KR20140027945A - 포화 액체 저장소를 갖는 집광형 태양열 발전 시스템을 위한 유기 랭킨 사이클 및 방법 - Google Patents

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Abstract

유기 랭킨 사이클(ORC) 및 ORC 유체를 사용하여 에너지를 생성하기 위한 폐쇄 루프 시스템에 있어서, ORC 액체를 포화된 ORC 액체로 가열하도록 구성된 제 1 태양열 동력원, 제 1 태양열 동력원에 유체적으로 연결되고 포화된 ORC 액체를 기화시켜 ORC 증기가 되게 하도록 구성된 제 2 태양열 동력원, 및 ORC 증기를 수용하고 ORC 증기를 팽창시킴으로써 기계적 에너지를 생성하도록 구성된 터보-기계를 포함하는 폐쇄 루프 시스템이 제공된다.

Description

포화 액체 저장소를 갖는 집광형 태양열 발전 시스템을 위한 유기 랭킨 사이클 및 방법{ORGANIC RANKINE CYCLE FOR CONCENTRATED SOLAR POWER SYSTEM WITH SATURATED LIQUID STORAGE AND METHOD}
본 발명의 실시예는 일반적으로 발전 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 태양열 동력원 및 포화 액체 저장소를 갖는 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, ORC) 시스템에 관한 것이다.
랭킨 사이클은 가열원 또는 고온 저장소(reservoir)로부터 열을 수집하기 위해, 그리고 터빈 또는 팽창기를 통해 고온의 가스상 스트림을 팽창시킴으로써 전력을 발생시키기 위해 폐쇄 사이클에서 작동 유기 유체를 사용한다. 팽창된 스트림은 저온 저장소로 열을 전달함으로써 응축기 내에서 응축되고 다시 가열 압력까지 펌핑되어 사이클을 완료한다. 태양열 동력원이 가열원 또는 고온 저장소로서 사용되는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 집광형 태양열 발전(Concentrating Solar Power, CSP) 시스템은 큰 범위의 햇빛을 작은 빔(beam)으로 집중시키기 위해 렌즈 또는 미러(mirror) 및 추적 시스템을 사용한다. 집중된 열은 이어서 종래의 발전 장치를 위한 열원으로서 사용된다. 광범위한 집광 기술이 존재한다. 개발된 것 대부분은 포물선형 트로프(parabolic trough), 집광 선형 프레넬 반사기(concentrating linear fresnel reflector), 스터링 디쉬(Stirling dish) 및 태양열 발전 타워(solar power tower)이다. 다양한 기술이 태양을 추적하고 광을 집중시키는 데 사용된다. 이들 시스템 모두에서, 작동 유체가 집광된 햇빛에 의해 가열되고, 이어서 발전 또는 에너지 저장을 위해 사용된다.
일반적인 ORC 시스템이 도 1과 관련하여 논의된다. 도 1은 보일러로서 또한 알려진 열교환기(2), 터빈(4), 응축기(6) 및 펌프(8)를 포함하는 발전 시스템(10)을 도시하고 있다. 열교환기(2)로 시작해, 이러한 폐쇄 루프 시스템을 통해 돌면, 외부 열원(3), 예를 들어 고온 연도 가스(flue gas)가 열교환기(2)를 가열한다. 이는 수용된 가압 액체 매체(12)가 가압 증기(14)로 변하게 하며, 이 가압 증기는 터빈(4)으로 유동한다. 터빈(4)은 가압 증기 스트림(14)을 수용하며, 가압 증기가 팽창함에 따라 전력(16)을 발생시킬 수 있다. 터빈(4)에 의해 방출되는 팽창된 더 낮은 압력의 증기 스트림(18)은 응축기(6)에 진입하며, 이 응축기는 팽창된 더 낮은 압력의 증기 스트림(18)을 더 낮은 압력의 액체 스트림(20)으로 응축시킨다. 더 낮은 압력의 액체 스트림(20)은 이어서 펌프(8)에 진입하며, 이 펌프는 더 높은 압력의 액체 스트림(12)을 발생시키고 또한 폐쇄 루프 시스템을 유동하게 유지한다. 더 높은 압력의 액체 스트림(12)은 이어서 열교환기(2)로 펌핑되어 이러한 공정을 계속한다.
랭킨 사이클에 사용될 수 있는 하나의 작동 유체는 유기 작동 유체이다. 그러한 유기 작동 유체는 ORC 유체로 지칭된다. ORC 시스템은 고온 연도 가스 스트림으로부터 폐열을 수집하기 위해, 엔진뿐만 아니라 소규모 및 중규모 가스 터빈을 위한 개장(retrofit)으로서 배치되고 있다. 이러한 폐열은 보조 발전 시스템에 사용되어 고온 연도 가스 단독을 생성하는 엔진에 의해 전달되는 전력 외에 최대 추가 20% 전력을 발생시킬 수 있다.
태양열 동력원의 개발에 의해, ORC 사이클이 기술된 바와 같은 그러한 시스템에 적용되고 있다. 예를 들어, 도 2에, 태양열 수집기(32), 열교환 응축기(34)를 갖는 증기-엔진, 작동 유체를 위한 저장 탱크(36), 및 작동 유체를 태양열 수집기(32)로 전달하기 위한 펌프(38)를 갖는 시스템(30)이 있다. 태양열 수집기(32)는 펌프(38)에 의해 저장 탱크(36)로부터 상부 탱크(42)로 펌핑되는 ORC 작동 유체를 위한 레벨링 밸브(leveling valve)(40)를 그것의 입구 상에 구비한다. 기화된 ORC 작동 유체가 태양열 수집기(32)로부터, 발전기(46)에 연결될 수 있는 증기 터빈(44)으로 제공된다.
