KR101452885B1 - 바이오매스 보일러를 보조 가열원으로 사용하는 태양 에너지 발전 방법 및 시스템 - Google Patents

바이오매스 보일러를 보조 가열원으로 사용하는 태양 에너지 발전 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오매스 보일러(6)를 보조 열원으로 사용하는 태양광 발전 시스템에 관한 것으로서, 태양 에너지 빛 수집 및 열 컬렉션 장치, 바이오매스 보일러(6), 터빈 발전기 시스템을 구비하고, 태양 에너지 빛 수집 및 열 컬렉션 장치는 작동 매체로서 물을 사용하고, 중간 압력 태양광 에너지 진공 열-수거 파이프(13)를 직렬/병렬 매트릭스 조합으로 사용하고, 태양 에너지 빛 수거 및 열 컬렉션 장치의 출구는 제2 제어 밸브(22)를 통해 바이오매스 보일러(6)의 드럼(6a)의 바닥과 연통하고, 바이오매스 보일러 드럼(6a)의 증기 출구는 터빈 발전기(1)의 실린더(3)에 연결된다. 발전 시스템은 날씨 변화에 따라 태양광 열원과 바이오매스 열원을 선택적으로 사용함으로써, 시스템은 안정되게 작동할 수 있고, 따라서 장치의 유용성을 향상시킨다. 또한, 본 발명은 발전 시스템을 이용한 발전 방법을 개시한다.

Description

바이오매스 보일러를 보조 가열원으로 사용하는 태양 에너지 발전 방법 및 시스템{Solar energy generation method and system using biomass boiler as auxiliary heat source}
본 발명은 바이오매스 보일러를 보조 가열원으로 사용하는 신 에너지 발전 분야에 속하는 태양열 발전 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게, 바이오매스와 태양 에너지와 같은 청정 에너지를 사용하는 발전에 관한 것이다.
전통적인 화석 연료(석탄, 석유, 천연 가스)의 매장량이 감소 될 뿐만 아니라 화석 에너지의 사용에 따른 환경 오염 문제가 인류의 생존과 성장에 직접 위협을 주고 있으며, 재생 가능하고 환경 친화적 에너지의 개발이 세계적으로 의견의 일치를 보고 있다. 태양 에너지는 광범위한 분포, 무제한 사용가능성, 청정한 수집 및 활용, 및 CO2의 무배출이라는 특징을 가진다.
그러나, 태양 에너지의 대규모 개발 및 활용은 종래의 화석 에너지의 활용보다 훨씬 많은 비용이 소요된다. 더군다나, 태양 에너지의 획득은 기후 변화에 의해 영향을 받기 때문에 불안정하고 불연속적이다. 따라서, 이러한 문제점들을 극복할 수 있는 방안은 현재의 에너지 및 전력 연구 분야에서 최고의 이슈가 되고 있다.
식물의 광합성에 의해 생성된 유기물로서 바이오매스는 광범위한 분포, 많은 보유량, 화석 에너지보다 더 높은 청정도, CO2의 무배출성이라는 특징이 있다. 따라서, 바이오매스는 매우 중요한 재생 에너지이고, 바이오매스의 개발과 획득 역시 현재의 에너지 및 발전 연구 분야의 최대 현안이 되고 있다. 농작물의 짚, 연료림 목재, 및 목재 프로세스로부터 나오는 폐기물을 바이오매스로 사용하는 바이오매스 발전소는 원숙하게 산업화되었다. 그러나, 바이오매스 연료의 단위 체적당 발열량은 석탄의 동일한 단위 체적당 발열량보다 더 낮다. 바이오매스 보일러 발전소의 연속 작동을 유지하기 위하여, 바이오매스 연료 저장소는 큰 구역을 필요로 하기 때문에 대규모 부지를 필요로 한다. 더군다나, 대기 중에 저장된 바이오매스 연료는 습해지기 쉽기 때문에 연소에 악영향을 미칠 수 있고, 몇몇 종류의 바이오매스 연료는 습한 환경에서 자동 점화될 가능성마저 있다. 이러한 모든 문제점들은 바이오매스 보일러 발전소의 전체 효용성을 심각하게 제한한다.
미국 회사 'eSolar'는 태양광 열발전 타워 기술을 개발하였다. "Tower II" 시스템은 태양 복사선을 수신기(태양 보일러로 알려짐)로 반사시키기 위해 수백 또는 수천 개의 거울(헬리오스탯)을 사용한다. 초점 온도는 1000℃ 이상이다. 열전달 매체로서 용융염(전도 오일(conduction oil))은 대략 560℃이고 열 저장 탱크에 저장된다. 가열된 물은 열교환기를 통해 용융염에 의해 고온 및 고압 증기로 변환된다. 최종적으로 증기는 발전소의 터빈에 입력된다.
이스라엘 회사 "LUZ"는 캘리포니아 남부 사막에 9 셋트의 파라볼릭 트로프(parabolic trough) 태양광 발전 시스템을 개발하였다. 태양 에너지는 포물면의 초점 라인에 배치된 태양광 컬렉터 튜브에 집중된다. 열전달 오일은 가열되고 유동되어 열 저장 탱크에 저장된다. 그러면, 열 전달 오일은 물을 가열시켜 열교환기를 통해 대략 372℃의 증기를 만든다. 최종적으로 증기는 발전소의 터빈 속으로 입력된다.
