KR20220099385A - Nuclear power load response generation system using solar heat - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자력 부하대응 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 태양열 발전소의 태양열 에너지를 이용하여 수소 생산 및 부하 대응 발전을 수행할 수 있는 원자력 부하대응 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a nuclear load response power generation system, and more particularly, to a nuclear load response power generation system capable of performing hydrogen production and load response generation using solar thermal energy of a solar power plant.
원자력 발전소는 원자력을 이용하여 전력을 생산하는 발전소이다. 원자핵이 붕괴하거나 핵 반응을 일으킬 때 방출되는 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 시설을 갖춘 곳이다.A nuclear power plant is a power plant that uses nuclear power to produce electricity. It is a place equipped with a facility to generate electricity using the energy released when an atomic nucleus decays or undergoes a nuclear reaction.
도 1은 일반적인 원자력 발전소의 계통 구조를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 원자력 발전소(10)는 핵 증기 관련 설비 계통인 1차 계통(primary system, 11)과 터빈 발전기 관련 설비 계통인 2차 계통(secondary system, 12)으로 구성될 수 있다.1 is a diagram showing the system structure of a typical nuclear power plant. As shown in FIG. 1 , the
1차 계통(11)은 감속재 및 냉각재로 경수를 사용하며, 원자로 내의 연료다발에서 열을 흡수하여 증기발생기를 통해 증기를 발생시키는 원자력 발전소의 핵심 계통이다. 상기 1차 계통(11)은 가압된 냉각수를 순환시켜 원자로 노심에서 발생된 핵반응 열을 증기발생기로 전달하는 원자로 냉각재 계통, 냉각수의 화학성분 및 체적을 조절하여 적절한 순도를 유지하는 화학 및 체적제어 계통, 냉각재 상실 사고와 같은 가상 사고 시 중성자 흡수 물질인 붕산수와 비상 냉각수를 주입하는 안전주입 계통, 기타 핵연료 취급 계통 및 계측제어 계통으로 구성된다.The
2차 계통(12)은 핵 증기 공급 계통에서 증기발생기를 통해 발생한 증기의 열에너지를 동력, 즉 전기에너지로 변환시켜주는 계통으로 일반 화력발전소의 계 통과 유사하다.The
이러한 계통 구조를 갖는 원자력 발전은 소량의 핵 연료로 막대한 에너지를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 화석 연료와는 달리 이산화탄소(CO2)와 같은 환경오염물질의 배출이 없어 환경보전 차원에서도 지속적인 개발이 불가피한 실정이다.Nuclear power generation with such a system structure can obtain enormous energy with a small amount of nuclear fuel, and unlike fossil fuels, there is no emission of environmental pollutants such as carbon dioxide (CO 2 ), so continuous development is inevitable in terms of environmental conservation. .
한편, 최근 들어, 화석연료의 사용으로 인한 환경오염 및 지구온난화 문제 등이 대두되면서 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지원이자 온실가스를 생성하지 않는 청정 에너지원인 수소를 생산하는 기술에 대한 중요성이 부각되고 있다. 이에 따라, 전세계 여러 국가에서는 수소 생산 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 아울러, 국제 기후 협약에 따른 탄소 배출량을 의무적으로 줄이게 되면서, 신 재생 에너지의 비율이 점점 높아지는 추세이다. 이러한 신 재생 에너지 중 태양광 에너지의 증가로 인해 태양광 에너지가 최대가 되는 정오에 이르면 전력 계통에서 공급 과잉이 일어나 기존 발전 시스템들은 발전량을 줄여야 한다.Meanwhile, in recent years, as environmental pollution and global warming problems due to the use of fossil fuels have emerged, the importance of technology for producing hydrogen, which is an alternative energy source that can replace fossil fuels and a clean energy source that does not generate greenhouse gases, is increasing. is being highlighted. Accordingly, several countries around the world are spurring the development of hydrogen production technology. In addition, as carbon emissions are compulsorily reduced according to international climate agreements, the proportion of new and renewable energy is gradually increasing. Due to the increase in solar energy among these new and renewable energies, when solar energy reaches its maximum at noon, there is an oversupply in the power system, and the existing power generation systems have to reduce the amount of power generation.
