태양열을 이용한 소규모 유기랭킨사이클용 마이크로터빈 설계 및 성능분석

Abstract

최근 전 세계적으로 탄소중립을 달성하기 위한 수단 중 하나로 ORC가 주목받고 있다. ORC의 주요 장점 중 하나는 산업 공정의 폐열, 지열 및 태양에너지를 포함한 광범위한 열원을 사용할 수 있다는 것이다. 그 중, 태양열 에너지는 온실가스를 생산하지 않고, 화석연료 의존도를 크게 줄일 수 있으며, 장소에 대한 제약이 크지 않다는 이점이 있다. 본 연구에서는 태양열 집열기에서 생산되는 열특성을 고려하여 4-kW 급 저용량 ORC 터빈을 설계하였다. ORC의 작동유체는 열역학적 특성 및 환경요인에 대한 요구사항을 고려하여 R1233zd(E)가 선정되었다. 터빈 설계는 작동조건을 결정하는 것으로부터 시작되며, 이는 사이클 설계 과정에서 도출된다. 열원의 사양과 터빈의 크기 및 시스템 요구조건 등을 고려하여 사이클 해석을 수행하였으며, 시뮬레이션 결과 약 12.9%의 사이클 열효율이 도출되었다. 결정된 터빈 작동조건과 주요 설계 무차원수를 활용하여 평균 반경을 따라 유로 및 단면 형상을 설계하였다. 설계 결과, 4-kW ORC 용 1단 축류형 마이크로 터빈은 압력비 5.4에서 회전수 95,000 rpm 기준 전 효율 79.69%, 정미 출력은 4.15 kW가 예측되었다. 이후, 3차원 CFD 분석을 통하여 공력 특성을 평가하고, 2차원 성능해석 결과와 비교하여 설계 방법론의 유효성을 입증하였다. 또한, 주요 작동조건의 변화가 터빈 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 파라메트릭스터디가 수행되었으며, 이를 기반으로 실제 발전시스템 운전 시 가변적인 열원 환경 및 시스템 요구 성능에 대하여 운전 안정성 및 신뢰성을 확보할 수 있음을 시사한다.|Organic Rankine Cycle (ORC) is one of the promising technologies for achieving carbon neutrality. One of the main advantages of ORC is its ability to use a wide range of heat sources, including industrial waste heat, geothermal energy, and solar heat energy. Among them, solar heat energy has the advantages of not producing greenhouse gases, significantly reducing dependence on fossil fuels, and being relatively location-independent. In this study, a 4-kW low-capacity ORC turbine was designed considering the thermal characteristics of solar thermal collectors. The working fluid of ORC was selected as R1233zd(E) considering the thermodynamic characteristics and environmental requirements. The turbine design starts with determining the operating conditions, which are derived from the cycle design process. The cycle analysis was performed considering the specifications of the heat source, the size of the turbine, and the system requirements. The simulation results showed a cycle thermal efficiency of about 12.9%. The flow and cross-sectional shape were designed along the mean radius using the determined turbine operating conditions mentioned above and major design dimensionless numbers. As a result of the design, the 1-stage axial-flow microturbine for 4-kW ORC is predicted to have an electrical efficiency of 79.69% and power output of 4.15 kW at a pressure ratio of 5.4 and rotation speed of 95,000 rpm. Then, the aerodynamic characteristics were evaluated through 3D CFD analysis, and the validity of the design methodology was proved by comparing with the results of 2D performance analysis. In addition, a parametric study was conducted to investigate the influence of changes in the main operating conditions on turbine performance. Based on this, it is suggested that the operational stability and reliability can be obtained for variable heat source conditions and system performance requirements during actual power generation system operation.