KR102052726B1 - 해양 온도차 발전소 - Google Patents

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앤드류 레크렛
헨리 시베날러
윌리엄 슐츠
러스 크룰
로렌스 제이 사피로
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Abstract

본 발명은 일체형의 다단식 증발기 시스템을 포함하는 제 1 데크부, 일체형의 다단식 응축 시스템을 포함하는 제 2 데크부, 전력 생산 장비를 수용하는 제 3 데크부, 냉각수관, 그리고 냉각수관 연결부로 이루어진 침수부를 포함하는 근해 전력 생산 구조물에 관한 것이다.

Description

해양 온도차 발전소{OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION POWER PLANT}
본 출원은 2010년 1월 21일자로 출원된 미국 가출원 제 61/297,242 호와, 2010년 1월 21일자로 출원된 미국 출원 제 12/691,655 호, 그리고 2010년 1월 21일자로 출원된 미국 출원 제 12/691,663 호를 우선권 주장하고 있다. 상기 종래 기술의 모든 출원의 내용은 전체적으로 본 명세서에 참조로써 인용되고 있다.
본 발명은 해양 온도차 발전소에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 파도의 너울 운동을 최소화한 부유 플랫폼과 다단식 열기관을 갖춘 해양 온도차 발전소에 관한 것이다.
전 세계적으로 에너지 소비와 수요가 기하급수적으로 증가하여 왔다. 특히, 아시아 및 라틴 아메리카와 같은 개발 도상 국가의 경우 이러한 에너지 수요가 지속적으로 상승할 것으로 예상된다. 이와 동시에, 전통적인 에너지 공급원, 다시 말해, 화석 연료의 고갈이 가속화되고 있으며 화석 연료의 개발 비용 또한 지속적으로 상승하고 있다. 환경 우려 및 각종 규제 또한 이러한 문제를 악화시키는 요인이다.
상승 일로에 있는 에너지 수요에 대한 해결책의 일환이 될 수도 있는 대체 에너지 공급원 중 하나로서 태양열 관련 재생 에너지를 들 수 있다. 태양열 관련 재생 에너지가 각광받고 있는 이유는, 화석 연료나, 우라늄, 또는 심지어 "그린(green)" 열 에너지와는 달리, 태양열의 사용과 관련하여서는 기후 변화 위험이 거의 또는 전혀 야기되지 않기 때문이다. 또한, 태양열 관련 에너지는 무료이며 그 양도 매우 풍부하다.
해양 온도차 발전("OTEC(Ocean Thermal Energy Conversion)")은 해양 열대 지역에 저장된 태양열 에너지를 사용하여 재생 에너지를 생성하는 방법이다. 전세계 열대 해양과 바다는 독특한 재생 에너지 자원을 제공한다. 대규모의 열대 지역(대략 북위 20°와 남위 20°사이)에서, 해수면 온도는 거의 일정하게 유지된다. 대략 100ft 깊이까지는 해수면 평균 온도가 계절에 따라 75℉ 내지 85℉ 이상의 사이에서 변화한다. 동일 지역에서, 심층수(2500ft 내지 4200ft 이상의 사이)의 온도는 40℉로 상당히 일정하게 유지된다. 따라서, 열대 지역의 해양 구조물은 대형 규모의 따뜻한 표층수 저장조와, 대형 규모의 차가운 심층수 저장조를 제공하도록 구성되어 있으며, 이러한 따뜻한 해수용 저장조와 차가운 해수용 저장조 사이의 온도차는 35℉ 내지 45℉이다. 이 온도차는 밤낮으로 상당히 일정하게 유지되며, 계절에 따른 변화량도 적은 편이다.
OTEC 공정에서는, 열대 지역의 표층 해수와 심층 해수 사이의 온도차를 이용하여 열 기관을 구동시킴으로써 전기 에너지를 발생시킨다. 이러한 OTEC 발전은 1970년대 말 이미 확인된 바와 같이, 발생 에너지의 탄소 발자국(footprint)이 적은 수준이거나 전혀 없는 가능한 재생 에너지 공급원이다. 그러나, OTEC 발전소는 보다 전통적인 고압 고온 발전소와 비교하여 열역학적 효율이 낮다. 예를 들어, 표층 해수 온도가 80℉ 내지 85℉이며 심층 해수의 온도가 40℉로 일정한 경우, OTEC 발전소의 이상적인 최대 카르노(Carnot) 효율은 7.5% 내지 8%가 된다. 실제 작동 시에, OTEC 전력 생산 시스템의 총 발전 효율은 카르노 한계치의 대략 절반 수준이거나 대략 3.5% 내지 4.0%일 것으로 추정되고 있다. 또한, 1970년대 및 1980년대에 걸쳐 선두적인 조사관들에 의해 수행된 분석 및 1994년 옥스포드 대학(Oxford University) 출판사에서 편찬한, 윌리엄 어베리(William Avery)와 치흐 우(Chih Wu)의 논문 "해양 재생 에너지, OTEC에 관한 안내서(Renewable Energy from the Ocean, a Guide to OTEC)"에서 보여주고 있는 바와 같이, 40℉의 온도차를 이용하여 작동하는 OTEC 발전소에 의해 발생되는 총 전력의 1/4 내지 1/2(또는 그 이상)이 해수 펌프 및 작동 유체 펌프를 작동시키기 위해 소비되어야 하며 또한 발전소의 그외 다른 보조적인 용도의 전력 공급을 위해 소비되어야 한다. 이를 근거로 알 수 있는 바와 같이, 표층 해수에 저장된 열 에너지를 순 전기 에너지로 전환하는 OTEC 발전소의 경우, 전체적으로 낮은 순 효율로 인해, 상업적으로 성공 가능한 에너지 생산 옵션이라 할 수 없었다.
전체 열역학적 효율의 추가적인 감소를 초래하는 또 다른 요인으로서, 정확한 주파수 조절을 위해 필요한 터빈 관련 제어 기능을 제공하지 못하고 있는 점을 들 수 있다. 이로 인해, 따뜻한 해수로부터 축출할 수 있는 일량을 제한하는 터빈 사이클의 압력 손실이 야기된다.
전술한 바와 같은, 고온 고압에서 작동하는 통상적인 열 기관의 효율과 비교하여 낮은 OTEC의 순 효율은, 에너지 플래너(energy planner)로 하여금, OTEC 발전은 보다 전통적인 전력 생산 방법과 경쟁하기에는 가격 경쟁력이 떨어진다는 가설을 폭넓게 유지하여 오게끔 만들었다.
실제로, 따뜻한 물과 차가운 물 사이의 온도차가 비교적 작기 때문에, OTEC 발전소에 있어서는 기생 전력 요건이 특히 중요하다. 따뜻한 해수와 작동 유체 사이의 그리고 차가운 해수와 작동 유체 사이의 열 전달을 최대화하기 위해서는, 높은 유속과 함께, 넓은 열 교환 표면적이 요구된다. 이러한 인자 중 어느 하나만 증가시켜도 OTEC 발전소에 부과되는 기생 부하가 크게 증가할 수 있어, 순 효율이 감소하게 된다. 해수와 작동 유체 사이의 제한된 온도 차 조건 하에서 에너지 전달을 최대화하는 효율적인 열 전달 시스템이야말로 OTEC 발전소의 상업적인 성공 가능성을 증가시키는 요인이다.
외관상 고유의 문제인 큰 기생 부하와 함께 비교적 낮은 효율 외에도, OTEC 발전소의 작동 환경은 설계 및 작동과 관련하여 도전을 받고 있으며, 이 또한 이러한 작업의 상업적인 성공 가능성을 저해하는 요인이 된다. 전술한 바와 같이, OTEC 열 기관에서 필요로 하는 따뜻한 물은 해수면으로부터 100ft 이하의 깊이에서 구할 수 있다. 반면, OTEC 열 기관의 냉각을 위한 일정 온도의 차가운 물은 2700ft 내지 4200ft 이상의 깊이에서 구할 수 있다. 이러한 깊이를 인구 밀집 지역이나 심지어 대륙 가까이에서 찾기는 통상 불가능하며, 따라서, 근해 발전소를 필요로 한다.
발전소를 부유식으로 구성할지 또는 수중의 특징부에 고정되도록 구성할지 여부에 따라 2000ft 이상의 길이가 긴 차가운 물의 흡입관이 필요하게 된다. 또한, 상업적으로 성공성이 있는 OTEC 작동의 경우 필요로 하는 물의 양이 많기 때문에, 차가운 해수 흡입관 또한 직경이 커야 한다(통상, 6ft 내지 35ft 이상). 근해 구조물에 이러한 대구경 관이 매달리는 구조는 안정성, 연결 및 시공 방법에 있어 문제가 될 수 있으며, 전술한 바와 같이, OTEC의 상업적인 성공을 어렵게 만드는 비용 문제를 초래한다.
그 외에도, 동적인 해양 환경에 놓여 있는, 길이 대 직경의 비가 큰 관의 경우, 관의 길이를 따라 해류가 가변적이며 온도차를 겪을 수 있다. 또한, 관을 따라 굽힘 응력 및 와류 발산 문제가 야기될 수도 있다. 그 외에도, 파도 작용과 같은 해수면의 영향으로 인해, 관과 부유 플랫폼 사이의 연결이 어려워질 수도 있다. OTEC 발전소의 상업적 성공 가능성을 증가시키기 위해서는 바람직한 성능, 연결 및 시공 요건을 고려한 차가운 해수 흡입 시스템이 필요하다.
OTEC 발전소와 연관된 환경적인 고려 사항 또한 OTEC 작동을 방해하는 요인이다. 전통적인 방식의 OTEC 시스템은 해양 심층부로부터 영양분이 풍부한 다량의 차가운 해수를 인출하여 이 해수를 해수면이나 그 부근으로 방출하도록 구성되어 왔다. 이러한 해수 방출은 OTEC 발전소 부근의 해양 환경에 긍정적인 영향 뿐만 아니라 악영향을 미칠 수 있어, OTEC 배출수 하강 수류 중에 존재할 수도 있는 물고기떼와 암초에 충격을 줄 수도 있다.
본 발명의 목적은 파도 너울을 최소화한 부유 플랫폼과 다단식 열기관을 갖춘 해양 온도차 발전소를 제공하는 것이다.
본 발명의 태양은 해양 온도차 발전 공정을 사용하는 발전소에 관한 것이다.
본 발명의 추가 태양은 기생 부하가 감소되며 안정성이 증가되고 시공 및 작동 비용이 낮아지며 환경적 이력이 개선된, 전체 효율 증가를 달성하고 있는 근해 OTEC 발전소에 관한 것이다. 그외 다른 태양은 부유 구조물과 일체형으로 형성되는 고체적의 물 도관을 포함한다. 다단식 OTEC 열 기관의 모듈식 구성 및 구획화는 시공 및 유지 관리 비용을 감소시키며, 오프-그리드(off-grid) 작동을 제한하고, 작동 성능을 개선시키는 효과가 있다. 또 다른 태양은 열 교환 격실이 일체형으로 형성된 부유 플랫폼을 제공하며, 파도의 작용으로 인한 플랫폼의 이동을 최소화한다. 일체형 구조의 부유 플랫폼은 또한, 다단식 열 교환기를 통과하는 따뜻한 물 또는 차가운 물의 효율적인 유동을 제공함으로써, 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 기생 전력 수요를 감소시킬 수도 있다. 본 발명의 태양은 적절한 깊이/온도 범위에서의 따뜻한 물 및 차가운 물의 방출에 의해 환경적으로 중립적인 열 이력을 촉진한다. 전기의 형태로 추출되는 에너지는 해양의 체적 온도(bulk temperature)를 감소시킨다.
본 발명의 또 다른 태양은 근해 OTEC 설비와 사용하기 위한 차가운 해수용 관에 관한 것으로, 이러한 차가운 해수용 관은 오프셋 스테이브형의 연속적인 관이다.
일 태양은 외면과, 상단부, 그리고 하단부를 구비한 세장형 관상 구조물을 포함하는 관에 관한 것이다. 이러한 관상 구조물은 복수 개의 제 1 및 제 2 스테이브형 세그먼트를 포함하며, 각각의 스테이브 세그먼트는 상측부와 하측부를 구비하며, 제 2 스테이브 세그먼트의 상측부는 제 1 스테이브 세그먼트의 상측부로부터 오프셋 배치되어 있다.
다른 태양은 관상 구조물의 외면 상의 관의 둘레에 적어도 부분적으로 권선된 리본(ribbon) 또는 스트레이크(strake)를 포함하는 관에 관한 것이다. 이러한 리본 또는 스트레이크는 관의 상측부, 관의 중간부, 그리고 관의 하부의 외면의 둘레에 원주 방향으로 권선될 수 있다. 리본 또는 스트레이크가 관의 전체 길이부 둘레에 원주 방향으로 권선될 수 있다. 리본 또는 스트레이크가 관의 외면에 맞대어 실질적으로 평형해지도록 부착될 수 있다. 리본 또는 스트레이크는 관의 외면으로부터 외측으로 돌출되도록 부착될 수 있다. 리본 또는 스트레이크는 관과 동일한 재료 또는 상이한 재료로 형성될 수 있다. 리본 또는 스트레이크는 관의 외면에 접착제를 이용하여 접합될 수 있으며, 관의 외면에 기계적으로 접합될 수 있고, 또는 관의 외면에 부착되도록 기계적 접합부 및 접착제 접합부의 조합체를 사용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양은 오프셋 스테이브형 관에 관한 것으로, 각각의 스테이브는 인접한 스테이브 세그먼트와 짝을 이루어 정합하기 위한 제 1 측면 상의 텅(tongue)과 제 2 측면 상의 그루브(groove)를 추가로 포함한다. 오프셋 스테이브 관은 일 스테이브의 제 1 측면을 제 2 스테이브의 제 2 측면에 기계적으로 결합하기 위한 능동형 잠금 시스템을 포함할 수 있다. 스테이브는 비스킷(biscuit) 연결부를 사용하여 일 스테이브의 상측부로부터 인접한 스테이브의 하측부로 수직 방향으로 연결될 수 있다. 일 변형예에 있어서, 일 스테이브의 상측부와 일 스테이브의 하측부는 각각 연결 공극을 포함할 수 있으며, 제 1 스테이브의 상측부가 제 2 스테이브의 하측부에 결합되는 경우, 연결 공극이 정렬된다. 이러한 정렬 연결 공극 내로 가요성 수지가 주입될 수 있다. 가요성 수지는 연결 표면의 간극을 채우도록 사용될 수 있다. 본 발명의 태양에 있어서, 가요성 수지는 메타크릴레이트 접착제이다.
본 발명의 개별 스테이브는 소정 길이로 형성될 수 있다. 태양에 따라, 각각의 스테이브 세그먼트는 스테이브의 하측부에서 상측부까지 측정한 20ft 내지 90ft이다. 스테이브 세그먼트는 표준 복합 수송 용기에 의해 선적되는 크기로 형성될 수 있다. 개개의 스테이브 세그먼트는 폭이 10inch 내지 80inch일 수 있다. 각각의 스테이브 세그먼트의 두께는 1inch 내지 24inch일 수 있다.
본 발명의 태양에 있어서, 스테이브 세그먼트는 성형, 압출, 또는 인발 성형될 수 있다. 스테이브 세그먼트는 폴리 염화 비닐(PVC), 폴리 염화 비닐 염화물(CPVC), 섬유 강화 플라스틱(FRP), 강화 폴리머 모르타르(RPMP), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 가교 결합 고밀도 폴리에틸렌(PEX), 폴리부틸렌(PB), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에스테르, 섬유 강화 폴리에스테르, 나일론 강화 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 섬유 강화 비닐 에스테르, 나일론 강화 비닐 에스테르, 콘크리트, 세라믹, 또는 이들 중 하나 이상의 합성물로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 각각의 스테이브 세그먼트는 적어도 하나의 내부 공극을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 공극은 물, 폴리카보네이트 폼(foam), 또는 합성 폼으로 채워질 수 있다.
본 발명의 태양에 있어서, 관은 OTEC 발전소용의 차가운 해수 흡입관이다.
본 발명의 또 다른 태양은 침수부를 포함하는 근해 전력 생산 구조물에 관한 것으로, 침수부는 열 교환부와; 전력 생산부; 그리고 복수 개의 제 1 및 제 2 오프셋 스테이브 세그먼트를 포함하는 차가운 해수용 관을 추가로 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양은 OTEC 발전소에 사용하기 위한 차가운 해수용 관의 형성 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 복수 개의 제 1 및 제 2 스테이브 세그먼트를, 제 2 스테이브 세그먼트가 제 1 스테이브 세그먼트로부터 오프셋 배치되어 연속적인 세장형 튜브를 형성하도록, 제 1 및 제 2 스테이브 세그먼트를 번갈아 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양은 제 1 직경을 갖는 수직 관 수용 베이를 구비한 부유 구조물과; 상기 관 수용 베이의 제 1 직경보다 작은 제 2 직경을 갖는, 상기 관 수용 베이로 삽입되도록 구성되는 수직 관과; 복수 개의 구형 또는 아치형 베어링 표면; 그리고 상기 베어링 표면과 작동 가능한 하나 이상의 이동 가능한 디텐트, 피니언 또는 러그를 포함하는 침수 수직 관 연결부에 관한 것으로, 상기 디텐트는 상기 베어링 표면과 접촉하는 경우 제 1 또는 제 2 직경과 상이한 직경을 형성한다.
본 발명의 추가 태양은 제 1 직경을 갖는 수직 관 수용 베이를 구비한 부유 구조물을 포함하는 침수 수직 관을 부유 플랫폼에 연결하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 상기 제 1 직경보다 작은 제 2 직경을 갖는 상단 부분을 구비한 수직 관을 제공하는 단계와; 상기 수용 베이 내로 상기 수직 관의 상단 부분을 삽입하는 단계와; 상기 수직 관을 지지하기 위한 베어링 표면을 제공하는 단계와; 하나 이상의 디텐트가 상기 제 1 또는 제 2 직경과 상이한 직경을 갖도록 하나 이상의 디텐트를 연장 형성하는 단계; 그리고 상기 수직 관이 상기 부유 구조물에 매달리도록 상기 베어링 표면과 상기 하나 이상의 디텐트를 접촉시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 태양에 있어서, 하나 이상의 디텐트가 수직 관과 일체형으로 형성될 수 있다. 하나 이상의 디텐트는 수용 베이와 일체형으로 형성될 수 있다. 하나 이상의 디텐트는 상기 제 1 직경보다 작은 직경을 형성하는 제 1 후퇴 위치를 포함한다. 하나 이상의 디텐트는 상기 제 1 직경보다 큰 직경을 형성하는 연장 위치를 포함한다. 베어링 표면은 관 수용 베이와 일체형으로 형성되며, 하나 이상의 디텐트와 작동 가능하다. 상기 베어링 표면은 구형 베어링 표면을 포함할 수 있다. 하나 이상의 디텐트는 베어링 표면과 접촉하도록 구성되는 짝을 이루는 표면을 추가로 포함한다. 하나 이상의 디텐트는 구형 베어링 표면과 접촉하도록 구성되는 짝을 이루는 표면을 추가로 포함한다. 구형 베어링 표면과 짝을 이루는 표면은 수직 관과 부유 구조물 사이의 상대 이동을 촉진한다.
또 다른 태양에 있어서, 하나 이상의 디텐트는 제 2 직경보다 큰 직경을 형성하는 제 1 후퇴 위치를 포함한다. 하나 이상의 디텐트는 제 2 직경보다 작은 직경을 형성하는 연장 위치를 포함한다. 베어링 표면은 하나 이상의 디텐트와 작동 가능하며 수직 관과 일체형으로 형성된다.
태양에 따르면, 디텐트를 연장 또는 후퇴 이동시키기 위한 구동부를 포함할 수 있다. 상기 구동부는 유압 제어식 구동부, 공압 제어식 구동부, 기계 제어식 구동부, 전기 제어식 구동부, 또는 전자 기계 제어식 구동부를 포함한다.
