WO2015041501A1 - 히트펌프 발전 시스템 및 그 운전방법 - Google Patents

히트펌프 발전 시스템 및 그 운전방법 Download PDF

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WO2015041501A1
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heat exchanger
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heat medium
heat pump
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김영선
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김영선
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K9/00—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F01K9/003—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines condenser cooling circuits

Definitions

  • the present invention generates electricity by using an organic Rankine cycle that is generated by rotating the turbine through steam pressure, but uses a heat pump module for producing high temperature heat energy by absorbing heat energy from outside air as a heat source, the working fluid discharged from the turbine
  • the present invention relates to a heat pump power generation system using the heat energy of the heat pump module as a heat source and a method of operating the same.
  • the organic Rankine cycle can be used to generate electricity by using cogeneration power plants or waste water from plants, and in the heat pump air-conditioning system, electricity is installed by installing a refrigerant turbine instead of an expansion valve. There is a way.
  • the conventional organic Rankine cycle as described above produces electricity using only the kinetic energy of the working fluid, does not utilize the latent heat of condensation of the working fluid, and only the latent heat of condensation of the heat medium is used in the heat pump cooling and heating system. It is not efficient because it does not utilize kinetic energy.
  • the heat pump cooling and heating system installs a refrigerant turbine instead of an expansion valve to produce electricity by utilizing the kinetic energy of the fluid refrigerant, but it recovers 30-50% of the power consumption of the compressor to increase the overall efficiency. It is not possible.
  • the organic Rankine cycle When generating electricity from waste heat by using the organic Rankine cycle, it is economical because energy is recovered from the lost heat, but heat is generated by using a commercial electric power by a heat pump system, and this heat is supplied to the organic Rankine cycle. If the heat pump system is to produce electricity, the heat of the condensation heat supplied by the heat pump system should be higher than 80 degrees.
  • the heat pump system consisting of one cycle can supply only about 60 degrees of heat source, It is possible to operate at high pressure.
  • the present invention for solving the conventional problems as described above to generate electricity by using an organic Rankine cycle to generate power by rotating the turbine through steam pressure, the heat pump module for producing high-temperature heat energy by absorbing the heat energy of the outside air as a heat source
  • the purpose of the present invention is to provide a heat pump power generation system and a method of operating the same, which can secure power generation.
  • the present invention also provides a heat pump power generation system and a method of operating the same, by implementing a plurality of heat pump modules and simultaneously utilizing heat energy of the working fluid passing through the turbine as a heat source of the heat pump module to increase energy efficiency and power generation.
  • a heat pump power generation system and a method of operating the same, by implementing a plurality of heat pump modules and simultaneously utilizing heat energy of the working fluid passing through the turbine as a heat source of the heat pump module to increase energy efficiency and power generation.
  • the power generation system using a heat pump according to the present invention for achieving the above object is to compress the condensation means for liquefying the gaseous heat medium, the evaporation means for evaporating the liquid heat medium in the gas state and the heat medium in the gas state
  • a heat pump module including a compressor for outputting the heat pump, a first heat exchanger for recovering thermal energy of the heat medium output from the heat pump module, and converting the working fluid into a gaseous state at a high temperature and high pressure, and outputting the same from the first heat exchanger; And a generator for generating power by receiving the supplied gas working fluid and a generator for generating power by the power of the turbine, wherein the high temperature working fluid passing through the turbine is supplied to the heat pump module to supply the heat medium.
  • the heat pump module may further include a third heat exchanger for recovering heat energy of a high temperature working fluid that has passed through the turbine, converting the second heat medium into a gas state, and outputting the second heat medium, and a second heat medium output from the third heat exchanger.
  • a second compressor for compressing and outputting a second heat exchanger; a second heat exchanger for recovering heat energy of the second heat medium output from the second compressor; converting the first heat medium into a gas state and outputting the first heat medium; and a second output from the second heat exchanger.
  • a first compressor for compressing one heat medium and outputting the same to the first heat exchanger wherein the first heat medium passing through the first heat exchanger is supplied to the second heat exchanger again, and the second heat medium passing through the second heat exchanger is It is characterized in that the recirculation is supplied to the third heat exchanger.
  • the heat pump module may further include a fourth heat exchanger for recovering thermal energy of a high-temperature working fluid passing through the turbine, converting the first heat medium into a gas state, and outputting the first heat medium output from the fourth heat exchanger.
  • a first compressor which compresses and outputs the first heat exchanger to the first heat exchanger, wherein the working fluid output from the fourth heat exchanger is resupplied to the first heat exchanger, and the first heat medium passing through the first heat exchanger is the first heat exchanger. It is characterized by circulating by resupplying to four heat exchangers.
  • the operating method of the power generation system using a heat pump comprises the steps of comparing the actual power produced by the heat pump module according to the outside temperature and the power consumption of the heat pump module, and produced by the heat pump module Calculating a threshold temperature at which active power is greater than the power consumption; operating the heat pump module if the outside temperature is higher than the threshold temperature; and stopping the heat pump cap if the outside temperature is lower than the threshold temperature.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of a heat pump power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a heat pump power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of operating a heat pump power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Heat pump power generation system is to generate electricity by using an organic Rankine cycle to generate electricity by rotating a turbine through steam pressure, by using a heat pump module for producing high temperature heat energy by absorbing the heat energy of the outside air as a heat source.
  • the examples are shown in FIGS.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a heat pump power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • the evaporation means in which the liquid heat medium (20, 30) is evaporated in the gas state and the heat medium (20, 30) of the gas state Heat pump modules 200 and 300 including compressors 201 and 301 output to the outside, and heat energy of the heat medium 20 and 30 output from the heat pump modules 200 and 300 to recover the working fluid 10 to the gas of high temperature and high pressure.
  • a first heat exchanger 104 which changes to a state and outputs the power, a turbine 101 generating power by receiving a gaseous working fluid 10 output from the first heat exchanger 104, and the turbine ( It includes a generator 102 for producing electric power by the power of the 101, the high temperature working fluid 10 passing through the turbine 101 is supplied to the heat pump module (200, 300) is the heating medium (20, 30) ) Is used as a heat source required to vaporize, the operating oil deprived of heat energy to the heat medium (20, 30) 10 is re-supplied to the first heat exchanger (104).
  • the heat pump module (200, 300) is a condensation means for liquefying the heat medium (20,30) of the gas state, the evaporation means for evaporating the heat medium (20,30) of the liquid state and the heat medium 20 of the gas state And compressors 201 and 301 that compress the output 30 to the outside.
  • the condensation means and the evaporation means may correspond to a heat exchanger (104, 203, 303), an external air evaporator 204 to be described later.
