KR20130003765A - 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템 - Google Patents

해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로서, 상기 해수와 상기 담수간의 염도차를 이용하여 삼투압을 발생시키는 삼투부; 상기 해수와 상기 담수간의 이온이동을 이용하여 발전하는 발전부; 상기 삼투압을, 상기 해수 또는 상기 담수 중 적어도 하나를 상기 삼투부 또는 상기 발전부 중 적어도 하나에 공급하기 위한 양수에너지로 전환시키는 압력회수부; 및 상기 삼투부, 상기 발전부 또는 상기 압력회수부 중 적어도 하나를 통해, 상기 해수 및 상기 담수가 이동할 수 있도록 연결하는 연결부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 역전기투석방식(RED)과 압력지연삼투방식(PRO)을 결합하여 발전함으로써, 에너지효율을 현저히 높일 수 있고, 손실에너지를 최소화하여, 해수-담수간의 염도차 에너지로부터 전력을 생산하는 발전효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

Description

해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템 {HYBRID POWER GENERATION SYSTEM USING SALINITY GRADIENT OF SEA WATER AND FRESH WATER}
본 발명은 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래와 달리, 역전기투석방식(Reverse Electro Dialysis, RED)과 압력지연삼투방식(Pressure Retarded Osmosis, PRO)을 결합하여 발전함으로써, 해수와 담수의 혼합과정에서 염도차 에너지를 전기에너지 형태로 회수하는 효율을 현저히 높일 수 있으며, 간단한 공정으로 해수-담수간의 염도차 에너지를 이용하여 전력생산효율을 극대화시킬 수 있는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다.
최근 산업화로 인하여 무분별한 화석에너지가 사용되었고, 이로 인하여 온실가스의 농도는 점차 증가한 반면 화석 연료의 부존량은 점차 감소하고 있다. 특히 온실가스의 농도 증가는 기온 및 해수면 상승을 야기하였으며, 이상기후 현상을 초래하게 되었다.
이와 관련하여 온실가스 감축에 성공하지 못할 경우, 전 지구적인 재난 발생 가능성이 높음을 과학적으로 입증한 내용이 IPCC 4차 보고서를 통해 발표된 바 있고, 지난 13차 유엔기후변화협약 당사국 총회에서 채택된 ‘발리로드맵’을 계기로 온실가스 문제는 전 지구적인 당면과제로 인식되고 있다.
이에, 에너지의 효율적인 사용 및 절약은 일차적인 대책으로 일부 효과가 있지만 근본적으로 온실가스 배출의 84%를 차지하는 에너지 연소부분 자체를 감소시켜야 하며, 이를 위해서는 미래에너지원으로 지속가능하고 탄소배출이 없는 새로운 에너지에 대한 연구개발 및 실용화가 필요한 시점이다.
현재 각광받고 있는 신재생에너지로는 태양광, 풍력 및 수력(소수력)을 이용한 에너지가 있고, 현재 신재생에너지 개발 방향은 이들에 편중되어 있다. 이 같은 주요 신재생에너지는 높은 초기 투자비용 및 출력의 불안정성, 생태계 교란과 같은 문제점을 가지고 있다.
이에 반하여 해수와 담수의 염도 차이를 에너지로 회수하는 발전 방식은 신재생에너지의 장점에 더하여, 생태계를 교란시키지 않으면서도 안정적인 출력을 확보할 수 있고, 하구 둑 및 방조제와 연계하여 해양면적을 활용함으로서 초기 설치비용을 감소시킬 수 있는 이점이 있어, 최근 이에 대한 연구가 유럽을 중심으로 진행되고 있다.
도 1에 나타난 바와 같이, 이러한 에너지 가용화 조작은 해수가 증발하면서 담수가 생성되는데 투입된 태양 에너지를 회수하는 것으로서, 열역학적 측면에서 혼합에 의한 엔트로피 증가에 상당하는 자유 에너지(Gibbs free energy)를 회수하는 것으로 이해할 수 있다.
이렇게 해수와 담수의 농도 차이를 이용하는 에너지 회수 기술은 1975년 이스라엘의 Sidney Loeb 교수에 의하여 처음 제안된 삼투압 방식과 전해질(NaCl) 투석 방식으로 대별할 수 있는데, 현재 노르웨이의 수력풍력발전 회사인 Statkraft사와 네덜란드의 지속가능수력기술센터(Wetsus)에서 각각의 연구가 진행되고 있다.
