KR20210138217A - Ｃｈｐ 케이스의 미활용 온풍을 이용한 다중 발전 시스템 및 운용 방법 - Google Patents

Ｃｈｐ 케이스의 미활용 온풍을 이용한 다중 발전 시스템 및 운용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미활용 온풍을 이용한 다중 발전 시스템 및 운용 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 CHP 방식으로 전기 및 난방 등을 생산하는 다중 발전 시스템에 있어서, 발전기를 냉각함으로써 발생된 온풍을 재활용함으로써 전체 효율을 더욱 향상하는, 미활용 온풍을 이용한 다중 발전 시스템 및 운용 방법을 제공함에 있다.

Description

ＣＨＰ 케이스의 미활용 온풍을 이용한 다중 발전 시스템 및 운용 방법 {Multi-generation system using un-utilized warm air from Combined Heat and Power case and method for operating the system}
본 발명은 CHP 케이스의 미활용 온풍을 이용한 다중 발전 시스템 및 운용 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 CHP(Combined Heat and Power, 열병합) 방식으로서 전기와 더불어 난방, 냉방 등을 생산하는 다중 발전 시스템에서, 종래에 미활용 온풍 형태로 사용되지 않고 버려지던 폐열을 재사용함으로써 효율을 더욱 향상시키는 기술에 관한 것이다.
가스엔진 발전기란 청정 저탄소 가스연료(NG, LPG, 합성가스)를 사용하는 내연기관을 이용하여 발전기를 회전시킴으로써 전기를 생산하는 장치를 말한다. 일반적으로 내연기관에서는 매우 많은 열이 발생하며, 따라서 내연기관에는, 냉각수가 내연기관의 주변을 유통하면서 과도한 열을 흡수하여 내연기관을 냉각하도록 하는 구조가 구비되어 있다. 이 때 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수는 다시 내연기관으로 돌아가 열을 흡수할 수 있도록 외부에 열을 버리게 되는데, 이 폐열을 이용하여 난방을 수행할 수도 있고, 또한 히트펌프를 포함하는 냉방 사이클을 이용하여 냉방을 수행할 수도 있다.
이와 같이 발전기에서 발생하는 전기 및 발전기 엔진에서 회수되는 열을 이용한 난방을 사용하는 기술을 일컬어 CHP(Combined Heat and Power, 열병합) 발전 기술이라 한다. 하나의 가스엔진 발전기를 이용하여 전기, 난방 생산에 더하여 냉방을 더 생산하는 경우 3중 발전 시스템(tri-generation system), 여기에 더하여 작물 생육 촉진을 위해 작물에 시비하기 위한 CO2를 더 생산하는 경우 4중 발전 시스템(quad-generation system)이라고 더 구체화하여 일컫기도 한다. 여기에서는 이러한 시스템들을 통칭하여 다중 발전 시스템(multi-generation system)이라 한다.
이와 같은 CHP 방식을 이용하는 다중 발전 시스템은, 전기 생산 효율이 약 25~30%, 난방 및 냉방 생산 효율이 약 50~55% 정도로서, 전체적으로는 약 75~85% 정도의 효율을 가지는 것으로 알려져 있다. CO2를 더 생산하는 4중 발전 시스템의 경우 CO2의 생산이 상술한 바와 같은 효율 계산에는 포함되지 않지만, CO2 생산으로 인한 작물 생산량 증가, 전체 에너지 이용비용 감소 등과 같이 상당히 의미있는 이득이 있다.
한편 최근 북미, 유럽 등 선진국 대도시 위주로, 신선한 작물을 사람들에게 신속하고 용이하게 공급하기 위해 건물 옥상 등에 온실을 설치하여 직접 작물을 재배하는 형태의 도시형 스마트 팜(smart farm) 도입이 확산되고 있다. 이러한 설비는 작물 재배를 위한 각종 장비에 공급하기 위한 전기가 필요하고, 작물 생육에 적합하도록 온도를 조절하기 위한 난방 및 냉방이 필요하며, 또한 작물 생육을 촉진시키기 위한 CO2 공급이 필요하다. 따라서 상술한 바와 같은 다중 발전 시스템이 사용되기에 매우 적합하다.
이처럼 다중 발전 시스템의 용도가 점차 확대되고 있는 만큼 시스템 성능 및 효율을 더욱 향상하기 위한 연구가 다양한 방면에서 진행되고 있다. 물론 다중 발전 시스템은 현재로서도 효율이 75~85% 정도로 상당히 높은 편이기는 하나, 미활용된 에너지를 더 이용하는 방안을 꾸준히 탐색하는 것이 필요하다.
