KR102114397B1 - 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템에 관한 것으로, 표층 해수온도와 심층 해수온도와의 차이가 크지 않은 환경에서도 표층 해수온도를 상승시켜 해양 온도차 발전 장치의 증발기측으로 활용하도록 하고 심층 해수를 응축기 측으로 활용되도록 하여 고온도차 해양발전 환경을 만들도록 하며, 해수 순환펌프동력을 최소화하고 히트펌프의 성능계수(COP)를 향상된 상태에서 가동하도록 함으로써 경제성 있는 발전효율을 달성하며, 해양에 근접하거나 해상 등 어떠한 위치나 환경에서도 지속적이고 안정적인 열원을 공급하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템은, 표층 해수의 열을 회수하는 표층 해수 열공급부와; 심층 해수의 열을 회수하는 심층 해수 열공급부와; 상기 표층 해수 열공급부를 통해 공급되는 표층 해수의 열 및 상기 심층 해수 열공급부에서 공급되는 심층 해수의 열과 열교환하도록 냉매를 순환시키는 냉매 순환부, 상기 냉매 순환부를 통해 순환되는 냉매로 회전에너지를 생성하는 터빈을 포함하는 터빈부와; 상기 터빈부의 회전에너지로 전기에너지를 생산하는 발전부를 포함하며, 상기 표층 해수 열공급부와 심층 해수 열공급부는 수중에 잠기도록 설치되며 순환열매체의 순환을 통해 표층 해수와 심층 해수의 열을 회수한 후 터보 히트펌프의 증발기와 발전부의 터보 응축기에 공급하는 수중 열교환기이다.

Description

히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템{Ocean temperature difference generation system using heat pump}
본 발명은 해양 온도차 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표층 해수온도와 심층 해수온도와의 차이가 크지 않은 환경에서도 표층 해수온도를 상승시켜 해양 온도차 발전이 가능한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템에 관한 것이다.
이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.
해양 온도차 에너지 가용량은 관점에 따라 다르지만 약 1.1조KW에 달하며 이는 전 세계 전체 에너지 사용량의 약 100배에 달하는 규모로 알려지고 있다.
이러한 해양 온도차를 이용하여 발전하는 것을 해양 온도차 발전(OTEC, Ocean Thermal Energy Conversion)이라 한다.
해양 온도차 발전은 통상적으로 해수면 표층수 온도가 높고 심해측 수온이 낮아 발생하는 온도차를 이용하여 발전하는 것이다.
도 1에서 보이는 바와 같이, 해양 온도차 발전을 위해서는 낮은 온도에서 비등하여 증발하는 냉매를 증발기(1)에서 표층 해수와 열교환시켜 증발(예를 들어 25℃ 전후에서 증발)시키고 증발된 가스가 터빈(2)을 회전시켜 발전기(3)에 의해 전기를 생산하고, 심해에서 해수(예를 들어 5℃ 전후)를 끌어올려 터빈(2)을 통과한 가스를 응축기(4)에서 응축시킨 다음 액상의 냉매를 이송펌프(5)를 통해 다시금 증발기(1)로 보내 증발시키는 사이클을 통해 지속적인 발전이 가능하도록 한 것이다.
이러한 해양온도차발전을 위해 사용되는 냉매는 암모니아나 프레온계통 R32등이 사용되어질 수 있다.
개략적인 해양 온도차 발전은 온도범위에 따라 그 발전효율이 결정되어지게 되는데 그 산식은 1- (273+심해 해수온도)k/(273+표층 해수온도)k 로 구해지게 되며 통상적으로 표층수 온도와 심해수 온도차가 클수록 발전 효율이 향상된다.
제한된 표층수 온도와 심해수 온도를 통해 발전하는 과정에서 그 효율을 향상시키기 위해 도 2에서 보이는 바와 같이, 증발기(1)에서 나온 가스와 응축기(4)에서 나온 이송 냉매간의 열교환기(6)를 설치하여 열교환시키거나 재 가열기(7)를 설치하여 가열을 시키거나 태양열기기를 접속시켜 추가적인 가열을 하는 방법이 구사될 수도 있다.
이러한 사이클로 구성된 해양 온도차 발전의 효율은 대체적으로 전력변환효율로서 5% 내외이며 터빈효율과 펌프효율을 포함한 전체적인 발전효율은 약2.5~3% 범위 대에 있는 것으로 알려져 있다.
더욱이 우리나라의 경우 3면이 바다로 둘러싸여 해양에너지 자원의 이용에 적합한 환경이 확보되어 있음에도 불구하고 표층 해수온도와 심층 해수온도차가 크지 않아 해양 온도차 발전을 활용하고 확대하기에는 제약이 있는 형편이다.