날씨와 구름에 의해 태양광선은 일반적으로 영향을 받기 때문에, 태양 광선은 아침 8시부터 오후 5시까지의 시간 동안 포집될 수 있고, 전술한 타워 형태 또는 트로프 형태의 태양광 발전 시스템은, 태양 에너지의 특성을 사용하여 종종 시스템을 빨리 시동하고, 터빈의 안정된 동작을 유지하기 위하여, 특수 개발된 빠른 시동 터빈(주간에 운전할 수 있고 야간에 정지할 수 있거나, 맑은 날에 운전하고 흐린 날에 중지하는 태양광 터빈으로도 알려져 있음)을 사용한다. 종래의 화석 에너지 사용 터빈과 비교하여, 태양광 터빈은 저장 시스템을 가열시키기에 충분히 크게 마련되어 있으므로 지거(jigger)를 예열하는데 장시간을 필요로 하지 않으며, 열 저장 매체(열전달 오일 또는 용융염)과 작동 유체(수증기) 사이에서 2회의 열교환을 하게 된다. 그러나, 이러한 기술적 방식은 시스템을 더 복잡하게 하고 비용을 증가시킨다. 2회의 열교환은 열전 변환 효율을 감소시킨다. 또한, 태양광 터빈은 특수 물질과 특수 구조 때문에 부피가 크고 비용이 높다.
보다 상세하게, 상기 시스템은 용융염을 열 저장 매체로 사용함으로써 시스템의 작동을 어렵게 한다. 용융염은, 260℃보다 온도가 낮기 때문에, 액체 상태로부터 고체 상태로 변환되어, 고체 상태의 용융염은 그것이 파이프 또는 열 저장 탱크에 존재하는 것과 무관하게 시스템의 동작에 영향을 미친다. 따라서, 용융염은 260℃ 이상의 온도로 장시간 유지될 필요가 있으나, 이것은 에너지가 많이 소비되고 실현이 매우 어렵다.
온도가 0℃ 이하로 떨어지는 동절기의 야간 시간 또는 오랫동안 눈으로 덮인 기간 및 흐린 날, 전술한 태양광 터빈은 연속적 작동이 불가능하다. 유용한 결과를 생성시킬 수 없는 점 이외에, 시스템의 결빙 예방이 어렵고 에너지 소모가 많은 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 바이오매스 보일러를 보조 가열원으로 사용하는 태양 발전 방법 및 이와 관련된 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 바이오매스 보일러를 보조 가열원으로 사용하고, 바이오매스 에너지와 태양광 발전을 결합시킴으로써, 태양 에너지의 불안정성을 효과적으로 해결한다.
본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다. 바이오매스 보일러를 보조 가열원으로 사용하는 태양 발전 방법은, 태양광 집중 컬렉터; 바이오매스 보일러; 및 터보네이터(turbonator)를 결합시킨다. 태양광 집중 컬렉터와 바이오매스 보일러는 열 흡수와 열 저장을 위한 작동 매체로서 물을 사용한다. 바이오매스 보일러는 태양광 발전소에 보조 히터를 제공하기 위한 제2 가열원으로서 작동한다. 본 발명의 방법은 다음 단계를 포함한다.
단계 1) - 바이오매스 보일러 드럼의 수위(L1)가 미리 설정된 수위에 도달할 때 바이오매스 보일러를 점화시키고 바이오매스 보일러 발전소의 작동 순서에 따라 터보네이터 유니트를 시동한다.
단계 2) - 태양광 집중 컬렉터를 시동하여 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 물 온도(t3)를 검출하고, t3≥95℃일 때 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구와 바이오매스 보일러 드럼 사이에 배치된 제2 제어 밸브를 개방하고, 제3 제어 밸브를 개방하여 태양광 컬렉터 튜브로 공급되는 물을 제어하고, 바이오매스 보일러 드럼 속으로 물을 유입시키고, 태양광 컬렉터 튜브로 공급되는 물의 온도(t3)가 t3≥95℃로 유지하도록 물을 조절하고, 터보네이터 유니트의 제어 시스템에 의해 자율-조절하고, 바이오매스 보일러 드럼의 수위를 유지하고 바이오매스 보일러의 출력 증기의 증기압과 증기 온도를 정격값으로 유지하고, 터보네이터 유니트의 안정된 동작을 유지한다.
단계 3) - 태양광 컬렉터 튜브의 물이 흐르는 것을 방지하여 물이 열을 보존하도록 유지시키고, 태양광 컬렉터 튜브로 공급되는 물이 최소값으로 조절되는 한편 터보네이터 유니트에 의해 탐지되는 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 물 온도(t3)가 감소되어 t3<95℃인 경우에도 작동 상태로 유지하기 위해, 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 제2 밸브와 태양광 컬렉터 튜브로 공급되는 물을 제어하기 위한 제3 밸브를 폐쇄하고; 터보네이터 유니트를 열 발전 모드로 전환하고; 터보네이터 유니트의 제어 시스템에 의해 자율-조절시켜, 바이오매스 보일러로 입력되는 연료를 증가시켜 바이오매스 보일러의 출구 증기의 증기 압력과 증기 온도를 정격값으로 유지하여 터보네이터 유니트의 안정된 작동을 유지한다.
단계 4) - 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 물 온도(t3)가 계속해서 감소되어 t3=5-9℃이면, 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구와 물 보충 탱크 사이에 배치된 제1 제어 밸브를 개방시키고, 블리드(bleed) 밸브를 개방하여 태양광 컬렉터 튜브로부터 상온의 물을 탈염수 탱크로 드레인시키고, 드레인 밸브를 개방하여 파이프에 남아 있는 물을 제거하고, 배기 밸브를 개방하여 파이프에 물이 남아 있지 않도록 모든 파이프들 속으로 압축 공기를 유입시키고, 태양광 집중 컬렉터와 파이프들을 무수 결빙(anhydrous freeze) 방지 상태로 유지시키고, 터보네이터 유니트를 바이오매스 보일러 발전 모드로 변경한다.
단계 5) - 태양 광선의 회복에 의해, 태양광 컬렉터 튜브의 물 온도가 증가하여 t3≥95℃이면 상기 단계 1)을 반복하고, 바이오매스 보일러에 물을 공급하고, 터보네이터 유니트의 자율-조절에 의해 바이오매스 보일러에 입력되는 연료를 감소시킨다.
