고효율 발전사이클{HIGH EFFICIENCY POWER GENERATION CYCLE}

본 발명은 고효율 발전 사이클에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 냉매 또는 물을 열매체로 하여 저온저압 상태에서 증발되게 하고 외부로부터 집열 및 축열한 열을 열교환시켜 고온고압 상태에서 터빈을 구동하여 발전하도록 이루어지는 간접가열 열교환 방식의 신재생 에너지의 이용 기술로서 열에너지로 전기를 생성 발전할 수 있는 고효율 발전 사이클에 관한 것이다.

신에너지 및 재생 에너지의 이용 기술로서 현존하는 발전 사이클에는 증기 터빈을 이용한 랭킨 사이클을 응용한 '유기랭킨 사이클'과 가스터빈을 이용한 브레이턴 사이클을 응용한 '재생 브레이턴 사이클'로 대분되며, 최근 들어 신재생 에너지의 활용 방안으로 활발히 연구되고 있는 저온 열원을 이용하는 사이클로는 '칼리나 사이클'과 '바이너리 사이클'이 있다. 보다 세분화하면 유기랭킨 사이클의 효율을 향상시킨 '저온열원 복합 사이클'로 나눌 수 있으나 이들은 모두 유기 랭킨 사이클에 속한다.

물을 직접 가열하여 증기를 생성 발전하는 증기터빈 발전은 스코틀랜드의 월리엄 존매퀸 랭킨 박사에 의하여 이름 붙여진 기본적인 열역학 기초 사이클인 '랭킨 사이클'을 말하며, 이는 화력 및 원자력 발전으로 대변되며 전체 전기 에너지 생산양의 80% 이상을 차지하고 있다. 이 랭킨 사이클은 압축(급수펌프), 증발(보일러 등 증기발생기), 팽창(발전기), 응축(복수기)의 순환 사이클을 이룬다.

가스를 고압의 공기로 연소시켜 가스터빈으로 발전하는 '브레이턴 사이클'은 미국의 브레이턴 박사가 고안한 것으로 재생 브레이턴 사이클은 압축, 가열(증발), 팽창(발전), 응축(방열)의 단계로 이루어진다.

1980년 미국의 kalina 박사에 의하여 고안된 '칼리나 사이클'은 압축, 제1열교환(1차저온), 제2열교환(2차고온), 증발(외부열원공급), 팽창(발전부), 응축 단계를 가지는 시스템을 말하는 것이고, 유기랭킨 사이클은 압축, 증발(외부열원 공급), 팽창(발전), 응축의 단계로 순환하는 사이클의 통칭을 말한다.

또한 '저온열원 복합 사이클'은 압축, 증발, 팽창, 응축을 병열로 연결한 유기 랭킨 사이클이며, 지열 등에 주로 사용되는 바이너리 사이클은 끓는점이 높은 액체와 낮은 액체 두 가지를 상호 호완시켜 발전하는 사이클로 역시 유기랭킨 사이클로 구성되어 있다.

상술한 모든 사이클은 압축, 증발, 팽창, 응축의 4단계로 구성되는 특징이 있다. 이와 관련된 특허문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제1236070호, 제766101호, 제1249188호, 제1188335호가 있다.

신재생 에너지의 이용기술로서 열로 전기 에너지를 생성하는 사이클로는 열기관의 이상 사이클인 카로노 사이클로서 압축, 증발, 팽창, 응축의 4단계로 구성되어져 있으며, 냉동사이클은 역 카로노 사이클은 압축, 응축, 팽창, 증발의 단계를 가진다.

증발기는 외부로부터 열원을 공급받아 액체에서 기체로 상태 변화하면서 증발하는 단계이므로 증발 잠열을 소화할 수 있는 고온의 열원을 필요로 하게 된다.

즉, 증발기는 증발과 동시에 증발 잠열에 의하여 그만큼의 열양 공급이 없으면 주위로부터 열을 흡수하여 증발해야하므로 밀폐된 증발기 내에서 증발과 동시에 열을 빼앗겨서 냉각이 일어나 차가워지려는 성질이 서로 충돌하게 된다.

또한 응축기는 응축 잠열에 의하여 열을 발산하므로 고온으로 인하여 응축에 장애가 발생하고, 높은 부압에 의하여 발전 효율이 현저히 떨어지게 된다.

냉동사이클에서는 응축기에 압력을 올려 약간의 냉각으로도 충분한 응축이 일어나지만, 도 1에 도시된 바와 같이, 발전 사이클에서는 증발기와 응축기의 압력차가 커야 효율이 향상되므로 압력차를 최대한으로 가져야하며, 증발기에서 별도의 외부 열원으로 고온고압으로 팽창한 상태이므로 응축을 용이하게 하기 위해서는 그만큼 더 많은 냉각이 일어나야하고, 이에 따라 응축기에 별도의 냉각 장치가 요구된다.

보다 구체적으로는, 응축의 조건은 온도가 일정하면 압력을 올려야하고 압력이 일정하면 온도를 내려야만 기체에서 액체로 상태 변화가 일어나고, 반대로 증발의 조건은 온도가 일정하면 압력을 내려야하고 압력이 일정하면 온도를 올려야 증발이 일어나는 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 발전 사이클에서는 응축이 가능한 어느 정도 높은 온도와 압력에서 응축된 냉매가 높은 온도의 압력과 온도로 증발을 하여야하므로 더 많은 에너지를 필요로 하며, 압력이 올라가면 증발 온도도 올라가기 때문에 압력이 올라 액화하려는 성질과 온도를 올려 증발하려는 성질이 충돌하여 그만큼 더 높은 온도의 에너지가 필요로 하는 것이다.

또한 응축 단계와 증발 단계의 압력 및 온도 차이가 획득 에너지가 되기 때문에 응축 단계에서 급격한 압력저하가 일어나면 그만큼 더 온도를 내려야 응축되고, 따라서 냉각에 필요한 에너지의 소모양도 증가하게 되므로 신/재생 에너지의 이용 기술로서의 발전에 한계가 있는 것이다.

랭킨 사이클에서는 직접 고온의 열(1300℃ 이상)로 가열하기 때문에 증발에 필요한 최소 가열온도는 별도로 검토할 필요없이 연료의 발열량과 발전열량으로만 계산하면 된다. 그러나 신재생 에너지의 이용 기술로서 저온의 열로 발전하는 사이클에서 발전용 열매체의 증발에 필요한 최소한의 가열 온도를 분석해보면 아래와 같다.

