KR101481010B1 - 해양온도차발전 시스템 및 그 작동방법 - Google Patents

해양온도차발전 시스템 및 그 작동방법 Download PDF

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Abstract

해양온도차발전 시스템 및 그 방법이 개시된다. 여기서, 해양온도차발전시스템은 작동유체를 증발시키고 남은 표층수를 기화시키는 기화기, 그리고 상기 기화기가 배출하는 기화된 표층수에 의해 가동되는 제1 터빈을 포함한다.

Description

해양온도차발전 시스템 및 그 작동방법{OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION SYSTEM AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 발명은 해양온도차발전 시스템 및 그 작동방법에 관한 것이다.
일반적으로, 해양온도차발전(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC)은 수온이 높은 표층수와 수온이 낮은 심층수를 각각 기화열과 응축열로 활용하여 전기를 생산하는 발전 시스템이다.
해양온도차발전(OTEC)은 오로지 해수로만 에너지를 공급하기 때문에 탄소배출량이 전혀 없다. 그리고 해수는 재활용이 가능한 무궁무진한 에너지원이다.
일반적으로 해양온도차발전(OTEC)은 폐회로 순환식(Rankine사이클 방식, Kalina사이클 방식), 개회로 순환식, 복합 순환식(Integrated 혼합형 사이클 방식, Joint 혼합형 사이클 방식)으로 구분된다.
종래의 복합 순환식 해양온도차발전(OTEC)은 작동유체로 터빈을 구동키고 물은 해양수는 담수를 획득하고 폐기된다.
개회로 순환식 해양온도차발전(OTEC)의 경우, 수증기로 터빈을 구동하고 담수를 획득하며, 초기 막대한 설치비용을 크게 감소시키는 장점이 있다.
그런데 종래에는 이처럼 해양온도차발전(OTEC)의 분류 방식에 맞게 작동유체로만 터빈을 구동하거나 또는 수증기로 터빈을 구동하는 것으로 제안되어 있다.
선행문헌1, 한국공개특허 제2012-0054328호, 한국에너지기술연구원, 해양표층수와 해양심층수를 이용한 히트펌프 냉, 난방 장치 및 작동방법 선행문헌2, 한국공개특허 제2011-0115196호, 한국해양연구원, 재열과정을 포함한 해양 온도차 발전 시스템
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 작동유체를 기화시키고 남은 해양수를 기화시켜 터빈을 구동시키고 담수도 획득할 수 있는 신재생에너지 발전을 제공하고 해양수를 태양열로 상승시켜 해양온도차발전의 효율을 극대화시키는 해양온도차발전 시스템 및 그 작동방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 해양온도차발전 시스템은 작동유체를 증발시키고 남은 표층수를 기화시키는 기화기, 그리고 상기 기화기가 배출하는 기화된 표층수에 의해 가동되는 제1 터빈을 포함한다.
심층수가 유입되는 심층수 공급 펌프, 그리고 상기 심층수 공급 펌프가 배출하는 심층수를 수용하고, 상기 심층수와 상기 기화된 표층수간의 열교환을 통해 상기 기화된 표층수를 응축시켜 획득한 담수를 배출하는 응축기를 더 포함할 수 있다.
상기 심층수 공급 펌프는,
에어 컨디셔닝 장치로 상기 심층수를 공급하는 대용량 펌프를 포함할 수 있다.
표층수가 유입되는 표층수 공급 펌프, 상기 표층수를 수용하여 가온하는 집열기, 상기 집열기가 가온한 표층수를 수용하고, 상기 가온한 표층수와 열교환을 통해 작동유체를 증발시키는 증발기, 그리고 상기 증발기가 배출하는 과열증기 상태의 작동유체에 의해 가동되는 제2 터빈을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 터빈을 구동시키고 남은 작동유체를 상기 증발기로 순환시키는 작동유체 순환 펌프를 더 포함하고,
상기 응축기는,
상기 제2 터빈이 배출하는 2상 상태의 작동유체를 수용하고, 상기 2상 상태의 작동유체와 상기 심층수간의 열교환을 통해 작동유체를 과냉시켜 상기 작동유체 순환 펌프로 배출할 수 있다.
