KR101388694B1 - 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템 - Google Patents

자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템 Download PDF

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류원선
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홍익대학교부설과학기술연구소
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Abstract

본 발명은 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템에 관한 것이며, 본 발명의 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템은 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템에 있어서, 상기 담수를 공급하는 담수공급부; 상기 염수를 공급하는 염수공급부; 반투막을 경계로, 상기 담수공급부에 연결된 저농도영역과 상기 염수공급부에 연결된 고농도영역을 갖는 삼투부; 및 메인유입포트 및 메인유출포트가 형성된 적어도 2개의 실린더, 상기 적어도 2개의 실린더 각각의 내부에 위치하는 피스톤, 상기 피스톤을 연결하는 피스톤로드, 상기 실린더 내에서 병진운동하여 상기 메인유입포트 또는 상기 메인유출포트를 선택적으로 개폐시키는 보조피스톤을 구비하는 압력교환부;를 포함하며, 상기 삼투부에서 발생한 압력으로 전달된 상기 고농도영역의 염수가 상기 압력교환부의 실린더 중 어느 하나에 유입됨으로써, 상기 피스톤로드를 왕복운동시켜 상기 삼투부에서 발생한 압력을 회수하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 종래에 압력 지연 삼투 시스템의 연속적인 운전을 위해 필요한 밸브 구동부를 왕복식 압력교환장치에 직접 적용함으로서, 에너지 소모가 없이 에너지의 일부는 재사용하고, 나머지는 기계적으로 회수할 할 수 있는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템이 제공된다.

Description

자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템{POWER GENERATING SYSTEM FROM SALINITY GRADIENT ENERGY UTILIZING AUTOMATIC SELF-RECIPROCATING PRESSURE EXCHANGE}
본 발명은 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공급되는 기수(汽水)의 에너지를 활용하여 기수의 주입방향과 배출방향을 자동으로 전환시켜 주는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템에 관한 것이다.
최근 산업화로 인하여 화석에너지가 무분별하게 사용되었고, 이로 인하여 온실가스의 농도는 점차 증가하는 반면 화석 연료의 부존량은 점차 감소하고 있다. 특히 온실가스의 농도 증가는 기온 및 해수면 상승을 야기하였으며, 이상기후 현상을 초래하게 되었다.
이에, 에너지의 효율적인 사용 및 절약은 일차적인 대책으로는 일부 효과가 있지만 근본적으로 온실가스 배출의 84%를 차지하는 에너지 연소부분 자체를 감소시켜야 하며, 이를 위해서는 미래에너지원으로 지속가능하고 탄소배출이 없는 새로운 에너지에 대한 연구개발 및 실용화가 필요한 시점이다.
현재 각광받고 있는 신재생에너지로는 태양광, 풍력 및 수력(소수력)을 이용한 에너지가 있고, 신재생에너지 개발 방향은 이들에 편중되어 있다. 이 같은 주요 신재생에너지는 높은 초기 투자비용 및 출력의 불안정성, 생태계 교란과 같은 문제점을 가지고 있다.
이에 반하여 해수와 담수의 염도 차이를 에너지로 회수하는 발전 방식은 신재생에너지의 장점에 더하여, 생태계를 교란시키지 않으면서도 안정적인 출력을 확보할 수 있고, 하구 둑 및 방조제와 연계하여 해양면적을 활용함으로서 초기 설치비용을 감소시킬 수 있는 이점이 있어, 최근 이에 대한 연구가 유럽을 중심으로 진행되고 있다.
이렇게 해수와 담수의 농도 차이를 이용하는 에너지 회수 기술은 1975년 이스라엘의 Sidney Loeb 교수에 의하여 처음 제안된 압력지연 삼투방식과 역전기투석 방식으로 대별할 수 있는데, 현재 노르웨이의 전력회사인 Statkraft사와 네덜란드의 지속가능수력기술센터(Wetsus)에서 각각의 연구가 진행되고 있다.
이로부터 다양한 해수와 담수의 농도 차이를 이용하는 에너지 회수 기술이 연구되고 있으나, 각 기술들은 복잡한 장치들이 다수 사용되어 경제성이 떨어지지거나, 수력학적 압력을 주기 위해 추가에너지의 공급이 필요함으로써, 발전효율이 낮은 문제가 있었다.
