KR101767221B1 - 염도차 발전시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염수와 담수의 염도차에 따른 삼투작용을 이용하는 염도차 발전시스템을 제공한다. 본 발명에 의한 염도차 발전시스템은 내부에 빈 공간이 형성되며, 적어도 일면이 삼투막으로 밀봉된 부구와, 상기 부구의 내부 공간과 연통하는 담수 분배관과 공기 분배관을 구비하는 유체공급장치와, 상기 부구의 운동에 따라 회전하도록 상기 담수 분배관과 공기 분배관을 통해 상기 부구가 둘레에 결합되는 물레부를 포함하며, 상기 물레부는 동력 발생 장치에 회전 운동을 제공하고, 상기 유체공급장치는 상기 부구가 상기 물레부의 둘레를 회전할 때 하강 운동을 하는 동안에는 상기 담수 분배관을 통해 상기 부구의 내부 공간으로 담수를 유입하고, 상승 운동을 하는 동안에는 상기 공기 분배관을 통해 상기 부구의 내부 공간으로 공기를 유입한다. 본 발명에 따르면, 담수와 염수의 염도차를 이용하여 부력으로부터 동력을 발생하는 시스템으로 부구를 염수 또는 해수 아래로 밀어 넣는데 별도의 동력을 필요로 하지 않으며 상시적으로 발전을 할 수 있는 효과가 있다.

Description

염도차 발전시스템 {Power generator using the salinity gradient}
본 발명은 염도차 또는 염분차 발전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 담수와 염수의 농도차에 의해 발생하는 삼투현상을 이용하여 삼투막을 통해 담수가 염수측으로 이동하고, 이때 빠져나간 담수만큼의 빈 공간에 형성되는 부력으로 물레를 회전시켜 동력을 발생하는 시스템이다.
물을 이용하여 기계적 동력을 얻어 전력을 발생시키는 장치로는 조력발전, 파력발전, 부력발전, 양수발전, 염도차 발전이 있다. 이 중에서 본 발명의 대상이 되는 기술은 부력 발전과 염도차 발전이다.
기존의 부력발전 장치는 가이드레일에 부착된 다수의 부구가 상승과 하강을 반복하면서 생성되는 가이드레일의 회전력을 이용하여 발전하는 기술이다. 기존 부력발전의 가장 큰 문제점은 부구를 수면 아래로 밀어 넣기 위한 동력이 필요하다는 점이다. 이를 해결하고자 수면 아래 밀폐덕트를 설치하여 부력을 받지 않고 부구를 하강시키고자 하는 특허들이 제시되어 있다. 그러나 이 특허들은 부구가 밀폐덕트로부터 물속으로 나오는 순간에 걸리는 압력을 고려하지 않았고, 또한 물이 밀폐덕트로 흘러 들어가는 것을 막을 수 있는 실현 가능한 방법을 제시하지 않았다.
또한, 본 발명과 관련된 염도차 발전기술은 삼투막으로 분리된 모듈에 가압된 고농도 용액과 저농도 용액을 각각 주입하고, 삼투작용에 의해 저농도 용액이 고농도 용액으로 넘어가서 증가된 기수로 터빈을 회전시켜 전력을 생산하는 발전기술이다. 종래 염수와 담수의 농도차를 이용하는 압력지연삼투(Pressure-retarded Osmosis, PRO) 공정은 보통 저농도 용액으로 담수를 이용하고, 고농도 용액으로 염수 또는 해수를 이용한다. 전처리 과정을 거친 담수가 삼투압 차에 의해 삼투막을 통하여 염수측으로 투과되며, 이때 증가한 유량에 의해 형성된 수압으로 터빈을 회전시켜 에너지를 생산하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0031658호. 대한민국 등록특허공보 제10-1034296호
본 발명의 목적은, 염수와 담수의 농도차에 의해 발생되는 삼투현상을 이용하는 것으로, 종래의 압력지연삼투(PRO) 방식과는 달리 삼투작용으로 인하여 형성된 빈 공간에 부력을 발생하고, 발생한 부력을 이용하여 물레를 회전시켜서 발전기를 가동하는 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 물레를 지속적으로 회전시켜서 일정한 전력을 생산할 수 있는 제어부를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 염도차를 이용하여 발전하는 시스템에 있어서, 내부에 빈 공간이 형성되며, 적어도 일면이 삼투막으로 밀봉된 부구와, 상기 부구의 내부 공간과 연통하는 담수 분배관과 공기 분배관을 구비하는 유체공급장치와, 상기 부구의 운동에 따라 회전하도록 상기 담수 분배관과 공기 분배관을 통해 상기 부구가 둘레에 결합되는 물레부를 포함하며, 상기 물레부는 동력 발생 장치에 회전 운동을 제공하고, 상기 유체공급장치는 상기 부구가 상기 물레부의 둘레를 회전할 때 하강 운동을 하는 동안에는 상기 담수 분배관을 통해 상기 부구의 내부 공간으로 담수를 유입하고, 상승 운동을 하는 동안에는 상기 공기 분배관을 통해 상기 부구의 내부 공간으로 공기를 유입하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 유체공급장치는 담수를 공급하는 담수 공급부와, 공기를 공급하는 공기 공급부와, 상기 담수 공급부로부터 담수를 공급받고 상기 공기 공급부로부터 공기를 공급받아 분배하는 분배장치를 구비하며, 상기 담수 분배관과 공기 분배관은 상기 분배장치와 상기 부구 사이를 연결하며, 상기 분배장치에서 분배된 담수와 공기를 상기 부구로 전달한다.
