KR101895563B1 - 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

열 전달 유체와 고온 가스에 의해 형성된 제트로부터의 운동 에너지의 변환기 (8) 로서,
- 열 전달 유체 (2) 와 고온 가스 (4) 의 적어도 하나의 공급원으로부터 상기 제트의 적어도 하나의 인젝터 (20),
- 상기 인젝터 (20) 에 실질적으로 직각으로 축선 (B) 을 따라 연장되는 샤프트 (44) 에 고정되는 회전 장착된 임펄스 휠 (42) 로서, 상기 임펄스 휠 (42) 은 복수의 비대칭 블레이드들 (46) 을 포함하고, 상기 제트는 상기 샤프트 (44) 를 회전 구동시키고 상기 제트의 축선방향 운동 에너지를 상기 샤프트 (44) 의 회전 운동 에너지로 변형하도록 상기 블레이드들 (46) 로 분사되는, 상기 임펄스 휠 (42),
- 상기 임펄스 휠 (42) 을 둘러싸는 탱크 (36) 로서, 상기 탱크 (36) 는 상기 임펄스 휠 (42) 의 실질적으로 축선 (B) 을 따라 연장되는, 상기 탱크 (36),
- 상기 블레이드들 (46) 아래로 연장되는 적어도 하나의 디플렉터 (56) 를 포함하고,
상기 디플렉터 (56) 는 상기 임펄스 휠 (42) 의 출구에서 열 전달 유체와 고온 가스의 혼합물을 회수하고 상기 탱크 (36) 의 벽 (40) 에 실질적으로 접선방향으로 상기 혼합물을 재지향시키도록 배열된 형상을 나타내고, 상기 탱크 (36) 의 상기 벽 (40) 은 상기 열 전달 유체를 상기 고온 가스와 분리하기 위해서 상기 혼합물에 사이클론 효과를 부여하도록 배열되고, 상기 탱크는 상기 열 전달 유체와 상기 고온 가스를 회수하기 위한 요소들 (66, 68) 을 포함한다.

Description

열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 장치 {DEVICE FOR CONVERTING HEAT ENERGY INTO MECHANICAL ENERGY}
본 발명은 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 장치에 관한 것이다.
첫 번째 경우에, "고립된 장소에" 요구되는 설비는 열 에너지를 태양 에너지로부터 공급받을 수 있도록 하고 이 열 에너지는 전력 및/또는 기계적 에너지로 변환될 수 있다.
태양 에너지의 수집 및 집광 (concentration) 은 잘 알려져 있고: 그것은 파라볼라, 포물선 선형 버킷, 타워의 상단에 태양광선을 집광시키는 플랫 집광기 (헬리오스탯), 또는 선형 프레넬 렌즈에 의해 구성될 수 있다.
"고립된 장소에" 요구되는 설비는, 2 가지 유체, 열 전달 유체 및 열역학적 유체의 혼합물에 의해 회전 구동되는 예를 들어 휠 또는 터빈을 포함한다. 2 가지 유체의 혼합물은 예를 들어 노즐에서 만들어지고 노즐 내부에서 열역학적 유체는 가열된 열 전달 유체의 영향으로 인해 기화된다. 열역학적 유체는 팽창되고, 이것은 고속 2 상 제트를 생성한다.
이 제트는 기계적 에너지를 발생시키도록 그것이 회전 구동시키는 샤프트 둘레에 배열된 블레이드로 분사되고, 샤프트는 터빈에 연결된다. 따라서, 터빈은 제트의 운동 에너지를 회전 운동 에너지로의 변환기로서 작동한다. 임의의 적용에서, 터빈은 예를 들어 펠톤 터빈이다.
터빈에서, 열역학적 유체와 열 전달 유체는 2 상 제트를 형성하기 위해서 회수하여 재사용되도록 부분적으로 분리된다. 이러한 설비가 정확하게 최적의 방식으로 작동하도록, 열 전달 유체와 열역학적 유체는 최적의 방식으로, 예를 들어 98 % 초과하여 분리되어야 한다.
큰 헤드의 폭포로부터 에너지를 회수하는데 사용되는 유형의 임펄스 휠로 구성되는, Lester Pelton 에 의해 1880 년에 발명된 종래의 펠톤 터빈의 사용은 2 상 제트의 유체의 이러한 분리를 얻기에 만족스럽지 않다. 터빈은 임펄스 휠에 의해 교반되는 열 전달 유체와 열역학적 유체의 미스트 (mist) 에 휩싸인다. 열역학적 유체 증기는 추출하기에 매우 어렵고 가끔 휠의 출구에 부가적인 원심 분리기를 추가할 필요가 있는데, 이것은 시스템을 더욱 복잡하게 만든다.
또한, 펠톤 터빈은 열 전달 유체와 열역학적 유체의 고온 혼합물에 휩싸인 볼 베어링에서 탱크에 장착된다. 베어링은 고온에서 작동하기에 그리고 고속으로 회전하는 임펄스 휠에 적합하지 않다. 이 유형의 장비의 수명은 매우 낮다.
이 단점을 완화하기 위해서, 볼 베어링은 터빈을 포함한 변환기의 본체 외부에 위치한 케이싱에 장착될 수 있고, 휠의 샤프트는 그 후 회전 시일을 통과하여 변환기의 내부와 외부 사이에 기밀 (tightness) 을 보장한다. 그러나, 이런 시일은 완벽한 기밀을 보장하지 못하고 누설부를 제공하기 쉬운데, 이것은 열 전달 유체가 공기와 접촉하여 자연 발화될 수 있으므로 위험하다.
두 번째 경우에, 열 에너지를 예를 들어 기계적 에너지로 변형하는 기계에 대해, 액체 상태에서 증기 상태로, 랭킨 사이클을 거쳤거나, 또는 가압하에 이미 가스 형태이지만 고온 열원에 의해 크게 가열되는, 줄 사이클을 거친 열역학적 유체의 팽창이 사용된다.
이 변형은 연소 (피스톤 엔진 및 가스 터빈에서 Beau de Rochas 사이클) 에 의해 또는 스팀 발생기 (종래의 스팀 기계, 또는 스팀 터빈의 랭킨 사이클) 에서 끓임으로써 발생한다.
이 사이클에서, 실제 유체인 열역학적 유체의 팽창은 폴리트로픽 (polytropic) 팽창이고: 열 교환 및 마찰과 함께 변형이 일어나고 그것의 상태 법칙은 압력 (P1) 과 압력 (P2) 사이에서 항상 PVγ = 상수이다.
다각형 A A1 B D E A 의 표면이 사이클에 의해 발생되는 동력의 이미지이고, 선분 DE 는 폴리트로픽 팽창을 나타내는 도 5 의 다이어그램에 의해 T (온도) 및 S (엔트로피) 공간으로 나타낼 수 있는 고온원과 저온원 사이의 사이클을 설명한다.
이 표면은 다각형 A A1 C D D1 E1 A 에 의해 나타낸 카르노 사이클의 표면과 비교될 수 있는데, 이것은 선분 DD1 에 의해 나타낸 팽창은 등온적이다.
다른 모든 것이 동일할 때, 카르노 사이클은 더 많은 기계적 에너지를 회수할 수 있도록 하는 것이 분명히 관찰될 수 있는데, 이것은 선분 DD1 을 따라 등온 방식으로 가스의 팽창이 일어난다는 사실에 기인한다.
열역학적 유체로서 스팀을 사용해 사이클의 효율을 증가시킬 필요가 있다면, 따라서 그것은 등온 방식으로 팽창되어야 한다. 종래의 터빈에서, 스팀의 팽창은 특정 블레이드에서 일어나고 블레이드의 기하학적 구조는 이런 변화 중 열이 블레이드로 전달될 수 있도록 한다.
문헌에 기술되는 기계적 에너지로 열 에너지의 임의의 변환기는 열역학적 유체 (수증기) 와 열 전달 유체 (글리세롤) 의 혼합물의 팽창을 사용하는데 이것은 액체상으로부터 기체상으로 열량을 전달함으로써 임의의 등온성을 보장해야 한다. 고속으로 발생 노즐로부터 배출되는 혼합물은 예를 들어 기계 시스템 또는 교류 발전기를 구동할 수 있는 임펄스 휠로 보내진다.
용적 터빈을 회전시키는데 사용되는, 글리세린과 액체수를 혼합함으로써 수증기를 발생시키는 것은 1940 년 5 월 30 일의 독일 특허 691 549 C 에 설명된다. 하지만, 고온 오일과 물로 구성된, 얻어진 2 상 혼합물은 다음과 같은 단점들을 제공하는데: 오일이 물을 포함할 수 있고, 이것은 상당한 에너지 손실과 비등온성 팽창을 이끈다. 설명된 장치는 기능적이지 않고 제기된 문제점을 해결하지 못한다.
이 원리는 또한 예를 들어 미국 특허 2,151,949 의 오일과 같은 액체와 가압하의 스팀 혼합물을 위해 또는 펠톤 터빈을 구동하기 위해서 1976 년 8 월 3 일의 특허 US-A-3,972,195 에서 배기 가스와 물의 혼합물을 위해 사용된다. 후자의 경우에, 물이 가스의 팽창에 의해 발생되는 냉각을 증가시키므로 가스는 등온적으로 발전하지 않는다.
이 시스템에서, 혼합물 길이가 헤드의 손실을 최소화하도록 또한 제한된다는 사실 때문에 상들 사이의 열 전달이 제한된다. 가스와 액체 사이의 교환은, 기체상에서 불량한 열 교환 계수와 노즐에서 짧은 접촉 때문에 제한된다. 또한, 글리세롤과 물이 팽창 노즐의 입구 조건인 약 10 바와 290 ℃ 의 온도에서 혼합될 때, 후자는 순간적으로 30 ~ 40 % 의 물을 흡수한다. 이 물은 그 후 팽창하는 동안 점진적으로 기화하여서 혼합물의 온도를 감소시킨다. 증기상으로부터 물은 부분적으로 재응축될 수 있는데 이것은 큰 효율 손실을 유발한다.
이 경우에, 스팀은 등온적으로 팽창되지 않을 수 있고 따라서 사이클 효율은 카르노 사이클과 매우 동떨어져 있다.
세 번째 경우에, 열 전달 유체는 열 에너지 저장 설비에서 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 현재 건설중인 임의의 집광 태양열 발전 플랜트는 태양광 집광기 (고온원) 와 직렬로 열 전달 유체 회로, 전력으로의 열 에너지 변환 모듈 및 민감한 형태로 열을 저장하는 대용량 탱크를 가지고 있다.
태양이 없을 때, 변환 모듈은 탱크에 저장된 열을 공급받는다. 이 복원 단계에서, 탱크의 온도는 지속적으로 감소하고 탱크의 온도가 열 에너지를 전력으로 변환하기 위한 모듈을 양호한 조건하에서 더 이상 작동시킬 수 없게 되자마자 이 사용 모드는 정지되어야 한다. 변환 효율은 온도에 따라 감소한다. 산업용 전달 유체의 낮은 비열에 부가되는, 완전 저장과 빈 저장 사이에 허용가능한 작은 온도 차이, 약 30 ℃ 는, 이 시스템의 용적이 매우 높은 값을 획득한다는 것을 의미한다.
