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SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 서론 15
제1절 연구배경 15
제2절 연구개요 16
제3절 연구목표 18
1. 최종목표 18
2. 년차별 목표 및 내용 18
제4절 연구 필요성 19
1. 기술적 측면 19
2. 경제·산업적 측면 19
3. 정책적 측면 19
4. 기존 연구사업과의 차별성 19
제5절 국내외 기술개발 현황 20
1. 해외 기술개발 현황 20
2. 국내 기술개발 현황 21
제2장 ORC 시스템 설계 제작 22
제1절 열원선정 및 특성 분석 22
제2절 유기냉매 사이클 작동유체 선정 24
제3절 ORC 사이클 설계 및 제작 35
1. 사이클 해석 35
2. 사이클 제작 38
제4절 터빈 설계 및 제작 44
1. 터빈 1차원 설계 44
2. 블레이드 3차원 공력설계 52
3. 터빈 제작 66
제5절 실험 및 결과 100
제3장 고효율 열교환시스템 설계 102
제1절 소결 코팅 파이프의 열전달 성능에 관한 연구 102
1. 실험장치 및 방법 103
2. 결과 및 고찰 106
3. Shell-and-Tube 열교환기의 열전달 성능 해석 방법 109
제4장 전력변환시스템 설계 116
제1절 전력변환장치 토폴로지 효율분석 119
1. 다이오드 정류기 120
2. 부스트 컨버터 121
3. PWM 정류기와 인버터 121
4. 시뮬레이션 결과 122
제2절 ORC-MTG 시스템 모델 및 운전 특성 123
제3절 영구자석 동기 발전기의 모델링 126
1. 영구자석 동기 발전기의 동적 모델 126
2. 고정자의 철손 (Core loss)을 고려한 발전기 모델 128
3. 영구자석 동기 발전기의 정상상태 모델 129
제4절 영구자석 동기 발전기의 토오크 각 131
제5절 영구자석 동기 발전기의 벡터제어 알고리즘 133
1. 최대 토오크/전류 제어 133
2. 최대 역률 제어 138
3. 발전기의 최대 효율 제어 142
제6절 영구자석 동기 발전기의 전류제어 145
제7절 벡터제어 알고리즘 시뮬레이션 146
1. 시스템 구성 146
2. 시뮬레이션 147
제8절 실험 시스템의 구현 154
1. Space Vector PWM 구현 155
2. 공간 벡터 인가 시간 계산 155
3. 각 상의 게이팅 인가 시간 158
4. Event Manager (EV) 설정 161
5. 실험 결과 162
제9절 결론 167
제5장 결론 169
참고문헌 171
서지정보양식 174
BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET 175
〈표 1-1〉 년차별 목표 및 내용 18
〈표 2-1〉 포화증기 곡선 및 I-factor 28
〈표 2-2〉 작동유체 물성치 29
〈표 2-3〉 R123 및 R245fa 열효율 비교 32
〈표 2-4〉 R123 물성치 33
〈표 2-5〉 R245fa 물성치 34
〈표 2-6〉 설계점에서의 열역학 특성치 36
〈표 2-7〉 터빈 1-D 기초형상 52
〈표 2-8〉 터빈 1-D 경계 조건 53
〈표 2-9〉 터빈 설계 변수 53
〈표 2-10〉 CFD 해석 조건 54
〈표 2-11〉 터빈 1-D 설계 결과 65
〈표 2-12〉 Real Cycle Data Table 71
〈표 2-13〉 터빈모델 사양 71
〈표 2-14〉 Section Number 73
〈표 2-15〉 Flow Conditions at Scroll Volute 75
〈표 2-16〉 터빈 노즐 Flow Capacity 76
〈표 2-17〉 터빈 노즐 Inlet Flow Conditions 77
〈표 2-18〉 터빈 로터 Inlet Flow Conditions 82
〈표 2-19〉 디퓨저 직경 계산 84
〈표 2-20〉 Axial Load Analysis Results 87
〈표 2-21〉 Technical Specification of Bearing 88
〈표 2-22〉 Rotor Property Data Table 89
〈표 2-23〉 PMSG Characteristic Data at Initial Operation (T = 30℃) 95
〈표 2-24〉 PMSG Characteristic Data at Rated Operation (T = 150℃) 95
〈표 2-25〉 Winding Sequence 96
〈표 2-26〉 Structural Design Data for Magnet Sleeve 99
〈표 4-1〉 영구자석 동기 발전기의 파라미터 147
〈표 4-2〉 인버터의 스위칭 상태 및 출력 상전압과 전압 벡터 156
〈표 4-3〉 섹터에 따른 각 상의 게이트 인가 신호 160
[그림 1-1] MGT-ORC 하이브리드 시스템 개요도 16
[그림 1-2] ORC 시스템 개요도 17
[그림 2-1] 65kW급 캡스턴사 마이크로가스터빈 22
[그림 2-2] 물 T-S 선도 27
[그림 2-3] R245fa T-S 선도 27
[그림 2-4] 작동유체별 증발압력 32
[그림 2-5] ORC 시스템 기본구조 및 설계점 36
[그림 2-6] 터빈입구 온도에 따른 사이클효율 및 출력 37
