[국내논문]작동유체 및 사이클에 따른 해양온도차발전용 유기랭킨사이클의 성능분석 Performance analysis of an organic Rankine cycle for ocean thermal energy conversion system according to the working fluid and the cycle원문보기
해양온도차발전은 해양의 표층수와 심층수의 온도차를 이용하여 발전하는 유기랭킨사이클이다. 작동유체와 사이클 구성은 유기랭킨사이클의 열역학적 효율에 큰 영향을 미치는 요소이다. 본 연구에서는 작동유체와 사이클에 따른 해양온도차발전시스템의 성능분석을 수행하였다. 고전적인 단순 랭킨사이클과 단순 랭킨사이클의 대안으로 제시되고 있는 개방형 및 통합형 재생 랭킨사이클 그리고 칼리나 사이클이 본 연구에서 고려되었으며, 작동유체로는 9종의 단일냉매와 3종의 혼합냉매를 본 연구에 적용하였다. 사이클의 성능분석에는 핀치포인트온도차를 일정하게 유지하는 핀치포인트분석이 적용되었다. 성능분석결과를 살펴보면, 단순 랭킨사이클과 개방형 및 통합형 재생 랭킨사이클의 경우 RE245fa2를 작동유체로 사용하며, 칼리나 사이클의 경우 $NH_3/H_2O$의 질량비가 0.9:0.1일 때 열역학적 효율이 가장 높았다. 한편, 개방형 및 통합형 재생 랭킨사이클과 칼리나 사이클을 해양온도차발전시스템에 적용할 경우 단순 랭킨사이클과 비교하여 각각 약 2.0 %, 1.0%, 10.0%의 효율 향상을 기대할 수 있었다.
해양온도차발전은 해양의 표층수와 심층수의 온도차를 이용하여 발전하는 유기랭킨사이클이다. 작동유체와 사이클 구성은 유기랭킨사이클의 열역학적 효율에 큰 영향을 미치는 요소이다. 본 연구에서는 작동유체와 사이클에 따른 해양온도차발전시스템의 성능분석을 수행하였다. 고전적인 단순 랭킨사이클과 단순 랭킨사이클의 대안으로 제시되고 있는 개방형 및 통합형 재생 랭킨사이클 그리고 칼리나 사이클이 본 연구에서 고려되었으며, 작동유체로는 9종의 단일냉매와 3종의 혼합냉매를 본 연구에 적용하였다. 사이클의 성능분석에는 핀치포인트온도차를 일정하게 유지하는 핀치포인트분석이 적용되었다. 성능분석결과를 살펴보면, 단순 랭킨사이클과 개방형 및 통합형 재생 랭킨사이클의 경우 RE245fa2를 작동유체로 사용하며, 칼리나 사이클의 경우 $NH_3/H_2O$의 질량비가 0.9:0.1일 때 열역학적 효율이 가장 높았다. 한편, 개방형 및 통합형 재생 랭킨사이클과 칼리나 사이클을 해양온도차발전시스템에 적용할 경우 단순 랭킨사이클과 비교하여 각각 약 2.0 %, 1.0%, 10.0%의 효율 향상을 기대할 수 있었다.
Ocean thermal energy conversion is an organic Rankine cycle that generates power using the temperature difference between surface water and deep water. This study analyzes the thermodynamic efficiency of the cycle, which strongly depends on the working fluid and the cycle configuration. Cycles studi...
Ocean thermal energy conversion is an organic Rankine cycle that generates power using the temperature difference between surface water and deep water. This study analyzes the thermodynamic efficiency of the cycle, which strongly depends on the working fluid and the cycle configuration. Cycles studied included the classical simple Rankine cycle, Rankine cycles with an open feedwater heater and an integrated regenerator, as well as the Kalina cycle. Nine kinds of simple refrigerants and three kinds of mixed refrigerants were investigated as the working fluids in this study. Pinch-point analysis that set a constant pinch-point temperature difference was applied in the performance analysis of the cycle. Results showed that thermodynamic efficiency was best when RE245fa2 was used as the working fluid with the simple Rankine cycle, the Rankine cycles with an open feedwater heater and an integrated regenerator, and when the mixing ratio of $NH_3/H_2O$ was 0.9:0.1 in the Kalina cycle. If the Rankine cycles with an open feedwater heater, an integrated regenerator, and the Kalina cycle were used for ocean thermal energy conversion, efficiency increases could be expected to be approximately 2.0%, 1.0%, and 10.0%, respectively, compared to the simple Rankine cycle.
