KR101412693B1 - System for supercritical Brayton cycle with two reverse rotor generator - Google Patents

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유용환
김준연
우상익
강경준
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한국원자력연구원
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Abstract

The present invention relates to a supercritical Brayton cycle system (1000) using two reverse rotor generators, including: a heat source (100) which heats up supercritical working fluid to a temperature higher than the critical temperature and critical pressure; a turbine (200) which rotates by the expansion of the supercritical working fluid fed from the heat source (100); a cooler (300) which cools down the supercritical working fluid fed from the turbine (200); a compressor (400) which compresses the supercritical working fluid fed from the cooler (300) and feeds the supercritical working fluid to the heat source (100); a rotating shaft (500) which connects the turbine (200) and the compressor (400); a generator (600) which includes an inner rotator (610) coupled to the rotating shaft and rotates as the rotating shaft rotates, an outer rotator (610) which is installed outside of the inner rotator (610), thereby generating electricity by the rotation of the inner and outer rotators; and a compensator (700) which compensates frequency of the inner rotator (610) by rotating the outer rotor (620) in order to maintain the setting frequency of electricity generated by the generator (600).

Description

두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템{System for supercritical Brayton cycle with two reverse rotor generator}[0001] The present invention relates to a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators,

본 발명은 초임계 유체를 작동유체로 하여 발전하는 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators powered by a supercritical fluid as a working fluid.

기존의 화력, 원자력 발전소에서는 물과 수증기를 작동유체로 하는 랭킨 사이클을 이용함으로써 전력을 생산하고 있다. 고온 고압의 가스를 이용하여 터빈을 구동시키는 브레이튼 사이클은 터빈의 회전축에 압축기가 물려있어 랭킨 사이클보다 효율이 더 높다는 것은 익히 알려져 있다.Conventional firepower and nuclear power plants produce electricity by using Rankine cycle, which uses water and water vapor as the working fluid. It is well known that the Brayton cycle, which drives the turbine using high temperature and high pressure gas, is more efficient than the Rankine cycle because the compressor is attached to the rotary shaft of the turbine.

특히, 사이클의 모든 부분에서 작동유체가 임계점 이상의 조건을 유지하며, 사이클의 최저 운전온도 및 압력 조건인 압축기 유입조건이 임계점 바로 위에 위치하는 열역학 사이클을 초임계 브레이튼 사이클이라고 한다. In particular, the thermodynamic cycle in which the working fluid remains above the critical point in all parts of the cycle, and where the compressor inlet conditions, which are the lowest operating temperature and pressure conditions of the cycle, lie just above the critical point, are called supercritical Brayton cycles.

또한, 초임계 브레이튼 사이클을 이용하여 발전하는 발전소(발전설비)를 초임계압력 발전소라고 한다. In addition, a power plant (power generation facility) that generates electricity using a supercritical Brayton cycle is called a supercritical pressure power plant.

또한, 초임계압력 발전소에서 사용되는 통상의 작동유체(초임계 작동유체)는, 임계압력 75.22 kg/㎠ 이상, 임계온도 30.98℃(301.13K) 이상의 이산화탄소(작동유체)를 사용한다.In addition, a normal working fluid (supercritical working fluid) used in a supercritical pressure power plant uses carbon dioxide (working fluid) at a critical pressure of 75.22 kg / cm 2 or more and a critical temperature of 30.98 캜 (301.13 K) or more.

초임계 브레이튼 사이클은 다음과 같은 이점을 가진다.The supercritical Brayton cycle has the following advantages.

1) 사이클 내에서 상변화가 일어나지 않기 때문에 터빈이나 압축기에서 이상류에 의한 블레이드의 파괴 우려가 없다. 2) 그리고, 압축기의 유입 조건이 임계점 부근에 위치함으로써 작동유체의 높은 밀도와 열용량(heat capacity)으로 인해 압축기가 마치 펌프와 같이 동작하여 소모 일이 크게 줄어든다. 결과적으로, 터빈 일(work)과 압축기 일의 차이로 나타내지는 순일의 양이 증가하여 사이클의 열이용 효율이 크게 증가한다.1) Since there is no phase change in the cycle, there is no fear of destruction of the blade due to the abnormal flow in the turbine or compressor. 2) Since the inflow condition of the compressor is near the critical point, the high density of the working fluid and the heat capacity cause the compressor to behave like a pump, which greatly reduces the consumption. As a result, the amount of circulation represented by the difference between the work of the turbine and the work of the compressor increases, and the heat utilization efficiency of the cycle is greatly increased.

