KR20240012144A - 태양열에 기반한 다중 생산 시스템 - Google Patents

태양열에 기반한 다중 생산 시스템 Download PDF

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경희대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 태양열을 이용하여 전력, 담수, 냉방을 동시에 생산하는, 다중 생산 시스템에 관한 발명이다.
본 발명의 일 실시예는, 태양열 집열기 및 상기 태양열 집열기로부터 전달 유체를 통해 열 에너지를 전달받는 제1 열교환기를 포함하는 태양열 공급 유닛, 상기 태양열 공급 유닛으로부터 열 에너지를 전달받아 전력을 생산하며, 하나 이상의 터빈을 포함하는 발전 유닛 및 외부에서 해수를 유입시켜 상기 발전 유닛과 열 교환하며, 이로부터 담수를 생산하는 담수화 유닛을 포함하는, 다중 생산 시스템을 개시한다.

Description

태양열에 기반한 다중 생산 시스템 {SOLAR POWERED MULTI GENERATION SYSTEM}
본 발명은 태양열에 기반한 다중 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양열을 이용하여 전력, 담수, 냉방을 동시에 생산하는 다중 생산 시스템에 관한 것이다.
온실가스는 지표면에서 방출하는 지구복사를 흡수하거나 재 방출하여 온실효과를 유발하는 물질로서, 대표적으로 이산화탄소(CO2) 등이 있다. 다량의 온실가스 배출은 기후변화를 일으키는 하나의 요인으로 꼽히고 있다.
화석연료로부터 에너지를 생산해내기 위해서는 화석연료의 연소가 필요하고, 화석연료가 연소되면서 다량의 온실가스가 배출된다. 이는 현재 전세계 온실가스 배출량의 가장 큰 부분을 차지하고 있다.
인구 증가와 무분별한 산업화로 인하여 전지구적으로 에너지 소비량이 증가하고 있다. 이에 따른 온실가스 배출 증가로, 기후 변화 및 지구 온난화가 가속화되고 있다. 기후변화의 결과로서 극지방의 빙하가 감소하고, 해수면이 상승하며, 사막화가 진행된다.
한편, 에너지를 생산하는 과정에서 용수는 다양하게 사용된다. 화석연료를 전력 생산의 재료로 사용하기 위해 다듬는 과정에서 다량의 용수가 사용되며, 전력을 생산하고 남은 열을 방출시키는 과정에서도 역시 다량의 용수가 필요하다.
즉, 에너지 소비량의 증가로 인해, 온실가스 증가로 인한 기후변화뿐만 아니라, 수자원의 부족도 문제가 되고 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 지속가능한 에너지 생산 시스템 및 효율적인 에너지 전환 기술 등이 필요하다.
전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다.
중국 등록 특허 제113417703호 (2022.04.22 등록)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양열을 사용하여 전력을 생산함으로써 온실가스의 배출을 줄일 수 있고, 용수 사용량을 줄일 수 있으며, 열 회수율을 높이고, 폐열 배출을 위한 냉각 시설이 필요하지 않은, 태양열에 기반한 다중 생산 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되지 않는다. 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 태양열 집열기 및 상기 태양열 집열기로부터 전달 유체를 통해 열 에너지를 전달받는 제1 열교환기를 포함하는 태양열 공급 유닛, 상기 태양열 공급 유닛으로부터 열 에너지를 전달받아 전력을 생산하며, 하나 이상의 터빈을 포함하는 발전 유닛 및 외부에서 해수를 유입시켜 상기 발전 유닛과 열 교환하며, 이로부터 담수를 생산하는 담수화 유닛을 포함하는, 다중 생산 시스템을 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 태양열 공급 유닛은 상기 태양열 집열기에서 배출된 전달 유체의 일부를 저장하는 제1 저장조를 더 포함하고, 상기 태양열 집열기가 정상 작동 범위에서 벗어나는 경우 상기 제1 저장조에 저장된 전달 유체가 상기 제1 열교환기에 공급될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 발전 유닛은 제1 작동 유체로 작동하는 제1 랭킨 사이클을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 랭킨 사이클은 상기 태양열 공급 유닛으로부터 열 에너지를 전달받은 제1 작동 유체로 전력을 생산하는 제1 터빈 및 상기 제1 터빈에서 배출된 제1 작동 유체와 외부에서 상기 담수화 유닛으로 유입된 해수를 열 교환시키는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 터빈에서 배출된 제1 작동 유체의 일부는 상기 제1 열교환기로 유입되고, 나머지 일부는 상기 제2 열교환기로 유입될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 발전 유닛은 제2 작동 유체로 작동하는 제2 랭킨 사이클을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 랭킨 사이클은 상기 제2 작동 유체가 상기 제1 랭킨 사이클의 상기 제1 작동 유체와 열 교환하는 제3 열교환기 및 상기 제2 작동 유체로 전력을 생산하는 제2 터빈을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 랭킨 사이클은 상기 제2 터빈에서 배출된 제2 작동 유체와 외부에서 상기 담수화 유닛으로 유입된 해수를 열 교환시키는 제4 열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1 작동 유체는 수증기이며, 상기 제2 작동 유체는 유기 증기(organic vapor)일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 작동 유체는 R365mfc일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 외부에서 상기 담수화 유닛으로 유입된 해수는 먼저 상기 제1 랭킨 사이클의 상기 제1 작동 유체와 열교환이 이루어진 후에, 상기 제2 랭킨 사이클의 상기 제2 작동 유체와 열교환이 이루어질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 발전 유닛과의 열 교환에 의해 외기를 냉각시키는 냉각 유닛을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 냉각 유닛은 외기를 상기 발전 유닛에서 배출된 제1 작동 유체와 열 교환하여 냉각하며, 상기 제1 작동 유체를 상기 발전 유닛으로 전달하는 제5 열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 냉각 유닛은 상기 발전 유닛에서 배출된 상기 제1 작동 유체가 상기 제5 열교환기에 유입되기 전에 상기 제1 작동 유체의 온도를 낮추는 교축 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 발전 유닛은 상기 터빈에서 배출된 제1 작동 유체를 이송하는 제트 이젝터를 더 포함하고, 상기 제5 열교환기에서 배출된 제1 작동 유체는 상기 제트 이젝터로 전달될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양열에 기반한 다중 생산 시스템(이하 "다중 생산 시스템"이라고도 함)은 화석연료를 사용하지 않으므로 온실가스의 배출을 줄일 수 있고, 용수 사용량을 줄일 수 있으며, 열 회수율을 높이고, 폐열을 효율적으로 활용함으로써 폐열 배출을 위한 냉각 시설이 필요하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템은 전력 생산뿐만 아니라 담수 생산과 냉방 제공이 동시에 이루어짐으로써, 담수 부족으로 큰 어려움을 겪고 있는 건조하고 더운 지역에서 물 공급 및 쾌적한 환경 제공에 기여할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 중 제2 랭킨 사이클을 더 포함하는, 다중 생산 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예 중 제2 랭킨 사이클을 더 포함하는, 다중 생산 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 7은 제2 랭킨 사이클의 제2 작동 유체에 따른 각종 수치를 비교하는 표이다.
