KR20230099226A - Tepg를 이용한 발전 및 담수화 장치 - Google Patents
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Abstract
TEPG를 이용한 발전 및 담수화 장치 및 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 발전 및 담수화 장치는 관형 몸체, 상기 관형 몸체 내측 표면에 배치되며, 습식부와 건식부 사이의 전위차에 의한 전기 에너지를 생성하는 탄소-코팅 친수성 섬유층; 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층의 내측 표면에 배치되며, 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층으로부터 휘발성 가스와 물을 선택적으로 통과시키는 멤브레인층; 상기 멤브레인층 내측에 형성되어, 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층와의 수증기 분압차를 형성하여, 물의 유입을 유도하는 공기 간극; 및 상기 멤브레인층으로부터 상기 공기 간극으로 유입된 물을 저장하는 담수 저장 탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발전 및 담수화 장치는 관형 몸체, 상기 관형 몸체 내측 표면에 배치되며, 습식부와 건식부 사이의 전위차에 의한 전기 에너지를 생성하는 탄소-코팅 친수성 섬유층; 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층의 내측 표면에 배치되며, 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층으로부터 휘발성 가스와 물을 선택적으로 통과시키는 멤브레인층; 상기 멤브레인층 내측에 형성되어, 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층와의 수증기 분압차를 형성하여, 물의 유입을 유도하는 공기 간극; 및 상기 멤브레인층으로부터 상기 공기 간극으로 유입된 물을 저장하는 담수 저장 탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 발전 및 담수화 장치에 관한 것이다. 보다 보다 구체적으로, 본 발명은 TEPG(Transpiration-driven Electrokinetic Power Generator)를 이용한 발전 및 담수화 장치에 관한 것이다.
발전 장치는 다른 에너지로부터 전기 에너지를 얻기 위한 것으로, 화력 발전, 수력 발전, 태양열 발전, 풍력 발전 등 다양한 방식으로 전기 에너지를 얻을 수 있다.
담수화 장치는 해수 등의 비정화수로부터 담수 등의 정화수를 얻기 위한 것이다.
산업화가 급격하게 진행됨에 따라 기후도 빠르게 변하고 있다. 기후 변화에 기인한 일부 지역의 사막화는 감소된 강수량으로 이어지고, 그 결과 수자원 고갈 및 오염 문제가 더욱 심각해지고 있다. 이를 해결하기 위해 여러 해수 담수화 기술이 개발 및 상용화가 진행되고 있다. 하지만 현재의 대규모 설비를 이용한 담수화 기술은 막대한 초기비용과 유지/보수에 필요한 기술이 수준이 높고 많은 에너지가 요구되기 때문에 열악한 기반시설의 특정 지역, 특히 가뭄 취약지역(도서, 해안 및 산간)에 물 부족 문제를 대처하기 위한 적정 담수화 기술 개발이 필요하다고 생각된다.
또한, 전통적인 화석 에너지를 이용한 전기 생산은 화석 에너지의 고갈 문제 뿐만 아니라 환경 오염 등 많은 문제점을 야기하고 있는 바 친환경적인 발전 장치에 대한 다양한 기술 개발이 필요하다고 생각된다.
한편, 발전 장치와 해수 담수화 장치는 목표로 하는 결과물이 서로 상이하므로, 개별적으로 설치된다. 비용 절감, 장치의 총 면적 감소 등을 위해서는 이들 장치들이 복합화될 필요가 있다.
특허문헌 1에는 발전장치 및 담수화장치 일체형 플로팅 설비가 개시되어 있다. 상기 문헌에 의하면, 연료, 태양광 또는 풍력을 이용한 발전 장치와 원수를 취수하여 담수화하는 담수화 장치가 선체에 배치되어 있다.
그러나, 상기 문헌에서 발전 장치와 담수화 장치는 서로 독립적으로 작동하는 것이므로, 발전 장치와 담수화 장치가 단지 하나의 장소에 배치된 것에 불과하다.
특허문헌 2에는 미활용열 이용 발전-담수 복합시스템이 개시되어 있다. 상기 문헌에 의하면, 해양표층수, 발전소 온배수, 태양열을 증발열원으로 사용하여 증발기에서 해수를 증발시키고, 이에 발생되는 수증기를 터빈-발전기를 통해 전력을 생산하되, 전력을 생산하고 배출되는 수증기는 LNG와 열교환시켜 담수로 생산된다. 상기 문헌에 의하면, 해수의 증발, 터빈 발전 및 열교환을 통한 담수 생산의 일련의 과정으로 전력 생산 및 해수 담수화가 가능하다.
