KR102330226B1 - 선박 탑재형 해양 열에너지 변환 시스템 - Google Patents

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Abstract

해상 발전 시스템을 개시하며, 이 시스템은, 부유식 이동 가능 플랫폼 및 고정 매니폴드를 포함하며, 부유식 이동 가능 플랫폼은, 하나 이상의 OTEC 열교환 유닛, 하나 이상의 터빈 발전기, 물 유입 및 배출 시스템, 및 계선 시스템을 포함하며, 고정 매니폴드는 냉수 파이프와 연통하는 하나 이상의 냉수 유입 연결부; 및 중간 냉수 도관을 통해 상기 부유식 플랫폼의 물 유입 시스템과 연통하는 하나 이상의 냉수 배출 연결부를 포함하며, 각 냉수 배출 연결부는 상기 중간 냉수 파이프로부터 분리 가능하다.

Description

선박 탑재형 해양 열에너지 변환 시스템{VESSEL-MOUNTED OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION SYSTEM}
본 발명은 해양 열에너지 변환(Ocean Thermal Energy Conversion: OTEC) 발전소에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 부유식 OTEC 발전소에 관한 것이다.
해양 열에너지 변환("OTEC")은 해양의 열대 지역에서 열로서 저장된 태양열 에너지를 사용하여 재생 가능 에너지를 생산하는 방식이다. 전 세계에 걸친 열대 해양 및 바다는 고유의 재생 가능 에너지 소스를 제공한다. 수많은 열대 지역(대략 북위 20°와 남위 20°사이)에서, 해수면의 온도는 거의 일정하게 유지된다. 대략 100ft의 깊이까지, 해수의 평균 수면 온도는 75℉ 내지 85℉ 또는 그 이상으로 계절에 따라 변화한다. 동일 지역에서, 심해 해수(2500ft 내지 4200ft 또는 이상)는 꽤 일정한 40℉를 유지한다. 따라서, 열대 해양 구조는 수면에서 대형 온수 저장조 및 해저에서 대형 냉수 저장조를 제공하며, 온수 저장조와 냉수 저장조 간의 온도차는 35℉ 내지 45℉이다. 이 온도차는 약간의 계절적 변화를 갖고 주야에 걸쳐 상당히 일정하게 유지된다.
OTEC 프로세스는 열기관을 구동하여 전기 에너지를 생산하기 위해 수면과 심해 열대 해수 사이의 온도차를 사용한다. OTEC 발전은 생산된 에너지에 대해 저 내지 제로 탄소 풋프린트(carbon footprint)를 갖는 가능한 재생 가능 에너지 소스로서 1970년대 후반에 확인되었다. 그러나, OTEC 발전소는 보다 전통적인 고압 고온의 발전소에 비교하여 낮은 열역학적 효율을 갖는다. 예를 들어, 80℉ 내지 85℉의 평균 해수면 온도 및 40℉의 일정한 심해수 온도를 사용하면, OTEC 발전소의 최대 이상적인 카르노 효율(Carnot efficiency)은 7.5 내지 8%일 것이다. 실제 작동시에, OTEC 발전 시스템의 총 전력 효율은 카르노 한계의 대략 절반, 즉 대략 3.5 내지 4.0%인 것으로 예상되어 왔다. 추가적으로, 1970년대 및 1980년대에 선두적 연구자들에 의해 수행되고, William Avery 및 Chih Wu의 저서 "Renewable Energy from the Ocean, a Guide to OTEC"(Oxford University Press, 1994년)(본 명세서에 참조로 원용)에서 제시된 분석에서는, 40℉의 ΔT로 작동하는 OTEC 발전소에 의해 생성된 총 전력의 1/4 내지 1/2(또는 그 이상)가 물 및 작동 유체 펌프를 운전하고 발전소의 다른 보조적 수단에 전력을 공급하는 데에 필요하다고 지적하고 있다. 이를 기초하여, 해수면에 저장된 열에너지를 순 전기 에너지(net electric energy)로 변환하는 OTEC 발전소의 전체 순 효율이 낮아 상업적으로 실현 가능한 에너지 생산 옵션은 아니었다.
OTEC 발전소와 연계된 환경적 문제들은 또한 OTEC 작동에 장애가 되어 왔다. 전통적인 OTEC 시스템은 심해로부터 큰 체적의 부영양 상태의 냉수를 끌어올려 이 물을 수면에서 또는 그 부근에서 배출한다. 이러한 배출물은 OTEC 발전소 부근의 해양 환경에 긍정적 또는 부정적인 방식으로 영향을 미칠 수 있어, OTEC 배출물로부터 하향 조류(down current)일 수도 있는 어족 자원 및 암초계에 영향을 미친다.
미국 특허출원공개공보 제2010-0139272호
선박 탑재형 OTEC 발전소는 최적으로 정박되어 1년 365일 하루 24시간 동안 급전망(grid)에 전기를 제공한다. 그 플랫폼은 기계류 및 작업 인력을 지지 및 보호하지만, 극심한 해양 폭풍 속에서 생존할 수 있어야 한다. 소규모 상용 시장을 충족시킬 수 있는 2 내지 10MW급 부유식 생산 플랜트의 경우, 외양 바지선(sea-going barge)이 최상의 플랫폼이다. 그 바지선의 비교적 큰 사이즈는 OTEC 운용을 위해 비교적 안정적이고 생존 가능한 플랫폼을 제공하면서 이상적인 자본 비용으로 부피가 큰 OTEC 기계류 구성 요소들을 지지한다. 사람들은 검사 및 수리를 위해 접근할 수 있고, 이는 규모를 줄인 스파(scaled-down spar)에 의해 불가능하였을 것이다.
본 발명의 예시적인 실시 형태에서, 해상 발전 시스템은 하나 이상의 OTEC 열교환 유닛, 하나 이상의 터빈 발전기, 물 유입 및 배출 시스템 및 계선 시스템(mooring system)을 갖는 부유식 이동 가능 플랫폼을 포함한다. 해상 발전 시스템은 또한 고정 매니폴드를 포함하며, 이 매니폴드는, 냉수 파이프와 연통하는 하나 이상의 냉수 유입 및/또는 복귀 연결부; 및 중간 냉수 도관을 통해 부유식 플랫폼의 물 유입 및/또는 복귀 시스템과 연통하는 하나 이상의 냉수 배출 연결부를 포함하며, 각 중간 냉수 배출 파이프 연결부는 매니폴드로부터 분리 가능하며, 냉수 흡입부로부터 냉수 배출 깊이로 연장하는 배출 파이프의 각 배출 파이프 연결부는 매니폴드로부터 분리 가능하다. 고정 매니폴드는 또한 온수 복귀 시스템을 포함하며, 이 온수 복귀 시스템은 온수 파이프와 연통하는 하나 이상의 온수 복귀 연결부; 및 중간 온수 도관을 통해 부유식 플랫폼의 물 복귀 시스템과 연통하는 하나 이상의 온수 배출 연결부를 포함하며, 각 온수 배출 연결부는 중간 온수 파이프로부터 분리 가능하며, 매니폴드로부터 배출 깊이의 개방단으로 연장하는 온수 배출 파이프가 매니폴드로부터 분리 가능하다. 몇몇 경우에, 매니폴드 자체는 흐름의 각 타입을 위해, 즉 냉수 유입, 냉수 복귀, 및 온수 복귀를 위해 수밀 구획으로 나누어질 수 있다. 몇몇 경우에, 매니폴드로부터 복귀 깊이로 평행하게 연장하는 냉수 복귀 파이프와 온수 복귀 파이프는 함께 묶여져 동일한 깊이에서 배출하여 흐름의 혼합을 제공한다.
본 발명의 다른 예시적인 실시 형태는 이하의 특징들을 하나 이상 포함할 수 있다. 몇몇 시스템은 다단 캐스케이딩(cascading) 하이브리드 OTEC 열교환 유닛을 포함하는 하나 이상의 OTEC 열교환 유닛을 구비한다. 몇몇 시스템에서, 각 OTEC 열교환 유닛은 OTEC 열교환 유닛을 가로지르는 실질적으로 선형의 냉수 및 온수 흐름을 허용하도록 물 유입 및 배출 시스템에 연결된다. 몇몇 시스템에서, 각 OTEC 열교환 유닛은 냉수 공급물의 흐름 경로에 위치한 복수의 열교환 플레이트를 포함한다. 몇몇 시스템에서, 각 OTEC 열교환 유닛은 온수 공급물의 흐름 경로에 위치한 복수의 열교환 플레이트를 포함한다. 몇몇 실시예에서, OTEC 작동 유체가 하나 이상의 열교환 플레이트의 내부 통로를 통과해 흐르며, 각 열교환 플레이트는 냉수 또는 온수 공급물의 흐름 경로에 의해 둘러싸여 그 경로에 위치한다. 몇몇 시스템에서, 각 OTEC 열교환 유닛은 4개의 캐스케이딩 열교환 구역을 포함한다. 몇몇 시스템에서, 각 캐스케이딩 열교환 구역은 냉수 또는 온수 공급물의 수평 유동을 용이하게 하도록 배치된다. 몇몇 시스템에서, 물 유입 및 배출 시스템은 온수 공급 펌프와 냉수 공급 펌프를 포함한다. 몇몇 시스템에서, 물 유입 및 배출 시스템은 온수 또는 냉수 배출 펌프를 포함한다.
몇몇 경우에, 물이 그 시스템을 통과해 유입 개구에서부터 복귀 개구로 흐르도록 하는 데에 필요한 모든 펌핑 파워가 유입 펌프에 의해 수행되기 때문에 단지 유입 펌프만이 존재한다. 온해수 및 냉해수 시스템을 위해 하나보다 많은 일차 해수 펌프가 존재할 수 있다. 예를 들면, 각 증발기 챔버를 위한 적어도 하나, 어쩌면 그 이상의 전용 일차 온해수 펌프와, 각 응축기 챔버를 위한 적어도 하나, 어쩌면 그 이상의 전용 일차 냉해수 펌프가 존재할 수 있다. 복수의 펌프는 리던던시(redundancy)를 제공하여, 예를 들면 소정 펌프가 유지보수가 필요하지만, 이 때에 열교환기에서는 유지보수가 요구되지 않는 경우에, 최소한의 순 전력 출력 감소를 갖고 물이 열교환기 챔버를 통해 흐르게 할 수 있다. 펌프 유입부가 해수면에 또는 그 아래에 있기 때문에, 그 구조는 수두 압력(head pressure) 요건을 감소시켜, 보다 낮은 기생 부하를 갖는 소형의 모터가 그 일(work)을 달성하기에 충분히 큰 펌프를 구동하는 데에 이용될 수 있다.
