. 상기 변속부(6)는 상기 제1동력전달기구의 일측이 회전하는 회전속도를 변속시켜서 상기 제1동력전달기구의 타측에 전달한다. 이에 따라, 상기 변속부(6)는 상기 가스터빈부(3)가 발생시키는 회전속도를 변속시켜서 상기 발전기(300)에 전달할 수 있다. 상기 변속부(6)는 상기 가스터빈부(3)로부터 상기 발전기(300)에 전달되는 회전속도 및 상기 터빈부(5)로부터 상기 발전기(300)에 전달되는 회전속도가 일치하도록, 상기 가스터빈부(3)가 발생시키는 회전속도를 변속시켜서 상기 발전기(300)에 전달할 수 있다.
상기 변속부(6)가 상기 터빈부(5)에 연결되게 설치되는 경우, 상기 변속부(6)는 상기 터빈부(5) 및 상기 발전기(300)를 연결하는 샤프트 등과 같은 제2동력전달기구에 설치될 수 있다. 상기 제2동력전달기구는 일측이 상기 터빈부(5)에 연결되고, 타측이 상기 발전기(300)에 연결된다. 상기 변속부(6)는 상기 제2동력전달기구의 일측이 회전하는 회전속도를 변속시켜서 상기 제2동력전달기구의 타측에 전달한다. 이에 따라, 상기 변속부(6)는 상기 터빈부(5)가 발생시키는 회전속도를 변속시켜서 상기 발전기(300)에 전달할 수 있다. 상기 변속부(6)는 상기 터빈부(5)로부터 상기 발전기(300)에 전달되는 회전속도 및 상기 가스터빈부(3)로부터 상기 발전기(300)에 전달되는 회전속도가 일치하도록, 상기 터빈부(5)가 발생시키는 회전속도를 변속시켜서 상기 발전기(300)에 전달할 수 있다.
상기 변속부(6)는 상기 가스터빈부(3) 및 상기 터빈부(5) 모두에 연결되게 설치될 수도 있다. 이 경우, 상기 변속부(6)는 상기 제1동력전달기구에 설치되는 제1변속기구, 및 상기 제2동력전달기구에 설치되는 제2변속기구를 포함할 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 합류부(7)를 포함할 수 있다.
상기 합류부(7)는 상기 가스터빈부(3)를 통과한 제1배기를 상기 과급기(200)를 통과한 제2배기에 합류시킨다. 이에 따라, 상기 배기열교환부(4)는 상기 합류부(7)를 통해 합류한 제1배기와 제2배기를 이산화탄소와 열교환시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 엔진(100)의 폐열로부터 열을 회수하는 열 회수열을 증대시킴으로써, 발전효율을 증대시킬 수 있다. 상기 합류부(7)는 일측이 상기 가스터빈부(3)에 연결되고, 타측이 상기 과급기(200)와 상기 배기열교환부(4)를 연결하는 배관에 연결되게 설치될 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 순환부(8)를 포함할 수 있다.
상기 순환부(8)는 상기 터빈부(5) 및 상기 배기열교환부(4) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 순환부(8)는 상기 터빈부(5)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 배기열교환부(4)로 재공급되어 제2배기로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부(5)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킨다. 상기 순환부(8)는 상기 터빈부(5)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도를 낮추고, 상기 터빈부(5)로부터 배출되는 이산화탄소의 압력을 높인다.
상기 순환부(8)는 냉각부(81) 및 압축부(82)를 포함할 수 있다.
상기 냉각부(81)는 상기 터빈부(5)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각함으로써, 상기 터빈부(5)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도를 낮춘다. 상기 냉각부(81)는 전기 등에 의해 동작하는 쿨러(Cooler)를 이용하여 이산화탄소를 냉각할 수 있다. 상기 냉각부(81)는 이산화탄소를 냉각할 수 있는 냉각매체 및 이산화탄소를 열교환시킴으로써, 이산화탄소를 냉각할 수도 있다.
