KR20110120407A - 태양열과 해양 심층수를 이용하여 발전하는 방법 - Google Patents

태양열과 해양 심층수를 이용하여 발전하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양열과 해양 심층수를 이용하여 발전하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양열을 집열하여 상변화물질(相變化物質, Phase-change Material)을 용융(熔融)하여 축열한 열과 저온의 해양 심층수를 발전하는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 태양열(太陽熱)과 해저심층(海底深層) 저온(低溫)의 해양 심층수(海洋深層水)를 이용하여 온도차발전(溫度差發電)에 있어서, 상기 태양열을 집열(集熱)하여 70∼95℃ 범위의 온도로 축열(蓄熱) 하는, 태양열을 집열하여 축열하는 단계와, 10℃ 이하로 존재하는 해저심층의 해양 심층수를 취수하는 단계와, 상기 태양열을 집열하여 축열한 열과 10℃ 이하로 존재하는 저온의 해양 심층수를 이용하여 온도차발전(溫度差發電)에 의해서 전력을 생산하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

Description

태양열과 해양 심층수를 이용하여 발전하는 방법{Method for electricity generation using solar heat and deep sea water}
본 발명은 태양열과 해양 심층수를 이용하여 발전하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양열을 집열하여 상변화물질(相變化物質, Phase-change Material)을 용융(熔融)하여 축열한 열과 저온의 해양 심층수를 발전하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 표층해수와 해저심층의 해양 심층수의 온도차를 이용한 발전을 인도(India), 하와이(Hawaii), 스리랑카(Sri Lanka) 등의 열대지방에서 실시하고 있으나, 한국과 같은 온대지방의 경우 겨울철에는 표층해수의 온도와 해저심층의 온도차가 적어 실현 불가능한 문제점이 있으며, 또한, 상기 열대지방의 경우도 표층해수와 해저심층의 해양 심층수의 온도차가 20℃ 이하로 발전효율이 낮은 문제점이 있다.
발전효율의 향상 및 폐열을 이용한 특허문헌 1에서 특허문헌 3의 기술과 비특허문헌 1 및 비특허문헌 2와 같은 기술이 제시되어 있으나, 합리적으로 실현할 수 있는 기술이 없는 실정에 있으며, 종래의 기술에 지나지 않은 기술이다.
[특허문헌 1] 일본특허 공개번호 제2010-59803호(2010년 03월 18일) [특허문헌 2] 일본특허 공개번호 제2005-291112호(2005년 10월 20일) [특허문헌 3] 일본특허 공개번호 제2005-204442호(2005년 07월 28일)
[비특허문헌 1] NIOT, Technical Report on Establishment of a 1MW Pilot Ocean Thermal Energy Conversation (OTEC) Plant in Indian Waters, (1998-7). [비특허문헌 2]Ravindran, M, The Indian 1MW Floating OTEC Plant-An Overview, Pro. IOA 99, (1999-10), Saga.
본 발명은 태양열을 축열하여 70∼95℃ 범위의 온도로 축열한 것과 10℃ 이하로 존재하는 해저심층의 해양 심층수를 이용하여 온도차발전(溫度差發電)을 하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 태양열(太陽熱)과 해저심층(海底深層) 저온(低溫)의 해양 심층수(海洋深層水)를 이용하여 온도차발전(溫度差發電)에 있어서, 상기 태양열을 집열 하여 70∼95℃ 범위의 온도로 축열(蓄熱) 하는, 태양열을 집열하여 축열하는 단계와, 10℃ 이하로 존재하는 해저심층의 해양 심층수를 취수하는 단계와, 상기 태양열을 집열하여 축열한 열과 10℃ 이하로 존재하는 저온의 해양 심층수를 이용하여 온도차발전(溫度差發電)에 의해서 전력을 생산하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.
본 발명은 저온의 해수(해양 심층수)를 용이하게 취수할 수 있는 도서지역이나 해안지역에서는 저렴한 비용으로 영구적으로 전력을 생산할 수 있는 효과가 있기 때문에 이들 지역(도서지역이나 해안지역)의 전력생산에 널리 보급될 것으로 기대된다.
도 1은 축열재인 상변화물질을 분산상태로 충전한 축열조에 의한 태양열을 축열하는 공정도
도 2는 축열재인 상변화물질을 밀폐된 포대(布袋)나 캡슐(Capsule)에 주입한 것을 고정상으로 충전한 축열조에 의한 태양열을 축열하는 공정도
도 3은 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 단일매체를 작동유체로 사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 발전하는 공정도
도 4는 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 단일매체를 작동유체로 사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 2단 터빈으로 발전하는 공정도
도 5는 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 저비점의 작동유체와 기화 온도가 높은 고비점의 작동유체를 혼합하여 사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 발전하는 공정도
도 6은 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 저비점의 작동유체와 기화 온도가 높은 고비점의 작동유체를 혼합하여 사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 2단 터빈으로 발전하는 공정도??性
해양 심층수란 해수면에서 수심 200m보다 깊은 빛이 닿지 않는 해저심층(海底深層)에 있는 해수로, 저온안정성(低溫安定性), 부영양성(富榮養性), 청정성(淸淨性) 등의 특징이 있다.
