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KR20170076220A - 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템 - Google Patents

기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템 Download PDF

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KR20170076220A
KR20170076220A KR1020150186234A KR20150186234A KR20170076220A KR 20170076220 A KR20170076220 A KR 20170076220A KR 1020150186234 A KR1020150186234 A KR 1020150186234A KR 20150186234 A KR20150186234 A KR 20150186234A KR 20170076220 A KR20170076220 A KR 20170076220A
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steam
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turbine
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KR1020150186234A
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Inventor
주재헌
이용락
Original Assignee
(주)에이치티알디
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Publication date
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Abstract

본 발명은 기체폐열을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기체폐열가스의 열에너지를 거의 100% 유용한 에너지로 사용하며, 또한, 유기랭킨싸이클(Organic rankine cycle) 원리를 이용한 전력 생산과, 공기에 흡수된 열에너지를 지벡효과(Seebeck Effect)를 이용 하여 추가적으로 전력을 발생시켜 전체적 전력의 발생을 증가시키며, 또한, 발전과정에서 발생되는 고온증기 및 고온공기를 이용하여 실내난방이나 온수 및 온돌난방으로의 사용이 가능하게 하기 위한 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템에 관한 것이다.

Description

기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템{Hybrid Air-Brayton Cycle Power Generator System using Waste Heat, which generates simultaneously both high temperature steam and air}
본 발명은 기체폐열을 이용한 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 브레이튼싸이클(Brayton cycle) 원리에 의해 기체폐열을 재사용하여 고온증기 및 고온공기의 생산이 가능하게 하는 한편, 생산된 고온증기 및 고온공기를 이용하여 하이브리드(Hybrid) 전력의 생산이 가능하게 하기 위한 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 폐열은 발전소, 지상차량 및 선박, 항공기 등 엔진 구동을 원리로 하는 기기 등에서 그 엔진을 구동 후, 대기로 버려지는 것으로, 이러한 버려지는 기체폐열로 인한 에너지의 손실은 상당한 실정으로, 이러한 기기들의 엔진을 구동하는데 실제로 사용되는 에너지는 총 에너지 중 30~40%에 불과하며, 나머지는 그대로 폐열로 대리고 버려지고 있는 것이다.
한편, 상기와 같은 문제는 단순히 에너지 절약적 차원에서 머무르는 것이 아니라, 2차적으로 지구의 온난화에 의한 환경문제로 인하여 더욱 복잡하고 심각한 문제로 부각되고 있는 실정이다.
이에, 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 근자에 들어 상기와 같이 발생되는 기체폐열을 회수하여 그 일부를 전력을 생산하는데 적용되고 있는데, 이러한 기존 방법은 유기체 동작유체를 사용하여 중 저온 폐열원에서 얻은 열에너지의 일부를 회수하여 전력을 발생하였다.
그러나, 상기와 같은 방법은 그 효율이 높지 않아 폐열원에서 얻은 열에너지에 비하여 실제로 전력으로 변환시키는 건은 불과 10% 정도에 불가하였다.
또한, 유기체 동작유체를 사용할 때는 폐열온도는 중 저온 100~250℃ 이어야 하는 제한이 있어 그 실효성이 극히 저하되었다.
이에, 근자에 들어 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 브레이튼싸이클(Brayton cycle) 원리를 이용한 발전장치가 개발되고 있는 실정이다.
그러나, 아직 상기와 같은 브레이튼싸이클 원리를 이용한 발전장치는 그 발전의 한계를 나타내었다.
대한민국특허출원등록 제10-0844634호.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 기체폐열가스의 열에너지를 거의 100% 유용한 에너지로 사용하기 위한 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템을 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.
또한, 유기랭킨싸이클(Organic rankine cycle) 원리를 이용한 전력 생산과, 공기에 흡수된 열에너지를 지벡효과(Seebeck Effect)를 이용 하여 추가적으로 전력을 발생시켜 전체적 전력의 발생을 증가시키기 위한 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템을 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.
