KR101104694B1 - 타워형 태양발전시스템의 작동유체 순환 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작동유체인 공기가 흡수기와 증기발생기 또는 축열조 사이를 순환할 수 있도록 구성하여 작동유체가 대기로 배출되지 않고 재순환되는 상태에서 재 가열될 수 있게 함으로써 열효율을 높인 타워형 공기식 태양열발전시스템의 작동유체 순환 구조에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 타워형 태양발전시스템의 작동유체 공급 구조는 햇빛을 반사하는 반사판과, 반사판에 의해 반사/집광된 태양열을 이용하여 작동유체를 가열하는 흡수기와, 흡수기에 의해 가열된 작동유체의 열로 증기를 발생시키는 증기발생기를 포함하여 구성되는 타워형 태양발전시스템의 작동유체 공급구조에 있어서, 상기 흡수기로부터 작동유체가 출입하는 유입, 유출구를 상기 증기발생기의 유입, 유출구에 연결하여 흡수기를 통과하는 작동유체가 외부로 배출되지 않고 증기발생기와 흡수기 사이에서 순환되게 구성됨을 특징으로 한다.

태양열발전, 흡수기, 세라믹, 재순환, 열교환기, 타워

Description

타워형 태양발전시스템의 작동유체 순환 구조{Air receiver and working fluid circulation system for solar thermal power tower}

본 발명은 타워형 태양열발전시스템의 작동유체 공급 구조에 관한 것으로써, 상세하게는 작동유체가 흡수기와 증기발생기 또는 축열조 사이를 순환할 수 있도록 구성하여 작동유체가 외기로 배출되지 않고 재가열 될 수 있게 함으로써 열효율을 높인 타워형 태양발전시스템의 작동유체 순환 구조에 관한 것이다.

화석연료의 고갈에 따라 자연력을 이용한 동력 발생 장치들이 많이 개발되고 있으며, 이러한 동력 발생 수단의 하나로 태양열을 이용한 것이 있다.

태양열을 이용한 동력 발생 장치 중에는 태양열 발전 시스템이 있으며, 이러한 태양열발전시스템 중에는 타워형(tower) 태양열발전시스템이 있다.

타워형 태양열발전시스템은 태양을 추적, 반사, 집광하여 한곳에 모으는 역할을 하는 여러 대의 반사판(Heliostat)과, 집광된 태양열의 에너지를 흡수하여 열전달 매체에 전달하는 흡수기(Receiver)와, 흡수기에서 가열된 작동유체의 열로 증기를 발생시키는 증기발생기와, 증기발생기에서 발생된 증기를 이용하여 전기를 발생시키는 증기터빈을 포함하여 구성된다.

이렇게 구성된 타워형 태양열발전시스템은 반사판에 의해 집광된 열로 흡수 기를 통과하는 작동유체를 가열하고, 흡수기에서 약 1000도 까지 높아진 작동유체가 증기발생기로 보내져 포화 또는 과열증기를 발생하고, 이때 발생한 증기는 증기터빈으로 보내져 전력을 발생하게 된다.

이러한 발전시스템에서 증기발생기에서 사용되어진 공기는 팬을 통해 다시 흡수기로 공급되는 과정이 진행되며, 에너지원인 태양의 복사에너지의 감소 등의 현상이 발생할 경우를 대비하여 축열조에 열에너지를 저장하여 사용할 수 있다. 즉, 타워형 태양열발전은 반사판, 타워, 흡수기, 축열조(Storage), 터빈(Turbine), 발전기(Generator), 복수기(Condenser), 탈기기(Deaerator) 등으로 이루어져 있다.

이렇게 구성된 타워형 공기식 흡수기는 도 1에 도시한 바와 같이 다수의 유로가 형성된 흡수모듈(110)을 다수 설치하여 구성되고, 내부 흡입 팬에 의해 외부의 공기가 유입되며, 이때 흡수기 모듈(110)은 반사판에 의해 반사된 태양광이 집광되어 온도가 매우 높은 상태이며, 유입된 외부 공기가 고온의 흡수기 모듈(110)의 유로를 통과하며 온도가 높아지게 된다.

즉, 타워형 태양열발전시스템을 구성하는 흡수기(100)는 공기를 작동유체로 사용하고 있고, 이 공기는 도 2에 도시한 바와 같이, 외부로부터 흡입하여 흡수기(100)를 통과하여 가열된 상태에서 증기발생기(300)나 축열조(500)에 열을 전달한 후 외부로 배출되거나 일부 다시 흡수기로 유입되도록 구성되어 있으며, 이와 같은 종래의 흡수기의 경우 상온의 외부공기를 이용하게 됨으로서 흡수기 출구에서 일정온도(1000℃) 이상을 올리는 데 어려움이 있었다.

