KR102525787B1 - 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템 - Google Patents
태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템에 관한 것으로 태양광패널이 전면에 형성되어 전력을 생산하고, 냉각수를 통하여 상기 태양광패널을 냉각시키며, 해수를 공급받아 가열시킴에 따라 염과 담수를 생산하는 팩토리유닛, 상기 팩토리유닛에 냉각수와 해수를 각각 공급하는 냉각수저장부와 해수저장부를 포함하여 지표층 하부에 형성되는 지하유닛 및 상기 팩토리유닛으로부터 생산된 담수를 전기 분해하여 수소를 생산하는 수전해장치와 상기 태양광패널로부터 생산된 전력을 저장하는 전력저장부를 포함하여 지표층 상부에 형성되는 지상유닛을 포함한다.
Description
본 발명은 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템에 관한 것이다.
근래에 신재생에너지 보급확대 정책에 따라 발전사업자에게 총 발전량에서 일정 비율을 재생에너지로 공급하도록 의무화하는 신재생에너지 의무할당제(RPS: Renewable Portfolio Standard)가 시행되고 있다.
화석연료의 사용으로 발생되는 온실가스를 비롯한 다양한 환경오염 물질은 지구 온난화, 이상기후, 사막화 등과 같은 환경파괴를 발생시킨다.
이러한 환경파괴를 해결하기 위하여 온실가스 감축목표에 관한 의정서인 교토 의정서를 채택하고 탄소 배출권 거래제를 준비하는 등의 국제적인 노력이 시행되고 있다.
한편, 상기 교토 의정서에 의해 규정하는 대로 각 국가별 탄소배출량 기준 값이 규정되어 시행될 경우, 생산에 따른 탄소배출량이 제한되고 이를 초과할 경우에는 탄소배출권을 추가로 매입하거나 벌금을 납입해야만 한다.
이에 따라, 기존의 생산체제로는 경제성 저하라는 경쟁력 확보에 어려운 문제점이 야기되므로, 각 국가에서는 전분야에 걸쳐 탄소배출량 감소를 위한 방안을 강구하고 있다.
또한, 환경파괴로 인한 물부족에 의한 대책 중 하나로, 지구표면의 3/4를 차지하는 해수를 담수화하는 방안이 주목받고 있으며, 이러한 해수담수화 기술은 필터를 이용한 막방식과 해수에 열을 가해 증발시키는 증발방식이 주로 활용되고 있다.
그러나, 해수를 증발시키기 위한 연료로써 화석연료가 사용됨에 따라 새로운 환경 문제의 원인이 되고 있는 실정이다.
이에 따라 해수를 증발시키는데 태양광이나 풍력 등의 신재생에너지를 활용하는 방안이 개발되고 있다.
한편, 그린수소는 태양광이나 풍력 등의 신재생에너지로부터 생산된 전기로 물을 전기 분해하여 생산하는 수전해수소를 의미한다.
이러한 그린수소는 생산과정에서 기후 온난화의 주요 원인인 탄소를 발생시키지 않음으로 미래 에너지로서 크게 각광받고 있으나 생산단가가 높은 단점이 있다.
이에 따라, 그린수소의 생산단가를 절감시키기 위한 다양한 방안이 연구되고 있다.
상기한 바와 같이 신재생에너지를 활용하여 해수를 담수화하고 그린수소를 생산하기 위한 종래기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0056719호에 개시되어 있는 분산형 담수화 플랜트가 있다.
이러한 종래의 분산형 담수화 플랜트는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 신/재생에너지를 이용해 전기를 발생시키는 신재생발전부(10), 발생된 전기로 해수를 전기 분해하여 수소를 발생시키는 수소발생부(20) 및 적어도 하나의 지역시스템에 분산 설치되어 수소를 공급받아 연료전지에 충전함으로써, 전기와 담수를 생산하여 소비처에 공급하는 적어도 하나의 공급부(30)를 포함한다.