특히, 압력지연삼투는 해수와 담수간의 농도차에 의한 삼투압을 에너지로 회수하는 방법으로, 현재의 해수와 담수가 투입된 압력지연 삼투시스템에서는 희석된 염수(鹽水)인 기수(汽水)가 높은 압력으로 방출되어, 터빈을 운전하는데 사용된다.
이러한 압력지연 삼투방식의 동력발생 시스템에서는 방출되는 높은 압력의 염수를 이용하여 터빈을 운전하는 방법을 취하고 있는데, 높은 압력의 흐름보다는 많은 유량을 가진 흐름에 유리한 수력 터빈의 기계적 특성 때문에, 고압이지만 작은 유량이 방출되는 압력 지연 삼투 방식에 적용하기에는 에너지의 회수에 있어서 불리한 단점이 있다.
따라서, 에너지회수시스템을 단순화하여 구축비용을 현저히 감소시키면서도, 에너지 회수효율을 증가시킬 수 있는 기술의 개발이 요구되어 왔다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시스템을 연속적이며 자동으로 구동시키기 위하여 에너지의 일부는 기수의 유출 및 유입 방향 전환에 이용하고, 나머지를 기계적으로 회수하여 염도차 에너지로부터 동력을 발생시키는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템에 있어서, 상기 담수를 공급하는 담수공급부; 상기 염수를 공급하는 염수공급부; 반투막을 경계로, 상기 담수공급부에 연결된 저농도영역과 상기 염수공급부에 연결된 고농도영역을 갖는 삼투부; 및 메인유입포트 및 메인유출포트가 형성된 적어도 2개의 실린더, 상기 적어도 2개의 실린더 각각의 내부에 위치하는 피스톤, 상기 피스톤을 연결하는 피스톤로드, 상기 실린더 내에서 병진운동하여 상기 메인유입포트 또는 상기 메인유출포트를 선택적으로 개폐시키는 보조피스톤을 구비하는 압력교환부;를 포함하며, 상기 삼투부에서 발생한 압력으로 전달된 상기 고농도영역의 염수가 상기 압력교환부의 실린더 중 어느 하나에 유입됨으로써, 상기 피스톤로드를 왕복운동시켜 상기 삼투부에서 발생한 압력을 회수하는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템에 의해 달성된다.
또한, 상기 압력교환부에서, 상기 피스톤로드에 연결되어, 상기 피스톤로드의 왕복운동에너지를 회수하여, 동력을 발생시키는 동력발생부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 메인유입포트는 상기 메인유출포트로부터 상기 실린더의 길이방향을 따라서 이격되는 위치에 마련되고, 상기 보조피스톤은 상기 메인유출포트를 차단하는 유출차단위치와 상기 메인유입포트를 차단하는 유입차단위치를 왕복이동할 수 있다.
또한, 상기 압력교환부는 상기 피스톤을 상기 보조피스톤 측으로 탄성 가압하는 탄성부재를 더 포함하고, 상기 보조피스톤은 상기 피스톤에 의하여 가압되어 상기 유입차단위치에서 상기 유출차단위치로 이동할 수 있다.
또한, 상기 보조피스톤은 외주면이 상기 메인유입포트에 접촉하는 원형의 베이스; 상기 베이스로부터 상기 실린더의 길이방향을 따라 돌출되는 중심축; 외면이 상기 메인유출포트에 접촉하되, 상기 중심축과의 사이에 유동로를 형성하는 커버부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 압력교환부에서, 상기 실린더 내부는 상기 피스톤을 경계로, 상기 피스톤로드가 위치하는 제1영역과, 상기 피스톤과 상기 보조피스톤 사이의 제2영역과, 그외의 제3영역으로 구분되며, 상기 실린더 및 상기 염수공급부와 연결되어, 상기 염수를 상기 제1영역에 공급하는 염수유입밸브; 또는 상기 실린더와 연결되며, 상기 제1영역에서 배출되는 염수의 역류를 방지하는 역류방지밸브; 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압력교환부는 복수개로 구성될 수 있다.