이로부터 다양한 해수와 담수의 농도 차이를 이용하는 에너지 회수 기술이 연구되고 있으나, 각 기술들은 복잡한 장치들이 다수 사용되어 경제성이 떨어지지거나, 수력학적 압력을 주기 위해 추가에너지의 공급이 필요함으로써, 발전효율이 낮은 문제가 있었다.
따라서, 에너지회수시스템을 단순화하여 구축비용을 현저히 감소시키면서도, 추가적으로 공급되는 에너지량을 최소화함으로써, 발전효율을 높일 수 있는 에너지회수기술의 개발이 요구되어 왔다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 역전기투석방식(RED)과 압력지연삼투방식(PRO)을 결합하여 발전함으로써, 해수와 담수의 혼합과정에서 염도차 에너지를 전기에너지 형태로 회수하는 발전효율을 현저히 높일 수 있는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 종래 해수와 담수의 수력학적 압력을 추가로 공급하거나 터빈과 같은 추가발전장치가 필요하지 않음으로, 공정이 간단할 뿐만 아니라, 에너지회수시스템 구축비용 또한 저감된 경제적인 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 압력지연삼투방식으로 삼투압 회수를 통해 양수에너지를 공급하고, 역전기투석방식으로 발전함으로써, 에너지손실을 최소화하여, 해수-담수간의 염도차에너지로부터 전력생산효율을 극대화할 수 있는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템은, 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템에 있어서, 상기 해수와 상기 담수간의 염도차를 이용하여 삼투압을 발생시키는 삼투부; 상기 해수와 상기 담수간의 이온이동을 이용하여 발전하는 발전부; 상기 삼투압을, 상기 해수 또는 상기 담수 중 적어도 하나를 상기 삼투부 또는 상기 발전부 중 적어도 하나에 공급하기 위한 양수에너지로 전환시키는 압력회수부; 및 상기 삼투부, 상기 발전부 또는 상기 압력회수부 중 적어도 하나를 통해, 상기 해수 및 상기 담수가 이동할 수 있도록 연결하는 연결부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 삼투부는 반투막을 포함하는 용기인 것을 특징으로 하며, 상기 반투막을 경계로 이분된 공간에 상기 해수 및 상기 담수가 각각 투입되어, 상기 해수와 상기 담수간의 농도차에 의해 상기 해수에 상기 담수 중 일부가 혼합되어 혼합용액을 형성하며, 삼투압을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 삼투압은 상기 담수를 상기 발전부로 이동시키고, 상기 혼합용액을 상기 압력회수부로 이동시키는 것을 특징으로 하며, 상기 발전부는, 역전기투석전지인 것을 특징으로 한다.
상기 역전기투석전지는 음이온교환막과 양이온교환막을 각각 적어도 하나 포함하며, 상기 해수와 상기 담수가 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막 사이에 공급됨으로써, 이온이동에 의해 발전하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 역전기투석전지는, 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막이 교대로 배치되며, 상기 해수와 상기 담수가 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막 사이에 교대로 공급되는 것을 특징으로 하며, 상기 역전기투석전지는, 적어도 2개의 전극이 상기 음이온교환막과 양이온교환막의 최외측 양쪽에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압력회수부는, 상기 해수를 상기 삼투부 또는 상기 발전부 중 적어도 하나에 공급하는 제 1압력회수부; 및 상기 담수를 상기 삼투부 또는 상기 발전부 중 적어도 하나에 공급하는 제 2압력회수부;로 구성되는 것을 특징으로 하며,상기 압력회수부는, 상기 삼투부에서 발생한 삼투압을 이용하여, 상기 해수 또는 상기 담수 중 적어도 하나를 상기 삼투부 또는 상기 발전부 중 적어도 하나에 공급하기 위한 투입압력을 110% 내지 1500% 높이는 것을 특징으로 한다.
