KR101134421B1 - 태양열 다중효용 담수화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열 다중효용 담수화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양열이 투과되며 일측으로 일정각도 기울어진 투명커버와, 상기 커버의 하부에 설치되어 태양 복사에너지에 의해 직접 해수를 증발시킨 후, 응축된 담수를 수거할 수 있도록 한 Basin형 담수부와, 상기 커버의 일측에 해수를 표면장력으로 흡입하여 수직으로 흘러내리게 하는 윅(Wick)이 부착된 상변화 매체를 이용한(Stainless steel plate)이 다수개 등간격으로 직립 설치되어, 상기 Basin형 담수부로부터 증발된 증기의 응축잠열과 제 1단 강판 전면에 흡수된 태양열이 강판을 통하여 전도되어 후면에 흐르는 해수를 가열하여 증발시킴으로서, 증발된 증기는 확산을 통하여 제 2단 강판의 전면에 응축되어 담수가 획득됨과 동시에 제 2단 강판의 응축잠열을 제 2단 강판의 후면에 흐르는 해수를 가열하는데 이용하고, 다시 제 3단의 응축잠열을 제 3단 강판의 후면에 흐르는 해수를 가열하는데 사용하는 방식으로 복수단의 다중효용(Multi-effect) 담수부를 구성되도록 하여, 동일한 태양열에너지로 담수생산량을 크게 증가시켜 수자원의 확보가 어려운 지역에서 태양열을 이용하여 해수 및 오염수를 담수화할 수 있는 태양열 다중효용 담수화 장치에 관한 것이다.

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Description

태양열 다중효용 담수화 장치{Multi Effect Distiller using Solar Thermal Energy}

본 발명은 태양열을 이용하여 해수 또는 오염수를 담수화할 수 있도록 한 담수화장치에 관한 것이다.

개발도상국, 도서지역, 오지 등의 식수/담수 확보뿐만 아니라 및 전세계적인 수자원 확보는 인류가 당면한 가장 큰 과제 중 하나이다.

이를 위해, 바닷물에 녹아있는 염을 제거하여 식수를 만드는 해수담수화 기술중에서 기존에는 증발법, 막여과법 등의 대용량 담수설비가 이용되어 왔지만, 이런 대용량 담수화 기술들은 초기 구축비용 및 유지관리비가 과다하여 도서지역 등과 같은 소용량을 필요로 하는 소규모 담수화장치에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다. 또한 기존의 담수화 방법은 화석에너지를 에너지원으로 사용하기 때문에 고유가로 인한 고비용과 환경오염의 문제가 발생하여 대체 친환경 에너지의 사용이 요구되고 있다.

