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문제 정의
- 이상의 관련 종래 연구들을 살펴본 결과, 기본 해양온도차발전시스템의 효율을 향상시키기 위한 방안으로, 재열기, 재생기, 이젝터 및 다단터빈 등을 설치하여 효율을 높이고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이젝터와 motive pump를 적용한 EP-Kalina 사이클을 제안하고, 여러 가지 사이클과 성능을 비교하였다. 이를 위해 성능 분석 모사 프로그램인 HYSYS9)를 이용하여 기본 해양온도 차발전 사이클, Kalina 사이클, EKalina 사이클, EP-Kalina 사이클의 APRe, APRc, TPP, 순수발전량, 시스템 효율을 비교하였다.
- 본 논문에서는 기본 사이클, Kalina 사이클, EKalina 사이클과, 본 연구에서 제안한 EP-Kalina 사이클의 기초 설계 자료를 제공하고자 4가지 사이클의 펌프 일량, 순수발전량, TPP, APRe, APRc 및 시스템 효율을 비교하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 이상으로 기본 해양온도차 발전 시스템에 이젝터와 motive pump를 적용하는 것이 효율 향상방안으로 타당하리라 판단된다. 추후 효율이 가장 높은 EP-Kalina 사이클을 설계 및 제작하여, 이론 분석 데이터와 실제 성능 실험데이터를 비교하여, EP-Kalina 사이클의 설계 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 펌프의 승압은 200kPa보다 높은 승압이 가능하지만, 정상적인 운전이나 펌프 비용측면에서 200kPa 정도가 적절하여 설정하였다. 각 분석조건으로 4가지 사이클의 성능을 비교하였다.
- 이젝터의 성능은 앞에서 언급한 것과 같이, 터빈의 입ㆍ출구 압력차를 증가시켜 효율을 상승시켰다. 그리고 EKalina 사이클의 단점인 motive 부의 압력을 motive pump를 추가함으로써 증발압력보다 높은 motive 압력을 만들어 이젝터 효율을 향상 시켰다. 그 결과, suction부분의 압력이 더욱더 감소하므로, 압력차가 증가하여 동일유량 대비 터빈 발전량이 증가하고, 그 결과 사이클 효율도 향상된다.
- 은 재생기, 다단 터빈 및 액-증기 열교환기를 설치하여 기본 해양온도차발전 시스템의 효율보다 높은 사이클을 제안하였고, 그 사이클에 R717을 적용하여 성능 분석을 하였다. 그리고 액-증기 이젝터를 적용한 사이클에 혼합냉매를 이용하여 성능 분석을 하였다. 그 결과, 액-증기 이젝터를 적용한 사이클은 기본 사이클보다 약 16%의 효율 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
- 해수의 온도는 표층수의 경우 연간 일정한 26℃를 이용하였으며, 심층수는 수심 200m이상에서 일정한 5℃를 이용 하였다. 그리고 터빈 발전량을 20kW로 고정하여 각 사이클들을 비교하였다. 또한 증발기 출구 건도를 0.
- PR 값은 작을수록 좋은 효율을 나타낸다. 본 논문에서는 이젝터 PR값을 6으로 설정하여 비교를 하였다. 이는 EKalina와 EP-Kalina 사이클의 최고 효율에 대한 유량비(6:4)를 결정하기 위해 설정하였다.
- 본 절은 본 연구에서 제안하는 해양온도차 발전 사이클(EP-Kalina 사이클)의 성능 비교를 위해서 EP-Kalina 사이클을 비롯하여 3가지 사이클의 구성, 작동원리, 장단점 등을 나타내었다.
- 따라서 본 논문에서는 이젝터와 motive pump를 적용한 EP-Kalina 사이클을 제안하고, 여러 가지 사이클과 성능을 비교하였다. 이를 위해 성능 분석 모사 프로그램인 HYSYS9)를 이용하여 기본 해양온도 차발전 사이클, Kalina 사이클, EKalina 사이클, EP-Kalina 사이클의 APRe, APRc, TPP, 순수발전량, 시스템 효율을 비교하였다.
대상 데이터
- Table 1은 각각의 사이클을 비교하기 위한 분석 조건을 나타낸 것이다. 표를 살펴보게 되면, 우선 기본 사이클의 작동유체는 R717을 적용하였고, Kalina 사이클에는 R717(암모니아)과 H2O의 혼합냉매를 적용하였다. 기본 사이클에서 R717(암모니아)과 H2O의 혼합냉매를 적용하지 않은 이유는 운전조건에서 물이 증발하지 않고 액상태로 터빈으로 유입되어 사이클 구동이 불가능하기 때문이다.