이 때, 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 있어서, 발전터빈, 압축기, 발전기가 모두 동일한 회전축에 물려 있으며, 발전기의 내측에 회전축이 결합되며 자극이 설치되는 제1회전자와, 제1회전자의 외측에 도체로 이루어지는 제2회전자가 설치된다.At this time, in a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators, all of the power turbine, the compressor, and the generator are connected to the same rotating shaft, the rotating shaft is coupled to the inside of the generator, And a second rotor comprising a conductor on the outer side of the first rotor.

그러나, 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템은 발전초기에 터빈, 및 회전축이 저속으로 회전되면, 발전기에서 발생하는 전력의 주파수가 전력망 주파수에 도달하지 못하게 되므로, 발전기에서 발생하는 전력의 주파수의 설정 값이 될 수 있도록 제2회전자를 회전시키기 위한 별도의 수단이 요구되고 있다.However, in a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators, when the turbine and the rotary shaft are rotated at low speed in the early stage of power generation, the frequency of the power generated in the generator is not reached to the power grid frequency, A separate means for rotating the second rotor so as to be a set value of the frequency of the electric power is required.

이와 관련된 기술로서, 한국공개특허 제2004-0004644호는 헬륨을 작동 유체로서 이용하고 폐 루프 발전 회로를 구비하며, 상기 폐 루프 발전 회로는 열역학적 변환 사이클로서 브레이튼 사이클을 이용하도록 의도되고, 그리고 입구 및 출구를 갖는 원자로와, 상류측이 원자로의 출구에 연결되는 터빈 장치와, 터빈 장치가 구동 가능하게 연결되는 적어도 하나의 압축기와, 적어도 하나의 열교환기를 포함하는 원자력 발전소에서, 브레이튼 사이클을 개시하는 방법에 있어서, 미리 대기 모드에 있지 않는 경우, 발전 회로를 시동 송풍 시스템에 의해 헬륨이 발전 회로 주위를 순환하는 대기 모드에 이르게 하는 단계와, 적어도 하나의 압축기가 시동 송풍 시스템의 지원 없이 발전 회로 주위에서 헬륨을 순환시키는 것이 가능할 때까지 발전 회로에서 발생되는 전력을 증가시키는 단계를 포함하는 브레이튼 사이클 개시 방법을 제시하고 있다.As a related art, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2004-0004644 uses helium as a working fluid and has a closed loop power generation circuit, which is intended to use a Brayton cycle as a thermodynamic conversion cycle, At a nuclear power plant comprising a reactor having an outlet and an outlet, a turbine device having an upstream side connected to the outlet of the reactor, at least one compressor to which the turbine device is driveably connected, and at least one heat exchanger, Comprising the steps of bringing the power generation circuit into a standby mode in which the helium circulates around the power generation circuit by means of a starting blowing system when the power generation circuit is not in a standby mode in advance, Which is generated in the generator circuit until it is possible to circulate the helium around it It suggests the initiation Brayton cycle comprises the step of increasing the power.

그러나 종래기술은 발전초기에 발전기 전력의 주파수가 일정 값이 될 수 있도록 브레이튼 사이클 시스템의 일부 동력을 사용하는 시동 송풍 시스템을 이용함으로써, 브레이튼 사이클 시스템의 효율이 저하되는 문제점이 있다.However, in the prior art, there is a problem in that the efficiency of the Brayton cycle system is deteriorated by using the starting blowing system that uses some power of the Brayton cycle system so that the frequency of the generator power can be a constant value at the initial stage of power generation.

따라서 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 다양한 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
Therefore, it is necessary to develop a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators in order to solve the above-mentioned problems.

한국공개특허 제2004-0004644호 (2004.01.13)Korean Patent Publication No. 2004-0004644 (Jan. 13, 2004)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 발전초기에 발전기 전력의 주파수가 일정 값이 될 수 있으면서도 초임계 브레이튼 사이클의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템을 제공하기 위한 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a power generation apparatus and a power generation apparatus, which can prevent a decrease in efficiency of a supercritical Brayton cycle, And a supercritical Brayton cycle system having a reverse rotor generator.