이러한 낮은 해수 온도차를 극복하여 발전효율을 높이기 위해 산업플랜트 배열이나 발전소 배수열, 소각열, 태양열 등을 활용하여 고온도차 발전 기술을 개발하고자 하는 시도가 있었고 이때의 온도차는 70℃에서 발전효율을 7%대까지 높일 수 있도록 계획한 것이었으나 지속적이고 안정적인 고온의 열원확보에는 한계가 있는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1481010호 대한민국 등록특허 제10-1556914호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 표층 해수온도와 심층 해수온도와의 차이가 크지 않은 환경에서도 표층 해수온도를 상승시켜 해양 온도차 발전 장치의 증발기측으로 활용하도록 하고 심층 해수를 응축기 측으로 활용되도록 하여 고온도차 해양발전 환경을 만들도록 하며, 해수 순환펌프동력을 최소화하고 히트펌프의 성능계수(COP)를 향상된 상태에서 가동하도록 함으로써 경제성 있는 발전효율을 달성하며, 해양에 근접하거나 해상 등 어떠한 위치나 환경에서도 지속적이고 안정적인 열원을 공급하여 해양 온도차 발전이 가능하도록 한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템을 제공하려는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템은, 표층 해수의 열을 회수하는 표층 해수 열공급부와; 심층 해수의 열을 회수하는 심층 해수 열공급부와; 상기 표층 해수 열공급부를 통해 공급되는 표층 해수의 열 및 상기 심층 해수 열공급부에서 공급되는 심층 해수의 열과 열교환하도록 냉매를 순환시키는 냉매 순환부, 상기 냉매 순환부를 통해 순환되는 냉매로 회전에너지를 생성하는 터빈을 포함하는 터빈부와; 상기 터빈부의 회전에너지로 전기에너지를 생산하는 발전부를 포함하며, 상기 표층 해수 열공급부와 심층 해수 열공급부는 수중에 잠기도록 설치되며 순환열매체의 순환을 통해 표층 해수와 심층 해수의 열을 회수한 후 터보 히트펌프의 증발기와 발전부의 터보 응축기에 공급하는 수중 열교환기인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템에 의하면, 히트펌프, 특히 터보히트펌프의 구동시 COP가 12이상 높아질 경우 터보히트펌프가 생산하는 전체적인 에너지는 투입되는 에너지의 12배에 달하게 되고 이를 해양온도차발전장치를 통해 생산 가능한 전력으로 변환 시 여러 감소여건을 감안한다 할지라도 약 12% 이상의 산술적 발전효율을 구할 수 있게 된다. 즉, 단순 계산을 할 경우 터보히트펌프 구동에 100KW 의 전력을 투입하게 되면 열량을 KW로 환산시 약 1,200KW의 전력생산이 가능하게 되며 이는 전력으로 변환시 효율 약 12%로 적용하게 되면 120KW의 생산전력 효과를 얻게 되며 터보히트펌프 구동에 소요되었던 전력을 차감하게 되면 약 20KW 순수 생산전력을 구할 수 있게 되어 전체적인 발전 효율은 20%에 이르게 되는 효과가 있다.
그리고, 컨테이너 탑재형 ESS와 터보히트펌프를 구성한 해양 온도차 발전 시스템을 구성한 선박을 이용하여 표층 해수온도가 높고 심층 해수온도가 낮은 적도 인근 해역에서 온도차 발전을 실행하고 생산된 전력을 컨테이너 탑재형 ESS에 충전한 후 전력이 필요한 곳에 이동시켜 사용하게 될 경우 단위 컨테이너당 충전 전력 수량을 국내 소비에 충당시켜 나갈 수 있을 뿐 아니라 전기공급이 부족한 외국에 컨테이너 외형을 활용해 선적과 하역 등 이동을 용이하게 하면서 전력수출도 가능한 효과가 있다.
도 1과 도 2는 종래 기술에 의한 해양 온도차 발전 시스템의 계통도.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템의 계통도.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템의 계통도.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템의 변형 예시도.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템의 계통도.
도 7은 본 발명의 실시예 4에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템의 계통도.
도 8은 본 발명의 실시예 5에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템의 계통도.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템의 계통도.
도 10은 본 발명의 실시예 7에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템의 계통도.
도 11은 본 발명의 실시예 7에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템의 다른 예시도.
도 12는 본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템에 적용된 터보 히트펌프를 2단의 터보 컴프레서로 구성한 예시도.
도 13은 본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템에 적용되는 ESS의 예시도.
도 14는 본 발명에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템에 적용된 수중 열교환기의 승강식과 착탈식을 보인 선박의 평면도.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
<실시예 1>
도 3에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템은, 표층 해수 공급부(10), 표층 해수의 열을 회수하는 표층 해수 열교환부(20), 표층 해수의 열원을 통해 증발열을 발생하는 터보 히트펌프(30), 심층 해수 공급부(40), 터보 히트펌프(30)에 의해 생성되는 증발 가스를 통해 회전력을 생성하는 터빈부(50), 터빈부(50)의 회전에너지로 전기를 생산하는 발전부로 구성된다.
표층 해수 공급부(10)는 표층에 있는 해수를 양수하기 위한 표층해수 양수관(11), 표층해수 펌프(12)로 구성된다.
