KR101552296B1 - 복합열원 온도차 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 복합열원 온도차 발전시스템은 복수 개의 열원 공급처, 상기 열원 공급처로부터 열을 공급받는 축열조 및 상기 축열조에서 열을 흡수한 제1열매체가 유동하면서 제2열매체와 열교환하는 제1열교환부, 상기 제1열교환부를 유동한 제2열매체가 유동을 하면서 동력을 발생하는 터빈 및 상기 터빈을 통과한 상기 제2열매체가 유동하는 제2열교환부를 포함하는 온도차 발전 유닛을 포함한다.

Description

복합열원 온도차 발전시스템{Ocean Thermal Energy Conversion System Using Hybrid Heat Source}
본 발명은 복합열원 온도차 발전시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는태양열 집열장치태양열 집열장치, 소각장치, 풍력 발전장치 및 보일러 중 적어도 어느 하나의 장치에 서 발생하는 열원을 이용하여 동절기에 낮아진 해양표층수의 온도를 향상시켜, 시스템 효율의 유지 및 향상을 목적으로 온도차 발전 유닛에 사용하는 복합열원 온도차 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 해양 온도차 발전은 바닷물의 수심에 따른 온도차를 이용한 에너지 발전 방식으로, 수온이 높은 해양표층수와 수온이 낮은 해양심층수를 각각 기화열과 응축열로 활용하여 전기를 생산하는 발전 시스템이다. 경제성과 효율이 좋은 해양 온도차발전을 위해서는 시스템 용량에 알맞은 온도와 양의 해양표층수와 심층수를 확보할 수 있어야 한다.
적도 및 열대지역의 경우에는 해양표층수의 온도가 25℃ 내지 30℃로 일정하여 충분한 온도차 조건을 만족하여 별도의 온열원을 사용하지 않고, 해양표층수를 그대로 사용하더라도 온도차발전시스템의 효율이 유지된다.
적도 및 열대지역 외의 위도지역에서는 계절이 변화하기 때문에 하절기에는 해양표층수의 온도가 약 27℃이기 때문에, 해양표층수를 온열원으로 사용하기에 충분하다. 하지만, 해양심층수의 온도는 동절기에도 약 5℃로 일정한 반면, 온열원인 표층수의 온도가 13℃ 내지 15℃로 해양 온도차 발전에서 요구하는 해양심층수와의 적정 온도차인 20℃의 온도차를 만족하지 못하여 효율이 하락하는 등의 문제가 발생한다.
공개특허공보 10-2012-0114454호
따라서, 본 발명은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 태양열 집열장치, 소각장치, 풍력 발전장치 및 보일러 중 적어도 어느 하나의 장치에 서 발생하는 열원을 이용하여 동절기에 낮아진 해양표층수의 온도를 향상시켜, 온도차 발전 유닛에 사용하는 복합열원 온도차 발전 시스템을 제공하여 시스템의 효율 유지 및 향상에 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 복합열원 온도차 발전시스템은 복수 개의 열원 공급처, 상기 열원 공급처로부터 열을 공급받는 축열조 및 상기 축열조에서 열을 흡수한 제1열매체가 유동하면서 제2열매체와 열교환하는 제1열교환부, 상기 제1열교환부를 유동한 제2열매체가 유동을 하면서 동력을 발생하는 터빈 및 상기 터빈을 통과한 상기 제2열매체가 유동하는 제2열교환부를 포함하는 온도차 발전 유닛을 포함한다.
이때, 상기 제2열교환부는 상기 제2열매체가 유동을 하면서 해양심층수와 열교환을 하고, 제1열교환부는 상기 제1열매체 및 상기 제2열매체가 유동을 하면서 열교환을 하는 보조열교환기 및 제2열매체가 유동을 하면서 해양표층수와 열교환을 하는 주열교환기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 보조열교환기 및 상기 주열교환기는 상기 제2열매체가 순차적으로 유동하도록 직렬로 배치될 수 있다.
또한, 상기 보조열교환기 및 상기 주열교환기는 상기 제2열매체가 병렬로 유동하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 축열조는 상기 제1열매체가 유동하는 유동라인이 구비되고, 상기 유동라인은 상기 제1열매체가 유입되는 유입부, 상기 제1열매체가 유동하면서 열교환되는 열교환부 및 상기 열교환부의 서로 다른 위치에 연결되어 상기 제1열매체가 배출되는 복수 개의 배출부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 축열조는 상기 제1열매체가 유동하는 유동라인이 구비되고, 상기 제1열매체가 유동하면서 열교환되는 열교환부, 상기 열교환부의 다른 위치로 상기 제1열매체를 유동시키는 복수 개의 유입부 및 상기 열교환부에서 열교환된 제1열매체가 배출되는 배출부를 포함할 수 있다.
