[논문]ASPEN PLUS®를 이용한 태양열 유기랭킨사이클 열병합 발전시스템의 공동주택 적합도 분석

임석연; 김형근; 유상석

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.4.317

ASPEN PLUS®를 이용한 태양열 유기랭킨사이클 열병합 발전시스템의 공동주택 적합도 분석
Feasibility of a Solar Thermal Organic Rankine Cycle Power Plant for an Apartment Complex with Aspen Plus® 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.4 = no.355, 2015년, pp.317 - 324

임석연 (동명대학교) , 김형근 (대전산업정보학교) , 유상석 (충남대학교)

초록
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본 연구에서는 아파트단지에 적용되는 태양열 급탕 시스템의 에너지 활용도를 높이기 위해 유기랭킨사이클을 적용하여 해석적 연구를 수행하였다. 시스템 해석은 Aspen $Plus^{(R)}$을 활용하였으며 태양열집열기는 급탕 온도와 유기랭킨 사이클의 운전 조건을 고려하여 진공관형 집열기를 적용하였다. R134a, R141a, R245fa 등의 냉매를 작동유체로 선정하였으며, 시스템 성능해석을 통하여 R245fa 냉매가 적용가능성이 가장 높게 나타났다. 비가역성 해석과 민감도 해석을 통해 유기랭킨 사이클 시스템의 효율 및 성능 확보를 위해서는 증발기와 터빈에 대한 기술 개발이 매우 중요하다는 것을 밝혀냈으며, 순수 급탕으로만 활용하는 시스템에 전기 생산 설비를 추가하게 되면 약 50%의 추가적인 경제성이 확보됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a solar thermal system is designed to provide hot water and electricity for improvement of solar thermal energy availability in an apartment complex. The electricity is generated with Organic Rankine Cycle (ORC) by the solar thermal energy. R134a, R141b and R245fa are selected for operating fluid of the solar thermal ORC system. ORC with R245fa shows the best performance based on the variation of pressure. The irreversibility of component showed that the technology advance of the evaporator ensures a performance improvement. The sensitivity study results indicate that the turbine performance is most effective way to improve the performance of ORC system. An economic analysis showed that approximately 50% more income could be achieved by a solar thermal ORC system with a hot water supply.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 하절기에 급증하는 전력 수요를 태양열 급탕 시스템으로부터 얻을 수 있는 방법과 급탕 설비와 발전 설비를 함께 작동시켜 설비가 연간 가동되는 조건에서 경제성을 확보할 수 있는 방법을 찾고자 하였다. 이러한 시스템 설계를 위해 우선 다양한 작동유체를 이용하여 태양열 급탕 시스템에 적용할 유기랭킨사이클의 최적 조건을 선정하고, 다양한 집열 조건에서 시스템의 성능을 분석하였다.
본 연구에서는 공동주택의 태양열 급탕 시스템에 유기랭킨사이클의 적용 가능성을 확인하기 위하여 유기 유체인 R134a, R141b, R245fa를 작동 유체로 한 유기랭킨사이클을 시뮬레이션 하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