특히 한국의 동해(東海) 해저심층에 존재하는 해양 심층수는 북쪽 베링해(Bering Sea)와 오호츠크해(Okhotsk海)로부터 유빙(流氷) 등으로 냉각된 표층수 수괴(Water mass)가 침강(沈降)하여 사할린(Sakhalin) 근해를 통해 유입되면서 일본열도가 가로 막혀 있고, 외양(外洋)과의 통로가 되는 대마도(對馬島) 해협은 현저히 얕아 외양(外洋)의 심층수가 유입하지 않기 때문에 태평양(太平洋)이나 인도양(印度洋) 등지의 해저심층에 존재하는 해양 심층수에 비해서 해수면에서 200m보다 깊은 곳에서는 수온이 항상 1℃ 전후로 낮은 온도로 존재하는 특징이 있다.
그러나 겨울철에는 차가운 한류(寒流)가 유입되면 표층해수의 수온이 10℃ 전후로 해저심층의 심층수와 온도차 10℃ 이하로 되기 때문에 표층해수와 심층수의 온도차를 이용하는 온도차발전(溫度差發電)은 현실성이 없다.
그렇지만, 한국의 동해 해양 심층수는 항상 1℃ 전후의 저온으로 존재하기 때문에 고온 측의 열원을 태양열을 이용하였을 때는 아주 좋은 조건을 갖추고 있다.
그래서 본 발명에서는 저온의 해양 심층수와 태양열을 이용하여 온도차발전에 의해서 발전하는 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 태양열(太陽熱)과 해저심층(海底深層) 저온(低溫) 해양 심층수(海洋深層水)와의 온도차를 이용하여 온도차발전(溫度差發電)에 의한 전력생산에 있어서, 상기 태양열을 집열(集熱)하여 70~95℃ 범위의 온도로 축열(蓄熱) 한 태양열과 5℃ 이하 저온의 해양 심층수와의 온도차를 이용한 온도차발전에 의해서 전력을 생산하는 것에 관한 것이다.
Ⅰ. 태양열을 집열하여 축열하는 단계
1. 태양열의 집열공정
태양(100)으로부터 태양열이 제1집열판(101)의 열매체(熱媒體)에 집열(集熱)된 열은 제1집열판 순환펌프(102)에 의해서 축열조(103)에 충전(充塡)된 상변화물질(相變化物質, Phase-change Material)인 축열재(蓄熱材, 204)를 용융(熔融) 시켜 열을 축열(蓄熱, 저장) 한다.
상기 제1집열판(101)의 종류는, 방열(放熱)을 막기 위해 측면(側面)이나 이면(裏面)에 유리섬유(Glass fiber) 등의 단열재(106)로 단열한 집열판 내부에 금속판을 배치해 표면을 강화유리 등으로 커버(Cover)한 것으로 구성이 되어 있는 평판형(平板型), 집열부분이 관 모양으로 된 경질진공유리관의 내부에 열교환부가 배치되게 구성이 되어 있는 진공관형(眞空管型), 태양의 이동에 따라서 태양을 추적(追跡)하는 기능이 있는 집광형(集光型), 열매체(熱媒體)를 액체가 아닌 기체(공기)를 가열 매체로 한 기체집열기(氣體集熱器)로 구분되며, 집광형 집열기는 태양열 회수율은 높으나, 가격과 설치비용이 높기 때문에 대규모 집열 시스템에 적용되며, 기체(공기) 집열기는 열매체(熱媒體)가 기체로 비열이 적으면서 열전달효율이 낮은 문제점이 있다. 그래서 본 발명에서는 제1집열판(101)의 종류에는 특별히 제한하지 않으나, 평판형(平板型) 또는 진공관형(眞空管型) 중에서 한 종류를 사용한다.
