KR101390170B1 - 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해양에서 써모크라인(Thermocline - 수중 약 100m~200m) 아래 심층부 해수의 낮은 온도와 해수면이 상대적으로 높은 온도와의 온도차를 이용하여 유용한 동력원으로 변환하는 해양온도차 에너지 변환장치에 관한 것으로서, 용출염천 튜브 커텐을 해수면에서부터 심층부까지 설치하고, 해수면 주위의 높은 해수온도로 용출염천 튜브 커텐 내 상부를 통하여 물을 데움으로써, 해수가 팽창하여 자연의 부력으로 상부로 유동되어 용출하게 하여 이어 온도가 낮은 깊은 곳의 심층부 해수를 해수면부로 끌어올리는 용출염천 원리를 이용하여, 심층부의 저온 해수를 해수면부로 용이하게 끌어올려 에너지 변환장치에서 사용되는 작동유체를 냉각시키는 냉각수로 사용하고, 이렇게 냉각수로 사용되는 해수의 상승 용출속도 가속 또한 가능토록 한 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치에 관한 것이다.

Description

용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치{Ocean thermal energy conversion using Perpetual salt spring principle}

본 발명은 해양에서 써모크라인 아래 심층부의 저온 해수와, 심층부보다 상대적으로 높은 온도를 가지는 해수면부의 고온 해수의 온도차를 이용하여 유용한 동력원으로 변환하는 해양온도차 에너지 변환장치에 관한 것이다.

모든 해면 및 해수면의 근접부위 수심(150± 50m)에서는 파도, 바람, 빗물, 햇빛 및 대기에의 증발에 의하여 바닷물의 온도가 높으며 밀도가 상대적으로 낮고, 이와 같은 해수면보다 상대적으로 깊은 곳(약 800m~1000m 이하)에서는 해수온도가 낮고 밀도가 높으며, 약 150± 50m 정도에서 급격한 변화를 보이고 층을 이루며 두 층의 물이 잘 섞이지 않고 영원히 경계층을 이루고 있는데, 이를 써모크라인(Thermocline - 수중 약 150± 50m)이라 부르며, 온도차는 적지만 이 온도차를 이용하게 되면 무한한 에너지원이 되는 것으로, 인류의 오랜 염원이 되어 있고 많은 노력을 기울였음에도, 온도차가 낮은 곳은 비교적 많은 반면, 표면온도가 높은 곳은 대개 적도부근에만 존재함으로 이의 이용은 한계를 보이고 있었으며, [도 1]에 인용한 바와 같이, (폐쇄형) 랭킨 사이클(Rankine Cycle) 에너지 변환장치 등을 사용하는데 있어, 가장 어려운 문제로 바다 밑 800~1000m이하에서 저온의 심층부 해수를 펌프를 이용해 위로 끌어 올려서 에너지 변환장치를 냉각시키는 방법을 써왔으나, 이로 인하여 시스템 에너지 회수효율이 달성 가능한 6~7%에 못 미치고 약 1~2%에 머물러 있었다.

즉, 이러한 해양온도차 에너지변환(OTEC: Ocean Thermal Energy Conversion)은 약 100년 전부터 알려지기 시작하였으며, 약 40년 전부터 본격적으로 연구되었으나, 대개는 육상이나 선박에 설치함으로써 온수와 냉수를 모두 그 높이까지 품어 올려야 하는 부담이 있어, 이를 해결하기 위한 심층부 해수 대량취수와 펌핑에 대한 연구가 활발히 진행 중이고, 현재는 발전보다는 뿜어 올린 냉수를 이용한 냉난방에 주력하는 쪽으로 흐르고 있다.

실예로 동력을 터빈에서 40Kw 발생한 장치로서, 바다 밑 740m(2,200ft) 깊이에서 54cmφ(24'') 포리에치렌 파이프로 5.5℃(42℉)의 심층수를 10,300 liter/min(2,700GPM)속도로 그리고 추가하여 수면에서 26℃(79℉)의 물을 2,700GPM 펌프로 품어 올리는 데는 약 25Kw의 동력이 필요하고, 남은 실 가용전력은 15Kw이다. 최근엔 같은 곳에서 1mφ 튜브로 25,000 liter/min의 물을 끌어 올리는데 약 200Kw의 동력이 필요하여 210Kw 설계출력 발전기에서 남는 것은 10Kw 정도이다. 이런 예들이 현재의 기술 수준이고, 주로 많은 심층수를 깊은 심해에서 펌핑하는데서 기인되는 문제들이다.

진행 중인 또는 진행된 알려진 노력들을 살펴보면,

1) 미국정부 DOE가 1974년 Keahole Point, Kona Coast, Hawaii에 세운 시설.

2) 일본 Tokyo Electric Co.가 1970년 Naura섬에 새운 120Kwe 시설.

3) 인도정부가 2000년에 Tamil Nadu부근 바지위에 세운 1Mwe 시설.

4) 미해군/OCEES International, Inc.이 Diego Garcia에 추진하는 13Mwe 시설.

5) Lockheed Martin(Alternative Energy Dept.)이 Guam에 추진하는 10Mwe 시설. 등이 있으며, 이러한 노력들은 진행 중에 있는 것도 있으나, 모두 심층수의 펌핑문제를 안고 있다.

