열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치{HEAT STORAGE TANK APPARATUS USING THERMO ELECTRIC MODULE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 축열조로 공급되는 고온수와 축열조에서 배출되는 저온수를 열전모듈 열교환기로 공급하여 열전모듈 열교환기에서 열교환시 발생되는 에너지로 전기를 생산하도록 하는 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치에 관한 것이다.
일반적으로 지역난방시스템은 집단에너지를 공급하는 사업자가 다수의 개별 사용자에게 난방 및 급탕을 위해 배관을 통해 집단에너지를 공급하는 시스템으로, 사용자가 개별적으로 난방설비를 갖추는 개별난방 시스템과는 차이가 있다. 즉, 지역난방은 하나의 도시 또는 일정한 지역 내에 있는 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장 등 각종 건물이 개별적으로 난방설비를 갖추지 않고, 대규모 열생산시설, 즉 열병합발전소를 건설하여 난방 및 급탕에 필요한 중온수(80-120℃)를 생산, 열수송관을 통해 각 수용가에 공급하는 시스템으로 집단에너지 공급방식 중 하나이다. 이러한 지역난방시스템은 전기와 열을 생산하는 열원시설과, 생산된 열을 수송하는 열수송시설과 그리고, 열수송시설에 의해 수송되는 열을 사용자에게 공급하는 열사용자설비로 구성된다. 열원시설은 열병합발전시설, 열전용 보일러, 쓰레기 소각로, 축열조, 열수송시설, 열사용자 설비 등이 포함된다. 열병합발전시설은 동일한 연료를 사용하여 열과 전기를 동시에 생산하는 종합에너지시스템으로서, 일반적으로 고온부는 전력, 저온부는 공정열로 사용하며 일반기력발전에 비해 에너지절감 및 환경개선효과가 크다. 열병합발전의 이용시 증기터빈의 팽창과정에서 일부 열을 추출함으로써 발전량의 감소는 있으나, 복수기에서 버려지는 열을 공정용 또는 지역난방열로 사용할 수 있다. 열전용 보일러는 지역난방용 열을 생산하는 보일러로써 증기보일러와 온수보일러가 있으며, 연료로 저황왁스유(LSWR), BC유, LNG 등을 사용하고 유럽의 경우 석탄을 사용하는 곳도 많다. 쓰레기 소각로는 쓰레기를 소각하여 부산물로 발생되는 증기는 증기터빈을 설치하여 전력을 생산하거나 열병합발전에 이용하는 경우가 있으나, 쓰레기 질에 따라 생산열량이 일정치 않고 열량자체도 많지 않아 일반적으로 지역난방의 기저부하로 이용되고 있다. 열수송시설은 주수송관 계통 순환수펌프, 열수송관, 가압장설비, 열교환기실(또는 감압밸브실) 및 분배관 계통 순환수펌프 등이 포함된다. 열사용자 설비는 지역난방열을 받아들일 수 있는 사용자열교환기, 유량조절을 원활히 할 수 있는 차압유량조절밸브, 난방 및 급탕 순환펌프, 배관수의 저장 및 보충을 위한 팽창탱크 등으로 구성된다. 축열조는 다음과 같은 3가지 기능을 담당한다. 첫째는 지역난방 배관망의 정압유지를 목적으로 하여 고온수가 포화압력 이하에서 나타나는 재증발 현상을 어떠한 운전조건에서도 발생되지 않도록 하는 것이고, 둘째는 열배관 내 지역난방수온도가 증가되어 비체적이 상승함에 따라 발생되는 팽창량을 흡수하거나 온도 저감에 따라 배관수량의 부족분을 보충하여 최적의 계통을 유지하도록 하며, 셋째는 열부하가 낮은 시간에 잉여열을 저장하였다가 열부하가 높은 시간에 저장된 열을 방열하여 일일 첨두부하를 담당하거나 일일 부하의 변동 폭을 축열조가 흡수하여 잉여열을 저장하게 되므로 설비의 가동율을 향상시킬 수 있어 경제적인 운전이 가능하도록 역할을 담당한다. 또한, 축열조는 지역난방 배관망의 고온수와 저온수를 하나의 탱크에서 서로 섞이지 않게 상하로 분리·저장시키는 온도 성층(成層)화 기술이 핵심으로, 고온수와 저온수의 온도 차이에 따른 비중차를 이용하여 저온수(DH return water)는 탱크 하단에, 고온수(DH supply water)는 저온수 위에 얹혀 탱크 상단에 저장된다. 그리고, 축열조는 열병합발전시설과 연결되어 110~120℃의 고온수가 공급되는데, 비등을 방지하기 위해 축열조의 하단에 저장된 50~65℃의 저온수와 혼합하여 98℃의 고온수를 저장한다. 