KR20230036395A - 태양광을 이용한 수소발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광을 이용하여 수소를 생산한 다음, 생산한 수소를 가스터빈발전기의 연료로 이용하는 방식을 채택함으로써, 공해물질을 발생시키지 않으면서 친환경적으로 전력을 생산할 수 있는 태양광을 이용한 수소발전시스템에 관한 것이다.
본 발명은 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양광태양광발전수단과; 상기 태양광발전수단을 통해 생산된 전력으로 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생산하는 전기분해수단과; 상기 전기분해수단에서 생산한 수소를 저장하는 수소 저장부와; 상기 전기분해수단 또는 수소 저장부에서 공급되는 수소를 이용하여 전력을 생산하는 가스터빈발전수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광을 이용한 수소발전시스템{Hydrogen power generation system using solar power}

본 발명은 태양광을 이용하여 수소를 생산한 다음, 생산한 수소를 가스터빈발전기의 연료로 이용하는 방식을 채택함으로써, 공해물질을 발생시키지 않으면서 친환경적으로 전력을 생산할 수 있는 태양광을 이용한 수소발전시스템에 관한 것이다.

최근 환경 오염과 화석 연료의 부족으로 인해 태양, 바람, 조류 등과 같은 신재생 에너지(renewable energy)에 대한 연구가 지속적으로 증가하고 있다.

이들 중 태양광 발전은 태양전지를 이용하여 빛을 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전방식으로, 태양전지, 컨버터, 축전지로 구성되며, 산업용 발전 시스템은 물론, 차량, 주거용, 가로등 등과 같이 생활 전반에 널리 사용되고 있다.

그러나 태양광 발전 방식은 전력 생산량이 일사량에 의존할 수 밖에 없으며, 에너지 밀도가 낮은 등의 문제점이 있다.

한편, 풍력과 조력발전은 바람 또는 조류를 이용하여 회전날개를 회전시켜 전기 에너지를 생산하는 발전방식으로, 바람 또는 조류의 세기나 방향에 따라 발전량이 차이가 많은 문제가 있다. 따라서, 태양광이나 바람 또는 조류와 같이 자연환경을 이용한 발전방식은 부하의 요구에 안정적으로 에너지를 공급하기 어려워 이를 개선하는 시스템이 개발되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제2012-0093671호('발명의 명칭:태양광 및 풍력 하이브리드 발전을 이용한 계통 연계 시스템 및 이를 이용한 태양광 및 풍력 하이브리드 계통 연계 발전 장치)에는 태양광과 풍력을 연계한 발전장치가 개시되어 있다. 상기 발전장치는 일조량이 부족한 경우에는 풍력을 이용하고, 바람 세기나 방향이 일정하지 않는 경우에는 태양광을 이용토록 함으로써, 태양광과 풍력을 모두 활용하고 있다.

하지만 상기 발전장치는 태양광이나 풍력을 상호 보완적으로 활용할 뿐, 기본적으로 태양광과 풍력에 전적으로 의존할 수밖에 없어, 태양광이나 풍력 둘다 충분히 활용할 수 없는 경우에는 안정적인 발전이 이루어지지 않는 문제점이 있다.

또한, 종래 기술은 단순히 발전장치로부터 전력을 공급받아 전기분해를 이용하여 수소를 생산하는 원론적 기술 만을 개시할 뿐이다.

이로 인해, 해상 환경 변화 등에 의해 상기 발전장치의 발전 효율이 저하되고 이로 인하여 수소 생산량이 급격하게 줄어드는 경우, 수소를 저장하는 탱크의 내부 압력이 변화하여 적은량의 수소를 저장하고 관리하는 것이 매우 어려워지는 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 대한민국 등록특허 제10-2241272호에서는 조력, 파력, 및 풍력의 복합 발전을 통해 전력을 생산하는 재생 에너지 발전부; 상기 재생 에너지 발전부로부터 생산된 전력에 의해 충전되는 에너지 저장부; 상기 에너지 저장부로부터 공급받은 전력과 해수를 이용하여 전기분해에 의해 수소연료를 생성하는 수소생산부; 상기 수소연료를 전달받아 수소연료를 저장하는 복수 개의 수소저장 탱크; 및 상기 재생 에너지 발전부, 에너지 저장부, 수소생산부와 연결되어 상기 재생 에너지 발전부, 에너지 저장부, 수소생산부의 구동을 제어하고, 상기 수소저장 탱크의 수소 연료량을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고, 상기 수소생산부는, 상기 에너지 저장부로부터 전력을 공급받는 전기 모터, 상기 전기 모터에 의해 구동되어 해수를 펌핑하는 워터 펌프, 상기 워터 펌프를 통해 해수를 공급받아 가열하여 해수를 수증기 상태로 만드는 히터, 상기 히터로부터 증기 상태의 해수를 전달받아 전기분해를 통해 수소 가스를 생성하는 전기분해 시스템부, 및 상기 전기분해 시스템부를 통해 생성된 수소 가스를 소정의 고압으로 압축하여 상기 수소저장 탱크로 전달하는 압축기를 포함하며, 상기 히터의 온도와 상기 전기분해 시스템부의 온도 및 압력은 상기 컨트롤러에 의해 각각 제어되되, 상기 컨트롤러는, 상기 히터를 통해 상기 전기분해 시스템부의 온도를 제어하거나, 상기 전기 모터를 통해 상기 워터 펌프의 용량 가변 및 워터 펌프와 연결된 유량 제어 밸브(flow control valve)를 제어하여 상기 전기분해 시스템부의 압력을 조절함으로써 수소 생성량을 조절하는 것을 특징으로 하는 해수 및 신재생 에너지를 이용한 수소발생 시스템이 개시되어 있다.