[그림 2-7] T-S 선도 37
[그림 2-8] ORC 시스템 P&ID 39
[그림 2-9] ORC 시스템 실험장치 39
[그림 2-10] 스크류 팽창기 및 유도발전기 40
[그림 2-11] 고속 터빈 및 발전기 40
[그림 2-12] 증발기 41
[그림 2-13] 응축기 41
[그림 2-14] 냉각수 냉각탑 42
[그림 2-15] 시스템 제어판넬 42
[그림 2-16] 로드뱅크 43
[그림 2-17] 터빈 입출구 압력비에 따른 사이클 효율 44
[그림 2-18] 반경 터빈의 내부 유동 45
[그림 2-19] 반경터빈 1-D 설계 방안 흐름도 50
[그림 2-20] 터빈 입출구 압력비에 따른 터빈의 크기와 회전수 변화 51
[그림 2-21] 터빈 입출구 압력비에 따른 터빈 입구 마하수 52
[그림 2-22] CFD Grid 형상 54
[그림 2-23] CFD Grid independence 55
[그림 2-24] 터빈 블레이드 수에 따른 터빈 형상 56
[그림 2-25] 터빈 블레이드 수에 따른 효율의 변화 56
[그림 2-26] 터빈 블레이드 수에 따른 입출구 압력비 변화 57
[그림 2-27] 터빈 입구 flow angle과 최적의 블레이드 수 관계(Whitfield, 1990) 58
[그림 2-28] Beta distribution 58
[그림 2-29] Beta distribution 에 따른 효율의 변화 59
[그림 2-30] Beta distribution 변화에 따른 터빈 로터 내 유동 변화 60
[그림 2-31] 모델별 beta distribution (1) 61
[그림 2-32] 모델별 beta distribution (2) 62
[그림 2-33] 모델별 meridional 단면 형상 63
[그림 2-34] meridional 단면 형상에 따른 효율 변화 64
[그림 2-35] 팁간극 및 유동 64
[그림 2-36] 최종 터빈 모델 형상 66
[그림 2-37] Ideal ORC T-S Diagram 67
[그림 2-38] Ideal ORC Pressure Ratio 68
[그림 2-39] Ideal ORC Performances 69
[그림 2-40] Radial Turbine Efficiency Chart (from Balje) 70
[그림 2-41] Main Dimensions of Model Turbine 72
[그림 2-42] Gas Dynamic Design of Scroll Volute 74
[그림 2-43] NACA A3K7 Base Profile and Camber Line 78
[그림 2-44] Camber Line Construction 79
[그림 2-45] Conformal Transformation of Vane Profile 79
[그림 2-46] Calibration of Nozzle Throat Diameter 80
[그림 2-47] 터빈 Nozzle (Number of Vanes = 18) 80
[그림 2-48] 터빈 로터 (Axial View and Meridional View) 81
[그림 2-49] Velocity Triangle at 로터 Inlet and Exit 81
[그림 2-50] 터빈 Performance Characteristic Maps 83
[그림 2-51] Gas Dynamic Design of Conical Diffuser 84
[그림 2-52] Free Body Diagram for Axial Load Analysis 85
[그림 2-53] Control Volume for Turbine Rotor Foreface 86
[그림 2-54] Rotor and Rotor Supports 87
[그림 2-55] Rotor Dynamic Analysis Model 88
[그림 2-56] Critical Speed Map 89
[그림 2-57] Mode Shapes of Critical Speeds (k = 108 N/m) 90
[그림 2-58] 발전기 구동 방식 비교 91
[그림 2-59] Fore-Driving Turbogenerator 91
[그림 2-60] Rear-Driving Turbogenerator 92
[그림 2-61] Radial Dimensions of Synchronous Generator 94
[그림 2-62] Electrical Performance Characteristic Map 94
[그림 2-63] A-Phase Wingding Diagram 96
[그림 2-64] B-Phase Wingding Diagram 97
[그림 2-65] C-Phase Wingding Diagram 97
[그림 2-66] Centrifugal Stress Distribution and Magnet Retention) 98
[그림 2-67] Stress Distribution in Permanent Magnet 99
[그림 2-68] Stress Distribution in Magnet Sleeve 100
[그림 2-69] 터빈입구 온도에 따른 사이클 효율 실험결과 101
[그림 2-70] 실험결과 T-S 선도 101
[그림 3-1] 실험장치 103
[그림 3-2] 파이프 겉면 104
