KR101171262B1 - 증기압식 발전장치 - Google Patents

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김현정
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Abstract

본 발명은 증기압식 발전장치에 관한 것으로서, 담수가 저장되는 담수저장부와, 해수가 저장되는 해수저장부와, 담수저장부와 일측이 연결되고 담수저장부에서 증발되는 증기가 배출되는 배출유로와, 배출유로의 타측과 연결되고 배출유로를 통해 유입되는 증기의 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 발전부와, 발전부와 일측이 연결되고 발전부에서 배출되는 증기를 해수저장부로 안내하는 유입유로와, 담수저장부와 해수저장부 사이에 개재되고 해수저장부측의 열을 담수저장부측으로 전달하는 열교환부와, 담수저장부 내부에서 열교환부와 접하도록 배치되고 모세관력에 의해 담수저장부의 담수를 빨아들이는 제1위크부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 증발 영역과 응축 영역이 증대됨에 따라 담수저장부에서 해수저장부로 이동하는 증기량이 증대되어 발전 효율이 향상된다.

Description

증기압식 발전장치{POWER GENERATOR USING VAPOR PRESSURE DIFFERENCE BETWEEN SEA WATER AND FRESH WATER}
본 발명은 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환 영역과 증발, 응축 영역을 증대시킴으로써 해수와 담수의 증기압 차이가 일정하게 유지되도록 하여 지속적인 발전을 이룰 수 있는 증기압식 발전장치에 관한 것이다.
최근 들어 온실가스 감축 등 지구환경보전을 위한 국제환경협약과 환경규제가 본격적으로 시행되고 있는 가운데 고유가 현상이 지속되면서 친환경에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 친환경에너지는 수력, 원자력, 지열, 조력, 태양광, 풍력 등과 같이 환경오염 문제를 발생시키지 않는 천연 무공해 에너지원을 일컫는다.
해수(海水)와 담수(淡水)의 염도 차이를 이용한 발전은 무한하고 자연적인 에너지 자원인 바닷물과 강물을 활용하므로, 많은 양의 전력을 이산화탄소 및 오염물질 발생 없이 환경 친화적으로 생성할 수 있다. 또한 태양광, 풍력, 조력 등과는 달리 에너지 생산이 시간에 따라 변하지 않고 예측 가능하며, 작동 원리도 단순하다는 장점이 있다.
해수와 담수의 염도차를 이용한 발전 방식으로는 압력지연삼투식, 역전기투석식, 증기압식 등이 있다.
압력지연삼투식은 이온은 투과시키지 않고 물 분자만 투과시키는 막(Semipermeable Membrane)을 이용해 압력을 높인 해수가 터빈을 돌리게 하여 전기를 생산하는 방식이다.
역전기투석식은 발전기의 내부에 양이온만 통과하고 음이온은 통과하지 않는 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane)과, 음이온만 통과하는 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane)이 설치되어 있어, 해수에 포함된 양이온과 음이온이 서로 반대방향으로 흐르면서 담수에 섞여 들어가게 된다. 이러한 이온의 흐름이 전자를 양극에서 음극으로 옮기면서 전력을 발생시킨다.
그러나 압력지연삼투식과 역전기투석식은 발전기에 들어가는 분리막이나 이온교환막이 너무 고가이며, 막 면적당 발생전력이 미미하여 가격경쟁력이 너무 낮다는 단점이 있다.
증기압식은 해수와 담수의 증기압의 차이를 이용하는 것으로, 분리막이나 이온 교환막이 필요 없어 발전 단가가 저렴하다는 장점이 있다. 도 1은 종래의 증기압식 발전장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 증기압식 발전장치는 담수(F)를 저장하는 담수저장부(10)와, 해수(S)를 저장하는 해수저장부(20)와, 발전부(30)를 포함하여 이루어진다.
담수(F)의 증기압이 해수(S)의 증기압보다 높기 때문에 담수(F)에 포함된 물분자들은 자발적으로 증발한 후 해수(S)측으로 이동하여 응축된다. 즉, 담수저장부(10)에 저장된 담수(F)의 물분자들은 증발한 후 배출유로(40)와 유입유로(50)를 거쳐 해수저장부(20)로 이동하여 응축된다. 이때 이동하는 물분자의 운동에너지로 발전부(30)를 돌리면 전기에너지를 생산할 수 있게 된다.
