KR20130041212A

KR20130041212A - 산업용 해양열 에너지 변환 공정

Info

Publication number: KR20130041212A
Application number: KR1020137003794A
Authority: KR
Inventors: 로렌스 제이 샤피로; 베리 알 콜; 조나단 엠 로스; 루스 크럴
Original assignee: 더 아벨 파운데이션, 인크.
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-04-24
Also published as: US20120073291A1; JP2016014524A; JP2013531178A; CN103154511A; BR112013000944A2; WO2012009541A3; WO2012009541A2; EP2593675A2; US20150135710A1

Abstract

OTEC-증기 결합 시스템은 냉수 시스템과 연통되는 다단 응축 시스템을 갖는 OTEC 발전 시스템과 증기 응축기를 갖는 증기 시스템을 포함하며, 증기 응축기는 냉수 시스템과 연통된다.

Description

산업용 해양열 에너지 변환 공정{INDUSTRIAL OCEAN THERMAL ENERGY CONVERSION PROCESSES}

본 발명은 부유식 최소 수직 이동 플랫폼과, 다단 열 엔진과, 해양열 에너지 변환 발전소를 포함하는 해양열 에너지 변환(ocean thermal energy conversion: "OTEC") 공정 및 기타 발전 장비 또는 산업용 처리 설비와 같은 다른 산업적 조작과 조합된 OTEC 발전소에 관한 것이다.

전세계에 걸친 에너지 소비와 수요는 기하급수적 비율로 성장하고 있다. 이러한 수요는 특히 아시아와 라틴 아메리카의 개발도상국에서 계속적으로 증가할 것으로 예상된다. 동시에, 소위 화석 연료인 전통적인 에너지원은 급속하게 고갈되고 있으며, 화석 연료의 개발 비용은 계속적으로 상승하고 있다. 환경적 및 규제적 관심사는 이러한 문제점을 가중시키고 있다.

태양 관련 재생 에너지는 점증하는 에너지 수요에 대한 해법의 일부를 제공할 수 있는 하나의 대체 에너지원이다. 태양 관련 재생 에너지는, 화석 연료, 우라늄 또는 심지어 "그린" 열에너지와 달리, 그 사용과 관련된 기후 위험이 적거나 없기 때문에 매적적이다. 또한, 태양 관련 에너지는 무상이고 매우 풍부하다.

해양열 에너지 변환("OTEC")은 대양의 열대지방에 열로서 저장된 태양 에너지를 이용하여 재생 에너지를 생산하는 방법이다. 세계 도처의 열대 대양과 바다는 특유의 재생 에너지 자원을 제공한다. 많은 열대 지역(대략 북위 20°와 남위 20°사이)에서 해양 표층수의 온도는 거의 일정하게 유지된다. 대략 100 피트의 깊이까지 해수의 평균 표면 온도는 계절에 따라 75~85℉ 이상으로 변한다. 동일한 지역에서, 심층 해양수(2500~4200 피트 이상)는 비교적 일정한 40℉를 유지한다. 따라서, 열대 대양 구조는 표면에 큰 온수 저장소를 그리고 깊은 곳에 큰 냉수 저장소를 제공하며, 냉온수 저장소 간의 온도 차이는 35~45℉이다. 이러한 온도차(ΔT)는 계절적 변화가 작고 밤낮을 통해 비교적 일정하게 유지된다.

OTEC 공정은 표면과 깊은 곳의 열대 해양수 간의 온도차를 이용하여 열 엔진을 구동함으로써 전기 에너지를 생산한다. OTEC 발전은 1970년대 후반에 생산된 에너지의 경우 탄소 배출량이 적거나 없는 가능한 재생 에너지원으로서 확인되었다. 그러나, OTEC 발전소는 보다 전통적인 고압 고온 발전소에 비해 낮은 열역학적 효율을 가진다. 예를 들면, 80~85℉의 평균 해양 표면 온도와 40℉의 일정한 심층수 온도를 이용시, OTEC 발전소의 최대 이상적인 카르노(Carnot) 효율은 7.5~8%일 것이다. 실제 운용시, OTEC 발전 시스템의 총 발전 효율은 카로노 한계의 대략 절반이거나 약 3.5-4.0%인 것으로 평가되었다. 추가로, 1970년대와 1980년대의 선도 조사에 의해 수행되고 1994년 옥스포드 대학 출판사에서 출간된 William Avery와 Chih Wu에 의한 "대양으로부터의 재생 에너지, PTEC로의 가이드"란 논문으로 문서화된 분석은 물과 작용 유체 펌프를 구동하고 발전소의 다른 보조 수단에 동력을 공급하기 위해 40℉의 온도차로 운용되는 OTEC 발전소에 의해 생산된 총 에너지의 1/4~1/2(이상)이 필요할 것임을 나타내고 있다. 이를 기초로, 해양 표면수에 저장된 열 에너지를 순수 전기 에너지로 변환하는 OTEC 발전소의 낮은 전체 순 효율은 상업적으로 성공 가능한 에너지 생산 옵션이 아니었다.

전체 열역학적 효율을 추가로 감소시키는 부가적인 요인은 정확한 주파수 조절을 위해 터빈에 필요한 제어를 제공하는 것과 관련된 손실이다. 이것은 따뜻한 해수(이하, 온수 또는 온 해양수로도 지칭됨)로부터 추출될 수 있는 일(work)을 제한하는 압력 손실을 터빈 사이클에 도입한다. 결과적인 순수 발전소 효율은 1.5~2.0%가 될 것이다.

통상 고온 고압에서 운용되는 열 엔진의 효율에 비해 낮은 이러한 OTEC 순수 효율은 에너지 설계자로 하여금 OTEC 발전이 보다 전통적인 발전 방법과 경쟁하기에는 너무 비싸다는 폭넓은 추정을 하게 하였다.

사실, 기생하는 전기 에너지 요건은 냉온 해양수 간의 비교적 작은 온도차 때문에 OTEC 발전소에는 특히 중요하다. 따뜻한 해양수와 작동 유체 사이와 차가운 해양수(이하 냉수 또는 냉 해양수로도 지칭됨)와 작동 유체 사이의 최대 열전달을 달성하기 위해, 높은 유속과 함께 넓은 열교환 표면적이 필요하다. 이들 요인 중 어느 하나를 증가시키면 OTEC 발전에 대한 기생 부하를 증가시킬 수 있어서 순수 효율을 감소시킨다. 해양수와 작동 유체 간의 제한된 온도차에서 에너지 전달을 최대화하는 효율적인 열전달 시스템은 OTEC 발전소의 상업적 성공 가능성을 증가시킬 것이다.

아마도 내재하는 큰 기생 부하에 의한 비교적 낮은 효율 이외에도, OTEC 발전의 운용 환경은 마찬가지로 이러한 운용의 상업적 성공 가능성을 감소시키는 설계 및 운용 장애를 제시한다. 전술한 바와 같이, OTEC 열 엔진에 필요한 따뜻한 해양수는 100 피트 이하의 깊이까지의 대양의 표면에서 발견된다. OTEC 엔지을 냉각하기 위한 차가운 해양수의 일정한 공급원은 2700-4200 피트 이상의 깊이에서 발견된다. 이러한 깊이는 인구밀집 지역이나 심지어 대륙 가까이에서는 통상 발견되지 않는다. 해안 발전이 요구된다.

발전소가 수중 구조체에 대해 부유식인지 고정식인지 여부에 따라, 2000 피트 이상의 긴 냉수 흡인 파이프가 필요하다. 더욱이, 상업적으로 성공 가능한 OTEC 운용에는 많은 양의 해양수가 필요하므로, 냉수 흡인 파이프는 대구경(통상 6-35 피트 이상)을 필요로 한다. 대구경 파이프를 해안 구조물에 연결하는 것은 상업적인 성공 가능성을 넘어서는 OTEC 비용을 사전에 유도한 안정성, 연결 및 구성의 장애를 제공한다.

추가로, 역동적인 대양 환경에 고정 부유되는 유효 길이-직경 비를 갖는 파이프는 온도차와 파이프 길이를 따른 변동 해양류를 겪을 수 있다. 파이프를 따라 발생하는 굽힘 및 소용돌이로부터의 응력도 장애를 제공한다. 파도의 파동과 같은 표면 영향은 파이프와 부유 플랫폼 간의 연결에 추가의 장애를 제공한다. 원하는 성능, 연결 및 구성의 요건을 갖는 냉수 파이프 흡인 시스템은 OTEC 발전소의 상업적 성공 가능성을 증가시킬 것이다.

OTEC 발전소와 관련된 환경적 관심사도 OTEC 운용에 장애였다. 전통적인 OTEC 시스템은 대양 깊이로부터 영양분이 풍부한 차가운 대용적의 해양수를 끌어드리고 그 해양수를 표면이나 표면 근처로 방출한다. 이러한 방출은 OTEC 발전소 근처의 해양 환경에 유리하거나 불리한 방식으로 영향을 미칠 수 있어서 OTEC 방출로부터의 하강류일 수 있는 어족 자원 및 암초 시스템에 충격을 준다.

본 발명의 여러 측면들은 해양열 에너지 변환 공정을 이용한 발전소에 관한 것이다.

본 발명의 추가의 측면들은 기생 부하가 적고, 안정성이 우수하고, 구성 및 운용 비용이 적은 개선된 전체 효율과 개선된 환경적 배출량을 갖는 연안 OTEC 발전소에 관한 것이다. 다른 측면들로서는 부유 구조물과 일체로 된 대용적 해양수 도관을 포함한다. 다단 OTEC 열 엔진의 모듈화 및 구획화는 구성 및 유지 보수 비용을 줄이고, 자족적(off-grid) 동작을 제한하고, 동작 성능을 개선한다. 또 다른 측면은 구조적으로 일체화된 열교환기 구획을 갖는 부유 플랫폼을 제공하고, 파도의 동작으로 인한 플랫폼의 이동을 최소로 한다. 일체화된 부유 플랫폼은 다단 열교환기를 통해 온 해양수(이하, 온수로도 지칭됨)와 냉 해양수(이하, 냉수로도 지칭됨)를 효율적으로 유동시킴으로써 효율을 배가하고 기생 전력 수요를 감소시킬 수 있다. 본 발명의 여러 측면들은 적절한 깊이/온도 범위에서 냉온 해양수를 방출하는 것에 의해 환경적으로 중립인 열적 방출을 촉진할 수 있다. 전기의 형태로 추출된 에너지는 대양에 대한 평균 온도를 감소시킨다.

본 발명의 추가의 측면은 최적화된 다단 열교환 시스템을 갖춘 부유식의 최소 수직 동요형 OTEC 발전소에 관한 것으로, 냉온수 공급 도관과 열교환기 캐비넷이 발전소의 부유 플랫폼 또는 구조 내에 구조적으로 합체된 OTEC 발전소에 관한 것이다.

본 발명의 추가의 측면은 부유식 해양열 에너지 변환 발전소를 포함한다. 스파(spar) 또는 변형된 반잠수형 연안 구조물과 같은 최소 수직 동요 구조물은 수조적으로 일체형의 온수 통로, 다단 열교환 표면 및 작동 유체 통로를 갖는 제1 데크부를 포함하고, 해당 제1 데크부는 작동 유체의 증발을 지원한다. 구조적으로 일체형인 냉수 통로, 다단 열교환 표면 및 작동 유체 통로를 갖는 제2 데크부도 제공되며, 해당 제2 데크부는 작동 유체를 기체로부터 액체로 응축시키는 응축 시스템을 제공한다. 제1 및 제2 데크 작동 유체 통로는 하나 이상의 증기 터빈 구동식 동력 생성 발전기를 포함하는 제3 데크부와 연통되어 있다.

일 측면에서, 잠수부를 포함하는 연안 발전 구조물이 제공된다. 잠수부는 일체형 다단 증발 시스템을 포함하는 제1 데크부와, 일체형 다단 응축 시스템을 포함하는 제2 데크부와, 발전 및 변압 장비를 내장하는 제3 데크부와, 냉수 파이프 및 냉수 파이프 연결부를 더 포함한다.

추가의 측면에서, 제1 데크부는 대용적 온수 도관을 형성하는 제1 스테이지 온수 구조적 통로를 더 포함한다. 제1 데크부는 작동 유체를 기체로 가열하도록 제1 스테이지 온수 구조적 통로와 협력하여 배열되는 제1 스테이지 작동 유체 통로를 포함한다. 제1 데크부는 제2 스테이지 온수 구조적 통로에 직접 결합된 제1 스테이지 온수 방출부를 포함한다. 제2 스테이지 온수 구조적 통로는 대용적의 온수 도관을 형성하고, 제1 스테이지 온수 방출부에 결합된 제2 스테이지 온수 취수부를 포함한다. 제1 스테이지 온수 방출부에서 제2 스테이지 온수 취수부까지의 구성은 제1 및 제2 스테이지 간의 온수 흐름 중의 압력 손실을 최소화한다. 제1 데크부는 작동 유체를 기체로 가열하도록 제2 스테이지 온수 구조적 통로와 협력하여 배열되는 제2 스테이지 작동 유체 통로를 포함한다. 제1 데크부는 제2 스테이지 온수 방출부를 포함한다.

