해상 바아지식 1MW OTEC Plant의 개념설계

김현주(H.J.Kim),이호생(H.S.Lee),차상원(S.W.Cha),홍사영(S.Y.Hong),남보우(B.W.Nam),권용주(Y.J.Kwon) 한국해양환경·에너지학회 2014 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5

해수온도차발전은 해양심층수와 표층해수의 온도차 에너지를 기계에너지로 변환시켜 전력을 생산하는 방법이다. 적도해역에는 연중 온도차가 20℃ 이상으로 안정적이므로 베이스 로드를 감당할 수 있을 뿐 아니라 가용량이 풍부하여 유용한 해양에너지로서 실용화 가능성이 큰 신재생에너지이다. 20kW 파일럿 플랜트의 설계, 제작 및 운전을 바탕으로 1MW OTEC plant를 설계 중이며, 적도해역의 설치 및 운전 개념에 따른 최적화 평가를 실시하고자 한다. 이를 위해, 작동유체 R32를 이용하는 1MW급 폐쇄순환식 해수온도차발전 싸이클 해석모델을 정립하고, 적도해역에서의 표층해수를 기준으로 수심에 따라 취수 가능한 심층수와의 온도차가 24, 22, 20℃를 대상으로 해수온도차발전 플랜트의 발전특성을 해석하였다. 그 결과, 온도차에 따라 발전효율은 2.75%, 2.28%, 1.8%로 산출되었다. 여기서, 해수온도차발전플랜트를 바아지 선박에 탑재하고, 4점 계류시스템으로 바아지의 위치 유지를 하는 것으로 하였다. 여기서, 샌드위치형 FRP 파이프로 구성된 라이저를 길이 1,000m, 800m 및 500m로 바아지 하단에 설치하여 심층수를 취수함으로써 온도차 24~20℃를 확보하는 경우를 비교하고자 한 것이었다. 샌드위치형 FRP로 제작되는 라이저는 비중이 물보다 가벼워서 하단에 중량체를 매달아서 취수간 형상을 유지하여야 하며, 라이저의 응답해석 결과로부터 라이저 전체의 수중 중량이 FRP관 수중중량의 50~75%인 경우가 적절할 것으로 나타났다. Ocean thermal energy conversion(OTEC) is to produce electricity by changing thermal energy from deep ocean water and surface ocean water to mechanical energy. In the coastal area near the equator, temperature gap between deep seawater and surface seawater is over 20℃ all year long, which is good enough to cover the base load. Addition to that, the amount of resource is abundant to be used as ocean energy for commercialization. Based on the design, installation, and operation of 20kW pilot plant, 1MW OTEC plant design is ongoing, and optimization assessment of its installation and operation in the coastal region near the equator is being planned. For the assessment, analysis models of 1MW closed-cycle OTEC cycle using R32 as working fluid was set up. Also, it was analyzed that OTEC plant performance characteristics for the ocean area near the equator where the temperature gap between deep ocean and the surface was 24℃, 22℃, and 20℃ respectively. As a result, the generation efficiency was 2.75%, 2.28%, and 1.8% respectively according to the temperature gap. In assumption, the OTEC plant was on a barge, and the barge was moored by four points for the analysis. It was to compare the cases with different temperature gap of 24℃, 22℃, and 20℃ using deep ocean water from sandwich type of FRP intake risers in depth of 1,000m, 800m, and 500m installed at the bottom of the barge. It was discovered that the sandwich type of FRP risers have to be installed with weight at the bottom since its specific gravity was lighter than water. It was found to be proper to have FRP risers’ underwater weight take account for 50~75% of the total risers’ underwater weight from riser response analysis.

