KR20180070502A - 지열 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 지열발전장치는 지하열원측으로 뚫린 지하공에 삽입되며 하단부가 밀폐된 외관부재와, 상기 외관부재의 내부에 삽입되는 내관부재와, 상기 내관부재의 하부측에 설치되는 외관부재와 내관부재의 사이의 유입부로 유입되는 열교환매체를 내관부재의 중공측으로 유입될 수 있도록 다수의 관통공이 형성된 필터를 가지는 기화부와, 상기 내관부재의 중공부와 유입부를 연결하는 순환관과, 상기 순환관에 설치되는 것으로, 발전기를 구동시키기 위한 터어빈과, 상기 터어빈을 구동시킨 후 열교환매체를 응축시키는 응축기 및 열교환매체를 순환시키기 위한 순환펌프가 설치되는 발전부를 구비한 것을 그 특징으로 한다.

Description

지열 발전장치{apparatus of geothermal power generation}
본 발명은 지열 발전장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 발전을 위한 열교환매체가 지하내부의 열원과 직접적으로 열교환이 이루어질 수 있도록 하여 열교환효율을 향상시킨 지열발전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 지열 에너지로부터 전력을 생산하는 장치는 지각의 열을 이용하여, 물 또는 기타 다른 액체를 증발시킨 후 그 증기를 발전용으로 터어빈에 사용한다.
대체적으로 지열은 상당한 양의 열을 포집하기에 충분한 지각 깊이에서 순환하는 증기 또는 브라인(brine: 염농도가 높은 물)이 있는 저류층(reservoir)까지 시추하여 개발한 관정(well)을 통해 지표에까지 운반된다. 그 일례가 미국 특허 제3,786,858호에 개시되어 있다. 그러나 현재의 증기 터어빈은 매우 높은 온도, 즉 지열 이용 전력 생산에 일반적으로 사용되는 저류층의 증기 또는 브라인에서 얻어지는 온도보다 상당히 더 높은 온도에서 가장 효율적으로 작동한다.
실제적 사용을 위해 도달 가능한 지구 땅속 깊이에 현존하는 지열은 충분히 집열되지 않는다. 그러므로 지열에 의해 구동되는 증기터어빈은 효율적이지 못하며, 또한 지구 땅속에서 추출해 낸 지열이 차후사용 목적으로 저장될 수 없다는 사실 때문에 작동에 있어서 제한이 있다. 또한 브라인 또는 증기는 지표에까지 운반될 때 그 열의 상당한 양(대개는 25% 내지 30%)이 손실된다. 지열을 이용코자 하는 저류층으로부터의 브라인 또는 증기에는 황화수소 및 기타 다른 바람직하지 못한 가스가 대체로 수반되는데, 이는 대기로 빠져나가기 전에 포집되어야 한다. 그러한 브라인 또는 증기의 온도는 비교적 낮기 때문에, 발전용으로 충분히 활용하기 위해서는 대량으로 지표에 운반되어야 한다. 따라서 시추작업 시에 비용이 많이 드는 대직경의 관정이 필요하게 된다.
다른 방법으로는, 브라인 또는 증기는 2중 지열발전장치에 있는 열 교환기를 통해 다른 유체를 증발시키는데 사용될 수도 있다. 이러한 대안 역시 열 교환기를 통해야 하므로 효율상 약간의 손실이 있다.
대한민국 특허 제 101524821호에는 지열에너지 시스템 및 작동방법이 게시되어 있으며, 대한민국 공개특허 제 2010-0049052호에는 지열에너지 시스템이 게시되어 있다. 그리고 공개특허 제 2013-039978호에는 바이너리 지열 발전 시스템이 게시되어 있다.
게시된 지열 발전 시스템은 지하에서 지열수를 추출하여 순환시키는 지열수 순환 유닛; 작동 유체가 펌프, 증발기, 터빈 및 응축기의 증기 사이클을 순환하며, 상기 증발기를 통해 상기 지열수로부터 열을 공급받아 터빈을 회전시키도록 작동하는 발전 유닛; 및 상기 응축기를 통해 상기 작동 유체로부터 열을 공급받아 난방수를 가열 공급하는 난방수 가열 유닛을 포함한다.
이러한 종래의 지열 발전시스템은 지열수를 추출하여 순환시키는 구조를 가지고 있으나 지하의 열원지역으로부터 지상으로의 이동 냉각되는 문제점이 있다. 특히, 지열을 회수하기 위하여 지열의 회수를 위한 깊이가 깊어지는 경우, 압력을 상대적으로 높아지게 되므로 이중관이 찌그러지는 문제점이 있다.
