KR101384207B1 - 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템 - Google Patents

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Abstract

해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템이 개시된다. 본 발명의 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템은, 선박을 포함하는 해상 설비용 해수 담수화 시스템에 있어서, 유체를 가압시켜 태양열로 가열하여 과열 유체를 형성시키는 태양열 축열부; 및 해수를 과열 유체와 열교환시켜 생성된 수증기로 담수를 생산하는 담수 생산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템{Seawater Desalination System Using Solar Energy For Off-shore Facilities}
본 발명은 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가압 및 태양열을 이용한 가열로 형성된 과열 유체를 이용하여 해수를 담수화하는 해상 설비용 담수화 시스템에 관한 것이다.
해수를 증발시켜 담수를 취하는 방법은 오래전부터 시도되었으며, 해수를 증발시키기 위한 수단으로서 태양에너지를 이용하는 방법 또한 근래에 이르면서 많은 관심을 받게 되었다.
일반적으로 해수로부터 담수를 분리하는 공정은 에너지원에 따라 크게 열에너지, 기계/전기에너지, 재생에너지 시스템으로 구분되며, 담수 제조 방식에 따라서는 증발/증류법, 역삼투압법, 냉동법, 전기투석법 등이 있다. 이 중 태양열을 이용한 담수법은 열에너지를 이용하는 방법으로 증발기를 1개 적용한 단효용, 그리고 담수 수율을 높이기 위하여 여러 개의 증발기를 채택한 다단 효용 시스템으로 구분된다. 이러한 다단 시스템은 크게 다단 플래시 증류법 (Multi-Stage Flash Distillation, MSF)과 다중효용 증발법(Multi-Effect Evaporation, MED)으로 구분되고 있다. 이러한 방식은 고온의 스팀을 사용하거나 대량의 담수를 제조하는 대형 시스템에 적용되고 있다.
반면, 기존 태양열을 열원으로 하는 담수화 시스템은 대개, 태양열로부터 흡수한 온도 60℃~80℃의 온수가 증발기에 제공되어 해수로부터 담수를 제조하고 있다. 그 구성은 해수를 기화시키는 증발기, 증발된 수증기를 액화시키는 응축기, 응축기와 증발기 공간을 진공으로 만드는 이젝터, 태양열 집열기, 태양열을 저장하는 축열조로 구성된다.
그 원리를 보면, 약 45℃ 정도의 낮은 온도의 물이 태양열 등 열원을 축열하는 축열조 내부를 순환하면서 가열되어 60℃ 정도의 온수가 생성된다. 이 온수는 증발기 내부의 증발관에 유입되어 증발관 외부의 해수를 가열, 증발시키며 증발된 수증기는 응축기 외부 표면에서 액화된다. 이 응축기의 응축관 내부로는 해수가 흐르는데, 관 외부의 수증기를 응축시키면서 온도가 상승되어 증발기에 유입된다. 유입된 해수는 증발관 내부의 온수에 의하여 가열되어 수증기를 방출하게 되고 잔여 해수는 이젝터에 의하여 배출된다. 이때 증발관 내부의 온수는 다시 온도가 저하되어 축열조로 순환된다.
이러한 태양열 이용 시스템은 저에너지, 친환경, 적은 장치 규모 그리고 초기투자비가 적게 들어 대체 수자원 확보를 위한 중요한 기술이 되고 있으며 도서지역이나 여러 소지역에 분산형이 가능한 장점을 보유하고 있다.
그러나 태양열을 이용한 종래의 담수화 기술의 문제점은 불균일한 일조량으로 인하여 담수 생산량이 불규칙하고, 일조량이 적은 경우 열량 부족으로 담수 생산량이 감소하는 단점이 있다.
도 1은 종래의 다단 시스템의 해수 담수화 설비의 일 예를 도시한다.
해수 담수화 설비에서 증발기는 여러 개(대략 19 ~ 30개, 도 1은 일부만을 도시한다)의 스테이지로 구성되며, 각각의 스테이지는 응축기(4), 기수분리기(5), 그리고 증발실(3)로 구성되어 있다.
해수 담수화 장치에서 순환 농염수(Recycling Brine)는 농염수 순환펌프(Brine Recirculation Pump)에 의하여 각각의 열회복구간(Heat Rejection Section)의 응축기(4) 내부를 흘러 해수 가열기(Brine Heater)에 유입되어 해수 가열기(2) 튜브 바깥쪽에서 흐르는, 발전설비(1) 등으로부터 공급된 증기의 응축열을 이용하여 가열된다.
