KR20220035500A

KR20220035500A - 바닥 설치형 해양 열 에너지 변환 플랜트

Info

Publication number: KR20220035500A
Application number: KR1020227006711A
Authority: KR
Inventors: 배리 알 콜; 로렌스 제이 샤피로; 조너던 엠 로스; 윌리엄 마틴 헤이든
Original assignee: 더 아벨 파운데이션, 인크.
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2022-03-22
Also published as: CN115349057A; US20220299015A1; JP2022542966A; WO2021022200A1

Abstract

해양 열 에너지 변환 플랜트는 육상에 위치한 작동 센터; 연안에 위치하며 플랜트 증발기 및 플랜트 응축기를 내포하는 바닥 설치형 구조물; 및 작동 센터와 바닥 설치형 구조물의 플랜트 기계의 사이에서 연장되는 제어 케이블을 포함할 수 있다. 전기 제공 방법은 육상에 위치한 작동 센터로부터 연안에 위치한 무인 구조물로 신호를 전송하는 단계; 및 신호에 응답하여 무인 구조물에 위치한 증발기, 응축기, 및 펌프를 작동시켜 무인 구조물에서 0.5 MW 내지 15 MW의 전기를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

바닥 설치형 해양 열 에너지 변환 플랜트

관련 출원의 교차 참조

본 출원은 35 U.S.C. 섹션 §119(e) 하에서 2019년 7월 31일 출원된 미국 특허 가출원 제62/880,803호의 우선권의 이익을 주장하며, 상기 출원의 내용이 전체적으로 본원에 참조로서 인용된다.

본 개시는 해양 열 에너지 변환 파워 플랜트에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 바닥 설치형 해양 열 에너지 변환 파워 플랜트에 관한 것이다.

해양 열 에너지 변환("OTEC")은 해양의 열대 지역에 열로서 저장된 태양 에너지를 사용하여 재생 가능한 에너지를 생산하는 방식이다. 열대 해양과 전 세계의 바다는 독특한 재생 가능 에너지 자원을 제공한다. 많은 열대 지역(대략 북위 20° 내지 남위 20°)에서는 해수면의 온도가 거의 일정하게 유지된다. 대략 100 ft의 깊이까지는 해수면의 평균 온도가 계절에 따라 75℉와 85℉ 이상의 사이에서 변한다. 동일 지역에서, 심해수(2,500 ft 내지 4,200 ft 이상)는 상당히 일정하게 40℉로 유지된다. 따라서, 열대 해양 구조물을 통해 해수면에 대규모의 온수 저장소가 제공되며 심층에 대규모의 냉수 저장소가 제공되며, 이들 온수 저장소와 냉수 저장소 사이의 온도차는 35℉ 내지 45℉이다. 이 온도차는 계절적 변화가 적으며 낮이나 밤이나 항상 상당히 일정하게 유지된다.

OTEC 프로세스는 열대 수역의 표층수와 심층수 사이의 온도차를 사용하여 열기관을 구동시켜 전기 에너지를 생산한다. OTEC 전력 생성은 생산된 에너지의 탄소 발자국(carbon footprint)이 낮거나 제로인 가능한 재생 가능 에너지원으로서 1970년대 후반에 확인되었다. 그러나, 보다 전통적인 고압 고온의 전력 생성 플랜트에 비해, OTEC 파워 플랜트는 열역학적 효율이 낮다. 예를 들어, 80℉ 내지 85℉의 평균 해양 표층수 온도와 40℉로 일정한 심층수 온도를 사용할 경우, OTEC 파워 플랜트의 이상적인 최대 카르노(Carnot) 효율이 7.5% 내지 8%일 것이다. 실제 작동에서의 OTEC 전력 시스템의 총 전력 효율은 카르노 한계의 약 절반이거나 대략 3.5% 내지 4.0%일 것으로 추정되어 왔다. 추가적으로, 1970년대와 1980년대에 선도적인 조사관들에 의해 수행되었으며 "Renewable Energy from the Ocean, a Guide to OTEC"[William Avery 및 Chih Wu, 옥스퍼드 대학 출판부(1994)](본원에 참조로서 인용됨)로 문서화된 분석에 따르면, 40℉의 ΔT로 작동하는 OTEC 플랜트에 의해 생성된 총 전력의 1/4 내지 1/2(또는 그 이상)은 물과 작동 유체 펌프를 실행시키는 데 뿐만 아니라 플랜트의 다른 보조 필수 장치에 전력을 공급하는 데 필요하다. 이러한 사실을 근거로, OTEC 파워 플랜트는, 해양 표층수에 저장된 열 에너지를 순수 전기 에너지로 변환하는 전체 순 효율이 낮기 때문에, 상업적으로 실행 가능한 에너지 생산 선택안이 되지 못하였다.

전체 열역학적 효율을 더욱 감소시키는 추가적인 요인으로는 정확한 주파수 조절을 위해 터빈에 필요한 제어를 제공하는 것과 연관된 손실이다. 이로 인해 따뜻한 해수로부터 추출될 수 있는 작업(work)을 제한하는 터빈 사이클의 압력 손실이 야기된다.

이와 같이 고온 및 고압에서 작동하는 열기관의 전형적인 효율에 비해 OTEC의 순 효율이 낮기 때문에, 에너지 계획 설계자 사이에서는 OTEC 전력은 보다 전통적인 전력 생산 방법과 경쟁하기에는 너무 값비싸다는 추정이 널리 유지되어 왔다.

실제로, 온수와 냉수 사이의 상대적으로 작은 온도차 때문에 OTEC 파워 플랜트에서는 기생 전력 요건이 특히 중요하다. 따뜻한 해수와 작동 유체 사이에서 그리고 차가운 해수와 작동 유체 사이에서 최대의 열 전달을 달성하기 위해서는, 높은 유체 속도와 함께, 큰 열 교환 표면적이 요구된다. 이러한 요인 중 어느 하나를 증가시킬 경우 OTEC 플랜트의 기생 부하가 크게 증가함으로써, 순 효율이 감소할 수 있다. 해수와 작동 유체 사이의 제한된 온도차에서 에너지 전달을 최대화하는 효율적인 열 전달 시스템이 OTEC 파워 플랜트의 상업적 실행 가능성을 증가시킬 것이다.

외견상 내재하는 큰 기생 부하로 인한 상대적으로 낮은 효율 외에도, OTEC 플랜트의 작동 환경으로 인해 이러한 작동의 상업적 실행 가능성도 감소시키는 설계 및 작동 문제가 제기된다. 앞서 언급한 바와 같이, OTEC 열기관에 필요한 온수는 100 ft 이하의 깊이까지의 해수면에서 발견된다. OTEC 기관을 냉각시키기 위한 일정한 냉수 공급원은 2700 ft 내지 4200 ft 이상의 깊이에서 발견된다. 이러한 깊이는 전형적으로, 인구 밀집 지역이나 심지어 대륙 가까이에서도 찾아볼 수 없는 깊이이다. 근해의 파워 플랜트가 필요한 이유이다.

OTEC 플랜트와 연관된 환경 문제도 OTEC 운영에 장애가 되어 왔다. 전통적인 OTEC 시스템은 해양 심층으로부터 영양분이 풍부한 냉수를 대량으로 끌어올려 이 물을 해수면에 또는 그 부근에 배출한다. 이러한 배출은, 긍정적인 또는 불리한 방식으로, OTEC 플랜트 부근의 해양 환경에 영향을 미쳐, OTEC 배출이 이루어지는 해류 아래에 있을 수 있는 어류 자원과 암초 군집을 훼손시킬 수 있다.

본 개시의 양태는 OTEC 프로세스를 이용하는 바닥 설치형 전력 생성 플랜트, 예를 들어, 육상에 위치한 작동 센터; 연안에 위치하며, 플랜트 증발기 및 플랜트 응축기를 내포하는 바닥 설치형 구조물; 및 작동 센터와 바닥 설치형 구조물의 플랜트 기계의 사이에서 연장되는 제어 시스템을 포함하는 OTEC 플랜트에 관한 것이다. 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, OTEC 플랜트는 바닥 설치형 구조물로부터 적어도 1500 ft의 깊이까지 연장되며 해저에 배치되거나 해저의 약간 위로 제한되는 1차 해수 관을 포함한다.