태양열 집열공정(集熱工程)의 제1집열판(101)을 순환(循環)하는 열매체(Heat transfer medium)는, 점성(粘性)이 낮으면서 저온유동성이 우수하여 열전달계수(熱傳達係數)가 높고, 인화점(引火點)이 높으면서 증기압(蒸氣壓)이 낮은 화재에 대한 안정성·열안정성(熱安定性)과 산화안전성(酸化安全性)이 높은 재질로, 겨울철의 운휴(運休) 중에도 유동성(流動性)이 있어야 하기 때문에 -30℃에서도 유동성이 있으면서, 비가 오거나 구름이 끼어 태양열을 이용하지 못하는 경우는 보조 보일러(Auxiliary boiler)로부터 열을 공급받아야 하기 때문에 비점이 250℃ 이상 되는 염화다이페닐(Chlorinated diphenyl)계의 다이메틸-다이페닐 에테르 이성질체 혼합물(Dimethyl-diphenyl ether isomer mixture), 에틸-다이페닐 에테르 이성질체 혼합물(Ethyl-diphenyl isomer mixture), 알킬화방향족계(Alkylation aromatic compounds), 알킬폴리페닐계(Alkyl-poly-phenyl compounds), 합성파라핀계(Synthetic paraffin compounds), 디이아릴알케인계(Diaryl alkane compounds), 폴리디메틸실록산(Poly-dimethyl-siloxane) 또는 알킬실록세인폴리머계(Alkyl-siloxanes polymer)의 다이메틸실록세인폴리머(Dimethyl-siloxane polymer) 중에서 한 종류를 사용하도록 한다.
상변화물질(相變化物質, Phase-change Material)은 증발기(200)에서 증발온도에 따라서 결정을 하지만, 증발기(200)에서 증발온도를 60∼70℃ 범위로 하는 경우는 융점(Melting Point)이 80∼95℃ 범위의 상변화물질을 사용한다.
상기 상변화물질은, 노르말 파라핀계(Normal paraffins), 고·저밀도폴리에틸렌왁스계(High or low density polyethylene waxes), 실레인 가교 폴리올레핀계(Silane-crosslinked polyolefins), 스테아린산(Stearic Acid, C17H35COOH) 또는 합성왁스(Synthetic waxes) 중에서 융점이 80∼95℃ 범위에 있는 상변화물질의 한 종류나, 한 종류 이상 혼합한 것을 사용한다.
상기 노르말 파라핀계(Normal paraffins)에서 사용할 수 있는 상변화물질은, 옥타트리아콘테인(Octatriacontane, C38H78), 노나트리콘테인(Nonatriacontane, C39H80), 테트라콘테인(Tetracontane, C40H82), 헨테트라콘테인(Hentetracontane, C41H84), 도테트라콘테인(Dotetracontane, C42H86), 트리테트라콘테인(Tritetracontane, C43H88), 테트라테트라콘테인(Tetratetracontane, C44H90), 펜타테트라콘테인(Pentatetracontane, C45H92), 헥사테트라콘테인(Hexatetracontane, C46H94), 헵타테트라콘테인(Heptatetracontane, C47H96), 옥타테트라콘테인(Octatetracontane, C48H98), 노나테트라콘테인(Nonatetracontane, C49H100), 펜타콘테인(Pentacontane, C50H102), 헨펜타콘테인(Henpentacontane, C51H104), 도펜타콘테인(Dopentacontane, C52H106), 트리펜타콘테인(Tripentacontane, C53H108), 테트라펜타콘테인(Tetrapentacontane, C54H110), 펜타콘테인(Pentapentacontane, C55H112), 펜타콘테인(Hexapentacontane, C56H114), 펜타펜타콘테인(Heptapentacontane, C57H116), 옥타펜타콘테인(Octapentacontane, C58H118), 노나펜타콘테인(Nonapentacontane, C59H120), 헥사콘테인(Hexacontane, C60H122) 등이 있다.
그리고, 도 2에서와 같이 축열재를 포대나 캡슐에 넣어 밀봉한 것을 용융하여 장기간 축열하는 경우는 융해잠열(融解潛熱) 값(76㎉/㎏)이 크면서 융점(融點)이 높은 에리스리톨(Erythritol, C4H10O4, 융점 119∼121℃)과 같은 상변화물질(相變化物質)을 사용할 수도 있다.
2. 태양열의 축열공정
상기 태양열의 집열공정에서 집열된 열은 축열조(蓄熱槽, 103)에 내장된 축열재(104)를 축열조 교반기(105)로 교반하면서 균일하게 축열재에 축열된 열은 축열조 순환펌프(107)로 온도차발전(溫度差發電)에 의해서 전력을 생산하는 단계의 증발기(200)를 순환하면서 응축액에 열을 전달하여 증기(Vapor)로 기화(氣化)시킨다.
축열조(103)는, 현열형(顯熱型), 잠열형(潛熱型), 열화학형(熱化學型), 광화학형(光化學型)으로 구분되는데, 본 발명에서는 축열조(103)는 밀폐된 강제순환식(强制循環式) 잠열형을 이용하는데, 밀폐된 강제순환식(强制循環式) 잠열형 축열조(103)도 도 1에서와 같이 상변화물질인 축열재를 수중에 분산제(分散劑)인 유화제(乳化劑)와 함께 주입하고 에멀션(Emulsion)상태로 분산된 축열조(103)와 도 2에서와 같이 축열재를 내열성의 밀폐된 포대(布袋)나 캡슐(Capsule)에 주입하고 밀봉한 것을 고정상으로 충전(充塡)한 것을 사용할 수 있는데 구체적인 내용은 다음과 같다.
