KR20130039978A - Binary geothermal power generation system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이너리 지열 발전 시스템에 관한 것으로, 발전 유닛의 응축기로 공급되는 냉각수를 히트 펌프 모듈을 통해 냉각시켜 순환 공급함으로써, 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수와의 온도 차이를 증가시키고, 이에 따라 지열 발전의 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 환경적인 요인 등에 의해 지열수의 온도가 변화하더라도 이에 대응하여 냉각수의 온도를 적절하게 조절할 수 있어 운전 상태 및 발전 효율을 안정적으로 유지시킬 수 있으며, 또한, 환경적인 요인에 의한 냉각수 온도 변화를 방지하여 안정적인 작동 상태를 유지시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공한다.The present invention relates to a binary geothermal power generation system, in which cooling water supplied to a condenser of a power generation unit is cooled and circulated through a heat pump module to increase the temperature difference between the geothermal water caused by high temperature and the cooling water caused by low heat, The generation efficiency of power generation can be improved and the temperature of the cooling water can be appropriately adjusted in response to the change of the temperature of the geothermal water due to environmental factors and the like to stably maintain the operation state and power generation efficiency, The present invention provides a binary geothermal power generation system capable of preventing a change in temperature of cooling water caused by a factor, and maintaining a stable operation state.
Description
본 발명은 바이너리 지열 발전 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 발전 유닛의 응축기로 공급되는 냉각수를 히트 펌프 모듈을 통해 냉각시켜 순환 공급함으로써, 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수와의 온도 차이를 증가시키고, 이에 따라 지열 발전의 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 환경적인 요인 등에 의해 지열수의 온도가 변화하더라도 이에 대응하여 냉각수의 온도를 적절하게 조절할 수 있어 운전 상태 및 발전 효율을 안정적으로 유지시킬 수 있으며, 또한, 환경적인 요인에 의한 냉각수 온도 변화를 방지하여 안정적인 작동 상태를 유지시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a binary geothermal power generation system. More specifically, the cooling water supplied to the condenser of the power generation unit is cooled and circulated through the heat pump module, thereby increasing the temperature difference between the high temperature heat water and the low temperature heat water, thereby improving the power generation efficiency of the geothermal power generation And even if the temperature of the geothermal water changes due to environmental factors or the like, the temperature of the cooling water can be appropriately adjusted correspondingly, so that the operation state and the power generation efficiency can be stably maintained, and the cooling water temperature change To a binary geothermal power generation system capable of maintaining a stable operation state.
우리가 살고 있는 지구는 지표로부터 중심까지의 거리가 거의 6,500km로서, 지하로 들어갈수록 온도는 점점 더 올라가, 중심부에선 약 7,000℃에 이르는 것으로 알려져 있다. 지구는 실로 무한에 가까운 막대한 지열에너지(Geothermal Energy)를 지니고 있다.The Earth in which we live has a distance from the surface to the center of nearly 6,500 km, and as it goes underground, the temperature gradually rises, reaching about 7,000 ° C in the center. The Earth has indeed infinite geothermal energy.
전 지구적으로 지속적인 유가상승과 공급불안 및 기후변화에 대한 대응책 마련이 시급해지면서, 유망한 해결책으로 무한에 가까운 규모이고 지속가능한 재생에너지이며 각 나라 영토 안에 부존돼 있는 지열에너지가 떠오르고 있다.As global oil prices continue to rise and supply anxieties and response to climate change become urgent, promising solutions are near-infinite, sustainable renewable energy and geothermal energy that is present in each country's territory.
지열에너지는 수증기나 지열수의 형태로 생산된다. 고온(150℃ 이상)의 수증기나 지열수는 주로 지열발전(Geothermal Power Generation)에 이용되고, 중·저온(150℃ 이하)의 지열에너지는 온도에 따라 바이너리(Binary) 지열발전, 온천, 온실, 건물 난방 등 다양한 용도로 이용된다.Geothermal energy is produced in the form of water vapor or geothermal water. The steam and geothermal water at high temperature (over 150 ℃) is mainly used for geothermal power generation, and the geothermal energy at medium and low temperature (below 150 ℃) depends on temperature. Binary geothermal power generation, hot spring, It is used for various purposes such as building heating.
1904년 이태리(Italy)의 Larderello에서 세계 최초로 지열발전이 실시된 이래 오늘날 20여개 나라에서 거의 10,000 MW에 달하는 여러 형태의 지열발전이 이뤄지고 있다.Since 1904, the world's first geothermal power plant in Larderello, Italy, today, there are several forms of geothermal power generation in almost 20,000 countries, ranging from nearly 10,000 MW.
종래의 지열 발전 방법은 건조 증기(Dry Steam) 지열 발전 방법, 플래시 증기(Flash Steam) 지열 발전 방법 및 바이너리(Binary) 지열 발전 방법으로 크게 3가지로 분류된다.Conventional geothermal power generation methods are roughly divided into dry steam, geothermal power generation, flash steam, and binary geothermal power generation.
건조 증기(Dry Steam) 지열 발전 방법은 건조한 고압의 수증기가 생산되는 경우에 이용된다. 생산된 수증기로 직접 터빈(Turbine)을 돌려 발전하는 방법이다.Dry Steam The geothermal power generation method is used when dry high pressure steam is produced. It is a method to turn Turbine directly to the produced steam.