본 발명의 목적은, 종래 기술의 단점을 적어도 부분적으로 개선하는 것이다. 본 발명의 목적은, 열 전달 유체와 가스의 양호한 분리를 보장하고 변환기의 신뢰할 수 있는 작동을 보장하면서 동시에 열 전달 유체와 고온 가스의 혼합물에 의해 형성된 제트로 개선된 작동을 하는 운동 에너지 변환기를 특히 형성하는 것이다. 이 목적은 첨부된 청구항들에 의해, 특히 변환 장치가:
- 제 1 유체 공급 라인,
- 열 전달 유체 공급 라인,
- 스팀 발생기로서,
o 상기 제 1 유체 공급 라인에 연결되는 제 1 입구로서, 제 1 유체는 상기 제 1 입구와 제 1 출구 사이에서 제 1 경로를 취하는, 상기 제 1 입구,
o 열 전달 유체를 수용하는 제 2 입구로서, 상기 열 전달 유체는 상기 제 2 입구와 제 2 출구 사이에서 제 2 경로를 취하고, 상기 제 2 경로는 상기 제 1 경로와 별개이고, 상기 제 1 경로는 상기 제 1 유체로부터 스팀을 형성하도록 상기 제 2 경로에 열적으로 결합되고, 상기 스팀은 상기 제 1 출구를 통하여 상기 스팀 발생기로부터 유출되는, 상기 제 2 입구를 구비한, 상기 스팀 발생기,
- 챔버로서,
o 상기 스팀 발생기의 상기 제 1 출구에 연결되는 제 1 입구로서, 상기 제 1 유체는 상기 제 1 입구와 제 1 출구 사이에서 상기 챔버 내 제 1 경로를 취하고, 상기 챔버는 복수의 기본 등온 팽창들에 의한 분획된 팽창에 의해 상기 챔버에서 상기 제 1 유체의 등온 팽창을 수행하도록 구성되는, 상기 제 1 입구,
o 상기 열 전달 유체 공급 라인에 연결되는 제 2 입구로서, 상기 열 전달 유체는 상기 제 2 입구와 제 2 출구 사이에서 상기 제 1 경로와 별개의 제 2 경로를 취하고, 상기 챔버의 상기 제 2 출구는 상기 스팀 발생기의 상기 제 2 입구에 연결되고, 상기 제 1 경로는 각각의 팽창 사이에 상기 제 1 유체를 가열하도록 상기 제 2 경로에 열적으로 결합되는, 상기 제 2 입구를 구비한, 상기 챔버,
- 상기 챔버의 상기 제 1 출구 및 상기 스팀 발생기의 상기 제 2 출구에 연결되고 증기 형태의 상기 제 1 유체와 열 전달 유체를 혼합하여서 2 상 혼합물을 얻도록 구성된, 혼합 기기를 포함한다는 사실에 의해 달성된다
본 발명의 다른 목적은, 열 전달 유체 탱크, 이 탱크에 결합되고 열 전달 유체를 가열하도록 구성된 태양광 집광기, 및 이 탱크에 배열된 액침 히터 (immersion heater) 를 포함하는 열 에너지 저장 설비에 관한 것이다. 스팀 발생기는 열 전달 유체를 공급받는다. 교류 발전기는 상기 스팀을 공급받고, 탱크의 온도를 집광기의 온도보다 높은 온도로 높이기 위해서, 탱크의 온도가 집광기의 출구에서 열 전달 유체의 온도와 동일할 때 교류 발전기는 액침 히터를 공급하도록 구성된다.
이를 위해, 본 발명은 열 전달 유체와 고온 가스에 의해 형성된 제트로부터 운동 에너지의 변환기에 관한 것으로, 이 변환기는:
- 열 전달 유체와 고온 가스의 적어도 하나의 공급원으로부터 제트의 적어도 하나의 인젝터,
- 인젝터에 실질적으로 직각인 축선을 따라 연장되는 샤프트에 회전 고정되어 장착된 임펄스 휠로서, 상기 휠은 복수의 비대칭 블레이드를 포함하고, 제트는 샤프트를 회전 구동하고 제트의 축선방향 운동 에너지를 샤프트의 회전 운동 에너지로 변형하도록 상기 블레이드로 분사되는, 임펄스 휠,
- 상기 임펄스 휠을 둘러싸고, 실질적으로 임펄스 휠의 축선을 따라 연장되는 탱크를 포함한다.
운동 에너지 변환기는 블레이드 아래로 연장되는 적어도 하나의 디플렉터를 포함하고, 상기 디플렉터는 임펄스 휠의 출구에서 열 전달 유체와 고온 가스의 혼합물을 회수하고 탱크의 벽과 실질적으로 접선방향으로 상기 혼합물을 재지향시키도록 배열된 형상을 제공하고, 탱크의 상기 벽은 열 전달 유체를 고온 가스와 분리하기 위해서 상기 혼합물에 사이클론 효과를 부여하도록 배열되고, 탱크는 열 전달 유체와 고온 가스를 회수하기 위한 요소를 포함한다.
휠의 출구에서 디플렉터는, 휠의 출구에서 혼합물의 성층이 유지될 수 있도록 하고 미스트의 형성을 방지하는데, 이것은 혼합물의 유체 분리를 용이하게 한다. 혼합물에 부여된 사이클론 효과는 후에 최적의 방식으로 일어나는 이런 분리를 또한 가능하게 한다.
운동 에너지 변환기의 특징에 따르면:
- 디플렉터는 임펄스 휠로부터의 출구에서 열 전달 유체와 고온 가스의 혼합물의 적어도 하나의 개구 입구를 포함하고, 상기 개구는 휠의 축선에 실질적으로 직각인 평면에서 연장되고, 혼합물의 유출 개구를 포함하고, 상기 개구는 탱크의 벽 근방에 그리고 유입 개구의 평면에 실질적으로 직각인 평면에서 연장되고, 상기 유입 개구와 상기 유출 개구는 곡선 형상을 제공하는 인클로저 (enclosure) 에 의해 서로 연결되고:
- 디플렉터는 적어도 2 개의 유입 개구 및 적어도 2 개의 대응하는 유출 개구를 포함하고, 상기 개구는 상기 인클로저에 적어도 2 개의 유동 채널을 규정하도록 인클로저에 실질적으로 평행하게 인클로저에서 연장되는 적어도 하나의 내벽에 의해 분리되고:
- 에너지 변환기는 열 전달 유체와 고온 가스에 의해 형성된 복수의 제트 인젝터, 및 임펄스 휠의 블레이드 아래에 연장되는 동수의 디플렉터를 포함하고:
- 블레이드 각각은 상기 오목부 (concaveness) 의 바닥에 실질적으로 직각인 축선에 대해 비대칭 오목부를 제공하고, 블레이드는 축선의 각 측에서 연장되는 상단부와 바닥부를 포함하고, 상단부의 곡률 반경은 바닥부의 곡률 반경과 상이하고:
- 인젝터는 블레이드의 상단부에 제트를 분사하도록 배열되고:
- 탱크는 실질적으로 절두된 원뿔 형상의 바닥을 포함하고, 열 전달 유체를 회수하기 위한 요소는 상기 바닥에 배열되고, 실질적으로 원통형 형상의 벽은 바닥으로부터 임펄스 휠의 축선을 따라 연장되고:
- 휠의 샤프트는 탱크에 대한 샤프트의 회전을 허용하도록 유체역학적 유형의 적어도 하나의 플레인 추력 베어링에 의하여 탱크의 바닥에 끼워맞춤되고,
- 에너지 변환기는 임펄스 휠의 샤프트 및 탱크를 둘러싸는 기밀하게 실링된 단열 인클로저를 포함하고, 고온 가스를 회수하기 위한 요소는 상기 인클로저의 상단부에 배열되고,
- 임펄스 휠의 샤프트는, 인클로저의 내부와 인클로저의 외부 사이의 기밀을 보장하도록 배열된 피스톤을 통하여 인클로저로부터 뻗어있다.
본 발명은 또한 열 전달 유체 공급원, 기화가능한 유체 공급원, 및 열 전달 유체를 가열하기 위한 시스템을 포함하는 유형의, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 설비에 관한 것으로, 가열된 열 전달 유체는 상기 유체를 기화하도록 기화가능한 유체와 혼합되고, 상기 혼합물은 제트의 형태로 운동 에너지 변환기로 분사되고, 상기 변환기는 제트의 축선방향 운동 에너지를 상기 변환기의 샤프트의 회전 운동 에너지로 변형하도록 배열되고, 운동 에너지 변환기는 위에서 설명한 바와 같다.
변환 설비의 다른 특징들에 따르면:
- 에너지 변환기의 샤프트는 그것이 회전 구동시키는 교류 발전기에 연결되고, 교류 발전기는 샤프트의 회전 운동 에너지로부터 전력을 발생시키도록 배열되고:
- 열 전달 유체를 가열하는 시스템은 태양 에너지 수집 수단을 포함하고, 수집된 에너지는 열 전달 유체의 유동 파이프를 가열하고,
- 변환 설비는 상기 유체의 재사용을 가능하게 하도록 열 전달 유체를 가열하기 위해서 상기 유체의 저장 장치 및/또는 시스템으로의 유동을 위해 에너지 변환기에 의해 회수되는 열 전달 유체의 유동 파이프를 포함하고:
- 변환 설비는 상기 가스의 응축을 가능하게 하는 냉각 요소로 유동하도록 에너지 변환기에 의해 회수되는 고온 가스의 유동 파이프, 및 상기 가스의 재사용을 가능하게 하도록 기화가능한 유체 공급원을 형성하는 저장 요소로의 응축된 가스의 유동 요소를 포함한다.
다른 장점과 특징들은 단지 비제한적인 예로서 주어지고 첨부 도면에 나타낸 본 발명의 특정 실시형태에 대한 다음 상세한 설명으로부터 더욱 명백히 분명하게 될 것이다.
- 도 1 은 본 발명에 따른 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 설비의 개략도이다.
- 도 2 는 도 1 의 설비에 사용되는 본 발명에 따른 운동 에너지 변환기의 개략적 단면도이다.
- 도 3 은 도 2 의 운동 에너지 변환기에 사용되는 디플렉터의 개략적 사시도이다.
- 도 4 는 본 발명에 따른 임펄스 휠 및 변환기의 디플렉터에서 열 전달 유체와 고온 가스에 의해 형성되는 제트 경로의 개략도이다.
- 도 5 는 T, S (온도, 엔트로피) 다이어그램으로 랭킨 및 카르노 사이클을 도시한다.
- 도 6 은 본 발명에 따라 340 ℃ 의 고온 글리세롤 플럭스 (flux) 로부터,
- 과열된 스팀이 10 바와 290 ℃ 에서 발생될 수 있도록 하고,
- 1.5 바 및 290 ℃ 로 등온적으로 팽창이 수행될 수 있도록 하고,
- 열 전달 유체 플럭스가 스팀 플럭스로 분무될 수 있도록 하고,
- 이 혼합물이 임펄스 터빈으로 분사될 수 있도록 하는 회로 다이어그램을 제공한다.
- 도 7 은 본 발명에 따른 등온 배수로 (isothermal spillway) 시스템의 수직 평면을 통한 개략적 단면도를 제공한다.
- 도 8 은 본 발명에 따른 스팀 입구 측에서 등온 배수로의 수직 평면을 통한 개략적 단면도를 제공한다.
- 도 9 는 본 발명에 따른 스팀 출구 측에서 등온 배수로의 수직 평면을 통한 개략적 단면도를 제공한다.
- 도 10 은 저장 시스템의 다이어그램을 제공한다.
- 도 11 은 집광기에 의한 전기 발생 및 스톡 가열 단계 중 회로 및 개방 또는 제어된 밸브에 제한된 저장 시스템의 다이어그램을 제공한다.
- 도 12 는 액침 히터에 의한 전기 발생 및 스톡 가열 단계 중 회로 및 개방 또는 제어된 밸브에 제한된 저장 시스템의 다이어그램을 제공한다 (대 루프).
- 도 13 은 간헐적 운량 (cloud cover) 의 경우 대 루프로 고온 전달 유체의 분사에 의한 대 루프의 전기 발생 및 가열 보조 단계 중 회로 및 개방 또는 제어된 밸브에 제한된 저장 시스템의 다이어그램을 제공한다.
- 도 14 는 태양 공급원이 장기간 없는 동안 (매우 흐린 날씨 또는 야간) 고온 전달 유체의 분사에 의한 전기 발생 및 온도 조절 단계 중 회로 및 개방 또는 제어된 밸브에 제한된 저장 시스템의 다이어그램을 제공하는데, 태양광 집광기는 에너지 손실을 방지하기 위해서 분리되어 있다 (소 루프).
- 도 15 는 조리 장치를 사용하는 특정 실시형태에 따른 저장 시스템의 다이어그램을 제공한다.
첫 번째 경우에, 도 1 을 참조하면, 열 에너지를 기계적 에너지로, 보다 유리하게 전력으로 변환하기 위한 설비 (1) 가 설명된다. 이 설비는 예를 들어 사막이나 섬과 같은 고립된 지역에서 특히 사용되도록 설계된다.