추가의 태양은 제 1 각진 관과 짝을 이루는 표면을 구비한 관 수용 베이와; 제 2 각진 관과 짝을 이루는 표면을 포함하는 수직 관을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 각진 관과 짝을 이루는 표면은 수직 관이 관 수용 베이 내로 삽입되는 동안 수직 관을 협동 가능하게 안내하도록 구성된다.
또 다른 태양에 있어서, 테이퍼형 하면을 구비한 수용 베이와, 차가운 해수용 관 리프팅 칼라의 테이퍼형 칼라 표면과 밀봉 가능하게 정합되는 접촉 패드를 포함하는 차가운 해수용 관과 스파의 하부 사이의 정적 계면이 제공된다.
차가운 해수용 관을 스파의 하부에 연결하기 위한 예시적인 일 방법에 있어서, 상기 방법은 테이퍼형 연결 표면을 갖춘 리프팅 칼라를 구비한 차가운 해수용 관의 상부에 리프팅 및 유지 케이블을 연결하는 단계와, 상기 차가운 해수용 관 상부를 수용하기 위한 테이퍼형 표면과 접촉 패드를 포함하는 스파 수용 베이 내로 리프팅 및 유지 케이블을 사용하여 차가운 해수용 관을 잡아당기는 단계와, 상기 차가운 해수용 관의 테이퍼형 연결 표면이 수용 베이의 접촉 패드와 밀봉 가능하게 접촉하도록 하는 단계; 그리고 상기 연결 표면과 접촉 패드 사이의 밀봉 가능한 접촉을 유지하도록 리프팅 케이블을 기계적으로 고정하는 단계를 포함한다.
또 다른 일 태양에 있어서, 차가운 해수용 관은 스파의 하부에 대한 정적 연결을 제공한다. 차가운 해수용 관은 제 1 종방향 부분과 제 2 종방향 부분을 포함한다. 제 1 종방향 부분은 스파의 하부에 연결되며, 제 2 종방향 부분은 제 1 종방향 부분보다 가요성이다. 몇몇 태양에 있어서, 제 3 종방향 부분이 제 2 종방향 부분보다 가요성이 낮은 차가운 해수용 관에 포함될 수 있다. 제 3 종방향 부분은 제 1 종방향 부분보다 가요성일 수 있다. 제 3 종방향 부분은 차가운 해수용 관의 길이의 50% 이상을 포함할 수 있다. 제 1 종방향 부분은 차가운 해수용 관의 길이의 10% 이상을 포함할 수 있다. 제 2 종방향 부분은 차가운 해수용 관의 길이의 1% 내지 30%를 포함할 수 있다. 제 2 종방향 부분은 0.5° 내지 30°의 차가운 해수용 관의 제 3 종방향 부분의 편향을 허용할 수 있다.
본 발명의 또 다른 태양은 최적화된 다단식 열 교환 시스템을 구비한 파도 너울을 최소화한 부유식 OTEC 발전소에 관한 것으로, 따뜻한 물 및 차가운 물 공급 도관과 열 교환기 캐비닛은 발전소의 부유 플랫폼 또는 구조물에 구조적으로 일체형으로 형성된다.
또 다른 태양은 부유식 해양 온도차 발전소를 포함한다. 스파 또는 수정된 반침수 가능한 근해 구조물과 같은 파도 너울을 최소화한 구조물은 구조적으로 일체형의 따뜻한 해수 통로, 다단식 열 교환 표면, 그리고 작동 유체 통로를 구비하는 제 1 데크부를 포함할 수도 있으며, 상기 제 1 데크부는 작동 유체의 증발을 제공한다. 구조적으로 일체형의 차가운 해수 통로, 다단식 열 교환 표면, 그리고 작동 유체 통로를 구비하는 제 2 데크부가 또한 제공되며, 제 2 데크부는 증기를 액체로 작동 유체를 응축시키기 위한 응축 시스템을 제공한다. 제 1 및 제 2 데크부의 작동 유체 통로는 전력 생산을 위해 하나 이상의 증기 터빈 구동식 발전기를 포함하는 제 3 데크부와 연통 관계이다.
일 태양에 있어서, 침수부를 포함하는 근해 전력 생산 구조물이 제공된다. 침수부는 일체형의 다단식 증발기 시스템을 포함하는 제 1 데크부, 일체형의 다단식 응축 시스템을 포함하는 제 2 데크부, 전력 생산 및 변환 장비를 수용하는 제 3 데크부, 차가운 해수용 관, 그리고 차가운 해수용 관의 연결부를 추가로 포함한다.
일 추가 태양에 있어서, 제 1 데크부는 고체적의 따뜻한 온수용 도관을 형성하는 제 1 스테이지의 따뜻한 해수용 구조 통로를 추가로 포함한다. 제 1 데크부는 또한, 작동 유체를 증기로 데우기 위하여 제 1 스테이지의 따뜻한 해수용 구조 통로와 협동하도록 배열되는 제 1 스테이지 작동 유체 통로를 포함한다. 제 1 데크부는 또한, 제 2 스테이지의 따뜻한 해수용 구조 통로에 직접 결합되는 제 1 스테이지의 따뜻한 해수 배출부를 포함한다. 제 2 스테이지의 따뜻한 해수용 구조 통로는 고체적의 따뜻한 해수용 도관을 형성하며, 제 1 스테이지의 따뜻한 해수 배출부에 결합되는 제 2 스테이지의 따뜻한 해수 흡입부를 포함한다. 제 1 스테이지의 따뜻한 해수 배출부와 제 2 스테이지의 따뜻한 해수 흡입부 장치는 제 1 및 제 2 스테이지 사이의 따뜻한 해수의 유동에 있어서의 압력 손실을 최소화한다. 제 1 데크부는 또한, 작동 유체를 증기로 데우기 위하여 제 2 스테이지의 따뜻한 해수용 구조 통로와 협동하도록 배치되는 제 2 스테이지 작동 유체 통로를 포함한다. 제 1 데크부는 또한, 제 2 스테이지의 따뜻한 해수 배출부를 포함한다.
일 추가 태양에 있어서, 침수부는 고체적의 차가운 해수용 도관을 형성하는 제 1 스테이지의 차가운 해수용 구조 통로를 구비한 제 2 데크부를 추가로 포함한다. 제 1 스테이지의 차가운 해수용 통로는 제 1 스테이지의 차가운 해수 흡입부를 추가로 포함한다. 제 2 데크부는 또한, 제 1 데크부의 제 1 스테이지 작동 유체 통로와 연통 관계의 제 1 스테이지 작동 유체 통로를 포함한다. 제 1 스테이지의 차가운 해수용 구조 통로와 협동하는 제 2 데크부의 제 1 스테이지 작동 유체 통로는 작동 유체를 액체로 냉각시킨다. 제 2 데크부는 또한, 고체적의 차가운 해수용 도관을 형성하는 제 2 스테이지의 차가운 해수용 구조 통로에 직접 결합되는 제 1 스테이지의 차가운 해수 배출부를 포함한다. 제 2 스테이지의 차가운 해수용 구조 통로는 제 2 스테이지의 차가운 해수 흡입부를 추가로 포함한다. 제 1 스테이지의 차가운 해수 배출부와 제 2 스테이지의 차가운 해수 흡입부는 제 1 스테이지의 차가운 해수 배출부로부터 제 2 스테이지의 차가운 해수 흡입부로의 차가운 해수의 유동에 있어서의 압력 손실을 최소화하도록 배열된다. 제 2 데크부는 또한, 제 1 데크부의 제 2 스테이지 작동 유체 통로와 연통 관계의 제 2 스테이지 작동 유체 통로를 포함한다. 제 2 스테이지의 차가운 해수용 구조 통로와 협동하는 제 2 스테이지 작동 유체 통로는 제 2 스테이지 작동 유체 통로 내부의 작동 유체를 액체 상태로 냉각시킨다. 제 2 데크부는 또한, 제 2 스테이지의 차가운 해수 배출부를 포함한다.
또 다른 일 태양에 있어서, 제 3 데크부는 제 1 및 제 2 증기 터빈을 포함할 수도 있으며, 제 1 데크부의 제 1 스테이지 작동 유체 통로는 제 1 터빈과 연통 관계이며, 제 1 데크부의 제 2 스테이지 작동 유체 통로는 제 2 터빈과 연통 관계이다. 제 1 및 제 2 터빈은 하나 이상의 발전기에 결합될 수 있다.
또 다른 태양에 있어서, 4단 증발부, 4단 응축부, 4단 전력 생산부, 차가운 해수용 관 연결부, 그리고 차가운 해수용 관으로 구성되는 침수부를 포함하는 근해 전력 생산 구조물이 제공된다.
일 태양에 있어서, 4단 증발부는 제 1 스테이지 열 교환 표면, 제 2 스테이지 열 교환 표면, 제 3 스테이지 열 교환 표면, 그리고 제 4 스테이지 열 교환 표면을 구비한 따뜻한 해수용 도관을 포함한다. 따뜻한 해수용 도관은 침수부의 수직 구조 부재를 포함한다. 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 열 교환 표면은 작동 유체 도관의 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스테이지 부분과 협동한다. 작동 유체 도관을 통해 유동하는 작동 유체는 각각의 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스테이지 부분에서 증기 상태로 가열된다.
일 태양에 있어서, 4단 응축부는 제 1 스테이지 열 교환 표면, 제 2 스테이지 열 교환 표면, 제 3 스테이지 열 교환 표면, 그리고 제 4 스테이지 열 교환 표면을 구비한 차가운 해수용 도관을 포함한다. 차가운 해수용 도관은 침수부의 수직 구조 부재를 포함한다. 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 열 교환 표면은 작동 유체 도관의 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스테이지 부분과 협동한다. 작동 유체 도관을 통해 유동하는 작동 유체는, 각각의 연속 스테이지에서의 ΔT가 점차 낮아지는 상태로, 각각의 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스테이지 부분에서 증기 상태로 가열된다.
또 다른 일 태양에 있어서, 증발부의 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스테이지 작동 유체 도관은 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 증기 터빈과 연통 관계이다. 증발부의 제 1 스테이지 작동 유체 도관은 제 1 증기 터빈과 연통 관계이며, 응축부의 제 4 스테이지 작동 유체 도관에 대해 배기 작용을 수행한다.
또 다른 일 태양에 있어서, 증발부의 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스테이지 작동 유체 도관은 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 증기 터빈과 연통 관계이다. 증발부의 제 2 스테이지 작동 유체 도관은 제 2 증기 터빈과 연통 관계이며, 응축부의 제 3 스테이지 작동 유체 도관에 대해 배기 작용을 수행한다.
또 다른 일 태양에 있어서, 증발부의 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스테이지 작동 유체 도관은 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 증기 터빈과 연통 관계이다. 증발부의 제 3 스테이지 작동 유체 도관은 제 3 증기 터빈과 연통 관계이며, 응축부의 제 2 스테이지 작동 유체 도관에 대해 배기 작용을 수행한다.
또 다른 일 태양에 있어서, 증발부의 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스테이지 작동 유체 도관은 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 증기 터빈과 연통 관계이다. 증발부의 제 4 스테이지 작동 유체 도관은 제 4 증기 터빈과 연통 관계이며, 응축부의 제 1 스테이지 작동 유체 도관에 대해 배기 작용을 수행한다.
또 다른 추가의 일 태양에 있어서, 제 1 발전기는 제 1 터빈, 제 4 터빈 또는 제 1 및 제 4 터빈의 조합체에 의해 구동된다.
또 다른 추가의 일 태양에 있어서, 제 2 발전기는 제 2 터빈, 제 3 터빈 또는 제 2 및 제 3 터빈의 조합체에 의해 구동된다.
본 발명의 추가 태양은 아래의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 4 터빈 또는 제 2 및 제 3 터빈이 90MW 내지 60MW의 전력을 생산한다. 제 1 및 제 2 터빈이 대략 55MW의 전력을 생산한다. 제 1 및 제 2 터빈이 해양 온도차 발전소의 복수 개의 터빈-발전기 세트 중 하나를 형성한다. 제 1 스테이지의 따뜻한 해수 흡입부는 제 2 스테이지의 차가운 해수 배출부와 간섭하지 않는다. 제 1 스테이지의 차가운 해수 흡입부는 제 2 스테이지의 따뜻한 해수 배출부와 간섭하지 않는다. 제 1 또는 제 2 스테이지 작동 유체 통로 내부의 작동 유체는 시판되고 있는 냉매를 포함한다. 작동 유체는 암모니아, 프로필렌, 부탄, R-134 또는 R-22를 포함한다. 제 1 및 제 2 스테이지 작동 유체 통로의 작동 유체는 12℉ 내지 24℉ 사이에서 온도가 증가한다. 제 1 작동 유체가 제 1 스테이지 작동 유체 통로를 통과하여 유동하며, 제 2 작동 유체가 제 2 스테이지 작동 유체 통로를 통과하여 유동한다. 제 2 작동 유체는 제 1 작동 유체가 제 1 증기 터빈에 들어갈 때의 온도보다 낮은 온도로 제 2 증기 터빈에 들어간다. 제 1 및 제 2 스테이지 작동 유체 통로의 작동 유체는 12℉ 내지 24℉ 사이에서 온도가 감소한다. 제 1 작동 유체는 제 1 스테이지 작동 유체 통로를 통과하여 유동하며, 제 2 작동 유체는 제 2 스테이지 작동 유체 통로를 통과하여 유동한다. 제 2 작동 유체는 제 1 작동 유체가 제 2 데크부에 들어갈 때의 온도보다 낮은 온도로 제 2 데크부에 들어간다.
본 발명의 추가 태양은 또한, 아래의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제 1 또는 제 2 스테이지의 따뜻한 해수용 구조 통로 내부에서 유동하는 온수는 따뜻한 해수, 지열을 이용하여 가열된 물, 태양열을 이용하여 가열된 저장조 물, 가열된 산업용 냉각수, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 이러한 온수는 500,000gpm 내지 6,000,000gpm의 유량으로 유동한다. 온수가 5,440,000gpm의 유량으로 유동할 수도 있다. 온수가 300,000,000lb/hr 내지 1,000,000,000lb/hr의 유속으로 유동할 수도 있다. 온수가 2,720,000lb/hr의 유속으로 유동할 수도 있다. 제 1 또는 제 2 스테이지의 차가운 해수용 구조 통로 내부에서 유동하는 냉수는 차가운 해수, 차가운 담수, 차가운 지하수, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 이러한 냉수는 250,000gpm 내지 3,000,000gpm의 유량으로 유동한다. 냉수가 3,420,000gpm의 유량으로 유동할 수도 있다. 냉수가 125,000,000lb/hr 내지 1,750,000,000lb/hr의 유속으로 유동할 수도 있다. 냉수가 1,710,000lb/hr의 유속으로 유동할 수도 있다.
본 발명의 태양은 또한, 아래의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 근해 구조물은 파도 너울을 최소화한 구조물이다. 근해 구조물은 보유 스파 구조물이다. 근해 구조물은 반침수 가능한 구조물이다.
본 발명의 또 다른 추가 태양은 해양 온도차 발전소에 사용하기 위한, 고체적, 저속 열 교환 시스템을 포함할 수 있으며, 상기 시스템은 제 1 스테이지 캐비닛, 그리고 제 1 스테이지 캐비닛에 결합된 제 2 스테이지 캐비닛을 포함하며, 상기 제 1 스테이지 캐비닛은 작동 유체와의 열 교환을 위한 제 1 물 유동 통로 및 제 1 작동 유체 통로를 구비하고, 상기 제 2 스테이지 캐비닛은 작동 유체와의 열 교환을 위한 제 2 물 유동 통로 및 제 2 작동 유체 통로를 구비하고, 상기 제 2 물 유동 통로는 제 1 물 유동 통로로부터 제 2 물 유동 통로로 유동하는 물의 압력 강하를 최소화하는 방식으로 제 1 물 유동 통로에 결합되어 있다. 제 1 및 제 2 스테이지 캐비닛은 발전소의 구조 부재를 포함한다.
일 태양에 있어서, 물은 제 1 스테이지 캐비닛으로부터 제 2 스테이지 캐비닛으로 유동하며, 제 2 스테이지 캐비닛은 증발기의 제 1 스테이지 캐비닛 아래에 위치한다. 다른 태양에 있어서, 물은 제 1 스테이지 캐비닛으로부터 제 2 스테이지 캐비닛으로 유동하며, 제 2 스테이지 캐비닛은 응축기의 제 1 스테이지 캐비닛 위쪽으로 증발기의 제 1 스테이지 캐비닛 아래에 위치한다.
본 발명의 태양은 아래의 특징 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 연속적인 오프셋 스테이브형의 차가운 해수용 관은 세그먼트형 파이프 구성보다 가볍다. 연속적인 오프셋 스테이브형의 차가운 해수용 관은 세그먼트형 관보다 마찰 손실이 적다. 개개의 스테이브는 OTEC 발전소 작동 장소로의 이송이 용이한 크기로 형성될 수 있다. 스테이브는 소망하는 부력 특성을 나타내도록 구성될 수 있다. OTEC 전력 생산은 에너지 생산을 위한 연료비를 거의 또는 전혀 필요로 하지 않는다. OTEC 열 기관에서 채용되는 저압 및 저온에 의하면, 구성 요소의 비용을 감소시킬 수 있으며, 고압 고온 발전소에 사용되는 고비용 외래 재료와 비교하여 평범한 재료를 필요로 하고, 발전소의 신뢰성이 시판되고 있는 냉매 시스템과 견줄만한 수준으로, 상당한 유지 관리 비용 없이 수년 동안 연속적으로 작동할 수 있으며, 고압 고온 발전소와 비교하여 시공 시간이 짧고, 환경적으로 안전한 작동 및 전력 생산을 가능하게 한다. 추가적인 장점에는, 전통적인 OTEC 시스템과 비교하여 증가된 순 효율, 보다 낮은 희생 전기 부하, 따뜻한 해수 및 차가운 해수용 통로에서의 압력 강하 감소, 모듈식 구성 요소, 오프-그리드 생산 횟수 감소, 파도 작용에 대한 민감성 감소 및 너울 운동의 최소화, 수면 아래에서의 차가운 해수의 배출, 차가운 해수 배출부와의 간섭 없이 이루어지는 따뜻한 해수의 흡입이 포함될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 세부 구성이 아래의 설명 및 첨부 도면을 참조하여 기술된다. 본 발명의 그외 다른 특징, 목적 및 장점이 상세한 설명 및 도면 그리고 특허청구범위로부터 분명해질 것이다.
본 발명에 따르면, 전력 생산 뿐만 아니라 담수화, 정수, 심층수 재생, 수경 재배, 바이오매스 또는 바이오 연료의 생산 및 그외 다른 산업적 용도로 사용될 수 있는 해양 온도차 발전소를 제공할 수 있다.
도 1에는 종래 기술에 따른 예시적인 OTEC 열 기관이 도시되어 있다.
도 2에는 종래 기술에 따른 예시적인 OTEC 발전소가 도시되어 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 OTEC 구조가 도시되어 있다.
도 3A에는 본 발명에 따른 OTEC 구조가 도시되어 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 OTEC 구조물의 오프셋 스테이브형(offset staved) 관이 도시되어 있다.
도 5에는 본 발명에 따른 오프셋 스테이브 패턴의 상세 이미지가 도시되어 있다.
도 6에는 본 발명에 따른 오프셋 스테이브형의 차가운 해수용 관이 단면도로 도시되어 있다.
도 7A 내지 도 7C에는 본 발명에 따른 다양한 스테이브가 각각 도시되어 있다.
도 8에는 본 발명의 개별 스테이브의 텅 앤 그루브(tongue and groove) 장치가 도시되어 있다.
도 9에는 본 발명에 따른 두 개의 스테이브 사이의 능동형 스냅 잠금부가 도시되어 있다.
도 10에는 본 발명에 따른 보강 스트레이크(strake)가 합체되어 있는 오프셋 스테이브형의 차가운 해수용 관이 도시되어 있다.
도 11에는 본 발명에 따른 차가운 해수용 관의 시공 방법이 도시되어 있다.
도 12에는 종래 기술에 따른 짐벌식(gimbaled) 관 연결부의 일 예가 도시되어 있다.