그러나, 이러한 종래의 분산형 담수화 플랜트는 해수를 전기 분해하기 위한 전력이 비교적 많이 소요되어 이를 통하여 생산된 그린수소의 생산단가는 매우 높아 상용화가 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 종래의 시스템과 비교하여 수전해를 위하여 소요되는 열에너지와 해수 담수화를 위하여 소요되는 열에너지를 현저히 감소시킬 수 있는 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 태양광패널의 온도 상승에 따른 발전 효율 저하를 방지할 수 있는 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템은 태양광패널이 전면에 형성되어 전력을 생산하고, 냉각수를 통하여 상기 태양광패널을 냉각시키며, 해수를 공급받아 가열시킴에 따라 염과 담수를 생산하는 팩토리유닛, 상기 팩토리유닛에 냉각수와 해수를 각각 공급하는 냉각수저장부와 해수저장부를 포함하여 지표층 하부에 형성되는 지하유닛 및 상기 팩토리유닛으로부터 생산된 담수를 전기 분해하여 수소를 생산하는 수전해장치와 상기 태양광패널로부터 생산된 전력을 저장하는 전력저장부를 포함하여 지표층 상부에 형성되는 지상유닛을 포함한다.
보다 구체적으로 상기 팩토리유닛은 제 1열교환부와 제 2열교환부와 해수예열부와 담수생성부 및 보일러를 포함한다.
여기서 상기 제 1열교환부는 상기 태양광패널이 전면에 형성되고, 상기 냉각수저장부와 연결되는 냉각수공급관이 상측에 형성되며, 상기 냉각수공급관으로부터 연장되고 상기 태양광패널의 배면 측으로 냉각수를 분사시키는 냉각수노즐을 포함하는 냉각수배관과 상기 냉각수노즐로부터 분사된 냉각수가 배출되는 냉각수배출관이 하측에 형성된다.
또한, 상기 제 2열교환부는 상기 냉각수배출관으로부터 유입된 냉각수를 상기 냉각수저장부로 배출시키는 냉각수회수관이 일측에 형성되어 상기 제 1열교환부의 하측에 설치된다.
또한, 상기 해수예열부는 상기 해수저장부로부터 해수가 공급되는 해수유입관이 일측에 형성되고 타측에 해수공급관이 형성되어 상기 제 1열교환부의 배면에 설치되어 상기 제 1열교환부에서 상기 태양광패널을 냉각시킴에 따라 발생하는 열에 의하여 해수를 예열시킨다.
또한, 상기 담수생성부는 일단이 상기 해수공급관으로부터 연속되고 타단은 외부로 노출 형성되는 해수배출관을 포함하는 해수배관이 내장되며, 일측에 담수배출관이 형성되어 상기 제 2열교환부 하측에 설치된다.
또한, 상기 보일러는 상기 해수배출관으로부터 공급된 해수를 가열하여 염과 수증기로 분리하는 히터가 내장되고 일측에 형성되어 수증기를 상기 담수생성부로 공급하는 수증기공급관을 포함한다.
이때, 상기 담수생성부는 소정 간격으로 설치되는 타공격벽에 의하여 내부 공간이 구획되고, 상기 수증기공급관을 통하여 공급되는 수증기의 압력을 제어하는 증기압조절밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 지하유닛은 상기 담수배출관으로부터 담수를 공급받아 저장하는 담수저장부를 더 포함하며, 상기 담수배출관은 바이패스밸브가 설치되어 상기 담수저장부 또는 상기 수전해장치로 담수를 공급할 수 있다.