또한, 발전과정에서 발생되는 고온증기 및 고온공기를 이용하여 실내난방이나 온수 및 온돌난방으로의 사용이 가능하게 하기 위한 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템을 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로는, 대기중의 공기를 흡입하여 고압으로 압축하는 공기압축기와, 폐열가스를 가해 압축된 고압의 공기를 가열하여 고온 고압의 상태로 만드는 공기가열기와, 고온 고압의 공기를 이용하여 기계적 운동을 수행하는 공기터빈과, 공기터빈과 연결되어 기계적 운동에 의해 발전을 수행하는 발전기로 된 브레이튼싸이클 발전부; 공기터빈을 구동시키고 발생된 중온의 공기를 가해 열매체를 가열시켜 열원을 생성하는 열원발생기; 열원발생기에서 발생된 열원을 이용하여 유기물질을 증발시켜 증기를 생성시키는 ORC증발기와, 발생된 증기를 이용하여 기계적 운동을 수행하는 ORC터빈과, ORC터빈을 작동시키고 발생된 증기를 냉각수를 이용하여 냉각시켜 액화시키는 응축기와, 액화된 유기물질을 압축시켜 ORC증발기로 공급하는 피드펌프와, ORC터빈과 연결되어 기계적 운동에 의해 발전을 수행하는 ORC발전기로 된 유기랭킨싸이클 발전부; 및 ORC증발기에서 유기물질을 증발시키고 발생된 냉각된 열원을 열원발생기로 회수하는 열매체펌프를 포함하여 구성하거나, 대기중의 공기를 흡입하여 고압으로 압축하는 공기압축기와, 폐열가스를 가해 압축된 고압의 공기를 가열하여 고온 고압의 상태로 만드는 공기가열기와, 고온 고압의 공기를 이용하여 기계적 운동을 수행하는 공기터빈과, 공기터빈과 연결되어 기계적 운동에 의해 발전을 수행하는 발전기로 된 브레이튼싸이클 발전부; 및 공기터빈을 구동시키고 발생된 중온의 공기 열원을 이용하여 유기물질을 증발시켜 증기를 생성시키는 ORC증발기와, 발생된 증기를 이용하여 기계적 운동을 수행하는 ORC터빈과, ORC터빈을 작동시키고 발생된 증기를 냉각수를 이용하여 냉각시켜 액화시키는 응축기와, 액화된 유기물질을 압축시켜 ORC증발기로 공급하는 피드펌프와, ORC터빈과 연결되어 기계적 운동에 의해 발전을 수행하는 ORC발전기로 된 유기랭킨싸이클 발전부를 포함하여 구성하며, 공기압축기에는, 그 공기압축기의 구동력을 부여하는 구동축을 더 포함하여 구성하되, 구동축은, 공기터빈과 공기압축기를 공통으로 연결하여, 공기터빈의 기계적 운동을 직접 공기압축기에 전달하여 공기압축기를 구동시키거나, 구동축을 공기터빈과 분리하고, 구동축에는 전력에 의해 구동하는 전동기를 더 형성하며, 그 전동기는 발전기로부터 전력의 공급이 가능하게 구성하되, 전동기는 발전기에서 발생된 전력을 이용하여 작동 및 공기압축기를 구동하며, 공기터빈을 구동시키고 발생된 중온의 공기와 대기중의 공기를 이용한 온도차를 통해 발전을 수행하는 열전발전기를 포함하여 구성함으로 달성할 수 있는 것이다.
이상과 같이 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템은, 대기중에 있는 공기는 100% 무공해 물질인 것인바, 이것을 사용하여 폐열원에서 방출되는 기체폐열가스가 가지고 있는 열에너지를 공기에 전달시켜 그 열에너지를 거의 100% 유용한 에너지로 사용이 가능한 효과를 얻을 수 있는 것이다.
또한, 공기에 흡수된 열에너지를 브레이튼싸이클부를 통해 고온고압의 공기를 터빈을 통과시키는 과정에서 동력을 발생 및 그 동력을 이용하여 발전이 가능하며, 이와 동시에 나머지 공기의 열에너지를 열전발전기를 이용한 지벡효과(Seebeck Effect)와 유기랭킨싸이클(Organic rankine cycle) 원리를 이용하여 추가적으로 전력을 발생시킴으로 전체적 전력 발생의 증가를 가져오는 효과를 얻을 수 있는 것이다.
또한, 발전과정에서 발생되는 고온증기를 이용하여 라디에이터를 작동시켜 실내난방과, 온수기에 적용시켜 온수의 생성과, 온돌 난방기에 적용시켜 난방수의 생성과, 열전발전기에서 나오는 고온공기를 이용하여 실내 온풍이 가능하게 되는 등 그 사용 효율성이 현격히 향상되는 효과를 얻을 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템 전체도.