[그림 3-3] 파이프 내면 104
[그림 3-4] 열전달계수 105
[그림 3-5] 열전달 특성 105
[그림 3-6] 나노튜브 열전달 특성 107
[그림 3-7] 나노유체 열전달 특성 107
[그림 3-8] 소결 파이프 108
[그림 3-9] 열교환기 계산 로직 109
[그림 3-10] Tube side outlet temperature for smooth tube 111
[그림 3-11] Tube side outlet temperature for spiral tube 112
[그림 3-12] Shell side outlet temperature for smooth tube 112
[그림 3-13] Tube side heat transfer for shell-and-tube 114
[그림 3-14] Outlet temperature with variation of correction factor 114
[그림 4-1] 터빈/발전시스템용 계통연계형 전력변환장치 116
[그림 4-2] 마이크로 터빈/PMSG의 출력특성 예 117
[그림 4-3] 마이크로 터빈/PMSG의 벡터제어 블록다이어그램 117
[그림 4-4] 계통연계 인버터 시스템의 제어 블록다이어그램 118
[그림 4-5] ORC 터빈/발전기용 전력변환장치 토폴로지 119
[그림 4-6] 다이오드의 정방향 특성 및 모델링 120
[그림 4-7] 콜렉터-에미터 포화전압특성 및 모델링 121
[그림 4-8] 전력변환장치의 효율곡선 122
[그림 4-9] ORC-MTG 시스템의 구성도 123
[그림 4-10] MTG-PMSG-Feed pump의 기계적인 연결 구조 124
[그림 4-11] Mechanical Input Power vs. Revolving Speed 125
[그림 4-12] 영구자석 동기 발전기의 단면과 전기적인 3상 등가회로 126
[그림 4-13] 영구자석 동기 발전기의 dq축 전기적 모델 127
[그림 4-14] 철손을 고려한 영구자석 동기 발전기의 dq축 전기적 모델 129
[그림 4-15] 영구자석 동기 발전기의 정상상태 페이저 도 (Lagging Power Factor) 130
[그림 4-16] 영구자석 동기 발전기의 토오크 생성 131
[그림 4-17] 토오크 각에 따른 발전기의 토오크 (Ld＜Lq)(이미지참조) 132
[그림 4-18] 표면 부착형과 매입형의 토오크 각 비교 133
[그림 4-19] id(이미지참조) = 0 일 경우 페이저 도 134
[그림 4-20] 영구자석 동기 발전기의 벡터제어를 위한 전류명령 발생 방법 136
[그림 4-21] 여러 토오크 조건에서 iq에 대한 최적의 id(이미지참조) 137
[그림 4-22] 여러 토오크 조건에서 idq에 대한 최적의 id(이미지참조) 138
[그림 4-23] 최대 역률 제어를 위한 페이저 도 139
[그림 4-24] 터미널 전압의 위상 검출을 위한 PLL 141
[그림 4-25] 최대 역률 제어를 위한 시스템 구성 141
[그림 4-26] d축 전류 변화에 대한 발전기의 손실 그래프 144
[그림 4-27] Synchronous PI 전류 제어기의 구조 145
[그림 4-28] ORC-MTG 영구자석 동기 발전기 벡터제어 시스템 구성도 146
[그림 4-29] 3상 PWM 인버터의 동작 파형 149
[그림 4-30] Synchronous PI 전류제어기의 특성 149
[그림 4-31] 영구자석 동기 발전기 벡터제어 시뮬레이션 (id=0, iq=10A)(이미지참조) 150
[그림 4-32] 영구자석 동기 발전기 벡터제어 시뮬레이션 (id=0, iq=5A)(이미지참조) 150
[그림 4-33] 영구자석 동기 발전기 벡터제어 시뮬레이션 (idq=10A, id=-4)(이미지참조) 151
[그림 4-34] 영구자석 동기 발전기 벡터제어 시뮬레이션 (idq=5A, id=-1.2A)(이미지참조) 151
[그림 4-35] 토오크 각에 따른 출력 전력의 변화 152
[그림 4-36] 토오크 각의 변화에 따른 출력전력의 변화 153
[그림 4-37] 실험 시스템 구성 154
[그림 4-38] Space vector PWM (SVPWM) 블록도 155
[그림 4-39] 스위칭 상태와 전압 벡터 156
[그림 4-40] 섹터 1에서 지령 출력 전압 벡터 157
[그림 4-41] 섹터 1에서 케이트 인가 신호 158
[그림 4-42] 각 섹터의 게이트 인가 신호 파형 159
[그림 4-43] 각 섹터의 게이트 인가 신호 파형 (계속) 159
[그림 4-44] 대칭 PWM 파형 생성 161
[그림 4-45] SPM을 이용한 인버터 162
[그림 4-46] SPM을 이용한 인버터 회로 구성 163
[그림 4-47] TMS320F2812 DSK 164
[그림 4-48] SVPWM 방식을 이용한 각 상의 게이트 구동 신호 파형 164
[그림 4-49] a상의 게이트 인가 신호 165
[그림 4-50] a상 전류와 b상 전류 165
[그림 4-51] 선간 전압 Vab와 a상의 전류 파형 166
[그림 4-52] a상의 극전압, a상 전류, 그리고 선간 전압 Vab 166
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