① 축열재인 상변화물질을 분산상태로 충전한 축열조에 의한 태양열을 축열하는 공정
도 1에서의 축열조(103)에 충전(充塡)하는 축열재(104)는, 물 100중량부에 상기 상변화물질(相變化物質)인 축열재(104)를 25∼70중량부와 유화제(Poly-oxyethylene Sorbitan Monooleate) 2.5∼3.5중량부를 주입하고 축열조 교반기(105)로 교반(攪拌)하여 축열재(104)가 수중에 미세입자의 에멀션(Emulsion)상태로 분산한다.
운전 초기에는 축열조(103)에 물, 상변화물질인 축열재(104)와 유화제를 주입하고 축열조 교반기(105)로 교반하여 축열재(104)가 수중에 에멀션상태의 미세한 입자로 만들 때는, 불활성 가스인 질소(N2), 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar) 가스를 축열조(103) 하부로 공급하면서 조 내의 산소(酸素)를 상부 밸브(Valve)로 퍼지(Purge) 하여, 조 내부가 비산화성(非酸化性) 분위기로 유지하여 장기간 사용하여도 유화제나 상변화물질이 산화에 의한 노화방지를 할 수 있게 하여야한다.
② 축열재인 상변화물질을 밀폐(密閉)된 포대(布袋)나 캡슐(Capsule)에 주입한 것을 고정상으로 충전한 축열조에 의한 태양열을 축열하는 공정
도 2에서의 축열조(103)에는 상기 상변화물질인 축열재(104)를, 융점(融點)이 150℃ 이상 되는 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에스테르(Polyester), 폴리트리메틸렌 테레프랄레이트(Polytrimethylene terephthalate), 폴리뷰틸렌테레프랄레이트(Polybutylene Terephthalate), 폴리아미드(Polyamides), 폴리염화비닐리덴(Polyvinylidene chloride)과 같은 합성수지(Synthetic resin)의 포대(包袋)나 캡슐(Capsule) 형태에 주입하고 밀봉한 것을 축열조(103)에 충전(充塡)하고, 상기 태양열 집열공정의 제1집열판 순환펌프(102)로 제1집열판(101)을 순환하는 열매체(Heat transfer medium)를 축열조(103) 내부로도 순환하면서 축열재(104)에 열을 전달하여 용융하여 축열한다.
그리고 축열조 교반기(105)를 교반하여 제1집열판(101)을 순환하는 열매체가 축열재(104)와 효율적으로 접촉하게 하여 축열효율이 향상되도록 한다.
이때도 운전 초기에는 불활성 가스인 질소(N2), 헬륨(He) 또는 아르곤(Ar) 가스를 축열조(103) 하부로 주입하여 축열조(103) 내부의 산소(O2)를 상부 밸브(Valve)로 퍼지(Purge) 하여, 축열조(103) 내부가 비산화성(非酸化性) 분위기로 유지하여 장기간 사용하여도 상변화물질인 축열재(104)가 산화에 의한 노화를 방지할 수 있게 하여야한다.
축열조(103)의 열을 축열조 순환펌프(107)에 의해서 증발기(200)에 열을 공급하고 축열조(103)로 순환하는 열매체의 온도는 80∼95℃ 범위로 운전하는 경우는, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol)계와 프로필렌 글리콜(Propylene glycol)계의 글리콜 수용액은 65℃ 이상에서는 글리콜이 산화되어 노화되므로 바람직하지 않으며, 질산나트륨(Sodium nitrate), 아질산나트륨(Sodium nitrite), 아질산칼륨(Potassium nitrite), 염화칼슘(Calcium chloride) 등의 무기염류는 비가연성 이면서 열적 안정성과 비휘발성이 우수한 특징이 있으나, 부식성이 있기 때문에 바람직하지 않다. 그래서 유동점(流動点)이 -30℃ 이하에서도 유동성이 우수하면서 비점(沸點)은 150℃ 이상 되는 광물성 열매체유(熱媒體油)를 구매하여 사용하도록 한다.
상기 축열조 교반기(105)는 프로펠러형(Propeller type)으로 교반속도(攪拌速度)는 180∼360rpm으로 하고, 교반용량(攪拌容量)은 조용량(Q)과 교반속도(V)의 비(Q/V)가 1∼2 범위로 한다.
Ⅱ. 해양 심층수를 취수하는 단계
해저심층의 해양 심층수(海洋深層水)의 취수(取水)는, 수온이 10℃ 이하가 되는 지점까지 설치한 취수배관에 취수펌프를 직결하여 취수펌프로 취수하거나, 또는, 상기 수온이 10℃ 이하가 되는 지점까지 설치한 취수배관을 해수면보다 낮게 설치한 취수정과 연결하여 사이펀(Siphon) 원리에 의해서 취수한다.
