KR20200128595A - 전력 생성 시스템 - Google Patents

Abstract

종래와 비교하여 에너지의 회수 효율이 좋고, 또한, 냉열뿐만 아니라 온열 생성이 가능한 전력 생성 시스템을 제공한다. 내압 밀폐 회로 시스템 내에서 작동 유체를 상태 변화시키면서 순환시켜서 작동 유체에 준 외래 열 에너지를 운동 에너지로 변환하여 동력을 생성하고, 이 동력에 의해 발전기를 구동시켜 전력을 생산하는 전력 생성 시스템에 있어서, 주회로와 보조 회로 및 내압 밀폐 회로를 구성하고 주회로에 증발실, 단열 팽창실, 발전부와, 가온용 열교환 장치와, 액화 작동 유체 환류 수단을 구비하고, 부회로에는 열 매체 분류로와, 액화 보조용 유체 공급로와, 냉각 및 제2 피가열 유체 공급로와, 가온 시설과, 반류 압착 수단을 구비하는 것으로 하였다

Description

전력 생성 시스템

본 발명은 전력 생성 시스템에 관한 것이다.

종래부터 실시되고 있는 열기관에 의한 대표적인 에너지의 회수법으로서, 예를 들면, 화력 발전이나 원자력 발전 등을 들 수 있다. 이들은 화력이나 원자력으로 고온 고압의 수증기를 만들고 그 증기로 터빈을 돌려 발전하는 방법이며, 열에너지를 일단 운동 에너지로 변환하여 일을 시키고, 전기 에너지로서 회수하고 있지만, 물리적으로 속박된 시스템에서부터 내부 에너지를 방출하여 운동 에너지로 변환할 때 엔트로피의 증대 등에 의해, 지금까지의 기술에서는 열에너지의 회수 효율을 올리는 것이 곤란했다. 통상의 화력 발전이나 원자력 발전에서는 열에너지의 30퍼센트에서 40퍼센트 정도의 회수 효율에 지나지 않는다.

또, 그 외의 에너지의 회수법으로서, 재생 가능 에너지의 회수에 의해 발전을 실시하는 방법이 알려져 있으며, 예를 들면, 해양 온도차 발전이나 태양열 발전등이 종래부터 제안되어 있다.

그러나, 이들 발전 방법도, 화력 발전이나 원자력 발전과 비교하면 열에너지의 회수 효율은 더욱 나쁘고, 저온 저압인 증기압과 고열원과 저열원 양방 모두 해수의 공급에 큰 에너지 손실이 발생하여, 실질적인 회수 효율은 상당히 낮아 화력 발전이나 원자력 발전을 대신하는 것이라고 말하기 어렵다. 또, 발전량이 기상 상황 등 자연 환경에 좌우되기 쉽다는 문제도 갖고 있다.

따라서, 본 발명자는, 상온의 열원으로부터 작동 유체의 기화 잠열을 흡수하고, 그 과정에서 열에너지를 역학적 에너지로 변환하여 효율적으로 회수하고, 작업이 완료된 작동 유체를 가압하면서 냉각하여 열에너지를 상온으로 방출하기 쉽게 하는 방법에 의해, 상온으로 액화 잠열을 방출시켜서 사이클을 일순(一巡)시키는 시스템을 과거에 제안하고 있다(특허 문헌 1 및 특허 문헌 2 참조.)

그리고, 이 시스템에 의하면, 예를 들면 풍력 발전이나 태양광 발전과 같은 자연 환경에 좌우되는 일 없이, 열에너지를 안정적으로 회수할 수 있으며, 또한, 이 열에너지를 이용하여 효율 좋게 발전(發電)을 실시할 수도 있다.

특허 문헌 1 JP 2013－040606 A 특허 문헌 2 JP 6295391B

과거에 본 발명자가 제안한 이 시스템은, 바다나 하천 등에서 얻어진 상온의 물이나 대기 유래의 상온의 공기를 열원으로서 운동 에너지로 변환하고, 이것을 이용하여 발전을 실시할 수 있다는 점에서 매우 뛰어난 시스템이라고 말할 수 있다.

그러나, 이 뛰어난 시스템에서도 효율화의 관점에서는 아직 개량의 여지가 남아 있었다.

또, 본 발명자가 제안한 종래의 시스템은, 시스템 내를 순환하는 작동 유체를 냉열원으로서 냉수나 냉장·냉동 설비 등이 제공 가능하지만, 온열의 생성을 실시하는 것은 아니었다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 종래와 비교하여 에너지의 회수 효율이 좋고, 또한, 냉열 뿐만 아니라 온열의 생성이 가능한 전력 생성 시스템을 제공한다.

상기 종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관한 전력 생성 시스템에서는, (1) 내압 밀폐 회로의 시스템 내에서 작동 유체를 상태 변화시키면서 순환시켜서 작동 유체에게 준 외래 열에너지를 운동 에너지로 변환하여 동력을 생성하고, 이 동력에 의해 발전기를 구동시켜서 전력을 생성하는 전력 생성 시스템에서, 상기 내압 밀폐 회로는, 주회로와, 상기 주회로에 병렬로 접속된 부회로를 구비하고, 상기 주회로는, 작동 유체의 기상 및 액상이 비점 근방 온도에서 수용되며, 가열용 유체와 상기 작동 유체의 액상과의 사이에서 열교환이 가능하게 구성한 증발실과, 상기 증발실로부터 공급된 작동 유체를 단열 팽창에 따른 온도 저하에 의해 액화 함과 동시에, 단열 팽창에서는 액화 할 수 없었던 작동 유체와 액화 보조용 유체와의 사이에서 열교환 가능하게 구성한 단열 팽창실과, 상기 증발실과 상기 단열 팽창실과의 사이를 연이어 통하는 작동 유체 유로의 중도에 개설(介設)된 동력 생성 수단과, 상기 동력 생성 수단에서 생성된 동력에 의해 발전하는 발전 수단을 구비한 발전부와, 상기 단열 팽창실과 상기 증발실을 연이어 통하는 작동 유체 유로의 중도에, 상기 내압 밀폐 회로의 시스템 밖에서 공급되는 가온용 유체와의 사이에서 열교환을 실시하여 제1 피가온 유체로서의 작동 유체와 제2 피가온 유체를 가온하는 가온용 열교환기구와, 상기 단열 팽창실에서 액화한 작동 유체를 상기 가온용 열교환기구를 통해서 상기 증발실로 환류하는 액화 작동 유체 환류 수단을 가지며, 상기 부회로는 상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로로부터 작동 유체의 일부를 열 매체로서 분류하는 열 매체 분류로와, 분류된 열 매체의 일부를 감압하여 온도 저하시키고, 상기 단열 팽창실에 상기 액화 보조용 유체로서 공급하는 액화 보조용 유체 공급로와, 분류된 열 매체의 타부를 감압하여 온도 저하시키고, 이것을 냉매로 하는 냉각 설비와, 상기 단열 팽창실 및 냉각 설비를 거친 열 매체를, 상기 가온용 열교환기구에 상기 제2 피가온 유체로서 공급하는 제2 피가온 유체 공급로와, 상기 가온용 열교환기구에서 가온된 열 매체를 압착하고, 다시 고온이 된 열 매체를 열매로 하는 가온 설비와, 상기 가온 설비를 거친 열 매체를 상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로에 합류시키는 열 매체 반유로에 개설되며, 상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로를 유통하는 작동 유체 이상의 압력까지 열 매체를 압착하는 반류 압착 수단을 구비하는 것으로 하였다.

또, 본 발명에 관한 전력 생성 시스템에서는, 이하의 점에도 특징을 갖는다.

(2) 상기 가온용 열교환기구에 의해 가온된 열 매체의 일부를 상기 가온 설비에 공급하는 한편, 나머지 부분을 압착하여 더욱 고온으로 하여 상기 증발실에 가열용 유체로서 공급하는 열 매체 분배로를 구비하는 것.

(3) 상기 발전부에서 얻어진 전력의 일부에서 물을 전기 분해하여 수소 및 산소를 생성하는 물 전해 장치와, 생성한 수소 및 산소를 연소시켜서 열을 얻는 연소 장치를 구비하고 상기 연소 장치에서 얻어진 열로 소정의 유체를 가열하여 상기 증발실에 가열용 유체로서 공급할 수 있도록 구성한 것.

(4) 상기 증발실을 거친 가열용 유체를, 상기 가온용 열교환기구에 가온용 유체로서 공급할 수 있도록 구성한 것.

(5) 상기 물 전해 장치에서 발생시킨 수소 및 산소를 저장하는 저장 설비를 갖추는 것.

(6) 상기 연소 장치에서 얻어진 열에서의 물의 가열에 의해 발생한 증기로 터빈을 구동시켜 발전을 실시함과 동시에, 터빈을 거친 증기를 응축시켜 증류수를 얻는 것.