  • the heat pump module (200,300) may be composed of a single module, or may be composed of a plurality of modules including the first heat pump module 200 and the second heat pump module (300). have. In the latter case, since the heat pump modules 200 and 300 are composed of a plurality of modules, connecting each module in series or in parallel can produce a greater amount of thermal energy, and as a result, the power output of the generator 102 can be increased. Can be.
  • the first heat exchanger 104, the turbine 101, the generator 102, and the compression pump 104 to be described later are a part of the organic Rankine cycle 100, and through the first heat exchanger 104.
  • the turbine 101 is rotated by the high temperature and high pressure working fluid 10 to generate electricity in the generator 102.
  • the conventional method has a problem that the high temperature working fluid 10 discharged from the turbine 101 is rotated and the turbine 101 is lost to the outside.
  • the heat medium (20, circulating through the heat pump module 200,300) 30) is used as a heat source for vaporization. Thereafter, the working fluid 10 having the heat energy deprived of the heat medium 20 and 30 is resupplied to the first heat exchanger 104, heated in the first heat exchanger 104, and then output to the turbine 101. The process is repeated.
  • the working fluid 10 from which the heat energy is deprived of the heat medium of the heat pump module 300 is sent to the first heat exchanger 104 by the compression pump 103.
  • the working fluid 10 and / or the heat medium (20, 30) may be provided with a refrigerant such as freon, ammonia, sulfur dioxide, methyl chloride and the like.
  • the heat pump module (200,300), by recovering the heat energy of the high-temperature working fluid 10 passed through the turbine 101 to change the second heat medium 30 to the gas state
  • a first compressor 201 compressing the first heat exchanger 104 and outputting the first heat exchanger 104, wherein the first heat medium 20 that has passed through the first heat exchanger 104 includes the second heat exchanger ( Re-supplied to 203, the second heat medium 30 passed through the second heat exchanger 203 is supplied to the third heat exchanger (303) and circulated.
  • the heat energy of the working fluid 10 passing through the turbine 101 is transferred to the second heat medium 30 through the third heat exchanger 303 so that the temperature of the second heat medium 30 is Is increased, and the temperature of the working fluid 10 is decreased.
  • the working fluid 10 whose temperature is reduced is sent to the first heat exchanger 104, and the second heat medium 30 having the increased temperature is compressed to high temperature and high pressure through the second compressor 301, and then the second heat exchanger. Supplied to 203.
  • a heat exchange is performed between the second heat medium 30 introduced at the high temperature and high pressure and the first heat medium 20 deprived of heat energy while passing through the first heat exchanger 104.
  • the temperature of 20 is increased, and the temperature of the second thermal medium 30 is lowered.
  • the first heat medium 20 having the increased temperature is compressed to high temperature and high pressure through the first compressor 201 and then sent to the first heat exchanger 104 to exchange heat with the working fluid 10, and the temperature is increased.
  • the working fluid 10 vaporized at a high temperature is output to the turbine 102.
  • the second heat medium 30 having the reduced temperature while passing through the second heat exchanger 203 is again output to the third heat exchanger 303.
  • the flow path of the working fluid 10, the first heat medium 20, and the second heat medium 30 will be described as follows for better understanding.
  • the working fluid 10 circulates the turbine 101, the third heat exchanger 303, and the first heat exchanger 104
  • the first heat medium 20 includes the first heat exchanger 104
  • the second heat exchanger 203 and the first compressor 201 are circulated
  • the second heat medium 30 includes the second heat exchanger 203, the third heat exchanger 303, and the second compressor 301.
  • the second expansion valve 305 for lowering the pressure of the second heat medium 30 passing through the first expansion valve 202 and / or the second heat exchanger 203 to the third heat exchanger 303 is provided. It may further include.
  • the first expansion valve 202 and / or the second expansion valve 305 is included as described above, the first thermal medium 20 and / or the second thermal medium 30 are decompressed in a state that may cause evaporation.
  • heating and evaporation of the second heat medium 30 may be more effectively performed.
  • the external air evaporator 304 absorbs the heat energy of the external air to first evaporate the second heat medium 30 and then supply it to the third heat exchanger 303. Therefore, the temperature of the second heat medium 30 supplied to the third heat exchanger 303 may be increased. As a result, the heat energy included in the second heat medium 30 output from the third heat exchanger 303 may be increased. Can be increased.
  • the heat pump module 300 separates the liquid contained in the second heat medium 30 output from the third heat exchanger 303 and only gas is used in the second compressor 301. It further comprises a liquid separator 302 to output. An additional configuration of the liquid separator 302 may prevent the liquid from being compressed by the inflow of the liquid together with the gas into the second compressor 301.
  • the liquid contained in the first heat medium 20 output from the second heat exchanger 303 is separated so that the liquid does not flow into the first compressor 201 and only the gas is used.
  • the apparatus may further include a liquid separator output to the compressor 201.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of a heat pump power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • the heat pump module (200,300), by recovering the heat energy of the high-temperature working fluid 10 passed through the turbine 101 to change the first heat medium 20 to a gas state
  • the working fluid 10 output from the fourth heat exchanger 401 is resupplied to the first heat exchanger 104, and the first heat medium 20 passing through the first heat exchanger 104 is The fourth heat exchanger 401 is supplied again to circulate.
  • the heat energy of the working fluid 10 passing through the turbine 101 is transferred to the first heat medium 20 through the fourth heat exchanger 401 so that the temperature of the first heat medium 20 is Is increased, and the temperature of the working fluid 10 is decreased.
  • the working fluid 10 having a reduced temperature is sent to the first heat exchanger 104, and the first heat medium 20 having the increased temperature is compressed to high temperature and high pressure through the first compressor 201, and then the first heat exchanger. Supplied to 104. Thereafter, the first heat medium 20 exchanges heat with the working fluid 10 in the first heat exchanger 104, and the working fluid 10 vaporized to a high temperature as the temperature is increased is output to the turbine 102. . Meanwhile, the first heat medium 20 having the reduced temperature is again output to the fourth heat exchanger 401.
  • the flow path of the working fluid 10 and the first thermal medium 20 for the purpose of understanding is as follows. First, the working fluid 10 circulates the turbine 101, the fourth heat exchanger 401, the first heat exchanger 104, and the first heat medium 20 is the first heat exchanger 104, The fourth heat exchanger 401 and the first compressor 201 are circulated to form a closed circuit.
  • the heat pump module (200,300), the first heat exchanger 104 has passed through the first heat medium 20, the heat exchange with the second heat medium 30 and the second
  • the fifth heat exchanger 501 outputted to the four heat exchanger 401 and the second heat medium 30 outputted from the fifth heat exchanger 501 are introduced to absorb the air heat, and the first evaporation is performed.
  • a second compressor 301 for compressing the second heat medium 30 and supplying the second heat medium 30 to the fifth heat exchanger 501.
  • the second heat medium 30 circulates through the fifth heat exchanger 501, the external air evaporator 304, the liquid separator 302, and the second compressor 301.
