KR20050094051A - 전력 발생용 하이브리드 시스템 - Google Patents
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Abstract
전력을 발생시키기 위한 하이브리드 시스템. 하이브리드 시스템은 태양 방사선을 수집하여 전력으로 변환하기 위한 광전 어레이, 액체 연료의 소스로부터 전력을 발생시키기 위한 장치로서, 입구 단부와 출구 단부를 가지면서 입구 단부가 액체 연료의 소스와 유체 연통하는 적어도 하나의 모세관 유로와, 적어도 하나의 모세관 유로를 따라 배열되어, 그 적어도 일부를 액체 상태로부터 증기 상태로 변화시키기에 충분한 수준으로 상기 적어도 하나의 모세관 유로내의 액체 연료를 가열하고 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하도록 동작할 수 있는 열원과, 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부와 연통하는 연소 챔버 및 상기 연소 챔버내에서의 연소에 의해 방출되는 열을 전력으로 변환하도록 동작할 수 있는 변환 디바이스를 포함하는 액체 연료의 소스로부터 전력을 발생시키기 위한 장치, 및 변환 디바이스 및 광전 어레이에 의해 발생된 전력을 저장하기 위해, 광전 어레이 및 변환 디바이스에 전기적으로 연결된 저장 디바이스를 포함한다.
Description
최근, 원격지에서 운용되는 전자 장비, 통신 기어(communications gear), 의료 디바이스 및 기타 장비에 대한 전력 수요가 증가하여, 매우 효과적이고 이동적인 전력 시스템에 대한 수요가 증가하고 있다. 이들 응용 분야는 높은 전력 및 에너지 밀도 양자 모두를 제공하면서, 또한, 최소의 크기 및 중량, 낮은 배기물 및 비용을 필요로 하는 전원을 필요로 한다.
현재까지, 배터리는 휴대용 전원을 제공하기 위한 주된 수단이 되어 왔다. 그러나, 재충전에 필요한 시간 때문에, 배터리는 지속적 사용 분야에 비효율적인 것으로 판명되었다. 또한, 휴대형 배터리는 일반적으로, 전력 생성이 수 밀리와트 내지 수 와트의 범위로 제한되며, 따라서, 현저한 수준의 이동성, 경량 전력 생산에 대한 수요를 충족시킬 수 없다.
가솔린 또는 디젤 급유식 중 어느 한쪽인 내연 기관에 의해 동력 공급되는 소형 발전기도 사용되고 있다. 그러나, 이런 발전기의 소음 및 배기물 특성은 이들이 광범위한 이동성 전력 시스템에 대해 완전히 부적합해지게 하며, 실내용으로는 위험해지게 한다. 높은 에너지 밀도의 액체 연료에 의해 동력공급되는 종래의 결 엔진이 크기에 관하여 장점을 제공하지만, 열역학적 스케일링 및 비용 고려사항은 그 용도를 보다 큰 파워 플랜트에 선호되게 하는 경향이 있다.
광전 및 열전 발전기는 단지 2킬로와트 미만에서 상업적으로 가용한 에너지 변환 기술이다. 광전지의 장점이 명확한 반면에, 단점도 명백하다. 열전 발전기에 관하여, 이들은 크고, 값비싸며 비교적 비효율적인 경향을 갖는다.
이들 요인의 견지에서, 약 5.1 내지 204kg-m/sec(50 내지 2000 와트)의 크기 범위의 전력 시스템에 관한 공백이 있다. 또한, 높은 에너지 밀도의 액체 연료의 장점을 취하기 위해, 낮은 급유율이 가능한 개선된 연료 준비 및 전달 시스템이 필요하다. 부가적으로, 이런 시스템은 또한 최소의 배기물로 매우 효율적인 연소가 가능하여야 한다. 204kg-m/sec(2킬로와트) 미만의 조용하고, 청정한 전원은 광전 어레이에 기초한 것들 같은 현용의 기술을 유리하게 보완할 수 있으며, 전력을 발생시키기 위한 유리한 하이브리드 시스템을 산출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모세관 유로를 포함하는 연료 기화 디바이스의 부분 단면도.
도 2는 도 4의 시스템 및 디바이스를 구현하기 위해 사용될 수 있는 다중 모세관 배열을 도시하는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 디바이스의 단부도.
도 4는 본 발명의 실시에 사용하기 위한 실질적으로 기화된 연료를 전달하도록 다중 모세관 배열내의 침착물을 산화시키고, 연료를 기화하기 위해 사용될 수 있는 디바이스의 상세도.
도 5는 모세관 유로에 연료 및 선택적인 산화 가스를 전달하기 위한 제어 디바이스의 개요도.
도 6은 액체 연료를 예열하기위해 연소 열을 사용하기 위한 배열의 개요도.
도 7A는 모세관 유로로부터 침착물을 세정하기 위해 가동성 로드를 사용하는 연료 기화 디바이스의 다른 실시예의 측면도.
도 7B는 모세관 유로내에 완전히 결합된 모세관 유로로부터 침착물을 세정하기 위한 가동성 로드와 함께 도시되어 있는 도 7A의 실시예의 측면도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기를 발생시키기 위해 스털링 엔진이 사용되는 본 발명에 따른 전력 발생을 위한 장치의 개요도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 발생 디바이스의 부분 단면 개요도.
도 10은 본 발명에 따른 하이브리드 전력 시스템의 블록도.
일 양태에서, 본 발명은 전력을 발생시키기 위한 하이브리드 시스템에 관련하며, 이는
(a) 태양 방사선을 수집하여 전력으로 변환하기 위한 광전 어레이,
(b) 액체 연료의 소스로부터 전력을 발생시키기 위한 장치로서, (i) 입구 단부와 출구 단부를 가지면서 입구 단부가 액체 연료의 소스와 유체 연통하는 적어도 하나의 모세관 유로, (ii) 상기 적어도 하나의 모세관 유로를 따라 배열되어, 그 적어도 일부를 액체 상태로부터 증기 상태로 변화시키기에 충분한 수준으로 상기 적어도 하나의 모세관 유로내의 액체 연료를 가열하고 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하도록 동작할 수 있는 열원, (iii) 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부와 연통하는 연소 챔버 및 (iv) 상기 연소 챔버내에서의 연소에 의해 방출되는 열을 전력으로 변환하도록 동작할 수 있는 변환 디바이스를 포함하는 액체 연료의 소스로부터 전력을 발생시키기 위한 장치, 및
(c) 상기 변환 디바이스 및 상기 광전 어레이에 의해 발생된 전력을 저장하기 위해, 상기 광전 어레이 및 상기 변환 디바이스에 전기적으로 연결된 저장 디바이스를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 전력을 발생시키기 위한 방법에 관련하며, 이는
(a) 광전 어레이의 사용을 통해 태양 방사선을 전력으로 변환하는 단계,
(b) 적어도 하나의 모세관 유로에 액체 연료를 보급하는 단계,
(c) 적어도 하나의 모세관 유로내의 액체 연료를 가열함으로써, 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 적어도 하나의 모세관 유로의 출구를 통해 통과시키는 단계,
(d) 연소 챔버내에서 기화된 연료를 연소시키는 단계,
(e) 변환 디바이스를 사용하여 연소 챔버내의 기화된 연료의 연소에 의해 발생된 열을 전력으로 변환하는 단계, 및
(f) 단계 (a) 및 (e)에서 발생된 전력을 저장 디바이스에 저장하는 단계를 포함한다.
