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[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 cycle 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.39 no.9, 2015년, pp.881 - 889  

김준성 (Department of Marine System Engineering, Graduate School of Korea Maritime and Ocean University) ,  김도엽 (Nuclear Power Equipment Research Center, Korea Maritime and Ocean University) ,  김유택 (Division of Marine System Engineering, Korea Maritime and Ocean University) ,  강호근 (Division of Marine System Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
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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 $NH_3/H_2O$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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (24)

  1. B. F. Tchanche, M. Petrissans, and G. Papadakis, "Heat resources and organic Rankine cycle machines", Journal of the Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 39, pp. 1185-1199, 2014. 

  2. M. H. Yang and R. H. Yeh, "Analysis of optimization in an OTEC plant using organic Rankine cycle", Journal of the Renewable Energy, vol. 68, pp. 25-34, 2014. 

  3. L. A. Vega, "Ocean thermal energy conversion primer", Journal of the Marine Technology Society, vol. 6, no. 4, pp. 25-35, 2003. 

  4. H. J. Kim, H. S. Lee, Y. K. Jung, D. H. Jung, D. S. Moon, and S. W. Hong, "Feasibility study on the commercial plant of ccean thermal energy conversion (OTEC-K50)", Proceedings of the Twenty-second International Offshore and Polar Engineering Conference, pp. 763-768, 2012. 

  5. B. F. Tchanche, G. Lambrinos, A. Frangoudakis, and G. Papadakis, "Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles - A review of various applications", Journal of the Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 15, no. 8, pp. 3963-3979, 2011. 

  6. H. Uehara and Y. Ikegami, "Parametric performance analysis of OTEC system using HFC32/HFC134a mixtures", Journal of the ASME Solar Engineering, vol. 2, pp. 1005-1010, 1995. 

  7. N. Yamada, A. Hoshi, and Y. Ikegami, "Performance simulation of solar-boosted ocean thermal energy conversion plant", Journal of the Renewable Energy, vol. 34, no. 7, pp. 1752-1758, 2009. 

  8. V. Maizza and A. Maizza, "Working fluids in non-steady flows for waste energy recovery systems", Journal of the Applied Thermal Engineering, vol. 16, no. 7, pp. 570-590, 1996. 

  9. T. Yamamo, T. Furuhata, N. Arai, and K. Mori, "Design and testing of the organic Rankine cycle", Journal of the Energy, vol. 26, no. 3, pp. 239-251, 2001. 

  10. B. F. Tchanche, G. Papadakis, G. Lambrinos, and A. Frangoudakis, "Fluid selection for a low-temperature solar organic Rankine cycle", Journal of the Applied Thermal Engineering, vol. 29, no. 11-12, pp. 2468-2476, 2009. 

  11. J. I. Yoon, B. H. Ye, J. H. Heo, H. J. Kim, H. S. Lee, and C. H. Son, "Performance analysis of 20 kW OTEC power cycle using various working fluids", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 37, no. 8, pp. 836-842, 2013 (in Korean). 

  12. D. Wang, X. Ling, and H. Peng, "Performance analysis of double organic Rankine cycle for discontinuous low temperature waste heat recovery", Journal of the Applied Thermal Engineering, vol. 48, pp. 63-71, 2012. 

  13. C. Guo, X. Du, L. Yang, and Y. Yang, "Performance analysis of organic Rankine cycle based on location of heat transfer pinch point in evaporator", Journal of the Applied Thermal Engineering, vol. 62, no. 1, pp. 176-186, 2014. 

  14. Y. R. Li, J. N. Wang, and M. T. Du, "Influence of coupled pinch point temperature difference and evaporation temperature on performance of organic Rankine cycle", Journal of the Energy, vol. 42, no. 1, pp. 503-509, 2012. 

  15. H. Aydin, H. S. Lee, H. J. Kim, S. K. Shin, and K. Park, "Off-design performance analysis of a closed-cycle ocean thermal energy conversion system with solar thermal preheating and superheating", Journal of the Renewable Energy, vol. 72, pp. 154-163, 2014. 

  16. N. J. Kim, S. H. Shin, and W. G. 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). 

  17. H. S. Lee, H. J. Kim, D. H. Jung, and D. S. Moon, "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). 

  18. Y. A. Cengel and M. A. Boles, Thermodynamics, McGrawHill, 2011. 

  19. S. H. Shin, D. S. Jung, C. B. Kim, and T. B. Seo, "A study of ocean thermal energy conversion systems using Kalina cycle and regenerative Rankine cycle", Journal of the Korean Solar Energy Society, vol. 19, no. 3, pp. 101-113, 1999 (in Korean). 

  20. M. Yari, A. Mehr, V. Zare, S. Mahmoudi, and M. Rosen, "Exergoeconomic comparison of TLC (trilateral Rankine cycle), ORC(organic Rankine cycle) and Kalina cycle using a low grade heat source", Journal of the Energy, vol. 83, pp. 712-722, 2015. 

  21. X. Zhang, M. He, and Y. Zhang, "A review of research on the Kalina cycle", Journal of the Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 16, no. 7, pp. 5309-5318, 2012. 

  22. F. Sun, Y. Ikegami, B. Jia, and H. Arima, "Optimization design and exergy analysis of organic Rankine cycle in ocean thermal energy conversion", Journal of the Applied Ocean Research, vol. 35, pp. 38-46, 2012. 

  23. E. Wang, H. Zhang, B. Fan, M. Ouyang, Y. Zhao, and Q. Mu, "Study of working fluid selection of organic Rankine cycle(ORC) for engine waste heat recovery", Journal of the Energy, vol. 36, no. 5, pp. 3406-3418, 2011. 

  24. J. Chen and J. Yu, "Performance of a new refrigeration cycle using refrigerant mixture R32/R134a for residential air-conditioner applications", Journal of the Energy and Buildings, vol. 40, no. 11, pp. 2022-2027, 2008. 

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