KR20060030101A

KR20060030101A - 전력 발생 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20060030101A
Application number: KR1020067000067A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 에이. 벨로콘; 미크하일 브이. 센케비치; 조지 엘 3세 터치톤
Original assignee: 엠이에스 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-04-07
Also published as: CN100353033C; US6906432B2; JP2007535631A; RU2006102970A; ES2285519T3; DK1649144T3; EP1649144A1; DE602004005715D1; CA2531428A1; PT1649144E; CN1816684A; WO2005003521A1; DE602004005715T2; US20050001598A1; SI1649144T1; ATE358764T1; CA2531428C; PL1649144T3; RU2344304C2; EP1649144B1

Abstract

본 발명은 발전기(generator)(30)가 공기흡입 엔진(air-breathing engine)(20)에 의해 구동되는 전력 발생 시스템(power generating system)(10) 및 방법에 관한 것이다. 임의의 작동 조건에서, 임의의 전력 출력에 대해, 엔진의 효율은, 엔진 내의 작동 유체(working fluid)의 높은 피크(peak) 온도를 유지하도록 연료/공기 비율이 제어되는 방식으로 엔진을 통과하는 공기 흐름의 속도를 제어함으로써 실질적으로 최적화된다. 본 발명의 방법 및 시스템에 의해, 엔진의 가변-구조 메커니즘(variable-geometry), 가변-구조 연소기 및 사전-가열기(pre-burner)이 필요 없게 된다. 본 발명을 낮은 연료/공기 비율에서 작동하는 공기흡입 엔진의 여러 가지 형태에 적용 가능하다.

발전기(generator), 공기흡입 엔진(air-breathing engine), 전력 발생 시스템(power generating system), 작동 유체(working fluid), 가변-구조 메커니즘(variable-geometry mechanism), 가변-구조 연소기(variable-geometry combustor), 사전-가열기(pre-burner)

Description

전력 발생 시스템 및 방법{ELECTRICAL POWER GENERATION SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 발전기(generator)를 구동하기 위해 공기흡입 엔진(air-breathing engine)을 사용하는 전력 발전에 관한 것이다. 상기 발전기는 부하에 공급하기 위한 전류를 생성한다. 본 발명의 특정 실시예는 소형 터빈 엔진(turbine engine)에 의해 동력을 얻는 발전기를 사용하는 전력 발전에 관한 것이다.

분산형 전력 발전(distributed power generation)은 수년 동안 많이 논의가 된 주제이다. 그러나 지금까지 분산형 발전 시스템은 많이 사용되지 않고 있다.

분산형 발전(distributed generation)이란, 전력을 요구하는 장소에 위치하는 소형 전력 발전 시스템을 사용하는 것을 말한다. 따라서 분산형 발전은, 거대한 중앙 집중식 전력 발전소(central power plant)가 전력을 생산하여 보통 그리드(grid)라고 불리는 송전선(power transmission lines) 시스템을 통해 상당 거리에 위치한 복수의 사용자들에게 이 전력을 전달하는 종래의 공익 사업체 그리드(utility grid) 시스템과는 구별된다.

공익 사업체에 의해 운용되는 종래의 발전소와는 달리, 분산형 발전 시스템은 일반적으로 2 메가와트(megawatt)급 이하이며, 대체적으로 60킬로와트(kilowatt) 내지 600킬로와트 범위에 있다.

분산형 발전이 널리 확산되지 못한 이유는 비용 때문이다. 미국의 대부분의 지역에서, 그리고 실제로 전세계적으로 전력 소비자가 사용하는데 있어서, 그리드 시스템에서 생산된 전력을 구입하는 것이 분산형 발전 시스템에 투자하여 운용하여 전력을 얻는 것보다 더 저렴했다. 분산형 발전 시스템의 전력 생산 비용이 높은 주된 이유는 분산형 발전 시스템에 사용되는 소형 엔진의 효율이 상대적으로 낮기 때문이다. 특히 부분 부하 동작 조건(part-load operation condition)에서는 더욱 그러하다.

일반적으로 분산형 발전 시스템의 발전기는, 종종 크기에 따라 마이크로터빈(microturbine) 또는 미니터빈(miniturbine)이라고 불리는 소형 터빈 엔진에 의해 구동 된다. 일반적으로 터빈 엔진은, 연료의 화학 에너지를 열 에너지로 변환함으로써 고열의 기체를 생성하기 위해 연료와 공기의 혼합물을 연소시키기 위한 연소기(combustor); 터빈을 장착하고 있는 샤프트(shaft)를 회전시키지 위해 고열의 기체를 팽창시키는 터빈; 및 연소기에 공급되는 공기를 압축할 수 있는, 샤프트에 결합되거나 장착되는 컴프레서(compressor)를 포함한다. 분산형 발전 시스템에서는 상대적으로 적은 양의 전력을 요구하기 때문에, 터빈 엔진은 소형이다. 엔진 내부에서 발생하는 공기 역학(aerodynamics)과 관련된 이유 및 기타 이유로 인해, 엔진 크기가 감소함에 따라 터빈 엔진의 효율이 감소한다. 따라서, 마이크로터빈 또는 미니터빈은 대형 엔진과 비교할 때에 자연스레 효율상의 단점을 갖는다.

또한, 부분 부하 조건에서의 터빈 엔진 특유의 작동 방식 때문에, 보통 터빈 엔진의 크기에 관계 없이 터빈 엔진의 부분 부하 효율은 터무니 없이 나쁘다. 특 히, 보통 터빈 엔진에서는, 엔진의 전력 출력이 “설계” 포인트(design point) 아래로 떨어짐에 따라, 엔진 사이클(engine cycle)에서 본질적으로 작동 유체의 최대 온도를 나타내는 터빈 흡입구(inlet) 온도는 감소한다. 설계 포인트는 보통 100%의 부하 조건에 맞추어져 있고, 보통 엔진은 실질적으로 설계 포인트에서 최대 효율을 갖도록 설계된다. 엔진의 열발생 사이클(thermodynamic cycle) 효율에 영향을 주는 주된 변수가 작동 유체(working fluid)의 최대 온도라는 사실은 잘 알려져 있다.

다른 조건이 동일하다면, 최대 온도가 높을수록 효율이 커진다. 바꾸어 발하면, 최대 온도가 낮을수록 효율이 낮아진다.

따라서, 만일 엔진이 부분 부하 조건에서 작동할 때에 사이클 내의 작동 유체의 최대 유효 온도(peak effective temperature)(즉, 터빈 흡입구 온도)가 실질적으로 설계점보다 낮게 되는 방식으로 엔진을 제어한다면, 엔진의 효율은 상당히 떨어진다.

일부 종래 기술에 의한 가스 터빈, 특히 추진(propulsion)용으로 사용되는 비행기 가스 터빈 엔진 및 등속(constant-speed) 전기 발전기 시스템용으로 사용되는 대형 가스 터빈에서, 부분 부하 조건에서 엔진 효율을 떨어트리지 않기 위해 공기 흐름 속도(air flow rate)를 감소시키도록 가변-구조(variable-geometry) 시스템을 사용하여 왔다.

예컨대, 축류(axial-flow) 컴프레서에는 가변 흡입 가이드 베인(variable inlet guide vanes; IGVs)이 사용되었다. 부분 부하 조건에서, IGVs는 임의의 컴 프레서 속도를 위해 공기 흐름 속도를 감소시키도록 정지된다.

방사형 컴프레서(radial compressors)의 경우, 유사한 효과를 얻기 위해 고정자 베인(stator vanes)은 가변적으로 만들어진다.

다른 경우에, 공기 흐름 속도를 제어하기 위해 터빈의 속도를 제어하여 컴프레서의 속도를 제어하기 위해, 가변적인 제1단계 터빈(variable first-stage turbine) 베인 또는 노즐을 채용하였다.

이러한 가변-구조 시스템(variable-geometry systems)은 비싸고, 베어링 및 다른 동작 가능한 구성 부품(movable components)들은 마모되기 쉽기 때문에, 이 시스템을 발전 시스템에 사용하는 것은 실용적이지 않다. 왜냐하면 전기 발전 시스템은 매해마다 상당히 많은 시간 동안 전력을 제공해야 하고, 필요한 경우 본질적으로 끊임없이 작동해야 하며, 또한 전력을 공급 받는 부하가 요구하는 전력량의 변화에 신속하게 대응할 수 있어야 하기 때문이다.

또한 가변-구조 메커니즘은, 작은 엔진 크기 때문에 마이크로터빈 및 미니터빈 내에 구현하기에 실용적이지 않다.

따라서, 부분 부하 조건에서 엔진 성능을 최적화하기 위해 가변-구조 방법을 대체할 다른 방법이 필요하다.

