KR102451326B1 - 태양열 에너지 사용을 위한 고-에너지 효율 장치, 시스템 및 방법(high energy-efficient device, system and method for the use of thermal energy of solar origin) - Google Patents

Abstract

태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치(1)로서,
장치(1)는 광학 시스템에 의하여 집중된 태양 복사를 수용하도록 구성되며,
장치(1)는:
내부 구획(20)을 정의하고 집중된 태양 복사가 들어오도록 구성된 조사 개구(10; 10')를 가진 케이싱(2)-상기 조사 개구(10; 10')는 사용시 덮개 또는 가리개 수단 없이 상기 내부 구획(20)을 외부 환경과 직접적인 커뮤니케이션에 놓음-;
상기 케이싱(2)의 상기 내부 구획 내에 수용된 유동화된 고체 입자들의 베드(3)-상기 베드(3)는 사용시 상기 작동 영역(30)의 상기 입자들이 태양 복사로부터 열 에너지를 흡수하도록 상기 조사 개구(10; 10')를 통하여 들어오는 집중된 태양 복사에 직접적으로 노출되는 작동 영역(30)을 가짐-; 및
유동화 가스를 최소한 상기 작동 영역(30)에서 상기 구획(20)으로 모으도록 구성된 상기 입자들의 베드(3)의 유동화 수단들(4);
을 포함하는,
태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.

Description

태양열 에너지 사용을 위한 고-에너지 효율 장치, 시스템 및 방법(HIGH ENERGY-EFFICIENT DEVICE, SYSTEM AND METHOD FOR THE USE OF THERMAL ENERGY OF SOLAR ORIGIN)

본 발명은 집중된 태양 복사(radiation)에 의하여 직접적으로 조사(irradiate)되는 입자들의 유동성 베드(fluidizable bed of particles)에 기초한 태양 열 에너지(thermal energy of solar origin)의 교환 및 축적을 위한 장치에 관한 것이다.

본 발명은 또한 이러한 장치를 포함하는 에너지 생산 시스템 및 관련된 방법에 관한 것이다.

반사기(reflector) 거울에 복사를 집중하는 일광반사장치(heliostat)들에 의하여 태양 에너지를 모으는 방법이 알려져 있다. 후자(반사 거울)는, 차례로, 입자들의 유동화 베드에 기초한 열의 축적 및 교환을 위한 장치로 복사를 전달(convey)한다.

획득되어야 하는 화력에 따라 하나 이상의 유닛들을 포함하는, 열/전기 에너지 생산을 위한 시스템은 태양열 에너지의 교환 및 축적을 위한 상기 장치들에 기초할 수 있다.

선행기술의 유동화 베드 장치들은 두 가지 주 구성(construction)들에 따라 만들어진다.

WO2013/150347A1에 개시된 제 1 구조에 따르면, 태양 복사는 장치의 금속 공동의 벽들에서 수용(receive)된다. 이러한 공동은 입자들의 베드의 케이싱(casing)의 부분을 정의하고 후자 내에서 연장된다(extends within the latter). 입자들의 유동화 베드는 공동의 벽들로부터 벽들에 집중된 태양 복사로부터 유도된 열 에너지를 받는다.

높은 입사 복사 흐름(high incident radiation flows)의 존재 하에서, 방금 설명된 구조는 사용된 금속 합금의 품질에 따른 열-기계적 저항(thermo-mechanical resistance) 및 내구성(durability) 관점에서의 결과적인 위험을 가진(with consequent criticality), 공동의 표면을 높은 온도 및 온도 경사(thermal gradient)에 노출시키는 문제점(inconvenience)이 있다. 공동 벽들이 노출되는 열 흐름을 균일하게 분포시키기 위하여, 일광반사장치 필드는 장치 주변에 배열된 복수의 서브 섹션들로 구성될 수 있다. 그러나, 이 구성은 가장 높은 조사(irradiation)의 방향에 배치된 단일(single) 일광반사장치 필드와 비교할 때 각각의 태양광 생산 유닛에 대하여 더 큰 대지 사용을 요구한다.

알려진 제 2 구조에서, 전술한 공동은 제공되지 않고 교환 및 축적 장치의 입자들의 베드는 장치의 케이싱 상에서 획득되는, (일반적으로 쿼츠(quartz)인) 투명한 자재의 윈도우(window)를 통해 집중된 태양 복사를 수용한다.

그러나, 그러한 제 2 구조의 위험(criticality)은, 결과적으로 다른 것들 중에서, 이의 수용 효율을 감소시키는 시간에 따른 오염(soiling) 현상의 발생, 먼지(dusts)의 쌓임 및/또는 투명 표면의 불투명(opacification)을 제한하기 위해, 윈도우에서의 온도 상승 및 온도 경사의 생성에 있어서 유동화된 고체(fluidized solid)와 투명 윈도우 간의 직접적인 접촉이 피해져야만 한다는 사실에 있다.

방금 설명된 타입의 수용체의 사용과 연관된 다른 단점은 산업적 규모의 시스템의 사양(requirements)을 위한 적절한 크기의 쿼츠 윈도우를 생산하는 것의 어려움과 관련된다. 특히, 윈도우의 계획된 크기에 있어서의 증가는 구조적 지지를 보장하기 위해서 그 두께의 증가(복사 전달 특성(radiation transmission property)의 감소가 따르는)에 대응해야 한다.

나아가 알려진 장치들은 전달 프로세스(transfer process)와 열 흡수의 효율성(efficiency of the thermal absorption)과 효과(efficacy) 및 유지보수(maintenance)의 관점에서 위험을 보일 수 있다는 점이 강조되어야 한다. 또한, 알려진 장치들은 또한, 외부 환경을 향한 복사 재 방출(radiation re-emission)로 인한 중대한 열 손실을 가질 수 있다.

위에서 제시된 것의 결과로써, 당업계에 알려진 태양열에너지의 방출 및 축적을 위한 장치는, 특정한 경우에 경쟁력 있는 산업적 사용을 허용하지 않는 단점들의 합을 가진다.

에너지 또는 열 생산 플랜트들은 상술한 알려진 장치들에 기초할 수 있다. 이러한 장치들은 열 에너지의 축적 및/또는 교환을 위한 유닛들의 부분일 수 있다. 이러한 유닛들(그러므로, 장치들)의 개수는 구현되어야 하는 화력(thermal power)에 달려있다. 위에 언급된 문제점들 때문에, 이러한 유닛들 및 연관된 플랜트들은 소위 “패리티 그리드(parity grid)”와는 거리가 먼 높은 에너지 생산 비용을 가질 수 있다.

본 발명에 의해 포착되고 해결된 기술적 문제는 그러므로 선행 기술의 전술한 문제점들을 극복하는 것을 허용하는 태양열 에너지의 공급 및 축적을 위한 장치를 제공하는 것이다.

이 문제는 청구항 1에 따른 장치에 의해 해결된다.

본 발명은 또 청구항 28에 따른 시스템 및 청구항 31에 따른 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 특징들은 종속항들의 대상이다.

본 발명은 입자들의 유동화 베드에 기초한 태양열 에너지의 수용, 축적 및 공급을 위한 장치를 제공한다. 후자는 예를 들면, 공동들 또는 투명한 윈도우들과 같은 수용 수단의 끼움이 없이 직접적인 방식으로 집중된 태양 복사에 의해 조사(즉, 때려진다)된다. 즉, 유동화 베드는 장치의 케이싱(바람직하게는 케이싱의 상부(upper part), 더 바람직하게는 측면 위치에)에서 획득되는 조사 개구(irradiation opening)에 의해 외부 환경과 직접적으로 커뮤니케이션한다.

그러므로, 본 발명의 장치는 사용 간에 외부 환경/입사 태양 복사(incident solar radiation)와 입자들의 베드(bed of particles) 사이에 위치한 어떠한 투명 윈도우나 다른 구조들을 제공하지 않는다.