냉매를 증발시킬 수 있는 최소 가열 온도는 냉매(R-134a 기준) 1kg을 포화온도 0℃에서 포화압력 2.9kgf/cm2으로 증발시킬 때 필요한 열양과 (냉매 포화증기표에 의한 전열양은 95kcal/kg) 전열양을 충족시킬 수 있는 최소 가열 온도는 Q=G*C*T에서 T=Q/G*C이므로 95/1*0.5(비열)*0.9(효율)=211℃가 되며, 냉매 1kg을 15kgf/cm2의 포화증기압으로 올릴 때 필요한 열양과 (포화 증기표에 의한 냉매의 전열양은 101.7kcal/kg) 전열양을 충족시킬 최소 가열 온도는 101.7/1*0.5*0.9=226℃가 되어야 함을 알 수 있다.

즉, 간접가열 열교환 방식에서 냉매를 작동 유체로 하여 발전하는 저온열 발전에서는 최소 가열 온도가 211℃ 이상이라야 연속적인 증발을 할 수 있다.

따라서 저온의 열을 활용하는 저온열 발전의 주된 온도가 100℃ 미만임을 감안하면 간접 가열하는 방식의 신재생 에너지 이용 기술에 있어 종래의 사이클 방식으로는 온도 상승에 의한 냉매의 증발로 압력을 올려 발전하는 것은 사실상 불가능하며 경제적인 효율이 나올 수 없는 것이다.

폐쇄형 순환 사이클에서 증발기에서 증발이 일어나려면 증발 잠열을 흡수할 수 있는 열양만큼의 가열온도가 필요하며, 저온 발전 사이클에 있어서 작동 유체인 냉매는 특성상 증발기로 이송되는 순간 자동 증발이 일어난다.

그런데 증발에 필요한 최소한의 가열온도인 211℃ 이하의 열이 증발기로 공급된다면, 냉매의 증발 잠열에 의하여 온도가 상승하지 못하고 잠열만큼 열을 빼았기게 되고, 증발기 자체의 온도가 하강하여 밀폐된 용기 속에서 심각한 충돌이 일어나게 된다.

상술한 바와 같이, 열을 전기 에너지로 변환 생성에 있어 증발에 필요한 열양은 온도와 밀접한 관계가 있으며 반드시 증발 잠열을 흡수할 수 있는 온도 이상의 열양을 확보하지 않으면 증발은 가능하나 온도는 상관없이 열양만 확보한 상태에서는 연속적인 증발을 기대할 수 없으므로, 반드시 잠열을 소화할 수 있는 온도이상의 최소 가열 온도를 기초로 하여 열양을 확보해야만 연속적인 증발로 압력을 올려 터빈을 통하여 발전할 수 있다.

상기와 같은 이유로 종래의 발전 사이클은 증발 잠열을 소화할 수 있는 높은 온도가 필요하지만 현실적인 측면에서나 경제적인 측면에서 볼 때 필요로 하는 온도를 확보하기 어렵기 때문에 발전 효율을 기대할 수 없으며 신재생 에너지의 이용기술로서의 발전은 경제적인 가치가 떨어지게 된다.

한편, 종래의 증기발전 사이클은 증기보일러에서 직접 열을 가열하여 증기를 발생시켜 고온 고압의 증기로 터빈을 가동시키고 응축기를 통하여 증기 발생기로 순환하며, 급수펌프(압축), 증기발생기(보일러), 발전부, 응축기의 순환사이클을 이루고 있으나, 이는 증기 발생기에서 물이 증기로 상태 변화할 때 증발 잠열에 의하여 엄청난 열을 추가로 소비하여 버려지게 된다.

최근 들어 신재생 에너지의 이용기술 중에서 태양열, 공장 폐열 등 비교적 고온의 열로 발전하는 고온수 발전 장치의 개발이 활발히 연구중에 있으나, 아직까지는 폭넓게 활용되지 못하고 있으며, 간접가열 열교환 방식에서 물을 증발시킬 수 있는 가열 온도에 대한 구체적인 분석이 요구된다.

신재생 에너지의 이용기술 중에 열을 전기 에너지로 변환 생성하는 기술로는 집광형 태양열 발전, 공장 폐열 등 비교적 고온의 열로 전기를 생성하는 증기 발전 사이클과 일상 생활 속에서의 열로 전기에너지로 변환 발전하는 저온수 발전 사이클로 대분된다.

집광형 태양열 이용기술은 1000℃에 가까운 열을 집열하고 그 열을 모아 축열 하는 기술은 보편화 단계에 접어들 만큼 발전해 있으나, 그 열을 이용하는 기술인 태양열 발전과 폐열 등을 이용하여 발전하는 비교적 고온의 열을 이용하는 발전 기술은 아직 연구 단계에 머물고 있는 실정이다.

신재생 에너지의 이용기술 중 열로 전기에너지로 변환 생성하는 발전 기술은 랭킨 사이클로 발전하는 직접 가열 방식이 아니라 열을 모아 간접 가열하는 방식인 유기랭킨 사이클이나 칼리나 사이클, 바이너리 사이클 등으로 발전할 수밖에 없다. 이러한 방식은 모두 열 교환기를 통하여 열을 교환하여 증발시켜 필요한 압력을 얻어서 발전하는 시스템이다.

신재생 에너지의 이용기술에서 열교환기로 교환할 수 있는 열의 종류는 온수 아니면 공기열 또는 어떤 유체로 열을 모은 것을 열교환기를 통하여 열교환 시켜 증발시킬 수밖에 없다.

증기로 열교환할 수 있다면 증기의 잠열을 이용하기 때문에 금방 열을 교환시켜 증발시킬 수 있겠지만 신재생 에너지의 이용 기술에서는 증기로 열교환시킬 수 없다. 이는 증기가 있다면 열 교환 시킬 이유 없이 바로 발전 가능하기 때문이다. 몇 도의 열을 교환시켜 가열하면 물이 증발할 수 있는지 살펴보면 아래와 같다.

물 1 kg을 포화온도 100℃에 포화압력 1kgf/cm2으로 증발시킬 때 필요한 열양과 연속적인 증발을 할 수 있는 최소 가열온도는, 포화 증기표에 의한 전열양은 639 kcal/kg이고, 총열양을 충족시킬 수 있는 가열 온도는 T=639/1*1=639 ℃이며, 간접 가열 방식에서 열교환기의 효율을 90%라고 가정하면 연속적인 증발에 필요한 최소 가열 온도는 39*1.1=703 ℃가 된다.