상기 연결부는, 상기 해수가 상기 압력회수부를 거쳐, 상기 삼투부 또는 상기 발전부 중 적어도 하나에 공급될 수 있도록 연결된 해수배관; 상기 담수가 상기 압력회수부, 상기 삼투부 및 상기 발전부를 차례로 거쳐 공급될 수 있도록 연결된 담수배관; 및 상기 혼합용액이 상기 삼투부에서 상기 압력회수부로 이동하고, 상기 압력회수부 외부로 배출될 수 있도록 연결된 혼합용액배관;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템에 따르면, 역전기투석방식(RED)과 압력지연삼투방식(PRO)을 결합하여 발전함으로써, 염도차 에너지의 회수효율을 현저히 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 종래 해수와 담수에 대하여, 수력학적 압력을 추가로 공급하거나 터빈과 같은 추가발전장치가 필요하지 않음으로, 공정이 간단할 뿐만 아니라, 에너지회수시스템 구축비용 또한 저감되어, 경제적인 장점이 있다.
또한, 압력지연삼투방식으로 삼투압 회수를 통해 양수에너지를 공급하고, 역전기투석방식으로 발전함으로써, 손실에너지를 최소화하여, 해수-담수간의 염도차에너지로부터 전력생산효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 해수와 담수의 혼합에 따른 자유에너지의 회수원리를 나타낸 모식도
도 2는 농도차에 의한 삼투압 발생원리를 나타낸 모식도
도 3은 압력지연삼투방식을 이용하여 발전하는 장치를 나타낸 단면도
도 4는 본 발명의 역전기투석전지에서 양이온교환막 및 음이온교환막의 작동원리를 나타낸 모식도
도 5는 본 발명의 역전기투석전지를 나타낸 단면도
도 6은 본 발명의 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템을 나타낸 단면도
도 7은 본 발명의 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전방법을 순차적으로 나타낸 순서도
이하, 본 발명에 의한 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템에 대하여 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
먼저, 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전방법은, 도 2 내지 도 6에 나타난 바와 같다.
본 발명의 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전방법의 제 1실시예는, 상기 해수와 상기 담수간의 염도차를 이용하여 삼투압을 발생시키고, 상기 삼투압을 상기 해수 또는 상기 담수 중 적어도 하나의 양수에너지 공급에 이용하는 삼투압발생단계; 및 상기 해수와 상기 담수간의 이온이동을 이용하여 발전하는 이온이동발전단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이는 역전기투석방식과 삼투방식의 단점을 서로 보완하여 해수-담수간의 염도차 에너지로부터의 발전효율을 극대화시키기 위함이다.
상기 삼투압 발생단계는, 압력지연삼투(Pressure-Retarded Osmosis)방식에 의해 상기 삼투압을 발생시키는 것이 바람직하며, 상기 압력지연삼투방식은, 상기 해수와 상기 담수간의 농도차에 의해 발생하는 삼투압을 이용하여 양수에너지를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기 압력지연삼투방식은, 상기 해수와 상기 담수간의 농도차에 의해 발생하는 삼투압을 이용하여 양수에너지를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 도 2에 나타난 삼투압원리를 이용한 것으로, 반투막을 경계로, 담수측에서 해수측으로 물분자가 이동하여, 해수측의 압력이 증가함으로 인해, 해수와 담수간 농도차에 의한 삼투압이 발생하게 된다.
이러한 원리를 이용하여, 도 3에 나타난 바와 같이, 해수-담수간 삼투압으로부터 수력학적으로 기계적 에너지를 회수하는 압력지연삼투방식을 본 발명의 역전기투석방식염과 결합하여, 압력지연삼투현상을 직접적으로 발전에 이용하는 대신에, 농도차로 인한 삼투압을 활용하여 양수에너지로 사용함으로써, 에너지효율을 극대화시킬 수 있다.
압력지연삼투방식을 직접적인 발전에 이용하게 되면 발전을 위한 소수력 발전장치의 필요 및 기계적 에너지손실 문제가 발생하므로, 이를 직접적인 발전에 사용하는 것이 아니라, 역전기투석방식에서 수력학적 압력이 요구되는 단점을 압력지연삼투방식을 사용하여 보완하여 하이브리드 형태의 발전방식을 사용함으로써, 전력생산효율을 현저히 높일 수 있다.
즉, 해수와 담수의 농도차이를 이용한 압력지연삼투방식에 의해 발생하는 압력을 이용하여, 해수 및 담수가 상기 역전기투석을 위해 공급되도록 한다. 결과적으로, 역전기투석전지에서 회수한 염도차 에너지의 대부분을 양수조작에 소모시키는 종래의 방법에 비해 에너지효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 이온이동발전단계는, 역전기투석(Reverse ElectroDialysis)방식으로 발전하는 것이 바람직하며, 상기 역전기투석방식에 사용되는 양수에너지는 상기 압력지연삼투방식에 의해 발생하는 압력으로 조달되는 것을 특징으로 한다.
