WO2015065036A1 - 공기열 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

낮은 비용으로 고전력을 생산할 수 있는 고효율의 공기열 발전시스템이 개시된다. 본 발명의 일 양상에 따른 공기열 발전시스템은 밀폐형 구조물, 공기 흡입구, 공기열 발전유닛을 포함한다. 밀폐형 구조물은 중공 원통 형상으로 이루어지고, 서로 유체 연통되는 복수의 층을 내부에 구비한다. 공기 흡입구는 밀폐형 구조물의 내측면에 설치된다. 공기열 발전유닛은 밀폐형 구조물의 각 층에 설치되어, 공기 흡입구로 유입된 공기로부터 열을 흡수하여 고열을 생산하고, 그 고열을 이용하여 전기를 생산한다.

Description

공기열 발전시스템

본 발명은 공기열 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기로부터 열을 취득하여 전기를 생산하는 공기열 발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로 발전장치는 고온고압의 가스를 이용하여 발전하는 가스터빈 방식과 물을 가열하여 고온고압의 증기를 사용하는 증기터빈 방식이 있으며, 그 외에 두 방식을 합친 복합 열병합 방식이 있다. 하지만, 이들은 모두 높은 온도를 얻기 위하여 연료를 사용하든가 고열의 외부 열원을 필요로 한다는 특징을 가진다.

만약 폐열의 온도가 100℃ 이하일 경우에는 액체인 물을 가열하여 증기로 만들 수 없으며, 아울러 증기가 가압되어 있으면 물의 끓는점은 높아지기 때문에 종래의 방식으로는 100℃ 보다 낮은 온도의 폐열을 활용할 수가 없는 문제점이 있었다.

이에, 대한민국 특허등록 제100766101호에는 100℃이하의 낮은 온도의 폐열에서 에너지를 공급받아 발전할 수 있는 냉매를 사용한 냉매 사용 터빈발전장치가 개시되어 있으며, 냉매 사용 터빈발전장치는 냉매터빈, 응축기, 펌프, 기화기 및 발전기로 구성되고, 발전 사이클을 순환하는 유동 매체로 물이 아닌 냉매를 사용하여 저온의 폐열을 활용하여 발전을 할 수 있도록 하고 있다.

이러한 냉매 사용 터빈발전장치를 이용하는 경우, 100℃이하의 낮은 온도의 열을 이용하여서도 전기를 생산할 수 있어, 미활용 에너지원인 공기로부터 열을 취득하여 전기를 생산하는 공기열 발전시스템에 대한 관심이 증폭되고 있다.

그러나, 공기열 발전시스템의 경우 시동을 위해서는 외부 전력이 필요하므로, 생산되는 전력이 소비한 전력보다 커야 하고, 시설투자비 등을 고려할 때, 생산된 전력이 충분히 커야 상업성을 확보할 수 있다. 또한 외기온도가 낮은 겨울철 같은 경우에는 공기로부터 전기생산에 필요한 충분한 열량을 확보할 수 없어 가동을 할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 낮은 비용으로 고전력을 생산할 수 있는 고효율의 공기열 발전시스템을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명의 일 양상에 따른 공기열 발전시스템은 밀폐형 구조물, 공기 흡입구, 공기열 발전유닛을 포함한다. 밀폐형 구조물은 중공 원통 형상으로 이루어지고, 서로 유체 연통되는 복수의 층을 내부에 구비한다. 공기 흡입구는 밀폐형 구조물의 내측면에 설치된다. 공기열 발전유닛은 밀폐형 구조물의 각 층에 설치되어, 공기 흡입구로 유입된 공기로부터 열을 흡수하여 고열을 생산하고, 그 고열을 이용하여 전기를 생산한다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 공기열 발전시스템은 공기 흡입구측에 배치되고, 충방전 가능한 전지를 구비하여 공기열 발전유닛에 전원을 공급하는 에너지 저장유닛을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 공기열 발전시스템은 일단이 공기 흡입구와 연결되어, 외부 공기를 가열한 후 공기 흡입구로 공급하는 공기 가열유닛을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 공기 가열유닛은 지열을 이용하여 외부 공기를 가열할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 공기열 발전시스템은 밀폐형 구조물이 물에 부유할 수 있도록 하는 부유물을 더 포함하고, 공기가열유닛은 해수열을 이용하여 외부 공기를 가열하는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 공기열 발전시스템은 중앙의 탄성부재와 양단의 연결부재로 이루어져, 일단은 부유물에 연결되고 타단은 고정물에 연결되는 고정부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 공기열 발전시스템은 센서부와, 압축공기를 분사하는 노즐부와, 센서부로부터 신호를 입력받고 노즐부에 제어신호를 인가하는 제어부를 포함하여 부유물이 이동되도록 하는 부유물 구동유닛(500)을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 공기열, 지열, 해수열과 같은 자연에너지를 이용하여 전기를 생산할 수 있다.