선행기술들의 간접적인 조사와 비교할 때, 본 발명의 장치는 벽들 또는 다른 장벽(barrier)들의 사이에 끼임(interposition)이 없이 입사 복사력의 유동 고체에 대한 직접 전달을 허용한다. 그러므로, 장치는 조사 개구를 통한 열 유출(thermal leaks)을 제한하는 것을 허용한다. 결과적으로, 간접적인 조사의 알려진 시스템들에서 허용될 수 있는, (유동화 베드의 특성에 의해서만 제한되는) 최대 달성 온도(maximal achievable temperature)보다 더 높은 최대 달성 온도가 장치의 열 수행도/산출의 뚜렷한 증가와 함께 이어진다.

윈도우들, 벽의 공동들 또는 다른 배리어들의 부재는 본 발명의 장치가 더 큰 견고함(sturdiness) 및 내구성을 제공하는 데 기여한다.

바람직하게, 장치는 광학 시스템과 연관되며, 후자는 특히 1차(primary) 일광반사장치 및 2차(secondary) 반사기(reflector)들(예를 들면, 거울들)을 포함한다. 이 광학 시스템은 태양 복사를 장치에, 입자들의 베드의 작동 영역 또는 조사 영역에, 조사 개구를 통해 집중시킨다.

바람직한 구성에서, 장치의 조사는 지면에 대하여(또는 수직에 대하여) 비스듬한 방향으로 이루어지고, 조사는 전술한 조사구에 초점이 대응하는 높이에 위치된 2차 반사기와 관련되어 더 큰 조사의 방향으로 위치된 일광 반사장치의 필드로 만들어진 광학 시스템에 의해 획득된다.

본 발명의 장치는 일반적으로 입상베드에 담긴 열 교환 요소들을 포함하거나 열 교환 요소(heat exchange element)들과 관련된다. 이러한 요소들은 작동 유체(operating fluid)가 바람직하게는 최소한 장치의 작동의 선택된 단계(stage)들을 통해 흐르는 튜브 번들(tube bundle)들이나 멤브레인 벽(membraned wall)들을 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 입상 베드(granular bed) 내부의 교환 요소들은 입자들의 베드를 제거할 필요 없이 교체 가능하다(replaceable). 열 교환 요소들의 교체는 상이한 종류의 작동 유체들(예를 들면, 초임계(supercritical) 상태의 이산화탄소)를 받아들이도록 조정하거나 유지하기 위하여 필수적일 수 있다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 태양 복사 입사에 의하여 직접적으로 조사되는 입자들의 베드의 작동 또는 조사영역은 특정한 유체 역학적(fluid-dynamic) 방식(regime)에 의해, 바람직하게는 유동화 시스템에(일반적으로 특히 공기 모음(adduction) 및 분배(distribution)시스템) 의하여 유동화(fluidized)될 수 있다. 상기 시스템은 바람직하게는 입자들의 베드의 바닥에 배열될 수 있다.

상술한 대로, 유동화는 입사 복사에 직접 노출되는 베드의 작동 영역, 입상 또는 입자들의 베드의 전체 또는 선택된 부분에 영향을 줄 수 있다.

구체적인 실시예들에서, 바람직한 유동화 방식은 비등 베드(boiling bed) 타입이다. 입자들의 베드의 전체 유동화는 베드의 온도를 효과적으로 균일화하고, 이는 지속적으로 인접한 영역들의 입자들과 함께 조사 영역에 대응하는 영역에서 집중되는 태양 복사가 쬐어지는 입자들을 내부 영역과 직접 조사 영역 사이의 입자베드의 재순환으로써 입자들을 지속적인 교체함에 의해서 발생한다.

그러므로, 조사 개구에서의 베드 입자들의 교환(즉, 태양 복사에 직접 노출되는 입자들의 교환) 및 베드의 나머지 부분으로의 열 에너지의 공급 및 분배는 유동화 시스템에 의해 이루어지는 유체 역학적 방식에 의해 허용된다.

바람직하게는(Advantageously), 유동화는 집중된 태양 복사에 의해 영향을 받은 입자들이 베드의 인접한 영역으로 이동하도록 하고 조사 영역에 대응하는 영역으로 새로운 입자들을 끌어들이도록 하는 베드 내에서의 대류 운동(convective motion)과 관련된다.

바람직하게, 상기 유동화 시스템을 구성하는 유동화 가스의 모음(adduction) 및/또는 분배 수단은 베드 입자들을 제거할 필요 없이 장치의 외부에서 검사(inspect)될 수 있고, 필요한 경우 외부에서 작업을 하면서 유지보수(maintenance) 및 청소가 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 장치의 검사 및 유지보수를 위해(특히 상술한 모음 및 분배 수단이 베드의 바닥에 위치할 때) 작동을 정지하고, 베드의 입자들이 식기를 기다리고(일반적으로는 수 톤의 자재의 양에 달하는), 장치를 비우는 것이 항상 필요하지는 않다.

본 장치의 구체적인 작동 모드들에 따르면, 유동화 기체는 프리보드(freeboard)라고 불리는 장치의 케이싱 내부의 입자들의 베드의 상부 영역으로부터 나온다(emerge).

바람직한 실시예에서, 장치의 내부 환경과 연결된 흡입 또는 환기 전용 시스템은 전술한 프리보드와 함께 제공된다. 이 환기 시스템은 떠오르는 유동화 기체를 지속적으로 흡입하여 바람직하게는 외부 환경에 비해 저기압(depression)으로 이어지도록 한다.

가능한 먼지 제거 단계의 하류에, 이 공기는 일반적으로 장치 외부의 열 교환기를 통과할 수 있고, 열 함량을 방출(release thermal content)할 수 있다(예를 들면, 또 다른 작동 유체로). 그러므로 이 열 함량은 다양한 목적(예를 들면, 전용 시스템에서의 담수화 과정과 같은)들을 위해 사용될 수 있다. 더 바람직하게, 장치로부터 나오는 유동화 공기는 구체적인 교환기에 의해 전술한 유동화 시스템에 의해 이후에 입자들의 베드에 주입되는(introduced) 주변 공기(ambient air)를 예열할 수 있다.

베드의 유체역학적 특성 때문에, 입자들의 속도가 더 클수록(특히 유동화 기체 흐름에 따라 유도될 때), 베드 자체 내에서 열 교환의 계수가 더 커진다. 이러한 이유 때문에 그리고 먼지와 뜨거운 공기가 조사 개구를 통해 장치로부터 나갈 수도 있는 것을 피하기 위해, 장치의 특히 바람직한 구성은 상기 개구의 위치, 프리보드를 경계짓는(bound) 케이싱에서의 영역의 구성 및/또는 프리보드에서의 압력 사이의 시너지를 제공한다.

바람직한 구성에 기반하여, 조사 개구는 장치의 케이싱의, 일반적으로 꼭대기 또는 그 근처에 측면으로 위치한다. 특히, 개구의 위치는 입자들의 베드의 주 유동화 방향 및/또는 베드의 연장(extension)의 길이 방향에 대하여 측면 위치이다. 바람직하게, 일반적으로 케이싱 자체의 상부 벽인 프리보드를 경계짓는 케이싱의 일부는 조사 개구에서의 하부 엣지 또는 하부 부분과 함께 슬로프인 또는 후드가 덮인 구성을 갖는다. 바람직하게, 상부 엣지 또는 상기 기울어진 구성의 일부의 근처에서 환기 시스템에 대한 연결은 프리보드로부터 나타나는 유동화 기체를 빨아들이도록 위치한다. 이러한 방식으로, 케이싱의 연관된 부분은 바람직하게는 상기 시스템의 흡입 작용에 의해 생긴 저기압에 의해, 입자들의 베드로부터 나온 뜨거운 유동화 공기가 환기 시스템의 연결부를 향하는 대류 운동을 돕는 후드로써 기능한다. 따라서, 뜨거운 공기는 조사 개구로부터 사라진다(moved away).

바람직한 배열에서, 조사 개구의 위치는 집중된 태양 복사에 의해 직접 조사되는 베드 부분의 각 관계(view factor)를 최소로 제한하도록 선택된다. 특히, 바람직하게, 입자들의 베드의 어떤한 부분도 수직 또는 길이 방향에 따라 조사 개구와 직접적으로 대응하지 않고, 이는 입자들의 베드의 어떤한 부분도 개구 그 자체에 대하여 일원화된 각 관계를 보이지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 구성은 입자들의 베드의 표면 부분에 의하여 생성되는 재 조사에 따른 열의 손실을 최소화하도록 제한하고 그리고 이는 공기와 먼지의 누출(escape)의 위험을 줄인다.

