KR20110101754A - 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템 - Google Patents

해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템 Download PDF

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김현주
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한국해양연구원
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Abstract

본 발명은 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해양 온도차 발전 사이클에서 응축용 냉각수로 사용되는 해양심층수와 기화용 온수로 사용되는 발전소 배출수 혹은 표층수를 기본적으로 사용하며 기존의 해양 온도차 발전 사이클에 비하여 소량의 해양심층수를 활용하여 발전 효율을 증대시킬 수 있는 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전 시스템은, 발전소 배출수 혹은 표층수가 공급되는 기화기를 통하여 작동유체를 증기로 변환시킨 후 변환된 증기가 터빈을 구동시켜 전력을 생산하고, 상기 터빈을 나온 증기는 해양심층수에 의하여 응축기에서 액화되며, 펌프에 의해 순환되는 발전 사이클이 다단 설치되며; 1차 발전 사이클의 응축기를 통과한 해양심층수를 다른 발전 사이클의 응축기에 공급할 수 있도록 응축기들에 송수관이 연통되게 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템{Ocean thermal energy conversion system of multistage cycle type using surface water or discharge water of power plant and deep sea water}
본 발명은 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해양 온도차 발전 사이클에서 응축용 냉각수로 사용되는 해양심층수와 기화용 온수로 사용되는 발전소 배출수 혹은 표층수를 기본적으로 사용하며 기존의 해양 온도차 발전 사이클에 비하여 소량의 해양심층수를 활용하여 발전 효율을 증대시킬 수 있는 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 해양 온도차 발전은 수온이 높은 표층수와 수온이 낮은 심층수를 각각 기화열과 응축열로 활용하여 전기를 생산하는 발전 시스템이다. 경제성 있는 해양 온도차 발전을 위해서는 대량의 표층수와 심층수를 연속적으로 확보할 수 있어야 한다.
표층수는 태양열에 의해서 가열되며, 계절과 지리적인 영향을 많이 받게 되며 따라서 우리나라와 같은 나라에서는 연중 고수온의 표층수를 확보하기가 어려운 해양환경이다. 우리나라의 경우 여름에만 수온이 약 25℃를 초과하기 때문에 온도차 발전이 가능하다.
반면, 적도 부근의 표층수 수온은 연중 25℃를 초과하기 때문에 온도차 발전의 상업화가 가능한 곳이다. 다만, 우리나라는 해안가에 화력 및 원자력 발전소가 다수 위치하고 있는데, 발전소에서는 일일 수백만톤 이상의 고수온 배출수를 배출한다.
발전소 배출수는 계절적 변동이 있긴 하지만 대개 25∼35℃의 고수온으로 배출되기 때문에 온도차 발전에 쉽게 활용될 수 있다. 냉각수로 사용되는 해양심층수는 우리나라 동해안에 거의 무한량으로 부존하고 있으며, 수온도 2℃ 이하를 나타내기 때문에 온도차 발전용 냉각수로 활용될 수 있다. 발전소 배출수를 이용한 온수와 해양심층수를 이용한 냉수를 해양 온도차 발전으로 활용한다면 25℃ 이상의 수온차가 발생하기 때문에 상업적인 발전이 가능할 수 있다.
해양 온도차 발전의 가장 큰 문제는 온수와 냉수가 대량으로 필요하다는 것이다. 발전소 배출수는 일일 수백만톤 이상의 대량의 온수를 확보할 수 있는 반면에 냉각수로 활용되는 해양심층수는 대량으로 확보하기가 매우 어려운 현실이다. 해양심층수를 취수하는 취수관이 현재 국내에서는 직경 500mm 정도가 최대 직경인 반면, 상용 해양 온도차 발전을 위해서는 직경 3000mm 이상의 대구경 취수관이 필요한 상황이다.
따라서, 해양 온도차 발전의 효율을 증대시키면서 경제성을 향상시키기 위해서는 대량의 해양심층수를 취수할 수 있는 대구경의 취수관을 개발하거나, 혹은 해양심층수를 냉각수로 활용할 시 효율적으로 활용할 수 있는 사이클을 개발하는 과정이 필요하다. 현재, 개발된 해양 온도차 발전 사이클은 발전소 배출수와 해양심층수를 사용할지라도 단순한 1차 사이클만을 적용하고 있기 때문에 발전효율과 경제성이 낮은 문제가 있다.
