KR20200017197A - 플라즈마 개질 모듈을 이용한 전력 계통 안정화 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 개질 모듈을 이용하여 전력 계통의 주파수를 조정함으로써 전력 계통을 안정화시키고, 화학 에너지를 생산하는 시스템에 관한 것으로서, 전력 계통에서 수요전력과 공급전력의 불일치로 인해 발생하는 변동된 주파수를 표준 주파수로 되돌리기 위하여 발생 전력을 수요함으로써 전력 계통의 안정성을 확보할 수 있으며 상기 발생 전력으로 플라즈마 개질 모듈을 구동하여 유용한 화학 에너지를 생산할 수 있다.
Description
본 발명은 플라즈마 개질 모듈을 이용한 전력 계통 안정화 시스템에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.
화력 발전소는 전력수요를 예측하여 석탄 화력 발전을 가동하여 예측한 전력을 생산하여 전력망을 통해 소비자에게 송전한다. 이 때 발전소에서는 최대 수요량에 맞춰 예비율을 두고 일반적으로 예상 수요보다 많은 양의 전력을 생산한다. 그러나 다양한 원인에 의하여 그 예상 수요를 벗어나는 일들이 많아 지고 있으며 전력망(grid)에 연결된 재생에너지 발전은 원하는 시간대에 원하는 양의 전력을 발전하기 어렵기 때문에 전력 수급이 불안정한 문제가 있었다.
발전소의 발전 방식은 화력 발전소에서 주로 이용하는 기저 발전방식과 가스 발전소에서 주로 이용하는 첨두부하 발전방식으로 나눌 수 있다. 기저 발전방식은 가동에 있어서 드는 시간이 길기 때문에 상시 가동이 이루어지는 방식이고, 첨두부하 발전방식은 정지상태에서 발전하는데까지 시간이 적게 걸리기 때문에 전력소비가 급증할 때 가동이 이루어지는 방식이다.
한편, 발전소에서 전력을 공급할 때 수요전력과 발전소의 공급전력의 불일치에 의해 주파수가 변동하게 되는데, 발전소는 주파수 조정을 통하여 시시각각 변하는 부하변동에 즉시 반응하도록 발전력을 조정한다. 우리나라 전력계통의 표준 주파수는 60Hz로 규정되어 있다. 전력 수요가 늘어나 공급전력이 부족하게 되면 주파수가 60Hz 이하로 떨어지기 때문에 발전소에서 출력을 올려 주파수를 조정하고, 전력 수요가 줄어들어 공급전력이 남는 경우 주파수가 60Hz를 넘어가기 때문에 발전소에서 출력을 줄여 주파수 추종운전 방식을 통해 주파수를 조정해 왔다.
발전소에서는 수요전력과 공급전력의 불일치로 인해 발생하는 변동된 주파수를 표준 주파수로 되돌리기 위하여, 주파수의 변동으로 인해 달라진 회전속도와 변화한 원심력으로 인해 이동한 원심추를 바로잡아주는 장치인 조속기를 사용한다.
한편, 보일러에서는 연료와 공기를 이용하여 급수를 증기로 생산한 후 터빈계통으로 보내고, 터빈은 발전기와 연계되어 있어 전력 계통의 60Hz를 유지하기 위한 증기에 의한 기계적 힘을 조절하기 위해 유입되는 증기량을 밸브를 이용하여 조절한다. 보일러에서 터빈으로 공급하는 증기는 시간 지연을 가지므로 증기밸브를 열더라도 바로 증기를 충분히 공급하지 못하게 되므로, 순간적인 증기요구량은 보일러에서 터빈으로 공급하던 증기에 의해 제어가 가능하나, 더 많은 양을 요구할 경우 증기를 생산하여 공급해야 하므로 시간지연이 발생한다.
따라서 보일러 연료를 연소하여 물을 증발시켜 터빈에서 필요로 하는 증기를 생산하여 공급하는데 시간 지연이 생기게 된다. 이러한 지연으로 인해 주파수는 곧바로 60Hz로 회복되지 않고 발전기가 얼마의 전력을 얼마나 신속히 공급하느냐에 따라 시간지연을 두고 60Hz로 수렴하게 되는 문제점이 있다.
상기와 같이 조속기를 이용하여 주파수의 변동이 일어났을 때 즉시 발전기 출력을 조절하는 주파수 추종운전 방식의 경우, 운전 비용이 많이 소요되고 발전소 마다 발전기 효율이 달라 출력을 조정할 때 발전소 효율이 나빠져 실질공급능력의 감소가 초래될 수 있으며, 발전소 기기의 고장률이 높아진다는 문제점이 있다.
또 다른 방법은 잉여 전력 등 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 방법으로서, 발생되는 잉여 전력이나 재생에너지를 이용하여 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하고, 생산된 수소와 화력 발전에서 발생되는 이산화탄소를 이용하여 디젤 연료나 메탄올 등을 제조하고 있다.
그러나 전기분해의 또한 전기 에너지를 이용하여 수소를 생산하여 저장하는 방법은 수소 저장을 위한 추가적 화학 플랜트가 필요하고 이를 운영하는 시간과 비용이 소모되며, 취급이 어려운 수소를 사용처로 수송하는 수송 인프라를 구축해야 하는 문제점이 있다.
한편, 개질(reforming) 공정은 탄화수소의 질을 개선하기 위하여 구조를 변화시키는 공정으로서, 주로 촉매를 사용하는 접촉 개질법을 사용한다. 개질 반응은 에너지가 상대적으로 작은 반응물질을 에너지가 큰 생성물질로 변화시키는 흡열 반응(endothermic reaction)으로서 촉매의 존재하에 높은 온도 및 압력을 가해주어야 한다.
상기 접촉 개질법은 주로 스케일이 큰 화학 플렌트에 적용되고, 반응 조건 설정이 필요하기 때문에 즉시 구동하는 것이 불가능하고, 어느 플렌트에도 적용 가능한 범용 설비를 제공하는 것이 불가능하며, 촉매를 사용하여 탄화수소를 처리하기 때문에 반응 시간이 축적되면 탄소 증착 문제가 발생하여 전환율이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 주파수 조절에 의한 전력 제어에 비하여 더 효율적이고 절감된 비용으로 전력 계통의 안정화가 가능하고 나아가 화학 에너지를 생산할 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 플라즈마 개질 모듈을 이용하여 전력 계통의 주파수를 조정함으로써 전력 계통을 안정화시킬 수 있는 전력 계통 안정화 시스템으로서, 모니터링 모듈 및 제어 모듈을 통하여 전력 계통의 주파수에 따라 상기 플라즈마 개질 모듈을 구동 및 정지시킴으로써 주파수를 조정 가능한 전력 계통 안정화 시스템을 제공한다.