또한, 상기 염수공급부에, 상기 염수의 공급압력을 높이기 위한 시동펌프;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 삼투부에서, 상기 저농도영역의 담수가 농도차로 인하여, 상기 고농도영역으로 이동함으로써, 상기 고농도영역의 압력이 증가할 수 있다.
또한, 상기 압력교환부에서, 상기 피스톤로드의 왕복운동으로 인해, 상기 제1영역에서 가압되어 배출되는 염수는 상기 삼투부의 고농도영역에 유입될 수 있다.
또한, 상기 삼투부의 저농도영역에서, 상기 담수의 배출을 조절하는 배출밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 2개의 피스톤이 연동된 압력교환장치를 사용하여 압력을 회수함으로써 향상된 에너지 회수 효율을 제공할 수 있는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템이 제공된다.
또한, 보조 피스톤을 이용하여 실린더로부터 염수의 유출입을 제어함으로써, 밸브타이밍을 별도로 제어할 필요없이 정교한 구동이 가능하다.
또한, 압력회수부와 동력발생부를 일체화함으로써, 공정을 단순화하고, 시스템 구축에 필요한 비용을 현저히 절감함으로써 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템의 개략도이고,
도 2는 도 1의 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템의 보조피스톤의 개략적인 사시도이고,
도 3 내지 도 5는 도 1의 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템의 압력교환부의 작동과정을 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명에 의한 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템에 대하여 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템의 개략도이고, 도 2는 도 1의 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템의 보조피스톤의 개략적인 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템의 일실시예는 삼투부(10), 염수공급부(20), 담수공급부(30), 압력교환부(50) 및 동력발생부(80)를 포함한다.
먼저, 삼투부(10)는 반투막(11)을 경계로, 상기 담수공급부(30)에 연결된 저농도영역(13)과 상기 염수공급부(20)에 연결된 고농도영역(12)을 갖는다. 이는 담수와 염수간의 염도차로 인한 삼투압을 발생시키기 위한 구성으로, 도 1에 나타난 바와 같이, 삼투부(10)라는 챔버는, 반투막(11)으로 인해, 2개의 영역으로 나누어지며, 이러한 영역 중에, 담수공급부(30)와 연결되어, 담수가 공급되는 영역을 저농도영역(13), 염수공급부(20)에 연결되어, 염수가 공급되는 영역을 고농도영역(12)이라고 정의하였다.
상기 삼투부(10)에서는, 상기 저농도영역(13)의 담수가 농도차로 인하여, 상기 고농도영역(12)으로 이동하게 됨으로써, 상기 고농도영역(12)의 압력이 증가하게 된다.
또한, 삼투부(10)의 저농도영역(13)에서 배출되는 담수를 조절하는 배출밸브(32)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이는 삼투부(10)의 저농도영역(13) 배출구에 위치하여, 저농도영역(13)의 담수배출량을 조절함으로써, 저농도영역(13)에서 농축되는 염도를 최적으로 조절하는 역할을 한다.
다음으로, 염수공급부(20)는 염수를 공급하는 구성으로, 기본적으로 상압(normal pressure)으로 염수를 공급하는 역할을 한다. 여기서, 염수는 염이 포함된 물이면 어느 것이든 무방하나, 해수를 사용하는 것이 더 바람직하다.
염수공급부(20)에는, 상기 염수의 공급압력을 높이기 위한 시동펌프(21)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이는 본 발명의 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템의 초기작동을 위한 것으로, 시스템을 가동하기 위해서는, 불가피하게, 시동펌프(21)를 염수공급부(20)와 삼투부(10)사이에 위치시켜, 염수의 공급압력을 높이는 역할을 하게 된다.
이렇게 시동펌프(21)를 이용한 작동이후에는, 압력교환부(50)를 통해, 삼투부(10)에서 증가한 압력이 회수되어, 염수의 공급에 재사용되므로, 시동펌프(21)는 단지 압력감소시의 보조역할만을 하게 된다.