해양온도차발전용 R32/R152a 혼합냉매의 최적조성비 기초성능해석

차상원(S.W Cha),이호생(H.S Lee),문덕수(D.S Moon),김현주(H.J Kim) 한국해양환경·에너지학회 2014 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5

우수한 열역학적 성질들로 인해 1930년대부터 사용하던 염화불화탄소(CFC) 및 수소화염화불화탄소(HCFC)가 오존층 붕괴의 주원으로 밝혀짐에 따라, 몬트리올의정서에 따라 기존에 사용하던 CFC, HCFC계열의 냉매들은 사용이 규제되고 이를 해결하기위한 대체냉매의 개발이 시급한 상황이다. 이를 해결하기 위한 방법으로는 신 냉매제작 또는 기존의 냉매를 혼합하여 사용하는 방법이 있다. 본 논문에서는 R32/R152a 냉매를 혼합하여 해양온도차발전에 적용하였을 때에 최적의 성능을 나타낼 수 있는 혼합냉매의 조성비를 찾기 위해 다양한 해석을 진행하였다. 사이클의 종류는 기존의 밀폐형사이클, 암모니아/물 혼합물에 적용하고 있는 칼리나 사이클에 대해 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 해석 조건으로 온열원의 온도는 26, 29℃, 냉열원의 온도는 5℃를 적용하였다. 밀폐사이클의 경우 칼리나사이클보다 높은 출력 성능을 나타냈으며, 칼리나사이클은 높은 사이클 효율을 나타내었다. 냉매의 조성비는 사이클의 종류와 상관없이 R32/R152a가 각 각 90%:10%일 때 가장 높은 성능을 나타내는 것을 확인하였다. It has been discovered that chlorofluorocarbon(CFC) and hydrochlorofluorocarbon (HCFC) which had been used since 1930 caused ozone layer depletion due to high thermodynamics characteristics. Series of CFC and HCFC refrigerants were regulated according to the Montreal Protocol. Therefore, development of an alternative refrigerant urgently needs to resolve ozone layer depletion. There are two ways to resolve the problem; Development of a new refrigerant or mixed refrigerants. In this paper, performance characteristics of cycles was studied when mixed existing refrigerants(R32/R152a) were used for ocean thermal energy conversion (OTEC) for finding a optimizing composition ratio. For simulations, R32/R152a were used in existing closed cycle and Kalina cycle which is used only ammonia and water as mixed refrigerant. Temperature of the warm heat source was 26℃, temperature of the cold heat source was 5℃.In results of simulation, closed cycle showed great gross power than Kalina cycle, and Kalina cycle had higher cycle efficiency than Closed cycle. Best composition of the mixed working fluid was 90%:10% for OTEC performance regardless of kind of cycle.

해양온도차발전구조물 개발을 위한 브레인스토밍

정동호(D.H. Jung),김현주(H.J. Kim),홍사영(S.Y. Hong),차상원(S.W. Cha) 한국해양환경·에너지학회 2013 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5

적도해역 부유식 1MW 해수온도차발전플랜트의 개념설계

김현주(H.J.Kim),이호생(H.S.Lee),차상원(S.W.Cha),오위영(W.Y.Oh),홍사영(S.Y.Hong),정동호(D.H.Jung),남보우(B.W.Nam),권용주(Y.J.Kwon),정현(H.Chung),오태원(T.W.Oh) 한국해양환경·에너지학회 2014 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.11

해양지열발전용 다단재열랭킨사이클의 출력 및 효율 최적화 해석

차상원(S. W. Cha),이호생(H. S. Lee),김현주(H. J. Kim),문덕수(D. S. Mun) 한국해양환경·에너지학회 2013 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.11