4) 열교환기에서 고온측과 저온측 최소 온도 차이는 핀치온도차다.
5) 증발기와 응축기 내부에서의 압력 강하와 배관 손실은 무시한다.
시스템 효율과 순 일(Net work)의 최적 조건을 확인하기 위하여 열원수의 입구 온도는 100 ℃, 태양열 집열판을 순환하는 열매의 질량유량은 1kg/s로 가정하였다. 작동유체의 질량유량은 에너지 평형방정식을 이용하였고, 열교환기에서 열원수가 온도 T_H1에서 T_H2로 변화되는 동안 전달열량 Q_H12는 작동유체 상태 6에서 1로 변화되는 동안 얻는 열량과 동일함을 이용하여 계산하였다.
이때 방열을 위한 냉각수의 질량유량은 열원수의 질량유량의 10배로 가정하였고, 터빈과 펌프의 동력은 식 (5)와 식 (6)을 이용하였다.
태양열 집열기를 통해 유기랭킨사이클을 적용하기 위한 집열기 설치위치는 공용면적인 옥탑에 설치하는 것으로 제한하였으며, 이 경우 설치가능면적을 비율로 계산하면 판상형 아파트의 경우 최대 50%, 타워형 아파트의 경우는 최대 38%가 되기 때문에,⁽¹⁶⁾ 본 연구에서는 전용면적 84 m²의 판상형 6라인의 공동주택으로 가정하여 설치면적을 347 m²로 계산하도록 하였다.
10에 나타내었다. 터빈 입구 압력은 R245fa의 최대 출력이 나오는 압력을 적용하였고, 태양열이 집열되는 동안은 유기랭킨사이클도 연속 운전을 한다고 가정하여 월별 전력생산량과 온수 생산량을 금액으로 환산하였다. 전력생산량은 5월에 최대 1,321 kWh를 생산하였고, 12월에 최소 534 kWh를 생산하였으며, 년간 총 11,147 kWh를 생산할 수 있었다.

제안 방법

각 작동 유체의 작동 압력에 따른 특성을 확인하기 위해 Fig. 5와 같이 터빈입구 압력에 따른 시스템 효율을 확인하였다. 열원수 입구 온도(T_H1)와 냉각수 입구 온도(T_L1)는 각각 100 ℃와 20 ℃로 고정하고, 증발기와 응축기의 작동 허용 온도 범위에서 시스템의 효율 변화를 살펴보면 R134a가 가장 넓은 압력 범위에서 작동이 가능한 것으로 나타났다.
이러한 조건은 평판형 집열기로는 만족시킬 수 없기 때문에, 본 연구에서는 진공관형 집열기를 해석 대상으로 하였다. 또한, 유통되는 진공관형 집열기의 1일 집열량은 최소 9.2 MJ/m²에서 최대 14.3 MJ/m²로 큰 차이가 있고, 집열량은 일사량과 일조시간에 따라 차이가 많기 때문에 일사량, 일조시간, 열효율을 이용하여 집열량을 계산하여 적용하였다.⁽¹⁴⁾ 투과면적 기준으로 최대 집열 효율도 65.
비가역성 해석을 통한 시스템의 개발에 있어 가장 중요한 작동유체의 선정과 각 구성품의 선정에 따른 시스템 효율의 영향성을 확인하기 위해서 민감도 분석을 수행하였다. 작동유체를 R245fa로 하고, 순 일(Net work)이 최대값을 나타내는 터빈입구 압력 0.
