발전소 온배수 및 폐열을 이용한 1 MW급 폐쇄형 해양온도차발전 사이클에 대한 성능을 비교 분석하였다. 폐쇄형 해양온도차발전 사이클에 대한 열역학적 모델은 랭킨 사이클이고, 기화기 증발 열원으로 발전소 온배수를 이용하여 사이클 효율, 기화기 및 응축기 열량 등 사이클 성능을 비교 분석하였다. 발전소 온배수 온도가 증가함에 따라 기화기 내 증발 포화압력은 상승하게 되고 그로 인해 사이클 효율은 증가하였고, 총 출력 1 MW에 필요한 기화기 및 응축기 용량은 감소하였다. 따라서 발전소 온배수는 폐쇄형 해양온도차발전에서 주요한 열원으로 사용될 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 주위 이용 가능한 폐열이 있을 때 기화기 출구 작동유체와 열교환시켜 터빈으로 유입되는 작동유체의 온도를 상승시킨다면 사이클 효율은 크게 증가할 것이다.
발전소 온배수 및 폐열을 이용한 1 MW급 폐쇄형 해양온도차발전 사이클에 대한 성능을 비교 분석하였다. 폐쇄형 해양온도차발전 사이클에 대한 열역학적 모델은 랭킨 사이클이고, 기화기 증발 열원으로 발전소 온배수를 이용하여 사이클 효율, 기화기 및 응축기 열량 등 사이클 성능을 비교 분석하였다. 발전소 온배수 온도가 증가함에 따라 기화기 내 증발 포화압력은 상승하게 되고 그로 인해 사이클 효율은 증가하였고, 총 출력 1 MW에 필요한 기화기 및 응축기 용량은 감소하였다. 따라서 발전소 온배수는 폐쇄형 해양온도차발전에서 주요한 열원으로 사용될 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 주위 이용 가능한 폐열이 있을 때 기화기 출구 작동유체와 열교환시켜 터빈으로 유입되는 작동유체의 온도를 상승시킨다면 사이클 효율은 크게 증가할 것이다.
The thermodynamic performance of closed ocean thermal energy conversion (OTEC) cycle with 1 MW gross power was evaluated to obtain the basic data for the optimal design of OTEC. The basic thermodynamic model for OTEC is Rankine cycle and the thermal effluent from power plant was used for the heat so...
The thermodynamic performance of closed ocean thermal energy conversion (OTEC) cycle with 1 MW gross power was evaluated to obtain the basic data for the optimal design of OTEC. The basic thermodynamic model for OTEC is Rankine cycle and the thermal effluent from power plant was used for the heat source of evaporator. The cycle performance such as efficiency, heat exchanger capacity, etc. was analyzed on the temperature variation of thermal effluent. The saturated pressure of evaporator increased with respect to the increase of thermal effluent temperature, so the cycle efficiency increased and necessary capacity of evaporator and condenser decreased under 1 MW gross power. As the thermal effluent temperature increases about $15^{\circ}C$, the cycle efficiency increased approximately 44%. So, it was revealed that thermal effluent from power plant is important heat source for OTEC plant. Also, if there is an available waste heat, it can be transferred heat to the working fluid form the evaporator through heat exchanger and cycle efficiency will be increased.
The thermodynamic performance of closed ocean thermal energy conversion (OTEC) cycle with 1 MW gross power was evaluated to obtain the basic data for the optimal design of OTEC. The basic thermodynamic model for OTEC is Rankine cycle and the thermal effluent from power plant was used for the heat source of evaporator. The cycle performance such as efficiency, heat exchanger capacity, etc. was analyzed on the temperature variation of thermal effluent. The saturated pressure of evaporator increased with respect to the increase of thermal effluent temperature, so the cycle efficiency increased and necessary capacity of evaporator and condenser decreased under 1 MW gross power. As the thermal effluent temperature increases about $15^{\circ}C$, the cycle efficiency increased approximately 44%. So, it was revealed that thermal effluent from power plant is important heat source for OTEC plant. Also, if there is an available waste heat, it can be transferred heat to the working fluid form the evaporator through heat exchanger and cycle efficiency will be increased.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 발전소 온배수를 이용한 폐쇄형 온도차발전 사이클을 모사하여 온배수 공급온도에 따른 사이클 성능을 비교하고, 또한 이용 가능한 폐열 사용으로 인한 작동유체의 온도 상승이 사이클 효율에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
가설 설정
Figure 2는 폐쇄형 해양온도차발전 사이클의 T-s선도를 나타내고 있다. 그림에서와 같이 기화기는 가열, 상변화, 과열 구간 등 3 구간으로, 응축기는 상변화 및 과냉 등 2 구간으로 설정하였고, 터빈 및 펌프는 각각 이상적인 등엔트로피과정으로 가정하였다. 또한, 외부와의 열교환 및 열교환기 내에서의 압력강하는 무시하였다.
