KR20120129955A - 태양열 입력을 이용한 열화학적 과정을 수행하기 위한 반응기 및 관련 시스템과 방법 - Google Patents
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Abstract
태양열 입력을 이용한 열화학적 과정을 수행하기 위한 반응기, 및 관련 시스템과 방법이 개시된다. 구체적인 실시예에 따른 시스템은, 반응 영역을 갖춘 반응기, 반응 영역과 유체 연통식으로 결합되는 반응물 소스, 및 태양 에너지를 집속 영역에 안내하도록 위치설정 가능한 적어도 하나의 집열기 표면을 갖는 태양열 집열기를 포함한다. 상기 시스템은, 태양에 대해 태양열 집열기를 이동시키도록 태양열 집열기에 결합되는 액추에이터, 및 액추에이터에 작동 가능하게 결합되는 제어기를 더 포함할 수 있다. 제어기는, 실행될 때, 태양 에너지가 문턱값 레벨을 초과하는 경우 반응 영역에 태양 에너지를 집속시키도록 액추에이터를 안내하여 태양열 집열기를 위치설정하는 명령, 그리고 태양 에너지가 문턱값 레벨 미만인 경우, 집속 영역에 위치설정된 대상물을 냉각하기 위해 태양열 집열기가 비교적 적은 복사 에너지를 갖는 창공의 위치를 향하도록 액추에이터를 안내하여 태양열 집열기를 위치설정하는 명령으로 프로그래밍될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2010년 2월 13일자로 출원되었으며 계류 중이고 인용함으로써 본 명세서에 포함되는 미국 가특허 출원 제61/304,403호에 대한 우선권을 주장한다. 상기 가특허 출원 및/또는 인용함으로써 본 명세서에 포함되는 임의의 다른 자료가 본 명세서에서 제시되는 개시내용과 상충되는 경우, 본 명세서의 개시내용이 우선한다.
기술분야
본 기술은 일반적으로 태양열 입력을 이용한 열화학적 과정을 수행하기 위한 반응기, 및 관련 시스템과 방법에 관한 것이다. 구체적인 실시예에 있어서, 이러한 반응기는 광범위하고 다양한 원료물질로부터 청정 연소용 수소계 연료를 생성하기 위해 사용될 수 있고, 수소계 연료를 형성할 때 발생되는 다른 원소 및/또는 탄소로부터 구조 빌딩 블록(structural building block)을 생산할 수 있다.
태양, 바람, 파도, 낙수, 및 바이오매스계 원료와 같은 재생 가능한 에너지원은 주요한 에너지원으로서 엄청난 잠재력을 갖고 있지만, 현재로서는 광범위한 도입을 방해하는 다양한 문제를 겪고 있다. 예를 들면, 전기 생산에서 재생 가능한 에너지원을 이용하는 것은, 간헐적일 수 있는 상기 에너지원의 이용 가능성에 좌우된다. 특히, 태양 에너지는 태양의 이용 가능성(즉, 단지 주간에만 이용 가능함)에 의해 제한되며, 풍력 에너지는 바람의 변동 가능성에 의해 제한되고, 낙수 에너지는 가뭄에 의해 제한되며, 바이오매스 에너지는 계절적인 변동에 의해 제한된다. 이들 요인 및 다른 요인의 결과로서, 획득하든 획득하지 못하든 재생 가능한 에너지원으로부터의 다량의 에너지는 폐기되는 경향이 있다.
에너지의 획득 및 축적과 관련된 전술한 비효율성은, 종종 높은 에너지 생산 비용을 초래하기 때문에, 세계의 다수 지역에 대해 실용적인 에너지 공급원으로 재생 가능한 에너지원이 성장하는 것을 제한한다. 따라서, 세계는 주요 에너지 원으로서 석유 및 다른 화석 연료에 계속 의존하고 있는데, 왜냐하면 적어도 부분적으로, 화석 연료와 관련된 기술 개발을 지원하는 정부 보조금 및 다른 프로그램으로 인해 화석 연료는 매력적일 정도로 편리하며 이러한 연료를 사용하는 것이 저렴해 보이기 때문이다. 동시에, 소비된 자원에 대한 대체 비용, 그리고 환경 파손, 건강상 영향 및 화석 연료 사용에 따른 다른 부산물에 대한 비용은, 이러한 연료로부터 획득되는 에너지의 구입 가격에 포함되지 않는다.
전술한 내용 및 현재로서 재생 가능한 에너지원을 유지 가능하게 생산하는 것과 관련된 다른 단점에 비추어, 이러한 자원을 이용한 제품 및 연료를 생산함에 있어서의 효율 및 상업적 실용성을 개선할 필요가 있다.
본 발명의 목적은, 태양열 입력을 이용한 열화학적 과정을 수행하기 위한 반응기 및 관련 시스템과 방법을 제공하는 것이다.
개관
태양 에너지에 의해 구동되는 반응을 수행하기 위한 장치, 시스템 및 방법의 몇 가지 예가 이하에 기술되어 있다. 특정 실시예에 따른 반응기는, 일 작동 단계 동안 태양 에너지를 수집할 수 있으며, 다른 작동 단계 동안 열을 배출하기 위해 수집 장치를 이용할 수 있다. 이러한 반응기는 수소 연료 및/또는 다른 유용한 최종 산물을 생산하는 데 이용될 수 있다. 이에 따라, 상기 반응기는 청정 연소 연료를 생산할 수 있고, 탄소, 및/또는 폴리머 및 탄소 복합재료를 비롯한, 내구성 제품에서 사용하기 위한 다른 구성성분을 다른 목적에 맞게 제조할 수 있다. 이하의 설명은 당업자가 이하의 예를 실시, 제조 및 이용할 수 있도록 하기에 충분한 방식으로 후속하는 예의 특정한 다수의 세부사항을 제시하지만, 이하에 설명되는 세부사항 및 장점 중 몇 가지는 본 기술의 특정 예를 실시하기 위해 반드시 필요한 것은 아니다. 추가적으로, 본 기술은 청구범위의 범위에 속하지만 여기서는 상세하게 설명되지 않는 다른 예를 포함할 수 있다.
본 명세서 전체에 걸쳐 "일례", "예", "일 실시예" 또는 "실시예"라 지칭하는 것은, 이러한 예와 함께 설명되는 구체적인 특징, 구조, 과정 또는 특성이 본 기술의 적어도 하나의 예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 상세한 설명 전체에 걸쳐 다양한 위치에서 "일례에서", "예에서", "일 실시예' 또는 "실시예"라는 표현이 나오면, 반드시 모두 동일한 예를 지칭하는 것은 아니다. 더욱이, 구체적인 특징, 구조, 루틴(routine), 단계 또는 특성은 본 기술의 하나 이상의 예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 본 명세서에 제시된 식별항목은 단지 편리를 위한 것이며 청구된 기술의 범위 또는 의미를 한정 또는 해석하려는 의도는 아니다.
이하에서 설명되는 기술의 특정 실시예는, 프로그래밍 가능한 컴퓨터 또는 제어기에 의해 실행되는 루틴을 비롯하여, 컴퓨터 실행 가능한 명령의 형태를 취할 수 있다. 당업자는, 본 기술이 이하에 설명 및 도시된 바와 다른 컴퓨터 또는 제어기 시스템 상에서 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 기술은, 이하에서 설명되는 하나 이상의 컴퓨터 실행 가능한 명령을 수행하도록 특정하게 프로그래밍, 구성 또는 구축된 전용 컴퓨터, 제어기, 또는 데이터 프로세서에서 구현될 수 있다. 이에 따라, 본 명세서에서 일반적으로 사용될 때 "컴퓨터" 및 "제어기"라는 용어는, 임의의 데이터 프로세서를 지칭하며, 인터넷 기기, 핸드헬드 장치, 멀티프로세서 시스템, 프로그램 가능한 소비자 전자장치, 네트워크 컴퓨터, 미니 컴퓨터 등을 포함할 수 있다. 본 기술은 또한, 통신 네트워크를 통해 링크된 원격 처리 장치에 의해 작업 또는 모듈이 실행되는 분배 환경에서 실시될 수 있다. 이하에서 설명되는 기술의 양태는, 자기적으로 또는 광학적으로 판독 가능하거나 또는 제거 가능한 컴퓨터 디스크뿐만 아니라 네트워크에 걸쳐 전자적으로 분배되는 매체를 비롯하여, 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에 저장 또는 분배될 수 있다. 특정한 실시예에 있어서, 본 기술의 양태에 대해 특정한 데이터 구조 및 데이터 송신은 또한 본 기술의 범위에 포함된다. 본 기술은 특정 단계를 수행하기 위해 컴퓨터 판독 가능한 매체를 프로그래밍하는 방법뿐만 아니라 상기 단계를 실행하는 방법 양자 모두를 포함한다.