또한, 해양심층수는 청정성과 부영양성을 가지는 해수이므로 수산 양식용으로 활용이 가능하지만, 수온이 매우 낮기 때문에 가열 후 양식용으로 활용해야 한다는 단점이 있다. 비록 한해성 어종에는 직접 활용이 가능하지만 해조류 및 일반 어종은 적정 수온이 15∼20℃이기 때문에 2℃의 해양심층수를 가열하여 수산 양식에 활용하기에는 에너지 비용 측면에서 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 저용량의 해양심층수를 이용하여 해양 온도차 발전 사이클의 냉각수로 활용함에 있어서 냉각수를 다단으로 활용할 수 있도록 하여 경제성과 발전 효율을 증대시킬 수 있도록 하는 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 냉각수로 활용된 해양심층수를 다른 산업분야에 활용할 수 있도록 하는 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전 시스템은, 발전소 배출수 혹은 표층수가 공급되는 기화기를 통하여 작동유체를 증기로 변환시킨 후 변환된 증기가 터빈을 구동시켜 전력을 생산하고, 상기 터빈을 나온 증기는 해양심층수에 의하여 응축기에서 액화되며, 펌프에 의해 순환되는 발전 사이클이 다단 설치되며; 1차 발전 사이클의 응축기를 통과한 해양심층수를 다른 발전 사이클의 응축기에 공급할 수 있도록 응축기들에 송수관이 연통되게 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템은, 대량의 발전소 배출수 혹은 표층수를 활용할 수 있는 환경에서 상대적으로 소량의 해양심층수 냉각수를 이용하여 발전 효율을 증대시킬 수 있으며, 발전을 위해 필요한 냉각수 용량이 감소되기 때문에 냉각수로 사용되는 해양심층수 취수시설의 규모가 상대적으로 감소되는 효과가 있다.
또한, 해양 온도차 발전시스템을 건설함에 있어서 냉각수 취수용 취수시설에 대한 비중이 매우 높은 점을 감안할 때 본 발명을 통하여 저비용으로 고효율의 온도차 발전시스템을 경제적으로 건설할 수 있을 것으로 기대되며, 냉각수로 활용된 해양심층수는 청정성과 부영양성을 가지고 있기 때문에 수산 양식용으로 활용하여 청정 수산 산업에 기여할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템을 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템을 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템을 나타내는 구성도.
본 발명에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전 시스템은, 발전소 배출수 혹은 표층수가 공급되는 기화기를 통하여 작동유체를 증기로 변환시킨 후 변환된 증기가 터빈을 구동시켜 전력을 생산하고, 상기 터빈을 나온 증기는 해양심층수에 의하여 응축기에서 액화되며, 펌프에 의해 순환되는 발전 사이클이 다단 설치되며; 1차 발전 사이클의 응축기를 통과한 해양심층수를 다른 발전 사이클의 응축기에 공급할 수 있도록 응축기들에 송수관이 연통되게 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 발전소 배출수 혹은 표층수가 공급되는 기화기를 통하여 작동유체를 증기로 변환시킨 후 변환된 증기가 터빈을 구동시켜 전력을 생산하고, 상기 터빈을 나온 증기는 해양심층수에 의하여 응축기에서 액화되며, 펌프에 의해 순환되는 1차 발전 사이클이 설치되며; 기화기, 응축기, 펌프로 이루어지는 발전 사이클이 다단 설치되되, 각각의 기화기를 통과한 증기는 상기 1차 발전 사이클의 터빈에 공급되도록 이루어지고; 상기 1차 발전 사이클의 응축기를 통과한 해양심층수를 다른 발전 사이클의 응축기에 공급할 수 있도록 응축기들에 송수관이 연통되게 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다단의 발전 사이클 중에서 최종 발전 사이클에는 응축기를 통과한 해양심층수 배출수가 배출되는 냉각수 배출관과, 기화기를 통과한 발전소 배출수 혹은 표층수가 배출되는 온수 배출관이 서로 연결 설치되며, 상기 냉각수 배출관과 온수 배출관이 접하는 지점에 수온을 조절하기 위한 수온제어기가 설치되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템을 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템을 나타내는 구성도이며, 도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템을 나타내는 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전 시스템은, 발전소 배출수 혹은 표층수가 공급되는 기화기(1)를 통하여 작동유체를 증기로 변환시킨 후 변환된 증기가 터빈(2)을 구동시켜 전력을 생산하고, 상기 터빈(2)을 나온 증기는 해양심층수에 의하여 응축기(3)에서 액화되며, 펌프(4)에 의해 순환되는 발전 사이클(10)이 다단 설치된다.
