초록 ▼

II. 연구개발의 목적 및 중요성
유엔 환경 보고서에 따르면 현재 세계 인구 중 3분의 1 가량이 심각한 물 부족 상태에 처해 있으며, 한국도 유엔이 분류한 물 부족 국가이다. 기 설치된 해수 담수화(역 삼투압 방식) 시스템의 시설운영 실태를 분석한 결과에 따르면, 주 관리자인 이장들의 관련 전문지식의 결여로 인한 유지관리 어려움, 해수의 전처리 문제 등에 기인한 막 손상 등이 심각하고, 주로 국내에 설치된 역삼투압 기기 및 고압펌프들이 대부분 고가의 외국산으로 인한 고장 시 수리의 어려움 등으로 인하여 2002 년 9월 기준

II. 연구개발의 목적 및 중요성
유엔 환경 보고서에 따르면 현재 세계 인구 중 3분의 1 가량이 심각한 물 부족 상태에 처해 있으며, 한국도 유엔이 분류한 물 부족 국가이다. 기 설치된 해수 담수화(역 삼투압 방식) 시스템의 시설운영 실태를 분석한 결과에 따르면, 주 관리자인 이장들의 관련 전문지식의 결여로 인한 유지관리 어려움, 해수의 전처리 문제 등에 기인한 막 손상 등이 심각하고, 주로 국내에 설치된 역삼투압 기기 및 고압펌프들이 대부분 고가의 외국산으로 인한 고장 시 수리의 어려움 등으로 인하여 2002 년 9월 기준 남해 도서 지방에 전체 40 여개 해수담수화 시스템 중 29개소 만이 가동 중에 있다.

국내의 물 부족 상태는 주로 도서지방을 중심으로 문제가 되고 있는데, 날씨와 운반선 고장 등으로 인하여 도서지방으로의 담수 운반선을 이용한 담수 공급의 어려움이 있다.
대형 국책 사업으로 SMART 원자로를 이용한 해수담수화 연구를 추진 중이나, 기본적으로 국민들의 원자력에 대한 불신을 제거하는 어려움에 직면해 있다. 기존의 역삼투법, 증류법, 전기투석법 등은 고급 에너지인 전기에너지를 이용하여 작동되므로 대부분 전기 공급이 용이한 장소의 담수화 설비로 적합하지만, 전기 공급이 없는 외딴섬, 산간지역, 사막 등에서 청정하고 양이 풍부한 태양에너지를 이용하여 열 및 전력을 자체 해결할 수 있는 분산형 소형 해수 담수화 기술 개발 필요성 대두되고 있다.

진공관형 집열기 중에서 국내 최초로 실용화된 중온용 단일 진공관형 태양열 집열기와 태양광 PV 시스템을 이용하여 증발식 해수 담수화 시스템을 실용화 기술을 개발하고자 한다.
이를 위하여 소규모 demo-plant를 직접 제작하여 유용성, 안정성, 신뢰성 및 경제성을 평가, 분석할 것이다. 담수 생산 능력은 약 2Ton/day 의 규모이고, 이를 위한 가열원으로 적용될 진공관형 태양열 집열기의 예상 설치면적은 250㎡ 로 추산되었으며, 예산규모가 줄어들어 실증연구에서는 집열기 설치 면적은 약 120㎡ 이다. 이와 함께, 고효율 증발/응축 모듈 및 열교환 시스템을 가진 판형 해수담수기를 적용하였고 운전에 필요한 펌프 및 제어부의 전원 공급을 위하여 약 5kW 규모의 태양광 PV 시스템을 설치하였다.

이러한 태양에너지 해수담수화 시스템은 태양에너지로만 열과 전기를 공급하면서도, 시스템의 구조가 간단하고 유지 보수가 적은 시스템으로 개발될 것이다. 따라서 전력공급이 되지 않거나 부족한 지역에 적합할 것이며 특히 도서지방의 담수 부족문제 해결에 중요한 역할을 수행할 수 있을 것이다.