배출물질에 있어서 분산형 발전 시스템은 또 다른 매력적인 측면을 보여준다(배출물질은 제한되지는 않지만 질소 산화물, 불완전 연소된 탄화수소, 및 일산화탄소를 포함한다). 일반적으로, 임의의 전력 출력에 대해, 연료 연소 온도(플레임(flame) 온도라고도 부름)를 최소화하면 NOx의 배출량이 감소하거나 최소화되는 경 향이 있기 때문에, 효율을 떨어트리지 않으면서 질소 산화물의 생성을 줄일 수 있다. 상기 연료 연소 온도는 보통 피크 열발생 온도(peak thermodynamic temperature)(터빈 흡입구 온도)보다 높다. 플레임 온도를 감소시키는 주된 방법은, 연료와 공기를 연소 영역(combustion zone)에 보내기 전에 혼합하여(premix), 높은 상대 비율(relative ratio)을 갖는 혼합물, 즉 린 혼합물(lean mixture)을 생성하는 것이다.

사전 혼합에 의해 온도는 플레임 영역에 전체에 걸쳐 열점(hot spot) 없이 거의 균일하게 된다. 열점이 존재하는 경우 국부적으로 NOx이 발생하게 된다.

그러나, 혼합물이 더 엷어지면(leaner), 일산화탄소, 불완전 연소한 탄화수소(UHC), 및 압력 요동(pressure fluctuation)이 증가한다. 혼합물이 더욱 엷어짐에 따라 이러한 경향은 계속 유지되고 혼합물의 농도가 린 소멸 한계(lean extinction limit)에 도달할 때까지 플레임 영역은 더 불안정해진다. 이 한계보다 더 엷은 혼합물에 대해서는 어떠한 플레임도 유지될 수 없다. 실제로는, 일산화탄소 및 불완전 연소된 탄화수소 배출물질 및/또는 압력 맥동(pulsation)은, 혼합물의 농도가 린 소멸 한계에 도달하기 이전에, 허용치를 초과할 정도로 높아진다.

연소기로 향하는 흡입구의 온도를 상승시키고, 촉매 연소(catalytic combustion)를 사용함으로써 혼합물 농도와 관련된 린 소멸 한계는 더 엷어질(leaner) 수 있다. 촉매 연소의 사용으로, 린 방식으로 사전 혼합된 연소에 대한 작동 영역(regime)이 실질적으로 증가한다. NOx의 배출이 줄어들고, 일산화탄소와 UHC의 배출도 용인할 수 있을 정도로 줄어들며, 본질적으로 압력 맥동이 사라진다. 그러나, 촉매 연소는 하부 촉매 활성 한계(lower catalytic activity limit)라고 불리는 작동상의 또 다른 제한을 유발한다. 연소기로 향하는 흡입구의 온도는 촉매 연소를 유지하기 위해 이 한계 이상을 유지하여야 한다.

많은 종래의 마이크로터빈에 있어서, 부분 부하 조건에서 연소기 흡입구 온도가 감소하는 경향으로, 그리고 연료/공기 혼합물을 더 엷게(leaner) 하는 방식으로 엔진을 제어한다. 종래의 린 방식으로 사전 혼합된 연소의 경우, 배출물질(emissions)이 증가하는 경향이 있다. 촉매 연소의 경우 연소기 흡입구 온도의 감소로 인해 촉매 연소를 유지하는데 실패할 수 있다. 실제로는, 린 방식의 사전 혼합 및 촉매 연소기는 가스 터빈의 일부 부하 범위에서만 작동 가능한데, 이것은 연소기 흡입구 온도의 감소 및 부하가 감소함에 따라 점진적으로 엷어지는 상황(leaner conditions) 때문이다.

몇몇 예에서, 연소기 흡입구 온도를 높이기 위해서 연소기 앞에 사전-연소기(pre-burners)를 사용해왔다. 또한, 가변-구조 연소기가 사용되었는데, 이 안에서 공기의 일부는, 작동 안정성(operational stability)을 허용하는 수준(level)의 연료/공기 비율을 유지하기 위해 연소기 곳곳으로 방향 전환된다. 사전-연소기를 사용하는 방법은, 과열 또는 그 밖의 사전-연소기의 작동 오류의 발생으로 인해 주연소기(main burner)에 피해를 줄 수 있다는 점에서 신뢰성의 불이익이 있고, 또한 시스템 비용이 추가 발생한다.

또한, 사전-가열기를 통해 발생하는 압력의 손실로 인해 작동 비용상의 불이익이 발생한다. 이러한 압력 손실은 사전-가열기를 사용하지 않는 경우에도 존재 한다. 압력 손실로 인한 불이익을 없애기 위해 가변 구조를 적용할 수 있다. 또한 가변 구조는 연료/공기 비율을 유지하는데 사용되기도 한다. 그러나, 가변 구조를 사용한 해결방법은 비싸고, 복잡하며, 과도한 마모가 발생될 수 있고, 신뢰성을 감소시키고 유지 비용을 증가시킨다.

이러한 요인들이 결합되어, 많은 잠재적 사용자들로 하여금, 분산형 발전 시스템을 통한 전력 발전이, 큰 공익 사업체로부터 전력을 구입하는 것보다 매력적이지 않게 느끼게 한다.

본 발명은, 전력 발전 시스템 및 방법을 제공함으로써, 상술한 필요성에 초점을 맞추며 그 밖의 이점들을 달성한다. 상기 시스템 및 방법은, 엔진 내의 작동 유체의 피크 온도를 유지하도록 연료/공기 비율을 제어하는 방식으로 엔진을 통과하는 공기 흐름의 속도를 제어함으로써, 어떤 조건에서도 임의의 전력 출력에 대해 엔진 효율이 실질적으로 최적화되게 한다. 본 발명에 의한 방법 및 시스템은 엔진의 가변-구조 메커니즘 및 가변-구조 연소기가 필요 없게 만들며, 그리고 또한 사전-가열기의 필요성을 최소화한다. 본 발명은, 작은 연료/공기 비율에서 작동하는, 제한되지는 않지만 자유 피스톤 엔진(free piston engines)과 같은 왕복 엔진 및 터빈 엔진과 같은 로터리(rotary) 엔진을 포함하는 여러 가지 타입의 공기-흡입 엔진에 적용 가능하다.

본 발명의 일면에 따른 방법은, 전기 발전기 시스템에서 공기 흡입형 엔진의 부분 부하 효율을 향상시키는 방법을 제공한다. 이 시스템은 엔진에 기계적으로 연결되는 가동(movable) 샤프트 및 엔진에 결합되는 연료 시스템을 가지며, 제어된 연료 흐름 속도(fuel flow rate)을 갖고 엔진에 연료를 공급할 수 있다. 엔진은 엔진의 최대 열발생 효율(thermodynamic efficiency)이 엔진의 100% 부하 작동 환경과 실질적으로 일치하도록 설계된다.

시스템은 샤프트에 결합되는 발전기를 포함하는데, 엔진에 의해 구동 되는 샤프트의 작동에 의해 발전기가 작동하여 교류 전류를 발생시키고, 엔진, 샤프트, 및 발전기는 결합됨으로써 발전기의 속도 변화가 엔진의 속도변화를 일으키고, 따라서 엔진을 통과하는 공기 흐름의 속도 변화를 일으킨다. 본 발명에 의한 방법은 부분 부하 조건에서 엔진을 작동시키는 단계, 및 엔진의 피크 사이클 온도가 100% 부하 작동 조건에 해당하는 피크 사이클 온도와 실질적으로 동일하게 되는 방식으로 연료/공기 비율을 제어하기 위해 엔진으로 향하는 연료 흐름 속도를 제어하면서, 동시에 엔진을 통과하는 공기 흐름 속도를 제어하기 위해 부분 부하 조건에서 발전기의 속도를 제어하는 단계를 포함한다. 다른 말로 하면, 100% 부하 조건 아래로 부하가 감소할 때에, 피크 사이클 온도가 실질적으로 감소하는 것은 허용되지 않는다(비록, 후술하는 바와 같이, 매우 낮은 부하 조건에서 피크 사이클 온도가 떨어지는 것이 허용될지라도). 이는, 주로 엔진을 통과하는 공기 흐름 속도의 제어를 통해 연료/공기 비율을 제어함으로써 달성된다. 공기 흐름 속도는 엔진의 속도의 함수이므로, 공기 흐름 속도는 발전기 속도를 제어함으로써 제어될 수 있다.