따라서, 종래와 달리, 시동펌프(21)의 작동시간이 현저히 감소함으로써, 그만큼 에너지 소비를 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 담수공급부(30)는 담수를 공급하는 구성으로, 기본적으로 상압(normal pressure)으로 담수를 공급하는 역할을 한다. 여기서, 담수(fresh water)는 염분이 없는 물을 의미한다.
다음으로, 압력교환부(50)는 메인유입포트와 메인유출포트가 형성된 적어도 2개의 실린더(51,52), 상기 적어도 2개의 실린더(51,52) 각각의 내부 벽면에 고정되어있는 탄성부재(75,76), 상기 적어도 2개의 실린더(51,52) 각각의 내부에 위치하는 피스톤(64,65)과 보조피스톤(62,63) 및 상기 피스톤(64,65)을 연결하는 피스톤로드(61)를 갖는 구성을 의미한다. 이는 본 발명의 핵심구성 중 하나로, 삼투부(10)에서 발생한 압력을 회수하여, 에너지효율을 높이는 역할을 한다.
도 1에 나타난 바와 같이, 실린더(51,52)가 적어도 2개 존재하며, 이들 실린더(51,52)는 담수, 염수 등의 유체가 유입되는 메인유입포트(66,68)와 유체가 유출되는 유출되는 메인유출포트(67,69)가 존재한다. 실린더(51,52) 2개가 한 쌍이 되어 작동함으로써, 압력교환부(50)의 연속적인 작동이 가능한 장점이 있다.
또한, 실린더(51,52) 각각의 내부에는 벽면에서 돌출된 형태의 걸림턱(71,72,73,74)이 2쌍 존재하며, 각각 2개의 보조피스톤(62,63)의 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다. 각 걸림턱(71,72,73,74)은 상기 보조피스톤(62,63)의 이탈을 방지하는 역할을 한다.
또한, 탄성부재(75,76)는 코일형 압축스프링으로, 실린더(51,52) 내부 벽면에 고정되어 있으며, 피스톤로드(61)를 휘감는 구조를 특징으로 한다. 각 피스톤(64,65)의 왕복운동에 탄성력에 의한 추가적인 동력을 발생시켜, 2개의 실린더간의 반복작동을 가능하도록 한다.
한편, 본 실시예에서 탄성부재(75, 76)은 코일형 압축스프링으로 설명하였으나, 실린더(51,52)의 길이방향을 따라 피스톤(64,65)을 가압할 수 있는 것이라면 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 피스톤로드(61)는 막대형상으로, 2개의 피스톤(64,64)에 모두 연결되어 있으며, 양 말단부가 각각 2개의 실린더(51,52)의 내부에 위치하는 것을 특징으로 한다. 이러한 피스톤로드(61)의 왕복운동으로, 동력을 발생시킬 수 있다.
또한, 피스톤(64,65)은 피스톤로드(61)의 양 말단에 위치하며, 중심이 돌출된 형태를 갖는다. 각 실린더(51,52) 내부의 공간을 2개의 공간으로 구획하는 역할 및 보조피스톤(62,63)을 밀어내는 역할을 한다.
또한, 보조피스톤(62,63)은 2쌍의 걸림턱에 의해 각 걸림턱의 사이에서 왕복 병진운동하는 것으로서, 메인유입포트(66,68)를 차단하는 유입차단위치 또는 메인유출포트(67, 69)를 차단하는 유출차단위치 중 어느 하나에 위치한다.
즉, 이를 상세히 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 보조피스톤(62)은 베이스(62a)와 중심축(62b)과 커버부(62c)를 포함한다.
상기 베이스(62a)는 원형의 판형상으로 마련되어, 실린더(51)의 내부에 삽입되며, 보조피스톤(62)이 유입차단위치 상에 위치하는 경우 외면이 메인유입포트(66)를 차단하는 위치에 배치된다.
상기 중심축(62b)는 보조피스톤(62)으로부터 실린더(51)의 길이방향을 따라 연장되는 원통형의 부재이다.