바람직한 실시예에 기반하여, 환기 시스템은 입자들의 베드의 온도가 올라감에 따라 흡입 속도를 증가시키도록 구성된다. 이러한 자동화는 일정한(또는 제어되는) 프리보드 영역에서의 저기압을 유지할 수 있도록 허용한다.

어떠한 경우라도, 상술한 바와 같이, 환기 시스템은 뜨거운 공기 및 결과적으로 먼지의 장치 외부 환경을 향한 누출을 줄이거나 제거하기 위한 주변 환경의 압력과 같거나 낮은 장치의 내부 압력으로 이어질 수 있다.

외부 환경에 대해 프리보드 영역이 저기압인 경우, 외부 공기는 조사 개구를 통하여 장치 내부로 들어올 수 있다. 외부 공기의 이러한 유입은 동일한 개구를 통한 먼지 및 유동화 공기의 누출을 방지할 수 있다.

본 발명의 또다른 양상에 따르면, 조사 개구에서 케이싱의 완전 외부 또는 부분적 외부에 보조적인 열 교환기가 위치될 수 있다. 이러한 보조적인 열 교환기(특히, 열 교환기를 통과하는 작동 유체)는 직접적으로 집중된 태양 복사를 수용할 수 있다. 보조적인 교환기는 입자들의 베드에 삽입된 교환기들과 독립적일 수 있고 태양 복사에 의해 획득된 엔탈피 함량을 다양한 목적(예를 들면, 지속적으로 장치와 관련된 담수화 시스템에 동력을 공급하는 것)에 사용가능하도록 할 수 있다. 다른 응용들에서, 보조적인 교환기는 입자들의 베드 내의 교환기들에 연결될 수 있고 관련된 작동 유체의 예열을 수행할 수 있다.

열 교환기는 조사 개구에 위치한 유도 수단(예를 들면, 외부를 향해 테이퍼드(tapered)인, 끝을 자른 원뿔 모양의 형상을 가지는) 내에 수용될 수 있다. 이러한 변형은 조사 개구를 통해 장치에 들어올 수 있는 주변 공기의 예열에 기여한다.

추가적인 실시예들은 상술한 특징들을 가지는 복수의 조사 개구들을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 태양 열 에너지의 생산을 위한 모듈식 시스템(modular system)의 일부일 수 있다.

본 발명의 다른 장점들, 특징들 및 양상들은 비 제한적(no limiting)인 예시 효과로서 제공되는 특정 실시예들의 자세한 설명으로부터 명백할 것이다.

첨부되는 도면들에 대하여 설명될 것이다.
도 1은 소위 “빔 다운(beam down)” 타입의 광학 시스템과 관련된 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 태양 열 에너지 교환 및 축적을 위한 장치의 종단면(longitudinal section)의 개략도를 도시한다;
도 2는 열 교환 시스템의 특정 컴포넌트들과 관련하여 도 1의 장치의 확대된 개략도를 도시한다;
도 3은 에너지 생산 시스템과 관련된 특정 컴포넌트들을 포함하여, 도 1의 장치의 또 다른 확대된 개략적인 표현을 도시한다;
도 4는 아래의 도면들의 요소들 및 시스템 컴포넌트들과 결합될 수 있는, 본 발명의 또 다른 더 바람직한 실시예에 따른 태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치의 개략적인 종단면도(longitudinal section view)를 도시한다;
도 5는 본 발명의 더 바람직한 실시예에 따른 태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치의 종단면 개략도를 도시한다;
도 6은 유동화 가스의 분배의 대안적 모드와 관련한 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치의 종단면 개략도를 도시한다;
도 7은 유동화 베드의 프리보드로부터의 입자의 누출을 피하기 위한 차단(barriering) 방법을 강조한, 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 태양 열 에너지의 교환 및 축적 장치의 종단면 개략도를 도시한 것이다;
도 8은 도 7의 장치의 개략적인 평면도(top view)를 도시한다.
위에 제시된 도면들에 도시된 길이 또는 각 치수 또는 견적은 단지 예시로서 이해되어야 하고, 이들은 반드시 비례적으로 표현된 것은 아니다.

위에 제시된 도면들에 대한 설명과 함께, 본 발명의 다양한 실시예들 및 변형들이 아래에 설명될 것이다.

일반적으로, 유사한 컴포넌트들은 동일한 참조 번호를 사용하여 모든 다양한 도면에서 지시된다.

실시예들 및 실시예들과 설명에서 다루어진 변형(variants already dealt in the description)들 이외의 또 다른 변형들은 이미 설명된 것들과의 차이점들에 대하여만 오로지 설명될 것이다.

나아가, 아래에 설명된 다양한 실시예들과 변형들의 특징들은 호환되는 경우 조합가능하다고 이해되어야 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치(또는 수용체)는 전반적으로 참조번호 1로 나타내진다.

본 실시예의 장치(1)는 결과적으로 여기서 고려되는 것과 같은 복수의 장치를 포함하는, 에너지 생산 시스템(500) 내에 삽입되는 것으로 이해된다.

시스템(500)은 입사 태양 복사를 장치(들) 상에 집중하도록 구성된 광학 시스템을 포함한다. 각각의 장치(1)는 그 스스로의 광학 시스템과 관련될 수 있다. 바람직하게, 이러한 광학 시스템은 “빔 다운(beam down)” 구성을 갖는다. 특히, 광학 시스템은 하나 이상의 2차 반사기들(502) 또는 이와 동등한 2차 광학 요소들 상에 태양 반사가 집중되게/벗어나게 하기 위하여, 태양 복사를 모으기 위해 지면 상에 적절하게 배열된 복수의 1차 일광반사장치들(501) 또는 동등한 1차 광학 요소들을 포함할 수 있다. 후자는 지면 상에 배열된 장치 또는 장치들(1) 위에 높이 올려져 배열되고, 그러므로 이들은 태양 복사를 이들 자체로 운반한다. 도 1에서, 광학 요소들의 일반적인 초점은 F1로 지시되고, 표현된 제 2 광학 요소의 초점은 F2로 지시된다.

1차 일광반사장치들(501)은, 예를 들면 기본 점들(cardinal points)에 따라 배열되는, 서브필드(subfield)들로 구성될 수 있다.

도 2에서 보다 상세히 도시되는 바와 같이, 장치(1)는 내부 구획(20)을 정의하는 수용 케이싱(2)을 포함하고, 후자는 곧 설명될 입자들의 유동성 베드(3)를 담는 데 적합하다. 케이싱(2)은, 예를 들면 큐빅, 평행 육면체(parallelepipedal) 또는 실린더 기하하적 구조와 같은, 다각형의 기하학적 구조(polygonal geometry)를 가질 수 있다. 이 예시에서, 케이싱(2)은 상부 벽(21), 측면 스커트(23) 및 하부 벽 또는 바닥(24)을 포함할 수 있다.

장치(1)의 기하학적 형상에 대하여, 길이 방향(L)(본 예시에서는 수직 방향인)을 정의할 수 있고, 그리고 길이 방향(L)에 직교하는, 따라서 본 예시에서 수평 방향인 가로지르는 방향(T)을 정의할 수 있다.

케이싱(2)은 조사 개구(10)를 가질 수 있다. 위에 언급된 2차 반사기들(502)은 구체적으로 입사 태양 복사를 상기 개구(10)로 또는 그(개구) 가까이에(초점 F2), 그리고 구획(20) 내에 집중시킨다.

개구(10)는 내부 구획(20)을 두며, 그러므로 이것이 수용하는 입자들의 베드(3)는 외부 환경과 직접적인 연통 상태에 있다. 특히, 개구(10)는, 사용시에, 예를 들면 투명 윈도우 등과 같이 닫거나 가리는 수단을 가지지 않는다. 즉, 장치(1)는 어떠한 닫거나 가리는 수단 없이 작동하도록 구성된다. 작동하지 않는 기간동안, 개구는 시스템을 보호하거나, 열 에너지의 외부 환경으로의 분산을 없애거나 줄이기 위하여 제거 가능한 수단을 사용하여 닫힐 수 있다.