상기 가열된 순환 농염수는 순차적으로 낮은 압력으로 유지되고 있는 스테이지(Stage)의 증발실(Flash Chamber, 3)로 유입된다. 가열된 순환 농염수가 유입되면 증발실(3) 주변의 낮은 압력으로 인하여 맹렬한 증발이 유도되는데, 이러한 증발 현상은 유입된 순환 농염수가 그 스테이지의 압력에 해당하는 끓는점까지 냉각되는 동안 계속된다. 그리고, 다음 스테이지로 유입되어 이와 같은 과정을 반복하게 되며 점점 농도가 증가한다.
최종 스테이지에 이르러 전체 순환 농염수의 농도를 조정하기 위하여 일부는 농염수 배출펌프(Brine Blowdown Pump) 밖으로 배출된다. 생성된 증기는 기수분리기(Demister, 5)를 지나 포함되어 있을 수 있는 염의 알갱이들을 제거한다. 그리고, 스테이지의 응축기(4)부로 유입되어 튜브 내부를 흐르는 순환 농염수에 의하여 담수로 응축된다.
이러한 종래의 해수 담수화 장치는 열효율을 향상시키기 위해서는 증발기(3) 내의 전열면적과 스테이지 수를 늘려야하기 때문에, 그에 따라 설치공간을 많이 차지하게 되고, 제작비용이 증대되었을 뿐만 아니라, 해수 가열기(2)의 구동을 위해 화석 연료가 필요하였다. 화력 발전소나 원자력 발전소에 설치되어 이로부터 발생하는 스팀을 이용하는 경우에는, 화석 연료 사용과 이에 따른 환경 오염 문제, 폐기물 발생 문제 등이 따른다. 또한 2011년 동일본 대지진과 이에 따른 후쿠시마 원전 사태에서 볼 수 있는 원전 설치에 따른 위험성도 문제된다.
또한 종래의 해수 담수화 장치는 고정된 장소에 설치됨으로써, 담수 공급 가능범위가 한정적이어서 담수가 필요 지역에 유동적으로 담수를 공급하는 것이 불가능했다.
이에 따라 태양 에너지 같은 청정 에너지만으로 용이하고 안전하게 유동적으로 담수 공급이 가능한 해수 담수화 시스템의 개발이 요구된다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가압 및 태양열을 이용한 가열로 형성된 과열 유체를 이용한 해수 담수화 시스템을 제공함으로써, 화석 연료나 원자력을 이용한 발전소의 스팀을 활용하는 담수화 장치의 환경 오염과 안전성 문제를 해결하고, 종래의 태양열 이용 담수화 기술이 지닌 일조량 변화에 의한 담수 생산량 불규칙 또는 담수 생산이 어려운 문제점을 해결하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박을 포함하는 해상 설비용 해수 담수화 시스템에 있어서,
유체를 가압시켜 태양열로 가열하여 과열 유체를 형성시키는 태양열 축열부; 및
해수를 상기 과열 유체와 열교환시켜 생성된 수증기로 담수를 생산하는 담수 생산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템이 제공된다.
상기 태양열 축열부는 공급되는 유체의 압력을 상승시키는 가압 펌프와, 상기 가압 펌프에 연결되며 태양열을 흡수하여 상기 유체를 가열하여 상기 과열 유체를 형성시키는 태양열 가열기와, 상기 태양열 가열기에서 형성된 상기 과열 유체를 저장하는 고온수 탱크를 포함할 수 있다.
상기 태양열 축열부는 상기 고온수 탱크와 상기 담수 생산부를 연결하는 유로에 마련되어 상기 과열 유체의 순환을 조절하는 모터구동밸브와, 상기 가압 펌프보다 높게 마련되어 위치 수두 원리로 상기 가압 펌프에 유입되는 상기 유체의 도입 압력을 상승시키는 가압 설비를 더 포함할 수 있다.
상기 가압 설비는 상기 유체가 저장될 수 있는 가압 탱크와, 상기 고온수 탱크와 상기 가압 설비를 연결하는 유로에 마련되어 상기 유체가 고온수 탱크로 역류하는 것을 방지하는 체크밸브를 포함할 수 있다.
