KR101133046B1 - 태양열을 이용한 해수 담수화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열을 이용하여 친환경적이고 효율적으로 해수를 담수화할 수 있는 태양열을 이용한 해수 담수화 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 태양열을 이용한 해수 담수화 장치는, 단열재로 이루어지고, 내부에 일정한 공간을 형성하는 담수화 탱크; 상기 담수화 탱크 외부에 마련되며, 태양열을 흡수하여 열매체를 가열하는 태양열 모듈; 상기 담수화 탱크 내부 하측에 마련되며, 상기 태양열 모듈에 의하여 가열된 열매체가 순환하는 열매체 순환 라인; 상기 담수화 탱크에 해수를 공급하는 해수 공급 모듈; 상기 담수화 탱크 내부 상측에 마련되며, 상기 열매체 순환 라인에 의하여 상기 해수에서 증발된 수증기가 응결되어 담수가 되는 담수화 모듈; 및 상기 담수화 모듈과 연결되어 생산된 담수를 외부로 배출하고 저장하는 담수 저장 탱크;를 포함한다.

해수, 담수화, 증발법, 태양열

Description

태양열을 이용한 해수 담수화 장치{DESALINATION APPARATUS BY SOLAR THERMAL SYSTEM}

본 발명은 해수 담수화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양열을 이용하여 친환경적이고 효율적으로 해수를 담수화할 수 있는 태양열을 이용한 해수 담수화 장치에 관한 것이다.

사막, 섬 등 이용할 수 있는 담수가 부족한 지역에서는 풍부한 해수를 담수화하여 사용할 수 밖에 없는 상황이 발생한다. 특히, 최근에는 지구 온난화 등에 의한 영향으로 사막화가 급속히 확산되고, 가용할 수 있는 담수가 부족한 지역이 확산되고 있다.

이에 따라 해수를 담수화할 수 있는 해수 담수화 장치가 개발되어 사용되고 있다. 종래에 많이 사용되고 있는 해수 담수화 장치는 역삼투법을 이용하여 해수를 담수화하는 장치이다.

역삼투법은 해수에 함유되어 있는 성분을 고분자 분리막을 이용하여 생산수와 농축수로 분리시키며, 생산수 측은 성분 농도를 희박하게 하여 용수 및 음용수로 활용하고 농축수는 다시 바다로 배출한다. 이러한 과정에서 해수로부터 담수를 생산하기 위해 제거해야 할 성분들은 주로 이온 성분들로서, 음용수를 기준으로 살펴보면, 1차로 총용존고형물의 양을 500ppm 이하로 제거하여야 하고, 2차로 총용존고형물의 양을 유발하는 각 이온 성분인 Na, Cl, Ca 및 Mg 와 같은 경도 성분, SO₄, B 등을 기준치 이하로 제거하여야 한다. 기타 음용수 기준 등에 포함되어 있는 유기화학물질 및 심미적 영향물질들은 해수에 용존되어 있는 양이 일반적인 용수 및 음용수 기준 이하이기 때문에 문제가 되지 않는다.

이와 같이 해수의 분리 및 정제가 이루어지는 고분자 분리막에서, 해수를 분리하기 위해서는 해수에 용존되어 있는 성분들에 의해 유발되는 삼투압 이상의 압력을 유입되는 해수에 가해주어야 분리가 일어나기 시작한다. 해수의 농도는 일반적으로 3.5 % 즉, 35,000 ppm 으로서, 이 농도에서 유발되는 삼투압은 약 350psig 이다. 즉 해수에서 소량의 담수를 획득하기 위해서는 기본적으로 350psig 이상의 압력을 가해주어야 하는 것이다.

해수가 가지고 있는 삼투압을 극복하고 담수를 생산하는데 필요한 구동력으로 모터를 이용하며, 모터의 구동력 크기는 물속에 용존되어 있는 이온 성분들과 해수로부터 담수를 획득하는 양, 즉 회수율에 따라 달라진다. 모터의 동력비는 일반적으로 역삼투법으로 생산되는 담수의 비용 중 감가 상각비를 제외한 전체 생산비의 60% 이상을 차지하고 있다.

이렇게 종래의 역삼투법을 이용한 해수 담수화 장치는 많은 에너지를 이용하여야 하는 문제점이 있고, 또한 고가의 분리막 등 장치의 설치에 많은 비용이 소요 되는 문제점이 있다.