상기 커버부(62c)는 상술한 베이스(62a)와 동일한 외경을 가지고, 실린더(51)의 내면과 접촉하며, 보조피스톤(62)이 유출차단위치 상에 위치하는 경우 외면이 메인유출포트(67)를 차단하는 위치에 배치된다. 또한, 메인유입포트(66)를 통하여 유입된 염수가 중심축(62b)의 외면을 따라 유동한 후에 보조피스톤(62)을 벗어날 수 있도록 커버부(62c)와 중심축(62b)의 사이에는 유동로가 형성되는 구조를 갖는다.
따라서, 보조피스톤(62)이 유출차단위치 상에서 메인유출포트(67)를 차단한 상태에서도 메인유입포트(66)를 통하여 실린더(51) 내부로 유입되는 염수는 보조피스톤(62)을 통과하여 유동할 수 있다.
상기 압력교환부(50)에서, 상기 실린더(51,52) 내부는 상기 피스톤(64,65)을 경계로, 상기 피스톤로드(61)가 위치하는 제1영역(57,58)과, 상기 보조피스톤(62,63)과 피스톤(64,65) 사이의 제2영역(55,56), 그 외의 제3영역(53,54)으로 구분된다. 즉, 실린더(51,52) 내부가, 피스톤(64,65)과 보조피스톤(62,63)을 경계로 3개의 영역으로 분리되는 것이다.
이러한 압력교환부(50)는, 삼투부(10)에서, 압력이 높아진 고농도영역(12)의 염수가 압력교환부(50)의 2개의 실린더(51,52) 중 어느 하나에 유입됨으로써, 피스톤로드(61)의 왕복운동을 야기하여, 삼투부(10)에서 발생한 압력을 회수하는 역할을 한다.
또한, 압력교환부(50)에는, 실린더(51,52) 및 염수공급부(20)와 연결되어, 염수를 제1영역(55,56)에 공급하는 염수유입밸브(40,41) 또는 실린더(51,52)와 연결되며, 제1영역(57,58)에서 배출되는 염수의 역류는 방지하는 역류방지밸브(42,43) 중 적어도 하나를 더 포함하는 것이 바람직하다.
염수유입밸브(40,41)는 피스톤로드(61)의 왕복운동에 따라, 제1영역(57,58)에서 염수가 배출됨으로써, 부족한 염수를 공급하는 역할을 한다.
또한, 역류방지밸브(42,43)는 피스톤로드(61)의 왕복운동에 따라, 제1영역(57,58)에서 배출된 염수가 높은 압력으로 삼투부(10)에 투입되는 과정에서, 역류하는 흐름을 방지하는 역할을 한다.
즉, 상기 압력교환부(50)에서, 상기 피스톤로드(61)의 왕복운동으로 인해, 상기 제1영역(57,58)에서 가압되어 배출되는 염수는 상기 삼투부(10)의 고농도영역에 유입되는 것이 바람직하다. 이는 삼투부(10)에서 발생하는 압력의 일부를 재사용함으로써, 염수공급부(20)에서의 염수공급압력을 높이는 펌프의 사용을 줄일 수 있어, 에너지효율을 극대화시키는 효과가 있다.
또한, 역류방지밸브(42,43)와 실린더(51,52)가 연결되는 흐름은, 상기 실린더의 제3영역(53,54)과 배관으로 연결되어, 피스톤로드(61)의 왕복운동에 따라, 제1영역(57,58)에서 배출된 높은 압력의 염수로 인해, 상기 실린더 내의 보조피스톤(62,63)의 위치를 변경시켜, 상기 제3영역에서 염수의 유입 및 유출을 조절하는 역할을 한다.
보조피스톤(62,63)은 압력교환부(50)에서, 피스톤로드(61)의 왕복운동으로 인해, 제2영역에 염수가 유입되면서 피스톤(64,65)이 상기 보조피스톤을 바깥쪽으로 밀면, 염수가 배출되어 비어있는 제2영역의 유입부가 열림과 동시에 제2영역의 배출부가 닫히면서 고농도영역의 염수가 유입되는 것이 바람직하다. 이는 압력교환부(50)가 상기 2개의 실린더간에 상호작용에 의해, 흐름의 유입 및 출입을 조절하여, 연속적으로 작동하도록 하는 역할을 한다.
