KR101526220B1 - 발전소 온배수 조절 장치 및 이를 이용하는 염도차 발전 시스템 - Google Patents

발전소 온배수 조절 장치 및 이를 이용하는 염도차 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전소 온배수의 수압과 열에너지를 조절하는 장치 및 이를 이용하는 염도차 발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 온배수 조절 장치는 발전소 온배수의 수압을 염도차 발전 장치에 적합한 수압으로 조절하고 상기 수압이 조절된 온배수를 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 온배수 수압 조절기와, 상기 발전소 온배수의 열에너지를 이용하여 상기 염도차 발전 장치에 사용되는 담수의 온도를 높여서 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 열교환기를 구비한다. 본 발명에 의하면 온배수의 수압을 이용함으로써 염도차 발전에서 해수에 대해 펌프를 사용하지 않을 수 있다. 또한 염도차 발전에 사용되는 해수와 담수의 온도를 이온 활성도가 높도록 유지하여 염도차 발전의 효율을 높일 수 있다. 또한 염도차 발전에 사용되는 멤브레인이 고온의 온배수로 손상되는 것을 막을 수 있다.

Description

발전소 온배수 조절 장치 및 이를 이용하는 염도차 발전 시스템 {ADJUSTMENT DEVICE OF CONDENSER EFFLUENT FROM POWER PLANT, AND SALINITY GRADIENT POWER GENERATION SYSTEM USING THIS ADJUSTMENT DEVICE}
본 발명은 발전소 온배수의 수압과 열에너지를 조절하는 장치 및 이를 이용하는 염도차 발전 시스템에 관한 것이다.
대체에너지발전 및 수력발전 등을 제외한 대부분의 발전 방식은 전력을 생산하는 과정에서 폐열을 발생시킨다. 현재 기술 수준으로 원자력 발전은 35% 내외의 열효율을 나타내고 있다. 또한 석탄, 석유 등의 화석연료를 사용하여 물을 끓여 증발된 힘으로 터빈을 돌려 전력을 생산하는 기력발전은 40% 내외의 열효율을 나타내고 있다. 따라서 사용된 발전 연료의 일부만이 전기에너지로 전환되고 나머지는 폐열로 처리되고 있다. 발전 과정에서 발생하는 폐열을 처리하는 방법에는 크게 공랭식과 냉매식이 있다. 공랭식은 발생된 폐열을 공기로 냉각하는 방식으로서 주로 소규모 열기관에서 사용된다. 냉매식은 폐열을 액체 냉매로 냉각하는 방식으로서 주로 대형 열기관에 많이 사용되는데 일반적으로 취득이 용이하면서 저렴한 물이 주로 냉매로 사용되고 있다.
발전소의 열기관 또한 발생되는 폐열을 처리하기 위해서 일반적으로 물을 냉매로 사용한다. 물은 담수와 해수 모두 사용 가능하지만 담수 자원이 부족한 우리나라는 해수를 냉매로 사용하여 폐열을 처리한 후에 자연으로 배출한다. 이와 같이 발전 과정에서 발생한 폐열을 흡수하여 수온이 상승한 상태로 방출되는 해수를 발전소 온배수라고 한다. 많은 사람들이 온배수는 해로운 오염물질로 오해하고 있지만, 냉각수로 사용되는 해수는 취수되어 복수기에서 열교환을 마치고 방출될 때까지 완전히 폐쇄된 관을 따라 흐르도록 되어 있기 때문에 외부 물질에 오염되지 않은 순수한 자연 해수이며, 단지 열교환으로 자연 해수보다 수온이 상승한 상태로 다시 바다로 배출된다.
우리나라의 발전설비 규모는 2009년 기준으로 77.66GW에 이르며, 연간 약 454TWh의 전기를 생산하고 있다. 증가하는 전력 수요로 인해서 이러한 발전설비는 가파른 증가세를 보이고 있는데, 2000년의 53.69GW에서 2009년의 77.66GW까지 단 10년만에 45%가 증가하였다.
