KR101335555B1 - 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템에 관한 것으로서; 태양열로 1차 작동유체를 고온으로 가열하는 집열판과, 상기 집열판을 통해 가열된 1차 작동유체가 충진되는 압력탱크와, 상기 압력탱크의 고온 및 고압상태의 1차 작동유체가 순환하며 2차 작동유체와 열교환을 수행하는 열교환기와, 상기 열교환기를 거친 1차 작동유체를 집열판으로 강제 투입시키는 제1펌프와, 상기 열교환기를 통해 열교환된 2차 작동유체의 열에너지를 발전기의 축 동력으로 전환하는 스크롤 팽창기와, 상기 스크롤 팽창기를 거친 2차 작동유체를 냉각하는 응축기와, 상기 응축기를 거친 냉각상태의 2차 작동유체가 충진되는 서지탱크와, 상기 서지탱크의 2차 작동유체를 상기 열교환기로 강제 투입하는 제2펌프로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 열원인 태양열을 이용해 1차 작동유체를 가열하고 그 1차 작동유체의 열교환을 통해 2차 작동유체를 순환시키는 유기냉매 사이클(ORC:Organic Rankine Cycle)의 스크롤 팽창기를 통해 축동력으로 회수하여 발전하므로 고효율의 전기를 생산할 수 있는 장점이 있다.

Description

태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템 { Scroll expander generating system using heat source of solarthermal }

본 발명은 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 태양열로부터 얻은 열에너지를 유기냉매 사이클(ORC:Organic Rankine Cycle)의 스크롤 팽창기를 통해 축동력으로 회수하여 발전하는 시스템에 관한 것이다.

최근 들어서 전세계는 전기 및 가스, 석유 등 한정된 자원에만 의존해 온 탓으로 인해 석유에너지(Energy)의 공급부족 현상이 점차 현실화되고, 반면에 유가의 가격도 지속적으로 상승하고 있으며, 또한 석유에너지의 사용에 따른 온실가스 등의 증가로 인해 환경오염 문제가 매우 심각하게 제기되고 있어, 지구 온난화를 방지하기 위한 차원에서 이산화탄소(CO₂)의 배출을 최대한 줄이고자 하는 노력이 세제적으로 가속화되고 있는 실정이다.

이에 따라, 환경적인 공해가 발생되지 않고 친환경적인 차원에서 무한정으로 사용할 수 있는 태양광이나 태양열을 비롯하여 풍력, 조력 등 자연을 이용한 대체 에너지의 개발에 대한 관심이 집중되고 있으며, 그 중에서도 특히 태양광이나 태양열을 이용하여 가정, 산업체에 필요한 전기 에너지의 생산은 물론 온수, 난방 등에 필요한 열원을 생산하기 위한 장치의 개발이 활발히 진행되고 있는 추세이다

특히 신재생에너지 중에서 태양에너지는 지구상에서 가장 풍부한 에너지 자원으로 태양에너지를 난방·냉방 및 전기에너지의 생산을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이와 같은 태양에너지를 이용하여 전기 에너지로 발전을 하는 방식에는 태양광(太陽光)을 이용하는 방식과 태양열(太陽熱)을 이용하는 방식의 2가지가 있다.

이중 태양광을 이용하는 방식 중 가장 일반적으로 사용되는 방식 중 하나인 일명 솔라셀(solar cell)이라 명명되는 태양전지는 주로 실리콘 재질을 이용하여 제작이 된 것으로, 가시광선 파장 영역에서 광전 효과를 이용하여 전기를 발생시키는 원리를 가지고 있다. Si(실리콘) 소재를 이용한 태양전지는 0.4 ㎛에서 1.1 ㎛ 까지의 파장 영역의 파장만을 흡수하는 것으로 연구 결과가 보고되고 있는바, 이러한 파장 영역은 주로 가시광선 대역이고 보다 높은 발전 효과를 기대할 수 있는 적외선 영역대에서는 흡수 효율이 매우 낮다는 문제가 있다. 보다 구체적으로는, 상기 실리콘 재질에 의한 태양전지는 적외선 파장 영역의 태양광은 흡수 효율이 낮을 뿐 아니라 태양 전지 표면 온도를 증가시켜 발전 효율이 감소하게 된다. 다시 말해 태양광이 매우 강한 여름의 낮 시간에는 태양광이 강하여 조도는 높을지언정 오히려 태양전지 표면 온도가 상승하여 발전 효율이 떨어지게 되는 문제가 발생한다.

