KR20180046702A - 모듈화된 지열발전시스템 - Google Patents

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KR20180046702A
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Abstract

본 발명은 모듈화된 지열발전시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, ORC 사이클 또는 칼리나 사이클 등을 이용한 지열발전시스템을 모듈화하여 효율적인 유지보수 및 지열의 변화를 수용할 수 있는 모듈화된 지열발전시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템(100)은, 이동가능하게 지면에 고정되는 하우징(102); 하우징(102) 내부에 배치되고, 하우징(102)에 유입되는 지열수와 열교환하여 내부에 유입되는 혼합작동유체를 기화하도록 구성되는 증발기(10); 하우징(102) 내부에 배치되고, 상기 증발기(10)를 통과한 혼합작동유체의 기상혼합물로부터 액상혼합물을 분리하도록 구성되는 분리기(20); 하우징(102) 내부에 배치되고, 분리기(20)를 통과한 기상혼합물이 유입되도록 구성되는 터빈(40); 하우징(102) 내부에 배치되고, 액상혼합물이 공급되도록 구성되는 재생기(30); 하우징(102) 내부에 배치되고, 터빈(40)에서 배출되는 기상혼합물 및 분리기(20)에서 분리되어 재생기(30)를 통과한 액상혼합물이 균일하게 혼합되도록 구성되는 혼합기(50); 하우징(102) 내부에 배치되고, 별개의 방열기(62)에 의해 냉각되며 혼합기(50)를 통과한 혼합작동유체를 응축시켜 재생기(30)에 공급하도록 구성되는 응축기(60);를 포함할 수 있다.

