KR20180116990A - 가압 축열조 시스템 - Google Patents

Abstract

개시되는 발명은 가압 축열조 시스템에 관한 것으로서, 대기압을 초과하는 압력의 이산화탄소 가스가 충진되고, 상기 이산화탄소 가스에 의해 가압되는 온수가 저장되는 가압 축열조;와, 상기 이산화탄소 가스의 압력을 지탱하는 상기 가압 축열조의 내압 구조물 천장 위에 설치되는 열병합 발전 장치;를 포함하며, 나아가 상기 가압 축열조의 외벽으로 높이방향을 따라 설치되는 적어도 하나 이상의 태양열 집열 모듈을 더 포함할 수 있다.

Description

가압 축열조 시스템{Pressurized heat accumulator system}

본 발명은 가압 축열조 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 가압 축열조 안에 저장되는 온수의 비등점을 함께 충진된 이산화탄소 가스의 압력 조절을 통해 자유자재로 변화시킬 수 있고, 이에 따라 계절별 온수의 수요처에 맞춰 최적의 조건으로 온수를 제공하는 것이 가능한 가압 축열조 시스템에 관한 것이다.

축열조는 냉난방용의 열매체, 일반적으로는 물을 저장하기 위한 탱크 구조물로서, 냉방 및 난방에서 첨두 부하를 평균화하여 열원기기의 용량을 작게 할 수 있게 한다. 즉, 야간이나 열매체의 수요가 낮을 때에 열원기기를 연속운전하여 축열조에 수조에 냉열·온열을 보존시켜 놓았다가 낮이나 수요가 높을 때 저장된 열매체를 사용함으로써 열원기기가 담당하는 부하를 균등하게 만들 수 있게 된다.

축열조는 소규모의 열원기기는 물론 대단위 시설에도 설치되는데, 대표적으로 대규모 축열조가 설치되는 시설로는 지역난방 시스템을 예로 들 수 있다.

지역난방은 하나의 도시 또는 일정한 지역 내에 있는 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장 등 각종 건물이 개별적으로 난방설비를 갖추지 않고, 대규모 열생산시설, 즉 열병합 발전소를 건설하여 전기를 생산하는 것은 물론 그 과정 중에 난방 및 급탕에 필요한 중온수(80∼120℃)를 생산하여 열수송관을 통해 각 수용가에 공급하는 시스템으로 집단에너지 공급방식 중 하나이다.

지역난방 시스템에 설치되는 축열조는 대체로 3가지 기능을 담당하게 된다. 첫째는 지역난방 배관망의 정압 유지를 위한 것으로서 포화압력 이하에서 나타나는 고온수의 재증발 현상이 어떠한 운전조건에서도 발생되지 않도록 하는 것이다.

둘째는 배관망 내 지역난방수 온도가 증가되어 비체적이 상승함에 따라 발생되는 팽창량을 흡수하거나 온도 저감에 따라 배관수량의 부족분을 보충하여 최적의 계통을 유지하도록 하는 일종의 물리적인 버퍼 기능을 하는 것이며, 셋째는 열 부하가 낮은 시간에 잉여열을 저장하였다가 열 부하가 높은 시간에 저장된 열을 방열하여 일일 부하의 변동 폭을 축열조가 흡수함으로써 설비의 가동률을 향상시키고 경제적인 운전이 가능하도록 하는 역할을 담당한다.

이러한 축열조의 기능이 충분히 발휘되기 위해서는 열 수요, 즉 온수에 대한 수요량이 충분히 확보되어야 한다. 그렇지만 하절기에 난방 수요가 줄어듦에 따라 저장된 온수의 수요처가 없어 하절기에는 축열조 가동을 중단하고, 축열조의 가동은 열 부하 피크가 발생하는 동절기 혹은 춘추절기 일부에 국한되는 것이 현재의 실정이다. 지역난방 시스템에 설치되는 축열조는 건물 몇 채 정도의 큰 설비인데, 가동 효율이 너무 떨어져 그 효과적인 활용방안을 개발할 필요성이 높다.

축열조의 이용 및 활용 기간을 늘리기 위해서는 특히 하절기의 에너지 부하에 적응할 수 있는 시스템으로의 기능 개선이 필요하며, 열역학적 관점에서 난방 부하 이외에 전력 및 냉방 부하 생산으로도 축열조를 활용하기 위해서는 120℃ 이상 영역에서 운전될 수 있도록 온도 조건을 자유롭게 조절할 수 있는 방향으로 개선될 필요가 있다.