이 예시에서, 개구(10)는 케이싱(2)의 상부 벽(21)에 배열되는 것으로 도시되고 일반적으로 상부벽에 대하여 길이 방향으로 중심에 위치한다. 그러나 이러한 표현은 순수히 예시적으로 이해되어야 하고 특히 바람직한 상기 개구(10)의 배열은 도 4를 참조하여 후에 논의될 것이다.

유동성 입자들의 베드(3)는 입상 베드(granular bed), 즉 고체 입자들에 의해 형성된다. 장치(1)의 입자들의 베드를 위한 바람직한 입상 물질의 유형은 높은 열 전도 및 확산 특성을 가지는 유형이다. 바람직한 입상 물질의 예는, 적절한 열 특성을 갖는 것을 넘어, 동일한 입자들 간에 상호 마모의 현상을 최소화하는 본질적으로 둥근 입자의 형태를 갖는 리버 샌드(river sand)이다.

베드(3)는 내부 구획(20)을 점유하여 사용 중에도 베드의 자유 표면(35) 위에 빈 공간(22) 또는 프리보드를 남겨둔다. 특히, 공간(22)은 자유 표면(35)에 의해 아래 경계가, 케이싱(2)의 벽(21)에 의해 윗 경계가 그리고 케이싱 자체의 스커트(230)에 의해 측면 경계가 지어진다.

베드(3)는 이것의 자유 표면이 직접적으로 조사되도록 배열되어 조사 개구(10)를 통해 들어오는 태양 복사에 의해 영향을 받는/쬐이는 제 1 베드 영역(30)을 정의한다. 상기 제 1 영역(30)은 작동, 또는 조사 영역으로 불린다. 작동 영역(30)을 둘러싸고 이에 인접한 베드의 나머지 영역은 열 누적 영역(31)을 정의한다.

일반적인 관점에서, 여기서 고려되는 예시에서, 작동 영역(30)은 베드(3)에서 길이방향으로 중심에 배열되고 그리고 누적 영역(31)은 작동 영역에 인접하고 그리고 작동 영역을 가로질러 인접하다.

실시예 변형들은 작동 영역(즉, 직접적으로 조사되는 영역)이 베드(3)의 전체 연장을 차지하는 것을 제공할 수 있다.

입자들의 베드(3)는 유동화 가스(특히, 공기)를 구획(20) 내부로 모으고 분배하도록 구성된 유동화 수단(4)에 의하여 활성화된다. 이 실시예에서, 유동화 수단(4)은 입자들의 베드(3) 또는 케이싱(2)의 하부 바닥(24)에 배열된 복수의 유동화 기체의 모음 또는 인렛(inlet)에 대한 복수의 요소들을 포함한다. 그러므로 입자들의 베드(3) 내에서의 유동화 공기들의 경로는 아래에서 위로, 특히 수직 또는 실질적으로 수직이다. 더 일반적인 관점에서, 유동화 가스의 주입은 길이 방향(L)을 따라 이루어진다.

이 예시에서, 이러한 모음 요소들은 축적 영역(31)의 바닥 및 작동 영역(30)의 바닥 모두에 배열되고 공기를 모은다. 도 2에서, 작동 영역(30)에 배열된 모음 요소는 참조번호 40번으로 지시된다.

이 예시에서, 균일 또는 실질적으로 균일한 입자들의 베드(3)가, 말하자면 그것의 두 영역(30 및 31)이 제공된다.

베드(3)의 유체 역학적 방식은 이의 다양한 부분들의 입자들(특히 작동 영역(31)의 입자들 및 축적 영역(31)의 입자들) 사이에 효율적인 열 교환이 이루어지도록 한다. 이 과정은 베드 입자(특히 두 영역에 속한 입자들의 베드)가 지속적인 교환 및 재순환을 겪는다는 사실에 의해 지지(favor)된다. 사용 간에, 작동 영역(30)의 입자들(특히 자유 영역(35) 또는 그 근처에 배열된 입자들)은 열 에너지를 태양 복사로부터 흡수하고 그리고 이들은 열 에너지를 다른 베드 입자들(특히 축적 영역(31)의 입자들)로 전달한다.

전술한 대로, 입자들 사이의 열 교환은 유동화 방식에 의해 결정되는 대류 운동에 의해 지지된다. 이러한 운동들은, 베드의 인접한 서브영역들의 상부에서, 더 큰 유동화 속도를 가지는 서브영역의 입자들을 더 낮은 유동화 속도를 가지는 인접한 서브 영역으로 전달하고(또는 쏟아붓고), 후자의(더 낮은 유동화 속도를 가지는) 더 높은 속도를 가지는 서브 영역 내의 입자들을 인접한 서브 영역들의 더 낮은 부분으로 끈다(draw).

이러한 서브 영역 입자들의 재섞임(remix)은 태양광 지점(solar spot)에 의하여 영향을 받는 베드의 작동 영역의 전체 볼륨 내의 질량과 열 에너지의 전달을 가능하게 하고 그리고 집중된 태양 복사에 노출된 입자들의 표면을 최대화한다.

실시예 변형들은 결과적으로 영역들(30 및 31) 중 하나의 유동화 및/또는 일시적으로 구별된(differentiated) 영역들의 유동화인, 구별된 유동화(differentiated fluidization)을 제공할 수 있다. 다른 영역들 또는 베드들의 부분들의 유동화 또는 이들에 대하여 선택될 수 있는 유동화 방식들은 입자들의 베드(3)로 들어오는 유동화 공기 흐름의 속도(결과적으로 용량(capacity) 또는 유량(flow rate))에 있어 다를 수 있다.

예시에서 도시되는 바와 같이, 유동화 요소들은 입자들의 베드(3)의 바닥에 균일하게 배열될 수 있거나, 또는 이들은 구별되는 방식(differentiated manner)으로 위치될 수 있다.

게다가, 구조적으로 서로 유사하며 그리고 결과적으로 다른 방법들로 제어되는(예를 들면 속도 및/또는 용량/유량으로 제어되는) 유동화 요소들이 제공될 수 있다.

유동화 방식은 또한 비등식 및/또는, 일반적으로 베드에서 또는 베드의 부분들 또는 영역들에서의 입자들의 대류 운동을 지지하는 방식일 수 있다.

임의의 실시예 변형들에서, 베드 전체 또는 베드의 영역들 중 하나 또는 부분들에 대하여 선택되는 유동화 방식은 또한 소위 스파우트(spout) 타입, 예를 들면 제트, 분수(fountain) 또는 충격(impulse)일 수 있다. 스파우트 타입의 유동화 베드는 제트에 직접적으로 노출되는 입자들과 그 주변 입자들 사이의 속도에 있어서의 큰 차이 때문에, (설명할 바와 같이)제트의 측면 부분에서 유도되는 고체들에 의하여 공급되는 중심 부분에서의 분수 효과를 생성하는, 일반적으로 제트를 맞는 영역(실린더형) 뿐만 아니라 제트 그 자체를 유지하는(insist upon) 베드 칼럼(column)의 부분에 의하여 유도되는 운동을 생성하는 베드 자체의 바닥에서의 중심 가스 유동화 제트에 의해서 특징지어지는 수력학(hydrodynamic) 방식을 갖는다.

바람직하게, 전술한 유동화 가스의 모음 요소들은 베드 입자들을 제거할 필요 없이 장치 외부에서 검사될 수 있고, 그리고 필요한 경우 모음 요소들은 유지보수/청소 작업을 외부에서 받을 수 있다.

여기서 고려되는 예시에서, 유동화 시스템은 장치(1)의 바닥에 수평적으로 배열되고 바람직하게는 그것의 측면 스커트 또는 벽(23)에서 장치를 통과하도록 위치된, 유동화 공기의 하나 이상의 분배 도관들(45)을 포함한다. 장치(1)의 외부면에서, 각각의 도관(45)은 예를 들어 제거 가능한 플랜지(46)와 같이 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 필요하다면, 도관(45)의 내부에 접근하고 검사할 수 있기 위해 전술한 플랜지(46)를 단순히 제거하는 것으로 충분하다.