바람직하게는, 상기 분배장치는 상기 부구에 공급되는 담수의 양을 조정하는 담수밸브와, 상기 부구에 공급되는 공기의 양을 조정하는 공기밸브와, 상기 부구가 하강 운동을 하는 동안에는 상기 담수밸브를 개방하고 상기 공기밸브를 폐쇄하며, 상기 부구가 상승 운동을 하는 동안에는 상기 담수밸브를 폐쇄하고 상기 공기밸브를 개방하는 제어부를 구비한다.
바람직하게는, 상기 삼투막은 상기 부구에서 회전 방향의 반대 쪽의 측면에 설치된다. 또한, 상기 부구는 회전 방향 쪽이 유선형의 형상이다.
삭제
상기와 같은 본 발명에 따르면, 담수와 염수의 염도차를 이용하여 부력으로부터 동력 발생하는 시스템으로 부구를 염수 또는 해수 아래로 밀어 넣는데 별도의 동력을 필요로 하지 않으며 상시적으로 발전을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 담수와 공기의 공급을 제어하여 회전을 일정하게 유지함으로써 출력의 변동이 없는 안정된 발전을 할 수 있는 다른 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 염도차 발전시스템이 해수가 저장되어 있는 해수 저장조 내에 설치되어 있는 일 실시예를 도시한 것이다.
도 2 는 유체공급장치의 구성도를 도시한 것이다.
도 3 은 분배장치, 분배관 및 물레부의 구성도를 도시한 것이다.
도 4 는 담수의 공급과 공기의 공급을 제어하는 담수 밸브와 공기 밸브의 개념도를 도시한 것이다.
도 5 는 본 발명에 따른 각 부구의 위치에 따라 담수와 공기를 공급되는 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 6 은 도 5 에 따른 다른 실시예에서 부구 #1의 위치를 기준으로 담수 밸브와 공기 밸브가 개폐를 반복하는 스케줄을 도시한 것이다.
도 7 은 담수 공급과 공기 공급을 제어하는 순서도를 도시한 것이다.
도 8 은 부구와 부구에 연결되는 분배관의 구성도를 도시한 것이다.
도 9a 는 사각형의 형상의 부구의 염수 또는 해수에서의 유동특성을 도시한 것이다.
도 9b 는 유동 방향으로 유선형의 면을 가지는 부구의 염수 또는 해수에서의 유동특성을 도시한 것이다.
도 9c 는 유동 방향으로 반대면이 두 면의 형상인 부구의 염수 또는 해수에서의 유동특성을 도시한 것이다.
도 9d 는 유동 방향으로 반대면이 유선형인 부구의 염수 또는 해수에서의 유동특성을 도시한 것이다.
도 10 은 막오염 제거장치를 더 구비하는 염도차 발전시스템의 또 다른 실시예의 단면도를 도시한 것이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 염도차 발전시스템(100)이 해수(101)가 저장되어 있는 해수 저장조(150) 내에 설치되어 있는 일 실시예를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 염도차 발전시스템(100)은 부구(110)와 유체공급장치(120, 도 2에서 후술)와 물레부(130)와 동력 발생 장치(140)를 구비한다. 부구(110)는 적어도 일면이 삼투막(111)으로 밀봉되어 있다. 삼투막(111)은 반투과성막으로 고농도의 염수와 저농도의 담수를 분리하여 저농도의 담수가 고농도의 염수쪽으로 이동하는 삼투작용이 발생한다. 유체공급장치(120)는 부구(110)가 하강하는 동안에는 부구(110) 내로 담수를 유입하고, 부구(110)가 상승하는 동안에는 부구(110) 내로 공기를 유입한다. 물레부(130)는 부구(110)의 상승 또는 하강 운동을 전달받아 회전 운동을 하며, 동력 발생 장치(140)는 물레부(130)의 회전 운동에 따라 동력을 발생한다. 발생한 동력은 회전력이며, 증속 기어로 구성된 동력 전달 장치에 의해 회전속도와 토크가 증가되어 발전기에 전달되고 전기를 발생시킬 수 있다.