즉 상술한 바와 같은 조건에서 물이 연속적인 증발을 할 수 있는 최소 가열온도는 703℃이며, 만약 가열 온도가 모자라면 열양 부족으로 인하여 증발은 계속 진행되고 있지만 발전에 필요한 열양만큼의 연속적인 증발이 이루어지지 않아 압력이 오르기 않는 것이다.

그리고 1kg의 물을 포화온도 180℃에 포화증기압 10kgf/cm2에서 증발에 필요한 열양과 최소 온도를 계산해보면, 포화 증기표에 의한 전열양은 663kcal/kg이므로 전열양을 충족시킬 수 있는 가열 온도는 663/1*1*0.9=729℃이다. 따라서 180℃의 포화증기로 증발시의 최소 가열 온도는 729℃ 이상이라야만 연속적인 증발을 할 수 있는 것이다.

이와 같이, 신재생 에너지의 이용기술로서 열로 전기에너지로의 전환 생성에 있어서 물을 증발시켜 발전하는 고온수 발전에서는 증발에 필요한 간접가열 최소 온도가 703℃ 이상이어야만 연속적인 증발을 기대할 수 있다. 그러나 이처럼 고온의 열을 어렵게 집열 및 축열 하더라도 이용하기에는 사실상 많은 장애 요소가 있다. 고온의 열을 이용한다는 것은 그만큼 많은 열양이 소모된다고 할 것임으로 경제적인 측면이나 효율적인 측면에서 축열을 이용 발전하기에는 상당한 어려움이 예상된다.

상기와 같은 이유로 신재생 에너지의 이용기술 중 열을 전기에너지로 변환 생성시키는 발전 사이클에서 현존하는 종래의 사이클에서 증발 잠열을 소화할 수 있는 높은 온도가 필요하지만 현실적인 측면에서나 경제적인 측면에서 볼 때 원하는 온도를 확보하기 어려우며, 이에 따라 발전 효율이 낮을 수밖에 없으므로 보다 고효율의 발전 사이클이 요구된다.

본 발명의 목적은, 액체에서 기체로 상변화하는 과정에서 증발 잠열에 의한 열 손실이 감소(또는 최소화)되도록 이루어지는 고효율 발전사이클을 제공하는 것이다.

또한, 저온 증발하는 각종 유체를 열매체로 발전하고 압축, 열교환, 팽창, 응축, 팽창, 증발의 전 단계에 걸쳐 40℃ 이상의 열로 발전 가능하도록 이루어지고, 태양열, 공장폐열, 지하수열, 지열, 해수온도차발전 및 기타의 저온열원을 이용하여 발전할 수 있는 고효율 발전사이클을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 냉매 또는 물을 열매체로 하여 터빈을 구동시켜 발전하는 사이클로서 압축, 열교환, 팽창(발전), 응축, 팽창, 증발의 6단계로 순환되며, 상기 터빈과 발전기를 포함하는 동력발생기; 상기 열매체의 열을 흡수하여 응축시키는 응축기; 상기 열매체에 열을 공급하여 증발시키는 증발기; 상기 열매체를 압축하여 이송시키는 압축기; 및 상기 터빈을 구동하도록 상기 열매체를 외부열원에 의해 고온고압의 기체로 가열하는 열교환기를 포함하고, 상기 열매체는, 증발 잠열에 의한 에너지손실이 감소되도록 상기 증발기에서 제2 가열 및 냉각 순환라인에 의하여 증발에 필요한 열량을 공급받아 증발된 후 상기 열교환기에서 가열되는 것을 특징으로 하는 고효율 발전사이클에 의하여 달성된다.

태양열, 폐열, 지열 또는 공기열의 상기 외부열원을 축열하는 축열탱크를 포함하고, 상기 축열탱크와 열교환기를 제1 유체가 순환하여 열을 교환하는 제1 순환라인이 형성될 수 있다.

상기 제1 순환라인은 상기 증발기로 연장되고, 상기 제1 유체는 상기 축열탱크, 열교환기 및 증발기를 순환하여 열을 교환하도록 이루어질 수 있다.

상기 응축기에서 흡수되는 상기 열매체의 열을 상기 증발기에서 상기 열매체에 공급하도록, 상기 응축기와 증발기를 제2 유체가 순환하여 열을 교환하는 제2 가열 및 냉각 순환라인이 형성될 수 있다.

상기 응축기와 증발기 사이에는, 상기 증발기에서 상기 열매체의 저온증발이 용이하도록 상기 열매체에 열을 공급하는 온수기가 설치되고, 상기 제2 순환라인은 상기 응축기, 온수기 및 증발기를 순환하여 열을 교환하도록 이루어질 수 있다.

상기 제1 순환라인과 제2 순환라인은 삼방 밸브에 의하여 설정 온도로 서로 병렬 연결될 수 있다.

상기 응축기와 증발기 사이에, 상기 열매체를 교축작용(wire drawing effect)에 의해 감압시키는 팽창밸브가 설치될 수 있다.

상기 열매체가 상기 증발기로 일정하게 공급되도록, 상기 응축기와 증발기의 사이에 상기 열매체를 저장하고 공급하는 서브탱크가 설치될 수 있다.

상기 제2 순환라인의 냉각효율이 향상되고 열매체가 저온저압 증발이 용이하도록, 상기 동력발생장치와 응축기의 사이에 보조응축기가 설치될 수 있다.

상기 열교환기와 동력발생기 사이에는, 고온고압의 상기 열매체가 상기 터빈에서 일정한 압력으로 분출되도록, 설정압력 이상의 압력에서 개방되는 압력조절밸브가 설치될 수 있다.

상기 응축기와 증발기 사이에는, 상기 열매체를 가압하는 순환펌프가 설치될 수 있다.

상기 열교환기에서 액화된 상기 열매체가 상기 압축기로 회수되도록, 상기 열교환기와 압축기를 연결하는 기수회수관이 형성될 수 있다.

상기 압축기의 전후에는, 상기 압축기에서 과압축된 상기 열매체를 회수하는 바이패스관이 형성되고, 상기 압축기와 증발기 사이에는, 상기 바이패스관을 통해 과압축된 상기 열매체가 회수되는 축압탱크가 설치될 수 있다.