상기 가압 설비는 상기 가압 설비 용기 내의 유체가 빠져나갈 경우 형성될 수 있는 진공 상태를 막기 위한 진공 브레이커를 더 포함할 수 있다.
상기 담수 생산부는 공급받은 상기 해수와 상기 과열 유체와의 열교환으로 수증기가 형성되는 증발 탱크와, 상기 수증기의 응축으로 담수가 생산되는 응축 탱크와, 상기 담수가 저장되는 담수 탱크를 포함할 수 있다.
상기 담수 생산부는 상기 증발 탱크의 내부에 설치되어, 상기 해수와 열교환작용할 수 있도록 상기 과열 유체가 순환하여 흐르는 코일형 파이프를 더 포함할 수 있다.
상기 담수 생산부는 상기 증발 탱크 내의 상기 해수 염도를 감지하는 염도 센서와, 상기 염도 센서에 의해 상기 해수가 설정된 염도 이상임이 감지되면 상기 해수를 증발 탱크 외부로 배출시키는 배출 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 담수 생산부는 상기 응축 탱크 내부에 설치되어 상기 해수가 순환하여 흐르는 냉각용 파이프를 더 포함하되, 상기 응축 탱크에서 상기 냉각용 파이프를 흐르며 상기 수증기와 열교환작용으로 가열된 상기 해수가 상기 증발 탱크에 공급될 수 있다.
상기 유체는 물 및 해수를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박을 포함하는 해상 설비에서 해수를 담수화하는 방법에 있어서,
1) 유체를 가압시키고 태양열로 가열하여 과열 유체를 형성하는 단계;
2) 해수를 상기 과열 유체와의 열교환작용에 의해 증발시켜 수증기를 생성하는 단계; 및
3) 상기 수증기를 응축시켜 담수를 생산하는 단계를 포함하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 해수를 담수화하는 방법에 있어서, 태양열로 유체를 가열시켜 과열 유체를 형성하여 저장하고, 태양열을 이용할 수 없는 경우에 해수를 상기 과열 유체와 열교환을 통해 증발시키고 응축시킴으로써 담수를 생산하는 것을 특징으로 하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 방법이 제공된다.
상기 과열 유체는 위치 수두 원리 및 펌핑으로 유체에 가압함으로써 끓는점을 상승시켜 형성될 수 있다.
본 발명은 가압 및 태양열을 이용한 가열로 형성된 과열 유체로 해수를 증발시킬 수 있는 해수 담수화 시스템을 제공함으로써, 화석 연료나 원자력을 이용한 발전소의 스팀을 활용하는 담수화 장치의 환경 오염과 안전성 문제를 해결하고, 저장된 과열 유체를 해수 담수화에 사용함으로써 종래의 태양열 이용 담수화 기술이 지닌 일조량 변화에 의한 담수 생산량 불규칙 또는 담수 생산이 어려운 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 선박을 포함한 해상 설비에 이러한 담수화 시스템을 구비함으로써 담수 공급이 필요한 지역에 시의적절하게 담수를 공급할 수 있다.
도 1은 종래의 다단 시스템의 해수 담수화 설비의 일 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템을 개략적으로 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템은, 선박을 포함하는 해상 설비용 해수 담수화 시스템으로써, 유체를 가압시켜 태양열로 가열하여 과열 유체를 형성시키는 태양열 축열부(100)와, 해수를 과열 유체와 열교환시켜 생성된 수증기로 담수를 생산하는 담수 생산부(200)를 포함한다.
태양열 축열부(100)는 공급되는 유체의 압력을 상승시키는 가압 펌프(110)와, 가압 펌프(110)에 연결되며 태양열을 흡수하여 유체를 가열하여 과열 유체를 형성시키는 태양열 가열기(120)와, 태양열 가열기(120)에서 형성된 과열 유체를 저장하는 고온수 탱크(130)를 포함할 수 있다.
태양열 가열기(120)에서 형성된 과열 유체가 고온수 탱크(130)를 바이패스하여 바로 담수 생산부(200)에 공급될 수 있는 유로와 밸브를 포함하여 시스템을 구성할 수도 있다.