몇몇 시스템에서, 하나 이상의 배출 파이프가 물 유입 및 배출 시스템의 배출부와 연통한다. 몇몇 시스템에서, 중간 냉수 파이프는 물 유입 및 배출 시스템으로부터 분리 가능하다. 몇몇 시스템에서, 중간 온수 파이프는 물 배출 시스템으로부터 분리 가능하다. 몇몇 시스템에서, 배출 파이프는 물 유입 및 배출 시스템으로부터 분리 가능하다. 몇몇 시스템에서, 온수 배출 파이프의 말단은 25 내지 300ft의 깊이(예를 들면, 250ft 내지 600ft의 깊이)에서 개방된다. 몇몇 시스템에서, 냉수 배출 파이프의 말단은 25 내지 600ft의 깊이(예를 들면, 250ft 내지 600ft의 깊이)에서 개방된다. 몇몇 시스템에서, 온수 및 냉수 배출 파이프의 말단은 주위 물의 온도의 10℉ 이내의 온도를 갖는 깊이에서 물을 배출한다. 몇몇 시스템은 또한 물 유입 및 배출 시스템 및 고정 매니폴드와 연통하는 냉수 배출 파이프; 및 물 유입 및 배출 시스템 및 고정 매니폴드와 연통하는 온수 배출 파이프를 포함하며, 온수 및 냉수 배출물은 고정 매니폴드에서 혼합되어 주위 물의 온도의 10℉ 이내의 온도로 매니폴드로부터 배출된다.
흐름 및 압력이 동일하지 않는 몇몇 경우에, 이는, 다른 시스템의 흐름과 간섭할 수 있고 어쩌면 그 시스템이 의도한 대로 작동하지 못하게 하는, 하나의 시스템으로부터 수두 차이(differential head)를 생성할 수 있다. 몇몇 경우에, 고정 매니폴드는 온수 및 냉수 배출물을 위한 별개의 챔버를 구비한다. 그 흐름들은 동일한 깊이에서 배출되고, 단일 챔버의 내부가 아니라 훤히 트인 해양에서 흐름들이 서로 가로질러 혼합되도록 분사된다. 각 시스템이 독립적으로 작동하게 함으로써, 각 시스템은 필요한 전력을 감소시키도록 적절히 크기 설정될 수 있다.
몇몇 시스템은 온수 및 냉수 배출부(들)와 연통하는 혼합 노즐을 포함한다. 몇몇 시스템에서, 냉수 파이프는 냉수 파이프 연결부를 통해 물 유입 및/또는 배출 시스템에 직접 결합된다. 몇몇 시스템은 열교환기를 빠져나가 보조 고정 매니폴드로 흘러 보조 시스템에 공급되는 보조 냉수 공급물을 포함한다. 몇몇 시스템에서, 보조 시스템은 해안가에 기반을 둔 공기 조화 시스템, 또는 담수화 시스템, 또는 이들 두 시스템의 조합이다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시 형태에서, 연근해 구역 내에서 전력을 생산하는 방법은, 부유식 이동 가능 OTEC 발전소를 제공하는 단계로서, 하나 이상의 OTEC 열교환 유닛; 하나 이상의 터빈 발전기; 물 유입 및 배출 시스템; 및 계선 시스템을 포함하는 부유식 이동 가능 OTEC 발전소를 제공하는 단계; 30 내지 450ft의 깊이의 해저면에 물 유입 매니폴드를 고정시키는 단계; 고정된 물 유입 매니폴드에 냉수 파이프를 연결하는 단계; 및 고정된 물 유입 매니폴드와 부유식 OTEC 발전소의 물 유입 및 배출 시스템 사이에 중간 냉수 파이프를 연결하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시 형태들은 이하의 이점들을 하나 이상 제공한다.
그러한 용례에 필요한 크기의 선박, 예를 들면 바지선은 대부분의 연안 국가에서 용이하게 건조할 수 있어, 본 기술의 전 세계적인 상업화가 가능하다.
바지선은 한 곳에서 건조하여 운용 장소로 견인하기 용이하여, 본 기술의 폭넓은 사용, 심지어는 멀리 떨어진 섬에서의 사용도 용이하게 한다.
바지선 탑재형 OTEC 발전소는 임의의 발전 바지선(power barge)의 경우와 같이 주요 급전망으로부터 격리된 원격 커뮤니티에 전기를 공급할 수 있어, 지역적 전화(local electrification) 및 발전을 가능하게 한다.
바지선은 얕고 좁은 대륙붕과 깊은 깊이로 강하하는 매우 가파른 경사면을 갖는 섬 및 섬 부근의 지층대(formation)에 유리하다. 심해에서의 개선은 요구되는 에너지의 양에 비해 어렵고 비용이 많이 든다. 육지로부터의 운용은 4개의 온수 및 냉수의 유입 및 복귀 파이프를 위해 암초를 통과해 40ft 내지 60ft의 매우 넓은 스와쓰(swath)의 절개를 수반한다. 급경사면에 근접한 얕은 대륙붕에 계선함으로써, 바지선 탑재형 OTEC 발전소는 이하가 가능하다.
a) 냉해수 및 온해수를 추출 및 복귀시키는 데에 구매 가능한 HDPE 파이프를 비교적 짧은 길이로 이용할 수 있고;
b) 풍랑의 영향의 감소를 위해 육지의 후미진 곳에 정박할 수 있고;
c) 전 세계의 다른 지역에서 온 전문 케이블 부설선(cable laying ship) 대신에 사용중인 바지선으로부터 전개시키거나 길이를 줄일(reefed) 수 있는 해안가까지 연장 거리가 보다 짧은 파워 케이블을 암초에 대한 영향을 최소화하면서 사용할 수 있고;
d) 잠수사가 일상적으로 작업하는 깊이의 보다 얕은 물에 계선할 수 있고;
e) 수천 마일 떨어진 곳에서 온 전문 계선 선박(mooring ship) 대신에 사용 중인 바지선으로부터 설치되는 구매 가능한 앵커 시스템(맞춤화 되지 않음)을 이용하여 계선할 수 있고;
f) 발전 장비를 위한 안정적인 플랫폼을 제공할 수 있고;
g) 부지 조성 중, 건술 및 설치 중, 그리고 가동 중에 지역 경제에 일자리를 제공할 수 있고;
h) 전 세계의 수많은 조선소에서 건조할 수 있고(메가급 리프팅 용량의 크레인을 사용하는 대형 건선거(dry-dock), 즉 건조 도크를 요구하지 않음);
i) 계통(pedigrees) 및 기술 데이터, 입증된 지원 인프라, 및 필요한 경우에 신속한 교체를 위한 전 세계적 창고(warehousing)를 갖춘 구매 가능한 기성품들인 시스템, 서브시스템 및 그 구성 요소를 이용하며, 이를 위해 최소 교체 가능 유닛은 일반 트럭 또는 항공기로 수송할 수 있도록 크기 설정한다.
바지선은 매우 많은 수의 섬 커뮤니티에 의해 요구되는 2.5MW 내지 5.0MW의 순 전력 출력을 위한 해수 및 작동 유체의 효율적 흐름을 위한 우수한 플랫폼이다.
중앙에 문풀(moon pool)을 갖는 바지선 구조는 유입부를 가림으로써 표류물 및 표착물(flotsam and jetsam)을 걸러내도록 하는 데에 선체(hull)을 이용한다. 문풀은 또한 유입부의 중간 영역에서의 표면 난류를 최소화하고 공기를 "빨아들일(gulping)" 위험을 최소화하며, 문풀을 둘러싸는 선체의 절연 특성 및 온도는 폭풍 중에 뒤섞이는 비와 해수면의 열 효과를 무효화시키는 데에 도움을 준다.
100 내지 200MW의 평균 최대 수요를 갖는 수많은 섬 커뮤니티에서, 25MW 또는 그 이상(수요 부하의 25% 또는 그 이상)을 생성하는 단일 발전소의 라인이 끊어지는 경우(선박의 닻이 해안으로부터 멀리 계선된 OTEC 발전소의 해저 파워 케이블 상으로 떨어지는 경우와 같이)에 급전망의 중단의 우려가 매우 높다. 다수의 5MW급 OTEC 바지선이 섬 주위에 분산 배치되어 다양한 지점에서 급전망에 연결됨으로써, 시스템의 리던던시를 제공하고 송전 및 배전의 안전성과 재난으로부터의 신속한 회복을 보장하는 데에 도움을 준다.
바지선 탑재형 OTEC 발전소는 선박 항로로부터 벗어나 해안가에 근접하게(통상은 해안가로부터 1마일 이하) 위치하여, 원양 어업이 이루어지는 곳보다는 통상은 얕은 물에 위치할 것이지만, 먹이 사슬을 향상시키는 해수를 지역 어민들에게 유익할 수 있는 바로 연안의 깊이로 복귀시킨다.
바지선은 비교적 얕은 물에 계선된다. 이는 보다 많은 해양 조사자, 건설 회사, 잠수사, 예인선 및 지원 바지선 서비스 업체로부터의 서비스를 글로벌 기업이 아닌 지역 기업을 통해 구할 기회를 열어, 계획 및 건설 단계에 걸쳐 지역 경제를 위한 일자리를 창출하고 OTEC 프로젝트를 보다 경제적으로 실행할 수 있게 한다.
5MW급 OTEC 발전소는 소직경의 해저 파워 케이블에서 해안가로 송전될 수 있는 저전압 전력을 생산한다. 수평 방향 천공 보어 홀의 직경이 작아져, 설치비용 및 환경에 대한 영향이 작다. 그 케이블은 저렴하며, 비교적 얕은 물에서 해안가로부터 그러한 짧은 거리에 걸쳐 연장함에 따라 필요한 경우에 용이하게 회수하여 수리할 수 있다. 필요한 경우, 전문 케이블 부설선 필요 없이 교체 케이블을 일반 예인선 및 바지선 서비스 업체에 의해 비교적 짧은 시간에 전개하여 설치할 수 있다.
바지선 탑재형 OTEC 발전소를 위한 계선 시스템은 스파(spar)를 위한 것보다 규모가 상당히 작다. 계선 앵커는 비교적 얕은 물에 설치되며, 이 작업은 Healy-Tibbitts와 같은 일반 예인선 및 바지선 서비스 업체에 의해 행해질 수 있고 일상적으로 행해지고 있다. 전문 계선 선박이 요구되지 않는다.