표층 해수 양수관(11)은 유입부와 배출부가 각각 표층에 배치되며 해상 위에서는 해상 구조물(선박, 해안가 제방이나 육지, 해상 플랜트 등) 등에 따라 다양하게 배관된다.
표층해수 펌프(12)는 해상 구조물이나 수중에 설치되는 것 모두가 가능하다.
표층 해수 열교환부(20)는 표층 해수와 터보 히트펌프(30)의 냉매 간에 열교환을 위한 구성으로 양수의 효율성과 터보 히트펌프(30)의 보호를 위한 것이다.
구체적으로 설명하면, 터보 히트펌프(30)를 구동하기 위해 증발기(31)측에 표층 해수를 공급하기 위해서는 펌프가 필요하게 되며 이때 해수를 직접 해수면에서 양수하여 공급하게 될 경우 막대한 동력이 소요되어지게 되어 결과적으로 해양 온도차 발전 장치의 운전효율을 낮추게 됨으로써 경제적인 발전이 어려워질 수밖에 없다. 더욱이 해수의 양수 과정에서 따개비 등 해양생물과 해조류, 부유 쓰레기가 혼입되고 이 혼입은 터보 히트펌프(30)의 열교환기(증발기, 응축기) 폐색 등을 야기하여 정상적인 운전을 불가능하게 하며 뿐만 아니라 해수와의 직접 접촉 등으로 인한 부식 등 운영 관리상의 어려움과 이에 따른 운영비용의 상승으로 이어져 총체적으로 경제성 확보에 문제점이 있다.
따라서, 표층 해수 열교환부(20)를 통해 표층 해수의 열을 터보 히트펌프(30)의 증발기(31)에 공급하여 해수가 직접 터보 히트펌프(30)에 접촉 및 혼입되지 않도록 하여 상기한 문제점들을 해결한다.
물론 표층 해수 열교환부(20)는 밀폐식 순환구조를 갖도록 함으로써 순환열매체의 순환에 소요되는 동력을 최소화하여 전체적인 성능계수 향상에 도움이 되도록 하였으며 동력비용의 저감을 통해 경제적인 시스템운용이 가능하도록 하였다.
즉, 표층 해수 열교환부(20)는 예를 들어 내부에 표층해수 양수관(11)이 배관되고 순환열매체가 순환하여 표층 해수와 순환열매체의 열교환이 이루어지도록 하는 판형 열교환기(21), 판형 열교환기(21) 안에서 터보 히트펌프(30)의 증발기(31)에 걸쳐 배관되며 내부에 순환열매체가 순환하는 제1순환관(22)으로 구성된다.
표층 해수 열교환부(20)는 순환열매체의 순환을 위한 펌프가 구성될 수 있다.
표층 해수 공급부(10)와 표층 해수 열교환부(20)는 표층 해수의 열을 공급하는 표층해수 열 공급부이다.
터보 히트펌프(30)는 공지의 제품이므로 구성과 냉매의 흐름에 대해서는 구체적인 설명을 생략하며, 증발기(31)는 표층 해수 열교환부(20)와 열교환되고 응축기(32)는 터빈측 증발기(51)와 열교환되도록 구성되고, 표층 해수 온도와 증발온도, 그리고 부하율에 따라 편차가 있긴 하나 운전 성능계수(COP)가 최대 35까지도 가능하며 COP 10내외의 운전은 경제적인 부하율 가동을 통해 용이하게 확보될 수 있는 수준이라 할 수 있으며, 하절기 20~26℃ 범위에 있는 표층 해수온도를 70~80℃로 상승시키는데 어려움이 없으며 심층 해수온도가 5℃ 전후로 유지될 경우 약 70℃ 전후의 온도차를 구할 수 있게 되어 고온도차 해양 온도차 발전 시스템의 기본 구성이 될 수 있다.
터보 히트펌프(30)의 증발기(31)는 예를 들어 내부에 표층 해수 열교환부(20)의 제1순환관(22)이 배관되면서 냉매가 순환하는 구조로 이루어진다.
응축기(32)는 터빈측 증발기(51)와 열교환하도록 구성되며 별도의 응축 열교환기(33)를 매개로 하여 열교환할 수 있다.
응축 열교환기(33)는 예를 들어 내부에 순환열매체가 수용되는 공간을 갖는 판형으로서 순환열매체가 응축기(32)를 순환하도록 제2순환관(34) 및 펌프(35)가 구성되고 또한, 순환열매체의 열을 회수하여 터빈측 증발기(51)에 전달하도록 제3순환관(36)과 펌프(37)가 구성된다.
즉, 제2순환관(34)은 순환열매체의 순환을 위한 양쪽의 개방부가 응축 열교환기(33)의 내부와 통하도록 구성되며, 제3순환관(36)은 폐루프 형태로서 응축 열교환기(33)와 터빈측 증발기(51)의 내부에 걸쳐 배관된다.
심층 해수 공급부(40)는 심층해수 양수관(41) 및 심층해수 펌프(42)로 구성되는 심층 해수 열 공급부이다.