본 발명에 관한 전력 생성 시스템에 의하면, 내압 밀폐 회로의 시스템 내에서 작동 유체를 상태 변화시키면서 순환시켜서 작동 유체에게 준 외래 열에너지를 운동 에너지로 변환하여 동력을 생성하고, 이 동력에 의해 발전기를 구동시켜서 전력을 생성하는 전력 생성 시스템에서, 상기 내압 밀폐 회로는, 주회로와, 상기 주회로에 병렬로 접속된 부회로를 구비하고, 상기 주회로는, 작동 유체의 기상 및 액상이 비점 근방 온도에서 수용되며, 가열용 유체와 상기 작동 유체의 액상과의 사이에서 열교환이 가능하게 구성한 증발실과, 상기 증발실로부터 공급된 작동 유체를 단열 팽창에 따른 온도 저하에 의해 액화 함과 동시에, 단열 팽창에서는 액화 할 수 없었던 작동 유체와 액화 보조용 유체와의 사이에서 열교환 가능하게 구성한 단열 팽창실과, 상기 증발실과 상기 단열 팽창실과의 사이를 연이어 통하는 작동 유체 유로의 중도에 개설된 동력 생성 수단과, 상기 동력 생성 수단에서 생성된 동력에 의해 발전하는 발전 수단을 구비한 발전부와, 상기 단열 팽창실과 상기 증발실을 연이어 통하는 작동 유체 유로의 중도에, 상기 내압 밀폐 회로의 시스템 밖에서 공급되는 가온용 유체와의 사이에서 열교환을 실시하여 제1 피가온 유체로서의 작동 유체와 제2 피가온 유체를 가온하는 가온용 열교환기구와, 상기 단열 팽창실에서 액화한 작동 유체를 상기 가온용 열교환기구를 통해서 상기 증발실로 환류하는 액화 작동 유체 환류 수단을 가지며, 상기 부회로는 상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로로부터 작동 유체의 일부를 열 매체로서 분류하는 열 매체 분류로와, 분류된 열 매체의 일부를 감압하여 온도 저하시키고, 상기 단열 팽창실에 상기 액화 보조용 유체로서 공급하는 액화 보조용 유체 공급로와, 분류된 열 매체의 타부를 감압하여 온도 저하시키고, 이것을 냉매로 하는 냉각 설비와, 상기 단열 팽창실 및 냉각 설비를 거친 열 매체를, 상기 가온용 열교환기구에 상기 제2 피가온 유체로서 공급하는 제2 피가온 유체 공급로와, 상기 가온용 열교환기구에서 가온된 열 매체를 압착하고, 다시 고온이 된 열 매체를 열매로 하는 가온 설비와, 상기 가온 설비를 거친 열 매체를 상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로에 합류시키는 열 매체 반유로에 개설되며, 상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로를 유통하는 작동 유체 이상의 압력까지 열 매체를 압착하는 반류 압착 수단을 구비하는 것으로 하였기 때문에, 종래와 비교하여 에너지의 회수 효율이 좋고, 또한, 냉열 뿐만 아니라 온열의 생성이 가능한 전력 생성 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 실시 형태에 관한 전력 생성 시스템의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 2는 제2 실시 형태에 관한 전력 생성 시스템의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 3은 제3 실시 형태에 관한 전력 생성 시스템의 구성을 나타낸 설명도이다.

본 발명은 내압 밀폐 회로의 시스템 내에서 작동 유체를 액체나 기체 등에 상태 변화시키면서 순환시켜서 작동 유체에게 준 외래 열에너지를 운동 에너지로 변환하여 동력을 생성하고, 이 동력(운동 에너지)에 의해 발전기를 구동시켜서 전력을 생성하는 전력 생성 시스템에 관한 것이며, 종래와 비교하여 에너지의 회수 효율이 좋고, 또한, 냉열 뿐만 아니라 온열의 생성이 가능한 전력 생성 시스템의 제공을 목적으로 하는 것이다.

본 시스템에서, 내압 밀폐 회로 내에서 순환시키는 작동 유체는 특별히 한정되는 것이 아니고, 일반적으로 냉매로서 사용되는 물질, 구체적으로는 화학적 안정성이 풍부하고, 상온 상압하에서 기체이며, 액화하기 쉬운 성질을 갖는 물질을 매우 적합하게 사용할 수 있다. 이러한 작동 유체에 대해 굳이 예시한다면, 프로판이나 부탄, 프레온, 암모니아를 들 수 있다.

또, 외래 열에너지의 크기는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 후술하는 가온용 열교환기구에서 작동 유체에 열을 주는 것이 가능할 정도의 온도차가 필요하다.

외래 열에너지의 공급 매체 상태, 즉, 기체·액체·고체의 구별은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 대부분의 경우 유동성을 갖는 액체나 기체가 유리하다. 이러한 외래 열에너지의 공급 매체로서는, 예를 들면, 바다나 하천, 댐 등의 물로 하거나 대기 중의 공기로 하는 것도 가능하다.

이러한 공급 매체로부터 공급된 외래 열에너지를 보유하는 작동 유체를 순환시켜서 동력을 생성하거나 발전을 실시하는 본 시스템은, 주회로와 부회로에 의해 내압 밀폐 회로를 구성하고, 주회로에, 증발실과 단열 팽창실과 발전부와, 가온용 열교환기구와, 액화 작동 유체 환류 수단을 구비하며, 부회로에는, 열 매체 분류로와, 액화 보조용 유체 공급로와, 냉각 설비와, 제2 피가온 유체 공급로와, 가온 설비와, 반류 압착 수단을 구비하는 것으로 그 구성을 실현하고 있다. 또한, 본원은 종래와 비교하여 보다 효율적인 발전을 실시하는 것이 가능하고, 온열을 공급 가능한 전력 생성 시스템용 내압 밀폐 회로 구조를 제공하는 것이기도 하다.

우선 주회로의 증발실은, 단열 구조가 실시된 압력 용기 내에 비점 근방 온도의 작동 유체가 기상과 액상을 기액 평형 상태로 수용하여 구성하고 있다. 증발 실 내에 있어서의 기상의 용량과 액상의 용량과의 비율은, 사용하는 작동 유체의 종류나 공급 매체의 온도 등에 의해서 좌우되지만, 대체로, 기상：액상=10용량부：1용량부∼5용량부：1용량부의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

또 증발실은, 내압 밀폐 회로의 시스템 내 또는 시스템 밖에서 공급되는 소정의 가열용 유체와 작동 유체의 액상과의 사이에 열교환 가능하게 구성하고 있으며, 가열용 유체가 갖는 작동 유체와의 온도차 분의 열에너지를 작동 유체에 부여 가능하게 하고 있다. 부언하면, 본 시스템에서 이 증발실은, 외래 열에너지의 입구가 되는 부위로서, 후술하는 가온용 열교환기구와 함께 중요한 부위의 하나라고 말할 수 있다.

증발실 내의 작동 유체는, 가열용 유체가 상시 유통되는 것으로, 증발실 기상의 압력 변화가 없는 경우, 가열용 유체와 작동 유체와의 사이에 온도 평형이, 또, 작동 유체의 기상과 액상과의 사이에 기액 평형이 (열의 손실 등을 무시하면) 실질적으로 유지된 상태가 되어 있다.

한편, 후술하는 액화 작동 유체 환류 수단 등이 기능하는 것에 의해, 증발실 내의 기상 압력이 저하한 경우에는, 기액 평형이 되도록 액상의 작동 유체가 증발하여 기상 압력의 보충이 이루어져, 액상의 기화에 따라 저하된 온도 분의 에너지는 가온용 열교환기구나 증발실에서의 열교환에 의해서 공급 매체로부터 주어진다.

즉, 다소의 온도나 압력 변동은 있지만, 공급 매체와 작동 유체의 액상과의 온도 평형이나, 증발실 내의 기액평형은 가급적 유지되도록 구성하고 있다.

또한 일례로서, 외래 열에너지 공급 매체로서 20∼30℃(예를 들면,25℃)의 하천수나 해수를 채용하고, 작동 유체로서 프로판을 채용한 경우(이하, 프로판 조건이라고도 함), 증발실 내에 있어서의 작동 유체의 액상 온도는, 증발실 내에서의 가열용 유체와의 열교환에 의해서 70∼90℃(예를 들면, 80℃), 기상 압력은 23∼33기압(예를 들면, 28기압)으로 할 수 있다.

단열 팽창실은, 증발실로부터 공급된 작동 유체를 단열 팽창에 따른 온도 저하에 의해 액화하는 부위이다.

즉, 단열 팽창실은 증발실의 내압보다 저압으로 하고 있으며, 그 압력 차이는 기체 상태의 작동 유체가 단열 팽창에 의해서 액화할 수 있는 정도의 기압차이로 하고 있다.