전술한 방법에 사용되고, 바이오매스 보일러를 보조 가열원으로 사용하는 태양광 발전 시스템은, 태양광 집중 컬렉터; 바이오매스 보일러, 및 터보네이터 유니트를 구비한다. 태양광 집중 컬렉터와 바이오매스 보일러는 열 흡수와 열 저장을 위한 작동 매체로서 물을 사용한다. 태양광 집중 컬렉터는 직병렬 조합 매트릭스 형태의 중간 압력 진공 태양광 컬렉터 튜브를 사용한다. 태양광 집중 컬렉터의 출구는 제2 제어 밸브를 통해 바이오매스 보일러 드럼의 바닥에 연결된다. 바이오매스 보일러 드럼의 증기 출구는 터빈의 실린더에 연결된다.
본 발명의 개선된 실시예에 따르면, 태양광 집중 컬렉터는 직병렬 조합 매트릭스 형태의 중간 압력 진공 태양광 컬렉터 튜브를 사용한다. 태양광 집중 컬렉터의 출구는 제2 제어 밸브를 통해 바이오매스 보일러 드럼의 바닥에 연결된다. 바이오매스 보일러 드럼의 증기 출구는 터빈의 실린더에 연결된다.
본 발명의 개선된 실시예에 따르면, 증기 과열기(superheater)는 바이오매스 보일러 드럼의 증기 출구와 터빈의 실린더에 연결된 파이프 사이에 직렬로 연결된다. 증기 과열기는 터빈의 고압 실린더의 입구와 연통한다. 증기 과열기는 바이오매스 보일러의 연도(flue) 내측에 위치된다.
본 발명의 개선된 실시예에 따르면, 고압 실린더의 출구는 파이프를 통해 증기 재열기(reheater)에 연결된다. 증기 재열기는 터빈의 저압 실린더의 입구에 연결된다. 증기 재열기는 바이오매스 보일러의 연도 내측에 배치된다.
본 발명의 개선된 실시예에 따르면, 컨덴서(condensor)는 터빈의 실린더의 출구에 연통된다. 컨덴서의 물 출구는 탈기기(deaerator)와 연통된다. 컨덴서의 물 출구는 탈기기 및 제1 워터 펌프를 통해 태양광 컬렉터 튜브 및/또는 바이오매스 보일러의 물 입구에 연통된다.
본 발명의 개선된 실시예에 따르면, 보조 히터는 바이오매스 보일러의 물 입구 파이프에 직렬로 연결되고, 보조 히터는 바이오매스 보일러의 연도 내부에 배치된다.
본 발명의 개선된 실시예에 따르면, 태양광 집중 컬렉터 및 바이오매스 보일러의 물 보충 탱크는 열 절연층을 포함하는 탈염수 탱크이다. 탈염수 탱크는 제2 워터 펌프를 통해 탈기기에 연결되고, 탈기기와 제1 워터 펌프를 통해 태양광 컬렉터 튜브와 바이오매스 보일러의 물 입구에 연결된다. 탈염수 탱크는 제1 제어 밸브를 통해 태양광 집중 컬렉터의 출구에 연결된다.
본 발명의 개선된 실시예에 따르면, 온도 센서(T3)는 태양광 집중 컬렉터의 물 출구와 제2 제어 밸브 및 제1 제어 밸브 사이의 파이프에 배치된다. 온도 센서(T3)에 의해 표시되는 제어 포인트는 제2 제어 밸브와 제1 제어 밸브의 제어 루프에 최종적으로 출력된다.
본 발명의 개선된 실시예에 따르면, 태양광 집중 컬렉터는 파라볼릭 트로프 미러(parabolic trough mirror), 및 진공 태양광 컬렉터 튜브를 구비하고, 진공 태양광 컬렉터 튜브는 파라볼릭 트로프 미러의 초점 라인에 배치된다.
본 발명의 개선된 실시예에 따르면, 태양광 집중 컬렉터는 반사 프레넬 렌즈, 및 진공 태양광 컬렉터 튜브를 구비하고, 진공 태양광 컬렉터 튜브는 반사 프레널 렌즈의 초점 라인에 배치된다.
본 발명의 효과는 다음과 같다.
본 발명의 발전 시스템의 2개의 가열원에는 다수의 다양한 밸브들이 제공되어, 낮과 밤의 변화에 따른 태양 광선의 변화 또는 날씨 변화에 따라 시스템을 태양광 발전 모드, 바이오매스 발전 모드, 또는 태양광-바이오매스 결합 발전 모드로 전환시킨다. 따라서, 터보네이터 유니트는 밤,낮으로 연속적인 작동이 가능하고, 동절기 태양광 집중 컬렉터의 결빙 방지 문제를 해결할 수 있다.
태양광 집중 컬렉터에 의해 가열되는 물의 최대 온도가 종래의 보일러에 의해 가열되는 물의 최대 온도보다 훨씬 낮기 때문에, 본 발명의 바이오매스 보일러는 보조 히터, 증기 과열기, 및 증기 재열기가 마련된다. 태양광 집중 컬렉터에 있는 물이 바이오매스 보일러 드럼 속으로 유입되어 보조 장치들이 과열되거가 재열되면, 태양광 열 에너지의 온도 구배 동작이 얻어져서 전체 터보네이터 유니트의 열 효율이 향상된다.
본 발명의 발전 시스템은 선행 기술의 태양열 발전소에 적용되는 열 저장 시스템(열 저장 매체로서 전도 오일 또는 용융염을 사용함)을 폐기함으로써 간소화되며, 밤과 낮의 변경에 따른 태양 광선의 변화 및 밤낮으로 터보네이터 유니트의 연속적인 작동을 유지하기 위해 날씨 변화에 따라 태양광 가열원 또는 바이오매스 가열원을 대안적으로 또는 동시에 사용할 수 있으므로, 태양 에너지 발전 시스템의 유용성을 효과적으로 개량할 수 있을 뿐만 아니라, 동절기 태양광 집중 컬렉터의 결빙 방지 문제를 해결할 수 있다.
