KR100873659B1 - 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 해수를 양수하여 가압기에 저장하고 저장된 원수를 전처리장치와 역삼투장치에 통과시켜 담수를 수취하는 담수화장치중 해수를 양수하는 수단으로 풍차를 적용하여 풍력에 의해 고압펌프를 회전시켜 펌프운전에 소요되는 전력에너지를 절감하고, 고염도를 갖는 해수까지 담수화가 가능하여 다량의 담수를 제공하는 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치에 관한 것이다.

본 발명의 담수화장치는 염도가 높은 원수를 원수공급수단으로 양수하고 양수된 원수를 저장하는 가압기와, 상기 가압기에 의해 일정한 압력으로 원수를 전처리장치로 공급하여 이물질의 필터링이 이루어지도록 하고, 전처리된 원수는 역삼투장치에 공급하여 멤브레인에 의해 염분의 분리가 이루어져 담수를 수취하는 역삼투식 담수화장치에 있어서, 상기 원수공급수단은 회전식 고압펌프를 사용하고, 상기 고압펌프는 풍차에 연동설치된 회전축으로부터 동력을 전달받아 구동된다.

풍차, 고압펌프, 담수화장치, 역삼투, 클러치

Description

풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치{Revers Osmosis Freshwater Apparatus using Wind Power}

도 1은 본 발명에 따른 역삼투식 담수화장치의 전체 구성도.

도 2는 본 발명의 실시일예에 따른 풍차와 회전축의 동력전달 상태를 도시한 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 크러치가 장착된 회전축을 도시한 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 플라이휠이 장착된 회전축을 도시한 개략도.

도 5는 종래 풍력을 이용한 담수화장치를 도시한 전체 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 담수화장치 20 : 풍차

30 : 고압펌프 40 : 가압기

41 : 압출공기 42 : 원수

43 : 체크밸브 50 : 전처리장치

60 : 역삼투장치 70 : 회전축

71 : 베벨기어 72 : 클러치

73 : 플라이휠

본 발명은 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 해수를 양수하여 가압기에 저장하고 저장된 원수를 전처리장치와 역삼투장치에 통과시켜 담수를 수취하는 담수화장치중 해수를 양수하는 수단으로 풍차를 적용하여 풍력에 의해 고압펌프를 회전시켜 펌프운전에 소요되는 전력에너지를 절감하고, 고염도를 갖는 해수까지 담수화가 가능하여 다량의 담수를 제공하는 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치에 관한 것이다.

일반적으로 해수나 지하수 등의 원수로부터 담수를 획득하기 위해서는 원수에 용존되어 있거나 부유하는 성분들을 용수 및 음용수 기준에 적합하도록 제거하는 담수화가 이루어져야 하며, 원수의 담수화 방법에는 특수한 막을 이용하는 역삼투법 및 전기투석법, 원수를 증기로 변화시켜서 담수화하는 증발법, 그 외에 냉동법, 태양열 이용법 등이 있다. 이러한 다양한 방법중 주로 해수의 담수화에는 증발법과 역삼투법이 사용되고, 농담수의 담수화에는 역삼투법과 전기투석법이 사용되고 있다.

상기 역삼투법에 의한 담수화시설은 물에 용해되어 있는 이온성 물질은 거의 배제되고 순수한 물은 통과되는 반투막(멤브레인)에 의해 해수 중에 용해되어 있는 이온성 물질을 여과하는 것이다. 이와같이 원수로부터 이온성 물질과 순수한 물을 분리시키기 위해서는 삼투압 이상의 높은 압력을 필요로 하는데 이때의 압력을 역삼투압이라 하며, 해수 담수화의 경우 대략 42~70bar 정도의 높은 압력을 필요로 한다.

이러한 삼투압을 제공하기 위해 담수화장치에는 원수를 저장하는 압력탱크와 상기 압력탱크에 원수를 펌핑하는 원수공급수단이 설치된다. 상기 원수공급수단은 전력을 소모하는 고압펌프를 사용하여 펌핑이 이루어지도록 하거나, 전력소모없이 자연에너지를 이용하는 풍력식이 널리 사용되고 있다.