열 교환 요소(5), 특히 튜브 번들들은 베드(3), 특히 축적 영역(31) 내에 구비될 수 있다. 상기 튜브 번들들은 선택된 작동 조건 하에서, 말하자면 특정한 사용 조건 하에서, 예를 들면 액체 또는 증기 상태의 물과 같은 작동 유체에 의해 교차된다(crossed).

특히, 열 교환 단계에서, 즉 남은 열 에너지의 사용의 단계에서, 작동 유체는 튜브 번들들(5)을 흐르도록 될 수 있고 축적 영역(31)의 입자들로부터 열을 받을 수 있다. 반대로, 축적만 하는 단계(accumulation-only stage)에서는 튜브 번들들(5)은 마른 상태, 즉 작동 유체 없이 작동할 수 있다.

바람직한 응용 양상에서, 축적 단계는 태양광이 있을 때 활성화될 수 있다. 열 교환, 즉 작동 유체로의 열 에너지의 전달은 태양광이 없을 때 활성화될 수 있다.

입자들의 베드(3) 또는 베드의 (서브) 영역들 중 하나 또는 부분들의 유동화는 오로지 축적 단계 동안만 이루어질 수 있다.

열 교환 요소들(5)은 베드 입자들을 제거할 필요 없이 손쉽게(readily) 교환가능한 방식으로 구성될 수 있다.

도 3에서 도시되는 바와 같이, 공칭(nominal) 온도 및 압력 조건 하에서 장치(1)로부터 빠져나오는 작동 유체는 전기 에너지의 생산을 위한 발전기와 연결된 터빈(510)에서 팽창하도록 될 수 있거나, 작동 유체는 예를 들면 에어 컨디셔닝(air conditioning) 시스템이나 담수화 시스템에서의 뜨거운 물의 생산과 같은 다른 산업적 목적으로 이용될 수 있다. 즉, 튜브 번들들(5)은 시스템(500)의 다른 컴포넌트들, 예를 들면 그 자체로 알려진 하나 또는 복수의 터빈들(510), 콘덴서들(511), 열 교환기들(521), 펌프들(520) 등과 연결된다.

도 2 및 도 3을 더 참조하면, 장치(1)는 또한 입자들의 베드(3) 내에서 경로가 종결되고 입자들의 베드(3)로부터 프리보드(22)에서 떠오르는 유동화 기체의 흡입을 위한 수단(6)을 포함한다. 따라서, 이러한 흡입 수단들(6)은 케이싱(2) 내에 입자들의 베드(3)의 자유 표면 위에서 공기를 흡입하도록 구성된다. 이 예에서, 흡입 수단들(6)은 케이싱(2)의 측면 스커트(23)의 상부 부분에 배열된 빈 공간으로부터의 공기의 아웃렛(outlet) 요소들(60)을 포함한다.

바람직하게, 흡입 요소들(6)은 개구(10)를 통하여 유동화 공기 및/또는 외부 환경에서 유동화 공기와 함께 운반된 입자들의 개구(10)를 통한 주입(또는 대규모 주입)을 방지하도록 구성된다.

바람직하게, 흡입 수단들(6)은 유동화 수단들(4)과 관련된 또 다른 제어의 수단(미도시)과의 시너지를 이루어 장치(1)로부터 추출되는 공기 유량이 입자들의 층(3)에 주입되는 유동화 공기의 유량과 같거나 그보다 큰 유량을 갖도록 하는 제어 수단들(미도시), 바람직하게는 유량 센서들을 가진다.

바람직하게, 흡입 수단들(6)의 구성은 그것이 공간(22)에서의 저기압을 결정하도록 되어있다. 이 경우에 있어서, 흡입 수단들(6)은 인렛 개구(10)를 통한 환경으로부터 장치로의 공기의 돌아옴을 결정한다. 이 공기는 장치(1)로부터 추출된 공기로 제공된 그 자체의 열 함량을 증가시키면서 인렛 개구(10)를 통과하는 동안에 달궈진다.

바람직하게, 장치(1)는 유동화 수단들(4)에 의해서 후자의 자유 표면(35)에서 입자들의 베드(3)로부터 빠져나와 수단(6)에 의해 흡입되는 유동화 기체(달궈진)와 유동화 수단(4)에 의해 입자들의 베드(3)로 들어가는 유동화 기체(달궈진) 간의 열 교환을 제공한다. 즉, 열 교환 수단들에 의해 획득되는 열의 재생이 제공된다. 이는 열 교환 컴포넌트들(512), 유동화 기체 먼지 제거 컴포넌트들(513), 환기 컴포넌트들(514), 장치로부터 유동화 기체를 흡입하기 위한 컴포넌트들(515) 및 유동화 시스템으로 주변 공기를 주입하기 위한 컴포넌트들에 의해 도면들에서 개략적으로 표현되었다.

실시예 변형에서, 장치(1)는 입자들의 베드(3)의 자유 표면(35)에서 플레넘 체임버(plenum chamber)을 갖는다. 이 플레넘 체임버는 베드 입자들이 낮은 속도 또는 속도가 없는 영역으로 이해될 수 있고, 이 예시에서 이는 빈 공간(22)에 의해 정의된다.

플레넘 체임버(22)도 공기 및/또는 입자들의 개구(10)를 통한 유출, 또는 대량 유출을 방지하는데 기여한다.

실시예 변형에서, 장치(1)는 밀폐 가스(confinement gas), 특히 공기의 주입 수단을 층류(laminar flow) 형태로 포함한다. 후자는 외부를 향한 입자들의 유출에 대한 장벽(추가적인)을 생성하는데 적합하다.

상기 수단들은 입자들의 베드(3)의 자유 표면(35), 특히 조사 개구(10) 위에 배열될 수 있다. 바람직하게, 이 배열은 개구를 폐쇄하는 가스 윈도우의 일종을 형성하기 위하여, 후자의 전개에 대한 가로지르는 방향(T)에 평행하는, 개구(10)에 따라 층류가배출되는 것이다.

이 실시예에서, 또한, 장치(1)는 조사 개구(10)의 입구에 배열된 일 형상의 가둠 구조(8) 또는 가이드를 포함한다. 가둠 구조(8)는 장치(1) 바깥으로 주로 또는 완전히 전개될 수 있는데, 말하자면 빈 공간(22)에서 부분적으로 돌출되거나 또는 돌출되지 않을 수 있다.

가둠 구조(8)는 개구를 통해 조사 개구(10)에 의해 케이싱(2)의 내부와 외부 간의 직접적인 연통을 유지하는 방식으로 통로를 가지는데, 말하자면 가둠 구조는 관형(tubular) 구조를 가진다.

실시예 변형에서, 가둠 구조(8)는 플레넘 체임버(추가적인)를 가지게 되고 그러므로 공기 및/또는 입자의 외부로의 유출을 줄이거나 방지하는데 기여한다.

이 실시예에서, 가둠 구조(8)는 케이싱(2)의 내부를 향해 줄어드는 단면을 갖는 테이퍼드(tapered) 구조, 특히 원뿔형의 구조를 가진다. 상기 가둠 구조의 단면은 전용 광학 시스템에 의하여 집중된 태양 복사의 방향에서 간섭의 방지를 허용한다.

또한, 구조(8)의 벽들에서, 공기 흡입 노즐들 또는 이와 동등한 흡입 요소들은 프리보드(22)의 환경과 연통 상태에 있을 수 있도록 또는 전용 흡입 시스템과 연관되도록 될 수 있다. 프리보드(22)와 연통 상태에 있을 때, 이러한 노즐들은 자유 표면(35)과 케이싱(2)의 상부 벽(21) 사이에 포함된 공간에 공기를 붓는다. 여기로부터, 이 공기의 흐름은 이미 주입된 흡입 수단들(6)에 의해 흡입된다.

실시예 변형에서, 장치(1)는 시스템이 작동하지 않는 기간 동안에 시스템을 보호하고 그럼으로써 열 에너지의 외부 환경으로부터의 분산을 제거하거나 감소시키는, 개구(10)에서의 제거 가능한 수단들을 지지하는 외부 프레임을 더 포함한다.