구체적인 실시예에 따른 반응기 시스템은, 반응 영역을 갖춘 반응기, 반응 영역과 유체 연통식으로 결합되는 반응물 소스, 및 태양 에너지를 집속 영역에 안내하도록 위치설정 가능한 적어도 하나의 집열기 표면을 갖는 태양열 수집기를 포함한다. 상기 시스템은, 태양에 대해 태양열 집열기를 이동시키기 위해 태양열 집열기에 결합되는 액추에이터, 및 그 작업을 제어하도록 액추에이터에 작동 가능하게 결합되는 제어기를 더 포함할 수 있다. 제어기는, 실행될 때, 태양 에너지가 문턱값 레벨을 초과하는 경우(예컨대 주간 동안) 반응 영역에 태양 에너지를 집속시키도록 액추에이터를 안내하여 태양열 집열기를 위치설정하는 명령으로 프로그래밍될 수 있다. 태양 에너지가 문턱값 레벨 미만인 경우, 제어기는, 집속 영역에 위치설정된 대상물을 냉각하기 위해 태양열 집열기가 비교적 적은 복사 에너지를 갖는 창공의 위치를 향하도록 액추에이터를 안내하여 태양열 집열기를 위치설정할 수 있다.
본 기술의 다른 실시예에 따른 시스템은, 반응기, 반응물 소스, 태양열 집열기, 및 태양에 대해 태양열 집열기를 이동시키도록 태양열 집열기에 결합된 제1 액추에이터를 포함한다. 상기 시스템은 태양열 집열기의 집열기 표면과 이에 관련된 집속 영역 사이에 위치설정되는 복사 제어 구조를 더 포함할 수 있다. 상기 복사 제어 구조는 제1 표면 및 제1 표면으로부터 반대로 향하는 제2 표면을 갖는데, 이들 표면은 각각 상이한 흡수율 및 방출율을 갖는다. 구체적으로, 제1 표면은 제1 복사 에너지 흡수율 및 제1 복사 에너지 방출율을 가질 수 있고 제2 표면은 제1 복사 에너지 흡수율보다 작은 제2 복사 에너지 흡수율 및 제1 복사 에너지 방출율보다 큰 제2 복사 에너지 방출율을 가질 수 있다. 상기 시스템은, 제1 표면이 집열기 표면을 향하는 제1 구성 및 제2 표면이 집열기 표면을 향하는 제2 구성으로 구조를 변경시키기 위해 복사 제어 구조에 결합되는 제2 액추에이터를 더 포함할 수 있다. 구체적인 실시예에 있어서, 상기 시스템은 또한 태양열 집열기에 의해 안내되는 태양 에너지의 레벨에 따라 복사 제어 구조의 작동을 안내하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
본 기술의 특정 실시예에 따른 방법은, 태양열 집열기로 태양 에너지를 집열시키는 단계, 집중된 태양 에너지를 태양열 집열기의 집속 영역에 위치설정되는 반응 영역으로 안내하는 단계, 및 반응 영역에서, 집중된 태양 에너지를 통해 수소 공여체를 해리 생성물로 해리시키는 단계를 포함한다. 해리 생성물으로부터, 상기 방법은 구조 빌딩 블록(탄소, 질소, 붕소, 실리콘, 황, 및 전이 금속 중 적어도 하나에 기초함) 및 수소계 연료 중 적어도 하나를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가적인 구체적 실시예에 있어서, 상기 방법은 태양 에너지가 문턱값 레벨 초과인지 또는 미만인지에 따라 다양한 초치를 행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 태양 에너지가 문턱값 레벨을 초과하는 경우, 태양 에너지는 반응 영역으로 안내될 수 있고, 태양 에너지가 문턱값 레벨 미만인 경우, 태양열 집열기는, 태양으로부터 멀리, 비교적 적은 복사 에너지를 갖는 창공의 지점으로 지향됨으로써 구조 빌딩 블록 및/또는 수소계 연료를 냉각시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양열 입력을 이용한 열화학적 과정을 수행하기 위한 반응기 및 관련 시스템과 방법을 얻을 수 있다.
도 1은, 본 기술의 실시예에 따라 구성된 태양열 집열기(solar concentrator)를 구비한 시스템의 부분 개략도로서, 부분 단면을 도시한 도면이다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따라, 냉각 과정에서 에너지를 방출하도록 태양열 집열기가 구성된 상태로 도 1에 도시된 시스템의 실시예를 도시한 부분 개략도로서, 부분 단면을 도시한 도면이다.
도 3은, 본 개시내용의 실시예에 따라 이동 가능한 태양열 집열기 접시(solar concentrator dish)를 구비한 시스템의 부분 개략도로서, 부분 단면을 도시한 도면이다.
도 4는, 본 개시내용의 실시예에 따라 트로프(trough) 형상의 태양열 집열기를 구비한 시스템의 부분 개략도로서, 등각 사시도를 도시한 것이다.
도 5는, 본 개시내용의 실시예에 따라 프레넬 렌즈(Fresnel lens)식 집열기를 구비한 시스템의 부분 개략도이다.
도 6은, 본 기술의 실시예에 따라 구성된 복사 제어 구조(radiation control structure) 및 전향(redirection) 구성요소를 구비한 반응기의 부분 개략도이다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따라, 냉각 과정에서 에너지를 방출하도록 태양열 집열기가 구성된 상태로 도 1에 도시된 시스템의 실시예를 도시한 부분 개략도로서, 부분 단면을 도시한 도면이다.
도 3은, 본 개시내용의 실시예에 따라 이동 가능한 태양열 집열기 접시(solar concentrator dish)를 구비한 시스템의 부분 개략도로서, 부분 단면을 도시한 도면이다.
도 4는, 본 개시내용의 실시예에 따라 트로프(trough) 형상의 태양열 집열기를 구비한 시스템의 부분 개략도로서, 등각 사시도를 도시한 것이다.
도 5는, 본 개시내용의 실시예에 따라 프레넬 렌즈(Fresnel lens)식 집열기를 구비한 시스템의 부분 개략도이다.
도 6은, 본 기술의 실시예에 따라 구성된 복사 제어 구조(radiation control structure) 및 전향(redirection) 구성요소를 구비한 반응기의 부분 개략도이다.
대표적인 반응기 및 관련 방법
도 1은, 본 기술의 특정 실시예에 따라 태양열 집열기(120)에 결합된 반응기(110)를 구비하는 시스템(100)의 부분 개략도로서, 부분 단면을 도시한 것이다. 이러한 실시예의 일 양태에 있어서, 태양열 집열기(120)는 받침대(122)에 장착된 접시(121)를 포함한다. 상기 접시(121)는, 입사하는 태양 에너지(126)를 받아들이는 집열기 표면(123)을 포함할 수 있으며 집속 영역(124)을 향해 집속되는 태양 에너지(127)로서 태양 에너지를 안내한다. 상기 접시(121)는, 지구가 회전함에 따라 태양 에너지(126)를 효율적으로 집속시키기 위해 적어도 2개의 직교 축선을 중심으로 접시(121)를 이동시키는 집열기 액추에이터(125)에 결합될 수 있다. 이하의 추가적인 세부사항에서 언급되는 바와 같이, 집열기 액추에이터(125)는 또한 냉각 작업 동안 태양으로부터 멀리 향하게 하기 위해 의도적으로 접시(121)를 위치설정하도록 구성될 수 있다.
