KR101022367B1 - 태양광 해수 담수화 장치 - Google Patents

태양광 해수 담수화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양의 위치 변경과 무관하게 태양광을 최대한 포집하여 이용할 수 있는 태양광 해수 담수화 장치를 제공함에 목적이 있다.
본 발명에 따른 태양광 해수 담수화 장치는, 해수조; 상기 해수조로부터 내부 공간으로 해수가 유입되는 가열부; 원통형상의 집열관; 및 상기 집열관의 내부에 삽입되고, 일부가 상기 집열관에 의해 밀봉되는 적어도 하나 이상의 히트 파이프를 포함할 수 있고, 상기 히트 파이프는 상기 집열관의 일단부로부터 소정 길이만큼 돌출되며, 상기 히트 파이프의 돌출 부위는 상기 가열부에 삽입되어 상기 가열부 내부 공간의 상기 해수와 접촉할 수 있다.

Description

태양광 해수 담수화 장치{SEA WATER DESALINATION DEVICE USING SOLAR ENERGY}
본 발명은, 태양광 해수 담수화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광을 이용하여 해수로부터 담수를 생산하기 위한 태양광 해수 담수화 장치에 관한 것이다.
최근 세계적으로 물부족 문제가 대두되고 있으며 이러한 물부족은 더욱 심각해질 전망이다. 이와 같은 물부족 문제를 해결하기 위한 방안으로 댐 건설, 지하수 개발 등이 있으나, 댐 건설의 경우에는 자연환경의 훼손뿐만 아니라 막대한 비용이 소요되는 어려움이 있다. 또한, 지하수 개발의 경우에도 무분별한 개발로 인해 지하수가 고갈되어 가고 있을 뿐만 아니라 지하수의 오염이 심각하므로 수자원의 확보가 쉽지 않고 장기적으로는 근본적인 해결책이 되지 못한다.
지구에는 약 14억 ㎦의 물이 있는 것으로 추정되고 있는데, 이 중에서 해수가 약 97.5%로서 대부분의 물은 해수로서 존재하고, 담수는 2.5%인 3500만㎦ 정도 존재하는 것으로 알려지고 있다.
담수(淡水)는 극지방의 빙하와 빙산이 1.75%(담수의 70%), 지하수(매우 깊은 곳에 있는 것)가 약 0.73%(담수의 29%), 강, 호수, 늪……등에 존재하는 물은 약 0.02%로, 이 중에서 인간은 하천의 물을 제일 많이 이용하고 있으며, 우리가 사용할 수 있는 물은 대략 0.01%에 지나지 않는다.
세계에서 물부족의 문제는 점차 심각하게 대두되는 상황이며, 우리나라에서도 농업용수의 부족으로 인하여 지표면 수백 미터 아래로부터 상당량의 지하수를 채취하여 사용하는 실정이다. 우리나라의 지하수 이용량은 37.5억㎥(연간 지하수 개발 가능량의 약 32%)이며, 이용 지하수의 대부분은 생활용수(49%)와 농업용수(44%)이다.
UN에서 국제인구행동연구소(PAI)의 분류를 인용해 발표한 자료에 따르면 우리나라는 짐바브웨, 레바논, 소말리아, 남아프리카공화국, 체코, 폴란드, 덴마크 등과 더불어 연간 1인당 가용수량이 1천㎥이상 1천700㎥이하인 물부족(Water stressed) 국가로 분류되어 있다.
우리나라의 연평균 강수량은 세계평균보다 1.3배 정도 많은 1283㎜이지만, 인구밀도가 높아 1인당 강수량은 세계평균의 10분의1 수준이며, 게다가 이 가운데 45%는 증발하거나 지하로 침투해 55%만이 하천으로 흘러든다.
특히 우기인 6월∼9월에 전체 강수량의 64.5%가 집중되는데, 이 시기의 강우는 대부분 홍수로 유실되며, 따라서 효율적인 수자원 관리 대책을 수립하지 않는 한 물부족 사태는 점점 악화될 것이다. 우리나라의 장래 물 수급전망은 다양한 물 절약에 의한 수요관리와 댐 연계 운영 등 기존시설의 효율적인 활용을 감안하더라도 2011년이면 약 12억㎥의 물이 부족할 것으로 예측되고 있다.