그러나, 이러한 축열조에는 110~120℃의 고온수와 50~65℃의 저온수를 직접 혼합하기 때문에 에너지 손실이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 축열조로 공급되는 고온수와 축열조에서 배출되는 저온수를 열전모듈 열교환기로 공급하여 열전모듈 열교환기에서 열교환시 발생되는 에너지로 전기를 생산함으로써 에너지를 절약할 수 있도록 하는 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 상단에 고온수가 저장되고, 하단에 저온수가 저장되는 축열조와; 자체 생산된 고온수를 상기 축열조 또는 지역난방 공급관으로 공급하는 열병합발전시설; 및 상기 열병합발전시설 또는 축열조로부터 공급되는 고온수와 상기 축열조 또는 지역난방 회수관로부터 공급되는 저온수를 공급받아 열교환시켜 열교환시 발생되는 에너지로 전기 에너지를 생산하는 열전모듈 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기에서, 상기 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치는 상기 열병합발전시설과 열전모듈 열교환기 및 지역난방 공급관 사이에 설치되어 외부의 제어에 따라 유로를 가변하는 제 1제어 밸브와; 상기 열전모듈 열교환기와 축열조 및 지역난방 회수관 사이에 설치되어 외부의 제어에 따라 유로를 가변하는 제 2제어 밸브와; 상기 제 2제어 밸브의 후단에서 상기 열병합발전시설과 지역난방 회수관 사이에 설치되어 외부의 제어에 따라 유로를 가변하는 제 3제어 밸브; 및 상기 제 1~3제어 밸브를 제어하여 모드에 따라 상기 열전모듈 열교환기를 통해 전력을 발생하는 컨트롤러를 더 포함한다. 여기에서 또한, 상기 제 1~3제어 밸브는 삼방향 전자 제어 밸브이다. 여기에서 또, 상기 컨트롤러는 상기 제 1~3제어 밸브를 제어하여 열공급 모드시 상기 열병합발전시설의 고온수를 상기 지역난방 공급관으로 공급하고, 상기 지역난방 회수관으로부터 회수되는 저온수를 상기 열병합발전시설로 회수하며, 축열 모드시 상기 열병합발전시설의 고온수를 상기 열전모듈 열교환기를 통해 상기 축열조로 공급하고, 상기 축열조의 저온수를 상기 열병합발전시설로 배출하며, 방열 모드시 상기 축열조의 고온수를 상기 열전모듈 열교환기를 통해 상기 지역난방 공급관으로 공급하고, 상기 지역난방 회수관으로부터 회수되는 저온수를 상기 축열조로 회수하며, 전력발생 모드시 상기 축열조의 고온수를 상기 열전모듈 열교환기를 통해 상기 지역난방 공급관으로 공급하고, 상기 지역난방 회수관으로부터 회수되는 저온수를 상기 열전모듈 열교환기를 통해 상기 축열조로 회수한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치에 따르면, 축열조로 공급되는 고온수와 축열조에서 배출되는 저온수를 열전모듈 열교환기로 공급하여 열전모듈 열교환기에서 열교환시 발생되는 에너지로 전기를 생산함으로써 에너지를 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치의 모드별 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
이하, 본 발명에 따른 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치의 구성을 나타낸 계통도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치(100)는, 축열조(110)와, 열병합발전시설(120)과, 열전모듈 열교환기(130)와, 제 1제어 밸브(140)와, 제 2제어 밸브(150)와, 제 3제어 밸브(160) 및 컨트롤러(170)를 포함한다. 먼저, 축열조(110)는 지역난방 공급관(101)과 지역난방 회수관(103)과 연계되고, 상단에 98℃의 고온수가 저장되고, 하단에 50~65℃의 저온수가 저장된다.
그리고, 열병합발전시설(120)은 자체 생산된 110~120℃의 고온수를 축열조(110) 또는 지역난방 공급관(101)으로 공급한다.
또한, 열전모듈 열교환기(130)는 통상의 열전모듈 열교환기로서 미국 등록특허 5,226,298호, 국내 등록특허 10-251329호 등에 개시되어 있는 구성으로, 열병합발전시설(120) 또는 축열조(110)로부터 공급되는 고온수와 축열조(110) 또는 지역난방 회수관(103)로부터 공급되는 저온수를 공급받아 열교환시켜 열교환시 발생되는 에너지로 전기 에너지를 생산한다.
또, 제 1제어 밸브(140)는 열병합발전시설(120)과 열전모듈 열교환기(130) 및 지역난방 공급관(101) 사이에 설치되어 하기에서 설명할 컨트롤러(170)의 제어에 따라 유로를 가변한다. 여기에서, 제 1제어 밸브(140)는 삼방향 전자 제어 밸브이다.
한편, 제 2제어 밸브(150)는 열전모듈 열교환기(130)와 축열조(110) 및 지역난방 회수관(103) 사이에 설치되어 컨트롤러(170)의 제어에 따라 유로를 가변한다. 여기에서, 제 2제어 밸브(150)는 삼방향 전자 제어 밸브이다. 그리고, 제 3제어 밸브(160)는 제 2제어 밸브(150)의 후단에서 열병합발전시설(120)과 지역난방 회수관(103) 사이에 설치되어 컨트롤러(170)의 제어에 따라 유로를 가변한다. 여기에서, 제 3제어 밸브(160)는 삼방향 전자 제어 밸브이다.