따라서, 산간벽지, 도서지역 등 낙후지역에 적합한 용량의 설비나, 선박/함정 등 자급형 담수설비 등 미래 친환경 소용량 담수화 장치에 적합한 태양열 다중 효용 담수화 장치의 개발이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 태양 복사에너지를 직접 해수에 일사시켜 증발된 증기를 응축을 통하여 담수화시키는 Basin형 담수부와, 상기 Basin형 담수부로부터 발생되는 응축잠열과 태양 복사열을 합하여 제 1단의 증발 열원으로 사용하는 다중효용 증발부를 결합하여, 동일한 태양열에너지로부터 담수 생산량을 극대화시켜, 식수 또는 담수가 부족하거나 수질오염 문제가 심각한 지역에 담수화장치로 사용될 수 있도록 한 태양열 다중효용 담수화 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 태양 복사에너지에 의해 직접 해수를 증발시킨 후 응축된 담수를 집수하는 Basin형 담수부와; 상기 Basin형 담수부의 일측에 수직으로 설치되어 태양 복사에너지를 흡수함과 동시에 Basin형 담수부에서 증발된 증기의 응축이 일어나서 발생하는 응축열을 제 1단 강판의 후면에 흐르는 해수를 증발시키고, 다음단의 증발열원은 전단의 응축열원을 이용하는 연속적 공정으로 구성된 다중효용 담수부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 Basin형 담수부는 태양열이 투과되는 투명커버와; 상기 커버의 하부에 설치되어, 해수가 저장되는 해수 저장조와; 상기 커버의 일측 하단에 폭방향으로 형성되며, 상기 저장조로부터 증발되어 커버의 저면에 응축되는 증류수를 모아 수거될 수 있도록 하는 집수유로;로 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 투명커버는 일측을 향해 길이방향으로 하향 경사진 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다중효용 담수부는 상측 일면에는 해수가 채워지는 해수 공급부가 형성되고, 하측 일면에는 응축수가 모아지는 응축수 포킷(pocket)을 형성하여 직립 설치되는 다수단의 스텐레스강판과; 상기 강판의 후면에 부착되어 상기 해수 공급부로부터 해수를 흡입하여 흐르게 하는 윅(Wick); 으로 구성되며, 다수개가 상호간 등간격 이격배치되어 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1 강판은 상기 Basin형 담수부에서 해수가 증발된 수증기가 응축이 일어나서 응축수 포킷에 낙하되어 저장되고, 상기 제 1단 강판의 전면은 태양 복사에너지의 흡수율을 증가시키기 위하여 흑색 코팅되어 흡수된 태양열과 상기 응축잠열을 합하여 제 1강판의 후면에 흐르는 해수를 가열하는 열원으로 작용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 윅은 상단에 형성된 절곡부를 해수 공급부에 내입하여, 상기 절곡부를 통해 흡수되는 해수가 상기 윅의 길이방향을 향해 유동될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 윅으로부터 증발되고 남은 잔여 해수는, 상기 윅의 하단으로 낙하되어 배출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 1단 강판에 대응되어 연속 설치되는 다수개의 강판의 경우, 상기 각 강판의 전면에 맺힌 응축수는, 상기 응축수 포킷으로 낙하되면서 응축잠열을 발산하여, 상기 윅의 길이방향으로 유동되는 해수를 증발시키고, 증발된 증기는 확산을 통하여 인접한 제 2단 강판의 전면에 맺힌 후, 상기 응축수 포킷으로 낙하되어 저장되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 지역적, 경제적 조건으로 인하여 전력시설이나 상수도시설이 부족한 도서, 해안지역, 오지의 친환경 소용량 담수화설비뿐만 아니라 물의 수송비용과 고유가를 고려하여 경제성이 확보되는 지역의 분산형 소규모 담수처리설비로 활용될 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 태양열을 이용하는 응용분야 중 오염수의 정수처리 및 하폐수 정화처리 등에 응용될 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 태양열뿐만 아니라 발전 폐열 등 다양한 열원을 적용할 수 있는 효과가 있어 역삼투법 기반 또는 MSF(Multi stage flash, 다단증발법) 기반 신재생에너지 활용 Hybrid 담수시스템의 원천 기술로 활용될 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 구조가 간단하고, 그로 인하여 초기 구축 비용 및 운영비용이 적은 효과가 있다.

본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되 는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 다중효용 담수화 장치를 상세히 설명하도록 한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양열 다중효용 담수화 장치는 해수 또는 오염수를 담수(淡水)화시키기 위한 장치로서, Basin형 담수부(20)와 다중효용 담수부(30)로 구성되어 있다.

상기 Basin형 담수부(20)는 도 1에서 도시된 바와 같이, 상부에 설치되는 투명커버(10)와, 해수가 저장되는 해수 저장조(21)와, 상기 해수 저장조(21)의 일단에 폭방향으로 형성되되, 응축수가 저장되어 집수될 수 있도록 유로를 형성하는 집수유로(22)로 이루어진다.

상기 투명커버(10)는 열원으로 태양열이 사용될 수 있도록, 태양 복사에너지가 투과가능한 재질(유리 등)로 형성된 것이다. 또한, 상기 커버(10)는 길이방향 일측을 향해 하향 경사진 형태를 가지도록 한다. 이는 Basin형 담수부(20)로부터 해수가 증발된 후, 투명커버(10)의 저면에 응축되는 응축수가 상기 커버(10)의 경사진 측으로 흘러내려서 집수유로(22)로 모아지도록 하기 위함이다.