한국등록특허 제10-0638223호 (2006.10.27 공고)

본 발명은 계절별로 크게 변화하는 난방 수요의 변동에 맞춰 대형 축열조를 효율적으로 활용할 수 있도록 함으로써 대형 축열조의 가동률을 상승시키는 것은 물론 대형 축열조를 구비한 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 가압 축열조 시스템을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 가압 축열조 시스템은, 대기압을 초과하는 압력의 이산화탄소 가스가 충진되고, 상기 이산화탄소 가스에 의해 가압되는 온수가 저장되는 가압 축열조;와, 상기 이산화탄소 가스의 압력을 지탱하는 상기 가압 축열조의 내압 구조물 천장 위에 설치되는 열병합 발전 장치;를 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 가압 축열조는 상기 이산화탄소 가스 및 상기 온수를 저장하는 축열 저장조와, 상기 축열 저장조를 감싸면서 상기 이산화탄소 가스의 여유분을 저장하는 가스 저장조로 이루어지고, 상기 열병합 발전 장치는 상기 가스 저장조의 천장 위에 설치된다.

여기서, 상기 축열 저장조의 상면은 돔 구조물로 이루어지고, 상기 가스 저장조에 저장된 이산화탄소 가스의 압력이 상기 축열 저장조에 충진된 이산화탄소 가스의 압력보다 높게 설정될 수 있다.

그리고, 상기 가스 저장조에 저장된 이산화탄소 가스를 상기 축열 저장조 안으로 공급할 수 있는 가스 충진 장치를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 축열 저장조에 충진된 이산화탄소 가스를 상기 가압 축열조 외부로 배출하기 위한 가스 배출 밸브를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 열병합 발전 장치는 화석연료를 연소하여 발전을 하는 연소 발전기를 포함하고, 상기 연소 발전기에서 배출되는 연소 가스 중에 포함된 이산화탄소를 상기 가압 축열조에 충진되는 이산화탄소 가스의 적어도 일부로 공급할 수 있다.

그리고, 상기 열병합 발전 장치에는 연료전지 발전기가 더 포함될 수 있다.

그리고, 본 발명의 일 실시형태에 의하면, 상기 가압 축열조의 외벽으로 높이방향을 따라 설치되는 적어도 하나 이상의 태양열 집열 모듈을 더 포함할 수 있는데, 여기서 상기 태양열 집열 모듈은 외측을 향해 개방된 곡면 형태의 태양열 집열판과, 상기 태양열 집열판의 내부 영역에 위치하는 집열 파이프를 포함하며, 상기 가압 축열조에 저장된 온수가 상기 집열 파이프 내부를 순환하게 된다.

그리고, 상기 가압 축열조의 외부에는 상기 태양열 집열판으로 태양광을 반사하는 적어도 하나 이상의 반사판이 설치될 수 있다.

나아가 상기 태양열 집열 모듈이 복수 개가 설치되는 경우, 상기 복수 개의 태양열 집열 모듈에 각각 구비된 집열 파이프가 상기 가압 축열조에 대해 직렬 또는 병렬로 연결되도록 조작할 수 있는 밸브 장치를 구비할 수 있다.

그리고, 상기 태양열 집열 모듈은 상기 열병합 발전 장치에서 발생하는 폐열과 열교환하여 상기 온수의 온도를 상승시킬 수도 있다.

한편, 상기 가압 축열조에 저장된 온수를 열원으로 사용하는 유기 랭킨 사이클 발전기를 더 포함할 수 있다.

아울러 상기 유기 랭킨 사이클 발전기에서 열원으로 사용한 후 배출하는 온수를 열원으로 사용하는 흡수식 냉동기를 더 포함할 수도 있다.

여기서, 상기 흡수식 냉동기에서 생산된 냉수를 상기 유기 랭킨 사이클 발전기의 열침으로 사용하는 것이 가능하다.

그리고, 상기 유기 랭킨 사이클 발전기 또는 상기 흡수식 냉동기에서 배출되는 온수를 지역 난방 공급라인에 공급할 수 있다.

이런 경우에, 상기 지역 난방 공급라인에 대해 동절기에는 상기 유기 랭킨 사이클 발전기에서 배출되는 온수를 공급하고, 그 외의 절기에는 상기 흡수식 냉동기에서 배출되는 온수를 공급하는 것이 바람직할 수 있다.

다른 한편으로는, 상기 유기 랭킨 사이클 발전기 또는 상기 흡수식 냉동기에서 배출되는 온수를 상기 태양열 집열 모듈의 집열 파이프 내부로 공급할 수도 있다.

그리고, 상기 가압 축열조의 외면 상부에는 상기 가압 축열조에 저장된 온수를 가열하기 위한 제2 태양열 집열 모듈이 설치될 수도 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 가압 축열조 시스템은 가압 축열조 안에 저장되는 온수의 비등점을 함께 충진된 이산화탄소 가스의 압력 조절을 통해 자유자재로 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 계절별 온수의 수요처에 맞춰 최적의 조건으로 온수를 제공하는 것이 가능하다. 특히, 본 발명의 가압 축열조 시스템은, 대표적인 온실 가스이면서 저렴한 비용으로 수집할 수 있고, 주기적인 보충이 그리 필요치 않은 이산화탄소 가스를 가압 매체로 활용함으로써 친환경적이면서도 운용 비용이 높지 않다는 이점을 가진다.