일실시예에서, 발전기의 속도를 제어하는 단계는 발전기의 전류 레벨 다운스트림(electrical current level downstream)을 제어하는 단계를 포함한다. 이것은, 발전기의 교류 전류를 직류 전류로 변환하고, 그 다음에 상기 직류 전류를, 발전기의 속도에 관계 없이, 일정한 주파수를 갖는 교류 전류로 변환함으로써 달성된다; 그 다음, 고정 주파수를 갖는 교류 전류는 부하에 공급된다. AC-DC 변환에 있어서 능동 전류 제어(active current control)를 사용함으로써, 직류 전류의 레벨은 발전기 속도를 제어하기 위해서 제어된다. 예컨대, 실질적으로 일정한 연료 흐름 속도에서, 직류 전류를 감소시킴으로써, 샤프트 상의 부하의 감소가 일어나고, 따라서 전반적인 에너지 균형을 유지하기 위해 출력 전압이 상승하도록 발전기 속도가 상승한다; 바꾸어 말하면, 직류 전류가 증가하면, 발전기 속도가 감소하도록 샤프트 상의 부하가 증가한다.

여기 시스템(excitation system)을 갖는 권선 발전기(wound generator)를 채용하는 경우, 발전기 속도의 제어는 최소한 여기 시스템을 제어함으로써 부분적으로 달성될 수 있다. 다르게는, 권선 발전기의 속도는 상술한 바와 같이, AC/DC 컨버터를 제어함으로써 제어될 수 있다. 또는 여기 시스템의 제어와 AC/DC 컨버터의 제어를 조합하는 방법이 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 연료와 혼합된 공기, 즉 공기-연료 혼합물을 사전 가열(pre-heat)하기 위해 복열장치(recuperator)를 사용한다; 복열장치는 공기 또는 혼합물과 엔진에서 배출된 배기 가스 사이의 열 교환을 일으킨다. 매우 작은 부분 부하 조건에서, 만일 피크 사이클 온도가 100% 부하 포인트와 동일한 레벨에서 유지된다면, 복열장치로 들어가는 배기 가스의 온도는 최대 허용 값(예컨대, 재료적인 한계에 의한)을 초과할 것이다. 따라서 이러한 조건에서 발전기 속도는, 본 발명에 의해, 엔진을 통과하는 공기 흐름 속도를 제어하여 피크 사이클 온도가 100% 부하 작동 조건에 해당하는 피크 사이클 온도 아래로 떨어지는 것을 허용하는 방식으로 연료/공기 비율을 제어하기 위해 제어된다. 따라서, 복열장치로 들어가는 배기 가스의 온도는 미리 결정된 최대 허용 값을 초과하지 않는다.

본 발명의 또 다른 일면에 있어서, 연료는, 연소기 내에서 촉매 반응을 유지하기 위해 요구되는 미리 결정된 최소 흡입구 온도를 갖는 촉매 연소기 내에서 연소 된다. 많은 종래의 엔진 제어 설계에서, 엔진 부하가 100% 부하 조건 아래로 감소함에 따라 연소기 흡입구 온도가 감소하는 경향이 있다. 따라서, 촉매 반응에 필요한 최소 온도 아래로 온도가 떨어지는 것이 가능하다. 본 발명에 따라, 연료/공기 비율은, 부분 부하 조건에서 연소기로 향하는 흡입구 온도가 최소한 미리 결정된 최소 흡입구 온도만큼 높게 되는 방식으로 제어된다. 일실시예에서, 연료/공기 비율은 부분 부하 조건에서 연소기로 향하는 흡입구 온도가, 100% 부하 조건에서 연소기로 향하는 흡입구 온도보다 크도록 제어되다.

본 발명의 일실시예에 따른, 부하에 공급하기 위한 전력을 생산하는 시스템은, 가동 샤프트와 기계적으로 연결되는 공기흡입 엔진을 포함한다. 전기 발전기는 엔진에 의한 샤프트의 움직임이 발전기를 작동시켜 교류 전류를 발생시키도록 샤프트에 연결된다. 발전기의 속도 변화에 따라 엔진의 속도 변화를 일으키고 따라서 엔진을 통과하는 공기 흐름의 속도를 변화시키도록, 엔진, 샤프트, 및 발전기가 연결된다. 시스템은 엔진과 결합되는 연료 시스템을 더 포함하고 엔진에게 연료를 공급할 수 있다. 연료 시스템은 연료 제어 신호에 응답하여 엔진으로 향하는 연료 흐름 속도를 변화시킨다. 그리고 시스템은, 엔진의 상대적인 열발생 효율의 지표인, 엔진과 관련된 적어도 하나의 열발생 변수(thermodynamic variable)를 측정할 수 있는 적어도 하나의 엔진 센서를 더 포함한다.

전력 전자기기는, 발전기의 교류 전류를 받아들이고 부하게 공급하기 위한 미리 결정된 주파수를 갖는 교류 출력 전류를 합성하기 위해 발전기에 결합된다. 일실시예에서 전력 전자기기는 비교류 전압(non-alternating voltage)을 갖는 비교류 직류 전류(non-alternating direct current)를 생산하기 위해 발전기의 교류 전류에 대해 작동하도록 배치되는 AC/DC 모듈을 포함하고, 부하에 공급하기 위해 미리 결정된 주파수 및 상대적인 위상을 갖는 교류 출력 전류 및 전압을 합성하기 위해 비교류 직류 전류에 대해 작동하도록 배치되는 DC/AC 모듈을 포함한다. 일실시예에서, AC/DC 모듈은 전류 제어 신호에 응답하여 발전기의 교류 전류와 무관하게 비교류 직류 전류의 레벨을 변화시킬 수 있다.

또한 시스템은 시스템의 전력 출력(power output)을 측정할 수 있는 발전기 전력 센서 및 부하가 요구하는 전력을 측정할 수 있는 부하 전력 센서를 포함한다. 제어기는, 연료 시스템, 1개 이상의 엔진 센서, 전력 전자기기 유닛, 발전기 전력 센서, 및 부하 전력 센서에 작동 가능하게 연결된다. 제어기는 시스템의 전력 출력이 부하가 요구하는 전력에 실질적으로 매칭시키기 위해 연료 시스템을 제어할 수 있고, 동시에, 엔진 내에서 연소되는 혼합물의 연료/공기 비율이 엔진의 상대적인 열발생 효율을 실질적으로 최대화하도록 제어되는 방식으로 엔진 속도를 제어하기 위해(그에 따라 공기 흐름 속도를 제어하기 위해) 발전기 속도를 제어할 수 있다.

발전기 속도 제어는, 능동적으로 제어 가능한 AC/DC 모듈의 경우에, 전력 전자기기 유닛의 AC/DC 모듈의 비교류 직류 전류의 레벨을 제어함으로써 달성된다. 발전기가 여기 시스템(excitation system)을 갖는 권선 발전기인 경우인 또 다른 실시예에서, 제어 시스템은 발전기 속도를 제어하여 공기 흐름 속도를 제어하기 위해 여기 시스템을 제어할 수 있다. 상술한 시스템에서, 본 발명에 따른 또 다른 방법은, 부하가 요구하는 전력을 측정(determine)하는 단계; 엔진의 상대적인 열발생 효율의 지표인, 엔진과 관련된 1개 이상의 열발생 변수를 측정하는 단계; 시스템의 전력 출력이 부하가 요구하는 전력에 실질적으로 매칭되도록, 제어된 연료 흐름 속도로 엔진에게 연료를 공급하기 위해 연료 공급 시스템을 제어하는 단계; 및 엔진 내에서 연소되는 혼합물의 연료/공기 비율을 부하가 요구하는 전력에 실질적으로 매칭시키면서 엔진의 열발생 효율을 실질적으로 최적화하는 것과 같은 방법으로 제어하기 위해 시스템의 전력 출력에 무관하게 엔진을 통과하는 공기 흐름 속도를 제어하는 단계를 포함한다. 상기 공기 흐름 속도는 발전기의 속도를 전기적으로 제어하여 엔진을 통과하는 공기 흐름 속도를 조정함으로써 제어된다.

본 발명을 개괄적으로 설명했기 때문에, 이제 첨부된 도면을 참조로 하여 설명한다. 첨부한 도면은 반드시 축척(scale)에 맞게 도시한 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 발전 시스템을 도시한 다이어그램이다.

도 2는 상대적인 발전기 부하(relative generator load)에 대한 함수로서 엔진 내의 여러 포인트에서의 온도를 나타내는 도면이다. 이 도면에서는 종래 기술에 의한 제어 방법(점선)과 본 발명의 일실시예에 따른 제어 방법을 비교한다.

도 3은 상대적인 발전기 부하에 대한 연료/공기 비율을 나타내는 도면이다. 이 도면에서는 종래 기술에 의한 제어 방법(점선)과 본 발명의 일실시예에 따른 제어 방법을 비교한다.