플래시 증기(Flash Steam) 지열 발전 방법은 고온의 지열수(Geothermal Fluid)가 생산되는 경우에 이용된다. 압력을 지닌 고온의 지열수를 저압탱크 안으로 분무하면 플래시(순간 증발)되고, 그 수증기로 터빈을 돌려 발전하는 방법이다.Flash Steam The geothermal power generation method is used when high temperature geothermal fluid is produced. Spraying high temperature geothermal water with pressure into the low pressure tank causes flash (instantaneous evaporation), and the steam is used to turn the turbine.
바이너리(Binary) 지열 발전 방법은 생산된 지열수의 온도가 상기한 방법을 이용하기에 충분하지 못한 경우 또는 환경오염을 피해야 할 경우에 이용된다.Binary The geothermal power generation method is used when the temperature of geothermal water produced is not enough to use the above method or when environmental pollution should be avoided.
바이너리 지열 발전 방법은 기본적으로 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle)에 의한 것으로, 열원(Heat Source)인 지열수를 제1의 매체로 하고, 물보다 훨씬 더 낮은 온도에서 증발이 일어나는 아이소펜테인 같은 제2의 유기 매체를 작동 유체로 사용하여, 지열수와 작동 유체가 직접 접촉함이 없이 열교환기인 증발기(Vaporizer)를 통과하면서, 지열수의 열에 의해 작동 유체가 증발하게 되고, 그 증기로 터빈을 돌려 발전하게 된다. 터빈을 통과한 증기 상태의 작동 유체는 공랭식 또는 수냉식 열교환기인 응축기(Condenser)를 통과하면서 액체 상태로 응축되어 펌프에 의해 다시 증발기로 보내지게 된다. 즉, 작동 유체는 밀폐된 순환시스템(Closed Loop System)인 증기 사이클을 순환하게 되며, 따라서 지열수와 작동 유체가 2원의 사이클(Binary Cycle)을 이루게 된다. 이와 같이 작동하는 관계로 바이너리(Binary) 발전 방법을 이용하면 중·저온의 지열수로도 발전할 수 있으며 환경오염을 피할 수 있다.The binary geothermal power generation method is basically based on the organic Rankine Cycle and uses geothermal water as a heat source as a first medium and uses a water such as isopentane which evaporates at a much lower temperature than water 2 is used as the working fluid and the working fluid is evaporated by the heat of the geothermal water while passing through the evaporator which is the heat exchanger without direct contact between the geothermal water and the working fluid, . The working fluid in the vapor state passing through the turbine passes through a condenser, which is an air-cooled or water-cooled heat exchanger, and is condensed into a liquid state and sent back to the evaporator by the pump. That is, the working fluid circulates in the closed loop system, ie, the steam cycle, so that the geothermal water and the working fluid form a binary cycle. Due to this operation, it is possible to generate the geothermal water of medium and low temperature by using the binary power generation method, and the environmental pollution can be avoided.
이러한 바이너리 지열 발전은 기상 조건에 상관없이 발전할 수 있으며, 밀폐된 순환시스템 안에서 작동됨으로 환경 오염이 없고 소음이 낮으며, 대부분의 시설이 지하에 조성되고 지표 시설은 소규모로 매우 환경친화적이며, 운전이 단순하고 시동 및 정지가 간단 용이하여 고부하 시간대에 맞추어 발전할 수도 있고, 기존 발전 플랜트들에서 95%이상에 달하는 가동률을 발휘하고 있으며, 중·소형으로 모듈(Module)화 할 수 있어 점증적으로 모듈을 추가해나가는 방식으로 개발을 분산형으로 확장해나감으로써 위험 부담을 최소화하고 경제성을 극대화할 수 있으며 정비 등으로 인한 가동률 손실을 최소화할 수 있고, 높은 수준의 국산화율을 확보할 수 있으며, 온실가스 감축 효과도 얻을 수 있는 등, 장점이 많은 지속가능한 청정 재생에너지 발전이다.Such binary geothermal power generation can be developed regardless of weather conditions and is operated in a closed circulation system, so there is no environmental pollution, low noise, most facilities are built in the basement, the ground facilities are small and very environmentally friendly, It is simple, easy to start and stop, can be developed in accordance with the time of high load, has a utilization rate of 95% or more in existing power plants, can be modularized into small and medium size, By expanding the development to distributed type by adding modules, it is possible to minimize the risk burden, maximize the economic efficiency, minimize the utilization rate loss due to maintenance, secure a high level of localization rate, It is also a sustainable clean renewable energy generation with many advantages such as reduction effect can be obtained.
그러나 이러한 지열 발전 시스템은 시추 관련 기술이나 비용 등 초기 투자 비용이 너무 크기 때문에, 경제성 측면에서 널리 활용되지 못하고 있는 실정이다. 바이너리 지열 발전의 경우에는 낮은 깊이의 암층을 개발하여 그 기술 개발을 향상시키는 노력이 진행되고 있지만, 현재까지 만족할만한 기술 발전을 이루고 있지 못하고 있다.However, such a geothermal power generation system is not widely utilized in terms of economy because the initial investment cost such as drilling-related technology and cost is too large. In the case of binary geothermal power generation, efforts have been made to improve the technology development by developing a low-grade rock layer, but the satisfactory technological development has not been achieved to date.
바이너리 지열 발전에는 전술한 바와 같이 2개의 에너지원 즉, 열원(Hot or Heat Source)과 냉원(Cold Source or Heat Sink)이 필요한데, 종래의 바이너리 지열 발전 방법은 지열수를 열원으로 이용하여 증발기를 가열하고, 공랭(Air-Cooling) 또는 수냉(Water-Cooling)방식을 냉원으로 하여 응축기를 냉각시킨다. 기본적으로 발전 효율(Heat-to-Power Efficiency)은 열원과 냉원의 온도차에 의해 결정된다.As described above, the binary geothermal power generation requires two energy sources, that is, a hot or heat source and a cold source or a heat sink. The conventional binary geothermal power generation method uses a geothermal water as a heat source to heat the evaporator And cooling the condenser by using air-cooling or water-cooling as a cold source. Basically, the heat-to-power efficiency is determined by the temperature difference between the heat source and the cold source.