다른 카테고리로써, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 복합열원 온도차 발전시스템은 복수 개의 열원 공급처, 상기 열원 공급처로부터 열을 공급받는 축열조 및 상기 축열조에서 열을 흡수한 제1열매체가 유동하면서 해양표층수의 온도를 상승시키는 제1열교환기, 상기 제1열교환기를 통과한 해양표층수 및 제2열매체가 유동을 하면서 열교환을 하는 제2열교환기, 상기 제2열교환기를 유동한 상기 제2열매체가 유동을 하면서 동력을 발생하는 터빈 및 상기 터빈을 통과한 제2열매체 및 해양심층수가 유동을 하면서 열교환을 하는 제3열교환기를 포함하는 온도차 발전 유닛을 포함한다.
이때, 상기 축열조는 상기 제1열매체가 유동하는 유동라인이 구비되고, 상기 유동라인은 상기 제1열매체가 유입되는 유입부, 상기 제1열매체가 유동하면서 열교환되는 열교환부 및 상기 열교환부의 서로 다른 위치에 연결되어 상기 제1열매체가 배출되는 복수 개의 배출부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 축열조는 상기 제1열매체가 유동하는 유동라인이 구비되고, 상기 제1열매체가 유동하면서 열교환되는 열교환부, 상기 열교환부의 다른 위치로 상기 제1열매체를 유동시키는 복수 개의 유입부 및 상기 열교환부에서 열교환된 제1열매체가 배출되는 배출부를 포함할 수 있다.
또 다른 카테고리로써, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 복합열원 온도차 발전시스템은 해수를 담수화시키는 해양 담수화 유닛, 상기 해양 담수화 유닛에서 발생한 열원에 의하여 제2열매체에 열을 전달하는 보조열교환기 및 해양표층수에 의하여 상기 제2열매체의 열을 전달하는 주열교환기를 포함하는 제1열교환부, 상기 제1열교환부를 통과한 제2열매체가 유동을 하면서 동력을 발생시키는 터빈 및 상기 해양표층수보다 상대적으로 깊은 깊이의 해양심층수를 이용하여 상기 터빈을 통과한 상기 제2열매체의 열을 흡수하는 제2열교환부를 포함한다.
이때, 상기 보조열교환기 및 상기 주열교환기는 상기 제2열매체가 순차적으로 유동하도록 직렬로 배치될 수 있다.
또한, 상기 보조열교환기 및 상기 주열교환기는 상기 제2열매체가 병렬로 유동하도록 배치될 수 있다.
또 다른 카테고리로써, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 복합열원 온도차 발전시스템은 해수를 담수화시키는 담수화 유닛, 상기 담수화 유닛에서 열을 흡수한 제1열매체가 유동하면서 해양표층수의 온도를 상승시키는 제1열교환기, 상기 제1열교환기를 통과한 해양표층수 및 제2열매체가 유동을 하면서 열교환을 하는 제2열교환기, 상기 제2열교환기를 유동한 상기 제2열매체가 유동을 하면서 동력을 발생하는 터빈 및 상기 터빈을 통과한 제2열매체 및 해양심층수가 유동을 하면서 열교환을 하는 제3열교환기를 포함하는 온도차 발전 유닛을 포함한다.
본 발명의 복합열원 온도차 발전 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 해양표층수의 온도가 낮아지는 동절기에도 복합열원을 이용하여 온도차 발전 유닛을 열매체를 가열하거나, 해양표층수를 직접 가열하여 계절과 무관하게 온도차 발전이 가능한 효과가 있다.
둘째, 복합열원을 이용하여, 기상 환경 등과 같은 환경 요인 및 각각의 열원의 가동 여부에 따라 복합열원 중 최적의 열원을 선택적으로 사용할 수 있어 상황에 따른 장치의 운전을 통해 불필요한 전력 및 동력을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 복합열원은 태양열, 풍력 및 소각열 등과 같은 신재생 환경 발전장치를 이용하여 환경 오염을 최소화하고, 신재생 환경 발전장치의 사용이 여의치 않은 경우에는 온도차 발전 유닛에서 생성한 전기 에너지를 이용한 전기 보일러를 이용하여 별도의 전력장치 없이 온도차 발전 시스템을 가동할 수 있는 효과가 있다.
넷째, 하절기 등과 같이 해양표층수의 온도가 해양심층수와의 온도 차이가 온도차 발전 유닛을 구동하기에 충분한 경우에는 복수의 열교환기를 선택적으로 사용하도록 구비하여 복합열원을 이용하지 않고, 온도차 발전 유닛을 구동할 수 있는 효과가 있다.
다섯째, 축열조에 복수의 유입구 또는 배출구를 형성하여 제1열매체의 열 흡수 시간을 제어함으로써, 열교환기에서 필요로 하는 최적의 온도로 제1열매체가 배출될 수 있도록 제1열매체가 축열조 내부를 유동하는 시간을 제어할 수 있는 효과가 있다.
여섯째, 복합 열원 대신 담수화 유닛에서 발생하는 폐열을 이용하여 온도차 발전 유닛의 열매체 또는 해양표층수를 가열함을써 담수화 유닛에서 배출되는 폐열을 효율적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.