도 13에는 본 발명에 따른 차가운 해수용 관 연결부가 도시되어 있다.
도 14에는 본 발명에 따른 차가운 해수용 관 연결부가 도시되어 있다.
도 15에는 본 발명에 따른 차가운 해수용 관 연결 방법이 도시되어 있다.
도 16에는 본 발명에 따른 가요성의 차가운 해수용 관에 대한 차가운 해수용 관 연결부가 도시되어 있다.
도 17에는 본 발명에 따른 차가운 해수용 관 연결부가 도시되어 있다.
도 18에는 본 발명에 따른 리프팅 칼라(lifting collar)를 구비한 차가운 해수용 관이 도시되어 있다.
도 19에는 본 발명에 따른 일 태양이 절개 사시도로 도시되어 있다.
도 20에는 본 발명에 따른 열 교환기 데크가 평면도로 도시되어 있다.
도 21에는 본 발명에 따른 캐비닛 열 교환기가 도시되어 있다.
도 22A에는 통상적인 열 교환 사이클이 도시되어 있다.
도 22B에는 캐스케이드형 다단식 열 교환 사이클이 도시되어 있다.
도 22C에는 하이브리드 캐스케이드형 다단식 열 교환 사이클이 도시되어 있다.
도 22D에는 증발기 압력 강하와 전력 생산과의 관계가 도시되어 있다.
도 23A 및 도 23B에는 본 발명에 따른 예시적인 OTEC 열 기관이 도시되어 있다.
다양한 도면에 걸쳐 동일한 도면 부호는 특별한 지시가 없는 한 동일한 구성 요소를 지시한다.
본 발명은 해양 온도차 발전(OTEC) 기술을 사용한 전력 생산에 관한 것이다. 본 발명의 태양은, 이전의 OTEC 발전소를 능가하는, 감소된 기생 부하, 증강된 안정성, 보다 적은 시공 및 작동 비용, 그리고 개선된 환경 이력과 함께 전체 효율이 개선된 부유식 OTEC 발전소에 관한 것이다. 다른 태양은 이러한 부유식 구조물과 일체형의 고체적의 해수 도관을 포함한다. 다단식 OTEC 열 기관의 모듈식 구성 및 구획화는 시공 및 유지 관리 비용을 감소시키며, 오프-그리드(off-grid) 작동을 제한하고, 작동 성능을 개선시키는 효과가 있다. 또 다른 태양은 열 교환 격실이 일체형으로 형성된 부유식 플랫폼을 제공하며, 파도의 작용으로 인한 플랫폼의 이동을 최소화한다. 일체형 구조의 부유식 플랫폼은 또한, 다단식 열 교환기를 통한 따뜻한 해수 또는 차가운 해수의 효율적인 유동을 제공함으로써, 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 기생 전력 수요를 감소시킬 수도 있다. 본 발명의 태양은 적절한 깊이/온도 범위에서의 따뜻한 해수 및 차가운 해수 방출에 의해 중립적인 열 이력(thermal footprint)을 촉진한다. 전기의 형태로 추출되는 에너지는 해양의 체적 온도(bulk temperature)를 감소시킨다.
OTEC는 지구의 해양에 저장되는 태양으로부터의 열 에너지를 사용하여 전기를 생성하는 공정이다. OTEC는 온도가 상대적으로 더 높은 표층 해수와 온도가 상대적으로 더 낮은 심층 해수 사이의 온도차를 활용한다. 통상적으로, 이러한 온도차는 적어도 36℉(20℃)이다. 이러한 온도 조건은 대략 남회귀선과 북회귀선 사이의 또는 북위 20° 내지 남위 20° 사이의 열대 지역에서 나타난다. OTEC 공정은, 따뜻한 표층 해수가 열원으로서의 역할을 하며 차가운 심층 해수가 히트 싱크(heat sink)로서의 역할을 하는 방식으로, 온도차를 사용하여 랭킨 사이클(Rankine cycle) 발전을 실현하게 된다. 랭킨 사이클 터빈이 발전기를 구동시켜 전력이 생산된다.
도 1에는, 따뜻한 해수 유입구(12), 증발기(14), 따뜻한 해수 유출구(15), 터빈(16), 차가운 해수 유입구(18), 응축기(20), 차가운 해수 유출구(21), 작동 유체 도관(22), 그리고 작동 유체 펌프(24)를 포함하는, 전형적인 OTEC 랭킨 사이클 열 기관(10)이 도시되어 있다.
작동 시에, 열 기관(10)은 다수의 작동 유체 중 어느 하나, 예를 들어, 암모니아와 같은 시판 냉매를 사용할 수 있다. 그외 다른 작동 유체로서, 프로필렌, 부탄, R-22 및 R-134a를 예로 들 수 있다. 그외 다른 시판 냉매가 사용될 수 있다. 대략 75℉ 내지 85℉ 이상의 따뜻한 해수가 따뜻한 해수 유입구(12)를 통해 해수면으로부터 또는 해수면 바로 아래로부터 뽑아 내어진 다음, 증발기(14)를 통과하는 암모니아 작동 유체의 온도를 상승시키도록 작용하게 된다. 암모니아는 대략 9.3atm의 증기 압력으로 증발하게 된다. 이렇게 얻어진 증기는 작동 유체 도관(22)을 따라 터빈(16)으로 운반된다. 암모니아 증기가 터빈(16)을 통과하면서 팽창됨에 따라, 발전기(25)를 구동시키기 위해 필요한 동력이 생산된다. 이후, 암모니아 증기는 응축기(20)로 들어가게 되며, 이곳에서 대략 3000ft 깊이의 해양 심층부로부터 뽑아 내어진 차가운 해수에 의해 액체 상태로 냉각된다. 응축기로 들어가는 차가운 해수의 온도는 대략 40℉이다. 응축기(20) 내부에서 온도가 대략 51℉인 암모니아 작동 유체의 증기 압력은 6.1atm이다. 따라서, 상당한 압력차가 터빈(16)을 구동시켜 전력을 생산하도록 이용 가능하다. 암모니아 작동 유체가 응축됨에 따라, 작동 유체 펌프(24)에 의해 액상의 작동 유체가 작동 유체 도관(22)을 통해 증발기(14) 내부로 다시 펌핑된다.
도 1의 열 기관(10)은, OTEC가 상이한 작동 유체를 사용하며 보다 낮은 온도 및 압력에서 이루어진다는 차이점을 제외하고는, 기본적으로 대부분의 증기 터빈의 랭킨 사이클과 동일하다. 도 1의 열 기관(10)은 또한, 열원(예를 들어, 따뜻한 해수)과 저온 히트 싱크(예를 들어, 심층 해수)가 전력 생산을 위해 사용되도록 OTEC 사이클이 반대로 운영되는 점을 제외하고는, 시판되고 있는 냉매 장치와 유사하다.
도 2에는, 선박이나 플랫폼(210), 따뜻한 해수 유입구(212), 따뜻한 해수용 펌프(213), 증발기(214), 따뜻한 해수 유출구(215), 터빈-발전기(216), 차가운 해수용 관(217), 차가운 해수 유입구(218), 차가운 해수용 펌프(219), 응축기(220), 차가운 해수 유출구(221), 작동 유체 도관(22), 작동 유체 펌프(224), 그리고 관 연결부(230)를 포함하는, 전형적인 부유식 OTEC 설비(200)의 구성 요소가 도시되어 있다. OTEC 설비(200)는 또한, 발전, 변환 및 동력 전달용 시스템, 추진 장치, 반동 추진 엔진(thruster), 또는 계류(mooring) 시스템과 같은 위치 제어 시스템 뿐만 아니라 다양한 보조 시스템 및 지지 시스템(예를 들어, 숙박 시설, 비상 전원, 휴대용 급수 시설, 폐수 처리 시설, 소화 설비, 손상 조절 설비, 예비 부력 설비, 그리고 그외 다른 일반적인 선상 또는 해상 시스템)을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2의 기본적인 열 기관 및 시스템을 사용하는 OTEC 발전소의 구현시 전체 효율은 3% 이하로 비교적 낮다. OTEC 발전소의 경우 열 효율이 낮기 때문에, OTEC 작동을 위해서는 발생 전력 1킬로와트당 상당 체적의 해수를 발전 시스템을 통과하여 유동시켜야만 한다. 이에 따라, 증발기 및 응축기에 열 교환 표면적이 큰 대형 열 교환기를 제공할 필요가 있다.
이러한 상당 체적의 해수 및 넓은 열 교환 표면적은 따뜻한 해수용 펌프(213) 및 차가운 해수용 펌프(219)의 상당히 높은 펌핑 용량을 필요로 하여, 기지가 육상에 있는 시설에 대한 분배 용도로 또는 선상에서의 산업적 용도로 이용 가능한 순 전력을 감소시킨다. 또한, 대부분의 해상 선박의 경우 공간이 제한되어 있기 때문에, 이러한 상당 체적의 해수의 증발기나 응축기로의 이송 및 증발기나 응축기를 통한 유동을 촉진하기가 쉽지 않다. 실제로, 해수의 체적이 높을 경우 대구경 관 및 도관이 필요하다. 이러한 구조물을 제한된 공간에 설치하기 위해서는 기타 다른 기계 부품을 수용할 수 있도록 여러 번에 걸쳐 구조물을 구부리는 과정을 필요로 한다. 또한, 전형적인 해상 선박이나 구조물에서 나타나는 이러한 공간상 제약으로 인해 OTEC 발전소의 효율을 최대화하기 위해 필요한 넓은 열 교환 표면적을 달성하기가 쉽지 않다. 따라서, OTEC 시스템 및 선박이나 플랫폼은 전통적으로 크기가 크고 비싸다. 이러한 이유로, 보다 높은 온도 및 압력 조건을 사용하는 기타 다른 에너지 생산 사양과 비교하여, OTEC 작동이 고비용, 저수율 에너지 생산 사양을 나타낸다는 업계의 판단이 도출되어 왔다.
본 발명의 태양은 OTEC 작동 효율을 개선하며 시공 및 작동 비용을 줄이기 위한 기술적인 도전을 표명하는 것이다.
선박이나 플랫폼(210)은 차가운 해수용 관(217)과 선박이나 플랫폼(210) 사이의 동적인 힘을 최소화하며 플랫폼이나 선박 내부의 OTEC 장비에 관한 무해한 작동 환경을 제공할 수 있도록 이동이 적어야 한다. 이러한 선박이나 플랫폼(210)은 또한, 차가운 해수 및 따뜻한 해수 유입구(218, 212)를 통과하는 소정 체적의 흐름을 지지함으로써, 적절한 레벨의 OTEC 공정 효율을 보장하기에 충분한 양의 따뜻한 해수 및 차가운 해수가 도입될 수 있도록 구성되어야 한다. 선박이나 플랫폼(210)은 또한, 해양 표층으로의 열의 재순환을 방지하기 위하여, 선박이나 플랫폼(210)의 수선(waterline) 바로 아래의 차가운 해수 및 따뜻한 해수 유출구(221, 215)를 통한 차가운 해수 및 따뜻한 해수의 방출이 가능하도록 구성되어야 한다. 추가적으로, 선박이나 플랫폼(210)은 전력 생산 작동이 방해받는 일 없이 열악한 날씨에도 견딜 수 있어야 한다.
OTEC 열 기관(10)은 효율 및 전력 생산을 최대화하기 위해 상당히 효율적인 열 사이클을 사용하여야 한다. 증발 및 응축 공정에서의 열 전달 뿐만 아니라 열 교환기의 재료 및 설계 구조에 따라 따뜻한 해수 일 파운드당 추출될 수 있는 에너지의 양이 제한된다. 증발기(214)와 응축기(220)에 사용되는 열 교환기는 기생 부하를 최소화하기 위한 낮은 수두 손실(head loss)과 함께 상당히 높은 따뜻한 해수 및 차가운 해수 유량을 필요로 한다. 열 교환기는 또한, 효율 증강을 위해 높은 열 전달 계수를 갖추어야 한다. 이러한 열 교환기는 효율 증강을 위해 따뜻한 해수 및 차가운 해수 유입구 온도에 맞춰질 수도 있는 재료 및 설계 구조로 구성될 수도 있다. 이러한 열 교환기 설계 구조는 비용 및 체적 감소를 위해 최소한도의 재료만을 사용하는 간단한 시공 방법을 사용하여 달성될 수 있어야 한다.
터보 발전기(216)는 내부 손실을 최소화하는 한편 상당히 효율적이어야 하며, 효율 증강을 위해 특정 작동 유체용으로 맞춤형으로 형성될 수도 있다.
도 3에는 이전의 OTEC 발전소의 효율을 증대시키며 직면한 많은 기술적인 도전들을 극복할 수 있는 본 발명의 일 실시 형태가 도시되어 있다. 이러한 실시 형태는 선박이나 플랫폼용 스파(spar)를 포함하며, 열 교환기 및 연관된 따뜻한 해수 및 차가운 해수 배관이 스파와 일체형으로 형성되어 있다.
OTEC 스파(310)는 OTEC 발전소와 사용하기 위한 일체형 구성 요소인 다단식 열 교환 시스템을 수용한다. 스파(310)는 수선(305) 아래의 침수부(311)를 포함한다. 침수부(311)는 따뜻한 해수 흡입부(340), 증발부(344), 따뜻한 해수 배출부(346), 응축부(348), 차가운 해수 흡입부(350), 차가운 해수용 관(351), 차가운 해수 배출부(352), 그리고 기계 부품 데크부(354)를 포함한다. 데크 하우스(360)는 스파의 정상에 설치되어, 전기 조차장, 보조 및 비상 기계 부품 및 시스템, 보트 취급 장비, 그리고 사무실, 숙박 시설, 통신 센터 및 조종실과 같은 유인 공간을 수용한다.
도 3A에는 따뜻한 해수 흡입부(340), 따뜻한 해수 펌프실(341), 적층형 증발부(344), 터빈 발전기(349), 적층형 응축부(348), 차가운 해수 흡입부(350), 그리고 차가운 해수용 펌프실(351)을 포함하는 본 발명에 따른 예시적인 기계 부품 레이아웃이 도시되어 있다.
작동 시에, 75℉ 내지 85℉의 따뜻한 해수가 따뜻한 해수 흡입부(340)를 통해 뽑아 내어진 다음, 도시하지 않은 일체형 구조의 따뜻한 해수용 도관을 통해 스파 하방으로 유동한다. OTEC 열 기관의 상당 체적의 해수 유동 요건으로 인해, 따뜻한 해수용 도관은 해수를 500,000gpm 내지 6,000,000gpm의 유량으로 증발부(344)로 보내도록 구성된다. 이러한 따뜻한 해수용 도관의 직경은 6ft 내지 35ft 이상의 범위이다. 이러한 크기로 형성됨에 따라, 따뜻한 해수용 도관은 스파(310)의 수직 구조 부재를 형성하게 된다. 따뜻한 해수용 도관은 스파(310)를 수직 방향으로 지지하기에 충분한 강도를 갖춘 대구경 관의 형태로 형성될 수 있다. 대안으로서, 따뜻한 해수용 도관이 스파(310)와 일체형으로 구성되는 통로일 수도 있다.
이후, 따뜻한 해수는 작동 유체가 증기 상태로 가열하기 위해 하나 이상의 적층형 다단식 열 교환기가 수용되어 있는 증발기(344)를 통과하여 유동한다. 따뜻한 해수는 이어서, 따뜻한 해수 배출부(346)를 통해 스파(310)로부터 배출된다. 따뜻한 해수 배출부는, 환경적 충격을 최소화할 수 있도록 배출되는 따뜻한 해수의 온도와 대략 동일한 온도의 열을 내재한 해수 층의 깊이에, 또는 이러한 해수 층에 가까운 깊이에 위치할 수도 있으며, 또는 따뜻한 해수용 배출관을 통해 이러한 깊이로 보내질 수 있다. 따뜻한 해수 배출부는 따뜻한 해수 흡입부 또는 차가운 해수 흡입부와의 열의 재순환이 발생하지 않도록 하기에 충분한 깊이에 마련될 수 있다.
온도가 대략 40℉인 차가운 해수가 차가운 해수용 관(351)을 통해 2500ft 내지 4200ft 이상의 범위의 깊이에서 뽑아 내어진다. 이렇게 해서 얻어진 차가운 해수는 차가운 해수 흡입부(350)를 통해 스파(310)로 유입된다. OTEC 열 기관의 상당 체적의 해수 유동 요건으로 인해, 차가운 해수 도관은 해수를 500,000gpm 내지 3,500,000gpm의 범위의 유량으로 응축부(348)로 보내도록 구성된다. 이러한 차가운 해수 도관의 직경은 6ft 내지 35ft 이상의 범위이다. 이러한 크기로 형성됨에 따라, 차가운 해수 도관은 스파(310)의 수직 구조 부재를 형성하게 된다. 차가운 해수 도관은 스파(310)를 수직 방향으로 지지하기에 충분한 강도를 갖춘 대구경 관의 형태로 형성될 수 있다. 대안으로서, 차가운 해수 도관이 스파(310)와 일체형으로 구성되는 통로일 수도 있다.
이후, 차가운 해수는 적층형의 다단식 응축부(348)로 상방으로 유동하여, 이곳에서 작동 유체를 액체 상태로 냉각시키도록 사용된다. 차가운 해수는 이어서, 차가운 해수 배출부(352)를 통해 스파(310)로부터 배출된다. 차가운 해수의 배출는, 배출되는 차가운 해수의 온도와 대략 동일한 온도의 열을 내재한 해수 층의 깊이에, 또는 이러한 해수 층에 가까운 깊이에 위치할 수도 있으며, 또는 차가운 해수용 배출관을 통해 이러한 깊이까지 보내질 수 있다. 차가운 해수 배출는 따뜻한 해수 흡입부 또는 차가운 해수 흡입부와의 열의 재순환이 발생하지 않도록 하기에 충분한 깊이로 보내질 수 있다.
기계 부품 데크부(354)가 증발부(344)와 응축부(348)의 사이에 수직 방향으로 배치될 수 있다. 증발부(344)의 아래에 기계 부품 데크부(354)를 배치함으로써 거의 직선 경로로 따뜻한 해수가 흡입부로부터 다단식 증발기를 통과하여 배출부로 유동할 수 있다. 또한, 응축부(348)의 위에 기계 부품 데크부(354)를 배치함으로써, 거의 직선 경로로 차가운 해수가 흡입부로부터 다단식 응축기를 통과하여 배출부로 유동할 수 있다. 기계 부품 데크부(354)는 터보 발전기(356)를 포함한다. 작동 시에, 증발부(344)로부터 나온, 증기 상태로 가열된 고온 작동 유체가 하나 이상의 터보 발전기(356)로 유동하게 된다. 작동 유체가 터보 발전기(356)에서 팽창됨에 따라, 전력 생산을 위한 터빈의 구동이 이루어진다. 작동 유체는 이후, 응축부(348)로 유동하여, 이곳에서 액체 상태로 냉각된 다음 증발부(344)로 펌핑된다.
열 교환기의 성능은 유체 사이의 유효 온도차 뿐만 아니라 열 교환기 표면에서의 열 전달 계수에 의해 영향을 받는다. 열 전달 계수는 일반적으로, 열 전달 표면을 가로지르는 유체의 유속에 따라 변한다. 유속이 높을수록 높은 펌핑력을 필요로 하여, 발전소의 순 효율이 감소하게 된다. 하이브리드 캐스케이드형 다단식 열 교환 시스템(hybrid cascading multi-stage heat exchange system)은 유속 감소 및 발전소 효율 상승을 촉진한다. 적층형 하이브리드 캐스케이드 열 교환 설계 구조는 또한, 열 교환기를 통한 압력 강하 감소를 촉진한다. 또한, 수직형 발전소의 설계 구조는 전체 시스템에 걸친 압력 강하 감소를 촉진한다. 하이브리드 캐스케이드 다단식 열 교환 시스템은, 전체 내용이 본 명세서에 참조로써 인용되고 있는, 2010년 1월 21일자로 출원된, "해양 온도차 발전소(Ocean Thermal Energy Conversion Plant)"를 제목으로 하는 미국 특허 출원 제 12/691,663 호(대리인 문서 번호 제 25667-0004001 호)에 설명되어 있다.