특히, 동절기의 경우 영하의 저온 공기를 흡입하여 흡수모듈(100)을 통과시 켜 가열하게 되고, 이렇게 저온의 공기를 흡수하여 가열할 경우 열효율이 낮아지는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로써, 흡수기 모듈을 통과하며 가열된 공기를 외부로 배출시키지 않고, 흡수기 모듈로 다시 공급하여 태양열에 의해 가열될 수 있게 함으로써 열효율을 높인 타워형 태양발전시스템의 작동유체 순환 구조를 제공함을 목적으로 한다.

즉, 작동유체가 외부로 배출되지 않고 흡수기와 증기발생기 또는 축열조 사이를 순환하여 완전히 냉각되지 않은 고온의 작동유체가 다시 흡수기에 의해 가열될 수 있게 함으로써 열효율을 높인 타워형 태양열발전시스템의 작동유체 공급 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 타워형 태양열발전시스템의 작동유체 순환 구조는 햇빛을 반사하는 반사판과, 반사판에 의해 반사된 태양열을 이용하여 작동유체를 가열하는 흡수기와, 흡수기에 의해 가열된 작동유체의 열로 증기를 발생시키는 증기발생기를 포함하여 구성되는 타워형 태양열발전시스템의 작동유체 공급구조에 있어서, 상기 흡수기로부터 작동유체가 출입하는 유입, 유출구를 상기 증기발생기의 유입, 유출구에 연결하여 흡수기를 통과하는 작동유체가 외부로 배출되지 않고 증기발생기와 흡수기 사이에서 순환되게 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 작동유체가 외부로 배출되지 않고 순환할 수 있게 함으로써 증기발생기에 열을 전달한 후에도 열이 남아있는 작동유체를 다시 가열할 수 있게 함으로써 열효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

즉, 잔류 열을 갖는 작동유체가 다시 흡수기로 공급되어 흡수기의 태양열에 의해 가열되게 함으로써 보다 고온으로 가열된 작동유체를 증기발생기에 공급할 수 있어 발전효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 타워형 태양발전시스템의 작동유체 공급 구조를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 타워형 태양열발전시스템의 작동유체 순환 구조를 도시한 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 타워형 태양발전시스템을 구성하는 흡수기의 일예를 도시한 분해사시도이고, 도 5는 도 4에 도시한 흡수기의 단면도이고, 도 도 6은 본 발명에 따른 흡수기의 다른 일예를 도시한 분해사시도이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 타워형 태양열발전시스템의 작동유체 공급 구조는 햇빛을 반사하는 반사판(200)과, 반사반에 의해 반사된 태양열을 이용하여 작동유체를 가열하는 흡수기(100)와, 흡수기에 의해 가열된 작동유체의 열로 증기를 발생시키는 증기발생기(300)를 포함하여 구성되는 타워형 태양열발전시스템의 작동유체 공급구조에 있어서, 상기 흡수기(100)로부터 작동유체가 출입하는 유입, 유출구를 상기 증기발생기의 유입, 유출구에 연결하여 흡수기를 통과하는 작동유체가 외 부로 배출되지 않고 증기발생기와 흡수기 사이에서 순환되게 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 타워형 태양열발전시스템의 작동유체 순환 구조는 상기한 바와 같이 작동유체가 외부로 배출되지 않고 흡수기(100)와 증기발생기(300) 사이에서 순환하므로 냉각되었을 때에도 일정한 온도를 유지하고 있으며, 이에 따라 흡수기(100)에서 흡수된 열에 의해 가열되는 시간이 단축될 수 있는 것이다.

즉, 종래의 경우에는 작동유체로 사용되는 공기가 외부에서 유입되어 흡수기(100)를 통과하면서 가열되고, 이렇게 기열된 공기가 증기발생기(300)에 열을 전달한 후 외부로 배출되거나 일부 다시 흡수기로 유입되도록 구성되어 있어, 다시 외부 공기를 흡입하고 이를 흡수기에서 가열하여 증기발생기에 공급하는 과정을 반복하므로 외기의 온도가 낮은 경우에는 찬공기가 유입되어 흡수기(100)에서 태양열을 이용하여 가열한다 하더라도 일정 온도 이상 가열되지 않는 문제가 있으나, 본 발명은 증기발생기(300)를 통과한 공기가 외부로 배출되지 않고 다시 흡수기(100)로 공급되고 이렇게 공급되는 공기는 증기발생기(300)에 열을 전달한 후에도 일정온도 이상을 유지하고 있으므로 흡수기(100)에서 열을 흡수하면 보다 높은 온도로 가열될 수 있는 것이다.

이렇게 작동유체가 흡수기(100)와 증기발생기(300)사이 또는 측열조(500)를 순환할 수 있게 하기 위한 흡수기(100)의 일예는 도 4내지 도 6에 도시한 바와 같이 구성될 수 있다.