Ocean thermal energy conversion is an organic Rankine cycle that generates power using the temperature difference between surface water and deep water. This study analyzes the thermodynamic efficiency of the cycle, which strongly depends on the working fluid and the cycle configuration. Cycles studied included the classical simple Rankine cycle, Rankine cycles with an open feedwater heater and an integrated regenerator, as well as the Kalina cycle. Nine kinds of simple refrigerants and three kinds of mixed refrigerants were investigated as the working fluids in this study. Pinch-point analysis that set a constant pinch-point temperature difference was applied in the performance analysis of the cycle. Results showed that thermodynamic efficiency was best when RE245fa2 was used as the working fluid with the simple Rankine cycle, the Rankine cycles with an open feedwater heater and an integrated regenerator, and when the mixing ratio of $NH_3/H_2O$ was 0.9:0.1 in the Kalina cycle. If the Rankine cycles with an open feedwater heater, an integrated regenerator, and the Kalina cycle were used for ocean thermal energy conversion, efficiency increases could be expected to be approximately 2.0%, 1.0%, and 10.0%, respectively, compared to the simple Rankine cycle.
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문제 정의
[11] 은 해양온도차발전용 유기랭킨사이클에 R134a/R32, R152a/R32 의 혼합 작동유체를 사용할 경우 큰 효율을 보인다는 결과를 발표하였다. 따라서 본 연구에서는 NH3/H2O, R134a/R32, R152a/R32 혼합 작동유체를 칼리나 사이클에 적용하여 사이클 효율에 대한 결과를 나타내었다. Yari et al.
해양온도차발전용 유기랭킨사이클은 종류에 따라서 사이클 구성방법 및 열역학적 특징이 다르므로[1], 각 사이클의 특징에 대해 파악할 필요가 있다. 본 연구에서는 단순 랭킨사이클, 개방형 재생 랭킨사이클, 통합형 재생 랭킨사이클, 칼리나 사이클을 선정하여 각 사이클의 열역학적 특징에 대해 파악하였다.
본 연구의 목적은 해양온도차발전용 유기랭킨사이클에 적용될 수 있는 다양한 사이클에 대하여 고찰하고, 이러한 사이클에 본 연구에서 선별한 작동유체를 적용하여 열역학적 사이클의 성능을 분석하는 것이다. 이때 PPA의 개념을 적용하였으며, 분석도구로는 열역학적 공정 및 사이클의 상용설계프로그램인 HYSYS를 사용하였다.
가설 설정
본 연구에서는 Aydin et al. [15]의 연구에 따라 증발기와 응축기의 PPTD를 각각 2℃로 가정하였다. 또한 표층수와 심층수의 입구온도는 각각 28℃, 5℃로 가정하였으며, 각각 출구 측과의 온도차는 3℃로 가정하였다.
[19]의 연구를 참조하여 재생기의 유용도 (εreg)를 0.9로 가정하였다.
[23]의 연구를 참조하여 재생기의 유용도(εreg)를 0.9로 가정하였다.
[15]의 연구에 따라 증발기와 응축기의 PPTD를 각각 2℃로 가정하였다. 또한 표층수와 심층수의 입구온도는 각각 28℃, 5℃로 가정하였으며, 각각 출구 측과의 온도차는 3℃로 가정하였다. 터빈으로 유입되는 작동유체의 건도는 Figure 2, 4, 6과 같이 포화증기상태에 해당하는 1이며, 응축기를 지난 작동유체의 건도는 포화액상태에 해당하는 0으로 가정하였다.
