KR101675639B1 - 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치 - Google Patents

Abstract

해수 온도차 발전 방법으로 표층 해수를 취수하여 진공챔버안에 있는 진공막증발로 유입시키기 위한 진공막증발장치로부터 발생된 수증기를 터빈으로 유입하여 터빈을 돌려 발전하고 터빈발전장치에서 사용된 수증기를 저온의 심층수와 열교환함으로서 응축된 수증기를 담수화하기 위한 열교환장치를 포함하여 이루어지는 진공막증발법을 이용한 해수온도차 발전 및 담수화 장치를 제공한다.

Description

진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치 {Efficient open cycle ocean thermal energy conversion (OTEC) using vacuum membrane distillation (VMD) for selective power generation and seawater desalination}

본 발명은 프레온계 냉매 및 암모니아뿐만 아니라 작동 유체로서 이산화탄소를 사용하지 않는 개방형 해수 온도차 발전 및 담수화 장치에 관한 것이다. 더욱 상세히 설명하면 해수 온도차 발전 과정에 진공막 증류법을 적용하여, 해수의 증발률을 획기적으로 향상시켜서, 단위 시간당 전력과 담수 생산량을 동시에 선택적으로 증가시키는 방법이다.

증발된 수증기는 전력생산 또는 해수 담수화 중 하나의 목적만을 위하여 사용될 수도 있고, 일부는 전력 생산에 그리고 그 나머지는 담수화에 사용되도록 운전을 조절할 수 있어, 기존의 해수 온도차 발전에서 필요한 플랜트의 체적을 최소화하는 동시에, 전력 및 담수 생산량을 획기적으로 증가시킬 뿐 아니라, 상대적으로 최적화시킬 수 있도록 한 해수 온도차 발전과 담수화 장치 및 그 발전과 담수화 방법에 관한 것이다.

해양심층수란 태양광이 도달하지 않은 수심 200m 이상의 깊은 곳에 존재하는 해수자원을 말하며, 우리나라는 동해에 해양심층수 자원이 풍부하게 부존하고 있다. 도 1은 해양 표층수와 심층수를 나타낸 개략도이다. 해양심층수는 표층해수에 비해 병원성 미생물이 매우 적고 청정하여 식수로 적합하고, 무기영양염류가 풍부하고 미생물 오염의 원인이 되는 분해성 용존 유기물이 적어, 수산 양식수로도 적합하다. 또한 연중 일정한 온도를 유지하고 있어 생물 및 수질 관리가 용이하므로, 양호한 양식사육 환경을 조성할 수 있고, 다양한 미네랄과 필수 미량 원소를 비롯한 유용물질이 균형 있게 용존 되어 있어, 21세기의 유용한 청정자원으로 주목을 받고 있다.

일반적으로, 해양 온도차 발전은 수온이 높은 해양표층수와 수온이 낮은 해양심층수를 각각 기화열원과 응축열원으로 활용하여 전기를 생산하는 발전 시스템으로서, 해양 표층수(表層水)와 심해(深海) 냉수의 온도차를 열에너지로 이용하여 전기를 생산하는 발전시스템이다. 해양 온도차 발전은 발전 해면 가까이의 상온의 해수로 암모니아, 프레온 따위의 비등점이 낮은 액체를 가스화하여, 그 증기압이 높은 가스로 터빈을 돌리는 발전 방식인데, 터빈을 돌린 다음의 가스는 심해의 냉수로 식혀서 액체로 전환되는 방식으로 이루어진다. 도 2는 기존의 공지된 해양 표층수와 심층수를 이용한 온도차 발전의 원리를 나타낸다.

경제성 있는 해양 온도차 발전을 위해서는 대량의 해양표층수와 해양심층수를 연속적으로 확보할 수 있어야 하는데, 냉각수로 사용되는 해양심층수는 우리나라 동해안에 거의 무한량으로 부존하고 있고, 수온도 2℃ 이하를 나타내기 때문에 온도차 발전용 냉각수로 활용될 수 있다.

특히 표층수는 태양열에 의해서 가열되며, 계절과 지리적인 영향을 많이 받게 되므로 우리나라와 같은 경우 연중 고온의 표층수를 확보하기가 어려운 해양환경이다. 다만, 여름철 수온이 25℃를 초과하기 때문에 계절적으로 온도차 발전이 가능하다. 이후 태평양 연안 도서국가에서의 활용 가능성은 매우 크다.

기존의 해수온도차 발전에서 터빈을 구동하기 위해서 사용되는 냉매는 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 거치면서 열교환함으로서 전력을 생산하는 폐쇄식으로 운용된다. 폐쇄식의 온도차 발전의 경우 암모니아ㅇ프레온 따위의 비등점이 낮은 액체를 가스화한 냉매를 사용하는데 냉매의 특성에 따라 발전효율이 결정되는 특성을 갖게 된다.

지금까지는 냉동기, 에어컨, 열펌프 등에 사용되는 냉매로는 메탄 또는 에탄에서 유도한 염화불화탄소(Chlorofluorocarbon, 이하 CFC라 한다)와 수소화염화불화탄소(Hydrochlorofluorocarbon, 이하 HCFC라 한다)가 주로 사용되어 왔고, CFC와 HCFC에 의한 성층권 내 오존층 붕괴가 중요한 지구환경문제로 대두되었으며 이로 인해 성층권 오존을 붕괴하는 CFC와 HCFC의 생산과 소비는 1987년에 만들어진 몬트리올 의정서에 의해 규제를 받고 있다.

따라서 본 발명은 프레온계 냉매 및 암모니아뿐만 아니라 작동 유체로서 이산화탄소를 사용하지 않는 개방형 해수 온도차 발전장치로서 해수 온도차 발전과정에 진공막증류법을 적용하여, 해수의 증발률을 획기적으로 향상시켜서, 단위 시간당 전력량과 담수량 생산을 각각 증가시킬 뿐만 아니라, 전력과 담수 생산량의 비율을 용이하게 조절하기 위한 새로운 발전 및 담수화 방법을 제공하고자 한다.