추가의 측면에서, 잠수부는 대용적의 냉수 도관을 형성하는 제1 스테이지 냉수 구조적 통로를 추가로 포함한다. 제1 스테이지 냉수 통로는 제1 스테이지 냉수 취수부를 추가로 포함한다. 제2 데크부는 제1 데크부의 제1 스테이지 작동 유체 통로와 연통된 제1 스테이지 작동 유체 통로를 포함한다. 제1 스테이지 냉수 구조적 통로와 협력하는 제2 데크부의 제1 스테이지 작동 유체 통로는 작동 유체를 액체로 냉각한다. 제2 데크부는 대용적 냉수 도관을 형성하는 제2 스테이지 냉수 구조적 통로에 직접 결합된 제1 스테이지 냉수 방출부를 포함한다. 제2 스테이지 냉수 구조적 통로는 제2 스테이지 냉수 취수부를 포함한다. 제1 스테이지 냉수 방출부와 제2 스테이지 냉수 취수부는 제1 스테이지 냉수 방출부로부터 제2 스테이지 냉수 취수부까지의 냉수 흐름 중 압력 손실을 최소화하도록 배열된다. 제2 데크부는 제1 데크부의 제2 스테이지 작동 유체 통로와 연통되는 제2 스테이지 작동 유체 통로를 포함한다. 제2 스테이지 냉수 구조적 통로와 협력하는 제2 스테이지 작동 유체 통로는 제2 스테이지 작동 유체 통로 내의 작동 유체를 액체로 냉각한다. 제2 데크부는 제2 스테이지 냉수 방출부를 포함한다.

추가의 측면에서, 제3 데크부는 제1 및 제2 증기 터빈을 포함할 수 있으며, 제1 데크부의 제1 스테이지 작동 유체 통로는 제1 터빈과 연통하고, 제1 데크부의 제2 스테이지 작동 유체 통로는 제2 터빈과 연통된다. 제1 및 제2 터빈은 하나 이상의 전기 발전기에 결합될 수 있다.

다른 추가의 측면에서, 잠수부를 포함하는 연안 발전 구조물이 제공되며, 해당 잠수부는 4단 증발기 부분, 4단 응축기 부분, 4단 발전 부분, 냉수 파이프 연결부 및 냉수 파이프를 더 포함한다.

일 측면에서, 4단 증발기 부분은 제1 스테이지 열교환 표면, 제2 스테이지 열교환 표면, 제3 스테이지 열교환 표면 및 제4 스테이지 열교환 표면을 포함하는 온수 도관을 포함한다. 온수 도관은 잠수부의 수직 구조 부재를 포함한다. 제1 열교환 표면 내지 제4 열교환 표면은 작동 유체 도관의 제1 내지 제4 스테이지 부분과 협력하며, 작동 유체 도관을 통해 흐르는 작동 유체는 제1 내지 제4 스테이지 부분 각각에서 기체로 가열된다.

일 측면에서, 4단 응축기 부분은 제1 스테이지 열교환 표면, 제2 스테이지 열교환 표면, 제3 스테이지 열교환 표면 및 제4 스테이지 열교환 표면을 포함하는 냉수 도관을 포함한다. 냉수 도관은 잠수부의 수직 구조 부재를 포함한다. 제1 열교환 표면 내지 제4 열교환 표면은 작동 유체 도관의 제1 내지 제4 스테이지 부분과 협력하며, 작동 유체 도관을 통해 흐르는 작동 유체는 연속하는 스테이지마다 ΔT를 낮추면서 제1 내지 제4 스테이지 부분 각각에서 기체로 가열된다.

또 다른 측면에서, 증발기 부분의 제1 내지 제4 스테이지 작동 유체 도관은 제1 내지 제4 증기 터빈과 연통되며, 증발기 부분의 제1 스테이지 작동 유체 도관은 제1 증기 터빈과 연통되며, 응축기 부분의 제4 스테이지 작동 유체 도관으로 배기한다.

또 다른 측면에서, 증발기 부분의 제1 내지 제4 스테이지 작동 유체 도관은 제1 내지 제4 증기 터빈과 연통되며, 증발기 부분의 제2 스테이지 작동 유체 도관은 제2 증기 터빈과 연통되며, 응축기 부분의 제3 스테이지 작동 유체 도관으로 배기한다.

또 다른 측면에서, 증발기 부분의 제1 내지 제4 스테이지 작동 유체 도관은 제1 내지 제4 증기 터빈과 연통되며, 증발기 부분의 제3 스테이지 작동 유체 도관은 제3 증기 터빈과 연통되며, 응축기 부분의 제2 스테이지 작동 유체 도관으로 배기한다.

또 다른 측면에서, 증발기 부분의 제1 내지 제4 스테이지 작동 유체 도관은 제1 내지 제4 증기 터빈과 연통되며, 증발기 부분의 제4 스테이지 작동 유체 도관은 제4 증기 터빈과 연통되며, 응축기 부분의 제1 스테이지 작동 유체 도관으로 배기한다.

다른 추가의 측면에서, 제1 전기 발전기는 제1 터빈, 제4 터빈 또는 제1 및 제4 터빈의 조합에 의해 구동된다.

다른 추가의 측면에서, 제2 전기 발전기는 제2 터빈, 제3 터빈 또는 제2 및 제3 터빈의 조합에 의해 구동된다.

본 발명의 추가의 측면들은 다음의 특징 중 하나 이상의 특징을 포함할 수 있다:

제1 및 제4 터빈 또는 제2 및 제3 터빈은 9MW-60MW의 전력을 생산하며; 제1 및 제2 터빈은 약 55MW의 전력을 생산하며; 제1 및 제2 터빈은 OTEC 발전소 내의 복수의 터빈-발전기 세트 중 하나를 형성하며; 제1 스테이지 온수 취수부는 제2 스테이지 냉수 방출부로부터의 간섭이 없으며; 제1 스테이지 냉수 취수부는 제2 스테이지 온수 방출부로부터의 간섭이 없으며; 제1 또는 제2 스테이지 작동 유체 통로 내의 작동 유체는 상업적 냉각제를 포함한다. 작동 유체는 암모니아, 프로필렌, 부탄, R-134, 또는 R-22를 포함하며; 제1 및 제2 스테이지 작동 유체 통로 내의 작동 유체는 12~24℉ 범위의 온도 상승이 있으며; 제1 작동 유체는 제1 스테이지 작동 유체 통로를 통과하고 제2 작동 유체는 제2 스테이지 작동 유체 통로를 통과하며, 제2 작동 유체는 제1 작동 유체가 제1 증기 터빈으로 유입될 때보다 낮은 온도로 제2 증기 터빈으로 유입되며; 제1 및 제2 스테이지 작동 유체 통로 내의 작동 유체는 12~24℉ 범위의 온도 저하가 있으며; 제1 작동 유체는 제1 스테이지 작동 유체 통로를 통과하고 제2 작동 유체는 제2 스테이지 작동 유체 통로를 통과하며, 제2 작동 유체는 제1 작동 유체가 제2 데크부로 유입될 때보다 낮은 온도로 제2 데크부로 유입된다.

제1 또는 제2 온수 구조적 통로 내에서 흐르는 온수는 온해양수, 지열수, 태양열 저장수, 가열된 산업용 냉각수 또는 이들의 조합을 포함하며; 온수는 500,000~6,000,000 gpm의 유량으로 흐르며; 온수는 5,440,000 gpm의 유량으로 흐르며; 온수는 300,000,000~1,000,000,000 lb/hr의 유량으로 흐르며; 온수는 2,720,000 lb/hr의 유량으로 흐르며; 제1 또는 제2 스테이지 냉수 구조적 통로 내를 흐르는 냉수는 냉해양수, 차가운 담수, 차가운 지하수, 또는 이들의 조합을 포함하며; 냉수는 2500,000~3,000,000 gpm의 유량으로 흐르며; 냉수는 3,420,000 gpm의 유량으로 흐르며; 냉수는 125,000,000~1,750,000,000 lb/hr의 유량으로 흐르며; 냉수는 1,710,000 lb/hr의 유량으로 흐른다.

본 발명의 측면들은 다음의 특징 중 하나 이상의 특징을 포함할 수 있다:

연안 구조물은 최소 상하 유동 구조물이며; 연안 구조물은 부유식 스파 구조물이며; 연안 구조물은 반잠수식 구조물이다.

본 발명의 다른 추가의 측면은 해양열 에너지 변환 발전소에 사용되는 대용적, 저속 열교환 시스템을 포함할 수 있으며, 해당 시스템은: 작동 유체와의 열교환을 위한 제1 수류 통로와 제1 작동 유체 통로를 더 포함하는 제1 스테이지 캐비넷과; 제1 스테이지 캐비넷에 결합되는 한편, 작동 유체와의 열교환을 위한 제2 수류 통로와 제2 작동 유체 통로를 더 포함하고, 해당 제2 수류 통로는 제1 수류 통로로부터 제2 수류 통로로 흐르는 물의 압력 강하를 최소화하는 방식으로 제1 수류 통로에 결합된, 제2 스테이지 캐비넷을 포함한다. 제1 및 제2 스테이지 캐비넷은 발전소의 구조적 부재를 포함한다.

일 측면에서, 물은 제1 스테이지 캐비넷으로부터 제2 스테이지 캐비넷으로 흐르며, 제2 스테이지 캐비넷은 제1 스테이지 캐비넷 증발기 아래에 위치된다. 다른 측면에서, 물은 제1 스테이지 캐비넷으로부터 제2 스테이지 캐비넷으로 흐르며, 제2 스테이지 캐비넷은 응축기에서 제1 스테이지 캐비넷 위와 증발기에서 제1 스테이지 캐비넷 아래에 위치된다.

다른 추가의 측면에서, 냉수 파이프는 심해로부터 OTEC의 냉수 취수부로 냉수를 제공한다. 냉수 취수부는 OTEC 발전소의 잠수부의 제2 데크부 내에 위치될 수 있다. 냉수 파이프는 분할된 구성일 수 있다. 냉수 파이프는 연속 파이프일 수 있다. 냉수 파이프는: 외부면, 상단 및 바닥단을 갖는 긴 관형 구조체를 포함할 수 있다. 관형 구조체는 복수의 제1 및 제2 장대 세그먼트를 더 포함할 수 있으며, 각각의 장대 세그먼트는 상부 및 바닥부를 포함하고, 제2 장대 세그먼트의 상부는 제1 장대 세그먼트의 상부로부터 오프셋되어 있다. 냉수 파이프는 외부면 둘레로 적어도 부분적으로 나선형으로 감겨진 스트레이크(strake) 또는 리본을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 스트레이크 및/또는 스트레이크는 PVC, 염화 PVC(CPVC), 섬유강화 플라스틱(FRP), 강화 폴리머 모르타르(RPMP), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 가교결합된 고밀도 폴리에틸렌(PEX), 폴리부틸렌(PB), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리에스터, 섬유 강화 폴리에스터, 나일론 강화 폴리에스터, 비닐 에스터, 섬유 강화 비닐 에스터, 나일론 강화 비닐 에스터, 콘크리트, 세라믹 또는 이나 이상의 이들 물질의 조성물을 포함할 수 있다.

본 발명의 측가의 측면은 OTEC 발전소의 잠수부와 냉수 파이프 간의 동적 연결부를 포함한다. 동적 연결부는 OTEC 플랫폼에 매달린 상태로 냉수 파이프의 무게와 동하중을 지지할 수 있다. 동적 파이프 연결부는 OTEC 플랫폼과 냉수 파이프 간의 상대 이동을 허용할 수 있다. 상대 이동은 수직으로부터 0.5~30°범위일 수 있다. 동적 파이프 연결부는 구형 또는 아치형 베어링 표면을 포함할 수 있다.

일 측면에서, 잠수형 수직 파이프 연결부는 제1 직경의 수직 파이프 수용 베이와, 해당 파이프 수용 베이의 제1 직경보다 작은 제2 직경을 가지고 파이프 수용 베이에 삽입되는 수직 파이프와, 베이링 표면과, 해당 베어링 표면과 작동 가능하고 베어링 표면과 접촉시 제1 또는 제2 직경과 다른 직경을 형성하는 하나 이상의 디텐트(detent)를 갖는 부유 구조체를 포함한다.