따라서 본 연구에서는 하절기에 급증하는 전력 수요를 태양열 급탕 시스템으로부터 얻을 수 있는 방법과 급탕 설비와 발전 설비를 함께 작동시켜 설비가 연간 가동되는 조건에서 경제성을 확보할 수 있는 방법을 찾고자 하였다. 이러한 시스템 설계를 위해 우선 다양한 작동유체를 이용하여 태양열 급탕 시스템에 적용할 유기랭킨사이클의 최적 조건을 선정하고, 다양한 집열 조건에서 시스템의 성능을 분석하였다. 시뮬레이션은 공정모사 프로그램인 Aspen plus^®를 이용하였으며 에너지 수요 대상이 되는 공동 주택 아파트 1개 동은 전용면적 84 m²의 판상형 아파트로 6개 라인을 갖는 43세대수를 대상으로 하였다.
이상의 과정에 대한 해석을 위해 본 연구에서는 실제 공정해석에 많이 사용되고 있는 Aspen Plus®를 통하여 시뮬레이션 하였으며, 시스템 구성은 Fig. 4에 나타내었다.
시스템 효율과 순 일(Net work)의 최적 조건을 확인하기 위하여 열원수의 입구 온도는 100 ℃, 태양열 집열판을 순환하는 열매의 질량유량은 1kg/s로 가정하였다. 작동유체의 질량유량은 에너지 평형방정식을 이용하였고, 열교환기에서 열원수가 온도 T_H1에서 T_H2로 변화되는 동안 전달열량 Q_H12는 작동유체 상태 6에서 1로 변화되는 동안 얻는 열량과 동일함을 이용하여 계산하였다.
전력생산량은 5월에 최대 1,321 kWh를 생산하였고, 12월에 최소 534 kWh를 생산하였으며, 년간 총 11,147 kWh를 생산할 수 있었다. 집열량과 급탕부하는 지역난방공사의 난방용(주택) 사용요금인 79.28원/Mcal를 적용하였으며, 생산전력은 발전차액 지원 제도에 의한 금액(태양광 기준)인 532.97원/kWh를 적용하였다. 태양열 시스템을 급탕부하용으로만 적용할 경우, 년간 약 893만원의 효과를 얻을 수 있어 세대당 월간 17,306원의 절감 효과가 있는 반면, 유기랭킨 시스템을 적용할 경우 전력생산에서 년간 약 594만원과 급탕에서 년간 약 745만원의 효과를 보였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 작동유체는 R134a, R141b 및 R245fa이며, Table 1에 작동유체의 물성치를 각각 나타내었다. 사용된 작동유체들은 등엔트로피 유체 또는 근접 유체로서 터빈 출구에서 응축되는 액적에 대한 피해가 없기 때문에 과열증기 상태로 터빈에 공급할 필요가 없는 장점이 있다.
시뮬레이션은 공정모사 프로그램인 Aspen plus®를 이용하였으며 에너지 수요 대상이 되는 공동 주택 아파트 1개 동은 전용면적 84 m2의 판상형 아파트로 6개 라인을 갖는 43세대수를 대상으로 하였다.
따라서 기존의 집열기는 사용할 수 없고 대신 100 ℃이상의 활용온도를 가지는 태양열 집열기가 필요하다. 이러한 조건은 평판형 집열기로는 만족시킬 수 없기 때문에, 본 연구에서는 진공관형 집열기를 해석 대상으로 하였다. 또한, 유통되는 진공관형 집열기의 1일 집열량은 최소 9.
시스템의 비가역성을 구성요소에 따라 분석해보면, 어떤 구성요소의 개선이 시스템의 효율 상승에 가장 효과적인지 알 수 있다. 작동유체로 R245fa를 적용하고, 터빈 입구 압력을 변화시켜 가면서 구성품의 비가역성의 변화를 Fig. 7에 나타내었다. 시스템의 터빈입구 압력이 0.