현재의 기술적 문제를 종합해보면, 찬물을 얻기 위하여 비싼 관으로 800~1,000m 수중에서 해상으로 물을 품어 올려야 하는 애로를 지적하고 있는데, 누구나 효율을 상승시켜 이론적 한계인 6~7%로 할 것을 목표하고 있으나, 현재는 새로운 원리적용과 고안이 절실히 필요한 상태이다.

특히, 예로 심층수를 바다 속에서 염분을 분리하여 청수로 만들면 가벼워짐으로 펌핑을 대신할 수 있지 않겠느냐는 특허신청(Finley Warren T - US4311012(A), 1982.1.19)이 있으나, 청수를 만드는데 많은 에너지가 소모됨으로 실용에는 어려울 것으로 본다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 해수면보다 상대적으로 낮은 온도를 가지는 해양 심층부의 해수를 이용하여 에너지 변환장치에서 사용되는 작동유체를 냉각시킬 수 있도록 하되, 기존에 펌프를 이용해 심층부의 해수를 상부로 끌어 올려서 에너지 변환장치에 필요한 냉각수로 사용하던 것에 반해, 용출염천(Perpetual salt spring)의 원리를 적용하여, 용출염천 튜브 커텐 내 해수면부의 온도를 상승시켜, 용출염천 튜브 커텐 내에서 해수면부의 고온 해수는 밀려올라가 상부로 용출되도록 함으로써, 이러한 작용에 의해 심층부의 저온 해수가 해수면부까지 자연의 부력으로 끌어올려질 수 있도록 하는 것이며,

더불어, 해수심층부의 저온 해수의 용출속도가 가속될 수 있도록, 용출염천 튜브 커텐 주변의 해수온도를 이용해 용출염천 튜브 커텐 내 해수가 가열될 수 있는 장치를 구성하고, 이렇게 상부로 끌어올려진 심층부의 저온 해수의 일부를 에너지 변환장치의 구동을 위한 작동유체의 냉각에 효율적으로 사용될 수 있도록 장치를 구성함과 동시에, 해양온도차 에너지 변환장치가 해상에 부유되어 사용될 수 있도록 본 발명의 구조체를 더 구비하되, 사용자의 실시예에 따라 구조체를 다수개 사용하여 해상에 집합군(Flotilla)을 형성하며 사용될 수 있도록 한 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치를 제공하는데 있다.

이러한 본 발명의 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치의 기술적 해결과제를 더욱 자세히 살펴보면,

1. 온도차를 이용하는 것이되, 많은 에너지를 활용하려면 증발과 응축과정에서 잠열을 이용하여야 하는 바, 이를 일로서 추출하는 과정에 있어서 에너지 변환장치인 터빈에서 냉·온도원이 가까운 곳에 있어야 되는 관계로, 심층수(냉수, 4~5℃)를, 혹은 경우에 따라서는 해수면의 온수(표층온수, 22~26℃)도 동력을 써서, 그리고 대양에서 작동을 가능케 하기 위해서, 본 발명의 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치를 해상에 부유토록 하고, 그 위에 설치된 에너지 변환장치에 종래의 기술에서 800~1000m 깊은 곳에서 많은 에너지를 사용하여 냉·온도원을 공급하던 것을 대신하여, 용출염천 원리를 적용하여 자연의 힘으로 품어 올려 충분량의 냉각용 심층수가 최소한 써모크라인 부근까지는 공급토록 하며, 주 작동유체의 순환을 위해서는 펌프부재(ex: 수중펌프)를 응축열 교환장치 바로 위, 약 250m에 설치함으로써 관리를 위하여 가끔은 구조물을 250m 정도 들어 올리는 경우는 거의 기계검사가 가능하여 관리가 한결 쉽도록 하고,

2. 이를 위해 사용되는 본 발명의 작동유체는 저온(4~5℃)에서 액체가 되고 고온(22~26℃)에서는 기체가 되는 상변환 히트파이프 원리의 적용과정에서, 작동유체가 증발열 교환장치에서 잠열을 흡수하고 응축열 교환장치에서 방출함으로써, 가장 효율적으로 많은 에너지의 이용이 가능토록 하고,

