KR20150023737A - 열 교환을 촉진시키기 위해 이상 흐름（ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ）을 이용하는 압축 공기 에너지 저장 시스템 - Google Patents

열 교환을 촉진시키기 위해 이상 흐름（ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ）을 이용하는 압축 공기 에너지 저장 시스템 Download PDF

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KR20150023737A
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다니엘 에이. 퐁
스티븐 이. 크레인
에드윈 피. 쥬니어 벌린
아미르후세인 포르모우사 압케나르
카르티케야 마하라트카르
용시 허우
토드 보워스
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 압축-공기 에너지 저장 시스템은 공기를 압축 및 팽창하는 가역적 메카니즘, 하나 또는 다수의 압축 공기 저장 탱크, 제어 시스템, 하나 또는 다수의 열 교환기, 그리고, 발명의 특정 실시예에서는, 모터-발전기로 구성되어 진다. 가역적 공기 압축기-팽창기는 공기를 압축하기 위해 (압축기로 동작할 때) 기계적 파워를 사용하고, 압축된 공기에 저장된 에너지를 기계적 에너지로 변환한다 (팽창기로 사용될 때). 특정 실시예로, 압축기-팽창기는 하나 또는 다수의 단계로 구성되고, 각 단계는 물 또는 다른 액체 부분적으로 담긴 압력 용기 (압력 셀)로 이루어 진다. 특정 실시예로, 압력 용기는 공기와 액체를 실린더 챔버와 교환하기 위해 하나 또는 다수의 실린더 장치와 교통한다. 전자적 제어하에 적합한 밸브의 동작이 압력 셀과 실린더 장치 사이의 공기을 출입을 허용한다.

Description

열 교환을 촉진시키기 위해 이상 흐름（ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ）을 이용하는 압축 공기 에너지 저장 시스템{COMPRESSED AIR ENERGY STORAGE SYSTEM UTILIZING TWO-PHASE FLOW TO FACILITATE HEAT EXCHANGE}
본 발명은 2010년 1월 29일 출원된 미국 가출원(U.S. nonprovisional patent application) 제12/695,922호; 상기 미국 가출원 제12/695,922호는 2009년 6월 29일자로 출원된 미국 가출원 제61/221,487호; 2010년 3월 24일자로 출원된 미국 가출원 제12/730,549호에 대한 우선권을 수반하며, 이들 출원에 개시된 내용은 본 발명에 결합된다. 본 발명은 또한 하기의 미국 가출원에 대한 우선권을 수반하며, 이들 출원에 개시된 내용은 본 발명에 결합된다: 2010년 1월 12일자로 출원된 미국 가출원 제 61/294,396 호; 2010년 2월 19일자로 출원된 미국 가출원 제 61/306,122 호; 2010년 4월 1일자로 출원된 미국 가출원 제 61/320,150 호; 2010년 5월 21일자로 출원된 미국 가출원 제 61/347,312 호; 2010년 5월 21일자로 출원된 미국 가출원 제 61/347,056 호; 및 2010년 5월 26일자로 출원된 미국 가출원 제 61/348,661호. 상기 각 출원에 포함된 내용은 모든 취지에서 본 발명과 결합(incorporated by reference)된다.
300 bar로 압축된 공기는 납-산 배터리 및 기타 에너지 저장 기술에 적합한 에너지 밀도를 갖는다. 그러나, 공기를 압축 및 감압하는 통상의 방법은 열손실 및 기계적 손실로 인해 비효율적이다. 그러한 비효율성 때문에 그 명백한 장점에도 불구하고, 에너지 저장을 위한 공기의 압축은 경제적인 측면에서 한계가 있다.
주지된 바와 같이, 압축이 등온상(isothermally)에서 일어나는 경우에 압축기는 보다 효율적으로 작동될 수 있다. 등온상의 압축은 압축 전 또는 압축 도중에 공기를 냉각하여야 한다. 등온 압축에 대한 특허는 미국 특허 등록 제1,751,537 호 및 제1,929,350호를 비롯하여 1930년 이래 꾸준히 등록되었다. 효율적인 압축을 위한 하나의 접근방법은 여러 단계에서 압축을 행하는 것이며, 각각의 단계는 실린더 장치 내에서의 피스톤 운동을 포함하며, 각 단계 사이에는 중간 냉각기가 배치된다(미국 특허 등록 제5,195,874호). 공기의 냉각은 미네랄 오일, 냉각제, 물 등의 액체를 압축 챔버나 각 단계 사이의 기류 상에 주입하여 수행할 수도 있다(미국 특허 등록 제5,076,067호).
공기를 천연 가스와 혼합한 후 그 혼합물을 연소 터번에 공급하여 터빈의 출력을 높이는 방법에 관련된 수개의 특허도 있다(U.S. Patent No. 5,634,340). 공기는 전기적으로 구동되는 공기 압축기에 의해 압축되며, 그 공기 압축기는 전력 소모량이 적은 시간대에 작동된다. 압축된 공기가 주입된 연소 터빈은 전력 소모량이 많은 시간대에 발전기를 구동시킨다. 이들 중 두가지 시스템이 실제 적용되었고, 이들은 지하 동굴에 압축된 공기를 저장한다.
이러한 에너지 저장 방식을 개선한 특허도 등록되었는데, 이들은 연소 터빈의 포화기 상승 기류를 이용하여 유입되는 공기를 덥히고 습기를 부여함으로써, 시스템의 효율을 높인다(U.S. Patent No. 5,491,969). 이외에도, 다른 공정에서 발생된 폐기열(waste heat)과 같은 저급 열(low-grade heat)을 이용하여 효율성을 향상시키는 방안에 대한 특허들도 등록되었다(U.S. Patent No. 5,537,822).
발명의 요약 (BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION)
본 발명의 실시예는 에너지 저장 시스템 전반에 관련되어 있으며, 특히, 에너지 저장 매체로 압축 공기를 이용하는 에너지 저장 시스템에 관련되어 있으며, 공기 압축/팽창 메카니즘, 열 교환기 및 하나 또는 그 이상의 공기 저장 탱크를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압축된 공기 에너지 저장 시스템은 공기를 압축하고 팽창하는 가역성 메카니즘과, 하나 또는 그 이상의 압축된 공기 저장 탱크와, 제어 시스템, 하나 또는 그 이상의 열 교환기를 포함하며 및 필요에 따라 모터 발전기(mortor-generator)를 포함한다.
가역성 공기 압축기-팽창기는 (압축기로 작동하는 경우) 공기를 압축하기 위해 기계적 힘을 이용하고, (팽창기로 작동하는 경우) 압축된 공기내에 저장된 에너지를 기계적 힘으로 변환시킨다. 압축기-팽창기는 하나 또는 그 이상의 상태를 포함하고, 각각의 상태는 부분적으로 물 또는 다른 액체로 채워진 압력관(pressure vessel or pressure cell)을 포함한다. 어떤 실시예에서는, 상기 압력관은 하나 또는 그 이상의 실린더 장치와 연결되어 공기와 액체를 교환한다. 적절히 밸브를 장착하여 공기가 상기 압력관과 실린더 장치에 유입되거나 빠져 나가도록 할 수 있으며, 이는 전기적 제어를 통해 수행될 수 있다.
상기의 실린더 장치는 여러가지 방법으로 구현될 수 있다. 일례로, 피스톤대(piston rod)에 연결된 피스톤을 포함하도록 구현되어, 실린더 장치로 유입 또는 유출되는 기계적 힘을 상기 피스톤대로 전달하게 된다. 다른 예로는, 실린더 장치가 유압 액체(hydraulic liquid)를 포함하여, 상기 액체가 팽창하는 공기의 압력에 의해 구동됨으로써 그 힘을 실린더 장치 밖으로 전달하게 된다. 이러한 구성에 있어서, 유압 액체는 공기와 직접적으로 상호작용을 할 수도 있고, 또는 실린더 장치의 지름을 가로지르는 횡경막이 액체와 공기를 분리할 수도 있다.
저압 상태(low-pressure stage)에서, 액체는 스프레이 노즐을 통해 압력관으로 펌핑(pumpig)되거나, 또는 실시예에 따라서는, 팽창 또는 압축하는 동안 실린더 장치 의 스트로크(stroke)에 의해 열 교환을 촉진한다. 챔버에 유입되는 액체의 양은(압축시에는) 압축에 관련된 모든 열을 흡수하고 또는(팽창시에는) 팽창에 관련된 모든 열을 흡방출할 수 있을 정도로 충분하여야 하며, 그 결과 근사-등온(near-isothermally) 공정이 가능해 진다. 그 후, 액체는 ‘파워가 없는 스트로크 단계(during the non-power phase of the stroke)’에서 압력관으로 반납되고, 이때 통상의 열 교환기를 통해 외부(external environment) 와의 열 교환이 일어난다. 이로써, 압축 및 팽창이 높은 효율로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 동작은 압축 또는 팽창되는 기체의 온도 변화 정도에 특징이 있다. 일 실시예에 따르면, 압축 사이클 동안, 기체는 섭씨 100도 이하, 또는 섭씨 60도 또는 그 이하 범위의 온도 변화를 겪는다. 다른 실시예에서, 팽창 사이클 동안, 기체는 섭씨 100 도 이하, 또는 섭씨 15도 이하, 또는 (초기 실온에서 물의 어는 점에 근사한 온도까지의 범위에 해당되는) 섭씨 11도 이하의 온도 변화를 겪는다.
상기에서는 노즐을 통해 액체가 주입되었으나, 그 대신, 공기가 하나 또는 그 이상의 실린더 장치내의 액체량을 통과하면서 거품을 발생시켜 열 교환을 촉진할 수도 있다. 이러한 방식은 고압에서 더 선호된다.
확장시에, 밸브 타이밍은 전기적으로 제어되며, 이로써 적절한 팽창에 요구되는 양만큼의 공기만이 실린더 장치로 유입될 수 있다. 그 양은 저장 탱크가 감소됨에 따라 달라지며, 밸브 타이밍 또한 그에 상응하여 역동적으로(dynamically) 조절되어야 한다.
실린더 챔버가 포함된 경우, 실린더 챔버와 압력관의 크기(volume)는 고압 단계에서 저압 단계(stage)로 갈수록 증가된다. 또 다른 실시예에서는, 상이한 크기의 실린더 챔버를 구비하는 대신에, 같은 크기의 챔버를 갖는 복수개의 실린더 장치가 사용되며, 이때 전체 크기(total volume)는 요구되는 크기에 상응한다(their total volume equating to the required larger volume).
압축되는 동안, 모터 또는 샤프트 토크의 전원(source of shaft torque)에 의해 피스톤이 구동되거나, 또는 공기를 실린더 장치 내에 압축하는 펌프에 의해 유압 압력이 생성된다. 팽창하는 공기가 피스톤 또는 유압 액체를 구동시키고, 시스템에서 발생한 기계적 힘을 전달한다. 이러한 기계적 힘은 통상의 모터-발전기를 이용한 전력으로 전환되거나, 또는 이들 전력으로부터 전환될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 압축 공기 에너지 저장 시스템의 제1실시예를 나타내는 모식도이며, 액체 스프레이 (liquid mist)를 이용하여 열 교환을 수행하는 단일 단계 (a single-stage) 및 단일-동작 (single-acting) 에너지 저장 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 압축 공기 에너지 저장 시스템의 제2 실시예를 나타낸 블럭도이며, 다단계를 통해 전체 시스템이 구현되는 방법을 개시한다.
도 3은 본 발명에 따른 압축 공기 에너지 저장 시스템의 제2 실시예를 나타낸 모식도이며, 스프레이 액체와 액체를 통과하는 공기 방울 (air bubbling through a body of liquid)을 이용하여 열 교환을 수행하는 단일 단계 (a single-stage) 및 단일-동작 (single-acting) 에너지 저장 시스템을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 다단계 압축 공기 에너지 저장 시스템 (multi-stage compressed air energy storage system)의 단일-동작 단계 (one single-acting stage)를 나타내는 모식도로서, 스프레이 액체를 이용하여 열 교환을 수행한다.
도 5는 본 발명에 따른 다단계 압축 공기 에너지 저장 시스템 (multi-stage compressed air energy storage system)의 이중-동작 단계 (one double-acting stage)를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 다단계 압축 공기 에너지 저장 시스템 (multi-stage compressed air energy storage system)의 단일-동작 단계 (one single-acting stage)를 나타내는 모식도로서, 액체를 통과하는 공기 방울을 이용하여 열 교환을 수행한다.
도 7은 본 발명에 따른 다단계 압축 공기 에너지 저장 시스템 (multi-stage compressed air energy storage system)의 단일-동작 단계 (one single-acting stage)를 나타내는 모식도로서, 다단계의 실린더 장치를 이용한다.
도 8은 힘을 시스템으로 전달하기 위한, 또는 시스템으로 부터 전달받기 위한 4가지 방법을 개시하는 모식도이다.
도 9는 본 발명에 따른 다단계 압축 공기 에너지 저장 시스템 (multi-stage compressed air energy storage system)의 블럭도이며, 기계적 힘을 전달하고 받기 위한 메카니즘으로 유압 모터를 사용한다.
도 10은 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예를 나타낸다.
도 11A-11F 는 다양한 밸브의 타이밍을 제어하기 위한 컨트롤러 (controller)의 동작을 나타낸다.
도 12A-C는 본 발명의 실시예에서, 압축 사이클의 단계들 (stages)에서 장치의 구성을 나타낸다.
도 13A-C는 본 발명의 실시예에서, 팽창 사이클의 단계들에서 장치의 구성을 나타낸다.
도 14A-C는 본 발명의 실시예에서, 압축 사이클의 단계들에서 장치의 구성을 나타낸다.
도 15A-C는 본 발명의 실시예에서, 팽창 사이클의 단계들에서 장치의 구성을 나타낸다.
도 16A-D는 본 발명의 실시예에서, 압축 사이클의 단계들에서 장치의 구성을 나타낸다.
도 18A-D는 본 발명의 실시예에서, 팽창 사이클의 단계들에서 장치의 구성을 나타낸다.
도 18A-D는 본 발명의 실시예에서, 압축 사이클의 단계들에서 장치의 구성을 나타낸다.
도 19A-D는 본 발명의 실시예에서, 팽창 사이클의 단계들에서 장치의 구성을 나타낸다.
도20은 본 발명에 따른 방법과 시스템에 사용되기에 적합한 컴퓨터 시스템의 간략도이다.
도20A는 도 20에 개시된 컴퓨터내의 기본적인 하부 시스템을 나타낸다.
도 21은 본 발명에 따른 장치의 다양한 구성요소의 동작을 제어하는 컨트롤러의 입력과 출력을 개시하는 블럭도의 일예이다.
도 22는 본 발명에 따른 장치의 실시예를 나타내는 간략도이며, 도22A-B는 다른 모드에서 동작하는 제22도에 개시된 장치를 나타낸다.
도 23은 압축기-팽창기의 실시예에서, 공기의 흐름을 나타내는 간략도이다.
도 24A는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 24B는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 24C는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 24D는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 25는 압축기-팽창기의 일 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 26은 다단계 장치의 일 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 26A는 다단계 장치의 다른 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 26B는다단계 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 27은 압축 메카니즘의 일 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 28-28A는 에어로졸 (aerosol) 냉각 사이클의 일 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 29는 속이 빈 꼬깔 형상 (a hollow-cone nozzle design)의 속도장 (velocity field)을 나타낸다.
도 30은 팬 노즐 (fan nozzle) 시뮬레이션이다.
도 31은 에어로졸 냉각 사이클의 일 실시예에 대한 시스템도이다.
도 32는 에어로졸 냉각 사이클의 온도와 엔트로피 상관도이다.
도 32A는 에어로졸 냉각 사이클의 일 실시예를 통한 일 및 열흐름을 보여주는 힘 흐름도 (power flow graph)이다.
도 33은 본 발명에 따른 시스템의 일 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 33A는 본 발명의 일 실시예에서 사용 가능한 플래니태리 기어 시스템 (planetary gear system 시스템)의 일례를 개시하는 간략도이다. 도33AA는도 33A의 플래니태리 기어 시스템의 33A-33A' 선을 따라 절단한 간략 단면도이다.
도 34는 본 발명에 따른 다른 실시예를 나타내는 간략 모식도이다.
도 35는 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타내는 간략 모식도이다.
도 35A는 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타내는 간략 모식도이다.
도 36은 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 나타내는 간략 모식도이다.
도 37은 본 발명에 따른 시스템의 다른 실시예를 나타내는 간략 모식도이다.
도 38은 본 발명에 따른 혼합 챔버를 구비한 공기 저장 및 복구 시스템을 나타낸다.
도 39는 본 발명의 실시예에 따른 혼합 챔버와 압축 챔버를 포함하는 단일 단계 장치 (single stage apparatus)를 나타내는 간략도이다.
도 39A-39B는 도 39에 개시된 장치의 동작을 나타내는 간략도이다.
도 39CA-39CB주입된 액체의 예상 궤적을 나타내는 간략 모식도이다.
도 40은 본 발명의 실시예에 따른 단일 단계 장치의 모식도이며, 상기 단일 단계 장치는 혼합 챔버와 팽창 챔버를 포함하고 있다.
도 40A-40B는 도 40에 개시된 장치의 동작을 나타내는 간략 모식도이다.
Figure 41은 본 발명에 따른 압축 및 팽창을 수행하는 장치의 실시예를 나타내는 모식도이다.
도 41A-D는 도 40에 개시된 장치의 동작을 나타내는 간략 모식도이다.
도 41EA-EE은 밸브의 동작과 실린더 구성을 나타내는 간략 모식도이다.
도 41FA-FC은 실시예에 따른 동작을 나타내는 간략 모식도이다.
도 41G는 밸브 구조를 나타내는 간략 모식도이다.
도 41H은 본 발명에 따른 장치에 채용 가능한 캠 기반의 밸브 디자인 (cam-based valve design)을 나타내는 간략 모식도이다.
도 42A는 본 발명에 따른 가스 압축용 다단계 장치의 일 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 42B는 본 발명에 따른 다단계용 압축기의 일 실시예를 나타내는 간략 블럭도이다.
도 42BA-42BC는 도42B의 시스템의 다양한 모듈 요소들의 일 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 42C는 본 발명에 따른 다단계용 압축기의 실시예를 나타내는 간략 모식도이다.
도 43은 본 발명에 따른 다단계용 팽창기의 실시예를 나타내는 간략 모식도이다.
도 43A은 도 43에 개시된 시스템의 모듈 구성을 보여주는 간략도이다.
도 43B는 본 발명에 따른 다단계용 팽창기의 다른 실시예를 보여주는 간략도이다.
도 44는 본 발명에 따른 다단계 압축/팽창 장치의 일 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 45는 본 발명에 따른 다단계 압축/팽창 장치의 다른 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 46A는 본 발명에 따른 일 실시예를 나타내는 간략도이며, 혼합 챔버의 출력이 선택적으로 세개의 압축/팽창 실린더로 출력된다.
도 46B은 본 발명의 실시예를 나타내는 간략도로서, 혼합 챔버의 출력이 병렬로 출력된다
도 47은 본 발명에 따른 실시예를 나타내는 블럭도이며, 다양한 구성요소의 동작을 제어하는 컨트롤러에 대한 입력과 출력을 나타내고 있다.
도 48A-C은 시스템에의 다양한 밸브들을 제어하기 위한 컨트롤러의 동작을 나타낸다.
도 49A-C는 압축 및 팽창 모드에서 챔버 내의 압력과 부피의 상관 관계를 나타내는 도표이다.
도 50A는 액체 주입 방식이 채용된 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템의 간략 모식도이다.
도 50B는 액체 주입 방식이 채용된 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 복구 시스템 (recovery system)의 간략 모식도이다.
도 51은 액체 주입 방식이 채용된 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 (recovery system)의 간략 모식도이다.
도 52는 본 발명에 따른 다양한 구성 요소들의 동작을 제어하는 컨트롤러의 입력과 출력을 나타내는 블럭도이다.
도 53A는 본 발명에 따른 다단계 가스 압축장치의 일 실시에 대한 간략도이다.
도 53B는 본 발명에 따른 다단계용 압축기의 일 실시예를 보여주는 간략 블럭도이다.
도 53BA-53BC는 도 53B 의 시스템의 다양한 모듈 요소들의 실시예를 보여주는 간략도이다.
도 53C는 본 발명에 따른 다단계용 압축기의 다른 실시예를 보여주는 간략도이다.
도 54는 본 발명에 따른 다단계용 팽창기의 일 실시예를 보여주는 간략 블럭도이다.
도 54A는 도 54의 시스템의 모듈 요소의 일 실시예를 보여주는 간략도이다.
도 55는 본 발명에 따른 다단계용 팽창기의 다른 실시예를 보여주는 간략도이다.
도 56은 압축 또는 팽창을 수행하도록 설계된 본 발명에 따른 다단계의 장치의 일 실시예이다.
도 57은압축 또는 팽창을 수행하도록 설계된 본 발명에 따른 다단계의 장치의 다른 실시예이다.
도 58은 단일 단계 (single stage) 압축 공기 저장 및 복구 시스템의 일 실시예를 나타내는 간략 모식도이다.
도 58A-C다단계 (multi-stage) 압축 공기 저장 및 복구 시스템의 일 실시예를 나타내는 간략 모식도이다.
도 59-59B는 이동 가능한 피스톤을 구비한 실린더를 포함하는 단계 (stage)의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 60은 본 발명에 따른 에너지 저장 장치의 가열 및 냉각 기능을 보여주는 도표이다.
도 61A-C는 팽창기로서 기능하는 단계 (stage)를 나타내는 도면이다.
도62는 전원 네트워크와 결합된 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템에서 수행 가능한 기능을 나열한 도표이다.
도 63A-C은 압축기로 작동하는 단계 (stage)를 나타내는 도면이다.
도 64A는 각각의 단계에서의 온도 변화가 다른 다단계 시스템을 개시한다. 도 64B는 각 단계에서의 온도 변화가 실질적으로 동일한 다단계 저장 시스템을 개시한다.
도 65은 압축 가스 시스템과 외부 요소와의 상호작용을 나타낸다.
도 66은 최종 사용자에게 전력을 공급하는 네트워크를 나타내는 간략 모식도이다.
도 67은 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템에 의해 수행되는 기능을 레벨화 하여 보여주는 간략도이다.
도 68은 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 장치의 일 실시예로서, 상기 장치가 발전 설비 (power generation asset)과 함께 배치되어 있는 간략도이다.
도 68A는 모터/발전기 결합체 및 압축기/팽창기 결합체가 채용된 본 발명에 따른 압축 공기 에너지 저장 및 복구 시스템의 일 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 68B는 모터, 발전기, 압축기 및 팽창기를 구비한 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템의 일 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 68C는 다중 노드 기어 시스템 (multi-node gearing system)을 구비하는 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 일 실시예이다.
도 69는 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템이 계측기 (meter) 및 그에 연결된 최종 사용자 (end user)와 함께 배치된 구성의 일 실시예를 나타낸다.
도 69A-D는 에너지 저장 시스템과 최종 사용자 간의 열 인터페이스 (thermal interface)의 일 실시예를 나타낸다.
도 70은 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템이 최종 사용자 (end user) 및 계측기 (meter)와 연결된 로컬 (local) 전원과 함께 배치된 구성의 일 실시예를 나타낸다.
도 71은 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템이 계측기 (meter) 및 그에 연결된 최종 사용자 (end user)와 함께 배치된 구성의 다양한 동작 모드를 요약 개시하는 표이다.
도 72는 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템이 계측기 (meter) 와 그에 연결된 최종 사용자 (end user) 및 로컬 전원과 함께 배치된 구성의 다양한 동작 모드를 요약
도 73은 실시예를 나타내는 간략도이다.
도 74는 압축률이 32인 두개의 압축 사이클에 대한 질량 평균 온도 (mass weighted average temperature)를 나타내는 그래프이다.
도 74A는 높은 압축률을 갖는 가스 압축기의 전산 유동 역학 시뮬레이션으로 부터 얻어진 상부 사점 (top dead center)에서의 캘빈 온도 (절대온도; temperature in Kelvin)의 적외선 사진 (false color representation)을 보여준다.
도75는 열역학 사이클을 나타낸다.
도76A는 물 부피 분율 (water volume fraction)에 대한 효율성을 나타내는 그래프이다.
도 76B는 물 부피 분율의 증가에 따른 배기 공기의 온도를 나타낸다.
도 77은 실린더 헤드 (cylinder head)에 인접한 곳에 위치한 상부 사점 (top dead center)에서의 온도를 나타낸다.
도78은 물을 스프레이했을 때와 스프레이하지 않았을 때의 온도 변화를 나타낸다.
도 79는 이차원에서 제트 브레이크업 ( jet breakup)의 다상 흐름 시뮬레이션 (multiphase flow simulation)을 나타낸다.
도 80은 일 실시예의 피라미드 노즐로 부터 방출된 물 스프레이(water spray)의 전산 유동 역학 시뮬레이션이다.
도 81은 입자 영상 유속계 (Particle Image Velocimetry; PIV)를 이용하여 얻어진 액체 방울 (drop)의 실험 사진 (experimental picture)이다.
도 81b는 물방울 크기 분포를 측정한 그래프이다.
도 82는 냉각제의 상 변화를 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 시스템의 간략도이다.
도 83은 크랭크 회전 (crank rotation )에 대한 실린더 내의 질량 평균 공기 온도 (mass-average air temperature in cylinder (K))의 전산 유동 역학 시뮬레이션을 나타내며, 스플레쉬 모델 (splash model)이 있는 경우와 없는 경우에서 얻어진 캘빈온도 (절대온도; K)로 표시되어 있다.
도 84는 가스 흐름 밸브로서 피스톤을 채용하는 장치의 일 실시예의 간략 단면도이다.
도 85는 챔버 내로의 액체 흐름을 이용하는 장치의 일 실시예를 개시한다.
도 86A-C는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 장치를 보여준다.
도 87은 액체 흐름 밸브 네트워크 (liquid flow valve network)을 포함하는 장치의 일 시예를 보여주는 간략도이다.
도 88은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예를 개시한다.
도 89은 본 발명에 따른액체 주입 스프레이기 (liquid injection sprayer)의 간략 단면도이다.
도 90A-90C는 단일체 (single piece)로 구성된 스프레이의 일 실시예를 보여주는 간략도이다.
도 91A-91D는 단일체 (single piece)로 구성된 스프레이 노즐의 일 실시예를 개시하는 간략도이다.
도 92A-92D는 단일체 (single piece)로 구성된 스프레이 노즐의 다른 실시예를 개시하는 간략도이다.
도 93은 복합체 노즐 디자인 (multi-piece nozzle design)의 일 측판 (plate)을 개시하는 사시도이며, 스프레이 구조물의 반쪽을 이루는 대응면 중 한면 (one of the opposing surfaces defining one-half of the sprayer structure)이 개시되고 있다.
도 93A은 도 93의 일 측판의 상부도이다.
도 93B는도 93의 일 측판의 측면도이다
도 94는 스프레이 구조물의 다른 반쪽에 대한 사시도이며, 스프레이 구조물의 다른 반쪽에 형성된 리세스 (recess) 구조가 개시되고 있다.
도 95는 에셈블리 (assembly) 스프레이 구조물의 일 실시예로서, 스프레이로 부터 액체를 공급받는 챔버에 대한 사시도이다.
도 96은 도 95의 어셈블리 스프레이 구조물을 개시하며, 스프레이에 대한 액체 공급원의 사시도이다.
도 97은 도 89에 개시된 노즐의 각 부분에 대한 상대적 거리를 나타낸다.
도 98은 도 89의 노즐 디자인에서 예상되는 팬 스프레이 (fan spray)를 보여준다.
도 99A-D는 복합체 노즐 구조물의 다른 실시예이다.
도 100A-J는 복합체 노즐 구조물의 다른 실시예를 여러 각도에서 관찰한 도면이다.
도101A-C는 노즐 성능을 평가하는데 사용된 실험 조건들이다.
도 102는 두개의 즉석 그림자 이미지 (two instantaneous shadowgraphy images)를 사용하여 100 PSIG 수압 (water pressure)에서 얻어진 글로벌 흐름 구조 (global flow structure)이다.
도 103은 제1런 (run 1) 및 제4런 (run 4)에서 얻어진 평균 속도 벡터 (mean velocity vectors)이다.
도 104는 제1런 및 제4런에서 얻어진RMS 속도 벡터 (RMS velocity vector)이다.
도 105는 제1런에서 관측된 액체 방울 (droplets)의 즉석 이미지 (instantaneous image)이다.
도 106은 제1런에서의 액체 방울 크기에 대한 히스토그램이다.
도 107은 제4런에서 관측된 액체 방울의 즉석 이미지 (instantaneous image)이다.
도 108은 액체 방울 크기에 대한 히스토그램이다.
도 109A는 제12런 (run)에서 관측된 액체 방울에 대한 즉석 이미지이다. 도 109B는 제14런에서 관측된 액체 방울에 대한 즉석 이미지이다.
도 110A은 제12런에서 액체 방울 크기에 대한 히스토그램이다. 도 110B은 제14런에서의 히스토그램이다.
도 111A은 제5-15런 및 제25-27런에서의 액체 방울 크기를 z축에 대해 분포시킨 그래프이다. 도 111B에서는 쉬트각 (sheet angle)에 대해서 동일한 데이타를 얻었다.
도 112A는 제5-15런 및 제25-27런에서 z 위치에서 관측된 액체 방울의 수를 나타낸다. 도112B는 쉬트각에 대해서 동일한 데이타를 얻었다.
도 113은50 PSIG water pressure에서의 글로벌 흐름 구조 (global flow structure)를 나타내며, 두개의 즉석 그림자 이미지에서 얻었다.
도 114는 제2런 및 제3런에서 얻은 평균 속도 벡터장 (mean velocity vector field)이다.
도 115는 제2런 및 제3런에서 얻은RMS 속도 벡터장 (RMS velocity vector field)이다.
도 116은 제2런에서 관측된 액체 방울의 즉석 이미지이다.
도 117은 액체 방울 크기에 대한 히스토그램이다.
도 118은 제3런에서 관측된 액체 방울의 즉석 이미지이다.
도 119는 제3런의 액체 방울 크기에 대한 히스토그램이다.
도 120은 제20런에서 관측된 액체 방울의 즉석 이미지이다.
도 121은 제20런의 액체 방울 크기에 대한 히스토그램이다.
도 122A은 제16-21런 및 제22-24런에서 z축에 따른 액체 방울 크기 분포이며, 단위는mm이다. 도 122B은 쉬트각에 대한 데이타이다.
도 123A은 제16-21런에 있어서, z 위치에서 관측된 액체 방울의 숫자를 보여준다. 제 123B는 쉬트각에 대한 데이타이다.
도 124은 액체 주입 방식의 본 발명의 일 실시예에 따른 압축 공기 에너지 저장 및 복구 시스템을 보여주는 간략도이다.
도 124A는 밸브와 스프레이기를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버 벽을 도시한다.
도 125는 액체 주입 방식이 채택된 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 일 실시예에 대한 간략 모식도이다.
도 126는 액체 직접 주입을 위한 스프레이기 (sprayer)를 구비한 본 발명에 따른 압축 또는 팽창 챔버의 간략 확대도이다.
도 127은 액체 직접 주입을 위한 스프레이기 (sprayer)를 구비한 본 발명에 따른 압축 또는 팽창 챔버의 간략 확대도이다.
도 128은 액체 직접 주입을 위한 스프레이기 (sprayer)를 구비한 본 발명에 따른 압축 또는 팽창 챔버의 간략 확대도이다.
도 129는 액체 직접 주입을 위한 스프레이기 (sprayer)를 구비한 본 발명에 따른 압축 또는 팽창 챔버의 간략 확대도이다.
도 130A는 본 발명에 따른 실린더 헤드에 위치한 스프레이 노즐의 일 실시예이다.
도130B는 본 발명에 따른 실린더 헤드에 위치한 스프레이 노즐의 다른 실시예이다.
도 131은 복합 챔버 프로파일 (complex chamber profile)을 갖는 액체 주입기가 채택된 장치의 일 실시예이다.
도 132는 복합 챔버 프로파일 (complex chamber profile)을 갖는 액체 주입기가 채택된 장치의 다른 실시예이다.
도 133A-G는 노즐 디자인의 다른 실시예이다.
도 134A-C는 노즐 디자인의 도면들이다.
도135A-E는 조율 공명 특성 (tuned resonance characteristics)을 갖는 압축 또는 팽창 장치의 디자인을 개시한다.
도 136은 전력 추출용 능동 조절 장치 (active regulator apparatus)의 일 실시예이다.
도 137은 내부 스프레이 발생 매커니즘을 구비하는 장치의 일 실시예이다.
도 138은 내부의 고압을 이용하여 스프레이 노즐을 통해 액체를 펌핑하는 장치의 일 실시예이다.
도 139는 피스톤 액츄에이터 (piston actuator)를 갖는 수동 포트 밸브 (passive port valve)가 채용된 장치의 일 실시예이다.
상기 도면 중 일부는 표준 심벌 (standard symbols)로 구현할 수 있으나, 다른 실시예에서 구현되는 다양한 방식을 반영할 수 있도록 보다 일반적인 형태로 해석되어야 한다.
본 발명의 상세한 설명 (DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION)
본 발명은 몇몇 실시예를 참고하여 설명되고 있으나, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 당업자는 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명에 다양한 변형을 가할 수 있다. 설명의 편의와 발명의 이해를 돕기 위해 전 도면들에 걸쳐, 동일/유사한 참조번호는 동일/유사한 요소를 지칭하기 위해 사용되고 있다.
단일 단계 시스템 ( Single - Stage System )
도 1은 본 발명에 따른 압축 공기 에너지 저장 시스템 20 의 일 실시예 및 그 원리를 간략히 개시하고 있다. 종래의 압축 공기 에너지 저장 시스템을 향상시킨 이들 원리는 다음을 포함하고 있다: 압축 및 팽창 중에 열 교환을 촉진하기 위해 공기와 액체를 혼합하고, 이로써 공정 효율성을 향상시키는 단계; 동일한 매커니즘을 공기를 압축 및 팽창시키는데 적용시키는 것을 포함한다. 또한, 밸브 타이밍을 전기적으로 제어함으로써 주어진 용량 (volume)의 압축 공기로 부터 최대한의 일 출력 (work output)을 얻어낸다.
도 1에 개시된 바와 같이, 에너지 저장 시스템 20은 실린더 장치 21을 포함하며, 실린더 장치 21은 피스톤 장치 (piston device) 23 또는 이와 유사한 장치를 왕복적으로 수납 (for reciprocating receipt)한다. 압축 공기 저장 장치 20은 또한 압력 셀 (pressure cell) 25을 포함하며, 상기 압력 셀은 상기 실린더 장치 21과 함께 하나의 유닛으로서 제1 단계의 가역성 압축/팽창 메커니즘 (예를들어, 제1단계 24)을 형성한다. 공기 필터 26, 액체-공기 분리기 27 및 액체 49d를 포함하는 액체 탱크 28이 각각 파이프 30, 31을 통해 압축/팽창 메카니즘 24의 저 압력측 (low pressure side)에 연결되어 있다. 고 압력측 (high pressure side)에는, 공기 저장 탱크 (들) 32이 입력 파이프 33와 출력 파이프 34를 통해 압축셀 25에 연결되어 있다. 복수 개의 양 방향 (two-way), 양단 밸브 (two position valves) 35-43가 두개의 출력 노즐 11, 44와 함께 구비되어 있다. 본 실시예는 또한 액체 펌프 46, 47을 포함한다. 상기 액체 탱크 28이 실린더 장치 21보다 상부에 형성되는 경우에는 물이 중력에 의해 실린더 장치로 공급될 수 있으므로 펌프 46없이 시스템을 구성할 수 있다.
공기는 파이프 10을 통해 시스템으로 유입된 후, 필터 26을 통과하여 파이프 30을 거쳐 실린더 장치 21의 실린더 챔버22로 유입되며, 피스톤 23의 작동에 따른 유압에 의해 압축되거나 또는 기타 기계적인 방법에 압축된다 (도 8). 압축이 시작되기 전에, 스프레이 노즐 (atomizing nozzle) 44을 이용하여 스프레이 액체 (liquid mist)가 압력셀 25로 부터 실린더 장치 21의 챔버 22내로 유입된다. 상기 액체는 물 또는 기름이거나, 또는 압력셀로 부터 공급되는 충분히 높은 열량 특성 (sufficient high heat capacity properties)을 갖는 액체 49이다. 상기 시스템은 실질적으로 실온에서 동작하는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 액체는 높은 온도를 견딜 수 있는 특성이 요구되지 않는다. 상기 스프레이 액체의 주요 기능은 실린더 챔버 내의 액체가 압축되는 동안 발생하는 열을 흡수하는 것이다. 일정량의 스프레이 액체가 각 압축 스트로크때마다 챔버 내에 주입되며, 이때 각 스트로크마다 발생되는 열이 모두 흡수된다. 스프레이 액체가 응축 (condense)됨에 따라, 실린더 챔버 22내의 액체 본체 (a body of liquid) 49e로서 수집된다.
압축된 공기/액체 혼합물은 출력 노즐 11과 파이프 51을 통해 압력셀 25로 전달된다. 압력셀 25내에서, 상기 혼합물은 압축과정에서 발생된 열을 셀 내에 포함된 액체 본체49와 교환한다. 공기는 액체 및 상기 압력셀의 상부로 버블(공기 방울, 기포)을 발생시킴으로써 (bubbles up), 파이프 33을 통해 공기 저장 탱크 32로 이동한다.
팽창 사이클은 상기 압축 사이클의 반대 과정이다. 공기는 공기 저장 탱크 32를 떠나, 파이프 34를 거쳐, 압력셀 25내의 액체 49f를 거치면서 공기 방울이 되고, 파이프 55를 거쳐 실린더 장치 21의 챔버 22로 유입되어, 피스톤 23이나 기타 기계적 연결 장치 (mechanical linkage)를 구동시킨다. 또, 스프레이 액체가 출력 노즐 44과 파이프 48을 거쳐 실린더 챔버 22로 유입되는데, 이는 팽창 과정 동안 실린더 챔버 내의 온도를 실질적으로 일정하게 유지시켜 주기 위해서이다. 공기 팽창이 완료되면, 사용된 공기와 스프레이 액체는 공기-액체 분리기 27를 통과하게 되고, 분리된 액체는 재사용된다. 끝으로, 공기는 파이프 10을 거쳐 대기중으로 배기된다.
압력셀 25에 포함된 액체49f는 열 교환기 52를 통해 계속 순환하면서 압축과정에서 발생된 열을 제거하거나 팽창과정에서 흡수한 열을 추가한다. 순환하는 액체는 공지의 공기 또는 물-냉각 열 교환기 (도3의 12)를 거쳐 시스템의 외부 열저장고 (즉, 대기, 연못, 등)와 열 교환을 수행한다. 순환하는 액체는 외부 열 교환기로 전달되거나 와부 열 교환기로 부터 유입되며, 상기 외부 열 교환기는 파이프 53, 54를 통해 내부 열 교환기52와 연결되어 있다.
도 1에 개시된 장치는 컴퓨터로 판독 가능한 저장 장치 1002와 전기적으로 연결된 컨트롤러 /프로세서 1004을 추가로 포함한다. 컴퓨터로 판독 가능한 저장 장치 1002는 다양한 디자인으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 반도체 원리, 전자기적 또는 광학적 저장 원리에 기초하여 설계될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 컨트롤러 1004는 시스템의 능동소자와 전기적으로 연결된 상태가 도시되고 있다. 능동소자는, 예를 들어, 밸브, 펌프, 챔버, 노즐 또는 센서 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 시스템에서 이용되는 센서로는 압력 센서 (P) 1008, 1014 및 1024, 온도 센서 (T) 1010, 1018, 1016 및 1026, 습도 센서 (H) 1006, 부피 센서 (V) 1012 및 1022, 및 유속 센서 (flow rate sensor) 1020 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상술한 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 시스템 요소들로 부터의 입력 및 이들 입력으로 부터 계산된 값 (value)에 기초하여, 컨트롤러/프로세서 4는 동적으로 시스템의 동작을 조절함으로써 목적을 달성한다. 목적은 하기 사항을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다: 저장된 에너지를 유용한 일로 변환하는 효율성을 극대화하고 조절하는 것; 출력, 예상 출력, 피스톤과 교통하는 (in communication with) 회전 샤프트의 예상 출력 속도 (expected output speed); 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 예상 출력 토크 (expected output torque); 피스톤과 교통하는 (in communication with) 회전 샤프트의 예상 입력 속도; 피스톤과 교통하는 (in communication with) 회전 샤프트의 예상 입력 토크 (an expected input torque); 피스톤과 교통하는 (in communication with) 회전 샤프트의 최대 출력 속도 (maximum output speed); 피스톤과 교통하는 (in communication with) 회전 샤프트의 최대 출력 토크 (maximum output torque); 피스톤과 교통하는 (in communication with) 회전 샤프트의 최소 출력 속도 (minimum output speed); 피스톤과 교통하는 (in communication with) 회전 샤프트의 최소 출력 토크 (minimum output torque); 피스톤과 교통하는 (in communication with) 회전 샤프트의 최대 입력 속도 (maximum input speed); 피스톤과 교통하는 (in communication with) 회전 샤프트의 최대 입력 토크; 피스톤과 교통하는 (in communication with) 회전 샤프트의 최소 입력 속도; 피스톤과 교통하는 (in communication with) 회전 샤프트의 최소 입력 토크; 또는 각 단계 (stage)에서 공기의 최대 예상 온도차를 극대화 하거나, 최소화하거나, 조절하는 것.
단일 단계 시스템 (single-stage system)의 압축 사이클은 다음과 같다.
Figure pat00001
압축 사이클의 제1단계 동안, 액체 (liquid) 49d가 액체 탱크 28 (액체의 본체body of liquid 49e로서 수집)로 부터 실린더 장치 21의 챔버 22에 첨가되고, 피스톤 23이 상부 사점 (TDC)에 도달하면, 실린더 장치 내의 불용체적 (dead volume)이 제로 (zero)가 된다. 이 단계는 간헐적으로만 행해지며, 대개의 사이클에서는 생략된다.
압축 사이클의 제2단계 동안, 압축 셀 25의 스프레이 액체 (liquid mist)가 펌프 47에 의해 파이프 48과 노즐 44를 거쳐 실린더 챔버 22로 펌핑된다. 선택된 양의 스프레이 액체는 압축 단계 (단계 3) 동안 발생되는 열을 흡수하기에 충분한 정도이다. 스프레이 액체의 부피 분율 (volume fraction of liquid must)는 액체 방울 (droplets)이 실질적으로 함께 융합 (substantially fuse together)되지 않을 정도로 충분히 낮고, 따라서 열 교환에 필요한 유효 면적 (effective surface area)- 즉, 공기와 액체의 계면-이 감소된다. 통상적으로, 압력셀 25과 실린더 장치 21의 챔버간의 압력 편차 (pressure differential)는 펌프 47의 작동이 필요하지 않을 정도로 충분히 높다.
압축 사이클 제3단계 동안, 피스톤23은 피스톤 막대 19 와 연결된 크랭크 샤프트 (미도시)에 의한 유압에 의해 또는 다른 기계적 구조에 의해 상부로 구동되어 (도8), 실린더 챔버에 포함된 공기와 스프레이 액체를 압축한다.
압축 사이클의 제4단계는 실린더 챔버 22 내의 공기 압력이 압력셀 25내의 압력과 실질적으로 동일해 졌을 때 시작되며, 그 시점에서 배기 밸브 (outlet valve) 38가 개방되어 압축 공기가 실린더 챔버에서 압력셀 쪽으로 흐른다. 압력 사이클의 제1단계에서 실린더 장치에 첨가된 액체 때문에, 실린더 챔버 내의 거의 모든 공기는 이 단계에서 배출 (pushed out)된다. 압축공기는, 연행 스프레이 액체 (entrained mist)와 함께, 유입 노즐 (inlet nozzle) 11을 통해 압력셀 25로 유입되고, 이로써 미세한 버블이 (bubble) 생성되어 압력 단계에서 발생한 열이 셀내의 액체49f와 신속하게 열 교환된다.
압축 사이클의 제5단계 동안, 피스톤 23은 풀 다운 (pulled down) 되어 저압 공기가 밸브 36 및 파이프 30을 거쳐 채워진다. 상기 표에서 보여지듯이, 이 단계 동안에 밸브 39가 닫혀있고, 펌프 47은 제5단계 동안 꺼져있다. 그러나 반드시 이러한 조건이 요구되는 것은 아니다. 다른 실시예에서, 제5단계 동안, 밸브 39는 열려있고 펌프 47이 켜져있는 구성도 가능하며, 이때 스프레이 액체는 실린더 챔버로 유입되고, 공기로 리필 (refilled)된다.
단일 상태 시스템 (this single-stage system)의 팽창 사이클은 다음과 같이 진행된다.
Figure pat00002
팽창 사이클의 제1단계 동안, 시스템내 의 불용 체적을 없애기 위해, 액체가 액체 탱크 28로 부터 실런더 챔버로 첨가된다. 이는 상기에 언급한 바와 같이 드물게 필요한 과정이다. 압축 사이클와 유사하게, 만약 액체 탱크 28이 실린더 장치의 챔버 21보다 높게 배치되어 있는 경우에는, 펌프 46을 생략할 수 있다.
팽창 사이클의 2단계 동안, 교정 간격 (the correct interval)동안 유입 밸브 37 를 열어서 소정량의 공기 V0 가 실린더 장치의 챔버에 첨가되도록 한다. 교정 간격은 압력셀 내의 공기 압력과 원하는 팽창비 (desired expansion ratio)에 따라 달라진다. 요구되는V0는 전체 실린더 장치 체적 (total cylinder device volume)을 원하는 팽창비 (desired expansion ratio)로 나눈 값이다. 단일 단계 시스템 (single stage system)에 있어서, 그 비 (ratio)는 실온 (in atmospheres)에서 공기 저장 탱크내의 공기 압력보다 작거나 같다. 공기가 실린더 챔버 22로 유입되는 동시에, 스프레이 액체가 압력셀로 부터 (펌프 47에 의해) 펌핑되어 유입 노즐 44를 거쳐 실린더 챔버로 유입된다. 만약, 압력셀 25과 실린더 장치 21 사이에 충분한 압력 편차가 존재하면, 펌프 47은 필요없다. 일단 실런더 챔버 내부의 압력이 충분히 높으면, 밸브 37은 닫힌다. 피스톤 23은 이 단계가 시작될 때 하부사점 (BDC) 방향으로 향하게 되고, 크랭크 샤프트, 유압 또는 다른 기계적 수단에 의해 파워를 시스템 외부로 전달한다.
팽창 사이클의 제3단계 동안, 제2단계에서 유입되었던 공기는 챔버 22내에서 팽창된다. 스프레이 액체 또한 노즐 44을 거쳐 챔버 22로 계속적으로 펌핑된다. 유입된 소정량의 스프레이액체 전량은 액체가 팽창하는 동안 온도가 실질적으로 일정하게 유지될 수 있을 만큼 시스템에 충분한 열을 공급할 수 있는 정도여야 한다. 피스톤 23은 이 단계동안 실린더 장치의 하부까지 구동 (driven to the bottom)된다.
이러한 2 단계 팽창과정 (공기 V0이 유입되는 첫번째 단계-제2단계-와, 그 이후에 팽창되는 두번째 단계-제3 단계)은 시스템이 압축 공기로 부터 활용할 수 있는 가능한 모든 에너지를 추출할 수 있도록 한다.
팽창 사이클의 제4단계 동안, 크랭크 샤프트 또는 기계적 연결체 (mechanical linkage)가 피스톤19을 상부 사점 (TDC)으로 밀어올려, 사용 후 공기와 스프레이 액체를 실린더 장치로 부터 배기시킨다. 피스톤을 구동하는데 필요한 힘은 시스템의 모멘텀 및/또는 이상 상태 피스톤 (out-of-phase pistons)의 움직임으로 부터 나온다. 배기된 공기는 공기-액체 분리기를 통과하고, 분리된 액체는 액체 탱크 28로 돌아간다.
다단계 시스템 ( Multi - Stage System )
시스템으로 또는 시스템으로 부터 기계적 힘을 전달하는 기계적 접근 또는 유압적 접근에 의해 수행될 수 있는 것보다 더 큰 압축/팽창 비가 요구되는 경우에는, 다단계가 이용된다. 3 단계 (제1단계 24a, 제2단계24b 및 제3단계 24c)의 다단계 압축 공기 에너지 저장 시스템 20이 도 2에 개시되어 있다. 더 많은 수 또는 더 적은 수의 단계를 갖는 시스템도 유사하게 구성된다. 이하의 도면에서, a, b 및 c 기호가 도면부호 (예를 들어, 25a)와 함께 이용되는 경우에, 이는 다단계 에너지 저장 시스템 20의 개별적인 단계에서의 구성 요소를 의미한다.
본 발명에서, 각 단계는 통상 실질적으로 동일한 팽창비를 갖는다. 단계의 팽창비,
Figure pat00003
은 아래식에서와 같이 전체 팽창비의 N 루트값으로 표시된다.
Figure pat00004
이때, R은 전체 팽창비이고, N 은 단계 (stage)를 나타내는 수이다. 그러나, 모든 단계의 팽창비의 곱이 R 이라면, 각 단계는 서로 다른 팽창비를 가질수 있다. 즉, 3 단계 시스템을 예로 들면 다음과 같다.
Figure pat00005
각 단계의 질량유속 (mass flow rate)이 실질적으로 동일하도록, 낮은 압력 단계일수록 실린더 챔버가 더 큰 변위(displacement)를 가질것이 요구된다. 다단계 시스템에서, 실린더 챔버들의 상대적인 변위량은 다음식에 따른다.
Figure pat00006
Figure pat00007
은 i ith 번째 실린더의 체적이고, V f 는 시스템의 총 변위량이다. (즉, 모든 실린더 장치들의 변위량의 합이다.)
예를 들어, 3단계 시스템의 총 변위량이 1리터라고 가정해 보자. 만약 각 피스톤의 스트로크 길이가 실질적으로 최종 실런더 챔버의 구경 (지름)과 실질적으로 동일하다면, 3개의 실린더 챔버들의 부피는 약 19 cm³, 127 cm³ 및 854 cm³이다. 세개의 스트로크 길이 가10.3 cm이면, 구경들은 약1.54 cm, 3.96 cm 및 10.3 cm. 가장 저압의 실린더 장치가 가장 크고, 가장 고압의 실린더 장치가 가장 작다.
도 9는 지속적으로 거의 일정한 파워 (continuous near-uniform power output)를 생산하기 위해, 세개의 단계들24a, 24b 및 24c이 유압 시스템 (예를 들어, 유압 모터 57과 6개의 유압 실린더61a1 - 61c2)과 어떻게 연결되는 지를 나타내는 모식도이다. 압축 공기 구동 실린더 장치 (compressed-air driven cylinder device) 21a1 - 21c2 각각에 대응하는 압축 공기 구동 피스톤들 (compressed-air-driven piston) 23a1 - 23c2은 각각 피스톤 막대19a1 - 19c2를 거쳐 각각의 유압 실린더 장치 61a1 - 61c2의 피스톤 60a1 - 60c2에 연결되어 있다.
공기 구동 실린더 장치 (air-driven cylinder devices) 21a1 - 21c2의 챔버들은 상기에 언급된 바와 같이 다양한 변위량을 갖는다. 그러나, 유압 실린더 장치들 61a1 - 61c2의 챔버들은 실질적으로 동일한 변위량을 갖는다. 각각의 공기 구동 피스톤 (air-driven piston)에 의해 발생되는 힘은 세개의 단계에 걸쳐 거의 동일하기 때문에, 각각의 유압 실린더 장치는 유압 모터 57에 실질적으로 같은 압력을 제공한다. 유념해야 할 것은, 이러한 구성에 있어서, 소정 단계 (예를 들어, 첫번째 단계24)를 구성하는 두개의 피스톤들 21a1, 21a2은 서로 180도 위상차 (out of phase)를 갖고 동작한다.
다단계 시스템에서 열 교환을 일으키기 위해 스프레이 액체를 사용하는 단계 (Stages Using Liquid Mist to Effect Heat Exchange in a Multi-Stage System)
만약 열 교환을 위해, 단계가 단일-동작 (single-acting)하고 열 교환을 위해 스프레이 액체를 사용하는 경우에는, 이는 상기의 “단일 단계 시스템” 항목에 개시된 방식에 따라 동작한다. 다단계 시스템 20 (예를 들어, 도 2의 두번째 단계24b)의 각각의 단일-동작 단계는 도 4에 도식적으로 나타나 있다. 이러한 구성에서, 압축 기간 동안, 공기는 선행의 압축단계 (예를 들어, 제1단계 24a)의 압축셀 25a로 부터 파이프 92a/90b를 거쳐 제2단계24b 의 실린더 챔버22b로 지나간다. 액체는 파이프93a/91b를 거쳐, 선행 압력 단계의 압력셀25a을 빠져나오거나, 또는 그 압력셀로 들어간다.
반대로, 공기는, 압축 단계 동안에는, 도시된 단계 (예를 들어, 제2단계 24b)의 압력셀 25b로 부터 그 다음으로 높은 압력 단계 (예를 들어, 제3단계 24c)의 실린더 장치의 챔버로 지나간다. 또, 팽창 단계 동안에는, 파이프 92b/90c를 거쳐 상기 다음으로 높은 압력 단계의 실린더 장치의 챔버로 부터 빠져나간다. 이때, 도시된 공기 압축/팽창 메카니즘 (즉, 제2단계24b)은 한 단계의 압력셀로 부터 그 다음의 고압 단계 (the next higher-pressure stage)로 액체를 전달하는 파이프93b가 추가되었다는 것만 제외하면, 도1에 도시된 주요 구성 요소들 (실린더 장치 21 및 제1단계 24의 압력셀 25)과 동일하다. 파이프 93b은 최고압 단계에서는 필요하지 않다. 따라서, 단일 단계 구성을 나타내는 도 1과 도 3에는 나타나 있지 않다.
만약 도시된 단계가 최저압 단계 (the lowest-pressure-stage; 예를 들어, 도 2의 실시예에서의 제1단계 24)라면, 선 (line) 90a는 팽창 사이클 동안에는 공기를 공기-액체 분리기 (예를 들어, 도 1의 분리기 27)로 지나가게 하고, 압축 사이클 동안에는 공기가 공기 필터 (예를 들어, 도 1의 필터 26)으로 부터 빠져 나오게 한다. 유사하게, 만약 도시된 단계가 가장 저압력 단계라면, 선 (line) 91a은 액체를 액체 탱크로 부터 또는 액체 탱크로 이동시킨다. 만약, 도시된 단계가 최고 압력 단계 (예를 들어, 제3단계 24c)라면, 공기는 파이프92c를 거쳐 공기 탱크 (예를 들어, 도 1의 공기탱크 32)로 또는 공기 탱크로 부터 이동된다.
열 교환을 수행하기 위해 버블을 이용하는 단일-동작 단계 ( Single-Acting Stage Utilizing Bubbles to Effect Heat Exchange)
압축되는 공기를 냉각하기 위해 또는 팽창하는 공기를 데우기 위해 실린더 장치 또는 압력셀 내로 스프레이 액체를 분사시키는 대신에, 본 발명의 실시예로서 반대 공정 (inverse process)을 사용할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 실린더 장치 21c의 챔버 22c 내에서 공기가 액체 49c1를 통해 버블업 (bubbled up) 된다. 이러한 공정은 요구되는 열 교환을 수행하는데 필요한 스프레이 액체의 부피 비율 (volume fraction)이 충분히 높아서 압축 사이클 동안 높은 비율의 물방울을 용해 (fuse)시킬수 있는 경우에 선호된다. 통상적으로, 이는 높은 압력에서 일어난다. 따라서, 도 6의 도면번호 c (예를들어, 25c)는 세번 째 또는 그 이상의 압력 단계를 를 나타낸다.
도 1을 참고하면, 도 6의 장치는 추가로 컴퓨터로 해독 가능한 저장 장치 (computer-readable storage device) 6004 와 전기적으로 통신하는 컨트롤러/프로세서 (controller/processor 6002)를 더 포함한다. 상기 컴퓨터로 해독 가능한 저장 장치는 어떠한 디자인으로도 구성될 수 있으며 반도체 원리 뿐 아니라 전자기적 또는 광학적 원리를 이용한 것도 가능하다.
도시된 컨트롤러6002는 시스템의 능동 소자들과 통신하며, 상기 능동소자는 밸브, 펌프, 챔버, 노즐, 센스 등을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 시스템에서 이용되는 센스의 예로는, 압력센서 (P) 6008 및6014, 온도 센서 (T) 6010, 6016 및 6018, 부피 센서 (V) 6012 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 6은 열 교환을 촉친하기 위해 버블 (bubble)을 사용하는 단계를 도시한다. 이러한 단일-동작 단계 시스템 (single-acting stage system)의 압축 사이클은 다음과 같이 진행된다.
Figure pat00008
반대로, 이러한 단일-동작 상태 시스템 (single-acting stage system)의 팽창 사이클은 다음과 같이 진행된다.
Figure pat00009
Figure pat00010
이 단계 (예를 들어, 제3단계24c)에서 실린더 장치21c의 챔버22c에서 나온 공기-액체 혼합물은 팽창 사이클 동안, 밸브108c 와 파이프 91c/95b를 거쳐 다음 저압 단계 (즉, 제2단계 24b)의 압력셀25b로 운반된다. 이어서, 제3단계 24c에서 압축되는 동안, 예를 들어 다음 저압 단계 24b로 부터 파이프 92b/90c를 거쳐 실린더 장치 21c의 챔버 22c로 운반된다.
반대로, 제2단계 24c의 압력셀 25c로 부터 나온 공기는, 예를 들어, 다음 고압 단계의 실린더 챔버 22d로 부터 인라인 밸브 41c와 함께 동작하는 파이프 92c/90d 를 거쳐 다음 고압단계의 실린더 챔버 22d쪽으로 또는 반대로 이동된다. 이 단계의 압력셀 25c로 부터 나온 액체 49c는 예를 들어, 파이프 93c/94d를 거쳐 다음 고압 단계 24d,의 실린더 챔버 22d 로 이동된다. 다음 고압단계의 실린더 챔버 22d 에서 나온 공기-액체 혼합물은 (팽창 사이클 동안) 파이프 91d/95c를 거쳐 이 단계의 압력셀 25c로 운반된다.
다단계 시스템에서 에너지를 저장하거나 제거하기 위해, 어떤 (저압) 단계에는 스프레이 액체 기술 (liquid mist technique )을 적용할 수 있고, 다른 (고압) 단계에는 버블 기술 (bubbles technique)을 채용할 수도 있다.
다상 ( Multiple Phases )
전술된 시스템은 단상 (single phase) 시스템의 예이다. 즉, 한 사이클 동안 모든 피스톤이 동작한다. 예를 들어, 팽창기 동안, 사이클의 절반동안 다양한 양의 기계적 일 출력 (mechanical work output)이 발생하고, 나머지 반 사이클 동안 일 입력 (work input )이 필요하다. 그러한 일 입력은 플라이휠 (flywheel: 미도시)을 사용함으로써 촉진될 수 있다.
한사이클에 걸쳐 출력 (power output )을 원활하게 내기 위해 또, 플라이휠 요건을 완화하기 위해, 하나의 실시예로, 다단계 시스템 상 (multiple system s phases)이 채용될 수 있다. N개 세트의 피스톤이 360/N 도 (degrees) 만큼 나누어서 작동하도록 할 수 있다. 예를 들어, 4개 세트의 피스톤이 90도씩 위상차를 갖고 (out of phase) 동작함으로써 출력을 원활히 하고, 자가시동 (self-starting) 및 프레퍼렌셜 방향 동작 (preferential direction of operation) 이 가능하다. 실린더 디바이스를 연결하는 밸브들은 반 사이클 (one-half of a cycle)보다 적은 기간 동안만 열려 있고 (open), 따라서 두개의 상 (phases)이 180도 위상차를 갖고 압력셀을 공유할 수 있다.
*만약 N 개의 상 (phase)이 사용되고, N 이 짝수이면, 상 페어들 (pairs of phases)은 180도 만큼 어긋나 있고, 복동식 피스톤 (double-acting piston)으로 동작될 수 있다. 도 5는 열 교환을 위해 스프레이 액체를 이용하는 복동 단계 (double-acting stage)를 나타낸다. 피스톤의 절반 (half of the piston)은 단일 단계 시스템에 기술된 방식에 따라 동작하되, 180도의 위상차를 갖는다.
도 1에 개시된 바와 비교하면, 도 5의 장치는 컴퓨터로 판독 가능한 저장 장치 5004와 전기적으로 커뮤니케이션하는 컨트롤러/프로세서 5002를 추가적으로 더 포함한다. 컨트롤러/프로세서는 어떤 디자인으로도 형성될 수 있으며, 예를 들어 반도체 원리, 자기적 또는 공학적 원리를 이용한 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 컨트롤러 5002는 시스템의 능동 소자들과 통신하는 것으로 도시되어 있다. 능동소자는 밸브, 펌프, 챔버, 노즐 및 센서들을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 시스템에서 이용되는 센서의 구체적인 예로는 압력 센서 (P), 온도 센서 (T), 습도 센서 (H) 및 부피 센서 (V) 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 5에 도시된 복동 단계의 압축 사이클은 다음과 같이 진행된다.
Figure pat00011
Figure pat00012
실시예에 따라 스텝5는 불필요하며, 피스톤내의 액체 수위 (liquid level)가 실질적으로 오랜 동작 기간 동안 동일하게 유지되기 때문에 다수의 사이클에서 생략될 수 있다.
반대로, 5도에 도시된 복동 단계 (double-acting stage)의 팽창 사이클은 다음과 같다.