본 발명에 의하면, 냉매 또는 물을 열매체로 하여 터빈을 구동시켜 발전하고, 터빈과 발전기를 포함하는 동력발생기; 열매체의 열을 흡수하여 응축시키는 응축기; 열매체에 열을 공급하여 증발시키는 증발기; 열매체를 압축하여 이송시키는 압축기; 및 터빈을 구동하도록 열매체를 외부열원에 의해 고온고압의 기체로 가열하는 열교환기를 포함하고, 열매체는 증발기에서 증발된 후 열교환기에서 가열됨에 따라, 증발 잠열에 의한 열 손실이 감소(또는 최소화)되도록 이루어지는 고효율 발전사이클을 제공할 수 있게 된다.

또한, 저온 증발하는 각종 유체를 열매체로 발전하고 압축, 열교환, 팽창, 응축, 팽창, 증발의 전 단계에 걸쳐 40℃ 이상의 열로 발전 가능하도록 이루어지며, 태양열, 공장폐열, 지하수열, 지열, 해수온도차발전 및 기타의 저온열원을 이용하여 발전할 수 있는 고효율 발전사이클을 제공할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 발전사이클을 나타내는 도면.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 발전사이클을 나타내는 도면.
도 5 및 도 6은 도 2의 고효율 발전사이클의 선도 및 성능을 나타내는 도면.
도 7 내지 도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고효율 발전사이클을 나타내는 도면.
도 10 및 도 11은 물을 열매체로 하는 도 7의 고효율 발전사이클의 선도 및 성능을 나타내는 도면.
도 12는 고온 및 저온열을 활용한 고효율 발전사이클의 복합 발전 시스템을 나타내는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

본 발명의 고효율 발전사이클은, 액체에서 기체로 상변화하는 과정에서 증발 잠열에 의한 열 손실이 감소(또는 최소화)되고, 저온 증발하는 각종 유체를 열매체로 발전하고 압축, 열교환, 팽창, 응축, 팽창, 증발의 전 단계에 걸쳐 40℃ 이상의 열로 발전 가능하며, 태양열, 공장폐열, 지하수열, 지열, 해수온도차발전 및 기타의 저온열원을 이용하여 발전할 수 있도록 이루어진다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 발전사이클을 나타내는 도면, 도 5 및 도 6은 도 2의 고효율 발전사이클의 선도 및 성능을 나타내는 도면, 도 7 내지 도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고효율 발전사이클을 나타내는 도면, 도 10 및 도 11은 물을 열매체로 하는 도 7의 고효율 발전사이클의 선도 및 성능을 나타내는 도면, 도 12는 고온열을 이용 1차 발전하고 응축기의 열을 이용 2차 저온 발전하는 시스템을 나타내는 도면.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 발전사이클(1)은, 비등점이 낮은 냉매가스를 발전용 열매체로 저온저압에서 증발되게 한 후 각종 열원에서 얻은 열을 교환시켜 고온고압의 발전용 열매체 가스를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환시키도록 이루어지며, 응축기(10), 증발기(20), 압축기(30), 열교환기(40), 압력조절밸브(V1) 및 동력발생기(50)를 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서 냉매가스는 R-134a로 이루어진다.

도 2에 도시된 바와 같이, 증발기(20)는 열매체에 열을 공급하여 증발시키는 구성으로서, 저온 저압으로 액화된 발전용 열매체는 증발기(20)에서 제2 순환라인(L2)의 냉각 사이클에 의하여 자연 진공되어 저온 저압의 기체 가스로 상태변화하면서 등온증발이 이루어진다.

제2 순환라인(L2)은 증발 잠열을 소화하기 위하여 열을 전달하고 냉각된다. 따라서 외부 열원의 공급 없이 증발 잠열을 흡수하여 증발함으로써 그만큼의 에너지의 소비를 줄이게 된다.

압축기(30)는 증발기(20)에서 연속적으로 열매체가 증발할 수 있도록 열교환기(40)로 열매체를 이송시키는 역할을 한다. 응축기(10)와 증발기(20) 사이에 팽창밸브(V2)가 없이도 증발은 일어날 수 있다. 도 4는 응축기(10)와 증발기(20) 사이에 팽창밸브(V2)는 생략된 발전사이클을 도시하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 열교환기(40)에서는, 압축기(30)로부터 이송된 저온저압의 열매체 가스가 태양열, 폐열및 기타의 열원으로부터 열을 얻어 가열되어 상태변화 없이 온도와 압력의 상승으로 압축 가열 변환하여 고온 고압의 기체 가스로 열팽창한다.

압력조절밸브(V1)는 고온 고압으로 팽창한 열매체를 일정한 압력으로 동력발생기(50)에 공급하며, 냉매터빈을 구동시켜 발전기를 가동 발전하는 단열팽창이 이루어진다.

응축기(10)에서는 팽창된 고온 저압의 열매체 가스가 제2 순화라인에 의하여 정압방열 하면서 저온 저압으로 응축되고 기수회수관(L3)은 열교환기(40)에서 가열,압축 될 때 발생할 수 있는 응축액을 압축기(30)로 회수하게 된다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고효율 발전사이클에는 바이패스관(L4)이 설치될 수 있다. 바이패스관(L4)은 압축기(30)의 압축성능을 조절하여 설정된 양의 열매체를 이송되게 하는 역할을 하며, 과압축된 열매체는 축압탱크(T2)로 회수된다. 축압탱크(T2)는 압축기(30)의 성능을 보장할 수 있도록 증발하는 열매체를 일정하게 압력조절하며 압축기(30)의 성능을 보장한다.

또한, 본 발명의 고효율 발전사이클에는 서브탱크(T1)가 설치될 수 있다. 서브탱크(T1)는 응축기(10)에서 응축된 열매체가 일정하게 증발기(20)에서 증발할 수 있도록 응축된 열매체를 확보하여 공급될 수 있도록 하고, 누수 및 자연 감소되는 열매체를 보충하는 역할을 하며, 교체 및 수리시 열매체를 회수할 수 있는 장치가 구비된다.