3. 대양에 설치되는 것이기에, 장치 및 구조물이 오랜 시간 동안 외부 태풍이나 파랑에 견디고, 생물에 의한 오염이 적으며, 접근과 관리가 손쉬운 구조를 가질 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서,해상에 계류되도록 설치되는 에너지 변환장치(10); 상기 에너지 변환장치(10)에 연결되어 수중에 설치되며, 에너지 변환장치(10)에 열을 전달한 작동유체를 배출하는 작동유체 방출관(20); 상기 작동유체가 냉각 및 증발을 반복하며 에너지 변환장치(10)와 작동유체 방출관(20)을 순환하도록 하는 순환장치부(30); 상기 작동유체 방출관(20)이 내설된 상태로 수중에 설치되어, 해양 심층부의 저온 해수를 상승시켜 작동유체 방출관(20) 내 작동유체를 냉각시키는 냉각자켓부(40); 상기 냉각자켓부(40)가 내설된 상태로, 수중의 해수면부에서부터 심층부까지 설치되어, 해수면부와 심층부의 온도차에 의해, 심층부의 저온 해수가 해수면부로 상승되어 용출되는 작용을 하는 용출염천 튜브 커텐(50);으로 이루어지며, 상기 에너지 변환장치(10)는 터빈과 발전기로 이루어지며, 상기 순환장치부(30)를 거쳐 유동되는 기체상태의 작동유체가 유입되어, 고온 기상상태의 작동유체에서 방출되는 잠열(Latent heat)을 통해 에너지 변환을 일으키고, 열을 빼앗긴 작동유체는 액체로 환원되어 에너지 변환장치(10)에 연통연결된 작동유체 방출관(20)을 통해 순환장치부(30)로 배출이 되도록 하며,
상기 순환장치부(30)는 용출염천 튜브 커텐(50) 내에서, 수중의 써모크라인 심도보다 깊은 심도에 설치되어, 상기 작동유체 방출관(20)으로 배출된 작동유체를 냉각시키는 응축열 교환장치(31)와, 상기 용출염천 튜브 커텐(50) 내에서, 수중의 써모크라인 심도보다 얕은 심도에 설치되어, 상기 응축열 교환장치(31)로부터 유동된 작동유체를 증발시켜 에너지 변환장치(10)로 전달하는 증발열 교환장치(32)와, 상기 용출염천 튜브 커텐(50) 내에서, 응축열 교환장치(31) 및 증발열 교환장치(32) 사이에 설치되어 작동유체를 순환유동시키는 제 1펌프부재(33)로 이루어지며,
상기 냉각자켓부(40)는 단열재질의 2중관 형태로 형성되어, 내부에 유입된 저온 해수가 용출염천 튜브 커텐(50) 내 고온 해수와 열교환되지 않도록 하는 냉각자켓(41)과, 상기 냉각자켓(41)의 최하단에 설치되어, 상기 용출염천 튜브 커텐(50) 내부에서 상승하는 저온 해수 일부를 내부에 유입상승시키되, 냉작자켓(41) 내부에서 상승되는 저온 해수의 상승속도가 용출염천 튜브 커텐(50) 내에서 상승되는 해수의 상승속도와 동일해지도록 하는 제 2펌프부재(42)로 이루어지되, 상기 용출염천 튜브 커텐(50) 상부에서 주위 외곽의 따뜻한 해수온도에 의하여, 용출염천 튜브 커텐(50) 내부 해수가 가열되어 비중이 내려가 가벼워져 용출염천 튜브 커텐(50) 내부에서 위로 오르게 되며, 이때 용출염천 튜브 커텐(50) 하단의 심층부 저온 해수를 같이 끌어 올려져 냉각자켓(41) 내부에서 작동유체의 냉각수 역할을 하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 해상의 해수면부 온도보다 상대적으로 낮은 온도를 가지는 심층부의 저온 해수를 별도의 동력수단(ex: 펌프 등)을 구비하지 않고 자연의 부력으로 손쉽고 용이하게 해상의 해수면부로 끌어올려 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 해수면부로 끌어올려진 심층부의 저온 해수를 통해 에너지 변환장치의 터빈 등을 구동하는데 사용되는 작동유체를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 에너지 변환장치의 냉각수로 사용되는 심층부의 저온 해수의 상승 용출속도를 손쉽게 가속시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 본 발명의 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치를 내, 외부 구조체를 이용하여 해상에 안전하고 손쉽게 부유 및 계류시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 본 발명의 해양온도차 에너지 변환장치를 다수개 연계설치하여, 해양의 심도에 따른 온도차를 이용해, 무한동력에 가까운 에너지원을 활용해 사용하는 집단 해양온도차 에너지변환 목장(OTEC Farm)를 구성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 해양온도차 에너지 변환장치는 해상 발전시스템, 어장과 자원 생산 공장 등 유관산업 개발 및 파급 효과가 크고, 이 분야에서 기술 선진국으로 진입하여 기술·플랜트·에너지 수출국으로서의 지위도 확보할 수 있는 효과가 있다.

[도 1]은 종래의 OTEC의 1종인 Closed Rankine Cycle을 쓰는 경우를 나타낸 일실시예의 개념도.
[도 2]는 본 발명에 적용된 해수상승(용출염천 원리) 원리를 설명한 개념도.
[도 3]은 [도 2]의 원리에 본 발명의 해수 용출속도 상승원리를 적용한 개념도.
[도 4]는 본 발명에 따른 에너지 변환장치 및 작동유체 방출관(20)과 순환장치부의 관계 및 해양온도차 에너지 변환장치의 구조상 필요한 부력과 열역학적 사이클 과정(①, ②, ③, ④)을 나타낸 일실시예의 작동도.
[도 5]는 본 발명에 따른 작동유체의 열역학적 특성을 나타낸 그래프.([도 4]에 표시된 부호 ①, ②, ③, ④는 [도 4]의 열 사이클 과정 번호와 동일)
[도 6]은 본 발명에 따른 부유체가 설치되기 전 해양온도차 에너지 변환장치를 나타낸 일실시예의 정면 단면도. ([도번 31]이 써모크라인 부근에 설치된 것이 [도 4]와 다름)
[도 7]은 본 발명에 따른 해양온도차 에너지 변환장치가 해상에 설치된 모습을 나타낸 일실시예의 설치도.
[도 8]은 [도 7]의 평면도.
[도 9]는 본 발명에 따른 해양온도차 에너지 변환장치를 다수개 연계하여 사용하고 있는 것을 나타낸 일실시예의 개념도.

본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 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.