그림에서와 같이 2월 경 온배수 온도는 약 21℃로 가장 낮고, 8월 경 약 36℃로 가장 높게 나타났다. 본 사이클 모사에서 해양온도차발전 응축기에 냉각열원으로 사용되는 심층수 온도를 2℃로 가정하였고, 일반적으로 해양온도차발전에 사용되는 심층수 및 표층수 온도차가 20℃이상일 때 경제적인 발전이 가능하므로 [9] 발전소 온배수는 연중 해양온도차벌전 사이클의 기화기 증발열원으로 유효한 열원임을 알 수 있다.
제안 방법
Table 1에서와 같이 발전소 온배수를 이용한 폐쇄형 해양 온도차 발전 사이클 모사를 위해 사이클 출력을 1 MW로 설정하였으며, 작동유체는 암모니아, 심층수 온도는 2 ℃, 기화기 증발열원으로 사용되는 발전소 온배수 온도는 25 ∼ 36℃로 변화시켜 사이클 성능을 분석하였다.
발전소 온배수를 폐쇄형 해양온도차발전 기화기 증발열원으로 사용시 폐쇄형 해양온도차발전 사이클을 모사하여 성능을 비교하고, 이용 가능한 폐열과의 열교환을 통한 작동유체의 온도 상승이 사이클효율에 미치는 영향을 분석한 결과는 다음과 같다.
폐쇄형 해양온도차발전 사이클에서 기화기에서의 작동유체 상태는 유입되는 표층수의 온도에 따라 결정된다. 표층수가 25℃이고 심층수가 2℃일 때, Figure 3에서와 같이 사이클 터빈으로 유입되는 작동유체 증기를 표층수보다 높은 온도 레벨을 가진 이용 가능한 폐열 등과 열교환 후 온도가 상승하여 터빈으로 유입시켰을 때 사이클 효율 변화를 모사하였다.
이론/모형
폐쇄형 해양온도차발전 사이클을 모사하기 위해 EES(Engineering Equation Solver) 프로그램을 이용하였고, 기본적인 랭킨 사이클을 설계하여 시뮬레이션에 이용하였다. EES는 증기동력사이클 및 냉동사이클 등 열역학적 사이클 모사에 필요한 상태값을 쉽게 계산할 수 있는 장점이 있어 이번 사이클 시뮬레이션에 사용하였다.
성능/효과
(1) 연중 발전소 온배수는 21℃에서 최대 36℃까지 변화하면서 해양온도차발전의 기화기 증발열원으로서 유효한 열원임을 알 수 있었다.
(2) 총 출력 1 MW에 대해, 기화기로 유입되는 온배수 온도가 증가함에 따라 기화기 내 증발 포화 압력이 상승하게 되어 사이클 효율이 증가하였다.
(3) 총 출력 1 MW에 대해, 기화기로 유입되는 온배수 온도가 증가함에 따라 사이클 효율 향상에 따라 필요 냉매 순환량 및 해수 유량은 감소하였다.
(4) 해양 표층수보다 높은 온도 레벨의 주위 이용 가능한 폐열과 터빈으로 유입되는 작동유체를 열교환시켜 터빈으로 유입되는 작동유체 증기의 온도를 상승시킨다면 사이클 효율은 크게 증가할 것이다.
Figure 10은 기화기 출구 작동유체가 해양 표층수보다 높은 온도레벨의 폐열 등과 열교환 후 온도가 상승하여 터빈으로 유입시켰을 때, 그 온도 상승에 대한 사이클 효율을 나타내고 있다. 그림에서와 같이 외부 열원과의 열교환을 통해 터빈으로 유입되는 작동유체의 온도가 상승할수록 사이클 효율이 증가함을 알 수 있다. 총 출력이 1 MW에 대해 외부 열원과의 열교환을 통해 터빈 유입 작동유체의 온도가 약 20℃ 상승시 사이클 효율은 약 3.
그림에서와 같이 기화기 유입 온배수 온도가 증가함에 따라 사이클 효율이 상승하게 되고 그로 인해 총 출력 1 MW에 필요한 기화기 및 응축기 용량은 감소함을 알 수 있다. 기화기 유입 온배수 온도가 36℃일 때 기화기 용량은 약 15.6 MW, 28℃에서는 21.92 MW로 나타나 기화기 유입 온배수 온도가 36℃일 때 기화기 용량은 25℃에 비해 약 28.8% 감소하였다.
그림에서와 같이 기화기로 유입되는 온배수온도가 증가함에 따라 기화기 내증발 포화압력이 상승하게 되고 그로 인해 터빈 입·출구 압력차가 증가하여 사이클 효율이 증가함을 알 수 있다. 기화기 유입 온배수온도가 36℃일 때 사이클 효율은 약 6.3%, 25℃일 때 사이클 효율은 약 3.7%로 나타났다.
