다단 직렬 과열기를 장착한 태양열 발전시스템{The solar heat generating system having multi serial super heater}

태양열발전시스템 분야

태양열발전은 주로 반사경을 이용하여 태양열을 한 지점에 모으는 방식을 사용하고 있다. 등록번호 10-0757956[태양열 발전시스템에 적용되는 태양광 반사장치]는 그 반사경에 관한 연구이다. 등록번호 10-0477065[태양열발전시스템]은 태양열 집열기로 액체를 끓여 기체로 만든 다음 이 기체를 물에 통과시켜 물의 이동을 만들어 내고 이 물로 수차를 돌려 발전을 하는 장치이다. 출원번호 10-2007-0053630[태양열온수기와 히트펌프 등을 이용한 발전시스템]은 태양열 온수기로 우선 물을 데운 다음 이 물을 순환시켜 저온비등매체를 끓이거나 히트펌프를 이용하여 응축부의 높은 온도의 열을 이용하여 발전을 하는 방법을 택하고 있다. 이 방법은 우선 데워지는 물의 온도나 히트펌프의 응축기 온도 이상의 기체를 얻을 수 없는 한계가 있다. 태양열 발전의 핵심은 고온/고압의 기체 작동유체를 만드는 것인데 현재까지는 반사경을 이용하는 방법 밖에 없다.

본 발명에서는 태양열집열기에 직접 저온에서 비등하는 작동유체를 넣어 끓여 넓은 면적에 조사되는 태양열을 모으는 기능이 수행되도록 한다. 끓은 기체냉매의 온도를 높이기 위하여 이 기체를 과열기를 통하도록 하되 과열기를 직렬연결로 다단으로 설치하여 과열기 단계를 많이 통과하는 기체 작동유체의 온도와 압력이 더 높아지도록 한다. 그리고 태양열발전기 입지가 바다/호수/강에 임하도록 하여 그 물을 이용하여 수냉복수기를 설치함으로써 낮은 온도의 물의 냉열을 이용할 수 있도록 한다.

집열기집합체로 액체 작동유체를 끓이고 다단 직렬 연결 과열기로 기체 작동유체를 고온/고압으로 만들어서 해결함

태양열발전의 핵심은 고온/고압의 기체상태 작동유체를 얻는데 있다. 지금까지는 반사경을 이용하여 넓은 면적에 조사되는 태양열을 한 지점으로 모으기 위한 대규모 장치를 설치하는 것이 중요하였다. 본 발명에서는 액체상태 작동유체를 끓여 기체상태로 만드는 집열기집합체(39)에 연이어 기체상태 작동유체의 온도와 압력을 높이는 다단 직렬 과열기(33)를 설치함으로써 고온/고압의 작동유체를 만들어 발전효율을 높이는 방법을 도출하였다. 그리고 태양열발전기 설치 입지를 바다/호수/강에 임하도록 하여 그 물을 이용하여 복수를 함으로써 태양열의 절대적 에너지 뿐 만아니라 냉열이라는 상대적 에너지를 이용하여 획기적으로 태양열발전 효율을 높일 수 있도록 하였다.

도 1은 태양열을 집열하는 장치 설명도이다. 진공관(11)은 이중유리관으로 내측유리면과 외측유리면 사이는 진공이 되도록 하여 태양광은 유입되어 진공관 내부의 온도를 올리지만 내부의 열은 진공에 막혀 외부로 유출되지 못하여 태양열을 집열 한다. 집열기(12)는 투명창(16) 내부에 다수의 열교환관(13)을 수용하고 있으며 열교환관(13)들은 상부에 상부헤더(14)에 연결되어 있고 하부에 하부헤더(15)와 연결되어 있다. 하부헤더(15)에는 유입구(17)가 연결되며 상부헤더(14)에는 유출구(18)가 연결되어 있다. 태양광은 투명창(16)을 뚫고 들어가서 다수의 열교환관(13)을 데우게 된다. 따라서 투명창(16)의 투과도와 단열성능 등에 따라 집열기(12)의 성능이 결정된다. 이 두 가지는 모두 상용화되고 있는 상황이다.

도 2는 태양열집열기와 배관연결 설명도이다. 내부에 U자형열교환관(21)을 넣은 다수의 진공관(11)을 투명창(16)으로 감싸도록 하여 집열기(12)를 만들거나 도1에서와 같은 집열기(12)를 만들 수 있다. 노출된 배관은 단열재(24)로 감싼다. 작동유체는 U자형열교환관(21)에 넣어지므로 작동유체가 기체가 되면서 높은 압력을 발생하는데 이 압력을 U자형열교환관(21)이 견디도록 하여야 한다. 집열기(12)의 유입구(17)는 액체유입관(22)에 연결하고 집열기(12)의 유출구(18)는 기체유출관(23)에 연결한다. 액체유입관(22)으로 작동유체가 유입되면 집열기(12)에서 태양열을 흡수하여 기체가 되어 기체유출관(23)으로 기체상태 작동유체를 유출시킨다.

