KR20160043650A - 증발식 해수담수화 시스템을 이용한 해양발전장치 - Google Patents

증발식 해수담수화 시스템을 이용한 해양발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해수를 막분리하면서 발생되는 담수와 고농도의 해수를 에너지원으로 하는 해양발전장치에 관한 것으로, 해수가 유입되어 고농도의 염수와 담수로 분리하는 증발식 해수담수화장치; 상기 증발식 해수담수화장치의 해수유입측에 배치돼서 상기 증발식 해수담수화장치에 유입되는 해수의 온도를 조절하는 열제어기; 상기 증발식 해수담수화장치의 고염수출력측에 배치되어, 배출된 고염수를 상기 열제어기와 고염수저장탱크 중에서 어느 하나를 선택적으로 공급하는 고염수전환밸브; 및 상기 증발식 해수담수화장치의 담수배출측에 배치돼서 고온의 담수를 이용하여 발전을 하는 온도차발전부를 포함한다.

Description

증발식 해수담수화 시스템을 이용한 해양발전장치{Marine power plant using evaporative desalination system}
본 발명은 증발식 해수담수화 시스템을 이용한 해양발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수를 증발법에 의해 생산되는 담수와 고농도의 염수를 에너지원으로 하는 해양발전장치에 관한 것이다.
현재 해수담수화하는 방법은 크게 증발법(MSF, MED, VCD)과 막분리법(RO, ED)으로 구분할 수 있으며, 증발법은 대용량화 실적이 많고 생산수 순도가 높다는 장점으로 인해 전세계 담수화 생산용량의 약 70%를 차지했었으나 담수를 생산하기 위한 에너지소모가 크다는 단점으로 인해 최근에는 역삼투법으로 전환이 늘고 있는 추세이다.
하지만 여전히 증발법을 이용한 해수담수화 시스템은 세계 시장의 상당부분을 차지하고 있기 때문에 증발법의 에너지소모량을 줄이기 위한 방법들이 요구되고 있으며 현재 전세계적으로 다양하게 연구 되고 있다.
특히 신재생에너지 활용 잠재력이 높은 유럽, 중동, 북아프리카에서는 태양에너지와 풍력 등 신재생에너지를 해수담수화 플랜트와 결합하여 전력과 물 부족문제 해결을 위한 연구가 진행되고 있다.
국내에서는 태양에너지를 이용한 증발식 해수담수화 시스템(KR1109535B) 및 태양에너지를 이용한 정삼투 공정과 막증류 공정의 융합식 일체형 담수생산 장치 및 이를 이용한 담수 생산 방법(KR1335445B) 등 주로 태양에너지를 이용한 해수담수화 시스템에 대한 연구가 진행되었으나 이는 날씨 등 주변 환경에 영향을 크게 받아 안정적인 전력 공급에는 문제점이 있다.
또한, 정삼투와 압력지연삼투와 막증류 공정을 이용한 해수로부터의 용수 및 에너지 생산장치 및 방법(KR1268936B) 등은 무한에너지원인 해수를 이용하여 안정적인 에너지 공급이 가능하나 에너지를 생산하기 위해서는 담수를 다시 사용해야하는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 해수를 증발법에 의해 생산되는 담수와 고농도의 염수를 에너지원으로 하는 해양발전장치를 제공하는 데에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 해수가 유입되어 고농도의 염수(이하, 고염수)와 담수로 분리하는 증발식 해수담수화장치; 상기 증발식 해수담수화장치의 해수유입측에 배치돼서 상기 증발식 해수담수화장치에 유입되는 해수의 온도를 조절하는 열제어기; 상기 증발식 해수담수화장치의 고염수출력측에 배치되어, 배출된 고염수를 상기 열제어기와 고염수저장탱크 중에서 어느 하나를 선택적으로 공급하는 고염수전환밸브; 및 상기 증발식 해수담수화장치의 담수배출측에 배치돼서 고온의 담수를 이용하여 발전을 하는 온도차발전부를 포함하는 해양발전장치이다.