차가운 해수용 관
전술한 바와 같이, OTEC 작동은 일정한 온도의 차가운 해수 공급원을 필요로 한다. 냉각수의 온도 변화는 OTEC 발전소의 전체 효율에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 2700ft 내지 4200ft 이상의 범위의 깊이로부터 대략 40℉의 온도의 해수가 뽑아 내어진다. 이렇게 뽑아 내어진 해수를 OTEC 발전소에 사용되는 해수면으로 보내기 위해서는 길이가 긴 흡입관이 필요하다. 적당한 성능 및 내구성을 갖춘 관의 시공 비용으로 인해 이러한 차가운 해수용 관은 상업적으로 성공 가능한 OTEC 작동에 방해가 되어 왔다.
적당한 성능 및 내구성을 갖춘 관의 시공 비용으로 인해 이러한 차가운 해수용 관은 상업적으로 성공 가능한 OTEC 작동에 방해가 되어 왔다. OTEC는, 전력 생산에 있어서의 최대 효율을 보장하기 위해서는, 소망하는 온도의 상당 체적의 해수를 필요로 한다. OTEC 작동용으로 특화된 이전의 차가운 해수용 관 설계 구조에는 구획화된 구성이 포함되어 왔다. 충분한 길이가 달성될 때까지 원통형 관 섹션이 함께 직렬로 볼트 체결되거나 기계적으로 연결되어 왔다. 관 섹션의 조립은 발전소 설비 부근에서 수행되어 왔으며, 이후 시공 완료된 관은 위 아래가 뒤집힌 상태로 설치되었다. 이러한 접근법은 그러나, 관 섹션 사이의 연결 지점에서의 응력 및 피로를 포함하는 상당한 결함을 드러내었다. 또한, 연결부 장비가 전체 관 중량에 추가됨으로써, 관 섹션 연결부 및 완전히 조립된 CWP와 OTEC 플랫폼이나 선박 사이의 연결부에 있어서 응력 및 피로 문제와 관련하여 보다 복잡한 사항들을 고려하여야만 한다.
차가운 해수용 관("CWP(Cold Water Pipe)")은 2700ft 내지 4200ft 이상의 사이의 범위의 해양 심층부에 마련된 차가운 해수 저장조로부터 해수를 뽑아내도록 사용된다. 차가운 해수는 발전소 터빈으로부터 방출되는 증기 상태의 작동 유체를 액체 상태로 냉각 및 응축시키도록 사용된다. CWP와 선박이나 플랫폼과 CWP 사이의 연결부는 관 중량에 의해 부과되는 정적 부하 및 동적 부하와, 100년 호우 심도에 이르는 파도 및 수류 부하가 걸리는 경우의 관과 플랫폼의 상대 운동, 그리고 해수 펌프 흡입에 의해 야기되는 붕괴 하중을 견딜 수 있도록 구성된다. CWP는 낮은 항력 손실로 필요한 해수 유동을 처리할 수 있는 크기로 형성되며, 해수에서의 부식 저항 및 내구성을 갖춘 재료로 구성된다.
차가운 해수용 관의 길이는 해수의 온도가 대략 40℉인 깊이로부터 해수를 뽑아 내야하는 필요에 따라 정해진다. CWP의 길이는 2000ft 내지 4000ft 이상 사이의 범위일 수 있다. 본 발명의 태양에 있어서, 차가운 해수용 관의 길이는 대략 3000ft일 수 있다.
CWP의 직경은 발전소 크기 및 해수 유동 요건에 의해 결정된다. 관을 통과하는 해수의 유량은 소망하는 출력 및 OTEC 발전소 효율에 의해 결정된다. CWP는 500,000gpm 내지 3,500,000gpm 이상 사이의 범위의 유량으로 선박이나 플랫폼의 차가운 해수용 도관으로 차가운 해수를 운반할 수 있다. 차가운 해수용 관의 직경은 6ft 내지 35ft 이상 사이의 범위일 수 있다. 본 발명의 태양에 있어서, CWP의 직경은 대략 31ft이다.
OTEC 작동용으로 특화된 이전의 차가운 해수용 관의 설계 구조에는 구획화된 구성이 포함되어 왔다. 충분한 길이가 달성될 때까지 10ft 내지 80ft 범위의 길이의 원통형 관 섹션이 함께 직렬로 볼트 체결되거나 기계적으로 연결되어 왔다. 다수의 원통형 관 섹션을 사용함으로써, CWP의 조립은 발전소 설비 부근에서 수행되어 왔으며, 이후 시공 완료된 관은 위 아래가 뒤집힌 상태로 설치되었다. 이러한 접근법은 그러나, 관 섹션 사이의 연결 지점에서의 응력 및 피로를 포함하는 상당한 결함을 드러내었다. 또한, 연결부 장비가 전체 관 중량에 추가됨으로써, 관 섹션 연결부 및 완전히 조립된 CWP와 OTEC 플랫폼이나 선박 사이의 연결부에 있어서 응력 및 피로와 관련하여 보다 복잡한 사항들을 고려하여야만 한다.
도 4를 참조하면, 연속적인 오프셋 스테이브형의 차가운 해수용 관이 도시되어 있다. 차가운 해수용 관(451)은, 오프셋 스테이브 구성을 사용하는 대신, 이전의 CWP 설계 구조에서와 같은 구획 연결부를 포함하지 않는다. CWP(451)는 부유식 OTEC 플랫폼(411)의 침수부와의 연결을 위한 상단 부분(452)을 포함한다. 상단부(452)의 반대쪽은 하단 부분(454)으로서, 밸러스트(ballast) 시스템, 정착 시스템, 및/또는 흡입 스크린을 포함할 수 있다.
CWP(451)는 실린더를 형성하도록 구성되는 복수 개의 오프셋 스테이브(offset stave)를 포함한다. 일 태양에 있어서, 복수 개의 오프셋 스테이브는 다수의 제 1 스테이브(465)와 다수의 제 2 스테이브(467)가 번갈아 형성되어 구성될 수 있다. 각각의 제 1 스테이브는 상측 가장자리(471)와 하측 가장자리(472)를 포함한다. 각각의 제 2 스테이브는 상측 가장자리(473)와 하측 가장자리(474)를 포함한다. 일 태양에 있어서, (제 2 스테이브 부분(467)의) 상측 가장자리(473)가 (제 1 스테이브 부분(465)의) 상측 가장자리(471)로부터 수직 방향으로 3% 내지 97% 범위의 변위로 이격되도록 제 2 스테이브(467)는 인접한 제 1 스테이브 부분(465)으로부터 수직 방향으로 오프셋 배치된다. 다른 태양에 있어서, 인접한 스테이브 사이의 오프셋 거리는 대략 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50% 또는 그 이상일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 태양에 따른 오프셋 스테이브 패턴의 세부도이다. 이 패턴은 각기 상측 가장자리 부분(471), 하측 가장자리 부분(472), 연결 가장자리(480), 그리고 오프셋 가장자리(478)를 구비하는 다수의 제 1 스테이브(465)를 포함한다. 이러한 패턴은 또한, 각기 상측 가장자리 부분(473), 하측 가장자리 부분(474), 연결 가장자리(480), 그리고 오프셋 가장자리(479)를 구비하는 다수의 제 2 스테이브(467)를 포함한다. 차가운 해수용 관의 형성 시에, 연결 가장자리(480)의 길이는, 상측 가장자리(471)로부터 하측 가장자리(472)까지 측정한 경우, 제 1 스테이브 섹션(465)의 길이의 대략 3% 내지 97%가 되도록 제 1 스테이브 섹션(465)이 제 2 스테이브 섹션(467)에 연결된다. 일 태양에 있어서, 연결 가장자리(480)는 스테이브의 길이의 대략 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85% 또는 90%이다.
완전히 시공된 관의 경우, 제 1 스테이브(465)가 연결 가장자리(480)를 따라 제 2 스테이브(467)에 연결될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 제 1 스테이브(465)는 또한, 추가의 제 1 스테이브 부분, 추가의 제 2 스테이브 부분, 또는 그외 다른 스테이브 부분을 포함하는 추가 스테이브에 오프셋 가장자리(478)를 따라 연결될 수 있다. 유사하게, 제 2 스테이브(467)는 연결 가장자리(480)를 따라 제 1 스테이브 부분에 연결될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 제 2 스테이브(467)는 또한, 추가의 제 1 스테이브 부분, 추가의 제 2 스테이브 부분, 또는 그외 다른 스테이브 부분을 포함하는 추가 스테이브에 오프셋 가장자리(479)를 따라 연결될 수 있다.
태양에 따라, 다수의 제 1 스테이브(465)와 다수의 제 2 스테이브(467) 사이의 연결 가장자리(480)는 관의 원주면을 중심으로 각각의 스테이브에 대한 스테이브 길이의 일정 백분율 또는 일정 길이로 형성될 수 있다. 다수의 제 1 스테이브(465)와 다수의 제 2 스테이브(467) 사이의 연결 가장자리(480)는 차가운 해수 관(451)의 종 방향 축선을 따라 각각의 스테이브에 대한 스테이브 길이의 일정 백분율 또는 일정 길이로 형성될 수 있다. 또 다른 태양에 있어서, 연결 가장자리(480)는 번갈아 배치된 제 1 스테이브(465)와 제 2 스테이브(467)의 사이에서 길이가 변할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 스테이브(465)와 제 2 스테이브(467)는 동일한 치수를 갖는다. 태양에 따라, 제 1 스테이브(465)는 30inch 내지 130inch 이상의 범위의 폭과, 30ft 내지 60ft의 범위의 길이, 그리고 1inch 내지 24inch의 범위의 두께로 형성될 수 있다. 일 태양에 있어서, 스테이브의 치수는 폭이 대략 80inch이며, 길이가 40ft이고, 두께가 4inch 내지 12inch 일 수 있다. 대안으로서, 제 1 스테이브(465)의 폭 또는 길이가 제 2 스테이브(467)의 폭 또는 길이와 상이할 수 있다.
도 6은 번갈아 배치된 제 1 스테이브(465)와 제 2 스테이브(467)를 보여주는, 차가운 해수용 관(451)의 단면도이다. 각각의 스테이브는 내면(485)과 외면(486)을 포함한다. 인접한 스테이브가 연결 표면(480)을 따라 연결되어 있다. 단일 스테이브의 양 측면 상의 두 개의 연결 표면은 각도(α)를 이룬다. 각도(α)는 360°를 스테이브의 총 개수로 나눈 값으로 결정된다. 일 태양에 있어서, 각도(α)는 1° 내지 36°의 범위일 수 있다. 일 태양에 있어서, 각도(α)는 16개의 스테이브로 이루어진 관의 경우 22.5°일 수 있으며, 또는 32개의 스테이브로 이루어진 관의 경우 11.25°일 수 있다.
차가운 해수용 관(451)의 개개의 스테이브는 폴리 염화 비닐(PVC), 폴리 염화 비닐 염화물(CPVC), 섬유 강화 플라스틱(FRP), 강화 폴리머 모르타르(RPMP), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 가교 결합 고밀도 폴리에틸렌(PEX), 폴리부틸렌(PB), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리우레탄, 폴리에스테르, 섬유 강화 폴리에스테르, 나일론 강화 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 섬유 강화 비닐 에스테르, 나일론 강화 비닐 에스테르, 콘크리트, 세라믹, 또는 이들 중 하나 이상의 합성물로 형성될 수 있다. 개개의 스테이브는 표준 제조 기술을 사용하여 성형, 압출, 또는 인발 성형될 수 있다. 일 태양에 있어서, 개개의 스테이브는 소망하는 형상 및 형태로 인발 성형되며, 섬유 또는 나일론 강화 비닐 에스테르를 포함한다. 비닐 에스테르는 켄터키주 코빙톤(Kentucky, Covington) 소재 아쉬랜드 케미컬(Ashland Chemical)사에 의해 시판되고 있다.
일 태양에 있어서, 스테이브는 적당한 접착제를 사용하여 인접한 스테이브에 접합된다. 가요성 이음부 및 균일한 관 성능을 제공하도록 가요성 수지가 사용될 수 있다. 본 발명의 태양에 있어서, 강화 비닐 에스테르를 포함하는 스테이브는 비닐 에스테르 수지를 사용하여 인접한 스테이브에 접합된다. 메사츠세츠주 댄버(Massachusetts, Danver) 소재 플레식스 스트럭쳐럴 어드히시브(Plexis Structural Adhesive)사에 의해 제조되고 있는 상품명 MA560-1과 같은 메타크릴레이트 접착제가 또한 사용될 수 있다.
도 7A 내지 도 7C를 참조하면, 개별 스테이브(465)가 상측 가장자리(471), 하측 가장자리(472), 그리고 하나 이상의 공극(475)을 포함하는 다양한 스테이브 구성이 도시되어 있다. 공극(475)은 중공형으로, 물이 채워질 수 있으며, 수지가 채워질 수 있으며, 접착제가 채워질 수 있고, 또는 유리 기포 강화 플라스틱(syntactic foam)과 같은 발포 재료가 채워질 수 있다. 유리 기포 강화 플라스틱은 수지와 크기가 작은 유리 비드(bead)로 이루어진 매트릭스(matrix) 형태의 물질이다. 비드는 중공형 또는 중실형일 수 있다. 공극(475)의 충전 상태가 스테이브 및/또는 차가운 해수용 관(451)의 부력에 영향을 미칠 수 있다. 도 7A에는 단일 공극(475)이 도시되어 있다. 일 태양에 있어서, 도 7B에 도시된 바와 같이, 다수의 공극(475)이 스테이브의 길이를 따라 균일한 간격으로 배치될 수 있다. 일 태양에 있어서, 도 7C에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 공극(475)이 스테이브의 일 단부측으로, 예를 들어, 하측 가장자리(472) 측으로 배치될 수 있다.
도 8을 참조하면, 각각의 개별 스테이브(465)는 상측 가장자리(471), 하측 가장자리(472), 제 1 종방향 측면(491), 그리고 제 2 종방향 측면(492)을 포함할 수 있다. 일 태양에 있어서, 종방향 측면(491)은 텅(tongue)(493)과 같은 연결 부재를 포함한다. 연결 부재는, 선택적으로, 비스킷(biscuit), 반턱 이음부(half-lap joint), 또는 그외 다른 연결 구조를 포함할 수 있다. 제 2 종방향 측면(492)은 홈(494)과 같은 짝을 이루는 연결 표면을 포함한다. 사용 시에, 제 1 스테이브의 제 1 종방향 측면(491)이 제 2 스테이브의 제 2 종방향 측면(492)과 짝을 이루거나 연결된다. 도시하지는 않았지만, 텅 앤드 그루브(tongue and groove)와 같은 연결 구조 또는 그외 다른 구조가, 일 스테이브를 종방향으로 인접한 스테이브에 연결하기 위해, 상측 가장자리(471)와 하측 가장자리(472)에 사용될 수 있다.
본 발명의 태양에 있어서, 제 1 종방향 측면은 제 2 종방향 측면(492)과 짝을 이루어 정합하기 위한 능동형 스냅 잠금식(positive snap lock) 연결부(491)를 포함할 수 있다. 능동형 스냅 잠금식 연결부 또는 스냅 잠금식 연결부는 전체 내용이 본 명세서에 참조로써 인용되고 있는 미국 특허 제 7,131,242 호에 개괄적으로 설명되어 있다. 능동형 스냅 잠금부는 텅(493)의 전체 길이에 걸쳐 마련될 수도 있으며, 또는 텅(493)의 일부분에만 마련될 수도 있다. 이러한 텅(493)은 스냅 리벳(snap rivet)을 포함할 수 있다. 텅(493)이 스냅 잠금 구조를 포함하는 경우, 홈(494)을 포함하는 제 2 종방향 측면 상에 적절한 수용 구조가 마련됨을 알 수 있을 것이다.
도 9에는 수형(male) 부분(970)이 칼라(collar)(972)를 포함하는 예시적인 능동형 스냅 잠금 시스템이 도시되어 있다. 수형 부분(970)은 오목한 칼라 장착부(977)를 포함하는 수용부(975)와 기계적으로 정합된다. 사용 시에, 칼라 부분(972)이 오목한 칼라 장착부(977)와 정합하도록 수형 부분(970)이 수용부(975) 내로 삽입된다. 이 경우, 수형 부분(970)의 삽입은 허용되지만, 수형 부분의 해제 또는 회수는 방지된다.
두 개의 스테이브형 부분을 함께 기계적으로 잠금 결합하도록 오프셋 스테이브식 관의 스테이브형 부분 사이에 능동형 스냅 잠금 이음부가 사용될 수 있다. 능동형 스냅 잠금 이음부는 수지 또는 접착제와 조합하여 또는 단독으로 사용될 수 있다. 일 태양에 있어서, 능동형 스냅 잠금 이음부와 조합하여 가요성의 수지가 사용된다.
도 10에는 번갈아 배치되는 제 1 스테이브(465)와 제 2 스테이브(467)를 포함하며, 차가운 해수용 관(451)의 외면의 적어도 일부를 덮고 있는 나선형으로 권선된 리본(497)을 추가로 포함하는 오프셋 스테이브 구성을 갖는 차가운 해수용 관(451)이 도시되어 있다. 태양에 따라, 상기 리본이 차가운 해수용 관(451)의 하측부(454)로부터 차가운 해수용 관(451)의 상측부(452)로 연속적으로 형성된다. 다른 태양에 있어서, 리본(497)은 해수가 차가운 해수용 관(451)을 지나쳐 이동함으로 인해 와류 발산을 경험하게 되는 관(451)의 부분에만 제공된다. 이러한 리본(497)은 차가운 해수용 관(451)을 반경 방향 및 종방향으로 지지하는 역할을 한다. 리본(497)은 또한, 차가운 해수용 관을 따라 진동이 발생하는 것을 방지하며 해류 작용으로 인한 와류 발산을 감소시키는 역할을 한다.
리본(497)은 차가운 해수용 관(451)의 개별 스테이브와 동일한 두께 및 폭으로 형성될 수 있으며, 또는 개별 스테이브의 폭의 2배, 3배, 4배 이상의 두께 및 10배에 이르는(예를 들어, 2배, 3배, 4배, 5배, 6배, 7배, 8배, 9배 또는 10배) 폭으로 형성될 수 있다.
리본(497)은 차가운 해수용 관의 외면 상에, 이 외면을 따라 실질적으로 평평한 상태로 놓여 지도록 장착될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 리본(497)은 차가운 해수용 관(451)의 외면으로부터 외측으로 돌출되어 나선형으로 권선된 스트레이크(strake)를 형성할 수 있다. 본 발명의 태양에 있어서, 리본 또는 스트레이크(497)의 다양한 부분에 핀(fin), 블레이드(blade) 또는 포일(foil)이 부착될 수 있다. 이러한 핀은 차가운 해수용 관의 일부의 둘레에 나선형으로 권선되거나 차가운 해수용 관의 전체 길이에 걸쳐 나선형으로 권선되는 형태로 형성될 수 있다. 핀은, 차가운 해수용 관에 의해 야기되는 와류 조건을 방지하기 위하여, 소정 개수로 스트레이크를 중심으로 각도를 이루며 마련될 수 있다. 몇몇 태양에 있어서, 핀은 관 표면으로부터 관 직경의 1/32 내지 1/3의 범위(예를 들어, 관 직경의 대략 1/32, 관 직경의 대략 1/16, 관 직경의 대략 1/8, 관 직경의 대략 1/7, 관 직경의 대략 1/6, 관 직경의 대략 1/5, 관 직경의 대략 1/4, 그리고 관 직경의 대략 1/3)의 거리로 돌출될 수 있다.