본 실시예에 기재된 과열 유체란 과열 가스와 과열 액체를 포함하는 개념으로 사용된 것으로서, 여기서 과열 액체란 외부압력의 상승에 따라 끓는점 이상의 온도에 도달하였음에도 기화되지 않고 액체 상태를 유지하는 액체를 말한다.
이는 다음의 원리에 의한 것이다.
보일-샤를의 법칙(Boyle-Charles' Law)은 온도가 일정할 때 기체의 압력은 부피에 반비례한다는 보일의 법칙과 압력이 일정할 때 기체의 부피는 온도의 증가에 비례한다는 샤를의 법칙을 조합하여 만든 법칙으로 온도, 압력, 부피가 동시에 변화할 때 이들 사이의 관계를 나타낸다.
이는 다음과 같은 수식으로 표현된다.
Figure 112012034762717-pat00001
위의 식에서 k는 일정하다.
따라서 위의 식을 만족시키려면, 압력이 상승할 경우 이에 따른 온도도 상승해야 함을 알 수 있다.
액체의 끓는점이란, 액체가 증발하면서 발생한 기체의 내부 압력과 외부 압력이 동일하게 되는 온도이고, 이를 위의 식에 적용해보면 외부 압력이 상승하는 경우, 액체의 끓는점도 상승해야 한다는 결론에 도달한다.
본 발명은 이러한 압력 상승에 의한 끓는점 오름 원리를 이용한다. 즉 가압 펌프(110)를 통해 압력을 상승시켜 유체의 끓는점을 높이고, 태양열로 가열하여 유체를 원래의 끓는점 이상으로 가열된 과열 유체를 형성시킨 후 이를 해수와 열교환시켜 증기를 형성시켜 담수화한다.
태양열 축열부(100)는 고온수 탱크(130)와 담수 생산부(200)를 연결하는 유로에 마련되어 과열 유체의 순환을 조절하는 모터 구동 밸브(140)와, 가압 펌프(110)보다 높게 마련되어 위치 수두 원리로 가압 펌프(110)에 유입되는 유체의 도입 압력을 상승시키는 가압 설비(150)를 더 포함할 수 있다.
고온수 탱크(130)의 설치로 인해, 태양열을 이용하여 과열 유체를 형성하기 어려운 상황, 예를 들어 야간이나 장마철 등 일조량이 충분치 않은 경우에도 안정적으로 과열 유체를 공급해 담수를 생산하는 것이 가능해진다.
가압 설비(150)는 유체가 저장될 수 있는 가압 탱크(151)와, 고온수 탱크(130)와 가압 설비(150)를 연결하는 유로에 마련되어 유체가 고온수 탱크(130)로 역류하는 것을 방지하는 체크 밸브(152)를 포함할 수 있다.
가압 설비(150)는 또한 가압 탱크(151) 내의 유체가 빠져나갈 경우 형성될 수 있는 진공 상태를 막기 위한 진공 브레이커(미도시)를 더 포함할 수 있다.
위치 수두란 유체가 지닌 포텐셜 에너지, 즉 위치 에너지를 말한다. 즉, 본 실시예에서 가압 탱크(151)를 가압 펌프(110)보다 높게 배치함으로써 가압 탱크(151) 내에 저장된 유체가 높이에 따른 위치 에너지를 가지게 되고, 이러한 저장 유체의 위치 에너지를 통해 가압 펌프(110)로 유입되는 유체의 도입 압력이 상승하는 것을 위치 수두 원리라 할 수 있다.
가압 탱크(151)의 설치 높이에 따라 위치 수두에 의한 가압 효과는 달라질 수 있으므로, 시스템의 규모와 위치 수두에 의한 가압 효과를 고려하여 가압 탱크(151)의 설치 높이와 설비 규모를 선택할 수 있다.
본 발명의 태양열 축열부(100)를 통해 형성되는 고온수의 온도는, 일 예로 도입된 유체가 물인 경우 임계점은 225.56 kgf/㎠, 374.15℃이므로, 이론상 100℃를 초과하여 최고 370℃까지가 될 수 있다.
바람직하게는 해수와의 열교환을 위해서는 고온수는 최소한 110℃ 이상이라고 가정하면, 110℃에서 증기의 포화압력은 1.465 kgf/cm2 정도이며, 이것을 수두로 나타내면 14.65m 정도이다. 이러한 값에서 대기압에서의 수두 값인 10.33m를 빼면, 약 4.32 m 정도이므로, 바람직한 가압설비 내부 유체의 상부의 위치는 4m 이상으로 계산된다.