일부 실시예에서, OTEC 플랜트는 바닥 설치형 구조물로부터 해안선을 가로질러 연장되며 10 kV 내지 35 kV의 전기를 전송하도록 구성되는 송전 라인을 포함한다.

일부 실시예에서, OTEC 플랜트는 바닥 설치형 구조물로부터 육상으로 연장되는 워터라인(waterline)을 포함한다.

일부 실시예에서, 제어 시스템은 작동 센터와 바닥 설치형 구조물의 사이에서 연장되는 제어 케이블을 포함한다.

일부 실시예에서, 1차 제어 시스템은 작동 센터와 바닥 설치형 구조물 사이의 제어 케이블을 통해 육상의 공익 기업의 감시 제어 데이터 수집(SCADA) 시스템에 연결된 바닥 설치형 구조물 상에 위치한다.

일부 실시예에서, 플랜트 증발기 및 플랜트 응축기는 바닥 설치형 구조물의 워터라인의 아래에 위치한다.

일부 실시예에서, 플랜트 증발기 및 플랜트 응축기는 바닥 설치형 구조물의 워터라인의 약간 위(2 ft 내지 4 ft)에 위치한다.

일부 실시예에서, 바닥 설치형 구조물은 워터라인 위로 30 ft 미만으로 연장된다.

일부 실시예에서, 바닥 설치형 구조물은 해저로부터 가장 높은 오버헤드까지 측정된 수직 높이를 가지며, 바닥 설치형 구조물의 가장 높은 오버헤드는 워터라인 위로 바닥 설치형 구조물의 수직 높이의 20% 미만으로 연장된다.

일부 실시예에서, 바닥 설치형 구조물은 해저로부터 가장 높은 오버헤드까지 측정된 수직 높이를 가지며, 바닥 설치형 구조물의 가장 높은 오버헤드는 워터라인 위로 바닥 설치형 구조물의 수직 높이의 40% 미만으로 연장된다.

일부 실시예에서, 바닥 설치형 구조물은 구조물의 중심선에서 측정된 45 ft 내지 250 ft(예컨대, 200 ft 미만, 150 ft 미만, 80 ft 초과, 또는 100 ft 초과)의 수심 이내의 장소에 배치된다.

일부 실시예에서, OTEC 플랜트는 해안선과 대륙붕단 사이의 거리가 150 야드 내지 6600 야드인 장소에 배치되는 바닥 설치형 구조물을 포함한다. 경우에 따라, 바닥 설치형 구조물은 대륙붕단의 연안 해저가 해안선의 300 야드 이내에서 적어도 1500 ft의 깊이까지 내려가는 장소에 배치된다.

일부 양태에서, 전기 제공 방법은 육상에 위치한 작동 센터로부터 연안에 위치한 무인 구조물로 신호를 전송하는 단계; 및 신호에 응답하여 무인 구조물에 위치한 증발기, 응축기, 및 펌프를 작동시켜 무인 구조물에서 0.5 MW 내지 15 MW의 전기를 생성하는 단계를 포함한다. 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

일부 양태에서, 전기 제공 방법은 육상에 위치한 작동 센터로부터 연안에 위치한 유인 구조물로 신호를 전송하는 단계; 및 신호에 응답하여 유인 구조물에 위치한 증발기, 응축기, 및 펌프를 작동시켜 유인 구조물에서 0.5 MW 내지 15 MW의 전기를 생성하는 단계를 포함한다. 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 방법은 적어도 1500 ft의 깊이로부터 무인 구조물로 해수를 펌핑하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 방법은 무인 구조물로부터 육상으로 전기를 전송하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 방법은 무인 구조물로부터 육상으로 물을 펌핑하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 신호를 전송하는 단계는 작동 센터와 바닥 설치형 구조물의 사이에서 연장되는 제어 케이블을 통해 육상의 작동 센터로부터 연안의 무인 구조물로 신호를 전송하는 단계를 포함한다.

일부 양태에서, 전기 제공 방법은 육상에 위치한 공익 기업 작동 제어 센터와 연안에 위치한 바닥 설치형 구조물에 위치한 유인 작동 제어 센터 간에 신호를 전송하는 단계; 및 공익 기업 작동 제어 센터의 신호에 응답하여 유인 구조물에 위치한 증발기, 응축기, 및 펌프를 작동시켜 유인 구조물에서 0.5 MW 내지 15 MW의 전기를 생성하는 단계를 포함한다. 실시예는 다음의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 방법은 적어도 1500 ft의 깊이로부터 유인 구조물로 해수를 펌핑하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 방법은 유인 구조물로부터 육상으로 전기를 전송하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 방법은 유인 구조물로부터 육상으로 물을 펌핑하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 신호를 전송하는 단계는 작동 센터와 바닥 설치형 구조물의 사이에서 연장되는 제어 케이블을 통해 육상의 작동 센터로부터 연안의 유인 구조물로 신호를 전송하는 단계를 포함한다.

바닥 설치형 OTEC 플랜트는 증발기, 응축기, 펌프, 및 발전기와 같은 장비를 수용하는 무인 연안 플랜트와 육상 작동 센터 및 육상 전력망의 스위치야드/연계부를 조합하여 구현될 수 있다. 작동 센터는 종종, 전력망의 스위치야드/연계부와 같은 위치에 있다. 무인 연안 플랜트는 기존의 연안 플랜트 장비를 가능한 한 유지 관리가 필요 없도록 함으로써 유지 관리 요건을 감소시키도록 설계된다. 이에 의해 보다 강력한 모니터링, 명령, 및 제어 시스템뿐만 아니라 더 단순하지만 신뢰성이 더 높은 장비가 초래될 가능성이 있으며, 자본 비용은 더 높지만 유지 관리 및 인건비는 더 낮아지는 결과가 초래될 것이다.

예를 들어, 해양 코팅 시스템이 전체적으로 적용될 수 있다. 진동 센서가 모든 회전 기계에 설치되어 예정된 유지 관리가 아닌 조건 기반 유지 관리를 가능하게 할 수 있다. 해수 펌프와 열 교환기 인클로저 사이의 자동 역류 해수 여과기가 열 교환기의 성능을 저하시키며 막힘과 악취를 발생시킬 수 있는 파편을 포획 제거한다. 격리 밸브가 있는 해수 및 암모니아 교차형 배관은, 하나의 펌프, 열 교환기 인클로저 또는 암모니아 터빈 발전기가 유지 관리를 위해 차단되어야 하는 경우에도, 파워 플랜트가 거의 최대 출력 용량으로 계속 작동하는 것을 가능하게 한다. 부식을 줄이기 위해, 평평한 측면을 갖는 구조물의 외부 구조물, 즉, 보트 승강장 및 거처 사다리, 구명정 기둥, 난간 및 노천 데크로 가는 계단 및 조명 기구가 비부식성 재료로 형성된다. 해수 펌프와 여과기 몸체는 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성될 수 있다. 작업 영역이 완전히 폐쇄되어 공기 조화될 수 있으므로, 국제 해사 기구(International Maritime Organization) 협약에서 요구하는 유지 관리가 적은 방수 밀폐형 조명만이 구조물의 외부에 설치된다. 태양과 파도에 노출되는 도어와 해치는 메인 데크의 양측에 있는 2개의 화물용 도어와 보트 승강장 도어(들)로 제한될 수 있다. 폭풍 해일로 인해 바다가 상승하여 파도가 폐쇄된 도어를 치면, 시일(seal)이 압축되어 구조물 내부로 물이 들어가지 않도록 모든 화물용 도어는 바깥쪽으로 열린다.

또한, 높은 신뢰도의 품목(예컨대, 해수 여과기, 해수 펌프, 암모니아 펌프, HVAC 팬과 냉각 코일, 시동 및 비상용 디젤 발전기, LED 및 광섬유 조명, 가변 주파수 구동부와 모터, 소방 펌프, 방수 도어와 해치, 계기판과 계기, 경보 및 제어 시스템)은 연안 구조물에 내장될 수 있고, 더 낮은 신뢰도의 유지 관리가 많이 필요한 품목(예컨대, 승압 변압기 및 축전지)은 육상의 연계 시설에 설치될 수 있다.