본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템(1000)은 초임계 작동유체를 임계온도 및 임계압력 이상으로 가열하는 열원(100); 상기 열원(100)에서 이송된 초임계 작동유체의 팽창에 의해 회전하는 터빈(200); 상기 터빈(200)에서 이송된 초임계 작동유체를 냉각하는 냉각기(300); 상기 냉각기(300)에서 이송된 초임계 작동유체를 압축하여 상기 열원(100)으로 공급하는 압축기(400); 상기 터빈(200)과 압축기(400)를 연결하는 회전축(500); 상기 회전축(500)에 연결되어 연동 회전되는 내측회전자(610)와, 상기 내측회전자(610)의 외측에 설치되는 외측회전자(620)를 포함하여, 상기 내측회전자(610)와 외측회전자(620)의 회전에 의해 전력이 발생하는 발전기(600); 및 상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수가 설정 값을 유지할 수 있도록 상기 외측회전자(620)를 회전시켜 상기 내측회전자(610)의 회전수를 보상하는 보상수단(700);을 포함하는 것을 특징으로 한다.A supercritical Brayton cycle system (1000) having two reverse rotor generators in accordance with the present invention includes a heat source (100) for heating supercritical working fluid above a critical temperature and a critical pressure; A turbine (200) rotating by expansion of the supercritical working fluid transferred from the heat source (100); A cooler 300 for cooling the supercritical working fluid transferred from the turbine 200; A compressor 400 for compressing supercritical working fluid transferred from the cooler 300 and supplying the compressed working fluid to the heat source 100; A rotating shaft 500 connecting the turbine 200 and the compressor 400; An inner rotor 610 connected to the rotary shaft 500 and interlocked with the inner rotor 610 and an outer rotor 620 installed outside the inner rotor 610, A generator 600 generating electric power by rotation of the rotor 620; And a compensating means (700) for compensating the number of revolutions of the inner rotor (610) by rotating the outer rotor (620) so that the power frequency generated by the generator (600) can maintain a set value .

또한, 상기 보상수단(700)은 상기 내측회전자(610)의 회전수를 측정하는 회전수센서(710)와, 상기 외측회전자(620)에 기어 결합되며 상기 회전수센서(710)에서 측정된 회전수에 따라 상기 외측회전자(620)를 회전시키는 서보모터(720)를 포함하는 것을 특징으로 한다.The compensation means 700 includes a rotation speed sensor 710 for measuring the rotation speed of the inner rotor 610 and a rotation speed sensor 710 which is gear-coupled to the outer rotor 620, And a servo motor 720 for rotating the outer rotor 620 in accordance with the number of rotations of the outer rotor 620.

또한, 상기 서보모터(720)는 상기 내측회전자(610)의 회전수가 증가할수록 상기 외측회전자(620)의 회전수를 감소시키는 것을 특징으로 한다.The servo motor 720 may reduce the number of revolutions of the outer rotor 620 as the number of revolutions of the inner rotor 610 increases.

또한, 상기 초임계 작동유체는 이산화탄소, 또는 헬륨인 것을 특징으로 한다.The supercritical working fluid may be carbon dioxide or helium.

또한, 상기 열원(100)은 원자로에서 발생하는 열원뿐 만 아니라 화력, 지열 등 범용적으로 열원을 사용 할 수 있는 것을 특징으로 한다.
In addition, the heat source 100 is characterized by being able to use a heat source in general, such as thermal power, geothermal heat, as well as a heat source generated in a nuclear reactor.

이에 따라, 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템은 초임계 작동유체를 임계온도 및 임계압력 이상으로 가열하는 열원; 상기 열원에서 이송된 초임계 작동유체의 팽창에 의해 회전되는 터빈; 상기 터빈에서 이송된 초임계 작동유체를 냉각하는 냉각기; 상기 냉각기에서 이송된 초임계 작동유체를 압축하여 상기 열원으로 공급하는 압축기; 상기 터빈과 압축기를 연결하는 회전축; 상기 회전축에 연결되어 연동 회전되는 내측회전자와, 상기 내측회전자의 외측에 설치되는 외측회전자를 포함하여, 상기 내측회전자와 외측회전자의 회전에 의해 전력이 발생하는 발전기; 및 상기 발전기에서 발생하는 전력 주파수가 일정 값을 유지할 수 있도록 상기 외측회전자를 회전시켜 상기 내측회전자의 회전수를 보상하는 보상수단;을 포함하여 구성됨으로써, 보상수단을 이용하여 발전초기에 발전기 전력의 주파수가 설정 값이 될 수 있으면서도 초임계 브레이튼 사이클의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
Accordingly, a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators according to the present invention includes a heat source for heating the supercritical working fluid to above a critical temperature and a critical pressure; A turbine rotated by expansion of the supercritical working fluid transferred from the heat source; A cooler for cooling the supercritical working fluid transferred from the turbine; A compressor for compressing the supercritical working fluid transferred from the cooler and supplying it to the heat source; A rotating shaft connecting the turbine and the compressor; An inner rotor connected to the rotating shaft and rotated in conjunction therewith, and an outer rotor disposed outside the inner rotor, the generator generating power by rotation of the inner rotor and the outer rotor; And a compensating means for compensating for the number of rotations of the inner rotor by rotating the outer rotor so that the power frequency generated by the generator can be maintained at a constant value, It is possible to prevent the efficiency of the supercritical Brayton cycle from deteriorating while the frequency of the power can be the set value.