III. 연구개발의 내용 및 범위
일반적으로 해수의 담수화 공정은 많은 에너지를 필요로 함에 따라 에너지 소비를 줄이는 것이 최대 관건인데, 태양에너지에 의해 열과 전기를 공급받아 작동되는 독립형 증발식 해수 담수화 시스템에서 해수를 가열하는데 필요한 열은 중온용 고효율 진공관형 태양열집열기로부터, 펌프등의 유체 구동을 위한 기계적인 기구들은 태양광 집광판에 의해 공급되는 전기에 의해 작동하므로 전기가 공급되지 않는 지역에도 설치될 수 있는 장점을 갖고 있다.

앞서 밝힌바 대로 본 연구의 목적에 맞게 저압 증발을 위한 가열 열원으로 태양열을 이용하기 위해서는 목적하는 담수량에 최적화된 태양열 집열시스템의 설계를 위한 기초적인 실험결과의 측정이 필요하므로, 이를 모사하기 위한 실험장치를 설계, 제작하여 담수량과 증발을 위해 공급 해야 할 태양열시스템의 관계를 규명하여야 하는데 이는 1차년도에 달성하였다. 이러한 검토는 해수담수 시스템(본 과제의 목적 담수량은 소형인데, 소형 저압증발식 해수담수시스템에는 판형 방식과 웰&튜브 방식의 두 가지 형태의 상용품이 판매되고 있음)의 선택과도 깊은 관계가 있으므로, 기존의 저압증발법에 의한 담수화시스템에 대한 면밀한 검토가 이루어져야 한다. 또한 선정된 방식으로 설치펀 실증시스템이 계절별로의 열원과 전력 공급측면에서 최적 운전점을 찾아야 하고, 실증시스템을 구성하는 축열조들과의 운전안정성에 대한 평가도 이루어져야 한다. 전기부하들인 각종 펌프들로 태양광 PV시스템에 의해 축전지를 통해 방전의 형태로 공급되는 전기량들과 부하에 대비하여 준비하는 충전량들에 대한 상세한 평가도 필요할 것이다.

이러한 실증시스템의 설계, 제작 및 실제 운전제어를 위한 원격제어 및 모니터링 시스템을 설치하여 운전안정성과 제어의 수월성도 확보하여야 할 것이다.

국내 최초로 냉난방 열원과 산업공정 열원으로 사용 가능하도록 개발된 진공관형 태양열시스템을 해수 담수화 기술과 연계성을 고려하여 구리 재질로 제작된 high-fin이 장착된 메니폴더에 직접 해수를 주입시에 발생되는 부식문제 등을 고려하여 코팅기술 또는 대체재료(해수에 내 부식성)에 의한 메니폴더 열교환 기술과 진공관형 태양 열집열기 저가 문제가 해결하기 위하여 고효율화와 다양한 운전조건에서의 성능검토가 필요하고 이러한 검토가 실증에서 운전조건 등에 따른 특성의 분석이 필요할 것이다.

IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
연구목적은 태양에너지 해수담수화 시스템의 실용화를 위하여 가열원으로 이용될 태양 열의 설치 면적과 관련 유체유동을 위한 펌프들의 용량선정이 필요하고, 이러한 전원들의 공급을 위한 태양광 시스템의 특성에 대한 분석과 시뮬레이션을 수행하였다. 판형 열교환기 방식의 해수담수기에 대한 성능평가를 통하여 가열량과 담수량의 관계를 도출하였다.

이로부터 실증시 필요한 가열량의 산정이 가능하고, 이를 토대로 하여 필요한 집열기의 면적을 결정할 수 있을 것이다. 담수량 생산을 위해 필요한 가열수의 열량에 따른 운전 특성을 파악하였으므로, 태양열 집열기 적용시 일사량 변화에 따른 운전 특성을 결정하고 이의 평가 및 해석을 위한 기초 결과를 확보하였다. 해수 및 가열수의 공급을 위한 펌프동력의 평가를 완료하였다. 소요되어질 전력량에 대비한 그리고 운전 특성을 고려한 태양광 발전시스템의 기초 설계안을 완성하였다. 해수담수화 전원장치를 위해 투입된 독립형 태양광발전시스템에 대한 기술 동향 파악과 최적화 시스템을 위한 독립형 태양 광시스템을 설계하였다. 설계결과를 토대로 시스템 파라미터 및 손실 계수를 결정하여 향 후 설치될 PV 시스템의 성능 특성을 시뮬레이션하여 비교 분석하였다. 본 연구과제를 통하여 설치될 태양광시스템의 부하인 펌프모터의 부하 특성을 분석하고, 또한 PV 시스템 운전결과를 수집하여 데이터베이스를 구축할 예정이다.

