KR102333303B1 - 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템 - Google Patents

이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탈염 시스템을 개시한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 전위가 인가된 전극계면에 수용액 중의 이온들이 정전기적인 힘에 의해 흡착하는 원리를 이용하는 전기흡착(CDI, Capacitive Deionization) 기술에 기반한 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이온교환막 없이 CDI운전을 할 수 있는 시스템 및 제어기술로서, 종래와 대비하여 고가의 이온교환막을 제거함에 따라 경제성을 높여 CDI의 상용화에 크게 기여 할 수 있다. 아울러, 본 발명에서는 2개의 CDI 모듈부를 이용한 듀얼운전(Dual Operation)을 통해 별도의 저장탱크가 없이도 정수공급이 연속적으로 이루어지도록 함으로써 하나의 모듈의 퇴수 시에 발생되는 에너지를 회수하여 또 다른 모듈의 정수 시에 필요한 에너지를 공급함으로써 에너지 이용률을 극대화 할 수 있고 전력비용 저감을 통해 운용비를 낮출 수 있는 효과가 있다.

Description

이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템{CAPACITIVE DEIONIZATION SYSTEM CAPABLE OF DUAL OPERATION WITHOUT ION EXCHANGE MEMBRANE}
본 발명은 전위가 인가된 전극계면에 수용액 중의 이온들이 정전기적인 힘에 의해 흡착하는 원리를 이용하는 전기흡착(CDI, Capacitive Deionization) 기술에 기반한 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템에 관한 것이다.
전기흡착(CDI, Capacitive Deionization) 기술은 전위가 인가된 전극계면에 수용액 중의 이온들이 정전기적인 힘에 의해 흡착하는 원리를 이용하는데, 전극에 전위를 인가하면 인가된 전위와 반대전하를 갖는 이온들이 전극표면으로 이동하여 흡착되는 방식이다. 전극의 흡착용량이 한계에 이르면 하전된 전극을 방전시켜 이온들을 탈착시켜 전극을 재생하게 된다. 이처럼 전기흡착 공정은 전극의 전위만을 변화시켜 이온들을 흡착 및 탈착 시킬 수 있기 때문에 운전이 매우 간편하고 또한 인가되는 전위가 전기분해가 일어나지 않는 낮은 전압에서 운전되기 때문에 에너지 소모량이 기존의 탈염공정에 비해 현저히 줄일 수 있는 특징이 있다.
도 1은 종래 CDI용 단방향 전력변환 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
계통(Grid)로부터 AC전력을 받아서 DC로 변환하고, 전기적 절연과 전압크기를 맞추기 위해 다시 DC/DC 전력변환이 이루어진다. 최종단에는 극변환기를 두어 정수 시에 양 전압을 인가하고 퇴수 시에는 음 전압을 인가할 수 있게 한다. 기존의 CDI 전력변환은 단방향으로 이루어지며, 정수 시에 흡착과 퇴수 시에 탈착을 위해 전력을 공급하고, 정수와 퇴수의 중간단계에 쇼트구간을 두어 저항을 통해 전극을 단락시켜 급격한 전압변동으로 인한 피크성 전류발생을 방지하게 한다.
그러나, 정수와 퇴수 공정에서 극성을 변환시켜 운전하게 되는데, 극변환 과정에서 바로 반대극성을 인가하게 되면 피크성 전류가 발생되어 전극의 소모를 가속화 시키고 시스템이 파손될 수 있다. 이에 따라, 상술한 바와 같이 쇼트구간을 두어 전극을 저항을 통해서 단락시켜 저항으로 전극에 남아 있는 전하를 방전시키게 되는데, 이러한 경우 또한 에너지를 소모하는 과정이며 손실이고 저항의 발열 등으로 인한 화재 위험도 발생한다.
또한, 종래의 전력변환 시스템의 다른 문제는 정수 과정에서 생기는 물만 이용되고 퇴수 과정에서 발생되는 농축수는 버려지게 됨에 따로 회수율이 100%가 되지 못하고 연속적인 정수공급을 위해서는 따로 저장탱크가 필요하게 된다.
뿐만 아니라, 종래의 전력변환 시스템에서는, 이온 탈착이 제대로 수행되지 않은 경우에는 전극계면에 염이 잔류할 수 있으며, 전극에 전위가 다시 인가되면 전극계면에 잔류한 이온이 전극표면으로 흡착될 수 있다. 즉, 이온탈착이 제대로 수행되지 않음으로 인하여, 전극의 염제거율이 감소할 수 있다.
이러한 전극의 염제거율 감소 문제를 해결하기 위하여, 종래에는 도 2에 도시된 바와 같이 전극에 이온교환막을 결합한 이온교환막 결합형 전기흡착방식(MCDI:Membrane CDI)을 사용하고 있다.