설비 (1) 는 열 전달 유체 공급원 (2), 기화가능한 유체 공급원 (4), 열 전달 유체의 가열 수단 (6), 및 운동 에너지 변환기 (8) 를 포함한다. 설비 (1) 는 열 전달 유체 및 기화가능한 유체를 이런 다른 요소들 사이에서 수송할 수 있는 일련의 파이프 (10) 를 포함한다.
열 전달 유체 공급원 (2) 은 예를 들어 글리세롤 탱크이고, 이것의 열 전달 유체 특성은 알려져 있고 변환 설비 (1) 에 특히 적합하다. 글리세롤은 예를 들어 고온에서 기화가능한 유체를 형성하는 물과 사실상 혼합되도록 설계된다. 이 글리세롤/물 혼합물은, 고온에서 공비혼합물 (azeotrope) 또는 안정 화합물 없이, 화학적으로 안정되고 혼화가능하기 때문에 특히 유리하다. 따라서, 글리세롤과 물은, 혼합물이 사용된 후 분리될 수 있고 혼합물에서 사용될 어떠한 위험도 제공하지 않는다.
위에서 나타낸 바와 같이, 기화가능한 유체, 또는 열역학적 유체의 공급원은 물 탱크이고, 물은 고온에서 열 전달 유체에 의해 기화되기에 적합하다. 열역학적 유체는 터빈 또는 모터를 구동하는 역할을 하는 유체이다.
설비 (1) 는, 열 전달 유체를 공급원 (2) 으로부터 가열 수단 (6) 으로 운반할 수 있는 유동 파이프 (14) 를 포함한다. 이 가열 수단 (6) 은 예를 들어 태양 에너지 수집 수단 (16) 에 의해 형성되고, 수집된 에너지는 예를 들어 열 전달 유체 유동 파이프 (14) 를 가열함으로써 열 전달 유체를 가열할 수 있다. 이 수집 수단 (16) 은 알려져 있고 파라볼라, 포물선 선형 버킷, 헬리오스탯 또는 선형 프레넬 렌즈에 의해 형성될 수 있다.
이 가열 수단 (6) 은 열 전달 유체를 실질적으로 300 ℃ ~ 400 ℃ 사이로 구성된 작동 온도로 가열할 수 있다. 대안적으로, 가열 수단 (6) 은 가스 보일러 또는 다른 적합한 수단에 의해 형성될 수 있다. 열 전달 유체의 작동 온도는 그 성질 및 설비의 요건, 특히 기화가능한 유체의 성질에 의존한다.
가열 수단 (6) 으로부터의 출구에서, 파이프 (18) 는 열 전달 유체를 노즐에 의해 형성된 인젝터 (20) 로 운반한다.
물 탱크 (4) 에서 나오는 물은, 그것을 예열 수단을 통과하는 인젝터 (20) 로 운반하는 파이프 (22) 를 통과한다. 이 예열 수단은 예를 들어, 추가로 후술되는 것처럼, 변환기 (8) 에 의해 회전 구동되는 교류 발전기 (26) 의 냉각 헤드 (24), 및 완열기 (28; desuperheater) 를 포함한다.
따라서, 물은 그것이 가열된 열 전달 유체와 혼합되는 인젝터 (20) 로 유입되기 전 증가된 열 에너지를 제공한다.
인젝터에서, 물과 열 전달 유체 사이의 혼합물은 열 전달 유체의 온도 때문에 물을 기화하는 효과를 가진다. 수증기에 의해 형성된 고온 가스는 실질적으로 등온 방식으로 인젝터 (20) 에서 팽창되는데, 이것은 인젝터 (20) 에서 고온 가스와 열 전달 유체에 의해 고속 제트가 형성되어 얻어지도록 인젝터 (20) 로 유입되는 혼합물의 운동 에너지를 증가시키는 효과를 가진다. 수증기의 등온 팽창은 열 에너지를 운동 에너지로 최고로 변환시키는 효율을 제공하는 변형임에 주목해야 한다. 따라서, 얻어진 제트는 높은 운동 에너지를 제공한다.
인젝터 (20) 는 실질적으로 수평 축선 (A) 을 따라 운동 에너지 변환기 (8) 로 침투한다.
보다 특히 도 2 에 나타낸, 운동 에너지 변환기 (8) 는, 유리하게도 2 개의 플랜지 (34) 상에 용접된 타원 형상의 2 개의 볼록한 하프 셸 (32) 에 의해 형성된 단열 인클로저 (30) 를 포함한다. 2 개의 하프 셸 (32) 의 용접은 인젝터 (20) 의 축선 (A) 에 직각인 실질적으로 수직 축선 (B) 의 기밀 인클로저 (30) 를 형성한다. 인클로저 (30) 의 바닥은, 추가로 후술되는 것처럼, 유체가 변환기 (8) 를 통과한 후 수집되는 예를 들어 열 전달 유체 탱크 (2) 를 형성한다.
탱크 (36) 는 인클로저 (30) 내부에 제공된다. 이 탱크 (36) 는, 깔때기 형태이거나 실질적으로 절두된 원뿔 형상의 바닥 (38) 및 바닥 (38) 으로부터 연장되는 실질적으로 원통형 형상의 벽 (40) 에 의해 형성되고, 바닥 (38) 과 벽 (40) 은 축선 (B) 을 따라 연장된다.
원통형 임펄스 휠 (42) 은 실질적으로 수직 축선 (B) 을 따라 연장되는 샤프트 (44) 에 의해 탱크 (36) 에 회전 장착된다. 제트의 축선방향 운동 에너지를 샤프트 (44) 의 회전 운동 에너지로 변형하도록 인젝터에 의해 분사된 제트가 임펄스 휠 (42) 과 샤프트 (44) 를 구동하도록 임펄스 휠 (42) 은 인젝터 (20) 를 향하게 위치한다. 임펄스 휠 (42) 은 인클로저 (30) 에 위치한다.
임펄스 휠 (42) 은 실질적으로 반경방향으로 연장되고 오목한 형상을 제공하는 복수의 블레이드 (46) 를 포함한다. 인젝터로부터 나온 분사된 제트가 상기 오목부 (48) 에 도달하여 휠 (42) 을 회전시키도록 블레이드 (46) 의 오목부 (48) 는 인젝터 (20) 의 방향으로 향한다. 블레이드 (46) 의 오목부는, 오목부의 바닥 (50) 을 통과하는 축선 (C) 에 대해 비대칭 형상을 제공하는데, 이 오목부에 실질적으로 직각으로, 즉 실질적으로 축선 (C) 상부에서 축선에 평행하게 바닥부는 축선 (C) 위에서 연장되고 바닥부 (54) 는 축선 (C) 아래에서 연장된다. 상단부 (52) 와 바닥부 (54) 는 다른 곡률 반경과 길이를 제공한다. 특히, 바닥부 (54) 의 곡률 반경은 상단부 (52) 의 곡률 반경보다 훨씬 큰 반면에, 바닥부 (54) 의 길이는 상단부 (52) 의 길이보다 길다.
인젝터 (20) 는 블레이드 (46) 의 상단부 (52) 로 제트를 분사하도록 배열된다. 블레이드 (46) 상으로의 제트의 분사 위치 및 블레이드의 특정 형상은 블레이드 (46) 에서 제트의 경로를 길어지게 할 수 있고 블레이드로부터의 출구에서 이 제트의 성층이 개선될 수 있도록 하는데, 이것은 열 전달 유체와 고온 가스의 후속 분리를 가능하게 한다. 블레이드 (46) 의 제트의 출구 각도, 즉 블레이드의 바닥부 단부와의 접선과 수평 축선 (C) 사이에 형성된 각도는 실질적으로 8°~ 12°사이로 구성되어서, 블레이드 (46) 로부터의 출구에서 제트는 블레이드의 출구 각도가 실질적으로 4°~ 8° 사이로 구성된 종래의 펠톤 터빈에서보다 훨씬 큰 운동 에너지를 제공한다. 이 운동 에너지 증가는 열 전달 유체와 고온 가스의 분리를 개선시킨다.
사실, 블레이드 (46) 로부터의 출구에서, 제트는 블레이드 (46) 아래에 연장되고 수용된 유체를 탱크 (36) 의 벽 (40) 으로 재배향하도록 배열된 디플렉터 (56) 로 들어간다. 도 4 에 나타낸 것처럼, 디플렉터는 열 전달 유체와 고온 가스의 혼합물이 성층화될 수 있도록 한다. 특히, 보다 특히 도 3 에 나타낸 디플렉터 (56) 는, 도 4 에 나타낸 것처럼, 실질적으로 수직 방향으로 휠 (42) 로부터 유출되는 혼합물을 회수하고 실질적으로 수평 방향으로 지속적으로 이 혼합물을 재배향하도록 배열된 형상을 제공하여서, 그것은 탱크 (36) 의 벽 (40) 과 접선으로 디플렉터 (56) 로부터 출력되고, 즉 혼합물은 탱크 (36) 의 벽 (40) 을 따라 뻗어있는 디플렉터 (56) 로부터 출력된다. 이를 위해, 디플렉터 (56) 는 임펄스 휠 (42) 로부터의 출구에서 열 전달 유체와 고온 가스의 혼합물의 적어도 하나의 유입 개구 (58) 를 포함하고, 상기 개구는 휠 (42) 의 축선 (B) 과 실질적으로 직각인 평면, 즉 실질적으로 수평 평면에서 연장되고, 혼합물의 유출 개구 (60) 를 포함하는데, 상기 개구는 탱크 (36) 의 벽 (40) 근방에서 실질적으로 수직 평면에서 연장된다. 도 3 에 나타낸 것처럼, 유입 개구 (58) 와 유출 개구 (60) 는 곡선 형상을 제공하는 인클로저 (62) 에 의해 서로 연결된다. 도 3 에 나타낸 특정 실시형태에 따르면, 인클로저에 혼합물의 유동 채널을 규정하고 여러 개의 유입 개구 (58) 와 대응하는 수의 유출 개구 (60) 를 분리하도록 내벽 (64) 은 인클로저에 실질적으로 평행하게 인클로저 (62) 내부에서 연장된다.
열 전달 유체와 고온 가스의 분리는, 블레이드 (46) 의 형상으로 인해 혼합물의 원심분리에 의해 블레이드 (46) 에서 시작된다. 디플렉터 (56) 안에 통과할 때, 도 4 에 나타낸 것처럼, 혼합물의 나머지는 성층화되고 휠 (42) 의 출구 방향으로의 유동으로부터 탱크 (36) 의 벽 (40) 에 접선방향으로의 유동으로 지속적으로 이동한다. 이 접선방향 유동은 벽 (40) 의 원통형 형상 때문에 혼합물의 원심분리를 유발하는데, 이것은 사이클론 효과에 의한 고온 가스와 열 전달 유체의 분리가 완료될 수 있도록 한다. 열 전달 유체와 고온 가스가 98 % 를 초과하는 정도로 분리되도록 혼합물의 분리는 이렇게 최적으로 수행된다. 디플렉터 (56) 가 혼합물을 적합한 방식으로 재배향하게 배치될 수 있다는 사실 때문에, 실질적으로 수직 축선 (B) 둘레에서 임펄스 휠 (42) 을 회전시키면 탱크의 벽에서 사이클론 효과를 발생시킬 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 에너지 변환기는 여러 인젝터 (20), 예를 들어 종래의 펠톤 터빈에서처럼 6 개의 인젝터, 및 동수의 디플렉터 (56) 를 포함한다.
일단 분리되고 나면, 열 전달 유체는 중력에 의해 탱크 (36) 의 바닥으로 구동되고, 반면에 수증기에 의해 형성된 고온 가스는 인클로저 (30) 의 상단으로 변위된다. 인클로저 (30) 의 상단부는 열 전달 유체와 분리된 고온 가스의 회수 수단 (66) 을 포함한다. 추가로 후술되는 것처럼, 고온 가스는 이 회수 수단 (66) 을 통하여 인클로저로부터 유출되고 나머지 설비로 유동한다.