그러나, 상기 문헌의 발전-담수 복합시스템에서 수증기로 터빈-발전기를 구동시키기 위해서는 고온의 다량의 수증기가 요구된다. 또한 상기 문헌에서는 터빈-발전기와 같은 복잡한 장치들이 요구되므로, 시간과 비용 측면에서 비효율적이라 볼 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 발전 장치 및 담수화 장치를 복합화할 수 있으며, 효율적인 발전 및 담수화가 가능한 발전 및 담수화 장치를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 TEPG를 이용한 발전 및 담수화 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 TEPG 공정 및 멤브레인 증류를 이용한 발전 및 담수화 방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 발전 및 담수화 장치는, 관형 몸체; 상기 관형 몸체 내측 표면에 배치되며, 습식부와 건식부 사이의 전위차에 의한 전기 에너지를 생성하는 탄소-코팅 친수성 섬유층; 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층의 내측 표면에 배치되며, 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층으로부터 휘발성 가스와 물을 선택적으로 통과시키는 멤브레인층; 상기 멤브레인층 내측에 형성되어, 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층과의 수증기 분압차를 형성하여, 물의 유입을 유도하는 공기 간극(Air gap); 및 상기 멤브레인층으로부터 상기 공기 간극으로 유입된 물을 저장하는 담수 저장 탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 관형 몸체는 진공층이 개재된 2중 투명 유리관이 될 수 있다.
상기 탄소-코팅 친수성 섬유층은 해수에 젖어있는 습식부와, 상부로 향할수록 수분 함량이 감소하는 경계부와, 수분이 제거된 건식부를 포함할 수 있다. 상기 습식부에 제1 전극이 연결되고, 상기 건식부에 제2 전극이 연결될 수 있다.
상기 탄소-코팅 친수성 섬유층은 상기 관형 몸체의 하단으로부터 하부 방향으로 연장되어 있고, 탄소-코팅 친수성 섬유층의 연장된 부분은 습식부를 형성하도록 수면보다 아래에 있을 수 있다.
상기 발전 및 담수화 장치는 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층의 하단에 또는 상기 멤브레인층의 하단에 형성되는 바닥 구조물을 추가로 포함할 수 있다. 상기 바닥 구조물에는 상기 담수 저장 탱크와 연결되는 관로가 형성되어 있을 수 있다. 담수는 관로로 유입되어, 이와 연결된 담수 저장 탱크로 흘러들어갈 수 있다.
상기 바닥 구조물에는 추가의 멤브레인층이 배치되어 있을 수 있다.
상기 관형 몸체 외측에는 반사판이 추가로 배치될 수 있다.
상기 발전 및 담수화 장치는 수면에 대하여 경사지게 배치될 수 있다.
대량의 전력 생산 및 담수 확보를 위해, 상기 발전 및 담수화 장치를 병렬적으로 복수개를 포함할 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 발전 및 담수화 방법은 전술한 발전 및 담수화 장치를 이용하며, TEPG 공정으로 탄소-코팅 친수성 섬유층으로부터 전기 에너지를 생성하는 단계; 및 수증기 분압차를 이용하여 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층으로부터 증발되는 물이 멤브레인을 통과하여 담수화되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발전 및 담수화 장치는 TEPG 공정과 멤브레인 증류 공정을 이용하여 발전 및 담수화가 이루어질 수 있다. 특히, 본 발명의 경우, 발전을 위한 수단으로 탄소-코팅 친수성 섬유층이 필요할 뿐이고, 담수화를 위한 장치로서 멤브레인과 공기 간극이 필요할 뿐이므로, 장치가 심플화될 수 있으며, 저온에서도 작동가능하다.
따라서, 본 발명에 따른 발전 및 담수화 장치를 이용하여 해상에서 효율적인 발전 및 담수화 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발전 및 담수화 장치를 이용하여, 해상 부유식 담수화 플랜트를 만든다면 자가 발전 및 담수화를 통해 물 부족 및 에너지 고갈을 해결하는데 기여할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과는 아래의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 4종류의 멤브레인 증류 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 TEPG 공정의 원리를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 발전 및 담수화 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3b는 도 3a의 I-I 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 발전 및 담수화 장치 일측에 반사판이 배치된 예를 나타낸 것이다.
도 5는 발전 및 담수화 장치가 수면에 대하여 경사지게 배치된 예를 나타낸 것이다.