도 2를 참조하면, 종래의 MCDI 모듈은 서로 대향하여 배치되고 음 전압 및 양 전압이 각각 인가되는 제1 및 제2 집전체와, 제1 및 제2 집전체에 인가된 전압에 따라, 유로를 통과하는 염수의 양이온 및 음이온을 각각 집전하는 제1 및 제2 탄소전극을 포함하고, 특히 염수가 통과할 수 있는 스페이서(Spacer)를 중심으로 음극 앞에 양이온만 통과시키고 음이온은 저지시키는 양이온 교환막과, 음이온만 통과시키고 양이온은 저지시키는 양극 앞에 음이온 교환막을 구비하여, 전극으로 이온이 재 흡착되는 것을 방지하게 된다.
그러나, 전술한 이온 교환막들은 고가의 재료임에 따라 설치비용이 증가하고, 이온교환막의 두께에 의하여 하나의 단위셀(Unit cell) 내에 장착할 수 있는 전극의 수량이 줄어드는 문제가 있다.
등록특허공보 제10-2053774호(공고일자: 2019.12.09.) 공개특허공보 제10-2019-0051186호(공개일자: 2019.05.15.)
본 발명은, 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 기존 이온교환막 결합형 CDI 시스템에서 이온교환막이 없는 CDI 시스템을 제안한다. 통상적으로 탈착 또는 퇴수 공정에서 반대 극성의 전위를 인가하기 때문에 이온의 재흡착이 일어나게 되며, 이에 종래 시스템은 전극상에 이온교환막을 배치하여 이온의 이동을 차단하게 되나, 이온교환막은 고가의 재료이기 때문에 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 탈착 또는 퇴수 공정에서 반대극성을 사용하지 않고 이온을 탈착하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 원가를 절반 이하로 줄일 수 있는 획기적인 기술로서 CDI의 상용화에 크게 기여할 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 2개의 CDI 모듈을 이용한 듀얼운전(Dual Operation)을 통해 별도의 저장탱크가 없이도 정수공급이 연속적으로 이루어 지도록 하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 본 발명은 하나의 모듈이 퇴수할 때에 발생되는 에너지를 회수하여 또 다른 모듈의 정수 시에 에너지를 공급할 수 있게 함으로써 에너지 이용률을 극대화 할 수 있고 전력비용 저감을 통해 운용비를 낮출 수 있도록 하는 특징이 있다.
전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템은, 유입수를 탈염하는 제1 및 제2 CDI 모듈부 및, 상기 제1 및 제2 CDI 모듈부와 각각 연결되고, 회수된 전력을 정수 운전을 위한 전력으로 상호 공급하여 상기 제1 CDI 모듈부와 상기 제2 CDI 모듈부 간의 정수 운전과 퇴수 운전을 상보적으로 연속해서 진행하는 양방향 전력운영 모듈을 포함하고, 상기 제1 및 제2 CDI 모듈부는, 유입수가 통과하는 유로, 상기 유로를 중심으로 하여 일정간격으로 서로 대향하게 배치되고, 서로 다른 극성의 전압이 인가되는 한 쌍의 집전체 및, 상기 한 쌍의 집전체의 대향면에 각각 배치되고, 상기 한 쌍의 집전체에 전압이 인가됨에 따라 상기 유입수의 서로 다른 극성의 이온을 각각 흡착하는 한 쌍의 탄소전극을 포함할 수 있다.
상기 양방향 전력운영 모듈은, 상기 제1 CDI 모듈부와 상기 제2 CDI 모듈부의 퇴수 운전 시 각각 발생되는 전력을 회수하고, 회수된 전력을 정수 운전을 위한 전력으로 상호 공급하여 상기 제1 CDI 모듈부와 상기 제2 CDI 모듈부 간의 정수 운전과 퇴수 운전이 이루어지도록 연결되는 DC 링크, 상기 제1 CDI 모듈부와 연결된 제1 양방향 DC/DC 변환부, 상기 DC 링크를 통해 상기 제1 양방향 DC/DC 변환부와 상호 연결된 제2 양방향 DC/DC 변환부, 전원을 공급 받기 위한 계통과 상기 DC 링크 간에 연결되어 상기 제1 양방향 DC/DC 변환부와 상기 제2 양방향 DC/DC 변환부에 전력을 공급하기 위한 AC/DC 변환부, 정수설정시간 동안 상기 제1 CDI 모듈부의 정수 운전과, 퇴수설정시간 동안 상기 제1 CDI 모듈부의 퇴수 운전이 반복적으로 일어나도록 상기 제1 양방향 DC/DC 변환부의 공급전압과 공급전류를 제어하는 제1 DC 제어부 및, 정수설정시간 동안 상기 제2 CDI 모듈부의 정수 운전과, 퇴수설정시간 동안 상기 제2 CDI 모듈부의 퇴수 운전이 반복적으로 일어나도록 상기 제2 양방향 DC/DC 변환부의 공급전압과 공급전류를 제어하는 제2 DC 제어부를 포함할 수 있다.