상기 온도차발전부는, 해양온도차발전장치이며, 상기 해양온도차발전장치는, 상기 증발식 해수담수화장치로부터 배출되는 담수가 통과하면서 열교환되고, 냉매가 기화하는 증발기; 상기 증발기에 의해 기화된 냉매가 공급되는 터빈; 상기 터빈에 연결되어 전기를 생산하는 발전기; 상기 터빈으로부터 배출되는 냉매를 응축시키는 응축기; 상기 응축기에서 배출되는 냉매를 압축하여 상기 증발기로 공급하는 컴프레서; 및 상기 응축기로 해수를 공급하여 냉매를 냉각시키는 해수공급펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 고염수전환밸브와 상기 고염수저장탱크 사이에는 고염수열교환기가 배치돼서, 고염수가 가지는 열을 새로 유입되어 상기 열제어기를 향해 유입되는 해수를 예열시키는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 고염수저장탱크는 소금을 만드는 결정화장치에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 고염수저장탱크는 염도차발전장치와 연결되고, 상기 염도차발전장치는 고염수보다 염분농도가 낮은 물을 이용해 전기를 생산하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 염도차발전장치에서 발생되는 배출수는 상기 열제어기에 공급되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 증발식 해수담수화장치에서 발생된 고염수를 이용하여, 소금을 만들거나 염도차발전장치 후에 다시 증발식 해수담수화장치로 회귀시키는 것에 의해 해수보다 높은 농도의 염수가 다시 해양으로 버려지는 것을 방지할 수 있다.
상기 염도차발전장치는, 외부로부터 유입되는 해수와, 상기 고염수저장탱크로부터 공급되는 고염수가 유입되어 고염수와 해수를 각각 가열하는 가열기; 상기 가열기를 통과한 고염수와 해수를 격벽에 의해 서로 격리시키고 해수챔버와 고염수수챔버가 형성되고, 상기 격벽의 상부로는 해수의 상부측과 상기 고염수의 상부측이 연통되는 공간에 블레이드가 배치되는 증발케이싱; 상기 블레이드와 연결되어 전기를 생산하는 발전기; 상기 해수챔버와 상기 고염수챔버로부터 해수와 고염수를 배출시키는 배출수배출관; 및 상기 공간에 부압을 공급하는 부압장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가열기보다 전단에 설치되어 배출수가 가지는 열을 상기 가열기를 향해 공급되는 해수와 고염수에 전달하는 배출수열교환기가 설치될 수 있다.
본 발명을 통하여 증발식 해수담수화장치를 이용해 해수를 고염수와 담수로 분리하면서 담수와 고염수 모두를 에너지원으로 하여 발전을 할 수 있고, 특히 고염수의 경우 저장하여 염도차발전장치에서 발전할 수 있음로 전력저장 시스템의 투자비용을 줄일 수 있다.
또한, 고염수의 경우 소금을 생산하거나, 염도차발전으로 활용되므로 고농도의 염수 배출이 없어 자연환경 피해가 없으며, 소금 등의 부가가치를 얻어 담수 생산 단가를 낮출 수 있다.
특히, 본 발명은 전력망 연계가 어려운 해안 일부 도서지역에 디젤엔진 또는 가스엔진 발전시스템이 없는 독립형 시스템을 구축하여 물부족 문제를 해결하기 위한 수단으로 증발식 해수담수화장치를 사용하면서, 동시에 이것을 발전장치로써 활용할 수 있으므로 비용 경제적이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른염수를 이용한 해양발전장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 염수를 이용한 해양발전장치 중 증기압차발전장치의 개략도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1에서 도면부호 100은 본 발명에 따른 해양발전장치를 지시한다. 본 발명의 해양발전장치(100)는 기본적으로 해수를 고염수와 담수로 분리하는 MD(Membrane Distillation)(104)를 중심으로 개시된다. 따라서, 상기 해양발전장치(100)는, 해수가 유입되어 고염수와 담수를 생산하는 MSF(Multi Stage Flash), MED(Multi Effect Distillation), VCD(Vapor Compression Distillation), MD(Membrane Distillation) 등의 증발식 해수담수화장치(104)와, 상기 증발식 해수담수화장치(104)의 해수유입측에 배치돼서 상기 증발식 해수담수화장치(104)에 유입되는 해수의 온도를 조절하는 열제어기(102)와, 상기 증발식 해수담수화장치(104)의 고염수출력측에 배치되어, 배출된 고염수를 상기 열제어기(102)와 고염수저장탱크(110) 중에서 어느 하나를 선택적으로 공급하는 고염수전환밸브(106)와, 상기 증발식 해수담수화장치(104)의 담수배출측에 배치돼서 고온의 담수를 이용하여 발전을 하는 온도차발전부를 포함하여 이루어진다.