그리고, 태양 전지의 소재로서 실리콘(Si) 이외에 다양한 소재가 사용되고, 소재의 특성 별로 흡수가 잘되는 파장 영역대를 가지고 있으나, 문제는 각 소재 별로 고유의 흡수 파장 영역을 가지고 있어 태양광의 전반적인 파장 영역을 동시에 사용하기에 큰 애로가 따른다는 것이다.

한편, 태양열을 이용해 발전하는 방식의 일 예로 공개특허 제10-2011-0008503호가 제시된 바 있다. 이는 태양열 발전 시스템에 관한 것으로 태양열을 집열하는 태양열 집열장치와, 상기 태양열 집열장치 내에 설치되며 상기 태양열 집열장치에 의하여 집열된 태양열을 이용하여 열매체를 기화시키는 열매체 기화장치와, 상기 열매체 기화장치에 연결되며 상기 열매체 기화장치에 의하여 기화된 고압의 열매체에 의하여 회전하는 터빈과, 상기 터빈의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전장치와, 상기 터빈에 연결되며 상기 터빈을 회전시킨 열매체를 수축시켜 상기 열매체 기화장치에 다시 공급하는 수축장치를 포함한다.

그런데, 상기 공개특허는 대부분의 에너지원인 열매체의 열에너지 및 압력 에너지를 직접적으로 이용하여 전기를 생산하므로 전기 생산 효율이 낮은 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 태양열을 열원으로 이용해 1차 작동유체를 가열 및 압축하고 이의 열교환을 통해 2차 작동유체를 순환시키는 사이클에 스크롤 팽창기를 설치하여 전기를 효율적으로 생산할 수 있는 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템을 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 물이 순환하는 1차 사이클과 유기 냉매를 작동유체로 하는 2차 사이클을 이용해 전기를 생산함으로서 양호한 운전조건을 얻을 수 있어 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템을 제공함에도 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은;

태양열로 1차 작동유체를 고온으로 가열하는 집열판과, 상기 집열판을 통해 가열된 1차 작동유체가 충진되는 압력탱크와, 상기 압력탱크의 고온 및 고압상태의 1차 작동유체가 순환하며 2차 작동유체와 열교환을 수행하는 열교환기와, 상기 열교환기를 거친 1차 작동유체를 집열판으로 강제 투입시키는 제1펌프와, 상기 열교환기를 통해 열교환된 2차 작동유체의 열에너지를 발전기의 축 동력으로 전환하는 스크롤 팽창기와, 상기 스크롤 팽창기를 거친 2차 작동유체를 냉각하는 응축기와, 상기 응축기를 거친 냉각상태의 2차 작동유체가 충진되는 서지탱크와, 상기 서지탱크의 2차 작동유체를 상기 열교환기로 강제 투입하는 제2펌프로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템을 제공한다.