리본(497)은, 폴리 염화 비닐(PVC), 폴리 염화 비닐 염화물(CPVC), 섬유 강화 플라스틱(FRP), 강화 폴리머 모르타르(RPMP), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 가교 결합 고밀도 폴리에틸렌(PEX), 폴리부틸렌(PB), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리우레탄, 폴리에스테르, 섬유 강화 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 강화 비닐 에스테르, 콘크리트, 세라믹, 또는 이들 중 하나 이상의 합성물을 포함하는, 차가운 해수 관(451)을 형성하는 다수의 스테이브의 재료와 호환 가능한 어느 적당한 재료로 형성될 수 있다. 리본(497)은 표준 제조 기술을 사용하여 성형, 압출, 또는 인발 성형될 수 있다. 일 태양에 있어서, 리본(497)은 소망하는 형상 및 형태로 인발 성형되며, 차가운 해수용 관(451)의 스테이브에 사용되는 바와 유사한 섬유 또는 나일론 강화 비닐 에스테르를 포함한다. 리본(497)은 적당한 접착제 또는 전술한 재료 중 어느 하나의 수지를 포함하는 수지를 사용하여 차가운 해수용 관(451)에 연결될 수 있다.
몇몇 태양에 있어서, 리본(497)은 차가운 해수용 관(451)의 길이를 따라 비연속적으로 형성된다. 몇몇 태양에 있어서, 리본(497)은 차가운 해수용 관(451)의 원주면을 중심으로 비연속적으로 형성된다. 몇몇 태양에 있어서, 리본(497)은 차가운 해수용 관(451)의 외면에 고착되는 수직 방향 스트립(strip)을 포함한다. 몇몇 태양에 있어서, 반경 방향 또는 그외 다른 방향으로의 구조적 지지가 필요한 경우, 리본(497)이 차가운 해수 관의 외면의 둘레에 마련되는 원주 방향 지지 부재의 역할을 수행할 수 있다.
리본(497)은 적당한 가요성 접착제를 사용하여 차가운 해수용 관의 외면에 접착제를 이용하여 접합되거나 고착될 수 있다. 일 태양에 있어서, 리본(497)은 다수의 능동형 스냅 잠금부를 사용하여 차가운 해수용 관(451)의 외면에 기계적으로 결합될 수 있다.
도 11을 참조하면, 차가운 해수용 관의 조립을 위한 예시적인 방법을 통해 차가운 해수용 관(451)의 효율적인 이송 및 조립이 이루어진다. 전술한 바와 같은 소망하는 오프셋 간격을 갖도록 제 1 및 제 2 스테이브 부분을 번갈아 정렬하는 단계(1110)에 의해 수직 방향의 원통형 관 섹션이 조립된다. 이후, 제 1 및 제 2 스테이브 부분을 연결하는 단계(1120)에 의해 원통형 관 섹션이 형성된다. 오프셋 배치되는 제 1 및 제 2 스테이브는 각종 연결 방법 중 어느 하나를 사용하여 연결될 수 있다. 일 태양에 있어서, 다수의 오프셋 배치되는 제 1 및 제 2 스테이브 부분이 텅 앤드 그루브 장치 및 가요성 접착제를 사용하여 연결된다. 일 태양에 있어서, 다수의 제 1 및 제 2 스테이브형 부분이 기계적인 능동형 스냅 잠금부를 사용하여 연결된다. 텅 앤드 그루브 조합체, 스냅 잠금 기구, 그리고 가요성 접착제가 사용될 수 있다.
오프셋 배치되는 제 1 및 제 2 스테이브 부분을 구비한 원통형 관 섹션을 형성하도록 다수의 제 1 및 제 2 스테이브 부분을 연결하는 단계(1120)가 완료된 후, 원통형 관 섹션에 구속 밴드, 팽창형 슬리브 또는 그외 다른 지그(jig)를 부착하는 단계(1122)를 수행함으로써, 관 섹션을 지지할 수 있으며 안정성을 부여할 수 있다. 상기 다수의 오프셋 배치되는 제 1 및 제 2 스테이브 부분의 정렬 단계(1110) 및 연결 단계(1120)의 반복 수행 단계(1124)를 거쳐 소정 개수의 조립식 원통형 관 섹션이 형성될 수 있다. 원통형 관 섹션이 OTEC 발전소 설비에서 또는 원거리에서 사전 제작된 다음, 완전히 조립된 차가운 해수 관(451)을 형성하기 위한 추가적인 구성 작업을 위해 OTEC 발전소 설비로 운반될 수도 있음을 알 수 있을 것이다.
오프셋 스테이브를 구비한 적어도 두 개의 원통형 관 섹션이 조립됨에 따라, 상부 및 하부 원통형 관 섹션의 연결 단계(1126)가 수행되어, 각각의 관 섹션의 오프셋 스테이브가 정렬된다. 이러한 상부 및 하부 원통형 관 섹션의 오프셋 스테이브의 맞대기 이음부(butt joint)에 가요성 접착제를 도포하는 단계(1130)가 수행될 수 있다. 두 개의 관 섹션의 스테이브가 비스킷 연결부를 포함하는 각종 단부 맞대기 이음부를 사용하여 연결될 수 있다. 일 태양에 있어서, 상부 및 하부 원통형 관 부분의 오프셋 스테이브에는 정렬 연결 공극이 마련될 수 있으며, 이러한 공극은 가요성 접착제로 채워질 수 있다.
관 섹션 사이의 또는 개별 스테이브 사이의 간극 및 이음부에 가요성 수지를 추가로 충전하는 단계(1132)가 수행될 수 있다. 두 개의 관 섹션이 연결되고 수지가 도포되고 나면, 경우에 따라, 두 개의 관 섹션의 경화 단계(1134)가 이루어질 수 있다.
이후, 하부 관 섹션으로부터 구속 밴드가 제거되고 나선형으로 권선된 스트레이크가 하부 관 섹션에 부착되는 단계(1136)가 수행된다. 나선형으로 권선된 스트레이크는 접착제 접합이나, 능동형 스냅 잠금부와 같은 기계적 접합, 또는 접착제와 기계적 접합의 조합 방법을 사용하여 부착될 수 있다.
이러한 조립 방법의 일 태양에 있어서, 나선형 스트레이크가 하부 관 섹션에 부착된 후, 전체 관 조립체가 이동될 수 있어, 예를 들어, 하강 이동될 수 있어(단계(1138)), 이전의 상부 관 부분이 새로운 하부 관 부분이 된다. 이후, 새로운 상부 원통형 관 섹션이 전술한 바와 유사한 방식으로 조립된다(단계(1140)). 다시 말해, 제 1 및 제 2 스테이브 부분이 소망하는 오프셋 배치를 달성하도록 정렬된다(단계(1142)). 이어서, 제 1 및 제 2 스테이브 부분을 연결하는 단계(1144)가 수행되어 새로운 원통형 관 섹션, 예를 들어, 새로운 상부 관 섹션이 형성된다. 전술한 바와 같이, 차가운 해수 관(451)의 구성 동안 원통형 관 섹션의 지지 효과 및 안정성을 제공하기 위하여 구속 밴드, 팽창형 슬리브 또는 그외 다른 지그가 사용될 수 있다.
새로운 상부 관 섹션의 조립 단계(1144)가 수행됨에 따라, 새로운 상부 관 섹션 및 새로운 하부 관 섹션의 오프셋 스테이브가 함께 정렬 및 인출된다(단계(1146)). 예를 들어, 비스킷 연결부 또는 정렬 연결 공극과 결합하여, 전술한 바와 같이 단부 맞대기 이음부에 접착제 또는 가요성 접착제를 도포하는 단계(1148)가 수행된다. 새로운 상부 관 섹션 및 새로운 하부 관 섹션 사이의 또는 어느 두 개의 스테이브 부분 사이의 간극에 가요성 수지가 추가로 충전될 수 있다(단계(1150)). 이후, 전체 조립체의 경화 단계(1152)가 수행된다. 앞서와 같이 구속 지그의 제거 단계(1154)가 수행되어, 나선형 스트레이크가 새로운 하부 부분에 부착될 수 있다. 또한, 앞서와 같이, 전체 관 조립체가 이동되어 다음 원통형 관 섹션을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 소망하는 관 길이가 달성될 때까지 전술한 방법이 반복 수행될 수 있다.
오프셋 스테이브를 구비한 원통형 관 섹션의 연결이 본 발명과 일치하는 상당 수의 방법을 사용하여 달성될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 오프셋 스테이브를 연결하는 전술한 바와 같은 방법은 관 세그먼트 사이의 부피가 크며, 무게가 많이 나가거나, 간섭 연결 장비를 필요로 하지 않는 연속적인 관을 제공한다. 이에 따라, 가요성 및 강성을 포함하는 거의 균일한 재료 특성을 갖춘 연속적인 관이 제공된다.
예:
대략 3000ft의 연속적인 오프셋 스테이브형 관의 현장 시공을 촉진할 수 있는 차가운 해수 관 조립체가 제공된다. 추가적으로, 스테이브형 설계 구조를 통해 세그먼트형 관의 시공 시에 전통적으로 경험하게 되는 선적 및 취급 시의 부정적인 부하가 설명된다. 예를 들어, 전통적인 시공 방식을 따르는 세그먼트형 차가운 해수용 관의 예인(towing) 및 전복(upending) 작업은 관에 위험한 수준의 부하가 걸리도록 할 수 있다.
스테이브식 시공 방식에 의하면, 40ft 내지 50ft의 범위의 길이를 갖는 다수의 스테이브가 시공 부지 이외의 장소에서 제조될 수 있다. 각각의 스테이브는 대략 폭이 52inch이며 두께가 4inch 내지 12inch 범위이다. 이러한 스테이브는 적층체 형태로 또는 용기에 담긴 형태로 선적되어 근해 플랫폼으로 운반될 수 있으며, 이후, 다수의 스테이브를 이용하여 플랫폼 상에서 차가운 해수 관이 시공될 수 있다. 이러한 시공 방식에 의하면 관 섹션의 조립을 위한 별개의 설비가 필요하지 않게 된다.
스테이브 부분은 대략 66,000psi 내지 165,000psi의 범위의 탄성률을 갖는 나일론 강화 비닐 에스테르로 시공될 수 있다. 이렇게 시공된 스테이브 부분의 최대 강도는 대략 15,000psi 내지 45,000psi의 범위일 수 있으며, 인장 강도 또한 대략 15,000psi 내지 45,000psi의 범위일 수 있다. 일 태양에 있어서, 스테이브 부분의 탄성률이 150,000psi이며, 최대 강도가 30,000psi이고, 항복 강도가 30,000psi일 수 있어, 설치된 CWP가 완전히 강성을 나타내는 관이 아닌 호스와 유사하게 거동할 수도 있다. 이에 따라, 관이 보다 가요성으로 형성되어 균열 발생이나 파열을 방지할 수 있어 폭풍우 조건에서 유리하게 작용할 수 있다. 일 태양에 있어서, 관은 연결되지 않은 하부 단부가 중심으로부터 대략 두 개의 직경 범위로 편향될 수 있다. 이러한 연결되지 않은 하부 단부에서의 편향은 OTEC 발전소의 계류 시스템이나 발전소 작동에 포함되어 있는 그외 다른 수중 시스템과의 간섭을 야기하지 않을 정도로만 발생하여야 한다.
차가운 해수용 관은 OTEC 발전소의 하측부에 연결된다. 보다 구체적으로, 차가운 해수용 관은 도 3의 OTEC 스파의 하측부에 동적 베어링을 사용하여 연결된다. OTEC 용례에서의 차가운 해수용 관 연결에 대해서는, 전체 내용이 본 명세서에 참조로써 인용되고 있는, 1994년 옥스포드 대학 출판사에서 편찬한, 어베리와 우의 논문 "해양 재생 에너지, OTEC에 관한 안내서"의 섹션 4.5에 설명되어 있다.
플랫폼으로서 스파 부표를 사용할 경우 달성할 수 있는 중요한 장점 중 하나는 이와 같이 함으로써 심지어 가장 심각한 100년 호우 심도 조건 하에서도 스파 자체와 CWP 사이에 비교적 적은 회전만이 초래된다는 점이다. 또한, 스파와 CWP 사이에 수직 방향 힘 및 측 방향 힘이 존재함에 따라 구형 볼과 그 안착부 사이의 하향 힘에 의해 베어링 표면이 항상 접촉 상태로 유지된다. 해수 시일(seal)의 역할을 또한 수행하는 이러한 베어링이 짝을 이루는 구형 안착부와 항상 접촉 상태로 유지되기 때문에, CWP를 수직 방향으로 적소에 유지하기 위한 기구를 설치할 필요가 없다. 이에 따라, 구형 베어링 설계 구조를 간소화할 수 있으며 추가적인 CWP 관 구속 구조 또는 장비로 인해 야기될 수도 있는 압력 손실을 최소화할 수 있다. 구형 베어링을 통해 전달되는 측 방향 힘은 또한, 구형 베어링이 CWP를 수직 방향으로 구속할 필요 없이 적절하게 수용될 수 있도록 하기에 충분할 정도로 낮은 수준이다.
차가운 해수가 하나 이상의 차가운 해수용 펌프에 의해 차가운 해수용 관을 통해 뽑아 내어진 다음, 하나 이상의 차가운 해수용 통로 또는 도관을 통해 다단식 OTEC 발전소의 응축부로 유동된다.
차가운 해수용 관의 시공 및 성능과 관련한 추가적인 세부 사항에 대해서는, 전체 내용이 본 명세서에 참조로써 인용되고 있는, 2010년 1월 21일자로 출원된, "해양 온도차 발전소의 차가운 해수용 관(Ocean Thermal Energy Conversion Plant Cold Water Pipe)"을 제목으로 하는 미국 특허 출원 제 12/691,655 호(대리인 문서 번호 제 25667-0003001 호)에 설명되어 있다.
차가운 해수용 관의 연결
차가운 해수용 관(351)과 스파 플랫폼(311) 사이의 연결은 시공, 유지 관리 및 작동과 관련하여 도전을 받고 있다. 예를 들어, 차가운 해수용 관은 동적인 해양 환경 하에서 매달린 형태로 부유하는 2000ft 내지 4000ft에 달하는 길이의 수직 칼럼이다. 이러한 차가운 해수용 관이 연결되는 플랫폼이나 선박 또한 동적 해양 환경 하에서 부유하도록 구성되어 있다. 게다가, 이러한 관은 수선 아래에서 연결되는 것이 이상적이며, 몇몇 태양에 있어서는, 수선 바로 아래로 선박의 바닥에 가까이 연결된다. 완전히 조립된 관을 적절한 위치로 조종하여 선박이나 플랫폼에 고정시키는 일은 어려운 작업이다.
차가운 해수용 관 연결부는 플랫폼에 매달린 상태의 관의 정적 하중을 지탱하는 한편, 파도의 작용과, 관의 진동 및 관의 이동으로 인해 플랫폼과 이에 매달린 관 사이에 발생하는 동적인 힘을 지지하는 역할을 한다.
짐벌(gimbal), 볼과 소켓, 그리고 보편적인 연결부를 포함하는 다양한 OTEC 차가운 해수용 관 연결부에 대해서는, 전체 내용이 본 명세서에 참조로써 인용되고 있는, 1994년 옥스포드 대학 출판사에서 편찬한, 윌리엄 어베리와 치흐 우의 논문 "해양 재생 에너지, OTEC에 관한 안내서"의 섹션 4.5에 설명되어 있다. 30°의 회전을 허용하는 2축 짐벌을 포함하는 짐벌 연결부에 대해서만 작동 관련 시험을 수행하였다. 어베리와 우의 논문에 설명된 바와 같이, 짐벌의 평면 내에서, 구형 쉘(shell)을 관의 상측에 형성하였다. 나일론과 테플론으로 이루어진 평평한 링을 갖춘 원통형 캡이 관 내부의 해수와 주변 플랫폼 구조 사이의 활주 시일을 제공하였다. 이러한 짐벌을 이용한 관 연결부가 도 12에 도시되어 있다.
이전의 차가운 해수 관 연결부는 스파 플랫폼과 비교하여 수평 변위 및 파도의 작용으로 인한 수직 방향 변위가 더 크게 발생하는 전통적인 선체(hull) 형태의 플랫폼에 맞춰 설계되었다. 플랫폼으로서 스파 부표를 사용할 경우 달성할 수 있는 중요한 장점 중 하나는, 이와 같이 함으로써 심지어 가장 심각한 100년 호우 심도 조건 하에서도 스파 자체와 CWP 사이에 비교적 적은 회전만이 초래된다는 점이다. 또한, 스파와 CWP 사이에 수직 방향 힘 및 측 방향 힘이 존재함에 따라 구형 볼과 그 안착부 사이의 하향 힘에 의해 베어링 표면이 항상 접촉 상태로 유지된다. 태양에 따라, CWP와 연결부 베어링 표면 사이의 하향 힘이 0.4g 내지 1.0g의 범위이다. 해수 시일의 역할을 또한 수행하는 이러한 베어링이 짝을 이루는 구형 안착부와 항상 접촉 상태로 유지되기 때문에, CWP를 수직 방향으로 적소에 유지하기 위한 기구를 설치할 필요가 없다. 이에 따라, 구형 베어링 설계 구조를 간소화할 수 있으며 추가적인 CWP 관 구속 구조 또는 장비로 인해 야기될 수도 있는 압력 손실을 최소화할 수 있다. 구형 베어링을 통해 전달되는 측 방향 힘은 또한, 구형 베어링이 CWP를 수직 방향으로 구속할 필요 없이 적절하게 수용될 수 있도록 하기에 충분할 정도로 낮은 수준이다.
본 발명의 태양에 따르면, 차가운 해수용 관이 플랫폼의 저부를 통과하여 상방으로 수직 방향으로 삽입될 수 있다. 이러한 삽입은 완전히 조립된 차가운 해수용 관을 플랫폼 아래로부터 소정 위치로 들어올리는 방식으로 달성된다. 이것은 플랫폼과 관의 동시 시공을 촉진할 뿐만 아니라, 차가운 해수용 관의 설치 및 유지 관리 차원의 제거 작업이 용이하게 이루어질 수 있도록 한다.
도 3을 참조하면, 차가운 해수용 관(351)은 차가운 해수용 관 연결부(375)에서 스파 플랫폼(310)의 침수부(311)에 연결된다. 일 태양에 있어서, 차가운 해수용 관은 도 3의 OTEC 스파의 하측부에 동적 베어링을 사용하여 연결된다.
본 발명의 일 태양에 있어서, 구형 표면을 통해 이동 가능한 디텐트(detent)에 안착되는 관 칼라를 포함하는 차가운 해수용 관 연결부가 제공된다. 이동 가능한 디텐트는 스파 플랫폼의 기부에 결합된다. 이와 같이 이동 가능한 디텐트를 포함함으로써, 차가운 해수용 관의 차가운 해수용 관 수용 베이(bay)로의 수직 방향 삽입 및 이로부터의 제거가 허용된다.
도 13에는 차가운 해수 관용 연결부(375)가 베이 벽부(777)와 디텐트 하우징(778)으로 이루어진 관 수용 베이(776)를 포함하는 예시적인 태양이 도시되어 있다. 수용 베이(776)는 베이 벽부(777) 사이의 직경 길이에 의해 획정되는 수용 직경(780)을 추가로 포함한다. 태양에 따라, 수용 직경이 차가운 해수용 관(351)의 칼라 외경(781)보다 크다.
차가운 해수용 관 연결부(375)와 스파(311)의 하부에는, 부과 중량 및 동적 힘과 함께 차가운 해수용 관(351)이 매달린 상태에서 차가운 해수용 관에 의해 스파(311)에 전달되는 힘을 지탱하기 위한 보강 구조와 지지부가 마련될 수 있다.