그러나, 기존의 태양열 발전 시스템은 효율적이지 않다. 또한, 현존하는 태양열 발전 시스템은 태양이 이용가능하지 않을 때 에너지를 생성하는 데 어려움을 겪는다. 따라서, 발전 시스템에서의 ORC 시스템의 효율을 개선하기 위한 시스템 및 방법이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, ORC) 및 ORC 유체를 사용해 에너지를 생성하기 위한 폐쇄 루프 시스템이 제공된다. 본 시스템은 ORC 액체를 포화된 ORC 액체로 가열하도록 구성된 제 1 태양열 동력원, 제 1 태양열 동력원에 유체적으로 연결되고 포화된 ORC 액체를 기화시켜 ORC 증기가 되게 하도록 구성된 제 2 태양열 동력원, 및 ORC 증기를 수용하고 ORC 증기를 팽창시킴으로써 기계적 에너지를 생성하도록 구성된 터보-기계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면 유기 랭킨 사이클(ORC) 및 ORC 유체를 사용해 에너지를 생성하기 위한 폐쇄 루프 시스템이 제공된다. 본 시스템은 열을 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된 터보-기계, 터보-기계의 출력부에 유체적으로 연결되고 기화된 ORC 유체로부터 열을 제거하도록 구성된 복열 장치(recuperator), 복열 장치에 유체적으로 연결되고 기화된 ORC 유체를 다시 ORC 액체로 변환시키도록 구성된 냉각 장치, 냉각 장치와 복열 장치 사이에 유체적으로 연결되고 ORC 액체를 복열 장치로 펌핑하도록 구성된 펌프, ORC 액체를 가열함으로써 포화된 ORC 액체로 변환시키도록 구성된 제 1 태양열 동력원, 및 제 1 태양열 동력원에 유체적으로 연결되고 포화된 ORC 액체를 기화시켜 ORC 증기가 되게 하도록 구성된 제 2 태양열 동력원을 포함하며, 여기서 터보-기계는 제 2 태양열 동력원으로부터 ORC 증기를 수용하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용해 에너지를 발생시키기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 폐쇄 루프 시스템에서 제 1 태양열 동력원 내에서의 가열을 통해 ORC 액체를 포화된 ORC 액체로 변환시키는 단계, 포화된 ORC 액체를 저장 탱크 내에 저장하는 단계, 제 2 태양열 동력원 또는 포화된 ORC 액체를 ORC 증기로 변환시키기 위한 다른 장치로의 포화된 ORC 액체의 유동을 제어하는 단계, 터보-기계에서 ORC 증기를 팽창시켜 에너지를 생성하는 단계, 및 ORC 증기를 냉각시켜 ORC 증기를 다시 ORC 액체로 변화시키고 ORC 액체를 다시 제 1 태양열 동력원으로 복귀시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예는 첨부 도면을 참조해 하기의 설명을 읽을 때 당업자에게 보다 명백해질 것이다.
도 1은 ORC 사이클의 개략도,
도 2는 태양열 동력원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 개략도,
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 태양열 동력원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 개략도,
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 태양열 동력원 및 보조 열원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 개략도,
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 2개의 폐쇄 루프 시스템에서 태양열 동력원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 개략도,
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 2개의 폐쇄 루프 시스템에서 태양열 동력원 및 보조 열원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 개략도,
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 태양열 동력원과 함께 ORC 사이클 구성을 사용하기 위한 방법의 흐름도,
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 2개의 폐쇄 루프 시스템에서 태양열 동력원과 함께 사용되는 ORC 사이클 구성의 흐름도,
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제 1 및 제 2 태양열 동력원을 포함하는, 전력을 발생시키기 위한 폐쇄 루프 시스템,
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 폐쇄 루프 시스템을 통해 다양한 열변환을 일으키는 ORC 유체의 P-H 차트,
도 11은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 2개의 태양열 동력원을 갖는 폐쇄 루프 시스템을 사용함으로써 전력을 생성하기 위한 방법의 흐름도.
예시적인 실시예의 하기 상세한 설명은 첨부 도면을 참조한다. 여러 도면에 있어서의 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 요소를 지시한다. 부가적으로, 도면들은 반드시 일정한 축척으로 도시된 것은 아니다. 또한, 하기의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된다. 간략함을 위해, 하기의 설명은 팽창기에 의해 에너지를 생성하기 위한 태양열 동력원과 함께 사용되는 ORC 사이클을 참조한다. 그러나, 태양열 동력원은 상이할 수 있거나, 팽창기는 에너지를 생성하기 위한 다른 터보-기계로 대체될 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 언급은, 일 실시예와 관련하여 기술된 특정의 특징, 구조, 또는 특성이 개시된 주제의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서의 문구 "하나의 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예를 말하는 것은 아니다. 또한, 그 특정의 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
도 3에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, ORC)을 사용하는 전력 발생을 위한 시스템(50)은 시스템을 통해 유동하는 매체를 기화시키도록 구성된 태양열 동력원(52), 및 기화된 매체를 팽창시킴으로써 에너지/전력을 발생시키도록 구성된 터보-기계(54)를 포함한다. 응축기(56)는 기화된 매체가 그것의 액체 상(liquid phase)으로 복귀되는 것을 보장하며, 펌프(58)는 액체 매체의 압력을 증가시키고 매체가 시스템을 통해 유동하게 유지한다.