특히, 1차 발전 사이클의 응축기(3)를 통과한 해양심층수를 다른 발전 사이클의 응축기에 공급할 수 있도록 응축기들에 송수관(5)이 연통되게 설치되는 것이다.
상기 기화기(1), 응축기(3), 터빈(2), 펌프(4)는 파이프라인(8)에 의해 서로 연결되며, 상기 기화기(1)는 발전소에서 배출되는 배출수 혹은 표층수를 이용하여 기화열을 얻게 된다. 발전소 배출수 혹은 표층수는 별도의 취수관(7)에 의해 기화기(1)로 이송된다.
상기 응축기(3)는 수심 200m 아래에 위치하는 해양심층수를 이용하여 응축열을 얻게 된다. 발전소에서 배출되는 배출수 혹은 표층수는 수온이 약 25∼35℃ 상태로 배출되어 작동유체를 기화시키며, 해양심층수는 수온이 약 2℃ 이하를 연중 유지하면서 작동유체를 응축시키는 역할을 하게 된다. 상기 작동유체로는 끓는점이 낮은 암모니아, 프레온 중에서 어느 하나를 활용한다.
가열된 발전소 배출수 혹은 표층수를 취수관(7)으로 끌어올려 증기를 만드는 기화기(1)에 보내면 끓는점이 낮은 작동유체를 증기로 만들고, 이 증기의 힘으로 터빈(2)을 구동시켜 발전한다. 터빈(2)을 구동시키고 난 증기는 해양심층수로 냉각해서 다시 유체로 만들어 계속 사용하게 되는 것이다.
1차 발전 사이클에서 발전을 한 후 해양심층수는 냉각수로 활용한 후 배출되는데, 배출수는 약 8∼10℃수온 상태로 1차 발전 사이클을 빠져나오게 된다. 이 때 1차 발전 사이클에서 사용된 냉각수는 송수관(5)에 의해 다시 2차 발전 사이클로 이송되어 냉각수로 활용될 수 있다.
2차 발전 사이클에서도 기화기(1), 응축기(3), 터빈(2) 그리고 펌프(4)로 구성되며, 발전소 배출수 혹은 표층수를 새로 유입시켜 25∼35℃의 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용하며, 냉각수는 1차 발전 사이클에서 냉각수로 활용 후 배출된 약 8∼10℃ 수온의 해양심층수를 이용한다.
비록, 상기 1차 발전 사이클에 비하여 수온차는 작을지라도 약 17℃의 수온차를 가지므로 충분히 발전이 가능한 영역이 된다. 유사한 방법으로 2차 발전 사이클에서 활용된 해양심층수는 3차, 4차, n차 발전 사이클까지 활용하여 발전효율을 높일 수 있다.
즉, 1회 취수된 해양심층수를 n차례에 걸쳐 냉각수로 활용하면서 n차례 발전하면서 발전효율을 높이고 경제성을 증대시킬 수 있는 것이다.
일반적으로 해양 온도차 발전은 온수:냉수의 비율이 1:1로 구성되어 1차의 발전을 이룰 수 있다면, 본 발명과 같이 해양심층수를 재이용한다면 온수:냉수의 비율을 n:1로 구성하면서 기존의 해양 온도차 발전보다 매우 큰 발전효율을 얻을 수 있다.
발전소 배출수 혹은 표층수는 충분히 많은 수량을 적은 비용으로 쉽게 확보할 수 있는 반면에, 해양심층수를 취수하기 위해서는 많은 경제적 비용이 소모되기 때문에 본 발명을 통하여 경제적이면서 효율적인 발전을 이룰 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전 시스템은, 발전소 배출수 혹은 표층수가 공급되는 기화기(1)를 통하여 작동유체를 증기로 변환시킨 후 변환된 증기가 터빈(2)을 구동시켜 전력을 생산하고, 상기 터빈(2)을 나온 증기는 해양심층수에 의하여 응축기(3)에서 액화되며, 펌프(4)에 의해 순환되는 1차 발전 사이클이 설치되는 것이다.
특히, 기화기(1), 응축기(3), 펌프(4)로 이루어지는 발전 사이클이 다단 설치되되, 각각의 기화기(1)를 통과한 증기는 상기 1차 발전 사이클의 터빈(2)에 공급되도록 이루어지고, 상기 1차 발전 사이클의 응축기(3)를 통과한 해양심층수를 다른 발전 사이클의 응축기에 공급할 수 있도록 응축기들에 송수관(5)이 연통되게 설치되는 것이다.