상기 압축부(82)는 상기 터빈부(5)로부터 배출되는 이산화탄소를 압축함으로써, 상기 터빈부(5)로부터 배출되는 이산화탄소의 압력을 높인다. 상기 압축부(82)는 상기 냉각부(81) 및 상기 배기열교환부(4) 사이에 위치되게 설치된다. 이 경우, 상기 압축부(82)는 상기 냉각부(81)에 의해 냉각된 이산화탄소를 압축한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(5)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각한 후에 압축함으로써, 상기 압축부(82)가 이산화탄소를 압축하는 압축률을 증대시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 상기 배기열교환부(4)에서 열을 흡수하는 폐열 회수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이산화탄소를 이용하여 상기 터빈부(5) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 향상시킬 수 있다.
상기 압축부(82)는 상기 터빈부(5)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(5)로부터 배출된 후에 미임계 상태로 변화되고, 상기 압축부(82)에서 초임계 상태로 변화될 수 있다. 이산화탄소는 상기 터빈부(5)로부터 배출된 후에 미임계 상태로 변화되고, 상기 압축부(82) 및 상기 배기열교환부(4)를 통과하면서 초임계 상태로 변화될 수도 있다.
상기 압축부(82)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 슈퍼 크리티컬 사이클(Supercritical Cycle)로 구현될 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 소기열교환부(9)를 포함할 수 있다.
상기 소기열교환부(9)는 상기 과급기(200)로부터 배출되어 상기 엔진(100)으로 공급되는 소기(Scavenge Air) 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 소기열교환부(9)를 통과하면서 상기 엔진(100)의 폐열 중에서 소기에 의해 가열된다. 이 경우, 상기 엔진(100)의 폐열 중에서 소기가 열원으로 기능한다. 상기 소기열교환부(9)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(5) 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(9)는 상기 순환부(8) 및 상기 터빈부(5) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 소기열교환부(9)는 상기 압축부(82) 및 상기 터빈부(5) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 상기 순환부(8)는 상기 터빈부(5)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 소기열교환부(9)로 재공급되어 소기로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부(5)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킬 수 있다.
본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 배기열교환부(4) 및 상기 소기열교환부(9)를 모두 포함할 수 있다.
상기 배기열교환부(4) 및 상기 소기열교환부(9)는 각각 상기 엔진(100)의 폐열 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 상기 배기열교환부(4)는 이산화탄소 및 상기 엔진(100)으로부터 배출되어 상기 과급기(200)를 통과한 제2배기를 열교환시킨다. 상기 배기열교환부(4)는 상기 합류부(7)를 통해 합류한 제2배기와 제1배기를 이산화탄소와 열교환시킬 수도 있다. 상기 소기열교환부(9)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(5) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 더 향상시킬 수 있다.
상기 배기열교환부(4) 및 상기 소기열교환부(9)는 서로 병렬로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 순환부(8)로부터 배출되는 이산화탄소는 분기된 후에 상기 배기열교환부(4)로 공급된다. 상기 순환부(8)로부터 배출되는 이산화탄소의 일부는 상기 배기열교환부(4)로 공급되고, 나머지 일부는 소기열교환부(9)로 공급된다. 상기 터빈부(5)는 상기 배기열교환부(4) 및 상기 소기열교환부(9) 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(5) 및 상기 순환부(8)를 통과하는 이산화탄소의 유량에 비해 상기 배기열교환부(4) 및 상기 소기열교환부(9) 각각을 통과하는 이산화탄소의 유량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 배기열교환부(4) 및 상기 소기열교환부(9)가 서로 직렬로 연결된 것과 비교할 때, 상기 배기열교환부(4) 및 상기 소기열교환부(9) 각각의 용량을 줄일 수 있으므로, 설치비용 및 운영비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 배기열교환부(4) 및 상기 소기열교환부(9)가 서로 직렬로 연결된 것과 비교할 때, 상기 배기열교환부(4) 및 상기 소기열교환부(9) 각각에서 이산화탄소가 열을 흡수하는 폐열 회수율을 더 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(5) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 더 향상시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 선박의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 선박의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 1 내지 도 3을 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 배기열교환부(4), 상기 터빈부(5) 등을 소형화할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 선박(10)은 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 3을 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 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)이 설치된다.