또한, 본 발명의 가압 축열조 시스템은 이산화탄소 가스의 압력을 지탱하는 가압 축열조의 내압 구조물 천장 위에 열병합 발전 장치를 설치함으로써 가압 축열조의 구조적 건전성을 확보하는 한편 열병합 발전 장치에서 생산되는 이산화탄소와 폐열을 자체적으로 재활용할 수 있도록 구성하였다.

그리고, 본 발명의 가압 축열조 시스템은 태양열 집열 모듈을 이용하여 신재생 에너지를 온수 생산에 적극적으로 활용하고 있는데, 특히 대형 건조물인 가압 축열조의 외벽을 태양열 집열 모듈 설치에 활용함으로써 태양열 집열에 가장 큰 걸림돌이었던 부지 확보 문제를 해결하였다.

그리고, 본 발명의 가압 축열조 시스템은 중저온의 온수를 열원으로 사용할 수 있는 유기 랭킨 사이클 발전기와 흡수식 냉동기를 함께 구비함으로써 온수 활용도를 높일 수 있는데, 특히 이산화탄소 가스의 압력 조절을 통해 열원인 온수의 온도를 계절별로 최적화할 수 있어 이러한 추가장치의 활용도와 작동효율을 높게 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템의 일 실시형태에 대한 전체적인 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 가압 축열조 시스템에 구비되는 수직형 태양열 집열 모듈의 구성을 도시한 도면.
도 3은 복수 개의 태양열 집열 모듈의 각 집열 파이프가 직렬 또는 병렬로 연결되도록 선택할 수 있는 밸브 장치를 구비한 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템의 다른 실시형태에 대한 전체적인 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템을 동절기에 운용하는 실시형태를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템을 하절기에 운용하는 실시형태를 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템을 춘추절기에 운용하는 실시형태를 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템을 자체 순환모델로서 하절기에 운용하는 실시형태를 도시한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시형태를 설명함에 있어서 당업자라면 자명하게 이해할 수 있는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부여할 것이며, 도면을 참조할 때에는 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등이 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있음을 고려하여야 한다.

그리고, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 개재되면서 간접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고도 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템(10)의 일 실시형태에 대한 전체적인 구성을 도시한 도면이다.

도시된 본 발명의 가압 축열조 시스템(10)은 대기압을 초과하는 압력의 이산화탄소 가스(140) 및 온수(130)가 담겨 있는 가압 축열조(100)와, 가압 축열조(100)의 내압 구조물 천장 위에 설치되는 열병합 발전 장치(200)를 포함하고 있다.

축열조는 열병합 발전 설비 등과 같은 설비 시설에서 사용한 후 버려지는 에너지를 재활용하기 위해 폐열을 담고 있는 온수(130)를 대량으로 저장하는 시설이다. 보통의 축열조는 온수를 상압 상태로 저장하기 때문에 온수의 온도는 100℃를 넘지 못하여 온수를 용도별, 계절별 등에 따라 다양하게 활용하기 어려웠다. 그리고 온수의 온도를 조절하기 위해서는 별도의 가열장치 등이 요구되기 때문에 시설 비용과 유지 비용이 많이 들어가고, 이런 점에서 버려지는 폐열을 재활용한다는 본래의 취지를 살리지 못하고 오히려 에너지를 소모하는 비효율적인 설비가 되기도 한다.

본 발명은 가압 축열조(100) 안에 대기압을 초과하는 압력의 이산화탄소 가스(140)가 충진하여 저장된 온수(130)를 가압함으로써 온수(130)의 온도를 이산화탄소 가스(140)의 압력 조절을 통해 가변할 수 있도록 구성하였다. 즉, 이산화탄소 가스(140)의 압력이 높아질수록 물의 비등점이 상승하기 때문에 저장되는 온수(130)의 온도를 변화시킬 수 있다. 그리고, 본 발명의 가압 축열조 시스템(10)은 후술할 태양열 집열 모듈(300)을 구비함으로써 화석연료를 사용하지 않고 신재생 에너지를 이용하여 가압 축열조(100)에 저장된 온수(130)에 에너지를 추가할 수 있도록 함으로써 폐열을 재활용한다는 축열조 본래의 목적에 부합하도록 구성하였다.