탱크 (40) 로부터 유출될 때 열 전달 유체가 탱크 (2) 로 통과하도록 탱크 (36) 의 바닥 (38) 은 열 전달 유체의 회수 수단 (68) 을 포함한다. 이 회수 수단 (68) 은 예를 들어 탱크 (36) 의 바닥 (38) 에 만들어지고 탱크 (36) 및 인클로저 (30) 의 바닥 사이에서 연통하는 유출 유동공에 의해 형성된다.
회수된 열 전달 유체는 유체역학적 유형의 적어도 하나의 플레인 추력 베어링 (70) 을 특히 윤활시키는 역할을 하는데, 이 베어링을 통하여 임펄스 휠 (42) 의 샤프트 (44) 가 탱크 (36) 의 바닥 (38) 에 회전 장착된다. 플레인 추력 베어링 (70) 은 사실상 회수 수단 (68) 에 의해 회수된 열 전달 유체에 잠긴다. 이러한 베어링 (70) 은, 종래의 볼 베어링과 달리, 긴 수명을 가지고 고온 환경에서 고속으로 샤프트 (44) 의 회전이 수행될 수 있도록 한다. 또한, 인클로저 (30) 내부의 베어링 (70) 의 설비는 기밀에 대한 모든 문제점들을 회피하고 위험할 수 있는 열 전달 유체의 누설을 방지할 수 있다. 도 2 에 나타낸 실시형태에 따르면, 변환기 (8) 는 2 개의 플레인 추력 베어링 (70) 을 포함한다.
탱크 (2) 에서, 예를 들어 용적형 열 전달 유체 유동 펌프 (72) 는 등속 시일 (74; homokinetic seal) 에 의하여 샤프트 (44) 에 끼움장착된다. 이 부분은, 인클로저 (30) 의 내부를 외부에 연결하고 열 전달 유체를 나머지 설비 (1) 로 유동할 수 있도록 하는 유출 파이프 (76) 에 연결된다. 따라서, 유동 펌프 (72) 는 탱크로부터 열 전달 유체 (2) 를 흡입하여 이를 유출 파이프 (76) 로 분사하도록 배열된다. 구동 모터의 작동은 인젝터 (20) 에 의해 분사된 제트에 의해 구동된 임펄스 휠 (42) 의 샤프트 (44) 를 회전시킴으로써 수행되므로 유동 펌프는 구동 모터가 없다.
유출 파이프 (76) 는 가열 수단 (6) 을 통과하는 열 전달 유체 유동 파이프 (14) 에 연결된 유동 파이프 (78) 에 연결된다. 따라서, 인클로저 (30) 로부터 출력되는 열 전달 유체는 인젝터 (20) 에 의해 분사된 제트를 형성하는데 재사용된다. 또한 유리하게도, 유출 파이프 (76) 는 체크 밸브 (84) 를 통과하는 저장 탱크 (82) 에 연결된 유동 파이프 (80) 에 연결된다.
저장 탱크 (82) 는 유동 펌프 (72) 에 의해 일정한 압력, 예를 들어 약 10 바 (1 바는 105 Pa 와 같음) 로 유지된다. 탱크 (82) 는 탱크 (82) 내 열 전달 유체의 팽창 또는 수축을 보상하는 팽창 용기로서 역할을 하는 막 어큐뮬레이터 (86) 에 연결될 수 있다. 이 저장 탱크 (82) 는 열 에너지 공급원을 구성하고, 이 탱크 (82) 에 존재하는 열 전달 유체는 고온으로 유지된다. 탱크 (82) 에 담긴 고온 열 전달 유체가 인젝터에 의해 분사되는 제트를 형성하는데 사용될 수 있도록 인젝터 (20) 에 연결된 유동 파이프 (88) 는 저장 탱크 (82) 와 인젝터 (20) 사이에서 연장된다. 따라서, 가열 수단 (6) 이 더 이상 작동하지 않을 때, 예를 들어 태양 에너지 수집기 (16) 를 비작동되게 하는 흐린 기간 동안 또는 야간에, 설비는 계속 작동한다. 제어 밸브 (90) 는 열 전달 유체 유동 파이프 (14, 18, 78, 80, 88) 에서 유량 제어를 수행하도록 유동 파이프 (88) 의 경로에 끼움장착된다.
유출 파이프 (76) 를 통하여 유출되는 열 전달 유체의 일부는, 제어 밸브 (96) 를 통과하는 유동 파이프 (94) 에 의하여, 쿠킹 플레이트 및/또는 제빵 오븐 (92), 또는 열 에너지 공급을 필요로 하는 그 밖의 다른 설비에 열 에너지를 공급하는 역할을 또한 할 수 있고, 사용된 열 전달 유체는 체크 밸브 (102) 를 통과하는 유동 파이프 (100) 에 의하여 탱크 (2) 로 재분사된다. 그리하여, 설비 (1) 에 의해 사용되는 열 전달 유체는, 에너지 변환기 (8) 로 공급하는 제트를 형성하는 역할을 할 뿐만 아니라, 열 에너지 공급원을 가질 수 있도록 한다.
특정 실시형태에서, 임펄스 휠 (42) 의 샤프트 (44) 는 인클로저 (30) 의 내부와 인클로저 (30) 의 외부 사이에 기밀을 보장하도록 배열된 피스톤 (104), 예를 들어 스웨덴 피스톤을 통하여 인클로저 (30) 로부터 뻗어있다. 샤프트 (44) 는 유리하게도 영구 자석 유형의 교류 발전기 (26) 의 회전자를 회전 구동시킨다. 이 교류 발전기 (26) 는 샤프트 (44) 의 회전 운동 에너지를 전력으로 변형할 수 있도록 한다. 교류 발전기 (26) 는, 그것의 고정자를 피복하는 냉각 헤드 (24) 를 형성하는 교류 발전기의 회전자에 끼움장착된 팬 (106) 에 의해 그리고 물 유동 파이프에 의해 교류 발전기의 공극 레벨에서 냉각된다. 물 공급 냉각 헤드 (24) 는 물 탱크 (20) 로부터 나오고 감속 기어 (110) 를 통하여 샤프트 (44) 에 의해 작동되는 용적 펌프 (108) 에 의해 헤드로 운반된다. 따라서, 펌프 (108) 는 작동 모터를 포함하지 않는다. 전술한 대로, 냉각 헤드 (24) 는 교류 발전기 (26) 를 냉각하고 물을 예열하는 역할을 한다.
인클로저 (30) 에 제공된 회수 수단 (66) 에 의해 수집된 수증기는 유리하게도 탱크 (4) 로 복귀된다. 바람직하게, 인클로저 (30) 에 제공된 회수 수단 (66) 에 의해 수집된 수증기는 파이프 (미도시) 를 통과하는 완열기 (28) 에 의해 냉각된다. 전술한 대로, 인젝터 (20) 에 의해 분사되는 제트를 형성하도록 재사용되기 전에, 이 냉각된 수증기는 그 후 냉각 타워 (114) 의 일련의 핀 튜브 (112) 에서 응축 및 준포화 (sub-saturated) 되고 유동 파이프 (116) 에 의해 물 탱크 (4) 로 복귀된다.
전술한 대로, 교류 발전기 (26) 는 열 전달 유체 저장 탱크 (82) 의 온도를 유지하도록 배열된 액침 히터 (120) 뿐만 아니라 배전 네트워크 (118) 에 전력을 공급하는데 사용된다.
전술한 설비 (1) 의 정상 작동, 및 또한 야간 동안 또는 흐린 기간 동안 작동은 전술한 설명을 읽을 때 명백하게 분명하다.
설비 (1) 의 시동 작동이 이제 설명될 것이고 반면에 에너지 변환기 (8) 는 정지되고 용적 펌프 (72, 108) 는 작동하지 않는다. 이 시동을 가능하게 하기 위해서, 완열기 (28) 로의 물 유입을 차단할 수 있는 밸브 (122) 및 냉각 헤드 (24) 를 용적 펌프 (108) 의 입구에 연결하는 배출 밸브 (124) 가 제공된다. 설비의 시동이 수행될 때, 밸브 (122) 는 폐쇄되고 따라서 용적 펌프 (108) 를 통하여 유동하는 물은 인젝터 (20) 를 공급하지 않고 배출 밸브 (124) 를 통하여 용적 펌프의 입구로 복귀한다. 교류 발전기 (26) 는 예를 들어 광전지 패널 (130) 에 의해 주간 동안 충전 유지되는 저장 배터리 (128) 에 의해 공급되는, 필드 벡터 제어 타이머 (126) 에 의해 동기 모드로 시동된다. 교류 발전기 (26) 의 이런 시동은 임펄스 휠 (42) 의 샤프트 (44) 를 회전시키는 효과를 가지는데, 이것은 용적 펌프 (72) 및 용적 펌프 (108) 의 시동을 유발한다. 그리하여 열 전달 유체와 물의 유동이 트리거된다. 인젝터 (20) 의 입구에서 열 전달 유체의 온도가 물을 기화시키기에 충분한 온도에 도달했을 때, 밸브 (122) 가 개방되고 설비 (1) 는 정상 작동으로 전환된다.
전술한 설비는 완벽히 자율적으로 작동할 수 있어서 특히 고립된 장소에서 사용하기에 적합하다. 에너지 변환기 (8) 는 설비 (1) 의 최적 작동을 달성하도록 열 전달 유체가 고온 가스로부터 효율적으로 분리될 수 있도록 한다.
사용된 유체, 열 전달 유체 및 물의 성질은 누설이 발생하는 경우에 위험을 줄일 수 있도록 한다. 이 유체는 사실상 사람들의 건강에 위험하지 않고 용이하게 취급될 수 있다. 또한, 이 생성물은 생물에 의한 어떤 위험도 없이 섭취될 수 있는데, 이것은 설비 (1) 가 구현되는 환경을 보호하는데 유리하다.
설비의 시동은 스타터 모터를 요구하지 않기 때문에, 모터 없는 용적 펌프의 작동 및 교류 발전기의 가역 작동은 설비의 효율을 개선한다. 또한, 이런 모터의 부재는, 모터의 만족스러운 작동에 의존하지 않는 설비 (1) 의 신뢰성 (dependability) 을 개선한다.
제 2 경우에 그리고 본 발명의 다른 특정한 실시형태에 따르면, 도 6 에 나타낸 것처럼, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 장치는 제 1 유체의 공급 라인 (205) 과 열 전달 유체 공급 라인 (206) 을 포함한다. 그 장치는 또한 제 1 유체 공급 라인 (205) 에 연결된 제 1 입구를 구비한 스팀 발생기 (201) 를 포함한다. 제 1 유체는 제 1 입구와 제 1 출구 사이의 제 1 경로를 취한다. 스팀 발생기는 또한 열 전달 유체를 수용하는 제 2 입구를 구비한다. 열 전달 유체는 제 2 입구와 제 2 출구 사이의 제 2 경로를 취한다. 제 2 경로는 제 1 경로와 별개이다. 제 1 경로는 제 1 유체로부터 스팀을 형성하도록 제 2 경로에 열적으로 결합된다. 스팀은 제 1 출구를 통하여 발생기 (201) 로부터 출력된다.
변환 장치는 스팀 발생기 (201) 의 제 1 출구에 연결된 제 1 입구를 구비한 챔버 (202) 를 더 포함한다. 제 1 유체는 제 1 입구와 제 1 출구 사이에서 챔버 (202) 내 제 1 경로를 취한다. 챔버 (202) 는 복수의 기본 등온 팽창에 의한 분획화된 팽창에 의해 챔버 (205) 내 제 1 유체의 등온 팽창을 수행하도록 구성된다. 챔버 (202) 는 열 전달 유체 공급 라인 (206) 에 연결된 제 2 입구를 구비한다. 열 전달 유체는 제 2 입구와 제 2 출구 사이에서 제 1 경로와 별개인 제 2 경로를 취한다. 챔버의 제 2 출구는 스팀 발생기 (201) 의 제 2 입구에 연결된다. 제 1 경로는 각 팽창 사이에 제 1 유체를 가열하도록 제 2 경로에 열적으로 결합된다.
변환 장치는 챔버 (202) 의 제 1 출구 및 스팀 발생기 (201) 의 제 2 출구에 연결된 혼합 기기를 더 포함한다. 혼합 기기는 2 상 혼합물을 얻기 위해서 열 전달 유체와 증기 형태의 제 1 유체를 혼합하도록 구성된다.