태양광 집중 컬렉터는 바이오매스 연료 저장 필드의 지붕에 배치된다. 바이오매스 연료 저장 필드의 영역이 충분하기 때문에, 이러한 배치는 비(rain)로부터 바이오매스 연료를 보호하고, 바이오매스 보일러를 제2 가열원으로 사용함으로써 태양 열 발전의 부지 활용도를 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 태양광 발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 바이오매스 연료 저장소의 루프에 배치된 파라볼릭 트로프 타입 태양광 집중 컬렉터의 구성도이다.
도 3은 반사 프레널 렌즈와 진공 태양광 컬렉터 튜브를 구비하는 태양광 집중 컬렉터의 구성도이다.
도 4는 전송 프러넬 렌즈와 진공 태양광 컬렉터 튜브를 구비하는 태양광 집중 컬렉터의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 태양광 발전 시스템은 전기 발전기(1), 전기 발전기(1)에 연결되는 터빈(2), 터빈(2)에 연결되는 컨덴서(5)를 포함하는 터보네이터 유니트를 구비한다. 여기서, 터빈(2)은 고압 실린더(3)와 저압 실린더(4)를 구비한다. 또한, 본 실시예의 시스템은 터보네이터 유니트에 연통되는 바이오매스 보일러(6), 바이오매스 보일러(6)의 연도(6b) 내부에 배치된 보조 히터(7), 바이오매스 보일러(6)의 연도(6b) 내부에 배치된 증기 재열기(8), 바이오매스 보일러(6)의 연도(6b) 내부에 배치된 증기 과열기(9)를 구비한다. 한편, 본 실시예의 시스템은 바이오매스 보일러(6)에 연통되는 태양광 집중 컬렉터를 구비한다. 태양광 집중 컬렉터는 태양광 컬렉터 튜브(13)와 파라볼릭 트로프 미러(14)를 구비한다(n개의 태양광 컬렉터 튜브들(13)과 m개의 파라볼릭 트로프 미러들이 조립되어 태양광 컬렉터 필드를 형성하며, n과 m은 정수임). 참조부호 10은 제1 워터 펌프를 나타내고, 참조부호 11은 바이오매스 보일러(6)의 제2 워터 펌프를 나타내고, 참조부호 12는 화학적 수처리 장치로부터 나오는 연수를 저장하기 위해 열 절연층이 마련된 탈염수 탱크를 나타낸다.참조부호 19,20,21,22는 각각 절환 밸브들(공압 밸브, 전기 밸브, 유압 밸브, 또는 전자기 밸브, 공압 밸브)을 나타내고, 이러한 절환 밸브들은 전체 발전 시스템의 작동 모드를 제어한다. 참조부호 24,25,26은 조절 밸브들(공압, 전기, 유압)을 나타내고, 이들 중, 참조부호 23 및 24는 터빈으로 입력되는 증기 유동을 조절할 수 있고, 참조부호 25는 물의 유동을 조절할 수 있으며, 참조부호 26은 태양광 집중 컬렉터의 메인 물속의 물의 유동을 조절할 수 있다. 참조부호 28은 탈기기를 나타내고, L1은 바이오매스 보일러 드럼의 레벨 게이지를 나타내고, P1은 바이오매스 보일러의 출구의 증기 압력 게이지를 나타내고(검출된 압력값은 p1으로 표시됨), T1은 바이오매스 보일러의 출구의 증기 온도 센서를 나타내고(검출된 온도값은 t1으로 표시됨), T3는 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 물 온도 센서를 나타낸다(검출된 온도값은 t3로 표시됨).
바이오매스 보일러(6)를 보조 가열원으로 사용하는 태양광 발전 시스템은 태양광 집중 컬렉터, 바이오매스 보일러(6), 및 터보네이터 유니트를 구비한다. 태양광 집중 컬렉터와 바이오매스 보일러(6)는 열 흡수와 열 저장을 위해 작동 매체로서 물을 사용한다. 태양광 집중 컬렉터는 중간 압력 진공 태양광 컬렉터 튜브들(13)이 직,병렬로 조합된 매트릭스를 사용한다. 태양광 집중 컬렉터의 출구는 제2 제어 밸브(22)를 통해 바이오매스 보일러(6)의 드럼(6a)의 바닥에 연결된다. 바이오매스 보일러(6)의 드럼(6a)의 증기 출구는 터빈의 실린더에 연결된다. 태양광 집중 컬렉터와 바이오매스 보일러(6)는 물을 동시에 직접 가열하여 터빈(2)을 구동하는 수증기를 생성하여 전기 발전기(1)를 구동한다.
태양광 집중 컬렉터의 물 입구 파이프는 탈기기(28)와 제1 워터 펌프(10)에 직렬 연결된다.
증기 과열기(9)는 바이오매스 보일러 드럼(6a)의 증기 출구와 터빈(2)의 고압 실런더(3)에 연결된 파이프 사이에 직렬로 연결된다. 증기 과열기(9)는 터빈의 고압 실린더(3)의 입구에 연통된다. 증기 과열기(9)는 바이오매스 보일러의 연도(6b) 내측에 위치된다. 바이오매스 보일러의 연도 가스는 수증기를 가열시켜 수증기를 건조 증기로 변환시킨다.
고압 실린더(3)의 출구는 파이프를 통해 재열기(8)에 연결된다. 증기 재열기(8)는 터빈(2)의 저압 실린더(4)의 출구에 연결된다. 증기 재열기(8)는 바이오매스 보일러(6)의 연도(6b) 내부에 배치된다. 바이오매스 보일러(6)의 연도 가스는 증기를 가열한다.