그 바지선은 해안가에 매우 근접해 있기 때문에, 소모성 용품을 보트에 의해 발전소로 운반할 수 있다. 헬리콥터의 이용을 필요로 하지 않는다. 이로 인해, 바지선에 대해 헬리콥터를 위한 특별한 설계 및 인증이 필요 없다.
8지점 계선이 이루어지는 바지선은 OTEC 기계류를 위한 안정성이 높은 플랫폼을 제공하여, 전 서계에 걸쳐 수많은 공급 업체로부터 용이하게 구할 수 있는 상용 등급의 발전 장비를 지정하여 신속하고 경쟁적으로 공급받을 수 있으면서, 최선의 가격 및 경제성을 보장한다.
바지선 및 고정 매니폴드는 냉수 파이프에 스트레스를 가하고 영구적으로 고장 나게 하는 플랫폼의 과도한 운동의 문제를 해결한다. 플랫폼에서부터 해수면에서의 파도의 힘으로부터 꽤 아래 위치한 해저면에 고정 설치된 고정 매니폴드까지는 소직경이지만 보다 유연성이 있고 구매 가능한 표준 사이즈의 HDPE 라이저 다수 개를 이용하고, 이어서 그 매니폴드에서부터 최종 깊이까지는 구매 가능한 대직경의 HDPE 파이프를 이용함으로써, 냉수 유입 파이프와 냉수 및 온수 복귀 파이프는 생존 가능성이 높아진다. 각 흐름의 타입에 대한 복수의 라이저는 리던던시를 제공한다. 라이저는 카테고리 3 또는 그 위급의 허리케인 등의 극심한 폭풍에 앞서 분리하여 해저면에 고정시키고 그 후에 신속하게 회수하여 재부착할 수 있어, 그 운용을 복구하여 신속한 재난 복구를 위해 급전망에 전력을 신속하게 다시 공급할 수 있게 한다. 성능 특성에 대한 입증에 이용 가능한 기술 데이터를 갖는 표준 사이즈의 구매 가능한 HDPE 파이프를 이용함으로써, 전체 프로젝트 위험성이 완화되는 한편, 비용이 예측 가능하고 억제된다. 지지 시스템은 이미 제위치에 위치한다.
극심한 폭풍(예를 들면, 카테고리 3 또는 그 위급의 허리케인)의 발생시에, 바지선은 해수 파이프 및 계선 시스템으로부터 분리하여 안전한 항구로 예인될 수 있다. 위성사진 및 허리케인 추적 비행기의 지원을 받는 현대의 기상 예보는 통상 극심한 열대 폭풍에 대한 경고를 수일 동안 제공하여, 그러한 예방 조치를 취하기에 충분한 시간을 제공한다.
바지선은 작업 및 유지 보수를 위한 크고 개방된 데크 영역을 제공한다. 장비가 용이하게 제거, 이동, 수리 또는 교체될 수 있고, 그 시스템도 신속하고 효율적으로 복구된다. 그러한 개방성은 또한 장비의 설치를 스파와 같은 좁고 제한된 공간에서의 설치보다는 저렴한 비용으로 더 용이하게 더 신속하게 하게 한다.
5MW급 OTEC 발전소의 발전 블록 및 해상 시스템을 포함하는 시스템 구성 요소들의 사이즈는 경쟁적 가격 책정 및 지원 체계가 이미 존재하는 일반 기성품의 배관, 밸브 및 이음쇠를 이용할 수 있도록 되어, 제조, 조립, 운용 및 비용의 위험성을 최소화할 수 있다.
바지선의 메인 데크는 퀸셋 가옥(Quonset hut) 구조와 매우 유사하게 곡면 덮개를 이용하여 완전히 둘러싸여, 장비 하우징의 표면에 햇빛 및 비가 직접 부딪히는 것을 방지할 수 있고, 이에 의해 유지보수의 필요를 감소시키고 그 사용 수명을 연장시키고 운용비용을 낮출 수 있다. 그와 같이 둘러싸인 덮개는 다량의 누설의 발생시에 암모니아 증기의 방출에 대한 배리어로서 기능한다. 암모니아 가스는 온도가 증가함에 따라 수용액으로부터 보다 용이하게 발산되며, 따라서 데크 커버는 그 내부에 그 증기를 가두는 한편, 데크 덮개의 구조체의 아랫면에 부착된 워터 미스트 시스템이 암모니아를 수용액으로 포집하고, 이 수용액은 선채 내의 탱크 내로 배수될 수 있으며, 이로부터 무수 암모니아가 안전하게 추출되어 재활용될 수 있다. 곡면 데크 덮개는 또한 항공기 날개의 리딩 에지(leading edge)와 매우 유사하게 폭풍의 바람에 매끄러운 후류(slip stream)를 제공한다. 마지막으로, 바지선은 그 외관이 주변의 바다 및 하늘과 부드럽게 섞이도록 도색되어, 해안가에 근접함으로 인한 바지선의 시각적 침범을 최소화하도록 할 수 있다.
바지선 또는 보다 소형의 선박 상의 소형 상업적 OTEC 시스템의 2가지 주요한 과제는 플랫폼에 대한 CWP(cold water pipe: 냉수 파이프) 연결부의 장기 성능과, 극심한 폭풍 상황에서의 운용 상태로의 신속한 복귀와 함께 한 플랫폼의 생존 가능성이다. 개시한 구조는 다음으로 인해 연결부의 스트레스를 감소시키고 주요한 위험성을 완화시킨다. (1) 매니폴드를 삽입하여, 매니폴드에 대한 길이 3000ft 이상의 CWP의 연결과, 플랫폼에 대한 25ft 내지 300ft의 매니폴드로부터의 연결의 "2단" 연결을 제공하며; (2) 플랫폼에서 매니폴드까지 보다 큰 스트레스를 받는 얕은 영역에서는 소직경이고 보다 큰 가요성을 갖는 배관을 이용하고, 이어서 매니폴드로부터 보다 깊은 수심의 물 유입 및 복귀부까지는 더 튼튼하고 보다 큰 강성을 갖는 대직경의 파이프를 이용하며; (3) 극심한 허리케인 상황에서 플랫폼에서 매니폴드로 연장하는 파이프를 분리하여, 제어된 프로세스로 운용을 중단시킴으로써, 연결 지점에서 파이프의 파손을 겪은 것이 아니라 폭풍 후에는 신속하게 부착할 수 있도록 그 역량을 설계한다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 세부 구성은 첨부 도면 및 이하의 상세한 설명에서 기술한다. 본 발명의 기타 특징, 목적 및 이점들은 상세한 설명 및 도면은 물론 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1a 및 도 1b는 각각 예시적인 OTEC 발전소의 사시도 및 단부도이다.
도 2는 도 1a 및 도 1b의 OTEC 발전소의 평면도이다.
도 3 및 도 4는 각각 문풀을 포함하는 바지선 탑재형 OTEC 발전소의 메인 데크 및 하부 데크의 평면도이다.
도 5 내지 도 7은 도 3 및 도 4의 바지선 탑재형 OTEC 발전소의 배관의 일부분을 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9는 육지에 해수 공기 조화를 제공하도록 구성된 OTEC 발전소의 개략도이다.
도 10은 계선 시스템의 일부분의 사시도이다.
도 11은 해수 수위가 변화하는 계선 시스템의 조정을 도시하는 개략도이다.
도 12는 바지선 탑재형 OTEC 발전소를 위한 계선 시스템 및 냉수 파이프 구성의 사시도이다.
도 13 및 도 14는 배관을 위한 칼라 앵커(collar anchor)의 단부도이다.
도 15 내지 도 17은 계선 시스템의 앵커의 개략도이다.
도 18 및 도 19는 각각 OTEC 발전소의 사시도 및 관련 파워 케이블 계선 시스템의 측면도이다.
도 20a 내지 도 20c는 바지선 탑재형 OTEC 발전소의 열교환기에 대한 접근 과정을 도시한다.
도 21a 및 도 21b는 각각 냉수 파이프 연결부의 부분 절개도 및 측면도이다.
도 22는 냉수 파이프 유입 및 복귀 매니폴드의 사시도이다.
도 23a 내지 도 23d는 바지선 탑재형 OTEC 발전소를 도시한다.
도 24a 및 도 24b는 조인트를 도시한다.
도 25는 바지선과 바닥에 설치한 매니폴드(bottom-founded manifold) 간에 연장하는 라이저를 도시한다.
여러 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 가리킨다.
콤팩트한 OTEC 플랜트는 섬 또는 해안선의 시설에 전력을 공급하도록 선박에, 예를 들면 바지선에 설치될 수 있다. 선박 탑재형 OTEC 플랜트는 전기를 비용 효율적으로 생산할 수 있다. 그러한 OTEC 플랜트는 급전망을 안정화시키고 유지하는 데에 도움을 주고 급전망의 주파수 및 전압 요동 시에 라이드-쓰루(ride-through) 및 램프 업(ramp up) 능력을 제공하는 배터리 저장 시스템, 보조 설비를 제공할 수 있다. 선박 탑재형 OTEC 발전소는 통상의 날씨 및 해양 조건에서 작동할 수 있고, 허리케인 상황(예를 들면, 카테고리 3급 이하)에서 생존할 수 있다. 계류 시스템, 배관 시스템, 송전 라인은 지역 환경에서 그에 대해 작은 영향을 미치면서 작동하도록 구성될 수 있다.
선박 탑재형 OTEC 발전소를 위한 기반 시설은 수심 100 내지 300ft의 물에 선박 탑재형 OTEC 발전소를 위한 계선 부지를 제공하도록 구성된다. 특정 부지를 위한 해저면 프로파일은 시스템의 정확한 기하학적 형상 및 배치를 결정한다. 통상적으로, 그러한 깊이의 계선 부지는 해안가로부터 1마일 이내이지만, 선박이 거기에 존재하는 경우에 그 선박이 해안가의 관찰자를 시각적으로 방해하지 않을 정도로 충분히 해안으로부터 멀리 떨어져 있다. 이러한 깊이 및 해안가로부터의 거리는 부지 조사, 초기 발전소 착공, 및 유지 보수, 및 정기적인 승무원의 교대를 위한 용이한 접근성을 제공한다. 해양 산업 잠수사들은 일상적으로 그러한 깊이에서 계류 앵커를 설치하고 해저 파워 케이블을 해안가까지 부설하고 대직경의 파이프를 연결하는 작업을 행하여, 허리케인과 같은 극심한 폭풍 후에 그 작동의 회복 및 복구를 시간 및 비용 측면에서 이상적으로 달성할 수 있다. 이러한 구조는, 필수적인 배관에 대한 플랫폼 연결의 장기간의 생존 가능성과, 극심한 날씨 상황을 위한 제어된 운용 계획에 기초한 짧은 정지 시간만을 갖는 거의 연속한 장기간의 운용을 해결함으로써, 장기간(예를 들면, 25년 그 이상)에 걸친 상업적 운용 가능성을 제공한다. 매니폴드 해법은 또한 저스트레스의 길이가 긴 해저 파이프라인을 위한 덜 고가의 HDPE 파이프와, 매니폴드로부터 플랫폼에까지의 짧은 연장을 위한 보다 고가의 배관을 이용함으로써 프로젝트 비용을 감소시킨다.