대한민국 등록특허 제10-2241272호 대한민국 공개특허공보 제2012-0093671호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 태양광을 이용하여 수소를 생산한 다음, 생산한 수소를 가스터빈발전기의 연료로 이용하는 방식을 채택함으로써, 공해물질을 발생시키지 않으면서 친환경적으로 전력을 생산할 수 있는 태양광을 이용한 수소발전시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 태양광을 이용한 수소발전시스템은 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양광발전수단과; 상기 태양광발전수단을 통해 생산된 전력으로 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생산하는 전기분해수단과; 상기 전기분해수단에서 생산한 수소를 저장하는 수소 저장부와; 상기 전기분해수단 또는 수소 저장부에서 공급되는 수소를 이용하여 전력을 생산하는 가스터빈발전수단과; 상기 가스터빈발전수단에서 발생하는 열을 이용하여 증기를 생산하는 보일러와; 상기 보일러에서 발생한 증기를 이용하여 전력를 생산하는 증기터빈발전수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 태양광을 이용한 수소발전시스템은 태양광을 이용하여 수소를 생산한 다음, 생산한 수소를 가스터빈발전기의 연료로 이용하는 방식을 채택함으로써, 공해물질을 발생시키지 않으면서 친환경적으로 전력을 생산할 수 있는 효과를 가진다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광을 이용한 수소발전시스템의 전체 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 자화 처리부의 구조를 도시하는 도면이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 쉽게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광을 이용한 수소발전시스템의 전체 구조를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 자화 처리부의 구조를 도시하는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 태양광을 이용한 수소발전시스템은 태양광을 이용하여 전력를 생산하는 태양광발전수단과, 상기 태양광발전수단을 통해 생산된 전력으로 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생산하는 전기분해수단과, 상기 전기분해수단에서 생산한 수소를 저장하는 수소 저장부와, 상기 전기분해수단 또는 수소 저장부에서 공급되는 수소를 이용하여 전력을 생산하는 가스터빈발전수단과, 상기 가스터빈발전수단에서 발생하는 열을 이용하여 증기를 생산하는 보일러와, 상기 보일러에서 발생한 증기를 이용하여 전력을 생산하는 증기터빈발전수단을 포함하여 구성할 수 있다.

본 발명의 태양광발전수단은 태양전지를 이용하여 빛을 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전방식으로, 태양전지, 컨버터, 축전지로 구성될 수 있다.

본 발명의 전기분해수단은 상기 태양광발전수단을 통해 생산된 전기로 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생산하는 수전해장치로서, 예를 들면, 고분자 수전해장치(Ploymer Electrolyte Membrane Water Electrolyzer, PEMWE)인 것을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 생산된 수소는 가스 압축 방식을 통해 수소 저장부에 저장되고 가스 제어부를 통해 압력조절 및 수소가스의 공급이 이루어질 수 있으며, 상기 산소는 대기 중으로 증발된다. 여기서, 상기 전기분해수단은 전해질을 KOH로 사용할 수 있고, 상기 KOH는 20~25% 범위에서 사용될 수 있다.

또한, 상기 전기분해수단에 사용되는 공급수(물)는 불순물 제거한 DI water를 사용하는 것을 예시할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 전기분해수단에 물을 공급하는 물탱크에는 정화부와, 자화 처리부가 설치될 수 있다.

상기 정화부는 물을 살균 및 정화하는 역할을 하는 것으로서, 살균 또는 유기물을 분해하는 역할을 하는 자외선램프 또는 오존발생기와, 불순물을 걸러내는 필터 등을 포함할 수 있다.