도 8은 화석연료를 이용하는 전력 생산 시스템과 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템 간의 용수 사용량을 워터-엑서지 넥서스(water-exergy nexus) 분석을 통해 비교하는 표이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우도 포함한다.
이하 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다중 생산 시스템에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템(10)을 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 다중 생산 시스템(10)은 태양열 공급 유닛(100), 발전 유닛(200) 및 담수화 유닛(300)을 포함할 수 있다.
태양열 공급 유닛(100)은 태양광(S)을 받아 열 에너지로 변환할 수 있다. 변환된 열 에너지는 발전 유닛(200)에 전달되어 전기 에너지(E) 생산에 사용될 수 있다. 전기 에너지(E) 생산에 사용되고 남은 열 에너지는 담수화 유닛(300)에 전달될 수 있다. 담수화 유닛(300)에서는 해수(SW)에서 담수(FW)를 생산해내는 과정에서, 발전 유닛(200)으로부터 전달받은 열 에너지가 사용될 수 있다. 이하 도 2를 통하여 각 유닛이 포함할 수 있는 구성요소를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템(10)의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 태양열 공급 유닛(100)은 태양열 집열기(110), 제1 열교환기(120), 제1 저장조(130) 및 제2 저장조(131)를 포함할 수 있다.
태양열 집열기(110)는 태양광(S)을 모아 열 에너지로 변환하는 역할을 한다. 태양열 집열기(110)는 평판 형일 수도 있고, 진공관 형일 수도 있으며, 포물선 형(parabolic trough solar collector)일 수도 있다.
태양열 집열기(110)에서 생성된 열 에너지는 전달 유체를 매개로 하여 제1 열교환기(120)에 전달될 수 있다.
제1 열교환기(120)는 태양열 공급 유닛(100)의 전달 유체와, 발전 유닛(200)의 작동 유체를 서로 열 교환시킬 수 있다. 이에 따라 태양열 공급 유닛(100)에서 발전 유닛(200)으로 열 에너지가 전달될 수 있다.
제1 저장조(130)는 전달 유체가 태양열 집열기(110)에서 제1 열교환기(120)로 가는 경로 사이에 배치될 수 있다. 제1 저장조(130)는 태양열 집열기(110)에서 배출된 전달 유체의 일부를 저장할 수 있다. 제1 저장조(130)는 태양열 집열기(110)가 정상 작동 범위에서 벗어나는 경우 제1 저장조(130)에 저장된 전달 유체를 제1 열교환기(120)에 공급할 수 있다.
태양열 집열기(110)가 정상 작동하는 경우는 해가 떠 있는 시간 동안의 평균적인 집열량이 발생하여 다중 생산 시스템(10)이 작동 가능한 경우를 말한다. 태양열 집열기(110)가 정상 작동 범위에서 벗어나는 경우는 예를 들면 날씨가 흐리거나 해가 진 밤이어서 집열량이 기준치보다 적거나 없는 경우를 말한다.
제1 저장조(130)는 태양열 집열기(110)가 정상 작동할 때 태양열 집열기(110)에서 배출된 전달 유체의 일부를 저장해 두었다가, 태양열 집열기(110)가 정상 작동 범위를 벗어날 때, 저장해 두었던 전달 유체를 제1 열교환기(120)로 공급함으로써 다중 생산 시스템(10)을 멈추지 않고 작동시킬 수 있다. 이에 따라, 날씨와 시간에 상관없이 일정하게 다중 생산 시스템(10)을 작동시킬 수 있다.
제2 저장조(131)는 전달 유체가 제1 열교환기(120)에서 다시 태양열 집열기(110)로 가는 경로 사이에 배치될 수 있다. 제2 저장조(131)는 제1 열교환기(120)에서 배출된 전달 유체의 일부를 저장할 수 있다. 즉, 제1 열교환기(120)에서 발전 유닛(200)에 열을 전달한 후의 전달 유체의 일부가 제2 저장조(131)에 저장될 수 있다. 또한 제2 저장조(131)는 제1 저장조(130)에 저장되는 전달 유체의 양과 동일한 양의 전달 유체를 태양열 집열기(110)에 공급할 수 있다.
태양열 집열기(110)가 정상 작동 범위를 벗어날 때를 대비하여 제1 저장조(130)에 저장되는 전달 유체의 양만큼, 태양열 집열기(110)가 정상 작동 범위에 있을 때 시스템 운전에 필요한 전달 유체의 양이 줄어들 수 있다. 이를 보전하기 위해, 제2 저장조(131)는 제1 저장조(130)에 저장되는 전달 유체의 양과 동일한 양의 전달 유체를 배출하여 태양열 집열기(110)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 태양열 집열기(110)가 정상 작동 범위에 있을 때 시스템 운전에 사용되는 전달 유체의 총량이 일정하게 유지될 수 있다.
