선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 터빈장치{Supercritical Carbon Dioxide Power Generation System for Ship and Turbine Apparatus}
본 발명은 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 전기를 생산하는 초임계 이산화탄소 발전시스템에 관한 것이다.
연소로, 보일러 등은 소정의 연료를 연소시키면서 이산화탄소(Carbon Dioxide)가 포함된 배가스를 배출한다. 이산화탄소는 지구온난화 등과 같이 환경오염을 초래하는 물질로 알려져 있다. 이에 따라, 이산화탄소로 인한 환경오염을 줄이기 위한 방안으로, 이산화탄소에 대한 배출 규제를 강화하는 방안, 태양력, 풍력 등과 같은 친환경 에너지원으로 대체하는 방안 등이 시도되고 있다. 그러나, 이산화탄소에 대한 배출 규제를 강화하는 방안은 이산화탄소가 포함된 배가스를 정화하기 위한 설비를 필요로 하기 때문에 각 국가의 산업발전, 경제적 사정 등을 이유로 제대로 시행되지 못하고 있는 실정이다. 태양력, 풍력 등과 같은 친환경 에너지원으로 대체하는 방안은, 기존에 이산화탄소 배출을 통해 생산하는 에너지량을 대체하기에 개발이 부족한 상태이다. 최근에는 배가스로부터 이산화탄소를 포집하여 저장하는 CCS(Carbong Capture and Storage) 기술에 대한 개발이 활발하게 진행되면서, 포집한 이산화탄소를 에너지로 변환하는 기술에 대한 개발로 이어지고 있다. 예를 들어, 포집한 이산화탄소를 드라이아이스로 제조하여 기존의 냉각물질인 얼음을 대체하는 기술, 포집한 이산화탄소를 탄산가스로 제조하여 맥주, 탄산음료, 조선용접, 산화방지제 등으로 이용하는 기술 등에 대한 개발로 이어지고 있다. 이와 같이 이산화탄소를 다른 용도로 이용하는 기술이 활발하게 개발되면서, 환경오염물질인 이산화탄소에 대한 처리 기술이 새로운 변경점을 맞고 있다. 따라서, 발전시스템에 있어서도 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 요구를 해소하고자 안출된 것으로, 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템을 제공하기 위한 것이다. 본 발명은 임펠러를 회전시키기 위한 작동유체가 누설되는 양을 감소시킬 수 있는 터빈장치를 제공하기 위한 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템은 엔진의 폐열 및 이산화탄소를 열교환시키는 열교환부; 상기 열교환부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소에 의해 회전되는 임펠러; 상기 임펠러가 설치되는 하우징; 상기 임펠러가 회전함에 따라 발전기가 전기를 생산하도록 상기 임펠러의 후면과 상기 발전기를 연결하는 샤프트; 및 상기 임펠러의 후면과 상기 하우징 사이를 통해 상기 샤프트를 향하는 내측방향으로 유동하는 초임계 이산화탄소를 외측방향으로 밀어내기 위해 상기 임펠러의 후면에 형성되는 나선부를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 터빈장치는 작동유체에 의해 회전되어 작동유체를 팽창시키는 임펠러; 상기 임펠러가 설치되는 하우징; 상기 임펠러의 후면에 결합되고, 상기 임펠러가 회전함에 따라 함께 회전하는 샤프트; 및 상기 임펠러의 후면과 상기 하우징 사이를 통해 상기 샤프트를 향하는 내측방향으로 유동하는 작동유체를 외측방향으로 밀어내기 위해 상기 임펠러의 후면에 형성되는 나선부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 전기를 생산하도록 구현됨으로써 열교환부, 터빈부 등을 소형화할 수 있으므로, 선박 등과 같이 설치공간이 협소한 곳에 용이하게 설치되어 선체에 대한 공간 활용도를 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템은 이산화탄소가 엔진의 폐열로 가열되도록 구현됨으로써, 이산화탄소를 가열하기 위한 열원을 마련하기 위해 추가로 연소로 등을 이용하여 연료를 연소시킬 필요가 없으므로, 친환경 발전시스템을 구현할 수 있다. 본 발명에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템은 환경오염물질인 이산화탄소를 이용하여 발전기를 동작시키기 위한 동력을 발생시키므로, 환경오염물질인 이산화탄소를 정화하는데 필요한 설비 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다. 본 발명에 따른 터빈장치는 누설되는 작동유체의 유량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 임펠러를 회전시키는데 관여하는 작동유체의 유량을 증대시킴으로써, 작동유체에 대한 관리비용을 절감할 수 있고 임펠러를 통해 발생시키는 회전력을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 터빈장치의 개략적인 단면도