도 5는 풍차가 적용된 역삼투식 담수화장치(1)를 도시한 개략도로써, 원수공급수단으로 풍차(2)가 설치되고, 공급된 원수는 압력탱크(가압기;3)에 저장되어 일정압력이 유지되도록 하고, 상기 압력탱크에서 배출된 고압의 원수는 전처리장치(4)를 통과하면서 이물질이 필터링되도록 하고, 상기 필터링된 원수를 역삼투장치(5)에 투입하여 멤브레인에 의해 담수의 분리가 이루어지도록 한다.

여기서 상기 원수공급수단으로 사용되는 풍차는 풍력에 의해 회전되는 블레이드인 로터의 회전력을 수직왕복운동으로 변환하여 실린더(6a) 내에 이동부재(6b)가 수직이동하여 펌핑이 이루어지도록 하는 우물용의 왕복동펌프(6)가 적용되고 있다. 상기 방법은 왕복동펌프의 최대가용양정이 100m 이하이기 때문에 원수의 염도가 비교적 낮은 5000ppm 이하에만 적용가능한 단점이 있다. 즉, 역삼투식 담수화에서는 원수의 염도가 높을수록 삼투압이 증가하므로 분리막 양단의 압력차를 더 크게 형성하여야 하며, 해수에 적용할 경우 400~700m 정도의 양정이 필요한데 상기 왕복동펌프는 적용이 어려운 실정이다.

또한, 풍차 회전축(7)과 펌프(6)를 연결하는 피스톤로드(8)가 매우 길어 동력전달 손실율이 크고, 동력 전달을 단속 제어할 수 있는 방법이 용이하지 않는 단점이 있으며, 구조상 피스톤 로드 주변으로 실린더 내의 가압수의 누수되는 문제점도 내재되어 있다.

아울러 풍속의 변화가 심할 경우 공급되는 원수의 유량 및 압력을 일정하게 유지하기위한 별도의 장치 및 제어방법이 필요하기 때문에 설비가 커지고 복잡해지는 단접이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,

담수화장치에서 원수공급수단으로 회전식 고압펌프를 적용하되 상기 회전식 고압펌프는 풍차의 회전력을 전달받아 구동이 이루어지도록 한다. 여기서 상기 풍차는 베벨기어를 통해 회전 방향을 변환시켜 풍차 로터의 회전력을 회전축을 통해 고압펌프에 전달되도록 함으로써, 전력을 사용하지 않고, 동력전달의 손실을 저감시키면서 회전식 펌프를 구동시킬 수 있다.

또한, 상기 풍차로부터 회전력을 전달받는 회전축에 플라이휠과 클러치를 장착하여 풍속의 변화에 따른 회전속도의 불안정성을 완화하고 회전력의 전달을 용이하게 단속하도록 하는 등 자연에너지를 이용하여 고압의 펌프를 구동시켜 담수화 효율을 향상시킬 수 있는 친환경적인 장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치는,

염도가 높은 원수를 원수공급수단으로 양수하고 양수된 원수를 저장하는 가압기와, 상기 가압기에 의해 일정한 압력으로 원수를 전처리장치로 공급하여 이물질의 필터링이 이루어지도록 하고, 전처리된 원수는 역삼투장치에 공급하여 멤브레인에 의해 염분의 분리가 이루어져 담수를 수취하는 역삼투식 담수화장치에 있어서, 상기 원수공급수단은 회전식 고압펌프를 사용하고, 상기 고압펌프는 풍차에 연동설치된 회전축으로부터 동력을 전달받아 구동된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 역삼투식 담수화장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시일예에 따른 풍차와 회전축의 동력전달 상태를 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 크러치가 장착된 회전축을 도시한 개략도이고, 도 4는 본 발명에 따른 플라이휠이 장착된 회전축을 도시한 개략도이다.

본 발명에 따른 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치(10)는 원수를 양수하는 회전식 고압펌프(30)와, 상기 고압펌프에 전달하기위한 동력을 생산하는 풍차(20)와, 상기 고압펌프에 의해 양수된 원수를 고압으로 저장하는 가압기(40)와, 상기 가압기로부터 고압의 원수에 포함되어 있는 이물질을 필터링하는 전처리장치(50) 와, 상기 필터링된 원수를 유입하여 역삼투에 의해 염분을 분리하는 역삼투장치(60)를 포함하여 구성된다.