매체는 ORC 시스템에 전통적으로 사용되는 유기 유체일 수 있다. 그러나, 개선된 효율을 위해, 사이클로펜탄계 유체가 응용에 따라 매체로서 사용될 수 있다. 사이클로펜탄은 화학식 C5H10을 갖는 고 가연성의 지환식 탄화수소이다. 그것은 평면 위 및 아래에서 2개의 수소 원자와 각각 결합된 5개의 탄소 원자의 고리로 이루어지며, 그것은 휘발유와 유사한 냄새를 갖는 무색 액체로서 존재한다. 그것의 용융점은 -94℃이고 그것의 비등점은 49℃이다. 다른 매체가 또한 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, ORC 매체는 2-메틸 펜탄, n-펜탄 및 아이소펜탄 중 하나 이상과 혼합된 사이클로펜탄을 포함한다. 예를 들어, 하나의 가능한 조합은 약 95%의 사이클로펜탄, 약 3.5%의 2-메틸 펜탄, 0.75%의 n-펜탄 및 약 0.75%의 아이소펜탄이다.
태양열 동력원(52)은 공지의 태양열원 중 임의의 것일 수 있다. 그러나, 다음에 논의될 실시예는 집광형 태양열 발전(concentrated solar power, CSP) 시스템에 대해 최적화된다. CSP 시스템은 광기전 시스템이 태양열 에너지를 전기로 직접 변환시키기 때문에 광기전 시스템과는 상이하다. CSP 시스템은 매체가 태양열 에너지에 기초해 기화되고 이어서 에너지가 적절한 터보-기계, 예를 들어 팽창기 또는 터빈에 의해 추출되는 것을 필요로 한다. 따라서, 도 3에 도시된 실시예에 사용되는 매체는 시스템의 다양한 요소를 통과할 때 다양한 열역학적 과정을 겪는다.
터보-기계(54)는 기화된 매체로부터 에너지를 추출하고 이 에너지를, 예를 들어 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된 임의의 기계일 수 있다. 이 점에 관해서, 팽창기는 팽창기의 에어포일 또는 임펠러가 횡축을 중심으로 회전하도록 결정하는 기화된 매체를 수용하도록 구성된다. 가스(기화된 매체)의 열역학적 에너지는 팽창기의 (에어포일 또는 임펠러를 유지하는) 샤프트가 회전하게 만들어서, 기계적 에너지를 발생시키는 팽창 과정 동안에 추출된다. 이러한 기계적 에너지는 발전 장치(60), 예를 들어 전기를 생성하기 위한 전기 발전기 또는 압축기를 작동시키는 데 사용될 수 있다. 다시 말해서, 예시적인 실시예에서 논의되는 시스템은 전력을 발생시키는 데, 또는 기계, 예를 들어 터보-기계를 구동시키는 데 사용될 수 있다.
팽창기는 1단 또는 다단 팽창기일 수 있다. 1단 팽창기는 단지 하나의 임펠러만을 가지며, 기화된 가스는 단일 임펠러를 통과한 후에 팽창기의 배기 장치로 제공된다. 다단식 임펠러는 복수의 임펠러를 가지며, 하나의 임펠러로부터의 팽창된 매체는 매체로부터 에너지를 추가로 추출하기 위해 다음의 임펠러로 제공된다. 팽창기는 원심형 또는 축형 기계일 수 있다. 원심형 팽창기는 제 1 방향(예를 들어, Y 축)을 따라 기화된 매체를 수용하고, 팽창된 매체를 제 1 방향에 실질적으로 수직인 제 2 방향(예를 들어, X 방향)에서 배출한다. 다시 말해서, 팽창기의 샤프트를 회전시키는 데 원심력이 사용된다. 축형 팽창기에서, 매체는 비행기의 제트 엔진과 유사하게, 동일한 방향을 따라 팽창기에 진입하고 이를 빠져나온다.
응축기(56)는 공랭식 또는 수냉식일 수 있으며, 그것의 목적은 매체가 액체로 될 수 있도록 터보-기계(54)로부터의 팽창된 매체를 추가로 냉각시키는 것이다. 펌프(58)는 당업계에 공지되어 있고 매체의 압력을 원하는 값으로 증가시키기에 적합한 임의의 펌프일 수 있다. 팽창기(54)로부터 배기된 매체로부터의 열은 복열 장치(64)에서 제거되고 태양열 동력원(52)으로 제공되는 액체 매체로 제공될 수 있다. 복열 장치(64)는 동일한 환경을 공유하는 2개의 파이프를 갖는 용기만큼 간단할 수 있다. 예를 들어, (펌프로부터의) 액체 매체는 제 1 파이프를 통해 유동하는 반면, (팽창기로부터의) 기화된 매체는 제 2 파이프를 통해 유동한다. 제 1 파이프 및 제 2 파이프 주위에서 동일한 환경이 존재하기 때문에, 제 2 파이프로부터의 열이 제 1 파이프로 이동하여서, 액체 매체를 가열한다. 보다 복잡한 다른 복열 장치가 사용될 수 있다.
이제 시스템(50)을 통한 매체의 유동이 보다 상세히 논의된다. 지점(A)로부터 매체 유동을 뒤따른다고 가정한다. 이 지점에서, 액체 매체는 펌프(58)로 인해 고압[예를 들어, 40 바(bar)] 상태에 그리고 저온(예를 들어, 55℃) 상태에 있다. 액체 매체가 태양열 동력원(52)을 통과한 후에, 그것의 온도는 증가된다(예를 들어, 250℃). 이러한 예시적인 실시예 및 다른 예시적인 실시예에 사용된 숫자는 예시의 목적을 위한 것이며 실시예를 제한하고자 하는 것이 아니다. 이들 숫자는 시스템의 특성이 변화함에 따라 시스템마다 변화할 수 있음을 당업자는 인식할 것이다.
태양열 동력원(52)을 통과하는 동안, 매체는 상 변환, 즉 액체 매체로부터 기화된 매체로의 변환을 겪을 수 있다. 태양열 동력원(52)을 통과하는 동안에, 태양열 에너지가 태양으로부터 매체로 전달된다. 기화된 매체는 지점(B)에 도달하고 팽창기(54)의 입구(54a)에 진입하고 팽창기의 샤프트를 회전하게 만들어, 태양열 에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다. 여전히 가스이고 액체가 아닐 수 있는(예를 들어, 지점(C)에서의 온도는 약 140℃이고 압력은 약 1.3 바임) 팽창된 매체는 이어서 출구(54b)에서 팽창기로부터 방출된다.