국내공개특허공보 제10-2011-0101754호는 해양 온도차 발전 사이클에서 응축용 냉각수로 사용되는 해양심층수와 기화용 온수로 사용되는 해양표층수 혹은 발전소 배출수를 기본적으로 사용하며 기존의 해양 온도차 발전 사이클에 비하여 소량의 해양심층수를 활용하여 발전 효율을 증대시킬 수 있는 해양심층수와 해양표층수 혹은 발전소 배출수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템에 관한 구성이 개시되어있다. 국내공개특허공보 제10-2011-0101754호는 해수 온도차 발전 장치에 관한 것으로, 외부 발전소의 복수기로부터 배출되는 온배수와 열교환하여 액체 상태의 냉매를 기화시키는 증발기와, 기화된 냉매의 압력에 의해 터빈을 회전시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전기와, 해중(海中)에 설치되며, 해중의 해수와 열교환하여 기체 상태의 냉매를 액화시키는 응축기와, 액화된 냉매를 증발기로 송출하여 냉매를 냉매 순환관 내에서 순환시키는 냉매 순환 펌프를 포함하는 구성이 개시되어있다. 국내공개특허공보 제10-2013-914호는 원자력 발전소를 포함하여 터빈을 사용하여 전력을 생산하는 각종 발전소의 복수기에서 배출되어 버려지는 온배수에 포함된 에너지를 재사용하기 위해 발전소 복수기에서 배출되는 온배수를 해수의 온도차를 이용한 온도차 발전시스템을 통하여 재사용하고, 온도차 발전시스템에서 사용되었던 저온수를 다시 발전소 복수기 냉각수로 공급하는 폐회로를 구성하여 전력을 생산하는 고효율 온도차 발전시스템에 관한 구성이 개시되어있다. 국내등록특허공보 제10-1356122호는 압축기로부터 고온고압의 작동유체가 유입되는 터빈 1과; 상기 터빈1로부터 나온 작동유체를 다시 증발기의 내부를 통과시켜 온도와 압력이 증가된 작동유체가 유입되는 터빈 2와; 상기 터빈 2로부터 유출된 고온의 냉매와 펌프로부터 유출된 저온의 냉매를 서로 열교환시키는 재생기와; 상기 터빈2로부터 유출되어 재생기의 내부를 통과한 고온고압 냉매를 응축시키고자 응축기의 열원으로 공급되는 심층수와, 상기 펌프로부터 유출되어 재생기의 내부를 통과한 냉매를 증발시키고자 증발기의 열원으로 공급되는 표층수를 포함하는 해양 표층수 및 심층수 열원용 해양온도차 다단 터빈 발전사이클에 관한 구성이 개시되어있다. 그러나 상기 선행문헌에는 본 발명의 기술적 특징인 표층해수를 취수하여 (기존의 개방형 해수 온도차 발전 장치의 진공 챔버보다 훨씬 크기가 작은) 진공챔버안의 진공막 증발 장치로 유입시키고, 막의 내벽 표면에서 물이 증발하여 수증기가 되고, 이 수증기가 이동하여 터빈을 회전 시키면서 동시에 담수화까지 이루어지는 온도차 발전 및 담수화를 위한 구성은 개시되고 있지 않다. 또한, 발전 전력량과 해수 담수화량을 선택적으로 조절하여, 전력과 담수의 생산비율을 필요에 따라 조절할 수 있는 운전 방법에 관해서는 개시되지 않아 차이를 보인다.

본 발명은 기존의 해수온도차 발전에서 터빈을 구동하기 위해서 사용되는 냉매가 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 거치면서 열교환함으로서 전력을 생산하는 폐쇄식으로 운용되는 방법과는 달리 프레온계 냉매 및 암모니아뿐만 아니라 작동 유체로서 이산화탄소를 사용하지 않는 개방형 해수 온도차 발전 및 담수화 장치로서 진공막증류법을 적용한 선택적 발전/담수화 방법을 제공한다.

본 발명의 해양 표층수 및 심층수를 열원으로 이용하는 해양온도차 발전 사이클은 표층 해수를 취수하여 진공막증발장치 안으로 유입시켜 막의 표면에서 증발하여, 기체상 수증기로 바꿔, 막을 통과시켜, 진공 챔버에 모이도록 하는 진공막증발장치; 진공막증발장치로부터 발생된 수증기 일부를 터빈으로 유입하여 터빈을 돌리기 위한 터빈장치; 진공막 증발장치로부터 발생된 수증기 나머지 부분을 제 2 응축기에 유입하여 저온의 심층수와 열교환 함으로서 수증기를 응축시키는 열교환 장치 및 담수화 장치; 터빈에서 사용된 수증기를 저온의 심층수와 열교환함으로서 응축된 수증기를 담수화하기 위한 열교환장치 및 담수화 장치; 최적의 발전 대 담수화 비율에 의해서 증발기 이후, 저온 펌프 이후, 그리고 제 1 응축기 이후에 기체와 액체의 단위 시간당 유량을 조절하는 분할기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

해양 온도차 발전시스템에서 응축용 냉각수로 사용되는 해양 심층수와 기화용 온수로 사용되는 해양 표층수를 사용하여, 무한한 해양 열에너지를 이용하여 발전 및 담수화 겸용 시스템을 구성함으로서 기존의 폐쇄형 해양 온도차 발전시스템보다 효율을 증대시킬 수 있고, 전력 생산과 담수 생산량을 필요에 따라 실시간으로 적절히 조절할 수 있어, 계절적 그리고 지역적 환경에 원활히 대응하여 생산 효율을 최적화 시킬 수 있다.

또한, 플래쉬 증발기 대신에 VMD 증발기를 적용 시, 플래쉬 증발기의 생산량과 같은 양을 생산하기 위한 VMD 증발기의 체적이 현저하게 감소되어 설치 및 유지비용이 저감되며, 비슷한 크기의 증발기를 이용했을 때는 VMD를 사용했을 경우에 플래쉬 증발보다 수십배 이상의 전력 및 담수 생산이 가능하다. 전력과 담수의 생산총량은 진공 챔버의 크기와 그 내부에 설치된 진공막 증발 장치의 막의 유효 표면적에 비례하게 되므로, 원하는 생산량에 따라 진공 챔버의 크기를 최적화하여 설계할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 증발기 및 탑재구조물(선박, 바아지 등)의 초기투자비가 감소됨으로서 발전량이 증가되는 효과가 있다.

도 1은 해양 표층수와 심층수를 나타낸 개략도이다.
도 2는 기존의 공지된 해양 표층수와 심층수를 이용한 온도차 발전의 원리를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 진공막 증발장치를 이용한 해양온도차 발전 계통도를 나타낸다.
도 4는 전력생산을 위한 개방형 온도차 발전의 모식도를 나타낸다.
도 5는 농축수와 담수로 pressure-retarded osmosis (PRO)로 발전을 하는 과정을 나타낸다.

개방형 OTEC에 대한 개념 및 구동 순서는 다음과 같다. 증발기에서는 외부로부터 유입된 표층해수의 일부분이 수증기압의 차이에 의해서 증발을 하게 된다. 이때 증발기 내부의 압력은 표층해수의 온도에 해당하는 수증기압보다 낮아야 하며, 일반적인 경우 대기압의 1-3%의 압력이 유지된다.

증발되는 물의 양은 투입되는 표층 해수량의 1% 이하이기 때문에 대부분의 표층해수는 다시 해양으로 되돌려지게 된다. 다량의 표층해수가 투입되어야 하는 이유는 증발의 추진력인 표층해수와 심층수의 온도차가 적으므로 (약 섭씨 20도), 증발시에 수면 또는 물방울의 표면에서 잠열을 흡수함으로 일어나는 온도분극현상(경계층에서의 온도 변화)을 최소화 하여야 하기 때문이다. 증발된 수증기는 바람을 일으켜서 터빈을 회전시켜 전기를 발생시킨다.