또한 상기 제어 모듈은 상기 전력 계통의 주파수가 규정 주파수를 초과하는 경우 상기 플라즈마 개질 모듈을 구동시켜 부하를 증가시킴으로써 전력 계통의 주파수를 낮추는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어 모듈은 상기 전력 계통의 주파수가 규정 주파수를 기준으로 상하 일정한 범위 내의 영역인 주파수 불감대 영역에 해당하는지 여부를 1차 판단하고, 주파수 불감대 영역에 해당하지 않는 경우 상기 플라즈마 개질 모듈이 수용 가능한지 여부를 2차 판단하여, 상기 플라즈마 개질 모듈이 수용 가능한 경우 상기 플라즈마 개질 모듈을 구동시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어 모듈은 상기 1차 판단을 통해 주파수 불감대 영역에 해당하는 경우 상기 전력 계통의 증기 밸브를 통해 주파수를 조정하고, 상기 2차 판단을 통해 플라즈마 개질 모듈이 수용 가능하지 않은 경우 상기 전력 계통의 연소 조절을 통하여 주파수를 조정하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어 모듈은 마스터 제어 모듈 및 적어도 1개 이상의 보조 제어 모듈을 포함하고, 상기 보조 제어 모듈은 적어도 1개 이상의 플라즈마 개질 모듈로 모듈화(modularization)하여 시스템을 구성하는 경우 각각의 플라즈마 개질 모듈을 제어하고, 상기 마스터 제어 모듈은 상기 보조 제어 모듈을 제어함으로써 모듈화된 전체 플라즈마 개질 모듈의 구동 및 정지를 총괄 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 플라즈마 개질 모듈은 유도 결합 플라즈마 개질 모듈인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 유도 결합 플라즈마 개질 모듈은 유전체 방전 튜브인 제1 반응기 및 상기 제1 반응기를 감싸도록 배치된 유도 코일인 안테나를 포함하며, 전력 계통의 전력을 이용하여 구동되어 공급원료의 개질 반응이 일어날 수 있도록 에너지를 제공하는 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 모듈인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 플라즈마 개질 모듈은 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 혼합가스를 공급원료로 하여 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 모듈인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 유도 결합 플라즈마 개질 모듈은, 길이방향으로 연장되는 유전체로 형성되는 제1 반응기; 및 상기 제1 반응기를 감싸도록 배치되고 상기 제1 반응기 내에 유도 결합 플라즈마를 생성하는 제1 유도 코일 구조체;를 포함하고, 상기 제1 유도 코일 구조체는, 서로 직렬 연결되고, 서로 다른 층에 각각 배치되고, 각 층에서 적어도 두 턴(two turn) 이상을 구비한 동일한 구조의 유도 코일들; 및 서로 인접한 유도 코일들 사이에 각각 배치되어 상기 유도 코일들에 인가되는 전압을 분배하는 보조 축전기들;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 유도 결합 플라즈마 개질 모듈을 이용하여 전력 계통의 주파수를 조정함으로써 전력 계통을 안정화시키고, 화학 에너지를 생산하는 시스템으로서, 모니터링 모듈 및 제어 모듈을 통하여 전력 계통의 주파수에 따라 상기 유도 결합 플라즈마 개질 모듈의 구동 및 정지시킴으로써 상기 전력 계통의 주파수를 조정 가능한 전력 계통 안정화 시스템; 및 상기 전력 계통의 전력을 이용하고, 상기 전력 계통 안정화 시스템에 의해 구동되는 유도 결합 플라즈마 개질 모듈을 통하여 공급원료의 개질 반응이 일어날 수 있도록 에너지를 제공함으로써 화학 에너지를 생산하는 화학 에너지 생산 시스템;을 포함하는 유도 결합 플라즈마 개질 모듈을 이용한 전력 계통 안정화 및 화학 에너지 생산 시스템을 제공한다.
본 발명은 전력 계통에서 수요전력과 공급전력의 불일치로 인해 발생하는 변동된 주파수를 표준 주파수로 되돌리기 위하여 발생 전력을 수요함으로써 전력 계통의 안정성을 제공할 수 있으며 화학 에너지를 생산할 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 발생 전력으로 플라즈마 개질 모듈을 구동하여 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 혼합가스로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 생성하고, 생성된 합성가스로부터 디젤이나 메탄올 등 유용한 화학 에너지로 전환할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 플라즈마 개질 모듈은 전기분해를 통해 수소를 생산한 후 합성가스를 생산하는 시스템에 비하여 약 1/4 의 전력을 사용하여 합성가스를 생산할 수 있다. 또한 전력 발생시 즉각적인 구동이 가능하기 때문에 불연속적으로 생산되는 재생에너지도 전력으로 사용할 수 있으며, 또한 연속적인 모듈 구조로 인하여 소규모부터 대규모까지 다양한 혼합가스 스케일에 적용이 가능하고, 개질 반응에 있어 촉매가 필요하지 않으며, 높은 전환율을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 유도 결합 플라즈마 개질 모듈을 이용한 화학 에너지 생산 시스템은 발전소에 적용되어 발전량을 조절하여 유동 전류를 줄이는 방식에서 벗어나 발생한 유동 전류를 화학 에너지로 변환하여 저장할 수 있도록 하는 시스템으로서, 발전량을 조절하는 방식에 비하여 전력 품질이나 효율을 유지하는데 드는 비용 등을 절감할 수 있으면서도 유용한 에너지를 창출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 시스템 개요도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 모듈 구성을 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 모듈의 제어 알고리즘을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 개질 모듈의 모식도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 화학 에너지 생산 시스템의 모듈화 구성을 나타낸 것이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 6b는 도 6a의 유도 결합 플라즈마 발생 장치를 설명하는 회로도이다.
도 6c는 도 6a의 유도 결합 플라즈마 발생 장치의 전압 분배를 설명하는 도면이다.
도 6d는 도 6a의 유도 결합 플라즈마 발생 장치를 설명하는 평면도이다.
도 6e는 도 6a의 유도 결합 플라즈마 발생 장치의 유도 코일을 설명하는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 모듈 구성을 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 제어 모듈의 제어 알고리즘을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 개질 모듈의 모식도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 화학 에너지 생산 시스템의 모듈화 구성을 나타낸 것이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 6b는 도 6a의 유도 결합 플라즈마 발생 장치를 설명하는 회로도이다.
도 6c는 도 6a의 유도 결합 플라즈마 발생 장치의 전압 분배를 설명하는 도면이다.
도 6d는 도 6a의 유도 결합 플라즈마 발생 장치를 설명하는 평면도이다.
도 6e는 도 6a의 유도 결합 플라즈마 발생 장치의 유도 코일을 설명하는 평면도이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 개질 모듈을 이용한 전력 계통 안정화 및 화학 에너지 생산 시스템은 발전소에서 수요전력과 공급전력의 불일치로 인해 발생하는 된 주파수를 표준 주파수로 되돌리기 위하여 주파수를 조정하는 대신 발생 전력을 즉시 수요할 수 있는 플라즈마 개질 모듈을 이용하여 합성가스를 제조하고, 이로부터 디젤이나 메탄올 등의 화학 에너지를 생산하는 시스템이다. 도 1에 본 발명의 일실시예에 따른 시스템 개요도를 나타내었다.
본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 개질 모듈을 이용한 전력 계통 안정화 시스템은 고속으로 구동 또는 정지할 수 있는 플라즈마 개질 모듈을 이용하여, 전력 계통의 주파수를 조정함으로써 전력 계통을 안정화시킬 수 있다.