즉, 상기 흡수기(100)는 판체 형상으로 일면에 작동유체가 흐르는 다수의 유로홈(11)이 형성된 본체(1)와 ; 상기 본체(1)의 유로홈(11)이 형성된 면에 착탈 가능하게 설치되어 유로홈의 개방된 부분을 막아 유로가 형성되게 하며, 유로의 단부와 대향되는 부분에 유, 출입구가 형성된 덮개(2)를 포함하여 구성된다.

즉, 상기 흡수기(100)는 이를 구성하는 덮개(2)에 형성된 유입구(21) 및 유출구(22)를 상기 증기발생기(300)의 유출구 및 유입구(미도시)에 연결하여 작동유체가 외부로 배출되지 않고 순환할 수 있게 구성되는 것이다.

상기 흡수기(100)는 열전달 성능이 우수한 세라믹(ceramics)으로 구성되어있고, 다수를 서로 연결하여 집열면적을 넓힐 수 있어 태양열발전 용량에 따른 흡수기 크기 조절이 용이함으로 활용성이 높다.

상기 흡수기(100)를 구성하는 본체(1)에 형성된 유로홈(11)은 상기한 바와 같이 유로벽(12)에 의해 서로 분리되어 다수가 평행하게 형성되어 있으며, 유로홈의 폭은 그 내부를 통과하는 작동유체의 종류에 따라 달라질 수 있다.

이렇게 구성된 흡수기(100)에서 본체(1)의 표면이 태양열을 흡수하는 집열판의 역할을 하며, 이렇게 집열된 열은 유로벽(12)을 통해 유로홈(11)에 전달되어 유로를 따라 이동하는 작동유체와 열교환을 이루게 된다.

흡수기는 세라믹 중 주로 탄화규소(SiC)로 제작하는데 이는 탄화규소의 높은 용융점과 열전도도가 1000도 이상의 작동온도와 국부적인 열집중 환경에서 원활히 사용될 수 있는 장점이 있다.

상기와 같이 구성된 흡수기는 상기한 바와 같이 유로홈(11)이 형성된 본 체(1)에 덮개(2)를 설치하여 유로홈(11)의 개방된 부분이 덮개(2)에 의해 막히므로 유로가 형성되고, 이렇게 형성된 유로는 도 4에 도시한 바와 같이 유입구로부터 유출구 사이에 구불구불한 형태로 유로를 형성하거나, 도 6에 도시한 바와 같이 중앙의 유입구로부터 바깥쪽으로 나선형으로 형성되는 유로를 구성할 수 있으며, 가능한 유로의 길이를 길게 형성하여 통과하는 작동유체가 많은 열을 흡수 할 수 있게 하였다.

이렇게 유로의 길이가 길어지게 함으로써, 흡수기가 태양열에 의해 노출되었을 때 많은 면적에서 작동유체가 열교환을 이룰 수 있게 되는 것이다.

도 1은 종래의 타워형 태양열발전시스템을 구성하는 흡수기의 일예를 도시한 단면도이고,

도 2는 종래의 타워형 태양열발전시스템의 작동유체 공급 구조를 도시한 구성도이고,

도 3은 본 발명에 따른 타워형 태양열발전시스템의 작동유체 공급 구조를 도시한 구성도이고,

도 4는 본 발명에 따른 타워형 태양열발전시스템을 구성하는 흡수기의 일예를 도시한 분해사시도이고,

도 5는 도 4에 도시한 흡수기의 단면도이고,

도 도 6은 본 발명에 따른 흡수기의 다른 일예를 도시한 분해사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 본체 11 : 유로홈 12 : 유로벽

2 : 덮개

21 : 유입구 22 : 유출구

Claims (3)

1. 햇빛을 반사하는 반사판(200)과, 반사반에 의해 반사된 태양열을 이용하여 작동유체를 가열하는 흡수기(100)와, 흡수기에 의해 가열된 작동유체의 열로 증기를 발생시키는 증기발생기(300)를 포함하여 구성되는 타워형 태양열발전시스템의 작동유체 순환 구조에 있어서,

   상기 흡수기(100)로부터 작동유체가 출입하는 유입, 유출구를 상기 증기발생기의 유입, 유출구에 연결하여 흡수기를 통과하는 작동유체가 외부로 배출되지 않고 증기발생기와 흡수기 사이에서 순환되게 구성되되,

   상기 흡수기는,

   판체 형상으로 일면에 작동유체가 흐르는 다수의 유로홈(11)이 형성된 본체(1)와; 상기 본체(1)의 유로홈(11)이 형성된 면에 착탈 가능하게 설치되어 유로홈의 개방된 부분을 막아 유로가 형성되게 하며, 유로의 단부와 대향되는 부분에 유, 출입구가 형성된 덮개(2);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 타워형 태양발전시스템의 작동유체 순환 구조.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 흡수기는 세라믹(ceramics)으로 구성됨을 특징으로 하는 타워형 태양발전시스템의 작동유체 순환 구조.

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