1. 한국특허등록 제1569677호("고희박연소를 이용한 트라이젠 시스템 및 그 제어방법", 2015.11.11.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 CHP 방식으로 전기 및 난방 등을 생산하는 다중 발전 시스템에 있어서, 발전기를 냉각함으로써 발생된 온풍을 재활용함으로써 전체 효율을 더욱 향상하는, 미활용 온풍을 이용한 다중 발전 시스템 및 운용 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 CHP 케이스의 미활용 온풍을 이용한 다중 발전 시스템(100)은, 대상시설(500)로 전기와 더불어 적어도 난방을 함께 제공하는 CHP(Combined Heat and Power) 방식의 다중 발전 시스템(100)에 있어서, 내연기관 형태로 이루어지며 주변에 냉각수가 유통되는 엔진(111); 상기 엔진(111)에 의하여 회전되어 발전을 수행하는 발전기(112); 상기 엔진(111) 및 상기 발전기(112)를 수용하는 케이스(115); 상기 케이스(115) 일측에 형성되어 외부 공기가 유입되는 공기유입관(115a) 및 상기 케이스(115) 타측에 형성되어 상기 발전기(112)로부터 발생된 열을 흡수한 공기가 배출되는 공기배출관(115b); 을 포함하며, 상기 발전기(112)에서 생산된 전기가 상기 대상시설(500)로 제공되고, 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수한 냉각수 및 상기 엔진(111)으로부터 배출된 배기가스가 가진 열을 이용하여 생산된 난방이 상기 대상시설(500)로 제공되되, 상기 공기배출관(115b)에서 배출된 공기가 가진 폐열이 상기 대상시설(500)로 더 제공되어 부가적인 난방이 더 수행될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 다중 발전 시스템(100)은, 상기 엔진(111)에 연결되어 냉각수가 유입되는 냉각수유입관(113a) 및 상기 엔진(111)에 연결되어 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 배출되는 냉각수배출관(113b); 상기 엔진(111)에서 배출되는 배기가스가 유통되는 배기가스배출관(114a); 축열재가 수용되는 축열조(150); 상기 냉각수유입관(113a) 및 상기 냉각수배출관(113b)과 연결되어 냉각수가 유통되고, 상기 축열조(150)와 냉각수측 축열재유입관(121) 및 냉각수측 축열재배출관(122)으로 연결되어 냉각수와 분리된 공간으로 축열재가 유통되어, 냉각수로부터 축열재로의 열전달을 일으키는 냉각수측 열교환기(120); 상기 배기가스배출관(114a)과 연결되어 배기가스가 유통되고, 상기 축열조(150)와 배기가스측 축열재유입관(141) 및 배기가스측 축열재배출관(142)으로 연결되어 배기가스와 분리된 공간으로 축열재가 유통되어, 배기가스로부터 축열재로의 열전달을 일으키는 배기가스측 열교환기(140); 를 포함하며, 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수한 냉각수 및 상기 엔진(111)으로부터 배출된 배기가스가 가진 열이 축열재를 통해 상기 축열조(150)에 누적되며, 상기 축열조(150)에 누적된 열을 이용하여 생산된 난방이 상기 대상시설(500)로 제공될 수 있다.
이 때 상기 다중 발전 시스템(100)은, 상기 공기배출관(115b)과 연결되어 공기가 유통되고, 상기 축열조(150)와 공기측 축열재유입관(161) 및 공기측 축열재배출관(162)으로 연결되어 공기와 분리된 공간으로 축열재가 유통되어, 공기로부터 축열재로의 열전달을 일으키는 공기측 열교환기(160); 를 포함하여, 상기 공기측 열교환기(160)에 의하여 부가적인 난방이 더 수행될 수 있다.
또는 상기 다중 발전 시스템(100)은, 상기 공기배출관(115b)이 상기 대상시설(500)로 직접 연결되어, 공기가 상기 대상시설(500)로 직접 제공됨에 의하여 부가적인 난방이 더 수행될 수 있다. 이 때 상기 다중 발전 시스템(100)은, 상기 공기배출관(115b) 상에 구비되어 공기 유량을 조절하는 제어기(170); 를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 다중 발전 시스템(100)은, 상기 냉각수유입관(113a) 및 상기 냉각수배출관(113b)과 연결되어 냉각수가 유통되며, 냉각수가 가진 열을 흡수 및 이용하여 냉방을 생산하는 흡수식냉동기(130); 를 더 포함하며, 상기 흡수식냉동기(130)에서 발생된 냉방이 상기 대상시설(500)로 제공되어, 전기, 난방 및 냉방을 제공하는 3중 발전 시스템으로 형성될 수 있다.