그림에서와 같이 외부 열원과의 열교환을 통해 터빈으로 유입되는 작동유체의 온도가 상승할수록 사이클 효율이 증가함을 알 수 있다. 총 출력이 1 MW에 대해 외부 열원과의 열교환을 통해 터빈 유입 작동유체의 온도가 약 20℃ 상승시 사이클 효율은 약 3.82%로 터빈 유입 작동 유체 온도 상승이 없을 때에 비해 약 3.2% 증가하였다.
후속연구
그림에서와 같이 터빈으로 유입되는 작동유체의 온도가 증가할수록 열교환량이 증가함을 알 수 있어 사이클 효율 및 열교환기 용량, 폐열의 온도 레벨 등 여러 지표등을 다각도로 검토할 필요가 있다. 하지만 해양온도차발전 플랜트의 막대한 건설비용 및 낮은 발전효율을 감안할 때, 사이클 효율 상승을 위해 발전소 온배수 및 버려지는 폐열을 활용할 수 있는 방법 모색이 필요하리라 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
과학기술의 발전으로 인한 산업화가 가져온 결과는 무엇인가?
오늘날 과학기술의 급속한 발전으로 인한 산업화는 인류의 삶의 질을 크게 개선하여 왔지만, 이에 따른 화석연료 소비의 증가로 심각한 에너지 수급 및 지구 온난화라는 환경 문제에 직면하고 있다. 이런 지구온난화에 대처하기 위한 목적으로 국제적 으로 기후변화협약 등을 통해 온실가스 감축을 위한 실천적 규범을 발효하였으나, 우리나라를 비롯한 세계의 에너지 소비는 향후 지속적인 경제발전을 추진하기 위해서 계속해서 증가할 것으로 전망되고 있다.
발전소 온배수를 폐쇄형 해양온도차발전의 열원으로 사용 시 미치는 영향을 분석한 결과는 무엇인가?
(1) 연중 발전소 온배수는 21℃에서 최대 36℃까지 변화하면서 해양온도차발전의 기화기 증발열원으로서 유효한 열원임을 알 수 있었다.
(2) 총 출력 1 MW에 대해, 기화기로 유입되는 온배수 온도가 증가함에 따라 기화기 내 증발 포화 압력이 상승하게 되어 사이클 효율이 증가하였다.
(3) 총 출력 1 MW에 대해, 기화기로 유입되는 온배수 온도가 증가함에 따라 사이클 효율 향상에 따라 필요 냉매 순환량 및 해수 유량은 감소하였다.
(4) 해양 표층수보다 높은 온도 레벨의 주위 이용 가능한 폐열과 터빈으로 유입되는 작동유체를 열교환시켜 터빈으로 유입되는 작동유체 증기의 온도를 상승시킨다면 사이클 효율은 크게 증가할 것이다.
폐쇄형 해양온도차발전 사이클의 특징은 무엇인가?
기본적인 폐쇄형 해양온도차발전 사이클의 개략도를 Figure 1에 나타내었다. 그림에서와 같이 기본적인 폐쇄형 해양온도차발전 사이클은 기화기, 터빈, 응축기 및 펌프로 구성되어 있고 이들 구성기기가 서로 파이프라인으로 연결되어 작동되는데 폐쇄형 해양온도차발전의 기본 원리는 일반 발전의 원리와 동일하다. 표층수와 심층수 사이의 온도차를 이용해 비등점이 낮은 작동유체를 표층수로 증발시킨 뒤 그 압력차를 이용해 터빈에서 발전하는 것으로, 고온의 열원에서 저온의 열원으로 열이 흘러 들어가 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는 방법이다.
참고문헌 (9)
A. D'Arsonal, "Utilisation de forces naturelles, Revue Scientifique", vol. 17, pp. 370-372, 1881.
G. Claude, "Power from the tropical seas", Mechanical Engineering, vol. 52, no. 12, pp. 1039-1044, 1990.
김광우, "해양온도차 발전 시스템의 소개", 대한설비공학회지, 제30권, 제1호, pp. 18-25, 2001.
H. Uehara, "The experimental research on ocean thermal energy conversion using the Uehara cycle", proceedings of the International OTEC/DOWA Conference, pp. 132-141, 1999.
Korea Power Company, A Study on the Development of Ocean Thermal Energy conversion and Wave Power Generation System, Technical report, KRC-89G-T10, 1989.
이호생, 김현주, 윤정인, "해양 심층수를 이용한 냉난방 히트펌프 시스템", 한국마린엔지니어링학회, 제34권, 제1호, pp. 21-25, 2010.
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