일 양호한 형태에 따라서, 모세관 유로는 모세관 튜브를 포함할 수 있으며, 열원은 저항 가열 소자를 포함할 수 있고, 튜브의 섹션은 그를 통해 전류를 통과시킴으로써 가열된다. 또한, 다른 양호한 형태에서, 변환 디바이스는 약 510kg-m/sec(5,000와트)의 전력까지를 출력하는, 전기 발전기를 가지는 마이크로 터빈, 전기 발전기를 가지는 스털링(Stirling) 엔진, 열전 디바이스 또는 열광전 디바이스를 포함한다. 장치의 시동시 기화된 연료를 점화하기 위해 점화기가 제공될 수 있다. 바람직하게는 7.0kg-m/sec(100psig) 미만, 보다 바람직하게는 3.5kg-m/sec(50psig) 미만, 더 더욱 바람직하게는 0.7kg-m/sec(10psig) 미만, 가장 바람직하게는 0.35kg-m/sec(5psig) 미만의 압력으로 유로에 가압된 액체 연료를 전달하도록 연료 보급부가 배열될 수 있다. 양호한 형태는 공기와 혼합하여 25㎛ 미만, 바람직하게는 10㎛ 미만의 평균 액적 크기를 가지는 에어로졸을 연소 챔버내에 형성하는 기화된 연료의 스트림을 제공할 수 있기 때문에, 장치의 시동시 낮은 점화 에너지로 동작될 수 있다.
액체 연료의 가열 동안 침착물의 형성과 연계된 문제를 해결하기 위해, 일 양호한 형태는 장치 동작 동안 형성된 침착물을 세정하기 위한 수단 및 방법을 제공한다.
이제, 첨부 도면을 참조로, 단지 예로서 주어진 본 발명의 양호한 형태를 참조로하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
이제, 유사 번호가 전반에 걸쳐 유사 부분을 지시하기 위해 사용되고 있는 도 1 내지 도 10에 예시된 실시예를 참조한다.
본 발명은 높은 에너지 밀도의 액체 연료를 유리하게 연소시키는 전력 발생 장치를 제공한다. 양호한 실시예에서, 장치는 연료 보급부에 연결된 적어도 하나의 모세관 크기 유로, 유로의 출구로부터 기화된 연료의 스트림을 전달하기에 충분하게 유로내의 액체 연료를 가열하도록 유로를 따라 배열된 열원, 기화된 연료가 내부에서 연소되는 연소 챔버 및 연소 챔버내의 연소에 의해 발생된 열을 기계적 및/또는 전기적 전력으로 변환하는 변환 디바이스를 포함한다. 연소 챔버 및 전력 변환 디바이스와 연계하여 가열된 모세관을 사용하는 것은 본 발명과 공통 발명자를 가지며, 본 발명의 양수인에게 양도되어 있으며, 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 발명의 명칭이 "기화된 연료의 연소에 의해 전력을 발생시키기 위한 장치 및 방법"인 2002년 5월 10일자로 펠리자리(Pellizzari)에 의해 출원된 미국 특허 출원 제10/143,463호에 기술되어 있다.
유로는 저항 가열기에 의해 가열된 모세관 튜브일 수 있으며, 튜브의 섹션은 그를 통해 전류를 통과시킴으로써 가열된다. 모세관 유로는 또한 낮은 열 관성을 가져서 모세관 유로가 매우 신속히, 예로서, 2.0초내에, 바람직하게는 0.5초 내에, 보다 바람직하게는 0.1초내에 연료를 기화시키기 위한 원하는 온도에 도달될 수 있는 것을 특징으로 한다. 모세관 크기 유로는 단층 또는 다층 금속, 세라믹 또는 유리 본체 같은 모세관 본체내에 형성되는 것이 바람직하다. 통로는 입구 및 출구로 개방된 내부 체적을 가지며, 입구 및 출구 중 어느 하나는 모세관 본체의 외부로 개방될 수 있거나, 동일 본체 또는 다른 본체내의 다른 통로나 피팅(fitting)에 연결될 수 있다. 가열기는 스테인레스 강 튜브의 섹션 같은 본체의 일부에 의해 형성될 수 있거나, 가열기는 모세관 본체상에 또는 그 내부에 포함된 저항 가열 재료의 와이어 또는 불연속 층이될 수 있다.
유로는 그를 통해 유체가 통과할 수 있는 입구 및 출구에 개방된 내부 체적을 포함하는 소정의 형상일 수 있다. 유로는 소정의 원하는 단면을 가질 수 있으며, 양호한 단면은 균일한 직경의 원이다. 다른 모세관 유로 단면은 삼각형, 정사각형, 직사각형, 난형 또는 기타 형상 같은 비원형 형상을 포함하며, 유로의 단면은 균일할 필요는 없다. 유로는 직선형으로 또는 비직선형으로 연장할 수 있으며, 단일 유로, 또는 다중 경로 유로일 수 있다.
모세관 크기 유로는 바람직하게는 2mm 미만, 보다 바람직하게는 1mm 미만, 가장 바람직하게는 0.5mm 미만의 수력 직경을 가질 수 있다. "수력 직경"은 유체와 접촉하는 고체 경계의 외주(일반적으로 "습윤된" 외주라 지칭됨)에 의해 분할된 유체 운반 요소의 유동 면적의 4배로서 규정되며, 유체 운반 요소를 통한 유체 흐름 특성을 산출할 때 사용되는 파라미터이다. 원형 유로를 가지는 튜브에 대하여, 수력 직경과 실제 직경은 같다. 모세관 유로가 금속 모세관 튜브에 의해 형성되는 경우에, 관은 0.01 내지 3mm, 바람직하게는 0.1 내지 1 mm, 가장 바람직하게는 0.15 내지 0.5mm의 내경을 가질 수 있다. 대안적으로, 모세관 통로는 8 x 10-5 내지 7mm2, 바람직하게는 8 x 10-3 내지 8 x 10-1mm2, 보다 바람직하게는 2 x 10-1mm2 일 수 있는 통로의 횡단 단면적에 의해 규정될 수 있다. 단일 또는 다수 모세관, 다양한 압력, 다양한 모세관 길이, 모세관에 인가되는 열의 양 및 서로 다른 형상 및/또는 단면적의 다수의 조합이 주어진 용도에 적합할 수 있다.
변환 디바이스는 스털링 엔진, 마이크로 터빈 또는 약 510kg-m/sec(5,000와트)의 전력 까지를 발생시킬 수 있는 선택적 발전기를 가지는 열을 기계적 또는 전기적 전력으로 변환하기 위한 적절한 디바이스일 수 있다. 액체 연료는 제트 연료, 가솔린, 등유 또는 디젤 오일 같은 소정 유형의 수산화탄소 유체, 에탄올, 메탄올, 메틸 테르티아리 부틸 에테르 같은 옥시제네이트 또는 이들의 소정의 혼합물일 수 있으며, 연료는 바람직하게는 7.0kg-m/sec(100psig) 미만, 보다 바람직하게는 3.5kg-m/sec(50psig) 미만, 더 더욱 바람직하게는 0.7kg-m/sec(10psig) 미만, 가장 바람직하게는 0.35kg-m/sec(5psig) 미만의 압력으로 유로에 보급되는 것이 바람직하다. 기화된 연료는 공기와 혼합되어, 25㎛ 미만, 바람직하게는 10㎛ 미만의 평균 액적 크기를 가지는 에어로졸을 형성하도록 공기와 혼합될 수 있으며, 따라서, 청정하고 효과적인 점화 기능을 가능하게 한다.