반응기(110)는, 제1 반응 영역(111a) 및 제2 반응 영역(111b)으로서 도 1에 도시된 하나 이상의 반응 영역(111)을 포함할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 제1 반응 영역(111a)은 집속된 태양 에너지(127)를 받아들이도록 집속 영역(124)에 위치설정되며, 해리 반응 또는 다른 흡열 반응을 용이하게 한다. 이에 따라, 시스템(100)은, 반응물을 반응기(110)에 제공하고 반응기(110)로부터 받아들여진 생성물을 수집하는 분배/수집 시스템(140)을 더 포함할 수 있다. 본 실시예의 일 양태에 있어서, 분배/수집 시스템(140)은, 반응물을 제1 반응 영역(111a)으로 안내하는 반응물 소스(141) 및 반응기(110)로부터 생성물을 수집하는 하나 이상의 생성물 수집기(142)[도 1에는 2개의 생성물 수집기가 제1 생성물 수집기(142a) 및 제2 생성물 수집기(142b)로서 도시되어 있음]를 포함한다. 반응기(110)가 단일 반응 영역[예컨대, 제1 반응 영역(111a)]을 포함할 때, 생성물 수집기(142a, 142b)는 제1 반응 영역(111a)으로부터 직접 생성물을 수집할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 제1 반응 영역(111a)에서 생성되는 중간 생성물은 제2 반응 영역(111b)으로 안내된다. 제2 반응 영역(111b)에서, 중간 생성물은 발열 반응을 겪을 수 있고, 결과적인 생성물은 이때 생성물 유동 경로(154)를 따라 생성물 수집기(142a, 142b)로 전달된다. 예를 들면, 대표적인 실시예에 있어서, 반응물 소스(141)는 메탄 및 이산화탄소를 포함할 수 있는데, 이들은 (예컨대, 개별적으로 제어되는 방식으로) 제1 반응 영역(111a)에 공급되고 일산화탄소 및 수소를 생성하기 위해 가열된다. 일산화탄소 및 수소는 이제 발열 반응에서 메탄올을 생성하기 위해 제2 반응 영역(111b)에 공급된다. 이러한 구성 및 제1 반응 영역(111a)과 제2 반응 영역(111b) 사이의 관련 열전달 과정에 대한 추가적인 세부사항은, 동시 출원되어 인용함으로써 본 명세서에 포함되는 발명의 명칭이 "수소계 연료 및 구조 요소를 생성하기 위한 압력 및 열전달 특징을 갖는 반응기 용기 및 관련 시스템과 방법(REACTOR VESSELS WITH PRESSURE AND HEAT TRANSFER FEATURES FOR PRODUCING HYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURAL ELEMENTS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)"(대리인 정리 번호 제69545.8616US호)이고 공동 계류 중인 미국 출원 제 ______ 호에 더욱 상세하게 기술되어 있다.
적어도 일부 실시예에 있어서, 전술한 태양열 가열 이외에도 반응기(110)에 냉각을 제공하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 냉각은, 제2 반응 영역(111b)에서 수행되는 발열 반응에 의해 생성되는 열을 제거하기 위해 그리고 이에 따라 반응이 지속되도록 하기 위해 사용될 수 있다. 제2 반응 영역(111b)에서 생성되는 생성물이 메탄올을 포함할 때, 편리한 저장 및 운반을 제공하기 위해 메탄올을 액체로 추가 냉각하는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 시스템(100)은, 반응기(110)에서 구성원소 또는 구성성분을 냉각하기 위해 집열기 표면(123)의 이용을 용이하게 하는 피쳐(feature)를 포함할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 시스템(100)은, 집속 영역(124)에 대해 제1 열 교환기(150a)를 이동시키는 제1 열 교환기 액추에이터(151)에 작동 가능하게 결합되는 제1 열 교환기(150a)를 포함한다. 제1 열 교환기(150a)는, 반응기(110)에서 구성성분과 열적으로 연통되지만 구성성분의 오염 및/또는 반응기(110)에서 발생하는 반응에 대한 방해를 방지하기 위해 이들 구성성분으로부터 유체 절연되는 열 교환기 유체를 포함할 수 있다. 열 교환기 유체는 회로 내에서 제1 열 교환기(150a)로부터 제2 열 교환기(150b)로 그리고 반대로 열 교환기 유체 흐름 경로(153) 주위로 진행한다. 생성물이 제2 반응 영역(111b)으로부터 분배/수집 시스템(140)으로 진행할 때, 제2 열 교환기(150b)에서, 열 교환기 유체는 반응기(110)에 의해 생성되는 생성물(예컨대, 메탄올)로부터 열을 받아들인다. 열 교환기 유체 흐름 경로(153)는 가열된 열 교환기 유체를 냉각을 위해 다시 제1 열 교환기(150a)로 전달한다. 열 교환기 유체 흐름 경로(153)에서의 하나 이상의 응력 완화 피쳐(152)(예컨대, 코일형 도관)는 제1 열 교환기(150a)의 이동을 용이하게 한다. 시스템(100)은 또한, 임의의 다양한 센서, 트랜스듀서, 및/또는 시스템(100)의 다른 소자로부터 입력 신호(191)를 수신하고 이들 소자로부터 수신된 정보에 응답하여 제어 신호(192)를 전달하여 시스템(100)의 작업 파라메타를 조정하는 제어기(190)를 포함할 수 있다.
도 2는 제1 열 교환기(150a)에 공급되는 열 교환기 유체를 냉각시키는 일 메커니즘을 제시한 것이다. 본 실시예에 있어서, 제어기(190)는 열 교환기 액추에이터(151)를 안내하여 화살표(A)로 표시된 바와 같이 도 1에 도시된 위치로부터 집속 영역(124)으로 제1 열 교환기(150a)를 구동한다. 추가적으로, 제어기(190)는, 집열기 표면(123)이 태양으로부터 멀리 그리고 매우 적은 복사 에너지를 갖는 창공의 영역을 향하도록 하기 위해 접시(121)를 위치설정하도록 집열기 액추에이터(125)를 안내할 수 있다. 일반적으로, 이러한 과정은 태양 및 주변 환경의 복사 에너지의 회피가 더욱 용이한 야간에 완료될 수 있지만 적어도 일부 실시예에서는 이러한 과정이 또한 주간 동안에도 수행될 수 있다. 제어기(190)에 결합된 복사 에너지 센서(193)는, 유입되는 태양 복사선이 문턱값 레벨 미만일 때를 탐지할 수 있으며, 이에 따라 도 2에 도시된 위치에 제1 열 교환기(150a)를 위치설정하기에 적절한 시각을 지시한다.