일곱째, 담수화 유닛에서 배출되는 폐열을 활용함으로써, 담수화 유닛에서 배출되는 열원으로 인해 해수의 환경 변화 등을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 상기 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도;
도 2는 본 발명에 따른 축열조의 변형예를 나타내는 개략적인 단면도;
도 3은 본 발명에 따른 축열조의 다른 변형예를 나타내는 개략적인 단면도;
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도;
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도;
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도;
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도;
도 8은 본 발명의 제6실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도;
도 9는 본 발명의 제7실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도; 및
도 10은 본 발명의 제8실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
제1실시예
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도이다. 본 발명의 제1실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 열원 공급처(100), 축열조(200) 및 온도차 발전 유닛(300)으로 구성된다.
열원 공급처(100)는 축열조(200)를 가열하기 위한 열원을 공급하기 위한 장치로서, 태양열 집열장치(110), 소각장치(120), 풍력 발전장치(130) 및 보일러(140) 중 적어도 하나를 포함한다. 이와 같이, 복수로 구비된 열원 공급처(100)는 제어부(미도시)의 제어에 의해 각각의 열원 공급처(100)의 현재 상태를 체크하여 사용 가능한 시스템을 가동하는 자동제어시스템이다.
일반적으로 소각시설을 사용하는 소각장치(120)의 경우에는 소음, 공해물질 배출 등과 같은 다양한 문제점을 이유로 대상 지역의 외곽에 설치되어, 주로 해안가 주변에 많이 설치된다. 이러한 소각장치(120)에서 발생하는 폐열량이 상당하고, 폐열의 온도가 800℃ 내지 900℃로 높아, 축열조(200)에서 필요로 하는 열원의 온도를 빠른 시간 내에 충분하게 공급할 수 있다.
풍력 발전장치(130)는 바다가 내륙보다 바람이 많은 지역이고, 해상에 설치되었을 때 효율이 높기 때문에 지리적, 효율적으로 본 발명에 적합한 시스템이다.
열원 공급처(100)는 가동 시 운전 대기 후에 해양 온도차 발전(OTEC : Ocean Thermal Energy Conversion)에 필요한 열량계산을 위해 제어부에서 해양 온도차 발전시스템(10)의 운전시작, 운전종료, 유량, 온열원 필요온도 등을 산정한다.
각각의 열원 공급처(100)의 사용 가능 상태를 확인하기 위하여 태양열 집열장치(110)는 온라인에 연결된 일기예보의 현재 지역의 이상상태를 확인하고, 풍력 발전장치(130)는 현재의 풍속을 감지하여 확인하며, 소각장치(120)는 현재 배기열의 온도를 감지하여 현재 소각장치(120)가 운전 중인지 운행상태를 확인한다.
여기서, 태양열 집열장치(110) 및 풍력 발전장치(130)는 환경요인에 따라 작동 여부에 많은 영향을 받고, 소각장치(120)는 정해진 기간에 일정시간 동안만 가동하기 때문에 반드시 각각의 열원 공급처(100)의 운행상태를 확인하여야 한다.
만약, 태양열 집열장치(110), 풍력 발전장치(130) 및 소각장치(120)의 운행 조건이 모두 일치하지 않아 모든 장치의 운행이 여의치 않은 경우에는 보일러(140)를 이용하여 축열조(200)에 열원을 공급하게 된다. 이때, 보일러(140)는 온도차 발전 유닛(300)에 구비된 발전기(711)에서 발생한 전력을 사용하는 전기 보일러를 사용할 수 있다.
전술한 과정을 통해 각각의 열원 공급처(100)의 상태를 확인하여 사용 가능한 열원 공급처(100)를 대상으로 산정된 축열조(200)의 필요공급 수량 및 온도를 기초로 각각의 열원 공급처(100)의 펌프(720) 가동시간을 산정하여 가동해야 하는 시간만큼 각각의 열원 공급처(100)의 운전을 시작한다. 이러한 열원 공급처(100)는 축열조(200)의 필요공급 수량 및 온도까지 가동한 후, 해당 수량 및 온도에 도달하면 운전을 정지한다.
축열조(200)는 열원 공급처(100)로부터 열을 공급받아 제1열매체에 열을 전달하여 일정 제1열매체의 온도를 향상시킬 수 있도록 가열된 열매를 저장하는 장치이다. 이때, 제1열매체는 열매인 가열된 물이거나, 별도의 냉매일 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 축열조의 변형예를 나타내는 개략적인 단면도이다. 본 발명에 사용되는 축열조(200)는 일예로써, 도 2에 도시된 바와 같이, 축열조(200), 열교환부(240) 및 유동라인(210)으로 이루어진다. 이때, 축열조(200)에는 하나의 유입부(220) 및 복수의 배출부(230)가 형성될 수 있다. 본 발명에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 두 개의 배출부(230)가 형성된 것을 기준으로 하여 설명하고, 설명의 편의를 위하여 유입부(220)와 인접한 배출부(230)를 제1배출부(231), 유입부(220)와 상대적으로 멀리 형성된 배출부(230)를 제2배출부(232)로 명명한다. 여기서, 복수의 배출부(230)가 두 개로 형성된 것은 하나의 실시예일뿐, 이를 한정하는 것은 아니다. 또한, 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 가열코일은 생략하고 도시하였다.