도 1은 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템의 블록구성도
도 2는 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템의 개략도
도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 발전기의 작동도
도 5는 종래의 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템의 발전양에 따른 초임계 브레이튼 사이클의 효율과 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템의 발전양에 따른 초임계 브레이튼의 효율을 각각 나타낸 그래프1 is a block diagram of a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators according to the present invention;
Figure 2 is a schematic diagram of a supercritical Brayton cycle system with two reverse rotor generators according to the present invention
Figures 3 to 4 illustrate the operation of the generator according to the present invention
5 is a graph showing the efficiency of a supercritical Brayton cycle according to the amount of generation of a supercritical Brayton cycle system having two conventional reverse rotor generators and a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators according to the present invention Graph showing the efficiency of supercritical Brayton according to the amount of power generation

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the technical idea of the present invention will be described more specifically with reference to the accompanying drawings.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the technical concept of the present invention, are incorporated in and constitute a part of the specification, and are not intended to limit the scope of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템의 블록구성도, 도 2는 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템의 개략도, 도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 발전기의 작동도이다.FIG. 1 is a block diagram of a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators according to the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram of a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators according to the present invention, 3 to 4 are operation diagrams of a generator according to the present invention.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템(1000)은 열원(100), 터빈(200), 냉각기(300), 압축기(400), 회전축(500), 발전기(600)를 포함하여 구성된다.1 and 2, a supercritical Briteon cycle system 1000 having two reverse rotor generators according to the present invention includes a heat source 100, a turbine 200, a cooler 300, a compressor 400, a rotating shaft 500, and a generator 600.

상기 열원(100)은 원자로, 화로에서 얻어지는 열에너지를 이용할 수 있으며, 초임계 작동유체를 임계온도 및 임계압력 이상으로 가열한다.The heat source 100 can utilize the thermal energy obtained from the reactor and the furnace, and heats the supercritical working fluid to above the critical temperature and the critical pressure.

이 때, 초임계 작동유체의 임계압력은 75.22 kg/㎠ 이상일 수 있고, 초임계 작동유체의 임계온도는 30.98℃(301.13K) 이상일 수 있다.At this time, the critical pressure of the supercritical working fluid may be greater than 75.22 kg / cm 2, and the critical temperature of the supercritical working fluid may be greater than 30.98 ° C (301.13 K).

상기 터빈(200)은 상기 열원(100)에서 이송된 초임계 작동유체가 팽창되면서 회전된다.The turbine 200 is rotated while the supercritical working fluid transferred from the heat source 100 is expanded.

상기 냉각기(300)는 상기 터빈(200)에서 팽창된 상태로 이송된 초임계 작동유체를 냉각하여 초임계 작동유체의 온도를 소정의 온도로 제어하여 배출할 수 있게 한다.The cooler 300 cools the supercritical working fluid transferred in the expanded state from the turbine 200 to control the temperature of the supercritical working fluid to a predetermined temperature and discharge it.

상기 압축기(400)는 상기 냉각기(300)에서 냉각된 상태로 이송된 초임계 작동유체를 압축하여 상기 열원(100)으로 배출한다.The compressor (400) compresses supercritical working fluid transferred in a cooled state in the cooler (300) and discharges it to the heat source (100).

상기 회전축(500)은 상기 터빈(200)과 압축기(400)를 연결하며, 상기 압축기(400)는 상기 터빈(200)의 회전력에 의해 회전되며 작동하게 된다.The rotary shaft 500 connects the turbine 200 and the compressor 400 and the compressor 400 is rotated and operated by the rotational force of the turbine 200.

상기 발전기(600)는 전력이 발생하는 구성으로, 내측회전자(610)와 외측회전자(620)를 포함하여 구성될 수 있다.The generator 600 is configured to generate electric power and may include an inner rotor 610 and an outer rotor 620.

상기 내측회전자(610)는 상기 회전축(500)에 연결되어 상기 터빈(200)의 회전력에 의해 연동 회전되며, 코일이 감긴 자석으로 이루어질 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.The inner rotor 610 may be connected to the rotating shaft 500 and rotated together with the rotating force of the turbine 200 and may be made of a magnet wound with a coil, but the present invention is not limited thereto.

상기 외측회전자(620)는 상기 내측회전자(610)의 외측에 설치되며, 내부에 상기 내측회전자(610)가 설치되는 도체로 형성되거나, 내주면에 다수의 도체가 설치되는 슬롯이 형성되며 내부에 상기 내측회전자(610)가 설치되는 유도관으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다.The outer rotor 620 is installed on the outer side of the inner rotor 610 and is formed of a conductor having the inner rotor 610 installed therein or a slot having a plurality of conductors installed on the inner circumferential surface thereof And the inner rotor 610 may be formed as an induction tube, but the present invention is not limited thereto.