도 2에 도시된 위치에 제1 열 교환기(150a)가 있을 때, 열 교환기(150a)에 있는 고온의 열 교환기 유체는, 집열기 표면(123)에서 접시(121)에 의해 수집되고, 안내된 방출 에너지(129)로서 외측으로 전향되는 것인 방출 에너지(128)를 복사한다. 집속 영역(124)에 인접하게 위치설정되는 절연체(130)는 복사 에너지가 집열기 표면(123)을 향하는 방향 이외의 방향으로 방출되는 것을 방지할 수 있다. 집열기 표면(123)이 매우 작은 복사 에너지를 갖는 공간에 있는 영역을 향하도록 위치설정함으로써, 이 공간에 있는 영역은 히트 싱크(heat sink)로서 작동할 수 있으며 이에 따라 제1 열 교환기(150a)에 의해 배출되는, 안내된 방출 에너지(129)를 받아들일 수 있다. 제1 열 교환기(150a)에서 냉각된 이후에 열 교환기 유체는 제2 열 교환기(150b)로 복귀하여 생성물 흐름 경로(154)를 따라 유동하는 생성물로부터 더 많은 열을 흡수한다. 이에 따라, 집열기 표면(123)은 반응기(110)의 요소들을 냉각하는 데뿐만 아니라 가열하는 데에도 사용될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 제1 열 교환기(150a)는 주간 동안에는 도 1에 도시된 바와 같이 위치설정되며, 야간 동안에는 도 2에 도시된 바와 같이 위치설정된다. 다른 실시예에 있어서, 다수의 시스템(100)이 함께 결합될 수 있는데, 일부 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 위치설정되는 대응하는 제1 열 교환기(150a)를 구비하고 나머지 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 위치설정되는 제1 열 교환기(150a)를 구비하여 가열 및 냉각을 동시에 제공한다. 이들 실시예 중 임의의 실시예에 있어서, 냉각 과정은 메탄올을 액화하기 위해 및/또는 다른 기능을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 기능에는 다른 물질, 예컨대 이산화탄소, 에탄올, 부탄올, 또는 수소를 액화 또는 고화시키는 것이 포함될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 반응기(110)에 전달되는 반응물은, 반응물의 다른 원원소(예컨대, 탄소, 질소, 붕소, 실리콘, 전이 금속, 및/또는 황)로부터 해리되는 수소를 포함하여 수소계 연료(예컨대, 2원자 수소) 및 내구성 제품을 생산하기 위해 추가로 처리될 수 있는 구조 빌딩 블록을 생산하도록 선택된다. 이러한 내구성 제품은, 흑연, 그라핀, 및/또는 폴리머를 포함하는데, 이들은 탄소 구조 빌딩 블록 및 수소 구조 빌딩 블록 혹은 다른 구조 빌딩 블록으로부터 형성되는 다른 적절한 화합물로부터 생성될 수 있다. 적절한 과정 및 생성물에 대한 추가적인 세부사항은 이하의 공동 계류 중인 미국 특허 출원에 개시되어 있다. 이러한 미국 특허 출원에는, 발명의 명칭이 "수소 연료 및 구조 재료를 효율적으로 생성하기 위한 화학적 과정 및 반응기, 그리고 관련 시스템 및 방법(CHEMICAL PROCESSES AND REACTORS FOR EFFICIENTLY PRODUCING HYDROGEN FUELS AND STRUCTURAL MATERIALS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)"(대리인 정리 번호 제69545.8601US호)인 미국 출원 제 ______ 호; 발명의 명칭이 "예컨대 복수의 아키텍쳐 결정을 갖는 아키텍쳐 구축(ARCHITECTURAL CONSTRUCT HAVING FOR EXAMPLE A PLURALITY OF ARCHITECTURAL CRYSTALS)"(대리인 정리 번호 제69545.8701US호)인 미국 출원 제 ______ 호; 및 발명의 명칭이 "바이오매스 폐기물 해리로부터 획득되는 탄소계 내구성 제품 및 재생 가능한 연료(CARBON-BASED DURABLE GOODS AND RENEWABLE FUEL FROM BIOMASS WASTE DISSOCIATION")(대리인 정리 번호 제69545.9002US호)인 미국 출원이 있으며, 이들 모두는 본 출원과 동시에 제출되었고 인용함으로써 본 명세서에 포함된다.
도 3은, 개시된 기술의 다른 실시예에 따라 구성된 이동 가능한 접시(321)를 갖춘 반응기(310)를 구비한 시스템(300)을 제시한 것이다. 본 실시예의 특정 양태에 있어서, 반응기(310)는 제1 반응 영역(311a) 및 제2 반응 영역(311b)을 포함하는데, 제1 반응 영역(311a)은 접시(321)가 도 3에 실선으로 도시된 바와 같이 제1 위치에 있을 때 집속된 태양 에너지(127)를 받아들인다. 접시(321)는, 반응 영역(311a, 311b)에 대해 접시(321)를 이동시키는 접시 액추에이터(331)에 결합된다. 이에 따라, 제2 작업 단계 동안, 제어기(190)는 접시 액추에이터(331)를 안내하여 접시(321)가 도 3에 파선으로 도시된 제2 위치로 이동하도록 한다. 일 실시예에 있어서, 이러한 구성은 접시(321)가 제2 위치에 있을 때 제2 반응 영역(311b)에 열을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 이러한 구성은 제2 반응 영역(311b)을 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 이에 따라, 제어기(190)는 집열기 액추에이터(125)를 안내하여 복사 에너지가 거의 없거나 전혀 없는 창공의 위치로 접시(321)가 향하도록 할 수 있으므로, 도 1 및 도 2를 참고하여 전술한 바와 일반적으로 유사한 방식으로 제2 반응 영역(311b)이 접시(321)로 그리고 궁극적으로는 공간으로 열을 버리도록 해준다.
다른 실시예에 있어서, 이러한 시스템은 접시 구성과는 다른 구성을 갖는 태양열 수집기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 4는 트로프(421)의 형태로 태양열 집열기(420)에 결합되는 반응기(410)를 갖는 시스템(400)을 제시한 것이다. 트로프(421)는 하나 이상의 트로프 액추에이터(431)에 의해 회전되며, 입사하는 태양 에너지를, 가열을 위해 반응기(410)를 향해 안내하는 집열기 표면(423)을 포함한다. 도 4에 도시된 특정 실시예에 있어서, 반응기(410)는, 도 1 및 도 2를 참고하여 전술된 바와 일반적으로 유사한 방식으로 작동할 수 있는 제1 반응 영역(411a) 및 제2 반응 영역(411b)을 포함할 수 있다. 이러한 시스템(400)은, 반응기(410)의 하면에 트로프(421)에 의해 마련되는 집속 영역(424)을 향해 또는 이 집속 영역으로부터 멀리 이동될 수 있는 제1 열 교환기(450a)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 열 교환기(450a)는 가열을 위해 입사하는 태양 에너지(126)가 제1 반응 영역(411a)으로 안내될 때 도 4에 도시된 바와 같이 위치설정될 수 있고, 도 1 및 도 2를 참고하여 전술된 바와 일반적으로 유사한 방식으로 열을 버리도록 집속 영역(424) 위로 이동될 수 있다(화살표 A로 표시된 바와 같음). 반응기(410)는 가열 동안 반응기(410)로부터의 열 손실을 방지하도록 위치설정되는 절연체(430)를 포함할 수 있다. 절연체(430)는 또한 전술된 바와 일반적으로 유사한 방식으로 방출 에너지 경로(128)를 따르지 않으면서 반응기(410)로부터 열이 빠져나가지 못하도록 할 수 있다.
도 5는, 입사하는 태양 에너지(126)를 받아들이도록 그리고 집속된 태양 에너지(127)를 반응기(510)로 전달하도록 위치설정되는 프레넬 렌즈(521)를 갖는 태양열 집열기(520)를 포함하는 시스템(500)의 부분적인 개략도이다. 이러한 구성은, 반응기(510)의 구성요소 및/또는 구성성분을 가열 및/또는 냉각하기 위해 전술된 구성요소 및 시스템 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있다.