한편 다른 담수화 방법인 증발법에 대해서는 해수에 열을 가하여 증발되는 수증기를 다시 액화하여 담수로 이용하는 기초적인 방법만이 제시되어 있어서, 이 역시 담수화에 많은 에너지가 소요되는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 태양열을 이용하여 해수를 증발시켜 별도의 에너지를 사용하지 않고 친환경적으로 담수화할 수 있는 태양열을 이용한 해수 담수화 장치를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양열을 이용한 해수 담수화 장치는, 단열재로 이루어지고, 내부에 일정한 공간을 형성하는 담수화 탱크; 상기 담수화 탱크 외부에 마련되며, 태양열을 흡수하여 열매체를 가열하는 태양열 모듈; 상기 담수화 탱크 내부 하측에 마련되며, 상기 태양열 모듈에 의하여 가열된 열매체가 순환하는 열매체 순환 라인; 상기 담수화 탱크에 해수를 공급하는 해수 공급 모듈; 상기 담수화 탱크 내부 상측에 마련되며, 상기 열매체 순환 라인에 의하여 상기 해수에서 증발된 수증기가 응결되어 담수가 되는 담수화 모듈; 및 상기 담수화 모듈과 연결되어 생산된 담수를 외부로 배출하고 저장하는 담수 저장 탱크;를 포함한다.

본 발명에서 상기 태양열 모듈은, 태양열을 흡수하는 흡열부; 상기 흡열부 전면 또는 배면에 마련되어 열매체가 순환하며 가열되는 열매체 가열부; 상기 흡열부를 태양 방향으로 위치 이동시키는 태양 추적부;를 포함하여 구성되는 것이, 태양열을 효율적으로 흡수할 수 있어서 바람직하다.

구체적으로 상기 흡열부는, PTC(Parabolic Trough Collector) 타입 또는 AD(Arrayed Dish) 타입 구조를 가지는 것이, 더욱 바람직하다.

그리고 상기 해수 공급 모듈은, 상기 담수화 탱크 상부 또는 상벽 내부 전면에 걸쳐서 마련되며, 일정량의 해수가 저장될 수 있는 해수 저장부; 상기 해수 저장부의 일단에 마련되며, 상기 해수 저장부에 외부의 해수를 공급하는 해수 외부 공급부; 상기 해수 저장부 중 상기 해수 외부 공급부의 반대편 일단에 마련되며, 상기 해수 저장부에 저장되어 있는 해수를 상기 담수화 탱크로 공급하는 해수 내부 공급부;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 해수 저장부의 상면은 투명재질로 이루어지는 것이, 상기 해수 저장부 내부에 온실 효과를 발생시켜 내부에 저장되어 있는 해수의 온도를 별도의 에너지 투입없이 상승시킬 수 있어서 바람직하다.

본 발명에서 상기 담수화 모듈은, 상기 담수화 탱크의 상면에 빗면 형태로 마련되는 응결면; 상기 응결면의 하측에 마련되며, 상기 응결면에 응결된 담수가 모아지는 담수 수집부;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

여기에서 상기 응결면의 상면은 상기 해수 저장부 하면과 접촉되는 것이, 상기 응결면의 표면 온도를 낮추어서 응결양을 증가시킬 수 있고, 상기 해수 저장부 및 이에 저장되어 있는 해수의 온도를 상승시킬 수 있어서 바람직하다

그리고 본 발명에 따른 해수 담수화 장치에는, 상기 담수화 탱크 내부의 기체를 배출하여 상기 담수화 탱크 내부의 기압을 낮추는 배기 펌프가 더 구비되는 것이, 상기 담수화 탱크 내부의 끓는점을 낮추어 적은 에너지로도 물을 증발시킬 수 있어서 바람직하다.

한편 상기 담수화 탱크에는 유기물을 이용하여 열을 발생하는 유기물 발열 장치가 더 구비되는 것이, 밤이나 흐린 날에도 담수화 작업을 진행할 수 있어서 바람직하다.

본 발명에 따르면 별도의 에너지 투입없이 태양열을 이용하여 친환경적으로 해수를 담수화할 수 있는 효과가 있다. 특히, 해수 저장부와 담수화 모듈의 응결면을 서로 접촉시키거나, 양자를 일체로 구성하여 해수의 온도를 높이는 한편 응결량을 극대화할 수 있는 장점도 가진다.

또한 본 발명에서는 태양열 흡수를 위한 흡열부를 PTC(Parabolic Trough Collector) 타입 또는 AD(Arrayed Dish) 타입 구조로 구성하여, 제조비용이 저렴하고, 태양열 이용 효율이 높은 장점도 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.