Figure pat00013
Figure pat00014
압축에서와 마찬가지로, 스텝 5는 많은 경우의 사이클에 있어서 불필요하며 생략될 수 있다.
다수의 실린더 장치가 구비된 단계 ( Stages with Multiple Cylinder devices)
만약 다단계 시스템 20의 실린더 장치들이 거의 동일한 크기를 갖는 것이 바람직하다면, 가장 큰 (저압) 실린더 장치는 병렬적으로 통신하는 두개 또는 그 이상의 작은 실린더 장치들로 나눌 수 있다. 그러한 단계의 일례가 도 7에 도시되어 있고, 이는 도4에 도시된 실시예의 대체 실시예 (alternative embodiment)이다. 이러한 구성에 있어서, 4개의 실질적으로 거의 동일한 크기의 실린더 장치들 21b1-21b4이 액체 49b를 포함하는 단일 압축셀 (single pressure cell 25b)을 공유한다.
그러나, 만약 실린더 장치들이 위상차를 갖고 동작함으로써 시스템이 전체적으로 파워를 좀 더 균일하게 전달하는 것이 바람직하다면, 각각의 실린더 장치마다 별도의 압력셀이 필요할 것이다. 상기한 바와 같이, 예외적인 것 (exception)은 180도 위상차를 갖는 실린더 장치들이며, 이들은 공통 압력셀을 공유한다.
다시 도7의 실시예를 참고하며, 각각의 실린더 장치 21b1-21b4는 상기의 단일 단계 시스템 (Single - Stage System) 항목에서 설명한 스프레이 타입 시스템 (mist-type system)의 기제 (scheme)에 따라 동작한다.
다중 실린더 장치 단계 (Multi-cylinder device stages)는 단일이거나 또는 복동 (double-acting)일 수 있으며, 열 교환을 위해 스프레이 액체를 이용하거나 또는 버블를 이용할 수도 있다. 다단계 시스템은 단일 실린더 장치를 갖는 단계와 다중 실린더 장치를 갖는 단계를 포함할 수 있다.
시스템으로 부터 또는 시스템으로 기계적 힘을 전달하는 옵션들 (Options for Conveying Mechanical Power to and from the System)
적어도 네가지 방법으로 본 발명에 따른 단계 (stage)로 또는 단계로 부터 힘을 전달할 수 있다. 도 8을 참고하여 이하에 설명한다.
W. 직접구동 유압 실린더 장치 ( direct - acting hydraulic cylinder device ) 21w 가 개시되며, 아래와 같이 작동된다. 팽창 과정동안, 밸브 121w와 파이프 122w를 거쳐 실린더 장치21w의 챔버 22w에 들어가는 공기는 유압 액체 (hydraulic liquid) 49w가 밸브 123w을 거쳐 배출되도록 한다. 이어서 파이프 124w를 통해 흐른다. 공기에 의해 액체에 가해진 힘은 기계적인 힘을 발생시키기 위해 유압기 (예를 들어, 유압 모터 57, 유압 실린더 장치 또는 도9에 도시된 유압 터빈)를 동작하는데 사용될 수 있다. 압축 사이클 동안에는 반대의 과정이 전개된다. 기계적 힘의 외부 소스는 유압 펌프 또는 실린더 장치를 작동시키며 이는 밸브 123w을 거쳐 유압 액체 49w를 실린더 챔버 22w로 전달함으로써 챔버 내의 공기를 압축시킨다. 공기가 소정 기압에 도달하면, 밸브 121w가 오픈되고 압축공기가 실린더 챔버 22w로 부터 다음 고압 단계 (the next higher-pressure stage) 또는 공기 탱크로 흐른다.
X.단일 구동 피스톤 ( single - acting piston ) 23x (도 4 참고)은 피스톤 로드 (piston rod) 19x를 통해 공지의 크랭크 샤프트와 연결될 수 있다. 그 동작은 상기의 “단일 단계 시스템 (Single - Stage System)에서 자세히 설명되었다.
Y. 복동 피스톤 ( double - acting piston ) (도 5 참고)은 유사한 방식으로 피스톤대 (piston rod) 19y에 연결되어 있다. 그 동작은 상기한 “다단계 상 (Multiple Phase)”에 자세히 언급하였다.
Z.격막 ( diaphragm ) 125을 갖는 유압 실린더 장치 21 이 도시된다. 팽창 사이클 동안 공기가 밸브 121z를 거처 실린더 챔버 22z로 들어가면, 격막 125은 아래로 밀려난다. 결국, 유압액 49z 가 밸브 123z와 파이프 124z를 통해 구동된다. 마찬가지로, 압축되는 동안, 유압액 49z 이 밸브 123z를 거쳐 실린더 챔버 22z로 구동되어, 격막125이 위로 이동하고, 챔버 22z내 공기가 압축되어 밸브 121z를 거쳐 빠져나간다.
이러한 4가지 옵션 (options)은 열전달을 위한 스프레이 액체 기술 (the liquid mist technique) 또는 버블 기술 (the bubbles technique)의 어느 쪽에나 이용될 수 있다. 스프레이액이나 버블를 공급하는데 필요한 밸브나 노즐은 도 8에는 도시되지 않았다.
상기 예에서는 피스톤이 사용되었지만, 그 외에도 다른 것도 사용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다. 이에 해당되는 예로는 스크류 압축기 (screw compressors), 멀티 로브 송풍기 (multi-lobe blowers), 날개형 압축기 (vane compressors), 제로터 (gerotors), 유사 터빈 (quasi-turbines) 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
단일 단계, 단일 구동 에너지 저장 시스템 (Single - Stage , Single - Acting Energy Storage System):
도 3의 실시예를 참고하면, 단일 단계, 단일 구동 에너지 저정 시스템 20은 직접 구동 유압 실린더 장치 (상기의 옵션 A)로 구성된 두 개의 압축셀 25d 및 25e 을 이용한다. 두 개의 유압셀은 거의 180도로 위상차 (out of phase )를 갖고 동작한다. 액체 스프레이는 압축 사이클 동안의 열 교환을 위해 이용되고, 버블과 스프레이 (미스트, mist)는 팽창 사이클 동안의 열 교환을 위해 이용된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 도3의 장치는 또한 컴퓨터 판독 가능 저정장치 3008 과 전기적으로 교통하는 (electronic communication) 컨트롤러/프로세서 3006을 추가로 더 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 저정장치 3008 는 어떠한 디자인으로도 설계될 수 있으며, 예를 들어, 반도체 원리, 전자기적 원리 또는 광학적 저장 원리를 이용하여 설계될 수 있으나 , 이에 한정되지는 않는다. 컨트롤러/프로세서 3006는 시스템의 다양한 능동 장치와 전기적으로 교통한다. 상기 능동 장치는 밸브, 펌프, 챔버, 노즐, 센서 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 시스템에 이용되는 센서의 구체적인 예로는 압력센서 (P) 3016, 3022 및 3038, 온도 센서 (T) 3018, 3024 및 3040, 습도 센서 (H) 3010, 부피 센서 (V) 3036, 3014 및 3020 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
단일 단계 단일 구동 에너지 저장 시스템 20의 압축 사이클은 다음과 같다.
Figure pat00015
단계1에서, 액체는 유압 펌프 모터 57에 의해 압력셀 25e 로 부터 압력셀 25d로 펌핑됨으로써 셀 25d내의 공기를 압축시킨다. 액체 스프레이 (fluid mist)가 압축열을 흡수한 노즐 141을 통해 분사 (spary)된다. 셀 25내의 압력이 공기 탱크 32의 압력에 이르면, 밸브 132가 개방되어 압축된 공기가 공기 탱크로 이동되도록 한다. 이과정이 진행됨에 따라, 대기 압력을 갖는 공기가 파이프 10과 공기 필터26을 통해 시스템으로 유입된 후, 셀 25로 유입되어 펌핑된 액체를 대체한다.
모든 공기가 셀25d를 빠져 나가면, 프로세스가 전환되어 단계 3이 개시된다. 4방향 밸브 (four-way valve) 138가 상태를 바꾸어 액체가 셀 25d에서 셀 25e로 펌핑되도록 함으로써, 셀 25e의 공기가 압축된다. 따라서, 액체가 셀 25d 와 셀 25e사이에서 왔다 갔다 하면서 연속 사이클로 펌핑된다.
단일 단계, 단일 구동 에너지 저장 시스템의 팽창 사이클은 다음과 같이 진행된다.
단계 1에서, 압축된 공기는 노즐 11d를 통해 압축셀 25d로 버블된다. 버블이 발생나면서 액체 49d와 열 교환이 일어난다. 공기가 셀25d을 빠져나와 파이프 139d를 거쳐, 유압 모터 57을 구동함으로써, 기계적 힘을 전달한다.
단계 2에서, 압축 공기를 셀 25d로 보내는 밸브 133a가 닫히면서 셀 25d내의 공기가 팽창하여 모터 57로 유입된다. 단계 3에서, 일단 단계1에서 유입된 공기가 셀 25에 의 상부에 도달하여 액체 49d와 더이상 열 교환을 할 수 없게 되면, 액체 미스트는 노즐 141로 분사되어 팽창되는 공기를 데운다.
단계 1, 2 및 3 동안 액체가 유압 모터 57을 통과하여 파이프 139e 을 거쳐 유압셀25e로 유입됨으로써, 그 셀 내에 존재하는 공기가 파이프 140을 거쳐 액체 트랩 저장소 (liquid trap-reservoir) 13d로 밀려난 후 공기 필터 26d와 파이프 10를 거쳐 대기중으로 배출된다.
단계 4, 5 및 6은 각각 단계 1, 2 및 3과 반대로 진행된다. 즉, 압축된 공기가 압축셀 25e로 버블링되어 액체를 유압 모터 57로 이동시킨후 다시 유압셀 25d로 밀어낸다.
만약 동작 중에 저장소 13e가 비워져 있으면, 과량의 액체가 파이프 140에 연결된 펌프 (미도시)에 의해 저장소 13d의 바닥으로 부터 셀 25d 및 25e로 펌핑된다.
시간이 지남에 따라, 액체 트랩 (traps) 13d and 13e 의 온도는 공기와 연행 물방울 (entrained droplets)의 열 교환 - 압력셀 25d 및 25e내에 존재하는 코일 52d 및 52e로 표시되며, 주변과 열 교환하는 통상의 외부 열 교환기 12와 연결되어 있는 열 교환기에 의한 열 교환-으로 인해 주변 온도에 가까워지게(수렴하게) 된다 (will moderate the temperature to near ambient).
단계 1과 3동안 셀로 버블되어 유입되는 압축 공기의 양은 어느 정도의 출력을 원하느냐에 따라 달라진다. 만약 셀 내의 액체를 대체하지 않는 상태에서 공기가 대기 상태로 충분히 팽창하게 되면, 그 스트로크 동안 최대 일량이 수행된다. 만약 그 스트로크 동안 공기가 충분히 팽창되지 않는다면, 출력에 상응하는 요소값은 향상되나, 효율성 (efficiency)은 저하된다.
유의할 점은 압력셀이 충분한 높이를 가져야 한다는 점이다. 그래서, 스트로크 동안 공기 버블이 액체 표면에 도달할 수 있어야 한다. 이때, 액체와의 열 교환의 거의 대부분이 버블이 발생해서 점점 상승하는 동안 발생한다. 그러나, 압력셀은 배기 스트로크 (exhaust stroke)이 끝났을 때 버블 기둥이 액체로 부터 완전히 분리될 수 있을 정도로 충분히 높아야 한다. 만약 시스템이 느리게 동작한다면, 버블중 일부는 팽창이 완료되기 전에 상부에 도달할 것이다. 이 경우, 액체 미스트는 팽창 사이클의 노즐들 141 (단계 3) 또는 142 (단계 6)을 거쳐 분사된다.
도 3은 기본 원리를 도시한다. 큰 팽창비가 요구되는 사이클에서는, 다단계 (multiple stages) 24가 필요할 것이다.
시스템 구성 ( System Configurations )
본 발명의 일 실시예로서, 복수 개의 에너지 저장 시스템도 가능하다.
이러한 에너지 저장 시스템 20은 단일 단계 또는 다단계로 설계될 수 있다. 단계들은 단일 실린더 또는 복수 실린더로 구성될 수 있다. 열 교환은 액체 미스트 또는 버블에 의해 이루어질 수 있다. 상술한 네가지 방법 중 적어도 하나의 방법으로 출력이 시스템으로 출납 (in and out)될 수 있다. 각각의 구성은 특정 용도 또는 디자인의 중요도 (design priorities)에 따라 각각의 장점이 있다. 이러한 구성례 모두를 여기에 개시하는 것은 현실적이지 않으나, 본 발명의 에너지 저장 시스템은 당업자가 상정할 수 있는 이러한 구성례를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
구성예의 일부는 공통적으로 다음 요소들을 포함한다.
1. 액체 상태 (liquid phase) 와 공기간의 고표면적 접촉을 통해 열 교환을 수행하는 공기의 근-등온 (Near-isothermal) 팽창 및 수축.
2. 공기의 수축과 팽창을 가능하게 하는 가역적 메카니즘 (reversible mechanism).
3. 밸브 타이밍의 전기적 컨트롤을 통해, 주어진 압축 공기량으로 부터 최대의 일 출력 (work output)을 얻는 것.
4. 만약 에너지 저장 시스템이 유압 모터 또는 수력 터빈 (hydro turbine)을 이용하는 경우, 그 장치의 샤프트 (shaft)는 직접 또는 기어 박스를 거쳐 모터 발전기 (motor-generator)에 연결되어 있다. 만약 에너지 저장 시스템이 왕복 피스톤 (reciprocating piston)을 채용하는 경우, 왕복 운동을 샤프트 토크로 바꿀 수 있는 크랭크 샤프트 또는 다른 기계적 연결 요소 (mechanical linkage)가 사용된다.
팽창 소모열의 이용 ( Use of Wast Heat During Expansion )
동온적으로 동작되도록 하기 위해, (즉, 피스톤을 밀어내거나 유압 액체를 이동시킴으로써) 일하는 동안 팽창에 의해 냉각되는 공기는 대기 공기 또는 물 (예를 들어, 강 또는 호수)과의 열 교환에 대응되어야 한다. 그러나, 만약 다른 종류의 열원- 예를 들어, 강 냉각기로 부터 유출되는 더운 물-이 있다면, 이를 팽창 사이클 동안 유용하게 이용할 수 있다. 도 1의 단일 단계 시스템에서, 파이프 53및 54가 외부 열 교환기로 연결된다. 만약, 이런 파이프들을 통해 열원으로 연결되는 경우에는, 팽창 과정의 효율이 급격히 상승할 수 있다.
시스템이 대기 온도와 실질적으로 등온 상태에서 또는 이에 가까운 온도에서 동작하므로, 열원은 대기보다 약간만 더 높아도 된다. 그러나, 열원은 사이클 동안 대기보다 높은 온도에서 팽창 사이클을 유지하는데 필요한 열을 공급할 수 있을만큼 충분한 열질량 (thermal mass )을 가져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지를 저장하고 복구하는 시스템 및 방법의 실시예들은 프로세서와 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 포함하는 호스트 컴퓨터와 연계하여 구동될 수 있다. 상기 프로세서 및 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 장치 내에 내장된 것일 수도 있고, 또는 외부 입출력 장치를 통해 콘트롤되거나 모니터 될 수도 있다. 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 정보 처리용 컴퓨팅 장치의 간략도이다. 도면은 실시예에 관한 것으로서 본 발명에 이에 한정되는 것은 아니다. 당업자는 필요에 따라, 이를 변경, 수정 또는 대체할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예들은 브라우저 (browser) 같은 단일 응용 프로그램에서 운용될 수도 있고, 워크 스테이션, 개인용 컴퓨터, 또는 클라이언트 서버 관계에 있는 원격 터미널과 같은 분산 컴퓨팅 환경에서 멀티 프로그램으로 운용될 수도 있다.
도 20은 컴퓨터 시스틈 2010을 도시하며, 이는 디스플레이 장치 2020, 디스플레이 스크린 2030, 캐비넷 2040, 키보드 2050 및 마우스 2070을 포함한다. 마우스 2070은 그래픽 유저 인터페이스 장치의 버튼을 선택할 수 있는 버튼 2080을 포함한다. 유저 입력 장치의 다른 예들로는 터치 스크린, 라이트펜, 트랙볼, 데이타 장갑, 마이크로폰 (a touch screen, light pen, track ball, data glove, microphone) 등이 있다. 도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 한 타입을 도시한다. 이외에도, 본 발명과 연계하여 사용하기에 적합한 다양한 시스템 타입과 구성이 당업자에게 알려져 있다. 바람직한 실시예에서, 컴퓨터 시스템 2110은 펜티엄 기반의 컴퓨터, 마이크로 소프트의 윈도우 XP 또는 윈도우 7 운용 시스템 (a Pentium
Figure pat00016
class based computer, running Windows
Figure pat00017
XP
Figure pat00018
or Windows 7
Figure pat00019
operating system by Microsoft Corporation) 등을 포함한다. 그러나, 이 장치들은 당업자에 의해 다른 운용 시스템이나 구조 (operating system s and architectures)에 적용될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위에 속한다.
주지된 바와 같이, 마우스 2179은 버튼 2180과 같이 하나 또는 그 이상의 버튼을 포함한다. 캐비넷 2140은 디스크 드라이버, 프로세서, 저장 장치 등과 같은 친숙한 컴퓨터 요소들을 포함한다. 저장 장치는 디스크 드라이브, 마그네틱 테이프, 고체상태 메모리, 버블 메모리 등 (disk drives, magnetic tape, solid-state memory, bubble memory, etc.)을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 캐비넷 2130은 컴퓨터 시스템 2110을 외부 저장 장치에 연결시키는 입출력 인터페이스 카드, , 다른 컴퓨터, 또는 추가적인 주변기기와 같은 추가 하드웨어를 포함할 수 있다. 이에 대해서는 아래에 설명한다.
도 20A는 도 20에 도시된 컴퓨터 시스템 2010내의 기본 서브시스템을 나타낸다. 이 도면은 설명의 편의를 위한 것이며, 본 발명의 권리 범위가 이에 한정되어서는 안된다. 당업자는 다른 변경, 변형 또는 대체품을 인식할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 서브 시스템은 시스템 버스 2075를 통해 서로 연결되어 있다. 디스플레이 어댑터 2082에 연결되어 있는 추가적인 서브시스템들 - 예를 들어, 프린터 2074, 키보드 2078, 고정 디스크 2079, 모니터 2076 - 및 다른 것들도 도시되어 있다. 주변기기 및 입출력 장치 -입출력 컨트롤러 2071에 연결되어 있는-는 당업계에 알려진 여러가지 방법-예를 들어, 시리얼 포트 2077을 이용하여-으로 컴퓨터 시스템에 연결되어 있다. 예를 들어, 시리얼 포트 2070은 컴퓨터 시스템을 모뎀 2081을 거쳐 인터넷 광역 네트워크 - 예를 들어, 인터넷, 마우스 입력장치 또는 스캐너-에 연결한다. 시스템 버스를 통해 상호 연결함으로써, 중앙 프로세서 2073은 각각의 서브시스템과 교통하면서 시스템 메모리 2071 또는 고정 디스크 2079로 부터의 명령을 수행할 수 있고, 또한 서브시스템 간의 정보 교환도 가능하다. 서브시스템과 상호 연결 (interconnections)에 대한 구성은 당업자에 의해 용이하게 변경 가능하다. 시스템 메모리 및 고정 디스크들은 컴퓨터 프로그램을 저장할 수 있는 유형 매체의 예이며, 다른 종류의 유형 매체들로는 플로피 디스크, 탈착 가능한 하드 디스크 (removable hard disks), 광 저장 매체 -예를 들어, CD-ROM, 바코드-와, 반도체 메모리-예를 들어, 플래쉬 디스크, 리드-온리-메모리 (ROM) 또는 배터리 지원 메모리 (battery backed memory)- 등이 있다.
도 21은 프로세서/컨트롤러와, 그 프로세서/컨트롤러에 입력된 입력들, 그 프로세서/컨트롤러에 의해 수행된 기능들 및 그 프로세서/컨트롤러에서 발생된 출력들과의 관계를 나타내는 모식도이다. 도시된 바와 같이, 프로세서는 하나 또는 그 이상의 입력에 기반하여 그 장치의 다양한 동작 특성을 제어할 수 있다.
제어될 수 있는 동작 파라미터들의 일 예로 팽창 사이클 동안 실린더로 공기를 유입시키는 밸브의 개방 및 폐쇄 타이밍을 들 수 있다. 도 11A-C는 도1의 단일 단계 시스템의 실린더 22의 단순화된 확대도이다.
구체적으로, 팽창 사이클의 단계 2동안, 제어된 시간 간격동안 밸브 37을 개방함으로써 소정량의 공기 V0, 가 압력셀로 부터 챔버로 유입된다. 공기량 V0 은
피스톤이 팽창 스트로크의 끝에 이르렀을 때, 챔버 내에 원하는 압력이 걸리는 값으로 설정된다.
어떤 경우에는, 만약 그것이 가장 낮은 압력 단계이거나 또는 그것이 유일한 단계일 경우에는, 상기 원하는 압력이 다음의 낮은 압력 단계 (the next lower pressure stage)의 압력 또는 대기 압력과 거의 동일하게 된다. 따라서, 팽창 스트로크의 끝에서, 최초의 공기량 V0 내의 에너지는 완전히 팽창되고, 그렇게 팽창된 공기를 다음의 낮은 압력 단계로 이동시키는데 있어서 에너지 낭비가 거의 없다.
*이를 위해, 밸브 37는 원하는 공기량 (V0)이 챔버에 들어올 동안만 개방되고, 그 이후의 단계 3-4 (도면 11B-C)에서 밸브 37은 닫힌다. 특정 실시예에서, 챔버 내의 원하는 압력을 다음 낮은 단계의 압력과 1, 5, 10 또는 20 psi내로 유지되도록 한다.
다른 실시예에서, 컨트롤러/프로세서는 밸브 37을 콘트롤 하여 V0 보다 큰 초기 공기량이 유입되도록 한다. 이러한 장치는, 예를 들어, 주어진 팽창 사이클로 부터 더 큰 파워를 얻고자 하는 경우에 에너지 복구의 효율성을 희생 (at the expense of efficiency of energy recovery)함으로써 얻어진다.
밸브의 개방 및 폐쇄 타이밍은 압축 동안에도 세심하게 제어된다. 예를들어, 도 11D-E에 도시된 바와 같이, 미스트의 유입과 압축에 대응되는 표의 단계 2와 3에서, 실린더 장치와 압력셀 사이의 밸브 38는 닫힌채로 유지되고, 압력은 실린더 내에서 증강된다.
통상의 압축장치에 있어서, 축적된 압축 공기는 체크 밸브에 의해 용기 (vessel)에 담긴다. 체크 밸브는 문턱 압력 (threshold pressure)에 반응하여 기계적으로 개방되도록 설계되어 있다. 압축 공기의 에너지를 이용하여 체크 밸브를 구동시키는 방식은 유용한 일을 수행하는 공기로 부터 에너지 복구의 효율성을 저하시킨다.
반대로, 도 11F에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 컨트롤러/프로세서를 이용하여 원하는 조건-예를 들어, 실린더 내에 축적되는 압력이 소정량 만큼 압력셀 내의 압력을 상회하는 조건-하에서 밸브 38을 정확하게 개방시킨다. 이런 방식으로, 실린더 내의 압축 공기로 부터의 에너지는 밸브 개방 과정에서 낭비되지 않으며, 에너지 복구 효율성이 향상된다. 압축된 공기를 실린더 외부로 흘러가도록 제어하는 밸브의 예로는 파일럿 밸브, 캠-동작 포핏 밸브, 로터리 밸브, 유압으로 구동되는 밸브, 전자적으로 구동되는 밸브 (pilot valves, cam-operated poppet valves, rotary valves, hydraulically actuated valves, and electronically actuated valves) 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
단일 단계 장치의 밸브 37 및 38의 동작 타이밍은 상술한 바와 같이 제어될 수 있으나, 다른 실시예에서도 밸브들은 유사하게 제어될 수 있다. 이러한 밸브의 예로는, 도 3의 밸브 130, 132, 133, 134, 136, 및 137; 도4의 밸브 37b 및 38b; 도 5의 밸브 37b1, 38b1, 37b2 및 38b2; 도6의 밸브 106c 및 114c; 및 도 7의 밸브 37b1-4, 38b1-4 를 포함하나, 이에 한정되지는 않는다.
프로세서에 의해 제어될 수 있는 또 다른 시스템 파라미터의 예로는 챔버에 유입되는 액체의 양을 들 수 있다. 압력, 습도, 계산된 효율성 등과 같은 값들에 기초하여, 압축 또는 팽창 동안 챔버로 유입되는 액체의 양은 동작 효율성을 유지할 수 있도록 조심스럽게 제어된다. 예를 들어, 팽창 사이클 동안 V0 보다 많은 양의 공기가 챔버로 유입되면, 팽창된 공기의 온도를 원하는 범위에서 유지하기 위해서는 추가적인 액체가 유입될 필요가 있다.
본 발명은 상술한 실시예들에 한정되지 않으며 다른 방법이나 장치 또한 본 발명의 권리 범위에 속한다. 예를 들어, 실린더 장치에 액체를 추가하는 단계는 모든 사이클에서 요구되는 것은 아니다. 또한, 액체는 공기가 유입됨과 동시에 챔버 내로 유입될 수 있다.
따라서, 다음 표는 도 12A-C에 도시된 바와 같은 열 교환을 위해 액체 미스트를 이용하는 단일 단계 시스템의 압축 사이클의 실시예이며, 이때 유사한 각 요소들은 도 1에도 개시되어 있다.
Figure pat00020
액체가 공기와 같이 주입되는 대응되는 팽창 사이클은 도 13A-C와 연관되어, 아래 표에 있다:
Figure pat00021
또한, 열 교환을 위해 버블을 이용하는 경우에는, 액체를 보충하는 단계가 모든 사이클에서 필요한 것은 아니다. 다음 표는, 도 14A-C와 관련하여, 열 교환을 위해 버블을 이용하는 단일 단계 시스템의 압축 사이클의 일 실시예를 도시하며, 이때 유사한 요소들은 도 6을 참고할 수 있다.
Figure pat00022
이 시스템의 팽창 사이클은 도 15A-C와 관련하여 아래에 개시된다.
Figure pat00023
도 16A-D 및 아래 표에 개시된 바와 같이, 다상 단계 (multi-phase stage)의 압축 사이클의 실시예는 아래에 개시되며, 도5에 개시된 요소들을 참고할 수 있다.
Figure pat00024
복동 단계의 팽창 사이클은 도 17A-D 및 아래 표에 개시되어 있다.
Figure pat00025
공기가 실린더에 유입되는 시점에서 미스트가 분사되는 단일 구동 에너지 저장 시스템 (single-acting energy storage system)의 압축 사이클은 도 18A-D 및 아래표에 개시되어 있고, 유사한 요소들에 대해서는 도3을 참고할 수 있다.
Figure pat00026
단일 단계 단일 구동 에너지 저장 시스템의 팽창 사이클은 도 19A-D 및 아래 표와 같이 진행된다.
Figure pat00027
상술한 실시예에 대한 다양한 변경도 가능하다. 예를 들어, 복수 개의 피스톤이 공통 챔버와 교통하도록 할 수 있다. 다른 실시예에서, 다단계 장치는 분리된 압력셀을 포함하지 않을 수도 있다.
예를 들어, 도 4의 실시예에서 그 단계는 압력셀을 거치는 반면, 도 10의 실시예에서 그 단계는 열 교환기를 통해 직접 연결된다. 두 단계에서 사이클의 상대적인 상 (relative phases)은 단계 1에서 배기가 일어나고, 단계 2에서 (압축동안) 흡입이 일어날 수 있도록 정밀하게 제어되어야 한다.
타이밍은 밸브 37, 10058가 개방될 때 열 교환기 10024의 양쪽 압력이 거의 동일해지도록 제어된다. 밸브10036를 개방하고 펌프 10032를 작동시켜, 실린더 22내에 존재하는 과잉량의 물이 스프레이 노즐 44로 공급되도록 한다. 마찬가지로, 밸브 10038를 개방하고 펌프 10034를 동작시켜 실린더 10046의 과잉량의 물을 노즐 10064로 공급한다. 동작시에 이러한 정교한 타이밍 제어는 상술한 바와 같이 복수개의 시스템 요소들과 교통하는 컨트롤러/프로세서의 동작에 의해 이루어진다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 공기 중으로 주입되어 미스트로 변하는 액체로 물이 개시되었으나, 액체는 이에 한정되지 않으며, 다른 액체도 본 발명의 범위에 속한다. 이러한 액체의 예로는, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리에틸렌글리콜, 알콜 등이 있다.
다음 청구항들은 압축과 관련되어 있다.
1. 제1온도에서 제1분량의 공기 (a first quantity of air)를 제1챔버에 유입하는 단계;
압축 사이클에서, 상기 제1분량의 공기를 상기 제1챔버와 결합된 제1 피스톤으로 압축시키는 단계;
제1소정 분량의 액체를 상기 제1분량의 공기에 주입하여 상기 압축 사이클에서 발생한 열에너지를 흡수하고, 이로써 상기 압축 동안 상기 제1분량의 공기를 제1 온도 범위로 유지시키는 단계; 및
상기 제1분량의 공기의 적어도 일부를 제1압력셀로 이동시키는 단계를 포함하는 에너지 저장 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 소정 분량의 액체는 하나 또는 그 이상의 제어 파라미터에 기반한 것 (based upon one or more control parameters) 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 측정된 물리적 성질로 부터 상기 압축 사이클을 위해 계산된 것임을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 압축 동안 상기 제1분량 공기 온도의 최대 증가값 (a maximum increase in a temperature of the first quantity of air)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 챔버 내에 액체상으로 존재하는 상기 액체의 양 (an amount of the fluid present in liquid form inside the chamber)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제2항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 효율성을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제2항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 상기 제1 피스톤에 대한 힘 입력 값 (a power input )를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제2항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 상기 제1피스톤의 속도 (speed)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제2항에 있어서, 상기 파라미터는 상기 제1피스톤에 가해지는 힘 (force)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제2항에 있어서, 상기 제1피스톤은 고체, 액체 또는 고체와 액체의 결합체인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 제1 온도 범위는 상기 제1분량의 공기가 제1온도에서 상기 액체의 끓는 점 이하의 제2온도로 변화되는 온도 변화를 반영하는 것 (reflected by a change in a temperature of the first quantity of air)을 특징으로 하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 액체는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 제1온도 범위 (the first temperature range)는 섭씨 60도 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 제1 소정 분량의 액체는 스프레이 또는 미스트 스프레이 (spraying or misting) 방식으로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제1항에 있어서, 열에너지가 상기 제1분량의 공기로 부터 상기 제1 소정 분량의 액체로 전달되며, 상기 제2 소정 분량의 액체는 공기를 액체 내에서 버블링 (bubbling air through a liquid)하여 발생되는 것을 특징으로 하는 방법
16. 제1항에 있어서, 상기 방법은 상기 압력셀 내의 압축된 공기를 저장 탱크로 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
*다음은 압축 및 팽창에 관련된 청구항들이다.
17. 제1항에 있어서, 상기 방법은
팽창 사이클에서, 제2분량의 공기를 상기 제1압력셀로 부터 상기 제1챔버로 이동시키는 단계;
상기 제2분량의 공기를 팽창시켜 상기 제1피스톤을 구동하는 단계; 및
제2 소정 분량의 액체를 상기 제2분량의 공기에 주입하여 상기 팽창된 공기에 의해 흡수된 열에너지를 공급하고, 이로써 상기 팽창 동안 상기 제2분량의 공기를 제2온도 범위에서 유지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 제1피스톤의 구동으로 부터 전기적 힘 (electrical power)을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제17항에 있어서, 상기 제2 소정 분량의 액체는 하나 또는 그 이상의 제어 파라미터에 기반하는 것 (based upon a one or more control parameters)을 특징으로 하는 방법.
20. 제17항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 상기 제어 파라미터는 측정된 물리적 성질로 부터 상기 압축 사이클을 위해 계산된 것임을 특징으로 하는 방법.
21. 제17항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 팽창 동안 상기 제2분량 공기 온도의 최대 감소값 (a maximum decrease in a temperature of the second quantity of air)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제17항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 챔버 내에 액체상으로 존재하는 상기 액체의 양 (an amount of the fluid present in liquid form inside the chamber)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제17항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 효율성을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제17항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 상기 제1피스톤에 의한 힘 출력 값 (a power output )를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제17항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 상기 제1피스톤의 속도 (speed)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제17항에 있어서, 상기 파라미터는 상기 제1피스톤에 가해지는 힘 (force)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제17항에 있어서, 상기 제1 소정 분량의 액체는 스프레이 또는 미스트 스프레이 (spraying or misting) 방식으로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제17항에 있어서, 열에너지가 상기 제2분량의 공기로 부터 상기 제2 소정 분량의 액체로 전달되며, 상기 제2 소정 분량의 액체는 공기를 액체 내에서 버블링 (bubbling air through a liquid)하여 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제17항에 있어서, 상기 액체는 물인 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제17항에 있어서, 상기 팽창 사이클 동안 추가적인 열에너지와 교통하는 상기 챔버를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
31. 제30항에 있어서, 상기 추가적인 열에너지는 또 다른 열원으로 부터 공급되는 소모열 (waste heat)인 것을 특징으로 하는 방법.
32. 제17항에 있어서, 상기 제2 온도범위는 상기 제2분량의 공기 온도가 제1 온도에서 상기 액체의 어는 점 이상인 제2온도로 변하는 온도 변화를 반영하는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 제32항에 있어서, 상기 액체는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
34. 제33항에 있어서, 상기 제2온도 범위는 섭씨 11도 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
34a. 제17항에 있어서, 상기 제1피스톤의 팽창 스트로크의 끝에서, 상기 제2분량의 공기가 희망 압력과 거의 동일한 압력을 상기 제1피스톤에 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
34b. 제34a항에 있어서, 상기 희망 압력은 다음으로 제일 낮은 압력 단계의 인가 압력 (an input pressure of the next lowest pressure stage)이거나 또는 대기 압력인 것을 특징으로 하는 방법.
34c. 제34a항에 있어서, 상기 희망 압력은 팽창의 효율성을 극대화 하도록 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
34d. 제34a항에 있어서, 상기 희망 압력은 희망하는 수준의 출력 (a desired level of power output)을 생성하도록 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
34e. 제34a항에 있어서, 상기 희망 압력은 다음으로 제일 낮은 압력 단계의 인가 압력 (an input pressure of the next lowest pressure stage)와 약 5 psi 범위내에 있는 것을 특징으로 방법.
이하는 다단계 동작에 관련된 청구항들이다.
35. 제17항에 있어서,
상기 제1압력셀 및 제2 압력셀과 선택적인 액체 교환을 수행하는 제2 챔버를 제공하는 단계;
제2온도 상태의 제3분량 공기를 상기 제1압력셀로 부터 상기 제2챔버로 유입시키는 단계:
상기 제2챔버의 압축 사이클에서, 상기 제3분량 공기를 상기 제2챔버와 결합된 제2피스톤으로 압축하는 단계;
제3 소정 분량 액체를 상기 제3분량 공기로 주입하여 상기 압축에 의해 발생된 열에너지를 흡수하게 하고, 이로써 압축 동안 상기 제3분량 공기를 제3온도 범위에서 유지시키는 단계; 및
상기 제3분량 공기의 적어도 일부를 상기 제2압력셀로 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
36. 제35항에 있어서,
상기 제2챔버의 팽창 사이클에서, 제4분량 공기를 상기 제2압력셀로 부터 상기 제2챔버로 이동시키는 단계;
상기 제4분량 공기를 팽창시켜 상기 제2피스톤을 구동하도록 하는 단계;
제4소정 분량 액체를 상기 제4분량 공기로 주입하여 상기 팽창된 공기에 의해 흡수된 열에너지를 공급하고, 이로써 팽창 동안 상기 제4분량 공기를 제4온도 범위에서 유지시키는 단계; 및
상기 제4분량 공기의 적어도 일부를 상기 제2챔버로 부터 상기 제1압력셀로 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
다음은 팽창과 관련된 청구항이다.
37. 팽창 사이클에서, 일정양의 공기 (a quantity of air)를 압력셀에서 내부에 피스톤이 장착된 챔버로 이동시키는 단계;
상기 분량의 공기를 팽창시켜 상기 피스톤을 구동하는 단계; 및
소정 분량의 액체 (the determined quantity of fluid)를 상기 분량의 공기로 주입하여 상기 팽창하는 공기에 의해 흡수된 열에너지를 공급하고, 이로써 팽창 과정에서 상기 분량의 공기를 제1온도 범위로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저장된 에너지를 방출하는 방법 (method for releasing stored energy).
38. 제37항에 있어서, 상기 소정 분량의 액체는 하나 또는 그 이상의 제어 파라미터에 기반 (based upon one or more control parameters)하는 것을 특징으로 하는 방법.
39. 제38항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 측정된 물리적인 성질로 부터 계산된 것 (calculated from a measured physical property)을 특징으로 하는 방법.
40. 제38항에 있어서, 상기 제어 파라미드는 팽창 중에 상기 분량의 공기의 최대 온도 저하값 (a maximum decrease in a temperature )을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
41. 제38항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 상기 챔버 내에 액체 상태로 존재하는 상기 액체의 양을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
42. 제38항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 효율성을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
43. 제38항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 상기 피스톤에 대한 힘 입력값 (a power input to the piston)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
44. 제38항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 상기 피스톤의 속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
45. 제38항에 있어서, 상기 제어 파라미터는 상기 피스톤의 힘 (a force of the piston)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
46. 제38항에 있어서, 상기 피스톤은 고체, 액체, 또는 고체와 액체의 결합체인 것을 특징으로 하는 방법.
47. 제38항에 있어서, 상기 액체는 물 (water)인 것을 특징으로 하는 방법.
48. 제38항에 있어서, 상기 제1 온도 범위는 제1분량의 공기가 제1온도에서 제2온도로의 온도 변화에 반영되며, 상기 변화는 소정 값보다 작은 (less than a determined value) 것을 특징으로 하는 방법.
49. 제48항에 있어서, 낮은 온도 (the lower temperature) 는 상기 액체의 어는 점보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
50. 제48항에 있어서, 높은 온도는 상기 액체의 끓는 점 (a boiling point of the fluid)보다 낮은 것을 특징으로 하는 방법.
51. 제38항에 있어서, 제1 소정 분량의 액체는 분사 또는 스프레이 (by spraying or misting)에 의해 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
52. 제38항에 있어서, 액체에 공기를 버블링 함으로써 상기 분량의 공기로 부터 상기 소정 분량의 액체로의 열 에너지 이동을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 방법.
52a. 제37항에 있어서, 상기 피스톤의 팽창 스트로크의 끝에서 (at an end of an expansion stroke of the piston), 상기 분량의 공기는 상기 피스톤에 희망 압력과 실질적으로 동일한 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
52b. 제37항에 있어서, 상기 희망 압력은 다음 최저 압력 단계의 인가 압력 (an input pressure of the next lowest pressure stage)이거나 또는 대기 압력 (ambient pressure)인 것을 특징으로 하는 방법.
52c. 제37항에 있어서, 상기 희망 압력은 팽창의 효율성을 극대화 하도록 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
52d. 제37항에 있어서, 상기 희망 압력은 희망하는 수준의 힘 출력 (a desired level of power output)이 생산되도록 계산된 것을 특징으로 하는 방법.
52e. 제37항에 있어서, 상기 희망하는 압력은 다음 최저 압력 단계의 인가 압력 (an input pressure of the next lowest pressure stage)과 약 5 psi 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
다음은 시스템이 동작하는 동안의 온도 차에 대한 것이다.
53. 내부에 움직일 수 있는 피스톤을 갖는 챔버와 선택적 액체 교환을 수행하는 유압셀을 포함하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 단계;
공기를 상기 챔버 내로 흘려보내는 단계;
압축 사이클에서, 상기 공기를 상기 챔버 내에 압축하기 위해 에너지 소스 (energy source)와 교통하는 상기 피스톤의 위치를 바꾸고, 이어서 그 압축된 공기를 상기 압벽셀로 전달함으로써 에너지를 저장하는 단계;
팽창 사이클에서, 상기 챔버 내에서 공기의 팽창에 반응하여 상기 피스톤이 움직이도록 함으로써 공기를 상기 압력셀에서 상기 챔버로 다시 이동시켜 에너지를 방출하는 단계;
상기 압축 사이클 및/또는 상기 팽창 사이클의 작동 파라미터를 모니터 (monitoring an operational parameter )하는 단계; 및
상기 작동 파라미터를 제어하여 (controlling the operational parameter) 상기 챔버 내의 공기의 온도를 소정 범위 (within a range)로 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
54. 제53항에 있어서, 상기 작동 파라미터를 포함하는 단계는 상기 압축 사이클 동안 상기 챔버 내의 공기로 유입되는 액체의 양을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
55. 제53항에 있어서, 상기 액체는 물 (water)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
56. 제53항에 있어서, 작동 파라미터를 포함하는 단계는 상기 팽창 사이클동안 상기 공기로 유입되는 액체의 양을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
*57. 제56항에 있어서, 상기 액체는 물 (water)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
58. 제53항에 있어서, 상기 소정 범위의 하한값은 상기 챔버 내의 공기로 유입되는 액체의 어는 점보다 높은 것을 특징으로 하는 방법.
59. 제58항에 있어서, 상기 액체는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
60. 제53항에 있어서, 상기 소정 범위의 상한값은 상기 챔버 내의 공기로 유입되는 액체의 끓는 점보다 낮은 것을 특징으로 하는 방법.
61. 제60항에 있어서, 상기 액체는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
62. 제53항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 팽창 사이클 동안 공기가 상기 압력셀로 부터 상기 챔버로 이동하는 타이밍을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
62a. 제62항에 있어서, 상기 타이밍은 상기 피스톤의 팽창 스트로크의 끝 (at an end of an expansion stroke of the piston)에서 상기 이동되는 공기가 피스톤에 원하는 압력 (a desired pressure)을 가하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
62b. 제62a항에 있어서, 상기 원하는 압력은 다음으로 가장 낮은 압력 단계의 인가 압력 (an input pressure of the next lowest pressure stage)이거나 또는 대기압력인 것을 특징으로 하는 방법.
62c. 제62a항에 있어서, 상기 원하는 압력은 팽창의 효율성을 극대화 하도록 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
62d. 제62a에 있어서, 상기 원하는 압력은 원하는 수준의 출력 (a desired level of power output)을 생산할 수 있도록 산출되는 것을 특징으로 하는 방법.
62e. 제62a항에 있어서, 상기 원하는 압력은 다음으로 가장 낮은 압력 단계의 인가 압력과 약 5 psi 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
63. 제53항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 압력셀 내의 압력을 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
64. 제53항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 챔버 내의 압력을 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
65. 제53항에 있어서, 상기 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 챔버 내의 공기 온도를 모니터 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
66. 제53항에 있어서, 상기 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 챔버 내의 공기의 습도를 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
67. 제53항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 챔버로 부터 배기되는 공기의 습도를 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
68. 제53항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 팽창 사이클 동안 방출된 힘 (a power released during the expansion cycle)을 모니터 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단계.
69. 제53항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 피스톤의 위치를 모니터 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
*70. 제53항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계를 상기 피스톤에 가해지는 힘 (a force on the piston)을 모니터 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
71. 제54항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 액체의 온도를 모니터 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
72. 제56항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 액체의 온도를 모니터 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
73. 제54항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 액체의 유속 (a rate of flow of the liquid)을 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
74. 제56항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 액체의 유속 (a rate of flow of the liquid)을 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
75. 제54항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 액체의 높이 (a level of the liquid)을 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
76. 제56항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 액체의 높이 (a level of the liquid)을 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
77. 제54항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 챔버 내의 상기 액체의 부피를 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
78. 제56항에 있어서, 작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 챔버 내의 상기 액체의 부피를 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
79. 제56항에 있어서,
상기 피스톤은 회전 샤프트 (a rotating shaft)와 교통하고,
작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 회전 샤프트의 속도를 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
80. 제53항에 있어서,
상기 피스톤은 회전 샤프트 (a rotating shaft)와 교통하고,
작동 파라미터를 결정하는 단계는 상기 회전 샤프트의 토크 (a torque of the rotating shaft)를 모니터하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법
81. 제53항에 있어서, 작동 파라미터는 모니터된 작동 파라미터로 부터 산출된 산출 파라미터 (a derived parameter) 에 기반하여 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
82. 제81항에 있어서, 상기 산출 파라미터는
힘 전환의 효율성 (an efficiency of power conversion),
힘 출력 예상값 (an expected power output),
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 출력 속도 예상값 (an expected output speed of a rotating shaft in communication with the piston),
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 출력 토크 예상값 (an expected output torque of a rotating shaft in communication with the piston),
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 입력 속도 예상값 (an expected input speed of a rotating shaft in communication with the piston),
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 입력 토크 예상값 (an expected input torque of a rotating shaft in communication with the piston),
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최대 출력 속도 (a maximum output speed of a rotating shaft in communication with the piston),
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최대 출력 토크 (a maximum output torque of a rotating shaft in communication with the piston),
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최저 출력 속도 (a minimum output speed of a rotating shaft in communication with the piston),
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최저 출력 토크 (a minimum output torque of a rotating shaft in communication with the piston),
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최대 입력 속도 (a maximum input speed of a rotating shaft in communication with the piston),
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최대 입력 토크 (a maximum input torque of a rotating shaft in communication with the piston,
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최저 입력 속도 (a minimum input speed of a rotating shaft in communication with the piston),
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최저 입력 토크 (a minimum input torque of a rotating shaft in communication with the piston), 또는
각 단계에서 공기의 최대 온도차 예상치 (a maximum expected temperature difference of air at each stage)
을 포함하는 그룹으로 부터 선택된 것을 특징으로 하는 방법.
83. 제53항에 있어서, 작동 파라미터를 제어하는 단계는, 압축 사이클 동안 공기를 상기 챔버로 부터 상기 압력셀로 이동시키는 타이밍을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
84. 제53항에 있어서, 작동 파라미터를 제어하는 단계는, 팽창 사이클 동안 공기를 상기 압력셀로 부터 상기 챔버로 이동시키는 타이밍을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
85. 제54항에 있어서, 작동 파라미터를 제어하는 단계는, 액체의 상기 챔버로 흘려보내는 타이밍을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
86. 제56항에 있어서, 작동 파라미터를 제어하는 단계는, 액체의 상기 챔버로 흘려 보내는 타이밍을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
87. 제53항에 있어서,
압축 사이클 동안, 상기 피스톤은 모터 또는 모터-발전기와 교통하고;
작동 파라미터를 제어하는 단계는, 상기 모터 또는 모터-발전기에 인가되는 전력량 (an amount of electrical power)을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
88. 제53항에 있어서,
팽창 사이클 동안, 상기 피스톤은 모터 또는 모터-발전기와 교통하고;
작동 파라미터를 제어하는 단계는, 상기 모터 또는 모터-발전기에 인가되는 전기적 부하 (an electrical load)을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
89. 제54항에 있어서,
상기 액체는 펌프를 이용하여 상기 챔버로 흘러들어 가고,
작동 파라미터를 제어하는 단계는, 상기 펌프에 공급되는 전력량 (an amount of electrical power)을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
90. 제56항에 있어서,
상기 액체는 펌프를 이용하여 상기 챔버로 흘러들어 가고,
작동 파라미터를 제어하는 단계는, 상기 펌프에 공급되는 전력량 (an amount of electrical power)을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
91. 제53항에 있어서,
상기 압력셀내의 액체는 팬과 열 교통하는 (in thermal communication with a fan) 열 교환기를 통해 순환되고,
작동 파라미터를 제어하는 단계는, 상기 팬에 공급되는 전력량 (an amount of electrical power)을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
92. 제53항에 있어서,
상기 팽창 사이클 동안, 추가적인 열 에너지와 교통하는 챔버를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
93. 제92항에 있어서,
상기 추가적인 열 에너지는 다른 열원으로 부터 얻어진 소모열 (waste heat )인 것을 특징으로 하는 방법.
94. 제53항에 있어서,
작동 파라미터를 제어하는 단계는, 압축비 (a compression ratio)를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
95. 제53항에 있어서,
압축셀 내의 압축된 공기를 저장 탱크로 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
이하는 시스템에 관련된 청구항이다.
96. 내부에 이동 가능한 피스톤을 포함하고 에너지 소스과 선택적으로 교통하는 제1 챔버;
제1 밸브를 통해 상기 제1챔버와 선택적 액체 교통을 하는 압력셀;
제2밸브를 통해 상기 제1챔버와 선택적 액체 교통을 하는 공기 소스 (an air source);
제3밸브를 통해 상기 제1챔버와 선택적 액체 교통을 하는 액체 소스; 및
하기 단계들에서 시스템 요소 (system elements)들과 전기적으로 교통하면서 동작하는 컨트롤러를 포함하며,
흡입 단계 - 상기 제1밸브가 폐쇄되고, 상기 제2밸브는 개방되고, 상기 제3밸브는 폐쇄 또는 개방되는 단계;
압축 단계 - 상기 피스톤은 상기 에너지 소스와 교통하고, 상기 제1및 제2밸브는 폐쇄되고, 상기 제3밸브는 개방 또는 폐쇄되고, 이어서 상기 피스톤에 의해 상기 챔버 내의 공기가 압축되면 상기 제1밸브가 개방되는 단계;
팽창 단계 - 상기 피스톤과 상기 에너지 소스의 교통이 차단되고, 상기 제1밸브는 개방되고, 상기 제2밸브는 폐쇄되고, 상기 제3밸브는 개방 또는 폐쇄됨으로써, 상기 공기가 상기 챔버 내에서 팽창되어 상기 피스톤을 움직이고, 공기의 팽창이 진행됨에 따라 상기 제1밸브가 폐쇄되는 단계; 및
배기 단계 - 상기 피스톤과 상기 에너지 소스의 교통이 차단되고, 상기 제1밸브는 폐쇄되고, 상기 제2밸브는 개방되고, 상기 제3밸브는 개방 또는 폐쇄되는 단계,
상기 컨트롤러는 상기 제1챔버 내의 공기의 온도를 소정 범위로 유지시킬 수 있도록 작동 파라미터를 결정하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 및 복구 시스템.
97. 제96항에 있어서, 상기 이동 가능한 피스톤은 고체 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
98. 제96항에 있어서, 상기 이동 가능한 피스톤은 액체 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
99. 제96항에 있어서, 상기 시스템은 상기 액체를 상기 챔버 내의 상기 공기로 주입하는 스프레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
100. 제99항에 있어서, 상기 액체는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
101. 제96항에 있어서, 상기 시스템은 상기 액체와 상기 압력셀 내의 공기 사이의 열 교환을 위해 버블러 (a bubbler )를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
102. 제101항에 있어서, 상기 액체는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
103. 제96항에 있어서, 상기 시스템은 상기 챔버 내에 존재하는 물의 부피를 측정하는 센서를 더 포함하며,
상기 센서는 상기 컨트롤러와 전기적으로 교통하며, 상기 작동 파라미터를 결정하는 데 기여하는 것을 특징으로 하는 시스템.
104. 제96항에 있어서,
상기 센서는 압력, 온도, 습도, 상기 피스톤의 위치, 액체의 유속, 액체 높이, 액체 부피, 상기 피스톤에 의해 구동되는 샤프트의 속도, 또는 상기 피스톤에 의해 구동되는 샤프트의 토크를 포함하는 군으로 부터 선택된 특성을 검출하며,
상기 센서는 상기 컨트롤러와 전기적으로 교통하며, 상기 작동 파라미터를 결정하는 데 기여하는 것을 특징으로 하는 시스템.
105. 제96항에 있어서, 상기 시스템은 팽창 스트로크 동안 상기 피스톤과 선택적으로 교통하는 모터 또는 모터 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
106. 제96항에 있어서, 상기 챔버는 열에너지 소스와 열적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 시스템.
107. 제96항에 있어서, 상기 시스템은 상기 압력셀로 부터 압축 공기를 받아들이는 저장 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
*107a. 제96항에 있어서, 팽창 동안, 상기 컨트롤러는 상기 제1밸브를 작동시켜 공기를 주입함으로써, 상기 피스톤의 팽창 스트로크가 끝나는 시점에서 상기 피스톤에 걸리는 압력이 원하는 압력과 실질적으로 동일해지도록 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
107b. 제107a항에 있어서, 상기 원하는 압력은 다음으로 가장 낮은 압력 단계의 인가 압력이거나 또는 대기 압력 (ambient pressure)인 것을 특징으로 하는 시스템.
107c. 제107a항에 있어서, 상기 원하는 압력은 팽창 효율성을 극대화 하도록 계산된 값인 것을 특징으로 하는 시스템.
107d. 제107a항에 있어서, 상기 원하는 압력은 원하는 수준의 출력 (a desired level of power output)이 형성되도록 산출되는 것을 특징으로 하는 시스템.
107e. 제107a항에 있어서, 상기 원하는 압력은 다음으로 가장 낮은 압력 단계의 인가 압력과 5 psi의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
다음 청구항은 다단계를 갖는 시스템에 관련된다.
108. 제96항에 있어서, 상기 시스템은
내부에 이동 가능한 피스톤을 포함하고, 상기 에너지 소스와 선택적으로 교통하는 제2챔버; 및
제4밸브를 통해 상기 제2챔버와 선택적 액체 교류를 하고, 제5밸브를 통해 상기 제1압력셀과 선택적 액체 교류를 하는 제2 압력셀을 더 포함하며,
상기 제4 및 제5밸브는 상기 컨트롤러와 교통하면서 동작되는 것을 특징으로 하는 시스템.
109. 제96항에 있어서, 상기 챔버는 상기 시스템은
상기 제1챔버 및 제1압력셀과 직렬 (in series)로 연결된 복수개의 제2챔버와 제2 압력셀을 더 포함하며,
상기 제1챔버의 출력 (output)이 상기 제2챔버와 교통하는 것을 특징으로 하는 시스템.
이하는 프로세서에 관련된 청구항이다.
110. 컴퓨터로 판독 가능한 저장 장치와 전기적으로 교통하는 프로세서를 포함하고 호스트 컴퓨터를 포함하며,
상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 장치는 상기 프로세서에 명령을 전달하기 위한 하나 또는 이상의 코드를 저장하며,
상기 명령은;
내부에 이동 가능한 피스톤이 위치하고 있으며, 에너지 소스와 선택적으로 교통하는 제1챔버, 및 상기 제1챔버와 선택적 액체 교환을 하는 압력셀을 포함하는 에너지 저장 및 복구 장치의 특성 (property)을 나타내는 신호를 받아들이도록 하는 명령과,
상기 받아들인 신호에 응답하여, 상기 제1챔버 내의 공기 온도를 소정 범위 (within a temperature range)로 유지하기 위해 상기 에너지 저장 및 복구 시스템의 요소 (element)를 제어하도록 하는 명령을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지를 저장하고 복구하는 장치.
111. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 상기 압력셀내의 압력을 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
112. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 상기 제1챔버 내의 압력을 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
113. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 상기 제1챔버 내의 공기 온도를 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
114. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 상기 압력셀 내의 공기 온도를 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
115. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 상기 제1챔버 내로 주입되는 공기의 습도를 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
116. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 출력 (a power output)을 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
117. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 상기 제1챔버로 부터 배기되는 공기의 습도를 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
118. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 상기 피스톤의 위치를 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
119. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는
상기 피스톤에 인가되는 힘 (a force on the piston)을 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
120. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는
상기 챔버로 유입되는 액체의 온도를 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
121. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는
상기 챔버로 유입되는 액체의 유속을 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
122. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는
상기 챔버 내의 액체의 높이 (a level of liquid in the chamber)를 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
123. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는
상기 챔버 내의 액체의 부피를 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
124. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 속도를 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
125. 제110항에 있어서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는
상기 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 토크 (torque of a rotating shaft)를 나타내는 신호를 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
126. 제110항에 있어서, 입력 신호에 응답하여, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 압축 사이클 동안 상기 챔버로 부터 상기 압력셀로의 공기의 이동 타이밍을 제어하도록 상기 프로세서에 명령하는 것을 특징으로 하는 장치.
126a. 제110항에 있어서, 입력 신호에 응답하여, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 압축 사이클 동안 상기 압력셀로 부터 상기 챔버로의 공기의 이동 타이밍을 제어하도록 상기 프로세서에 명령하는 것을 특징으로 하는 장치.
127. 제110항에 있어서, 입력 신호에 응답하여, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 액체가 상기 챔버로 이동하는 이동 타이밍 (a timing of a transfer of liquid )을 제어하도록 상기 프로세서에 명령하는 것을 특징으로 하는 장치.
128. 제110항에 있어서, 입력 신호에 응답하여, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 상기 챔버로 이동되는 액체의 양 (the amount of a transfer of liquid )을 제어하도록 상기 프로세서에 명령하는 것을 특징으로 하는 장치.
129. 제110항에 있어서, 입력 신호에 응답하여, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 팽창 사이클 동안, 상기 피스톤과 교통하는 발전기 또는 모터 발전기에 가해지는 전기적 부하 (an electrical load )를 제어하도록 상기 프로세서에 명령하는 것을 특징으로 하는 장치.
130. 제110항에 있어서, 입력 신호에 응답하여, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 압축 사이클 동안, 상기 피스톤과 교통하는 발전기 또는 모터 발전기에 가해지는 전력 (an electrical power)을 제어하도록 상기 프로세서에 명령하는 것을 특징으로 하는 장치.
131. 제110항에 있어서, 입력 신호에 응답하여, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 상기 챔버로 액체를 이동시키는 펌프에 가해지는 전력 ( (an electrical power)을 제어하도록 상기 프로세서에 명령하는 것을 특징으로 하는 장치.
132. 제110항에 있어서, 입력 신호에 응답하여, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 상기 압력셀로 부터 액체를 받아들이는 열 교환기와 교통하는 팬 (fans )에 인가되는 전력을 제어하도록 상기 프로세서에 명령하는 것을 특징으로 하는 장치.
133. 제110항에 있어서, 입력 신호에 응답하여, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 압축비 (compression ratio)를 제어하도록 상기 프로세서에 명령하는 것을 특징으로 하는 장치.
이하는 다단계 시스템에 관련된 청구항이다.
134. 제1단계에서 공기를 압축하는 제1 이동 가능 요소를 포함하고, 제1밸브를 통해 주변 공기 공급원과 선택적으로 액체 교환을 하는 (in selective fluid communication with an ambient air supply) 제1 단계 (a first stage);
최종 단계에서 공기를 압축하며 최종 단계내에서 팽창하는 공기에 반응하여 이동하는 제2 이동 가능 요소 (a second element)를 포함하고, 제2밸브를 통해 공기 저장 탱크내의 압축된 공기와 선택적 액체 교환을 수행하는 최종 단계 (afinal stage);
상기 제1단계 또는 최종 단계에서 공기를 소정 온도 범위로 유지하기 위해, 상기 제1단계 또는 상기 최종 단계로 주입되어야 할 액체의 양을 결정하는 컨트롤러; 및
상기 컨트롤러와 교통하며, 상기 결정된 양의 액체를 상기 제1단계 또는 최종 단계로 주입하는 액체 소스를 을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 및 복구 시스템.
135. 제134항에 있어서, 상기 제1 이동 가능한 요소는 상기 제1단계에서 팽창하는 공기에 반응하여 이동 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
136. 제134항에 있어서, 상기 제1 이동 가능한 요소는 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
137. 제134항에 있어서, 상기 제1 이동 가능한 요소는 스크류 (screw)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
138. 제134항에 있어서, 상기 제1단계 또는 상기 최종 단계는 챔버와 선택적으로 액체 교류를 하는 압력셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
139. 제134항에 있어서, 상기 제1단계는 제3밸브를 통해 상기 최종 단계로 또는 상기 최종단계로 부터 압축된 공기를 이동시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
140. 제139항에 있어서,
상기 제1단계는 상기 제1 이동 가능한 요소로서 내부에 제1피스톤을 포함하는 제1챔버를 포함하고,
상기 최종 단계는 상기 제2 이동 가능한 요소로서 내부에 제2피스톤을 포함는 제2챔버를 포함하며,
상기 제1단계 및 상기 최종단계는 압력셀을 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.
141. 제134항에 있어서,
상기 시스템은 상기 제1단계 및 상기 최종 단계와 직렬로 연결되어 선택적 액체 교류를 하는 중간 단계 (an intermediate stage)를 더 포함하고,
상기 중간 단계는 상기 중간단계에서 공기를 압축하기 위한 제3 이동 가능한 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
142. 제134항에 있어서, 상기 제1 이동 가능 요소는 상기 제1단계에서 팽창하는 공기에 반응하여 이동 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
143. 제134항에 있어서,
상기 제1단계는 상기 제1 이동 가능 요소로서, 내부에 제1피스톤을 포함하는 제1챔버를 포함하며,
상기 중간 단계는 상기 제3 이동 가능 요소로서, 내부에 제2 피스톤을 포함하는 제2챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
144. 제141항에 있어서,
상기 중간 단계는 상기 제3 이동 가능 요소로서, 내부에 제1피스톤을 포함하는 제1챔버를 포함하고,
상기 최종 단계는 상기 제2 이동 가능 요소로서, 내부에 제2피스톤을 포함하는 제2챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
145. 제141항에 있어서, 상기 제1단계, 상기 중간 단계 또는 상기 최종 단계는 압력 셀과 선택적인 액체 교류를 하는 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
146. 제141항에 있어서, 연속된 단계들은 압력셀을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.