도 2는 유체공급장치(120)의 구성도를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 유체공급장치(120)는 담수를 공급하는 담수 공급부(121)와 공기를 공급하는 공기 공급부(122)와 분배장치(123)와 분배관(124)을 구비한다. 분배장치(123)는 담수 공급부(121)로부터 담수를 공급받고 공기 공급부(122)로부터 공기를 공급받아 분배한다. 분배장치(123)는 물레부(130)내에 구비된다. 분배관(124)은 분배장치(123)와 부구(110, 도1) 사이를 연결하며, 분배장치(123)에서 분배된 담수와 공기를 부구(110, 도1)로 전달하고, 물레부(130, 도1)에 고정된다. 담수 공급부(121)는 담수 저장조(1211)와 담수 펌프(1212), 담수 공급관(1213)을 포함하며, 담수펌프(1212)가 담수 저장조(1211)에 저장되어 있는 담수를 담수 공급관(1213)을 통하여 분배장치(123)로 공급한다. 공기 공급부(122)는 공기 저장조(1221)와 공기 펌프(1222), 공기 공급관(1223)을 포함하며, 공기 펌프(1222)는 공기 저장조(1221)에 저장되어 있는 공기를 공기 공급관(1223)을 통하여 분배장치(123)로 공급할 수 있고, 외부의 공기를 압축하여 공기 공급관(1223)을 통하여 분배장치(123)까지 공급할 수 있다.
도 3은 분배장치(123), 분배관(124) 및 물레부(130)의 구성도를 도시한 것이다. 분배장치(123)는 물레부(130) 내에 구비되며, 분배관(124)은 담수 분배관(1241)과 공기 분배관(1242)을 포함할 수 있으며, 분배관(124)는 분배장치(123)의 외주면에 형성된 담수와 공기를 분배하는 통로에 결합한다. 물레부(130)는 분배장치(123)를 보호하고, 분배관(124)을 고정한다.
도 4는 담수의 공급과 공기의 공급을 제어하는 담수 밸브(125)와 공기 밸브(127)의 개념도를 도시한 것이다. 유체공급장치(120)는 부구(110)에 공급되는 담수의 양을 조정하는 담수밸브(125)와, 부구(110)에 공급되는 공기의 양을 조정하는 공기밸브(127)와, 부구(110)가 하강하는 동안에는 담수밸브(125)를 개방하고 공기밸브(127)를 폐쇄하며 부구(110)가 상승하는 동안에는 담수밸브(125)를 폐쇄하고 공기밸브(127)를 개방하는 제어부(129)를 더 포함한다. 더욱 상세하게는, 도 3에 도시된 바와 같이, 부구(110)는 복수 개일 수 있으며, 각 부구(110)는 회전되는 위치에 따라 담수 밸브(125)와 공기 밸브(127)에 의해 공급이 제어된다. 각 부구(110)와 관련되는 담수 밸브(125)는 부구(110)의 위치에 따라 개폐를 반복하면서 담수의 공급을 제어한다. 또한, 각 부구(110)와 관련된 공기 밸브(127)는 부구(110)의 위치에 따라 개폐를 반복하면서 공기의 공급을 제어한다.
도 5는 본 발명에 따른 각 부구(110)의 위치에 따라 담수와 공기를 공급되는 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 회전하고 있는 부구(110)의 위치에 따라 담수와 공기의 공급을 제어한다. 부구(110)의 위치가 0°인 지점에서 담수가 부구(110) 내로 공급된다. 담수는 중성부력을 만들기 위하여 부구(110) 내 담수면의 위치가 염수 또는 해수면의 위치와 같도록 담수의 공급 유량을 조절한다. 부구(110) 내의 공기는 삼투막(111)을 통하여 부구(110) 밖으로 빠져나간다. 담수로 채워진 부구(110)는 180°인 지점에 도달할 때까지 회전하고, 부구(110)가 180°지점에 도달하면 담수의 공급을 중지한다. 이때 부구(110) 밖의 염수와 부구(110) 내의 담수와의 농도차에 의한 삼투작용에 의하여 부구(110) 내의 담수가 삼투막(111)을 통하여 부구 밖으로 빠져나가기 시작한다. 부구(110) 내의 담수가 빠져나간 만큼 공기의 주입이 시작된다. 공기로 채워진 부구(110)는 부력을 발생시키고, 부구(110)는 부력에 의해 회전한다.