취수배관은 내염성이면서 내식성이 우수한 폴리에틸렌관(Polyethylene pipe)을 사용하고, 취수펌프도 내염성이면서 내식성이 우수한 재질의 밀폐식 원심펌프(Closed type centrifugal pump)를 사용한다.
상기 취수배관에 취수펌프를 직결하여 사용하는 경우는 취수펌프의 요구유효흡입수두(Net Positive Suction Head Required, NPSHr)와 취수배관의 손실수두(Head loss)와 가용유효흡입수두(Net Positive Suction Head Available, NPSHa)를 고려하여 원활하게 해양 심층수가 취수될 수 있도록 해수면보다 낮은 위치에 설치하는 것이 바람직하다.
Ⅲ. 온도차발전(溫度差發電)에 의해서 전력을 생산하는 단계
상기 태양열을 축열조(103)에 축열된 고온의 열원과 저온의 해양 심층수를 이용한 온도차발전(溫度差發電)에 의한 전력의 생산에 있어서, 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)의 작동유체(作動流體)는, 암모니아(Ammonia), 프레온(Freon), 프로페인(Propane)과 같이 기화 온도가 낮은 단일매체를 작동유체로 사용하거나, 암모니아(대기압에서 비점 -33.4℃)-물(대기압에서 비점 100℃), Freon-132a(1, 1, 1, 2-Tetrafluoroethane, CH2FCF3, 대기압에서 비점 -26.3℃)-Freon-123(CHCl2CF3, 대기압에서 비점 27.5℃), Freon-132a(1, 1, 1, 2-Tetrafluoroethane, CH2FCF3, 대기압에서 비점 -26.3℃)와 Freon-32(CH2CF2, 대기압에서 비점 -51.6℃, 약간 량)-Freon-123(CHCl2CF3, 대기압에서 비점 27.5℃), 프로페인(Propane, 대기압에서 비점 -42.1℃)-헵테인(Heptane, 대기압에서 비점 98℃)과 같이 비점이 상이하면서 상호용해되는 2종류 이상의 물질을 혼합한 것을 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 작동유체(作動流體)로 사용할 수 있는데, 상세한 내용은 다음과 같다.
1. 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 단일매체를 작동유체로 사용하는 공정
열 사이클(Thermal Cycle)에 암모니아(Ammonia), 프레온(Freon) 또는 프로페인(Propane) 중에서 한 종류의 기화 온도가 낮은 단일매체를 작동유체로 사용한다.
① 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 단일매체를 작동유체로 사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 발전하는 공정
도 3 "열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 단일매체를 작동유체로 사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 발전하는 공정도"에서와 같은 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)의 증발기(200), 응축기(203)와 예열기(205)에 암모니아(Ammonia), 프레온(Freon) 또는 프로페인(Propane) 중에서 한 종류의 기화 온도가 낮은 저비점 물질인 작동유체를 주입하고, 온도가 0∼5℃ 범위의 해양 심층수를 응축기(203)에 공급하여 작동유체의 온도를 낮게 유지하면서, 예열기(205)에는 표층해수를 공급하면서(표층해수의 온도가 15℃ 이하인 경우는 공급할 필요가 없음), 상기 태양열 축열조(103)에 축열된 에너지를 축열조 순환펌프(107)로 증발기(200) 상부 과열증기발생부(200a)로 공급하여 증기발생부(200b)로 공급된 다음, 태양열 축열조(103)로 반송하면서, 증발기(200)에 에너지를 공급하면 작동유체는 기화하여 증기(Vapor)로 된 것이 터빈(201)에 공급되어 터빈(201)이 회전하면서 발전기(202)를 돌려 전기를 생산하고, 배출증기가 응축기(203)로 이동되면 저온의 해양 심층수로 냉각되어 응축된 작동유체인 응축액은 응축액 이송펌프(204)로 예열기(205)에 공급하여 표층해수로 예열한 다음, 증발기(200)로 보내는 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 의해서 전력을 생산한다.
그리고 상기의 전력을 생산하는데 있어서, 전력생산효율을 향상하기 위해서는 증발기(200)에서 증발된 증기를 압축기(206)로 압축한 것을 기체(공기) 집열판인 제2집열판(207)에 공급하여 엔탈피(Enthalpy)를 높게 한 증기를 터빈(201)에 공급하여 전력생산효율을 높게 할 수도 있다.