147. 제141항에 있어서, 상기 제1단계 및 상기 최종단계 사이에 직렬로 연결된 추가적인 중간 단계 (additional intermediate stage)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
148. 제134항에 있어서, 상기 제2 이동 가능한 요소는 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
149. 제148항에 있어서, 상기 제2 이동 가능한 요소는 액체 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
150. 제148항에 있어서, 상기 제2 이동 가능한 요소는 고체 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
151. 제134항에 있어서, 상기 제1단계의 압축비는 상기 최종 단계의 압축비 보다 큰 것을 특징으로 하는 시스템.
152. 제141항에 있어서,
상기 제1단계의 압축비는 상기 중간 단계의 압축비보다 크고,
상기 중간 단계의 압축비는 상기 최종 단계의 압축비보다 큰 것을 특징으로 하는 시스템.
153. 제134항에 있어서, 상기 액체는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
154. 제1단계에서 주변 공기 (ambient air)를 유입하는 단계;
상기 제1단계에서 주변 공기를 압축하는 단계;
제2 단계에서 공기를 추가로 압축하는 단계;
추가로 압축된 공기를 상기 제2단계에서 저장 탱크로 이동 시키는 단계; 및
상기 제1단계 또는 제2단계에서 압축 또는 추가 압축하는 동안 공기의 온도 변화를 소정 범위내로 유지시킬 수 있는 작동 파라미터 (operational parameter)를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 방법.
155. 제154항에 있어서, 상기 작동 파라미터는 밸브를 개방 또는 폐쇄하는 타이밍을 포함하며, 상기 밸브는 상기 단계들로 유입 또는 배출되는 공기의 움직임을 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
156. 제154항에 있어서, 상기 작동 파라미터는 상기 압축 또는 추가 압축 동안 상기 제1단계 또는 상기 제2 단계로 주입된 액체의 양을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
157. 제154항에 있어서, 상기 주변 공기를 압축하는 단계는, 상기 제1단계의 챔버 내에 위치하며 에너지 소스와 교통하는 피스톤의 위치를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
158. 제154항에 있어서, 상기 주변 공기를 압축하는 단계는 상기 제1단계의 챔버 내에 위치하며 에너지 소스와 교통하는 스크류의 위치를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
159. 제154항에 있어서, 상기 압축된 공기는 중간 단계를 거쳐 상기 제2 단계로 이동되며, 상기 중간단계에서 추가적인 압축이 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
160. 제154항에 있어서, 상기 방법은
압축된 공기를 상기 저장 탱크로 부터 상기 제2 단계로 이동시키는 단계;
상기 압축된 공기가 팽창하여 상기 제2 단계의 제1 이동 가능 요소를 구동시키는 단계;
공기를 상기 제2 단계에서 상기 제1단계로 전달하는 단계;
상기 제1단계의 압축 공기를 팽창시켜 상기 제2단계의 제2 이동 가능 수단을 구동하는 단계; 및
상기 제1단계 또는 상기 제2 단계에서의 팽창시에, 상기 제1단계 또는 상기 제2 단계에서의 공기의 온도 변화를 일정 범위 내로 유지하기 위한 작동 파라미터를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
161. 제160항에 있어서, 상기 작동 파라미터는 상기 단계로의 주입 또는 배기되는 공기의 이동을 제어하는 밸브를 개방 또는 폐쇄하는 타이밍을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
162. 제160항에 있어서, 상기 작동 파라미터는 상기 제1 또는 제2 단계의 팽창기간 동안, 상기 제1 또는 제2단계로 주입되는 액체의 양을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
163. 제160항에 있어서, 상기 제1 이동 가능 요소는 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
164. 제160항에 있어서, 상기 제2 이동 가능 요소는 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
165. 제160항에 있어서, 상기 공기는 추가적인 압축이 일어나는 중간 단계를 거쳐 상기 제2단계에서 상기 제1단계로 이동하는 것을 특징으로 하는 방법.
본 발명에 따른 실시예는 온도차에서 에너지를 추출하는 것이다. 일 실시예에서는, 압축 공기의 팽창을 통해 열원으로 부터 에너지가 추출된다. 다른 실시예에서는, 압축 공기를 포함하는 저장 탱크가 압축기-팽창기와 액체 교환을 한다. 저장 탱크에서 유입된 압축공기는 상기 압축기-팽창기로 팽창되고 전력을 생산한다. 팽창하는 동안, 상기 압축기-팽창기 (compressor-expander)는 열 교환기를 통해 열원과 선택적인 열 교환을 하고, 이로써 팽창하는 가스에 의해 발생되는 전력을 증대시킨다. 또 다른 실시예에서는, 열원이 지속적으로 공급되고, 가스 팽창기가 압축기를 구동시킨다. 이러한 실시예는 높은 열량 특성 (high heat capacity properties)을 갖는 가스- 예를 들어, 헬륨, 이산화탄소, 수소 또는 네온 등-를 이용하는 폐쇄 시스템으로 구성할 수 있으며, 높은 기본 압력값 (elevated baseline pressure)에서 시스템이 동작한다.
본 발명의 실시예는 온도 차로 부터 에너지는 추출하는데 관련되어 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 열원으로 부터 얻어지는 열 형태의 온도는 압축된 가스의 팽창으로 부터 유용한 에너지로 활용될 수 있다. 압축-팽창기는 압축된 공기 저장 장치와 액체 교류를 한다. 저장 장치로 부터 유입된 압축 공기는 압축-팽창기 내에서 팽창되어 전기를 생산한다. 팽창하는 동안, 열원은 열 교환기를 거쳐 압축기-팽창기와 선택적인 열 교환을 함으로써 출력을 높인다. 시스템 동작은 팽창기간 동안 액체를 주입 및/또는 팽창 기간동안 압축기-팽창기로 유입, 배출되는 공기를 제어함으로써 더욱 향상시킬 수 있다.
거의 등온적으로 동작되도록 하기 위해서, 일을 하는 동안 (즉, 유압액체를 이동시키거나 피스톤을 밀어내는 것) 가스가 팽창하면서 식어가는 경향은 열원과 열 교환에 의해 반대로 동작 (counteracted )할 수 있다. 어떤 형태의 열이 이용가능하다면, 이는 팽창 사이클 동안 출력을 향상시키는데 활용될 수 있다.
많은 실시예에서, 압축 가스 시스템은 주변 온도와 실질적으로 동일하거나 이에 가까운 온도에서 동작하도록 구성되므로, 이용되는 열원은 주변 온도보다 약간만 높으면 된다. 그러나, 열원은 전 사이클에 걸쳐 주변 온도에 가까운 팽창 과정을 유지하는 필요한 열을 공급할 수있을 정도로 충분한 열량을 가져야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예는 저급 열 (low grade heat)-예를 들어, 다른 과정에서 배출된 소모열 형태의 열-을 활용하여 압축된 공기로 부터의 출력을 향상 시킬 수 있다.
도 22는 압축된 공기로 부터 에너지를 생산하는 본 발명에 따른 시스템 2280의 실시예의 단순 블럭도이다. 압축된 공기 이외의 다른 형태도 이용될 수 있다. 본 시스템은 미국 특허 가출원 제61/221,487호 (이하, '487특허")에 개시된 것과 유사한 구성을 갖는 압축-팽창기를 포함한다. 그러나, 이외에도 다른 디자인을 채용할 수도 있다.
압축-팽창기 2282는 압축공기 저장 유닛 2284와 액체 교환을 한다. 압축-팽창기 2282는 열 교환기 2286를 통해 열원 2290 또는 열 싱크 (heat sink) 2292와 선택적인 열 교환을 한다. 열원 2290는 저급 열원이거나 또는 고급 열원일 수 있다. 열원 190은 지속적으로 존재할 수도 있고 간헐적으로 존재할 수도 있다.
압축-팽창기 2282는 연결 수단 (linkage) 2296를 통해 모터-발전기 (motor-generator) 2294와 물리적으로 교통한다. 연결 수단 2296은 이어서 전기 그리드 (electrical grid) 2298와 같은 파워 소스 (power source )와 전기적 교통 (in electrical communication)한다.
시스템 2280의 동작은 아래에 설명한다.
제1모드에서, 시스템 2280은 저장 유닛 2284에 저장된 압축 공기를 유용한 일 (work)로 변환함으로써 파워를 생산하도록 구성된다. 시스템은 그리드에서 최고 파워가 요구되는 시점, 예를 들어, 평일 오전7시에서 오후 7시 사이에 제1모드에서 있게 된다.
도 22A에 도시된 제1모드에서, 압축된 공기는 저장 유닛 2284에서 압축-팽창기 2282로 흘러간다. 압축-팽창기 2282는 팽창기로 기능한다. 스위치 2288는 열원 2290과 열 교환기 2286 및/또는 저장 유닛 2284사이에서 열 교환을 가능케 한다.
이 모드에서 열원으로 부터 공급된 열로 인해, 상기 압축-팽창기 내에서 팽창된 공기는 온도가 저하를 겪고, 이로써 증가된 출력 (power output)을 생산한다. 이어서, 출력은 연결 수단 2296을 거쳐 모터-발전기 2294와 교통한다. 모터-발전기 2294는 발전기로 기능한다. 모터-발전기의 출력은 이어서 파워 그리드 2298로 인가되어 소비된다.
동작의 제2모드에서, 시스템 2280은 저장 탱크 내에 압축 공기를 다시 채워 넣는다. 예를 들어, 파워 그리드의 전력 소모량이 적은 시간대에, 상기 시스템은 제2모드에 있을 수 있다.
도22B에 도시된 제2모드에서, 모터-발전기는 파워 그리드 2298로 부터 (또는 풍력 터빈 또는 태양 에너지 수집 유닛으로 부터 직접) 파워를 전달받아, 연결 수단을 구동시켜 압축-팽창기 2282를 작동시킨다. 압축-팽창기 2282는 압축기로 동작한다. 스위치 2288에 의해 열 싱크 2292와 열 교환기 2286 및/또는 저장 유닛 2284가 열 교환 한다.
이 모드에서 열이 압축-팽창기에서 열 싱크로 전달됨으로써, 상기 압축-팽창기 내에서 압축되는 공기는 온도가 낮아지고, 그 결과, 압축 공기로의 전환시에 에너지 손실이 더 작다. 계속해서, 압축된 공기는 상기 압축-팽창기에서 압축 공기 저장 유닛 2284로 전달되며, 이후, 상기 제1모드내에서 복구된다.
일 실시예에서, 스위치 2288은 시간의 경과에 따라 동작하는 임시적 (temporal)인 특성을 가진다. 이러한 예로는 일주 사이클 (diurnal cycle)을 들수 있다. 이는 낮에는 열 교환기 및/또는 저장 유닛은 열원으로서 태양과 열 교환을 한다. 반대로, 밤에는, 열 교환기 및/또는 저장 유닛은 열 싱크로서 차가운 공기와 열 교환을 수행한다. 이러한 실시예에서, 열원의 크기 (the magnitude of the heat source)는 열 교환기 및/또는 저장 탱크에서의 반사 (reflection onto the heat exchanger and/or storage tank) 과 같은 기술을 채택하거나 또는 열 교환기 및/또는 저장 탱크를 태양 복사열 흡수를 촉진시키는 물질로 코팅함으로써 증폭시킬 수 있다.
일 실시예에서, 스위치2288는 물리적 특성을 가지며, 따뜻한 액체를 열원으로 부터 열 교환기 및/또는 저장 유닛 근처로 이동시키거나 또는 차가운 액체를 열 싱크로 부터 열 교환기 및/또는 저장 유닛 근처로 이동시킨다. 이러한 구성의 예로는 열원으로서 발전소로 연결되거나 또는 냉각 타워, 호수, 또는 바다와 같은 수원 (body of water)과 연결된 파이프와 선택적으로 액체 교환을 하는 스위치를 들 수 있다.
상기한 다양한 실시예 시스템의 동작은 하나 또는 그 이상의 기술을 독립적으로 또는 결합 하여 채용함으로써 향상된다. 이러한 기술의 하나로 공기가 팽창 또는 압축할때 그 공기에 액체를 주입하는 것을 들 수 있다. 구체적으로, 액체가 공기보다 더 큰 열량 (heat capacity)을 갖는 경우, 압축되는 공기로 부터의 열 이동 또는 팽창하는 공기로의 열 이동 이 향상된다. 열 이동량이 클수록, 압축 또는 팽창하는 공기는 더 일정한 온도로 유지될 수 있다. 압축과 팽창 동안 액체를 주입하는 것은‘487특허에 개시되어 있다.
일 실시예에서, 액체는 분사 장치에 의해 미스트 (mist)로서 주입된다. 다른 실시예에서, 가스는 액체를 통해 버블되어 주입된다. 다른 실시예에서 미스트와 버블링 을 함께 채택할 수 있으며, 또한 일부 단계들에서만 미스트 및/버블링을 채용하는 다단계 (아래를 참고) 방식을 채용할 수도 있다.
압축-팽창기 내에서 가스의 흐름을 정교하게 제어하는 기법 (technique)은 시스템의 동작 특성을 향상 시킬 수 있다. 상기 압축-팽창기의 다양한 요소들과 전기적으로 교통하도록 구성된 컨트롤러나 프로세서를 이용하여 이러한 제어를 행할 수 있다.
예를 들어, 도23은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 단계 압축-팽창기 2300의 단순 블럭도이다. 압축-팽창기의 보다 자세한 구조는 도 25를 참고하여 하기에서 설명한다.
도 23의 압축-팽창기 2300는 내부에 피스톤 2304과 같은 이동 가능한 요소를 갖는 실린더 2302를 포함한다. 실린더 2302는 압력셀 2306과 선택적인 액체 교환을 한다. 압축하는 동안, (바람직하게는 액체와 함께) 실린더로 주입되는 공기는 피스톤에 의해 압축되고, 압축된 공기는 밸브 2308를 통해 압력셀로 흘러간다.
통상의 압축기 디자인에서, 밸브 2308은 실린더 내에서 압축된 공기로 인한 압력으로 발생한 힘으로 인해 물리적으로 구동되는 체크 밸브 (check valve )이다. 이러한 체크 밸브를 구동하는데 압축된 공기의 에너지 일부가 소모된다.
반대로, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 밸브 2308은 프로세서 또는 컨트롤러에 의한 전기적 제어로 작동하는 것일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 제어에 적합한 밸브의 예로는, 파이롯 밸브, 로터리 밸브, 캠 작동 포핏 밸브 및 유압에 의해, 공기에 의해 또는 전기적으로 구동되는 밸브 (pilot valves, rotary valves, cam operated poppet valves, and hydraulically, pneumatically, or electrically actuated valves) 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 전기적 제어 방식을 이용할 경우, 통상의 체크 밸브를 구동하기 위해 필요한 압축 공기의 에너지 소모를 피할 수 있다.
정교한 밸브 제어는 팽창 기간 동안의 동작 특성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 밸브 2310를 정교하게 제어함으로써, 팽창 사이클 동안, 정해진 양의 공기만 압력셀로 부터 실린더에 유입되도록 할 수 있다. 정해진 양의 공기는 팽창 스트로크가 끝나는 시점에서 피스톤에 원하는 압력이 인가되는 것으로 산출될 수 있다. 상기 압축-팽창기가 단일 단계로 구성되거나 또는 상기 압력셀과 실린더가 다단계 중 낮은 단계 (a lowest stage of a multi-stage design)를 포함하는 경우는 원하는 압력은 주변 압력과 거의 같다. 다단계의 경우, 다음으로 낮은 단계 (the next-lowest stage)의 압력과 같도록 할 수 있다. 또는 대안으로 (alternatively), 더 큰 힘출력 (power output)이 요구되는 경우에는, 충분한 양의 공기가 유입되도록 밸브 2310의 개방 및 폐쇄 타이밍을 콘트롤 할 수 있다. 이로써, 팽창 스트로크가 끝나는 지점에서의 원하는 압력이 더 큰 값을 갖도록 할 수 있다.
상기 실시예는 가스의 압축기 또는 팽창기로 기능하는 요소와 관련되어 설명되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또 다른 실시예서는 가스의 압축 또는 팽창을 수행하는 별도의 전용 요소를 채용할 수 있으며, 본 발명은 이러한 실시예를 포함한다.
도 24A에 도시된 실시예의 시스템 2400은 전용 팽창기 2402를 포함한다. 전용 팽창기 2402는 압축된 가스를 유입하고, 또 상기 압축된 공기를 팽창시켜 유용한 일 (useful work)로 변환시킨다. 예를 들어, 압축된 공기를 팽창기 2402에서 팽창시킴으로써 공용 물리적 연결수단 (common physical linkage) 2416을 구동시킨다. 상기 연결 수단은 기계식, 유압식, 공압식 (pneumatic) 또는 기타 다른 형태일 수 있다.
전용 팽창기 2402는 이어서 열 교환기 306과 열 교환한다. 상기 열 교환기 306는 열원 2410과 열 교환한다. 압축 가스가 팽창기로 유입되어 팽창된 후 유용한 일-예를 들어, 연결수단 2416을 구동하는 것-로 전환됨에 따라, 전용 팽창기에 의해 열원 2410으로 부터 열 교환기 2406을 거쳐 유입된 에너지는 힘 출력을 향상시키는데 기여한다. 구체적으로, 팽창 전 또는 팽창 동안 열원에 의해 가스가 데워짐으로써 가스의 비등온 팽창 (non-isothermal expansion)으로 인한 열역학적 손실이 줄어든다.
연결수단 (linkage) 2416은 이어서 전용 압축기 2403과 물리적으로 연결된다. 전용 압축기 2403은 상기 연결수단 2416의 작동에 의해 구동된다. 이로써 상기 전용 팽창기로 부터 유입된 가스를 압축시킨다.
전용 압축기 2403 은 열 교환기 2405와 열 교환하며, 열 교환기 2405는 열 싱크 2412와 열 교환한다. 열 교환기 2405를 거쳐 열 싱크 2412와 열 교환함으로써 전용 압축기의 온도가 낮아지고, 따라서 가스를 압축하는데 필요한 에너지 양이 줄어든다.
상기 연결수단 2416은 또한 발전기 2414와 교통한다. 연결수단의 움직임에 의해, 발전기 2414는 전력을 생산하고, 생산된 전력은 파워 그리드 2418로 공급되어 소비된다.
압축공기의 일부는 최초로-예를 들어, 모터 (미도시)를 갖는 압축기 2403을 구동함으로써- 상기 전용 팽창기로 공급된다. 또는 발전기 2414가 모터로 기능함으로써, 반대로 동작 (operated in reverse as a motor)할 수도 있다.
이어서, 상기 최초 분량의 압축 공기는 상기 저장 유닛으로 부터 상기 전용 팽창기로 흘러간다. 팽창기 내에서 상기 압축 공기가 팽창함으로써 상기 연결 수단을 구동한다. 압축 공기에 저장되어 있던 에너지가 기계적 일로 변환되며, 열원으로 부터 에너지를 공급함으로써 이러한 변환 성능을 향상시킬 수 있다.
이러한 에너지 변환의 결과, 상기 연결수단이 구동되어 상기 전용 압축기 2403을 동작시키고, 이로써 상기 전용 팽창기로 부터 유입된 공기가 압축되며, 압축된 공기는 다시 팽창기로 흘러가서 팽창기를 작동시킨다. 구체적으로, 압축 전 또는 압축하는 동안 열 싱크로 가스를 식힘으로써 가스 비등온 압축 시에 발생하는 열역학적 손실을 줄일수 있다.
팽창하는 가스로 부터 복구된 에너지는 압축기를 동작하는 사용되고, 나머지는 전기를 생산하는데 이용될 수 있다. 구체적으로, 기계적인 연결 수단을 구동시킴으로써 파워 그리드 2418과 교통하는 발전기 2414를 동작시킬 수 있다.
도 24A에 도시된 실시예는 몇가지 이점을 갖는다. 그중 한가니는 도 24A에 도시된 시스템이 원하는 특성을 갖는 가스 (gases exhibiting desirable properties)로 작동될 수 있다는 것이다.
예를 들어, 헬륨은 에너지 저장 시스템에 이용될 수 있는 바람직한 후보 중 하나이다. 왜냐하면, 헬륨은 상대적으로 높은 열량 (high heat capacity)을 갖기 때문이다. 헬륨은 높은 열량으로 인해 압축 및 팽창 과정 동안 열을 효과적으로 흡수하고 전달한다.
헬륨은 일반적으로 개방 시스템에서 사용된다. 그러나, 도 24A의 실시예는 폐쇄 시스템에서 동작한다. 이러한 폐쇄형 구조는 전용 팽창기에 팽창된 가스를 다시 압축시켜 상기 전용 팽창기로 공급한다. 이와 같이, 헬륨은 도 24A의 시스템에서 경제적으로 재 활용되고 있다.
도 24A에 도시된 시스템 실시예는 폐쇄형의 특성상, 고밀도 가스를 이용할 수 있으며, 이로써 열량을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 도 24A의 시스템이 폐쇄형이고, 외부 공기에 의존하지 않기 때문에 주변보다 상당히 높은 베이스 라인 압력 (at baseline pressures)에서 동작시킬 수 있다. 이러한 베이스 라인 압력으로 예로는 주변 압력 (ambient pressure)보다 높은 5 PSI, 10 PSI, 20 PSI, 50 PSI, 100 PSI, 또는 200 PSI 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 24A의 실시예 시스템은 구성이 단순하다는 잇점이 있다. 예를 들어, 전용 팽창기 및 전용 압축기의 동작이 동시에 일어나기 (concurrent) 때문에, 가스는 일반적으로 압축된 후 거의 즉시 팽창에 소모된다. 이러한 즉각적인 팽창으로 인해 압축된 가스를 저장한 별도의 가압 용기 (pressure-tight vessel element)가 불필요하다.
또한, 도 24에 도시된 실시예의 시스템 내의 가스는 저장이 필요 없기 때문에, 베이스 라인 압력과 압축 후의 압력 차가 상대적으로 적은 상태에서 동작할 수 있다. 즉, 도 24A의 실시예의 시스템에서 가스는 단일 단계만으로도 압축될 수 있고 따라서, 구성을 단순화 할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 재생 장치 (regenerator device)를 이용함으로써 성능을 향샹 시킬 수 있다. 도 24B는 재생기를 포함하는 장치의 실시예를 나타내는 간략도이다. 구체적으로, 장치 2450은 공용 회전 샤프트 2466과 각각 기계적으로 교통하고 있는 전용 압축기 2453, 전용 팽창기 2452, 및 발전기 2454를 포함한다.
재생기 2460는 폐쇄 루프 시스템 내의 전용 압축기 2453 및 전용 팽창기 2452 사이에서 이동하는 가스 사이에 배치된다. 구체적으로, 재생기 2460을 지나는 동안, 전용 압축기에서 압축된 후 열 싱크 2462의 온도로 식혀진 공기는 전용 팽창기 2452내에서 팽창되어 주변으로 흘러가는 공기로 부터 에너지를 전달받아 열원 2460의 온도까지 덥혀진다. 반대로, 전용 팽창기 2452에서 팽창되어 열원 2460의 온도까지 덥혀진 기체는 열 압축기 2453 내에서 압축되는 동안 식혀진 후 주변을 지나는 가스에 열에너지를 전달함으로써 식는다. 재생기 2460내에서 흐르는 가스와의 열에너지 교환을 통해 상기 팽창하는 가스로 부터 복구되는 에너지량을 증대시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, 다단계에 결쳐 팽창을 수행함으로써 상기 재생기와 유사한 효과를 얻을 수 있다. 이러한 실시예는 도 24C에 도시되고 있으며, 제1전용 팽창기 2482가 제2전용 팽창기 2483과 직렬로 연결되어 액체 교류를 하도록 구성된 것을 제외하고는, 시스템 2480은 시스템 2400과 유사하다. 상기 제1및 제2전용 팽창기는 공용 연결수단 2476과 물리적으로 연결되어 있다.
연결수단 2476은 회전 샤프트와 같은 기계식이거나, 또는 유압식 또는 공압식으로 구성될 수 있다. 각각 열 교환기 2484 및 2486을 통해 열원 2470과 열 교환하는 연속된 전용 팽창 단계 2482 및 2483을 이용하여 열을 추출함으로써, 제2팽창 단계에서 배출되는 가스의 최종 온도는 도 24B의 재생기로 부터 배출되는 가스의 최종 온도에 상응하게 된다. 다른 실시예에서, 열 교환기 2484 및 386은 별도의 열원과 열 교환을 하며, 반드시 동일한 온도일 필요는 없다.
도 24D는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 단순 모식도이다. 도 24A에서와 마찬가지로, 이 도면은 가스 (헬륨)가 재활용되는 폐쇄 시스템을 도시한다.
도 2D의 실시예는 두개의 팽창기와 두개의 압축기를 포함하며, 이들은 모두 동일한 공용 샤프트와 기계적으로 결합되어 있다. 도 2D의 시스템은 이산화탄소를 압축하여 저장한다.
구체적으로, 도 24D는 연소 배관 가스 (combustion flue gases)로 부터 분리된 이산화탄소 가스를 압축하기 위한 시스템의 일 실시예를 도시한다. 상기 시스템은 배관 가스에서 얻어지는 열로만 작동한다.
아민 방법 (amine method )으로 석탄 배관 가스로 부터 이산화탄소를 분리하는 경우에 발생되는 거의 대부분의 기생 손실 (parasitic losses)은 다음 두가지 공정에서 발생한다:
1)흡수한 이산화탄소를 방출하기 위해 액체 아민을 가열하는 공정; 및
* 2)전달 또는 저장에 적합한 액체로 만들기 위해 분리된 이산화탄소를 압축하는 공정.
본 발명의 실시예는 두번째 카테고리-이산화탄소 가스를 압축하는데 필요한 에너지-에 대한 것이다. 이는 모든 기생 손실의 약 35% 또는 이산화탄소 채집을 비롯한 화석 연료를 이용하는 플랜트 (a coal-fired plant that incorporates CO2 capture)에 의해 생산되는 전체 전력의 10%에 해당된다. 본 발명의 실시예에 따른 기술은 이러한 손실을 전체적으로 제거할 수 있다.
연소 배관 가스 내의 저급열은 효과적으로 그리고 저비용으로 기계적 힘으로 전환될 수 있다. 그 기계적 힘은 그에 상응할 정도로 효율적인 이산화탄소 압축기를 동작시키는데 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 근-등온 가스 압축 및 팽창이 수행된다. 기본적인 열역학적 원리에 따르면, 압축이 등온적으로 수행될 경우, 가스를 압축하는데 상당히 적은 일 (less work)이 필요하다.
압축 일 (compression work )이 가스에 수행되면, 열이 발생한다. 압축되는 동안 온도가 일정하게 유지되는 상태에서 상기 발생한 열이 시스템으로 부터 지속적으로 제거되면, 압축이 등온적으로 일어난다고 말해진다. 마찬가지로, 가스가 팽창함에 따라 열이 시스템에 가해질 때, 압축된 가스에 저장된 에너지로 부터 더 많은 일이 얻어진다..
도 24D의 구성은 하나의 샤프트상에서 이러한 원리에 따라 동작하는 두개의 장치를 포함하고 있다.
제1장치는 에릭손 사이클 (Ericsson cycle)로 작동하는 압축기와 팽창기 챔버를 포함하는 열 엔진 (heat engine)이다. 이 엔진은 배관 가스와 주변 온도의 차이를 이용하여 높은 열효율로 기계적 일 경우에 있어서는, 샤프트 토크-을 생산한다.
제2장치는 근-등온 이산화탄소 압축기이다.
이러한 장치에 대해 이산화탄소 압축기 부터 아래에 상세히 설명한다. 이는 발명에 따른 실시예의 기본 동작원리에 대한 것이다.
가스 상태의 이산화탄소의 ΔT (즉, 압축 기간 동안 발생한 온도 상승분)을 제어하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 액체가 가스보다 열을 더 잘 흡수한다는 원리를 이용한다. 사실, 주어진 부피의 기름 (oil)은 주어진 온도 (at the temperatures of interest)에서 동일 부피의 이산화탄소 가스보다 2,000배나 많은 열을 보유 (hold)할 수 있다. 액체와 기체가 직접 접촉하는 경우, 표면적이 넓을수록 가스와 액체 간의 온도 평형은 보다 빨리 일어난다. 압축 전에 또는 압축하는 동안, 작은 액체 방울을 가스 내로 분사함으로써 보다 많은 접촉면이 형성시켜 두 상 (phases)간에 열 교환이 더 빨리 일어나도록 한다.
가스 압축기를 식히고 보다 높은 압축비 (higher-than-usual compression ratios)를 얻기 위해 액체 스프레이-통상, 윤활유-가 오랫동안 이용되어 왔다. (적절한 냉각이 수반되지 않을 경우, 높은 압축비는 다량의 열로 인한 열 피로와 손상을 일으킨다.) 이 공정에 대한 개선 본 발명에서 다음 두가지 영역에서 수행된다.
제1영역은 계산이다. 동작-및 필요한 경우에는 조정 (adjustment)하는 동안 압축 또는 팽창 시의 ΔT 을 원하는 수준에서 유지하기 위해 필요한 액체 스프레이 부피 계산이다. 이는 다음과 같은 응용 (particular application) 시에 특히나 중요한 요건 (critical requirement)이 된다: 아민 흡수 공정의 특성으로 인해, 시스템의 각 단계는 특정한 온도에 서 동작되어야 한다.
제2 영역은 가스 압축 및 팽창의 양쪽 단계 모두에서 ΔT을 제어하기 위해 스프레이를 사용하는 것이다. 열 엔진 구성요소과 관련하여 설명한 바와 같이, 배관 가스의 소모열로 부터 얻어진 기계적 힘을 전달하기 위해 팽창 셀이 필요하다.
온도 제어된 압축
도 27은 압축기의 메카니즘을 도식적으로 나타내고 있다. 이산화탄소가 혼합전-챔버 (pre-mixing chamber)로 유입된다. 혼합전-챔버에서는 오일이 가스 증기로 스프레이되어 그 속에 갇힌다. 가스는 섭씨 약25도 에서 유입되며, 액체는 섭씨 약 20도이다. 가스-액체 에어로졸은 맥동 완충 병 (pulsation dampening “bottle”)을 거쳐서 압축 챔버로 유입된다. 따라서, 압축기가 사이클 내에서 동작하는 동안에도 계속해서 오일을 분사할 수 있다. 상기 압축챔버는 통상의 복동 피스톤과 실린더를 이산화탄소 가스를 사용하는데 적합하도록 적절히 변형한 것이다.
피스톤이 바닥끝 중앙으로 이동하면, 이산화탄소/오일-방울 에어로졸은 유입 밸브 (inlet valves )-그림에서 상부에 위치한 밸브-중 하나를 통해 실린더로 유입된다. 이어서, 열 엔진 (이하 참고)이 상기 피스톤을 상부 끝 중앙으로 이동시켜 혼합물 (mixture)을 압축한다. 원하는 압력-이산화탄소를 섭씨 30도에서 액화시키기 위해서는 약 40 대기압 (40 atmospheres of pressure )이 필요하다-에 도달하면, 배기 밸브가 개방되고, 상기 혼합물은 분리기로 배기된다. 분리기 (통상의 사이클론 시스템)은 이산화탄소로 부터 오일을 추출하고, 이산화탄소를 탱크 또는 파이프라인으로 내보낸다. 압축 과정에서 섭씨 30도로 데워진 상기 오일은 열 교환기 (미도시)를 거치면서 섭씨 20도로 냉각되어, 다시 상기 혼합전-챔버로 분사될 수 있는 상태가 된다.
도27에 도시된 시스템은 복동식이다. 실린더의 한 쪽이 압축되면 다른 쪽은 배기된다. 각 측면의 흡기 및 배기 밸브는 180도의 위상치를 가지고 개방 및 폐쇄된다.
도 27에 도시된 시스템은 단일 단계 압축기이다. 소정 범위 내에서 압축비를 유지하려면 3-4 단계가 필요할 수 있다. 그러나, 모든 단계에서 단지 한개의 펌프와 한개의 열 교환기가 필요하다. 대체로, 다단계 압축기에서, 모든 단계는 동일한 압축비를 갖는다. 본 발명의 또 다른 특징은 각 단계에서 ΔT가 동일하도록 압축비가 조절된다는 것이다. 이와 같이 ΔT값을 균형있게 함으로써, 효율성과 힘 밀도 (power density)를 극대화 시킬 수 있다.
시스템 구조
액체 스프레이 시스템이 결합된 압축기는 “셀”을 포함한다. 셀은 밸브 타이밍에 따라 가스 압축기 또는 팽창기로 동작한다. 팽창셀에서, 가스는 유입 밸브를 거쳐 실린더로 들어가고, 확장하면서 피스톤을 이동시키고, 크랭크 샤프트를 돌린다.
도 24D의 시스템에 있어서, 이산화탄소 압축기가 하나의 셀이며, 압축기를 구동하는 열 엔진은 밀착되어 결합된 세개의 셀로 구성된다. 이들 네개의 셀은 하나의 크랭크 샤프트를 공유한다.
열 엔진을 구성하고 있는 세개의 셀 중에서, 첫번째 셀 (“압축기”로 표식)은 압축기로 동작하고, 나머지 두개 (“팽창기 1” 및 “팽창기 2”로 표시)는 팽창기로 동작한다. 압축기는 하기 사항을 제외하고는, 상술된 이산화탄소 압축기가 동작하는 방식과 동일하다.
팽창기는 약간 다르게 동작한다. 피스톤 상에서 팽창하면서 일하는 가스는 식는다. 배관 가스로 부터 얻어진 열을 열 교환기 1 및 2를 거쳐 공급함으로써, 팽창기는 기계적 에너지를 생산하여, 크랭크 샤프트의 토크 형태로 압축셀 (열 엔진의 압축기 및 이산화탄소 압축기) 양쪽에 파워를 인가한다. 즉, 뜨거운 배관 가스를 거쳐 시스템에 열을 공급하여 팽창기가 열 엔진의 압축기를 작동하는데 필요로 하는 것보다 더 큰 샤프트 토크를 발생시켜 총 일 출력이 양의 값 (a net positive work output)이 되도록 한다. 생산되는 초과량의 일은 유입되는 배관 가스와 주변 공기의 온도차에 따라 달라진다.
두 개의 다른 온도에서 얻어지는 두 개의 열원이 존재하므로, 두 개의 팽창기가 필요하다. 대부분이 질소이며 약 10%의 이산화탄소를 포함하는 화석 연료 연소에서 얻어지는 배관 가스는 약 섭씨 150도이며, 이로 부터 분리된 이산화탄소 증기는 약 섭씨 110~120도 이다. 따라서, 열원에서 얻어진 에너지를 극대화하기 위해서, 열 엔진의 팽창기는 특정 온도에 적합하도록 조율된 두개의 열 교환기와 두개의 재생기를 이용한다.
열 엔진의 장점 중 하나는 배관 가스가 냉각되는 공정이 아민 흡수 공정 전에 일어난다는 것이다.
마찬가지로, 분리된 이산화탄소 가스 증기도 냉각되어, 압축 공정에서 액체가 된다. 따라서, 이들 열 교환기들은 종래 아민 공정에서는 필수적이다. 본 발명에서는 두가지 임무-가스 증기를 식히는 것과, 이산화탄소 압축기에 에너지를 공급하는 것-를 수행한다.
열의 인가와 차단 (heat addition and rejection)는 등압 상태에서 일어나며, 에릭손 사이클 (Ericsson cycle)을 형성한다. 종종 에릭손 엔진은 반대 쪽에서 압축과 팽창이 일어나는 복동식 피스톤을 이용한다. 본 시스템에서, 압축과 팽창은 별개의 실린더에서 일어난다.
열 엔진의 압축 및 팽창셀들이 폐쇄 시스템을 형성하므로, 어떠한 가스라도 이용될 수 있다. 바람직한 예로는 헬륨 (helium)을 들 수 있는데, 헬륨의 열 전달 특성으로 인해, 소형화되고 저렴한 재생기 (종종 이런 종류의 열 엔진의 가장 비싼 부품이다)를 사용할 수 있다.
시스템의 열역학은 복잡하다. 주요한 분석 결과에 따르면, 화석 연료를 사용하는 화력 발전소의 배관 가스는 전체 시스템-열적, 기계적 손실을 포함-을 작동시키기에 충분할 정도의 열에너지는 보유하고 있다. 즉, 전체 시스템은 자가 내장형 (self-contained)이다. 즉, 운영에 전기 공급이 필요하지 않다.
압축과 팽창을 수행하는 장치의 다양한 실시예를 아래에 설명한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 장치 (전용 압축기 및 팽창기 등)도 이용될 수 있다.
단일단계 시스템 ( Single - Stage System )
도 25은 본 발명의 일 실시예 시스템 2520를 도시한다. 본 실시예에서는 액체와 공기를 섞는다. 이로써, 압축 및 팽창 동안 열 교환을 촉진시키고, 압축 및 팽창되는 공기에 동일한 메카니즘이 적용되도록 단계를 포함한다. 밸브 타이밍을 전기적으로 제어함으로써, 주어진 부피의 압축 공기로 부터 높은 출력 파워가 얻어지도록 한다.
도 25에 도시된 바와 같이, 에너지 저장 시스템 2520는 피스톤 장치 2523의 왕복 접수 부재 (reciprocating receipt) 등으로 구성된 챔버 2522을 정의하는 실린더 장치 2521를 포함한다. 압축 공기 에너지 저장 시스템 2520은 또한 압력셀 2525를 포함한다. 압력셀 2525은 실린더 장치 2521과 함께, 유닛으로서, 한 단계의 가역적 압축/팽창 메카니즘 (즉, 하나의 단계 2524)을 이룬다. 액체 필터 2526, 액체-공기 분리기 2527 및 액체 2549를 포함하는 액체 탱크 2528이 각각 파이프 2530 및 2534를 거쳐 낮은 압력 측 (on the low pressure side)에 압축/팽창 메카니즘 2524과 액체 교환 가능하게 연결되어 있다. 높은 압력 측에는, 공기 저장 탱크 또는 탱크들 2532가 유입 파이프 (input pipe) 2533을 거쳐 압력셀 2525 및 출구 파이프 (output pipe) 2534에 연결되어 있다. 두 개의 출구 노즐 2511 및 2544와 함께, 복수 개의 양 방향형, 이중 포지션 밸브 (two-way, two position valves) 2535-2543가 구비되어 있다. 본 실시예는 또한 액체 펌프 2546 및 2547를 포함한다. 그러나, 액체 탱크 2528의 수위가 실린더 장치 2521보다 높다면, 물이 중력에 의해 실린더 장치로 유입되므로 펌프 2546는 불필요하다.
간략히, 피스톤 2523의 동작에 의해 유압에 의해 또는 다른 기계적 방식으로 공기가 압축되면, 주변 공기는 파이프 2510을 거쳐 시스템으로 유입되고, 필터 2526와 파이르 2530을 거쳐 실린더 장치 2521의 실린더 챔버 2522 로 유입된다. 도 8 참고. 압축이 시작되기 전에, 스프레이 노즐 (atomizing nozzle) 2544을 이용하여 액체 미스트를 압력셀 2525로 부터 파이프 2548을 거쳐 실린더 장치 2521의 챔버 2522내로 유입시킨다. 액체는 물이거나, 오일 (oil), 또는 압력셀로 부터 공급되는 충분한 열량 특성을 갖는 기타 적절한 액체 2549일 수 있다. 바람직하게는, 본 시스템은 실질적으로 주변 온도 (대기온도)에서 동작한다. 따라서, 높은 온도에서 견딜수 있는 액체가 아니어도 좋다. 액체 미스트의 주요한 기능은 실린더 챔버의 공기가 압축되는 동안 발생된 열을 흡수하는 것이다. 압축 스트로크 동안 챔버로 유입된 소정 분량의 미스트는 당해 스트로크에서 발생된 거의 대부분의 열을 흡수하여야 한다. 미스트가 뭉침에 따라, 실린더 챔버 2522내에서 액체 2549로서 수집된다.
압축된 공기/액체 혼합체는 이어서 출구 노즐 2511 및 파이프 2551을 거쳐 압력셀 2525로 이동된다. 압력셀 2525에서, 이동된 혼합체는 셀내에 포함된 액체 2549f로 압축되면서 발생된 열과 열 교환 한다. 공기가 액체 내로 버블링되어 압력셀의 상부에 이르면, 파이프 2533을 거쳐 공기 저장 탱크 2532로 이동한다.
팽창 사이클은 사실상 압축 사이클의 가역적 공정이다. 공기는 저장 탱크 2532을 떠나 파이프 2534를 거쳐 압력셀 2525내의 액체 2549 내부로 버블링되어 파이프 2555를 거쳐 실린더 장치 2521의 챔버 2522로 이동된다. 이어서, 팽창시에, 공기는 피스톤 2523 또는 다른 기계적 연결 수단을 구동한다. 다시 한번, 액체 미스트는 출구 노즐 2544 및 파이프 2548를 거쳐 실린더 챔버 2522로 이동되며, 팽창 공정 동안 실린더 챔버 내에서는 거의 일정한 압력이 유지된다. 공기 팽창이 끝나면, 사용된 공기와 미스트는 공기-액체 분리기2527를 거치고, 분리된 물은 다시 재사용된다. 마지막으로, 공기는 파이프 2510을 거쳐 대기 중으로 배기된다.
압력셀 2525에 포함된 액체 2549f는 열 교환기 2552를 거쳐 계속 순환되어, 압축 과정에 발생한 열을 제거하거나 그 열을 챔버에 공급하여 팽창 과정에서 흡수되도록 한다. 이렇게 순환하는 액체는 각각 스위치 2564 및 열 교환기 2512를 거쳐, 열 싱크 2560 또는 열원 2562와 선택적으로 열 교환한다. 순환하는 액체는 파이프 2553 및 2554를 거쳐 내부 열 교환기 2552와 교통하는 외부 열 교환기로 또는 외부 열 교환기로 부터 전달된다.
도25의 장치는 컴퓨터로 판독 가능한 저장 장치 2592와 전기적으로 교통하는 컨트롤러/프로세서 2594를 더 포함한다. 컴퓨터로 판독 가능한 저장 장치는 어떠한 형태로도 구성될 수 있으며, 예를 들어, 반도체 원리, 전자기적 원리 또는 광학적 저장 원리를 이용한 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도시된 바와 같이, 컨트롤러 2594는 시스템내의 범용 능동 소자들과 전기적으로 교통하고 있으며, 이들 능동 소자에는 밸브, 펌프, 챔버, 노즐, 센서 등이 포함되나, 이에 한정되지는 않는다. 시스템에 이용되는 구체적인 센서의 예로는 압력센서 (P) 2598, 2574, 2584, 온도 센서 (T) 2570, 2578, 2586, 2576, 습도 센서 (H) 2596, 부피 센서 (V) 2582, 2572, 및 유량 센서 (flow rate sensor) 2580 둥이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 시스템 구성 요소 (element)로 부터 받은 입력 및 이러한 입력으로부 계산된 값에 기초하여, 컨트롤러/프로세서 2594는 시스템의 동작을 동적으로 (dynamically) 제어함으로써 하나 또는 그 이상의 목적을 달성한다. 이러한 목적으로는 다음을 포함하나 이에 한정되지는 않는다: 저장된 에너지를 유용한 일로의 전환하는 효율성을 극대화 하거나 또는 제어하는 것; 출력을 극대화, 극소화 또는 제어하는 것; 요구되는 출력을 얻는 것; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 예상 출력 스피드; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 예상 출력 토크; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 예상 입력 스피드; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 예상 입력 토크; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최대 출력 스피드; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최대 출력 토크; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최소 출력 스피드; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최소 출력 토크; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최대 입력 스피드; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최대 입력 토크; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최소 입력 스피드; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최소 입력 토크; 각 단계에서 예상되는 공기의 최대 온도차.
도 12A-C와 관련하여 전술된 도표는 열 교환을 촉진하기 위해 액체 미스트를 사용한 단일 단계 시스템의 압축 과정의 실시예에서의 단계들을 나타낸다.
압축 사이클 동안, 압력셀의 열 교환은 열원과 열 교환을 하는 것이 아니라, 열 싱크와 열 교환 한다.
대응되는 팽창 사이클은 도 13A-C과 관련된 도표에 나타나 있다. 팽창 사이클 동안, 압력셀은 열원과 열 교환한다.
압축 및 팽창에서 동일한 방식을 사용하는 것이 반드시 본 발명에 필요하지는 않으나, 그렇게 하는 경우에는, 비용, 크기, 복잡함을 줄일 수 있다.
다단계 시스템 ( Multi - Stage System )
기계적 힘이 시스템으로 또는 시스템으로 부터 전달되는 기계식 또는 유압식에서 보다 더 큰 압축/팽창비가 요구되는 경우에는, 다단계가 이용된다. 3단계 (제1단계 2624a, 제2단계 2624b, 및 제3단계 2624c)를 갖는 다단계 압축 공기 에너지 저장 시스템 2620이 도 26에 모식적으로 나타나 있다. 더 많은 또는 더 적은 단계를 갖는 시스템도 유사하게 구성될 수 있다. 이어지는 모든 도면에서, 기호 a, b, 및 c는 도면 번호와 함께 사용되고 (예를 들어, 2625a) , 이는 다단계 에너지 저장 시스템 2620에서 각 개별 단계에서의 구성 요소를 나타낸다. 다양한 단계를 보여주는 도 26은 스위치 2654를 통해 열원 2650 또는 열 싱크 2652과 교통하고 있다.
동일한 구성요소에 의해 수행되는 압축 및 팽창 기능을 갖는 다단계 장치의 실시예는 재생 장치를 사용함으로써 추가적인 잇점을 가질 수 있다. 도 26A는 다른 실시예로서, 재생기 2652를 포함하는 것을 제외하고는, 도 26의 시스템과 유사한 시스템을 도시한다. 재생기 2652은 가장 높은 압력 단계 2624와 압축된 가스 저장 유닛 2632 사이의 도관 (conduit) 2633과 선택적 액체 교환을 한다.
시스템이 압축 모드로 동작할 때, 단계 2624a-c 는 스위치 2654를 통해 열 싱크 2652와 열 교환 한다. 밸브 2654 및 2656는 도관 2620을 피해, 유입 공기를 제1단계 2624a로 직접 흘려보낸다.
시스템이 팽창 모드로 동작하는 경우에는, 밸브 2654 및 2656는 도관 2620이 제1 단계 2624a의 출력과 열 교환 할 수 있도록 놓여진다. 또한, 단계 2624a-c 는 스위치 2654를 거쳐 열원 2650과 열 교환한다.
이러한 구성으로 인해, 팽창 과정 동안 재생기 2652를 거쳐 저장 유닛 2632로 부터 흘러 나온 가스는 최소 압력 단계 (the lowest pressure stage) 2624a의 출구에서 흘러나온 가스로 부터 열에너지를 받아서 데워진다. 특히, 최저 압력 단계 2624a에서 흘러나온 가스는 3개의 연속된 단계의 열원에 노출되어 데워진다. 이와 같은 재생기 내에서 흐르는 공기 간의 열에너지 교환으로 인해 압축된 가스의 팽창으로 발생한 에너지가 상승된다. 이어서, 최저 압력 단계에서 유출된 가스는 주변 온도 (ambient temperature )로 식은 후, 대기로 방출된다.
도 26 및 26A에서는, 다단계 장치의 모든 단계가 동일한 온도원 또는 열원과 열 교환 하는 실시예를 도시하고 있으나, 본 발명이 반드시 이러한 구조를 가져야 하는 것은 아니다. 도 26B는 다른 단계들이 서로 다른 온도를 갖는 다른 열원과 선택적 열 교환을 하는 다른 실시예를 개시하고 있다. 도 26B의 개별 실시예에서, 가장 낮은 압력 단계 2624a 및 두번째 단계 2624b는 제1 스위치 2683을 통해 제1 열원 2682 및 열 싱크 2684와 선택적 열 교환을 한다. 마지막 단계 2624c 및 저장 유닛32 제2 스위치 2686을 통해 열 싱크 2684 및 제2 열원 2685과 선택적 열 교환을 한다.
도 26B에 도시된 실시예에 의하면, 제2 온도차 (secondary temperature differences)로 부터 에너지를 추출할 수 있다. 예를 들어, 공업적 공정으로 부터 발생된 강한 열은 일련의 냉각 단계-각각이 전 단계보다는 주변 온도에 가까운 온도는 갖는-를 거쳐 주변 온도로 식혀질 수 있다.
더구나, 압축 및/또는 팽창 과정 동안, 본 발명에 따른 다단계 장치의 다양한 단계는 서로 다른 온도 변화를 겪을 수 있다. 도 26B에 도시된 이러한 구성에 따르면, 그러한 단계를 좀 더 정교하게 특정 온도의 열원에 맞출 수 (more precise matching )있고, 이로써 다양한 온도로 부터 얻어질 수 있는 에너지를 보다 효과적으로 추출할 수 있다.
도 24D는 다단계 팽창-각 단계는 다른 열원과 교통하고 있는-을 이용하는 전용 압축기 및 팽창기 요소를 특징으로 하는 실시예를 도시한다.
요약하면, 본 발명의 다양한 실시예들은 하나 또는 그 이상의 다음 요소들을 공통으로 가질 수 있다.
1. 팽창 사이클 동안, 열원과의 선택적인 열 교환/
2. 공기와 광면적 접촉 (in high-surface-area contact )을 하는 액체를 이용하여 필요한 열 교환을 유지하는, 공기의 근-등온성 (near-isothermal) 팽창 및 압축
3. 공기의 압축 및 팽창이 가능한 가역적 메카니즘
4. 정해진 부피의 압축 공기로 부터 가능한 높은 힘 출력을 얻을 수 있도록 밸브 타이밍을 전기적으로 제어하는 것
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 및 복구 시스템 및 방법은 프로세서 및 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체를 갖는 호스트 컴퓨터와 연계하여 사용하는데 적합하다. 프로세서 및 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 장치내에 내장 (embedded )된 것일 수도 있고, 또는 외장 입출력 장치를 통해 제어되거나 모니터 될 수도 있다. 도 20은 본 발명의 실시예에 따른, 정보를 처리하는 컴퓨터 장치의 단순 모식도이다. 상기 도면은 단순한 일례이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 당 업자는 다양한 변형, 대체가 가능하다. 본 발명에 따른 실시예들은 브라우저 같은 단일 응용 프로그램으로 구현될 수 도 있고, 분산 컴퓨팅 환경에서 멀티 프로그램-예를 들어, 클라이언트 서버 관계에 있는 워크 스테이션, 개인용 컴퓨터 또는 원격 터미널 등-으로 구현될 수도 있다.
도 20은 디스플레이 장치 2020, 디스플레이 스크린 2030, 캐비넷 2040, 키보드 2050 및 마우스 2070을 포함하는 컴퓨터 시스템 2010을 도시한다. 마우스 2070 및 키보드 2050은 대표적인 “사용자 입력 장치”이다. 마우스 2070은 그래픽 인터페이스 장치의 버튼 선택을 위한 버튼 2080을 포함한다. 사용자 인터페이스 장치의 다른 예로는 터치 스크린, 라이트 펜, 트랙볼, 데이타 장갑, 마이크로폰 등이 있다. 도 20은 본 발명을 구현하는 시스템을 나타낸다. 당업자가 주지하는 바와 같이, 다양한 시스템 타입과 구성이 본 발명과 결합하여 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 컴퓨터 시스템 2010은 마이크로 소프트의 구동 시스템인 윈도우 XP (Windows
Figure pat00028
XP
Figure pat00029
) 또는 윈도우 7 (Windows 7
Figure pat00030
)를 구동하는 펜티엄 클래스 기반의 컴퓨터 (Pentium
Figure pat00031
class based computer)을 들 수 있다. 그러나, 당업자가 용이하게 다른 구동 시스템 및 아키텍쳐에 적용할 수 있는 장치도 본 발명의 범위에 속한다.
주지된 바와 같이, 마우스 2070는 하나 또는 그 이상의 버튼2080을 가질 수 있다. 캐비넷 2040은 디스크 드라이브, 프로세서, 저장 장치 등의 친숙한 컴퓨터 요소들을 담고 있다.
저장 장치는 디스크 드라이브, 마그네틱 테이프, 고체상 메모리, 버블 메모리 등을 포함하나 이에 한정되지는 않는다. 아래에 기술되는 바와 같이, 캐비넷 2040은 컴퓨터 시스템 2010을 외부 장치- 외부 저장 장치, 다른 컴퓨터 또는 부가적인 주변 기기 등-과 연결시키는 입출력 인터페이스 카드와 같은 추가적인 하드웨어를 포함할 수 있다.
도 20A는 도 20의 컴퓨터 시스템 210내에 포함된 기본 서브시스템 (subsystem)을 나타낸다. 이 도면은 단순히 설명을 위한 것이며 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것은 아니다. 당 업자는 다른 변경, 변형, 대체 등을 할 수 있다. 일 실시예에서, 서브 시스템은 시스템 버스 2075를 통해 서로 연결되어 있다. 어댑터 2082에 연결된 프린터 2074, 키보드 2078, 고정 디스크 2079, 모니터 2076 등의 추가적인 서브시스템 등도 도시된다. 주변 기기 (peripherals)와, 입출력 컨트롤러 2071에 연결된 입출력 장치는 시리얼 포트 2077를 비롯한 다양한 공지의 방법에 의해 컴퓨터 시스템에 연결 될 수 있다. 예를 들어, 시리얼 포트 2077을 이용하여 컴퓨터 시스템을 모뎀2081에 연결할 수 있고, 모뎀은 다시 인터넷과 같은 광역 네트워크, 마우스 입력 장치, 스캐너 등에 연결될 수 있다. 시스템 버스를 통해 상호 연결을 함으로써, 중앙 프로세서 2073은 각각의 서브시스템과 교통할 수 있으며, 시스템 메모리 2072로 부터 또는 고정 디스크 2079로 부터 받은 명령을 수행하는 것을 제어할 수 있다. 또한 서브시스템 간의 정보 교환도 가능하다. 또 다른 서브시스템의 배열과 상호 연결 방식은 당 업자에 의해 용이하게 구성될 수 있다. 시스템 메모리와 고정 디스크는 컴퓨터 프로그램을 저장하는 유형 매체의 예이며, 다른 종류의 유형 매체로는 플로피 디스크, 제거할 수 있는 하드 디스크 (2081), CD-ROM 및 바코드와 같은 광학 저장 매체, 플래쉬 메모리와 같은 반도체 메모리, ROM, 배터리 지원 메모리 (battery backed memory) 등이 있다.
도 21은 프로세서/컨트롤러와, 다양한 입력, 기능 및 프로세서/컨트롤러에 의해 생성된 출력 (output) 간의 관계를 나타내는 모식도이다. 도시된 바와 같이, 프로세서는 하나 또는 그 이상의 입력에 기초하여, 장치의 다양한 동작 특성을 제어할 수 있다.
이러한 동작 파라미터 중의 일예는 팽창 사이클 동안 실린더로 공기를 주입하는 밸브의 개방 및 폐쇄 타이밍이다. 이는 도 13A-C과 관련하여 이미 설명하였다.
구체적으로, 팽창 사이클의 단계 1동안, 제어된 시간 간격 동안 for a controlled interval of time) 밸브 37을 개방함으로써, 미리 정해진 양의 공기 V0가 압력셀로 부터 챔버로 유입된다. 피스톤이 팽창 스트로크의 끝에 이를 때, 챔버 내의 압력이 원하는 압력이 되도록 상기 공기량 V0 이 계산된다.
어떤 경우에 있어서는, 상기 바람직한 압력이 다음으로 낮은 압력 단계의 압력과 거의 동일하고, 또는 만약 그 단계가 가장 낮은 압력단계이거나 유일한 단계라면 대기 압력과 거의 동일하다, 따라서, 팽창 스트로크의 끝에서, 초기 공기 부피 V0 내의 에너지는 완전히 팽창되고, 팽창된 공기를 다음 낮은 압력 단계로 이동시키는 데는 에너지가 거의 또는 전혀 소모되지 않는다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 밸브는 원하는 양의 공기 (V0) 가 챔버로 들어올 수 있을 정도의 시간 동안만 개방되고, 단계 3-4에서 밸브 37은 닫힌 상태가 된다. 어떤 실시예에서는, 바람직한 챔버 내의 압력은 다음 낮은 압력 단계 (the next lower stage)의 압력과 1 PSI 이내, 5 PSI 이내, 10 PSI 이내, 또는 20 PSI 이내 범위이다.
다른 실시예에서, 컨트롤러/프로세서는 밸브 37를 제어하여 V0 보다 큰 초기 부피의 공기가 유입되도록 한다. 예를 들어, 정해진 팽창 사이클에서 보다 큰 힘이 요구될 때 이러한 명령이 내려진다. 대신 에너지 복구의 효율은 떨어진다.
밸브의 개방 및 복구 타이밍은 팽창 과정동안 주의깊게 제어된다. 예를 들어, 미스트의 추가와 압축에 대응하는 표의 단계 1 및 2에서, 실린더 장치와 압력셀 사이의 밸브 38은 닫혀있고, 압력은 실린더 내에서 높아진다.
통상의 압축 장치에서, 축적되고 압축된 공기는 체크 밸브에 의해 용기 내 담겨진다. 체크 밸브는 문턱 압력 (threshold pressure)에 반응하여 기계적으로 개방되도록 구성된다. 체크 밸브를 구동시키기 위해 압축된 공기의 에너지를 이용함으로써, 에너지 복구 효율성이 저하된 만큼 공기로 부터 유용한 일을 더 얻어낸다.
반대로, 본 발명의 실시예는 컨트롤러/프로세서를 이용하여 원하는 조건-예를 들어, 실린더 내에서 증가된 압력이 압력셀 내의 압력보다 일정량 만큼 초과할 때-에서 밸브 38을 정교하게 개방한다. 이런식으로, 실린더 내의 압축된 공기의 에너지는 밸브 개방 과정에서 소모되지 않고, 에너지 복구 효율성이 향상된다. 압축된 공기가 실린더에서 흘러나오게 하는 전기적으로 제어될 수 있는 밸브의 예로는 파일롯 밸브, 캠-작동 포핏 밸브, 로터리 밸브, 유압식으로 구동되는 밸브, 전자적으로 구동되는 밸브 ( pilot valves, cam-operated poppet valves, rotary valves, hydraulically actuated valves, and electronically actuated valve) 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
단일 단계 장치의 밸브37 및 38의 동작 타이밍이 상기와 같이 제어될 수 있으나, 다른 밸브도 유사하게 제어될 수 있다.
프로세서에 의해 제어되는 시스템 파라미터의 또 다른 예로는 챔버로 유입되는 액체의 양이다. 하나 또는 그 이상의 밸브 - 예를 들어, 압력, 습도, 계산된 효율성 등-에 기초하여, 압축 또는 팽창 과정 동안 챔버에 유입되는 액체의 양은 주의깊게 제어된다. 이로써, 동작의 효율성을 유지할 수 있다. 예를 들어, V0 보다 많은 양의 공기가 팽창기 동안 챔버에 주입되는 경우팽창하는 공기의 온도를 일정 온도 범위 내로 유지하기 위해 추가적인 액체 주입이 필요할 수도 있다.
상기에 기술된 구체적인 실시예는 필요에 따라 적절히 변경될 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시예에서, 복수개의 피스톤이 공통의 챔버와 교통할 수 있다.
상기 실시예에서는 열 교환기가 압력셀의 액체와 접촉하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예에서는, 열 교환기는 압력셀이 가스와 접촉할 수도 있고, 가스 및 액체와 모두 접촉할 수도 있다. 전용 압력셀이 없는 실시예 (예를 들어, 도10)에서는, 열 교환기가 실린더 내에 존재하는 또는 실린더로 흘러 들어가는 가스 또는 액체와 접촉할 수 있다.
*또, 상기 실시예에서는 전용 압력셀을 구비하고 있으나, 다단계 장치는 별도의 압력셀을 갖고 있지 않을 수도 있다. 예를 들어, 도 10의 실시예에서, 단계들은 압력셀이 아니라 열 교환기를 통해 서로 직접적으로 연결되어 있다. 두개의 단계에서 사이클의 상대적인 상들 (relative phases)은 (압축 과정에서) 단계1이 배기 단계일때 단계 2가 흡입단계에 있도록 주의깊게 제어되어야 한다. (팽창단계에서) 단계2가 배기단계이면, 단계1은 흡입단계가 된다.
타이밍은 밸브 37 및 10058이 개방되었을 때 열 교환기 10024의 양 측면에 걸린 압력이 거의 동일하게 되도록 제어된다. 밸브 10036 을 개방하고 펌프 10032를 동작시킴으로써 스프레이 노즐 44 용 액체가 실린더 22의 잉여 물 (excessive water)로 부터 공급된다. 유사하게, 밸브 10038 을 개방하고 펌프 10034를 동작시킴으로써, 스프레이 노즐 10064용 액체가 실린더 10046의 잉여 물 (excessive water)로 부터 공급된다. 동작 과정에서 이와 같은 정교한 타이밍 제어는 전술한 바와 같이, 복수 개의 시스템 요소와 교통하는 컨트롤러/프로세서에 의해 수행될 수 있다.
* 열원과 열 교환하는 열 교환기; 및
제1 팽창기를 포함하고,
상기 제1 팽창기는 내부에 제1 이동 가능 부재를 포함하고, 액체 공급원과 액체 선택적 교환을 하는 챔버; 및
상기 열 교환기와 열 교환을 하고, 상기 챔버와 선택적 액체 교환을 하는 제1 압력셀을 포함하며,
상기 챔버는 압축된 공기가 상기 제1셀로 부터 상기 챔버 내로 팽창하여 제1 피스톤을 이동시킴에 따라 액체 공급원으로 부터 액체를 받아 들이는 것을 특징으로 하는 시스템.