증기압 차에 의해 증발이 일어남에 따라 담수(F)의 온도는 내려가게 되고, 응축이 일어나는 해수(S)의 온도는 올라가게 된다. 온도가 내려갈수록 증발은 어려워지므로, 담수저장부(10)와 해수저장부(20) 사이에 열교환부(60)를 개재하여 해수(S)측의 열을 담수(F)측으로 전달하여 담수(F)의 온도와 해수(S)의 온도가 역전되지 않도록 한다.
상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.
종래 증기압식 발전장치에 따르면, 물의 열전도율이 열교환부(60)의 열전도율에 비해 낮은 관계로, 해수(S)와 담수(F) 사이의 열교환은 열교환부(60)가 해수(S) 및 담수(F)와 접하는 영역(열교환 영역)에서만 일어나게 된다. 따라서 해수저장부(20)에서 생성되는 응축열을 담수저장부(10)측으로 전달하는데 있어 많은 손실이 발생한다.
또한 담수저장부(10)에서 담수(F)와 대기가 접촉하는 영역(증발 영역)에서 주로 증발이 일어나는데, 증발 영역 중에서 열교환 영역과 겹치는 영역은 a에 불과하여 열교환부(60)의 장착에 따른 열교환 및 증발 효과의 향상을 기대하기 어렵다. 즉, 담수저장부(10)에서 증발이 일어남에 따라 내려가는 담수(F)의 온도를 보전하기 어려워지므로, 증발 효율이 저하되고 결국 발전 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 열교환 영역과 증발, 응축 영역을 증대시킴으로써 해수와 담수의 증기압 차이가 일정하게 유지되도록 하여 지속적인 발전을 이룰 수 있는 증기압식 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 증기압식 발전장치는: 담수가 저장되는 담수저장부; 해수가 저장되는 해수저장부; 상기 담수저장부와 일측이 연결되고, 상기 담수저장부에서 증발되는 증기가 배출되는 배출유로; 상기 배출유로의 타측과 연결되고, 상기 배출유로를 통해 유입되는 증기의 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 발전부; 상기 발전부와 일측이 연결되고, 상기 발전부에서 배출되는 증기를 상기 해수저장부로 안내하는 유입유로; 상기 담수저장부와 상기 해수저장부 사이에 개재되고, 상기 해수저장부측의 열을 상기 담수저장부측으로 전달하는 열교환부; 및 상기 담수저장부 내부에서 상기 열교환부와 접하도록 배치되고, 모세관력에 의해 상기 담수저장부의 담수를 빨아들이는 제1위크부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1위크부는 금속재질을 포함하여 이루어진다.
더 바람직하게는, 상기 제1위크부는 하단에서 상단까지 상기 열교환부와 접하도록 배치된다.
바람직하게는, 상기 해수저장부 내부에서 상기 열교환부와 접하도록 배치되고, 상기 유입유로를 통해 안내되는 증기와 접촉하는 제2위크부를 포함한다.
더 바람직하게는, 상기 제2위크부는 금속재질을 포함하여 이루어진다.
더 바람직하게는, 상기 제2위크부는 하단에서 상단까지 상기 열교환부와 접하도록 배치된다.
본 발명에 따르면, 담수저장부에 구비되는 제1위크부에 의해 증발 영역이 확장되어 증발량이 증대된다.
또한 본 발명에 따르면, 해수저장부에 구비되는 제2위크부에 의해 응축 영역이 확장되어 응축량이 증대된다.
또한 본 발명에 따르면, 증발 영역과 응축 영역이 증대됨에 따라 담수저장부에서 해수저장부로 이동하는 증기량이 증대되어 발전 효율이 향상된다.
또한 본 발명에 따르면, 제2위크부의 모세관력에 의해 해수저장부에서 응축된 물이 균일하게 퍼지게 되므로 불균일한 응축의 발생을 억제할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 제1위크부와 제2위크부에 의해 해수저장부에서 생성되는 응축열을 손실 없이 담수저장부측으로 전달할 수 있게 됨에 따라, 해수와 담수의 온도를 동일하게 유지할 수 있고, 해수와 담수의 증기압 차이를 일정하게 유지할 수 있어 지속적인 발전을 이룰 수 있게 된다.
도 1은 종래의 증기압식 발전장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증기압식 발전장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에서 제1위크부, 열교환부 및 제2위크부를 확대한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 증기압식 발전장치의 일 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증기압식 발전장치를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2에서 제1위크부, 열교환부 및 제2위크부를 확대한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증기압식 발전장치는 담수저장부(110), 해수저장부(120), 발전부(130), 배출유로(140), 유입유로(150), 열교환부(160), 제1위크(Wick)부(170), 제2위크(Wick)부(175)를 포함하여 이루어진다.
