Performance Investigation of Solar-Heating Ocean Thermal Energy Conversion (SH-OTEC) in Korea

<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2013.37.1.043 ISSN 1226-4881

태양열 이용 해양온도차발전시스템의 성능 예측^§

Nguyen Van Hap

·이 근 식

* 울산대학교 기계공학부

Performance Investigation of Solar-Heating Ocean Thermal Energy Conversion (SH-OTEC) in Korea

Nguyen Van Hap

and Geun Sik Lee

* School of Mechanical Engineering, University of Ulsan.

(Received May 9, 2012 ; Revised August 22, 2012 ; Accepted August 29, 2012)

- 기호설명 - p : 압력

T : 온도

SH-OTEC: 태양열 이용 해양온도차발전 ORC : 유기랭킨사이클

하첨자

E : 증발기

c : 응축기 wi : 온 해수 입구 wo : 온 해수 출구 co : 냉 해수 입구 ci : 냉 해수 출구

wcol : 집열기를 떠나는 온 해수

1. 서 론

전기 에너지에 대한 수요가 세계에서 점점 더 증가하고 있다. 전통적인 발전소에 공급하고 있는 석탄과 오일 등의 천연 화석연료가 고갈되어 가고 있다. 또한 화석연료를 사용함으로써 이산화탄소 Key Words: OTEC(해양온도차발전), Working Fluid(작동유체), Solar Energy(태양에너지), Energy Saving(에너지

절약)

초록: 전력을 생산하기 위해 해양온도차발전을 이용하는 것은 재생에너지를 이용하고 환경을 보호하는 한 가지 방법이다. 본 연구에서는 울산지역의 기후조건이 태양열 이용 해양온도차발전(SH-OTEC)에 미 치는 영향을 조사하기 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. 태양열 에너지는 제 2 의 열원으로 사용되었다.

SH-OTEC 시스템에 사용할 가장 적합한 작동유체를 선정하기 위하여 여러 작동유체를 수치모사하였다.

해석결과, R152A 가 가장 적합한 작동유체로 나타났으며, R600 와 R600A 가 각각 그 다음 순으로 나타 났다. 집열판 출구온도를 20⁰C 증가하였을 때 집열판의 유효면적은 월평균 태양에너지 게인(gain)의 변 화로 인하여 50m² 에서 97m² 으로 요동함을 볼 수 있었다. 2-4%의 전형적인 해양온도차발전의 효율은 태양열을 이용함으로써 연평균 효율은 6.23%까지 증가하였다.

Abstract: The use of ocean thermal energy conversion (OTEC) to generate electricity is one of the methods proposed to utilize renewable energy and to protect the environment. In this study, simulations were performed to investigate the effect of weather conditions in the Ulsan region, Korea, on the efficiency of a solar-heating OTEC (SH-OTEC) system.

This system utilizes solar thermal energy as the secondary heat source. Various working fluids were also simulated to select one that is suitable for this system. The results showed that R152A, R600, and R600A, in that order, were the most suitable working fluids. The effective area of the solar collector for a 20°C increase in the collector outlet temperature fluctuated from 50 to 97 m² owing to the change in the monthly average solar gain. The annual average efficiency of the SH-OTEC increases to 6.23%, compared to that of a typical conventional OTEC, which is 2–4%.

§이 논문은 2012 년도 대한기계학회 열공학부문 춘계학술 대회(2012. 5. 23.-26., 용평리조트) 발표논문임.