도 6은 도 5에 따른 다른 실시예에서 부구 #1의 위치를 기준으로 담수 밸브(125)와 공기 밸브(127)가 개폐를 반복하는 스케줄을 도시한 것이다. 부구 #1이 180°에 도달하는 순간에 담수 밸브(125)는 폐쇄하고 공기 밸브(127)는 개방한다. 부구 #2는 부구 #1이 135°에 도달하는 수간에 담수 밸브(125)는 폐쇄되고 공기 밸브(127)는 개방한다. 나머지 부구들 또한 도 6의 스케줄을 따른다. 부구 #1의 위치는 엔코더와 같은 위치센서를 이용하여 측정가능하다.
도 7은 부구(110) 내에 공급되는 담수와 공기의 양을 제어하는 순서도를 도시한 것이다. 부구(110)의 위치를 확인하는 단계(S201)로, 부구(100)의 운동이 상승 운동인지 하강 운동인지를 먼저 확인한다. 이후 담수 밸브와 공기 밸브를 조정하는 단계(S202)로, 하강 운동을 하는 경우에는 담수 밸브(125)를 개방하여 부구(110) 내로 담수를 공급하고, 공기 밸브(127)를 폐쇄하여 부구(110) 내로 공기의 공급을 차단한다. 상승 운동을 하는 경우에는 공기 밸브(127)를 개방하여 부구(110) 내로 공기를 공급하고, 담수 밸브(125)를 차단하여 담수의 공급을 차단한다. 부구 내(110) 수압 또는 공기압을 측정하는 단계(S203)로, 부구(110) 내 수압은 수압 센서(126, 도 4)를 이용하여 측정하며, 부구(110) 내 공기압은 공기압 센서(128, 도 4)를 이용하여 측정한다. 이후 측정된 수압 내지 공기압을 미리 설정된 값과 비교하는 단계(S204)로, 부구(110)가 하강 운동을 하는 경우 측정한 수압 또는 공기압의 값을 각 부구(110)의 위치마다 미리 설정된 값과 비교한다. 이후 담수 밸브와 공기 밸브를 재조정하는 단계(S205)로, 측정된 수압이 미리 설정된 수압과 동일하거나 그 이상이면 담수 밸브(125)를 폐쇄하며, 측정된 수압이 미리 설정된 수압 이하인 경우에는 담수 밸브(110)를 개방한다. 부구(110)가 상승 운동을 하는 경우 측정된 공기압이 미리 설정된 공기압과 동일하거나 그 이상이면 공기 밸브(127)를 폐쇄하며, 측정된 공기압이 미리 설정된 공기압 이하인 경우에는 공기 밸브(127)를 개방한다. 이후 다시 부구(110)의 위치를 확인하는 단계(S201)를 반복 실시한다.
도 8은 부구(110) 및 부구(110)에 연결되는 분배관(124)의 구성도를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 부구는 담수 또는 공기를 담을 수 있는 빈 공간이 형성되어 있으며, 담수를 투과시키는 삼투막(111), 삼투막(111)을 지지하는 지지판(112), 부구에 지지판(112)과 삼투막(111)을 고정시키고 누수를 방지하기 위한 고정대(113)를 구비한다. 결합순서는 부구(110)의 개방된 입구에 제1지지판(1121), 삼투막(111), 제2지지판(1122), 고정대(113)의 순서로 결합된다. 삼투막(111)은 부구(110)의 이동시 물의 저항에 의한 삼투압의 손실을 방지하기 위해 부구(110)의 진행방향의 반대면에 설치한다. 분배관(124)은 복수 개일 수 있으며, 담수 분배관(1241)과 공기 분배관(1242)을 포함할 수 있다. 담수 분배관(1241)은 부구(110) 내에 공급되는 담수를 전달하고, 공기 분배관(1242)은 부구(110) 내에 공급되는 공기를 전달함으로써 부구(110)에 담수 공급과 공기 공급의 제어를 용이하게 할 수 있다.