대한민국 특허 제 101524821호 대한민국 공개특허 제 2010-0049052호 대한민국 공개특허 제 2013-039978호
본 발명의 해결하고자 하는 기술과제는 터어빈을 구동시키기 위한 열교환매체를 지열에 의해 직접적으로 가열될 수 있도록 함으로써 발전을 위한 에너지 절감을 도모할 수 있으며, 열교환 효율을 나아가서는 발전효율을 극대화 시킬 수 있는 지열발전장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 지열을 회수하기 위한 깊이가 깊어집에 따라 내부의 압력에 의해 외부관이 변형되는 것을 방지할 수 있는 지열발전장치를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 지열발전장치는 지하열원측으로 뚫린 지하공에 삽입되며 하단부가 밀폐된 외관부재와, 상기 외관부재의 내부에 삽입되는 내관부재와, 상기 내관부재의 하부측에 설치되는 외관부재의 내주면과 과 내관부재의 외주면 사이의 유입부로 유입되는 열교환매체를 내관부재의 중공부측으로 유입될 수 있도록 다수의 관통공이 형성된 필터부를 가지는 기화유닛과,
상기 내관부재의 중공부와 유입부를 연결하는 순환관과, 상기 순환관에 설치되는 것으로, 발전기를 구동시키기 위한 터어빈과, 상기 터어빈을 구동시킨 후 열교환매체를 응축시키는 응축기 및 열교환매체를 순환시키기 위한 순환펌프가 설치되는 발전부를 구비한 것을 그 특징으로 한다.
상기 내부관부재는 내부가 진공이거나 단열재가 채워진 이중관구조로 이루어진다. 상기 내부관부재는 제1관부재와 제1관부재가 삽입되는 제 2관부재로 이루어진 이중관구조를 가지며, 제 1관부재와 제 2관부재의 사이에 단열재가 충전되며, 상기 제 1관부재에는 상기 단열재가 충전된 공간과 연통되는 복수개의 관통공이 형성된다.
본 발명에 따른 지열발전장치는 발전부의 터어빈을 구동시키기 위한 열교환매체와 지열을 직접적으로 열교환시킬 수 있으며, 열교환매체가 기화되어 취출되는 과정서 냉각되는 것을 방지할 수 있다. 특히 지하공이 깊어짐에 따라 지중의 압력에 의해 상기 내관부재와 외관부재가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지열발전장치의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 지열 발전장치의 내관부재를 발췌하여 도시한 단면도,
본 발명에 따른 지열발전장치의 일 실시예를 도 1 내지 도 2에 나타내 보였다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 지열발전장치(10)는 지하열원측으로 뚫린 지하공(11)에 삽입되며 하단부가 밀폐된 외관부재(20)와, 상기 외관부재(20)의 내부에 삽입되는 내관부재(30)와, 상기 내관부재(30)의 하부측에 설치되는 외관부재(20)와 내관부재(30)의 사이의 유입부(21)로 유입되는 열교환매체(100)를 열교환이 이루어진 후 내관부재의 중공부(31)측으로 유입될 수 있도록 설치되는 필터부(41)를 구비한 기화부(40)를 구비한다.
상기 내관부재(30)의 중공부(35)의 출구측과 유입부(21)를 연결하는 순환관(51)이 설치되고, 이 순환관(51)에는 발전기를 구동시키기 위한 터어빈(52)과, 상기 터어빈(52)을 구동시킨 후 열교환매체를 응축시키는 응축기(53) 및 열교환매체를 순환시키기 위한 순환펌프(54)가 설치되는 발전부(50)를 구비한다. 상기 순환관(51)에는 열교환매체 저장탱크가 설치될 수 있다.
상기 내관부재(30)는 내부가 진공이거나 단열재가 채워진 이중관구조로 이루어질 수 있다. 상기 내관부재(30)은 도 2에 도시된 바와 같이 중공부를 가지는 제1관부재(31)와, 제1관부재(31)가 삽입되는 것으로, 중공부(36)를 가지며, 제 1관부재(31)보다 직경이 상대적으로 작은 제 2관부재(35)로 이루어진 이중관구조를 가진다. 그리고 상기 제 1관부재(31)와 제 2관부재(35)의 사이에 단열재(200)가 충전되며, 상기 제 2관부재(35)에는 상기 단열재(200)가 충전된 공간과 연통되는 복수개의 관통공(33)이 형성된다.