또한 상기 다중 발전 시스템(100)은, 상기 배기가스배출관(114a) 상에 구비되어 배기가스 내 유해가스를 정화하는 유해가스정화장치(114); 를 더 포함하며, 배기가스에서 유해가스가 정화됨으로써 생산되는 CO2가 상기 대상시설(500)로 제공되어, 전기, 난방, 냉방 및 CO2를 제공하는 4중 발전 시스템으로 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 CHP 케이스의 미활용 온풍을 이용한 다중 발전 시스템의 운용 방법은, 내연기관 형태로 이루어지며 주변에 냉각수가 유통되는 엔진(111)에 연료가 공급되어 동작되는 엔진동작단계; 상기 엔진(111)에 의하여 발전기(112)가 회전되어 발전이 수행되는 발전수행단계; 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수한 냉각수 및 상기 엔진(111)으로부터 배출된 배기가스가 가진 열을 이용하여 난방이 수행되는 난방수행단계; 상기 엔진(111) 및 상기 발전기(112)를 수용하는 케이스(115)로 공기가 유입되며, 유입된 공기가 상기 발전기(112)로부터 발생된 열을 흡수하여 배출되되, 배출된 공기가 가진 폐열이 상기 대상시설(500)로 더 제공되어 부가적인 난방이 더 수행되는 부가난방수행단계; 를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 난방수행단계는, 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수로부터 축열재로의 열전달에 의해 열을 흡수한 축열재가 축열조(150)에 저장되는 냉각수이용축열단계, 상기 엔진(111)으로부터 배출된 배기가스로부터 축열재로의 열전달에 의해 열을 흡수한 축열재가 축열조(150)에 저장되는 배기가스이용축열단계, 상기 축열조(150)에 누적된 열을 이용하여 생산된 난방이 상기 대상시설(500)로 제공되는 축열재이용난방수행단계를 포함할 수 있다.
이 때 상기 부가난방수행단계는, 상기 케이스(115)로부터 배출된 공기로부터 축열재로의 열전달에 의해 열을 흡수한 축열재가 축열조(150)에 저장되는 공기이용축열단계를 포함할 수 있다.
또는 상기 부가난방수행단계는, 상기 케이스(115)로부터 배출된 공기가 상기 대상시설(500)로 직접 제공되는 공기제공단계를 포함할 수 있다. 이 때 상기 부가난방수행단계는, 제어기(170)에 의하여 상기 대상시설(500)로 제공되는 공기 유량이 조절되는 공기조절단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 다중 발전 시스템의 운용 방법은, 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 가진 열을 흡수 및 이용하여 냉방을 생산하는 흡수식냉동기(130)에 의하여 냉방이 수행되는 냉방수행단계; 를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 다중 발전 시스템의 운용 방법은, 상기 엔진(111)으로부터 배출된 배기가스 내 유해가스를 정화하는 유해가스정화장치(114)에 의하여 CO2제공이 수행되는 CO2제공수행단계; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 다중 발전 시스템에서 미활용된 에너지 중에서도 발전기를 냉각함으로써 발생된 온풍을 재활용함으로써 전체 효율을 더욱 향상하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 전기, 난방, 냉방을 생산하는 3중 발전 시스템 또는 전기, 난방, 냉방, CO2를 생산하는 4중 발전 시스템과 같은 다중 발전 시스템에서, 케이스 내에 수용된 엔진 및 발전기 자체에서 발생되는 열을 냉각하기 위해 냉각수 및 외기를 이용하는데, 이 중 발전기를 냉각시켜 발생된 온풍이 종래에는 그대로 버려졌던 반면 본 발명에서는 열교환기를 이용하여 온풍의 열을 재흡수하여 난방에 이용하거나 또는 직접 온풍 상태 그대로 난방에 이용함으로써, 난방 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이에 따라 본 발명에 의하면, 종래의 다중 발전 시스템의 효율이 75~85% 정도가 한계였던 것을 넘어서서 효율을 85% 이상까지 향상시키는 큰 효과가 있는 것이다.
도 1은 일반적인 다중 발전 시스템.
도 2는 본 발명의 다중 발전 시스템의 미활용 온풍 활용의 제1실시예.
도 3은 본 발명의 다중 발전 시스템의 미활용 온풍 활용의 제2실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 CHP 케이스의 미활용 온풍을 이용한 다중 발전 시스템 및 운용 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
[1] 본 발명에서 활용되는 다중 발전 시스템 및 본 발명의 기본 구성
먼저 본 발명에서 활용되는 다중 발전 시스템의 개략적인 구성을 설명한다. 도 1은 일반적인 다중 발전 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 활용되는 다중 발전 시스템(100)은 대상시설(500)로 전기와 더불어 적어도 난방을 함께 제공하는 CHP(Combined Heat and Power) 방식으로서, 전기 및 난방만 제공하는 2중 발전 시스템일 수도 있고, 전기, 난방 및 냉방을 제공하는 3중 발전 시스템일 수도 있고, 전기, 난방, 냉방 및 CO2를 제공하는 4중 발전 시스템일 수도 있다. 도 1에는 상기 다중 발전 시스템(100)이 4중 발전 시스템인 것으로 도시되어 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
상기 다중 발전 시스템(100)이 2, 3, 4중 발전 시스템 중 어떤 것이 되든 간에, 상기 다중 발전 시스템(100)은 기본적으로 엔진(111), 발전기(112) 및 케이스(115)를 포함한다. 상기 엔진(111)은 내연기관 형태로 이루어지며 냉각수 자켓이 형성되어 있음으로써 주변에 냉각수가 유통된다. 상기 발전기(112)는 상기 엔진(111)에 의하여 회전되어 발전을 수행한다. 상기 케이스(115)는 상기 엔진(111) 및 상기 발전기(112)를 수용한다.