상기 양방향 전력운영 모듈은, DC 링크 기준전압(Vdc*)과 DC 링크전압 간의 오차가 최소화되는 유효전류(Id*)를 출력하는 PI 전압 제어부, 계통전압(Vs)에 대한 위상고정루프를 실행하여 미리 설정된 위상각을 갖는 전압을 출력하는 PLL 회로부, 상기 PI 전압 제어부의 유효전류(Id*)와 상기 PLL 회로부의 출력전압을 곱하여 계통전류(Is)의 목표 순시값(Is*)을 계산하는 곱셈 연산부, 상기 곱셈 연산부를 통해 목표 순시값(Is*)을 갖는 계통전류에 대한 듀티를 계산하는 AC 전류 제어부 및, 상기 AC 전류 제어부를 계산된 듀티에 따른 스위칭 파형을 생성하여 상기 AC/DC 변환부로 출력하는 AC PWM 발생부를 포함할 수 있다.
상기 제1 DC 제어부는 +정수운전모드, 퇴수운전모드, -정수운전모드 및 퇴수운전모드 순으로 동작하고, 상기 제2 DC 제어부는, 상기 제1 DC 제어부와 상보적으로, 퇴수운전모드, +정수운전모드, 퇴수운전모드 및 -정수운전모드로 동작할 수 있다.
상기 +정수운전모드에서는, 정수설정시간 동안 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*)보다 낮으면, 기준 출력전류(Io*)를 양의 최대전류설정값(Io_max)까지 증가시키고, 출력전압이 최대전압설정값(Vo_max)에 도달할 때까지 정전류 모드(CC)로 동작하고, 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*)보다 크면, 출력전압(Vo)을 최대전압설정값(Vo_max)을 넘지 않도록 일정하게 유지시키는 정전압 모드로 동작하도록 상기 제1 또는 제2 양방향 DC/DC 변환부를 제어할 수 있다.
상기 +정수운전모드 직후, 퇴수운전모드에서는, 정수설정시간 종료 후 퇴수설정시간으로 전환시 기준출력전류(Io*)를 음의 최대전류설정값(-Io_max)까지 감소시킨 후, 정전류 모드로 동작하여 출력전압(Vo)이 영 전압이 되도록 상기 제1 또는 제2 양방향 DC/DC 변환부를 제어할 수 있다.
상기 -정수운전모드에서는, 정수설정시간 동안 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*)보다 높으면, 기준출력전류(Io*)를 음의 최대전류설정값(-Io_max)까지 감소시키고, 출력전압이 음의 최대전압설정값(-Vo_max)에 도달할 때까지 정전류 모드(CC)로 동작하고, 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*)보다 작으면, 출력전압(Vo)을 음의 최대전압설정값(-Vo_max)을 넘지 않도록 일정하게 유지시키는 정전압 모드로 동작하도록 상기 제1 또는 제2 양방향 DC/DC 변환부를 제어할 수 있다.
상기 -정수운전모드 직후, 퇴수운전모드에서는, 정수설정시간 종료 후 퇴수설정시간으로 전환시 기준출력전류(Io*)를 양의 최대전류설정값(Io_max)까지 증가시킨 후, 정전류 모드로 동작하여 출력전압(Vo)이 영 전압이 되도록 상기 제1 또는 제2 양방향 DC/DC 변환부를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이온교환막 없이 CDI운전을 할 수 있는 시스템 및 제어기술로서, 종래와 대비하여 고가의 이온교환막을 제거함에 따라 경제성을 높여 CDI의 상용화에 크게 기여 할 수 있다. 아울러, 본 발명에서는 2개의 CDI 모듈을 이용한 듀얼운전(Dual Operation)을 통해 별도의 저장탱크가 없이도 정수공급이 연속적으로 이루어지도록 함으로써 하나의 모듈의 퇴수 시에 발생되는 에너지를 회수하여 또 다른 모듈의 정수 시에 필요한 에너지를 공급함으로써 에너지 이용률을 극대화 할 수 있고 전력비용 저감을 통해 운용비를 낮출 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 MCDI용 단방향 전력변환 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 MCDI 모듈의 구조를 단면도로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 구성의 기본 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 구성도를 보다 구체화하여 나타낸 도면이다.
도 5는 종래의 단방향 MCDI 및 본 발명에 적용된 양방향 CDI 시스템의 정수, 퇴수 과정에서 전압 파형을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 CDI 모듈의 구조를 단면도로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 단독 운전의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8의 시스템에 대한 전압 및 전류 파형을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 10은 도 8의 시스템에 대한 모드별 동작 순서를 흐름도로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 운전 순서를 나타낸 도면이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 회로 구성의 다양한 예시를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 구동시 유입수 및 처리수의 전기 전도도와, CDI 전압 및 전류 파형을 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 이하의 설명에서 본 발명의 '이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템'은, '듀얼 운전 축전식 탈염 시스템' 또는 '시스템'으로 약식 표기될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 구성의 기본 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3의 구성도를 보다 구체화하여 나타낸 도면이고, 도 5는 종래의 단방향 MCDI 및 본 발명에 적용된 양방향 CDI 시스템의 정수, 퇴수 과정에서 전압 파형을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의 기본 개념에 따라, 이온교환막 없는 단독운전 양방향 CDI 시스템을 예시한 것으로, 불필요한 쇼트구간을 제거하였고, 퇴수공정에 양방향 전력변환을 통해 전극에 충전된 전하를 방전시켜 계통으로 흘러 보내게 된다. 도 1의 CDI 단방향 구성과 대비하여 볼 때, AC/DC와 DC/DC를 양방향 컨버터로 구성하고, 극변환기와 회생 에너지를 소모하는 저항을 없앤 구조이다. 이러한 구조에 따라 퇴수시 발생되는 에너지를 양방향 컨버터를 통해 다시 계통으로 역송전하여 에너지를 회수할 수 있게 된다.