유체 상부 위치의 최대치는, 임계점 부근인 370℃에서의 포화증기압이 214.69 kgf/cm2으로, 이것을 수두로 나타내면 2146.9 m이다. 현실적으로 가압 설비를 2 ㎞ 높이에 설치하는 것은 어렵다고 판단되며, 선박 등 해상 설비의 높이를 최대 30~110 m 정도로 가정하고, 수두를 약 100 m로 가정하여, 포화증기압을 10 kgf/cm2로 하면, 이때의 포화온도는 약 180℃ 정도로 증발탱크(210)에 열원으로 충분히 사용할 수 있다.
그러나, 이런 높이를 갖추기 어렵다면, 가압 펌프(110)의 토출압을 높이거나 가압 탱크(151) 내부의 압력을 높임으로써 위치 수두에 따른 가압 효과를 보완할 수 있다.
결론적으로, 이론상 가압설비의 위치는 펌프 흡입측 높이(지면으로부터 약 50cm) ~ 2.1㎞ 이지만, 바람직하게는 가압설비 내부의 고온수의 상부 위치는 4m ~ 100m 정도가 되도록 설계할 수 있을 것이다.
가압 탱크(151)는 위치 수두를 가지도록 유체와 공기, 유체와 증기, 유체와 가압용 기체로 채워질 수 있다.
가압용 기체는 질소, 헬륨 등과 같은 불활성 내지 비폭발성 기체로 이루어질 수 있다.
가압 탱크(151)는 위치 수두로 가압 펌프(110)에 유입되는 유체의 도입 압력을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 유체가 펌프로 유입되면서 유로 내에서 맥동 현상(surging)이 발생하더라도 이를 일정부분 흡수함으로써 배관이나 펌프를 비롯한 장치의 손상을 방지할 수 있다.
여기서 맥동 현상이란, 펌프가 운전중에 한숨을 쉬는 것과 같은 상태가 되어 흡입과 토출의 진공계, 압력계의 지침이 흔들리는 동시에 토출 유량이 변화하는 현상, 즉 송출 유량과 송출압력 사이에 주기적인 변동이 일어나는 현상이다. 맥동 현상은 펌프의 특성, 회전체의 관성모멘트, 회전체의 저항, 관로 내의 양액의 관성 등이 조합됐을 때 자동 진동을 일으키는 현상이며, 이로 인해 펌프의 운전이 원활하지 않게 될 뿐 아니라 운전 불능이 발생하는 경우도 있다.
본 실시예는 이러한 맥동 현상을 일정 부분 흡수할 수 있어, 시스템 손상을 방지할 수 있다.
또한 본 실시예는 가압 설비를 채택함으로써 펌프의 공동현상 발생을 방지할 수 있다.
공동현상이란 유체 속에서 압력이 낮은 곳이 생기면 유체 속에 포함되어 있는 기체가 유체에서 빠져나와 압력이 낮은 곳에 모이는데, 이로 인해 유체가 없는 빈 공간이 생긴 것을 가리킨다.
이러한 공동현상을 차단하기 위해서는 펌프에서 유체의 흡입 수두는 유효 흡입 수두보다 작은 값으로만 해야 하는데, 가압 설비는 펌프의 유효 흡입 수두를 높임으로써 공동현상 발생을 억제할 수 있다.
또한 압력이 증기압보다 낮아지면 액체가 기화하거나 또는 녹아 있던 공기 등이 기포로 되기 때문에 공동이 발생하는데, 가압 설비는 포화 증기압을 높이는 작용도 하므로 이에 의해서도 공동 현상 발생을 억제하게 된다.
한편으로 본 실시예는 가압 설비를 도입함으로써 위치 수두에 의한 가압 효과를 가짐으로써 가압 펌프(110)의 용량 및 가동을 줄일 수 있으므로, 가압 펌프(110) 설치 및 가동에 따른 전력 소비를 감소시킬 수 있다.
담수 생산부(200)는 공급받은 해수와 과열 유체와의 열교환으로 수증기가 형성되는 증발 탱크(210)와, 수증기의 응축으로 담수가 생산되는 응축 탱크(220)와, 담수가 저장되는 담수 탱크(230)를 포함할 수 있다.
