液−蒸気エジェクタと作動部ポンプを適用した高効率海洋温度差発電システム{High−efficiency ocean thermal energy conversion(OTEC) applying a liquid−vapor ejector and a motive pump}

本発明は、高効率海洋温度差発電システムサイクルの効率増大方法であって、液−蒸気エジェクタ(Liquid−vapor ejector)の作動部(Motive part)に作動部ポンプ(Motive pump)を設置することにより既存の海洋温度差発電システムと比較して発電効率の増加を図ることができる。タービンの出口側は、エジェクタの吸入部で連結されているが、これを通じて既存の海洋温度差発電システムに比べて更に低いタービン出口圧力を得ることができ、発電量を増加させることができる。これに加えてエジェクタの作動部(Motive part)に流入する液状態の作動流体をポンプを介して昇圧させることで、更に大きいタービン入出口圧力差、すなわち、増加した発電量及び向上したシステム効率を得ることができる。また、増加したタービンの仕事量により、同一発電量において要求される作動流体の流量が減少して更に低い蒸発熱量が必要となることから熱交換器の小型化が可能となり、経済性向上に寄与する。

海洋温度差発電は、水温が高い海洋表層水から気化熱を得て、水温が低い海洋深層水を利用した凝縮熱を活用して電気を生産する発電システムである。海洋温度差発電システムの安定的な作動と経済的な実現のためには特定温度の海洋深層水及び表層水が連続的かつ大量に確保されなければならない。これについては、冷却水として使用される海洋深層水は国内東海岸に水温2℃以下で活用可能なものが無限に存在する。一方、海洋表層水については、韓国の気候特性上、水温が約25℃を超過するのが一年のうちの夏季のみであることから年間を通して高温の表層水を得ることが難しい環境である。しかし、韓国には海岸に火力及び原子力発電所が多数位置しており、このような発電所からは一日数百万トン以上の高温水が排出される。このような25〜35℃の高温で排出される排出水を海洋温度差発電に利用することで気候条件の限界を克服、改善することができる。しかしそれでも高熱源である表層水と低熱源である深層水の間の温度差が25℃前後にしかならないことから、他の発電方式と比べた場合に低い発電効率とならざるを得ず、また、単純な1次基本サイクルで構成されていることから商業化段階においては微々たる発電効果とならざるを得ない。

したがって本発明は、前記従来の問題点を解消するために案出されたものであり、冷媒循環ポンプを通じて蒸発器に流入する前に作動流体が分枝され多量の流体がエジェクタの作動部に流入することにより、蒸発器の蒸発熱量を減少させる。

また、エジェクタの作動部にポンプを設置して作動流体の圧力を昇圧させることにより、更に低い吸入部圧力を得せしめる。これにより、タービンの入口と出口の圧力差が増加され、発電量の上昇及びシステム効率の向上を提供するところを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、移送された冷媒液を表層水と熱交換させて高温高圧の冷媒蒸気に変換させる蒸発器と、

前記蒸発器出口に設置されて液体と気体状態の冷媒をそれぞれ分離させる気液分離器と、

前記蒸発器入口に設置されて蒸発器に流入する配管を多方面に分離させる分配器と、

前記気液分離器または前記蒸発器から移送された高圧の気体状態の冷媒を利用して電力を生産するタービンと、

前記分配器において分枝され、または気液分離器から分離した液状態の冷媒を昇圧させる作動部ポンプと、

前記タービンを通過した低圧の気体状態の冷媒と前記作動部ポンプを通過した高圧の液状態冷媒を混合させ、膨脹と圧縮過程を有する液−蒸気エジェクタと、

前記液−蒸気エジェクタにおいて混合した冷媒と深層水を熱交換させて冷媒を凝縮させる凝縮器と、

前記凝縮器において凝縮された冷媒を蒸発圧力まで昇圧及び循環せしめる冷媒循環ポンプと、を含んで構成されることを特徴とする分配器、液−蒸気エジェクタ、及び作動部ポンプを利用した高効率海洋温度差発電システムを提供するものである。

以上に詳述したように、本発明の分配器、気液分離器、液−蒸気エジェクタ、及び作動部ポンプを利用した高効率海洋温度差発電システムを活用し、気液分離器の設置を介して蒸発器出口における乾度を調整することにより、液−蒸気エジェクタの作動部流体として使用する冷媒液を確保すると同時に蒸発熱量を減少させ、システム効率の増進と蒸発器の寸法減少が可能となる。

また、分配器を使用する場合、蒸発器に流入する冷媒液の大部分を液−蒸気エジェクタの作動部流体として使用すべく、分配器を利用して多方面に分枝させ、蒸発器において要求される蒸発熱量を減少させる。

併せて、液−蒸気エジェクタの作動部に流入する冷媒の圧力を作動部ポンプを通じて昇圧させることにより、液−蒸気エジェクタ吸入部の圧力、すなわちタービンの出口側圧力を減少させ、タービン出入口の圧力差を増加させる。これにより、タービンの電力生産量が増加し、減少した蒸発熱量とともにシステム効率の増加に寄与する効果がある。