본 발명의 여러 측면들은 다음의 장점 중 하나 이상의 장점을 가질 수 있다:

OTEC 발전은 에너지 생산에 필요한 연료비용이 적거나 없으며; OTEC 열 엔진에 수반되는 저압 및 저온은 부품 원가를 떨어뜨리고, 고압 고온 발전소에 사용되는 고가의 특별한 재료에 비해 보통의 재료를 필요로 하며; 발전소 신뢰성은 상업적 냉각 시스템과 유사하여 중대한 유지보수 없이 수년간 연속적으로 작동되며; 고압 고온 발전소에 비해 건설 시간이 단축되며; 안전하고 환경친화적인 작동과 발전을 보장한다. 추가의 장점은: 통상의 OTEC 시스템에 비해 증가된 순수 효율, 낮은 전기 부하 희생; 냉수 및 온수 통로에서의 감소된 압력 손실; 모듈형 부품; 낮은 자족적 생산 시간; 최소의 수직 유동 및 파도 동작에 대해 감소된 감도와 냉수 파이프 연결부의 배제; 수면 아래의 냉각수의 방출, 냉수 방출의 간섭이 없는 온수의 흡입을 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명의 여러 측면들은 다른 산업용 공정, 예컨대 다른 발전 시스템과 여기 설명된 OTEC 발전 시스템의 조합을 포함한다. 일 측면에서, 본 발명의 부유 구조물 내에 상업용 핵발전소가 포함된다. 일 측면에서, 증기 터빈으로부터 방출된 배기 증기는 OTEC 발전소의 냉수 시스템에 의해 응축됨으로써 핵발전 시스템의 효율을 5~25% 증가시킨다.

핵발전 시스템 및 OTEC 발전 시스템이 결합된 부유 구조물의 장점은: 개선된 열역학적 효율; 향상된 안전성; 육상 설치된 발전소에 비해 낮은 비용; 발전소에 대한 내진 설계 요건의 배제; 발전소에 대한 쓰나미 설계 요건의 배제; 및 OTEC 또는 핵발전 중 어느 하나의 시스템이 수리 또는 연료 교환을 위해 작동 정지시, 분배 그리드(distribution grid) 또는 도관으로의 동력 공급을 계속할 수 있는 능력을 포함한다.

추가의 실시예에서, OTEC 발전소의 냉수 시스템에 의한 증기 터빈 시스템 내의 배기 증기의 응축은 부유식 핵발전 설비에 한정되지 않고, 증기 사이클의 효율 향상을 위해 임의의 증기 터빈 시스템에 포함될 수 있다. 예를 들면, 해안 또는 육상 설치된 OTEC 시스템은 이들 해안 설비의 증기 사이클 효율의 향상을 위해 해안 설치된 통상의 핵발전소, 석탄 발전소 또는 가스 발전소와 통합될 수 있다.

추가의 측면에서, OTEC 발전소의 냉수 시스템은 다른 발전 시스템 또는 산업적 공정의 냉각수 온도를 낮춤으로써 이러한 다른 시스템의 냉각수 방출을 대기 조건에 가깝게 하는 것이 가능하다. 예를 들면, 비교적 큰 용적과 냉각 온도에 기인하여 OTEC 시스템으로부터의 냉각수는 핵발전소로부터 나오는 비교적 따뜻한 냉각수와 혼합되어 해당 혼합수의 온도를 주변 수조의 25℉ 내로 할 수 있다. 이것은 수조 내에 열 증기 기둥의 형성을 방지한다. 다른 설비의 온수 방출과 결합된 OTEC 냉수 시스템은 핵발전 설비에 한정되지 않고, 석탄 및 가스 연소 증기 발전소, 화학적 및 석유 처리 설비, 증기 발전 설비 등과 같이 대기 조건보다 큰 물을 방출하는 임의의 산업적 공정에 사용될 수 있다.

추가의 측면에서, 해안 기반의 발전 설비 또는 산업적 처리 플랜트에서 방출되는 온수는 온수 유지 저장소 내에 수집될 수 있다. 이러한 온수 유지 저장소는 OTEC 발전 설비를 위한 온수 공급부로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 석탄 또는 가스 연소식 증기 발전 설비는 냉각수를 중심 배치된 유지 저장소 내로 방출할 수 있다. 이러한 온수 저장소는 해안 설치된 OTEC 발전 설비를 위한 온수 공급부를 형성한다. 추가의 측면에서, 온수 방출은 OTEC 발전 설비의 온수 시스템에 직접 제공될 수 있다.

다른 추가의 측면에서, OTEC 공정에 사용되는 양분이 풍부한 심해 해양수는 해안 또는 연안에 설치된 조류(algae) 생산 설비에 사용될 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예를 첨부 도면과 하기의 설명에서 상세하게 기술한다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점들은 상세한 설명과 도면 그리고 특허청구범위로부터 분명해질 것이다.

도 1은 일례의 종래 기술의 OTEC 열 엔진을 나타낸다.
도 2는 일례의 종래 기술의 OTEC 발전소를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 OTEC 구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 열교환기 데크의 데크 평면을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 캐비넷 열 교환기를 나타낸다.
도 6a는 통상의 열교환 사이클을 나타낸다.
도 6b는 연속적 다단 열교환 사이클을 나타낸다.
도 6c는 하이브리드형의 연속적 다단 열교환 사이클을 나타낸다.
도 6d는 증발기 압력 강하 및 관련 발전을 나타낸다.
도 7은 일례의 OTEC 열 엔진의 열평형도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 조합된 OTEC-핵 발전소를 나타낸다.
도 9는 OTEC 냉수 시스템의 냉수 방출과 결합된 증기 사이클의 열평형도를 나타낸다.
여러 도면에서 유사 도면 부호는 유사 요소를 나타낸다.

본 발명은 해양열 에너지 변환(OTEC) 기술을 이용한 전력 발전에 관한 것이다. 본 발명의 측면들은 종래의 OTEC 발전소보다 기생 부하가 적고, 안정성이 우수하며, 건설 및 운전 비용이 적으면서 전체 효율이 개선된 부유식 OTEC 발전소에 관한 것이다. 다른 측면은 부유식 구조체와 일체인 대용적 수류 도관을 포함한다. 다단 OTEC 열 엔진의 모듈성 및 구획성은 건설 및 유지보수 비용을 감소시키고, 자족적(grid-off) 동작을 제한하며, 동작 성능 및 생존 가능성을 향상시킨다. 또 다른 측면은 일체화된 열교환 구획을 갖는 부유식 플랫폼을 지원하고, 파도 동작에 기인한 플랫폼의 이동을 최소화한다. 일체화된 부유식 플랫폼은 다단 열교환기를 통한 온수 또는 냉수의 흐름을 효율적으로 하여 효율을 상승시키고 기생 동력 수요를 감소시킬 수 있다. 본 발명의 측면들은 적절한 심도/온도 범위로 냉온수를 방출하는 것에 의해 중립적인 열적 방출을 조장한다. 전기 형태로 추출되는 에너지는 대양에 대한 평균 온도를 감소시킨다.

OTEC는 전기 생산을 위해 지구 해양에 저장된 태양열 에너지를 사용하는 공정이다. OTEC는 대양의 따뜻한 상부층과 차가운 심해수 간의 온도차를 이용한다. 통상적으로, 이러한 차이는 적어도 36℉(20℃)이다. 이들 조건은 대략 남회귀선과 북회귀선 사이 또는 북위 및 남위 20°의 열대 지방에 존재한다. OTEC 공정은 따뜻한 표면수가 열원으로 작용하고 차가운 심해수는 열 흡수원으로 작용하는 것을 통해 랭킨(Rankine) 사이클을 활성화하는 온도차를 이용한다. 랭킨 사이클 터빈은 전력을 생산하는 발전기를 구동시킨다.

도 1은 온 해양수 유입구(12), 증발기(14), 온 해양수 유출구(15), 터빈(16), 냉 해양수 유입구(18), 냉 해양수 유출구(21), 작동 유체 도관(22) 및 작동 유체 펌프(24)를 포함하는 전형적인 OTEC 랭킨 사이클 열 엔진을 나타낸다.

작동시, 열 엔진(10)은 암모니아와 같은 상업적 냉각제 등의 여러 작동 유체 중 어느 한 작동 유체를 사용할 수 있다. 다른 작동 유체는 프로필렌, 부탄, R-22 및 R-134a를 포함할 수 있다. 다른 상업적 냉각제가 사용될 수 있다. 약 75-85℉ 이상의 온 해양수는 해양 표면이나 해양 표면 바로 아래로부터 온 해양수 유입구(12)를 통해 인출된 후 증발기를 통과하는 암모니아 작동 유체를 가열한다. 암모니아는 약 9.3 기압으로 비등한다. 기체는 작동 유체 도관(22)을 통해 터빈(16)으로 운반된다. 암모니아 기체는 터빈(16)을 통과하면서 팽창하여 전기 발전기(25)를 구동시키는 동력을 생성한다. 암모니아 기체는 이후 약 3000 피트의 심해저로부터 끌어 올려진 냉 해양수에 의해 액체로 냉각되는 응축기(20)로 진입한다. 냉 해양수는 약 40℉의 온도로 응축기로 진입한다. 약 51℉의 응축기(20) 내의 온도에서 암모니아 작동 유체의 기압은 6.1 기압이다. 따라서, 터빈(16)을 구동시키고 전력을 발생시키는데 유효한 의미있는 압력차가 존재한다. 암모니아 작동 유체가 응축됨에 따라 액체 작동 유체가 작동 유체 도관(22)을 통해 작동 유체 펌프(24)에 의해 증발기(14) 내로 다시 펌핑된다.

도 1의 열 엔진(10)은 다른 작동 유체를 사용하고 낮은 온도 및 압력을 이용하는 것에 의해 OTEC가 상이한 점을 제외하고 대부분의 증기 터빈의 랭킨 사이클과 기본적으로 동일하다. 도 1의 열 엔진(10)은 열원(예, 온 해양수)이 냉 열흡수원(예, 심해수)이 전력 생산을 위해 사용되도록 OTEC 사이클이 반대 방향으로 구동되는 점을 제외하고 상업적인 냉각 플랜트와 유사하다.

도 2는 선박 또는 플랫폼(210), 온 해양수 유입구(212), 온 해양수 펌프(213), 증발기(214), 온 해양수 유출구(215), 터빈-발전기(216), 냉수 파이프(217), 냉수 유입구(218), 냉수 펌프(219), 응축기(220), 냉수 유출구(221), 작동 유체 도관(222), 작동 유체 펌프(224) 및 파이프 연결부(230)를 포함하는 부유식 OTEC 발전소(200)의 통상적인 구성 성분을 나타낸다. OTEC 발전소(200)는 다양한 보조 및 지원 시스템(예, 개인 숙소, 비상 전력, 휴대용 식수, 오폐수, 소방, 피해 통제, 예비 부력 및 기타 공통의 선상 또는 해상 시스템)은 물론, 발전, 변압 및 송전 시스템, 추진, 추력 또는 계류 시스템과 같은 위치 제어 시스템을 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2의 기본적인 열 엔진 및 시스템을 이용한 OTEC 발전소의 구현은 3% 이하의 비교적 낮은 전체 효율을 가진다. 이러한 낮은 열 효율로 인해, OTEC 공정은 전력 시스템을 통해 발전 kW 당 다량의 물의 흐름을 필요로 한다. 이것은 다시 열교환 표면적이 큰 대형의 열교환기를 필요로 한다.

이러한 대용적의 물과 넓은 표면적은 온수 펌프(213)와 냉수 펌프(219)에 상당한 펌핑 용량을 필요로 함으로써 해안 기반의 설비 또는 선상의 산업적 목적으로의 분배를 위해 유효한 순수 전력을 감소시킨다. 더욱이, 대부분의 수상함(surface vessel)의 제한된 공간은 다량의 물을 증발기 또는 응축기로 향하게 하거나 그를 통해 흐르도록 하는 것이 용이하지 않게 한다. 실제, 대용적의 물은 대구경 파이프와 도관을 필요로 한다. 이러한 구조체를 제한된 공간 내에 배치하는 것은 다른 기계류의 수용을 위해 여러 번 절곡되는 것이 필요하다. 또한, 통상적인 수상함 또는 구조물의 제한된 공간은 OTEC 발전소에서의 최대 효율을 위해 필요한 넓은 면적의 열교환 표면적의 수용을 용이하게 하지 않는다. 따라서, OTEC 시스템 및 선박 또는 플랫폼은 전통적으로 크고 고가이다. 이것은 OTEC 공정이 고온 고압을 이용한 다른 에너지 생산 옵션에 비교시 고비용, 저수율의 에너지 생산 옵션이라는 산업적 결론을 도출하였다.

본 발명의 여러 측면은 OTEC 공정의 효율을 향상시키고 건설 및 운전 비용을 감소시키기 위하여 기술적 문제점에 대처한다.

선박 또는 플랫폼(210)은 냉수 파이프(217)와 선박 또는 플랫폼(210) 간의 동하중을 최소화하고 플랫폼 또는 선박 내의 OTEC 장비를 위한 우호적인 운전 환경을 제공하는데 적은 동작을 필요로 한다. 선박 또는 플랫폼(210)은 냉온수 유입구(218, 212) 체적 유량을 지원함으로써 불충분한 냉온수를 적절한 수준으로 유도하여 OTEC 공정 효율을 보장하여야 한다. 또한, 선박 또는 플랫폼(210)은 해양 표면층 내로 열이 재순환되는 것을 방지하기 위해 선박 또는 플랫폼(210)의 흘수선(waterline) 훨씬 아래로 냉온수 유출구(221, 215)를 통해 냉온수의 방출이 가능하도록 하여야 한다. 추가로, 선박 또는 플랫폼(210)은 발전 동작을 방해하지 않고 가혹한 기후에서 생존하여야 한다.