유체라고 의미하는 것은 액체 또는 가스이다.
유리하게도, 제 1 챔버는 가변 과열을 갖는 관류형 (once-through) 스팀 발생기 (201) 이다. 바람직하게, 제 2 챔버는 스팀 발생기 (201) 의 출구 압력을 일정한 압력으로 유지하는 등온 배수로 (202) 이고, 입구 라인은 인젝터 (205) 이고, 인젝터 (204) 는 2 상 혼합물을 발생시키도록 분무 노즐 (203) 과 배수로 (202) 로부터 제 1 유체의 출구로 구성된다.
유리하게도, 장치는 3 개의 분리된 단계,
- 가압하에 물의 기화 및 과열
- 가스의 열 에너지를 운동 에너지로 변형하는 등온 팽창
- 혼합 기기 내부에서 가스로부터 열 전달 액체로 운동 에너지의 전달로, 열 에너지로부터 기계적 에너지가 발생될 수 있도록 한다.
이 장치는 완전한 기계 조정을 제공하고 장치에 임의의 전자 부품이 존재하는 것을 막는다.
바람직한 실시형태에 따르면, 열 전달 유체는 배수로 (202) 와 연속적으로 연관된 일차 회로, 스팀 발생기 (201) 및 분무 노즐 (203) 로 공급된다.
고온원 (206) 에서 비롯되는 고온 열 전달 유체는, 그것이 팽창 중 스팀을 가열하는 등온 배수로 (202) 로 입력된다.
유리하게도, 장치는 과열된 스팀이 발생될 수 있도록 하고 열 전달 유체 플럭스로부터, 10 바 290 ℃ 에서 1.5 바 290 ℃ 로, 가압하에 팽창된다. 이 등온 팽창은 약 130 m/s 의 속력으로 스팀이 제공될 수 있도록 한다.
유리하게도, 증기 형태의 제 1 유체는 등온 배수로 (202) 에서 1.5 바로 팽창되고 동시에 열 전달 유체의 열 입력으로 인해 그 온도를 유지한다.
등온 배수로로부터의 출구에서 열 전달 유체는, 대기압에서 인젝터로부터 출력되는 2 상 플럭스를 인젝터 (204) 에 발생시키도록 압력 감소기로부터 고속으로 유출되는 스팀 플럭스로 분무 노즐 (203) 에 의해 약한 준포화 상태에서 약 2 ~ 5 ℃ 로 유체가 유입되는 출구에서 관류형 스팀 발생기 (201) 의 일차 회로로 유입된다.
유리하게도, 관류형 스팀 발생기는 저렴한 비용으로 단순한 유체 유동 시스템을 얻을 수 있도록 하고, 다중 통로 발생기와 비교해 마찰로 인한 손실을 감소시킬 수 있도록 한다.
유리하게도, 열 전달 유체에 의해 취해진 경로는 등온 배수로 (202) 에서 제 1 유체의 온도를 보존하도록 제 1 스테이지로 구성된다. 제 2 스테이지에서, 그 유체는 스팀 발생기의 "일차 회로" 로 입력된다. 제 3 스테이지에서, 열 전달 유체는 2 상 플럭스를 발생시키도록 증기 형태의 유체와 혼합된다.
등온 배수로 (202) 는, 어떤 스팀 유량이 발생되던지 가변 과열을 갖는 관류형 스팀 발생기 (201) 의 출구 압력을 일정한 값으로 유지한다.
그리하여, 장치는 가압하에 과열된 스팀 및 열 전달 유체로부터 고속으로 2 상 혼합물을 발생시킬 수 있도록 하여, 가압하에 과열된 스팀을 발생시키는 기능, 스팀의 등온 팽창 기능 및 열 전달 유체와 고속으로 스팀의 혼합 기능을 분리한다.
2 상 혼합물이 의미하는 것은 두 가지 별개의 상을 포함하는 혼합물이다. 바람직하게, 이것은 액체상과 기체상을 포함한다. 기체상은 바람직하게 수증기이다. 액체상은 유리하게도 액체 형태의 열 전달 물질이다. 예를 들어, 열 전달 물질은 글리세롤과 같은 열 전달 유체일 수 있다.
도 7, 도 8 및 도 9 에 나타낸 것처럼, 등온 배수로는 바람직하게 고정 본체 (215a) 와 가동 밸브 (210) 에 의해 형성된다. 가동 밸브와 고정 본체 사이의 기밀은 벨로우즈 (227) 에 의해 달성된다. 가동 밸브와 고정 본체는 8 개의 라미네이팅 기기 (211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 239) 에 의해 각각 분리된 7 개의 가열 스테이지를 구성한다.
다른 실시형태에 따르면, 라미네이팅 시스템은 밸브에 의해 대체될 수 있다.
유리하게도, 라미네이팅 시스템 (211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 239) 의 직경은 배수로 (202) 의 입구 (216) 와 출구 (237) 사이에서 증가한다.
이 장치는 가동 밸브에 기계가공된 수형 콘 (cone) 및 고정 본체에 기계가공된 암형 콘에 의해 형성된다. 이 밸브/시트 조립체의 개구의 치수는, 그것의 헤드 손실이 압력, 및 따라서 질량 용적, 그것의 각 입구에서 스팀 때문에 동일하도록 결정된다.
밸브/시트 조립체의 직경은, 본체 (215a) 에 가동 밸브 (210) 를 끼움장착할 수 있도록 배수로의 바닥과 상단 사이에서 증가한다.
각 라미네이팅 기기의 헤드 손실은, 영 (zero) 과 압력 감소기의 공칭 유량 사이에서 구성된 모든 유량에서 약 1.25 바이다. 라미네이팅 기기의 공극 및 따라서 그것의 헤드 손실은 스프링 (232) 의 작용 및 입구와 출구 사이에서 압력 차이로 인한 힘의 길항작용 (antagonism) 에 의해 정해지고: 그것은 가변 유량에서 일정한 헤드 손실을 유지하는 종래의 산업적 압력 감소 배수로의 작동이다.
나사 (231) 는 스프링 (232) 의 압축을 변경함으로써 팽창 값이 조절될 수 있도록 한다. 유리하게도, 나사 (231) 는 회로의 헤드 손실이 제어될 수 있도록 하여서, 스팀 발생기 (201) 로부터 출구에서의 압력인 상류 압력을 제어한다.
라미네이팅 기기에서 각각의 팽창 후, 스팀은 고정식 부품과 가동석 부품에서 장치의 유동 채널 (255) 을 둘러싸는 벽에 의해 다음 장치까지 재가열된다.
유리하게도, 증기 형태인 제 1 유체의 유동 채널은 2 개의 라미네이팅 기기 사이의 고정된 피치의 나선을 포함하고, 상기 피치는 각각의 스테이지에서 증가한다.
채널이라고 의미하는 것은 직사각형 단면의 스레드이다. 피치는, 나선의 일 턴 (turn) 후, 셸의 동일 모선에서 2 개의 섹션을 분리하는 거리이고, 그것은 단면에 독립적이다.
유리하게도, 배수로 (202) 는 서로 밀봉된 (hermetically sealed) 3 개의 채널을 각각 형성하도록 배열된 3 개의 셸 (250, 251, 252) 을 포함한다. 셸은 예를 들어 중공 원통형 튜브이다.
고정 본체는 서로 열간 프레싱되고 용접에 의해 서로 고정된 2 개의 동심 셸 (250, 251) 에 의해 형성된다. 셸 (250) 은, 일정한 피치와 직사각형 단면의 나사 형태로 외경에서 기계가공되는데 직사각형 단면의 직경은 각각의 스테이지에서 증가한다.
셸 (251) 과 셸 (250) 은 본체 (215a) 에서 열 전달 유체의 측방향 유동 채널을 형성한다.
가동 밸브는, 각 스테이지에서 증가하는 직경을 가지는 깊이와 일정한 피치의 나사가 또한 기계 절삭되는 코어 (210) 에 의해 형성된다.
기계 절삭이라고 의미하는 것은 예를 들어 선반, 밀링 기계에서 또는 머시닝 센터로 기계가공되는 것이다.
바닥을 구비한 셸 (252) 은 이런 식으로 기계가공된 코어에서 열간 프레싱되고, 셸은 가동 밸브 (210) 에 열 전달 유체 채널 (254) 을 형성한다. 스테이지에 대하여 일정하게 유지되고 각 스테이지에서 증가하는 피치를 가치는 일정한 깊이 (255) 의 나선이 가동 밸브 (210) 의 셸 (252) 의 외경에서 절삭된다. 유리하게도, 가변 피치와 직경의 나선으로 감긴 채널은, 증기가 스팀 발생기 (201) 의 출구로부터 인젝터 (204) 의 입구로 유동하도록 설계된 분기부 (divergent) 를 구성한다.
스테이지를 위한 나선의 단면, 및 따라서 그것의 피치는 고려된 스테이지의 평균 압력에서 증기의 비체적 (specific volume) 에 비례한다. 스팀의 연속 나선은, 증기의 속력을 배수로 입구에서 10 바에서 60 m/s 로부터 출구에서 1.5 바에서 130 m/s 로 변화시킬 수 있도록 한다.
증기는, 라미네이팅 기기 (211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 239) 에 의해 분리된, 일정한 피치로 복수의 나선에 의해 형성된 채널 (255) 에서, 원형 수집기 (236) 를 통하여, 입구 (216) 로부터 출구 (237) 로 운반된다.
2 개의 채널 (253, 254) 에서 유동하는 열 전달 유체 플럭스는 나선 (255) 에서 유동하는 스팀 플럭스에 열을 제공한다. 열 전달 유체 유동 채널은 유리하게도 헬리컬 또는 나선으로 감기고 증기 형태인 제 1 물질의 유동 채널의 각 측에 위치한다. 바람직하게, 채널은 고정된 피치와 깊이를 가지고 그것의 직경은 각각의 스테이지에서 변한다.
셸 (250) 및 셸 (252) 의 기계가공으로부터 그루브의 바닥에서 잔류 두께는, 열 전달 유체와 팽창하는 증기 사이의 열 교환을 조성하도록 약 1.5 ㎜ 로 감소된다.
본체 (215a) 에 대한 밸브 (210) 의 운동을 가능하게 하는 1 내지 2/10 ㎜ 의 기능성 간극 (functional clearance) 은 셸 (251) 과 셸 (252) 사이에 위치한다.
다른 직경의 가동 밸브 (210) 의 스테이지 사이의 열 전달 유체 유동의 지속성은, 카운터보링 또는 통로 (223) 및 홀 (221) 에 의하여 발생한다.
유리하게도, 카운터보어 또는 홀은 2 개의 스테이지 사이의 통로 기능을 이행할 수 있다.
코어의 나사 (254) 로 열 전달 유체의 공급은, 다이어프램 (224) 을 통하여 나사 (254) 의 베이스로 공급하는 중심 채널 (222) 이 뒤따르는 입구 (230) 를 통하여 수행된다. 출구 (235) 에 연결된 환형 수집기 (229) 로 개방되는 홀 (240) 을 통하여 유출이 일어난다.
고정 본체 (215a) 의 나사 (253) 로 열 전달 유체의 공급은 2 개의 입구 (225, 226) 를 통하여 수행된다. 수집기 (238, 239) 를 통하여 유출이 일어난다.
유리하게도, 2 개의 입구 (225, 226) 는 나사 (253) 에 열 전달 유체를 공급할 수 있도록 한다. 다른 실시형태에 따르면, 단일 열 전달 유체 입구가 장치에 존재한다.
2 개의 입구를 구비한 장치는, 입구 유체의 속력을 증가시킬 수 있고 손실을 감소시킬 수 있다.
다른 직경의 스테이지 사이의 열 전달 유체 유동의 지속성은 보어 (220) 및 홀 (223) 을 통하여 발생한다.
유체 간 교환을 위한 나선 채널에서 유동의 사용은, 증가된 난류로 인해, 교환 계수의 큰 개선이 얻어질 수 있도록 한다. 또한, 나선 형상의 분기부를 가진다는 사실은 장치의 큰 콤팩트화를 얻을 수 있도록 한다. 감겨졌을 때, 그것은 약 800 ㎜ 의 높이를 가지고, 직선으로 평평하게 한 형태에서 그것은 길이가 약 12 m 일 것이다.