이때, 상기 압력탱크의 1차 작동유체는 열교환기와 난방용 배관으로 순환되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스크롤 팽창기는; 내측에 공간부가 형성되고 후측에는 축공이 형성되는 프레임과, 상기 프레임의 전면에 고정되되 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 제1나선형날개가 형성되며 중심부에는 2차 작동유체가 유입되는 유입구가 형성되고 외측에는 2차 작동유체가 유출되는 토출구가 형성되는 고정스크롤과, 전면에는 상기 고정 스크롤의 제1나선형날개와 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 제2나선형날개가 형성되고 후면 중앙에는 지지홈이 형성되어 고정스크롤과의 사이의 공간에서 선회하여 중심부에서 유입된 2차 작동유체를 연속적으로 압축하는 선회스크롤과, 상기 프레임의 축공에 회전이 자유롭게 축설되되 전단에는 상기 선회스크롤의 지지홈에 회전이 자유롭게 끼워지는 편심축부가 구비되고 후단에는 회전축부가 구비되는 크랭크샤프트와, 상기 프레임의 후단부를 마감하는 레어커버로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 프레임의 공간부에는 상기 선회스크롤의 자전을 방지하는 올드햄링이 더 구비되고, 상기 크랭크샤프트의 회전축부에는 밸런스웨이트가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레어커버와 프레임 후단 사이에는 트로코이드펌프가 구비되어 크랭크샤프트가 회전시에 오일탱크의 오일이 입출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 트로코이드펌프는; 상기 프레임 후단에 밀착되며 오일탱크의 오일이 유입되는 유입공이 일측에 형성되고 중앙의 관통공방향으로 오일이 유출되는 유출공이 형성되는 전면케이스와, 상기 전면케이스의 후단에 구비되며 안착공이 형성되는 후단케이스와, 상기 후단케이스의 안착공에 회전자재하게 장착되되 상기 크랭크샤프트의 회전축부와 일체로 회전하는 구동기어와, 상기 후단케이스의 안착공과 구동기어의 외측에 구비되어 상기 구동기어의 회전시에 편심되어 회전하는 종동기어로 이루어지며; 상기 크랭크샤프트의 회전축부는 상기 전면케이스가 밀착되는 관통공 부분에 상기 유출공을 통해 유출되는 오일이 모이는 단차면이 형성되고, 상기 단차면에는 인입공이 형성되고, 상기 크랭크샤프트의 회전축부에는 상기 인입공과 연통되며 상기 프레임의 공간부와 연통되는 오일안내공이 축방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 1차 작동유체는 물이고, 상기 2차 작동유체는 유기 냉매인 R134a인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 열원인 태양열을 이용해 1차 작동유체를 가열하고 그 1차 작동유체의 열교환을 통해 2차 작동유체를 순환시키는 유기냉매 사이클(ORC:Organic Rankine Cycle)의 스크롤 팽창기를 통해 축동력으로 회수하여 발전하므로 고효율의 전기를 생산할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 물이 순환하는 1차 사이클과 유기 냉매를 작동유체로 하는 2차 사이클을 분리하여 전기를 생산함으로서 발전을 위한 양호한 운전조건을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 작동원리를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 구조를 설명하기 위해 도시한 결합 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 단면을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 구조를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 스크롤 팽창기의 크랭크샤프트의 구조를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 트로코이드펌프의 구조를 설명하기 위해 도시한 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템을 주택에 적용한 예를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템을 첨부한 도면을 참고로 설명한다.

도 1 내지 도 7에 의하면, 본 발명에 따른 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템은 태양열(100)을 열원으로 하여 얻은 열에너지를 1차 사이클의 열교환기(400)를 통해 2차 사이클인 유기냉매사이클(ORC; Organic Rankine cycle)에 전달하고 2차 사이클에 설치된 스크롤 팽창기(600)를 통해 작동유체 열에너지를 축동력으로 전환하여 발전하는 시스템이다.

이때, 스크롤 팽창기(600)는 에너지원인 유체(1차 작동유체)에 직접 노출되는 환경에 설치하지 않고, 1차 에너지원과의 열교환을 통해 2차 작동유체를 순환시키는 사이클에 설치하여 작동시키는 것이 양호한 운전조건을 얻을 수 있어 내구성 및 신뢰성 확보에 유리하다.

이를 위해 태양열을 열원으로 하여 발전하는 본 발명에 따른 시스템은 물이 순환하는 1차 사이클과, 유기 냉매인 R134a를 작동유체로 하는 2차 사이클(organic Rankine cycle)로 이루어지는 2개의 폐회로(closed cycle)로 구성된다.