또한, 상기 수전해장치는 보조히터를 포함하고, 상기 담수생성부로부터 생성된 담수가 기 설정된 온도 이상인 경우 이를 전기 분해하여 수소를 생산하며, 상기 담수생성부로부터 생성된 담수가 기 설정된 온도 이하인 경우 상기 보조히터에 의하여 기 설정된 온도 이상으로 가열되어 전기 분해하여 수소를 생산할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템은 종래의 수전해장치와 비교하여 수전해를 위하여 소요되는 열에너지를 현저히 감소시키며, 종래의 해수 담수화장치와 비교하여 해수 담수화를 위하여 소요되는 열에너지를 현저히 감소시킴으로써 그린수소 생산원가와 해수 담수화에 소요되는 비용을 현저히 절감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템은 태양광패널의 온도 상승에 따른 발전 효율 저하를 방지하고 생산된 전력을 그린수소 및 담수 생산에 사용함으로써 그린수소 생산원가와 해수 담수화에 소요되는 비용을 더욱 절감시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 분산형 담수화 플랜트를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템의 전체적을 구성을 도시한 사시도이다.
도 3의 a, b는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템에 있어서, 팩토리유닛의 구성을 도시한 전면 사시도와 배면 사시도이다.
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도 3의 a, b는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템에 있어서, 팩토리유닛의 구성을 도시한 전면 사시도와 배면 사시도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시 예에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템의 전체적을 구성을 도시한 사시도이다.
또한, 도 3의 a, b는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템에 있어서, 팩토리유닛의 구성을 도시한 전면 사시도와 배면 사시도이다.
도 2와 도 3을 참조하면 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템은 팩토리유닛(100)과 지상유닛(200) 및 지하유닛(300)을 포함한다.
보다 구체적으로 상기 팩토리유닛(100)은 제 1열교환부(110)와 제 2열교환부(120)와 해수예열부(130)와 담수생성부(140)와 보일러(150) 및 프레임(160)을 포함한다.
여기서, 상기 제 1열교환부(110)는 전체적으로 전면이 개방된 직육면체의 박스 형상으로 전면은 태양광패널(111)에 의하여 밀폐된다.
이때, 상기 태양광패널(111)은 햇빛을 직류전기로 변환하여 전력을 생산하기 위한 것으로 전체적으로 플레이트 형상이다.
또한, 상기 제 1열교환부(110)는 상측 외부에 형성되는 냉각수 공급관(112)으로부터 공급된 냉각수를 상기 태양광패널(111)의 배면으로 분사시키는 복수 개의 냉각수노즐(113a)을 포함하는 냉각수배관(113)이 내장되며, 하측에는 상기 냉각수노즐(113a)로부터 분사되어 상기 태양광패널(111)을 냉각시킴에 따라 온도가 상승된 냉각수를 외부로 배출시키는 냉각수배출관(114)이 형성된다.
또한, 상기 제 1열교환부(110)는 도 3에 a에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 팩토리유닛(100)에 복수 개인 것이 바람직하다.
이에 따라, 상기 냉각수공급관(112)은 다지관으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 냉각수배출관(114)은 상기 제 1열교환부(110)의 하측 중앙부에 형성되고, 상기 냉각수배출관(114)이 형성되는 상기 제 1열교환부(110)의 면은 호퍼 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 2열교환부(120)는 전체적으로 내부 공간이 형성되는 직육면체의 박스 형상으로 상기 제 1열교환부(110)의 하측에 형성되어 일측에 상기 냉각수배출관(114)으로부터 공급된 냉각수가 외부로 배출되는 냉각수회수관(121)을 포함한다.
이때, 상기 제 2열교환부(120)는 상기 제 1열교환부(110)와 소정 간격 이격되어 형성되는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게, 상기 제 1열교환부(110)와 상기 제 2열교환부(120)의 내부 온도는 각각 50℃ 내외로 형성될 수 있다.
또한, 상기 해수예열부(130)는 전체적으로 내부 공간이 형성되는 직육면체의 박스 형상으로 일측에 형성되는 해수유입관(131)과 타측에 형성되는 해수공급관(132)을 포함하여 상기 제 1열교환부(120)의 배면 측에 설치된다.
