KR20170095419A - 발전 사이클 시스템 - Google Patents

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KR20170095419A
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    • G01F1/20—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by detection of dynamic effects of the flow

Abstract

본 발명은 발전 사이클 시스템에 관한 것으로 작동유체를 유동시키는 펌프모듈, 상기 펌프모듈의 후단에서 상기 작동유체를 공급받아 가열하는 제1 열교환모듈, 상기 제1 열교환모듈에서 가열된 상기 작동유체의 유동을 통해 전기를 생산하는 발전모듈 및 상기 발전모듈을 통과한 상기 작동유체를 냉각시키는 제2 열교환모듈을 포함하되, 상기 발전모듈은 내부에 상기 작동유체가 유동하는 유로가 형성되고 상기 유로의 내주면에 적어도 하나 이상의 블레이드가 구비되는 회전자 및 상기 회전자의 외측부의 적어도 일부를 감싸도록 배치되는 고정자를 포함한다.

Description

발전 사이클 시스템{GENERATING CYCLE SYSTEM}
본 발명은 발전 사이클 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈의 회전력을 발전기에 효과적으로 전달함과 동시에 터빈의 작동유체가 누설되는 것을 방지할 수 있는 발전 사이클 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 발전장치는 회전력을 이용하여 유도전류를 발생시키는 방식으로 전기를 생산한다.
특히, 대형 발전장치의 경우 유체가 유동하는 에너지를 터빈을 이용하여 회전력으로 변환하여 이용하는 방식을 주로 이용하고 있다.
기존의 터빈장치는 발전기와 유체적으로 분리된 경우가 대부분이기 때문에, 유체에 의해 회전하는 터빈이 작동유체가 폐쇄된 유로를 순환하는 발전 사이클 시스템의 내부에 구비되고, 사이클 시스템 외부의 발전기와 터빈이 연결되도록 구성된다.
이때, 터빈의 회전력을 발전기로 전달하는 과정에서 터빈을 회전시키는 작동유체가 터빈의 회전축을 따라 외부로 누출되는 상황이 발생할 수 있다.
이러한 경우, 작동유체가 손실될 수도 있으며, 특히 유기랭킨사이클의 경우 작동유체가 유독성이거나 환경을 파괴하는 요인인 경우가 많아, 누설유체로 인한 사고 발생 또는 환경파괴가 발생하는 문제점이 있다.
위와 같은 문제점을 방지하기 위하여, 터빈의 회전축을 고정하는 베어링의 실링 성능을 높인 실링베어링을 적용하거나, 자력을 이용하여 터빈의 하우징 내부의 회전력을 하우징 외부로 전달하는 기술이 이용되어왔다.
하지만, 실링베어링은 높은 실링효과를 가지기 위하여 터빈의 회전축을 고정하는 힘이 보다 커지게 되고, 이는 터빈의 회전력이 손실되어 전체 발전장치의 발전 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 자력을 이용하여 하우징의 내부에서 외부로 회전력을 전달하는 경우에는, 양측의 회전체가 직접적으로 결합되지 않기 때문에 신뢰성이 떨어지고, 회전력이 일정 이상으로 강해지는 경우에는 자력으로 온전하게 전달할 수 없는 문제점이 있다.
한편, 터빈 하우징에서 작동유체가 누설되어 발전기의 내부로 유입되는 경우에는 발전기 내부로 유입된 작동유체를 배출할 수 없어, 발전기에 문제가 발생하는 문제점도 있다.
본 발명의 기술적 과제는, 배경기술에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 터빈의 회전력을 발전기에 효과적으로 전달함과 동시에 터빈의 작동유체가 누설되는 것을 방지할 수 있는 발전 사이클 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
기술적 과제를 해결하기 위해 안출된 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템은 작동유체를 유동시키는 펌프모듈, 상기 펌프모듈의 후단에서 상기 작동유체를 공급받아 가열하는 제1 열교환모듈, 상기 제1 열교환모듈에서 가열된 상기 작동유체의 유동을 통해 전기를 생산하는 발전모듈 및 상기 발전모듈을 통과한 상기 작동유체를 냉각시키는 제2 열교환모듈을 포함하되, 상기 발전모듈은 내부에 상기 작동유체가 유동하는 유로가 형성되고 상기 유로의 내주면에 적어도 하나 이상의 블레이드가 구비되는 회전자 및 상기 회전자의 외측부의 적어도 일부를 감싸도록 배치되는 고정자를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 회전자는 내부에 형성되는 유로가 상기 작동유체가 공급되는 부위의 직경이 상대적으로 작게 형성될 수 있다.