  • the second heat medium 30 exits at a low temperature and low pressure. Thereafter, the evaporation is performed while the temperature is increased by absorbing the heat energy of the outside air while passing through the outside air evaporator 304, and only pure gas is supplied to the second compressor 301 through the liquid separator 302, and then compressed at a high temperature and high pressure. It is then supplied to the fifth heat exchanger (501).
  • the heat exchange between the high temperature and high pressure second heat medium 30 and the first heat medium 20 introduced through the above process is performed, and thus the low temperature low pressure output from the first heat exchanger 104 is performed.
  • the first heat medium 20 in a state is first output to the fourth heat exchanger 401 after the temperature is increased.
  • the first heat medium 20 whose temperature is primarily increased through the above-described process undergoes heat exchange with the working fluid 10 in the fourth heat exchanger 401, and thus vaporizes as the temperature increases secondarily.
  • the high temperature first heat medium 20 in which the heat exchange is performed twice through the fifth heat exchanger 501 and the fourth heat exchanger 401 is compressed to high temperature and high pressure through the first compressor 301, and then the working fluid ( 10 is supplied to the first heat exchanger 104 to heat it.
  • the first expansion valve 202 and / or the second expansion valve 305 is included as described above, the first thermal medium 20 and / or the second thermal medium 30 are decompressed in a state that may cause evaporation.
  • the first heat medium 20 and / or the second heat medium in the fifth heat exchanger 501 and / or the external evaporator 305 are supplied to the fifth heat exchanger 501 and / or the external evaporator 305.
  • the heating and evaporation of 30 can be made more effective.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of a heat pump power generation system according to another embodiment of the present invention.
  • the second thermal medium 30 passing through the air 401 flows in, absorbs air heat and evaporates the primary heat, and outputs the external air evaporator 304 and the second thermal medium 30 output from the external air evaporator 304.
  • the apparatus further includes a liquid separator 302 that separates the liquid contained in and outputs only gas to the second compressor 301.
  • the fourth heat exchanger 401 heat exchange between the working fluid 10, the first heat medium 20, and the second heat medium 30 is performed.
  • the second heat medium 30 circulates through the fourth heat exchanger 401, the external air evaporator 304, the liquid separator 302, and the second compressor 301, and exits from the fourth heat exchanger 401.
  • the two-column medium 30 is at a low temperature and low pressure. Thereafter, the evaporation is performed while the temperature is increased by absorbing the heat energy of the outside air while passing through the outside air evaporator 304, and only pure gas is supplied to the second compressor 301 through the liquid separator 302, and then compressed at a high temperature and high pressure. It is then supplied to the fourth heat exchanger (401).
  • the heat exchange between the second heat medium 30 and the first heat medium 20 of high temperature and high pressure introduced through the above process is performed, and at the same time, the turbine 101 is rotated and outputted. Heat exchange between the high temperature working fluid 10 and the first thermal medium 20 takes place.
  • the first heat medium 20 Since the first heat medium 20 is heat-exchanged through the first heat exchanger 104 and then outputted, the first heat medium 20 is in a state of low temperature and low pressure, and passes through the fourth heat exchanger 501 and the high temperature working fluid 10 and the high temperature high pressure. As the temperature is increased by absorbing the heat energy of the second working fluid 30 of the vaporization is carried out. Thereafter, the high temperature first heat medium 20 exiting the fourth heat exchanger 401 is compressed to high temperature and high pressure through the first compressor 301, and then the first heat exchanger 104 to heat the working fluid 10. Is supplied.
  • the first expansion valve 202 and / or the second expansion valve 305 is included as described above, the first thermal medium 20 and / or the second thermal medium 30 are decompressed in a state that may cause evaporation.
  • the first heat medium 20 and / or the second heat medium in the fourth heat exchanger 401 and / or the external evaporator 305 may be supplied to the fourth heat exchanger 401 and / or the external evaporator 305.
  • the heating and evaporation of 30 can be made more effective.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of operating a heat pump power generation system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the operating method of the heat pump power generation system according to the present invention relates to a driving method for more effectively operating the heat pump power generation system of the various embodiments described above.
  • the operating method of the heat pump power generation system comparing the active power produced by the heat pump module (200,300) and the power consumption of the heat pump module (200,300) according to the outside temperature (S100) Calculating a critical temperature at which the effective power produced by the heat pump modules 200 and 300 is greater than the power consumption (S200), and operating the heat pump modules 200 and 300 when the outside temperature is higher than the threshold temperature.
  • the step of stopping the operation of the heat pump module (200, 300) S300.
  • the maximum variable of the active power produced by the heat pump modules 200 and 300 having the configuration as described above or the power consumption of the heat pump modules 200 and 300 is the temperature of the outside air. Therefore, when the outside air temperature is high, such as in summer, the power consumption of the heat pump modules 200 and 300 is reduced and the effective power produced by the heat pump modules 200 and 300 is increased, whereas when the outside air temperature is low, such as in winter, the heat pump module 200 and 300 ) Increases the power consumption and the effective power produced in the heat pump module (200,300) is reduced to decrease the efficiency.
  • the heat pump modules 200 and 300 when the temperature of the outside air is lowered as in winter, when the effective power produced by the heat pump modules 200 and 300 is smaller than the power consumption of the heat pump modules 200 and 300, the heat pump modules 200 and 300. ), And if the effective power produced in the heat pump module (200,300) is greater than the power consumption of the heat pump module (200,300) due to the increase in the temperature of the outside air, such as the summer, operate the heat pump module (200,300) Can be prevented from being wasted.

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Abstract

본 발명에서는 증기압을 통해 터빈을 회전시켜 발전하는 유기랭킨사이클을 이용하여 전기를 생성하되, 외기의 열에너지를 흡수하여 고온의 열에너지를 생산하는 히트펌프모듈을 열원으로 활용하고, 터빈에서 배출된 작동유체의 열에너지를 히트펌프모듈의 열원으로 활용하는 히트펌프 발전 시스템 및 그 운전방법이 개시된다. 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 발전시스템은 기체상태의 열매체가 액화되는 응축수단과, 액체상태의 열매체가 기체상태로 증발되는 증발수단 및 기체상태의 열매체를 압축시켜 외부로 출력하는 압축기를 포함하는 히트펌프모듈과, 상기 히트펌프모듈에서 출력된 열매체의 열에너지를 회수하여 작동유체를 고온고압의 기체상태로 변화시켜 출력하는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기에서 출력된 기체상태의 작동유체를 공급받아 동력을 생성하는 터빈과, 상기 터빈의 동력에 의해 전력을 생산하는 발전기를 포함하되, 상기 터빈을 통과한 고온의 작동유체는 상기 히트펌프모듈로 공급되어 상기 열매체가 기화되는데 필요한 열원으로 활용되고, 상기 열매체에 열에너지를 빼앗긴 작동유체는 상기 제1열교환기로 재공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

히트펌프 발전 시스템 및 그 운전방법
본 발명은 증기압을 통해 터빈을 회전시켜 발전하는 유기랭킨사이클을 이용하여 전기를 생성하되, 외기의 열에너지를 흡수하여 고온의 열에너지를 생산하는 히트펌프모듈을 열원으로 활용하고, 터빈에서 배출된 작동유체의 열에너지를 히트펌프모듈의 열원으로 활용하는 히트펌프 발전 시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기를 생산하는 많은 방법이 있지만, 유기랭킨사이클을 이용하여 열병합 발전소나 공장폐수열을 활용하여 전기를 생산하는 방법과, 히트펌프 냉난방시스템에서 팽창밸브 대신에 냉매터빈을 설치하여 전기를 생산하는 방법이 있다.