본 실시예에 따른 태양열을 이용한 해수 담수화 장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 담수화 탱크(10), 태양열 모듈(20), 열매체 순환 라인(30), 해수 공급 모 듈(60), 담수화 모듈(40) 및 담수 저장 탱크(50)를 포함하여 구성된다.

먼저 담수화 탱크(10)는 증류방식으로 해수를 담수화하는 과정이 진행되는 공간을 제공하며, 외부와의 단열을 위하여 단열 성능이 우수한 단열재로 이루어지는 것이 바람직하다. 이 담수화 탱크(10)에는 도 1에 도시된 바와 같이 일정한 내부 공간이 형성되고, 이 내부 공간에 담수화를 위한 구성요소들이 배치된다. 한편 이 담수화 탱크(10)는 단열에 문제가 없는 한, 투명한 소재로 이루어져서, 태양열을 흡수하여 온실효과를 얻을 수 있는 것이 더욱 바람직하다.

다음으로 태양열 모듈(20)은 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 담수화 탱크(10) 외부, 특히 그 상부에 마련되며, 태양열을 흡수하여 열매체를 가열하는 구성요소이다. 본 실시예에 따른 해수 담수화 장치(1)에서는 증류법으로 해수를 담수화하고, 해수를 증류하기 위하여 열원으로 태양열을 사용한다. 따라서 상기 태양열 모듈(20)이 해수의 증류를 위한 열원을 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 실시예에서 상기 태양열 모듈(20)은, 흡열부(22), 열매체 가열부(24) 및 태양 추적부(26)를 포함하여 구성된다.

먼저 흡열부(22)는 태양열을 흡수하는 구성요소로서, 본 실시예에 따른 흡열부(22)는 태양열을 흡수할 수 있는 다양한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 PTC(Parabolic Thermal Collector) 타입 또는 AD(Arrayed Dish) 타입 구조를 가질 수 있다. PTC(Parabolic Trough Collector) 타입이라 함은 도 2에 도시된 바와 같이, 흡열부(22a)가 원통을 길이 방향으로 잘라 놓은 형태를 가지며, 원통의 내면이 반사면 역할을 하는 구조를 말한다. 이 구조에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 원통 형 반사면의 초점 위치에 열매체 가열부(24a)가 배치되어, 그 내부로 열매체가 순환하면서 가열된다.

한편 AD(Arrayed Dish) 타입 구조라 함은 도 3에 도시된 바와 같이, 흡열부(22b)가 디쉬(Dish) 형상의 1차 반사경과 이 1차 반사경의 초점 위치에 배치되는 2차 반사경으로 이루어지는 구조가 매트릭스 형태로 배열되는 구조를 말한다. 이 경우에는 열매체 가열부가 상기 흡열부(22b)의 배면에 배치되어 열매체가 가열된다.

다음으로 태양 추적부(26)는 상기 흡열부(22) 및 열매체 가열부(24)를 태양 방향으로 위치 이동시키는 구성요소이다. 상기 흡열부(22)는 태양을 정면으로 바라보는 경우에 가장 흡열 효율이 뛰어나다. 따라서 하루를 기준으로 이동하는 태양의 위치를 실시간으로 추적하면서 태양을 정면으로 바라보는 것이 가장 효율적으로 태양열을 흡수할 수 있는 방법이다. 이를 위하여 상기 태양 추적부(26)가 태양 위치를 실시간 감지하고, 상기 흡열부(22)를 태양 방향으로 실시간으로 이동시키는 것이다. 이 태양 추적부(26)의 구체적인 기술 구성은 일반적으로 알려진 것을 채용할 수 있다.

다음으로 열매체 순환 라인(30)은 상기 담수화 탱크(10) 내부 하측에 마련되며, 상기 태양열 모듈(20)에 의하여 가열된 열매체가 순환하며 상기 담수화 탱크(10) 내부에 담겨진 해수를 가열하는 구성요소이다. 본 실시예에 따른 해수 담수화 장치(1)는 상기 담수화 탱크(10) 내부에 담겨진 해수를 가열하고 증발시켜서 담수화하게 되는데, 상기 열매체 순환라인(30) 내부를 순환하는 고온의 열매체에 의 하여 해수가 가열되고 증발되는 것이다. 이를 위하여 상기 열매체 순환 라인(30)은 상기 열매체 가열부(24)와 연결되어 고온으로 가열된 열매체를 공급받고 열매체 순환라인(30)을 순환하면서 저온으로 식은 열매체를 열매체 가열부(24)에 다시 전달하게 된다.