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 2] 내지 [도 9]를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치(100)를 상세히 설명하도록 한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치는 첫째, 별도의 펌핑부재를 통한 해수의 펌핑없이 심층부의 저온 해수를 써모크라인(써모크라인(Thermocline)은 장소에 따라 그 위치가 약간씩 상이할 수 있다.) 가까이까지 얻고, 둘째, 용출염천 튜브 커텐(50) 상부측 일부 외주연에 열전달 성질이 좋은 재질을 사용하여 용출속도가 증가되도록 하며, 셋째, 써모크라인 부근에서 용출염천 튜브 커텐(50) 외부 주변의 고온 해수의 온도가, 용출염천 튜브 커텐(50) 내부의 아직 저온 온도를 가지는 해수에 전달될 수 있도록 히트파이프부(Heat Pipe unit, 53)를 설치하여, 용출염천 튜브 커텐(50) 내의 해수를 추가적으로 데워줄 수 있도록 함으로써 용출염천 튜브 커텐(50) 내 해수의 상승 용출속도를 높히고, 넷째, 수중의 심층부로부터 상승되는 저온의 해수 일부를 써모크라인 밑 약 350m 내지 370m 되는 곳에서 냉각자켓부(40)를 통해 해상에 떠 있는 부유체(60) 위에 설치된 터빈의 작동유체 방출관(20) 가까이까지 냉각수로 공급될 수 있도록 하고, 다섯째, 작동유체 방출관(20)을 열전달 성질이 우수한 금속을 사용함으로서, 상기 작동유체 방출관(20)을 통해서 외부로 배출되는 작동유체(A)의 잔여 잠열이 모두 잘 방출될 수 있도록 하는 것으로, 에너지 변환장치(10), 작동유체 방출관(20), 순환장치부(30), 냉각자켓부(40), 용출염천 튜브 커텐(50), 부유체(60)를 포함한다.

이와 같은 구성을 설명하기 위한 조건으로, 해저 써모크라인은 150± 50m, 해수면부(써모크라인 상층 해수)의 해수 온도 약 20℃이며 깊이는 0~200m, 심층부의 해수 온도는 약 5℃이며 깊이는 1000m로 설명을 한다.

상기 에너지 변환장치(10)는 [도 6]에 도시된 바와 같이, 터빈과 발전기로 이루어지는 것으로서, 후술될 내부 구조체(61) 상단에 설치됨으로써 해상에 부유되어 외부로 돌출된 상태가 되는 것이며, 상기 터빈에 후술될 순환장치부(30)를 거쳐 유동되는 기체상태의 작동유체가 유입되어, 고온 기상상태의 작동유체에서 방출되는 잠열(Latent heat)을 통해 에너지 변환을 일으키고, 열을 빼앗긴 작동유체는 액체로 환원되어 에너지 변환장치(10)에 연통연결된 작동유체 방출관(20)을 통해 순환장치부(30)로 배출이 되는 것이다.

상기 작동유체 방출관(20)은 [도 4, 6, 7]에 도시된 바와 같이, 전술된 에너지 변환장치(10)(더욱 자세히는 터빈) 하단에 연통설치되는 것으로, 상기 에너지 변환장치(10)의 터빈에서 열을 빼앗긴 작동유체가 배출되는 작동유체 귀환로로서, 이러한 상기 작동유체 방출관(20)은 후술될 순환장치부(30)와 연결된다. 더불어, 상기 작동유체 방출관(20)은 수중에 수직하방으로 설치되되, 해상 심도 100 내지 200m 부근의 써모크라인보다 더 깊은 심도까지 연장설치된다.

또한, 이러한 상기 작동유체 방출관(20)은 열전달효율이 좋은 열전도용 금속재질(ex: 구리(copper)소재에 엷은 알루미늄 소재(AL-6061)를 덮어 씌운 재질 등(암모니아 작동유체를 사용하는 경우))로 형성되어, 터빈을 거쳐 작동유체 방출관(20)을 통해 배출되는 작동유체의 잠열이 모두 방출될 수 있도록 한다.

상기 순환장치부(30)는 [도 4, 6, 7]에 도시된 바와 같이, 응축열 교환장치(Cooling condenser, 31), 증발열 교환장치(Heating evaporator, 32), 제 1펌프부재(33)로 이루어지는 것으로, 상기 응축열 교환장치(31)는 전술된 작동유체 방출관(20)과 작동유체가 이동가능하게 연결되고, 상기 응축열 교환장치(31)는 증발열 교환장치(32)와 연결되며, 상기 증발열 교환장치(32)는 전술된 에너지 변환장치(10)와 연결되는 구조를 가지며, 상기 제 1펌프부재(33)는 응축열 교환장치(31)와 증발열 교환장치(32) 사이 연결부위에 설치되어, 작동유체가 에너지 변환장치(10), 작동유체 방출관(20), 응축열 교환장치(31), 증발열 교환장치(32)를 연속적으로 순환할 수 있도록 한다.

즉, 상기 에너지 변환장치(10)에서 열을 빼앗긴 후 상기 작동유체 방출관(20)으로부터 방출되는 작동유체는 후술될 냉각자켓부(40)에 의해 작동유체 방출관(20) 내부를 유동하면서 사전 냉각되고, 이러한 작동유체는 응축열 교환장치(31)를 거치면서 온도가 낮은 액체가 되고, 제 1펌프부재(33)에 의해 유동되어 이후 상기 증발열 교환장치(32)를 거치면서 온도가 상승되어 고온 기체가 되는 상변환(Phase change, 相變換) 후, 에너지 변환장치(10)에 공급되어 터빈을 구동하는데 사용되는 것이고, 이러한 순환을 반복하게 되는 것이다.