본 발명의 양호한 실시예에 따라서, 액체 연료는 가열된 모세관 튜브(예로서, 작은 직경의 유리, 세라믹 또는 3mm 미만의 내경을 갖는 스테인레스 강 튜브 같은 금속 재료)를 경유하여 연소 챔버로 전달되며, 기화된 연료는 예열 또는 비가열 공기와 혼합된다. 기화된 연료는 상온에서 공기와 혼합될 수 있으며, 이 공기는 연소 챔버로 이어지는 공기 보급로내로 흡인된다. 대안적으로, 기화된 연료는 연소 챔버로부터 제거된 배기 가스의 열로 공기를 예열하는 열 교환기에 의한 방식 같이 예열되어 있는 공기와 혼합될 수 있다. 필요시, 공기는 기화된 연료와 혼합하기 이전에 송풍기에 의한 방식 등으로 가압될 수 있다.
가열된 모세관 통로내의 액체 연료의 기화 동안, 탄소 및/또는 무거운 수산화탄소의 침착물이 모세관 벽상에 축적될 수 있으며, 연료의 흐름이 극도로 규제될 수 있고, 이는 궁극적으로 모세관 유로의 폐색을 초래할 수 있다. 이들 침착물이 축적되는 속도는 모세관 벽 온도, 연료 유량 및 연료 유형의 함수이다. 연료 첨가제가 이런 침착물의 감소에 유용한 것으로 고려되지만, 폐색이 발생하고, 본 발명의 연료 기화 디바이스는 동작 동안 형성되는 침착물을 세정하기 위한 수단을 유리하게 제공한다.
본 발명에 따라서, 공기-연료 혼합물은 기계적 또는 전기적 전력으로 변환되는 열을 발생시키도록 연소 챔버내에서 연소된다. 전력 발생 디바이스는 연소 이전에 기화된 연료의 분무화 및 신뢰성있는 액체 연료 전달을 제공한다.
가열된 모세관 유로는 상온에서 공기와 기화된 연료가 혼합할 때, 작은 연료 액적(예로서, 25㎛ 이하, 바람직하게는 10㎛ 이하)의 에어로졸을 형성하는 기능을 가지며, 7.0kg-m/sec(100psig) 미만, 바람직하게는 3.5kg-m/sec(50psig) 미만, 더 더욱 바람직하게는 0.7kg-m/sec(10psig) 미만, 가장 바람직하게는 0.35kg-m/sec(5psig) 미만의 액체 연료 압력에서 동작한다. 본 발명은 낮은 공기 공급 압력(예로서, 50.8mmH2O(2in H2O))에서 연료를 연소시키는 기능을 가지며, 신속히 시동하고, 오염, 폐색, 및 점착의 제어를 제공하며, 연료-공기 혼합물을 정화시키기 위해 낮은 점화 에너지를 필요로하며, 감소된 배기 배출물 수준에서 동작한다.
본 발명에 따른 장치의 한가지 장점은 그 점화 에너지 소요 특성이다. 최소 점화 에너지는 통상적으로, 불꽃 점화 소스 같은 점화기로, 분무화된 연료/공기 혼합물이 점화될 수 있는 용이성을 설명하기 위해 사용되는 용어이다. 본 발명에 따른 디바이스는 25㎛ 미만, 바람직하게는 10㎛ 미만, 보다 바람직하게는 5㎛ 미만의 사우터 평균 직경(SMD)을 가지는 액적을 갖는 기화된 연료 및/또는 에어로졸을 제공할 수 있으며, 이런 미세한 에어로졸은 가스 터빈 분야에서 불꽃 안정성 및 시동 특성을 향상시키는데 유용하다. 부가적으로, 최소 점화 에너지의 매우 현저한 감소가 25㎛ 이하의 SMD의 값을 갖는 연료를 위해 달성될 수 있다. 예로서, 레페브레(Lefebvre), 가스 터빈 연소(헤미스피어 퍼블리싱 코포레이션, 1983) 252쪽에 기술된 바와 같이, 분무화된 연료/공기 혼합물이 점화될 수 있는 용이성을 상관시키는 용어인 Emin은 SMD가 감소할 때 급격히 감소하는 것으로 나타나 있다. 최소 점화 에너지는 에어로졸내의 연료 액적의 사우터 평균 직경(SMD)의 세제곱에 대략 비례한다. SMD는 표면 대 체적 비율이 전체 스프레이의 것과 같은 액적의 직경이며, 스프레이의 질량 전달 특성에 관련한다. 다양한 연료에 대한 Emin과 SMD 사이의 관계는 레페브레에서 하기의 관계에 의해 대략 추정되는 것으로 나타나있다.
log Emin = 4.5(log SMD) + k : 여기서, Emin은 밀리줄로 측정되며, SMD는 ㎛으로 측정되고, k는 연료 유형에 관련된 상수이다.
레페브레에 따라서, 무거운 연료 오일은 115㎛의 SMD에서 약 800mJ의 최소 점화 에너지를 가지고, 50㎛의 SMD에서 약 23m의 최소 점화 에너지를 갖는다. 이소옥탄은 90㎛의 SMD에서 약 9mJ의 최소 점화 에너지를 가지며, 40㎛의 SMD에서 약 0.4mJ의 최소 점화 에너지를 갖는다. 디젤 연료에 대하여, SMD가 100㎛과 같을 때, Emin은 약 100mJ이다. 30㎛으로의 SMD의 감소는 약 0.8mJ로의 Emin의 감소를 초래한다. 인지할 수 있는 바와 같이, 점화 시스템 소요는 실질적으로 25㎛ 미만의 SMD 값에 대하여 현저히 감소된다.
본 발명에 따른 전력 변환 장치는 매우 바람직하게 낮은 점화 에너지 소요를 나타내는 것으로 발견되었다. 낮은 점화 에너지 소요는 전체 시스템의 중량을 감소시킴으로써 본 발명의 전력 생산 이득을 향상시키고, 점화 시스템과 연계된 기생 전력 손실의 감소를 통해 전력 출력을 최대화한다.
상술된 이득의 견지에서, 저 에너지 불꽃 점화 디바이스는 전력 생산 장치의 점화기에 양호하다. 약 5 내지 7밀리줄(mJ)의 범위의 스파크 에너지를 제공할 수 있는 작은 압전 점화 디바이스가 적합하다. 본 발명의 장치에 의해 제공되는 초 미세 연료 기화는 양호한 점화 특성을 제공하도록 저 에너지 압전 점화 디바이스와 협력한다.
액체 급유 연소 디바이스의 배기물 특성은 연료 액적 크기 분포의 품질에 민감한 것으로 알려져 있다. 고 품질, 미세 스프레이는 연료 증발을 촉진하고, 혼합을 향상시키며, 그에 의해, 연료 농후 연소에 대한 필요성 및 스모크 및 분진의 발생에 대한 빈번한 관리에 대한 필요성을 감소시킨다. 작은 액적은 흐름 유선을 따르며, 버너 벽에 대하여 충돌하는 경향이 작다. 반대로, 큰 액적은 버너 벽에 충돌할 수 있으며, CO 및 수산화탄소 배출물과 탄소 침착물을 유발한다. 이 문제는 불꽃이 매우 속박되어 있는 디바이스의 경우에 보다 현저하다.
