KR101682064B1 - 염분차 기반 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염분자 기반 발전 장치에 관한 것이다. 본 발명은 해안가와 인접된 하수처리장치에서 배출되는 방류수와 고농도 염수인 해수를 이용하여 발전하므로 방류수의 공급이 용이하여 방류수의 공급량을 증가할 수 있고, 증가된 방류수의 공급량에 비례하여 전기 에너지의 발전 용량이 결정되므로 전기 에너지의 필요 목적에 따라 최적의 전기 에너지 생산이 가능하다. 본 발명의 발전 장치는 고농도의 해수가 저장되는 고농도 염수 탱크와, 해안가와 인접된 위치에 마련된 하수처리장치로부터 배출되는 방류수를 저장하는 방류수 저장 탱크와, 상기 고농도 염수 및 상기 방류수의 염분차를 기반으로 발전하여 에너지를 생산하는 발전부를 포함한다.

Description

염분차 기반 발전장치{INDEPENDENT POWER PROVIDING APPARATUS BASED ON THE SALINITY GRADIENT}
본 발명은 염분차 기반 발전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 해수의 고농도 유입수 및 해안가와 인접된 위치에 마련된 점원(point source)으로부터 공급된 방류수인 저농도 유입수로 발전하여 신재생 에너지인 전기를 생산할 수 있도록 한 장치에 관한 것이다.
기존 대용량 전력생산방식인 수력발전 및 원자력 발전은 건설비용 및 유지비용이 매우 높을 뿐만 아니라, 환경적으로 매우 커다란 영향을 미친다. 따라서 친환경 신재생 에너지를 이용한 발전방식들이 전세계적으로 뜨거운 관심 속에 다양한 기술들이 개발되고 있다. 특히 CO2를 배출하지 않은 신재생 에너지인 태양광, 태양열, 풍력 등을 기반으로 하는 전력생산업체는 자체 전력 소모뿐만 아니라 잉여 전력을 판매하는 방식을 도입함으로써 전력구조에 새로운 패러다임을 제공하고 있다. 특히, 신재생 에너지원들은 소규모 전력생산시스템 구성이 가능하여 자가발전이라는 새로운 시장을 형성하고 있다. 자가발전설비는 국내시장의 경우 2005년도에 비해 2011년도에 11배 이상이 성장을 하고 있으며, 정부의 적극적인 지원을 바탕으로 그 시장성은 계속적으로 커지고 있다. 특히 가정용 발전설비는 백색가전처럼 전세계 잠재 시장이 1000조원 이상을 상위하는 것으로 보고되고 있고, 유럽에서는 가정용 친환경 자가발전시스템 성장이 2008년부터 연 20% 이상의 성장을 보이고 있다.
과거의 자가발전은 병원, 방송국 등 지속적이고 안정적인 전력공급이 필요한 곳이나, 공장 등 대규모 단위에서 주로 이뤄져 왔다. 하지만, 현재는 가정, 특히 도심속 가정에 자가발전의 영향력이 커지고 있다. 뿐만 아니라, 그 연료 역시 점차 친환경적인 신재생 에너지를 중심으로 바뀌어 가고 있다. 과거에는 디젤 및 휘발유 등을 주로 활용하였지만 이산화탄소 배출 및 유가상승 등과 같은 환경적 경제적인 문제점을 가지고 있다. 또한, 내연기관을 바탕으로 하는 자가발전시스템이기 때문에 원동기, 발전기, 냉각장치 등에 대한 유지보수, 정비, 안정성, 가동율 등에 대한 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 따라서, 친환경적이고 유지보수비용이 적은 신재생 에너지를 기반으로 하는 자가발전시스템이 최근에는 새로운 제품으로 두각을 보이고 있다.