본 발명에 따르면, 발전시스템의 발전 효율이 향상된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공기열 발전시스템의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기열 발전유닛의 구성도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공기열 발전시스템의 구성도이다.

도 4는 도 3의 공기열 발전시스템의 공기 호름을 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 공기열 발전시스템의 구성도이다.

도 6은 도 5의 공기열 발전시스템의 평면도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유물 구동유닛의 구성도이다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 공기열 발전시스템의 구성도이다.

전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명되는 실시 예들을 통해 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 대응되는 구성 요소들은 동일한 번호로 참조된다. 또한, 상세한 설명에서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 생각되는 경우 생략될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공기열 발전시스템(1000)의 구성도이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 공기열 발전시스템(1000)은 밀폐형 구조물(100), 공기 흡입구(102), 공기열 발전유닛(200)을 포함한다.

밀폐형 구조물(100)은 중공 원통 형상으로 이루어지고, 서로 유체 연통되는 복수의 층을 내부에 구비한다. 밀폐형 구조물(100)은 외부 공기와의 직접적인 열전달을 방지하고, 내부 소음이 밖으로 나가는 것을 차단하기 위해서, 아래에서 설명할 공기 흡입구(102)를 제외한 다른 부분은 밀폐된 형태로 만들어진다. 그리고, 밀폐형 구조물(100)은 태양열을 최대한 흡수하기 위해 태양열 투과성이 우수한 재질로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 투명한 유리로 만들어질 수 있다. 또한, 내부로 유입된 공기가 태양의 복사열에 의해 골고루 가열되고, 가열된 공기가 고루 퍼질 수 있도록 각 층은 서로 유체 연통되게 형성된다.

공기 흡입구(102)는 밀폐형 구조물(100)의 내측면(110)에 설치된다. 밀폐형 구조물(100)의 유일한 개방구인 공기 흡입구(102)가 밀폐형 구조물(100)의 내측면(110)에 설치되므로, 소음이 밖으로 나가는 것이 차단된다. 또한 풍향이나 풍속 등의 외기 조건에 의한 영향을 크게 받지 않고, 외기를 구조물 내로 흡입할 수 있다. 공기 흡입구(102)는 내측면(110) 하부에 설치될 수 있다.

공기열 발전유닛(200)은 밀폐형 구조물(100)의 각 층에 설치되어, 공기 흡입구(102)로 유입된 공기로부터 열을 흡수하여 고열을 생산하고, 그 고열을 이용하여 전기를 생산한다. 공기열 발전유닛(200)은 다수개를 설치하여, 그 중 일부가 고장이 발생하더라도 계속하여 전력이 생산되게 할 수 있다.

공기열 발전유닛(200)은, 도 2에 도시된 바와 같이 유기랭킨사이클(230), 고온전달사이클(220), 열취득사이클(210)로 이루어질 수 있다.

열취득사이클(210)은 제2압축기(211), 액분리기(212), 제3열교환기(213), 외기증발기(214), 제2팽창밸브(215), 제2열교환기(223)로 이루어질 수 있다. 열취득사이클(210)의 열매체는 제2압축기(211)에서 고온고압 기체상태가 되어, 고온전달사이클(220)과 연결된 제2열교환기(223)에서 고온전달사이클(220)의 열매체의 증발에 의해 응축되어 응축잠열을 전달하고, 저온고압의 액체상태로 상변화한다. 저온고압의 액체상태의 열취득사이클(210)의 열매체는 제2팽창밸브(215)에서 온도변화 없이 저압의 액체상태가 되어 열매체가 증발하기 쉬운 조건이 되고, 1차적으로 외기증발기(214)에서 공기열을 흡수하면서 증발하고, 제3열교환기(213)에서 유기랭킨사이클(230)의 작동열매체의 응축잠열을 흡수하면서 증발하여, 액분리기(212)를 거처, 제2압축기(214) 흡입구 쪽으로 들어가 사이클을 반복하게 된다.