반대로, 태양열 집열기(110)가 정상 작동 범위를 벗어난 경우, 제1 저장조(130)에서 배출하는 전달 유체의 양과 동일한 양의 전달 유체가 제2 저장조(131)에 저장될 수 있다. 이에 따라, 태양열 집열기(110)가 정상 작동 범위를 벗어날 때에도 시스템 운전에 사용되는 전달 유체의 총량이 일정하게 유지될 수 있다.
발전 유닛(200)은 태양열 공급 유닛(100)으로부터 열 에너지를 전달받아 전력을 생산하며, 하나 이상의 터빈을 포함할 수 있다.
일 실시예로 발전 유닛(200)은 제1 작동 유체로 작동하는 제1 랭킨 사이클(210)을 포함할 수 있다. 랭킨 사이클은 압축과정과 팽창과정의 비체적의 차이를 최대로 하기 위하여 기체와 액체 사이의 상변화를 이용해 열을 일로 변환하는 사이클을 말한다.
도 2를 참조하면, 제1 랭킨 사이클(210)은 제1 터빈(211), 제2 열교환기(212), 제1 펌프(213) 및 혼합기(214)를 포함할 수 있다.
제1 터빈(211)은 제1 열교환기(120)에서 전달 유체로부터 열 에너지를 전달받은 고온의 제1 작동 유체를 공급받아 작동할 수 있다. 이때, 제1 터빈(211)은 제1 작동 유체가 가지고 있는 열 에너지를 물리적 회전 에너지로 변환시킬 수 있다. 제1 터빈(211)의 회전축과 연결된 제1 발전기(미도시)는 제1 터빈(211)의 작동 시 회전 에너지를 전기 에너지(E)로 변환시킬 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 터빈(211)에서 배출된 제1 작동 유체는 분기점(216)에서 일부와 나머지가 분리될 수 있다. 제1 작동 유체의 일부는 제2 열교환기(212)로 유입되고, 제1 작동 유체의 나머지 일부는 제1 열교환기(120)로 유입될 수 있다.
제2 열교환기(212)는 발전 유닛(200)에서 전력을 생산하고 남은 열 에너지를 담수화 유닛(300)으로 전달하는 역할을 할 수 있다. 즉, 제2 열교환기(212)는 제1 터빈(211)에서 배출된 제1 작동 유체의 일부와, 외부에서 담수화 유닛(300)으로 유입된 해수(SW)를 열 교환시킬 수 있다. 다시 말해, 제1 터빈(211)에서 회전 에너지로 변환되고 남은 열을, 담수화 장치(320)에 공급되기 전의 해수(SW)를 예열하는데 사용할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템(10)은 전기 에너지(E)를 생산하는 과정에서 발생하는 폐열을 외부로 배출하는데 필요한 냉각시설을 별도로 설치할 필요가 없다. 이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템(10)은 냉각시설에서 냉각에 사용되는 용수도 필요 없으므로 용수 사용량도 줄일 수 있다. 또한 본 발명의 일실시예에 따른 다중 생산 시스템(10)은 남은 열을 재사용하여 열 회수율을 높임으로써 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
제1 펌프(213)는 분기점(216)과 제1 열교환기(120) 사이에 배치될 수 있다. 제1 펌프(213)는 혼합기(214)에서 배출된 제1 작동 유체 중 제2 열교환기(212)에 유입된 일부를 제외한 나머지 제1 작동 유체의 압력을 높여서 제1 열교환기(120)에 공급할 수 있다. 제1 펌프(213)에서 배출된 제1 작동 유체는 가압된 상태에서 제1 열교환기(120)로 유입되어 태양열 공급 유닛(100)의 전달 유체로부터 열 에너지를 전달받을 수 있다. 열 에너지를 전달받은 제1 작동 유체는 다시 제1 터빈(211)으로 유입될 수 있다.
혼합기(214)는 제2 열교환기(212)에서 배출된 제1 작동 유체와 제1 터빈(211)에서 배출된 제1 작동 유체를 혼합시킬 수 있다. 그리고 혼합기(214)에서 혼합된 제1 작동 유체는 분기점(216)에서 분리되어 일부는 제2 열교환기(212)로, 나머지 일부는 제1 펌프(213)로 유입될 수 있다.
일 실시예로 혼합기(214)는 제트 이젝터일 수 있다. 제트 이젝터는 제2 열교환기(212)에서 배출된 제1 작동 유체 및 제1 터빈(211)에서 배출된 제1 작동 유체를 혼합시킬 뿐만 아니라, 혼합된 제1 작동 유체의 압력을 증가시키는 역할을 할 수 있다.
담수화 유닛(300)은 외부에서 해수(SW)를 유입시켜 발전 유닛(200)과 열 교환하며, 이로부터 담수(FW)를 생산할 수 있다.
도 2를 참조하면, 담수화 유닛(300)은 제3 펌프(310) 및 담수화 장치(320)를 포함할 수 있다.
제3 펌프(310)는 제2 열교환기(212)에서 제1 작동 유체로부터 열을 전달받아 예열된 해수(SW)의 압력을 높여서 담수화 장치(320)로 공급할 수 있다. 여기서 해수(SW)는 다중 생산 시스템(10)의 외부에서 유입될 수 있다.