지점(C)에서 기화된 매체 내에 여전히 에너지(열)가 남아 있기 때문에, 이 매체는 그것으로부터 열을 추가로 제거하기 위해 복열 장치(64)로 지향된다. 지점(D)에서 기화된 매체로부터 복열 장치(64) 내에서 제거된 열은 액체 매체를 태양열 동력원으로 제공하기 전에 (복열 장치 내부에서) 지점(E)에서 액체 매체로 제공된다. 지점(F)에 있는 냉각된 기화 매체는 이제 응축기(56) 내에서 냉각되어 그것을 다시 액체 상으로 되게 한다. 이어서, 액체 매체는 펌프(58)로 제공되고 사이클이 반복된다. 하나의 구성요소로부터 다른 구성요소로 매체를 운반하는 배관(66)은 매체가 시스템(50) 밖으로 탈출하지 않도록 밀봉됨에 유의한다. 다시 말해서, 도 3에 도시된 시스템은 폐쇄 루프 시스템이다.
상기에 논의된 시스템은 전기 발전기(60)가 사용될 때 전기 에너지로의 태양열 에너지의 변환 효율을 증가시킨다. 또한, 본 시스템은 그것의 매체를 위한 물을 필요로 하지 않으며, 매체는 태양열 동력원에 의해 직접적으로 기화될 수 있다. 사이클로펜탄계 유체를 사용한다면, 사이클로펜탄의 비등 온도가 약 49℃이기 때문에 이러한 매체는 태양열 동력원 내에서 직접적으로 기화됨에 유의한다.
도 3에 도시된 시스템(50)의 일부 변경이 가능하며, 이제 이들 변경이 도 4와 관련하여 논의된다. 예시적인 실시예에 따르면, 보조 열원(70)이, 예를 들어 태양열 동력원(52)의 하류측에 그리고 팽창기(54)의 상류측에 추가될 수 있다. 다른 응용에서, 보조 동력원(70)은 위치(A)에 제공될 수 있다. 보조 동력원은 태양열, 지열, 화석, 원자력 또는 다른 공지의 동력원일 수 있다. 예를 들어, 터보-기계의 배기 장치 또는 발전 장치가 보조 동력원일 수 있다.
다른 응용에서, 저장 탱크(72)가 사이클로펜탄계 매체를 저장하기 위해 제공될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 저장 탱크는 응축기(56)의 하류측에 제공된다. 다양한 밸브(74, 76)가 시스템 내에서 유동하는 매체의 양을 제어하기 위해 배관 시스템을 따라 제공될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시예에서, 밸런싱 라인(balancing line)(78) 및 밸브(80)가 시스템을 통한 매체의 유동을 제어하기 위해 제공될 수 있다.
상이한 시스템이 도 5에 제공된다. 예시적인 실시예에 따르면, 시스템(100)은 제 1 폐쇄 루프 시스템(102) 및 제 2 폐쇄 루프 시스템(104)을 포함할 수 있다. 제 2 폐쇄 루프 시스템(104)은 도 3 및 도 4에 도시된 것들과 유사한, 그리고 또한 도 3 및 도 4에 도시된 실시예의 시스템에 유사하게 연결되는, 터보-기계(106), 응축기(108), 펌프(110) 및 복열 장치(112)를 포함할 수 있다. 그러나, 도 3에 도시된 태양열 동력원 대신에, 제 2 폐쇄 루프 시스템은 하나 이상의 기화기(114) 및 하나 이상의 열교환 장치(116)를 포함할 수 있다. 도 5는 2개의 열교환 장치(116, 118)를 도시하고 있지만, 시스템이 기능하기에 1개의 장치면 충분하다. 일 응용에서, 열교환 장치는 필요하지 않다.
제 1 폐쇄 루프 시스템(102)은 도 3의 태양열 동력원(52)과 유사한 태양열 동력원(120), 및 도 3의 펌프(58)와 유사한 펌프(122)를 포함할 수 있다. 제 1 폐쇄 루프 시스템(102)은 유동 매체로서 오일계 물질을 사용할 수 있는 반면, 제 2 폐쇄 루프 시스템(104)은 유동 매체로서 사이클로펜탄계 유체를 사용하는 ORC 시스템일 수 있다. 제 2 폐쇄 루프 시스템(104)의 유기 매체는 이 예시적인 실시예에서 태양열 동력원(120)을 통해 순환하는 것이 아니라, 오히려 태양열 동력원으로부터의 열을 전달하기 위해 제 1 폐쇄 루프 시스템(102)의 오일계 물질과 열적 접촉하여 배치된다.
이 점에 관해서, 태양열 동력원(120)으로부터의 오일계 물질은 기화기(114) 내에서 제 2 폐쇄 루프 시스템의 매체를 기화시키고, 기화된 매체를 터보-기계(106)로 제공한다. 또한, 하나 이상의 열교환 장치(116, 118)에서 제 2 폐쇄 루프 사이클의 매체를 사전가열하는데 오일계 물질을 추가로 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 예시적인 실시예에 따르면, 열교환 장치(116, 118)는 생략될 수 있다. 냉각된 오일계 물질은 이어서 팽창 용기(124)에 도달하고, 이로부터 그것은 태양열 동력원(120)으로 다시 제공되기 위해 펌프(122)로 유동한다. 오일계 물질은 제 2 폐쇄 루프 시스템의 매체 또는 환경과 혼합되지 않는다. 팽창 용기(124)는 팽창 용기(124)의 상부 부분(내측)을 질소 블랭킷(nitrogen blanket)하도록 구성된 질소원(126)과 유체 연통할 수 있다. 질소가 팽창 용기 내측에 진입할지라도, 질소는 오일계 물질 위에서 유동하기 때문에 제 1 폐쇄 루프 시스템(102)을 통해 유동하지 않는다.