예를 들면, 먼저 언급한 프로판 조건에 있어서는, 단열 팽창실 내에 수용된 작동 유체의 온도가 대략 -42∼-10℃(예를 들면,-10℃), 기상 압력이 약 1.5∼2.5 기압(예를 들면, 2기압)이 되도록 구성하고, 후술하는 발전부를 거친 작동 유체가 액화하도록 하고 있다.

단열 팽창실의 용량은, 사용하는 작동 유체의 종류나 공급 매체의 온도 등에 의해서 좌우되지만, 유입한 작동 유체의 팽창에 의해서 대부분이 액화하기 위해서 필요한 체적을 확보할 수 있는 용량이면 된다.

발전부는, 증발실과 단열 팽창실을 접속하는 작동 유체 유로의 중도에 개설 되고 있으며, 동력 생성 수단과 상기 동력 생성 수단에서 생성된 동력에 의해 발전하는 발전 수단에 의해 구성된다.

동력 생성 수단으로서는, 예를 들면 왕복 단열 실린더나, 터빈을 채용할 수 있다.

동력 생성 수단으로서 채용 가능한 왕복 단열 실린더는, 단열 구조가 실시된 왕복 동작 가능한 실린더이며, 증발실로부터 공급되는 기상 작동 유체에 의해 구동시켜서 운동 에너지를 얻는 것이 가능하다.

또 발전부에 있어서의 동력 생성 수단으로서의 터빈은, 예를 들면, 증발실과 상기 단열 팽창실과의 사이를 연이어 통하는 작동 유체 유로의 중도에 개설된 터빈실 내에서 상기 증발실측의 압력과 상기 단열 팽창실측의 압력과의 압력 차이로 유동하는 작동 유체와의 접촉에 의해 회전하는 터빈을 배열 설치함으로써, 발전 수단에 대해 동력을 공급할 수 있다. 또 특별히, 터빈을 채용한 경우, 연속적인 발전이 가능하다는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

가온용 열교환기구는, 단열 팽창실과 액화 작동 유체 환류 수단을 연이어 통하는 작동 유체 유로의 중도에 설치된 열교환기이며, 내압 밀폐 회로의 시스템 밖에서 공급되는 가온용 유체와 단열 팽창실 내에서 액화된 작동 유체 및 후술의 열 매체와의 사이에 열교환을 실시하여 작동 유체나 열 매체를 가온하는 역할을 한다. 또한, 이 가온용 열교환기구는, 1대의 열교환기로 구성해도 되고, 또, 복수의 열교환기를 직렬 다단에 접속하여 구성해도 된다.

액화 작동 유체 환류 수단은, 단열 팽창실에서 액화한 작동 유체를 상기 증발실로 환류하는 것이다.

액화 작동 유체 환류 수단은, 단열 팽창실 내의 작동 유체의 액상을, 증발실과의 압력차이에 저항하여 환류시키는 것이며, 액밀성이나 내압성이 뛰어난 액송펌프 등을 채용할 수 있다.

이어서, 부회로에 대해 언급하면, 부회로에는 열 매체 분류로와, 액화 보조용 유체 공급로와, 냉각 설비와, 제2 피가온 유체 공급로와, 가온 설비와, 반류 압착 수단이 구비되어 있다.

부회로는, 주회로에 배설된 증발실과 발전부를 접속하는 작동 유체 유로에 대해 병렬에 접속된 회로이며, 주회로를 흐르는 작동 유체의 일부를 분기시켜서 열 매체로서 유통시키는 것으로, 주로 냉각이나 가온을 실시할 수 있도록 구성된 회로이다.

열 매체 분류로는, 증발실과 발전부와의 사이의 작동 유체 유로로부터 작동 유체의 일부를 열 매체로서 분류하기 위한 유로이며, 부회로에 있어서의 열 매체(작동 유체)의 도입부가 되는 유로로서의 역할을 갖는다.

액화 보조용 유체 공급로는, 열 매체 분류로에 의해 주회로로부터 분류된 열 매체의 일부를 감압하여 온도 저하시키고, 단열 팽창실에 액화 보조용 유체로서 공급하기 위한 유로이다.

즉, 액화 보조용 유체 공급로는, 열 매체 분류로로부터 분기하는 유로의 하나이며, 압력을 내려 팽창시키는 것으로 열 매체의 온도를 저하시키는 감압 밸브등의 감압 수단이 그 중도에 개설되고 있으며, 온도 저하한 기체 형태의 열 매체를 냉매적으로 액화 보조용 유체로서 단열 팽창실의 열교환부에 공급한다.

냉각 설비는, 열 매체 분류로에 의해 주회로로부터 분류된 열 매체의 타부를 감압하여 온도 저하시키고, 이것을 냉매로서 냉각을 실시하는 설비이다. 이 냉각 설비의 열 매체의 도입부에는, 압력을 내려 팽창시키는 것으로 열 매체의 온도를 저하시키는 감압 밸브 등의 감압 수단이 개설되고 있으며, 온도 저하한 기체 상태의 열 매체를 냉매로서 물품 등의 냉각이 실시된다. 또한, 이 냉각 설비는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 냉동실이나 냉장실로 할 수 있다.

제2 피가온 유체 공급로는, 단열 팽창실 및 냉각 설비를 거친 열 매체를, 가온용 열교환기구에 제2 피가온 유체로서 공급하기 위한 유로이다.

즉, 제2피가온 유체 공급로는, 단열 팽창실의 열교환부로부터 유출하는 열 매체와 냉각 설비를 거쳐 유출하는 열 매체를 합류하여, 가온용 열교환기구에 제2 피가온 유체로서 이끄는 다중 분기 형태(예를 들면, 두갈래 형태)의 합류로(이하, 다중 분기 합류로라고도 한다.)이다. 또한, 제2 피가온 유체 공급로의 합류부 상류측의 가지에 상당하는 유로 부분(이하, 지로(枝路)라고도 한다.)에는, 양 열 매체의 합류 시에 압력 등을 정합시킬 수 있도록 가압 펌프 등의 가압 수단을 적절히 설치할 수도 있다.

가온 설비는, 가온용 열교환기구에서 가온된 열 매체를 압착하고, 다시 고온이 된 열 매체를 열매로서 가온을 실시하는 설비이다. 이 가온 설비는 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 보온고나, 식물 재배용 하우스나 온수를 생성하는 설비로 하는 것도 가능하다.

반류 압착 수단은, 가온 설비를 거친 열 매체를 증발실과 발전부와의 사이의 작동 유체 유로에 합류시키는 열 매체 반유로에 개설되며, 증발실과 발전부와의 사이의 작동 유체 유로를 유통하는 작동 유체 이상의 압력까지 열 매체를 압착하는 것이다.

그리고, 이들과 같은 주회로 및 부회로를 갖는 내압 밀폐 회로를 구비한 전력 생성 시스템에 의하면, 종래와 비교하여 에너지의 회수 효율이 좋고, 또한, 냉열 뿐만 아니라 온열의 생성이 가능한 전력 생성 시스템을 제공하는 것이 가능해진다.

특별히, 부회로에 대해 단열 팽창실이나 냉각 설비를 거친 열 매체를, 기체 상태인 채 가온용 열교환기구에 제2의 피가온 유체로서 도입하여 가온하는 것으로 하고 있기 때문에, 가온 설비나 후술의 열 매체 분배로에서 압착했을 때에 큰 열을 발생시킬 수 있고, 내압 밀폐 회로의 시스템 밖에서 공급되는 가온용 유체의 열에너지를 효율적으로 이용할 수 있다.

또, 본 실시 형태에 관한 전력 생성 시스템에서는, 부회로에서, 가온용 열교환기구에 의해 가온된 열 매체의 일부를 압착하여 가온 설비에 공급하는 한편, 나머지 부분을 압착하여 더욱 고온으로 하여 증발실에 가열용 유체로서 공급하는 열 매체 분배로를 구비하는 것으로 해도 된다.

이러한 구성으로 함으로써, 가온용 열교환기구에서 가온용 유체로부터 열에너지를 얻은 열 매체를 증발실의 열교환부에 열매로서 공급할 수 있으며, 작동 유체를 더욱 효율적으로 가열하는 것으로, 발전부에서 보다 큰 전력을 얻을 수 있다.

또, 본 실시 형태에 관한 전력 생성 시스템에서는, 발전부에서 얻어진 전력의 일부에서 물을 전기 분해하여 수소 및 산소를 생성하는 물 전해 장치와 생성한 수소 및 산소를 연소시키고 열을 얻는 연소 장치를 구비하며, 상기 연소 장치에서 얻어진 열로 소정의 유체를 가열하여 증발실의 열교환부에 가열용 유체로서 공급할 수 있도록 구성해도 된다. 이 소정의 유체는 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 물이나 기름 등으로 할 수 있다.

이러한 구성으로 함으로써, 작동 유체를 더욱 효율적으로 가열하는 것으로, 발전부에서 보다 큰 전력을 얻을 수 있다.