인근에 강이나 연못 같은 수원(水源)이 있어 물을 끌어 순환시키거나 또는 수량이 부족할 경우에는 냉각탑(Cooling Tower)을 설치해서 냉각수를 순환시키는 수냉식이 냉각온도도 낮고 냉각효율도 훨씬 더 높지만, 지열수가 생산되는 지역에 수원이 없는 경우가 많아 일반적으로 공랭식이 널리 이용되고 있다. 공랭식의 경우 전기의 가치가 높아지는 여름철에 대기온도 상승에 따라 냉각온도가 올라가고 발전효율이 크게 떨어져 무더운 지역에서는 발전량이 40%이상까지 감소하는 손실을 입게 된다. 수냉식의 경우에도 계절적인 요인 등에 의해 냉각수의 온도가 변화하므로 냉각 효율 및 발전 효율이 변화하게 되는 등의 문제가 있었다.Cooling towers are installed to circulate water by circulating water to draw water from nearby water sources such as rivers and ponds. Cooling temperature is low and cooling efficiency is much higher. However, Generally, air-cooling is widely used because there are no sources in the area where water is produced. In the case of air-cooled type, in summer, when the value of electricity increases, the cooling temperature rises due to rising atmospheric temperature, and the generation efficiency is greatly increased. In a hot region, the power generation amount is reduced to 40% or more. In the case of the water-cooled type, there is a problem that the cooling efficiency and the power generation efficiency are changed because the temperature of the cooling water changes due to seasonal factors.
특히, 발전 효율을 높이기 위해서는 2개의 에너지원 즉, 열원과 냉원의 온도차가 크게 발생해야 하는데, 종래 기술에 의한 일반적인 공랭식 또는 수냉식 냉각 방식을 통한 구조에서는 냉원으로 사용되는 공기 또는 냉각수의 온도가 상대적으로 높아 열원과 냉원의 온도차가 크지 않게 되고, 이에 따라 지열 발전 시스템의 발전 효율이 낮아지게 되는 문제가 있었다.
In particular, in order to increase power generation efficiency, a temperature difference between two energy sources, that is, a heat source and a cool source, must be large. In the conventional structure through the air-cooling type or the water-cooling type, So that the temperature difference between the heat source and the cold source is not large, and accordingly, the power generation efficiency of the geothermal power generation system is lowered.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 발전 유닛의 응축기로 공급되는 냉각수의 온도를 낮추어 순환 공급함으로써, 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수와의 온도 차이를 증가시키고, 이에 따라 지열 발전의 발전 효율을 향상시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and it is an object of the present invention to increase the temperature difference between the geothermal water caused by the high temperature and the cooling water caused by the low heat by increasing the temperature of the cooling water supplied to the condenser of the power generation unit. To thereby provide a binary geothermal power generation system capable of improving the power generation efficiency of geothermal power generation.
본 발명의 다른 목적은 하나의 히트 펌프 모듈을 통해 냉각수를 냉각시킴과 동시에 난방수를 가열하도록 구성함으로써, 별도의 냉각 장치 또는 가열 장치가 독립적으로 구비될 필요가 없어 장치의 구성이 단순해질 뿐만 아니라 히트 펌프 모듈의 작동시 폐열이 발생하지 않으므로 에너지 효율 또한 향상되는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to cool the cooling water through one heat pump module and simultaneously heat the heating water so that the cooling device or the heating device need not be provided independently, The present invention provides a binary geothermal power generation system in which energy efficiency is improved because no waste heat is generated during operation of the heat pump module.
본 발명의 또 다른 목적은 냉각수의 온도를 히트 펌프 모듈의 작동 상태 조절을 통해 변화시킬 수 있도록 함으로써, 환경적인 요인 등에 의해 지열수의 온도가 변화하더라도 이에 대응하여 냉각수의 온도를 적절하게 조절할 수 있고, 이에 따라 운전 상태 및 발전 효율을 안정적으로 유지시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to enable the temperature of the cooling water to be changed by adjusting the operation state of the heat pump module so that the temperature of the cooling water can be appropriately adjusted in response to the change of the temperature of the geothermal water due to environmental factors Thereby enabling a stable operation state and power generation efficiency to be maintained.
본 발명의 또 다른 목적은 냉각탑에 의한 냉각수와 함께 냉각 온도 조절이 가능한 별도의 냉각수를 공급할 수 있도록 함으로써, 환경적인 요인에 의한 냉각수 온도 변화를 방지하여 안정적인 작동 상태를 유지시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a binary geothermal power generation system capable of maintaining a stable operation state by preventing a change in the temperature of cooling water due to environmental factors by providing a separate cooling water capable of adjusting the cooling temperature together with cooling water by a cooling tower .
본 발명의 또 다른 목적은 발전 유닛과 열교환한 상태의 지열수 온도에 따라 난방수의 흐름을 선택 조절하여 난방수 또는 지열수를 다시 한번 가열하여 공급하도록 함으로써, 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공하는 것이다.
It is a further object of the present invention to provide a method of controlling the temperature of a geothermal water by selectively controlling the flow of heated water according to the geothermal water temperature in a state of exchanging heat with the power generation unit, And to provide a geothermal power generation system.