담수화 장치(320)는 예열된 해수(SW)를 공급받아 담수(FW)를 생산할 수 있고, 해수(SW)에서 담수(FW)를 분리하고 남은 염수(B)를 배출할 수 있다. 담수(FW)를 생산하는 방법은 특별히 제한하지 않는다. 일 실시예로, 담수화 장치(320)는 역삼투압법(R.O: Reverse Osmosis)에 의해 작동할 수 있다. 다른 실시예로, 담수화 장치(320)는 증류법(distillation), 전기투석막법(electrodialysis membrane) 및 냉동법(freezing method) 중 어느 하나에 의해 작동할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 중 제2 랭킨 사이클(220)을 더 포함하는, 다중 생산 시스템(10A)의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 다중 생산 시스템(10A)은 태양열 공급 유닛(100), 발전 유닛(200A) 및 담수화 유닛(300A)을 포함할 수 있고, 발전 유닛(200A)은 제1 작동 유체로 작동하는 제1 랭킨 사이클(210) 및 제2 작동 유체로 작동하는 제2 랭킨 사이클(220)을 포함할 수 있다. 이때, 태양열 공급 유닛(100), 담수화 유닛(300A) 및 제1 랭킨 사이클(210)은 상기 도 2에서 설명한 것과 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제2 랭킨 사이클(220)은 제3 열교환기(221), 제2 터빈(222), 제4 열교환기(223) 및 제2 펌프(224)를 포함할 수 있다.
제3 열교환기(221)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 혼합기(214)와 분기점(216) 사이에 배치될 수 있다. 제3 열교환기(221)는 제1 랭킨 사이클(210)의 제1 작동 유체와 제2 랭킨 사이클(220)의 제2 작동 유체를 열 교환시킬 수 있다. 혼합기(214)에서 배출된 제1 작동 유체는 제3 열교환기(221)를 통해 제2 펌프(224)에서 배출된 제2 작동 유체로 열 에너지를 전달할 수 있다. 이에 따라, 태양열 공급 유닛(100)으로부터 제1 랭킨 사이클(210)에 전달된 열 에너지 중 제1 터빈(211)에서 전기 에너지(E)로 전환되고 남은 열 에너지를 제2 랭킨 사이클(220)에 전달할 수 있다.
제2 터빈(222)은 제2 작동 유체가 제3 열교환기(221)에서 제4 열교환기(223)로 가는 경로 사이에 배치될 수 있다. 제2 터빈(222)은 제3 열교환기(221)에서 제1 작동 유체로부터 열 에너지를 전달받은 고온의 제2 작동 유체를 공급받아 작동할 수 있다. 이때, 제2 터빈(222)은 제2 작동 유체가 가지고 있는 열 에너지를 물리적 회전 에너지로 변환시킬 수 있다. 제2 터빈(222)의 회전축과 연결된 제2 발전기(미도시)는 제2 터빈(222)의 작동 시 회전 에너지를 전기 에너지(E)로 변환시킬 수 있다.
제4 열교환기(223)는 발전 유닛(200A)에서 전력을 생산하고 남은 열 에너지를 담수화 유닛(300A)으로 전달하는 역할을 할 수 있다. 즉, 제4 열교환기(223)는 제2 터빈(222)에서 배출된 제2 작동 유체와 담수화 유닛(300A)의 해수(SW)를 열 교환시킬 수 있다. 다시 말해, 제2 터빈(222)에서 전기 에너지(E)로 변환되고 남은 열 에너지를, 담수화 장치(320)에 공급되기 전의 해수(SW)를 예열하는데 사용할 수 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 외부에서 유입된 해수(SW)는 제2 열교환기(212)에서 제1 작동 유체로부터 열 에너지를 전달받아 1차로 예열되며, 이후 제4 열교환기(223)에서 제2 작동 유체로부터 열 에너지를 전달받아 2차로 예열될 수 있다.
제2 펌프(224)는 제2 작동 유체가 제4 열교환기(223)에서 제3 열교환기(221)로 가는 경로 사이에 배치될 수 있다. 제2 펌프(224)는 제4 열교환기(223)에서 배출된 제2 작동 유체의 압력을 높여서 제3 열교환기(221)에 공급할 수 있다.
이와 같이 제1 랭킨 사이클(210)로부터 전력 생산 후 남은 열 에너지를 공급받아 제2 터빈(222)을 통해 다시 전력을 생산하고 제4 열교환기(223)를 통해 담수화 유닛(300A)에 열을 전달함으로써, 다중 생산 시스템(10A) 전체의 폐열을 줄일 수 있다. 이에 따라, 다중 생산 시스템(10A)의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 폐열을 외부로 배출하는데 필요한 냉각시설을 별도로 설치할 필요가 없으며 이에 따른 용수 사용량도 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템(11)을 나타낸 개념도이다.
도 4를 참조하면, 다중 생산 시스템(11)은 태양열 공급 유닛(100), 발전 유닛(200), 담수화 유닛(300) 및 냉각 유닛(400)을 포함할 수 있다. 이때, 태양열 공급 유닛(100), 발전 유닛(200) 및 담수화 유닛(300)은 상기 도 2에서 설명한 것과 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
발전 유닛(200)의 제1 작동 유체는 발전 유닛(200)에서 전력을 생산한 후, 담수화 유닛(300)에서 해수(SW)를 예열한 뒤, 냉각 유닛(400)에서 외기(a) 냉각에 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템(11)의 개략적인 구성도이다. 도 6은 본 발명의 다른 일 실시예 중 제2 랭킨 사이클(220)을 더 포함하는, 다중 생산 시스템(11A)의 개략적인 구성도이다.
도 5의 제1 랭킨 사이클(210) 및 도 6의 제2 랭킨 사이클(220)은 도 2 및 도 3에서 설명한 것과 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략하고, 이하 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템(10)과의 차이를 가지는 냉각 유닛(400)에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
냉각 유닛(400)은 발전 유닛(200)과의 열 교환에 의해 외기(a)를 냉각시킬 수 있다. 냉각 유닛(400)은 제5 열교환기(410) 및 교축 밸브(420)를 포함할 수 있다.