기기는 또한 열역학적 유체로서 물과 열 전달 유체로서 글리세롤이 함께 작용하도록 할 수 있고, 10 바에서 글리세롤에 의한 물의 흡수 문제를 막고, 이것은 이중 상으로 실제로 등온 팽창을 얻는데 어려움을 유발한다. 팽창 중 물이 기화됨에 따라, 상들간 전달에 의해 또는 외부 열 입력에 의해 잠열을 공급할 수 없다. 글리세롤은 위험성에 관한 한 매우 큰 장점을 가지고: 그것은 사실상 먹을 수 있고 이 장치는 팽창 등온성을 방해하는 용해 현상을 방지한다.
기계 배수로의 사용은 관류형 스팀 발생기로부터 출구에서 제어 밸브 및 그것의 제어 전자부품을 끼움장착할 필요성을 없앤다
본 발명의 열 에너지의 기계적 에너지로 변환기는, 열역학적 유체의 등온 팽창이 운동량을 생성할 수 있도록 한다. 그것은 예를 들어 임펄스 휠을 사용하는 전기 발생 모듈을 장착할 수 있는데, 그것의 단순성과 효율이 특히 매력적이다.
다른 바람직한 실시형태에서, 팽창 시스템으로부터 출구에서, 약 2 ~ 5 ℃ 에서, 약하게 준포화된 열 전달 유체의 유량은 미세 방울 형태인 가스 방식 (vein) 으로 주입되는데, 미세 방울의 크기는 단거리에 대해 실제적으로 스팀의 속도로 방울을 변위시킬 수 있도록 조절된다. 그 후, 혼합물은 임펄스 터빈의 버킷으로 이동된다.
다시 말해서, 배수로는 2 개의 요소를 포함할 수 있고, 제 1 요소는 고정된 제 2 요소에서 움직일 수 있다.
그러면, 제 2 요소는 배수로의 종방향 축선 (A1) 둘레에서 제 1 나선 채널 (253) 을 형성하도록 중심 셸 (251) 이 맞물림되는 외부 셸 (250) 을 포함하고, 상기 축선 (A1) 은 배수로의 제 1 단부로부터 배수로의 제 2 단부로 연장된다. 외부 셸 (250) 과 중심 셸 (251) 은 서로에 대해 고정되고, 다시 말해서 그것은 동일한 운동 기준 프레임에 위치한다.
제 1 요소는 배수로의 종방향 축선 (A1) 을 따라 기다란 본체 (210) 를 포함하고, 축선 (A1) 의 방향으로 그 종방향 외부 표면에, 축선 (A1) 을 둘러싸는 제 2 나선 채널 (254) 을 형성하도록 설계된 나선 그루브를 구비한다. 내부 셸 (252) 은 그루브를 폐쇄하고 제 2 나선 채널 (254) 을 형성하도록 기다란 본체 (210) 에 맞물린다. 다시 말해서, 일반적으로, 기다란 본체 (210) 와 내부 셸 (252) 은 종방향 축선 (A1) 을 둘러싸는 제 2 나선 채널을 형성하도록 구성된다.
내부 셸 (252) 이 중심 셸 (251) 을 향하고 있도록 제 1 요소는 제 2 요소에서 움직일 수 있게 끼움장착된다. 내부 셸 (252) 및 중심 셸 (251) 은 제 3 나선 채널 (255) 을 형성하도록 구성된다. 사실상, 제 1, 제 2 및 제 3 나선 채널 (253, 254, 255) 은 3 개의 동심 나선으로 보여질 수 있는데, 제 3 채널 (255) 은 제 1 채널 (253) 과 제 2 채널 (254) 사이에 위치한다.
제 1, 제 2 및 제 3 채널이 서로에 대해 기밀하게 실링되도록 배수로는 구성된다. 제 1 및 제 2 채널 (253, 254) 은 열 전달 유체 유동을 만들도록 설계되고, 반면에 제 3 채널 (255) 은 스팀 발생기 유동으로부터 나오는 증기 형태의 유체를 만들도록 설계된다. 유리하게도, 제 1 및 제 2 채널 (253, 254) 의 기능은 배수로에서 유체의 운동 중 바람직하게 유체의 온도를 일정하게 유지하도록 증기 형태인 유체의 온도를 제어하는 것이다. 제 1 채널은, 배수로의 제 1 단부의 레벨에서 적어도 하나의 입구 (225, 226) 와 배수로의 제 2 단부의 레벨에 위치한 적어도 하나의 연관된 출구 (238, 239) 사이에서 열 전달 유체를 공급받을 수 있다. 도 7 내지 도 9 에서, 유체 입력을 증가시킬 수 있는 2 개의 입구 (225, 226) 와 2 개의 출구 (238, 239) 가 있지만, 단일 입구 및/또는 단일 출구로 충분할 수 있다. 제 2 채널 (254) 은 제 1 요소의 본체 (210) 에 형성된 중심 채널 (222) 에 의해 배수로의 제 1 단부 (입구 (224)) 의 레벨에서 열 전달 유체를 공급받을 수 있고, 상기 중심 채널은 배수로의 제 2 단부의 레벨에서 가요성 열 전달 유체 입구 파이프에 의해 연결된다. 그 후, 제 2 채널 (254) 과 연관된 열 전달 유체는 입구 (224) 및 배수로의 제 2 단부의 레벨에 위치한 출구 (235) 사이에서 유동할 수 있다. 제 3 채널 (255) 은 배수로의 제 1 단부의 레벨에서 공급되는 부분을 위한 것이고, 유량은 제 1 라미네이팅 시스템 (211) 에 의해 조절될 수 있다. 사실상, 제 3 채널 (255) 에 공급하기 위해서, 배수로는 공동 (261) 으로 개방된 증기 형태인 유체의 입구 (216) 를 포함할 수 있고, 그 용적은 제 2 요소에 대한 제 1 요소의 위치에 따라 변할 수 있고, 공동은 제 1 라미네이팅 시스템 (211) 을 통하여 제 3 채널 (255) 과 연통한다. 유리하게도, 제 3 채널 (255) 의 출구 (237) 는 배수로의 제 2 단부의 레벨에 위치한다. 적어도 제 1 라미네이팅 시스템 (211) 은 유리하게도 배수로로부터 상류의 압력, 즉 스팀 발생기로부터 출구에서 압력을 조절할 수 있도록 한다. 사실상, 도 7 에서, 제 1, 제 2, 및 제 3 채널의 각각의 입구는 배수로의 제 1 단부의 레벨에 위치하고 그것의 각 출구는 배수로의 제 2 단부의 레벨에 위치한다.
유리하게도, 배수로의 입구에서 유체의 압력은 10 바이고 출구에서 압력은 1.5 바이다.
도 7 에 도시된 대로, 배수로를 통하여 증기 형태인 유체의 속력을 제어하도록, 배수로는 그것의 종방향 축선 방향으로 여러 스테이지 (예를 들어, 도 7 의 실시예에서는 E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7 로 번호가 매겨진 7 개의 스테이지가 있음) 로 분할된다. 증기 형태인 유체의 이 속력은 특히 제 3 나선 채널 (255) 의 프로펠러의 피치 및 상기 제 3 채널의 단면을 증가시킴으로써 제어될 수 있다 (사실상 이 경우에 피치가 도면부호 P1 로 식별되는 도 7 의 단면도에 따르면 채널의 두 부분들/턴들 사이에서 채널의 중심을 분리하는 거리와 피치가 대응한다). 기계적으로 유체의 속력 및 팽창을 제어하기 위해서, 나선 채널 (253, 255, 254) 의 턴 (d1, d2, d3) 각각의 직경은 증기 형태인 유체의 전파 방향으로 각 스테이지 (E1, E2, E3, E4, E5, E6, E7) 사이에서 증가한다 (전파 방향은 도 7 에서 화살표 (F1) 로 표시되고, 이 방향은 실질적으로 배수로의 종방향 축선 (A1) 과 평행하다). 또한, 각 스테이지 사이의 팽창 및 유량을 기계적으로 제어하기 위해서 그리고 유체의 속력을 유지하기 위해서, 배수로는 라미네이팅 시스템을 포함하고, 라미네이팅 시스템 (211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 239) 은 각 스테이지 사이의 계면에 배열된다. 유리하게도, 중심 셸 (251) 의 하나의 표면과 내부 셸 (252) 의 하나의 표면은, 2 개의 표면이 접촉하거나 라미네이션이 최대 (그러면 시스템은 거의 폐쇄된 밸브로서 작동) 인 거리만큼 분리될 수 있는 근위 (proximal) 위치, 및 라미네이션이 최소 (그러면 시스템은 개방 밸브로서 작동) 인 원위 (distal) 위치를 점유할 수 있다는 사실에 의해 구현된다.
유리하게도, 라미네이팅 시스템 세트는, 배수로로부터 상류의 압력, 즉 스팀 발생기로부터 출구에서 압력이 효율적으로 조절될 수 있도록 한다.
유리하게도, 유체의 속력은 불량한 라미네이션 및/또는 채널의 손상을 유발하는 헤드 손실, 채널의 부식, 마찰 및 난류를 막도록 50 m/s ~ 100 m/s 로 구성된다. 더욱이, 너무 높은 속력은 조절 민감성 손실을 초래할 것이고 장치에 대한 스프링의 작용은 비효과적일 것이다.
도 7 내지 도 9 의 실시예에서, 각 채널의 턴의 직경 (d1, d2, d3) 이 하나의 스테이지로부터 다른 스테이지로 증가하는 것을 고려하면, 이상적으로 통로 (220, 221, 223) 는, 제 1 및 제 2 채널 (253, 254) 에 대해 증기 형태인 유체의 전파 방향 (F1) 으로 연관된 스테이지의 제 1 턴과 스테이지의 마지막 턴을 부합시키도록 배열된다. 제 3 채널 (255) 의 하나의 스테이지로부터 다른 스테이지로의 통과에 관해서는 라미네이팅 시스템에 의해 수행된다.
작동 문제가 발생한 경우, 예를 들어 누설이 있는 경우, 분획된 팽창의 사용은 누설이 단일 스테이지로 국한되도록 할 수 있다.
제 2 요소에서 제 1 요소의 이동성 때문에, 내부 셸 (252) 은 기능성 간극에 의해 중심 셸 (251) 과 분리되어서 종방향 축선 (A1) 을 따라 제 2 요소에 대한 제 1 요소의 병진 운동을 가능하게 한다. 이 기능성 간극은 제 3 나선 채널 (255) 을 형성하는 나선의 2 개의 인접한 스파이어 (spires) 사이에 직접 유체 통로의 존재를 도입한다. 다시 말해서, 유체 대부분은 배수로의 종방향 축선 (A1) 둘레에서 그 자체를 감는 채널 (255) 을 따른 방향 (F1) 으로 이동하고 유체의 일부는 기능적 간극 때문에 갭을 통하여 일 턴에서 다른 턴으로 통과한다. 하지만, 이 갭에 의해 유도되는 바이패스 (by-passes) 는 구현되는 기능성 간극 범위에서 무시해도 될 정도이다.
나타낸 바와 같이, 제 2 요소에 대한 제 1 요소의 이동성은 기계적으로 라미네이션이 구현될 수 있도록 한다. 기계 시스템은 전자부품으로 인한 문제들 (동력 공급, 유지보수, 등) 을 제한하면서 콤팩트한 장치를 얻을 수 있도록 한다. 제 2 요소에 대한 제 1 요소의 위치, 및 따라서 라미네이팅 시스템의 조절은 예를 들어 스프링 (232) 과 함께 리테이닝 나사 (231) 에 의해 구현된 압력 시스템 (231, 232) 을 통하여 수행될 수 있다. 압력 시스템 (231, 232) 은 유리하게도 스팀 발생기 (201) 로부터의 출구에서 일정한 압력을 가지도록 압력이 조절되도록 할 수 있다.