도 2는 본 발명에 따른 터빈장치에 있어서 나선부를 설명하기 위한 임펠러의 개략적인 배면도
도 3은 도 1의 A 부분에 대한 확대도
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 터빈장치에 있어서 나선부를 설명하기 위한 도 2의 II 선을 기준으로 한 임펠러의 개략적인 단면도
도 6은 본 발명에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
도 7은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
도 8은 본 명의 다른 변형된 실시예에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템의 개략적인 블록도
이하에서는 본 발명에 따른 터빈장치의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 터빈장치(10)는 작동유체에 의해 회전되어 작동유체를 팽창시키는 임펠러(11), 상기 임펠러(11)가 설치되는 하우징(12), 상기 임펠러(11)가 회전함에 따라 함께 회전하는 샤프트(13), 및 상기 임펠러(11)의 후면에 형성되는 나선부(14)를 포함한다. 상기 임펠러(11)는 상기 하우징(12)에 회전 가능하게 설치된다. 상기 임펠러(11)는 상기 샤프트(13)를 통해 상기 하우징(12)에 회전 가능하게 설치될 수 있다. 상기 임펠러(11)는 작동유체에 의해 회전된다. 작동유체는 상기 하우징(12)의 외부로부터 공급되는 것이다. 작동유체는 상기 하우징(12)의 내부로 공급된 후에 상기 임펠러(11)를 가압함으로써, 상기 임펠러(11)를 회전시킬 수 있다. 상기 임펠러(11)는 작동유체에 의해 회전되면서 작동유체를 팽창시킨다. 작동유체는 초임계 이산화탄소일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 임펠러(11)를 회전시킬 수 있는 유체이면 증기 등과 같은 다른 유체일 수도 있다. 상기 임펠러(11)는 작동유체에 의해 가압되는 블레이드(111)를 포함할 수 있다. 상기 블레이드(111)는 임펠러의 전면(前面)(112)에 형성된다. 상기 임펠러의 전면(112)은 상기 하우징(12)에 공급된 작동유체가 상기 하우징(12)으로부터 배출되는 배출구(121)를 향하는 면이다. 상기 하우징(12)의 내부로 공급된 작동유체는 상기 블레이드(111)를 가압하여 상기 임펠러(11)를 회전시킨 후에, 상기 배출구(121)를 통해 상기 하우징(12)으로부터 배출될 수 있다. 이 과정에서 작동유체는 팽창될 수 있다. 상기 임펠러(11)는 임펠러의 후면(後面)(113)을 포함할 수 있다. 상기 임펠러의 후면(113)은 상기 임펠러(11)에서 상기 임펠러의 전면(112)에 대해 반대되는 면이다. 상기 샤프트(13)는 상기 임펠러의 후면(113)에 결합된다. 상기 임펠러(11)는 회전하면서 상기 하우징(12)에 마찰되지 않도록, 상기 임펠러의 후면(113)이 상기 하우징(12)으로부터 소정 거리 이격되게 상기 하우징(12)에 설치된다. 도 1을 참고하면, 상기 하우징(12)은 본 발명에 따른 터빈장치(10)의 전체적인 외관을 이룬다. 상기 하우징(12)은 내부에 상기 임펠러(11)가 위치될 수 있도록 내부가 비어 있는 형태로 형성된다. 상기 하우징(12)은 상기 배출구(121) 및 작동유체가 유입되는 유입구(122)를 포함할 수 있다. 작동유체는 상기 유입구(122)를 통해 상기 하우징(12)의 내부로 유입되어 상기 임펠러(11)를 회전시킨다. 작동유체는 상기 임펠러(11)를 회전시킨 후에 상기 배출구(121)를 통해 상기 하우징(12)의 외부로 배출된다. 도 1을 참고하면, 상기 샤프트(13)는 상기 임펠러(11)에 결합된다. 이에 따라, 상기 샤프트(13)는 상기 임펠러(11)가 회전함에 따라 함께 회전한다. 상기 샤프트(13)는 일측이 상기 하우징(12)을 관통하여 상기 임펠러의 후면(113)에 결합될 수 있다. 상기 샤프트(13)는 타측이 생산수단에 결합될 수 있다. 예컨대, 상기 생산수단은 상기 임펠러(11)가 회전하면서 발생시키는 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전기일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 생산수단은 상기 임펠러(11)가 발생시킨 회전력으로부터 운동에너지, 전기에너지, 화학에너지 등을 생산하는 설비일 수도 있다. 