태양열 시스템과 태양광시스템의 설계를 바탕으로 태양에너지 만(태양광 발전을 이용한 펌프의 구동, 태양열을 이용한 해수의 증발을 위한 담수열량의 공급)을 이용하는 해수담수화 시스템을 개발하고 실증하고자 하는 목표를 가진 본 과제는 현재의 태양광과 태양열 집열기의 기술수준을 고려할 때 세계적인 수준의 목표이다. 이러한 목표를 달성하기 위하여 독립형 저압 증발식 태양에너지 해수담수화 실증시스템을 제작, 설치, 시운전 및 실증운전을 달성하여, 명년에 실증시스템의 운전 신뢰성과 운전 단순화를 위한 실증의 다음 단계인 최적화 및 단순화를 위한 준비를 마친 상태이다. 태양광 시스템은 독립전원형으로 하여 태양열과의 운전 특성을 동기(Synchronize)화 할 수 있는 전원 공급 시스템으로 설계하였고 태양열 시스템에서 발생할 수 있는 다양한 문제들을 고려할 수 있는 측정과 축전장치를 고려하여 세계적인 수준으로 설계하였다.

추가로 태양열 집열기에서 공급할 열원을 히터 방식으로 공급하고 펌프의 구동은 기존의 전원을 이용하는 실험장치를 구성하였는데 구성된 실험장치는 본 과제에서도 이용하지만 국내의 소형 해수담수화 상용시스템의 성능평가도 가능한 세계적인 수준(이론 계산과 실측과의 비교 검토로부터 실험 장치의 정확도 확인)으로 제작되었다, 이러한 소형 담수화 장치의 성능평가시스템의 개발은 구체적인 활용방안이 확실하여 관련 업계로의 파급효과가 클 것으로 기대된다.

이를 통해 단일 진공관형 태양열 집열기 성능 개선을 통한 고효율화 및 보급 활성화, 태양광 발전시스템을 활용한 분산형 태양열 시스템 보급에 효과적일 것이며 소규모 해수 담수기 실용화를 통한 전력 및 에너지가 부족한 도서지방의 물부족 문제를 해소할 수 있을 것이며 관련 부처들인 수자원공사, 과기부, 산자부, 환경부, 건교부 등의 담수 정책에 반영되어질 것으로 기대한다.

기술적 측면에서는 단일 진공관 집열기 시스템의 이용을 통한 에너지 절감, 태양열, 태양광, 박용 조수기 제조업체로의 관련기술 이전을 통한 기술력 향상, 국내 최초로 국산화된 단일 진공관형 태양열 집열기 성능 및 이용기술 확대를 통한 수출, 소규모 독립형 저압증발식 담수화 제품의 실증실험 및 이론적 토대 확립으로 관련 업계 기술 이전이 가능하고, 설계 기간 등의 단축이 가능하므로 산업 분야 경쟁력 향상 독립형 태양광 발전을 위한 제어 회로 구성, 태양열 집열기와의 시간적 동기화를 고려한 제어 모듈 및 집열기 과열 등의 다양한 운전조건을 고려한 기술 개발로 집열기와 태양광 시스템의 복합시스템 개발 가능성 증대 등이 예상된다.

경제 및 산업적 측면에서는 기존 고 비용 담수 설비(역 삼투압 방식·유지보수 문제점) 대체 효과, 단일 진공관형 태양열 집열기의 활용 분야 확대를 통한 신재생에너지 보급의 증대로 에너지 절감 및 수입대체효과가 예상된다.