또한, 본 발명의 고효율 발전사이클에는 보조응축기(80)가 설치될 수 있다. 응축기(10)와 별개로 열교환기(40)에서 얻은 열양의 열에 의하여 고온팽창한 열매체를 1차 냉각시키는 보조응축기(80)는 건식 및 습식으로 별도로 설치하여 운용되며 2차 냉각 사이클의 효능을 향상시키고 열매체가 저온 증발이 용이하게 하는 역할을 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 응축기(10)와 증발기(20)를 순환하는 제2 가열 및 냉각 순환라인(L2)은 순환펌프(P)에 의하여 순환되며 상태변화 없이 온도 변화를 교차함으로써, 응축기(10)에서는 증발 잠열만큼의 열을 공급하고 차가워진 냉각수로 응축을 용이하게 하고, 증발기(20)에서는 응축 잠열만큼 열을 흡수하여 뜨거워진 냉각수로 증발을 용이하게 하는 순환사이클로 기능하여 증발 잠열과 응축열을 소화하는 역할을 한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 팽창밸브(V2)는 증발기(20)에서 증발을 용이하게 하는 역할을 하는 구성으로서, 응축기(10)와 증발기(20) 사이에 설치된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고효율 발전사이클(1)은 팽창 밸브를 설치하지 않아도 자연적으로 팽창이 일어나 숨겨진 팽창을 할 수 있으며, 단열 교축 팽창을 이룬다.

도 3을 참조하면, 보충수탱크(T3)는 급수공급관에 설치되어 보충수를 저장한다. 그리고 외부열을 저장하는 축열탱크(60)와 축열된 열을 열교환기(40)로 공급하는 제1 순환라인(L1)과 순환펌프(P)가 도시되고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 발전사이클(1)의 성능을 분석해보면 다음과 같다.

설계 발전용량은 50kw, 발전효율은 30%, 고효율 발전사이클(1)의 효율은 70%, 열교환기(40)의 효율은 85%, R-134a 냉매의 비열은 0.5kcal/kg℃, 냉매의 잠열은 42.32 kcal/kg로 설정하고, 냉매의 특성상 증발기(20)에 이송되는 순간 자연 증발되므로 현열은 무시하고 비열과 잠열만으로 계산하기로 한다.

필요로 하는 환산 열량은 50kw*860/0.3(효율)=143,300 kcal/hr이고, 환산 증발량은 환산열량/잠열이므로 143,300/42.32=3,386 kg/hr이다. 냉매 1kg을 증발시키는데 필요한 열량 Q는 1*0.5+0/0.85=0.5=1 kcal/kg이고, 증발기(20) 용량은 3,386*1/0.85=3,990 kcal/hr이며, 증발기(20) 용량과 증발량을 충족시킬 수 있는 온도는 3℃, T=3,990/3,386*0.5=2.36이다.

따라서 본 발명이 제시하는 사이클은 0℃ 이하에서 자연 증발됨에 따라 가열 온도는 곧바로 발전으로 이어지게 된다.

이와 같은 표준 성능을 기초로 아래와 같이 외부 열원을 대입하여 발전 가능한 전력량을 계산해 보면 다음과 같다.

200 ℃의 외부열 교환시 증발기(20)의 용량을 계산해보면, 증발기(20) 용량은 3,990 kcal/hr, 냉매 3,386kg을 200℃로 증발시 열량은 Q=3,386*200*0.5=338,600 kcal/hr이다. 희망 온도 이상임으로 증발기(20) 용량을 제외한 열량으로 발전이 가능하므로 338,600-3,990=334,610 kcal/hr=334,610/860*0.7(사이클효율)=272 kw가 발전 가능하다.

80℃로 외부열 가열시 증발기(20) 용량을 계산해보면 다음과 같다.

냉매 3,386 kg을 80℃로 가열시 열량 Q=3,386*80*0.5=135,440 kcal/hr이며, 발전 용량은 135,440-3,990=131,450/860*0.7=106 kw가 발전 가능하다.

40℃로 가열시 증발기(20) 용량을 계산해보면 다음과 같다.

냉매 3,386 kg을 40℃로 가열시 열량은 Q=3,386*40*0.5=67,720 kcak/hr이고, 발전용량은 67,720-3,990=63,730/860*0.7=51 KW 발전이 가능하다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 발전사이클(1)은 40℃ 이상이면 증발기(20) 용량의 증가로 원하는 열량을 확보하여 희망하는 전력량을 생성시킬 수 있으며, 40℃ 이상의 온도라면 원하는 전력 생산량에 따라 증발기(20) 용량을 가감시킬 수 있다.

결론적으로 신재생 에너지의 이용기술로서 종래의 발전 사이클은 발전이 비경제적이고 비효율적이라 효율이 낮은 사이클임이 성능분석으로서 증명되고 있다. 특히 저온의 열을 이용하는 신재생 에너지 분야에서의 발전은 간접 가열 방식이기 때문에 성능자료상의 희망 온도 이하에서는 증발이 원활하게 일어나지 않는다고 할 것이다.

이는 압축기(30)로 통하여 증발기(20)로 작동 유체가 이송되는데 잠열을 소화할 수 있는 온도 이상의 고온이 아니면 증발을 하려고해도 열량이 부족하며, 압축기(30)에 의하여 압력이 올라가 증발을 방해하는 심각한 충돌이 생기는 것이다.

반면에 본 발명의 일 실시예에 따른 고효율 발전사이클(1)은 40℃ 이상이면 계획 발전용량을 만족시킬 수 있는 온도로 발전이 가능하다.

도 5는 본 발명의 고효율 발전사이클(1)의 Ph 선도로서 압력과 엔탈피의 관계를 나타내고 있다. 압력이 높은 경우에는 온도도 높으며, 압력이 낮은 경우에는 낮은 온도가 형성된다. 또한 온도를 올리면 압력과 체적이 증가하고 엔탈피도 증가된다.

'ㄱ'은 압축기(30)에 의한 압축 변화 구간으로 외부와 열을 주고받지 않는 상태에서의 변화로서 압축기(30)가 행한 손실 에너지를 나타낸다.

'ㄴ'은 압축기(30)에 의하여 열매체의 운송에 의한 압축과 외부 열원의 공급으로 인한 가열에 의한 온도와 압력의 변환 구간으로서, 압력과 온도가 동반 상승하고 그만큼 엔탈피의 양도 증가하며, 압력도 온도에 비례하여 동반상승함을 나타낸다.

'ㄷ'은 압축기(30)에 의하여 압력과 온도가 상승하기 전에 설정 압력에 필요한 온도 이상의 외부 열원이 미리 공급되어 있는 부분으로서 획득한 에너지의 양을 표시한다.

'D'는 정압가열 변환 구역으로 기준 온도인 40℃이상의 외부 열원의 공급시 온도 증가에 따라 획득하는 에너지 양이 늘어남을 표시하고 있다.