또한, 도 5를 참조하면, 종래 구동방식과 본 발명의 실시예에 따른 구동 방식의 CDI 운전 시퀀스를 비교한 것으로, 기존 단방향 CDI 시스템에 의하면, 전 구간에서 에너지가 소모되지만, 본 발명의 양방향 CDI 시스템에 의하면 퇴수 구간에서 에너지를 회수 할 수 있어 소비전력을 저감할 수 있다.
특히, 동일 사이클에서 종래 단방향 CDI 시스템은 정수과정을 한편 거치게 되나, 본 발명의 양방향 CDI 시스템은 정수과정을 2번 수행 함에 따라 물 회수율을 높일 수 있는 장점을 가진다. 이러한 양방향 CDI 시스템은, 하나의 사이클에서 먼저 +300V로 정수하는 '+정수'과정과, 이후 -300V로 정수하는 '-정수'과정을 교번으로 운전할 수 있다. 또한, '+정수'를 여러 번 수행하고 같은 횟수만큼의 '-정수'를 여러 번 하는 시퀀스도 가능하게 된다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템은 '+정수'와 '-정수'를 같은 횟수만큼 서로 교번으로 동작하는 운전 시퀀스를 포괄할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 구조를 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 상세 구성을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 CDI 모듈의 구조를 단면도로 나타낸 도면이다.
도 6를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템(1000)은 DC 링크(10), 제1 양방향 DC/DC 변환부(100), 제2 양방향 DC/DC 변환부(200), 제1 CDI 모듈부(300), 제2 CDI 모듈부(400), AC/DC 변환부(500), AC 제어부(600), 제1 DC 제어부(700) 및 제2 DC 제어부(800) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상세하게는, 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)와 제2 양방향 DC/DC 변환부(200)는 DC 링크(10)를 통해 상호 연결될 수 있다. 여기서, DC 링크(10)는, 제1 CDI 모듈부(300)와 제2 CDI 모듈부(400)의 퇴수운전 시 각각 발생되는 전력을 회수하고, 회수된 전력을 정수운전을 위한 전력으로 상호 공급하여 제1 CDI 모듈부(300)와 제2 CDI 모듈부(400) 간의 정수운전과 퇴수운전이 상보적으로 연속해서 이루어지도록 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)와 제2 양방향 DC/DC 변환부(200) 간을 연결할 수 있으며, 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다.
제1 CDI 모듈부(300)는, 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)와 연결되어 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)를 통해 정수(충전)운전을 위한 전력을 공급받아 동작하며, 퇴수(방전)운전 시 발생되는 에너지(전력)를 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)로 반환할 수 있다.
제2 CDI 모듈부(400)는, 제2 양방향 DC/DC 변환부(200)와 연결되어 제2 양방향 DC/DC 변환부(200)를 통해 정수(충전)운전을 위한 전력을 공급받아 동작하며, 퇴수(방전)운전 시 발생되는 에너지(전력)를 제2 양방향 DC/DC 변환부(200)로 반환할 수 있다.
전술한 제1 CDI 모듈부(300)와 제2 CDI 모듈부(400)의 정수(충전)운전과 퇴수(방전)운전을 상보적으로 이루어지며, 이러한 상보적 운전은 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)와 제2 양방향 DC/DC 변환부(20)를 통한 양방향 전력 변환을 통해 가능하다.
또한, AC/DC 변환부(500)는 전원을 공급 받기 위한 계통(Grid)과 DC 링크(10) 간에 연결될 수 있으며, 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)와 제2 양방향 DC/DC 변환부(200) 간의 전력 수급에 있어서 부족한 전력만을 공급하여 DC 링크(10)의 양단의 전압(Vds)이 일정하게 유지시키는 역할을 한다.
AC 제어부(600)는, DC 링크(10)의 전압(Vds)이 일정하게 유지되도록 AC/DC 변환부(500)를 제어할 수 있으며, 제1 및 제2 CDI 모듈부(300, 400)의 충전과 방전에 필요한 전력의 수급을 조절하는 역할을 하며, 이에 대한 보다 구체적인 설명은 후술한다.