바람직한 실시예에 따르면, 장치(1)는 가둠 구조(8) 또는, 일반적인 방식으로는 조사 개구(10)의 가둠 구조에 배열된 보조 열 교환기(9)를 포함한다. 보조 교환기(9)는 예를 들면 유체 벡터에 의하여 열을 흡수하기 위하여, 입사 태양 복사에 직접적으로 노출되는 방식으로 구성된다.

보조 교환기(9)는 입자들의 베드에 주입된 열 교환 요소들(5)로부터 독립적일 수 있거나 보조 교환기(9)는 열 교환 요소들(5)과 연결될 수 있다.

도 4는 여기서 또한 1로 지시된, 본 발명의 장치의 특히 바람직한 실시예를 나타낸다. 개략적으로 표현되었지만, 케이싱(2) 상에 측면에 배열되어 여기서 10'로 참조된 조사 개구의 위치를 제외하면 위와 동일한 설명이 본 실시예에 적용된다. 특히, 개구(10')는 케이싱(2)의 상부 부분을 따라 만들어지고, 이 예에서는 케이싱의 측면 스커트(23)의 부분(230)과, 케이싱(2) 자체의 상부 벽(210), 특히 기울어진 상부 벽 사이에서 정의된다. 이 예에서, 부분(230)은 스커트(23)의 남겨진 부분과 비교할 때, 그리고 특히 가로지르는 방향(T) 및 길이 방향(L)과 비교할 때, 상기 스커트의 남겨진 부분과 비교할 때 바깥쪽으로 돌출하는 경사를 갖는다. 바람직하게, 입자들의 베드(3)의 자유 표면(35)은 유동화된 작동 환경에서 부분(230)의 하부 엣지에 가까이, 특히 그 밑에 배열된다.

기울어진 또는 덮개가 달린 상부 벽(210)은 부분(230)과 함께 개구(10')로 이어지는 하부 엣지를 가지고, 상술한 흡입 또는 환기 수단들(6)의 요소 또는 아웃렛 포트(600)에 연결되는 상부 마진(212)을 갖는다.

도 1을 참조하여 언급된 이차 광학 요소(502)의 초점(F2)은 개구(10')의 입구에 떨어진다(fall).

위에서 강조한 바와 같이, 개구(10')의 측면 위치, 케이싱(2)의 경사진 구성(210) 및/또는 흡입 수단들(6)에 의해 (또한) 획득되는 프리보드(22)에서의 프레셔(pressure) 방식은 입자들의 베드(3)에서의 열 교환을 향상시키고 그리고 장치(1)로부터 먼지와 뜨거운 공기의 유출을 방지하기 위해 시너지를 낸다.

도 4에서 하나 이상의 수평 요소들(402 및 403)로부터 독립적일 수 있는, 하나 또는 복수의 중심 모음 요소들(401)로 구성된, 위에 언급된 것들과 유사한 유동화 수단들(4)이 도시된다. 이러한 요소들은 예를 들면 이전에 언급된 것들과 유사한 하나 이상의 제거 가능한 플랜지들(46)에 의해, 외부로부터 검사 및/또는 유지보수 될 수 있다.

도 4는 또한 케이싱(2)의 다층 구조(multilayer structure)를 강조한다.

도 5는 101로 전체적으로 지시된 태양 열 에너지의 교환 및/또는 저장을 위한 장치의 또 다른 바람직한 실시예를 도시한다.

장치(101)는 에너지, 특히 전기 에너지 생산 플랜트에서의 사용에 적합하고, 광학 시스템에 의해 집중된 태양 복사를 수용하도록 구성된다.

장치(101)는 하부 바닥(121), 상부 벽(122) 및 측면 스커트(123)를 갖는 외부 케이싱(102)을 포함한다. 케이싱은 조사 개구(200)에서 외부 환경과 직접적인 연통 상태에 있는, 내부 구획(120)을 갖는다. 후자는 이 예에서는 상부 벽(122)의 중심에 위치한다.

또한, 이 경우에 있어서, 개구(200)는 집중된 태양 복사의 진입을 허용하고, 서술된 바와 같이 덮개 또는 가리개 수단의 사용 없이 내부 구획(120)을 외부 환경과 직접적인 연통 상태에 놓이게 한다.

전체적으로 번호 103으로 지시되고 다른 실시예와 함께 위에 서술된 것과 유사한, 유동화된 고체 입자들의 베드는 구획(120) 내에 수용된다.

장치(101)의 작동 양상을 참조하여(그리고 전술한 실시예들과 유사하게) 입자들의 베드(103) 내에서 사용시에, 개구(200)를 통해 들어오는 집중된 태양 복사에 직접적으로 노출되는 조사 또는 작동 부분(130), 및 조사 부분(130)에 외접하여 배열된 열 저장 및/또는 교환 부분이 식별될 수 있다. 이 실시예에서, 조사 부분(130)은 저장 및/또는 교환 부분(131)에 대하여 중심에 배치될 수 있다. 두 부분(130 및 131) 각각은 입자들의 베드 내에서 길이 방향(L), 말하자면 바닥(121)과 상부 벽(122) 사이에서 연장한다. 135로 지시된 베드(103)의 자유 표면(프리보드)은 일반적으로 케이싱(102)의 상부 벽(122) 아래에 위치하는데, 이는 자유 공간(136)에 의하여 후자로부터 이것이 분리되기 때문이다. 두 베드 부분들(130 및 131)은 두 부분들의 입자들이 사용시에 지속적인 섞임을 받으면서 교환된다는 의미에서, 입자들의 동적 연통 상태(dynamic communication of particles)에 있다. 프리보드(136)의 연장부분 또한 특정한 응용의 기능에 따라 달라질 수 있다.

입자들의 베드(103)의 바닥에서, 또는 케이싱(102)의 바닥에서, 번호 104 및 400으로 전체적으로 지시되고, 베드(103)(특히, 이의 각각의 부분들(130 및 131))의 유동화를 결정하는 방식으로 구성된 제 1 및 제 2 유동화 수단들이 제공된다.

더 자세히 보면, 제 1 유동화 수단(104)은 조사 부분(130)의 바닥에 대응하도록 중심에 위치된 공기 또는 다른 유동화 가스의 운반을 위한 요소(141)를 포함한다.

그리고, 제 1 유동화 수단들(104)은, 특히, 베드의 바닥 가까이의 제 1 부분(142)과 자유 표면 위에 위치한 제 2 부분(143)이 있는(present), 베드(103) 내에서 종방향으로 연장하는 상승 도관(140)(“라이저(riser)”)을 갖는다. 상승 도관(140)은 조사 부분(130)의 입자들을 그 안에 수용하고 그리고 그들이 자유 표면(135) 위에서 그리고 조사 개구(200)에서 버블링(bubbling) 또는 분출하는 것을 가이드하도록 구성된다.

제 2 유동화 수단(400)은 또한 케이싱(102)의 바닥에 측방향으로 위치한 공기 또는 다른 유동화 가스의 운반을 위한 요소(401)를 포함한다. 이 요소(401)는 가스를 저장 및/또는 교환 부분(131)의 바닥으로 분배하는, 윈드박스(windbox, 402) 내의 가스를 운반한다.

바람직하게, 유동화 수단(104 및/또는 400)은 사용시에, 입자들의 베드(103) 전체 또는 이의 부분 또는 서브-부분에서의 비등 베드(boiling bed)의 방식을 결정하도록 구성된다.

도 6에 도시된 실시예의 변형에서, 제 2 유동화 수단들은 이들 중 하나가 예시로써 403번으로 지시된, 복수의 분배 요소들(스파저스, spargers)를 포함한다.

다시, 도 5를 참조하면, 장치(101)는 또한 케이싱(102)에 필수적이고(integral to the casing) 조사 개구를 완전히 외접하는 방식으로 조사 개구(200)에 위치된 가둠 구조를 포함한다.

가둠 구조(105)는 두 베드 부분들(130 및 131) 사이의 입자들의 동적 교환을 결정하기 위하여 제 1 유동화 수단들(104)과 협조한다. 이러한 목적을 위하여, 구조(105)는 상승 도관(140)을 외접하도록 배열된다.