이에 따라, 상기 헤수유입관(131)으로부터 공급되어 상기 해수예열부(130)에 저장된 해수는 상기 제 1열교환부(110)에서 발생한 열에 의하여 온도가 상승된다.
이때, 상기 해수예열부(130)의 내부 온도는 40℃내외로 형성될 수 있다.
또한, 상기 해수예열부(130)는 도 3에 b에 도시되어 있는 바와 같이 배관 등의 설치를 위하여 하나의 팩토리 유닛(100)에 복수 개로 형성될 수 있다.
또한, 상기 해수예열부(130)는 상기 제 1열교환부(110)와 마찬가지로 상기 제 2열교환부(120)와 소정 간격 이격되어 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 담수생성부(140)는 전체적으로 내부 공간이 형성되는 직육면체의 박스 형상으로 상기 해수공급관(132)으로부터 연장되는 해수배관(141)이 내장되어 상기 해수예열부(130)의 하측에 형성된다.
이때, 상기 해수배관(141)은 상기 해수공급관(132)의 반대 측에 외부로 노출되어 상기 보일러(150)의 내부로 해수를 배출하는 해수배출관(141a)을 포함한다.
또한, 상기 담수생성부(140)는 일측에 형성되어 상기 담수생성부(140) 내부의 증기압이 일정 이상의 고압이 되면 증기를 배출시켜 장치의 파손을 방지하는 증기압조절밸브(142)를 더 포함한다.
또한, 상기 담수생성부(140)는 내부에 소정 간격으로 설치되는 복수 개의 타공격벽(143)에 의하여 복수 개의 공간으로 구획될 수 있다.
또한, 상기 담수생성부(140)는 상기 담수생성부(140)에서 생성된 담수를 외부로 배출하는 담수배출관(144)이 일측에 형성된다.
또한, 상기 담수생성부(140)의 내부 온도는 80℃ 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 보일러(150)는 전체적으로 내부 공간이 형성되는 직육면체의 박스 형상으로 내부에 설치되는 복수 개의 히터(151)와 외부 일측에 형성되어 상기 담수생성부(140)의 내부로 수증기를 공급하는 수증기공급관(152)을 포함하여 상기 담수생성부(140)의 하측에 형성된다.
이에 따라, 상기 해수배출관(141a)으로부터 상기 보일러(150) 내부로 공급된 해수는 상기 히터(151)에 의하여 기화되어 상기 수증기공급관(152)을 통하여 담수생성부(140)로 공급된다.
이때, 상기 보일러(150)의 내부 온도는 105℃ 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 프레임(160)은 지면 등에 고정 설치되고 내부에 각종 배관 등이 내장되는 서포트프레임(161)과 상기 서포트프레임(161)의 상단에 형성되어 상기 팩토리 유닛(100)을 지지하는 베이스프레임(162)을 포함한다.
이때, 상기 베이스프레임(162)은 태양의 움직임 등을 감지하는 센서 등을 포함하여 상기 태양광패널(111)이 실시간으로 태양 측으로 대향될 수 있도록 상기 서포트프레임(161)에 대하여 각도 조절이 가능하게 구성될 수도 있다.
또한, 상기한 바와 같이 구성되는 팩토리유닛(100)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 복수 개가 소정 간격으로 설치되어 하나의 단지를 형성할 수 있다.
한편, 상기 지하유닛(200)은 해수저장부(210)와 냉각수저장부(220) 및 담수저장부(230)를 포함한다.
여기서, 상기 지하유닛(200)은 지표층(G)으로부터 하측에 형성되어 외부와 차단되는 것이 바람직하나 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템의 입지 조건에 따라 지상에 설치될 수도 있다.
보다 구체적으로 상기 해수저장부(210)는 바다 측과 연결되는 배관 등으로부터 유입된 해수가 저장되어 이물질 등이 침전 및 여과될 수 있도록 복수 개로 형성될 수 있다.