도 6에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같은 다양한 요소가 시스템(100)에 추가될 수 있다. 예를 들어, 보조 열원(130)이 제 2 폐쇄 루프 시스템의 매체를 추가로 가열하기 위해 기화기(114)의 상류측 또는 하류측에, 제 2 폐쇄 루프 시스템에 추가될 수 있다. 밸브(132)가 매체의 유동을 제어하기 위해 추가될 수 있으며, 대응하는 밸브(136)를 갖는 밸런싱 라인(134)이 제 2 폐쇄 루프 시스템에 제공될 수 있다. 발전기(140) 또는 다른 터보-기계가 제 2 폐쇄 루프 시스템(104) 내의 팽창기(106)에 연결될 수 있다.
이제 그러한 시스템을 작동시키기 위한 방법이 논의된다. 도 7에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, ORC)을 사용하는 발전을 위한 방법이 있다. 방법은 폐쇄 시스템에서 태양열 동력원에 의한 가열을 통해 액체 사이클로펜탄계 유체를 기화된 사이클로펜탄계 유체로 변환시키는 단계(700), 팽창기에서 기화된 사이클로펜탄계 유체를 팽창시켜 에너지를 생성하는 단계(702), 및 기화된 사이클로펜탄계 유체를 냉각시켜 다시 액체 사이클로펜탄계 유체로 복귀시키고 액체 사이클로펜탄계 유체를 태양열 동력원으로 복귀시키는 단계(704)를 포함한다.
도 8에 도시된 다른 예시적인 실시예에 따르면, 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, ORC)을 사용하는 전력 또는 기계적 동력 발생을 위한 방법이 있다. 방법은 제 1 폐쇄 시스템에서 오일계 유체를 태양열 동력원에 의해 가열하는 단계(800), 및 에너지를 생성하기 위해 제 2 폐쇄 시스템에서 기화된 사이클로펜탄계 유체를 팽창시키는 단계(802)를 포함한다. 제 1 폐쇄 시스템의 오일계 유체는 제 2 폐쇄 시스템의 액체 사이클로펜탄계 유체와 열교환하도록 구성된다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 사이클로펜탄으로 제한되는 것이 아니라 임의의 ORC 유체(예를 들어, 임의의 유기계 유체)를 사용할 수 있는 신규한 장치를 제공하는 것이 가능하다. 이 실시예에서, 2개의 별개의 태양열 동력원이 ORC 유체를 가열하는 데 사용된다. 제 1 태양열 동력원은 유입되는 ORC 액체를 가열하여 포화되게 하도록 구성되고, 제 2 태양열 동력원은 포화된 ORC 액체를 추가로 가열하여 ORC 증기가 되게 하도록 구성된다. 액체는 그것이 막 끓을려고 할 때 포화된다고 말해진다. 포화된 ORC 액체를 위한 저장 탱크가 제 1 태양열 동력원과 제 2 태양열 동력원 사이에 제공될 수 있다. 태양열 동력원이 비활성인, 예를 들어 날씨가 흐린 기간 동안에, 보조 동력원이 포화된 ORC 액체를 터보-기계에 제공될 증기로 변환시키는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 나중에 논의되는 바와 같이 포화된 ORC 액체를 (압력을 등엔탈피로 부분적으로 감소시킴으로써) 증기로 부분적으로 변환시키는 데 스로틀링 벽(throttling wall)(또는 스로틀링 장치)이 사용될 수 있다.
도 9에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 전력 또는 기계적 동력 발생을 위한 시스템(200)은 도 3 및 도 4에 도시된 것과 유사한 방식으로 서로 연결되는 터보-기계(202), 응축기(204), 펌프(206), 복열 장치(207), 및 발전 장치(208)를 포함한다. 전력 장치(208)는 터보-기계에 의해 구동되는 터보-기계 또는 전기 발전기(또는 전기 에너지를 생성하기 위한 유사한 장치)일 수 있다. 그러나, 도 9는 액체 저장 탱크(214)를 통해 상호연결된 제 1 태양열 동력원(210) 및 제 2 태양열 동력원(212)을 도시하고 있다. 제어 장치(예를 들어, 밸브)(216) 또는 다른 유사한 요소가 탱크(214)로부터의 유동을 제 2 태양열 동력원(212)으로 또는 보조 열원(218)으로 분배한다. 보조 열원(218)은 임의의 열원일 수 있다.
이제 ORC 유체의 유동이 도 9와 관련하여 그리고 또한 ORC 유체에 대한 압력-엔탈피(P-H) 그래프를 도시하고 있는 도 10과 관련하여 논의된다. 터보-기계, 응축기, 펌프 및 보조 열원을 통한 ORC 유체의 유동은 이미 논의되었기 때문에 생략한다. 저온 ORC 액체가 지점(A)에(도 9와 도 10 둘 모두를 참조)서 제 1 태양열 동력원(210)에 진입한다. 열이 제 1 태양열 동력원(210)으로부터 ORC 유체로 전달되어서, 지점(B)에서 ORC 액체는 포화되지만 여전히 액체이다. 이는 곡선(230)이 ORC 유체에 대한 액체-증기 곡선을 도시하고 있는 도 10에 도시되어 있다. ORC 유체는 영역(232)에서 액체이고, 영역(234)에서는 액체와 증기의 혼합물이고, 영역(236)에서는 증기임에 유의한다. 따라서, 제 1 동력원(210)은 지점(B)에서 ORC 액체가 영역(234) 내측에 있지 않은, 즉, 그것이 포화되지만 기화되지 않는 방식으로 설계된다(예를 들어, 크기 설정된다).