2. 제1항에 있어서,
상기 제1 팽창기는 압축 가스 저장 유닛과 선택적 액체 교환을 하는 압축-팽창기를 포함하고,
상기 압축-팽창기가 팽창기로 동작할 때, 상기 열 교환기는 상기 열원과 열 교환을 하며,
상기 압축-팽창기가 압축기로 동작할 때, 상기 열 교환기는 열 소스와 열 교환을 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 압축-팽창기가 압축기로 동작할 때, 상기 열 교환기는 열 싱크와 열 교환 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 상기 열 교환기와 상기 열원이 선택적 열 교환을 하도록 하는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 제4항에 있어서, 상기 열원은 태양 에너지이며, 상기 스위치는 일주 사이클 (diurnal cycle)인 것을 특징으로 하는 시스템.
6. 제4항에 있어서, 상기 스위치는 상기 열원과 상기 압축 가스 저장 유닛 이 선택적 열 교환 하도록 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 상기 제1 이동 가능 부재와 발전기 사이에 물리적 연결 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 물리적 연결 수단은 기계적 연결 수단, 유압식 연결 수단 또는 공압식 연결 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
9. 제7항에 있어서,
상기 팽창기는 전용 팽창기를 포함하며,
상기 시스템은 상기 물리적 연결 수단과 교통하며 전용 팽창기로 부터 배출된 가스를 받아들이는 전용 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 전용 압축기는 열 싱크와 열 교환하는 것을 특징으로 하는 시스템.
11. 제9항에 있어서, 상기 시스템은 상기 전용 팽창기에서 배출된 가스를 상기 전용 압축기에서 배출된 가스에 열적으로 노출 (thermally expose) 시키는 재생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
12. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 팽창 사이클 동안 소정량의 공기를 상기 챔버 내로 유입하는 밸브와 교통하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
13. 제12항에 있어서, 상기 이동 가능 부재가 팽창 스트로크의 끝에 있을 때, 소정량의 공기는 주변 압력과 실질적으로 동일하거나 또는 다음으로 낮은 압력 단계와 거의 동일한 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
14. 제1항에 있어서,
상기 팽창기는 상기 챔버 내에서 이동 가능 부재에 의해 압축된 공기를 밸브를 통해 상기 압력셀로 흘려보내는 압축-팽창기를 포함하며,
상기 시스템은 밸브를 제어하는 컨트롤러를 더 포함하며,
상기 컨트롤러는 압축 사이클 동안 챔버 내의 압력이 원하는 압력에 이르면 상기 밸브가 개방되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 시스템.
15. 제1온도에서 압축 가스를 공급하는 단계;
연결 부재에 결합된 팽창기내에서 팽창하는 압축 공기와 제2 온도의 열원이 열 교환하도록 하는 단계; 및
상기 연결 부재로 부터 기계적, 공압적 또는 유압적 형태로 힘을 추출하는 것을 특징으로
16. 제15항에 있어서, 상기 압축 가스는 저장 유닛으로 부터 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 열원은 태양 에너지를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 열원은 일주 사이클에 따라 압축 가스와 선택적으로 열 교환하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제16항에 있어서, 상기 방법은 제3온도의 제2 열원을 상기 저장 유닛과 열 교환하도록 선택적으로 배치 (selectively placing ) 하는 단계를 더 포함하는 것을 방법.
20. 제15항에 있어서, 상기 압축 가스는 상기 연결 부재와 결합된 압축기로 부터 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제20항에 있어서, 상기 압축기는 상기 팽창기로 부터 배출된 가스를 압축하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 압축 가스는 헬륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제21항에 있어서, 상기 가스는 주변 압력보다 실질적으로 큰 베이스라인 압력에서 팽창기에 의해 배출되어, 상기 가스가 높은 열량을 갖는 고밀도의 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제21항에 있어서, 상기 방법은 상기 팽창기에서 배출된 가스를 상기 압축기에 의해 배출된 압축가스에 재생기내에서 열적으로 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제20항에 있어서, 상기 방법은 상기 팽창기에 의해 배출된 가스를 제2 팽창기와 액체 교환하도록 배치하는 단계를 더 포함하며, 상기 제2 팽창기는 제3온도의 제2 열원과 열 교환하는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제15항에 있어서, 상기 방법은 액체를 상기 팽창기내에 있는 압축 가스에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징하는 것을 방법.
냉각 목적으로 액체-가스 에어로졸을 팽창시키는 방법은 미국 가출원 특허 제61/320,150에 개시되어 있고, 이는 본 발명에 결합된다. 본 발명의 실시예는 이러한 에어로졸 냉각 사이클을 이용하여 동작하는 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템에 관한 것이다.
구체적으로, 이러한 냉각 시스템의 실시예는 열 교환을 촉진하기 위해 물 스프레이를 이용하여 공기를 근사-등온적으로 압축 및 팽창함으로써 동작한다. 일 실시에서, 냉각제는 공기-물 에어로졸을 포함하기 때문에 냉각은 그린하우스 가스 (greenhouse gas , GHG)를 방출하지 않고 효율적으로 신뢰성 있게 동작한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적은 온도차 만을 수반하여 공기는 근사-등온적으로 압축 및 팽창된다. 이로써 다음의 열학적 결과가 수반된다 : 만약 압축 과정에서 생성된 열이 압축 스트로크 동안에 제거된다면, 공기를 압축하는데는 더 적은 일이 필요하다. 마찬가지로, 만약 팽창과정 동안 열이 추가된다면 팽창에 의해 더 많은 일이 얻어질 수 있다.
액체 상태의 물은 대기중의 공기보다 약 오 천배 큰 부피 열 용량 (volumetric heat capacity)을 갖는다. 본 발명의 실시예에서는, 압축 및 팽창 챔버에 미세한 물 방울 (fine water droplets )을 분사한다. 이로써, 소량의 물이 분산되어 발생된 열의 상당량 (great majority)을 흡수하고, 이로써 근사-등온적 동작이 가능해진다.
일 실시예에서는 복동 피스톤을 이용하여 압축 및 팽창을 수행한다. 이러한 복동 피스톤 메카니즘은 액체를 압축 또는 팽창 챔버 내에 직접 분사한다. 액체 물방울이 스프레이 형태로 직접 팽창 챔버 내로 분사되는 시스템은 미국 특허 출원 제 12/701,023호에 개시되어 있으며, 이는 본 발명에 결합된다. 미국 특허 가출원 제 . 61/306,122 호는 다른 실시예로서, 가스가 팽창하는 챔버의 상승류 (upstream)에 유치한 혼합 챔버로 액체를 분사하는 시스템이 개시되어 있으며, 이는 본 발명에 결합된다.
또한, 액체 분사의 비율과 타이밍 (the rate and timing)은 제어될 수 있다. 이는 유속 (flow rate)와 ΔT을 독립적으로 변화시켜, 효율성과 안정성 (optimizing efficiency and comfort)을 최적화한다.
근사-등온적 압축기와 팽창기를 결합시킴으로써 에어로졸 냉각 사이클이 동작된다. 일실시예에서는 공기와 물만을 동작 액체 (working fluids)로 사용하고, 다른 실시예에서는 가스와 액체의 다른 조합-예를 들어 헬륨과 유활 오일-을 채용할 수도 있다. 가스 액체 조합을 채용함으로써, GHG의 방출없이도 높은 성능 계수 (high coefficient of performance: COP)를 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 에어로졸 냉각 사이클은 상 변화를 거쳐 많은 열을 이동시키지 않음에도 불구하고, 효과적으로 동작할 수 있다. 이러한 효율성은 팽창하는 공기로 부터 일을 추출하고, 그 일을 압축에 다시 투자함으로써 가능해진다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 사이클을 도시하는 간략도이다. 구체적으로, 모터가 압축 피스톤을 하부 사점 중앙 (bottom dead center: BDC)으로 부터 상부로 구동하여 초기 압력이 150 psi인 실린더 내의 공기를 압축한다.
피스톤이 상부 사점 중앙 (TDC)으로 이동함에 따라, 펌프가 실린더 내부에 물을 분사하여 온도가 화씨 약10도 (10ºF)가 되도록 한다. 실린더 내의 압력이 500 psi에 도달하면, 배기 밸브가 개방되고, 압축된 공기-물 방울 혼합물이 공기-물 분리기로 보내진다.
분리된 물은 열 교환기를 지나고, 이로써 압축 동안 얻어진 열이 외부로 방출되지 않도록 한다. 공기는 교차-유동 열 교환기 (cross-flow heat exchanger)를 지나 팽창 실린더로 가고, 그곳에서 열을 다른 방향-팽창기로 부터 압축기로-으로 이동하는 공기에 전달한다.
냉각된 공기는 TDC에서 팽창 실린더로 들어가기 시작하고, 그곳에서 다시, 물은 실린더로 분사된다. 팽창되는 공기는 피스톤을 BDC로 이동시키고, 샤프트를 구동시킴으로써 압축 실린더를 이동시킬 추가적인 힘을 공급한다.
공기-물 혼합물은 다른 분리기를 통과하고, 분리된 물은 냉각 측 열 교환기를 지나 그 빌딩 내부의 열을 끌어낸다 (drawing heat from inside the building). 분리된 공기는 교차-유동 열 교환기를 거쳐 압축기로 돌아감으로써 사이클이 완료된다.
이러한 구성의 장점 중 하나는, 도 28에서 공기 저장 탱크가 A 지점에 배치될 경우, 탱크를 채우기 위해 저전력이 요구되는 기간동안 압축기를 동작시킬 수 있다는 점이다. 팽창에서 얻어지는 냉각 효과는 전력요구량이 피크인 기간 (예를 동안, 평일 오전 7시에서 오후 7시 사이) 동안 추가적인 전력 사용 없이 전달될 수 있다.
본 발명의 실시예는 상기한 특정 온도에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 28A는 다른 실시예로서, 다음 단계 1-6을 포함하는 에어로졸 냉각 사이클을 개시한다.
1. 냉각 가스 (~ 화씨 약 65도) 가 복동 팽창기내에서 팽창하고, 내부에 잡혀있는 액체 스프레이로 부터 열을 끌어낸다. 팽창기는 화씨 약 40도로 유지된다. 추출된 일은 압축기와 펌프로 다시 재투입된다.
2. 차가운 에어로졸은 가스로 부터 분리되고, 액체 스트림으로 수집되어, 열 교환기로 이동 됨으로써, 흡입 공기 스트림을 화씨 55도로 냉각시키고, 다시 한번 더 팽창 가스로 스프레이 된다.
3. 액체가 제거된 차가운 가스는 카운터-유동 열 교환기 (counter-flow heat exchanger)를 거쳐 액체가 제거된 따뜻한 가스의 흐름과 만난다. 차가운 가스는 일정한 압력에서 데워져서 주변 온도 (화시 120도)보다 약간 높아진다.
4. 따뜻한 액체는 따뜻한 가스로 분산되고, 이어서 압축된다. 압축은 부분적으로 팽창기에 의해 구동되고, 또 부분적으로는 전기 모터에 의해 구동된다. 압축에 의한 열은 에어로졸로 전달된다. 이때, 압축기의 온도는 약 130도이다.
5. 따뜻한 액체가 가스로 부터 분리되고, 스트림으로 수집되며, 열을 주변으로 내보내어 식히는 열 교환기로 전달된 후, 재활용되어 압축되는 가스로 다시 한번 분산된다.
6. 액체가 제거된 따뜻한 가스는 카운터-유동 열 교환기를 거쳐, 액체가 제거된 차가운 가스의 흐름과 만난다. 따뜻한 가스는 일정한 압력에서 식혀져서 에어컨디셔너 배기 온도 (~화씨 50도)보다 약간 낮아지게 된다. 팽창기로 흐르는 가스는 차가운 가스에 갇히게 되고, 사이클은 계속된다.
일 실시예에서는, 적절한 가격에 4 이상의 COP를 얻을 수 있다. 기생 손실 (parasitic losses )을 제어함으로써 장치의 효율성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 만약 전기 모터와 구동의 효율성이 합쳐서 95%가 되면, 압축 및 팽창 메카니즘의 효율성은 79%를 넘어설 수 있다.
이러한 수준의 효율성은 품질 좋은 (high-quality) 기계 구성 요소가 사용되고 압축, 팽창 및 열 교환 동안의 온돈 변화가 화씨 10~20 사이에서 유지될 수 있는 경우에 얻어질 수 있는 값이다.
본 발명의 일 실시예는 어떤 측면에서는 터빈 팽창기-예를 들어, 제트 항공기의 공기 사이클 냉각기에서 사용되는-를 구비한 가스 냉각 사이클과 유사한 방식이 사용된다. 예를 들어, 냉각의 많은 부분이 잠열 (latent heat)이 아닌 현열 (sensible heat)의 전달을 통해 일어난다.
본 발명에 따른 에어로졸 냉각 사이클의 일 실시예는, 그러나, 다른 측면에서는, 이러한 종래의 냉각 시스템과는 상이하다. 예를 들어, 압축 및 냉각 과정에서 에어로졸을 사용하고, 열이 에어로졸의 액체 성분을 거치지 않기 때문에(the rejection of the heat via the liquid component of the aerosol), 더욱 소형화되고 저렴한 시스템을 구성할 수 있다.
구체적으로, 공기-물 에어로졸은 주어진 압력에서 같은 부피의 공기에 비해 단위 부피당 더 많은 열을 전달할 수 있다. 따라서, 원하는 범위로 ΔT을 치밀하게 제어하는 동안, 높은 압축비를 이용하여, 종래의 (단열) 압축기/팽창기로 얻을 수 있는 것보다 더 많은 열이 단위 스트로크당 펌프된다.
낮고 치밀하게 제어된 ΔT로 인해 높은 열역학적 효율성을 얻을 수 있다. 단위 스트로크 당 펌프된 대량의 열은 기계적 및 유체에 의한 효율성 손실 (mechanical and fluid efficiency losses) 효과를 감소시킨다. 공기-물 에어로졸의 우수한 열 전달 능력은 요구되는 열 교환의 비용과 크기를 감소시킨다.
본 발명에 따라 에어로졸 냉각 사이클에서 근-등온적 압축 및 팽창을 수행하는 것은 물을 필요한 유량과 물방울 크기로 압축 및 팽창 챔버 내로 유입하는 스프레이 노즐의 성능에 달려있다. 이러한 스프레이 시스템은 분자 속도 이미지 및 전산 유동 역학 분석 (particle velocity imaging and computational fluid dynamics (CFD) analysis)을 이용할 수 있다.
도 29는 고 압축비에 적합한 균일한 물방울 분산을 제공하는 할로우-콘 노즐 (a hollow-cone nozzle )용 속도장 (velocity field)을 나타낸다. 도 30은 높은 유량을 제공하는 팬 노즐 (fan nozzle)의 전산 유동 역학 시뮬레이션을 보여준다.
전술한 바와 같이, 성능계수 (COP)는 냉각 시스템의 정량화 가능한 특성 (quantifiable characteristic)이다. 종래의 상업용 에어컨디셔닝 유닛은 3.5의 COP에서 동작한다.
에어로졸 냉각 사이클을 채용하는 실시예는 약 4의 COP에서 동작하도록 구성된다. 그러나, 정확한 실제 COP값은 여러가지 값에 영향을 받는다.
이러한 COP 계산의 일예가 다음 수학식 (1)- (14), 에어로졸 냉각 사이클의 시스템도를 개시하는 도 31, 및 에어로졸 냉각 사이클의 온도-엔트로피를 개시하는 도 32와 관련하여 설명된다.
포인트 1과 2사이의 등온 압축 과정에서 수행되는 일은 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00032
(1)
압축 효율은 실제 행해진 일에 대한 등온 압축 과정동안 행한 일의 비로 정의된다.
Figure pat00033
(2)
등온 팽창 과정에서 행한 일은 다음과 같이 표시된다.
Figure pat00034
(3)
팽창기의 효율은 등온 과정에서 추출된 일에 대한 실제 추출된 일의 비로 표시된다.
Figure pat00035
(4)
등온적으로 동작하는 팽창기에 의해 대기 (room)에서 추출된 열은 다음으로 표시된다.
Figure pat00036
(5)
COP는 다음과 같이 계산된다.
Figure pat00037
(6)
시스템의 일 실시예에 따른 구체적인 파라미터는 다음과 같다.
T1 = 75℉ =297K; T2 = 75℉ =297K, T3 = 55℉ =286K, T4 = 55℉ =286K.
T압력비는 2.71이다.
Figure pat00038
(7)
등온 압축에서 행해진 일은 다음과 같다.
Figure pat00039
(8)
팽창의 열 효율이 98%이고, 전체 기계적 및 누수 효율 (total mechanical and leakage efficiency)이 95.6% 이라고 가정하면, 실제 행해진 일은 다음과 같다.
Figure pat00040
(9)
등온 팽창에서 추출된 일은 다음과 같다.
Figure pat00041
(10)
팽창의 열 효율성이 92.7% 이고 기계적 및 누수 효율 (mechanical and leakage efficiency)이 95.6%라고 가정하면, 실제 추출된 일은 다음과 같다.
Figure pat00042
(11)
대기 (room)로 부터 추출된 열은 다음과 같다.
Figure pat00043
(12)
COP는 아래와 같다.
Figure pat00044
(13)
도 32A는 에어로졸 냉각 사이클의 실시예를 통해 흐르는 일과 열을 도시하는 힘 유동 그래프 (power flow graph)이다. 힘 값 (power values)은 그리드로 부터 흘러 나오는 전기력으로 정규화 (normalized to the electric power)된다.
먼저, 1 kw 의 전력이 97%의 효율성을 갖는 모터 드라이버를 통해 처리되고, 이어서 효율성 95%의 모터에 의해 처리된다. 모터 샤프트를 지나면서 마찰로 인해 0.5%의 손실이 발생한다. 이러한 샤프트는 압축기를 구동한다.
압축기는 몇가지 비효율적 소스를 갖는데, 스프레이, 누설, 기계적 및 열적 손실 등이 이에 해당하나, 이에 한정되지는 않는다. 헬륨에 대한 물의 질량비 (mass ratio)가 10:1인 경우에, 스프레이 손실은 시스템을 통해 사이클된 일의 단지 1% 정도이다.
복동 압축기 또는 팽창기의 기계적 및 누설 손실은 통상 95% 정도이다. 그러나, 마찰 손실은 밸브 액츄에이터, 오리피스 마찰, 파이프 로스 및 피스톤 링에 집중된다.
이러한 마찰 손실은 압력이 상승함에 따라 직선적으로 비례하여 커지는 것은 아니며, 밸브/파이프 손실은 헬륨과 같은 가벼운 가스에서는 낮다. 압력비 2.71하에서, 약 25 bar의 내부 압력으로 동작하는 경우, 이러한 기계적 효율성은 총체적 (collectively)으로 95.6% 이상이 될 수 있다.
열 효율은 또한 도 32A의 실시예에도 도시되고 있다. 가스와 액체의 온도 차가 화씨 5도 이하로 유지될 때, 팽창 효율은 92.7%이고, 압축 효율이 98% 이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸 냉각 사이클을 채용하는 시스템의 크기는 여러가지 요인에 의존한다. 시스템의 어떤 구성 요소들, 예를 들어, 복동 피스톤, 펌프, 열 교환기 및 AC모터는 시장에서 바로 구해 쓸 수 있는 규격 장치 (standard devices)이거나 또는 상대적으로 간단히 변형할 수 있는 것들이다. 이들을 이용하면 편리한 크기의 시작품을 만들 수 있다.
예를 들어, 1200 RPM 및 150 psi 조건에서 구동되는 1톤 시스템은 1 hp의 전기 모터, 두개의 350cc 복동 피스톤, 및 약 15 평방미터 (15 square meters)의 인터페이스 면적을 갖는 팬-냉각 열 교환기를 채용할 수 있다. 이들 구성 요소들은 원하는 형태-요인 (form-factor), 예를 들어 1.5’ x 1’ x 9”에 부합되도록 제작될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 시스템의 구성 요소들은 정해진 사양으로 약 10년 이상 거의 별도의 유지 보수 없이 동작할 수 있다. 사용 연한에 영향을 주는 요인 중 하나는 압축 및 팽창 실린더에서 물을 사용하는 것과 관련되어 있다. 이는 물이 많은 금속에 대해 부식성을 갖고 있기 때문이다. 물에 저항력이 있는 물질을 슬라이딩 실란트 (sliding seals), 밸브 시트 (valve seats), 웨어 표면 (wear surfaces) 또는 패스너 (fasteners)로 사용하는 것도 유용하다. 본 발명에 따른 일 실시예는 물에 노출되는 구성 요소의 사용 연한을 늘리기 위해, 알루미늄으로 된 구성 요소, 니켈-폴리머 코팅, 및/또는 PTFT 슬라이딩 요소 등을 사용할 수 있다.
정리하면, 본 발명에 따른 실시예는 종래의 냉각 방식과 비교하여 잠재적인 잇점을 갖는다. 예를 들어, 종래의 냉각 장치는 압축비의 함수로 거의 고정된 더운 온도와 낮은 온도 (hot and cold temperatures)을 갖고 있었고, 따라서, 실제로 필요한 것보다 큰 ΔT의 오버슈팅이 발생했으며, 잠재적으로 상당한 열역학적 손실이 초래되었다. 반대로, 본 발명의 실시예는 ΔT을 하중 (load) 및 압축비와 독립적으로 제어할 수 있고, 따라서, 이와 같은 큰 효율 손실을 피할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템이 갖는 또 다른 장점은 종래 시스템에서는 낭비되었을 에너지를 포섭 (capture)할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 통상의 에어컨디셔너는 노즐 (예를 들어, 팽창 밸브)를 통해 팽창을 수행한다. 이 과정에서 배출된 에너지는 낭비된다. 이는 증기 압축을 위한 상대적 효율 보너스 (relative efficiency bonus)가 낮기 때문-COP 보너스가 약 1이다-이다.
반대로, 에어로졸 사이클의 상대적인 효율 보너스는 훨씬 크다-COP 보너스는 4 또는 그 이상. 따라서, 본 발명으 실시예는 효과적으로 에어로졸을 압축하고, 열 교환을 수행하고, 에어로졸의 팽창으로 부터 기계적인 일을 발생시킬 수 있다. 기계적 및 열역학적으로 잘 설계된다면, 높은 COP값을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 냉각 시스템의 또 다른 장점은 GHG를 방지할 수 있다는 점이다. 구체적으로, 공기-물 에어로졸 또는 헬륨-오일 에어로졸의 성분은 그린하우스 효과를 갖지 않는다. 따라서, HCFC 또는 다른 유체를 이용하는 종래의 시스템과 비교할 때, 본 발명에 따른 시스템은 환경친화성에 있어서 유리하다.
다음 청구항은 에어로졸 냉각에 관련된 것이다.
1. 팽창 챔버 내에서 팽창하는 가스와 열 교환을 위해 제1액체 스프레이를 공급하는 단계;
상기 액체를 팽창된 가스로 부터 분리하는 단계 (separating the liquid from the gas following expansion);
분리된 액체를 열 교환기에 흘려 보내어 냉각하는 단계;
팽창 챔버로 부터 가스를 카운트 유동 열 교환기를 거쳐 압축 챔버로 흘려 보내는 한편, 상기 압축 챔버로 부터 압축된 공기를 상기 카운트 유동 열 교환기를 거쳐 상기 팽창 챔버로 흘려 보내는 단계; 및
상기 압축 챔버 내에서 압축된 가스와의 열 교환 하도록 제2 액체 스프레이를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 방법.
2. 제1항에 있어서,
상기 가스는 공기를 포함하고,
상기 제1액체 스프레이와 제2 액체 스프레이는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서,
상기 제1액체 스프레이와 팽창 챔버 내 의 가스 사이의 열 교환으로 근-등온적 팽창이 수반되며,
상기 제2액체 스프레이와 압축 챔버 내의 가스와의 열 교환으로 근-등온적 압축이 수반되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서,
상기 제1액체 스프레이로 인해, 팽창 과정 동안, 상기 팽창 챔버는 화씨 약 20도 또는 그 이하의 온도 변화를 겪고,
상기 제2 액체 스프레이로 인해, 압축 과정동안, 상기 압축 챔버는 화씨 20도 또는 그 이하의 온도 변화를 겪는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1 에어로졸로 부터 분리된 액체에 노출시킴으로써 주변 온도를 제어하는 단계로서, 상기 제1에어로졸은 제1 액체 방울을 압축 가스가 팽창되고 있는 제1챔버로 스프레이 함으로써 형성되는 제2 에어로졸을 팽창시켜 얻어지는 단계; 및
상기 제1에어로졸에서 분리된 가스를 카운트 유동 열 교환기를 거쳐 흘려 보내는 한편, 압축 가스 또한 상기 카운트 유동 열 교환기를 거쳐 흘러 가도록 하는 단계를 포함하며,
상기 압축 가스는 제3 에어로졸로 부터 분리되며,
상기 제3 에어로졸은 제2액체 방울을 가스가 압축되고 있는 제2챔버 내로 스프레이시킴으로써 형성된 제4 에어로졸의 압축으로 부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서,
상기 가스는 공기를 포함하고,
상기 제1액체 스프레이 방울 및 상기 제2 액체 스프레이 방울은 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제5항에 있어서,
제1에어로졸을 형성하기 위해 제2에어로졸을 팽창하는 단계는 제1액체 방울로 부터 열을 전달함으로써 근-등온적 조건에서 일어나고,
제3에어로졸을 형성하기 위해 제4에어로졸을 압축하는 단계는 제2액체 방울에 의해 열을 흡수함으로써 근-등온적 조건에서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제5항에 있어서,
제1에어로졸을 형성하기 위해 제2에어로졸을 팽창하는 단계는 화씨 약 20도 또는 그 이하의 온도변화를 수반하는 조건에서 수행되고,
제3에어로졸을 형성하기 위해 제4에어로졸을 압축하는 단계는 화씨 약 20도 또는 그 이하의 온도변화를 수반하는 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 내부에 팽창 챔버를 정의하는 제1부재가 배치된 (disposed) 제1 실린더를 포함하고, 상기 제1부재는 팽창 챔버 내에서 팽창하는 가스에 반응하여 이동가능하며;
내부에 압축 챔버를 정의하는 제2부재가 배치된 (disposed) 제2 실린더를 포함하고, 상기 제2부재는 압축 챔버 내에 압축되는 가스에 반응하여 이동하며;
상기 제1 이동 부재와 상기 제2 이동 부재 사이의 물리적 연결 부재를 포함하며;
상기 물리적 연결 부재와 교통하는 모터를 포함하며;
상기 팽창 챔버 내에 제1 에어로졸을 형성하기 위해 액체 방울을 공급하고, 상기 압축 챔버 내에 제2에어로졸을 형성하기 위해 액체 방울을 공급하는 스프레이 시스템을 포함하며;
상기 제1실린더의 출구와 액체 교환하는 입구를 갖는 제1 가스/액체 분리기를 포함하고;
상기 제2실린더의 출구와 액체 교환하는 입구를 갖는 제2 가스/액체 분리기를 포함하고;
상기 제1 가스/액체 분리기의 제1출구와 액체 교환을 하는 제1 열 교환기를 포함하고;
상기 제2 가스/액체 분리기의 제1출구와 액체 교환을 하는 제2 열 교환기를 포함하고; 및
상기 제1가스/액체 분리기로 부터 유입된 가스를 상기 압축 챔버로 흘려보내고, 상기 제1가스/액체 분리기에서 유입된 가스를 상기 팽창 챔버에 흘려보내는 카운트 유동 열 교환기를 포함하고,
상기 제1열 교환기는 대기 온도로 냉가가하기 위한 냉각 노드로 기능하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
10. 제9항에 있어서,
상기 액체는 물을 포함하고,
상기 가스는 공기를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
11. 제9항에 있어서,
상기 제1부재는 제1 복동 피스톤을 포함하고,
상기 제2부재는 제2복동 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
12. 제11항에 있어서,
상기 물리적 연결 부재는 회전가능한 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
13. 제9항에 있어서, 상기 냉각 장치는
액체를 상기 제1가스/액체 분리기로 부터 상기 제1 열 교환기로 흘려보내는 제1펌프; 및
액체를 상기 제2 가스/액체 분리기로 부터 상기 제2열 교환기로 흘려보내는 제2 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
14. 제9항에 있어서,
상기 스프레이 시스템은 할로우 콘 스프레이 노즐 (hollow cone spray nozzle)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
15. 제9항에 있어서,
상기 스프레이 시스템은 팬 스프레이 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
요약하면, 본 발명에 따른 실시예는 온도차로 부터 에너지를 추출하는 것에 관련되어 있다. 일 실시예에 있어서, 열원의 에너지는 압축된 가스의 팽창을 거쳐 추출될 수 있다. 어떤 실시예에서, 압축된 가스를 포함하고 있는 저장 유닛은 압축-팽창기와 액체 교환을 한다. 저장 유닛에서 유입된 압축 가스는 상기 압축-팽창기내에서 팽창하여 힘 (power)을 생성한다. 팽창하는 동안, 상기 압축-팽창기는 열 교환기를 통해 상기 열원과 열 교환 함으로써, 팽창가스의 의한 출력을 증대시킨다. 다른 실시예에서, 열원이 지속적으로 공급가능한 경우에는, 별도의 가스 팽창기가 별도의 압축기를 구동하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예는 높은 열량 특성을 갖는 가스-헬륨 또는 상승된 베이스라인 압력에서 동작하는 시스템으로 부터 발생하는 고밀도의 가스-를 이용하는 폐쇄 시스템으로 구성할 수 있다.
압축 공기 소스 중 하나는 바람이다. 바람으로 부터 전력을 효과적으로 생산할 수 있음은 공지의 사실이며, 이를 이용함으로써 땅에서 풍력 터빈의 팬 블래이드의 고도를 땅에서 높일 수 있다. 그러나, 이러한 고도는 상대적으로 규모가 큰 터빈-블레이드를 포함-을 다양한 풍력 조건에서 안전하게 지지하기 위해 충분한 기계적 강도를 갖는 크고 고정된 구조로 제공되어야 한다.
이러한 지지 구조를 만들고 유지하는 비용은 시스템 고유의 비용이 되고, 풍력 발전 장치의 수익성을 저하시킨다. 따라서, 풍력 터빈을 지지하는 새로운 구조와 방법이 필요하다.
에너지 저장 및 복구 시스템은 풍력 터빈을 구동해서 얻어지는 힘을 이용하여 압축된 공기를 이용한다. 압축된 공기는 지상에 설치되어 풍력 터빈을 지지하는 구조내의 하나 또는 그 이상의 챔버 내에 저장된다. 물리적 지지체로서 또, 동시에 압축 공기를 저장 하는 용기로서 기능함으로써, 지지체 구조가 에너지 저장 및 복구 시스템에서 차지하는 상대적인 비용은 줄어든다. 따라서, 결합 터빈/지지 장치의 경제적 실용성이 향상된다. 어떤 실시예에서는, 챔버 내에 저장된 압축 공기의 팽창 힘이 지지체 구조의 물리적 안정성의 증대에 기여하며, 이로써 지지체 구조의 재료 비용을 감소시킨다.
본 발명에 따른 실시예는 동작하는 풍력 터빈의 힘으로 생산된 압축 가스를 상기 풍력 터빈을 지지하는 구조의 벽으로 정의되는 챔버 내에 저장하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 풍력 터빈을 지상위로 올려 세우는 지지 구조를 포함한다. 상기 지지 구조는 상기 풍력 터빈에 의해 동작하는 가스 압축기와 액체 교환하는 챔버를 정의하는 벽을 포함한다. 상기 챔버는 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 저장한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는 풍력 터빈, 상기 풍력 터빈에 의해 동작하는 가스 압축기, 및 상기 풍력 터빈을 지상 위로 올려 세우는 지지 구조를 포함하는 에너지 저장 시스템을 포함한다. 상기 지지 구조는 상기 가스 압축기와 액체 교환하는 챔버를 정의하는 벽을 포함한다. 상기 발전기는 상기 챔버에서 흘러나온 압축 가스의 팽창으로 부터 전기적 힘을 생산한다.
전술한 바와 같이, 풍력 터빈은 더 높은 곳에 위치할수록 더욱 효과적으로 풍력 에너지를 채집할 수 있다. 특히, 풍속은 높이의 칠 제곱근 (seventh root)에 대략 비례한다. 파워는 풍속의 세제곱 (the cube of the wind speed)에 비례하고, 또한 바람의 면적에 비례한다. 높이H가 높으면 이론적으로 큰 지름을 갖는 터빈을 사용할 수 있고, 면적은 높이H2에 비례하고, 파워는 Hx에 비례하며, 이때 x는 약 2 3/7이다.
따라서, 지지 구조는 시스템에 필요한 요소이다. 본 발명의 실시예에서, 상기 지지 구조는 또한 상기 풍력 터빈의 출력으로 부터 생성된 압축 공기를 받아들여서 저장하는 하나 또는 그 이상의 챔버 또는 용기를 내장하는 기능을 한다.
상기한 풍력 터빈용 지지 구조는 내부를 둘러싸고 있는 외부 셀 (exterior shell)로 구성되어 있으므로, 기본적으로 이러한 기능을 수행하기에 적합하다. 이러한 구조로 인해, 다량의 재료를 사용하지 않고, 또, 무거운 전체 고체 지지 구조를 사용하지 않고도, 상부에 있는 풍력 터빈을 원하는 대로 기계적으로 지지해 줄 수 있다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 단순 모식도이다. 구체적으로, 시스템 3300은 지지 타워 3306이 상부에 설치된 엔진실 3301을 포함한다. 엔진실 3301은 회전 가능한 블레이드 3304를 갖는 풍력 터빈 3302를 포함한다.
엔진실 3301은 조인트 3311을 통해 지지 타워 3306과 회전 가능하게 결합 (화살표 3320으로 표시)된다. 이로써, 풍력 터빈의 블레이드는 주 바람 방향 (the direction of the prevailing wind)과 마주하게 된다. 본 발명의 실시예에 사용하기에 적합한 풍력 터빈의 예로는 코네티컷주의 페어필드에 위치한 제너럴 일렉트릭사의 모델 1.5 sle 터빈 (the model 1.5 sle turbine available from the General Electric Company of Fairfield, Connecticut)을 들 수 있다.
바람 3308에 노출되면, 터빈 3302의 블레이드가 돌아가면서 바람의 힘을 에너지로 변환하고, 이는 연결체 3305로 전달된다. 연결체 3305은 기계식, 유압식 또는 공압식일 수 있다.
연결체 3305는 이어서 기어 시스템 3312와 연결체 3303을 거쳐 모터/발전기 3314에 물리적으로 연결된다. 기어 시스템 3312는 연결체 3307을 거쳐 압축기/팽창기 요소 3316와 물리적으로 결합되어 있다. 상기 연결체 3303 및 3307은 기계식, 유압식 또는 공압식 일 수 있다.
상기 기어 시스템은 가감식으로 (in a subtractive or additive manner) 모든 연결체를 동시에 움직일 수 있다. 상기 기어 시스템은 또한 연결체의 전체가 아닌 일부의 움직임에 관여할 수도 있다. 어떤 실시예에서는, 유성 기어 시스템 (planetary gear system)이 이러한 작업을 수행하기에 적합하다.
압축 가스 저장 챔버 33018은 지지 타워의 벽 3318a 내부로 정의된다. 압축기/팽창기 3316은 도관 3309를 거쳐 저장 챔버 3318과 액체 교환한다.
시스템 3300의 동작 모드에 대해서 이하에 설명한다. 어떤 동작 모드에서는, 바람이 불고, 그리드에서 전력 요구량이 높은 경우이다. 이러한 조건하에서, 상기 터빈의 블레이드의 회전에서 발생된 거의 모든 에너지가가 연결체 3305 및 3303와 기어 시스템 3312을 거쳐 발전기로 동작하는 모터/발전기 3314로 전달된다. 모터/발전기 3314에 의해 발생된 전력은 이어서 도관 3313을 거쳐 그리드로 전달되어 소비된다. 상기 압축기/팽창기는 이 모드에서는 동작하지 않는다.
다른 동작모드는, 바람이 불고, 그러나 전력 요구량은 많지 않은 경우이다. 이러한 조건에서는, 상기 터빈의 블레이드의 회전에 의한 출력 에너지의 일부는 상기한 바와 같이, 요소 3305, 3312, 3303, 및 3314을 거쳐 전력으로 변환된다.
또한, 터빈이 작동하여 생산된 에너지의 일부는 또한 연결체 3305, 3307 및 기어 시스템 3312와 교통하며 압축기로 기능하는 압축기/팽창기 3316를 동작시킨다. 압축기/팽창기 3316은 공기를 흡입하고, 그 공기를 압축한 후, 그 압축된 공기를 지지 타워내에 위치한 저장 챔버 3318로 내보낸다. 아래에 설명하는 바와 같이, 압축된 공기내에 저장된 에너지는 나중에 복구되어 유용한 일을 수행한다
구체적으로, 시스템 3300의 동작의 또 다른 모드에서, 상기 압축기/팽창기 3316은 팽창기로 동작한다. 이 모드에서는, 압축된 공기는 저장 챔버로 부터 도관 3309을 거쳐 팽창기 3316으로 흘러간 후, 거기서 팽창된다. 공기의 팽창으로 인해, 연결체 3307과 물리적으로 결합된 이동 가능한 요소를 구동된다. 이러한 이동 가능한 요소의 예로는 상기 압축기/팽창기 3316의 실린더 내에 위치하단 피스톤을 들 수 있다.
구동된 연결체 3307의 에너지는 이어서 기어 시스템 3312 및 연결체 3303을 거쳐 발전기로 기능하는 모터/발전기 3314에 전달된다. 연결체 3303이 구동되어 상기 모터/발전기에서 생산된 전력은 이어서 도관 3313을 거쳐 파워 그리드로 전달된다.
전술된 모드에서, 바람은 불 수도 있고, 불지 않을 수도 있다. 만약 바람이 불면, 상기 압축기/팽창기 3316에서 나온 에너지는 상기 터빈 3312에서 나온 에너지와 기어 시스템 내에서 결합될 수 있다. 이러한 소스들 (바람, 압축 공기)로 부터 나온 결합 에너지는 이어서 연결체 3303을 거쳐 기어 시스템 3312에 의해 모터/발전기 3314와 교통할 수 있다.
또 다른 동작 모드에서는 바람은 불지 않고, 전력 요구량이 낮다. 이러한 조건에서는, 상기 압축기/팽창기 3316은 압축기로 작동할 수 있다. 상기 모터/발전기 3314는 모터로서 동작하며, 상기 그리드로 부터 파워을 뽑아내 연결체 3303, 3307 및 기어 시스템 3312를 거쳐 (압축기로 동작하는) 상기 압축기/팽창기 3316을 구동한다. 이러한 동작 모드에 의해, 그리드에서 나온 파워는 챔버 3318 내에 나중에 소비될 수 있도록 저장된 압축 공기를 보충하기 위해 소모된다.
압축 가스를 이용하여 에너지를 효율적으로 저장 및 복구하는 시스템의 실시예는 미국 특허 가출원 제61/221,487호 (2009년 6월 29일 출원) 및 미국 특허 정규 출원 제 12/695,922호 (2010년 1월 28일)에 개시되어 있으며, 이들 개시 내용은 본 발명에 결합 (incorporated by reference in their entireties herein for all purposes)된다. 그러나, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않으며, 다른 디자인의 압축 공기 저장 및 복구 시스템도 본 발명의 범위에 포함한다. 또한 , 미국 특허 출원 제 61/294,396호 (2010년 1월 12일 출원)에 개시된 내용도 본 발명에 결합된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 어떤 실시예에서는 유동 기어 시스템을 채용하는 것이 권장되며, 이로써 기계적 에너지를 시스템의 다른 요소들 사이에 전달할 수 있다. 특히, 이러한 유동 기어 시스템을 사용하면, 전술한 다양한 동작 모드에서 연결체 간의 다른 상대적 움직임을 융통성 있게 조율할 수 있다.
도 33A는 본 발명에 사용 할 수 있는 유동 기어 시스템의 일 실시예의 간략 평면도이다.
구체적으로, 유동 기어 시스템 3350은 외주에 제1 세트의 톱니 3354를 갖고, 내부에 제2세트의 톱니 3356을 갖는 링 기어 3352를 포함한다. 링 기어 3352는 세개의 다른 기어 어셈블리에 대해 이동 가능하도록 결합되어 있다.
구체적으로, 제1 기어 어셈블리 3340은 사이드 기어 3342를 포함한다. 상기 사이드 기어 3342는 상기 링 기어 3352의 외부에 위치하며, 상기 유성 기어 시스템의 제1 연결체로 기능하는 회전 가능한 샤프트 3341에 고정되어 있다. 사이드 기어 3342의 톱니는 상기 링 기어의 외주에 위치한 톱니 3354와 기계적으로 교통하고 있다. 샤프트 3341의 어느 방향이든 그 방향으로의 회전은 링 기어 3352의 그에 상응하는 움직임으로 변환된다.
제2 기어 어셈블리 3358는 링 기어 3352의 내부에 위치한 중앙 기어 (a central gear or a sun gear) 3360를 포함한다. 상기 중앙 기어 3360는 상기 유성 기어 시스템으로의 제2 연결체로 기능하는 이동 가능한 샤프트 3362에 고정된다.
제3 기어 어셈블리 3365는 중앙 기어 3360이 링 기어 3352의 제2 세트의 톱니 3356와 기계적으로 교통하도록 한다. 구체적으로, 제3기어 어셈블리 3365은 각각의 핀 3367을 통해 (일주 캐리어) 판 3366에 대해 자유 회전 (in free rotational communication )하는 (일주) 기어 3364을 포함한다. 판 3366은 상기 유성 기어 시스템에 대한 연결체로 기능하는 제3 샤프트 3368에 고정되어 있다.
도 33A-33AA의상기 유성 기어 시스템 3350은 세개의 회전 가능한 연결체 3341, 3362, 및 3368과 기계적으로 결합되어 있다. 이들 각각의 연결체는 시스템의 다양한 다른 요소들-예를 들어, 상기 풍력 터빈, 발전기, 모터, 모터/발전기, 압축기, 팽창기 또는 압축기/팽창기-와 물리적으로 교통하고 있다.
상기 유성 기어 시스템 3350은 가감 방식으로 (in a subtractive or additive manner) 상기 연결체 전부를 동시에 움직이게 할 수 있다. 예를 들어, 바람이 부는 경우, 터빈 연결체로 부터 나온 에너지는 연결체를 통해 전달되어 발전기를 구동하고, 동시에 연결체를 통해 전달되어 압축기를 구동할 수 있다.
또 다른 예에서, 바람이 불고, 전력 요구량이 높은 경우에, 상기 유성 기어 시스템은 터빈 연결체의 출력이 팽창기 연결체의 출력과 결합되도록 하여 상기 발전기의 연결체를 구동할 수 있다.
또한, 상기 유성 기어 시스템은 연결체 중 일부의 움직임에 관여하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 샤프트 3341의 회전으로 인해 샤프 3362이 회전할 수 있고, 또는 그 역도 가능하며, 이때 샤프트 3368은 회전하지 않는다. 마찬가지로, 샤프트 3341이 회전할 때 샤프트 3368만 회전하도록 할 수 있으며, 그 역도 가능하다. 또는 샤프트 3362가 회전함으로써 샤프트 3368만 회전하도록 할 수 있으며, 그 역도 가능하다. 이러한 구성에 따르면, 기계적 에너지가 단지 두개의 시스템 요소 사이에서만 선택적으로 교통되도록 할 수 있다. 예를 들면, 풍력 터빈이 정지한 상태로, 모터의 출력에 의존하여 압축기를 동작시키고자 하는 경우가 이에 해당된다.
도 33으로 돌아가서, 본 발명의 실시예에 따른 압축 가스 저장 및 복구 시스템은 다양한 바람직한 잇점을 제공한다. 첫째, 시스템은 기존의 풍력 터빈 시스템에 있는 장치를 활용 (leverages)한다. 즉, 압축 공기 에너지 저장 및 복구 시스템은 풍력 터빈으로 부터 그리드로 파워를 전달하는 이용하는 전력 발전기를 그대로 이용할 수 있다. 이러한 발전기를 이용하여 바람으로 부터 또, 저장된 압축 공기로 부터 전력을 생산함으로써, 전체 시스템의 비용을 절감한다.
도 33의 실시예와 관련된 또 다른 잇점은 파워 생산의 효율성이 향상된다는 것이다. 구체적으로, 회전하는 풍력 터빈의 블레이드에서 나온 기계적 에너지는 (전기적 에너지와 같은) 다른 형태로 변환되지 않은 상태로 압축기에 기계적인 힘으로 전달될 수 있다. 파워 소스 (풍력 터빈)의 출력을 원래 상태 그대로 유지함으로써, 파워를 압축 공기로 전달하는 효율성이 증대된다.
도 33의 실시예 장치의 또 다른 잇점은 구성 요소가 줄어든다는 점이다. 구체적으로, 시스템의 두개의 구성 요소가 복합 기능 (dual function)을 수행한다. 상기 모터/발전기는 모터로서도 또, 발전기로도 동작한다. 상기 압축기/팽창기는 압축기로도, 또 팽창기로도 동작한다. 이로써 이러한 기능을 각각 수행하기 위한 별도의 전용 요소를 갖출 필요가 없다.
도 33의 실시예의 다른 장점은 움직이는 부분을 갖는 다양한 요소을 연결하는 연결체 구조를 상대적으로 단순화 할 수 있다는 점이다. 구체적으로, 도 33의 실시예에서, 상기 터번. 상기 기어 시스템, 상기 모터/발전기 및 상기 압축기/팽창기는 엔진실 내에 배치된다. 이러한 구성은 엔진실과 하부의 지지 구조간의 회전 연결에 융통성 (compatibility)을 부여한다. 구성 요소 사이의 연결체의 어느것도 회전 조인트를 가로지르게 배치될 필요가 없고, 따라서 연결체들은 엔진실과 지지 구조간의 상대적인 움직임에 관여할 필요가 없다. 이러한 구성에 의해, 다른 연결체의 디자인과 동작이 훨씬 더 간단해진다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예에선, 하나 또는 그 이상의 기어 시스템, 상기 압축기/팽창기, 및 상기 모터/발전기가 엔진실의 외부에 배치될 수도 있다. 도 34는 본 발명의 실시예에 따른 시스템 3400의 단순도를 개시한다.
이 실시예에서, 터빈 3402는 엔진실 3401의 내부에 있지만, 기어 시스템 3412, 압축기/팽창기 3416, 및 모터/발전기 3414는 타워 3406의 바닥에 위치하고 있다. 이러한 배치는 터빈 3402과 기어 시스템 3412 사이에 놓여진 연장된 연결체 3405을 이용하여 형성된다. 연장 연결체 3405는 기계식, 유압식 또는 공압식일 수 있다.
도 34의 실시예 디자인은 연결체 3405가 회전 조인트 3411을 가로지르고, 따라서, 기어 시스템 3412에 대한 터빈 3402의 상대적인 움직임에 맞추어야 한다는 점에서 구조가 좀 더 복잡하게 될 수는 있다. 이러한 복잡성은 연결체 3405가 (터빈에서 기어 시스템으로) 한 방향으로만 에너지와 교통하도록 구성함으로써 해소할 수 있다.
또한, 연결체 3405가 회전 조인트 3411을 가로지르는 데 따른 구조의 복잡함과, 이로 인한 비용 상승은 모터/발전기, 압축기/팽창기. 및 기어 시스템에 대한 접근성을 용이하게 함으로써 상쇄 될 수 있다. 구체적으로, 구성 요소들은 많은 수의 이동 부품을 포함하고 닳기 쉽다. 이들 요소를 (꼭대기가 아닌) 타워 바닥 부분에 배치함으로써, 검사 및 유지를 위해 접근성을 용이하게 함으로써 비용을 줄일수 있다.
다른 실시예도 가능하다. 예를 들어, 도 34에서는 기어 시스템, 모터/발전기, 및 압축기/팽창기 요소들이 상기 지지 구조 내부에 내장되어 있으나, 반드시 그럴 필요는 없다. 다른 실시예에서, 이들 요소 중 하나 또는 그 이상은 상기 지지 구조의 외부에 배치된 상태로 상기 지지 타워로 부터 연장되어 나온 연결체를 통해 풍력 터빈과 교통할 수 있다. 이러한 실시예에서, 전력을 생산하기 위한 압축 공기용 도관, 및 기계식, 유압식 또는 공압식 연결체는 상기 시스템 구성 요소들을 필요에 따라 연결한다.
본 발명의 실시예는 상기한 구성 요소들에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 1 및 2의 압축 가스 저장 시스템은 복합 기능을 갖는 압축기/팽창기 요소 및 모터/발전기 요소를 포함하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.
도 35는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시스템 3500을 개시한다. 이 시스템은 별도의 전용 압축기 3550, 전용 팽창기 3516, 전용 모터 3554, 및 전용 발전기 3514을 포함한다. 이러한 실시예는 공지의 풍력 터빈을 압축 가스 저장 시스템에 용이하게 적용할 수 있다는 점에서 유리하다.
구체적으로, 기존의 풍력 터빈용 패키지에서는, 전용 발전기 요소 3514가 기어 시스템 3512 및 연결체 3503 및 3505를 거쳐 상기 터빈 3502와 결합되어 있다. 그러나, 발전기 3514는 모터로서의 기능을 수행하지는 않는다.
이러한 공지의 구성에 있어서, 전용 팽창기 3516, 전용 압축기 3550, 전용 모터 3554, 연결체 3570, 3573, 및 도관 3570이 추가되어 압축 가스 저장 시스템을 구성할 수 있다. 일 실시예에서, 전용 팽창기 3516은 연결체 35047을 통해 기어 시스템 3512와 교통하는 엔진실 3501내에 배치될 수 있다. 전용 팽창기 3516은 도관 3509를 거쳐 지지 타워 3506의 벽으로 정의로 압축 가스 저장 챔버 3518의 상부와 액체 교환을 한다.
전용 압축기 3550과 전용 모터 3554는 용이하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 지지 타워의 바닥 또는 그 근처에 배치됨으로써 접근성을 높인다. 전용 압축기 3550은 도관 3570을 거쳐 저장 챔버 3518과 액체 교환을 하고, 연결체 3572를 거쳐 전용 모터 3554와 물리적으로 결합되어 있다. 전용 모터 3554는 이어서 발전기 및/또는 그리드와 전기적으로 교통함으로써, 힘을 받아들여 상기 압축기를 작동시켜 상기 챔버 3518내에 저장된 압축 공기를 보충한다.
도 35에 도시된 바와 같이, 이 실시예는 상기 엔진실 3501내의 상기 기어 시스템 3512과 상기 엔진실 3501 외부에 위치한 전용 압축기 3550 사이에 연장된 기계식, 유압식 또는 공압식 연장 연결체 3574를 선택적으로 더 포함한다. 이러한 연결체로 인해, 전용 압축기는 상기 터빈의 출력에 의해 직접 작동될 수 있고, 따라서 기계적 힘을 전용 발전기로 전기적 힘으로 변환하면서 발생되는 손실 및 전용 모터을 이용하여 전기적 힘을 압축기를 구동하기 위한 기계적 힘으로 재변환하면서 발생되는 손실을 방지할 수 있다.
도 35A는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시스템을 보여주는 단순도이다. 도 35A의 시스템 3580에서는, 단지 터빈 3582, 연결체 3583 및 전용 압축기 3586만이 지지 타워 3596의 상부에 위치한 엔진실 내에 배치되어 있다. 전용 압축기 3586은 (기계식, 유압식 또는 공압식) 연결체 3583을 거쳐 터빈과 교통하고 있다. 상기 터빈은 상기 전용 압축기에 의한 공기 압축을 구동한다. 상기 전용 압축기에서 압축된 공기는 조인트 3591 건너의 도관 3589를 거쳐 지지 타워 3596 내의 챔버 3598로 흘러간다.
나머지 구성 요소는 엔진실 외부에 배치되어, 상기 지지 타워 안 또는 밖에 놓여진다. 예를 들어, 전용 팽창기 또는 팽창기/압축기 3588은 벽 3596a로 정의되는 챔버 3598과 교통함으로써, 도관 3593을 거쳐 압축 공기를 받아들인다.
요소 3588에 의해, 압축 공기가 팽창되어, 이 팽창에 의해 복구된 에너지를 연결체 3592를 거쳐 발전기 또는 발전기/모터 3584에 전달한다. 요소 3584는 이어서 전기를 생산하여 그리드에 공급한다.
도 35A의 실시예는 또한 그리드로 부터 에너지를 뽑아낼 수도 있다. 요소 3584가 발전기/모터이고, 요소 3588이 팽창기/압축기인 경우, 요소 3584는 모터로 동작하여 압축기로 동작하는 요소 3588을 구동할 수 있다. 이로써, 공기는 압축되어 챔버 3598로 흘러 들어가 저장되고, 이후에 복구된다.
도 35A의 실시예에 따르면, 별도의 연장 연결체 또는 도관 없이도, 파워가 타워의 챔버를 활용하는 타워의 상부에서 하부로 전달되는 잇점이 있다. 또 다른 잇점은 타워 상부에 걸리는 하중이 줄어든다는 점이다. 실시예에 따르면, 터빈의 기계적 출력이 압축 공기로 먼저 변환되고, 다시 발전기를 구동하기 위해 기계적 힘으로 재변환되는 경우에 손실이 발생할 수 있으나, 이러한 손실은 타워 상부에 걸리는 하중을 줄임으로써 상쇄될 수 있다. 즉, 타워 상부에 걸리는 하중이 줄면, 타워를 더 높게 올려 세울 수 있고, 이로써 더 많은 풍력을 받아 들일 수 있다.
본 발명은 지지 구조를 특정한 형상으로 한정하지 않는다. 도 33과 34에 개시된 실시예에서는, 지지 구조가 길이 방향을 따른 단면도를 도시하고 있다. 예를 들어, 지지 구조 3306은 바닥 부분이 넓고, 풍력 터빈과 만나는 지점으로 향할 수록 점점 좁아진다 (tapered). 지지 기능을 가장 잘 수행할 수 있는 재료를 선택하면, 이러한 디자인은 사용되는 재료량을 최소화하여 비용을 절감할 수 있다.
그러나, 본 발명은 이외에도 다른 형태의 지지 구조도 발명의 범위에 포함한다. 예를 들어, 도 36은 거의 균일한 단면이 원형 또는 타원형 형상인 공동 튜브 (hollow tube)을 포함하는 지지 구조 3600을 개시한다. 이 공동 튜브 3600의 벽 3600a은 압축 가스를 저장하는 챔버 3602의 벽을 정의한다. 이러한 공동 튜브는 간단한 구조를 가지고 있으며, 따라서, 다양한 산업 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있다. 따라서, 이러한 튜브는 상대한 저렴에 가격에 구할 수 있고, 따라서, 재료비를 절감할 수 있다.
또 다른 실시예도 가능하다. 예를 들어, 어떤 실시예에서, 지지 구조는 내부에 저장된 압축 공기에 의한 힘을 이용하도록 디자인 될 수 있다. 이러한 힘은 상기 지지 구조에 추가적인 안정성을 부여한다.
따라서, 도 37의 실시예에서, 지지 구조 3700는 이전의 실시예에서와 비교할 때, 더 낮은 강도 특성을 갖는 더 얇은 벽 3706b을 포함한다. 이러한 강도 저하는 하나 또는 그 이상의 요인으로 인해 발생되는데, 예를 들면, 다른 디자인이나 형상의 지지체를 사용하거나, 지지체에 사용하는 재료량을 줄이거나, 또는 지지체에 사용되는 재료의 종류를 바꿀 수 있으며, 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 이러한 지지 구조 3706의 고유 강도의 감소는 챔버 3718내의 압축 공기 3726에 의한 팽창 힘 3724에 의해 상쇄 될 수 있다. 구체적으로, 부풀어 오른 풍선의 벽이 단단해지는 것과 유사한 원리로, 압축된 공기의 팽창힘은 상기 지지 구조에 추가적인 강도 특성을 부여할 수 있다. 이러한 팽창 효과는, 설명의 편의를 위해, 도 37에서 화살표로 과장되어 보여지고 있다.
이러한 응용 디자인 중 하나로, 적어도 약간의 유연성을 갖는 재료, 예를 들어 탄소 섬유로 지지 구조를 만들 수 있다. 그러한 실시예에서, 유연성이 있는 지지 부재의 챔버 내에 있는 압축 공기에 의한 팽창힘은 상기 챔버의 벽을 미는 힘으로 작용하고, 따라서 벽을 단단하게 만들어서 지지체의 구조적 안정성에 기여한다. 이러한 지지 구조는 다른 재료로 만들어 질 수도 있고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
탄소 섬유를 이용한 디자인은 추가적인 장점이 있다. 예를 들어, 탄소 섬유 구조는 제작 방식에 따라 특정 디멘젼 (in particular dimensions)의 강도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 탄소 섬유 지지 구조는 특정 디멘젼-예를 들어, 압축 공기의 팽창힘이 작동할 것으로 예상되는 경우의 디멘젼 및/또는 지지체가 외부 스트레스를 받을 것으로 예상되는 디멘젼 (예를 들어, 주 바람 방향)-에서 강도 및/또는 유연성을 나타낼 수 있다.
물론, 저장된 압축 공기의 팽창힘을 이용하는 디자인은, 압축 공기가 빠져나가서 에너지 복구를 위해 팽창함에 따라, 내부에 저장된 압축 공기량의 예상되는 (또는 예상밖의) 변화에 대처할 수 있을 정도로 충분히 고유의 강도는 갖고 있어야 한다. 그럼에도 불구하고, 지지 구조내에 남아 있는 최소한의 공기량에서 얻어지는 팽창 힘은 제작 및 유지 비용을 절감할 수 있을 정도로 지지 구조에 충분한 안정성을 부여할 수 있다.
1. 풍력 터빈의 힘으로 발생된 압축 공기를 상기 풍력 터빈을 지지하는 구조의 벽으로 정의되는 챔버 내에 저장하는 단계를 포함하는 것을 을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 방법은 상기 풍력 터빈의 출력으로 압축기를 동작시켜 압축 가스를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 방법은
상기 압축 공기의 적어도 일부가 상기 챔버에서 흘러나오는 단계; 및
상기 흘러나온 압축 공기의 일부를 팽창시켜 파워를 생산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 압축 공기의 일부는 상기 챔버에서 흘러 나와서 발전기와 물리적으로 결합된 팽창기로 흘러가는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 압축된 가스의 팽창 힘이 상기 지지 구조에 안정성을 부여하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 벽은 유연성이 있는 (flexible material) 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 지상 위로 풍력 터빈을 올려 세우는 지지 구조를 포함하며,
상기 지지 구조는 상기 풍력 터빈에 의해 동작하는 가스 압축기와 액체 교환하는 챔버를 정의 하는 벽을 포함하며,
상기 챔버는 또한 상기 압축기에 의해 압축된 가스를 저장하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 지지 구조는 동공 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 동공 튜브는 길이 방향을 따라 거의 일정한 단면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제7항에 있어서, 상기 장치는 조인트를 통해 상기 지지 구조와 회전 가능하게 결합된 엔진실을 포함하며, 상기 엔진실은 상기 터빈을 내장하는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제10항에 있어서,
상기 엔진실은 기어 시스템, 상기 기어 시스템과 상기 터빈 사이의 제1 물리적 연결체, 발전기, 상기 발전기와 상기 기어 시스템 사이의 제2 물리적 연결체, 상기 챔버와 액체 교환을 하는 팽창기, 및 상기 팽창기와 상기 기어 시스템 사이의 제3 물리적 연결체를 더 포함하며,
상기 제1, 제2 및 제3물리적 연결체는 상기 조인트를 가로지르지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제11항에 있어서,
상기 발전기는 상기 가스 압축기를 동작시키는 모터/발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제11항에 있어서, 상기 가스 압축기와 상기 팽창기는 압축기/팽창기로 결합된 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제11항에 있어서, 상기 기어 시스템은 유성 기어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제10항에 있어서, 상기 장치는 기어 시스템, 발전기, 상기 발전기와 상기 기어 시스템 사이의 제1 물리적 연결체, 상기 챔버와 액체 교환하는 팽창기, 상기 팽창기와 상기 기어 시스템 사이의 제2 물리적 연결체, 및 상기 터빈과 상기 기어 시스템 사이의 제3물리적 연결체를 더 포함하며,
상기 기어 시스템, 상기 발전기, 상기 제1 물리적 연결체, 상기 팽창기, 및 상기 제2 물리적 연결체는 상기 엔진실의 외부에 배치되고,
상기 제3 물리적 연결체는 상기 조인트를 가로질러 배치된 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제15항에 있어서,
상기 발전기는 모터/발전기를 포함하고,
상기 팽창기는 압축/팽창기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제15항에 있어서,
상기 발전기는 전용 발전기를 포함하고,
상기 팽창기는 전용 팽창기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제15항에 있어서, 상기 기어 시스템은 유성 기어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제10항에 있어서,
상기 엔진실은 기어 시스템, 전용 발전기, 상기 전용 발전기와 기어 시스템 사이의 제1물리적 연결체, 상기 챔버와 액체 교환하는 전용 팽창기, 상기 전용 팽창기와 상기 기어 시스템 사이의 제2 물리적 연결체, 및 상기 터빈과 상기 기어 시스템 사이의 제3 물리적 연결체를 내장하며,
상기 장치는 상기 저장 챔버와 액체 교환을 하며 제4 연결체를 통해 전용 모터와 물리적으로 결합된 전용 압축기를 더 포함하며,
상기 전용 압축기, 상기 전용 모터, 및 상기 제4 물리적 연결체는 상기 엔진실의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제19항에 있어서, 상기 장치는 상기 기어 시스템과 상기 전용 압축기 사이의 제5 물리적 연결체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제19항에 있어서, 상기 기어 시스템은 유성 기어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제10항에 있어서,
상기 압축기는 상기 엔진실에 내장된 전용 압축기를 포함하고,
상기 압축기는 제1연결체를 통해 상기 터빈과 물리적으로 결합되어 있고, 제1도관에 의해 상기 조인트 건너 챔버와 액체 교환을 하며,
상기 장치는 상기 지지 구조의 바닥 근처에 위치한 팽창기를 더 포함하며,
상기 팽창기는 상기 챔버와 액체 교환하고, 상기 제2물리적 연결체를 거쳐 발전기와 교통하는 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제22항에 있어서,
상기 팽창기는 압축기/팽창기를 포함하며,
상기 발전기는 발전기/모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 풍력 터빈을 포함하고;
상기 풍력 터빈을 동작시키는 가스 압축기를 포함하고;
상기 풍력 터빈을 지상 위로 올려 세우는 지지 구조를 포함하되, 상기 지지 구조는 상기 가스 압축기와 액체 교환하는 챔버를 정의하는 벽을 포함하며; 및
상기 챔버에서 흘러나온 압축 공기의 팽창을 이용하여 전력 (electrical power) 생산하는 발전기를 포함하는 에너지 저장 시스템.
