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태양열 적용을 위한 소형 초임계 이산화탄소 실험설비 설계 및 평가
Design and Evaluation of Small-scale Supercritical Carbon Dioxide System with Solar Heat Source 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.6, 2020년, pp.403 - 410  

최훈동 (한동대학교 기계제어공학과) ,  소원호 (한동대학교 기계제어공학과) ,  이정민 (한동대학교 기계제어공학과) ,  조경찬 (한동대학교 기계제어공학과) ,  이권영 (한동대학교 기계제어공학과)

초록
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본 논문은 포항지역 태양광 데이터를 기반으로 태양열을 적용시켜 12kW의 소형 초임계 이산화탄소(s-CO2) 시험 루프의 설계와 실험 시설의 이론적 연구, 안정화 및 최적화를 통한 이산화탄소의 특성 연구에 초점을 맞추고 있다. 실험 시설의 열역학 사이클은 구성 요소의 한계로 인해 액체, 가스 및 초임계 CO2가 모두 존재하는 랭킨 사이클(임계점 순환 주기)이며, 펌프, 히터, 레귤레이터, 열교환기, 가스 부스터, 에어 컴프레서 등으로 구성된다. 현재 본 연구에서 제작된 12kW 소형 발전 시스템은 최고압력 12MPa 최고 온도 70℃의 조건에서 6.98%의 효율이 나타나도록 설계되었다. 본 실험 장치를 소형 Brayton cycle과 비교했을 때 약 2% 높은 효율을 가진다는 것을 이론적으로 확인하였고, 사이클 효율을 높이기 위해 최적의 터빈 입구 온도와 압력을 얻었으며, 이 조건에서 IHX(내부 열교환기)의 도입시 18.75%의 최대 효율을 기대할 수 있다는 결론을 도출하였다. 마지막으로, 실험 설비의 태양광 시뮬레이션 결과 5월에는 6.7%, 6월에는 6.26%의 효율로 태양열을 이용할 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper focuses on the design of a 12-kW small-scale supercritical CO2 test loop. A theoretical study, stabilization, and optimization of carbon dioxide were carried out with the application of a solar heat source based on solar thermal data in Pohang. The thermodynamic cycle of the test facility...

주제어

표/그림 (13)

AI 본문요약
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문제 정의

  • Qin 등의 값들을 고정시키고 T4=70 ℃, 100 ℃, 180℃ 일 때, P2,3,4=P4의 크기에 따라 변화하는 효율에 대해 연구해 보았다. IHX의 도입은 T4= 100 ℃ 일 때부터 가능하므로 100 ℃ 그래프부터 IHX에 대한 효율을 나타낼 수 있었다.
  • 본 연구에서는 태양열에 적용하기 위한 약 12 kW 급소형 발전 시스템으로 설계 및 제작되었고, 소형 s-CO2 발전 시스템 연구를 위한 기반을 닦기 위해, 점차 기술적 한계를 극복하고자 한다 [3]. 하지만 소형 s-CO2발전 시스템은 온전히 초임계 상태에서 운영될 경우 소형 회전기기가 고압으로 인한 큰 축력을 견디지 못하여 컴프레서와 터빈 설계에 어려움을 겪는 한계점을 가지고 있다.
  • =180 ℃로 설정되었다. 사이클의 효율을 높이기 위해 온도와 압력을 변수로 두고 IHX를 도입하여 사이클 효율을 높이기 위한 이론적 연구를 실시했다. 그 결과, 현재 사이클에 IHX를 도입하고, 180 ℃, 22 Mpa의 조건에 맞게 사이클을 최적화하면 사이클의 효율이 18.
  • 이에 따라 탄소 배출을 절감시키고 탄소 이용 고부가가치 산업발전을 위해 CCS(Carbon Capture and Storage), CCU(Carbon Capture and Utilization) 기술의 필요성이 주목받으며 기술 개발이 진행되어지고 있다. 이러한 배경을 바탕으로 CCU 기술의 일원인 s-CO2 발전 시스템의 도입을 통해 발전기에서의 탄소 배출을 절감시키려고 한다. s-CO2는 탄소배출 절감뿐만 아니라 매력적인 작동유체로서 다양한 산업 플랜트에 적용이 가능해서 전반적인 산업플랜트 효율 증대가 가능할 것이라 본다.