② 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 저비점의 단일 작동유체를 사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 2단 터빈으로 발전하는 공정
상기 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 단일매체를 작동유체로 사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 발전하는 공정에서 전력생산효율을 더욱 향상하기 위해서는, 도 4 "열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 단일매체를 작동유체로 사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 2단 터빈으로 발전하는 공정도"에서와 같이 작동유체가 증발기(200)에 공급되면, 태양열 축열조(103)에 축열된 에너지를 축열조 순환펌프(107)로 증발기(200) 상부 과열증기발생부(200a)로 공급하여 증기발생부(200b)로 공급된 다음, 태양열 축열조(103)로 반송하면서, 증발기(200)에 에너지를 공급하여 증발된 증기는 압축기(206)로 압축한 증기를 1단 터빈(201a)에 공급하고, 1단 터빈(201a)에서 배출되는 증기는 기체(공기) 집열판인 제2집열판(207)에 공급하여 엔탈피(Enthalpy)가 높게 된 증기를 2단 터빈(201b)에 공급하여 발전기(200)를 회전시켜 전력생산효율이 높게 전기를 생산하고, 배출증기는 응축기(203)에 공급되면 저온의 해양 심층수로 냉각되어 응축된 작동유체인 응축액은 응축액 이송펌프(204)로 예열기(205)에 공급하여 표층해수로 예열한 다음, 증발기(200)로 보내는 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 의해서 전력을 생산한다.
상기 작동유체(作動流體)는, 암모니아(Ammonia), 프레온(Freon) 또는 프로페인(Propane) 중에서 한 종류의 비점이 매체를 사용하는 것이 무난하지만, 상기 작동유체 이외에도 프로필렌(Propylene), 클로로포름(Chloroform), 헥사플루오로프로필렌(Hexafluoropropylene)과 같이 대기압에서 비점이 -20℃ 이하인 저비점물질은 작동유체로 사용할 수도 있다.
2. 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 저비점의 작동유체와 기화 온도가 높은 고비점의 작동유체를 혼합사용하는 공정
상기 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 암모니아(Ammonia), 프레온(Freon), 프로페인(Propane)과 같은 단일매체를 작동유체로 사용하는 공정은, 열효율이 낮으면서 증발기나 응축기의 면적은 방대하게 되어, 발전비용이 높아지는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 기화 온도가 낮은 저비점의 작동유체와 기화 온도가 높은 고비점의 작동유체를 혼합사용하여 엔트로피(Entropy)의 변화가 적은 등엔트로피변화(Isentropic change)에 가깝게 터빈(201)을 작동시켜 발전효율을 높게 하기 위한 열 사이클(Thermal cycle) 공정이다.
이 장치의 작동유체의 바람직한 예로서는, 암모니아와 물의 혼합물, 프로페인(Propane)과 헵테인(Heptane)의 혼합물, 비점이 다른 프레온(Freon) 혼합물 등을 들 수 있다. 이들의 최적인 혼합 비율은, 이용하는 온도와 압력에 따라서 다르다. 암모니아와 물의 혼합물의 경우, 이용하는 온도가 높아질수록, 물의 혼합 비율을 높게 해야 한다. 프레온 32로 프레온 134a의 혼합물의 경우는, 이용하는 온도가 높아질수록, 프레온 134a의 혼합비율을 높게 해야 한다. 암모니아와 물의 혼합물과 프레온 32로 프레온 134a의 혼합물과는, 암모니아와 물의 혼합물이 보다 높은 온도 범위까지 적응할 수 있다.
저비점의 작동유체와 고비점의 작동유체를 혼합사용하는 예를 들면 다음과 같다.
㉮ 저비점 성분인 암모니아(대기압하에서 비점 -33.34℃) 100중량부와 고비점 성분인 물(대기압하에서 비점 100℃) 10∼20중량부를 혼합한 혼합물을 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 공급하여 작동유체로 사용할 수 있다.
㉯ 저비점 성분인 프로페인(Propane. 대기압에서 비점 -42.1℃) 100중량부에 고비점인 헵테인(Heptane, 대기압에서 비점 98℃) 10∼20중량부 혼합한 것을 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 공급하여 작동유체로 사용할 수도 있다.
㉰ 저비점 성분인 프레온 134a(1, 1, 1, 2-Tetrafluoroethane, CH2FCF3, 대기압하에서 비점 -26.3℃) 100중량부와 고비점인 프레온 123(2, 2-Dichloro-1, 1, 1-trifluoroethane, CHCl2CF3, 대기압하에서 비점 27.5℃) 10∼20중량부 혼합한 것을 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 공급하여 작동유체로 사용할 수도 있다.
㉱ 저비점 성분인 프레온 134a(CH2F·CF3, 대기압하에서 비점 -26.18℃)와 100중량부와 저비점 성분인 프레온 32(Difluoromethane, CH2F2, 대기압하에서 비점 -51.6℃) 10∼20중량부를 혼합한 혼합물에 고비점인 프레온 123(2, 2-Dichloro-1, 1, 1-trifluoroethane, CHCl2CF3, 대기압하에서 비점 27.5℃) 10∼20중량부 혼합한 것을 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 공급하여 작동유체로 사용할 수도 있다.
상기 저비점의 작동유체와 고비점의 작동유체를 혼합사용하는 경우 증발기(200)에서 증발되는 증기의 온도가 28℃ 이상 되는 경우는, 상기 ㉰항과 ㉱항의 저비점의 프레온과 고비점의 프레온의 사용은, 모든 프레온이 증발하기 때문에 사용의 의미가 없다.