'ㄹ'은 고압 기체상태의 냉매가 터빈을 작동하고 저압 기체 냉매로 변화하는 구간으로 외부열원에서 얻은 엔탈피를 소모하여 발전하고 단열팽창하는 것을 표시한다.

'ㅁ'은 저압의 기체 냉매가 정압 방열하여 기체 상태에서 액체 상태로 상변화하고 응축되는 구간을 나타내고 있다.

'ㅂ'은 단열변화구간으로 저온 저압의 액체가 교축 팽창하는 구간으로서, 압력이 하강함을 나타내고 있다.

'ㅅ'은 저온 저압의 액체 냉매가 저압 저온의 기체 냉매로 상변화하여 등온증발하는 과정을 나타내고 있다.

'가'는 본 발명이 제시하는 최저 온도인 40℃ 열원에서의 에너지의 양을 도시하고 있다. '나'는 본 발명에 의하여 외부 열원의 온도가 50℃에서의 압력과 에너지의 양을 나타내고 있다. '다'는 본 발명에 의하여 외부 열원의 온도가 60℃에서의 압력과 에너지의 양을 나타낸다. '라'는 임계점을 나타내며, '마'는 포화액선을 도시하며, '바'는 포화증기선을 나타내고 있다 '사'는 기체상태와 액체상태가 혼합된 습증기 구역을 나타낸다.

도 6은 엔탈피에 따른 본 발명의 성능을 나타내는 선도로서 'A' 구역은 엔탈피 변화에 따른 순수 획득 에너지의 크기를 보여주며, 'B'의 구역은 압축기(30)와 순수 획득 에너지의 혼합된 공용 에너지를 도시하고 있으며, 'C' 구역은 압축기(30)가 행한 소모 에너지를 나타내고 있으며, 'D'구역은 최소온도 40℃ 이상으로 외부열 교환시의 획득 에너지의 양을 도시하고 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 'B' 구역의 에너지는 소모된 만큼의 에너지가 획득되어 엔탈피의 변화양은 일정하며 획득 에너지 'A'에서 소모 에너지'C'를 제외한 에너지가 순수 발전용 에너지가 됨을 나타낸다. 또한 'D' 부분은 열교환기(40)에 가열되는 외부 열원의 온도가 높으면 높을수록 획득 에너지의 양이 정비례하여 증가함을 도시하고 있다. 따라서 외부열원의 온도가 높으면 그만큼 획득하는 에너지 양이 증가함에 따라 높은 효율의 발전을 할 수 있게 된다.

또한 열매체인 냉매의 온도가 증가하면 압력도 상승하게 되고 온도가 감소하면 압력도 하강하여 본 발명의 고효율 발전사이클(1)은 온도와 직접적인 관계가 있음을 알 수 있다.

반면에 응축 온도와 증발 온도의 차이를 작게 하면 그만큼 손실되는 에너지의 양은 감소함을 알 수 있으며, 증발 온도를 낮게 하면 할수록 획득되는 에너지의 양도 증가되고 발전에 필요한 외부 열원의 온도도 낮아질 수 있음을 확인할 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고효율 발전사이클(2)은, 증기발전 사이클로서 액체에서 기체로 상변화하는 과정에서 증발 잠열에 의한 에너지 소비를 감소(또는 최소화)하기 위한 것이며, 온수기(70), 증발기(20), 압축기(30), 열교환기(40), 압력조절밸브(V1), 동력발생기(50), 응축기(10), 순환펌프(P) 및 축열탱크(60)를 포함하여 구성된다.

온수기(70)는 응축기(10)에서 순환펌프(P)에 의하여 이송되는 작동유체 환원수를 가열하여 설정온도에서 저온 증발이 가능하도록 온도 조정이 이루어지는 온수저장 시설의 일련의 장치이다.

증발기(20)는 온수기(70)에서 95℃ 정도로 흡열된 작동유체를 제2 순환라인(L2)에 의하여 증발 잠열에 해당하는 열량을 공급받아 저온 증발하면서 잠열은 응축기(10)로 순환된다. 증발기(20)는 진공압 355mmHg 정도로 80℃의 물을 증발시키며, 제2 순환라인(L2)의 순환수는 저온 증발 온도인 80℃보다 반드시 높아야 열매체의 증발 잠열을 흡수하여 열매체가 증발할 수 있도록 하고 80℃ 가까이 냉각된 순환수는 응축기(10)로 순환하게 된다.

증발기(20)에서 진공을 유지하는 방법은 저온 증발 온도보다 높은 열매체가 증발되면서 저온 증발 온도까지 차가워져 체적의 감소로 진공이 유지되며, 또한 열매체는 증발되는 즉시 연속해서 압축기(30)에 의해 열교환기(40)로 이송되어 연속적인 저온 증발이 일어나도록 유지된다.

압축기(30)는 100도 이하에서 저온 증발된 증기를 열교환기(40)로 이송한다.

열교환기(40)에서 저온 저압의 습포화증기는 286℃ 이상의 외부 열원으로 가열되어 고온고압의 건포화 증기로 압력 팽창한다.

압력조절밸브(V1)에서 고온 고압의 증기는 일정한 압력으로 동력발생기(50)의 터빈으로 이송된다.

동력발생기(50)는, 고온 고압의 증기가 압력조절밸브(V1)에서 일정한 압력으로 조절되어 증기 터빈을 가동시키고 발전기로 발전하는 엔진부이다.

응축기(10)는 터빈을 지난 고온의 습증기를 응축하여 액화시키고 부족한 물은 보충되어 외부열원으로 방열되거나 제2 순환라인(L2)에서 열을 흡수하여 응축되는 작동 유체의 순환수를 저장하는 개방형의 장치이다.

순환펌프(P)는 응축기(10)에서 응축된 물을 온수기(70)로 이송시키는 장치로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 진공 증발할 경우 생략될 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 축열탱크(60)는 태양열이나 폐열 등을 집열하여 축열하는 탱크로서, 외부 열원의 순환라인으로 열원이 있는 집열부(미도시)와 연결되며, 제1 순환라인(L1)으로 열교환기(40), 증발기(20)와 연결되어 온수를 공급한다.