상기 발전기(112)에서 생산된 전기는 그대로 상기 대상시설(500)로 제공된다. 상기 엔진(111)에서는 대량의 열이 발생되는데, 이 열은 냉각수로도 흡수되며 또한 고온의 배기가스로서 배출되기도 한다. 이처럼 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수한 냉각수 및 상기 엔진(111)으로부터 배출된 배기가스가 가진 열을 이용하여 난방이 생산되며, 이것이 상기 대상시설(500)로 제공됨으로써, 대상시설(500)로 전기 및 난방을 함께 제공하는 CHP(Combined Heat and Power) 방식의 다중 발전이 실현된다. 냉방 및 CO2의 생산 및 제공에 대해서는 이후 설명한다.
상술한 바와 같이 상기 엔진(111)은 냉각수 자켓을 포함함으로써 냉각수가 상기 엔진(111)에서 발생된 열을 흡수하여 상기 엔진(111)이 냉각될 수 있도록 형성된다. 이 때 냉각수는 상기 엔진(111)에서 발생한 열과 더불어 상기 발전기(112)에서 발생한 열도 어느 정도 함께 흡수하여 냉각시키게 된다. 그러다가 작동 부하가 커지거나 작동 시간이 길어져서 냉각수가 흡수할 수 있는 열량을 넘어서는 열이 발생하는 경우, 상기 발전기(112)를 더 냉각할 필요가 있다. 이를 위하여 상기 케이스(115)에는, 상기 케이스(115) 일측에 형성되어 외부 공기가 유입되는 공기유입관(115a) 및 상기 케이스(115) 타측에 형성되어 공기가 배출되는 공기배출관(115b)이 형성된다. 상기 공기유입관(115a)으로 유입된 공기는 상기 발전기(112)를 지나면서 상기 발전기(112)로부터 발생된 열을 흡수하며, 이에 따라 상기 공기배출관(115b)으로는 폐열을 가진 공기가 배출된다.
이와 같은 본 발명의 다중 발전 시스템의 운용 방법을 간략하게 요약하자면, 엔진동작단계, 발전수행단계, 난방수행단계, 부가난방수행단계로 정리할 수 있다. 상기 엔진동작단계에서는, 내연기관 형태로 이루어지며 주변에 냉각수가 유통되는 엔진(111)에 연료가 공급되어 동작된다. 상기 발전수행단계에서는, 상기 엔진(111)에 의하여 발전기(112)가 회전되어 발전이 수행된다. 상기 난방수행단계에서는, 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수한 냉각수 및 상기 엔진(111)으로부터 배출된 배기가스가 가진 열을 이용하여 난방이 수행된다. 상기 부가난방수행단계에서는, 상기 엔진(111) 및 상기 발전기(112)를 수용하는 케이스(115)로 공기가 유입되며, 유입된 공기가 상기 발전기(112)로부터 발생된 열을 흡수하여 배출되되, 배출된 공기가 가진 폐열이 상기 대상시설(500)로 더 제공되어 부가적인 난방이 더 수행된다.
앞서 설명한 바와 같이, 이와 같은 CHP 방식을 이용하는 다중 발전 시스템은, 전기 생산 효율이 약 25~30%, 난방 및 냉방 생산 효율이 약 50~55% 정도로서, 전체적으로는 약 75~85% 정도의 효율을 가지는 것으로 알려져 있다. 여기에서 더 효율을 높이기 위해서, 본 발명에서는 상기 공기배출관(115b)으로 배출되는 폐열을 가진 공기, 즉 온풍을 활용하고자 한다.
즉 본 발명에서는, (상기 발전기(112)를 냉각하는 과정에서 발생된) 상기 공기배출관(115b)에서 배출된 공기가 가진 폐열이 상기 대상시설(500)로 더 제공되어 부가적인 난방이 더 수행되도록 하는 것이다. 이와 같이 함으로써, 본 발명에 의하면 종래 시스템 효율이 최대 85% 정도의 한계를 가지고 있었던 것을 넘어서서, 시스템 효율을 85% 이상으로 끌어올릴 수 있는 큰 효과를 갖는다.