또한, 상기 해수저장부(210)는 고압펌프 등이 설치되어 상기 해수유입관(131)을 통하여 상기 해수예열부(130)로 이물질이 여과된 해수를 공급한다.
이에 따라, 상기 해수유입관(131)은 일단이 상기 해수저장부(210) 측에 형성되고 타단이 상기 서포트프레임(161)의 내부 공간을 거쳐 상기 해수예열부(130)로 연결된다.
또한, 상기 냉각수저장부(220)는 방청, 윤활 성분의 부동액인 냉각수가 저장되는 공간으로 고압펌프 등이 설치되어 상기 냉각수공급관(112)을 통하여 상기 제 1열교환부(110)로 냉각수를 공급한다.
이에 따라, 상기 냉각수공급관(112)은 일단이 상기 냉각수저장부(220) 측에 형성되고 타단이 상기 서포트프레임(161)의 내부 공간을 거쳐 상기 제 1열교환부(110)로 연결된다.
또한, 상기 냉각수회수관(121)은 일단이 상기 제 2열교환부(120) 측에 형성되고 타단이 상기 서포트프레임(161)의 내부 공간을 거쳐 상기 냉각수저장부(220)로 연결된다.
이에 따라, 상기 냉각수저장부(220)에 저장되는 냉각수는 상기 냉각수공급관(112)과 상기 제 1열교환부(110)와 상기 제 2열교환부(120)와 상기 냉각수회수관(121)을 순차적으로 거쳐 순환될 수 있다.
또한, 상기 담수저장부(230)는 상기 담수생성부(140)에서 생성된 담수가 상기 담수배출관(144)을 통하여 저장되거나 저장된 담수를 후술할 수전해장치(310)로 공급하기 위한 것으로 고압펌프 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 담수저장부(230)는 수처리장치 및 배관 등을 더 포함하여 저장된 담수를 식수 또는 각종 용수로 변환 및 공급할 수도 있다.
한편, 상기 지상유닛(300)은 수전해장치(310)와 전력저장부(320)를 포함한다.
여기서, 상기 지상유닛(300)은 지표층(G)으로부터 상측에 형성되는 것이 바람직하나 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템의 입지 조건에 따라 지하에 설치될 수도 있다.
보다 구체적으로 상기 수전해장치(310)는 상기 담수저장부(230) 또는 상기 담수배출관(144)으로부터 담수를 공급받아 이를 전기 분해하여 수소와 산소를 생산한다.
이에 따라, 상기 담수배출관(144)은 일단이 상기 담수생성부(140) 측에 형성되고 타단이 상기 서포트프레임(161)의 내부 공간을 거쳐 상기 담수저장부(230)와 상기 수전해장치(310)로 각각 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 담수배출관(144)은 타단에 바이패스밸브(미도시)가 설치되어 상기 담수저장부(230) 또는 상기 수전해장치(310)와 선택적으로 연결될 수도 있다.
또한, 상기 수전해장치(310)는 기 공지되어 있는 종래의 수전해장치의 구성을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 수전해장치(310)는 상기 담수저장부(230) 또는 상기 담수배출관(144)으로부터 공급받은 담수를 가열하는 보조히터와 상기 보조히터에 의하여 가열된 담수로부터 수전해 반응을 이용하여 수소와 산소를 생산하는 수전해스택을 포함할 수 있다.
한편, 일반적인 수전해스택에서 전기 분해를 위한 물의 적정온도는 약 80℃인 바, 상기 담수배출관(144)으로부터 공급받은 담수가 80℃ 이하인 경우에만 상기 보조히터가 작동되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 수전해장치(310)는 상기 수전해스택에 의하여 생성된 수소와 산소가 각각 저장되는 수소저장부(311)와 산소저장부(312)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력저장부(320)는 상기 태양광패널(111)로부터 생성된 전력을 저장하고 상기 팩토리 유닛(100)과 상기 지하유닛(200) 및 상기 수전해장치(310) 등으로 각각 전력을 공급하거나 가정 또는 공장 등과 연결되어 전력을 공급할 수도 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 팩토리유닛(100)과 상기 지하유닛(200)와 상기 수전해장치(310) 및 상기 전력저장부(320)를 각각 제어한다.
