KR20230089687A - 양식장의 수온 관리 시스템 - Google Patents

양식장의 수온 관리 시스템 Download PDF

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KR20230089687A
KR20230089687A KR1020210178296A KR20210178296A KR20230089687A KR 20230089687 A KR20230089687 A KR 20230089687A KR 1020210178296 A KR1020210178296 A KR 1020210178296A KR 20210178296 A KR20210178296 A KR 20210178296A KR 20230089687 A KR20230089687 A KR 20230089687A
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hydrogen
water temperature
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farm
photocatalyst
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KR1020210178296A
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이형우
조예진
최보금
정지향
이권세
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부산대학교 산학협력단
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    • A01K63/06—Arrangements for heating or lighting in, or attached to, receptacles for live fish
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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Abstract

본 발명은 양식장의 수온 관리를 위한 냉각수를 냉각시킬 수 있는 양식장의 수온 관리 시스템에 관한 것으로서, 해수로부터 수소를 분리하는 수소 분해부, 냉매와의 열교환을 통해 상기 수소의 온도를 감소시켜 액화 수소를 생성하는 수소 액화부 및 상기 액화 수소와의 열교환을 통해 양식장의 수온을 조절하기 위한 냉각수를 냉각시키는 수온 관리부, 상기 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산 및 저장하는 수소 전지부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수소 분해부는 광촉매인 광촉매 부재를 포함하며, 광촉매 반응을 통해 상기 해수로부터 상기 수소를 분리할 수 있다.
또한, 상기 광촉매 부재는, 흑연탄소질화물(g-C3N4)을 포함하는 소재로 제조될 수 있다.
이와 같이 냉각수가 액화 수소에 의해 냉각되고, 이러한 수소가 별도의 동력 공급을 필요치 않는 가시광 기반 광촉매 원리에 의해 해수로부터 생성됨에 따라, 양식장 수온 조절을 위한 냉각수의 냉각을 위해 필요한 설비 및 자원의 소모가 최소화될 수 있게 된다.

Description

양식장의 수온 관리 시스템{Water temperature control system for fish farms}
본 발명은 양식장의 수온 관리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양식장의 수온 관리를 위한 냉각수를 냉각시킬 수 있는 양식장의 수온 관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로. 어가 내의 폐사의 원인으로는 적조, 수온상승, 산도 쇼크와 이에 의한 용존 산소 부족, 폐사로 인한 수질 오염 등이 있다.
이 중에서 양식장의 수온 상승은 양식 어류의 체온 상승, 산소 소비 과다 및 수질 내 용존 산소 부족을 야기시키는 치명적인 요인으로 손꼽히고 있다.
이러한 문제 해결의 일환으로, 선행하는 대한민국 공개 특허 제 10-2019-0059396 호에는 수산 양식장용 수온 저하시스템이 개시되어 있다.
더 상세하게는, 상기 선행문헌에 따르면, 냉각기와 발전기 구동을 통해 냉각수를 생성한 다음, 수온 상승시 이러한 냉각수가 양식장에 살수됨으로써 그 수온이 조절될 수 있게 된다.
다만, 양식장의 면적 등을 감안한다면 이러한 냉각기 구동을 위해서는 상당한 전력의 소모가 유발되어, 이로 인해 상당한 경제적 부담이 야기된다는 문제점이 발생하게 된다.
대한민국 공개 특허 제 10-2019-0059396 호
상술한 과제 해결의 일환으로, 본 발명은 양식장의 수온을 조절하기 위한 냉각수 냉각을 수행함에 있어 전력 소모를 최소화할 수 있는 양식장의 수온 관리 시스템을 제공하고자 하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 의한 양식장의 수온 관리 시스템은, 해수로부터 수소를 분리하는 수소 분해부, 냉매와의 열교환을 통해 상기 수소의 온도를 감소시켜 액화 수소를 생성하는 수소 액화부 및 상기 액화 수소와의 열교환을 통해 양식장의 수온을 조절하기 위한 냉각수를 냉각시키는 수온 관리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양식장의 수온 관리 시스템은, 상기 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산 및 저장하는 수소 전지부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수소 분해부는, 광촉매인 광촉매 부재를 포함하며, 광촉매 반응을 통해 상기 해수로부터 상기 수소를 분리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광촉매 부재는, 흑연탄소질화물(g-C3N4)을 포함하는 소재로 제조된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수소 분해부는, 자연광에 포함된 가시광을 센싱하는 가시광 센서부와, 상기 가시광 센서부의 센싱값이 필요 광량 기준치 미만일 경우 상기 광촉매 부재로 가시광 영역대의 광을 조사하는 광 조사부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 양식장의 수온 관리 시스템에 따르면, 양식장의 수온 조절을 위한 냉각수는 액화 수소와의 열교환에 의해 냉각될 수 있으며, 이때 상기 액화 수소는 양식장의 해수로부터 생성된 것으로, 이와 같이 양식장에 구비된 해수를 통해 냉각수에 대한 열교환 매체가 마련됨에 따라, 별도의 열교환 물질 구입이 최소화될 수 있게 되어, 양식장 운용의 경제성이 향상되는 효과가 발생하게 된다.