본 발명은, 지하에서 지열수를 추출하여 순환시키는 지열수 순환 유닛; 작동 유체가 펌프, 증발기, 터빈 및 응축기의 증기 사이클을 순환하며, 상기 증발기를 통해 상기 지열수로부터 열을 공급받아 터빈을 회전시키도록 작동하는 발전 유닛; 및 상기 응축기를 통해 상기 작동 유체로부터 열을 공급받아 난방수를 가열 공급하는 난방수 가열 유닛을 포함하고, 상기 난방수 가열 유닛은 난방수를 저장하는 난방수 탱크와, 제 1 냉각수가 상기 응축기로 순환 공급되며 상기 응축기의 작동 유체와 열교환하도록 상기 제 1 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크와, 상기 난방수 탱크의 난방수를 가열하고 상기 냉각수 탱크의 제 1 냉각수를 냉각시키도록 상기 난방수와 제 1 냉각수를 각각 고열원 및 저열원으로하여 작동하는 히트펌프 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템을 제공한다.The present invention relates to a geothermal water circulation unit for extracting and circulating geothermal water in a basement; A power generating unit that circulates the steam cycle of the pump, the evaporator, the turbine, and the condenser, the working fluid being supplied with heat from the geothermal water through the evaporator and rotating the turbine; And a heating water heating unit that receives heat from the working fluid through the condenser and heats and supplies the heating water. The heating water heating unit includes a heating water tank for storing heating water, and a heating water tank for heating the first cooling water to the condenser A cooling water tank circulatingly supplied with the cooling water to store the first cooling water for heat exchange with the working fluid of the condenser; a cooling water tank for heating the heating water of the heating water tank and cooling the first cooling water of the cooling water tank; And a heat pump module operating as a high-temperature source and a low-temperature source, respectively.
이때, 상기 바이너리 지열 발전 시스템은 제 2 냉각수가 상기 응축기로 순환 공급되며 상기 응축기의 작동 유체와 열교환하도록 상기 제 2 냉각수를 저장하는 냉각탑을 더 포함하여 구성될 수 있다.At this time, the binary geothermal power generation system may further include a cooling tower for circulating the second cooling water to the condenser and storing the second cooling water to heat-exchange the working fluid of the condenser.
또한, 상기 냉각탑으로부터 상기 응축기로 제 2 냉각수를 순환 공급하는 제 2 냉각수 배관은 상기 냉각수 탱크로부터 상기 응축기로 제 1 냉각수를 순환 공급하는 제 1 냉각수 배관에 연결되도록 형성될 수 있다.The second cooling water pipe circulating and supplying the second cooling water from the cooling tower to the condenser may be connected to the first cooling water pipe circulating and supplying the first cooling water from the cooling water tank to the condenser.
또한, 상기 제 1 냉각수 배관과 상기 제 2 냉각수 배관은 삼방향 밸브에 의해 서로 연결되고, 상기 삼방향 밸브에 의해 제 1 및 제 2 냉각수 유량이 조절되도록 구성될 수 있다.The first cooling water pipe and the second cooling water pipe may be connected to each other by a three-way valve, and the first and second cooling water flow rates may be adjusted by the three-way valve.
한편, 상기 지열수 순환 유닛에는 상기 증발기를 통해 열교환 과정을 거친 지열수가 열교환할 수 있도록 별도의 열교환기가 더 구비되고, 상기 난방수 탱크에 연결되는 난방수 공급 배관은 상기 난방수 탱크로부터 공급 배출되는 난방수가 상기 열교환기를 거쳐 상기 지열수와 열교환된 후 공급 배출될 수 있도록 형성될 수 있다.Meanwhile, the geothermal water circulation unit is further provided with a separate heat exchanger for heat exchange of geothermal heat that has undergone heat exchange through the evaporator, and the heating water supply pipe connected to the heating water tank is supplied and discharged from the heating water tank The heating water can be formed so as to be heat-exchanged with the geothermal water via the heat exchanger, and then supplied and discharged.
이때, 상기 난방수 공급 배관에는 상기 지열수의 온도에 따라 상기 난방수가 상기 열교환기를 통과한 후 공급 배출되거나 또는 다시 상기 난방수 탱크로 유입되도록 경로 조절할 수 있는 삼방향 밸브가 장착될 수 있다.
At this time, the heating water supply pipe may be equipped with a three-way valve capable of adjusting the path so that the heating water passes through the heat exchanger according to the temperature of the geothermal water, and then supplied or discharged to the heating water tank.
본 발명에 의하면, 발전 유닛의 응축기로 공급되는 냉각수를 별도의 히트 펌프 모듈을 통해 냉각시켜 순환 공급함으로써, 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수와의 온도 차이를 증가시키고, 이에 따라 지열 발전의 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, the cooling water supplied to the condenser of the power generation unit is cooled and circulated through the separate heat pump module, thereby increasing the temperature difference between the high temperature heat water and the low heat water cooling water, Can be improved.
또한, 하나의 히트 펌프 모듈을 통해 냉각수를 냉각시킴과 동시에 난방수를 가열하도록 구성함으로써, 별도의 냉각 장치 또는 가열 장치가 독립적으로 구비될 필요가 없어 장치의 구성이 단순해질 뿐만 아니라 히트 펌프 모듈의 작동시 폐열이 발생하지 않으므로 에너지 효율 또한 향상되는 효과가 있다.In addition, since the cooling water is cooled and the heating water is heated through one heat pump module, a separate cooling device or a heating device is not required to be independently provided, thereby simplifying the structure of the device, Since the waste heat is not generated during operation, energy efficiency is also improved.