이러한 압력교환부(50)는, 2개의 실린더(51,52), 피스톤로드(61), 피스톤(64,65) 및 보조피스톤(62,63)의 한 세트로, 이러한 압력교환부(50)는 복수개로 구성되는 것이, 보다 큰 용량의 염수를 처리하고, 에너지회수를 효율적으로 진행하는데 효과적이다.
다음으로, 압력교환부(50)의 작동과정의 예를 살펴보도록 한다.
도 3 내지 도 5는 도 1의 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템의 압력교환부의 작동과정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 삼투부(10)에서 전달된 고농도영역(12)의 염수가 실린더(51)에 유입되고, 유입된 염수에 의해, 제2영역(55)이 증가하고, 제1영역(57)이 감소하면서, 피스톤로드(61)가 타 실린더(52)방향으로 움직임에 따라 탄성부재(75)가 수축하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 피스톤로드(61)의 움직임으로 인해, 타 실린더(52)의 제2영역(56)이 감소하고, 제1영역(58)이 증가하면서, 피스톤(65)이 보조피스톤(63)을 밀어냄으로써, 제3영역(54)이 감소하고, 제2영역(56)의 메인유출포트(69)부가 차단되고, 제2영역(56)의 메인유입포트(68)가 개방되면서 삼투부(10)의 고농도영역(12)의 염수가 타 실린더(52)의 제2영역(56)으로 들어오게 된다.
따라서, 타 실린더(52)의 제2영역(56)이 확장됨에 따라, 피스톤로드(61)는 다시 실린더(51)쪽으로 이동하게 된다. 여기에서 타 실린더(52)의 제1영역(58)이 감소하면서, 타 실린더(52)의 제1영역(58)과 실린더(51)의 제3영역(53)이 연결된 배관을 통해 고압의 유동이 발생한다.
고압의 유동에 의하여 보조피스톤(62)이 유입차단위치에서 유출차단위치 쪽으로 밀려남에 따라, 실린더(51)의 제2영역(55)의 메인유출포트(67)가 개방되고, 제2영역(55)의 메인유입포트(66)는 차단된다.
피스톤로드(61)가 계속해서 실린더(51) 방향으로 움직임에 따라 탄성부재(76)가 수축하고, 실린더(51)의 제1영역(57)의 부피는 증가하고, 제2영역(55)의 부피는 감소하면서 제2영역(55)의 염수가 배출된다.
이와 동시에, 피스톤(64)이 보조피스톤(63)을 가압하여 유출차단위치 쪽으로 밀어냄으로써, 제2영역(55)의 메인유출포트(69)가 차단되고, 메인유입포트(66)는 개방되면서 삼투부(10)의 고농도영역(12)의 염수가 실린더(51)의 제2영역(55)으로 들어오게 된다. 이러한 자동적인 시스템으로 왕복운동이 일어나게 된다.
또한, 실린더(51)의 제1영역(57)의 부피는 감소하면서, 제1영역(57)의 염수가 역류방지밸브(42)쪽으로 배출되고, 이를 보충하기 위해, 염수유입밸브(40)가 작동하여, 염수공급부(20)로부터 공급된 염수가 제1영역(57)에 유입되게 된다.
또한, 이러한 과정에서, 탄성부재(75,76)는 수축 및 팽창 과정을 통해 탄성력을 이용하여 피스톤로드(61)가 방향을 바꾸는 데에 드는 에너지의 일부를 공급해 줌으로써, 시스템의 연속적인 왕복 운동을 돕는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상술한 과정과 동일한 과정을 거쳐, 제1영역(57)의 부피가 다시 증가함과 동시에 보조피스톤(62)을 밀어내고, 메인유입포트(66)가 개방되어 염수가 실린더(51)내로 재유입된다.
상기 압력교환부(50)의 작동과정의 예에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템은 구성간의 유기적인 결합 및 작동을 통해, 에너지효율을 극대화시키고, 자동운전이 가능한 장점이 있다.