첨부된 도면을 참조하여 이하 본 발명을 더 자세히 설명한다. 이 도면들은 본 발명에 의한 모든 실시예는 아니지만, 일부의 실시예이다. 사실상, 이러한 발명들은 여러 가지 서로 다른 형태로 구현될 수 있고, 여기에 설명한 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 그보다는, 이러한 실시예들은, 본 문헌에 의한 공개가 적절한 법률상 요건을 만족시키도록 제공되는 것이다. 본 문헌 전반에 걸쳐 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 숫자로서 참조한다.

본 발명의 일실시예에 따른 전기 발전기 시스템(10)이 도 1에 도시되어 있다. 이 시스템은 연료와 공기의 혼합물을 연소시켜 고온의 연소 기체를 발생시키는 공기 흡입 엔진(air-breathing engine)(20)을 포함한다. 상기 고온의 연소 기체는 팽창하여 기계적인 파워(mechanical power)를 발생시킨다. 도시된 실시예에서, 엔진은, 회전 가능한 샤프트(24)의 일단부에 장착된 컴프레서(22), 상기 샤프트의 다른 쪽 단부에 장착된 터빈(26), 및 상기 연료/공기 혼합물을 연소시키기 위한 연소기(28)를 갖는 터빈 엔진을 포함한다. 상기 연소기는, 제한되지는 않지만 확산 플레임(diffusion flame) 방식, 촉매(catalytic) 방식, 린 사전 혼합(lean pre-mixed) 방식, 또는 그 밖의 다른 방식 등 여러 가지 타입일 수 있다. 연료와 공기의 혼합물은 연소기에 제공된다. 공기는 먼저 컴프레서에 의해 압력을 받는다. 연료/공기 혼합물은 연소기 내에서 연소되며, 고온의 연소 기체는 터빈에 공급된다. 터빈은 기체를 팽창시키고, 터빈은 회전식으로(rotatably) 구동된다. 순차적으로 터빈은 샤프트를 회전시키고, 샤프트는 컴프레서를 구동한다.

이 시스템은 샤프트(24)와 연결된 전기 발전기(30)를 포함한다. 상기 연결은 샤프트의 운동으로 인해 발전기가 구동되는 방식으로 이루어진다. 샤프트의 회전이 가능한 도시된 실시예에서, 발전기 역시 회전 가능하고, 샤프트의 회전 운동은 발전기에 전달된다.

발전기는, 샤프트와 발전기 사이에 1 대 1의 속도 관계가 존재하도록, 샤프트 상에 직접 장착되거나 샤프트에 결합될 수 있다. 또는 다르게는, 발전기와 샤프트는, 서로 다른 속도 관계가 존재하도록, 기어 트레인(gear train) 또는 그와 유사한 것을 통해 연결될 수 있다. 샤프트는 회전방식(rotary)이 아닌 왕복방식(reciprocating)일 수 있으며, 발전기는 왕복방식 또는 회전방식일 수 있다. 어떤 경우이든, 발전기가 동작하는 속도는 샤프트의 속도를 말하며, 따라서 엔진이 작동하는 속도를 말한다.

발전기(30)는, 영구 자석식 발전기(permanent magnet generator) 또는 권선 발전기(wound generator), 또는 이러한 것들을 조합한 발전기를 포함하는, 여러 가지 타입일 수 있다. 발전기는 교류 전류 및 전압을 발생시킨다. 후술되는 바와 같이, 도시된 실시예에서 전력 전자기기(power electronics)에 의해, 발전기의 교류 전류는 부하에 공급하기 위해 미리 결정된 고정 주파수 및 위상 관계를 갖는 교류 전류 및 전압을 발생시킨다.

또한 시스템(10)은 연소기(28)에 연료를 공급하기 위한 연료 시스템을 포함한다. 일반적으로 연료 시스템은 연료 펌프(도시되지 않음) 및 연료 계량 밸브(fuel metering valve)(32)를 포함한다. 상기 연료 계량 밸브(32)는, 연료 흐름 속도를 제어하기 위한 적절한 제어 신호(34)로 제어할 수 있다. 제어 시스템(40)은 연료 계량 밸브(32)의 동작 제어를 위해 연료 계량 밸브(23)에 연결된다. 또한 제어 시스템은 후술하는 바와 같이 다른 기능을 수행한다.

또한 시스템(10)은 선택적으로 복열장치(recuperator)(50)를 포함할 수 있다. 상기 복열장치는, 공기가 연소기에 공급되기 이전에, 엔진 배기 가스(52)의 열을 컴프레서(22)로부터 배출된 압축 공기(54)에게 전달하기 위한 열교환기를 포함한다. 복열장치는 버려질 수도 있는 소모열(waste heat)의 일부를 붙잡아, 이 열을 연소 공기를 미리 가열하는데 사용하기 때문에, 엔진의 전반적일 효율을 증가시킨다. 이는 해당 기술분야에서는 잘 알려진 사실이다.

또한 언급한 바와 같이, 시스템(10)은 전력 전자기기를 포함한다. 도시된 실시예에서, 전력 전자기기는 AC/DC 컨버터(60) 및 DC/AC 모듈 또는 인버터(70)를 포함한다. AC/DC 컨버터(60)는, 발전기에 의해 생산되며 발전기의 속도가 변화함에 따라 그 주파수가 변화할 수 있는 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 적절한 컨버터를 포함할 수 있다. 또한 상기 적절한 컨버터는 교류 입력 전류(한계를 가짐) 의 특성과 무관하게 직류전류의 레벨을 제어하는 전류-제어 모드(current-control mode)에서 동작 가능하다. 이러한 능동 전류 제어는 일반적으로 반도체 스위칭 기기를 이용하는 펄스-폭 변조(pulse-width modulation; PWM) 설계를 기반으로 한다. 상기 반도체 스위칭 기기는 고주파에서 스위칭 동작을 수행하고, 입력 전류 파형의 각 주기(period)의 일부 시간 동안만 효율적으로 전류를 통과하게 한다. 전류의 통과가 허용되는 이러한 “시간 윈도우(time window)”는 그 지속 기간이 변화할 수 있는데, 이는 컨버터의 “평균” 출력 전류를 변화시키기 위함이다.

그 다음, DA/AC 모듈 또는 인버터(70)는 고정 주파수를 갖는 교류 출력 전류를 합성(synthesize)하기 위해서 AC/DC 컨버터(60)의 출력을 처리한다. 많은 국가에서, 표준 주 주파수(standard mains frequency)는 60hz이고, 다른 국가에서는 50hz이다. 인버터의 출력 주파수는 시스템(10)이 사용되는 특정 지역의 표준 주 주파수에 일치하도록 선택된다.

또한 시스템(10)은 여러 가지 파라미터를 측정하기 위한 제어 시스템(40)에 연결되는 다수의 센서를 포함한다. 예컨대, 출력 전력 미터(72)는 얼마나 많은 전력이 시스템에 의해 생산되는지를 측정하기 위해 배치된다. 1개 이상의 엔진 센서(74)는 엔진 사이클(engine cycle)과 연관된 1개 이상의 열 발생 변수(thermodynamic variables)들을 모니터한다. 열 발생 변수들은 엔진이 그 “맵(map)” 상의 어디에서 작동하는지를 측정하는데 사용된다. 즉, 엔진이 설계 포인트에서 작동하는지 아니면 설계 포인트가 아닌 점에서 작동하는지를 측정하는 것이다. 예컨대, 터빈 흡입구 온도 센서는 터빈 흡입구 온도를 측정하는데 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 터빈 흡입구 온도는 엔진의 작동 유체의 최대 온도를 나타내고, 일반적으로 엔진의 전반적인 효율에 연관되어 있다. 따라서, 다른 파라미터들과 함께 터빈 흡입구 온도를 측정함으로써, 엔진의 상대적인 열발생 효율을 추론하는 것이 가능하다.

센서(76)는 복열장치(50)로 흐르는 연소 가스의 흡입구 온도를 측정한다. 부분 부하 조건에서, 만일 엔진이 적당히 제어되지 않는다면, 복열장치의 흡입구 온도는 그 재료가 허용하는 최대 레벨을 초과할 수 있다. 따라서, 제어 시스템은 복열장치 흡입구 온도를 모니터링하는 센서(76)에 연결되는 것이 유리하고, 제어 시스템은 엔진 곳곳을 흐르는 공기 흐름 속도를 조정하여 온도가 재료가 허용하는 한계를 초과하지 않도록 한다. 이렇게 하면서, 이러한 추가적인 조건(constraint) 내에서 가능한 한 터빈 흡입구 온도를 높게 유지한다.

