KR20140000227A - 에너지 저장 및 유체 정제를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

에너지 저장 및 유체 정제를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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리차드 비. 피터슨
로비 잉그람-고블
케빈 제이. 하라다
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스테이트 오브 오레곤 액팅 바이 앤드 쓰루 더 스테이트 보드 오브 하이어 에쥬케이션 온 비해프 오브 오레곤 스테이트 유니버시티
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Abstract

전기 에너지 저장 및 제공을 위한 시스템의 실시예를 제공한다. 또한, 에너지 저장 및 유체 정제가 조합된 시스템의 실시예 만큼 유체 정제를 위한 시스템의 실시예를 제공한다. 상기 시스템의 제공된 실시예 하나는 잠열 저장 장치, 감열 저장 장치, 모터와 발전기 장치에 기계적으로 연결된 증기 확장기/압축기 장치, 열 교환기 및 액체 가압 및 감압 장치를 포함한다. 상기 장치들은 폐쇄된-루프 시스템 및 이에 순환하는 두 가지-상태 작동 유체에 유체로 연결된다. 또한, 에너지 저장 및 발전하기 위한 시스템을 작동하기 위한 방법의 실시예를 제공한다. 조합된 에너지 저장 및 유체 정제 시스템을 작동하기 위한 방법의 실시예 만큼 유체 정제하기 위한 시스템 작동을 위한 방법의 살시예를 제공한다.

Description

에너지 저장 및 유체 정제를 위한 시스템 및 방법{A system and method for storing energy and purifying fluid}
본 발명은 열에 의해 전기적 에너지 저장, 유체 정제 및 이의 조합을 위한 시스템뿐만 아니라 공개된 시스템을 사용하는 방법에 관한 것이다.
관련 출원에 상호 참조
본 출원은 2010년 9월 20일 출원된 미국 가출원 제 61/403,770호, 2011년 2월 22일 출원된 미국 가출원 제 61/463,785호, 2011년 6월 14일에 출원된 미국 가출원 제 61/520,781호, 및 2011년 6월 14일 출원된 미국 가출원 제 61/520,810호 중 모든 전체가 본 명세서에 참고로 포함되는 것의 이전 출원일의 혜택을 청구한다.
개발 및 배포된 실제적인 그리드-수준 에너지 저장은 재생 가능한 에너지의 영역에 있어서 도전된다. 발전된 바람과 태양광과 같이 재생 가능한 및 지속 가능한 에너지 원료와 같이 이러한 원료들의 간헐성(intermittency) 인자들은 중요시하게 된다.
필요는 수준-부하 또는 전원 출력에 있어서 피크 및 무전압 시간에 저장 시스템의 개발을 위해 존재한다. 이러한 필요에 더하여, 다른 그리드 서비스는 예를 든 것과 같이 전기 에너지 시간 이동, 부하 추종, 지역 조절을 포함한 다용도 에너지 저장에 의해서 제공될 수 있다. 그리드-수준 저장에 몇가지 접근들은 콘덴서, 플라이휠, 베터리, 압축 공기 에너지 저장(CAES) 및 급유 수력 에너지 저장을 포함한다. 이러한 접근들은 기술적 어려움, 고 비용 및 제한된 특정한 적소 영역의 제한된 적용가능성 외부를 포함한 몇가지 단점을 가진다. 예를 들어, 콘덴서는 빠른-반응이고 많은 전류를 싱크 할 수 있지만 제한된 저장 용량을 가진다. 그것의 적소 영역은 전기적 조절 전기 회로망을 통하여 그리드 전압 및 주파수 유지이다.
플라이휠 및 베터리는 일반적으로 적당한 저장 용량 요구를 충족할 수 있다. 또한, 플라이휠은 구축하고 작동하는 데 비용이 많이 들 수 있고 베터리는 상대적으로 짧은 수명을 가지는 경향이 있다. 높은 용량 범위에 있어서, CAES 및 주입된 수화 에너지 저장은 자주 저장된다; 그러나, 부위-특이적 문제들은 대체될 수 있는 시설들과 같은 곳을 지시한다.
세계적 담수 공급은 수많은 다른 인자들 때문에 고갈되고 있다. 다양한 건조 및 반-건조 지역으로부터 부가적인 사람들은 관개 및 개인적 사용 둘 다를 위해 물을 얻기 때문에, 대수층(aquifers)은 계속 증가하는 속도에 고갈되고 있다. 더욱이, 기후 변화는 눈 덩이로 뒤덮인 들판이 감소되고 이들의 전통적으로 재생 원료가 그들의 역사적 수준의 하회하는 것으로부터 유도된 담수와 같은 빙하의 크기가 감소된다. 담수의 지속 가능한 사용은 수력 전력 발전, 농업 및 개인 및 상업적 사용을 위한 도시 지역에 의한 사용을 위한 것과 같은 수많은 사용들 증가를 안전하게 이용되는 공급자들의 발전된 나라들에 우선권이 되는 것에 나타나지 않는다. 다음 25년 안에 추측된, 물은 물 공급으로부터 고통받는 세계의 지역에 이것이 풍부함을 남기는 지역(예를 들어, 알래스카)으로부터 오일 탱크-유사 선박에 선적된다. 만일 이러한 추세가 지속되면, 광범위한 기아 및 갈등을 야기할 수 있다. 고비용적 에너지 집약적 기술은 이미 비-음료 원료로부터 담수를 제조하기 위해 존재한다. 역 삼투(reverse osmosis; RO)과 같은 기술 및 전기적 및/또는 열 발생 형성에 있어서 에너지 원료에 사용되는 순간 증발법(flash evaporation)은 풍부하다. 그러나, 담수의 단위를 생산하는데 필요한 에너지 측면에서 측정했을 때, 이러한 기술들은 비록 RO 시스템이 지속적인 개선 아래에 있지만 특별히 효과적이지 않다. 따라서, 물이 사용되는 지역에 토착하여 나타나는 에너지 원료를 사용해서 담수의 에너지 효과적인 생산의 방법들이 필요하다.
전기 에너지 저장 및 제공을 위한 시스템의 실시예가 공개된다. 상기 시스템의 하나 공지된 실시예는 잠열 저장 장치, 감열 저장 장치, 모터/발전기에 기계적으로 연결된 증기 확장기/압축기 장치, 열-교환기, 및 유체 가압 및 감압 장치를 포함한다. 상기 장치들은 폐쇄된-루프 시스템에 유동적으로 연결되고, 두-상태 작동 유체는 이 장치들을 순환한다.
시스템의 어떤 공지된 실시예는 약 -65℃ 내지 약 0℃의 온도와 같은 효과적인 온도에 증발의 열을 저장하는 상기 잠열 저장 장치에 냉각 저장 시스템처럼 설정될 수 있다. 상기 냉각 저장 시스템은 다음과 같은 순서로 유동적으로 연결된 구성요소를 포함할 수 있다: 모터/발전기에 기계적으로 연결된 증기 확장기/압축기 장치; 열-교환기 장치; 감열 저장 장치; 유체 가압 및 감압 장치; 및 잠열 저장 장치. 상기 열 교환기는 에너지 저장 동안 주변 온도 가깝고 에너지 발생 동안 주변 온도보다 높은 온도에서 작동 가능하게 될 수 있다. 특히 공지된 실시예에 있어서, 상가 가압 및 감압 장치는 펌프/모터 장치이다.
상기 시스템의 어떤 공지된 실시예는 약 90℃ 내지 약 150℃의 온도와 같은 효과적인 온도에 응축의 열을 저장하는 상기 잠열 저장 장치에 고온 저장 시스템처럼 설정될 수 있다. 상기 고온 저장 시스템은 다음과 같은 순서로 유동적으로 연결된 구성요소를 포함할 수 있다: 감열 저장 장치; 유체 가압 및 감압 장치; 열-교환기 장치; 모터/발전기에 기계적으로 연결된 증기 확장기/압축기 장치; 및 잠열 저장 장치.
잠열 저장 장치는 잠열 저장 재료를 수용하는 저장 탱크를 포함할 수 있다. 상기 저장 탱크는 약 -65℃ 내지 0℃의 온도와 같은 효과적 내부 온도를 유지하기 위해서 절연될 수 있다. 상기 잠열 저장 재료는 약 -65℃ 내지 0℃의 온도와 같은 효과적인 온도에 관련된 용해점을 가질 수 있다. 상기 잠열 저장 재료는 열 전도성 재료에 캡슐화될 수 있다. 그래서 사이클 작동 유체 및 잠열 저장을 위한 상기 캡슐화된 재료는 혼합되지 않는다. 각 캡슐의 크기는 상기 작동 유체 및 상기 잠열 저장 재료 사이에 증가된 표면 영역을 위해서 작게 될 수 있다. 예를 들어, 각 캡슐은 거의 350 cm3보다 바람직하게 적은 부피를 가질 수 있다. 다른 실시예에 있어서 상기 잠열 저장 재료는 지속적으로 또는 간헐적으로 중 하나 가동하는 교반기의 사용에 의해서 교반될 수 있는 고체-액체 혼합물의 형태로 될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 사이클 작동 유체는 열 교환기에 의해서 상기 잠열 저장 재료에서 분리된다. 아직 더 실시 예는 작동 유체를 가지고 직접 접촉 열 교환 단계를 통해 서로 접촉하는 잠열 저장 물질이 있을 수 있지만, 이러한 실시예에 있어서, 상기 사이클 작동 유체는 열 교환기에 의해 잠열 저장 재료에서 분리된다. 상기 잠열 저장 재료는 물 또는 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜과 같은 알킬렌 글리콜과 같은 단일 물질이 될 수 있다. 상기 잠열 저장 재료는 물 및 하나 또는 그 이상 알킬렌 글리콜과 같은 둘 또는 그 이상 재료의 혼합물을 포함할 수 있다.
감열 저장 장치는 주변 온도 열 교환기 내지 잠열 형태로 저장된 열 에너지에 온도에 온도 변화를 매개하는 상기 장치를 통한 작동 유체 흐름과 같은 열 구배(thermal gradient)를 유지하기 위해 작동 가능한 절연된 저장 탱크를 포함할 수 있다. 상기 저장 탱크는 일반적으로 수직적으로 진행되지만 적합한 것으로 간주된 것처럼 지향될 수 있다. 상기 저장 탱크는 열용량을 증가, 상기 작동 유체의 부피 감소, 및 상기 작동 유체 혼합 감소를 위한 고체 재료의 과립화된 혼합물을 수용할 수 있다. 상기 과립화된 혼합물은 상기 작동 유체와 친밀한 접촉을 유지하게 될 수 있도록 상기 작동 유체와 화학적으로 비-반응성인 재료를 포함할 수 있다. 상기 과립화된 혼합물은 가지는 약 1,200(J/kg ℃) 내지 약 200 (J/kg ℃)의 열 용량을 가지는 재료를 포함할 수 있다. 상기 과립화된 혼합물은 화강암 및 다른 암석-기반 재료, 실리카-기반 재료, 콘크리트, 금속, 유리, 플라스틱, 세라믹 및 이의 조합으로부터 선택된 재료를 더 포함할 수 있다. 상기 감열 저장 장치는 상기 장치의 다른 말단에 작동 유체보다 따뜻한 온도를 가질 수 있는 장치의 하나의 말단에 작동 유체여서 작동될 수 있다.
작동 유체는 물, 암모니아, 알코올, 자연적 또는 합성적 냉매, 또는 자연적 또는 합성적 냉매를 포함하는 혼합물이 될 수 있다. 상기 작동 유체는 프로판 또는 핵산과 같은 1 내지 10 탄소 원자를 가지는 알켄(alken)이 될 수 있다.
상기 시스템은 전력 그리드에 전기적으로 연결되거나 교체 전력원에 효과적으로 연결될 수 있다. 상기 시스템은 연소기와 같은 가열기, 가스-점화 보일러, 용광로, 또는 상기 시스템에 열을 가하기 위한 다른 적합한 가열기를 더 포함할 수 있다. 상기 가열기는 만일 저장된 열이 다음 충전 사이클 전에 열화된다면, 전력 발생 동안 열을 제공하기 위해서 작동될 수 있다. 상기 시스템은 폐-열 회복 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 폐-열 회복 장치는 다양한 산업적 단계, 발전소 또는 환경에서 자연적으로 이용 가능한 열에서 열을 포획 및 사용을 위한 2차 유체 루프를 포함할 수 있다. 상기 2차 유체 루프는 2차 열-교환기, 바람직하게 역-류 열 교환기를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 상기 2차 유체 루프는 냉각 타워일 수 있다. 저급 폐-열, 또는 환경에서 발견되는 온도 차이는 상기 시스템의 왕복 효율을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 특정한 실시예에 있어서, 잠열 저장은 2차 유체 루프를 통하여 상기 잠열 저장 장치와 열로 연결된 적어도 하나에 감열 저장 장치에 감열 저장과 결합된다. 특정한 실시예에 있어서, 상기 감열 저장 장치는 상기 잠열 저장 장치와 열로 연결된 열 교환기와 유동적으로 열결된다.
또한, 에너지 저장 및 발생을 위한 방법의 실시예는 공개된다. 하나에 공지된 실시예는 잠열 저장 장치가 감열 저장 장치에 유동적으로 연결된 것, 및 거기를 통하여 흐르는 두-상태 작동 유체를 가자는 것을 포함하는 시스템 작동을 포함한다. 상기 시스템은 감열 및 잠열과 같은 에너지 저장에 충전 사이클을 수행하기 위해서 작동된다. 또한, 상기 방법은 열 전력 사이클을 매개하는 저장된 잠열 및 저장된 감열을 사용한 방전 사이클을 수행하기 위한 시스템 작동을 포함한다. 상기 시스템 작동은 폐-열 회복 장치 사용을 더 포함한다. 상기 시스템은 상기 시스템의 왕복 효율을 증가시키기 위한 환경에서 발견되는 온도 변화, 또는 산업적 폐 열원과 같은 기술적-발생된 온도 차이를 사용할 수 있다.
저장 에너지는 압축을 포함할 수 있고 그래서 압축기를 통하여 이것이 통과하는 것에 의해서 작동 유체 가열, 열 교환기를 통하여 이것이 통과하는 것에 의해서 상기 작동 유체를 응축; 상기 감열 저장 장치를 통하여 이것이 통과하는 것에 의해서 상기 작동 유체 냉각, 유체 모터를 통하여 이것이 통과하는 것에 의해서 상기 작동 유체를 감압, 및 잠열 저장 장치를 통하여 이것이 통과하는 것에 의해서 상기 작동 유체를 증발. 상기 작동 유체 냉각은 상기 감열 저장 장치 안에 열로 안정한 온도 구배에 작동 유체에서 감열 저장을 포함할 수 있다. 상기 작동 유체는 상기 압축기에 의해서 상기 잠열 저장 장치에 유지된 낮은 압력 때문에 잠열 저장 재료 내지 상기 작동 유체에 잠열 전송에 의해서 증발될 수 있다.
에너지 발전은 상기 잠열 저장 장치를 통하여 이것이 통과하는 것에 의해서 상기 작동 유체 응축, 유체 펌프를 통하여 이것이 통과하는 것에 의해서 상기 작동 유체 가압, 상기 감열 저장 장치를 통하여 이것이 통과하는 것에 의해서 상기 작동 유체의 온도 상승, 열 교환기를 통하여 이것이 통과하는 것에 의해서 상기 작동 유체 끓임, 및 전력 발생을 위해서 상기 작동 유체 확장을 포함할 수 있다. 끓임은 환경, 또는 열 교환기에 상기 작동 유체에 폐 열원으로부터 열 전송에 의해서 상기 작동 유체를 가열을 포함할 수 있다. 응축은 상기 유체 내지 상기 잠열 저장 재료에 열 전송에 의해서 상기 작동 유체 냉각을 포함할 수 있다.
또한, 열로 매개된 에너지 저장 방법의 실시예가 공개된다. 하나에 공지된 실시예는 열 펌프 사이클 및 단일, 유동적으로-폐쇄된 루프 시스템 안에 열 엔진 사이클 결합을 포함한다. 상기 시스템은 충전 동안 열 펌프 및 방전 동안 열 엔처럼 작동할 수 있다. 공지된 실시예는 상기 폐쇄된 루프를 통하여 상태 변화 작동 유체 전달 및 상기 작동 유체의 압축(충전)에 감열 저장 삽입에 의해서 상기 폐쇄된 루프 시스템 작동을 포함할 수 있다. 상기 압축 사이클은 열로 전환 및 잠열 저장 재료의 상태 변화에 저장될 수 있는 전기 에너지에 의해서 가동될 수 있다. 방전(상기 작동 유체의 확장 사이클 동안) 동안, 상기 시스템은 상기 저장된 잠열을 전기 에너지 전환에 작동될 수 있고 상기 시스템의 증가된 왕복 효율을 위한 저장된 감열을 사용할 수 있다.
부가적인 실시예는 유체 정제 시스템에 관한 것이다. 냉동/해동 정제 단계를 사용한 정제되기 가능한 어떠한 유체는 물, 용매, 및 이의 조합으로부터 선택된 어떤 실시예에 본 공지에 고려된다. 특정한 공지된 실시예는 지속적으로 도는 간헐적으로 수행되는 냉동 단계 및 용해 단계 모두를 포함한다. 상기 공지된 시스템의 특정한 실시예는 본 발명에서 공지된 냉동 및/또는 세척 단계 동안 상당히 제거되는 비-음료수에 나타난 오염물의 어떤 종류 순수한 물(예를 들어, 음료수) 분리가 가능하다. 어떤 실시예에 있어서, 열역학적 열 펌프 사이클은, 또한, 냉동 사이클과 같은 것에 관련된, 증기 압축기, 냉동 부분에 열 교환기, 압력 감소 장치, 및 열역학적 파워 사이클, 또한 용해 사이클에 관련된, 증기 확장기, 용해 부분에 열 교환기, 펌프, 및 열원과 열로 통하는 증발기를 포함하는 해동 사이클처럼 또한 과련된 열역학적 파워 사이클과 조합으로 사용된 열 싱크와 열로 통하는 응축기를 포함하는 냉동 루프에 의해서 만든다. 또한, 물 정제 상기 공지된 시스템의 실시예는 냉동된 비-음료수, 얼음 및 분리된 응축물에 단위 및 상기 세척된 얼음, 얼음을 용해하는 용해기, 및 비-음료수 유입 및/도는 상기 시스템에서 음료수 배출에 냉각 장치에 냉동기를 포함한다. 상기 공지된 시스템의 많은 변화는 이것의 사용을 위한 방법만큼 공개된다.
다른 공지된 실시예에 있어서, 에너지 저장 및 물 정제는 노든 단계를 수행이 가능한 시스템을 만들기 위해서 통합된다. 특정한 실시예는 감열 저장 단위와 같지만 제한되지 않는 상기 공지된 에너지 저장 시스템의 실시예로 사용된 상기 구성요소를 갖는 정제 시스템의 물 가공 구성요소 결합에 관한 것이다. 저급 열은 상기 공지된 단계를 가동하기 위해서 사용된다; 그러나, 기술 분야에 있어서 일반적 기술의 당업자는 에너지의 사용된 저급 열보다 다른 외부 원료를 인식한다. 상기 공지된 시스템의 많은 변화는 이것의 사용을 위한 방법만큼 공개된다.
상기 전술 및 다른 목적, 특징, 및 본 발명의 장점은 첨부된 도면은 참고하여 진행되는 다음 상세한 설명에서 더욱 이해하게 된다.
도 1은 잠열이 냉각 저장 탱크에 저장되는 시스템의 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 2는 감열 저장 탱크의 하나에 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 3은 잠열 저장 탱크의 하나에 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 4는 잠열 저장 탱크의 또 다른 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 5는 잠열 저장 재료를 캡슐화하는 것을 포함하는 잠열 저장 탱크의 또 다른 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 6은 작동 유체의 압축(충전) 사이클의 온도(℃)에 대해 엔트로피(S, [kJ/kg-K]의 단위)의 그래프이다.
도 7은 도 6에 있어서 작동 유체의 확장(방전) 사이클의 온도(℃)에 대해 엔트로피(S, [kJ/kg-K]의 단위)의 그래프이다.
도 8은 복열장치(recuperator)에 의한 열 에너지의 부분적인 회복을 증명하는 전통적인 유기 랭킹 사이클(Organic Rankine Cycle)의 도해이다.
도 9는 시스템 안에 감열 저장을 결합하는 것에 의한 열 에너지의 거의 전체 회복을 증명하는 설명된 시스템의 실시예의 도해이다.