성능/효과
- APRe와 APRc는 기본 사이클이 가장 높았으며, EP-Kalina 사이클이 가장 낮은 값을 나타내었다. 이젝터 및 펌프로 인해 터빈 입ㆍ출구 압력이 증가하여, 적은 유량으로 터빈 발전량 20kW를 생산할 수 있기 때문에 열교환기에서 필요한 증발 및 응축열량이 줄어든다.
- 8은 APRe와 APRc를 나타낸 그래프이다. APRe와 APRc의 크기는 거의 비슷하였고, 응축열량이 증발열량보다 작은 값을 보였다. 증발열량 및 응축열량이 가장 작은 EP-Kalina 사이클이 각 APRe와 APRc이 작았다.
- 22%를 보였다. EP-Kalina 사이클 효율은 기본 대비 약 44% 정도 상승되었다. 또한 현재까지 제안된 사이클 중에 효율이 가장 높은 Uehara 사이클 (2.
- TPP에선 기본 사이클이 가장 높은 값을 보였으며, motive pump로 인한 펌프일량 증가로 EP-Kalina 사이클이 가장 작은 값을 보였다.
- 그리고 EKalina 사이클의 단점인 motive 부의 압력을 motive pump를 추가함으로써 증발압력보다 높은 motive 압력을 만들어 이젝터 효율을 향상 시켰다. 그 결과, suction부분의 압력이 더욱더 감소하므로, 압력차가 증가하여 동일유량 대비 터빈 발전량이 증가하고, 그 결과 사이클 효율도 향상된다.
- 은 KCS(Kalina cycle system)에 다단 터빈을 추가 설치하고, 터빈의 설치위치 변화에 따른 성능을 비교하였다. 그 결과, 그들이 제안한 사이클이 Kalina 사이클의 효율 보다 증가하는 것을 확인하였다.
- 그리고 액-증기 이젝터를 적용한 사이클에 혼합냉매를 이용하여 성능 분석을 하였다. 그 결과, 액-증기 이젝터를 적용한 사이클은 기본 사이클보다 약 16%의 효율 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
- 은 물과 암모니아의 혼합물을 작동유체로 사용하고, 다단 터빈, 중간 열교환기(재생기와 히터), 다단 펌프 등을 추가한 고효율 해양온도차 발전 사이클을 제안한 후, 그 사이클의 성능을 분석하였다. 그 결과, 제안한 Uehara 사이클이 기본 사이클과 Kalina 사이클 보다 효율이 높음을 확인하였다.
- 6은 각 사이클별 펌프 일량과 순수 발전량을 비교한 것이다. 그래프를 비교해보면, 기본 해양온도차발전 사이클(BOTEC)은 Kalina 사이클과 비슷한 양상을 보여주고 있으며, EKalina 사이클과 EP-Kalina 사이클은 이젝터를 구동시키기 위한 Motive 유량이 필요하므로 펌프 일량이 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 EP-Kalina 사이클은 motive pump로 인해 추가 펌프 일량의 증가로 가장 높은 펌프 일량을 보였으며, 순수발전량은 가장 낮은 것을 볼 수 있다.
- 그래프를 비교해보면, 기본 해양온도차발전 사이클(BOTEC)은 Kalina 사이클과 비슷한 양상을 보여주고 있으며, EKalina 사이클과 EP-Kalina 사이클은 이젝터를 구동시키기 위한 Motive 유량이 필요하므로 펌프 일량이 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 EP-Kalina 사이클은 motive pump로 인해 추가 펌프 일량의 증가로 가장 높은 펌프 일량을 보였으며, 순수발전량은 가장 낮은 것을 볼 수 있다. 하지만 터빈 발전량이 20kW에 비해 펌프 일량은 1kW 이하의 값을 보이고 있어, 순수발전량의 크기를 비교하면 4가지 사이클의 차이는 미미한 것을 볼 수 있다.
- 이젝터를 적용한 사이클은 이젝터 구동을 위한 유량이 증가하여 펌프 일량이 증가하여 효율이 감소해야하 지만, 이젝터가 시스템 효율에 미치는 영향보다 미미하여 전체적인 시스템 효율이 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 Motive pump로 펌프일량이 증가하였지만, 이젝터 효율 증가분이 더 상승하여 효율이 높아진 것을 확인 할 수 있다.