또한, 냉각수의 온도를 히트 펌프 모듈의 작동 상태 조절을 통해 변화시킬 수 있도록 함으로써, 환경적인 요인 등에 의해 지열수의 온도가 변화하더라도 이에 대응하여 냉각수의 온도를 적절하게 조절할 수 있고, 이에 따라 운전 상태 및 발전 효율을 안정적으로 유지시킬 수 있는 효과가 있다.Further, by allowing the temperature of the cooling water to be changed by adjusting the operation state of the heat pump module, even if the temperature of the geothermal water changes due to environmental factors or the like, the temperature of the cooling water can be appropriately adjusted corresponding thereto, And the power generation efficiency can be stably maintained.
또한, 냉각탑에 의한 냉각수와 함께 냉각 온도 조절이 가능한 별도의 냉각수를 공급할 수 있도록 함으로써, 환경적인 요인에 의한 냉각수 온도 변화를 방지하여 안정적인 작동 상태를 유지시킬 수 있는 효과가 있다.Further, it is possible to supply a separate cooling water capable of adjusting the cooling temperature together with the cooling water by the cooling tower, thereby preventing a change in the temperature of the cooling water due to environmental factors and maintaining a stable operation state.
또한, 발전 유닛과 열교환한 상태의 지열수 온도에 따라 난방수의 흐름을 선택 조절하여 난방수 또는 지열수를 다시 한번 가열하여 공급하도록 함으로써, 열 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Further, by selectively regulating the flow of the heating water in accordance with the geothermal water temperature in the heat-exchanged state with the power generation unit, the heating water or the geothermal water is heated and supplied again, thereby further improving the thermal efficiency.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템의 전체 구성을 개념적으로 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 가열 유닛의 기본 구성을 개념적으로 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 가열 유닛에 냉각탑이 포함된 구성을 개념적으로 도시한 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 탱크의 난방수 흐름을 개념적으로 도시한 블록도이다.FIG. 1 is a block diagram conceptually showing the overall configuration of a binary geothermal power generation system according to an embodiment of the present invention. FIG.
2 is a block diagram conceptually showing a basic configuration of a heating water heating unit according to an embodiment of the present invention;
3 is a block diagram conceptually showing a configuration in which a cooling tower is included in a heating water heating unit according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram conceptually illustrating a heating water flow of a heating water tank according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템의 전체 구성을 개념적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 가열 유닛의 기본 구성을 개념적으로 도시한 블록도이다.FIG. 1 is a block diagram conceptually showing an overall configuration of a binary geothermal power generation system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 conceptually shows a basic configuration of a heating water heating unit according to an embodiment of the present invention Block diagram.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템은 지열수와 작동 유체가 각각 서로 다른 사이클을 순환하며 열교환하도록 구성되는 지열 발전 시스템으로, 지열수 순환 유닛(100)과, 발전 유닛(200)과, 난방수 가열 유닛(300)을 포함하여 구성된다.The binary geothermal power generation system according to an embodiment of the present invention is a geothermal power generation system in which geothermal water and a working fluid are circulated and exchanged in different cycles, respectively, and includes a geothermal
지열수 순환 유닛(100)은 지하에서 고온의 지열수를 추출하여 발전 유닛(200)의 증발기(220)를 통해 작동 유체와 열교환시킨 후 다시 지하로 배출하는 방식으로 구성되며, 바이너리 지열 발전 시스템에 이용되는 지열수는 약 100℃ ~ 120℃ 정도의 지열수가 주로 이용된다. 이러한 지열수 순환 유닛(100)은 별도의 지열수 펌프(미도시)를 이용하여 지열수를 추출하여 지열수 배관 라인(101)을 통해 유동하도록 구성되며, 지열수 배관 라인(101)의 일부 구간이 발전 유닛(200)의 증발기(220)를 통과하며 작동 유체와 열교환하도록 구성된다. 이러한 지열수 순환 유닛(100)의 구성은 바이너리 지열 발전 시스템에 사용되고 있는 일반적인 다양한 방식으로 구성될 수 있다.The geothermal