담수 생산부(200)는 증발 탱크(210)의 내부에 설치되어, 해수와 열교환작용할 수 있도록 과열 유체가 순환하여 흐르는 코일형 파이프(240)를 더 포함할 수 있다.
증발 탱크(210)에서는 과열 유체가 코일형 파이프(240) 내를 순환하여 흐르면서 해수와 열교환을 통해 증발되어 수증기가 형성되고, 형성된 수증기는 증발 탱크(210) 상부에서 유로를 따라 응축 탱크(220)로 유입된다. 응축 탱크(220)에서 수증기는 냉각 응축되면서 담수를 생성하고, 이는 담수 탱크(230)에 저장된다.
담수 생산부(200)는 증발 탱크(210) 내의 해수 염도를 감지하는 염도 센서(250)와, 염도 센서(250)에 의해 해수가 설정된 염도 이상임이 감지되면 해수를 증발 탱크(210) 외부로 배출시키는 배출 펌프(미도시)를 더 포함할 수 있다.
담수 생산부(200)는 응축 탱크(220) 내부에 설치되어 해수가 순환하여 흐르는 냉각용 파이프(260)를 더 포함하되, 응축 탱크(220)에서 냉각용 파이프(260)를 흐르며 수증기와 열교환 작용으로 가열된 해수가 증발 탱크(210)에 공급될 수 있다.
응축 탱크(220)에 마련된 냉각용 파이프(260)를 냉각용 해수가 순환하여 흐르면서, 응축 탱크(220) 내로 도입된 수증기와 열교환으로 냉각 응축시켜 담수를 생산하게 되고, 이러한 열교환으로 가열된 냉각용 해수는 증발 탱크(210)에 공급되어 담수 생산을 위한 해수로 사용된다. 냉각수로 사용된 해수는 열교환을 통해 30℃ 내외로 가열되므로 이를 증발 탱크(210)에 공급하면 보다 효과적으로 수증기를 형성시킬 수 있게 된다.
유체는 물 및 해수를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
해수 등 몰랄 농도가 높은 유체를 선택한다면 이에 의한 끓는점 오름 효과 또한 있으므로, 보다 효과적으로 과열유체를 형성시킬 수 있을 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 해상 설비용 해수 태양열 담수화 방법은 선박을 포함하는 해상 설비에서 해수를 담수화하는 방법으로서,
1) 유체를 가압시키고 태양열로 가열하여 과열 유체를 형성하는 단계;
2) 해수를 과열 유체와의 열교환작용에 의해 증발시켜 수증기를 생성하는 단계; 및
3) 수증기를 응축시켜 담수를 생산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 해상 설비용 해수 태양열 담수화 방법은 해수를 담수화하는 방법에 있어서, 태양열로 유체를 가열시켜 과열 유체를 형성하여 저장하고, 태양열을 이용할 수 없는 경우에 해수를 과열 유체와 열교환을 통해 증발시키고 응축시킴으로써 담수를 생산하는 것을 특징으로 한다.
과열 유체는 위치 수두 원리 및 펌핑으로 유체에 가압함으로써 끓는점을 상승시켜 형성될 수 있다.
본 실시예는 가압 및 태양열을 이용한 가열로 형성된 과열 유체를 해수 증발에 이용하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템을 제공함으로써, 화석 연료나 원자력을 이용한 발전소의 스팀을 활용하는 종래 해수 담수화 장치의 온실 가스 발생이나 핵 폐기물 발생과 같은 환경 오염 문제와 설비 안전성 문제를 해결할 수 있고, 태양열을 이용하므로 추가적인 연료나 에너지 사용 비용이 발생하지 않아 경제적이다.
