해양 열에너지 변환기 OTEC (Ocean thermal energy conversion)

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해양 열에너지 변환기

OTEC (Ocean thermal energy conversion)

전기 from 해양: 조력, 파력 (기계적 E ) -> 전기 E

OTEC (열에너지, 기체) -> 기계적 E -> 전기 E

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4.4 OTEC 효율

• OTEC를 구동하는 작은 온도차 때문에 OTEC의 Carnot 효율은 낮다.

• OTECs는 따뜻한 표면수로부터 많은 양의 열을 추출해야 하고 이의 대부분을 차가운 바닥수로 배출시켜야 한다. OTECs는 많은 양의 물을 처리한다.

• 따뜻한 물과 차가운 물 사이의 온도차를 라고 하자. 스 탠포드 대학교의 A, L London 교수는 (닫힌 사이클 시스템에서) 터빈 에 걸친 온도차가 일 때 물 소비가 최소임을 보였다. 이 경우 나 머지 는 두 열교환기 사이의 온도강하이다. 만일 이의 절반이 따뜻한 물 교환기를 통한 강하이고 가 따뜻한 물의 유량이라면 추출 되는 동력은 이다. Carnot 효율은 이다.

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• 차가운 물의 유량이 따뜻한 물의 유량과 동일하다고 가정하면, 즉 이라고 가정하면 (이상적인 터빈으로) 생성된 동력은 다음 과 같다:

(4.23)

• 로 취하였다. 동력이 에 비례함을 주목하자. 수력발전 소의 동력은

(4.24)

• 여기에서 는 물의 밀도( )이며 는 중력 가속도, 그리고 는 입구와 출구 수위의 차이이다.

• 이제 똑같은 물 유량을 처리하는 OTEC와 동일한 동력을 생산하기 위 해서는 수력 발전소에서 가 얼마나 커야 하는지 알아보기로 한다.

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• 의 온도차를 갖는 OTEC의 작동으로부터 동일한 유량과 (적절한) 의 헤드로 운전되는 수력 발전소에서와 동일한 동력을 얻는다.

따라서 OTEC에서 요구되는 물의 부피는 과대한 부피가 아니다.

• 이러한 계산들은 매우 낙관적인 것이다; 이 계산들에서는 다양한 펌 프들, 특히 차가운 물 펌프에서 필요로 하는 상당한 에너지의 양을 감 안하여 주지 않았다. 그럼에도 불구하고 OTECs에서 주된 문제는 많은 물의 양이 아니라 열전달 양에 있다. 동일한 용량의 화력발전소와 비 교하면 OTEC의 열 교환기는 거대하다. 닫힌 사이클 OTEC에 대한 비 용의 절반 정도가 열 교환기 비용이다.

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4.5 Example of OTEC Design

• OTECs는 최소 물 소비가 아니라 비용이 최소가 되도록 설계된다. 이는 시스템에서 온도 분포를 변경시킨다. 그림 4.5는 Lockheed 프로젝트에 서 온도를 보여주고 있다. 이것은 작동 유체로서 암모니아를 사용하는 닫힌 사이클 형태이다. 전체적인 온도차는 이다. 따뜻한 물 유량 은 이다. 이 물은 의 온도로 열교환기에 유입되어 만큼 냉각되고 의 온도로 배출된다. 이러한 따뜻한 물이 OTEC

에 전달하는 총 열 동력은

• P

_in

= 유량 (water flow rate, v) * 비열(heat capacity, C

_p

) * 온도차(dT)

일률(P) = 일(W) / 시간(t)

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• 터빈 흡입구에서 암모니아는 인 반면에 출구에서는 이 며 이로부터 Carnot 효율은

(4.27)

• 전력은 90.2%의 Carnot 효율로 생산된다. 그러나 표 4.1에 보인 바와 같이 서로 다른 펌프들은 상당한 양의 생성 동력을 사용한다. 사실 이 보기에서 생성된 전체 동력의 28%는 단순히 시스템을 가동시키기 위 해 내부적으로 사용되었다. 전형적인 증기기관에서 펌프들은 위의 OTEC에서와 같이 전기적으로가 아니라 기계적으로 터빈과 연결되어 있다.

• 주요 동력 소비처는 차가운 물 펌프인데 이는 차가운 물 펌프가 가장 많은 양의 물을 처리할 뿐만 아니라 매우 긴 냉각수 파이프에서의 마 찰을 극복해야 하기 때문이다.

• 생성된 전기 동력은 다음과 같다.

(4.28)

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• 그러나 출력 버스에서 이용 가능한 전기 동력은 단지

(4.29)

• 이다. 따라서 OTEC의 전체적인 효율은

(4.30)

• 2.65%의 효율은 잘 설계된 OTEC에서 기대할 수 있는 효율이다.

• 터빈 흡입구 부분에서 암모니아의 압력은 (9.7 기압)이며 배 출구에서는 (6.5기압)이다. 와 동일 한 양의 열이 열 교환기에 의하여 차가운 물로 방출되어야 한다. 이는 물 을 에서 취하여 만큼 올려서 까지 가 열하는 것으로 수행된다.

• 혼합을 피하기 위해서 따뜻한 물 흡입구와 차가운 물 배출구 사이에 충분한 거리를 두는 것이 필요하다.

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4.6 열 교환기

• OTEC의 전체적인 효율은 작다. 보기의 Lockheed OTEC는 를 의 판매 가능한 전기로 변환시킴으로써 2.6%의 효율을 보인다. 그러

나 “연료”는 전적으로 무료이므로 전체적인 효율이 결정적으로 중요 한 것은 아니다. 문제가 되는 것은 투자비용으로서 이는 열 교환기의 비용에 따라 크게 좌우된다.

• 열 교환기를 통하여 전달되는 동력은 다음과 같다.

(4.31)

• 여기에서 는 교환기의 열전달 계수이고 는 교환기의 면적이며 는 교환기와 보일러의 평균 온도차이다.

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• Lockheed는 를 달성할 것을 희망하였다. 대략

의 와 의 에서 소요 면적은 약 , 즉 정도이다.

• 사소한 오염이라도 의 값을 상당히 낮출 것이며 따라서 오염으로부 터 열 교환기를 청결하고 해조류가 없도록 깨끗하게 유지하는 것이 중 요하다. 유입수의 일부를 전기 분해하여 해조류를 죽이는 염소를 방출 시키는 것이 가능하다.

• 기술적으로 OTEC 열 교환기를 위한 이상적인 재질은 해수에서의 안정 성 때문에 티타늄인 것으로 보여진다. 알루미늄은 보다 저렴하기 때문 에 함께 고려되었다.