또한, 광촉매 원리가 해수에 적용됨으로써 해수로부터 기체 수소가 분리되고, 이러한 기체 수소를 기반으로 상기 액화 수소가 마련될 수 있으며, 이러한 광촉매 원리는 광촉매로의 단순 광 조사를 통해 구현될 수 있는 것이어서, 이를 통해 해수로부터의 수소 분리를 위해 활용되는 동력 자원의 소모가 최소화되는 효과가 발생하게 된다.
또한, 상기 광촉매로 흑연탄소질화물(g-C3N4) 기반 물질이 활용될 수 있으며, 이는 밴드갭 에너지가 자연광에 다량 함유된 가시광 영역대에 대응되는 것으로, 이에 따라 상기 광촉매를 자연광에 노출시키는 것 만으로도 상술한 광촉매 원리가 구현될 수 있게 되어, 별도의 광촉매 구동용 광원이 필요치 않게 되는 등 관련 설비가 최소화되는 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 양식장의 수온 관리 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수소 분해부를 나타내는 상세 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시된 수소 액화부를 나타내는 상세 구성도이다.
도 4는 도 1에 도시된 수온 관리부를 나타내는 상세 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시된 수소 저장부를 나타내는 상세 구성도이다.
본 발명의 구체적인 설명에 앞서, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면에 포함되어 있고, 명세서 전체에 걸쳐 기재된 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서의 단수형 표현들은 문구에서 특별히 언급하지 않는 이상 복수형도 포함한다 할 것이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 식장의 수온 관리 시스템에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 의한 양식장의 수온 관리 시스템을 나타내는 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 수소 분해부를 나타내는 상세 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 양식장의 수온 관리 시스템(1000)은 수소 분해부(100), 수소 전지부(200), 수소 액화부(300), 수온 관리부(400) 및 수소 저장부(500)를 포함할 수 있다.
그리고, 도 2를 더 참조하면, 상기 수소 분해부(100)는 정류기(110)와, 전해질 수용 용기(120)와, 광촉매 부재(130)와, 제 1 수소 배출관(141)과, 제 2 수소 배출관(142)과, 가시광 센서부(151)와, 광 조사부(152)를 포함할 수 있다.
상기 정류기(110)에는 해수가 유입되며, 이러한 해수는 정류기(110) 내에서 NaCl과 H2O로 분리된다.
그리고, 상기 전해질 수용 용기(120)는 상기 정류기(110)와 연통되며, 정류기(110)에서 분리된 NaCl과 H2O는 상기 전해질 수용 용기(120)에 저장된다.
그리고, 상기 광촉매 부재(130)는 상기 전해질 수용 용기(120)와 연결되며, 광촉매 반응을 통해 전해질 수용 용기(120)로부터 공급된 물(H2O)을 분해할 수 있고, 이를 통해 수소(H2) 기체가 생성될 수 있다.
보다 상세하게는, 광촉매를 포함하는 광촉매 부재(130)에 특정 파장 영역대의 광이 조사되면, 광촉매 반응을 통해 해당 광촉매의 가전대에서 정공이 생성되고, 전도대에서는 광전자가 생성된다.
그리고, 이와 같은 정공과 광전자는 광촉매의 표면에서 물(H2O)을 환원/산화하여 수소(H2) 기체를 발생시키게 된다.
이때, 광촉매를 구성하기 위해 이산화티타늄(TiO2) 외 언급되지 않은 다양한 소재들이 선택될 수 있다.