한편, 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템에 있어서, 주요 물질의 이동경로 및 온도변화를 설명하면 하기와 같다.
첫째로, 냉각수의 이동경로 및 상태변화를 설명한다.
상기 냉각수저장부(220)에 저장된 상온(약 25℃)의 냉각수는 고압펌프 등에 의하여 상기 냉각수공급관(112)를 거쳐 상기 냉각수배관(113)으로 공급된다.
이후, 상온의 냉각수는 상기 냉각수노즐(113a)을 통하여 상기 태양광패널(111)의 배면 측으로 분사되어 상기 태양광패널(111)을 냉각시킴에 따라 약 50℃로 상승된다.
이후, 약 50℃로 상승된 냉각수는 상기 냉각수배출관(114)을 통하여 상기 제 2열교환부(120)로 유입되고, 상기 냉각수회수관(121)을 통하여 상기 냉각수저장부(220)로 복귀 및 저장되어 약 25℃가 된다.
둘째로, 해수의 이동경로 및 상태변화를 설명한다.
바다 측으로 연결되는 취수관 등으로부터 상기 해수저장부(210)에 저장 및 여과된 상온의 해수는 고압펌프 등에 의하여 상기 해수유입관(131)을 거쳐 상기 해수예열부(130)로 공급된다.
이때, 상기 해수예열부(130)에 저장된 해수는 상기 태양광패널(111)을 냉각시킴에 따라 온도가 상승한 냉각수 등에 의하여 약 40℃까지 상승된다.
이후, 약 40℃의 해수는 상기 해수공급관(132)을 거쳐 상기 담수생성부(140) 내부에 형성되는 상기 해수배관(141)을 지나면서 점차 가열됨으로써 약 80℃까지 상승되어 상기 해수배출관(141a)을 통하여 상기 보일러(150) 측으로 공급된다.
이때, 상기 해수배출관(141a)은 상기 보일러(150) 측으로 공급되는 해수의 양을 조절할 수 있도록 밸브가 설치되는 것이 바람직하다.
이후, 약 80℃의 해수는 상기 히터(151)에 의하여 105℃이상으로 가열되어 상기 보일러(150) 내에서 기화됨으로써 수증기와 염으로 분리된다.
즉, 종래의 해수 담수화장치의 경우 상온(약 25℃)의 해수 1ton을 105℃이상으로 가열하는 경우 필요한 열에너지가 약 80J인데 반하여 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템은 상기한 바와 같이 해수가 상기 해수예열부(130)와 상기 담수생성부(140)를 거치면서 약 80℃로 미리 승온된 상태로 상기 보일러(150)에서 해수 1ton을 담수화하기 위하여 필요한 열에너지는 약 30J 이하에 그친다.
이에 따라, 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템은 종래의 해수 담수화장치와 비교하여 해수 담수화를 위하여 소요되는 열에너지를 약 62%절감시킬 수 있다.
한편, 상기 보일러(150) 내에서 생성된 수증기는 상기 수증기공급관(152)을 통하여 상기 담수생성부(140) 내부로 공급되어 상기 타공격벽(143)을 거치면서 점차 냉각 및 액화되어 약 80℃의 담수가 되어 상기 담수배출관(144)을 통하여 상기 수전해장치(310)로 공급되거나 상기 담수저장부(230)로 배출된다.
이에 따라, 상기 수증기공급관(152)과 상기 담수배출관(144)은 인접하지 않고 최대한 이격되도록 상기 담수생성부(140)의 양단 측에 각각 형성되는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게 상기 수증기공급관(152)은 일단이 상기 보일러(150)의 일측 상부에 형성되고 타단이 상기 담수생성부(140)의 일측 상부에 형성된다.