도 2는 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템의 열원발생기 실시예도.
도 3은 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템의 열원발생기 실시예도.
도 4는 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템의 라디에이터 적용 실시예도.
도 5는 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템의 온수기 적용 실시예도.
도 6은 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템의 보일러 적용 실시예도.
도 7은 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템의 다른 실시예도.
도 8은 본 발명 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템의 구동축 실시예도.
도 9는 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템의 온풍기 적용 실시예도.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템 전체도이다.
도 1의 도시와 같이 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템은, 브레이튼싸이클 발전부(100)와, 열원발생기(200)와, 유기랭킨싸이클 발전부(300)와, 열매체펌프(400)로 구성된다.
여기서, 상기 브레이튼싸이클 발전부(100)는, 공기압축기(110)와, 공기가열기(120)와, 공기터빈(130)과, 발전기(140)로 구성된 것으로,
먼저, 공기압축기(110)는, 공기를 압축하여 고압의 공기로 생성하게 구성된 것으로, 본 발명에서는 대기중의 공기를 흡입 및 압축하여 고압의 공기를 생성하게 된다.
또한, 공기가열기(120)는, 압축된 고압의 공기를 고온으로 가열시키게 구성된 것으로, 상기 공기압축기(110)와 연결되어 압축된 고압의 공기를 공급받으며, 이와 동시에 버려지는 폐열가스를 압축공기에 가해 고온의 공기로 생성하게 되는 것으로, 이에, 공기가열기(120)를 통과한 고압의 공기는 고온 고압의 공기를 얻을 수 있게 된다.
또한, 공기터빈(130)은, 통상의 기체 또는 유체가 가지고 있는 에너지를 이용하여 기계적 회전운동을 하는 것으로, 본 발명에서는 상기 고온 고압의 공기(기체)를 가함으로 열에너지를 기계적 회전 에너지로 변환시키게 된다.
또한, 발전기(140)는, 상기 공기터빈(130)과 연결되게 구성된 것으로, 그 공기터빈(130)이 회전 운동을 하는 과정에서 그 회전력에 의해 발전을 수행하게 된다.
여기서, 상기와 같이 고온 고압의 공기를 이용하여 공기터빈(130)을 구동시키게 되면, 열에너지의 엔탈피(enthaIpy)가 떨어지게 되는 것인바, 상대적으로 고온 고압의 공기가 중온 저압의 공기로 변환되게 된다.
상기 열원발생기(200)는, 상기 공기터빈(130)을 구동시키고 발생된 중온의 공기를 열매체에 가해 열교환하여 열원을 얻을 수 있게 구성된다.
즉, 공기터빈(130)에서 나오는 공기는 중온임에도 대체로 150~300℃의 높은 온도를 유지하게 되는 것인바, 이러한 온도를 열매체가 충전되는 열원발생기(200)에 가함으로 열매체와 열교환이 이루어지는 것인바, 이러한 열교환 과정에서 열원의 생성이 가능하게 된다.
한편, 상기 열원발생기(200)를 구성함에 있어서는, 열매체의 다양한 적용이 가능한 것으로, 먼저, 도 2의 도시와 같이 열매체로 물을 사용하되 열원발생기(200)를 물이 충전되는 증기발생기(210)로 적용할 수 있다.
즉, 공기터빈(130)을 구동시키고 발생된 중온의 공기를 가해 물을 증발시켜 증기를 생성하여 그 증기를 열원으로 사용할 수 있게 된다.
또한, 도 3의 도시와 같이 열매체로 오일(oil)을 사용하되 열원발생기(200)를 오일이 충전되는 오일가열기(220)로 적용할 수 있다.
즉, 공기터빈(130)을 구동시키고 발생된 중온의 공기를 가해 오일을 가열시켜 그 가열된 오일을 열원으로 사용할 수 있게 된다.
한편, 상기와 같이 열원발생기(200)를 물을 이용한 증기발생기(210)나 오일을 이용한 오일가열기(220)로 적용함은, 공기터빈(130)에서 나오는 공기는 중온임에도 대체로 150~300℃를 이루는 것인바, 이러한 발생온도를 기준으로 하여 비교적 높은 온도의 공기가 발생시에는 높은 온도를 이용하여 열매체의 증발이 가능한 물을 이용한 증기발생기(210)를 적용함으로 발생된 증기를 열원으로 사용할 수 있게 되며, 비교적 낮은 온도의 공기가 발생시 낮은 온도에서의 가열이 가능한 오일을 이용한 오일가열기(220)를 적용함으로 가열된 오일을 직접 열원으로 사용할 수 있게 된다.