또한, 상기 내측회전자(610)와 외측회전자(620)는 상기 내측회전자(610)가 유도관으로 형성될 수 있고, 상기 외측회전자(620)가 코일이 감긴 자석으로 이루어질 수 있다.The inner rotor 610 and the outer rotor 620 may be formed of an induction pipe and the outer rotor 620 may be a magnet wound with a coil.

즉, 상기 발전기(600)는 상기 내측회전자(610)의 자극 N, S가 회전되면서 상기 외측회전자(620)의 도체에 기전력이 얻어지는 것으로 전력이 발생된다.That is, in the generator 600, the magnetic poles N and S of the inner rotor 610 are rotated, and electromotive force is obtained in the conductors of the outer rotor 620 to generate electric power.

한편, 상기 회전축(500)은 상기 터빈(200)이 발전 초기에 저속으로 회전하면서 서서히 회전함에 따라, 상기 회전축(500)도 발전 초기에 저속으로 회전하게 되며, 상기 회전축(500)과 연동 회전되는 내측회전자(610)도 발전 초기에 저속으로 회전하게 된다.As the turbine 200 slowly rotates while rotating at a low speed in the initial stage of the power generation, the rotation shaft 500 rotates at a low speed in the initial stage of the power generation and is rotated in conjunction with the rotation shaft 500 The inner rotor 610 also rotates at a low speed in the initial stage of power generation.

이 때, 상기 발전기(600)는 상기 내측회전자(610)가 발전 초기에 저속으로 회전함에 따라, 상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수가 발전 초기에 설정 값을 유지하지 못하게 된다.At this time, as the inner rotor 610 rotates at low speed in the initial stage of the power generation, the generator 600 can not maintain the set value at the initial stage of power generation.

이에 대해 예를 들어 설명하기로 한다.This will be described by way of example.

상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수의 설정 값을 60Hz로 가정하면, Assuming that the set value of the power frequency generated by the generator 600 is 60 Hz,

극수 p인 상기 내측회전자(610)가 매초 n 회전되면서 얻어지는 전력 주파수(f)는 f = pn/2의 관계가 성립되며, 상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수의 설정 값인 60Hz가 유지되기 위해해서는 상기 내측회전자(610)가 매초 60번 회전되어야 된다.The power frequency f obtained when the inner rotor 610 having the pole number p is rotated n times per second is f = pn / 2, and the set value of the power frequency generated by the generator 600 is maintained at 60 Hz The inner rotor 610 must be rotated 60 times per second.

그러나, 상기 터빈(200), 및 회전축(500)이 발전 초기에 매초 1 ~ 60번 회전하기 때문에 상기 내측회전자(610)도 1 ~ 60번 회전되어 상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수의 설정 값인 60Hz가 될 수 없게 된다.However, since the turbine 200 and the rotating shaft 500 are rotated 1 to 60 times per second at the beginning of the power generation, the inner rotor 610 is also rotated 1 to 60 times so that the power frequency of the generator 600 The set value of 60 Hz can not be obtained.

이에 따라, 상기 외측회전자(620)를 좀 더 회전시켜야, 상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수의 설정 값을 60Hz로 제어할 수 있게 된다.Accordingly, the outer rotor 620 must be further rotated to control the set value of the power frequency generated by the generator 600 to be 60 Hz.

상기 보상수단(700)은 상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수가 설정 값을 유지할 수 있도록 상기 외측회전자(620)를 회전시켜 상기 내측회전자(610)의 회전수를 보상하는 역할을 한다.The compensating means 700 compensates the rotation number of the inner rotor 610 by rotating the outer rotor 620 so that the power frequency generated by the generator 600 can maintain the set value .

종래 기술들은 상기 외측회전자(620)를 좀 더 회전시키기 위하여 상기 터빈(200)의 동력을 이용함에 따라, 초임계 브레이튼 사이클의 효율이 저하되었다.Prior art techniques have utilized the power of the turbine 200 to further rotate the outer rotor 620, thereby reducing the efficiency of the supercritical Brayton cycle.