신재생 에너지를 기반으로 하는 신재생 에너지는 현재 태양광, 풍력, 연료전지등이 대표적으로 개발되고 있다. 이중 태양광은 90% 이상의 시장을 차지하고 있으나, 날씨, 기후, 먼지, 환경, 시간에 따른 일조량 변화 등에 의해 불안정한 전력생산을 보이는 단점을 가지고 있다. 연료전기 자가발전설비의 경우 화석연료를 통해 수소를 공급받을 뿐 아니라 전력생산 후 부산물로 수분과 이산화탄소를 배출하기 때문에 청정 자가발전설비로 불리기는 어려움이 있다. 또한, 소규모 풍력의 경우, 바람의 세기에 절대적으로 영향을 받을 뿐만 아니라, 블레이드 회전에 의한 소음문제와 도시 미관, 회전체의 대한 인간 심리 등의 문제로 도심 속에 설치되기에는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 날씨의 영향을 받지 않고 이산화탄소와 같은 오염 물질이 배출되지 않은 신재생 에너지 발전기의 요구에 따라, 해수를 이용하여 신재생 에너지를 생산하는 기술들이 다양하게 개발되었다.
이러한 해수를 이용하는 해양 신재생에너지는 조류, 파력 발전 등과 같은 해수의 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 방식과 해수염분차 발전 등과 같은 해수의 화학적 에너지를 전기에너지로 전환하는 방식으로 나뉜다. 전자의 경우 해수가 갖는 운동에너지를 전기에너지로 전환하기 위한 터빈 등이 필요하며, 환경적 요인에 따라 지속적인 발전이 어렵다는 단점이 존재하는 반면, 후자의 경우 해수가 갖는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 또는 간접적으로 회수함으로써 상시 운전이 가능하다는 장점이 있다.
해수를 이용한 염분차 발전은 해수와 담수의 농도 차이가 갖는 열역학적 엔탈피의 차이를 전기적인 에너지로 전환하는 발전방식으로써 3.5%의 해수와 0.1%의 담수 사이에 잠재된 에너지의 양을 수두로 환산하면 약 220m가 된다. 이러한 높은 에너지 잠재량을 갖는 열역학적 해양 에너지를 통틀어 블루 에너지(blue energy)라고 일컫는다.
상기 언급된 에너지를 회수하기 위한 방식으로 역전기투석(reverse electrodialysis, RED), 압력지연삼투(pressure retarded osmosis, PRO), 축전식 혼합발전(capacitive mixing) 방식 등이 소개되었다. 이 중 역전기투석 방식은 기존의 전기투석 장치와 그 구성이 유사하며 해수와 담수를 에너지원으로 하여 역전기투석 장치에 설치된 이온교환막을 사이로 교차로 흐름으로써 도난 포텐셜(Donnan potential)이라고 하는 전기적 위치에너지를 발생시키며 이를 전극에서 전기에너지를 회수하는 방식으로 1톤의 해수와 담수를 사용 시 이론적으로 회수 가능한 에너지의 양은 약 1.8 MJ 이다.
그러나, 이러한 해양염분차 발전은 해수와 담수를 동시에 사용하므로 입지조건이 해안가 주변으로 제한적이며 기존의 논문 및 특허에서 추산한 염분차 발전의 에너지 잠재량 역시 강하구 유역을 중심으로 하여 계산되었다. 강의 하구지역 및 방조제와 같은 인공 둑을 제외하면 담수의 공급처는 염분차 발전장치로부터 원격지에 이격되어 마련되므로 담수의 공급량이 제한되는 단점이 존재하였다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 해안가에 인접된 위치에 마련된 공공하수처리시설 및 발전플랜트, 제련 및 제강 플랜트, 우수 집거 시설 및 대형 건물의 중수도 등과 같은 점원(point source)에서 저농도로 일정하게 배출되는 방류수인 저농도 유입수와 해수인 고농도 유입수를 이용하여 염분차 발전을 실행하여 전기의 발전 용량을 최대로 증가할 수 있는 염분차 기반 발전 장치를 제공하고자 함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 염분차 기반 발전 장치에 있어서, 고농도 염수가 저장되는 고농도 유입수 저장 탱크와, 해안가와 인접된 위치에 마련된 점원으로부터 배출되는 방류수를 저장하는 저농도 유입수 저장 탱크와, 상기 고농도 유입수 및 상기 저농도 유입수의 염분차를 기반으로 발전하여 에너지를 생산하는 발전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 저농도 유입수는 소정 농도 이하의 저농도로 일정하게 배출되는 방류수를 배출하는 공공하수처리시설, 발전 플랜트, 제련 플랜트, 제강 플랜트, 우수 집거 시설 및 대형 건물의 중수도 중 적어도 하나의 점원(point source)으로부터 공급된다.
