KR101603013B1 - 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 발전기의 회전수의 과도한 상승을 빠르게 억제함과 함께, 발전 장치의 출력이 과도하게 증대되는 것을 방지하는 것이다.
발전 장치이며, 증발기(10)와, 팽창기(12)와, 발전기(14)와, 응축기(16)와, 펌프(18)와, 발전기(14)에 접속된 주파수 변환기(30)와, 주파수 변환기(30)를 제어하는 제어부(40)를 구비하고, 주파수 변환기(30)는 컨버터부(32)와 인버터부(34)를 구비하고, 제어부(40)는 출력을 검지하는 출력 검지부(42)와, 컨버터부(32)의 스위칭부의 온 오프의 전환을 지시하는 지시 신호를 생성하는 신호 생성부(44)를 구비하고, 신호 생성부(44)는 출력 검지부(42)의 검출값이 소정값 이상으로 되었을 때에 상기 지시 신호의 주파수를 내리는 것이다.

Description

발전 장치{POWER GENERATION APPARATUS}

본 발명은 발전 장치에 관한 것이다.

종래, 공장 등의 각종 설비로부터의 배열을 회수하고, 그 회수된 배열의 에너지를 이용하여 저비점의 작동 매체로부터 동력을 취출하는 바이너리 발전 장치가 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는 액상의 작동 매체를 증발시키는 증발기와, 증발기로부터 유출된 가스 상태의 작동 매체가 유입되는 팽창기와, 팽창기에 접속된 발전기와, 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 응축기로부터 유출된 액상의 작동 매체를 가압하여 증발기로 송출하는 펌프를 구비한 발전 장치가 개시되어 있다.

이와 같은 바이너리 발전 장치에서는, 공장 등의 배열이 사용되고 있고, 작동 매체를 증발시키기 위한 가열 매체의 온도가 정상적인 온도로부터 상승하는 경우가 있다. 가열 매체의 온도가 상승하면, 증발기에 있어서 가열 매체가 작동 매체와의 열교환에 의해 당해 작동 매체에 부여하는 열량이 증대된다. 그렇게 하면, 증발기에서의 작동 매체의 증발량이 증가하여, 팽창기의 회전수, 즉 발전기의 회전수(발전기에서 생성되는 전력)가 증가한다. 발전기의 회전수가 지나치게 증가하면, 발전기에서의 발열량의 증가에 기인한 당해 발전기의 내구성의 저하가 우려된다.

이와 같은 문제를 회피하기 위해, 특허문헌 1에서는 발전기의 출력이 미리 설정된 소정값을 초과하려고 한 경우, 펌프의 회전수를 저하시킴으로써 작동 매체의 순환량을 감소시키고 있다. 펌프의 회전수가 저하되면, 증발기로의 작동 매체의 유입량이 감소한다. 그렇게 하면, 증발기로부터 유출되는 가스 상태의 작동 매체의 양이 감소하고, 이에 의해 팽창기의 회전수, 즉 발전기의 회전수가 저하된다. 특허문헌 1에서는 이와 같이 하여 발전기의 내구성의 저하가 억제되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2008-312330호 공보

상기 특허문헌 1에서는 발전기의 출력이 소정값을 초과하려고 한 경우에 펌프의 회전수를 저하시키는 제어를 행하고 있다. 그러나, 이 제어에서는 펌프의 회전수가 저하된 후 증발기에서의 작동 매체의 증발량이 감소할 때까지는 시간이 걸리고, 또한 증발기에서의 작동 매체의 증발량이 감소한 후 팽창기 및 발전기의 회전수가 저하될 때까지도 시간이 걸린다. 이와 같이, 펌프의 회전수를 저하시켰을 때부터 발전기의 회전수가 저하될 때까지의 사이에 시간의 어긋남이 발생하므로, 그 사이, 발전 장치의 출력이 과도하게 증대되어 버리게 된다.