즉, 상기와 같이 열원발생기(200)를 적용함에 있어, 증기발생기(210) 또는 오일가열기(220)로 적용할 수 있는 것으로, 이러한 적용은 브레이튼싸이클 발전부(100)에서 발생되는 공기의 온도에 따라 다양한 설비에 적용 가능하게 된다.
상기 유기랭킨싸이클 발전부(300)는, ORC증발기(310)와, ORC터빈(320)과, 응축기(330)와, 피드펌프(340)와, ORC발전기(350)로 구성된다.
여기서, 상기 ORC증발기(310)는, 통상의 유기랭킨싸이클(Organic rankine cycle)의 원리에 의해 열원을 이용하여 유기물질을 증발시켜 증기를 발생시키게 되는 것으로, 이러한 열원은 상기 열원발생기(200)로부터 얻을 수 있게 된다.
이때, 본 발명에서 적용되는 유기물질로는 냉매가 적용된다.
또한, ORC터빈(320)은, 상기 ORC증발기(310)에서 발생된 증기를 이용하여 기계적 운동을 수행하게 된다.
또한, 응축기(330)는, 상기 ORC터빈(320)을 작동시키고 발생된 증기를 액화시키게 구성된 것으로, 이런 액화는 냉각수를 이용하여 가능하며 액상의 유기물질을 얻을 수 있게 된다.
또한, 피드펌프(340)는, 상기 응축기(330)에서 액화된 유기물질을 단열 압축시켜 상기 ORC증발기(310)로 공급하여 증기 생성에 따른 유기물질로 사용할 수 있게 된다.
상기 ORC발전기(350)는, 상기 ORC터빈(320)과 연결되게 구성된 것으로, 그 ORC터빈(320)이 회전 운동을 하는 과정에서 그 회전력에 의해 발전을 수행하게 된다.
한편, 상기 유기랭킨싸이클은, 알려진바와 같이 통상 화력발전은 물을 끓여 고온 고압의 증기로 만들어 증기터빈을 구동하는 랭킨싸이클(Rankine cycle) 발전을 한다. 이때 물은 최소한 100℃ 이상에서 증발하고 증기터빈을 구동하려면 최소한 415℃ 이상의 고온증기를 요한다고 IEC에서 권고하고 있다. 그렇다면 이보다 낮은 온도인 폐기열은 대체로 400℃ 미만인 것인바, 이것을 이용한 발전을 하려면 저압의 증기터빈도 있지만 이는 효율이 5% 정도로 아주 낮아 이용가치가 떨어지게 된다.
이에, 이를 해결하기 위해 19세기말 프랭크 오밸트(Frank Ofeldt)에 의하여 발명된 것이 유기랭킨싸이클로 물보다 낮은 온도에서 증발하고 상대적으로 높은 압력을 발생시키는 유기물질을 사용한다고 하여 유기랭킨싸이클(ORC : Organic rankine cycle)이라고 한다.
즉, 본 발명의 유기랭킨싸이클 발전부(300)에서는, 유기랭킨싸이클의 원리에 의해 열원을 이용하여 낮은 온도에서 ORC증발기(310)의 유기물질을 증발시켜 고온 고압의 증기를 얻을 수 있게되며, 이렇게 얻어진 고온 고압의 증기를 이용하여 ORC터빈(320)의 구동 및 ORC발전기(350)를 이용한 발전이 가능하게 된다.
한편, 상기와 같이 ORC증발기(310)의 작동을 위한 열원으로는, 먼저 도 2의 도시와 같이 열원발생기(200)를 증기발생기(210)로 적용시에는 증기를 열원으로 사용할 수 있으며, 도 3의 도시와 같이 오일가열기(220)로 적용시에는 가열된 오일을 열원으로 사용할 수 있게 된다.
상기 열매체펌프(400)는, ORC증발기(310)에서 유기물질을 증발시키고 발생된 냉각된 열원을 열원발생기(200)로 회수하여 재사용이 가능하게 한다.
한편, 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템에는, 도 4 내지 도 6의 도시와 같이 보일러(600)와, 응축수 탱크(601)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
이때, 보일러(600)는, 더운 열기의 발생시키는 라디에이터(610)와, 온수의 생성이 가능한 온수기(620)와, 바닥 난방이 가능한 온돌 난방기(630)로 구성된다.