상기 역전기투석방식은, 음이온교환막과 양이온교환막을 각각 적어도 하나 배치하고, 상기 해수 및 상기 담수를 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막 사이에 공급하여 발전하는 것을 특징으로 한다.
즉, 도 4에 나타난 음이온교환막과 양이온교환막 사이로 해수와 담수가 각각 투입되어, 해수와 담수가 교환막을 경계로 하여, 이온이 이동함으로써, 음이온교환막과 양이온교환막들의 최외각에 위치한 양극과 음극 사이에는 기전력이 발생하게 된다.
이러한 역전기투석방식에 사용되는 역전기투석전지는 도 5에 나타난 바와 같이, 음이온교환막과 양이온교환막이 다수개가 교대배치되어 스택을 구성하는 것이 고전압출력을 얻기 위해 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전방법을 보다 구체적으로 구현한 제 2실시예는, 도 7에 나타난 바와 같이, 투입단계(S10), 삼투단계(S20), 이동단계(S30), 발전단계(S40) 및 압력회수단계(S50)를 포함하여 이루어진다. 이는 연속공정으로 운행되며, 거의 동시에 이루어질 수 있으며, 반복공정에 해당한다.
여기서, 투입단계(S10)는, 상기 해수는 제 1해수와 제 2해수로 분리되며, 상기 제 1해수와 상기 담수는 삼투압모듈에 투입하고, 상기 제 2해수는 역전기투석전지로 투입하는 단계이다. 이는 해수가 삼투압발생과 전력생산을 위해 삼투압모듈과 역전기투석전지로 분리투입되는 과정이다.
상기 투입단계(S10)에서, 상기 해수 및 상기 담수는 0.1atm 내지 15atm의 압력으로 상기 삼투압모듈 및 상기 역전기투석전지에 투입되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1atm 내지 11atm, 가장 바람직하게는 2atm으로 투입되는 것이 효과적이다. 여기서, 표시되는 압력을 계기에서 측정되는 계기압력이다.
계기압력이 0.1atm미만인 경우에는 해수 및 담수의 유량이 지나치게 떨어져, 역전기투석전지에서 발전을 위해 충분한 해수와 담수가 공급되지 못 하여 발전효율이 저하되는 문제가 있으며, 본 발명에서 압력회수를 통한 에너지효율향상정도가 현저히 떨어지는 문제가 있다. 반대로, 15atm을 초과하는 경우에는 높은 압력으로 인해, 발전시스템의 내구성이 떨어질 뿐만 아니라, 설치비용이 상승하며, 오히려 과도하게 빠른 속도로 인해 해수와 담수의 낭비가 발생하고, 전력생산효율 또한 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 투입단계(S10)에서, 상기 삼투압모듈은 내부에 반투막을 경계로 내부가 분리되어 있으며, 상기 제 1해수와 상기 담수를 각각의 분리된 공간으로 공급하는 것이 바람직하다. 이는 상기 반투막은 물분자만의 이동을 가능하게 함으로써, 제 1해수와 담수의 농도차로 인해 담수에서 제 1해수로 물분자가 이동함으로써, 삼투압을 형성하기 위함이다.
다음으로, 삼투단계(S20)는 상기 삼투압모듈에서의 농도차에 의해, 상기 담수 중 일부가 상기 제 1해수로 이동하여 혼합용액을 생성하며, 삼투압이 발생하는 단계이다. 이는 해수와 담수의 농도차로 인한 삼투압 발생과정이다.
상기 삼투단계(S20)는 상기 제 1해수와 상기 담수간의 농도차이로 인해, 상기 담수 중 일부가 상기 삼투압모듈의 반투막을 경계로 상기 제 1해수쪽으로 이동하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합용액은 담수와 제 1해수가 혼합되어 생성된 것으로, 해수보다 염도가 낮은 염수이다.
또한, 이동단계(S30)는 상기 담수가 상기 역전기투석전지로 이동하며, 상기 삼투압에 의해, 상기 혼합용액은 압력회수기로 이동하는 단계이다.