더욱 구체적으로 도 2에 나타낸 것과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 전력 계통 안정화 시스템은 먼저, SCADA 등의 모니터링 모듈을 이용하여 전력 계통의 전압 및 주파수를 감지하고 발전원의 운전 상태 및 플라즈마 개질 모듈의 상태를 파악한다. 상기 얻어지는 데이터와 DCS 등의 제어 모듈을 이용하여 규정 주파수를 초과한 경우 초과 전력량에 따라 플라즈마 개질 모듈의 가동 여부를 결정한다.
예를 들어, 전력 수요가 줄어들어 공급전력이 남는 경우 주파수가 60Hz를 초과하기 때문에 주파수를 감소시키기 위하여 플라즈마 개질 모듈을 구동시켜 부하를 증가시킴으로써 전력 계통의 주파수를 조절할 수 있다.
상기 제어 모듈은 마스터 제어 모듈 및 적어도 1개 이상의 보조 제어 모듈을 포함한다. 상기 보조 제어 모듈은 적어도 1개 이상의 플라즈마 개질 모듈로 모듈화(modularization)하여 시스템을 구성하는 경우 각각의 플라즈마 개질 모듈을 제어하는 역할을 하며, 상기 마스터 제어 모듈은 상기 보조 제어 모듈을 제어함으로써 모듈화된 전체 플라즈마 개질 모듈의 구동 및 정지를 총괄 제어하는 역할을 한다.
상기 마스터 제어 모듈은 도 3에 나타낸 것과 같은 알고리즘을 통하여 제어가 가능하다. 도 3에 나타나는 것과 같이, 먼저 측정된 주파수가 주파수 불감대 영역인지 여부를 판단한다. 플라즈마 개질 모듈이 주파수 변화에 자주 반응하는 것을 방지하기 위해 규정 주파수(예를 들어, 60Hz)를 기준으로 상/하 일정한 범위(예를 들면, 플라즈마 개질 모듈 한 개 용량 이하, 주파수 불감대 영역) 내에서 플라즈마 개질 모듈을 구동하지 않고 발전기의 조속기(speed governor)는 이를 감지하여 출력을 조정하여 주파수를 60Hz 유지하도록 한다. 이 경우 발전소의 보일러에서 터빈으로 공급하는 증기 밸브로 조절 가능한 범위이어야 한다.
주파수 불감대 영역으로 판단되는 경우 증기 밸브 조절을 통한 주파수 조정 또는 전력 계통의 배터리 에너지 저장 장치(Battery Energy Storage System, BESS)를 통해 주파수를 조정할 수 있다. 배터리 에너지 저장 장치는 공급받은 전기에너지를 배터리 등에 저장하는 것으로서, 상기 배터리 에너지 저장 장치에 저장된 전기에너지는 필요에 따라 다시 외부로 공급될 수 있다. 따라서, 주파수 불감대 영역으로 판단되는 경우 상기 배터리 에너지 저장 장치에 전기에너지를 저장하거나 저장된 전력을 외부로 제공하도록 하여 주파수 조정이 가능하다. 배터리 에너지 저장 장치를 이용하는 경우 더욱 안정적인 주파수 조정이 가능하고 발전소는 감발발전 없이 운영이 가능하다.
한편, 측정된 주파수가 주파수 불감대 영역에 해당하지 않는 경우, 제어 모듈은 플라즈마 개질 모듈의 운영 상태에 따라 플라즈마 개질 모듈이 수용 가능한지 판단하고 수용 가능한 경우에 플라즈마 개질 모듈을 구동하여 주파수를 조정하고, 수용 가능하지 않다고 판단되는 경우 발전소의 보일러 연소 조절을 통하여 주파수를 조정하도록 한다.
상기 제어 모듈은 주파수 조절뿐만 아니라 유동 전력(Fluctuating power)으로서 화력 발전소, 원자력 발전소 등 발전소에서 수요 전력을 초과하여 생산되는 잉여 전력을 이용하거나 태양력 에너지, 풍력 에너지 등 공급이 불안정한 재생에너지를 이용하여 발전원의 안정적인 운영이 가능하다. 바람직하게는 화력 발전소에서 생산되는 전력을 이용하는 것이 화력 발전에서 필수적으로 발생하는 이산화탄소(CO2)를 개질 반응에 필요한 공급원료(feedstock)로 직접적으로 이용할 수 있기 때문에 좋다.
상기 플라즈마 개질 모듈을 이용한 전력 계통 안정화 시스템을 통하여 실시간 계통(Grid) 발전단 및 송전망에서 주파수 조정이 가능하고, 전력 거래소와 발전사 간에 계약 발전 물량(하루전, 당일, 실시간) 지시에 따라 발전원의 안정성과 효율성을 고려하여 플라즈마 개질 모듈을 이용한 화학 에너지의 계획적인 생산이 가능하다.
본 발명에 따른 전력 계통 안정화 시스템의 플라즈마 개질 모듈은 유도 결합 방식, 토치 방식 또는 마이크로웨이브 플라즈마 방식 등 모든 종류의 플라즈마 발생 장치를 이용할 수 있으며, 바람직하게는 유도 결합 플라즈마 개질 모듈을 이용하는 것이 좋다. 유도 결합 플라즈마 개질 모듈을 이용하는 경우 플라즈마 토치나 마이크로웨이브 플라즈마 방식과 비교하여 후술할 화학 에너지 생산 측면에서 효율이 우수한 장점이 있다. 유도 결합 플라즈마 개질 모듈의 구체적인 구성은 후술한다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 개질 모듈을 이용한 화학 에너지 생산 시스템은 상기 전력 계통 안정화 시스템에서 플라즈마 개질 모듈을 구동시키는 제어 신호를 전달하는 경우에 작동될 수 있다.
상기 유도 결합 플라즈마 개질 모듈(inductively coupled plasma reforming module)은 개질 반응이 일어나는 제1 반응기(유전체 방전 튜브)를 포함하며 발전소의 전력을 이용하여 구동되어 공급원료의 개질 반응이 일어날 수 있도록 높은 에너지를 제공하는 플라즈마를 발생시킨다. 본 명세서에서는 공급원료로서 이산화탄소(CO2) 및 메탄(CH4)을 포함하여 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 합성가스(syngas)를 제조하는 이산화탄소(CO2) 개질을 일예시로서 설명한다.
공급원료는 화력 발전소에서 연소 후 배출되는 플루가스(flue gas)로부터 이산화탄소를 포집하여 공급할 수 있다. 또한 폐기물 처리 시설에서 발생하는 바이오가스(biogas)로부터 이산화탄소(CO2) 및 메탄(CH4)을 포집하여 공급할 수 있다. 이외에 구매를 포함한 다양한 루트를 통해 공급원료를 공급할 수 있다.
공급원료는 공급라인에서 일정 유량으로 조절되고, 기화된 수증기와 함께 완전 혼합되어 플라즈마 개질 모듈(또는 제1 반응기)로 유입된다. 수증기(H2O)는 메탄의 몰수 대비 1.0 내지 2.0 몰 비율로 유입된다.
본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 개질 모듈은 유도 결합 플라즈마 발생 모듈로서, 상기 유도 결합 플라즈마 개질 모듈은 제1 반응기 역할을 하는 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치된 안테나(유도 코일)에서 높은 전위가 인가되면 유전체 방전 튜브 내에는 플라즈마가 발생되고, 유전체 방전 튜브의 표면은 이온의 충돌에 의하여 가열되어 유전체 방전 튜브 내로 공급되는 공급원료 개질에 필요한 에너지를 제공함으로써 합성가스를 생성할 수 있다. 도 4에 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 개질 모듈의 모식도를 나타내었다.