이때, 상기 라디에이터(610)는, 도 4의 도시와 같이 상기 증기발생기(210)와 연결되게 구성하되, 상기 증기발생기(210)에서 발생된 뜨거운 증기를 이용하여 라디에이터(610)의 물과 열교환하며, 이러한 열교환 과정에서 발생되는 열기를 통해 난방을 수행할 수 있게 된다.
그리고, 상기와 같이 라디에이터(610)에서의 열교환 과정에서 발생되는 응축수는 응축수 탱크(601)에 저장 및 다시 증기발생기(210)로 공급하여 증기 발생에 사용되는 물로 사용 가능하게 된다.
또한, 상기 온수기(620)는, 도 5의 도시와 같이 상기 증기발생기(210)와 연결되게 구성하되, 상기 증기발생기(210)에서 발생된 뜨거운 증기를 이용하여 온수기(620)의 물과 열교환하여 온수를 생성 및 사용 가능하게 된다.
그리고, 상기와 같이 라디에이터(610)에서의 열교환 과정에서 발생되는 응축수는 응축수 탱크(601)에 저장 및 다시 증기발생기(210)로 공급하여 증기 발생에 사용되는 물로 사용 가능하게 된다.
또한, 상기 온돌 난방기(630)는, 도 6의 도시와 같이 상기 증기발생기(210)와 연결되게 구성하되, 상기 증기발생기(210)에서 발생된 뜨거운 증기를 이용하여 온돌 난방기(630)의 물과 열교환하여 난방수를 생성 통상의 난방배관(도면중 미도시함)을 통해 난방에 사용할 수 있게 된다.
그리고, 상기와 같이 라디에이터(610)에서의 열교환 과정에서 발생되는 응축수는 응축수 탱크(601)에 저장 및 다시 증기발생기(210)로 공급하여 증기 발생에 사용되는 물로 사용 가능하게 된다.
한편, 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템의 다른 실시예로, 도 7의 도시와 같이 브레이튼싸이클 발전부(100)와 유기랭킨싸이클 발전부(300)로 구성할 수 있다.
여기서, 상기 브레이튼싸이클 발전부(100)는, 공기압축기(110)와, 공기가열기(120)와, 공기터빈(130)과, 발전기(140)로 구성된 것으로,
먼저, 공기압축기(110)는, 공기를 압축하여 고압의 공기로 생성하게 구성된 것으로, 본 발명에서는 대기중의 공기를 흡입 및 압축하여 고압의 공기를 생성하게 된다.
또한, 공기가열기(120)는, 압축된 고압의 공기를 고온으로 가열시키게 구성된 것으로, 상기 공기압축기(110)와 연결되어 압축된 고압의 공기를 공급받으며, 이와 동시에 버려지는 폐열가스를 압축공기에 가해 고온의 공기로 생성하게 되는 것으로, 이에, 공기가열기(120)를 통과한 고압의 공기는 고온 고압의 공기를 얻을 수 있게 된다.
또한, 공기터빈(130)은, 통상의 기체 또는 유체가 가지고 있는 에너지를 이용하여 기계적 회전운동을 하는 것으로, 본 발명에서는 상기 고온 고압의 공기(기체)를 가함으로 열에너지를 기계적 회전 에너지로 변환시키게 된다.
또한, 발전기(140)는, 상기 공기터빈(130)과 연결되게 구성된 것으로, 그 공기터빈(130)이 회전 운동을 하는 과정에서 그 회전력에 의해 발전을 수행하게 된다.
여기서, 상기와 같이 고온 고압의 공기를 이용하여 공기터빈(130)을 구동시키게 되면, 열에너지의 엔탈피(enthaIpy)가 떨어지게 되는 것인바, 상대적으로 고온 고압의 공기가 중온 저압의 공기로 변환되게 된다.
상기 유기랭킨싸이클 발전부(300)는, ORC증발기(310)와, ORC터빈(320)과, 응축기(330)와, 피드펌프(340)와, ORC발전기(350)로 구성된다.
여기서, 상기 ORC증발기(310)는, 통상의 유기랭킨싸이클(Organic rankine cycle)의 원리에 의해 열원을 이용하여 유기물질을 증발시켜 증기를 발생시키게 되는 것으로, 이러한 열원은 상기 공기터빈(130)을 구동시키고 발생된 중온의 공기 의 사용이 가능하게 된다.