고온전달사이클(220)은 제1압축기(221), 제1열교환기(234), 제1팽창밸브(222), 제2열교환기(223)로 이루어진 폐회로일 수 있다. 고온전달사이클(220)의 작동열매체는 열취득사이클(210)의 제2압축기 일의 양과, 공기열 및 유기랭킨사이클 응축열을 흡수한 열량을 제2열교환기(223)를 통해 흡수하여 증발하여, 제1압축기(211) 일의 양과 더해져, 제1열교환기(234)를 통해 응축열을 유기랭킨사이클(230)에 전달한다.

유기랭킨사이클(230)은 제1열교환기(234), 발전기가 회전축으로 연결된 냉매터빈(231), 열취득사이클(210)의 제3열교환기(213), 냉매압축펌프(233)로 이루어진 폐회로일 수 있다. 유기랭킨사이클(230)의 작동열매체는 제1열교환기(234)를 통해 히트펌프시스템이 생산한 총열량을 흡수하면서 포화증기가 되어 냉매터빈(231)를 돌리고 고온저압의 기체상태로 된다. 고온저압 상태의 유기랭킨사이클(230) 작동열매체는 열취득사이클(210)의 제3열교환기(213)에서 열교환을 통해 응축되어 액체상태로 상변화한다. 이 액체냉매를 냉매압축펌프(233)으로 제1열교환기(234)로 보내 사이클을 반복하여 발전을 하게 된다.

전술한 바와 같이 이루어진 공기열 발전시스템(1000)은 중공 원통형으로 이루어져 건물이 밀집한 도심에 설치해도 소음문제나 도시 미관을 해치는 문제를 일으키지 않으면서 전기를 생산할 수 있다. 또한, 공기가 외부와 밀폐된 밀폐형 구조물(100) 내부에서 태양열에 의해 가열된 후, 공기열 발전유닛(200)에 열을 전달하여 발전하게 하므로, 발전효율이 향상되게 된다. 공기열 발전유닛(200)에서 열전달을 통해 발생된 냉각공기는 냉각공기 배기덕트(101, 103)를 통해 외부 냉각공기 배출구(139)로 배출되거나, 주변 건물에 냉방용으로 공급될 수 있다. 냉각공기로 축열조의 열매체를 냉각시켜 냉방용 냉각수로도 공급할 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 공기열 발전시스템(1000)은 에너지 저장유닛(400)을 더 포함할 수 있다. 에너지 저장유닛(400)은 공기 흡입구(102)측에 배치된다. 에너지 저장유닛(400)은 충방전 가능한 전지를 구비하여 공기열 발전유닛(200)에 전원을 공급한다. 에너지 저장유닛(400)은 리튬이온 전지로 구성될 수 있다. 에너지 저장유닛(400)이 공기 흡입구(102)측에 배치되므로, 흡입되는 외부 공기에 의해 전지가 냉각되게 된다. 따라서, 충방전 시 발생하는 고열에 의해 전지 성능이 열화되거나 수명이 단축되는 문제가 해소되게 된다. 그리고, 흡입되는 외기가 전지에서 발생한 열을 흡수하므로, 추가열량이 발생하여 전략생산량이 늘어나게 된다. 또한, 에너지 저장유닛(400)이 전력부하 변동에 의한 전력 주파수를 안정화시키는 데 사용됨으로써, 품질이 일정한 전력을 얻을 수 있게 된다.

그리고, 공기열 발전유닛(200)의 냉각공기 배출구(103, 101)는 서로 연결되어 있어서, 그 중 하나의 공기열 발전유닛(200)이 고장 나는 경우, 팬이 멈추기 때문에 다른 공기열 발전유닛(200)에서 배출되는 냉각공기가 고장 난 공기열 발전유닛(200)을 통해, 공기열 발전시스템(100) 내부로 역류할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 도시되지는 않았지만, 각 공기열 발전유닛(200)의 공기 배출구에는 역류방지댐퍼가 설치될 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공기열 발전시스템의 구성도이고 도 4는 도 3의 공기열 발전시스템의 공기 흐름을 나타낸 것이다. 도 3 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 공기열 발전시스템(1000)은 공기 가열유닛을 더 포함할 수 있다. 공기 가열유닛은 일단이 공기 흡입구(102)와 연결되어, 외부 공기를 가열한 후 공기 흡입구(102)로 공급한다. 공기 가열유닛을 구비한 공기열 발전시스템(1000)에서는 공기 가열유닛이 외부 공기를 가열하여 공기 흡입구(102)로 공급하므로, 외기의 온도가 너무 낮아 공기열 발전시스템의 가동이 멈추는 문제가 발생하지 않게 된다.