본 발명의 목적은 발전기의 회전수의 과도한 상승을 빠르게 억제하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 작동 매체를 증발시키는 증발기와, 상기 증발기로부터 유출된 작동 매체가 유입되는 팽창기와, 상기 팽창기에 접속된 발전기와, 상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기로부터 유출된 작동 매체를 가압하여 상기 증발기로 송출하는 펌프와, 상기 발전기에 접속된 주파수 변환기와, 상기 주파수 변환기를 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 주파수 변환기는 상기 발전기에 접속되어, 당해 발전기에서 생성된 교류를 직류로 변환하는 컨버터부와, 상기 컨버터부에 접속되어, 직류를 교류로 변환하는 인버터부를 구비하고, 상기 제어부는 상기 발전기의 출력을 직접적 또는 간접적으로 검지하는 출력 검지부와, 상기 컨버터부의 스위칭부의 온 오프의 전환을 지시하는 지시 신호를 생성하는 신호 생성부를 구비하고, 상기 신호 생성부는 상기 출력 검지부의 검출값이 소정값 이상으로 되었을 때에 상기 지시 신호의 주파수를 내리는 것을 특징으로 하는 발전 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 출력 검지부의 검출값이 소정값 이상으로 되었을 때에 지시 신호의 주파수를 내림으로써, 발전기의 회전수가 저하된다. 즉, 본 발명에서는, 출력 검지부의 검출값이 소정값 이상으로 되었을 때에 컨버터부를 통해 발전기의 회전수를 내리는 제어가 행해지므로, 발전기의 회전수의 과도한 상승을 빠르게 억제할 수 있다. 그 결과, 발전 장치의 출력이 과도하게 증대되는 것을 방지할 수 있다.

이 경우에 있어서, 상기 출력 검지부는 상기 인버터부로부터의 출력을 검지해도 된다.

이 형태에서는 인버터부로부터의 출력, 즉 정확한 출력에 기초한 제어가 가능해진다.

혹은, 상기 출력 검지부는 상기 컨버터부로부터의 출력을 검지해도 된다.

이 형태에서는 컨버터부로부터의 출력, 즉 직류이고 노이즈가 적은 안정적인 출력에 기초한 제어가 가능해진다.

또는, 상기 출력 검지부는 상기 발전기로부터의 출력을 검지해도 된다.

이 형태에서는 발전기로부터의 직접적인 출력에 기초한 제어가 행해지므로, 발전기의 회전수의 과도한 상승을 보다 빠르게 억제할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, 발전기의 회전수의 과도한 상승을 빠르게 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 발전 장치의 구성의 개략을 도시하는 도면.
도 2는 상기 실시 형태의 제어부의 변형예의 구성의 개략을 도시하는 도면.
도 3은 상기 실시 형태의 제어부의 변형예의 구성의 개략을 도시하는 도면.
도 4는 상기 실시 형태의 발전 장치의 비교예의 구성의 개략을 도시하는 도면.
도 5는 상기 실시 형태의 발전 장치의 비교예의 구성의 개략을 도시하는 도면.

본 발명의 제1 실시 형태의 발전 장치에 대해, 도 1을 참조하면서 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 이 발전 장치는 증발기(10)와, 증발기(10)로부터 유출된 가스 상태의 작동 매체가 유입되는 팽창기(12)와, 팽창기(12)에 접속된 발전기(14)와, 팽창기(12)로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기(16)와, 응축기(16)로부터 유출된 액상의 작동 매체를 가압하는 펌프(18)와, 증발기(10), 팽창기(12), 응축기(16) 및 펌프(18)를 이 순서로 직렬로 접속하는 순환 유로(20)와, 발전기(14)에 접속된 주파수 변환기(30)와, 각종 제어를 행하는 제어부(40)를 구비하고 있다.