도 10은 고온 저장 싱크에 저장된 잠열 시스템의 또 다른 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 11은 가열기를 더욱 포함하는 시스템의 또 다른 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 12는 증기 확장기/압축기 장치의 또 다른 실시예가 제공된 시스템의 또 다른 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 13은 광발전의(photovoltaic; PV) 전지적 파워 소스에 연결된 시스템의 또 다른 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 14는 폐-열 회복 장치를 더욱 포함하는 시스템의 또 다른 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 15는 파워 소스를 위한 풍력 터빈을 포함하는 시스템의 또 다른 실시예 및 및 폐-열 회복 장치의 또 다른 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 16은 해양 온도 에너지 저장 시스템을 포함하는 시스템의 또 다른 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 17은 출력 터빈과 같은 전력 발전 단위 및 시스템의 구성요소 남기는 것으로부터 잠재적으로 조절되는 자리에 위치한 압축기 실시예의 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 18은 도 17의 시스템과 연결된 전력 발전을 위해 사용될 수 있는 진동 수주(oscillating water column)를 포함하는 선행기술 파력 전력 발전기를 나타낸 도이다.
http://www.ucsusa.org/clean_energy/technology_and_impacts/energy_technologies/how-hydrokinetic-energy-works.html.에 "How Hydrokinetic Energy Works".
도 19는 도 17의 시스템과 연결된 전력 발전을 위해 사용될 수 있는 선행 기술 파력 시스템의 2차 모범적인 실시예를 나타낸 도이다.
"Capturing the Energy in Ocean Waves", from Energy Futures, MIT Energy Initiative, pp. 16~17, Autumn 2008.
도 20은 도 17의 시스템과 연결된 전력 발전을 위한 진동수주를 생산하기 위한 파력 포획 챔버를 포함하는 선행 기술 파력 전력 시스템 250의 3차 모범적인 실시예를 나타낸 도이다.
도 21은 증기 확장기 효율(X-축)에 대하여 시스템의 왕복 저장 효율(y-축)의 그래프이다.
도 22는 시스템의 왕복 저장 효율(y-축)에 대하여 열 전송 단계에 있어서 열교환 온도 차이(x-축, ℃의 단위)의 그래프이다.
도 23은 시스템의 왕복 저장 효율(y-축)에 대하여 확장 사이클 상태 온도 차이(x-축, ℃의 단위)의 그래프이다.
도 24는 감열 저장 장치 단위 및 직접 주입 분사기 및 압출된 알루미늄 응축기를 포함하는 잠열 저장 장치 단위를 더욱 포함하는 외부 열원 및 열 폐기의 수납자처럼 사용되는 열 연못을 포함하는 에너지 저장을 위한 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명에 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 25는 단지 잠열 저장 단위 및 감열 저장 단위는 아닌 것을 포함하는 에너지 저장을 위한 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 26은 감열 저장 단위 및 수퍼 냉각기/응축기가 사용된 것을 포함하는 잠열 저장 단위 둘 다인 에너지 저장을 위한 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 27은 열 입력의 원료 및 장치화된 습식 냉각 타워처럼 사용된 증기 발전소에 의해서 생산된 증기인 에너지 저장을 위한 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 28은 증기 발전소의 작동에 의해서 전력화된 시스템인 상기 설명된 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다. 점선은 작동할 때 장치화되지 않는 시스템의 부분을 의미한다.
도 29는 작동에 있는 증기 발전 전력 및 에너지 저장 둘 다인 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다. 점선은 작동할 때 장치화되지 않는 시스템의 부분을 의미한다.
도 30은 작동에 있는 단지 에너지 저장인 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다. 점선은 작동에 없는 시스템의 부분을 의미한다.
도 31은 작동에 있는 증기 발전 전력 및 에너지 방전 둘 다인 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다. 점선은 작동에 없는 시스템의 부분을 의미한다.
도 32는 잠열 저장 단위에 유동적으로 연결된 열 교환기와 열적으로 연결된 2차 루프에 제공된 감열 저장 단위인 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 33은 보존된 물 및 장치화된 건식 냉각 타워인 전력 및 저장 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 34는 증기 발전소의 작동에 의해서 전력화된 시스템인 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다. 점선은 작동에 있을 때 장치화되지 않는 시스템의 부분을 의미한다.
도 35는 작동 중에 있는 증기 발전 전력 및 에너지 저장 둘 다인 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다. 점선은 작동에 있을 때 장치화되지 않는 시스템의 부분을 의미한다.
도 36은 작동에 있는 단지 에너지 저장인 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다. 점선은 작동에 있지 않는 시스템의 부분을 의미한다.
도 37은 작동 중에 있는 증기 발전 전력 및 저장된 에너지의 에너지 방전 둘 다인 상기 설명된 시스템의 특정한 실시예를 설명한 개략적 도해를 나타낸 도이다. 점선은 작동에 있지 않는 시스템의 부분을 의미한다.
도 38은 20℃에서 주변 열 교환과 함께 만들어진 특정한 작동 유체(예를 들어, 프로판)의 열역학적 단계를 설명한 온도에 대하여 엔트로피 도해(S [kJ/kg-K]인 X-축 및 온도[℃]인 Y-축)를 나타내는 도이다. 상기 도해는 경로 1, 2b, 3b, 4, 5, 및 1에 따르는 충전 상태 및 경로 1, 5, 4, 3a, 2a, 및 1에 따르는 방전 상태를 설명한다.
도 39는 충전 상태에서 20℃ 및 방전 상태에서 50℃에서 주변 열 교환과 함께 만들어진 특정한 작동 유체(예를 들어, 프로판)의 열역학적 단계를 설명한 온도에 대하여 엔트로피 도해(S [kJ/kg-K]인 X-축 및 온도[℃]인 Y-축)를 나타내는 도이다. 상기 도해는 경로 1, 2b, 3b, 4b, 5, 및 1에 따르는 충전 상태 및 경로 1, 5, 4a, 3a, 2a, 및 1에 따르는 방전 상태를 설명한다.
도 40은 5℃의 유도된 온도 차이를 갖는 특정한 작동 유체(예를 들어, 프로판)의 열역학적 단계를 설명한 온도에 대하여 엔트로피 도해(S [kJ/kg-K]인 X-축 및 온도[℃]인 Y-축)를 나타내는 도이다(도 30과 비교된). 상기 도해는 경로 1b, 2b, 3b, 4b, 5, 및 1b에 따르는 충전 상태 및 경로 1a, 5, 4a, 3a, 2a, 및 1a에 따르는 방전 상태를 설명한다.
도 41은 100%의 확장기/압축기 효율을 증가되는 방전 상태 끓는 온도처럼 [표 1]에 경우를 위한 SHS 열 교환기 유효(εSHS)의 기능과 같은 시스템 수행을 나타내는 도표이다. 왕복(Roundtrip) 효율은 좌측 수직 축에 굵은 선에 나타냈고 수행의 비율(Rp , SHS)은 우측 수직 축에 파선에 나타냈다.
도 42는 90%의 확장기/압축기 효율을 증가되는 방전 상태 끓는 온도처럼 [표 1]에 경우를 위한 SHS 열 교환기 유효(εSHS)의 기능과 같은 시스템 수행을 나타내는 도표이다. 왕복 효율은 좌측 수직 축에 굵은 선에 나타냈고 수행의 비율(Rp , SHS)은 우측 수직 축에 파선에 나타냈다.
도 43은 85%의 확장기/압축기 효율을 증가되는 방전 상태 끓는 온도처럼 [표 1]에 경우를 위한 SHS 열 교환기 유효(εSHS)의 기능과 같은 시스템 수행을 나타내는 도표이다. 왕복 효율은 좌측 수직 축에 굵은 선에 나타냈고 수행의 비율(Rp , SHS)은 우측 수직 축에 파선에 나타냈다.
도 44는 80%의 확장기/압축기 효율을 증가되는 방전 상태 끓는 온도처럼 [표 1]에 경우를 위한 SHS 열 교환기 유효(εSHS)의 기능과 같은 시스템 수행을 나타내는 도표이다. 왕복 효율은 좌측 수직 축에 굵은 선에 나타냈고 수행의 비율(Rp , SHS)은 우측 수직 축에 파선에 나타냈다.
도 46은 85%의 확장기/압축기 효율을 증가되는 방전 상태 끓는 온도처럼 [표 1]에 경우를 위한 SHS 열 교환기 유효(εSHS)의 기능 및 5℃의 상변화 열 교환기를 교차하는 유도된 온도 차이와 같은 시스템 수행을 나타내는 도표이다. 왕복 효율은 좌측 수직 축에 굵은 선에 나타냈고 수행의 비율(Rp , SHS)은 우측 수직 축에 파선에 나타냈다.
도 46은 전체적으로 효과적인 열교환기와 함께 SHS에 없는 SHS로부터 도 41 내지 45에 나타낸 조건을 위한 왕복 효율(왕복 증가 εSHS 0-1인 Y-축 및 온도[℃]인 X-축)에 있어서 총 증가의 그래프이다.
도 47은 확장기/압축기 단계들을 포함하는 물 정제 시스템의 특정한 실시예를 나타낸 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 48은 설명된 정제 시스템의 어떤 실시예에 사용된 두 개 다른 온도를 창조하는 모범적인 실시예를 나타낸 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 49는 전기적 에너지 및 정제 물을 동시에 저장할 수 있는 공동-기능적인 정제 시스템의 모범적인 실시예를 나타낸 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 50은 작동 유체로부터 실용적인 열 에너지 저장에 모범적인 실시예를 나타낸 개략적 도해를 나타낸 도이다.
도 51은 냉동 및 해동 모두를 할 수 있는 통합된 보유 탱크를 포함하는 공동-기능적 정제 시스템/에너지 저장 시스템의 모범적인 실시예를 나타낸 개략적 도해를 나타낸 도이다.
상세한 설명
I. 용어
다음 설명은 자연에서 바람직하고 어떤 방법으로 본 발명의 범위, 적용 또는 구성을 제한하기 위함이 아니다. 설명된 실시예에 다양한 변화는 본 발명의 범위로부터 구별함 없이 본 발명에서 설명된 요소의 기능 및 배열적으로 만들어진다. 더욱이, 하나에 특정한 실시예와 관련되어 제공된 설명 및 공개는 실시예를 제한하지 않고 어떠한 공지된 실시예에 적용된다.
본 출원 및 청구항에 사용된 것과 같이, 단수 형태 "하나(a)", "하나(an)" 및 "상기(the)"는 문맥에 명확하게 달리 의미하지 않는 한 복수 형태를 포함한다. 게다가, 용어 "포함한다"는 "구성한다"를 의미한다. 더욱이, 용어 "연결된" 및 "관련된"은 일반적으로 전기적으로, 전자기적으로 및/또는 물리적으로(예를 들어, 기계적으로 또는 화학적으로) 연결되거나 결합된 것을 의미하고 특이적 반대의 언어가 없는 연결된 또는 관련된 아이템 사이에 매개 요소의 존재를 제외하지 않는다. 용어 "음료로 적합한(potable)" 및 "정제된"은 본 출원을 통하여 교환가능하게 사용된다. 더욱이, 시스템 및/또는 물 정제 방법에 관련된 특정 공지된 실시예는 가스만큼 다른 유체를 가지고 사용된다.
공개된 방법의 바람직한 실시예의 조작이 편리한 프레젠테이션 특히 순차적으로 설명될 수 있지만 문맥에 달리 지시하지 않는 한, 그것은 공개된 실시예는 개시된 특히 순차적 이외의 작업의 순서를 포괄 할 수 있는 이해가 되어야한다. 예를 들면, 조작은 어떤 경우에 배열되거나 동시에 수행되는 것으로 순차적으로 설명하였다. 더욱이 하나에 특정한 실시예에 관련되어 제공된 설명 및 공개는 실시예를 제한하지 않고 어떠한 공개된 실시예에 적용된다.
더욱, 단순성을 위해서, 첨부된 도면은 구조물의 존재하거나 계획된 HVAC 시스템과 연결된 것과 같은 다른 시스템, 방법 및 기구들과 조합되어 사용될 수 있는 공지된 시스템, 방법 및 기구에 있어서 다양한 방법(기술 분야에 통상적인 기술의 하나에 있어서 쉽게 뚜렸한 본 발명에 기초된)을 기재하지 않았다. 게다가, 상기 설명은 때때로 공개된 방법을 설명하는 "생산한다" 및 "제공한다"와 같은 용어를 사용한다. 이러한 용어들은 수행될 수 있는 실제 조작의 높은-수준 손실이 된다. 이러한 용어들에 상응하는 실제 조작은 특정 실행 및 기술 분야에 통상적인 기술의 하나에 있어서 쉽게 뚜렸한 본 발명에 기초된 것에 매우 의존할 수 있다. 게다가, 특정 공지된 실시예는 공동-기능적 요소에 관련된다. 본 발명의 문맥에서 용어 "공동-기능적"은 두 가지 또는 그 이상 다른 기능을 수행하는 것이 가능한 구성요소에 관한 것이다. 그것은 공동 기능 구성요소를 공개된 혁신의 의도를 변경하지 않고 두 개 이상의 전용 단일 기능 컴포넌트로 대체 할 수있는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 명백한 것이다. 더욱이, 실시 예에 표시하거나 누적 큰 단일 구성요소의 기능을 구현 유사하거나 동일한 작은 구성요소의 다수가 될 수 있기 때문에 또한, 시스템을 구현하는 데 필요한 구성요소는 하나의 큰 요소가 될 수 있다.
용어 "에너지 저장" 또는 "저장된 에너지" 또는 이러한 용어와 유사한 것들은 잠열 저장 및 감열 저장을 수반하는 특정 단계 및 그리드(grid)로부터 전기적 에너지의 저장과 같이 진행하는 일반적인 시스템을 설명하기 위한 것 모두를 설명하기 위한 본 명세서에서 일상적으로 사용된다.
더욱이, 에너지 저장 전문용어가 증가된 온도에 열 에너지를 저장의 맥락에서 사용될 때, 이러한 용어는 감열 저장의 경우와 같은 온도에 있어서 증가시키는 재료 또는 잠열 저장의 경우와 같이 재료가 고체로부터 액체로 변화시킬 때와 같이 열 에너지의 저장에 관한 것이다. 냉각 조건에서 에너지 저장의 맥락에서 사용될 때, 이러한 용어는 "냉기(chill)"의 형성 또는 잠열 저장의 경우에 있어서 재료가 고체로부터 액체로 변화시킬 때 열 에너지의 저장에 관한 것이다.
본 발명에 기재된 다양항 실시예에 있어서, 앞서 설명된 이러한 것에 유사한 어떤 요소들은 편의를 위해서 유사한 참고문헌 번호에 의해서 설계되었다. 상기 앞서-설명된 요소로부터 차이가 있는 이러한 요소들 규모에서, 이러한 차이들은 본 명세서에서 자세하게 설명되거나 명세서 및/또는 도면의 관점에 기술분야에 일반적인 기술의 하나에 분명한 것이다.
II . 소개
특정 실시예는 저장 시스템에 관한 것이고 전기 에너지를 제공한다. 또한, 공개된 시스템 작동을 위한 방법은 에너지 저장을 위한 방법 및 에너지 생산을 위한 방법의 실시예를 포함해서 논의된다. 추가적인 실시예는 열적으로-매개에너지 저장 방법에 관한 것이다. 게다가, 비-음료수 정제 시스템의 실시예는 공개되었다. 또한, 유체 정제를 위한 방법 또는 낮은 에너지 입력을 가지는 농축 수용액은 공개된다.
III . 전기 에너지 생산과 저장을 위한 시스템 및 방법
현재 나타낸 도면 및 좀더 특히 도 1에, 시스템의 하나에 실시예는 냉각 저장 장치 10을 포함한다. 본 발명에서 사용된 것과 같이, 용어 "냉각 저장 시스템"은 하부-주변 온도에서 일어날 수 있는 잠열 저장을 의미한다. 본 발명에서 사용된 것과 같이, 용어 "잠열 저장"은 저장된 열이 나중에 시스템으로부터 철회될 수 있는 것 같은 시스템 안에서 전환(상변화 열)의 가역적으로 열 저장을 의미한다. 이러한 상변화와 같은 열의 저장은 하나에 온도에서 또는 상변화 물질의 재료 구성에 의존된 온도의 범위를 통해서 일어날 수 있다. 예를 들어, 필수적인 순수한 물질은 하나에 정확한 온도에서 상태를 변화한다; 그러나, 물질의 혼합물은 상변화가 일어나는 것 이상의 범위를 가질 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이 시스템 10은 잠열 저장 장치 12, 증기 확장기/압축기 장치 14, 열-교환기 장치 16, 감열 저장 장치 18 및 펌프/모터 장치 20을 포함한다. 본 발명에서 사용된 것과 같이, 감열은 상태에 변화에 관련되는 열 에너지를 의미하는 잠열에 반대되는 온도에 변화에 관련된 열 에너지를 의미한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 각각의 장치들은 흐를수 있는 두-상태 작동 유체를 통한 유동적으로-폐쇄된 순환도 22에 유동적으로 연결될 수 있다.
잠열 저장 장치 12는 잠열 저장 재료 12를 감싸는 냉각 저장 탱크 24를 포함할 수 있다. 냉각 저장 탱크 24는 모터/발전기 장치 28에 기계적으로 차례로 연결된 증기 확장기/압축기 장치 14에 유동적으로 연결될 수 있다.
모터/발전기 장치 28은 전력 그리드(grid) 30에 전기적으로 연결될 수 있다. 기술 분야에 일반적인 기술의 하나로 이해되는 것과 같이, 모터/발전기 28은 다른 전력 그리드보다 어떤 적합한 파워 소스에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들면, 모터/발전기는 풍력 터빈 또는 수력 터빈의 전력 출력에 전기적으로 연결될 수 있다.
확장기/압축기 14는 열-교환기 16에 유동적으로 연결될 수 있다. 열-교환기 장치 16은 주변과 열 에너지를 교환해서 Tambient 주변 온도에 응결을 겪는 작동 유체를 야기하는 상태-변화 열 교환기를 포함할 수 있다. 열-교환기 장치 16은 열 교환기를 교차하는 상부 또는 하부 공기 흐름에 원동력에 의한 유도된 온도 차이(ΔT)를 보정하기 위한 온도-조절기 장치 22를 더욱 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용된 것과 같이, 유도된 온도차 ΔT는 열 교환기에 상태-변화를 겪는 작동 유체의 온도 및 열 에너지를 제공하거나 받는 매체의 온도 사이에 차이를 의미한다.
기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 하나에 분명하게 될 것과 같이, 열 교환기 16은 열 교환기 안에 유체 채널 내부에 흐르는 작동 유체 및 열 교환기의 유체 채널에 매체 외부 사이에 열을 교환할 수 있다. 그래서, 열교환기는 작동 유체 면 및 매체 면을 갖는다. 매체는 각각 작동 유체의 증발 또는 응축하는 동안 각각 작동 유체에 열을 제공하거나 작동 유체로부터 열을 받는다. 대부분에 적용에 있어서 상기 매체는 작동 유체가 열 에너지를 교환할 수 있는 가스 또는 액체가 될 수 있다. 많은 적용에 있어서 상기 가스는 공기가 될 수 있다. 많은 적용에 있어서, 액체는 물이 될 수 있다. 열 교환기 16은 감열 저장 장치 18에 유동적으로 연결되고 상기 감열 저장 장치 18은 냉각 저장 탱크 24 내부에 대략 온도에 작동 유체를 냉각하는 것에 설정될 수 있다.
감열 저장 장치 18은 절연 탱크 34를 포함할 수 있다. 감열 저장 장치 18은 열 용량 증가, 시스템 10의 안에 작동 유체의 부피 감소 및 탱크 34안에 작동 유체의 혼합 감소를 위한 입자화된 혼합물을 감싸질 수 있다. 감열 저장 장치 18은 펌핑 액체를 위해 작동 가능한 펌프/모터 장치 20과 같은 가압 및 감압 장치에 유동적으로 연결된다. 상기 펌프/모터 장치 20은 반대로 액체 모터와 같이 작동할 수 있는 가역적 흐름 펌프를 포함할 수 있다. 상기 펌프/모터 장치 20은 반대로 되는 시스템 안에 흐름의 방향을 위해 허용되는 것에 효과적으로 연결된 펌프 및 모터의 시리즈가 될 수 있다. 상기 펌프/모터 장치 20은 재순환될 수 있는 작동 유체를 통한 유동적으로-폐쇄된 순환도 22를 형성하는 잠열 저장 장치 20에 유동적으로 연결될 수 있다. 상기 작동 유체는 증기 확장기/압축기 장치 14 및 펌프/모터 장치 20에 의해서 기계적 작업 유체 수행에 의한 일차적으로 시스템을 통하여 순환될 수 있다. 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 하나에 분명하게 될 것과 같이, 다른 구성요소의 배열 및 조합은 사용될 수 있다. 실시예와 같이, 상기 공지된 가압 및 감압 장치(예를 들어, 펌프/모터 장치 20)는 충전 사이클 동안 작동 유체의 압력 감소를 위한 조절 가능한 교축(throttling) 밸브와 평행한 펌프를 가지고 대체될 수 있다.