그런데, 기존 화력 발전이나 가스 발전의 경우 출력 조절이 용이하나, 원자력 발전의 경우 1차 계통의 핵 연료 및 피복관 등의 건전성 문제로 출력 감발이 쉽지 않아 부하 대응 능력이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 전력 계통 상에서 신 재생 에너지원의 출력 변동성에 따라 공급 과잉이 발생하는 경우, 원자력 발전소의 1차 계통에 미치는 영향을 최소화하면서 해당 발전소의 잉여 에너지를 활용하는 방안이 필요하다.However, in the case of conventional thermal power generation or gas power generation, it is easy to control the output, but in the case of nuclear power generation, it is not easy to reduce the output due to the health problems of the primary system nuclear fuel and cladding, and there is a problem that the load response ability is lowered. Therefore, when an oversupply occurs according to the output variability of the renewable energy source on the power system, a method of utilizing the surplus energy of the nuclear power plant while minimizing the impact on the primary system of the nuclear power plant is required.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 전력 계통의 부하 변동 시, 원자력 발전소의 부하 대응 능력을 향상시킬 수 있는 원자력 부하대응 발전 시스템을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention aims to solve the above and other problems. Another object of the present invention is to provide a nuclear load response power generation system capable of improving the load response capability of a nuclear power plant when a load of a power system changes.
또 다른 목적은 태양열 발전소의 태양열 에너지를 활용하여 원자력 발전의 이차 계통에서 분기된 과도 증기로부터 수소를 생산하고, 상기 생산된 수소를 기반으로 부하 대응 발전을 수행할 수 있는 원자력 부하대응 발전 시스템을 제공함에 있다.Another object is to use the solar energy of the solar power plant to produce hydrogen from the transient steam branched from the secondary system of nuclear power generation, and to provide a nuclear load response power generation system capable of performing load response generation based on the produced hydrogen. is in
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 열 전달 유체를 이용하여 태양열 에너지를 저장하는 태양열 저장시스템; 원자력 발전의 이차 계통으로부터 유입되는 증기와 상기 태양열 저장시스템으로부터 유입되는 열 전달 유체 간에 열 교환을 수행하는 열 교환기; 미리 결정된 수전해 기술을 이용하여 상기 열 교환기를 통과한 증기를 산소(O2)와 수소(H2)로 분리하는 수전해 장치; 및 상기 원자력 발전의 이차 계통으로부터 유입되는 증기와, 상기 수전해 장치를 통해 분리된 산소(O2) 및 수소(H2)들 간의 연소 반응을 통해 부하 대응 전력을 생산하는 터빈 발전 시스템을 포함하는 원자력 부하대응 발전 시스템을 제공한다. 여기서, 상기 미리 결정된 수전해 기술은 고온 수증기전해법(HTE, High Temperature Electrolysis)임을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention to achieve the above or other objects, a solar thermal storage system for storing solar energy using a heat transfer fluid; a heat exchanger for performing heat exchange between steam flowing in from a secondary system of nuclear power and a heat transfer fluid flowing in from the solar storage system; a water electrolysis device for separating the vapor that has passed through the heat exchanger into oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) using a predetermined water electrolysis technique; and a turbine power generation system for generating load-responding power through a combustion reaction between steam introduced from the secondary system of the nuclear power plant, and oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) separated through the water electrolysis device. Provided is a nuclear load response power generation system. Here, the predetermined water electrolysis technique is characterized in that it is a high temperature steam electrolysis (HTE, High Temperature Electrolysis).
좀 더 바람직하게는, 상기 원자력 부하대응 발전 시스템은 수전해 장치를 통해 분리된 수소(H2)를 저장하는 수소 탱크와, 상기 수전해 장치를 통해 분리된 산소(O2)를 저장하는 산소 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the nuclear load response power generation system includes a hydrogen tank for storing hydrogen (H 2 ) separated through a water electrolysis device, and an oxygen tank for storing oxygen (O 2 ) separated through the water electrolysis device It is characterized in that it further comprises.