도 14를 참조하면, 차가운 해수용 관 연결부(375)는 디텐트 하우징(778)과, 제 1 위치로부터 제 2 위치로 이동될 수 있도록 디텐트 하우징(778)에 기계적으로 결합되는 이동 가능한 디텐트(840)를 포함한다. 제 1 위치에서, 이동 가능한 디텐트(840)는 수용 베이(776)의 중심을 향해 내측으로 돌출되지 않고 수용 직경(780)의 외측에 유지되는 방식으로 디텐트 하우징(778)에 수용된다. 이러한 제 1 위치에서, 차가운 해수용 관(351)의 상단 부분(385)은 이동 가능한 디텐트(840)와의 간섭 없이 관 수용 베이(776) 내로 삽입될 수 있다. 대안으로서의 태양에 있어서, 이동 가능한 디텐트(840)는 이동 가능한 디텐트(840)가 칼라 외경(781)을 지나쳐 수용 베이(776)의 중심을 향해 내측으로 돌출되지 않는 방식으로 제 1 위치에 수용될 수 있다. 또 다른 태양에 있어서, 제 1 위치의 이동 가능한 디텐트(840)는 수용 베이(776)를 통과하여 수직 방향으로 이동하는 차가운 해수용 관(351)과 간섭을 야기하지 않는다.
제 2 위치에서, 이동 가능한 디텐트(840)는 디텐트 하우징(778)을 초과하여 연장되며 수용 베이(776)의 중심을 향해 내측으로 돌출된다. 제 2 위치에서, 이동 가능한 디텐트(840)는 칼라 외경(781)을 지나쳐 내측으로 연장된다. 이동 가능한 디텐트(840)는 유압식 액츄에이터, 공압식 액츄에이터, 기계적 액츄에이터, 전기적 액츄에이터, 전자기 액츄에이터, 또는 이들의 조합체를 사용하여 제 1 위치로부터 제 2 위치로 조절 또는 이동될 수 있다.
이동 가능한 디텐트(840)는 부분적으로 구형의 또는 아치형의 베어링 표면(842)을 포함한다. 아치형 베어링 표면(842)은, 이동 가능한 디텐트(840)가 제 2 위치에 있는 경우, 차가운 해수용 관 베어링 칼라(848)에 동적 베어링을 제공하도록 구성된다.
차가운 해수용 관 베어링 칼라(842)는 칼라 베어링 표면(849)을 포함한다. 아치형 베어링 표면(842)과 칼라 베어링 표면(849)은 차가운 해수용 관(351)의 현수 중량을 지지하기 위한 동적 베어링을 제공하도록 협동적으로 안착될 수 있다. 추가적으로, 아치형 베어링 표면(842)과 칼라 베어링 표면(849)은, 차가운 해수용 관(351)이 안착되지 않는 일이 없이, 차가운 해수용 관(351)과 플랫폼(310)의 사이의 상대 운동을 견디도록 협동 가능하게 안착된다. 아치형 베어링 표면(842)과 칼라 베어링 표면(849)이 협동 가능하게 안착됨으로써, 차가운 해수용 관(351)이 차가운 해수용 관 연결부(375)를 통해 플랫폼(310)에 연결되고 나면 비교적 따뜻한 해수가 관 수용 베이(776) 내로 들어갈 수 없으며, 궁극적으로는 차가운 해수용 흡입부(350)에 들어갈 수 없도록 동적 시일이 제공된다. 차가운 해수용 관(351)이 매달리고 나면, 차가운 해수가 하나 이상의 차가운 해수용 펌프에 의해 차가운 해수용 관을 통하여 뽑아내어져, 하나 이상의 차가운 해수용 통로 또는 도관을 통하여 다단식 OTEC 발전소의 응축기 부분으로 유동된다.
아치형 베어링 표면(842)과 칼라 베어링 표면(849)은 두 표면 사이의 전류 발생 상호 작용을 방지하기 위하여 테플론 피복재와 같은 피복재로 처리될 수 있다.
차가운 해수용 관을 부유 플랫폼에 연결하기 위한 동적 베어링 표면과 이동 가능한 디텐트 또는 피니언의 조합체가 본 명세서의 특허청구범위 및 상세한 설명에서 고려되고 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 태양에 따라, 아치형 베어링 표면이 이동 가능한 디텐트 위에 배치될 수도 있으며, 아치형 베어링 표면이 이동 가능한 디텐트의 측면에 배치될 수도 있으며, 또는 심지어 이동 가능한 디텐트의 아래에 배치될 수도 있다. 태양에 따라, 이동 가능한 디텐트가 전술한 바와 같이 부유 플랫폼의 저부에 일체형으로 형성될 수 있다. 또 다른 태양에 있어서, 이동 가능한 디텐트가 차가운 해수용 관과 일체형으로 형성될 수 있다.
도 15에는 차가운 해수용 관을 부유 플랫폼에, 특히, OTEC 부유 플랫폼에 부착하기 위한 예시적인 방법이 도시되어 있다. 이 방법은 플랫폼으로부터 완전히 조립된 차가운 해수용 관으로 가이드 라인과 내림 밧줄(downhaul)을 조작하는 단계를 포함한다. 차가운 해수용 관은 이후 플랫폼의 아래로 하강되어 적절한 위치에 정렬된다. 이어서, 차가운 해수용 관이 관 수용 베이 내로 상승되며, 이동 가능한 디텐트 또는 피니언이 연장 형성되어, 관이 아치형 베어링 표면 상에 안착된다.
보다 구체적으로, 완전히 조립된 차가운 해수용 관(351)에 안내 케이블을 부착하는 단계(910)가 수행된다. 일 실시예에 있어서, 차가운 해수용 관(351)은 차가운 해수용 관의 시공, 이동 및 뒤집기 작동 동안 부력을 제공하기 위한 하나 이상의 팽창성 슬리브를 포함할 수 있다. 차가운 해수용 관에 가이드 와이어를 부착하는 단계(910)가 완료된 후, 차가운 해수용 관이 소극적으로만 부력을 갖추도록 하나 이상의 팽창성 슬리브의 수축이 이루어질 수 있다(단계(915)). 일 실시예에 있어서, 차가운 해수용 관은 또한, 차가운 해수용 관의 소극적인 부력을 달성하기 위하여 부분적으로 또는 전체적으로 물이나 그외 다른 밸러스트 재료로 채워질 수 있는 클럼프 웨이트(clump weight) 또는 그외 다른 밸러스트 시스템을 포함할 수 있다.
이후, 차가운 해수용 관이 부유 OTEC 플랫폼(310)의 차가운 해수용 관 연결부(375) 아래의 일 위치로 하강되는 단계(920)가 수행된다. 밸러스트가 다시 조절될 수 있다. 차가운 해수용 관 연결부(375)의 아래 적절한 위치에 차가운 해수용 관을 배치하기 위한 가이드 와이어 조절 단계(925)가 수행되며, 비디오, 원거리 센서 및 그외 다른 수단을 통해 정렬 상태의 점검 및 확인이 이루어질 수 있다(단계(930)). 이후, 차가운 해수용 관 베어링 칼라(848)가 차가운 해수용 관 연결부 조립체의 이동 가능한 디텐트(840)의 위쪽에 배치되는 일 위치로 차가운 해수 관 조립체가 상승된다(단계(935)). 차가운 해수용 관 연결부로의 차가운 해수용 관의 상승은 가이드 와이어, 팽창성 슬리브, 탈착 가능한 벌룬(balloon) 또는 이들의 조합체를 사용하여 이루어질 수 있다.
차가운 해수용 관 연결부로의 차가운 해수용 관의 상승 단계(935)가 수행된 후, 차가운 해수용 관에 동적인 베어링 표면을 제공하기 위하여 이동 가능한 디텐트를 연장 형성하는 단계(940)가 수행된다. 이후, 가이드 와이어를 조절하는 방식으로, 팽창성 슬리브 또는 탈착 가능한 벌룬을 수축시키는 방식으로, 또는 클럼프 웨이트나 그외 다른 밸러스트 시스템을 조절하는 방식으로 차가운 해수용 관의 하강이 이루어진다. 이러한 하강 작동을 위해 또한, 전술한 방식이 조합되어 사용될 수도 있다.
차가운 해수용 관의 이동 동안 가이드 와이어, 팽창 라인, 밸러스트 라인 등이 서로 방해받지 않는 상태로 유지되어야 함을 알 수 있을 것이다. 게다가, 차가운 해수용 관의 이동이 OTEC 플랫폼의 계류 시스템을 간섭하는 일이 없어야 한다.
본 발명의 또 다른 태양에 있어서, 차가운 해수용 관과 스파 구조 사이에 정적인 연결부가 형성될 수 있다. 이러한 태양에 있어서는, 관의 상측부 부근에서의 관의 가요성을 변경함으로써 관과 스파 사이의 동적인 힘이 야기될 수 있다. 차가운 해수용 관의 하부 및 중간부의 이동을 허용함으로써, 동적 관 연결부의 필요성을 줄일 수 있으며, 또는 완전히 배제시킬 수 있다. 짐벌형 연결부를 필요로 하지 않게 됨에 따라 비용이 많이 드는 이동 부품을 제거할 수 있으며, 스파 하부와 차가운 해수용 관 모두의 제조가 간소화된다.
도 16을 참조하면, 차가운 해수용 관(1651)이 전술한 동적 베어링을 사용하지 않고 스파(1611)의 하부에 연결된다. 도 16에는 변위가 발생하는 구성 및 변위가 발생하지 않는 구성 모두에서 스파 구조의 하부에 연결되는 차가운 해수용 관이 도시되어 있다. 차가운 해수용 관(1651)의 상부, 즉, 스파(1611)의 하부와의 연결 지점 부분 및 그 바로 아래 부분이 딱딱하게 형성되어, 차가운 해수용 관의 비교적 비가요성의 상부(1651A)가 제공된다. 비가요성의 상부(1651A)의 아래에는 비교적 가요성의 중간부(1651B)가 제공된다. 가요성의 중간부(1651B)의 아래에는 중간 정도의 가요성의 하부(1651C)가 제공되며, 이 하부가 차가운 해수용 관 조립체의 가장 큰 부분을 포함할 수 있다. 중간 정도의 가요성의 하부(1651C)의 바닥 또는 그외 다른 부분에 클럼프 웨이트 또는 밸러스트 시스템이 고정될 수 있다.
도시된 바와 같이, 가요성 중간부(1651B)는 차가운 해수용 관의 현수 라인으로부터 반대 방향으로 차가운 해수용 관의 하부가 편향될 수 있도록 한다. 스파(1011)에 매달린 차가운 해수용 관의 길이 및 직경에 따라, 편향 정도는 0.25° 내지 30°의 범위일 수 있다.
도 17을 참조하면, 정적인 구조의 차가운 해수용 관과 스파의 연결부가 상세히 도시되어 있다. 스파(1611)의 하부는 차가운 해수용 관(1651)의 상부(1651A)를 수용하기 위한 수용 베이(1713)를 포함한다. 수용 베이(1713)는 테이퍼형 부분(1714)과 접촉 패드(1715)를 포함한다. 차가운 해수용 관(1651)의 상부(1651A)는 테이퍼형 칼라 표면(1756)과 리프팅 러그(lug)(1775)를 갖춘 칼라(1755)를 포함한다. 리프팅 러그(1775)에서 차가운 해수용 관에 고정되는 리프팅 및 유지 케이블(1777)에 의해 차가운 해수용 관(1651)이 스파(1611)에 연결된다. 케이블(1777)은 스파(1611)의 하부에 수용되어 있는 기계적 윈치(winch)(1779)에 부착된다.
차가운 해수용 관을 스파 플랫폼에 연결하기 위한 예시적인 방법에 있어서, 제작 완료된 차가운 해수용 관이 스파 플랫폼 바로 아래 지점으로 하강된다. 원거리 작동 차량을 이용하여 리프팅 및 유지 케이블(1777)이 리프팅 러그(1775)에 연결된다. 스파(1611)의 하부에 수용되어 있는 전술한 기계적 윈치를 사용하여 케이블에 인장력이 가해진다. 차가운 해수용 관(1651)의 상부(1651A)가 수용 베이(1713)에 들어감에 따라, 테이퍼형 칼라 표면(1756)과 접촉 패드(1715)의 사이에 확고한 연결이 이루어질 때까지 차가운 해수용 관의 상부가 테이퍼형 부분(1714)에 의해 적절한 위치로 안내된다. 수용 베이 내부에서의 차가운 해수용 관의 적절한 배치 및 견고한 연결 시에, 차가운 해수용 관(1651)의 하향 이동을 방지하도록 케이블(1777)이 기계적으로 잠금 결합된다. 해수는 차가운 해수용 관의 내측을 따라 유동한 다음 관의 외측을 빙 둘러싸 유동하기 때문에, 차가운 해수용 관과 스파 구조 사이의 계면에 압력 시일을 제공할 필요가 없다. 일부 실시 형태에 있어서, 차가운 해수용 관과 스파 구조 사이의 시일은 해수가 시일을 가로질러 통과하는 것을 최소화하도록 구성된다. 리프팅 케이블과, 차가운 해수용 관의 부력, 또는 이들의 조합에 의해 연결 패드 상에 상방으로 힘이 부과될 수 있다.
리프팅 케이블(1777)과 대응 리프팅 러그(1775)의 개수는 차가운 해수용 관(1651)의 크기, 중량 및 부력에 좌우됨을 알 수 있을 것이다. 몇몇 태양에 있어서, 차가운 해수용 관(1651)이 능동적, 중립적, 또는 소극적 부력 상태를 나타낼 수 있다. 리프팅 케이블(1777)과 대응 리프팅 러그(1774)의 개수는 또한, 차가운 해수용 관에 부착된 클럼프 웨이트의 부력과 중량 뿐만 아니라 차가운 해수용 관과 연관된 밸라스트 기구에 좌우된다. 본 발명의 태양에 있어서, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 이상의 리프팅 및 유지 케이블이 사용될 수 있다.
G33
본 발명의 추가 태양에 있어서, 리프팅 러그(1775)는 공지되어 있는 체결 및 연결 기술을 사용하여 차가운 해수용 관의 상측에 직접 볼트 체결되는 패드 아이(pad eye)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 배럴 소켓(barrel socket), 육각 소켓(hex socket), 코들러 핀(coddler pin) 등이 차가운 해수용 관의 스테이브형 상측부에 포함될 수 있다.
그외 다른 태양에 있어서, 차가운 해수용 관의 상측부에, 칼라 연결 표면(1756)과 리프팅 러그(1755)를 포함하는 리프팅 칼라가 설치될 수 있다. 리프팅 칼라는 차가운 해수용 관과 동일한 재료 또는 상이한 재료로 형성될 수 있다. 이러한 리프팅 칼라는, 차가운 해수용 관에 부착되는 경우, 상부(1651A)와 연관된 강성보다 큰 값으로 차가운 해수용 관의 강성을 증가시킬 수 있다. 도 18에는 스테이브형 차가운 해수용 관(1651)에 장착된 리프팅 칼라(1775)가 도시되어 있다. 리프팅 칼라는 차가운 해수용 관의 상부(1651A)에 기계적으로, 화학적으로, 또는 열적으로 접합될 수 있다. 예를 들어, 차가운 해수용 관의 개개의 스테이브 부재를 연결하기 위해 사용되는 수지와 동일한 접합 수지가 리프팅 칼라를 차가운 해수용 관에 연결하도록 사용될 수 있다.
열 교환 시스템
도 3, 도 3A, 도 19 및 도 20에는, 복수 개의 다단식 열 교환기(420)가 OTEC스파(410)의 둘레부를 따라 배열되는, 본 발명의 일 실시 형태가 도시되어 있다. 열 교환기(420)는 OTEC 열 기관에 사용되는 증발기 또는 응축기일 수 있다. OTEC 스파 플랫폼의 증발기 부분(344) 또는 응축기 부분(348)에 열 교환기의 둘레 방향 레이아웃이 활용될 수 있다. 둘레 장치는 소정 개수의 열 교환기(예를 들어, 1개의 열 교환기, 2개 내지 8개의 열 교환기, 8개 내지 16개의 열 교환기, 16개 내지 32개의 열 교환기, 또는 32개 이상의 열 교환기)를 지지할 수 있다. 하나 이상의 열 교환기가 OTEC 스파(410)의 다수의 데크(예를 들어, 2개, 3개, 4개, 5개, 또는 6개 이상의 데크) 상에 또는 단일 데크 상에 둘레 방향으로 배치될 수 있다. 두 개의 열 교환기가 수직 방향으로 서로의 위에 정렬되지 않는 방식으로, 하나 이상의 열 교환기가 두 개 이상의 데크의 사이에 둘레 방향으로 오프셋 배치될 수 있다. 하나의 데크의 열 교환기가 다른 인접한 데크 상의 열 교환기와 수직 방향으로 정렬되도록 하나 이상의 열 교환기가 둘레 방향으로 배열될 수 있다.
개개의 열 교환기(420)는 다단식 열 교환 시스템(예를 들어, 2개, 3개, 4개, 5개, 또는 6개 이상의 열 교환 시스템)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 개별 열 교환기(420)는 열 교환기를 통한 따뜻한 해수 유동, 차가운 해수 유동 및 작동 유체 유동에 있어서의 압력 손실을 최소화하도록 구성되는 캐비닛 열 교환기일 수 있다.
도 21을 참조하면, 일 실시예의 캐비닛 열 교환기(520)는 다수의 열 교환 스테이지(521, 522, 523, 524)를 포함한다. 일 실시 형태에 있어서, 적층형 열 교환기는 제 1 증발기 스테이지(521)로부터 캐비닛을 통하여 제 2 증발기 스테이지(522)로, 제 3 증발기 스테이지(523)로, 그리고 제 4 증발기 스테이지(524)로 하방으로 유동하는 따뜻한 해수를 수용하도록 구성된다. 적층형 열 교환 캐비닛의 다른 실시예에 있어서, 차가운 해수는 제 1 응축기 스테이지(531)로부터 캐비닛을 통하여 제 2 응축기 스테이지(532)로, 제 3 응축기 스테이지(533)로, 그리고 제 4 응축기 스테이지(534)로 상방으로 유동한다. 작동 유체가 작동 유체 공급 도관(538)과 작동 유체 배출 도관(539)을 통하여 유동한다. 일 실시예에 있어서, 작동 유체 도관(538, 539)이 따뜻한 해수 또는 차가운 해수의 수직 방향 유동과 비교하여 수평 방향으로 각각의 열 교환기 스테이지에 들어가고 나온다. 캐비닛 열 교환기(520)의 수직 방향 다단식 열 교환 설계 구조는 선박(예를 들어, 스파)과 열 교환기의 일체형 설계를 촉진하며, 열 교환기 스테이지 사이의 상호 연결 배관 요건을 배제시키며, 사실상 모든 열 교환기 시스템의 압력 강하가 열 전달 표면에 걸쳐 발생하는 것을 보장한다.
일 태양에 있어서, 열 전달 표면은 표면 형상, 처리 및 이격 공간을 사용하여 최적화될 수 있다. 알루미늄 합금과 같은 재료 선택을 통해 전통적인 티타늄 기부 설계 구조를 능가하는 우수한 경제적 성능을 제공할 수 있다. 열 전달 표면은 1000 시리즈, 3000 시리즈, 또는 5000 시리즈 알루미늄 합금을 포함할 수도 있다. 이러한 열 전달 표면이 티타늄 및 티타늄 합금을 포함할 수도 있다.
다단식 열 교환기 캐비닛은 OTEC 열 기관의 비교적 낮은 유효 온도차 이내에서 해수로부터 작동 유체로의 에너지 전달을 최대화할 수 있는 것으로 밝혀져 있다. OTEC 발전소의 열역학 효율은 작동 유체의 온도가 해수 온도에 얼마나 가깝게 접근하는지를 나타내는 함수이다. 열 전달 물리학에 따르면, 작동 유체의 온도가 해수의 온도에 접근할수록 에너지를 전달하기 위해 필요한 영역이 증가한다. 표면적 증가를 상쇄시키기 위하여, 해수의 유속 증가를 통해 열 전달 계수를 증가시킬 수 있다. 하지만, 이러한 열 전달 계수 증가는 펌핑 작동에 필요한 전력을 크게 증가시켜, OTEC 발전소의 기생 전기 부하를 증가시킨다.