상대적인 열발생 효율을 실제로 추론할 필요는 없다. 그러나 엔진의 상대적인 효율 또는 작동 조건을 나타내는 1개 이상의 파라미터를 단순히 추론할 필요는 있다. 예컨대, 상술한 바와 같이, 임의의 엔진의 파워 출력(그리고, 따라서 파워 미터(power meter)(72)에 의해 측정되는, 발전기로부터 주어진 파워 출력), 엔진 효율은 일반적으로 터빈 흡입구 온도를 최대화함으로써 최적화된다.

따라서, 허용 가능한 한계 내에서 터빈 흡입구 온도를 최대화하기 위해, 공기 흐름 속도의 제어를 통해 연료/공기 비율을 제어할 수 있다. 특히, 터빈 입력 노즐의 재료는, 부품의 손상을 피하기 위해, 충분한 재료 강도(material strength) 및 그 온전함(integrity)을 보전하기 위해, 초과되어서는 안되는 최대 허용 온도를 갖는다. 100% 부하 설계점에서, 일반적으로 엔진은 터빈 흡입구 온도가 이 최대 허용 온도 또는 그 근처에 있도록 설계된다. 최대 부하보다 작은 부하 조건에서, 공기 흐름은 터빈 흡입구 온도가 실질적으로 설계 포인트 아래로 떨어지지 않는 방식으로 제어될 수 있다.

시스템이 복열장치(50)를 포함하는 경우에, 복열장치 내의 재료에 있어서 고려해야 할 제한사항 때문에 이러한 일정 터빈 흡입구 온도 작동 모드에서 벗어날 필요가 있다. 특히, 매우 작은 부분 부하 조건에서, 만일 터빈 흡입구 온도가 100% 부하 포인트과 동일한 레벨에서 유지된다면, 복열장치로 들어가는 배기 가스의 온도는 복역장치의 재료가 허용하는 최대 허용치를 초과할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 이러한 조건에서, 발전기 속도는, 터빈 흡입구 온도가 100% 부하 작동 조건에 해당하는 온도 아래로 떨어지는 것을 허용하는 방식으로 연료/공기 비율을 제어하기 위해, 엔진을 통과하는 공기 흐름의 속도를 제어하기 위해 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 복열장치로 들어가는 배기 가스의 온도가 미리 결정된 최대 허용 값을 초과하는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 예컨대, 제어 시스템(40)은 메모리 내에, 터빈 흡입구 온도에 대한 상대적인 발전기 부하의 미리 결정된 스케쥴(schedule)을 저장하고 있을 수 있다.

파워 미터(72)에 의해 측정되는 파워 출력에 의해 반영되는 상대적인 발전기 부하는, 일반적으로 상대적인 엔진 부하(relative engine load)를 가리키며, 따라서 엔진이 그 맵(map)상의 어느 부분에서 작동하고 있는지를 나타낸다. 제어 시스템(40)은 공기 흐름를 제어하기 위해, 터빈 흡입구 온도가 실질적으로 미리 결정된 스케쥴에 의해 지시된 값과 동일하게 되는 방식으로, 적절한 제어 알고리즘을 사용할 수 있다(AC/DC 컨버터의 DC 전류를 제어하는 방식과 같은, 어떤 적절한 방식으로 발전기 속도를 제어함으로써).

이것은 하나의 가능한 제어 설계의 간단한 예에 불과하고, 다른 설계들을 본 발명에 따라 사용할 수 있다.

도2는 이러한 터빈 흡입구 온도에 대한 상대적인 발전기 부하의 스케쥴의 모양이 어떠한지를 나타내며, 시스템(10) 내의 서로 다른 포인트에서의 여러 가지 온도(실선)와, 만일 종래 기술에 의한 제어 방법을 취한 경우 발생하는 상응하는 온도(점선)를 비교한다. 본 발명에 따라, 100%의 상대적인 발전기 부하 값에서(즉, 엔진의 설계 포인트에서), 터빈 흡입구 온도는, 약 1200 켈빈(K)인 최대 허용 터빈 입력 온도와, 실질적으로 동일하다. 터빈 입력 온도는 약 40% 정도의 상대적인 발전기 부하 값까지 이 값으로 유지된다. 이와는 다르게, 종래의 제어 방법에서는, 터빈 흡입구 온도는 부하가 100%값 아래로 떨어짐에 따라 꾸준히 떨어진다.

그 결과, 동일한 상대적인 부하에서, 본 발명에 따른 제어 설계에 의한 전반적인 엔진 효율이 종래 기술에 의한 제어 설계에 의한 효율보다 높다.

40%의 상대적인 부하에서, 터빈 출구 온도(본질적으로 복열장치 흡입구 온도와 동일)가 약 900켈빈(K)인 최대 허용 복열장치 온도(maximum allowable recuperator temperature)까지 상승하는 것을 볼 수 있다.

더 작은 부하에서도, 만일 터빈 입력 온도가 약 1200K를 유지한다면, 터빈 출구 온도는 최대 허용 복열장치 온도를 초과할 것이다. 따라서, 본 발명에 따라, 터빈 입력 온도는 1200K 아래로 떨어지는 것이 허용된다.

제어 스케쥴에 영향을 줄 수 있는 또 다른 요인은, 연소기(28)가 촉매 연소기일 때에 발생할 수 있다. 상술한 바와 같이, 촉매 연소기는, 촉매 반응(catalytic reaction)을 유지하기 위해 계속 유지되어야 하는 최소 입력 온도를 갖는다. 종래 기술에 의한 제어 방법에서는, 도 2에서 도시된 바와 같이, 약 50%의 상대적인 부하값보다 작은 값에서, 연소기 입력 온도가 약 800K인 이 최소 온도 아래로 떨어진다. 그러나 본 발명에 따르면, 연소기 입력 온도는, 100% 부하 포인트에서 약 800K인 값으로부터 40%의 부하 포인트에서 약 860K까지 상승한다. 40%이하의 부하에서는, 연소기 흡입구 온도는 약 860K로 일정하게 유지된다. 따라서 본 발명에 의해, 모든 작동 점에서 촉매 연소기의 적절한 동작을 허용하면서, 부분 부하 조건에서도 효율적인 향상을 이룰 수 있게 된다.

도 3은, 공기 흐름 제어를 사용한 독창적인 방법과 공기 흐름 제어를 사용하지 않은 종래 기술에 의한 방법에서 연료/공기 비율이 어떻게 달라지는 설명한다. 흐름 제어(flow control) 방법의 경우, 연료/공기 비율은, 부분 부하 조건에 있어서 보통 종래 기술에 의한 방법보다는 실질적으로 더 크다. 흐름 제어에 의한 더 큰 연료/공기 비율은 종래 기술에 의한 제어 방법보다 공기 흐름 속도가 더 작다는 사실을 반영한다. 100% 부하에서 40% 부하까지, 흐름 제어를 사용한 연료/공기 비율은 상대적으로 낮은 비율까지 감소한다. 그 결과 터빈 흡입구 온도는 이미 도 2에 도시한 바와 같이 실질적으로 일정하게 유지된다. 40% 이하의 부하에서, 흐름 제어에 의한 연료/공기 비율은 실질적으로 높은 비율까지 감소하는 것이 허용된다.

또한, 도 2에는, 본 발명의 제어 방법에 의한 연소기 흡입구 온도가 종래 기술에 의한 방법에 의한 연소기 흡입구 온도보다 높다는 것이 도시되어 있다.

이롭게는, 더 높은 연료/공기 비율 및 더 높은 연소기 흡입구 온도는, 일반적으로 사전 혼합된 저배출(low-emissions) 연소기에 대해, 배출물질의 발생을 감소시킨다.

따라서 상술한 제어 설계는 터빈 흡입구 온도가 직접 측정 되고 제어 파라미터로서 사용된다는 가정을 했다. 그러나, 어떤 경우에는, 터빈 흡입구 온도 센서가 작동해야만 하는 극한의 사용 환경 때문에 터빈 흡입구 온도를 측정하는 것이 실용적이지 않을 수 있다. 따라서, 다르게는, 엔진 사이클 내의 다른 열발생 변수를 측정하여 사이클 계산을 근거로 터빈 흡입구 온도를 추론하는 것이 가능하다. 또 다른 방안으로서, 시스템은 적절한 제어 파라미터(예컨대 엔진 공기 흐름 속도)에 대한 상대적인 발전기 부하의 스케쥴을 저장할 수 있고, 열발생 변수들이 측정되어 제어 파라미터를 추론할 수 있다. 그 다음, 제어 시스템은 실제의(즉, 추론된) 제어 파라미터가 계획된(scheduled) 값과 실질적으로 동일하게 만든다.