† Corresponding Author, [email protected]

© 2013 The Korean Society of Mechanical Engineers

방출이 급속하게 증가하고 있다. 해양 열에너지는 이산화탄소 배출없이 전기를 공급하기 위한 깨끗 한 에너지를 생성하는 한 유망한 방법으로 간주되 고 있다. 2011 일본 후쿠시마 핵 사고 이후 해양 전력 기술은 전기를 생성하는 잠재적인 방법이 될 예정이다. 해양온도차발전(ocean thermal energy conversion, 이하 OTEC)은 해수 표면의 온수와 깊 은 바닷물의 냉수 사이의 온도 차이를 이용하여 전기를 생성하는 발전 방법이다. 해양에서 온도 변화는 깊은 바다에서 3-10^oC, 표면에서 20-30^oC 정도로 발생한다. 이 가능한 온도 차이가 작으므 로 OTEC 의 효율도 제한된다. OTEC 시스템의 성 능을 향상하기 위해서 태양열 복사, 공장 폐열 등 의 보조 열원이 추가되기도 한다. 이와 함께 시스 템에 적합한 작동유체의 선택 또한 효율성을 향상 시킬 수 있는 한 방법이다.

D'Arsenoval 는 1881 년 OTEC 개념을 제안하고 Laude 가 처음으로 1930 년에 가능성을 보여준 이 후, 낮은 효율을 개선하고 OTEC 발전소의 성능 향상을 위한 많은 연구 노력들이 있었다. 첫 번째 미니 OTEC 은 1979 년 미국의 하와이에 지어졌으 며 50kW 이상의 총출력을 생산하였다. Yeh 등⁽¹⁾은 OTEC 시스템의 차가운 해수 온도와 흐름 속도가 순 효율에 미치는 영향을 연구하였다. Tahara 등⁽²⁾ 은 OTEC 의 에너지 평형을 계산하였다. 그들은 100MW OTEC 시스템은 연간 140,000 탄소톤에 해 당하는 CO₂ 를 저감할 수 있음을 밝혔다. 석탄화 력발전 플랜트의 CO2 방출량은 OTEC 시스템보다 53 배이다. Tong 등⁽³⁾은 밀폐 OTEC 사이클의 성능 향상을 연구하였다. 그들은 적절한 작동 유체를 결정하기 위해 추가 열원으로 태양 에너지를 사용 하고 시스템의 최소 유효 동력을 찾았다. Yamada 등⁽⁴⁾은 태양열 복사가 일본의 OTEC 시스템에 미 치는 영향을 수치모사하였다. Straatman 과 Van Sart⁽⁵⁾는 근해의 태양 연못과 결합된 독특한 OTEC 시스템의 개념을 기술하였고, 하이브리드 시스템 (OTEC-OSP)이라고 불렀다. 앞에서 언급한 대다수 의 연구 내용들은 유기 랭킨 사이클을 논의하는 데에 집중하였으며, 추가 열원에 관련된 변수를 고정하였다.

본 연구에서는 한국의 울산 지역에서 태양열 이 용 해양온도차발전 시스템(SH-OTEC)의 효율에 기상조건이 미치는 영향을 파악하기 위해 TRNSYS 소프트웨어 ver. 16 과 EES(Engineering Equation Solver) 소프트웨어 ver. 6.8 을 사용하여 시 뮬레이션을 수행하였다. 또한, SH-OTEC 에 대한

가장 적합한 작동유체를 선택하고자 하였다.

2. 모델 공식화

SH-OTEC 시스템의 기본 구성 요소들이 Fig. 1 에 제시되어 있다. 그림에서 SH-OTEC 시스템은 터빈, 증발기, 응축기, 펌프, 집열판으로 구성되어 있다. 증발기에 유입된 액체 작동유체는, 집열판을 통과한 따뜻한 해수에 의해 가열되고 증발하여 증 기 상태로 된다. 증기는 터빈으로 흘러 들어가서 그 에너지는 일로 변환된다. 터빈에서 나오는 저 압 흐름은 응축기에서 액체로 응축된다. 응축 과 정의 방열은 차가운 바닷물에 의해 흡수된다. 펌 프는 증발기에 작동 유체를 공급하고 사이클을 완 수한다.

~

Warm sea water

Evaporator

Warm-sea- water pump Solar collector

Cold sea water Condenser

Turbine

Generator

Working fluid pump

Cold-sea- water pump T_wcol

Tco

T_ci Two

T_wi

1

2

3 4

5 6

8 7

Fig. 1 Schematic of SH-OTEC.