25. 제24항에 있어서, 상기 장치는 조인트를 통해 상기 지지 구조와 회전 가능하게 결합된 엔진실을 더 포함하며,
상기 엔진실은 상기 풍력 터빈, 상기 발전기, 및 상기 챔버와 액체 교환하고 상기 발전기와 물리적으로 결합된 팽창기를 내장하는 것을 특징으로 하는 장치.
정리하면, 에너지 저장 및 복구 시스템의 실시예들은 풍력 터빈의 동작에 의해 얻어진 파워를 활용하여 압축된 공기를 이용한다. 압축된 공기는 지상 위로 상기 풍력 터빈을 지지하는 구조의 하나 또는 그 이상의 챔버 내에 저장된다. 물리적인 지지체로서, 또 압축 공기를 저장하는 용기로 기능함으로써, 상기 지지 구조는 에너지 저장 및 복구 시스템의 전체 비용을 절감시킨다. 또, 이로써, 터빈/지지체 결합 장치의 경제성을 향상시킨다. 어떤 실시예에서는, 챔버 내에 저장된 압축 공기의 팽창힘은 지지 구조의 물리적 안정성을 증대시키는데 기여할 수 있고, 이로써 지지 구조의 재료에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 압축 가스로 부터 얻어진 에너지를의 저장 및 복구는 하나 또는 그 이상의 테크닉을 단독으로 또는 복합적으로 이용할 수 있다. 한가지 테크닉은 액체 방울 미스트를 전용 챔버에 공급하는 것이다. 상기 전용 챔버는 가스의 압축 및/또는 팽창이 일어나는 제2챔버의 상류 (upstream)방향에 위치하고 있다. 이러한 실시예에서, 결과물로 얻어지는 액체-가스 혼합물의 균일성은 상기 전용 혼합 챔버와 상기 제2챔버 사이에 맥동 방지 병 (pulsation damper bottle)을 끼워넣어 상기 혼합 챔버를 통해 계속적으로 흐름이 지속되도록 함으로써, 향상시킬 수 있다. 다른 테크닉은 압축기 및/또는 팽창기 챔버로 흘러 나오거나 흘러 들어가는 흐름을 제어하기 위해서, 낮은 에너지로 구동되는 밸브를 사용하는 것이다. 상기 밸브의 구성은 시스템 동작중에 일어나는 고유의 압력차를 이용함으로써, 밸브가 낮은 에너지를 소모하면서 구동 될 수 있도록 한다.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 및 복구 시스템의 간략 블럭도이다. 도 38은 압축 공기 저장 유닛 3803과 선택적 액체 교환을 하는 압축기/팽창기 3802를 도시한다. 모터/발전기 3804는 압축기/팽창기 3802와 선택적으로 교통하고 있다.
제1동작 모드에서, 에저지는 압축 공기의 형태로 저장되고, 모터/발전기 3804는 모터로 동작한다. 압축기/팽창기 3802는 압축되지 않은 공기를 받아 들여서, 그 공기를 챔버 3802a내에서 압축시키고, 피스톤과 같은 이동 가능한 요소 3802b를 동작시켜, 압축된 공기를 상기 저장 유닛으로 흘려 보낸다.
제2 동작 모드에서, 압축 공기내에 저장된 에너지는 복구되고, 압축기/팽창기 3802는 팽창기로 동작한다. 압축기/팽창기 3802는 저장 유닛 3803로 부터 압축 공기를 받아들여서, 압축 공기를 챔버 3802a로 팽창시킨다. 이러한 팽창에 의해 발전기로 기능하는 모터/발전기 3804와 교통하고 있는 이동 부재 3802b가 구동된다. 모터/발전기 3804에서 발생한 파워는 이어서 파워 그리드로 전달되어 소비된다.
전술한 공기의 압축 및 압축 해제 과정에서 약간의 열적, 기계적 손실이 발생할 수 있다. 그러나, 압축 과정에서 온도 증가분이 최소화 된다면 압축 과정의 열 손실을 줄일 수 있고, 팽창 과정에서 온도 감소분을 최소화 한다면 팽창과정에서 열손실을 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 압축 및/팽창 과정동안 액체를 공급한다.
가스와 비교해서 더 높은 열량 특성을 갖는 액체를 활용하여, 그 액체가 압축 과정 동안 공기로 부터 열을 받아들이고, 그 열을 팽창 과정에서 공기에 전달한다. 만약 액체가 압축 또는 팽창 과정 동안 미스트로 공급되는 경우에는, 액체와의 접촉 면적을 늘여서 이러한 액체와의 에너지 교환의 효율성을 높일 수 있다.
압축 및/또는 팽창 과정 동안 액체/가스 혼합물 조건-액체 방울 크기, 방울 분산의 균일도, 액체 부피 비율 (liquid volume fraction), 온도, 압력 등-은 가스와의 에너지 교환을 결정하는 중요한 요인이 된다. 그러나, 압축과 팽창의 고유한 특성 때문에, 온도, 부피, 압력 등의 조건은 그런 과정이 일어나면서 변한다.
따라서, 액체/가스 혼합물을 더 잘 제어하기 위해서, 또 압축 및 팽창 동안 그 혼합물의 열 특성의 일관성 및 재생 가능성 (consistency and reproducibility)을 담보하기 위해서, 본 발명의 실시예는 압축과 팽창이 일어나는 제2 챔버의 상류 흐름에 위치한 별도의 혼합 챔버 3805를 이용한다. 이러한 별도의 혼합 챔버 3805는 밸브 3807을 통해 챔버 3802a와 선택적으로 액체 교환을 한다. 이런 식으로, 혼합 챔버 3805 내에서 혼합함으로써 상대적으로 안정적인 조건 하에서 만들어진 액체-가스 혼합물은 압축기/팽창기 3802a로 흘러 들어가, 상기 압축기/팽창기 챔버 내의 가스로 부터 열을 흡수하고, 또 열을 전달한다.
전술한 실시예에서는 가스 압축기로도 작동하고, 가스 팽창기로도 동작하는 하나의 장치만을 사용하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에서는, 압축 및 팽창을 수행하는 전용 요소들을 사용할 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
예를 들어, 도 39는 본 발명의 일 실시예에 따라, 가스 압축을 수행하는 장치 390의 간략도를 도시한다. 가스 3902는 유입 파이프 3904를 거쳐 혼합 챔버 3906으로 흘러 들어간다.
액체 스프레이 3908는 복수 개의 노즐 3910과 액체 교환하는 매니폴드 (manifold) 3911을 거쳐 혼합 챔버 3906로 스프레이되어, 가스 흐름 3902 내에 갇히게 (entrained) 된다. 혼합 챔버 3906의 존재와 그 구성 (예를 들어, 그 디멘젼 및/또는 스프레이 오리피스 또는 노즐의 수나 배열) 덕분에, 압축 챔버 3912에 이르기 전에, 액체 스프레이 3908는 가스 내부로 균일하게 스프레이되어 가스-액체 에어로졸 같은 균일한 혼합물 가스를 형성한다.
어떤 실시예에서, 평균 지름이 20 um 또는 그 이하인 액체 방울의 혼합물을 만드는 것이 바람직하다. 어떤 실시예에서는, 액체 내에 계면활성제 (surfactant)를 첨가함으로써 적당한 크기의 방울 크기를 갖는 혼합물을 형성하는 것을 촉진시킬 수 있다. 계면활성제의 일예로는, Triton X-100로 알려진 옥틸페녹시 폴리에톡시에탄올 (octyl phenoxy polyethoxyethanol, CAS #: 9002-93-1)가 있다.
가스-액체 에어로졸이 압축 챔버 3912로 들어가기 전에, 다른 요소, 맥동 방지 병 3914을 거쳐 지나간다. 이 맥동 방지 병의 부피는 압축 챔버의 부피보다 상당히 크고, 대개 적어도 10배 이상이다.
맥동 방지 병3914는 병 3914의 유입구 3916 및 유출구 3918와는 다른 넓이 (w)을 갖는다. 병의 크기가 그 입구 및 출구의 크기와 달라서, 압축 챔버 3912의 유입 밸브 3902a-b에서 혼합 챔버 3906으로 흘러가는 음파 (acoustic waves)에 지속적으로 임피던스 불일치 (succession of impedance mismatches)가 유발된다. 특히, 이러한 임피던스 불일치로 인해, 혼합 챔버 내 액체 움직임에 원하지 않는 변화가 유발되거나, 가스-액체 혼합물의 균일성이 저하된다.
구체적으로, 그러한 원치 않는 액체 유동은 상기 압축기와 교대로 개방되는 유입 밸브 3920a,3920b와의 순환 동작 때문이다. 이에 대해서는 도 39A-B를 참고하여 아래에 보다 자세히 기술할 것이다. 순환 밸브의 동작으로 인해 맥동이 발생하고, 이는 잠재적으로 혼합 챔버 3906 내에서 생성되는 가스-액체 혼합물을 불균일하게 만든다.
맥동 방지 병을 상기 밸브와 혼합 챔버 사이에 끼워 넣음으로써, 본 발명에 따른 실시예는 이러한 맥동을 방지할 수 있다.
압축 챔버 3912는 실린더 3913 내에 복동 피스톤 3924을 배치하는 것을 포함한다. 피스톤은 에너지 소스 (미도시)와 물리적으로 교통하고 있다.
압축 챔버 3912는 밸브 3920a-b 및 3922a-b을 통해 각각 유입 도관 3950 및 유출 도관 3952과 액체 교환하고 있다. 압축기와 팽창기 기능을 결합한 장치에 적절히 적용될 수 있는 밸브의 구성예가 도 41을 참고하여 하기에 자세히 설명된다.
압축기의 동작이 도 39A-B을 참고하여 설명된다. 도 39A는 피스톤이 하부 사점으로 이동함에 따라, 상기 액체-가스 혼합물이 유입 밸브 3920b을 거쳐 실린더의 좌측부 3913a로 이동한다. 동시에, 유출 밸브 3922a가 개방되고, 상기 액체 이전의 스트로크에서 챔버의 하부에서 압축된 상기 액체-가스 혼합물을 분리기 3930로 배기한다. 유입 밸브 3920a는 이러한 피스톤 스트로크 동안 닫혀있다.
도 39B는 다음 스트로크를 보여주며, 이때 유입 밸브 3920b는 닫히고, 피스톤은 상부 사점으로 밀려 올라간다. 이로써 상기 액체-가스 혼합물은 상기 실린더의 좌측에서 3913a 압축된다. 바람직한 압력에 이르면, 배기 밸브 3922b가 개방되고, 압축된 혼합물이 분리기 3930으로 배기된다. 도 39B에 도시된 피스톤 스트로크 동안, 유입 밸브 3920a가 개방되어 추가적인 가스-액체 혼합물이 다음 사이클에서의 압축을 위해 유입된다. 유출 밸브 3922a는 이러한 피스톤 스트로크 동안에 폐쇄된다.
분리기 3930는 액체를 상기 가스-액체 혼합물로 부터 분리시킨다. 본 발명에서 사용 가능한 분리기 타입의 예로는, 메쉬 타입의 코어레서 (mesh type coalesce), 날개형 (vane pack ) 등의 구조를 갖는 사이클론 분리기, 원심 분리기, 중력 분리기, 및 미스트 방지 분리기 (cyclone separators, centrifugal separators, gravity separators, and demister separators ) 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
비록 상기 실시예에서, 분리기는 단일 요소로 개시되었으나, 하나 또는 그 이상이 직렬로 결합된 장치도 가능하다. 따라서, 분리기는 다량의 액체를 가스-액체 혼합물로 부터 일차적으로 제거하는 제1 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조의 예로는 흐르는 혼합물의 구불구불한 경로를 정의하는 일련의 오버래핑 판 (a series of overlapping plates ) 또는 배플 (baffles )을 갖고 물의 코어레서에 넓은 표면적을 제공하는 챔버를 들수 있다. 이러한 초기 구조는 사이클론 분리기와 같이 혼합물로 부터 소량의 액체를 제고하도록 고안된 다른 구조와 직렬로 결합될 수 있다.
압축된 가스는 이이서 상기 분리기로 부터 밸브 3933을 거쳐 압축 가스 저장 유닛 3932로 흘러간다.
분리기 3930에서 복구된 액체는 액체 보관소 (liquid reservoir) 3934에 모인다. 이 액체는 펌프 3936에 의해 순환되어 열 교환기 3938을 거쳐 노즐 3910으로 이동한다. 여기서 다시 유입된 가스 흐름에 스프레이되어 주입된다.
도 39의 시스템은 복동 (double-acting) 구조이다. 구체적으로, 실린더 한쪽에서 액체-기체 혼합물이 압축되고, 실린더의 다른 쪽에서 그 액체-기체 혼합물은 배기된다. 따라서, 실린더 양쪽의 유입 밸브 3920a-b와 배기 밸브 3922a-b는 서로 180도 위상차를 갖고 개방된다. 밸브의 이러한 반복적인 개방과 폐쇄로 인해, 맥동 방지 병에 의해 억제된 음파를 일으킨다.
도 39의 장치는 컴퓨터로 판독 가능한 장치 3994와 전기적으로 교통하는 컨트롤러/프로세서 3996을 추가로 더 포함한다. 컴퓨터 판독 가능한 장치는 어떤 형태로든 디자인 될 수 있고, 반도체 원리, 전자기적 원리 또는 광학적 원리를 이용한 것일 수도 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 컨트롤러 3996은 시스템의 유니버셜 능동 소자와 전기적으로 교통하는 것으로 개시되고 있다. 능동 소자로는 밸브, 펌프, 챔버, 노즐, 센서 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 시스템에 이용될 수 있는 센서의 예로 압력 센서 (P), 온도 센서 (T), 부피 센서 (V), 시스템의 유입구 쪽에 위치한 습도 센서 (H) 등이 있으나 이에 한정되지는 않는다.
하기에 기술되는 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 시스템 요소들로 부터의 입력에 기초해, 그리고 이들 입력으로 부터 계산된 값에 기초하여, 컨트롤러/프로세서 296은 시스템의 동작을 다이나믹하게 제어하여 하나 또는 그 이상의 목적을 달성한다. 목적에는 저장된 에너지를 유용한 일로 전환하는 효율성을 제어하거나 극대화 하는 것; 출력을 극대화하거나, 극소화하거나, 또는 제어하는 것; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 예상되는 출력 속도; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 예상 출력 토크; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 예상 입력 속도; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 예상 입력 토크; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최고 출력 속도; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최고 출력 토크; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최조 출력 속도; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최저 출력 토크; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최고 입력 속도; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최고 입력 토크; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최저 입력 속도; 피스톤과 교통하는 회전 샤프트의 최저 입력 토크; 또는 각 단계에서 공기의 예상 온도차의 최대치 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 예에서는 피스톤이 사용되고 있으니, 다른 이동 가능한 요소들도 사용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다. 장치의 다른 실시예는 스크류 압축기, 멀티-로브 팽창기, 날개형 압축기, 제로터, 및 유사-터빈 (screw compressors, multi-lobe blowers, vane compressors, gerotors, and quasi-turbines)등이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
혼합 챔버의 다양한 실시예에 대해 이하에 설명한다. 혼합 챔버를 사용하는 목적은 액체를 흐르는 가스에 주입하기 위한 것이며, 이로써 균일한 가스-액체 혼합물을 얻고자 하는 것이다. 혼합 챔버는 하나 또는 그 이상의 요소를 이용하여 이러한 균일한 가스-액체 혼합물을 얻도록 고안된다.
예를 들어, 액체를 가스에 주입하는 방식의 일예로, 액체를 액체가 흐르고 있는 도관의 벽내에 형성된 하나 또는 그 이상의 오리피스를 통해 주입할 수 있다. 가스 흐름에 대한 오리피스의 단면적과 방향에 따라 결과물로 얻어지는 가스-액체 혼합물의 특성이 달라진다.
또한, 다른 예로서, 액체를 노즐 구조를 통해 스프레이함으로써 주입하는 것이다. 노즐 구조는 주입되는 액체의 특성 (속도, 압력 변화 등)을 변화시켜 원하는 혼합물이 얻어지도록 한다. 어떤 노즐은 원하는 스프레이 특성을 얻기 위해, 압력 변화에 더하여 에너지 형태를 활용한다. 초음파 에너지를 응용하면, 지름의 크기가 작은, 예를 들어, 약 5-10 um 크기의 미세 액체 방울을 형성할 수 있다.
도 39CA는 가스가 흐르는 방향을 따라 배치된 혼합 챔버 3950을 도시하는데, 본 발명의 실시예에 따라 주입된 액체의 궤적 3951을 보여준다. 도시된 바와 같이, 액체 궤적은 흐르는 가스 기둥이 액체에 최대한 노출되는 방향-혼합챔버의 벽으로 정의된 가스 기둥의 원형 절단면을 가로 지르는 화살표로 나탸내어 지는 방향-으로 향한다. 이러한 궤적을 만드는 오리피스 또는 노즐 3953는 혼합 챔버와 동일한 높이에 배치될 필요는 없고, 대신에 길이 방향을 따라 다른 곳에 엇갈려 (be staggered at different points) 위치할 수 있다.
도 39CB는 혼합 챔버 3960의 또 다른 디자인을 보여준다. 혼합 챔버는 가스가 흐르는 방향을 따라 배치되어 있고, 본 발명의 실시예에 따라 주입된 액체의 궤적 3962을 보여준다. 도시된 바와 같이, 액체 궤적은 소위 피보나치 스파이럴 (Fibonacci spiral)에 따라 형성되고 있다. 또, 이러한 궤적 3962을 만들어내는 오리피스 또는 노즐 3963은 혼합 챔버와 동일한 높이에 있을 필요는 없으며, 길이 방향을 따라 다른 곳에 위치할 수 있다.
스프레이 궤적의 상대적인 방향 외에도 다른 측면들을 특정 용도로 혼합 챔버를 디자인 하는 데 이용할 수 있다. 하기에 설명되는 바와 같이, 어떤 실시예에서, 압축 또는 팽창은 각각 다른 압력에서 각 단계로 유입되는 가스를 이용하여 몇 단계에 걸쳐 수행될 수 있다. 따라서, 액체를 높은 압력에서 가스로 주입하는 혼합 챔버는 낮은 압력의 가스 흐름을 활용하는 혼합 챔버와는 다르게 디자인 될 수 있다.
구체적으로, 고압 가스 흐름 속으로 주입하는 실시예에서는, 저압 혼합 챔버에 비해 크기 (dimension)가 상대적으로 길고 좁다. 이러한 디자인에 의해, 고압 가스 흐름의 중심을 관통하는 스프레이 궤적을 형성할 수 있다.
도 39로 돌아가서, 도면에서 보여지는 실시예는 압축을 수행하는 전용 장치이다. 다른 실시예에서는, 유사한 장치가 팽창기로 작동할수 있다.
도 40은 본 발명에 따른 팽창기의 실시예이다. 팽창 사이클 동안, 압축 공기는 저장 유닛 4032에서 유입 파이프 4004를 거쳐 혼합 챔버 4006으로 유입된다.
매니폴드 4011을 거쳐, 액체 스프레이 4008가 노즐 4010을 이용하여 주입된다. 상기 액체-가스 혼합물은 맥동 방지 병 4014를 거쳐 팽창기로서 동작하는 실린더 4013의 챔버로 흘러 들어간다.
도 40A에 개시된 바와 같이, 이 모드에서, 실린더 4013의 챔버 4013a 내에서 가스의 팽창으로 인행, 피스톤 4024이 오른쪽으로 움직이고, 그 결과 크랭크샤프트 (미도시)가 돌아간다. 이러한 피스톤 스트로크 동안, 이전의 피스톤 스트로크 동안에 팽창된 가스는 실린더 4013의 다른 챔버 4013b으로 부터 빠져나간다.
도 40B는 다음 피스톤 스트로크에 대한 것이며, 이때 다른 챔버 4013b 내에서 가스가 팽창함으로써 피스톤을 반대방향으로 움직이게 되고, 이로써 크랭크 샤프트가 회전한다. 제1챔버 4013a 내에서 이전에 팽창된 가스는 실린더로 부터 배출된다.
분리기 4030는 챔버에서 배출된 팽창된 액체-가스 혼합물을 받아들인 후, 이로 부터 액체를 분리한다. 본 발명의 실시예에서 이용될 수 있는 분리기의 예로는, 메쉬 타입의 코어레서 (mesh type coalesce), 날개형 (vane pack ) 등의 구조를 갖는 사이클론 분리기, 원심 분리기, 중력 분리기, 및 미스트 방지 분리기 (cyclone separators, centrifugal separators, gravity separators, and demister separators ) 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다. 가스는 이어서 시스템 밖으로 배출된다.
분리기 4030에 의해 복구된 액체는 액체 저장소 4034에 수집된다. 액체는 펌프 4036에 의해 순환하여 열 교환기 4038을 거쳐 노즐 4010으로 전달되며, 여기서 다시 스프레이로 가스 흐름속으로 주입된다.
도 40의 장치는 팽창 기간 동안에는 압축 사이클에서와는 약간 다르게 동작한다. 구체적으로, 팽창하여 피스톤에 일을 행하는 가스는 식는다. 어떤 실시예에서, 열원에서 얻어진 열이 압축된 가스에 추가된다. 압축된 가스는 압축기로 주입되거나 또는 혼합 챔버로 스프레이되는 액체에 주입된다. 이로써, 팽창기는 크랭크 샤프트 토크의 형태로 기계적 에너지를 생산한다. 즉, 시스템에 열을 추가함으로써, 팽창기는 더 많은 샤프트 토크를 발생시키고, 출력은 증가한다. 출력의 크기는 열원과 주변 공기의 온도차에 따라 달라진다.
어떤 실시예에서는, 하나 또는 그 이상의 열원에서 얻어지는 에너지를 극대화하기 위해, 열은 열을 효율적으로 교환하는 재생기를 거쳐 가스로 전달된다.
*압축기/팽창기 복합체 ( Combined Compression / Expansion )
전술된 실시예에서는, 전용 압축기 또는 팽창기가 사용된다. 그러나, 다른 실시예에서는, 압축 모드와 팽창 모드에서 모두 동작하는 장치를 사용한다.
도 41은 압축과 팽창을 모두 수행할 수 있는 장치의 일 실시예를 도시한다. 도 41에서, 실선은 압축 모드에서 동작하는 3-웨이 밸브 (three-way valves)를 도시하며, 점선은 팽창 모드에서 동작하는 3-웨이 밸브 (three-way valves)를 도시한다. 도 41은 또한 압축기/팽창기 실린더와 밸브 구성을 보여주고 있으며, 또한 이들 요소와 연결된 도관이 도시되어 있다. 도면은 설명의 편의상 각 요소의 상대적인 크기 등에는 과장이 있을 수 있다.
장치 4100는 공기 필터 4152를 거쳐 유입구 4150과 액체 교환하는 제1 복합 혼합 챔버/맥동 방지 병 4182를 포함한다. 압축 모드에서, 요소 4182의 출구는 3-웨이 밸브 4164을 거쳐 압축기/팽창기 실린더 및 밸브 구성 4108 (이에 대해서는 아래에 더 자세히 설명한다)과 선택적으로 교통하고 있다. 압축 모드에서, 요소 4108의 출력은 제2 3-웨이 밸브 4166을 거쳐 분리기 4170으로 흘러가고, 여기서 분리된 액체는 저장소 4135로 흘러간다. 분리된 가스는 이어서 3-웨이 밸브 4165을 거쳐 압축 가스 저장 유닛 4132로 흘러간다. 저장소 4135의 액체는 펌프 4176에 의해 펌핑되어 열 교환기 4190을 거쳐 상기 혼합 챔버/맥동 방지 병 구조 4183으로 주입된다.
팽창 모드에서, 저장 유닛 4132의 압축 가스는 3-웨이 밸브 4165을 거쳐 제2 복합 혼합 챔버/맥동 방지 병 4138로 흘러간다. 요소 4138의 유출구는 3-웨이 밸브 4166을 거쳐 하기에 설명되는 바와 같이 동작하는 압축기/팽창기 실린더 및 밸브 구성 4108과 선택적으로 교통한다. 팽창 모드에서, 요소 4108의 출력은 3-웨이 밸브 4164을 거쳐 분리기 4172로 흘러가고, 여기서 분리된 액체는 저장소 4136으로 흘러간다. 분리된 가스는 유출구 4134를 거쳐 다시 시스템에서 빠져 나온다. 저장소 4136의 액체는 펌프 4174에 의해 펌핑되어 열 교환기 4192를 거쳐 상기 혼합 챔버/맥동 방지 병 구조 4138의 혼합 챔버로 주입된다.
도 41의 실시예에 따른 실린더 및 밸브 구성 4108에 대해 설명한다. 실린더 및 밸브 구성 4108은 실린더 4112 복동 피스트 4124내에 위치하여 제1 챔버 4113a 및 제2 챔버 4113b를 정의한다. 제1 밸브 4120가 구동되면, 제1챔버 4113a와 제1, 저압쪽 도관 4102 가 서로 교통한다. 제2 밸브 4122가 구동되면, 제1 챔버 4113a 과 제2 높은 압력쪽 도관 (second high pressure side conduit) 4104이 액체 교환을 한다.
제3 밸브 4121가 구동되면, 제2 챔버4113b와 제1 도관4102이 액체 교환한다. 제4 밸브 4123이 구동되면, 제2챔버4113b와 제2 도관 4104이 액체 교환한다 .
* 도 41은 설명의 목적으로 제시된 것이며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도면에서는, 피피스톤이 수직 방향으로 이동 가능하게 되어있으나, 반드시 그럴 필요는 없다. 피스톤의 이동 방향은 응용에 따라 (예를 들어, 수평방향으로) 달라질 수 있다.
또, 도 41에서는 다양한 밸브가 실린더의 측벽에 위치해 있으나, 반드시 그럴 필요는 없다. 다른 실시예에서는, 밸브는 다른 위치-예를 들어, 실린더 벽의 끝)에 배치될 수 있고, 이러한 구조는 본 발명의 범위에 속한다.
다양한 모드에서 실린더 및 밸브 구조 4108의 동작에 대해 도 41A-D를 참고하여 이하에서 설명한다. 제1내지 제4 밸브 4120-4123의 각각은 밸브 시트 412_b에 대응하여 이동 가능한 밸브 판 412_a을 포함한다. 각각의 솔레노이드 412_c 가 상기 밸브 시트에 대하여 밸브 판을 이동 시킴으로써 밸브4120-4123를 구동시키는데 관여한다. 솔레노이드412_c는 컨트롤러/프로세서와 교통하고 있으며, 상기 컨트롤러/프로세서는 도 10에 되시된 컨트롤러/프로세서 4196 를 예를 들수 있다.
어떤 실시예에 따르면, 그 다양한 밸브의 밸브 시트와 밸프판은 낮은 에너지를 적게 소모하면서 가스를 이동시키는 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 41A-B에서는, 실린더 4112가 압축기로 동작하도록 구성되어 있다. 구체적으로, 피스톤 4124가 도 41A에서 아래로 움직이면, 밸브 4121 및 4123는 처음에는 폐쇄되어 있고, 제2챔버 4113b내의 가스가 압축되고, 제2챔버 내의 압력이 제1 도관 4102내의 압력에 비해 상승한다. 이러한 압력차로 인해, 밸브 시트 4121b에 대해 밸브판 4121a이 바이어스 되도록 하고, 이로써 솔레노이드 4121c가 최소한의 에너지를 소모하면서 밸브 4121a를 폐쇄 상태로 유지시킨다.
도 41B에 도시된 바와 같이, 피스톤이 계속 아래로 움직이고, 결국 제2챔버 내의 압력이 높은 압력측에 이른다. 다시, 밸브 시트 에 대한 밸브판 4121a 의 특정 구성으로 인해, 이 과정동안 밸브4121는 솔레노이드 4121c 로 부터의 제공되는 최소의 에너지로 닫힌 상태로 유지된다.
또한, 솔레노이드 4123c 로 부터 공급되는 상대적으로 적은 에너지를 이용하여 밸브4123가 개방되고, 압축 가스가 제2 챔버4113b 밖으로 흘러나온다. 이는 제2챔버 4113b 내의 압력이 높은 압력측 도관4104의 압력에 근접하기 때문이며, 따라서 밸브4123의 구동을 위해 큰 압력 차를 극복할 필요가 없기 때문이다.
도 41A-B에 도시된 피스톤 스트로크 동안, 밸브 4120 가 개방되어 유입되는 가스를 제1 챔버4113a 에 채우고, 이 가스는 다음 피스톤 스트로크에서 압축된다. 밸브 4120 및 4122 의 밸프판 및 밸브시트의 구체적인 구성으로 인해, 이러한 작업이 최소의 에너지를 소모하면서 수행될 수있다.
특히, 피스톤4124이 도 41A-B 의 하부로 움직이면, 제1챔버4113a의 유효 부피가 증가하고, 그 챔버 내의 압력이 상기 제1 도관4102에 대해 감소한다. 이러한 압력 차가 밸브판4120a 이 밸브시트4120b로 부터 바이어스 되도록 하고, 따라서, 솔레노이드4120c 가 최소한의 에너지를 소모하면서 밸브4120를 개방시킨다. 또한, 제2도관4104 에 비해 낮은 제1챔버4113a내의 압력으로 인해, 밸브 시트4122b에 대해 밸브판4122a 이 바이어스된다. 이로써, 솔레노이드4122c로 부터 최소한의 에너지만 소모하면서 밸브를 폐쇄 상태로 유지할 수 있다.
이어지는 압축 스트로크 (미도시)에서는, 피스톤4124이 위로 이동하여 상기 제1챔버 내의 공기를 압축한다. 도 41A-B와 관련하여 전술한 바와 유사한 방식으로, 밸브 시트에 대한 밸브판의 방향으로 인해, 압축은 최소한의 에너지를 소모하면서 일어난다. 특히, 압력차가 이러한 압축 스트로크 동안에 자연스럽게 발생하여, 밸브 4120 및 4123 가 폐쇄되고, 밸브4121 및 4122 는 개방되도록 바이어스 시킨다.
도41C-D 는 실린더4112 가 팽창기를 작동하는 경우를 나타낸다. 마찬가지로, 특정 밸브의 밸프판과 시트의 방향성으로 인해, 팽창은 적은 에너지만으로 수행된다.
피스톤4124이 도41C 의 아래 방향으로 움직이면, 밸브4122 는 개방되고 밸브4120는 폐쇄된 상태로 유지되며, 압축 공기는 팽창을 위해 제1챔버4113a로 유입된다. 이 시점에서, 상기 제1챔버4113a내의 압력은 낮은 압력측에 있는 제1도관4102 에 비해 높다. 이러한 압력차로 인해 밸브시트4120b에 대한 밸브판4120a의 바이어스가 발생되고, 이로써 솔레노이드4120c가 최소의 에너지를 소모하면서 밸브4120를 폐쇄 상태로 유지할 수 있게 된다.
또한 도41C에 도시된 바와 같이, 밸브4123는 폐쇄되고, 밸브4121는 개방되며, 이로써 이전 피스톤 스트로크 동안 팽창된 공기의 압력이 감소되고, 상기 제2챔버4113b 로 부터 상기 제1도관4102으로 빠져나온다. 여기서, 상기 제2챔버 내의 팽창된 공기의 압력은 낮은 압력측의 도관4102의 압력과 비슷하고, 따라서, 솔레노이드4121c 로 부터의 에너지 공급 없이도 또는 거의 없이도 밸브4121를 개방할 수 있다. 또한, 제2도관4104과 제2챔버4113b간의 압력 차로 인해 밸브판4123a 이 밸브시트4123b에 대해 바이어스 되고, 이로써 솔레노이드는 낮은 에너지를 소모하면서 밸브4123를 닫힌 상태로 유지할 수 있다.
도41D 에 도시된 바와 같이, 일단 밸브4122가 폐쇄되고, 공기가 제1챔버4113a 내에서 팽창하여 피스톤4124을 아래로 밀어내면, 상기 제2도관과 상기 제2챔버간의 압력차에 의해 밸브4123는 닫힌 상태로 유지된다. 밸브시트4123b에 대한 밸브판4123a의 방향성 때문에, 밸브4123는 솔레노이드4123c로 부터 최소한의 에너지 소모만으로도 닫힌 상태로 유지될 수 있다.
도41D는 또한 밸브4120가 닫힌 상태로 유지되고 있음을 보여준다. 밸브시트4120b에 대한 밸브판4120a의 방향 때문에, 제1챔버4113a와 제1도관 4102사이의 압력차에 의해 솔레노이드4120c로 부터 최소한의 에너지 공급만으로도 밸브4120는 닫힌 상태로 유지된다.
이어지는 팽창 스트로크 (미도시)에서, 공기가 제2챔버 내에서 팽창함에 따라, 피스톤4124 은 위로 이동한다. 도41C-D와 관련하여 전술한 것과 유사한 방식으로, 밸브 시트에 대한 밸브판의 방향성으로 인해, 팽창은 최소한의 에너지 소모만으로 일어난다. 특히, 고유의 압력차로 인해 밸브4121 및 4122는 닫히도록 바이어스 된다.
밸브 구동에 에너지가 낭비되는 것을 피하기 위해, 팽창된 후에, 실린더 내의 가스가 낮은 압력측의 압력과 거의 동일해지도록 시스템이 디자인된다. 이러한 압력 균형에 의해 도41C-D의 밸브4121와 팽창 과정 동안 피스톤의 이어지는 스트로크에서 밸브4120를 구동하는데 필요한 에너지를 줄어든다.
또한, 피스톤4124이 스트로크의 바닥에 도달하기 전에, 도41C 의 밸브4121는 닫혀 있을 수 있다. 피스톤이 계속 그 스토크의 바닥으로 이동함에 따라, 제2챔버에 남아있는 공기는 압축된다. 밸브가 닫히고 이에 따라 챔버 내의 최종 압력이 매니폴드의 압력과 거의 동일해진다. 그 결과, 밸브를 개방하는데 필요한 에너지가 감소하고, 가스가 일을 발생시키지 않고 팽창하면서 압력이 저하하는 경우에 발생할 수 있는 손실도 줄일 수 있다. 다른 실시예에서는, 물이 밸브 (미도시)를 통해 챔버4113b로 유입됨으로써 밸브4123 내의 압력을 동일하게 만든다.
도의 실린더와 밸브 구성은 시스템 장애가 발생할 경우에 자동으로 압축 모드로 전환되며, 이는 또 다른 장점을 낳는다. 밸브 구동 명령이 컨트롤러로 입력되지 않은 상태에서는, 피스톤의 계속되는 이동으로 인한 실린더 내의 상대적인 압력차는, 디폴트로 밸브4120-4123 가 낮은 압력측으로 부터 실린더로 유입되도록 한다. 그 결과, 안전 모드 (in the failsafe mode)의 압축이 일어나며, 서서히 흡수되어 시스템내에 남아있는 운동 에너지를 이용하여 압축이 진행되다가, 시스템이 멈추게 된다.
도41A-D 에 도시된 밸브 및 실린더 구성은 열 교환을 위해 액체를 가스에 주입하는 시스템에서만 사용되는 것으로 용도가 한정되지는 않으며, 그러한 액체 주입을 필요로 하지 않는 시스템에도 채용될 수 있다. 또한, 도41A에 도시된 밸브 및 실린더 구성은 실린더가 압축 및 팽창의 기능을 모두 수행하는 시스템 뿐만 아니라 전용 압축기 또는 전용 팽창기 시스템에도 채용될 수 있다.
도41A-D 의 실시예에서는 가스 유량 밸브가 솔레노이드에 의해 선택적으로 구동되는 것으로 나타나 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 액체 주입을 위해 어떠한 타입의 밸브든 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 적합한 액체 주입용 밸브의 예로는, 솔레노이드 구동 밸브, 스풀 밸브, 게이트 밸브, 실린더형 밸브, 니들 밸브, 포핏 밸브 (solenoid-actuated valves, spool valves, gate valves, cylindrical valves, needle valves, or poppet valves) 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명에 적합한 가스 유량 밸브의 또 다른 예로는 서보 루프를 포함하는 보이스 코일 구동 밸브 (voice coil-actuated valve that includes a servo loop)가 있다. 이러한 밸브 구조를 사용하게 되면, 구동시에 속도 프로파일을 제어할 수 있는 잇점이 있다. 예를 들어, 정지하기 전에 판의 이동 끝 지점에서 속도를 줄일 수 있고, 이로써 밸브 구성요소에 걸리는 스트레스를 줄일 수 있다.
밸브 댐핑 방식도 가능하다. 예를 들어, 어떤 실시예는 반대되는 부재상에 증가된 면적에 대응하여, 밸브 몸체 또는 밸브 시트내에 공기 쿠션, 딤플, 실린더형 구멍, 및/또는 다른 기하학적 함몰 패턴 (air cushions, dimples, cylindrical holes, and or other geometries of depression)을 형성할 수 있다. 이로써, 밸브 시트쪽으로 접근함에 따라, 밸브의 이동 가능 부재의 이동 에너지의 일부를 흡수하는 공기 스프링 (air spring)이 형성된다.
가스 유량 밸브의 다른 실시예에 따르면, 공진식으로 구동될 수 있으며, 그 예로는, 비례형 공진 공기 밸브 (proportional pneumatic air valve)를 들 수 있다. 다른 실시예에서는, 상기 밸브는 유압식으로 구동될 수 있으며, 예를 들어, 고압 유압 밸브 (high pressure hydraulic valve)가 될 수 있다.
도41A-D에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 밸브의 개방 및 폐쇄 타이밍을 보여주고 있으나, 반드시 이러한 타이밍이 필요한 것은 아니다. 다른 실시예에 따르면, 밸브의 다른 타이밍도 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위에 있다.
예를 들어, 도49A-C 는 압축 및 팽창이 이루어지고 있는 챔버의 압력과 부피의 관계를 보여주고 있다. 이러한 도표는 예시적인 것이며, 이상적인 상태의 것이며, 밸브 손실을 포함하지 않는 것이다. 특히, 도49A는 압축 사이클이 진행되고 있는 챔버 내의 부피 대비 압력을 도시한다.
제1피스톤 스트로크 동안, 피스톤은 시간 t1에서 상부 사점 중앙 (Top Dead Center (TDC))으로 부터 움직여서, 시간t3에서 하부 사점 중앙 (Bottom Dead Center (BDC))에 도달한다. 시간t1 에서, 챔버 내의 부피는 피스톤 헤드가 상부사점 (TDC)에 있을때 챔버 내에 존재하는 클리어런스 부피 (clearance volume (VC))이다. 시간t3에서, 챔버 내의 부피는 피스톤이 하부사점 위치에 있을 때의 부피 (VBDC)이다.
시간t1과 시간t3 사이의 시간t2에서, 챔버 내의 압력은 낮은 압력측의 압력보다 낮다. 따라서, 밸브이 개방되고, 유입 압력 (Pin)에서 가스가 낮은 압력측으로 부터 챔버로 유입된다.
제1피스톤의 스트로크의 끝지점 (time t3)에서, 밸브는 폐쇄된다. 피스톤의 다음 스트로크에서, 피스톤은 반대방향으로 (BDC에서 TDC로) 움직이기 시작해서, 가스를 챔버 내에서 압축한다. 시간t4에서, 챔버 내의 압력은 높은 압력측의 출구압력 (Pout) 에 이르게 된다. 챔버와 높은 압력측 사이의 밸브가 이어서 개방되고, 피스톤은 계속 움직여서 압축된 가스를 높은 압력측으로 흘려보낸다.
시간t5에서, 피스톤은 제2스트로크의 끝에 도달한다. 챔버와 높은 압력측 사이의 밸브는 폐쇄되고, 이어서 피스톤은 반대방향으로 이동하기 시작하여 다른 압축 사이클이 개시된다.
도49A에 개시된 압축 사이클의 밸브는 효율적으로 작동한다. 특히, 챔버 내부의 압력이 낮은 압력 측의 압력과 같아지면, 제1밸브가 개방 (시간t2 에서)된다. 따라서, 밸브의 구동에 에너지 소모가 거의 없다. 더구나, 이 지점에서 압력 균형으로 인해, 가스가 낮은 압력 측에서 챔버로 흘러 나오는데 낭비되는 에너지가 최소화된다.
마찬가지로, 챔버 내의 압력이 높은 압력 측의 압력과 같아지면, 시간t4에서 제2밸브가 개방된다. 따라서, 밸브의 구동에 거의 에너지가 소모되지 않는다. 이러한 압력 균형으로 인해, 가스를 챔버에서 높은 압력 측으로 이동시키는데 낭비되는 에너지가 최소화된다.
도49B은 통상의 팽창 사이클이 진행되는 챔버 내에서, 압력과 부피의 관계를 나타낸다. 통상의 팽창 사이클에서, 제1 피스톤 스트로크 동안, 시간t1에서 피스톤은 상부사점 TDC 중앙에서 움직이고, 시간t3에서 하부 사점 중앙BDC에 도달한다. 시간t1 에서, 챔버 내의 부피는 클리어런스 부피 (VC)이다. 시간t3에서 챔버 내의 부피는 VBDC이다.
시간t1에서, 챔버와 높은 압력측 사이의 밸브는 개방된다. 압력차가 존재하는 덕분에, 가스는 밸브를 거쳐 신속히 챔버로 이동하여 가능한 부피만큼 팽창하고, 이로써 시간t2에서 압력은 급격히 Pin이 된다. 챔버 내의 공기는 시간t2과 시간t3, 사이에서 팽창하고, 피스톤은 BDC로 이동한다.
제1피스톤 스트로크의 끝 (시간 t3)에서, 그 밸브는 폐쇄되고, 챔버와 낮은 압력 측 사이의 밸브는 개방된다. 챔버 내의 압력은 급격히 저하해서 Pout가 된다. 다음 스트로크에서, 피스톤은 반대방향으로 (BDC으로 부터 TDC로) 이동하여 팽창된 가스를 챔버로 부터 낮은 압력 측 (Pout)으로 배기한다.
시간t5에서, 피스톤은 제2스트로크의 끝에 도달한다. 출구 밸브는 닫히고, 피스톤은 반대방향으로 움직이기 시작하면서 또 다른 팽창 사이클이 시작된다.
도49A의 압축 사이클과는 반대로, 도49B에 도시된 통상의 팽창 사이클에서 밸브는 덜 효율적으로 동작한다. 특히, 압축된 공기의 에너지는 복구시-공기가 챔버에 유입되는 동안 및/또는 팽창된 공기가 챔버로 부터 배기되는 동안-에 손실된다.
예를 들어, 높은 압력 측과 챔버 사이의 밸브가 개방되는 시점에서 (시간 t1에서) , 압력 차가 존재한다. 밸브는 이 압력차에 대항하여 구동되어야 하며, 따라서 에너지가 소모되고, 효율성이 저하된다. 더구나, 압축 공기내의 가용한 에너지가 시간t1 과 시간t2 사이에서 챔버로 급격히 흘러가면서 소모된다. 이 에너지는 소모되어 버림으로써, 피스톤의 이동으로도 복구되지 못하며, 따라서 추가적인 시스템 효율성이 저하된다.
팽창된 공기가 챔버에서 흘러나오는 과정에서도 효율성이 저하된다. 특히, 시간t3에서 챔버와 낮은 압력 측 사이에 있는 밸브의 구동시에, 챔버 내의 압력은 낮은 압력 측의 압력보다 높아질 수 있다. 이 경우에, 밸브는 이러한 압력차에 대항하여 구동되어야 하고, 그 과정에서 에너지를 소모하며, 그 결과 효율성이 저하된다. 또한, 또한 가스의 가용한 에너지는 가스가 시간t3 과 시간t4 사이에서 낮은 압력 측으로 흘러가는 과정에서도 소모된다. 이렇게 소모된 에너지는 피스톤 운동으로 복구되지 않으며, 따라서 추가적으로 시스템 효율성이 저하된다.
따라서, 본 발명의 실시예는 팽창 모드에서 밸브의 구동을 제어하여 효율성을 높인다. 도49C에 나타난 점선은 본 발명에 따른 팽창 사이클에서의 압력-부피 관계를 보여준다.
도49C의 그래프는 밸브의 개방 타이밍이 피스톤의 스트로크가 끝나는 지점과 반드시 동일할 필요가 없다는 점을 제외하는고는 도49B와 유사하다. 예를 들어, 피스톤이 BDC에 이르기 이전에, 시간t3에서 높은 압력 측과 챔버 사이의 밸브는 닫혀있다. 이러한 구동 타이밍으로 인해, 적은 양의 가스가 팽창을 위해 유입되고, 팽창 스트로크의 끝지점에서 챔버 내의 가스의 압력은 낮은 압력 측과 비슷 (match)해진다. 이렇게 감소된 압력차로 인해, 챔버와 낮은 압력 측 사이에 있는 밸브는 낮은 에너지로 구동되고, 따라서 챔버 내에서 팽창된 가스의 낮은 압력측으로의 급격한 흐름을 인한 에너지 손실을 방지한다.
TDC에 이르기 전에, 시간t1에서, 챔버와 낮은 압력 측 사이의 밸브는 닫혀 있다. 이러한 밸브 구동 타이밍으로 인해, 높은 압력 측과 챔버 사이의 밸브가 다시 개방될 때, 약간의 가스가 챔버 내에 남아 있다. 이러한 잔존 가스는 압축 가스가 챔버로 흘러가는 시점에서 압력차를 낮추는데 기여한다. 압력차가 낮아지면, 유입 밸브가 개방된 시점에서 압축된 공기가 챔버로 흘러들어가는 속도가 느려지고, 따라서 팽창에 의해 더 많은 가용 에너지가 복구에 이용될 수 있다. 압력차가 낮아짐으로써, 압력차에 대항하여 밸브를 구동하여 압축 가스를 팽창을 위해 챔버로 이동시키기 위는데 필요한 에너지도 줄어든다.
도49B의 커브에서 추출된 파워량은 도49C에서 얻은 것보다 크지만, 효율성은 낮다. 밸브 타이밍을 제어함으로써, 도49B와 도49C 사이의 중간에 있는 커브를 얻을 수 있고, 이 경우 시스템에서 파워 출력과 효율성은 트레이드 오프 관계에 있게 된다.
도41EA-EE 는 본 발명의 일실시예에 따른 팽창 모드 동안 밸브의 개폐 타이밍을 보여준다. 도41EA-EE는 설명의 편의상 실린더의 벽 끝에 밸브가 배치되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 도41-41D에 보여진 바와 같이, 피스톤 헤드가 이를 수 있는 한 최대한 위쪽에 가깝게 챔버 내의 어디에든 위치할 수 있다.
도41EA에서, 피스톤4124은 실린더4112 상부로 접근하고, 이전의 피스톤 스트로크에 의해 팽창된 가스는 열린 밸브4120를 거쳐 낮은 압력 측으로 배기된다. 도41EB에 도시된 바와 같이, 피스톤이 팽창 스트로크의 끝에 이를때까지 밸브4120는 개방된 상태로 유지되고, 이렇게 팽창된 공기는 배기된다.
그러나, 밸브4120의 구동 타이밍으로 인해 시스템에서 에너지 손실이 발생할 수 있다. 도41EC에 도시된 바와 같이, 다음 (아래쪽으로의) 피스톤 스트로크의 시작 시점에서, 높은 압력측과 교통하는 밸브4122 가 개방되고, 높은 압력 가스가 챔버로 흘러들어온다. 이와 같이, 높은 압력 가스의 급격한 유입에 관련된 에너지는 이어지는 팽창에서 손실되고, 따라서 파워 출력이 감소된다.
도41ED의 또 다른 밸브 타이밍 방식에 따르면, 이러한 에너지 손실은 피스톤 헤드가 실린더의 꼭대기에 도달하기 전에 밸브412를 닫음으로써 방지할 수 있다. 이러한 구성에서, 실린더에 남아 있는 팽창된 가스4185는 피스톤이 상부로 계속 이동되는 과정에서 압축된다. 이러한 압축에 의해, 도41EE에서 밸브4122가 뒤이어 개방되면, 실린더 상부의 압력이 상승되고, 이로써 압력차가 줄어든다. 이런 식으로, 유입되는 가스는 낮은 속도로 흐르게 되고, 따라서, 압력 차로 인한 에너지 손실은 줄어든다.
도41ED-41EE 의 방식은 또한 밸브의 구동에 소모되는 에너지를 줄일 수 있다. 개방하기 위해, 솔레노이드4122는 높은 압력 측에 의해 행사되는 힘에 대항하여 밸브4122의 판을 이동시켜야 한다. 그러나, 밸브4120를 미리 폐쇄함으로써 실린더 내의 역압력이 높아진 결과, 추가적인 바이어스가 일어나서 밸브4122의 개방시에 밸브판의 이러한 이동을 도울 수 있다.
전술한 밸브 타이밍 방식은 실린더에 남아있는 잔류 가스를 이용함으로써, 팽창 동안 피스톤 스트로크의 끝에서 압력 차를 줄인다. 이러한 방식 대신, 또는 이러한 방식과 결합하여, 액체를 실린더에 주입함으로써 압력차를 줄일 수 있다.
도 41FA-41FC는 이러한 실시예를 나타내는 단면도이다. 도41FA에서, 피스톤은 실린더의 상부로 접근하고, 팽창된 공기는 밸브4120를 거쳐 낮은 압력 측으로 배기된다. 도41FB에서 피스톤이 실린더 상부에 이르기 전까지 밸브4120 는 닫혀있다. 물과 같은 액체4187는 저장소4119로 부터 밸브4117를 거쳐 실린더로 유입된다. 액체 저장소는 남은 가스가 차지할 수 있는 실린더 내의 가용 부피를 줄어들게 하고, 이로써, 남은 가스가 높은 압력으로 더 쉽게 압축 될 수 있도록 한다. 도41FC에 보여진 바와 같이, 피스톤이 다음 스트로크에서 하강함에 따라, 물이 존재함으로써 증가된 실린더 내의 압력으로 인해 밸브4122 의 압력 차가 줄어들고, 그 밸브가 개방되어 가스가 높은 압력 측으로 부터 흘러가게 하는데 소모되는 에너지 손실도 줄어든다. 만약 압력차가 줄어들어서 영 (zero)가 되면, 자유 팽창 (free expansion)은 일어나지 않고, 따라서 효율성은 극대화된다.
액체는 여러가지 방법으로 실린더로 공급될 수 있다. 일 실시예 (예를 들어, 액체 주입을 통해 클리어런스 부피를 줄이는 방법)에서는, 별도의 밸브를 사용하여 실린더와 액체 공급원 사이에 선택적인 교통이 가능하게 할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 실린더 내의 액체를 일부는 액체 주입으로 공급하고, 일부는 미스트 (mist) 방울로 공급할 수도있다.
어떤 실시예에서는, 액체가 실린더 내에 존재하고, 실린더 내에 공급되거나 남아있는 액체의 양은 시스템 효율성을 극대화 할 수 있는 값으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 챔버 내의 센서를 이용하여 액체 높이를 나타내고, 시스템 요소의 동작은 바로 이러한 액체량에 따라 제어할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 액체가 배수구를 통해 실린더에서 제거되고, 실린더로 부터 액체가 제거되는 속도를 프로세서 또는 컨트롤러를 이용하여 제어할 수 있다.
도 41로 돌아가서, 이 실시예는 두 개의 혼합 챔버와 맥동 방지 병을 포함하고 있다. 이와 같이 별도의 구조를 사용하는 것이 바람직할 수 있는데, 액체-가스 혼합물의 형성 조건이 팽창과 압축에서 서로 다를 수 있기 때문이다. 예를 들어, 압축 모드에서, 액체 스프레이를 받아들이는 가스의 흐름은 낮은 압력 상태에 있다. 반대로, 팽창 모드에서, 액체 스프레이가 주입되는 가스 흐름은 높은 압력 상태에 있다. 도4의 실시예에서와 같이 별개의 혼합 챔버를 사용함으로써, 다른 조건 하에서 최적의 액체 주입이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복합 압축/팽창 챔버, 전용 압축 챔버 또는 전용 팽창 챔버는 다양한 디자인의 밸브를 거쳐 상기 혼합 챔버와 (물론, 중간에 배치된 맥동 방지 병과 같은 구성요소들과도) 액체 교환한다. 도39-41D의 실시예에 도시된 바와 같이, 복수개의 밸브들에 의해 혼합 챔버와 하나 이상의 압축/팽창 챔버 (예를 들어, 실린더 내의 복동 피스톤의 존재로 정의되는 두개의 챔버)가 선택적으로 액체 교환한다.
전술한 실시예에 도시된 바와 같이, 밸브들은 솔레노이드에 의해 기계적으로 구동될 수 있으며, 상기 솔레노이드는 샤프트와 물리적으로 결합되어 밸브판을 밸브 시트에 대해 움직이게 한다. 이러한 디자인에 의해 시스템의 성능이 향상되는 잇점이 있다.
예를 들어, 도 41G은 초음파 트랜스듀서를 이용하는 밸브 디자인을 개시한다. 이 도면은 설명의 편의상 도시된 것으로서 구성 요소의 상대적인 크기나 치수는 정확하지 않다.
밸브4189는 천공 (aperture) 4193된 밸브 시트4191와, 상기 밸브 시트에 대해 이동 가능한 천공4197된 밸브판4195을 포함한다. 밸브 시트의 천공은 밸브판의 천공들과 서로 맞물려서 샹쇄 (offset)되도록 구성되며, 따라서, 이들의 결합에 의해 가스가 밸브를 거쳐 흘러가는 것이 방지된다.
밸브 시트와 밸브판이 맞물리지 않는 경우에는, 상기 요소들 사이에 충분한 공간이 존재하고, 따라서 가스가 상기 천공4197 및 4193을 거쳐 밸브를 가로질러 흐른다. 도41G에 도시된 바와 같이, 개방된 밸브를 거쳐 흘러가는 가스상에 경로는 설정하는 것은 힘들며, 급격한 회전 (sharp turn)은 노출된 표면 상에서 액체 방울4187의 난융합 (coalescence of liquid droplets ) 이 유발될 수 있다. 이러한 난융합은 압축 및 팽창하는 동안, 챔버 내의 액체 방울의 균일성을 저하시킬 수 있다. 난융합을 방지하기 위해, 밸브 판과 밸브 시트의 모서리 (edge)를 날카롭게 하여 급격한 회전을 최소화 할 수 있으나, 이것만으로는 이러한 현상을 제거하기 어렵다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는, 밸브 구조가 초음파 트랜스듀서와 교통하도록 배치한다. 상기 트랜스듀서에서 공급된 초음파 에너지는 밸브 상에서 액체의 난융합이 일어나지 않도록 방해하며, 따라서 압축 및/또는 팽창하는 동안, 열 교환을 위해 액체가 챔버 내로 잘 흘러갈 수 있도록 한다.
도41G 의 실시예에서는, 솔레노이드4177와 교통하는 샤프트4175 에 의해 밸브판4195이 밸브시트4191에 대하여 이동 가능한 구조가 개시되어 있다. 이러한 실시예에서, 초음파 트랜스듀서4173는 샤프트4175에 고정되어 있을 수 있다. 초음파 트랜스듀서4173 의 구동에 의해 초음파가 밸브판과 교통하게 되고, 밸브판은 진동하면서 액체를 분산시켜 표면에 난융합이 일어나지 못하도록 한다. 초음파 에너지는 또한 밸브시트에 도달하여 표면에서 액체 난융합이 일어나지 못하게 방해한다.
도41G의 실시예에서는, 초음파 트랜스듀서가 샤프트를 통해 밸브판과 직접 접촉하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예에서, 초음파 트랜스듀서는 밸브판 및/또는 시트와 어느정도 거리를 두고 떨어져 있을 수 있으며, 이러한 밸브 요소에 대해 가해지는 초음파 에너지 충격에 의해 이들 표면에서 액체의 난융합이 방지된다.
도의 장치에서, 초음파 트랜스듀서는 챔버로 유입되는 가스를 제어하는 밸브 구조와 초음파 교통을 하고, 있으나, 초음파 트랜스듀서의 위치는 특정한 곳으로 한정되지 않으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
예를 들어, 주입된 액체 미스트의 방울의 난융합은 밸브판 또는 밸브 시트 표면으로 한정되지 않는다. 이러한 난융합은 실린더 내부, 챔버의 벽 및/또는, 피스톤 헤드 및 피스톤 샤프트 표면에서도 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 어떤 실시예에서는, 초음파 트랜스듀서가 실린더 내부에 위치하고 있다. 이런 실시예에서, 트랜스듀서에서 발생된 초음파 에너지는 챔버 벽 및/또는 피스톤의 표면과 교통할 수 있다.
초음파 에너지를 실린더 내부로 전달하게 되면, 적어도 몇 가지 관점에서, 압축 또는 팽창 과정에서 열 교환 특성이 향상된다. 첫째, 초음파 에너지는 액체를 그 표면으로 부터 가스쪽으로 분산시키고, 따라서, 액체는 가스와 가스와 좀 더 열적 상호 작용을 잘 할 수 있다. 또한, 초음판 에너지는 난융합 액체를 파괴하여 더 작은 지름을 갖는 좀더 미세한 방울들로 만들고, 이로써 접촉 면적을 더 크게 함으로써 열 교환을 향상시킨다.
밸브 구조로 다시 돌아가서, 본 발명의 실시예는 솔레노이드 구동 밸브를 채용하는 것에 한정되지 않는다. 다른 실시예에서는, 다른 종류의 밸브를 채용할 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명에 적합한 이러한 다른 밸브 디자인의 일예로는, 서보 루프를 포함하는 보이스 코일 구동 밸브 (voice coil-actuated valve that includes a servo loop)를 들 수 있다. 이러한 밸브 구조를 사용하면, 구동 시에 속도 프로파일을 제어하는데 잇점이 있다. 예를 들어, 판이 이동하여 끝 지점에서 멈추기 전에 속도를 줄이면, 밸브 구성요소에 걸리는 스트레스를 완화할 수 있다.
밸브의 또 다른 실시예에 따르면, 공압식으로 구동되는 것을 들 수 있고, 예를 들어, 비례 공압 공기 밸브 (proportional pneumatic air valve)를 들 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 유압식으로 구동되는, 예를 들어, 고압 유압 밸브 ( high pressure hydraulic valve) 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 사용되는 밸브는 특정한 개폐 타이밍을 갖도록 디자인 될 수 있다. 예를 들어, 도41H 는 일례로서, 캠이 샤프트에 대해 회전하면서 캠 팔로워4142 및 캠 4143 의 표면4143a이 접촉하고, 이로써, 밸브판4140이 샤프트4148를 거쳐 밸브판4145 에 대해 구동되는 것을 도시한다. 캠 팔로워는 스프링4141에 의해 캠 표면과 접촉하고 있다. 이 실시예에서, 캠의 특정한 형상 및 그에 대응되는 캠 팔로워에 대한 표면의 방향성은, 폐쇄 및 개방 방향으로, 상기 밸브의 구동시의 타임 프로파일을 결정한다. 밸브 타이밍은 캠의 각도나 유효 프로파일을 바꾸는 메카니즘에 따라 달라진다.
또한, 본 발명에 따른 실시예는 2-웨이 밸브를 사용하는데 한정되지 않는다. 어떤 실시예에서는, 두개 또는 그 이상의 출력을 갖는 멀티-웨이 밸브를 통해 혼합 챔버가 복수개의 압축/팽창 선택적 액체 교환을 할 수 있다
혼합 챔버와 압축/팽창 챔버 사이에 배치되어 둘 이상의 출력을 갖는 밸브를 채용하는 시스템이 도46A에 도시되어 있다. 이러한 구성에서, 혼합 챔버4699의 출력은 맥동 방지 병 4694및 멀티-웨이 밸브4698를 거쳐 하나 또는 그 이상의 압축/팽창 챔버4602a-c와 선택적 액체 교환을 한다.
이러한 시스템 실시예는 대부분의 시간대에서, 가스/액체 혼합물이 적어도 하나 이상의 압축/팽창 챔버4602a-c로 흘러들어간다. 이와 같이 지속적으로 가스/액체 혼합물을 생성하는 혼합챔버의 동작으로 인해, 시간이 지남에 따라 혼합물의 균일성이 향상된다. 이는 압축/팽창 챔버의 요구조건이 다름으로 인해, 가스, 액체 및 가스/액체 혼합물의 흐름이 반복적으로 정지되지 되었다가 재가동 되었다가 하지 않기 때문이다.
도46B에 도시된 다른 실시예에서, 혼합 챔버4659에서 만들어진 가스/액체 혼합물은 항상 압축/팽창 챔버4654a-c중 어느 하나에 의해 만들어질 필요는 없다. 그러나, 멀티-웨이 밸브4658의 하나의 출력을 덤프4656와 액체 교환하도록 함으로써, 가스/액체 혼합물을 지속적으로 생성시키는 잇점을 얻을 수 있다. 따라서, 가스/액체 혼합물이 압축/팽창이 어느 챔버에서도 수행될 필요가 없는 경우에, 그 혼합물은 상기 혼합 챔버4659로 부터 맥동 방비 병4654을 거쳐 덤프4656로 흘러간다. 여기서 액체는 추후 사용을 위해 재주입 등을 통해 복구될 수도 있고 아닐수도 있다.