OTEC 열 엔진(10)은 최대 효율 및 발전을 위해 고효율의 열 사이클을 활용하여야 한다. 열교환기 재료 및 설계는 물론, 비등 및 응축 공정에서의 열전달은 온 해양수 파운드 당 추출될 수 있는 에너지 양을 제한한다. 증발기(214)와 응축기(220)에 사용되는 열교환기는 기생 부하를 최소화하기 위해 낮은 수두 손실(head loss)을 갖는 대용적의 냉온수 흐름을 필요로 한다. 또한, 열교환기는 효율 향상을 위해 높은 열전달 계수를 필요로 한다. 열교환기는 효율 향상을 위해 냉온수 유입 온도에 적합화될 수 있는 재료와 설계를 포함할 수 있다. 열교환기 설계는 비용과 부피 감소를 위해 최소량의 재료에 의한 간단한 구성 방법을 사용하여야 한다.

터빈 발전기(216)는 최소의 내부 손실로 고효율이어야 하며, 효율 향상을 위해 작동 유체에 적합화될 수 있다.

도 3은 이전의 OTEC 발전소의 효율을 향상시키고 이와 관련된 기술적 문제점 다수를 극복한 본 발명의 구현예를 나타낸다. 이러한 구현예는 열교환기와 관련 냉온수 배관이 일체화된 선박 또는 플랫폼용 스파(spar)를 포함한다.

OTEC 스파(310)는 OTEC 발전소에 사용되는 일체형 다단 열교환 시스템을 내장한다. 스파(310)는 흘수선(305) 아래의 잠수부(311)를 포함한다. 잠수부(311)는 온수 취수부(340), 증발기 부분(344), 온수 방출부(346), 응축기 부분(348), 냉수 취수부(350), 냉수 파이프(351), 냉수 방출부(352), 기계 데크부(354) 및 데크 하우스(360)를 포함한다.

작동시, 75-85℉의 온 해양수가 온수 취수부(340)를 통해 끌어 올려져서 도시되지 않은 구조적으로 일체인 온수 도관을 통해 스파 아래로 흐른다. OTEC 열 엔진의 대용적의 수류 요건에 기인하여, 온수 도관은 500,000-6,000,000 gpm의 수류를 증발기 부분(344)으로 보낸다. 이러한 온수 도관은 6-35 피트 이상의 직경을 가진다. 이러한 크기로 인해, 온수 도관은 스파(310)의 수직적 구조 부재이다. 온수 도관은 스파(310)를 수직으로 지지하기 위해 충분한 강도를 갖는 대구경 파이프일 수 있다. 대안적으로, 온수 도관은 스파(310)의 구성에 일체인 통로일 수 있다.

이후 온수는 작동 유체를 기체로 가열하기 위해 하나 이상의 적층된 다단 열교환기를 내장하는 증발기 부분(344)을 통해 흐른다. 이후 온 해양수는 온수 방출부(346)를 통해 스파(310)로부터 방출된다. 온수 방출부는 환경적 충격을 최소화하기 위해 온수 방출 온도와 거의 동일한 온도인 해양수 열층 또는 그에 근접한 깊이로 온수 방출 파이프를 통해 위치 또는 연장될 수 있다. 온수 방출부는 온수 취수부 또는 냉수 취수부에서 열적 재순환이 일어나지 않는 것을 보장하기 위해 충분한 깊이로 연장될 수 있다.

냉 해양수는 냉수 파이프(351)를 통해 약 40℉의 온도에서 2500-4200 피트의 깊이로부터 끌어 올려진다. 냉 해양수는 냉수 취수부(350)를 통해 스파(310)로 들어간다. OTEC 열 엔진의 대용적의 수류 요건에 기인하여, 냉 해양수 도관은 500,000-3,500,000 gpm의 수류를 응축기 부분(348)으로 보낸다. 이러한 냉 해양수 도관은 6-35 피트 이상의 직경을 가진다. 이러한 크기로 인해, 냉 해양수 도관은 스파(310)의 수직적 구조 부재이다. 냉수 도관은 스파(310)를 수직으로 지지하기 위해 충분한 강도를 갖는 대구경 파이프일 수 있다. 대안적으로, 냉수 도관은 스파(310)의 구성에 일체인 통로일 수 있다.

이후 냉 해양수는 냉 해양수가 작동 유체를 액체로 냉각시키는 적층된 다단 응축기 부분(348)으로 위로 흐른다. 이후 냉 해양수는 냉 해양수 방출부(352)를 통해 스파(310)로부터 방출된다. 냉수 방출부는 냉수 방출 온도와 거의 동일한 온도인 해양수 열층 또는 그에 근접한 깊이로 냉 해양수 방출 파이프를 통해 위치 또는 연장될 수 있다. 냉수 방출부는 온수 취수부 또는 냉수 취수부에서 열적 재순환이 일어나지 않는 것을 보장하기 위해 충분한 깊이로 연장될 수 있다.

기계 데크부(354)는 증발기 부분(344)과 응축기 부분(348) 사이에서 수직으로 위치될 수 있다. 기계 데크부(354)를 증발기 부분(344) 아래에 배치하는 것은 취수부로부터 다단 증발기를 통해 그리고 방출부로 거의 일직선의 온수 흐름이 되도록 한다. 기계 데크부(354)를 응축기 부분(348) 위로 배치하는 것은 취수부로부터 다단 응축기를 통해 그리고 방출부로 거의 일직선의 냉수 흐름이 되도록 한다. 기계 데크부(354)는 터보 발전기(356)를 포함한다. 작동시, 증발기 부분(344)으로부터 기체로 가열된 따뜻한 작동 유체는 하나 이상의 터보 발전기(356)로 흐른다. 작동 유체는 터보 발전기(356)에서 팽창하여 전력 생산을 위한 터빈을 구동시킨다. 이후 작동 유체는 액체로 냉각되어 증발기 부분(344)으로 펌핑되는 응축기 부분(348)으로 흐른다.

도 4는 OTEC 스파(410) 둘레를 중심으로 다수의 다단 열교환기(420)가 배열된 본 발명의 구현예를 나타낸다. 열교환기(420)는 OTEC 열 엔진에 사용되는 증발기 또는 응축기일 수 있다. 열교환기의 주변 레이아웃은 OTEC 스파 플랫폼의 증발기 부분(344) 또는 응축기 부분(348)으로 활용될 수 있다. 주변 배열은 임의의 수의 열교환기(예, 1 열교환기, 2-8 열교환기, 8-16 열교환기, 16-32 열교환기 또는 32개 이상의 열교환기)를 지원할 수 있다. 하나 이상의 열교환기는 OTEC 스파(410)의 하나의 데크 또는 다중 데크(예, 2, 3, 4, 5, 6 또는 그 이상의 데크) 상에 주변 배치될 수 있다. 하나 이상의 열교환기는 2개의 열교환기가 수직으로 차례로 배열되지 않도록 2개 이상의 데크 사이에 주변 오프셋될 수 있다. 하나 이상의 열교환기는 하나의 데크 내의 열교환기가 다른 인접 데크 상의 열교환기와 수직으로 정렬되도록 주변 배치될 수 있다.

개별 열교환기(420)는 다단 열교환 시스템(예, 2, 3, 4, 5, 6 또는 그 이상의 열교환 시스템)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 개별 열교환기(420)는 해당 열교환기를 통한 온 해양수 흐름, 냉 해양수 흐름 및 작동 유체 흐름 내에 최소의 압력 손실을 제공하도록 구성된 캐비넷 열교환기일 수 있다.

도 5를 참조하면, 일 실시예의 캐비넷 열교환기(520)는 다중 열교환 스테이지(521, 522, 523, 524)를 포함한다. 일 구현예에서, 적층된 열교환기는 캐비넷을 통해 제1 증발기 스테이지(521)로부터 제2 증발기 스테이지(522), 제3 증발기 스테이지(523), 제4 증발기 스테이지(524)로 하향 유동하는 온 해양수를 수용한다. 다른 실시예의 적층된 열교환 캐비넷에서, 냉 해양수는 캐비넷을 통해 제1 응축기 스테이지(531)로부터 제2 응축기 스테이지(532), 제3 응축기 스테이지(533), 제4 응축기 스테이지(534)로 위로 흐른다. 작동 유체는 작동 유체 공급 도관(538)과 작동 유체 방출 도관(539)를 통해 흐른다. 일 실시예에서, 작동 유체 도관(538, 539)은 온 해양수 또는 냉 해양수의 수직 흐름에 비해 수평으로 각각의 열교환기 스테이지를 출입한다.캐비넷 열교환기(520)의 수직적 다단 열교환 설계는 일체화된 선박(예, 스파) 및 열교환기 설계를 용이하게 하며, 열교환기 스테이지 간의 상호 연결 배관의 필요성을 제거하며, 거의 모든 열교환기 시스템에서 열전달 표면에 걸쳐 압력 강하가 일어나는 것을 보장한다.

일 측면에서, 열전달 표면은 표면 형태, 처리 및 간격을 이용하여 최적화될 수 있다. 알루미늄 합금과 같은 재료의 선택은 종래의 티타늄계 설계에 비해 우수한 경제적 성능을 제공한다. 열전달 표면은 3000 계열 또는 5000 계열 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 열전달 표면은 티타늄 및 티타늄 합금을 포함할 수 있다.

다단 열교환기 캐비넷은 OTEC 열 엔진의 비교적 낮은 유효 온도차 내에서 해양수로부터 작동 유체로 최대의 에너지 전달을 가능케 함이 밝혀진 바 있다. 임의의 OTEC 발전소의 열역학적 효율은 작동 유체의 온도가 해양수의 온도에 얼마나 근접하게 접근하는지의 함수이다. 열전달의 물리학은 작동 유체의 온도가 해양수의 온도에 접근함에 따라 에너지 전달에 필요한 면적이 증가함을 기술한다. 표면적 증가를 상쇄하기 위해, 해양수의 속도를 증가시키는 것은 열전달 효율을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이것은 펌핑에 필요한 동력을 크게 증가시킴으로써 OTEC 발전소에 대한 기생 전기적 부하를 증가시킨다.

도 6a를 참조하면, 통상의 OTEC 사이클에서 작동 유체는 따뜻한 표면 해양수를 사용하여 열교환기 내에서 비등된다. 이러한 통상의 랭킨 사이클에서의 유체 특성은 잔류 작동 유체를 잔류 온 해양수 온도 아래의 약 3℉로 제한하는 비등 공정에 의해 구속된다. 유사한 형태로, 사이클 중 응축 부분은 잔류 냉 해양수 온도보다 높은 2℉에 근접되지 않도록 제한된다. 작동 유체에 대한 총 유효 온도 강하는 약 12℉(68-56℉)이다.

연속적 다단 OTEC 사이클은 작동 유체 온도를 해양수의 온도에 보다 가까이 매칭되도록 함이 밝혀진 바 있다. 온도차의 이러한 증가는 OTEC 열 엔진과 관련된 터빈에 의해 행해질 수 있는 일의 양을 증가시킨다.

도 6b를 참조하면, 일 측면에서 연속적 다단 OTEC 사이클은 유효한 작동 유체 온도 강하의 확대를 위해 비등 및 응축의 다중 단계를 이용한다. 각 단계는 도 5의 캐비넷 열교환기(520) 내에 전용 열교환기 스테이지 또는 독립적 열교환기를 필요로 한다. 도 6b의 연속적 다단 OTEC 사이클은 터빈 출력을 해양수 및 작동 유체에 대한 예상 펌핑 부하와 매칭되는 것을 허용한다. 이러한 고도로 최적화된 설계는 전용 및 주문형 터빈을 필요로 할 것이다.

도 6c를 참조하면, 도 6b의 실제의 연속적 배열의 열역학적 효율 또는 최적화를 유지하면서 동일한 장비(예, 터빈, 발전기, 펌프)의 사용을 용이하게 하는 하이브리드형의 여전히 최적화된 연속적 OTEC 사이클이 예시된다. 도 6c의 하이브리드형의 연속적 사이클에서, 작동 유체에 대한 유효 온도차는 약 18℉ 내지 약 22℉의 범위를 갖는다. 이러한 좁은 범위는 열 엔진 내의 터빈이 동일한 성능 사양을 갖도록 함으로써 구성 및 운전 비용을 저감시킨다.

시스템 성능 및 전력 출력은 OTEC 발전소에 하이브리드형 연속적 사이클을 사용하여 크게 증가된다. 표 1은 도 6a의 종래의 사이클의 성능과 도 6c의 하이브리드형 연속적 사이클을 비교한다.

100 MW 순수 출력에 대한 추정 성능
	종래의 사이클	4단 하이브리드 연속 사이클
온수류	4,800,000 GPM	3,800,000 GPM
냉수류	3,520,000 GPM	2,280,000 GPM
총 열소비율	163,000 BTU/kWH	110,500 BTU/kWH

4단 하이브리드 연속 열교환 사이클의 사용은 유체 간 전달이 필요한 에너지량을 감소시킨다. 이것은 다시 필요한 열교환 표면적의 감소에 기여한다.