Description

모듈화된 지열발전시스템{MODULARIZED GEOTHERMAL POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 모듈화된 지열발전시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, ORC 사이클 또는 칼리나 사이클을 이용한 지열발전시스템을 모듈화하여 효율적인 유지보수 및 지열의 변화를 수용할 수 있는 모듈화된 지열발전시스템에 관한 것이다.
화석연료를 이용한 발전으로 지구 온난화 및 오존층 파괴 등의 문제가 발생하여 최근 전세계적으로 친환경 에너지 발전에 많은 관심이 생겨나고 있다. 그러한 친환경 에너지 발전의 예로서, 태양, 풍력, 지열, 해양에너지 등이 있다.
이와 같은 추세에 부응하여, 근래에 한국과 같은 열수가 부족한 지역에서도 지열의 열원을 이용하여 발전하기 위한 EGS(Enhanced Geothermal System) 지열발전 시스템에 대한 관심이 대두되고 있다. EGS 지열발전시스템은 지하에 주입정과 생산정을 굴착하고 순환 루프를 만들어 물을 순환시켜 열원을 채취하는 방식으로, 이 시스템은 지하의 고온 열수와 지상의 열 유동유체가 각각 별도의 회로로 운영되며, 두 회로간에 열 교환기를 설치하여 지하의 열이 지상의 플랜트로 전달되는 바이너리 사이클을 이용한다. 이러한 EGS 지열 바이너리 발전시스템은 비등점이 낮은 유기유체를 이용한 ORC 사이클 또는 작동유체로서 물과 암모니아를 이용한 칼리나 사이클(Kalina Cycle)을 이용한다.
통상적으로, 지열발전 시스템은 지열 에너지 확보를 위한 시추 작업 후 열용량을 최종 산정하여 발전소 용량을 결정한다. 정해진 발전소 용량에 건설되는 발전되는 일반 발전소와 같이 고정된 하나의 설비로 유지보수 및 운전을 하고 있다.
이 경우, 하나의 고정된 설비가 고장 또는 시스템의 기계적 결함 등이 발생되는 경우, 전체 시스템의 작동이 어렵기 때문에 유지보수가 어렵고 비효율적이라는 단점이 있다. 또한, 지열을 열원으로 사용하는 지열발전은, 기존 발전 시스템과 달리, 열원인 지열의 온도가 일정하지 않고 변화하기 때문에 기존의 발전시스템과 다른 특수성이 있다.
따라서, 지열발전시스템에 있어서 효율적인 유지보수를 도모하고 지열의 변화를 수용할 수 있는 모듈화된 지열발전 시스템이 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1501658호 (등록일자: 2015.03.05)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
지열발전시스템에 있어서 효율적인 유지보수를 도모하고 지열의 변화를 수용할 수 있는 모듈화된 지열발전시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템은, 이동가능하게 지면에 고정되는 하우징; 상기 하우징 내부에 배치되고, 하우징에 유입되는 지열수와 열교환하여 내부에 유입되는 혼합작동유체를 기화하도록 구성되는 증발기; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 증발기를 통과한 혼합작동유체의 기상혼합물로부터 액상혼합물을 분리하도록 구성되는 분리기; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 분리기를 통과한 기상혼합물이 유입되도록 구성되는 터빈; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 액상혼합물이 공급되도록 구성되는 재생기; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 터빈에서 배출되는 기상혼합물 및 분리기에서 분리되어 재생기를 통과한 액상혼합물이 균일하게 혼합되도록 구성되는 혼합기; 및 상기 하우징 내부에 배치되고, 별개의 방열기에 의해 냉각되며 상기 혼합기를 통과한 혼합작동유체를 응축시켜 재생기에 공급하도록 구성되는 응축기;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 하우징 일측을 관통하여 설치되고 상기 증발기를 통과하고 하우징 타측을 관통하여 하우징 외부로 연장하는 지열수가 흐르는 유로를 더 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 모듈화된 지열발전시스템을 구비한 지열발전설비는 복수의 연결부재가 설치되고 내부에 지열수가 유동하는 생산정; 상기 복수의 연결부재 중 적어도 하나에 연결되는 고온지열수유로; 상기 고온지열수유로에 설치되어 상기 고온지열수유로를 통과하는 유량을 조절하는 개별펌프; 상기 고온지열수유로가 연결되어 일측을 관통하는 하우징; 상기 하우징 내부에 배치되고, 하우징에 유입되는 고온지열수유로 내의 지열수와 열교환하여 내부에 유입되는 혼합작동유체를 기화하도록 구성되는 증발기; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 증발기를 통과한 혼합작동유체의 기상혼합물로부터 액상혼합물을 분리하도록 구성되는 분리기; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 분리기를 통과한 기상혼합물이 유입되도록 구성되는 터빈; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 액상혼합물이 공급되도록 구성되는 재생기; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 터빈에서 배출되는 기상혼합물 및 분리기에서 분리되어 재생기를 통과한 액상혼합물이 균일하게 혼합되도록 구성되는 혼합기; 상기 하우징 내부에 배치되고, 별개의 방열기에 의해 냉각되며 상기 혼합기를 통과한 혼합작동유체를 응축시켜 재생기에 공급하도록 구성되는 응축기;를 포함한다.
바람직하게, 상기 고온지열수유로는 하우징 타측을 관통하여 하우징 외부의 주입정과 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 지열발전시스템을 모듈화함으로써 용이하고 효율적인 유지보수 및 지열의 변화를 수용할 수 있는 지열발전시스템을 제공한다.
본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템을 도시하고,
도 2는 본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템이 복수로 설치되는 전체 지열발전설비의 개괄도를 도시한다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템을 도시하고, 도 2는 본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템이 복수로 배치되는 지열발전설비의 전체적인 개괄도를 도시한다.
본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템은 하우징; 증발기; 분리기; 재생기; 터빈; 혼합기; 및 컨덴서를 포함하여 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템 (100)은 하우징(102)을 포함한다. 하우징(102) 내부에는 발전시스템의 구성요소가 배치되고, 지면에 이동가능하게 고정된다. 각 구성요소의 유지보수 등을 위하여 하우징(102)의 일측에는 개폐가능한 도어(미도시)가 설치될 수 있다. 하우징(102)의 일측에는 생산정으로부터 유동하는 지열수의 유입을 위한 고온지열수유로(12)가 형성된다.
본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템(100)은 하우징(102) 내부에 배치되고 고온지열수유로(12)가 통과하는 증발기(10)를 포함한다. 또한, 증발기(10)를 통과하는 물과 암모니아로 구성되는 혼합작동유체가 고온지열수유로(12)의 고온의 지열수와 열교환한다. 증발기(10)는 고온의 지열수와 혼합작동유체간의 열교환을 가능하게 함으로써 내부에 유입되는 혼합작동유체를 기화하도록 구성된다.
본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템(100)은 분리기(20), 재생기(30) 및 터빈(40)을 포함한다. 증발기(10)를 통과한 혼합작동유체는 분리기(20)에 유입된다. 분리기(20)는 증발기(10)를 통과한 혼합작동유체 중 미처 기화되지 않은 액상혼합물을 기상혼합물로부터 분리한다. 분리된 기상혼합물은 발전기(42)의 발전을 위해 터빈(40)으로 유입되는 반면, 분리된 액상혼합물은 재생기(30)로 유입된다.
본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템(100)은 혼합기(50)를 포함한다. 터빈(40)에 이용된 기상혼합물은 혼합기(50)로 유입되고, 분리기(20)에서 배출된 액상혼합물은 재생기(30)에 유입된다. 또한, 일종의 열교환기인 재생기(30)에서는, 분리기(20)에서 배출된 고온의 액상혼합물이 증발기(10)로 유입되는 혼합작동유체에 열을 제공하고 저온으로 재생기(30)에서 배출되어 혼합기(50)에서 터빈(40)에 이용된 기상혼합물과 균일하게 혼합된다.
또한, 본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템(100)은 응축기(60) 및 방열기(62)를 더 포함한다. 혼합기(50)를 통과한 혼합작동유체는 응축기(60)에서 응축 내지는 액화되고 냉각은 방열기(62)에 의해 이루어진다. 그 뒤, 펌프(4)를 통해 재생기(30)를 거쳐 증발기(10)로 공급된다.
하우징(102)내로 유입된 고온지열수유로(12)는 증발기(10)에서 열교환한 뒤 하우징(102) 타측에 설치되는 저온지열수유로(14)를 유동하여 주입정(미도시)으로 주입되도록 한다. 본 명세서에서 설명의 편의를 위해, 고온지열수유로(12) 및 저온지열수유로(14)를 별개로 설명하고 있지만 이들 유로가 일체로 형성될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 자명할 것이다.
도 2에는 본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템이 복수개 설치되는 지열발전설비의 전체적인 개괄도를 도시한다. 내부에 지열수가 유동하는 생산정에는 복수의 연결부재가 형성된다. 각 연결부재에는 생산정에서 토출된 지열수가 연장하여 흐르는 고온지열수유로(12)가 연결될 수 있다. 즉, 필요시에 하나 이상의 모듈화된 지열발전시스템(100)을 사용할 수 있도록 고온지열수유로(12)가 생산정에 연결되는 복수의 연결부재에 의해 복수의 배관으로서 설치될 수 있고, 각 배관에 연결되는 복수의 모듈화된 지열발전시스템(100)을 포함할 수 있다.
개별 펌프(110)가 각 고온지열수유로(12)에 설치되어, 각 모듈화된 지열발전시스템(100)에 대한 유량이 조절된다. 전술한 모듈화된 지열발전시스템(100)을 통과한 지열수는 저온지열수유로(14)에 의해 배출되고 한데로 모여 주입정에 다시 주입된다.
본 발명에 따르면, 유지 보수 시에도 전체 발전설비를 정지하지 않아도 되어 효율적이며, 지열 에너지 용량의 변화에 대해서도 개별적인 모듈화된 지열발전시스템(100)의 추가 및 제거를 통해 능동적 및 효율적으로 발전 설비를 운영할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 모듈화된 지열발전시스템은 칼리나 사이클을 이용한 지열발전시스템 또는 ORC 사이클을 이용한 지열발전시스템 등 어느 쪽이든지 채용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10: 증발기 12: 고온지열수유로
14: 저온지열수유로 20: 분리기
30: 재생기 40: 터빈
42: 발전기 50: 혼합기
60: 컨덴서 62: 방열기
100: 모듈화된 지열발전시스템 102: 하우징
110: 펌프