다만, 상기 이산화티타늄(TiO2) 외 일부 광촉매 소재 종류들은 자외선 영역대에 대응되는 밴드갭 에너지를 나타내는데, 이때 자연광에는 상술한 자외선 영역의 광 파장이 극히 일부만 포함되는 관계로, 이로 인해 상기 이산화티타늄(TiO2) 등과 같은 광촉매 재료를 활용하기 위해서는 별도의 자외선 광원이 강제될 수 밖에 없다.
반면, 가시광 영역대에 대응되는 밴드갭 에너지를 나타내는 소재들이 광촉매의 재료로 활용되는 경우, 자연광이 조사되는 범위 내에 상기 광촉매 부재(130)가 구비되는 것 만으로도 상술한 광촉매 반응이 원활히 수행될 수 있게 되어, 이를 통해 설비의 최소화가 도모될 수 있다는 장점이 발생하게 된다.
그리고, 가시광 영역대에 대응되는 밴드갭 에너지를 나타내는 소재들의 일 예로, CuS, 흑연탄소질화물(g-C3N4, carbon nitride), SiC, WO3, ZnSe, CdS, TaON, Cu2O, InN 등이 있으며, 그 외 언급되지 않은 다양한 종류가 광촉매의 재료로서 선택될 수 있다.
특히, 흑연탄소질화물(g-C3N4)의 밴드갭 에너지는 2.7 eV로 비교적 낮게 나타나며, 이는 청색 계열의 가시광 파장 영역인 400~450 nm의 파장 영역대 광에 대응되는 것으로, 이러한 흑연탄소질화물(g-C3N4)이 활용됨으로써 광촉매 효율의 증가가 기대될 수 있다.
또한, 흑연탄소질화물(g-C3N4)은 화학적으로 상당히 안정한 고분자형 반도체 소재로, 이를 통해 광촉매 수율의 일정성이 증진되고 광촉매 장비의 고장 등이 최소화될 수 있게 된다.
그리고, 상기 광촉매 부재(130)로부터 상기 제 1 수소 배출관(141)과 상기 제 2 수소 배출관(142)이 분기될 수 있다.
상기 제 1 수소 배출관(141)은 언급된 수소 전지부(200)와 연결되며, 이에 따라 광촉매 반응을 통해 생성된 수소 기체의 적어도 일부는 상기 수소 전지부(200)로 공급될 수 있다.
이때, 상기 수소 전지부(200)는 수소 기체를 이용하여 전기 에너지를 생산하고, 이러한 전기 에너지를 저장할 수 있다.
또한, 상술한 수소 기체 기반 전기 에너지는 본 발명의 각 구성들에 공급되고, 양식장의 운영에 활용될 수 있다.
그리고, 상기 제 2 수소 배출관(142)은 언급된 수소 액화부(300)와 연결되며, 이에 따라 광촉매 반응을 통해 생성된 수소 기체의 적어도 일부는 상기 수소 액화부(300)로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 가시광 센서부(151)는 광촉매 부재(130) 주변에 조사되는 자연광에 함유된 가시광을 센싱할 수 있다.
그리고, 상술한 가시광 센서부(151)의 센싱값이 광촉매 구동에 필요한 가시광 광량인 필요 광량 기준치 미만일 경우, 상기 광 조사부(152)가 광촉매 부재(130)로 가시광을 조사할 수 있다.
상기 가시광 센서부(151)와 상기 광 조사부(152)가 마련됨에 따라, 시간적 요인, 날씨 관련 요인, 계절적 요인 등 다양한 요인들에 의해 자연광의 조사량이 부족하더라도, 수소(H2) 기체 생산을 위한 광촉매 반응이 원활이 진행될 수 있게 된다.
이때, 상기 필요 광량 기준치는 광 강도, 광량, 광 파장대 등과 같은 세부 파라메터들이 적용될 수 있고, 상기 광 조사부(152)는 상기 필요 광량 기준치에 대응되는 광을 조사할 수 있으며, 광촉매의 소재에 대응하여 상기 필요 광량 기준치 등이 자유롭게 설정 및 선택될 수 있다.
이어서, 도 3은 도 1에 도시된 수소 액화부를 나타내는 상세 구성도이다.
도 3을 더 참조하면, 상기 수소 액화부(300)는 수소 압축기(310)와, 냉매 공급관(320)과, 열 교환기(330)와, 오소파라 촉매기(340)와, 기화 수소 회수관(350)과, 액화 수소 이송관(360)을 포함할 수 있다.
상기 수소 압축기(310)는 상술한 제 2 수소 배출관(142)과 연결되어 수소 기체를 공급받으며, 수소 기체를 가압 및 압축할 수 있다.