전력발생에 사용된 수증기는, 응축기로 보내진다. 온도가 낮은 심층수가 응축기로 유입되어, 터빈 회전에 사용된 수증기의 보유열을 열교환기에서 빼앗아 응축시킨다. 유입된 심층수는 열교환 만을 목적으로 하기 때문에 열교환기에서 응축수 생산에 사용된 후 전량이 해양으로 방출된다. 담수화를 하지 않고, 전력 생산 만이 목적인 경우에는 유입된 심층수의 표면과 터빈을 통과한 수증기를 직접 접촉 시키는 직접 응축기 (direct condenser)가 사용되고, 담수화를 목적으로 할 때는 표면 응축기 (surface condenser)가 사용된다. 이때, 표면 응축기에서 응축된 수증기는 담수이므로, 실제 이 응축 작용은 해수의 상변화를 이용한 담수화 과정과 동일하다.

도 3은 본 발명의 진공막 증발장치를 이용한 해양온도차 발전 계통도를 나타낸다.

1. 해양온도차를 이용한 농축수와 담수 생산 및 발전

본 발명의 진공막 증발장치를 이용한 해양온도차 발전 설계예로서 온도차 발전은 증발한 수증기의 증발 유량을 먼저 결정하고 (전력생산 200kW급, 3.5 kg/s), 전체 시스템을 설계하였다.

표층 해수(20-35도)를 취수하여 진공 챔버 안에 있는 진공막증발 장치 안으로 유입시킨다. 이때 일부의 수량이 막의 표면에서 증발하여, 기체상 수증기로 바뀌며, 막을 통과하여, 진공 챔버에 모이게 된다. 이 투입수의 온도는 약 25-30도이며, 농도는 일반 표층해수의 농도인 35,000 ppm 이다(도 3의 1 참조).

증발막증류 장치를 통과한 표층수는 이전에 막을 통과한 투과수의 수량에 비례해서, 온도가 약간 낮아지고, 농도는 미세하게 높아진다. 그러나, 막투과 수량이 해양 표층 입수량에 비해서 상대적으로 매우 적기 때문에 (약 0.6 %) 이러한 온도 및 농도의 변화는 크지 않다. 진공막 증발장치를 통과한 증발하지 않은 대부분의 표층수는 다시 해양으로 방출한다(도 3의 2 참조).

진공 챔버의 압력은 투입되어 오는 표층수의 온도에 해당하는 수증기압보다 낮아야 한다. 따라서, 0.01-0.03 atm 이 적정한 수준이다(도 3의 3 참조). 터빈으로 유입되는 수증기의 유량은 막증발기에서 생산된 수증기 증발 유량과 같으며, 터빈 채널의 구경과 확장계수에 따라서, 수증기의 속도와 터빈 통과 후의 온도가 결정된다(도 3의 4 참조).

저온 심층수 (5-8℃)를 유입하여, 열 교환기를 통과시키고, 다시 해양으로 방출하며, 이 방출수의 온도는 약 7-10도가 된다(도 3의 5, 6 참조). 이 저온 심층수는 다른 물과 섞이지 않고 열교환을 위해서만 사용되므로, 각 이온들의 성분비는 표층해수와 다르나, 전체 농도는 일반 표층해수와 마찬가지로 35,000ppm 을 유지한다. 터빈을 돌리는 데 사용되었던 더운 수증기 기체가, 이 차가운 열교환기의 표면에 접촉되어, 물로 응축된다(도 3의 7 참조). 여기에서 만약 직접 접촉법을 사용하게 된다면, 응축기가 필요없고, 유입된 저온 심층수의 수표면과 터빈을 통과한 수증기가 직접 접촉하여 응축이 일어나게 된다. 응축수들이 모두 수합이 되면, 그 온도는 심층 저온수보다는 조금 높은 약 9-12도가 된다. 이 응축수는 해수의 증발로부터 상전이를 통해서 염을 제거하여 만들어진 담수이므로, 그 농도는 0.0 ppm 에 가깝다(도 3의 7 참조).

도 3과 같이 본 발명은 진공막 증발장치 안으로 유입된 일부의 수량이 막의 표면에서 증발하여, 기체상 수증기로 바뀌며, 막을 통과하여, 진공 챔버에 모이게 되고 수증기로 증발되어 증발된 수증기가 터빈을 회전시켜 터빈과 연결된 발전기에서 전기 에너지를 발생시키고, 터빈에서 방출된 수증기는 저온의 심층수와 열교환함으로서 응축되어 액체 상태의 담수가 된다.

1.1 VMD 구성 및 작동법에 의한 분류

도 3의 1단계에서 이용되는 막증발법은 직접막증발 (direct contact membrane distillation), 진공막증발(vacuum membrane distillation), air-gap membrane distillation, sweep-gas membrane distillation의 네 가지가 이용될 수 있다. 이중에서 본 발명은 개방형 OTEC의 증발기를 대체 할 수 있는, 기본 기작이 OTEC 증발기와 유사한 진공막 증발법(VMD)을 이용한다.

1.1.1 적용원리

진공막증발법은 상단부와 하단부가 멤브레인으로 분리된 하단부분 내부를 펌프를 이용해서 진공상태로 만들고, 상단부는 더운 물이 오른쪽에서부터 유입되어 왼쪽으로 배출하면 막의 상단 표면에서 증발이 일어나며, 생성된 수증기들이 수증기압과 진공압의 차이를 추진력으로 해서 막을 통과하게 된다. 수집된 수증기는 외부의 응축기를 이용하여 담수화한다. 이 진공막증발법은 직접막증발법에 비해서 멤브레인을 통한 열손실과 물질전달의 저항이 매우 적은 것이 큰 장점이다.

이와 같은 진공막 증발법을 개방형 OTEC 에 적용시키는 것이 본 발명의 기술적 특징이라고 할 수 있다, 본 발명의 설계 예에 의하면 예를 들어, 26℃ 의 표층해수가 유입되어 진공막증발 장치에서 사용되면, 잠열을 빼앗긴 방출수의 온도는 유입수보다 약간 낮게 될 것이고, 진공챔버에서 터빈으로 이동하는 수증기의 온도는 약 5℃ 차이를 가지는 21-24℃가 된다.

따라서, 막의 양단에 걸리는 수증기압 차이가 적으므로, 막의 재질과 모듈을 특수하게 설계할 필요가 있다. 막은 기본적으로 소수성이어야 하며, 막의 두께는 기존의 상용화 제품들 보다 얇고 (0.1mm 이하), 기공의 크기는 약 0.2-0.3um 이상으로 크게 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 표층해수와 심층수의 온도차에 의한 수증기압 차이가 상대적으로 적기 때문에 막의 기공을 크게 함으로 증발효율을 증가시켜야 하고, 만약 wetting이 일어나더라도, 증발 없이 막을 통과한 물이 막의 유효 표면적을 크게 변화 시키지 않기 때문에, 증발 효율이나 생산 담수의 농도에 크게 영향을 미치지 않기 때문이다.