전 세계는 인구증가, 도시화 및 산업화 등으로 인하여 물 부족, 수질오염, 홍수 등의 문제가 점차 증가하고 있으며, 농업용수, 공업용수, 및 생활용수의 부족으로 인하여 지하수 사용량이 증가하는 추세이다. 따라서 물 문제에 적절히 대응해 나가려면, 물에 관한 기술지원이나 물 문제 해결을 위한 과학기술의 조사 및 연구를 진행시켜 나가는 것이 필요하다.
물부족에 대한 방안으로써 일반적으로, 중동지역, 무인도, 낙도 및 해상 기지 등과 같이 담수가 부족한 지역에서는 별도의 담수화 설비를 건설하여 해수를 담수화하여 용수로 사용하고 있다.
해수 담수화란 염분을 포함하고 있는 해수에서 염분을 제거하여 담수를 얻는 것을 일컫는 것으로서, 해수 담수화를 처리하는 방법으로는 크게 물의 증발 현상을 이용하는 증발법, 막의 차별성과 선택적 통과 능력을 이용하는 막여과법 등이 있으며, 막여과법은 세부적으로 역삼투법(reverse osmosis)과 전기투석법(electrodialysis) 등으로 구분된다.
하지만, 상기와 같은 담수화 설비는 건설에 막대한 자금이 소요될 뿐만 아니라 많은 에너지를 필요로 하는 문제가 있고, 육상의 특정 지역에 건설된 담수화 설비로부터 멀리 떨어진 곳으로 담수를 공급하는 것 또한 쉽지 않아 담수화 설비를 통해서 용수를 공급할 수 있는 지역이 한정되어 있는 문제점이 있다.
따라서, 장치의 크기가 작고, 에너지 소모가 적은 해수 담수화 장치의 필요성은 매우 크다고 할 수 있겠다.
도 1은 종래의 기술에 따른 평판형 집열판의 사시도, 및 도 2는 태양의 위치 변화에 따른 태양광의 입사각 변화를 나타내는 도면이다.
태양광을 이용한 해수 담수화 장치는 태양광을 이용하여 해수를 가열함으로써 담수를 얻기 위한 장치이다. 일반적으로 평판형의 집열판(10)을 이용하여 히트파이프(20)를 가열시킴으로써 해수를 가열하고, 가열된 해수를 증발시킴으로써 담수를 생산하는 증발법을 이용한다. 하지만, 도 2를 참조하면, 태양(30)의 위치는 지구 공전에 의하여 시시각각 변하므로 집열판(10)이 태양(30)을 향하는 경우(도 2에서 'B'의 위치)에는 집열 성능이 좋지만, 집열판(10)이 태양(30)을 향하지 않는 경우(도 2에서 'A', 및 'C'의 위치)에는 집열 성능이 현저히 저하된다. 따라서, 일조 시간대에 따라 해수의 가열이 일정하지 못하고, 특히 일출시와 일몰시에 집열 성능이 매우 좋지 않다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 집열판에 구동부를 구비하고, 태양의 위치 변화에 따라 집열판이 항시 태양을 향하도록 집열판을 회전시켜주는 장치가 제안되었다. 하지만, 이 경우에 구동부의 설치로 인한 비용, 및 유지 보수비용이 추가로 발생하고, 장치의 무게가 증가하는 문제가 있다. 또한, 집열 효율을 높이기 위하여 집열판을 진공관 내부에 설치할 수 있는데, 이 경우에 구동부가 집열판과 연결되는 부위에서 진공관의 진공을 유지하기 위한 추가적인 구성 요소 발생, 또는 형상 변경이 발생하므로 생산 비용, 및 유지 보수 비용이 증가한다. 더하여 태양은 계절에 따라 일출과 일몰 시간이 변화하므로, 이에 대응하여 집열판의 회전 정도를 수시로 변경해 주어야 하는 문제가 있다.