(출처 : 요약문 4p)

Abstract ▼

II. Obj ectives and Significance
A third of people in the world based on UN environmental report have suffered with the water lack and KOREA is also known as one of the countries with water lack problem. As reported in the running report of domestic managemcnt for sea water desalination system, t

II. Obj ectives and Significance
A third of people in the world based on UN environmental report have suffered with the water lack and KOREA is also known as one of the countries with water lack problem. As reported in the running report of domestic managemcnt for sea water desalination system, there are some problems including the operation by town manager without professional knowledge, out of order of membrane for pre-filtering of sea water, and difficult repairs of RO components and high pressure pumps to operate. 29 systems of all 40 sea water desalination systems installed have normally operatcd in Korea.

In Korea, water lack problem is mainly occurred in the is lands causcd by the weather and the breakdown of the water suppling ship. To solve that problem, many researches have been done for example SMART nuclear power plant to make the fresh water using sea water that are suffering the basic disbelief. RO (Reverse osmosis), Distillation, Electric dialysis well being used would be good at the area with easy to supply the elector power because these system needs to be commercial electric encrgy for the operation. But at the island remote from the lands, it is basically needed to consider self supply system with maintenance free because it is not easy to supply the thermal and electric power problem.

Evacuated tube solar collector among the singular evacuated tube solar collector and photovoltaic system will assist evaporation desalination of practicable technology. It was for the sake of small scale to in stall for performance testing utility, safety, reliability and economical efficiency. The fresh water generation rate would be about 6 Ton per day. and the estimated solar collector area for heating medium was about 120 square meters and PV In this research, to develop the application system for practical use of fresh water generation system with evaporation method is the main object using the evacuated solar collector with operating range of about 80 - 90℃ as thermal system and solar photovoltaic system as electric supply system. To achieve that object, this study will set up the demo- plant, then estimate and analyze the usefulness, the safety, the reliability and the economical effectiveness. The fresh water generation rate would be about 6 Ton per day. And the estimated solar collector area for heating medium was about 120 square meters, In addition to applying high efficiency evaporation, condensation module and heat exchanging system(plate / shell & tube type) and will install 5kw PV system for electric power supply to pump and control panelboard.

This solar desalination system may be developed in simply structure and a small repair and supply to only solar energy. therefore Therefore, may will not become supply of electric power or may be suitable in lacking area, and may be important role in island local fresh water lack problem solution specially.

Ill. Contents and Scope of Project
In general, the process of fresh water generation using sea water needs large energy, so to reduce the required energy is so important. As referred in the above chapter, in this research, the hot water using evacuated solar collector would supply as heating medium for sea water needed to be evaporated and the PV system would supply the electricity to motive the working fluids. Therefore, can establish to place that electricity is not supplied.

As aforementioned, purpose of study need to survey with basic experiment result for design of optimized solar system, In order to imitate purpose, We achieved at the first year that examine closely relation of solar heat system must supply for the fresh water amount and evaporation. Because this examination is relation with selection of desalination system, Examination must consist to traditional low pressure evaporation also demonstration system will find optimum operation point From heat source and supply of electric power side by season and demonstration system estimate operation safety with storage tank. it is need to estimate that supply electricity and prepare amount of electrification for load, this demonstration system will establish design, production, and driving control for remote control and monitering system with driving safety and easy to use.

In addition, this study will consider the corrosion in the solar collector occurred in case of directly supply to the fresh water generator to get the higher generation rate For well optimized design of the collector system, this study will also focus to increase the colleclor efficiency.