물론, 상기에서 전술된 작동유체 방출관(20), 응축열 교환장치(31), 제 1펌프부재(33), 증발열 교환장치(32), 에너지 변환장치(10)는 상호간 작동유체가 유동되어 순환될 수 있도록 다양한 연결수단(ex: 파이프 등)에 의해 연결되어 있어야 함은 당연한 것이며, 상기 작동유체(A)로는 열전달 능력이 우수한 물, 암모니아, 메탄놀 등이 사용되나, 본 발명에서는 [도 5]에 도시한 열역학적 특성(온도가 낮은 심층부(4~5℃)에 있는 응축열 교환장치(31)에서는 액체가 되고, 온도가 높은 해수면부(22~26℃)에 있는 증발열 교환장치(32)에서는 기체가 되는 성질)을 고려하여 암모니아가 사용되었으며, 이러한 작동유체가 유동하는 작동유체 방출관(20), 터빈 내부 일부, 연결수단 및 응축열 교환장치(31)와 증발열 교환장치(32)는 구리(copper)소재에 엷은 알루미늄 소재(AL-6061)를 덮어 씌운 재질이 사용된다.

또한, 상기 작동유체는 에너지 변환장치(10)를 거치면서 열을 빼앗겨 액상의 상태 및 일부 미변환된 기체 상태로 작동유체 방출관(20)을 통해 방출되는 것으로, 이렇게 방출된 상기 작동유체를 저온의 액상으로 상변환시키고자 하는 응축열 교환장치(31)는 해상의 써모크라인보다 깊은 심도에 설치되도록 하고, 상기 작동유체를 고온의 기체상태로 상변환시키는 증발열 교환장치(32)는 해상의 써모크라인보다 얕은 심도에 설치되도록 함으로써 효율을 높일수 있도록 한다. (이러한, 상기 응축열 교환장치(31), 제 1펌프부재(33), 증발열 교환장치(32) 설치는 후술될 내부 구조체(61) 및 외부 구조체(62)에 의해 견지토록 한다.)

더불어, 상기 응축열 교환장치(31) 및 증발열 교환장치(32)에는 조정이 가능한 불침 부력재(34)(Unsinkable flotation material, 중량을 조절하거나 또는 공기를 주입)를 설치하여, 상기 응축열 교환장치(31) 및 증발열 교환장치(32), 특히 증발열 교환장치(32)가 미생물에 의한 오염이 있을 경우, 해상 위로 약 250m 정도 부력을 사용하여 들어올릴 수 있도록 하여, 장치의 수리 및 청소가 가능하도록 한다.

상기 냉각자켓부(40)는 [도 6, 7]에 도시된 바와 같이, 전술된 작동유체 방출관(20)을 유동하는 작동유체를 효율적으로 냉각시키고자 하는 것으로서, 냉각자켓(41)과 제 2펌프부재(42)로 이루어진다.

상기 냉각자켓(41)은 양단이 개구되고 내부가 비어있는 원형관체 형상이며, 단열재질(구리(copper)소재 알루미늄 소재(AL-6061)를 덮어 씌운 재질)의 2중관 형태를 가지도록 하되, 전술된 작동유체 방출관(20)을 내설하는 형태가 되도록 한다. 즉, 상기 작동유체 방출관(20)이 내부에 길이방향으로 설치되도록 하는 것으로, 상기 작동유체 방출관(20)과 냉각자켓(41) 사이의 공간을 통해 써모크라인보다 깊은 심도인 심층부의 저온 해수 일부가 상승하면서 유동되어 상기 냉각자켓(41) 내부에서 하강되는 작동유체를 냉각하는 냉각수의 역할을 하도록 하되, 냉각자켓(41) 내부에서 작동유체의 냉각수 역할을 하는 저온 해수만큼은 후술될 용출염천 튜브 커텐(50) 내부에서 가열되는 고온 해수와 열교환되어 온도가 상승되지 않도록 단열재질의 2중관 형태가 되도록 하는 것이다.

상기 제 2펌프부재(42)는 전술된 냉각자켓(41)의 최하단에 설치되어, 상기 심층부의 저온 해수가 냉각자켓(41) 내부로 유입되어, 작동유체 방출관(20)과 냉각자켓(41) 사이의 공간을 통해 냉각자켓(41)의 개구된 상부를 향해 이동되면서 작동유체 방출관(20) 내 작동유체를 냉각 후, 상기 냉각자켓(41)의 개구된 상부를 통해 해수면부로 용출된다. (이때, 이러한 냉각자켓(41)에서 용출되는 저온의 해수는 후술될 용출염천 튜브 커텐(50)에서 상단에서 용출되는 고온의 해수와 함께 해면에 확산된다.) 더불어, 이러한 상기 제 2펌프부재(42)는 냉각자켓(41) 내부에서 상승하는 해수의 용출속도가 후술될 용출염천 튜브 커텐(50) 내부에서 상승되는 해수의 용출속도(상승속도)와 동일해지도록 한다.(설계조건에서 냉각수 양수속도가 결정되면 용출염천 튜브 커텐(50) 내의 유속이 결정되고 이어 히트파이프부(53)의 용량이 결정된다.)