유인 연안 플랜트 내의 시스템은 전형적으로, 정상 조건 동안에는 구조물에서 제어되지만, 육상의 다른 발전 시스템을 차단하여야 할 때 플랜트가 계속 작동하는 것을 허용하는 비정상적인 조건 하에서는 육상의 작동 센터로부터 제어됨으로써, 비상 상황 동안 뭍에 전력을 제공할 수 있다. 무인 연안 플랜트 내의 시스템은 정상 및 비상 조건 하에서 육상의 작동 센터에서 제어될 것이다. 무인 구성은 담당자가 바다를 건너 플랜트로 가야 할 일이 거의 없기 때문에 운영 비용을 절감할 수 있다. 유인 구성은 담당자가 장기간 숙박하면서 교대 근무 사이에 일상적인 작업 및 유지 관리를 수행할 수 있으므로 운영 비용을 절감할 수 있다.

바닥 설치형 OTEC 플랜트는 대부분의 또는 모든 플랜트 기계가 워터라인의 아래에 위치하는 상태로 구현될 수 있다. 이 구성은 일부 OTEC 플랜트와 연관된 구조를 매개로 한 그리고 공기를 매개로 한 소음 방출을 줄일 수 있다. OTEC 플랜트의 해수면 아래에 펌프를 배치하면 기생 펌핑 전력을 감소시켜 뭍으로 더 많은 전력을 전송하는 것이 가능해진다.

상부 공간에 대한 요건이 낮아지면 바닥 설치형 OTEC 플랜트가 대부분의 구조물이 또한 워터라인의 아래에 위치하여 플랜트의 시각적 영향을 줄이는 방식으로 구성될 수 있다. 이 특징은, 예를 들어, 아름다운 자연 경관의 이점을 취하는 위치의 외딴 휴양지와 같은 장소에서 특히 중요할 수 있다. 해수면 위의 프로파일이 낮다는 것은 결국, 안전등과 통신 안테나의 높이를 낮추며, 따라서, 항공기 운항에 영향을 미칠 가능성을 줄이면서 고기잡이배와 유람선에는 항해를 돕는 근해 장비를 제공하는 효과가 있다.

일부 플랜트는 구조물의 일부가 워터라인 아래에 있어 폭풍 해일 및 폭풍파에 대해 봉인되는 상태로 뭍에 건설된다. 이들 플랜트는 바닥이 인접한 해저와 같은 높이에 있고 입구가 보호 방파제로 폐쇄될 수 있는 인공 만으로 이동되는 바닥 설치형 플랜트일 수 있다. 이러한 플랜트는 사용 수명에 도달한 후에는 업그레이드된 버전으로 교체하기 위해 재부상되어 제거될 수 있도록 위치가 지정될 수 있다.

바닥 설치형 OTEC 플랜트에서는, 해수 관 연결부 상의 응력이 부유식 OTEC 플랜트에 비해 감소된다. 바닥 설치형 OTEC 플랜트 상의 연결부는, 수주 및 그 결과로 생긴 힘에서의 부유식 플랜트와 부유식 플랜트에 매달린 관 모두의 움직임을 보상하도록 구성되기 보다는, 고정되며 단순히 플랜지형으로 형성될 수 있다.

본원에 사용된 바와 같은, "바닥 설치형(bottom-founded)"이라는 용어는 해저에 고정되는 구조물을 포함한다.

하나 이상의 실시예의 세부 사항이 첨부 도면 및 아래의 설명에 기재된다. 본 개시의 다른 양태, 특징, 및 장점이 설명과 도면으로부터 그리고 청구 범위로부터 명백해질 것이다.

도 1은 예시적인 바닥 설치형 OTEC 플랜트의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 바닥 설치형 OTEC 플랜트의 연안 부분의 개략적인 측면도이다.
도 3은 도 1의 바닥 설치형 OTEC 플랜트의 증발기 데크의 평면도이다.
도 4는 도 1의 바닥 설치형 OTEC 플랜트의 응축기 데크의 평면도이다.
도 5는 제2 예시적인 바닥 설치형 OTEC 플랜트의 개략적인 조감도이다.
도 6은 도 5의 바닥 설치형 OTEC 플랜트의 개략적인 측면도이다.
도 7은 도 5의 OTEC 플랜트의 바닥 설치형 구조물 부분의 개략적인 측면도이다.
도 8은 도 5의 바닥 설치형 OTEC 플랜트의 제1 데크의 평면도이다.
도 9a는 열 교환기 어레이의 랙이 제거된 도 5의 바닥 설치형 OTEC 플랜트의 열 교환기의 개략도이다.
도 9b는 도 9a의 열 교환기의 열 교환기 어레이의 랙의 개략도이다.
도 10은 도 8의 제1 데크의 제어 및 거처 공간의 평면도이다.
도 11은 도 5의 바닥 설치형 OTEC 플랜트의 제2 데크의 평면도이다.
도 12는 도 5의 바닥 설치형 OTEC 플랜트를 해안에서 본 개략도이다.

바닥 설치형 OTEC 플랜트는 근해 환경용의 생존 가능성이 높은 플랫폼을 제공할 수 있다. 이러한 플랜트는 얕고 좁은 대륙붕과 냉수 심층까지 급락하는 방조벽이 있는 장소에 매우 적합하다. 이러한 장소로는, 예를 들어, 카리브해, 태평양 및 인도양에 있는 수많은 부지가 있다. 바닥 설치형 구조물은 또한, 그 높은 생존성 덕택으로 극심한 폭풍우에 노출되는 장소에 특히 매우 적합하다.

열대 지방에는 OTEC 파워 플랜트에 의해 생성된 기본 부하 전기의 혜택을 받을 수 있는 섬 지역 사회가 많이 있다. 이들 섬 중 다수에는 1.5 MW 내지 5.0 MW의 낮은 총 전력 수요를 갖는 영주민 및/또는 방문객으로 이루어진 소규모의 인구가 살고 있다. 예를 들어, 바하마의 몇몇 "가족 섬(fmaily island)"에는 피크 전기 수요가 1.5 MW 내지 10.0 MW인 약 2,000명 내지 6,000명의 영구 거주 인구가 있다. 이 수요는 OTEC 플랜트에 의해 충당될 수 있긴 하지만, 부유식(spar-based) OTEC 플랜트의 지원 인프라를 갖는 대규모 연안 플랫폼의 자본 비용을 정당화하기에는 너무 적은 수준이다.

바닥 설치형 OTEC 플랜트는 해안 기반 OTEC 플랜트와 연관된 비용과 암초 손상을 줄일 수 있다. 바닥 설치형 OTEC 플랜트의 경우에는 해안 기반 OTEC 플랜트와 연관된 따뜻한 해수 및 차가운 해수 취수 및 복귀 관을 암초와 해안선을 가로질러 설치할 필요가 없다. 이러한 관은 자본 비용을 증가시키며, 경우에 따라, 해안 기반 OTEC 플랜트의 암초 손상을 증가시킨다. 바닥 설치형 OTEC 플랜트는 또한, 해안 근처에 정박된 부유식 OTEC 플랜트와 연관된 다수의 닻 설치 위치와 암초를 가로질러 쓸려지는 체인을 필요로 하지 않는다. 더욱이, 바닥 설치형 OTEC 플랜트는 OTEC 바지선용의 8점 계류 스프레드(mooring spread)를 고정하기에 충분히 큰 대륙붕이 없는 장소에도 배치될 수 있다.

도 1을 참조하면, 예시적인 바닥 설치형 OTEC 플랜트(100)는 육상에 위치한 작동 센터(110), 연안에 위치한 바닥 설치형 구조물(112), 및 작동 센터(110)와 바닥 설치형 구조물(112)의 사이에서 연장되는 제어 시스템(113)을 포함한다. 바닥 설치형 구조물(112)은 플랜트 증발기 및 응축기, 펌프(예컨대, 온수 펌프 및 냉수 펌프), 및 증발기와 응축기에 의해 각각 가열 및 냉각되는 작동 유체에 의해 구동되는 터빈 발전기를 내포한다.