다음으로 해수 공급 모듈(660)은 상기 담수화 탱크(10)에 해수를 공급하는 구성요소이다. 본 실시예에서는 이 해수 공급 모듈(60)을 도 4에 도시된 바와 같이, 해수 저장부(62), 해수 외부 공급부(64), 해수 내부 공급부(66)를 포함하여 구성한다.

먼저 해수 저장부(62)는 상기 담수화 탱크(10) 상부 또는 상벽 내부 전면에 걸쳐서 마련되며, 일정량의 해수가 저장될 수 있는 구성요소이다. 이 해수 저장부(62)는 외부에 공급된 해수가 상기 담수화 탱크(10)로 공급되기 전에 일시적으로 머무는 공간이다. 이 해수 저장부(62)는 일정량의 해수를 일시적으로 저장하면서 상기 담수화 탱크(10)에 안정적이고 일정하게 해수를 공급하는 역할을 하며, 이 해수 저장부(62)에 일시적으로 저장되는 동안에 상기 해수의 온도가 상승되는 부수적인 역할을 한다. 상기 해수 저장부(62)에 일시적으로 저장되는 동안 해수의 온도가 상승하는 것은 담수화 탱크(10)에서 해수를 증발시키기 위하여 투입하는 열량을 감소시키는 효과가 있다.

따라서 이를 위하여 본 실시예에 따른 해수 저장부(62)의 상면(68)은 투명한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 해수 저장부의 상면(68)이 투명한 재질로 이루어지는 경우에는 외부의 태양열을 흡수할 수 있어서 해수 저장부(62) 내부가 온 실효과를 가질 수 있다. 따라서 해수 저장부(62) 내부의 온도가 다른 열원을 투입하지 않고서도 상당하게 상승할 수 있다.

다음으로 해수 외부 공급부(64)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 해수 저장부(62)의 일단에 마련되며, 상기 해수 저장부(62)에 외부의 해수를 공급하는 구성요소이다. 즉, 외부로부터 해수가 최초로 유입되는 곳이다. 그리고 해수 내부 공급부(66)는 해수 저장부(62) 중 상기 해수 외부 공급부(64)의 반대편 일단에 마련되며, 상기 해수 저장부(62)에 저장되어 있는 해수를 상기 담수화 탱크(10)로 공급하는 구성요소이다. 이 해수 내부 공급부(66)는 상기 담수화 탱크(10) 내의 해수 양이 일정한 상태를 유지하도록 감지하면서 상기 댐수화 탱크(10) 내부로 해수를 계속하여 공급한다.

다음으로 담수화 모듈(40)은 상기 담수화 탱크(10) 내부 상측에 마련되며, 상기 열매체 순환 라인(30)에 의하여 상기 해수에서 증발된 수증기가 응결되어 담수가 되는 구성요소이다. 이를 위하여 본 실시예에서는 상기 담수화 모듈(40)을 도 4에 도시된 바와 같이, 응결면(42)과 담수 수집부(44)를 포함하여 구성한다.

먼저 응결면(42)은 상기 담수화 탱크(10)의 상면에 일정한 각도를 가지고 기울어진 빗면 형태로 마련되며, 상기 담수화 탱크(10) 내부의 해수가 증발되어 발생된 수증기가 응결되어 물방울이 맺히는 면을 말한다. 이 응결면(42)의 상면은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 해수 저장부(62) 하면과 직접 접촉되는 것이 바람직하다.

더 나아가서는 상기 응결면(42) 자체가 상기 해수 저장부(62)의 하면으로 구 성되는 것, 즉, 응결면(42)과 해수 저장부(62)의 하면이 일체로 구성되는 것이 더욱 바람직하다. 이때 응결면(42) 자체는 상기 해수 저장부(62)에 저장되는 해수의 하중을 지지할 수 있을 정도의 강도를 가지고 있으면서도, 열전도율이 우수한 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 이렇게 응결면(42) 자체가 상기 해수 저장부(62)의 하면을 이루는 경우에는 상기 해수 저장부(62)에 저장되어 있는 차가운 해수의 온도가 그대로 응결면(42)에 전달되어 상기 응결면(42)에 더 많은 양의 수증기가 응결되는 효과가 있다. 또한 상기 해수 저장부(62)에 저장되어 있는 해수는 상기 담수화 탱크(10) 내부의 높은 온도에 의하여 자연스럽게 승온되는 효과도 있다.