또한, 상기 발전모듈은 상기 유로로부터 누설되는 상기 작동유체를 회수하는 회수유로가 형성될 수 있다.
이때, 상기 회수유로는 상기 발전모듈의 하면에 형성될 수 있다.
또한, 상기 회수유로는 상기 작동유체가 순환하는 유로로 연결될 수 있다.
그리고, 상기 회수유로는 상기 회수유로의 내부에 수용된 유체의 양을 측정하는 센서부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 회전자는 상기 유로가 굴곡지게 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 발전 사이클 시스템에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 실링베어링을 이용하지 않으므로, 비용을 절감하고, 터빈의 회전력이 직접적으로 손실없이 발전기로 전달되므로 발전효율을 향상시킬 수 있다.
둘째, 누설되는 작동유체를 다시 회수하므로, 유체 누설로 인한 피해를 방지할 수 있다.
이러한 본 발명에 의한 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 발전모듈의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 발전모듈 변형예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 발전모듈에서 누설되는 작동유체를 회수하는 과정을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
아울러, 본 발명을 설명하는데 있어서, 전방/후방 또는 상측/하측과 같이 방향을 지시하는 용어들은 당업자가 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 기재된 것들로서, 상대적인 방향을 지시하는 것이므로, 이로 인해 권리범위가 제한되지는 않는다고 할 것이다.
먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 일 실시예의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
여기서, 도 1은 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 일 실시예를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 발전모듈의 구성을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 발전모듈 변형예의 구성을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 발전모듈에서 누설되는 작동유체를 회수하는 과정을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템은 펌프모듈(100), 제1 열교환모듈(200), 발전모듈(300) 및 제2 열교환모듈(400)을 포함할 수 있다.
펌프모듈(100)은 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 작동유체를 유동시키는 구성으로, 일반적으로 유체의 유동에 이용되는 다양한 펌프가 적용될 수 있다.
본 실시예에서는 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 작동유체를 공급하는 별도의 탱크(T)가 구비되어, 탱크(T)로부터 작동유체를 이동시켜 작동유체의 유동을 생성할 수 있다.
이러한 구성은 본 실시예에 제한되지 않으며, 별도의 탱크(T)가 구비되지 않고, 펌프모듈(100)이 유로상에 연결되어 내부의 작동유체를 유동시킬 수도 있다.
제1 열교환모듈(200)은 전술한 펌프모듈(100)의 후단에서 작동유체를 펌프모듈(100)로부터 공급받아 가열하는 구성으로, 일반적으로 이용되는 다양한 형태의 열교환기로 구성될 수 있다.
또한, 작동유체가 기화할 수 있는 충분한 열을 공급할 수 있다면 그 열원 역시 제한되지 않고 다양할 수 있다.
발전모듈(300)은 전술한 제1 열교환모듈(200)에서 가열된 작동유체를 공급받으며, 작동유체의 유동을 이용하여 전기를 생산하는 구성일 수 있다.
본 실시예에서 발전모듈(300)은 작동유체가 유동하는 에너지를 회전에너지로 변환하여 전기를 생산하며, 이를 위하여 고정자 및 고정자의 인근에서 이동하도록 회전하는 회전자의 구성을 포함할 수 있다.
이러한 발전모듈(300)의 보다 상세한 구성은 후술하기로 한다.
제2 열교환모듈(400)은 전술한 발전모듈(300)을 통과한 작동유체를 공급받아 냉각시키는 구성으로, 전술한 제1 열교환모듈(200)과 마찬가지로, 일반적으로 이용되는 다양한 형태의 열교환기로 구성될 수 있다.