또, 증발실을 거친 가열용 유체는, 가온용 열교환기구에 가온용 유체로서 공급할 수 있도록 구성해도 된다.

즉, 연소 장치에서 얻어진 열로 가열되며, 증발실의 열교환부를 거친 가열용 유체로서의 물을 그대로, 또는 내압 밀폐 회로의 시스템 밖에서 공급되는 해수나 하천수 등과 합류시켜서 가온용 유체로서 가온용 열교환기구에 공급해도 된다.

이러한 구성으로 함으로써, 가온용 열교환기구에서 제1 피가온 유체로서의 작동 유체에 대해서 열에너지를 줄 수 있고, 또한, 더 효율적인 발전을 실시할 수 있음과 동시에, 가온용 열교환기구에서 제2의 피가온 유체로서의 열 매체에 대해서도 열에너지를 줄 수 있으며, 가온 설비로의 가온 능력을 더욱 향상시킬 수 있다.

또, 물 전해 장치에서 발생시킨 수소 및 산소를 저장하는 저장 설비를 구비하고, 이 저장 설비에 저장된 산소나 수소를 연료로서 연소 장치로 연소를 실시하도록 구성해도 된다.

이러한 구성으로 함으로써, 예를 들면 발전부에서 잉여의 전력이 발생한 경우, 그 에너지를 수소 및 산소 상태로 저장할 수 있으며, 별도 필요에 따라 그 에너지를 이용할 수 있다.

또, 연소 장치에서 얻어진 열에서의 물의 가열에 의해 발생한 증기로 터빈을 구동시키고 발전을 실시함과 동시에, 터빈을 거친 증기를 응축시켜서 증류수를 얻는 것으로 해도 된다.

이러한 구성으로 함으로써, 예를 들면 증기를 발생시키기 위한 물을 해수 등으로 하면, 발생시킨 전력의 일부를 이용하여 해수 등으로부터 진수(眞水)를 생성할 수 있어 음용이나 그 외 광범위한 용도에 사용할 수 있다.

이하, 본 실시 형태에 관한 전력 생성 시스템에 대해서, 도면을 참조하면서 더욱 설명한다. 또한, 작동 유체로서 프로판이 채용된 경우를 예로 설명하지만, 상술한 바와 같이 작동 유체의 종류는 이것으로 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 실시 형태에 관한 전력 생성 시스템(A)의 전체 구성에 관한 것으로, 각 구성이나 배관 등을 단순화하여 나타낸 개념도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 내압 밀폐 회로(1)는 굵은 실선으로 나타내는 주회로(2)와 굵은 파선으로 나타내는 부회로(3)를 구비하고 있다.

주회로(2)는, 증발실(10)과, 발전부(11)와, 단열 팽창실(12)과, 가온용 열교환기구(13)와, 환류 펌프(14)를 구비하고, 이들을 작동 유체 유로에서 연이어 통하게 접속함으로써 구성하고 있다.

또, 작동 유체 유로는, 증발실(10)의 기상 유출구(10a)와 발전부(11)를 구성하는 터빈 장치(15)의 터빈실(16)의 공급구(16a)와의 사이를 접속하는 작동 유체 가스 공급관(17)과, 터빈실(16)의 배출구(16b)와 단열 팽창실(12)의 팽창실 유입구(12a)를 접속하는 작동 유체 가스 배출관(18)과, 단열 팽창실(12)의 팽창실 유출구(12b)와 가온용 열교환기구(13)의 제1 유입구(13a)를 접속하는 제1 피가온 유체 공급관(19)과, 가온용 열교환기구(13)의 제1 유출구(13b)와 환류 펌프(14)의 유입구(14a)를 접속하는 환류 펌프 공급관(20)과, 환류 펌프(14)의 송출구(14b)와 증발실(10)의 액상유입구(10b)를 접속하는 환류관(21)을 구비하고 있다.

부회로(3)는, 냉각 설비(22)와 가온 설비(23)와, 압력 조정 탱크(24)와, 반류 압착펌프(25)를 구비하고, 이들을 열 매체 유로에서 연이어 통하게 접속함으로써 구성하고 있다.

또, 열 매체 유로는, 주회로(2)의 작동 유체 가스 공급관(17)의 중도부(17)a)와 단열 팽창실(12)의 가열부 유입구(12c) 및 냉각 설비(22)의 유입구(22a)와의 사이를 접속하는 열 매체 분류 분배관(26)과, 단열 팽창실(12)의 가열부 유출구(12d) 및 냉각 설비(22)의 유출구(22b)와 가온용 열교환기구(13)의 제2 유입구(13c)와의 사이를 접속하는 냉매 합류 공급관(27)과, 가온용 열교환기구(13)의 제2 유출구(13 d)와 가온 설비(23)의 유입구(23a) 및 증발실(10)의 가열부 유입구(10c)와의 사이를 접속하는 열매 분배관(28)과, 가온 설비(23)의 유출구(23b)와 압력 조정 탱크(24)의 유입구(24a)와의 사이 및 증발실(10)의 가열부 유출구(10d)와 압력 조정 탱크(24)의 유입구(24b)와의 사이를 접속하는 조정 탱크 공급관(29, 30)과, 압력 조정 탱크(24)의 배출구(24c)와 주회로(2)의 작동 유체 가스 공급관(17)의 중도부(17b)와의 사이를 접속하는 열 매체 반류관(31)을 구비하고 있다.

또, 전력 생성 시스템(a)에서 가온용 열교환기구(13)는 내압 밀폐 회로(1)를 순환하는 작동 유체에 대해, 내압 밀폐 회로(1)의 시스템 밖의 유체와 열에너지의 수수(授受)를 실시하는 역할을 갖고 있다.

가온용 열교환기구(13)는 제1피가온 유체 공급관(19)과 환류 펌프 공급관(20)과의 사이에 상류측에서부터 순서대로 직렬 다단으로 개설한 제1∼제3 가온용 열교환기(34, 35, 36)를 구비하고, 이들을 연이어 통하게 접속함으로써 구성하고 있다.

또, 제1∼제3 가온용 열교환기(34, 35, 36)에는, 제1 피가온 유체로서의 작동 유체나 제2피가온 유체로서의 열 매체에 외래 열에너지를 부여하는 가온용 유체의 유입구(34a, 35a, 36a)와, 유출구(34b, 35b, 36b)를 각각 배열 설치하고 있다.

각각의 스타일 입구(34a, 35a, 36a)에는, 가온용 유체 공급관(37)이 각각 접속되어 있으며, 가온용 유체, 특별히 본 실시 형태에서는 10∼20℃의 하천수를 공급 가능하게 하고 있다.

또, 제1∼제3 가온용 열교환기(34, 35, 36)에서 열교환이 적용된 하천수는, 각 유출구(34b, 35b, 36b)에서 배출되도록 구성하고 있다.

이어서, 내압 밀폐 회로(1; 주회로(2) 및 부회로(3))의 각 구성에 대해 설명한다. 여기에서는 우선, 작동 유체의 온도나 상태 변화에 주목하면서 주회로(2)에 대해 설명하고, 그 후 부회로(3)에 대해 언급한다.

증발실(10)은, 단열 처리가 실시된 기상부 용량이 약 100용량부의 밀폐 내압 용기에 형성되어 있으며, 내부에 작동 유체로서의 액체 형태의 프로판(이하, 액화 프로판이라고 함)과, 기체 형태의 프로판(이하, 프로판 가스라고 함)이 수용되어 있다. 또, 수용된 액화 프로판과 프로판 가스와의 용량비는, 대체로(1：10∼1：5)로 하고 있으며, 프로판 가스의 압력은 가동 개시 시에 있어 대략 7∼9.5 기압으로 하고 있다.

증발실(10)의 저부 근방, 즉, 수용된 액화 프로판에 잠기는 부위에는, 열교환에 의해서 액화 프로판의 온도를 가열용 유체의 온도에 접근하기 위한 열교환부(10e)가 배열 설치되어 있다.

열교환부(10e)를 흐르는 가열용 유체는, 가온용 열교환기구(13)을 거쳐 단열 압축에 의해 승온된 열 매체(열 매)이며, 본 실시 형태에서는 가동을 개시하여 안정 상태가 되었을 때에는, 약 80∼90℃(예를 들면 85℃)에서 약 28∼33기압(예를 들면, 30기압)의 프로판 가스가 공급된다.

또, 증발실(10)의 프로판 가스가 충만하는 기상 영역에는, 작동 유체 가스 공급관(17)의 기단을 향하여 기상 유출구(10a)를 형성하고 있다.

또, 작동 유체 가스 공급관(17)의 선단측은 발전부(11)의 터빈 장치(15)에 접속시키고 있다.