상기 증발식 해수담수화 시스템(104)은 해수공급관(L4)로부터 유입되는 해수를 증발법에 의해 고염수와 담수로 생산하는 역할을 한다. 상기 MSF(Multi Stage Flash), MED(Multi Effect Distillation), VCD(Vapor Compression Distillation), MD(Membrane Distillation) 등의 증발식 해수담수화 시스템(104)은 공지의 기술을 사용하므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 열제어기(102)는 상기 증발식 해수담수화장치(104)에서 해수가 염수와 담수로 분리시키기에 적합한 온도로 유입되는 해수 또는 피드백되는 염수를 가열하고, 염수공급관(L2)를 통해 상기 증발식 해수담수화장치(104)로 공급한다.
상기 증발식 해수담수화장치(104)에서 고염수가 배출되는 고염수생산관(L1)은 고염수전환밸브(106)와 연결되며, 상기 고염수전환밸브(106)는 상기 열제어기(102)와 연결되는 고염수피드백관(L3)과, 고염수열교환기(108)와 연결되는 고염수공급관(L8)의 2개의 유로를 선택할 수 있다.
상기 고염수열교환기(108)에는 해수보충관(L6)을 통해 해수가 유입되며, 상기 고염수열교환기(108)를 지나면서 예열된 해수는 해수주입관(L7)을 통해 상기 고염수피드백관(L3) 또는 열제어기(102)로 공급된다.
상기 고염수열교환기(108)를 통과한 염수는 고염수열교환기배출관(L9)을 통해 고염수저장탱크(110)에 저장된다. 상기 고염수저장탱크(110)는 고염수를 저장하는 것에 의해, 필요한 경우 고염수발전공급관(L10)을 통해 연결되는 염도차발전장치(112)로 고염수를 공급하여 발전을 하거나, 잉여되는 고염수를 고염수결정화공급관(L11)을 통해 연결되는 결정화장치(114)로 공급하여 소금을 생산할 수 있다.
상기 염도차발전장치(112)로는 pressure-retarded osmosis, reversed electrodialysis, capacitive method, absorption refrigeration cycle, solar pond 등의 다양한 공정이 사용될 수 있으나 본 발명에 있어 이를 제한하는 것은 아니다. 공지된 특허 제10-1233295호를 활용하는 것도 가능하다.
또, 상기 염도차발전장치(112)로 증기압차를 이용한 염도차발전장치를 제안 될 수 있다. 상기 증기압차를 이용한 염도차발전장치는, 외부로부터 유입되는 해수와, 상기 고염수저장탱크(110)로부터 공급되는 고염수가 유입되어 고염수와 해수를 각각 가열하는 가열기(132)와, 상기 가열기(132)를 통과한 고염수와 해수를 격벽(146)에 의해 서로 격리시키고 해수챔버(138)와 고염수수챔버(140)가 형성되고, 상기 격벽(146)의 상부로는 해수의 상부측과 상기 고염수의 상부측이 연통되는 공간에 블레이드(142)가 배치되는 증발케이싱(134)과, 상기 블레이드(142)와 연결되어 전기를 생산하는 발전기(136)와, 상기 해수챔버(138)와 상기 고염수챔버(140)로부터 해수와 고염수를 배출시키는 배출수배출관(L12)과, 상기 공간에 부압을 공급하는 부압장치(141)를 포함하여 이루어진다.