좀 더 바람직하게는, 상기 태양열 저장시스템은 태양광 에너지를 태양열 에너지로 변환하고, 상기 변환된 태양열 에너지를 상기 열 전달 유체로 전달하는 태양광 수신기와; 상기 태양광 수신기를 거치면서 태양열을 흡수한 고온 상태의 열 전달 유체를 저장하는 고온 탱크; 및 상기 열 교환기를 거치면서 열을 빼앗긴 저온 상태의 열 전달 유체를 저장하는 저온 탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 태양열 저장시스템은 태양열 발전소 또는 그 인접 영역에 설치되는 것을 특징으로 한다. More preferably, the solar thermal storage system comprises: a solar receiver for converting solar energy into solar thermal energy and transferring the converted solar thermal energy to the heat transfer fluid; a high-temperature tank for storing a heat transfer fluid in a high-temperature state that has absorbed solar heat while passing through the solar receiver; and a low-temperature tank for storing the low-temperature heat transfer fluid from which heat is taken away while passing through the heat exchanger. In addition, the solar thermal storage system is characterized in that it is installed in a solar thermal power plant or its adjacent area.
좀 더 바람직하게는, 상기 터빈 발전 시스템은 원자력 발전의 이차 계통으로부터 유입되는 증기를 압축시키는 증기 압축기; 상기 증기 압축기로부터 유입되는 증기를 촉매제로 사용하여 상기 산소 탱크에서 주입되는 산소와 상기 수소 탱크에서 주입되는 수소를 연소시키는 연소기; 상기 연소기에서 출력된 고온/고압 상태의 작동 유체가 팽창하면서 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환하는 증기 터빈; 및 상기 증기 터빈에서 공급받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the turbine power generation system comprises: a steam compressor for compressing the steam introduced from the secondary system of nuclear power generation; a combustor for burning oxygen injected from the oxygen tank and hydrogen injected from the hydrogen tank by using the vapor introduced from the vapor compressor as a catalyst; a steam turbine for converting the high-temperature/high-pressure working fluid output from the combustor into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotor blades while expanding; and a generator converting mechanical energy supplied from the steam turbine into electrical energy to generate electric power.
본 발명의 실시 예들에 따른 원자력 부하대응 발전 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.The effect of the nuclear load response power generation system according to embodiments of the present invention will be described as follows.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 태양열 에너지를 활용하여 원자력 발전의 이차 계통에서 분기된 과도 증기로부터 수소를 생산하고, 이를 기반으로 부하 대응 발전을 수행함으로써, 상기 원자력 발전의 일차 계통에 미치는 영향을 최소화하면서 상기 원자력 발전의 부하 대응 능력을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, by using solar energy to produce hydrogen from transient steam branched from the secondary system of nuclear power generation, and performing load-response power generation based on this, the effect on the primary system of the nuclear power generation There is an advantage in that the load response capability of the nuclear power plant can be greatly improved while minimizing the influence.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 원자력 부하대응 발전 시스템이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects that can be achieved by the nuclear load response power generation system according to the embodiments of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned are common in the technical field to which the present invention belongs from the description below. It can be clearly understood by those with the knowledge of
도 1은 일반적인 원자력 발전소의 계통 구조를 나타내는 도면;
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자력 부하대응 발전 시스템의 전체 구성도;
도 2b는 도 2a에 도시된 수전해 장치의 수소 생산 과정을 설명하는 개념도;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자력 부하대응 발전 시스템의 충전 과정을 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자력 부하대응 발전 시스템의 방전 과정을 나타내는 도면.1 is a view showing the system structure of a typical nuclear power plant;
2A is an overall configuration diagram of a nuclear load response power generation system according to an embodiment of the present invention;
2B is a conceptual diagram illustrating a hydrogen production process of the water electrolysis device shown in FIG. 2A;
3 is a view showing a charging process of a nuclear load response power generation system according to an embodiment of the present invention;
4 is a view showing a discharge process of a nuclear load response power generation system according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In describing the embodiments disclosed in the present specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in the present specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, and the technical idea disclosed herein is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and scope of the present invention , should be understood to include equivalents or substitutes.
한편, 이하 본 명세서에서 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.On the other hand, when a component is referred to as "connected" or "connected" to another component in the present specification, it may be directly connected or connected to the other component, but other components in the middle It should be understood that there may be On the other hand, when it is mentioned that a certain element is "directly connected" or "directly contacted" with another element, it should be understood that no other element is present in the middle. Other expressions for describing the relationship between elements, that is, expressions such as "between" and "immediately between" or "adjacent to" and "directly adjacent to", should be interpreted similarly.
또한, 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In addition, the terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. As used herein, terms such as “comprises” or “have” are intended to designate the presence of an embodied feature, number, step, operation, component, part, or a combination thereof, one or more other features or numbers, It should be understood that the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts or combinations thereof is not precluded in advance.