태양 광선을 흡수하는 하나 이상의 태양열 패널, 그리고 상기 하나 이상의 태양열 패널로부터 흡수한 열 에너지를 히트 파이프를 통해 상기 집열기로 전달하는 열교환기를 더 포함하고,
상기 집열기는,
상기 열 에너지를 이용하여 상기 표층수를 가온할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 해양온도차발전 시스템의 작동 방법이 개시된다. 이러한 작동 방법은 해양온도차발전 시스템의 작동 방법으로서, 기화기를 통하여 작동유체를 증발시키고 남은 표층수를 기화시키는 단계, 그리고 기화시킨 표층수에 의해 제1 터빈을 가동시키는 단계를 포함한다.
상기 제1 터빈을 가동시키는 단계 이후,
상기 제1 터빈을 거친 기화시킨 표층수와 펌핑된 심층수 간의 열교환을 통해 상기 기화시킨 표층수를 응축시켜 획득한 담수를 응축기를 통하여 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기화시키는 단계 이전에,
집열기를 통하여 표층수를 수용하여 가온하는 단계, 그리고 증발기를 통하여 상기 가온한 표층수와 열교환을 통해 작동유체를 증발시켜 제2 터빈을 가동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가온하는 단계는,
하나 이상의 태양열 패널이 흡수한 태양열 에너지를 이용하여 상기 표층수를 가온하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 터빈을 가동시키는 단계 이후,
상기 제2 터빈을 가동시키고 남은 작동유체를 펌프를 통해 상기 증발기로 순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 순환시키는 단계는,
상기 제2 터빈을 가동시키고 남은 2상 상태의 작동유체와 상기 심층수 간의를 열교환을 통해 상기 2상 상태의 작동유체를 상기 응축기를 통하여 과냉시키는 단계, 그리고 상기 과냉시킨 작동유체를 펌프를 통해 상기 증발기로 순환시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 종래처럼 해양온도차발전(OTEC)의 분류 방식에 국한되지 않고, 작동유체를 기화시키고 남은 해양수를 기화시켜 터빈을 구동시키고 담수도 획득할 수 있다.
또한, 해양수를 태양열로 상승시켜 이용함으로써, 해양온도차발전의 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해양온도차발전(OTEC) 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 해양온도차발전 시스템의 작동 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 해양온도차발전 시스템의 작동 방법을 나타낸 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 해양온도차발전 시스템 및 그 작동방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해양온도차발전(Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC) 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 해양온도차발전(OTEC) 시스템은 하나 이상의 태양열 패널(1), 열교환기(3), 히트 파이프(5), 표층수 공급 펌프(7), 집열기(9), 증발기(evapolator)(11), 기화기(flash evaporator)(13), 터빈1(15), 심층수 공급 펌프(17), 응축기(condenser)(19), 작동유체 순환 펌프(21), 터빈2(23), 담수 배출관(25), 파이프 라인(27)을 포함한다.
이때, 열교환기(3)와 집열기(9)는 히트 파이프(5)를 통해 서로 연결된다.
또한, 표층수 공급 펌프(7), 집열기(9), 증발기(evapolator)(11), 기화기(flash evaporator)(13), 터빈1(15), 심층수 공급 펌프(17), 응축기(condenser)(19), 작동유체 순환 펌프(21), 터빈2(23)는 파이프 라인(27)을 통해 서로 연결된다.
하나 이상의 태양열 패널(1)은 태양열 패널은 태양 광선을 흡수한다.
열교환기(3)는 하나 이상의 태양열 패널(1)이 흡수한 태양열 에너지를 히트 파이프(5)를 통해 집열기(9)로 전달한다.
표층수 공급 펌프(7)는 표층수를 취수하여 집열기(9)로 전달한다.
집열기(9)는 표층수 공급 펌프(7)가 배출하는 표층수를 히트 파이프(5)를 통해 전달받은 태양열 에너지를 이용하여 가온한다. 그리고 가온한 표층수를 증발기(evapolator)(11)로 공급한다.
증발기(evapolator)(11)는 집열기(9)가 가온한 표층수를 수용한다. 그리고 가온한 표층수와 작동유체(working fluid) 간의 열교환을 통해 작동유체를 증발시킨다.
여기서, 작동유체는 암모니아 가스를 포함할 수 있다.
이때, 작동유체를 증발시키고 남은 가온한 표층수는 기화기(flash evaporator)(13)로 배출된다.
기화기(flash evaporator)(13)는 가온한 표층수를 기화시켜 터빈1(15)로 배출한다. 그러면, 터빈1(15)은 기화된 표층수에 의해 구동되어 1차 전력을 생산한다.
이때, 기화기(flash evaporator)(13)는 유입 유체가 증기압 예컨대 2.5kPa 이하로 유지된다. 즉 순간적으로 유입 유체를 기화시킨다.