[2] 본 발명의 다중 발전 시스템의 미활용 온풍의 여러 실시예
이하에서는 폐열을 가진 공기가 어떻게 상기 대상시설(500)로 더 제공되어 부가적인 난방이 수행되도록 하는지에 대한 여러 실시예들을 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 다중 발전 시스템(100)의 난방 수행에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 다중 발전 시스템(100)은, 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 축열조(150)를 더 포함함으로써 냉각수 및 배기가스가 가진 열을 한데 모아서 난방에 활용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 다중 발전 시스템(100)은, 난방을 위하여 냉각수유입관(113a) 및 냉각수배출관(113b), 배기가스배출관(114a), 축열조(150), 냉각수측 열교환기(120), 배기가스측 열교환기(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수유입관(113a)은 상기 엔진(111)에 연결되어 냉각수가 유입되며,상기 냉각수배출관(113b)은 상기 엔진(111)에 연결되어 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 배출된다. 즉 상기 냉각수유입관(113a)으로 유입되는 냉각수는 상대적으로 저온이며, 상기 냉각수배출관(113b)으로 배출되는 냉각수는 상대적으로 고온이다.
상기 배기가스배출관(114a)으로는 상기 엔진(111)에서 배출되는 배기가스가 유통된다. 배기가스는 상기 엔진(111) 내에서 연료가 연소되고 남은 가스인 바, 당연히 상당한 고온 상태이며, 즉 많은 열을 가지고 있다.
상기 축열조(150)에는 축열재가 수용된다. 축열재로서는 일반적으로 물, 냉각수 등이 사용될 수 있는데, 상기 엔진(111)을 냉각하는 냉각수와의 혼동을 피하기 위하여 여기에서는 "축열재"라고 칭한다.
상기 냉각수측 열교환기(120)는, 냉각수로부터 축열재로의 열전달을 일으키는 역할을 한다. 이를 위하여 상기 냉각수측 열교환기(120)는, 상기 냉각수유입관(113a) 및 상기 냉각수배출관(113b)과 연결되어 냉각수가 유통되고, 상기 축열조(150)와 냉각수측 축열재유입관(121) 및 냉각수측 축열재배출관(122)으로 연결되어 냉각수와 분리된 공간으로 축열재가 유통되는 구성으로 되어 있다. 서로 다른 2종의 열교환매체들을 서로 분리된 공간으로 유통시키면서 벽면을 통해 열전달을 일으키는 열교환기 구성은 다양한 공지기술로서 개시되어 있으므로, 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
상기 배기가스측 열교환기(140)는, 배기가스로부터 축열재로의 열전달을 일으키는 역할을 한다. 이를 위하여 상기 배기가스측 열교환기(140)는, 상기 배기가스배출관(114a)과 연결되어 배기가스가 유통되고, 상기 축열조(150)와 배기가스측 축열재유입관(141) 및 배기가스측 축열재배출관(142)으로 연결되어 배기가스와 분리된 공간으로 축열재가 유통되는 구성으로 되어 있다. 상기 배기가스측 열교환기(140)의 구성 역시 다양하게 공지된 열교환기 구성 중 적절한 것을 선택하면 되므로, 역시 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
이와 같은 구성으로 이루어진 상기 다중 발전 시스템(100)에서는, 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수한 냉각수 및 상기 엔진(111)으로부터 배출된 배기가스가 가진 열이 축열재를 통해 상기 축열조(150)에 누적되도록 이루어진다. 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 상기 축열조(150)는 각각의 열교환기들(120)(140)로 축열재를 보낼 수 있도록 되어 있으며, 각각의 열교환기들(120)(140)은 고온의 냉각수 또는 배기가스를 통과시키면서 축열재를 가열한다. 이렇게 가열된 축열재가 다시 상기 축열조(150)로 돌아오면서, 상기 축열조(150)에 열이 누적될 수 있게 된다. 이처럼 상기 축열조(150)에 누적된 열을 이용하여 난방이 생산되어 상기 대상시설(500)로 제공될 수 있게 된다. 상기 대상시설(500)로의 난방 제공은, 예를 들어 상기 축열조(150) 내에서 열이 누적되어 고온이 된 축열재가 상기 대상시설(500) 내에 설치된 라디에이터를 통과하면서 온기를 방출하는 등과 같은 식으로 이루어질 수 있다. 이러한 난방 제공 방식은 다양한 형태로 공지되어 있으므로 공지된 여러 방식 중 적절하게 선택하여 적용하면 되며, 역시 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
이러한 구성으로 된 상기 다중 발전 시스템(100)의 운용 방법에서의 상기 난방수행단계를 구체화하자면, 상기 난방수행단계는, 냉각수이용축열단계, 배기가스이용축열단계, 축열재이용난방수행단계를 포함할 수 있다. 상기 냉각수이용축열단계에서는, 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수로부터 축열재로의 열전달에 의해 열을 흡수한 축열재가 축열조(150)에 저장된다. 상기 배기가스이용축열단계에서는, 상기 엔진(111)으로부터 배출된 배기가스로부터 축열재로의 열전달에 의해 열을 흡수한 축열재가 축열조(150)에 저장된다. 상기 냉각수이용축열단계 및 상기 배기가스이용축열단계는 물론 동시에 이루어질 수 있다. 마지막으로 상기 축열재이용난방수행단계에서는, 상기 축열조(150)에 누적된 열을 이용하여 생산된 난방이 상기 대상시설(500)로 제공된다.