또한 상기 발전부는 양극 전극과, 음극 전극과, 상기 양극 전극 및 음극 전극 사이에 배치된 음이온 교환막 및 양이온 교환막을 가지는 한쌍의 이온 교환막을 적어도 하나를 구비하고, 상기 발전부는 펌프를 통해 공급되는 고농도 유입수 및 저농도 유입수의 농도가 평행을 이루는 상태에서 배출된 유출수의 특성 및 저농도 유입수의 특성에 따라 전극 용액과의 촉매 반응이 결합된 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생성하며, 상기 전기화학적 반응은 다음 식을 만족한다.
양극 : R+ (폐수 내 산화 가능한 유기물 등) + ne- → R
음극 : M- (폐수 내 환원성 무기물, 금속 등) → M + ne-
바람직하게는, 상기 발전부의 전극은 탄소 계열 전극, 혼합 금속 산화 전극, 치수 안전 전극(dimensional stable electrode (DSE)) 중 하나이다.
바람직하게 상기 발전부의 전해질은, 전극에서의 전기화학적 반응을 위해 소정 농도의 해수 및 방류수 중 하나 이상으로 구비되는 것이 바람직하다.
상기 염분차 발전 장치는, 상기 발전부에서 유출된 고농도 유출수 및 저농도 유출수를 소정 비로 상기 발전부에 공급하여 상기 발전부의 고농도 유입수 및 저농도 유입수의 유량을 증가하는 제어 모듈을 더 포함하도록 구비되는 것이 바람직하다.
상기 발전부는 저농도 및 고농도 유입수의 흐름을 위한 유로를 형성하고, 상기 이온교환막이 접히는 것을 방지하기 위해 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막 사이에 메시 형상을 가지는 스페이서를 더 구비한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 염분차 기반 발전 장치는, 해수의 고농도 유입수와 공공하수처리시설 및 발전플랜트, 제련 및 제강 플랜트, 우수 집거 시설 및 대형 건물의 중수도 등과 같은 점원 (point source) 에서 저농도로 일정하게 배출되는 방류수인 저농도 유입수와의 염분차를 기반으로 발전함에 있어 해안에 인접한 대도시에서 공급 가능한 시간당 20만톤 (204,603 m3/hr)의 방류수와 고농도 염수인 해수를 이용하여 시간당 최대 5만 KW 이상의 발전 용량의 전기 에너지의 생산이 가능하고, 제주도의 경우 동부 하수처리장에서 배출되는 하루 6000 톤의 방류수 및 고농도 염수로 약 1500 KW의 전기 에너지를 잠재적으로 생산 가능하므로, 신재생 에너지인 전기 발전 용량을 극대화할 수 있는 효과를 얻는다.
본 발명에 따르면, 전기화학적 산화환원 반응 속도를 증가하기 위해 산화 환원 쌍(redox couple)을 사용함에 따라 전극 반응에서의 에너지 소비 없이 에너지 효율을 크게 높일 수 있다는 장점을 가지고 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반의 발전장치의 구성을 보인 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반 발전장치에 적용되는 발전부의 구성을 보인 도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반 발전장치의 유출수의 흐름을 보인 도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반 발전장치의 반송되는 유출수에 따른 유입수의 농도 변화를 보인 도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반 발전장치의 유입수의 유량 감소에 따른 발전 용량 감소를 보인 파형도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반 발전장치의 방류수 및 고농도 염수의 유량 및 전기 에너지의 발전 용량을 보인 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반 발전장치의 방류수 및 고농도 염수의 조성비에 따른 전기 에너지의 발전 용량의 변화를 보인 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반 발전장치에 적용되는 방류수 및 고농도 염수 및 전극 용액의 유량을 보인 다른 예시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반 발전장치의 방류수 및 지하 해수를 이용한 발전 용량 변화를 보인 다른 예시도이다.