물론, 공간 또는 전자부품에 대한 어떠한 문제도 발생시키지 않으면서, 본 기술분야의 당업자는 별개의 원격 제어 밸브, 예를 들어 전기 밸브, 및 스팀을 가열하도록 각 밸브 사이에 열교환기를 구현함으로써 다른 스테이지들을 달성할 수 있는데, 이 경우에 제 1 요소는 제 2 요소에 가동 끼움장착될 필요는 없다. 스테이지의 개수는 예시로 주어졌고, 아주 당연하게, 본원에 따르면, 본 기술분야의 당업자는 스테이지와 그것의 개수를 보정할 수 있을 것이다.
제 3 경우에 그리고 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 열 전달 유체는 태양 에너지로부터 고립된 장소에서 열적 및 전기 에너지 저장 및 발생 유닛에서 사용되고: 태양 에너지 수집 및 집광 장치, 열 에너지를 전력으로의 변환 모듈로 수송하는 열 전달 유체 회로, 야간 동안 또는 흐린 기간 동안 전기 발생을 유지시킬 수 있는 원래 열 에너지의 저장 시스템을 포함한다. 이 발생 유닛은 열악한 기후 조건: 70 ℃ 의 주위 온도, 모래폭풍, 강풍, 및 산업화되지 않은 시골의 일반주택양식의 서식 환경하에서 수년 동안 중단 또는 유지보수 작동 없이 작동해야 한다.
본 발명의 목적을 이루는 전력 발생 유닛의 저장부에서, 다른 모든 것이 동일할 때, 그 용량은 종래의 저장부와 비교해 5 배 증가되는데, 왜냐하면 스톡의 로딩이 두 가지 다른 방식: 첫째로 태양광 집광기에 의해 제공된 열에 의해, 그 다음에는 탱크의 온도가 집광기로부터의 출구에서 열 전달 유체의 온도와 동일할 때, 열 에너지를 전력으로 변환하기 위한 모듈의 교류 발전기에 의해 공급되는 전기 액침 히터에 의해 수행되기 때문이다. 스톡의 온도는 약 450 ℃ 까지 이를 수 있고, 집광기는 먼저 열 전달 유체를 약 300 ℃ 로 가열한다.
"열전기 저장부" 로 불리는 이 저장부의 구성에서, 액침 히터는 교류 발전기에 의해 공급되는 동력 전부를 흡수할 수 있다.
특정 실시형태에 따르면, 열 전달 유체 회로의 분기로, 제빵 오븐과 쿠킹 플레이트를 가열할 수 있어서 햇빛이 없는 경우에 작동할 수 있다.
열 에너지를 저장하기 위한 설비는 열 전달 유체 탱크 (308), 탱크 (308) 에 결합되고 열 전달 유체를 가열하도록 구성된 태양광 집광기 (301), 및 탱크 (308) 에 배열된 액침 히터 (310) 를 포함한다. 스팀 발생기 (302) 는 열 전달 유체를 공급받는다. 교류 발전기 (306) 는 상기 스팀에 의해 공급되고, 집광기 (301) 의 온도를 초과해 탱크 (308) 의 온도를 높이도록, 탱크 (308) 의 온도가 집광기 (301) 로부터의 출구에서 열 전달 유체의 온도와 동일할 때 교류 발전기 (306) 는 액침 히터를 공급하도록 구성된다.
열전기 저장부의 작동은 도 10 에 도시된다.
태양 광선으로부터 발생하는 열 에너지는 스팀 발생기 (302) 의 주요부를 공급하는 열 전달 유체를 가열하는 집광기 (301) 에서 수집되고 집광된다. 스팀 발생기는 터빈 (305) 을 구동하는 스팀을 발생시킨다.
다음, 열 전달 유동을 위한 기어 펌프 (303), 공급 펌프 (304), 및 교류 발전기 (306) 가 터빈의 샤프트 라인에 끼움장착된다.
터빈으로부터 유출되는 스팀은 냉각 타워 (307) 의 핀 튜브 세트에서 응축되고 준포화되며, 응축수는 그 후 냉각 타워의 웰 (well) 에 수집되고 공급 펌프 (304) 에 의해 스팀 발생기 (302) 로 운반된다.
저장 탱크 (308) 는, 나머지 열 전달 유체 회로처럼, 기어 유동 펌프 (303) 에 의해 약 5 바의 압력으로 유지된다.
막 어큐뮬레이터 (309) 는 온도가 변할 때 저장 탱크 및 회로 세트에 함유된 유체의 팽창 또는 수축을 보상하도록 팽창 탱크로서 역할을 한다.
교류 발전기는 배전 네트워크 (315), 및 액침 히터 (310) 로 공급되어, 저장 탱크 (308) 가 가열되도록 할 수 있다. 사용자 동력 네트워크 (315) 와 액침 히터 (310) 사이에서 동력의 분배는 분배기 (314) 에 의해 수행된다.
전술한 방법은 계속해서 일조량을 갖거나 흐린 날씨 상태의 주간 기간에, 그리고 야간 기간에 유닛의 작동을 가능하게 한다.
도 11 은 계속해서 일조량을 갖는 주간 기간 동안 제어 작동하는 회로 및 개방 밸브의 이미지를 제공한다.
이 방법은 다음 방식으로 작동한다:
태양광 집광기가 태양 광선을 집광시키자마자, 샤프트 라인은 모터로서 작동하는 교류 발전기 (306) 에 의해 시동되고 제어 모듈 (312) 을 통하여 배터리 (311) 에 의하여 공급받는다. 배터리는 광전지 패널 (313) 에 의하여 충전 상태로 유지된다.
열 전달 유체 회로는 스톡과 스팀 발생기를 병렬로 공급하도록 배열되고: 밸브 (316, 317, 318) 는 개방되어 있고, 밸브 (319, 322) 는 폐쇄되어 있다. 제어 밸브 (321) 는 스톡에서의 유동과 스팀 발생기 일차 시스템에서 유동 사이에 유량의 양호한 분배를 보장한다. 이런 두 유량은 열 전달 유체 유동 펌프 (303) 의 흡입부에서 합류한다.
바람직한 실시형태에 따르면, 열 전달 유체는 터빈 (305) 의 샤프트 라인에 결합된 기어 용적 유동 펌프 (303) 에 의하여 태양광 집광기 (301) 와 탱크 (308) 사이에서 유동하는데, 이것은 막 어큐뮬레이터 (309) 와 함께 열 전달 유체의 온도에 대응하는 포화 압력보다 더 높은 압력으로 탱크 (308) 를 유지한다.
스팀 발생기가 작동하고 터빈이 구동하기 시작했을 때, 교류 발전기는 발생 모드로 전환된다. 교류 발전기와 태양광 집광기의 공칭 동력은 네트워크로 공급될 동력과 햇빛이 있는 시간 동안 저장될 동력에 대응하는 태양 플럭스를 흡수하도록 선택된다.
교류 발전기에 의해 발생된 에너지가 네트워크 및 펌프 (303, 304) 로 공급된 에너지보다 크게 되고, 스톡의 온도가 집광기의 출구 온도와 동일하게 되자마자, 밸브 (316, 321) 는 폐쇄되고 잉여 전력은 액침 히터 (310) 에서 줄 (Joule) 효과에 의해 분배되고: 따라서 그것은 열 에너지의 형태로 저장되고 저장부 (308) 의 온도는 집광기 (301) 의 출구 온도를 초과하도록 증가한다. 열 전달 유체 회로는 "대 루프" 모드로 작동한다. 이 작동 모드는 도 12 에 도시된다.
따라서, 열 전달 유체를 담은 탱크 (308) 는 먼저 집광기 (301) 에서 비롯되는 고온 전달 유체의 플럭스에 의해, 그 후 그 온도가 집광기 (301) 로부터의 출구에서 열 전달 유체의 온도와 동일할 때 교류 발전기 (306) 에 의해 공급되는 액침 히터 요소에 의하여 열 에너지로 재충전되고, 저장 탱크 (308) 의 온도가 집광기 (301) 로부터의 출구에서 열 전달 유체의 온도 (300 ℃) 보다 훨씬 더 높은 온도 (450 ℃) 에 도달할 수 있도록 구성된다.
도 13 은 흐린 날씨 조건을 갖는 주간 기간에 제어 작동하는 회로 및 개방 밸브의 이미지를 제공한다. 이 방법은 다음의 방식으로 작동하고: 태양을 가리는 가끔씩 발생하는 구름의 통과로 집광기에서 열 전달 유체의 가열을 감소시킨다. 스팀 발생기로의 입구에서 온도 (323) 는 밸브 (322) 를 개방하고 흐린 기간 동안 스톡 (308) 에서 생기는 열 전달 유체를 주입하는 제어 모드로 밸브 (319) 를 전환함으로써 일정하게 유지된다. 흐린 기간이 너무 오랫동안 지속된다면, 회로는 야간 모드로 전환된다.
도 14 는 야간 기간에 제어 작동하는 회로 및 개방 밸브의 이미지를 제공한다. 이 방법은 다음과 같은 방식으로 작동하고: 태양 에너지를 더이상 이용할 수 없게 되자마자, 밸브 (317, 318, 321) 는 폐쇄되고 밸브 (320, 322) 는 개방되고 저장 탱크 (308) 에서 나오는 고온 전달 유체를 스팀 발생기 (302) 의 일차 회로로 주입하는 제어 밸브 (319) 에 의해 스팀 발생기 (302) 의 입구에서 열 전달 유체 (323) 의 온도는 일정하게 유지된다. 열 전달 유체 회로는 "소 루프" 모드로 작동한다.
일몰 후, 예를 들어, 도 15 에 나타낸 특정 실시형태에 따라, 열 전달 유체의 유량 분획물이 소 루프로부터 다이어프램 (324) 의 터미널로 분기될 수 있도록 하는 2 개의 밸브 (325, 326) 를 배열함으로써 제빵 오븐 (327) 과 쿠킹 플레이트 (328) 를 가열할 수 있다. 분기 회로는 제빵 오븐 (327) 과 쿠킹 플레이트 (328) 에 공급하도록 유동 펌프 (303) 와 탱크 (308) 사이에 연결된다.
출구 스트립은 교류 발전기 (306) 에 결합되고 배전 네트워크 (315) 를 공급하도록 설계된다. 분배기 (315) 는 출구 스트립과 교류 발전기 사이에 배열되고, 액침 히터는 분배기에 의하여 교류 발전기에 연결된다. 분배기는 동력의 대부분을 교류 발전기로부터 액침 히터로 전환하도록 구성된다.
사용자 네트워크 (315) 가 일조량이 있는 기간 동안 트리핑할 때, 예를 들어 결함 분리 (isolation fault) 시, 흡수된 동력이 영이 됨에 따라, 교류 발전기의 충전은 또한 영으로 떨어지고 터빈은 순간적으로 방전된다.
기계에 의해 공급되는 동력이 분배기 (314) 에 의해 액침 히터로 지향됨에 따라 부하 트랜지트 (load transit) 가 회피된다.
저장 용량에 도달하면 (스톡의 온도는 450 ℃ 임), 태양광 집광기는 그것을 구성하는 거울의 회전에 의해 초점이 맞지 않게 된다. 이런 트리핑이 일조량의 부재시 일어난다면, 교류 발전기 동력은 먼저 액침 히터 (310) 로 전환되고, 그 후 천천히 감소된다.
바람직하게, 액침 히터 (310) 는 교류 발전기의 동력 전체를 분배하도록 구성된다. 터빈 (305) 은 고온 숏 다운 (shot-down) 으로 회로를 유지하도록 단지 펌프 (303, 304) 를 구동한다.
따라서, 교류 발전기의 작동 체제 (regime) 는 열 과도 없이 그리고 스팀 발생기 (302) 의 안전 밸브의 개방 없이 사용자 네트워크 (315) 의 부하 손실 중 그 공칭 지점에서 유지된다.
이 상황에서, 스톡의 소비를 최소로 제한하도록 최소 동력으로 회전하는 다이어프램 (324) 과 터빈에서 유량은 적다. 이런 네트워크 트립 트랜지트를 처리하는 방식은 열역학적 유체를 손실하지 않도록 할 수 있고, 이것은 스팀 터빈을 사용해 종래의 랭킨 사이클에서 밸브의 개방시 일어난다. 이것은 특히 또한 열전기 저장으로 인해 사용자 네트워크의 중단 중 태양 에너지를 손실하지 않도록 할 수 있고 네트워크 수요가 회수되자마자 자동으로 재시작할 수 있는 복잡한 제어 및 모니터링을 피할 수 있도록 한다.