컨덴서(5)는 터빈(2)의 저압 실린더(4)의 출구에 연통된다. 컨덴서(5)의 물 출구는 탈기기(28)와 연통한다. 컨덴서(5)의 물 출구는 탈기기(28)와 제1 워터 펌프(10)를 경유하여 태양광 컬렉터 튜브(13) 및/또는 바이오매스 보일러(6)의 물 입구에 연통되어 물을 순환시킬 수 있다.
보조 히터(7)는 바이오매스 보일러(6)의 물 입구 파이프와 직렬로 연결되고, 보조 히터(7)는 바이오매스 보일러(6)의 연도(6b)의 내부에 배치된다. 바이오매스 보일러의 연도 가스는 바이오매스 보일러의 물을 예열시킨다.
태양광 집중 컬렉터와 바이오매스 보일러의 물 보충 탱크는 열 절연층을 구비하는 탈염수 탱크(12)이다. 탈염수 탱크(12)는 제2 워터 펌프(11)를 통해 탈기기(28)에 연결되고, 탈기기(28)와 제1 워터 펌프(10)를 통해 태양광 컬렉터 튜브(13)와 바이오매스 보일러의 물 입구에 연결된다. 탈염수 탱크(12)는 제1 제어 밸브(21)를 통해 태양광 집중 컬렉터의 출구에 연결된다.
온도 센서(T3)는 태양광 집중 컬렉터의 물 출구와 제2 제어 밸브(22)와 제1 제어 밸브(21) 사이의 파이프에 배치된다. 온도 센서(T3)에 의해 디스플레이되는 제어 포인트는 최종적으로 제2 제어 밸브(22)와 제1 제어 밸브(21)의 제어 루프에 출력된다. 온도 센서(T3)의 작동 온도는 바이오매스 보일러의 안전한 작동을 위한 온도 범위 내에서 미리 설정된다.
도 2는 바이오매스 연료 저장소의 루프에 배치된 파라볼릭 트로프 타입 태양광 집중 컬렉터의 구성도이다. 태양광 집중 컬렉터는 파라볼릭 트로프 미러(14)와 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)를 구비하고, 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)는 파라볼릭 트로프 미러의 초점 라인에 배치된다. 참조부호 17은 바이오매스 연료 저장소의 루프를 나타낸다.
도 3은 반사 프레넬 렌즈 및 진공 태양광 컬렉터 튜브를 구비하는 태양광 집중 컬렉터의 구성도이다. 태양광 집중 컬렉터는 반사 프레넬 렌즈(30) 및 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)를 구비한다. 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)는 반사 프레넬 렌즈(30)의 초점 라인에 배치된다.
도 4는 전송 프레넬 렌즈 및 진공 태양광 컬렉터 튜브를 구비하는 태양광 집중 컬렉터의 구성도이다. 태양광 집중 컬렉터는 전송 프레넬 렌즈(31)와 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)를 구비한다. 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)는 전송 프레넬 렌즈(31)의 초점 라인에 배치된다.
바이오매스 보일러의 바이오매스 연료 저장소는 적절한 높이와 충분히 큰 구역을 가진 루프를 구비한다. 태양광 집중 컬렉터는 바이오매스 연료 저장소의 루프에 배치되거나 루프 유니트가 될 수 있다. 물은 태양광 집중 컬렉터와 바이오매스의 열전달 매체로서 작동하고, 동일한 화학적 수처리 장치에 의해 예열된 후 태양광 컬렉터 튜브 또는 바이오매스 보일러 속으로 대안적으로 또는 동시에 입력된다(이미 알려진 모든 화학적 수처리 장치의 탈염수 탱크 역시 열 절연층을 가열하도록 마련될 필요가 있다). 그러면, 물은 증기로 변환되어 터빈 속으로 입력되어 전기 발전기를 구동한다.
바이오매스 보일러와 태양광 집중 컬렉터에는 절환 밸브들(18)(19)(20)(22)이 마련된다(공압 밸브, 전기 밸브, 유압 밸브 또는 전자기 밸브를 사용함). 바이오매스 보일러와 태양광 집중 컬렉터의 물과 증기의 작동 상태는 이러한 절환 밸브들의 개,폐에 의해 용이하게 변경될 수 있으므로, 전체 발전 시스템은 태양광 발전 모드, 바이오매스 발전 모드, 또는 태양광-바이오매스 결합 발전 모드로 변경될 수 있다.
명백하게, 도 1의 바이오매스 보일러(6)는 선행기술의 바이오매스 합성 가스-연소 보일러, 석탄-연소 보일러, 석유-연소 보일러, 천연 가스-연소 보일러, 탄전 메탄 보일러, 유전 보일러에 의해 대체될 수 있다.
명백하게, 도 1 내지 도 4의 진공 태양광 컬렉터 튜브는 종래기술의 흑체 태양광 컬렉터 튜브로 대체될 수 있다.
태양광 발전 시스템의 작동 공정은 도 1 및 도 2를 참조하여 이하에서 설명된다.
태양광 집중 컬렉터와 바이오매스 보일러는 열 흡수와 열 저장을 위한 작동 매체로서 물을 사용한다. 바이오매스 보일러는 태양광 발전에 보조 열원을 제공하기 위해 제2 가열원으로서 작동한다. 바이오매스 보일러와 태양광 집중 컬렉터는 동시에 시동된다.
공정은 구체적으로 다음 단계들을 포함한다.
1) 바이오매스 보일러 드럼의 수위가 미리 설정된 수위에 도달할 때 바이오매스 보일러를 점화시키고, 바이오매스 보일러 발전소의 작동 순서에 따라 터보네이터 유니트를 시동한다.