여기서, 본 발명은 가압 축열조(100) 안의 온수(130)를 가압하기 위한 기체로서 이산화탄소 가스(140)를 이용한다는데 하나의 특징이 있다. 온수(130)를 가압하기 위한 기체로는 여러 가지를 생각해볼 수 있지만, 우선 독성이 없어 누출되더라도 피해가 없고 물과 반응하지 않으며 쉽게 구할 수 있는 종류의 기체가 바람직할 것이다. 이런 종류의 기체로는 이산화탄소 가스(140) 외에도 고압 증기와 질소 가스를 염두에 둘 수 있다.

그렇지만, 증기는 열 손실에 따라 액화되기 쉽기 때문에 지속적, 주기적으로 증기를 보충해줘야 할 필요성이 높고, 질소 가스는 고순도 질소를 생산하기 위한 비용이 많이 소요된다. 그리고, 증기와 질소 가스를 생산하기 위한 전용 설비를 구축해야 하기 때문에 전체 시스템이 비대해지는 문제가 있다.

이러한 제반 사항을 고려하여, 본 발명의 가압 축열조 시스템(10)은 주기적인 보충의 필요성이 낮고 생산 비용도 저렴하며, 온실 가스 감축을 위해 회수된 이산화탄소 가스(140)를 활용할 수 있도록 축열조 내부의 온수(130)를 이산화탄소 가스(140)로 가압하는 것으로 구성하였다.

다만, 종래의 상압형 축열조에서는 전혀 고려할 필요가 없는 문제가 가압 축열조(100)에는 있는데, 이는 가압 축열조(100)의 내부 압력에 의해 항상 인장력이 작용함에 따라 구조적으로 상압형 축열조에 비해 취약하다는 것이다. 본 발명은 이러한 문제점을 보완하고자 이산화탄소 가스(140)의 압력을 지탱하는 가압 축열조(100)의 내압 구조물 천장 위에 중량물인 열병합 발전 장치(200)를 설치하였다. 열병합 발전 장치(200)의 무게에 의해 이산화탄소 가스(140)의 압력이 일정 부분 상쇄되기 때문에 가압 축열조(100)의 구조적인 안정성이 향상된다.

여기서, 가압 축열조(100)의 내압 구조물의 천장이 반드시 가압 축열조(100)의 외부 구조체의 천장을 의미하는 것은 아니다. 만일 가압 축열조(100)가 몇 겹의 구조물로 이루어진 경우라면 온수(130)와 이산화탄소 가스(140)를 직접적으로 수용하고 있는 구조물이 가압 축열조(100)의 내압 구조물에 해당한다.

도 1에 도시된 실시형태를 참조하면, 가압 축열조(100)는 이산화탄소 가스(140) 및 온수(130)를 저장하는 축열 저장조(110)와, 상기 축열 저장조(110)를 감싸면서 이산화탄소 가스(140)의 여유분을 저장하는 가스 저장조(120)로 이루어져 있다. 즉, 가압 축열조(100)가 격리된 두 개의 영역으로 이루어지는 한편, 안쪽 내지는 아래쪽 영역을 형성하는 축열 저장조(110)에는 이산화탄소 가스(140)에 의해 가압되는 온수(130)가 저장되고, 그 바깥쪽 내지는 위쪽 영역을 형성하는 가스 저장조(120)에는 이산화탄소 가스(140)만 저장되어 있다. 이러한 실시형태에서는 열병합 발전 장치(200)는 가스 저장조(120)의 천장 위에 설치된다.

가스 저장조(120) 안에 저장된 이산화탄소 가스(140)는 일종의 버퍼 기능을 위해 마련된 것이다. 즉, 축열 저장조(110) 안에 가압 저장된 이산화탄소 가스(140)가 누출될 경우를 대비하여 이를 가스 저장조(120) 안에 저장된 이산화탄소 가스(140)의 압력으로 억제하는 것이며, 효과적인 억제를 위하여 가스 저장조(120)에 저장된 이산화탄소 가스(140)의 압력을 축열 저장조(110)에 충진된 이산화탄소 가스(140)의 압력보다 높게 설정하는 것이 바람직하다.

나아가 축열 저장조(110) 내부의 이산화탄소 가스(140) 압력을 높이기 위해 가스 저장조(120)에 저장된 이산화탄소 가스(140)를 축열 저장조(110) 안으로 추가적으로 공급할 수 있는 가스 충진 장치(114)를 더 포함할 수도 있다. 이와 같이, 가스 저장조(120)에 저장된 이산화탄소 가스(140)는 축열 저장조(110) 내부의 이산화탄소 가스(140)의 누출을 억제하는 한편 필요한 경우 이 이산화탄소 가스(140)를 축열 저장조(110) 안으로 주입하는데 사용할 수 있다.