상기 용출염천 튜브 커텐(50)(직경:100mφ, 길이: 950~1000mL)은 [도 6, 7, 8]에 도시된 바와 같이, 전술된 에너지 변환장치(10) 하단부에 위치되도록 수중에 수직하방으로 설치되는 것으로서, (Mylar plastic 재질로 무게를 달아 바다속에 드리움) 상, 하부가 개구된 원형관체 형상을 가지도록 하며, 이러한 상기 용출염천 튜브 커텐(50) 내부에는 작동유체 방출관(20)을 내설하고 있는 냉각자켓부(40)가 중앙부에 길이방향으로 내설되는 형태가 되도록 한다.

이러한, 상기 용출염천 튜브 커텐(50)은 해양의 50m가 되는 심도에서부터(심도 0~50m까지는 해수의 용출을 위한 공간으로, 용출염천 튜브 커텐(50)이 위치되지 않도록 함) 해양 심도 800 내지 1000m가 되는 곳까지 연장형성되도록 함으로써, 용출염천 튜브 커텐(50)의 상부는 심층부의 해수 온도보다 상대적으로 높은 해수면부에 위치되고, 해양 심도 100 내지 200m인 써모크라인을 지나, 상기 해수면부의 고온 온도(22~26℃)보다 상대적으로 낮은 온도(4~5℃)의 해수가 있는 심층부까지 위치되도록 한다.

이러한, 상기 용출염천 튜브 커텐(50)은 에너지 변환장치(10)의 작동유체를 냉각시키기 위한(냉각수 역할) 심층부의 해수를 해수면부까지 끌어올리기 위한 것으로, [도 2]에 도시된 바와 같이, 용출염천 튜브 커텐(50) 상부에서 주위 외곽의 따뜻한 해수온도에 의하여 용출염천 튜브 커텐(50) 내부 해수가 가열되어(매우 천천히 - 이때의 부력은 5℃ -> 20℃ 상승범위 내에서 약 588gram/㎥이고, 상승속도는 210m/day, 또는 0.0023m/s 정도 - 용출염천 튜브 커텐(50)이 크면 이 느린 속도가 문제가 되지는 않음, 그래서 본 발명의 일실시예에서는 용출염천 튜브 커텐(50)의 직경이 약 100mφ가 되도록 함 - 직경 대 길이는 약 1/10정도 이상이 바람직하다.) 비중이 내려가 가벼워지고, 이어 그 부력에 의하여 용출염천 튜브 커텐(50) 내부에서 위로 오르게 되며, 이때 용출염천 튜브 커텐(50) 하단의 심층부 저온 해수를 같이 끌어 올려 얕은 수심 쪽(본 발명에서는 약 50m정도) 비교적 넓은 외부 구조체(62)(직경: 200mφ, 길이 250mL) 주변으로 용출확산되는 것이다.

상기와 같이 용출염천 튜브 커텐(50) 내부의 해수는 용출염천 튜브 커텐(50) 상부에서 주위 외곽의 고온 해수 온도에 의하여 가열되어 가벼워지고 부력에 의하여 용출염천 튜브 커텐(50) 내부에서 위로 오르게 되어 있는 바, 상기와 같은 구조에서는 해수의 상승속도가 낮아 시작이 매우 어려우므로, 추가로 주위 외곽의 따뜻한 해수온도에 의하여 가열이 쉽게 되도록, [도 3]에 도시된 바와 같이, 용출염천 튜브 커텐(50)의 상부측(해수면부에 위치되어 있는 부위) 외주연 일부에 열전달 도체부(51)(ex: 구리로 된 천 또는 구리로 된 판을 사용)를 형성함으로써, 상기 열전달 도체부(51)가 용출염천 튜브 커텐(50) 외측 주변의 해수(고온 해수)의 열을 전달받아 용출염천 튜브 커텐(50) 내부의 해수에 전달해 가열이 더 쉽도록 하여(열전달효율 상승), 상기 용출염천 튜브 커텐(50)의 상부측에서 온도가 상승되는 해수는 더욱 빨리 용출염천 튜브 커텐(50)의 개구된 상부를 통해 용출되고, 용출염천 튜브 커텐(50) 하부로 유입되어 상승되는 심층부의 저온 해수의 용출속도를 더욱 가속시킬 수 있도록 한다.

또한, 해수면부에 위치된 상기 용출염천 튜브 커텐(50) 상부 외주면 내, 외부(더욱 자세히는 써모크라인 부근)에 국부적으로 다수개의 히트파이프부(53)를 설치하여, 상기 다수의 히트파이프부(53)가 용출염천 튜브 커텐(50) 외측 주변의 고온 해수와의 열교환되면서 열을 뺏어 용출염천 튜브 커텐(50)에 전달함으로써, 용출염천 튜브 커텐(50) 내 상부측에서 해수 온도가 더욱 상승될 수 있도록 하여, 가열된 해수의 용출속도를 더욱 가속시켜 결과적으로 심층부의 해수 용출속도 또한 증가시킬 수 있도록 한다. 이러한, 상기 히트파이프부(53) 내부의 별도 작동유체는 자연 중력에 의한 순환회로 형태를 만들어 외부의 열원을 운반하여 용출염천 튜브 커텐(50) 내부의 물이 더 쉽게 데워질 수 있도록 하는 것이다.

더불어, 용출염천 튜브 커텐(50)은 열전달 도체부(51) 하단에서부터 수중의 써모크라인에 인접해 있는 용출염천 튜브 커텐(50)의 중단부까지 외주연에 방열부(52)를 형성하여, 용출염천 튜브 커텐(50) 내 상부를 향해 유동되는 심층부의 저온 해수를 해면 가까이까지 가져올 수 있도록 하는 효과를 가지게 되는 것이다.