본 발명은 발전소의 온배수를 이용하여 염도차 발전을 하는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은 발전소 온배수의 수압과 열에너지를 조절하여 이용하는 염도차 발전 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 발전소 온배수를 염도차 발전 장치에 이용할 수 있도록 하는 온배수 조절 장치에 있어서, 상기 발전소 온배수의 수압을 상기 염도차 발전 장치에 적합한 수압으로 조절하고 상기 수압이 조절된 온배수를 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 온배수 수압 조절기와, 상기 발전소 온배수의 열에너지를 이용하여 상기 염도차 발전 장치에 사용되는 담수의 온도를 높여서 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 열교환기를 구비하는 것을 일 특징으로 한다.
또한 본 발명은 발전소 온배수를 이용하는 염도차 발전 시스템에 있어서, 해수와 담수를 이용하여 염도차 발전을 하는 염도차 발전 장치와, 상기 발전소 온배수의 수압을 상기 염도차 발전 장치에 적합한 수압으로 조절하고 상기 수압이 조절된 온배수를 해수로서 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 온배수 수압 조절기와, 상기 발전소 온배수의 열에너지를 이용하여 상기 염도차 발전 장치에 사용되는 담수의 온도를 높여서 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 열교환기를 구비하는 것을 다른 특징으로 한다.
또한 본 발명은 발전소 온배수를 이용하는 염도차 발전 시스템에 있어서, 해수와 담수를 이용하여 염도차 발전을 하는 염도차 발전 장치와, 상기 발전소 온배수의 수압을 상기 염도차 발전 장치에 적합한 수압으로 조절하고 상기 수압이 조절된 온배수를 해수로서 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 온배수 수압 조절기를 구비하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
바람직하게는, 온배수 수압 조절기는 파이프로 구성될 수 있으며, 상기 파이프의 구조 또는 직경은 상기 염도차 발전 장치에 적합한 수압에 의해 결정된다. 또한 상기 온배수 수압 조절기는 밸브로 구성될 수 있다. 염도차 발전 장치는 PRO, RED, Capmix 중 적어도 하나 또는 2개 이상의 조합으로 구성된다.
본 발명에 의하면 온배수의 수압을 이용함으로써 염도차 발전에서 해수에 대해 펌프를 사용하지 않을 수 있다. 또한 염도차 발전에 사용되는 해수와 담수의 온도를 이온 활성도가 높도록 유지하여 염도차 발전의 효율을 높일 수 있다. 또한 염도차 발전에 사용되는 멤브레인이 고온의 온배수로 손상되는 것을 막을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 염도차 발전 시스템의 개념도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 온배수 수압 조절기의 구성도이다.
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 일 실시예에 의한 염도차 발전 시스템의 개념도이다. 도시된 바와 같이 염도차 발전 시스템(100)은 온배수 조절장치(101), 펌프(108), 염도차 발전 장치(110)를 구비한다. 온배수 조절장치(101)는 온배수 수압 조절기(104)와 열교환기(106)를 구비한다.
온배수 조절장치(101)는 발전소(102)에서 배출되는 온배수를 염도차 발전 장치(110)에 이용할 수 있도록 수압, 열에너지 등을 조절한다. 온배수 수압 조절기(104)는 발전소 온배수의 수압을 염도차 발전 장치(110)에 적합한 수압으로 조절하고, 상기 수압이 조절된 온배수를 염도차 발전 장치(110)에 제공한다. 열교환기(106)에는 수압조절기(104)에 의해 수압이 조절된 온배수와 펌프(108)에 의해 취수된 담수가 제공된다. 열교환기(106)는 발전소 온배수의 열에너지를 이용하여 염도차 발전 장치에 사용되는 담수의 온도를 높여서 염도차 발전 장치(110)에 제공한다. 염도차 발전 장치(110)는 PRO(Pressure-Retarded Osmosis), RED(Reverse Electro-Dialysis), Capmix 중 적어도 하나 또는 2개 이상의 조합으로 구성될 수 있다.
일반적으로 해수 및 담수의 온도가 높을 때 해수의 이온 활성도가 더 높으므로 염도차 발전에서는 더 높은 효율을 낼 수 있다. 담수는 평균적으로 해수보다 낮은 온도를 유지하고 있다. 따라서 열교환기(106)를 이용하여 담수와 발전소 온배수 사이의 열 교환을 수행함으로써 담수의 온도를 상승시킨다. 한편, 온배수는 평균 해수 온도보다 7~8℃ 정도 온도가 높으며, 발전소의 배출구에 가까울수록 높은 온도를 유지한다. 염도차 발전 장치(110)에 사용되는 멤브레인은 내열성(thermal stability)이 평균 40~50℃이므로 해수 및 담수는 40~50℃ 이하의 온도에서 사용되어야 한다. 온배수는 열교환기(106)에서 담수와 열 교환하는 과정을 통해 멤브레인을 손상시키지 않도록 냉각된다.