상기 자화 처리부는 정화부를 통해 정화된 물을 자력에 의해 자화 처리하여 물에 활성을 제공하는 역할을 하는 것으로서, 물탱크에서 전기분해수단으로 물을 공급하는 배관에 설치되며, 상기 내부 배관(109)의 외주면에 배치되는 복수의 외부 자석(133)과, 상기 내부 배관(109)의 내부에 설치되어 수압에 의해 회전하면서 자력을 공급하는 회전 자석 모듈(135)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 회전 자석 모듈(135)은 내부 배관(109)의 타측에 설치된 제2챔버(131)와, 전후가 개방된 원통 형상의 실린더(136)와, 상기 실린더의 내주면에 배치되는 복수의 내부 자석(139)과, 상기 실린더의 좌우측에 마련된 한 쌍의 좌,우측 지지대(136a)와, 상기 좌,우측 지지대에서 각각 전후 방향으로 연결되는 한 쌍의 회전샤프트(136b)와, 상기 한 쌍의 회전샤트프를 지지하는 베어링(137)과, 일단은 상기 베어링에 고정되고 타단은 상기 실린더에 고정되어 베어링을 지지하는 지지바(137a)와, 상기 한 쌍의 회전샤트프의 전단 및 후단에 설치되는 한 쌍의 회전팬(138a,138b)으로 구성될 수 있다.

회전 자석 모듈 내에서 회전하는 내부 자석으로 인해 내부 배관에서 흐르는 물에 자력을 균일하게 제공할 수 있으며, 내부 자석이 회전하면서 내부 자삭과 외부 자석과의 거리 내지 간격이 변화하는 상호 작용으로 인해 자화 성능을 극대화할 수 있다.

상기 자화 처리부(130)에서는 복수의 자석(133)을 어떻게 배치하는지가 중요한데, 본 발명에서는 복수의 자석(133)이 자화처리관(131)의 외주면을 둘러싸도록 설치되는 경우, 자석이 내부 배관의 외주면과 맞닿는 면에는 N극이 배치되도록 구성하는 것을 예시할 수 있다.

본 발명의 수소 저장부는 수소를 가스 압축 방식을 통해 저장한 후 가스터빈발전수단으로 공급하는 역할을 한다.

본 발명의 가스터빈발전수단은 수소를 포함한 연료를 이용하여 전력을 생산하는 가스터빈발전기인 것을 예시할 수 있다. 여기서 연료는 수소 단독일 수도 있고, 수소와, 메탄가스, 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG) 등을 함께 사용할 수도 있다.

상기 가스터빈발전기는 공기를 압축하는 압축기와, 압축기에서 공급되는 압축공기와, 연료를 혼합하여 연소하는 연소실과, 연소실에서 생성된 고온, 고압의 가스에 의해 회전력을 발생시키는 터빈과, 배기가스를 외부로 배출하는 배기부와, 상기 터빈의 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기를 포함하여 구성된다.

본 발명의 보일러는 상기 가스터빈발전기의 배기부에서 배출되는 열과 화염에 의해 증기를 발생시키는 역할을 하는 것으로서, 내부에 물 내지 증기가 순환하는 순환배관 또는 열교환기로 이루어질 수 있다.

상기 순환배관은 배기부를 거치면서 발생한 증기를 증기터빈발전수단에 공급하고, 증기터빈발전수단을 통과하여 냉각된 증기 내지 응축된 물을 다시 배기부로 순환시켜 증기로 만든다.

본 발명의 증기터빈발전수단은 상기 순환배관에서 공급되는 증기를 이용하여 터빈을 회전하는 증기터빈과, 증기터빈의 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기를 포함시켜 이루어진다. 상기 증기터빈발전수단의 발전기는 가스터빈발전수단에 설치된 발전기를 이용할 수도 있고, 별도로 구성될 수도 있다.

이와 같이, 본 발명의 태양광을 이용한 수소발전시스템은 태양광을 이용하여 수소를 생산한 다음, 생산한 수소를 가스터빈발전기의 연료로 이용하는 방식을 채택함으로써, 공해물질을 발생시키지 않으면서 친환경적으로 전력을 생산할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (2)

1. 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양광태양광발전수단과;
   상기 태양광발전수단을 통해 생산된 전력으로 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생산하는 전기분해수단과;
   상기 전기분해수단에서 생산한 수소를 저장하는 수소 저장부와;
   상기 전기분해수단 또는 수소 저장부에서 공급되는 수소를 이용하여 전력을 생산하는 가스터빈발전수단;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 수소발전시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스터빈발전수단에서 발생하는 열을 이용하여 증기를 생산하는 보일러와;
   상기 보일러에서 발생한 증기를 이용하여 전력를 생산하는 증기터빈발전수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광을 이용한 수소발전시스템.

Images