1.1.2 기본기작

온도가 높은 쪽의 막표면에서 26도의 표층 해수는 증발하여 막을 통하여 그 반대편으로 이동하게 되는데, 증발의 이유는 진공을 걸어주는 막의 반대편 쪽의 압력을 26도에 해당하는 표층 해수의 수증기압보다 낮게 유지시키기 때문이다. 수증기가 막의 기공내부를 통과하는 기작은 Knudsen확산과 viscous flow로 설명된다. Knudsen 확산은 막의 기공이 수증기 입자의 평균 자유 행로보다 작은 경우, 입자간 충돌보다는 수증기 입자와 기공의 내벽 사이의 충돌에 의해서 물질 전달이 이루어 지는 것이고, viscous flow는 막의 양단에 걸리는 수증기압 차이에 의해서 생기는 수증기 기체 흐름에 의한 대류적 물질이동의 기작이다.

1.1.3 Module

본 발명의 막증발법의 모듈은 (1) plate and frame (평막), (2) tubular capillary 또는 hollow fiber, (3) spiral wound의 세가지를 들 수 있다.

평막은 막과 spacer가 주기적으로 겹겹이 쌓이는 형태로 만들어 진다. 이 방법은 설치와 운영이 매우 쉽기 때문에 가장 많이 쓰이는 모듈의 형태이다. 하지만, 단위 부피당 막면적 비율이 다른 모듈보다는 적다는 단점이 있기 때문에 실제 산업용으로는 선호되지 않는다.

Capillary tubular 또는 hollow fiber module은 평막이 가지는 적은 막면적 비율이라는 단점을 해소한다. 평막이 가로 세로 두께로 그 기하학적 구조가 표현된다면, hollow fiber는 내경, 외경, 그리고 길이로 표현된다. 막의 집적도가 매우 높은 반면, 작은 구경의 내부로 유입수를 넣는데 필요한 압력이 관건이 될수 있다. Tubular module 은 hollow fiber에 비해서 구경이 크고 (약 1cm), 스스로 지지할 수 있기 때문에, 자주 이용된다. 막의 집적도가 hollow fiber 보다는 작지만, 평막보다는 큰 것도 장점으로 작용한다.

Spiral wound module은 역삼투법에서 흔히 쓰이는 형태이다. Flexible 한 평막을 spacer와 함께 말아서 만드는 모듈형태인데, 다른 모듈에 비해서 막과 막 사이의 유체 유동을 만들기 위한 필요 압력이 높은 편이다. 막의 집적도는 높으나 구조상 막오염 (membrane fouling)이 일어나기 쉽다. 상업용 Spiral wound는 보통 1 미터 이상 길게 만드는 것이 보통인데, 증발법의 경우 막의 길이에 따른 열손실로 인해서 그 길이를 약 30-50 cm 이상으로 제조하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 다른 모듈에 비해서 spiral wound는 막증발법에 덜 적합하다. 특히 본 발명의 장치인 VMD-OTEC 에 적용될 경우, 수증기 분자가 확산을 통해 이동할 수 있는 공간이 다른 모듈에 비해 매우 작다.

1.1.4 막의 재질

막증발법에 이용되는 막의 재질은 polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) 및 polypropylene (PP)로 나누어진다. 각각의 막은 그 물리적 특성에 의해서 구체화 되는데, 기공크기, LEP (liquid entry pressure), 공극률, tortuosity, thermal conductivity 가 그것이다. LEP 는 막의 면을 지나는 물의 최대 압력인데, 온도가 높은 유입수 측의 수압이 이 LEP보다 국소적으로 높으면, 막의 표면에서 증발이 일어나지 않고, 물이 직접 막을 통과하는 막 젖음 (membrane wetting) 이 발생하게 된다. 이 wetting이 주는 단점은 본 발명인 VMD-OTEC 의 경우, 위에서 말한 것처럼 DCMD보다 매우 적다. 그러나, wetting 의 발생 확률은 가능한 한 낮추는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 막의 재질로는 PVDF 막이 적절하며, 열전달률은 0.17-0.21W/K·m, 공극률 (porosity) = 0.7-0.8, LEP = 100-200 kPa의 범위를 가진다. 막의 기공은 제조사에 따라서 다르지만, 최소 0.2 μm 이상, 최대 1.0 μm이하인 것이 보통이다. 같은 공극률이라도, 기공의 크기가 큰 경우에 수증기의 물질전달이 용이하다. 반면, 기공이 너무 크면 LEP가 감소하므로, 낮은 수압에도 위에서 말한 wetting이 쉽게 일어날 수 있다. VMD인 경우에도 막 기공이 너무 커서 wetting 이 심각하게 일어나면, 그 생산효율이 심각하게 저하될 수 있다.

PTFE 막은 PVFD에 비해서 열전도도가 높은 반면 (0.25-0.29 W/K m), 공극률 역시 높다 (porosity=0.8-0.9). 높은 공극률 때문에 LEP 는 PVFD 에 비해서 약간 높은 100-300 kPa이 되고, 막의 구경은 일반적인 범위 안에 있으며 (0.2-1.0 um), PTFE 는 PP 를 그 지지체로 쓰는 경우가 많다.

PP는 그 자체로 막증발법의 막으로 쓰일 수도 있는데, 열전도도는 0.11-0.2 W/K m, 공극률은 약 0.70 의 특성을 가진다. PP의 경우 막증발 효율이 PVDF 와 유사하다.

VMD를 개방형 OTEC에 적용할 때는, 앞서 말한 것과 같이, 특이하게도 wetting 이 큰 문제가 되지 않는다. 그 이유는 물이 막을 액체의 형태로 바로 통과를 하더라도 결국 진공 챔버 안에 머무르게 되기 때문에, 이 물의 표면에서도 증발이 지속적으로 발생하기 때문이다. Wetting 으로 통과한 물이 모두 증발이 된다면, 이 수증기 역시 터빈을 회전시키는 데 일조를 하게 될 것이다. 만약, 전량이 증발하지 않고, 잔여량이 지속적으로 축적된다면, 일시적으로 작동을 중단시켜서 이 물을 방출 (drain)시켜야 하며, 이것은 고인 물이 2차적으로 막의 외벽 표면을 막지 않도록 하기 위한 것이다.

개방형 온도차 발전의 특징 중의 하나는 표층해수와 심층해수의 온도와, 그에 따른 진공압 차이가 거의 고정된 값으로 주어져 있기 때문에 이를 이용하여, 막의 재질을 개방형 온도차 발전에 맞추어 최적화시켜야 한다는 것이다. 중공사막 (hollow fiber)인 경우, 정상 상태에서 막의 기하학적 변형이 일어나지 않는 한도 내에서, 막의 내경과 외경, 기공의 구경, 공극률, 그리고 굴곡비 (tortuosity) 를 적절히 조절하여, wetting이 일어나지 않는 한도 내에서, 증발에 대한 저항을 최소화할 수 있다.