유기랭킨사이클에서는 작동유체의 증기압에 의해 터빈을 돌려 전기를 생산하고, 작동유체의 기체에서 액체로의 상변화를 위해 냉각팬을 돌려 공기로 식혀 응축 시키거나, 냉각탑을 설치하여 냉각수에 의해서 응축하는 방법을 사용한다.
하지만, 상기와 같은 기존의 유기랭킨사이클은 작동유체의 운동에너지만을 활용하여 전기를 생산하고, 작동유체의 응축잠열은 활용하지 못하고 있고, 히트펌프 냉난방시스템에서는 열매체의 응축잠열만을 활용하고, 열매체의 운동에너지는 활용하지 못하고 있어 효율이 떨어진다.
또한, 히트펌프냉난방 시스템에서 팽창밸브 대신에 냉매터빈을 설치하여 유체냉매의 운동에너지를 활용하여 전기를 생산하지만, 압축기의 소비전력의 30~50% 전력을 회수하여 전체적인 효율을 높이기는 하지만 발전기라고 할 수는 없는 실정이다.
유기랭킨사이클을 활용하여 폐열에서 전기를 생산하는 경우에는 손실되는 열에서 에너지를 회수 하기 때문에 경제성이 있지만, 히트펌프시스템에 의해 상용전기를 사용하여 열을 생산하여, 이 열을 유기랭킨사이클에 공급하여 전기를 생산하려고 하는 경우, 히트펌프시스템이 공급하는 응축열이 80도 이상 고온이여야 하는데, 하나의 사이클로 이루어진 히트펌프시스템은 약 60도의 열원밖에 공급하지 못하고, 그 이상의 고온을 생산하려면 히트펌프시스템을 고압으로 운영해야 가능하다.
또한 공기열 히트펌프시스템의 경우 외기온도 조건에 의해 그 효율이 결정되기 때문에, 경제성을 갖기 위해서는 높은 효율을 달성해야 하고, 매우 높은 온도 조건에서만 히트펌프발전기를 운영하거나, 유기랭킨사이클의 효율이 80%이상 되어야 경제성을 달성할 수 있으나, 현재 기술로서는 이를 구현하는 데 어려움이 있다.
상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 증기압을 통해 터빈을 회전시켜 발전하는 유기랭킨사이클을 이용하여 전기를 생성하되, 외기의 열에너지를 흡수하여 고온의 열에너지를 생산하는 히트펌프모듈을 열원으로 활용하여 발전량을 확보할 수 있는 히트펌프 발전 시스템 및 그 운전방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 복수의 히트펌프모듈을 구현함과 동시에 상기 터빈을 통과한 작동유체의 열에너지를 히트펌프모듈의 열원으로 활용하여 에너지 효율 및 발전량을 높일 수 있는 히트펌프 발전 시스템 및 그 운전방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 발전시스템은 기체상태의 열매체가 액화되는 응축수단과, 액체상태의 열매체가 기체상태로 증발되는 증발수단 및 기체상태의 열매체를 압축시켜 외부로 출력하는 압축기를 포함하는 히트펌프모듈과, 상기 히트펌프모듈에서 출력된 열매체의 열에너지를 회수하여 작동유체를 고온고압의 기체상태로 변화시켜 출력하는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기에서 출력된 기체상태의 작동유체를 공급받아 동력을 생성하는 터빈과, 상기 터빈의 동력에 의해 전력을 생산하는 발전기를 포함하되, 상기 터빈을 통과한 고온의 작동유체는 상기 히트펌프모듈로 공급되어 상기 열매체가 기화되는데 필요한 열원으로 활용되고, 상기 열매체에 열에너지를 빼앗긴 작동유체는 상기 제1열교환기로 재공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상기 히트펌프모듈은, 상기 터빈을 통과한 고온의 작동유체의 열에너지를 회수하여 제2열매체를 기체상태로 변화시켜 출력하는 제3열교환기와, 상기 제3열교환기에서 출력된 제2열매체를 압축시켜 출력하는 제2압축기와, 상기 제2압축기에서 출력된 제2열매체의 열에너지를 회수하여 제1열매체를 기체상태로 변화시켜 출력하는 제2열교환기와, 상기 제2열교환기에서 출력된 제1열매체를 압축시켜 상기 제1열교환기로 출력하는 제1압축기를 포함하되, 기 제1열교환기를 통과한 제1열매체는 상기 제2열교환기로 재공급되고, 상기 제2열교환기를 통과한 제2열매체는 상기 제3열교환기로 재공급되어 순환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히트펌프모듈은, 상기 터빈을 통과한 고온의 작동유체의 열에너지를 회수하여 제1열매체를 기체상태로 변화시켜 출력하는 제4열교환기와, 상기 제4열교환기에서 출력된 제1열매체를 압축시켜 상기 제1열교환기로 출력하는 제1압축기;를 포함하고, 상기 제4열교환기에서 출력된 작동유체는 상기 제1열교환기로 재공급되고, 상기 제1열교환기를 통과한 제1열매체는 상기 제4열교환기로 재공급되어 순환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 발전시스템의 운전방법은 외기온도에 따른 상기 히트펌프모듈에서 생산된 유효전력과 상기 히트펌프모듈의 소비전력을 비교하는 단계와, 상기 히트펌프모듈에서 생산된 유효전력이 상기 소비전력보다 커지는 임계온도를 산출하는 단계와, 외기온도가 상기 임계온도보다 높으면 상기 히트펌프모듈을 가동시키고, 외기온도가 상기 임계온도보다 낮으면 상기 히트펌프모을 가동을 중단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 증기압을 통해 터빈을 회전시켜 발전하는 유기랭킨사이클을 이용하여 전기를 생성하되, 외기의 열에너지를 흡수하여 고온의 열에너지를 생산하는 히트펌프모듈을 열원으로 활용하여 발전량을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 복수의 히트펌프모듈을 구현함과 동시에 상기 터빈을 통과한 작동유체의 열에너지를 히트펌프모듈의 열원으로 활용하여 에너지 효율 및 발전량을 높일 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 히트펌프 발전 시스템의 개념도,
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 히트펌프 발전 시스템의 개념도,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 히트펌프 발전 시스템의 개념도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 히트펌프 발전 시스템의 운전방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 히트펌프 발전 시스템은 증기압을 통해 터빈을 회전시켜 발전하는 유기랭킨사이클을 이용하여 전기를 생성하되, 외기의 열에너지를 흡수하여 고온의 열에너지를 생산하는 히트펌프모듈을 열원으로 활용하는 것으로, 그 실시예를 도 1 내지 3에 나타내 보였다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 히트펌프 발전 시스템의 개념도이다.