이 실시예에서, 가둠 구조(105)는 케이싱(102)의 내부를 향해 크기가 줄어드는, 특히 뒤집어진 잘린 콘 형상인 단면으로 테이퍼드되거나, 또는 하단에서부터 상단으로 변하는, 기하학적 형상을 나타낸다. 상기 잘린 콘의 아래 바닥은 상승 도관(140)에 외접하는 하강 도관(150)까지 연속되고 그리고 이는 입자들의 베드 내에서 연장된다. 바람직하게, 가둠 구조(105)는 상기 조사 개구(200)에 대하여 적어도 부분적으로 바깥쪽으로 돌출하여 배열된다.

전체적인 구성은 상기 버블링 또는 분출의 하류인 조사 부분(130)의 입자가 상승 도관(140)과 가둠 구조(105) 사이에서 물러나게(fall back) 하고 그리고 이들이 하강 도관(150)에 의해 열 저장 및/또는 교환 부분으로 재유입(re-admission)되는 움직임으로 유도되도록 하는 것이다.

두 도관들(140 및 150) 사이에 베드(103) 내에서 정의된 길이 방향 구획은 개구(200)를 통해 장치(101)의 외부를 향하는 제 2 수단들(400)에 의해 모인 유동화 가스 및 입자들의 유출(outflow)에 관한 유압 씰을 만든다.

그러므로, 사용시에, 조사 부분(130)의 입자들은 이들의 버블링 또는 분출 동안 태양 에너지로부터 열 에너지를 흡수하고, 그리고 이들이 하강 도관(150)을 통해 유도되면 상기 저장 및/또는 교환 부분(131)의 입자들로 이를 전달한다.

바람직하게, 가둠 구조(105)는, 베드(103)의 자유 표면(135) 위에서, 조사 부분(130)의 입자들의 유동화 운동의 플레넘 체임버(124)를 정의한다.

따라서, 바람직하게, 제 1 및 제 2 유동화 수단들(104 및 400)은 부분(131)과 비교했을 때, 바람직하게는 상이한 유동화 속도에 기초하여 조사 부분(130)에서의 다른 유체 역학적 방식을 결정하도록 구성된다.

도 6에서 도시되는 장치는 제 2 유동화 수단에서의 이전에 언급된 변형과는 별개로, 도 5의 장치와 완전히 유사하다.

도 7 및 도 8과 관련하여, 도 7 및 도 8은 입자들의 베드(103)의 자유 표면(135) 위에서 케이싱 내에 배열된, 유동화 가스의 흡입 수단들(106)을 제공하는, 다른 실시예를 언급하고, 특히 여기서 500으로 지시된 가둠 구조와 관련하여 언급한다.

이러한 수단들(106)은, 이 예시에서, 구조(500)의 측면 스커트를 따라 배열된 하나 이상의 흡입 밸브들 또는 노즐들을 포함한다. 실시예의 구성에서, 후자는 전술한 하강 도관을 제공하지 않으며 그리고 베드(103)의 자유 표면(135) 위에서 단절된다. 노즐의 존재는 제 2 유동화 수단(400)을 통하여 운반되는 유동화 가스가 개구(200)를 통해 유출되는 것을 방지한다.

도 7은 또한 열 교환 요소들(110), 특히 사용시에 작동 유체에 의해 교차되고 그리고 상기 유동화 입자들의 베드의 교환 및/또는 저장 부분에 배열되는, 튜브 번들들을 도시한다. 명백히, 상기 요소들(110)은 또한 상술된 다른 실시예들 및 변형들에도 제공된다.

또한 전에 설명된 바와 같이, 위에 고려된 모든 도면들을 고려했을 때 설명되는 장치(101)는 자유 표면(135) 위에 외부를 향한 입자들의 유출에 대한 장벽을 생성하기에 적절한 층류 가스 흐름을 공급하도록 구성된 밀폐 가스, 바람직하게는 공기의 인렛 수단들을 포함할 수 있다. 상기 수단들은 도 7에서 고려된 것과 같은 밸브들 또는 노즐들에 의하여 구현될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 장치는 광학 시스템과 함께 작동하기에 적절하고, 후자는 바람직하게는 지면에 배열된 하나 이상의 1차 광학 요소들 및 높이 배열된 하나 이상의 2차 반사 광학 요소들을 제공하는 “빔 다운” 구성을 가진다.

본 발명의 장치는 모듈식, 말하자면 장치가 하나 이상의 장치들과 직렬 또는 병렬로 열 교환에 대하여 연결되기 위하여 잘 조정된다는 특징을 갖는다.

또한, 서술된 다양한 실시예 및 실시예 변형들에 따른 장치들의 유형은 산업 시스템의 작동 유연성 및/또는 더 높은 생산성을 지지하도록 연관될 수 있다.

도 3에서 예시로서 도시된 에너지 생산 시스템의 관리는 시스템의 완전히 유연한 작동의 결과를 얻도록 장치의 작동을 유저의 요청 및/또는 기상 조건에 기반하여 최적화하는 제어 소프트웨어에 의해 수행될 수 있다.

다시 한 번, 바람직한 구성에 있어서, 본 발명의 하나 이상의 장치에 기초한 시스템은 주간에 전기 에너지의 생산을 제공하고 보조 시스템의 소모를 보상하는 태양광 시스템에 바람직하게 관련될 수 있다. 이 구성에서, 축적 및 운반 장치들은 태양광이 비치는 시간 동안에는 태양 열 에너지의 축적 방식 하에서 관리되고, 그리고 새벽 이후의 에너지 생산을 위해, 입자들의 베드에 대한 내부 교환기를 통과하는 작동 유체로 이를 전달하는 열 에너지 공급 방식 하에서 관리된다.

또한, 동일한 구성에서, 시스템은 담수화 시스템 또는 태양 열 에너지의 이용을 위한 또 다른 시스템과 연관될 수 있다. 이러한 경우에, 장치들은 혼합된 방식: 전기 에너지의 야간 생산을 위하, 축적을 이용하는 것 뿐만 아니라 시스템의 연속적인 동작(예를 들어, 이의 탈염화작용(desalinization))에 대한 관련 열 에너지의 공급에 기여하는, 동시발생 공급(contemporaneous supply)을 이용하는 것 둘 다를 이용하는 혼합된 방식 하에서 관리될 수 있다.

본 발명의 장치는 비 재생가능한 원천으로부터 생산된 에너지의 생산을 줄이거나 제거하기 위한 목적을 위해 에너지 생산의 지속성을 보장하기 위해 다른 재생 가능한(예를 들면, 태양광, 풍력, 지열) 또는 비 재생 가능한 에너지원에 의해 동력이 공급되는 시스템들에 의해 보완될 수 있다.

상술된 모든 실시예들 및 변형들에 있어서, 집중된 복사로부터 유동화된 베드로의 에너지의 이동은, 집중된 에너지와 상호 연관된 열 벡터 사이에 그 자체로 위치하게 되는 막 또는 투명 윈도우를 가져 물리적인 분리를 불러오는 전통적인 수용 수단과 달리, 열 에너지의 1차 벡터가 되는 입상 물질을 통해 획득된다.

본 발명은 또한 본 발명의 시스템 및 장치와 관련하여 상술된 기능성에 기초하여 태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 방법을 제공한다.

본 발명은 바람직한 실시예들을 참조하여 지금까지 설명되었다. 아래 보고되는 청구항의 보호 범위에 의하여 정의되듯이, 동일한 발명의 컨셉을 참조하는 다른 실시예들이 존재할 수 있다고 이해되어야 한다.