상기 이동단계(S30)에서의 담수는 농도차에 의해 제 1해수로 이동한 담수를 제외한 나머지 담수를 의미하며, 상기 삼투단계(S20)에서 압력이 높아진 혼합용액이 압력회수기를 통과하면서 상기 담수에 압력을 전달하여 상기 역투석전지로 공급될 수 있도록 한다. 상기 압력회수기는 압력을 재활용하도록 구성된 기구를 의미한다.
또한, 상기 이동단계(S30)에서, 상기 담수 및 상기 혼합용액은 0.1atm 내지 15atm의 압력으로 상기 역전기투석전지 및 상기 압력회수기로 이동하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1atm 내지 11atm, 가장 바람직하게는 2atm으로 투입되는 것이 효과적이다. 여기서, 압력은 상기와 같이 계기압력을 의미한다.
계기압력이 0.1atm미만인 경우에는 담수의 흐름속도가 지나치게 떨어져, 역전기투석전지에서 발전을 위해 충분한 담수가 공급되지 못 하여 발전효율이 저하되는 문제가 있으며, 혼합용액의 압력회수를 통한 에너지효율향상정도가 현저히 떨어지는 문제가 있다. 반대로, 15atm을 초과하는 경우에는 높은 압력으로 인해, 발전시스템의 내구성이 떨어질 뿐만 아니라, 설치비용이 상승하며, 오히려 과도하게 빠른 속도로 인해 담수가 낭비되면서 전력생산효율이 저하되는 문제가 있다.
다음으로, 발전단계(S40)는 상기 역전기투석전지는 상기 제 2해수와 상기 담수를 이용하여, 역전기투석방식으로 발전하는 단계이다. 이는 역전기투석전지를 통해 전력생산이 이루어지는 과정이다.
상기 발전단계(S40)에서, 상기 역전기투석방식은, 음이온교환막과 양이온교환막을 교대로 배치하고, 상기 제 2해수 및 상기 담수를 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막 사이에 교대로 공급하여 발전하는 방식이다.
상기 음이온교환막과 양이온교환막은 다수 교대로 설치되어 스택을 구성하는 것이 고전압출력을 얻기 위해 바람직하며, 이렇게 교대로 배치된 음이온교환막과 양이온교환막의 사이에 상기 제 2해수와 담수를 역시 교대로 투입함으로써, 제 2해수와 담수가 교환막을 통해 선택적 이온이동이 이루어져, 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막의 최외측에 설치된 전극을 통해 전력을 생산하게 된다.
마지막으로, 압력회수단계(S50)는 상기 압력회수기에 의해 상기 혼합용액의 압력을 회수하여, 상기 투입단계의 해수 및 담수의 투입압력을 높이는 단계이다. 이는 본 발명의 특징인 삼투현상으로 발생한 압력을 회수하여 해수 및 담수를 시스템에 공급하는 압력, 즉, 양수에너지를 공급하는 공정이다.
상기 압력회수단계(S50)에서는, 상기 혼합용액의 압력을 이용하여, 상기 투입단계(S10)의 해수 및 담수의 투입압력을 110% 내지 1500% 높이는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 200% 내지 1200% 높이는 것이 효과적이다. 110%미만인 경우에는 충분한 해수 및 담수를 시스템상에 충분히 공급하기 어려우며, 1500%를 초과하는 경우에는 삼투압으로 압력을 높이기 어려운 문제가 있다.
여기서, 압력은 절대압력을 기준으로 한다.
본 발명의 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전방법은 순환될 수 있으며, 순환원리에 의한다면 순서와 관계없이 각 단계가 진행되어도 무방하고, 각 단계가 연계되어 동시에 진행되면서 연속공정으로 전력을 생산하는 것이 것이 더 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템은, 도 6에 나타난 바와 같이, 삼투부(10), 발전부(20), 압력회수부(30) 및 연결부(40)을 포함하여 이루어진다. 본 발명 발전시스템은 이하에서 설명하는 것을 제외하고는 상기 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전방법에 기재된 것과 같다.
먼저, 삼투부(10)은 상기 해수와 상기 담수간의 염도차를 이용하여 삼투압을 발생시키며, 이는 반투막을 포함하여 이루어진 용기인 것이 바람직하다. 용기의 내부가 두 공간으로 나뉘도록 반투막을 위치시키는 것이 바람직하며, 상기 반투막은 물분자가 한쪽으로 이동할 수 있도록 구성되는 것이 효과적이다. 이는 해수와 담수의 농도차로 인한 삼투압을 발생시키기 위한 장치이다.