제5 열교환기(410)는 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 작동 유체가 제2 열교환기(212)에서 제트 이젝터(215)로 가는 경로 사이에 배치될 수 있다. 제5 열교환기(410)는 발전 유닛(200)에서 배출된 제1 작동 유체와 외기(a)를 열 교환시킴으로써 외기(a)를 냉각시킬 수 있다. 또한 제5 열교환기(410)는 외기(a)와의 열 교환이 이루어진 후의 제1 작동 유체를 발전 유닛(200), 보다 구체적으로 제트 이젝터(215)로 다시 전달할 수 있다.
교축 밸브(420)는 제1 작동 유체가 제2 열교환기(212)에서 제5 열교환기(410)로 가는 경로 사이에 배치될 수 있다. 교축 밸브(420)는 발전 유닛(200)에서 배출된 제1 작동 유체가 제5 열교환기(410)에 유입되기 전에 제1 작동 유체의 온도를 외기(a)의 온도보다 낮출 수 있다. 이에 따라, 제5 열교환기(410)에서 외기(a)로부터 제1 작동 유체로 열이 전달되도록 함으로써 외기(a)를 냉각시킬 수 있다.
냉각 유닛(400)이 추가됨에 따라, 건조하고 더운 지역에 담수(FW) 생산에 의한 물 공급과 동시에 냉각을 제공함으로써 쾌적한 환경을 조성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 다중 생산 시스템(11)에서 발전 유닛(200)은 제트 이젝터(215)를 더 포함할 수 있다.
제트 이젝터(215)는 제1 터빈(211)에서 배출된 제1 작동 유체를 이송할 수 있다. 또한, 제트 이젝터(215)는 제5 열교환기(410)에서 배출된 제1 작동 유체를 전달받아 이송할 수 있다. 즉, 제트 이젝터(215)는 상태가 서로 다른 두 유체인, 제1 터빈(211)에서 배출된 제1 작동 유체 및 제5 열교환기(410)에서 배출된 제1 작동 유체를 혼합할 수 있다. 나아가 제트 이젝터(215)는 혼합된 제1 작동 유체를 가압시킬 수 있다. 한편, 제트 이젝터(215)에 의해 혼합되고 가압된 제1 작동 유체는 분기점(216)에서 분리되어 일부는 제1 열교환기(120)로, 나머지는 제2 열교환기(212)로 유입될 수 있다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 제2 랭킨 사이클(220)을 더 포함하는 다중 생산 시스템(11A)의 경우 제트 이젝터(215)에 의해 혼합되고 가압된 제1 작동 유체는 제3 열교환기(221)로 유입될 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템(10)의 작동 방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 먼저 태양열 공급 유닛(100)에서 전달 유체는 태양광(S)을 받아 열 에너지로 변환할 수 있는 태양열 집열기(110)를 지나면서 열을 전달받을 수 있다.
태양열 집열기(110)가 정상 작동 범위에 있는 경우, 태양열 집열기(110)에서 배출된 고온의 전달 유체는 제1 저장조(130)에 일부가 저장되고, 나머지는 제1 열교환기(120)로 유입되어 제1 랭킨 사이클(210)의 제1 작동 유체에 열을 전달할 수 있다. 제1 열교환기(120)에서 배출된 전달 유체는 제2 저장조(131)에서 배출되는 전달 유체와 합류하여 다시 태양열 집열기(110)로 유입될 수 있다. 이때, 제2 저장조(131)에서 배출되는 전달 유체의 양은 제1 저장조(130)에서 저장되는 전달 유체의 양과 동일할 수 있다.
태양열 집열기(110)가 정상 작동 범위를 벗어난 경우, 태양열 집열기(110)에서 배출된 고온의 전달 유체는 제1 저장조(130)가 배출하는 전달 유체와 합류한 후, 제1 열교환기(120)로 유입되어 제1 랭킨 사이클(210)의 제1 작동 유체에 열을 전달할 수 있다. 제1 열교환기(120)에서 배출된 전달 유체는 제2 저장조(131)에 일부가 저장되고, 나머지는 다시 태양열 집열기(110)로 유입될 수 있다. 이때, 제2 저장조(131)에 저장되는 전달 유체의 양은 제1 저장조(130)에서 배출하는 전달 유체의 양과 동일할 수 있다.
제1 열교환기(120)에서 열을 전달받은 고온의 제1 작동 유체는 증기 상태로 제1 터빈(211)에 유입되어 팽창될 수 있다. 이때, 제1 터빈(211)에 연결된 제1 발전기(미도시)에서 전력을 생산할 수 있다. 제1 터빈(211)에서 배출된 제1 작동 유체는 혼합기(214)로 유입되어, 제2 열교환기(212)로부터 유입된 제1 작동 유체와 혼합될 수 있다. 혼합된 제1 작동 유체는 분기점(216)에서 일부와 나머지로 분리될 수 있다. 분리된 제1 작동 유체의 일부는 제2 열교환기(212)로 유입되어, 외부에서 담수화 유닛(300)으로 유입된 해수(SW)에 열을 전달함으로써 해수(SW)를 예열할 수 있다. 분리된 제1 작동 유체의 나머지는 제1 펌프(213)에 의해 가압된 후 다시 제1 열교환기(120)로 유입되어 전달 유체로부터 다시 열을 전달받을 수 있다.
외부에서 담수화 유닛(300)으로 유입된 해수(SW)는 제2 열교환기(212)에서 제1 랭킨 사이클(210)의 제1 작동 유체와 열교환이 이루어질 수 있다. 즉, 해수(SW)가 담수화되기 전에 예열과정을 거칠 수 있다. 예열된 해수(SW)는 제3 펌프(310)에 의해 가압된 후 담수화 장치(320)로 유입될 수 있다. 담수화 장치(320)에서 해수(SW)는 담수(FW)와 염수(B)로 분리되어 시스템 외부로 각각 배출될 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예 중 제2 랭킨 사이클(220)을 포함하는 다중 생산 시스템(10A)의 작동 방법을 살펴보면 다음과 같다. 다중 생산 시스템(10A)의 작동방법 중 태양열 공급 유닛(100)의 작동 방법은 제2 랭킨 사이클(220)을 포함하지 않는 다중 생산 시스템(10)의 작동 방법과 동일하므로, 이하에서는 발전 유닛(200A) 및 담수화 유닛(300A)의 작동 방법을 상세히 설명한다.