본 발명에 따르면, 기체상태의 열매체(20,30)가 액화되는 응축수단과, 액체상태의 열매체(20,30)가 기체상태로 증발되는 증발수단 및 기체상태의 열매체(20,30)를 압축시켜 외부로 출력하는 압축기(201,301)를 포함하는 히트펌프모듈(200,300)과, 상기 히트펌프모듈(200,300)에서 출력된 열매체(20,30)의 열에너지를 회수하여 작동유체(10)를 고온고압의 기체상태로 변화시켜 출력하는 제1열교환기(104)와, 상기 제1열교환기(104)에서 출력된 기체상태의 작동유체(10)를 공급받아 동력을 생성하는 터빈(101)과, 상기 터빈(101)의 동력에 의해 전력을 생산하는 발전기(102)를 포함하되, 상기 터빈(101)을 통과한 고온의 작동유체(10)는 상기 히트펌프모듈(200,300)로 공급되어 상기 열매체(20,30)가 기화되는데 필요한 열원으로 활용되고, 상기 열매체(20,30)에 열에너지를 빼앗긴 작동유체(10)는 상기 제1열교환기(104)로 재공급된다.
먼저, 상기 히트펌프모듈(200,300)은 기체상태의 열매체(20,30)가 액화되는 응축수단과, 액체상태의 열매체(20,30)가 기체상태로 증발되는 증발수단 및 기체상태의 열매체(20,30)를 압축시켜 외부로 출력하는 압축기(201,301)를 포함한다. 상기 응축수단 및 증발수단은 후술되는 열교환기(104,203,303), 외기증발기(204) 등이 해당될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 히트펌프모듈(200,300)은 단일모듈로 구성되거나, 제1히트펌프모듈(200)과 제2히트펌프모듈(300)을 포함하여 복수의 모듈로 구성될 수 있다. 후자의 경우, 상기 히트펌프모듈(200,300)이 복수의 모듈로 구성되기 때문에 각각의 모듈을 직렬 또는 병렬로 연결하면 보다 많은 양의 열에너지를 생산할 수 있어 결과적으로 발전기(102)의 전력생산량이 증가될 수 있다.
한편, 상기 제1열교환기(104)와 터빈(101)과, 발전기(102) 및 후술되는 압축펌프(104)는 유기랭킨사이클(100)의 일부로서, 상기 제1열교환기(104)를 통해 흡열과정을 거친 액체상태의 작동유체(10)가 고온고압의 기체상태로 변하여 출력되면, 이 고온고압의 작동유체(10)로 터빈(101)을 회전시켜 발전기(102)에서 전기를 생산한다.
하지만, 기존의 방식은 상기 터빈(101)을 회전시키고 터빈(101)에서 배출된 고온의 작동유체(10)가 외부로 손실되는 문제점이 있었다.
본 발명의 경우 이러한 문제점을 해결하고자, 상기 터빈(101)을 통과한 고온의 작동유체(10)를 상기 히트펌프모듈(200,300)로 공급하여, 히트펌프모듈(200,300)을 순환하는 열매체(20,30)가 기화되는데 필요한 열원으로 활용한다. 이후, 상기 열매체(20,30)에 열에너지를 빼앗긴 작동유체(10)는 상기 제1열교환기(104)로 재공급되며, 제1열교환기(104)에서 가열된 후, 터빈(101)으로 출력되는 과정을 반복하게 된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 히트펌프모듈(300)의 열매체에 열에너지를 빼앗긴 작동유체(10)는 압축펌프(103)에 의해 상기 제1열교환기(104)로 송출된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 작동유체(10) 및/또는 열매체(20,30)은 프레온, 암모니아, 이산화황, 염화메틸 등과 같은 냉매로 구비될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 작동유체(10)의 증기압을 통해 터빈(101)을 회전시켜 발전하는 유기랭킨사이클(100)을 이용하여 전기를 생성하되, 외기의 열에너지를 흡수하여 고온의 열에너지를 생산하는 히트펌프모듈(200,300)을 열원으로 활용하여 발전량을 확보할 수 있고, 나아가 복수의 히트펌프모듈(200,300)을 구현함과 동시에 상기 터빈(101)을 통과한 작동유체(10)의 열에너지를 히트펌프모듈(200,300)의 열원으로 활용하여 에너지 효율 및 발전량을 높일 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 히트펌프모듈(200,300)은, 상기 터빈(101)을 통과한 고온의 작동유체(10)의 열에너지를 회수하여 제2열매체(30)를 기체상태로 변화시켜 출력하는 제3열교환기(303)와, 상기 제3열교환기(303)에서 출력된 제2열매체(30)를 압축시켜 출력하는 제2압축기(301)와, 상기 제2압축기(301)에서 출력된 제2열매체(30)의 열에너지를 회수하여 제1열매체(20)를 기체상태로 변화시켜 출력하는 제2열교환기(203)와, 상기 제2열교환기(203)에서 출력된 제1열매체(20)를 압축시켜 상기 제1열교환기(104)로 출력하는 제1압축기(201)를 포함하되, 상기 제1열교환기(104)를 통과한 제1열매체(20)는 상기 제2열교환기(203)로 재공급되고, 상기 제2열교환기(203)를 통과한 제2열매체(30)는 상기 제3열교환기(303)로 재공급되어 순환한다.
상기한 실시예에 따르면, 상기 터빈(101)을 통과한 작동유체(10)의 열에너지는 제3열교환기(303)를 통해 제2열매체(30)로 전달되어 제2열매체(30)의 온도는 증가되고, 작동유체(10)의 온도는 감소된다. 온도가 감소된 작동유체(10)는 제1열교환기(104)로 송출되고, 온도가 증가된 제2열매체(30)는 제2압축기(301)를 통해 고온고압으로 압축된 후 제2열교환기(203)로 공급된다. 제2열교환기(203)에서는 상기 고온고압으로 유입된 제2열매체(30)와 상기 제1열교환기(104)를 통과하면서 열에너지를 빼앗긴 제1열매체(20) 간의 열교환이 이루어져, 제1열매체(20)의 온도는 증가되고, 제2열매체(30)의 온도는 낮아진다. 이후, 온도가 증가된 제1열매체(20)는 제1압축기(201)를 거쳐 고온고압으로 압축된 후 제1열교환기(104)로 보내져 작동유체(10)와 열교환이 이루어지고, 온도가 증가되면서 고온으로 기화된 작동유체(10)는 터빈(102)으로 출력된다. 한편, 제2열교환기(203)를 거치면서 온도가 감소된 제2열매체(30)는 다시 제3열교환기(303)로 출력된다.