구체적으로는, 작동 유체 가스 공급관(17)의 하류 단부를 터빈실(16)의 공급구(16a)에 접속하고, 터빈(16c)을 회전 가능하게 하여 이 터빈(16c)의 축을 동력의 출력부로서 기능시켜서 생성되는 동력을 회전력으로 하고, 변속기(38)를 거쳐 발전 수단으로서의 발전기(39)에 전달시키는 것으로 연속적인 발전을 가능하게 하고 있다. 또한, 부호(40)는 터빈실(16)에 공급하는 작동 유체의 양을 조절하기 위한 유량 조정 밸브이다.

터빈실(16)에 제공된 작동 유체는 배출구(16b)에서 배출되며, 작동 유체 가스 배출관(18)을 통해 팽창실 유입구(12a)에서부터 단열 팽창실(12) 내에 도입된다.

단열 팽창실(12)은 단열 처리가 실시된 약 2∼3용량부의 밀폐 내압 용기에 형성되어 있으며, 터빈실(16)에서 배출된 프로판 가스를 단열 팽창시켜서 액화시키기 위한 부위이다.

작동 유체 가스 배출관(18)을 통해 단열 팽창실(12)에 도입된 프로판 가스는, 대략 1.5∼2.5기압까지 감압됨과 동시에, 온도가 ―42∼-10℃까지 저하되고, 그 대부분이 액화되고, 단열 팽창실(12)의 내부에는, 단열 팽창에 의해서 생긴 액화 프로판으로 이루어진 액상과, 그 상부 영역에 형성되는 기상이 존재하게 된다.

또, 단열 팽창실(12)의 기상부에서 팽창실 유입구(12a)에서부터 유입하는 작동 유체와 접촉 가능한 부위에는, 가열부 유입구(12c)에서 유입하는 열 매체와의 열교환에 의해서 액화를 촉진하기 위한 열교환부(12e)가 배열 설치되어 있다.

또, 단열 팽창실(12)의 저부에는 팽창실 유출구(12b)가 형성되어 있으며, 동팽창실 유출구(12b)에서는 가온용 열교환기구(13)의 제1 유입구(13a)와 연이어 통하는 제1 피가온 유체 공급관(19)을 통해 액화 프로판을 가온용 열교환기구(13)에 제1의 피가온 유체로서 공급 가능하게 하고 있다.

가온용 열교환기구(13)는 제1피가온 유체 공급관(19)과 환류 펌프 공급관(20)의 사이에서 상류측에서부터 순서대로 직렬 다단으로 개설한 제1∼제3 가온용 열교환기(34, 35, 36)를 구비하고, 이들을 열교환 매체 유로에서 연이어 통하게 접속함으로써 구성하고 있다.

또, 제1∼제3 가온용 열교환기(34, 35, 36)에는 각각, 가온용 유체를 공급 가능하게 구성하고 있다. 제1∼제3 가온용 열교환기(34, 35, 36)에 공급되는 가열용 유체는, 가온 유체 공급관(41)을 통해 유입되는 하천수이며, 본 실시 형태에서는, 예를 들면 산 등의 높낮이 차이를 이용하여 흘러 내리는 하천(R)의 약 10∼20℃의 하천수를 사용하고 있다.

또, 제1∼제3 가온용 열교환기(34, 35, 36)는 각각, 굵은 실선으로 나타내는 제1 피가온 유체의 열교환부와, 파선으로 나타내는 제2 피가온 유체열교환부를 구비하고 있으며, 제1의 피가온 유체인 작동 유체로서의 액화 프로판과 제2의 피가온 유체인 열 매체로서의 프로판 가스와 가온용 유체인 하천수와의 사이에 열교환이 실시된다.

본 실시 형태에서는, 제1의 피가온 유체로서 제1 유입구(13a)에서 유입시킨 -42∼-10℃의 액화 프로판을, 제1∼제3 가온용 열교환기(34, 35, 36)의 각 제1피가온 유체열교환부에서 열교환에 의해 10∼20℃로 가온하여 제1 유출구(13b)에서 유출시킨다. 동일하게 제2의 피가온 유체로서 제2 유입구(13c)에서 유입시킨 ―10∼10℃의 프로판 가스를, 열교환에 의해 10∼20℃로 가온하여 제2 유출구(13d)에서 유출시킨다.

즉, 하천수가 갖는 열에너지가, 제1 및 제2의 피가온 유체에 대해 부여된다.

그 한편, 가온용 유체로서 유입시킨 10∼20℃의 하천수는, 제3 가온용 열교환기(36)에서는 5∼1℃, 제2 가온용 열교환기(35)에서는 5∼10℃, 제1 가온용 열교환기(34)에서는 10∼20℃에 냉각된 상태에서, 각각 토출구(36b, 35b, 34b)에서부터 토출된다. 또한, 냉각된 상태로 토출되는 각 하천수는, 냉열원으로서 이용 가능하다.

가온용 열교환기구(13)에서 제1 유출구(13b)를 통해 배출된 작동 유체는, 환류 펌프 공급관(20)을 통해 환류 펌프(14)의 유입구(14a)에 이른다. 환류 펌프(14)는, 증발실(10) 내에 유입 가능한 압력까지 작동 유체를 승압하여 환류시키기 위한 펌프이며, 송출구(14b)에서부터 환류관(21)을 통해 액상 유입구(10b)에서부터 증발실(10) 내에 환류되게 된다.

이어서, 부회로(3)에 대해 언급한다. 부회로(3)는 작동 유체 가스 공급관(17) 부분에 병렬로 접속된 회로이며, 작동 유체 가스 공급관(17)의 중도부(17a)를 기단으로 하고, 중도부(17b)를 종단으로 하고 있다.

열 매체 분류 분배관(26)은 간관(幹管)에서 지관(枝管)으로 분기하는 두갈래 분배관으로 하고 있으며, 간관 부분은, 증발실(10)과 발전부(11)의 사이의 작동 유체 가스 공급관(17)에서부터 작동 유체의 일부를 열 매체로서 분류하는 열 매체 분류로로서의 역할을 갖고 있다.

분류된 열 매체(작동 유체)의 일부는, 분배부(26a)를 거쳐, 단열 팽창실(12)의 가열부 유입구(12c)에 접속된 한쪽 지관(26b)에 이른다.

지관(26b)은 분배된 열 매체를 감압하여 온도 저하시키고, 단열 팽창실(12)의 열교환부(12e)에 액화 보조용 유체로서 공급하는 액화 보조용 유체 공급로로서의 역할을 가지고 있으며, 열 매체를 감압하는 감압 밸브(26c)가 개설되어 있다. 특히 본 실시 형태에서는, 이 감압 밸브(26c)에 의해서 ―40∼-45℃의 프로판 가스가 되어, 냉매로서 열교환부(12e)에 공급된다.

따라서, 단열 팽창실(12) 내에서는, 팽창실 유입구(12a)에서 유입한 작동 유체 중 단열 팽창에 따라서는 액화할 수 없었던 작동 유체가, 열교환부(12e)에서 액화가 촉진되어 견실한 액화가 실현된다.

또, 열 매체 분류 분배관(26)의 분배부(26a)에서 분배된 열 매체의 타부는, 다른쪽 지관(26d)에 이른다. 지관(26d)은 냉각 설비(22)의 유입구(22a)에 접속되어 있다.

냉각 설비(22)는 그 중도에 감압 밸브(26e)를 구비하는 것으로, 냉각 설비(22)에 대해 열 매체를 팽창시켜서 냉매로서 공급 가능하게 하고 있다.

냉각 설비(22)의 내부에는, 열교환 효율이 높은 형상으로 형성한 열 매체 유로가 노출되어 있으며, 각각 배설한 팬(22c)을 구동시키는 것으로, 냉각 설비(22)의 내부를 냉각 가능하게 하고 있다.

단열 팽창실(12)의 가열부 유출구(12d) 및 냉각 설비(22)의 유출구(22b)에서 배출된 열 매체는, 냉매 합류 공급관(27)에 이른다.

냉매 합류 공급관(27)은, 단열 팽창실(12) 및 냉각 설비(22)를 거친 열 매체를, 가온용 열교환기구(13)에 제2의 피가온 유체로서 공급하는 제2피가온 유체 공급로로서의 역할을 갖는 배관이며, 각각의 지관(27a 및 27b)에 이른 열 매체는, 합류부(27c)를 거쳐 간관(27d)에 유입하여 제2 유입구(13c)에서부터 가온용 열교환기구(13)에 제2 피가온 유체로서 공급된다. 또한, 지관(27a) 및 지관(27b)에 각각 개설되어 있는 펌프(27e, 27f)는 쌍방의 지관(27a), 27b)의 열 매체의 압력을 정합시켜서 간관(27d)에 흘리기 위한 펌프이다.