이하 본 발명을 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면이 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반 발전 장치의 구성을 보인 도이고, 도 2는 도 1에 도시된 역전기투석 모듈의 구성을 보인 도이며, 도 3은 도 1에 도시된 유출수의 흐름을 보인 도이고, 도 4는 도 3에 도시된 유출수의 반송비에 따른 유입수의 농도 변화를 보인 도이며, 도 5는 도 3에 도시된 유입수의 유량 감소에 따른 발전 용량을 보인 곡선도이며, 도 6은 도 1에 도시된 발전장치의 방류수 및 고농도 염수의 유량 및 전기 에너지의 발전 용량을 보인 예시도이고, 도 7은 도 1에 도시된 염분차 기반 발전 장치의 방류수 및 고농도 염수의 조성비에 따른 전기 에너지의 발전 용량의 변화를 보인 예시도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반 발전 장치는, 도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 해수의 고농도 유입수 저장 탱크(110), 저농도 유입수 저장 탱크(130), 발전부(150)를 포함한다. 여기서, 저농도 유입수 저장 탱크(130)는 공공하수처리시설 및 발전플랜트, 제련 및 제강 플랜트, 우수 집거 시설 및 대형 건물의 중수도 등과 같은 점원(point source)에서 공급되고 소정 농도 이하의 저농도로 일정하게 배출되는 방류수를 저장하도록 구비된다.
이 때의 저농도라 함은 넓은 의미에서는 기수 영역 이하의 염분 농도를 의미하지만 좁은 의미에서는 공공하수처리시설의 수질기준을 만족하는 수준으로 처리된 농도를 의미한다. 일반적으로 하수처리장에서 해안으로 방류하는 방류수의 수질 및 제강 플랜트의 배출수질은 다음 표1 및 표 2와 같다.
공공하수처리장 방류수수질기준 및 제주 동부하수처리장 방류수 수질
BOD (mg/L) COD (mg/L) SS (mg/L) T-N (mg/L) T-P (mg/L)
수질기준 10 40 10 20 2
동부처리장 5.30 9.00 6.30 12.73 1.11
제철소 폐수 처리수 수질 (화성공정 기준)
구분 단위 처리수 기준
폐수량 m3/d 4,800
온도 °C 40 이하
pH 6.8~7.5
COD mg/L 50
BOD mg/L 10
NH4-N mg/L -
T-N mg/L 50
SS mg/L 10
N-Hexane mg/L 1
Total CN- mg/L 1
공공하수처리시설 및 공장, 플랜트 외에도 집거 시설에 의해 수집된 우수 등도 염분차 발전장치의 저농도 유입수로 사용이 가능하며, 해안가에 위치한 중대형 건물에서 사용되고 있는 중수 (grey water, reclaimed water) 등도 염분차 발전장치의 저농도 유입수로 사용이 가능하다. 2015년 1월부터 개정되는 “물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률” 제 8조 2항에 따르면 도시 재이용수의 수질기준은 다음 표 3과 같다. 기타 재이용수의 수질기준도 동일 법률항에 따라 지정되어 있으나 대표적인 도시 재이용수의 수질기준만을 표기하였다.
중수도의 종류에 따른 수질 기준
구분 총
대장
균수		 결합
잔류염소		 탁도 부유물질 생물학적 산소요구량 색도 총질소 총인 pH
도시 재이용수 불검출 0.2 이상 2 이하 - 5이하 20 이하 - - 5.8~8.5
염분차 발전장치의 고농도 유입수로써 NaCl 농도 3.0~3.5%의 해수 또는 인공해수 (전기전도도 약 50~55 mS/cm) 를 사용하는 것이 바람직하며, 공장, 담수화 플랜트 등에서 배출되는 염수 및 지하 해수등을 고농도 유입수로 사용 가능한 염분차 기반 발전장치를 포함한다.