도 2에 바람직한 감열 저장 장치 18을 나타낸다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 감열 저장 장치 18은 절연된 저장 탱크 42를 포함할 수 있다. 탱크 42는 상부 44 및 바닥 46에 구멍(openings)을 가지고 수직으로 위치된다. 상기 저장 탱크 42는 상기 저장 탱크 42를 통하여 흐르는 작동 유체에 밀접한 접촉을 유지하는 고체 재료 48의 입자화된 혼합물을 감쌀 수 있다. 상기 입자화된 혼합물 48은 작동 유체와 함께 비-반응성이고 높은 열 용량을 가지는 고체 재료를 포함할 수 있다. 입자화된 재료는 크기의 범위를 갖는 입자를 포함한다. 바람직하게, 약 1 ㎝ 내지 약 0.1 ㎜ 및 더욱 바람직하게 약 1 ㎝ 내지 약 1 ㎜ 크기 범위이다. 상기 감열 저장 장치는 하나에 말단 44에 고온 유체 및 다른 말단 46에 냉각 유체를 갖는 열적으로 안정한 형태를 포함한다.
도 3 내지 5는 잠열 저장 장치 12의 바람직한 대체가능한 실시예를 나타낸다. 도 3은 고체-액체 혼합물인 잠열 저장 재료에 잠열 저장 장치 12는 절연된 저장 장치 52를 포함하는 것을 나타낸다. 상기 저장 탱크 52는 상기 고체-액체 혼합물을 교반을 위한 교반기 54를 포함하는 도 3 내지 5에 나타내었다. 상기 저장 탱크 52는 그것들을 통해 흐르는 작동 유체에 하나 또는 그 이상 열-교환기 56a 및 56b를 더욱 포함한다. 상기 고체-액체 혼합물은 고체 재료의 결합체(agglomeration)를 방지하고 열 교환기 표면을 교차하는 잠열 저장 재료의 움직임을 가능하게 하기 위해서 교반된다. 상기 장치 12는 교반기 54를 가동하기 위한 모터 58을 더욱 포함할 수 있다.
기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 하나에 의해서 이해될 수 있는 것과 같이, 상기 교반기 54 및 상기 열 교환기 56의 위치 또는 다중 열 교환기는 상기 저장 장치 12 안이 바람직하다. 또한, 에너지 저장 매체의 고체 상태를 만들기 위한 열 교환기로 이해되는 것은 절연된 보유 탱크의 외부에 있을 수 있다. 더욱이, 열 교환기의 하나 또는 그 이상은 상기 열 교환기의 표면 위에 상변화 재료의 고체 응집을 제거하기 위한 표면 긁게와 맞게 될 수 있다. 도 4에 참조하여, 상기 교반기는 상기 저장 탱크 52의 높이에 따라 분포될 수 있고 상기 열 교환기 56a 및 56b는 꼭대기에 위치될 수 있다. 또 다른 실시예와 같이, 열 교환기 56a 및 56b는 상기 저장 탱트 52의 곡대기 및 바닥에 위치될 수 있다. 상기 열 교환기는 상기 탱크 52의 꼭대기에 위치되었고 상기 탱크 52의 바닥에 위치된 상기 열 교환기는 구조적으로 식별될 수 있거나 구조적으로 차이가 날 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 열 교환기는 냉동을 통한 고체-액체 혼합물을 제조하기 위해 사용되는 저장 탱크 52의 바닥에 위치되었고 상기 열 교환기는 상기 고체-액체 혼합물을 용해하는 것을 위해서 사용될 수 있는 상기 탱크 52의 꼭대기에 위치되었다. 이러한 방법으로, 상기 저장 장치 12는 부력(buoyancy)의 장점을 취할 수 있다. 상기 저장 탱크 안에 상기 열 교환기 배열의 상관없이, 효과적인 유체 결합은 분리한 열 교환기의 각각에 작동 유체를 전달될 수 있고 본 발명에서 설명된 것과 같이 작동되는 시스템을 허락할 수 있다.
도 5는 잠열 저장 장치 12의 또 다른 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 5에 기재된 상기 잠열 저장 장치는 캡슐화된 잠열 저장 재료 64에 절연된 저장 탱크 62를 포함한다. 상기 저장 탱크 62는 상기 탱크 62에 진입 및 존재할 수 있는 작동 유체를 통한 각각 말단 66 및 68에 구멍을 갖는다. 상기 잠열 저장 재료 64를 포함하는 캡슐은 약 0.1 cm3 내지 약 100 cm3의 범위 안에 크기와 같은 작동 유체와 접촉된 증가된 표면 영역을 위해서 적합한 크기가 될 수 있다. 상기 잠열 저장 재료는 상기 작동 유체 및 잠열 저장 재료 사이에 전달되는 최대 열에 낮은 열 저항성을 갖는 화학적으로 적합한 고체 재료의 얇은 층 안에 캡슐화될 수 있다.
작동에 있어서, 상기 작동 유체는 순차적으로 정류 상태(steady state) 흐름에 시스템을 통하여 순환될 수 있다. 상기 시스템을 통한 작동 유체 상태는 바람직한 작동 유체 프로판 및 도 6 및 7에 참조하여 설명하였다. 상기 시스템은 충전 사이클 및 방전 사이클에 작동 가능하게 될 수 있다. 바람직하게 시스템의 충전 및 방전은 상기 작동 유체의 흐름 방향에 역전에 의해서 동일 순환도에서 완수될 수 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 시스템의 충전 사이클은 두-상태 작동 유체의 증기-압축 사이클 70에 유사할 수 있다. 상기 시스템은 상태 4 내지 5 및 상태 1 내지 2 사이에 열 저장 매립에 의한 신규한 방법에 두-상태 유체의 일반적인 압축 사이클을 변형한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 두-상태 작동 유체의 확장 사이클(Rankine 전력 사이클) 72에 유사할 수 있다. 상기 시스템의 또 다른 신규한 특징은 확장 (전력) 사이클을 매개하는 충전 (압축) 사이클을 하는 동안 저장된 열 에너지 이것을 형성하는 것이다.
도 8 및 9는 주입 펌프 74, 응축기 75, 복열 장치 76, 보일러 71 및 확장지 73을 포함하는 전통적 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle; ORC) 이행을 나타내고(도 8) 신규한 에너지 저장 이행의 실시예를 본 발명에서 공지한다(도 9). 이러한 내부-에-상기-사이클(internal-to-the-cycle) 열 저장을 시행하기 위해서, 감열 저장 장치 34(도 9)는 상기 시스템 10에 연결된다.
이러한 혁신의 결과는 많은 유기 랭킨 사이클에서 사용하는 정류 상태의 상응하는, 실시간 열 회복 과정 시스템을 기여하는 것이지만(도 8), 그것은 저장 효과가 방전주기 충전주기 이월되기 때문에 열 "시간 이동된(time shifted)" 열 회복으로 여기에 구현된다. 이러한 효과가 발생하는 도 9의 T-s 도해 상 경로의 확인은 이러한 혁신적인 열 저장 접근에 의해서 창조된 효과를 이해하는 기술 분야에 일반적인 기술의 하나를 허락한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 압축기 14처럼 작동되는 공동-기능적 확장기/압축기 장치를 충전하는 동안 잠열 저장 탱크 24위에 부분적 진공을 만드는 것에 의해서 작동 유체 안에 끌어 당길 수 있다. 상기 압축기는 풍력 발전 지역의 출력 또는 어떤 다른 적합한 에너지 원료에 의해 전력화된 그리드로부터 전력에 의해 전력화된 모터/발전기 28에 연결될 수 있다. 도 6에 기재된 상태 1 내지 2 사이에, 상기 작동 유체는 이것이 잠열 저장 장치 12를 통하여 지나가는 것처럼 증발된다. 상기 증발의 열은 상기 잠열 저장 재료 26의 고체 상태에 전환 및 저장될 수 있다. 현재 기화 또는 증발 상태인 상태 2 내지 3(도 6에 기재된) 사이에 작동 유체는 상기 압축기 14에 순차적으로 단열(adiabatic) 단계를 통하여 가열되고 압축되는 둘 다이다. 상기 압축기는 두루마리 압축기와 같은 양성적 이동(displacement) 장치 또는 방사성 원심 압축기 또는 축 흐름 압축기와 같은 역학적 압축기가 될 수 있다. 상태 3 내지 4(도 6에 기재된) 사이에 작동 유체는 열-교환기 16에 전달된다. 그 점에서, 상기 작동 유체는 작동 유체를 응축하는 주변 온도 Ta에 냉각될 수 있다. 본 발명에서 사용된 것과 같이, 상기 약어(abbreviations) Tambient 및 Ta는 주변 열 교환기의 온도를 의미하고 본 발명에서 교환가능하게 사용될 수 있다. 이러한 상태에 있어서, 열은 주변에 거부될 수 있거나 사용 후를 위해 열 교환 매체에 전달될 수 있다. 현재 대체로 액체 상태인 상태 4 내지 5 사이에, 상기 작동 유체는 상기 장치 18에 저장된 감열인 감열 저장 장치 18에 전달된다. 이 단계에서, 작동 유체는 TC 냉각저장 탱크의 대략 온도에 냉각될 수 있다. 상태 5 내지 1 사이에 상기 작동 유체는 대략 상기 열 교환기의 압력에 같은 압력 내지 대략 상기 잠열 저장 탱크 24안에 압력에 같은 압력에 작동 유체의 압력을 감소하는 모터/펌프 20을 통하여 지나갈 수 있다. 상기 모터/펌프 20 나감 이후, 상기 작동 유체는 충전 단계를 반복하는 상기 시스템을 통하여 재순환될 수 있고 그것 때문에 지속적으로 상기 잠열 저장 재료 26의 고체 상태에 열 에너지를 저장한다.
방전하는 동안, 상기 작동 유체는 반대방향으로 흐를 수 있다. 그래서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 상태 5 내지 4 사이에 작동 유체는 충전 사이클을 하는 동안 저장된 감열 흡수에 의해서 감열 저장 장치 안에서 가열된다. 상기 시스템은 대략 증발의 온도에 상기 작동 유체를 가열하는 것에 작동 가능하게 될 수 있다. 상태 4 내지 3 사이에, 상기 작동 유체는 상기 열 교환기 안에 증발될 수 있다. 앞서 설명된 것처럼, 상기 열-교환 단계는 T에 의해서 유도된다. 만일 원한다면, 온도에 있어서 차이는 온도 조절 장치 32에 의해서 더욱 조절될 수 있거나 충전하는 동안 열 교환 매체 안에 저장되는 열 재사용에 의해서 조절될 수 있다.
기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 하나로 이해될 수 있는 것과 같이, 상기 열-교환기 장치는 어떤 잘 알려진 것 또는 이후로 개발된 특정한 에너지 저장 시스템을 위해 적당하게 크기화된 열 교환기가 될 수 있다. 상기 열-교환기 장치는 평행, 교차 또는 반대 흐름 형태 열 교환기를 포함할 수 있다. 구조적으로, 바람직한 열-교환기 장치는 특정한 에너지 저장 시스템의 수요를 위한 알맞게 크기화된 열 교환 장치인 외피 또는 관 열 교환기, 평판 열 교환기 또는 회생식(regenerative) 형태 열 교환기를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예와 같이, 상기 열-교환기 장치는 주변과 함께 열 교환 단계를 위해 사용된 다른 온도를 갖는 충전 및 방전을 위해 이용될 수 있는 습윤-벌브(bulb) 온도 및 건조-벌브 온도 사이에 차이인 냉각 타워를 포함할 수 있다.
상태 3 내지 2 사이에 발생하는 단계의 말단에 현재 가열된 증기인 작동 유체는 기계적 에너지의 형태로 작용을 생산하기 위한 확장기처럼 작동되는 상기 압축기/확장기 14에 전달된다. 상기 확장기는 두루마리-기초된 확장기/압축기 경우가 될 수 있는 것 같이 반대로 작동되는 압축기가 될 수 있다. 또 다른 실시예와 같이, 모터/발전기 사이에 위치한 것과 동일한 축 상에 확장기 회전기에 부착된 압축기 회전기인 터보 기계류가 사용될 수 있다. 상기 확장기의 기계적 에너지는 모터/발전기 28에 확장기 연결 및 전기적으로 전력 그리드 30에 방전기 28을 연결에 의한 전기적 에너지로 바뀔 수 있다. 상태 2 내지 1 사이에, 상기 작동 유체는 상기 작동 유체 및 잠열 저장 재료 용해로부터 잠열 저장 재료에 전달되는 응축의 열인 잠열 저장 장치를 통하여 전달된다. 결국, 상태 1 내지 5 사이에, 상기 작동 유체는 전력 사이클을 반복하는 작동 유체를 압력을 가하는 모터/펌프 장치와 같은 가압 및 감압 장치를 통하여 전달될 수 있다.
도 10은 에너지 저장 및 제공을 위한 시스템의 또 다른 실시예를 나타낸다. 시스템 110은 잠열 저장 장치 112, 감열 저장 장치 118, 펌프/모터 장치 120, 열 교환기 장치 116 및 모터/발전기 128에 연결된 증기 확장기/압축기 114을 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 시스템 110은 열 저장 시스템을 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용된 것과 같이, 용어 열 저장 시스템은 주변 온도 이상 온도에서 발생할 수 있는 잠열 저장을 의미한다. 상기 잠영 저장 장치 112는 약 90℃ 내지 약 150℃의 온도와 같은 잠열의 형성에 저장될 수 있는 응축의 작동 유체의 열 안에 열 저장 탱크 124를 포함할 수 있다.
기술 분야에 일반적인 기술의 하나에 이해될 수 있는 것과 같이, 상기 열 저장 시스템 110의 수많은 구성요소는 동일하게 되거나 냉각 저장 시스템 10에 관련되어 자세하게 설명된 구성요소와 같이 대체로 동일하게 될 수 있다. 도 10에 있어서 바람직한 시스템에 의해서 기재된 것에 대하여 상기 이러한 구성요소들의 신규하고 독특한 배열은 상기 시스템이 열 저장 시스템과 같이 작동 가능하게 되는 것을 허용한다. 더욱이, 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 하나로 이해될 수 있는, 상기 본 발명에서 설명된 바람직한 시스템의 어떤 요소는 상업적이거나 다른 쉽게 사용 가능한 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 교환기의 다양한 형태 및 크기는 상업적으로 및 특히 열 배기 및 공기-조건 산업(Heating Ventilation and Air-conditioning (HVAC) industry)에 사용 가능하다. 다른 적합한 열-교환기는 냉각 타워를 포함할 수 있다. 비슷하게, 상업적으로 사용 가능한 확장기/압축기 및 모터/펌프는 공업 산업에서 사용 가능하고 원하는 용량 및 상기 시스템의 수많은 실시예에 사용을 위해 적합하게 제조된 다루는 데 있어서 크기화 될 수 있다. 냉각 타워를 포함하는 열-교환 장치에 경우에 있어서 상기 방전 사이클에 증발적 응축기 및 열 저장, 상기 방전 사이클을 위해 사용될 수 있는 습윤 벌브 조건 및 충전을 위해 사용되는 건조 밸브 조건을 사용하는 실시예에 있어서 충전 사이클에 간단한 증발기처럼 작동된다. 이것은 왕복 효율에 의해서 측정된 것과 같은 상기 저장 시스템의 종합적인 수행을 증대시키는 온도에 차이를 제공한다. 본 발명에서 사용된 것과 같은 왕복 효율은 본 발명에서 설명된 상기 단계의 높은 가역성을 암시하는 높은 왕복 효율인 에너지 전환 및 에너지 저장 단계의 가역성(reversibility)에 관한 것이다.
도 11에 나타낸, 상기 시스템 110은 연소기, 보일러, 용광로 또는 상기 시스템에 열을 가하기 위해 적합한 다른 가열기와 같은 가열기 136을 더욱 포함한다. 또한, 기술 분야에 있어서 당업자는 가열기가 냉각 저장 실시예와 함께 사용될 수 있는 것을 이해할 것이다. 상기 가열기 136은 다음 충전 사이클에 앞서 감소되는 저장된 잠열 경우에 있어서 작동 유체를 가열하기 위한 가스-연소 보일러가 될 수 있다. 도 12에 기재된 것과 같이, 하지만 본 발명에 기재된 실시예에 제한하지 않고, 압축기/확장기는 충전 및 확장하는 동안 작동 유체의 원하는 압축 및 방전하는 동안 전력 발생을 수행하기 위한 효과적인 배열적으로 연결된 다중 장치를 포함할 수 있다. 도 12에 기재된 것과 같이, 터보 기계류 140은 28 사이에 위치된 모터/발전기와 동일한 축 146에 확장기 회전기 144에 부착된 압축기 회전기 142가 사용될 수 있다. 상기 확장기의 기계적 에너지는 모터/발전기 28에 확장기 연결 및 전력 그리드 30에 발전기 28에 전지적으로 연결에 의해서 전기적 에너지로 전환될 수 있다. 상기 터보 기계류 140 밸브 78 및 77을 통하여 폐쇄된 루프 22에 유동적으로 연결된다. 이러한 실시예는 고온 회전 예비 용량으로 그리드 서비스를 제공하거나 회사의 기업 위치한 시스템에 대한 신속한 비상 전력을 제공하는 발전의 빠른 전환을(충전 모드에서) 제공 할 수 있다.
도 1, 10 및 12에 있어서, 공동-기능적 단위는 방전 및 충전 사이클의 확장 및 압축 기능 작동처럼 각각 나타냈다. 공지된 혁신의 목적을 변화하는 것 없이 두 개 또는 그 이상 전용된 단일 기능 구성요소에 의해서 대체될 수 있는 공동-기능적 구성요소는 기술분야에 있어서 일반적인 기술의 하나에 의해서 이해되는 것이다. 더욱이, 시스템을 시행하는 것에 필요한 구성요소들은 하나 바람직한 실시예에 나타낸 것과 같이 커다란 구성요소가 될수 있거나 상기 거대한 단일 구성요소의 기능을 점증적으로 시행하는 비슷하거나 독특한 작은 구성요소들의 복수(plurality)가 될 수 있다. 그래서, 도 12에 있어서, 상기 작동 유체를 확장 및 압축에 사용된 터보 기계류 장치는 상기 전력 그리드에 전지적으로 연결된 전용 모터 및 발전기 장치 의 각각 전용 발전기를 유도하는 터보확장기 및 전용 모터에 의해서 유도된 전용 터보압축기로 분리될 수 있다. 더욱이, 전용 발전기 및 모터 장치를 갖는 복수에 분리한 확장기 및 압축기 장치는 각각 에너지 저장 기능 시행을 위해 사용될 수 있다. 도면에 나타낸 공개된 실시예는 이러한 면에서 제한되지 않는 것을 의미한다.
나타낸 실시예와 같이, 프로판은 냉각 저장 시스템의 실시예로 작동 유체처럼 사용될 수 있다. 1 표준 대기에서 -42℃의 끓는점을 갖는 프로판은 약 35℃의 주변 온도 및 약 1,218 kPa의 포화 압력에 시스템의 작동을 용이하게 한다. 이러한 실시예에 있어서, 냉각 저장은 거의 -13℃에서 160 kJ/kg의 융합의 열을 가지는 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)의 고체 상태에 영향을 미칠 수 있다. 그래서, 냉각 저장은 -13℃ 내지 약 15℃의 범위 및 약 292 kPa이 되는 프로판 작동 유체의 증기 압력 안에 유지되는 잠열 저장 장치에서 발생할 수 있다. 더욱이, 단지 에틸렌 글리콜의 약 12 m3는 저장된 전기 에너지의 매 100kW-hrs 또는 저장된 전력의 매 1MW-hrs를 위한 약 120m3를 위해 필요하게 된다. 이상적인 시스템을 위하여, 4.18의 압력 비율을 가정하면, 상기 열 교환기에 0℃의 ΔT 유도 및 다양한 구성요소의 100% 효율, 발전된 전력의 kW-hr 당 사용된 열의 약 5.92 kW-hr인 약 96%가 될 수 있는 왕복 효율 및 열의 약 5.88 kW-hr가 전력의 kW-hr 당 저장된다.