도 1 내지 도 3을 참고하면, 상기 나선부(14)는 상기 임펠러(11)의 후면(113)에 형성된다. 이에 따라, 상기 나선부(14)는 상기 임펠러(11)가 회전함에 따라 함께 회전한다. 따라서, 상기 나선부(14)는 상기 임펠러의 후면(113) 및 상기 하우징(12) 사이를 통해 상기 샤프트(13)를 향하는 내측방향(도 2에서 점선으로 표시된 화살표 방향)으로 유동하는 작동유체를 외측방향(도 2에서 실선 및 검은색 바탕으로 표시된 화살표 방향)으로 밀어낸다. 이에 따라, 상기 나선부(14)는 상기 임펠러의 후면(113) 및 상기 하우징(12) 사이로 진입하는 작동유체의 유량을 감소시킴으로써, 상기 임펠러의 전면(112) 쪽으로 유동하는 작동유체의 유량을 증대시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 터빈장치(10)는 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다. 첫째, 상기 샤프트(13)가 상기 하우징(12)에 회전 가능하게 설치되어야 하므로, 상기 샤프트(13)와 상기 하우징(12) 사이는 밀폐력이 약하게 구현된다. 이에 따라, 작동유체는 상기 임펠러의 후면(113) 및 상기 하우징(12) 사이로 진입하면, 상기 샤프트(13)와 상기 하우징(12) 사이를 통해 상기 하우징(12)의 외부로 누설될 수 있다. 본 발명에 따른 터빈장치(10)는 상기 임펠러의 후면(113) 및 상기 하우징(12) 사이로 진입하는 작동유체의 유량을 감소시킴으로써, 작동유체가 상기 샤프트(13)와 상기 하우징(12) 사이로 누설되는 유량을 감소시킬 수 있다. 둘째, 본 발명에 따른 터빈장치(10)는 상기 임펠러의 전면(112) 쪽으로 유동하는 작동유체의 유량을 증대시킴으로써, 상기 블레이드(111)를 가압하는 작동유체의 유량을 증대시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 터빈장치(10)는 상기 임펠러(11)가 발생시키는 회전력을 증대시킬 수 있다. 여기서, 상기 나선부(14)가 상기 샤프트(13)를 중심으로 상기 임펠러(11)가 회전하는 회전방향(R1 화살표 방향, 도 2에 도시됨)에 대해 동일한 회전방향으로 감기는 나선 형태로 형성되는 경우, 상기 임펠러의 후면(113) 및 상기 하우징(12) 사이로 진입한 작동유체는 상기 내측방향으로 모이게 된다. 이에 따라, 상기 임펠러의 후면(113) 및 상기 하우징(12) 사이를 통해 상기 내측방향으로 유동하는 작동유체의 유량이 증가하게 된다. 따라서, 상기 나선부(14)가 상기 샤프트(13)를 중심으로 상기 임펠러(11)가 회전하는 회전방향(R1 화살표 방향)에 대해 동일한 회전방향으로 감기는 나선 형태로 형성되는 경우, 작동유체가 상기 샤프트(13)와 상기 하우징(12) 사이로 누설되는 유량이 증가할 뿐만 아니라 상기 임펠러(11)가 발생시키는 회전력을 저하시키게 된다. 이를 방지하기 위해, 본 발명에 따른 터빈장치(10)에 있어서, 상기 나선부(14)는 상기 샤프트(13)를 중심으로 상기 임펠러(11)가 회전하는 회전방향(R1 화살표 방향, 도 2에 도시됨)에 대해 반대되는 회전방향으로 감기는 나선 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 나선부(14)는 상기 임펠러의 후면(113) 및 상기 하우징(12) 사이로 진입한 작동유체를 상기 외측방향으로 밀어낼 수 있다. 따라서, 상기 나선부(14)는 상기 임펠러의 후면(113)을 기준으로 상기 샤프트(13)가 결합된 내측부분에 비해 외측부분(OP, 도 3에 도시됨)의 압력을 증가시킴으로써, 상기 임펠러의 후면(113) 및 상기 하우징(12) 사이를 통해 진입하는 작동유체의 유량을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 나선부(14)는 상기 임펠러의 후면(113) 및 상기 하우징(12) 사이로 진입하려는 작동유체가 상기 임펠러의 전면(112) 쪽으로 유동하도록 유도할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 터빈장치(10)는 상기 임펠러(11)가 발생시키는 회전력을 증대시킬 수 있다. 도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 터빈장치(10)는 나선홈(15, 도 4에 도시됨)을 포함할 수 있다. 상기 나선홈(15)은 상기 임펠러의 후면(113)에 형성된다. 