도 3 내지 도 4에 도시된 공기열 발전시스템(1000)의 공기 가열유닛은 지열을 이용하여 외부 공기를 가열하도록 구성되어 있다. 도 3 내지 도 4에는 축열방식 공기가열유닛과 공냉식 공기가열유닛이 도시되어 있다. 도 3 내지 도 4를 참조하여 공기가열유닛의 작동관계를 설명하면, 축열방식 공기가열유닛은 물공기 열교환기(301)의 흡입구(댐퍼 305 엶)로부터 공기를 흡입하여, 지열히트펌프에 의해 생산된 고온수가 저장되어 있는 축열조(130)와 열교환기(303)가 폐루프를 형성(밸브 331, 136 엶, 밸브 330, 137, 138 닫음)하여, 흡입된 공기를 열교환기(303)를 통해서 축열조(130)의 고온수와 열교환하여 가열된 공기를 송풍기(302)에 의해 공기열 발전시스템(1000)의 공기 흡입구(102)(댐퍼 311 닫음, 댐퍼 308 엶)로 송출한다.

공냉식 공기가열유닛은 지중열교환기(151)로부터 지중열을 취득하여, 공기열 발전시스템(1000)의 공기 흡입구(102)에 설치된 응축기(320)에서 응축기 열을 방출하여, 응축기(320)에 설치된 팬에 의해 흡입되는 공기에 추가의 열원을 공급하게 된다.

축열식 공기가열유닛의 경우에는 주변 건물에 난방용 난방수를 공급할 수 있다. 이 경우, 다수의 축열조와 다수의 지열히트펌프유닛을 외기 온도 조건과 난방부하 변동에 따라 효과적으로 제어하여 공기열 발전시스템(1000) 내부로 유입되는 외기에 추가의 열량을 공급하면서, 난방열원도 공급할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 공기열 발전시스템(1000)의 구성도이고 도 6은 도 5의 공기열 발전시스템(1000)의 평면도이다. 도 5 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 공기열 발전시스템(1000)은 밀폐형 구조물(100)이 물에 부유할 수 있도록 하는 부유물(550)을 더 포함하고, 공기가열유닛은 해수열을 이용하여 외부 공기를 가열할 수 있다.

부유물(550)은 플라스틱이나 목재로 제작되고, 비중이 물보다 낮은 일반적인 부유물이 될 수 있다. 공기가열유닛은 외기 온도가 해수온도보다 낮을 경우 해수열을 이용하여 외부 공기를 가열한 후 공기 흡입구(102)로 보내게 된다. 물론, 해수온도보다 외기 온도가 높을 경우, 외부 공기는 댐퍼(422)가 설치된 공기 흡입구(102)를 통해, 바로 밀폐형 구조물(100)내로 흡입될 수 있다.

공기가열유닛은 해수열을 이용하여 외부 공기를 가열하기 위해 외부 공기흡입 도관(416)을 구비할 수 있다. 외부 공기흡입 도관(416)은 부유물(550)을 관통하여 약 10m정도의 해수표면 아래에 설치된다. 이 외부공기 흡입도관(416)의 해수표면 아래쪽에는 공기해수열교환기(421)가 연결되어, 부유물(550)을 관통하여, 밀폐형 구조물(100) 바닥으로 연결되어 있다(421b 참조). 밀폐형 구조물(100) 바닥으로 연결되어 있는 공기해수열교환기(421) 배출구쪽(421a)에도 댐퍼를 설치하여, 외부공기를 바로 흡입할 지, 해수열과 열교환 해서 흡입할 지를 제어할 수 있다.