상기 부유체(60)는 [도 7] 내지 [도 9]에 도시된 바와 같이, 전술된 에너지 변환장치(10), 작동유체 방출관(20), 순환장치부(30), 냉각자켓부(40), 용출염천 튜브 커텐(50)의 구성들이 설치되어 해저 또는 해상에 돌출될 수 있도록 하는 것으로, 내부 구조체(61)와 외부 구조체(62)로 이루어지며, 이러한 내부 구조체(61)와 외부 구조체(62)는 뗏목처럼 절대적 안전과 안정성을 유지하고 파랑 외력에 쉽게 견디도록, 내부가 비어있는 파이프 형상의 봉 형태이되, 구조물을 다수번 절곡하며 다각형의 원형을 이루도록 함으로써, 해상에 설치된 부유체(60)를 상공에서 내려다봤을 시, 원형 또는 다각형의 벌집모양의 단면(Sectorial)을 가지는 구조물 형태로 보이도록 구성한다.

상기 내부 구조체(61)(직경:100mφ, 길이(또는 깊이): 350mL)는 해상 외부로 돌출되는 최상면에 에너지 변환장치(10)가 설치되어, 에너지 변환장치(10)가 심해가 아닌 해상 외부로 돌출될 수 있도록 하고, 상기 내부 구조체(61)의 내부에는 냉각자켓부(40)를 내설하고 있는 용출염천 튜브 커텐(50)이 내주면에 고정되도록 하며, 이러한 상기 내부 구조체(61)는 심도 800 내지 1000m의 길이를 가지는 용출염천 튜브 커텐(50)보다 상대적으로 짧은 길이를 가지되 써모크라인을 지나 저온의 해수가 있는 심층부까지는 연장형성되도록 한다. 이렇게 상기 심층부까지 연장형성되는 이유는 작동유체를 냉각시키는 순환장치부(30)의 응축열 교환장치(31)가 써모크라인 보다 깊은 심도의 심층부(저온 해수)에 위치될 수 있도록 하여, 깊은 수심(800 내지 1000m)이 아니면서도 저온(4~5℃)의 해수 내에서 응축열교환이 일어날 수 있도록 위함이며, 전술된 제 2펌프부재(42)는 써모크라인보다 얕은 심도에 위치될 수 있도록 내부 구조체(61)에 고정설치된다.

상기 외부 구조체(62)(직경:200mφ, 길이(또는 깊이): 250mL)는 전술된 내부 구조체(61)의 외측 사방으로 연장형성되되, 해면에서부터 수중의 써모크라인까지 연장형성되는 길이를 가지도록 하며, 상기 외부 구조체(62)가 고온 해수가 존재하는 해수면부에 위치되어 있기에, 전술된 순환장치부(30)의 응축열 교환장치(31)가 내부에 설치고정될 수 있도록 한다. 다시 말해, 상기 외부 구조체(62)는 용출염천 튜브 커텐(50)을 내설하고 있는 내부 구조체(61) 외부에 연장형성되는 것이기에, 상기 증발열 교환장치(32)는 용출염천 튜브 커텐(50) 내부가 아닌 외측에 설치되는 형태가 되는 것이다.

또한, 상기와 같이 내부 구조체(61) 및 외부 구조체(62)로 이루어지는 부유체(60)는 경우에 따라서, 적도부근 대양에서 그에 맞추어 해저에 계류될 수 있으며, 본 발명에서 적용한 1000m의 심도보다 깊은 경우에는 부유체(60)를 해저에 토트-무어링(Taut-Mooring)으로 안정시킬 수도 있음이다.

이렇듯, 본 발명에서는 상기와 같은 구조를 가지는 본 발명의 해양온도차 에너지 변환장치를 단일개 사용하거나 또는 다수개를 사용할 수 있는데, 다수개를 사용하게 될 경우, 해양온도차 에너지 변환장치의 외부 구조체(62)들을 종 또는 횡방향으로 연속연결함으로써, 해양온도차 에너지 변환장치가 수중에 계류되고, 해면에서 상호간 연계되어 해상에서 커다란 집합군(Flotilla)을 이루어 사용될 수 있도록 하되, 결합된 다수의 해양온도차 에너지 변환장치들은 손쉽게 연결분리 또한 가능함은 당연하다.

또한 이러한 본 발명의 부유체(60)는 내부에 공기를 불어넣어 부력으로 약 250m 정도 들어올려, 상기 증발열 교환장치(32)를 각각 양면에서 모두 검사, 청소 및 수리를 할 수 있도록 할 수 있다.

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.