2) (제1 제어 밸브가 폐쇄 상태에 있는 순간)태양광 집중 컬렉터를 시동하고, 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 물의 온도(t3)를 검출하고, t3≥95℃일 때 태양광 집중 컬렉터와 메인 물 출구와 바이오매스 보일러 드럼 사이에 배치된 제2 제어 밸브를 개방하고, 제3 제어 밸브를 개방하여 태양광 컬렉터 튜브에 공급되는 물을 제어하여, 바이오매스 보일러 드럼 속으로 물을 유입시키고, 태양광 컬렉터 튜브에 공급되는 물을 조절하여 물의 온도가 t3≥95℃이 되도록 하고, 터보네이터 유니트의 제어 시스템에 의해 자율-조절시켜, 바이오매스 보일러 드럼의 수위를 유지하고 바이오매스 보일러의 증기 출구에서 증기 압력과 증기 온도를 정격값으로 유지하고, 터보네이터의 안정된 동작을 유지한다.
3) 제3 제어 밸브를 폐쇄하여 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 제2 제어 밸브와 태양광 컬렉터 튜브에 공급되는 물을 제어하여, 태양광 컬렉터 튜브로부터 물이 흘러나오는 것을 막아서 물을 열 보존 상태로 유지하고, 태양광 컬렉터 튜브에 공급되는 물이 최소값(일반적으로 바이오매스 보일러 안으로 유동하는 물은 정격값의 10%값이지만, 정격값의 10%보다 더 작은 물이 유동하는 것을 배제하는 것은 아님)으로 조절되는 한편 터보네이터 유니트에 의해 감지되는 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구에서 물 온도가 t3<95℃일 때 작동 상태가 되도록 하며, 터보네이터 유니트를 열 발전 모드로 전환시키고, 터보네이터 유니트의 제어 시스템에 의해 자기-조절시켜, 바이오매스 보일러에 입력되는 연료를 증가시켜 바이오매스 보일러의 증기 출구에서 증기 압력과 증기 온도를 정력값으로 유지하고 터보네이터 유니트의 안정된 동작을 유지한다.
4) 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구에서 물 온도(t3)가 계속 증가하여 t3=5-9℃일 때, 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구와 물 보충 탱크 사이에 배치된 제1 제어 밸브를 개방하고, 블리드 밸브를 개방하여 태양광 컬렉터 튜브로부터 탈염수 탱크로 상온의 물을 드레인시키고, 드레인 밸브를 개방하여 파이프에 남아 있는 물을 제거하고, 배기 밸브를 개방하여 모든 파이프들에 물이 남아 있지 않도록압축 공기를 모든 파이프에 도입하고, 태양광 집중 컬렉터와 파이프들이 무수 결빙방지 상태로 유지하여, 터보네이터 유니트를 바이오매스 보일러 발전 모드로 전환시킨다.
5) 태양 광선의 회복에 의해 태양광 컬렉터 튜브의 물의 온도가 t3≥95℃가 되면, 바이오매스 보일러에 물을 공급하고 터보네이터 유니트를 자율-규제하여 바이오매스 보일러에 입력되는 연료를 감소시킨다.
본 발명의 신규한 태양광 발전 시스템의 시동(또는 중요 수리 후 전체 시스템의 재시동)은 다음과 같다. 일출 전에, 절환 밸브(21)를 폐쇄하고, 절환 밸브들(18)(19)(22)을 개방하고, 제2 워터 펌프(11)를 시동하여 수위 게이지(L1)에 의해 검출되는 바이오매스 보일러 드럼(6a)의 수위가 미리 설정된 수위에 도달되었는지 모든 태양광 컬렉터 튜브들에 물이 채워졌는지 확인한다. 태양이 떠오를 때, 바이오매스 보일러를 점화하고, 바이오매스 보일러 발전소의 작동 순서에 따라 터보네이터 유니트를 시동한다. 태양이 떠오름에 따라, 태양 광선은 현지시간 아침 8시경 30분 동안 가파르게 최고점으로 증가하고, 태양광 집중 컬렉터로부터 나오는 가열된 물은 바이오매스 보일러 드럼(6a)에 직접 주입된다. 예를 들어, 65 T/h 중간 온도 및 압력 바이오매스 보일러를 사용하면, 정격 압력은 p1=5.29mPa이고, 정격 온도는 t1=450℃이고, 보조 히터(7)의 출력의 물 온도는 231℃이다. 바이오매스 보일러 드럼(6a)의 수위, p1, 및 t1를 정격값으로 유지하여 터보네이터 유니트의 안정된 작동을 유지시킨다.
계획(scheme) A는 태양광 집중 컬렉터와 보조 가열원으로서 바이오매스 보일러는 하루 종일 구름이 끼고 비가 오는 상태에서 동시에 작동하는 것을 포함한다. 계획 A의 구체적인 공정은 다음과 같다:
하루 종일 구름이 끼고 비가 오는 날, 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 물 온도(t3)가 하강하면, 터보네이터 유니트의 제어 시스템은 자기-조절에 의해 바이오매스 보일러 드럼(6a)의 수위 및 온도(t1)가 정격값으로 유지될 때까지 바이오매스 보일러에 입력되는 연료를 증가시킨다. 구름(cloud)의 층이 더 두꺼워져서 비가 내려서, 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 물 온도(t3)가 계속 하강할 때, 그리고 온도(t3)가 231℃보다 낮은 95℃(바이오매스 보일러의 안전한 작동을 위한 최소 온도) 이하로 하강하면, 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 제2 제어 밸브(22)와 제3 제어 밸브(19)가 폐쇄되어 태양광 컬렉터 튜브로부터 물이 흘러나가는 것이 방지되어 물이 열을 보존하여 작동 상태가 유지되도록 한다. 따라서, 터보네이터 유니트는 열 발전 모드로 전환된다. 구름 층이 소멸하고 태양 광선이 회복되어, 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 물 온도(t3)가 증가하여 95℃ 이상이 되면, 제2 제어 밸브(22)와 제3 제어 밸브(19)가 개방되어 태양광 컬렉터 튜브의 작동을 재개하고, 바이오매스 보일러 드럼(6a)에 물이 입력된다. 태양광 컬렉터 튜브의 물 온도가 상승함에 따라, 바이오매스 보일러에 입력되는 연료는 터보네이터 유니트의 자율-조절에 의해 감소된다.