이해를 돕기위해 작동유체(10)와 제1열매체(20)와 제2열매체(30)의 유동경로를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 작동유체(10)는 터빈(101)과, 제3열교환기(303)와, 제1열교환기(104)를 순환하고, 제1열매체(20)는 제1열교환기(104)와, 제2열교환기(203)와 제1압축기(201)를 순환하며, 또, 제2열매체(30)는 제2열교환기(203)와, 제3열교환기(303)와, 제2압축기(301)를 순환하면서 폐회로를 형성한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 히트펌프모듈(200,300)은, 상기 제1열교환기(104)를 통과한 제1열매체(20)의 압력을 낮춰 상기 제2열교환기(203)로 공급하는 제1팽창밸브(202) 및/또는 상기 제2열교환기(203)를 통과한 제2열매체(30)의 압력을 낮춰 상기 제3열교환기(303)로 공급하는 제2팽창밸브(305)를 더 포함할 수 있다. 상기와 같이 제1팽창밸브(202) 및/또는 제2팽창밸브(305)를 포함할 경우, 제1열매체(20) 및/또는 제2열매체(30)는 증발을 일으킬 수 있는 상태로 감압이 이루어진 후, 제2열교환기(203) 및/또는 제3열교환기(303)로 공급되기 때문에 제2열교환기(203) 및/또는 제3열교환기(303)에서 제1열매체(20) 및/또는 제2열매체(30)의 가열 및 증발이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 히트펌프모듈(200,300)은, 상기 제2팽창밸브(305)를 통과한 제2열매체(30)를 유입하여, 공기열을 흡수하여 1차 증발시키고, 상기 제3열교환기(303)로 공급하는 외기증발기(304)를 더 포함한다.
상기 외기증발기(304)는 외기의 열에너지를 흡수하여 제2열매체(30)를 1차적으로 증발시킨 다음 제3열교환기(303)로 공급한다. 따라서, 제3열교환기(303)에 공급되는 제2열매체(30)의 온도는 증가될 수 있으며, 결과적으로, 제3열교환기(303)에서 출력된 제2열매체(30)에 포함된 열에너지는 증가될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 히트펌프모듈(300)은, 상기 제3열교환기(303)에서 출력된 제2열매체(30)에 포함된 액체를 분리하고 기체만 상기 제2압축기(301)로 출력하는 액분리기(302)를 더 포함한다. 상기 액분리기(302)의 추가 구성으로 상기 제2압축기(301)로 가스와 함께 액이 유입하여 액압축이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
변형예로, 상기 제1압축기(201)로 가스와 함께 액이 유입하지 못하도록, 상기 제2열교환기(303)에서 출력된 제1열매체(20)에 포함된 액체를 분리하고 기체만 상기 제1압축기(201)로 출력하는 액분리기를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 히트펌프 발전 시스템의 개념도이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 히트펌프모듈(200,300)은, 상기 터빈(101)을 통과한 고온의 작동유체(10)의 열에너지를 회수하여 제1열매체(20)를 기체상태로 변화시켜 출력하는 제4열교환기(401)와, 상기 제4열교환기(401)에서 출력된 제1열매체(20)를 압축시켜 상기 제1열교환기(104)로 출력하는 제1압축기(201)를 포함하고, 상기 제4열교환기(401)에서 출력된 작동유체(10)는 상기 제1열교환기(104)로 재공급되고, 상기 제1열교환기(104)를 통과한 제1열매체(20)는 상기 제4열교환기(401)로 재공급되어 순환한다.
상기한 실시 예에 따르면, 상기 터빈(101)을 통과한 작동유체(10)의 열에너지는 제4열교환기(401)를 통해 제1열매체(20)로 전달되어 제1열매체(20)의 온도는 증가되고, 작동유체(10)의 온도는 감소된다. 온도가 감소된 작동유체(10)는 제1열교환기(104)로 송출되고, 온도가 증가된 제1열매체(20)는 제1압축기(201)를 통해 고온고압으로 압축된 후 제1열교환기(104)로 공급된다. 이후, 상기 제1열매체(20)는 제1열교환기(104)에서 작동유체(10)와 열교환이 이루어지고, 온도가 증가되면서 고온으로 기화된 작동유체(10)는 터빈(102)으로 출력된다. 한편, 온도가 감소된 제1열매체(20)는 다시 제4열교환기(401)로 출력된다.
이해를 돕기위해 작동유체(10)와 제1열매체(20)의 유동경로를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 작동유체(10)는 터빈(101)과, 제4열교환기(401)와, 제1열교환기(104)를 순환하고, 제1열매체(20)는 제1열교환기(104)와, 제4열교환기(401)와 제1압축기(201)를 순환하면서 폐회로를 형성한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 히트펌프모듈(200,300)은, 상기 제1열교환기(104)를 통과한 제1열매체(20)를 공급받아 제2열매체(30)와 열교환시킨 후 상기 제4열교환기(401)로 출력하는 제5열교환기(501)와, 상기 제5열교환기(501)에서 출력된 제2열매체(30)를 유입하여, 공기열을 흡수하여 1차 증발시키고, 출력하는 외기증발기(304)와, 상기 외기증발기(304)에서 출력된 제2열매체(30)에 포함된 액체를 분리하고 기체만 출력하는 액분리기(302)와, 상기 액분리기(302)를 빠져나온 제2열매체(30)를 압축시켜 상기 제5열교환기(501)로 공급하는 제2압축기(301)를 더 포함한다.
즉, 제2열매체(30)는 제5열교환기(501)와 외기증발기(304)와 액분리기(302) 및 제2압축기(301)를 순환하게 되는 데, 상기 제5열교환기(501)를 빠져나온 제2열매체(30)는 저온저압의 상태이다. 이후, 상기 외기증발기(304)를 거치면서 외기의 열에너지 흡수하여 온도가 증가하면서 증발이 이루어지고 액분리기(302)를 거쳐 순수 가스만 제2압축기(301)로 공급된 후, 고온고압으로 압축이 이루어진 후 제5열교환기(501)로 공급된다.