열교환기의 성능은 열교환기의 표면에서의 열전달 계수와 유체 간 유효 온도차에 의해 영향을 받는다. 열전달 계수는 통상 열교환기 표면을 가로지른 유체의 속도에 따라 변한다. 유체 속도가 높을수록 높은 펌핑 동력을 필요로 하므로 발전소의 순수 효율을 감소시킨다. 하이브리드 연속 다단 열교환 시스템은 낮은 유체 속도와 높은 플랜트 효율을 가능케 한다. 또한, 적층식 하이브리드 연속 열교환 설계는 낮은 열교환기를 통한 낮은 압력 강하를 가능케 한다. 또한, 수직적 플랜트 설계는 전체 시스템에 걸쳐 낮은 압력 강하를 가능케 한다.

도 6d는 파워 그리드에 100MW를 전달하기 위해 총 OTEC 발전에 미치는 열교환기 압력 강하의 영향을 나타낸다. 열교환기를 통한 압력 강하를 최소화하면, OTEC 발전소의 성능이 크게 향상된다. 압력 강하는 해수 도관이 선박의 구조적 부재를 형성하고 해수를 하나의 열교환기 스테이지로부터 다른 스테이지로 연속으로 유동하게 하는 일체형 선박 또는 플랫폼-열교환기 시스템의 제공을 통해 감소된다. 취수부로부터 선박 내로 최소한의 방향 변화로 펌프를 거쳐 열교환 캐비넷과 다시 각각의 열교환기를 연속으로 거쳐 흐르고 결국 발전소로부터 방출되는 대략 일직선의 해수 흐름은 최소의 압력 강하를 허용한다.

실시예 :

본 발명의 측면들은 열대 지방과 아열대 지방의 표면수와 심해수 간의 온도차를 이용하여 전기를 생산하게 되는 일체형 다단 OTEC 발전소를 제공한다. 본 발명의 측면들은 해안에서 떨어진 선박 또는 플랫폼 구조체를 도관 또는 유동 통로로서 사용하는 것에 의해 종래의 해수용 배관 유로를 제거한다. 대안적으로, 냉온 해양수 배관 유로는 선박 또는 플랫폼에 수직적 또는 다른 구조적 지지부를 제공하기 위해 충분한 크기와 강도의 도관 또는 파이프를 사용할 수 있다. 이들 일체형 해양수 도관 섹션 또는 통로는 선박의 구조적 부재로서 기능함으로써 추가적인 강의 필요성을 감소시킨다. 일체형 해수 통로의 일부로서, 다단 캐비넷 열교환기는 외부의 물 분사 노즐 또는 배관 연결부를 필요로 하지 않고 작동 유체 증발의 다단 스테이지를 제공한다. 일체형 다단 OTEC 발전소는 냉온 해양수가 그 자연적 방향으로 흐르는 것을 허용한다. 온 해양수는 해양의 냉각 존 내로 방출되기 전에 냉각되므로 선박을 통해 아래로 흐른다. 유사한 형태로, 심해로부터의 냉 해양수는 해양의 가열 존 내로 방출되기 전에 가열되므로 선박을 통해 위로 흐른다. 이러한 구성은 해수 유동 방향 변경의 필요성과 관련 압력 손실을 제거한다. 또한, 이러한 구성은 필요한 펌핑 에너지를 감소시킨다.

다단 캐비넷 열교환기는 하이브리드 연속 OTEC 사이클의 사용을 허용한다. 이들 무리의 열교환기는 작동 유체를 적절하게 비등 또는 응축시키도록 해당 부분을 연속으로 통과하는 해수를 포함하는 다중 열교환기 스테이지 또는 섹션을 포함한다. 증발기 섹션에서, 온 해양수는 해양수가 냉각될 때 작동 유체의 일부를 비등시켜 날리는 제1 스테이지를 통과한다. 이후 온 해양수는 다음 열교환기 스테이지 내로 적층부 아래로 흐르고 약간 낮은 압력 및 온도에서 추가의 작동 유체를 비등시킨다. 이것은 전체 적층부를 통해 순차적으로 일어난다. 캐비넷 열교환기의 각각의 스테이지 또는 섹션은 전력을 발생시키는 전용 터빈으로 작동 유체를 공급한다. 증발기 스테이지 각각은 터빈의 배기측에 대응하는 응축기 스테이지를 가진다. 냉 해양수는 역순으로 응축기 더미를 통해 증발기로 통과된다.

도 7을 참조하면, 하이브리드 연속 열교환 사이클을 사용하는 일례의 다단 OTEC 열 엔진(710)이 제공된다. 온 해양수는 온 해양수 취수부(도시 생략)로부터 온수 펌프(712)를 통해 펌핑되어 해당 펌프로부터 약 1,360,000 gpm의 유량과 약 79℉의 온도로 방출된다. 온수 취수부로부터 온스 펌프까지 그리고 온수 펌프로부터 적층식 열교환기 캐비넷까지의 온수 도관의 전부 또는 일부는 선박의 일체형 구조적 부재를 형성할 수 있다.

온수 펌프(712)로부터, 온 해양수는 제1 작동 유체를 비등시키는 제1 스테이지 증발기(714)로 들어간다. 온수는 약 76.8℉의 온도로 제1 스테이지 증발기(714)를 나와서 제2 스테이지 증발기(715)로 아래로 흐른다.

온수는 약 76.8℉에서 제2 작동 유체를 비등시키는 제2 스테이지 증발기(715)로 들어가서 약 74.5℉의 온도에서 제2 스테이지 증발기(715)를 나온다.

온수는 제2 스테이지 증발기(715)로부터 아래로 유동하여, 제3 작동 유체를 비등시키는 제3 스테이지 증발기(716)로 약 74.5℉의 온도로 들어간다. 온수는 약 72.3℉의 온도로 제3 스테이지 증발기(716)를 나온다.

이후 온수는 제3 스테이지 증발기(716)으로부터 아래로 흘러, 제4 작동 유체를 비등시키는 제4 스테이지 증발기(717)로 약 72.3℉의 온도로 들어간다. 온수는 약 70.1℉의 온도로 제4 스테이지 증발기(717)를 나와서 선박으로부터 방출된다. 도시되지는 않았지만, 방출은 온 해양수의 방출 온도 또는 그와 거의 동일한 온도의 수심의 열층으로 유도될 수 있다. 대안적으로, 다단 증발기를 포함하는 발전소의 일부는 온수가 적절한 해양수 열층으로 방출되도록 구조물 내의 소정 깊이에 위치될 수 있다. 여러 측면에서, 선박의 제4 스테이지 증발기로부터 온수 방출부까지의 온수 도관은 선박의 구조적 부재를 포함할 수 있다.

유사하게, 냉 해양수는 냉 해양수 취수부(도시 생략)으로부터 냉 해양수 펌프(722)를 통해 펌핑되어 약 855,003 gpm의 유량과 약 40.0℉의 온도로 펌프로부터 방출된다. 냉 해양수는 약 2700-4200 피트 이상의 해양 깊이로부터 끌어 올려진다. 선박의 냉수 취수부로부터 냉수 펌프까지 그리고 냉수 펌프로부터 제1 스테이지 응축기까지 냉 해양수를 운반하는 냉수 도관은 그 전체 또는 일부가 선박의 구조적 부재를 포함할 수 있다.

냉 해양수 펌프(722)로부터, 냉 해양수는 제4 스테이지 보일러(717)로부터 나온 제4 작동 유체를 응축하는 제1 스테이지 응축기(724)로 들어간다. 냉 해양수는 약 43.5℉의 온도로 제1 스테이지 응축기를 나와서 제2 스테이지 응축기(725)까지 흐른다.

냉 해양수는 약 43.5℉의 온도로 제2 스테이지 응축기(725)로 들어가고 해당 응축기에서는 제3 스테이지 증발기(716)로부터 나온 제3 작동 유체를 응축한다. 냉 해양수는 약 46.9℉의 온도로 제2 스테이지 응축기(725)를 나와서 제3 스테이지 응축기까지 흐른다.

냉 해양수는 약 46.9℉의 온도로 제3 스테이지 응축기(726)로 들어가고 해당 응축기에서는 제2 스테이지 증발기(715)로부터 나온 제2 작동 유체를 응축한다. 냉 해양수는 약 50.4℉의 온도로 제3 스테이지 응축기(726)를 나온다.

이후 냉 해양수는 제3 스테이지 응축기(726)로부터 상향 유동하여 약 50.4℉의 온도로 제4 스테이지 응축기(727)로 들어간다. 제4 스테이지 응축기에서, 냉 해양수는 제1 스테이지 증발기(714)로부터 나온 제1 작동 유체를 응축한다. 이후 냉 해양수는 약 54.0℉의 온도로 제4 스테이지 응축기를 나와서 결국 선박으로부터 배출된다. 냉 해양수 배출부는 냉 해양수와 방출 온도 또는 그에 거의 동일한 온도의 해양 심도에 있는 열층으로 안내될 수 있다. 대안적으로, 다단 응축기를 포함하는 발전소의 일부는 냉 해양수가 적절한 해양 열층으로 방출되도록 구조물 내에서 소정 깊이에 위치될 수 있다.

제1 작동 유체는 56.7℉의 온도로 제1 스테이지 증발기(714)로 들어가고 해당 증발기에서 74.7℉의 온도를 갖는 기체로 가열된다. 이후 제1 작동 유체는 제1 터빈(731)를 거쳐 제4 스테이지 응축기(727)로 흐르고, 해당 응축기에서 제1 작동 유체는 약 56.5℉의 온도의 액체로 응축된다. 이후 액상의 제1 작동 유체는 제1 작동 유체 펌프(741)를 통해 제1 스테이지 증발기(714)로 다시 펌핑된다.

제2 작동 유체는 약 53.0℉의 온도로 제2 스테이지 증발기(715)로 들어가서 기체로 가열된다. 제2 작동 유체는 약 72.4℉의 온도로 제2 스테이지 증발기(715)를 나온다. 이후 제2 작동 유체는 제2 터빈(732)을 거쳐 제3 스테이지 응축기(726)로 유동한다. 제2 작동 유체는 약 53.0℉의 온도로 제3 스테이지 응축기를 나와서 작동 유체 펌프(742)로 유동하고, 해당 펌프는 다시 제2 작동 유체를 제2 스테이지 증발기(715)로 되돌려 펌핑한다.

제3 작동 유체는 약 49.5℉의 온도로 제3 스테이지 증발기(716)로 들어가고, 거기에서 기체로 가열된 후 약 70.2℉의 온도로 제3 스테이지 증발기(716)를 나오게 된다. 이후 제3 작동 유체는 제3 터빈(733)을 거쳐 제2 스테이지 응축기(725)로 흐르고, 해당 응축기에서 제3 작동 유체는 약 49.5℉의 온도의 유체로 응축된다. 제3 작동 유체는 제2 스테이지 응축기(725)를 나와서 제3 작동 유체 펌프(743)를 통해 제3 스테이지 증발기(716)로 다시 펌핑된다.

제4 작동 유체는 약 46.0℉의 온도로 제4 스테이지 증발기(717)로 들어가고, 거기에서 기체로 가열되게 된다. 제4 작동 유체는 약 68.0℉의 온도로 제4 스테이지 증발기(717)를 나와서 제4 터빈(734)으로 흐른다. 제4 작동 유체는 제4 터빈(734)를 나와서 제1 스테이지 응축기(724)로 흐르고, 해당 응축기에서 약 46.0℉의 온도의 액체로 응축된다. 제4 작동 유체는 제1 스테이지 응축기(724)를 나와서 제4 작동 유체 펌프(744)를 통해 제4 스테이지 증발기(717)로 다시 펌핑된다.

제1 터빈(731)과 제4 터빈(734)은 협력하여 제1 발전기(751)를 구동시키고 제1 터보-발전기 쌍(761)을 형성한다. 제1 터보-발전기 쌍은 약 25MW의 전력을 생산할 것이다.

제2 터빈(732)과 제3 터빈(733)은 협력하여 제2 발전기(752)를 구동시키고 제2 터보-발전기 쌍(762)을 형성한다. 제2 터보-발전기 쌍(762)은 약 25MW의 전력을 생산할 것이다.

도 7의 4단 하이브리드 연속 열교환 사이클은 온 해양수와 냉 해양수 간의 비교적 낮은 온도차로부터 추출되는 에너지량을 최대화한다. 더욱이, 모든 열교환기는 동일한 성분 터빈 및 발전기를 사용하여 전기를 생산하는 터보-발전기 쌍을 직접적으로 지원할 수 있다.

다중의 다단 하이브리드 연속 열교환기 및 터보 발전기 쌍은 선박 또는 플랫폼 설계에 합체될 수 있음을 알 것이다.