본 발명은 전력 계통의 부하 변동 시, 원자력 발전소의 부하 대응 능력을 향상시킬 수 있는 원자력 부하대응 발전 시스템을 제안한다. 또한, 본 발명은 태양열 발전소의 태양열 에너지를 활용하여 원자력 발전의 이차 계통에서 분기된 과도 증기로부터 수소를 생산하고, 상기 생산된 수소를 기반으로 부하 대응 발전을 수행할 수 있는 원자력 부하대응 발전 시스템을 제안한다.The present invention proposes a nuclear load response power generation system capable of improving the load response capability of a nuclear power plant when a load of a power system changes. In addition, the present invention uses the solar energy of the solar power plant to produce hydrogen from transient steam branched from the secondary system of nuclear power generation, and a nuclear load response power generation system capable of performing load response generation based on the produced hydrogen. suggest
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자력 부하대응 발전 시스템의 전체 구성도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 수전해 장치의 수소 생산 과정을 설명하는 개념도이다.2A is an overall configuration diagram of a nuclear load response power generation system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a conceptual diagram illustrating a hydrogen production process of the water electrolysis device shown in FIG. 2A .
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자력 부하대응 발전 시스템(100)은 태양열 저장시스템(110), 열 교환기(120), 수전해 장치(130), 수소 탱크(140), 산소 탱크(150), 증기 압축기(160), 연소기(170), 증기 터빈(180) 및 발전기(190)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 증기 압축기(160), 연소기(170), 증기 터빈(180) 및 발전기(190)를 터빈 발전 시스템으로 통칭할 수 있다.2A and 2B , the nuclear load response
한편, 도면에 도시되고 있지 않지만, 상기 원자력 부하 대응 발전 시스템(100)은 해당 시스템(100)을 구성하는 장치들(110~190)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있는 제어장치를 더 포함할 수 있다.On the other hand, although not shown in the drawing, the nuclear load response
태양열 저장시스템(110)은 열 전달 유체를 이용하여 태양열 에너지를 저장하고, 상기 저장된 태양열 에너지를 열 교환기(120)로 제공할 수 있다. 이때, 상기 태양열 저장시스템(110)은 태양열 발전소 또는 그 인접 영역에 설치될 수 있다. 또한, 상기 태양열 저장시스템(110)은 태양열 발전소와 독립적으로 설치될 수도 있다.The solar
태양열 저장시스템(110)은 태양광 수신기(111), 고온 탱크(112), 저온 탱크(113) 및 열 전달 유체(114)를 포함할 수 있다.The solar
태양광 수신기(111)는 광학 설비(미도시)를 통해 집광된 태양광 에너지를 태양열 에너지로 변환하고, 상기 변환된 태양열 에너지를 열 전달 유체(114)로 전달할 수 있다.The
고온 탱크(112)는 태양광 수신기(111)를 거치면서 태양열을 흡수한 고온 상태의 열 전달 유체(114)를 저장할 수 있다. 상기 고온 탱크(112)는, 제어장치의 제어 명령에 따라, 고온 상태의 열 전달 유체(114)를 열 교환기(120)로 제공할 수 있다.The
저온 탱크(113)는 열 교환기(120)를 거치면서 열을 빼앗긴 저온 상태의 열 전달 유체(114)를 저장할 수 있다. 상기 저온 탱크(113)는, 제어장치의 제어 명령에 따라, 저온 상태의 열 전달 유체(114)를 태양광 수신기(111)로 제공할 수 있다.The low-
열 전달 유체(114)는 태양열 저장 시스템(110)을 순환하면서 원자력 발전의 2차 계통(50)에서 분기되는 증기(H2O)와의 열 교환 처리를 수행하는데 사용된다. 상기 열 전달 유체로는 열 전달 효율이 우수하고 비용이 저렴한 HITEC salt가 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The