이와 같은 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템은 태양열(100)의 열원으로 1차 작동유체를 고온으로 가열하는 집열판(200)과, 상기 집열판(200)을 통해 가열된 1차 작동유체가 충진되는 압력탱크(300)와, 상기 압력탱크(300)의 고온 및 고압상태의 1차 작동유체가 순환하며 2차 작동유체와 열교환을 수행하는 열교환기(400)와, 상기 열교환기(400)를 거친 1차 작동유체를 집열판(200)으로 강제 투입시키는 제1펌프(500)와, 상기 열교환기(400)를 통해 열교환된 2차 작동유체의 열에너지를 발전기(1)의 축(1a) 동력으로 전환하는 스크롤 팽창기(600)와, 상기 스크롤 팽창기(600)를 거친 2차 작동유체를 냉각하는 응축기(700)와, 상기 응축기(700)를 거친 냉각상태의 2차 작동유체가 충진되는 서지탱크(800)와, 상기 서지탱크(800)의 2차 작동유체를 상기 열교환기(400)로 강제 투입하는 제2펌프(900)로 구성된다.

즉, 태양열(100)을 열원으로 하여 발전시키기 위해 시스템은 크게 2개의 폐회로(closed cycle)로 구성되는데, 1차 작동유체인 물이 순환하는 1차 사이클은 집열판(200), 압력탱크(300), 열교환기(400), 그리고 제1펌프(500)로 구성되며, 2차 작동유체인 유기 냉매(R134a)가 순환하는 2차 사이클(Organic Rankine cycle)은 열교환기(400), 스크롤 팽창기(600), 응축기(700), 서지탱크(800), 제2펌프(900)로 구성된다.

이하, 본 발명의 각부 구성을 좀 더 상세히 설명하다.

먼저, 1차 사이클에서 열원은 집열판(200) 내의 1차 작동유체인 물은 고온으로 가열한다.

이때, 상기 집열판(200)에서 가열된 고온의 물(hot water)은 압력탱크(300)로 유입되고, 상기 압력탱크(300)의 1차 작동유체는 약 80 ~ 100℃(바람직하게는 90℃)로 가열된 상태이며, 이는 열교환기(400)로 유입된다.

상기 열교환기(400)는 판형 열교환기로서 1차 작동유체가 흐르면서 열교환을 하여 2차 작동유체를 약 70 ~ 90℃(바람직하게는 80℃)로 가열하게 된다.

한편, 상기 열교환기(400)를 거친 1차 작동유체는 약 42℃로 이는 제1펌프(500)에 의해 강제 순환되어 집열판(200)으로 순환 유입되는 과정이 지속적으로 이루어진다.

이때, 상기 압력탱크(300)의 1차 작동유체는 열교환기(400)를 통해 2차 작동유체와의 열교환을 수행하는 것 이외에, 별도로 건물 등의 난방을 위해 설치되는 난방용 배관(410)과 연결된다.

따라서, 필요에 따라 열교환기(400)를 통해 1차 작동유체를 순환시키고 난방용 배관(410)을 통해 잔여분의 1차 작동 유체를 순환시킴으로서 건물 등의 난방을 함께 수행할 수 있다.

이 경우 열교환기(400)와 난방용 배관(410)에 선택적으로 1차 작동유체를 순환시키기 위해 열교환기(400)의 전후단에 제1개폐용밸브(401,402)를 구비하고, 난방용 배관(410)의 전후단에 제2개폐용밸브(411,412)를 구비하여 조작반(미도시됨)의 조작 및 제어에 따라 선택적으로 개폐가 가능하다.