성능/효과

(1) 주어진 열원수와 냉각수 온도 조건에서 R245fa가 가장 우수한 효율과, 출력을 보여주었으며 운전 범위도 유지보수에 용이한 저압 조건을 달성할 수 있었다.
3 MJ/m²로 큰 차이가 있고, 집열량은 일사량과 일조시간에 따라 차이가 많기 때문에 일사량, 일조시간, 열효율을 이용하여 집열량을 계산하여 적용하였다.⁽¹⁴⁾ 투과면적 기준으로 최대 집열 효율도 65.1%~83.4%로 제품별 성능 차이가 많기 때문에 집열기의 집열효율은 평균값인 72.7%로 하였고, 일평균 집열량과 일조시간은 기상청에서 전천일사량을 관측하고 있는 22개 지점의 평균값으로 하였다.⁽¹⁵⁾
(2) 태양열 열원을 고정한 경우에 유기랭킨사이클을 통한 발전량은 최대점을 갖는 포물선 형태이며, 작동유체 중 R245fa가 3개 작동 유체 중 최대 출력이 가장 높았다.
(3) 전용면적 85 m², 6라인의 판상형 공동주택 옥탑에 진공관형 집열기만을 설치한 경우, 세대 당 월간 에너지 절감액은 17,306원지만, 유기 랭킨 사이클을 이용해 추가 전력을 생산한 경우에는 세대당 25950원까지 절감액을 늘릴 수 있다.
(4) 시스템 비가역성은 증발기가 가장 큰 비중을 차지하고, 펌프가 가장 작은 비중을 차지하며, 민감도 해석에서는 시스템의 효율과 출력에 터빈이 가장 큰 보였다.
1) 시스템은 정상상태로 작동되며, 터빈과 펌프의 등엔트로피 효율은 각각 70%와 80%이고, 기계 효율은 98% 이다.
2) 터빈 입구에서의 작동유체는 포화증기 상태이고, 펌프 입구에서는 포화액체 상태이다.
6) 증발기의 열원 출구온도는 55~60 ℃로 배출 되어야 한다.
R141b와 R245fa는 R134a보다 효율은 우수하지만, 상대적으로 운전 압력의 자유도는 낮게 나타났다. 운전 가능 영역은 R134a가 0.
8에 나타내었다. 각 작동유체의 최대 순 일을 살펴보면, R134a는 터빈입구 압력 1.9 MPa에서 6.9 kW, R141b는 터빈입구 압력 0.3 MPa에서 7.0 kW, R245fa는 터빈입구 압력 0.5 MPa에서 11.33 kW로 나타났으며, 이로부터 R245fa를 작동유체로 하였을 경우에 가장 큰 순일을 얻을 수 있었다.
01%로 아주 작은 부분을 차지함을 알 수 있었다. 따라서 증발기를 성능 개선 시키는 것이 전체 시스템의 성능 향상에 매우 중요하다는 것을 알 수 있었다.
38%의 효율을 나타냈다. 또한, 각 작동유체의 최대 열효율이 나타나는 조건에서 증발온도와 응축온도를 살펴보면, R134a는 95.1 ℃와 24.2 ℃, R141b는 94.6 ℃와 24.2℃ , R245fa는 93.8 ℃와 24.3 ℃로 시스템 구현 가능성은 모두 만족하는 것을 알 수 있었다.
시뮬레이션 분석 결과, 유기랭킨사이클을 적용한 태양열 급탕 설비 발전시스템에 있어서 증발기와 터빈이 시스템 효율에 큰 영향을 미치는 가장 중요한 인자임을 알 수 있었다.
6은 터빈 열원과 냉각수 온도를 유지한 상태에서 각 작동유체의 터빈입구 압력에 따른 시스템 비가역성의 변화를 나타낸 것이다. 시스템 해석에서는 터빈입구 압력의 증가가 포화 온도의 상승을 수반하기 때문에 작동유체의 비가역성은 터빈입구 압력이 증가할수록 감소되었고, 작동유체의 증발온도와 열원의 온도 차이가 작을 경우 낮은 비가역성을 나타내었다. R134a는 터빈입구 압력이 0.
7에 나타내었다. 시스템의 터빈입구 압력이 0.2 MPa의 경우 증발기의 비가역성은 45.86 kW로 전체 비가역성 55.71 kW 중 82.32%로 가장 큰 부분을 차지하고 있으며, 펌프의 비가역성은 0.005 kW로 전체 비가역성의 0.01%로 아주 작은 부분을 차지함을 알 수 있었다. 따라서 증발기를 성능 개선 시키는 것이 전체 시스템의 성능 향상에 매우 중요하다는 것을 알 수 있었다.