또 다른 기재된 실시예 및 도 13에 기재한 바와 같이, 상기 시스템은 광전지(photovoltaic; PV) 어레이 150에 연결될 수 있다. 도 13에 나타낸 고온 저장 시스템에 있어서, 핵산(hexane)이 작동 유체처럼 사용될 수 있다. 이러한 작동 유체는 1 표준 대기에서 약 69의 포화 온도를 갖는다. 상기 잠열 저장 탱크에 125℃의 잠재적 고온 저장 온도에서, 상기 포화 압력은 약 436 kPa가 된다. 주변과 열 에너지 교환을 위해서, 비등 및 응축은 주변 온도 열 교환기 116 및/또는 역류 열 교환기 152로 대체될 수 있다. 이러한 배열에 있어서, 상기 시스템은 전력에 태양광의 방사 조도(irradiance)의 거의 20%를 전환 할 수 있는 상기 어레이 150으로부터 전기 에너지를 끌어당길 수 있다. 상기 전환되지 않는 태양광의 방사 조도는 저급 열의 형태로 나타나고 이러한 저급 열 에너지를 포획하기 가능한 적합하게 변형된 패널 154에 의해서 포획될 수 있다. 상기 잠열 저장은 적합하게 설계된 잠열 재료를 사용한 약 90℃ 내지 약 150℃의 증가된 온도에 작동할 수 있다. 핵산 또는 지나치게 높은 압력 없이 대체된 응축과 같은 이러한 온도 범위에서 적합한 증기 압력 특징을 가지는 또 다른 작동 유체를 사용하는 시스템은 잠복 형태에 있어서 작동 유체로부터 응축의 열을 그 다음 저장할 수 있다. 이러한 접근에 있어서, 열 교환기의 두 가지 형태 활용될 수 있다. 역류 열 교환기 152는 충전 상태 동안 주변 조건보다 높은 온도에 상기 유체를 증기화에 사용될 수 있고 주변 온도 열 교환기 116은 방전 상태 동안 작동 유체를 응축을 위하여 주변과 함께 열 에너지를 교환하는 것을 위해 사용될 수 있다. 이것은 왕복 효율을 증가시키는 것의 목적을 위한 에너지 저장 시스템의 충전 및 방전 동안 다른 온도를 사용하는 바람직한 경우이다. 이러한 바람직한 경우에 있어서, 상기 열 교환지 116의 온도보다 높은 온도에 액체는 역류 열 교환기 152에 사용될 수 있고 주변 공기는 상기 열 교환기 116에 사용될 수 있다. 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 하나에 이해될 것과 같이, 열 교환기 구성요소의 배열은 도 13에 기재된 것보다 다르게 될 수 있다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 상기 냉각 저장 시스템은 상기 시스템의 왕복 효율을 더욱 증가시키는 방전 사이클 동안 온도 차이를 증가시키는 폐-열 회복 장치 160을 포함할 수 있다. 상기 폐-열 회복 장치 160은 밸브 80 및 82를 통하여 상기 시스템과 유동적으로 연결된다. 도 15 및 16에 기재된 것과 같이, 환경에서 자연적으로 발견되거나 다양한 산업적 공정에 의해서 발생하는 폐-열적으로부터 결과하는 온도 차이는 포획될 수 있고 주변 온도보다 높거나 주면 온도보다 낮은 것에 잠재된 형성에 저장된는 시스템인지에 이용될 수 있다. 부가적 유체 루프 또는 다중 유체 루프 시행에 의해서 이용될 수 있는 지열, 태양광, 연소기 또는 산업적 공정으로부터 저급 열은 도 14에 나타낸 상기 폐-열 회복 장치 160 또는 도 15에 나타낸 상기 열 교환기 152의 온도를 낮추거나 올리는 것에 효과적으로 배열된다. 도 16에 나타낸 바와 같이, 상기 시스템은 상기 시스템의 왕복 효율을 증가시키는 해양에서 자연적으로 발결된 온도 차이를 이용할 수 있다. 예를 들어, 바람직한 경우는 약 4℃에 충전을 위한 해양의 바닥 깊이로부터 수온을 갖는다. 방전 사이클을 위한 따뜻한 물은 약 24℃에 표면 온도로부터 온다. 이러한 온도의 물은 충전 사이클(냉수 흐름) 및 방전 사이클(온수 흐름) 동안 도 16의 열 교환기 160안에 교대로 흐른다. 비슷한 접근은 천일염전(solar salt ponds)에 의해서 발생된다. 또한, 도 15 및 16에 기재된 것과 같이, 시스템은 압축기 가동을 위한 파워 소스처럼 풍력 터빈 170에 연결될 수 있다. 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 하나로 이해될 수 있는 것과 같이, 충전 동안 상기 압축기를 유도하는 어떤 적합한 파워 소스 게다가 주변과 열 에너지의 교환을 매개하는 면에서 방전을 위한 온도보다 다른 것인 방전을 위한 온도를 만들기 위한 어떤 적합한 방법은 조합 또는 본 발명에서 공지된 것처럼 작동가능하게 되는 교대로 가능한 시스템으로 사용될 수 있다.
도 17은 풍력 터빈 및 압축기와 같은 전력 발전 단위에 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하는 상기 시스템의 나머지로부터 잠재적으로 조절하는 위치에 위치한다. 도 17에 설명된 시스템은 상기 설명된 실시예를 갖는 것 및 동일한 참고 번호에 의해서 식별되는 구성요소처럼 많은 동일한 구성요소를 공유한다. 단위적 확장기/압축기 장치를 사용하는 것을 고려하는 공개된 실시예 때문에 본 발명 공개 또한 분리한 확장 장치 및 압축 장치를 사용하는 것을 고려한다. 도 17에 설명된 실시예는 확장기 14 및 파워 소스와 유효하게 관련된 압축기 180에 두 개 구성요소를 분리한다. 도 17은 압축기 180을 유도하기 위한 파워 소스와 같은 풍력 터빈 170을 사용하는 것을 설명한다. 기술 분야에 있어서 당업자에게 자명한 적합한 파워 소스는 하기에 좀더 자세히 설명된 것과 같이, 풍력 터빈 170을 설명하는 것에 제한되지 않는다.
도 17의 시스템 10은 발전되는 전력에 위치되는 상기 압축기 180을 가능케하는 상기 압축기 180으로부터 확장기 14/모터 발전기 28을 분리한다. 그래서, 시스템 10의 남은 구성요소로부터 조절하는 위치에 풍력 터빈 170에 의한 것과 같은 전력 발전 단위에 의해서 발생하는 전력은 열 저장 재료를 사용해서 저장될 수 있다. 이것은 몇 개의 장점을 제공한다. 첫 번째, 최근 풍력 터빈은 비교적 큰 기어 박스 및 지지 컬럼 182의 꼭대기에 발전기를 포함한다. 결과처럼, 상기 지지 182는 이러한 구성요소를 지지하는 것에 충분하게 튼튼해야만 한다. 도 17에 설명된 실시예는 알려진 장치에 관련된 풍력 터빈의 구조를 상당히 단순화한 압축기 180에 터빈 날개 184에 직접적으로 연결한다. 현재 알려진 풍력 터빈 발전기 수요에 배정된 에너지를 사용 가능할 수 없습니다. 또한, 도 17의 실시예는 풍력 터빈 170에 의해 생산되는 에너지 저장에 의해서 2차 중요한 장점을 제공한다. 예를 들어, 상기 압축기 180은 냉각 저장 단위 24에 효과적으로 연결될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 풍력 터빈 180은 냉각제 증기 공급 도관 및 풍력 터빈 지지 182안에 압축된 증기 회수 도관(도관은 나타내지 않았다)을 포함하게 된다. 이것은 상기 시스템 10에 의해서 저장되는 것에 상기 풍력 터빈에 의해서 발전된 전력의 저장을 가능케 한다. 그러므로, 상기 확장기 14/발전기 28은 단지 터빈 날개가 회전할 때가 아니고 필요할 때 상기 그리드 30에와 같이 저장된 전력을 보내는 것에 사용될 수 있다.
또한 도 17은 다른 공지된 실시예에 관련된 부가적 밸브화를 포함한다. 이것은 시스템 10에 의해서 수행되는 적어도 세 개에 다른 기능을 가능케 한다. 예를 들어, 만일 발전된 전력이 즉시 필요하다면, 압축기 180은 폐쇄된 루프 22 안에 남고 어떠한 열 전송 구성요소 안에 진입하지 않은 작동 유체 증기를 압축한다. 이것은 지지 182에 위치된 도관 안에 상승하는 작동 유체 증기를 합축하는 풍력 터빈 지지 182의 꼭대기에 위치한 압축기 180을 가능케 하고 확장기 14 뒤에 압축된 유체를 유도한다. 상기 작동 유체는 발전기를 유도하는 확장기 14에 확장된다. 저압 작동 유체는 다음 풍력 전력 터빈 170에 직접적으로 돌게된다. 그래서, 이러한 단계에 있어서, 밸브 186 및 188은 열리고 밸브 190 및 192는 폐쇄된다.
또한, 2차 충전 기능은 도 17의 실시예를 사용해서 시행될 수 있다. 상기 충전 기능은 밸브 186, 188, 190 및 192를 적당하게 개폐하는 것에 의한 확장기 14/발전기 28을 분리하는 것에 의해서 시행된다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 기능은 상기에 설명된 충전 사이클과 같이 동일한 것인 도 17의 시스템 10에 의해서 수행된다.
또한, 도 17의 시스템 10은 방전 기능을 수행할 수 있다. 이러한 기능에 있어서, 압축기 180은 밸브 186, 188, 190 및 192에 적절한 개폐에 의해서 고립된다. 이러한 단계에 있어서, 저장된 에너지는 방전 사이클에 관점으로 상기 설명된 것과 같이 확장기 14를 유도한다. 당업자의 기술분야에 있어서 일반적인 기술로 자명한 밸브 186, 188, 190 및 192의 부가적 배열은 이러한 동일한 기능을 수행하는 것에 사용될 수 있다.
시스템 10의 남은 구성요소로부터 원격으로 위치된 풍력 터빈 170을 사용해서 설명한 도 17 때문에, 또한, 사용될 수 있는 다른 파워 소스는 당업자의 기술분야에 있어서 일반적인 기술로 자명하다. 예를 들어, 전력은 파력 전력에 의해서 발전된다. 현재 알려진 또는 이후 개발된 어떠한 파력 발전 시스템은 파력 발전소를 갖는 풍력 터빈 170을 대체하는 것에 의해서 도 17에 설명된 실시예에 사용될 수 있다. 세 개 바람직한 파력 전력 실시예들은 도 18 내지 20에 있어서 설명하였다.
도 18은 첫번째 진동 물 컬럼 실시예 200을 설명한다. 시스템 200은 터빈 및 발전기 204를 감싸고 제공하는 지지 구조 202를 포함한다. 지지 구조 202 안에 진동하는 물 컬럼은 터빈 및 발전기 204를 유도한다. 상기 시스템 200으로부터 출력한 전력은 도 17의 풍력 터빈 170으로부터 출력을 대체한다.
도 19는 파력 전력 시스템 220의 두번째 바람직한 실시예를 설명한다. 이러한 시스템에 있어서, 지지 구조 222는 파도 방향 224안에 물의 유입을 받는다. 지지 구조 222안에 상승하는 물은 다시 발전기 226을 유도하는 것에 터빈 날개 224를 유도하는 공기를 압축한다. 배플(baffles) 228 및 230은 지지 구조 222 안에 공기 및 물 흐름을 직접하는 것에 포함될 수 있다. 상기 시스템 220으로부터 전력 출력은 도 17의 풍력 터빈 170으로부터 출력을 대체한다.
도 20은 파력 전력 시스템 250의 세번째 바람직한 실시예를 설명한다. 시스템 250은 파도 포획 챔버 250을 포함한다. 파력 전력은 물 흐름 방향 254안에 파도 포획 챔버 250안에 물에 힘을 빌린다. 상기 시스템 안에 공기는 교대로 챔버 252안에 진동 물 컬럼에 의해서 압축 및 감압된다. 교환된 공기 압축 및 감압은 웰즈 터빈(Wells Turbine)과 같은 더빈 256을 유도하는 기류를 생산한다. 상기 시스템 200으로부터 전력 출력은 도 17의 풍력 터빈 170으로부터 출력을 대체한다.
도 21에 나타낸 바와 같이, 확장기 및 압축기 효율 감소의 왕복 효율상 효과는 냉각 저장 시스템을 위해서 도식적으로 설명된다. 도 22에 나타낸 바와 같이, 상기 열 전달 구성요소에 있어서 유도 ΔT의 효과는 도식적으로 설명된다. 도 23은 냉각 저장 시스템을 위한 충전 및 방전 사이에 온도 차이 접근을 사용한 것으로부터 결과된 왕복 효율에 있어서 증가시키는 것을 입증한다. 도 23에 의해서 입증된 것과 같이, 증가된 왕복 효율은 충전 사이클 동안 작동 유체 및 주변 사이에 작은 온도 차이 및 작동 유체 및 방전 사이클 동안 저급 폐열의 원료 사이 커다란 온도 차이 사용에 의해서 수행될 수 있다.
또한, 에너지 저장 시스템의 대체 가능한 실시예는 공지된다. 도 24는 밸브 288을 사용하여 연못 260의 바닥 층에서 가져온 열 소스를 들면, 천일염 구배(gradient) 연못의 형태로 열 연못 260으로 시행하는 특정 에너지 저장 시스템의 개략도이고, 열 제거를 위해, 연못 260의 상단에 레이어로 이동한다. 물은 상기 연못 및 상기 공동-기능적 보일러/응축기 장치 262 사이에 순환한다. 밸브 264 및 펌프 266은 상기 사이클의 장치 262에 작동 유체 흐름에 반대 방향에 물 흐름에 직접하는 것에 사용된다. 상기 감열 저장 단위 18은 또 다른 역류 열 교환기 장치 272에 감열 유체를 직접하는 밸브 268 및 펌프 270을 갖는 단일 변온층(thermocline) 탱크와 함께 시행된다. 이러한 실시예는 도 2에 기재된 것보다 다른 감열 저장 접근을 사용한다. 이러한 실시예에 있어서 감열 저장은 상기 사이클에 작동 유체로부터 분리한 2차 유체 루프로 구성된다. 상기 2차 루프에 유체는 단일 상태 유체 바람직하게 물 또는 물 및 상기 2차 유체의 냉동을 방지하는 또 다른 물질을 포함한 수용성에 기초된 수용액이다. 상기 역류 열 교환기 272는 장치 272에 작동 유체에 반대로 흐르는 2차 유체와 같은 작동 유체에 및 작동 유체로부터 감열의 교환을 매개하는 것에 사용된다.
감열 저장 단위 18에 감열의 저장은 꼭대기에 따뜻한 유체 거처(resides) 및 바닥에 차가운 유체 거처에 변온층을 층을 이루게 한다. 또한, 충진 재료 또는 내부 구조는 상기 변온층을 안정화하는 단위 18에 포함된다. 잠열 저장 장치 12는 충전 사이클 동안 작동 유체 증발을 위한 직접 접촉 주입 열 교환기 280 및 상기 사이클의 방전 부분 동안 작동 유체를 응축하기 위한 열 교환을 위한 압출(extruded) 알루미늄 채널 어레이 282의 모음과 함께 나타낸다. 결국, 이러한 특정한 실시예에 있어서, 터보 압축기(278)/확장기(284) 단위는 충전 사이클 동안 작동 유체 압축 및 방전 사이클 동안 작동 유체 확장에 사용된 확장기/압축기 사이에 위치된 모터/확장기 28 조합을 갖은 단일 축위에 배열하였다. 이러한 특정한 공지된 실시예의 다른 구성요소들은 건조기 286, 전력 가공 단위 290, 그리드 연결 292, 부가적 밸브 274 및 294 및 부가적 펌프 276을 포함한다. 도 24에 나타낸 대체 실시예는 에너지 저장 시스템 출구를 수행하는 것에 대체가능한 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 하나를 입증한다. 그러나, 상기 혁신은 왕복 효율을 증가시키는 적절한 시간에 사이클 안에 저장 및 방전된 감열, 그리드로부터 에너지의 벌크(bulk)를 저장하기 위해 사용된 잠열 저장 및 왕복 효율을 더욱 신장시키는 것에 사용된 주변(열 연못인 도 24의 경우에 있어서)으로부터 접근하는 다른 온도에 분명하다. 전기 에너지의 열 저장은 적용 및 최근 전력 발전 공공 기반 시설(infrastructure)(예를 들어, 증기 기초 발전소) 및 산업적 부분 안에 결합된 전략의 광범위를 사용 가능하다. 냉각 저장 접근을 사용에 의해서, 상기 에너지 저장 공지된 컨셉은 온도 크기를 아래로 끌어내릴(reach down) 수 있고 실행 불가능한(non-viable) 원료를 역사적으로 간주된 저급 열 에너지를 이용한다. 이것의 중요성(significance)은 손실되지 않아야, 이 에너지 저장 방식으로 지금 따라서 에너지 저장 시장 분야에서 새로운 기회를 열어 에너지 저장을 실행하는 증기 발전소에서 거부 열을 사용하는 것이 가능하다. 현재 저급 열의 다른 원료는 본 발명에서 공지된 혁신과 동일하게 가치가 있다.
비슷한 실시예는 도 25에서 설명된다. 그러나, 도 25에 의해서 설명된 실시예는 감열 저장 단위 18을 포함하지 않는다. 주변으로부터 다른 온도 접근에 경우에 있어서 실용적이 되는 것에 매우 충분하게 남는 전체 시스템 왕복 효율을 제거된 사이클 안에 감열 저장에 매우 충분하다.
도 26은 상기 공지된 시스템의 또 다른 실시예를 나타낸다. 도 26에 참조와 함께, 물은 연못 260 및 상기 공동-기능적 보일러/응축기 단위 262 사이에 순환된다. 밸브 264 및 펌프 266은 상기 사이클에 작동 유체 흐름에 반대 방향에 물 흐름을 직접한다. 상기 감열 저장 단위 18은 또 다른 역류 열 교환기 장치 272에 감열 유체를 직접한다. 상기 잠열 저장 탱크 12는 분리한 채널에 증발시키는 사이클의 작동 유체와 같은 것을 통한 액체(어는 점 아래) 순환을 과냉각(supercool)할 수 있는 열 교환기 장치 302와 함께 나타낸다. 상기 동일한 열 교환기 302는 사이클의 방전 부분 동안 작동 유체를 응축하는 것에 사용된다. 펌프 300은 상기 열 교환기 302를 통한 잠열 탱크의 바닥으로부터 액체를 지속적으로 순환 및 액체/슬러시(slush) 풀의 표면에 돌아가는 것에 사용된다. 결국, 이러한 특정한 실시예에 있어서, 터보 압축기(278)/확장기(284) 단위는 충전 사이클 동안 작동 유체를 압축 및 방전 사이클 동안 작동 유체를 확장하는 것에 사용되는 중간에 모터/발전기 28 조합을 갖는 단일 축 상에 배열한다. 또한, 이러한 특정한 공지된 실시예는 밸브 264, 304, 298 및 294, 및 펌프 276과 같은 부가적인 구성요소를 포함한다.
공지된 시스템의 실시예는 상기 저장 시스템에 입력하는 열처럼 사용된 발전 시설로부터 저압 응축 증기에 조합된 전력 및 저장(combined power and storage; CPS) 시스템 306을 더욱 포함한다(도 27). 상기 저장 시스템의 방전 사이클 동안, 증기 원료 310으로부터 오는 액체 루프를 가열하기 위한 저장 시스템의 응축기 314에 저압 터빈 312를 통하여 40℃ 내지 100℃사이에 포화 온도에서 제공된다. 그 다음, 상기 액체는 상기 시스템 작동 유체를 증발시키기 위해 저장 시스템 보일러 262에 주어진다. 대체 가능한 실시예에 있어서, 상기 증기는 저장 시스템 보일러 262에 직접적으로 제공될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 이러한 배치는 화력 발전 시설 및 저장 시스템의 충전 사이클의 정상 작동 동안 주변에 열을 배제하기 위한 습윤 냉각 타위 320을 사용한다. 액체 루프는 충전 사이클 동안 저장 시스템 보일러/응축기 단위 262의 열 배출 전송에 사용된다. 이러한 실시예는 내부 사이클 사용을 위해 접근하는 두 개-탱크 감열 저장 단위 18, 공동-기능적 압축기/확장기 14 및 모터/발전기 28 배치 및 방전 사이클 동안 지속적 흐름 루프를 통하여 탱크 안에 저장 매체를 과냉각 할 수 있는 잠열 저장 장치 12안에 열 교환기 장치 302를 포함한다. 방전 사이클 동안, 저장 시스템 작동 유체는 잠열 저장 장치 12안으로 열 교환기 장치 302안에 응축한다. 습윤 냉각 타워 320, 응축기 314 및 저장 시스템 보일러/응축기 단위를 포함하는 시스템을 통한 유체의 분포를 효과적으로 조절하는 근거리 펌프 317, 원거리 펌프 319 및 수많은 밸브(264, 316, 315, 및 318)인 이러한 특정한 공지된 실시예 안에 또한 포함되었다.