상기 나선홈(15)은 상기 샤프트(13)를 중심으로 상기 임펠러(11)가 회전하는 회전방향(R1 화살표 방향, 도 2에 도시됨)에 대해 반대되는 회전방향으로 감기는 나선 형태로 형성된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 나선홈(15)은 상기 임펠러의 후면(113)에 홈을 가공함으로써 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 나선홈(15)이 가공됨에 따라 임펠러의 후면(113)에서 돌출되는 부분이 상기 나선부(14)로 형성된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 나선홈(15)은 상기 나선부(14)가 상기 임펠러의 후면(113)에 결합됨으로써 형성될 수 있다. 이 경우, 나선부(14)가 상기 임펠러의 후면(113)에 결합됨에 따라 임펠러의 후면(113)에 함몰되는 부분이 상기 나선홈(15)으로 형성된다. 이하에서는 본 발명에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 선박용 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)(이하, '본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)'이라 함)은 초임계 이산화탄소(Supercritical Carbon Dioxide)를 이용하여 전기를 생산하기 위한 발전기(300)를 동작시킨다. 이산화탄소는 임계 온도 및 임계 압력 이상의 조건에서 초임계 이산화탄소로 된다. 초임계 이산화탄소는 밀도가 높은 특성을 가짐과 동시에 점도가 낮은 특성을 갖는다. 즉, 초임계 이산화탄소는 밀도가 높은 기체 특성을 갖는다. 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 엔진(100)의 폐열과 이산화탄소를 열교환시키는 열교환부(2), 및 상기 열교환부(2)로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부(3)를 포함한다. 상기 터빈부(3)는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다. 첫째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 전기를 생산하도록 구현됨으로써, 물과 같은 다른 유체를 초임계 상태의 작동유체로 이용하는 것과 비교할 때, 상기 열교환부(2), 상기 터빈부(3) 등을 소형화할 수 있다. 초임계 이산화탄소는 물과 같은 다른 유체가 초임계 상태일 때와 비교할 때, 밀도가 더 높은 특성을 갖기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 전체적인 크기가 감소될 수 있으므로, 선박 등과 같이 설치공간이 협소한 곳에도 용이하게 설치될 수 있다. 둘째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 엔진(100)의 폐열로 가열되도록 구현됨으로써, 이산화탄소를 가열하기 위한 열원을 마련하기 위해 추가로 연소로 등을 이용하여 연료를 연소시킬 필요가 없다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 연소로 등을 통해 추가로 이산화탄소를 발생시키지 않으면서 전기를 생산할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 친환경 발전시스템을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 엔진(100)의 폐열을 열원으로 이용함으로써 운영비용을 절감할 수 있다. 셋째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 환경오염물질인 이산화탄소를 이용하여 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 환경오염물질인 이산화탄소를 무해한 물질로 정화하지 않으면서 이산화탄소를 전기를 생산하기 위한 용도로 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 환경오염물질인 이산화탄소를 정화하는데 필요한 설비 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다. 이하에서는 상기 열교환부(2) 및 상기 터빈부(3)에 관해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 6을 참고하면, 상기 열교환부(2)는 엔진(100)의 폐열 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 열교환부(2)를 통과하면서 엔진(100)의 폐열에 의해 가열된다. 