도 9에 도시된 바와 같이, 축열탱크(60)는 제1 순환라인(L1)으로 열교환기(40), 증발기(20) 및 응축기(10)와 연결되어 온수를 공급할 수도 있다. 제1 순환라인(L1)에는 순환펌프(P)가 설치된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 제2 순환라인(L2)은 응축기(10)에서 열을 흡수하여 가열된 순환수는 순환펌프(P)에 의해 증발기(20)로 순환하며 반드시 작동유체인 물의 증발 온도 80℃보다 높은 95℃ 정도의 온도로 증발기(20)에서 열교환함으로써 작동 유체인 물이 제2 순환라인(L2)으로부터 열을 흡수하여 저온 증발할 수 있다.

또한, 제2 순환라인(L2)은 증발기(20)에서 열을 방열하여 증발을 용이하게 함으로서 95℃에서 저온 증발 온도에 가깝게 차가워지며 잠열을 흡수하게 된다. 80℃ 정도로 냉각된 순환수는 응축기(10)에서 열을 흡수하여 95℃로 흡열되어 순환사이클을 형성한다. 아울러, 제2 순환라인(L2)은 온수기(70)의 온도를 저온 증발 온도보다 높게 유지되도록 95℃ 정도의 임의 설정된 온도로 유지한다.

동력발생기(50)와 응축기(10) 사이에는 고온의 열을 직접 흡열할 수 있도록 바이패스 배관을 설치할 수 있으며, 물을 보충하는 물보충관을 더 설치할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 제2 순환라인(L2), 온수기(70) 및 순환펌프(P)는 생략될 수 있으며 응축기(10)에는 별도의 건식 또는 습식 냉각 장치가 연결될 수 있다.

종래의 사이클과 본 발명의 고효율 발전사이클(1)의 성능을 분석해보면 다음과 같다.

우선, 설계 발전용량은 200kw/hr로 설정하고, 발전 효율은 30 %, 증발기(20)(열교환기(40)) 효율은 85%, 응축기(10)로부터 환원되는 응축수의 온도는 80℃(작동유체는 물)로 가정하고, 100℃의 증기로 증발하는 포화증기까지만 계산하기로 한다.

첫째, 종래 사이클(랭킨, 브레이턴, 칼리나 사이클 등)의 성능을 계산해보면, 필요로 하는 환산 열량은 1kw는 860kcal로 적용하면 Q=200*860/0.3=573,000 kcal/hr이고, 환산 증발량은 환산 열량/증발 잠열이므로 573,000/539=1,063 kg/hr이고, 물 1kg을 증발시키는데 필요한 열량은 (간접 가열인 열교환 방식) Q={1*(100-80)*1+539*1}/0.85=658kcal/kg이며, 증발기(20)(열교환기(40))용량은 증발량*증발 필요 열량이므로 Q=1,063*658=699,000 kcal/hr이다. 따라서, 열교환기(40) 용량과 증발량을 충족시킬 수 있는 경제적인 희망 최소 온도는 T=Q/G*C에서 699,000/1,063 *1=658 ℃이다.

한편, 820℃로 열교환 증발시 열교환기(40)의 용량을 계산해보면, 물 1,063 kg을 820℃로 열교환시 열량은 Q= 1,063 * 820 = 871,660 kcal /hr이고, 증발기(20)(열교환기(40)) 용량은 699,000 kcal/hr이므로, 871,660 - 699,000 = 172,660 kcal/hr이며, 172,660 / 860 = 200 kw 발전이 가능하다.

즉 설계 표준 성능의 희망 최저 온도인 658℃에서는 증발이 시작되지만 발전에 필요한 연속적인 증발을 위한 최소 가열 온도는 820℃ 이상이어야 함을 알 수 있다.

결과적으로 희망온도 이상이 아니면 잠열을 소화하기 어려우며 증발은 계속되지만 발전을 위한 설계증발량을 충족시키지 못하여 연속적인 증발은 불가하며 반드시 증발에 필요한 희망온도 이상으로 추가적인 열을 가열해야만 압력을 올려 발전으로 이어질 수 있다.

한편, 본 발명의 고효율 발전사이클(2)의 성능을 계산해보면 다음과 같다.

필요로 하는 환산 열량은 랭킨 사이클에서 1,063 kg/hr 의 증발량이므로 Q = 1,063 * 545 = 579,335 kcal/hr( 90℃에서의 증발 잠열 )/ 0.85 = 681,570kcal/hr로 나타난다. 이 값은 증발기(20)에서의 잠열에 의한 열량으로 외기온도 또는 축열에 의하여 저온의 열을 교환시켜 온도와 상관없이 열량만 공급하는 냉각 순환 사이클로 충족시키는 열량이고, 직접 축열한 열량을 공급하더라도 온도는 논할 필요 없이 열량만 계산하면 되므로 설계 발전 열량에서는 생략할 수 있다.

온수기(70)에서의 열량은 Q=1,063*(95-60)*1/0.85=43,770 kcal/hr이며( 95℃에서 진공 증발시키고 응축기(10) 환원 온도 60℃로 계산), 열교환기(40)에서 1kg의 포화증기를 1℃ 올리는데 필요한 열량은 Q=1*0.5*1=0.5 kcal/kg이고, 증발량 1,063 kg을 1℃ 올리는데 필요열량은 1,063*0.5/0.86=626 kcal/hr이다. 증발에 필요한 희망 온도는 증발 온도이면 되므로 비등증발 온도인 95℃ 이상으로 나타난다.

500℃로 열 교환 시 열교환기(40) 용량을 계산해보면, 열교환기(40) 열량은 1,063*0.5/0.85=626kcal/hr이고, 포화증기 1,063 kg을 500℃로 열 교환 시 열량은 Q= 1,063 * (500-95) * 0.85 = 365,937 kcal/hr로 나타나며, 열교환기(40) 열량 626kcal/hr이면 되므로 365,93-626 = 365,311 kcal/hr은 과열증기 엔탈피로 발전 열량으로 사용 가능하며, 발전용량은 365,311/860 = 425 kw로 발전 가능하다.

따라서 증발량 1,063kg으로 200 kw 발전가능한 희망 온도는 t=(200*860) /0.85+532=202,885/1,063 =190.9 = 191℃이다. 따라서 증발 온도 95℃를 더하면 286℃가 희망 발전 가능 온도로 계산된다.

한편, 286℃로 열교환시 열교환기(40) 용량을 계산해보면, 포화증기 1,063 kg을 286℃로 가열시 열량은 1,063 * (286- 95) = 203,033 kcal/hr이고, 열교환기(40) 열량 532 를 제외하면 202,501 kcal/hr는 과열증기 엔탈피로 발전 열량으로 사용 가능하며, 발전 용량은 202,501 / 860 * 0.85 = 200 kw로 발전 가능하다.