한편, 2차 사이클에서는 1차 작동유체인 물이 열교환기(400)를 거치면서 2차 작동유체를 약 70 ~ 90℃(바람직하게는 80℃)로 가열하게 된다. 이때, 2차 작동유체는 유기 냉매인 R134a로서, 이는 오존층 파괴 물질을 저감시키도록 개발된 냉매로 기존냉매에 비해 온실효과의 영향력이 10분의 1로 낮아 기존 프레온 냉매의 냉전도율과 동일한 효과를 유지하면서 환경부하를 최소화하는 역할을 한다.

상기 열교환기(400)를 거쳐 고온으로 가열되어 열에너지를 갖는 2차 작동유체는 스크롤 팽창기(600)로 유입되어 발전기(1) 구동을 위한 축(1a) 동력을 발생하게 된다.

통상 팽창기 종류에는 크게 터보형(터빈)과 용적형으로 구분되며, 터보형 팽창기는 주로 대용량에 적합하고, 용적형 팽창기로는 왕복동, 로타리, 스크롤 등이 있는데, 용량 1 ~ 5kW 범위에서는 스크롤 팽창기(600)가 단연 높은 성능을 나타낸다.

따라서, 본 발명에서는 2차 작동유체로 축동력을 발생하는데 성능 효율이 높은 스크롤 팽창기(600)를 사용한다.

이와 같은 스크롤 팽창기(600)의 작동 개념은 도 2에 도시된 바와 같다. 즉, 고압의 2차 작동유체가 고정스크롤(620)의 중앙에 형성된 유입구로 들어와서 가스가 팽창함에 따라 선회스크롤(630)을 공전선회시키며 점점 외주부로 이동하여 결국에는 외주부 끝단이 열리며 토출구로 배출된다. 이 과정에 유발된 선회스크롤(630)의 선회운동을 크랭크샤프트(560)에서 전달받아 축 동력이 발생하게 된다.

상기 스크롤 팽창기(600)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 내측에 공간부(612)가 형성되고 후측에는 축공(614)이 형성되는 프레임(610)과, 상기 프레임(610)의 전면에 고정되되 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 제1나선형날개(622)가 형성되며 중심부에는 2차 작동유체가 유입되는 유입구(624)가 형성되고 외측에는 2차 작동유체가 유출되는 토출구(625)가 형성되는 고정스크롤(620)과, 전면에는 상기 고정 스크롤(620)의 제1나선형날개(622)와 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 제2나선형날개(632)가 형성되고 후면 중앙에는 지지홈(634)이 형성되어 고정스크롤(620)과의 사이의 공간에서 선회하여 중심부에서 유입된 2차 작동유체를 연속적으로 압축하는 선회스크롤(630)과, 상기 프레임(610)의 공간부(612)에 설치되어 선회스크롤(630)의 자전을 방지하는 올드햄링(640)과, 상기 프레임(610)의 축공(614)에 회전이 자유롭게 축설되되 전단에는 상기 선회스크롤(630)의 지지홈(634)에 회전이 자유롭게 끼워지는 편심축부(652)가 구비되고 후단에는 회전축부(654)가 구비되는 크랭크샤프트(650)와, 상기 크랭크샤프트(650)가 회전시에 균형을 맞춰주기 위해 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)에 설치되는 밸런스웨이트(660,662)와, 상기 프레임(610)의 후단부를 마감하는 레어커버(670)로 이루어진다.

물론, 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654) 후단에는 발전기(1)의 축(1a)이 연결되어 발전기(1)를 구동하게 된다.

그리고, 상기 레어커버(670)와 프레임(610) 후단 사이에는 트로코이드펌프(680)가 구비되어 크랭크샤프트(650)가 회전시에 오일탱크(682)의 오일이 유입되면서 회전축의 정속성 등을 유지해주게 된다.