축열조(200)는 열매인 물이 보관되는 장소를 제공하는 것이고, 열교환부(240)는 제1열매체가 유동하며 축열조(200)의 열매로부터 열을 회수할 수 있도록 하는 장치이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유동라인(210)이 하나의 유입부(220) 및 복수의 배출부(230)와 연결되는 이유는 다음과 같다.
축열조(200)에 저장된 열매가 열원 공급처(100)로부터 충분한 열을 공급받는 경우에는 제1열매체가 유입부(220)와 인접한 제1배출부(231)까지만 유동하여도 열을 충분히 회수하여 제1열교환부(400)에서 필요로 하는 열을 회수할 수 있기 때문에 제1열매체가 유입부(220)로 유입되어 열교환부(240)를 유동하여 유입부(220)와 인접한 제1배출부(231)로 배출되도록 한다.
일예로, 제1열교환부(400)에서 사용되는 제1열매체의 온도가 40℃인 반면, 축열조(200)에 저장된 열매의 온도가 60℃라면 제1열매체가 필요로 하는 온도와 비교하여 축열조(200)에 저장된 열매의 온도가 상대적으로 높기 때문에 유입부(220)로 유입되어 열교환부(240)를 유동하는 제1열매체는 제1배출부(231)가 형성된 위치까지만 유동하여도 충분한 열을 회수할 수 있다. 따라서, 제1열매체는 유입부(220)로 유입되어 제1배출부(231)를 통해 배출되도록 제어한다.
이때, 제1열매체가 제2배출부(232)를 통해 배출되도록 하여도 무방하지만, 제1열매체를 사용하는 제1열교환부(400)의 안정성을 위하여 적정온도로 제1열매체를 배출하는 것이 좋기 때문에, 제1배출부(231)를 통해 배출하는 것이 바람직하다.
하지만, 축열조(200)에 저장된 열매가 충분한 열을 저장하고 있지 못한 경우에는, 전술한 과정보다 상대적으로 오랜 시간 동안 열교환부(240)를 유동하여야 제1열매체가 필요로 하는 온도까지 제1열매체를 가열할 수 있다.
일예로, 제1열매체가 필요로 하는 열은 전술한 바와 같이 40℃인 반면, 축열조(200)에 저장된 열은 제1열매체가 필요로 하는 온도보다 조금 높은 50℃라면 제1열매체는 축열조(200) 내의 열교환부(240)를 보다 오랜 시간 유동하여야 제1열매체가 필요로 하는 온도까지 가열될 수 있다. 따라서, 제1열매체는 유입부(220)로 유입되어 열교환부(240)를 충분히 유동한 후 제2배출부(232)를 통해 배출되도록 제어한다.
도 3은 본 발명에 따른 축열조의 다른 변형예를 나타내는 개략적인 단면도이다. 다른 실시예로 축열조(200)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 유입부(220) 및 하나의 배출부(230)로 형성될 수 있다. 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 두 개의 유입부(220)가 형성된 것을 기준으로 하여 설명하고, 설명의 편의를 위하여 배출부(230)와 상대적으로 멀리 떨어진 유입부(220)를 제1유입부(221), 상대적으로 배출부(230)와 인접한 유입부(220)를 제2유입부(222)로 명명한다. 여기서, 복수의 유입부(220)가 두 개로 형성된 것은 하나의 실시예일뿐, 이를 한정하는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 축열조(200)에 열이 충분한 경우에는 제2유입부(222)를 통해 제1열매체가 유입되도록 하여 제1열매체가 상대적으로 짧은 시간 동안 축열조(200) 내의 열교환부(240)를 유동하며 열을 회수한 후 배출부(230)틀 통해 배출하도록 한다.
축열조(200)에 열이 충분하지 못한 경우에는 제1유입부(221)를 통해 제1열매체가 유입되도록 하여 제1열매체가 상대적으로 긴 시간 동안 축열조(200) 내의 열교환부(240)를 유동하며 열을 충분히 회수하도록 하여 배출부(230)를 통해 배출한다.
온도차 발전 유닛(300)은 제1열교환부(400), 터빈(710), 발전기(711), 제2열교환부(500) 및 펌프(720)로 구성된다.
제1열교환부(400)는 제1열매체와 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 열매체인 제2열매체의 열교환이 이루어지는 장치이다. 이러한 제1열교환부(400)는 제1열매체와 제2열매체의 열교환을 통해 제2열매체를 증발시킨다. 즉, 제1열교환부(400)는 온도차 발전 유닛(300)의 증발기에 해당하는 장치이다.
터빈(710)은 제1열교환기(610)에서 증발된 제2열매체가 유동하며 구동되어 발전기(711)를 구동시키는 장치이다.
제2열교환부(500)는 터빈(710)을 통과한 제2열매체와 해양심층수의 열교환을 통해 제2열매체를 응축시키는 장치이다. 즉, 제2열교환부(500)는 온도차 발전 유닛(300)의 응축기에 해당한다.
펌프(720)는 제2열교환부(500)를 통과하며 응축된 제2열매체를 고압으로 제1열교환부(400)로 유동시키는 장치이다.