이러한 제1 DC 제어부(700)는, 정수설정시간 동안 제1 CDI 모듈부(300)의 정수운전과 퇴수설정시간 동안 제1 CDI 모듈부(300)의 퇴수운전이 반복적으로 일어나도록 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)의 공급전압과 공급전류를 제어할 수 있으며, 이에 대한 보다 구체적인 설명은 후술한다.
그리고, 제2 DC 제어부(800)는, 정수설정시간 동안 제2 CDI 모듈부(400)의 정수운전과 퇴수설정시간 동안 제2 CDI 모듈부(400)의 퇴수운전이 반복적으로 일어나도록 제2 양방향 DC/DC 변환부(200)의 공급전압과 공급전류를 제어할 수 있으며, 이에 대한 보다 구체적인 설명은 후술한다.
또한, 도 7을 참조하면, 본 발명의 CDI 모듈부 즉, 이온교환막 제거형 CDI 전극 구성도를 나타낸 것으로, 유입수가 통과하는 유로, 유로를 중심으로 하여 일정간격으로 서로 대향하게 배치되고, 서로 다른 극성의 전압이 인가되는 한 쌍의 집전체 및 한 쌍의 집전체의 대향면에 각각 배치되고, 한 쌍의 집전체에 전압이 인가됨에 따라 상기 유입수의 서로 다른 극성의 이온을 각각 흡착하는 한 쌍의 탄소전극을 포함할 수 있다.
이러한 구조에 따라, 본 발명의 시스템은 정수 운전모드에서 제1 집전체에 음 전압이 인가되고, 제2 집전체에 양 전압이 인가됨에 따라 각각 제1 탄소전극이 양이온을 흡착하고, 제2 탄소전극이 음이온을 흡착할 수 있고, 이와 연속되어 상보적으로 진행되어 퇴수 운전모드에서 제1 및 제2 집전차에 하전된 전하를 방전하여 각각 제1 탄소전극이 양이온을 탈착하고, 제2 탄소전극이 음이온을 탈착하도록 한다.
특히, 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 CDI 모듈부는, 기존 전극구조에서 이온 교환막이 제거된 형태이고, 이러한 이온 교환막이 빠짐에 따라 전극간 간격은 줄어들게 되어 더 많은 단위셀을 쌓아서 제작할 수 있어 공간집약도를 높일 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 실시예에 따른 양방향 운전에 대한 설명하기에 앞서 본 발명의 실시예의 이해를 돕기 위한 시스템의 단독 운전의 기본 동작 원리에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 단독 운전의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 도 8의 시스템에 대한 전압 및 전류 파형을 그래프로 나타낸 도면이고, 도 10은 도 8의 시스템에 대한 모드별 동작 순서를 흐름도로 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 단독운전의 기본 동작원리에서 양방향 DC/DC 부분의 운전 시퀀스만을 일부 변경하면 듀얼 운전이 가능하게 된다. 본 발명의 실시예에서는 AC/DC 변환부(500)와 양방향 DC/DC 변환부(100, 200)의 구체적인 회로 토폴로지(Topology)는 나타내고 있지 않다. 이는 수많은 조합의 회로로 구성이 가능함에 따라 통상의 지식을 가진 자가 구현할 수 있는 모든 구성이 본 포함된다고 볼 수 있다.
이러한 구조에서, AC/DC 변환부(500)의 주된 역할은 계통(Grid)과 연계되어 계통을 에너지 버퍼로 사용하여 DC Link 양단의 전압 Vdc를 일정하게 유지시켜 주는 역할을 수행한다. 이를 위해, AC/DC는 계통 연계시 갖춰야 하는 역률규제, THD규제 및 각종 보호기능 등의 역할을 갖춰야 한다.
구체적으로, DC 링크의 기준전압(Vdc*)과 DC 링크전압(Vdc)의 오차를 최소화 하는 PI (Proportional Integral) 타입의 DC 전압 제어부(610)를 거치면 출력값은 유효전력의 전류크기를 갖는 Id* 성분이 되며, 이 유효전류(Id*)에 계통전압(Vs)을 PLL(Phase locking loop)을 통해 위상각을 얻어서 sin
Figure 112021039776661-pat00001
t를 구하고, 곱셉 연산부(630)를 통해 유효전류(Id*)를 곱하면 목표 계통전류 순시값(I*s)을 산출할 수 있다.
이를 AC 전류 제어부(640)를 통해 듀티(Duty)를 구하여 AC 파형을 만드는 AC PWM 발생부(650)에 입력하면 스위칭 파형을 생성할 수 있다. 이러한 AC 전류 제어부(640)로는 PR(Proportional Resonant; 비례공진) 형태의 제어기가 주로 사용되며, AC 파형 발생부는 회로 방식에 따라 다양한 형태가 나올 수 있다. 비절연형 풀브릿지(Full-bridge)구조이면 유니폴라(Unipolar) 또는 바이폴라(Bipolar)방식을 사용할 수 있고, 절연형 위상 시프트방식인 경우 위상각 제어를 통해 AC파형을 생성시키게 된다.