또한, 혼합 챔버 내에서 생성되고 압축/팽창 챔버로 흘러가는 가스/액체 혼합물의 특성은 팽창 사이클과 압축사이클에서 같을 수도 있고 아닐 수도 있다. 따라서, 바람직한 가스-액체 혼합물이 변하는 경우에, 변경된 액체/가스 혼합물이 균일한 상태에 이르기 전까지는, 전이상태 혼합물 (transitional mixture )을 흘려 보내는데 유리하다.
액체-가스 혼합물을 선택적으로 배출하는 경로에 대한 일 실시예가 도48A-48C에 개시되어 있다. 어떤 실시예에서는, 팽창 사이클동안, 정해진 부피의 액체-가스 혼합물이 공급되도록 밸브 구동을 정확하게 제어한다.
구체적으로, 제어된 시간 간격 동안 유입 밸브4800를 개방함으로써, 정해진 양의 공기V0가 높은 압력 측 (예를 들어, 이전 단계 또는 저장 탱크)으로 부터 챔버에 추가된다. 이러한 공기량V0은 피스톤4802 이 팽창 스트로크의 끝에 도달했을 때, 챔버4804내의 압력이 원하는 압력에 도달하도록 계산된다.
어떤 실시예에서는, 이러한 원하는 압력은 다음으로 낮은 압력 단계의 압력과 거의 동일하거나, 또는 만약 단계가 가장 낮은 압력 단계이거나 유일한 단계일 경우에는, 대기 압력과 거의 같다. 어떤 실시예에서는, 챔버 내에 원하는 압력은 다음으로 낮은 단계의 압력과 1 PSI이내, 5 PSI 이내, 10 PSI 이내, 또는 20 PSI 이내이다. 따라서, 팽창 스트로크의 끝에서, 초기 공기 부피V0 에서의 에너지는 완전히 팽창되고, 팽창된 공기를 다음으로 낮은 압력 단계로 이동시키는데 에너지가 전혀 또는 거의 소모되지 않는다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 유입 밸브는 원하는 양의 공기 (V0)가 챔버에 유입될 동안만 개방된다. 이어서, 도48B-C에 도시된 바와 같이, 밸브4800는 닫힌상태로 유지된다.
이러한 구성에서, 유입 밸브4800 는 피스톤이 팽창 스트로크를 완료하기 전까지는 닫혀있다. 또한, 유입 밸브4800 의 폐쇄 타이밍은 액체-가스 흐름이 다른 챔버 (또는 복동 피스톤의 경우에는 그 일부)로 유입되도록 하는 다른 유입 밸브와 완전히 싱크로나이즈 되지 않을 수도 있다. 따라서, 유입 밸브의 패쇄 타이밍에서, 어떤 챔버도 압축된 액체-가스 혼합물을 팽창을 위해 받아들일 준비가 안 된 상태일 수 있다. 그 결과, 이러한 실시예에서는, 시스템의 챔버가 팽창을 위해 이 흐름을 받아들일 준비가 될 때까지 (도48C참고), 계속되는 액체-가스 혼합물의 흐름을 덤프 (dump)쪽으로 경로를 변경할 수 있는 잇점이 있다.
다른 실시예에서는, 컨트롤러/프로세서가 유입 밸브4800를 제어하여 V0보다 큰 초기 부피의 공기를 팽창 챔버로 공급한다. 예를 들어, 주어진 팽창 사이클에서 더 큰 파워가 요구될 때, 이러한 명령이 내려질 수 있다. 대신에 에너지 복구의 효율성은 저하된다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 저장 및 복구 시스템 및 방법의 실시예는 프로세서 및 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체를 포함하는 호스트 컴퓨터와 함께 사용할 수 있다. 이러한 프로세서 및 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체는 장치 내에 내장되거나 및/또는 외부 입출력 장치를 통해 제어되거나 모니터 될 수 있다.
도 47은 프로세서/컨트롤러 및 다양한 입력들, 실행되는 기능들, 이러한 프로세서/컨트롤러에 의해 생성된 출력 사이의 관계를 나타내는 모식도이다. 전술된 바와 같이, 프로세서는 하나 또는 그 이상의 입력에 기초하여 장치의 다양한 동작 특성을 제어할 수 있다.
제어될 수 있는 동작 파라미터의 예로는 타이밍 및 공기와 액체가 혼합 챔버로 흘러들고 이어서 혼합 챔버로 부터 압축/팽창 챔버로 흘러가는 유량을 제어하는 밸브의 구성 등이 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 어떤 실시예서는, 혼합 챔버와 압축/팽창 챔버 사이의 밸브는 선택적으로 개방 및 폐쇄되어, 가스/액체 혼합물이 적절한 압축/팽창 챔버로 유입될 수 있도록 한다. 멀티 챔버가 혼합 챔버와 교통하는 시스템에서는, 밸브는 상기 가스/액체 혼합물이 적절한 기간동안 적절한 챔버로 유입되도록 주의깊게 제어되어야 하며, 다른 실시예에서는, 가스/액체 혼합물을 필요에 따라 덤프 (dump)로 이동시킨다.
상기 혼합 챔버와 상기 압축/팽창 챔버 사이의 챔버의 동작 타이밍은 또한 정해진 양의 가스와 가스/액체 혼합물이 상기 압축/팽창 챔버로 유입될 수 있도록 제어될 필요가 있다. 이는 도48A-C를 참고하여 이미 설명하였다.
밸브의 개폐 타이밍은 또한 압축 기간동안 주의깊게 제어된다. 예를 들어, 본 발명의 실시예는 바람직한 조건하-예를 들어, 실린더 내에 축적된 압력이 다음 단계 또는 최종 단계의 압력에 대해 일정 양만큼 초과하는 경우-에서 압축기의 유출 밸브를 정확하게 개방하기 위해서 컨트롤러/프로세서를 이용한다. 이런 식으로, 실린더 내의 압축된 공기의 에너지는 (종래의 체크 밸브가 하듯이) 상기 유출 밸브를 구동하는데 소모되지 않고, 압축 공기에 저장된 에너지는 나중에 팽창에 의해 복구될 수 있도록 유지된다.
압축기 및/또는 팽창기이 유입 및 유출 밸브의 동작 타이밍은 전술한 바와 같이 제어되며, 어떤 실시예에서는 다른 밸브, 또는 밸브 이외의 시스템 구성요소도 유사하게 제어될 수 있다. 예를 들어, 프로세서에 의해 제어될 수 있는 시스템 파라미터의 다른 예로는, 챔버로 유입되는 액체의 양을 들 수 있다. 하나 또는 그 이상의 값-압력, 습도, 계산된 효율성 등- 에 기초하여, 압축 또는 팽창 기간 동안, 챔버에 유입되는 액체의 양은 동작 효율성을 유지할 수도 있도로 주의깊게 제어된다. 예를 들어, 보다 큰 공기량이 팽창 사이클 동안 챔버로 유입되면, 팽창하는 공기를 바람직한 온도 범위로 유지하기 위해 액체가 추가될 필요가 있다. 이는 액체 저장소를 스프레이 노즐과 연결하는 밸브 또는 액체를 스프레이 노즐로 흘려보내는 펌프를 제어하는 프로세서를 이용하여 수행할 수 있다.
다단계 시스템 ( Multi - Stage System )
어떤 실시예는 단일 단계에서 압축기 또는 팽창기를 사용한다. 그러나, 다른 실시예에서는, 하나 이상의 압축 및/또는 팽창 단계를 채용할 수 있다.
예를 들어, 기계적 또는 유압식 방법으로얻어지는 - 이에 의해 기계적 파워가 시스템으로 또는 시스템으로 부터 이동되는 질 수 있는-것 보다 더 큰 압축/팽창비가 요구되는 경우, 다단계 방식이 사용된다. 기계적 또는 유압식 방법
도42A는 삼단계로 (즉, 1단계 4224a, 2단계 4224b, 및 제3단계 4224c)
공기를 압축하여 탱크4232내에 저장하는 다단계 시스템4220의 일례를 도시하는 모식도이다. 더 많거나 적은 단계를 갖는 시스템도 유사하게 구성된다. 도42A에 개시된 시스템4220 에서, 다단계 실시예에서는, 하나의 압축 단계의 출력이 연속된 압축단계의 유입구로 흘러간 후, 또 다시 압축되는 과정이 계속되며, 이는 저장을 위한 원하는 최종 압력에 도달할 때까지 계속된다. 이런식으로 가스는 몇 차례의 단계에서 압축되어 한번의 단계로는 도달하기 어려운 최종 압력에 도달한다.
도42B는 본 발명에 따른 다단계 전용 압축 장치4200의 실시예를 도시한다. 특히 도42B는 제1단계, 제2단계 및 제3단계 저장 유닛을 포함하는 시스템4200을 도시한다. 제1단계4202는 압축 챔버 모듈C01을 거쳐 분리 모듈B1 과 액체 교환하는 혼합 챔버 모듈A0 을 포함한다. 제1단계4202는 공기 필터4250를 통해 공기를 받아들여 압축한다.
제1단계4202는 이어서 제2단계4204와 액체 교환한다. 제2단계는 압축 모듈C12을 거쳐 분리 모듈B2과 액체 교환하는 혼합 챔버 모듈A1을 포함한다. 제2단계420는 이어서 저장 유닛4232과 액체 교환하다.
도42BA, 42BB, 및 42BC 는 도42B의 다단계장치의 다른 구성요소 모듈의 단순도이다. 혼합 모듈Ax은 혼합 챔버4208와 액체 교환하는 가스 유입구4206를 포함한다. 혼합 챔버4208는 액체 유입구4213를 통해 액체를 공급 받아, 그 액체를 매너폴더4210와 스프레이 노즐4212을 통해 흐르는 가스에 주입한다. 혼합 모듈은 유출구4216와 액체 교환하는 맥동 방지 병4214을 더 포함한다.
분리 모듈By이 도42BB에 도시되어 있다. 분리 모듈은 액체-가스 분리기4232와 액체 교환하는 유입구4230를 포함한다. 분리기에 의해 분리된 액체는 액체 저장소4234로 흘러간다. 분리기로 부터 나온 가스는 상기 분리 모듈의 유출구4236로 흘러간다. 펌프4238는 저장소의 액체를 액체 유출구4240로 이동시킨다.
압축 모듈Cxy i이 도42BC에 개시되어 있다. 압축 모듈의 구성에 대한 일 실시예가 도41-41B를 참조하여 전술되어 있다. 특히, 압축 모듈은 유입구4252와 액체 교환하며, 밸브4256a 및 4256b를 통해 실린더4254와 액체 교환하는 도관4250을 포함한다. 도관4258은 밸브4257a 및 4257b를 통해 실린더4254와 액체 교환하며, 유출구4259와 액체 교환한다.
복동 피스톤4255은 실린더4254 내부에 배치되어 있다. 복동 피스톤은 에너지 소스 (미도시)와 교통하고 있으며, 실린더 내에 존재하는 가스를 압축한다. 이러한 압축에 대해서는 도39-39B 및41-41B를 참조하여 전술된 바 있다.
다단계 전용 압축 장치4200의 제1단계4202에서, 분리 모듈B1 의 액체 출구 는 제1 열 교환기H.E.01를 통해 혼합 모듈A0과 액체 교환하고 있다. 다단계 전용 압축 장치4200의 제2단계4204에서는, 분리 모듈B2의 액체 출구가 제2 열 교환기H.E.02를 거쳐 상기 혼합 모듈A1의 액체 유입구와 액체 교환하고 있다.
도42B 의 실시예에서는 한 단계에서 발생한 압력차를 이용하여 액체 주입을 촉진시킨다. 구체적으로, 도42B 의 실시예에서는, 분리된 액체가 다시 이전의 낮은 압력 단계의 감소된 압력을 갖는 가스 흐름 속으로 다시 흘러 들어 간다. 이로써, 액체 주입에 필요한 힘이 감소되며, 따라서, 액체를 흘려보내기 위해 펌프에 의해 소모되는 파워가 줄어든다.
본 발명에 따른 전용 다단계 압축 장치는 도42B에 도시된 특정한 실시예에 한정되지 않는다. 도42B의 실시예에서는 분리된 액체가 개별 단계의 가스 흐름속으로 재주입되어 재활용되고 있으나, 본 발명이 반드시 그래야 할 필요는 없다.
도42C 는 본 발명에 따른 다른 실시예로서, 전용 다단계 압축 장치를 도시한다. 이 실시예에 따른 시스템4260에서, 제1단계의 혼합챔버4262 로 주입된 액체는 이어서 분리기에 의해 분리된 후, 다음 단계의 혼합챔버4266로 흘러가서 주입된다. 이러한 구성에 의해 탱크4268내에 최종 분리된 액체가 모인다.
도42A-C 는 두 단계에 걸친 압축을 보여주나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 다른 실시예에서는, 몇 단계에 걸쳐 압축이 수행될 수 있으며, 하나의 팽창 단계의 출력은 연속된 팽창 단계의 유입구로 흘러들어 추가로 팽창되고, 이러한 상태는 압축된 가스로 부터 일정량의 에너지가 복구될 때까지 계속된다. 이러식으로, 한단계의 팽창만으로는 얻기 어려운 에너지가 다단계에 걸쳐 팽창된 가스로 부터 복구될 수 있다.
도43는 본 발명의 일 실시예에 따른 다단계 전용 팽창 장치를 도시한다. 도43 의 장치는 저장 유닛4332, 제1단계4362 및 제2 단계4364를 갖는 장치4360를 도시한다. 제1단계4362는 팽창 모듈E34을 통해 분리 모듈B4 과 액체 교환하는 혼합 챔버 A3 를 포함한다. 제1단계에서는 압축을 위해 저장 유닛으로 부터 공기를 공급 받는다.
제1단계4362는 이어서 제2단계4364와 액체 교환한다. 제2단계4364는 팽창 모듈E23을 통해 분리 모듈B3 과 액체 교환하는 혼합 챔버 모듈A2 을 포함한다. 제2단계4364 는 이어서 유출구4357와 액체 교환한다.
다단계 전용 팽창 장치4360의 상이한 구성 요소 모듈은 전술한 도42BA 및 42BB 에 도시되어 있다. 전용 팽창 장치4360는 도43A에 도시된 팽창 모듈Exy 을 더 포함한다.
이러한 팽창 모듈의 구성 및 동작에 대한 일 실시예는 도41 및 41C-D를 참조하여 이미 자세히 설명하였다. 상기 팽창 모듈은 유입구4352와 액체 교환하며, 또 밸브4366a 및 4366b를 통해 실린더4354와 액체 교환하는 도관4350을 포함한다. 도관4358은 밸브4367a 및 4367b를 통해 실린더4354와 액체 교환하고, 유출구와 액체 교환하다.
복동 피스톤4355 이 실린더4354내에 위치한다. 복동 피스톤은 기계적 파워를 에너지로 변환하는 장치 (미도시), 예를 들어, 발전기와 교통하고 있다. 실린더 내에서 공기가 팽창함으로써, 피스톤을 구동하여 이동시킨다. 이러한 팽창은 도40-40B, 41, 및 41C-D 에서 전반적으로 도시되고 있다.
다단계 전용 팽창 장치4360의 제1단계4362에서, 상기 분리 모듈B4 의 액체 유출구는 제1열 교환기H.E.43를 거쳐 혼합 모듈A3의 액체 유입구와 액체 교환한다. 다단계 전용 팽창 장치4360의 제2단계4364에서, 분리 모듈B3 의 액체 출구는 제2열 교환기H.E.32를 통해 혼합 모듈A2과 액체 교환을 한다.
본 발명에 따른 전용 다단계 팽창 장치는 도43에 도시된 실시예에 한정되지 않는다. 도43에 개시된 실시예에서는 분리된 액체가 개별 단계에서 가스 흐름 속으로 재주입되어 재활용되는 장치가 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도43B는 본 발명에 따른 전용 다단계 팽창 장치의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에 따른 시스템4300에 있어서, 제1단계의 혼합 챔버4302로 주입된 액체는 이어서 분리기4304에 의해 분리된 후, 다음 단계의 혼합 챔버 4306로 주입된다. 이러한 구성으로 인해 탱크4308내에 최종적으로 분리된 액체가 모인다.
도43B의 실시예에서는, 액체가 단계에서 형성된 압력 차에 대항하여 주입될 필요가 없다. 도43A의 실시예에서, 분리된 액체는 이전의 높은 압력 단계의 상승된 압력을 갖는 가스 흐름속으로 다시 역으로 흘러들어간다. 반대로, 도43B의 실시예에서는, 분리된 액체는 다음 단계의 주입구로 들어가는 팽창된 가스로 흘러가며, 이로써 액체를 흘려보내기 위한 펌프 작동 에너지는 줄일 수 있다.
지금까지는 다단계 장치의 실시예는 전용 압축 또는 팽창에 대한 것이었으나, 본 발명에 따른 다른 실시예에서는 압축과 팽창을 모두 수행하는 것도 가능하다. 도44는 이러한 압축과 팽창이 모두 가능한 이 단계 장치 (two-stage apparatus)의 실시예이다.
도44 의 실시예는 다수의 구성요소가 결합되어 압축과 팽창을 모두 수행할 수 있는 시스템이 만들어진다. 시스템의 하나의 특징은 3-방향 밸브4404를 거쳐 시스템4400의 특정 요소들이 연결된 점이다. 도44 는 3-방향 밸브를 도시하며, 압축 모드는 실선으로, 팽창모드는 점선으로 표시되어 있다.
시스템4400의 하나의 특징은 압축 및 팽창 모드에서 액체 주입을 위해 동일한 혼합 챔버4405를 사용한다는 것이다. 구체적으로, 압축 동안, 혼합 챔버4405는 이전 단계에서 압축에 의해 높은 압력 상태에 있는 가스로 액체를 주입하는데 이용된다. 팽창 동안, 혼합 챔버4405는 제1단계에서 높은 압력 가스로 액체를 주입하는데 이용된다. 압축 및 팽창에 모두 공통으로 이용되는 혼합 챔버를 갖는 다단계 장치에서, 상기 혼합 챔버로 흘러가는 주입 가스의 압력은 원하는 가스-액체 혼합물을 얻을 수 있도록 거의 동일하다.
이 시스템4400의 또 다른 특징은 하나 또는 그 이상의 방향 (여기서는, d 방향을 따라)으로 길게 늘어진 형상의 (elongated) 맥동 방지 병4406을 사용한다는 점이다. 이와 같이 길게 늘어진 형상의 맥동 방지 병4406으로 인해 상기 병과 인접한 구성 요소들이 복합적으로 연결되며, 이러한 인접 구성 요소와 액체 교환하는 도관의 길이가 짧게 유지될 수 있다.
구체적으로, 맥동 방지 병의 크기는 상대적으로 큰 부피의 액체-가스 혼합물을 공급받을 수 있도록 한다. 이러한 부피는 액체 방울이 주요 가스 흐름에 더 많이 노출되고, 상대적으로 상기 병의 벽 (wall)의 표면에는 낮은 비율로 노출되도록 조절된다. 액체 방울이 벽에 적게 노출되도록 함으로써, 액체 방울은 가스 흐름에 분산된 상태로 남아 있을 수 있고, 따라서, 표면에 뭉쳐 있을 때에 비해 열 교환이 보다 원활해진다.
도44 는 길기 늘어진 형상의 맥동 방지 병을 도시하는 모식도이다. 그러나 맥동 방지 병의 형상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 맥동 방지 병의 다른 실시예로서, 하나 또는 그 이상의 로브 또는 또 다른 길게 늘어진 요소를 포함할 수 있다.
길게 늘려진 형상의 이러한 맥동 방지 병을 사용하지 않는 경우에는, 대응되는 좀 더 복잡한 형태 (예를 들어, 길이를 더 길게 하거나 및/또는 굴곡을 더 많이 주거나)의 도관으로 다른 시스템 요소들을 상기 병에 결합시킬 수 있다. 이러한 복잡한 도관을 사용하면, 위치에 따라 압력이 달라져서 액체-가스 혼합물의 균일성이 저하된다.
압축 모드 동작 중에는, 가스는 유입구4450 를 통해 시스템에 들어가며, 두개의 연속된 액체 주입 및 압축 단계에 노출되고, 이어서 저장 유닛4432으로 흘러간다. 분리된 액체는 탱크 내에 축적되고, 상기 탱크는 열을 보존하기 위해 절연되어 있고, 이후 재주입 되어, 팽창 모드에서 근-등온적 팽창이 이루어진다.
구체적으로, 팽창 모드에서, 저장 유닛에 나온 압축 가스는 두개의 연속된 액체 주입 및 팽창 단계에 노출된 후, 시스템 유출구4434로 빠져 나간다.
분리된 액체는 탱크4436에 모이며, 다시 재주입되어, 압축 모드에서 근사-등온적 압축이 일어나도록 한다.
도44의 시스템의 실시예에서, 분리된 액체 흐름은 다른 단계를 거쳐 도42C (전용 압축기) 및 도43B (전용 팽창기)의 실시예에서와 유사한 방식으로 최종 분리기에 축적된다. 이러한 실시예에서는, 액체 저장소는 발생되는 액체 흐름의 방향성에 맞출 수 있을 정도로 커야 한다.
도45는 본 발명의 일 실시예에 따른, 압축 및 팽창을 모두 수행하는 다단계 장치를 보이는 단순 모식도이다. 시스템4500은 도44의 실시예의 변형으로서, 분리기 구성요소와 혼합 챔버들 사이에 추가적인 3-방향 밸브4502와 추가적인 도관이 배치되어 있다. 도45는 3-방향 밸브의 구성을 도시하며, 압축 모드는 실선으로 표시되고, 팽창 모드는 점선으로 표시되어 있다.
도45 의 실시예가 추가적인 밸브와 도관들을 더 포함하고 있으나, 일부 요소는 생략할 수 있다. 구체적으로, 압축과 팽은 동시에 일어나지 않기 때문에, 도44의 세 개의 열 교환기와 펌프가 동시에 사용될 필요는 없다. 따라서, 시스템 4500은 도44의 세 개의 열 교환기와 세 개의 펌프 대신, 단지 두 개의 열 교환기 (H.E.1 and H.E.2) 와 두 개의 펌프 (4504)를 사용한다.
또한, 도45의 실시예에서는, 단계로 유입되는 액체의 순환이 제한된다. 따라서, 액체는 흐름은 하나의 저장소에 모이는 것이 아니며, 액체 저장소는 도44의 실시예만큼 크게 만들 필요가 없다.
요약하면, 본 발명에 따른 다양한 실시예는 하나 또는 그 이상의 다음 요소를 결합할 수 있다.
1. 가스의 압축 및/또는 팽창이 일어나는 챔버의 업스트림 (upstream )에서 가스와 액체를 혼합하는 혼합 챔버의 사용.
2. 압축과 팽창이 일어나는 챔버와 혼합 챔버 사이에 맥동 방지 병의 사용.
3. 가스/액체 혼합물을 압축/팽창 챔버에 지속적으로 흘려보내거나 또는 필요하지 않은 경우에는 덤프로 흘려보냄으로써, 혼합 챔버 내에서 가스/액체 혼합물의 지속적인 생성.
4. 가 압축/팽창이 일어나는 것과는 별도의 혼합 챔버를 이용하고, 액체 상태를 기체와 높은 면적으로 접촉시켜 필요한 열 교환을 하며, 가스의 근사-등온적 팽창 및 압축을 수행.
5. 공기의 압축 및 팽창이 가능한 메카니즘.
6. 주어빈 부피의 압축된 공기의 팽창으로 부터 높은 일 출력을 얻을 수 있도록 밸브 타이밍을 전기적으로 제어.
여기에 개시된 다양한 구조는 기계적 형태의 파워를 생산하거나, 유압 또는 피스톤의 복동 운동을 위한 것이다. 그러나, 대부분의 응용에 있어서, 요구되는 것은 전기 예너지를 저장하는 것이 될 것이다. 그 경우에, 적합한 파원 컨디셔닝 전기장치와 함께 발전기가 팽창 동안 시스템에서 공급되는 기계적 파워를 전기적 파워로 변환하는 데 이용된다. 마찬가지로, 압축 동안 시스템에 요구되는 기계적 힘은 모터에 의해 공급될 수 있다. 압축 및 팽창은 동일 챔버에 의해 동시에 진행되지 않으므로, 어떤 실시예에서는, 모터/발전기가 이러한 두가지 기능을 모두 수행할 수 있다.
만약 에너지 저장 시스템이 유압 모터 또는 증기 터빈을 이용하면, 그 장치의 샤프트가 직접 또는 기어 박스를 통해 상기 모터/발전기에 연결될 수 있다.
만약 에너지 저장 시스템이 복동 피스톤을 이용한다며, 복동 운동을 샤프트 토크로 변환할 수 있는 크랭크 샤프트 또는 다른 기계적 연결 부재가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 모든 단계에서 혼합 챔버를 필요로 하는 것은 아니다. 어떤 실시예에서는, 혼합 챔버가 일부 단계에서만 채용될 수 있고, 또 다른 실시예에서는, 혼합 챔버가 아닌 다른 것을 이용하여 가스를 압축/팽창 챔버로 공급할 수 있다. 예를 들어, 미스트 또는 스프레이를 압축/팽창이 일어나는 챔버로 직접 주입할 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 스프레이가 아닌 다른 것-예를 들어, 액체에 가스를 버블시킴으로써-으로 액체를 가스로 공급한다. 예를 들어, 어떤 실시예에서는, 어떤 (낮은 압력) 단계에서 혼합 챔버를 이용하는 액체 미스트 기술이 적용되며, 다른 (높은 압력) 단계에서는 그로 부터 에너지를 저장하고 제거하기 위해 버블 기술 (bubbles technique)이 적용된다.
1. 흐르는 가스를 포함하는 챔버로 액체를 스프레이하여, 액체-가스 혼합물을 생성시키는 단계;
상기 액체-가스 혼합물을 제2챔버로 흘려보내는 단계;
상기 액체-가스 혼합물의 일부를 상기 2챔버와 결합된 피스톤으로 압축하는 단계로서, 상기 액체-가스 혼합물의 액체는 상기 압축에 의해 생성된 열 에너지를 흡수하는 단계; 및
상기 액체-가스 혼합물의 적어도 일부를 상기 제2챔버로 부터 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 방법은 상기 액체-가스 혼합물이 제2챔버로 흐르지 않는 경우, 상기 액체-가스 혼합물을 계속해서 생성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 방법은 상기 액체-가스 혼합물이 상기 제2챔버로 흐르지 않는 경우에, 상기 액체-가스 혼합물을 제3챔버로 흘려보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 방법은 상기 액체-가스 혼합물이 상기 제2챔버로 흐르지 않는 경우에, 상기 액체-가스 혼합물을 덤프로 흘려보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 방법은 상기 액체-가스 혼합물을 맥동 방지 병을 통해 상기 제2챔버로 흘려보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 방법은 액체를 상기 압축된 액체-가스 혼합물로 부터 분리하여 압축된 가스를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 방법은 상기 압축된 가스를 저장 유닛으로 흘려보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
*8. 제6항에 있어서, 상기 분리된 액체를 열 교환기를 통해 흘려보내어 상기 제1챔버로 스프레이하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 방법은 상기 압축된 가스를 다음 단계로 흘려보내어 추가로 압축시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 방법은 상기 분리된 액체를 열 교환기를 거쳐 상기 다음 단계로 스프레이되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 흐르는 가스를 포함하고 있는 제1챔버로 액체를 흘려보내어 액체-가스 혼합물을 생성하는 단계;
상기 액체-가스 혼합물을 제2챔버로 흘려 보내는 단계;
상기 액체-가스 혼합물을 팽창시켜, 상기 제2챔버와 결합된 피스톤을 구동하는 단계로서, 상기 액체-가스 혼합물의 액체는 상기 팽창 동안 열 에너지를 전달하는 단계; 및
상기 팽창된 액체-가스 혼합물의 적어도 일부를 상기 제2챔버로 부터 빼내어 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 방법은 상기 액체-가스 혼합물이 상기 제2챔버로 흐르지 않을 경우에, 상기 액체-가스 혼합물을 계속 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 방법은 상기 액체-가스 혼합물이 상기 제2챔버로 흐르지 않는 경우에, 상기 액체-가스 혼합물을 제3챔버로 흘려 보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 방법은 상기 액체-가스 혼합물이 상기 제2챔버로 흐르지 않는 경우, 상기 액체-가스 혼합물을 덤프로 흘려보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제11항에 있어서, 상기 방법은 상기 액체-가스 혼합물을 맥동 방지 병을 거쳐 상기 제2챔버로 흘려 보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제11항에 있어서, 상기 방법은 상기 압축된 액체-가스 혼합물로 부터 액체를 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제11항에 있어서, 상기 방법은 상기 분리된 액체를 열 교환기를 거쳐 상기 제1챔버로 스프레이하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제11항에 있어서, 상기 흐르는 가스는 저장 유닛으로 부터 공급 받는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제11항에 있어서, 상기 흐르는 가스는 이전 팽창 단계로 부터 공급 받는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 방법은 상기 분리된 액체를 열 교환기를 거쳐 상기 이전 팽창 단계로 스프레이하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 가스 흐름을 공급 받아, 스프레이를 통해 액체 소스와 액체 교환하여 내부에 액체-가스-액체 혼합물을 생성시키는 제1챔버; 및
맥동 방지 병과 밸브를 통해 상기 제1챔버와 선택적 액체 교환을 수행하는 제2챔버를 포함하며,
상기 제2 챔버는 내부에 이동 가능 부재를 포함하는 것을 을 특징으로 하는 장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 이동 가능 부재는 에너지 소스와 교통하여 공기를 제2챔버 내에 압축시키는 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제21항에 있어서, 상기 이동 가능 부재는 발전기와 교통하여 상기 제2챔버 내의 공기의 압축에 의해 파워를 생산하는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제21항에 있어서, 상기 밸브는 상기 제2챔버 내의 압력이 상기 제1챔버 내의 압력을 초과할 때 밸브 시트쪽으로 움직이는 밸브판을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제21항에 있어서, 상기 장치는 제2밸브를 통해 상기 제2챔버와 액체 교환하는 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
26. 제25항에 있어서,
상기 밸브는 상기 제2챔버 내의 압력이 상기 제1챔버 내의 압력을 초과할 때 제1밸브 시트쪽으로 움직이는 제1밸브판을 포함하고,
상기 제2밸브는 제2챔버 내의 압력이 제1챔버 내의 압력을 초과할 때 제2밸브 시트에서 멀어지도록 이동하는 제2밸브판을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
27. 제25항에 있어서, 상기 장치는 상기 분리기와 액체 교환하는 액체 저장소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
28. 제27항에 있어서, 상기 장치는 도관, 펌프 및 열 교환기를 더 포함하며,
상기 액체 저장소는 상기 도관, 상기 펌프 및 상기 열 교환기를 통해 상기 제1챔버와 액체 교환하는 액체 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
29. 제21항에 있어서, 상기 이동 가능 부재는 발전기와 선택적으로 교통하며, 에너지 소스와 선택적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 장치.
30. 제29항에 있어서, 상기 장치는
제3챔버와, 제1 3-방향 (three-way valve) 밸브, 및 제2 3-방향 밸브를 더 포함하며,
상기 제3챔버는 제2가스 흐름을 공급 받고, 제2스프레이를 통해 제2액체소스와 액체 교류를 하며, 상기 제3챔버 내에 제2액체-가스 혼합물을 생성하며, 제2맥동 방지 병과 제2밸브를 통해 상기 제2챔버와 선택적으로 액체 교환을 하며,
상기 제1 3-방향 밸브는 상기 맥동 방지 병과 상기 밸브 사이에 배치되며, 상기 제13-방향 밸브는 상기 제2챔버의 출력을 제1분리기로 흘려 보내도록 구성되며,
상기 제23-방향 밸브는 상기 제2맥동 방지 병과 상기 제2밸브 사이에 배치되며, 상기 제2 3-방향 밸브는 상기 제2챔버의 출력을 제2분리기로 흘려보내도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
31. 제30항에 있어서,
상기 밸브는 제2챔버의 압력이 상기 제1챔버 내의 압력을 초과할 때, 제1밸브 시트쪽으로 이동하는 제1밸브 판을 포함하며,
상기 제2밸브는 제2챔버의 압력이 상기 제1분리기내의 압력을 초과할때, 제1밸브와 멀어지는 쪽으로 제2밸브판을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
32. 제30항에 있어서, 상기 장치는
제1액체 저장소 및 제2액체 저장소를 포함하며,
상기 제1액체 저장소는 제1액체 소스를 포함하고, 상기 제1분리기와 액체 교환하며, 제1도관, 제1펌프, 및 제1열 교환기를 통해 상기 제1챔버와 액체 교환하며,
상기 제2액체 저장소는 제2액체 소스를 포함하고, 상기 제2분리기와 액체 교환하며, 제2도관, 제2펌프, 및 제2열 교환기를 통해 상기 제3챔버와 액체 교환하는 것을 특징으로 하는 장치.
33. 제25항에 있어서, 상기 장치는 상기 분리기와 액체 교환하는 다음 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
34. 제33항에 있어서, 상기 분리기는 액체 저장소와 액체 교환하며, 상기 다음 단계는 도관, 펌프, 및 열 교환기를 통해 상기 액체 저장소와 액체 교환하는 것을 특징으로 하는 장치.
35. 제21항에 있어서, 상기 제1챔버와 액체 교환하는 이전 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
36. 제35항에 있어서, 상기 이전 단계는 액체 저장소와 액체 교환을 하며, 상기 액체 저장소는 도관, 펌프 및 열 교환기를 거쳐 상기 제1챔버와 액체 교환하는 것을 특징으로 하는 장치.
37. 제33항에 있어서,
상기 다음 단계는 제2맥동 방지 병을 통해 제4챔버와 액체 교환하며, 상기 제4챔버는 내부에 제2 이동 가능 부재를 포함하며,
상기 장치는 3-방향 밸브 네트워크을 더 포함하며, 상기 3-방향 밸브 네트워크는 압축 모드에서 상기 제1챔버에서 압축된 가스를 상기 다음 단계로 흘려보내고, 팽창 모드에서는 제4챔버에서 팽창된 가스를 상기 제1챔버로 흘려보내는 것을 특징으로 하는 장치.
38. 제37항에 있어서, 상기 쓰리밸브 네트워크는
상기 제1맥동 방지 병과 상기 제2챔버 사이에 배치된 제1 3-방향 밸브;
상기 제2챔버와 상기 제3챔버 사이에 배치된 제2 3-방향 밸브;
상기 제2맥동 방지 병과 상기 제4챔버 사이에 배치된 제3 3-방향 밸브; 및
상기 제4챔버와 압축 가스 저장 유닛 사이에 배치된 제4 3-방향 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
39. 제38항에 있어서, 압축 모드에서,
상기 제1 3-방향 밸브는 상기 제1 맥동 방지 병이 상기 제2챔버와 액체 교환하도록 하고,
상기 제 3-방향 밸브는 상기 제2챔버가 제1분리기와 액체 교환하도록 하며,
상기 제3 3-방향 밸브는 상기 제2 맥동 방지 병이 상기 제3 챔버와 액체 교환하도록 하며,
상기 제4 3-방향 밸브는 상기 제4챔버가 제2 분리기와 액체 교환하도록 하며, 상기 제2 분리기는 상기 스토리지 유닛과 액체 교환하는 것을 특징으로 하는 장치.
40. 제38항에 있어서, 팽창모드에서,
상기 제4 3-방향 밸브는 상기 제3챔버가 상기 스토리지 유닛과 액체 교환하도록 하며,
상기 제3 3-방향 밸브는 상기 제2 맥동 방지 병이 상기 제4챔버와 액체 교환하도록 하며,
상기 제2 3-방향 밸브는 상기 제4챔버가 제1분리기와 액체 교환하도록 하며,
상기 제1 3-방향 밸브는 상기 제2챔버가 제2분리기와 액체 교환하며, 상기 제2분리기는 다른 유출구와 액체 교환하는 것을 특징으로 하는 장치.
41. 제37항에 있어서, 상기 제2 맥동 방지 병은 길게 연장된 (elongated) 것을 특징으로 하는 장치.
42. 제41항에 있어서, 상기 제2 맥동 방지 병은 상기 제2챔버와 상기 제4챔버의 연결을 촉진시킬수 있는 치수로 길게 연장된 것을 특징으로 하는 장치.
43. 제21항에 있어서, 상기 액체 소스는 매너폴더를 통해 상기 스프레이와 교통하는 것을 특징으로 하는 장치.
44. 제21항에 있어서, 상기 스프레이는 상기 제1챔버의 벽에 형성된 오리피스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
45. 제21항에 있어서, 상기 스프레이는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
46. 제21항에 있어서, 상기 장치는 매너폴더와 액체 교환하며, 복수의 액체 스프레이 궤적을 주입하는 복수개의 스프레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
47. 제46항에 있어서, 상기 복수개의 스프레이는 상기 제1챔버를 거쳐 기체가 흐르는 방향으로 서로 다르게 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
48. 제21항에 있어서, 상기 밸브는 솔레노이드 구동 밸브, 공압 구동식 밸브, 유압 구동식 밸브, 보이스 코일 구동 밸브, 또는 캠 구동 밸브 (a solenoid-actuated valve, a pneumatic-actuated valve, a hydraulic-actuated valve, a voice coil-actuated valve, or a cam-actuated valve)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
49. 제21항에 있어서, 상기 장치는 상기 밸브와 음파 교환을 하는 초음파 트랜스듀서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
50. 제21항에 있어서, 상기 이동 가능 부재는 고체 피스톤을 포함하며, 상기 고체 피스톤은 피스톤 샤프트와 피스톤 헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
51. 제50항에 있어서, 상기 이동 가능 부재는 실린더 내에 장착되어 상기 제1챔버와 제3챔버를 정의하는 복동 피스톤을 포함하며,
상기 제3챔버는 제2밸브를 통해 상기 제1챔버와 액체 교환하는 것을 특징으로 하는 장치.
52. 제51항에 있어서,
상기 제2챔버는 제3밸브를 통해 분리기와 액체 교환하며,
상기 제3 챔버는 제4밸브를 통해 상기 분리기와 액체 교환하는 것을 특징으로 하는 장치.
53. 제52항에 있어서,
상기 밸브는 제2챔버 내의 압력이 상기 제1챔버 내의 압력을 초과할 때, 제1밸브 시트쪽으로 이동하는 제1밸브판을 포함하고,
상기 제2밸브는 제2챔버 내의 압력이 상기 제1챔버 내의 압력을 초과할 때, 제2밸브 시트쪽으로 이동하는 제2 밸브판을 포함하고,
상기 제3밸브는 제2챔버 내의 압력이 상기 분리기 내의 압력을 초과할 때, 제3밸브 시트에서 멀어지는 방향으로 이동하는 제3밸브판을 포함하고,
상기 제4밸브는 제3챔버 내의 압력이 상기 분리기 내의 압력을 초과할 때, 제4밸브 시트로 부터 멀어지는 방향으로 이동하는 제4밸브판을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
54. 내부에 이동 가능 부재를 갖는 챔버를 제공하는 단계로서, 상기 챔버는 제1 밸브를 통해 높은 압력 측 (high pressure side )과 선택적으로 액체 교환을 하고, 제2밸브를 통해 낮은 압력 측 (low pressure side)과 선택적으로 액체 교환을 하며;
상기 이동 가능 부재의 제1 팽창 스트로크에서, 상기 제2밸브를 폐쇄하고 상기 제1밸브를 개방하여 압축된 가스가 상기 높은 압력 측으로 부터 상기 챔버로 유입시키는 단계;
상기 압축된 가스를 상기 챔버 내에서 팽창시켜 상기 이동 가능 부재를 구동하여 에너지는 생산하는 단계;
상기 제1팽창 스트로크와 반대 방향으로 일어나는 상기 이동 부재의 제2팽창 스트로크에서, 상기 제2밸브를 개방하여 상기 제1팽창 스트로크 동안 팽창된 가스가 상기 낮은 압력 측으로 흐르도록 하는 단계; 및
상기 제2팽창 스트로크의 끝에 이르기 전에, 상기 챔버 내의 압력을 상승시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
55. 제54항에 있어서, 상기 제2팽창 스트로크의 끝에 이르기 전에, 상기 제2밸브를 폐쇄함으로써 압력을 상승시키는 것을 특징으로 하는 방법.
56. 제55항에 있어서, 상기 장치는 상기 제2팽창 스트로크가 끝단에 이르기 전에, 액체를 상기 실린더 내로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
57. 제56항에 있어서, 상기 액체는 상기 챔버 외부에 있는 압축된 가스 속으로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
58. 제56항에 있어서, 상기 액체는 상기 챔버로 직접 흐르는 것을 특징으로 하는 방법.
59. 제54항에 있어서, 상기 제2팽창 스트로크가 끝단에 이르기 전에, 액체를 상기 실린더 내로 공급함으로써 압력을 상승시키는 것을 특징으로 하는 방법.
60. 제59항에 있어서, 상기 액체는 상기 챔버의 외부에 있는 압축된 가스에 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
61. 제59항에 있어서, 상기 액체는 상기 챔버로 직접 이동하는 것을 특징으로 하는 방법.
62. 제54항에 있어서, 상기 방법은 일단 압축 공기가 상기 챔버에 유입되어 상기 제1팽창 스트로크의 끝단에서 낮은 압력 측과 거의 동일한 압력까지 상승되면, 상기 제1팽창 스트로크 동안 상기 제1밸브를 폐쇄하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
63. 제54항에 있어서,
상기 제1밸브는 상기 챔버 내의 압력이 상기 높은 압력 측의 압력을 초과할 때, 제1밸브시트에서 멀어지는 방향으로 움직이는 제1밸브판을 포함하고,
상기 제2밸브는 상기 챔버 내의 압력이 상기 낮은 압력 측의 압력을 초과할 때, 제2밸브시트쪽으로 움직이는 제2밸브판을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
64. 제54항에 있어서,
상기 챔버를 제공하는 단계는 상기 챔버와 제2 챔버를 정의하는 실린더 내에 장착된 복동 피스톤를 포함하며, 상기 제2챔버는 제3밸브를 통해 높은 압력 측과 선택적으로 액체교환을 하며, 제4밸브를 통해 낮은 압력 측과 선택적으로 액체 교환하며,
상기 이동 가능 부재의 제1팽창 스트로크에서, 상기 부재는
상기 제4밸브를 개방하여 이전 팽창 스트로크에서 상기 제2챔버 내에서 팽창된 가스를 낮은 압력 측으로 흘려보내는 단계와,
상기 제1팽창 스트로크의 끝단에 이르기 전에 상기 제2챔버 내의 압력을 상승시키는 단계를 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 방법.
65. 제64항에 있어서, 상기 제1팽창 스트로크의 끝단에 이르기 전에, 상기 제4밸브를 폐쇄함으로써 압력을 상승시키는 것을 특징으로 하는 방법.
66. 제65항에 있어서, 상기 방법은 상기 제1팽창 사이클의 끝단에 이르기 전에, 상기 실린더에 액체를 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
67. 제66항에 있어서, 상기 액체는 상기 제2챔버의 외부에 있는 압축 공기에 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
68. 제66항에 있어서, 상기 액체는 상기 제2챔버로 직접 흘러들어 가는 것을 특징으로 하는 방법.
69. 제64항에 있어서, 상기 제1팽창 스트로크가 끝단에 이르기 전에, 액체를 상기 실린더에 공급하여 압력을 상승 시키는 것을 특징으로 하는 방법.
70. 제69항에 있어서, 사이 액체는 상기 제2챔버의 외부에 있는 압축 가스에 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
71. 제69항에 있어서, 상기 액체는 상기 제2챔버로 직접 흘러가는 것을 특징으로 하는 방법.
72. 제64항에 있어서,
상기 제1밸브는 상기 챔버 내의 압력이 상기 높은 압력 측의 압력을 초과했을 때, 제1밸브 시트로 부터 멀어지는 방향으로 이동하는 제1밸브판을 포함하고,
상기 제2밸브는 상기 챔버 내의 압력이 상기 낮은 압력 측의 압력을 초과했을 때, 제2밸브 쪽으로 이동하는 제2밸브판을 포함하고,
*상기 제3밸브는 상기 제2챔버 내의 압력이 상기 높은 압력 측의 압력을 초과할 때, 제3밸브 시트로 부터 멀어지는 방향으로 이동하는 제3밸브판을 포함하고,
상기 제4밸브는 상기 제2챔버 내의 압력이 상기 낮은 압력 측의 압력을 초과할 때, 제4 밸브시트 쪽으로 이동하는 제4밸브판을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
압축된 가스로를 이용하여 에너지를 저장 및 복구하는 것은 하나 이상의 기술을 단독으로 또는 결합하여 사용함으로써 향상된다. 이러한 기술 중 하나는 가스의 압축 및/또는 팽창이 일어나는 제2챔버의 업스트림 (upstream)에 위치한 전용 챔버로 액체 방울의 미스트를 공급하는 것이다. 어떤 실시예에서, 결과물로 얻어지는 액체-가스 혼합물의 균일성은 상기 전용 혼합 챔버와 제2챔버 사이에 맥동 방지 병을 배치함으로써 상기 혼합 챔버를 통해 지속적으로 흘러가게 함으로써 향상될 수 있다. 다른 기술은 낮은 에너지로 구동 가능한 밸브 구조를 이용 하는 거이며, 이로써 압축 및/또는 팽창 챔버로 또는 이로 부터 흘러나오는 가스의 흐름을 제어한다. 밸브의 구성은 시스템의 동작중에 발생하는 고유의 압력차를 이용함으로써 밸브가 낮은 에너지를 소모만으로도 구동되도록 하는 것이다.
본 발명의 어떤 실시예에서는, 압축 및/또는 팽창 과정에서 액체-가스 혼합물이 공급된다. 가스에 비해 액체의 열량이 높기 때문에, 압축되는 동안 액체가 기체로 부터 열을 전달받고, 팽창과정에서 액체가 가스에 열을 전달할 수 있다. 이와 같이, 액체로 에너지를 주었다 받았다 하는 에너지 전달은, 액체가 미스트나 액체 방울로 압축되는 또는 팽창되는 가스에 공급됨으로써 액체 표면적을 넓힐 경우, 에너지 전달 효율이 향상된다.
일반적으로, 본 발명의 일시예에서, 열 교환을 위해 가스 압축 또는 팽창 챔버로 공급되는 액체는 그 챔버 내에서 연소되지 않는다. 따라서, 열 교환을 위해 주입되는 액체가 연소가능한 것 (예를 들어, 오일 oil, 알콜, 케로센kerosene, 디젤 또는 바이오디젤 등)이더라도, 많은 실시예에서, 이들 액체가 챔버 내에서 연소되지는 않는다. 적어도 이점에서, 본 발명의 실시예에 따른 액체 공급은 연소를 위해 터빈과 모터에 공급되는 액체와는 차이가 있다.
주파수 드라이브의 비용과 비효율성도 향상이 가능하다. 부하 제어된 동기화 모터 발전기가 대신에 이용될 수 있고, 압축기/팽창기 상에서, 밸브 펄스 길이와 주파수가 접압과 주파수 규정에 따라 파워를 달라 지도록 제어할 수 있다. 이러한 방식에 따르면, 효율성은 실시간으로 파워를 증가시키거나 감소시키는 것과 트레이드-오프 (trade off ) 관계에 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 챔버 내에 위치하는 이동 가능 부재를 이용하여 압축에 의해 가스에 에너지가 부여되거나, 및/또는 팽창에 의해 가스로 부터 에너지가 복구될 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 이동 가능 부재는 하나 또는 그 이상의 물리적 연결 부재-기계식, 유압식, 전자기식, 또는 정전기식으로-를 통해 다른 시스템 요소 (모터, 발전기 등)과 교통할 수있다.
어떤 실시예에서는, 이동 가능한 부재는 특정한 하나의 연결 부재를 통해 배타적으로 교통할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 어떤 실시에서는, 상기 이동 가능 부재로/로 부터 이동되는 에너지는 회전 샤프트를 포함하는 기계적 연결 부재 만을 이용하여 교통될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 에너지를 하나의 형태에서 다른 형태로 전환하는데 필요한 에너지 소모가 없어서, 효율성이 높아진다.
어떤 실시예에서는, 이동 가능 부재에 유압식 연결 부재를 이용한다.
액체/가스 혼합물의 조건 (물방울 크기, 물방울 분산 균일성, 스프레이 속도, 액체 부피 비율, 온도, 및 압력 등을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다)은 가스와 액체간의 열 에너지 교환에 영향을 미칠 수 있다. 전술한 어떤 실시예에서는, 혼합 챔버를 이용하여 액체를 공급하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 어떤 실시예에서는, 액체가 압축 챔버, 팽창 챔버, 또는 압축과 팽창이 동시에 수행도는 챔버로 직접 주입된다.
예를 들어, 도50A는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 가스로서 압축 공기를 사용 하고, 주입 액체로 물을 사용하는 에너지 저장 장치를 도시한다. 도50A의 시스템5002은 압축 챔버5018a 및 5018b를 구비하는 실린더5008 내부에 배치된 이동 가능 부재 (복동 피스톤이 피스톤 헤드와 피스톤 막대를 포함하고 있다)를 포함한다.
어떤 실시예 (도50A 에 개시된 것에 제한되지 않는다)는, 피스톤은 크로스-헤드로 디자인 (cross-head design) 될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 상기 압축/팽창 실린더의 물을 크랭크 샤프트내에 존재하는 오일 또는 다른 액체와 분리함으로써 또 다른 잇점을 가질 수 있다.
상기 이동 가능 부재는 하나 또는 그 이상의 연결 부재5099를 통해 모터, 발전기, 또는 모터/발전기5098 와 선택적으로 물리적 교통을 할 수 있다. 이러한 연결은 기계적, 유압식, 또는 공압식으로 이루어질 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 피스톤은 프리 피스톤이다. 이러한 프리 피스톤은 자기식 또는 전자기식 연결체와 같은 물리적 연결체를 통해 에너지와 교통을 할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 피스톤은 피스톤 헤드와 상기 연결 부재와 결합된 피스톤 대를 포함할 수 있다. 이러한 연결 부재는 원형 기어, 및/또는 (타원형 같은) 다른 형상의 기어를 포함할 수 있다. 기어의 톱니바퀴는 직선, 비스듬히 경사진 (beveled) 형태일 수 있으며, 경사진 형태는 드러스트 베어링 (thrust bearing)을 제공할 수 있다. 어떤 실시예에서, 웜 기어가 사용될 수 있다.
다양한 기계적 연결 부재를 사용할 수 있다. 예를 들어, 유성 기어 시스템 (planetary gear system s)과 같은 멀티 노드 기어 시스템을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기계적 연결 부재의 예로는, 크랭크 샤프트와 같은 샤프트, 체인, 벨트, 드라이버-팔로워 연결 부재, 피봇 연결 부재, 퓨셀리어-립킨 (Peaucellier-Lipkin) 연결 부재, 사러스 연결 부재, 스캇 러셀 연결 부재, 체비쉐프 연결 부재, 호킨스 연결 부재, 경사판 또는 회전캠 연결 부재, 굽은축 연결 부재, 와츠 연결 부재, 트랙 팔로워 연결 부재, 캠 연결 부재 (shafts such as crankshafts, chains, belts, driver-follower linkages, pivot linkages, Peaucellier-Lipkin linkages, Sarrus linkages, Scott Russel linkages, Chebyshev linkages, Hoekins linkages, swashplate or wobble plate linkages, bent axis linkages, Watts linkages, track follower linkages, and cam linkages) 등이 있다. 캠 연결 부재는 다른 형태를 갖는 캠을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 사인 곡선 형상과 다른 형상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다양한 형태의 기계적 연결 부재가 Jones 의 저서 "Ingenious Mechanisms for Designers and Inventors, Vols. I and II", The Industrial Press (New York 1935)에 설명되어 있으며, 그 내용은 본 발명에 결합된다.
도50A에 개시된 실시예에서는 수평으로 움직이는 피스톤이 개시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에서는, 다른 방향 (예를 들어, 세로로, 또는 대각선으로)으로 움직이는 피스톤이나 다른 형태의 구성요소를 사용할 수 있다.
예를 들어, 어떤 실시예에서는, 하부에 압축 및/또는 팽창 챔버가 놓여지고, 피스톤이 수직방향으로 복동식으로 움직이는 것이 유용하다. 이런 형태의 예는 이미 도에 도시되어 있다. 그러나, 버블링이나 스프레이에 의한 액체주입을 요구하지 않는 실시예도 가능하다. 이러한 구성에 따르면, 액체가 중력 때문에 챔버에서 새 나가서 크랭크 통이나 다른 공간으로 흘러들어가는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서는, 직선이 아닌 다른 방식으로 움직이는 이동 가능 부재를 갖는 하나 또는 그 이상의 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스크류, 유사-터빈, 게로터, 및 다른 구성들 (screws, quasi-turbines, gerotors, and other structures)과 같은 장치의 구성요소들은 회전하는 방식으로 움직일 수 있다.
가스의 압축 및/또는 팽창에 사용할 수 있는 다양한 형태의 구조가 Charles Fayette Taylor in "The Internal Combustion Engine in Theory and Practice, Vols. 1 and 2", 2nd Ed., Revised, The MIT Press (1985) 에 개시되어 있으며, 이는 본 발명에 결합된다.
본 발명에 따른 어떤 실시예에서는, 튜닝된 흡입 및 배기 포트를 사용할 수 있다. 구체적으로, 주입 매너폴더, 도관, 밸브 및 실린더 (또는 실린더들)은 일반적으로 복합 공진 시스템 (complex resonant system)을 이룬다. 압축되거나 팽창될 가스는 이러한 공진 시스템을 통하여 이동하며, 단면적에 변화가 있는 경우에는 벽에서 반사되고, 닫혀진 공동 (closed cavities)에 붙잡힌 공기를 압축하고 반사한다. 이러한 폐쇄된 공동의 예로는, 끝단에 폐쇄된 밸브를 갖는 도관을 들 수 있다.
가스의 관성 (inertia of the gas)과 이러한 반사에 의해 압축과 팽창이 파동 (waves)친다. 전산 유동 역학 (techniques of computational fluid dynamics: CFD)을 이용하여 분석함으로써, 흡입 시스템의 기하학적 구조를 튜닝하여, 압축 파동이 도착하는 시점이 흡입밸브가 폐쇄되는 시점과 일치하도록 할 수 있다. 예를 들어, 실린더로 연결되는 파이프의 길이를 조정함으로써 이를 행할 수 있다.
예를 들어, 도135A에 보여진 바와 같이, 유입 밸브13500가 실린더13504 내에서 이동 가능한 피스톤13502의 TDC에서 개방되면, 곧이어, 압력이 흡입 포트13506에 비해 떨어진다. 도135B에 보여진 바와 같이, 이로써 상기 밸브로 부터 멀어지면서 파이프 아래로 향햐는 팽창 파동13508이 발생된다.
팽창 파동은 (s-v)의 속도로 이동하고, 이때 s는 음속이고 v는 액체의 속도이다. 액체는 가스와 액체 방울의 혼합물일 수 있다.
도에 도시된 바와 같이, 파형은 파이프의 말단을 개방함으로써 반사된다. 이어서, 상기 파형은 반대방향으로 밸브를 향해 이동함으로써 (s+v)의 속도로 이동하는 압축 파형이 된다.
도착하는 압축 파형은 실린더를 채우는데 기여한다. 만약 파이프 길이가 L이면, 상기 파형의 전체 왕복 운동 시간은:
Figure pat00045
효과를 극대화 하기 위해, 이동 시간은 크랭크 레볼루션 동안 밸브가 개방되는 시간(
Figure pat00046
) 과 거의 동일하게 할 수 있다. 이때, θ 는 개방 각도이고, N 은 회전 속도이다. 이 경우:
Figure pat00047
따라서, 도135D에 도시된 바와 같이, 은 실린더로 공급되는 공기 흐름을 극대화하는 길이이다.
도135E는 다른 회전 스피드를 갖는 통상의 실린더 디자인에서 흡입 포트의 길이가 부피 효율성 (즉, 밸브를 통해 빠져나가는 가스의 양)에 영향을 미치는 효과를 나타낸다. 최적의 파이프 길이는 회전 속도를 비롯한 다른 변수의 함수이다.
상기한 튜닝에 의해, 가스를 추가적으로 실린더 내로 펌핑하는 효과가 나타날 수 있고, 이로써 부피 효율성 (volumetric efficiency)이 증대된다. 마찬가지로, 배기 시스템의 기하학적 형상을 변형함으로써, 배기 가스가 실린더로 부터 더 완전히 배기되도록 할 수 있고, 따라서, 부피 효율성이 향상된다. 이러한 효과에 대한 분석은 문헌 John L. Lumley, Engines, An Introduction, Cambridge University Press, Cambridge (1999)에 개시되어 있으며, 이는 본 발명에 결합된다.
최적의 흡입 및 배기 시스템의 기하학적 형상은 엔진 속도에 따라 달라진다. 만약 메카니즘이 디자인 성능을 최적화하는 속도에서 운영된다면 효율성도 향상된다.
상기한 내용은 주로 액체 주입에 관여하는 압축/팽창 장치를 이용하는 것에 관한 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 튜닝 방식은 이러한 장치에만 제한되는 것은 아니다. 다른 실시예에서는, 흡입 및/또는 배기 시스템의 기하학적 형상도 흐름속에 음파 에너지를 공급함으로써 튜닝될 수 있고, 이로써 다양한 형태의 가스 압축기 및 가스 팽창기의 부피 효율성 (volumetric efficiency )을 향상시킬 수 있다.
도50A에 개시된 실시예로 돌아와서, 낮은 압력 측에서는, 상기 압축 챔버5018a가 공기 청정기 (air cleaner 5020), 낮은 압력 측 도관5010, 흡입 병 (suction bottle) 5011 및 밸브5012를 통해 외부 공기와 선택적으로 액체 교환하고 있다. 밸브5012는 밸브시트5012b에 대해 이동 가능하면서 밸브를 개폐하는 밸브판5012a 을 포함한다. 어떤 실시예에서, 밸브는 솔레노이드 또는 다른 제어가능한 액츄에이터-예를 들어, 유압식, 공압식 피스톤 또는 전기 모터-로 구동될 수 있다. 압축 챔버5018b도 유사하게, 공기 청정기, 낮은 압력 측 도관, 흡입 병 (suction bottle) 및 밸브 시트5013b에 대해 이동 가능한 밸브판5013a을 포함하는 밸브5013를 통해 외부 공기와 선택적으로 액체 교환하고 있다.
높은 압력측에서, 압축 챔버는 밸브valve 5022, 배기 병 (discharge bottle) 5023, 높은 압력측 도관 (high pressure side conduit) 5024, 배플 분리기 (baffle separator) 5026, 및 사이클론 분리기 (cyclone separator 5028) 를 통해 압축된 공기 저장 탱크와 선택적으로 액체 교환하고 있다. 밸브5022 는 밸브 시트5022b에 대해 이동하면서 밸브를 개폐하는 밸브판5022a을 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 밸브는 솔레노이드에 의해 구동될 수 있다. 캠-구동, 압전 구동, 유압 구동, 전기 구동, 자기 구동, 공압 구동 등 다양한 밸브 구동이 가능하며, 이에 한정되지는 않는다. 어떤 실시예에서는, 밸브 구동이 가변 타이밍 (variable timing)에 따라 구동 될 수 있고, 또는 고정 타이밍 (fixed timing)에 따라 구동 될 수도 있다.
전술된 실시예에서는 판 밸브 (plate valves) 형태의 가스 유량 밸브가 사용되고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 특정한 밸브 타입을 이용하는 것에 한정되지 않고, 다른 가스 밸브 타입도 다양한 실시예에서 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 밸브의 예로는, 파이롯 밸브, 회전 밸브, 캠 동작 포핏 밸브, 및 유압식, 공압식, 또는 전기식 구동 밸브 등이 있으나, 이에 한정 되지는 않는다.
어떤 실시예에서, 밸브와 다른 구성요소들은 성능을 향상시킬 수 있는 재료를 이용하여 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시예의 밸브는 하나 또는 그 이상의 표면에 테프론 (TEFLON)와 같은 소수성 코팅 (hydrophobic coating )처리가 되어 있을 수 있다. 어떤 실시예에서, 소수성 코팅은 텍스쳐 (texture)를 가지며, 이로써 초소수성 특성 (super-hydrophobic character)이 부여된다.
다른 타입의 코팅도 사용 가능하다. 어떤 타입의 코팅은 부식과 헤어짐 (wear)을 방지할 수 있다. 가능한 타입의 코팅의 예로는, 유사 다이아몬드 탄소 (diamond-like carbon: DLC)가 있다. 니켈/폴리머 코팅도 사용될 수 있다.
어떤 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 가스 또는 액체 유량 밸브의 기능은 이동 가능한 부재 그 자체에 의해 수행될 수도 있다. 예를 들어, 도84 에 개시된 바와 같이, 어떤 실시예에서는, 피스톤 헤드의 동작이 챔버로의 포트를 선택적으로 차단하고, 따라서, 밸브로 효과적으로 기능한다.
압축 챔버5008b도 이와 유사하게, 밸브5027, 높은 압력 측 도관, 배플 분리기, 및 사이클론 분리기를 통해 공기 저장 탱크와 선택적으로 액체 교환한다. 밸브는 밸브 시트5027b에 대해 (어떤 실시예에서는 솔레노이드에 의해) 이동 가능한 밸브판5027a을 포함한다.
압축 가스 저장 탱크5032는 압축 조절기5054를 통해 머플러5052와 액체 교환을 한다. 공기 저장 탱크5032는 또한 플로트 밸브를 통해 액체 순환 시스템의 압축 물 탱크5030 와 액체 교환을 한다.