OTEC(100)의 제어 시스템(113)은 작동 센터(110)의 제어 스테이션, 작동 센터(110)와 바닥 설치형 구조물(112)의 사이에서 연장되는 제어 케이블(114), 및 바닥 설치형 구조물(112)의 기계를 제어하도록 작동 가능한 바닥 설치형 구조물(112)의 원격 액추에이터를 포함한다. 일부 OTEC 플랜트는 바닥 설치형 구조물(112)의 기계를 원격으로 작동시키는 다른 접근법으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 일부 OTEC 플랜트는, 제어 케이블(114)을 통해 제어 신호를 전송하는 대신에 또는 이에 추가하여, 작동 센터(110)로부터 바닥 설치형 구조물(112)로의 제어 신호의 무선 주파수 전송을 사용한다.

예시적인 OTEC 플랜트(100)는 또한, 해안선(118)을 가로질러 바닥 설치형 구조물로부터 연장되는 송전 라인(116)을 포함한다. 송전 라인(116)은 10 kV 내지 33 kV의 전기를 전송하도록 구성된다. 일부 OTEC 플랜트에서, 작동 센터는 종종, 전력망(120)의 스위치야드/연계부와 같은 위치에 있고, 송전 라인(116)은 바닥 설치형 구조물(112)과 작동 센터(110)의 사이에서 연장된다. 예를 들어, 전력 조절과 같은 작동이 육상의 스위치야드에서 수행될 수 있다. 일부 OTEC 플랜트에서는, 송전 라인(116)이 작동 센터(110)로 연장되는 것이 아니라 별도의 전력망의 스위치야드/연계부로 연장된다.

송전 라인(116)과 제어 케이블(114)은 모두 해저에 놓여지며, 도시된 OTEC 플랜트(100)에서 사석이나 특수 보호 패드로 가볍게 덮여 있다. 이러한 접근법은 제어 케이블(114)과 송전 라인(116)을 보호하는 동시에 해저와 암초의 손상을 제한할 것으로 예상된다.

도시된 OTEC 플랜트(100)에서는, 단일 작동 센터(110)가 단일 바닥 설치형 구조물(112)을 제어한다. 일부 시스템에서는, 단일 작동 센터(110)가 다수의 바닥 설치형 구조물(112)에 연결되어 이를 제어한다. 유사하게, 일부 시스템은 중복성을 제공하기 위해 하나 이상의 백업 작동 센터(110)로 구현된다.

1차 해수 관(122)이 바닥 설치형 구조물(112)로부터 적어도 1500 ft의 깊이까지 대륙붕단(124)의 위에서 연장된다. 1차 해수 관(122)은 해저에 배치된다. 예시적인 OTEC 플랜트(100)에서, 취수에 사용되는 1차 해수 관(122)은 배수에 사용되는 1차 해수 관(122)과 분리되어 있다. 일부 OTEC 플랜트에서는, 취수 및 배수용 1차 해수 관(122)이 같은 위치에 있는 별도의 관이다. 일부 OTEC 플랜트에서는, 냉수의 취수 및 배수가 적어도 2개의 별개의 유동 채널을 갖춘 단일 관에 의해 제공된다.

바닥 설치형 OTEC 플랜트는 얕고 좁은 대륙붕과 냉수 심층까지 급락하는 방조벽이 있는 장소에 매우 적합하다. 해안선(118)과 대륙붕단(124) 사이의 거리(D1)가 150 야드 내지 6600 야드인 장소가 바닥 설치형 구조물(112)을 배치하기에 적합하다. 바닥 설치형 구조물(112)은 대륙붕단의 연안 해저가 해안선으로부터 최대 15 마일의 거리 이내에서 적어도 1500 ft의 깊이까지 내려가는 지점에 대륙붕단(124)에 가깝게 배치된다. 바닥 설치형 구조물(112)은 대륙붕단 부근의 해저 단층에 균열이 가는 것을 방지하기 위해 대륙붕단으로부터 적어도 80 야드 뒤에 설정된다. 예를 들어, 바닥 설치형 OTEC 플랜트용으로 고려되는 일 부지에서, 해안선과 1500 ft의 바닥 등고선(126) 사이의 거리(D2)는 600 야드이며, 바닥 설치형 구조물(112)과 대륙붕단 사이의 거리(D3)는 200 야드이다.

바닥 설치형 구조물(112)은 강철 또는 콘크리트 틀 세트 상에 놓여져 해저에 고정된 강철 구조물로서 구성될 수 있다. 구조물은 해저 위 약 60 ft의 높이까지 올라가며 부분적으로 또는 완전히 잠기는 틀과 2개의 강철 데크로 구성된다. 해수면 위로 올라온 이중 벽으로 된 강철제 정비용 트렁크(service trunk)가 필요한 경우 정기적인 검사 및 유지 관리와 장비 제거를 허용한다. 틀과 토대는 뭍에서 건설되어, 해당 장소에 떠 있으면서, 해저에 놓여지는 고강도 프리캐스트 콘크리트로 형성될 수 있다. 대안으로서, 틀이 강철로 선조립되어, 구조물의 바닥에 용접 또는 볼트 체결될 수 있다. 틀은 해저에 위치되어 놓여진 후 해수면으로부터 펌핑된 콘크리트로 채워진다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 예시적인 바닥 설치형 구조물(112)은, 큰 중앙 웰(well)을 갖는 접근용 트렁크(132)의 주위에 형성된, 증발기 데크(128) 및 응축기 데크(130)를 포함한다. 부벽 브래킷(134)이 파도 타격으로 인한 모멘트 힘에 대항하여 접근용 트렁크(132)를 보강한다. 동심의 관 구조물(136)이 접근용 트렁크(132)의 이중 벽 보호를 제공할 수 있다. 바닥 설치형 구조물(112)의 가장 높은 데크는 접근용 트렁크(132)를 밀봉하는 큰 수밀 해치를 갖는 상부 데크(138)이다. 이중 벽 강철제의 정비 접근용 트렁크(132)는 평균 만조 시에 잔잔한 조건 하에서 해수면 위로 높이(h1)까지 올라온다. 높이(h1)는 12 ft 내지 30 ft일 수 있다. 바닥 설치형 구조물(112)의 가장 높은 오버헤드가 워터라인의 위로 연장되는 높이(h1)는 일반적으로, 해저로부터 바닥 설치형 구조물의 가장 높은 오버헤드까지 측정된 전체 수직 높이(h2)의 20% 미만이다.

내비게이션 신호기(144)(예컨대, 광 및/또는 음향 신호기)가 접근용 트렁크(132)의 상부에 부착될 수 있다. 접근용 트렁크만이 해수면 위로 올라오기 때문에, 바닥 설치형 구조물은 시각적 영향이 적다. 바닥 설치형 구조물은 또한, 선원과 항공기용의 내비게이션 보조 장치의 역할도 하도록 위치가 지정될 수 있다.

플랜트 증발기 및 응축기를 수용하는 기계 공간은 바닥 설치형 구조물(112)의 워터라인의 아래에 위치한다. 증발기 데크의 격벽에 온수 취수 및 배수 포트(140)가 형성된다. 바닥 설치형 구조물(112)에서는, 온수 취수 및 배수 포트(140)가 주변 해수에 개방된다. 일부 바닥 설치형 구조물(112)에서는, 온수 취수 또는 배수 깊이를 제어하기 위해 온수 취수 및/또는 배수 배관이 필요할 수 있다. 예를 들어, 배수 배관은 유입 온수의 열적 오염을 방지하기 위해 유출 온수를 적절한 깊이로 복귀시키는 데 사용될 수 있다. 냉수 포트(142)는 1차 해수 관(122)용 부착 지점을 제공한다.

바닥 설치형 구조물(112)은 50 ft 내지 250 ft(예컨대, 200 ft 미만, 150 ft 미만, 80 ft 초과, 또는 100 ft 초과)의 깊이(D1)를 갖는 장소에서 해저에 견고하게 부착된다. 이러한 깊이에서는 다이버가, 예를 들어, 포트, 플랜지형 관 연결부, 및 관 앵커 장치와 같은 외부 연결부를 검사, 정비, 및 유지 관리할 수 있다. 바닥 설치형 구조물은 메인 구조물의 상부(예컨대, 증발기 데크의 상부)가 50 ft 내지 250 ft의 깊이(D3)에 있도록 구성될 수 있다. 이에 의해 메인 구조물의 상부가 일상적인 파도의 급기 작용 범위 아래에 계속 잠겨 있게 되어 부식 유발 산화 가능성이 감소된다. 이 구성에 의하면 또한, 온수 복귀 및 냉수 취수 및 복귀 관 연결부가 파도의 영향을 심각하게 받는 구역의 아래에 잘 배치된다.

