OTEC기술은 신재생에너지 기술 중의 하나로 따듯한 표층수와 차가운 심층수의 온도차를 이용하여 전력을 생산하는 기술이다. 작동유체의 선정과 OTEC 사이클의 상태에 따라 에너지효율과 환경적인 측면에 많은 영향을 준다. OTEC의 작동유체로는 ammonia, R22, R407C, R410A가 있다. 본 논문에서는 OTEC 시스템의 최적화를 위해 $25^{\circ}C$에서의 증발압력를 비교하였다. 또한 밀폐사이클과 재생사이클에서의 작동유체에 따른 출력과 효율에 대하여 연구하였다.
OTEC기술은 신재생에너지 기술 중의 하나로 따듯한 표층수와 차가운 심층수의 온도차를 이용하여 전력을 생산하는 기술이다. 작동유체의 선정과 OTEC 사이클의 상태에 따라 에너지효율과 환경적인 측면에 많은 영향을 준다. OTEC의 작동유체로는 ammonia, R22, R407C, R410A가 있다. 본 논문에서는 OTEC 시스템의 최적화를 위해 $25^{\circ}C$에서의 증발압력를 비교하였다. 또한 밀폐사이클과 재생사이클에서의 작동유체에 따른 출력과 효율에 대하여 연구하였다.
Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) technology is one of the new and renewable energy that utilizes the natural temperature gradient that exists in the tropical ocean between warm surface water and the deep cold water, to generate electricity. The selection of working fluid and the OTEC cycle grea...
Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) technology is one of the new and renewable energy that utilizes the natural temperature gradient that exists in the tropical ocean between warm surface water and the deep cold water, to generate electricity. The selection of working fluid and the OTEC cycle greatly influence the effect on the system operation, and it's energy efficiency and impacts on the environment. Working fluids of the OTEC are ammonia, R22, R407C, and R410A. In this paper, we compared boiling pressure to optimize OTEC system at $25^{\circ}C$. Also, this paper showed net-power and efficiency according to working fluids for closed cycle and regeneration cycle.
Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) technology is one of the new and renewable energy that utilizes the natural temperature gradient that exists in the tropical ocean between warm surface water and the deep cold water, to generate electricity. The selection of working fluid and the OTEC cycle greatly influence the effect on the system operation, and it's energy efficiency and impacts on the environment. Working fluids of the OTEC are ammonia, R22, R407C, and R410A. In this paper, we compared boiling pressure to optimize OTEC system at $25^{\circ}C$. Also, this paper showed net-power and efficiency according to working fluids for closed cycle and regeneration cycle.
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가설 설정
정특성은 밀폐사이클을 기본 사이클로 선택하였고 기본 조건은 Table 1과 같이 정하여 모든 열손실은 없다고 가정하였다. 사이클의 효율은 다음의 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.
제안 방법
OTEC 시스템에서 각각의 작동유체에서 터빈의 입구 압력에 따라 사이클 출력과 효율이 달라질 수 있다. 기본조건으로는 Table 1과 같은 조건을 사용 하였으며, 표층수 온도의 경우는 높을수록 효율이 가장 좋기 때문에 이를 고려하여 28℃로 설정하여 밀폐사이클에서 각 각의 작동유체와 터빈의 입구 압력에 따른 특성을 비교분석 하였다.
기본조건으로는 Table 1과 같은 조건을 사용 하였으며, 표층수 온도의 경우는 높을수록 효율이 가장 좋기 때문에 이를 고려하여 28℃로 설정하여 재생사이클에서 각 각의 작동유체와 터빈의 입구 압력에 따른 시뮬레이션을 비교분석 하였다.
본 연구에서는 HYSYS program의 Peng-Robinson 방정식을 활용하여 기존에 사용되고 있던 작동유체인 암모니아와 R22뿐만 아니라 이를 대체할 수 있는 407A와 R410A를 추가하여 시스템의 출력과 효율을 비교분석 하였다. 또한 이 방정식을 이용하여, 가장 보편적으로 많이 사용되고 있는, 밀폐사이클과 재생사이클에 대하여 기본적인 사이클의 출력과 효율을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 HYSYS program의 Peng-Robinson 방정식을 활용하여 기존에 사용되고 있던 작동유체인 암모니아와 R22뿐만 아니라 이를 대체할 수 있는 407A와 R410A를 추가하여 시스템의 출력과 효율을 비교분석 하였다. 또한 이 방정식을 이용하여, 가장 보편적으로 많이 사용되고 있는, 밀폐사이클과 재생사이클에 대하여 기본적인 사이클의 출력과 효율을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 기존의 OTEC 시스템에 사용되고 있는 작동유체인 암모니아와 R22외에 주목받고 있는 R407C, R410A의 특성을 비교분석하고, 밀폐사이클과 재생사이클의 출력과 효율을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
위에서 언급한 암모니아, R22, R407C, R410A의 상온 25℃에서의 증발압력을 비교하였다. Figure 3은 작동유체에 따른 증발압력이다.
사이클에서 어떤 작동유체를 사용하느냐에 따라서 시스템의 출력과 효율이 변하게 되고, 안정성도 고려하게 된다. 이 중에서 작동유체에 따른 출력과 효율에 대하여 정특성을 통해 비교분석 하였다.
하지만 R410A는 증발압력이 높기 때문에 이를 고려하여 설계할 필요성이 있다. 이를 바탕으로 열역학적인 성질, 환경적인 측면, 안정성을 고려해 암모니아, R22, R407C, R410A에 대한 시뮬레이션을 수행하여 적합성을 연구하였다.
성능/효과
(1) 동일한 기본조건에서 작동 유체에 따른 출력과 효율을 비교하면 암모니아가 출력이 가장 크며, 효율은 R22가 가장 높았다.