또한, 발전부(150)는 해수의 고농도 염수 및 방류수가 각각 유입될 때 전기를 이용하여 이온을 제거하는 전기 투석을 역으로 이용하는 역전기투석 모듈(Reverse Electro-Dialysis: RED: 151)을 통해 발전하여 전기 에너지를 생성하도록 구비된다.
즉, 역전기투석 모듈(RED: 151)은 도 2에 도시된 바와 같이, 고농도 해수와 방류수가 유입될 때 서로 교차로 배치된 양이온 교환막(CEM) 및 음이온 교환막(AEM)을 기준으로 고농도와 저농도의 유입수가 교차로 흐르게 되어 전기화학적 포텐셜을 생성하며, 이를 통하여 복수로 배열이 가능한 양극 및 음극에서의 전기화학적 반응을 통해 전류를 생산하게 된다. 이때 상기 염분 농도가 3.0~3.5%인 해수 또는 방류수는 전해질로 사용될 수도 있다.
즉, 역전기투석 모듈(RED: 151)은, 적어도 한 쌍의 전극의 양극 및 음극과 이온 교환막의 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 교대로 배열하여 설치되고, 펌프를 통해 공급되는 고농도 유입수 및 저농도 유입수의 농도가 기 정해진 소정 농도가 평행을 이루는 상태에서 배출된 배출원의 특성 및 저농도 유입수의 특성에 따라 기 정해진 전극 용액을 사용하여 촉매 반응이 결합된 전기 화학적 반응을 통해 전기를 생성하도록 구비되며, 상기 전기화학적 반응은 다음 화학식 1을 만족한다.
[화학식 1]
삭제
양극 : R+ (폐수 내 산화 가능한 유기물 등) + ne- → R
음극 : M- (폐수 내 환원성 무기물, 금속 등) → M + ne-
역전기투석 모듈(151)의 전극은, 탄소 계열 전극, 혼합 금속 산화 전극, 및 치수안정전극(dimensional stable electrode (DSE) 중 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 역전기투석 모듈(151)의 양이온 교환막 및 음이온 교환막의 분리 능력은 전기적 저항 값에 대해 기 정해진 반비례 관계식으로 도출되며, 상기 전극과 인접된 이온 교환막은 화학적 저항값이 지 정해진 소정치 이상인 것으로 구비된다.
이때, 상기 발전부의 역전기투석 모듈(151)은 양이온을 선택적으로 분리할 수 있는 양이온 교환막과, 음이온을 선택적으로 분리할 수 있는 음이온 교환막을 포함하는 한 쌍 이온교환막을 다 수개 설치될 수도 있으며 이때 발전 출력은 상기 이온 교환막의 전기적 저항값에 대해 반바례하고, 상기 전극과 인접된 이온 교환막은 전극 용액의 화학적 성질에 대하여 화학적 저항값이 소정치 이상으로 구비되며, 상기 발전 출력은 다음 식을 만족한다.
Pu = I2Ru = (nV)2 / 4Ri.. … 식 1
Ri = RAEM + R담수 + RCEM + R해수… 식 2
n : 이온교환막 수, V : OCV, Ru : 외부저항, Ri 내부저항, RAEM;: 음이온 교환막의 내부 저항, R담수: 담수의 내부 저항, RCEM: 양이온 교환막의 내부 저항, R해수: 해수의 내부 저항
또한, 역전기투석 모듈(51)은, 저농도 및 고농도 유입수의 흐름을 위한 유로를 형성하고 각 이온교환막이 서로 접하는 것을 방지하기 위해, 상기 양이온 및 음이온 교환막 사이에 메시 형상을 가지는 스페이서를 삽입한다.