기화된 연료의 연소 동안 발생된 열은 전기적 또는 기계적 동력으로 변환될 수 있다. 예로서, 열은 소정의 원하는 양의 전력 또는 기계적 동력, 예로서, 510kg-m/sec(5000와트) 까지의 전력 또는 기계적 동력으로 변환될 수 있다. 단지 수 시간 동안 약 2.0kg-m/sec(20W) 만을 제공할 수 있는 휴대용 배터리 기술 또는, 102kg-m/sec(1kW) 이상을 발생시키는 시끄럽고 배기물이 많은 내연 기관/발전기에 비해, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 장치는 수백 와트 범위의 조용하고 청정한 전력 소스를 제공한다.
본 발명에 따른 연소 챔버내에서 발생된 열을 전력 또는 기계적 동력으로 변환하기 위한 다양한 기술이 존재한다. 예로서, 2.0 내지 510kg-m/sec(20 내지 5000와트) 범위에서, 적어도 하기의 기술이 고려된다 : 열을 발전기를 구동하기 위해 사용될 수 있는 기계적 동력으로 변환하기 위한 스털링 엔진, 발전기를 구동하기 위해 사용될 수 있는 마이크로 가스 터빈, 열의 전기로의 직접적 변환을 위한 열전지 및 방사선 에너지를 전기로 직접 변환하기 위한 열광전지.
열전 디바이스는 조용하고 내구적인 관점에서 장점을 제공하며, 외부 연소 시스템에 결합되고, 연료에 대한 유연성 및 낮은 배기물에 대한 가능성을 제공한다. 변환 디바이스로서 사용될 수 있는 다양한 유형의 열전 발전기는 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 미국 특허 제5,563,368호, 제5,793,119호, 제5,917,144호 및 제6,172,427호에 개시된 것들을 포함한다.
열광전 디바이스는 조용하다는 점에서 장점을 제공하며, 중간 전력 밀도를 제공하고, 외부 연소 시스템과 결합되어 연료에 대한 유연성 및 낮은 배기물에 대한 가능성을 제공한다. 변환 디바이스로서 사용될 수 있는 열광전 디바이스는 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 미국 특허 제5m512m109호, 제5,753,050호, 제6,092,912호 및 제6,204,442호에 기술된 것들을 포함한다. 미국 특허 제6,204,442호에 도시된 바와 같이, 열 방사체가 연소 가스로부터의 열을 흡수하기 위해 사용될 수 있으며, 열 방사체로부터 방사된 열은 전기로의 변환을 위해 포토 셀로 안내되고, 따라서, 연소 가스에 대한 직접적인 노출로부터 포토셀을 보호한다.
마이크로 가스 터빈은 높은 특정 전력에 관하여 바람직하다. 변환 디바이스로서 사용될 수 있는 마이크로터빈 디바이스는 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 미국 특허 제5,836,150호, 제5,874,798호 및 제5,932,940호에 기술된 것들을 포함한다.
스털링 엔진은 크기, 조용한 동작, 내구성에 관하여 장점을 제공하며, 외부 연소 시스템과 결합되어, 연료에 대한 유연성 및 낮은 배기물의 가능성을 제공한다. 변환 디바이스로서 사용될 수 있는 스털링 엔진은 본 기술의 숙련자들이 명백히 알 수 있다.
이제, 도 1을 참조하면, 본 발명의 장치에 사용하기 위한 연료 기화 디바이스가 도시되어 있다. 연료 기화 디바이스(10)는 액체 연료 소스로부터 흡인된 액체 연료를 기화시키기 위해, 입구 단부(14) 및 출구 단부(16)를 가지는 모세관 유로(12)를 포함한다. 유체 제어 밸브(18)는 모세관 유로(12)의 입구 단부(14)를 액체 연료 소스(F)와 유체 연통하여 배치하도록 제공되며, 실질적인 액체 상태의 액체 연료를 모세관 유로(12)내로 도입한다. 필요시, 유체 제어 밸브(18)는 솔레노이드에 의해 동작할 수 있다. 열원(20)은 모세관 유로(12)를 따라 배열된다. 가장 적합하게는, 열원(20)은 전기 저항 재료의 튜브로부터 모세관 유로(12)를 형성함으로써 제공되며, 모세관 유로(12)의 일부는 전류가 접속부(22, 24)에서 그를 통해 전류를 전달하도록 튜브에 연결될 때 가열기 요소를 형성한다. 열원(20)은 인지할 수 있는 바와 같이, 모세관 유로(12)내의 액체 연료를 그 적어도 일부가 액체 상태로부터 기체 상태로 변하기에 충분한 수준으로 가열하고, 모세관 유로(20)의 출구 단부(16)로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하도록 동작할 수 있다. 실질적으로 기화된다는 것은 액체 연료의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 보다 바람직하게는 적어도 80%의 액체 연료가 기화된다는 것을 의미한다.
연료 기화 디바이스(!0)는 또한 본 발명의 장치의 동작 동안 형성된 침착물을 세정하기 위한 수단을 포함한다. 도 1에 도시된 침착물을 세정하기 위한 수단은 유체 제어 밸브(18), 열원(20) 및 산화제(C)의 소스와 유체 연통하여 모세관 유로(12)를 배치하기 위한 산화제 제어 밸브(26)를 포함한다. 인지할 수 있는 바와 같이, 산화제 제어 밸브는 모세관 유로(12)의 어느 한 단부에, 또는 그 부근에 위치될 수 있거나, 모세관 유로(12)의 어느 한 단부와 유체 연통하도록 구성될 수 있다. 산화제 제어 밸브가 모세관 유로(12)의 출구 단부(16)에 또는 그 부근에 배치되는 경우, 이는 모세관 유로(12)의 출구 단부(16)와 유체 연통하여 산화제(C)의 소스를 배치하도록 기능한다. 동작시, 열원(20)은 모세관 유로(12)내의 산화제(C)를 액체 연료(F)의 가열 동안 형성된 침착물을 산화시키기에 충분한 수준으로 가열하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 급유 모드를 세정 모드로 전환하기 위해, 산화제 제어 밸브(26)는 모세관 유로(12)내로의 액체 연료(F)의 도입과 산화제(C)의 도입 사이에서 교대로 동작할 수 있으며, 적어도 하나의 모세관 유로내로 산화제가 도입될 때 모세관 유로의 현장 세정을 가능하게 한다.
침착물을 산화시키기 위한 일 기술은 모세관 유로를 통해 공기 또는 스트림을 통과시키는 것을 포함한다. 언급된 바와 같이, 모세관 유로는 세정 동작 동안 산화 프로세스가 개시되고, 침착물이 소비될 때까지 육성될 수 있도록 가열되는 것이 바람직하다. 이 세정 동작을 향상시키기 위해, 촉매 물질이 모세관 벽상의 코팅으로서, 또는 모세관 벽의 구성요소로서 세정을 달성하기 위해 필요한 시간 및/또는 온도를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 연료 기화 디바이스의 연속 동작을 위해, 하나 이상의 모세관 유로가 사용되어, 센서의 사용 등에 의해 폐색 조건이 검출될 때, 연료 흐름이 다른 모세관 유로로 전환되고, 산화제 흐름이 세정 대상 폐색된 모세관 유로를 통해 개시하게 할 수 있다. 예로서, 모세관 본체는 내부에 복수의 모세관 유로를 포함할 수 있으며, 각 유로에 액체 연료 또는 공기를 선택적으로 보급하도록 밸브 배열이 제공될 수 있다.