증발기(10)는 액상의 작동 매체를 증발시켜 가스의 작동 매체로 한다. 구체적으로는, 증발기(10)에 유입된 액상의 작동 매체는 당해 증발기(10)에 외부로부터 공급된 가열 매체와 열 교환함으로써 증발한다. 증발기(10)에 공급되는 가열 매체로서는, 예를 들어 공장 등으로부터 배출되는 온수나 고온 가스를 들 수 있다.

팽창기(12)는 순환 유로(20)에 있어서의 증발기(10)의 하류측에 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는 팽창기(12)로서, 증발기(10)로부터 배출된 가스 상태의 작동 매체의 팽창 에너지에 의해 회전 구동되는 로터를 갖는 용적식 스크류 팽창기가 사용되어 있다. 구체적으로는, 이 팽창기(12)는 내부에 로터실이 형성된 케이싱과, 로터실 내에 회전 가능하게 지지된 자웅 한 쌍의 스크류 로터를 갖고 있다. 팽창기(12)에서는 상기 케이싱에 형성된 흡기구로부터 상기 로터실로 공급된 작동 매체의 팽창 에너지에 의해 상기 스크류 로터가 회전 구동된다. 그리고, 상기 로터실 내에서 팽창함으로써 압력이 저하된 작동 매체는 상기 케이싱에 형성된 배출구로부터 순환 유로(20)로 배출된다. 또한, 팽창기(12)로서는, 용적식 스크류 팽창기로 한정되지 않고, 원심식의 것이나 스크롤 타입의 것 등이 사용되어도 된다.

발전기(14)는 팽창기(12)에 접속되어 있다. 본 실시 형태에서는 발전기(14)로서, 회전수를 조정 가능한 IPM 발전기(영구 자석 동기 발전기)가 사용되어 있다. 구체적으로, 발전기(14)는 팽창기(12)의 한 쌍의 스크류 로터 중 한쪽에 접속된 회전축을 갖고 있다. 발전기(14)는 회전축이 상기 스크류 로터의 회전에 수반하여 회전함으로써 전력을 발생시킨다. 발전기(14)의 회전수는 제어부(40)에 의해 주파수 변환기(30)를 통해 제어 가능하게 되어 있다. 또한, 발전기(14)는 IPM 발전기로 한정되는 것이 아니라, 전자석 동기 발전기 등의 다른 타입의 동기 발전기여도 된다.

응축기(16)는 순환 유로(20)에 있어서의 팽창기(12)의 하류측에 설치되어 있다. 응축기(16)는 팽창기(12)로부터 배출된 가스 상태의 작동 매체를 응축시켜 액상의 작동 매체로 한다. 구체적으로는, 응축기(16)에 유입된 가스 상태의 작동 매체는 당해 응축기(16)에 외부로부터 공급된 냉각 매체와 열 교환함으로써 응축된다. 응축기(16)에 공급되는 냉각 매체로서는, 예를 들어 냉각수나 공기를 들 수 있다.

펌프(18)는 순환 유로(20)에 있어서의 응축기(16)의 하류측[증발기(10)와 응축기(16) 사이]에 설치되어 있다. 펌프(18)는 응축기(16)에서 응축된 액상의 작동 매체를 소정의 압력까지 가압하여 순환 유로(20)에 있어서의 펌프(18)의 하류측으로 송출한다. 펌프(18)로서는, 임펠러를 로터로서 구비하는 원심 펌프나, 로터가 한 쌍의 기어로 이루어지는 기어 펌프 등이 사용된다. 이 펌프(18)는 임의의 회전수로 구동되는 것이 가능하다.

주파수 변환기(30)는 컨버터부(32)와, 인버터부(34)를 갖는다. 컨버터부(32)는 발전기(14)에 접속되어, 발전기(14)로부터 출력되는 교류를 직류로 변환한다. 인버터부(34)는 컨버터부(32)에 접속되어, 컨버터부(32)로부터 출력되는 직류를 교류(일반적으로는 50㎐ 또는 60㎐의 상용 전력)으로 변환한다. 컨버터부(32)는 발전기(14)의 출력을 조정하는 스위칭부(32a)를 구비한다. 스위칭부(32a)에는 반도체 스위치가 사용된다.