도 1 내지 도 3을 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 3에 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 3을 참고하면, 상기 과급기(200)는 상기 엔진(100)에 연결되게 설치된다. 상기 과급기(200)는 상기 엔진(100)으로부터 배출되는 배기를 이용하여 상기 엔진(100)에 공급하기 위한 소기를 압축한다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 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. 상기 발전기(300)는 상기 터빈부(5) 및 상기 가스터빈부(3)가 발생시킨 동력을 이용하여 전기를 생산할 수 있다.
2 : 분기부 3 : 가스터빈부
4 : 배기열교환부 5 : 터빈부
6 : 변속부 7 : 합류부
8 : 순환부 9 : 소기열교환부

Claims (6)

  1. 엔진으로부터 배출된 배기(Exhaust gas)를 분기시키는 분기부;
    상기 분기부에 의해 분기된 제1배기를 이용하여 전기를 생산하기 위한 동력을 발생시키는 가스터빈부;
    상기 분기부에 의해 분기되어 상기 엔진에 설치된 과급기를 통과한 제2배기 및 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부;
    상기 과급기로부터 배출되어 엔진으로 공급되는 소기(Scavenge Air) 및 이산화탄소를 열교환시키는 소기열교환부; 및
    상기 배기열교환부 및 상기 소기열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하기 위한 동력을 발생시키는 터빈부를 포함하고,
    상기 터빈부는 상기 배기열교환부 및 상기 소기열교환부 각각으로부터 배출되어 합류한 초임계 이산화탄소를 이용하여 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키며,
    상기 배기열교환부 및 상기 소기열교환부는 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스터빈부를 통과한 제1배기를 상기 과급기를 통과한 제2배기에 합류시키는 합류부를 포함하고,
    상기 배기열교환부는 상기 합류부를 통해 합류한 제1배기와 제2배기를 이산화탄소와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스터빈부 및 상기 터빈부는 동일한 발전기에 연결되어 상기 발전기가 전기를 생산하도록 동력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스터빈부 및 상기 터빈부 중에서 적어도 하나에 연결되는 변속부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
  5. 선체를 이동시키기 위한 추진력을 발생시키는 엔진;
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기(Exhaus Gas)를 이용하여 상기 엔진에 공급하기 위한 소기(Scavenge Air)를 압축하는 과급기;
    상기 선체에 설치되는 발전기;
    상기 엔진으로부터 배출된 배기를 분기시키는 분기부;
    상기 분기부에 의해 분기된 제1배기를 이용하여 전기를 생산하기 위한 동력을 발생시키는 가스터빈부;
    상기 분기부에 의해 분기되어 상기 엔진에 설치된 과급기를 통과한 제2배기 및 이산화탄소를 열교환시키는 배기열교환부;
    상기 과급기로부터 배출되어 상기 엔진으로 공급되는 소기 및 이산화탄소를 열교환시키는 소기열교환부; 및
    상기 배기열교환부 및 상기 소기열교환기로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산하기 위한 동력을 발생시키는 터빈부를 포함하고,
    상기 배기열교환부 및 상기 소기열교환부는 상기 터빈부에 대해 서로 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 선박.
  6. 제6항에 있어서,
    상기 가스터빈부를 통과한 제1배기를 상기 과급기를 통과한 제2배기에 합류시키는 합류부를 포함하고,
    상기 배기열교환부는 합류한 제1배기와 제2배기를 이산화탄소와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 선박.
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