다양한 타입의 압축 가스 저장 유닛이 본 발명의 실시예에서 사용 될 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시예에서, 압축 가스 저장 유닛은 높은 열량을 갖는 갇힌 부피 (enclosed volumes having a high capacity), 예를 들어, 버려진 광산, 또는 오일 또는 천연 가스 채굴지와 같은 인공 구조를 포함한다. 높은 부피의 압축 가스는 자연적으로 발생한 지질학적 구조, 예를 들어, 동굴, 소금 돔, 또는 천공 구조 (caverns, salt domes, or other porous features) 등에 저장될 수도 있다.
다른 압축 공기 저장 장치는 이 목적으로 특별히 제작된 용기를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 가스는 하나 또는 그 이상의 (상호간에 선택적으로 교통하며) 철로 된 탱크들 (steel tanks)에 저장된다. 상기 탱크는 약 1.6 미터 길이로 형성되며, 약 200기압의 공기를 저장할 수 있고, 밸브가 구비된다. 어떤 실시예에서는, 길이 16미터의 더 큰 철재 탱크를 이용하며, 이 경우, 탱크를 폐쇄하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있고, 따라서 밸브 비용이 절감된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압축 가스 저장 장치는 철과 같은 단순한 재료 이외에도 다른 재료로 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 어떤 실시예에서는, 압축 가스 저장 유닛은 특정한 형태를 가지고, 및/또는 탄소 섬유나 다른 재료를 포함한 복합 재료를 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 가스 저장 유닛은 하나 또는 그 이상의 레이어 (layer)로 된 고 텐션-강도 와이어 또는 섬유로 구성될 수 있다. 이러한 와이어 또는 섬유는 금속 또는 자연재료 또는 합성 재료로 만들어 질 수 있고, 습기가 침투되지 않는 라이너 둘레에 나선형으로 감겨있으며, 매트릭스 재료에 의해 고정된다. 높은 텐션-강도의 와이어를 사용하면, 동일한 합금을 벌크 형태로 사용했을 때 얻어지는 것보다 높은 텐션을 얻을 수 있고, 따라서 더 적은 양의 재료를 사용할 수 있어 비용이 절감된다.
어떤 실시예에서는, 압축 가스 저장 유닛이 에너지 소스와 열 교환하고 있다. 예를 들어, 어떤 실시예에서, 저장 유닛은 태양과 열 교환하는 탱크를 포함할 수 있다. 탱크는 열-흡수 재료 (예를 들어, 검은 페이트)로 코팅될 수 있다. 어떤 실시예에서, 저장 유닛은 (유리와 같은) 투명한 배리어 뒤에 놓여질 수 있고, 이로써 적외선 태양 에너지 (infra-red (IR) solar energy)를 포획하여 열 교환을 촉진할 수 있다.
도50A의 시스템 동작은 전술한 구성과 유사한다. 이동 가능 부재5006는 실린더 내에서 복동식으로 움직인다. 이동 가능 부재5006가 챔버의 하부사점 (BDC) 에 대응하는 오른쪽으로 움직이면, 챔버5008a와 낮은 압력 측의 흡입 병 사이에 압력차가 발생한다. 이러한 압력차로 인해 밸브판5012a 이 밸브 시트5012b로 부터 멀어지도록 바이어스 되고, 이로써 밸브5012가 열리고, 비 압축 공기가 챔버5018a내로 유입된다. 챔버5018a 와 배기 병 사이에 압력차가 발생하면, 밸브판5022a 은 밸브 시트5022b 쪽으로 바이어스 되고, 이로써 밸브5022 가 닫히며, 비 압축된 공기가 상기 챔버5018a에 축적된다.
상기 이동 가능 부재의 (BDC 방향)으로의 이동-이 스트로크에서 챔버5018b의 TDC-으로 인해, 상기 챔버5018b 와 상기 흡입병 사이에 압력 차가 발생한다. 구체적으로, 이전 단계의 스트로크에서 챔버5018b에 유입된 공기가 압축되고, 따라서 밸브판5013a이 밸브 시트5013b 쪽으로 바이어스 되도록 하여, 밸브5013b를 폐쇄 시킨다.
챔버와 배기병 사이의 이러한 압력 차는 밸브5027가 닫힌 상태로 유지되도록 한다. 그러나, 이동 가능 부재가 계속 BDC로 이동함에 따라, 챔버5018b내의 압력이 상승한다. 챔버5018b내의 압력이 높은 압력 측에 위치한 배기병의 압력에 도달하면, 밸브판5027a 이 밸브 시트5027b쪽으로 바이어스 되는 동작이 중단되고, 밸브5027 가 개방된다. 그 결과, 압축된 가스가 상기 배기병을 빠져나가서 도관과 배플과 사이클론 분리기를 거쳐 상기 저장 유닛으로 유입된다.
이어지는 상기 이동 가능 부재5006의 왼쪽 방향으로의 스트로크-챔버5018a 의 상부 사점 (TDC) 과 챔버5018b의 하부 사점BDC-에서, 상기 압축 챔버 는 역활을 교환 (switch roles)한다. 즉, 비압축된 가스는 개방된 밸브5013를 거쳐 챔버5018b로 유입된다. 반면에, 이전에 챔버5018a로 유입된 비압축 가스는 상기 이동 가능 부재에 의해 압축되고, 높은 압력에 이르게 되면 상기 높은 압력 측에 대한 압력차에 의해 구동된 밸브5022 를 거쳐 흘러 나간다.
도50A에 도시된 바와 같이, 흡입병은 상기 압축 챔버의 유입 밸브의 상류쪽 낮은 압력 측에 위치하고, 배기병은 상기 압력 챔버의 유출 밸브의 하류쪽 높은 압력 측에 위치한다. 이러한 병들의 부피는 상기 압축 챔버 각각의 부피보다 훨씬 크고, 일반적으로 이들 압축 챔버 부피의 적어도 10배이다.
이 병들은 유입구와 유출구에서 서로 다른 넓이 (w, w')를 갖는다. 이러한 치수 차이로 인해, 상기 압축 챔버의 밸브에서 시스템의 나머지 부분으로 이동하는 음파에 연속된 임피던스 미스매치가 발생하고, 이로써, 원치않는 압력 변화가 발생된다. 상기 가스 밸브와 시스템의 다른 구성요소 사이에 상기 흡입병과 상기 배기병을 배치함으로써, 본 발명에 따른 실시예에서는 이러한 맥동을 억제할 수 있다.
압축 동안, 챔버 내의 가스 온도는 상승한다. 압축이 열역학적으로 효과적으로 수행되도록 하기 위해서, 본 발명의 실시예에서는, 액체 방울 (여기서는, 물)을 챔버에 직접 스프레이 하여 액체-가스 혼합물을 생성시킨다. 액체-가스 혼합물의 액체 성분은 압축 되는 동안 가스로 부터 열을 흡수하고, 이로써 온도 상승 정도를 줄인다.
따라서, 도50A에서 보여지는 액체 순환 시스템은 액체를 챔버 내에 주입하여 압축과정에서 가스와 열 교환이 진행되도록 한다. 특히, 이러한 액체 순환 시스템은 도관5088, 이송 펌프 (transfer pump) 5042, 열 교환기5044, 밸브5047, 다단계 물 펌프5031, 밸브 5033 및 5034, 및 각각의 스프레이 노즐 5035 및5036 을 거쳐 상기 압축 챔버와 액체 교환하는 압축된 물 탱크를 포함한다.
밸브5033 및 5034 가 구동되면 물이 스프레이 노즐5035및 5036을 거쳐 선택된 시간에 (at select times) 각각 압축 챔버5018a 및 5018b 로 흘러들어간다. 어떤 실시예에서, 상기 밸브가 개방되면 액체가 압축 챔버로 흘러가고, 동시에 공기도 유입된다. 이러한 실시예에서, 유입 공기의 흐름과 동시에 일어나는 직접적인 액체 주입은 물 방울이 공기중에 혼합되는 것을 촉진하고, 이로써 열 교환 효율성을 향상시킨다.
어떤 실시예에서, 일단 공기가 이미 유입되고, 각각의 가스 유입 밸브가 폐쇄된 이후라야만, 밸브가 개방되고, 그 결과, 액체가 상기 압축 챔버로 유입된다. 이러한 실시예에서, 액체를 폐쇄된 챔버에 직접 주입하는 것에 의해 , 열 교환을 수행함과 동시에 공기도 압축된다.
어떤 실시예에서, 밸브는 폐쇄된 챔버 내의 부재가 움직이는 동안 개방되어, 가스를 압축한다. 아래에 기술되는 바와 같이, 어떤 실시예에서는, 압축되고 있는 가스 내부로의 액체 주입은 다른 특성을 갖는 스프레이들의 하나 이상의 하부 시스템 (subsystem)을 이용하여 수행될 수 있다.
어떤 실시예에서, 밸브5033 및5034 가 구동되면, 압축 사이클의 다단계에 걸쳐 액체가 챔버로 공급된다. 예를 들어, 밸브는 액체 주입되는 동안 및 후에, 그러나 압축 이전에 구동될 수도 있고, 또는 공기 유입 후와 압축 동안에 구동될 수도 있으며, 또는 공기 주입 및 압축 기간 동안에 구동될 수도 있다.
언급된 바와 같이, 어떤 실시예에서는, 액체가 압축 챔버 내로 지속적으로 공급되지는 않는다. 또한, 액체가 공급되지 않는 기간 동안, 상기 부재가 챔버 내에도 이동함에 따라 압축 챔버는 압력 변화를 겪게 되고, 및/또는 압축된 가스가 챔버로 부터 흘러 나간다.
따라서, 도50A의 밸브5033 및 5034 는 상기 비주입 기간동안 상기 스프레이를 액체 순환 시스템의 다른 요소들로 부터 분리시키는 기능을 수행한다. 이러한 분리를 통해, 시스템을 통한 액체 흐름에 부정적인 영향을 미치는 (전이 압력과 같은) 액체 압력 변화를 방지할 수 있다. 액체가 지속적으로 유입되는 실시예에서, 액체 유동 밸브는 필요하지 않을 수 있다.
액체 순환 시스템은 액체내에서 압력이 변하는 것을 방지할 수 있도록 고안된 다른 요소도 포함한다. 예를 들어, 시스템이 동작하는 동안, 순환하는 물은 가스로 주입되어 액체-가스 혼합물을 생성하고, 이는 더 높은 압력에서 압축된다. 이어서, 액체는 분리기에 의해 이러한 고압력 액체-가스 혼합물로 부터 제거된다.
그러나, 압축 과정으로 인해, 어느 정도의 가스가 액체에 녹는다. 그 후, 상기 액체 순환 시스템을 거쳐 흐르는 상기 분리된 기체는 낮은 압력에서 주입 가스를 만나게 되고, 이렇게 녹은 가는 용액 (solution)에서 빠져 나온다 (아웃 가스; outgas).
이러한 아웃 가스는 액체 순환 시스템의 다양한 부분에서 원치 않는 버블을 발생시키는데, 특히, 밸브5033 및 5034, 스프레이 노즐 5035 및 5036, 및/또는 이들 구성요소 사이에 있는 각각의 도관 5060 및 5061에서 발생된다. 상기 액체 순환 시스템의 이러한 위치에서 버블이 존재하면, 압축 챔버로의 액체의 제어된 흐름에 대한 예측 가능성과 신뢰성이 저하된다.
따라서, 본 발명의 어떤 실시예에서는, 상기 액체 유동 밸브와 낮은 압력에 노출되는 스프레이 노즐 사이의 도관 길이 (d, d') 를 가급적 짧게 한다. 이렇게 길이를 최소화하면, 압축된 액체로 부터의 가스가 빠져 나갈 기회를 효과적으로 줄일수 있고, 따라서, 버블이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
도50A의 실시예에 있어서, 액체 유동 밸브5033 및 5034 는 솔레노이드에 의해 선택적으로 구동된다. 그러나, 본 발명은 액체 주입을 위해 특정한 타입의 밸브를 사용하는 것에 한정되지 않는다. 본 발명에 적용할 수 있는, 액체 주입용 밸브의 예로는, 솔레노이드 구동 밸브, 스풀 밸브, 게이트 밸브, 실린더 밸브, 니들 밸브, 포핏 밸브 (solenoid-actuated valves, spool valves, gate valves, cylindrical valves, needle valves, or poppet valves) 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명에 적용 가능한 또 다른 밸브 디자인의 예로는, 서보 루프를 포함하는 음성 코일 구동 밸브 (a voice coil-actuated valve that includes a servo loop)가 있다. 이러한 밸브 구조를 사용하면, 구동의 속도 프로파일을 제어하는데 유리하다. 예를 들어, 판의 이동이 끝나는 시점에서 멈추기 전에 속도를 감소시키고, 이로써 밸브 구성요소에 걸리는 스트레스를 경감시킬 수 있다.
밸브 댐핑을 위해 다른 방법을 채용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 어떤 실시예에서는, 밸브 몸체 또는 밸브 시트에 형성된 공기 쿠션, 딤플, 실린더 홀, 및/또는 다른 기하학적으로 움푹 패인 구조 (air cushions, dimples, cylindrical holes, and or other geometries of depression)를 이용하여 공기 스프링을 형성한다. 상기 공기 스프링은 상기 밸브의 이동 가능 부재가 상기 밸브 시트쪽으로 가까워짐에 따라, 상기 이동 가능 부재의 움직임에서 생성된 에너지를 흡수한다. 상기 움푹 패인 구조들은 반대되는 부재상에 높은 레벨로 형성된 부분에 대응된다.
다른 실시예에 따르면, 밸브는 공압식으로 구동되는, 예를 들어, 비례 공압 공기 밸브일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 밸브는 유압식으로 구동되는, 예를 들어, 고압 유압 밸브일 수 있다.
어떤 실시예에서는, 특정 크기의 액체 방울을 갖는 혼합물을 생성시키는 것이 바람직하다. 어떤 실시예에서는, 액체에 계면 활성제를 첨가함으로써 이러한 혼합물이 형성되는 것을 촉진시킬 수 있다. 사용될 수 있는 계면활성제의 예로는 Triton X-100로 알려진 옥틸 페녹시폴리에톡시에탄올 (octylphenoxypolyethoxyethanol)이 있다.
압축 후, 상기 액체-가스 혼합물은 각각의 배출 밸브5022 , 5027 를 거쳐 배기병5023, 높은 압력 측 도관5024, 및 분리기5026, 5028 로 전달되며, 분리기에서 액체가 제거된다. 배플 분리기 구조5026는 다량의 액체를 상기 흘러들어온 가스-액체 혼합물로 부터 일차적으로 제거하도록 고안된 제1구조를 갖는다. 이러한 구조의 예로는 상기 흘러들어온 혼합물의 구불구불한 궤적을 정의하며 물 융합체에 넓은 표면적을 제공하는 일련의 오버래핑 판이나 배플을 갖는 챔버를 들 수 있다.
도50A의 구체적인 실시예에서, 상기 초기 배플 분리기 구조는 적은 양의 액체를 상기 혼합물로 부터 제거하도록 디자인 된 상기 제2분리 구조5028 (여기서는 사이클론 분리기)와 직렬로 연결되어 있다. 본 발명에 따른 실시예는 이러한 타입의 분리기 또는 분리기 구조에 한정되지 않는다. 이외에도 사용될 수 있는 분리기의 예로는, 원심 분리기, 중력 분리기, 및 매쉬 타입의 코어레서, 바람개비형 팩, 또는 다른 구조를 갖는 (utilizing a mesh type coalescer, a vane pack, or another structure) 데미스터 분리기 등이 있다. 다양한 분리기 디자인이 M. Stewart and K. Arnold, Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators, Gulf Professional Publishing (2008)에 개시되어 있고, 이는 본 발명에 결합된다.
분리기5026 및 5028에 의해 혼합물로 부터 분리된 액체는 각각의 플로팅 밸브5027와 도관을 거쳐, 압력 완화 밸브와 드레인 밸브를 포함하고 있는 압축 물 탱크5030로 돌아간다. 압축 물 탱크에서, 상기 액체는 열 교환기5044를 거쳐 식혀지고 전달 펌프5042 를 이용하여 재활용된다. 그 후, 다단계 물 펌프5031에 의해 상기 압축 챔버로 주입된다.
도50A의 액체 순환 시스템은 밸브5048를 통해 물 공급 탱크5046 와 선택적으로 액체 교환한다. 상기 탱크는 필터5050 를 통해 (그지역의 수원municipal water supply과 같은) 베이스 물 공급원 (base water supply )으로 부터 압축된 물을 받아들인다. 이러한 공급 탱크로 부터 공급된 물은 밸브5048를 거쳐 선택적으로 유입되어 일차적으로 상기 순환 시스템에 물을 채우거나 보충한다. 물 공급 탱크5046는 진공 완화 밸브 및 드레인 밸브 (a vacuum relief valve and a drain valve)를 포함한다.
도50A의 실시예에서, 상기 스프레이는 가스 유량 밸브를 포함하지 않는 실린더의 반대편 벽에 배치되어 있다. 이러한 스프레이는 하나 또는 그 이상의 오리피스 또는 노즐을 포함하며, 이들은 액체 방울, 제트, 또는 쉬트 (liquid droplets, jets, or sheets)를 형성하여 챔버 내의 가스와 열 교환을 촉진시킨다. 상기 노즐 또는 오리피스는 공통 매너폴더와 액체 교환을 한다.
본 발명은 액체를 챔버에 공급하기 위해 어떤 특정 타입을 스프레이를 사용하는데 한정되지 않는다. 본 발명에 따른 어떤 실시예에서는, 아래의 미국 특허에 개시된 노즐 구조를 사용할 수 있으며, 이는 본 발명에 결합된다. U.S. Patent No. 3,659,787; U.S. Patent No. 4,905,911; U.S. Patent No. 2,745,701, U.S. Patent No. 2,284,443; U.S. Patent No. 4,097,000; 및U.S. Patent No. 3,858,812.
본 발명에서 액체를 공급하기 위해 사용할 수 있는 스프레이의 예로는 충돌 스프레이 (an impingement sprayer)가 있다. 이러한 충돌 스프레이의 예로는 BETE Fog Nozzle, Inc., of Greenfield, Massachusetts사의 PJ 미스팅 노즐 (PJ Misting Nozzle)를 들 수 있다. 어떤 실시예에서, 액체 스프레이는 액체의 흐름에 부가하여, 음파 에너지와 같은 에너지를 함께 사용할 수 있고, 이로써, 원하는 특성을 갖는 액체 방울을 형성할 수 있다.
이외에 다른 타입의 스프레이 구조도 알려져 있다. 본 발명의 실시예에서 사용 가능한 스프레이 구조의 예로는, 회전 디스크 오토마이저, 정전기 오토마이저, 압력 스월 노즐, 팬 제트 노즐, 임팩트 노즐, 및 회전 컵 오토마이저 ( rotating disk atomizers, electrostatic atomizers, pressure swirl nozzles, fan jet nozzles, impact nozzles, and rotating cup atomizers) 등이 있으나, 이에 한정되는 것을 아니다.
어떤 실시예에서, 복수의 스프레이들이 서로 상호 작용하여 원하는 특성을 갖는 스프레이를 형성할 수도 있다. 예를 들어, 한 노즐의 스프레이가 인접한 노즐의 빈 공간을 채울 수 있다. 다음 특허 및 특허 출원 문헌들에 다양한 형태의 스프레이가 개시되어 있으며, 이들은 본 발명에 결합된다. U.S. Patent No. 6,206,660; U.S. Patent Publication No. 2004/0244580; 및 U.S. Patent Publication No. 2003/0180155.
본 발명은 액체를 가스 내로 주입하기 위해 스프레이를 사용하는데 한정되지 않는다. 다른 실시예에 따르면, 하나 또는 그 이상의 단계의 압축 가스 에너지 저장 장치는 도6에서 기술한 바와 같이 버블러 (bubblers)를 사용하여 액체를 주입할 수도 있다.
높은 압력에서, 액체의 높은 질량 분율을 얻기 위한 액체의 부피 비율은 액체 방울-가스 에어로졸이 유지되기 어려울 정도로 클 수 있다. 대신에, 부피 비율은 “슬러그 유동 (slug flow)” 또는 “고려형 유동 (annular flow)”이 될 수 있다.
이러한 슬러그 유동 또는 고리형 유동은 급격한 열 이동이 일어나도록 하므로, 바람직하지 않다. 또한, 이러한 슬러그 유동 또는 고리형 유동은 기계적 문제나 밸브 성능 저하를 유발할 수 있다.
그러나, 가스를 버블 형태로 액체에 주입하게 되면, 불균일한 유동 없이도 가스와 액체간에 높은 표면적 접촉이 가능하다. 어떤 실시예에서는, 액체내에 대류 유동을 형성시키는 증기분사기 (sparger)를 이용한다. 이러한 유동에 의해, 상기 버블을 실린더 내로 좀 더 균일하게 분산시킬 수 있으므로, 버블 상태의 가스와 액체간의 열전달 속도가 증가된다.
도50A 의 장치는 또한 컴퓨터로 판독 가능한 저장 장치5094와 교통하는 컨트롤러/프로세서5096를 더 포함한다. 컴퓨터로 판독 가능한 저장 장치5094는어떤 디자인을 가져도 무방하며, 예를 들어, 반도체 원리 또는 자기적 원리 또는 광학적 저장 원리를 이용한 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 컨트롤러/프로세서는 시스템내의 범용 능동 소자들, 예를 들어 밸브, 펌프, 스프레이 및 센서 등 (그러나 이에 한정되지는 않는다)과 전기적으로 교통하고 있다. 시스템에서 이용되는 센서의 구체적인 예로는 압력 센서 (P), 온도 센서 (T), 부피 센서 (V), 시스템의 유입구에 위치한 습기 센서 (H) 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 이외에도 밸브, 피스톤 또는 이동 가능한 구성요소, 또는 시스템의 다른 파라미터의 상태를 알려주는 센서 등이 있다.
하기에 설명하는 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 시스템 요소로 부터의 입력 및 이러한 입력으로 부터 계산된 계산값에 기초하여, 컨트롤러/프로세서는 시스템의 동작을 동적으로 제어하여 하나 또는 그 이상의 목적을 수행한다. 이러한 목적에는 예를 들어, 압축 효율을 극대화하거나 제어하는 것, 압축 가스 형태로 에너지를 저장하는데 필요한 소모 전력을 제어하는 것, 압축을 행하는 이동 가능부재의 예상 유입 속도, 이러한 이동 가능 부재와 교통하는 회전 샤프트의 최대 입력 속도, 이러한 이동 가능 부재와 교통하는 회전 샤프트의 최대 입력 토크, 이러한 이동 가능 부재와 교통하는 회전 샤프트의 최소 입력 속도, 이러한 이동 가능 부재와 교통하는 회전 샤프트의 최소 입력 토크, 또는 다단계 장치 (이하에 기술)의 다른 단계들에서 물의 최대 온도 증가 예상치, 또는 다단계 장치의 다른 단계에서 공기의 최대 온도 증가 예상치 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체상에 존재하는 코드는 컨트롤러 또는 프로세서에 명령을 전달하여 시스템이 다양한 모드에서 동작하도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 도50A에서는 전용 압축기로 동작하는 장치를 도시하고 있으나, 반드시 그럴 필요는 없다. 다른 실시예에서는 전용 팽창기로 동작하여 상기 압축된 가스에 저장된 에너지를 유용한 일 (예를 들어, 파워 그리드로 전달되는 전력)로 변환하는 팽창기로 동작할 수 있다.
도50B는 전용 팽창기의 실시예를 보여주는 단순도이다. 도의 실시예는 챔버가 높은 압력에서 저장 탱크로 부터 압축 공기를 받아들이는 점을 제외하고는, 도50A에 개시된 것과 유사한 원리로 동작한다. 피스톤 막대는 챔버 내에서 팽창하는 가스에 반응하여 움직인다. 챔버로 주입된 액체는 열을 팽창하는 기체로 전달하고, 이로써 온도가 저하하는 정도를 줄인다. 액체 분리기 (여기서는 설렴의 편의를 위해, 단일 유닛으로 묘사된다)는 낮은 압력 측에 위치하여 재순환을 위해 액체를 제거하고, 이어서 팽창된 기체는 시스템에서 빠져나간다.
도51 는 본 발명에 따른 다른 실시예로서, 압축 가스 저장 시스템에 사용되는 장치500 를 보여준다. 이러한 다른 실시예는 압축 또는 팽창을 수행하도록 구성되어 있다.
구체적으로, 한 동작 모드에서, 장치는 압축 가스의 형태로 에너지를 저장하기 위해 파워를 소모한다. 압축/팽창기5102 는 연결 부재5132를 통해 모터/발전기5130로 부터 에너지를 받아들인다. 모터/발전기는 멤버 5106가 이동하도록 구동하여, 밸브 5112를 통해 낮은 압력 측 도관5110으로 부터 챔버5108로 유입된 가스를 압축한다.
압축 동안, 챔버 내의 가스는 온도가 상승된다. 아러한 압축이 열역학적으로 효율적으로 진행되도록 하기 위해, 본 발명의 실시예에서는 액체 방울을 챔버 내에 스프레이하여 액체-가스 혼합물을 생성시킨다. 상기 액체-가스 혼합물의 액체 성분은 압축시에 가스로 부터 열 에너지를 전달받고, 이로써 온도 증가의 폭을 줄인다.
압축된 가스는 이어서, 밸브5122를 거쳐 높은 압력 측 도관5120 , 분리 요소5124 (다단계 분리기로 구성될 수 있다)와 저장 유닛5126으로 흘러간다. 상기 혼합물로 부터 분리된 액체는 저장소 5125로 모이고, 여기서, 열 교환기 5150를 통해 식혀진 후 열 싱크5140로 나간다. 이어서, 펌프 5134에 의해 이동하여 추가적인 압축용 가스를 포함하고 있는 챔버로 재주입된다.
시스템5100의 다른 동작 모드에서, 압축 가스의 팽창에 의해 에너지가 복구된다. 압축기/팽창기5102는 높은 압력 측 도관5120 및 밸브5122을 통해 저장 유닛5126 으로 부터 압축 가스를 받아들여, 상기 압축된 공기가 상기 챔버5108내에서 팽창되도록 하여, 상기 이동 가능 부재5106를 움직인다. 팽창된 가스는 밸브5112를 거쳐 낮은 압력 측 도관5110으로 흘러가서 배기된다. 모터/발전기5130 는 발전기로 동작하여, 상기 이동 가능 부재의 움직임에 의해 발생된 에너지를 받아들여 전력을 생산한다.
팽창 동안, 상기 챔버 내의 가스 온도는 낮아진다. 이러한 팽창이 열역학적으로 효율적으로 진행되도록 하기 위해, 본 발명의 실시예에서는, 액체 방울을 챔버 내에 스프레이함으로써 액체-가스 혼합물을 형성한다. 이러한 액체-가스 혼합물의 액체 성분은 팽창 동안 열 에너지를 가스로 전달하고, 이로써, 온도 저하 폭을 감소시킨다.
팽창 후에, 상기 액체-가스 혼합물은 밸브5112와 낮은 압력 측 도관5110을 통해 액체 분리기5114로 이동한다. 상기 혼합물로 부터 제거된 액체는 저장소5115로 모아지고, 여기서 열 교환기5152에 의해 가열되어 열원5154으로 이동된다. 이어서, 펌프5134에 의해 추가적인 압축 가스를 포함하고 있는 챔버로 재주입되어 팽창된다.
도51 의 실시예에서는 수직 방향으로 구동되고 두개의 밸브를 포함하는 밸브 어셈블리를 통해 접근 가능한 하나의 피스톤이 내장된 실린더를 도시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에 따른 실시예는 다른 구조를 이용할 수도 있다. 예를 들어, 수평 방향으로 구동되며 네개의 밸브를 포함하는 밸브 및 실린더 어셈블리 내에 내장된 복동 피스톤을 사용할 수도 있다. 이에 대해서는 아래에 상세히 설명한다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 에너지 저장 및 복구 시스템 및 방법의 실시예는 프로세서와 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체를 포함하는 호스트 컴퓨터와 함께 적용될 수 있다. 이러한 프로세서 및 컴퓨터로 판독 가능한 저장 장치는 장치내에 내장되어 있을 수도 있고, 및/또는 외부 입출력 장치를 통해 제어되거나 모니터될 수도 있다.
도52는 상기 프로세서/컨트롤러 및 받아들인 다양한 입력들, 수행된 기능들, 및 상기 프로세서/컨트롤러에 의해 생성된 출력들과의 관계를 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 프로세서는 하나 또는 그 이상의 입력에 기초하여 장치의 다양한 동작 특성을 제어할 수 있다. 이러한 동작 파라미터는 전술한 바와 같이, 가스 유량 밸브 및 액체 유량 밸브의 개폐 타이밍 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술된 도20-20A 는본 발명의 실시예에 따라 정보를 처리하는 컴퓨팅 장치의 단순 모식도이다. 이러한 도면은 일예에 불과하며, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자는 다양한 변형, 변경 및 대체품을 생각해 낼 수 있다. 본 발명에 따른 실시예는 브라우저와 같은 단일 응용 프로그램에서 수행될 수도 있고, 또는 분산 컴퓨팅 환경과 같은 복합 프로그램, 예를 들어, 클라이언트 서버 관계에 있는 워크 스테이션, 개인용 컴퓨터 또는 원격 터미널 등으로 수행될 수도 있다.
흔하다는 장점과 큰 열량 때문에, 물은 열 싱크 또는 열 소스와 열 에너지를 교환하는 매체로 흔히 사용되었다. 그러나, 물의 열 교환 특성은 상변화에 의해 제한될 수 있다.
예를 들어, 실온에서 물은 압축 가스로 부터 열을 흡수하여, 가스로 상변화가 일어나기 전에, 약 섭씨80도 또는 그 이상의 양 (positive)의 온도 변화를 겪는다. 그러나, 실온에서 액체 상태의 물은 열을 팽창하는 가스에 전달하고, 고체로 상변화 되기 전까지, 섭씨 약 15도 또는 그 이하의 음 (negative)의 온도 변화를 겪는다.
이러한 좁은 온도 저하 폭으로 인해, 가스 팽창을 위한 다단계 장치의 어느 단계의 동작에서 제한 요소가 (constraint) 될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 열 교환 매체로 액체 상태의 물을 사용하는 것으로 한정되지 않는다. 열 교환을 위해 다른 액체를 사용하는 다양한 실시예도 가능하며, 이는 본 발명의 범위에 포함된다. 예를 들어, 프로필렌 글리콜 용액의 어는점은 그 용액 내에 존재하는 프로필렌 글리콜의 상대적인 양에 따라, 액체 상태의 물보다 더 낮을 수 있다. 이러한 대체 열 교환 매질은 순수한 물의 유동이 원활하지 않은 환경, 예를 들어, 높은 위도나 높은 고도에서 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 액체 또는 그 성분의 예로는, 다음을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다: 동결 방지, 계면활성제, 끓는점 상승제, 부식 방지제, 윤활제, 거품 형성제, 녹은 고체, 및 녹은 가스 ( anti-freezes, surfactants, boiling point elevating agents, anti-corrosive agents, lubricating agents, foaming agents, dissolved solids, and dissolved gases).
상기에 도시된 실시예에서는, 가스가 외부 환경에서 주입되고 배기되는 시스템이 도시되어 있다. 이러한 시스템의 예로는, 대기 공기의 압축 및 팽창에 기반하는 것을 들 수 있다.
그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다른 실시예로 폐쇄 시스템을 사용할 수 있으며, 이 경우, 압축을 위해 시스템으로 주입되는 가스는 이전의 팽창 과정 동안 배기된 것이다. 이러한 시스템의 일 예로, 압축 가스가 공기 이외에 다른 것, 예를 들어, 헬륨 또는 우수한 열량 특성을 갖는 가스 등을 사용하는 경우를 들 수 있다.
본 발명에 따른 개방 시스템 또는 폐쇄 시스템의 실시예에서, 압축되고, 팽창되고, 또는 팽창 및 압축되는 가스의 예로는 다음이 포함되나, 이에 한정되지는 않는다 (여기서, (ASHRAE 는American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers을 나타낸다).
(ASHRAE No./Name/Formula/CAS No.; where available):
R-600/Butane/CH3CH2CH2CH3/106-97-8; R-600a/Isobutane/CH (CH3)2CH3/75-28-5;
R-601/Pentane/CH3CH2CH2CH2CH3/109-66-0;
R-601a/Isopentane/ (CH3)2CHCH2CH3/78-78-4;
R-610/Diethyl ether/C2H5OC2H5/60-29-7; R-611/Methyl formate/C2H4O/107-31-3;
R-630/Methylamine/CH2NH2/74-89-5; R-631/Ethylamine/C2H5NH2/75-04-7;
R-702/Hydrogen/H2/1333-74-0; R-704/Helium/He/7440-59-7;
R-717/Ammonia/NH3/7664-41-7; R-718/Water/H2O/7732-18-5; R-720/Neon/Ne/7440-01-9;
R-728/Nitrogen/N2/7727-37-9; R-732/Oxygen/O2/7782-44-7; R-740/Argon/Ar/7440-37-1;
R-744/Carbon dioxide/CO2/124-38-9; R-744A/Nitrous oxide/N2O/10024-97-2;
R-764/Sulfur dioxide/SO2/7446-09-5; R-784/Krypton/Kr/7439-90-9;
R-1112a/1,1-Dichloro-2,2-difluoroethylene/C2Cl2F2/79-35-6;
R-1113/Chlorotrifluoroethylene/C2ClF3/79-38-9; R-1114/Tetrafluoroethylene/C2F4/116-14-3;
R-1120/Trichloroethylene/C2HCl3/79-01-6;
R-1130/cis-1,2-Dichloroethylene/C2H2Cl2/156-59-2;
R-1132/1,1-Difluoroethylene/C2H2F2/75-38-7; R-1140/Chloroethylene/C2H3Cl/75-01-4;
R-1141/Fluoroethylene/C2H3F/75-02-5; R-1150/Ethylene/C2H4/74-85-1;
R-1216/Hexafluoropropylene/C3F6/116-15-4;
NA/Hexafluoropropene trimer/ (C3F6)3/6792-31-0; R-1270/Propylene/C3H6/115-07-1;
R-10/Tetrachloromethane/CCl4/56-23-5; R-11/Trichlorofluoromethane/CCl3F/75-69-4;
R-12/Dichlorodifluoromethane/CCl2F2/75-71-8;
R-12B1/Bromochlorodifluoromethane/ CBrClF2/353-59-3;
R-12B2/Dibromodifluoromethane/CBr2F2/75-61-6;
R-13/Chlorotrifluoromethane/CClF3/75-72-9; R-13B1/Bromotrifluoromethane/CF3Br/75-63-8
R-14/Tetrafluoromethane/CF4/75-73-0; R-20 Trichloromethane CHCl3 67-66-3;
R-21/Dichlorofluoromethane/CHFCl2/75-43-4; R-22/Chlorodifluoromethane/CHClF2/75-45-6;
R-22B1/Bromodifluoromethane/CHBrF2/1511-62-2; R-23/Trifluoromethane/CHF3/75-46-7;
R-30/Dichloromethane/CH2Cl2/75-09-2; R-31 Chlorofluoromethane CH2FCl 593-70-4;
R-32/Difluoromethane/CH2F2/75-10-5; R-40/Chloromethane/CH3Cl/74-87-3;
R-41/Fluoromethane/CH3F/593-53-3; R-50/Methane/CH4/74-82-8;
R-110/Hexachloroethane/C2Cl6/67-72-1; R-111/Pentachlorofluoroethane/C2FCl5/354-56-3
R-112/1,1,2,2-Tetrachloro-1,2-difluoroethane/C2F2Cl4/76-12-0;
R-112a/1,1,1,2-Tetrachloro-2,2-difluoroethane/C2F2Cl4/76-11-9;
R-113/1,1,2-Trichlorotrifluoroethane/C2F3Cl3/76-13-1;
R-113a/1,1,1-Trichlorotrifluoroethane/C2F3Cl3/354-58-5;
R-114/1,2-Dichlorotetrafluoroethane/C2F4Cl2/76-14-2;
R-114a/1,1-Dichlorotetrafluoroethane/C2F4Cl2/374-07-2;
R-114B2/Dibromotetrafluoroethane/C2F4Br2/124-73-2;
R-115/Chloropentafluoroethane/C2F5Cl/76-15-3; R-116/Hexafluoroethane/C2F6/76-16-4;
R-120/Pentachloroethane/C2HCl5/76-01-7;
R-121/1,1,2,2-Tetrachloro-1-fluoroethane/C2HFCl4/354-14-3;
R-121a/1,1,1,2-Tetrachloro-2-fluoroethane/C2HFCl4/354-11-0;
R-122/1,1,2-Trichloro-2,2-difluoroethane/C2HF2Cl3/354-21-2;
*R-122a/1,1,2-Trichloro-1,2-difluoroethane/C2HF2Cl3/354-15-4;
R-122b/1,1,1-Trichloro-2,2-difluoroethane/C2HF2Cl3/354-12-1;
R-123/2,2-Dichloro-1,1,1-trifluoroethane/C2HF3Cl2/306-83-2;
R-123a/1,2-Dichloro-1,1,2-trifluoroethane/C2HF3Cl2/354-23-4;
R-123b/1,1-Dichloro-1,2,2-trifluoroethane/C2HF3Cl2/812-04-4;
R-124/2-Chloro-1,1,1,2-tetrafluoroethane/C2HF4Cl/2837-89-0;
R-124a/1-Chloro-1,1,2,2-tetrafluoroethane/C2HF4Cl/354-25-6;
R-125/Pentafluoroethane/C2HF5/354-33-6;
R-E125/ (Difluoromethoxy) (trifluoro)methane/C2HF5O/3822-68-2;
R-130/1,1,2,2-Tetrachloroethane/C2H2Cl4/79-34-5;
R-130a/1,1,1,2-Tetrachloroethane/C2H2Cl4/630-20-6;
R-131/1,1,2-trichloro-2-fluoroethane/C2H2FCl3/359-28-4;
R-131a/1,1,2-trichloro-1-fluoroethane/C2H2FCl3/811-95-0;
R-131b/1,1,1-trichloro-2-fluoroethane/C2H2FCl3/2366-36-1;
R-132/Dichlorodifluoroethane/C2H2F2Cl2/25915-78-0;
R-132a/1,1-Dichloro-2,2-difluoroethane/C2H2F2Cl2/471-43-2;
R-132b/1,2-Dichloro-1,1-difluoroethane/C2H2F2Cl2/1649-08-7;
R-132c/1,1-Dichloro-1,2-difluoroethane/C2H2F2Cl2/1842-05-3;
R-132bB2/1,2-Dibromo-1,1-difluoroethane/C2H2Br2F2/75-82-1;
R-133/1-Chloro-1,2,2-Trifluoroethane/C2H2F3Cl/431-07-2;
*R-133a/1-Chloro-2,2,2-Trifluoroethane/C2H2F3Cl/75-88-7;
R-133b/1-Chloro-1,1,2-Trifluoroethane/C2H2F3Cl/421-04-5;
R-134/1,1,2,2-Tetrafluoroethane/C2H2F4/359-35-3;
R-134a/1,1,1,2-Tetrafluoroethane/C2H2F4/811-97-2;
R-E134/Bis (difluoromethyl)ether/C2H2F4O/1691-17-4;
R-140/1,1,2-Trichloroethane/C2H3Cl3/79-00-5;
R-140a/1,1,1-Trichloroethane/C2H3Cl3/71-55-6;
R-141/1,2-Dichloro-1-fluoroethane/C2H3FCl2/430-57-9;
R-141B2/1,2-Dibromo-1-fluoroethane/C2H3Br2F/358-97-4;
R-141a/1,1-Dichloro-2-fluoroethane/C2H3FCl2/430-53-5;
R-141b/1,1-Dichloro-1-fluoroethane/C2H3FCl2/1717-00-6;
R-142/Chlorodifluoroethane/C2H3F2Cl/25497-29-4;
R-142a/1-Chloro-1,2-difluoroethane/C2H3F2Cl/25497-29-4;
R-142b/1-Chloro-1,1-difluoroethane/C2H3F2Cl/75-68-3;
R-143/1,1,2-Trifluoroethane/C2H3F3/430-66-0 300;
R-143a/1,1,1-Trifluoroethane/C2H3F3/420-46-2 3,800;
R-143m/Methyl trifluoromethyl ether/C2H3F3O/421-14-7;
R-E143a/2,2,2-Trifluoroethyl methyl ether/C3H5F3O/460-43-5;
R-150/1,2-Dichloroethane/C2H4Cl2/107-06-2;
R-150a/1,1-Dichloroethane/C2H4Cl2/75-34-3;
R-151/Chlorofluoroethane/C2H4ClF/110587-14-9;
R-151a/1-Chloro-1-fluoroethane/C2H4ClF/1615-75-4;
R-152/1,2-Difluoroethane/C2H4F2/624-72-6;
R-152a/1,1-Difluoroethane/C2H4F2/75-37-6;
R-160/Chloroethane/C2H5Cl/75-00-3;
R-161/Fluoroethane/C2H5F/353-36-6;
R-170/Ethane/C2H6/74-84-0;
R-211/1,1,1,2,2,3,3-Heptachloro-3-fluoropropane/C3FCl7/422-78-6;
R-212/Hexachlorodifluoropropane/C3F2Cl6/76546-99-3;
R-213/1,1,1,3,3-Pentachloro-2,2,3-trifluoropropane/C3F3Cl5/2354-06-5;
R-214/1,2,2,3-Tetrachloro-1,1,3,3-tetrafluoropropane/C3F4Cl4/2268-46-4;
R-215/1,1,1-Trichloro-2,2,3,3,3-pentafluoropropane/C3F5Cl3/4259-43-2;
R-216/1,2-Dichloro-1,1,2,3,3,3-hexafluoropropane/C3F6Cl2/661-97-2;
R-216ca/1,3-Dichloro-1,1,2,2,3,3-hexafluoropropane/C3F6Cl2/662-01-1;
R-217/1-Chloro-1,1,2,2,3,3,3-heptafluoropropane/C3F7Cl/422-86-6;
R-217ba/2-Chloro-1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropane/C3F7Cl/76-18-6;
R-218/Octafluoropropane/C3F8/76-19-7;
R-221/1,1,1,2,2,3-Hexachloro-3-fluoropropane/C3HFCl6/422-26-4;
R-222/Pentachlorodifluoropropane/C3HF2Cl5/134237-36-8;
R-222c/1,1,1,3,3-Pentachloro-2,2-difluoropropane/C3HF2Cl5/422-49-1;
R-223/Tetrachlorotrifluoropropane/C3HF3Cl4/134237-37-9;
R-223ca/1,1,3,3-Tetrachloro-1,2,2-trifluoropropane/C3HF3Cl4/422-52-6;
R-223cb/1,1,1,3-Tetrachloro-2,2,3-trifluoropropane/C3HF3Cl4/422-50-4;
R-224/Trichlorotetrafluoropropane/C3HF4Cl3/134237-38-0;
R-224ca/1,3,3-Trichloro-1,1,2,2-tetrafluoropropane/C3HF4Cl3/422-54-8;
R-224cb/1,1,3-Trichloro-1,2,2,3-tetrafluoropropane/C3HF4Cl3/422-53-7;
R-224cc/1,1,1-Trichloro-2,2,3,3-tetrafluoropropane/C3HF4Cl3/422-51-5;
R-225/Dichloropentafluoropropane/C3HF5Cl2/127564-92-5;
R-225aa/2,2-Dichloro-1,1,1,3,3-pentafluoropropane/C3HF5Cl2/128903-21-9;
R-225ba/2,3-Dichloro-1,1,1,2,3-pentafluoropropane/C3HF5Cl2/422-48-0;
R-225bb/1,2-Dichloro-1,1,2,3,3-pentafluoropropane/C3HF5Cl2/422-44-6;
R-225ca/3,3-Dichloro-1,1,1,2,2-pentafluoropropane/C3HF5Cl2/422-56-0;
R-225cb/1,3-Dichloro-1,1,2,2,3-pentafluoropropane/C3HF5Cl2/507-55-1;
R-225cc/1,1-Dichloro-1,2,2,3,3-pentafluoropropane/C3HF5Cl2/13474-88-9;
R-225da/1,2-Dichloro-1,1,3,3,3-pentafluoropropane/C3HF5Cl2/431-86-7;
R-225ea/1,3-Dichloro-1,1,2,3,3-pentafluoropropane/C3HF5Cl2/136013-79-1;
R-225eb/1,1-Dichloro-1,2,3,3,3-pentafluoropropane/C3HF5Cl2/111512-56-2;
R-226/Chlorohexafluoropropane/C3HF6Cl/134308-72-8;
R-226ba/2-Chloro-1,1,1,2,3,3-hexafluoropropane/C3HF6Cl/51346-64-6;
R-226ca/3-Chloro-1,1,1,2,2,3-hexafluoropropane/C3HF6Cl/422-57-1;
R-226cb/1-Chloro-1,1,2,2,3,3-hexafluoropropane/C3HF6Cl/422-55-9;
R-226da/2-Chloro-1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane/C3HF6Cl/431-87-8;
R-226ea/1-Chloro-1,1,2,3,3,3-hexafluoropropane/C3HF6Cl/359-58-0;
R-227ca/1,1,2,2,3,3,3-Heptafluoropropane/C3HF7/2252-84-8;
R-227ca2/Trifluoromethyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether/C3HF7O/2356-61-8;
R-227ea/1,1,1,2,3,3,3-Heptafluoropropane/C3HF7/431-89-0;
R-227me/Trifluoromethyl 1,2,2,2-tetrafluoroethyl ether/C3HF7O/2356-62-9;
R-231/Pentachlorofluoropropane/C3H2FCl5/134190-48-0;
R-232/Tetrachlorodifluoropropane/C3H2F2Cl4/134237-39-1;
R-232ca/1,1,3,3-Tetrachloro-2,2-difluoropropane/C3H2F2Cl4/1112-14-7;
R-232cb/1,1,1,3-Tetrachloro-2,2-difluoropropane/C3H2F2Cl4/677-54-3;
R-233/Trichlorotrifluoropropane/C3H2F3Cl3/134237-40-4;
R-233ca/1,1,3-Trichloro-2,2,3-trifluoropropane/C3H2F3Cl3/131221-36-8;
R-233cb/1,1,3-Trichloro-1,2,2-trifluoropropane/C3H2F3Cl3/421-99-8;
R-233cc/1,1,1-Trichloro-2,2,3-trifluoropropane/C3H2F3Cl3/131211-71-7;
R-234/Dichlorotetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/127564-83-4;
R-234aa/2,2-Dichloro-1,1,3,3-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/17705-30-5;
R-234ab/2,2-Dichloro-1,1,1,3-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/149329-24-8;
R-234ba/1,2-Dichloro-1,2,3,3-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/425-94-5;
R-234bb/2,3-Dichloro-1,1,1,2-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/149329-25-9;
R-234bc/1,2-Dichloro-1,1,2,3-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/149329-26-0;
R-234ca/1,3-Dichloro-1,2,2,3-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/70341-81-0;
R-234cb/1,1-Dichloro-2,2,3,3-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/4071-01-6;
R-234cc/1,3-Dichloro-1,1,2,2-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/422-00-5;
R-234cd/1,1-Dichloro-1,2,2,3-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/70192-63-1;
R-234da/2,3-Dichloro-1,1,1,3-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/146916-90-7;
R-234fa/1,3-Dichloro-1,1,3,3-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/76140-39-1;
R-234fb/1,1-Dichloro-1,3,3,3-tetrafluoropropane/C3H2F4Cl2/64712-27-2;
R-235/Chloropentafluoropropane/C3H2F5Cl/134237-41-5;
R-235ca/1-Chloro-1,2,2,3,3-pentafluoropropane/C3H2F5Cl/28103-66-4;
R-235cb/3-Chloro-1,1,1,2,3-pentafluoropropane/C3H2F5Cl/422-02-6;
R-235cc/1-Chloro-1,1,2,2,3-pentafluoropropane/C3H2F5Cl/679-99-2;
R-235da/2-Chloro-1,1,1,3,3-pentafluoropropane/C3H2F5Cl/134251-06-2;
R-235fa/1-Chloro-1,1,3,3,3-pentafluoropropane/C3H2F5Cl/677-55-4;
R-236cb/1,1,1,2,2,3-Hexafluoropropane/C3H2F6/677-56-5;
R-236ea/1,1,1,2,3,3-Hexafluoropropane/C3H2F6/431-63-0;
R-236fa/1,1,1,3,3,3-Hexafluoropropane/C3H2F6/690-39-1;
R-236me/1,2,2,2-Tetrafluoroethyl difluoromethyl ether/C3H2F6O/57041-67-5;
R-FE-36/Hexafluoropropane/C3H2F6/359-58-0;
R-241/Tetrachlorofluoropropane/C3H3FCl4/134190-49-1;
R-242/Trichlorodifluoropropane/C3H3F2Cl3/134237-42-6;
R-243/Dichlorotrifluoropropane/C3H3F3Cl2/134237-43-7;
R-243ca/1,3-Dichloro-1,2,2-trifluoropropane/C3H3F3Cl2/67406-68-2;
R-243cb/1,1-Dichloro-2,2,3-trifluoropropane/C3H3F3Cl2/70192-70-0;
R-243cc/1,1-Dichloro-1,2,2-trifluoropropane/C3H3F3Cl2/7125-99-7;
R-243da/2,3-Dichloro-1,1,1-trifluoropropane/C3H3F3Cl2/338-75-0;
R-243ea/1,3-Dichloro-1,2,3-trifluoropropane/C3H3F3Cl2/151771-08-3;
R-243ec/1,3-Dichloro-1,1,2-trifluoropropane/C3H3F3Cl2/149329-27-1;
R-244/Chlorotetrafluoropropane/C3H3F4Cl/134190-50-4;
R-244ba/2-Chloro-1,2,3,3-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl;
*R-244bb/2-Chloro-1,1,1,2-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl/421-73-8;
R-244ca/3-Chloro-1,1,2,2-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl/679-85-6;
R-244cb/1-Chloro-1,2,2,3-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl/67406-66-0;
R-244cc/1-Chloro-1,1,2,2-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl/421-75-0;
R-244da/2-Chloro-1,1,3,3-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl/19041-02-2;
R-244db/2-Chloro-1,1,1,3-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl/117970-90-8;
R-244ea/3-Chloro-1,1,2,3-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl;
R-244eb/3-Chloro-1,1,1,2-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl;
R-244ec/1-Chloro-1,1,2,3-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl;
R-244fa/3-Chloro-1,1,1,3-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl;
R-244fb/1-Chloro-1,1,3,3-tetrafluoropropane/C3H3F4Cl/2730-64-5;
R-245ca/1,1,2,2,3-Pentafluoropropane/C3H3F5/679-86-7 560;
R-245cb/Pentafluoropropane/C3H3F5/1814-88-6;
R-245ea/1,1,2,3,3-Pentafluoropropane/C3H3F5/24270-66-4;
R-245eb/1,1,1,2,3-Pentafluoropropane/C3H3F5/431-31-2;
R-245fa/1,1,1,3,3-Pentafluoropropane/C3H3F5/460-73-1;
R-245mc/Methyl pentafluoroethyl ether/C3H3F5O/22410-44-2;
R-245mf/Difluoromethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether/C3H3F5O/1885-48-9;
R-245qc/Difluoromethyl 1,1,2-trifluoroethyl ether/C3H3F5O/69948-24-9;
R-251/Trichlorofluoropropane/C3H4FCl3/134190-51-5;
R-252/Dichlorodifluoropropane/C3H4F2Cl2/134190-52-6;
R-252ca/1,3-Dichloro-2,2-difluoropropane/C3H4F2Cl2/1112-36-3;
R-252cb/1,1-Dichloro-2,2-difluoropropane/C3H4F2Cl2/1112-01-2;
R-252dc/1,2-Dichloro-1,1-difluoropropane/C3H4F2Cl2;
R-252ec/1,1-Dichloro-1,2-difluoropropane/C3H4F2Cl2;
R-253/Chlorotrifluoropropane/C3H4F3Cl 134237-44-8;
R-253ba/2-Chloro-1,2,3-trifluoropropane/C3H4F3Cl;
R-253bb/2-Chloro-1,1,2-trifluoropropane/C3H4F3Cl;
R-253ca/1-Chloro-2,2,3-trifluoropropane/C3H4F3Cl/56758-54-4;
R-253cb/1-Chloro-1,2,2-trifluoropropane/C3H4F3Cl/70192-76-6;
R-253ea/3-Chloro-1,1,2-trifluoropropane/C3H4F3Cl;
R-253eb/1-Chloro-1,2,3-trifluoropropane/C3H4F3Cl;
R-253ec/1-Chloro-1,1,2-trifluoropropane/C3H4F3Cl;
R-253fa/3-Chloro-1,3,3-trifluoropropane/C3H4F3Cl;
*R-253fb/3-Chloro-1,1,1-trifluoropropane/C3H4F3Cl/460-35-5;
R-253fc/1-Chloro-1,1,3-trifluoropropane/C3H4F3Cl;
R-254cb/1,1,2,2-Tetrafluoropropane/C3H4F4/40723-63-5;
R-254pc/Methyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether/C3H4F4O/425-88-7;
R-261/Dichlorofluoropropane/C3H5FCl2/134237-45-9;
R-261ba/1,2-Dichloro-2-fluoropropane/C3H5FCl2/420-97-3;
R-262/Chlorodifluoropropane/C3H5F2Cl/134190-53-7;
R-262ca/1-Chloro-2,2-difluoropropane/C3H5F2Cl/420-99-5;
R-262fa/3-Chloro-1,1-difluoropropane/C3H5F2Cl;
R-262fb/1-Chloro-1,3-difluoropropane/C3H5F2Cl;
R-263/Trifluoropropane/C3H5F3;
R-271/Chlorofluoropropane/C3H6FCl/134190-54-8;
R-271b/2-Chloro-2-fluoropropane/C3H6FCl/420-44-0;
R-271d/2-Chloro-1-fluoropropane/C3H6FCl;
R-271fb/1-Chloro-1-fluoropropane/C3H6FCl;
R-272/Difluoropropane/C3H6F2;
R-281/Fluoropropane/C3H7F;
R-290/Propane/C3H8/74-98-6;
R-C316/Dichlorohexafluorocyclobutane/C4Cl2F6/356-18-3;
R-C317/Chloroheptafluorocyclobutane/C4ClF7/377-41-3;
R-C318/Octafluorocyclobutane/C4F8/115-25-3;
R-3-1-10/Decafluorobutane/C4F10;
R-329ccb/ 375-17-7;
R-338eea/ 75995-72-1;
R-347ccd/ 662-00-0;
R-347mcc/ Perfluoropropyl methyl ether/C4H3F7O/375-03-1;
R-347mmy/ Perfluoroisopropyl methyl ether/C4H3F7O/22052-84-2;
R-356mcf/
R-356mffm/
R-365mfc/1,1,1,3,3-Pentafluorobutane/C4H5F5
FC-72/Tetradecafluorohexane/C6F14 355-42-0
R-400 R-12/R-114 (60/40 wt%) binary blend
R-401A R-22/R-152a/R-124 (53/13/34)
R-401B R-22/R-152a/R-124 (61/11/28)
R-401C R-22/R-152a/R-124 (33/15/52)
R-402A R-125/R-290/R-22 (60/2/38)
R-402B R-125/R-290/R-22 (38/2/60)
R-403A R-290/R-22/R-218 (5/75/20)
R-403B R-290/R-22/R-218 (5/56/39)
R-404A R-125/R-143a/R-134a (44/52/4)
R-405A R-22/R-152a/R-142b/R-C318 (45/7/5.5/42.5)
R-406A R-22/R-600a/R-142b (55/04/41)
R-407A R-32/R-125/R-134a (20/40/40)
R-407B R-32/R-125/R-134a (10/70/20)
R-407C R-32/R-125/R-134a (23/25/52)
R-407D R-32/R-125/R-134a (15/15/70)
R-407E R-32/R-125/R-134a (25/15/60)
R-408A R-125/R-143a/R-22 (7/46/47)
R-409A R-22/R-124/R-142b (60/25/15)
R-409B R-22/R-124/R-142b (65/25/10)
R-410A R-32/R-125 (50/50)
R-410B R-32/R-125 (45/55)
R-411A R-1270/R-22/R-152a (1.5/87.5/11)
R-411B R-1270/R-22/R-152a (3/94/3)
R-412A R-22/R-218/R-142b (70/5/25)
R-413A R-218/R-134a/R-600a (9/88/3)
R-414A R-22/R-124/R-600a/R-142b (51/28.5/4.0/16.5)
R-414B R-22/R-124/R-600a/R-142b (50/39/1.5/9.5)
R-415A R-22/R-152a (82/18)
R-415B R-22/R-152a (25/75)
R-416A R-134a/R-124/R-600 (59/39.5/1.5)
R-417A R-125/R-134a/R-600 (46.6/50.0/3.4)
R-418A R-290/R-22/R-152a (1.5/96/2.5)
R-419A R-125/R-134a/R-E170 (77/19/4)
R-420A R-134a/R-142b (88/12)
R-421A R-125/R-134a (58/42)
R-421B R-125/R-134a (85/15)
R-422A R-125/R-134a/R-600a (85.1/11.5/3.4)
R-422B R-125/R-134a/R-600a (55/42/3)
R-422C R-125/R-134a/R-600a (82/15/3)
R-422D R-125/R-134a/R-600a (65.1/31.5/3.4)
R-423A R-134a/R-227ea (52.5/47.5)
R-424A R-125/R-134a/R-600a/R-600/R-601a (50.5/47/.9/1/.6)
R-425A R-32/R-134a/R-227ea (18.5/69.5/12)
*R-426A R-125/R-134a/R-600/R-601a (5.1/93/1.3/.6)
R-427A R-32/R-125/R-143a/R-134a (15/25/10/50)
R-428A R-125/R-143a/R-290/R-600a (77.5/20/.6/1.9)
R-500 R-12/R-152a (73.8/26.2)
R-501 R-22/R-12 (75/25)
R-502 R-22/R-115 (48.8/51.2)
R-503 R-23/R-13 (40.1/59.9)
R-504 R-32/R-115 (48.2/51.8)
R-505 R-12/R-31 (78/22)
R-506 R-31/R-114 (55.1/44.9)
R-507 R-125/R-143a (50/50)
R-508A R-23/R-116 (39/61)
R-508B R-23/R-116 (46/54)
R-509A R-22/R-218 (44/56)
본 발명의 어떤 실시예에서, 상기 가스중 하나 또는 그 이상의 혼합물이 압축, 팽창, 또는 압축 및 팽창에 사용될 수 있다. 이러한 가스 혼합물의 예로는 연소에 흔히 사용되는 천연 가스가 있다.
본 발명의 어떤 실시예에서는, 유용한 일을 수행하는 에너지가 네트워크를 통해 흐르는 (천연 가스와 같은) 압축된 가스의 팽창에 의해 복구될 수 있다. 예를 들어, 종래의 “도시 게이트 (city gate)” 또는 다른 수동적 압력 조절기를 사용하여, 가스가 높은 압력으로 부터 낮은 압력으로 자유롭게 팽창하도록 할 수 있다. 그로 인해 압력이 낮아진 가스는 높은 엔트로피-더 적은 일이 추출됨을 의미-를 갖게 된다.
어떤 실시예에서는, 가스에서 활용 가능한 일의 손실을 최소화하는 것이 바람직하다. 이러한 적용예로는 천연 가스 파이프 라인내의 가스가 도시 게이트 시스템을 거쳐 도시 압력으로 (to city pressure via a city gate system) 팽창하는 동안에 일어난다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예는 능동 조절기를 포함하며, 능동 조절기에서 가스가 팽창할 때 가스는 피스톤이나 다른 이동 가능 부재에 대한 기계적 일을 하지 않는다. 이러한 기계적 일은 발전기를 동작시키거나, 전기를 생산하거나, 또는 다른 기계적 시스템을 구동할 때 사용된다.
따라서, 도136에 도시된 능동 소자13600는 가스를 자유롭게 팽창시키기 보다는, 팽창 가스의 압력을 피스톤13602을 구동하는데 사용한다. 이어서, 이러한 피스톤의 이동은 유용한 일을 생산하는 데 사용된다. 예를 들어, 도136의 실시예에서, 피스톤은 크랭크 샤프트13604 를 회전시켜 발전기13606가 전기를 생산하도록 한다.
프로세서의 효율성을 극대화하고, 팽창 동안에 얼었던 가스에 습기가 발생하는 것을 방지하기 위해, 가스와 적합성이 있는 액체가 스프레이13607 를 통해 팽창기간 동안 실린더13608내로 스프레이된다. 상술한 바와 같이, 이러한 액체는 팽창 과정의 온도를 제어 - 예를 들어, 근사-등온 상태로 유지-하면서 열을 실린더 내로 전달한다.
팽창된 가스-액체 혼합물은 밸브13610를 통해 실린더로 부터 배출되고, 가스-액체 분리기13612를 거쳐 지나간다. 상기 액체는 펌프13613에 의해 펌핑되어 열 교환기13614를 거쳐 주변 온도에 가까운 온도로 되돌린 후, 실린더로 다시 스프레이된다.
전술한 특정 실시예는 단일 단계에서 압축 또는 팽창이 이루어지는 경우이다. 그러나, 본 발명에 따른 다른 실시예에서는, 직렬로 배치된 하나 이상의 압축 및/또는 팽창 단계를 이용한다.
예를 들어, 기계적 파워가 시스템으로 또는 시스템으로 부터 전달됨으로써 기계적 또는 유압 방식으로 얻을 수 있는 것보다 더 큰 압축/팽창비가 요구되는 경우, 다단계가 활용될 수 있다.