Entropy s

Temperature T

T_ci Tco

Two

T_wcol

T_E

T_C

2S 1

3 4S

7 8

6 5

1-2: Expansion 2-3: Condensation 3-4: Pumping

4-1: Preheating and Vaporization 5-6: Cold seawater heating 7-8: Warm seawater cooling 4

2

Fig. 2 T-s diagram of SH-OTEC.

위에서 기술한 열역학적 과정과 이에 대응하는 T-s 선도는 Fig. 2 에 표시되었다. TE, Tc, Twcol 은 각 각 증발, 응축 온도와 집열기를 떠나는 해수 온도 이다. Twi, Two 및 Tci, Tco 는 각각 따뜻한 해수의 입 구온도와 출구온도 및 차가운 해수의 입구온도와 출구온도이다. QE 와 QC 는 각각, 증발기 및 응축 기에서 열부하이다. 이와 관련된 랭킨 사이클은 포화상태로 가정한다. SH-OTEC 의 각 구성 요소의 열 및 일은 다음과 같이 표현할 수 있다.

터빈의 생산 전력은 다음으로 주어진다.

(

)

t f t G

W =m h −h η η (1) 여기서 η_t, ηG 및 mf 는 각각 터빈과 발전기의 효 율, 작동유체의 질량유량이다. 응축기의 열방출율 은 다음과 같다.

(

)

C f

Q =m h −h (2)

따뜻한 해수로부터 증발기의 작동유체에 전달되 는 열은 다음으로 주어진다.

(

)

E f

Q =m h −h (3)

차가운 해수의 질량유량은 다음과 같다.

C cw

p cw

m Q

c t

= ∆ (4)

작동유체와 차가운 해수에 대한 펌프의 소요동 력들 Wfp, Wcw 은

(

)

f fp

fp

m h h

W η

= − (5)

. .

cw cw

cwp

m H g

W η

= ∆ (6)

이며, g 는 중력가속도, ∆H 는 총 등가유효양정, ηfp, ηcwp 는 각각 작동유체와 차가운 해수의 펌프효율 이다. Tong 등⁽³⁾은 따뜻한 해수의 소요동력은 차가 운 해수의 소요동력에 비하여 무시될 수 있음을 제시하였다.

한편 태양열 집열판 효율 η_SC의 일반적인 식은 다음과 같이 정의된다.

.

SC C T

Q

η = A I (7)

여기서 집열판 효율은 다음의 변수들로 표시되며, (Ti-Ta)/IT의 2 차 함수이다.^(6,7)

( ) ( ) ( )

/

i a i a

SC R n R L R L T

T T

T T T T

F F U F U

I I

η τα − −

= − −

(8) 여기서,

FR 집열판 총합 열제거 인자 UL 집열판 총합 열손실계수 UL/T 온도에 관련된 열손실계수 IT 태양 복사

(τα) 투과율과 흡수율의 곱 Ti 유체입구온도

Ta 주위온도

Table 1 Initial data of the SH-ORC Turbine generator power (Wt) kW 1 Evaporating temperature (TE)

Condensing temperature (TC) Cold seawater temperature (Tci) Warm seawater inlet temperature (Twi) Warm seawater outlet temperature (Two)

oC 35 10 6 25 25 Turbine efficiency (ηt)

Generator efficiency (ηG)

Efficiency of working fluid pump (ηfp) Efficiency of cold seawater pump (ηcw)

- - - -

0.8 0.9 0.8 0.75

Table 2 Some important parameters of the SH-OTEC system for various working fluids

Substances PE[kPa] mf[kg/s] V1[L/s] ηR[%]

1. Ethanol 2. Isopentane 3. Water 4. R290 5. R152A 6. R125 7. R600 8. R600A 9. Isobutane 10. R22 11. R134A 12. NH3 13. R114