태양열을 이용해 형성된 과열 유체를 저장해두었다가 야간 또는 일조량이 부족한 장마철이나 겨울에도 해수 담수화에 사용할 수 있음으로써 종래의 태양열 이용 담수화 기술이 지닌 일조량 변화에 의한 담수 생산량 불규칙 또는 담수 생산이 어려운 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 선박을 포함한 해상 설비에 이러한 담수화 시스템을 구비함으로써 해수의 취수가 용이하고, 이동하면서 도서 지역 또는 천재지변, 재난으로 일시적으로 담수 공급이 필요한 지역들에 시의적절하게 담수를 공급할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 태양열 축열부
110: 가압 펌프
120: 태양열 가열기
130: 고온수 탱크
140: 모터 구동 밸브
150: 가압 설비
151: 가압 탱크
152: 체크 밸브
200: 담수 생산부
210: 증발 탱크
220: 응축 탱크
230: 담수 탱크
240: 코일형 파이프
250: 염도 센서
260: 냉각용 파이프

Claims (13)

  1. 선박을 포함하는 해상 설비용 해수 담수화 시스템에 있어서,
    유체를 가압시켜 태양열로 가열하여 과열 유체를 형성시키는 태양열 축열부; 및
    해수를 상기 과열 유체와 열교환시켜 생성된 수증기로 담수를 생산하는 담수 생산부를 포함하고,
    상기 태양열 축열부는, 공급되는 유체의 압력을 상승시키는 가압 펌프; 상기 가압 펌프에 연결되며 태양열을 흡수하여 상기 유체를 가열하여 상기 과열 유체를 형성시키는 태양열 가열기; 및 상기 가압 펌프보다 높게 마련되어 위치 수두 원리로 상기 가압 펌프에 유입되는 상기 유체의 도입 압력을 상승시키는 가압 설비를 포함하는 것을 특징으로 하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 태양열 축열부는
    상기 태양열 가열기에서 형성된 상기 과열 유체를 저장하는 고온수 탱크; 및
    상기 고온수 탱크와 상기 담수 생산부를 연결하는 유로에 마련되어 상기 과열 유체의 순환을 조절하는 모터 구동 밸브를 더 포함하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서, 상기 가압 설비는
    상기 유체가 저장될 수 있는 가압 탱크; 및
    상기 고온수 탱크와 상기 가압 설비를 연결하는 유로에 마련되어 상기 유체가 고온수 탱크로 역류하는 것을 방지하는 체크 밸브를 포함하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 가압 설비는
    상기 가압 탱크 내의 유체가 빠져나갈 경우 형성될 수 있는 진공 상태를 막기 위한 진공 브레이커를 더 포함하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 담수 생산부는
    공급받은 상기 해수와 상기 과열 유체와의 열교환으로 수증기가 형성되는 증발 탱크;
    상기 수증기의 응축으로 담수가 생산되는 응축 탱크; 및
    상기 담수가 저장되는 담수 탱크를 포함하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 담수 생산부는
    상기 증발 탱크의 내부에 설치되어, 상기 해수와 열교환작용할 수 있도록 상기 과열 유체가 순환하여 흐르는 코일형 파이프를 더 포함하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 담수 생산부는
    상기 증발 탱크 내의 상기 해수 염도를 감지하는 염도 센서; 및
    상기 염도 센서에 의해 상기 해수가 설정된 염도 이상임이 감지되면 상기 해수를 증발 탱크 외부로 배출시키는 배출 펌프를 더 포함하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 담수 생산부는
    상기 응축 탱크 내부에 설치되어 상기 해수가 순환하여 흐르는 냉각용 파이프를 더 포함하되, 상기 응축 탱크에서 상기 냉각용 파이프를 흐르며 상기 수증기와 열교환작용으로 가열된 상기 해수가 상기 증발 탱크에 공급되는 것을 특징으로 하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 유체는 물 및 해수를 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템.
  11. 선박을 포함하는 해상 설비에서 해수를 담수화하는 방법에 있어서,
    1) 유체를 가압시키고 태양열로 가열하여 과열 유체를 형성하는 단계;
    2) 해수를 상기 과열 유체와의 열교환작용에 의해 증발시켜 수증기를 생성하는 단계; 및
    3) 상기 수증기를 응축시켜 담수를 생산하는 단계를 포함하되,
    상기 과열 유체는 위치 수두 원리 및 펌핑으로 유체에 가압함으로써 끓는점을 상승시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 방법.
  12. 해수를 담수화하는 방법에 있어서, 태양열로 유체를 가열시켜 과열 유체를 형성하여 저장하고, 태양열을 이용할 수 없는 경우에 해수를 상기 과열 유체와 열교환을 통해 증발시키고 응축시킴으로써 담수를 생산하되,
    상기 과열 유체는 위치 수두 원리 및 펌핑으로 유체에 가압함으로써 끓는점을 상승시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 해상 설비용 해수 태양열 담수화 방법.
  13. 삭제
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