또한, ORC터빈(320)은, 상기 ORC증발기(310)에서 발생된 증기를 이용하여 기계적 운동을 수행하게 된다.
또한, 응축기(330)는, 상기 ORC터빈(320)을 작동시키고 발생된 증기를 액화시키게 구성된 것으로, 이런 액화는 냉각수를 이용하여 가능하며 액상의 유기물질을 얻을 수 있게 된다.
또한, 피드펌프(340)는, 상기 응축기(330)에서 액화된 유기물질을 단열 압축시켜 상기 ORC증발기(310)로 공급하여 증기 생성에 따른 유기물질로 사용할 수 있게 된다.
상기 ORC발전기(350)는, 상기 ORC터빈(320)과 연결되게 구성된 것으로, 그 ORC터빈(320)이 회전 운동을 하는 과정에서 그 회전력에 의해 발전을 수행하게 된다.
즉, 본 발명의 유기랭킨싸이클 발전부(300)에서는, 유기랭킨싸이클의 원리에 의해 열원을 이용하여 낮은 온도에서 ORC증발기(310)의 유기물질을 증발시켜 고온 고압의 증기를 얻을 수 있게되며, 이렇게 얻어진 고온 고압의 증기를 이용하여 ORC터빈(320)의 구동 및 ORC발전기(350)를 이용한 발전이 가능하게 된다.
한편, 도 1 및 도 7을 참조하여 상기 공기압축기(110)에는, 그 공기압축기(110)의 구동력을 부여하기 위한 구동축(150)을 더 포함하여 구성할 수 있는 것으로, 그 구동축(150)의 구동은 다양한 실시예에 의해 가능하다.
먼저, 상기 구동축(150)은, 도 1 및 도 7의 도시와 같이 상기 공기터빈(130)과 공기압축기(110)를 직접 공통으로 연결할 수 있는 것으로, 이때에는 공기터빈(130)이 회전하는 과정에서 그 회전동력이 구동축(150)에 직접 전달 및 공기압축기(110)의 구동이 가능하게 할 수 있다.
또한, 상기 구동축(150)은, 도 8의 도시와 같이 상기 공기터빈(130)과 분리된 상태로 구성하고, 그 구동축(150)에는 전력을 이용하여 구동축(150)의 구동이 가능하게 하는 전동기(151)를 더 포함하여 구성할 수 있는 것으로, 이때에는 상기 전동기(151)는 상기 발전기(140)에서 발전된 전력을 이용하여 구동이 가능하게 구성할 수 있다.
즉, 전동기(151)는, 상기 발전기(140)로부터 발전된 전력을 공급하여 구동 및 구동축을 구동시킴으로 공기압축기(110)의 구동이 가능하게 된다.
즉, 본 발명 브레이튼싸이클 발전부(100)에서는 상기와 같이 대기중의 공기와 폐열가스의 열원을 이용하여 고온 고압의 공기를 생성 및 그 고온 고압의 공기를 이용하여 공기터빈(130)을 작동 및 발전기(140)에서 발전하여 전력을 생산할 수 있게 됨은 물론, 이러한 공기터빈(130)의 구동에 의해 공기압축기(110)의 구동이 가능하게 된다.
한편, 본 발명에는 열전발전기(500)를 더 포함하여 구성할 수 있는 것으로, 열전발전기(500)는, 공기터빈(130)을 구동시키고 발생된 중온의 공기와 대기중의 공기를 이용한 온도차를 통해 지벡효과(Seebeck Effect)를 이용한 전기의 발전이 가능하게 구성된 것으로, 이때, 지벡효과는 알려진바와 같이 두개의 서로 다른 금속도선의 양끝을 연결하여 폐회로를 구성하고 양단에 온도차가 주면 두 접점사이에 전위차가 발생한다. 이를 열전현상(Thermo-electric Effect)이라 부르고 이 때 발생한 전위차를 열기전력이라고 한다.
즉, 서로 다른 2개의 전도물질로 이루어진 한 회로에서 그 2개의 전도물질 간의 접촉점들에 다른 온도를 가해주면 전류 또는 전압이 발생하는 것으로, 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 열흐름이 전류를 발생시킨다.