Claims (4)

  1. 이동가능하게 지면에 고정되는 하우징;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 하우징에 유입되는 지열수와 열교환하여 내부에 유입되는 혼합작동유체를 기화하도록 구성되는 증발기;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 증발기를 통과한 혼합작동유체의 기상혼합물로부터 액상혼합물을 분리하도록 구성되는 분리기;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 분리기를 통과한 기상혼합물이 유입되도록 구성되는 터빈;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 액상혼합물이 공급되도록 구성되는 재생기;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 터빈에서 배출되는 기상혼합물 및 분리기에서 분리되어 재생기를 통과한 액상혼합물이 균일하게 혼합되도록 구성되는 혼합기;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 별개의 방열기에 의해 냉각되며 상기 혼합기를 통과한 혼합작동유체를 응축시켜 재생기에 공급하도록 구성되는 응축기;
    를 포함하는 모듈화된 지열발전시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징 일측을 관통하여 설치되고 상기 증발기를 통과하고 하우징 타측을 관통하여 하우징 외부로 연장하는 지열수가 흐르는 유로를 더 포함하는 것인 모듈화된 지열발전시스템.
  3. 복수의 연결부재가 설치되고 내부에 지열수가 유동하는 생산정;
    상기 복수의 연결부재 중 적어도 하나에 연결되는 고온지열수유로;
    상기 고온지열수유로에 설치되어 상기 고온지열수유로를 통과하는 유량을 조절하는 개별펌프;
    상기 고온지열수유로가 연결되어 일측을 관통하는 하우징;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 하우징에 유입되는 고온지열수유로 내의 지열수와 열교환하여 내부에 유입되는 혼합작동유체를 기화하도록 구성되는 증발기;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 증발기를 통과한 혼합작동유체의 기상혼합물로부터 액상혼합물을 분리하도록 구성되는 분리기;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 분리기를 통과한 기상혼합물이 유입되도록 구성되는 터빈;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 액상혼합물이 공급되도록 구성되는 재생기;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 터빈에서 배출되는 기상혼합물 및 분리기에서 분리되어 재생기를 통과한 액상혼합물이 균일하게 혼합되도록 구성되는 혼합기;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 별개의 방열기에 의해 냉각되며 상기 혼합기를 통과한 혼합작동유체를 응축시켜 재생기에 공급하도록 구성되는 응축기;를 포함하는 것인 모듈화된 지열발전시스템을 구비한 지열발전설비.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 고온지열수유로는 하우징 타측을 관통하여 하우징 외부의 주입정과 연결되는 것인 모듈화된 지열발전시스템을 구비한 지열발전설비.

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