시스템의 특징들을 비지선 탑재형 OTEC 발전소를 포함한 예들과 관련하여 논의한다. 하지만, 설명하는 특징들 중 다수를 채용하는 OTEC 플랜트는 또한 예를 들면 소형 반잠수정, 잠수정, 스파, 및 다중 레그 스파(multi-legged spar) 등의 기타 선박에 탑재될 수도 있다.
도 1a, 도 1b, 및 도 2를 참조하면, 예시적인 선박 탑재형 OTEC 발전소(100)는 이동 가능 구성 요소 및 고정식 기반 시설을 포함한다. 이동 가능 구성 요소는 예를 들면 바지선(110) 및 이 바지선(110)에 탑재된 증발기(112) 및 응축기(114)를 포함한다. 고정식 기반 시설은 예를 들면, 계선 로프(116), 계선 부표(118), 계선 시스템 앵커(119) 및 파워 케이블(120)을 포함한다. 이하의 개시는 이동 가능 구성 요소가 관련 고정식 기반 시설에 부착되어 있는 OTEC 발전소(100)를 설명한다. 하지만, OTEC 발전소(100)의 이동 가능 구성 요소는 고정식 기반 시설로부터 분리할 수 있다. 이는 OTEC 발전소의 이동 가능 구성 요소를 계선 부지로부터 이동시켜, 예를 들어 항구 또는 극심한 날씨 상황으로부터의 피난처에서 유지보수를 수행할 수 있게 한다.
바지선(100)은 길이가 약 300ft 폭이 90ft이며 약 8 내지 20ft의 가변적인 흘수를 갖는다. 수선(waterline) 위로의 높이는 약 23 내지 35ft이다. 도 1a, 도 1b 및 도 2에 도시한 OTEC 발전소(110)에서, 증발기(112), 응축기(114), 및 기타 관련 장비는 바지선 개조 없이 바지선의 데크 상에 그 장치의 단순한 탑재로 설치된다. 해안 근처에 설치하는 겨우, 바지선(110)은 시각적 두드러짐(visual signature)을 감소시키도록 군청색과 흰색으로 도색될 수도 있다. 기타 형태 및 사이즈의 선박 및 기타 도색 방안이 이용될 수 있다.
바지선(110)은 심한 폭풍 속에서의 생존 가능성을 증가시키고 장비 및 직원들을 위한 공간을 제공하도록 그 발전소 크기에 비해 크기가 크다. 카리브 해의 풍속은 통상 25 노트 이하로 유지되고 파도의 활동도 비교적 낮아, 바지선이 통상의 조건에서 운용을 위한 안정적인 플랫폼을 제공할 것이다. 유사한 조건은 지구상에서 20N과 20S 사이의 지역에서 우세하며, 몇몇 지역에서는 허리케인보다는 쓰나미에 더 민감할 수 있다. 이러한 바지선 구조는 압력파가 급경사면 위로 상승함에 따라 조성되는 곳에 근접하여 계선되기 때문에 가벼운 쓰나미에 생존할 수 있을 것으로 여겨지며, 그 계선 로프는 20 내지 22ft의 길이를 가질 수 있다.
이례적인 폭풍 및 허리케인의 경우에, 바지선의 운동은 장비를 위한 0.2g 가속도의 운용 한계를 초과하여, 발전소를 정지시키게 할 것이다. 몇몇 경우에, 완충 마운트가 선박 구조에 포함되어, 그 한계를 0.3g 또는 그 이상으로 증가시킬 수 있다.
OTEC 플랜트에는 허리케인 중에 그 직원들이 해안으로 이동하는 경우를 제외하고 언제나 사람들이 상주할 것이다. 바지선에 기초한 발전소는 대부분의 허리케인의 시나리오 중에 현장에 유지될 수 있다. 하지만, 계선 및 파이프 부착 구성들은 필요하다면 매우 극심한 허리케인에 앞서 바지선을 분리시켜 안전한 항구로 견인하고 폭풍이 지나간 후에 현장으로 되돌아오게 하는 것을 가능하게 한다.
증발기(112) 및 응축기(114)는 예를 들면 2013년 10월 15일자로 출원된 PCT 출원 PCT/US2013/065004, 2012년 8월 15일자로 출원된 PCT 출원 PCT/US2012/050941, 및 2012년 8월 15일자로 출원된 PCT 출원 PCT/US2012/050933(참고 자료로서 본 명세서에 첨부함)에 개시된 열교환 플레이트, 캐비닛 및 시스템을 이용하여 실현될 수 있다. 이들 시스템과 달리, OTEC 발전소(100)에서의 증발기(112) 및 응축기(114)가 수직 유동보다는 수평 유동으로 배향된다. 예시적 OTEC 발전소(100)는 2011년 1월 21일자로 출원된 PCT 출원 PCT/US2011/022115(참고 자료로서 본 명세서에 첨부함) 및 2013년 11월 7일자로 출원된 PCT 출원 PCT/US2013/068894에 기재된 바와 같은 4단 하이브리드 열교환 사이클을 수용한다. 기타 열교환 사이클 및 발전소 구성이 바닥 설치식 OTEC 발전소에 이용될 수도 있다.
증발기(112)는 온수 입구 배관(124)으로부터 온해수를 받아들여, 그 물을 온수 배출 배관(126)으로 배출한다. 응축기(114)는 냉수 유입 배관(128)으로부터 냉수를 받아들이고 사용한 냉수를 냉수 배출 배관(130)으로부터 배출한다. 도 1a, 도 1b 및 도 2에 도시한 바지선 탑재형 OTEC 발전소(110)에서, 온수 유입 배관(124), 온수 배출 배관(126), 냉수 유입 배관(128) 및 냉수 배출 배관(130)은 바지선(110)의 측부에 장착된 이음쇠(132)에 부착된다. 유입 및 배출 배관(124, 126, 128, 130)은 아래에서 보다 상세하게 설명한다.
선박 탑재형 OTEC 발전소는 2.5 내지 10MW의 전기를 생산할 것으로 예상된다. 파워 케이블(120)은 생산된 전기를 육지의 급전망에 연결된 육지 상호 연결 설비에 송전하다. 예시적인 OTEC 발전소(100)를 위한 파워 케이블(120)은 바지선(110)으로부터 상호 연결 설비(도시 생략)까지 연장하는 69kV 3상 해저 파워 케이블이다. 몇몇 마켓에서, OTEC 발전소는 34.5kV 3상 해저 파워 케이블을 통해 해안가로 전력을 송전할 수도 있다.
상호 연결 설비는 극심한 폭풍 중에 범람 및/또는 파도에 의한 손상의 가능성을 감소시키도록 해안선으로부터 물러나 있게 된다. 파워 케이블(120)과 해안가 근방의 환경을 보호하기 위해, 파워 케이블(120)은 상호 연결 설비로부터 천공된 8in 내지 10in 직경의 홀을 통해 해변 및 해안가의 암초 아래에서 연장하는 도관 내에 설치할 수 있다. 예시적인 OTEC 발전소(100)에서, 홀 및 도관은 보어 홀의 시작점(breakout point)(134)(도 1b 참조)까지 약 1000ft(예를 들면, 1600ft 이하)의 총 거리에 걸쳐 연장하고 해수면 아래로 약 50ft(또는 그 이상)에 있을 것이다. 시작점(134)의 바다쪽에서, 파워 케이블(120)은 바다 바닥에 놓여 잡석(riprap) 또는 시매트(seamat)로 가볍게 덮일 수 있다. 대안적으로, 파워 케이블(120)은 해안선에서부터, 해저면으로부터 들어올려져 바지선(110)을 향해 상승하는 곳에 이르기까지 줄곧 바다 바닥에 놓여 잡석 또는 시매트로 가볍게 덮일 수도 있다.
선택된 위치에서 암초는 가능한 한 좁아, 해안가에 이르기까지 파워 케이블을 안내하기 위한 암초 아래에서의 방향 천공(directional drilling)의 거리를 최소하도록 해야 한다. 그 위치는 주거용 건물로부터 떨어지고 기존의 배전망에 근접해야 한다.
약 6in 직경의 해저 파워 케이블은 바지선(110)에서부터 해저면에 이르기까지 부동 칼라에 의해 지지된 레지 웨이브 현수선(lazy wave catenary) 형태로 연장하여, 약 80ft의 깊이에서 해저면에 닿고 그 해저면을 따라 도관의 해양측 단부까지 연장할 것이다.
도시한 OTEC 발전소(100)는 단일 바지선(110) 및 관련 이동 가능 장비와 기반 시설을 구비한다. 몇몇 시스템에서, 단일 상호 연결 설비가 복수의 바지선(110) 및 관련 이동 장비와 기반 시설에 연결되어 이들을 제어한다.
배터리 에너지 저장 시스템(battery energy storage system: BESS)이 상호 연결 설비에 설치될 수 있다. BESS는 지역적 빌딩 코드(local building code) 및 양호한 엔지니어링 실무에 따라 날씨에 영향을 받지 않고, 높이 위치하고 극심한 폭풍에 대해 고정될 것이다. 몇몇 설치에서, 배터리 에너지 저장 시스템은 선박에 설치된다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 몇몇 선박 탑재형 OTEC 발전소(100)는 문풀(136)을 갖는 선박(예를 들면, 바지선(110))을 포함하며, 그 문풀을 통해 해수 유입 및 복귀 배관(124, 126, 128, 130)이 증발기(112) 및 응축기(114)에 연결된다. 문풀(136)은 열에너지가 추출되는 표면 온수의 보호된 소스를 제공한다. 선박의 중앙에 문풀(136)을 위치시킴으로써, 파이프 연결부에서의 롤(roll), 피치(pitch) 및 요오(yaw) 운동의 크기를 최소화하고 또한 그 연결부에 대한 파도의 부딪힘의 영향을 감소시킨다. 문풀(136)은 온수 유입물을 해수면 찌꺼기로부터 보호하여, 여과의 필요성을 감소시킨다. 냉수 유입 배관의 입구는 이들이 수선 아래에 위치하도록 문풀(136)의 벽을 안전하게 관통할 수 있어, 수두 압력 및 펌핑 파워 요건을 감소시킨다.