계획 B는 암흑의 야간 기간 동안 채택되고, 계획 B의 구체적인 공정은 다음과 같다.
어두운 밤이 되기 전에 태양광 집중 컬렉터가 태양광선을 포집하지 못할 때, 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 물 온도가 하강하고, 물 온도(t3)가 5℃ 내지 9℃ 범위보다 더 낮으면 시스템은 계획 A를 수행한다. 태양광 컬렉터 튜브의 물이 흐르는 것이 방지되어 열이 보존되고 작동 상태로 유지된다. 터보네이터 유니트는 구름층이 존재하지 않고 태양 광선이 회복하는 주간 때까지 열 발전 모드로 전환된다.
계획 B는 온도가 물의 빙점까지 떨어질 때 야간 동안(또는 온도가 물의 빙점까지 떨어지는 구름 낀 날)에 채택된다.
태양광 집중 컬렉터가 태양광선을 포집하지 못하는 어두운 밤이 되기 전에, 시스템은 계획 B를 수행한다. 온도(t3)가 계속하여 낮아져서 5-9℃가 될 때, 제1 제어 밸브(21)와 블리드 밸브(27)가 개방되어 태양광 컬렉터 튜브로부터 상온의 물은 탈염수 탱크(12)로 드레인된다. 압축 공기는 에어 벤트를 통해 모든 파이프에 물이 남아 있지 않을 때까지 파이프들 속으로 유입된다. 따라서, 태양광 집중 컬렉터와 파이프들은 무수 결빙 방지 상태에서 유지되고, 터보네이터 유니트는 바이오매스 보일러 발전 모드로 전환된다.
[요약]
본 발명의 발전 시스템은 보조 가열원으로서 바이오매스 보일러를 사용하는 태양광 발전 시스템으로서, 물은 시스템에 의해 직접 가열된다. 본 발명은 선행기술의 태양광 열 발전소에 적용되는 열 저장 시스템(열 저장 매체로서 전도 오일 또는 용윰염을 사용함)을 폐기함으로써 간소화되고, 밤과 낮의 변경과 밤낮의 터보네이터 유니트의 연속적인 작동을 유지하는 날씨의 변화에 따른 태양 광선의 변화에 따라 태양광 가열원 또는 바이오매스 가열원을 대안적으로 또는 동시에 사용할 수 있으므로, 태양 에너지 발전 시스템의 가용성을 효과적으로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 겨울철 태양광 집중 컬렉터의 결빙 방지의 문제점을 해결할 수 있다.
1...전기 발전기 2...터빈
3...고압 실린더 4...저압 실린더
5...컨덴서 6...바이오매스 보일러
7...보조 히터 8...증기 재열기
9...증기 과열기 10...제1 워터 펌프
11...제2 워터 펌프 12...탈염수 탱크
13...태양광 컬렉터 튜브 14...파라볼릭 트로프 미러
19,20,21,22...절환 밸브 24,25,26...조절 밸브

Claims (12)

  1. 전기 발전기(1), 고압 실린더(3)와 저압 실린더(4)를 가지며 전기 발전기(1)에 연통된 터빈(2), 및 터빈(2)에 연결된 컨덴서(5)를 구비하는 터보네이터 유니트(turbonator unit); 터보네이터 유니트의 고압 실린더(3)에 연통되고 보조 열원으로 사용되는 바이오매스 보일러(6); 바이오매스 보일러에 연통되는 태양광 집중 컬렉터를 구비하고, 상기 바이오매스 보일러(6)와 상기 태양광 집중 컬렉터는 열 흡수와 열 저장을 위한 작동 매체로서 물을 사용하는 태양광 발전 시스템의 태양광 발전 방법에 있어서,
    1) 바이오매스 보일러(6)의 드럼(6a)의 수위가 미리 설정된 수위에 도달할 때 상기 바이오매스 보일러(6)를 점화시키고, 바이오매스 보일러 발전소의 작동 순서에 따라 상기 터보네이터 유니트를 시동하는 단계;
    2) 상기 태양광 집중 컬렉터를 시동하고, 상기 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 온도(t3)를 검출하고, t3≥95℃일 때 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구와 바이오매스 보일러(6) 드럼(6a) 사이에 배치된 제2 제어 밸브(22)를 개방하고, 태양광 컬렉터 튜브(13)에 공급되는 물을 제어하기 위한 제3 제어 밸브(19)를 개방하고, 물의 온도(t3)에 따라 t3≥95℃를 유지시키기 위해 태양광 컬렉터 튜브(13)에 공급되는 물을 조절하고, 바이오매스 보일러(6)의 드럼(6a)의 수위, 바이오매스 보일러(6)의 증기 출구의 증기 압력과 증기 온도를 정격값으로 유지하고 터보네이터 유니트의 제어 시스템의 자율-조절에 의해 터보네이터 유니트의 정상 작동을 유지하는 단계;
    3) 상기 태양광 컬렉터 튜브(13)에 공급되는 물을 최저값으로 조절하는 한편 터보네이터 유니트에 의해 검출되는 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 물의 온도(t3)가 감소되어 t3 < 95℃인 경우, 상기 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구의 제2 제어 밸브(22)와 상기 태양광 컬렉터 튜브(13)에 공급되는 물을 제어하기 위한 제3 제어 밸브(19)를 폐쇄하여 태양광 컬렉터 튜브(13)로부터 물이 흐르는 것을 방지하고 물이 열을 보존하고 작동 상태가 되도록 유지시키고, 터보네이터 유니트를 열 발전 모드를 변환시키고, 터보네이터 유니트의 제어 시스템의 자기-조절에 의해 바이오매스 보일러(6)로 공급되는 연료를 증가시켜 바이오매스 보일러(6)의 증기 출구에서 증기 압력과 증기 온도를 정격값으로 유지하고 터보네이터 유니트의 정상 작동을 유지시키는 단계;
    4) 태양광 집중 컬렉터의 물 출구의 물 온도(t3)가 계속해서 감소되어 t3=5-9℃일 때, 태양광 집중 컬렉터의 메인 물 출구와 물 보충 탱크 사이에 배치된 제1 제어 밸브(21)를 개방하고, 블리드(bleed) 밸브(27)를 개방하여 태양광 컬렉터 튜브(12)로부터 상온의 물을 탈염수 탱크(12)로 드레인시키고, 드레인 밸브를 개방시켜 파이프에 남아 있는 물을 드레인시키고, 파이프에 물이 남아 있지 않을 때까지 배기 밸브의 개구를 통해 압축 가스를 유입시키고, 태양광 집중 컬렉터와 파이프를 무수 결빙 방지 상태로 유지시키고, 터보네이터 유니트를 바이오매스 발전 모드로 전환하는 단계; 및
    5) 태양 광선의 회복에 의해 태양광 집중 컬렉터 튜브(13)의 물의 온도가 증가하여 t3≥95℃가 되면, 상기 단계 1)을 되풀이하고, 바이오매스 보일러(6)에 물을 공급하고, 터보네이터 유니트의 자기-조절에 의해 바이오매스 보일러(6)에 입력되는 연료를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 방법.