여기서부터, 포화된 ORC 액체는 탱크(214)로 지향되어 그 내부에 저장된다. 제 2 태양열 동력원(212)이 활성이라면, 제어 장치(216)는 탱크(214)로부터의 포화된 ORC 액체가 제 2 태양열 동력원(212)으로 진행하고 보조 열원(218)으로는 진행하지 않게 하도록 구성된다. 제 2 태양열 동력원(212)은 포화된 ORC 액체를 기화시켜서 지점(C)에서 유동 전체가 증기의 형태가 되도록 구성된다. 따라서, 열은 A에서 B로의 전이 동안에, 그리고 또한 B에서 C로의 전이 동안에 추가된다. 특정 예에서, 본 발명을 제한하고자 함이 없이, 온도가 A에서 약 50℃, B에서 약 230℃, 그리고 C에서 약 250℃일 때, A와 B 사이의 추가된 열은 약 400 kJ/kg이고 B와 C 사이에서 추가된 잠열은 약 40 kJ/kg이다. 잠열이 낮음을 알 수 있다. 이어서 ORC 증기가 기계적 에너지를 생성하기 위해 터보-기계(202)로 제공된다.
제 2 태양열 동력원(212)이 이용가능하지 않을 때, 제어 장치(216)는 포화된 ORC 액체를 보조 열원(218)에 제공하여서 액체가 증기로 변환되고 터보-기계(202)로 제공되도록 구성된다. 보조 열원(218) 대신에, B에서 D까지의 곡선에 의해 도 10에 도시된 바와 같이 포화된 ORC 액체를 증기로 변환시키기 위해 포화된 ORC 액체의 압력을 등엔탈피로 감소시키는 데 스로틀 벽(또는 스로틀링 장치)(220)이 사용될 수 있음에 유의한다. 이러한 방식으로, 포화된 ORC 액체의 일부가 액체로 남아 있고 그것의 일부가 증기로 변환된다. B에서 D로의 변환이 압력 강하뿐만 아니라 온도 강하를 야기함에 유의한다. 그러나, 포화된 ORC 액체의 일부는 가열원을 사용하지 않고 기화된다. ORC 액체와 증기 둘 모두는 분리 장치(222)로 제공되며, 여기에서 상부 부분은 증기(224)에 의해 점유되고 하부 부분은 액체(226)에 의해 점유된다. 분리 장치(222)는 가열원(218)에 대해서는 사용되지 않는다. ORC 증기(224)는 터보-기계(202)로 제공되는 반면, ORC 유체(226)는 탱크(214)로, 또는 제 1 태양열 동력원(210)으로, 또는 폐쇄 루프 시스템(200)의 다른 부분으로 복귀될 수 있다.
이러한 방식으로, 도 9 및 도 10에 도시된 실시예는 태양열 에너지가 이용가능하지 않을 때에도 필요한 ORC 증기를 터보-기계로 연속적으로 제공할 수 있다.
도 11에 도시된 예시적인 실시예에 따르면, 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, ORC)을 사용해 전력 또는 기계적 동력을 발생시키기 위한 방법이 있다. 방법은 폐쇄 루프 시스템에서 제 1 태양열 동력원 내에서의 가열을 통해 ORC 액체를 포화된 ORC 액체로 변환시키는 단계(1100), 포화된 ORC 액체를 저장 탱크 내에 저장하는 단계(1102), 제 2 태양열 동력원 또는 포화된 ORC 액체를 ORC 증기로 변환시키기 위한 다른 장치로의 포화된 ORC 액체의 유동을 제어하는 단계(1104), 터보-기계에서 ORC 증기를 팽창시켜 에너지를 생성하는 단계(1106), 및 ORC 증기를 냉각시켜 이를 다시 ORC 액체로 변화시키고 ORC 액체를 다시 제 1 태양열 동력원으로 복귀시키는 단계(1108)를 포함한다.
개시된 예시적인 실시예는 태양열 에너지가 일시적으로 이용가능하지 않을 때에도 태양열 에너지를 기계적 에너지 또는 전기 에너지로 변환시키기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이러한 설명은 본 발명을 제한하려는 의도가 아님을 이해하여야 한다. 이와는 반대로, 예시적인 실시예는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되는 대안, 변경 및 동등물을 포괄하도록 의도된다. 또한, 예시적인 실시예의 상세한 설명에서, 본 발명의 포괄적인 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 상세사항이 기재된다. 그러나, 당업자는 그러한 구체적인 상세사항 없이도 다양한 실시예가 실시될 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징 및 요소가 실시예에서 특정 조합으로 기술되었지만, 각각의 특징 또는 요소는 실시예의 다른 특징 및 요소 없이 단독으로, 또는 본 명세서에 개시된 다른 특징 및 요소와 함께 또는 그것 없이 다양한 조합으로 사용될 수 있다.