해수 유입 및 복귀 배관(124, 126, 128, 130)은 메인 데크 아래에서 연장하여, 그 메인 데크를 일상의 작업 및 유지보수를 위해 깨끗하게 유지한다. 냉수 유입 배관(128)은 냉수 펌프(138)에 이르며, 이 펌프를 통해 메인 데크 위에 위치한 응축기(114)들의 입구로 방출된다. 배관(140)이 응축기(114)들 간의 냉수 교차 연결(cold water cross connect)을 제공하여, 냉수 펌프(138)가 응축기(114)들 중 어느 하나 또는 둘 모두에 물을 공급하는 데에 사용될 수 있게 한다(도 4 참조).
해수 유입 및 복귀 배관(124, 126, 128, 130)은 메인 데크 아래에서 연장하여, 그 메인 데크를 일상의 작업 및 유지보수를 위해 깨끗하게 유지한다. 냉수 유입 배관(128)은 냉수 펌프(138)에 이르며, 이 펌프를 통해 메인 데크 위에 위치한 응축기(114)들의 입구로 방출된다. 배관(140)이 응축기(114)들 간의 냉수 교차 연결(cold water cross connect)을 제공하여, 냉수 펌프(138)가 응축기(114)들 중 어느 하나 또는 둘 모두에 물을 공급하는 데에 사용될 수 있게 한다(도 4 참조). 대안적으로, 위쪽의 프레임워크로부터 문풀(136) 내로 바로 내려진 한 쌍의 고효율 수직 터빈 펌프가 도시한 냉수 펌프(138) 대신에 이용될 수도 있다. 냉수 배출 배관(130)은 아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 바지선(110)으로부터 아래쪽으로 연장한다.
온수 유입 배관이 문풀(136)과 온수 펌프(142) 간의 유압적 연결을 제공하고, 그 펌프를 통해 메인 데크 위에 위치한 증발기(112)들의 입구로 방출한다. 배관(144)이 증발기(112)들 간의 온수 교차 연결(warm water cross connect)을 제공하여, 온수 펌프(142)가 증발기(112)들 중 어느 하나 또는 둘 모두에 물을 공급하는 데에 사용될 수 있게 한다(도 4 참조). 대안적으로, 위쪽의 프레임워크로부터 문풀(136) 내로 바로 내려진 한 쌍의 고효율 수직 터빈 펌프가 도시한 온수 펌프(142) 대신에 이용될 수도 있다. 온수 배출 배관(126)은 아래에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이 바지선(110)으로부터 아래쪽으로 연장한다.
해수 유입 및 복귀 배관(124, 126, 128, 130)은 가상적인 5MW급 바지선 탑재형 OTEC 발전소를 위해 크기 설정되었다. 이러한 가상적 발전소는 바지선 내의 72 내지 96in 직경의 일차 배관과, 바다(또는 매니폴드)의 내외로 연장하는 48 내지 54in 직경의 파이프를 포함한다(도 5 참조). 대직경 파이프는 도 6에 도시한 바와 같이 보다 작은 직경의 파이프 내외로 물을 공급할 수 있다. 복수의 파이프는 그들의 감소된 사이즈 요건이 표준 기성품의 폴리에틸렌 파이프 사이즈에 부합하기 때문에 이점이 있다. 대안적으로, 배출 파이프는 도 7에 도시한 바와 같이 단일의 대직경 파이프(146)로 조합될 수도 있다.
가상적인 5MW급 바지선 탑재형 OTEC 발전소(110)에서, 열 교환기(증발기(112)와 응축기(114))는 냉수 및 온수 챔버들 내에 설치된다. 각 챔버는 공급 펌프(142/138)와 배출부를 구비하고, 이 배출부는 파이프는 상용 기성품의 72in 직경의 폴리에틸렌 파이프를 이용한다. 동력 터빈, 암모니아 펌프 및 전기 전동 장치(electrical gear)가 데크 상에서 워터 챔버 위에 위치하여, 수면보다 약 18ft 위에 놓임으로써 폭풍 상황 중에 있을 수 있는 해수의 침수로부터 그들을 보호한다. 온수 및 냉수 공급 라인 모두 전술한 바와 같이 리던던시를 위해, 그리고 유지보수 중에 중단되지 않은 작동을 용이하게 하도록 교차 연결(cross-connect)된다. 인라인 필터(in-line filter)가 온수 유입 라인에 설치될 수 있지만, 냉수 유입 라인에는 필요한 것으로 여겨지지 않는다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 선박 탑재형 OTEC 발전소(100)는 바닥 장착형 매니폴드(146, 148)를 이용하도록 구성되며, 그 매니폴드는 선박(110)으로 흐르는 냉수; 선박(110)으로부터 배출되는 온수와 냉수; 및 공기 조화를 위한 해수를 제공하도록 선박(110)에서 육지로 이송되는 냉수를 분배하도록 구성된다. 이 OTEC 발전소(100)는 도 1과 관련하여 전술한 바와 실질적으로 동일한 계선 구성을 이용한다.
도 8 및 도 9에 도시한 OTEC 발전소(100)는 도 3 및 도 4와 관련하여 전술한 바와 실질적으로 동일한 바지선 레이아웃을 갖는다. 전술한 바와 같이, 바지선에 대한 파이프 연결부에 부여되는 스트레스는 선박(110)의 중앙에 위치한 문풀로부터 유입 및 배출 배관을 연장시킴으로써 감소된다. 온수 배출 배관, 냉수 유입 배관 및 냉수 복귀 배관은 선박(110)에서부터 그 선박 아래의 해저면에 위치한 콘크리트 OTEC 매니폴드(146)로 연장하는 소직경이고 보다 많은 수의 다중 라이저 파이프(150)(예를 들면, 가요성 라이저 파이프)에 의해 제공된다. 대직경의 냉수 파이프(152) 및 별개의 온수와 냉수 복귀 파이프(154)들도 OTEC 매니폴드(146)에 부착된다.
냉수와 온수 복귀 파이프(154)들 모두가 매니폴드로부터 예를 들면 400 내지 500ft의 깊이까지 평행하게 해저면을 따라 아래쪽으로 연장한다. 냉수 복귀 파이프와 온수 복귀 파이프의 배출 단부는 서로 나란하게 묶이고 해저면으로부터 위쪽으로 멀어지게 노즐 및/또는 루버(louver)를 가져, 그 흐름들이 혼합될 수 있게 하며, 이에 의해 표면 해수의 열/영양분의 오염 또는 해저면의 침식의 가능성을 감소시킨다. 냉수 및 온수 복귀 파이프(154)들은 서로에 대해 그리고 해저면에 대해 그 위치를 유지하도록 고정된다. 2012년 10월에 발행되고 온라인으로 입수 가능한 "Modeling the Physical and Biochemical Influence of Ocean Thermal Energy Conversion Plant Discharges into their Adjacent Waters"란 명칭으로 미국 에너지국을 위해 Makai Ocean Engineering에서 행한 플룸 연구(plume study)는 복귀하는 물의 혼합이 유익할 수 있음을 보여주고 있다.
무게가 나가는 칼라(weighted collar) 또는 복수의 그러한 가중 칼라(156)가 소직경의 라이저 파이프에 부착되어, 그 소직경의 라이저가 해저면에 장착된 매니폴드까지 레지 웨이브 방식으로 연장하게 하며, 이러한 레지 웨이브 방식은 파이프와 선박 간에 힘 및 운동을 분리시킴으로써 완충기로서 기능한다. 각 배관 시스템에서 복수의 라이저 파이프(150)는 작동상 신뢰성 및 유연성을 증가시키는 리던던시를 제공한다. 라이저 파이프(150)는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 제조될 수 있고, 필요한 직경으로 구매 가능하다.
OTEC 발전소(100)를 위한 냉수 파이프(152)는 OTEC 매니폴드(146)에서부터 해저면을 따라 수온이 항상 약 40℉인 깊이(예를 들면, 그랜드케이맨 섬의 북쪽 해안에서 ~약 3,800ft)까지 연장하고 96in 내경을 갖는다. 냉수 파이프(152)의 유입 단부(158)(도 9 참조)는 초당 0.5ft의 평균 입구 속도를 가짐으로써 임의의 대형 해양 동물의 혼입을 방지하도록 수정된다(예를 들면, 망이 쳐진다). 냉수 파이프(152)는 2013년 10월 15일자로 출원된 PCT 출원 PCT/US2013/065098에 기재된 바와 같이 형성될 수 있다. 하지만, 매니폴드(146)는 제위치에 고정되고, 냉수 파이프(153)는 해저면 상에 배치되고 선택적으로는 잡석으로 덮인다. 냉수 파이프(152)가 바닥 장착 구조체에 대한 연결부에서 거의 스트레스를 겪지 않기 때문에, 파이프 재료를 위해 사용 수명이 100년에 이르고 저렴한 HDPE가 이용될 수 있다. 그러한 파이프는 현재 구매 가능하다.
도시한 OTEC 발전소(100)에서, 그 시스템에 의해 배출되는 온수와 냉수는 묶인 온수/냉수 복귀 파이프(154)들의 출구에서 섞인다. 이러한 혼합은 온수 배출물에 존재하는 영양분을 희석시키고 그 온도를 떨어뜨린다. 그러한 묶인 온수/냉수 복귀 파이프(154)는 OTEC 매니폴드(146)에서부터 해저면에서 아래쪽으로 투광대(photic zone)의 저부에 근접한 깊이(예를 들면, ~400-600ft 깊이)까지 연장한다. 이러한 기법은 비교적 얕은 물에서 선박(110)으로부터 아래쪽으로 똑바로 별개의 온수 배출부를 배향시킴으로써 야기될 수 있는 혼탁 및 해저면 침식 문제를 피할 수 있다.