이때, 상기 트로코이드펌프(680)는 프레임(610) 후단에 밀착되며 오일탱크(682)의 오일이 유입되는 유입공(684a)이 일측에 형성되고, 중앙의 관통공(684b) 방향으로 오일이 유출되는 유출공(684c)이 형성되는 전면케이스(684)와, 상기 전면케이스(684)의 후단에 구비되며 안착공(686a)이 형성되는 후단케이스(686)와, 상기 후단케이스(686)의 안착공(686a)에 회전자재하게 장착되되 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)와 일체로 회전하는 구동기어(687)와, 상기 후단케이스(686)의 안착공(686a)과 구동기어(687)의 외측에 구비되어 상기 구동기어(687)의 회전시에 편심되어 회전하는 종동기어(688)로 이루어진다.

또한, 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)는 상기 전면케이스(684)가 밀착되는 관통공(684b) 부분에 상기 유출공(684c)을 통해 유출되는 오일이 모이는 단차면(654a)이 형성되고, 상기 단차면(654a)에는 인입공(654b)이 형성되고, 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)에는 상기 인입공(654b)과 연통되며 상기 프레임(610)의 공간부(612)와 연통되는 오일안내공(654c)이 축방향으로 형성된다.

그리고, 상기 프레임(610)에는 상기 공간부(612)로 유입되는 오일을 오일탱크(682)로 배출하기 위한 배출공(617)이 형성된다.

따라서, 오일이 트로코이드펌프(680)의 구동을 통해 오일탱크(682)의 오일이 강제로 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)의 축방향으로 형성되는 오일안내공(654c)을 따라 프레임(610)의 공간부(612)로 유입 및 순환되면서 크랭크샤프트(650)의 회전시에 프레임(610) 등을 냉각시켜 온도가 상승되는 것을 방지하고 정속 운전이 가능해진다.

이 경우, 상기 프레임(610)와 고정스크롤(620), 프레임(610)과 트로코이드펌프(680), 트로코이드펌프(680)와 레어커버(670) 사이에는 누수방지용 오링(684,685,686)이 체결된다.

한편, 상기 선회스크롤(630)의 후면 중앙에 형성되는 지지홈(624)에는 편심축부(652)가 원활하게 회전할 수 있도록 하기 위해 허브부시(690)가 체결되고, 그 허브부시(690)에 크랭크샤프트(650)의 편심축부(652)가 끼워진다.

그리고, 상기 프레임(610)의 축공(614)에는 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)가 회전이 자유롭게 축설되도록 하기 위해 다수의 베어링(658,659)이 체결된다. 이와 같은 베어링(658,659)에 의해 회전축부(654)의 회전저항을 줄여주어 전기 생산 효율을 증대시킬 수 있다.

한편, 상기 밸런스웨이트(660,662)는 프레임(610)의 공간부(612)에 위치하고, 상기 밸런스웨이트(660,662)는 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654) 후단에 설치된다. 이때, 상기 밸런스웨이트(660,662)는 서로 반대방향으로 편향되게 설치되어 크랭크샤프트(650)가 회전시에 균형을 맞춰줌으로서, 크랭크샤프트(650)가 균형을 이루며 안정적인 회전이 이루어지도록 한다.

이상의 구조를 갖는 스크롤 팽창기(600)는 유입구(624)를 통해 2차 작동유체가 유입되면 고정스크롤(620)의 제1나선형날개(622)를 따라 안내되며 배출구(625)로 배출되는데 이때, 선회스크롤(630)이 고정스크롤(620)과 사이의 공간에서 선회하여 중심부에서 유입된 2차 작동유체를 연속적으로 압축하게 되면 선회스크롤(630)의 선회운동이 발생하게 된다.

이에 따라 선회스크롤(630)의 지지홈(624)에 위치한 크랭크샤프트(650)의 편심축부(652)가 회동하게 되고, 편심축부(652)와 일체로 연결된 회전축부(654)가 정위치에서 일방향으로 회전하게 된다. 이와 같은 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)의 회전에 따라 발전기(1)가 구동된다.

그리고 상기 스크롤 팽창기(600)를 거친 2차 작동유체는 약 35℃로 온도가 낮아닌 상태로 응축기(700)에 유입되어 냉각수(702)를 이용한 열교환을 통해 응축되어 서지탱크(800)로 모여 제2펌프(900)의 구동으로 증발기(400)로 재투입되어 약 70 ~ 90℃(바람직하게는 80℃)로 가열 및 압축된다.