도 6은 복수개의 발전 및 담수화 장치를 포함하는 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 TEPG 공정의 원리를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 발전 및 담수화 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3b는 도 3a의 I-I 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 발전 및 담수화 장치 일측에 반사판이 배치된 예를 나타낸 것이다.
도 5는 발전 및 담수화 장치가 수면에 대하여 경사지게 배치된 예를 나타낸 것이다.
도 6은 복수개의 발전 및 담수화 장치를 포함하는 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장될 수 있다.
요소 또는 층이 "위" 또는 "상"으로 지칭되는 것은 다른 요소 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 요소가 "직접 위" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않는 것을 나타낸다. 또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래", "하부", "위", "상부" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용 시, 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 요소를 뒤집을 경우, 다른 요소의 "아래"로 기술된 요소는 다른 요소의 "위"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 TEPG를 이용한 발전 및 담수화 장치에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 4종류의 멤브레인 증류 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
멤브레인 증류(Membrane Distillation; MD) 공정은 기존 해수담수화 기술의 단점들을 해결할 수 있는 차세대 해수담수화 기술로 각광받고 있다. 특히, 멤브레인 증류 공정은 낮은 온도의 태양열 또는 지열과 같은 신재생에너지 또는 폐열을 활용할 수 있어, 높은 경제성을 갖춘 담수화 기술로 알려져 있다.
멤브레인 증류 공정의 주요 장점은 다음과 같다.
우선, 비휘발성 용질의 제거율이 매우 높다. 멤브레인 증류에 의해, 비휘발성 용질의 제거 효율이 약 99.9% 이상으로 매우 높은 것으로 알려져 있다.
또한, 멤브레인 증류 공정은 낮은 온도와 저압/고압 압력 조건에서 운전이 가능하다. 이에 따라 재생에너지 및 폐열 적용이 가능하다.
또한, 멤브레인 증류 공정은 유입수의 염 농도에 의한 성능 민감도가 매우 낮으며, 물질 전달 저항이 매우 작고, 높은 삼투압 또는 농도분극에 의한 성능 저하가 매우 작은 장점이 있다.
멤브레인 증류 공정은 멤브레인을 통과한 수증기를 응축 및 분리하는 방식에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 크게 4가지 방식으로 구분된다.
공통적을 멤브레인 증류 공정은 물 분자와 휘발성 기체만 투과할 수 있는 멤브레인(10)을 포함하며, 멤브레인(10)과 외벽(20)에 의해 정의되는 공간이 수증기의 유로가 된다. 도 1의 (a) 내지 (d)에서 위로 향하는 화살표(1)는 유입수(해수)의 방향을 나타내고, 아래로 향하는 화살표(2)는 처리수(담수)의 방향을 나타낸다.
도 1의 (a)는 DCMD 방식, (b)는 AGMD 방식, (c)는 SGMD 방식, (d)는 VMD 방식을 개략적으로 나타낸다. DCMD(Direct Contact MD) 방식은 유입수와 처리수를 직접 접촉시키는 방식이다. AGMD(Air Gap MD) 방식은 공기 간극(air gap)에 의해 막으로부터 응축 표면이 떨어져 있는 형태이다. 즉, AGMD 방식은 처리수 쪽에 공기 간극(30)을 배치한 방식이다. SGMD(Sweep Gas MD) 방식은 질소 가스, 아르곤 가스와 같은 스윕 가스(sweep gas)에 의해 응축 표면이 간극을 이루는 형태로, 차가운 기체가 계속 공급되어(3) 빠른 응축에 기여한다. VMD(Vacuum MD) 방식은 처리수 측에 진공(40)을 배치한 방식이다. VMD 방식에서 처리수 쪽에 진공을 형성하면, 높은 압력차를 형성하여 플럭스를 높일 수 있다.
도 1에서 AGMD 방식은 높은 에너지 효율과 잠열 회수가 가능하기 때문에 멤브레인 증류 공정의 상용화를 위해 가장 많이 사용되고 있다. 또한, AGMD 방식은 시스템의 모듈화가 가능하고, 태양열을 활용할 경우 지형 여건에 구애받지 않는 소규모 부유식 담수화 기술로의 적용이 가능하다.
본 발명에서는 다양한 멤브레인 증류 방식이 적용될 수 있지만, 이 중에서도 AGMD 방식이 가장 적합하게 적용될 수 있다.
도 2는 TEPG 공정의 원리를 개략적으로 나타낸 것이다.