제2 유입구(13c)에서부터 가온용 열교환기구(13)에 제2 피가온 유체로서 유입한 열 매체는, 상술한 제1피가온 유체와 동일하게, 제1∼제3 가온용 열교환기(34, 35, 36)에서 하천수에서부터 열에너지를 받아, 대략 10∼20℃에서 가온되어 제2 유출구(13d)에서 배출되고, 열 매체 분배관(42)에 이른다.

열 매체 분배관(42)은 간관(42a)의 기단부분이 제2 유출구(13d)에 접속되고, 분류부(42b)를 거쳐 한쪽 지관(42c)이 가온 설비(23)의 유입구(23a)에, 다른쪽 지관(42d)이 증발실(10)의 가열부 유입구(10c)에 접속된 배관이며, 가온 설비(23)와 증발실(10)의 열교환부(10e)에 열 매체의 공급을 실시한다.

가온 설비(23)는 상술한 바와 같이 특별히 한정되는 것은 아니지만, 본 실시 형태에서는 온장고로 하고 있다. 또, 가온 설비(23)는 열 매체 분배관(42)의 지관(42c)의 중도에 개설된 압착펌프(23d)를 구비하고 있으며, 열 매체를 압착하고 고온으로 하고, 이것을 열매로서 가온 설비(23)의 내부에 도입할 수 있도록 구성하고 있다.

또, 가온 설비(23)의 내부에는 열교환 효율의 높은 형상에 형성한 열 매체 유로가 노출하고 있어, 각각 배설한 팬(23c)을 구동시키는 것으로, 열매로서 공급된 열 매체로부터 열을 빼앗아, 가온 설비(23)의 내부를 가온 가능하게 하고 있다. 가온 설비(23)에서 가온에 제공된 열 매체는, 유출구(23b)에서 배출되며, 조정 탱크 공급관(29를 통해 유입구(24a)에서부터 압력 조정 탱크(24) 내에 공급된다. 또한, 부호(29a)는 압력 조정 탱크(24)에서부터 가온 설비(23)에 열 매체가 역류하는 것을 방지하기 위한 역지 밸브이다.

한편, 열 매체 분배관(42)의 지관(42d)에 유입한 열 매체는, 압착펌프(42e)에 의해 압착되어, 다시 고온의 열매로서 가열부 유입구(10c)에서부터 증발실(10)의 열교환부(10e)에 공급된다.

열교환부(10e)에 공급된 열 매체는, 증발실(10) 내의 작동 유체의 액상과의 사이에 열교환을 하여 작동 유체의 가열을 실시하여 가열부 유출구(10d)에서 배출된다. 이 열 매체는, 조정 탱크 공급관(30)을 통해 유입구(24b)에서 압력 조정 탱크(24) 내에 이른다. 또한, 부호(30a)는 압력 조정 탱크(24)로부터 증발실(10)의 열교환부(10e)에 열 매체가 역류하는 것을 방지하기 위한 역지 밸브이다.

압력 조정 탱크(24)는 유입구(24)a)로부터 유입하는 기체 형태의 열 매체와, 유입구(24)b)로부터 유입하는 기체 형태의 열 매체와의 압력 조정을 실시하기 위한 탱크이다. 또한, 이 압력 조정 탱크(24)에 유입구(24a) 또는 유입구(24b)로부터 열 매체를 유입시키기 위해서, 전술한 바와 같이 역지 밸브(29a)나 역지 밸브(30a)의 어느 한쪽 또는 쌍방을 개설하거나 필요에 따라 조정 탱크 공급관(29) 또는 조정 탱크 공급관(30)에 압력 조정을 위한 펌프를 개설할 수도 있다.

압력 조정 탱크(24) 내에 일시적으로 저장된 작동 유체는, 배출구(24c)에서부터 열 매체 반류관(31)을 통해 중도부(17b)에 이르고, 다시 작동 유체로서 작동 유체 가스 공급관(17)에 반류된다. 열 매체 반류관(31)에는 반류 압착펌프(25)가 개설 되어 있으며 열 매체의 반류가 실시된다. 즉, 반류 압착펌프(25)는, 가온 설비나 증발실(10)의 열교환부(10e)를 거친 열 매체를 증발실(10)과 발전부(11)과의 사이의 작동 유체 가스 공급관(17; 작동 유체 유로)에 합류시키는 열 매체 반류관(31; 열 매체 반유로)에 개설되며, 증발실(10)과 발전부(11)와의 사이의 작동 유체 가스 공급관(17; 작동 유체 유로)을 유통하는 작동 유체 이상의 압력까지 열 매체를 압착하는 반류 압착 수단으로서의 역할을 갖는 것이다. 또한, 작동 유체 가스 공급관(17) 상에서 중도부(17b)의 상류 측에, 열 매체 반류관(31)을 통해 작동 유체 가스 공급관(17)에 유입하는 열 매체(작동 유체)의 역류를 방지하기 위한 역지 밸브를 설치하도록 할 수도 있다.

그리고, 이러한 구성을 갖는 전력 생성 시스템(a)에 의하면, 종래와 비교하여 에너지의 회수 효율이 좋고, 또한, 냉열 뿐만 아니라 온열의 생성을 실시하는 것이 가능해진다.

또한, 전력 생성 시스템(a)에서 발전부(11)에서는, 동력 생성 수단으로서 터빈 장치(15)를 사용하는 것으로 했지만, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 전제의 특허 문헌 2의 도 6에서 본 발명자가 제안한 바와 같이 단열 왕복 실린더를 채용하는 것도 가능하다.

이어서, 제2 실시예에 관한 전력 생성 시스템(b)에 대해 도 2를 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 설명에서, 기출의 구성에 대해서는 같은 부호를 붙이고 설명을 생략하는 경우가 있다. 또, 작동 유체나 각 가열·가온·냉각 매체의 온도나 압력 등은, 대체로 발전 시스템(a)의 예에 따르지만, 필요에 따라 변경하는 것도 가능하다.

전력 생성 시스템(b)은 전술한 전력 생성 시스템(a)과 대략 동일한 구성을 갖고 있지만, 주로 하기와 같은 점에서 구성을 달리하고 있다.

·가온용 열교환기구(13)에 공급하는 가온용 유체를 해수로 하고 있는 점

·부회로(3)에서 가온용 열교환기구(13)에서 토출된 열 매체(제2 피가온 유체)를 증발실(10)의 열교환부(10e)에는 공급하지 않고, 가온 설비(23)에게만 공급하고 있는 점

·증발실(10)의 열교환부(10e)에 가열 유체를 공급하면서 순환시키는 독립한 증발실 가열 순환 회로를 구비하고 있는 점

·증발실 가열 회로의 열원은, 발전부(11)에서 발생시킨 전력에 의해 물을 분해하여 얻은 수소 및 산소의 연소인 점

이들의 각 구성에 대해 구체적으로 설명하면, 우선, 전력 생성 시스템(b)에서는, 가온용 열교환기구(13)의 제1∼제3 가온용 열교환기(34, 35, 36)에 공급하는 가온용 유체로서 바다(S)에서 양수 펌프(44)에 의해 퍼 올린 해수를 사용하고 있다.

따라서, 제1∼제3 가온용 열교환기(34, 35, 36)의 각 유출구(34b, 35b, 36b)에서는, 각각 차가워진 해수를 얻을 수 있게 된다. 이 차가워진 해수는, 예를 들면 해양생물의 사육이나 양식에 사용할 수 있다.

또, 전력 생성 시스템(b)에서는, 부회로(3)에서 제2 유출구(13d)에서 토출된 열 매체를, 가온 설비(23)에게만 도입하는 것으로 하고 있다.

따라서, 증발실(10)의 열교환부(10e)에도 열 매체를 열매로서 공급하고 있던 전력 생성 시스템(a)과 비교하여, 가온 설비(23)에 의해 많은 열을 공급할 수 있어 가온 능력을 보다 향상시킬 수 있다.

또, 전력 생성 시스템(b)에서는, 증발실(10)의 열교환부(10e)에 가열용 유체를 공급하면서 순환시킬 수 있도록, 그물의 굵은 선으로 나타내는 독립한 증발실 가열 순환 회로(5)를 구비하고 있다.

증발실 가열 순환 회로(5)는, 순환 펌프(50)와, 수열부(51)와, 증발실(10)의 열교환부(10e)를 구비하고 있으며, 이들을 가열용 유체 유로로 접속하여 구성하고 있다. 또한, 설명의 편의상, 도시는 생략하지만, 증발실 가열 순환 회로(5)상에는, 가열용 유체를 버퍼하는 탱크 등이 적절히 설치된다. 가열용 유체는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 본 실시 형태에서는 물로 하고 있다.

순환 펌프(50)는 가열용 유체인 물을 증발실 가열 순환 회로(5)의 시스템 내에서 순환시키기 위한 펌프이다.

수열부(51)는 열교환부(51a)와 연소 장치(51b)로 구성하고 있어, 연소 장치 (51b)의 연소에 의해서 얻어진 열을 열교환부(51a)로 받고, 열교환부(51a)를 흐르는 가열용 유체로서의 물을 승온가능하도록 구성하고 있다.