- EP-Kalina 사이클 효율은 기본 대비 약 44% 정도 상승되었다. 또한 현재까지 제안된 사이클 중에 효율이 가장 높은 Uehara 사이클 (2.38%)보다도 약 36% 향상되었다. 따라서 추후 실제 성능실험의 제작 및 실험을 통해 효율이 높은지를 확인할 필요가 있을 것으로 생각된다.
- 7로부터 알 수 있듯이, 순환펌프만 있는 기본 OTEC 사이클이 가장 높았으며, EP-Kalina 사이클은 motive pump에 소요되는 동력이 있어, 가장 작은 값을 보였다. 본 논문에서 터빈 발전량을 20kW로 고정하고 비교 하였기에, 펌프일량이 작으면 TPP 의 값이 큰 것을 알 수 있다. 이 TPP 지수로 확인 할 수 있는 것은 시스템 효율을 생각하지 않고 전력생산만을 생각한다면 TPP의 값이 증가하도록 시스템을 개발하는 것이 좋다.
- 시스템 효율측면에서는 EP-Kalina 사이클에서 motive pump가 설치되어 필요한 소요 동력증가분은 미미하지만, 이젝터 효율 향상 분이 크므로 전체적인 시스템 효율이 더 많이 상승한 것을 알 수 있다. 즉, 기본 사이클이 2.
- 9에 나타내었다. 시스템효율에서 기본 해양온도차발전 사이클의 효율은 2.23%로 가장 작았으며, EKalina 사이클은 2.60%, EP-Kalina 사이클은 3.22%로 가장 높은 효율을 나타내었다. 이젝터를 적용한 EKalina 사이클은 기본 사이클 보다 약 16.
- 우선, 순수발전량 및 펌프일량의 비교 결과로부터, 기본 사이클이 가장 높았으며, EP-Kalina 사이클이 가장 낮았다. 이는 이젝터 구동을 위한 유량의 증가로 인해 펌프일량이 증가하여 순수발전량이 감소하였기 때문이다.
- 이상의 관련 종래 연구들을 살펴본 결과, 기본 해양온도차발전시스템의 효율을 향상시키기 위한 방안으로, 재열기, 재생기, 이젝터 및 다단터빈 등을 설치하여 효율을 높이고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이젝터와 motive pump를 적용한 EP-Kalina 사이클을 제안하고, 여러 가지 사이클과 성능을 비교하였다.
- 22%로 가장 높은 효율을 나타내었다. 이젝터를 적용한 EKalina 사이클은 기본 사이클 보다 약 16.6% 가 증가하였고, motive pump를 설치하여 이젝터 효율을 증대시킨 EP-Kalina 사이클은 약 44%의 효율 향상을 보였다. 이젝터를 적용한 사이클은 이젝터 구동을 위한 유량이 증가하여 펌프 일량이 증가하여 효율이 감소해야하 지만, 이젝터가 시스템 효율에 미치는 영향보다 미미하여 전체적인 시스템 효율이 증가하는 것을 볼 수 있다.
- 6% 가 증가하였고, motive pump를 설치하여 이젝터 효율을 증대시킨 EP-Kalina 사이클은 약 44%의 효율 향상을 보였다. 이젝터를 적용한 사이클은 이젝터 구동을 위한 유량이 증가하여 펌프 일량이 증가하여 효율이 감소해야하 지만, 이젝터가 시스템 효율에 미치는 영향보다 미미하여 전체적인 시스템 효율이 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 Motive pump로 펌프일량이 증가하였지만, 이젝터 효율 증가분이 더 상승하여 효율이 높아진 것을 확인 할 수 있다.
- 그리고, 시스템 효율 계산식은 (7)로 정의된다. 터빈 발전량은 20kW로 고정되어 있어, 펌프 소요 동력이 작을수록, 증발열량이 작을수록 효율이 증가한다.
후속연구
- 38%)보다도 약 36% 향상되었다. 따라서 추후 실제 성능실험의 제작 및 실험을 통해 효율이 높은지를 확인할 필요가 있을 것으로 생각된다.
- 이상으로 기본 해양온도차 발전 시스템에 이젝터와 motive pump를 적용하는 것이 효율 향상방안으로 타당하리라 판단된다. 추후 효율이 가장 높은 EP-Kalina 사이클을 설계 및 제작하여, 이론 분석 데이터와 실제 성능 실험데이터를 비교하여, EP-Kalina 사이클의 설계 자료를 제공하고자 한다.
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