5와 같이 터빈입구 압력에 따른 시스템 효율을 확인하였다. 열원수 입구 온도(T_H1)와 냉각수 입구 온도(T_L1)는 각각 100 ℃와 20 ℃로 고정하고, 증발기와 응축기의 작동 허용 온도 범위에서 시스템의 효율 변화를 살펴보면 R134a가 가장 넓은 압력 범위에서 작동이 가능한 것으로 나타났다.
R141b와 R245fa는 R134a보다 효율은 우수하지만, 상대적으로 운전 압력의 자유도는 낮게 나타났다. 운전 가능 영역은 R134a가 0.8 MPa부터 3.6 MPa, R141b는 0.1 MPa에서 0.6 MPa, 그리고 R245fa는 0.2 MPa에서 1.1 MPa였으며, 최대 효율은 R245fa를 작동유체로 한 경우로 10.38%의 효율을 나타냈다. 또한, 각 작동유체의 최대 열효율이 나타나는 조건에서 증발온도와 응축온도를 살펴보면, R134a는 95.
터빈 입구 압력은 R245fa의 최대 출력이 나오는 압력을 적용하였고, 태양열이 집열되는 동안은 유기랭킨사이클도 연속 운전을 한다고 가정하여 월별 전력생산량과 온수 생산량을 금액으로 환산하였다. 전력생산량은 5월에 최대 1,321 kWh를 생산하였고, 12월에 최소 534 kWh를 생산하였으며, 년간 총 11,147 kWh를 생산할 수 있었다. 집열량과 급탕부하는 지역난방공사의 난방용(주택) 사용요금인 79.
11에 나타내었다. 펌프의 경우 기준점인 등 엔트로피 효율 70% 대비 -20%부터 20%까지 변화시키면 시스템 효율은 0.06% 증가되고, 순 일(Net work)은 0.12 kW 증가되었으나, 터빈의 경우 기준 효율 80% 대비 동일한 변화에 대해 시스템 전체의 효율은 2.69% 증가되고, 순 일(Net work)도 4.65 kW 증가함으로 보였다.
현재, 태양열 시스템과 유기랭킨사이클 및 작동유체로 선정한 R245fa의 비용이 고가이긴 하나, 태양열 시스템 설치비용의 50%를 정부에서 지원을 하고 있으며, 고온을 얻을 수 있는 집열기의 적용 및 유기랭킨사이클 시스템의 대량생산을 통한 가격 인하가 이루어질 경우 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유기랭킨사이클이란 무엇인가?	유기랭킨사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)은 작동유체로 유기혼합물을 사용하여 수증기 발생에 적합하지 않는 중저온(70~400 ℃)의 열원을 활용하는 발전방식으로서, 현재 다양한 산업에서 폐열 회수를 위해 적용되고 있다.(1) 유기랭킨사이클(ORC) 시스템을 공동주택에 적용하면 저온 폐열을 회수하여 전력 생산, 압축기 등의 구동 동력원으로 활용 가능하다.
	유기랭킨사이클의 장점은 무엇인가?	(1) 유기랭킨사이클(ORC) 시스템을 공동주택에 적용하면 저온 폐열을 회수하여 전력 생산, 압축기 등의 구동 동력원으로 활용 가능하다. 또한, 다양한 작동 유체의 적용이 가능함에 따라 비교적 광범위한 온도열낙차 범위에서 운전이 가능하기 때문에 폐열 활용의 제한이 적으며, 저온열원을 사용하므로 저압 저온 운전이 가능해 신뢰성이 높고, 유지관리 비용이 낮은 장점이 있다.
	태양열 급탕 시스템에 사용되는 작동유체의 종류로는 무엇이 있는가?	태양열 급탕 시스템은 사용되는 열원의 온도가 낮기 때문에 유기랭킨사이클의 통합을 위해서는 설계 압력, 체적 등을 고려하여 작동유체를 선택하는 것이 필요하다. 작동유체의 종류로는 온도에 대한 포화증기의 엔탈피 변화율이 0보다 작은 습유체, 거의 수직인 등엔트로피 유체 및 0보다 큰 건유체가 있으며, 저온 랭킨 사이클에서는 주로 등엔트로피 포화증기 곡선을 갖는 작동유체를 사용한다.(13)

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