열 교환기(120)는 원자력 발전의 2차 계통(50)에서 분기되어 배출되는 증기(H2O)와 태양열 저장시스템(110)의 고온 탱크(112)에서 배출되는 열 전달 유체(114) 간에 열 교환 처리를 수행할 수 있다. 이때, 원자력 발전의 2차 계통(50)에서 배출되는 과도 증기의 온도는 대략 200℃ 내지 300℃ 정도일 수 있고, 고온 탱크(112)에서 배출되는 열 전달 유체의 온도는 대략 700℃ 내지 800℃ 정도일 수 있다.The
즉, 열 교환기(120)는 고온 탱크(112)로부터 유입되는 열 전달 유체(114)의 열을 흡수하고, 상기 흡수된 열을 원자력 발전의 2차 계통(50)으로부터 유입되는 증기로 전달할 수 있다. 열 교환기(120)를 통과한 열 전달 유체(114)는 태양열 저장시스템(110)의 저온 탱크(113)로 이동하게 되고, 열 교환기(120)를 통과한 증기는 수전해 장치(130)로 이동하게 된다. 이때, 열 교환기(120)를 통과한 증기의 온도는 대략 700℃ 내지 800℃ 정도일 수 있다.That is, the
수전해 장치(130)는 미리 결정된 수전해 기술을 이용하여 열 교환기(120)를 통과한 증기를 산소(O2)와 수소(H2)로 분리할 수 있다. 여기서, 수전해 기술은 물(H2O)을 전기 분해하여 산소(O2)와 수소(H2)를 분리하는 기술이다. 상기 수전해 기술로는 고온 수증기전해법(HTE, High Temperature Electrolysis), 양성자 교환막전해법(PEM, Proton Exchange Membrane), 알칼리 수전해법(AE, Alkaline Electrolysis) 등이 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 고온 수증기전해법이 사용될 수 있다. The
고온 수증기전해법은 물을 분해하기 위해 필요한 전기에너지가 고온에서 더 낮아지는 현상을 이용한 방법으로 적은 전기에너지로 고효율의 물 분해가 가능하고, 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells) 기술을 응용한 것으로 고체산화물 전기분해셀(Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC)이라 불린다. 즉, 안정화 지르코니아(zirconia) 등을 산소 이온 전도체의 전해질로 사용하여 750℃ 이상의 고온에서 수증기를 전해하는 방법으로 양극 및 음극에서의 반응식은 다음과 같다.High-temperature steam electrolysis is a method that uses the phenomenon that the electrical energy required to decompose water becomes lower at high temperatures. The application is called Solid Oxide Electrolyzer Cell (SOEC). That is, a method of electrolyzing water vapor at a high temperature of 750° C. or higher using stabilized zirconia or the like as an electrolyte of an oxygen ion conductor. Reaction formulas at the anode and cathode are as follows.
좀 더 구체적으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 고온수전해의 주요 구성요소는 치밀한 이온 전도성 전해질과 두 개의 다공성 전극으로 구성되며, 그 기초적인 작동 기구는 고온의 물이 다공성 음극에 유입되고 전기적 전위차가 양극에서 발생할 때 물 분자는 반응하여 수소와 산소로 분리된다. 그 후 수소가스는 음극 표면으로 확산하고, 산소 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동한다. 이동된 산소 이온은 산화하여 산소로 되어 양극으로 나온다.More specifically, as shown in Fig. 2b, the main components of high-temperature water electrolysis are composed of a dense ion-conducting electrolyte and two porous electrodes. When a potential difference occurs at the anode, water molecules react and split into hydrogen and oxygen. After that, hydrogen gas diffuses to the surface of the anode, and oxygen ions move to the anode through the electrolyte. The moved oxygen ions are oxidized to become oxygen and come out to the anode.