대안적으로, 연료 흐름은 모세관 유로로부터 전환될 수 있으며, 산화제 흐름이 사전설정된 간격으로 개시될 수 있다. 모세관 유로로의 연료 전달은 콘트롤러에 의해 실행될 수 있다. 예로서, 콘트롤러는 사전설정된 시간 주기 동안 연료 전달을 활성화시키고, 사전설정된 양의 시간 이후 연료 전달을 비활성화할 수 있다. 콘트롤러는 또한 액체 연료의 압력 및/또는 모세관 유로에 보급되는 열의 양을 하나 이상의 감지된 조건에 기초하여 조절할 수 있다. 감지된 조건은 연료 압력, 모세관 온도, 공기 연료 비율 등을 포함할 수 있다. 콘트롤러는 또한 침착물을 세정하기 위해 하나 이상의 모세관 유로를 제어할 수도 있다.
세정 기술은 단일 유동 통로를 갖는 연소 디바이스에 적용될 수 있다. 그러나, 연소 디바이스가 세정 동작 중에 간헐적으로 중단되면, 세정 동안 유동 통로에 공급된 에너지가 전기적인 것이 바람직하다. 세정 사이의 시간 기간은 실험적으로 결정된 폐색 특징에 기초하여 고정되거나 감지 및 제어 장치가 폐색을 검출하고 요구되는 바에 따라 세정 프로세스를 초기화하도록 이용될 수 있다. 예로서, 제어 디바이스는 모세관 유동 통로로의 연료 공급 압력을 감지함으로써 폐색 정도를 검출할 수 있다.
지시된 바와 같이, 산화 세정 기술은 또한 연속적으로 동작하도록 요구되는 연료 기화 디바이스에 인가될 수 있다. 이 경우, 다중 모세관 유동 통로가 이용된다. 본 발명에 사용하기 위한 예시적인 다중 모세관 유동 통로 연료 기화 디바이스가 도 2 및 도 3에 도시된다. 도 2는 단일 조립체(94)로 일체화된 다중 모세관 튜브 배열의 개략도를 나타낸다. 도 3은 조립체(94)의 단부도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 조립체는 중실형 스테인레스강 로드를 포함할 수 있는 포지티브 전극(92) 및 3개의 모세관 튜브(82A, 82B, 82C)를 포함할 수 있다. 튜브 및 로드는 전기 절연 재료의 본체(96)에 지지될 수 있고 저력이 피팅(98)을 경유하여 로드 및 모세관 튜브에 공급될 수 있다. 예로서, 직류 전류가 모세관 튜브의 하나 이상의 상류측 단부에 공급될 수 있고, 그의 하류측 단부에서의 접속부(95)가 로드(92)를 통하는 전류를 위한 복귀 경로를 형성할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시에 사용하기 위한 다중 모세관 튜브 기화 시스템(80)이 도시되어 있다. 시스템은 모세관 튜브(82A 내지 C), 연료 공급 라인(84A 내지 C), 산화제 공급 라인(86A 내지 C), 산화제 제어 밸브(88A 내지 C), 전력 입력 라인(90A 내지 C) 및 공통 접지(91)를 포함한다. 시스템(80)은 연료 전달이 하나 이상의 다른 모세관 튜브에 계속되는 동안 하나 이상의 모세관 튜브의 세정을 허용한다. 예로서, 모세관 유동 통로(82B, 82C)를 경유하는 연료의 연소는 모세관 유동 통로(82A)의 세정 중에 수행될 수 있다. 모세관 유동 통로(82A)의 세정은 모세관 튜브(82A)로의 연료의 공급을 중단하고 모세관 유동 통로 내의 침전물을 산화하기에 충분한 가열로 모세관 유동 통로(82A)에 공기를 공급함으로써 성취될 수 있다. 따라서, 하나 또는 다수의 모세관의 세정이 연속적으로 연료를 전달하는 동안 수행될 수 있다. 세정되는 하나 이상의 모세관 유동 통로는 어플리케이션으로부터의 열 피드백 또는 전기 저항 히터에 의해 세정 프로세스 동안에 가열되는 것이 바람직하다. 또한, 임의의 주어진 모세관 유동 통로에 대한 세정 사이의 시간 기간은 실험적으로 결정된 공지의 폐색 특징에 기초하여 고정될 수 있고 또는 감지 및 제어 시스템이 요구에 따라 침전물 형성을 검출하고 세정 프로세스를 검출하는데 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 장치를 동작하기 위한 제어 시스템의 예시적인 개략도를 도시하고, 장치는 폐색된 모세관 통로를 세정하기 위한 산화 가스 공급부를 구비한다. 제어 시스템은 모세관 유동 통로104)와 같은 유동 통로에 연료 및 선택적으로는 공기를 공급하는 연료 공급부(102)에 작동적으로 연결된 제어기(100)를 포함한다. 제어기는 또한 연료를 기화하기에 충분히 튜브를 가열하기 위해 금속 모세관 유동 통로(104)에 직접적으로 또는 저항 히터에 전력을 전달하는 전원(106)에 작동적으로 연결된다. 원한다면, 연소 시스템은 제어기(100)에 작동적으로 연결된 히터 및 다중 유동 통로를 포함할 수 있다. 제어기(100)는 온-오프 스위치, 열전대, 연료 유량 센서, 공기 유량 센서, 전력 출력 센서, 배터리 충전 센서 등과 같은 하나 이상의 신호 전송 디바이스에 작동적으로 연결되어, 이에 의해 제어기(100)가 신호 전송 디바이스(108)에 의해 제어기로 출력된 신호(들)에 응답하여 연소 시스템의 동작을 자동으로 제어하도록 프로그램될 수 있다.
동작시에, 본 발명에 따른 장치의 연료 기화 디바이스는 액체 연료가 모세관을 통과할 때 액체 연료를 실질적으로 기화하기에 충분히 가열되어 모세관 유동 통로를 전기적으로 또는 다른 방식으로 가열하는 필요성을 감소시키거나 배제하거나 또는 보충하도록 연소 중에 발생된 열을 피드백하도록 구성될 수 있다. 예로서, 모세관 튜브는 더 많은 열전달을 위해 그의 표면적을 증가시키도록 더 길게 제조될 수 있고, 모세관 튜브는 연소하는 연료를 통과시키도록 구성될 수 있고 또는 열교환기가 연료를 예열하기 위해 연소 반응으로부터의 배기 가스를 사용하도록 배열될 수 있다.
도 6은 그를 통해 이동하는 액체 연료가 연료 기화 히터의 전력 요구를 감소시키기 위해 상승된 온도로 가열될 수 있도록 어떠한 방식으로 모세관 유동 통로(64)가 배열될 수 있는지를 개략 형태로 도시한다. 도시된 바와 같이, 모세관 유동 통로를 포함하는 튜브의 부분(66)은 연소된 연료의 화염(68)을 통과한다. 초기 시동을 위해, 배터리(74)와 같은 전원에 접속된 전기 도선(70, 72)에 의해 가열된 개별 저항 히터 또는 튜브의 섹션을 포함하는 저항 히터가 액체 연료를 초기에 기화하는데 사용될 수 있다. 적합한 점화 배열에 의한 기화된 연료의 점화 후에, 튜브의 부분(66)은 이외의 경우에 저항 히터에 의한 연료의 연속적인 기화를 위해 요구되는 전력을 감소시키도록 연소의 열에 의해 예열될 수 있다. 따라서, 튜브를 예열함으로써, 튜브 내의 연료는 저항 히터를 사용하지 않고 기화될 수 있고 이에 의해 전력이 보존될 수 있다.
