KR20130119162A - 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템 - Google Patents

태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템 Download PDF

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KR20130119162A
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Abstract

본 발명은 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템은 외부 열원으로부터 전달받은 열을 통해서 작동 유체를 증발시키는 증발기, 상기 증발기로부터 작동 유체를 수용하기 위한 터빈 발전기와, 터빈 발전기를 통과한 작동 유체를 응축시키는 응축기, 상기 증발기로 복귀시키기 위한 펌프를 연속적 유동 관계로 연결시킨 랭킨 사이클에 있어서, 상기 증발기에서의 열교환은 태양열 집열기를 통해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템{ Direct organic Rankine cycle power generation system using solar power}
본 발명은 유기 랭킨 사이클 발전 시스템에 관한 것으로서, 증발기에 사용되는 열원을 태양열을 이용한 집열기를 이용하는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적인 폐쇄식 랭킨 사이클 시스템은 기동 유체를 증발시키기 위한 보일러 또는 증발기와, 발전기 또는 다른 하중을 구동하기 위해 보일러로부터 증기를 공급받는 터빈과, 터빈으로부터 배기된 증기를 응축하기 위한 응축기와, 증발기로 응축된 유체를 재순환하기 위한 펌프와 같은 수단을 포함한다. 이런 시스템이 미국 특허청 특허 제3,393,515호에 도시되고 설명되어 있다.
이런 랭킨 사이클 시스템은 일반적으로 주거 용도 또는 상업 용도를 위한 동력 배분 시스템이나 그리드에 제공되는 전력을 생성시키도록 사용된다. 이런 시스템에 사용되는 작동 유체는 대개 물이며, 터빈은 증기에 의해 구동된다.
이런 시스템에서 터빈은 비교적 고온 고압에서 작동되도록 설계되고 제작과 사용에 비용이 많이 든다.
증발기에 대한 열원은 예컨대 오일, 석탄, 천연 가스 또는 원자력과 같은 모든 형태의 화석 연료일 수 있다.
또한, 에너지 위기의 도래와 함께 현 세대의 이용 가능한 에너지를 보전하고 보다 효율적으로 사용하는 것에 대한 필요성으로 인해, 랭킨 사이클 시스템은 대기로 소실되어 그 자체로서 전력 생성을 위해 요구되는 것보다 더 많은 연료가 요구되게 함으로써 환경에 간접적으로 치명적인 영향을 미쳤던 소위 "폐열"을 포획하도록 사용되었다.
대한민국 특허청에 출원된 출원번호 제10-2005-7007460호는 연료 전지로부터 폐열을 이용하는 시스템을 제안한 바 있다.
본 발명에 따른 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템은 태양열을 열원으로 하여 랭킨 사이클을 작동시킬 수 있는 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템은 외부 열원으로부터 전달받은 열을 통해서 작동 유체를 증발시키는 증발기, 상기 증발기로부터 작동 유체를 수용하기 위한 터빈 발전기와, 터빈 발전기를 통과한 작동 유체를 응축시키는 응축기, 상기 증발기로 복귀시키기 위한 펌프를 연속적 유동 관계로 연결시킨 랭킨 사이클 발전 시스템에 있어서, 상기 증발기에서의 열교환은 태양열 집열기를 통해서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 태양열 집열기는 평판형, 집광형, 진공관형 집열기 중 어느 하나를 이용하는 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 작동 유체는 유기 작동 유체임을 특징으로 한다.
마지막으로, 상기 펌프와 증발기 사이에 예열기가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템은 태양열 집열판을 이용하여 증발기에 열원을 제공하므로 친환경적인 에너지 활용이 가능하고, 태양열 발전의 낮은 효율을 유기 작동 유체를 이용하여 랭킨 사이클을 구동할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 랭킨 사이클을 도시하는 개념도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템을 도시하는 개념도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 이용되는 랭킨 사이클에 대해 상세히 살펴보면, 도 1은 랭킨 사이클의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 랭킨 사이클은 증발기(310), 터빈(320), 발전기(330), 응축기(340)를 기본적으로 포함한다.
상기 증발기(310)는 외부 열원을 통해서 작동 유체를 증발시키고, 증발된 유체를 터빈(320)을 돌려서 발전기에서 전원을 생산하게 된다. 터빈을 통과한 작동 유체는 응축기(340)에서 응축되어 펌프(350)를 통해서 다시 증발기(310)로 보내 진다.