심층해수 양수관(41)은 해양에 복귀하는 해수에 의한 심층 해수의 온도 변화를 막기 위하여 유입부는 심층에 배치되지만 배출부는 심층부보다 높은 곳에 배치되며 터빈측 응축기(53) 안에 배관되어 심층 해수를 터빈측 응축기(53)에 공급함으로써 심층 해수와 터빈(52)에서 토출된 냉매의 열교환이 이루어지도록 한다.
터빈부(50)는 터빈측 증발기(51), 터빈(52), 터빈측 응축기(53) 및 펌프(54)로 구성되며 구체적인 기능은 공지와 동일하다.
터빈측 증발기(51), 터빈측 응축기(53) 및 펌프(54)는 냉매 순환부이다.
터빈(52)은 상기 냉매 순환부를 통해 순환하는 냉매(가스)에 의해 회전에너지를 생성한다.
<실시예 2>
도 4에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 터보 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템은, 실시예 1과 비교하면 표층 해수와 심층 해수를 양수하지 않고 순환열매체의 순환을 통해 표층과 심층의 열을 회수하는 점에서 차이가 있다.
따라서, 실시예 1의 표층 해수 공급부(10)와 심층 해수 공급부(40)가 없고, 표층해수 열교환부(20)로서 표층해수 수중 열교환기(20-1)가 적용되는 한편 심층해수 열 공급부로서 심층해수 수중 열교환기(40-1)가 구성된다.
표층해수 수중 열교환기(20-1)는 순환열매체가 표층 해수와 터보 히트펌프(30)의 증발기(31)를 순환하도록 배관되며 표층부에서 열교환 효율을 높이기 위하여 열교환 헤더(23), 순환열매체의 순환을 위하여 증발기(31)와 열교환 헤더(23)에 걸쳐 배관되는 순환관(24) 및 순환열매체의 순환을 위한 펌프(25)로 구성된다.
헤더(23)는 예를 들어 내부가 유입부와 배출부로 구획되는 상하부 매니폴드 및 상기 상하부 매니폴드 사이에 설치되는 다수의 열교환관으로 구성된다.
심층해수 수중 열교환기(40-1)는 열교환 헤더(43), 순환관(44) 및 펌프(45)로 구성되며, 열교환 헤더(43)는 표층해수 수중 열교환기(20-1)의 헤더(23)와 동일하게 구성되고, 순환관(44)은 열교환 헤더(43)의 상부 매니폴드와 터빈측 응축기(53)에 연결되어 순환열매체의 순환을 안내하며, 펌프(45)는 순환열매체를 강제로 순환시킨다.
표층해수/심층해수 수중 열교환기(20-1,40-1)는 합성수지제 가스관 재질이거나 통상의 고밀도 폴리에칠렌(HDPE) 재질 등 다양한 재질이 가능하다.
표층해수 수중 열교환기(20-1)와 심층해수 수중 열교환기(40-1)는 반드시 함께 사용되는 것으로 한정되지 아니하고 단독 사용이 가능하고, 즉, 표층해수 수중 열교환기(20-1)와 심층 해수 공급부(40), 표층 해수 공급부(10)와 심층 해수 수중 열교환기(40-1)의 조합(도 5 참고)도 가능하다.
한편, 표층 해수 온도가 낮을 때 예를 들어 5도 이하일 때 심층 해수 양수관(41)에 표층 해수를 공급할 수 있는 표층 해수 유입관(46)이 형성될 수 있다.
표층 해수 분기관(46)은 심층 해수 양수관(41)에서 분기되며 예를 들어 3웨이 밸브(46a)를 통해 연결되며, 온도 센서를 통해 감지하는 표층 해수의 온도를 근거로 하여 심층 해수를 양수하거나 표층 해수 분기관(46)을 통해 표층 해수를 양수하도록 한다. 이때, 표층해수 수중 열교환기(20-1)를 통해 구동되는 터보 히트펌프(30)의 증발기의 수온이 함께 낮아지게 되어 터보 히트펌프(30)의 운전효율이 낮아지는 문제가 발생하게 될 수 있으나 태양열이나 발전소 배열 등 타 열원을 추가하는 등 기술발전을 통해 효율 상승을 기할 수 있을 것이다.
<실시예 3>
도 6에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템은, 터보 히트펌프(30)의 증발기(31)를 수중 열교환기로 사용하는데 차이점이 있으며, 터보 히트펌프(30)의 냉매가 응축기(32)를 통과한 후 수중 열교환기형 증발기(31-1)를 통과하는 중에 표층 해수와 열교환되어 표층 해수 열교환부(20)와 동일한 작용을 하고, 따라서, 표층 해수 공급부(10)를 사용하지 않는 것이 가능하다.
나머지 구성은 실시예 1,2가 동일하게 적용된다.
<실시예 4>
도 7에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템은, 터보 히트펌프(30)의 응축기(32)와 터빈부(50)의 터빈 증발기(51)를 하나로 병합하여 단일 장치로 구성하는 점에서 차이가 있다.