증발기(200)에서 증발되는 증기의 온도가 70℃ 이상으로 운전하는 경우는 상기 저비점 성분인 암모니아와 고비점 성분인 물의 혼합물 또는 저비점 성분인 프로페인과 고비점인 헵테인의 혼합물 중에서 한 종류를 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 공급하여 작동유체로 사용할 수 있으나, 경제성과 안전성 등을 고려하였을 때 암모니아와 물의 혼합물을 작동유체로 사용하는 것이 바람직하기 때문에, 이하 저비점 물질인 암모니아와 고비점 물질인 물의 혼합물을 작동유체로 사용하는 것으로 설명한다.
① 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 저비점의 작동유체와 기화 온도가 높은 고비점의 작동유체를 혼합사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 발전하는 공정
도 5 "열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 저비점의 작동유체와 기화 온도가 높은 고비점의 작동유체를 혼합사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 발전하는 공정도"에서와 같은 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)의 증발기(200), 응축기(203), 예열기(205), 냉각기(208)와 흡수기(吸收器, 209)에 저비점 물질인 암모니아(Ammonia) 100중량부와 고비점물질인 물 10∼20중량부를 작동유체로 주입하고, 온도가 0∼5℃ 범위의 해양 심층수를 응축기(203)와 냉각기(208)에 공급하여 작동유체의 온도를 낮게 유지하면서, 예열기(205)에는 표층해수를 공급하면서(표층해수의 온도가 15℃ 이하인 경우는 공급할 필요가 없음), 상기 태양열 축열조(103)에 축열된 에너지를 축열조 순환펌프(107)로 증발기(200) 상부 과열증기발생부(200a)에 공급한 다음, 증기발생부(200b)로 공급하여 태양열 축열조(103)로 반송하면서, 증발기(200)에 에너지를 공급하면 작동유체 중의 저비점 물질인 암모니아는 기화하여 과열증기발생부(200a)에서 과열증기(Supper heat Vapor)로 된 것이 터빈(201)에 공급되어 터빈(201)이 회전하면서 발전기(202)를 돌려 전기를 생산하고, 증발기(200)에서 고비점 성분인 물은 냉각기(208)에 공급되면 저온의 해양 심층수로 냉각되어 터빈(201)에서 배출되는 배출증기와 함께 흡수기(209)에 공급되어 암모니아 증기가 물에 흡수되어 응축기(203)로 이동되면 저온의 해양 심층수로 냉각되어 응축된 작동유체인 응축액은 응축액 이송펌프(204)로 예열기(205)에 공급하여 표층해수로 예열한 다음, 증발기(200)로 보내는 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 의해서 전력을 생산한다.
그리고 상기의 전력을 생산하는데 있어서, 전력생산효율을 향상하기 위해서는 증발기(200)에서 증발된 증기를 압축기(206)로 압축한 것을 기체(공기) 집열판인 제2집열판(207)에 공급하여 엔탈피(Enthalpy)가 높게 된 증기를 터빈(201)에 공급하여 전력생산효율을 높게 할 수도 있다.
상기 저비점 물질인 암모니아(Ammonia) 100중량부와 고비점물질인 물 10∼20중량부를 혼합한 작동유체를 주입하는 대신에, 저비점 성분인 프로페인(Propane) 100중량부에 고비점인 헵테인(Heptane) 10∼20중량부를 혼합한 작동유체를 주입하여도 된다.
② 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 저비점의 작동유체와 기화 온도가 높은 고비점의 작동유체를 혼합사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 2단 터빈으로 발전하는 공정
상기 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 저비점의 작동유체와 기화 온도가 높은 고비점의 작동유체를 혼합사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 발전하는 공정에서 전력생산효율을 더욱 향상하기 위해서는, 도 6 "열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 기화 온도가 낮은 저비점의 작동유체와 기화 온도가 높은 고비점의 작동유체를 혼합사용하고, 고온열원인 태양열과 저온열원인 해양 심층수를 이용하여 2단 터빈으로 발전하는 공정도"에서와 같은 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)의 증발기(200), 응축기(203), 예열기(205), 냉각기(208)와 흡수기(吸收器, 209)에 저비점 물질인 암모니아(Ammonia) 100중량부와 고비점물질인 물 10∼20중량부를 작동유체를 주입하고, 온도가 0∼5℃ 범위의 해양 심층수를 응축기(203)와 냉각기(208)에 공급하여 작동유체의 온도를 낮게 유지하면서, 예열기(205)에는 표층해수를 공급하면서(표층해수의 온도가 15℃ 이하인 경우는 공급할 필요가 없음), 상기 태양열 축열조(103)에 축열된 에너지를 축열조 순환펌프(107)로 증발기(200) 상부 과열증기발생부(200a)로 공급한 다음, 증기발생부(200b)로 공급하여 태양열 축열조(103)로 반송하면서, 증발기(200)에 에너지를 공급하면 작동유체 중의 저비점 물질인 암모니아는 기화하여 과열증기발생부(200a)에서 과열증기(Supper heat Vapor)로 된 증기를 압축기(206)로 압축한 것을 1단 터빈(201a)에 공급하고, 1단 터빈(201a)에서 배출되는 증기를 기체(공기) 집열판인 제2집열판(207)에 공급하여 엔탈피(Enthalpy)를 높게 한 증기를 2단 터빈(201b)에 공급하여 발전기(202)를 회전시켜 전력생산효율이 높게 전기를 생산하고, 증발기(200)에서 고비점 성분인 물은 냉각기(208)에 공급되면 저온의 해양 심층수로 냉각되어 터빈(201)에서 배출되는 배출증기와 함께 흡수기(209)에 공급하여 암모니아 증기가 물에 흡수된 것이 응축기(203)로 이동되면 저온의 해양 심층수로 냉각되어 응축된 작동유체인 응축액은 응축액 이송펌프(204)로 예열기(205)에 공급하여 표층해수로 예열한 다음, 증발기(200)로 보내는 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)에 의해서 전력을 생산한다.