1차 해수 관(122)은 2013년 10월 15일 출원된 PCT 출원 PCT/US2013/065098에 기재된 바와 같이 형성될 수 있다. 그러나, 바닥 설치형 구조물(112)은 제자리에 고정되며, 1차 해수 관(122)은 해저에 배치되어, 선택적으로, 사석으로 덮여 있다. 1차 해수 관(122)이 바닥 설치형 구조물(112)에 대한 연결부에서 거의 또는 전혀 응력을 경험하지 않음에 따라, 수명이 최대 100년인 관 재료용의 저렴한 HDPE가 사용될 수 있다. 이러한 관은 호주, 독일, 미국 및 두바이에서 최대 80 인치 외경까지 시판되고 있다.

예시적인 OTEC 파워 플랜트(100)는 2013년 11월 7일 출원된 PCT 출원 PCT/US2013/068894에 기재된 바와 같은 4-단계 하이브리드 열 교환 사이클을 수용한다. 다른 열 교환 사이클 및 파워 플랜트 구성이 또한, 바닥 설치형 OTEC 파워 플랜트에 사용될 수 있다.

바닥 설치형 구조물(112)의 메인 부분은 강도와 강성을 제공하기 위해 원형 관으로 만들어진 둥근 모서리가 있는 70 ft 정사각형 강철 구조물이다. 일부 구조물은 모서리가 둥근 사각형이 아닌 8각형이다. 이 구조물의 단일 측면을 따라 데크 상에 기계용의 나머지 공간을 남기고도 4 단계 모두에 대해 충분한 열 교환기 표면적을 수용하기에 충분한 공간이 있다. 예를 들어, 온수 펌프와 터빈 발전기는 상부 데크에 마련되며, 응축기, 냉수 펌프 및 암모니아 회수 탱크와 재순환 펌프는 하부 데크에 마련될 수 있다.

도 3을 참조하면, 접근용 트렁크(132)가 증발기 데크(128)의 중심을 관통하여 연장된다. 증발기 데크에 설치되는 기계에는 듀얼 1.5 MW 터보 발전기 세트(146), 펌프(148), 및 펌프 가변 주파수 구동부(150)가 포함된다. 온수가 온수 취수 관(152) 및 온수 취수 플레넘(154)의 측면에 있는 스크린 설치 개구로부터 증발기 열 교환기(156)를 가로질러 온수 복귀 플레넘(158)까지 유동한다. 따뜻한 해수 취수부(170)는 메쉬 스크린(물고기의 유입 방지용)을 포함하며, 평균 유입 속도는 0.5 ft/sec이다. 메쉬 스크린은 대략 0.5 인치의 기공 크기를 가질 수 있다. 따뜻한 해수 취수부(170)는 평균 만조 수위(180)(도 2에 도시됨)보다 적어도 10 ft 아래에 위치된다. 온수는 스크린 설치 취수 플레넘으로부터 열 교환기 챔버로 유동한 다음, 온수 복귀 플레넘을 통해 외부로 유동한다. 열 교환기는, 예컨대 2013년 10월 15일 출원된 PCT 출원 PCT/US2013/065004, 2012년 8월 15일 출원된 PCT 출원 PCT/US2012/050941, 및 2012년 8월 15일 출원된 PCT 출원 PCT/US2012/050933에 설명된 열 교환 플레이트, 캐비닛, 및 시스템을 사용하여 구현될 수 있다. 이들 시스템과 대조적으로, 예시적인 바닥 설치형 OTEC 플랜트(100)의 열 교환기는 수직 유동이 아닌 수평 유동용으로 배향된다.

증발기 데크(128)는 또한, 수직 사다리가 있는 탈출용 트렁크(160) 및 경사진 사다리가 있는 탈출용 트렁크(162)를 포함한다.

도 4를 참조하면, 응축기 데크는 증발기 데크와 상보형의 레이아웃의 실질적으로 동일한 특징부를 포함한다. 듀얼 터보 발전기(146)는 데크 상에 위의 데크의 듀얼 터보 발전기(146)의 반대측에 장착된다. 냉수가 냉수 취수 관(164) 및 냉수 취수 플레넘(166)으로부터 응축기 열 교환기(168)를 가로질러 냉수 복귀 플레넘(170)까지 유동한다. 암모니아 회수 탱크(172) 및 암모니아 재순환 펌프(174)가 또한, 응축기 데크에 위치한다.

도 5는 OTEC 플랜트(500)의 다른 실시예를 보여준다. OTEC 플랜트(500)의 바닥 설치형 구조물(512)은 대략 8각형 형상이며 강철로 형성된다. 8각형 형상은 폭풍우 조건 동안 파도 충돌로 인한 손상으로부터 바닥 설치형 구조물(512)을 보호하는 데 도움이 된다. 추가적으로, 파도가 구조물을 손상시키지 않고 폭풍우 조건 동안 바닥 설치형 구조물(512)의 상부 위에서 충돌할 수 있다. 바닥 설치형 구조물(512)은 최대 100년 이하의 기간 동안 폭풍우 조건을 견디도록 구성된다. OTEC 플랜트(500)는 대륙붕단(도 6에 도시됨) 위의 바닥 설치형 구조물(512)로부터 적어도 1500 ft의 깊이까지 연장되는 1차 해수 관(522)을 포함한다. 1차 해수 관(522)은 해저에 배치된다. 일부 예에서, 1차 해수 관(522) 중 하나 이상은 차가운 해수의 취수에 사용될 수 있는 반면, 다른 1차 해수 관(522) 중 하나 이상은 배수에 사용된다. 일부 예에서는, 차가운 해수 취수 및 배수가 적어도 2개의 개별 유동 채널을 구비한 단일 1차 해수 관(522)에 의해 제공된다.

OTEC 플랜트(500)는 또한, 바닥 설치형 구조물(512)로부터 육상으로 연장되는 송전 라인(516)을 포함한다. 송전 라인(516)은 바닥 설치형 구조물(512)에서 생성된 전력을 연계 시설(510)로 운반하며, 이곳에서 전력이 배전을 위해 전력망으로 전달될 수 있다. 송전 라인(516)은 해저(502)의 암초 구조 아래로 진행하도록 해저(502)에 매설됨으로써, 암초 붕괴 가능성이 회피된다. 송전 라인이 매설되는 대신 또는 이러한 매설에 추가하여 암초를 피하도록 배치될 수 있다. 송전 라인(516)은 지하로부터 연계 시설(510)에 연결될 수 있다. 예컨대, 도 5의 송전 라인(516)은 연계 시설(510)에 도달하기 전에 해저(502)의 일부, 해변, 및 도로 아래에 매설된다. 13.8 kV 내지 35.0 kV의 전력이 바닥 설치형 구조물(512)로부터 송전 라인(516)을 통해 연계 시설(510)로 전달된다. 바닥 설치형 구조물(512)로부터 전달된 전력은 뭍에서 33 kV 내지 69 kV 이상으로 승압되어 전력망으로 전달될 수 있다. OTEC 플랜트(500)의 평균 연간 순 전력 출력은 대략 5 MW 내지 15MW이다.

도 6은 OTEC 플랜트(500)의 개략적인 측면도를 보여준다. 바닥 설치형 구조물(512)은 대륙붕단(504)에 가까운 해저(502)에 위치되며 평균 만조 수위(506) 위로 연장된다. 바닥 설치형 구조물(512)은 평균 만조 시에 대략 30 ft 내지 80 ft 깊이의 물에 위치된다. 바닥 설치형 구조물(512)은 복수의 파일 앵커(pile anchor)(508)에 의해 해저(502)에 고정된다. 파일 앵커(508)는 바닥 설치형 구조물(512)의 베이스(524)(도 7에 도시됨)를 아래로 해저(502) 아래의 백운석 층까지 연결한다. 파일 앵커(508)는 16 인치 내지 48 인치의 직경을 가질 수 있다.