제5열교환기(501)에서는 상기한 바와 같은 과정을 거쳐 유입된 고온고압의 제2열매체(30)와 제1열매체(20)의 열교환이 이루어져, 제1열교환기(104)에서 출력된 저온저압 상태의 제1열매체(20)는 1차적으로 온도가 증가된 후, 제4열교환기(401)로 출력된다. 전술한 과정을 거쳐 1차적으로 온도가 증가된 제1열매체(20)는 제4열교환기(401)에서 작동유체(10)와 열교환되면서 2차적으로 온도가 증가되면서 기화가 진행된다. 이후, 제5열교환기(501)와 제4열교환기(401)를 거쳐 두번의 열교환이 이루어진 고온의 제1열매체(20)는 제1압축기(301)를 거쳐 고온고압으로 압축된 후 작동유체(10)를 가열하기 위해 제1열교환기(104)로 공급된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 히트펌프모듈(200,300)은, 상기 제1열교환기(104)를 통과한 제1열매체(20)의 압력을 낮춰 상기 제5열교환기(501)로 공급하는 제1팽창밸브(202) 및/또는 상기 제5열교환기(501)를 통과한 제2열매체(30)의 압력을 낮춰 상기 외기증발기(304)로 공급하는 제2팽창밸브(305)를 더 포함한다. 상기와 같이 제1팽창밸브(202) 및/또는 제2팽창밸브(305)를 포함할 경우, 제1열매체(20) 및/또는 제2열매체(30)는 증발을 일으킬 수 있는 상태로 감압이 이루어진 후, 제5열교환기(501) 및/또는 외기증발기(305)로 공급되기 때문에 제5열교환기(501) 및/또는 외기증발기(305)에서 제1열매체(20) 및/또는 제2열매체(30)의 가열 및 증발이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 히트펌프 발전 시스템의 개념도이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 히트펌프모듈(200,300)은, 제2열매체(30)를 압축시켜 상기 제4열교환기(401)로 공급하는 제2압축기(301)와, 상기 제4열교환기(401)를 통과한 제2열매체(30)를 유입하여, 공기열을 흡수하여 1차 증발시키고, 출력하는 외기증발기(304)와, 상기 외기증발기(304)에서 출력된 제2열매체(30)에 포함된 액체를 분리하고 기체만 상기 제2압축기(301)로 출력하는 액분리기(302)를 더 포함한다.
상기 제4열교환기(401)에서는 작동유체(10)와 제1열매체(20) 및 제2열매체(30)의 열교환이 이루어진다. 제2열매체(30)는 제4열교환기(401)와 외기증발기(304)와 액분리기(302) 및 제2압축기(301)를 순환하게 되는데, 상기 제4열교환기(401)를 빠져나온 제2열매체(30)는 저온저압의 상태이다. 이후, 상기 외기증발기(304)를 거치면서 외기의 열에너지 흡수하여 온도가 증가하면서 증발이 이루어지고 액분리기(302)를 거쳐 순수 가스만 제2압축기(301)로 공급된 후, 고온고압으로 압축이 이루어진 후 제4열교환기(401)로 공급된다.
제4열교환기(501)에서는 상기한 바와 같은 과정을 거쳐 유입된 고온고압의 제2열매체(30)와 제1열매체(20)의 열교환이 이루어짐과 동시에, 상기 터빈(101)을 회전시키고 출력된 고온의 작동유체(10)와 제1열매체(20)의 열교환이 이루어진다.
제1열매체(20)는 제1열교환기(104)를 거쳐 열교환이 이루어진 후, 출력되었기 때문에 저온저압의 상태이며, 제4열교환기(501)를 통과하면서 고온의 작동유체(10)와 고온고압의 제2작동유체(30)의 열에너지를 흡수하여 온도가 증가되면서 기화가 이루어진다. 이후, 제4열교환기(401)를 빠져나간 고온의 제1열매체(20)는 제1압축기(301)를 거쳐 고온고압으로 압축된 후 작동유체(10)를 가열하기 위해 제1열교환기(104)로 공급된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 히트펌프모듈(200,300)은, 상기 제1열교환기(104)를 통과한 제1열매체(20)의 압력을 낮춰 상기 제4열교환기(401)로 공급하는 제1팽창밸브(202) 및/또는 상기 제4열교환기(401)를 통과한 제2열매체(30)의 압력을 낮춰 상기 외기증발기(304)로 공급하는 제2팽창밸브(305)를 더 포함한다. 상기와 같이 제1팽창밸브(202) 및/또는 제2팽창밸브(305)를 포함할 경우, 제1열매체(20) 및/또는 제2열매체(30)는 증발을 일으킬 수 있는 상태로 감압이 이루어진 후, 제4열교환기(401) 및/또는 외기증발기(305)로 공급되기 때문에 제4열교환기(401) 및/또는 외기증발기(305)에서 제1열매체(20) 및/또는 제2열매체(30)의 가열 및 증발이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 히트펌프 발전 시스템의 운전방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 히트펌프 발전 시스템의 운전방법은, 상기된 다양한 실시 예의 히트펌프 발전 시스템을 보다 효과적으로 운용하기 위한 운전방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 히트펌프 발전 시스템의 운전방법은, 외기온도에 따른 상기 히트펌프모듈(200,300)에서 생산된 유효전력과 상기 히트펌프모듈(200,300)의 소비전력을 비교하는 단계(S100)와, 상기 히트펌프모듈(200,300)에서 생산된 유효전력이 상기 소비전력보다 커지는 임계온도를 산출하는 단계(S200)와, 외기온도가 상기 임계온도보다 높으면 상기 히트펌프모듈(200,300)을 가동시키고, 외기온도가 상기 임계온도보다 낮으면 상기 히트펌프모듈(200,300)의 가동을 중단하는 단계(S300)를 포함한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 히트펌프모듈(200,300)에서 생산된 유효전력 또는 히트펌프모듈(200,300)의 소비전력의 최대변수는 외기의 온도이다. 따라서, 여름철과 같이 외기 온도가 높을 경우 히트펌프모듈(200,300)의 소비전력은 줄고 히트펌프모듈(200,300)에서 생산된 유효전력은 증가되는 반면, 겨울철과 같이 외기 온도가 낮아질 경우 히트펌프모듈(200,300)의 소비전력은 늘어나고 히트펌프모듈(200,300)에서 생산된 유효전력은 감소되어 효율이 떨어진다.