本発明の一実施例による分配器、作動部ポンプと液−蒸気エジェクタを含む高効率海洋温度差発電システムを示した工程図である。

本発明の一実施例による分配器、作動部ポンプと液−蒸気エジェクタを含む高効率海洋温度差発電システムのP−h線図を示したグラフ図である。

本発明の一実施例による分配器、気液分離器、作動部ポンプと多段液−蒸気エジェクタを含む高効率海洋温度差発電システムを示した工程図である。

本発明の一実施例による分配器、気液分離器、作動部ポンプと多段液−蒸気エジェクタを含む高効率海洋温度差発電システムのP−h線図を示したグラフ図である。

本発明は、それによる望ましい2つの実施例を通じて更に明確に説明することができる。

本発明の第1実施例による具体的な技術的特徴は、

移送された冷媒液を表層水と熱交換させて高温高圧の冷媒蒸気に変換させる蒸発器(10)と、

前記蒸発器(10)から移送された高圧の気体状態の冷媒を利用して電力を生産するタービン(20)と、

前記タービン(20)を通過した低圧の気体状態の冷媒と作動部ポンプ(30)を通過した高圧の液状態冷媒を混合させ、膨脹と圧縮過程を有する液−蒸気エジェクタ(40)と、

前記液−蒸気エジェクタ(40)において混合した冷媒と深層水を熱交換させて冷媒を凝縮させる凝縮器(50)と、

前記凝縮器(50)において凝縮された冷媒を蒸発圧力まで昇圧及び循環せしめる冷媒循環ポンプ(60)と、

前記冷媒循環ポンプ(60)から加圧された冷媒を前記蒸発器(10)及び作動部ポンプ(30)にそれぞれ分配する分配器(70)と、を含んで構成されることを特徴とする液−蒸気エジェクタと作動部ポンプを適用した高効率海洋温度差発電システムである。

これについては、図1及び図2において次の通り詳細に説明する。

図1は、本発明の第1実施例による分配器、作動部ポンプと液−蒸気エジェクタを含む高効率海洋温度差発電システムを示した工程図であり、図2は、本発明の第2実施例による高効率海洋温度差発電システムのP−h線図を示したグラフ図である。

図1乃至図2に図示したところのように、本発明の第1実施例は、移送された冷媒液を表層水と熱交換させて高温高圧の冷媒蒸気に変換させる蒸発器(10)と、 前記蒸発器の入口(10)に設置されて蒸発器(10)に流入する配管を多方面で分離させる分配器(70)と、前記蒸発器(10)から移送された高圧の気体状態の冷媒を利用して電力を生産するタービン(20)と、前記分配器(70)において分枝された液状態の冷媒を昇圧させる作動部ポンプ(30)と、前記タービン(20)を通過した低圧の気体状態の冷媒と前記作動部ポンプ(30)を通過した高圧の液状態冷媒を混合させ、膨脹と圧縮過程を有する液−蒸気エジェクタ(40)と、前記液−蒸気エジェクタ(40)において混合した冷媒と深層水を熱交換させて冷媒を凝縮させる凝縮器(50)と、前記凝縮器(50)で凝縮された冷媒を蒸発圧力まで昇圧及び循環せしめる冷媒循環ポンプ(60)から構成されている。

ここにおいて前記分配器(70)は、蒸発器に流入する冷媒液の大部分を液−蒸気エジェクタ(40)の作動部流体として使用すべく多方面で分枝させ、蒸発器(10)において要求される蒸発熱量を減少させる。

そして、前記分配器(70)において分枝された冷媒液は、作動部ポンプ(30)によって加圧され、圧力が上昇することから液−蒸気エジェクタ(40)の吸入部の圧力を大きく減少させることができ、タービン出入口の圧力差を増大することでタービン(20)において生産する電力量を増加せしめる。

これにより減少した蒸発熱量及び液−蒸気エジェクタと作動部ポンプを同時に使用することで得られる発生電力量の上昇により、本海洋温度差発電サイクルのシステム効率を高めることができる。

また、本発明の第2実施例は次の通りであり、これは、

移送された冷媒液を表層水と熱交換させて高温高圧の冷媒蒸気に変換させる蒸発器(10)と、

前記蒸発器(10)から移送された高圧の気体状態の冷媒を利用して電力を生産するタービン(20)と、

前記タービン(20)を通過した低圧の気体状態の冷媒と低段作動部ポンプ(31)を通過した高圧の液状態冷媒を混合させ、膨脹と圧縮過程を有する低段液−蒸気エジェクタ(41)と、

前記低段液−蒸気エジェクタ(41)において混合した冷媒を液体と気体状態の冷媒にそれぞれ分離させる気液分離器(100)と、

前記気液分離器(100)を通過した冷媒と、気液分離器(100)から分離した液状態の冷媒を加圧させる高段作動部ポンプ(32)を通過した冷媒が流入する高段液−蒸気エジェクタ(42)と、