그리고, 축열 저장조(110)의 상면은 내압(耐壓)에 유리한 형상의 돔 구조물(112)로 이루어질 수 있으며, 또한 축열 저장조(110) 안의 압력을 낮추기 위해 그 안의 이산화탄소 가스(140)를 가압 축열조(100) 외부로 배출하기 위한 가스 배출 밸브(116)를 더 포함할 수 있다. 가스 배출 밸브(116)로 빠져나가는 이산화탄소 가스(140)는 대기 중으로 방출될 수도 있지만 추후 재활용할 수 있도록 가스 저장조(120) 안으로 가압 주입하는 것도 가능하다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 열병합 발전 장치(200)에는 화석연료를 연소하여 발전을 하는 연소 발전기(210)가 포함될 수 있다. 이는 연소 발전기(210)에서 배출되는 연소 가스 중에 포함된 이산화탄소를 가압 축열조(100)에 충진되는 이산화탄소 가스(140)의 적어도 일부로서 자체 충당할 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한, 열병합 발전 장치(200)에는 연료전지 발전기(220)가 더 포함될 수 있는데, 이는 대형 축열조를 운용하는 사업자가 신재생에너지 의무할당제(RPS)를 충족시킬 수 있는데 도움을 주기 위하여 고려되는 것이다.

이상의 설명은 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템(10)의 기본적인 구성에 대해 설명한 것인데, 본 발명은 여기서 더 나아가 가압 축열조(100) 안에 저장되는 온수(130)에 에너지를 공급하기 위한 구성을 더 포함할 수 있다. 특히, 본 발명은 온수(130)에 공급되는 에너지는 화석 에너지 사용 저감을 통한 온실가스 감축과 전력가격 변동에 따른 열병합발전 설비 가동 제약 등에 따른 열원 부족을 고려하여, 연료비가 들지 않는 저가의 열원 확보 차원에서 신재생 에너지원을 지속가능한 열원으로 활용하고자 하며, 현재 신재생 에너지원으로서 가장 널리 이용되고 있는 태양광을 이용한다.

이를 위해, 본 발명은 가압 축열조(100)의 외벽으로 높이방향을 따라 설치되는 적어도 하나 이상의 태양열 집열 모듈(300)을 더 포함한다. 여기서 본 발명의 또 하나의 특징이 나타나는데, 종래에는 대단위 태양광 집열 모듈을 설치하기 위해서는 충분한 부지 확보가 필연적으로 요구되기 때문에 그 설치에 큰 제약이 뒤따르지만, 본 발명은 대형 구조물인 가압 축열조(100) 자체를 이용하여 그 외벽에 수직형으로 태양열 집열 모듈(300)을 설치함으로써 이런 종래기술의 문제점을 해결하였다.

도 2는 본 발명의 가압 축열조 시스템(10)에 구비되는 수직형 태양열 집열 모듈(300)의 구성을 도시한 도면인데, 태양열 집열 모듈(300)은 외측을 향해 개방된 곡면 형태의 태양열 집열판(302)과, 상기 태양열 집열판(302)의 내부 영역에 위치하는 집열 파이프(304)를 포함하여 구성된다. 가압 축열조(100)에 저장된 온수(130)는 태양열 집열 모듈(300)의 집열 파이프(304) 내부를 순환하게 되며, 집열 파이프(304)를 순환하는 과정 중에 태양열 집열판(302)으로 지중된 태양 에너지가 온수(130)로 전달된다.

여기서, 본 발명에 설치되는 태양열 집열 모듈(300)은 수직형이기 때문에 태양의 고도 변화에 따라 태양광 수집 능력이 크게 변동하고 저하될 수 있다. 이를 보완하기 위하여 가압 축열조(100)의 외부에 태양열 집열판(302)으로 태양광을 반사하는 적어도 하나 이상의 반사판(320)을 설치하는 것이 바람직하다. 그리고, 반사판(320)에는 공지의 태양광 트래킹 시스템이 구비되어 태양의 연중, 일중 고도 변화에 맞춰 최적의 각도로 태양광을 태양열 집열 모듈(300)을 향해 반사할 수도 있다.

그리고, 보조적으로 가압 축열조(100)의 외면 상부에는 가압 축열조(100)에 저장된 온수(130)를 가열하기 위한 제2 태양열 집열 모듈(330)이 설치될 수도 있다. 상부에 설치되는 제2 태양열 집열 모듈(330)은 통상적인 수평형 태양열 집열 모듈(300)이며, 제2 태양열 집열 모듈(330)을 통해 가압 축열조(100)의 외부 전면이 태양열을 모으는 면적으로 활용된다.