Claims (51)

1. 태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치(1)로서,
   장치(1)는 광학 시스템에 의하여 집중된 태양 복사를 수용하도록 구성되며,
   장치(1)는:
   내부 구획(20)을 정의하고 집중된 태양 복사의 출입을 허용하도록 구성된 조사 개구(10')를 가지는 케이싱(2)-상기 조사 개구(10')는 사용시 덮개 또는 가리개 수단 없이 상기 내부 구획(20)을 외부 환경과 직접적인 연통 상태가 되게 함-;
   상기 케이싱(2)의 상기 내부 구획 내에 수용되는 유동성 고체 입자들의 베드(3)-상기 베드(3)는 사용시 작동 영역(30)의 상기 입자들이 태양 복사로부터 열 에너지를 흡수하도록, 상기 조사 개구(10')를 통하여 들어오는 상기 집중된 태양 복사에 직접적으로 노출되는 작동 영역(30)을 가짐-;
   유동화 가스를 적어도 상기 작동 영역(30)에서 상기 구획(20)으로 모으도록(adduce) 구성되는 상기 입자들의 베드(3)의 유동화 수단들(4); 및
   상기 케이싱(2) 내에 상기 베드(3)의 입자들을 담도록 구성되는 특정한 형태를 가지는 가둠 구조(8) - 상기 가둠 구조(8)는 상기 조사 개구(10')에, 적어도 부분적으로는 상기 개구에 대해 외부를 향하여 돌출하여 배열됨 - ;
   을 포함하고, 그리고,
   사용 동안에 상기 작동 영역(30)의 상기 입자들은 상기 태양 복사로부터 열 에너지를 흡수하고 다른 베드 입자들로 상기 열 에너지를 전달하고,
   상기 개구(10')는 상기 케이싱(2) 상에서 측면으로 배열되며 상기 작동 영역(30)에 대해 측면 상으로 배열되는,
   태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 조사 개구(10')는 상기 케이싱(2)의 측면 스커트(23)의, 외부를 향해 돌출하는 경사진 부분(inclined part)(230)에서 정의되는,
   태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 조사 개구(10')는 상기 케이싱(2)의 상부의 경사진 슬로프 부분(210)에서 정의되고,
   상기 상부의 부분(210)은 입자들의 베드(3)의 자유 표면(35)에 대하여 흡입-덮개 구성을 정의하는,
   태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   배열은 상기 작동 영역(30)의 자유 표면(35)에 대한 상기 조사 개구(10')의 각 관계가 1보다 낮도록 하는,
   태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 유동화 수단들(4)은 입자들의 베드(3)에 대하여 길이 방향인 우세한 방향(L)에 따라 유동화 가스를 모으도록 구성되는.
   태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 유동화 수단들(4)은 상기 케이싱(2) 또는 상기 입자들의 베드(3)의 아래 바닥(24)에 배열되는 하나 이상의 유동화 가스의 공급 요소(40; 401-403)들을 포함하는,
   태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 유동화 수단들(4)은 사용시에 상기 입자들의 베드(3) 내에서 입자들의 순환적인 대류 운동을 결정하도록 구성되는,
   태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 유동화 수단들(4)은 사용시에 상기 작동 영역(30)에서 주둥이가 달린 타입의 유동화 방식을 결정하도록 구성되는,
   태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 베드(3)는 상기 작동 영역(30)에 인접한 열 저장 영역(31)을 가지는,
   태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    전체 구성은, 사용시에 상기 작동 영역(30)의 입자들이 태양 복사로부터 열 에너지를 흡수하고 그리고 상기 열 에너지를 저장 영역(31)의 입자들로 전달하도록 하는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이싱(2)은 상기 입자들의 베드(3)의 자유 표면(35) 위에 배열되고 상기 조사 개구(10')에 또는 그 근처에 하단 마진(margin)(211)을 가지는 경사진, 또는 슬로프형 표면(210)을 가지고,
    상기 구성은 상기 경사진 표면(210)이 입자들의 베드(3)로부터 나오는 유동화 가스의 흡입 효과를 촉진하도록 이루어지는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자들의 베드(3)의 자유 표면(35) 위에 상기 케이싱(2) 내에서 배열된 유동화 가스의 흡입 수단들(6)을 포함하는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 흡입 수단들(6)은 경사진 표면(210)의 상단 마진(212) 또는 그 근처에 배열되는 흡입 인렛(600)을 포함하는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 유동화 수단들(4)에 투입되는 상기 흡입 수단들(6)에 의해 흡입되는 유동화 가스를 전달하기 위한 전달 수단을 포함하는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
15. 제 12 항에 있어서,
    상기 유동화 수단들(4)에 의하여 상기 케이싱(2)에 투입되는 유동화 가스와 상기 흡입 수단들(6)을 통하여 상기 케이싱(2)으로부터 빠져나오는 유동화 가스 사이의 열 교환 수단을 더 포함하는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
16. 제 12 항에 있어서,
    상기 흡입 수단들(6)은,
    상기 유동화 수단들(4)에 의해 상기 입자 베드(3)로 공급되는 유동화 가스의 유량 이상인 유동화 가스의 흐름을 장치(1)로부터 추출하도록 구성되는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
17. 제 1 항에 있어서,
    흡입 수단들(6)은 상기 입자들의 베드(3)의 자유 표면(35)과 상기 케이싱(2)의 상부 부분(21; 210) 사이에 위치하는 빈 공간(22)에서 저기압(depression)을 유발하도록 구성된,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 가둠 구조(8)는 상기 케이싱의 내부를 향해 줄어드는 단면을 가지는 테이퍼드(tapered) 형상을 가지는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
19. 제 1 항에 있어서,
    사용 시에 태양 복사에 의해 직접적으로 조사되도록 위치되고 그리고 상기 조사 개구(10')에 또는 그 근처에 배열되는 보조 열 교환 수단들(9)을 포함하는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
20. 제 19항에 있어서,
    상기 보조 열 교환 수단들(9)은 가둠 구조(8)의 내부 또는 외부 벽에 배열되는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
21. 제 19 항에 있어서,
    상기 입자들의 베드(3) 내에 배열되고 그리고 사용 시 작동 유체에 의해 교차되는(crossed) 열 교환 요소들(5)을 포함하는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
22. 제 21 항에 있어서,
    상기 보조 열 교환 수단들(9)은 상기 열 교환 요소들(5)에 연결되는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적을 위한 장치.
    
23. 열 동력 생산 시스템으로서,
    제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 따른 장치(1); 및
    상기 장치(1)의 조사 개구(10')에서 입사 태양 복사의 초점을 맞추도록 구성되는 광학 시스템 - 상기 광학 시스템은 지면에 배열된 하나 이상의 1차 광학 요소들 및 지면으로부터 떨어져 배열된 하나 이상의 2차 반사 광학 요소들을 포함하는 빔 다운(beam down) 구성을 가짐-;
    을 포함하는,
    열 동력 생산 시스템.
    
24. 제 23 항에 있어서,
    태양 광 시스템을 더 포함하는,
    열 동력 생산 시스템.
    
25. 제 23 항에 있어서,
    담수화 시스템(a desalination system)을 더 포함하는,
    열 동력 생산 시스템.
    
26. 태양 열 에너지의 교환 및 축적 방법으로서,
    상기 방법은 광학 시스템에 의해 집중된 태양 복사를 이용하여 체 입자들의 유동화 베드(3)의 조사(irradiation)를 제공하며,
    상기 입자들의 베드(3)는 집중된 태양 복사의 출입을 허용하도록 구성된 조사 개구(10')를 제공하는 케이싱(2) 내에 수용되고 - 개구(10')는 덮개나 가리개 수단 없이 외부 환경과 입자 베드(3) 사이에 직접적인 연통 상태가 되게 함 -;,
    상기 입자들의 베드는 작동 영역(30)의 입자들이 태양 복사로부터 열 에너지를 흡수하도록 상기 개구(10')를 통해 들어오는 집중된 태양 복사에 직접적으로 노출되는 상기 작동 영역(30)을 가지고,
    상기 방법은 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 사용하는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적 방법.
    
27. 제 26 항에 있어서,
    상기 입자들의 베드에서 유동화 가스는 입자들의 베드(3)에 대하여 길이 방향인 우세한 방향(L)에 따라 공급되는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적 방법.
    
28. 제 26 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 입자들의 베드(3)에서 입자들의 순환적인 대류 운동을 제공하는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적 방법.
    
29. 제 26 항에 있어서,
    상기 작동 영역(30)의 상기 입자들은 태양 복사로부터 열 에너지를 흡수하고 그리고 이를 인접한 축적 영역(31)의 입자들로 전달하는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적 방법.
    
30. 제 26 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 입자들의 베드(3)에 투입되는 유동화 가스와 상기 입자들의 베드(3)의 자유 표면(35) 위에서 끌어당겨지는(drawn) 유동화 가스 사이의 열 교환을 제공하는,
    태양 열 에너지의 교환 및 축적 방법.
    
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