즉, 희망온도 95℃ 이상은 증발이 가능하며 경제적인 발전을 위한 희망 최소 가열온도는 286℃ 임을 알 수 있다. 그러나 기존 방식은 희망 온도가 658℃에서 증발이 일어나고 820℃ 이상이어야만 희망 최소 가열 온도임을 알 수 있다

기존 방식의 열교환기(40) 표준 용량은 820℃ 이상의 열로 699,000 kcal/hr 이며, 본 발명의 고효율 발전사이클(1)에서의 열교환기(40)(증발기(20))의 표준용량은 90℃의 저온의 열로 1,063 * 545 = 579,335 / 0.85 = 681,570 kcal/hr이며, 온수기(70) 열량이 37,205 / 0.85 = 43,770 kcal/hr이고, 열교환기(40) 열량이 532 / 0.85 = 626 kca/hr 이므로, 전체열량은 725,966 kcal/hr로 저온증발에 의한 잠열의 증가로 725,966 - 699,000 = 26,966 kcal/hr의 열량이 랭킨 사이클보다 더 소요되나 증발기(20) 열량은 본 발명의 발전사이클에서는 잠열로 별도의 냉각 열량으로 대치가능하므로 전체적인 열량의 차이와 발전가능한 온도의 차이는 비교가 되지 않는다. 신재생 에너지의 이용기술로서는 고온을 집열하거나 축열하기 어려우므로, 따라서 기존의 방식으로의 발전은 효율이 낮을 수밖에 없다.

도 5및 도10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고효율 발전사이클의 선도는 3개의 정압과정과 2개의 단열팽창과정 및 2개의 증압과정으로 이루어진다.

3개의 정압과정은, ① 도 5에서 ㅁ 구간이고, 도 10에서 e 구간으로 응축기(10)에서 정압 방열하여 습증기가 포화수로 바뀌는 과정과 동일선상에서 순환펌프(P)에 의하여 단열 정압과정이 이루어지고 온수기(70)에 의해 정압 흡열 과정이 형성되는 동일 선상에서의 응축과정과, ② 도 5에서 ㅅ 구간이고, 도 10에서 g 구간으로 증발기(20)에서 저압 진공 증발하는 정압 흡열 증발이 일어나는 과정으로 상태변화하며 외부 열원에 의하여 잠열을 흡수 증발하는 과정과, ③ 도 5에서 ㄷ 구간이고 도 10에서 c 구간으로 열교환기(40)에서 고온의 외부 열원에 의하여 등온 정압 변환구간으로 압축기(30)에 의해 이상기체가 압력과 온도가 상승하기 전부터 과열 온도가 미리 공급되는 과정이 있다.

이에 따라, 반드시 설정 압력 이상의 온도가 공급되어야 압력이 올라 응축하려는 성질과 충돌하지 않게 되며, 건포화 증기 및 과열 증기가 형성되는 정압 가열의 단계가 이루어져 보일-샤를의 법칙에 의해 PV/T는 일정하게 유지됨에 따라 온도가 상승하면 압력과 체적도 상승하여 엔탈피가 증가되고 체적이 일정하면 온도가 상승하는 만큼 압력도 비례하여 증가하여 압력상승에 의한 열량의 증가로 에너지를 축열하는 과정이며, 도 6에서 성능이 도시되고 있다.

도 5에서 ㄹ, ㅂ, 도 10에서 d, f 구간에서는 도시된 바와 같이, 2개의 단열 팽창 과정으로 터빈에서 단열 팽창이 이루어지면서 기계적인 일을 행하는 과정과 진공에 의해 단열 교축 팽창이 이루어지는 과정을 의미한다.

2개의 증압과정으로는, 도 5에서 ㄱ, ㄴ, 도 10에서 a, b 구간에서 도시된 바와 같이, 압축기(30)에서 가열압축변환하여 압력과 온도가 동반하여 상승하는 구간으로서 이상기체의 압축에 의한 압력과 온도가 상승하며, 또한 외부 열원에 의해 압력과 온도가 동반하여 상승하는 것으로 가열 압축 증압 과정이며, 한편 증발기(20)와 열교환기(40) 사이에서는 압축기(30)에 의한 단열압축 증압과정이 이루어진다.

도 11에 도시된 바와 같이, 'A'는 압축기(30)가 행한 에너지의 양으로 획득 에너지량과 손실 에너지량이 같음을 나타내고, 'B'는 순수 획득 에너지의 크기를 나타내며, 'C'는 순환펌프(P) 및 압축기(30)의 손실 에너지량을 나타내는 것으로 순수 획득 에너지의 양은 'B-C'로 열교환기(가열)의 온도가 높을수록 더 높게 압력을 올려 획득하는 에너지의 양도 증가함을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 냉매 또는 물을 열매체로 하여 터빈을 구동시켜 발전하고, 터빈과 발전기를 포함하는 동력발생기(50); 열매체의 열을 흡수하여 응축시키는 응축기(10); 열매체에 열을 공급하여 증발시키는 증발기(20); 열매체를 압축하여 이송시키는 압축기(30); 및 터빈을 구동하도록 열매체를 외부열원에 의해 고온고압의 기체로 가열하는 열교환기(40)를 포함하고, 열매체는 증발기(20)에서 증발된 후 열교환기(40)에서 가열됨에 따라, 증발 잠열에 의한 열 손실이 감소(또는 최소화)되도록 이루어지는 고효율 발전사이클(1)을 제공할 수 있게 된다.

또한, 저온 증발하는 각종 유체를 열매체로 발전하고 압축, 열교환, 팽창, 응축, 팽창, 증발의 전 단계에 걸쳐 40℃ 이상의 열로 발전 가능하도록 이루어지며, 태양열, 공장폐열, 지하수열, 지열, 해수온도차발전 및 기타의 저온열원을 이용하여 발전할 수 있는 고효율 발전사이클(1)을 제공할 수 있게 된다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

1 : 고효율 발전사이클 10 : 응축기
20 : 증발기 30 : 압축기
40 : 열교환기 50 : 동력발생기
60 : 축열탱크 70 : 온수기
80 : 보조응축기 P : 순환펌프
L1 : 제1 순환라인 T1 : 서브탱크
L2 : 제2 순환라인 T2 : 축압탱크
L3 : 기수회수관 T3 : 보충수탱크
L4 : 바이패스관
V1 : 압력조절밸브
V2 : 팽창밸브