예를 들어, 터보 히트펌프(30)의 응축기(32)는 냉매가 순환하는 관형이며, 터빈부(50)의 터빈 증발기(51)는 내부에 냉매를 수용하는 공간이 구비되며 냉매의 순환이 가능하도록 터빈(52) 및 펌프(54)와 연결된다.
본 실시예에 따르면, 터보 히트펌프(30)의 응축기(32)와 터빈부(50)의 증발기(51) 간에 순환열매체의 순환을 위한 구성(배관, 펌프)을 생략하여 운전 동력을 저감하고 동력비 절감을 통해 경제적인 운영이 가능하고, 또한, 장치의 간소화를 통해 초기 시설비용과 유지 비용도 절감하고 설치 면적도 줄이는 효과가 있다.
<실시예 5>
도 8에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템은, 동절기 표층 해수 온도가 심층 해수 온도보다 낮을 경우 평상시와 반대의 조건인 경우를 위한 것이며, 상대적으로 저온인 표층 해수의 열을 터빈 응축기(53)의 응축열로 사용하고 심층 해수의 열을 터보 히트펌프(30)의 증발기(31)의 증발열로 사용하도록 구성되는 특징이 있으며, 도면에서 표층 해수 공급부를 표층 해수 수중 열교환기(20-1)로, 심층 해수 공급부를 심층 해수 수중 열교환기(40-1)로 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에 따르면, 표층 해수의 열을 터빈 응축기(53)에 공급하기 위한 표층해수 전환부(60) 및 심층 해수의 열을 터보 히트펌프(30)의 증발기(31)에 공급하기 위한 심층해수 전환부(70)가 구성된다.
표층해수 전환부(60)는 표층해수 수중 열교환기(20-1)의 순환관(24)의 공급부(24-1)와 심층해수 수중 열교환기(40-1)의 순환관(44)의 공급부(44-1)에 연결되는 제1표층해수 전환관(61), 심층해수 수중 열교환기(40-1)의 순환관(44)의 환수부(44-2)와 표층해수 수중 열교환기(20-1)의 순환관(24)의 환수부(24-2)에 연결되는 제2표층해수 전환관(62)으로 구성되어 표층 해수의 열을 터빈 증발기(53)에 공급한다.
심층해수 전환부(70)는 심층해수 수중 열교환기(40-1)의 순환관(44)의 공급부(44-1)와 표층해수 수중 열교환기(20-1)의 순환관(24)의 공급부(24-1)에 연결되는 제1심층해수 전환관(71), 표층해수 수중 열교환기(21)의 순환관(24)의 환수부(24-2)와 심층해수 수중 열교환기(40-1)의 순환관(44)의 환수부(44-2)에 연결되는 제2심층해수 전환관(72)으로 구성되어 심층 해수의 열을 터보 히트펌프(30)의 증발기(31)에 공급한다.
아울러, 표층해수 전환부(60)와 심층해수 전환부(70)의 전환 모드를 위하여 유로를 개폐하는 밸브가 구성된다.
제1밸브(V1) : 심층해수 수중 열교환기(40-1)의 순환관(44)의 공급부(44-1)에서 제1표층해수 전환관(61)과 제1심층해수 전환관(71)이 연결되는 부분의 사이에 설치.
제2밸브(V2) : 제1심층해수 전환관(71)에 설치.
제3밸브(V3) : 심층해수 수중 열교환기(40-1)의 순환관(44)의 환수부(44-2)에서 제2표층해수 전환관(62)과 제2심층해수 전환관(72)이 연결되는 부분의 사이에 설치.
제4밸브(V4) : 순환관(24)의 공급부(24-1)에서 제1심층해수 전환관(71)과 제1표층해수 전환관(61)이 연결되는 부분의 사이에 설치.
제5밸브(V5) : 제2심층해수 전환관(72)에 설치.
제6밸브(V6) : 순환관(24)의 표층해수 환수부(24-2)에서 제2심층해수 전환관(72)과 제2표층해수 전환관(62)이 연결되는 부분의 사이에 설치.
제7밸브(V7) : 제2표층해수 전환관(62)에 설치.
제8밸브(V8) : 제1표층해수 전환관(61)에 설치.
이들 밸브와 아울러, 일방향 흐름의 제어를 위한 체크 밸브가 함께 구성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 표층 해수와 심층 해수의 온도를 감지하는 온도 센서가 적용되고, 또한, 온도 센서에 의해 감지된 온도와 기준 온도의 비교를 통해 전환 모드를 제어하는 컨트롤러가 포함된다.
본 실시예에 따른 작용은 다음과 같다.
1. 평상 시(표층 해수 온도가 심층 해수 온도보다 높은 경우).
제2밸브(V2), 제5밸브(V5), 제7밸브(V7), 제8밸브(V8) : 오프(폐쇄)
제1밸브(V1), 제3밸브(V3), 제4밸브(V4), 제6밸브(V6) : 온(개방)
도 4에서 설명한 것처럼, 표층 해수의 열은 표층해수 수중 열교환기(20-1)를 통해 터보 히트펌프(30)의 증발기(31)에 공급되고, 심층 해수의 열은 심층해수 수중 열교환기(40-1)를 통해 터빈부(50)의 터빈 증발기(53)에 공급된다.