제어부(40)는 출력 검지부(42)와, 신호 생성부(44)를 갖는다. 출력 검지부(42)는 인버터부(34)로부터의 출력(본 실시 형태에서는 교류 전압)을 검지한다. 신호 생성부(44)는 스위칭부(32a)의 온 오프의 전환을 지시하는 지시 신호를 생성한다. 제어부(42)에서는 인버터부(34)로부터의 출력에 기초하여 지시 신호의 주파수를 변화시킨다.

발전 장치에서는 증발기(10)에 공급되는 가열 매체의 온도의 상승 등에 기인하여 팽창기(12)의 회전수 및 발전기(14)의 회전수가 과도하게 상승하는 경우가 있다. 신호 생성부(44)에서는 출력 검지부(42)의 검출값이 소정값 이상으로 되었을 때에 지시 신호의 주파수를 내린다. 이에 의해, 발전기(14)의 회전수가 억제되어, 발전기(14)에서 생성되는 전력이 억제된다. 그 결과, 컨버터부(32) 내의 직류의 전압이 저하되어, 인버터부(34)로부터의 출력을 억제할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발전 장치에서는 출력 검지부(42)의 검출값이 소정값 이상으로 되었을 때에 컨버터부(32)로 송신되는 지시 신호의 주파수를 내린다. 이에 의해, 발전기(14)의 회전수의 과도한 상승을 빠르게 억제할 수 있다. 본 실시 형태에서는 출력 검지부(42)가 인버터부(34)로부터의 출력을 검지하므로, 정확한 출력에 기초한 제어가 행해진다. 또한, 출력 검지부(42)에서는 교류의 전압 이외에 전류나 전력을 검출값으로서 취득해도 된다. 이하의 도 3에 도시하는 경우에 있어서도 마찬가지이다.

여기서, 상기 실시 형태에서는 출력 검지부(42)가, 인버터부(34)의 출력을 검지하는 구성이 나타났지만, 도 2에 도시된 바와 같이, 출력 검지부(42)는 컨버터부(32)의 출력을 검지해도 된다. 이와 같이 하면, 컨버터부(32)의 출력, 즉 직류이고 노이즈가 적은 안정적인 출력에 기초한 제어가 가능해진다. 또한, 인버터부(34)의 출력에 기초하는 것보다도 빠른 제어가 가능해진다. 이 경우, 상기 소정값에는 직류의 전압, 전류 또는 전력이 사용된다.

출력 검지부(42)는, 도 3에 도시된 바와 같이 발전기(14)의 출력을 직접 검지해도 된다. 이와 같이 하면, 더욱 빠른 단계에서의 제어가 가능해지므로, 보다 빠르게 발전기(14)의 회전수의 상승을 억제할 수 있다.

(제1 비교예)

도 4는 상기 실시 형태의 발전 장치의 제1 비교예의 구성의 개략을 도시하고 있다. 또한, 제1 비교예에서는 상기 실시 형태와 다른 부분에 대해서만 설명을 행하고, 상기 실시 형태와 동일한 구조, 작용 및 효과의 설명은 생략한다.

제1 비교예의 발전 장치의 제어부(40)는 출력 검지부(42)와, 펌프 제어부(46)를 갖는다. 펌프 제어부(46)는 출력 검지부(42)의 검출값이 소정값 이상으로 되었을 때에, 인버터부(47)를 통해 펌프(18)의 회전수를 저하시킨다. 펌프(18)의 회전수가 저하되면, 증발기(10)에 유입되는 액상의 작동 매체의 양이 감소하므로, 당해 증발기(10)로부터 유출되는 가스 상태의 작동 매체의 양이 감소한다. 그 결과, 팽창기(12)의 회전수, 즉 발전기(14)의 회전수[발전기(14)에서의 발전 전력]가 감소한다.