이때, 제2펌프(900)의 구동으로 21bar의 일정압력을 가해 2차 작동유체를 강제순환시키게 되며, 이와 같은 2차 작동유체는 스크롤 팽창기(600)를 거치면서 약 8 ~ 9bar의 압력으로 낮아진다.

한편, 스크롤 팽창기(600)를 통해 배출되는 2차 작동유체는 약 35℃의 온도이지만, 제2펌프(900)를 구동하면 2차 작동유체의 압력이 상승하면서 약 2℃ 정도의 온도상승이 일어난다.

이상의 1차 사이클을 거치면서 순환하는 1차 작동유체의 열에너지를 열교환기(400)를 통해 열교환 하고 2차 작동유체를 이용해 발전기(1)의 회전 구동력을 얻어 양호한 운전조건을 얻을 수 있어 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.

한편, 도 8은 본 발명에 따른 시스템의 적용 예를 도시한 도면이다. 이에 의하면, 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템은 주택(10)의 지붕(11)에 집열판(200)을 설치하고 이를 통해 주택 내에서 필요한 전기나 난방용이나 온수용 열을 생산하여 공급한다.

이때, 상기 태양열 집열판(200)은 그 용도가 독립된 주택용으로 한정되지 않고, 아파트의 벽이나 지붕에 집열판(200)을 넓게 설치해서 아파트 전체에서 필요한 열의 일부 또는 전부를 공급할 수도 있고, 여러 개의 주택(10)을 하나로 묶어 이들 주택(10) 지붕(11) 위에서 만들어진 열을 한군데에 모았다가 대단위 난방을 할 수도 있다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같은 1차 및 2차 작동유체가 순환하는 집열판(200), 압력탱크(300), 열교환기(400), 제1펌프(500)와, 열교환기(400), 스크롤 팽창기(600), 응축기(700), 서지탱크(800), 제2펌프(900) 등으로 이루어지는 본 발명에 따른 시스템(20)을 통해 발전기(1)를 구동하여 전기를 효율적으로 생산하여 도 8에 도시된 바와 같은 주택(10) 내의 온풍기(12), 에어컨(13), 전등(14), 냉장고(15), TV(16) 등의 구동을 위해 사용할 수 있다.

아울러, 상기 압력탱크(300)의 1차 작동유체는 열교환기(400)를 통해 2차 작동유체와의 열교환을 수행하는 것 이외에 별도로 주택(10) 내 난방을 위해 설치되는 난방용 배관(410)과 연결되어 필요에 따라 열교환기(400)를 통해 1차 작동유체를 순환시키고 난방용 배관(410)을 통해 잔여분의 1차 작동 유체를 순환시킴으로서 건물 등의 난방을 함께 수행할 수 있다.

물론, 필요에 따라서는 욕조(17) 또는 샤워기(18)를 통해 1차 작동유체인 온수를 배출하도록 하여 목욕 또는 샤워용 용수로 사용하거나 1차 작동유체를 이용해 별도의 열교환기(미도시됨)를 통해 수도배관에서 공급되는 급수를 가열하여 사용함도 바람직하다.

이상과 같이 본 발명의 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등의 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미친다.

1: 발전기 100: 태양열
200: 집열판 300: 압력탱크
400: 열교환기 500: 제1펌프
600: 스크롤 팽창기 700: 응축기
800: 서지탱크 900: 제2펌프

Claims (8)