여기에서 설명한 사용되는 특정 제어 방법 및 이 방법에 영향을 주는 측정되는 파라미터가 결정적으로 중요한 것은 아니다. 본 발명의 기본 개념은, 발전기 시스템(10)의 임의의 파워 출력에 대해서, 전반적인 엔진 효율을 향상시키거나 최적화시키는 수단으로서 엔진을 통과하는 공기 흐름 속도를 제어하는 단계를 수반하는 점에 있다.

동시에, 부하가 있는 작동 모드에서, 발전기 시스템(10)의 파워 출력은 부하 가 요구하는 파워에 매칭되도록 제어되어야 한다. 파워 출력은 주로 연료 흐름 속도의 함수이다.

따라서, 부하가 있는 모드에서, 제어 시스템(40)은 파워 요구에 매칭하기 위해 파워 출력(파워 미터(72)에 의해 측정된)을 제어하면서, 동시에 상술한 바와 같이 공기 흐름을 제어한다. 부하가 딸린 제어 설계는 잘 알려져 있기 때문에 여기서 더 설명하지는 않는다.

특정 어플리케이션에 따라, 시스템(10)은 또한 부하가 딸리지 않은 모드에서 동작할 수도 있다. 이러한 경우에는, 여전히 상술한 타입의 공기 흐름 제어를 채택해야 한다.

상술한 시스템(10)은 싱글-스풀(single-spool) 터빈 엔진(20)을 구비한다.

그러나, 본 발명은 공기흡입 엔진의 특정 종류에 의해 제한되지 않는다.

다중-스풀(multiple-spool) 터빈 엔진, 자유 파워 터빈(free power turbine)을 갖는 터빈 엔진, 로터리 엔진(예컨대, Wankel), 왕복 피스톤(reciprocating piston) 엔진, 및 그 밖의 다른 엔진들이 사용될 수 있다. 각각의 경우에, 엔진을 통과하는 공기 흐름 속도는 발전기 속도를 제어함으로써 제어된다.

발전기(30)는, 영구 자석식 발전기 및 권선 발전기를 포함하는 여러 가지 종류가 있을 수 있다. 상술한 실시예의 시스템(10)은, 발전기(30)가 여기 시스템(excitation system)이 존재하지 않는 영구 자석식 발전기라는 것을 가정한다. 그 반면, 권선 발전기의 경우 당해 기술분야에 알려져 있는 바와 같이, 발전기는 로터 권선(rotor windings)에 여기 전류(excitation current)를 공급하기 위한 여기 시 스템(80)을 필요로 한다. 상기 여기 시스템은, 예컨대 로터와 같이 동일한 샤프트에 장착되는 소형 발전기 또는 로터 샤프트에 기계적으로 결합되는(예컨대, 구동 벨트에 의해) 소형 발전기를 포함할 수 있다.

발전기 타입과는 상관없이, 본 발명은, 엔진을 통과하는 공기 흐름 속도를 제어하여 엔진 효율을 최적화 시키고 상술한 그 밖의 다른 효과들을 달성하기 위해, 발전기 속도를 전기적으로 제어한다. 영구 자석식 발전기의 경우에, 발전기의 제어는 상술한 바와 같이AC/DC 컨버터 또는 정류기(rectifier)(60)를 제어함으로써 달성된다. 일 설계예에 의하면, 제어 시스템(40)은 여기 시스템(80)을 제어하여(제어 라인(82)을 통해) 발전기 스피드를 조정한다. AC/DC 및 DC/AC 변환은 필요하지 않을 수도 있고, 그 대신 부하에 공급하기 위한 의도하는 주파수를 갖는 AC 출력 전류를 합성하는 데에 AC/AC 컨버터가 사용될 수 있다.

다르게는, AC/DC 및 DC/AC 컨버터는 상술한 바와 같이 사용될 수 있다. 상술한 케이스에서, AC/DC 컨버터는, 여기 시스템을 제어함으로써 발전기 속도의 조정이 수행되기 때문에, 전류 제어될(current-controlled) 필요가 없다.

또 다른 설계안에서, 발전기 속도 제어는 여기 시스템의 제어와 AC/DC 컨버터의 제어를 조합함으로써 달성될 수 있다. 또 다른 설계안은, 상술한 바와 같이 오직 AC/DC 컨버터를 제어함으로써 발전기를 제어하는 것이다.

발전기 속도가 제어되는 방식에 대한 세세한 사항들은 본 발명에 있어서 결정적으로 중요한 것은 아니다. 본 발명의 사상을 달성하기 위한 여러 가지 설계들이 본 발명에 의해 사용될 수 있다.

이롭게는, 본 발명은 고정-구조(fixed-geometry) 컴프레서, 터빈, 및 연소기 구성 요소를 갖는 엔진의 열발생 사이클(thermodynamic cycle)전반을 제어할 수 있게 한다.

여기에 설명된 본 발명에 대한 다양한 수정안과 그 밖의 실시예들은, 본 발명이 속한 기술 분야의 당업자라면, 상술한 설명 및 관련된 도면 내에 제시된 발명의 사상의 이점을 갖는다는 것을 알 것이다. 따라서, 본 발명은 공개된 특정 실시예에 한정되지 않으며, 수정안들과 다른 실시예들이 첨부한 청구항의 범위에 속하도록 의도했다는 것을 알아야 한다.

비록 여기에 특정 용어들을 사용했지만, 이 용어들은 일반적이고 설명을 위하여 사용된 것이지 발명을 한정하기 위한 목적은 아니다.

본 발명에 의해, 엔진 내의 작동 유체의 피크 온도를 유지하도록 연료/공기 비율을 제어하는 방식으로 엔진을 통과하는 공기 흐름의 속도를 제어함으로써, 어떤 조건에서도 임의의 전력 출력에 대해 엔진 효율이 실질적으로 최적화되는 효과가 있다.

Claims

부하에 공급하기 위한 전력(electric power)을 생산하는 전기 발전 시스템에 있어서,

가동(movable) 샤프트와 기계적으로 연결되는 공기흡입 엔진(air-breathing engine);

상기 엔진과 결합되어 상기 엔진에 연료를 공급할 수 있는 연료 시스템(fuel system);

상기 엔진의 상대적인 열발생 효율(relative thermodynamic efficiency)의 지표(indicative)인, 상기 엔진과 연관된 1개 이상의 열발생 변수(thermodynamic variable)를 측정할 수 있는 1개 이상의 엔진 센서;

상기 엔진에 의한 상기 샤프트의 움직임(movement)에 의해 작동되어 교류 전류를 발생시키도록 상기 샤프트에 결합되는 전기 발전기;

상기 발전기의 상기 교류 전류를 받기 위해 상기 발전기에 결합되고, 상기 부하에 제공하기 위해 미리 결정된 주파수 및 상대적인 위상을 갖는 교류 출력 전류 및 전압을 합성할 수 있는 전력 전자기기(power electronics)

상기 발전기의 전력 출력(power output)을 측정할 수 있는 발전기 전력 센서(generator power sensor);

상기 부하가 요구하는 전력를 측정할 수 있는 부하 전력 센서(load power sensor); 및

상기 연료 시스템, 상기 1개 이상의 엔진 센서, 상기 전력 전자기기 유닛, 상기 발전기 전력 센서, 및 상기 부하 전력 센서에 작동 가능하게 연결되는 제어기를 포함하며,

상기 엔진은, 공기와 연료의 혼합물(mixture)을 받아들이고(receive), 상기 혼합물이 팽창하여 상기 샤프트를 구동하는데 사용되는 기계적인 파워를 발생시키도록 상기 혼합물을 연소(burn)시키는 구조로 배치되어 있고,

상기 연료 시스템은 연료 제어 신호(fuel control signal)에 응답하여 상기 엔진으로 향하는 연료 흐름(fuel flow)의 속도(rate)를 변화시키고,

상기 발전기의 속도 변화에 따라 상기 엔진의 속도가 변화되고, 이에 따라 상기 엔진을 통과하는 공기 흐름(air flow)의 속도가 변화하도록, 상기 엔진, 샤프트, 및 발전기가 연결되고,

상기 제어기는 상기 연료 시스템의 상기 전력 출력이 상기 부하가 요구하는 전력에 실질적으로 매칭되도록 상기 연료 시스템을 제어할 수 있고, 동시에, 상기 엔진 내에서 연소 되는 상기 혼합물의 연료/공기 비율이 상기 엔진의 상대적인 열발생 효율을 실질적을 최대화하도록 제어되는 방식으로, 상기 엔진을 통과하는 공기 흐름 속도를 제어하기 위해, 상기 발전기로 하여금 그 속도를 조정하도록 전기적으로 제어할 수 있는 것