실시예 2:

연안 OTEC 스파 플랫폼은 정격 설계 조건에서 각각 약 25MWe Net를 발생시키는 4개의 별개 파워 모듈을 포함한다. 각각의 파워 모듈은 다른 압력 및 온도 레벨로 동작하고 4개의 다른 스테이지에서 해수 시스템으로부터 열을 회수하는 4개의 별개 파워 사이클 또는 연속하는 열역학적 스테이지를 포함한다. 4개의 다른 스테이지는 연속으로 동작한다. 정격 설계 조건(전부하(full load)-하계 조건)에서 4개의 스테이지의 대략적 압력 및 온도 레벨은 다음과 같다:

터빈유입압력(Psia)/온도(℉) 응축기압력(Psia)/온도(℉)

제1 스테이지 137.9/74.7 100.2/56.5

제2 스테이지 132.5/72.4 93.7/53

제3 스테이지 127.3/70.2 87.6/49.5

제4 스테이지 122.4/68 81.9/46

작동 유체는 온 해양수(WSW)로부터 열을 회수하는 것에 의해 다중 증발기에서 비등된다. 포화된 기체는 기체 분리기에서 분리되어, 이음매없는 탄소강 파이프인 STD 스케줄에 의해 암모니아 터빈으로 안내된다. 응축기에서 응축된 액체는 2X100% 전기 모터 구동된 일정 속도 이송 펌프에 의해 다시 증발기로 펌핑된다. 유사하게, 사이클-2, 3의 터빈은 다른 공통 발전기를 구동시킨다. 일 측면에서, 각각의 플랜트 모듈에 2개의 발전기가 존재하여 100MWe 플랜트에 총 8개가 존재한다. 증발기로의 이송은 이송 제어 밸브에 의해 제어되어 기체 분리기 내에 레벨을 유지한다. 응축기 레벨은 사이클 유체 구성 제어 밸브에 의해 제어된다. 이송 펌프 최소 흐름은 이송 라인 상의 유량계에 의해 조절되는 제어 밸브를 통해 응축기로 안내되는 재순환 라인에 의해 보장된다.

작동시, 모듈의 4개의 파워 사이클이 독립적으로 작동된다. 사이클 중 임의의 사이클은 원하는 경우, 예컨대 고장시 또는 유지보수를 위한 경우, 여타의 사이클의 동작을 방해하지 않고 정지될 수 있다. 그러나, 이것은 전체 모듈로서 파워 모듈의 순수 파워 생성을 감소시키게 된다.

본 발명의 여러 측면들은 대용적의 해수를 필요로 한다. 냉온 해양수의 처리를 위한 별개의 시스템이 존재할 수 있는데, 각 시스템은 펌핑 장비, 수류 던트, 배관, 밸브, 열교환기 등을 포함한다. 해수는 담수보다 부식성이 강하고, 이에 접촉될 수 있는 재료는 이를 고려하여 신중하게 선택할 필요가 있다. 해수 시스템의 주요 성분의 구성을 위한 재료는:

대구경 배관: 유리섬유 강화 플라스틱(FRP)

대형 해수 덕트 & 챔버: 에폭시 코팅된 탄소강

대구경 밸브: 고무 라이닝된 버터플라이 타입

펌프 임펠러: 적절한 청동 합금

이 될 것이다.

적절한 수단에 의해 제어되지 않는다면, 해수 시스템 내의 생물학적 성장은 플랜트 성능에 상당한 손실을 가져올 수 있고, 열전달 표면에 부착을 야기하여 플랜트로부터의 출력 저하를 유도할 수 있다. 이러한 내부적 성장은 수류에 대한 저항도 증가시켜, 필요 펌핑 파워량을 크게 하고 시스템 속도를 저하시키는 등등의 한편, 보다 심각한 경우로 흐름 통로를 완전히 막히게 할 수 있다.

심해로부터 끌어 올려지는 해양수를 이용하는 냉 해양수(CSW) 시스템은 생물 부착의 문제가 없거나 거의 없어야 한다. 그러한 심도 내의 해양수는 많은 태양광을 받지 않고 산소가 부족하므로, 내부에 생물 개체수가 희박하다. 그러나, 소정의 조건하에서는 일부 종류의 혐기성 박테리아가 성장할 수 있다. 생물 부착에 대항하기 위해 충격 염소 처리가 사용될 수 있다.

해수면 근처로부터의 온 해양수를 처리하는 온 해양수(WSW) 시스템은 생물 부착으로부터 보호되어야 할 것이다. 부착 속도는 연안에서보다는 OTEC 공정에 적합한 열대 지방 외해의 해수에서가 크게 낮다는 것이 알려진 바 있다. 결국, OTEC 시스템에서의 생물 부착의 제어를 위해서는 화학 작용제가 환경적으로 허용될 수 있는 극소량으로 사용될 수 있다. 소량의 염소 투여량은 해수에서의 생물 부착에 대처함에 있어 매우 효과적임이 입증된 바 있다. 하루 당 한 시간 동안 약 70 ppm의 속도의 염소 투여량은 해양 생물의 성장을 방지하는데 크게 효과적이다. 이러한 투여 비율은 EPA가 규정한 환경적으로 안전한 수준의 1/20에 불과하다. 염소에 강한 생물의 제거를 위해 소량 투여 처리 방식 간에 때로 다른 종류의 처리(열 충격, 염소 충격, 기타 생물 살상 등)가 사용될 수 있다.

해류에 투여하는 필요 염소는 해수의 전기분해에 의해 플랜트 쉽 선상에서 생성된다. 이러한 종류의 전기 염소화 플랜트는 투여를 위해 사용될 차아염소산염 용액의 생산에 상업적으로 유용하고 현재 성공적으로 사용되고 있다. 전기 염소화 플랜트는 저장 탱크를 충전하기 위해 연속적으로 작동될 수 있으며, 이들 탱크의 내용물은 전술한 주기적인 투여를 위해 사용된다.

모든 해수 도관은 침전물이 침전되거나 생물이 군집을 형성하도록 고착될 수 있는 어떤 데드 포켓(dead pocket)도 회피하여야 한다. 모아질 수 있는 침전물을 불어내기 위해 수류 덕트의 낮은 포인트로부터 수문 구성이 제공된다. 덕트와 해수 챔버의 높은 포인트는 구멍을 내서 포집 가스가 빠져나갈 수 있게 한다.

냉 해양수(CSW) 시스템은 플랜트 선과 물 펌핑/분배 시스템을 위한 공통의 심해수 취수부와, 관련 수류 배관을 갖는 응축기와, 물을 다시 바다로 돌려보내기 위한 방출 덕트로 이루어질 것이다. 냉수 흡입 파이프는 해수 온도가 일정하게 약 40℉인 2700 피트 이상(예, 2700-4200 피트)의 깊이로 아래로 연장된다. 파이프로의 진입은 스크린에 의해 보호되어 큰 생물체가 그 안으로 흡인되는 것이 방지된다. 파이프로의 진입 후 냉수는 해수면 측으로 상승 유동하여 선박 또는 스파의 바닥 근처의 냉 챔버로 전달된다.

CSW 공급 펌프, 분배 덕트, 응축기 등은 플랜트의 최저 높이에 위치된다. 펌프는 크로스 덕트로부터 흡입을 행하여 냉수를 분배 덕트 시스템으로 보낸다. 4X25% CSW 공급 펌프는 각 모듈마다 제공된다. 각 펌프는 유입 밸브들이 격리되고 필요시 검사, 유지보수 등을 위해 개방될 수 있도록 유입 밸브들이 독립적으로 회로화된다. 펌프는 고효율 전기 모터에 의해 구동된다.

냉 해양수는 사이클의 응축기를 연속으로 통과하여 유동된 다음, 다시 바다로 방출된다. CSW는 4개의 플랜트 사이클의 응축기 열교환기를 필요한 순서로 연속으로 통과한다. 응축기 설비는 격리되고 필요시 세정 및 유지보수를 위해 개방될 수 있게 배열된다.

WSW 시스템은 해수면 아래 위치된 수중 취수 그릴과, 펌스로 유입되는 물을 운반하는 취수 플레넘(plenum)과, 물 펌프와, 열전달 표면의 부착을 제어하는 생물 살상 투여 시스템과, 부유 물질에 의해 막히는 것을 방지하는 물 거름 시스템과, 관련 수류 배관을 갖는 증발기와, 물을 다시 바다로 돌려보내는 방출 덕트를 포함한다.

취수 그릴은 해수면 근처로부터 온수를 끌어 올리기 위해 플랜트 모듈의 외벽에 제공된다. 취수 그릴에서의 면 속도(face velocity)는 해양 생물의 혼입을 최소화하기 위해 0.5 피트/초 미만으로 유지된다. 이들 그릴은 큰 부유 찌꺼기의 유입도 방지하며, 확실히 개구된 그 구멍들은 펌프와 열교환기를 안전하게 통과할 수 있는 고체의 최대 크기에 기초한다. 이들 그릴을 통과한 후, 물은 그릴 아래에 위치된 취수 플레넘으로 들어가서 WSW 공급 펌프의 흡인부로 전달된다.

WSW 펌프들은 펌프 바닥의 양측면상에 두 개의 그룹으로 위치된다. 펌프의 절반은 각 그룹마다 취수 플레넘으로부터 분리된 흡인 연결부에서의 각 측면 상에 위치된다. 이러한 구성은 취수 플레넘의 임의의 부분을 통한 최대 유량이 총 유량의 약 1/16으로 제한함으로써 취수 시스템에서의 마찰 손실을 감소시킨다. 각각의 펌프는 밸브들이 단절되고 필요시 검사, 유지보수 등을 위해 개방될 수 있도록 유입 측에 밸브들을 구비한다. 펌프는 펌프 출력을 부하에 매칭시키도록 가변 주파수 드라이브를 갖는 고효율 전기 모터에 의해 구동된다.

WSW 시스템과 특히 그 열전달 표면의 생물 부착을 제어하는 것이 필요하며, 이를 위해 적절한 생물 살상제를 펌프의 흡인부에서 투여하게 된다.

온수류는 열교환기 냉의 좁은 통로를 막을 수 있는 큰 부유 입자를 제거하기 위해 걸려지는 것이 필요할 수 있다. 필요시, 대형 자동 필터 또는 '찌꺼기 필터(Debris Filter)'가 이를 위해 사용될 수 있다. 부유 물질은 스크린에 유지된 후 역류 세척에 의해 제거될 수 있다. 부유 고형물을 담고 있는 역류 오수는 해양으로 되돌려지는 플랜드의 방출류로 보내질 것이다. 이를 위한 구체적인 요건은 해수 품질에 관한 데이터를 더 많이 수집한 후 설계의 추가 개발시에 결정될 것이다.

걸러진 온 해양수(WSW)는 증발기 열교환기로 분배된다. WSW는 4개의 플랜트 사이클의 증방기를 필요한 순서로 연속으로 통과한다. 최종 사이클을 지난 WSW 오수는 해수면 아래 약 175 피트 이상의 길이로 방출된다. 그러면 해당 오수는 해수의 온도(및 그에 따라 밀도)가 오수의 온도와 매칭하게 되는 깊이로 천천히 가라앉는다.

추가 양태:

기준선 냉수 취수 파이프는 장대화된 분할형의 인발된 섬유강화 비닐 에스터 파이프이다. 장대화된 냉수 파이프 구성은 2010년 1월 21일자로 출원되고 발명의 명칭이 해양열 에너지 변환 냉수 파이프이며 본 명세서에 전체가 참조로서 합체되는 미국 특허 출원 제12/691,663호(관리 번호 제25667-0004001호)에 설명되어있다. 예시적인 실시예에서, 각 장대의 세그먼트의 길이는 40-60 피트일 수 있다. 장대 세그먼트는 인터로킹 시임을 생성하도록 장대를 파상 배치함으로써 결합될 수 있다. 파이프 장대는 폭이 최대 120 인치이고 길이가 적어도 40 피트인 패널에서 압출될 수 있고 폴리우레탄, 폴리에스터 또는 비닐 에스터 수지와 함께 e-유리 또는 s-유리를 통합시킬 수 있다. 몇몇 양태에서, 장대 세그먼트는 콘크리트일 수 있다. 장대는 솔리드 구조일 수 있다. 장대는 코어형 또는 허니컴형 구조일 수 있다. 장대는 서로 인터로킹하도록 설계되고 장대의 단부에서 냉수 파이프의 섹션들 사이에서의 플랜지들의 사용을 제거함으로써 파상 배치된다. 일 양태에서, 장대는 길이가 40 피트이고 파이프 섹션이 결합되는 곳에서 5 피트와 10 피트 만큼 파상 배치될 수 있다. 장대와 파이프 섹션은 예컨대 폴리우레탄 또는 폴리에스터 접착제를 이용하여 함께 접합될 수 있다. 3M 및 다른 회사들이 적절한 접착제를 제조한다. 샌드위치 구조가 이용된다면, 코어 재료로서 폴리카보네이트 폼 또는 합성 폼이 사용될 수 있다. 스파이더 크래킹이 방지되고 폴리우레탄의 사용은 신뢰성 있는 설계를 제공하는 데에 일조한다.

