KR101519828B1 - 염수와 해수 사이의 염도차 에너지를 이용한 하이브리드 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 염수와 해수 사이의 염도차 에너지를 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 발전 시스템은 해수보다 염도가 높은 제1 염수와 해수를 주입받아 상기 제1 염수보다 염도가 낮은 제2 염수를 배출하며 발전을 하는 PRO 장치와, 상기 제2 염수와 해수를 주입받아 발전을 하는 제1 RED 장치를 구비한다. 본 발명은 담수를 사용하지 않는 염도차 발전 시스템이므로 해수가 있는 위치라면 강어귀가 아니라도 설치할 수 있다. 본 발명에 의한 염도차 발전 시스템은 강어귀에 설치될 필요가 없으므로 해수를 위해 먼 바다에서 취수할 필요가 없어서 취수를 위한 운영비를 줄일 수 있다.

Description

염수와 해수 사이의 염도차 에너지를 이용한 하이브리드 발전 시스템 {A HYBRID POWER GENERATION SYSTEM USING ENERGY OF SALINITY DIFFERENCE BETWEEN SALT WATER AND SEA WATER}

본 발명은 염도차 발전 시스템에 관한 것으로서, 특히 염수와 해수 사이의 염도차 에너지를 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.

경제 발전과 인구 증가에 따라 에너지 소비량은 지속적으로 증가하고, 매장된 석유 자원은 고갈되어감에 따라 신재생에너지의 필요성은 절대적이다. 그 중에서도 현재까지 미미하게 이용되는 해양에너지(Blue Energy)를 통한 발전 가능성의 현실화는 절대적으로 필요하다 할 것이다.

수력발전은 발전소를 건설할 수 있는 장소적 제약이 크고 발전소 건설비용이 막대한 문제점이 있다. 풍력발전 역시 건설할 수 있는 장소적 제약이 클 뿐만 아니라, 바람의 세기가 시간에 따라 변화하기 때문에 일정한 세기의 전력을 생산하는 것이 어렵다. 태양열 발전을 위해서는 거대한 공간을 필요로 할 뿐만, 아니라 발전량도 적고 날씨에 따라 발전효율이 크게 달라서 아직까지 보조적인 전력공급원으로 사용되고 있는 현실이다.

이에 비해 염도차 발전 시스템(salinity gradient power generation system)은 기후와 시간에 제약을 받지 않는 전천후 발전장치로서, 친환경적이며 발전의 영속성을 유지할 수 있는 장점이 있다. 해양 염도차 발전을 통해 1톤당 획득 에너지량은 1.7MJ이나, 지구 표면적의 71%를 차지하는 전체 해수(海水)의 양을 볼 때 본 기술의 경제적 및 산업적 파급효과는 너무나 크다.

염도차 발전 방법으로 현재까지 주로 연구된 것은 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis : PRO) 방식과 역전기투석(Reverse ElectroDialysis : RED) 방식이다. PRO 방식은 농도가 다른 두 용액을 분리막 사이에 뒀을 때 생기는 압력차, 곧 삼투압을 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다.

RED 방식은 신장투석 등 전기를 이용해 용액의 이온을 제거하는 방식을 거꾸로 이용해 전기를 생산하는 방식이다. 양이온교환막과 음이온교환막을 번갈아 배치한 구조물에 바닷물과 민물을 통과시키면 바닷물 속의 양이온인 나트륨이온은 양이온교환막 쪽으로, 음이온인 염소이온은 음이온교환막 쪽으로 통과한다. 서로 떨어지지 않으려는 것을 떼어놓으면서 힘(전압)이 생기고 이 이온의 흐름에 의해 생긴 힘으로 구조물 양쪽에 설치한 환원전극에서 전자의 흐름이 생성돼 전기(전력)가 발생하는 원리다.

종래의 염도차 발전소는 해수와 담수를 이용하는 시스템이므로, 해수와 담수가 모두 제공되는 강어귀에 설치된다. 그러나 강어귀에 염도차 발전소가 설치되더라도 강어귀 근처에서 얻을 수 있는 해수는 일반적인 해수보다 농도가 낮은 기수에 해당하므로 높은 발전량을 위해 먼 바다에서 해수를 취수하는 경우에는 비용이 많이 든다. 또한 통상적으로 해수에 비해 담수가 부족하다는 문제도 있다.

본 발명은 담수를 사용하지 않는 염도차 발전 시스템을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한 본 발명은 담수가 해수와 만나는 강어귀에 설치하지 않아도 되는 염도차 발전 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 취수를 위한 운영비가 저렴한 염도차 발전 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드 염도차 발전 시스템으로서, 해수보다 염도가 높은 제1 염수와 해수를 주입받아 상기 제1 염수보다 염도가 낮은 제2 염수를 배출하며 발전을 하는 PRO 장치와, 상기 제2 염수와 해수를 주입받아 발전을 하는 제1 RED 장치를 구비하는 것을 일 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 PRO 장치는 상기 해수보다 농도가 높은 제3 염수를 배출하고, 상기 제3 염수와 해수를 주입받아 발전을 하는 제2 RED 장치를 더 구비한다. 또한 본 발명은 상기 제1 염수를 주입받고, 상기 제2 염수의 압력을 이용하여 상기 제1 염수의 압력을 높여 상기 PRO 장치에 제공하는 압력회수장치를 더 구비한다. 또한 상기 제1 RED 장치 또는 제2 RED 장치에 주입되는 염수 또는 해수의 압력을 조절하는 압력조절밸브를 더 구비한다.