즉, 본 발명에서는 상기 공기터빈(130)을 구동시키고 발생된 중온의 공기와 대기중의 공기를 이용한 온도차를 통해 발전이 가능하게 구성된 것으로, 도 1을 참조하여 열매체발생부(200)를 구성시에는 공기터빈(130)으로부터 발생된 중온의 공기가 열매체발생부(200)를 통과후 사용 가능하고, 도 9를 참조하여 공기터빈(130)으로부터 발생된 중온의 공기를 유기랭킨싸이클 발전부(300)에서 직접 사용시에는 그 유기랭킨싸이클 발전부(300)의 ORC증발기(310)를 통과후 사용 가능하게 된다.
한편, 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템에는, 도 9의 도시와 같이 온풍기(700)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
이때, 온풍기(700)는 상기 열전발전기(500)와 연결되게 구성된 것으로, 이는, 열전발전기(500)에서 발전시 발생되는 공기의 열에너지(더운공기)를 온풍기(700)로 공급 및 온풍기(700)를 통해 실내로 공급하여 온풍 난방이 가능하게 된다.
이상에서와 같이 본 발명 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템은, 발전소, 지상차량 및 선박, 항공기 등 엔진 구동을 원리로 하는 기기 등에서 그 엔진을 구동시 발생되는 기체폐열을 100% 활용하여 고온증기 및 고온공기의 생산이 가능하게 하는 한편, 이러한 고온증기 및 고온공기를 이용하여 브레이튼싸이클(Brayton cycle) 원리를 이용한 발전과, 지벡효과(Seebeck Effect)를 이용한 발전과, 유기랭킨싸이클(Organic rankine cycle) 원리를 이용한 발전이 가능하게 되는 것인바, 대기로 버려지는 기체폐열을 이용한 발전효율을 한층 향상시킬 수 있으며, 상기에서 발생되는 고온증기 및 고온공기를 이용한 동절기 실내난방이 가능하게 된다.
100 : 브레이튼싸이클 발전부 110 : 공기압축기
120 : 공기가열기 130 : 공기터빈
140 : 발전기 150 : 구동축
151 : 전동기 200 : 열원발생기
300 : 유기랭킨싸이클 발전부 310 : ORC증발기
320 : ORC터빈 330 : 응축기
340 : 피드펌프 350 : ORC발전기
400 : 열매체펌프 500 : 열전발전기
600 : 보일러 601 : 응축수 탱크
610 : 라디에이터 620 : 온수기
630 : 온돌 난방기 700 : 온풍기

Claims (11)

  1. 대기중의 공기를 흡입하여 고압으로 압축하는 공기압축기(110)와, 폐열가스를 가해 압축된 고압의 공기를 가열하여 고온 고압의 상태로 만드는 공기가열기(120)와, 고온 고압의 공기를 이용하여 기계적 운동을 수행하는 공기터빈(130)과, 공기터빈(130)과 연결되어 기계적 운동에 의해 발전을 수행하는 발전기(140)로 된 브레이튼싸이클 발전부(100);
    공기터빈(130)을 구동시키고 발생된 중온의 공기를 가해 열매체를 가열시켜 열원을 생성하는 열원발생기(200);
    열원발생기(200)에서 발생된 열원을 이용하여 유기물질을 증발시켜 증기를 생성시키는 ORC증발기(310)와, 발생된 증기를 이용하여 기계적 운동을 수행하는 ORC터빈(320)과, ORC터빈(320)을 작동시키고 발생된 증기를 냉각수를 이용하여 냉각시켜 액화시키는 응축기(330)와, 액화된 유기물질을 압축시켜 ORC증발기(310)로 공급하는 피드펌프(340)와, ORC터빈(320)과 연결되어 기계적 운동에 의해 발전을 수행하는 ORC발전기(350)로 된 유기랭킨싸이클 발전부(300); 및
    ORC증발기(310)에서 유기물질을 증발시키고 발생된 냉각된 열원을 열원발생기(200)로 회수하는 열매체펌프(400)를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    열원발생기(200)는,
    열매체로 물이 충전되는 증기발생기(210)로 구성하되,
    공기터빈(130)을 구동시키고 발생된 중온의 공기를 가해 물을 증발시켜 증기를 생성하여 그 증기를 열원으로 사용함을 특징으로 하는 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    열원발생기(200)는,
    오일이 충전되는 오일가열기(220)로 구성하되,
    공기터빈(130)을 구동시키고 발생된 중온의 공기를 가해 오일을 가열시켜 그 가열된 오일을 열원으로 사용함을 특징으로 하는 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    증기발생기(210)와 연결되는 보일러(600)와, 증기발생기(210)와 보일러(600)를 연결하는 응축수 탱크(601)를 더 포함하여 구성하되,
    보일러(600)는, 라디에이터(610)와, 온수기(620)와, 온돌 난방기(630)로 구성함을 특징으로 하는 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    라이에이터(610)는,
    증기발생기(210)와 연결되어 증기발생기(210)에서 발생된 뜨거운 증기를 이용하여 라디에이터(610)의 물과 열교환하여 열기를 발생하며,
    열교환 과정에서 발생되는 응축수는 응축수 탱크(601)에 저장 및 다시 증기발생기(210)로 공급되게 구성함을 특징으로 하는 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    온수기(620)는,
    증기발생기(210)와 연결되어 증기발생기(210)에서 발생된 뜨거운 증기를 이용하여 온수기(620)의 물과 열교환하여 온수를 생성하며,
    열교환 과정에서 발생되는 응축수는 응축수 탱크(601)에 저장 및 다시 증기발생기(210)로 공급되게 구성함을 특징으로 하는 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템.