일 양태에서, 계획된 CWP가 연속적이고, 즉 섹션들 사이에 플랜지를 구비하지 않는다.

CWP는 구형 베어링 조인트를 통해 스파에 결합되게 된다. OTEC 용례에서의 냉수 파이프 결합부는 본 명세서에 전체가 참조로 합체되는 Avery & Wu의 4.5절, "Renewable Energy from the Ocean, a Guide to OTEC," (Oxford University Press, 1994년)에 설명되어 있다. 플랫폼으로서 스파 부표를 사용하는 중요한 이점들 중 하나는 그렇게 하면 가장 심한 엄청난 폭풍우 조건에서라도 스파 자체와 CWP 사이에 비교적 작은 회전을 초래한다는 점이다. 또한, 스파와 CWP 사이의 수직 및 횡방향 힘들은 구형 볼과 그 시트 사이의 하향력이 베어링 표면을 항상 접촉 상태로 유지하도록 되어 있다. 수밀 시일로서도 작용하는 이 베어링은 그 정합하는 구형 시트와 접촉 해제되지 않기 때문에, CWP를 수직 방향으로 적소에 유지하는 메카니즘을 설치할 필요성이 없다. 이는 구형 베어링 설계를 간소화하는 데에 일조하고 또한 임의의 추가 CWP 파이프 억제 구조 또는 하드웨어에 의해 달리 유발되는 압력 손실을 최소화한다. 구형 베어링을 통해 전달된 측방향 힘은 또한 CWP의 수직 구속에 대한 요구 없이 적절하게 수용될 수 있을 정도로 충분히 낮다.

본 명세서의 실시예는 부유식 연안 선박 또는 플랫폼에서의 다단 열교환기를 설명하였지만, 다른 실시예가 본 발명의 범위 내에 있다는 것을 알 것이다. 예컨대, 다단 열교환기 및 일체형 유동 통로는 해안 기반 OTEC 설비를 비롯한 해안 기반 설비에 통합될 수 있다. 더욱이, 온수는 담수, 지열수, 또는 산업적 방출수(예컨대, 핵 발전소 또는 다른 산업적 플랜트로부터 방출된 냉각수)일 수 있다. 냉수는 차가운 담수일 수 있다. OTEC 시스템 및 본 명세서에 설명된 구성요소들은 전기 에너지 생성을 위해 또는 염수 담수화: 물 정화; 심해 간척; 수산 양식; 바이오매스 또는 생물 연료의 생성; 및 또 다른 산업을 비롯하여 다른 사용 분야에서 사용될 수 있다.

도 8은 핵 발전 설비를 부유식 스파 구조 및 전술한 일체형 OTEC 설비와 조합하는 본 발명의 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 열교환기 및 스파와 일체형인 온수 및 냉수 배관을 갖는 선박 또는 플랫폼용 스파와, 구조물 중 수상부에 포함되는 핵 발전소 및 증기 사이클 발전 시스템을 포함한다.

전술한 바와 같이, OTEC 스파(810)는 OTEC 발전소에 사용하기 위한 일체형 다단 열교환기를 수용한다. 스파(810)는 흘수선(805) 아래의 잠수부(811)와 흘수선(805) 위의 수상부(812)를 포함한다. 잠수부(811)는 온수 취수부(840), 증발기 부분(844), 온수 방출부(846), 응축기 부분(848), 냉수 취수부(850), 냉수 파이프(851), 냉수 방출부(852), 기계 데크부(854) 및 데크 하우스(860)를 포함한다. 핵 발전소(865)는 데크 하우스(360) 또는 수상 구조(812)의 임의의 부분에 포함될 수 있다. 실시예에서, 핵 발전소(865)는 예컨대 기계류 데크부(854)의 일부로서 잠수 구조(811)에 부분적으로 또는 전체적으로 통합될 수 있다.

전술한 바와 같이, OTEC 시스템의 작동 중에, 75℉ 내지 85℉의 따뜻한 해수가 온수 취수부(340)를 통해 유입되고 도시되지 않은 구조적으로 일체형인 온수 도관을 통해 스파 아래로 유동한다. OTEC 열 엔진의 대용적 물 유동 요건으로 인해, 온수 도관은 흐름을 500,000 gpm 내지 6,000,000 gpm의 유량으로 증발기 부분(344)으로 안내한다. 그러나 온수 도관은 6-35 피트, 또는 그 이상의 직경을 갖는다. 이 크기로 인해, 온수 도관은 스파(810)의 수직적 구조 부재이다. 온수 도관은 스파(810)를 수직 방향으로 지지하는 데에 충분한 강도를 갖는 큰 직경의 파이프일 수 있다. 대안적으로, 온수 도관은 스파(810)의 구조와 일체형인 통로일 수 있다.

이어서, 온수는 작동 유체를 기체로 가온하기 위한 하나 이상의 적층형 다단 열교환기를 수용하는 증발기 부분(844)을 통해 유동한다. 다단 열교환기는 전술한 하이브리드 연속 시스템일 수 있다. 이어서, 온수 방출부(846)를 통해 스파(810)로부터 온수가 방출된다. 온수 방출부는 환경 영향을 최소화하기 위해 온수 방출 온도와 대략 동일한 온도인 해양 열층에 또는 그 근처에 배치되거나 그 깊이로 온수 방출 파이프를 통해 지향될 수 있다. 온수 방출부는 온수 취수부 또는 냉수 취수부와의 열 재순환이 없는 것을 보장하기에 충분한 깊이로 지향될 수 있다.

냉수는 냉수 파이프(851)를 통해 대략 40℉의 온도로 2500 내지 4200 피트 또는 그 이상의 깊이로부터 끌어 올려진다. 냉수는 냉수 취수부(850)를 통해 스파(810)에 진입한다. OTEC 열 엔진의 대용적 물 유동 요건으로 인해, 냉수 도관은 500,000 gpm 내지 3,500,000 gpm의 유량으로 응축기 부분(848)으로 유동을 안내한다. 그러나 냉수 도관은 6-35 피트, 또는 그 이상의 직경을 갖는다. 이 크기로 인해, 냉수 도관은 스파(810)의 수직적 구조 부재이다. 냉수 도관은 스파(810)를 수직 방향으로 지지하는 데에 충분한 강도를 갖는 큰 직경의 파이프일 수 있다. 대안적으로, 온수 도관은 스파(810)의 구조와 일체형인 통로일 수 있다.

이어서, 냉수는 적층형 다단 응축기 부분(848)으로 상방으로 유동하고, 이 응축기 부분에서 냉수는 작동 유체를 액체로 냉각시킨다. 냉수는 냉수 방출부(852)를 통해 스파(810)로부터 방출된다. 냉수 방출부는 냉수 방출 온도와 대략 동일한 온도인 해양 열층에 또는 그 근처에 배치되거나 그 깊이로 냉수 방출 파이프를 통해 연장될 수 있다. 냉수 방출부는 온수 취수부 또는 냉수 취수부와의 열 재순환이 없는 것을 보장하기에 충분한 깊이로 연장될 수 있다.

기계류 데크부(854)는 증발기 부분(844)과 응축기 부분(848) 사이에서 수직 방향으로 위치 결정될 수 있다. 데크부(854)를 증발기 부분(844) 아래에 위치 결정하면 유입으로부터 다단 증발기를 통해 방출까지 거의 직선의 온수 유동이 허용된다. 기계류 데크부(854)를 응축기 부분(848) 위에 위치 결정하면 유입으로부터 다단 응축기를 통해 방출까지 거의 직선의 냉수 유동이 허용된다. 기계류 데크부(854)는 터보 발전기(856)를 포함한다. 작동시에, 증발기 부분(844)으로부터 기체로 가열된 따뜻한 작동 유체는 하나 이상의 터보 발전기(856)로 유동한다. 작동 유체는 터보 발전기(856)에서 팽창함으로써 전력 생산을 위한 터빈을 구동시킨다. 이어서, 작동 유체는 응축기 부분(848)으로 유동하고, 이 응축기 부분에서 액체로 냉각되어 증발기 부분(844)으로 펌핑된다.

실시예에서, 냉수 방출부(852)는 OTEC 열 엔진의 작동 유체를 응축한 후에 45 내지 60℉일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 냉수 방출부(852)는 약 50℉일 수 있다. 이 50℉의 물은 핵 발전소(865)와 관련된 증기 터빈으로부터 나오는 배기 증기를 응축시키도록 열교환기 또는 일련의 열교환기에서 사용될 수 있다.

본 발명의 양태에서, 소비된 증기는 핵 발전소(865)로부터 저압 증기 라인(870)을 통해 응축기(872)로 안내된다. 응축기(872)는 종래의 증기 응축기(쉘과 튜브 또는 캐비넷 열교환기 등의 열교환기)일 수 있다. 하나 이상의 응축기(872)가 사용될 수 있다. OTEC 응축기 부분(848)에서 배출된 냉수는 스파 구조로부터 냉수 방출부(852)를 통해 방출되기 전에 증기 사이클 응축기(872)를 통해 전체적으로 또는 부분적으로 전환될 수 있다. 배기된 증기가 응축되어 증기 사이클을 위한 공급수를 형성하면, 공급수는 증기 사이클에서의 추가 사용을 위해 증기 응축기(872)로부터 다시 핵 발전소(865)로 펌핑될 수 있다.

도 7을 참조하면, 하이브리드 연속 열교환 사이클을 이용하는 예시적인 다단 OTEC 열 엔진(710)이 제공된다. 온수는 온수 유입구(도시 생략)로부터 온수 펌프(712)를 통해 펌핑되어, 대략 1,360,000 gpm에서 그리고 대략 79℉의 온도에서 펌프로부터 방출된다. 온수 유입구로부터 온수 펌프까지 그리고 온수 펌프로부터 적층형 열교환기 캐비넷까지의 온수 도관의 전부 또는 일부가 선박의 일체형 구조 부재를 형성할 수 있다.

냉수는 냉수 유입구(도시 생략)로부터 냉수 펌프(722)를 통해 펌핑되어, 대략 855,003 gpm에서 그리고 대략 40.0℉의 온도에서 펌프로부터 방출된다. 냉수는 대략 2700 내지 4200 피트 또는 그 이상의 해양 깊이로부터 끌어당겨진다. 냉수를 선박의 냉수 유입구로부터 냉수 펌프로 그리고 냉수 펌프로부터 제1 스테이지 응축기로 운반하는 냉수 도관은 선박의 구조 부재를 온전히 또는 부분적으로 포함할 수 있다.

냉수 펌프(722)로부터, 냉수는 제1 스테이지 응축기(724)에 진입하고, 이 제1 스테이지 응축기에서 제4 스테이지 보일러(717)로부터의 제4 작동 유체를 응축시킨다. 냉수는 대략 43.5℉의 온도에서 제1 스테이지 응축기로부터 배출되어 제2 스테이지 응축기(725)까지 유동한다.

냉수는 대략 43.5℉의 온도에서 제2 스테이지 응축기(725)에 진입하고, 이 제2 스테이지 응축기에서 제3 스테이지 응축기(716)로부터의 제3 작동 유체를 응축시킨다. 냉수는 대략 46.9℉의 온도에서 제2 스테이지 응축기(725)로부터 배출되어 제3 스테이지 응축기까지 유동한다.

냉수는 대략 46.9℉의 온도에서 제3 스테이지 응축기(726)에 진입하고, 이 제3 스테이지 응축기에서 제2 스테이지 응축기(715)로부터의 제2 작동 유체를 응축시킨다. 냉수는 대략 50.4℉의 온도에서 제3 스테이지 응축기(726)에서 배출된다.

이어서, 냉수는 제3 스테이지 응축기(726)로부터 제4 스테이지 응축기(727)로 위로 유동하여 대략 50.4℉의 온도에서 진입한다. 제4 스테이지 응축기에서, 냉수는 제1 스테이지 증발기(714)로부터의 제1 작동 유체를 응축시킨다. 이어서, 냉수는 대략 54.0℉의 온도에서 제4 스테이지 응축기에서 배출되고 최종적으로 냉수 방출부(776)를 통해 선박으로부터 방출된다. 냉수 방출부는 냉수의 방출 온도와 대략 동일한 온도의 해양 깊이에서 열층으로 지향될 수 있다. 대안적으로, 다스테이지 응축기를 수용하는 발전소 부분은 냉수가 적절한 해양 열층으로 방출되도록 구조 내의 깊이에 배치될 수 있다. 냉수 방출부(776)는 증기 발전 시스템의 증기 사이클과 연통하는 증기 응축기로 전체적으로 또는 부분적으로 전환될 수 있다.

변형예가 가능하고, 예컨대 OTEC 사이클로부터의 냉수 방출은 전체적으로 또는 부분적으로 도 8의 핵 발전소의 증기 응축기로 안내될 수 있어, 증기 응축기는 스파(810)의 수상부(812)에 배치된다. 이는 저압 증기 배관을 단축시키고 증기 사이클이 중앙에 배치되게 함으로써 핵 발전 설비(860)의 구성 및 작동을 용이하게 할 수 있다.