도 27에 기재된 특정한 실시예는 사용된 유체 루프의 배치에 의존하는 몇가지 다른 기능적 작동을 가능하게 한다. 상기 유체 루프의 흐름의 조절은 밸브 264, 316, 315, 및 318을 사용해서 조절된다. 예를 들어, 도 28은 단지 화력 발전 시설 310을 사용해서 작동되는 시스템인 특정 공지된 실시예를 설명한다. 도 28에 있어서, 상기 증기 응축기 314는 근거리 펌프 317을 통과하는 습윤 냉각 타워에 밸브 316을 통해 응축된 유체를 전달한다. 그 다음, 습윤 냉각 타워 320은 밸브 264를 통해 증기 응축기 314에 뒤로 원거리 펌프 319를 통해 냉각된 유체를 전달한다. 이러한 특정 흐름 배치는 저장 시스템의 독립을 작동하는 화력 발전시설(steam plant)을 가능케 한다.
작동의 또다른 공지된 방법은 주변의 열을 배제하기 위한 습윤 냉각 타위 329으로부터 냉각된 유체를 사용하는 응축기 모드에서 작동하는 상기 저장 시스템 보일러/응축기 262 때문에 응축기 314에 응축하는 화력 발전 310으로부터 증기를 설명한 도 29에 설명된다. 도 29에 나타낸 배치는 에너지 저장 시스템의 충전 사이클과 조합에 작동되는 화력 발전 시설을 가능케 한다. 특히, 화력 발전 시설 310으로부터 증기는 증기 응축기 314에 응축되고 근거리 펌프 317을 통하기 때문에 밸브 316 및 318을 통하여 습윤 냉각 타워 320에 전달된다. 상기 습윤 냉각 타워는 그 다음 증기 응축기 314 및 저장 시스템 보일러/응축기 단위 262 둘 다에 유체를 보내는 근거리 펌프 319에 유체를 전달한다
부가적으로 공개된 실시예는 단지 도 27에 공지된 특정한 실시예의 에너지 저장 작동을 사용하는 것을 고려한다. 예를 들어, 도 30에 나타낸 유체 진로 배열은 밸브 315, 318 및 원거리 펌프 319에 의해서 작동된 유체 루프를 시행에 의해서 습윤 냉각 타원 320 및 저장 시스템 보일러/응축기 단위 262 사이에 유체 흐름을 설명한다. 이러한 특정한 실시예에 있어서, 상기 화력 발전소 310는 작동되지 않고 충전 모드에서 작동되는 에너지 저장 시스템은 주변에 방열를 위한 습윤 냉각 타워 320을 사용하는 것이다.
이제 또 다른 실시예가 밸브 315를 통하여 저장 시스템 보일러/응축기 단위 262에 근거리 펌프 317을 통하여 흐르는 증기 응축기 314로부터 유체인 도 31에 공지된다. 유체는 그 다음 밸브 264를 통하여 증기 응축기에 재-진입한다. 이러한 배치에 있어서, 상기 화력 발전은 방전 모드에서 작동하는 저장 시스템에 필요한 저급 열을 작동되고 제공한다. 습윤 냉각 타워는 보일러처럼 작동하는 보일러/응축기 단위 262를 통하여 방전 단계를 유도하는 증기 배제 열을 사용하는 것인 에너지 저장 시스템 때문에 관통된다.
공지된 시스템의 부가적 실시예가 도 32에 기재된다. 도 32에 설명된 시스템 322은 다음에 다섯 개 주요 하위-시스템을 포함한다: 1) 모터-발전기 28 및 조합된 확장기/압축기 14; 2) 주변 및 저급 열의 원료 둘 다와 연락하는 열 교환기 장기 323; 3) 내부 열 교환기 56과 함께 거대 절연된 저장 탱크 24를 포함한 잠열 저장 시스템 12; 및 4) 수용성 수용액 330(와 관련된 열 교환기 324 및 펌프 326)을 포함하는 중층의 감열 저장 장치 18. 주변만큼 거대 표면 지역 장치(예를 들어, 평판 및 틀 형태)와 같은 저급 열의 원료와 열적으로 연결된다 상기 열 교환기 장치 323는 또는 때때로 차단된 열 교환기와 같은 것에 관한 것이다. 수반된 상기 온도 및 압력이 적당한 것이기 때문에, 일반적 구조 재료는 이러한 구성요소의 경제적 시행을 가능케하는 것이어서 표준 배치와 사용될 수 있다. 이러한 열 교환기 323는 시스템 충전 사이클 동안 냉각 타위에 의에서 냉각되는 비-작동 유체 면상 외부 물 루프 334를 가질수 있다. 방전 사이클 동안 물 루프는 저금 열의 원료에 의해서 가열된다.
감열 저장 단계는 도 32에 열로 층화된(stratified) 저장 탱크 18, 필요할 때 흐름 방향을 바꿀 수 있는 펌프 326 및 열 교환기 324를 포함하는 2차 유체 루프 328에 의해서 시행된다. 꼭대기에 있는 고온 유체와 같은 탱크에 저장된 액체 330 및 바닥에 있는 냉각 온도 유체는 열로 안정한 배치를 나타낸다. 시스템 작동 동안, 펌프 326은 2차 루프 열 교환기 장치 324안에 작동 유체에 역류 방향으로 흐르는 감열 저장 유체와 작동한다. 이것은 본 발명에서 설명한 것과 같이 충전 내지 방전 모드를 행하는 시스템처럼 사이클 작동 유체 방향을 바꿀 때 열 교환기를 통한 반대 방향에 감열 유체 330을 요구한다. 또한, 두 개-탱크 시스템이 도 27에 설명된 것과 같이 사용된다. 상기 두 개-탱크 시스템은 단일 탱크 방식에 유지하게 되는 것에 변온층을 위한 필요를 제거한다.
잠열 저장 시스템은 거의 -10℃ 및 -15℃ 온도에서와 같지만 제한되지 않는 하부-주변 온도에서 작동한다. 감열 저장 시스템은 주변 조건 내지 냉각 저장 조건 온도 변화를 매개한다. 이러한 시스템 구성요소는 정류-상태(steady-state), 많은 ORC 시스템에 사용된 것과 같이 실 시간 열 회복에 반대된 것처럼 시간 이동 열 회복 단계처럼 행동한다. 상기 시스템을 위한 정확한 작동 온도는 특정 설계 표준(criteria) 및 상변화 재료의 물리적 특성에 의존한다. 게다가, 주변(충전 상태 동안)의 온도 및 저급 열원의 원료 온도 또한, 사이클안에 작동 온도 및 압력을 결정한다. 도 32에 참조해서, 충전 모드에서 작동하는 시스템처럼, 상기 시스템 작동 유체는 반시계 방향으로 돌아다니고 상기 시스템은 수용액 냉동에 의해서 저장하는 잠열의 열 배출을 이끄는 열 펌프처럼 작동한다. 방전 모드 동안, 작동 유체는 방향을 바꾸고 상기 시스템은 방열를 위한 하부-주변 온도에서 저장한 잠열을 사용하는 ORC처럼 작동한다. 이러한 방식과 함께, 국소 주변 온도 조건은 충전 사이클 및 왕복 효율을 상승시키는 방전 사이클을 위해 사용되는 저금 열의 원료를 위해 사용된다. 더욱이, 내장된 감열 저장은 분리 증기 압축 열 펌프 및 ORC 시스템보다 높은 효율에서 작동하는 것에 시스템을 허용한다.
공지된 시스템의 부가적인 실시예가 도 33에 기재된다. 도 33에 설명된 것과 같은 상기시스템 506은 310처럼 도 27에 공지된 것에 상당히 비슷한 화력 발전 시설 502를 포함한다. 상기 열은 보일러/응축기 장치 262에 사용되고 건조 냉각 타워 518은 원거리 펌프 520 및 밸브 508을 통한 화력 발전 시설 502에 응축하는 것을 되돌리는 것에 사용된다. 도 33에 공지된 특정한 실시예는 증기 응축기를 이용하지 않았다; 오히려, 이것은 전조 냉각 타워 518안에 증기 라인을 통하여 고압 증기를 보낸다. 또한, 상기 건조 냉각 타워 518로부터 응축하는 것은 2차 루프 진인 또는 건조 냉각 타워 518을 재진입하는 유체인 점에서 밸브 510을 통하여 저장 시스템 보일러/응축기 단위 262를 진입한다. 상기 시스템의 남은 구성요소는 도 27에 설명된 것들에 상당히 비슷하다.
도 34 내지 37은 도 33의 공지된 실시예 작동의 다양한 방법을 설명한다. 특히, 도 34는 단지 대체하지 않는 에너지 저장을 갖는 화력 발전 시설과 같은 공지된 시스템 작동의 방법을 설명한다. 예를 들어, 상기 화력 발전 시설 502로부터 증기는 원거리 펌프 520 및 밸브 508을 통하여 응축하는 것을 그 다음 돌아오는 건조 냉각 타워 518에 보낸다.
또한, 공지된 것은 상기 화력 발전 시설 및 이것의 저장 모드로 작동 되는 에너지 저장 시스템 둘 다 동시에 작동하도록 상기 보일러/응축기 단위 262로부터 따뜻한 응축물 및 화력 발전 시설로부터 증기를 결합하는 특정한 실시예이다. 예를 들어, 도 35는 밸브 512를 통한 저장 시스템 보일러/응축기 단위 262에 통과하는 건조 냉각 타워 518로부터 냉각된 응축물의 부분을 설명한다. 이러한 응축물 유체는 그 다음 충전 모드 동안 저장 시스템으로부터 배제된 열을 나르고을 밸브 522을 통하여 건조 냉각 타워 518에 이것을 전달한다. 냉각된 응축물의 남은 부분은 밸브 508을 통하여 증기 발전에 돌아온다. 이것은 저장 모드로 작동되는 동시에 작동되는 상기 화력 발전 설비 및 에너지 저장 모두를 허용한다. 또 다른 공지된 실시예는 단지 에너지 저장 작동을 사용해서 설명한 도 36에 설명된다. 특히, 상기 건조 냉각 타워 518로부터 응축물은 원거리 펌프 520 및 밸브 512를 통하여 응축기처럼 작동하는 상기 저장 시스템 보일러/응축기 단위 262에 보내진다. 상기 보일러/응축기 262(에너지 저장 시스템의 작동 유체를 응축하는 것 이후)에 남겨진 따뜻한 액체는 건조 냉각 타원 518에 뒤로 그 다음 보내진다. 이러한 배치는 증기 발전 작동없이 스스로에 의해서 충전 모드로 작동하는 에너지 저장 시스템을 허용한다. 게다가, 상기 화력 발전 시설 502로부터 증기는 도 37에 설명된 것과 같은 이것의 방전 사이클인 작동하는 에너지 저장 시스템을 통하여 보내질 수 있다. 도 37에 설명된 것과 같이, 상기 증기는 밸브 514를 통하여 보일러처럼 현재 작동되는 저장 시스템 보일러/응축기 단위 262에 보내진다. 상기 저장 시스템 보일러/응축기 단위 262를 통하여 통과한 이후, 상기 응축물은 펌프 510 및 밸브 508을 통하여 돌아온다.
도 33, 34, 35, 36 및 37은 어떻게 에너지 저장 시스템이 화력 발전 시설안에 결합 및 상기 저장 시스템의 방전 모드를 작동하는 시설로부터 상기 저급 배제 열을 이용할 수 있는가를 설명한다. 더욱이, 충전 모드에 있는 동안, 상기 에너지 저장 시스템은 주변에 방열을 위한 건조 냉각 타워를 이용할 수 있다. 상기 도면은 사용되지 않은 습윤 냉각 타워를 사용해서 증발 냉각 때문에 물을 보존하는 화력 발전 시설의 건조 냉각 시스템 안에 결합될 수 있는 에너지 저장 시스템을 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 하나로 입증한다. 더욱이, 도 37은 건조 냉각 타워 상에 의존하는 것 없이 증기 응축 작동 단독을 수행할 수 있는 에너지 저장 시스템을 나타낸다. 이것은 상기 증기를 응축하기 위하여 높은 포화 압력을 인하여 높은 온도에서 건조 냉각 타워가 작동돼야 할 때 더운 날 동안 장점이 된다. 이러한 조건은 화력 방전 시설의 수행을 퇴화된다. 에너지 저장 시스템을 가지고 방전 모드로 작동하는, 건조 냉각 타워로부터 증기 응축 임무(duty)를 취하는 것이 동시에 화력 발전 시설 및 에너지 저장 시스템(방전 모드로 작동하는) 작용 모두를 갖는 것에 의해서 그리드에 전력을 더욱 동시에 전달하는 동안 더운 날 동안 좀더 효과 적으로 작동하는 증기 발전을 가능케 한다.
충전 및 방전 단계를 위한 온도에 대하여 엔트로피 도해가 도 38로 나타낸다. 상기 충전 단계는를 2b 내지 3b에 포화 증기를 포함하는 반-시계방향 루프를 따른다. 압축 및 확장 단계 모두는 이상적인 등엔드로피(isentropic) 단계를 의미한는 온도에 대하여 엔트로피 도해상에 수직 라인처럼 나타낸다. 실제로, 각 단계는 비-이상적인 압축 도는 확장 단계를 포획하는 등엔트로피 효율을 갖는다. 상기 도해는 랭킨 사이클(Rankine cycle)(전력 또는 열 펌프 사이클 중 하나)에 이상적이다, 그러나, 잠열 및 감열 에너지 저장은 상기 도해에서 시행되는 다양한 열 전송 단계를 매개하기 위해서 사용된다. 제한되지 않는 실시예와 같이, 프로판은 12.9℃(313.4 kPa 포화 압력)에서 작동하는 잠열 저장 탱크에 작동 유체처럼 선택된다. 상기 주변 온도 열 교환기는 응축하는 프로판 및 주변에 배제되는 열에 작동의 충전 상태 동안 20℃(836.6 kPa의 포화 압력)의 포화 온도와 작동하는 것에 추정된다. 방전 상태 동안 상기 프로판 또한 상기 열 교환기에 제공되는 저금 열의 원료 때문에 20℃에 열 교환기에서 끓는다. 온도에 대하여 엔트로피 도해에 있어서 이것은 보일러에 포화 조건에 온도로 증가시키는 작용 추체처럼 상태 점 5 내지 4로부터 방전 단계 동안 가열을 얻는 표준 ORC를 주목된다. 그러나, 본 발명에서 설명되고 내장된 감열 저장을 추정한 구상의(conceptual) 단계에 있어서, 이러한 열 에너지는 충전 사이클 동안 저장된 감열에 의해서 제공된다. 마찬가지로, 열 에너지는 상태 점 4 및 5 사이 충전 상태 동안 작동 유체로부터 제거되는 것에 필요하다. 저장된 감열을 사용에 의해서 열 전달에 대부분은 등온선상으로(isothermally) 일어난다: 프로판이 3b 및 3a 사이에 충전 상태에 존재하는 과열의 단지 작은 양과 4 및 3 사이에 끓거나 응축한다. 이것은 랭킨 사이클(Rankine cycle) 작동에 비교했을 때 카르노 사이클(Carnot cycle) 수행을 전근하는 나은 것에 충전 및 방전 사이클을 가능케 한다.
도 38에 의해서 설명된 단계들이지만 방전을 위한 끓는 온도는 충전 사이클 동안 발생하는 응축에 온도 이상으로 상승될 저급 열의 원료와 실제로, 명목상 동일한 온도에서 일어나는 주변 온도 열 교환에 상황을 설명한다. 설명된 도 39인 실시예와 같이, 충전 사이클에 포화에 방전 사이클을 야기하는 것에 온도 범위 필요를 단지 부분적으로 커버한다; 방전 사이클은 환경으로부터 열의 증가된 온도 원료를 요구한다. 이러한 도 38에서 상기 사이클을 모든 열이 충전 사이클 동안 발생하는 감열 저장에 의해 제공되는 것에 달리한다. 그러나, 상기 도해는 상기 이상적인 경우에 충전 사이클에 의해서 추정된 것보다 방전 사이클 동안 개발된 것인 좀더 일을 시행한다. 충전 및 방전 사이클 모투에 있어서 나타나는 비가역성(irreversibilities)에 실제 경우에 있어서 상기 충전 및 방전 사이클 사이에 온도에 있어서 이러한 차이는 방전 사이클 동안 저급 열을 사용의 결과이고 부분적으로 실제 구성요소 및 사이클에 있어서 단계를 사용의 내재하는 비가역성을 위해서 보상한다. 이것은 수행되는 것에 왕복 효율의 현실 수준을 가능케 한다.
상기 열 저장 시스템의 두 개 중요한 비가역성은 증기 확장기/압축기의 등엠트로피 효율, 및 작동 유체 및 잠열 재료 사이 및 주변 온도 열 교환기를 통한 작동 유체 및 주변 환경 사이에 발생하는 열 전송 단계인 두 개 중요한 열 전송 단계상에 유도된 온도 차이 ΔT의 효과가 될 수 있다. 하기 분석 방식은 시스템의 효율의 정밀한 예측을 얻는 것에 사용될 수 있다. 각 구성요소 상에 첫 번째 법칙 분석은 하기처럼 주어진 정류 흐름 표현을 통하여 사용될 수 있다:
Figure pct00001
이러한 분석의 목적을 위해 무시하게 되는 작동 유체의 퍼텐셜 및 운동 에너지에 있어서 변화와 함께. 모델링 목적을 위해서, [수학식 1]은 작동의 각각 상태를 위한 시스템의 각각 구성요소를 위해 기재될 수 있다. 확장기/압축기 및 모터/발전기 구성요소를 위해서, 단열 조건은 영이 되는 Ｑ를 야기하는 것을 우선하는 것을 간주된다. 더욱이, 등엔트로피 효율은 하기에 의해서 정의된 기계적 구성요소의 각각을 위한 세트가 될 수 있다:
Figure pct00002
Figure pct00003
ηE 및 ηC이가 각각 확장 및 압축 과정을 위한 등엔트로피 효율인 것에. 이러한 분석으로부터 결과한 연립 방정식(simultaneous equations)은 따라서,이러한 방식에 필요하게 될 지속적 작동 유체 특성에 관한 가정없이 해결 단계 안에 가져가게 될 수 있는 내제된 열역학적 특성 데이터를 갖는 Engineering Equation Solver(또는 EES)를 가지고 해결하게 될 수 있다.
상기 사이클의 충전 또는 방전 상태 중 하나를 위한 작동 시간의 크 부분 동안 정류 상태 추정을 사용해서, 상기 분석은 감열 저장 단계를 위하여 이용하는 변형을 갖는 표준 랭킨 사이클 시스템에 매우 비슷하다. 역-류 열 교환기를 위한 유효성은 따라서, 하기 주어진 엔탈피(enthalpy) 또는 온도 공식 중 하나를 사용하는, 이러한 단계를 위한 에너지 교환을 설명하는 것에 사용된다:
Figure pct00004
Figure pct00005
상기 작동 유체 배출 엔탈피는 열 교환기 유효성 및 감열 저장 매체의 온도로부터 결정된다. 상기 유효성은, 상기 작동 유체 조건과 함께, 감열 저장 매체의 온도를 결정한다. 어떤 가정은 저장 매체에 대한 특정 재료에 관한 제조할 수 없지만, 이것은 모델링 목적을 위한 열 교환기에 온도 범위 이상 지속적인 특정 열을 가지는 것에 가정된다. 이것은 [수학식 5]에서 단순화를 허용한다.
잠열 저장 모델링은 이것의 상변화를 겪는 잠열 재료에 저장 온도를 특정화를 수반하고 그 다음 동결이 일어나는 것과 같은 잠열 탱크에서 증발하는 작용유체의 엔탈피에 질량 흐름 비율 및 차이를 사용하는 것에 의해 도 38의 상태 점 1 및 2 사이에 발생하는 열 전송을 결정한다. 이러한 단계는 열 교환 단계에 의해서 매개 되는 것이지만, 정의된 특정 열 교환기 배치는 없다. 기초 경우에 있어서, 특정화된 온도 차이를 유도하는 열 교환기는 없다; 그러나, 상기 기초 경우 뒤에 계산에 있어서, 5℃의 온도 차이 유도는 비-이상적 열 교환기 작동의 효과를 평가하는 것을 돕는 것에 사용된다. 이것은 하기에 좀더 자세히 설명된다.
도 40은 두 개 중요한 열 전송 단계(예를 들어, 상태 점 1 및 2 사이 및 3 및 4 사이)에 5℃의 온도 차이를 유도하는 것을 갖는 특정한 작동 유체(예를 들어, 프로판)를 위한 온도에 대하여 엔트로피 도해이다.
도 40에 지속적 압력 라인은 도 39에 기재된 것과 같이 동일한 것이지만 상기 단계를 위한 포화 라인은 열 교환 단계를 위한 온도차이 유도를 만드는 것을 위해서 이동된다. 기술 분야에 있어서 당업자는 만일, 도 30에 조건 위에 소개된 5℃ 유도 온도차이이면, 각각 충전 사이클에 각 연관된 포화 단계로부터 거의 10℃ 차이를 가지는 방전 사이클에 각 포화 단계를 인식한다. 이러한 차이는 충전 상태보다 약 20℃ 낮은 온도 범위에 방전 상태를 유도한다.