이하, 도 8 및 도 9를 함께 참조하여 양방향 DC/DC 제어 방법을 설명한다. 이하의 설명에서는 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)에 의한 제어 방법을 기준으로 설명하며, 제2 양방향 DC/DC 변환부(200)의 제어 방법도 동일한 방식이다.
도 9에 나타난 바와 같이, 출력전압 및 전류의 파형도에 따르면, 모드 선택부(Mode Selector)에서 기본적으로 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*) 보다 작으면 '+정수 모드'로서, 정수설정시간 동안 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*) 보다 작으면, 출력전류(Io)를 양의 최대전류설정값(Io_max)을 넘지 않도록 CC(Constant Current; 정전류) 모드로 동작함으로써, 충전에 의해 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*)에 도달하도록 한다.
반면, 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*)보다 크면, 출력전압(Vo)이 최대전압설정값(Vo_max)을 넘지 않게 유지시키는 CV(Constant Voltage; 정전압) 모드로 동작하도록 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)를 제어할 수 있다. 여기서, 출력전압 레퍼런스의 최대값은 CDI 모듈부(300)가 전기분해가 일어나지 않는 전압범위로 통상 설정해야 한다. 도 9에서 T1구간은 CC모드로 운전되며 전압이 최대전압설정값(Vo_max)에 도달할 때까지 전류를 양의 최대전류설정값(Io_max)으로 고정하여 공급(충전)함에 따라 출력전압이 서서히 증가하게 되고, 최대전압설정값(Vo_max)에 도달하면 정전류 모드(CC)에서 정전압모드(CV)로 전환된다. 이어서, T2구간은 정전압 운전 구간이며 이온의 흡착이 계속 일어나면 전극에 흡착되는 이온농도가 시간이 지남에 따라 점차 감소하게 되어 출력전류(Io)는 서서히 줄어드는 현상을 볼 수 있다.
다음으로, +정수설정시간(T1+T2) 시간이 경과하면 정수운전에서 퇴수운전으로 전환됨에 따라, 출력전류 레퍼런스 Io* 를 서서히 감소시켜 음의 최대전류설정값(-Io_max)을 유지하도록 정전압모드에서 다시 정전류모드로 전환한다. 이때, CDI 모듈부(300)에서 전류가 반대로 방전되면서 출력전압은 서서히 감소하게 되고 T3시간이 지난 후 출력전압(Vo)이 0V 이하로 떨어지게 되면 다시 '-정수모드'로 전환되게 된다. Total 정수시간은 T1+T2의 합으로 결정된다.
그리고, '-정수 모드' 또한, 그 과정은 전술한 '+정수 모드'와 동일하며 대칭적인 구조임을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템에 대한 모드 별 동작 순서를 흐름도로 나타낸 도면으로서, 도 8과 도 10을 함께 참조하면, 상기 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)와 제2 양방향 DC/DC 변환부(200)는 DC 링크(10)를 통해 연결되어 제1 CDI 모듈부(300)와 제2 CDI 모듈부(400) 간에 퇴수운전 시 발생되는 전력을 회수 및 공급하도록 이루어지는데, 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)가 +충전(정수)모드로 동작시, 충전기간(Charge_time) 동안 기준출력전류(Io*)를 서서히 증가시켜 출력전류(Io)가 최대전류설정값(Io_max)을 유지되도록 정전류 모드로 동작한다.
다음으로, 충전기간(Charge_time)인 T1+T2가 초과되면, 방전(퇴수)모드로 전환하여 최대전압설정값(Vo_max)이 유지되도록 정전압 모드로 동작한다. 이후, 충전기간이 종료하면, 기준출력전류(Io*)가 감소한다. 이러한 상태는 출력전압(Vo)이 음 전압으로 전환될 때까지 지속된다. 이때, 제2 양방향 DC/DC 변환부(200)는 전술한 과정과 상보되도록 동작할 수 있다.
다음으로, 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)가 -충전(정수)모드로 동작시, 충전기간(Charge_time) 동안 출력전류(Io)가 음의 최대전류설정값(-Io_max)에 도달할 때까지 기준출력전류(Io*)를 서서히 감소시켜 정전류 모드로 동작하도록 한다.
다음으로, 충전기간(Charge_time)인 T1+T2가 초과되면, 방전(퇴수)모드로 전환하여 음의 최대전압설정값(-Vo_max)이 유지되도록 정전압 모드로 동작한다. 이후, 충전기간이 종료하면, 기준출력전류(Io*)가 증가한다. 이러한 상태는 출력전압(Vo)이 양 전압으로 전환될 때까지 지속된다.
도 11은 본 발명의 실시예에 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 운전 순서를 나타낸 도면이다.
도 8과 도 11을 함께 참조하면, 전술한 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)와 제2 양방향 DC/DC 변환부(200)는 DC 링크(10)를 통해 연결되어 제1 CDI 모듈부(300)와 제2 CDI 모듈부(400) 간에 퇴수운전 시 발생되는 전력을 회수 및 공급하도록 이루어지는데, 제2 CDI 모듈부(400)의 퇴수운전 시 발생되는 전력을 제2 양방향 DC/DC 변환부(200)를 통해 회수하고, 회수된 전력을 제1 CDI 모듈부(300)의 정수운전을 위한 전력을 제공하기 위해 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)로 전달한다.