또한, 컨트롤러(170)는 제 1~3제어 밸브(140~160)를 제어하여 모드에 따라 열전모듈 열교환기(130)를 통해 전력을 발생한다. 여기에서, 컨트롤러(170)는 제 1~3제어 밸브(140~160)를 제어하여 열공급 모드시 열병합발전시설(120)의 고온수를 지역난방 공급관(101)으로 공급하고, 지역난방 회수관(103)으로부터 회수되는 저온수를 열병합발전시설(120)로 회수하며, 축열 모드시 열병합발전시설(120)의 고온수를 열전모듈 열교환기(130)를 통해 축열조(110)로 공급하고, 축열조(110)의 저온수를 열병합발전시설(120)로 배출하며, 방열 모드시 축열조(110)의 고온수를 열전모듈 열교환기(130)를 통해 지역난방 공급관(101)으로 공급하고, 지역난방 회수관(103)으로부터 회수되는 저온수를 축열조(110)로 회수하며, 전력발생 모드시 축열조(110)의 고온수를 열전모듈 열교환기(130)를 통해 지역난방 공급관(101)으로 공급하고, 지역난방 회수관(103)으로부터 회수되는 저온수를 열전모듈 열교환기(130)를 통해 축열조(110)로 회수한다.
이하, 본 발명에 따른 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 열전모듈 열교환기를 이용한 축열조 발전 장치의 모드별 동작을 설명하기 위한 설명도이다. 《열공급 모드》 먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 컨트롤러(170)는 제 1제어 밸브(140)로 열병합발전시설(120)과 지역난방 공급관(101)을 연결하고, 제 2제어 밸브(150)로 열병합발전시설(120)과 지역난방 회수관(103)을 연결하며, 제 3제어 밸브(160)를 폐쇄한다. 이러한 상태에서 열병합발전시설(120)로부터 고온수가 생산되면, 고온수는 지역난방 공급관(101)을 통해 공급된 후 사용자측 열교환기(미도시)에서 열교환된 후 지역난방 회수관(103)을 통해 회수되어 열병합발전시설(120)로 회수된다.
《축열 모드》 먼저, 컨트롤러(170)는 제 1제어 밸브(140)로 열병합발전시설(120)과 열전모듈 열교환기(130)의 고온수측을 연결시키고, 제 2제어 밸브(150)와 제 3제어 밸브(160)로 열병합발전시설(120)과 열전모듈 열교환기(130)의 저온수측을 연결시킨다. 그러면, 열병합발전시설(120)에서 생산된 고온수가 열전모듈 열교환기(130)를 통해 축열조(110)로 공급되고, 축열조(110)의 저온수가 열전모듈 열교환기(130)를 통해 열병합발전시설(120)로 배출된다. 이로 인해, 열전모듈 열교환기(130)에서 고온수와 저온수가 열교환되면서 축열조(110)로 공급되는 고온수의 온도가 낮아져 저장되고, 열교환시 발생하는 에너지에 의해 전기가 생산된다.
《방열 모드》 먼저, 컨트롤러(170)는 제 1제어 밸브(140)로 열전모듈 열교환기(130)과 지역난방 공급관(101)을 연결시키고, 제 2제어 밸브(150)와 제 3제어 밸브(160)로 축열조(110)와 지역난방 회수관(103)을 연결시킨다. 이러한 상태에서 축열조(110)가 방열을 시작하여 고온수를 배출하면 고온수는 지역난방 공급관(101)을 통해 공급된 후 사용자측 열교환기(미도시)에서 열교환된 후 지역난방 회수관(103)을 통해 회수되어 축열조(110)로 회수된다.
《전력발생 모드》 먼저, 컨트롤러(170)는 제 1제어 밸브(140)로 열전모듈 열교환기(130)과 지역난방 공급관(101)을 연결시키고, 제 2제어 밸브(150)와 제 3제어 밸브(160)로 열전모듈 열교환기(130)와 지역난방 회수관(103)을 연결시킨다. 이러한 상태에서 축열조(110)가 방열을 시작하여 고온수를 배출하면 고온수는 열전모듈 열교환기(130)를 통해 지역난방 공급관(101)으로 배출되고, 지역난방 회수관(103)의 저온수는 열전모듈 열교환기(130)를 통해 축열조(110)로 회수된다. 이로 인해, 열전모듈 열교환기(130)에서 고온수와 저온수가 열교환되면서 열교환시 발생하는 에너지에 의해 전기가 생산된다. 본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
101 : 지역난방 공급관 103 : 지역난방 회수관
110 : 축열조 120 : 열병합발전시설
130 : 열전모듈 열교환기 140 : 제 1제어 밸브
150 : 제 2제어 밸브 160 : 제 3제어 밸브
170 : 컨트롤러 |