또한, 상기 담수배출관(144)은 상기 담수생성부(140)의 타측 하부에 형성된다.
한편, 종래의 수전해장치의 경우 상온(약 25℃)의 해수 1ton을 수전해에 적합한 온도인 약 80℃로 가열하는 경우 필요한 열에너지가 약 55J인데 반하여 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템은 상기한 바와 같이 상기 담수생성부(140)에서 약 80℃의 담수가 직접 상기 수전해장치(310)로 공급되므로 담수 1ton을 수전해하기 위하여 필요한 열에너지가 10J 이하에 그친다.
이에 따라. 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템은 종래의 수전해장치와 비교하여 수전해를 위하여 소요되는 열에너지를 약 82%절감시킬 수 있다.
한편, 상기 보일러(150)는 상기한 바와 같이 해수로부터 분리된 염이 수집됨에 따라 이를 외부로 배출할 수 있는 염배출수단(미도시)을 더 포함할 수도 있다.
이때, 상기 지상유닛(300)은 상기 염배출수단과 연결되어 해수로부터 분리된 염을 저장하는 염저장부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
셋째로, 전력의 이동경로를 설명한다,
상기 태양광패널(111)로 입사된 태양광으로부터 생성되는 전력은 전력선(미도시)을 거쳐 상기 전력저장부(350)로 이동 및 저장된다.
이때, 상기 태양광패널(111)은 상기 냉각수노즐(113a)로부터 공급되는 냉각수에 의하여 연속적으로 냉각됨에 따라 패널의 온도 상승으로 인한 발전효율의 저하를 최소화할 수 있다.
이후, 상기 전력저장부(350)에 저장된 전력은 상기 팩토리유닛(100)과 상기 지하유닛(200) 및 상기 수전해장치(310) 등으로 공급되어 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템을 작동시킨다.
또한, 상기 전력저장부(350)에 저장된 전력은 본 발명에 따른 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템과 인접한 가정 및 공장 등에 전력선 등을 통하여 직접 공급될 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다.
아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
G. 지표층
100. 팩토리유닛
110. 제 1열교환부
111. 태양광패널
112. 냉각수공급관
113. 냉각수배관
113a. 냉각수노즐
114. 냉각수배출관
120. 제 2열교환부
121. 냉각수회수관
130. 해수예열부
131. 해수유입관
132. 해수공급관
140. 담수생성부
141. 해수배관
141a. 해수배출관
142. 증기압조절밸브
143. 타공격벽
144. 담수배출관
150. 보일러
151. 히터
152. 수증기공급관
160. 프레임
161. 서포트프레임
162. 베이스프레임
200. 지하유닛
210. 해수저장부
220. 냉각수저장부
230. 담수저장부
300. 지상유닛
310. 수전해장치
311. 수소저장부
312. 산소저장부
320. 전력저장부
100. 팩토리유닛
110. 제 1열교환부
111. 태양광패널
112. 냉각수공급관
113. 냉각수배관
113a. 냉각수노즐
114. 냉각수배출관
120. 제 2열교환부
121. 냉각수회수관
130. 해수예열부
131. 해수유입관
132. 해수공급관
140. 담수생성부
141. 해수배관
141a. 해수배출관
142. 증기압조절밸브
143. 타공격벽
144. 담수배출관
150. 보일러
151. 히터
152. 수증기공급관
160. 프레임
161. 서포트프레임
162. 베이스프레임
200. 지하유닛
210. 해수저장부
220. 냉각수저장부
230. 담수저장부
300. 지상유닛
310. 수전해장치
311. 수소저장부
312. 산소저장부