이해될 수 있는 바와 같이, 도 1 내지 도 6에 도시된 연료 기화 디바이스 및 부속 시스템은 또한 본 발명의 다른 실시예와 연계하여 사용될 수 있다. 도 1을 재차 참조하면, 침전물 세정 수단은 연료 제어 밸브(18), 솔벤트와 유체 연통하여 모세관 유동 통로(12)를 배치하기 위한 솔벤트 제어 밸브(26)를 포함하고, 솔벤트 제어 밸브(26)는 모세관 유동 통로(12)의 일 단부에 배치된다. 솔벤트 세정을 이용하는 장치의 일 실시예에서, 솔벤트 제어 밸브는 모세관 유동 통로(12) 내로의 솔벤트의 도입 및 액체 연료의 도입 사이를 교대하도록 동작 가능하여, 솔벤트가 모세관 유동 통로(12) 내로 도입될 때 모세관 유동 통로(12)의 적소의 세정을 가능하게 한다. 광범위한 솔벤트가 실용성을 갖지만, 솔벤트는 액체 연료원으로부터의 액체 연료를 포함할 수 있다. 이 경우에는, 연료와 솔벤트 사이를 교대할 필요가 없으므로 솔벤트 제어 밸브가 요구되지 않으며, 열원이 모세관 유동 통로(12)의 세정 동안에 페이즈아웃 또는 비활성화되어야 한다.
도 7A는 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시한다. 본 발명의 장치에 사용하기 위한 연료 기화 디바이스(200)는 액체 연료(F)의 전달을 위해 가열된 모세관 유로(212)를 갖는다. 열은 열원(220)에 의해 제공되며, 이는 모세관 유로(212)를 따라 배열되어 있다. 가장 양호한 바와 같이, 열원(220)은 전기 저항 재료의 튜브로부터 모세관 유로(212)를 형성함으로써 제공되고, 모세관 유로(212)의 일부는 전류의 소스가 접속부(222, 224)에서 그를 통한 전류 전달을 위해 튜브에 접속될 때, 가열기 요소를 형성한다.
연료 기화 디바이스(200)의 동자 동안 형성된 침착물을 세정하기 위해, 모세관 유로(212)의 입구 단부(214)의 개구와 축방향 정렬하도록 축방향 가동성 로드(232)가 디바이스 본체(230)의 단부 캡(234)의 개구(236)를 통해 위치된다. 팩킹 재료(238)가 밀봉을 위해 단부 캡(234)의 내부 체적내에 제공된다. 이제 도 7B를 참조하면, 축방향 가동성 로드(232)가 모세관 유로(212)내로 완전히 연장된 상태로 도시되어 있다. 인지할 수 있는 바와 같이, 모세관 유로(212)의 내부내의 최소 벽 간극을 위한 축방향 가동성 로드(232)의 직경을 선택하는 것은 연료 기화 디바이스(200)의 동작 동안 모세관 유로(212)의 내면을 따라 침착된 침착물의 실질적인 모두를 제거할 수 있는 조합을 형성한다.
도 8은 프리-피스톤 스털링 엔진(30)을 포함하는 본 발명에 따른 장치의 개요도를 도시하며, 연소 챔버(34)에서 550 내지 750℃의 열이 전력을 발생시키도록 교류 발전기(32)를 구동하는 왕복 피스톤에 의해 기계적 동력으로 변환된다. 조립체는 또한 모세관 유로/가열기 조립체(36), 콘트롤러(38), 정류기/레귤레이터(40), 배터리(42), 연료 공급부(44), 리큐퍼레이터(46; recuperator), 연소 송풍기(48), 쿨러(50) 및 쿨러/송풍기(52)를 포함한다. 동작시, 콘트롤러(38)는 모세관(36)으로의 연료 전달을 제어하도록 동작하며, 연소의 열이 엔진이 교류발전기(32)로부터 전기를 출력하도록 스털링 엔진내의 피스톤을 구동하도록 연소 챔버(34)내의 연료의 연소를 제어하도록 동작할 수 있다. 필요시, 스털링 엔진/교류발전기는 기계적 동력을 출력하는 운동학적 스털링 엔진으로 교체될 수 있다. 연소 챔버 및 공기 예열 배열은 본 명세서에서 참조하고 있는 미국 특허 제4,277,942호, 제4,352,269호, 제4,384,457호 및 제4,392,350호에서 발견할 수 있다.
도 9는 스털링 엔진 조립체와 함은 열 변환 장치의 일부를 형성할 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 생성 장치의 부분 단면 사시도를 나타낸다. 도9에 도시된 바와 같이, 공기 송풍기에 의해 공기 입구로 전달된 공기는 연소 챔버(34)로 들어가고, 모세관/히터 배열(36)에 의해 챔버로 전달된 기화된 연료와 혼합된다. 챔버(34)의 연소열은 스털링 엔진(30)의 단부를 가열하고 활주 피스톤을 전기를 발생시키는 방식으로 교류 발전기 내에서 왕복한다. 챔버(34)는 배기 가스가 진입 공기를 예열하도록 하고, 따라서, 연료를 연소시키기 위한 에너지 요구를 감소시킨다. 예를 들어, 하우징은 배기 통로에서 순환하는 배기 가스에 의해 가열되는 플리넘에서 진입 공기가 순환되도록 하는 다중벽 배열을 포함할 수 있다. [화살표(55)로 지시된] 입구 공기는 연소 챔버(34) 주위의 스월 베인(56)을 통한 공기를 통과시킴으로써 연소 챔버 내에서 소용돌이치도록 할 수 있다. 연소된 연료 공기 혼합물은 열변환 장치(스털링 엔진)(30)를 가열하고 [화살표(57)로 지시된] 배기 가스는 연소 챔버로부터 제거된다.
일반적으로, 전력 변환 장치는 액체 연료 공급원과, 연료 공급원으로부터의 연료가 기화되고 연소 챔버로 전달되는 적어도 하나의 통로(예를 들어, 하나 이상의 가열된 모세관 튜브)를 포함하고, 기화된 연료는 연소되고, 연소 챔버에서 생성된 열은 스털링 엔진 또는 다른 열변환 장치를 구동하도록 이용된다. 열 교환기는 공기가 열 교환기의 공기 통로를 통해 진행함에 따라 공기를 예열하도록 이용될 수 있어서, 장치의 효율을 최대화할 수 있고, 즉 챔버의 연소를 지원하도록 기화된 연료와 혼합된 공기를 예열함으로써, 적은 연료가 바람직한 작동 온도에서 스털링 엔진을 유지하는데 요구될 수 있다. 배기 가스는 열 교환기의 배기 덕트를 통해 진행할 수 있어서, 배기 가스로부터의 열은 연소 챔버로 전달되는 공기로 전달될 수 있다.