용존 산소가 가장 많고 표층 어류(pelagic fish)들이 떼 지어 다니는 경향이 있는 깊이는 해양에서 혼합층으로 지칭된다. 하와이이 대학의 자율적 수중 데이터 수집 장치 SeaGlider 1 및 SeaGlider 2를 이용하여 수개월에 걸쳐 수집된 데이터로부터 그 혼합층이 130 내지 160 미터인 것으로 드러났다. 3,700ft 또는 이상의 깊이로부터 펌핑된 부영양 냉수는 표면 해수보다 밀도가 높아, 그 물이 주변의 바닷물과 완전히 동화될 때까지 더 빨리 침강하는 경향을 가질 것이다. OTEC 프로세스에서, 수온은 약 10℉만큼 상승하지만 어떠한 화학적 변화도 없을 것이다. 표면 온수는 들어갈 때의 온도보다 약 10℉ 낮은 온도로 OTEC 시스템을 나올 것이다. 그 물은 상승하여 표면수를 오염시켜 발전소의 출력 능력에 영향을 미치지 않도록 보장하는 깊이에서 바다로 되돌려 보낼 필요가 있다. 차가운 심해수와 따뜻한 표면 해수를 혼합층 위로 수 미터의 동일한 깊이에서 돌려보냄으로써, OTEC 발전소는, a) 응축기로부터의 복귀 물을 증발기로부터의 복귀 물과 혼합하여 이를 냉각시키도록, b) 응축기로부터의 복귀 물의 영양분을 증발기로부터의 복귀 물로 희석시키도록, 그리고 c) 이제는 혼합된 보다 밀도가 높은 복귀 물이 주변의 바닷물과 동화됨에 따라 보다 빠르게 침강하는 경향을 갖게 하도록 그 배출물을 혼합함으로써, 자연에 대한 밸런스를 신속하게 회복시키도록 작동한다. 그러한 동화는 이제는 희석된 영양분들이 표층 어류를 위한 먹이 생성을 향상시켜 중간 영역에서의 그 개체수를 증가시킬 것으로 예상되는 혼합층에서 발생할 것이다.
묶인 온수/냉수 복귀 파이프(154)들의 배출 단부(160)는 해저면으로부터 멀어지게 위쪽으로 향하고 노즐 또는 디퓨저를 포함할 수 있다. 이러한 기법은 해저면에 평행하게 배출하도록 복귀 파이프를 해저면에 배치함으로써 야기될 수 있는 혼탁 및 해저면 침식 문제를 피할 수 있다. 몇몇 OTEC 발전소(100)에는 별개의 냉수 및 온수 복귀 파이프(154)들 대신에 조합된 온수/냉수 복귀 파이프가 제공된다.
유사한 기법이 육지에서 해수 공기 조화(seawater air conditioning: SWAC)에 이용하도록 OTEC 발전소(100)로부터 응축기 배출물을 제공하는 데에 이용된다. SWAC 매니폴드(148)는 선박(110)과 해안선 사이에서 대략 24 내지 50ft의 수심에 배치된다. 응축기 배출물 라인(162)이 OTEC 발전소(100)에 의해 생성된 응축기 배출물의 일부를 SWAC 시체스트(seachest) 매니폴드(148)로 안내한다. 파이프 또는 파이프들이 SWAC 시체스트 매니폴드(148)로부터 육지에 위치한 파이프 매니폴드로 연장한다. 육지의 매니폴드로부터 제어 신호를 수신하는 가변 주파수 구동 장치에 의해 구동되는 OTEC 발전소 상의 부스터 펌프가 매니폴드에서 일정한 급송 압력을 유지한다.
가상적 SWAC 시스템은 선박(110)에서부터 약 24ft 내지 30ft 수심의 SWAC 매니폴드(148)로 연장하는 단일의 20in 내경 HDPE 파이프(162)를 포함하는 구조를 갖는다. 2개의 12in 내경 HDPE 파이프(166)가 SWAC 매니폴드(148)에서부터 육지에 설치된 콘크리트 배출 수조(164)로 연장한다. 2개의 12in 내경 HDPE 파이프(166)는 수평 방향 천공에 의해 형성된 보어 홀에서 해변 아래를 지나간다. 수조(164)와 함께 위치하는 펌프가 물을 SWAC 매니폴드(148)에서부터 수조(164)로 이송한다. 추가의 펌프 및 배관이 냉각을 촉진시키도록 냉수를 이송하는 데에 이용된다.
플랫폼은 비교적 얕은 수심 150 내지 300ft에서 계선될 것이다(수천 피트의 수심에서의 계선이 현재 일상적인 것으로 간주된다). 표준 8지점 계선(eight-point moor)이 이용될 것이다. 각각의 계선 로프는 용이한 탈부착을 위해 스탠드오프 부표(stand-off buoy)에 부착된다. 대안적으로, 각 계선 로프는 OTEC 플랜트의 데크에 장착된 일정한 장력의 계선 윈치에 부착된다. 계선 앵커는 해저면의 조성 및 설치비용에 따라 중력, 매립 또는 천공에 의해 고정될 수 있다. 모든 옵션들은 관련 산업 분야에서 잘 알려져 있다. 해저면의 조성은 코어 샘플을 비롯한 현장 조사를 통해 결정될 것이다.
도 10을 참조하면, 선박(110)은 외부적 도움(external assets) 없이 바지선을 계선시키거나 계선을 해제할 수 있도록 그에 설치된 소형 너클붐 크레인을 구비한다. 말단 계선 인터페이스는 단순한 데크 장착 체인 플레이트를 통해 이루어진다. 이러한 선박 탑재 크레인은 통상의 운용 중에 일반적인 화물 취급 및 운반에도 유용해야 한다.
도 11을 참조하면, 계선 시스템은 극심한 폭풍과 관련한 폭풍 해일이나 쓰나미를 보상할 필요가 있을 때에 변화하는 해수면에 동적으로 맞춰질 수 있다. 폭풍 해일은 바람, 조수 및 압력 효과의 조합으로 생성된 해수면의 상승이다. 허리케인에 대해 통상적으로 보고되는 바와 같이, 폭풍 해일은 일반적으로 추가적인 표면 파도를 포함한다. 20ft의 폭풍 해일은 해수면 위로 20ft의 육지를 잠기게 할 것이다. 폭풍 해일은 고정된 계선 장비에 훤히 트인 물의 파도와는 다르게 영향을 미친다. 계선 장비는 인장 바아 부표의 작용에 의한 계선된 바지선의 수직 운동을 허용하도록 설계된다. 이러한 허용이 계선 장치에 작은 추가적 부하를 가하게 되지만, 폭풍 해일은 바람, 파도 및 조류에서와 같이 바지선에 수평 부하를 생성하진 않는다. 폭풍 해일이 도달함에 따라, 바지선(100)은 그 초기 위치에서 상대적 높은 위치(예를 들면, 바지선(110'))로 들어올려진다. 계선 부표(118)도 상대적 높은 위치로 들어올려진다(예를 들면, 계선 부표(118'). 바지선(110 > 110')의 들어올려짐이 계선 로프의 느슨함을 죔에 따라 계선 부표(118)는 회전하여 부분적으로 잠긴다. 계선 부표의 회전 및 잠김은 해일 부하를 감소시키기 위한 완충기로서 계선 레그의 유효 길이를 증가시키도록 작용한다.
도12는 바지선 탑재형 OTEC 발전소를 위한 계류 시스템 및 냉수 파이프 구성의 사시도이다. 계선 및 워터 파이프 시스템들의 그러한 특정 인터페이스는 케이프 엘루테라(Cape Eleuthra)에서 떨어진 연안 대륙붕상의 제안된 위치를 위해 구성되었다. 계선 레그는 특정 바닥 지형과 인터페이스하도록 하는 데에 필요로 하는 바에 따라 아주 상이한 길이 및 각도를 가질 수 있다. 냉수 파이프(152)는 130ft 간격으로 이격된 4000lb의 수중 중량의 중력식 앵커(170)를 이용하여 고정/계류된다. 필요한 질량을 달성하기 위해 강제 박스에 담은 자성 모래(비중=5)를 이용함으로써 비용이 절감된다. 냉수 파이프는 파이프 1피트당 15파운드로 약간의 부력을 받기 때문에, 가중 칼라(172)를 이용하여 도시한 현수선 곡선(catenary curve)을 달성한다. 예를 들면, 가중 칼라는 콘크리트 앵커(172')(도 13 참조)이거나, 강제 중력식 앵커(172")(도 14 참조)일 수 있다.
도 15 내지 도 17은 계선 시스템의 앵커(119', 119", 119''')의 개략도이다. 이들 앵커는 에를 들면 이암(mudstone) 또는 산호에 배치되는 경우에 보다 신뢰성이 있을 것이다. 이암은 사암과 특성이 유사하고, 산호는 석회석과 특성이 유사하다. 이들 두 기재는 모두 적절히 설계된 매립식 앵커에 매우 접합하다.
앵커(119)는 앵커를 박는 데에 예를 들면 폭발 매립법, 바닥 안착(bottom sitting)형 유압식 파일 드라이버 장치, 및/또는 중량의 회수 가능 어뢰형 추를 갖는 중력식 드라이버 시스템을 이용하여 설치될 수 있다. 수백 톤의 용량을 갖는 소형 바지선 탑재 크레인은 연근해 작업에서 폭넓게 사용되며, 앵커(119)를 설치하는 데에 용이하게 이용 가능하다. 몇몇 바지선 크레인은 단순히 바지선 상에 설치된 육상용 크롤러 크레인을 이용한다. 100톤급 크레인이 또한 바지선(110)이 임시로 또는 영구적으로 설치되어, 운용 화물의 이송에 이용될 수도 있다.
도 18 및 도 19는 각각 OTEC 발전소(100)의 사시도 및 관련 파워 케이블 계선 시스템의 측면도이다. 예시적인 파워 케이블의 계류 시스템은 부력 칼라(172)를 포함하는 부표 지지형 레지 웨이브 구조이다. 다수의 부력 칼라가 함께 그룹으로 나누어져, 가상 부표(176)를 형성할 수 있다. 통상의 부지에서, 파워 케이블은 비교적 얕은 물 속에서 해안까지 연장할 것이며, 그 파워 케이블(120)은 통상 암석 덮개로 보호 및 고정될 것이다. 산호초 또는 연안 해변을 통한 안내는 방향 천공된 터널을 통해 이루어질 것이다. 바지선(110)은 인장 바아 부표(118)로 연장하는 8개의 체인 레그를 갖는다. 이들 부표(118)는 계선 레그에서의 얼마간의 부하의 완화를 제공하고 또한 바지선이 분리되는 경우에 계선 시스템을 제위치에 유지한다. 계선 레그는, 부하 요건을 충족시키는 데에 필요한 바에 따라 각 레그마다 4개 또는 3개씩의 2in 직경의 폴리에틸렌(PE) 로프로 이루어진 다중 로프로 이어진다. PE 계선 로프는 각각 도 15 내지 도 17과 관련하여 전술한 바와 같이 그 말단에 단일 설치의 매립 앵커를 갖는다.