상기 회전식 고압펌프(30)는 체적식 펌프를 사용하는 것으로, 대표적으로는 프로콘펌프, 기어펌프, 피스톤펌프, 플런저펌프가 있다. 이러한 고압펌프를 구동시키기 위한 동력은 풍차에 의해 전달받는 것으로 회전축(70)에 의해 풍차(20)의 로터에서 발생되는 회전동력이 고압펌프(30)로 전달된다.

여기서 풍력으로 회전에너지를 생성하는 풍차(20)는 도 2를 참조한 바와 같이 회전축(70)과 베벨기어(71)로 연결되어 생성된 회전력을 회전축에 전달하고, 상기 회전축(70)은 타단에 결합된 고압펌프(30)에 풍차로부터 전달받은 회전력을 전달하여 고압펌프가 구동되도록 한다. 아울러, 상기 회전축과 고압펌프의 연결도 베벨기어를 사용하여 동력의 손실을 최소화하면서 동력전달이 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 상기 회전축(70)에는 도 3에 도시된 바와 같이 클러치(72)를 설치하여 동력전달을 임의로 단락할 수 있다. 예컨대, 가압기(40)에 저장된 원수가 포화상태일 경우 클러치(72)를 단락시킴으로써 풍차(20)에서 전달되는 동력을 차단하여 고압펌프(30)를 정지시키게 하고, 가압기(40)에 원수의 보충이 필요할 때에는 단락된 클러치(72)를 연결하여 풍차(20)에서 발생된 회전력을 고압펌프(30)로 전달해 구동이 이루어지도록 한다.

다음으로 상기 회전축(70)에는 도 4에 도시된 바와 같이 플라이휠(73)이 더 장착될 수 있다. 상기 플라이휠은 회전관성을 갖도록 하여 풍속변화에 따른 불안전 한 회전력을 완화시켜 회전력세기의 변화 폭을 작게 하도록 한다. 이러한 플라이휠은 도시된 바와 같이 회전축(70)에 설치되거나 풍차의 회전축에 설치되어 회전관성이 부여되도록 할 수 있다.

한편 상기 가압기(40)는 풍력으로 구동되는 고압펌프(30)에 의해 양수된 원수가 저장되는 탱크로, 내부공간의 상측에 압축공기(41)가 내포되도록 하고, 공급받는 원수(42)는 하측으로 유입되도록 하여 고압펌프의 양수압력이 가압기 내부의 압축공기(41) 압력보다 클 경우 원수(42)의 유입이 이루어지도록 한다. 이 때 가압기 내부의 압력은 유입된 원수와 비례하여 높아지게 되며, 상기 고압펌프에서 가압기로 원수를 공급하는 공급관에는 체크밸브(43)를 설치하여 원수가 고압상태의 가압기에서 고압펌프 방향으로 역류되는 것을 방지하도록 할 수 있다.

또한, 상기 가압기(40)에는 압력센서를 장착하여 배출에 의해 압력이 낮아질 경우 단락된 클러치(72)를 연결하도록 하여 고압펌프(30)가 구동되도록 함으로써 원수를 보충하도록 할 수 있으며, 이와 반대로 압력센서에서 감지된 압력이 높을 경우에는 연결된 클러치를 단락시켜 풍차의 회전력이 고압펌프에 전달되는 것을 차단해 고압펌프의 구동을 멈추게 할 수 있다.

상기 가압기(40)에서 배출되는 가압원수는 전처리장치(50)를 통해 이물질을 필터링한다. 상기 전처리장치는 공지된 다양한 과정이 적용될 수 있는 것으로, 일예로는 망체를 통과시켜 이물질을 제거하거나, 침전조와 부상조를 통과시켜 부유물 제거와 질량이 높은 물질을 침전 제거하는 방법이 적용될 수 있다.