10: 에너지 변환장치 20: 작동유체 방출관
30: 순환장치부 31: 응축열 교환장치
32: 증발열 교환장치 33: 제 1펌프부재
34: 불침 부력재 35: 연결수단
40: 냉각자켓부 41: 냉각자켓
42: 제 2펌프부재 50: 용출염천 튜브 커텐
51: 열전달 도체부 52: 방열부
53: 히트파이프부 60: 부유체
61: 내부 구조체 62: 외부 구조체
A: 작동유체

Claims (8)

1. 해상에 계류되도록 설치되는 에너지 변환장치(10);
   상기 에너지 변환장치(10)에 연결되어 수중에 설치되며, 에너지 변환장치(10)에 열을 전달한 작동유체를 배출하는 작동유체 방출관(20);
   상기 작동유체가 냉각 및 증발을 반복하며 에너지 변환장치(10)와 작동유체 방출관(20)을 순환하도록 하는 순환장치부(30);
   상기 작동유체 방출관(20)이 내설된 상태로 수중에 설치되어, 해양 심층부의 저온 해수를 상승시켜 작동유체 방출관(20) 내 작동유체를 냉각시키는 냉각자켓부(40);
   상기 냉각자켓부(40)가 내설된 상태로, 수중의 해수면부에서부터 심층부까지 설치되어, 해수면부와 심층부의 온도차에 의해, 심층부의 저온 해수가 해수면부로 상승되어 용출되는 작용을 하는 용출염천 튜브 커텐(50);으로 이루어지며,
   상기 에너지 변환장치(10)는 터빈과 발전기로 이루어지며, 상기 순환장치부(30)를 거쳐 유동되는 기체상태의 작동유체가 유입되어, 고온 기상상태의 작동유체에서 방출되는 잠열(Latent heat)을 통해 에너지 변환을 일으키고, 열을 빼앗긴 작동유체는 액체로 환원되어 에너지 변환장치(10)에 연통연결된 작동유체 방출관(20)을 통해 순환장치부(30)로 배출이 되도록 하며,
   상기 순환장치부(30)는 용출염천 튜브 커텐(50) 내에서, 수중의 써모크라인 심도보다 깊은 심도에 설치되어, 상기 작동유체 방출관(20)으로 배출된 작동유체를 냉각시키는 응축열 교환장치(31)와, 상기 용출염천 튜브 커텐(50) 내에서, 수중의 써모크라인 심도보다 얕은 심도에 설치되어, 상기 응축열 교환장치(31)로부터 유동된 작동유체를 증발시켜 에너지 변환장치(10)로 전달하는 증발열 교환장치(32)와, 상기 용출염천 튜브 커텐(50) 내에서, 응축열 교환장치(31) 및 증발열 교환장치(32) 사이에 설치되어 작동유체를 순환유동시키는 제 1펌프부재(33)로 이루어지며,
   상기 냉각자켓부(40)는 단열재질의 2중관 형태로 형성되어, 내부에 유입된 저온 해수가 용출염천 튜브 커텐(50) 내 고온 해수와 열교환되지 않도록 하는 냉각자켓(41)과, 상기 냉각자켓(41)의 최하단에 설치되어, 상기 용출염천 튜브 커텐(50) 내부에서 상승하는 저온 해수 일부를 내부에 유입상승시키되, 냉작자켓(41) 내부에서 상승되는 저온 해수의 상승속도가 용출염천 튜브 커텐(50) 내에서 상승되는 해수의 상승속도와 동일해지도록 하는 제 2펌프부재(42)로 이루어지되, 상기 용출염천 튜브 커텐(50) 상부에서 주위 외곽의 따뜻한 해수온도에 의하여, 용출염천 튜브 커텐(50) 내부 해수가 가열되어 비중이 내려가 가벼워져 용출염천 튜브 커텐(50) 내부에서 위로 오르게 되며, 이때 용출염천 튜브 커텐(50) 하단의 심층부 저온 해수를 같이 끌어 올려져 냉각자켓(41) 내부에서 작동유체의 냉각수 역할을 하는 것을 특징으로 하는 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 용출염천 튜브 커텐(50)은
   해수면부에 위치되는 상단부 외주연에 형성되어, 해수면부 주위의 고온 해수에 의해 내부의 해수가 가열되도록 함으로써, 상기 냉각자켓부(40)에서 사용될 상기 용출염천 튜브 커텐(50) 내 저온 해수의 상승 용출속도를 증가시키는 열전달 도체부(51);
   상기 열전달 도체부(51) 하단에서부터 수중의 써모크라인에 인접한 중단부까지 형성되어, 심층부의 저온 해수가 가열되지 않은 상태로 해수면부까지 근접하게 이동될 수 있도록 하는 방열부(52);
   가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 용출염천 튜브 커텐(50)은
   해수면부에 위치되는 상단부 외주연 내, 외부에 설치되어, 주변의 고온 해수와의 열교환을 통해 용출염천 튜브 커텐(50) 내 해수 온도를 상승시켜, 용출염천 튜브 커텐(50) 내 해수의 용출속도를 증가시키는 다수의 히트파이프부(53);
   가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 작동유체 방출관(20)은
   열전도용 금속소재로 형성되어, 상기 에너지 변환장치(10)를 거쳐 방출되는 작동유체 내 잔여 잠열이 방출될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 용출염천 튜브 커텐(50)이 내설고정되고, 상기 순환장치부(30)의 응축열 교환장치(31)가 해양의 써모크라인 심도보다 깊은 심도에 위치되도록 고정설치되되, 상기 에너지 변환장치(10)가 설치된 상부는 해상에 돌출되는 내부 구조체(61);
   상기 내부 구조체(61)의 사방으로 연장형성되되, 상기 순환장치부(30)의 증발열 교환장치(32)가 해수면부에 위치되도록 고정설치되는 외부 구조체(62);
   로 이루어지는 부유체(60)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 부유체(60)는
   다수개로 이루어져, 각 부유체(60)의 외부 구조체(62) 상호간이 연결설치됨으로써 집합군(Flotilla)을 형성하는 것을 특징으로 하는 용출염천 원리를 적용한 냉각수 공급 해양온도차 에너지 변환장치.
   
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