상기 다중효용 담수부(30)는 도 1에 도시된 바와 같이, 일측으로 하향 경사진 투명커버(10)의 타측, 또는 집수유로(22)가 일측에 형성된 해수 저장조(21)의 타측에 직립 설치되는 것으로, 스테인리스 재질의 강판(40), 윅(50), 해수 공급 부(41), 응축수 포킷(42)으로 이루어진다.

우선, 상기 강판(40)은 지면으로부터 직립설치되며, 상기 강판(40)의 전면 상단에는 해수가 공급되어 저장될 수 있는 해수 공급부(41)가 형성되고, 하단에는 응축된 담수를 모아 저장할 수 있는 응축수 포킷(42)이 형성되어 있다.

상기 다중효용 담수부(30)는 다수개가 등간격으로 이격되어 연속설치되도록 하는데(제 1단 강판(40a), 제 2단 강판(40b), 제 3단 강판(40c), 제 4단 강판(40d) 등), Basin형 담수부(20)에 인접하게 설치되는 제 1단 강판(40a)의 경우 도 2에 도시된 바와 같이,

상기 Basin형 담수부(20)에서 해수가 증발되어 상기 커버(10)의 저면뿐만 아니라 제 1단 강판(40a)의 전면에도 응축되는데 강판이 수직설치됨으로 인하여, 하단으로 흘러내려 응축수 포킷(42)에 저장된 후 수거되는 것이다.

또한, 상기 윅(50)은 각 제 1, 2, 3, 4단 강판(40a, 40b, 40c, 40d)에 각각 부착되어 설치되는 것으로(제 1단 윅(50a), 제 2단 윅(50b), 제 3단 윅(50c), 제 4단 윅(50d)), 상기 윅(50)은 도 3에 도시된 바와 같이 최상단을 절곡하되, 절곡된 절곡부가 강판(40)의 해수 공급부(41)에 담궈져 내입되도록 함으로써, 상기 윅(50)이 해수 공급부(41)의 해수를 표면장력으로 흡수하여 길이방향으로 해수를 흐르게 한다.

또한, 태양열을 이용하여 직접 해수를 증발시키는 Basin형 담수부(20)에서 발생되는 증기는 제 1단 강판(40a)의 전면에도 응축되는데, 이때 발생하는 응축잠 열이 제 1단 강판(40a)을 통하여 전도되어 제 1단 윅(50a)에 흐르는 해수를 가열하게 된다. 더불어, 제 1단 강판(40a)의 전면에는 흑색으로 코팅이 되어 있어 태양열의 흡수를 크게 하는 구조로 되어 있는데, 이 흡열된 태양에너지가 제 1단 윅(50a)에 흐르는 해수의 가열에 필요한 추가 열원으로 사용된다. 제 1단 윅(50a)에서 증발한 증기는 인접해 있는 제 2단 강판(40b)의 전면에 응축되어 하단으로 흘러내리게 된다.

이때, 상기 제 2단 강판(40b)의 전면에 발생하는 응축잠열은 제 2단 강판(40b)을 통하여 전도되고 제 2단 윅(50b)을 따라 흐르는 해수를 가열하는 열원으로 작용된다. 이때 가열된 해수는 또다시 증발이 일어나고, 인접한 제 3단 강판(40c)의 전면에 응축되고 다음단의 가열 열원으로 전도한 후 응축수 포킷(42)으로 집수된다. 상기와 같은 응축, 전도, 증발, 응축의 과정이 이하 단의 강판에서도 반복적으로 일어나서 이론적으로 강판의 벽면온도가 외기온도가 될 때까지 반복해서 응축열을 회수하는 구조가 된다.

물론, 상기 도 1에서는 일실시예로 4단의 강판만을 도시하였지만, 설치되는 강판의 단수는 제 1단 강판(40a)에 흡수되는 총 열량(태양복사에너지와 응축잠열)과 해수온도 및 유량 등을 고려하여 감소 또는 증가될 수 있음은 당연할 것이다.

더불어, 상기 다중효용 담수부(30)의 윅(50)을 통해 하단으로 유동하면서, 증발되고 남은 잔여 해수는 상기 윅(50)의 최하단으로 유동되어 외부로 배출된다.

상기 상세한 설명에서 설명되지 않은 도면의 부호인 'S'는 해수, 'C'는 응축 수, 'B'는 증발되고 남은 잔여 해수를 나타낸다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

도 1은 본 발명에 따른 태양열 다중효용 담수화 장치를 나타낸 일실시예의 사시도.