담수저장부(110)에는 담수(F)가 저장되고, 해수저장부(120)에는 해수(S)가 저장된다. 담수(F)의 증기압이 해수(S)의 증기압보다 높기 때문에 담수저장부(110)와 해수저장부(120)가 연결되어 있는 경우, 담수(F)에 포함된 물분자들은 자발적으로 증발한 후 해수(S)측으로 이동하여 응축된다.
배출유로(140)는 일측이 담수저장부(110)와 연결되고, 타측이 발전부(130)와 연결된다. 따라서 담수저장부(110)에서 증발되어 배출되는 증기는 배출유로(140)를 통해 발전부(130)로 안내된다.
발전부(130)는 배출유로(140)와 연결되어 담수저장부(110)에서 배출되는 증기가 유입된다. 발전부(130)는 유입되는 증기의 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 생산한다. 이러한 발전부(130)는 터빈(Turbine), 제너레이터(Generator) 등을 포함하여 이루어지며, 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 발전 원리는 당업자에게는 일반적인 기술 내용이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
유입유로(150)는 일측이 발전부(130)와 연결되고, 타측이 해수저장부(120)와 연결된다. 따라서 발전부(130)에서 배출되는 증기는 유입유로(150)에 의해 해수저장부(120)로 안내되어 응축된다.
열교환부(160)는 담수저장부(110)와 해수저장부(120) 사이에 개재되어 해수저장부(120)측의 열을 담수저장부(110)측으로 전달한다.
증기압의 차이에 의해 증발이 일어남에 따라 담수(F)의 온도는 내려가게 되고, 응축이 일어나는 해수(S)의 온도는 올라가게 된다. 온도가 내려갈수록 증발은 어려워지고 온도가 올라갈수록 응축은 어려워지므로, 담수저장부(110)와 해수저장부(120) 사이에 열교환부(160)를 개재하여 해수저장부(120)측의 열을 담수저장부(110)측으로 전달시킨다. 이로써 담수(F)의 온도와 해수(S)의 온도가 역전되는 것을 방지할 수 있다.
제1위크부(170)는 담수저장부(110) 내부에서 열교환부(160)와 접하도록 배치되고, 모세관력에 의해 담수저장부(110)에 저장되는 담수(F)를 빨아들이도록 구성된다.
따라서 열교환부(160)와 밀착되는 제1위크부(170)가 담수저장부(110)의 담수(F)를 빨아들이게 되면, 담수저장부(110)의 담수(F)는 제1위크부(170)의 전 영역에서 열교환부(160)와 접촉하게 되므로, 종래에 비해 열교환부(160)와의 접촉 면적을 증대시킬 수 있다.
즉, 담수(F)가 제1위크부(170)에 의해 빨아들어져 상승하는 면적만큼 열교환부(160)와의 접촉 면적이 증대된다. 이는 열교환부(160)가 담수(F)와 접하는 영역인 열교환 영역의 증대를 의미한다. 열교환 영역의 증대에 따라 담수(F)의 온도를 해수(S)의 온도와 동일하게 유지할 수 있게 되고, 담수(F)와 해수(S)의 증기압 차이를 일정하게 유지할 수 있게 되므로, 증기압 차이를 이용한 발전을 지속적으로 이룰 수 있게 된다.
또한 담수저장부(110)에서의 실질적인 증발은 담수(F)가 대기와 접촉하는 영역(증발 영역)에서만 일어나는데, 본 실시예에 따르면 제1위크부(170)에 의해 증발 영역이 “┛”형상으로 확장된다. 즉, 증발 영역 역시 담수(F)가 제1위크부(170)에 의해 빨아들어져 상승하는 면적만큼 증대된다. 증발 영역이 증대되는 만큼 담수저장부(110)에서의 증발되는 증기량이 증대되므로, 이를 이용한 발전부(130)에서의 발전 용량 역시 증대된다.
제1위크부(170)는 스폰지가 물을 빨아들이는 원리와 같이 모세관력을 이용하여 담수저장부(110)에 저장되는 담수(F)를 빨아들이는 구성으로, 본 실시예에서는 담수(F)가 빨아들여져 상승할 수 있도록 다공 형상을 갖도록 구성되나, 이외에도 모세관력을 이용하여 담수(F)를 빨아들일 수 있는 구성이라면 대체 가능함은 물론이다.