도 20a 내지 도 20c를 참조하면, 발전소 시스템은 HX 챔버의 상부 데크에 용이하게 지지될 수 있는데, 이는 그 챔버가 정압을 갖고 그 구조가 어울리지 않게 튼튼하다. 열교환기 플레이트는 84개의 플레이트로서 이루어진 모듈(178)로서 조립된다. 이들 모듈은 소형 지게차에 의해 용이하게 취급된다. 이들 모듈은 워터 챔버(182)(즉, 증발기(112)/응축기(114)) 내외로 슬라이드하는 랙(180)에 설치되어, 열교환 모돌에 대한 접근을 제공한다. 열교환 시스템의 모든 관리는 통상의 재료 취급 장비를 이용하여 바지선의 데크로부터 이루어진다.
열교환 모듈은 검사, 수리 또는 교체를 위해 랙으로부터 제거될 수 있다. 워터 챔버의 단순한 특성은 모듈간 모든 배관 연결이 해치를 설치하기 전에 챔버 내에서 이루어질 수 있게 한다. 따라서, 해치는 암모니아 배관을 위한 관통 이음쇠(through-fitting)를 필요로 하지 않는다.
도 21a 및 도 21b는 각각 냉수 파이프 연결 밸브(184)(준설 산업을 위해 제조된 드레지 야드(Dredge Yard) 48" 내경 신속 이음 볼 밸브)의 부분 절개도 및 측면도이다. 48" 직경은 펌프 입구 직경에 상응하는 것으로, 63" 파이프 내경 또는 그 보다 큰 파이프에 이르기까지 맞춰질 수 있다. 몇몇 시스템에서, 예를 들면 해저면에 설치된 매니폴드를 포함하지 않는 시스템에서, 냉수 파이프는 냉수 파이프 연결 밸브(184)와 같은 제한된 운동의 볼 조인트에 의해 바지선 펌프에 연결될 수 있다. 이 조인트는 주로 짧은 주기 작은 진폭의 롤 및 피치 운동으로부터 냉수 파이프를 격리시키는 기능을 한다. 보다 크고 보다 느린 서지(surge), 스웨이(sway) 및 히브(heave) 운동은 가용성 고밀도 폴리에텔렌(HDPE) 냉수 파이프의 루프에서 흡수된다.
해저면 매니폴드를 갖는 시스템에서, 소직경 워터 파이프가 바지 펌프 및 배출부에 상용 기성품의 볼 조인트에 의해 연결될 것이다. 이 조인트는 주로 짧은 주기 작은 진폭의 롤 및 피치 운동으로부터 그 파이프들을 격리시키는 기능을 한다. 보다 크고 보다 느린 서지, 스웨이 및 히브 운동은 바지선과 파이프 부표 사이에 위치한 가요성 PE 파이프의 루프에서 흡수된다.
도 22는 냉수 파이프 유입 및 복귀 매니폴드(146)의 사시도이다. 매니폴드(146)는 O링 및 리테이너 블록을 포함한다. 파이프의 단부에는 O링 및 리테이너 링이 마련되며, 블록은 매니폴드 내에 밀봉된 리셉터클의 외부에 볼트 체결된다.
도 23a 내지 도 23d는 길이 206ft 폭 139ft 높이 28ft의 바지선(110)을 도시한다. 바지선(110)은 증발기(112)와 응축기(114) 사이에 위치한 문풀(136)을 포함한다. 그 데크 상의 주요 장비는 열교환기 시스템이다. HX 어레이는 랙에 지지되고 워터 챔버에 둘러싸이며, 이 워터 챔버는 상호 연결된 HX 카트리지에 걸친 온수 및 냉수의 흐름이 그 카트리지 내에 수용된 암모니아 작동 유체의 기화 및 응축을 달성하게 할 수 있다. 데크 설비는 또한 암모니아 저장 탱크, 주거 모듈 및 화물 취급 장치를 포함한다.
이 실시예에서, 증발기(112) 및 응축기(114)는 바지선(110)의 코너에 위치하며, 발전기 및 터빈과 같은 기계적 가동 부품을 갖는 시스템들은 바지선(110)의 중심 쪽에 위치한다. 도 23b는 그러한 시스템들의 위치를 도시하고 있다. 발전 기계류는 선체 중앙 포트 및 문풀의 우현에 위치한다. 이들 공간은 4개의 터빈, 암모니아 펌프, 및 관련 제어부와 스위치 장치를 포함하며, 이는 발전 시스템을 포함한다. 승무원 계단통과 갠트리 크레인 해치에 추가하여, 그러한 기계류 공간은 화물 엘리베이터에 의해 제공될 수도 있다. 기계류는 운동 중에 가속도가 최소로 되는 선박의 중심에 가능한 한 근접하게 위치한다. 축소 모델 테스트는 최악의 폭풍 상황에서도 가속도가 0.2g 미만임을 보여준다. 이러한 구성은 바지선(110)이 피치 및/또는 롤 운동할 때에 최고 가속도를 겪게 되는 바지선(110)의 부분에 가동 부품이 거의 없는 고질량 구성 요소를 배치한다.
열교환기 카트리지는 워터 챔버의 내외로 슬라이드되는 랙에서 설치되는 어레이로 상호 연결된다. 암모니아 배관은 챔버측 해치가 설치되기 전에 챔버의 내부에 연결되어, 데크 아래의 발전소 시스템에 암모니아를 공급한다. HX 어레이는 개별 어레이가 수리되거나 교체될 수 있는 챔버 외부로의 랙의 슬라이드함으로써 서비스된다. 이러한 데크 배치는 온수 챔버와 냉수 챔버가 유지보수 데크를 공유하게 하여 전체 플랫폼 사이즈를 최소화하는 것을 가능하게 한다. HX 어레이 랙은 제거 가능한 해치를 통해 워터 챔버 밖으로 슬라이드된다. 그러면, 하우징 코쿤(cocoon)에 영구적으로 설치된 84개의 열교환기 카트리지를 포함하는 HX 어레이가 개별적으로 제거될 수 있다.
문풀은 플랫폼과 온수 및 냉수의 공급 및 복귀 파이프 간의 연결 지점으로서 기능한다. 문풀의 이용은 그러한 중요 연결부이 적어도 플랫폼의 운동 지점에 위치하게 하고 파도의 충격 및 충돌로부터 보호될 수 있게 한다. 또한, 배관이 계선 시스템의 체인으로부터 꽤 멀리 떨어지게 할 수도 있다. 문풀 위에 기본적인 갠트리 크레인의 채용은 물 배관 및 해수 펌프 시스템의 설치 및 유지보수에 도움을 준다. 갠트리 크레인은 또한 기계류 공간 위에 위치하는 2개의 대형 데크 해치를 수리하는 한편, 기계류 및 공급물을 플랫폼의 데크로부터 데크 아래의 공간으로 이동시킬 수 있게 한다. 크레인은 플랫폼 데크로부터 돌출하여 유용품 지원 보트로부터 일반 화물을 하역할 수도 있다.
플랫폼 둘레의 불워크(bulwark)는 폭풍 상황 중에 청파(green water)로부터 데크를 보호하는 한편, 플랫폼 밖의 사람들의 시야로부터 데크의 기계류 및 작업을 가려 미관상 시각적 두드러짐을 제공하도록 의도된다. 불워크는 계선 체인을 설치하도록 코어에 제거 가능한 패널을 구비한다. 불워크는 선체 중앙에 슬라이딩 해치를 채용하여, 화물이 지원 보트로부터 바지선(110)으로 용이하게 옮겨지게 할 수 있다. 불워크는 데크에 대한 연결부에 배수용 갭을 갖는다.
계선 체인은 원통 부표(can buoy)로보다는 바지선(110)의 저부 코너로부터 아래쪽으로 연장한다. 1/35 축소 모델을 이용한 테스트는 그러한 구성이 예를 들면 섬의 풍하측(leeward side)과 같은 파도가 낮은 환경에 이용할 수 있음을 보였다. 원통 부표 계선 구성은 추가적인 유연성을 제공하고, 예를 들면 섬의 풍상측(windward side)과 같은 파도가 높은 환경에서 요구될 수도 있다.
도 23c는 펌프 및 배관의 배치를 도시하고 있다. 냉해수 및 온해수 수직 축류 펌프가 수중 배관 및 유입부에 대한 연결부를 갖는 문풀의 벽으로부터 밖으로 연장하는 드라이 챔버 내에 위치한다. 해수의 사용에 리던던시를 허용할 펌프 차단 밸브 및 매니폴드를 위한 공간이 할당되어 있다. 강제 분배 배관이 데크 아래에서 연장하여 HX 챔버의 단부에 위치한 물 분배 플레넘 내로 물을 바로 공급한다. 복귀 파이프는 HX 챔버의 단부에 위치한 물 복귀 플레넘으로부터 물이 바로 공급된다. 배관 제조업자들을 설치를 위해 필요한 바에 따라 세그먼트 용접 배관 만곡부(segment-welded piping turns)를 공급할 수 있다.
도 23d는 냉수 및 온수의 외부 배관을 도시한다. 외부 공급 및 복귀 파이프는 문풀 벽에 용접된 이음쇠를 통해 내부 펌프 및 파이프에 연결된다. 그러나, 가요성의 강력 흡입 준설 호스(strong suction dredge hose)가 문풀 바로 아래에 위치한 해저 매니폴드에 연결된다. 그 콘크리트 매니폴드는 가요성 호스를 해저면에 지지된 대형의 84" 직경 냉수 공급 및 냉온수 복귀 파이프로 통합한다. 해저면 파이프는 이중벽 스파이럴 리브형 HDPE일 수 있다.
각 라이저 파이프(150)는 도 8 및 도 9에서 도시한 바와 같이 레이지 웨이브 형태로 OTEC 매니폴드(146)로부터 바지선(110)으로 상승하기 보다는 2개의 섹션으로 분리되어 루프를 형성한다. 이들 2개의 섹션은 이 시스템을 위해 개발된 인장/전단/비틀림(tension/shear/torsion: TST) 제한 플렉시블 조인트(186)에 의해 결합된다. 이들 조인트의 실시예는 도 24a 및 도 24b에 대해서 보다 상세하게 논의한다. 그러한 배관 구성은 고정된 해저면 매니폴드에 대한 플랫폼의 운동을 수용한다. 상위 1%(99th percentile)의 운용 날씨 동안의 플랫폼의 운동은 서지/스웨이/히브에 있어서 수피트 정도, 그리고 롤/피치/요오에 있어서 십분의 수도(度) 정도일 것으로 예상된다. 계선 체인 시스템의 예비 인장은 모든 날씨 상황에서 플랫폼의 운동을 상당히 개선시킨다. 허리케인 상황에서 예상되는 최대 서지 및 스웨이 운동은 15ft이고, 최대 히브는 10ft이다. 가요성 연결 시스템은 배관 및 배관 연결부에 과도한 하중을 가하지 않고 그러한 운동을 수용해야 한다. 파이프 지지 플랫폼은 상기 플랫폼에 케이블로 고정되어, 그 플랫폼에 연결하는 수직 강제 파이프가 아니라 케이블 및 구조체가 그 하중을 덜도록 된다.