1차 해수 관(522)은 바닥 설치형 구조물(512)로부터 대륙붕단(504) 위로, 방벽 아래로, 그리고 해저(528)를 따라 적어도 1500 ft의 깊이까지 연장된다. 1차 해수 관은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 형성되며, 내경이 대략 8 ft이고, 외경이 대략 8.2 ft이다. HDPE는 해양 생물의 부착에 저항하며 전기가 통하지 않을 뿐만 아니라 해수에 분해되지 않기 때문에, HDPE 관을 사용하는 것이 유리하다. 1차 해수 관(522)은 콘크리트 안장 앵커(530)와 펜던트 앵커(531)로 해저(502, 528)에 고정된다. 콘크리트 안장 앵커(530)와 펜던트 앵커(531)는 폭풍우 조건 동안 냉수 관과 온수 관을 제자리에 유지한다. 냉수 취수 관(522)은 대략 40℉의 온도에서 바닥 설치형 구조물(512)로 차가운 해수를 전달하도록 구성된다. 냉수 복귀 관(523)은 대략 100 야드 내지 160 야드 깊이의 혼합 층 부근 또는 그 아래의 깊이에서 사용된 냉수를 배출한다. 온수 복귀 관(521)은 사용된 온수를 냉수 복귀 관(523)과 동일한 깊이에서 그 옆으로 배출하여, 2개의 흐름이 혼합되어 주변 해양 조건에 빠르게 동화되도록 한다.

도 1 내지 도 4의 OTEC 플랜트(100)의 무인 바닥 설치형 구조물(112)과 달리, 바닥 설치형 구조물(512)은 바닥 설치형 구조물(512) 내부의 승무원에 의해 작동된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 바닥 설치형 구조물(512)은 제1 데크(532), 제2 데크(534) 및 베이스(536)를 포함한다. 베이스(536)는 복수의 파일 앵커(508)에 의해 해저에 고정된다. 제1 데크(532)와 제2 데크(534)는 전력 생성 장비, 제어실(552)(도 10 참조), 및 OTEC 플랜트(500)의 승무원용 거주 구역을 수용한다. 제1 데크(532)는 평균 만조 수위 위에서 연장되는 반면, 제2 데크(534)는 해수면 아래에 놓여 있다. 제1 데크(532)는 바닥 설치형 구조물(512)의 외부에 있는 플랫폼(526)에 연결된다. 다수의 소형 보트가 플랫폼(526)에 고정될 수 있다. 소형 보트는 바닥 설치형 구조물(512)에서 생활하고 작업하는 승무원이 해안에 접근하기 위한 것이다.

제1 데크(532)는 평균 만조 수위(506)의 위로 대략 18 ft 내지 30 ft일 수 있는 높이(h3)로 연장된다. 바닥 설치형 구조물(512)은 대략 180 ft 내지 240 ft의 폭(w1)을 갖는다. 도 8에 w2로 도시된 팔각형 바닥 설치형 구조물(512)의 각각의 측면의 길이는 대략 80 ft 내지 95 ft이다. 바닥 설치형 구조물(512)의 상부(520)는 배수를 고려하는 한편 폭풍우 조건 동안 바닥 설치형 구조물(512) 위로 파도가 더 쉽게 충돌하는 것을 고려하여 모따기 처리된다.

도 8은 바닥 설치형 구조물(512)의 제1 데크(532)의 개략도를 보여준다. 제1 데크(532)는 상부 암모니아 구역(538), 상부 메인 구역(540) 및 승무원 구역(542)의 3개의 구역으로 분할된다. 제1 데크(532)는 평균 만조 수면(506)보다 대략 2 ft 위에 있다. 상부 암모니아 구역(538)은 전력을 생성하도록 구성된 터빈 발전기(544)를 포함한다. 상부 암모니아 구역(538)은 바닥 설치형 구조물(512)의 해양을 향한 측면에 위치하여, 암모니아가 가능한 한 해안으로부터 멀리 위치하도록 한다. 또한, 터빈 발전기(544)로부터 해안으로의 소음 방출이 줄어든다. 상부 암모니아 구역(538)은 기밀식 입구에 의해 상부 메인 구역(540)으로부터 분리된다.

승무원 구역(542)은 바닥 설치형 구조물(512)의 해안을 향한 측면에 위치한다. 승무원 구역(542)은 제1 및 제2 데크(532, 534)의 기계 공간과 승무원 구역(542)의 사이에 물막이가 존재하도록 솟아오른 데크의 위에 놓여있다. 물막이는 승무원 구역(542)이 상부 암모니아 구역(538)과 메인 구역(540)의 위로 솟아오르도록 하는 역할을 한다. 이 때문에, 물이 메인 구역(540)의 데크에 있을 수 있지만 승무원 구역의 높이 아래에 있게 된다. 메인 구역(540)에 암모니아 센서가 장착되어, 누출이 발생하더라도 암모니아 가스가 승무원 구역(542)으로 들어가지 않도록 메인 구역이 환기되어 그 위의 승무원 구역(542)보다 낮은 압력에 유지된다.

상부 메인 구역(540)은 암모니아가 각각 냉각 및 가열되는 응축용 열 교환기(546, 547) 및 증발용 열 교환기(548, 549)를 포함한다. 열 교환기(547)에 대해 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 각각의 열 교환기(546 내지 549)는 상부 메인 구역(540)으로부터의 물리적 보호를 제공하는 외부 열 교환기 인클로저(551)를 포함한다. 외부 열 교환기 인클로저(551)는 또한, 차가운 및/또는 따뜻한 해수가 유동하기 위한 유동 경로를 제공한다. 각각의 열 교환기(546 내지 549)는 또한, 4 개 내지 20개의 랙(553)을 포함한다. 각각의 랙은 다수의 어레이(555)를 유지하도록 구성된다. 각각의 어레이는 길이가 대략 10 ft이며, 높이가 29 인치이며, 폭이 28 인치이다. 어레이는 응축용 열 교환기(546, 547)와 증발용 열 교환기(548, 549) 모두에서 상호 호환 가능하게 사용될 수 있다. 각각의 어레이가 다수의 카트리지를 유지한다. 암모니아가 OTEC 플랜트(500)의 작동 동안 카트리지를 통해 유동한다. 열 교환기가 작동하지 않을 때에는 유지 관리를 위해 외부 열 교환기 인클로저(551)가 개방될 수 있으며 하나 이상의 랙(553)이 제거될 수 있다. 랙(553)은 트랙(550a, 550b)(도 8 참조) 상에서 열 교환기(546 내지 549)의 외부로 잡아당겨질 수 있다.

도 10은 OTEC 플랜트(500)의 기계를 제어하기 위한 공간 및 승무원이 생활하고 기분 전환하기 위한 공간을 포함하는 승무원 구역(542)을 보여준다. OTEC 플랜트(500)를 운영하는 승무원은 대략 17명의 구성원으로 구성되며, 어느 주어진 시간에나 바닥 설치형 구조물(512)에 최소 6명의 구성원은 존재한다. 제어실(552)은 상부 메인 구역(540)을 내려다보며, 열 교환기(546 내지 549) 및 바닥 설치형 구조물(512)의 다른 기계를 통한 유동뿐만 아니라 전력 조절 및 육상의 연계 시설(510)로의 전력 전송을 모니터링하며 제어하기 위한 장비를 포함한다. 제2 데크(534) 상의 장비도 제어실에서 제어될 수 있다. 승무원 구역(542)은 또한, 플랫폼(526) 상으로의 바닥 설치형 구조물(512)의 외부로의 접근을 제공한다. 플랫폼(526)은 소형 보트(554a, 554b)가 바닥 설치형 구조물(512)에 도킹될 수 있도록 한다. 보트(554a, 554b)는 정상 작동 동안 또는 비상 대피 프로토콜에서 승무원이 해안에 접근할 수 있도록 한다.

도 11은 3개의 구역, 즉, 하부 암모니아 구역(556), 하부 메인 구역(558), 및 물 공급/복귀 구역(560)을 포함하는 제2 데크(534)를 보여준다. 하부 암모니아 구역(556)은 암모니아 저장 탱크(562) 및 암모니아 수집 탱크(564)를 포함한다. 작동 중에 대략 8,000 갤런의 암모니아가 암모니아 저장 탱크(562)에 저장되며, 대략 40,000 갤런의 암모니아가 작동 중에 사용된다.