  7. 제 4항에 있어서,
    온돌 난방기(630)는,
    증기발생기(210)와 연결되어 증기발생기(210)에서 발생된 뜨거운 증기를 이용하여 온돌 난방기(630)의 물과 열교환하여 난방수를 생성하며,
    열교환 과정에서 발생되는 응축수는 응축수 탱크(601)에 저장 및 다시 증기발생기(210)로 공급되게 구성함을 특징으로 하는 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템.
  8. 대기중의 공기를 흡입하여 고압으로 압축하는 공기압축기(110)와, 폐열가스를 가해 압축된 고압의 공기를 가열하여 고온 고압의 상태로 만드는 공기가열기(120)와, 고온 고압의 공기를 이용하여 기계적 운동을 수행하는 공기터빈(130)과, 공기터빈(130)과 연결되어 기계적 운동에 의해 발전을 수행하는 발전기(140)로 된 브레이튼싸이클 발전부(100); 및
    공기터빈(130)을 구동시키고 발생된 중온의 공기 열원을 이용하여 유기물질을 증발시켜 증기를 생성시키는 ORC증발기(310)와, 발생된 증기를 이용하여 기계적 운동을 수행하는 ORC터빈(320)과, ORC터빈(320)을 작동시키고 발생된 증기를 냉각수를 이용하여 냉각시켜 액화시키는 응축기(330)와, 액화된 유기물질을 압축시켜 ORC증발기(310)로 공급하는 피드펌프(340)와, ORC터빈(320)과 연결되어 기계적 운동에 의해 발전을 수행하는 ORC발전기(350)로 된 유기랭킨싸이클 발전부(300)를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템.
  9. 제 1항 또는 제 8항에 있어서,
    공기압축기(110)에는, 그 공기압축기(110)의 구동력을 부여하는 구동축(150)을 더 포함하여 구성하되,
    구동축(150)은, 공기터빈(130)과 공기압축기(110)를 공통으로 연결하여, 공기터빈(130)의 기계적 운동을 직접 공기압축기(110)에 전달하여 공기압축기(110)를 구동시키거나,
    구동축(150)을 공기터빈(130)과 분리하고, 구동축(150)에는 전력에 의해 구동하는 전동기(151)를 더 형성하며, 그 전동기(151)는 발전기(140)로부터 전력의 공급이 가능하게 구성하되,
    전동기(151)는 발전기(140)에서 발생된 전력을 이용하여 작동 및 공기압축기(110)를 구동함을 특징으로 하는 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템.
  10. 제 1항 또는 제 8항에 있어서,
    공기터빈(130)을 구동시키고 발생된 중온의 공기와 대기중의 공기를 이용한 온도차를 통해 발전을 수행하는 열전발전기(500)를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    열풍을 이용하여 난방을 수행하는 온풍기(700)를 더 포함하여 구성하되,
    온풍기(700)는 열전발전기(500)와 연결되어 열전발전기(500)에서 발생되는 공기의 열에너지를 이용하여 온풍 난방을 수행함을 특징으로 하는 기체 폐열을 이용한 하이브리드 브레이튼 싸이클 발전과 고온증기 및 고온공기 동시 생산 시스템.
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