도 9는 예시적인 증기 발전 시스템(905)의 열평형도을 도시하고 있다. 이 예에서, 증기 발생기(915)는 핵 동력식 열원을 사용한다. 석탄, 가스 및 디젤 연료를 사용하는 보일러를 비롯하여 다른 종래의 수단을 이용하는 증기 발전기/보일러(915)에 열이 제공될 수 있다는 것을 알 것이다. 도 9에 도시된 예에서, 공급수는 공급수 이송부(910)를 통해 증기 발전기/보일러(915)로 공급된다. 공급수는 고압 증기로 증발되어 고압 증기 라인(917)를 통해 고압 증기 터빈(919)으로 운반된다. 증기는 증기 라인(920)을 통해 고압 증기 터빈(919)에서 배출되어 저압 증기 터빈(922)에 진입한다. 증기 터빈(919, 922)은 전기 발전기(925)를 구동시킨다. 배출된 저압 증기는 저압 증기 라인(924)을 통해 저압 증기 터빈(922)을 빠져나가 증기 응축기(972)로 유동하고, 이 증기 응축기에서 증기는 다시 액상 물로 응축되어 공급수 히터(930)를 통해 유동하고 다시 공급수 이송 라인(910)을 통해 증기 발전기/보일러(915)로 유동한다.

응축기(972)는 도 7의 냉수 방출부(970)와 연통한다. OTEC 열 엔진으로부터의 냉수는 증기 응축기(972)에서 냉각 유체로서 사용된다. 실시예에서, 0.339 psia에서 68℉ 및 240.5 lb/s로 응축기에 진입하는 저압 증기는 11,844 lb/s 및 50.0℉의 온도에서 유동하는 냉각수 공급을 갖는 종래의 열교환기에서 액체로 응축될 수 있다. 냉각수는 65℉의 온도에서 물 방출부(976)를 통해 증기 응축기(972)로부터 방출된다.

도 7의 OTEC 시스템으로부터 취한 냉수 방출은 OTEC 열교환기 사이클의 임의의 스테이지로부터 취할 수 있다는 것을 알 것이다. 본 명세서에서는 부유 구조가 논의되고 있지만, 증기 사이클을 갖는 OTEC 시스템을 조합한 다양한 양태가 해안 기반 OTEC 플랜트, 핵, 석탄, 가스, 오일 또는 기타 석유를 사용하는 해안 기반 발전소를 비롯하여 임의의 해안 기반 설비에서 달성될 수 있다는 것을 또한 알 것이다.

OTEC 시스템으로부터의 냉수의 일부가 증기 응축기와 같이 별개의 발전 시스템에 사용하도록 전환되는 실시예를 설명하였다. OTEC 시스템으로부터의 냉수는 또한 기타 발전 시스템 또는 산업적 처리 시스템으로부터의 다양한 온수 방출물을 냉각시키도록 전환될 수 있다. 많은 해안 기반 발전 및 산업적 처리 설비는 다양한 냉수 시스템을 어떻게 주위 환경으로 방출시킬 수 있는 지에 관한 규제에 직면하게 된다. 예컨대, 핵 발전소 또는 석탄 화력 발전소로부터 방출된 냉수는 자연적인 대기 상태에 걸쳐서 25℉보다 높은 물 저장소, 강, 호수 또는 해양에 재진입할 수 없다. 이는 온폐수(thermal plume) 또는 기타 열 오염물의 형성을 방지한다. 본 발명의 양태에서, 대용량의 OTEC 냉수는 온수 방출을 규제 허용 내로 낮추도록 발전 설비 또는 기타 산업적 처리 설비의 온수 방출부와 조합하도록 전체적으로 또는 부분적으로 전환될 수 있다. 본 발명의 양태에서, OTEC 사이클로부터의 냉수 방출과 기타 온수 방출의 조합은 조합된 물 방출을 대기 온도에 가깝게 함으로써, 온폐수의 형성을 제거하여 열 오염물을 크게 감소시킨다.

본 발명의 추가 양태에서, 발전소 또는 산업적 처리 플랜트로부터의 온수 방출은 OTEC 시스템을 향한 온수 공급부로서 사용될 수 있다. 예컨대, 핵, 석탄, 오일 또는 기타 석유를 사용하는 플랜트와 같은 하나 이상의 발전소로부터 방출된 온수는 중앙의 온수 저장소에 수집될 수 있다. 온수 저장소는 전술한 바와 같이 해양으로부터 취한 온수 대신에 OTEC 시스템으로 공급되는 온수 공급부로서 기능할 수 있다. 이는 해수면 온도가 OTEC 작동을 허용하기에 너무 낮은 지역에서 OTEC 시스템이 사용될 수 있다는 이점을 가질 수 있다. 본 발명의 양태에서, 그리고 용적 및 온도에 따라, 발전소 또는 산업적 처리 플랜트로부터의 온수 방출은 중앙의 온수 수집 저장소에 대한 필요성 없이 OTEC 플랜트의 온수 시스템으로 직접 공급될 수 있다.

본 명세서에서 언급된 모든 인용 문헌은 그 전체가 참조로서 합체된다.

Claims

OTEC와 증기가 결합된 시스템으로서:
냉수 시스템과 유체 연통된 다단 응축 시스템을 포함하는 OTEC 발전 시스템과;
증기 응축기를 갖는 증기 시스템을 포함하고,
상기 증기 응축기는 상기 냉수 시스템과 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 다단 응축 시스템은 4단 하이브리드 연속 열교환 사이클을 포함하는 시스템.
제2항에 있어서, 상기 4단 하이브리드 연속 열교환 사이클은 45-60℉의 냉수 방출 온도를 더 포함하는 시스템.
제2항에 있어서, 상기 4단 하이브리드 연속 열교환 사이클은 약 50℉의 냉수 방출 온도를 더 포함하고, 상기 냉수 시스템으로부터 나오는 냉수는 약 50℉에서 상기 증기 응축기로 들어가고 약 65℉에서 상기 증기 응축기로부터 방출되는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 증기 시스템은 증기 사이클 전력 발전소의 일부인 시스템.
제5항에 있어서, 상기 냉수 시스템 내의 냉수는 OTEC 열 엔진 내의 작동 유체를 응축한 후, 상기 증기 시스템 내의 증기를 응축하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 증기 시스템은 상기 냉수 시스템과 유체 연통되는 다중 증기 응축기를 포함하는 시스템.
잠수부를 포함하는 연안 발전 구조물로서:
상기 잠수부는:
일체형 다단 증발기 시스템을 포함하는 제1 데크부와;
작동 유체를 응축하는 냉수 시스템을 갖는 일체형의 다단 응축 시스템을 포함하는 제2 데크부와;
상기 작용 유체와 유체 연통하는 하나 이상의 터빈 발전기를 내장하는 제3 데크부와;
냉수 유체와 유체 연통하는 하나 이상의 증기 응축기를 포함하는 증기 시스템
을 포함하는 것을 특징으로 하는 연안 발전 구조물.
제8항에 있어서, 상기 일체형 다단 증발기 시스템은 4단 하이브리드 연속 열교환 사이클을 포함하는 연안 발전 구조물.
제9항에 있어서, 상기 4단 하이브리드 열교환 사이클의 스테이지는 연결 배관의 제거로 인해 압력 손실이 최소인 상태로 온수가 스테이지 사이로 유동하도록 연속적인 것인 연안 발전 구조물.
제8항에 있어서, 상기 일체형 다단 응축 시스템은 4단 하이브리드 연속 열교환 사이클을 포함하는 연안 발전 구조물.
제11항에 있어서, 상기 4단 하이브리드 열교환 사이클의 스테이지는 연결 배관의 제거로 인해 압력 손실이 최소인 상태로 냉수가 스테이지 사이로 유동하도록 연속적인 것인 연안 발전 구조물.
제8항에 있어서, 상기 제1 데크부는 상기 잠수부의 구조적 부재를 형성하는 온수 도관을 포함하는 연안 발전 구조물.
제8항에 있어서, 상기 제2 데크부는 상기 잠수부의 구조적 부재를 형성하는 냉수 도관을 포함하는 연안 발전 구조물.
제8항에 있어서, 상기 제1 데크부와 상기 다단 증발기 시스템을 통해서는 온수를 냉각하는 자연 대류와 동일한 방향으로 온수가 유동하는 연안 발전 구조물.
제8항에 있어서, 상기 제2 데크부와 상기 다단 응축기 시스템을 통해서는 냉수를 가열하는 자연 대류와 동일한 방향으로 냉수가 유동하는 연안 발전 구조물.
제8항에 있어서, 상기 제1 데크부는 상기 제2 데크부 위에 있는 상기 제3 데크부의 위에 있는 연안 발전 구조물.
제8항에 있어서, 온수가 500,000~6,000,000 gpm의 유량으로 유동하는 연안 발전 구조물.
제8항에 있어서, 부유 스파를 포함하는 연안 발전 구조물.
제8항에 있어서, OTEC 발전 시스템과 증기 사이클 전력 발전 시스템을 포함하는 연안 발전 구조물.
연안 발전 구조물로서:
잠수부와;
하나 이상의 증기 응축기를 갖는 증기 사이클을 포함하는 증기 사이클 전력 발전 시스템
을 포함하고,
상기 잠수부는:
일체형 다단 증발기 시스템을 포함하는 제1 데크부와;
일체형 다단 응축 시스템을 포함하는 제2 데크부와;
발전 장비를 내장하는 제3 데크부
를 포함하고,
상기 다단 증발기 시스템은:
대용적 온수 도관을 형성하는 제1 온수 구조적 통로와;
작동 유체를 기체로 가열하도록 상기 제1 스테이지 온수 구조적 통로와 협력하여 배열된 제1 스테이지 작동 유체 통로와;
대용적 온수 도관을 형성하고 해당 제1 스테이지 온수 방출부에 결합된 제2 스테이지 온수 취수부를 포함하는 제2 스테이지 온수 구조적 통로에 직접 결합된 제1 스테이지 온수 방출부와;
제2 작동 유체를 기체로 가열하도록 상기 제2 스테이지 온수 구조적 통로와 협력하여 배열된 제2 스테이지 작동 유체 통로와;
제2 스테이지 온수 방출부
를 포함하고,
상기 일체형 다단 응축 시스템은:
대용적 냉수 도관을 형성하고 제1 스테이지 냉수 취수부를 더 포함하는 제1 스테이지 냉수 구조적 통로와;
상기 제1 데크부의 상기 제1 스테이지 작동 유체 통로와 연통하는 제1 스테이지 작동 유체 통로로서, 상기 제1 스테이지 냉수 구조적 통로와 협력하여 작동 유체를 액체로 냉각하는, 그러한 제1 스테이지 작동 유체 통로와;
대용적 냉수 도관을 형성하고 제2 스테이지 냉수 취수부를 포함하는 제2 스테이지 냉수 구조적 통로에 직접 결합된 제1 스테이지 냉수 방출부와;
상기 제1 데크부의 상기 제2 스테이지 작동 유체 통로와 연통하는 제2 스테이지 작동 유체 통로로서, 상기 제2 스테이지 냉수 구조적 통로와 협력하여 해당 제2 스테이지 작동 유체 통로 내의 작동 유체를 액체로 냉각하는, 그러한 제2 스테이지 작동 유체 통로와;
제2 스테이지 냉수 방출부
를 포함하고,
상기 제1 스테이지 냉수 방출부와 상기 제2 스테이지 냉수 취수부는 상기 제1 스테이지 냉수 방출부로부터 상기 제2 스테이지 냉수 취수부까지의 냉수 흐름에 압력 손실이 최소가 되도록 배열되며;
상기 제3 데크부의 발전 장비는:
제1 및 제2 기체 터빈을 포함하며,
상기 제1 데크부의 상기 제1 스테이지 작동 유체 통로는 상기 제1 터빈과 연통되고, 상기 제1 데크부의 상기 제2 스테이지 작동 유체 통로는 상기 제2 터빈과 연통되며,
상기 증기 응축기는 상기 제1 또는 제2 스테이지 냉수 도관을 통과하는 냉수와 유체 연통되는 것을 특징으로 하는 연안 발전 구조물.
제21항에 있어서, 상기 구조물은 스파인 연안 발전 구조물.
제21항에 있어서, 상기 구조물은 OTEC 발전 시스템과 증기 사이클 전력 발전 시스템을 포함하는 연안 발전 구조물.
연안 발전 구조물로서:
잠수부와;
수상부와;
증기 응축기를 포함하고,
상기 잠수부는:
일체형 다단 증발기 시스템을 포함하는 제1 데크부와;
냉수 시스템을 갖는 일체형의 다단 응축 시스템을 포함하는 제2 데크부와;
기계적 및 전기적 장비를 내장하는 제3 데크부와;
냉수 파이프와;
냉수 파이프 연결부를 포함하고,
상기 수상부는:
증기 사이클을 갖는 핵발전소를 포함하고,
상기 증기 응축기는 상기 증기 사이클 및 상기 냉수 시스템과 연통되는 것을 특징으로 하는 연안 발전 구조물.