TEPG는 식물의 증산 작용과 유사한 원리로 고체-액체 계면에서 발생하는 전기 동역학적 효과에 기반을 둔 발전 현상으로서, 복잡한 기계적 혹은 화학적 전환장치 없이 고체 전극 표면에서 상대적인 물의 이동만으로 전력을 생산할 수 있는 기술이다.
도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 탄소가 코팅된 친수성 섬유(50)에 물이 흡수되면 고체(탄소)-액체(물) 계면에서 형성된 전기 이중층에 의해 친수성 섬유의 습식부(51) 및 건식부(53) 간에 전위차가 발생된다.
그리고, 건식부(53)에서 물의 증발이 일어난다. 습식부(51)의 물은 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이 경계부(52)를 지나면서 그 함량이 점차 감소하게 되고, 건식부(53)에서는 물의 증발로 인해 수분 함량이 최소, 즉 제로가 될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 발전 및 담수화 장치를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 3b는 도 3a의 I-I 단면도를 나타낸 것이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 발전 및 담수화 장치(300)는 관형 몸체(310), 탄소-코팅 친수성 섬유층(320), 멤브레인층(330), 공기 간극(340) 및 담수 저장 탱크(350)를 포함한다.
관형 몸체(310)는 본 발명에 따른 발전 및 담수화 장치의 외관을 형성한다. 관형 몸체(310)는 내부가 비어있는 원기둥 형태, 내부가 비어있는 사각기둥 형태 등 다양한 형태로 될 수 있다.
관형 몸체(310)는 투명 유리관으로 형성될 수 있다. 투명 유리관은 태양광에 대하여 볼록렌즈의 효과를 얻을 수 있어, 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)의 건식부에서의 수분의 증발 효율을 높일 수 있다. 보다 바람직하게, 관형 몸체(310)는 진공층(315)이 개재된 2중 투명 유리관으로 형성될 수 있다. 관형 몸체(310)를 진공층(315)을 포함한 2중 투명 유리관으로 구성함으로써 태양광에 대한 볼록렌즈의 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 투명 유리관을 통해 흡수된 열손실을 최소화할 수 있다.
탄소-코팅 친수성 섬유층(320)은 관형 몸체 내측 표면에 배치된다.
탄소-코팅 친수성 섬유층(320)은 습식부와 건식부 사이의 전위차에 의한 전기 에너지를 생성한다. 위에서 설명한 바와 같이, 탄소가 코팅된 친수성 섬유(50)에 물이 공급되면 고체-액체 계면, 즉 물과 탄소의 계면에 형성되는 전기 이중층에 의해 친수성 섬유의 습식부 및 건식부 간에 전위차가 발생된다. 이러한 전위차를 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
생성된 전기 에너지는 도 5 및 도 6에 도시된 예와 같은 에너지 저장 장치(ESS)에 저장될 수 있다.
탄소-코팅 친수성 섬유층(320)은 해수에 젖어있는 습식부(322)와, 상부로 향할수록 수분 함량이 감소하는 경계부(324)와, 수분이 제거된 건식부(326)를 포함한다. 도 4를 참조하면, 습식부(322)에 제1 전극(410)(예를 들어, 음극)이 연결되고, 상기 건식부(322)에 제2 전극(420)(예를 들어, 양극)이 연결된다.
탄소-코팅 친수성 섬유층(320)은 도 3a에 도시된 예와 같이 상기 관형 몸체(310)의 하단으로부터 하부 방향으로 연장될 수 있다. 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)의 연장된 부분은 습식부(322)를 형성하도록 수면(301)보다 아래에 있을 수 있다. 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)을 이용한 전력 생산이 지속되기 위해서는 습식부(322)에 지속적으로 수분이 공급되고 건식부(326)에서 지속적으로 수분이 증발해야 한다. 상기와 같은 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)의 수면(301) 아래의 연장부를 통해 별도의 수단없이도 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)의 습식부(322)가 형성 및 유지될 수 있다.
탄소-코팅 친수성 섬유층(320)의 건식부에서는 수분의 증발이 이루어지는데, 본 발명에서는 이러한 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)의 건식부에서 증발되는 수분을 멤브레인 증류하여 해수를 담수화한다.
멤브레인층(330)은 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)의 내측 표면에 배치된다. 멤브레인층(330)은 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)으로부터 휘발성 가스와 물 분자를 선택적으로 통과시킨다. 이를 위해, 멤브레인층(330)은 소수성 다공성 재질로 형성될 필요가 있다. 이러한 소수성 재질로는 PVDF(Polyvinylidene fluoride), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 등이 제시될 수 있으며, 공지된 다양한 기공 형성 방법을 이용하여 다공성화할 수 있다.