마지막으로, 동력발생부(80)는 압력교환부(50)의 상기 피스톤로드(61)에 연결되어 상기 피스톤로드(61)의 왕복운동에너지를 회수한다. 이는 압력교환부(50)에서 피스톤로드의 왕복운동에 의해, 압력을 회수하여, 삼투부(10)에의 염수투입에 재사용할 뿐만 아니라, 왕복운동의 기계적 에너지를 이용하여 동력을 발생시킴으로써, 에너지를 최대한 활용하게 된다.
즉, 동력발생부(80)는 왕복운동 에너지를 이용하여 동력을 발생시킬 수 있는 어떠한 장치를 설치해도 무방하다.
이상, 본 발명의 구성을 중심으로 일실시예를 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나 본 발명의 권리범위는 상기 일실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 할 수 있는 변형 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10 : 삼투부 20 : 염수공급부
30 : 담수공급부 50 : 압력교환부
80 : 동력발생부

Claims (11)

  1. 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템에 있어서,
    담수를 공급하는 담수공급부;
    염수를 공급하는 염수공급부;
    반투막을 경계로, 상기 담수공급부에 연결된 저농도영역과 상기 염수공급부에 연결된 고농도영역을 갖는 삼투부; 및
    메인유입포트 및 메인유출포트가 형성된 적어도 2개의 실린더, 상기 적어도 2개의 실린더 각각의 내부에 위치하는 피스톤, 상기 피스톤을 연결하는 피스톤로드, 상기 실린더 내에서 병진운동하여 상기 메인유입포트 또는 상기 메인유출포트를 선택적으로 개폐시키는 보조피스톤을 구비하는 압력교환부;를 포함하며,
    상기 삼투부에서 발생한 압력으로 전달된 상기 고농도영역의 염수가 상기 압력교환부의 실린더 중 어느 하나에 유입됨으로써, 상기 피스톤로드를 왕복운동시켜 상기 삼투부에서 발생한 압력을 회수하는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력교환부에서, 상기 피스톤로드에 연결되어, 상기 피스톤로드의 왕복운동에너지를 회수하여, 동력을 발생시키는 동력발생부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메인유입포트는 상기 메인유출포트로부터 상기 실린더의 길이방향을 따라서 이격되는 위치에 마련되고,
    상기 보조피스톤은 상기 메인유출포트를 차단하는 유출차단위치와 상기 메인유입포트를 차단하는 유입차단위치를 왕복이동하는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압력교환부는 상기 피스톤을 상기 보조피스톤 측으로 탄성 가압하는 탄성부재를 더 포함하고,
    상기 보조피스톤은 상기 피스톤에 의하여 가압되어 상기 유입차단위치에서 상기 유출차단위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보조피스톤은 외주면이 상기 메인유입포트에 접촉하는 원형의 베이스; 상기 베이스로부터 상기 실린더의 길이방향을 따라 돌출되는 중심축; 외면이 상기 메인유출포트에 접촉하되, 상기 중심축과의 사이에서 유동로를 형성하는 커버부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력교환부에서, 상기 실린더 내부는 상기 피스톤을 경계로, 상기 피스톤로드가 위치하는 제1영역과, 상기 피스톤과 상기 보조피스톤 사이의 제2영역과, 그외의 제3영역으로 구분되며,
    상기 실린더 및 상기 염수공급부와 연결되어, 상기 염수를 상기 제1영역에 공급하는 염수유입밸브; 또는
    상기 실린더와 연결되며, 상기 제1영역에서 배출되는 염수의 역류를 방지하는 역류방지밸브; 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압력교환부는 복수개로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 염수공급부에, 상기 염수의 공급압력을 높이기 위한 시동펌프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 삼투부에서, 상기 저농도영역의 담수가 농도차로 인하여, 상기 고농도영역으로 이동함으로써, 상기 고농도영역의 압력이 증가하는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 압력교환부에서, 상기 피스톤로드의 왕복운동으로 인해, 상기 제1영역에서 가압되어 배출되는 염수는 상기 삼투부의 고농도영역에 유입되는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 삼투부의 저농도영역에서, 상기 담수의 배출을 조절하는 배출밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 왕복식 압력교환기가 적용된 염도 차 에너지를 회수하는 동력발생 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS58146089U (ja) * 1982-03-27 1983-10-01 田中　徳三郎 空気ポンプを配列した発電装置
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