그리고, 상기 냉매 공급관(320)은 도시되지 않은 별도의 냉매 공급 수단과 연결되며, 그 내측으로 액화 질소 등과 같은 각종 냉매가 유동될 수 있다.
그리고, 상기 열 교환기(330)는 상기 수소 압축기(310) 및 상기 냉매 공급관(320)과 연결된다.
또한, 상기 열 교환기(330)는 다양한 단열 소재로 제조될 수 있으며, 그 내측에서 수소 압축기(310)의 배관 구조와 냉매 공급관(320)이 상호 면접촉할 수 있다.
상술한 배관 구조간 면접촉에 따라, 냉매의 냉열은 수소 압축기(310)의 배관측으로 전도 열전달될 수 있으며, 이를 통해 압축 수소 기체가 냉각되어 액화 수소로 상변이될 수 있다.
그리고, 열 교환기(330)를 통과한 액화 수소는 상기 오소파라 촉매기(340)를 통과할 수 있으며, 이를 통해 액화 수소에는 Ortho-para 변환이 적용되어 그 액화 상태가 안정적으로 유지될 수 있게 된다.
상기 기화 수소 회수관(350)은 상기 오소파라 촉매기(340)와 수소 압축기(310)를 상호 연통시킬 수 있다.
이를 통해, 상술한 열교환 원리에 따른 수소 액화 과정에도 불구하고 기체 상태로 남아 있거나, 액체 상태에서 다시 기체 상태로 재기화된 수소 기체는 상기 기화 수소 회수관(350)을 통해 다시 수소 압축기(310)로 공급될 수 있게 된다.
또한, 상술한 기화 수소 회수관(350)의 기체 반송 기능 구현을 위해, 기액 분리기 등 다양한 수단들이 상기 기화 수소 회수관(350)에 적용될 수 있다.
그리고, 상기 액화 수소 이송관(360)은 상기 열 교환기(330)와 연결되며, 액화 수소는 상기 액화 수소 이송관(360)을 통해 유동될 수 있다.
또한, 액화 수소의 재기화를 방지할 수 있도록, 상기 액화 수소 이송관(360)은 각종 단열재로 제조될 수 있는 단열 부재(361)에 의해 커버될 수 있다.
이어서, 도 4는 도 1에 도시된 수온 관리부를 나타내는 상세 구성도이다.
도 4를 더 참조하면, 상기 수온 관리부(400)는 냉각 탱크(410)와, 열 교환관(420)과, 증류수 공급관(430)과, 보충수 공급관(440)과, 압축 수소 이송관(450)과, 팽창 수소 압축기(460)를 포함할 수 있다.
상기 냉각 탱크(410)는 물이 수용될 수 있는 일종의 탱크 구조로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 열 교환관(420)은 상기 냉각 탱크(410)의 테두리에 면접촉하는 방식으로 마련될 수 있으며, 그 일단에는 전술한 액화 수소 이송관(360)이 연결될 수 있다.
또한, 상기 열 교환관(420)은 상기 냉각 냉크의 테두리에 일종의 나선형으로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 증류수 공급관(430)과 상기 보충수 공급관(440) 등이 상기 냉각 탱크(410)로 양식장의 수온 조절을 위한 냉각수를 공급할 수 있다.
이때, 냉각 탱크(410)에 저장된 냉각수는 양식장의 수온 상태 등 다양한 요인에 따라 필요처로 공급될 수 있다.
그리고, 전술한 액체 수소가 액화 수소 이송관(360)을 거쳐 열 교환관(420)을 따라 액화 탱크의 테두리측을 유동함으로써, 액화 탱크의 표면에서부터 그 내측 구간 방향으로 상기 액화 수소에 의한 냉열이 전도 방식으로 열전달되어, 이를 통해 액화 탱크의 내측에 마련된 냉각수가 냉각될 수 있게 된다.
그리고, 상기 압축 수소 이송관(450)은 열 교환관(420)의 말단과 연결될 수 있다.
이때, 열 교환관(420)을 통해 냉각 탱크(410)의 테두리를 따라 유동하며 열교환된 수소는 상기 압축 수소 이송관(450)을 통해 수소 저장부(500)로 이송될 수 있다.