320. 전력저장부
Claims (5)
- 태양광패널이 전면에 형성되어 전력을 생산하고, 냉각수를 통하여 상기 태양광패널을 냉각시키며, 해수를 공급받아 가열시킴에 따라 염과 담수를 생산하는 팩토리유닛;
상기 팩토리유닛에 냉각수와 해수를 각각 공급하는 냉각수저장부와 해수저장부를 포함하여 지표층 하부에 형성되는 지하유닛; 및
상기 팩토리유닛으로부터 생산된 담수를 전기 분해하여 수소를 생산하는 수전해장치와 상기 태양광패널로부터 생산된 전력을 저장하는 전력저장부를 포함하여 지표층 상부에 형성되는 지상유닛;을 포함하고,
상기 팩토리유닛은,
상기 태양광패널이 전면에 형성되고, 상기 냉각수저장부와 연결되는 냉각수공급관이 상측에 형성되며, 상기 냉각수공급관으로부터 연장되고 상기 태양광패널의 배면 측으로 냉각수를 분사시키는 냉각수노즐을 포함하는 냉각수배관과 상기 냉각수노즐로부터 분사된 냉각수가 배출되는 냉각수배출관이 하측에 형성되는 제 1열교환부;
상기 냉각수배출관으로부터 유입된 냉각수를 상기 냉각수저장부로 배출시키는 냉각수회수관이 일측에 형성되어 상기 제 1열교환부의 하측에 설치되는 제 2열교환부; 및
상기 해수저장부로부터 해수가 공급되는 해수유입관이 일측에 형성되고 타측에 해수공급관이 형성되어 상기 제 1열교환부의 배면에 설치되는 해수예열부;를 포함하며,
상기 지하유닛(200)은 해수저장부(210)와 냉각수저장부(220) 및 담수저장부(230)를 포함하고,
상기 해수저장부(210)는 상기 해수예열부(130)로 이물질이 여과된 해수를 공급하고,
상기 냉각수저장부(220)는 상기 냉각수공급관(112)을 통하여 상기 제 1열교환부(110)로 냉각수를 공급하고,
상기 냉각수공급관(112)은 일단이 상기 냉각수저장부(220) 측에 형성되고 타단이 상기 제 1열교환부(110)로 연결되며,
또한, 상기 냉각수회수관(121)은 일단이 상기 제 2열교환부(120) 측에 형성되고 타단이 상기 냉각수저장부(220)로 연결되며,
상기 냉각수저장부(220)에 저장되는 냉각수는 상기 냉각수공급관(112)과 상기 제 1열교환부(110)와 상기 제 2열교환부(120)와 상기 냉각수회수관(121)을 순차적으로 거쳐 순환하는 것을 특징으로 하는,
태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 해수공급관으로부터 연장되는 해수배관이 내장된 상태에서 상기 해수예열부의 하측에 형성되는 담수생성부를 더 포함하고,
상기 담수생성부는 소정 간격으로 설치되는 타공격벽에 의하여 내부 공간이 구획되고,
상기 담수생성부의 내부로 수증기를 공급하는 수증기공급관을 통하여 공급되는 수증기의 압력을 제어하는 증기압조절밸브를 더 포함하는 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 지하유닛은
상기 담수생성부에서 생성된 담수를 외부로 배출하는 담수배출관으로부터 담수를 공급받아 저장하는 담수저장부를 더 포함하며,
상기 담수배출관은 바이패스밸브가 설치되어 상기 담수저장부 또는 상기 수전해장치로 담수를 공급하는 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 수전해장치는
보조히터를 포함하고,
상기 담수생성부로부터 생성된 담수가 기 설정된 온도 이상인 경우 이를 전기 분해하여 수소를 생산하며,
상기 담수생성부로부터 생성된 담수가 기 설정된 온도 이하인 경우 상기 보조히터에 의하여 기 설정된 온도 이상으로 가열되어 전기 분해하여 수소를 생산하는 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210096208A KR102525787B1 (ko) | 2021-07-22 | 2021-07-22 | 태양에너지를 이용한 그린수소 생산 및 해수 담수화 시스템 |
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