단, 칼리나 사이클의 경우 터빈으로 유입되는 작동유체의 상태는 분류기에서 상분리가 되는 증기이다. 증발기의 열전달량을 고정하기 위해 표층수 질량유량을 1000 kg/s로 가정하였다. 외부와의 열교환 및 열교환기 내에서의 압력강하는 무시하였으며, 상기를 정리하면 Table 4와 같다.
또한 표층수와 심층수의 입구온도는 각각 28℃, 5℃로 가정하였으며, 각각 출구 측과의 온도차는 3℃로 가정하였다. 터빈으로 유입되는 작동유체의 건도는 Figure 2, 4, 6과 같이 포화증기상태에 해당하는 1이며, 응축기를 지난 작동유체의 건도는 포화액상태에 해당하는 0으로 가정하였다. 단, 칼리나 사이클의 경우 터빈으로 유입되는 작동유체의 상태는 분류기에서 상분리가 되는 증기이다.
제안 방법
이때 PPA의 개념을 적용하였으며, 분석도구로는 열역학적 공정 및 사이클의 상용설계프로그램인 HYSYS를 사용하였다. HYSYS를 이용하여 일반적인 해양온도차발전의 운전조건에 적합한 사이클을 모사하였으며, 각 사이클에 선별한 작동유체를 적용하여 각각의 사이클 효율을 산출하였다.
대상 데이터
작동유체는 유기랭킨사이클의 효율에 큰 영향을 미치는 요소이다. 본 연구에서는 NIST Refprop을 참조하여 39종의 작동유체 중 해양온도차발전용 유기랭킨사이클에 적합한 작동유체를 선정하였으며, 선정기준은 다음과 같다.
여기서 대기잔류시간(ALT; Atmosphere Life Time)이 1000 years 이하이며, 지구온난화 지수(GWP; Global Warming Potential)가 3000 이하인 작동 유체를 선별하였고, ASHRAE 안전등급에 따라 독성과 가연성이 낮은 A1, A2 그룹의 작동유체를 선별하였다. 여기서 ASHRAE 안전등급이 알려지지 않은 R236ea, RE245fa2, R161은 무독성, 무가연성 작동유체로 간주하였다. ASHRAE 안전등급에 대한 부연 설명은 Table 1과 같다.
또한 증발온도와 응축온도를 각각 24℃와 10℃로 가정하고 증발온도에 의한 포화압력(Pvap@24℃)이 임계압력을 초과 혹은 3 MPa 이상 과도한 압력이 형성되는 작동유체와 응축 온도에 의한 포화압력(Pliq@10℃)이 대기압 이하인 작동유체는 연구대상에서 제외하였다. 여기서 대기잔류시간(ALT; Atmosphere Life Time)이 1000 years 이하이며, 지구온난화 지수(GWP; Global Warming Potential)가 3000 이하인 작동 유체를 선별하였고, ASHRAE 안전등급에 따라 독성과 가연성이 낮은 A1, A2 그룹의 작동유체를 선별하였다. 여기서 ASHRAE 안전등급이 알려지지 않은 R236ea, RE245fa2, R161은 무독성, 무가연성 작동유체로 간주하였다.
이론/모형
[14], Aydin et al. [15]은 작동유체 및 사이클에 따른 유기랭킨사이클의 열역학적인 분석에 핀치포인트온도차(PPTD; Pinch Point Temperature Difference)를 이용하였다. PPTD는 증발기, 응축기와 같은 열교환기에서 열원 혹은 열침과 작동유체의 최소온도차이며, 열교환기의 비용과 규모를 결정하는 중요한 변수이다[14].
선정된 사이클에 대한 성능을 비교하기 위한 방법으로식 (9)을 이용해 사이클 효율을 계산할 수 있다.
본 연구의 목적은 해양온도차발전용 유기랭킨사이클에 적용될 수 있는 다양한 사이클에 대하여 고찰하고, 이러한 사이클에 본 연구에서 선별한 작동유체를 적용하여 열역학적 사이클의 성능을 분석하는 것이다. 이때 PPA의 개념을 적용하였으며, 분석도구로는 열역학적 공정 및 사이클의 상용설계프로그램인 HYSYS를 사용하였다. HYSYS를 이용하여 일반적인 해양온도차발전의 운전조건에 적합한 사이클을 모사하였으며, 각 사이클에 선별한 작동유체를 적용하여 각각의 사이클 효율을 산출하였다.