전술한 제1열교환부(증발기)(400), 터빈(710), 발전기(711), 제2열교환부(500)(응축기) 및 펌프(720)는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로서, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제2실시예
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템(10)은 도 4에 도시된 바와 같이, 열원 공급처(100), 축열조(200) 및 온도차 발전 유닛(300)으로 구성된다. 여기서, 열원 공급처(100) 및 축열조(200)는 전술한 제1실시예와 동일한 구성으로 이루어지기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 하고, 전술한 구성과 차이가 나는 온도차 발전 유닛(300)을 위주로 설명하기로 한다.
온도차 발전 유닛(300)은 전체적으로 제1실시예와 유사한 구성으로 이루어진다. 하지만, 제1열교환부(400)는 주열교환기(410) 및 보조열교환기(420)로 구성되고, 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
주열교환기(410)는 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 제2열매체와 해양표층수가 열교환 하는 장치이다.
보조열교환기(420)는 축열조(200)에서 열을 회수한 제1열매체와 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 제2열매체가 열교환 하는 장치이다.
이때, 주열교환기(410)와 보조열교환기(420)는 직렬로 구비되어, 제2열매체가 주열교환기(410) 및 보조열교환기(420)를 순차적으로 유동하며, 주열교환기(410)에서 1차적으로 열교환을 하고, 보조열교환기(420)에서 2차적으로 열교환하게 된다. 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
겨울과 같이 해양표층수의 온도가 낮아져 해양심층수와의 온도차가 20℃가 넘지 않는 경우에는 온도차 발전 유닛(300)의 효율이 낮아져 발전기(711)에서의 발전효율이 현저하게 낮아지게 된다. 우리 나라에서 해양심층수는 연중 약 5℃로 일정하지만, 해양표층수는 계절에 따라 온도가 변화하며, 겨울에는 해양 표층수의 온도가 13℃ 내지 15℃까지 하강하게 되어 해양 온도차 발전의 적정온도차인 20℃의 온도차를 만족시키지 못한다. 따라서, 제1열교환부(400)에서 제2열매체를 증발시키기 위하여 별도의 열원을 필요로 하게 된다.
이에 따라, 주열교환기(410)에서 제2열매체와 해양표층수의 열교환을 통해, 주열교환기(410)를 유동하는 제2열매체의 온도를 1차적으로 상승시킨다. 하지만, 제2열매체는 주열교환기(410)를 유동하며 온도가 충분히 상승하지 못하여, 온도차 발전 유닛(300)에서 충분한 효율을 얻을 수 없는 상태이다. 이를 보완하기 위하여 주열교환기(410)를 유동한 제2열매체가 직렬로 유입되도록 연결된 보조열교환기(420)로 유입된 제2열매체가 보조열교환기(420)를 유동하며 충분한 온도까지 상승하게 된다.
도면 상에는 표현되지 않았지만, 동절기를 제외한 계절에는 보조열교환기(420)를 이용하지 않아도 무방하기 때문에, 주열교환기(410)를 유동한 제2열매체가 보조열교환기(420)를 유동하지 않고, 바로 터빈(710)으로 연결될 수 있도록 제2열매체를 유동시키는 바이패스라인이 더 구비될 수 있다. 이러한 바이패스라인을 통해 해양표층수의 온도에 따라 제2열매체는 주열교환기(410)를 유동한 후 보조열교환기(420)를 유동하거나, 바로 터빈(710)으로 유입되도록 할 수 있다.
제3실시예
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도이다. 본 발명의 제3실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템(10)은 도 5에 도시된 바와 같이, 열원 공급처(100), 축열조(200) 및 온도차 발전 유닛(300)으로 구성된다. 여기서, 열원 공급처(100) 및 축열조(200)는 전술한 구성들과 동일한 구성으로 이루어지기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 하고, 전술한 구성과 차이가 나는 온도차 발전 유닛(300)을 위주로 설명하기로 한다.
온도차 발전 유닛(300)의 제1열교환부(400)는 주열교환기(410) 및 보조열교환기(420)로 구성되고, 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
주열교환기(410)는 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 제2열매체와 해양표층수가 열교환 하는 장치이다. 또한, 보조열교환기(420)는 축열조(200)에서 열을 회수한 제1열매체와 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 제2열매체가 열교환 하는 장치이다.
이때, 주열교환기(410)와 보조열교환기(420)는 병렬로 구비되어, 제2열매체가 주열교환기(410) 및 보조열교환기(420)를 선택적으로 유동하며, 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
해양표층수의 온도가 약25℃ 이상인 경우에는 해양심층수와 20℃ 이상의 온도차를 만족하기 때문에 기타 장치를 이용하지 않더라도 충분히 온도차 발전 유닛(300)을 구동할 수 있다. 이러한 경우에는 주열교환기(410)에서 해양표층수와 제2열매체의 열교환을 통해 제2열매체를 증발시킨다.
하지만, 겨울철과 같이 해양표층수의 온도가 약25℃ 이하인 경우에는 해양심층수와 20℃ 이상의 온도차를 만족하지 못하기 때문에 해양표층수만으로는 온도차 발전 유닛(300)을 구동하기 어렵고, 구동하더라도 효율이 감소한다. 이러한 경우에는 축열조(200)에 저장된 열을 회수한 제1열매체와 제2열매체의 열교환이 이루어지는 보조열교환기(420)로 제2열매체가 유동하도록 제어한다.