한편, 본 발명의 제2 실시예는 단일의 터빈을 사용한다는 점을 제외하고는 대부분 제1 실시예의 구성과 동일하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
n차 발전 사이클에서 응축기(3), 펌프(4), 기화기(1)를 이용하여 기화시킨 후 터빈(2)은 별도로 구성하지 않고 1차 발전 사이클에서 사용되는 터빈(2)에 의해 발전할 수 있다. 따라서, n차 발전 사이클에서의 기화기(1)를 통과한 증기가 1차 발전 사이클에서 사용되는 터빈(2)으로 공급되도록 기화기(1)에 연결된 파이프라인(8)이 1차 발전 사이클의 터빈(2)에 연결되도록 한다.
이를 통하여 발전기 및 터빈을 중복되게 설치하여 경제적 비용이 증가되는 것을 방지할 수 있으며, 1차 발전 사이클의 효율을 150% 이상 증대시킬 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전술한 두 실시예의 다단의 발전 사이클 중에서 최종 발전 사이클에는 응축기(3)를 통과한 해양심층수 배출수가 배출되는 냉각수 배출관(31)과, 기화기(1)를 통과한 발전소 배출수 혹은 표층수가 배출되는 온수 배출관(11)이 서로 연결 설치되며, 상기 냉각수 배출관(31)과 온수 배출관(11)이 접하는 지점에 수온을 조절하기 위한 수온제어기(6)가 설치되는 것이다.
1차에서 n차까지 발전 사이클을 이용하여 온도차 발전의 냉각수로 활용된 해양심층수 배출수는 여전히 청정성과 부영양성 특성을 가지고 있으며, 반면에 수온이 약 20℃로 상승된 상태가 된다. 따라서, 대량의 청정하고 부영양성을 가지는 해양심층수가 수온이 상승된 상태가 되므로 중수온의 해양심층수를 해조류 양식 및 어패류 양식으로 활용할 수 있는 것이다.
상기 수온제어기(6)에 의해 해양심층수 배출수의 수온을 측정하여 수온이 양식 수온보다 낮은 경우에는 발전소 배출수 혹은 표층수를 혼합하여 수온을 상승시켜 수산양식수로 활용할 수 있도록 제어하게 된다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.
1 : 기화기
11 : 온수 배출관
2 : 터빈
3 : 응축기
31 : 냉각수 배출관
4 : 펌프
5 : 송수관
6 : 수온제어기
7 : 취수관
8 : 파이프라인
10 : 발전 사이클

Claims (3)

  1. 발전소 배출수 혹은 표층수가 공급되는 기화기(1)를 통하여 작동유체를 증기로 변환시킨 후 변환된 증기가 터빈(2)을 구동시켜 전력을 생산하고, 상기 터빈(2)을 나온 증기는 해양심층수에 의하여 응축기(3)에서 액화되며, 펌프(4)에 의해 순환되는 발전 사이클(10)이 다단 설치되며;
    1차 발전 사이클의 응축기(3)를 통과한 해양심층수를 다른 발전 사이클의 응축기에 공급할 수 있도록 응축기들에 송수관(5)이 연통되게 설치되는 것을 특징으로 하는 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템.
  2. 발전소 배출수 혹은 표층수가 공급되는 기화기(1)를 통하여 작동유체를 증기로 변환시킨 후 변환된 증기가 터빈(2)을 구동시켜 전력을 생산하고, 상기 터빈(2)을 나온 증기는 해양심층수에 의하여 응축기(3)에서 액화되며, 펌프(4)에 의해 순환되는 1차 발전 사이클이 설치되며;
    기화기(1), 응축기(3), 펌프(4)로 이루어지는 발전 사이클이 다단 설치되되, 각각의 기화기(1)를 통과한 증기는 상기 1차 발전 사이클의 터빈(2)에 공급되도록 이루어지고;
    상기 1차 발전 사이클의 응축기(3)를 통과한 해양심층수를 다른 발전 사이클의 응축기에 공급할 수 있도록 응축기들에 송수관(5)이 연통되게 설치되는 것을 특징으로 하는 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다단의 발전 사이클 중에서 최종 발전 사이클에는 응축기(3)를 통과한 해양심층수 배출수가 배출되는 냉각수 배출관(31)과, 기화기(1)를 통과한 발전소 배출수 혹은 표층수가 배출되는 온수 배출관(11)이 서로 연결 설치되며,
    상기 냉각수 배출관(31)과 온수 배출관(11)이 접하는 지점에 수온을 조절하기 위한 수온제어기(6)가 설치되는 것을 특징으로 하는 해양심층수와 발전소 배출수 혹은 표층수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템.
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