2. 동절기(표층 해수 온도가 심층 해수 온도보다 낮은 경우)
제2밸브(V2), 제5밸브(V5), 제7밸브(V7), 제8밸브(V8) : 온(개방)
제1밸브(V1), 제3밸브(V3), 제4밸브(V4), 제6밸브(V6) : 오프(폐쇄)
도 8에서 보이는 것처럼, 표층 해수의 열은 표층해수 수중 열교환기(20-1)를 통해 터빈부(50)의 터빈 증발기(53)에 공급되고, 심층 해수의 열은 심층해수 수중 열교환기(40-1)를 통해 터보 히트펌프(30)의 증발기(31)에 공급된다.
<실시예 6>
도 9에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템은, 표층해수 수중 열교환기(20-1)와 심층해수 수중 열교환기(40-1)를 구성하여 평상 시 표층 해수와 심층 해수의 열을 이용하고, 동절기에 터보 히트펌프(30)에서 토출되는 저온의 순환열매체와 터빈부(50)의 터빈 응축기(53)에서 토출되는 고온의 냉매의 열교환을 통해 발전이 이루어지도록 동절기 전환수단이 적용된다. 상기 동절기 전환수단은 표층 해수와 심층 해수의 온도를 감지하여 이들의 온도를 근거로 하여 가동하며, 예를 들어, 표층 해수 온도가 일정 온도보다 낮으면서 표층 해수의 온도와 심층 해수의 온도가 일정 온도 이상의 차이인 경우이다.
동절기 전환수단은 동절기 전환 열교환기(80), 표층해수 수중 열교환기(20-1)의 순환관(24)의 공급부와 환수부에 연결되며 동절기 전환 열교환기(80) 안에 배관되는 제1전환배관(82), 심층해수 수중 열교환기(40-1)의 순환관(44)의 공급부와 환수부 및 동절기 전환 열교환기(80)의 내부와 각각 연결되는 제2전환배관(82), 제1,2전환배관(81,82)을 각각 개폐하는 제1,2전환밸브(83,84)을 포함한다.
본 실시예에 따르면, 평상 시 제1,2전환밸브(83,84)에 의해 제1,2전환배관(81,82)이 폐쇄되고, 표층 해수와 심층 해수의 열은 표층해수 수중 열교환기(20-1)와 심층해수 수중 열교환기(40-1)를 통해 공급된다.
동절기(온도에 의한 제어)에는 제1,2전환밸브(83,84)에 의해 제1,2전환 배관(81,82)이 개방되며, 터보 히트펌프(30)의 순환열매체와 터빈부(50)의 냉매는 제1,2전환 배관(81,82)을 통해 동절기 전환 열교환기(80)에서 서로 열교환되어 해양 온도차 발전이 이루어지도록 한다.
도 8과 도 9를 통해 표층 해수와 심층 해수에 각각 표층 해수 수중 열교환기(20-1)와 심층 해수 공급부의 심층 해수 수중 열교환기(40-1)가 설치됨으로써 이에 다른 순환펌프동력은 종래 해수온도차발전을 위해 사용되었던 표층해수 양수펌프와 심층 해수양수펌프의 소요동력보다 현저히 작아질 수 밖에 없으며 이렇게 소요동력의 절감된 동력을 활용하여 터보히트펌프의 동력으로 활용할 수 있도록 한 것이며 이러한 구성을 통해 표층해수온도를 높게는 80℃ 이상을 구현할 수 있도록 하여 도5에서와 같이 발전기 터빈용 증발기측으로 직접 공급하거나 도 9에서와 같이 터보히트펌프의 냉매가스와 직접 열교환될 수 있도록 함으로써 해수온도차 발전효율을 10~12%내외로 향상시킬 수 있는 기술적 토대를 마련한 것이다. 이러한 발명은 결과적으로 심층 해수온도가가 아니라 할지라도 해수 온도차를 인위적으로 형성이 가능하게 되어 우리나라처럼 4계절이 있어 해수온도 범위가 넓은 해역에서도 해수온도차 발전이 가능할 수 있도록 한 것이다.
<실시예 7>
도 10에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 터보 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템은, 터빈 컴프레서(38)에 유입되는 냉매에 태양열을 공급하여 증발효율을 높이는 특징이 있다.
태양열 공급기(90)는 태양열 집열기(91), 태양 열매체의 순환수단(92)(배관, 펌프), 태양 열매체의 순환수단(92)에 의해 순환되는 태양 열매체와 터보 히트펌프(30)의 냉매의 열교환이 이루어지는 열교환기(93)로 구성된다.
도면에서 터보 히트펌프(30)의 응축기(32)와 터빈부(50)의 터빈 증발기(51)가 일체형인 것으로 도시되었으나 이에 한정되는 것은 아니다.