따라서, 상기 해수챔버(140)의 해수는 진공펌프에 의해 증발이 일어나기 위한 압력까지 낮아졌을 때 증발이 활발하게 일어나지만, 상기 고염수챔버(138)의 고염수는 해수에 비해 높은 염분으로 인해 동일 압력에서 끓는점이 더 높아 증발량이 적다. 이 결과, 수증기가 해수챔버(140) 측에서 고염수챔버(138) 측으로 이동하면서 상기 블레이드(142)를 회전시키게 된다.
상기 고염수챔버(138)와 상기 해수챔버(140)는 복수개가 분리벽(148)을 통해 병렬로 배치되고, 그 상측에 배치되는 각각의 블레이드(142)를 하나의 블레이드축(144)으로 연결하여 상기 발전기(136)를 돌리는 것에 의해 발전되는 전기량을 늘릴 수 있다.
또, 상기 가열기(132)보다 전단에 설치되어 배출수가 가지는 열을 상기 가열기(132)를 향해 공급되는 해수와 고염수에 전달하는 배출수열교환기(130)를 포함하여 열에너지의 이용효율을 높일 수 있다.
그리고, 상기 배출수열교환기(130)를 통과한 배출수는 상기 증발식 해수담수화장치(104)의 염수유입측에 재공급될 수 있다. 마찬가지로, 다른 형태의 염도차발전장치(112)를 통과한 배출수는 배출수배출관(L12)을 통해 상기 열제어기(102)를 지나 상기 증발식 해수담수화장치(104)의 해수유입측에 재공급될 수 있다. 따라서, 해수보다 높은 농도의 염수가 다시 해양으로 버려지는 것을 방지할 수 있다.
상기 증발식 해수담수화장치(104)의 담수생산관(L14)는 온도차발전부와 연결된다.
상기 해양온도차발전장치는, 상기 증발식 해수담수화장치(104)로부터 배출되는 담수가 통과하면서 열교환되고, 냉매가 기화하는 증발기(116)와, 상기 증발기(116)에 의해 기화된 냉매가 제1냉매관(L26)을 통해 공급되는 터빈(118)과, 상기 터빈(118)에 연결되어 전기를 생산하는 발전기(120)와, 상기 터빈(118)으로부터 제2냉매관(L23)을 통해 배출되는 냉매를 응축시키는 응축기(122)와, 상기 응축기(122)에서 제3냉매관(L24)을 통해 배출되는 냉매를 압축하여 제4냉매관(L25)을 통해 상기 증발기(116)로 공급하는 컴프레서(C)와, 상기 응축기(122)로 해수공급관(L27)을 통해 해수를 공급하여 냉매를 냉각시키는 해수공급펌프(126)를 포함하여 이루어진다. 상기 응축기(122)를 지난 해수는 해수배출관(L27)을 통해 다시 방출한다.
상기 해양온도차발전장치는 힛펌프(heat pump)와 같이, 고온의 담수와 저온의 해수의 온도차에 의해 냉매를 순환시키면서, 터빈(118)으로 발전기(120)를 돌려 전기를 생산한다.