그리고 담수 수집부(44)는 상기 응결면(42)의 하측에 마련되며, 상기 응결면(42)에 응결된 담수가 상기 응결면(42)을 타고 내려 모아지는 구성요소이다. 이 담수 수집부(44)에 수집된 담수는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 담수화 모듈(40)과 연결되어 생산된 담수를 외부로 배출하고 저장하는 담수 저장 탱크(50)에 저장된다.

한편 본 실시예에 따른 해수 담수화 장치(1)에는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 담수화 탱크(10) 내부의 기체를 배출하여 상기 담수화 탱크(10) 내부의 기압을 낮추는 배기 펌프(70)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 이 배기 펌프(70)를 이용하여 상기 담수화 탱크(10) 내부의 기압을 낮추게 되면, 상기 담수화 탱크(10) 내부에 존재하는 해수의 끓는점이 낮아져서 적은 열을 가하더라도 많은 양의 해수가 증발되는 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 실시예에 따른 해수 담수화 장치(1)에서는, 상기 담수화 탱크(10)에 유기물을 이용하여 열을 발생하는 유기물 발열 장치(80)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 이 유기물 발열 장치(80)는 상기 태양열 모듈(20)이 정상적을 가동되지 않는 경우에 상기 담수화 탱크(10) 내의 해수를 가열하는 역할을 한다. 상기 태양열 모듈(20)은 태양열을 이용하는 것이므로, 밤이나, 흐린 날에는 정상적으로 가동될 수 없다. 이러한 경우에 상기 유기물 발열 장치(80)를 이용하여 해수를 증발시키는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열을 이용한 해수 담수화 장치의 구조를 도시하는 부분 절개 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡열부의 구조를 도시하는 도면이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 흡열부의 구조를 도시하는 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열을 이용한 해수 담수화 장치의 구조를 도시하는 단면도이다.

Claims (9)

1. 단열재로 이루어지고, 내부에 일정한 공간을 형성하는 담수화 탱크;

   상기 담수화 탱크 외부에 마련되며, 태양열을 흡수하여 열매체를 가열하는 태양열 모듈;

   상기 담수화 탱크 내부 하측에 마련되며, 상기 태양열 모듈에 의하여 가열된 열매체가 순환하는 열매체 순환 라인;

   상기 담수화 탱크에 해수를 공급하는 해수 공급 모듈;

   상기 담수화 탱크 내부 상측에 마련되며, 상기 열매체 순환 라인에 의하여 상기 해수에서 증발된 수증기가 응결되어 담수가 되는 담수화 모듈; 및

   상기 담수화 모듈과 연결되어 생산된 담수를 외부로 배출하고 저장하는 담수 저장 탱크;를 포함하며,

   상기 태양열 모듈은,

   태양열을 흡수하며, AD(Arrayed Dish) 타입 구조를 가지는 흡열부;

   상기 흡열부 전면 또는 배면에 마련되어 열매체가 순환하며 가열되는 열매체 가열부;

   상기 흡열부를 태양 방향으로 위치 이동시키는 태양 추적부;를 포함하며,

   상기 해수 공급 모듈은,

   상기 담수화 탱크 상부 또는 상벽 내부 전면에 걸쳐서 마련되며, 일정량의 해수가 저장될 수 있는 해수 저장부;

   상기 해수 저장부의 일단에 마련되며, 상기 해수 저장부에 외부의 해수를 공급하는 해수 외부 공급부;

   상기 해수 저장부 중 상기 해수 외부 공급부의 반대편 일단에 마련되며, 상기 해수 저장부에 저장되어 있는 해수를 상기 담수화 탱크로 공급하는 해수 내부 공급부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 해수 담수화 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 해수 저장부의 상면은 투명재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 해수 담수화 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 담수화 모듈은,

   상기 담수화 탱크의 상면에 빗면 형태로 마련되는 응결면;

   상기 응결면의 하측에 마련되며, 상기 응결면에 응결된 담수가 모아지는 담수 수집부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 해수 담수화 장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 응결면의 상면은 상기 해수 저장부 하면과 접촉되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 해수 담수화 장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 담수화 탱크 내부의 기체를 배출하여 상기 담수화 탱크 내부의 기압을 낮추는 배기 펌프가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 해수 담수화 장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 담수화 탱크에는 유기물을 이용하여 열을 발생하는 유기물 발열 장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 해수 담수화 장치.

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