또한, 증발기(evapolator)(11)는 과열증기상태의 작동유체를 터빈2(23)로 배출한다. 그러면, 터빈2(23)은 과열증기상태의 작동유체에 의해 구동되어 2차 전력을 생산한다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 해양온도차발전(OTEC) 시스템은 작동유체에 의해 터빈2(23)을 구동할 뿐만 아니라 작동유체를 증발시키고 남은 표층수를 기화시켜 터빈1(15)을 구동한다.
또한, 터빈1(15)은 2상 상태의 표층수를 응축기(condenser)(19)로 배출한다. 여기서, 2상 상태라 함은 액상과 기상이 공존하는 상태를 말한다.
또한, 터빈2(23)는 2상 상태의 작동유체를 응축기(condenser)(19)로 배출한다.
심층수 공급 펌프(17)는 심층수를 취수하여 응축기(condenser)(19)로 공급한다.
또한, 심층수 공급 펌프(17)는 대용량 펌프를 포함하고, 취수한 심층수를 에어 컨디셔닝(air conditioning) 장치(미도시)로 심층수를 공급할 수 있다.
응축기(condenser)(19)는 2상 상태의 표층수와 심층수 간의 열교환을 통해 표층수를 응축시켜 담수를 획득한다. 그리고 획득한 담수를 담수 배출관(25)을 통해 획득한다. 이러한 담수는 식수로 사용될 수 있다.
또한, 응축기(condenser)(19)는 터빈2(23)가 배출하는 2상 상태의 작동유체를 수용한다. 그리고 2상 상태의 작동유체와 심층수간의 열교환을 통해 과냉상태의 작동유체를 획득한다. 그리고 과냉상태의 작동유체를 작동유체 순환 펌프(21)로 배출한다.
작동유체 순환 펌프(21)는 과냉상태의 작동유체를 다시 증발기(evapolator)(11)로 공급한다. 이러한 과냉상태의 작동유체는 가온한 표층수와의 열교환을 통해 증발되어 다시 터빈2(23)로 공급되어 터빈2(23)를 구동시킨다.
지금까지 설명한 바에 따르면, 표층수 공급 펌프(7) → 집열기(9) → 증발기(evapolator)(11) → 기화기(flash evaporator)(13) → 터빈1(15)의 경로를 통해 표층수는 기화되어 터빈1(15)을 구동시켜 1차 전력을 생산한다.
또한, 심층수 공급 펌프(17) → 응축기(condenser)(19)의 경로로 유입된 심층수와, 터빈1(15)을 거친 기화된 표층수 간의 열교환을 통해 담수가 획득된다.
또한, 증발기(evapolator)(11) → 터빈2(23)의 경로로 유입된 과냉상태의 작동유체는 터빈2(23)를 구동하여 2차 전력을 생산한다.
또한, 심층수 공급 펌프(17) → 응축기(condenser)(19)의 경로로 유입된 심층수와, 터빈2(23)를 거친 2상 상태의 작동유체는 응축기(condenser)(19)로 유입되어 과냉상태로 응축된다. 이때, 작동유체는 터빈2(23) → 응축기(condenser)(19) → 작동유체 순환 펌프(21) → 증발기(evapolator)(11) → 터빈2(23)의 순환 경로(close loop)를 통해 재순환된다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 해양온도차발전 시스템의 작동 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 표층수 공급 펌프(7)로 끌어올린 표층수를 집열기(9)가 수용한다(S101).
집열기(9)는 히트 파이프(5)를 통해 공급되는 태양열 에너지를 이용하여 수용한 표층수를 가온한다(S103).
증발기(evapolator)(11)는 집열기(9)가 가온한 표층수를 수용(S105)하여 작동유체와의 열교환을 통해 작동유체를 증발시킨다(S107).
이처럼, 증발된 작동유체는 터빈2(23)를 구동(S109)시켜 전력을 생산한다.
한편, 터빈2(23)에서 배출되는 2상 상태의 작동유체와 심층수 공급펌프(17)가 끌어올린 심층수가 응축기(condenser)(19)로 유입된다(S111, S113).
응축기(condenser)(19)는 작동유체와 심층수간의 열교환을 통해 작동유체를 과냉상태로 응축시켜 작동유체 순환 펌프(21)로 공급한다(S115).
작동유체 순환 펌프(21)는 과냉상태의 작동유체를 증발기(evapolator)(11)로 공급한다(S117). 이처럼, 작동유체는 증발기(11)로 재순환된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 해양온도차발전 시스템의 작동 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 증발기(evapolator)(11)는 작동유체를 증발시키고 남은 가온한 표층수를 기화기(flash evaporator)(13)로 공급한다(S201).