원자력 발전의 2차 계통(50)에서 분기되는 과도 증기는 고온수전해 기술을 위한 에너지의 68% 정도를 가지고 있다. 따라서, 과도 증기는 태양열 저장시스템(110)의 고온 탱크(112)에 저장된 열 전달 유체(114)와의 열 교환을 통해 남은 32%의 에너지를 보충하게 된다.The transient steam branching from the
수전해 장치(130)는 열 교환기(120)를 통과한 고온의 증기로부터 분리된 수소를 수소 탱크(140)로 제공하고, 상기 고온의 증기로부터 분리된 산소를 산소 탱크(150)로 제공할 수 있다. The
수소 탱크(140)는 수전해 장치(130)로부터 제공 받은 수소를 저장할 수 있다. 상기 수소 탱크(140)는, 제어장치의 제어 명령에 따라, 수소를 연소기(170)로 제공할 수 있다.The
산소 탱크(150)는 수전해 장치(130)로부터 제공 받은 산소를 저장할 수 있다. 상기 산소 탱크(150)는, 제어장치의 제어 명령에 따라, 산소를 연소기(170)로 제공할 수 있다.The
증기 압축기(160)는 증기 터빈(180)에서 제공 받은 기계적 에너지를 이용하여 원자력 발전의 이차 계통(50)으로부터 유입되는 작동 유체(즉, 증기)를 압축시킬 수 있다. 상기 증기 압축기(160)를 통과한 고온/고압 상태의 증기는 연소기(170)로 이동하게 된다.The
증기 압축기(160)는 증기 터빈(180)과 축(또는 로터(rotor))으로 연결되어 회전 구동한다. 상기 증기 압축기(160)로는 축류식 압축기와 원심식 압축기 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 이러한 증기 압축기(160)는 회전하여 유체에 에너지를 제공하는 하나 이상의 동익과 이 유체를 감속시켜 압력을 상승시키는 하나 이상의 정익으로 구성될 수 있다.The
연소기(170)는 증기 압축기(160)에서 공급되는 고온/고압 상태의 증기(H2O)를 촉매제로 사용하여 수소 탱크(140)에서 주입되는 수소(H2)와 산소 탱크(150)에서 주입되는 산소(O2)를 연소시킬 수 있다. 이때, 수소 및 산소는 별도의 압축기(미도시)를 거쳐 연소기(170)로 공급될 수 있다. 이는 연소기(170) 내부로 주입되는 수소 및 산소의 압력을 연소기(170)의 내부 압력과 동일하거나 혹은 그 이상으로 높이기 위함이다.The
연소기(170)에서는 하기 반응식에 따른 연소 반응을 통해 수증기(H2O)가 발생하게 된다.In the
연소기(170)는 수소(H2)와 산소(O2) 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 기반으로 수소 발전 사이클의 작동 유체인 증기(H2O)를 가열할 수 있다. The
연소기(170)는 증기 압축기(160)로부터 유입되는 증기(H2O)와 연소 반응 생성물인 수증기(H2O)를 포함하는 고온/고압 상태의 작동 유체를 증기 터빈(180)으로 출력할 수 있다.The
증기 터빈(180)은 연소기(170)에서 출력된 고온/고압 상태의 작동 유체가 팽창하면서 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환할 수 있다.The
증기 터빈(180)에는, 증기 압축기(160)와 마찬가지로, 축류식과 원심식의 2 종류가 있으며 발전 용량에 따라 그 사용이 나누어진다. 일 실시 예로, 상기 증기 터빈(180)은 다단 축류식이 사용될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다. 다단 축류식 터빈의 기본 구조는 증속류를 만들어 내는 정익과 그것을 회전 에너지로 변환시키는 동익으로 구성되며, 고온/고압의 가스 매질을 서서히 증속 팽창시켜 회전 에너지를 추출해 낸다.The
증기 터빈(180)을 통해 획득한 기계적 에너지는 증기 압축기(160)에서 증기를 압축하는데 필요한 에너지로 공급되며, 나머지는 발전기(190)에서 전기를 생산하는데 필요한 에너지로 공급된다.Mechanical energy obtained through the
발전기(190)는 증기 터빈(180)과 축(또는 로터(rotor))으로 연결되어 회전 구동한다. 발전기(190)는 증기 터빈(180)에서 공급 받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생산할 수 있다. 상기 발전기(190)로는 직류 발전기와 교류 발전기 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 교류 발전기가 사용될 수 있다.The
이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자력 부하대응 발전 시스템(100)은 태양열 에너지를 활용하여 원자력 발전의 이차 계통에서 분기된 과도 증기로부터 수소를 생산하고, 이를 기반으로 부하 대응 발전을 수행함으로써, 상기 원자력 발전의 일차 계통에 미치는 영향을 최소화하면서 상기 원자력 발전의 부하 대응 능력을 크게 향상시킬 수 있다.As described above, the nuclear load response