도 22A를 참조하면, 작동 유체가 따뜻한 표층 해수를 사용하여 열 교환기에서 증발되는 통상적인 OTEC 사이클이 도시되어 있다. 이러한 통상적인 랭킨 사이클의 유체 특성은 방출 작동 유체의 온도를 방출 따뜻한 해수 온도보다 낮은 대략 3℉로 제한하는 비등 공정에 의해 제한된다. 유사한 방식으로, 사이클의 응축 측은 방출되는 차가운 해수의 온도보다 높은 2℉로 제한된다. 작동 유체의 총 유효 온도 강하는 대략 12℉이다(68℉ 내지 56℉의 범위).
밝혀진 바에 따르면, 캐스케이드 다단식 OTEC 사이클에 의하면 작동 유체 온도가 해수 온도에 보다 가깝게 맞춰질 수 있다. 이러한 온도차 증가는 OTEC 열 기관과 연관된 터빈에 의해 이루어질 수 있는 작업량을 증가시킨다.
도 22B를 참조하면, 일 태양의 캐스케이드 다단식 OTEC 사이클은, 유효 작동 유체 온도 강하를 확대하기 위하여, 다수의 증발 및 응축 단계를 사용한다. 각각의 단계는 독립적인 열 교환기, 또는 도 5의 캐비닛 열 교환기(520)에서의 전용 열 교환기 스테이지를 필요로 한다. 도 6b의 캐스케이드 다단식 OTEC 사이클에 의하면, 해수 및 작동 유체의 예상 펌핑 부하와 터빈의 출력을 일치시킬 수 있다. 이와 같이 고도로 최적화된 설계 구조는 맞춤형 전용 터빈을 필요로 한다.
도 22C를 참조하면, 도 22B의 실제 캐스케이드 장치의 열역학적 효율 또는 최적화 조건을 유지하면서 동일한 장비(예를 들어, 터빈, 발전기, 펌프)의 사용을 촉진할 수 있는 또 다른 최적화된 하이브리드 캐스케이드 OTEC 사이클이 도시되어 있다. 도 22C의 하이브리드 캐스케이드 사이클에 있어서, 작동 유체의 유효 온도차 범위는 대략 18℉ 내지 대략 22℉이다. 온도차 범위를 이와 같이 좁게 할 경우, 열 기관의 터빈이 동일한 성능 사양을 갖출 수 있게 되어, 시공 및 작동 비용을 줄일 수 있다.
OTEC 발전소에 하이브리드 캐스케이드 사이클을 채용함으로써 시스템 성능 및 출력이 크게 증가된다. 표 1에는 도 22A의 통상적인 사이클의 성능과 도 22C의 하이브리드 캐스케이드 사이클의 성능이 비교 표시되어 있다.
100MW 순 출력에 대한 추정 성능
통상적인 사이클 4단 하이브리드 캐스케이드 사이클
따뜻한 해수 유량 4,800,000 GPM 3,800,000 GPM
차가운 해수 유량 3,520,000 GPM 2,280,000 GPM
총 열 소비율 163,000 BTU/kWH 110,500 BTU/kWH
4단 하이브리드 캐스케이드 열 교환 사이클을 사용할 경우 유체 사이에 전달되어야 하는 에너지의 양이 감소한다. 이것은 결국, 필요한 열 교환 표면적을 감소시키는 효과가 있다.
열 교환기의 성능은 유체 사이의 유효 온도차 뿐만 아니라 열 교환기 표면의 열 전달 계수에 의해 영향을 받는다. 열 전달 계수는 일반적으로, 열 전달 표면을 가로지르는 유체의 유속에 따라 변한다. 유속이 높을수록 높은 펌핑력을 필요로 하여, 발전소의 순 효율이 감소하게 된다. 하이브리드 캐스케이드형 다단식 열 교환 시스템은 유체의 속도 감소 및 발전소 효율 상승을 촉진한다. 적층형 하이브리드 캐스케이드 열 교환 설계 구조는 또한, 열 교환기를 통한 압력 강하 감소를 촉진한다. 또한, 수직형 발전소의 설계 구조는 전체 시스템에 걸친 압력 강하 감소를 촉진한다.
도 22D는 열 교환기 압력 강하가 100MW의 전력을 전력망에 공급하는 총 OTEC 발전에 미치는 영향을 보여준다. 열 교환기를 통하여 발생하는 압력 강하를 최소화함으로써 OTEC 발전소의 성능을 크게 증가시킬 수 있다. 이러한 압력 강하 감소는 선박이나 플랫폼과 열 교환기가 일체형으로 형성된 시스템을 제공함으로써 달성되며, 이러한 시스템에서 해수용 도관은 선박의 구조 부재로서의 역할을 수행하는 한편 하나의 열 교환기 스테이지로부터 다른 열 교환기 스테이지로의 연속적인 해수 유동을 허용한다. 해수가 대략 직선형의 경로로 흡입부로부터 선박으로, 방향 변경을 최소화하면서, 순차적으로 펌프와, 열 교환 캐비닛, 그리고 각각의 열 교환 스테이지를 연속적으로 통과하여 유동함으로써 압력 강하를 최소화할 수 있다.
예:
본 발명의 태양은 열대 지역 및 아열대 지역에서의 표층 해수 및 심층 해수 사이의 온도차를 사용하여 전력을 생성하는 일체형의 다단식 OTEC 발전소를 제공한다. 본 태양은 근해 선박 또는 플랫폼 구조를 도관 또는 유로로서 사용함으로써, 전통적으로 사용되어 온 해수용 배관을 배제할 수 있는 효과가 있다. 대안으로서, 따뜻한 해수 및 차가운 해수용 배관으로서, 선박 또는 플랫폼을 수직 방향으로 지지하기 위한 구조 또는 그외 다른 지지 구조를 제공하기에 충분한 크기 및 강도의 도관 또는 관을 사용할 수 있다. 이러한 일체형의 해수용 도관의 섹션 또는 통로가 선박의 구조 부재로서의 역할을 함에 따라, 추가적인 강제 부재의 필요성을 줄일 수 있다. 일체형의 해수 통로용 구성 요소로서, 다단식 캐비닛 열 교환기에 의해, 외부 해수 노즐 또는 배관 연결부를 필요로 하지 않으면서, 작동 유체의 다단식 증발을 달성할 수 있다. 일체형의 다단식 OTEC 발전소는 따뜻한 해수 및 차가운 해수가 자연적인 유동 방향으로 흐를 수 있도록 보장한다. 따뜻한 해수의 경우, 해양의 보다 차가운 지대로 방출되기 전에 냉각됨에 따라, 선박을 통해 하방으로 흐른다. 유사한 방식으로, 해양 심층부로부터의 차가운 해수는, 해양의 보다 따뜻한 지대로 방출되기 전에 데워짐에 따라, 선박을 통과하여 상방으로 흐른다. 이러한 장치 구성에 의하면, 해수의 유동 방향을 변경할 필요가 없으며, 이와 연관된 압력 손실을 방지할 수 있다. 이러한 장치 구성은 또한, 필요한 펌핑 에너지를 감소시키는 효과가 있다.
다단식 캐비닛 열 교환기는 하이브리드 캐스케이드 OTEC 사이클의 사용을 허용한다. 이러한 열 교환기 적층체는 다수의 열 교환기 스테이지 또는 섹션으로 이루어지며, 경우에 따라 해수가 이들 스테이지 또는 섹션을 연속적으로 통과함에 따라 증발 또는 응축된다. 증발기 섹션에 있어서, 따뜻한 해수는 제 1 스테이지를 통과하며, 이 제 1 스테이지에서 해수가 냉각됨에 따라 작동 유체의 일부의 증발이 이루어진다. 이후, 따뜻한 해수는 적층체 하방으로 다음 열 교환기 스테이지로 유동되어, 약간 더 낮은 압력 및 온도에서 작동 유체의 추가적인 증발이 이루어진다. 이러한 증발 과정이 전체 적층체를 통하여 순차적으로 발생하게 된다. 이러한 캐비닛 열 교환기의 각각의 스테이지 또는 섹션에 의해 작동 유체 증기가 전용 터빈으로 공급되어, 터빈의 전력 생산 작동이 이루어지게 된다. 각각의 증발기 스테이지는 터빈의 배기구에서 응축기 스테이지에 대응하게 된다. 이에 따라, 차가운 해수가 응축기 적층체를 통과하여 역 방향으로 유동하여 증발기로 보내진다.
도 23을 참조하면, 하이브리드 캐스케이드 열 교환 사이클을 사용하는 예시적인 다단식 OTEC 열 기관(710)이 제공된다. 따뜻한 해수가 따뜻한 해수용 흡입부(도시하지 않음)로부터 따뜻한 해수용 펌프(712)를 통해 펌핑되어, 대략 1,360,000gpm의 유량 및 대략 79℉의 온도로 펌프로부터 배출된다. 따뜻한 해수 흡입부로부터 따뜻한 해수용 펌프로 연장되는, 그리고 따뜻한 해수용 펌프로부터 적층형 열 교환기 캐비닛으로 연장되는 따뜻한 해수용 도관의 전부 또는 일부가 선박의 일체형 구조 부재를 형성할 수 있다.
따뜻한 해수용 펌프(712)로부터 나온 따뜻한 해수가 제 1 스테이지 증발기(714)로 들어가, 이곳에서 제 1 작동 유체를 증발시키도록 사용된다. 이후 따뜻한 해수는 대략 76.8℉의 온도로 제 1 스테이지 증발기(714)에서 나와, 하방으로 제 2 스테이지 증발기(715)로 유동한다.
따뜻한 해수는 대략 76.8℉의 온도로 제 2 스테이지 증발기(715)에 들어가, 이곳에서 제 2 작동 유체의 증발을 위해 사용된 다음, 대략 74.5℉의 온도로 제 2 스테이지 증발기(715)에서 나온다.
따뜻한 해수는 제 2 스테이지 증발기(715)에서 제 3 스테이지 증발기(716)로 하방으로 유동하여, 대략 74.5℉의 온도로 제 3 스테이지 증발기로 들어가, 이곳에서 제 3 작동 유체의 증발을 위해 사용된다. 이후, 따뜻한 해수는 대략 72.3℉의 온도로 제 3 스테이지 증발기(716)에서 나온다.
이후, 따뜻한 해수는 제 3 스테이지 증발기(716)에서 제 4 스테이지 증발기(717)로 하방으로 유동하여, 대략 72.3℉의 온도로 제 4 스테이지 증발기로 들어가, 이곳에서 제 4 작동 유체의 증발을 위해 사용된다. 이후, 따뜻한 해수는 대략 70.1℉의 온도로 제 4 스테이지 증발기(717)에서 나온 다음 선박으로부터 배출된다. 도시되어 있지는 않지만, 배출 해수는 따뜻한 해수가 흐르는 깊이의 해양에 존재하는 열 층으로 또는 따뜻한 해수의 배출 온도와 대략 동일한 온도의 열 층으로 보내질 수 있다. 대안으로서, 따뜻한 해수가 적절한 해양 열 층으로 배출되도록 다단식 증발기가 수용되어 있는 발전소의 부분이 구조 내부의 일정 깊이에 배치된다. 태양에 따라, 제 4 스테이지 증발기로부터 선박의 따뜻한 해수 배출구로 연장되는 따뜻한 해수용 도관이 선박의 구조 부재를 포함할 수 있다.
유사하게, 차가운 해수가 차가운 해수 흡입부(도시하지 않음)로부터 차가운 해수용 펌프(722)를 통해 펌핑되어, 대략 855,003gpm의 유량 및 대략 40.0℉의 온도로 펌프로부터 배출된다. 이러한 차가운 해수는 대략 2700ft 내지 4200ft 이상의 범위의 해양 심층부로부터 뽑아 내어진다. 선박의 차가운 해수 흡입부로부터 차가운 해수용 펌프로 그리고 차가운 해수용 펌프로부터 제 1 스테이지 응축기로 차가운 해수를 운반하는 차가운 해수용 도관은 전체적으로 또는 부분적으로 선박의 구조 부재를 포함할 수 있다.
차가운 해수용 펌프(722)로부터 나온 차가운 해수는 제 1 스테이지 응축기(724)로 들어가, 이곳에서 제 4 스테이지 보일러(717)에서 나온 제 4 작동 유체를 응축시키도록 사용된다. 이후 차가운 해수는 대략 43.5℉의 온도로 제 1 스테이지 응축기에서 나와, 상방으로 제 2 스테이지 응축기(725)로 유동한다.
차가운 해수는 대략 43.5℉의 온도로 제 2 스테이지 응축기(725)에 들어가, 이곳에서 제 3 스테이지 증발기(716)에서 나온 제 3 작동 유체의 응축을 위해 사용된다. 이후 차가운 해수는 대략 46.9℉의 온도로 제 2 스테이지 응축기(725)에서 나와 제 3 스테이지 응축기로 상방으로 유동한다.
차가운 해수는 대략 46.9℉의 온도로 제 3 스테이지 응축기(726)로 들어가, 이곳에서 제 2 스테이지 증발기(715)에서 나온 제 2 작동 유체의 응축을 위해 사용된다. 이후, 차가운 해수는 대략 50.4℉의 온도로 제 3 스테이지 응축기(726)에서 나온다.
이후, 차가운 해수는 제 3 스테이지 응축기(726)에서 제 4 스테이지 응축기(727)로 상방으로 유동하여, 대략 50.4℉의 온도로 제 4 스테이지 응축기로 들어간다. 제 4 스테이지 응축기에서, 차가운 해수는 제 1 스테이지 증발기(714)에서 나온 제 1 작동 유체의 응축을 위해 사용된다. 이후, 차가운 해수는 대략 54.0℉의 온도로 제 4 스테이지 응축기에서 나온 다음 최종적으로 선박으로부터 배출된다. 차가운 배출 해수는 차가운 해수가 흐르는 깊이의 해양에 존재하는 열 층으로 또는 차가운 해수의 배출 온도와 대략 동일한 온도의 열 층으로 보내질 수 있다. 대안으로서, 차가운 해수가 적절한 해양 열 층으로 배출되도록 다단식 증발기가 수용되어 있는 발전소의 부분이 구조 내부의 일정 깊이에 배치될 수 있다.
제 1 작동 유체는 56.7℉의 온도로 제 1 스테이지 증발기(714)에 들어가, 이곳에서 74.7℉의 온도의 증기로 가열된다. 제 1 작동 유체는 이후 제 1 터빈(731)으로 유동한 다음, 제 4 스테이지 응축기(727)로 유동하여, 제 4 스테이지 응축기에서 제 1 작동 유체가 대략 56.6℉의 온도의 액체로 응축된다. 이러한 액상의 제 1 작동 유체는 이후, 제 1 작동 유체 펌프(741)를 통해 다시 제 1 스테이지 증발기(714)로 펌핑된다.
제 2 작동 유체는 대략 53.0℉의 온도로 제 2 스테이지 증발기(715)에 들어가, 이곳에서 증기 상태로 가열된다. 제 2 작동 유체는 이후 대략 72.4℉의 온도로 제 2 스테이지 증발기(715)에서 나온다. 이러한 제 2 작동 유체는 제 2 터빈(732)으로 유동한 다음, 제 3 스테이지 응축기(726)로 유동한다. 제 2 작동 유체는 대략 53.0℉의 온도로 제 3 스테이지 응축기에서 나온 다음, 작동 유체 펌프(742)로 유동한 다음, 다시 제 2 스테이지 증발기(715)로 펌핑된다.
제 3 작동 유체는 대략 49.5℉의 온도로 제 3 스테이지 증발기(716)에 들어가, 이곳에서 증기 상태로 가열되어, 대략 70.2℉의 온도로 제 3 스테이지 증발기(716)에서 나온다. 제 3 작동 유체는 이후 제 3 터빈(733)으로 유동한 다음, 제 2 스테이지 응축기(725)로 유동하여, 제 2 스테이지 응축기에서 제 3 작동 유체가 대략 49.5℉의 온도의 유체로 응축된다. 제 3 작동 유체는 제 2 스테이지 응축기(725)에서 나온 다음, 제 3 작동 유체 펌프(743)를 통해 다시 제 3 스테이지 증발기(716)로 펌핑된다.
제 4 작동 유체는 대략 46.0℉의 온도로 제 4 스테이지 증발기(717)에 들어가, 이곳에서 증기 상태로 가열된다. 제 4 작동 유체는 대략 68.0℉의 온도로 제 4 스테이지 증발기(717)에서 나와 제 4 터빈(734)으로 유동한다. 이러한 제 4 작동 유체는 제 4 터빈(734)에서 나와 제 1 스테이지 응축기(724)로 유동하여, 이곳에서 대략 46.0℉의 온도의 액체로 응축된다. 제 4 작동 유체는 제 1 스테이지 응축기(724)에서 나온 다음, 제 4 작동 유체 펌프(744)를 통해 다시 제 4 스테이지 증발기(717)로 펌핑된다.
제 1 터빈(731)과 제 4 터빈(734)이 협동하여 제 1 발전기(751)를 구동시키며 제 1 터보-발전기 쌍(761)을 형성한다. 제 1 터보-발전기 쌍은 대략 25MW의 전력을 생성한다.
제 2 터빈(732)과 제 3 터빈(733)이 협동하여 제 2 발전기(752)를 구동시키며 제 2 터보-발전기 쌍(762)을 형성한다. 제 2 터보-발전기 쌍(762)은 대략 25MW의 전력을 생성한다.
도 7의 제 4 스테이지 하이브리드 캐스케이드 열 교환 사이클은 따뜻한 해수와 차가운 해수 사이의 비교적 적은 온도차로부터의 에너지 추출량이 최대화될 수 있도록 한다. 또한, 동일 구성 성분의 터빈과 발전기를 사용하여 전력을 생성하는 터보-발전기 쌍이 모든 열 교환기에 의해 직접 지지될 수 있다.
다수의 다단식 하이브리드 캐스케이드 열 교환기와 터보 발전기 쌍이 선박 또는 플랫폼 설계 구조에 통합될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
예:
근해 OTEC 스파 플랫폼은 정격 설계 조건에서 각기 대략 25MWe의 전력을 발생시키는 네 개의 별개의 전력 모듈을 포함한다. 각각의 전력 모듈은 상이한 압력 및 온도 수준에서 작동하며 네 개의 상이한 스테이지의 해수 시스템으로부터 열을 축출하는 네 개의 별개의 전력 사이클 또는 캐스케이드 열역학적 스테이지를 포함한다. 이러한 네 개의 상이한 스테이지는 연속적으로 작동한다. 정격 설계 조건(전부하(full load)-하계 조건) 하에서의 네 개의 스테이지의 대략적인 압력 및 온도 수준은 다음과 같다:
터빈 유입 압력(Psia)/온도(℉) 응축기 압력(Psia)/온도(℉)
1 스테이지 137.9/74.7 100.2/56.5
2" 스테이지 132.5/72.4 93.7/53
3' 스테이지 127.3/70.2 87.6/49.5
4" 스테이지 122.4/68 81.9/46
따뜻한 해수(WSW)로부터 열을 추출하여 다수의 증발기에 의해 작동 유체의 증발이 이루어진다. 증기 분리 장치에 의해 포화 증기가 분리되어 STD 스케쥴 심리스(seamless) 탄소강 관에 의해 암모니아 터빈으로 보내진다. 응축기에서 응축된 액체는 2 x 100% 전기 모터 구동식 등속 공급 펌프에 의해 다시 증발기로 펌핑된다. 사이클 1과 4의 터빈은 보통의 전기 발전기를 구동시킨다. 유사하게, 사이클 2와 3의 터빈은 다른 보통의 발전기를 구동시킨다. 일 태양에 있어서, 100MWe 발전소에는 각각의 발전 모듈당 두 개씩 총 8개의 발전기가 제공된다. 증기 분리 장치 내에서의 증기의 양을 유지하기 위하여 공급 제어 밸브에 의해 증발기로의 공급이 제어된다. 응축기 내에서의 수위는 제어 밸브를 구성하는 순환 유체에 의해 제어된다. 공급 라인 상의 유량계에 의해 조절되는 제어 밸브를 통해 응축기로 연장되는 재순환 라인에 의해 공급 펌프 최소 유량이 보장된다.