즉, 해양표층수의 온도를 측정하여 제어부에서는 해양표층수의 온도에 따라 주열교환기(410) 또는 보조열교환기(420)로 제2열매체가 선택적으로 유동하도록 제어한다.
제4실시예
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도이다. 본 발명의 제4실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템(10)은 전체적으로 전술한 구성들과 유사한 구성으로 이루어진다. 열원 공급처(100) 및 축열조(200)는 전술한 구성과 동일한 구성으로 이루어지므로, 전술한 구성들과 차이가 있는 온도차 발전 유닛(300), 보다 상세하게는 온도차 발전 유닛(300)의 열교환기를 위주로 설명한다.
본 발명의 제4실시예에서는 축열조(200)에서 열을 회수하는 제1열매체가 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 제2열매체와 직접적으로 열교환이 이루어지지 않고, 해양표층수가 제1열매체의 열을 회수하여 제2열매체로 전달하는 구성으로 이루어진다. 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
열원 공급처(100)를 통해 열매를 보관중인 축열조(200)에서 열을 회수한 제1열매체가 유동라인(210)을 유동하고, 유동라인(210)의 일측에 제1열교환기(610)가 구비된다. 이러한 제1열교환기(610)를 해양표층수가 유동하며 제1열매체의 열을 회수하여 온도를 향상한다.
제1열교환기(610)를 유동하며 온도가 향상된 해양표층수는 온도차 발전 유닛(300)의 증발기에 해당하는 제1열교환기(620)에서 제2열매체와 열교환을 통해 제2열매체의 온도를 향상시켜, 제2열매체를 증발시킨다.
제1열교환기(620)에서 증발된 제2열매체는 터빈(710)을 유동하며 터빈(710)을 구동시켜, 발전기(711)를 작동시키도록 한 후, 온도차 발전 유닛(300)의 응축기에 해당하는 제3열교환기(630)에서 해양심층수와 열교환을 통해 응축된다.
이렇게 응축된 제2열매체는 펌프(720)를 통해 고압으로 제1열교환기(620)로 유입되도록 순환된다.
전술한 바와 같이, 제4실시예와 전술한 구성들의 가장 큰 차이점은 제1열매체 및 제2열매체가 직접적으로 열교환이 이루어지지 않고, 제1열교환기(610)에서 제1열매체와 해양표층수와의 열교환을 통해 해양표층수의온도를 온도차 발전 유닛(300)에서 사용 가능한 온도까지 향상 시킨 후, 제1열교환기(620)에서 온도가 향상된 해양표층수와 제2열매체와 열교환이 이루어지는 것이다.
제5실시예
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도이다. 본 발명의 제5실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템(10)은 담수화 유닛(800) 및 온도차 발전 유닛(300)으로 구성되고, 온도차 발전 유닛(300)은 전술한 제1실시예와 동일한 구성으로 이루어진다.
하지만, 제5실시예에서는 복수의 열원 공급처(100) 및 축열조(200)를 사용하지 않고, 담수화 유닛(800)에서 발생하는 열원을 이용하여 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 제2열매체를 가열한다. 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
담수화 유닛(800)은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
담수화 유닛(800)을 구동하며 외부로 배출되는 열원의 열을 제1열교환부(400)를 유동하는 제2열매체가 회수하여 제2열매체가 증발한다.
증발한 제2열매체는 터빈(710)을 유동하며 터빈(710)을 구동시켜 발전하고, 터빈(710)을 통과한 제2열매체는 제2열교환부(500)에서 해양심층수와 열교환을 통해 응축되어 펌프(720)로 유입되어 고압으로 제1열교환부(400)로 유입되도록 순환된다.
제6실시예
도 8은 본 발명의 제6실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도이다. 본 발명의 제6실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템(10)은 도 8에 도시된 바와 같이, 담수화 유닛(800) 및 온도차 발전 유닛(300)으로 구성된다. 여기서, 담수화 유닛(800)은 전술한 제5실시예와 동일한 구성으로 이루어지기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 하고, 전술한 구성과 차이가 나는 온도차 발전 유닛(300)을 위주로 설명하기로 한다.
온도차 발전 유닛(300)은 전체적으로 제5실시예와 유사한 구성으로 이루어진다. 하지만, 제1열교환부(400)는 주열교환기(410) 및 보조열교환기(420)로 구성되고, 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
주열교환기(410)는 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 제2열매체와 해양표층수가 열교환 하는 장치이다.
보조열교환기(420)는 담수화 유닛(800)에서 발생하는 열원의 열을 회수한 제1열매체와 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 제2열매체가 열교환 하는 장치이다.