한편, 원자력 부하대응 발전 시스템(100)의 전체적인 동작은 원자력 발전의 2차 계통에서 발생하는 과도 증기를 기반으로 수소를 생산 및 저장하는 충전(charging) 과정과, 수소 탱크에 저장된 수소를 기반으로 부하 대응 전력을 생산하는 방전(discharging) 과정으로 구성된다.On the other hand, the overall operation of the nuclear load response
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자력 부하대응 발전 시스템의 충전 과정을 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 태양열 저장시스템(110)의 저온 탱크(113)로부터 유입되는 열 전달 유체(114)는 태양광 수신기(111)를 거치면서 태양열 에너지를 흡수하고, 상기 태양광 수신기(111)를 통과한 열 전달 유체는 고온 탱크(112)로 이동하여 저장된다. 상기 고온 탱크(112)에 저장된 열 전달 유체(114)는 열 교환기(120)를 거치면서 고온의 열을 제공하고, 상기 열 교환기(120)를 통과한 열 전달 유체는 저온 탱크(113)로 이동하여 저장된다.3 is a diagram illustrating a charging process of a nuclear load response power generation system according to an embodiment of the present invention. 3, the
원자력 발전의 이차 계통(50)에서 분기된 증기는 열 교환기(120)를 거치면서 열 전달 유체(114)로부터 고온의 열을 전달 받은 후 수전해 장치(130)로 이동하게 된다. 상기 수전해 장치(130)로 유입된 증기는 전기화학적 반응을 통해 수소와 산소로 분해되며, 상기 분해된 수소는 수소 탱크(140)로 이동하여 저장되고, 상기 분해된 산소는 산소 탱크(150)로 이동하여 저장된다. 이와 같은 일련의 동작들을 충전 과정이라 지칭한다.The steam branched from the
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 원자력 부하대응 발전 시스템의 방전 과정을 나타내는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 수소 탱크(140)에서 배출된 수소와 산소 탱크(150)에 배출된 산소는 연소기(170)로 이동하게 된다. 원자력 발전의 이차 계통(50)으로부터 분기된 증기는 증기 압축기(160)를 통해 압축되어 연소기(170)로 이동하게 된다. 상기 연소기(170)로 유입된 수소는 산소와 연소 반응하여 수증기를 생성하게 되고, 연소기(170)로 유입된 작동 유체(즉, 증기)는 수소(H2)와 산소(O2) 간의 연소 반응을 통해 생성된 열 에너지를 기반으로 고온 및 고압 상태로 변환된다. 연소기(170)에서 출력된 작동 유체는 증기 터빈(180)을 거치면서 추가 전력을 생산하게 된다. 이와 같은 일련의 동작들을 방전 과정이라 지칭한다.4 is a diagram illustrating a discharge process of a nuclear load response power generation system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4 , the hydrogen discharged from the
이러한 원자력 부하대응 발전 시스템(100)의 충전(charging) 및 방전(discharging) 과정은 전력 계통 상에서 신 재생 에너지원의 출력 변동성에 따라 번갈아 가며 수행될 수 있다.The charging and discharging processes of the nuclear load response
가령, 원자력 부하대응 발전 시스템(100)은, 제1 이벤트 발생 시, 원자력 발전소의 2차 계통과 연계하여 상기 2차 계통의 잉여 에너지를 기반으로 수소를 생산 및 저장하는 충전 과정을 수행할 수 있다. 이때, 상기 제1 이벤트는 전력 계통 상에서 신 재생 에너지원의 출력 변동성에 따라 발생하는 전력 공급 과잉 이벤트일 수 있다.For example, when the first event occurs, the nuclear load response
한편, 원자력 부하대응 발전 시스템(100)은, 제2 이벤트 발생 시, 수소 탱크에 저장된 수소를 기반으로 부하 대응 전력을 생산하는 방전 과정을 수행할 수 있다. 이때, 상기 제2 이벤트는 전력 계통 상에서 신 재생 에너지원의 출력 변동성에 따라 발생하는 전력 공급 부족 이벤트이거나 혹은 전력 계통 상에서 수용가의 부하 변동성에 따라 발생하는 전력 수요 과잉 이벤트일 수 있다.Meanwhile, when the second event occurs, the nuclear
한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, although specific embodiments of the present invention have been described above, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the described embodiments, and should be defined by the following claims as well as the claims and equivalents.