그러나, 이 제1 비교예에서는 펌프(18)의 회전수가 저하된 후 발전기(14)의 회전수가 저하될 때까지의 사이에 시간의 어긋남이 발생한다. 그로 인해, 상기 실시 형태와 같이, 제어부(40)가 직접 발전기(14)의 회전수를 제어하는 것이 바람직하다.

(제2 비교예)

도 5는 상기 실시 형태의 발전 장치의 제2 비교예의 구성의 개략을 도시하고 있다. 또한, 제2 비교예에 있어서도, 상기 실시 형태와 다른 부분에 대해서만 설명을 행하고, 상기 실시 형태와 동일한 구조, 작용 및 효과의 설명은 생략한다.

제2 비교예의 발전 장치는 팽창기(12)를 바이패스하는 바이패스 유로(22)와, 바이패스 유로(22)에 설치된 바이패스 밸브(24)를 더 구비하고 있다.

제어부(40)는 출력 검지부(42)와, 밸브 제어부(48)를 갖는다. 밸브 제어부(48)는 출력 검지부(42)의 검출값이 소정값 이상으로 되었을 때에, 바이패스 밸브(24)를 개방한다. 바이패스 밸브(24)가 개방되면, 증발기(10)로부터 유출된 가스 상태의 작동 매체의 일부가 팽창기(12)를 경유하지 않고 응축기(16)로 유도되므로, 팽창기(12)에 유입되는 가스 상태의 작동 매체의 양이 감소한다. 그 결과, 팽창기(12)의 회전수, 즉, 발전기(14)의 회전수[발전기(14)에서의 발전 전력]가 감소한다.

그러나, 이 제2 비교예에서는 바이패스 유로(22)나 바이패스 밸브(24)가 필요해져, 장치가 전체적으로 복잡화된다. 그로 인해, 상기 실시 형태와 같이, 바이패스 유로(22) 및 바이패스 밸브(24)를 사용하지 않고, 제어부(40)가 직접 발전기(14)의 회전수를 제어하는 것이 바람직하다.

10 : 증발기
12 : 팽창기
14 : 회전기
16 : 응축기
18 : 펌프
20 : 순환 유로
22 : 바이패스 유로
24 : 바이패스 밸브
30 : 주파수 변환부
32 : 컨버터부
32a : 스위칭부
34 : 인버터부
40 : 제어부
42 : 출력 검지부
44 : 신호 생성부

Claims (4)

1. 작동 매체를 증발시키는 증발기와,
   상기 증발기로부터 유출된 작동 매체가 유입되는 팽창기와,
   상기 팽창기에 접속된 발전기와,
   상기 팽창기로부터 유출된 작동 매체를 응축시키는 응축기와,
   상기 응축기로부터 유출된 작동 매체를 가압하여 상기 증발기로 송출하는 펌프와,
   상기 발전기에 접속된 주파수 변환기와,
   상기 주파수 변환기를 제어하는 제어부를 구비하고,
   상기 주파수 변환기는,
   상기 발전기에 접속되어, 당해 발전기에서 생성된 교류를 직류로 변환하는 컨버터부와,
   상기 컨버터부에 접속되어, 직류를 교류로 변환하는 인버터부를 구비하고,
   상기 제어부는,
   상기 발전기의 출력을 직접적 또는 간접적으로 검지하는 출력 검지부와,
   상기 컨버터부의 스위칭부의 온 오프의 전환을 지시하는 지시 신호를 생성하는 신호 생성부를 구비하고,
   상기 신호 생성부는 상기 출력 검지부의 검출값이 소정값 이상으로 되었을 때에 상기 지시 신호의 주파수를 내리고,
   상기 발전기는 동기 발전기인 것을 특징으로 하는, 발전 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 출력 검지부는 상기 인버터부로부터의 출력을 검지하는, 발전 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 출력 검지부는 상기 컨버터부로부터의 출력을 검지하는, 발전 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 출력 검지부는 상기 발전기로부터의 출력을 검지하는, 발전 장치.

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