또한, 도시된 바와 같이 공기열 발전시스템은 외부공기 흡입도관(416) 해수면 아래에 설치된 저수조(423)를 더 포함할 수 있다. 저수조(423)는 공기열 발전유닛(200) 내부에서 공기와 냉매가 열교환 하는 과정에서 발생되는 응축수가 유출수 배관(422)을 통해서 저수조(423)로 저장된다. 또한, 공기해수열교환기(421)에서 발생하는 응축수도 저수조(423)에 저장된다. 저수조 바닥부분에는 수면센서(425)와 수중펌프(424)가 구비되어, 저수조 물 배출도관(422)를 통해서, 만수위가 되었거나 필요 시 외부로 배출할 수 있다. 이 저수조가 공기열 발전시스템(1000)의 무게중심을 낮추어주므로, 태풍이나 지진으로 인해 발생하는 해일로부터 안전을 확보할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유믈 구동유닛(500)의 구성도이다. 도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 공기열 발전시스템은 부유물이 이동되도록 하는 부유물 구동유닛(500)을 더 포함할 수 있다. 부유물 구동유닛(500)은 센서부(503)와, 압축공기를 분사하는 노즐부(510)와, 센서부(503)로부터 신호를 입력받고 노즐부(510)에 제어신호를 인가하는 제어부(502)를 포함할 수 있다. 또한, 압축공기를 생성하기 위한 공기압축기(504), 압축된 공기를 저장하는 공기 탱크(505), 압축된 공기를 정화하는 공기 필터(506)와 공기 조절기(507)를 더 포함할 수 있다. 센서부(503)는 GPS 및 자이로스코프, 풍향계로부터 위치정보, 움직임정보, 풍향정보를 수신받을 수 있다.

전술한 바와 같이 구성된 공기열 발전시스템(1000)은 부유물 구동유닛(500)을 더 구비함으로써, 제어부(502)의 밸브제어신호에 의해 특정 전자밸브(509)가 열리고 해당 압축공기 분사노즐(510)로 압축공기를 분사하여 추진력을 확보할 수 있게 된다. 이 압축공기 추진력으로 부유물(550)의 위치를 제어하거나 이동시키거나 회전시킬 수 있다. 상부에 공기열 발전시스템(1000)이 설치된 부유물(550)을 일정속도로 회전시키면, 파도에 의한 외부 충격에도 안정된 위치를 유지할 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 공기열 발전시스템(1000)의 구성도이다. 도 8을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 공기열 발전시스템(1000)은 고정부재(600)를 더 포함할 수 있다. 고정부재(600)는 중앙의 탄성부재(601)와 양단의 연결부재(602)로 이루어져, 일단은 부유물(550)에 연결되고 타단은 고정물에 연결된다.

본 실시예에 따른 공기열 발전시스템은 고정부재(600)를 더 포함함으로써, 부유물(550)을 고정구조물(602)에 연결하여 부유물(550)를 해상에서 고정시킬 수 있다. 그리고 고정부재(600)의 중간에 탄성부재(601)를 두어 충격이 가해진 방향에서 탄성부재(601)가 늘어나면서 충격을 흡수하고, 다시 원래대로 복귀하는 복원력을 제공하여, 밸런서 역할을 하는 중심의 저수조(423)와 함께 부유물(550)이 항상 해수면에 안정되게 위치하게 할 수 있다. 탄성부재(601)는 압축코일 스프링일 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시 형태들을 가지고 상세히 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점은 명백하다고 할 것이다. 따라서, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 중공 원통 형상으로 이루어지고, 서로 유체 연통되는 복수의 층을 내부에 구비한 밀폐형 구조물;
    상기 밀폐형 구조물의 내측면에 설치된 공기 흡입구; 및
    상기 밀폐형 구조물의 각 층에 설치되어, 상기 공기 흡입구로 유입된 공기로부터 열을 흡수하여 고열을 생산하고, 그 고열을 이용하여 전기를 생산하는 공기열 발전유닛;
    을 포함하는 공기열 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기 흡입구측에 배치되고, 충방전 가능한 전지를 구비하여 상기 공기열 발전유닛에 전원을 공급하는 에너지 저장유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기열 발전시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    일단이 상기 공기 흡입구와 연결되어, 외부 공기를 가열한 후 상기 공기 흡입구로 공급하는 공기 가열유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기열 발전시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공기 가열유닛은 지열을 이용하여 외부 공기를 가열하는 것을 특징으로 하는 공기열 발전시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 밀폐형 구조물이 물에 부유할 수 있도록 하는 부유물을 더 포함하고,
    상기 공기가열유닛은 해수열을 이용하여 외부 공기를 가열하는 것을 특징으로 하는 공기열 발전시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    중앙의 탄성부재와 양단의 연결부재로 이루어져, 일단은 상기 부유물에 연결되고 타단은 고정물에 연결되는 고정부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기열 발전시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    센서부와, 압축공기를 분사하는 노즐부와, 상기 센서부로부터 신호를 입력받고 상기 노즐부에 제어신호를 인가하는 제어부를 포함하여 부유물이 이동되도록 하는 부유물 구동유닛(500)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기열 발전시스템.
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