즉, 본 발명의 실시 예에서, 역전기투석 모듈(RED: 151)은 양극 및 음극의 탄소계열의 그라파이트 전극과, 실리콘 고무 재질로써 0.2 mm의 두께를 가지는 가스켓과, 재질로 두께가 0.16 ~ 0.2 mm 인 스페이서와, 전극 용액과 접하는 부분의 이온교환막은 물 투과성이 낮은 Neosepta CMX 이온교환을 포함하고 있으며, 이때 전극 용액은 산화 환원 쌍인 [Fe(CN)6]3-/4- 50 mM 및 Na2SO4 0.5 M로 사용하고, 실내 온도는 22 ~ 25℃로 유지된다. 또한, 하수처리장치에서 배출된 방류수의 전기전도도는 약 2.7~2.8 mS/cm 이다. 또한, 전극에서의 전기화학적 반응을 위해 해수 또는 방류수를 전해질로 사용하여 전류가 생성된다.
한편, 전기화학적 산화 환원 반응이 빠르게 일어나는 산화환원 쌍(redox couple)을 사용 시 전극 반응에서의 에너지 소비 없이 에너지 효율을 크게 높일 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이러한 역전기투석 모듈(RED)에서 고농도 염수 및 방류수의 농도에 따라 생성되는 전기 에너지의 발전 용량의 변화는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 국내 해안가에 위치한 해안가에 인접한 대도시 (인천, 부산, 울산 등)의 하수처리장치에서 시간당 방류하는 방류수 량은 약 20만톤 (204,603 m3/hr)으로 전국 하수처리시설의 방류수량의 50% 이상을 차지하고 있으며, 이러한 방류수를 재이용하여 염분차발전, 일례로 역전기투석발전(reverse electrodialysis, RED)하는 경우 시간당 최대 5만 kW 규모의 발전용량의 전기 에너지 생산이 가능하다.
또한, 제주도에 위치한 동부하수처리장의 경우 시간당 방류수량은 약 6,000 톤으로 염분차 발전의 에너지 잠재량은 약 25만MJ 규모이고, 이때 역전기투석 모듈(RED)로 발전하는 경우 시간당 최대 1,500 kW의 전기에너지가 생산된다.
한편, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 해수에 비하여 그 양이 적은 방류수를 이용하여 염분차 발전을 하는 경우 역전기투석 모듈(RED 스택)에서 배출되는 담수의 일부를 상기 역전기투석 모듈(151)로 반송시켜 부족한 유량을 보완하는 것이 가능하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 역전기투석 모듈(RED 스택) 내에 정체 시간이 길수록 이온의 이동이 많아져 에너지 생산량이 증가할 수 있으나 동시에 이온교환막을 사이로 고농도와 저농도 사이의 염분차가 감소되므로 에너지 밀도는 낮아질 수 있다. 반대로 유량을 높일 경우 출력 밀도는 증가하나 에너지 소모가 증가하여 전체적인 시스템의 효율이 낮아지게 된다.
이에, 상기 발전부(150)는 역전기투석 모듈(151)에서 배출되는 고농도 유출수 및 저농도 유출수의 농도를 토대로 반송비를 설정하고, 설정된 반송비로 상기 고농도 유출수 및 저농도 유출수를 상기 역전기투석 모듈(151)로 반송하는 제어 모듈(153)을 더 포함할 수도 있다.
따라서, 에너지 소모를 줄이고 시스템의 효율을 높이기 위해, 고농도 또는 저농도 영역을 통해 공급된 해수 및 담수의 일부가 역전기투석 모듈(151)로 일부 반송될 경우 유량은 반송 비만큼 증가하는 반면 농도는 발전 효율에 영향을 줄 만큼 크게 변하지 않게 된다.
한편, 본 발명의 실시 예에서 발전부는 역전기투석 모듈을 일례로 설명하고 있으나, 이에 한정하기 아니하고 다양한 발전기를 적용할 수 있다. 즉, 유입된 담수가 분리막을 통해 고농도 염수가 유입된 방으로 넘어가는 삼투압으로 높아진 고농도 염수의 압력과 체적 유량을 터빈을 통해 발전하여 전기 에너지를 생산하는 압력 지연 삼투 모듈로 구비될 수도 있다.