이 경우, 상기 엔진(100)의 폐열이 열원으로 기능한다. 상기 열교환부(2)는 이산화탄소가 순환 유동하는 순환배관(20)을 통해 상기 터빈부(3)에 연결된다. 상기 순환배관(20)은 이산화탄소가 유동할 수 있는 유로를 제공하는 파이프 등을 포함할 수 있다. 상기 순환배관(20)은 폐루프(Closed loop)를 형성한다. 이산화탄소는 상기 순환배관(20)을 따라 순환 유동하면서 상기 발전기(300)가 전기를 생산하도록 하는 작동유체로 기능한다. 상기 열교환부(2)는 배기열교환부(21)를 포함할 수 있다. 상기 배기열교환부(21)는 상기 엔진(100)으로부터 배출되어 과급기(200)를 통과한 배기(Exhaust Gas) 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 배기열교환부(21)를 통과하면서 상기 엔진(100)의 폐열 중에서 배기에 의해 가열된다. 이 경우, 상기 엔진(100)의 폐열 중에서 배기가 열원으로 기능한다. 상기 배기열교환부(21)를 통과한 배기는, 상기 이산화탄소가 가열되도록 열을 방출한 후에, 스택(미도시)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기는 파이프 등의 배관을 따라 이동하면서 상기 과급기(200), 상기 배기열교환부(21), 및 스택을 순차적으로 통과할 수 있다. 도 6을 참고하면, 상기 터빈부(3)는 상기 발전기(300)에 연결된다. 상기 터빈부(3)는 상기 배기열교환부(21)로부터 배출되는 이산화탄소를 이용하여 동력을 발생시킨다. 상기 배기열교환부(21)로부터 배출되는 이산화탄소는, 상기 터빈부(3)를 통과하면서 상기 터빈부(3)가 갖는 임펠러(11, 도 1에 도시됨)를 회전시킴으로써 동력을 발생시킬 수 있다. 상기 발전기(300)는 상기 터빈부(3)로부터 제공되는 동력을 이용하여 전기를 생산한다. 상기 발전기(300)는 샤프트(13, 도 1에 도시됨) 등을 통해 상기 터빈부(3)에 연결될 수 있다. 상기 터빈부(3)는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다. 상기 배기열교환부(21)로부터 배출되는 이산화탄소는 초임계 상태로 상기 터빈부(3)를 통과하면서 동력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 터빈부(3)가 동력을 발생시키도록 구현됨으로써, 상기 터빈부(3)를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산되는 전기에 대한 발전효율을 향상시킬 수 있다. 도 1 내지 도 6을 참고하면, 상기 터빈부(3)는 상술한 본 발명에 따른 터빈장치(10)로 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 임펠러의 후면(113) 및 상기 하우징(12) 사이로 누설되는 초임계 이산화탄소의 유량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 작동유체인 이산화탄소에 대한 손실량을 감소시킴으로써, 운영비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 임펠러(11)를 회전시키는 초임계 이산화탄소의 유량을 증대시킴으로써, 발전효율을 증대시킬 수 있다. 도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 순환부(4)를 포함할 수 있다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3) 및 상기 열교환부(2) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킨다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도를 낮추고, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 압력을 높인다. 이에 따라, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소는, 상기 순환부(4)를 통해 다시 상기 열교환부(2)에서 배기의 열을 흡수하여 상기 터빈부(3)를 작동시킬 수 있는 상태로 조절된다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 배기열교환부(21)로 재공급되어 배기로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킬 수 있다. 상기 순환부(4)는 냉각부(41) 및 압축부(42)를 포함할 수 있다. 상기 냉각부(41)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시킴으로써, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도를 낮춘다. 