친수성의 용매나 용질의 경우, 표면 장력이 크기 때문에, 액체상으로는 멤브레인층(330)의 기공들을 통과하지 못하며, 멤브레인층(330) 양단에서의 수증기의 분압차에 의해 멤브레인층(330)의 액체-기체 계면에서 증발된 증기가 기공 내로 확산 및 투과되어 멤브레인층(330)의 반대편(도 3에서는 관 내부)에서 응축 및 분리될 수 있다. 에너지는 고체, 액체, 기체순으로 커진다. 박막을 사이에 두고 뜨거운 해수기체와 이에 상대적으로 차가운 담수기체사이에 에너지갭(차이)가 생긴다. 에너지의 이동은 열역학적 법칙에 의해 에너지가 높은 쪽에서 에너지가 낮은 쪽으로 이동한다. 따라서 박막을 통해 해수가 이동하고 담수과 되며 에너지가 낮아지면서 응측되는 것이다. 수증기의 분압차는 압력이나 온도의 차이가 클수록 더 커질 수 있다.
멤브레인층(330)은 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)의 하단으로부터 추가로 연장될 수 있으며, 이 경우, 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)보다 아래 부분은 예를 들어 원통형의 멤브레인층(330) 단일층으로만 형성될 수 있다.
공기 간극(Air gap)(340)은 멤브레인층(330) 내측에 형성되어, 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)과의 수증기 분압차를 형성한다. 이러한 수증기 분압차를 구동력으로 하여, 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)에서 방출되는 증기 상태의 물이 멤브레인층(330)을 투과하여 공기 간극(340)으로 유입될 수 있다.
담수 저장 탱크(350)는 멤브레인층(330)으로부터 상기 공기 간극으로 유입된 물을 저장한다. 공기 간극으로 유입된 증기 상태의 물은 중간에 응축되어 담수 저장 탱크(350)에는 액체 상태의 담수가 저장된다.
탄소-코팅 친수성 섬유층(320)의 하단에는 바닥 구조물(360)이 형성될 수 있다. 바닥 구조물(360)은 장치의 바닥면을 형성하여, 해수가 공기 간극(340)으로 직접 유입되지 않도록 한다. 멤브레인층(330)의 하단이 탄소-코팅 친수성 섬유층(320)의 하단보다 더 낮은 높이인 경우에는 바닥 구조물(360)은 멤브레인층(330)의 하단에 형성될 수 있다.
바닥 구조물(360)에는 담수 저장 탱크(350)와 연결되는 관로(355)가 형성되어 있을 수 있다. 관로(355)는 여러 개체와 연결될 수 있으며, 최종적으로는 담수 저장 탱크(350)와 연결될 수 있다. 따라서, 담수는 관로(355)로 유입되어, 이와 연결된 담수 저장 탱크(350)로 흘러 들어가게 된다.
또한, 바닥 구조물(360)에는 추가의 멤브레인층이 배치되어 있을 수 있다. 바닥 구조물(360)에 배치되는 멤브레인층은 담수가 끈김없이 흘러들어갈 수 있도록 길이방향으로 긴 신장형 구조를 가질 수 있다. 또한, 담수화를 위한 멤브레인 증류가 한번 더 이루어질 수 있으므로, 담수화 효율을 보다 높일 수 있다.
도 4는 발전 및 담수화 장치 일측에 반사판이 배치된 예를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 예와 같이, 관형 몸체(310) 외측에는 반사판(440)이 추가로 배치되어 있을 수 있다. 반사판(440)은 바람직하게는 태양의 반대쪽에 배치될 수 있다. 반사판(440)에 의해 관형 몸체(310)를 통과한 광이 다시 관형 몸체(310)로 반사될 수 있으므로, 에너지 효율을 증대시킬 수 있다.
반사판(440)은 관형 몸체(310)에 밀착 배치될 수 있다. 다른 예로, 반사판(440)은 관형 몸체(310)에 이격 배치될 수 있다. 또한, 반사판(440)은 고정식으로 배치될 수 있고, 관형 몸체의 둘레 방향을 따라 이동가능하게 배치될 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 장치의 상부 쪽에도 관로(430)가 형성될 수 있다. 장치 하부 쪽의 관로(355)는 담수 저장 탱크(350) 로 담수를 이동시키는 용도로 사용되는데 반해, 장치 상부 쪽의 관로(430)는 기압 평형과 대류를 위한 용도 등으로 사용될 수 있다.