제2 데크(534)는 차가운 해수 및 따뜻한 해수 모두용의 해수 취수부를 포함한다. 냉수 취수부("CSW 공급부")는 물 공급/복귀 구역(560)에 위치하는 반면, 따뜻한 해수 취수부(580, 581)는 바닥 설치형 구조물(512)의 측면에 위치한다. 따뜻한 해수 취수부(580, 581)는 메쉬 스크린(물고기의 유입 방지용)을 포함한 플레넘을 포함하며, 평균 유입 속도가 0.5 ft/sec 이하이다. 메쉬 스크린은 대략 0.5 인치의 기공 크기를 가질 수 있다. 따뜻한 해수 취수부(580, 581)는 평균 만조 수위(506)(도 7에 도시됨)보다 적어도 10 ft 아래에 위치한다. 하부 메인 구역(558)은 열 교환기(546 내지 549)를 통해 해수를 펌핑하기 전에 파편을 제거하기 위해 차가운 해수 및 따뜻한 해수를 각각 여과하는 차가운 해수 여과기(566, 567) 및 따뜻한 해수 여과기(568, 569)를 포함한다. 차가운 해수 펌프(570, 571)가 여과된 차가운 해수를 열 교환기(546, 547)로 각각 펌핑한다. 따뜻한 해수 펌프(572, 573)가 여과된 따뜻한 해수를 열 교환기(548, 549)로 각각 펌핑한다.

시동 발전기(574)는 바닥 설치형 구조물(512)의 해안을 향한 측면에 위치한다. 시동 발전기(574)는, 예를 들어 2.0 MW 디젤 발전기일 수 있고, 전력 생성 프로세스를 시작할 때 사용된다. 바닥 설치형 구조물(512)이 전력 생성 프로세스 동안 자체적으로 전력을 공급하기에 충분한 전력을 생성한 후에는 시동 발전기(574)가 꺼질 수 있다. 평균 만조 수위(506)의 아래에 있는 제2 데크(534)에 해수 펌프(570 내지 573) 및 시동 발전기(574)를 수용하면 바닥 설치형 구조물(512)로부터의 공기를 매개로 한 소음 방출이 제한된다. 승압 변압기(576)도 바닥 설치형 구조물(512)의 해안을 향한 측면에 위치한다. 승압 변압기(576)는 뭍으로의 송전을 위해 터빈(544)에서 생성되는 전력의 전압을 증가시킨다. 단로기(578)가 제2 데크(534)에 승압 변압기(576) 부근으로 위치한다. 단로기(578)는 바닥 설치형 구조물(512)의 전력 생성 시스템을 송전 라인(516)과 분리시킨다.

OTEC 플랜트(500)에 의한 전력 생성을 시작하기 위해, 시동 발전기(574)가 켜져 해수 펌프(570 내지 573)에 전력을 공급하여 해수를 바닥 설치형 구조물(512)로 끌어들이며 해수와 암모니아 사이의 열 교환 프로세스를 시작한다. 암모니아 가스가 바닥 설치형 구조물(512)에 전력을 공급하기에 충분한 전력을 생성하는 레벨로 터빈 발전기(544)를 회전시키기 시작하면 시동 발전기(574)는 꺼질 수 있다. 시동 발전기(574)는 육상의 작동 센터로부터 수요 신호를 수신 시에 신속하게 재시동되어 급전망에 작동 예비 전력 및 신속 부하 픽업을 제공할 수 있다.

작동 시에, 바닥 설치형 구조물(512)은 차가운 온도와 따뜻한 온도의 해수 흐름으로부터 전력을 생산한다. 따뜻한 해수가 바닥 설치형 구조물(512)에 근접한 수면 부근의 영역으로부터 따뜻한 물 취수부(580, 581)를 통해 바닥 설치형 구조물(512)로 펌핑된다. 따뜻한 해수의 온도는 대략 78℉ 내지 86℉이며, 수면 아래 약 24 ft 내지 40 ft의 깊이에서 끌어올려진다. 따뜻한 해수는 여과기(568, 569)에서 여과되어 증발용 열 교환기(548, 549)를 통해 펌핑된다. 증발용 열 교환기(548, 549)에서, 열이 따뜻한 해수로부터 증발용 열 교환기(548, 549)의 카트리지에 존재하는 액체 암모니아로 전달된다. 열을 전달받은 암모니아가 액체에서 기체로 상변경된다. 기체 암모니아가 4개의 터빈 발전기(544)로 보내져 터빈 발전기를 회전시켜 전기 에너지가 생성된다. 터빈 발전기(544)로부터의 전기 에너지는 바닥 설치형 구조물(512)(예컨대, 탑재 펌프 모터, 전기 장비, 통신 및 제어 시스템, 조명 및 기기)에 전력을 공급하는 데 사용된다. 바닥 설치형 구조물(512)에서 생산된 전기 에너지 밸런스가 송전 라인(516)을 통해 육상의 연계 시설(510)로 전송된다.

암모니아 가스가 터빈 발전기(544)를 떠난 후, 암모니아 가스는 응축용 열 교환기(546, 547)의 카트리지로 유동한다. 약 40℉의 온도의 차가운 해수가 1차 해수 관(522)을 통해 해양 심층으로부터 펌핑되며, 여과기(566, 567)에서 여과된 다음, 응축용 열 교환기(546, 547)로 펌핑된다. 차가운 해수가 기체 암모니아를 식혀 암모니아가 기체에서 액체로 다시 전환된다. 액체 암모니아는 폐쇄 루프의 프로세스를 계속하도록 응축용 열 교환기(546, 547)의 아래의 탱크에 수집되어 증발용 열 교환기(548, 549)로 다시 펌핑된다. 이 때문에, 작동 유체로서의 암모니아가 고의로 공기나 물에 방출되지 않는다.

바닥 설치형 구조물(512)은 순 전력 출력을 최소로 감소시키면서 펌프(570 내지 573) 중 하나에서 유지 관리가 수행될 수 있도록 다수의 펌프(570 내지 573)를 사용한다. 해수 펌프(570 내지 573)는 200,000 gpm 내지 500,000 gpm의 따뜻한 해양 표층수와 170,000 gpm 내지 410,000 gpm의 차가운 해양 심층수의 조합 유량으로 지속적으로 작동한다. 터빈 발전기(544)는 열 교환기(546 내지 549) 또는 터빈 발전기(544) 중 어느 하나가 격리되어 나머지 플랜트 작동을 방해하지 않고 정비를 위해 오프라인으로 전환될 수 있도록 연결된다.

전기 에너지를 생산하기 위해 암모니아를 증발 및 응축시키는 사이클이 제1 데크(532)의 승무원 구역(542)에 있는 제어실(552)에서 모니터링된다. 제1 데크(532)의 승무원 구역(542)에는 계단을 통해 제1 데크(532)의 상부 메인 구역(540)으로부터 접근할 수 있다. 바닥 설치형 구조물(512)의 전력 생성 시스템의 많은 기계 및 전기 구성 요소에는 제어실(552)의 중앙 제어 패널에 반영되는 센서, 비디오 모니터, 제어부, 및 경보기가 포함된다. 제어실(552)과 제1 데크(532) 및 제2 데크(534)의 주요 기계 공간 간에 통신이 가능하다. 바닥 설치형 구조물(512)과 뭍의 연계 시설(510) 사이에서도 통신이 가능하다.

화재, 누출 등을 처리하기 위한 비상 시스템이 바닥 설치형 구조물(512)용 제어 프로토콜에 포함된다. 바닥 설치형 구조물(512) 내부의 임의의 공간에 예상 밖의 암모니아 누출이 있을 경우, 센서가 누출을 검출하여, 경보를 울릴 것이며, 위험 정도가 규정된 수준 이상이면 중위 압력의 물 분무 시스템이 활성화될 것이다. 암모니아는 물에 대한 친화력이 매우 높으며, 암모니아와 분무된 물이 혼합되어 생성되는 암모니아 수용액은 분리된 중력식 배수용 수집 시스템에 수집될 것이다. 이 물은 환경 적합성 점검을 거치게 되며, 필요에 따라 처리 후 배출된다.