상기 열 교환기 및 냉각 저장 탱크에 있어서 대체된 단계를 위한 포화 온도(및 그래서 포화 압력)에 증가 또는 감소를 포획하기 위해서, ΔT의 한 값이 전체에서 사용된다. 이것은 도 40에 나타낸 바와 같이 이러한 경향에 있어서 모델화된 두 개 구성요소의 각각에서 명목상 온도 이상 또는 아래 중 하나에 온도 차이를 제공하기 위해서 사용된 한 개 모델 입력 지표이다. 기준 결과를 얻기 먼저 각 열 전달 구성요소의 단계를 위한 명목상 온도(ΔT 유도가 아닌)를 계산 모델을 사용한다. 부가적 모델링 결과는 그 다음 어떻게 시스템 수행이 영향을 미치는가 나타내기 위해서 5℃ 온도 차이를 사용해서 발생된다.
모델링으로부터 결과한 연립 방정식의 세트는 공학 방정식 해결사(Engineering Equation Solver; EES)와 함께 해결된다. 이러한 해결 패키지(package)는 비-선형 대수 방정식을 결합된 세트를 위한 해결 단계 동안 필요한 열역학적 특성 데이터를 결정을 위한 방법을 제공한다. 이러한 방식과 함께, 이것은 기초선 조건아래 시스템의 열역학적 모델 및 에너지 저장에 일반적 열 펌프/열 엔진 방식 이상 왕복 효율을 증가시키는 방법처럼 감열 저장 사용의 장점을 식별하기 위한 매개변수 변화 방식을 사용함에 가능하다. 더욱이, 기초 시스템을 위한 모델 동작 및 제공된 저금 열의 증가 온도 밸브 사용은 시스템 왕복 효율이 에너지 저장을 위한 관심이 될 때의 평가를 제공한다. 이러한 평가를 위해, 70% 왕복 효율은 한계점(threshold)처럼 사용된다. 부가적 정보는주변과 교환된 열 에너지의 양, 저장된 전력의 kW-h당 필요한 열 저장의 양 및 대표적 저장 재료의 부치 및 질량의 예상치를 위한 값을 포함한다.
기초 컴퓨터적 실행은처럼 작동 유체와 같은 프로판과 함께 만들어진다(표 1). 프로판은 313.4 kPa의 주어진 포화 압력의 -12.9℃의 명목상 냉각 저장 온도 및 836.6 kPa의 포화 압력을 가지는 20℃의 주변 열교환기 온도에 이것의 매력적인 증기 압력 특징 때문에 선택된다. 이러한 실시예는 제한되는 것에 의도되지 않고 기술분야의 당업자는 작동 유체의 다른 실시예와 사용된 방식을 인식한다. 거의 2.7의 공칭 압력 비율은 이상적인 조건(예를 들면, T 유도하는 고려사항 없이) 존재 아래 압축기 및 확장기를 교차한다. 정량은 구성요소의 작동 효율 및 상기 열 교환기 유효성이 통합인 것에 감열 저장 경우를 위한 왕복 효율 결과하는 것과 같이 제공된다. 또한, 표 1에 제공된 것은 각각 시스템의 충전 또는 방전 상태 동안 주변에 배제되야만 하거나 주변에 의해서 제공되는 열 에너지의 양이다. 다른 정량은 또한 사용된 ΔT가 없는 것에 공칭의 경우를 위해서 계산된다. 압축기 및 확장기 및 모두를 위해 100% 및 90%의 등엔트로피 효율을 갖는 경우를 위해서 20C에 주변과 교환된 열은 왕복 효율이 각각 99.2% 및 79.4%이다. 작동의 특정한 이론에 제한되는 것 없이, 이것은 전기 에너지 저장을 위한 랭킨 열 펌프/열 엔진 방식으로부터 유의적인 고유 비가역성을 제거하는 감열 저장의 혼합을 현재 믿는다.
[표 1]에 있어서, 계산으로부터 결과는 각 각 100% 및 85% 등엔테로피 효율을 위한 그리드 상에 뒤로 방전되는 전력의 매 kW-h에 저장되는 잠열 8.6 및 10.3 kW-h를 나타낸다. 전력 85% 경우의 동일한 kW-h를 위해, 실시예와 같이, 충전 상태 동안 주변에 열의 거의 9.6 kW-h를 배제한다. 상기 방전 상태는 상기 단계를 유도하기 위해서 요구되는 9.1 kW-h 매우 적은 에너지를 소모한다. 잠열 저장으로부터 또는 잠열 저장에 전송되는 열의 양은 부분적으로 상기 사이클에 있어서 사용된 온도에 있어서 차이에 의존한다(예를 들어, 잠열 온도 및 주변 온도 사이에 차이). 이러한 차이 증가와 같이, 전력의 kW-h마다 저장된 열의 양은 상기 그리드 감소 바로 뒤로 방전된다.
Figure pct00006
a잠열 저장
b감열 저장
c저장 이상적인 열을 사용 가능한 열, 만일 반대 사이클을 받을 수 있는 충분한 용량이 있는 경우 저장될 수 있는 최대값을 나타냅니다.
d회수 이상적인 열, 사용 가능한 냉기, 만일 반대 사이클을 저장할 수 있는 충분한 용량이 있는 경우 회수할 수 있는 최대값을 나타냅니다.
e에틸렌 글리콜이 12.9℃의 어는점을 갖는 대표 저장 재료처럼 사용된다.
f질량에 의해서 30%에 물과 에틸렌 글리콜의 혼합물이 1.057 kg/m3 밀도 및 cp=3.826 kJ/℃ -kg 및 -12.9℃ 아래 어는점을 갖는 대표 저장 재료처럼 사용된다.
특정한 실시예에 있어서, 에틸렌 글리콜은 잠열 저장을 위해 필요한 재료의 양의 표현을 제공하기 위해서 선택된다. 85% 등엔트로피 효율 경우를 사용하고 160 kJ/kg(0.044 kW-h/kg)인 에틸렌 글리콜을 위해 융합의 잠열을 추정하면, 0.208 m3의 액체 볼륨을 차지하는 거의 재료의 231 kg가 상기 그리드 바로 뒤로 전력 1kW-h를 방전하기 위해서 요구된다.
이러한 후자 도면은 작동 유체에 대한 밀폐 또는 흐름 채널에 대한 어떠한 볼륨을 포함하지 않는다. 감열 저장을 위해서, 물은 글리콜(glycol)과 같은 적합한 어는점 억제제(depressant)과 함께 사용된다. 상기 동일한 작동 조건에서, 0.0061 m3 차지하는 30% 에틸렌 클리콜/물 혼합물의 65 kg는 mcpT로 계산되는 1kW-h 전력을 생산하는데 사용되는 열을 저장한다. 이러한 계산은 열 저장에 필요한 재료의 양만을 첫 순서로 추정을 제공하지만, 기술 분야에서 통상의 지식을 사람이 재료 및 탱크 부피의 추가를 가정에 의해서 높은 저장 수준으로 더 쉽게 확장할 수 있다. 예를 들어, [표 1]에 85% 등엔트로피 경우와 같이 동일한 조건을 갖는 100 kW-h 저장 시스템은 20.8 m3의 부피를 가지는 에틸렌 글리콜의 거의 23,100 kg을 사용한다. 만일 1.5의 부피 인자가 방지(containment) 및 작동 유체 채널을 위해서 사용된다면, 3.9 m의 직경을 갖는 구형 탱크가 결정된다. 또한, 상기 감열 저장 탱크가 2.5 m의 직경 및 높이를 갖는 실린더(cylinder)를 주는 2의 부피 인자를 사용해서 이러한 크기로 확장된다.
감열 저장의 수행에 평가를 위해서, 수행의 비율(RP,SHS)은 상기 감열 저장 시스템 효율을 의미하는 것에서 계산된다.
Figure pct00007
이러한 비율은 충전 및 방전 사이클에 저장 불균형에서 나타난다. 상기 LHS에 에너지 용량은 균형을 유지해서 감열 저장 (SHS)의 에너지 용량은 시스템 변동에 따라 달라진다. 충전 또는 방전 사이클 중 하나에서 최소 에너지 용량은 상기 SHS의 저장 용량을 정의하는 것에 사용된다. 이러한 비율이 1보다 작을 때, 다다른 LHS의 에너지 용량 전에 사용될 수 있는 것보다 방전 단계를 유도하는 것에 더 많은 열이 있다. 더욱이, 이것은 충전 사이클에 가능한 불충분한 감열 냉각을 의미한다. 상기 SHS 용량이 다다른 후, 상기 충전 사이클은 SHS가 하부냉각 용량을 제공할 수 있을 때 보다 높은 질에 증기에 포화 액체에서 나타나야만 한다. 이것은 충전 사이클 및 긴 기간에 걸쳐 발생하는 시스템 충전(에너지 저장)의 COP를 감소한다. 또한, 이것은 하부 냉각을 갖지 않는 사이클의 평균화된 COP 방식들 시간이 증가적으로 불충분한 SHS 용량과 같은 것 때문에 왕복 효율에 있어서 감소시키는 것을 나타난다.
수행의 비율이 1보다 클 때, 그것은 방출 사이클에 가능한 불충분한 열이다. 이러한 낮은 랭킨 사이클 열 효율은 단지 상기 압축기 및 확장기에 제공된 에너지 때문에 왕복 효율을 감소시키지 않지만 설명이 고려된다. 그러나, 환경에 대한 열 하중이 이러한 경우 증가한하고 더 큰 열 교환기를 필요로 한다.
도 41 내지 도 45은 왕복 효율 및 다양한 확장기/압축기 효율을 갖는 끓은 온도의 범위를 위한 RP,SHS를 설명한 그래프이다. 상기 왕복 효율은 왼쪽 수직 축상에 굵은 선을 나타내고 수행의 비율은 오른쪽 수칙 축상에 판선을 나타낸다. 이것은 좀 더 효율적인 감열 저장을 갖는 모든 경우에 있어서 증가시키는 왕복 효율을 이러한 차트에 나타낸다.
상기 수행의 비율은 최소 수행 조건을 갖는 전체 효과적 SHS와 함께 0.9 이상에 증가한다(도 45). 이것은 충전 사이클을 위한 감열 냉각의 제공을 가능하게 하는 효과적 SHS를 의미한다. 상기 수행의 비율은 단치 도 41 및 도 42 및 단지 0.95 이상 열 교환기 유효성의 경우에 있어서 일치 이상을 보인다. 대부분의 경우에 있어서, 그 다음 상기 SHS는 전체 방존 기간 동안 방전 단계에 감열을 제공하는 것에 가능하다.
도 66은 왕복 효율(Y-축)에 대하여 끓는 점(C)(X-축)에 증가 전체의 그래프이고 이것은 도 45 내지 도 41에 있어서 모든 경우를 위한 왕복 효율에 증가 전체를 나타낸다. 방전 과정에서 끓는 온도를 증가시키면 효율적 SHS와 왕복 효율에 있어서 크게 향상과 일치한다. 만일 저급 열의 온도가 충분히 높다면, 아마도 약 70℃보다 큰, 또한, 단순화된 시스템은 그 다음 적합한 왕복 효율을 제공하는 것을 시작한다. 이러한 단순화된 시스템은 감열 저장의 예외와 함께 도 32에 설명한 주요 구성 요소의 모두를 보유한다. 에너지 저장 시스템의 이러한 특징을 제거하는 것은 배열을 단순화하고 비용을 감소하지만 왕복 효율을 제공한다. 저금열 원료를 위한 높은 온도는 하단 수행을 위해서 보상할 수 있다. 본 발명에서 또 다른 고려사항은 도 45에 나타낸 바와 같이, 주요 열 교환 단계에 있어서 온도 차이 유도의 충돌이다. 이러한 고려사항은 전체 에너지 저장 시스템의 결합 구성 요소와 같은 감열 저장 결핍된 시스템안에 계수된다.
[표 2]는 동일 및 35℃에 세트인 사이클의 충전 및 방전 상태를 위한 주변 온도에 공치 조건의 세트아래서 도 1에 기재된 것과 같은 감열 저장 시스템을 위한 계산적 실행으로부터 정보를 나타낸다. [표 2]는 각각 상기 시스템의 충전 또는 방출 상태 동안 주변에 배제돼야만 하거나 주변에 의해서 제공돼야만 하는 열 에너지의 양과 같은 정성(quantities)을 제공한다. 또한, 충진 재료는 감열 저장 탱크에 추정되고 표에서 제공된 값은 암석(화강암)과 같은 대표 재료를 위한 것이다. 프로판은 계산적 실행을 위한 작동 유체이다. 또한, 필요한 열 에너지의 양이 제공된다. 이러한 정성(quantities)은 기계적 구성요소 모두를 위한 100% 및 85%의 등엔트로피 효율을 추정하는 두 가지 경우를 위해서 결정된다. [표 2]에 나타낸 것과 같이, 96%의 왕복 저장 효율은 100% 등엔트로피(또는 이상적) 경우를 위해서 계산된다. 또한, 이러한 이상적인 경우는 상기 열 전송 구성 요소에 있어서 온도 차이를 유도하는 설명(account)을 취하지 않는다. 그러나, 도 22 및 23은 온도 차이를 유도하는 설명을 취하는 것을 주목하라.
Figure pct00008
a에틸렌 클리콜은 이것의 13.5oC에 어느점 대표적인 재료와 같이 사용된다.
b암석(화강암)은 =2800kg/m3 및 cp=0.8kJ/Ckg를 갖는 파악 가능한 재료처럼 사용된다.
[표 2]에 있어서, 계산에서 결과들은 각 각 100% 및 85% 등엔트로피 효율 경우를 위한 상기 그리드 위로 뒤로 방전되는 전력의 매 kW-h를 위해 저장되는 것에 필요한 잠열 5.92 및 7.14 kW-h을 나타낸다. 또한, 실시예처럼 열의 거의 6.22 kW-h가 상기 85%를 가지고, 충전 상태 동안 주변에 배제된다. 그리드 바로 뒤로 전력의 1 kW-h를 방전하는 85% 등엔트로피 효율 경우를 사용 및 잠열 저장 재료(160 kJ/kg 또는 0.044 kW-h/kg의 잠열을 갖는)를 위한 에틸렌 글리콜의 사용을 전제하는 것은 0.148 m3의 부피를 차지하는 재료의 거의 162 kg를 요구할 수 있다. 이러한 후자 도면은 방지 또는 작동 유체를 위한 채널 흐름을 위한 부피를 포함하지 않는다. 만일, 저렴한 감열 재료가 암석 자갈(rock pebbles)과 같은 것이 사용된다면, 감열 저장 질량 상에 하단 제한은 mcpT위에 엄격히 기초된 210 kg이다. 단지 중간 공백없이 저장 재료의 양을 차지하고 있다면 그것은 0.078 m3의 부피를 갖는다. 더욱이, 단지 하단 제한은 일반적으로 2 내지 3 배 이러한 암석의 양은 "수온약층" 감열 저장을 시행하는 데 필요할 수 있기 때문에 하단 자갈 바닥 질량에 배치 될 것이다. 시스템을 위하여 필요한 저장 재료의 양을 위해 일차 추정 계산을 참조하여, 높은 저장 수준으로 축소 추정치는 더 많은 재료와 탱크 부피의 추가를 가정하여 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 100 kW-h 저장 시스템은 거의 14.7 m3의 부피를 갖는 에틸렌 글리콜의 16,200 kg를 사용한다. 만일 1.5의 부피 인자가 방비 및 작동 유체 채널을 위한 허용량을 위해서 사용된다면, 3.5 m의 직경을 갖는 구형 탱크가 결정된다. 또한, 상기 감열 저장 탱크는 이러한 크기 및 0.75 m 직경 및 5.1 미터 길이에 실린더를 주는 두 개의 부피 인자를 사용하는 것에 크기를 변경한다. 이들은 100 kW-h 시스템에 대한 적절한 값이 될 것이고, 훨씬 더 큰 저장 탱크 및 시스템 산업 규모 설정에서 구상될 수 있다.
[표 1] 및 [표 2] 사이에 값들에 있어서 차이를 주목하는 것은 분석 시스템에 있어서 차이, 공칭 작동 조건, 계산에 사용되는 구성 요소 수행, 데이터의 각 세트를 생성하는 데 사용되는 의미화로부터 발생한다.
IV . 유체 정체를 위한 시스템
저급 열(거의 90℃ 아래 온도를 갖는)은 태양광, 지열, 발전소 및 및 산업 원료에서 사용 가능하고 수집 및 사용에 있어서 고가의 어떤 특정 상황에 있어서 사용될 수 있다. 게다가, 또한, 하루 온도 변동(diurnal temperature swings)는 이용할 수 있는 저급 열의 원료를 나타낸다. 본 발명에서 공지된 실시예는 비-음료수에서 신선한 물의 생산에 있어서 저급 열의 원료를 이용될 수 있다.
특정한 공지된 실시예는 단계와 같은 것을 수행하기 위해 필요한 에너지의 양을 감소하는 것만큼 유체를 정제하는 시스템을 고려한다. 게다가, 특정한 공지된 실시예는 저급 열 에너지와 같지만 이에 제한되지 않는 고급 전력보다 다른 에너지 원료 사용이 가능하다. 특정한 실시예는 약 40℃ 내지 약 100℃, 더욱 일반적으로 약 60℃ 내지 약 80℃에 온도 범위에 저급 열 열원을 고려한다. 저급 열 에너지의 제한되지 않는 실시예는 태양광 에너지, 지열 원료에서 에너지, 산업적 폐기 열, 발전솔 폐기 열, 환경 온도 차이(예를 들어, 하루 동안 온도 변동) 및 토착 연료의 연소를 포함한다.
어떤 실시예에 있어서 확장기/압축기 기술은 염(예를 들어, 염화 나트륨)과 같은 오염물을 분리하기 위한 냉동된 그것 이후, 얼음과 같은 냉동된 유체를 용해하는 것에서 열을 회복하기 위해서 사용된다. 에너지 회복은 예를 들면, 열 교환기 장치를 통하여 함께 결합된 열 펌프 및 열 엔진 사이클 수행된다. 시스템과 같은 것은 냉동/해동 사이클에서 열 회복을 제공하고, 최소화된 랭킨 사이클 수행 및 접근된 카르노 효율을 통하여 에너지 사용에 근본적인 제한과 같은 상기 두 개 사이클의 열역학적 수행을 개선한다. 상기 공지된 실시예의 특정한 공지된 실시예는 지음료수 생산에 속적 작동을 사용해서 고려하고 다른 것들은 거의 정류 시스템 작동을 유지하기 위한 적어도 두 개 일괄-방법(batch-wise) 가공 단위를 사용해서 고려한다. 특정한 실시예에 있어서, 저급 열 에너지는 정제 단계를 유도하기 위해서 사용되는 주변에서 발견된다. 본 발명에서 포함된 어떤 설명이긴 하지만 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 당업자가 인식하는 공지된 실시예 및 본 발명에 의해 고려된 냉동/펌프/해동 단계에 의해서 정제되는 것이 사능한 다른 유체인 비-음료수 정제를 위한 실시예 시스템을 설명한다.
유체 정제 시스템의 특정한 실시예 비-음료수와 같지만 제한되지 않는 것이 기재된다. 도 47은 유체 정제에 사용된 시스템의 공지된 실시예의 계략을 나타낸다. 도 47에 설명된 것과 같이 시스템 340은 도해의 꼭대기에 있는 주변, 중간에 있는 열역학적 사이클 및 바닥에 있는 물 가공을 갖는 열 교환 단계와 같이 배열된다; 그러나, 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 당업자는 이러한 배열은 다양하게 되는 것을 인식한다.
특정한 실시예가 냉동 물 정제 단계의 냉동을 유도하는 확장기/압축기 방식을 사용해서 고려한다. 도 47에 참고하여, 시스템 340은 유체 정제를 위해서 사용된다. 시스템 340은 열역학 및 열 교환 특징만큼 유체 가공 구성 요소를 포함한다. 상기 물 가공 구성 요소는 역류 열 교환기 342, 열교환기를 좀 더 포함하는 냉동기 344, 세문리 및 세척이 일어라는 탱크 346 및 용해기 열 교환기를 좀더 포함하는 용해기 348을 포함한다. 상기 열역학 및 열 교환 특징은 두 개 분리된 루프로 유동적으로 연결된다. 전력 사이클 또는 확장 사이클(용어 전력 사이클 및 확장 사이클은 전체적으로 상호교환가능하게 사용된다.)을 생산하는 상기 해동 루프 354는 증기 확장기 284, 주입 펌프 350, 역류 열 교환기 장치 352 및 상승된 온도 열 교환기 장치 356르 포함한다. 열 펌프 사이클(용어 냉동 사이클, 압축기 사이클 및 냉동 사이클은 상기 용어 열 펌프 사이클과 상호교환가능하게 사용된다)은 압축기 278, 주변 온도 열 교환기 360, 해동 루프 354와 같은 동일한 역류 열 교환기 장치 352, 교축(throttling) 밸브 364 및 냉동기 344를 포함한다. 또한, 시스템 340은 전력 그리드 30에 전기적으로 연결된 모터/발전기 장치 28을 포함한다. 증기 확장기 284 및 상기 압축기 278은 상기 모터/발전기 장치 28에 기계적으로 연결된다. 게다가, 시스템 340은 온도-조절기 장치 358 및 362를 포함한다.