상기 유도 결합 플라즈마 개질 모듈은 제어 신호를 수신하여 구동을 시작하였을 때 안정적으로 개질 반응이 이루어지기(정상 운전)까지의 시간이 수분 내지 수시간내로서, 일반 열 개질 방식이 구동 명령 후 안정적인 개질 반응이 이루어지기 까지 걸리는 시간이 수십 시간 이상(24 내지 72시간)인 것에 비하여 구동 및 정지가 즉시 가능한 장점이 있다.
또한 유도 결합 플라즈마 개질 모듈은 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 토치나 마이크로웨이브 플라즈마 방식과 비교하여 변환 효율이 우수한 장점이 있다. 더욱 구체적으로 플라즈마 토치의 경우 전극 소모로 인하여 수명이 짧은 단점이 있고, 마이크로웨이브 플라즈마의 경우 비용이 많이 들고 제어가 힘들어 양산이 어려우며 에너지 변환 효율이 60% 미만인 반면, 유도 결합 플라즈마의 경우 전극을 사용하지 않기 때문에 사용 내구성이 우수하고 저렴한 비용으로 양산이 가능하며 이산화탄소 전환율이 80% 이상, 에너지 변환 효율이 60% 이상인 장점이 있다.
상기 유도 결합 플라즈마 개질 모듈은 단위 모듈로서 적어도 2개 이상의 유도 결합 플라즈마 개질 모듈이 병렬 또는 직렬로 포함되어 모듈화(modularization)된 것일 수 있다. 또한 도 5에 나타낸 것과 같이 유도 결합 플라즈마 개질 모듈의 후단에는 각각 합성가스로부터 다양한 종류의 탄화수소 화합물을 생산하는 제2 반응기가 연결(1×1)되거나 복수개(N)의 유도 결합 플라즈마 개질 모듈의 후단에는 전력 공급에 따라 가변적으로 운전하여 생산된 합성가스를 저장하는 버퍼 탱크 및 버퍼 탱크에 저장된 합성가스로부터 화학 에너지를 생산하는 제2 반응기가 연결(N×1)된 형태일 수 있다. 이외에도 하나의 플라즈마 개질 모듈 후단에 복수개의 제2 반응기가 연결(1×N)되거나, 복수개의 플라즈마 개질 모듈 후단에 복수개의 제2 반응기가 연결(N×N)된 형태 등 다양한 연결 형태로 모듈화될 수 있다. 상기와 같은 연결 형태는 또한 복수(M)개로 구성((1×1)×M, (N×1)×M, (1×N)×M, (N×N)×M)될 수 있어, 발전원 용량 및 상황에 따른 최적의 시스템 구성을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 개질 모듈의 상세 구성은 후술한다.
본 발명은 상기 플라즈마 개질 모듈을 통해 제조된 혼합가스가 제2 반응기에 유입되고, 제2 반응기에서 디젤이나 메탄올 등의 화학 에너지를 생산한다. 예를 들어, 촉매를 이용한 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 통해 메탄올을 생성하는 공정이 수행될 수 있다.
메탄올 합성 반응은 촉매를 이용하여 이루어지고, 세륨-지르코늄산화물 지지체에 담지된 Cu-Zn-Al계 산화물 또는 Cu-Zn-Al-Zr계 산화물 촉매를 이용할 수 있다. 상기 촉매를 이용하면 부산물의 생성이 억제되어 메탄올로의 수율이 향상되어, 메탄올로의 수율 증가에 따른 메탄올 정제 효율 및 카본전환 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
발전소 내에 생물학적 수처리 시설이 존재하는 경우 폐수처리 과정에서 발생하는 황화수소를 제거하는 탈황과정이나 폐수에 포함된 암모니아성 질소를 질산화하여 질소가스로 환원 처리하는 탈질과정 등에 탄소에너지원으로서 상기 생성된 메탄올을 사용할 수 있다. 이 때 수처리에 사용되는 메탄올은 고순도를 요구하지 않기 때문에 기존에 메탄올의 순도를 높이기 위하여 요구되는 분리 정제 공정을 단순화시킬 수 있다.
유도 결합 플라즈마 개질 모듈
본 발명의 일실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 개질 모듈은 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 안테나를 포함하고, 상기 안테나에 높은 전위가 인가되면 상기 유전체 방전 튜브 내에는 플라즈마가 발생된다. 상기 유전체 방전 튜브의 표면은 이온의 충돌에 의하여 1000℃ 이상으로 가열되어 개질 반응에 필요한 에너지를 제공한다.
안테나에 인가되는 높은 전위는 상기 안테나의 인덕턴스, 주파수, 그리고 전류에 영향을 받을 수 있다. 높은 전력 조건에서, 상기 안테나에 인가되는 높은 전위는 반드시 나타난다. 따라서, 상기 안테나에 발생하는 높은 전위를 낮출 필요가있다. 본 발명에 따른 플라즈마 개질 모듈은 이러한 수 킬로와트 이상의 고전력이 인가된 경우, 인가된 높은 전압을 감소시키어 이온 충돌에 의한 가열을 최소화할 수 있다.
상기 플라즈마 개질 모듈은 유도 결합 플라즈마를 발생시키며, 변압기 회로로 모델링될 수 있다. 유도 코일은 변압기 회로의 1차 코일로 동작하고, 플라즈마는 변압기 회로의 2차 코일로 동작할 수 있다. 유도 코일과 안테나는 동일한 의미로 이하에서 혼용하여 사용된다.
상기 유도 코일에 인가되는 전압을 감소시키기 위하여, 직렬 연결된 유도 코일들 사이에 축전기를 배치하여, 전체 전압은 유도 코일과 축전기 사이에 전압 분배될 수 있다. 구체적으로, 상기 유도 코일을 분할하여 분할된 유도 코일들 사이에 보조 축전기를 배치하고, 상기 유도 코일의 양단에 메인 축전기가 각각 배치될 수 있다. 이에 따라, 스크리닝 효과(screening effect)에 의한 정전기장이 감소하고, 전압 분배 모델에 의하여, 상기 유도 코일에 인가되는 전압이 감소될 수 있다. 분할된 유도 코일 및 보조 축전기는 직렬 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 교류 전원의 구동 주파수와 동일할 수 있다. 이에 따라, 상기 유도 코일에 낮은 전압이 인가된 상태에서, 안정적인 임피던스 매칭이 수행될 수 있다.
유전체 방전 튜브를 감싸는 유도 코일에 RF 전력을 인가하여 유도 결합 플라즈마 방전을 수행하는 경우, 유도 결합 플라즈마는 상기 유전체 방전 튜브를 가열하고, 상기 유전체 방전 튜브는 가열되어 파손되기 때문에 수십 kWatt 이상 고출력의 유도 결합 플라즈마는 구조적 한계가 있다.