도 2는 도 1의 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 다중효용 담수부를 나타낸 일실시예의 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 표시>

10: 투명커버 20: Basin형 담수부

21: 해수 저장조 22: 집수유로

30: 다중효용 담수부 40: 강판

40a: 제 1단 강판 40b: 제 2단 강판

40c: 제 3단 강판 40d: 제 4단 강판

41: 해수 공급부 42: 응축수 포킷

50: 윅(Wick) 50a: 제 1단 윅

50b: 제 2단 윅 50c: 제 3단 윅

50d: 제 4단 윅

Claims (8)

1. 태양 복사에너지에 의해 직접 해수를 증발시킨 후 응축된 담수를 집수하되, 태양열이 투과되면서, 응축된 응축수를 집수하기 위하여 일측을 향해 길이방향으로 하향 경사진 형태로 구성된 투명커버(10)와, 상기 커버(10)의 하부에 설치되어 해수가 저장되는 해수 저장조(21)와, 상기 커버(10)의 일측 하단에 폭방향으로 형성되며, 상기 해수 저장조(21)로부터 증발되어 커버(10)의 저면에 응축되는 증류수를 모아 수거될 수 있도록 하는 집수유로(22)로 구성되는 Basin형 담수부(20)와;

   상기 Basin형 담수부(20)의 일측에 수직으로 설치되어 태양 복사에너지를 흡수함과 동시에 Basin형 담수부에서 증발된 증기의 응축이 일어나서 발생하는 응축열을 제 1단 강판(40a)의 후면에 흐르는 해수를 증발시키고, 다음단의 증발열원은 전단의 응축열원을 이용하는 연속적 공정으로 구성되되, 상측 일면에는 해수가 채워지는 해수 공급부(41)가 형성되고, 하측 일면에는 응축수가 모아지는 응축수 포킷(pocket)(42)을 형성하는 스테인리스 재질의 강판(40)과, 상기 강판(40)의 후면에 각각 부착되어 상기 해수 공급부(41)로부터 해수를 흡입하여 흐르게 하는 윅(Wick)(50)으로 구성되는 다중효용 담수부(30); 를 포함하여 구성되되,

   상기 강판(40)은 다수개가 상호간 등간격으로 직립 설치되는데, 상기 Basin형 담수부(20)와 인접되어 최초로 설치되는 제 1단 강판(40a)의 경우, 상기 Basin형 담수부(20)에서 해수가 증발된 수증기가 응축이 일어나서 응축수 포킷(42)에 낙하되어 저장되고, 이때 발생하는 응축잠열과 상기 제 1단 강판(40a)의 전면에 입사된 태양 복사에너지을 합하여 제 1단 윅(50a)에 흐르는 해수를 가열하는 열원으로 작용하고,

   상기 제 1단 강판(40a)은 입사되는 태양열의 흡수율을 높이기 위하여 전면에 흑색 코팅되어 있으며,

   상기 윅(50)은 상단에 형성된 절곡부를 해수 공급부(41)에 내입하여, 상기 절곡부를 통해 표면장력에 의해 흡수되는 해수가 상기 윅(50)의 길이방향을 향해 유동하면서 증발되고, 증발되고 남은 잔여 해수는 상기 윅(50)의 하단으로 낙하되어 배출되고,

   상기 제 1단 강판(40a)에 대응되어 연속 설치되는 다수개의 제 2, 3, 4강판(40b, 40c, 40d)의 경우, 상기 각 강판의 전면에 맺힌 응축수는 상기 응축수 포킷(42)으로 흘러내리면서 응축잠열을 상기 윅(50)에 흐르는 해수에 전도시켜 해수를 증발시키고, 증발된 증기는 확산을 통하여 인접한 다음 단의 강판의 전면에 응축되어 저장되며,

   설치되는 상기 강판(40)의 단수는 제 1단 강판(40a)에 흡수되는 태양복사에너지와 응축잠열의 총 열량과 해수온도 및 유량에 의해, 4단 이상으로 증가되어 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 태양열 다중효용 담수화 장치.
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