따라서, 증발식 해수담수화 시스템(104)을 이용해 고염수와 담수를 생산하면서 담수와 고염수 모두를 에너지원으로 하여 발전을 할 수 있고, 특히 고염수의 경우, 저장하여 필요한 경우에 염도차발전장치(112)에서 발전할 수 있어서 전기생산량을 크게 할 수 있고, 소금 등의 부가가치를 얻어 담수 생산 단가를 낮출 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 해양발전장치 102:열제어기
104: 증발식 해수담수화장치 106: 고염수전환밸브
108: 고염수열교환기 110: 고염수저장탱크
112: 염도차발전장치 114: 결정화장치
116: 증발기 118: 터빈
120,136: 발전기 122: 응축기
124: 컴프레서 126: 해수공급펌프
130: 가열기 134: 증발케이싱
136: 기수열교환기 138: 해수챔버
140: 고염수챔버 141: 부압장치
142: 블레이드 144: 블레이드축
146: 격벽 148: 분리벽
L1: 고염수생산관 L2: 염수공급관
L3: 고염수피드백관 L4: 해수공급관
L7: 해수주입관 L8: 고염수공급관
L9: 고염수열교환기배출관 L10: 고염수발전공급관
L11: 고염수결정화공급관 L12: 배출수배출관
L13: 해수공급관 L14: 담수생산관
L16: 담수공급관 L19: 해수공급관
L21: 고온해수관 L22: 고온담수관
L23: 제2냉매관 L24: 제3냉매관
L25: 제4냉매관 L26: 제1냉매관
L27: 해수공급관 L29: 해수배출관

Claims (9)

  1. 해수가 유입되어 고염수와 담수로 분리하는 증발식 해수담수화장치;
    상기 증발식 해수담수화장치의 해수유입측에 배치돼서 상기 증발식 해수담수화장치에 유입되는 해수의 온도를 조절하는 열제어기;
    상기 증발식 해수담수화장치의 고염수출력측에 배치되어, 배출된 고염수를 상기 열제어기와 고염수저장탱크 중에서 어느 하나를 선택적으로 공급하는 고염수전환밸브;
    상기 증발식 해수담수화장치의 담수배출측에 배치돼서 고온의 담수를 이용하여 발전을 하는 온도차발전부를 포함하는 해양발전장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도차발전부는, 해양온도차발전장치이며,
    상기 해양온도차발전장치는, 상기 증발식 해수담수화장치로부터 배출되는 담수가 통과하면서 열교환되고, 냉매가 기화하는 증발기;
    상기 증발기에 의해 기화된 냉매가 공급되는 터빈;
    상기 터빈에 연결되어 전기를 생산하는 발전기;
    상기 터빈으로부터 배출되는 냉매를 응축시키는 응축기;
    상기 응축기에서 배출되는 냉매를 압축하여 상기 증발기로 공급하는 컴프레서를 포함하는 것을 특징으로 하는 해양발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고염수전환밸브와 상기 고염수저장탱크 사이에는 고염수열교환기가 배치돼서, 고염수가 가지는 열을 새로 유입되어 상기 열제어기를 향해 유입되는 해수를 예열시키는 것을 특징으로 하는 해양발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고염수저장탱크는 소금을 만드는 결정화장치에 연결되는 것을 특징으로 하는 해양발전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고염수저장탱크는 염도차발전장치와 연결되고, 상기 염도차발전장치는 고염수보다 염분농도가 낮은 물을 이용해 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 해양발전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 염도차발전장치에서 발생되는 저염측 염수는 상기 열제어기에 공급되는 것을 특징으로 하는 해양발전장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 염도차발전장치에서 발생되는 고염측 염수는 소금을 만드는 결정화장치에 연결되는 것을 특징으로 하는 해양발전장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 염도차발전장치는,
    외부로부터 유입되는 해수와, 상기 고염수저장탱크로부터 공급되는 고염수가 유입되어 고염수와 해수를 각각 가열하는 가열기;
    상기 가열기를 통과한 고염수와 해수를 격벽에 의해 서로 격리시키고 해수챔버와 고염수수챔버가 형성되고, 상기 격벽의 상부로는 해수의 상부측과 상기 고염수의 상부측이 연통되는 공간에 블레이드가 배치되는 증발케이싱;
    상기 블레이드와 연결되어 전기를 생산하는 발전기;
    상기 해수챔버와 상기 고염수챔버로부터 해수와 고염수를 배출시키는 배출수배출관; 및
    상기 공간에 부압을 공급하는 부압장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 해양발전장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가열기보다 전단에 설치되어 배출수가 가지는 열을 상기 가열기를 향해 공급되는 해수와 고염수에 전달하는 배출수열교환기가 설치되는 것을 특징으로 하는 해양발전장치.
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