상기 열 사이클 시스템(Thermal cycle system)의 운전 초기의 시운전단계에서는, 증발기(200), 응축기(203)와 예열기(205)에 기화 온도가 낮은 저비점 물질인 작동유체는 인화점(Flash point), 공기와 폭발한계점에 도달하면 화재나 폭발의 위험성이 있기 때문에, 1차 불활성 가스인 질소(Nitrogen), 헬륨(Helium)이나 아르곤(Argonne) 가스 등으로 열 사이클 시스템 내부에 존재하는 산소를 퍼지(Purge) 한 후, 2차 작동유체 자체로 불활성 가스를 퍼지(Purge) 한 다음, 작동유체를 공급 충전하여야 한다.
그리고 상기 해수와 접촉하는 증발기(200), 응축기(203)와 예열기(205)의 재질은 내염성에 강한 재질을 사용해야 하며, 예열기(205)에 표층해수를 인입 및 배출하는 배관부분에서는 해조류(Sea algae)와 패류(Shellfish)의 부착(付着)으로 열교환성능이 저하할 수 있기 때문에 주기적으로 전기분해를 하거나, 또는, 산화제(NaClO)를 공급하여, 해조류와 패류의 부착을 억제하는 방법이 강구되어야 하며, 또한, 부착된 해조류와 패류는 주기적으로 제거하여야 한다.
본 발명의 온도차발전은, 해양 심층수와 표층해수의 온도차에 의한 해양온도차발전(Ocean thermal energy conversion)은 위도 20°이상 되는 지역에서는 겨울철에 한류가 유입되면서 표층해수의 수온이 떨어져 표층수와 해양 심층수의 온도차가 10℃ 이하가 되는 경우는 실현성이 없지만, 고온의 열원은 태양열을 이용하고, 저온의 열원은 해양 심층수를 이용하는 경우 온도차를 70∼80℃로 유지할 수 있어 효율적으로 전력을 생산할 수 있기 때문에 도서지역 및 해안지역의 발전에 널리 보급 되는 효과가 있을 것으로 기대된다.
100: 태양 101: 제1집열판
102: 제1집열판 순환펌프 103: 축열조
104: 축열재 105: 축열조 교반기
106: 보온재 107: 축열조 순환펌프
200: 증발기(Evaporator) 200a: 과열증기발생부
200b: 증기발생부 201: 터빈(Turbine)
200a: 1단 터빈 200b: 2단 터빈
202: 발전기(Generator) 203: 응축기(Condenser)
204: 응축액 이송펌프 205: 예열기(Pre-heater)
206: 압축기 207: 제2집열판
208: 냉각기(Cooler) 209: 흡수기(吸收器)
TI: 온도지시계(Temperature indicator) M: Motor
TT: 온도전달장치(Temperature transmitter) G: Generator
TIC: 온도지시제어기(Temperature indicating controller)
LT: 수위전달장치(Level transmitter)
LIS: 수위지시제어스위치(Level indicating control switch)

Claims (1)

  1. 태양열과 해저심층 해양 심층수를 이용하여 온도차발전에 있어서,
    상기 태양열을 집열 하여 고온의 열을 축열(蓄熱) 하는, 태양열을 집열하여 축열하는 단계와,
    0∼10℃ 범위로 존재하는 해저심층의 해양 심층수를 취수하는 단계와,
    상기 태양열을 집열하여 축열한 고온의 열과 0∼10℃ 범위로 존재하는 저온의 해양 심층수를 이용하여 온도차발전(溫度差發電)에 의해서 전력을 생산하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양열과 해양 심층수를 이용하여 발전하는 방법.
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