또한, 제2 열교환모듈(400)은 열을 열교환하여 방출하기 위한 구조로 형성되거나, 가열된 작동유체보다 상대적으로 낮은 온도를 가지는 별도의 열원과 열교환하여 작동유체를 냉각할 수 있으며, 이때 열원의 종류 역시 제한되지 않고 다양할 수 있다.
전술한 구성은 일반적으로 랭킨사이클을 이용하여 발전을 하기 위한 구성으로, 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템은 위와 같은 구성에 제한되지 않고, 폐쇄된 유로를 순환하는 작동유체를 이용하여 발전하기 위한 시스템으로 구성된다면 그 구성은 제한되지 않고 다양한 사이클이 적용될 수 있다.
한편, 전술한 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 발전모듈(300)의 보다 구체적인 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 발전모듈(300)은 베이스파이프(310), 회전자(320), 고정자(330) 및 회수유로(340)를 포함할 수 있다.
베이스파이프(310)는 발전모듈(300)의 내부에 구비되어 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 작동유체가 유동하는 유로가 형성될 수 있다.
즉, 발전모듈(300)이 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템에 구비될 때, 작동유체가 공급되는 위치와 작동유체를 배출하는 위치를 연결하도록 베이스파이프(310)가 형성될 수 있다.
본 실시예에서 베이스파이프(310)는 내부가 비어있는 원통형의 형태로 형성되는 것이 유리할 수 있으며, 발전모듈(300)로 작동유체가 공급되는 라인의 중심축과 베이스파이프(310)의 중심축이 동일하도록 배치되는 것이 유리할 수 있다.
이러한 구성은 베이스파이프(310) 및 후술하는 회전자(320)가 보다 안정적으로 회전하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 베이스파이프(310)의 내부에 형성되는 유로는 발전모듈(300)의 내부로 작동유체가 공급되는 부위가 상대적으로 좁은 직경으로 형성될 수도 있다.
이러한 경우, 작동유체가 랭킨사이클을 이용한 발전시스템의 내부를 유동하는 과정에서 발전모듈(300)의 내부로 진입할 때, 상대적으로 작은 직경으로 형성되는 부위를 통과하면서 유체의 압력을 높혀 유동속도를 일시적으로 크게 향상시킬 수 있어 그 출력을 크게 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
즉, 발전모듈(300)의 발전 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 베이스파이프(310) 내부에 형성되는 유로는 굴곡진 형태로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 베이스파이프(310)의 굴곡을 통해 베이스파이프(310)의 내부에서 유동하는 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 작동유체가 회전하며 유동하도록 유도할 수 있도록 형성되는 것이 유리할 수 있다.
본 실시예에서 베이스파이프(310)는 내주면에 적어도 하나 이상의 블레이드(312)가 구비되어, 블레이드(312)를 통해 베이스파이프(310) 내부의 공간이 굴곡지게 형성될 수 있다.
블레이드(312)는 베이스파이프(310)의 내부에서 작동유체의 유동에 저항을 발생시켜, 작동유체가 베이스파이프(310)의 내부에서 베이스파이프(310)의 중심축을 기준으로 회전하는 방향으로 유동하도록 유도할 수 있다.
즉, 블레이드(312)에 의해 작동유체가 베이스파이프(310)의 내부에서 일 방향으로 회전하며 유동하면, 그에 대한 반작용에 의해 베이스파이프(310)는 일 방향의 반대 방향으로 회전하는 효과를 얻을 수 있다.
이러한 블레이드(312)는 복수개의 플레이트가 작동유체의 유동방향에 경사지게 구비되거나, 베이스파이프(310)의 내주면을 따라 회전하는 나선형태로 형성되거나, 복수개의 블레이드(312)가 나선형태로 배치되는 등 다양하게 적용될 수 있다.
또한, 블레이드(312)는 베이스파이프(310) 내부공간의 반지름에 비해 같거나 길게 돌출되도록 형성되는 것이 유리할 수 있다.