따라서 본 발명은 유도 결합 플라즈마의 효율 또는 안정성을 향상시키기 위하여, 1) 유도 전기장의 세기를 증가시키는 적층 구조의 안테나(코일 구조), 2) 유도 코일을 분할하고 분할된 유도 코일 사이에 임피던스 감소를 위한 축전기 연결 구조, 3) 전체적인 공진 조건을 만족시키기 위한 유도 코일의 양단에 메인 축전기를 연결하는 구조, 4) 유도 코일의 플라즈마 안정성을 향상시키고 주파수 가변 교류 전원부 등이 적용된다.
이에 따라, 종래의 유도 결합 플라즈마 장치가 수행할 수 없었던 분당 수 십 내지 수 백 리터(liter)의 유량을 수 토르 이상의 고압에서 안정적으로 처리할 수 있다. 또한, 별도의 초기 방전을 위한 전극이 필요하지 않고, 교류 전원부의 구동 주파수를 공진 조건에서 벗어난 상태에서 초기 방전한다. 공진 조건에서 벗어난 경우, 유도 코일에 고전압이 인가되어 초기 방전을 수행한다. 이어서, 상기 교류 전원의 구동 주파수를 공진 조건으로 변경하여 메인 방전을 수행한다.
유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma; ICP) 안테나의 경우, 플라즈마에 전달되는 유도 전기장의 세기는 유도 코일의 전류 및 주파수에 비례하며, 감긴 수(권선수)의 제곱에 비례한다. 따라서 유도 코일(또는 안테나)의 감은 수를 늘릴수록 플라즈마에 높은 전기장을 인가 할 수 있다. 그러나, 솔레노이드 코일의 권선 수가 증가함에 따라, 공간적인 제약에 의하여 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 에너지가 분산된다. 또한, 유도 코일의 높은 인덕턴스(임피던스)는 RF 전원(RF generator)로 부터 유도 코일(안테나)로의 전력전달을 어렵게 한다.
플라즈마 주변에 형성되는 전기장의 밀도를 높여야 하므로 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향에 대하여 단위 길이 당 권선 수를 최대화해야 한다. 유도 코일에 높은 전압이 인가된 경우, 유도 코일은 축전 결합 플라즈마를 형성하여 방전 안정성을 감소시킨다. 상기 축전 결합 플라즈마는 초기 방전에는 유리하나, 축전 결합에 의한 이온 가속에 의하여 유전체 방전 튜브의 손상을 유발한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나에 걸린 고전압에 의한 유전체 방전 튜브 파손 문제를 해결하기 위하여 각 층에 배치된 단위 안테나들 사이에 축전기를 삽입하였다. 이에 따라, 더 많은 전력이 상기 안테나에 인가된 경우에도, 유전체 방전 튜브는 파손되지 않았다. 상기 단위 안테나들 사이에 축전기를 사용하며, 상기 안테나에 인가되는 전압을 감소시킨다. 또한, 안테나와 전력 입력단과 전력 출력단 사이의 고전압에 의한 기생 방전을 억제한다.
안테나에 고전압이 인가되면, 고전압에 의하여 이온이 표면으로 가속 및 충돌하여 고온 발열 및 손상을 유발한다. 이런 문제점으로 높은 전력 조건을 유도 결합 플라즈마에서 적용하기 힘들며, 인덕턴스를 줄이거나 안테나를 튜브에서 떨어트리는 식의 대처한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나를 구성하는 단위 안테나 사이에 적당히 전압을 상쇄하는 축전기를 직렬로 위치하는 경우, 최대 전위가 안테나를 분할하는 횟수에 반비례하여 줄어들며, 높은 전력에서도 유전체 방전 튜브의 파손이 경감된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 플라즈마 개질 모듈의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
상기 플라즈마 개질 모듈(100)은 수 토르 이상의 높은 압력에서 고효율의 플라즈마를 생성할 수 있다. 상기 플라즈마 개질 모듈(100)은 유도 방전부(101) 및 상기 유도 방전부(101)에 전력을 공급하는 RF 전원(140)를 포함할 수 있다. 상기 플라즈마 개질 모듈(100)은 유도 결합 플라즈마를 발생시켜 공급원료로부터 합성가스를 제조하여 제2 반응기에 제공할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 개질 모듈을 설명하는 개념도이다.도 6b는 도 6a의 플라즈마 개질 모듈을 설명하는 회로도이다. 도 6c는 도 6a의 플라즈마 개질 모듈의 전압 분배를 설명하는 도면이다. 도 6d는 도 6a의 플라즈마 개질 모듈을 설명하는 평면도이다. 도 6e는 도 6a의 플라즈마 개질 모듈의 유도 코일을 설명하는 평면도이다.
도 6a 내지 도 6e를 참조하면, 상기 플라즈마 개질 모듈(100)은, 길이방향으로 연장되는 유전체 튜브(130); 상기 유전체 튜브를 감싸도록 배치되고 상기 유전체 튜브 내에 유도 결합 플라즈마를 생성하는 제1 유도 코일 구조체(110); 서로 반대 위상의 양의 출력 및 음의 출력을 제공하고, 상기 제1 유도코일 구조체의 양단에 RF 전력의 양의 출력 및 음의 출력을 각각 공급하고, 구동주파수를 변경하는 RF 전원(140); 상기 RF 전원의 양의 출력단과 상기 제1 유도 코일 구조체의 일단 사이에 배치된 제1 메인 축전기(121); 및 상기 RF 전원의 음의 출력단과 상기 제1 유도 코일 구조체의 타단 사이에 배치된 제2 메인 축전기(122)를 포함한다.
상기 제1 유도 코일 구조체(110)는, 서로 직렬 연결되고, 서로 다른 층에 각각 배치되고, 각 층에서 적어도 한 턴(one turn) 이상을 구비한 유도 코일들(112,114,116,118); 및 서로 인접한 유도 코일들 사이에 각각 배치되어 상기 유도 코일들에 인가되는 전압을 분배하는 보조 축전기들(113,115,117)을 포함한다.
상기 RF 전원(140)의 구동 주파수는 수백 kHz 내지 수 MHz일 수 있다. 상기 RF 전원(140)의 출력 전력은 수백 와트 내지 수십 킬로와트일 수 있다. 상기 RF 전원(140)은 유동 전력을 이용하여 제1 유도 코일 구조체를 통하여 시변 부하(유도 결합 플라즈마)에 전력을 공급한다. 상기 제1 유도 코일 구조체(110)의 유도 코일은 유도 결합 플라즈마와 전자기적으로 결합할 수 있다. 따라서, 상기 RF 전원(140)과 상기 제1 유도 코일 구조체(110) 사이에 임피던스를 매칭할 수 있는 장치가 요구될 수 있다. 상기 RF 전원(140)은 반대 위상의 제1 출력과 제2 출력을 가질 수 있다. 특정한 시간에, 상기 제1 출력과 상기 제2 출력은 접지를 기준으로 서로 반대 위상을 가질 수 있다.
통상적인 임피던스 매칭 네트워크는 두 개의 가변 리액턴스 소자(예를 들어, 진공 가변 축전기) 또는 변압기를 사용하여 임피던스 매칭을 수행한다. 이 경우, 상기 제1 유도 코일 구조체(110)는 상기 구동 주파수와 안정적인 공명 조건을 충족하기 어렵다. 따라서, 상기 제1 유도 코일 구조체에서 서로 이웃한 한 쌍의 유도 코일과 보조 축전기가 직렬 공명 조건을 충족하도록 가변 구동 주파수를 가지는 RF 전원이 사용된다.