그러나, 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템(1000)은 초임계 작동유체를 임계온도 및 임계압력 이상으로 가열하는 열원(100); 상기 열원(100)에서 이송된 초임계 작동유체의 팽창에 의해 회전되는 터빈(200); 상기 터빈(200)에서 이송된 초임계 작동유체를 냉각하는 냉각기(300); 상기 냉각기(300)에서 이송된 초임계 작동유체를 압축하여 상기 열원(100)으로 공급하는 압축기(400); 상기 터빈(200)과 압축기(400)를 연결하는 회전축(500); 상기 회전축(500)에 연결되어 연동 회전되는 내측회전자(610)와, 상기 내측회전자(610)의 외측에 설치되는 외측회전자(620)를 포함하여, 상기 내측회전자(610)와 외측회전자(620)의 회전에 의해 전력이 발생하는 발전기(600); 및 상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수가 일정 값을 유지할 수 있도록 상기 외측회전자(620)를 회전시켜 상기 내측회전자(610)의 회전수를 보상하는 보상수단(700);을 포함하여 구성됨으로써, 보상수단(700)을 이용하여 발전 초기에 발전기(600)의 전력의 주파수가 설정 값이 될 수 있으면서도 초임계 브레이튼 사이클의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
However, supercritical Brayton cycle system 1000 with two reverse rotor generators in accordance with the present invention includes a heat source 100 for heating the supercritical working fluid above a critical temperature and a critical pressure; A turbine (200) rotated by the expansion of the supercritical working fluid transferred from the heat source (100); A cooler 300 for cooling the supercritical working fluid transferred from the turbine 200; A compressor 400 for compressing supercritical working fluid transferred from the cooler 300 and supplying the compressed working fluid to the heat source 100; A rotating shaft 500 connecting the turbine 200 and the compressor 400; An inner rotor 610 connected to the rotary shaft 500 and interlocked with the inner rotor 610 and an outer rotor 620 installed outside the inner rotor 610, A generator 600 generating electric power by rotation of the rotor 620; And a compensating means (700) for compensating the rotation speed of the inner rotor (610) by rotating the outer rotor (620) so that the power frequency generated by the generator (600) can be maintained at a constant value It is possible to prevent the efficiency of the supercritical Brayton cycle from being lowered while the frequency of the power of the generator 600 can be set to the set value at the beginning of the power generation by using the compensation means 700. [

한편, 상기 보상수단(700)은 회전수센서(710)와 서보모터(720)를 포함하여 구성될 수 있다.The compensation means 700 may include a rotation speed sensor 710 and a servo motor 720.

상기 회전수센서(710)는 상기 내측회전자(610)에 설치되어 상기 내측회전자(610)의 회전수를 측정한다.The rotation speed sensor 710 is installed on the inner rotor 610 to measure the rotation speed of the inner rotor 610.

상기 서보모터(720)는 상기 외측회전자(620)에 기어 결합되며 상기 회전수센서(710)에서 측정된 회전수에 따라 상기 외측회전자(620)를 회전시키거나 회전시키지 않는 역할을 한다.The servo motor 720 is gear-coupled to the outer rotor 620 and does not rotate or rotate the outer rotor 620 according to the rotational speed measured by the rotational speed sensor 710.

이에 대해 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.This will be described in more detail.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 서보모터(720)는 상기 내측회전자(610)의 회전 초기에 상기 회전수센서(710)에서 측정된 상기 내측회전자(610)의 회전수에 따라, 상기 외측회전자(620)를 회전시켜, 상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수를 설정 값으로 유지시킨다.3, the servo motor 720 rotates the inner rotor 610 in accordance with the rotation speed of the inner rotor 610 measured by the rotation speed sensor 710 at the beginning of the rotation of the inner rotor 610, The outer rotor 620 is rotated to maintain the power frequency generated by the generator 600 at a set value.

이 때, 상기 서보모터(720)는 상기 내측회전자(610)의 회전수가 증가할수록 상기 외측회전자(620)의 회전수를 감소시킨다.At this time, the servo motor 720 decreases the number of revolutions of the outer rotor 620 as the number of revolutions of the inner rotor 610 increases.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 서보모터(720)는 상기 내측회전자(610)의 회전수가 최대로 증가되어, 상기 회전수에서 측정된 상기 내측회전자(610)의 회전수로도 상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수의 설정 값이 유지될 경우, 상기 외측회전자(620)를 정지시키게 된다.4, the servomotor 720 has a maximum number of revolutions of the inner rotor 610, and the number of revolutions of the inner rotor 610, 600 is maintained, the outer rotor 620 is stopped.

한편, 상기 회전수센서(710)와 서보모터(720)의 작동 전원은 외부의 전원공급원에서 얻는 것이 바람직하다.The operating power of the rotation speed sensor 710 and the servo motor 720 is preferably obtained from an external power source.

이에 따라, 본 발명에 따른 서보모터(720)는 상기 내측회전자(610)의 회전수로도 상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수의 설정 값이 유지되는 시점부터 상기 외측회전자(620)를 회전시키기 위한 별도의 동력이 필요하지 않아서, 초임계 브레이튼 사이클의 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
Accordingly, the servomotor 720 according to the present invention can control the rotation of the outer rotor 620 from the time when the set value of the power frequency generated in the generator 600 is maintained as the rotation number of the inner rotor 610 There is no need for a separate power to rotate, and the efficiency of the supercritical Brayton cycle can be maximized.