본 발명의 히트펌프 발전 시스템운전방법에 따르면, 동절기와 같이 외기의 온도가 낮아져 히트펌프모듈(200,300)에서 생산된 유효전력이 히트펌프모듈(200,300)의 소비전력보다 작은 경우, 히트펌프모듈(200,300)의 가동을 중단하고, 하절기와 같이 외기의 온도가 높아져 히트펌프모듈(200,300)에서 생산된 유효전력이 히트펌프모듈(200,300)의 소비전력보다 클 경우에는 히트펌프모듈(200,300)을 작동시켜 에너지가 무의미하게 낭비되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 기체상태의 열매체가 액화되는 응축수단과, 액체상태의 열매체가 기체상태로 증발되는 증발수단 및 기체상태의 열매체를 압축시켜 외부로 출력하는 압축기를 포함하는 히트펌프모듈;
    상기 히트펌프모듈에서 출력된 열매체의 열에너지를 회수하여 작동유체를 고온고압의 기체상태로 변화시켜 출력하는 제1열교환기;
    상기 제1열교환기에서 출력된 기체상태의 작동유체를 공급받아 동력을 생성하는 터빈;
    상기 터빈의 동력에 의해 전력을 생산하는 발전기;를 포함하되,
    상기 터빈을 통과한 고온의 작동유체는 상기 히트펌프모듈로 공급되어 상기 열매체가 기화되는데 필요한 열원으로 활용되고, 상기 열매체에 열에너지를 빼앗긴 작동유체는 상기 제1열교환기로 재공급되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 히트펌프모듈은:
    상기 터빈을 통과한 고온의 작동유체의 열에너지를 회수하여 제2열매체를 기체상태로 변화시켜 출력하는 제3열교환기;
    상기 제3열교환기에서 출력된 제2열매체를 압축시켜 출력하는 제2압축기;
    상기 제2압축기에서 출력된 제2열매체의 열에너지를 회수하여 제1열매체를 기체상태로 변화시켜 출력하는 제2열교환기;
    상기 제2열교환기에서 출력된 제1열매체를 압축시켜 상기 제1열교환기로 출력하는 제1압축기;를 포함하되,
    상기 제1열교환기를 통과한 제1열매체는 상기 제2열교환기로 재공급되고, 상기 제2열교환기를 통과한 제2열매체는 상기 제3열교환기로 재공급되어 순환하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 히트펌프모듈은, 상기 제1열교환기를 통과한 제1열매체의 압력을 낮춰 상기 제2열교환기로 공급하는 제1팽창밸브 및/또는 상기 제2열교환기를 통과한 제2열매체의 압력을 낮춰 상기 제3열교환기로 공급하는 제2팽창밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 히트펌프모듈은, 상기 제2팽창밸브를 통과한 제2열매체를 유입하여, 공기열을 흡수하여 1차 증발시키고, 상기 제3열교환기로 공급하는 외기증발기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 히트펌프모듈은, 상기 제3열교환기에서 출력된 제2열매체에 포함된 액체를 분리하고 기체만 상기 제2압축기로 출력하는 액분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 히트펌프모듈의 열매체에 열에너지를 빼앗긴 작동유체는 압축펌프에 의해 상기 제1열교환기로 송출되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 히트펌프모듈은:
    상기 터빈을 통과한 고온의 작동유체의 열에너지를 회수하여 제1열매체를 기체상태로 변화시켜 출력하는 제4열교환기;
    상기 제4열교환기에서 출력된 제1열매체를 압축시켜 상기 제1열교환기로 출력하는 제1압축기;를 포함하고, 상기 제4열교환기에서 출력된 작동유체는 상기 제1열교환기로 재공급되고, 상기 제1열교환기를 통과한 제1열매체는 상기 제4열교환기로 재공급되어 순환하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 히트펌프모듈은:
    상기 제1열교환기를 통과한 제1열매체를 공급받아 제2열매체와 열교환시킨 후 상기 제4열교환기로 출력하는 제5열교환기;
    상기 제5열교환기에서 출력된 제2열매체를 유입하여, 공기열을 흡수하여 1차 증발시키고, 출력하는 외기증발기;
    상기 외기증발기에서 출력된 제2열매체에 포함된 액체를 분리하고 기체만 출력하는 액분리기;
    상기 액분리기를 빠져나온 제2열매체를 압축시켜 상기 제5열교환기로 공급하는 제2압축기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 히트펌프모듈은, 상기 제1열교환기를 통과한 제1열매체의 압력을 낮춰 상기 제5열교환기로 공급하는 제1팽창밸브 및/또는 상기 제5열교환기를 통과한 제2열매체의 압력을 낮춰 상기 외기증발기로 공급하는 제2팽창밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 히트펌프모듈은:
    제2열매체를 압축시켜 상기 제4열교환기로 공급하는 제2압축기;
    상기 제4열교환기를 통과한 제2열매체를 유입하여, 공기열을 흡수하여 1차 증발시키고, 출력하는 외기증발기;
    상기 외기증발기에서 출력된 제2열매체에 포함된 액체를 분리하고 기체만 상기 제2압축기로 출력하는 액분리기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 히트펌프모듈은, 상기 제1열교환기를 통과한 제1열매체의 압력을 낮춰 상기 제4열교환기로 공급하는 제1팽창밸브 및/또는 상기 제4열교환기를 통과한 제2열매체의 압력을 낮춰 상기 외기증발기로 공급하는 제2팽창밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 선택된 어느 하나의 발전시스템의 운전방법에 있어서,
    외기온도에 따른 상기 히트펌프모듈에서 생산된 유효전력과 상기 히트펌프모듈의 소비전력을 비교하는 단계;
    상기 히트펌프모듈에서 생산된 유효전력이 상기 소비전력보다 커지는 임계온도를 산출하는 단계;
    외기온도가 상기 임계온도보다 높으면 상기 히트펌프모듈을 가동시키고, 외기온도가 상기 임계온도보다 낮으면 상기 히트펌프모을 가동을 중단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 발전시스템의 운전방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017142496A1 (en) * 2016-02-18 2017-08-24 Vural Erdal A cooling and electricity generation system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06280507A (ja) * 1993-03-29 1994-10-04 Yoshiki Koyama ヒートポンプ発電
JP2007209081A (ja) * 2006-01-31 2007-08-16 Osaka Gas Co Ltd 発電・空調システム
KR100955235B1 (ko) * 2009-11-13 2010-04-30 고제국 히트 펌프를 이용한 발전장치
US20110309635A1 (en) * 2008-12-19 2011-12-22 Xeda Internatioanal Electricity generation device with several heat pumps in series
JP2012112369A (ja) * 2010-11-19 2012-06-14 Atsuo Morikawa ヒートポンプ発電装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06280507A (ja) * 1993-03-29 1994-10-04 Yoshiki Koyama ヒートポンプ発電
JP2007209081A (ja) * 2006-01-31 2007-08-16 Osaka Gas Co Ltd 発電・空調システム
US20110309635A1 (en) * 2008-12-19 2011-12-22 Xeda Internatioanal Electricity generation device with several heat pumps in series
KR100955235B1 (ko) * 2009-11-13 2010-04-30 고제국 히트 펌프를 이용한 발전장치
JP2012112369A (ja) * 2010-11-19 2012-06-14 Atsuo Morikawa ヒートポンプ発電装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017142496A1 (en) * 2016-02-18 2017-08-24 Vural Erdal A cooling and electricity generation system

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