그리고, 도 3은 복수 개의 태양열 집열 모듈(300)의 각 집열 파이프(304)가 직렬 또는 병렬로 연결되도록 선택할 수 있는 밸브 장치(310)를 구비한 구성을 개략적으로 도시한 도면인데, 이는 태양의 연중, 일중 고도 변화와 기상 상태에 따라서 하나의 태양열 집열 모듈(300)만으로는 충분한 에너지를 온수(130)에 공급하기 어려운 상황이 발생할 수 있음을 고려한 것이다. 즉, 태양열 에너지가 충분하지 못한 상황에서는 몇몇 개의 집열 파이프(304)를 직렬로 연결함으로써 온수(130)가 가열될 유동길이 내지는 시간을 늘리는 것이다. 몇 개의 집열 파이프(304)를 서로 연결할 것인지는 결국 가압 축열조(100) 안으로 돌아가는 온수(130)의 온도가 목적한 수준에 도달하기 위한 최소 필요 개수에 의해 정해질 것이다.

그리고, 온수(130)의 온도를 상승시키기 위한 또 하나의 보조 수단으로서 가압 축열조(100)의 내압 구조물 천장 위에 설치되는 열병합 발전 장치(200)에서 발생하는 폐열을 활용하는 것도 가능하다. 가압 축열조(100)로부터 배출 및 유입되어 순환하는 온수(130)를 열병합 발전 장치(200)에서 발생하는 폐열과 열교환하면 별도의 추가 에너지를 소모하지 않고도 온수(130)의 온도를 상승시킬 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템(10)의 다른 실시형태에 대한 전체적인 구성을 도시한 도면이다. 도시된 실시형태는 가압 축열조(100)에 저장된 온수(130)를 활용하는 추가 장치를 포함하고 있다. 이러한 추가 장치는 가압 축열조 시스템(10)의 이용률을 증대하기 위한 것이다.

이러한 추가 장치에는 가압 축열조(100)에 저장된 온수(130)를 열원으로 사용하는 유기 랭킨 사이클 발전기(400)가 포함될 수 있다. 유기 랭킨 사이클 발전기(400)는 중·저온 열에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 발전기로서, 물보다 증기압이 높은 유기 열매체를 작동유체로 사용한다. 가압 축열조(100)에 저장된 온수(130)의 온도는 이산화탄소 가스(140)의 압력에 따라 변동 내지는 조절할 수 있는데, 온수(130)를 가열하는 태양열 에너지와 온수(130)의 수요를 결정하는 계절에 따라 달라지기는 하여도 대체로 120∼150℃ 범위에 있다. 이러한 가압 축열조(100) 온수(130)의 온도는 유기 랭킨 사이클 발전기(400)의 열원으로 사용하기에 충분하다.

또한, 유기 랭킨 사이클 발전기(400)를 이용하여 전기 에너지를 생산한 후에 배출되는 좀더 낮은 온도의 온수(130)는 흡수식 냉동기(500)의 열원으로 이용하는 것이 가능하다. 즉, 도 4에 도시된 것과 같이 유기 랭킨 사이클 발전기(400)의 다음에 또 하나의 추가장치로서 흡수식 냉동기(500)를 직렬로 연결할 수 있다.

흡수식 냉동기(500)는 냉기를 생산하며 이 냉기는 공조 용도 등으로 사용될 수 있다. 또한, 흡수식 냉동기(500)에서 생산된 냉기(냉수)는 유기 랭킨 사이클 발전기(400)의 열침으로 이용될 수도 있다. 유기 랭킨 사이클 발전기(400)는 열원의 온도가 120℃ 내외로 높지 않기 때문에 열침의 온도가 충분히 낮아야 경제적, 효율적 운전이 가능하기 때문에, 하절기 냉방수요가 형성되지 않거나 미미한 경우 흡수식 냉동기(500)에서 생산되는 냉수를 유기 랭킨 사이클 발전기(400)의 응축부의 열침(Heat Sink)로 사용하면 유기 랭킨 사이클 발전기(400)의 발전 효율을 기존 발전 효율 대비 10∼15%이상 향상시키는 것이 가능해진다.

여기서, 유기 랭킨 사이클 발전기(400)와 흡수식 냉동기(500)는 상황에 맞춰 선택적으로 운전된다. 예를 들어, 추가장치를 하나도 운전하지 않거나 유기 랭킨 사이클 발전기(400) 하나만을 운전하거나, 또는 유기 랭킨 사이클 발전기(400)와 흡수식 냉동기(500)를 함께 운전할 수 있다.

그리고, 유기 랭킨 사이클 발전기(400) 또는 흡수식 냉동기(500)에서 배출되는 온수(130)는 100℃ 미만으로 떨어지는데, 이런 온도 범위의 온수(130)는 지역 난방 공급라인(DHS)에 공급하여 활용할 수 있다. 즉, 본 발명의 가압 축열조 시스템(10)은 지역 난방 시스템과 연계하여 활용될 수 있는 것이다. 이와 같이 본 발명의 가압 축열조 시스템(10)이 지역 난방 시스템과 연계될 경우, 지역 난방 회수라인(DHR)을 흐르는 55℃ 정도의 낮은 온도의 물은 태양열 집열 모듈(300) 등으로 충분히 온도를 높인 후 가압 축열조(100)로 회수하여 재활용할 수 있다.