100: 원자력 부하대응 발전 시스템 110: 태양열 저장시스템
120: 열 교환기 130: 수전해 장치
140: 수소 탱크 150: 산소 탱크
160: 증기 압축기 170: 연소기
180: 증기 터빈 190: 발전기100: nuclear load response power generation system 110: solar storage system
120: heat exchanger 130: water electrolyzer
140: hydrogen tank 150: oxygen tank
160: vapor compressor 170: combustor
180: steam turbine 190: generator
Claims (6)
원자력 발전의 이차 계통으로부터 유입되는 증기와 상기 태양열 저장시스템으로부터 유입되는 열 전달 유체 간에 열 교환을 수행하는 열 교환기;
미리 결정된 수전해 기술을 이용하여 상기 열 교환기를 통과한 증기를 산소(O2)와 수소(H2)로 분리하는 수전해 장치; 및
상기 원자력 발전의 이차 계통으로부터 유입되는 증기와, 상기 수전해 장치를 통해 분리된 산소(O2) 및 수소(H2)들 간의 연소 반응을 통해 부하 대응 전력을 생산하는 터빈 발전 시스템을 포함하는 원자력 부하대응 발전 시스템.a solar thermal storage system for storing solar thermal energy using a heat transfer fluid;
a heat exchanger for performing heat exchange between steam flowing in from a secondary system of nuclear power and a heat transfer fluid flowing in from the solar storage system;
a water electrolysis device for separating the vapor that has passed through the heat exchanger into oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) using a predetermined water electrolysis technique; and
Nuclear power including a turbine power generation system for generating load-response power through a combustion reaction between steam introduced from the secondary system of the nuclear power plant, and oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) separated through the water electrolyzer Load response power generation system.
상기 수전해 장치를 통해 분리된 수소(H2)를 저장하는 수소 탱크; 및
상기 수전해 장치를 통해 분리된 산소(O2)를 저장하는 산소 탱크를 더 포함하는 원자력 부하대응 발전 시스템.According to claim 1,
A hydrogen tank for storing hydrogen (H 2 ) separated through the water electrolysis device; and
Nuclear load response power generation system further comprising an oxygen tank for storing oxygen (O 2 ) separated through the water electrolysis device.
태양광 에너지를 태양열 에너지로 변환하고, 상기 변환된 태양열 에너지를 상기 열 전달 유체로 전달하는 태양광 수신기;
상기 태양광 수신기를 거치면서 태양열을 흡수한 고온 상태의 열 전달 유체를 저장하는 고온 탱크; 및
상기 열 교환기를 거치면서 열을 빼앗긴 저온 상태의 열 전달 유체를 저장하는 저온 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 부하대응 발전 시스템.According to claim 1, wherein the solar thermal storage system,
a solar receiver for converting solar energy into solar thermal energy and transferring the converted solar thermal energy to the heat transfer fluid;
a high-temperature tank for storing a heat transfer fluid in a high-temperature state that has absorbed solar heat while passing through the solar receiver; and
and a low-temperature tank for storing a low-temperature heat transfer fluid from which heat has been lost while passing through the heat exchanger.
상기 미리 결정된 수전해 기술은 고온 수증기전해법(HTE, High Temperature Electrolysis)임을 특징으로 하는 원자력 부하대응 발전 시스템.According to claim 1,
The predetermined water electrolysis technology is a nuclear load response power generation system, characterized in that the high temperature steam electrolysis (HTE, High Temperature Electrolysis).
상기 원자력 발전의 이차 계통으로부터 유입되는 증기를 압축시키는 증기 압축기;
상기 증기 압축기로부터 유입되는 증기를 촉매제로 사용하여 상기 산소 탱크에서 주입되는 산소와 상기 수소 탱크에서 주입되는 수소를 연소시키는 연소기;
상기 연소기에서 출력된 고온/고압 상태의 작동 유체가 팽창하면서 회전 날개에 충동 또는 반동력을 주어 기계적 에너지로 변환하는 증기 터빈; 및
상기 증기 터빈에서 공급받은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력 부하대응 발전 시스템.According to claim 2, The turbine power generation system,
a vapor compressor for compressing the vapor introduced from the secondary system of the nuclear power plant;
a combustor for burning oxygen injected from the oxygen tank and hydrogen injected from the hydrogen tank by using the vapor introduced from the vapor compressor as a catalyst;
a steam turbine for converting the high-temperature/high-pressure working fluid output from the combustor into mechanical energy by applying an impulse or reaction force to the rotor blades while expanding; and
and a generator that converts mechanical energy supplied from the steam turbine into electrical energy to generate electric power.
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