상기 전처리된 원수는 역삼투장치(60)에 공급되어 염분 농도를 낮춘 생산수 를 수득할 수 있다. 상기 역삼투장치에는 멤브레인이 설치되어 염분과 생산수의 분리가 이루어진다. 상기 멤브레인을 통과한 원수는 염분이 제거된 생산수 즉 담수로써 저장조에 저장되도록 하고, 멤브레인을 통과하지 못한 원수는 염분의 농도가 높은 농축수가 되어 배출된다.

상기한 바와같이 구성되는 본 발명의 담수화장치(10)의 구동상태를 살펴보면, 풍력에 의해 풍차(20)의 블레이드가 회전되고, 그 회전력은 베벨기어(71)를 통해 회전축(70)에 전달되고, 회전축(70)은 전달받은 회전력을 고압펌프(30)에 전달하여 구동이 이루어지도록 한다. 이때 상기 회전축(70)에는 클러치(72)와 플라이휠(73)을 장착하여 회전력전달의 단속과 급속한 풍속변화에 따른 회전력의 변화를 완충시키도록 한다. 이러한 회전력을 전달받은 고압펌프(30)는 원수를 10~60기압으로 가압하여 가압기(40)에 주입한다. 상기 가압기(40)에 저장된 가압원수는 전처리장치(50)를 통해 이물질을 분리하고, 고압상태에서 역삼투장치(60)에 공급되어 멤브레인에 의해 삼투압으로 염분이 분리되어 500ppm 이하의 담수가 생산된다.

특히 고압펌프의 가압력이 높으므로, 400 ~ 700m의 양정이 가능하여 해수 수준의 35000ppm의 염도를 갖는 원수의 양수도 가능하며, 고염도의 원수를 공급할 수 있음에 따라 역삼투장치에서의 삼투압에 따른 담수생산을 증가시킬 수 있다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 풍력을 이용한 역삼투식 담수 화장치는,

담수화장치에서 원수공급수단으로 회전식 고압펌프를 적용하되 상기 회전식 고압펌프는 풍차의 회전력을 전달받아 구동이 이루어지도록 한다. 여기서 상기 풍차는 베벨기어를 통해 회전 방향을 변환시켜 풍차 로터의 회전력을 회전축을 통해 고압펌프에 전달되도록 함으로써, 전력을 사용하지 않고, 동력전달의 손실을 저감시키면서 회전식 펌프를 구동시킬수 있음은 물론 담수화장치의 운전비용의 40~60%를 차지하는 펌프구동전력비를 절감시킬 수 있다.

또한, 상기 풍차로부터 회전력을 전달받는 회전축에 플라이휠과 클러치를 장착하여 풍속의 변화에 따른 회전속도의 불안정성을 완화와 회전력의 전달을 용이하게 단속하도록 하는 등 자연에너지를 이용하여 고압의 펌프를 구동시켜 담수화율을 향상시킬 수 있는 친환경적인 유용한 장치의 제공이 가능하게 되었다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

Claims (5)

1. 염도가 높은 원수를 원수공급수단으로 양수하고 양수된 원수를 가압기(40)에 저장하고, 상기 가압기에 의해 일정한 압력으로 원수를 전처리장치(50)로 공급하여 이물질의 필터링이 이루어지도록 하고, 전처리된 원수는 역삼투장치(60)에 공급하여 멤브레인에 의해 염분의 분리가 이루어져 담수를 수취하는 역삼투식 담수화장치(10)에 있어서,

   상기 원수공급수단은 회전식 고압펌프(30)를 사용하고, 상기 고압펌프는 풍차(20)에 연동설치된 회전축(70)으로부터 동력을 전달받아 구동하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 풍차(20)와 회전축(70)은 베벨기어(71)에 의해 동력이 전달되도록 한 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 회전축(70)에는 회전식 고압펌프의 구동을 단속하도록 클러치(72)가 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 회전축(70)에는 풍속변화에 따른 기기의 안정성을 제공하기 위해 회전관성을 갖는 플라이휠(73)이 장착되는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 회전식 고압펌프(30)는 체적식 펌프를 사용하는 것을 특징으로 하는 풍력을 이용한 역삼투식 담수화장치.

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