도 6은 개시된 기술의 또 다른 추가적인 실시예에 따라 복사선을 받아들이는 반응기(610)를 구비한 시스템(600)의 부분적인 개략도이다. 이들 실시예의 일 양태에 있어서, 반응기(610)는 도 1 및 도 2를 참고하여 전술된 바와 일반적으로 유사한 전체적인 레이아웃을 가질 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 반응기는 대체로 유사한 방식으로 작동하는, 이하에서 설명되는 구성요소와 함께, 도 3 내지 도 5 중 임의의 도면에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
반응기(610)는, 집속된 태양 에너지(127)가 제1 반응 영역(611a)으로 진입할 수 있도록 하는 투과성 구성요소(612)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 투과성 구성요소(112)는 유리 또는 태양 복사선에 대해 고도로 투명한 다른 재료를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 투과성 구성요소(612)는 일 파장에서 에너지(예컨대, 복사 에너지)를 흡수하고 다른 파장에서 에너지를 재복사하는 하나 이상의 요소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 투과성 구성요소(612)는 일 파장에서 입사하는 태양 에너지를 받아들이는 제1 표면(613a) 및 다른 파장에서 제1 반응 영역(611a)으로 에너지를 재복사하는 제2 표면(613b)을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 반응 영역(611a)에 제공되는 에너지는 제1 반응 영역(611a) 내에 배치되는 반응물 및/또는 생성물의 흡수 특성과 일치 또는 근사하도록 특별히 맞춰질 수 있다. 예를 들면, 제1 표면(613a) 및 제2 표면(613b)은, 제1 첨두 파장(peak wavelength) 범위를 갖는 제1 스펙트럼에 대해 복사선을 받아들이도록 그리고 제1 첨두 파장 범위와는 상이한 제2 첨두 파장 범위를 갖는 제2 스펙트럼에 대해 상기 복사선을 제1 반응 영역(611a)으로 재복사하도록 구성될 수 있다. 특정 실시예에서 제2 첨두 파장 범위는 제1 반응 영역(611a)에서의 반응물 또는 생성물의 첨두 흡수(peak absorption)에 대해 제1 첨두 파장보다 근접할 수 있다. 대표적인 재복사 장치의 추가적인 세부사항은, 발명의 명칭이 "재복사 표면을 이용한 화학 반응기 및 관련된 시스템과 방법(CHEMICAL REACTORS WITH RE-RADIATING SURFACES AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)"(대리인 정리 번호 제69545.8603US호)이며 본원과 공동으로 출원되고 인용함으로써 본 명세서에 포함되며 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제 ______ 호에 설명되어 있다.
특정 실시예에 있어서, 상기 시스템은 또한 제어 구조 액추에이터(661)에 의해 동력을 공급받는 복사 제어 구조(660)를 포함할 수 있다. 복사 제어 구조(660)는 다수의 이동 가능한 요소(662), 예컨대 베니션 블라인드 방식으로, 대응하는 피봇 조인트(664)를 중심으로 피봇하는 패널을 포함할 수 있다. 일 세트의 요소들(662)이 설명을 목적으로 도 6에 도시되어 있는데, 일반적으로 이러한 세트는 반응기(610)의 복사를 받아들이는 표면 주위에서 원주방향으로 반복된다. 각각의 이동 가능한 요소(662)는 제1 표면(663a) 및 제2 표면(663b)을 가질 수 있다. 이에 따라, 복사 제어 구조(660)는, 외부 조건[예컨대, 집속된 태양 에너지(127)의 레벨]에 따라 및/또는 반응기(610)가 가열 모드 또는 냉각 모드에서 사용되는지 여부에 따라 일 표면 또는 다른 표면이 외부로 향하도록 위치설정될 수 있다. 본 실시예의 특정 양태에 있어서, 제1 표면(663a)은 비교적 높은 흡수율 및 비교적 낮은 방출율을 나타낼 수 있다. 이러한 표면은 이에 따라 주간 동안 및/또는 집속되는 태양 에너지(127)가 문턱값 레벨을 초과할 때 복사선을 용이하게 흡수할 수 있고, 흡수된 에너지를 제2 표면(663b)으로 전달(예컨대, 전도에 의함)할 수 있다. 제2 표면(663b)은 비교적 낮은 흡수율 및 비교적 높은 방출율을 나타낼 수 있어서 이에 따라 제1 표면(663a)에 의해 제2 표면에 전도된 에너지를 방출할 수 있다. 일 배향에 있어서, 이러한 효과는 제1 반응 영역(611a)을 가열하도록 작동할 수 있으며, 반대 배향에서 이러한 효과는 예컨대 야간에 제1 반응 영역(611a)[또는 반응기(110)의 다른 구성요소, 예컨대 앞서 설명된 제1 열 교환기(150a)]을 냉각하도록 작동할 수 있다. 이에 따라, 복사 제어 구조(660)는, 복사선이 제1 반응 영역(611a)에 전달되도록 하는 방식으로 그리고 열이 반응기(610)로부터 제거되는 방식으로 개선될 수 있다.
또 다른 추가적인 실시예에 있어서, 반응기(610)는, 수집기 표면 수차, 환경적인 결함, 비평행 복사선, 바람 및/또는 다른 외란 혹은 왜곡으로 인해 "낭비되는"[예컨대, 투과성 구성요소(612) 상에 정확히 집속되지 않는] 복사선을 전향시키도록 전향 액추에이터(671; redirection actuator)에 결합되는 전향 구성요소(670)를 포함할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 전향 구성요소(670)는 앞서 설명된 바와 일반적으로 유사한 베니션 블라인드 구성에서 대응하는 피봇 조인트(674)를 중심으로 피봇하는 이동 가능한 요소(672)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 이들 요소(672)는 반응기(610)의 복사선을 받아들이는 표면을 중심으로 원주방향으로 위치설정될 수 있다. 본 실시예의 일 양태에 있어서, 이동 가능한 요소(672)의 표면은, 복사선을 제1 반응 영역(611a)으로 단순히 전향시키기 위해 반사식 요소이다. 다른 실시예에 있어서, 상기 표면은, 앞서 설명된 파장 이동 특성으로서, 발명의 명칭이 "재복사 표면을 갖춘 화학 반응기 및 관련 시스템과 방법(CHEMICAL REACTORS WITH RE-RADIATING SURFACES AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)"(대리인 정리 번호 제69545.8603호)이며 인용함으로써 이미 포함되어 있는 공동 계류 중인 미국 특허 출원 제 ______ 호에 설명된 파장 이동 특성을 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참고로 앞서 설명된 시스템 및 과정의 실시예의 한 가지 특징은, 이들 시스템 및 과정이 실제로 반대로 집열기 표면을 작동시키는 가열뿐만 아니라 냉각을 제공하도록 태양열 수집기 또는 집열기 표면을 이용할 수 있다는 것이다. 이러한 구성은 반응기에 의해 생성되는 반응물 및/또는 다른 구성성분을 냉각하기 위한 유용한 열 전달 과정을 제공할 수 있는 반면, 이들 기능을 제공하기 위한 별도의 요소(예컨대, 냉장 시스템)에 대한 필요성을 감소시키거나 없애준다.
앞선 실시예의 적어도 일부의 다른 특징은, 이들 실시예가 시스템에 의해 유입되거나 버려지는 복사선의 흡수 및/또는 방출을 향상시키도록 특별히 맞춰진 표면을 포함할 수 있다는 것이다. 이들 요소는 추가적인 열역학적 효율을 제공할 수 있으며, 이에 따라 앞서 설명된 반응물을 생성하는 비용을 절감시킨다.
특정 실시예의 범위에서 설명되는 기술의 소정 양태는 다른 실시예에서 조합 또는 제거될 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예는 2개의 반응 영역을 갖는 반응기의 범위에서 앞서 설명된 바와 같다. 다른 실시예에 있어서, 열을 버리기 위한 유사한 구조가 단일 반응 영역 또는 2개가 넘는 반응 영역을 갖는 반응기에 적용될 수 있다. 반응 영역(들)은 다른 실시예에서 앞서 설명된 것과 다른 구성성분을 처리하기 위해 사용될 수 있다. 앞서 설명된 태양열 집열기는 다른 실시예에서 다른 냉각 처리를 위해 사용될 수 있다. 태양열 집열기는 다른 실시예에서 다른 구조(예컨대, 일광반사장치 구조)를 가질 수 있다. 적어도 일부 실시예에 있어서, 반응 영역(들)은, 반응 영역(들)에 대해 이동하는 태양열 집열기에 추가하여 또는 이러한 태양열 집열기 대신에 태양열 집열기에 대해 이동할 수 있다. 앞서 설명된 전향 구성요소 및 복사 제어 구조는 단독으로 사용될 수 있으며, 서로 조합하여 사용될 수 있고 및/또는 도 1 및 도 5와 관련하여 앞서 설명된 구조 중 임의의 구조와 조합하여 사용될 수 있다.