13.75 128.8 5.63 1218 794.8 1778 329 463.3 464.5 1355 887.5 1351 290.9

0.018 0.047 0.007 0.047 0.058 0.137 0.044 0.049 0.048 0.088 0.09 0.014 0.124

72.86 12.2 174.7 1.76 2.35 1.12 5.39 4.08 4.03 1.51 2.06 1.37 5.83

5.7 5.41 5.72 5.18 5.35 4.84 5.39 5.27 5.32 5.26 5.25 5.51 5.3

Input: The type of solar collector, "Type 1b"

The solar collector area

The mass flow rate of warm sea water The latitude and solar radiation of Ulsan

Calculate T

Assume Q

=Q

Calculate η

from Eq.9 and η

from Eq.10 under the calculated values of w

, w

, w

, and

m

from the given working fluids (Table 2)

END START

Fig. 3 The calculation procedure for the present OTEC design using the software of TRNSYS

.

Q 집열판 유효열전달률 AC 집열판 구경(aperture) 면적

랭킨사이클 효율 ηR 과 냉각수 순환을 고려한 순 동력 η_net 은 다음과 같다.

t fp

R E

W W η Q−

= (9)

( )

t fp cw

net

E

W W W

η − Q +

= (10)

SH-OTEC 의 열효율은 과도 시스템 시뮬레이션 프 로그램인 TRNSYS ver. 16 을 사용하여 구하였다.⁽⁸⁾ 본 SH-OTEC 열효율의 계산과정은 Fig. 3 에 제시 되어 있다. 집열판은 Type 1b 의 평판 단일 유리로 하였으며, 12 월-2 월의 최대면적을 고려한 90 m²의 유효면적과 울산의 경도인 35.6 도의 경사각으로 하였다.

3. 결과 및 토의

3.1 작동유체 선정

본 연구에서 살펴볼 13 가지 작동유체의 특성을 1 kW 출력 SH-OTEC 시스템에 대해 조사하였다.

본 SH-OTEC 시스템은 태양열 이용 유기냉매 랭킨 사이클 (이하 SH-ORC)로 작동되며 이의 작동 조 건은 Table 1 에 제시되어 있다. 증발기에서 작동유 체의 증발온도는, 집열판을 통과하면서 가열된 따 뜻한 해수와의 열교환에 의해 증가되어 35⁰C 에 도달한다고 가정하였다. 작동유체의 열역학적 특 성과 유기 랭킨사이클의 성능은 시뮬레이션 도구 EES⁽⁹⁾을 사용하여 수치모사하였다. 결과는 Table 2 에 제시되었다.

증발기의 포화압력은 중요한 작동 기준임을 Table 2 로부터 알 수 있다. 이소펜탄, 에탄올과 물 은 증발압력이 낮다. 최소 증발압력은 물이 가지 Fig. 4 Volume flow rate of turbine inlet versus

temperature difference ∆Th (= Twcol –TE ) for different working fluids.

Fig. 5 SH-ORC thermal efficiency versus temperature difference ∆Th (= Twcol –TE ) for different working fluids.

는 5.63 kPa 이다. 물과는 달리, R125 은 가장 높은 증발압력을 가지고 있다. R22 와 NH3 가 그 다음 순이다. 적절한 증발압력의 그룹은 R600, R600A, R152A, R134A 와 이소부탄이다.

Fig. 4 는 여러 가지 작동 유체에 대하여 증발기 측 (집열판 물의 온도와 증발온도와의) 온도차에 대한 터빈 입구의 체적유량의 거동을 보여주고 있 다. R125, NH3, R22 와 R152A 는 경제적 기준에 적 합한 작은 체적 유량을 가지고 있다. Table 2 에서, 13 종의 작동 유체 중에 물, 에탄올과 이소펜탄과 같은 그룹은 SH-OTEC 에 대한 최악의 선택이다.

Fig. 5 는 증발기측 온도차가 유기냉매 랭킹사이 클의 열효율에 미치는 영향을 제시하고 있다. 응 축온도 T_C를 일정하게 유지하였을 때 SH-ORC 열 효율은 집열판 출구온도가 증가함에 따라 증가한 다. 높은 열효율과 이의 증가를 보여주는 작동유 체는 물이며, 에탄올과 NH3 가 각각 다음의 순서 이다. 한편, R290 은 모든 작동유체 중에서 가장 낮은 열효율과 증가를 보여주고 있다.