상기 유전체 튜브(130)는 원통형상이고 길이 방향으로 연장될 수 있다. 상기 유전체 튜브(130)의 재질은 고온에서 견딜 수 있는 유리, 쿼츠, 셀라믹, 알루미나,또는 사파이어 재질일 수 있다.
원통형 플라즈마 개질 모듈은 원통형 유전체 방전 튜브 및 상기 방전 튜브를 감싸는 안테나를 포함한다. 원통형 유도 결합 플라즈마에서, 유도 전기장이 상기 유전체 방전 튜브에 수직 입사하지 않아, 이온 충격에 의한 손상이 적다. 상기 원통형 유도 결합 플라즈마는 원통 형상의 유전체 방전 튜브의 중심축 방향의 유도 전기장을 생성한다. 그러나, 상기 안테나에 고전압이 인가되면, 상기 안테나는 축전 결합 플라즈마를 생성하여 상기 유전체 튜브를 가열한다. 따라서, 상기 안테나에 고전압이 인가되지 않도록 새로운 유도 코일 구조가 요구된다.
상기 제1 유도 코일 구조체(110)에서 유도 전기장은 구동 구파수와 전류(또는 단위 길이당 턴수)에 의존한다. 또한, 상기 제1 유도 코일 구조체(110)에 인가되는 최대 전압은 상기 제1 유도 코일 구조체(110)의 총 임피던스와 전류에 의존한다. 상기 제1 유도 코일 구조체(110)의 임피던스는 제1 유도 코일 구조체의 인덕턴스와 구동 주파수에 의존한다. 따라서, 제1 유도 코일 구조체에 인가되는 최대 전압을 감소시키기 위하여, 제1 유도 코일 구조체의 인덕턴스를 증가시키면 유도 전기장의 세기는 증가하나, 높은 최대 전압에 의하여 축전 결합 효과가 증가한다. 따라서, 상기 제1 유도 코일 구조체의 임피던스를 감소시키기 위하여, 상기 제1 유도 코일 구조체(110)는 복수의 유도 코일(112,114,116,118)과 이웃한 유도 코일들 사이에 삽입된 보조 축전기(113,115,117)를 포함한다. 또한, 상기 유도 코일과 이웃한 보조 축전기는 서로 직렬 공진 회로를 구성한다. 상기 유도 코일들과 상기 보조 축전기들은 전지적으로 교번하여 배치되고 서로 직렬 연결된다. 이에 따라, 상기 제1 유도 코일 구조체는 전체적으로 낮은 임피던스를 제공한다. 상기 보조 축전기의 개수는 상기 유도 코일들의 개수보다 하나 적을 수 있다.
또한, 상기 제1 유도 코일 구조체(110)는 전체적으로 완전한 공진 회로를 구성한다. 이를 위하여, 제1 메인 축전기(121)는 상기 제1 유도 코일 구조체(110)의 일단에 연결되고, 제2 메인 축전기(122)는 상기 제1 유도 코일 구조체(110)의 타단에 연결된다. 한편, 완벽한 공진 회로를 구성하기 위하여, 상기 제1 메인 축전기(121)의 정전용량(C2)은 상기 보조 축전기의 정전용량(C1)의 2 배(2C1)일 수 있다.
이러한 공진 회로를 구성한 경우, 상기 제1 유도 코일 구조체(110)에 인가되는 최대 전압은 각각의 유도 코일들로 분할한 개수 배에 역비례한다.
상기 제1 유도 코일 구조체(110)는, 서로 직렬 연결되고, 서로 다른 층에 각각 배치되고, 각 층에서 적어도 한 턴(one turn) 이상을 구비한 유도 코일들(112,114,116,118); 및 서로 인접한 유도 코일들 사이에 각각 배치되어 상기 유도 코일들에 인가되는 전압을 분배하는 보조 축전기들(113,115, 117)을 포함한다.
유도 코일들은 제1 내지 제4 유도 코일(112,114,116,118)을 포함한다. 상기 보조 축전기는 제1 내지 제3 보조 축전기(113,115,117)를 포함한다. 상기 제1 내지 제4 유도 코일(112,114,116,118) 각각의 인덕턴스는 동일하고 L1 이다. 또한, 상기 제1 내지 제3 보조 축전기(113,115,117) 각각의 정전용량은 동일하고 C1 이다. 상기 제1 내지 제3 보조 축전기(113,115,117) 각각은 2C1을 가지고 직렬 연결된 한 쌍의 가상 축전기로 표시될 수 있다. 이에 따라, 제1 메인 축전기(121), 제1 유도 코일(112), 및 상기 가상 축전기는 공진회로를 구성하여 전체적으로 전압을 감소시킬 수 있다.
상기 보조 축전기(113,115,117)를 연결하지 않은 경우에 비교하면, 상기 보조 축전기를 연결함으로써, 전압은 유도 코일의 개수에 반비례하여 감소한다. 그럼에도 불구하고, 전체적인 유전체 튜브 단위 길이당 턴수는 유지된다. 이러한 공진 조건을 만족하기 위하여, 상기 구동 주파수는 상기 공진 주파수에 일치하도록 제어될 수 있다.
또한, 유전체 튜브 단위 길이당 턴수를 더욱 증가시키어 유도 전기장의 세기를 증가시기 위하여 상기 유도 코일(112,114,116,118) 각각은 3턴 코일 또는 4턴 코일일 수 있다. 상기 유도 코일들(112,114,116,118)은 서로 충분히 조밀하게 수직으로 적층되고, 전기적 연결을 위한 공간을 요구한다. 이를 만족하기 위하여, 각 유도 코일은 배치 평면을 점핑하는 부위를 가지지 않으며, 각 유도 코일의 입력단과 출력단은 서로 적층되는 부위에 배치되지 않아야 한다. 이를 위하여, 다음과 같은 유도 코일이 제안된다.
상기 유도 코일은 차례로 적층된 제1 내지 제4 유도 코일(112,114,116,118)을 포함한다. 상기 보조 축전기는 제1 내지 제3 보조 축전기(113,115,117)를 포함한다.
각 유도 코일 사이의 보조 축전기는 전위를 반대로 역전시킨다. 즉, 동일한 배치 평면에서 유전체 튜브에 가까운 턴(제1 원호부)과 가장 먼 쪽의 턴(제4 원호부)은 서로 반대전위가 되도록 유도된다. 상기 유전체 튜브 안쪽에서는 상기 유도 코일의 전위가 상쇄되어 상기 유전체 튜브 쪽으로의 축전 결합에 의한 정전 전기장이 나타나지 않는다. 이러한 정전 전기장의 감소는 축전 결합 효과를 감소시킨다.
일반 안테나는 인덕턴스에 의하여 양단에 큰 전위차가 발생하며, 큰 전위차는 이온을 가속시키어 에너지 손실을 유발하고 유전체 튜브를 가열하여 손상시킨다. 그러나, 유도 코일들 사이에 놓인 보조 축전기는 전위차를 줄여주고, 각 유도 코일의 내측과 외측의 전위를 서로 반대로 설정한다. 이에 따라, 서로 반대 부호의 전위는 유전체 튜브 내에서 쌍극자 필드로 동작하여 정전 전기장을 감소시킨다. 상기 유도 코일(112,114,116,118) 각각은 동일 평면에서 내측에서 외측으로 감기는 복수의 권선을 구비할 수 있다.