도 2는 본 발명의 다중 발전 시스템의 미활용 온풍 활용의 제1실시예를 도시한 것이다. 제1실시예는 상술한 바와 같이 상기 다중 발전 시스템(100)이 상기 축열조(150)를 이용하여 난방을 제공하는 경우 적용이 가능하다. 제1실시예에서, 상기 다중 발전 시스템(100)은, 상기 열교환기들(120)(140)와 유사한 형태의 공기측 열교환기(160)를 더 포함한다.
상기 공기측 열교환기(160)는, 공기로부터 축열재로의 열전달을 일으키는 역할을 한다. 이를 위하여 상기 공기측 열교환기(160)는, 상기 공기배출관(115b)과 연결되어 공기가 유통되고, 상기 축열조(150)와 공기측 축열재유입관(161) 및 공기측 축열재배출관(162)으로 연결되어 공기와 분리된 공간으로 축열재가 유통되는 구성으로 되어 있다. 즉 상기 공기측 열교환기(160)는 상기 배기가스측 열교환기(140)와 구성적으로는 동일하게 형성될 수 있다.
이와 같이 상기 공기측 열교환기(160)가 더 구비됨으로써, 상기 축열조(150)로는 냉각수, 배기가스 뿐만 아니라 (발전기를 냉각하여 고온이 된) 공기까지 하여, 3가지 매체를 통하여 열이 누적된다. 앞서 도 1의 기본 구성의 다중 발전 시스템의 경우, 냉각수, 배기가스의 2가지 매체를 통하여 열이 누적되었으나, 제1실시예에서는 냉각수, 배기가스, 공기의 3가지 매체를 통하여 열이 누적되는 것으로, 즉 공기에 의하여 부가적으로 열이 더 누적될 수 있게 된다. 이와 같이 상기 축열조(150)에 부가적으로 더 누적된 열이 상기 대상시설(500)로 제공되는 난방에 이용됨으로써, 결과적으로 상기 공기측 열교환기(160)에 의하여 부가적인 난방이 더 수행될 수 있게 되는 것이다.
제1실시예의 경우 상기 다중 발전 시스템(100)의 운용 방법에서의 상기 부가난방수행단계를 구체화하자면, 상기 부가난방수행단계는, 공기이용축열단계를 포함할 수 있다. 상기 공기이용축열단계에서는, 상기 케이스(115)로부터 배출된 공기로부터 축열재로의 열전달에 의해 열을 흡수한 축열재가 축열조(150)에 저장된다. 앞서 설명한 바와 같이 이처럼 상기 축열조(150)에 부가적으로 더 누적된 열이 부가난방을 수행하게 되는 것이므로, 다른 단계가 더 수행될 필요는 없다.
도 3은 본 발명의 다중 발전 시스템의 미활용 온풍 활용의 제2실시예를 도시한 것이다. 제2실시예는 상술한 바와 같이 상기 다중 발전 시스템(100)이 상기 축열조(150)를 이용하여 난방을 제공하는 경우 당연히 적용 가능할 뿐 아니라, 상기 다중 발전 시스템(100)이 상기 축열조(150)를 포함하지 않는 경우라 하여도 적용 가능하다. 제2실시예에서, 상기 다중 발전 시스템(100)은, 상기 공기배출관(115b)이 상기 대상시설(500)로 직접 연결되는 구성을 가진다. 즉 고온이 된 공기(온풍)가 상기 대상시설(500)로 직접 제공됨에 의하여 부가적인 난방이 더 수행되는 것이다. 이 때 상기 다중 발전 시스템(100)은, 상기 공기배출관(115b) 상에 구비되는 제어기(170)를 더 포함함으로써 공기 유량을 조절할 수 있다.
제2실시예의 경우 상기 다중 발전 시스템(100)의 운용 방법에서의 상기 부가난방수행단계를 구체화하자면, 상기 부가난방수행단계는, 공기제공단계, 공기조절단계를 포함할 수 있다. 상기 공기제공단계에서는, 상기 케이스(115)로부터 배출된 공기가 상기 대상시설(500)로 직접 제공된다. 상기 공기조절단계에서는, 제어기(170)에 의하여 상기 대상시설(500)로 제공되는 공기 유량이 조절된다. 물론 이 때 상기 공기조절단계는 생략될 수 있으며, 상기 부가난방수행단계는 상기 공기제공단계만으로 이루어져도 무방하다.
[3] 본 발명의 다중 발전 시스템의 부가 구성(3중, 4중 발전)
이하에서는, 상기 다중 발전 시스템(100)이 3중 또는 4중 발전을 할 수 있도록 하는 부가 구성에 대하여 설명한다. 상기 다중 발전 시스템(100)에 이러한 부가 구성이 더 포함되더라도, 앞서의 제1, 2실시예의 미활용 온풍 활용 구성이 모두 적용될 수 있음은 당연하다.