앞서 언급된 구성 요소에 더하여, 또한, 상기 해동 사이클은 1차 작동 유체를 포함한다. 본 발명에서 언급된 어떤 작동 유체는 이러한 것 및 유체를 정제하는 시스템 및 조합된 유체 정제/에너지 저장 시스템의 다른 공지된 실시예로 사용된다. 도 47에 설명된 것과 같이, 해동 사이클의 구성 요소는 유동적으로 연결된다.
또한, 상기 냉동 루프는 냉동제와 같은 2차 작동 유체를 포함한다. 냉매의 예는 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 당업자에게 알려져 있지만 제한되지 않는 것과 같은 프로판 및 부탄, 암모니아 및 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 당업자에게 알려진 합성 냉동제 자연적 냉동제를 포함한다. 어떤 적합한 냉매는 이러한 공개된 실시예 및 본 발명에서 공개된 다른 실시예로 재사용된다. 특정한 공개된 실시예에 있어서, 냉동 루프의 구성요소는 유동적으로 연결된다.
정제된 유체를 생산하는 시스템의 또 다른 실시예가 공지된다. 이러한 실시예에 있어서, 열 연못과 같은 물의 열 원료는 정제 공정을 유도하는 두 개 다른 온도에서 물을 제공하기 위해서 사용된다. 특정한 실시예에 있어서, 자연적이거나 인공적 열 연못은 열 구배를 안정화하기 위해서 염 구배를 갖고 열 구배를 확립하기 위해서 태양광 에너지를 사용하는 것이 사용된다. 약 50℃ 내지 약 90℃에 범위, 좀 더 일반적으로 50℃ 내지 약 90℃에 범위 따뜻한 물은 열 연못에 의해서 수집된 태양광 에너지와 같은 에너지를 사용해서 얻을 수 있다. 상기 상부 층의 증발 냉각은 약 5℃ 내지 약 50℃ 범위, 좀 더 일반적으로 10℃ 내지 약 40℃ 범위 습윤-벌브 온도 물의 원료를 제공할 수 있다.
시스템 372의 특정한 실시예가 도 48에 나타낸다. 도 48에 설명된 것과 같이, 상기 시스템은 다음 유체 가공 구성요소를 포함한다: 역류 열 교환기 342, 냉동기 344, 세척이 일어나고 분리된 탱크 346 및 용해기 348. 상기 열역학적 및 열 교환 특징은 두 개 분리된 루프로 유동적으로 연결된다. 상기 해동 루프 354는 증기 확장기 284, 용해기 348에 위치한 열 교환기, 주입 펌프 350, 역류 열 교환기 352 및 따뜻한 온도 열 교환기 368을 포함한다. 상기 냉동 루프(예를 들어, 열 펌프 사이클) 366 을 압축기 278, 습윤-벌브 열교환기 370, 해동 루프 354와 또한 연관된 역류 열 교환기 352, 밸브 364 및 냉동기 344에 위치된 열교환기를 특징으로 한다. 또한, 시스템 372는 전력 그리드 30에 전기적으로 연결된 모터/발전기 28을 포함한다. 증기 확장기 284 및 압축기 278 둘 다 모터/발전기 장치 28에 기계적으로 연결된다.
앞서 언급된 구성 요소에 더하여, 또한, 상기 해동 루프 354는 1차 작동 유체를 포함한다. 도 48에 설명된 것과 같이, 상기 해동 루프의 구성 요소는 유동적으로 연결된다.
또한, 냉동 루프는 냉동제와 같은 2차 작동 유체를 포함한다. 도 48에 셜명된 것과 같이, 상기 냉동 루프의 구성 요소는 유동적으로 연결된다.
도 48은 열 연못 260에 두 개 다른 온도를 만드는 특정한 실시예를 설명한다. 이러한 특정한 실시예는 약 50℃ 내지 약 90℃ 범위, 좀더 일반적인 약 50℃ 내지 약 80℃ 범위 온도에 연 연못 260의 바닥 지역을 가열하기 위해서 태양광 복사(radiation)와 같은 에너지를 사용한다. 상기 열 연못 260은 염 농도 구배를 가진다; 예를 들어, 높은 염 농도를 갖는 연못의 바닥 및 낮은 염 농도 범위를 갖는 꼭대기. 이러한 배치는 대류 전류(convection currents)면에서 안정되고, 에너지(예를 들어, 태양광 복사)가 상기 연못의 하부 지역에 들어가고 상기 연못의 바닥 근처 물을 가열하는데 가능하다. 게다가, 상기 열 연못의 꼭대기는 증발 냉각을 통한 습윤 벌브 온도를 접근할 수 있다. 특별한 실시예에 있어서, 증발은 살수장치(sprinkler) 시스템과 같은 물 순환 원료와 함께 촉진될 수 있다. 그래서, 특별한 실시예에 있어서, 상기 시스템 32의 열 연못 배치는 상기 전력 사이클 유도를 위한 열의 따뜻한 원료 및 상기 열 펌프 사이클을 위한 열 배제를 위해 낸가 주변 온도를 만드는 것 모두를 제공할 수 있다. 상기 열 연못 260은 따뜻한 온도 열 교환기 368 및 습윤-벌브 열 교환기 370에 유동적으로 연결된 펌프 288에 유동적으로 연결된다.
특정한 실시예에 있어서, 냉각 주변 온도는 예를 들어, 환경에서 발견되는 해양 또는 다른 싱크(sink)로부터 사용가능하다. 실시예와 같은 것에 있어서, 상기 열 연못은 상기 전력 사이클을 유도하기 위한 따뜻한 온도를 발전하기 위해서 사용된다. 또한, 만일 어떤 위치에 있어서 실행가능하지 않는 시스템 372의 외부 열 연못 사용한다면, 에너지(예를 들어, 태양광 에너지)는 예를 들어, 평판 패널 태양광 수집기 사용한 포획에 의해서 여전히 이용될 수 있다.
V.유체 정제 및 에너지 저장에 조합된 시스템
비-음료수와 같지만 이에 제한되지 않는 정제된 유체를 생산하는 공지된 시스템의 더욱 공지된 실시예는 에너지 저장 단계 및 유체 정제 단계가 조합된 것으로 공지된다. 예를 들어, 도 49는 도 47 및 도 48에 공지된 것들에 상당히 비슷한 불순한 유체 가공에 구성 요소에 시스템 374의 특정한 실시예를 설명한다. 시스템의 열역학적 특징은 증기 확장기/압축기 장치 14; 폐-열 회복 장치 160; 각각 충전/방출 사이클 조절하는 밸브 80 및 82; 감열 저장 장치 18; 모터/발전기 장치 28 및 전력 그리드 30을 포함한다. 도 49에 나타낸 바와 같이, 상기 장치의 각각 흐를 수 있는 두-상태 작동 유체를 통한 유동적으로-폐쇄된 순환도 382에 유동적으로 연결될 수 있다. 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 당업자에게 부가적인 밸브 및 배관(plumbing)에 인삭하는 것은 열 교환, 보유 탱크 및 펌프를 위한 유체 전송을 용이하게 하기 위하여 필요하게 된다.
도 49에 설명된 것과 같이, 에너지 저장은 정제 단계와 연결될 수 있다. 도 49에 설명된 시스템 374는 모터 펌프 350, 교축(throttling) 밸브 364, 냉동 사이클 또는 해동 사이클 중 하나 동안 단일 작동 유체의 흐름의 조절을 허용하는 밸브 376, 378 및 380 및 용해기 348 및 냉동기 344에 위치된 열교환기를 포함한다. 기술 분야에 있어서 일반적 기술의 당업자가 에너지 저장에 인식하는 것은 유체 정제와 같이 동일한 시간에 발생한다.
에저지 저장 및 유체 정제를 조합한 또 다른 실시예가 설명된다. 도 50에 셜명된 것과 같이, 비스한 유체 가공 구성 요소는 도 47, 48 및 49의 어느 하나에 나타낸 것처럼 사용된다. 상기 유체 가공 구성 요소는 냉동 및 해동 열역학적 사이클의 구성요소들에 이해서 작동된다. 도 50에 셜명된 것과 같이, 확장기/압축기 장치 14는 작동 유체의 흐름을 조절하는 데 사용되는 밸브 80 및 82에 유동적으로 연결된다. 또한, 상기 시스템은 감열 저장 장치 18과 작동 가능한 부가적 역류 열 교환기 324에 유동적으로 연결된 폐-열 회복 장치 160을 포함한다. 도 50에 나타낸 것과 같이, 특정한 실시예는 감열 저장 장치 18 에 포함되고 작동 유체 사이클로부터 감열 열 에너지를 저장에 사용되는 것인 물 기초한 수용액(예를 들어, 프로필렌 글르콜과 같지만 이에 제한되지 않는 2차 구성 요소를 첨가한 물)을 포함하는 저장 매체의 2차 유체 루프 328을 갖는다. 상기 감열 저장 장치 18은 역전 펌프 326 만큼 2차 유체 루프 328 안에 포함된다. 특정한 실시예에 있어서, 상기 감열 저장 장치 18은 자갈 바닥 또는 절연된 움직이는 분리기를 갖는다. 상기 공지된 시스템은 모터/발전기 장치 및 도 47, 48 및 49의 어느 하나에 나타낸 전력 그리드 만큼 도 49(예를 들어, 모터 펌프, 교축 밸브, 밸브 및 용해 및 냉동 단위 모두에 열 교환기)에 나타낸 것들과 같이 상당히 비슷한 열역학적 사이클 구성 요소를 포함한다.
에너지 저장 및 유체 정제를 조합한 또 다른 실시예는 도 51에 설명된다. 상기 시스템 500의 물 가공 구성 요소는 도 51에 설명된 것과 같이, 두-유체 열 교환기 342, 냉동/해동 탱크 386 및 얼음 발생기 장치 384를 포함한다. 상기 냉동/해동 탱크 384는 응축기 패널 388을 포함한다. 또한, 시스템 500은 보유 탱크 392에 응축기 패널에서 응출물을 전송하는 펌프 390, 펌프 394, 냉동/해동 단계에 의해서 비-음료수에서 상당히 제거되는 오염물의 어떤 종류를 방출하기 위한 배출 밸브 396(예를 들어, 염화 나트륨 및 다른 오염물과 같은 염) 및 부가적인 밸브 398을 포함한다. 상기 얼음 발생기 장치 384는 표준 표면 긁기 열교환기 또는 상기 얼음 발생기 장치 384를 통하고 상기 냉동/해동 탱크 386 안에 순환하는 얼음 슬러리(slurry)를 생산하는 회전 막대 형태로부터 선택된다. 시스템 500의 상기 에너지 저장 특징 및 열역학적 사이클은 상기 특징 및 도 49에 나타낸 사이클에 상당히 비슷하다.
VI . 유체 정제를 위한 방법
공지된 시스템을 사용을 위한 방법이 공지된다. 이러한 방법은 지속적 작동 모드 또는 간혈적(intermittent) 배치-방식 모드를 사용해서 수행된다. 상기 공지된 방법의 하기 실시예는 정체 단계의 유체/얼음 취급 부분을 위해서 제공되고 적절한 기능을 위하여 정제 시스템에 의해서 취급하는 얼음을 위해 필요한 기초 단계를 제공에서 설명되는 것을 의미한다.
A. 확장기/압축기 시스템을 위한 지속적 작동 모드
지속적 장동 모드에서 상기 공지된 시스템 사용을 위한 일반적 설명이 공지된다. 특정한 실시예에 있어서, 비-음료수와 같은 불순한 유체는 주입 열 교환기를 통하여 시스템을 진입하고 거의 냉동 조건에 냉각된다. 상기 불순한 유체는 그 다음 냉동기를 진입하고 냉동된 유체 슬러리 및 냉동기를 떠난 농축된 오염물 모두인 지점에서 지속적인 단계로 냉동되고 분리기/시척기 단위를 진입한다. 상기 농축된 오염물은 오염물의 작은 양을 포함하거나 포함하지 않은 냉동된 유체를 생산하기 위한 상기 슬러리에서 추출될 수 있다. 상기 냉동된 유체는 그다음 남겨진 오염물 및 농축된 오염물을 제거하기 위한 신선한 유체의 적은 양과 세척되고 세적 유체는 주입 열 교환기를 통하여 상기 시스템에서 배제된다. 상기 세척된 냉동 유체는 상당히 정제된 유체를 생산하기 위해서 용해된 냉동 유체에 용해기를 진입한다. 상기 정제된 유체는 세척을 위해 사용되는 것에 전환된 신선한 유체의 적은 부분 및 주입 열 교환기을 통해서 정체 시스템을 떠난 순수한 유체의 커다란 부분에 지점에서 상기 용해기를 떠난다.
도 47에 참조하여, 해수와 같은 비-음료수는 역류 열 교환기 342를 통하여 상시 시스템을 진입한다. 상기 비-음료수는 약 0℃ 내지 약 -10℃, 더욱 일반적으로 약 -1℃ 내지 약 -10℃에 온도 범위에서 냉각되는 것에 냉동기 344에 제공된다.
염(예를 들어, 염화 나트륨)과 같은 오염물의 혼합물 또는 슬러리 및 얼음은 상기 냉동기 344에 지속적으로 생산되고 오염물이 제거된 얼음에서 제거된고 상기 열 교환기 342를 통하여 시스템에서 제거된 염화 나트륨을 제거하기 위해 충분한 신선한 물의 양과 함께 세척된 얼음에 분리기/세척기 단위 346에 전송된다. 상기 탱크 346에서 정제된 얼음은 용해된 얼음 및 열 엔진 사이클에 의해서 부분적으로 회복된 물을 냉동하기 위해서 사용된 에너지에 용해기 348에 유동적으로 전달된다. 정제된 물은 용해기 348으로부터 지나간다. 음료수의 일부가 상기 열 교환기 342에 보내지게 된 음료수의 중요성과 함께 물 세척과 같이 탱크 346에 엇갈린다. 상기 음료수는 상기 열 교환기 342을 통하여 시스템을 나가고 하용을 위해 준비한다. 게다가, 염(예를 들어, 염화 나트륨) 및 다른 오염물과 같은 냉동/세척 단계 동안 정제된 물에서 분리되는 것이 가능한 오염물의 어떤 종류는 역류 열 교환기를 통하여 상기 시스템을 나간다. 부가적인 실시예는 요해 및 냉동 단계를 위한 직접 접촉사용을 고려한다.
도 47에 설명된 시스템의 열 역학적 단계가 공지된다. 도 47에 있어서, 상기 작동 유체는 상기 증기 확장기 284를 통하여 지나간 후 용해기 348에 응축한다. 확장기 284에서 나타낸 것과 같이, 상기 작동 유체는 증기 상태이지만, 이것이 용해기 343를 진입한는 것과 같이 거의 포화 조건이다.
상기 용해기 348에 상기 작동 유체가 있을 때, 이것은 약 5℃ 내지 약 -10℃에 온도 범위, 더 일반적으로 약 2℃ 내지 약 -10℃에서 응축하고 이것에 전송되는 얼음을 용해한다. 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 당업자가 용해된 얼음과 같이 생산된 정제된 물과 함께 혼합 없이 용해기 348을 통하여 지나가는 작동 유체를 인식한다. 상기 작동 유체는 포화된 액체처럼 용해기 348에서 나오고 증가된 작동 유체 압역에 주입 펌프 350을 통하여 지나간다. 이러한 점에서 상기 작동 유체는 역류 열 교환기 352를 진입하는 이것과 같이 거의 0℃의 온도에 있다. 상기 역류 열 교환기 352에 있어서, 상기 작동 유체는 약 10℃ 내지 약 100℃, 더욱 일반적으로 약 20℃ 내지 약 100℃, 가장 일반적으로 약 50℃ 내지 약 80℃ 범위 온도로 증가한다. 그래서, 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 당업자는 상승된 온도 열교환기 356에서 증발되기 전 작동 유체를 데우는 역류 열 교환기 352를 인식한다. 상기 작동 유체가 상승된 온도 열교환기 356에 있을 때, 국소적 주변 온도 보다 높은 온도에 열을 생산 가능한 에너지 원료는 상승된 압력에서 상기 작동 유체를 끓이는 것에 사용된다. 상기 에너지 원료는 태양광 에너지, 환경 온도 차이, 지열 에너지, 산업적 폐기 열 원료 도는 발전소로부터 폐기 열에서 선택된다. 상기 작동 유체가 증발된 후, 그것은 그것이 수증기 확장 과정을 거쳐 확장기 284로 경로화하고 따라서 압축기 278를 구동하는 작업을 생성합니다. 상기 쓰고난 증기는 용해기에 위치된 열 교환기에 응축물 발생 및 상기 사이클을 다시 시작하는 것에 상기 용해기 348을 진입한다.
상기 냉동 루프 366은 도 47에 설명된 것과 같이, 상기 냉동기의 냉각 공간에서 증기 냉동제를 이끄는 압축기 278처럼 증발한 냉동제에 냉동기 344에서 시작한다. 압축기 278을 통하여 지나간 후, 상기 냉동제는 응축? 냉동제에 주변 온도 열 교환기 360을 통하여 지나간다. 상기 이러한 열 전송 단계를 위한 열 싱크는 사용가능한 멋진 환경 온도가 된다, 예를 들어 대기 또는 비-음료수 원료 조건은 바람직하게 냉각 온도 팽배한 것에 표면 아랫니다. 응축 후, 거의 주변 온도 상기 냉동제는 주변 온도에 더워진 전력 사이클 작동 유체와 같은 거의 0C에 온도로 감소하는 것에 역류 열 교환기 352릉 통해 흐른다. 상기 냉동제는 그 다음 밸브 364를 통해 조여지고 제조된 얼음에 냉동기 344를 집입한다. 특정한 실시예에 있어서, 데움의 확장,상기 확장기 284를 통하여 지나가는 가압된 전력 사이클 증기는 작동을 위해서 냉동 사이클을 가능케하는 압축기 278을 유도한다. 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 당업자는 효과적인 구성 요소 사용 및 상기 압축기 278에 의해서 소모되는 것보다 큰 전력을 생산하는 것에 결과 할수 있는 상기 열 교환 구성 요소에 작은 유도된 온도 차이을 인식한다; 그러므로, 특정한 실시예는 초과 전력이 증기 확장기 284에서 제거될 수 있고 전력 그리드 30에 전달되도록 모터/발전기 장치 28을 포함한다. 또한, 만일 불 충분한 전력이 발생되면, 상기 모터 기능은 상기 압축기 278에 입력할 필요를 제공하는 것에 사용될 수 있다.
도 48에 있어서 설명된 시스템 372 사용을 위한 방법이 공지된다. 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 당업자는 도 48에 설명된 시스템에 있어서 이용된 도 47의 시스템을 위해 설명된 방법에 비슷한 방법을 인식한다. 시스템 372에 있어서, 그러나, 전력 사이클을 위해 필요한 온도를 발생하는 것에 사용된 따뜻한 온도 열 교환기 368는 열 연못 260의 바닥에서 얻는 따뜻한 물에 의해서 작동된다. 상기 따뜻한 물은 상기 확장기 284 안으로 지나는 이것 전에 상기 작동 유체의 온도를 증가시키는 따뜻한 온도 열 교환기 368을 통하여 흐른다. 상기 따뜻한 온도 열 교환기 368 남겨진 따뜻한 물은 상기 열 연못 260 안에 다시 흐른다. 게다가, 상기 열 연못 260에서 차가운 물은 상기 압축기를 떠난 그것처럼 냉동제를 냉각하기 위해서 일요한 온도 수준을 제공하기 위하여 습윤-벌브 열 교환기 370 안에 흐른다. 상기 습윤-벌브 열 교환기 370에서 물은 그 다음 상기 열 연못 260에 다시 보내진다.