이상기체방정식의 대안으로 보다 엄밀한 다수의 실제기체 방정식이 제안되고 있으나[18], 본 연구에서는 Peng-Robinson 방정식을 사용하였다.
성능/효과
그러므로 Tchanche et al. [1]의 주장에 따라 wet fluid보다는 dry 및 isentropic fluid가 통합형 재생 랭킨사이클에 더 적합하다는 것을 알 수 있다.
Figure 6를 참조하면 dry fluid는 터빈 입구 측에 과열도가 없어도 팽창과정 후에 높은 과열도를 가진다. 그러므로 팽창과정 후에 비교적 과열 도가 낮은 isentropic fluid의 경우보다 더 큰 효율 향상을 기대할 수 있었다.
67%로 가장 높은 효율을 보였다. 그리고 본 연구에서 선별한 9종의 작동유체 중에서는 RE245fa2가 3.65%로 가장 높은 효율을 보였으며, R407C가 3.47%로 가장 낮은 효율을 보였다. 그러나 Kim et al.
단순 랭킨사이클의 경우 본 연구에서 선별한 9종의 작동 유체 중 RE245fa2가 가장 높은 사이클 효율을 보였으나, 작동유체별 사이클 효율은 큰 차이가 없었다. 따라서 작동유체 선정에 있어 사이클 효율뿐만 아니라 ALT, GWP, ODP 와 같은 환경적인 요소와 ASHRAE 안전 등급에 따른 안전성 그리고 작동유체의 경제성에 대해 고려하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.
여기서 NH3는 부식성과 독성을 가지나 해양온도차발전용 최적의 작동유체로서 알려져 있다[2]. 모든 작동유체를 비교하였을 경우 NH3가 3.67%로 가장 높은 효율을 보였다. 그리고 본 연구에서 선별한 9종의 작동유체 중에서는 RE245fa2가 3.
그러나 작동유체에 따른 효율향상의 폭은큰 차이가 없었다. 모든 작동유체에서 개방형 재생 랭킨사이클의 효율이 단순 랭킨사이클의 효율을 상회하였다. 이러한 결과는 터빈에서 추기된 증기를 급수가열기에 유입시켜 발생한 재생 효과임을 알 수 있다.
)에 따른 개방형 재생 랭킨 사이클의 효율 변화를 분석한 결과는 Figure 9와 같다. 본 연구에서 선정한 9종의 작동유체 중 RE245fa2, R236ea, R152a, R410A가 개방형 재생 랭킨사이클용 작동유체로서 높은 효율을 보이고 있다. Kim et al.
[19]의 연구에 의하면 NH3/H2O를 사용한 칼리나 사이클만이 단순 랭킨사이클에 비해 큰 효율향상을 주장하고 있다. 본 연구에서는 단순 랭킨사이클에서 NH3의 효율이 3.67%를 나타내는 반면 칼리나 사이클에서 NH3/H2O는 4.15%로 효율이약 11.6% 크게 상승하였다. 한편 단순 랭킨사이클에서 R134a, R152a, R32는 각각 3.
이러한 현상의 원인은 고정된 PPTD가 R134a/R32와 R152a/R32 최대 사이클 효율에 영향을 주기 때문이다. 상기의 혼합 작동유체의 경우는 R134a와 R152a의 질량비가 낮아질수록 터빈 입구 압력 범위가 상승됨을 알 수 있 었다. 이는 R32가 상대적으로 비점은 낮고, 증기압은 큼에 따라 나타나는 현상이다.
Figure 12는 통합형 재생 랭킨사이클에서 dry 및 isentropic fluid 4종의 효율과 단순 랭킨사이클의 효율을 비교한 결과이며, Figure 13은 Figure 12에 따른 통합형 재생 랭킨사이클의 효율상승률을 나타낸다. 여기서 dry fluid인 R236ea가 약 3.64%에서 약 3.67%로 1.0% 효율 향상을 보였으며, RE245fa2 는 0.9% 효율향상이 되었다. 한편 isentropic fluid인 R134a와 R1234yf 의 경우 사이클 효율이 각각 0.