도 24a 및 도 24b는 인장 및 비틀림을 각각 제한하는 TST 제한 플렉시블 조인트(186)를 도시한다. 이 실시예에서, TST 제한 플렉시블 조인트(186)는 해수를 수용하여 조인트의 압축 하중에 저항하도록 2개의 플랜지(190) 사이에 가요성 고무 요소(188)를 포함한다. 이 고무 요소(188)는 조인트의 인장, 전단 및 비틀림 하중에 저항하는 가요성 체인으로 이루어진 메시에 의해 둘러싸인다. 체인은 인터위빙(interweaving)되어 플랜지(190)에 체결된 볼트에 의해 부착된다. 체인의 개수 및 배향은 조인트의 가요성의 방향 및 정도를 제어할 수 있다. 고무 요소(188)는 조인트 용례에 기초한 원하는 형상으로 성형되며, 체인은 조인트의 가요성의 원하는 방향에 기초하여 배향된다.
TST 제한 플렉시블 조인트(186)는 바지선(110)을 OTEC 매니폴드(146)에 부착하기 위한 라이저 구성을 설계하는 데에 상당한 융통성을 제공할 수 있다. 도 25는 라이저 구성의 다른 예를 도시한다. 그 부지에서, 해저면은 450ft 깊이를 지나 매우 가파르게(거의 수직으로) 떨어진다. 3,800ft 깊이에서 바지선과 냉수 간의 거리는 몇몇 다른 지역에 비해서는 꽤 짧다. 라이저 파이프 조립체는 TST 제한 플렉시블 조인트(186)에 연결된 90° 엘보우에 의해 꺾인다. 라이저의 개수는 발전소 전력 출력의 크기에 기초하여 유량에 필요한 파이프의 개수에 의존한다.
본 명세서에서 언급한 모든 참조 문헌 참조로 본 명세서에 원용된다.
본 발명의 실시예에 대해 설명하였다. 그럼에도, 다양한 수정이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, OTEC 플랜트는 3개 이상의 증발기 또는 응축기 챔버, 3개 이상의 온수 또는 냉수 펌프, 2개 유입 및 배출 시체스트 매니폴드, 또는 해안가의 2개 이상의 파이프 매니폴드에 대한 2개 이상의 냉수 배출 SWAC 시체스트 매니폴드 및 3개 이상의 파이프를 구비할 수 있고; OTEC 바지선이 바지선 상의 계선 윈치에 부착되어 거기로 바로 상승하는 계선 로프를 갖거나, 그 로프가 바지선까지 연장하여 그에 부착되기 전에 계선 부표까지 상승하는 계선 로프를 구비할 수 있고; 전체 데크가 덮이지 않도록 하여, 수평선에 대한 OTEC 발전소의 실루엣이 데크에 탑재한 구조체의 이미지에 의해 흔들리게(staggered) 되도록 할 수 있다. 따라서, 다른 실시예들은 이하의 청구범위의 보호 범위 내에 있다.

Claims (25)

  1. 해상 발전 시스템으로서:
    (a) 부유식 이동 가능 플랫폼으로서,
    (1) 하나 이상의 해양 열에너지 변환(Ocean Thermal Energy Conversion: OTEC) 열교환 유닛;
    (2) 하나 이상의 터빈 발전기;
    (3) 물 유입 및 배출 시스템; 및
    (4) 계선 시스템(mooring system)을 포함하는 부유식 이동 가능 플랫폼;
    (b) 해저면 매니폴드(seabed manifold)로서,
    (1) 냉수 유입 연결부;
    (2) 복수의 냉수 배출 연결부; 및
    (3) 중간 온수 도관을 통해 상기 부유식 이동 가능 플랫폼의 물 유입 시스템과 연통하는 복수의 온수 배출 연결부로서, 각 온수 배출 연결부는 상기 중간 온수 도관으로부터 분리 가능한 것인 복수의 온수 배출 연결부를 포함하는 해저면 매니폴드;
    (c) 상기 해저면 매니폴드의 냉수 유입 연결부에 부착되어 그 냉수 유입 연결부와 유체 연통하는 한편, 상기 해저면 매니폴드에서부터 40℉로 유지되는 심해 해수까지 연장하는 냉수 파이프;
    (d) 상기 해저면 매니폴드와 상기 부유식 이동 가능 플랫폼의 물 유입 및 배출 시스템 사이에서 연장하는 복수의 중간 냉수 도관으로서, 각각의 중간 냉수 도관은 상기 해저면 매니폴드로부터 분리 가능하며, 각각의 중간 냉수 도관은 상기 냉수 파이프보다 작고 더 유연한 것인, 복수의 중간 냉수 도관; 및
    (e) 상기 해저면 매니폴드와 상기 부유식 이동 가능 플랫폼의 물 유입 및 배출 시스템 사이에서 연장하는 복수의 중간 온수 도관으로서, 각각의 중간 온수 도관은 상기 해저면 매니폴드로부터 분리 가능한 것인, 복수의 중간 온수 도관
    을 포함하는 해상 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 OTEC 열교환 유닛은 다단 캐스케이딩(cascading) 하이브리드 OTEC 열교환 시스템을 포함하는 것인 해상 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 각 OTEC 열교환 유닛은 OTEC 열교환 유닛을 가로지르는 선형의 냉수 및 온수 흐름을 허용하도록 물 유입 및 배출 시스템에 연결되는 것인 해상 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 각 OTEC 열교환 유닛은 냉수 공급의 흐름 경로에 위치한 복수의 열교환 플레이트를 포함하는 것인 해상 발전 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 각 OTEC 열교환 유닛은 온수 공급의 흐름 경로에 위치한 복수의 열교환 플레이트를 포함하는 것인 해상 발전 시스템.
  6. 제3항에 있어서, OTEC 작동 유체가 하나 이상의 열교환 플레이트의 내부 통로를 통과해 흐르며, 각 열교환 플레이트는 냉수 또는 온수 공급의 흐름 경로에 의해 둘러싸이고 그 경로에 위치하는 것인 해상 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 각 OTEC 열교환 유닛은 4개의 캐스케이딩 열교환 구역을 포함하는 것인 해상 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 각 캐스케이딩 열교환 구역은 냉수 또는 온수 공급의 수평 유동을 용이하게 하도록 배치되는 것인 해상 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 물 유입 및 배출 시스템은 온수 공급 펌프와 냉수 공급 펌프를 포함하는 것인 해상 발전 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 물 유입 및 배출 시스템은 온수 또는 냉수 배출 펌프를 포함하는 것인 해상 발전 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 하나 이상의 배출 파이프가 물 유입 및 배출 시스템의 배출과 연통하는 것인 해상 발전 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 온수 배출 파이프의 말단은 25 내지 500ft의 깊이에 있는 것인 해상 발전 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 냉수 배출 파이프의 말단은 25 내지 500ft의 깊이에 있는 것인 해상 발전 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 온수 및 냉수 배출 파이프의 말단은 주위 물의 온도의 10℉ 이내의 온도를 갖는 깊이에서 물을 배출하는 것인 해상 발전 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    (a) 상기 물 유입 및 배출 시스템 및 상기 해저면 매니폴드와 연통하는 냉수 배출 파이프; 및
    (b) 상기 물 유입 및 배출 시스템 및 상기 해저면 매니폴드와 연통하는 온수 배출 파이프를 더 포함하며,
    온수 및 냉수 배출은, 상기 해저면 매니폴드에서 혼합되어 주위 물의 온도의 10℉ 이내의 온도로 상기 해저면 매니폴드로부터 배출되는 것인 해상 발전 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 온수 및 냉수 배출과 연통하는 혼합 노즐을 더 포함하는 것인 해상 발전 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 냉수 파이프는 냉수 파이프 연결부를 통해 물 유입 및 배출 시스템에 직접 결합되는 것인 해상 발전 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 해저면 매니폴드를 빠져나가 보조 시스템에 공급되는 보조 냉수 공급을 더 포함하는 것인 해상 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 보조 시스템은 해안가에 기반을 둔 공기 조화 시스템인 것인 해상 발전 시스템.
  20. 연근해 구역 내에서 전력을 생산하는 방법으로서:
    (a) 부유식 이동 가능 해양 열에너지 변환(OTEC) 발전소를 제공하는 단계로서,
    (1) 하나 이상의 OTEC 열교환 유닛;
    (2) 하나 이상의 터빈 발전기;
    (3) 물 유입 및 배출 시스템; 및
    (4) 계선 시스템
    을 포함하는 부유식 이동 가능 OTEC 발전소를 제공하는 단계;
    (b) 30 내지 450ft의 깊이의 해저면에 물 유입 매니폴드를 고정시키는 단계;
    (c) 고정된 물 유입 매니폴드에 냉수 파이프를 연결하는 단계; 및
    (d) 상기 고정된 물 유입 매니폴드와 상기 부유식 이동 가능 OTEC 발전소의 물 유입 및 배출 시스템 사이에 중간 냉수 파이프를 연결하는 단계
    를 포함하는 연근해 구역에서의 발전 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    (a) 상기 물 유입 및 배출 시스템과 상기 고정된 물 유입 매니폴드 사이에 냉수 배출 파이프를 연결하는 단계; 및
    (b) 상기 고정된 물 유입 매니폴드로부터 냉수를 배출하는 단계를 더 포함하는 것인 연근해 구역에서의 발전 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    (a) 상기 물 유입 및 배출 시스템과 상기 고정된 물 유입 매니폴드 사이에 온수 배출 파이프를 연결하는 단계; 및
    (b) 상기 고정된 물 유입 매니폴드로부터 온수를 배출하는 단계를 더 포함하는 것인 연근해 구역에서의 발전 방법.
  23. 제20항에 있어서, 온수 배출과 냉수 배출은 상기 고정된 물 유입 매니폴드에서 혼합되는 것인 연근해 구역에서의 발전 방법.
  24. 삭제
  25. 삭제
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