기화기(flash evaporator)(13)는 S201 단계에서 공급된 표층를 기화시킨다(S203). 이처럼, 기화된 표층수는 터빈1(15)을 구동(S205)시켜 전력을 생산한다.
터빈1(15)에서 배출되는 2상 상태의 표층수는 응축기(condenser)(19)로 유입(S207)되어 심층수와 열교환을 통해 응축(S209)되어 담수를 생산한다(S211). 이러한 담수는 담수 배출관(25)을 통해 배출된다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 작동유체를 증발시키고 남은 표층수를 기화시키는 기화기,
    상기 기화기가 배출하는 기화된 표층수에 의해 가동되는 제1 터빈, 그리고
    상기 제1 터빈을 가동시킨 후, 상기 제1 터빈을 거친 기화시킨 표층수와 심층수간의 열교환을 통해 상기 기화시킨 표층수를 응축시켜 담수를 획득하고, 상기 담수를 배출하는 응축기
    을 포함하는 해양온도차발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    심층수가 유입되는 심층수 공급 펌프
    를 더 포함하는 해양온도차발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 심층수 공급 펌프는,
    에어 컨디셔닝 장치로 상기 심층수를 공급하는 대용량 펌프를 포함하는 해양온도차발전 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    표층수가 유입되는 표층수 공급 펌프,
    상기 표층수를 수용하여 가온하는 집열기,
    상기 집열기가 가온한 표층수를 수용하고, 상기 가온한 표층수와 열교환을 통해 작동유체를 증발시키는 증발기, 그리고
    상기 증발기가 배출하는 과열증기 상태의 작동유체에 의해 가동되는 제2 터빈
    을 더 포함하는 해양온도차발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 터빈을 구동시키고 남은 작동유체를 상기 증발기로 순환시키는 작동유체 순환 펌프를 더 포함하고,
    상기 응축기는,
    상기 제2 터빈이 배출하는 2상 상태의 작동유체를 수용하고, 상기 2상 상태의 작동유체와 상기 심층수간의 열교환을 통해 작동유체를 과냉시켜 상기 작동유체 순환 펌프로 배출하는 해양온도차발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    태양 광선을 흡수하는 하나 이상의 태양열 패널, 그리고
    상기 하나 이상의 태양열 패널로부터 흡수한 열 에너지를 히트 파이프를 통해 상기 집열기로 전달하는 열교환기를 더 포함하고,
    상기 집열기는,
    상기 열 에너지를 이용하여 상기 표층수를 가온하는 해양온도차발전 시스템.
  7. 해양온도차발전 시스템의 작동 방법으로서,
    기화기를 통하여 작동유체를 증발시키고 남은 표층수를 기화시키는 단계,
    기화시킨 표층수에 의해 제1 터빈을 가동시키는 단계, 그리고
    상기 제1 터빈을 거친 기화시킨 표층수와 펌핑된 심층수 간의 열교환을 통해 상기 기화시킨 표층수를 응축시켜 담수를 획득하고, 획득한 담수를 응축기를 통하여 배출하는 단계
    를 포함하는 해양온도차발전 시스템의 작동 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 기화시키는 단계 이전에,
    집열기를 통하여 표층수를 수용하여 가온하는 단계, 그리고
    증발기를 통하여 상기 가온한 표층수와 열교환을 통해 작동유체를 증발시켜 제2 터빈을 가동시키는 단계
    를 더 포함하는 해양온도차발전 시스템의 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가온하는 단계는,
    하나 이상의 태양열 패널이 흡수한 태양열 에너지를 이용하여 상기 표층수를 가온하는 단계를 포함하는 해양온도차발전 시스템의 작동 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 터빈을 가동시키는 단계 이후,
    상기 제2 터빈을 가동시키고 남은 작동유체를 펌프를 통해 상기 증발기로 순환시키는 단계
    를 더 포함하는 해양온도차발전 시스템의 작동 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 순환시키는 단계는,
    상기 제2 터빈을 가동시키고 남은 2상 상태의 작동유체와 상기 심층수 간의를 열교환을 통해 상기 2상 상태의 작동유체를 상기 응축기를 통하여 과냉시키는 단계, 그리고
    상기 과냉시킨 작동유체를 펌프를 통해 상기 증발기로 순환시키는 단계
    를 포함하는 해양온도차발전 시스템의 작동 방법.
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