작동 시에, 네 개의 전력 사이클 모듈이 독립적으로 작동된다. 필요한 경우, 예를 들어, 유지 관리를 위해 또는 고장 시에, 이들 사이클 중 어느 하나가 나머지 사이클의 작동을 방해하는 일 없이 정지될 수 있다. 그러나, 이러한 정지는 전체 모듈로서의 전력 모듈의 총 발전량을 감소시키게 된다.
본 발명의 태양은 상당 체적의 해수를 필요로 한다. 차가운 해수 및 따뜻한 해수를 처리하기 위해 별개의 시스템이 마련될 수도 있으며, 각각의 시스템에 펌핑 장비, 해수 덕트, 배관, 밸브, 열 교환기 등이 장착된다. 해수는 담수보다 부식성이 크기 때문에, 해수와 접촉할 수도 있는 모든 재료는 이러한 점을 고려하여 신중하게 선택되어야 한다. 해수 시스템의 주요 구성 성분의 구성 재료는 다음과 같다:
대구경 배관 유리섬유 강화 플라스틱(FRP)
대형 해수 덕트 및 챔버 에폭시 코팅 탄소강
대구경 밸브 고무 라이닝 버터플라이 타입
펌프 임펠러 적당한 청동 합금
적당한 수단에 의해 제어되지 않는 한, 해수 시스템 내부에서의 생물학적 성장으로 인해 발전소 성능의 상당한 손실이 야기될 수 있으며, 또한 열 전달 표면의 오염으로 인해 발전소의 출력 저하가 야기될 수 있다. 이러한 내부에서의 성장은 또한, 해수 유동 저항성을 증가시킬 수 있어, 보다 큰 펌핑 전력이 필요하며, 시스템의 유량 등이 감소하게 되고, 심지어 보다 심각한 경우에는 유로가 완전히 막힐 수도 있다.
심해로부터 뽑아 내어진 해수를 사용하는 차가운 해수("CSW") 시스템은 생물학적 오염 문제가 상당히 미미하거나 없어야 한다. 이러한 심층 해수는 태양 광선을 많이 받지 못하며 산소 결핍을 나타내기 때문에 생물체가 살기가 힘들다. 그러나, 몇몇 종류의 혐기성 박테리아의 경우 어떤 조건 하에서는 이러한 심층 해수에서도 성장이 가능할 수도 있다. 생물학적 오염 문제를 해소하기 위하여 충격 염소처리(shock chlorination)가 사용된다.
표층으로부터 뽑아 내어진 따뜻한 해수를 사용하는 따뜻한 해수("WSW") 시스템은 생물학적 오염 문제를 방지할 필요가 있다. 밝혀진 바에 따르면, 연안 해수에서보다 OTEC 작동에 적당한 열대 지역 해수의 오염률이 상당히 더 낮다. 그 결과, OTEC 시스템의 생물학적 오염도를 환경적으로 허용 가능한 상당히 낮은 수준으로 제어하기 위하여 화학 작용제가 사용될 수 있다. 소량의 염소 투약이 해수의 생물학적 오염 문제 해결에 상당히 효과적인 것으로 증명되어 있다. 매일 1시간 동안 대략 70ppb의 염소를 투약하는 방법이 해양 유기체의 성장 방지에 상당히 효과적이다. 이러한 투약률은 EPA에 의해 규정된 환경적으로 안전한 수준인 단지 1/20 수준이다. 염소에 저항성을 갖는 유기체의 제거를 위해 소량 투약 처리 사이사이에 다른 유형의 처리(열 충격, 충격 연소 처리, 그외 다른 살생물제 등)가 가끔 사용될 수 있다.
해류에서의 투약을 위해 필요한 염소는 해수 전해 작용에 의해 발전소 선박의 선상에서 생성된다. 이러한 유형의 전기 연소 처리 발전소는 상업적으로 이용 가능한 상태로서 투약을 위해 사용되는 하이포아염소산염 용액을 생성하기 위해 성공적으로 사용되어 왔다. 전기 염소 처리 발전소는 저장 탱크의 완전 충전을 위해 연속적으로 작동될 수 있으며, 이러한 탱크의 내용물은 전술한 주기적인 투약을 위해 사용된다.
모든 해수용 도관은 침전물의 퇴적이 이루어질 수 있으며 또는 유기체가 정착되어 콜로니(colony)를 형성할 수 있는 데드 포켓(dead pocket)을 방지하도록 구성된다. 위에 축적될 수도 있는 퇴적물을 송풍시키기 위하여 해수 덕트의 하부 지점에 슬루싱(sluicing) 장치가 제공된다. 포획 가스의 방출을 위해 덕트와 해수 챔버의 상부 지점에 배기구가 마련된다.
차가운 해수(CSW) 시스템은 발전소 선박용의 통상적인 심층 해수 흡입부, 해수 펌핑/분배 시스템, 응축기와 관련 해수 배관, 그리고 해수를 다시 바다로 돌려보내기 위한 배출 덕트로 구성된다. 차가운 해수 흡입관은 2700ft 이상(예를 들어, 2700ft 내지 4200ft)의 깊이로 하방으로 연장되며, 이러한 깊이에서의 해수의 온도는 대략 40℉로 일정하다. 크기가 큰 유기체가 흡입관으로 흡입되는 것을 방지하기 위한 스크린을 사용하여 흡입관의 입구를 보호할 수 있다. 관에 들어간 후 해수는 수면을 향해 상방으로 유동한 다음, 선박 또는 스파 저부 부근의 저온 유정 챔버로 운반된다.
CSW 공급 펌프, 분배 덕트, 응축기 등은 발전소의 최저 높이에 배치된다. 펌프에 의해 크로스 덕트로부터 흡입된 차가운 해수는 분배 덕트 시스템으로 보내진다. 4 x 25% CSW 공급 펌프가 각각의 모듈에 제공된다. 필요한 경우 검사, 유지 관리 등의 목적으로 유입 밸브가 격리되어 개방될 수 있도록 각각의 펌프는 유입 밸브와 독립적으로 회로를 구성한다. 이러한 펌프는 고효율 전기 모터에 의해 구동된다.
차가운 해수가 사이클의 응축기를 연속적으로 통과하여 유동되며, 이후 CSW 흐름은 다시 바다로 배출된다. CSW는 요구되는 순서에 따라 네 개의 발전소 사이클의 응축기 및 열 교환기를 연속적으로 통과하여 유동된다. 응축기 시설은, 필요한 경우, 세정 및 유지 관리의 목적으로 격리 및 개방될 수 있도록 배열된다.
WSW 시스템은 수면 아래에 배치되는 수중 흡입 그릴과, 유입 해수를 펌프로 운반하기 위한 흡입 플레넘(plenum), 수펌프, 열 전달 표면의 오염도를 제어하기 위한 살생제 투약 시스템, 현탁 물질에 의한 막힘 현상을 방지하기 위한 수인(water straining) 시스템, 증발기 및 연관 해수 배관, 그리고 해수를 다시 바다로 돌려보내기 위한 배출 덕트를 포함한다.
흡입 그릴은 수면 부근으로부터 따뜻한 해수를 뽑아내기 위하여 발전소 모듈의 외벽에 마련된다. 해상 유기체의 비말 동반을 최소화하기 위하여 흡입 그릴에서의 표면 속도는 0.5ft/sec 미만으로 유지된다. 이러한 그릴은 또한, 크기가 큰 부유 파편의 유입을 방지하며, 그릴의 개구를 깨끗한 상태로 유지할 수 있을지 여부는 펌프와 열 교환기를 안전하게 통과할 수 있는 고형 물질의 최대 크기에 좌우된다. 이러한 그릴을 통과한 후, 해수는 그릴 후방에 배치된 흡입 플레넘으로 유입되어, WSW 공급 펌프의 흡입측으로 이동된다.
WSW 펌프는 펌프 바닥의 양측에 두 개의 그룹으로 배치된다. 각각의 일측 상으로 이들 펌프 중 절반이 배치되며, 각각의 그룹의 흡입 플레넘과 별개의 흡입 연결부를 통해 연결되어 있다. 이러한 장치 구성은 흡입 플레넘의 어느 부분을 통과하는 최대 유량을 총 유량의 1/16로 한정하며, 이에 따라, 흡입 시스템의 마찰 손실이 감소된다. 각각의 펌프에는, 필요한 경우 검사, 유지 관리 등의 목적으로 격리 및 개방될 수 있도록 유입측 상에 밸브가 마련된다. 펌프는 부하에 맞춰 펌프 출력을 조절할 수 있도록 가변 주파수 구동부를 갖춘 고효율 전기 모터에 의해 구동된다.
WSW 시스템의, 특히, 열 전달 표면의 생물학적 오염도를 조절할 필요가 있으며, 이를 위해 적당한 살생제가 펌프의 흡입측에 투약된다.
따뜻한 해수 시스템의 경우, 열 교환기의 좁은 통로를 막을 수도 있는 크기가 비교적 큰 부유 입자를 제거하기 위하여 수인(water straining) 과정이 필요할 수도 있다. 필요한 경우 이를 위해 대형 작동 필터 또는 '파편 필터(Debris Filter)'가 사용될 수 있다. 현탁 물질이 스크린 상에 포획되어 역세척(backwashing)을 통해 제거될 수 있다. 현탁 고형 물질을 운반하는 후류는 해양으로 되돌려보내질 발전소의 배출류로 이동된다. 이를 위한 정확한 요건이 해수 품질에 관한 추가 데이터의 수집 후 이루어지는 설계 구조의 추가적인 발전 단계에서 결정된다.
수인 처리된 따뜻한 해수(WSW)가 증발기 열 교환기에 분배된다. WSW는 요구되는 순서에 따라 네 개의 발전소 사이클의 증발기를 연속적으로 통과하여 유동된다. 마지막 사이클에서 나온 WSW 흐름은 수면 아래 대략 175ft 이상의 깊이에서 배출된다. 이후, WSW 흐름은 해수의 온도(및 이에 따라 밀도)가 흐름의 온도와 일치하는 깊이로 서서히 하강된다.
지금까지 연속적인 오프셋 스테이브형의 차가운 해수용 관을 통해 차가운 해수를 뽑아내는 부유식 근해 선박 또는 플랫폼의 다단식 열 교환기에 관한 실시예를 설명하였지만, 그외 다른 실시예 또한 본 발명의 범위에 포함됨을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 차가운 해수용 관이 해안가 시설에 연결될 수도 있다. 길이 대 직경의 비율이 상당히 큰 그외 다른 흡입관 또는 배출관용으로 연속적인 오프셋 스테이브형 관이 사용될 수 있다. 이러한 오프셋 스테이브형 관의 시공은 전통적인 세그먼트형 관의 시공에 사용하기 위한 관 섹션의 범주에 포함될 수 있다. 다단식 열 교환기 및 일체형 유로의 경우, 해안가 OTEC 설비를 포함하는 해안가 시설에 포함될 수 있다. 또한, 따뜻한 물이 따뜻한 담수를 의미하는 것일 수도 있으며, 또는 지열을 이용하여 가열되는 물이나, 산업용 배출수(예를 들어, 원자력 발전소나 그외 다른 산업용 발전소로부터 배출되는 냉각수)를 의미하는 것일 수도 있다. 차가운 물은 차가운 담수를 의미하는 것일 수도 있다. 전술한 OTEC 시스템 및 구성 요소는 전기 에너지의 생산을 위해 사용될 수 있으며, 또는 그외 다른 용도로, 예를 들어, 담수화, 정수, 심층수 재생, 수경 재배, 바이오매스(biomass) 또는 바이오 연료의 생산 및 그외 다른 산업적 용도로 사용될 수 있다.
전술한 모든 참조 문헌은 본 명세서에 전체적으로 참조를 위해 인용되어 있다.
그외 다른 실시예 또한 아래의 특허청구의 범위 내에 있다.
310 : OTEC 스파 311 : 침수부
340 : 따뜻한 해수 흡입부 344 : 증발부
346 : 따뜻한 해수 배출부 348 : 응축부
350 : 차가운 해수 흡입부 351 : 차가운 해수용 관
352 : 차가운 해수 배출부 354 : 기계 부품 데크부

Claims (17)

  1. 근해 전력 생성 구조물로서, 상기 근해 전력 생성 구조물은 침수부를 포함하고,
    상기 침수부는,
    일체형의 다단식 증발기 시스템으로서, 상기 일체형의 다단식 증발기 시스템은 제1 스테이지 증발기, 제2 스테이지 증발기, 제3 스테이지 증발기 및 제4 스테이지 증발기를 포함하고, 상기 제1 스테이지 증발기, 제2 스테이지 증발기, 제3 스테이지 증발기 및 제4 스테이지 증발기는, 상기 제1 스테이지 증발기의 온수 유출구가 상기 제2 스테이지 증발기의 온수 유입구로 배출하고, 상기 제2 스테이지 증발기의 온수 유출구가 상기 제3 스테이지 증발기의 온수 유입구로 배출하며, 상기 제3 스테이지 증발기의 온수 유출구가 제4 스테이지 증발기의 온수 유입구로 배출하도록 배열되는 것인 일체형의 다단식 증발기 시스템;
    일체형의 다단식 응축 시스템으로서, 상기 일체형의 다단식 응축 시스템은 제1 스테이지 응축기, 제2 스테이지 응축기, 제3 스테이지 응축기, 제4 스테이지 응축기를 포함하고, 상기 제1 스테이지 응축기, 제2 스테이지 응축기, 제3 스테이지 응축기 및 제4 스테이지 응축기는, 상기 제1 스테이지 응축기의 냉각수 유출구가 상기 제2 스테이지 응축기의 냉각수 유입구로 배출하고, 상기 제2 스테이지 응축기의 냉각수 유출구가 상기 제3 스테이지 응축기의 냉각수 유입구로 배출하며, 상기 제3 스테이지 응축기의 냉각수 유출구가 제4 스테이지 응축기의 냉각수 유입구로 배출하도록 배열되는 것인 일체형의 다단식 응축 시스템;
    상기 제1 스테이지 증발기와 상기 제4 스테이지 응축기 사이에서 연장되고 제1 터빈을 포함하는 제1 작동 유체 루프로서, 상기 제1 작동 유체 루프는 제1 작동 유체를 포함하는 것인 제1 작동 유체 루프;
    상기 제2 스테이지 증발기와 상기 제3 스테이지 응축기 사이에서 연장되고 제2 터빈을 포함하는 제2 작동 유체 루프로서, 상기 제2 작동 유체 루프는 제2 작동 유체를 포함하는 것인 제2 작동 유체 루프;
    상기 제3 스테이지 증발기와 상기 제2 스테이지 응축기 사이에서 연장되고 제3 터빈을 포함하는 제3 작동 유체 루프로서, 상기 제3 작동 유체 루프는 제3 작동 유체를 포함하는 것인 제3 작동 유체 루프; 및,
    상기 제4 스테이지 증발기와 상기 제1 스테이지 응축기 사이에서 연장되고 제4 터빈을 포함하는 제4 작동 유체 루프로서, 상기 제4 작동 유체 루프는 제4 작동 유체를 포함하는 것인 제4 작동 유체 루프
    를 포함하고,
    상기 제1 작동 유체, 제2 작동 유체, 제3 작동 유체 및 제4 작동 유체는 동일한 종류의 유체이며,
    상기 제1 터빈과 상기 제4 터빈은 제1 발전기를 구동시키고, 상기 제2 터빈과 상기 제3 터빈은 제2 발전기를 구동시키는 것인 근해 전력 생성 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일체형의 다단식 증발기 시스템의 증발기들은 직렬로 수직하게 배열되는 것인 근해 전력 생성 구조물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 일체형의 다단식 응축 시스템의 응축기들은 직렬로 수직하게 배열되는 것인 근해 전력 생성 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 근해 전력 생성 구조물의 침수부의 구조 부재를 형성하는 온수 도관을 포함하는 근해 전력 생성 구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 근해 전력 생성 구조물의 침수부의 구조 부재를 형성하는 냉수 도관을 포함하는 근해 전력 생성 구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 온수는, 온수의 자연적인 대류와 동일한 방향으로 상기 다단식 증발기 시스템을 통해 유동하는 것인 근해 전력 생성 구조물.
  7. 제1항에 있어서,
    냉각수는, 가열되는 냉각수의 자연적인 대류와 동일한 방향으로 상기 다단식 응축 시스템을 통해 유동하는 것인 근해 전력 생성 구조물.
  8. 제1항에 있어서,
    해양 온도차 발전 시스템을 포함하는 근해 전력 생성 구조물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 2, 3 및 4 작동 유체 루프 각각의 터빈은 동일한 성능 사양을 갖는 것인 근해 전력 생성 구조물.
  10. 근해 전력 생성 구조물로서, 상기 근해 전력 생성 구조물은,
    다단식 증발부로서, 상기 다단식 증발부는,
    제1 작동 유체와 접촉하는 제1 스테이지 증발기 열 교환 표면으로서, 상기 제1 스테이지 증발기 열 교환 표면은 제2 스테이지 증발기 열 교환 표면으로 제1 비작동 유체를 배출하고, 상기 제2 스테이지 증발기 열 교환 표면은 제3 스테이지 증발기 열 교환 표면으로 상기 제1 비작동 유체를 배출하며, 상기 제3 스테이지 증발기 열 교환 표면은 제4 스테이지 증발기 열 교환 표면으로 상기 제1 비작동 유체를 배출하는 것인 제1 스테이지 증발기 열 교환 표면
    을 포함하고,
    상기 제2 스테이지 증발기 열 교환 표면은 제2 작동 유체와 접촉하며,
    상기 제3 스테이지 증발기 열 교환 표면은 제3 작동 유체와 접촉하고,
    상기 제4 스테이지 증발기 열 교환 표면은 제4 작동 유체와 접촉하는 것인 다단식 증발부,
    다단식 응축부,
    전력 생산부,
    냉수 도관 연결부, 및
    냉수 도관
    을 포함하고,
    상기 제1, 2, 3 및 4 작동 유체는 단일 종류의 유체를 포함하고,
    상기 제1 및 제4 작동 유체들은 제1 터보 발전기와 연통하고, 제2 및 제3 작동 유체들은 제2 터보 발전기와 연통하며,
    상기 제1 터보 발전기 및 제2 터보 발전기는 동일한 성능 사양을 갖는 것인 근해 전력 생성 구조물.
  11. 제10항에 있어서,
    침수부의 구조 부재를 갖는 온수 도관을 포함하는 근해 전력 생성 구조물.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 다단식 응축부는 4단 응축기를 포함하는 것인 근해 전력 생성 구조물.
  13. 제12항에 있어서,
    냉수 도관을 갖는 4단 응축부는,
    상기 제4 작동 유체와 접촉하는 제1 스테이지 응축기 열 교환 표면으로서, 상기 제1 스테이지 응축기 열 교환 표면은 제2 스테이지 응축기 열 교환 표면으로 제2 비작동 유체를 배출하는 것인 제1 스테이지 응축기 열 교환 표면;
    상기 제3 작동 유체와 접촉하는 상기 제2 스테이지 응축기 열 교환 표면으로서, 상기 제2 스테이지 응축기 열 교환 표면은 제3 스테이지 응축기 열 교환 표면으로 상기 제2 비작동 유체를 방출하는 것인 상기 제2 스테이지 응축기 열 교환기 표면;
    상기 제2 작동 유체와 접촉하는 상기 제3 스테이지 응축기 열 교환 표면으로서, 상기 제3 스테이지 응축기 열 교환 표면은 제4 스테이지 응축기 열 교환 표면으로 상기 제2 비작동 유체를 방출하는 것인 제3 스테이지 응축기 열 교환 표면; 및,
    상기 제1 작동 유체와 접촉하는 제4 스테이지 응축기 열 교환기 표면
    을 포함하는 것인 근해 전력 생성 구조물.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 동일한 종류의 유체는 프로필렌, 부탄, R-134 및 R-22으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것인 근해 전력 생성 구조물.
  15. 제14항에 있어서, 상기 동일한 종류의 유체는 프로필렌인 것인 근해 전력 생성 구조물.
  16. 제10항에 있어서, 상기 제1 비작동 유체는 따뜻한 해수인 것인 근해 전력 생성 구조물.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 비작동 유체는 냉각 해수인 것인 근해 전력 생성 구조물.
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