<실시예 1>

개방형 온도차 발전 장치의 핵심 부분인 증발기 (flash evaporator) 는 표층해수를 sprout 방식으로 분사하여 증발시키는 것을 목적으로 한다. 목표하는 발전량에 따라서, 증발기의 체적이 결정되는데, 200kW인 경우 밑면적 18m², 높이 6.9미터이고, 1.8MW 인 경우 직경 9.2 미터, 높이 약 20미터에 근접한다. 따라서 각각의 체적은 165.6m³ 과 1506m³ 이다. 200kW 개방형 온도차 발전의 수증기 증발량은 3.5 kg/s 로 디자인 되고, 1.8 MW 인 경우에는 33.4 kg/s 가 적절하다.

본 발명의 개방형 온도차 발전의 증발기를 진공막증발 장치로 바꾸었을 때, 동일한 수증기 증발량을 위한 체적의 감소는 다음과 같이 산출할 수 있다. 일례로, 1.8MW 개방형 온도차 발전장치를 기준으로 하여 비교한다.

일반적인 막여과 장치의 필요 체적은 막의 표면적을 모듈의 집적도로 나눈 값이 된다. 중공사 막인 경우, 집적도는 막의 외경에 반비례하여, 외경이 1 mm 인 경우, 약 1000 m³/m² 가 된다. 필요한 막의 면적은 개방형 온도차 발전의 수증기 증발량 (kg/s)을 진공 막증발 장치의 플럭스로 나누어 얻게 된다.

이 플럭스를 결정하는 인자는 막의 양단에 걸리는 압력차, 온도차, 막의 두께, pore size, porosity, tortuosity 이다. 압력 차이는 증발기에 유입되는 표층해수의 온도와 증발기에서 유출되는 수증기의 온도로 결정됨으로, 표층해수와 심층수의 온도가 일정할 경우, 막증발의 기본 추진력이 되는 이 수증기압 차이는 일정하다고 볼 수 있다.

막의 두께는 일반적으로 0.1 mm 를 넘지 않으며, pore diameter 는 1-3micron 의 범위를 갖고, porosity는 0.7-0.8 이 일반적이며, tortuosity 는 porosity에 반비례하는데 그 값은 약 2.0 내외이다. 이 경우 최종적인 플럭스는 접촉각으로 추산할 수 있는 막의 소수성에 의해서 결정이 되는데, 그 값은 약 0.1 g/m²s 내외가 된다. 필요한 막의 면적은 334,000m² 로 계산되고, 필요 체적은 이 막면적을 집적도로 나눈 334m³ 으로 1.8MW 의 증발기보다 약 5배 작은 크기를 가진다.

따라서 종전의 tower-type 이었던 증발기를 높이 1-2미터 이내의 2차원적 평면에 설치할 수 있다. 기존의 개방형 온도차 발전의 경우, 증발기에서 유출되는 수증기의 온도는 증발기의 진공압력으로 결정된다.

즉, 증발기 진공 압력을 물의 포화 수증기압으로 놓았을 때, 이에 해당하는 온도이다. 이 증발기 내부에서 미세 물방울들이 형성되고, 상승했다가, 다시 하강하는 과정에서 물의 증발이 발생하게 된다. 이 때문에 상대적으로 큰 체적이 필요하고, 진공압력을 0.03 atm이하로 감소시켜 유지해야 한다.

그러나 막증발의 경우 막의 집적 형태를 다양하게 디자인하여 적용시킬 수 있고, 물의 증발이 막 표면에서 2차원 적으로 일어남으로 집적된 모듈 내부에서 진공압력을 효과적으로 더 감소시킬 수 있다. 막증발 모듈 내부의 압력을 심층 해수의 온도인 섭씨 8도에 해당하는 수증기압으로 설정을 하면, 막의 플럭스는 약 5배 이상 증가하여, 기존 개방형 온도차 발전의 증발기 체적의 약 20-30배 작은 체적만이 막증발 장치를 위하여 필요하게 된다.

즉 증발기 체적 1500m³을 최대 50m³ (=5m × 5m × 2m)으로 감소시켜서 막증발 장치를 설치할 수 있으며, 동일한 전기 발생량을 기대할 수 있다.

<실시예 2>

도 4는 전력생산을 위한 개방형 온도차 발전의 모식도를 나타낸다. 펌프를 이용하여, 표층해수를 취수하여 증발기(flash evaporator)로 유입시킨다. 실시예로서 200 kW 용 개방형 온도차 발전 장치인 경우, 일례로서 섭씨 26도의 표층해수를 620 kg/s 의 단위 시간당 유량으로 취수한다(도 4의 1).

증발기에서는 유입된 표층해수의 0.5-0.6 퍼센트의 유량이 수증기(steam)로 증발되고, 유입 표층수 대부분은 온도가 약간 낮아져서 다시 해양으로 방출된다. 이 증발기 방출수의 온도가 유입 표층해수보다 낮아지는 이유는 표층해수가 증발할 때, 그 단위 질량당 잠열을 소모하기 때문이다. 증발기 내부의 진공압력이 결정되면, 그 압력은 증발하는 표층해수의 수증기압의 역할을 하며, 따라서 증발기 내부의 온도, 즉 증발한 수증기의 온도를 결정한다(도 4의 2).

증발한 수증기의 단위 시간당 유량은 터빈과 제2응축기로 분할하여 보내어 질 수 있다. 이때, 제어상수를 k 라고 했을 때, k=1인 경우는 온도차 발전을 하지 않고 온도차 담수화만을 진행하는 것이고, k=0인 경우는 증발한 수증기 전량이 온도차 발전에 참여를 하고, 이후에 응축되어 담수화되는 것을 의미한다. 증발한 수증기량의 k 만큼의 분률이 온도차 담수화에, k-1 만큼의 분률이 온도차 발전에 기여한다.

이 때, 같은 분률로 비응축기체 (non-condensable gas)가 터빈과 제2응축기로 보내어 진다. 이 비응축 기체의 단위시간당 발생량은 표층해수, 심층수, 그리고 수증기의 양에 비하여 매우 적어서, 물질 전달식에 포함하지 않고, 수증기 증발량의 일정 퍼센트로 계산하여도 무방하다. 제2응축기로 유입된 비응축 기체는 모두 유출되어 압축기로 보내어 지고, 그 나머지는 터빈과 제1응축기를 거쳐서, 압축기로 보내어져 대기로 방출된다(도 4의 3). 분할기에서 직접 제2응축기로 보내어진 수증기는 응축기 내부의 열교환기를 통과하면서 응축되어 바로 담수화 된다(도 4의 4).