연소 챔버는 공기가 기화된 연료와 혼합되고 그리고/또는 공기-연료 혼합물이 연소되는 임의의 적절한 배열과 합체될 수 있다. 예를 들어, 연료는 공기-연료 혼합물을 제공하기 위해 벤투리에서 공기와 혼합될 수 있고, 공기-연료 혼합물은 벤투리로부터 하류의 열 발생 구역에서 연소될 수 있다. 연소를 개시하기 위해, 공기-연료 혼합물은 스파크 발생기와 같은 점화기가 혼합물을 점화하는 점화 구역에서 한정될 수 있다. 점화기는 기계적 스파크 발생기, 전기적 스파크 발생기, 저항 가열 점화 와이어 등과 같은 연료를 점화시킬 수 있는 임의의 장치일 수 있다. 전기 스파크 발생기는 소형 배터리와 같은 임의의 적절한 전원 공급원에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 그러나, 배터리는 활성화될 때 전류를 발생시키는 수동 작동식 압전 변환기로 대체될 수 있다. 이러한 배열에서, 전류는 변환기를 가압함으로써 전기-기계적으로 발생될 수 있다. 예를 들어, 방아쇠가 가압될 때 스트라이커가 변환기를 소정의 힘으로 타격하기 위해 배열될 수 있다. 변환기에 의해 발생된 전력은 적절한 회로에 의해 스파크 발생 기구로 공급될 수 있다. 이러한 배열은 연료-공기 혼합물을 점화시키기 위해 이용될 수 있다.
변환 장치에 의해 발생된 전력의 일부는 점화기에 전력을 공급하기 위해 이용될 수 있는 배터리 또는 캐퍼시터와 같은 적절한 저장 장치에 저장될 수 있다. 예를 들어, 수동 작동식 스위치가 저항 가열 소자로, 또는 유동 통로의 연료를 기화시키는 금속 튜브의 일부를 통해 직접적으로 전류를 전달하기 위해 이용될 수 있고, 그리고/또는 전류는 연소 챔버로 공급된 연료-공기 혼합물의 연소를 개시하기 위해 점화기로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 연료를 연소시킴으로써 발생된 열은 기계적 또는 전기적 전력에 의지하는 임의의 형식의 장치를 작동시키기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 열 변환 공급원은 전화 통신 장치(예를 들어, 무선 전화), 휴대용 컴퓨터, 동력 기구, 전기 제품, 캠핑 용품, 군용 설비, 동력 자전거, 동력 휠체어 및 수중 추진 장치와 같은 운송 설비, 전자 검출 장치, 전자 모니터링 설비, 배터리 충전기, 조명 설비, 가열 설비 등과 같은 휴대용 전기 설비용의 전력을 발생시키기 위해 이용될 수 있다. 열 변환 장치는 또한, 비휴대용 장치 또는 전력 그리드가 활용 가능하지 않거나, 불편하거나 또는 신뢰성이 없는 위치에 전력을 공급하도록 이용될 수 있다. 이러한 위치 및/또는 비휴대용 장치는 원격 거주 지구 및 군용 야영지, 자동 판매기, 수중 설비 등을 포함한다.
본 발명의 하이브리드 전력 발생 시스템에 이용하기 위한 의도된 광전 어레이는 광범위한 광전 셀을 포함한다. 활용 가능한 것으로 공지된 바람직한 형식의 예는 20 내지 25 %의 변환 효율을 제공할 수 있고, 몇몇 변환 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 최외부 표면의 청색 반응성 층과 그 다음의 녹-적 반응성 층과 그 다름에 적외선 층이 있다. 다른 형식들은 실리콘보다는 갈륨으로 제조된다. 그럼에도 불구하고, 이러한 상황에서, 비교적 비효율(10 내지 18 %)의 셀을 이용하는 것이 보다 바람직할 수 있고, 셀의 반도체 표면이 (단면적에 대해) 적정량의 도전성 금속 스트립과 함께 제공되어, 제조자에 의해 파악된 것보다 몇 배 더 클 수 있는 발생된 전류가 반도전체의 과열 또는 금속 도전체의 용융을 야기하지 않는다.
선택적으로, 태양 전지 셀 전용 설계는 해당 기술 분야의 종사자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 편평 또는 비편평 표면에 구성된 적층된 아몰퍼스 실리콘을 포함하는 아몰퍼스 형식을 포함할 수 있다. 이들 셀의 구성의 개발은 합치하는 코팅을 형성하도록 임의의 표면상에 셀 재료가 증발 또는 도포되도록 할 수 있다.
광전 셀 및 광전 어레이를 생성하기 위한 다양한 방법은 본원에서 참조로 합체되는 미국 특허 제4,152,824호, 제4,239,555호, 제4,451,969호, 제4,595,790호, 제4,851,308호, 제6,077,722호, 제6,111,189호, 제6,368,892호, 제6,423,565호 및 제6,465,724호에 의해 명확한 바와 같이 공지되어 있다.
광전 셀을 이용하는 전력 발생 분야에서 공지된 바와 같이, 예를 들어, 비교적 열악하게 조명되는 위치에서 어레이의 일부가 있으면 부하를 균형잡히게 하는 수단이 제공될 수 있다. 유용한 작동 전압은 특히 태양광이 약하고 작동 전압이 강하될 때 전송 손실과 반도체 손실을 최소화하는 견지로부터 개선된 활용을 제공하는 고전압을 갖고 적어도 12볼트이다. 변동 전류를 통해 일정한 출력 전압을 유지하기 위해 해당 기술 분야에서 공지된 바와 같이 스텝-업 변환기가 제공될 수 있다. 통상적으로, 본 발명의 조합에 이용되는 어레이는 51 내지 204 Kg-m/초(500 W 내지 2 KW) 이상의 범위의 전력을 생성할 수 있다.
도 10을 참조하면, 바람직한 형상에 따른 하이브리드 전력 시스템(300)의 블록도가 도시된다. 도시된 바와 같이, 액체 연료 공급원, 연료 공급원으로부터의 연료가 기화되고 연소 챔버로 전달되는 하나 이상의 가열된 모세관 튜브를 포함하고 기화된 연료는 연소되고 연소 챔버가 스털링 엔진 또는 다른 열 변환 장치를 구동하기 위해 이용되는 동안 열이 생성되는 전력 유닛(310)이 전술한 바와 같이 제공된다. 열 변환 장치는 유리하게는 전력을 생성하기 위한 선형 교류 발전기와 같은 교류 발전기에 부착될 수 있고, 전력 전자 모듈(350)로 이송되고, 차례로 부하에 연결되는 배터리(340)로 저장하도록 보내어진다.
전술한 형식으로부터 선택될 수 있는 광전 어레이(320)는 또한 저장 배터리(340)로 전기적으로 접속되고, 피크 태양 방사 기간 동안 부하의 총 요구량을 제공하도록 크기가 정해질 수 있거나 또는 전력 유닛(310)에 의한 공급용으로 설계될 수 있다. 전력 유닛(310)의 크기 설정에 대해, 맑은 날에 광전 어레이가 102 Kg-m/초(1KW)를 제공하는 바와 같이, 35.7 Kg-m/초(350W) 용량을 갖는 엔진을 구비한 유닛이 하루에 12시간 이상 유사한 전력 출력을 제공할 수 있다. 이와 같이, 전력 유닛의 용량은 PV 어레이보다 낮게 고려될 수 있고, 여전히 급송 능력 및 전력 신뢰성 개선을 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, 다중 전력 유닛이 큰 응용예를 다루기 위해 유사하게 이용될 수 있다.