본 발명은 화석 연료 등을 사용하지 않고, 태양광을 이용하여 해수로부터 담수를 생산하기 위한 태양광 해수 담수화 장치를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 시시각각 변하는 태양의 위치에 무관하게 태양광을 최대한 이용할 수 있는 태양광 해수 담수화 장치를 제공함에 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 낭비되는 태양광을 최대한 이용할 수 있는 태양광 해수 담수화 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명에 따른 태양광 해수 담수화 장치는, 해수조; 상기 해수조로부터 내부 공간으로 해수가 유입되는 가열부; 원통형상의 집열관; 및 상기 집열관의 내부에 삽입되고, 일부가 상기 집열관에 의해 밀봉되는 적어도 하나 이상의 히트 파이프를 포함할 수 있고, 상기 히트 파이프는 상기 집열관의 일단부로부터 소정 길이만큼 돌출되며, 상기 히트 파이프의 돌출 부위는 상기 가열부에 삽입되어 상기 가열부 내부 공간의 상기 해수와 접촉할 수 있다.
바람직하게는, 태양광이 통과할 수 있는 투명한 재질로 이루어지고, 상기 집열관이 삽입되는 투명관을 더 포함할 수 있고, 상기 집열관은 상기 투명관에 의해 밀봉되고, 상기 투명관과 상기 집열관의 사이는 진공 상태일 수 있다.
바람직하게는, 상기 투명관 외부의 일측에 위치하여 상기 태양광을 상기 집열관으로 반사시키기 위한 광반사부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 히트 파이프에 의해 가열되는 상기 해수가 증발하여 생성되는 증기를 냉각시키기 위한 냉각부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각부로부터 배출되는 담수를 포집하기 위한 담수조
를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 히트 파이프는 상기 집열관의 내면과 접촉할 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각부는 복수의 방열핀을 가지는 냉각관을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광반사부의 광반사면은 상기 집열관의 형상에 대응하여, 상기 집열관의 곡률과 동일한 곡률을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 히트 파이프는 나선형상을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 태양광 해수 담수화 장치는, 태양광을 이용하여 해수로부터 담수를 생산할 수 있으므로 전력 또는 기타 에너지 비용을 절감할 수 있고, 장치의 구성이 단순하여 고장 등의 발생이 적으며, 시시각각 변하는 태양의 위치에 무관하게, 그리고 낭비되는 태양광을 최대한 이용할 수 있으므로 담수화 성능과 에너지 효율이 매우 우수한 효과가 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 평판형 집열판의 사시도,
도 2는 태양의 위치 변화에 따른 태양광의 입사각 변화를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 사시도,
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 집광부의 사시도,
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 집광부의 단면도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 구조를 나타내는 도면,
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 광반사부의 단면도,
도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 광반사부 광반사를 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 집광부의 단면도, 및
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 집광부의 투영도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 사시도, 도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 집광부의 사시도, 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 집광부의 단면도, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 구조를 나타내는 도면, 도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 광반사부의 사시도, 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 광반사부의 광반사를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치는 집광부(100), 가열부(200), 냉각부(300), 및 광반사부(400)를 포함한다.
도 4a를 참조하면, 집광부(100)는 집열관(120), 투명관(110), 및 히트 파이프(130)를 포함한다.
투명관(110)은 내부가 빈 원통형상으로서, 빛이 통과할 수 있도록 투명한 재질로 이루어지며, 본 발명의 일실시예에 따르면 투명관(110)의 재질은 유리일 수 있다.
집열관(120)은 내부가 빈 원통형상으로서, 열전도율이 높은 재질로 이루어진다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 집열관(120)의 재질은 구리일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 열전도율이 높은 어떠한 재질이라도 가능하다. 집열관(120)은 투명관(110)의 내부에 삽입되고, 집열관(120)의 상부와 투명관(110)의 상부가 서로 밀봉 결합되어 투명관(110)의 내부는 진공 상태를 유지하게 된다.