분할기에서 터빈으로 보내어진 수증기는, 가지고 있었던 열에너지와 역학적 에너지를 이용하여 터빈을 돌리고, 이로 인해 전기가 발생된다. 터빈을 나가는 수증기의 온도는 들어가는 수증기의 온도보다 섭씨 약 10도 정도 낮아지게 되는데, 이것은 수증기가 터빈을 회전시키기 위하여 가지고 있던 열에너지의 일부를 기계적 에너지로 전환하였기 때문이고, 전환효율이 100% 이하이기 때문이며, 정량적인 수증기 온도 감소는 터빈의 팽창률에 의해 결정된다(도 4의 5).

터빈의 회전을 위하여 사용된 수증기는 제1응축기로 보내어져서 담수화 된다(도 4의 6). 저수조에는 증발기에서 증발한 수증기가, 각각 k 와 k-1의 분률로 나누어져서 제1응축기와 터빈을 통과한 후, 전량이 다시 저수조에 모이게 된다(도 4의 7). 제1 및 제2 응축기의 저열원은 저온의 해양 심층수가 저온 펌프로 취수되어 사용된다(도 4의 8).

취수된 저온 해양 심층수는 k'-1 과 k' 의 분률로 발전 후 담수화를 위한 제 1응축기와 담수화 전용의 제2응축기로 보내어 진다. 증발기 다음의 분할률 k 와 저온 심층수 펌프 이후의 분할률 k' 을 같게 하는 것이 일반적인 경우이나, 터빈으로 유입되고 나오는 수증기 각각의 온도, 압력, 단위 시간당 유량에 따라, k' 값이 적절히 조절되어, 전체적인 시스템의 최종적인 담수화량/전력생산량 디자인 비율을 최적화 시킬 수 있다(도 4의 9).

터빈을 통과한 수증기와 통과하지 않고 직접 제2응축기로 보내어진 수증기의 온도 차이는 섭씨 약 10도 이상이 된다. 따라서 응축에 필요한 저온 심층수의 양은 제2응축기보다 제1응축기에서 더 많게 된다. 다른 말로 하면, 제1응축기에서 사용된 해양 심층수의 온도는 저온 펌프로 유입 당시의 원래의 저온과 터빈을 통과한 수증기의 온도 사이에 존재하게 되는데, 약 섭씨 10-12도가 된다. 이 온도는 제2 응축기로 유입되는 증발기에서 증발된 수증기의 온도보다 매우 낮고, 해양 심층수의 유입 온도보다는 조금 높다. 온도차 발전의 에너지 사용은 해양 표층수 및 해양 심층수의 취수를 위한 펌프에 큰 부분을 기인하게 됨으로, 제1 응축기에서 사용된 저온 해양 심층수의 일부 (분률 k'' 만큼)를, 제 2 응축기로 바로 보내어진 분률 k' 의 저온 심층수 유입량과 혼합하여 제2 응축기에서 응축을 위한 열교환을 위해서 사용될 수 있다(도 4의 10).

총 저온 심층수 취수량중, 제2 응축기에 사용되는 저온 심층수량의 분률은 k'+k''(1-k') 이 된다. 이 때 분률 k' 은 취수된 해양 심층수의 온도를 가지고, 분률 k'' (1-k')은 제 1 응축기를 통과한 심층수의 온도를 가지게 된다(도 4의 11).

제2 응축기를 통과한 k'+k''(1-k') 만큼의 심층수와 제 1 응축기를 통과하고 제2 응축기로 보내어 지지 않은 (1-k'')(1-k') 만큼의 분률이 함께 취합되어서 해양으로 방출하게 된다. 이 두 분률의 합은 1이 되므로, 저온 펌프에 의해서 취수된 해양 심층수는 제1 및 제2 응축기에서 최적화된 열교환을 위해서 사용된 후, 전량 표층 해양으로 방출됨을 의미한다(도 4의 12).

최종적으로 단위 시간당 방출되는 물량은 표층해수와 심층수의 유입 총량에 증발기에서 증발한 수증기량을 뺀 것과 같다. 과정 7에서 말한 바와 같이, 이 증발 수증기량은 저수조에 취합된 담수화량와 일치한다(도 4의 13). 제1 과 제2 응축기에서 모아진 비응축 기체는 모두 압축기로 보내어져, 공기중으로 방출시킨다(도 4의 14).

1.2 증발기를 진공막증발기로 대체 효과

본 발명의 기술적 특징은 개방형 온도차 발전기의 주 기기인 거대한 체적을 요구하는 증발기를 진공막증발기로 대체하는 것이다. 이로부터 얻어지는 이득은 (1) 증발기기의 부피를 획기적으로 줄일 수 있고, (2) 수증기 증발률을 같은 운영조건에서 획기적으로 높일 수 있으며, (3) 위 두 가지 이득을 선택적으로 최적화하여 최종 전기발생률을 최대화/최적화 할 수 있다. 또한, (4) 전기와 담수 발생량을 선택적으로 조절하여, 지역별 계절적 변화에 원활히 대처함으로 수용에 따른 전체 생산을 최적화할 수 있다.

1.2.1 Wetting 문제 해결

막증발법의 근본적인 문제점은 wetting이다. 즉, 높은 온도의 원수가 막의 표면을 지날 때, 그 수압이 너무 높음으로 인해, 물이 증발하지 않고 막의 기공을 바로 통과하지 말아야 한다. 개방형 온도차 발전의 원래의 구조는 이 wetting 에 대한 문제점을 가지고 있지 않다. 원래 구조에서는 노즐을 알맞게 디자인하여, 노즐에서 스프레이 형태로 물방울들이 생겨서 분출되고, 이 물방울들이 진공 챔버에서 상승하고 낙하하는 시간동안 그 표면에서 증발이 생기는 것이다.

진공막증발법을 이용하면, 수증기의 증발이 개방형처럼 물방울 표면이 아닌 막의 표면에서 일어난다. 따라서 막의 표면적을 증가시켜서 물의 증발량을 쉽게 조절/증가 시킬 수 있다. 이때, 모듈의 형태에 따른 막의 집적도가 매우 중요한 설계인자가 된다. 증발한 수증기는 터빈을 향하기 전에, 막의 기공들을 통과하는데, 기공을 수증기의 기체 형태로 통과하지 않고, 유체의 형태로 통과하는 것을 wetting 이라고 부른다.

만약, Wetting 이 국소적으로 일어난다 하더라고, 막을 통과한 물은 drain으로 빠져 나가거나, 아니면 모듈 내부에서 남아있어 일반적인 증발에 참여할 것이기 때문에, 본 발명의 VMD-OTEC 의 경우 원래의 DCMD에 비해, wetting 에 대한 부작용이 거의 없다. 운영조건과 모듈의 구조, 그리고 기공의 크기에 따라서는 진공측 막표면에서 작은 물방울이나 기포가 발생할 가능성도 있다. 어떠한 경우라도 액체로 존재하는 표층해수는 막표면에서 증발에 참여하거나, 그렇지 않다면 바로 막의 기공을 통과하여 해양으로 다시 방출된다. 따라서 wetting 이 발생하더라도, 곧 바로 작동을 중단할 필요 없이, 해양 표층수의 입수량과 입수 압력을 조절하여, 입수쪽의 수압을 감소시켜 wetting의 정도를 감소 시킬 수 있다.