발전 유닛(200)은 펌프(210), 증발기(220), 터빈(230) 및 응축기(240)로 구성되는 증기 사이클을 이루며, 작동 유체가 이러한 증기 사이클을 순환하며 증발기(220)를 통해 지열수로부터 열을 공급받아 터빈(230)을 회전시키도록 구성된다. 이때, 펌프(210), 증발기(220), 터빈(230) 및 응축기(240)는 작동 유체가 순환하도록 증기 사이클 배관 라인(201)에 의해 연결된다.The
좀 더 자세히 살펴보면, 발전 유닛(200)에서 작동 유체는 펌프(210)에 의해 압축되고, 증발기(220)에서 지열수 순환 유닛(100)의 지열수와 열교환하며 기체 상태로 된 후, 터빈(230)을 통과하며 팽창하게 된다. 이 과정에서 터빈(230)이 회전하며 발전 에너지가 생산된다. 터빈(230)을 통과한 작동 유체는 응축기(240)에서 냉각수와 열교환하며 응축되고, 이후 다시 펌프(210)로 유입되어 압축되는 방식으로 사이클을 순환하게 된다.In more detail, the working fluid in the
즉, 작동 유체는 증발기(220)에서 지열수로부터 열 에너지를 공급받아 터빈(230)을 회전시키며 발전 에너지를 생산하고 다시 응축기(240)에서 냉각수를 통해 열 에너지를 방출하게 되는데, 이와 같이 증기 사이클을 이루는 발전 유닛(200)의 발전 효율은 종래 기술에서 설명한 바와 같이 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수와의 온도 차이에 비례하게 된다.That is, the working fluid receives thermal energy from the geothermal water in the
본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템은 지열수와 냉각수와의 온도 차이를 증가시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 난방수 가열 유닛(300)을 통해 냉각수의 온도를 감소시키는 방식으로 구성되는데, 난방수 가열 유닛(300)은 발전 유닛(200)의 응축기(240)를 통해 작동 유체로부터 열을 공급받아 난방수(P)를 가열 공급하도록 구성된다.The binary geothermal power generation system according to the embodiment of the present invention is configured to decrease the temperature of the cooling water through the heating water heating unit 300 so as to increase the temperature difference between the geothermal water and the cooling water to improve the power generation efficiency The heating water heating unit 300 is configured to supply heat from the working fluid through the
이러한 난방수 가열 유닛(300)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 난방수(P)를 저장하는 난방수 탱크(310)와, 제 1 냉각수(Q1)를 저장하는 냉각수 탱크(320)와, 난방수 탱크(310)의 난방수(P)를 가열하고 냉각수 탱크(320)의 제 1 냉각수(Q1)를 냉각시키도록 난방수(P)와 제 1 냉각수(Q1)를 각각 고열원 및 저열원으로하여 작동하는 히트 펌프 모듈(330)을 포함하여 구성된다.1 and 2, the heating water heating unit 300 includes a
좀 더 자세히 살펴보면, 냉각수 탱크(320)는 제 1 냉각수(Q1)를 저장하며, 제 1 냉각수 배관(321)을 통해 제 1 냉각수(Q1)를 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 순환 공급하도록 구성되며, 제 1 냉각수 배관(321)에는 제 1 냉각수(Q1)가 순환 공급되도록 별도의 공급 펌프(370)가 장착된다. 따라서, 발전 유닛(200)의 작동 유체는 응축기(240)에서 제 1 냉각수(Q1)에 대해 열을 방출하며 응축되고, 제 1 냉각수(Q1)는 작동 유체로부터 응축열을 흡수한 후 다시 냉각수 탱크(320)로 유입 순환된다. 한편, 난방수 탱크(310)에는 별도의 급수 시설(400)로부터 물이 공급되어 난방수(P)로 저장되며, 이후 난방수 공급 배관(311)을 통해 각 가정이나 공장 등에 난방수로 공급된다.The cooling
이때, 냉각수 탱크(320)와 난방수 탱크(310)는 히트 펌프 모듈(330)에 의해 각각 냉각 및 가열된다. 즉, 히트 펌프 모듈(330)은 압축기(331), 응축기(334), 팽창 밸브(333) 및 증발기(332)로 구성되는 냉동 사이클을 이루며, 냉매가 이러한 냉동 사이클을 순환하도록 구성된다. 이때, 증발기(332)가 냉각수 탱크(320) 내부에 위치하여 냉매와의 열교환을 통해 제 1 냉각수(Q1)를 냉각시키고, 응축기(334)는 난방수 탱크(310) 내부에 위치하여 냉매와의 열교환을 통해 난방수(P)를 가열시킨다. At this time, the cooling
이러한 구조에 따라 별도의 냉각 장치 또는 가열 장치가 독립적으로 구비되지 않고 하나의 히트 펌프 모듈(330)을 통해 제 1 냉각수(Q1)를 냉각시킴과 동시에 난방수(P)를 가열하도록 구성되므로, 장치의 구성이 단순해질 뿐만 아니라 히트 펌프 모듈(330)의 작동시 폐열이 발생하지 않으므로 에너지 효율 또한 향상된다.According to this structure, the first cooling water Q1 is cooled through the single
또한, 발전 유닛(200)의 발전 효율은 전술한 바와 같이 고열원인 지열수와 저열원인 냉각수의 온도 차이에 비례하게 되는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템은 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 공급되는 제 1 냉각수(Q1)가 히트 펌프 모듈(330)에 의해 냉각된 상태로 공급되므로 종래 기술에 비해 냉각수의 온도가 더 낮아지게 된다. 따라서, 고열원과 저열원의 온도 차이가 더 증가하게 되므로, 발전 효율이 향상된다.As described above, the power generation efficiency of the
한편, 냉각수 탱크(320)에 저장된 제 1 냉각수(Q1)의 온도는 히트 펌프 모듈(330)의 작동 상태 조절에 의한 냉각 성능 변화를 통해 변화시킬 수 있으므로, 종래 기술과 달리 환경적인 요인에 종속되지 않고 사용자의 필요에 따라 냉각수의 온도를 적절하게 조절할 수 있다. 예를 들면, 지열수 순환 유닛(100)에 의해 추출되는 지열수의 온도는 항상 일정하게 유지되지 않고 환경적인 요인에 의해 일정 정도 변화하게 되는데, 이와 같이 지열수의 온도가 변화하게 되면, 발전 유닛(200)의 작동 상태가 변화하게 되므로, 발전 유닛(200)의 운전이 불안정해지거나 발전 효율에 변화가 발생하게 된다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템은 히트 펌프 모듈(330)의 작동 상태를 조절하여 제 1 냉각수(Q1)의 온도를 지열수 온도 변화에 대응되게 조절할 수 있으며, 이를 통해 발전 유닛(200)의 운전 상태 및 발전 효율을 더욱 안정적으로 유지시킬 수 있다.