열교환기(93)는 수중 열교환기형 증발기(31-1)의 토출측과 터보 컴프레서(38)의 유입측 사이에 배치되며 태양 열매체와 냉매의 직접 또는 간접 열교환이 가능하게 구성된다.
도 11은 본 실시예의 변형 예로서, 표층해수 수중 열교환기(20-1)가 구성되는 예에서 태양열을 표층해수 수중 열교환기(20-1)를 순환하는 순환열매체에 공급하는 예를 도시한 것이다.
표층해수 수중 열교환기(20-1)의 순환관(24)은 열교환 헤더(23) - 태양열 공급기(90)의 열교환기(93) - 터보 히트펌프(30)의 증발기(31) - 열교환 헤더(23)를 순환하도록 배관된다.
이하 본 발명에 추가로 적용되는 기술에 대해 설명한다.
1. 2단 터보 컴프레서(도 12 참고).
터보 컴프레서는 2개 이상이 사용될 수 있으며, 예를 들어 1단 터보 컴프레서(38-1)와 2단 터보 컴프레서(38-2)가 터보 증발기(31)의 토출측과 터보 응축기(32)의 유입측 사이에 직렬로 연결되어 냉매의 2차에 걸친 압축이 이루어지고, 온도 상승에 따른 효율 저하를 줄일 수 있다.
2. ESS탑재 선박을 이용한 터보 히트펌프 해수온도차 발전(도 13 참고).
적도 근처 지역의 경우 표층 해수 온도가 4계절 25~28℃로 높게 형성되고 상대적으로 심층 수온이 낮은 특성이 있으며, 이를 이용하여 터보 히트펌프와 해양 온도차 발전 장치, 그리고 ESS(에너지 저장 장치)를 탑재한 선박을 이용하여 운용할 수 있다.
이때 터보 히트펌프의 구동전력은 선박 발전기에서 공급되는 전원이거나 기 탑재되어 충전된 ESS 전원을 초기 구동전원으로 이용할 수도 있다.
선박 내 해양 온도차 발전을 통해 발전된 전력을 충전하는 ESS(100)는 통상적인 화물 컨테이너(110) 외형을 갖추도록 하여 선박 내 탑재나 하역, 차량이나 철도를 이용한 이동에 컨테이너와 동일한 방법과 수단을 활용할 수 있도록 한다.
ESS 탑재용 컨테이너(110) 내부에는 ESS(100)를 전후 또는 상하로 적층하여 배치 고정이 가능하도록 레일과 바디고정 랙, 동력 전달을 위한 케이블과 충전율 등 상태를 확인하기 위한 제어선이 구성된다.
또한, 컨테이너(110) 외부에서 ESS(100)의 전력량을 계량하여 표식할 수 있는 계량표식장치가 구성되도록 하며 내부로 해수가 침입하지 못하도록 개폐가능부위나 케이블 인입소켓 등은 반드시 수밀성 있는 구조로 이루어지도록 한다.
또한, 충전 중이거나 전력이동 중 ESS에서의 발열에 의한 손상이나 화재를 방지할 수 있도록 환기팬(120)을 구성하도록 하고 불연성가스(이산화탄소 등)를 이용한 소화장치(130)가 내장될 수 있다. 소화장치(130)는 불연성가스 탱크, 배관, 노즐을 포함하는 구성이다.
선박 내에는 ESS 컨테이너에 자동으로 충전을 위한 삽입식 코드가 자동으로 결합 및 해체가 가능하도록 유압 또는 공기압식 자동 탈착식 코드삽입장치가 구성되도록 한다.
선박에는 선체 측면 또는 하부에 터보 히트펌프 또는 온도차발전장치의 접철식 수중 열교환기를 설치하여 발전시에는 열교환기를 펼쳐 운용하다가 선박을 운항 이동시에는 선체에 구분된 격납고 내부로 이동시킬 수 있도록 하는 것도 가능하다.
3. 수중 열교환기(도 14 참고).
표층해수/심층해수 수중 열교환기(20-1,40-1)는 승강식과 착탈식이 가능하다.
승강식의 경우 선박(200)에 표층해수/심층해수 수중 열교환기(20-1,40-1)의 승강을 위한 승강 수납부(210)를 구성한다. 승강 수납부(210)는 선박(200)의 내부에 해수와 통하도록 구성(게이트에 의한 개폐 가능)되며, 표층해수/심층해수 수중 열교환기(20-1,40-1)는 승강 수납부(210)의 내부에 수납되고 해양 온도차 발전 시 하강하여 해수에 잠긴다. 표층해수/심층해수 수중 열교환기(20-1,40-1)의 승강장치는 윈치 식 등 다양하게 구성 가능하다.
착탈식의 경우 표층해수/심층해수 수중 열교환기(20-1,40-1)는 선박(200)의 옆에 고정된다.