을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제1항에 있어서,

상기 전력 전자기기 유닛은,

비교류 전압(non-alternating voltage)을 갖는 비교류 직류 전류를 생산(produce)하기 위해 상기 발전기의 상기 교류 전류에 대해 작동하도록 배치되는 AC/DC 모듈, 및

상기 부하에 공급되는 상기 교류 출력 전류를 합성하기 위해 상기 비교류 직류 전류에 대해 작동하도록 배치되는 DC/AC 모듈을 포함하고,

상기 AC/DC 모듈은 전류 제어 신호에 응답하여, 상기 발전기의 상기 교류 전류와 독립적으로 상기 비교류 직류 전류의 레벨(level)을 변화시키고,

상기 제어 시스템은 상기 AC/DC 모듈의 상기 직류 전류 출력의 레벨을 제어하여 발전기 속도를 제어하기 위해 상기 AC/DC 모듈에 상기 전류 제어 신호를 공급할 수 있는 것

을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제1항에 있어서,

상기 발전기 및 샤프트는 회전식 가동형(rotationally movable)인 것

을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제3항에 있어서,

상기 엔진은 공기를 압축할 수 있는 압축 장치(compression device), 및

상기 압축 장치로부터 상기 압축 공기(compressed air) 및 상기 연료 시스템 으로부터 상기 연료를 받아들이고, 기계적인 파워를 생산하기 위해 상기 공기와 연료의 혼합물을 연소시키는 파워 장치(power device)

를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제4항에 있어서,

상기 압축 장치로부터 나온 상기 압축 공기 및 상기 파워 장치로부터 배기 가스(exhaust gases)를 받아들이도록 배치되는 열 교환기(heat exchanger)를 더 포함하고,

상기 열 교환기는, 상기 파워 장치 내에서 연소되기 전에 상기 압축 공기를 사전에 가열(pre-heat)하기 위해, 열(heat)이 상기 배기 가스로부터 상기 압축 공기에 전달되도록 하는 것

을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제5항에 있어서,

상기 파워 장치가, 상기 공기 및 연료 혼합물을 연소하여 고온 가스(hot gases)를 생산하는 연소기(combustor), 및

상기 기계적 파워를 생산하기 위해 상기 고온 가스를 팽창(expand)시키기 위한 팽창 장치(expansion device)를 포함하는 것

을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제6항에 있어서,

상기 팽창 장치가 터빈(turbine)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제7항에 있어서,

상기 터빈이 고정-구조(fixed-geometry)의 터빈인 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제6항에 있어서,

상기 압축 장치(compression device)가 고정-구조의 컴프레서(compressor)인 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제6항에 있어서,

상기 연소기가 고정-구조의 연소기인 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제6항에 있어서,

상기 연소기가 촉매 연소기(catalytic combustor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제11항에 있어서,

연소기 흡입구 온도(combustor inlet temperature)의 가변 지표(variable indicative)를 측정할 수 있는 센서를 더 포함하고,

상기 제어기는, 상기 센서에 연결되며, 상기 연소기 흡입구 온도를 촉매 작동(catalytic operation)을 위해 필요한 미리 결정된 최저 온도보다 높게 유지하는 방식으로, 상기 엔진을 통과하는 공기 흐름을 제어할 수 있는 것

을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제12항에 있어서,

상기 열 교환기로 들어가는 상기 배기 가스(exhaust gases)의 온도에 대한 가변 지표를 측정할 수 있도록 상기 열 교환기와 관련된 센서를 더 포함하고,

상기 제어기는, 상기 열 교환기와 관련된 상기 센서에 연결되고, 상기 열 교환기로 들어가는 상기 배기 가스의 온도를 미리 결정된 최대 온도보다 낮게 유지하기 위해 상기 엔진을 통과하는 공기 흐름을 제어할 수 있는 것

을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제1항에 있어서,

상기 발전기는 권선 발전기(wound generator)인 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제14항에 있어서,

상기 발전기를 여기(excite)할 수 있는 여기 시스템(excitation system)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
제15항에 있어서,

상기 제어 시스템은, 상기 발전기 속도를 전기적으로 제어하여 공기 흐름 속도(air flow rate)를 제어하기 위해 상기 여기 시스템을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 생산 시스템.
전기 발전기 시스템(electrical generator system)을 제어하는 방법에 있어서;

상기 전기 발전기 시스템은,

가동 샤프트와 기계적으로 연결되는 공기흡입 엔진(air-breathing engine),

상기 엔진과 결합하고 상기 엔진에 연료를 공급할 수 있는 연료 시스템,

상기 엔진에 의한 상기 샤프트의 움직임(movement)이 상기 발전기를 작동시켜 교류 전류를 발생시키도록 상기 샤프트에 결합되는 전기 발전기를 갖는 시스템, 및

상기 발전기의 상기 교류 전류를 받기 위해 상기 발전기에 결합되고, 상기 부하에 제공하기 위해 미리 결정된 주파수 및 상대적인 위상을 갖는 교류 출력 전류 및 전압을 합성할 수 있는 전력 전자기기를 갖는 시스템을 포함하고,

상기 엔진은 공기와 연료의 혼합물을 받아들이고 상기 혼합물이 팽창하여 상 기 샤프트를 구동하는데 사용되는 기계적인 파워를 발생시키도록 상기 혼합물을 연소시키기 위해 구성되고 조정되며,

상기 연료 시스템은 연료 제어 신호에 응답하여 상기 엔진에 공급되는 연료 흐름의 속도를 변환시키고,

상기 발전기의 속도 변화에 따라 상기 엔진의 속도가 변화되고, 이에 따라 상기 엔진을 통과하는 공기 흐름의 속도가 변화하도록 상기 엔진, 샤프트, 및 발전기가 연결되고,

상기 전력 전자기기를 갖는 시스템의 전력 출력은 상기 엔진으로 향하는 연료 흐름 속도에 의해 실질적으로 결정되는 것을 특징으로 하며;

상기 제어 방법은,

상기 부하가 요구하는 전력을 측정하(determine)는 단계,

상기 엔진의 상대적인 열발생 효율의 지표인, 상기 엔진과 관련된 1개 이상의 열발생 변수를 측정하는 단계,

연료 공급 시스템의 전력 출력이 상기 부하가 요구하는 전력에 실질적으로 매칭되도록, 제어된 연료 흐름 속도로 상기 엔진에 연료를 제공하기 위해 상기 연료 공급 시스템을 제어하는 단계, 및

상기 부하가 요구하는 전력에 실질적으로 매칭시키면서, 상기 엔진의 상기 열발생 효율을 실질적으로 최적화하는 방식으로 상기 엔진 내에서 연소되는 상기 혼합물의 연료/공기 비율을 제어하기 위해, 상기 시스템의 전력 출력과 독립적으로 상기 엔진을 통과하는 상기 공기 흐름 속도를 제어하는 단계를 포함하고,상기 공기 흐름 속도는, 상기 발전기의 속도를 전기적으로 제어하여 상기 엔진을 통과하는 상기 공기 흐름 속도를 제어함으로써 제어되는 것

을 특징으로 하는 전기 발전기 시스템 제어 방법.
17항에 있어서,

상기 발전기의 상기 교류 전류는 AC/DC 모듈 내에서 비교류 전압을 갖는 비교류 직류 전류로 전환되고,

상기 AC/DC 모듈의 상기 비교류 직류 전류는 상기 부하에 공급되는 상기 교류 출력 전류를 합성하기 위해 DC/AC 모듈 내에서 변환되며,

상기 AC/DC 모듈은 전류 제어 신호에 응답하여 상기 발전기의 상기 교류 전류와 독립적으로 상기 비교류 직류 전류의 레벨을 변화시키며,

상기 공기 흐름 속도를 제어하는 단계는, 상기 발전기의 속도를 변경하여 상기 공기 흐름 속도를 변경하기 위해, 상기 전력 전자기기 유닛의 상기 AC/DC 모듈의 상기 비교류 직류 전류를 능동적으로 제어하는 단계를 포함하는 것

을 특징으로 하는 전기 발전기 시스템 제어 방법.
전기 발전기 시스템(electrical generator system)을 제어하는 방법에 있어서;

상기 전기 발전기 시스템은,

가동(movable) 샤프트와 기계적으로 연결되는 공기흡입 엔진(air-breathing engine),

상기 엔진과 결합하고 상기 엔진에 연료를 공급할 수 있는 연료 시스템을 갖는 시스템, 및

상기 엔진에 의한 상기 샤프트의 움직임(movement)이 상기 발전기를 작동시켜 교류 전류를 발생시키도록 상기 샤프트에 결합되는 전기 발전기를 갖는 시스템을 포함하고,