유닛의 보조부는 모터를 가지지 않는데, 이것은 사막 환경에서 전체 효율과 신뢰성을 증가시킨다. 영구 자석을 구비한 교류 발전기가 가역적이다는 사실은 설비의 시동시 펌프가 가동될 수 있도록 하고: 이것은 스타터 모터를 가질 필요성을 없앤다.
열 전달 유체를 유동하도록 하는 기어 펌프의 사용은, 다른 특정 펌프를 사용하지 않으면서 저장 탱크를 가압시킬 수 있다. 열전기 저장부의 사용은 태양 발전소의 고유 문제점들을 처리할 수 있도록 하고: 흐린 기간이 발생할 때 태양이 사라진 후 다시 나타나는 것, 야간에 태양의 사라짐, 사용자 동력 시스템의 방해 트리핑은 유체 및 수집된 에너지의 낭비를 막는다.
또한, 유동 펌프의 저장 및 분기는 일몰 후 쿠킹 플레이트와 제빵 오븐을 가열할 수 있다. 이것은, 주민들이 초목을 집중으로 베어서 이들의 식품을 조리하기 위해서 가정용 불로 연소시키는 아이티와 같은 섬에서, 사헬 (Sahelian) 지역에서 발생하는 삼림파괴를 피할 수 있도록 할 것이다.
이런 유형의 저장부, 및 이와 동반하는 에너지 발생 유닛은, 주야간에 마을 주민에게 필수적으로 필요한 열 및 전기 에너지를 요구하는 고립된 장소에서 동력 발생에 대한 좋은 해결책이다.

Claims (19)

  1. 열 전달 유체와 고온 가스에 의해 형성된 제트로부터의 운동 에너지의 변환기 (8) 로서,
    - 적어도 하나의 열 전달 유체 공급원 (2) 및 하나의 고온 가스 공급원으로부터의 상기 제트의 적어도 하나의 인젝터 (20),
    - 상기 인젝터 (20) 에 실질적으로 직각으로 축선 (B) 을 따라 연장되는 샤프트 (44) 에 고정되는 회전 장착된 임펄스 휠 (42) 로서, 상기 임펄스 휠 (42) 은 복수의 비대칭 블레이드들 (46) 을 포함하고, 상기 제트는 상기 샤프트 (44) 를 회전 구동시키고 상기 제트의 축선방향 운동 에너지를 상기 샤프트 (44) 의 회전 운동 에너지로 변형하도록 상기 블레이드들 (46) 로 분사되는, 상기 임펄스 휠 (42),
    - 상기 임펄스 휠 (42) 을 둘러싸는 탱크 (36) 로서, 상기 탱크 (36) 는 상기 임펄스 휠 (42) 의 축선 (B) 을 따라 실질적으로 연장되는, 상기 탱크 (36) 를 포함하고,
    상기 변환기는 상기 블레이드들 (46) 아래로 연장되는 적어도 하나의 디플렉터 (56) 를 포함하고, 상기 디플렉터 (56) 는 상기 임펄스 휠 (42) 의 출구에서 열 전달 유체와 고온 가스의 혼합물을 회수하고 상기 탱크 (36) 의 벽 (40) 에 실질적으로 접선방향으로 상기 혼합물을 재지향시키도록 배열된 형상을 나타내고, 상기 탱크 (36) 의 상기 벽 (40) 은 상기 열 전달 유체를 상기 고온 가스와 분리하기 위해서 상기 혼합물에 사이클론 효과를 부여하도록 배열되고, 상기 탱크는 상기 열 전달 유체와 상기 고온 가스를 회수하기 위한 요소들 (66, 68) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디플렉터 (56) 는,
    상기 임펄스 휠 (42) 로부터의 출구에서 열 전달 유체와 고온 가스의 상기 혼합물의 적어도 하나의 유입 개구 (58) 로서, 상기 유입 개구 (58) 는 상기 임펄스 휠 (42) 의 축선 (B) 에 실질적으로 직각인 평면에서 연장되는, 상기 유입 개구 (58), 및
    상기 혼합물의 유출 개구 (60) 로서, 상기 개구는 상기 탱크 (36) 의 벽 (40) 근방에 그리고 상기 유입 개구 (58) 의 평면에 실질적으로 직각인 평면에서 연장되는, 상기 유출 개구 (60) 를 포함하고,
    상기 유입 개구 (58) 와 상기 유출 개구 (60) 는 곡선 형상을 나타내는 인클로저 (62; enclosure) 에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는, 변환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 디플렉터 (56) 는 적어도 2 개의 유입 개구들 (58) 및 적어도 2 개의 대응하는 유출 개구들 (60) 을 포함하고, 상기 유입 개구들 (58) 은 상기 인클로저 (62) 에 적어도 2 개의 유동 채널들을 규정하도록 상기 인클로저에 실질적으로 평행하게 상기 인클로저 (62) 에서 연장되는 적어도 하나의 내벽 (64) 에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는, 변환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    열 전달 유체와 고온 가스에 의해 형성된 복수의 제트 인젝터들 (20), 및 상기 임펄스 휠 (42) 의 상기 블레이드들 (46) 아래로 연장되는 동수의 디플렉터들 (56) 을 특징으로 하는, 변환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드들 (46) 각각은 오목부 (48) 의 바닥 (50) 에 실질적으로 직각인 축선 (C) 에 대해 비대칭 오목부 (48) 를 제공하고, 상기 블레이드 (46) 는 상기 축선 (C) 의 각 측에서 연장되는 상단부 (52) 와 바닥부 (54) 를 포함하고, 상기 상단부 (52) 의 곡률 반경은 상기 바닥부 (54) 의 곡률 반경과 상이한 것을 특징으로 하는, 변환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 인젝터 (20) 는 상기 블레이드들 (46) 의 상기 상단부 (52) 에 제트를 분사하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 변환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탱크 (36) 는 실질적으로 절두된 원뿔 형상의 바닥 (38) 을 포함하고, 상기 열 전달 유체를 회수하기 위한 요소들 (68) 은 상기 바닥 (38) 에 배열되고, 실질적으로 원통형 형상의 벽 (40) 은 상기 바닥 (38) 으로부터 상기 임펄스 휠 (42) 의 상기 축선 (B) 을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는, 변환기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 임펄스 휠 (42) 의 상기 샤프트 (44) 는 상기 탱크 (36) 에 대한 상기 샤프트 (44) 의 회전을 허용하도록 유체역학적 유형의 적어도 하나의 플레인 추력 베어링 (70) 에 의하여 상기 탱크 (36) 의 상기 바닥 (38) 에 끼움장착되는 것을 특징으로 하는, 변환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기는 상기 탱크 (36) 및 상기 임펄스 휠 (42) 의 상기 샤프트 (44) 를 둘러싸는 기밀하게 (tightly) 실링된 단열 인클로저 (30) 를 포함하고, 고온 가스를 회수하기 위한 요소들 (66) 은 상기 단열 인클로저 (30) 의 상단부에 배열되는 것을 특징으로 하는, 변환기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 임펄스 휠 (42) 의 상기 샤프트 (44) 는, 상기 단열 인클로저 (30) 의 내부와 상기 단열 인클로저 (30) 의 외부 사이의 기밀을 보장하도록 배열된 피스톤 (104) 을 통하여 상기 단열 인클로저 (30) 로부터 뻗어있는 (egress) 것을 특징으로 하는, 변환기.
  11. 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 설비로서,
    열 전달 유체 공급원 (2), 기화가능한 유체 공급원 (4), 및 상기 열 전달 유체를 가열하는 시스템들 (6) 을 포함하고,
    가열된 상기 열 전달 유체는 상기 유체를 기화시키도록 상기 기화가능한 유체와 혼합되고, 상기 혼합물은 제트의 형태로 운동 에너지의 변환기 (8) 로 분사되고, 상기 운동 에너지의 변환기 (8) 는 제트의 축선방향 운동 에너지를 상기 운동 에너지의 변환기 (8) 의 샤프트 (44) 의 회전 운동 에너지로 변형하도록 배열되고, 상기 운동 에너지의 변환기 (8) 는 제 1 항에서 기재되어 있는, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 설비.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 운동 에너지의 변환기 (8) 의 상기 샤프트 (44) 는 그것이 회전 구동시키는 교류 발전기 (alternator: 26) 에 연결되고, 상기 교류 발전기 (26) 는 상기 샤프트 (44) 의 회전 운동 에너지로부터 전기 에너지를 발생시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 설비.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 열 전달 유체를 가열하는 상기 시스템들 (6) 은 태양 에너지 수집 요소들 (16) 을 포함하고, 수집된 에너지는 상기 열 전달 유체의 유동 파이프 (14) 를 가열하는 것을 특징으로 하는, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 설비.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 설비는 상기 열 전달 유체의 재사용을 가능하게 하도록 상기 열 전달 유체를 가열하기 위해서 상기 열 전달 유체의 저장 기기 (82) 및 상기 시스템들 (6) 중 하나 이상으로의 유동을 위해 상기 운동 에너지의 변환기 (8) 에 의해 회수되는 상기 열 전달 유체의 유동 파이프들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 설비.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 설비는 상기 가스의 응축을 가능하게 하는 냉각 요소로 유동하기 위해 상기 운동 에너지의 변환기 (8) 에 의해 회수되는 고온 가스의 유동 파이프들, 및 상기 가스의 재사용을 가능하게 하도록 상기 기화가능한 유체 공급원 (4) 을 형성하는 저장 요소들로의 응축된 가스의 유동 요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 설비.
  16. 열 에너지 저장 설비로서,
    - 열 전달 유체 공급원이 되도록 구성된 열 전달 유체 탱크 (308),
    - 상기 열 전달 유체 탱크 (308) 에 결합되고 상기 열 전달 유체를 가열하도록 구성된 태양광 집광기 (301),
    - 상기 열 전달 유체 탱크 (308) 에 배열된 액침 히터 (310; immersion heater),
    - 상기 열 전달 유체 탱크 (308) 의 온도가 상기 태양광 집광기 (301) 로부터의 출구에서 상기 열 전달 유체의 온도와 동일할 때, 상기 열 전달 유체 탱크 (308) 의 온도를 상기 태양광 집광기 (301) 의 온도를 초과하여 높이도록, 상기 액침 히터 (310) 를 공급하도록 구성된 교류 발전기 (306) 를 포함하는, 열 에너지 저장 설비.
  17. 제 16 항에 있어서,
    기어 용적 유동 펌프 (303) 는 상기 태양광 집광기 (301) 와 상기 열 전달 유체 탱크 (308) 사이에 열 전달 유체 유동을 만들도록 구성되고, 상기 기어 용적 유동 펌프 (303) 는 터빈 (305) 의 샤프트 라인에 결합되고, 상기 기어 용적 유동 펌프는, 막 어큐뮬레이터 (309) 와 함께, 상기 열 전달 유체의 온도에 대응하는 포화 압력보다 더 높은 압력으로 상기 열 전달 유체 탱크 (308) 를 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 열 에너지 저장 설비.
  18. 제 17 항에 있어서,
    분기 회로는, 상기 열 전달 유체의 유량 분획물을 다이어프램 (324) 의 터미널로 분기시켜 제빵 오븐 (327) 과 쿠킹 플레이트 (328) 에 공급하도록, 상기 기어 용적 유동 펌프 (303) 와 상기 열 전달 유체 탱크 (308) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는, 열 에너지 저장 설비.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 열 전달 유체를 공급받는, 스팀 발생기 (302) 는 상기 터빈 (305) 을 구동하도록 구성되고, 상기 교류 발전기의 작동 체제 (operating regime) 는 열적 과도 없이 그리고 상기 스팀 발생기 (302) 의 안전 밸브의 개방 없이 사용자 네트워크 (315) 의 부하 손실 중 공칭 지점 (nominal point) 에서 유지되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 열 에너지 저장 설비.
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