Yoon et al.은 단일냉매 15종과 혼합냉매 16종을 해양온도차발전용 사이클에 적용하여 단일 냉매로는 R32가 효율적인 면에서 가장 유리함을 제시하였고, R32/R134a, R32/R152a와 같은 혼합 냉매 또한 해양온도차발전용 작동유체로서 적합하다는 연구 결과를 보였다[11].
칼리나 사이클의 경우 본 연구의 범위에서는 NH3/H2O 조성비가 0.90:0.10일 때 가장 사이클 효율이 높았다. 한편 단순 랭킨사이클과 비교해 볼 때 약 10% 효율향상을 기대할수 있었다.
6% 크게 상승하였다. 한편 단순 랭킨사이클에서 R134a, R152a, R32는 각각 3.61%, 3.63%, 3.60% 효율을 보였으며 칼리나 사이클에서 R134a/R32, R152a/R32는 약 4.01%로 효율이 약 10.0% 크게 향상되었다. 따라서 비공비 혼합냉매인 R134a/R32, R152a/R32 또한 칼리나 사이클에서 유용한 작동유체임을 알 수 있다.
후속연구
한편 단순 랭킨사이클과 비교해 볼 때 약 10% 효율향상을 기대할수 있었다. 그러나 칼리나 사이클은 구성이 매우 복잡하며 혼합 작동유체의 반응성 등을 고려하여야 하므로 경제성 평가 및 보다 엄밀한 이론적 근거의 확보가 필요할 것으로 사료된다.
칼리나 사이클을 제외한다면 개방형 재생 랭킨사이클이 가장 효율적인 사이클이며 이 사이클의 경우 급수가열기의 추가 설치 및 다른 방식의 재생기법을 결합하여 보다 큰 사이클 효율을 기대할 수 있을 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해양온도차에너지 이용에 한계점은 무엇인가?
해양온도차에너지의 부존량은 연간 인류가 필요한 에너지의 약 4,000배에 달하며[3], 해양온도차에너지는 지속가능한 청정에너지라는 장점으로 인해 미국과 일본을 중심으로 1970년대 이후 지속적인 연구가 수행되어 왔다[4]. 그러나 열원인 표층수의 온도가 25~30℃에 불과하므로 고도의 기술력이 요구되는 유기랭킨사이클(ORC; Organic Rankine Cycle)의 사용이 불가피하며, 열원과 열침의 온도차가 20℃ 에 불과하므로 시스템의 효율이 약 4%에 불과하다. 이와 같이 해양온도차발전용 유기랭킨사이클은 적은 수준의 에너지를 이용하고, 시스템 효율이 낮으므로 효과적이고 경제적인 기술에 대한 연구가 필요하다[5].
해수의 온도는 수심에 따라 어떤 변화를 보이는가?
지구 표면의 70% 이상을 차지하고 있는 해양은 지구에 도달하는 태양에너지를 저장하는 주요 매체이다[1]. 수심이 깊어질수록 해수의 온도는 감소하여 수심 1,000m의 해수온도는 약 4~5℃인 반면 표층수는 태양에너지를 흡수하여 상대 적으로 높은 온도이다. 이와 같이 태양에너지로부터 비롯된 표층수와 심층수의 온도차를 이용하여 발전하는 동력사이클을 해양온도차발전(OTEC; Ocean Thermal Energy Conversion) 이라고 하며, 표층수와 심층수의 온도차가 20℃ 이상일 경우 해양온도차발전은 충분한 경제성을 확보할 수 있다[2].
해양온도차발전은 무엇인가?
해양온도차발전은 해양의 표층수와 심층수의 온도차를 이용하여 발전하는 유기랭킨사이클이다. 작동유체와 사이클 구성은 유기랭킨사이클의 열역학적 효율에 큰 영향을 미치는 요소이다.
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