제1위크부(170)는 열전도율이 높은 금속재질을 포함하여 이루어진다. 따라서 해수저장부(120)에서의 응축에 의해 생성되는 응축열은 금속재질로 이루어진 열교환부(160)와 제1위크부(170)를 통해 담수저장부(110)측으로 손실 없이 전달될 수 있다.
제1위크부(170)는 하단에서 상단까지, 즉 전 영역에서 열교환부(160)와 접하도록 배치된다. 이에 의해 담수저장부(110)에 저장되는 담수(F)가 열교환부(160)와 접하게 되는 열교환 영역을 증대시킬 수 있다. 또한 담수(F)를 빨아들여 상측으로 이동시킴으로 담수(F)가 대기와 접하게 되는 증발 영역을 증대시킬 수 있어 증발 효율의 향상을 도모할 수 있다.
제2위크부(175)는 해수저장부(120) 내부에서 열교환부(160)와 접하도록 배치된다. 유입유로(150)를 통해 안내되는 증기는 해수저장부(120) 내에서 제2위크부(175)와 접촉하면서 응축된다.
이에 따라 증기의 응축에 의해 생성되는 응축열은 제2위크부(175)로 전달된다. 이후 응축열은 열교환부(160)와 제1위크부(170)를 통해 담수(F)측으로 전달되므로, 증발과 응축이 일어나는 모든 영역(A, B)에 금속재질의 제1위크부(170) 및 제2위크부(175)가 닿아 있으므로 서로간의 열전달 과정에서 열손실이 거의 일어나지 않게 된다.
또한 해수저장부(120)에서의 실질적인 응축은 해수(S)가 대기와 접촉하는 영역(응축 영역)에서만 일어나는데, 본 실시예에 따르면 제2위크부(175)에 의해 응축 영역이 “┗”형상으로 확장된다. 응축 영역이 증대되는 만큼 해수저장부(120)에서의 응축량이 증대되고, 이는 다시 담수저장부(110)에서의 증발량의 증대를 유도하므로, 결국 발전부(130)에서의 발전 용량의 증대를 이룰 수 있게 된다.
제2위크부(175)는 열전도율이 높은 금속재질을 포함하여 이루어진다. 따라서 해수저장부(120)에서의 응축에 의해 생성되는 응축열은 금속재질로 이루어진 제2위크부(175)를 통해 담수저장부(110)측으로 손실 없이 전달될 수 있다.
제2위크부(175)는 하단에서 상단까지, 즉 전 영역에서 열교환부(160)와 접하도록 배치된다. 이에 의해 해수저장부(120)에서 증기가 응축되는 영역을 증대시킬 수 있고, 해수(S)측의 열을 손실 없게 담수(F)측으로 전달할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시되는 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
110 : 담수저장부 120 : 해수저장부
130 : 발전부 140 : 배출유로
150 : 유입유로 160 : 열교환부
170 : 제1위크부 175 : 제2위크부

Claims (6)

  1. 담수가 저장되는 담수저장부;
    해수가 저장되는 해수저장부;
    상기 담수저장부와 일측이 연결되고, 상기 담수저장부에서 증발되는 증기가 배출되는 배출유로;
    상기 배출유로의 타측과 연결되고, 상기 배출유로를 통해 유입되는 증기의 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 발전부;
    상기 발전부와 일측이 연결되고, 상기 발전부에서 배출되는 증기를 상기 해수저장부로 안내하는 유입유로;
    상기 담수저장부와 상기 해수저장부 사이에 개재되고, 상기 해수저장부측의 열을 상기 담수저장부측으로 전달하는 열교환부; 및
    상기 담수저장부 내부에서 상기 열교환부와 접하도록 배치되고, 모세관력에 의해 상기 담수저장부의 담수를 빨아들이는 제1위크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기압식 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1위크부는 금속재질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 증기압식 발전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1위크부는 하단에서 상단까지 상기 열교환부와 접하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 증기압식 발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 해수저장부 내부에서 상기 열교환부와 접하도록 배치되고, 상기 유입유로를 통해 안내되는 증기와 접촉하는 제2위크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기압식 발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2위크부는 금속재질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 증기압식 발전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2위크부는 하단에서 상단까지 상기 열교환부와 접하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 증기압식 발전장치.
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