또한, 상기 응축기(340)에서 랭킨 사이클의 작동 유체를 냉각시키는 냉각수는 일정한 온도 이상으로 가열되므로 화장실등의 온수 공급 설비에 연결되어 보다 높은 에너지 활용이 가능하도록 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 태양열을 이용한 랭킨 사이클을 도시하는 개념도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템은 외부 열원으로부터 전달받은 열을 통해서 작동 유체를 증발시키는 증발기(100), 상기 증발기(100)로부터 작동 유체를 수용하기 위한 터빈 발전기(200)와, 터빈 발전기(200)를 통과한 작동 유체를 응축시키는 응축기(300), 상기 증발기(100)로 복귀시키기 위한 펌프(500)가 연속적으로 연결된다.
여기서, 상기 증발기(100)에서의 열교환은 태양열 집열기를 통해서 이루어지며, 상기 태양열 집열기는 평판형, 집광형, 진공관형 집열기 중 어느 하나를 이용한다.
특히, 비집광식에 해당되는 평판형은 물이나 공기가 통하는 파이프가 달린 검은색(선택흡수막) 금속판을 설치하고 그 위에 공기층을 만들어 강화유리로 씌우고, 금속판 아래쪽에 단열재를 붙인 것이며, 진공유리관형은 그 속에 검은색 금속판 집열관이 들어간다.
본 발명에서 이용되는 집열기에 사용되는 집열판의 종류, 크기 등은 이용되는 랭킨 사이클의 크기에 따라서 결정되어야 하며, 보다 높은 효율을 위하여 태양 추적 모듈이 장착된 집열판을 이용할 수도 있다.
일반적으로 유기 랭킨 사이클은 폐열에서 회수한 온수 또는 온유를 열교환기를 통해 유기 작동 유체(R245fa)를 증발시키는 간접식 증발기를 채택하나, 본 발명에서는 유기 작동 유체를 태양열 집열기에 직접 순환시켜 증발시키는 방식을 채택하여 시스템을 단순화하고 효율을 제고시키고자 한다.
또한, 유기 작동 유체을 이용하는 이러한 랭킨 사이클에서 비교적 저온에 해당되는 태양열을 열원으로 이용해야 하기 때문에 본 발명에서는 유기 작동 유체를 이용하며, 구체적으로는 30도씨 이하의 끓는점을 가진 R-245fa를 이용하는 것이 바람직하다.
다만, 작동 유체의 선택은 사이클의 온도 범위/열 효율 특성을 통해서 결정하는 것이 바람직하다.
일반적인 랭킨 사이클 발전 시스템은 증발기를 통과하면서 고압이 된 증기가 터빈을 회전시켜 발생되는 축동력을 전기에너지로 변환시키는 시스템인데 반해 유기 랭킨 사이클(ORC: Organic Rankine Cycle)은 작동유체로 물을 사용하지 않고 유기 혼합물을 사용한다.
마지막으로, 상기 펌프(400)와 증발기(500) 사이에 예열기(미도시됨)가 더 포함될 수 있다. 상기 예열기를 통해서 증발기(100)로 공급되는 유기 작동 유체의 온도를 높여서 증발기에서의 열효율이 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 응축기(300)에서 사용되는 냉각수를 별도의 저장 탱크(600)에서 저장하고, 이를 온수로 공급하는 설비로 연결하는 방식도 채택가능하다.
이상과 같이 본 발명은 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템을 제공하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예는 단지 하나의 실시 예에 불과하므로 본 발명의 진정한 범위는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100: 증발기
110: 태양열 집열기
200: 터빈 발전기
300: 응축기
400: 저장 탱크
500: 펌프

Claims (4)

  1. 외부 열원으로부터 전달받은 열을 통해서 작동 유체를 증발시키는 증발기, 상기 증발기로부터 작동 유체를 수용하기 위한 터빈 발전기와, 터빈 발전기를 통과한 작동 유체를 응축시키는 응축기, 상기 증발기로 복귀시키기 위한 펌프를 연속적 유동 관계로 연결시킨 랭킨 사이클 발전 시스템에 있어서,
    상기 증발기에서의 열교환은 태양열 집열기를 통해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양열 집열기는,
    평판형, 집광형, 진공관형 집열기 중 어느 하나를 이용하는 것임을 특징으로 하는 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 작동 유체는,
    유기 작동 유체임을 특징으로 하는 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프와 증발기 사이에 예열기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 직접증발식 유기 랭킨 사이클 발전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101499636B1 (ko) * 2014-02-12 2015-03-06 부산대학교 산학협력단 부착형 태양열 재열 팽창기 모듈을 이용한 열병합 orc 시스템
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