먼저 상기 다중 발전 시스템(100)이, 전기, 난방에 더하여 냉방까지 제공하는 3중 발전 시스템일 경우를 설명한다. 이 경우 상기 다중 발전 시스템(100)은 흡수식냉동기(130)를 더 포함할 수 있다. 상기 흡수식냉동기(130)는, 상기 냉각수유입관(113a) 및 상기 냉각수배출관(113b)과 연결되어 냉각수가 유통되며, 냉각수가 가진 열을 흡수 및 이용하여 냉방을 생산하는 역할을 한다. 이렇게 상기 흡수식냉동기(130)에서 발생된 냉방이 상기 대상시설(500)로 제공됨으로써, 상기 다중 발전 시스템(100)은 전기, 난방 및 냉방을 제공하는 3중 발전 시스템으로 형성될 수 있다.
이 경우 상기 다중 발전 시스템(100)의 운용 방법은 냉방수행단계를 더 포함할 수 있다. 상기 냉방수행단계에서는, 상기 엔진(111)으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 가진 열을 흡수 및 이용하여 냉방을 생산하는 흡수식냉동기(130)에 의하여 냉방이 수행된다.
다음으로 상기 다중 발전 시스템(100)이, 전기, 난방, 냉방에 더하여 CO2까지 제공하는 4중 발전 시스템일 경우를 설명한다. 이 경우 상기 다중 발전 시스템(100)은 유해가스정화장치(114)를 더 포함할 수 있다. 상기 유해가스정화장치(114)는, 상기 배기가스배출관(114a) 상에 구비되어 배기가스 내 유해가스를 정화하는 역할을 한다. 이렇게 상기 유해가스정화장치(114)에 의하여 배기가스에서 유해가스가 정화됨으로써 생산되는 CO2가 상기 대상시설(500)로 제공됨으로써, 상기 다중 발전 시스템(100)은 전기, 난방, 냉방 및 CO2를 제공하는 4중 발전 시스템으로 형성될 수 있다.
이 경우 상기 다중 발전 시스템(100)의 운용 방법은 CO2제공수행단계를 더 포함할 수 있다. 상기 CO2제공수행단계에서는, 상기 엔진(111)으로부터 배출된 배기가스 내 유해가스를 정화하는 유해가스정화장치(114)에 의하여 CO2제공이 수행된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 다중 발전 시스템
111 : 엔진 112 : 발전기
113a : 냉각수유입관 113b : 냉각수배출관
114 : 유해가스정화장치 114a : 배기가스배출관
115 : 케이스
115a : 공기유입관 115b : 공기배출관
120 : 냉각수측 열교환기
121 : 냉각수측 축열재유입관 122 : 냉각수측 축열재배출관
130 : 흡수식냉동기
140 : 배기가스측 열교환기
141 : 배기가스측 축열재유입관 142 : 배기가스측 축열재배출관
150 : 축열조
160 : 공기측 열교환기
161 : 공기측 축열재유입관 162 : 공기측 축열재배출관
170 : 제어기
500 : 대상시설

Claims (14)

  1. 대상시설로 전기와 더불어 적어도 난방을 함께 제공하는 CHP(Combined Heat and Power) 방식의 다중 발전 시스템에 있어서,
    내연기관 형태로 이루어지며 주변에 냉각수가 유통되는 엔진;
    상기 엔진에 의하여 회전되어 발전을 수행하는 발전기;
    상기 엔진 및 상기 발전기를 수용하는 케이스;
    상기 케이스 일측에 형성되어 외부 공기가 유입되는 공기유입관 및 상기 케이스 타측에 형성되어 상기 발전기로부터 발생된 열을 흡수한 공기가 배출되는 공기배출관;
    을 포함하며,
    상기 발전기에서 생산된 전기가 상기 대상시설로 제공되고, 상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수한 냉각수 및 상기 엔진으로부터 배출된 배기가스가 가진 열을 이용하여 생산된 난방이 상기 대상시설로 제공되되,
    상기 공기배출관에서 배출된 공기가 가진 폐열이 상기 대상시설로 더 제공되어 부가적인 난방이 더 수행되는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 다중 발전 시스템은,
    상기 엔진에 연결되어 냉각수가 유입되는 냉각수유입관 및 상기 엔진에 연결되어 상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 배출되는 냉각수배출관;
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 유통되는 배기가스배출관;
    축열재가 수용되는 축열조;
    상기 냉각수유입관 및 상기 냉각수배출관과 연결되어 냉각수가 유통되고, 상기 축열조와 냉각수측 축열재유입관 및 냉각수측 축열재배출관으로 연결되어 냉각수와 분리된 공간으로 축열재가 유통되어, 냉각수로부터 축열재로의 열전달을 일으키는 냉각수측 열교환기;
    상기 배기가스배출관과 연결되어 배기가스가 유통되고, 상기 축열조와 배기가스측 축열재유입관 및 배기가스측 축열재배출관으로 연결되어 배기가스와 분리된 공간으로 축열재가 유통되어, 배기가스로부터 축열재로의 열전달을 일으키는 배기가스측 열교환기;
    을 포함하며,
    상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수한 냉각수 및 상기 엔진으로부터 배출된 배기가스가 가진 열이 축열재를 통해 상기 축열조에 누적되며, 상기 축열조에 누적된 열을 이용하여 생산된 난방이 상기 대상시설로 제공되는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 다중 발전 시스템은,
    상기 공기배출관과 연결되어 공기가 유통되고, 상기 축열조와 공기측 축열재유입관 및 공기측 축열재배출관으로 연결되어 공기와 분리된 공간으로 축열재가 유통되어, 공기로부터 축열재로의 열전달을 일으키는 공기측 열교환기;