이때, 주열교환기(410)와 보조열교환기(420)는 직렬로 구비되어, 제2열매체가 주열교환기(410) 및 보조열교환기(420)를 순차적으로 유동하며, 주열교환기(410)에서 1차적으로 열교환을 하고, 보조열교환기(420)에서 2차적으로 열교환하게 된다. 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
겨울과 같이 해양표층수의 온도가 낮아져 해양심층수와의 온도차가 20℃가 넘지 않는 경우에는 온도차 발전 유닛(300)의 효율이 낮아져 발전기(711)에서의 발전효율이 현저하게 낮아지게 된다. 우리 나라에서 해양심층수는 연중 약 5℃로 일정하지만, 해양표층수는 계절에 따라 온도가 변화하며, 겨울에는 해양 표층수의 온도가 13℃ 내지 15℃까지 하강하게 되어 해양 온도차 발전의 적정온도차인 20℃의 온도차를 만족시키지 못한다. 따라서, 제1열교환부(400)에서 제2열매체를 증발시키기 위하여 별도의 열원을 필요로 하게 된다.
이에 따라, 주열교환기(410)에서 제2열매체와 해양표층수의 열교환을 통해, 주열교환기(410)를 유동하는 제2열매체의 온도를 1차적으로 상승시킨다. 하지만, 제2열매체는 주열교환기(410)를 유동하며 온도가 충분히 상승하지 못하여, 온도차 발전 유닛(300)에서 충분한 효율을 얻을 수 없는 상태이다. 이를 보완하기 위하여 주열교환기(410)를 유동한 제2열매체가 직렬로 유입되도록 연결된 보조열교환기(420)로 유입된 제2열매체가 보조열교환기(420)를 유동하며 충분한 온도까지 상승하게 된다.
도면 상에는 표현되지 않았지만, 동절기를 제외한 계절에는 보조열교환기(420)를 이용하지 않아도 무방하기 때문에, 주열교환기(410)를 유동한 제2열매체가 보조열교환기(420)를 유동하지 않고, 바로 터빈(710)으로 연결될 수 있도록 제2열매체를 유동시키는 바이패스라인이 더 구비될 수 있다. 이러한 바이패스라인을 통해 해양표층수의 온도에 따라 제2열매체는 주열교환기(410)를 유동한 후 보조열교환기(420)를 유동하거나, 바로 터빈(710)으로 유입되도록 할 수 있다.
제7실시예
도 9는 본 발명의 제7실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도이다. 본 발명의 제7실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템(10)은 도 9에 도시된 바와 같이, 담수화 유닛(800) 및 온도차 발전 유닛(300)으로 구성된다. 여기서, 담수화 유닛(800)은 전술한 제5실시예 및 제6실시예와 동일한 구성으로 이루어지기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 하고, 전술한 구성과 차이가 나는 온도차 발전 유닛(300)을 위주로 설명하기로 한다.
온도차 발전 유닛(300)의 제1열교환부(400)는 주열교환기(410) 및 보조열교환기(420)로 구성되고, 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
주열교환기(410)는 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 제2열매체와 해양표층수가 열교환 하는 장치이다. 또한, 보조열교환기(420)는 축열조(200)에서 열을 회수한 제1열매체와 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 제2열매체가 열교환 하는 장치이다.
이때, 주열교환기(410)와 보조열교환기(420)는 병렬로 구비되어, 제2열매체가 주열교환기(410) 및 보조열교환기(420)를 선택적으로 유동하며, 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
해양표층수의 온도가 약25℃ 이상인 경우에는 해양심층수와 20℃ 이상의 온도차를 만족하기 때문에 기타 장치를 이용하지 않더라도 충분히 온도차 발전 유닛(300)을 구동할 수 있다. 이러한 경우에는 주열교환기(410)에서 해양표층수와 제2열매체의 열교환을 통해 제2열매체를 증발시킨다.
하지만, 겨울철과 같이 해양표층수의 온도가 약25℃ 이하인 경우에는 해양심층수와 20℃ 이상의 온도차를 만족하지 못하기 때문에 해양표층수만으로는 온도차 발전 유닛(300)을 구동하기 어렵고, 구동하더라도 효율이 감소한다. 이러한 경우에는 축열조(200)에 저장된 열을 회수한 제1열매체와 제2열매체의 열교환이 이루어지는 보조열교환기(420)로 제2열매체가 유동하도록 제어한다.
즉, 해양표층수의 온도를 측정하여 제어부에서는 해양표층수의 온도에 따라 주열교환기(410) 또는 보조열교환기(420)로 제2열매체가 선택적으로 유동하도록 제어한다.
제8실시예
도 10은 본 발명의 제8실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템의 구성도이다. 본 발명의 제8실시예에 따른 복합 열원 온도차 발전시스템(10)은 전체적으로 전술한 제5실시예 내지 제7실시예의 구성들과 유사한 구성으로 이루어진다. 담수화 유닛(800)은 전술한 구성과 동일한 구성으로 이루어지므로, 전술한 구성들과 차이가 있는 온도차 발전 유닛(300), 보다 상세하게는 온도차 발전 유닛(300)의 열교환기를 위주로 설명한다.