도 5는 발전 및 담수화 장치가 수면에 대하여 경사지게 배치된 예를 나타낸 것이다.
발전 및 담수화 장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 수면에 대하여 직각으로 배치될 수 있으며, 도 5에 도시된 예와 같이, 수면에 대하여 경사지게 배치될 수 있다.
도 6은 복수개의 발전 및 담수화 장치를 포함하는 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
전기 에너지의 양 및 담수화된 물의 양을 증대시킬 필요가 있는 경우, 도 6에 도시된 예와 같이 복수개의 발전 및 담수화 장치를 배치할 수 있다. 발전 및 담수화 장치들은 병렬적으로 배치될 수 있다.
이상에서 설명된 발전 및 담수화 장치를 이용하여 발전 및 담수화하는 방법은, TEPG 공정으로 탄소-코팅 친수성 섬유층으로부터 전기 에너지를 생성하고, 수증기 분압차를 이용하여 탄소-코팅 친수성 섬유층으로부터 증발되는 물이 멤브레인을 통과하여 담수화되도록 하는 과정을 포함한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
301 : 수면
310 : 관형 몸체
315 : 진공층
320 : 탄소-코팅 친수성 섬유층
322 : 습식부
324 : 경계부
326 : 건식부
330 : 멤브레인층
340 : 공기 간극
350 : 담수 저장 탱크
355 : 관로
360 : 바닥 구조물
410 : 제1 전극
420 : 제2 전극
440 : 반사판
310 : 관형 몸체
315 : 진공층
320 : 탄소-코팅 친수성 섬유층
322 : 습식부
324 : 경계부
326 : 건식부
330 : 멤브레인층
340 : 공기 간극
350 : 담수 저장 탱크
355 : 관로
360 : 바닥 구조물
410 : 제1 전극
420 : 제2 전극
440 : 반사판
Claims (10)
- 관형 몸체;
상기 관형 몸체 내측 표면에 배치되며, 습식부와 건식부 사이의 전위차에 의한 전기 에너지를 생성하는 탄소-코팅 친수성 섬유층;
상기 탄소-코팅 친수성 섬유층의 내측 표면에 배치되며, 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층으로부터 휘발성 가스와 물을 선택적으로 통과시키는 멤브레인층;
상기 멤브레인층 내측에 형성되어, 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층와의 수증기 분압차를 형성하여, 물의 유입을 유도하는 공기 간극(Air gap); 및
상기 멤브레인층으로부터 상기 공기 간극으로 유입된 물을 저장하는 담수 저장 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 및 담수화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 관형 몸체은 진공층이 개재된 2중 투명 유리관인 것을 특징으로 하는 발전 및 담수화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소-코팅 친수성 섬유층은 해수에 젖어있는 습식부와, 상부로 향할수록 수분 함량이 감소하는 경계부와, 수분이 제거된 건식부를 포함하고,
상기 습식부에 제1 전극이 연결되고, 상기 건식부에 제2 전극이 연결되는 것을 특징으로 하는 발전 및 담수화 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 탄소-코팅 친수성 섬유층은 상기 관형 몸체의 하단으로부터 하부 방향으로 연장되어 있고, 탄소-코팅 친수성 섬유층의 연장된 부분은 습식부를 형성하도록 수면보다 아래에 있는 것을 특징으로 하는 발전 및 담수화 장치.
- 제4항에 있어서,
상기 발전 및 담수화 장치는 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층의 하단에 또는 상기 멤브레인층의 하단에 형성되는 바닥 구조물을 추가로 포함하고,
상기 바닥 구조물에는 상기 담수 저장 탱크와 연결되는 관로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발전 및 담수화 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 바닥 구조물에는 추가의 멤브레인층이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발전 및 담수화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 관형 몸체 외측에는 반사판이 추가로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 발전 및 담수화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 발전 및 담수화 장치는 수면에 대하여 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 발전 및 담수화 장치.
- 제1항에 기재된 발전 및 담수화 장치를 병렬적으로 복수개 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 및 담수화 장치.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 발전 및 담수화 장치를 이용하여 발전 및 담수화하는 방법으로서,
TEPG 공정으로 탄소-코팅 친수성 섬유층으로부터 전기 에너지를 생성하는 단계; 및
수증기 분압차를 이용하여 상기 탄소-코팅 친수성 섬유층으로부터 증발되는 물이 멤브레인을 통과하여 담수화되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 및 담수화 방법.
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