Meanwhile, since the temperature of the first cooling water Q1 stored in the cooling
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 가열 유닛에 냉각탑이 포함된 구성을 개념적으로 도시한 블록도이다.3 is a block diagram conceptually showing a structure in which a cooling tower is included in a heating water heating unit according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 가열 유닛(300)은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 제 2 냉각수(Q2)를 순환 공급하는 냉각탑(340)이 더 구비될 수 있다. 1 and 3, the heating water heating unit 300 according to an embodiment of the present invention includes a
냉각탑(340)에는 별도의 급수 시설(400)로부터 물이 공급되며, 실외 공기와의 통풍을 통해 제 2 냉각수(Q2)로 냉각 저장되도록 구성된다. 이와 같이 냉각 저장된 제 2 냉각수(Q2)는 제 2 냉각수 배관(341)을 통해 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 순환 공급되며, 응축기(240)에서 발전 유닛(200)의 작동 유체와 열교환하도록 구성된다.Water is supplied to the
이때, 제 2 냉각수 배관(341)이 제 1 냉각수 배관(321)에 연결되도록 구성될 수 있으며, 이를 통해 제 1 냉각수(Q1)와 제 2 냉각수(Q2)가 서로 혼합되어 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 공급되도록 할 수 있다. At this time, the second
또한, 제 1 냉각수 배관(321)과 제 2 냉각수 배관(341)은 유량 조절이 가능한 삼방향 밸브(350)에 의해 서로 연결되도록 구성되고, 이러한 삼방향 밸브(350)를 통해 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 공급되는 제 1 냉각수(Q1) 및 제 2 냉각수(Q2)의 유량을 조절할 수 있다.In addition, the first
이러한 구조에 따라 여름철과 같이 외부 온도가 상대적으로 높은 경우에는 냉각탑(340)의 냉각 효율이 감소하게 되므로, 이 경우 제 1 냉각수(Q1)의 유량을 좀 더 높이는 방향으로 조절하고, 반대로 겨울철과 같이 외부 온도가 상대적으로 낮은 경우에는 냉각탑(340)의 냉각 효율이 증가하게 되므로, 이 경우 제 1 냉각수(Q1)의 유량을 좀 더 낮추는 방향으로 조절할 수 있다. 이와 같은 조절을 통해 발전 유닛(200)의 응축기(240)로 공급되는 냉각수의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있으며, 이에 따라 발전 유닛(200)의 작동 상태 및 발전 효율을 안정적으로 유지시킬 수 있다.
In this case, the flow rate of the first cooling water Q1 is adjusted to be higher. In contrast, when the outside temperature is relatively high as in the winter season, If the external temperature is relatively low, the cooling efficiency of the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 난방수 탱크의 난방수 흐름을 개념적으로 도시한 블록도이다.4 is a block diagram conceptually illustrating a heating water flow of a heating water tank according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 지열수 순환 유닛(100)에는 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 증발기(220)를 통해 열교환 과정을 거친 지열수가 다시 열교환할 수 있도록 별도의 열교환기(110)가 더 구비될 수 있다.In the geothermal
이때, 난방수 탱크(310)에 연결된 난방수 공급 배관(311)은 난방수 탱크(310)로부터 공급 배출되는 난방수(P)가 지열수 순환 유닛(100)의 열교환기(110)를 거쳐 지열수와 열교환된 후 공급 배출될 수 있도록 형성되며, 난방수 공급 배관(311)에는 난방수(P)의 유동을 위해 별도의 공급 펌프(370)가 장착된다.In this case, in the heating
이러한 구조에 따라 히트 펌프 모듈(330)에 의해 가열된 난방수(P)는 공급 배출되는 과정에서 다시 한번 지열수와 열교환하며 재차 가열된 상태로 각 가정이나 공장과 같은 공급처로 공급될 수 있다.According to this structure, the heating water P heated by the
이 경우, 난방수 공급 배관(311)에는 도 4에 도시된 바와 같이 별도의 삼방향 밸브(360)가 장착될 수 있으며, 이러한 삼방향 밸브(360)에 의해 열교환기(110)를 통과한 난방수(P)가 각 공급처로 공급 배출되거나 또는 다시 난방수 탱크(310)로 유입되는 방식으로 선택적으로 경로 조절되도록 구성되는 것이 바람직하고, 이러한 경로 조절은 지열수의 온도에 따라 선택적으로 적용되도록 구성될 수 있다.In this case, the heating
즉, 도시되지는 않았으나, 지열수 배관 라인(101)에는 발전 유닛(200)의 증발기(220)를 통과한 후의 지열수 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(미도시)가 장착되고, 이러한 온도 센서에 의해 측정된 지열수의 온도가 난방수 탱크(310)로부터 공급 배출되는 난방수(P)의 온도보다 높은 경우, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 지열수 순환 유닛(100)의 열교환기(110)를 통과한 난방수의 흐름은 삼방향 밸브(360)에 의해 각 공급처로 공급 배출되도록 조절된다. 반면, 온도 센서에 의해 측정된 지열수의 온도가 난방수 탱크(310)로부터 공급 배출되는 난방수(P)의 온도보다 낮은 경우, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 지열수 순환 유닛(100)의 열교환기(110)를 통과한 난방수의 흐름은 삼방향 밸브(360)에 의해 다시 난방수 탱크(310)로 유입되도록 조절된다. 이때, 지열수는 난방수(P)와의 열교환을 통해 일정 정도 가열된 상태로 순환된다.That is, although not shown, the geothermal
이러한 구조에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 바이너리 지열 발전 시스템은 지열수의 온도에 따라 지열수와의 열교환을 통해 난방수(P)를 한번 더 가열하여 공급 배출하거나 또는 난방수(P)를 난방수 탱크(310)로 재순환시키는 방식으로 지열수를 일정 정도 가열하여 순환시킬 수 있으므로, 필요에 따라 더욱 다양한 방식으로 안정되게 운전할 수 있고, 이에 따라 발전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
According to this structure, the binary geothermal power generation system according to an embodiment of the present invention can heat and heat the heating water P once more through heat exchange with the geothermal water according to the temperature of the geothermal water, The geothermal water can be circulated by heating the geothermal water to a certain degree by recirculating the geothermal water to the
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas falling within the scope of the same shall be construed as falling within the scope of the present invention.