상기 제1 유도 코일(112)은 상기 유전체 튜브를 감싸도록 배치된다. 상기 제2 유도 코일(114)은 상기 제1 유도 코일(112)이 배치된 경우에 대비하여 반시계 방향으로 90°회전하여 상기 제1 유도 코일(112)의 하부에 정렬되어 배치된다. 상기 제3 유도 코일(116)은 상기 제2 유도 코일(114)이 배치된 경우에 대비하여 반시계 방향으로 90°회전하여 상기 제2 유도 코일(114)의 하부에 정렬되어 배치된다. 상기 제4 유도 코일(118)은 상기 제3 유도 코일(116)이 배치된 경우에 대비하여 반시계 방향으로 90°회전하여 상기 제3 유도 코일(116)의 하부에 정렬되어 배치된다. 상기 제1 유도 코일(112)의 일단은 상기 제1 메인 축전기(121)를 통하여 상기 RF 전원(140)의 양의 출력단에 연결된다. 상기 제1 유도 코일(112)의 타단은 상기 제1 보조 축전기(113)를 통하여 상기 제2 유도 코일(114)의 일단에 연결된다. 상기 제2 유도 코일(114)의 타단은 상기 제2 보조 축전기(115)를 통하여 상기 제3 유도 코일(116)의 일단에 연결된다. 상기 제3 유도 코일(116)의 타단은 상기 제3 보조 축전기(117)를 통하여 상기 제4 유도 코일(118)의 일단에 연결된다. 상기 제4 유도 코일(118)의 타단은 상기 제2 메인 축전기(122)를 통하여 상기 RF 전원(140)의 음의 출력단에 연결된다. 상기 제1 내지 제4 유도 코일은 전체적으로 방위각 대칭성을 유지하기 위하여 90°씩 회전하여 차례로 적층될 수 있다.
유도 코일들 각각의 가장 내측 권선의 전압(예를 들어, 2V)은 가장 외측 권선의 전압(예를 들어, -2V)과 반대 위상을 가질 수 있다. 또한, 모든 유도 코일들의 가장 내측 권선의 전압은 동일할 수 있다. 이에 따라, 이웃한 유도 코일들 사이의 기생 정전용량이 최소화되고, 방전 특성이 개선될 수 있다. 또한, 상기 유전체 튜브 내부의 플라즈마는 상기 내부 권선들에 의한 동일한 전압을 보므로, 국부적인 이온 스퍼터링이 감소될 수 있다.
유도 코일을 분할하여, 그 분할된 유도 코일 사이에 보조 축전기를 삽입하여, 최대 전압을 감소시킨다. 그러나, 충분한 유도 전기장을 제공하기 위하여, 단위 길이당 턴수를 증가시킬 필요가 있다. 단위 길이당 턴수를 증가시키기 위하여 각 유도 코일(112,114,116,118)의 턴수를 증가시킨다. 그러나, 각 유도 코일은 동일한 배치 평면에 배치될 필요가 있다. 만약, 각 유도 코일이 배치 평면을 벗어나는 배선을 가진 경우, 이웃한 층에 배치된 유도 코일의 조밀한 적층을 방해할 수 있다. 각 유도 코일은 동일한 배치 평면에서 3턴 또는 4턴을 가질 수 있다.
상기 유도 코일들(112,114,116,118) 각각은, 도 3e에 나타나는 것과 같이 직각 좌표계에서 제1 방향(x축 방향)으로 개방된 부위를 가지고 제1 중심각을 가지고 배치평면에서 배치되고 일정한 제1 반경을 가지는 제1 원호부(22a); 및 상기 제1 중심각 이하의 제2 중심각을 가지고 상기 배치 평면에 배치되고 상기 제1 반경보다 큰 제2 반경을 가지고 상기 제1 원호부(22a)의 중심축과 동일한 중심축을 가지도록 배치된 제2 원호부(22b); 상기 제2 중심각 이하의 제3 중심각을 가지고 상기 배치 평면에 배치되고 상기 제2 반경보다 큰 제3 반경을 가지고 상기 제1 원호부의 중심축과 동일한 중심축을 가지도록 배치된 제3 원호부(22c); 상기 제3 중심각 이하의 제4 중심각을 가지고 상기 배치 평면에 배치되고 상기 제3 반경보다 큰 제4 반경을 가지고 상기 제1 원호부의 중심축과 동일한 중심축을 가지도록 배치된 제4 원호부(22d); 상기 배치 평면에 배치되고 상기 제1 원호부(22a)의 일단에 연결되고 상기 제1 방향(x축 방향)으로 연장되는 제1 연결부(23a); 상기 배치 평면에 배치되고 상기 제1 원호부(22a)의 타단과 상기 제2 원호부(22b)의 일단을 연결하는 "U" 자 형태의 제1 원호 연결부(24a); 상기 배치 평면에 배치되고 상기 제2 원호부의 타단과 상기 제3 원호부의 일단을 연결하고 "U" 자 형태의 제2 원호 연결부(24b); 상기 배치 평면에 배치되고 상기 제3 원호부의 타단과 상기 제4 원호부의 일단을 연결하고 "U"자 형태의 제3 원호 연결부(24c); 및 상기 배치 평면에 배치되고 상기 제4 원호부(22d)의 타단에 연결되고 상기 제1 방향으로 연장되는 제2 연결부(23b)를 포함한다. 상기 제4 중심각은 270°이상일 수 있다. 제1 원호 연결부(24a), 상기 제2 원호 연결부(24b), 및 상기 제3 원호 연결부(24c)는 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다. 제1 원호 연결부(24a)는 상기 제2 원호 연결부(24b)에 의하여 정의된 영역 내에 배치될 수 있다.
상기 유도 코일들(112,114,116,118) 각각에서, 권선들(예를 들어, 제1 원호부 내지 제4 원호부) 사이의 간격은 일정할 수 있다. 예를 들어, 상기 간격은 1mm 내지 3 mm일 수 있다. 상기 유도 코일이 충분한 방위각 대칭성을 제공하기 위하여, 제1 내지 제4 중심각은 270°이상일 수 있다. 한편, 상기 제1 원호부 내지 제4 원호부는 전압차이에 의한 대기압에서 아크 방전을 억제하기 위하여 수 밀리미터 이상의 충분한 간격을 유지할 수 있다.
이웃한 층에 배치된 유도 코일들은 절연 스페이서(150)에 의하여 전기적으로 절연될 수 있다. 상기 절연 스페이서(150)는 와셔 형태로 상기 유전체 튜브(130)의 외측면에 삽입되고, 중심에 관통홀을 가지는 얇은 원판 형태일 수 있다. 상기 절연 스페이서(150)는 유리, 플라스틱 또는 테프론일 수 있다. 상기 절연 스페이서(150)의 두께는 밀리미터 수준일 수 있다. 상기 절연 스페이서(150)의 내반경은 상기 유전체 튜브(130)의 외반경과 실질적으로 동일하고, 상기 절연 스페이서(150)의 외반경은 상기 유도 코일의 최외각 반경과 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 절연 스페이서(150)의 내반경과 외반경 사이의 폭은 수 센치미터 내지 수십 센치미터일 수 있다.