도 12는 해안에서 본 도 5의 바닥 설치형 구조물(512)을 보여준다. 바닥 설치형 구조물(512)은 해안에서 볼 때 구조물이 주는 시각적 영향을 제한하기 위해 바다 및/또는 하늘과 일치하도록 도색될 수 있다. 네모진 해안가와 바닥 설치형 구조물(512)의 팔각형 형상은 바닥 설치형 구조물(512)의 시각적 프로파일을 부드럽게 만든다.

본원에 언급된 모든 참조 문헌은 전체적으로 참조로서 인용된다.

기타 실시예가 다음의 청구 범위 내에 있다. 예를 들어, 일부 OTEC 플랜트도 바닥 설치형 구조물(112)로부터 육상으로 연장되는 워터라인을 포함한다. 이러한 워터라인은 냉각용 육상 시설에 차가운 해수를 제공하는 데 사용될 수 있다. 냉수가 바닥 설치형 구조물(112)의 응축기를 통과하기 이전 또는 이후에 냉각수가 방향이 전환될 수 있다.

일부 열 교환기 캐비닛이 스테이지(4개의 어레이 높이)당 2개의 랙이 적층되도록 배열된다. 일부 열 교환기에서는, 챔버가 깊지 않아 설치 공간을 덜 차지하기 때문에 측면의 길이가 감소될 수 있다. 측면 길이가 감소하면 또한, (엄청나게 큰 파나맥스(PANAMAX)) 화물 운반선의 통과 및 쓰나미에 의해 발생되는 파도로 인한 부하가 감소될 수 있다. 펌프가 또한, 건식 기계 공간에서 워터라인 아래로 더 멀리(깊이) 배치될 수 있다.

일부 OTEC 플랜트는 3000 ㎜ 직경의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 관을 사용한다. 3000 ㎜ 직경의 관은 펌핑 기생 부하 및/또는 유동 팽창을 감소시켜 2 세트의 관이 아닌 단 1 세트의 관이 사용 가능하다. 일부 OTEC 플랜트는 표준 36 인치 내지 60 인치 직경의 파일이 아닌 마이크로 파일을 사용한다. 마이크로 파일은 현지 계약자가 설치 또는 사용할 수 있어, 설치 속도가 빨라지며 설치 비용이 절감된다.

Claims

육상에 위치한 작동 센터;
연안에 위치하며, 플랜트 증발기 및 플랜트 응축기를 내포하는 바닥 설치형 구조물; 및
상기 작동 센터와 상기 바닥 설치형 구조물의 플랜트 기계의 사이에서 연장되는 제어 시스템
을 포함하는 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제1항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물로부터 적어도 1500 ft의 깊이까지 연장되며 해저에 배치되는 1차 해수 관을 포함하는 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제1항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물로부터 해안선을 가로질러 연장되며, 10 kV 내지 35 kV의 전기를 전송하도록 구성되는 송전 라인을 포함하는 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제1항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물로부터 육상으로 연장되는 워터라인(waterline)을 포함하는 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제1항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 작동 센터와 상기 바닥 설치형 구조물의 사이에서 연장되는 제어 케이블을 포함하는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제1항에 있어서, 상기 플랜트 증발기 및 상기 플랜트 응축기는 상기 바닥 설치형 구조물의 워터라인의 아래에 위치하는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제1항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물은 상기 워터라인 위로 30 ft 미만으로 연장되는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제1항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물은 해저로부터 가장 높은 오버헤드까지 측정된 수직 높이를 가지며, 상기 바닥 설치형 구조물의 가장 높은 오버헤드는 상기 워터라인 위로 상기 바닥 설치형 구조물의 수직 높이의 20% 미만으로 연장되는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제1항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물은 50 ft 내지 250 ft(예컨대, 200 ft 미만, 150 ft 미만, 80 ft 초과 또는 100 ft 초과)의 수심 이내의 장소에 배치되는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제1항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물은 해안선과 대륙붕단 사이의 거리가 150 야드 내지 6600 야드인 장소에 배치되는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제10항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물은 대륙붕단의 연안 해저가 해안선의 8000 야드 이내에서 적어도 1500 ft의 깊이까지 내려가는 장소에 배치되는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
육상에 위치한 작동 센터로부터 연안에 위치한 무인 구조물로 신호를 전송하는 단계; 및
상기 신호에 응답하여 무인 또는 유인 구조물에 위치한 증발기, 응축기 및 펌프를 작동시켜 무인 구조물에서 0.5 MW 내지 15 MW의 전기를 생성하는 단계
를 포함하는 전기 제공 방법.
제12항에 있어서, 적어도 1500 ft 깊이로부터 상기 무인 구조물로 해수를 펌핑하는 단계를 포함하는 전기 제공 방법.
제12항에 있어서, 상기 무인 구조물로부터 육상으로 전기를 전송하는 단계를 포함하는 전기 제공 방법.
제12항에 있어서, 상기 무인 구조물로부터 육상으로 물을 펌핑하는 단계를 포함하는 전기 제공 방법.
제12항에 있어서, 상기 신호를 전송하는 단계는, 상기 작동 센터와 상기 바닥 설치형 구조물의 사이에서 연장되는 제어 케이블을 통해 상기 작동 센터로부터 상기 무인 구조물로 신호를 전송하는 단계를 포함하는 것인 전기 제공 방법.
연안에 위치하며, 증발용 열 교환기, 응축용 열 교환기 및 제어 센터를 내포하는 바닥 설치형 구조물; 및
상기 바닥 설치형 구조물로부터 해안선을 가로질러 육상의 연계 시설까지 연장되는 송전 라인
을 포함하는 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제17항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물로부터 적어도 1500 ft의 깊이까지 연장되며 해저에 배치되는 1차 해수 관을 포함하는 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제17항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물은 위에서 보았을 때 대략 팔각형 형상을 갖는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제17항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물은 평균 만조 수위의 위에 위치한 제1 데크 및 평균 만조 수위의 아래에 위치한 제2 데크를 구비하는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제20항에 있어서, 상기 응축용 열 교환기 및 상기 증발용 열 교환기는 제1 데크에 위치하는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제20항에 있어서, 공급 관 및 복귀 관을 통해 차가운 해수 및 따뜻한 해수를 펌핑하도록 구성된 펌프를 포함하며, 상기 펌프는 상기 제2 데크에 위치하는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제17항에 있어서, 상기 송전 라인은 대략 10 kV 내지 35 kV의 전기를 육상의 연계 시설로 전송하도록 구성되는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제17항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물은 평균 만조 수위 위로 30 ft 미만으로 연장되는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제17항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물은 해저로부터 가장 높은 오버헤드까지 측정된 수직 높이를 가지며, 상기 바닥 설치형 구조물의 가장 높은 오버헤드는 평균 만조 수위 위로 상기 바닥 설치형 구조물의 수직 높이의 40% 미만으로 연장되는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제17항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물은 승무원용 거처를 포함하는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제17항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물의 폭은 그 높이의 대략 3배인 것인 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제17항에 있어서, 상기 응축용 열 교환기 및 상기 증발용 열 교환기는 모듈식인 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
제17항에 있어서, 상기 바닥 설치형 구조물은 30 ft 내지 180 ft 사이의 수심 이내의 장소에 배치되는 것인 해양 열 에너지 변환 플랜트.
바닥 설치형 구조물의 제어실로부터 제어 신호를 전송하는 단계;
상기 신호에 응답하여 상기 바닥 설치형 구조물에 위치한 증발용 열 교환기, 응축용 열 교환기 및 펌프를 작동시켜 상기 바닥 설치형 구조물에서 0.5 MW 내지 15 MW의 전기를 생성하는 단계; 및
송전 라인을 통해 육상의 연계 시설로 전기를 전송하는 단계
를 포함하는 전기 제공 방법.
제30항에 있어서, 적어도 1500 ft의 깊이로부터 상기 바닥 설치형 구조물로 해수를 펌핑하는 단계를 포함하는 전기 제공 방법.
제30항에 있어서, 대략 10 kV 내지 35 kV의 전기가 상기 육상의 연계 시설로 전송되는 것인 전기 제공 방법.