100: 지열수 순환 유닛 110: 열교환기
200: 발전 유닛 210: 펌프
220: 증발기 230: 터빈
240: 응축기 300: 난방수 가열 유닛
310: 난방수 탱크 320: 냉각수 탱크
330: 히트 펌프 모듈 340: 냉각탑
350, 360: 삼방향 밸브100: Geothermal water circulation unit 110: Heat exchanger
200: power generation unit 210: pump
220: Evaporator 230: Turbine
240: condenser 300: heating water heating unit
310: Heating water tank 320: Cooling water tank
330: Heat pump module 340: Cooling tower
350, 360: Three way valve
Claims (6)
작동 유체가 펌프, 증발기, 터빈 및 응축기의 증기 사이클을 순환하며, 상기 증발기를 통해 상기 지열수로부터 열을 공급받아 터빈을 회전시키도록 작동하는 발전 유닛; 및
상기 응축기를 통해 상기 작동 유체로부터 열을 공급받아 난방수를 가열 공급하는 난방수 가열 유닛
을 포함하고, 상기 난방수 가열 유닛은
난방수를 저장하는 난방수 탱크와, 제 1 냉각수가 상기 응축기로 순환 공급되며 상기 응축기의 작동 유체와 열교환하도록 상기 제 1 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크와, 상기 난방수 탱크의 난방수를 가열하고 상기 냉각수 탱크의 제 1 냉각수를 냉각시키도록 상기 난방수와 제 1 냉각수를 각각 고열원 및 저열원으로하여 작동하는 히트펌프 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템.
Geothermal water circulation unit for extracting and circulating geothermal water from the basement;
A power generation unit circulating a steam cycle of a pump, an evaporator, a turbine, and a condenser, and operating to rotate the turbine by receiving heat from the geothermal water through the evaporator; And
Heating water heating unit for receiving heat from the working fluid through the condenser to heat the heating water
To include, the heating water heating unit
A heating water tank storing heating water, a cooling water tank circulating and supplying first cooling water to the condenser, and storing the first cooling water to exchange heat with a working fluid of the condenser, and heating the heating water of the heating water tank and And a heat pump module configured to operate the heating water and the first cooling water as a high heat source and a low heat source, respectively, to cool the first cooling water of the cooling water tank.
제 2 냉각수가 상기 응축기로 순환 공급되며 상기 응축기의 작동 유체와 열교환하도록 상기 제 2 냉각수를 저장하는 냉각탑을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템.
The method of claim 1,
And a cooling tower configured to store the second cooling water to circulate the second cooling water to the condenser and to exchange heat with the working fluid of the condenser.
상기 냉각탑으로부터 상기 응축기로 제 2 냉각수를 순환 공급하는 제 2 냉각수 배관은 상기 냉각수 탱크로부터 상기 응축기로 제 1 냉각수를 순환 공급하는 제 1 냉각수 배관에 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템.
3. The method of claim 2,
And a second cooling water pipe configured to circulate and supply the second cooling water from the cooling tower to the condenser, wherein the second cooling water pipe is formed to be connected to the first cooling water pipe that circulates and supplies the first cooling water from the cooling water tank to the condenser.
상기 제 1 냉각수 배관과 상기 제 2 냉각수 배관은 삼방향 밸브에 의해 서로 연결되고, 상기 삼방향 밸브에 의해 제 1 및 제 2 냉각수 유량이 조절되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템.
The method of claim 3, wherein
And the first cooling water pipe and the second cooling water pipe are connected to each other by a three-way valve, and the first and second cooling water flow rates are controlled by the three-way valve.
상기 지열수 순환 유닛에는 상기 증발기를 통해 열교환 과정을 거친 지열수가 열교환할 수 있도록 별도의 열교환기가 더 구비되고,
상기 난방수 탱크에 연결되는 난방수 공급 배관은 상기 난방수 탱크로부터 공급 배출되는 난방수가 상기 열교환기를 거쳐 상기 지열수와 열교환된 후 공급 배출될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템.
The method according to any one of claims 1 to 4,
The geothermal water circulation unit is further provided with a separate heat exchanger to heat-exchange the geothermal water undergoing a heat exchange process through the evaporator,
Binary geothermal power generation system characterized in that the heating water supply pipe connected to the heating water tank is formed so that the heating water discharged from the heating water tank is discharged after the heat exchange with the geothermal water through the heat exchanger.
상기 난방수 공급 배관에는 상기 지열수의 온도에 따라 상기 난방수가 상기 열교환기를 통과한 후 공급 배출되거나 또는 다시 상기 난방수 탱크로 유입되도록 경로 조절할 수 있는 삼방향 밸브가 장착되는 것을 특징으로 하는 바이너리 지열 발전 시스템.
The method of claim 5, wherein
Binary geothermal heat characterized in that the heating water supply pipe is equipped with a three-way valve for controlling the route so that the heating water is supplied or discharged after passing through the heat exchanger or flows back into the heating water tank according to the temperature of the geothermal water Power generation system.
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