또한, 제2 CDI 모듈부(400)의 정수운전 시 발생되는 전력을 제2 양방향 DC/DC 변환부(200)를 통해 회수하고, 회수된 전력을 제1 CDI 모듈부(300)의 정수운전을 위한 전력을 제공하기 위해 제1 양방향 DC/DC 변환부(100)로 전달함으로써, 제1 CDI 모듈부(300)와 제2 CDI 모듈부(400) 간에 정수운전과 퇴수운전이 상보적으로 이루어짐과 동시에, 각각의 퇴수운전 시 발생하는 에너지를 정수운전을 위해 다른 CDI 모듈부로 공급함으로써 에너지 회수율과 높여 소비전력을 저감할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 개념이 적용된 다양한 회로 구성의 예시를 설명한다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 회로 구성의 다양한 예시를 나타낸 도면이다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, AC/DC 변환부와 2개의 양방향 DC/DC변환부로 구성되어 있다. 도 12는 AC/DC 변환부가 하프 브릿지(Half-bridge)형태로 되어 있는 형태이며, 도 13은 AC/DC 변환부가 액티브 클램프(Active Clamp) 방식으로 되어 있는 형태이다. 또한, 도 14는 브릿지 다이오드(Bridge diode)와 부스트(Boost) 컨버터의 결합형태이다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에서 AC/DC 변환부는 여러 가지 형태로 구성될 수 있으며, 특정 회로에 한정하지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있는 회로들을 포괄할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템의 구동시 유입수 및 처리수의 전기 전도도와, CDI 전압 및 전류 파형을 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 시스템을 실제 운전했을 때의 파형을 예시한 것으로, 유입수 및 처리수의 전기 전도도(a)와, CDI 전압 및 전류 파형(b)을 나타내고 있다.
도시된 바와 같이, 정수전 염수분(TDS)은 1000ppm정도이며, 정수시에는 200ppm정도로 떨어지고, 퇴수시에는 1800ppm정도로 상승함을 확인할 수 있다. 또한, 전압 및 전류의 파형은 앞서 전술한 도 9의 파형도와 일치함을 볼 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이온교환막 없이 CDI운전을 수행할 수 있으며, 고가의 이온교환막을 제거함에 따라 때문에 경제성을 높여서 CDI의 상용화에 크게 기여 할 수 있는 효과가 기대된다. 아울러, 본 발명에서는 2개의 CDI 모듈부를 이용한 듀얼운전(Dual Operation)을 통해 별도의 저장탱크가 없이도 정수공급이 연속적으로 이루어질 수 있으며, 하나의 CDI 모듈부가 퇴수할 때 발생되는 에너지를 회수하여 또 다른 CDI 모듈부의 정수운전 시 필요한 에너지를 공급할 수 있게 함으로써, 에너지 이용률을 극대화할 수 있고, 전력비용 저감을 통해 운용비를 낮출 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10: DC 링크 100: 제1 양방향 DC/DC 변환부
200: 제2 양방향 DC/DC 변환부 300: 제1 CDI 모듈부
400: 제2 CDI 모듈부 500: AC/DC 변환부
600: AC 제어부 610: PI 전압 제어부
620: PLL 회로부 630: 곱셈 연산부
640: AC 전류 제어부 650: AC PWM 발생부
700: 제1 DC 제어부 710: 제1 모드 선택부
720: 제1 PI 전압 제어부 730: 제1 DC PWM 발생부
800: 제2 DC 제어부 810: 제2 모드 선택부
820: 제2 PI 전압 제어부 830: 제2 DC PWM 발생부
1000: 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템

Claims (8)

  1. 유입수를 탈염하는 제1 및 제2 CDI 모듈부; 및
    상기 제1 및 제2 CDI 모듈부와 각각 연결되고, 회수된 전력을 정수 운전을 위한 전력으로 상호 공급하여 상기 제1 CDI 모듈부와 상기 제2 CDI 모듈부 간의 정수 운전과 퇴수 운전을 상보적으로 연속해서 진행하는 양방향 전력운영 모듈을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 CDI 모듈부는,
    유입수가 통과하는 유로;
    상기 유로를 중심으로 하여 일정간격으로 서로 대향하게 배치되고, 서로 다른 극성의 전압이 인가되는 한 쌍의 집전체; 및
    상기 한 쌍의 집전체의 대향면에 각각 배치되고, 상기 한 쌍의 집전체에 전압이 인가됨에 따라 상기 유입수의 서로 다른 극성의 이온을 각각 흡착하는 한 쌍의 탄소전극을 포함하고,
    상기 양방향 전력운영 모듈은,