한편, 상기 유도 코일(112,114,116,118)의 적어도 일부는 세라믹 페이스트에 의하여 몰딩될 수 있다. 상기 유도 코일의 적어도 일부를 감싸는 세라믹 몰드(152)는 상기 유전체 튜브(130)와 열적으로 접촉할 수 있다. 이에 따라, 상기 유도 코일(112,114,116,118) 내에 냉매가 흐르는 경우, 상기 냉각된 유도 코일은 상기 세라믹 몰드(152)를 냉각하고, 상기 세라믹 몰드(152)는 상기 유전체 튜브(130)를 간접적으로 냉각할 수 있다.
상기 유도 코일(112,114,116,118) 각각은 각 층에 상기 유전체 튜브로부터 바깥방향으로 네 겹 감은 형태이다. 이웃한 층의 한 쌍의 유도 코일은 그 사이에 직렬 연된 보조 축전기를 통하여 직렬 연결된다. 이에 따라, 상기 보조 축전기의 정전 용량은 상기 유도 코일의 인덕턴스를 상쇄한다. 4 개의 유도 코일은 한 그룹을 형성한다. 4 개의 유도 코일은 시계반대 방향으로 90°간격으로 틀어 배치된다.
상기 유전체 튜브의 양단은 플렌지에 의하여 실링될 수 있다. 상부 플렌지(132)는 상기 유전체 튜브의 일단을 고정하고, 이산화탄소를 제공하는 노즐(131)을 포함할 수 있다. 상기 유전체 튜브의 중심 부위를 감싸고 있는 유도 코일(112,114,116,118)은 상기 유전체 튜브 내에 유도 결합 플라즈마를 생성한다. 하부 플렌지(134)는 상기 유전체 튜브의 타단을 고정하고, 상기 유전체 튜브의 타단에는 상기 유도 결합 플라즈마에 의하여 추가적으로 분해될 수 있는 가스가 제공될 수 있다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 플라즈마 개질 모듈
110: 제1 유도 코일 구조체
112,114,116,118: 유도 코일
113,115,117: 보조 축전기
121: 제1 메인 축전기
122: 제2 메인 축전기
110: 제1 유도 코일 구조체
112,114,116,118: 유도 코일
113,115,117: 보조 축전기
121: 제1 메인 축전기
122: 제2 메인 축전기
Claims (11)
- 플라즈마 개질 모듈을 이용하여 전력 계통의 주파수를 조정함으로써 전력 계통을 안정화시킬 수 있는 전력 계통 안정화 시스템으로서,
모니터링 모듈 및 제어 모듈을 통하여 전력 계통의 주파수에 따라 상기 플라즈마 개질 모듈을 구동 및 정지시킴으로써 주파수를 조정 가능한 전력 계통 안정화 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 전력 계통의 주파수가 규정 주파수를 초과하는 경우 상기 플라즈마 개질 모듈을 구동시켜 부하를 증가시킴으로써 전력 계통의 주파수를 낮추는 것을 특징으로 하는 전력 계통 안정화 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 전력 계통의 주파수가 규정 주파수를 기준으로 상하 일정한 범위 내의 영역인 주파수 불감대 영역에 해당하는지 여부를 1차 판단하고, 주파수 불감대 영역에 해당하지 않는 경우 상기 플라즈마 개질 모듈이 수용 가능한지 여부를 2차 판단하여, 상기 플라즈마 개질 모듈이 수용 가능한 경우 상기 플라즈마 개질 모듈을 구동시키는 것을 특징으로 하는 전력 계통 안정화 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 1차 판단을 통해 주파수 불감대 영역에 해당하는 경우 상기 전력 계통의 증기 밸브를 통해 주파수를 조정하고, 상기 2차 판단을 통해 플라즈마 개질 모듈이 수용 가능하지 않은 경우 상기 전력 계통의 연소 조절을 통하여 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 안정화 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 1차 판단을 통해 주파수 불감대 영역에 해당하는 경우 상기 전력 계통의 배터리 에너지 저장 장치(Battery Energy Storage System)를 통해 주파수를 조정하고, 상기 2차 판단을 통해 플라즈마 개질 모듈이 수용 가능하지 않은 경우 상기 전력 계통의 연소 조절을 통하여 주파수를 조정하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 안정화 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제어 모듈은 마스터 제어 모듈 및 적어도 1개 이상의 보조 제어 모듈을 포함하고,
상기 보조 제어 모듈은 적어도 1개 이상의 플라즈마 개질 모듈로 모듈화(modularization)하여 시스템을 구성하는 경우 각각의 플라즈마 개질 모듈을 제어하고,
상기 마스터 제어 모듈은 상기 보조 제어 모듈을 제어함으로써 모듈화된 전체 플라즈마 개질 모듈의 구동 및 정지를 총괄 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 안정화 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 개질 모듈은 유도 결합 플라즈마 개질 모듈인 것을 특징으로 하는 전력 계통 안정화 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 유도 결합 플라즈마 개질 모듈은 유전체 방전 튜브인 제1 반응기 및 상기 제1 반응기를 감싸도록 배치된 유도 코일인 안테나를 포함하며, 전력 계통의 전력을 이용하여 구동되어 공급원료의 개질 반응이 일어날 수 있도록 에너지를 제공하는 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 모듈인 것을 특징으로 하는 전력 계통 안정화 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 개질 모듈은 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 혼합가스를 공급원료로 하여 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 모듈인 것을 특징으로 하는 전력 계통 안정화 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 유도 결합 플라즈마 개질 모듈은,
길이방향으로 연장되는 유전체로 형성되는 제1 반응기; 및
상기 제1 반응기를 감싸도록 배치되고 상기 제1 반응기 내에 유도 결합 플라즈마를 생성하는 제1 유도 코일 구조체;를 포함하고,
상기 제1 유도 코일 구조체는,
서로 직렬 연결되고, 서로 다른 층에 각각 배치되고, 각 층에서 적어도 두 턴(two turn) 이상을 구비한 동일한 구조의 유도 코일들; 및
서로 인접한 유도 코일들 사이에 각각 배치되어 상기 유도 코일들에 인가되는 전압을 분배하는 보조 축전기들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 계통 안정화 시스템.
- 플라즈마 개질 모듈을 이용하여 전력 계통의 주파수를 조정함으로써 전력 계통을 안정화시키고, 화학 에너지를 생산하는 시스템으로서,
모니터링 모듈 및 제어 모듈을 통하여 전력 계통의 주파수에 따라 상기 플라즈마 개질 모듈의 구동 및 정지시킴으로써 상기 전력 계통의 주파수를 조정 가능한 전력 계통 안정화 시스템; 및
상기 전력 계통의 전력을 이용하고, 상기 전력 계통 안정화 시스템에 의해 구동되는 플라즈마 개질 모듈을 통하여 공급원료의 개질 반응이 일어날 수 있도록 에너지를 제공함으로써 화학 에너지를 생산하는 화학 에너지 생산 시스템;을 포함하는 플라즈마 개질 모듈을 이용한 전력 계통 안정화 및 화학 에너지 생산 시스템.
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