또한 본 발명은 하이브리드 염도차 발전 시스템으로서, 해수보다 염도가 높은 제1 염수와 해수를 주입받아 상기 제1 염수보다 염도가 낮은 제2 염수를 배출하며 발전을 하는 PRO 장치와, 상기 제2 염수와 해수를 주입받아 발전을 하는 염도차 발전기를 구비하는 것을 다른 특징으로 한다.

본 발명에서는 염수와 해수를 이용하여 염도차 발전을 하므로 해수담수화 플랜트에서 가장 문제가 되는 염수의 처리 문제를 해결할 수 있다. 또한 본 발명은 담수를 사용하지 않는 염도차 발전 시스템이므로 해수가 있는 위치라면 강어귀가 아니라도 설치할 수 있다. 본 발명에 의한 염도차 발전 시스템은 강어귀에 설치될 필요가 없으므로 해수를 위해 먼 바다에서 취수할 필요가 없어서 취수를 위한 운영비를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하는 시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 해수와 염수의 염도차를 설명하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 실시 예들을 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 잘 알려져 있고, 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 가급적 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하는 염도차 발전 시스템 구성도이다. 도시된 바와 같이, 염도차 발전 시스템(100)은 PRO 장치(10), RED 장치(40, 42)를 구비하고 있다.

해수는 펌프(4)를 통해 압력이 인가되어 PRO 장치(10)의 제1 공간(12)과, RED 장치(40, 42)에 주입된다. 해수보다 농도가 높은 염수는 펌프(2)를 통해 압력이 인가되며, 압력회수장치(20)를 경유하여 PRO 장치(10)의 제2 공간(14)에 주입된다. 제1 공간(12)과 제2 공간(14)은 반투막(16)에 의해 구획되어 있다. 삼투압의 차이에 의해 제1 공간(12)에 주입된 해수의 물은 삼투막(16)을 통과하여 제2 공간(14)로 이동한다. 제2 공간(14)으로 이동한 물은 고농도 염수와 섞이면서 제1 저농도 염수로 되고, 해수는 물이 빠져나가면서 제2 저농도 염수로 된다. 제2 공간(14)에서 배출된 제1 저농도 염수의 일부는 터빈(30)을 돌려 전력을 생산하고, 다른 일부는 압력회수장치(20)로 주입된다. 압력회수장치(20)는 주입된 제1 저농도 염수로부터 압력을 회수하여 제2 공간(14)으로 주입되는 고농도 염수를 가압한다.

펌프(18)는 PRO 장치(10)의 제1 공간(12)에서 배출된 제2 저농도 염수를 RED 장치(42)에 제공한다. 펌프(18)는 RED 장치(20)의 고효율화를 위해 제1 공간(12)에서 배출된 제2 저농도 염수의 압력을 적당하게 조절한다. 압력회수장치(20)와 터빈(30)를 통과한 제1 저농도 염수는 펌프(32)를 통해 가압된 후에 RED 장치(40)에 제공된다. RED 장치(40)는 제1 저농도 염수와 해수를 이용하여 전력을 생산하고, RED 장치(42)는 제2 저농도 염수와 해수를 이용하여 전력을 생산한다.

도 2는 본 발명에서 사용되는 해수와 염수의 염도차를 설명하는 도면이다. 도 2에서 염도차 A는 PRO 장치(10)에 주입되는 고농도 염수와 해수 사이의 염도차이다. 염도차 B는 RED 장치(40)에 주입되는 제1 저농도 염수와 해수 사이의 염도차이고, 염도차 C는 RED 장치(42)에 주입되는 제2 저농도 염수와 해수 사이의 염도차이다.

결국, 염도차 발전 시스템(100)은 제공된 고농도 염수와 해수를 이용하여 PRO 장치(10)에서 첫 번째 발전을 하고, RED 장치(40)에서 두 번째 발전을 하며, RED 장치(42)에서 세 번째 발전을 함으로써 높은 발전 효율을 얻을 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (5)

1. 해수보다 염도가 높은 제1 염수와 해수를 주입받아 상기 제1 염수보다 염도가 낮은 제2 염수와 상기 해수보다 농도가 높은 제3 염수를 배출하며 발전을 하는 PRO 장치와,
   상기 제2 염수와 해수를 주입받아 발전을 하는 제1 RED 장치와,
   상기 제3 염수와 해수를 주입받아 발전을 하는 제2 RED 장치를
   구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 염도차 발전 시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 염수를 주입받고, 상기 제2 염수의 압력을 이용하여 상기 제1 염수의 압력을 높여 상기 PRO 장치에 제공하는 압력회수장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 염도차 발전 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 RED 장치 또는 제2 RED 장치에 주입되는 염수 또는 해수의 압력을 조절하는 압력조절밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 염도차 발전 시스템.
   
5. 삭제

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