1.2.2. Flux 문제 해결

가장 보편적인 인자들를 이용하여 VMD의 플럭스를 계산해 보면, 약 0.83 g/m²s가 된다. 이 계산은 가장 기본적인 VMD 이론을 이용하였고, 사용된 값들은 porosity=0.75, tortuosity=2.0, 압력차=0.80 kPa (26도와 22도의 수증기압차이), 막의 기공=0.2 um 이다. 즉, 1 초당 1 m²의 막이 0.83gram의 물을 생산한다는 의미가 된다.

위에서 1.8 MW의 전력을 생산하기 위해서는 33.4 kg/s 의 수증기가 증발해야 함을 기술했다. 이 수증기량을 만들어 내기 위한 막의 면적은 약 40,000 m²이다. 평막의 집적도를 약 400 m²/m³으로 근사하면, 1 세제곱 미터 안에 400 제곱 미터의 평막을 집적시킬 수 있다.

이 경우 필요한 체적은 100 m³으로 4000 m³보다 약 40배정도 작다. Hollow fiber module 인 경우 집적도를 평막보다 약 5-10 이상 높일 수 있으므로, 평막 대신 hollow fiber VMD을 구현했을 때는, 기존의 개방형 온도차 발전에서 필요한 체적보다 약 400배 적은 체적으로 같은 플럭스 구현이 가능하다. (VMD 는 기존의 증발기처럼 높이에 제한을 받지 않는다.)

1.2.3 디자인

본 발명은 개방형 온도차 발전의 비용을 줄이고, 효율을 높이며, 전기와 담수를 필요에 따라 선택적으로 생산하는 것을 목적으로 한다.

예를 들어 1.8 MW 증발기의 직경이 9.2 미터이므로, 같은 직경의 증발기에 높이를 1미터로 낮추고, 여기에 hollow fiber module로 대치했을 경우를 시뮬레이션한다. 이때 체적은 27 m³이므로, 집적 가능한 hollow fiber 막면적은 최대 27 m³x4000m²/m³=108,000m²이다.

발생하는 수증기량은 108,000 m²x0.83g/m²s=90kg/s가 되어, 원래 개방형 디자인의 약 3배가 된다. 즉, 증발기의 높이를 15배정도 줄였음에도, 예상 전력발생량은 1.8 MW 에서 5.4 MW 로 증가할 수 있다. 원래 개방형 증발기의 체적만큼 hollow fiber 막을 집적시키면, 400배의 플럭스를 예상했을 때, 수증기 발생률은 (33.4 kg/s에서) 13,360 kg/s 로 증가하며, 전력발생량은 (1.8 MW에서) 720 MW로 증가한다.

이와 같이 해양 온도차 발전시스템에서 응축용 냉각수로 사용되는 해양 심층수와 기화용 온수로 사용되는 표층수를 사용하여, 무한한 해양에너지를 이용하여 발전시스템을 구성함으로서 기존의 폐쇄형 해양 온도차 발전시스템보다 효율을 증대시킬 수 있다.

2. 부산물인 농축수와 담수를 이용한 압력지연삼투(pressure-retarded osmosis(PRO)) 발전과 연계

PRO는 농도차이를 이용해서 전기를 발생시키는 방법이다. OTEC 이 액체상과 기체상의 상전이를 이용하는 반면, PRO는 모두 액체상에서 농도의 차이를 이용한다는 특성이 있다. 개방형 온도차 발전 장치에 유입된 표층수의 일부가 증발에 참여하여, 담수가 되고, 이 담수의 일정 부분이 PRO 막을 통과하여 PRO 발전에 기여를 하게 된다. 따라서, 그 발전량으로 볼 때, 총 온도차 발전량에 비하면 적은 양이 되는 것이 당연하다.

2.1 PRO 기작

PRO의 기작은 다음과 같다. 표층해수와 비슷한 농도를 가진 PRO draw solution (유도수) 가 약 30 bar 의 삼투압을 가지고 막의 모듈에 유입된다. 담수는 PRO의 feed 로 막의 반대편으로 유입된다. Feed의 삼투압은 거의 0 이거나 유도수에 비해서 매우 작다. 막의 양단에 걸리는 삼투압의 차이로 feed 쪽에서 담수가 막을 통과하여 draw solution 쪽으로 이동한다. 이때 이동한 물의 체적을 dV로 표시한다. 담수의 통과로 인해서 draw solution의 농도는 감소하고, brackish water 가 된다. 증가한 체적에 비례해서 draw solution 쪽의 압력이 증가하고, 이 압력을 이용하여 2차 터빈을 돌려 전기를 발생시킨다.

2.2 본 발명의 pressure-retarded osmosis 발전

본 발명에서 해수 온도차 발전기의 핵심적인 역할은 같은 유량의 농축수와 담수를 정상적으로 만들어 내어 도 5에서 보이는 압력지연삼투장치로 유입시키는 것이다. 압력지연삼투는 농도가 다른 두 용액의 삼투압 차이를 이용한 발전으로 정삼투압(forward osmosis)을 이용하며 해수 담수화의 역방향 조작이다. 고농도 용액 의 압력이 삼투압보다 낮은 압력으로 유지되면, 삼투압에 의해 막을 통한 고농도 용액으로 가는 물-플럭스가 존재하고, 이로 인해 상승한 유도채널의 수압을 이용하여 터빈을 돌려 에너지를 생산하는 원리이다.

도 5는 농축수와 담수로 pressure-retarded osmosis (PRO)로 발전을 하는 과정을 나타낸다. 진공 chamber 안에서 증발되고 남은 응축수(도5의 1)와 터빈에서 방출된 수증기가 저온의 심층수와 열교환되어 액체 상태의 물이 된 생산담수(도5의 2)는 각각 열교환기로 유입된다. 생산담수는 열교환기를 통과하면서 그 유량(예, 1 kg/s)과 농도 (0.0 ppm)이 유지되나, 그 온도는 16-20도로 증가하게 된다(도5의 3). 응축수는 열교환기를 통과하면서 그 유량과 농도가 일정하게 유지되나, 온도는 열교환기 이후의 생산담수의 온도 (16-20℃) 와 같게 된다(도5의 4).