환경적 측면에서 염도차 발전 후 배출되는 온배수는 해수와 온도가 거의 같아지므로 환경적 영향을 최소화할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 온배수 수압 조절기(104)의 구성도이다. 온배수 수압 조절기(104)는 파이프 단독, 또는 파이프와 밸브의 조합으로 구현될 수 있다.
수압 조절기(104)는 발전소(102)의 배출구에서 압력을 조절할 수 있는 부분의 온배수를 취수하여 사용한다. 파이프 단독으로 온배수 수압 조절기(104)를 구현하는 경우에는 염도차 발전 장치(110)에 적합한 수압을 고려하여 파이프의 구조 또는 직경을 결정한다. 파이프와 밸브의 조합으로 온배수 수압 조절기(104)를 구현하는 경우에는 밸브에 의해 염도차 발전 장치(110)에 적합한 수압을 손쉽게 얻을 수 있다. 온배수 수압 조절기(104)는 온배수가 발전소(102) 쪽으로 역류되지 않도록 수압을 조절한다.
도 2에서 온배수 수압 조절기(104)는 직경 d1를 갖는 입구(202)는 직경 d2를 갖는 출구(206)로 구성된다. d1이 클수록 수압 조절기(104)로의 온배수의 유입이 많으므로 출구(206)에서 유출되는 온배수의 수압은 커진다. d2가 작을수록 입구(202)를 통해 이미 유입된 온배수가 작은 직경의 출구(206)를 통해 유출되므로 출구(206)에서 유출되는 온배수의 수압이 커진다. 입구(202)와 출구(204) 사이에 구비된 밸브(204)가 완전히 개방되어 밸브(204)가 온배수 흐름에 저항을 거의 미치지 않는 경우 출구(206)를 통해 유출되는 온배수의 수압은 (d1/d2)의 제곱에 비례한다.
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 (7)

  1. 발전소 온배수를 염도차 발전 장치에 이용할 수 있도록 하는 온배수 조절 장치에 있어서,
    상기 발전소 온배수의 수압을 상기 염도차 발전 장치에 적합한 수압으로 조절하고 상기 수압이 조절된 온배수를 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 온배수 수압 조절기와,
    상기 발전소 온배수의 열에너지를 이용하여 상기 염도차 발전 장치에 사용되는 담수의 온도를 높여서 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 열교환기를 구비하며,
    상기 온배수 수압 조절기는 파이프 또는 밸브로 수압을 조절하는 것을 특징으로 하는 온배수 조절 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온배수 수압 조절기는 파이프로 구성되며,
    상기 파이프의 구조 또는 직경은 상기 염도차 발전 장치에 적합한 수압에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 온배수 조절 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 온배수 수압 조절기는 밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 온배수 조절 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 염도차 발전 장치는 PRO, RED, Capmix 중 적어도 하나 또는 2개 이상의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 온배수 조절 장치.
  5. 발전소 온배수를 이용하는 염도차 발전 시스템에 있어서,
    해수와 담수를 이용하여 염도차 발전을 하는 염도차 발전 장치와,
    상기 발전소 온배수의 수압을 상기 염도차 발전 장치에 적합한 수압으로 조절하고 상기 수압이 조절된 온배수를 해수로서 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 온배수 수압 조절기와,
    상기 발전소 온배수의 열에너지를 이용하여 상기 염도차 발전 장치에 사용되는 담수의 온도를 높여서 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 열교환기를
    구비하는 것을 특징으로 하는 염도차 발전 시스템.
  6. 발전소 온배수를 이용하는 염도차 발전 시스템에 있어서,
    해수와 담수를 이용하여 염도차 발전을 하는 염도차 발전 장치와,
    상기 발전소 온배수의 수압을 상기 염도차 발전 장치에 적합한 수압으로 조절하고 상기 수압이 조절된 온배수를 해수로서 상기 염도차 발전 장치에 제공하는 온배수 수압 조절기를
    구비하는 것을 특징으로 하는 염도차 발전 시스템.
  7. 삭제
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