제1 열교환기(120)에서 열을 전달받은 고온의 제1 작동 유체는 증기 상태로 제1 터빈(211)에 유입되어 팽창될 수 있다. 이때, 제1 터빈(211)에 연결된 제1 발전기(미도시)에서 전력을 생산할 수 있다. 제1 터빈(211)에서 배출된 제1 작동 유체는 혼합기(214)로 유입되어, 제2 열교환기(212)로부터 유입된 제1 작동 유체와 혼합될 수 있다. 혼합된 제1 작동 유체는 제3 열교환기(221)로 유입되어 제2 랭킨 사이클(220)의 제2 작동 유체에 열을 전달할 수 있다. 제3 열교환기(221)에서 배출된 제1 작동 유체는 분기점(216)에서 일부와 나머지로 분리될 수 있다. 분리된 제1 작동 유체의 일부는 제2 열교환기(212)로 유입되어, 외부에서 담수화 유닛(300A)으로 유입된 해수(SW)에 열을 전달함으로써 해수(SW)를 1차 예열할 수 있다. 분리된 제1 작동 유체의 나머지는 제1 펌프(213)에 의해 가압된 후 다시 제1 열교환기(120)로 유입되어 전달 유체로부터 다시 열을 전달받을 수 있다.
한편, 제3 열교환기(221)에서 제1 작동 유체로부터 열을 전달받은 제2 작동 유체는 고온의 증기 상태로 제2 터빈(222)에 유입되어 팽창될 수 있다. 이때, 제2 터빈(222)에 연결된 제2 발전기(미도시)가 전력을 생산할 수 있다. 제2 터빈(222)에서 배출된 제2 작동 유체는 제4 열교환기(223)로 유입되어, 해수(SW)에 열을 전달함으로써 해수(SW)를 2차 예열할 수 있다. 제4 열교환기(223)에서 배출된 제2 작동 유체는 제2 펌프(224)에 의해 가압된 후 다시 제3 열교환기(221)로 유입되어, 다시 제1 작동 유체로부터 열을 전달받을 수 있다.
외부에서 담수화 유닛(300A)으로 유입된 해수(SW)는 먼저 제2 열교환기(212)에서 제1 랭킨 사이클(210)의 제1 작동 유체와 열교환이 이루어질 수 있다. 그 후에 제4 열교환기(223)에서 제2 랭킨 사이클(220)의 제2 작동 유체와 열교환이 이루어질 수 있다. 즉, 해수(SW)가 담수화되기 전 2번의 예열과정을 거칠 수 있다. 즉, 제2 열교환기(212)에서 1차 예열이 이루어진 후 제4 열교환기(223)에서 2차 예열이 이루어질 수 있다. 예열된 해수(SW)는 제3 펌프(310)에 의해 가압된 후 담수화 장치(320)로 유입될 수 있다. 담수화 장치(320)에서 해수(SW)는 담수(FW)와 염수(B)로 분리되어 시스템 외부로 각각 배출될 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예 중 냉각 유닛을 포함하는 다중 생산 시스템(11)의 작동 방법을 살펴보면 다음과 같다. 다중 생산 시스템(11A)의 작동방법 중 태양열 공급 유닛(100) 및 담수화 유닛(300)의 작동 방법은 제2 랭킨 사이클(220)을 포함하지 않는 다중 생산 시스템(10)의 작동 방법과 동일하므로, 이하에서는 냉각 유닛(400)의 작동 방법을 상세히 설명한다.
제2 열교환기(212)에서 배출된 제1 작동 유체는 교축 밸브(420)를 통과하면서 외기(a)의 기온보다 낮게 온도가 내려갈 수 있다. 저온의 제1 작동 유체는 제5 열교환기(410)로 유입되어, 외기(a)로부터 열을 전달받음으로써 외기(a)를 냉각시킬 수 있다. 제5 열교환기(410)에서 배출된 제1 작동 유체는 제트 이젝터(215)로 유입되어, 제1 터빈(211)에서 배출된 제1 작동 유체와 혼합될 수 있다. 혼합된 제1 작동 유체는 제트 이젝터(215)에 의해 가압되어 분기점(216)까지 이동할 수 있다. 분기점(216)에서 제1 작동 유체의 일부는 제2 열교환기(212)로 유입되어 해수(SW)를 예열시킬 수 있고, 나머지는 제1 펌프(213)에 의해 가압된 뒤 제1 열교환기(120)로 유입되어 태양열 공급 유닛(100)의 전달 유체로부터 다시 열 에너지를 전달받을 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예 중 제2 랭킨 사이클(220) 및 냉각 유닛(400)을 모두 포함하는 다중 생산 시스템(11A)의 작동 방법 중 태양열 공급 유닛(100), 발전 유닛(200A) 및 담수화 유닛(300A)은 제2 랭킨 사이클(220)을 포함하는 다중 생산 시스템(10A)의 작동 방법과 동일하다. 또한, 다중 생산 시스템(11A)의 작동 방법 중 냉각 유닛(400)의 작동 방법은 냉각 유닛(400)을 포함하는 다중 생산 시스템(11)의 작동 방법과 동일하다.