이러한 블레이드(312)의 구성은 본 실시예에 제한되지 않고, 베이스파이프(310)의 내부에서 유동하는 작동유체가 회전하며 유동하도록 작동유체를 유도할 수 있게 마련된다면 그 형태 및 구성은 다양할 수 있다.
또한, 본 실시예와는 달리 블레이드(312)가 구비되지 않고 베이스파이프(310) 내부의 유로 자체가 나선형으로 형성되어 내부에서 유동하는 작동유체의 회전에 의한 반작용을 이용하도록 구성되는 등, 베이스파이프(310)의 형태 및 구성도 본 실시예에 제한되지 않고 다양할 수 있다.
위와 같은 베이스파이프(310)가 용이하게 회전할 수 있도록, 베이스파이프(310)는 발전모듈(300)의 하우징 내부에 베어링(B)을 통해 연결되도록 구성되며, 이러한 베어링(B)은 일반적으로 이용되는 볼베어링 등 다양한 구성이 적용될 수 있다.
한편, 회전자(320)는 작동유체의 유동 에너지를 통해 얻어진 회전력을 통해 회전하는 구성으로, 본 실시예에서는 전술한 베이스파이프(310)의 외주면을 감싸는 형태로 결합되어, 베이스파이프(310)의 회전과 함께 회전하도록 구성될 수 있다.
본 실시예에서 회전자(320)는 베이스파이프(310)의 외주면에 결합되는 별도의 구성으로 개시되어 있으나, 회전자(320)의 중앙부를 관통하는 홀이 형성되어 베이스파이프(310)로 이용되는 구성 등 본 실시예에 제한되지 않고, 베이스파이프(310) 및 회전자(320)의 구성은 다양하게 적용될 수 있다.
또한, 고정자(330)는 회전자(320)의 인근에 배치되는 구성으로, 본 실시예에서는 고정자(330) 외측부의 적어도 일부를 감싸도록 배치되어, 고정자(330)의 내부에서 회전자(320)가 회전하는 형태로 구성될 수 있다.
이러한 회전자(320) 및 고정자(330)의 구성은 일반적인 발전기에 적용되는 회전계자형 또는 회전전기자형 발전기의 구성이 적용될 수 있으며, 회전하는 회전자(320) 및 고정자(330) 간의 작용에 의해 전기를 발생시키도록 마련된다면 그 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.
위와 같은 구성을 통해, 기화된 작용유체가 유동하며 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 발전모듈(300)로 유입되어, 회전자(320)를 회전시키고, 발전모듈(300)의 외부로 배출되어 다시 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템을 순환할 수 있다.
이때, 랭킨사이클을 이용한 일반적인 발전 시스템에서는 작동유체의 유동 에너지를 회전력으로 전환하는 터빈으로부터 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전기로 회전력을 전달하는 과정에서 회전력에 손실이 발생할 수 있으나, 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템은 터빈의 역할을 수행하는 블레이드(312)를 포함하는 베이스파이프(310) 및 회전자(320)가 직접적으로 결합되므로 회전력의 전달에 손실이 발생하지 않는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 작동유체가 발전모듈(300)로 공급되어 베이스파이프(310)를 통과해 발전모듈(300)의 외부로 배출되는 과정에서 일부 작동유체가 발전모듈(300)의 하우징과 베이스파이프(310) 사이의 미세한 틈과 베어링의 틈새를 통해 회전자(320) 및 고정자(330)가 구비된 구역으로 누설될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 발전모듈(300)은 전술한 베이스파이프(310)로부터 누설되는 작동유체를 회수하기 위한 회수유로(340)가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 발전 사이클 시스템은 폐쇄된 유로를 이용하는 랭킨사이클의 구성이므로, 발전모듈(300)에 공급되는 작동유체는 고온 고압의 상태일 수 있다.
이때, 발전모듈(300)의 내부에서 회전자(320) 및 고정자(330)가 구비되는 공간은 베이스파이프(310)의 내부공간에 비해 상대적으로 압력 및 온도가 낮은 환경일 수 있다.