IV . Result and Recommendations
Purpose of study the solar collector area and pump type, we measured the power consumption of the pumps and installation area of solar collector, using that quantity, simulated the PV system characteristics, and compared and analyzed that results, relation to desalination quantity and heating quantity was proved in performance testing of desalination in plate type heat exchanger, From those results, computation of the necessary heating amount is available when demonstrate, and area of solar collector can decide. we proved the operating character for desalination quantity of neccssary hot water quantity. and we assured basic result for analysis and test, when change the radiation. we completed test of power consumption of the pump supply for sea water and hot water. also completed basic design of photovoltaic generation system to consider operation character and consumption for electricity quantity. we was designed the independent on photovoltaic system and technique status of photovoltaic generation. we determined the system character and simulated and compared. we will analyze load character of pump motor. also, we will plan to construct database in operation result of PV system study in the second year plan to achieve low cost and stability of photovoltaic generation system. purpose in the second year will develop auxiliary power independent on desalination. For the purpose of project, we manufactured independent low pressure evaporation desalination, established, tested working, demonstrated operation. we designed photovoltaic system independent of power supply. also We consider various kinds problem that can happen in solar system.

In addition, supply heat source to a solar collector for heater type and, drive of pump was composed to an existing power supply. although this study used it, experiment be made by possible performance test. this development of small desalination system expect application to relation types of business. is effective high efficiency through performance improvement and diffusion activation, breakup solar system diffusion that utilize photovoltaic system. practical small desalination through, solar desalination system will solve problem of short of water and electricity in island and. Connection policy is expected to be reflected.

Technique improvement is expected in manufacture of desalination by transferal of connection skill, export through singular evacuated tubular solar collector performance and utilization skill extension, also demonstration study of small scale low pressure evaporation desalination, transferal of technical know- how by theoretical foundation establishment in connection industry, an increase of competitive power in industries because of reduction in design period, control circuit composition for independent of photovoltaic development, control module and collector overheat consider that synchronizing with solar collector, possible development collector system and hybrid system development possibility of photovoltaic system.

In economic and industrial side. Energy reduction and importation substitution effect are expected for diffusion augmentation increased of new renewable energy.

(출처 : SUMMARY 9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 9
• CONTENTS ... 14
• 목차 ... 16
• 그림목차 ... 18
• 표목차 ... 21
• 제1장 서론 ... 24
• 제1절 연구배경 및 필요성 ... 24
• 1. 연구배경 및 필요성 ... 24
• 2. 연구목적 및 내용 ... 25
• 제2장 태양에너지 해수담수화 기술 ... 28
• 제1절 태양열 기술 ... 28
• 1. 태양열 기술의 개요 ... 28
• 2. 태양열 기술 국내·외 현황 ... 32
• 가. 국제 ... 32
• 나. 국외 ... 34
• 제2절 태양광 발전 기술 ... 34
• 1. 태양광 발전 기술의 개요 ... 34
• 2. 태양광 발전 기술 국내·외 현황 ... 36
• 제3절 해수 담수화 기술 ... 37
• 1. 해수 담수화 기술의 개요 ... 37
• 2. 해수담수화 시스템 국내·외 현황 ... 38
• 제3장 태양에너지 해수담수화 실증 시스템 ... 41
• 제1절 시스템 계획 ... 41
• 1. 태양에너지 해수담수화 시스템의 개념 ... 41
• 2. 태양에너지 해수담수화 시스템의 설계 ... 42
• 3. 실증시스템 ... 43
• 제2절 시스템 제어 및 모니터링 ... 46
• 1. 태양에너지 해수담수화 시스템 운전 제어 알고리즘 ... 46
• 2. 태양에너지 시스템 및 해수담수화 시스템 모니터링 ... 48
• 제4장 실증 시스템 결과 및 고찰 ... 51
• 제1절 태양광 발전 시스템 ... 51
• 제2절 태양에너지 해수담수화 시스템 장기 운전 성능 ... 53
• 1. 일일 운전 성능 ... 54
• 2. 봄철 운전 성능 ... 56
• 3. 여름철 운전 성능 ... 58
• 4. 가을철 운전 성능 ... 60
• 5. 겨울철 운전 성능 ... 62
• 6. 연평균 운전 성능 ... 64
• 7. 스케일 제거 작업 전후의 운전 성능 ... 65
• 제3절 사후관리 ... 68
• 1. 태양열 시스템 ... 68
• 2. 태양광 발전 ... 69
• 3. 담수기 ... 71
• 4. 원격제어 ... 72
• 제5장 결론 ... 74
• 참고문헌 ... 75
• 끝페이지 ... 79