제1 랭킨 사이클(210)의 제1 작동 유체는 수증기일 수 있다. 물은 분자간의 수소결합으로 인하여 기화할 때 다량의 에너지가 소요되므로 소량의 질량 유량으로 시스템을 작동할 수 있다. 이에 따라 장치가 비대해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 물은 열전도율이 우수하여 열의 전달 능력이 뛰어나다. 이에 따라 물은 열 에너지로부터 전력을 생산해내는 시스템의 작동 유체로서 적합할 수 있다.
제2 랭킨 사이클(220)의 제2 작동 유체는 유기 증기일 수 있다. 제2 랭킨 사이클(220)은 제1 랭킨 사이클(210)에서 1차적으로 전력을 생산한 후 남은 열을 이용하여 발전하는 것이므로, 제2 랭킨 사이클(220)의 열원은 제1 랭킨 사이클(210)에 비해 온도가 낮을 수 있다. 이 경우 물보다 끓는점이 낮고 증기압이 높은 유기 증기를 작동 유체로 사용하는 것이 적합할 수 있다.
일 실시예로, 제2 작동 유체는 R365mfc일 수 있다.
도 7은 제2 랭킨 사이클(220)의 제2 작동 유체에 따른 각종 수치를 비교하는 표이다.
도 7을 참조하면, 유기 증기인 R123, R113, R365mfc, R718, R141b 및 R11을 제2 작동 유체로 사용할 때의 다중 생산 시스템(11A)의 엑서지 효율(Exergetic efficiency), 전력 생산량(Generated power), 담수 생산량(Fresh water), 에너지 생산 비용(COE, Cost Of Energy), 비위험성(Specific risk), 용수 사용량(Water consumption) 및 지구 온난화 지수(Global warming potential)를 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 엑서지 효율 및 전력 생산량은 R11이 가장 높다. 에너지 생산 비용도 R11이 가장 저렴하다. 반면에, R11의 담수 생산량은 다른 유기 증기에 비해 낮은 편이다. 한편, 독성 방출의 위험성을 나타내는 비위험성은 R11이 가장 높다. 용수 사용량도 R11이 가장 높은 편에 속한다. 그리고, 지구 온난화 지수는 두번째로 높다.
즉, 제2 작동 유체로서 R11을 사용할 경우 적은 비용으로 에너지를 생산할 수 있으나, 환경적인 측면에서 용수 사용량이 많고 지구 온난화에 영향을 미치며 독성 방출 위험이 높다는 단점이 있다.
반대로, R718의 경우 담수 생산량이 가장 높으며, 비위험성 및 용수 사용량은 가장 낮다. 특히, 지구 온난화 지수도 R718이 가장 낮다. 다만, R718은 엑서지 효율 및 전력 생산량이 가장 낮고, 에너지 생산 비용이 가장 높다.
즉, 제2 작동 유체로서 R718을 사용할 경우 환경 친화적이기는 하나 높은 비용을 감수해야 한다는 단점이 있다.
R365mfc의 경우, 엑서지 효율이 상기 6가지 유기 증기의 평균인 55.44%보다 약간 높은 55.54%이다. 또한 R365mfc의 전력 생산량은 상기 6가지 유기 증기의 평균인 836kW보다 약간 높은 860.1kW이다. R365mfc의 에너지 생산 비용은 상기 6가지 유기 증기의 평균인 17.73 $.GW-1보다 약간 적은 17.68 $.GW-1이다. R365mfc의 담수 생산량은 6가지 유기 증기의 평균인 192.6 m3/day보다 낮은 177.6 m3/day이다. 반면에 R365mfc의 비위험성은 6가지 유기 증기의 평균인 11.96 Injury.GW-1보다 훨씬 낮은 6.65 Injury.GW-1이다. R365mfc의 용수 사용량은 6가지 유기 증기의 평균인 8.46 m3.TW-1.Yr-1와 거의 비슷한 8.47 m3.TW-1.Yr-1이다. R365mfc의 지구 온난화 지수는 6가지 유기 증기의 평균인 2048 GWP보다 훨씬 낮은 782GWP이다.
이를 종합하면, 제2 작동 유체로 R365mfc를 사용할 경우, 엑서지 효율, 전력 생산량, 담수 생산량, 에너지 생산 비용 및 용수 사용량이 다른 유기 증기와 비슷하면서도, 지구 온난화에 대한 영향을 줄일 수 있고, 독성 방출 위험이 상대적으로 적을 수 있다.
상술한 다중 생산 시스템의 효과를 살펴보면 다음과 같다.
기존에 사용되던 화석연료를 이용한 전력 생산 시스템은 화석연료로부터 열 에너지를 얻어내기 위해 화석연료를 연소하는 과정에서 이산화탄소 등의 온실가스가 다량으로 배출될 수밖에 없었다. 그러나 본 발명에 따른 다중 생산 시스템은 태양광을 열 에너지로 변환하므로, 온실가스의 배출량을 줄일 수 있다.
도 8은 화석연료를 이용하는 전력 생산 시스템과 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중 생산 시스템(11A) 간의 용수 사용량을 워터-엑서지 넥서스(water-exergy nexus) 분석을 통해 비교하는 표이다.
제2 랭킨 사이클(220) 및 냉각 유닛(400)을 모두 포함하는 다중 생산 시스템(11A)은 기존의 화석연료를 이용하는 전력 생산 시스템과 비교할 때 용수 사용량을 크게 낮출 수 있다. 도 8을 참조하면, 석탄(Coal)을 이용하는 전력 생산 시스템의 용수 사용량보다 천연가스(Natural gas)를 이용하는 전력 생산 시스템의 용수 사용량이 훨씬 적음을 알 수 있다. 다중 생산 시스템(11A)의 용수 사용량은 천연가스를 이용하는 전력 생산 시스템의 용수 사용량의 약 13분의 1 정도에 불과하다.