도 3은 본 발명의 다단 직렬 과열기를 장착한 태양열 발전시스템 설명도이다. 공급펌프(31), 냉매통(32), 하나 이상의 직렬연결 과열기(33), 터빈(34), 복수기(35) 다시 공급펌프(31)의 순서로 폐회로가 되도록 배관으로 연결한다. 터빈(34)의 축에는 발전기(36)를 연결시킨다. 다수의 집열기(12)를 병렬로 연결하여 집열기집합체(39)를 만들고 냉매통(32)과 집열기집합체(39)를 액체유입관(22)과 기체유출관(23)으로 상호 연결한다. 연결되는 이 액체유입관(22)의 관로에는 액체밸브(38)를 설치하고 이 기체유출관(23)의 관로에는 기체밸브(37)를 설치한다. 작동유체는 저온에서 비등하는 프레온냉매나 암모니아 또는 끓는점이 100℃이하의 액체를 사용한다. 작동원리는 다음과 같다. 공급펌프(31)에서 저온에서 비등하는 작동유체가 액체상태로 냉매통(32)에 유입되면 이 액체는 액체밸브(38)를 지나 액체유입관(22)을 통하여 집열기집합체(39) 내부에 설치된 집열기(12)에 공급되고 여기서 태양열을 받아서 기체상태가 된다. 기체상태의 작동유체는 기체유출관(23)을 통하여 기체밸브(37)를 지나 냉매통(32)로 유입된다. 냉매통(32) 속의 기체냉매는 과열기(33)로 유입된다. 과열기(33)에는 기체상태의 냉매만 유입되므로 비열이 낮은 기체냉매는 급속히 온도가 올라가고 압력도 높아지게 된다. 도8에서 제시된 바와 같이 진공관 내부에 놓은 동파이프의 온도는 약200℃가 되므로 직렬로 연결된 과열기(33)의 단수를 지남에 따라 온도와 압력은 더욱더 높아지게 된다. 진공도가 높은 진공관을 고단의 과열기(33)에 사용하면 더 높은 온도의 기체상태 작동유체를 만들 수 있다. 반사경을 부착하여 반사된 태양광이 비치도록하여 온도를 높이거나 또는 태양열이 아닌 외부열을 가하여 온도를 높이는 과열기(미도시)를 과열기(33)로 사용하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다. 고온의 과열기(33)에 기체상태 작동유체가 흐르면 온도가 떨어지게 되지만 높은 단으로 올라갈수록 온도는 적게 떨어진다. 고온/고압의 기체상태 작동유체는 터빈(34)을 돌리고 그 축에 연결된 발전기(36)에서 전력을 얻을 수 있다. 터빈(34)을 돌린 기체상태 작동유체는 복수기(35)로 유입되어 액체로 변하고 공급펌프(31)에 의해 냉매통(32)으로 다시 유입됨으로써 폐순환의 한 주기를 마친다. 터빈에서 얻어지는 운동에너지는 과열기(33)의 기체상태 작동유체의 압력과 복수기(35)의 압력 차이에 의해 얻어지므로 과열기(33)와 복수기(35)의 압력차이가 많이 발생하도록 하면 좋다. 본 발명의 핵심은 다수의 과열기(33)를 직렬로 다단으로 연결하여 기체상태 작동유체의 압력을 높이는데 있다.

도 4는 본 발명에 수냉복수기가 추가된 사례 설명도이다. 도3에서 설명한 바와 같이 과열기(33)와 복수기(35)의 압력차이가 많이 발생하도록 하면 발전효율은 좋아진다. 다수의 과열기(33)를 직렬로 다단으로 연결하는 것은 과열기(33)의 압력을 높이는 것이라면 수냉복수기(41)를 설치하는 것은 복수기(35)의 압력을 낮추는 방법이다. 태양열발전기를 설치할 입지를 바다/호수/강에 임하도록 하여 그 물(바다/호수/강)(42)을 이용하여 수냉복수기(41)를 가동시키도록 하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다. 복수기(35)와 공급펌프(31) 사이에 파이(Phi; )분기하여 수냉복수유입밸브(43), 수냉복수기(41), 수냉복수유출밸브(44) 순서로 배관으로 연결되도록 한다. 수냉복수유입밸브(43)와 수냉복수유출밸브(44) 사이의 기존 배관로에는 기능전환밸브(45)를 설치한다. 작동원리는 다음과 같다. 기능전환밸브(45)를 닫고 수냉 복수유입밸브(43)와 수냉복수유출밸브(44)를 열면 복수기(35)와 수냉복수기(41)가 직렬로 연결되어 여름과 같이 더운 경우에 복수능력을 높여주는 역할 을 한다. 기능전환밸브(45)를 열고 수냉복수유입밸브(43)와 수냉복수유출밸브(44)를 닫으면 수냉복수기(41)는 폐회로에서 분리되어 작동을 중지한다. 겨울과 같이 물보다 공기가 더 차가워서 찬공기를 이용할 수 있는 경우에 복수기(35) 만을 사용하는 것이 더 좋을 수 있다. 나머지 설명은 도3과 같다.