본 명세서는 임의의 장치 또는 시스템의 제조 및 사용 그리고 임의의 포함된 방법의 수행을 비롯해 당업자가 개시된 주제를 실시하는 것을 가능하게 하기 위해 개시된 주제의 예를 사용한다. 그 주제의 특허가능한 범위는 특허청구범위에 의해 한정되며, 당업자의 머리에 떠오르는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는 특허청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
전술된 예시적인 실시예는 본 발명의 모든 면을 제한하기보다는 예시하는 것으로 의도된다. 따라서, 본 발명은 당업자에 의해 본 명세서에 포함된 기재로부터 유래될 수 있는 많은 변화가 상세한 구현예에서 있을 수 있다. 그러한 모든 변화 및 변경은 하기의 특허청구범위에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 것으로 간주된다. 본 출원의 설명에 사용된 요소, 행위, 또는 지시는 그러한 것으로 명시적으로 기재되지 않는 한 본 발명에 대해 중대하거나 본질적인 것으로 해석되어서는 안된다. 또한, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 단수 형태(관사 "a")는 하나 이상의 아이템을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 유기 랭킨 사이클(Organic Rankine Cycle, ORC) 및 ORC 유체를 사용하여 에너지를 생성하기 위한 폐쇄 루프 시스템(closed loop system)에 있어서,
    ORC 액체를 포화된 ORC 액체로 가열하도록 구성된 제 1 태양열 동력원(solar power source);
    상기 제 1 태양열 동력원에 유체적으로 연결되고, 상기 포화된 ORC 액체를 기화시켜 ORC 증기가 되게 하도록 구성된 제 2 태양열 동력원; 및
    상기 ORC 증기를 수용하고 상기 ORC 증기를 팽창시킴으로써 기계적 에너지를 생성하도록 구성된 터보-기계를 포함하는
    폐쇄 루프 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 태양열 동력원과 상기 제 2 태양열 동력원 사이에 유체적으로 연결되고, 상기 포화된 ORC 액체를 저장하도록 구성된 탱크를 더 포함하는
    폐쇄 루프 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 탱크와 상기 제 2 태양열 동력원 사이에 유체적으로 연결되고, 상기 제 2 태양열 동력원으로의 상기 포화된 ORC 액체의 유동을 제어하도록 구성된 제어 장치를 더 포함하는
    폐쇄 루프 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치에 유체적으로 연결되고 상기 포화된 ORC 액체를 기화시키도록 구성된 가열 장치를 더 포함하며, 상기 제어 장치는 상기 제 2 태양열 동력원이 비활성인 경우 상기 탱크로부터의 상기 포화된 ORC 액체를 상기 가열 장치로 지향시키지만, 상기 제 2 태양열 동력원으로는 지향시키지 않도록 구성되는
    폐쇄 루프 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치에 유체적으로 연결되고, 상기 포화된 ORC 액체의 압력을 감소시킴으로써 상기 포화된 ORC 액체를 기화시키도록 구성된 스로틀링 장치(throttling device)를 더 포함하며, 상기 제어 장치는 상기 제 2 태양열 동력원이 비활성인 경우 상기 탱크로부터의 상기 포화된 ORC 액체를 상기 스로틀링 장치로 지향시키지만, 상기 제 2 태양열 동력원으로는 지향시키지 않도록 구성되는
    폐쇄 루프 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스로틀링 장치와 상기 터보-기계 사이에 유체적으로 연결되고, 상기 ORC 증기를 상기 터보-기계에 제공하고 상기 포화된 ORC 액체를 다시 상기 탱크 또는 상기 제 1 태양열 동력원에 제공하도록 구성된 분리 탱크를 더 포함하는
    폐쇄 루프 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 태양열 동력원은 상기 ORC 액체를 기화시키지 않도록 구성되는
    폐쇄 루프 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터보-기계의 출력부에 유체적으로 연결되고, 상기 기화된 ORC 유체로부터 열을 제거하도록 구성된 복열 장치(recuperator);
    상기 복열 장치에 유체적으로 연결되고, 상기 기화된 ORC 유체를 다시 상기 ORC 액체로 변환시키도록 구성된 냉각 장치; 및
    상기 냉각 장치와 상기 복열 장치 사이에 유체적으로 연결되고, 상기 ORC 액체를 상기 복열 장치로 펌핑하도록 구성된 펌프를 더 포함하며,
    상기 펌프로부터 펌핑된 ORC 액체는 상기 복열 장치에서, 상기 터보-기계의 팽창기로부터 나오는 상기 기화된 ORC 유체로부터 열을 수용하는
    폐쇄 루프 시스템.
  9. 유기 랭킨 사이클(ORC) 및 ORC 유체를 사용하여 에너지를 생성하기 위한 폐쇄 루프 시스템에 있어서,
    열을 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된 터보-기계;
    상기 터보-기계의 출력부에 유체적으로 연결되고, 상기 기화된 ORC 유체로부터 열을 제거하도록 구성된 복열 장치;
    상기 복열 장치에 유체적으로 연결되고, 상기 기화된 ORC 유체를 다시 상기 ORC 액체로 변환시키도록 구성된 냉각 장치;
    상기 냉각 장치와 상기 복열 장치 사이에 유체적으로 연결되고, 상기 ORC 액체를 상기 복열 장치로 펌핑하도록 구성된 펌프;
    상기 ORC 액체를 가열함으로써 포화된 ORC 액체로 변환시키도록 구성된 제 1 태양열 동력원; 및
    상기 제 1 태양열 동력원에 유체적으로 연결되고, 상기 포화된 ORC 액체를 기화시켜 ORC 증기가 되게 하도록 구성된 제 2 태양열 동력원을 포함하며,
    상기 터보-기계는 상기 제 2 태양열 동력원으로부터 상기 ORC 증기를 수용하도록 구성되는
    폐쇄 루프 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 태양열 동력원과 상기 제 2 태양열 동력원 사이에 유체적으로 연결되고, 상기 포화된 ORC 증기를 저장하도록 구성된 탱크를 더 포함하는
    폐쇄 루프 시스템.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 탱크와 상기 제 2 태양열 동력원 사이에 유체적으로 연결되고, 상기 제 2 태양열 동력원으로의 상기 포화된 ORC 액체의 유동을 제어하도록 구성된 제어 장치를 더 포함하는
    폐쇄 루프 시스템.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치와 상기 터보-기계 사이에 유체적으로 연결되고 상기 포화된 ORC 액체를 기화시키도록 구성된 가열 장치를 더 포함하며, 상기 제어 장치는 상기 제 2 태양열 동력원이 비활성인 경우 상기 탱크로부터의 상기 포화된 ORC 액체를 상기 가열 장치로 지향시키지만, 상기 제 2 태양열 동력원으로는 지향시키지 않도록 구성되는
    폐쇄 루프 시스템.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치에 유체적으로 연결되고, 상기 포화된 ORC 액체의 압력을 감소시킴으로써 상기 포화된 ORC 액체를 기화시키도록 구성된 스로틀링 장치를 더 포함하며, 상기 제어 장치는 상기 제 2 태양열 동력원이 비활성인 경우 상기 탱크로부터의 상기 포화된 ORC 액체를 상기 스로틀링 장치로 지향시키지만, 상기 제 2 태양열 동력원으로는 지향시키지 않도록 구성되는
    폐쇄 루프 시스템.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스로틀링 장치와 상기 터보-기계 사이에 유체적으로 연결되고, 상기 ORC 증기를 상기 터보-기계로 제공하고 상기 포화된 ORC 액체를 다시 상기 탱크 또는 상기 제 1 태양열 동력원에 제공하도록 구성된 분리 탱크를 더 포함하는
    폐쇄 루프 시스템.