도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템(10)을 운용하는 다양한 실시형태를 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 가압 축열조 시스템(10)은 상황에 맞춰 다양한 방식으로 운전될 수 있는데, 도시된 운전 방식은 일례로서 이 밖의 방식으로도 운전될 수 있을 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템(10)을 동절기에 운용하는 실시형태를 도시한 도면이다. 동절기에는 태양의 연중 고도 때문에 에너지 집열이 용이하지 못하다. 이를 고려하여, 가압 축열조(100) 안의 이산화탄소 가스(140)의 압력은 온수(130)의 비등점이 120∼130℃ 정도가 되도록 유지된다. 120∼130℃의 온수(130)를 열원으로 이용하여 유기 랭킨 사이클 발전기(400)를 운전할 수 있으며, 유기 랭킨 사이클 발전기(400)에서 배출되는 온수(130)는 110℃ 정도로 낮아져 지역 난방 공급라인(DHS)으로 공급될 수 있다. 동절기이기 때문에 유기 랭킨 사이클 발전기(400)의 응축부 열침 온도는 충분히 낮고, 냉기의 수요도 거의 없기 때문에 흡수식 냉동기(500)까지 운전할 필요는 거의 없다.

도 6은 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템(10)을 하절기에 운용하는 실시형태를 도시한 도면이다. 하절기에는 태양의 에너지 밀도가 높기 때문에 상대적으로 온수(130)의 온도를 높게 유지하기 용이하다. 따라서, 가압 축열조(100) 안의 이산화탄소 가스(140)의 압력은 온수(130)의 비등점이 135∼145℃ 정도가 되도록 유지된다. 135∼145℃의 온수(130)를 열원으로 이용하여 유기 랭킨 사이클 발전기(400)를 운전할 수 있는데, 하절기이기 때문에 유기 랭킨 사이클 발전기(400)의 응축부 열침 온도가 상당히 높기도 하고 냉기의 수요도 높기 때문에 흡수식 냉동기(500)를 함께 운전하여 냉기를 생산하는 것이 바람직하다. 즉, 흡수식 냉동기(500)에서 생산된 5∼8℃ 정도의 냉수를 유기 랭킨 사이클 발전기(400)의 응축부 열침으로 사용하여 유기 랭킨 사이클 발전기(400)의 발전 효율을 높이는 것이 바람직하다. 흡수식 냉동기(500)에서 배출되는 온수(130)는 2 단계에 걸쳐 열원으로 사용되었기에 90℃ 정도로 낮아져 지역 난방 공급라인(DHS)으로 공급될 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템(10)을 춘추절기에 운용하는 실시형태를 도시한 도면이다. 춘추절기에서는 하절기와 동절기의 중간 정도의 온도 수준으로 운용된다. 다만, 춘추절기일 때 시수의 온도는 18℃ 내외로서 유기 랭킨 사이클 발전기(400)의 열침 온도로서는 발전효율상 다소 높은 수준이기 때문에 흡수식 냉동기(500)까지 운전하는 것이 바람직할 수 있다.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 가압 축열조 시스템(10)이 지역 난방 시스템과 연계된 실시형태를 보여주는데, 열공급 수요가 낮은 하절기에는 도 8과 같이 자체 순환모델로서 운용하는 것도 가능하다.

즉, 도 8과 같이, 하절기에는 135∼145℃의 온수(130)를 열원으로 이용하여 유기 랭킨 사이클 발전기(400) 및 흡수식 냉동기(500)를 캐스케이드 방식으로 함께 운전하고, 최종적으로 배출되는 온수(130)는 태양열 집열 모듈(300)을 이용하여 135∼145℃까지 승온한 후 다시 가압 축열조(100)로 되돌린다.

회수하는 온수(130)의 온도를 충분히 올리기 위해서는 전술한 바와 같이 몇몇 개의 태양열 집열 모듈(300)을 직렬로 연결하거나, 가압 축열조(100)의 내압 구조물 천장 위에 설치되는 열병합 발전 장치(200)에서 발생하는 폐열을 활용하거나, 가압 축열조(100)의 외면 상부에 제2 태양열 집열 모듈(330)을 설치하여 이용하는 등 다양한 방법을 종합적으로 활용할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 가압 축열조 시스템 100: 가압 축열조
110: 축열 저장조 112: 돔 구조물
114: 가스 충진 장치 116: 가스 배출 밸브
120: 가스 저장조 130: 온수
140: 이산화탄소 가스 200: 열병합 발전 장치
210: 연소 발전기 220: 연료전지 발전기
300: 태양열 집열 모듈 302: 태양열 집열판
304: 집열 파이프 310: 밸브 장치
320: 반사판 330: 제2 태양열 집열 모듈
400: 유기 랭킨 사이클 발전기
500: 흡수식 냉동기
DHR: 지역 난방 회수라인
DHS: 지역 난방 공급라인