온도가 조절된 생산담수와 농축수는 각각 압력지연삼투 장치의 입수 (feed)(도 5의 5)와 유도용액 (draw solution)(도 5의 6) 이 된다. 막 모듈 내부에서, 입수 쪽의 물 일부가 막을 통과하여 유도용액 쪽으로 흘러간다(도5의 7). 막을 통과 하지 않은 물의 일부는 입수의 일부로 다시 쓰일 수 있다. 단, 막을 통해서 물의 삼투 현상이 일어날 때, 유도 용액 쪽에 있는 고농도 염의 일부가 입수 쪽으로 전달될 수 있기 때문에, 압력지연삼투 장치를 거친 담수의 농도는 수 십 도는 수백 ppm으로 증가하게 된다. 따라서, 식음료용으로 사용의 불가능하나, 그 농도가 유도 용액에 비해서는 현저하게 낮기 때문에 입수의 일부로 재사용 가능하다. 또는, 필요한 경우 역삼투와 같은 방법으로 다시 농도가 0ppm에 가까운 담수로 만들 수 있다.

재사용되지 않을 저농도 담수는 방출되거나, 경우에 따라 알맞은 용도로 사용할 수 있다. 이 때의 온도는 입수와 마찬가지로 약16-20℃이나, 저가의 열원이나 폐열원을 일부 이용하여 온도를 표층수 수준으로 높일 수 있다면, 진공 챔버에 투입되는 표층수와 혼합하여 사용할 수 있다. 이 증발입수의 농도가 낮아지므로, 같은 진공압에서 물의 증발률이 증가하고 따라서, 전체적인 효율을 높일 수 있다.

열교환기를 통과한 농축수의 일부는 유도 용액이 되어서 압력지연삼투 장치로 이송된다. 나머지는 압력교환기로 간다. 각각의 수압은 같게 유지된다 (Pex1)(도 5의 8).

막을 통과하는 수량은 막의 면적과 투과 플럭스의 곱으로 계산된다. 투과 플럭스는 입수와 유도용액의 삼투압 차에 비례하며, 이 비례 상수는 물의 투과계수 (A) 이다. 투과 계수는 제조된 막의 고유값이며, 높을수록 같은 운영조건에서 높은 플럭스를 생산한다.

유도 용액의 농도를 70,000 ppm 그리고 입수의 농도를 0.0 ppm 으로 놓으면, 이 농도차는 일반 해수와 담수의 농도차의 약 두 배가 되므로, 압력지연삼투 장치 양단에 걸리는 삼투압은 약 60 bar (860 psi) 가 된다. 이 압력은 역삼투 장치에서 펌프를 이용하여 고농도 용액에 걸어주는 수압과 거의 동일하다. 단위 면적당 생산되는 전력은 이 투과상수 A와 삼투압 차이의 제곱에 비례한다.

압력교환기로 가는 물의 유량은 유도 용액의 유량과 입수에서 막을 통과한 투과 유량의 합이 된다(도 5의 9). 이때, 투과 유량에 비례해서 수압이 증가하게 된다 (Pex2)(도 5의 10). 투입수는 담수이므로 유도 용액과 섞였을 때, 유도 용액의 농도가 감소하게 된다. 따라서, 정상 상태에서의 삼투압 차이가 실제의 계산 보다는 약간 적게 되는데, 이것을 농도 분극이라 부른다. 이 농도분극은 막의 양단에 걸리는 유속을 빠르게 함으로써 최소화할 수 있다.

원래의 유도용액의 수압(Pex1)과 압력지연삼투 장치를 통과한 유도 용액의 수압(Pex2)의 차이를 역학적 에너지로 변환하여 터빈을 돌리고, 전기에너지를 발생시킨다. 압력교환기를 통과한 (농도가 저감된) 유도 용액중, 압력지연삼투 장치를 통과하지 않은 원래의 유도용액은 일부 또는 전량 재사용 될 수 있고(도 5의 11), 통화한 물은 그대로 또는 입수의 방출수와 혼합되어, 농도를 표층 해수와 비슷하게 낮추어 방출시킬 수 있다(도 5의 12).

이와 같이 VMD(Vacum membrane Distillation) OC-OTEC(Ocean thermal energy conversion) 과정 이후에 부산물인 농축수와 담수로 pressure-retarded osmosis (PRO)로 발전을 하게 되면 OC-OTEC 발전량의 10% 정도를 더 생산할 수 있는 효과가 있다. 또한, 플래쉬 증발기 대신에 VMD 증발기를 적용시, 증발기 체적은 약 10% 내외로 줄게 되어 비용이 저감되며, 같은 체적인 경우 최소 10배 이상의 수증기를 생산해 낼 수 있다. 또한, 증발기 및 탑재구조물(선박, 바아지 등)의 초기투자비가 감소됨으로서 발전량이 증가되는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 20-35℃ 수온의 표층 해수를 취수하여 진공챔버 안으로 유입시키기 위한 진공막증발장치;
   상기 진공막증발장치에 형성되는 진공막의 재질은 polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) 또는 polypropylene (PP)중에서 선택되는 어느 하나이며;
   진공막증발장치로부터 발생된 수증기를 터빈으로 유입하여 터빈을 돌려 발전하기 위한 터빈발전장치;
   터빈발전장치에서 사용된 수증기를 5-8℃ 수온의 심층수와 열교환함으로서 응축된 수증기를 담수화하기 위한 제1열교환장치;
   진공챔버에서 증발되고 남은 응축수와 저온의 심층수와 열교환되어 생산된 생산담수를 열교환하기 위한 제2열교환장치;
   제2열교환장치를 통과한 농축수와 생산담수를 입수와 유도용액으로 이용하도록 한 압력지연삼투장치;
   제2열교환장치를 통과한 농축수의 일부를 이용하는 압력교환기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
   
2. 제1항에 있어서 진공챔버의 압력은 대기압의 1-3%으로 조절하고 수증기의 유량은 유입해수량의 0.5~6%인 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
   
3. 제1항에 있어서, 진공막증발장치는 상단부와 하단부가 멤브레인으로 분리되고 하단부분 내부를 진공 상태로 하여, 상단부에서 해수를 막으로 유입시켜 배출하여 막의 상단 표면에서 증발이 일어나도록 하고, 생성된 수증기들이 수증기압과 진공압의 차이를 추진력으로 막을 통과하도록 한 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
   
4. 제1항에 있어서, 제 1열교환기는 수냉식이고 제2열교환기는 공랭식인 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
   
5. 제1항에 있어서, 진공막증발장치에 형성되는 진공막은 평막(plate and frame), tubular capillary 또는 hollow fiber, spiral wound중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
   
6. 20-35℃ 수온의 표층 해수를 취수하여 청구항 2의 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치를 구성하는 진공챔버 안의 진공막 증발장치로 유입시키는 단계;
   진공막증발장치로부터 발생된 수증기를 터빈으로 유입하여 터빈을 돌려 발전하는 단계;
   터빈발전장치에서 사용된 수증기를 5-8℃ 수온의 심층수와 열교환함으로서 응축된 수증기를 담수화하는 단계;
   진공챔버에서 증발되고 남은 응축수와 저온의 심층수와 열교환되어 생산된 생산담수를 제2열교환장치로 보내는 단계;
   제 2열교환장치를 통과한 농축수와 생산담수를 입수와 유도용액으로 이용하도록 한 압력지연삼투장치를 통해 발전하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 방법
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