한편, 염분차 기반 발전 장치에서 지하해수의 고농도 염수와 하수처리장치의 방류수를 제공받아 전기 에너지를 생산함에 있어, 생산된 전기 에너지의 출력 밀도는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같다. 도 8는 도 1에 도시된 염분차 기반 발전장치에 적용되는 방류수 및 고농도 염수 및 전극 용액의 유량을 보인 다른 예시도이고, 도 9는 도 1에 도시된 염분차 기반 발전 장치의 방류수 및 지하 해수를 이용한 발전 용량 변화를 보인 다른 예시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 지하해수의 고농도 염수의 유량은 90 mL/min 이고, 방류수의 유량이 55 mL/min이며, 전극 용액의 유량이 150 mL/min 일 때 도 5에 도시된 바와 같이, 1.2W/m2 의 출력 밀도를 가지는 전기 에너지가 생산됨을 알 수 있다.
한편, 제주도의 지하해수 (또는 용암해수)와 제주도 지역에 위치한 하수처리장치의 방류수를 이용한 역전기투석 모듈을 통해 전기가 생성됨을 알 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 염분차 기반 발전 장치는, 해안가와 인접된 공공하수처리시설 및 발전플랜트, 제련 및 제강 플랜트, 우수 집거 시설 및 대형 건물의 중수도 등과 같은 점원 (point source) 에서 저농도로 일정하게 배출되는 방류수인 저농도 유입수와 고농도 유입수인 해수를 이용하여 발전하므로 방류수의 공급이 용이하여 방류수의 공급량을 증가할 수 있고, 유입된 방류수의 공급량에 비례하여 전기 에너지의 발전 용량이 결정되므로 전기 에너지의 필요 목적에 따라 최적의 전기 에너지 생산이 가능하다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.
해안가와 인접된 공공하수처리시설 및 발전플랜트, 제련 및 제강 플랜트등과 같은 점원 (point source) 에서 저농도로 일정하게 배출되는 방류수인 저농도 유입수와 고농도 유입수인 해수를 이용하여 발전하므로 방류수의 공급이 용이하여 방류수의 공급량을 증가할 수 있고, 유입된 방류수의 공급량에 비례하여 전기 에너지의 발전 용량이 결정되므로 전기 에너지의 필요 목적에 따라 최적의 전기 에너지 생산이 가능한 염분차 기반의 발전 장치에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 적용되는 발전 장치 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

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  5. 고농도 염수가 저장되는 고농도 유입수 저장 탱크와, 해안가와 인접된 위치에 마련된 점원으로부터 배출되는 방류수를 저장하는 저농도 유입수 저장 탱크와, 상기 고농도 유입수 및 상기 저농도 유입수의 염분차를 기반으로 발전하여 에너지를 생산하는 발전부를 구비하는 염분차 기반 발전장치에 있어서,
    상기 저농도 유입수는 소정 농도 이하의 저농도로 일정하게 배출되는 방류수를 배출하는 공공하수처리시설, 발전 플랜트, 제련 플랜트, 제강 플랜트, 우수 집거 시설 및 대형 건물의 중수도 중 적어도 하나의 점원(point source)으로부터 공급되며,
    상기 발전부는 역전기투석 모듈을 통해 발전하고,
    상기 발전부는 상기 역전기투석 모듈에서 유출된 고농도 유출수 및 저농도 유출수의 농도를 토대로 고농도 유출수 대 저농도 유출수의 반송비를 설정하고, 상기 설정된 반송비로 상기 고농도 유출수 및 저농도 유출수를 상기 역전기투석 모듈로 반송하여, 상기 역전기투석 모듈로 유입되는 고농도 유입수 및 저농도 유입수의 유량을 증가시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 염분차 기반 발전장치.
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