더욱이, 본 기술의 특정 실시예에 관한 장점이 이들 실시예의 범위에서 설명되었지만, 다른 실시예도 또한 이러한 장점을 나타낼 수 있으며, 본 개시내용의 범위에 속하기 위해 모든 실시예가 이러한 장점을 반드시 나타내어야 하는 것은 아니다. 이에 따라, 본 개시내용 및 관련된 기술은 본 명세서에서 명시적으로 도시 또는 설명되지 않은 다른 실시예를 포함할 수 있다.
앞서 인용함으로써 본 명세서에 포함되지 않은 범위에 대해서, 본 출원은 이하의 문헌 각각의 대상을 그 전체 내용에 있어서 인용함으로써 포함한다. 상기 문헌은, 2010년 8월 16일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 "재생 가능한 에너지, 재료 자원 및 영양소 체계의 통합 생성을 통한 유지 가능한 경제적 발전(SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY, MATERIALS RESOURCES, AND NUTRIENT REGIMES)"인 미국 특허 출원 제12/857,553호; 2010년 8월 16일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 "재생 가능한 에너지의 통합적 총 스펙트럼 생산을 통한 유지 가능한 경제적 발전을 위한 시스템 및 방법(SYSTEMS AND METHODS FOR SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY)"인 미국 특허 출원 제12/857,553호; 2010년 8월 16일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 "태양열을 이용한 재생 가능한 재료 자원의 통합적 총 스펙트럼 생산을 통한 유지 가능한 경제 발전을 위한 시스템 및 방법(SYSTEMS AND METHODS FOR SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE MATERIAL RESOURCES USING SOLAR THERMAL)"인 미국 특허 출원 제12/857,554호; 2010년 8월 16일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 "주거 지원을 위한 에너지 시스템(ENERGY SYSTEM FOR DWELLING SUPPORT)"인 미국 특허 출원 제12/857,502호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 "인라인 선택 추출 장치 및 관련 작동 방법을 이용한 전달 시스템(DELIVERY SYSTEMS WITH IN-LINE SELECTIVE EXTRACTION DEVICES AND ASSOCIATED METHODS OF OPERATION)"인 대리인 정리 번호 제69545-8505.US00호; 2010년 8월 16일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 "에너지, 재료 자원 및 영양소 체제의 생성을 위한 자생적 시스템 및 과정의 총체적인 비용 모델링(COMPREHENSIVE COST MODELING OF AUTOGENOUS SYSTEMS AND PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF ENERGY, MATERIAL RESOURCES AND NUTRIENT REGIMES)"인 미국 특허 출원 제61/401,699호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “수소 연료 및 구조 재료를 효율적으로 생성하기 위한 화학적 과정 및 반응기 그리고 관련 시스템 및 방법(CHEMICAL PROCESSES AND REACTORS FOR EFFICIENTLY PRODUCING HYDROGEN FUELS AND STRUCTURAL MATERIALS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)”인 대리인 정리 번호 제69545-8601.US00호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “수소계 연료 및 구조 요소를 생성하기 위한 투과 표면을 갖는 반응기 용기 그리고 관련 시스템 및 방법(REACTOR VESSELS WITH TRANSMISSIVE SURFACES FOR PRODUCING HYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURAL ELEMENTS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)”인 대리인 정리 번호 제69545-8602.US00호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “재복사 표면을 갖춘 화학 반응기 및 관련 시스템과 방법(CHEMICAL REACTORS WITH RE-RADIATING SURFACES AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)”인 대리인 정리 번호 제69545-8603.US00호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “열 전달 장치 및 관련 시스템과 방법(THERMAL TRANSFER DEVICE AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)”인 대리인 정리 번호 제69545-8604.US00호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “환형으로 위치설정된 전달 및 제거 장치를 갖춘 화학 반응기 및 관련 시스템과 방법(CHEMICAL REACTORS WITH ANNULARLY POSITIONED DELIVERY AND REMOVAL DEVICES, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)”인 대리인 정리 번호 제69545-8605.US00호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “열화학 처리를 위한 유도 및 관련 시스템과 방법(INDUCTION FOR THERMOCHEMICAL PROCESS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)”인 대리인 정리 번호 제69545-8608.US00호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “결합된 열화학적 반응기 및 엔진 그리고 관련 시스템과 방법(COUPLED THERMOCHEMICAL REACTORS AND ENGINES, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)”인 대리인 정리 번호 제69545-8611.US00호; 2010년 9월 22일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “열화학적 재생을 이용하여 자동차 엔진에서의 마찰 에너지를 감소 및 획득하는 방법(REDUCING AND HARVESTING DRAG ENERGY ON MOBILE ENGINES USING THERMAL CHEMICAL REGENERATION)”인 미국 특허 출원 제61/385,508호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “수소계 연료 및 구조 요소를 생성하기 위한 압력 및 열 전달 피쳐를 갖춘 반응기 용기 및 관련 시스템과 방법(REACTOR VESSELS WITH PRESSURE AND HEAT TRANSFER FEATURES FOR PRODUCING HYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURAL ELEMENTS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS)”인 대리인 정리 번호 제69545-8616.US00호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “예컨대 복수 개의 아키텍쳐 결정을 갖는 아키텍쳐 구축(ARCHITECTURAL CONSTRUCT HAVING FOR EXAMPLE A PLURALITY OF ARCHITECTURAL CRYSTALS)”인 대리인 정리 번호 제69545-8701.US00호; 2010년 8월 16일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “유체 이송 시스템의 물성을 탐지하기 위한 방법 및 장치(METHODS AND APPARATUSES FOR DETECTION OF PROPERTIES OF FLUID CONVEYANCE SYSTEMS)”인 미국 특허 출원 제12/806,634호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “목표 시료의 물성을 탐지하기 위한 방법, 장치 및 시스템(METHODS, DEVICES, AND SYSTEMS FOR DETECTING PROPERTIES OF TARGET SAMPLES)”인 대리인 정리 번호 제69545-8801.US01호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “탄화수소, 알코올 증기, 수소, 탄소 등으로 바이오매스를 처리하기 위한 시스템(SYSTEM FOR PROCESSING BIOMASS INTO HYDROCARBONS, ALCOHOL VAPORS, HYDROGEN, CARBON, ETC.)”인 대리인 정리 번호 제69545-9002.US00호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “열화학적 재생을 이용한 탄소 재생 및 재투자(CARBON RECYCLING AND REINVESTMENT USING THERMOCHEMICAL REGENERATION)”인 대리인 정리 번호 제69545-9004.US00호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “산소생성 연료(OXYGENATED FUEL)”인 대리인 정리 번호 제69545-9006.US00호; 2009년 8월 27일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “탄소 몰수(CARBON SEQUESTRATION)”인 미국 특허 출원 제61/237,419호; 2009년 8월 27일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “산소 생성 연료 생산(OXYGENATED FUEL PRODUCTION)”인 미국 특허 출원 제61/237,425호; 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “오염물질을 고립시키고 에너지를 저장하기 위한 재생 가능한 다목적 연료(MULTI-PURPOSE RENEWABLE FUEL FOR ISOLATING CONTAMINANTS AND STORING ENERGY)”인 대리인 정리 번호 제69545-9102.US00호; 2010년 12월 8일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “수소, 탄소의 산화물 및/또는 질소로부터의 액체 연료 그리고 내구성 제품을 제조하기 위한 탄소의 생성(LIQUID FUELS FROM HYDROGEN, OXIDES OF CARBON, AND/OR NITROGEN; AND PRODUCTION OF CARBON FOR MANUFACTURING DURABLE GOODS)”인 미국 특허 출원 제61/421,189호; 그리고 2011년 2월 14일자로 출원되었으며 발명의 명칭이 “가공된 연료 저장, 재분화 및 운반(ENGINEERED FUEL STORAGE, RESPECIATION AND TRANSPORT)”인 대리인 정리 번호 제69545-9105.US00호가 포함된다.