Fig. 6 는 13 가지 작동유체에 대하여 압력비와 사이클 효율 값들을 비교하여 보여주고 있다. 물, 암모니아, 에탄올 같은 고효율 그룹은 각각 4.58, 4.38, 2.2 와 같은 고압력비 특성을 제시하고 있다.

이러한 관점에서 볼 때 암모니아는 최적의 작동유 체이나, 증발압력이 높고 독성과 자극성이 있기 때문에 선택되지 않았다. R125 는 압력비가 약 2.5 인 반면, 효율이 가장 낮은 4.8%로서 최악의 작동 유체이다. 따라서 SH-OTEC 에 적합한 작동유체는 R600, 이소펜탄, R152A 이다.

따라서, 위에서 행한 모든 분석으로부터 어떠한 작동 유체도 SH-ORC 의 모든 요건을 충족시켜 주 지는 못함을 알 수 있다. 이는 이상적인 작동 유 체를 찾는 것은 쉽지 않음을 의미한다. 종합하면, SH-ORC 용으로 선택할 작동유체의 가장 적합한 그룹은 R152A 이며 그 다음이 각각 R600 및 R600A 이다.

3.2 성능 조사

집열판 통과 후 20^oC 증가한 따뜻한 해수에 대해,

Fig. 7 Ambient temperature, daily solar radiation and daily wind speed in Ulsan, South Korea

Fig. 8 Hourly variation of SH-OTEC efficiency Fig. 6 Pressure ratio and SH-ORC thermal

efficiency for 13 working fluids

태양열 집열판의 유효 면적이 계산되었다. 아울러 울산 지역의 기상 데이터가 시뮬레이션 과정에 사 용되었다. Fig. 7 은 울산의 월별 주위 온도 및 일 일 태양 복사열을 보여 주고 있다.⁽¹⁰⁾ TRNSYS 16 과 식 (7)-(8)을 사용한 집열판의 소요 면적은 50m² - 97m² 이며 연중 월별로 다르다.

SH-OTEC 의 열효율은 과도 시스템 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS ver. 16 을 사용하여 구하였 다.⁽⁸⁾ 본 SH-OTEC 열효율의 계산과정은 Fig. 3 에 제시되어 있다. 집열판은 Type 1b 의 평판 단일 유 리로 하였으며, 12 월-2 월의 최대면적을 고려한 90 m²의 유효면적과 울산의 경도인 35.6 도의 경사각 으로 선택되었다. 상기 분석에 따라, R152A 가 좋

은 열역학적 특성으로 인해 작동유체로 선택되었 다.

연간 시간별 변화에 대한 순 효율의 시뮬레이션 결과가 Fig. 8 에 제시되었다. SH-OTEC 효율은 매 일 태양 게인(gain)의 변화로 인해 거의 10% 폭으 로 요동하고 있다. 높은 효율은 12%에 달하나 낮 은 효율은 2%보다 작다. 2%의 효율은 태양열을 이 용하지 않는 일반적인 OTEC 의 성능과 유사하다.

월별 평균적인 날들에 대하여 순 효율이 낮 시간 에 변하고 있음을 Fig. 9 에서 살필 수 있다. 순 효 율은 정오에서 최대값에 도달한다.

월 평균 SH-OTEC 의 효율은 연간 5.8% - 6.75%

폭을 가지고 변함을 Fig. 10 으로부터 알 수 있다.

2 월과 12 월에 시스템의 효율이 가장 낮은 값이 며 약 5.8%이며, 반면에 최대값은 5 월에 6.75 %로 증가하게 된다. 또한, 이들 월 평균값들로부터 연 평균 순 효율은 6.23%에 달한다. 이 값은 태양열 집열판이 없는 OTEC 의 성능보다 약 75% 높다.