도 9a는 사각형의 형상의 부구의 염수 또는 해수에서의 유동특성을 도시한 것이다. 사각형의 형상인 부구는 부구의 진행방향으로 물의 마찰 저항이 크다. 그러나, 부구의 진행방향으로 반대면이 사각형의 형상인 부구는 평막의 삼투막으로 설치하기 쉽다.
도 9b는 부구의 진행방향으로 유선형의 면을 가지는 부구의 염수 또는 해수에서의 유동특성을 도시한 것이다. 그러나, 부구의 진행방향으로 반대면이 사각형의 형상인 부구는 평막의 삼투막으로 설치하기 쉽다.
도 9c는 부구의 진행방향으로 반대면이 두 면의 형상인 부구의 염수 또는 해수에서의 유동특성을 도시한 것이다. 사각형인 형상인 부구에 비하여 물의 마찰 저항을 줄일 수 있으나, 두 면의 삼투막 설치하여야 한다.
도 9d는 부구의 진행방향으로 반대면이 유선형인 부구의 염수 또는 해수에서의 유동특성을 도시한 것이다. 부구의 진행방향으로 반대면이 유선형인 부구는 물의 마찰 저항을 최소화 하지만 유선형을 따라 삼투막을 설치하여야 한다는 어려움이 있다.
도 10은 막오염 제거장치(160)를 더 구비하는 염도차 발전시스템(100)의 또 다른 실시예의 단면도를 도시한 것이다. 삼투작용으로 인하여 삼투막에 오염물질이 부착될 수 있으며, 그로인하여 삼투막의 삼투작용을 장애가 발생할 수 있다. 막오염 제거장치(160)는 부구(110)가 상승하여 하강하는 시점에서 삼투막(111, 도 1)에 부착된 오염물을 세정하여 염수와 담수간에 발생하는 삼투작용을 용이하게 한다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.
100 : 염도차 발전시스템 110 : 부구
111 : 삼투막 120 : 유체공급장치
121 : 담수 공급부 122 : 공기 공급부
123 : 분배장치 124 : 분배관
125 : 담수 밸브 127 : 공기 밸브
130 : 물레부 140 : 동력 발생 장치
150 : 염수 저장조 160 : 막오염 제거 장치

Claims (10)

  1. 내부에 빈 공간이 형성되며, 적어도 일면이 삼투막으로 밀봉된 부구와,
    상기 부구의 내부 공간과 연통하는 담수 분배관과 공기 분배관을 구비하는 유체공급장치와,
    상기 부구의 운동에 따라 회전하도록 상기 담수 분배관과 공기 분배관을 통해 상기 부구가 둘레에 결합되는 물레부를
    포함하며,
    상기 물레부는 동력 발생 장치에 회전 운동을 제공하고,
    상기 유체공급장치는 상기 부구가 상기 물레부의 둘레를 회전할 때 하강 운동을 하는 동안에는 상기 담수 분배관을 통해 상기 부구의 내부 공간으로 담수를 유입하고, 상승 운동을 하는 동안에는 상기 공기 분배관을 통해 상기 부구의 내부 공간으로 공기를 유입하는 것을 특징으로 하는 염도차 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유체공급장치는
    담수를 공급하는 담수 공급부와,
    공기를 공급하는 공기 공급부와,
    상기 담수 공급부로부터 담수를 공급받고 상기 공기 공급부로부터 공기를 공급받아 분배하는 분배장치를 구비하며,
    상기 담수 분배관과 공기 분배관은 상기 분배장치와 상기 부구 사이를 연결하며, 상기 분배장치에서 분배된 담수와 공기를 상기 부구로 전달하는 것을 특징으로 하는 염도차 발전시스템.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 상기 분배장치는
    상기 부구에 공급되는 담수의 양을 조정하는 담수밸브와,
    상기 부구에 공급되는 공기의 양을 조정하는 공기밸브와,
    상기 부구가 하강 운동을 하는 동안에는 상기 담수밸브를 개방하고 상기 공기밸브를 폐쇄하며, 상기 부구가 상승 운동을 하는 동안에는 상기 담수밸브를 폐쇄하고 상기 공기밸브를 개방하는 제어부를
    구비하는 것을 특징으로 하는 염도차 발전시스템.
  5. 제1항, 제2항, 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 삼투막은 상기 부구에서 회전 방향의 반대 쪽의 측면에 설치되는 것을 특징으로 하는 염도차 발전시스템.
  6. 제1항, 제2항, 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부구는 회전 방향 쪽이 유선형의 형상인 것을 특징으로 하는 염도차 발전시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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