  15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 태양열 동력원은 상기 ORC 액체를 기화시키지 않도록 구성되는
    폐쇄 루프 시스템.
  16. 유기 랭킨 사이클(ORC)을 사용하여 에너지를 발생시키는 방법에 있어서,
    폐쇄 루프 시스템에서 제 1 태양열 동력원 내에서 ORC 액체를 가열함으로써 포화된 ORC 액체로 변환시키는 단계;
    상기 포화된 ORC 액체를 저장 탱크 내에 저장하는 단계;
    상기 포화된 ORC 액체를 ORC 증기로 변환시키기 위한 제 2 태양열 동력원 또는 다른 장치로의 상기 포화된 ORC 액체의 유동을 제어하는 단계;
    터보-기계에서 상기 ORC 증기를 팽창시켜 에너지를 생성하는 단계; 및
    상기 ORC 증기를 냉각시켜 상기 ORC 증기를 다시 상기 ORC 액체로 변화시키고 상기 ORC 액체를 다시 상기 제 1 태양열 동력원으로 복귀시키는 단계를 포함하는
    에너지 생성 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 태양열 동력원에서는 상기 포화된 ORC 유체를 기화시키지만 상기 제 1 태양열 동력원에서는 상기 ORC 유체를 기화시키지 않는 단계를 더 포함하는
    에너지 생성 방법.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    제어 장치로부터 나오는 상기 포화된 ORC 액체를 열원에 의해 가열하여, 상기 ORC 증기를 상기 터보-기계의 팽창기에 제공하기 전에 상기 ORC 증기가 되게 하는 단계를 더 포함하는
    에너지 생성 방법.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    스로틀링 장치에서, 제어 장치로부터 나오는 상기 포화된 ORC 액체의 압력을 감소시켜, 상기 ORC 증기를 상기 터보-기계의 팽창기에 제공하기 전에 부분적으로 ORC 증기가 되게 하는 단계를 더 포함하는
    에너지 생성 방법.
  20. 제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터보-기계와 상기 스로틀링 장치 사이에 유체적으로 연결된 분리 탱크에서 ORC 증기로부터 포화된 ORC 액체를 분리하는 단계를 더 포함하는
    에너지 생성 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9090315B1 (en) 2010-11-23 2015-07-28 Piedra—Sombra Corporation, Inc. Optical energy transfer and conversion system
US20150034144A1 (en) * 2011-11-23 2015-02-05 Piedra - Sombra Corporation, Inc. Power Conversion Module for Use With Optical Energy Transfer and Conversion System
US9850711B2 (en) 2011-11-23 2017-12-26 Stone Aerospace, Inc. Autonomous laser-powered vehicle
CN102979588B (zh) * 2012-10-29 2015-03-11 昆明理工大学 一种光伏与有机郎肯循环耦合热电联供系统
JP6230344B2 (ja) * 2013-09-06 2017-11-15 株式会社東芝 蒸気タービンプラント
CN103993919A (zh) * 2014-06-11 2014-08-20 林冠坤 一种循环式节能蒸汽驱动发动机
CN104443394B (zh) * 2014-10-31 2016-06-08 北京航空航天大学 应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统
CN104612768A (zh) * 2014-12-08 2015-05-13 芦万里 新型动力输出机
CN106545476B (zh) * 2016-12-26 2023-03-07 天津大学 一种适应太阳能有机朗肯循环的闪蒸主动控制系统及方法
CN109681284B (zh) * 2018-11-30 2021-05-14 山西大学 电厂烟气余热发电用于二氧化碳捕获的系统及控制方法
EP3670853A1 (en) * 2018-12-17 2020-06-24 CTB Clean Tech Brokers IVS Heat pump apparatus and district heating network comprising a heat pump apparatus

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4760705A (en) * 1983-05-31 1988-08-02 Ormat Turbines Ltd. Rankine cycle power plant with improved organic working fluid
US4942736A (en) * 1988-09-19 1990-07-24 Ormat Inc. Method of and apparatus for producing power from solar energy
ES2327991B1 (es) * 2006-08-04 2010-07-15 Abengoa Solar New Technologies, S.A. Planta de concentracion solar.
FR2924746A1 (fr) * 2007-12-10 2009-06-12 Pierre Benaros Installation de production d'electricite a partir d'energie solaire.
DE102008005978B4 (de) * 2008-01-24 2010-06-02 E-Power Gmbh Niedertemperaturkraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus
US20100319346A1 (en) * 2009-06-23 2010-12-23 General Electric Company System for recovering waste heat
CN101614196B (zh) * 2009-07-29 2011-03-30 中国科学技术大学 内蓄热太阳能低温热发电系统

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