따라서, 회전자(320) 및 고정자(330)가 구비되는 공간 내부로 기화된 상태의 작동유체가 유입되어 액화될 수 있으므로, 회수유로(340)는 발전모듈(300)의 내부공간 하면에 형성되는 것이 유리할 수 있다.
또한, 회수유로(340)는 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 작동유체가 순환하는 유로로 연결되는 것이 유리할 수 있다.
본 실시예에서는 작동유체를 공급 및 회수할 수 있는 탱크(T)가 구비되어 있어, 회수유로(340)가 탱크(T)로 연결되도록 구성될 수도 있다.
이러한 구성을 통해 발전모듈(300)에서 누설된 작동유체를 다시 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템으로 회수하고, 작동유체의 누설을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 회수유로(340)는 회수유로(340)의 내부에 수용된 유체의 양을 측정하는 센서부(미도시)가 포함될 수 있다.
보다 구체적으로 센서부는 발전모듈(300)의 하부에 연결된 회수유로(340)의 상부측에 작동유체의 레벨을 측정할 수 있는 센서가 구비되어 구성될 수 있다.
회수유로(340)의 내부에 누설된 작동유체가 일정량 이상 모이면 센서부가 이를 감지하고, 회수유로(340)에 구비된 별도의 펌프(P)를 구동하여 회수유로(340) 내부의 작동유체를 탱크(T)로 배출할 수 있다.
전술한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템은 발전모듈(300)의 내부에서 베이스파이프(310)를 회전시키기 위한 베어링(B)을 실링베어링을 이용하지 않고, 상대적으로 저렴한 일반적인 베어링을 이용할 수 있으므로, 제조 및 보수 등에 소요되는 비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 실링베어링으로 인해 베이스파이프(310)의 회전력이 손실되는 것을 방지하여, 베이스파이프(310)의 회전력이 온전히 회전자(320)로 전달될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 발전효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 일반적인 베어링(B)을 이용하여 누설되는 작동유체가 본 발명에 따른 발전 사이클 시스템의 외부로 배출되거나, 버려지지 않고, 다시 발전 사이클 시스템의 내부로 회수될 수 있다.
따라서, 유체 누설로 인하여, 환경이 파괴되거나, 유독성 작동유체로 인한 사고발생 등의 피해를 방지할 수 있고, 누설되는 유체를 다시 보충하기 위해 소요되는 비용 및 공정을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 이상 설명한 바와 같이 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 펌프모듈
200 : 제1 열교환모듈
300 : 발전모듈
310 : 베이스파이프
312 : 블레이드
320 : 회전자
330 : 고정자
340 : 회수유로
400 : 제2 열교환모듈

Claims (7)

  1. 작동유체를 유동시키는 펌프모듈;
    상기 펌프모듈의 후단에서 상기 작동유체를 공급받아 가열하는 제1 열교환모듈;
    상기 제1 열교환모듈에서 가열된 상기 작동유체의 유동을 통해 전기를 생산하는 발전모듈; 및
    상기 발전모듈을 통과한 상기 작동유체를 냉각시키는 제2 열교환모듈;
    을 포함하되,
    상기 발전모듈은,
    내부에 상기 작동유체가 유동하는 유로가 형성되고 상기 유로의 내주면에 적어도 하나 이상의 블레이드가 구비되는 회전자 및
    상기 회전자의 외측부의 적어도 일부를 감싸도록 배치되는 고정자를 포함하는 발전 사이클 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는,
    내부에 형성되는 유로가 상기 작동유체가 공급되는 부위의 직경이 상대적으로 작게 형성되는 발전 사이클 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발전모듈은,
    상기 유로로부터 누설되는 상기 작동유체를 회수하는 회수유로가 형성되는 발전 사이클 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회수유로는,
    상기 발전모듈의 하면에 형성되는 발전 사이클 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 회수유로는,
    상기 작동유체가 순환하는 유로로 연결되는 발전 사이클 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 회수유로는,
    상기 회수유로의 내부에 수용된 유체의 양을 측정하는 센서부를 포함하는 발전 사이클 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는,
    상기 유로가 굴곡지게 형성되는 발전 사이클 시스템.
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