(2) Turbine 입구 압력에 따른 사이클의 출력과 효율을 비교하면 밀폐사이클 및 재생사이클 모두 출력은 암모니아가 가장 좋았으며, 효율은 R410A가 가장 좋았다.
(3) 밀폐사이클은 포화압력보다 낮은 압력에서 출력과 효율이 높았고, 재생사이클은 포화압력에서의 출력과 효율이 가장 좋았다.
(4) 밀폐사이클보다 재생사이클이 출력이 더 크고 약 2배정도 더 높은 사이클 효율을 보였다.
이 물질은 상대적으로 상변화시 온도변화가 적어 공비혼합물과 거의 유사하여 근 공비혼합물 냉매라고도 한다. 그리고, 안전도가 높아서 R22보다 약 40% 정도 높은 포화압력을 가지고, 성적계수(COP)는 R22보다는 약간 낮다. R410A는 R22를 대신하여 사용했을 때에 응축기나 증발기에 거의 영향을 미치지 않는 장점이 있어서 중, 소형 상업용 냉동기 냉매로 이용되고 있다[8,9].
0bar 낮은 압력에서 사용하는 것이 출력과 효율에서 유리함을 알 수 있다. 또한 R22의 대체 냉매로써 R407C와 R410A가 출력과 효율에서 충분히 사용가능한 점을 확인할 수 있다.
위의 결과로부터 작동사이클은 재생사이클이 출력과 효율면에서 좋은 것을 알 수 있고, 작동유체로는 출력을 고려했을 때에는 암모니아, 효율을 고려할 때에는 R410A가 적합한 것을 알 수 있다.
71%를 나타내었다. 이상의 결과로부터 밀폐사이클에서 작동유체를 사용할 때 터빈의 입구 압력은 포화압력을 사용하는 것 보다는 포화압력보다 0.5~1.0bar 낮은 압력에서 사용하는 것이 출력과 효율에서 유리함을 알 수 있다. 또한 R22의 대체 냉매로써 R407C와 R410A가 출력과 효율에서 충분히 사용가능한 점을 확인할 수 있다.
이상의 결과로부터 재생사이클에서는 작동유체를 사용할 때의 터빈 입구압력이 포화압력일 때에 출력과 효율이 가장 좋게 나타나는 것을 볼 수 있었다. 그리고 재생사이클에서도 R22의 대체냉매로 R407C, R410A를 출력과 효율을 보았을 때 충분히 사용가능하다는 것을 알 수 있다.
후속연구
작동유체 중 R410A가 사이클에 상관없이 가장 높은 효율을 나타내고 있다. R410A의 경우는 R22의 대체냉매로 고려되고 있는 냉매로 더 많은 연구가 진행되어야 할 것이다. 그리고, 밀폐사이클 보다는 재생사이클이 효율면에서 좋은 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
OTEC기술이란 무엇인가?
OTEC기술은 신재생에너지 기술 중의 하나로 따듯한 표층수와 차가운 심층수의 온도차를 이용하여 전력을 생산하는 기술이다. 작동유체의 선정과 OTEC 사이클의 상태에 따라 에너지효율과 환경적인 측면에 많은 영향을 준다.
OTEC의 작동 유체로 사용되는 것은 무엇인가?
이러한 OTEC의 작동유체로는 암모니아, R22가 사용되고 있다. 또한 working cylce로는 Closed cycle, Regeneration cycle, Kalina cycle, Uehara cycle 등에 관하여 일반적인 사이클 특성에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다[5].
OTEC의 발전원리에 대해 설명하시오.
표층수의 열원으로 작동유체를 증발시키고, 심층수의 열원으로 작동유체를 응축시키게 되는데, 작동유체로는 유기물(Organic)를 사용한다. 작동유체는 펌프를 통해 승압되고, 증발기를 지나가면서 증발하게 된다. 기체로 팽창한 작동유체는 터빈을 회전시켜 운동에너지를 준다. 이 운동에너지에 의해 발전기가 회전하면서 전기에너지로 변환하게 된다[3].
참고문헌 (9)
Sang-Won Cha, You-Taek Kim and Young-Ho Lee, "A study on the basic characteristic analysis of OTEC's cycle", The 8th KSME-JSME(The Korea Society of Mechanical Engineers - The Japan Society of Mechanical Engineers), FR03-015, pp. 1-4, 2012.
Jang-Oh Mo, You-Taek Kim and Mann-Eung Kim et al., "Performance analysis by CFD and aerodynamic design of 100kW class radial turbine using waste heat from ship." The Korean Society of Marine Engineering. vol. 25, no. 2, pp. 175-181, 2011.
Jang-Oh Mo, You-Taek Kim and Cheol Oh et al., "Influence of performance and internal flow of a radial inflow turbine with variation of vane nozzle exit angles." The Korean Society of Marine Engineering. vol. 35, no. 6, pp. 757-764, 2011.
Tae-Bum Seo, "Introduction of the OTEC", The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, vol. 30, no. 1, pp. 18-24, 2011.
Tae-Guk Kim, Thermal System Design and Simulation, Intervison, Korea, 2000.
Aspen HYSYS Operation Guide, Aspentech, USA
Nam-Jin Kim, Sang-Ho Shin and won-kee Chun, "A Study on the thermodynamic cycle of OTEC system", Journal of The Korean Solar Energy Society, vol. 26, no.2, pp. 9-18, 2006 (in Korean).
Ho-Saeng Lee, Hyeon-Ju Kim, Dong-Ho Jung et al., "A study on the improvement for cycle efficiency of closed-type OTEC", Journal of The Korean Society of Marine Engineering, vol. 35, no.1, pp. 46-52, 2011 (in Korean).
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