상기 관통공(33)은 천공깊이가 깊어짐에 따라 압력의 상대적으로 큰 지중에 위치되는 제 2관부재(35)에 형성된 것으로, 제 2관부재의 상부측과 하부측에 각각 형성될 수 있다. 상기 하부측에 형성된 관통공(33)에는 응축된 열교환매체가 배출될 수 있다.
그리고 단열재(200)가 충진되는 충진공간과 연통되는 관통공(33)은 지상과 상대적으로 가까운 제 2관부재(35)에는 반드시 형성할 필요는 없다.
상기 기화부(40)는 상기 유입부(21)를 통하여 유입되는 열교환매체(100)와 지열과의 열교환이 이루어질 수 있도록 하여 기화시키는 것으로, 외관부재(20)의 하단부가 막힘으로써 형성된 열교환매체 저장챔버(45)를 구비하고, 상기 필터부(41)은 상기 내관부재(30)의 제 2관부재(35)의 단부로부터 상기 외관부재(20)의 막힌 바닥면으로 연장되어 제 2관부재(35)에 형성된 중공부(36)로 이물질이 유입되어 배출되는 것을 방지할 수 있도록 매쉬부재로 이루어진 필터본체(42)를 구비한다. 상기 필터부(41)는 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고, 기화된 열교환매체(100)에 편승하여 중공부(36)로 이물질이 배출되지 않도록 하는 구조이면 가능하다.
상술하 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 지열발전장치는 순환관(51)를 순환하는 열교환매체가 상기 유입부(21)를 통하여 기화부(40)으로 유입되고, 기화부(40)로 유입된 열교환매체는 지중열 즉, 지열과의 열교환이 이루어져 기화된다. 이와 기화된 고온의 열교환매체는 중공부(36)를 통하여 상승하게 되고, 이와 같이 상승된 기화된 열교환매체(100)는 배출부(중공부의 최상부측)와 연결된 순환관(51)을 통하여 터어빈(52)를 구동시킨다. 그리고 터어빈(52)을 구동시킨 열교환매체(100)은 응축된 후 유입구(21)를 통하여 기화부(40)으로 유입된다.
상술한 바와 같은 과정에서 상기 기화부(40)에 의해 기화되는 열교환매체(100)는 중공부(36)를 통하여 유출되는 과정에서 열손실을 최소화 할 수 있다. 즉, 상기 제 1관부재(31)와 제 2관부재(35)의 사이에는 단열재(200)가 설치되어 있으므로 배출되는 과정에서 냉각되어 응축되는 것을 방지할 수 있다.
특히 상기 기화부(40)와 근접된 측의 제 2관부재(35)에는 제 1관주배(31)와 제 2관부재(35) 사이의 단열재(200) 설치 공간과 연통되는 관통공(33)이 형성되어 있으므로 지중의 압력에 의해 내관부재(30)가 지중의 압력에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있으며, 열교환매체가 지열과 열교환 된 후 중공부를 통한 인출 시 지하공 상부측의 내벽면의 열교환에 의해 냉각되는 것을 방지할 수 있다. 특히 지열과 터어빈을 구동시키기 위한 열교환매체가 지중열과 직접적인 교환이 이루어질 수 있으므로 열교환에 따른 효율을 극대화 시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (2)

  1. 지하열원측으로 뚫린 지하공에 삽입되며 하단부가 밀폐된 외관부재와, 상기 외관부재의 내부에 삽입되는 내관부재와, 상기 내관부재의 하부측에 설치되는 외관부재와 내관부재의 사이의 유입부로 유입되는 열교환매체가 열교환이 이루어진 후 내관부재의 중공부측으로 유입될 수 있도록 다수의 관통공이 형성된 필터를 가지는 기화부와, 상기 내관부재의 중공부와 유입부를 연결하는 순환관과, 상기 순환관에 설치되는 것으로, 발전기를 구동시키기 위한 터어빈과, 상기 터어빈을 구동시킨 후 열교환매체를 응축시키는 응축기 및 열교환매체를 순환시키기 위한 순환펌프가 설치되는 발전부를 구비한 것을 특징으로 하는 지열발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내관부재는 제1관부재와, 제1관부재가 삽입되는 제 2관부재로 이루어진 이중관구조를 가지며, 제 1관부재와 제 2관부재의 사이에 단열재가 충전되고, 상기 제 2관부재에는 상기 단열재가 충전된 공간과 연통되는 복수개의 관통공이 형성된 것을 특징으로 하는 지열발전장치.




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