수열부(51)의 열교환부(51a)를 거친 가열용 유체(예를 들면, 본 실시 형태에서는 90∼95℃로 승온)는, 가열부 유입구(10c)에서 증발실(10)의 열교환부(10 e)에 이르고, 증발실(10)의 내부에 수용되어 있는 작동 유체의 액상부분을 가열하고, 열에너지를 준다. 이 때의 증발실(10)의 기상부의 압력은, 예를 들면, 25∼33 기압 정도가 된다.

열교환부(10e)를 거친 가열용 유체는, 가열부 유출구(10d)에서 토출되며, 다시 순환 펌프(50)을 거쳐 수열부(51)에 공급되어 순환하게 된다.

또, 증발실 가열 순환 회로(5)의 열원, 즉, 연소 장치(51b)에서의 연소는, 발전부(11)에서 발생시킨 전력에 의해 물을 분해하여 얻은 수소 및 산소의 연소이다.

구체적으로는, 전력 생성 시스템(b)은 전해 장치(52)와, 저장 설비(53)을 구비하고 있다.

전해 장치(52)는, 발전기(39)에서 발생시킨 전력에 의해 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 발생시키기 위한 장치이다. 또한 도 2에서는 모식적으로 H관을 대표예로서 나타내고 있지만, 그 모양은 특별히 한정되는 것은 아니다.

저장 설비(53)는 전해 장치(52)에서 발생시킨 수소 및 산소를 저장하기 위한 설비이며, 수소 탱크(53a) 및 산소 탱크(53b)를 구비하고 있다.

수소 탱크(53a) 및 산소 탱크(53b)는, 각각 수소 및 산소를 적절히 수용하여 꺼내는 것이 가능하게 구성하고 있으며, 꺼내진 수소 및 산소는, 연소 장치(51b)에 공급하여 연료로서 연소에 제공된다.

그리고, 이러한 구성을 구비하는 전력 생성 시스템(b)에 의하면, 종래와 비교하여 에너지의 회수 효율이 좋고, 또한, 냉열 뿐만 아니라 온열의 생성을 실시하는 것이 가능하다.

또, 전해 장치(52)에서 발생시킨 수소 및 산소를, 저장 설비(53)에서 저장 가능하게 구성하고 있기 때문에, 예를 들면 발전기(39)에서 잉여의 전력이 발생한 경우라도, 그 에너지를 수소 및 산소 상태로 저축할 수 있어 별도 필요에 따라 그 에너지를 이용할 수 있다.

이어서, 제3 실시예에 관한 전력 생성 시스템(C)에 대해 도 3을 참조하면서 설명한다.

전력 생성 시스템(C)은, 전술한 전력 생성 시스템(b)과 대략 동일한 구성을 갖고 있지만, 주로, 증발실(10)의 열교환부(10e)에서의 가열 유체의 공급을, 앞의 독립하여 순환시키는 증발실 가열 순환 회로(5)가 아니고, 가온 유체 공급관(41)으로부터 분기시킨 증발실 가열 회로(6)에 의해 실시하는 것으로 하고 있다는 관점에서 구성을 달리하고 있다.

이 구성에 대해 구체적으로 설명하면, 우선, 전력 생성 시스템(C)에서는, 가온 유체 공급관(41)의 중도부(41a)에, 증발실 가열 회로(6)을 접속하여 구성하고 있다.

증발실 가열 회로(6)은, 제4 열교환기(55)와, 보일러 장치(56)와, 터빈 장치(15)와, 제5 열교환기(57)와, 증발실(10)의 열교환부(10e)와, 제6 열교환기(58)를 구비하고 있으며, 이들을 통수 유로에서 연이어 통하게 접속함으로써 구성하고 있다.

양수 펌프(44)에서 양수된 해수는, 가온 유체 공급관(41)의 중도부(41a)에서, 제4 열교환기(55)에 도입된다. 제4 열교환기(55)에서는, 후술하는 터빈 장치(15)를 거친 증기와의 열교환을 하여 해수는 가온된다.

제4 열교환기(55)에서 가온된 해수는, 이어서 송급펌프(60)을 통해 보일러 장치(56)에 도입된다. 송급펌프(60)는 고압 상태가 되어 있는 보일러 장치(56)의 내부에 해수를 송급하기 위한 펌프이다. 보일러 장치(56)에는 전제의 연소 장치 (51b)가 배열 설치되고 있으며 보일러 장치(56) 내에 도입된 해수를 가열하여 비등시켜 증기의 발생을 한다. 보일러 장치(56) 내는, 예를 들면 액상 온도가 250∼300℃, 기상 압력은 60∼70기압이다.

보일러 장치(56)에서 발생시킨 증기는, 고압 상태를 유지한 채로 터빈 장치(15)에 공급된다. 터빈 장치(15)는, 상술한 주회로(2)의 발전부(11)와 동일하게 변속기(38) 및 발전기(39)가 접속되어 있으며, 터빈 장치(15)에서 얻어진 동력에 의해 발전 가능하게 하고 있다.

터빈 장치(15)를 거친 증기는, 이어서 제4 열교환기(55)에 도입된다. 제4 열교환기(55)에서는, 가온 유체 공급관(41)에서 분기한 해수와 열교환을 하여 증기는 응결하여 대략 25∼30℃ 정도의 진수가 생성되게 된다.

또, 제4 열교환기(55)에서의 열교환에 의해 생성된 진수의 일부는, 제5 열교환기(57)나 제6 열교환기(58)에도 공급된다. 이들 제5 열교환기(57)나 제6 열교환기(58)에 공급된 진수는, 열교환에 의해서 수열하는 것으로, 다시 고온의 진수(뜨거운 물)가 얻어진다. 예를 들면, 제5 열교환기(57)에서 생성되는 뜨거운 물은, 70∼80℃ 정도, 제6 열교환기(58)에서 생성되는 뜨거운 물은 60∼70℃ 정도가 된다.

한편, 보일러 장치(56) 내에서 비등하고 있는 해수의 액상의 일부는, 감압 밸브(61)를 통해 제5 열교환기(57)에 공급되고, 고온의 진수를 생성시키기 위한 열원으로서 사용된다. 또한, 감압 밸브(61)는 보일러 장치(56) 내의 액상(해수)을 제5 열교환기(57)에 공급할 수 있도록 수압을 저하시키기 위한 벨브이며, 또, 보일러 장치(56) 내를 고압으로 유지하기 위해서 배압을 유지하는 역할도 갖고 있다.

제5 열교환기(57)을 거친 고온의 해수(예를 들면, 85∼95℃)는, 이어서 증발실(10)의 열교환부(10e)에 가열용 유체로서 공급되어 같이 증발실(10)의 내부에 수용되고 있는 작동 유체를 가열한다. 이 때의 증발실(10)의 기상부의 압력은, 예를 들면, 25∼33기압 정도가 된다.

증발실(10)의 열교환부(10e)를 거쳐 가열부 유출구(10d)에서 배출된 해수는, 제6 열교환기(58)에 공급되어 재차 고온의 진수를 생성시키기 위한 열원으로서 사용된다.

제6 열교환기(58)에서 열교환에 제공된 후의 해수는 대체로 50∼60℃ 정도이며, 이것을 다시 가온 유체 공급관(41)에 합류시키고, 가온용 열교환기구(13)에 가온용 유체의 일부로서 공급한다. 즉, 가온 유체 공급관(41)을 흐르는 가온용 유체에 열에너지의 부여를 하여 가온용 열교환기구(13)에서 회수된 열에너지는 작동 유체의 열에너지로서 내압 밀폐 회로(1) 내를 순환하게 된다.

그리고, 이러한 구성을 구비하는 전력 생성 시스템(C)에 의해서, 종래와 비교하여 에너지의 회수 효율이 좋고, 또한, 냉열 뿐만 아니라 온열의 생성을 실시하는 것이 가능하다.

또, 증발실(10)을 거친 가열용 유체를 가온용 열교환기구(13)에 가온용 유체로서 공급할 수 있도록 구성, 즉, 연소 장치(51b)에서 얻어진 열로 가열되어 증발실(10)의 열교환부(10e)를 거친 가열용 유체로서의 물을 해수와 합류시키고, 가온용 유체로서 가온용 열교환기구(13)에 공급할 수 있도록 구성하고 있기 때문에, 가온용 열교환기구(13)에서 제1 피가온 유체로서의 작동 유체에 대해서 열에너지를 줄 수 있으며, 더욱 효율적인 발전을 실시할 수 있음과 동시에, 가온용 열교환기구(13)에서 제2 피가온 유체로서의 열 매체에 대해서도 열에너지를 줄 수 있어 가온 설비(23)으로의 가온 능력을 더욱 향상시킬 수 있다.