    를 포함하여,
    상기 공기측 열교환기에 의하여 부가적인 난방이 더 수행되는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 다중 발전 시스템은,
    상기 공기배출관이 상기 대상시설로 직접 연결되어,
    공기가 상기 대상시설로 직접 제공됨에 의하여 부가적인 난방이 더 수행되는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 다중 발전 시스템은,
    상기 공기배출관 상에 구비되어 공기 유량을 조절하는 제어기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 다중 발전 시스템은,
    상기 냉각수유입관 및 상기 냉각수배출관과 연결되어 냉각수가 유통되며, 냉각수가 가진 열을 흡수 및 이용하여 냉방을 생산하는 흡수식냉동기;
    를 더 포함하며,
    상기 흡수식냉동기에서 발생된 냉방이 상기 대상시설로 제공되어,
    전기, 난방 및 냉방을 제공하는 3중 발전 시스템으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 다중 발전 시스템은,
    상기 배기가스배출관 상에 구비되어 배기가스 내 유해가스를 정화하는 유해가스정화장치;
    를 더 포함하며,
    배기가스에서 유해가스가 정화됨으로써 생산되는 CO2가 상기 대상시설로 제공되어,
    전기, 난방, 냉방 및 CO2를 제공하는 4중 발전 시스템으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템.
  8. 내연기관 형태로 이루어지며 주변에 냉각수가 유통되는 엔진에 연료가 공급되어 동작되는 엔진동작단계;
    상기 엔진에 의하여 발전기가 회전되어 발전이 수행되는 발전수행단계;
    상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수한 냉각수 및 상기 엔진으로부터 배출된 배기가스가 가진 열을 이용하여 난방이 수행되는 난방수행단계;
    상기 엔진 및 상기 발전기를 수용하는 케이스로 공기가 유입되며, 유입된 공기가 상기 발전기로부터 발생된 열을 흡수하여 배출되되, 배출된 공기가 가진 폐열이 상기 대상시설로 더 제공되어 부가적인 난방이 더 수행되는 부가난방수행단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템의 운용 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 난방수행단계는,
    상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수로부터 축열재로의 열전달에 의해 열을 흡수한 축열재가 축열조에 저장되는 냉각수이용축열단계,
    상기 엔진으로부터 배출된 배기가스로부터 축열재로의 열전달에 의해 열을 흡수한 축열재가 축열조에 저장되는 배기가스이용축열단계,
    상기 축열조에 누적된 열을 이용하여 생산된 난방이 상기 대상시설로 제공되는 축열재이용난방수행단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템의 운용 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 부가난방수행단계는,
    상기 케이스로부터 배출된 공기로부터 축열재로의 열전달에 의해 열을 흡수한 축열재가 축열조에 저장되는 공기이용축열단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템의 운용 방법.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 부가난방수행단계는,
    상기 케이스로부터 배출된 공기가 상기 대상시설로 직접 제공되는 공기제공단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템의 운용 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 부가난방수행단계는,
    제어기에 의하여 상기 대상시설로 제공되는 공기 유량이 조절되는 공기조절단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템의 운용 방법.
  13. 제 9항에 있어서, 상기 다중 발전 시스템의 운용 방법은,
    상기 엔진으로부터 발생된 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 가진 열을 흡수 및 이용하여 냉방을 생산하는 흡수식냉동기에 의하여 냉방이 수행되는 냉방수행단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템의 운용 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 다중 발전 시스템의 운용 방법은,
    상기 엔진으로부터 배출된 배기가스 내 유해가스를 정화하는 유해가스정화장치에 의하여 CO2제공이 수행되는 CO2제공수행단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 발전 시스템의 운용 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101569677B1 (ko) 2015-02-04 2015-11-17 한국기계연구원 고희박연소를 이용한 트라이젠 시스템 및 그 제어방법

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