본 발명의 제8실시예에서는 담수화 유닛(800)에서 배출되는 열원이 온도차 발전 유닛(300)을 유동하는 제2열매체와 직접적으로 열교환이 이루어지지 않고, 해양표층수가 담수화 유닛(800)에서 배출되는 열원의 열을 회수하여 제2열매체로 전달하는 구성으로 이루어진다. 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
담수화 유닛(800)에서 배출되는 열원의 배출라인의 일측에 제1열교환기(610)가 구비된다. 이러한 제1열교환기(610)를 해양표층수가 유동하며 담수화 유닛(800)에서 배출되는 열원의 열을 회수하여 온도를 향상한다.
제1열교환기(610)를 유동하며 온도가 향상된 해양표층수는 온도차 발전 유닛(300)의 증발기에 해당하는 제1열교환기(620)에서 제2열매체와 열교환을 통해 제2열매체의 온도를 향상시켜, 제2열매체를 증발시킨다.
제1열교환기(620)에서 증발된 제2열매체는 터빈(710)을 유동하며 터빈(710)을 구동시켜, 발전기(711)를 작동시키도록 한 후, 온도차 발전 유닛(300)의 응축기에 해당하는 제3열교환기(630)에서 해양심층수와 열교환을 통해 응축된다.
이렇게 응축된 제2열매체는 펌프(720)를 통해 고압으로 제1열교환기(620)로 유입되도록 순환된다.
전술한 바와 같이, 제8실시예와 전술한 제5실시예 내지 제7실시예들의 가장 큰 차이점은 담수화 유닛(800)에서 배출되는 열원 및 제2열매체가 직접적으로 열교환이 이루어지지 않고, 제1열교환기(610)에서 담수화 유닛(800)에서 배출되는 열원과 해양표층수와의 열교환을 통해 해양표층수의온도를 온도차 발전 유닛(300)에서 사용 가능한 온도까지 향상 시킨 후, 제1열교환기(620)에서 온도가 향상된 해양표층수와 제2열매체와 열교환이 이루어지는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 복합열원 온도차 발전시스템
100 : 열원 공급처
110 : 태양열 집열장치
120 : 소각장치
130 : 풍력 발전장치
140 : 보일러
200 : 축열조
210 : 유동라인
220 : 유입부
221 : 제1유입부
222 : 제2유입부
230 : 배출부
231 : 제1배출부
232 : 제2배출부
240 : 열교환부
300 : 온도차 발전 유닛
400 : 제1열교환부
410 : 주열교환기
420 : 보조열교환기
500 : 제2열교환부
610 : 제1열교환기
620 : 제2열교환기
630 : 제3열교환기
710 : 터빈
711 : 발전기
720 : 펌프
800 : 담수화 유닛

Claims (13)

  1. 복합열원; 그리고
    상기 복합열원으로부터 열을 흡수한 제1열매체가 유동하면서 제2열매체와 열교환하거나 해양표층수와 상기 제2열매체가 열교환하는 제1열교환부, 상기 제1열교환부를 유동한 제2열매체가 유동을 하면서 동력을 발생하는 터빈 및 상기 터빈을 통과한 상기 제2열매체가 유동하면서 상기 해양표층수보다 상대적으로 깊은 깊이의 해양심층수와 열교환하는 제2열교환부를 포함하는 온도차 발전 유닛;
    을 포함하고,
    상기 복합열원은,
    복수 개의 열원 공급처와, 상기 열원 공급처로부터 열을 받아 상기 온도차 발전 유닛에 열을 공급하는 축열조를 구비하고,
    상기 축열조는 상기 제1열매체가 유동하면서 열교환되는 열교환부, 상기 열교환부로 상기 제1열매체가 유입되는 유입부 및 상기 열교환부에서 열교환된 상기 제1열매체가 배출되는 배출부를 포함하고,
    상기 유입부 및 상기 배출부 중 적어도 어느 하나는 상기 열교환부의 서로 다른 위치에 연결되도록 복수 구비되는 복합열원 온도차 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1열교환부는 상기 제1열매체 및 상기 제2열매체가 유동을 하면서 열교환하는 보조열교환기와, 상기 보조열교환기와 병렬로 배치되어 상기 제2열매체가 유동을 하면서 상기 해양표층수와 열교환을 하는 주열교환기를 포함하는 복합열원 온도차 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1열교환부는 상기 제1열매체 및 상기 제2열매체가 유동을 하면서 열교환하는 보조열교환기와, 상기 제2열매체가 순차적으로 유동하도록 상기 보조열교환기와 직렬로 배치되어 상기 제2열매체가 유동을 하면서 상기 해양표층수와 열교환하는 주열교환기를 포함하는 복합열원 온도차 발전 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1열교환부는 상기 제1열매체가 유동을 하면서 상기 해양표층수와 열교환하여 상기 해양표층수의 온도를 상승시키는 보조열교환기와, 상기 제2열매체가 유동을 하면서 상기 보조열교환기를 통과한 상기 해양표층수와 열교환하는 주열교환기를 포함하는 복합열원 온도차 발전 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복합열원은,
    해수를 담수화하여 열을 발생시키는 해양 담수화 유닛을 구비하되,
    상기 해양 담수화 유닛은 상기 해수를 상기 제1열매체로 사용하는 복합열원 온도차 발전 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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