1. 태양열(100)로 1차 작동유체를 고온으로 가열하는 집열판(200)과, 상기 집열판(200)을 통해 가열된 1차 작동유체가 충진되는 압력탱크(300)와, 상기 압력탱크(300)의 고온 및 고압상태의 1차 작동유체가 순환하며 2차 작동유체와 열교환을 수행하는 열교환기(400)와, 상기 열교환기(400)를 거친 1차 작동유체를 집열판(200)으로 강제 투입시키는 제1펌프(500)와, 상기 열교환기(400)를 통해 열교환된 2차 작동유체의 열에너지를 발전기(1)의 축(1a) 동력으로 전환하는 스크롤 팽창기(600)와, 상기 스크롤 팽창기(600)를 거친 2차 작동유체를 냉각하는 응축기(700)와, 상기 응축기(700)를 거친 냉각상태의 2차 작동유체가 충진되는 서지탱크(800)와, 상기 서지탱크(800)의 2차 작동유체를 상기 열교환기(400)로 강제 투입하는 제2펌프(900)로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 압력탱크(300)의 1차 작동유체는 열교환기(400)와 난방용 배관(410)으로 순환되는 것을 특징으로 하는 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 스크롤 팽창기(600)는;
   내측에 공간부(612)가 형성되고 후측에는 축공(614)이 형성되는 프레임(610)과, 상기 프레임(610)의 전면에 고정되되 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 제1나선형날개(622)가 형성되며 중심부에는 2차 작동유체가 유입되는 유입구(624)가 형성되고 외측에는 2차 작동유체가 유출되는 토출구(625)가 형성되는 고정스크롤(620)과, 전면에는 상기 고정 스크롤(620)의 제1나선형날개(622)와 맞물려 중심부로부터 나선형을 이루며 외주부로 연장되는 제2나선형날개(632)가 형성되고 후면 중앙에는 지지홈(634)이 형성되어 고정스크롤(620)과의 사이의 공간에서 선회하여 중심부에서 유입된 2차 작동유체를 연속적으로 압축하는 선회스크롤(630)과, 상기 프레임(610)의 축공(614)에 회전이 자유롭게 축설되되 전단에는 상기 선회스크롤(630)의 지지홈(634)에 회전이 자유롭게 끼워지는 편심축부(652)가 구비되고 후단에는 회전축부(654)가 구비되는 크랭크샤프트(650)와, 상기 프레임(610)의 후단부를 마감하는 레어커버(670)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 프레임(610)의 공간부(612)에는 상기 선회스크롤(630)의 자전을 방지하는 올드햄링(640)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)에는 밸런스웨이트(660,662)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 레어커버(670)와 프레임(610) 후단 사이에는 트로코이드펌프(680)가 구비되어 크랭크샤프트(650)가 회전시에 오일탱크(682)의 오일이 입출되는 것을 특징으로 하는 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 트로코이드펌프(680)는;
   상기 프레임(610) 후단에 밀착되며 오일탱크(682)의 오일이 유입되는 유입공(684a)이 일측에 형성되고 중앙의 관통공(684b) 방향으로 오일이 유출되는 유출공(684c)이 형성되는 전면케이스(684)와, 상기 전면케이스(684)의 후단에 구비되며 안착공(686a)이 형성되는 후단케이스(686)와, 상기 후단케이스(686)의 안착공(686a)에 회전자재하게 장착되되 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)와 일체로 회전하는 구동기어(687)와, 상기 후단케이스(686)의 안착공(686a)과 구동기어(687)의 외측에 구비되어 상기 구동기어(687)의 회전시에 편심되어 회전하는 종동기어(688)로 이루어지며;
   상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)는 상기 전면케이스(684)가 밀착되는 관통공(684b) 부분에 상기 유출공(684c)을 통해 유출되는 오일이 모이는 단차면(654a)이 형성되고, 상기 단차면(654a)에는 인입공(654b)이 형성되고, 상기 크랭크샤프트(650)의 회전축부(654)에는 상기 인입공(654b)과 연통되며 상기 프레임(610)의 공간부(612)와 연통되는 오일안내공(654c)이 축방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 1차 작동유체는 물이고, 상기 2차 작동유체는 유기 냉매인 R134a인 것을 특징으로 하는 태양열을 열원으로 하는 스크롤 팽창기 발전시스템.

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