한편, 상기 초임계 작동유체는 증기 또는 헬륨일 수 있으나, 이산화탄소와 헬륨이 서로 혼합된 혼합유체일 수 있으며, 질소 또는 대기 중의 공기일 수 있다.
Meanwhile, the supercritical working fluid may be steam or helium, but may be a mixed fluid of carbon dioxide and helium mixed with each other, and may be nitrogen or air in the air.

또한, 상기 보상수단(700)은 상기 회전수센서(710)와, 상기 내측회전자(610)에 기어 결합되어 상기 내측회전자(610)의 회전속도를 증가시키는 기어박스를 포함하여 구성될 수 있다.
The compensation means 700 may include the rotation speed sensor 710 and a gear box that is gear-connected to the inner rotor 610 to increase the rotation speed of the inner rotor 610 have.

상기 기어 박스는 상기 내측회전자(610)의 회전수가 증가할수록 상기 내측회전자(610)의 회전속도를 느리게 증가시킨다.
The gear box slowly increases the rotational speed of the inner rotor 610 as the number of rotations of the inner rotor 610 increases.

도 5는 종래의 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템의 발전양에 따른 초임계 브레이튼 사이클의 효율과 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템의 발전양에 따른 초임계 브레이튼의 효율을 각각 나타낸 그래프이다.. 이 때, 도 5에 도시된 점선은 종래의 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 관한 것이고, 도 5에 도시된 실선은 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템에 관한 것이며, X축은 발전양(Electrical output), Y축은 초임계 브레이튼 사이클의 효율(Cycle efficiency)을 나타낸 것이다.5 is a graph showing the efficiency of a supercritical Brayton cycle according to the amount of generation of a supercritical Brayton cycle system having two conventional reverse rotor generators and a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators according to the present invention 5 is a graph of a supercritical Brayton cycle system having two conventional reverse rotor generators, and FIG. 5B is a graph showing the relationship between the supercritical Brayton cycle and the supercritical Brayton cycle. The solid line shown in FIG. 5A relates to a supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators according to the present invention, wherein the X axis is the electrical output and the Y axis is the cycle efficiency of the supercritical Brayton cycle .

도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템은 발전 초기에 발전기에서 발생하는 전력의 주파수를 설정 값으로 유지하기 위하여 터빈의 회전력을 소비하기 때문에, 발전 초기에도 초임계 브레이튼 사이클의 효율이 저하된다.As shown in FIG. 5, since the supercritical Brayton cycle system having two conventional reverse rotor generators consume the rotational force of the turbine in order to keep the frequency of the power generated in the generator at a set value at the initial stage of power generation, The efficiency of the supercritical Brayton cycle lowers even in the early stage of power generation.

특히, 종래의 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템은 발전 초기를 지난 시점에서도 발전기에서 발생하는 전력의 주파수를 설정 값으로 유지하기 위하여 터빈의 회전력을 소비하기 때문에, 발전 초기를 지난 시점에서도 초임계 브레이튼 사이클의 효율이 저하된다.Particularly, since the supercritical Brayton cycle system having two conventional reverse rotor generators consumes the rotational power of the turbine in order to keep the frequency of the power generated in the generator at the set value even after the initial stage of the generation, Even at this point, the efficiency of the supercritical Brayton cycle is reduced.

그러나 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템은 발전 초기에는 발전기에서 발생하는 전력의 주파수를 설정 값으로 유지하기 위하여 터빈의 회전력을 소비하지 않는 보상수단을 이용하기 때문에, 발전 초기에도 초임계 브레이튼 사이클의 효율이 저하되지 않는다.However, since the supercritical Brayton cycle system having two reverse rotor generators according to the present invention uses a compensation means that does not consume the rotational force of the turbine in order to keep the frequency of the power generated in the generator at a set value at the beginning of power generation , The efficiency of the supercritical Brayton cycle is not lowered even in the early stage of power generation.