100 : 시스템 110 : 반응기
111a : 제1 반응 영역 111b : 제2 반응 영역
120 : 태양열 집열기 121 : 접시
122 : 받침대 123 : 집열기 표면
124 : 집속 영역 125 : 집열기 액추에이터
126 : (입사하는) 태양 에너지 127 : (집속되는) 태양 에너지
140 : 분배/수집 시스템 141 : 반응물 소스
142a : 제1 생성물 수집기 142b : 제2 생성물 수집기
150a : 제1 열 교환기 150b : 제2 열 교환기
151 : 제1 열 교환기 액추에이터 152 : 응력 완화 피쳐
153 : 열 교환기 유체 흐름 경로 154 : 생성물 유동 경로
190 : 제어기 191 : 입력 신호
192 : 제어 신호 193 : 복사 에너지 센서
111a : 제1 반응 영역 111b : 제2 반응 영역
120 : 태양열 집열기 121 : 접시
122 : 받침대 123 : 집열기 표면
124 : 집속 영역 125 : 집열기 액추에이터
126 : (입사하는) 태양 에너지 127 : (집속되는) 태양 에너지
140 : 분배/수집 시스템 141 : 반응물 소스
142a : 제1 생성물 수집기 142b : 제2 생성물 수집기
150a : 제1 열 교환기 150b : 제2 열 교환기
151 : 제1 열 교환기 액추에이터 152 : 응력 완화 피쳐
153 : 열 교환기 유체 흐름 경로 154 : 생성물 유동 경로
190 : 제어기 191 : 입력 신호
192 : 제어 신호 193 : 복사 에너지 센서
Claims (31)
- 반응물을 처리하기 위한 반응기 시스템으로서,
반응 영역을 갖는 반응기;
반응기의 반응 영역과 유체 연통식으로 결합되는 반응물 소스;
태양 에너지를 집속 영역으로 안내하도록 위치설정 가능한 적어도 하나의 집열기 표면을 갖는 태양열 집열기;
태양에 대해 태양열 집열기를 이동시키기 위해 태양열 집열기에 결합되는 액추에이터; 및
상기 액추에이터에 작동 가능하게 결합되는 제어기로서, 상기 제어기는,
실행될 때,
태양 에너지가 문턱값 레벨을 초과하는 경우 반응 영역에 태양 에너지를 집속시키도록 액추에이터를 안내하여 태양열 집열기를 위치설정하는 명령; 및
태양 에너지가 문턱값 레벨 미만인 경우 집속 영역에 위치설정된 대상물을 냉각하기 위해 태양열 집열기가 비교적 적은 복사 에너지를 갖는 창공의 위치로 향하도록 액추에이터를 안내하여 태양열 집열기를 위치설정하는 명령
으로 프로그래밍되는 것인 제어기
를 포함하는 반응기 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 반응기 시스템은 열 교환기 유체를 유지하는 열 교환기를 더 포함하며, 상기 열 교환기는 태양 에너지가 문턱값 레벨 미만일 때 집속 영역에 위치설정 가능하여 태양열 집열기를 통해 열 교환기 유체로부터 열을 방출하는 것인 반응기 시스템.
- 제2항에 있어서, 열 교환기 및 태양열 집열기 중 적어도 하나는, 집속 영역이 반응 영역과 정렬되는 제1 구성과, 집속 영역이 열 교환기와 정렬되는 제2 구성 사이에서 서로에 대해 이동 가능한 것인 반응기 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 반응 영역은 제1 반응 영역이며, 상기 반응기 시스템은 제2 반응 영역을 더 포함하고, 태양열 집열기, 제1 반응 영역 및 제2 반응 영역 중 적어도 하나는 이동 가능하여 집속 영역이 제1 반응 영역과 정렬되는 제1 구성 및 집속 영역이 제2 반응 영역과 정렬되는 제2 구성을 형성하는 것인 반응기 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 태양열 집열기는 접시 형상 집열기를 포함하는 것인 반응기 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 태양열 집열기는 트로프 형상 집열기를 포함하는 것인 반응기 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 태양열 집열기는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 포함하는 것인 반응기 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 반응기 시스템은 반응물 소스에 의해 유지되는 반응물을 더 포함하며, 상기 반응물은 구성성분으로서 탄소, 붕소, 질소, 실리콘, 천이 금속 및 황 중 적어도 하나를 갖는 수소 공여체를 포함하는 것인 반응기 시스템.
- 반응물을 처리하기 위한 반응기 시스템으로서,
반응 영역을 갖는 반응기;
반응기의 반응 영역과 유체 연통식으로 결합되는 반응물 소스;
태양 에너지를 집속 영역으로 안내하도록 위치설정 가능한 적어도 하나의 집열기 표면을 갖는 태양열 집열기;
태양에 대해 태양열 집열기를 이동시키기 위해 태양열 집열기에 결합되는 제1 액추에이터;
집열기 표면과 집속 영역 사이에 위치설정되며 제1 표면 및 제1 표면으로부터 반대로 향하는 제2 표면을 갖는 복사 제어 구조(radiation control structure)로서, 상기 제1 표면은 제1 복사 에너지 흡수율 및 제1 복사 에너지 방출율을 나타내고, 제2 표면은 제1 복사 에너지 흡수율보다 작은 제2 복사 에너지 흡수율 및 제1 복사 에너지 방출율보다 큰 제2 복사 에너지 방출율을 나타내는 것인 복사 제어 구조; 및
제1 표면이 집열기 표면을 향하는 제1 구성 및 제2 표면이 집열기 표면을 향하는 제2 구성으로 구조를 변경시키기 위해 복사 제어 구조에 결합되는 제2 액추에이터
를 포함하는 반응기 시스템. - 제9항에 있어서,
상기 제 1 액추에이터 및 제2 액추에이터에 작동 가능하게 결합되는 제어기로서, 상기 제어기는,
실행될 때,
태양 에너지가 문턱값 레벨을 초과하는 경우 반응 영역에 태양 에너지를 집속시키도록 제1 액추에이터를 안내하여 태양열 집열기를 위치설정하는 명령;
태양 에너지가 문턱값 레벨을 초과하는 경우 제2 액추에이터를 안내하여 제1 구성에서 복사 제어 구조를 위치설정하는 명령;
태양 에너지가 문턱값 레벨 미만인 경우 집속 영역에 위치설정된 대상물을 냉각하기 위해 태양열 집열기가 비교적 적은 복사 에너지를 갖고 태양으로부터 멀리 떨어진 창공의 위치로 향하도록 제1 액추에이터를 안내하여 태양열 집열기를 위치설정하는 명령; 및
태양 에너지가 문턱값 레벨 미만인 경우 제2 액추에이터를 안내하여 제2 구성에서 복사 제어 구조를 위치설정하는 명령
으로 프로그래밍되는 것인 제어기
를 더 포함하는 반응기 시스템. - 제10항에 있어서, 상기 복사 제어 구조는 복수 개의 피봇 가능한 요소를 포함하고, 피봇 가능한 개별 요소는 제1 표면 및 제1 표면으로부터 반대로 향하는 제2 표면을 갖는 것인 반응기 시스템.
- 제9항에 있어서, 상기 반응기 시스템은 태양열 집열기 및 반응 영역에 근접하게 위치설정되는 전향(redirection) 구성요소를 더 포함하며, 상기 전향 구성요소는 태양열 집열기에 의해 안내되는 태양 에너지의 적어도 일부를 받아들이도록 그리고 상기 태양 에너지의 일부를 반응 영역으로 전향시키도록 위치설정되는 적어도 하나의 이동 가능한 표면을 갖는 것인 반응기 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 전향 구성요소는 복수 개의 이동 가능한 표면을 포함하는 것인 반응기 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 이동 가능한 표면은 반사식 표면을 포함하는 것인 반응기 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 이동 가능한 표면은, 제1 첨두 파장(peak wavelength) 범위를 갖는 제1 스펙트럼에 대해 복사선을 받아들이도록 그리고 제1 첨두 파장 범위와는 상이한 제2 첨두 파장 범위를 갖는 제2 스펙트럼에 대해 상기 복사선을 반응 영역으로 재복사하도록 위치설정되는 재복사 구성요소를 포함하는 것인 반응기 시스템.