상기 삼투부(10)은 상기 반투막을 경계로 분리된 두 공간으로, 상기 해수(1) 및 상기 담수(2)가 각각 투입되어, 농도차에 의해 상기 해수(1)에 상기 담수(2) 중 일부가 혼합되어 혼합용액(3)을 형성하며, 삼투압을 발생시킨다.
여기서, 삼투압은 상기 담수(2)를 상기 발전부(20)로 이동시키고, 상기 혼합용액(3)을 상기 압력회수부(40)로 이동시키는 역할을 한다.
다음으로, 발전부(20)는 상기 해수와 상기 담수간의 이온이동을 이용하여 발전하며, 이는 역전기투석전지인 것이 바람직하다.
상기 역전기투석전지(20)는 음이온교환막과 양이온교환막을 각각 적어도 하나 포함하며, 상기 해수와 상기 담수가 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막 사이에 공급됨으로써, 이온이동에 의해 발전하도록 구성된 것이 바림직하며, 더욱 바람직하게는 음이온교환막과 양이온교환막이 교대로 배치되며, 상기 해수 및 상기 담수가 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막 사이에 교대로 공급됨으로써, 선택적 이온이동에 의해 발전하는 것이 효과적이다.
또한, 상기 역전기투석전지(20)는 다수의 음이온교환막과 양이온교환막을 교대로 배치하여 스택을 구성하는 것이 고전압출력을 얻기 위해 가장 바람직하다.
또한, 상기 역전기투석전지(20)는 적어도 두 개의 전극이 상기 교대배치된 음이온교환막과 양이온교환막의 최외측 양쪽에 위치하는 것이 바람직하며, 이를 통해 전력이 생산된다. 즉, 양극이 좌측에, 음극이 우측에 위치하거나, 양극이 우측에, 음극이 좌측에 위치하는 형태이다. 구체적인 역전기투석전지(20)의 일실시예는 도 5에 나타난 바와 같다.
다음으로, 압력회수부(30)는 상기 삼투부(10)에서 발생한 압력을 회수하여 상기 해수(1) 또는 상기 담수(2) 중 적어도 하나를 상기 삼투부(10) 또는 상기 발전부(20) 중 적어도 하나에 공급하기 위한 양수에너지로 전환시키는 역할을 한다. 이는 일반적으로 사용되는 압력회수장치 중 어느 것을 사용해도 무방하다.
상기 압력회수부(30)는 상기 해수(1)를 상기 삼투부(10) 또는 상기 발전부(20) 중 적어도 하나에 공급하는 제 1압력회수부(31) 및 상기 담수(2)를 상기 삼투부(10) 또는 상기 발전부(20) 중 적어도 하나에 공급하는 제 2압력회수부(32)로 구성되는 것이 바람직하다. 이는 도 6에 나타난 바와 같이, 해수(1)를 공급하기 위한 압력회수부와 담수(2)를 공급하기 위한 압력회수부를 분리한 것으로, 해수(1)와 담수(2)가 다른 배관을 통해 분리공급되므로, 압력회수부(30) 또한 분리하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압력회수부(30)는, 상기 삼투부(10)에서 발생한 압력을 이용하여, 상기 해수(1) 및 담수(2)의 상기 삼투부(10) 또는 상기 발전부(20) 중 적어도 하나에의 투입압력을 110% 내지 1500% 높이는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 200% 내지 1200% 높이는 것이 효과적이다. 이에 대한 구체적인 내용은 상기에서 설명한 바와 같다.
마지막으로, 상기 연결부(40)은, 상기 삼투부(10), 상기 발전부(20) 또는 상기 압력회수부(30) 중 적어도 하나를 적어도 하나를 상기 해수 및 상기 담수가 이동할 수 있도록 연결하는 역할을 한다. 즉, 도 6에 나타난 바와 같이, 연결부(40)는 배관으로 구성되는 것이 바람직하며, 이러한 배관은 삼투부(10), 발전부(20) 및 압력회수부(30)을 서로 연결시키며, 이들 각각에 해수(1), 담수(2) 및 혼합용액(3)을 공급 및 배출할 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 연결부(40)은, 해수배관(41), 담수배관(43) 및 혼합용액배관(42)로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 해수배관(41)은 상기 해수(1)가 상기 압력회수부(30)를 거쳐, 상기 삼투부(10) 또는 상기 발전부(20) 중 적어도 하나에 공급될 수 있도록 연결되며, 상기 담수배관(43)은 상기 담수(2)가 상기 압력회수부(30), 상기 삼투부(10) 및 상기 발전부(20)를 차례로 거쳐 공급될 수 있도록 연결된다.