또, 연소 장치(51b)에서 얻어진 열에서의 해수의 가열에 의해 발생한 증기로 터빈 장치(15)의 터빈을 구동시키고 발전을 실시함과 동시에, 터빈을 거친 증기를 응축시키고 증류수를 얻는 것으로 하고 있기 때문에, 발생시킨 전력의 일부를 이용하여 해수로부터 진수를 생성할 수 있어 음용이나 그 외 광범위한 용도로 사용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 전력 생성 시스템에 의하면, 본 발명에 관한 전력 생성 시스템에서는, 내압 밀폐 회로의 시스템 내에서 작동 유체를 상태 변화시키면서 순환시켜서 작동 유체에게 준 외래 열에너지를 운동 에너지로 변환하여 동력을 생성하고, 이 동력에 의해 발전기를 구동시켜서 전력을 생성하는 전력 생성 시스템에서, 상기 내압 밀폐 회로는, 주회로와, 상기 주회로에 병렬로 접속된 부회로를 구비하고, 상기 주회로는, 작동 유체의 기상 및 액상이 비점 근방 온도에서 수용되며, 가열용 유체와 상기 작동 유체의 액상과의 사이에서 열교환이 가능하게 구성한 증발실과, 상기 증발실로부터 공급된 작동 유체를 단열 팽창에 따른 온도 저하에 의해 액화 함과 동시에, 단열 팽창에서는 액화 할 수 없었던 작동 유체와 액화 보조용 유체와의 사이에서 열교환 가능하게 구성한 단열 팽창실과, 상기 증발실과 상기 단열 팽창실과의 사이를 연이어 통하는 작동 유체 유로의 중도에 개설된 동력 생성 수단과, 상기 동력 생성 수단에서 생성된 동력에 의해 발전하는 발전 수단을 구비한 발전부와, 상기 단열 팽창실과 상기 증발실을 연이어 통하는 작동 유체 유로의 중도에, 상기 내압 밀폐 회로의 시스템 밖에서 공급되는 가온용 유체와의 사이에서 열교환을 실시하여 제1 피가온 유체로서의 작동 유체와 제2 피가온 유체를 가온하는 가온용 열교환기구와, 상기 단열 팽창실에서 액화한 작동 유체를 상기 가온용 열교환기구를 통해서 상기 증발실로 환류하는 액화 작동 유체 환류 수단을 가지며, 상기 부회로는 상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로로부터 작동 유체의 일부를 열 매체로서 분류하는 열 매체 분류로와, 분류된 열 매체의 일부를 감압하여 온도 저하시키고, 상기 단열 팽창실에 상기 액화 보조용 유체로서 공급하는 액화 보조용 유체 공급로와, 분류된 열 매체의 타부를 감압하여 온도 저하시키고, 이것을 냉매로 하는 냉각 설비와, 상기 단열 팽창실 및 냉각 설비를 거친 열 매체를, 상기 가온용 열교환기구에 상기 제2 피가온 유체로서 공급하는 제2 피가온 유체 공급로와, 상기 가온용 열교환기구에서 가온된 열 매체를 압착하고, 다시 고온이 된 열 매체를 열매로 하는 가온 설비와, 상기 가온 설비를 거친 열 매체를 상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로에 합류시키는 열 매체 반유로에 개설되며, 상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로를 유통하는 작동 유체 이상의 압력까지 열 매체를 압착하는 반류 압착 수단을 구비하는 것으로 하였기 때문에 종래와 비교하여 에너지의 회수 효율이 좋고, 또한, 냉열 뿐만 아니라 온열의 생성을 실시하는 것이 가능해진다.

마지막으로, 상술한 각 실시의 형태의 설명은 본 발명의 일례이며, 본 발명은 상술의 실시의 형태로 한정되는 것은 아니다. 이 때문에, 상술한 각 실시의 형태 이외에서 본 발명에 관한 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위라면, 설계 등에 따라 여러 가지의 변경이 가능한 것은 물론이다.

1: 내압 밀폐 회로, 2: 주회로, 3: 부회로,
5: 증발실 가열 순환 회로 6: 증발실 가열 회로,
10: 증발실, 10e: 열교환부, 11: 발전부,
12: 단열 팽창실, 12e: 열교환부, 13: 가온용 열교환기구,
14: 환류 펌프, 15: 터빈 장치, 22: 냉각 설비,
23: 가온 설비, 23d: 압착펌프, 25: 반류 압착펌프,
26: 열 매체 분류 분배관, 27: 냉매 합류 공급관,
28: 열매 분배관, 31: 열 매체반류관,
51b: 연소 장치, 52: 전해 장치 53: 저장 설비
56: 보일러 장치, A∼C: 전력 생성 시스템

Claims (6)

1. 내압 밀폐 회로의 시스템 내에서 작동 유체를 상태 변화시키면서 순환시켜서 작동 유체에게 준 외래 열에너지를 운동 에너지로 변환하여 동력을 생성하고, 이 동력에 의해 발전기를 구동시켜서 전력을 생성하는 전력 생성 시스템에 있어서,
   상기 내압 밀폐 회로는, 주회로와, 상기 주회로에 병렬로 접속된 부회로를 구비하고,
   상기 주회로는,
   작동 유체의 기상 및 액상이 비점 근방 온도에서 수용되며, 가열용 유체와 상기 작동 유체의 액상과의 사이에서 열교환이 가능하게 구성한 증발실과,
   상기 증발실로부터 공급된 작동 유체를 단열 팽창에 따른 온도 저하에 의해 액화 함과 동시에, 단열 팽창에서는 액화 할 수 없었던 작동 유체와 액화 보조용 유체와의 사이에서 열교환 가능하게 구성한 단열 팽창실과,
   상기 증발실과 상기 단열 팽창실과의 사이를 연이어 통하는 작동 유체 유로의 중도에 개설된 동력 생성 수단과, 상기 동력 생성 수단에서 생성된 동력에 의해 발전하는 발전 수단을 구비한 발전부와,
   상기 단열 팽창실과 상기 증발실을 연이어 통하는 작동 유체 유로의 중도에, 상기 내압 밀폐 회로의 시스템 밖에서 공급되는 가온용 유체와의 사이에서 열교환을 실시하여 제1 피가온 유체로서의 작동 유체와 제2 피가온 유체를 가온하는 가온용 열교환기구와,
   상기 단열 팽창실에서 액화한 작동 유체를 상기 가온용 열교환기구를 통해서 상기 증발실로 환류하는 액화 작동 유체 환류 수단을 가지며,
   상기 부회로는,
   상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로로부터 작동 유체의 일부를 열 매체로서 분류하는 열 매체 분류로와,
   분류된 열 매체의 일부를 감압하여 온도 저하시키고, 상기 단열 팽창실에 상기 액화 보조용 유체로서 공급하는 액화 보조용 유체 공급로와,
   분류된 열 매체의 타부를 감압하여 온도 저하시키고, 이것을 냉매로 하는 냉각 설비와,
   상기 단열 팽창실 및 냉각 설비를 거친 열 매체를, 상기 가온용 열교환기구에 상기 제2 피가온 유체로서 공급하는 제2 피가온 유체 공급로와,
   상기 가온용 열교환기구에서 가온된 열 매체를 압착하고, 다시 고온이 된 열 매체를 열매로 하는 가온 설비와,
   상기 가온 설비를 거친 열 매체를 상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로에 합류시키는 열 매체 반유로에 개설되며, 상기 증발실과 상기 발전부와의 사이의 작동 유체 유로를 유통하는 작동 유체 이상의 압력까지 열 매체를 압착하는 반류 압착 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 가온용 열교환기구에 의해 가온된 열 매체의 일부를 상기 가온 설비에 공급하는 한편, 나머지 부분을 압착하여 더욱 고온으로 하여 상기 증발실에 가열용 유체로서 공급하는 열 매체 분배로를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 발전부에서 얻어진 전력의 일부에서 물을 전기 분해하여 수소 및 산소를 생성하는 물 전해 장치와,
   생성한 수소 및 산소를 연소시켜서 열을 얻는 연소 장치를 구비하고,
   상기 연소 장치에서 얻어진 열로 소정의 유체를 가열하여 상기 증발실에 가열용 유체로서 공급할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 전력 생성 시스템.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 증발실을 거친 가열용 유체를, 상기 가온용 열교환기구에 가온용 유체로서 공급할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 전력 생성 시스템.
5. 청구항 3 또는 4에 있어서,
   상기 물 전해 장치에서 발생시킨 수소 및 산소를 저장하는 저장 설비를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 시스템.
6. 청구항 3 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 연소 장치에서 얻어진 열에서의 물의 가열에 의해 발생한 증기로 터빈을 구동시켜 발전을 실시함과 동시에, 터빈을 거친 증기를 응축시켜 증류수를 얻는 것을 특징으로 하는 전력 생성 시스템.

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