Claims (18)

1. 대기압을 초과하는 압력의 이산화탄소 가스가 충진되고, 상기 이산화탄소 가스에 의해 가압되는 온수가 저장되는 가압 축열조;
   상기 이산화탄소 가스의 압력을 지탱하는 상기 가압 축열조의 내압 구조물 천장 위에 설치되는 열병합 발전 장치;
   를 포함하는 가압 축열조 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가압 축열조는 상기 이산화탄소 가스 및 상기 온수를 저장하는 축열 저장조와, 상기 축열 저장조를 감싸면서 상기 이산화탄소 가스의 여유분을 저장하는 가스 저장조로 이루어지고,
   상기 열병합 발전 장치는 상기 가스 저장조의 천장 위에 설치되는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 축열 저장조의 상면은 돔 구조물로 이루어지고, 상기 가스 저장조에 저장된 이산화탄소 가스의 압력이 상기 축열 저장조에 충진된 이산화탄소 가스의 압력보다 높은 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 가스 저장조에 저장된 이산화탄소 가스를 상기 축열 저장조 안으로 공급할 수 있는 가스 충진 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 축열 저장조에 충진된 이산화탄소 가스를 상기 가압 축열조 외부로 배출하기 위한 가스 배출 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 열병합 발전 장치는 화석연료를 연소하여 발전을 하는 연소 발전기를 포함하고, 상기 연소 발전기에서 배출되는 연소 가스 중에 포함된 이산화탄소를 상기 가압 축열조에 충진되는 이산화탄소 가스의 적어도 일부로 공급하는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 열병합 발전 장치에는 연료전지 발전기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 가압 축열조의 외벽으로 높이방향을 따라 설치되는 적어도 하나 이상의 태양열 집열 모듈을 더 포함하고,
   상기 태양열 집열 모듈은, 외측을 향해 개방된 곡면 형태의 태양열 집열판과, 상기 태양열 집열판의 내부 영역에 위치하는 집열 파이프를 포함하며,
   상기 가압 축열조에 저장된 온수가 상기 집열 파이프 내부를 순환하는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 가압 축열조의 외부에는 상기 태양열 집열판으로 태양광을 반사하는 적어도 하나 이상의 반사판이 설치되는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
10. 제8항에 있어서,
    상기 태양열 집열 모듈은 복수 개가 설치되고, 상기 복수 개의 태양열 집열 모듈에 각각 구비된 집열 파이프가 상기 가압 축열조에 대해 직렬 또는 병렬로 연결되도록 조작할 수 있는 밸브 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
11. 제8항에 있어서,
    상기 태양열 집열 모듈은 상기 열병합 발전 장치에서 발생하는 폐열과 열교환하여 상기 온수의 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
12. 제1항에 있어서,
    상기 가압 축열조에 저장된 온수를 열원으로 사용하는 유기 랭킨 사이클 발전기를 더 포함하는 가압 축열조 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 유기 랭킨 사이클 발전기에서 열원으로 사용한 후 배출하는 온수를 열원으로 사용하는 흡수식 냉동기를 더 포함하는 가압 축열조 시스템.
14. 제13항에 있어서,
    상기 흡수식 냉동기에서 생산된 냉수를 상기 유기 랭킨 사이클 발전기의 열침으로 사용하는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 유기 랭킨 사이클 발전기 또는 상기 흡수식 냉동기에서 배출되는 온수를 지역 난방 공급라인에 공급하는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
16. 제15항에 있어서,
    상기 지역 난방 공급라인에 대해 동절기에는 상기 유기 랭킨 사이클 발전기에서 배출되는 온수를 공급하고, 그 외의 절기에는 상기 흡수식 냉동기에서 배출되는 온수를 공급하는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
17. 제13항에 있어서,
    상기 가압 축열조의 외벽으로 높이방향을 따라 설치되는 적어도 하나 이상의 태양열 집열 모듈을 더 포함하고,
    상기 태양열 집열 모듈은, 외측을 향해 개방된 곡면 형태의 태양열 집열판과, 상기 태양열 집열판의 내부 영역에 위치하는 집열 파이프를 포함하며,
    상기 가압 축열조에 저장된 온수가 상기 집열 파이프 내부를 순환하되 상기 유기 랭킨 사이클 발전기 또는 상기 흡수식 냉동기에서 배출되는 온수를 상기 집열 파이프 내부로 공급하는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
18. 제8항에 있어서,
    상기 가압 축열조의 외면 상부에는 상기 가압 축열조에 저장된 온수를 가열하기 위한 제2 태양열 집열 모듈이 설치되는 것을 특징으로 하는 가압 축열조 시스템.
    
    
    

Images