도 5는 본 발명에서 냉매통을 제거한 사례 설명도이다. 공급펌프(31), 액체밸브(38), 집열기집합체(39), 기체밸브(37), 하나 이상의 직렬연결 과열기(33), 터빈(34), 복수기(35) 다시 공급펌프(31)의 순서로 폐회로가 되도록 배관으로 연결한다. 터빈(34)의 축에는 발전기(36)를 연결시킨다. 나머지 설명은 도3과 같다. 작동원리는 다음과 같다. 공급펌프(31)에서 저온에서 비등하는 작동유체가 액체상태로 액체밸브(38)를 지나 액체유입관(22)을 통하여 집열기집합체(39) 내부에 설치된 집열기(12)에 공급되고 여기서 태양열을 받아서 기체상태가 된다. 기체상태의 작동유체는 기체유출관(23)을 통하여 기체밸브(37)를 지나 과열기(33)로 유입된다. 과열기(33)에는 기체상태의 냉매만 유입되므로 비열이 낮은 기체냉매는 급속히 온도가 올라가고 압력도 높아지게 된다. 고온/고압의 기체상태 작동유체는 터빈(34)을 돌리고 그 축에 연결된 발전기(36)에서 전력을 얻을 수 있다. 터빈(34)을 돌린 기체상태 작동유체는 복수기(35)로 유입되어 액체로 변하고 공급펌프(31)에 유입됨으로써 폐순환의 한 주기를 마친다. 도5는 도3의 간단한 변형사례로 볼 수 있다.

도 6은 과열기 설명도이다. 투명창(16) 내부에 다수의 집열기(12)가 병렬로 설 치되며 투명창(16) 하부에서 내부로 기체유입구(61)가 유입되어 기체하부헤더(63)와 연결된다. 내부에서 상부로 기체상부헤더(64)와 연결된 기체유출구(62)가 유출된다. 기체하부헤더(63)에서 배관이 집열기(12)와 연결되며 집열기(12)의 또 다른 유출배관은 기체상부헤더(64)와 연결된다. 이렇게 구성되는 과열기(33)에 기체유입구(61)로 저온/저압의 기체가 유입되면 기체하부헤더(63)에서 병렬로 설치된 집열기(12)로 배분되며 각 집열기(12)에서 온도와 압력이 올라간 고온/고압의 기체가 만들어 지고 기체상부헤더(64)에 모여 기체유출구(62)를 통하여 외부로 배출된다.

도 7은 단열집열기집합체 설명도이다. 집열기(12)의 투명창(16)도 단열작용을 하므로 외부의 온도가 낮을 경우에도 집열기(12)에서 집열된 온도를 외부로 잘 빼앗기지 않는다. 그러나 차가운 외기에도 집열한 열을 더 잘 보호하기 위하여 단열집열기집합체(71)를 만들어서 집열기집합체(39)를 대신할 수 있다. 단열성능이 우수한 단열받침(73)을 상부에 뚜껑이 없는 용기 형태로 만들고 뚜껑 설치부위인 상부에 단열투명창(72)을 설치하여 단열받침(73)과 단열투명창(72) 사이에 단열공간(74)을 만들고 그 공간에 다수의 집열기(12)를 설치한다. 보강된 단열에 의해 집열기(12)에서 집열한 열은 더 잘 보관될 수 있다. 과열기(33)도 같은 방법으로 단열을 보강할 수 있다.

도 8은 진공관 내의 물질별 온도변화 설명 그래프이다. 물의 온도는 100℃에서 머무르지만 동파이프의 온도는 200℃ 정도로 높이 올라감을 알 수 있다. 진공관의 진공도를 높이면 온도는 더 높아질 수 있다. 단수가 높은 과열기(33) 속의 집열기(12)에는 비열이 작은 기체만 계속 유입되므로 급속히 온도가 올라갈 수 있다.

도 1은 태양열을 집열하는 장치 설명도이다.

도 2는 태양열집열기와 배관연결 설명도이다.

도 3은 본 발명의 다단 직렬 과열기를 장착한 태양열 발전시스템 설명도이다.

도 4는 본 발명에 수냉복수기가 추가된 사례 설명도이다.

도 5는 본 발명에서 냉매통을 제거한 사례 설명도이다.

도 6은 과열기 설명도이다.

도 7은 단열집열기집합체 설명도이다.

도 8은 진공관 내의 물질별 온도변화 설명 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 진공관 12 : 집열기

13 : 열교환관 14 : 상부헤더

15 : 하부헤더 16 : 투명창

17 : 유입구 18 : 유출구

21 : U자형열교환관 22 : 액체유입관

23 : 기체유출관 24 : 단열재

31 : 공급펌프 32 : 냉매통

33 : 과열기 34 : 터빈

35 : 복수기 36 : 발전기

37 : 기체밸브 38 : 액체밸브

39 : 집열기집합체 41 : 수냉복수기

42 : 물(바다/호수/강) 43 : 수냉복수기유입밸브

44 : 수냉복수기유출밸브 45 : 기능전환밸브

61 : 기체유입구 62 : 기체유출구

63 : 기체하부헤더 64 : 기체상부헤더

71 : 단열집열기집합체 72 : 단열투명창

73 : 단열받침 74 : 단열공간