지열수를 온열원으로 사용하고, 해양심층수를 냉열원으로 사용하는 바이너리 지열 발전시스템은 기존 지열 발전시스템의 효율을 증대하기 위한 재열과정과 터빈출력을 향상시키기 위한 다단과정을 각각 또는 복합적으로 적용하여 다단재열랭킨사이클의 성능개선을 검토하였다. 다단재열랭킨 사이클의 종류로는 다단 사이클, 다단 재생사이클, 다단 재열사이클이 있다. 작동유체는 R134a, R245fa를 적용하였으며 온배수의 온도가 65℃, 75℃, 85℃ 응축수는 5℃를 적용하였다. 본 논문에서는 온열원변화, 작동유체의 종류, 사이클의 종류에 따른 해양지열발전용 다단재열랭킨사이클의 출력 및 효율을 높이기 위한 최적화 해석을 수행하였다. 이를 열역학적 사이클로 모사하기 위한 Aspen HYSYS를 이용하여 해석을 진행 하였다. 작동유체는 R245fa가 R134a보다 우수한 성능을 보였으며, 밀폐사이클에서 온열원이 85℃일때에 출력은 236.9kW, 효율은 13.06%로 R134a보다 각 각 11.2%, 20.3% 높은 성능을 보였다. 다음으로 사이클의 종류 및 온열원의 변화에 따른 다양한 해석을 수행하였다. Binary geothermal generation system which utilizes the warm water in geothermal water for vaporization and the cold water in deep ocean water for condensation. The regeneration process increased the efficiency more than the existing geothermal generation system ,and the multi stage process also increased the power of the turbine. Improvement of the multi stage regeneration cycles study on these process respectively or together applied to the cycles. A kind of the cycles has multi stage cycle(MS), multi stage regeneration cycle(MSR), and multi two stage cycle(MTS). Working fluid was R134a and R245fa. Temperature of the warm water was the 65℃, 75℃, and 85℃. Temperature of the cold water was the 5℃. Optimization simulation was conducted for improving the gross power and efficiency with multi stage regeneration rankine cycle for ocean thermal energy conversion(OTEC) according to changing of a warm heat source, kind of the wokring fluid, and type of the cycle. Performance analysis of the various components was simulated by using the Aspen HYSYS for analysis of the thermodynamic cycle. R245fa shows great performance than R134a. The gross power of the R245fa was the 236.9kW, and the cycle efficiency was the 13.06% at 85 degree. Gross power and cycle efficiency of R245fa increased by 11.2%, 20.3% more than R134a. Various simulation was conducted about kind of the cycles and changing of the heat source.

선천성 횡경막헤르니아와 심내막상 결손증이 동반된 기형아 임신 1례

박천식 ( C. S. Kwon ),정인배 ( I. B. Chung ),김병성 ( B. S. Kim ),권장연 ( J. Y. Kwon ),한상원 ( S. W. Han ),차동수 ( D. S. Cha ),김대현 ( D. H. Kim ) 대한주산의학회 1993 Perinatology Vol.4 No.4

온열원 온도 변화에 따른 해양지열발전용 다단재열랭킨 사이클의 성능해석

차상원(S.W.Cha),이호생(H.S.Lee),정동호(D.H.Jung),김현주(H.J.Kim) 한국해양환경·에너지학회 2013 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5

다단 지열 사이클의 기초성능해석

차상원(S.W Cha),이호생(H.S Lee),Albert Kim,김현주(H.J Kim) 한국해양환경·에너지학회 2014 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.11

오늘날 사용가능한 화석연료의 고갈에 따른 에너지 위기 및 지구 환경에 대한 문제점으로 신재생에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 그 중 지열발전을 국내에 적용하는 방안에 대한 기술연구가 다양하게 이뤄지고 있다. 국내에 지열발전을 효과적으로 적용하기 위해 저자는 이전 연구에서 기존의 바이너리 지열 발전시스템에서 기화용 온수를 온배수로 사용하고, 해양심층수를 응축용 냉각수를 사용하여 전력을 생산하는 해양지열발전사이클을 연구하여 기존의 지열발전보다 높은 성능을 확인할 수 있었다. 하지만, 이 역시도 국내에 적용하기에는 충분한 지열열원 얻는 것은 쉽지 않다는 것이 현실이다. 이를 해결하기 위해서 본 논문에서는 기존의 바이너리지열발전 사이클을 Counter flow 또는 Parallel flow로 사이클을 구성하는 방안에 대해 연구를 진행하였다. 작동유체는 기존의 R245fa를 적용하여 사이클 성능해석을 진행하였다. Binary geothermal generation system which utilizes the warm water in geothermal water for vaporization and the cold water in deep ocean water for condensation. The regeneration process increased the efficiency more than the existing geothermal generation system ,and the multi stage process also increased the power of the turbine. Improvement of the multi stage regeneration cycles study on these process respectively or together applied to the cycles. Optimization simulation was conducted for improving the gross power and efficiency with 2 stage rankine cycle and 3 stage rankine cycle for ocean thermal energy conversion(OTEC) according to changing of a counter flow and parallel flow on cycle. Performance analysis of the various components was simulated by using the Aspen HYSYS for analysis of the thermodynamic cycle.