또한, 상기 혼합용액배관(42)은 상기 혼합용액(3)이 상기 삼투부(10)에서 상기 압력회수부(30)로 이동하고, 상기 압력회수기(30) 외부로 배출될 수 있도록 연결된다.
이렇게 본 발명에서 연결부(40)는 시스템의 구성요소간에 해수 및 담수가 원활하게 공급 및 배출될 수 있도록 연결하는 역할을 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
1: 해수
2: 담수
3: 혼합용액
10: 삼투부 (삼투압모듈)
20: 발전부 (역전기투석전지)
30: 압력회수부
31: 제 1압력회수부
32: 제 2압력회수부
40: 연결부 (배관)
41: 해수배관
42: 혼합용액배관
43: 담수배관

Claims (11)

  1. 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템에 있어서,
    상기 해수와 상기 담수간의 염도차를 이용하여 삼투압을 발생시키는 삼투부;
    상기 해수와 상기 담수간의 이온이동을 이용하여 발전하는 발전부;
    상기 삼투압을, 상기 해수 또는 상기 담수 중 적어도 하나를 상기 삼투부 또는 상기 발전부 중 적어도 하나에 공급하기 위한 양수에너지로 전환시키는 압력회수부; 및
    상기 삼투부, 상기 발전부 또는 상기 압력회수부 중 적어도 하나를 통해, 상기 해수 및 상기 담수가 이동할 수 있도록 연결하는 연결부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 삼투부는 반투막을 포함하는 용기인 것을 특징으로 하는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 반투막을 경계로 이분된 공간에 상기 해수 및 상기 담수가 각각 투입되어, 상기 해수와 상기 담수간의 농도차에 의해 상기 해수에 상기 담수 중 일부가 혼합되어 혼합용액을 형성하며, 삼투압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 삼투압은 상기 담수를 상기 발전부로 이동시키고, 상기 혼합용액을 상기 압력회수부로 이동시키는 것을 특징으로 하는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 발전부는, 역전기투석전지인 것을 특징으로 하는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 역전기투석전지는 음이온교환막과 양이온교환막을 각각 적어도 하나 포함하며, 상기 해수와 상기 담수가 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막 사이에 공급됨으로써, 이온이동에 의해 발전하도록 구성된 것을 특징으로 하는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 역전기투석전지는, 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막이 교대로 배치되며, 상기 해수와 상기 담수가 상기 음이온교환막과 상기 양이온교환막 사이에 교대로 공급되는 것을 특징으로 하는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 역전기투석전지는, 적어도 2개의 전극이 상기 음이온교환막과 양이온교환막의 최외측 양쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 압력회수부는, 상기 해수를 상기 삼투부 또는 상기 발전부 중 적어도 하나에 공급하는 제 1압력회수부; 및 상기 담수를 상기 삼투부 또는 상기 발전부 중 적어도 하나에 공급하는 제 2압력회수부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 압력회수부는, 상기 삼투부에서 발생한 삼투압을 이용하여, 상기 해수 또는 상기 담수 중 적어도 하나를 상기 삼투부 또는 상기 발전부 중 적어도 하나에 공급하기 위한 투입압력을 110% 내지 1500% 높이는 것을 특징으로 하는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 연결부는, 상기 해수가 상기 압력회수부를 거쳐, 상기 삼투부 또는 상기 발전부 중 적어도 하나에 공급될 수 있도록 연결된 해수배관;
    상기 담수가 상기 압력회수부, 상기 삼투부 및 상기 발전부를 차례로 거쳐 공급될 수 있도록 연결된 담수배관; 및
    상기 혼합용액이 상기 삼투부에서 상기 압력회수부로 이동하고, 상기 압력회수부 외부로 배출될 수 있도록 연결된 혼합용액배관;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 해수-담수간의 염도차 에너지를 회수하는 하이브리드 발전시스템
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