히트 파이프(130)는 관형상으로서 집열관(120)의 내부에 삽입되는데, 도 4b를 참조하면, 일측이 길이방향을 따라 집열관(120)의 내면에 고정된다. 히트 파이프(130)의 상부와 집열관(120)의 상부는 서로 밀봉 결합되며, 히트 파이프(130)의 상단은 집열관(120)의 상단으로부터 소정 길이로 돌출된다. 한편, 히트 파이프(130)의 원리는 이미 널리 주지된 관용 기술에 불과하므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 가열부(200)는 원통형상으로서, 하측에 형성되는 관통공을 통하여 집광부(100)의 히트 파이프(130)의 일단이 삽입 고정된다. 가열부(200)의 일측에는 해수조(510)가 연결되어 해수가 공급된다. 가열부(200)의 상측에는 호스(210)가 열결되고, 복수의 방열핀이 부착되는 냉각관(310)은 호스(210)와 내부가 통하도록 연결되어 배치된다. 또한, 담수조(520)는 냉각관(310)과 내부가 통하도록 연결된다.
광반사부(400)는 집광부(100)를 지나치는 태양광을 반사시켜 집열관(120)에 모아주기 위한 것으로 집광부(100)를 향하는 광반사면(410)은 광반사율이 높은 재질로 제작된다. 도 6a를 참조하면, 광반사부(400)의 일면은 집열관(120)에 대응되는 개수로 곡면을 가진다. 일실시예에 따르면, 각각의 곡면의 곡률은 집열관(120)의 곡률과 동일할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 집열관(120)으로 태양광을 최대한 반사시켜 줄 수 있는 어떠한 형상이라도 가능하다. 또한, 일실시예에 따르면, 광반사면(410)의 재질은 표면이 매끄러운 금속일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 광반사율이 높은 것이라면, 거울 등 어떠한 재질이라도 가능하다.
도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 광반사면(410)의 광반사를 나타내는 도면이다. 집열관(120)을 지나치는 태양광이 광반사면(410)에 반사되어 집열관(120)으로 향하는 것을 알 수 있다. 따라서, 집열관(120)을 지나쳐 낭비될 수 있는 태양광을 효과적으로 포집하여 집열관(120)에 전달함으로써 집열 성능, 및 효율을 더욱 높일 수 있다.
한편, 도 3에서 집광부(100), 및 광반사부(400) 등을 지지하기 위한 지지구조물은 장치 구조의 이해를 돕기 위하여 생략되었다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 구조를 나타내기 위하여 간략화한 도면으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 해수 담수화 과정은 다음과 같다.
해수조(510)의 해수는 가열부(200)의 내부로 유입되고, 히트 파이프(130)의 상단부는 해수에 잠기게 된다. 이때, 도시되지는 않았으나, 해수조(510)와 가열부(200)의 사이에 유량 조절부가 위치하여 가열부(200) 내부의 해수량을 조절할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 해수가 가열되어 기화될 충분한 공간이 확보될 수 있도록 해수의 유입량이 조절되는 것이 바람직하다.
태양광은 투명관(110)을 지나 집열관(120)에 포집되고, 집열관(120)은 태양광에 의하여 온도가 상승된다. 이때, 집열관(120)은 투명관(110)에 의해 외부와 차단되고, 집열관(120)과 투명관(110)의 사이는 진공 상태이므로, 투명관(110) 외부의 온도, 및 바람 등의 영향을 거의 받지 않는 상태에서 집열관(120)의 온도 상승이 가능하다.
집열관(120)의 온도 상승에 따라 히트 파이프(130)의 온도 또한 상승하고, 히트 파이프(130) 내부의 열매체는 기화하여 팽창 확산한다. 이때, 가열부(200) 내부의 해수와 히트 파이프(130)의 상단부 사이에 열교환이 일어남으로써 해수의 온도가 상승되고, 끓는점에 도달하는 해수는 기화된다. 해수가 기화된 증기는 민물 성분으로서 호스(210)를 지나 냉각부(300)로 유입되는데, 냉각부(300)의 냉각관(310)을 지나면서 냉각되어 냉각관(310)의 내면에 결로된다. 냉각관(310)의 외면에는 복수의 방열핀이 부착되어 증기를 더욱 신속하게 냉각시킬 수 있으며, 냉각관(310) 내면에 결로된 담수는 담수조(520)로 유입된다.