  2. 전기 발전기(1), 고압 실린더(3)와 저압 실린더(4)를 가지며 전기 발전기(1)에 연통된 터빈(2), 및 터빈(2)에 연결된 컨덴서(5)를 구비하는 터보네이터 유니트(turbonator unit); 터보네이터 유니트의 고압 실린더(3)에 연통되고 보조 열원으로 사용되는 바이오매스 보일러(6); 바이오매스 보일러에 연통되는 태양광 집중 컬렉터를 구비하는 태양광 발전 시스템에 있어서,
    상기 바이오매스 보일러(6)와 상기 태양광 집중 컬렉터는 열 흡수와 열 저장을 위한 작동 매체로 물을 사용하고;
    상기 태양광 집중 컬렉터는 직,병렬 매트릭스의 조합으로 구성된 중간 압력 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)를 구비하고;
    태양광 집중 컬렉터의 출구는 제2 제어 밸브(22)를 통해 바이오매스 보일러(16)의 드럼(6a)의 바닥에 연결되고;
    바이오매스 보일러(6)의 드럼(6a)의 증기 출구는 터빈(2)의 고압 실린더(3)에 연결된 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서,
    바이오매스 보일러(6)의 드럼(6a)의 증기 출구와 터빈(2) 사이에 연결된 파이프에 직렬로 연결된 증기 과열기(9)를 더 구비하고;
    상기 증기 과열기(9)는 터빈(2)의 고압 실린더(3)의 입구에 연통되고;
    상기 증기 과열기(9)는 바이오매스 보일러(6)의 연도(6b) 내측에 배치된 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 고압 실린더(3)의 출구는 파이프에 의해 증기 재열기(8)에 연결되고;
    상기 증기 재열기(8)는 터빈(2)의 저압 실린더(4)의 입구에 연결되고;
    상기 증기 재열기(8)는 바이오매스 보일러(6)의 연도(6b) 내측에 배치된 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 컨덴서(5)는 터빈(2)의 고압 실린더(4)의 출구에 연통되고;
    상기 컨덴서(5)의 물 출구는 탈기기(28)와 연통되고;
    상기 컨덴서(5)의 물 출구는 탈기기(28)와 제1 워터 펌프(10)를 통해 태양광 컬렉터 튜브(13) 및/또는 바이오매스 보일러(6)의 물 입구에 연통되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  7. 청구항 2에 있어서,
    바이오매스 보일러(6)의 물 입구 파이프에 직렬 연결된 보조 히터(7)를 더 구비하고,
    상기 보조 히터(7)는 바이오매스 보일러(6)의 연도(6b) 내측에 배치된 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  8. 청구항 2에 있어서,
    태양광 집중 컬렉터와 바이오매스 보일러(6)는 열 절연층을 구비하는 탈염수 탱크(12)에 의해 물을 보충하고;
    상기 탈염수 탱크(12)는 제2 워터 펌프(11)를 통해 탈기기(28)에 연결되고, 탈기기(28)와 제1 워터 펌프(10)를 경유하여 태양광 컬렉터 튜브(13)와 바이오매스 보일러(6)의 물 입구에 더 연결되고;
    탈염수 탱크(12)는 제1 제어 밸브(21)를 통해 태양광 집중 컬렉터의 출구에 연결된 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  9. 청구항 2에 있어서,
    태양광 집중 컬렉터의 물 출구와 제2 제어 밸브(22) 및 제1 제어 밸브(21) 사이에 배치된 온도 센서(T3)를 더 구비하고;
    상기 온도 센서(T3)에 의해 표시되는 제어 포인트는 최종적으로 제2 제어 밸브(22)와 제1 제어 밸브(21)의 제어 루프에 출력되고;
    온도 센서(T3)의 작동 온도는 바이오매스 보일러(6)의 안전한 작동 범위의 온도로 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 태양광 집중 컬렉터는 파라볼릭 트로프 거울(parabolic trough mirror)(14)과 진공 탱양광 컬렉터 튜브(13)를 구비하고;
    상기 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)는 상기 파라볼릭 트로프 거울(14)의 초점 라인에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 태양광 집중 컬렉터는 반사 프레넬(Fresnel) 렌즈(30)와 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)를 구비하고;
    상기 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)는 반사 프레넬 렌즈(30)의 초점 라인에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 태양광 집중 컬렉터는 전송 프레넬 렌즈(31)와 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)를 구비하고;
    상기 진공 태양광 컬렉터 튜브(13)는 전송 프레넬 렌즈(31)의 초점 라인에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전 시스템.
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