B. 확장기/압축기 시스템을 위한 간헐적인 배치-방식 작동 모드
특정한 실시예에 있어서, 포함되지 않는 에너지 저장에 상기 확장기/압축기 시스템은 정제된 유체의 수집을 허락하는 일시적으로 종료된다. 일반적으로, 상기 불순한 유체는 주입 열교환기을 통하여 상기 시스템을 진입하고 거대한 냉동기를 채우는 불순한 유체인 후 거의 냉동 조건에 냉각된다. 동시에, 상기 용해기에 앞서 용해된 정제된 유체는 상기 용해기에서 흐르고 상기 주입 열 교환기를 통하여 상기 시스템을 떠난다. 충진 및 배수 단계가 완료되었을 때, 상기 분리기/세척기 단위로부터 냉동된 유체는 상기 냉동기에 불순한 유체에서 냉동된 유체 슬러리를 만들기 위해서 작동하는 상기 확장기/압축기 사이클 점에서 용해 탱크에 보내진다. 또한, 상기 확장기/압축기 사이클은 용해 탱크에서 상기 냉동된 유체를 용해한다. 상기 확장기/압축기 사이클은 종료되고 냉동된 유체/오염물 슬러리는 상기 단계를 반복하기 위해서 상기 냉동기를 떠난다. 특정한 실시예에 있어서, 상기 용해 탱크를 떠타는 정제된 유체의 작은 양은 상기 분리기/세척기 단위에 냉동된 유체를 세척하기 위해서 사용된다. 좀 더 실시예에 있어서, 농축된 오염물/세척 유체를 위한 작은 보유 탱크는 정확한 시간에 주입 열 교환기를 통해 또한 흐를 수 있도록 이러한 유체를 임시적으로 담는데 사용될 수 있다.
C. 공동-기능적 에너지 저장/정제 시스템을 위한 간헐적인 배치-방식 작동 모드
특정한 실시예에 있어서, 공동-기능적 에너지 저장/정제 시스템은 음료수 수집에 사용된다; 그러나, 상기 공지된 실시예는 물 정제 및 상기 공지된 방법에 의해서 고려된 다른 유체에 제한되는 것을 고려하지 않는다. 어떤 특정한 실시예에 있어서, 비-음료수는 상기 주입 열 교환기를 통하여 시스템을 진입하고 거대한 냉동/해동 탱크를 충진하는 비-음료수 점 후 거의 냉동 조건에 냉각된다. 상기 에너지 저장 작동 유체는 상기 냉동/해동 탱크에 또는 안에 부착된 얼음 발생기를 사용한 슬러리 안에 비-음료수를 냉동에 의해서 충전 모드로 작동한다. 상기 얼음/오염물 슬러리를 일으키는 것 후, 상기 충전 사이클은 종료되고 농축된 오염물은 상기 냉동/해동 탱크에서 배수된다. 신선한 물의 적은 양은 상기 탱크에 남은 얼음은 헹구기 위해서 사용되고 그 다음 상기 탱크는 신선한 물/얼음 슬러리를 만들기 위해서 상기 보유 탱크에서 충분한 신성한 물과 함께 재-충전된다. 상기 에너제 저장 작동 유체는 그 다음 상기 냉동/해동 탱크에 물/얼음 혼합물을 해동에 의해서 방출 모드로 작동한다. 상기 방출 사이클 이후, 상기 액상 신선한 물은 상기 냉동/해동 탱크에서 배수되고 상기 보유 탱크에 놓인다. 상기 냉동/해동 탱크가 비-음료수로 재충전될 때, 상기 보유 탱크 안에 신선한 물은 상기 주입 열 교환기을 통하여 상기 시스템의 외부를 흐르고 유입된 비-음료수를 냉각한다. 특정한 실시예에 있어서, 농축된 오염물/세척 물을 위한 작은 보유 탱크는 정확한 시간에 주입 열 교환기를 통하여 또한 흐를 수 있도록 이러한 유체를 임시적으로 담는데 사용될 수 있다.
상기 조합된 에너지 저장 및 물 정제 시스템 374를 사용을 위한 방법이 공지된다(도 49). 특정한 실시예에 있어서, 상기 물 가공 단계는 도 47 및 도 48을 위해 설명한 것들에 비슷하다. 시스템 374의 열역학에 참조하여, 단일 작동 유체는 이용되고 상기 사이클의 방향은 에너지 저장 충전 기능 내지 방출 기능으로 전환할 때 바뀐다. 상기 상기 냉동기를 작동하기 위한 에너지는 상기 전력 그리드 30에 의해서 생산되고 에너지는 상기 용해기 348에 용해된 얼음처럼 전력 그리드에 다시 흐른다. 상기 감열 저장 장치 18은 충전 사이클에서 열 에너지 저장에 사용되고 좀더 효과적인 에너지 저장 단계를 만들기 위한 상기 방출 사이클에 이것을 제공한다. 특정한 실시예에 있어서, 시스템 374이 상기 충전 사이클에 의해서 생산된 것과 같은 상기 방출 사이클에 많은 에너지처럼 사용 할 수 있어서 상기 공지된 시스템의 효과적 실시예처럼 행동한다. 앞서 언급된 것과 같이, 밸브 376, 380 및 378은 시스템 374의 용해기(예를 들어 밸브 380을 열고 밸브 376 및 378을 폐쇄) 또는 냉동기(예를 들어 밸브 378 및 376을 열고 밸브 380을 폐쇄) 중에 하나 유체를 보내는 것에 일정한 작동 유체의 흐름을 보장하기 위해서 사용된다. 상기 냉동/해동 단계의 효과적 작동은 감열 저장 및/또는 주변에 다른 온도 원료/싱크를 사용에 의해서 매개될 수 있다.
도 51은 상기 동일한 탱크에 일어나는 냉동 해동 단계들에 시스템 배열을 나타내는 하나에 실시예이다. 도 51에 설명된 것과 같이, 상기 얼음 발생기 384는 상기 냉동/해동 탱크 386에 외부에 사용되지만, 기술 분야에 있어서 일반적인 기술의 당업자는 상기 얼음 발생은 또한 상기 냉동/해동 탱크 내부에 일어날 수 있는 것을 인식한다. 상기 보유 탱크 392는 상기 단계에 정확한 시간에 상기 시스템의 보유 구성 요소를 통하여 물을 이동을 가능케한다. 다른 공지된 실시예와 같는 것과 같이, 에너지는 상기 냉동/해동 탱크 386에 냉동된 비-음료수처럼 감열 저장 장치 18에 이러한 시스템에 저장될 수 있다.
도 51에 나타낸 상기 물 가공 단계는 앞서 공지된 이러한 실시예에서 다르다. 냉동, 오명물/염 배수, 세척 및 해동 모두 상기 냉동/해동 탱크 386 및 얼음 발생기 하부 구성 요소 384에서 순차적으로 일어난다. 상기 단계의 냉동 부분은 열 배제를 위해 가능한 것과 같은 낮은 환경 온도처럼 사용한 얼음 형성 동안 상기 물에서 제거된 열에 열 펌프 작동과 관련된다. 거의 50% 또는 커다란 얼음을 나타내는 수준에 비-음료수를 냉동 이후, 상기 농축된 물 오염물(예를 등어, 염화 나트륨과 같은 염)은 배출구 396을 통하여 상기 탱크에서 배수된다. 약 2 내지 15 퍼센트, 더 일반적으로 약 10 퍼센트 범위 신선한 물의 작은 양은 염(예를 들어, 염화 나트륨)과 같은 어떤 잔류 오염물을 제거 및 배수를 위해서 사용된다. 상기 냉동/해동 탱크 386은 그 다음 상기 탱크가 신선한 물/얼음 슬러리를 포함하도록 충분한 물과 함께 충전된다. 상기 해동 단계는 주변에서 사용된 열의 상승된 온도 원료에 열 펌프 사이클에서 반대 방향으로 작동하는 전력 사이클과 함께 일어난다. 이것은 액체(예를 들어, 비-음료수) 정제하는 동안 높은 왕복 효율에 작동하는 시스템의 에너지 저장 측면에서 높은 수행을 허락한다.
적용된 공지된 발명의 원리에 많은 가능한 실시예의 범위에 있어서, 이것은 상기 설명된 실시예가 단지 바람직한 실시예인 것에 인식되어야하고 본 발명의 관점을 제한하는 것처럼 취하지 않는다. 더 정확히 말하면, 본 발명의 범위는 하기 청구항에 의해서 정의된다. 본 발명자들은 그러므로 이러한 청구항의 범위 및 진정한 의미 안에 오는 모두를 본 발명과 같이 청구한다.

Claims (48)

  1. 하기를 포함하는, 에너지 저장 및 제공용 시스템:
    잠열 저장 장치;
    증기 확장기 및 압축기 장치;
    모터/발전기 장치;
    열-교환기;
    가압 및 감압 장치; 및
    여기서 모든 장치들은 작동 유체가 이들을 통해 흐를 수 있도록 순환도에 유동적으로 연결되어 있음.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 시스템은 감열 저장 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 시스템은 방전용 파워 그리드에 전기적으로 연결되거나 충전용 파워 소스(전원)에 효과적으로 연결된 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 시스템은 냉각 저장 시스템을 포함하고 상기 장치는 다음의 순서로 유동적으로 연결되며: 증기 확장기 및 압축기 장치가 모터/발전기 장치에 기계적으로 연결되고 열-교환기, 저장 장치, 가압 및 감압 장치, 및 잠열 저장 장치와 유동적으로 연결되고; 및
    여기서 상기 잠열 저장 장치는 약 -65℃ 내지 약 0℃의 온도로의 잠열을 저장하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 증기 확장기 및 압축기 장치, 모터/발전기 장치, 및 가압 및 감압 장치 중 어느 하나는 공동-기능적 구성요소인 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 증기 확장기 및 압축기 장치, 모터/발전기 장치, 및 가압 및 감압 장치 중 어느 하나가 독립 기능 구성요소인 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 가압 및 감압 장치는 펌프/모터 장치인 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 시스템은 열 저장 시스템을 포함하고 상기 장치들이 다음의 순서로 유동적으로 연결되며: 감열 저장 장치, 가압 및 감압 장치, 열-교환기, 모터/발전기 장치에 연결된 증기 확장기 및 압축 장치, 및 잠열 저장 장치; 및
    여기서 상기 잠열 저장 장치는 약 90℃ 내지 약 150℃의 온도로의 잠열을 저장하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 감열 저장 장치는 증가된 열 용량, 감소된 작동 유체의 부피 및 감소된 작동 유체의 혼합을 위한 과립화된(granulated) 혼합물을 수용하는 저장 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 과립화된 혼합물은 작동 유체와 화학적으로 비-반응성이고 화강암, 실리카(silica)-기반 재료, 콘크리트, 금속, 유리, 중합체, 세라믹, 및 이들의 조합들로부터 선택된 것이며 약 1,200(J/kg ℃) 내지 약 200(J/kg ℃)의 열 용량을 가지는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 9항 및 냉각 저장 작동에 있어서, 상기 감열 저장 장치를 통하여 흐르는 작동 유체가 하나의 말단에서 약 -65℃ 내지 약 0℃의 온도를 가지고 두번째 말단에서 약 0℃ 내지 약 50℃ 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 잠열 저장 장치는 저장 탱크 및 이에 포함된 약 -65℃ 내지 0℃의 용해점을 가지는 잠열 저장 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 잠열 저장 장치는 직접 접촉 주입 열 교환기 및 돌출된 알루미늄 채널 어레이의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 잠열 저장 재료는 알킬렌 글리콜(alkylene glycol) 또는 알킬렌 글리콜의 수용성 수용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 알킬렌 글리콜이 에틸렌 글리콜(ethylene glycol) 또는 프로필렌 글리콜(propylene glycol)인 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 잠열 저장 재료는 약 0.1 cm3 내지 약 100 cm3의 크기를 갖는 캡슐을 형성하기 위해 감소된 열 저항성 및 증가된 접촉 표면 영역을 위한 열 전도성(thermally conductive) 재료 안에 캡슐화된 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 12항에 있어서, 잠열 저장 장치는 상기 잠열 저장 재료의 고체-액체 혼합물 및 상기 고체-액체 혼합물에 열적으로 연결된 적어도 하나의 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 잠열 저장 장치는 상기 고체-액체 혼합물을 교반하기 위한 교반기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 잠열 저장 장치는 상기 고체-액체 혼합물에 열적으로 연결된 적어도 하나의 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 작동 유체는 자연적 또는 합성적 냉각제(refrigerant)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 작동 유체는 프로판 또는 핵산인 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제 1항에 있어서, 연소기(combustor)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 연소기는 보일러인 것을 특징으로 하는 시스템.
  24. 제 1항에 있어서, 폐기-열 회복 장치를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제 1항에 있어서, 폐기-열 회복 장치는 산업적 공정으로부터 열을 사용하기 위한 2차 액상 루프(loop) 또는 환경에서 자연적으로 이용가능한 열을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 환경에서 자연적으로 이용가능한 열은 열 연못(thermal pond)으로부터 발생된 열을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  27. 제 25항에 있어서, 상기 2차 액상 루프는 역-류 열 교환기 및/또는 냉각 타워를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  28. 제 3항에 있어서, 상기 파워 소스가 시스템의 남아 있는 구성요소로부터 원격으로 위치하고 풍력 터빈 또는 파력 발전기로부터 선택된 것을 특징으로 하는 시스템.
  29. 제 1항에 있어서, 적어도 하나에 감열 저장 장치, 펌프 장치, 하나 또는 그 이상 밸브, 및 감열 저장 장치를 포함하는 청구항 1항의 순환도와 열적으로 연결된 부가적 액상 루프를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  30. 제 1항에 있어서, 증기원, 열 연못, 마이크로터빈, 내부 연소 엔진, 및 연료 전지(fuel cell)로부터 선택되는 열원, 펌프 장치, 및 방열(heat rejection) 장치를 포함하는 청구항 1항의 순환도와 열적으로 연결된 부가적 액상 루프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  31. 제 1항에 있어서, 상기 열원은 열교환기를 통하여 시스템에 직접적으로 연결되고, 여기서 상기 열원은 증기 원료, 열 연못, 마이크로터빈, 내부 연소 엔진 및 연료 전지로부터 선택된 것을 특징으로 하는 시스템.
  32. 제 30항에 있어서, 상기 방열 장치가 냉각 타워 또는 열 연못으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 시스템.
  33. 하기를 포함하는 방법:
    유동적으로-폐쇄된 루프 시스템 내에서 열 펌프 사이클 및 열 엔진 사이클을 결합시키는 단계;
    이들을 통해 상변화 작동 유체를 순환시킴으로써 유동적으로-폐쇄된 루프 시스템을 작동시키는 단계;
    상기 작동 유체의 압축 사이클에서 감열 저장을 삽입해는 단계; 및
    상기 유동적으로-폐쇄된 루프 시스템의 왕복 효율을 증가시키기 위해 상기 작동 유체의 확장 사이클 동안 상기 저장된 감열을 사용하는 단계.
  34. 제 33항에 있어서, 전기적 에너지에 의해서 열 펌프 사이클에 동력을 가하고 잠열 저장 재료의 상변화에 에너지를 저장하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 33항에 있어서, 상기 유동적으로-폐쇄된 루프 시스템은 에너지 저장 동안 가까운 주변 온도로 작동되고 에너지 생성 열 교환기를 더 포함하고 여기서 상기 열 교환기는 에너지 생성 동안 주변 온도보다 높은 온도로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제 33항에 있어서, 상기 유동적으로-폐쇄된 루프 시스템은 열 교환기를 더 포함하고 여기서 상기 열 교환기는 에너지 저장 동안 충전되는 온도로 작동되고 에너지 생성 동안 방전 온도 방전 온도로 작동되며 상기 방전 온도는 충전 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제 36항에 있어서, 작동 유체에 및 작동 유체로부터 열을 전달하기 위한 열 교환기에서 열 교환 매체와 같은 가스를 사용하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제 36항에 있어서, 작동 유체에 및 작동 유체로부터 열을 전달하기 위한 열 교환기에서 열 교환 매체와 같은 액체를 사용하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 하기를 포함하는, 유체 정제용 시스템:
    증기 압축기, 냉장고 내 열 교환기, 압력 감소 장치, 및 열 싱크(sink)와 열적으로 통하는 응축기를 포함하는 열역학적 열 펌프 사이클;
    증기 확장기, 용해 부분 내 열 교환기, 펌프, 및 열원과 열 전달 내 증발기로 구성된 열역학적 전력 사이클;
    얼음이 오염물로부터 대체로 분리되고 세척되는 부분; 및
    유입하는 불순물이 섞인 유체를 냉각하는 열 교환기.
  40. 제 39항에 있어서, 열역학적 열 펌프 사이클 및 열역학적 전력 사이클 둘 모두는 열 교환기를 통해 열적으로 연결되고 증기 압축기 및 증기 확장기 사이에 연결을 통해 기계적으로 연결된 것을 특징으로 하는 시스템.
  41. 제 39항에 있어서, 두 가지 기능을 수행 가능한 전기적 모터/발전기 장치를 더 포함하고 상기 모터/발전기 장치는 기계적으로 연결된 증기 압축기 및 증기 확장기 사이에 통합되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템
  42. 제 39항에 있어서, 열 펌프 사이클의 응축기가 첫번째 온도에 열 싱크와 열로 통하고 전력 사이클의 증발기는 첫번째 온도보다 높은 온도인 두번째 온도를 포함하는 두번째 온도에 열원와 열적으로 연결된 것 안에 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  43. 제 42항에 있어서, 두번째 온도에서의 열 에너지는 태양광, 지열, 연소, 산업적 원료, 또는 발전소유래 폐기 열적으로부터 선택된 저급 열원으로부터 주로 유도된 것을 특징으로 하는 시스템.
  44. 제 39항에 있어서, 하기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
    냉동기;
    용해기;
    오염물로부터 얼음을 분리하고, 얼음을 세척하기 위한 적절한 구성 단위; 및
    열 교환기.
  45. 제 39항에 있어서, 상기 시스템은 유체를 정제 순차적인 방법 또는 지속적인 방법에 사용되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  46. 하기를 포함하는, 물 정제용 방법:
    제 1항의 시스템에 비-음료수를 제공하는 단계;
    상기 비-음료수로부터 얼음을 생성하는 단계;
    상기 비-음료수에서 오염물로부터 상기 얼음을 분리하는 단계;
    상기 얼음을 세척하는 단계;
    음료수를 생산하기 위해서 얼음을 용해시키는 단계; 및
    제 1항에 시스템으로부터 음료수 방출을 하는 단계.
  47. 하기를 포함하는, 물 정제용 방법:
    냉장고; 용해기; 오염물로부터 얼음을 분리하고 얼음을 세척을 하기 위한 적절한 구성단위; 열교환기; 첫번째 방향에서 유체를 유도하는 첫번째 열역학적으로-전력화된 유체 루프로서, 증기 압축기/확장기 단위, 냉동고에 위치한 열교환기, 압력 감소 장치, 열 싱크와 열로 통하는 응축기를 포함하는 첫번째 열역학적으로-전력화된 유체 루프; 두번째 방향에서 유체를 유도하는 두번째 열역학적으로-전력화된 유체 루프로서, 증기 압축기/확장기 단위, 용해기에 위치한 열 교환기, 펌프, 저급 열원와 열적으로 연결된 증발기를 포함하는 두번째 열역학적으로-전력화된 유체 루프;를 포함하는 시스템에 외부 소스로부터 비-음료수를 제공하는 단계;
    냉동기에서 얼음을 생성시키는 단계;
    비-음료수에 나타난 염화 나트륨으로부터 상기 얼음을 분리하는 단계;
    상기 얼음을 세척하는 단계;
    음료수를 생산하기 위해 용해기에서 상기 얼음을 용해시키는 단계;
    열 교환기로부터 상기 음료수를 방출하는 단계.
  48. 하기를 포함하는, 유체 정제용 시스템:
    냉동기;
    용해기;
    오염물로부터 얼음을 분리하고 얼음을 세척하기 적절한 구성 단위;
    열 교환기;
    첫번째 방향에서 유체를 유도하는 첫번째 열역학적으로-동력 유체 루프로서, 증기 압축기/확장기 단위, 냉동기에 위치한 열교환기, 압력 감소 장치, 열 싱크와 열로 통하는 응축기를 포함하는 첫번째 열역학적으로-동력 유체 루프; 또는
    증기 압축기, 냉동기에 위치한 열 교환기, 압력 감소 장치, 열 싱크에 열적로 통하는 응축기 및 냉매를 포함하는 첫번째 열역학적으로-동력 유체 루프; 중 어느 하나; 및
    두번째 방향에서 유체를 유도하는 두번째 열역학적으로-동력 유체 루프로서, 증기 압축기/확장기 단위, 용해기에 위치한 열 교환기, 펌프, 저급 열원와 열적으로 연결된 증발기를 포함하는 두번째 열역학적으로-동력 유체 루프; 또는
    증기 확장기, 용해기에 위치한 열 교환기, 펌프, 저급 열원와 열적으로 연결된 증발기 및 작동 유체를 포함하는 두번째 열역학적으로-동력 유체 루프; 중 어느 하나.
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