가설 설정

  • Kim (2017) 등을 참조했을 때, 배기가스 부분의 IHX의 출구온도(T6)와 펌프의 출구온도(T2)와 같게 했을 경우가 최적의 조건임을 확인하였다[6]. IHX의 크기와 출력을 고려하여 IHX의 효율을 90 % 로 가정하여 T6의 온도를 선정한 이후에 효율을 계산하였다.
  • 본 시뮬레이션의 태양열 에너지를 통한 최대 열량은 본 발전설비의 투입 열량 12 kW이고 그에 따라 태양광 패널의 면적과 효율이 가정된다. 또한, 변화하는 열량에 따라 질량유량이 변화하며 효율 또한 변화한다.
  • 소형 s-CO2 Rankine 사이클의 실험설비의 조건에 따라 사이클의 성능을 시뮬레이션하여 열효율을 계산할 때, 다음과 같은 가정을 하였다. 첫째, 배관과 열교환기에서 압력변화, 펌프와 밸브에서 온도변화는 없다.
  • 본래 실험설비의 터빈이 이론적으로 등엔트로피 팽창과정을 수행할 예정과는 달리, 터빈이 감압밸브로 대체되어 단열팽창 과정을 수행하기 때문에 실질적 출력은 불가능한 상태이다. 하지만 터빈이 있다고 가정한 뒤 출력을 계산하고 효율을 구하는 이론적 연구를 진행하였다. 초기상태의 사이클 효율은 6.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초임계 CO2(s-CO2)을 사용한 동력 사이클의 장점은? 이러한 특성으로 인해 작동 유체로 s-CO2를 사용하는 동력 사이클은 많은 장점을 갖고 있다. 초임계 상태의 CO2는 비압축성 유체이기 때문에 작은 압축일로 고압을 만들 수 있고, 점도가 낮아 유체이동이 용이하며 기포나 액적이 생기지 않는 장점이 있다. 또한, 고압 운전 특성으로 시스템의 소형화가 가능하다. s-CO2사이클의 터보 기계 크기는 스팀 Rankine 사이클과 비교했을 때, 1/10 이하로 소형화 될 수 있다[1].
소형 s-CO2발전 시스템의 한계점은? 본 연구에서는 태양열에 적용하기 위한 약 12 kW 급소형 발전 시스템으로 설계 및 제작되었고, 소형 s-CO2 발전 시스템 연구를 위한 기반을 닦기 위해, 점차 기술적 한계를 극복하고자 한다 [3]. 하지만 소형 s-CO2발전 시스템은 온전히 초임계 상태에서 운영될 경우 소형 회전기기가 고압으로 인한 큰 축력을 견디지 못하여 컴프레서와 터빈 설계에 어려움을 겪는 한계점을 가지고 있다. 또한, 급격한 물성의 변화와 재료 부식성에 대해서도 기술적 한계를 해결해야 한다.
CO2의 특징은? 또한 CO2는 무독성이고, 폭발위험이 없으며, 부식성 또한 매우 낮다. 액체 및 기체가 구별될 수 있는 최대 온도 및 압력 한계를 임계점이라하며 초임계 CO2(s-CO2)는 임계점 이상의 상태에 있는 CO2이다.
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참고문헌 (9)

  1. J-I. Lee, Y-H. Ahn, J-E. Cha, "Introduction to supercritical CO2 power conversion system and its development status". Korean Society for Fluid Machinery collection of dissertations, vol. 17, no.6, pp. 95-103, December. 2014. DOI: https://doi.org/10.5293/kfma.2014.17.6.095 

  2. Korea Atomic Energy Research Institute, "Component Technology Development for the Supercritical Gas Brayton Cycle," pp. 6-26, Ministry of Science, ICT and Future Planning, 2015. 

  3. X.R. Zhang, H. Yamaguchi "An experimental study on evacuated tube solar collector using supercritical CO2", Applied Thermal Engineering, vol. 28, no.10, pp. 1225-1233, July. 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2007.07.013 

  4. D-N. Choi, J-Y. Yu, J-S. Kwon, U-B. Lee, K-J. Pi, C-H. Son, K-Y. Lee, J-Y. Lee, J-H. Sung, "Design on Small-scale Supercritical CO2 Cycle Test Facility". The Korean Society of Mechanical Engineers an academic conference, pp. 2540-2544, December. 2018. 

  5. S-J. Kim, J-S. Lee, M-S. Kim, "Comparison and Characteristic Analysis of Supercritical CO Brayton Cycle and Steam Rankine Cycle for Waste Heat Recovery", The Society Of Air-Conditioning And Refrigerating Engineers Of Korea an academic conference, pp. 83-86, November. 2015 

  6. Y-M. Kim, J-L. Sohn, E.S. Yoon, "Supercritical CO2 Rankine cycles for waste heat recovery from gas turbine". Energy, vol 118, 1. pp. 893-905, January, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.10.106 

  7. H. Yamaguchi, X.R. Zhang, K. Fujima, M. Enomoto, N. Sawada, "Solar energy powered Rankine cycle using supercritical CO2", Applied Thermal Engineering, vol. 26, no.17-18, pp. 2345-2354, July. 2006. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2006.02.02. 

  8. C. Guo, X. Du, Y. Zhou, L. Yang, Y. Yang, "Supercritical CO2 Rankine Cycle Using Low and Medium Temperature Heat Sources". ASME. Energy Sustainability, ASME 2013 7th International Conference on Energy Sustainability, pp. 9, December. 2013. DOI: https://doi.org/10.1115/ES2013-18398 

  9. H. Yamaguchi, X.R. Zhang, D. Uneno, "Thermodynamic analysis of the CO2-based Rankine cycle powered by solar energy". International Journal of Energy Research. vol. 31, no.14, pp. 1414-1424. November, 2007. DOI: https://doi.org/10.1002/er.1304 

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