한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 집광부의 단면도로서, 집열관(120) 내부에 히트 파이프(130)를 두 개 배치함으로써 해수 가열 성능을 높인 것이며, 히트 파이프(130)는 장치의 요구 조건에 따라 두 개 이상 배치될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양광 해수 담수화 장치의 집광부의 투영도이다. 히트 파이프(130)를 나선형으로 형성하고, 집열관(120) 내면을 따라 접촉시켜 히트 파이프와 집열관의 접촉 면적을 증가시킴으로써, 집열관(120)으로부터 히트 파이프(130)로의 열전달 효율을 더욱 높일 수 있다.
종래의 태양광을 이용한 해수 담수화 장치는 일반적으로 평판형의 집열판을 이용하여 담수를 생산하지만, 태양의 위치 변화에 따라 태양광 집열 성능이 저하되고, 특히 일출시와 일몰시에 매우 그러하다.
집열판에 구동부를 구비하여, 집열판이 항시 태양을 향하도록 집열판을 회전시켜줄 수 있으나, 이로 인한 구동부의 설치 비용, 및 유지 보수 비용이 추가로 발생하고, 장치의 무게가 증가하는 문제가 있다. 또한, 집열판을 진공관 내부에 설치하는 경우에 구동부와 집열판 연결 부위의 진공 밀봉을 추가적인 구성 요소 발생, 또는 형상 변경이 발생하므로 생산 비용, 및 유지 보수 비용이 증가한다. 더하여, 태양은 계절에 따라 일출과 일몰 시간이 변화하므로, 이에 대응하여 집열판의 회전 정도를 수시로 변경해 주어야 하는 문제가 있다.
하지만, 본 발명에 따른 태양광 해수 담수화 장치는, 태양광을 이용하여 해수로부터 담수를 생산할 수 있으므로 전력 또는 기타 에너지 비용을 절감할 수 있고, 장치의 구성이 단순하여 고장 등의 발생이 적다. 또한, 시시각각 변하는 태양의 위치에 무관하게 태양광을 효과적으로 포집할 수 있고, 낭비되는 태양광을 최대한 이용할 수 있으므로 담수화 성능과 에너지 효율이 매우 우수하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 실용신안등록청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100: 집광부 110: 투명관
120: 집열관 130: 히트 파이프
200: 가열부 210: 호스(Hose)
300: 냉각부 310: 냉각관
400: 광반사부 410: 광반사면
510: 해수조 520: 담수조

Claims (9)

  1. 해수조;
    상기 해수조로부터 내부 공간으로 해수가 유입되는 가열부;
    원통형상의 집열관;
    상기 집열관의 내부에 삽입되고, 일부가 상기 집열관에 의해 밀봉되는 적어도 하나 이상의 히트 파이프;
    태양광이 통과할 수 있는 투명한 재질로 이루어지고, 상기 집열관이 삽입되는 투명관;
    상기 투명관 외부의 일측에 위치하여 상기 태양광을 상기 집열관으로 반사시키기 위한 광반사부;
    상기 히트 파이프에 의해 가열되는 상기 해수가 증발하여 생성되는 증기를 냉각시키기 위한 냉각부; 및
    상기 냉각부로부터 배출되는 담수를 포집하기 위한 담수조
    를 포함하고,
    상기 히트 파이프는 상기 집열관의 일단부로부터 소정 길이만큼 돌출되며, 상기 히트 파이프의 돌출 부위는 상기 가열부에 삽입되어 상기 가열부 내부 공간의 상기 해수와 접촉하고, 상기 집열관은 상기 투명관에 의해 밀봉되고, 상기 투명관과 상기 집열관의 사이는 진공 상태이며, 상기 히트 파이프는 상기 집열관의 내면과 접촉하는 태양광 해수 담수화 장치.
  2. 삭제
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  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는 복수의 방열핀을 가지는 냉각관을 포함하는 태양광 해수 담수화 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광반사부의 광반사면은 상기 집열관의 형상에 대응하여, 상기 집열관의 곡률과 동일한 곡률을 가지는 태양광 해수 담수화 장치.
  9. 제1항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 나선형상을 가지는 태양광 해수 담수화 장치.
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