SH-OTEC 의 6.23%라는 연 평균효율은 산업용 의 광범위한 응용 측면에서는 높은 값은 아니다.

반면에 기존 발전소에 비해 SH-OTEC 는 기존의 화석 자원을 소모하지 않는다. SH-OTEC 의 작동을 위한 공급 에너지는 무한하고 깨끗한 자유 에너지 자원으로 간주되는 태양에너지와 해양열에너지이 다.

4. 결 론

본 연구에서는 1 kW 출력용 태양열 이용 OTEC 시스템의 성능을 이론적으로 조사하였다. SH- OTEC 에 적합한 작동 유체를 선택하기 위해, 13 가지 작동유체의 열역학적 특성을 분석하였다. 증 발 압력, 체적 유량, 효율 등 여러 가지 기준이 평 가를 위해 사용되었다. 어떤 물질도 완벽한 작동 유체는 아니며, 각각의 작동 유체는 장점과 단점 이 있다. 결론적으로, R152A 가 SH-OTEC 에 가장 적합한 작동 유체로 간주되며, R600 및 R600A 가 그 다음이 된다.

집열판 출구온도를 20^oC 올리기 위한 집열판의 유효면적은, 울산의 월 평균 태양 게인(gain)의 변 화로 인해 50m²에서 97m²까지 변한다. 90m² 면적 의 집열판에 대해, SH-OTEC 시스템의 연간 평균 효율은 6.23%까지 증가함을 알 수 있었다. 이 효 율 값은 통상적인 화력발전에 비해서는 아주 작은 값이지만, 지구온난화와 지구의 화석자원의 급속 한 고갈과 연료 가격의 증가 추세로 인해 점점 더 중요해지고 있으며, 무한한 해양에너지 자원을 이 Fig. 9 Hourly variation of SH-OTEC efficiency for the

average days of the month.

Fig. 10 Monthly average variation of SH-OTEC efficiency.

용함으로써 출력을 증가하면 본 해양온도차발전의 이용가치는 더욱 높아질 것으로 기대된다.

참고문헌

(1) Yeh, R.H., Su, T.Z. and Yang, M.S., 2005,

“Maximum Output of an OTEC Power Plant,” Ocean Engineering, Vol. 32, pp. 685~700.

(2) Tahara, K., Horiuchi, K., Kojima, T. and Inaba, A., 1995, “Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) System as a Countermeasure for CO2 Problem – Energy Balance and CO2 Reduction Potential,” Energy Conversion and Management, Vol. 36, No. 6-9, pp.

857~860.

(3) Tong, W., Liang, D., Chuangang, G. and Bo, Y., 2008,

“Performance Analysis and Improvement for CC- OTEC System,” Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 22, pp. 1977~1983.

(4) Yamada, N., Hoshi, A. and Ikegami, Y., 2009,

“Performance Simulation of Solar-Boosted Ocean

Thermal Energy Conversion,” Renewable Energy, Vol.

34, pp. 1752~1758.

(5) Straatman, P.T and van Sark, W.G., 2008, “A new Hybrid Ocean Thermal Energy Conversion-Offshore Solar Pond (OTEC-OSP) Design: a Cost Optimization Approach,” Solar Energy, Vol. 82, pp. 520~5277.

(6) Tchanch, B.F., Papadakis, G., Lambrinos, G. and Frangoudakis, A., 2009, “Fluid Selection for a Low- Temperature Solar Organic Rankine Cycle,” Applied Thermal Engineering, Vol. 29, pp. 2468~2476.

(7) Duffie, J.A. and Beckman, W.A., 1991, Solar Engineering of Thermal Processes, 2nd ed. John Wiley and Sons Inc, USA,

(8) Solar Laboratory of Energy (USA): Manuals of TRNSYS ver.16, University of Wisconsin-Madison, USA, 1994.

(9) Klein, S.A., Engineering Equation Solver. F-Chart Software. Commercial version 6.883-3D.

(10) EnergyPlus Energy Simulation Software: Weather Data.