극한지 적용 복합해수플랜트 개념설계

이호생(H.S Lee),차상원(S.W Cha),문덕수,오위영(O.W. Young),김현주(H.J Kim) 한국해양환경·에너지학회 2014 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.11

극지방과 같은 극한지의 저온 해수열에너지를 이용한 복합해수플랜트 개념설계를 수행하였다. 복합해수플랜트는 해수난방시스템과 온도차발전플랜트로 구성된다. 즉, 저온 해수를 해수난방시스템의 증발기 열원으로 사용하여 난방열을 공급하고, 해수난방시스템에서 배출되는 해수를 온도차발전으로 공급하여 전기를 생산하게 된다. 온도차발전의 경우 배출 해수를 증발기 열원으로 이용하고, 극한지 대기를 응축기 열침으로 이용하게 된다. 해수난방시스템과 온도차발전플랜트를 연계하여 극한지에 적용 가능한 복합해수플랜트를 제안하기 위한 개념설계를 수행하였고, 플랜트 모듈 용량별 필요 해수, 난방 용량 및 생산 전력량에 대한 기초 해석을 수행하였다. 추후 극한지 지역별 해수 온도, 작동유체 및 사이클별 적용 가능한 복합해수플랜트에 대한 열설계도를 제시하고자 한다. Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) is a method that utilizes the natural temperature gradient that exists in tropical ocean between warm surface water and the deep sea water to generate electricity. When the temperature difference between surface seawater and deep seawater is over 20℃, the system can be run with much better efficiency. Researches for the cases of low temperature differences are also ongoing. In this paper, to perform an experiment on the 20kW OTEC, a closed OTEC cycle was designed and fabricated. R32 was used as the working fluid, and the temperature of the heat source and heat sink were 26℃ and 5℃ respectively. A semi-welded-type heat exchanger was used as the evaporator and condenser, and the OTEC cycle was designed for a gross power of 20kW. R32-OTEC was installed in Seawater Utilization Plant Research Center in Gosung-gun, Gangwon-do. In order to analyze performance of the R32-OTEC pilot plant, the simulation results were compared to the experiment results.

Open cycle ocean thermal energy conversion using multiple condensers for selective power generation and seawater desalination

Albert Kim,H.J Kim(김현주),H.S Lee(이호생),S.W Cha(차상원) 한국해양환경·에너지학회 2014 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.11

다단 응축기를 이용한 개방형 온도차발전 및 담수화사이클에 대한 기본 설계 및 해석 결과를 진행하였다. 저압 상태에서 증발기에서 증발된 증기는 터빈으로 유입되는 모드, 터빈 및 응축기로 유입되는 모드 및 응축기로 유입되는 모드로 나눌 수 있으며, 각 사이클에 대한 설계 및 해석 결과를 제공하고자 한다. Ocean Thermal Energy Conversion(OTEC) is a method that utilizes the natural temperature gradient that exists in tropical ocean between warm surface water and the deep sea water to generate electricity. When the temperature difference between surface seawater and deep seawater is over 20℃, the system can be run with much better efficiency. Researches for the cases of low temperature differences are also ongoing. As explained above, OC-OTEC uses very fundamental principles of thermal physics, however, its theoretical analysis and design details is significantly lacking in the literature. Optimization techniques were barely studied in terms of power generation and fresh water production. In this light, we proposed a conceptual design of a dual-use OC-OTEC plant applying fundamental issues of heat and mass transfer phenomena, as directly related to performance optimization.