특히, 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템은 발전 초기를 지난 시점에서도 발전기에서 발생하는 전력의 주파수를 설정 값으로 유지하기 위하여 터빈의 회전력을 소비하지 않는 보상수단을 이용하되, 상기 발전기의 발전양이 최대가 되면 상기 보상수단의 작동을 중단함으로써, 발전기에서 발생하는 전력의 주파수를 설정 값으로 유지하기 위한 별도의 외부동력이 필요하지 않는 장점이 있다.
Particularly, in the supercritical Brayton cycle system having two reverse-direction rotor generators according to the present invention, in order to keep the frequency of power generated in the generator even at the initial stage of generation, There is an advantage that no external power is required to maintain the frequency of the power generated by the generator at a set value by stopping the operation of the compensating means when the generated amount of the generator becomes maximum.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

1000 : 본 발명에 따른 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템
100 : 열원
200 : 터빈
300 : 냉각기
400 : 압축기
500 : 회전축
600 : 발전기
610 : 내측회전자
620 : 외측회전자
700 : 보상수단
710 : 회전수센서
720 : 서보모터1000: supercritical Brayton cycle system with two reverse rotor generators according to the present invention
100: heat source
200: Turbine
300: cooler
400: Compressor
500:
600: generator
610: Inner rotor
620: outer rotor
700: compensation means
710: Rotational speed sensor
720: Servo motor

Claims (5)

초임계 작동유체를 임계온도 및 임계압력 이상으로 가열하는 열원(100);
상기 열원(100)에서 이송된 초임계 작동유체의 팽창에 의해 회전하는 터빈(200);
상기 터빈(200)에서 이송된 초임계 작동유체를 냉각하는 냉각기(300);
상기 냉각기(300)에서 이송된 초임계 작동유체를 압축하여 상기 열원(100)으로 공급하는 압축기(400);
상기 터빈(200)과 압축기(400)를 연결하는 회전축(500);
상기 회전축(500)에 연결되어 연동 회전되는 내측회전자(610)와, 상기 내측회전자(610)의 외측에 설치되는 외측회전자(620)를 포함하여, 상기 내측회전자(610)와 외측회전자(620)의 회전에 의해 전력이 발생하는 발전기(600); 및
상기 발전기(600)에서 발생하는 전력 주파수가 설정 값을 유지할 수 있도록 상기 외측회전자(620)를 회전시켜 상기 내측회전자(610)의 회전수를 보상하는 보상수단(700);을 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템(1000).
A heat source (100) for heating the supercritical working fluid above a critical temperature and a critical pressure;
A turbine (200) rotating by expansion of the supercritical working fluid transferred from the heat source (100);
A cooler 300 for cooling the supercritical working fluid transferred from the turbine 200;
A compressor 400 for compressing supercritical working fluid transferred from the cooler 300 and supplying the compressed working fluid to the heat source 100;
A rotating shaft 500 connecting the turbine 200 and the compressor 400;
An inner rotor 610 connected to the rotary shaft 500 and interlocked with the inner rotor 610 and an outer rotor 620 installed outside the inner rotor 610, A generator 600 generating electric power by rotation of the rotor 620; And
And a compensating means 700 for compensating the number of revolutions of the inner rotor 610 by rotating the outer rotor 620 so that the power frequency generated by the generator 600 can maintain a set value A supercritical Brayton cycle system (1000) having two reverse rotor generators.
제1항에 있어서, 상기 보상수단(700)은
상기 내측회전자(610)의 회전수를 측정하는 회전수센서(710)와, 상기 외측회전자(620)에 기어 결합되며 상기 회전수센서(710)에서 측정된 회전수에 따라 상기 외측회전자(620)를 회전시키는 서보모터(720)를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템(1000).
The apparatus of claim 1, wherein the compensation means (700)
A rotation number sensor 710 for measuring the number of rotations of the inner rotor 610 and a rotation number sensor 710 which is gear-connected to the outer rotor 620 and which is rotated by the rotation number sensor 710, And a servo motor (720) for rotating the rotor (620). The supercritical Brayton cycle system (1000) has two reverse rotor generators.
제2항에 있어서, 상기 서보모터(720)는
상기 내측회전자(610)의 회전수가 증가할수록 상기 외측회전자(620)의 회전수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템(1000).
3. The apparatus of claim 2, wherein the servo motor (720)
Wherein the number of revolutions of the outer rotor (620) is reduced as the number of revolutions of the inner rotor (610) increases. The supercritical Brayton cycle system (1000)
제1항에 있어서, 상기 초임계 작동유체는
이산화탄소, 또는 헬륨인 것을 특징으로 하는 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템(1000).
2. The method of claim 1, wherein the supercritical working fluid comprises
Carbon dioxide, or helium. The supercritical Brayton cycle system (1000) has two reverse rotor generators.
제1항에 있어서, 상기 열원(100)은
원자로에서 발생하는 원자력 및 화력 열원인 것을 특징으로 하는 두 개의 역방향 회전자 발전기를 갖는 초임계 브레이튼 사이클 시스템(1000).The method of claim 1, wherein the heat source (100)
Characterized in that it is a nuclear and thermal power source originating from a nuclear reactor. ≪ RTI ID = 0.0 > (1000) < / RTI >
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