또한, 상기 압축 수소 이송관(450)에는 팽창 수소 압축기(460)가 적용될 수 있으며, 이에 따라 상술한 냉각수로의 열교환 작용에 의해 팽창된 수소는 상기 팽창 수소 압축기(460)에 의해 압축될 수 있고, 이를 통해 기체 팽창에 의한 폭발 발생 등 각종 안전 사고가 방지될 수 있게 된다.
이어서, 도 5는 도 1에 도시된 수소 저장부를 나타내는 상세 구성도이다.
도 5를 더 참조하면, 상기 수소 저장부(500)는 기액 분리부(510)와, 기체측 이송관(520)과, 액체측 이송관(530)과, 고압 수소 저장 용기(540)와, 액화 수소 저장 용기(550)를 포함할 수 있다.
상기 기액 분리부(510)는 상술한 압축 수소 이송관(450)과 연결되며, 압축 수소 이송관(450) 내 수소의 액체와 기체 성분을 분리할 수 있다.
그리고, 이와 같이 기액 분리된 수소의 경우, 기체 성분은 상기 기체측 이송관(520)으로 공급되고, 액체 성분은 상기 액체측 이송관(530)으로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 고압 수소 저장 용기(540)는 다수의 수소 저장 합금(541)이 마련될 수 있으며, 상기 기체측 이송관(520)을 통해 각 수소 저장 합금(541)으로 수소 기체가 이송될 수 있다.
또한, 상기 수소 저장 합금(541)에 저장된 수소 기체는 수소 전지부(200)나 수소 액화부(300) 외 다양한 사용처로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 액화 수소 저장 용기(550)는 상기 액체측 이송관(530)과 연통되며, 이를 통해 액화 수소는 상기 액화 수소 저장 용기(550)에 저장될 수 있고, 이러한 액화 수소는 필요에 따라 각종 사용처로 공급될 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명은 양식장의 수온 관리 시스템을 제공하고자 하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예는 단지 하나의 실시 예에 불과하고, 본 발명의 권리 범위는 특허 청구범위 뿐만이 아닌, 다양하게 존재할 수 있는 균등한 실시 예에도 미친다 할 것이다.
1000 : 본 발명에 의한 양식장의 수온 관리 시스템
100 : 수소 분해부
110 : 정류기
120 : 전해질 수용 용기
130 : 광촉매 부재
141 : 제 1 수소 배출관
142 : 제 2 수소 배출관
151 : 가시광 센서부
152 : 광 조사부
200 : 수소 전지부
300 : 수소 액화부
310 : 수소 압축기
320 : 냉매 공급관
330 : 열 교환기
340 : 오소파라 촉매기
350 : 기화 수소 회수관
360 : 액화 수소 이송관
361 : 단열 부재
400 : 수온 관리부
410 : 냉각 탱크
420 : 열 교환관
430 : 증류수 공급관
440 : 보충수 공급관
450 : 압축 수소 이송관
460 : 팽창 수소 압축기
500 : 수소 저장부
510 : 기액 분리부
520 : 기체측 이송관
530 : 액체측 이송관
540 : 고압 수소 저장 용기
541 : 수소 저장 합금
550 : 액화 수소 저장 용기

Claims (5)

  1. 해수로부터 수소를 분리하는 수소 분해부;
    냉매와의 열교환을 통해 상기 수소의 온도를 감소시켜 액화 수소를 생성하는 수소 액화부; 및
    상기 액화 수소와의 열교환을 통해 양식장의 수온을 조절하기 위한 냉각수를 냉각시키는 수온 관리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양식장의 수온 관리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양식장의 수온 관리 시스템은,
    상기 수소를 이용하여 전기 에너지를 생산 및 저장하는 수소 전지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양식장의 수온 관리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 분해부는,
    광촉매인 광촉매 부재를 포함하며, 광촉매 반응을 통해 상기 해수로부터 상기 수소를 분리하는 것을 특징으로 하는 양식장의 수온 관리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광촉매 부재는,
    흑연탄소질화물(g-C3N4)을 포함하는 소재로 제조된 것을 특징으로 하는 양식장의 수온 관리 시스템.
  5. 제 5 항에 있어서,
    상기 수소 분해부는,
    자연광에 포함된 가시광을 센싱하는 가시광 센서부와, 상기 가시광 센서부의 센싱값이 필요 광량 기준치 미만일 경우 상기 광촉매 부재로 가시광 영역대의 광을 조사하는 광 조사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 양식장의 수온 관리 시스템.
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KR20190059396A (ko) 2017-11-23 2019-05-31 (주)주일테크 수산 양식장용 수온 저하시스템

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