상기 냉각부(41)는 전기 등에 의해 동작하는 쿨러를 이용하여 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각부(41)는 이산화탄소를 냉각시킬 수 있는 냉각매체 및 이산화탄소를 열교환시킴으로써, 이산화탄소를 냉각시킬 수도 있다. 상기 냉각부(41)는 상기 순환배관(20)을 따라 순환 유동하는 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 상기 압축부(42)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 압축시킴으로써, 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 압력을 높인다. 상기 압축부(42)는 상기 냉각부(41) 및 상기 열교환부(2) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 압축부(42)는 상기 냉각부(41) 및 상기 배기열교환부(21) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 압축부(42)는 상기 냉각부(41)에 의해 냉각된 이산화탄소를 압축시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각시킨 후에 압축시킴으로써, 상기 압축부(42)가 이산화탄소를 압축시키는 압축률을 증대시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 상기 열교환부(2)에서 열을 흡수하는 폐열 회수율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이산화탄소를 이용하여 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 향상시킬 수 있다. 상기 압축부(42)는 상기 순환배관(20)을 따라 순환 유동하는 이산화탄소를 압축시킬 수 있다. 상기 압축부(42)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소가 액체 상태인 경우, 펌프(Pump)를 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 사이클 내에서 미임계 상태와 초임계 상태 간에 변화하는 트랜스 크리티컬 사이클(Transcritical Cycle)로 구현될 수 있다. 이산화탄소는 상기 터빈부(3)로부터 배출된 후에 미임계 상태로 변화되고, 상기 압축부(42)에서 초임계 상태로 변화될 수 있다. 이산화탄소는 상기 터빈부(3)로부터 배출된 후에 미임계 상태로 변화되고, 상기 압축부(42) 및 상기 열교환부(2)를 통과하면서 초임계 상태로 변화될 수도 있다. 상기 압축부(42)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소가 초임계 상태인 경우, 컴프레서(Compressor)를 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 전체 사이클 내에서 초임계 상태로 유지되는 슈퍼 크리티컬 사이클(Supercritical Cycle)로 구현될 수 있다. 도 7을 참고하면, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 열교환부(2)는 소기열교환부(22)를 포함할 수 있다. 상기 소기열교환부(22)는 상기 과급기(200)로부터 배출되어 상기 엔진(100)으로 공급되는 소기(Scavenge Air) 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 이에 따라, 이산화탄소는 상기 소기열교환부(22)를 통과하면서 상기 엔진(100)의 폐열 중에서 소기에 의해 가열된다. 이 경우, 상기 엔진(100)의 폐열 중에서 소기가 열원으로 기능한다. 상기 소기열교환부(22)를 통과한 소기는, 상기 이산화탄소가 가열되도록 열을 방출한 후에, 상기 엔진(100)으로 공급된다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다. 우선, 소기는 상기 엔진(100)에 공급되는 연소용 공기로, 상기 엔진(100)의 효율을 향상시키기 위해 상기 과급기(200)를 통과하면서 압축되어 상기 엔진(100)으로 공급된다. 그러나, 소기는 상기 과급기(200)를 통과하면서 온도가 함께 상승한다. 이와 같이 온도가 상승된 소기가 상기 엔진(100)에 공급되면, 상기 엔진(100)의 효율이 저하될 수 있고, 상기 엔진(100)의 수명이 단축될 수 있다. 