상기 엔진은 공기와 연료의 혼합물을 수용하고 상기 혼합물이 팽창하여 상기 샤프트를 구동하는데 사용되는 기계적인 파워를 발생시키도록 상기 혼합물을 연소시키도록 구성되고 조정되며,

상기 연료 시스템은 연료 제어 신호에 응답하여 상기 엔진에 공급되는 연료 흐름의 속도를 변환시키고,

상기 발전기의 속도 변화에 따라 상기 엔진의 속도가 변화되고, 이에 따라 상기 엔진을 통과하는 공기 흐름의 속도가 변화하도록 상기 엔진, 샤프트, 및 발전기가 연결되고,

상기 시스템의 전력 출력은 상기 엔진으로 향하는 연료 흐름 속도에 의해 실질적으로 결정되는 것을 특징으로 하며;

상기 제어 방법은,

상기 부하가 요구하는 전력을 측정하는 단계,

상기 엔진의 상대적인 열발생 효율의 지표인, 상기 엔진과 관련된 1개 이상의 열발생 변수를 측정하는 단계,

연료 공급 시스템의 전력 출력이 상기 부하가 요구하는 전력에 실질적으로 매칭되도록, 제어된 연료 흐름 속도로 상기 엔진에 연료를 제공하기 위해 상기 연료 공급 시스템을 제어하는 단계,

비교류 전압을 갖는 비교류 직류 전류를 생산하기 위해 상기 발전기의 상기 교류 전류에 대해 작동하는 단계,

상기 부하에 공급하기 위한 미리 결정된 주파수 및 상대적인 위상을 갖는 교류 출력 전류 및 전압을 합성하기 위해 상기 비교류 직류 전류에 대해 작동하는 단계, 및

상기 부하가 요구하는 전력에 실질적으로 매칭시키면서, 상기 엔진의 상기 열발생 효율을 실질적으로 최적화하는 방식으로 상기 엔진 내에서 연소되는 상기 혼합물의 연료/공기 비율을 제어하기 위해, 상기 시스템의 전력 출력과 독립적으로 상기 엔진을 통과하는 상기 공기 흐름 속도를 제어하는 단계를 포함하고,상기 공기 흐름 속도는, 상기 발전기의 속도를 변경하여 상기 엔진을 통과하는 상기 공기 흐름 속도를 변경하기 위해, 상기 비교류 직류 전류를 능동적으로 제어함으로써 제어되는 것

을 특징으로 하는 전기 발전기 시스템 제어 방법.
제19항에 있어서,

상기 엔진의 상기 열발생 효율을 최적화하는 단계가, 상기 엔진의 열발생 사이클(thermodynamic cycle)의 피크 온도(peak temperature)가, 미리 결정된 값에 실질적으로 매칭되게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기 시스템 제어 방법.
제19항에 있어서,

상기 엔진은, 공기를 압축하기 위한 컴프레서, 고온 가스를 생산하기 위해 상기 공기와 연료의 혼합물을 연소시키기 위한 연소기, 및 상기 고온 가스를 팽창시키기 위한 터빈을 갖는 터빈 엔진을 포함하고,

상기 엔진의 상기 열발생 효율을 최적화 시키는 단계가, 터빈 흡입구 온도가 미리 결정된 값에 실질적으로 매칭되게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기 시스템 제어 방법.
제21항에 있어서,

상기 연소기가 촉매 연소기를 포함하고,

상기 연소기로 향하는 흡입구 온도의 가변 지표를 측정하는 단계; 및

상기 연소기 흡입구 온도를 촉매 작용을 위해 요구되는 미리 결정된 최저 온도보다 높게 유지하는 방식으로 상기 엔진을 통과하는 공기 흐름을 제어하는 단계를 더 포함하는 것

을 특징으로 하는 전기 발전기 시스템 제어 방법.
전기 발전기 시스템 내의 공기흡입 엔진의 부분 부하 효율(part-load efficiency)을 향상시키는 방법에 있어서,

상기 시스템은, 상기 엔진과 기계적으로 연결되는 가동(movable) 샤프트, 및 상기 엔진과 결합되고 제어된 연료 흐름 속도로 상기 엔진에게 연료를 공급할 수 있는 연료 시스템을 가지며, 상기 엔진은, 상기 엔진의 피크 열발생 효율이 상기 엔진의 설계 포인트 작동 조건과 실질적으로 일치하도록 설계되고,

상기 시스템은, 상기 엔진에 의한 상기 샤프트의 움직임이 상기 발전기를 동작시켜 교류 전류를 발생시키도록 상기 샤프트에 결합되는 전기 발전기를 가지며, 상기 발전기의 속도 변화에 따라 상기 엔진의 속도가 변화되고, 이에 따라 상기 엔진을 통과하는 공기 흐름의 속도가 변화하도록 상기 엔진, 샤프트, 및 발전기가 연결되고, 상기 시스템의 전력 출력은 상기 엔진으로 향하는 연료 흐름 속도에 의해 실질적으로 결정되는 것을 특징으로 하고;

상기 공기흡입 엔진의 부분 부하 효율을 향상시키는 방법이,

제1 부분 부하 조건에서 상기 엔진을 작동시키는 단계, 및

상기 제1 부분 부하 조건에서, 상기 엔진의 피크 사이클 온도가 상기 설계 포인트 작동 조건에 대응하는 상기 피크 사이클 온도와 실질적으로 동일하게 되는 방식으로 연료/공기 비율을 제어하기 위해, 상기 엔진으로 향하는 연료 흐름 속도를 제어하면서, 동시에 상기 엔진을 통과하는 공기 흐름 속도를 제어하기 위해 상기 발전기의 속도를 제어하는 단계

를 포함하는 공기흡입 엔진의 부분 부하 효율 향상 방법.
제23항에 있어서,

상기 시스템의 전력 출력이 상기 부분 부하 조건에서 상기 부하의 전력 요구값(power demand)에 매칭되도록, 상기 연료 흐름 속도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기흡입 엔진의 부분 부하 효율 향상 방법.
제23항에 있어서,

상기 발전기의 속도를 제어하는 상기 단계가 상기 발전기의 전류 레벨 다운스트림(downstream)을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기흡입 엔진의 부분 부하 효율 향상 방법.
제25항에 있어서,

상기 발전기의 상기 교류 전류가 직류 전류로 변환되고, 그 후에 상기 직류 전류가 부하에 공급하기 위해, 상기 발전기의 속도와 무관하게, 고정 주파수의 교류 전류로 변환되며,

상기 전류 레벨을 제어하는 단계가 상기 직류 전류의 레벨을 제어하는 단계를 포함하는 것

을 특징으로 하는 공기흡입 엔진의 부분 부하 효율 향상 방법.
제23항에 있어서,

연료와 혼합되기 위해 상기 엔진에 공급되는 공기를 사전-가열(pre-heat)하 기 위해 복열장치(recuperator)를 사용하는 단계; 및

상기 복열상치에 들어가는 상기 배기 가스의 온도가 미리 결정된 최대 허용값(maximum allowable value)을 넘지 않도록, 상기 피크 사이클 온도가 상기 설계 포인트 작동 조건에 해당하는 상기 피크 사이클 온도 아래도 떨어지는 것을 허용하는 방식으로, 연료/공기 비율을 제어하기 위해 상기 엔진으로 향하는 연료 흐름 속도를 제어하면서, 동시에 상기 엔진을 통과하는 상기 공기 흐름 속도를 제어하기 위해 상기 발전기의 속도를 제어하는 단계를 포함하고,

상기 복열장치는 상기 공기와 상기 엔진에서 배출된 배기 가스 사이에 열 교환을 일으키는 것

을 특징으로 하는 공기흡입 엔진의 부분 부하 효율 향상 방법.
제23항에 있어서,

상기 연료는, 상기 연소기 내에서 촉매 반응(catalytic reaction)을 유지하기 위해 요구되는 미리 결정된 최소 흡입구 온도를 갖는 촉매 연소기 내에서 연소되고,

상기 연료/공기 비율은, 상기 제1 부분 부하 조건에서 상기 연소기로 향하는 흡입구 온도가 상기 미리 결정된 최소 흡입구 온도 이상이 되는 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는

공기흡입 엔진의 부분 부하 효율 향상 방법.
제28항에 있어서,

상기 연료/공기 비율은, 상기 제1 부분 부하 조건에서 상기 연소기로 향하는 상기 흡입구 온도가 상기 설계 포인트 작동 조건에서 상기 연소기로 향하는 상기 흡입구 온도보다 크게 되는 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 공기흡입 엔진의 부분 부하 효율 향상 방법.