- 제9항에 있어서, 상기 반응기 시스템은 반응물 소스에 의해 유지되는 반응물을 더 포함하며, 상기 반응물은 구성성분으로서 탄소, 붕소, 질소, 실리콘, 천이 금속 및 황 중 적어도 하나를 갖는 수소 공여체를 포함하는 것인 반응기 시스템.
- 수소 공여체를 처리하기 위한 반응기 시스템으로서,
반응 영역을 갖는 반응기 용기;
반응기 용기의 반응 영역과 유체 연통식으로 결합되며 탄화수소 공여체를 유지하는 탄화수소 공여체 소스;
반응 영역에서 수소 공여체를 해리시킴으로써 생성되는 수소계 연료를 받아들이도록 반응 영역에 결합되는 제1 생성물 수집기;
수소 공여체를 해리시킴으로써 생성되는 탄소 화합물 및 탄소 중 적어도 하나를 받아들이도록 반응 영역에 결합되는 제2 생성물 수집기;
집속 영역을 갖는 적어도 하나의 집열기 표면을 갖고 반응 영역을 향해 태양 에너지를 안내하도록 위치설정 가능한 태양열 집열기;
태양에 대해 태양열 집열기를 이동시키기 위해 태양열 집열기에 결합되는 액추에이터; 및
상기 액추에이터에 작동 가능하게 결합되는 제어기로서, 상기 제어기는,
실행될 때,
주간 시간 동안 태양을 향하게 하고 반응 영역에 태양 에너지를 집속시키도록 태양열 집열기를 안내하는 명령; 및
주간 시간 이후에 집속 영역에 위치설정되는 대상물을 냉각하기 위해 태양열 집열기가 비교적 적은 복사 에너지를 갖는 창공의 위치로 향하도록 태양열 집열기를 안내하는 명령
으로 프로그래밍되는 것인 제어기
를 포함하는 반응기 시스템. - 제17항에 있어서, 상기 반응 영역은 제1 반응 영역을 포함하고, 상기 액추에이터는 제1 액추에이터를 포함하며, 상기 반응기 시스템은 제2 반응 영역을 더 포함하고, 상기 시스템은,
제2 반응 영역과 유체 연통되어 열 교환기 유체를 유지하는 열 교환기; 및
열 교환기 및 태양열 집열기 중 적어도 하나에 결합되는 제2 액추에이터
를 더 포함하며, 상기 제어기는,
실행될 때,
주간 시간 동안 집속 영역을 제1 반응 영역과 정렬시키도록 제2 액추에이터를 안내하는 추가적인 명령; 및
주간 시간 이후에 집속 영역을 열 교환기와 정렬시키도록 제2 액추에이터를 안내하는 추가적인 명령
으로 프로그래밍되는 것인 반응기 시스템. - 수소 공여체를 처리하기 위한 방법으로서,
태양열 집열기로 태양 에너지를 집열하는 단계;
태양열 집열기의 집속 영역에 위치설정된 반응 영역으로 집열된 태양 에너지를 안내하는 단계;
반응 영역에서, 집열된 태양 에너지를 통해 수소 공여체를 해리 생성물로 해리시키는 단계; 및
해리 생성물로부터,
(a) 탄소, 질소, 붕소, 실리콘, 전이 금속 및 황 중 적어도 하나에 기초한 구조 빌딩 블록(structural control block), 및
(b) 수소계 연료
중 적어도 하나를 제공하는 단계
를 포함하는 방법. - 제19항에 있어서, 상기 수소 공여체는 메탄을 포함하며, 상기 제공하는 단계는, 수소와, 탄소, 이산화탄소 및 일산화탄소 중 적어도 하나를 제공하는 단계를 포함하는 것인 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 수소 공여체는 탄화수소를 포함하는 것인 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 수소 공여체는 질소 화합물을 포함하는 것인 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 방법은 태양열 집열기와 집속 영역 사이에 위치설정되는 복사 제어 구조를 작동하는 단계를 더 포함하며, 상기 복사 제어 구조를 작동하는 단계는,
태양 에너지가 문턱값 레벨을 초과하는 경우 제1 복사 에너지 흡수율 및 제1 복사 에너지 방출율을 갖는 복사 제어 구조의 제1 표면이 태양열 집열기를 향하도록 위치설정함으로써, 그리고
태양 에너지가 문턱값 레벨 미만인 경우 제1 복사 에너지 흡수율보다 작은 제2 복사 에너지 흡수율 및 제1 복사 에너지 방출율보다 큰 제2 복사 에너지 방출율을 갖는 복사 제어 구조의 제2 표면이 집속 영역을 향하도록 위치설정함으로써
이루어지는 것인 방법. - 제19항에 있어서,
태양 에너지가 문턱값 레벨을 초과하는 경우,
태양열 집열기가 태양을 향하도록 지향시키는 단계; 및
집열된 태양 에너지를 반응 영역으로 안내하는 단계; 그리고
태양 에너지가 문턱값 레벨 미만인 경우,
구조 빌딩 블록 및 수소계 연료 중 적어도 하나가 집속 영역과 열 연통(thermal communication)하도록 배치하는 단계; 및
구조 빌딩 블록 및 수소계 연료 중 적어도 하나를 냉각하기 위해 태양으로부터 멀리 그리고 비교적 적은 복사 에너지를 갖는 창공의 위치로 태양열 집열기가 향하도록 함으로써 집속 영역에서 열을 소산시키는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제24항에 있어서, 구조 빌딩 블록 및 수소계 연료 중 적어도 하나가 집속 영역과 열 연통하도록 배치하는 단계는,
열 교환기를 집속 영역과 정렬시키는 단계; 및
열 교환기로부터 구조 빌딩 블록 및 수소계 연료 중 적어도 하나로 열 교환 유체를 안내하는 단계
를 포함하는 것인 방법. - 반응물을 처리하기 위한 방법으로서,
반응기에 근접하는 태양 에너지가 문턱값 레벨을 초과하는 경우,
태양열 집열기가 태양을 향하도록 지향시킴으로써 태양열 집열기의 집속 영역에 태양 에너지를 집열시키는 단계;
집열된 태양 에너지를 반응 영역으로 안내하는 단계;
반응물을 반응 영역으로 안내하는 단계; 및
반응 영역에서 반응물을 이용하여 흡열 반응을 수행하는 단계
를 포함하며,
반응기에 근접하는 태양 에너지가 문턱값 레벨 미만인 경우,
태양으로부터 멀리 비교적 적은 복사 에너지를 갖는 창공의 위치를 향하도록 태양열 집열기를 지향시킴으로써 태양열 집열기의 집속 영역에서 열을 소산시키는 단계
를 포함하는 방법. - 제26항에 있어서, 해리 생성물로부터,
(a) 탄소, 질소, 붕소, 실리콘, 전이 금속 및 황 중 적어도 하나에 기초한 구조 빌딩 블록, 및
(b) 수소계 연료
중 적어도 하나를 제공하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제26항에 있어서, 수소 공여체를 해리시키는 단계는, 반응 영역에서 흡열 반응을 수행하는 단계를 포함하며, 상기 열을 소산시키는 단계는 발열 반응으로부터 열을 소산시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 열을 소산시키는 단계는 메탄올을 액화시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 열을 소산시키는 단계는 이산화탄소를 액화시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 열을 소산시키는 단계는, 열 교환기를 집속 영역과 정렬시키기 위해 열 교환기 및 태양열 집열기 중 적어도 하나를 서로에 대해 이동시킴으로써, 열 교환기 유체를 유지하는 열 교환기로부터 열을 소산시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
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