前記高段液−蒸気エジェクタ(42)において混合した冷媒と深層水とを熱交換させて冷媒を凝縮させる凝縮器(50)と、

前記凝縮器(50)において凝縮された冷媒を蒸発圧力まで昇圧及び循環せしめる冷媒循環ポンプ(60)と、

前記冷媒循環ポンプ(60)において加圧された冷媒を前記蒸発器(10)及び低段作動部ポンプ(31)にそれぞれ分配する分配器(70)と、を含んで構成されることを特徴とする液−蒸気エジェクタと作動部ポンプを適用した高効率海洋温度差発電システムである。

前記第2実施例を図3及び図4を用いて詳細に説明すると、

図3は、本発明の第2実施例による分配器、気液分離器、作動部ポンプと多段液−蒸気エジェクタとを含む高効率海洋温度差発電システムを示した工程図であり、図4は、本発明の第2実施例による高効率海洋温度差発電システムのP−h線図である。

移送された冷媒液を表層水と熱交換させて高温高圧の冷媒蒸気に変換させる蒸発器(10)と、前記蒸発器の入口(10)に設置されて蒸発器に流入する配管を多方面に分離させる分配器(70)と、前記蒸発器(10)から移送された高圧の気体状態の冷媒を利用して電力を生産するタービン(20)と、前記分配器(70)において分枝された液状態の冷媒を昇圧させる低段作動部ポンプ(31)と、前記タービン(20)を通過した低圧の気体状態の冷媒と前記低段作動部ポンプ(31)を通過した高圧の液状態冷媒とを混合させ、膨脹と圧縮過程を有する低段液−蒸気エジェクタ(41)と、前記低段液−蒸気エジェクタ(41)において混合及び吐出された液蒸気混合冷媒を気体と液体状態の冷媒にそれぞれ分離させる気液分離器(100)と、前記気液分離器(100)において分離した液状態冷媒を昇圧させる高段作動部ポンプ(32)と、前記気液分離器(100)から移送された気体状態の冷媒とを吸入部流体として使用しつつ、前記高段作動部ポンプ(32)において昇圧された高圧の液状態冷媒を作動部流体として使用して混合させ、膨脹と圧縮過程を有する高段液−蒸気エジェクタ(42)と、前記高段液−蒸気エジェクタ(42)において混合した冷媒と深層水を熱交換させて冷媒を凝縮させる凝縮器(50)と、前記凝縮器(50)で凝縮された冷媒を蒸発圧力まで昇圧及び循環せしめる冷媒循環ポンプ(60)と、から構成されるものである。

ここにおいて前記分配器(70)は、蒸発器に流入する冷媒液の大部分を低段液−蒸気エジェクタ(41)の作動部流体として使用すべく多方面で分枝させ、蒸発器において要求される蒸発熱量を減少させる。

そして、前記分配器(70)において分枝された冷媒液は、低段作動部ポンプ(31)によって加圧され圧力が上昇することから、低段液−蒸気エジェクタ(41)の吸入部の圧力を大きく減少させることができ、タービン出入口の圧力差を増大させ、これによりタービン(20)において生産する電力量を増加せしめる。

のみならず、高段液−蒸気エジェクタ(42)から吐出される冷媒を凝縮器(50)に送るものである。

前記高段液−蒸気エジェクタ(42)を追加設置することにより低段液−蒸気エジェクタ(41)の吐出部圧力が更に低く形成されつつ、低段液−蒸気エジェクタ(41)の吸入部圧力とタービンの出口圧力が減少してタービンにおいて生産する電力量を増加せしめる。

これにより減少された蒸発熱量及び多段液−蒸気エジェクタと作動部ポンプを同時に使用することで得られる発生電力量の上昇により、本海洋温度差発電サイクルのシステム効率を高めることができる。

また、前記第1実施例または第2実施例において、

前記分配器(70)を通過した冷媒液は冷媒循環ポンプを介して蒸発器(10)に伝達され、分枝された冷媒液は前記液−蒸気エジェクタ(40,41)の作動部流体として使用される。

また、前記第1実施例または第2実施例において、

冷媒液が作動部ポンプ(30,31,32)を介して昇圧されて液−蒸気エジェクタ(40,41,42)の作動部に流入することを特徴とする。

また、第2実施例において、前記高段液−蒸気エジェクタ(42)を追加設置することにより、低段液−蒸気エジェクタ(41)の吐出部圧力が更に低く形成されつつ、低段液−蒸気エジェクタ(41)の吸入部圧力とタービンの出口圧力が減少し、タービンにおいて生産する電力量を増加せしめる。

10 :蒸発器 20 :タービン 30 :作動部ポンプ 40 :液−蒸気エジェクタ 31 :低段作動部ポンプ 41 :低段液−蒸気エジェクタ 32 :高段作動部ポンプ 42 :高段液−蒸気エジェクタ 50 :凝縮器 60 :冷媒循環ポンプ 70 :分配器 100 :気液分離器