    상기 제1 CDI 모듈부와 상기 제2 CDI 모듈부의 퇴수 운전 시 각각 발생되는 전력을 회수하고, 회수된 전력을 정수 운전을 위한 전력으로 상호 공급하여 상기 제1 CDI 모듈부와 상기 제2 CDI 모듈부 간의 정수 운전과 퇴수 운전이 이루어지도록 연결되는 DC 링크;
    상기 제1 CDI 모듈부와 연결된 제1 양방향 DC/DC 변환부;
    상기 DC 링크를 통해 상기 제1 양방향 DC/DC 변환부와 상호 연결된 제2 양방향 DC/DC 변환부;
    전원을 공급 받기 위한 계통과 상기 DC 링크 간에 연결되어 상기 제1 양방향 DC/DC 변환부와 상기 제2 양방향 DC/DC 변환부에 전력을 공급하기 위한 AC/DC 변환부;
    정수설정시간 동안 상기 제1 CDI 모듈부의 정수 운전과, 퇴수설정시간 동안 상기 제1 CDI 모듈부의 퇴수 운전이 반복적으로 일어나도록 상기 제1 양방향 DC/DC 변환부의 공급전압과 공급전류를 제어하는 제1 DC 제어부; 및
    정수설정시간 동안 상기 제2 CDI 모듈부의 정수 운전과, 퇴수설정시간 동안 상기 제2 CDI 모듈부의 퇴수 운전이 반복적으로 일어나도록 상기 제2 양방향 DC/DC 변환부의 공급전압과 공급전류를 제어하는 제2 DC 제어부를 포함하고,
    상기 제1 DC 제어부는, +정수운전모드, 퇴수운전모드, -정수운전모드 및 퇴수운전모드 순으로 동작하고,
    상기 제2 DC 제어부는, 상기 제1 DC 제어부와 상보적으로, 퇴수운전모드, +정수운전모드, 퇴수운전모드 및 -정수운전모드로 동작하는 것인,
    이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양방향 전력운영 모듈은,
    DC 링크 기준전압(Vdc*)과 DC 링크전압 간의 오차가 최소화되는 유효전류(Id*)를 출력하는 PI 전압 제어부;
    계통전압(Vs)에 대한 위상고정루프를 실행하여 미리 설정된 위상각을 갖는 전압을 출력하는 PLL 회로부;
    상기 PI 전압 제어부의 유효전류(Id*)와 상기 PLL 회로부의 출력전압을 곱하여 계통전류(Is)의 목표 순시값(Is*)을 계산하는 곱셈 연산부;
    상기 곱셈 연산부를 통해 목표 순시값(Is*)을 갖는 계통전류에 대한 듀티를 계산하는 AC 전류 제어부; 및
    상기 AC 전류 제어부를 계산된 듀티에 따른 스위칭 파형을 생성하여 상기 AC/DC 변환부로 출력하는 AC PWM 발생부
    를 포함하는 이온 교환막이 없는 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 +정수운전모드에서는,
    정수설정시간 동안 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*)보다 낮으면, 기준 출력전류(Io*)를 양의 최대전류설정값(Io_max)까지 증가시키고, 출력전압이 최대전압설정값(Vo_max)에 도달할 때까지 정전류 모드(CC)로 동작하고, 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*)보다 크면, 출력전압(Vo)을 최대전압설정값(Vo_max)을 넘지 않도록 일정하게 유지시키는 정전압 모드로 동작하도록 상기 제1 또는 제2 양방향 DC/DC 변환부를 제어하는 것인, 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 +정수운전모드 직후, 퇴수운전모드에서는,
    정수설정시간 종료 후 퇴수설정시간으로 전환시 기준출력전류(Io*)를 음의 최대전류설정값(-Io_max)까지 감소시킨 후, 정전류 모드로 동작하여 출력전압(Vo)이 영 전압이 되도록 상기 제1 또는 제2 양방향 DC/DC 변환부를 제어하는 것인, 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 -정수운전모드에서는,
    정수설정시간 동안 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*)보다 높으면, 기준출력전류(Io*)를 음의 최대전류설정값(-Io_max)까지 감소시키고, 출력전압이 음의 최대전압설정값(-Vo_max)에 도달할 때까지 정전류 모드(CC)로 동작하고, 출력전압(Vo)이 기준출력전압(Vo*)보다 작으면, 출력전압(Vo)을 음의 최대전압설정값(-Vo_max)을 넘지 않도록 일정하게 유지시키는 정전압 모드로 동작하도록 상기 제1 또는 제2 양방향 DC/DC 변환부를 제어하는 것인, 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 -정수운전모드 직후, 퇴수운전모드에서는,
    정수설정시간 종료 후 퇴수설정시간으로 전환시 기준출력전류(Io*)를 양의 최대전류설정값(Io_max)까지 증가시킨 후, 정전류 모드로 동작하여 출력전압(Vo)이 영 전압이 되도록 상기 제1 또는 제2 양방향 DC/DC 변환부를 제어하는 것인, 듀얼 운전 축전식 탈염 시스템.

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