제2 랭킨 사이클(220)을 포함하는 다중 생산 시스템(10A)은 열 회수율을 높일 수 있다. 1차로 제1 랭킨 사이클(210)의 제1 터빈(211)에서 전력을 생산하고 남은 열은, 2차로 유기 증기를 이용하여 제2 랭킨 사이클(220)의 제2 터빈(222)에서 전력을 생산하는데 사용될 수 있다. 2차 전력 생산 이후 남은 열은 담수화에 쓰이는 해수(SW)를 예열하는데 사용될 수 있다. 즉, 열 회수율을 높임으로써 에너지 효율을 높일 수 있다.
또한 다중 생산 시스템(10A)은 폐열을 외부로 배출하기 위한 냉각 시설을 설치할 필요가 없다. 기존의 전력 생산 시스템은 전력 생산 후 남은 열을 시스템 밖으로 배출시키는 냉각 시설이 필요하였다. 그러나, 다중 생산 시스템(10A)은 상술한 바와 같이 2차적인 전력 생산 이후 남은 열을 해수(SW) 예열에 사용하므로 폐열 배출을 위한 냉각 시설이 필요하지 않다.
이와 같이 도면에 도시된 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 충분히 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 기초하여 정해져야 한다.
실시예에서 설명하는 특정 기술 내용은 일 실시예들로서, 실시예의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 발명의 설명을 간결하고 명확하게 기재하기 위해, 종래의 일반적인 기술과 구성에 대한 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재는 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 표현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
발명의 설명 및 청구범위에 기재된 "상기" 또는 이와 유사한 지시어는 특별히 한정하지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 또한, 실시예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시예들이 한정되는 것은 아니다. 실시예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
10(10A, 11, 11A): 다중 생산 시스템
100: 태양열 공급 유닛
110: 태양열 집열기
120: 제1 열교환기
130: 제1 저장조
200(200A): 발전 유닛
210: 제1 랭킨 사이클
211: 제1 터빈
212: 제2 열교환기
215: 제트 이젝터
216: 분기점
220: 제2 랭킨 사이클
221: 제3 열교환기
222: 제2 터빈
223: 제4 열교환기
300(300A): 담수화 유닛
400: 냉각 유닛
410: 제5 열교환기
SW: 해수
FW: 담수
B: 염수
a: 외기

Claims (15)

  1. 태양열 집열기 및 상기 태양열 집열기로부터 전달 유체를 통해 열 에너지를 전달받는 제1 열교환기를 포함하는 태양열 공급 유닛;
    상기 태양열 공급 유닛으로부터 열 에너지를 전달받아 전력을 생산하며, 하나 이상의 터빈을 포함하는 발전 유닛; 및
    외부에서 해수를 유입시켜 상기 발전 유닛과 열 교환하며, 이로부터 담수를 생산하는 담수화 유닛;을 포함하는, 다중 생산 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 태양열 공급 유닛은 상기 태양열 집열기에서 배출된 전달 유체의 일부를 저장하는 제1 저장조를 더 포함하고, 상기 태양열 집열기가 정상 작동 범위에서 벗어나는 경우 상기 제1 저장조에 저장된 전달 유체가 상기 제1 열교환기에 공급되는, 다중 생산 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 발전 유닛은 제1 작동 유체로 작동하는 제1 랭킨 사이클을 포함하는, 다중 생산 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 랭킨 사이클은
    상기 태양열 공급 유닛으로부터 열 에너지를 전달받은 제1 작동 유체로 전력을 생산하는 제1 터빈; 및
    상기 제1 터빈에서 배출된 제1 작동 유체와 외부에서 상기 담수화 유닛으로 유입된 해수를 열 교환시키는 제2 열교환기;를 포함하는, 다중 생산 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 터빈에서 배출된 제1 작동 유체의 일부는 상기 제1 열교환기로 유입되고, 나머지 일부는 상기 제2 열교환기로 유입되는, 다중 생산 시스템.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 발전 유닛은 제2 작동 유체로 작동하는 제2 랭킨 사이클을 더 포함하는, 다중 생산 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 랭킨 사이클은
    상기 제2 작동 유체가 상기 제1 랭킨 사이클의 상기 제1 작동 유체와 열 교환하는 제3 열교환기; 및
    상기 제2 작동 유체로 전력을 생산하는 제2 터빈;을 포함하는, 다중 생산 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 랭킨 사이클은 상기 제2 터빈에서 배출된 제2 작동 유체와 외부에서 상기 담수화 유닛으로 유입된 해수를 열 교환시키는 제4 열교환기를 더 포함하는, 다중 생산 시스템.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 작동 유체는 수증기이며, 상기 제2 작동 유체는 유기 증기(organic vapor)인, 다중 생산 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 작동 유체는 R365mfc인, 다중 생산 시스템.
  11. 제8 항에 있어서,
    외부에서 상기 담수화 유닛으로 유입된 해수는 먼저 상기 제1 랭킨 사이클의 상기 제1 작동 유체와 열교환이 이루어진 후에, 상기 제2 랭킨 사이클의 상기 제2 작동 유체와 열교환이 이루어지는, 다중 생산 시스템.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 발전 유닛과의 열 교환에 의해 외기를 냉각시키는 냉각 유닛을 더 포함하는, 다중 생산 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은
    외기를 상기 발전 유닛에서 배출된 제1 작동 유체와 열 교환하여 냉각하며, 상기 제1 작동 유체를 상기 발전 유닛으로 전달하는 제5 열교환기를 더 포함하는, 다중 생산 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 냉각 유닛은
    상기 발전 유닛에서 배출된 상기 제1 작동 유체가 상기 제5 열교환기에 유입되기 전에 상기 제1 작동 유체의 온도를 낮추는 교축 밸브를 더 포함하는, 다중 생산 시스템.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 발전 유닛은 상기 터빈에서 배출된 제1 작동 유체를 이송하는 제트 이젝터를 더 포함하고,
    상기 제5 열교환기에서 배출된 제1 작동 유체는 상기 제트 이젝터로 전달되는, 다중 생산 시스템.
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