10 : 표층해수 공급부, 20 : 표층 해수 열교환부
30 : 터보 히트펌프, 31 : 증발기
32 : 응축기, 33 : 응축 열교환기
40 : 심층 해수 공급부, 50 : 터빈부
51 : 터빈측 증발기, 52 : 터빈
53 : 터빈측 응축기, 60 : 표층해수 전환부
70 : 심층해수 전환부, 80 : 동절기 전환 열교환기
90 : 태양열 공급기, 100 : ESS

Claims (12)

  1. 표층 해수의 열을 회수하는 표층 해수 열공급부와;
    심층 해수의 열을 회수하는 심층 해수 열공급부와;
    상기 표층 해수 열공급부에서 공급되는 표층 해수의 열원을 통해 증발열을 발생하는 터보 히트펌프와;
    상기 표층 해수 열공급부를 통해 공급되는 표층 해수의 열 및 상기 심층 해수 열공급부에서 공급되는 심층 해수의 열과 열교환하도록 냉매를 순환시키는 냉매 순환부, 상기 냉매 순환부를 통해 순환되는 냉매로 회전에너지를 생성하는 터빈을 포함하는 터빈부와;
    상기 터빈부의 회전에너지로 전기에너지를 생산하는 발전부와;
    표층 해수와 심층 해수의 온도를 각각 감지하는 온도 센서와;
    표층 해수의 열을 상기 터빈부에 공급하는 표층해수 전환부와;
    심층 해수의 열을 상기 터보 히트펌프에 공급하는 심층해수 전환부와;
    상기 온도 센서의 감지 값을 근거로 하여 상기 표층해수 전환부와 심층해수 전환부를 전환시키는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 온도 센서에서 감지한 상기 표층 해수의 온도와 심층 해수의 온도를 근거로 하여 표층 해수 온도가 심층 해수의 온도보다 높을 때에는 표층 해수의 열을 상기 터보 히트펌프에 공급함과 아울러 심층 해수의 열을 상기 터빈부에 공급하고, 반대로 표층 해수의 온도가 심층 해수의 온도보다 낮을 때에는 상기 표층해수 전환부를 통해 표층 해수의 열을 상기 터빈부에 공급하는 한편 상기 심층해수 전환부를 통해 심층 해수의 열을 상기 터보 히트펌프에 공급하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 표층해수 전환부는, 상기 표층해수 열공급부의 공급부와 상기 심층해수 열공급부의 공급부에 연결되는 제1표층해수 전환관, 상기 심층해수 열공급부의 환수부와 상기 표층해수 열공급부의 환수부에 연결되는 제2표층해수 전환관 및 상기 제1,2표층해수 전환관을 개폐하는 밸브로 구성되고,
    상기 심층해수 전환부는 상기 심층해수 열공급부의 공급부와 상기 표층해수 열공급부의 공급부에 연결되는 제1심층해수 전환관, 상기 표층해수 열공급부의 환수부와 상기 심층해수 열공급부의 환수부에 연결되는 제2심층해수 전환관 및 상기 제1,2심층해수 전환관을 개폐하는 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템.
  7. 표층 해수의 열을 회수하는 표층 해수 열공급부와;
    심층 해수의 열을 회수하는 심층 해수 열공급부와;
    상기 표층 해수 열공급부에서 공급되는 표층 해수의 열원을 통해 증발열을 발생하는 터보 히트펌프와;
    상기 표층 해수 열공급부를 통해 공급되는 표층 해수의 열 및 상기 심층 해수 열공급부에서 공급되는 심층 해수의 열과 열교환하도록 냉매를 순환시키는 냉매 순환부, 상기 냉매 순환부를 통해 순환되는 냉매로 회전에너지를 생성하는 터빈을 포함하는 터빈부와;
    상기 터빈부의 회전에너지로 전기에너지를 생산하는 발전부를 포함하고,
    표층 해수의 온도가 일정 온도 이하인 경우 상기 터보 히트펌프의 응축기에서 토출되는 순환열매체와 상기 터빈부의 터빈 응축기에서 토출되는 냉매의 열교환을 유도하는 동절기 전환수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 동절기 전환수단은, 동절기 전환 열교환기(80), 양쪽이 상기 표층해수 열공급부의 공급부와 환수부에 연결되면서 상기 동절기 전환 열교환기 안에 배관되는 제1전환배관(82), 상기 심층해수 열공급부의 공급부와 환수부 및 상기 동절기 전환 열교환기의 내부와 각각 연결되는 제2전환배관(82), 상기 제1,2전환배관을 각각 개폐하는 제1,2전환밸브(83,84)를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템.
  9. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서, 태양열을 회수하여 상기 터빈부의 컴프레서에 유입되는 냉매에 공급하여 증발효율을 높이는 태양열 집열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템.
  10. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서, 상기 발전부에서 발전된 전기에너지를 저장하는 ESS와; 상기 ESS가 수납되는 컨테이너를 포함하며, ESS는 선박에 구성되는 이동형인 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 표층해수 열공급부와 심층해수 열공급부의 수중 열교환기는 선박에 승강식으로 설치되는 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템.
  12. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 터보 히트펌프는 터보 컴프레서로 구성된 것을 특징으로 하는 히트 펌프를 이용한 해양 온도차 발전 시스템.




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