특히 바람직한 바와 같이, 광전 어레이(320)는 전달된 전력의 약 90 %를 제공하고, 연간 약 300 내지 800 시간의 엔진 작동을 요구하는 하이브리드 전략을 얻는다. 본 발명의 하이브리드 구조는 광전 패널 및 배터리 저장 용량의 요구사항을 25 % 내지 50 % 감소시킬 수 있고, 광전 어레이에 비해 자본 및 운용 비용을 감소시킬 수 있다. 부가로, 의도된 하이브리드 구조는 하나 이상의 요인의 대체 스케줄을 결과적으로 증가시키면서 배터리 보조 시스템의 스트레스를 감소시킨다(방전 수준의 감소 등).
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 해당 기술 분야의 종사자들은 다양한 변경 및 등가물이 본 발명의 범주로부터 벗어남없이 채용될 수 있다는 것이 명백할 것이다.
Claims (20)
- 전력을 발생시키기 위한 하이브리드 시스템에 있어서(a) 태양 방사선을 수집하여 전력으로 변환하기 위한 광전 어레이,(b) 액체 연료의 소스로부터 전력을 발생시키기 위한 장치로서, (i) 입구 단부와 출구 단부를 가지면서 입구 단부가 액체 연료의 소스와 유체 연통하는 적어도 하나의 모세관 유로, (ii) 상기 적어도 하나의 모세관 유로를 따라 배열되어, 그 적어도 일부를 액체 상태로부터 증기 상태로 변화시키기에 충분한 수준으로 상기 적어도 하나의 모세관 유로내의 액체 연료를 가열하고 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부로부터 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 전달하도록 동작할 수 있는 열원, (iii) 상기 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 출구 단부와 연통하는 연소 챔버 및 (iv) 상기 연소 챔버내에서의 연소에 의해 방출되는 열을 전력으로 변환하도록 동작할 수 있는 변환 디바이스를 포함하는 액체 연료의 소스로부터 전력을 발생시키기 위한 장치, 및(c) 상기 변환 디바이스 및 상기 광전 어레이에 의해 발생된 전력을 저장하기 위해, 상기 광전 어레이 및 상기 변환 디바이스에 전기적으로 연결된 저장 디바이스를 포함하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 열원은 저항 가열 소자를 포함하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모세관 유로는 적어도 하나의 모세관 튜브를 포함하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 3 항에 있어서, 상기 열원은 전류를 통과시킴으로써 가열된 상기 모세관 튜브의 섹션을 포함하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 장치의 동작 동안 형성된 침착물을 세정하기 위한 수단을 추가로 포함하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 5 항에 있어서, 침착물을 세정하기 위한 상기 수단은 유체 제어 밸브, 상기 열원 및 산화제 제어 밸브를 포함하고, 산화제 제어 밸브는 적어도 하나의 모세관 유로를 산화제와 유체 연통하여 배치하기 위한 것이며, 상기 열원은 또한 액체 연료의 가열 동안 형성된 침착물을 산화시키기에 충분한 수준으로 상기 적어도 하나의 모세관 유로내의 산화제를 가열하도록 동작할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 모세관 유로를 산화제와 유체 연통하여 배치하기 위한 상기 산화제 제어 밸브는 상기 모세관 유로내로 산화제의 도입과 액체 연료의 도입 사이에서 교대로 동작할 수 있으며, 산화제가 상기 적어도 하나의 모세관 유로에 도입될 때, 상기 모세관 유로의 현장 세정을 가능하게 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 5 항에 있어서, 상기 침착물을 세정하기 위한 수단은 유체 제어 밸브를 포함하고, 상기 유체 제어 밸브는 솔벤트와 유체 연통하여 상기 적어도 하나의 모세관 유로를 배치하도록 동작할 수 있어서 솔벤트가 상기 적어도 하나의 모세관 유로내로 도입될 때, 상기 모세관 유로의 현장 세정을 가능하게 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 8 항에 있어서, 솔벤트는 액체 연료 소스로부터의 액체 연료를 포함하고, 열원은 상기 모세관 유로의 세정 동안 페이즈-아웃(phase-out)되는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버는 기화된 연료를 점화하도록 동작할 수 있는 점화기를 포함하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 9 항에 있어서, 상기 열원은 점화기의 점화 에너지 소요를 감소시키기에 효과적인 수준으로 액체 연료를 기화시킬 수 있는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환 디바이스는 마이크로 터빈, 전기 발전기를 가지는 마이크로 터빈, 스털링 엔진, 전기 발전기를 가지는 스털링 엔진, 열전 디바이스 및 열광전 디바이스로 구성되는 그룹으로부터 선택된 디바이스를 포함하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환 디바이스는 510kg-m/sec(5000와트)의 기계적 또는 전기적 전력을 출력하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 소스를 추가로 포함하고, 상기 연료 소스는 100psig 이하의 압력으로 상기 적어도 하나의 모세관 유로에 가압된 액체 연료를 전달할 수 있는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버로부터 배기된 배기 가스의 일부가 통과하여 순환되는 배기 덕트와, 공기가 통과 순환되는 공기 통로를 포함하는 열 교환기를 추가로 포함하고, 상기 열 교환기는 상기 배기 덕트내의 배기 가스로부터 열을 공기로 전달함으로써 상기 공기 통로내의 공기를 예열하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 송풍기를 추가로 포함하고, 상기 공기 송풍기는 압력하의 공기를 상기 연소 챔버에 보급하여 공기-연료 혼합물을 연소시키기에 효과적인 원하는 공기-대-연료 비율로 가압된 공기가 기화된 연료와 혼합될 수 있게 하는 전력 발생용 하이브리드 시스템.
- 전력을 발생시키기 위한 방법에 있어서,(a) 광전 어레이의 사용을 통해 태양 방사선을 전력으로 변환하는 단계,(b) 적어도 하나의 모세관 유로에 액체 연료를 보급하는 단계,(c) 적어도 하나의 모세관 유로내의 액체 연료를 가열함으로써, 실질적으로 기화된 연료의 스트림을 적어도 하나의 모세관 유로의 출구를 통해 통과시키는 단계,(d) 연소 챔버내에서 기화된 연료를 연소시키는 단계,(e) 변환 디바이스를 사용하여 연소 챔버내의 기화된 연료의 연소에 의해 발생된 열을 전력으로 변환하는 단계, 및(f) 단계 (a) 및 (e)에서 발생된 전력을 저장 디바이스에 저장하는 단계를 포함하는 전력 발생 방법.
- 제 16 항에 있어서, 적어도 하나의 모세관 유로는 적어도 하나의 모세관 튜브를 포함하고, 열원은 저항 가열 소자 또는 전류를 통과시킴으로서 가열되는 모세관 튜브의 섹션을 포함하고,상기 방법은 모세관 튜브를 통해 액체 연료를 흐르게 하고, 튜브를 가열함으로써 액체 연료를 기화시키는 단계를 포함하는 전력 발생 방법.
- 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 변환 디바이스는 마이크로 터빈, 전기 발전기를 가지는 마이크로 터빈, 스털링 엔진, 전기 발전기를 가지는 스털링 엔진, 열전 디바이스 및 열광전 디바이스로 구성되는 그룹으로부터 선택된 디바이스를 포함하는 전력 발생 방법.
- 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 모세관 유로를 주기적으로 세정하는 단계를 추가로 포함하는 전력 발생 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 주기적 세정 단계는 (i) 적어도 하나의 모세관 유로의 상기 가열을 페이즈-아웃하는 단계, (ii) 적어도 하나의 모세관 유로에 솔벤트를 보급하여, 적어도 하나의 모세관 유로내에 형성된 침착물을 제거하는 단계를 포함하는 전력 발생 방법.
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