다음, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 이산화탄소가 소기로부터 열을 흡수하므로, 상기 과급기(200)를 통과하여 상기 엔진(100)으로 공급되는 소기의 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 소기를 이용하여 이산화탄소를 가열함으로써 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 향상시킬 수 있음과 동시에, 상기 엔진(100)에 공급되는 소기의 온도를 낮춤으로써 상기 엔진(100)의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 상기 엔진(100)의 수명을 연장할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 과급기(200)를 통과한 소기의 온도를 낮추기 위한 별도의 냉각 설비를 생략할 수 있으므로, 구축비용 및 운영비용을 절감할 수 있다. 상기 소기열교환부(22)는 상기 순환부(4) 및 상기 터빈부(3) 사이에 위치되게 설치된다. 상기 소기열교환부(22)는 상기 압축부(42) 및 상기 터빈부(3) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 상기 순환부(4)는 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소가 상기 소기열교환부(22)로 재공급되어 소기로부터 열을 흡수하도록 상기 터빈부(3)로부터 배출되는 이산화탄소의 온도 및 압력을 조절하여 순환시킬 수 있다. 도 8을 참고하면, 본 발명의 다른 변형된 실시예에 따르면, 상기 열교환부(2)는 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22)를 모두 포함할 수 있다. 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22)는 각각 상기 엔진(100)의 폐열 및 이산화탄소를 열교환시킨다. 상기 배기열교환부(21)는 이산화탄소 및 상기 엔진(100)으로부터 배출되어 상기 과급기(200)를 통과한 배기를 열교환시킨다. 상기 소기열교환부(22)는 이산화탄소 및 상기 과급기(200)를 통과하여 상기 엔진(100)으로 공급되는 소기를 열교환시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 하나의 엔진(100) 및 과급기(200)로부터 이산화탄소가 열을 흡수하는 폐열 회수율을 더 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 더 향상시킬 수 있다. 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22)는 서로 병렬로 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 순환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소는 분기된 후에 상기 열교환부(2)로 공급된다. 상기 순환부(4)로부터 배출되는 이산화탄소의 일부는 상기 배기열교환부(21)로 공급되고, 나머지 일부는 소기열교환부(22)로 공급된다. 상기 터빈부(3)는 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각으로부터 배출되어 합류한 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 발전기(300)를 동작시키기 위한 동력을 발생시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3) 및 상기 순환부(4)를 통과하는 이산화탄소의 유량에 비해 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각을 통과하는 이산화탄소의 유량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22)가 서로 직렬로 연결된 것과 비교할 때, 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각의 용량을 줄일 수 있으므로, 설치비용 및 운영비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22)가 서로 직렬로 연결된 것과 비교할 때, 상기 배기열교환부(21) 및 상기 소기열교환부(22) 각각에서 이산화탄소가 열을 흡수하는 폐열 회수율을 더 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 발전시스템(1)은 상기 터빈부(3) 및 상기 발전기(300)를 통해 생산하는 전기에 대한 발전효율을 더 향상시킬 수 있다.
2 : 열교환부 3 : 터빈부
4 : 순환부 100 : 엔진 |