도는 다단계 일 실예에 대한 매우 간략한 도면으로서, 3단계 (예를 들어, 제1단계5324, 제2단계5324b, 및 제3단계5324c)로 탱크5332에 저장된 공기를 압축하는 시스템5320이 도시된다. 더 많은 또는 더 적은 수의 단계를 갖는 시스템도 유사하게 구성될 수 있다. 도의 시스템에 보여진 바와 같이, 다단계 실시예에서, 하나의 압축 단계의 출력은 여속된 압축의 유입구로 흘러가서, 저장을 위한 바람직한 최종 압력이 얻어질 때까지 추가적으로 압축된다. 이런식으로, 가스는 몇 단계에 걸쳐 압축되어 하나의 단계로는 얻기 어려운 최종 압력에 도달할 수 있다.
도53B는 본 발명의 일 실시예에 따른 다단계 전용 압축 장치5300 를 도시한다. 도53B에 보여진 시스템5300은 제1단계5302, 제2단계5304 및 저장 유닛5332을 포함한다. 제1단계5302는 압축 챔버 모듈C01을 거쳐 분리기 모듈B1 과 액체 교환하는 유입구 모듈A0 을 포함한다. 제1단계5302는 공기 필터5350를 거쳐 공기를 받아들여 압축한다.
이어서, 제1단계5302는 제2단계5304 와 액체 교환하며, 제2단계5304 는 압축 모듈C12을 거쳐 분리 모듈B2 과 액체 교환하는 유입 모듈A1을 포함한다. 제2단계5304는 이어서 저장 유닛5332과 액체 교환한다.
도53BA, 53BB, 및 53BC 는 도53B의 다단계 압축 장치를 구성하는 구성요소 모듈들의 간략도이다. 유입 모듈Ax은 도관5312과 맥동 방지병5314을 거쳐 유출구5316와 액체 교환하는 가스 유입구5306 를 포함한다.
도53BB는 분리기 모듈By을 도시한다. 분리기 모듈은 액체-가스 분리기5332와 액체 교환하는 유입구5330를 포함한다. 분리기에서 분리된 액체는 액체 저장소5334로 흘러간다. 상기 분리기에서 나온 가스는 상기 분리 모듈의 유출구5336 로 흘러간다.
펌프5338는 상기 저장소로 부터 나온 액체를 액체 밸브5341를 거쳐 액체 유출구5340 로 흘려보낸다. 액체 밸브는 액체가 상기 분리기 모듈로 부터 상기 압축 모듈의 스프레이 구조로 흘러가는 것을 제어한다. 액체 유동 밸브를 구동함으로써, 액체 주입이 일어나지 않을때 발생하는 챔버 내의 압력 파동으로 부터 상기 펌프를 차단할 수 있다. 어떤 실시예에서, 액체 유량 도관은 액츄에이터 구조와 교통함으로써 압력 변화폭을 완화시킨다.
도53BC에서는 압축 모듈을 도시한다. 압축 모듈의 구조에 대한 일 실시예는 이미 설명하였다. 압축 모듈은, 유입구5352와 액체 교환하며 밸브5356a 및 5356b를 통해 실린더5354와 액체 교환하는 도관5350을 포함한다. 도관5358은 밸브5357a 및 5357b 를 통해 실린더5354와 액체 교환하고, 유출구5359와 액체 교환한다.
복동 피스톤5355은 실린더5354내에 배치되어 있다. 복동 피스톤은 에너지 소스 (미도시)와 액체 교환하고, 이동에 의해 실린더 내에 존재하는 가스를 압축한다. 이러한 압축은 이미 전술된 바와 같다.
스프레이5343는 실린더와 액체 교환하며, 내부에 액체를 주입한다. 스프레이5343는 상기 분리 모듈의 액체 유출구로 부터 액체를 받아 들인다. 어떤 실시예에서, 상기 액체 유량 밸브와 스프레이 사이의 거리를 최소화 함으로써 아웃 개싱 가능성을 줄일 수 있다.
다단계 전용 압축 장치5300의 제1단계5302에서, 분리기 모듈B1 의 액체 유출구는 제1 열 교환기H.E.01를 통해 압축 모듈C01과 액체 교환하고 있다. 다단계 전용 압축 장치5300의 제2단계5304에서, 상기 분리기 모듈B2의 액체 유출구는 제2 열 교환기H.E.12를 거쳐 압축 모듈C12의 액체 유입구와 액체 교환을 한다.
도53B의 실시예서는, 따라서, 하나의 단계에 의해 발생된 압력차를 이용하여 액체의 주입을 촉진한다. 도53B의 실시예에서는, 분리된 액체가 이전의 낮은 압력 단계의 낮은 압력을 갖는 가스의 흐름속으로 흘러간다. 이로 인해, 액체 주입을 위해 소모되는 힘이 줄어들고, 따라서, 펌프에 의해 액체를 흘려보내는데 소모되는 파워가 줄어든다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전용 다단계 압축 장치는 도53B에 개시된 것으로 한정되지 않는다. 도53B의 실시예에서는 분리된 액체가 개별 단계 내의 가스 흐름속으로 재 주입되어 재활용되고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도53C의 본 발명에 따른 전용 다단계 압축 장치의 또 다른 실시예를 도시한다. 본 발명에 따른 일 실시예의 시스템5360에 있어서, 제1단계의 압축 챔버5362 내로 주입된 액체는 분리기5364에 의해 제거된 후, 다음 단계의 압축 챔버5366 에 주입된다. 이러한 구성에 의해, 최종적으로 분리된 액체는 탱크5368에 모인다. 도53C의 실시예는 압축된 가스의 에너지가 액체를 동일 단계의 압축 챔버로 재주입하기 위해 흘려보내는데 소모되지 않는다는 점에서 잇점이 있다.
도53A-C 에서는 다단계에 걸친 압축이 개시되고 있으나, 본 발명이 이러한 방식에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 다른 실시예에서는, 팽창도 다단계에 걸쳐 수행할 수 있고, 하나의 팽창 단계의 출력은 연속된 팽창 단계의 유입구로 흘러들어 추가적인 팽창을 수행함으로써 에너지가 압축 가스로 부터 복구된다. 이런 식으로, 에너지는 다단계에 걸친 가스의 팽창으로 부터 하나의 팽창 단계만으로는 얻기 어려운 정도로 복구될 수 있다.
도54는 본 발명에 따른 실시예에 따른 다단계 전용 팽창기를 도시한다. 도54의 장치5460는 저장 유닛5432, 제1단계5462 및 제2 단계5464를 포함하고 있다. 제1단계5462는 팽창 모듈E34을 거쳐 분리기 모듈B4과 액체 교환하는 유입구 모듈A3을 포함하고 있다. 제1단계5462는 저장 유닛5432으로 부터 압축용 공기를 받아들인다.
이어서, 제1단계5462는 제2단계5464와 액체 교환한다. 제2단계5464는 팽창 모듈E23을 통해 분리기 모듈B3과 액체 교환하는 유입구 모듈A2 을 포함한다. 제2단계5464는 계속해서 유출구5457와 액체 교환한다.
상기 다단계 전용 팽창 장치의 다른 구성 모듈도 또한 전술된 바와 같이 도 53BA 및53BB 에 도시되어 있다. 전용 팽창 장치5460 는 도54A에 개시된 팽창 모듈을 더 포함한다.
일 실시예에 따른 이러한 팽창 모듈의 구조와 동작은 이미 설명하였다. 구체적으로, 팽창 모듈은 유입구5459와 액체 교환하고, 또한 밸브5467a 및5467b를 거쳐 실린더5454와 액체 교환하는 도관5458을 포함한다. 도관은 밸브5466a 및 5466b를 통해 실린더5454와 액체 교환하고, 유출구5452와 액체 교환한다.
복동 피스톤5455은 실린더5454내에 배치되어 있다. 복동 피스톤은 장치 (미도시)와 교통하며, 기계적 에너지를 에너지, 예를 들어 발전기,를 위한 에너지로 전환한다. 실린더 내에서 공기가 팽창함으로써, 피스톤을 움직이다. 이러한 팽창은 이미 설명하였다.
*다단계 전용 팽창 장치5460의 제1단계5462에서, 상기 분리기 모듈B4 의 액체 유출구는 제1열 교환기H.E.43를 거쳐 팽창 모듈E34 의 챔버와 액체 교환한다.
본 발명에 따른 전용 다단계 팽창 장치는 도54에 개시된 특정 실시예에 한정되지 않는다. 도에서는 분리된 액체가 개별 단계내에서 가스 흐름속으로 재주입 되기 위해 재활용 되나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도55는 본 발명에 따른 전용 다단계 팽창 장치의 다른 실시예를 도시한다. 본 발명에 따른 시스템5500 에서, 제1단계의 팽창 챔버5502 로 주입된 액체는 분리기5504에 의해 거의 분리된 후, 다음 단계의 팽창 챔버5506 로 주입된다. 이러한 구성에 의해, 분리기5507가 탱크5508내에 최종적으로 분리된 액체를 모은다.
도55 의 실시예에서는 액체가 압력차에 대항하여 주입될 것을 요하지 않는다. 도의 실시예에서, 분리된 액체는 이전의 높은 압력 단계의 상승된 압력을 갖는 유입 가스 흐름 속으로 다시 흘러 들어간다. 반대로, 도54A의 실시예에서는, 분리된 액체가 다음 단계로 주입되는 팽창된 가스로 흘러 들어가고, 이로써 액체를 흘려 보내는데 소모되는 파워를 감소시킨다.
이와 같이 설명한 다단계 장치의 실시예는 압축 또는 팽창 전용 장치에 관해 개시하고 있으나, 본 발명에 따른 다른 실시예에서는 압축과 팽창을 모두 수행할 수 있다. 도56는 압축과 팽창을 모두 수행하는 2단계 장치의 일 실시예를 간략하게 도시하고 있다.
도의 실시예에서는, 다수의 구성요소들이 결합되어 압축과 팽창을 모두 수행하는 시스템을 형성한다. 시스템5600의 특징 중 하나는 시스템의 요소들을 3-방향 밸브 (three-way valves) 5604를 통해 연결하고 있다는 점이다. 도56의 3-방향 밸브는, 압축 모드는 실선으로, 팽창 상태는 점선으로 표시되어 있다.
시스템5600의 특징 중 하나는 압축 모드와 팽창 모드 양쪽에서 액체를 주입하는데 동일한 저장소5605를 사용하는 점이다. 구체적으로, 압축 동안, 저장소는 이전 단계의 압축으로 인해 이미 높은 압력 상태에 있는 가스로 액체를 주입하는데 이용된다. 팽창 동안에는, 상기 저장소는 제1단계의 높은 압력 가스에 액체를 주입하는데 사용된다. 압축과 팽창에 공통으로 사용되는 혼합 챔버를 갖는 다단계 장치에서, 유상기 혼합 챔버로 흘러가는 유입 가스의 압력은 원하는 가스-액체 혼합물을 얻을 수 있을 정도가 된다.
시스템의 또 다른 특징은 하나 또는 그 이상의 치수로 늘려진 맥동 방지 병5606 (여기서는 치수 d)을 사용한다는 점이다. 이렇게 늘어진 형상의 맥동 방지 병으로 그 병과 인접 요소들이 연결됨으로써, 이들 인접 요소들과 액체 교환하는 도관의 길이를 짧게 할 수 있다. 맥동을 줄이는 병의 기능은 이미 언급한 단일 단계 실시예에서의 병의 기능과 기본적으로 동일하다.
도는 늘어진 형태의 맥동 방지 병을 도시하는 간략 모식도이다. 그러나, 본 발명이 이러한 늘어진 형태의 병 형상에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 맥동 방지 병의 다른 실시예에서는 하나 또는 그 이상의 로브나 늘어진 형태의 다른 요소 (one or more lobes or other elongated features)를 포함할 수 있다.
압축 모드가 동작 중일 때, 가스는 유입구5650를 거쳐 시스템5600으로 들어가서 두개의 연속된 액체 주입 및 압축 단계에 노출되고, 이어서 저장 유닛5632으로 흘러간다. 분리된 액체는 탱크에 모인다. 탱크는 절연된 상태로 열을 보존한 후 주입되도록 함으로써, 팽창모드에서의 팽창이 근 등온적으로 일어나도록 한다.
구체적으로, 팽창 모드에서, 저장 유닛5632에서 나온 압축 가스는 두개의 연속된 액체 주입 및 팽창 압축 단계에 노출된 후, 유출구5634를 통해 시스템 밖으로 흘러간다. 분리된 액체는 탱크에 모이고, 이어서 재주입되어 압축 모드에서의 압축이 등온적으로 일어나도록 한다.
도56의 시스템의 실시예에서, 분리된 액체가 다른 단계를 거쳐 최종 분리기에 모이게 되며, 이는 도53C (전용 압축기) 및 도53C (전용 팽창기)에 개시된 실시예에서와 유사하다. 이러한 실시예에서, 액체 저장소는 방향성을 갖는 액체의 흐름을 수용할 수 있을 정도로 커야 한다. 이렇게 모인 액체는 시스템의 동작 모드를 반대로 전환함으로써 원래의 저장소로 다시 흘러간다.
도57 는 본 발명의 실시예에 따른 압축과 팽창을 모두 수행하는다단계 장치를 도시하는 간략 모식도이다. 시스템5700은 도56에 도시된 시스템의 변형이며, 분리 요소와 압축/팽창 챔버 사이에 추가 3-방향 밸브5702와 추가 도관을 더 포함하고 있다. 도57의 3-방향 밸브에서, 압축 모드는 실선으로 표시되고, 팽창 모드는 점선으로 표시되고 있다.
도57의 실시예에서, 추가적인 밸브와 도관으로 인해 구성이 복잡해 질 수 있으나, 이로 인해 몇몇 구성 요소를 생략할 수 있다. 이때, 압축과 팽창은 동시에 일어나지 않음을 유의해야 한다. 따라서, 도57 의 실시예의 세 개의 열 교환기와 펌프가 동시에 사용될 필요가 없다. 따라서, 도56의 실시예에서는 세 개의 열 교환기와 세 개의 펌프가 사용되는 데 반해, 시스템5700 은 단지 두 개의 열 교환기 (H.E.1 and H.E.2) 와 두 개의 펌프 (5704)를 이용한다.
도57의 실시예에서는, 액체 순환이 한 단계내에서 한정되어 일어난다. 따라서, 액체의 흐름이 하나의 저장소에 모이지 않고, 따라서 액체 저장소가 도56의 실시예에서 처럼 클 필요가 없다. 또한, 도57의 실시예서는 액체를 다른 단계로 주입하기 위해 압축 가스의 에너지를 소비할 필요가 없다.
전술한 실시예 중 어떤 실시예에서는, 하나 또는 그 이상의 펌프를 사용하여 압축 또는 팽창 중인 기체에 액체를 주입한다. 어떤 실시예에서는, 하나 또는 그 이상의 펌프는 압축 또는 팽창 챔버 내에 존재하는 이동 가능 부재 (예를 들어, 피스톤)에 의해 별도로 구동된다. 예를 들어, 펌프는 전기로 구동될 수 있으며, 이는 시스템의 동작에 의해 생산된 것일 수도 있고 아닐 수도 있다.
전술된 실시예에서, 액체는 펌프에 의해 시스템을 거쳐가며, 이러한 펌프는 여러가지 타입이 될 수 있는데, 원심, 격막 등 (centrifugal, diaphragm, or other forms)의 비정변이 펌프 (non-positive displacement pumps )일 수 있다. 그러나, 일반적으로 압축 또는 팽창 챔버 내의 압력은 변하고, 본 발명의 어떤 실시예에서는, 정변이 펌프를 사용하여 액체가 팽창/압축 챔버로 흘러 들어가도록 할 수 있다.
도85는 액체가 차 있는 실린더 내에서 이동 가능한 피스톤8502 형태의 정변이 펌프8500를 사용하는 실시예를 도시한다. 실린더에서 흘러나온 액체는 밸브와 도관을 통해 압축 및/또는 팽창 챔버 내의 스프레이로 향한다.
도85의 정변이 펌프는 원하는 특성을 갖는 액체를 공급할 수 있다. 피스톤8514이 움직이면, 실린더8510내의 압력이 변한다. 만약 고정된 압력에서 액체가 노즐에 공급되면, 노즐에 걸친 압력차 (the differential pressure across the nozzle)가 피스톤 스트로크 중에 변할 수 있다.
따라서, 어떤 시점에서, 상기 압력차는 필요로 하는 것보다 더 커질 수 (에너지 낭비의 가능성) 있다. 어떤 시점에서, 압력차는 너무 낮아질 수 (스프레이가 비효율적이 되며, 따라서 압축 효율이 저하될 가능성)도 있다. 그러나, 노즐을 정량 변이 펌프 (constant displacement pump)로 구동하면, 펌프를 압축 피스톤과 동기화 함으로써, 전체 스트로크에 걸쳐 압력차를 원하는 수치로 유지할 수 있다.
압축 동안, 피스톤8514을 상호간에 동조 (in phase)시켜 움직이는 것이 유리할 수 있다. 팽창 동안, 피스톤이 180도의 위상차를 갖고 움직이도록 하는 것이 유리하다. 다른 실시예에서, 다른 위상차로 움직이는 것도 가능하다. 다른 실시예에서는, 펌프와 압축/팽창기 요소를 비동기식으로 구동할 수도 있다.
압축/팽창 실린더 내에서 변화하는 압축에 대응하여 더 균일하게 액체를 공급하는 것에 부가하여, 도의 실시예에서는 에너지를 효율적으로 활용할 수 있다. 액체 펌프8500의 피스톤8502 이 상기 압축/팽창 실린더의 피스톤8514과 동일한 물리적 연결체8512 (여기서는, 크랭크 샤프트)에 의해 구동되기 때문에, 상기 액체를 흘려보내기 위해, 제2소스에서 얻은 에너지 또는 상기 압축/팽창에서 얻은 원래의 에너지를 다른 형태로 변환하여 소모할 필요가 없다.
도의 실시예에서는, 액체가 피스톤 펌프 형태의 정변위 펌프로 부터 챔버로 흘러가는 것에 대해 개시하고 있으나, 반드시 그럴 필요는 없다. 다른 실시예에서는 다른 형태의 정변위 펌프를 사용하여 액체를 흘려보낼 수 있으며, 예를 들어, 연동 펌프, 프로그래싱 캐버티 펌프, 기어 펌프 또는 루트 타입 펌프 (peristaltic pumps, progressing cavity pumps, gear pumps, or roots-type pumps) 등을 사용 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 시스템의 어떤 실시예에서는, 복수개의 액체 펌프를 사용할 수 있다. 예를 들어, 도86는 일 실시예로서, 정변이 다단계 물 펌프와 액체 교환을 하는 비-정변이 (원심) 전달 펌프 (non-positive displacement (centrifugal) transfer pump)를 갖는 압축 시스템을 개시한다. 상기 전달 펌프 둘레의 비례 적분 유래 루프 (Proportional-Integral-Derivative (PID) loop)를 이용하여 상기 전달 펌프로 부터 상기 다단계 물 펌프로의 액체를 전달한다. 상기 PID루프는 상기 다단계 물 펌프로의 목표 압력 (target pressure) (또는 유량비와 같은 다른 파라미터)을 유지하도록 구성된다.
본 발명의 어떤 실시예에서는 펌프를 사용하여 액체를 시스템내로 흘려 보내지만, 다른 실시예에서는 별도의 액체 펌프 구성을 필요로 하지 않는다. 예를 들어, 도87의 실시예에서는, 액체는 압축 또는 팽창 챔버 내의 압력을 이용하여 이동한다.
구체적으로, 도87에서, 액체는 저장소에서 흘러나와 다단계 시스템8708의 단계8706의 챔버8704의 스프레이8702로 흘러간다. 저장소8700 는 가스를 포함하는 헤드 스페이스8710를 포함하며, 그 가스의 압력으로 인해 액체가 스프레이로 흘러간다.
상기 헤드 스페이스8710 는 액체 유량 밸브 네트워크8714를 통해 다른 단계8712의 챔버와 선택적으로 가스를 교환한다. 액체 유량 밸브 네트워크8714는 컨트롤러에서 받아들인 입력에 기초하여 정교하게 구동된다.
다른 단계의 가스 압력이 액체를 상기 저장소로 부터 상기 챔버8704로 이동시킬 수 있을 정도로 강한 시점에서, 상기 액체 유량 밸브 네트워크8714가 구동되어 상기 헤드 스페이스8712와 다른 단계 사이에 가스 교환이 일어나도록 한다. 상기 액체 유량 밸브 네트워크의 정교한 제어를 통해, 딱 필요한 만큼의 액체만 이동시킬 수 있고, 이로써 상기 시스템 내에서 에너지를 보존할 수 있다.
어떤 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 가스 또는 액체 유량 밸브는 상기 이동 가능 부재로도 기능할 수 있다. 예를 들어, 수동 포트 밸브 (passive port valves) 는 통상적으로 2-스트로크 내부 연소 엔진 (two-stroke internal combustion engines)에서 이용되어 왔다. 이러한 포트는 공기-연료 혼합물이 크랭크 샤프트에서 연소가 일어나는 실린더로 이동하는 것을 제어하고, 연소된 가스는 상기 실린더로 부터 배기된다.
도84의 실시예에서는, 피스톤8400 의 움직임이 챔버8404로 연결되는 포트8402 (여기서는 압축 챔버로 연결되는 가스 흐름 유입 포트)를 선택적으로 방해하고, 이로써, 유입 밸브로서 효과적으로 기능한다. 이러한 구성은 종래의 2- 스트로크 엔진 (conventional two-stroke engines) 채용되던 디자인이다.
몇몇 밸브 구성이 생략될 수 있으므로, 이러한 실시예는 장치의 디자인을 단순하게 하고, 잠재적으로 비용 및 유지비용을 감소시킨다. 몇몇 밸브를 생략할 수 있는 실시예는 또한 액체가 예를 들어, 상류 혼합 챔버 (upstream mixing chamber) 내에서 생성된 물방울 상태로 챔버로 유입되는 것을 촉진할 수 있다. 또, 액체 방울이 응집될 수 있는 표면으로 작용할 수 있는 (밸브시트, 밸브판과 같은) 구성요소가 생략됨으로써, 압축/팽창 동안 열 교환기로 유입되는 액체의 질 (부피, 속도, 액체방울 크기 균일도, 액체 방울 수 등) 이 향상된다.
도84의 실시예에서는 피스톤의 움직임에 의해 압축을 위한 챔버로 유입되는 가스의 흐름을 제어하고 있으나, 본 발명은 이러한 특정 구성에 한정되지는 않는다. 다양한 실시예에서, 피스톤의 움직임을 통해, 챔버로/부터 액체의 흐름, 및/또는 팽창 또는 압축이 일어나는 챔버로/부터 가스의 유입 또는 유출 흐름을 제어할 수 있다.
도에서는 대칭적 형상을 갖는 피스톤과 챔버가 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에서는, 피스톤과 실린더 표면이 데드볼륨 (dead volume )을 최소화하고 및/또는 챔버 내에 다른 밸브 구동과 부응 (accommodating)하면서 물질이 흘러 가도록 구성될 수 있다.
포트 밸브를 이용하는 본 발명의 실시예는, 판과 포핏 밸브 같은 다른 타입의 밸브에 비해, 하나 또는 그 이상의 장점을 갖는다. 이러한 장점 중 하나는 포트 밸브는 이동 가능 부재 이상의 이동 부품을 갖고 있지 않고, 따라서, 저렴하고 신뢰도가 높다. 또 포트 밸브를 이용할 때의 또 다른 장점은 포트 밸브의 개구부가 상당히 커서, 높은 유량비를 얻을 수 있는 점이다.
또 다른 장점으로는, 가스가 급한 회전이나 방향 전환 없이 포트 밸브를 지나갈 수 있다는 점이다. 이러한 구성으로 인해 유량비가 향상된다. 또, 이러한 구성으로 인해, (예를 들어, 상류 혼합 챔버에서 생성된 것과 같은) 가스-액체 에어로졸이 방해를 최소한으로 받으면서 지나갈 수 있고, 따라서, 액체 방울이 가스내에 보다 용이하게 포획될 수 있다.
수동 포트 밸브는 피스톤이나 다른 이동 가능 부재와 별개로 제어되지 않을 수도 있다. 만약 포트 밸브 또는 밸브가 상기 이동 가능 부재와 별개로 제어하고자 하는 경우에는, 예를 들어 크랭크 샤프트나 또는 다른 기계적 장치와 같은 제2연결 부재를 통해 제어되는 제2피스톤 (또는 다른 타입의 이동 가능 부재)을 이용할 수 있다.
예를 들어, 도139는 피스톤 액츄에이터13902와 실린더형 챔버13906의 내부에 위치하는 하나 또는 그 이상의 포트 개구부13904를 포함하는 시스템의 간략 모식도이다. 실린더형 챔버는 압축/팽창 챔버13908와 액체 교환하고 있다. 포트 개구부13904는 가스 (또는 가스와 액체 방울의 혼합물)를 상기 압축/팽창 챔버13908에 유입하는데 이용된다.
상기 피스톤 액츄에이터는 가스를 압축 또는 팽창시키는 상기 이동 부재 13910 (예를 들어, 피스톤)로 부터 반대 방향으로 움직인다.
어떤 실시예에서, 상기 엑츄에이터 피스톤은 상기 이동 가능 부재를 구동시키는 클랭크 샤프트 또는 다른 기계 장치와 연결된 기계적 연결 부재를 통해 동작할 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 액츄에어터 피스톤과 상기 이동 가능한 부재는 동기화되어 움직이며, 동시에 TDC에 도달한다.
어떤 실시예에서는, 상기 엑츄에이터 피스톤의 타이밍이 상기 이동 가능 부재의 타이밍과 독립적으로 형성된다. 이로써 압축/팽창 비 및 다른 시스템 파라미터를 제어할 수 있다.
수동 포트 밸브를 이용하는 어떤 실시예는 상기 포트의 개구부를 부분적으로 차단하는 이동 가능한 슬라이딩 창 (moveable sliding window)을 포함할 수 있다. 이로써, 가스 흐름 또는 가스-액체 혼합물의 흐름이 상기 포트를 통해 제어될 수 있다. 이러한 유량 제어로 인해, 시스템 파워가 “스로틀” (“throttled”)-즉, 동작되는 동안 증가 또는 감소-된다. 어떤 실시예에 따르면, 이동 가능 슬라이딩 창의 위치는 컴퓨터나 기계적 제어를 받아 별도의 액츄에이팅 메카니즘에 의해 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 어떤 실시예에서는, 복수의 단계에서 액체를 주입하나, 반드시 그래야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 다단계 실시예의 하나 또는 그 이상의 단계는 액체 주입을 전혀 이용하지 않을 수 있다. 이러한 단계들에 사용하기에 적합한 이동 가능 부재는 일반적인 터빈, 및 원심 펌프 및 이미 전술한 것 등이 있다.
다단계 장치의 다른 실시예에서는 단계들 사이에 동일한 액체를 주입하고 있으나, 반드시 그럴 필요는 없으며, 다른 실시예에서는 다른 단계에서 다른 액체를 주입할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 이러한 액체가 단계들 사이에서 완전히 차별화되어 유지될 수 있으며, 예를 들어, 별도의 전용 가스-액체 분리기, 저장소 및 펌프를 사용할 수 있다.
그러나, 다른 실시예에서는, 하나 또는 그 이상의 성분을 공유하는 다른 액체들이 다양한 단계에서 주입될 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 액체의 비공통 성분은 분리될 수 있고, 이로써 공통 성분이 단계들 사이에서 순환된다.
예를 들어, 어떤 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 팽창 단계들은 순수한 물로 액체 주입을 할 수 있고, 다른 팽창 단계에서는 물-프로필렌글리콜 용액을 액체 주입에 사용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 프로필렌글리콜은 단계 사이에 물을 흘려보내기 전에 분리된다.
또한, 전술된 바와 같이, 단일 단계 또는 다단계 장치의 실시예에서, 압축과 팽창에 동일한 챔버가 사용될 수 있다. 이러한 장치의 어떤 실시예에서는, 특정 동작 모드에 따라 서로 다른 액체를 주입할 수도 있다.
본 발명의 어떤 실시예에 따르면, 압축 및 팽창 동안 유입되는 이러한 다른 액체들은 하나의 단계내에서 및/또는 단계들 사이에서 분리된 채 유지된다. 이러한 다른 액체들이 공통 성분을 갖는다면, 액체-액체 분리를 통해 다른 모드에서 동작하는 다른 단계들 사이 또는 동일 단계내에서 액체 성분이 순환되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예로서, 액체로 부터 성분을 분리하는 것이 도88에 도시되어 있으며, 액체 흐름과, 분리기 구조8802내의 가스로 부터 분리된 액체를 받아들이는 분리 네트워크8800를 포함하고 있다. 액체 흐름과 분리 네트워크는 도관, 밸브, 저장소, 열 교환기, 축적기, 필터 및 분리 구조 등으로 부터 선택된 다양한 요소들이 적절한 조함으로 배열되어 있다. 어떤 실시예에서, 이러한 액체 흐름과 분리 네트워크는 도87에 도시된 바와 같이 액체 흐름과 결합될 수 있다.
어떤 실시예에서, 액체를 상기 스프레이 노즐 또는 노즐을 통해 상기 실린더로 구동시키는 모티브 힘은 상기 압축기 또는 팽창기의 동작에 의해 생성되는 압력 차가 될 수 있다. 도138 는 이러한 시스템의 실시예13800를 보여주는 단순도이다.
압축시에, 상기 가스-액체 분리기13802를 거쳐 상기 가스-액체 혼합물에서 분리된 액체는 압축 챔버로 유입되는 기체보다 높은 압력 상태에 있다. 따라서, 상기 스프레이 노즐13804에 걸쳐 압력차가 존재한다.
어떤 실시예에서, 이러한 차이는 상기 노즐을 거치면서 발생되는 압력 저하를 극복하기에 충분하다. 시스템은 액체가 노즐로 유입되어 원하는 스프레이를 생성시킬 수 있을 정도의 압력차가 제공되도록 구성될 수 있다.
어떤 실시예에서, 시스템은 가변 유동 밸브13806 로 구성되어 적절한 압력차를 제공한다. 어떤 실시예에서는, 시스템은 적절하게 선택된 시스템 구성요소들과 기하학적 구성에 의해 적적한 압력차를 얻을 수 있다.
일단 팽창이 시작되면, 다음으로 높은 압력 단계로 부터 흘러나온 가스-액체 혼합물은 실린더 내용물보다 높은 상태에 있다. 상기 높은 압력 가스13810 로 부터의 압력 차를 이용하여 상기 가스-액체 분리기를 거쳐 상기 가스로 부터 분리된 액체를 상기 스프레이 노즐를 거쳐 (전술한 압축의 경우에 있어) 구동 시킬 수 있다.
전술한 어떤 실시예에서는, 스프레이 노즐 구조를 이용하여 액체 스프레이를 압축 또는 팽창 동안 실린더에 주입한다. 그러나, 반드시 그럴 필요는 없으며, 다른 실시예에서는 다른 타입의 스프레이 시스템을 이용할 수 있다.
예를 들어, 도137 는 이러한 장치13700의 일 실시예를 나타내는 단순 단면도이다. 구체적으로, 피스톤이 BDC근처에 있을때, 액체 유입구13708와 밸브13710를 거쳐 액체13702가 상기 피스톤13704 의 상부와 노즐판13706 사이로 유입된다.
압축동안에, 피스톤이 BDC로 부터 TDC로 구동됨에 따라, 피스톤이 노즐 판의 대항하여 상기 액체의 부피를 밀어낸다. 노즐판의 이동은 실린더1372의 상부를 상기 노즐판에 연결하는 압축 가능 부재13712 (예를 들어, 스프링)의 힘에 의해 저항을 받는다.
상기 실린더에 의해 발휘되는 압력과 상기 스프링에 의해 발휘되는 압력과의 압력차로 인해, 상기 액체가 상기 노즐판내의 (단순한 개구부보가 좀 더 복잡한 내부 공간이 만들어지는) 상기 오리피스로 이동한다. 이로써 상기 실린더의 상부에 스프레이가 생성된다.
반대 방향으로 동작하는 것 외에는, 팽창 동안의 움직임도 유사하다. 상기 스프링은 TDC근처에서 팽창 스트로크가 시작되면 압축된다. 스프링이 팽창됨에 따라, 노즐판을 액체 부피쪽으로 밀어내어, 액체를 일부를 오리피스 쪽으로 이동시켜, 스프레이를 형성한다.
본 발명의 실시예에서는 액체를 매 단계의 압축 또는 팽창 챔버에 직접 주입할 필요가 없다. 어떤 실시예에서는, 직접적인 액체 주입을 어느 단계에서도 전혀 실시하지 않거나, 혼은 단지 일부 단계에서만 실시할 수 있다. 직접 액체 주입을 수행하는 단계들은 별도의 혼합 챔버를 통해 압축/팽창 챔버로 유입되는 가스-액체 혼합물을 갖는 단계와 결합될 수 있다.
어떤 실시예에서는, 하나 또는 그 이상의 단계에서, 예를 들어, 가스를 액체내로 버블링하여, 스프레이가 아닌 가스내로 액체가 주입될 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시예에서, 일부 (통상 낮은 압력) 단계에서, 혼합 챔버 또는 직접 주입을 이용하는 액체 미스트 기술이 사용될 수 있고, 다른 (통상 높은 압력) 단계에서는, 버블링을 통해 액체를 주입할 수 있다.
본 발명에 따른 압축 가스 저장 시스템의 실시예는 어떤 특정 크기로 한정되지 않는다. 응용에 있어서, 시스템을 표준 운송 컨테이너와 같은 특정 형태의 요소에 부합되도록 맞추는 것이 가능하다. 이러한 요소의 또 다른 예로는, 트랙터-트레일러의 트레일러 표준 크기/무게 등을 들 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템이 이동에 적합한 형태가 될 수 있다.
어떤 경우에는, 시스템이 한 사람에 의해 조합될 수 있도록 하는 것이 유용하다. 예를 들어, 시스템이 50lbs 또는 그 이하의 무게로 된 개별 구성요소로 조합된 형태인 것일 수 있다. 어떤 경우에는, 시스템이 하루 또는 그 이하의 시간내에 설치 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 구체적인 실시예에 따르면, 하나 또는 그 이상의 단계의 온도 변화를 제어할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 다단계에 걸친 가스의 압축 및/또는 팽창이 가능하고, 이때 각 단계에서 가스의 온도 변화는 거의 동일하다.
시스템 디자인에 있어서, 디자이너는 초기 또는 최종 가스 온도를 선택하고, 여러 시스템 방정식을 적용하여 바람직한 델타-T값을 얻기 위해, 다른 시스템 파라미터들 (대표적으로, 압축비 등)을 결정할 수 있다.
시스템이 동작하는데 있어, 압축 또는 팽창 스트로크 동안의 온도는 시스템 디자이너 (또는 오퍼레이터)에 의해 선택될 수 있다. 이러한 온돈 변화는 효율성과 트레이드 오프 관계에 있다. 델타-T값이 높을수록, 파워는 커지지만 효율성은 낮아진다.
어떤 실시예에서는, 다른 단계들에서 가스의 온도 변화를 거의 동일하게 할 수 있으며, 이때, 각 단계는 반드시 동일한 압축 또는 팽창비를 가질 필요는 없다. 어떤 실시예에서, 어떤 단계의 압축비 또는 팽창비는 동적으로 제어된다. 예를 들어, 상기 압축 및/또는 팽창 챔버로 부터의 가스의 흡입 또는 배기를 수행하는 밸브의 구동 타이밍에 기초하여 동적으로 제어된다.
도58는 본 발명에 따른 단일 단계 시스템5801 의 일 실시예를 보여주는 단순 블록도이다. 도의 압축/팽창기5802는 가스 유입구5805 및 압축 공기 저장 유닛5803과 액체 교환하고 있다. 모터/발전기5804는 압축/팽창기5802와 선택적으로 교통하고 있다.
제1동작 모드에서, 에너지는 압축 가스 (예를 들어, 공기)의 형태로 저장되고, 모터/발전기5804는 모터로 동작한다. 모터/발전기5804는 외부 소스로 부터 파워를 받아들여, 그 파워 (Win) 를 전달하여 압축/팽창기5802가 압출기로 동작하도록 한다. 압축/팽창기는 유입 압력 (Pin)에서 비압축된 가스를 받아들여, 그 가스를 압축하여 더 큰 압력 (Pst) 을 갖도록 하여 피스톤과 같은 이동 가능 요소를 이용하는 챔버 내에 저장되도록 하며, 압축된 가스는 상기 저장 유닛5803으로 흘러간다.
제2동작 모드에서, 압축된 가스에 저장된 에너지는 복구되고, 압축-팽창기는 팽창기5802로 동작한다. 압축/팽창기5802 는 저장된 압력Pst 에서 상기 저장 유닛5803으로 부터 압축된 가스를 받아들이고, 이어서 상기 압축된 가스를 팽창시켜 상기 챔버 내에서 낮은 유출 압력Pout 이 되도록 한다. 이러한 팽창에 의해 (여기서는 발전기로 기능하는) 상기 모터/발전기와 교통하는 이동 가능 부재가 구동된다. 상기 압축/팽창기로 부터의 전달되어 상기 모터/발전기5804와 교통하는 파워 출력 (Wout) 은 이어서 파워 그리드로 전달되어 소모된다.
상기에 설명한 가스의 압축 및 팽창 과정은 열적 또는 기계적 손실을 수반할 수 있다. 그러나, 이러한 과정들이 온도 변화가 최소화된 근 등온적인 조건에서 일어난다면 열손실을 줄일 수 있다. 따라서, 만약 최소한의 온도 증가 (
Figure pat00048
)를 수반하면서 압축이 일어난다면, 압축시의 열손실을 줄일 수 있고, 팽창이 최소한의 온도 감소 (
Figure pat00049
)를 수반한다면 팽창시의 열 손실을 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 다 단계에 걸쳐 압축/팽창을 수행함으로써 가스 압축 및/또는 팽창에 관여하는 온도 변화를 최소화 한다. 이러한 다단계에 걸친 압축 및 팽창에 대해 아래에 설명한다.
도58A는 다단계 압축-팽창 장치의 일 실시예를 도시한다. 도58A의 압축/팽창기5802는 가스 유입구5805 및 압축 가스 저장 유닛5803과 액체 교환하고 있다. 모터/발전기5804는 압축/팽창기5802와 선택적으로 교통하고 있다.
이러한 실시예에서, 압축/팽창기5802는 직렬로 연결되어 액체 교환하는 복수개의 단계들5802a-c 을 포함한다. 도58A에 개시된 실시예에서는 시스템이 세 개의 단계를 갖고 있으나, 본 발명은 이보다 더 많거나 적은 단계로 구성될 수 있다.
압축 모드에서, 압축/팽창기5802의 각 단계는 낮은 압력에서 유입 가스를 받아 들이고, 그 가스를 압축하여 높은 압력으로 만든다. 그 후, 압축된 가스를 다음으로 높은 압력 단계로 (또는 가장 높은 압력 단계일 경우에는, 상기 압축된 가스를 상기 저장 유닛으로) 흘려보낸다. 따라서, 도58A 에서, 유입 가스는 단계5802a에서 Pin 로 부터 P1로 제1압력 증가가 수반되고, 단계5802b에서 P1 에서 P2 로 제2압력 증가가 수반되며, 이어서 제3단계5802c P2 에서 Pst 로 최종 압력 증가가 일어난다.
각각의 단계에서, 모터로 동작하는 모터/발전기5804로 부터 일정량의 파워 (여기서는 각각, Win1, Win2, 및 Win3 ) 가 소모된다. 또, 각각의 단계에서, 상기 압축된 가스의 증가된 압력은 대응되는 가스의 온도 증가 (여기서는 각각
Figure pat00050
,
Figure pat00051
, 및
Figure pat00052
) 와 관련되어 있다.
팽창 동작에서, 압축/팽창기5802의 각 단계는 높은 압력에서 유입 가스를 받아들여 그 가스를 팽창시켜 낮은 압력으로 만들고, 이어서, 상기 팽창된 가스를 다음 낮은 압력 단계 (또는 가장 낮은 압력단계인 경우에는 시스템의 외부로)로 흘려보낸다. 도58A에서, 저장 가스는 단계5802c에서 Pst 에서P3로 제1압력 감소가 일어나고, 단계5802b에서 P3 에서P4 로 제2압력 감소가 일어나며, 제3단계5802c에서 P4 에서 Pout 로 최종 압력 감소가 일어난다. 시스템에서 방출되는 압력은 원래의 유입 압력과 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
각각의 단계에서, 일정량의 파워 (여기서는 각각, Wout3, Wout2, 및 Wout1)가 생성되어 모터-발전기 (여기서는 발전기로 동작)로 전달된다. 또한, 각각의 단계에서, 감소된 압력은 대응되는 가스의 온도 저하 (여기서는 각각
Figure pat00053
,
Figure pat00054
, and
Figure pat00055
).와 관련되어 있다.
도58B에 도시된 장치에서, 각각의 단계는 이전 및 이후의 단계와 교통하고 있으나, 반드시 그럴 필요는 없다. 도58B는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템5880 의 간략도이며, 단계5882a-c 는 밸브 네트워크5888와 액체 교환을 하며, 밸브 네트워크의 구동으로 인해 가스가 각 단계 사이에서 선택적으로 흐른다. 도의 실시예에 따르면, 주어진 조건에 따라, 하나 또는 그 이상의 단계를 선택적으로 이용하거나, 또는 바이패스 할 수 있다. 예를 들어, 저장 탱크에서 나온 가스를 사전 팽창시켜 상대적으로 낮은 압력으로 만드는 경우, 이어지는 팽창이 모든 단계에 걸쳐 일어날 필요는 없다. 마찬가지로, 낮은 압력의 압축이 모든 단계에서 요구되는 것은 아니며, 밸브 네트워크를 이용함으로써 하나 또는 그 이상의 단계에서 선택적으로 바이패스 되도록 할 수 있다.
도58A-B 는 각 단계에서 압축 또는 팽창을 수행하는 장치를 개시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따른 다른 실시예에서는, 압축만 또는 팽창만을 수행하는 전용 다단계 장치도 가능하다. 이러한 예가 도58C에 개시되어 있다.
본 발명에 따른 어떤 실시예에서, 각 단계에서 수반되는 온도 변화는 (그 과정이 가스 압축이든 가스 팽창이든) 거의 동일할 수 있다. 여기서, “실질적으로 동일”하다는 용어는 온도 변화의 정도가 섭씨 500도 이하 만큼, 또는 섭씨 300도 이하 만큼, 또는 섭씨 75도 이하 만큼, 또는 섭씨 50도 이하 만큼, 또는 섭씨 25도 이하 만큼, 또는 섭씨 20도 이하 만큼, 또는 섭씨 15도 이하 만큼, 또는 섭씨 10도 이하 만큼, 또는 섭씨 5도 이하 만큼임을 의미한다. 하나 또는 그 이상의 단계에 수반되는 온도 변화는 본 발명의 실시예에 따라 하나 또는 그 이상의 테크닉을 단독으로 또는 결합하여 사용함으로써 제어될 수 있다.
압축/팽창비 제어 ( Controlling Compression / Expansion Ratio )
하나 또는 그 이상의 단계의 온도는 그 단계의 압축 또는 팽창을 조절함으로써 얻어진다. 다단계 시스템의 어떤 실시예에서, 각 단계들의 압축비 또는 팽창비는 서로 상당히 다를 수 있다.
압축, 팽창 또는 압축 및 팽창을 수행하는 다단계 장치의 각 단계는 압축비 및/또는 팽창비로 특정될 수 있다. 이러한 압축 및/또는 팽창비는 다른 단계들과 같을 수도 있고, 다를 수도 있다.
어떤 실시예에서, 각 단계에서 일어나는 압축 및/또는 팽창 과정은 실린더 내에서 이동 가능한 피스톤을 이용하여 수행된다. 도59-59B 는 이러한 장치의 일반적인 도면이다.
도59에서는, 벽 5904을 갖는 실린더5902 를 포함하는 압축 및/또는 팽창 단계5900 가 도시된다. 피스톤 대 5906b에 연결된 피스톤 헤드 5906a 를 포함하는 이동 가능한 피스톤 5906이 실린더 5902 내에 놓여져 있다.
단계가 압축을 수행하도록 구성된 경우에, 피스톤 대는 크랭크 샤프트와 같은 기계적 특성을 갖는 연결 부재를 통해 에너지 소스 (미도시)와 물리적으로 교통한다. 이외에도, 상기 에너지 소스와 피스톤 대 사이의 연결 부재는 유압식이나 공진식일 수도 있다. 에너지 소스는 실린더 내의 피스톤을 이동시켜 그 내부에 있는 공기를 압축한다.
단계가 팽창을 수행하면, 피스톤 샤프트는 상기 연결 부재를 통해 발전기 (미도시)와 물리적으로 교통한다. 발전기는 상기 연결 부재를 통해 교통하는 피스톤 대의 이동으로 부터 에너지를 생산한다.
도59는 압축/팽창 단계의 일 실시예를 보여주는 간략도이나, 본 발명이 이러한 특정 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도에서는 피스톤이 수직 방향으로 이동 가능하나, 반드시 그럴 필요는 없고, 다양한 다른 실시예에서는 수평 방향 또는 다른 방향으로 움직이는 것도 가능하다.
또한, 도59의 실시예에서, 가스 유동 밸브5910 및 5912 는 실린더5902의 끝쪽 벽에 형성되어 있다. 도59A-59B 에서도 상기 밸브는 실린더 끝 쪽벽에 형성되어 있는데, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 상기 밸브들은 챔버 내의 어느 위치에든 형성될 수 있다.
밸브5910는 솔레노이드5911 같은 요소에 의해 선택적으로 구동되어, 밸브판5910a 을 밸브시트5910b에서 멀어지도록 이동시킨다. 이로써, 상기 압축 및/또는 팽창 챔버5908 와 낮은 압력 측5916의 도관5914 사이에서 액체 교환이 일어난다. 밸브5912는 솔레노이드와 같은 요소5913에 의해 선택적으로 구동되어 밸브판5912a을 밸브 시트5912b에서 멀어지는 방향으로 이동 시킨다. 이로써, 상기 압축 및/또는 팽창 챔버5908와 높은 압력측5920의 도관5918 사이에서 액체 교환이 일어난다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 챔버에 대해 어떤 특정 구성이나 형태를 갖는 밸브를 사용하는 것으로 한정되지 않는다. 또, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 복동 피스톤을 포함하는 이동 가능 부재에 한정되지 않으며, 이 외의 다른 구조도 사용될 수 있다. 예를 들어, 스크류, 유사 터빈, 게로터 (to screws, quasi-turbines, and gerotors) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도59A에서, 단계5900에서 피스톤 헤드5906a는 실리더의 상부 (상부사점-TDC)로 이동된다. 도59A에서 도시된 바와 같이,TDC 에서, 상기 피스톤 헤드5906의 상부 표면과 상기 실린더의 끝 벽 사이에 일정량의 데드 볼륨 (Vdead)이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다단계 압축기, 팽창기, 또는 압축/팽창기는 각 단계에서 온도 변화에 대한 특정 조건을 만족시킬 수 있도록 (to meet certain criteria regarding the temperature) 디자인 된다.
도59B의 단계5900에서, 피스톤 헤드5906는 이동하여 실린더의 하부 (하부사점- BDC) 에 도달한다. 도59B에는 두개의 부피가 도시되어 있다.
그 단계의 총 부피 (V total ) 는 상기 피스톤의 상부 표면과 BDC에서 실린더 상부벽 사이에서 정의된다. 그 단계의 변위 부피 (Vdisplacement) 는 BDC 와 TDC에서의 상기 피스톤의 상부 표면 사이로 정의된다. 상기 데드 볼륨은 상기 총 부피와 변위 사이의 차로 표시된다: Vdead = V total - Vdisplacement.
단계5900에서의 동작량 값이 그 단계의 압축비 또는 팽창비가 되며, 여기서는 일반적으로 r로 표시한다. 압축비 또는 팽창비는 다음 식 (1')으로 표시된다.
Figure pat00056
(1')
여기서, V closed 는 팽창 과정에서 흡입 밸브가 폐쇄되었을 때 또는 압축 과정에서 배기 밸브가 개방되었을때의 실린더의 부피이다.
팽창의 경우에, 부피V closed 와 V total 는 서로 다를 수 있는데, 이는 데드 볼륨 뿐만 아니라 챙창 스트로크 동안 피스톤이 BDC에 이르기 전에 가스 유입 밸브가 폐쇄되는 것에 기인하며, 또한, 배기 스트로크 동안 피스톤이 TDC에 이르기 전에 가스 배기 밸브가 폐쇄되는 것에 기인한다. 압축의 경우에는, 부피 V closed 가 V total 와 다를 수 있고, 이는 데드 볼륨 뿐 아니라, 압축 스트로크 동안 피스톤이 TDC에 도달하기 전에 가스 배기 밸브가 개방되기 때문이다.
각 단계에서 같은 압축비 또는 팽창비를 갖는 단계 압축/팽창 장치에서, 한 단계의 압축 또는 팽창비는 전체 압축비 또는 팽창비 r 의 N번째 루트 (the Nth root )이다.
Figure pat00057
(2')
이때, R 은 전체 압축비 또는 팽창비이고, N 단계의 수이다.
인터쿨링 (또는 인터히팅)이 단계들 사이에서 일어나는 이상적인 경우이다. 즉, 만약 압축 또는 팽창된 가스의 온도가 주변온도로 되돌려진 상태로 다음 단계로 유입되는 경우이다. 상기 식 (2’) 에서는 부피 비효율성도 무시하고 있다.
모든 단계들의 압축 또는 팽창비가 R을 만족하는 한, 다른 단계들은 다른 압축 또는 팽창비를 가질 수 있다. 즉, 3단계 시스템을 예로 들면 다음과 같다.
Figure pat00058
(3')
다단계 시스템에서, 상기 실린더 챔버의 상대적인 변이는 다음 식으로 표시된다.
Figure pat00059
(4')
이때,
Figure pat00060
은 ith 실린더 장치의 변이 부피이고,
Figure pat00061
는 상기 시스템의 총 변이 (즉, 모든 실린더 장치의 변위의 합)이다. 즉, 모든 실린더 장치의 변위의 합)
본 발명의 어떤 실시예에서, 다단계 압축 또는 팽창 장치의 각 단계는 압축 또는 팽창 스트로크 동안 특정한 온도 변화를 수반하면서 동작한다. 이러한 실시예의 디자인과 동작은 개별 시스템의 성능을 물리적 양으로 정의하는 수학적 관계식을 이용할 수 있다. 이러한 수학적 관계식 세트의 일례가 가스 팽창 단계와 관련하여 하기의 식 (5')- (16') 에 개시되어 있다.
압축 또는 팽창에 따르는 가스의 최종 온도와, 및 그에 관련된 압축 또는 팽창에 따르는 가스의 최종 압력은 호스트 양 (a host of quantities)에 따라 달라진다. 다음식 (6', 7') 은 한 단계에서 압력과 온도의 최종 값을 나타낸다.
이러한 단계에서의 압력비는 다음과 같다.
Figure pat00062
(5’) or,
Figure pat00063
(6’)
Figure pat00064
(7’)
V closed 는 팽창과정 동안 흡입 밸브가 폐쇄되었을 때, 또는 압축과정 (
Figure pat00065
)동안 배기 밸브가 개방되었을 때의 실린더의 부피이다. V displacement 는 상기 실린더의 총 변이다. ΔTgas - liquid는 스트로크의 끝에서, 압축/팽창 챔버 내의 가스와 액체 사이의 온도 차이다. γeffective 는 유효 폴리트로픽 인덱스 (effective polytropic index)이다.
아래에 자세히 설명되는 바와 같이, γeffective 과 Δ T gas - liquid 은 수치값에 의존한다. 이러한 수치에 기초하여, 식 (5', 6' ,7') 을 풀어서 단일 팽창 단계에서의 온도 변화량을 결정할 수 있다.
팽창비에 대한 제어는 몇가지 방법으로 수행할 수 있다. 그 중 하나는, V closed 을 제어하여 팽창비를 결정한다. 예를 들어, V closed 는 압축된 가스를 챔버로 흘려보내 팽창에 이용되도록 하는 밸브의 구동 타이밍을 통해 제어될 수 있다.
도61A-C에서는 팽창 단계6100가 도시되어 있고, 피스톤이 팽창 스트로크를 겪고 있다. 도61A 에서, 피스톤6106이 아래로 움직이면 밸브가 폐쇄되고, 밸브6112 가 열리면 압축된 가스가 챔버로 흘러가서 팽창을 통해 에너지가 복구된다. 도61B에서, 밸브6112가 닫히면 피스톤이 BDC위치에 도달하기 전에 가스 주입이 중단되고, 이로써, 이러한 피스톤 스트로크 동안 팽창될 수 있는 가스의 양을 V closed 로 한정시킨다. 도61C 를 참고하면, 가스량V closed 이 팽창함에 따라 피스톤이 아래로 계속 이동한다.
따라서, 밸브6112의 폐쇄 타이밍을 조절함으로써, 실린더 내에서 팽창되는 가스량이 한정된다. 구체적으로, 도61B에서, 피스톤이 BDC에 도달하기 전에 밸브6112가 폐쇄되므로, 실린더 내의 가스의 부피는 제한되고, 상기 단계에서 수반되는 팽창비와 온도 변화 또한 이에 대응하여 제한된다.
유입 밸브의 구동 타이밍은 컨트롤러 또는 프로세서에 의해 조절될 수 있고, 전술한 바와 같이 컨트롤러가 다단계에 걸쳐 반복된 계산을 수행한다. 도61A-C 는 컨트롤러6196와 전기적으로 교통하는 밸브6112의 구동요소6111들을 도시한다. 컨트롤러496는 이어서 밸브6112. 구동을 명령하는 코드가 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체6194와 전기적으로 교통한다.
전술한 바와 같이, 팽창비의 조절은 시스템에 저장된 또는 방출된 에너지량과 트레이드-오프 관계에 있다. 구체적으로, 도61B-C 에서 실린더에 포함될 수 있는 것보다 적은 부피의 가스가 팽창하면, 팽창되는 가스에 의해 피스톤으로 출력되는 파워가 줄어든다. 그러나, 이러한 에너지 손실은 원하는 온도 변화를 얻기 위해서는 (예를 들어, 한 단계의 온도 변화를 다른 단계에서 수반되는 온도변화로 가져오기 위해서는) 바람직한 것이다.
*팽창 챔버에 유입된 액체는 팽창비를 바꿀 수 있다. 내부에 물이 없는 실린더의 팽창비는 r = V total / V closed 이다. 만약 물이 부피 V water 만큼 실린더로 유입되면, 팽창비는 r = (V total - V water ) / (V closed - V water )가 된다. 따라서, 팽창비는 V water 에 의존한다.
식 (5', 6', 7')으로 돌아가서, γeffective 은 몇가지 값으로 부터 유도된다. γe ff 의 계산에 대해 식 (8') 및 (9')을 참고하여 설명한다.
*
Figure pat00066
(8’)
Figure pat00067
(9’)
Figure pat00068
폴리트로픽 비균일성 (폴리트로픽 인덱스 (polytropic index)가 압축/팽창 챔버 내에서 액체 방울의 비균일한 분포로 인해 증가되는 인자 (factor))
Figure pat00069
R 에 의해 나누어진 가스의 압력 열량 상수 (constant pressure heat capacity of the gas divided by R)
Figure pat00070
액체의 압력 열량 상수 (constant pressure heat capacity of the liquid)
Figure pat00071
가스에 대한 액체의 질량비 (mass ratio of liquid to gas)
Figure pat00072
가스 상수 (gas constant)
식 (6', 7') 에서 양Δ T gas - liquid 은 몇가지 변수들로 부터 유도된다. 이에 대해서 식 (10')- (17'):을 참고하여 설명한다.
Figure pat00073
(10’)
Figure pat00074
(11’)
Figure pat00075
는 가스와 액체 사이의 부피 열전도도 (the volumetric thermal conductivity between gas and liquid)이다. (12’)
Figure pat00076
는 가스로 부터 액체로의 총 열전도도 (overall thermal conductivity from gas to liquid)이다. (13’)
Figure pat00077
(14’)
*r droplet = 액체 방울의 평균 반지름 (mean radius of liquid droplets)
a liquid = 액체 분율 (proportion of liquid)
k gas = 가스의 열 전도도 (thermal conductivity of the gas)
ω = 회전 속도 (rotational speed)
Figure pat00078
= 크랭크 각도θ에 대한 압축/팽창 챔버 부피변화 (change in compression / expansion chamber volume with crank angle θ)
Figure pat00079
는 넛셀 수 (Nusselt number) (15’)
a gravity = 중력으로 인한 가속도 (acceleration due to gravity)
ρ = 밀도 (density)
μ = 점도 (viscosity)
c drag = 액체 방울의 드래그 계수 (drag coefficient of droplet) (sphere = .47)
Figure pat00080
는 프랜들 수 (Prandtl number) (16’)
식 (5', 6', 7')은 서로 직렬로 연결된 다수의 팽창 단계의 특성을 결정하는데도 사용할 수 있다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 한 단계에서 출력되어 연속된 다음 단계의 등식에 대한 입력이 되는 온도 및 압력으로 각각의 식들을 각 단계마다 풀 수 있다.
또한, 다단계 시스템에서 각 단계의 특성을 나타내는 등식 (5', 6', 7') 을 반복적으로 풀어서, 서로 직렬로 연결되었을 때 온도 변화를 보이는 각 개별단계의 구조 및/또는 동작 파라미터를 결정할 수 있다. 이처럼 다단계 팽창 단계에 적용되는 식들을 반복적으로 푸는 것에 대해 이하에 설명한다.
다단계 압축 또는 팽창 장치에 있어서, 만약 질량 유량비, 흡입 압력, 및 데드 볼륨 (mass flow rate, intake pressures, and dead volumes)이 고정되어 있다면, 압축/팽창 스트로크 동안 온도 변화와 압축/팽창비는 하나의 파라미터 (a single free parameter)로 나타낼 수 있다. 즉, 하나를 제어하여 다른 것을 준다. 따라서, 각각의 단계를 디자인 할 때, 식을 이용하여 압축/팽창비를 선택하게 되면, 압축 또는 팽창 스트로크 동안 발생하는 바람직한 온도 변화값이 얻어진다. 적절히 효과적인 열 교환기를 사용함으로써, 각 단계에서 바람직한 온도 변화를 보이는 다단계 시스템을 반복적으로 디자인 할 수 있다.
식 (5')- (16') 과 관련하여 설명된 다양한 관계를 이용하여 주어진 팽창 단계의 출력을 얻을 수 있다. 식에 대한 다양한 타입의 입력을 통해, 그에 대응되는 팽창 단계에서 배기된 가스의 온도와 압력 (T gasfinal , p final ) 형태의 출력을 얻을 수 있다. 또, 상기 팽창 단계에 수반되는 온도 변화 (ΔT gas , final - initial )값도 얻을 수 있다.
이러한 출력 (T gas _ final1 , p final1 ) 은 식 (5', 6', 7') 에 초기 온도와 압력을 나타내는 입력값 (Tgas _ initial2, pinitial2) 으로 대입되어 이렇게 팽창된 가스를 받아들여 추가로 팽창하는 다음 입력 단계의 행동을 계산해 낸다. 이 단계에서의 압력과 온도 출력 (T gas _ final2 , p final2 ) 은 세번째 팽창 단계의 입력 (Tgas _ initial3, pinitial3) 으로 대입되어, 최종 출력 온도 및 압력 (T gas _ final3 , p final3 )이 얻어진다.
계산에 있어서, 시스템의 초기 온도 및/또는 압력 값, 및/또는 시스템의 최종 온도 및/또는 압력 값은 미리 결정 (predetermined)된 값일 수 있다. 예를 들어, 유입 가스의 압력 및/또는 온도는 압축 가스 저장 유닛의 전류량 (아래에 설명되는 바와 같이, 압축 가스가 소모됨에 따라 시간의 흐름에 따라 변할 수 있다)에 의해 결정 (dictated by the current capacity )될 수 있다.
다른 예로는, 유출 가스의 압력 및/또는 온도는 배기되는 환경에 의해 달라질 수 있다. 예를 들어, 해수면에서 외부 환경으로 배기되는 공기의 출력 압력은 1 ATM이하로 떨어지지는 않을 것 (not less than 1 ATM)이다.
다른 요인이 계산에 영향을 줄 수도 있다. 예를 들어, 주변 온도의 액체 물이열 교환에 이용된다면, 하나의 단계에서 수반되는 온도 변화는 어는 것을 피하기 위해 섭씨 15도 이하로는 낮아지지 않는다.
또한, 다단계 압축 시스템의 각 단계에서의 특성을 보이는 대응되는 식들을 반복적으로 풀어서, 서로 직렬로 배열된 경우, 거의 동일한 온도 변화를 보이는 개별 단계의 구조 또는 동작 파라미터를 결정할 수 있다.
각 단계가 실질적으로 동일한 온도 변화를 수반하는 조건으로 구성된 시스템은 자기식, 광학식 및/또는 반도체 원리에 기반하는 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체와 전기적으로 교통하는 컨트롤러를 포함할 수 있다. 이러한 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는 상기 프로세서에 어떤 작업을 수행하도록 명령하는 코드가 기록되어 있다.
예를 들어, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 계산에서 입력으로 사용되는 초기 압력 및/또는 온도 파라미터를 미리 결정하도록 상기 컨트롤러에 명령할 수 있다. 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 또한 상기 다단계 시스템 계산에 의한 출력이 되는 최종 압력 및 온도 파라미터를 미리 결정하도록 상기 컨트롤러에 명령할 수 있다.
상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 또한 가각의 방정식에 대한 입력값에 존재하는 변수를 미리 결정하도록 컨트롤러에 명령할 수도 있다. 예를 들어, 이들 변수들 중 일부는 압축되는 가스의 종류 (예를 들어, 공기) 및/또는 열 교환을 위해 주입되는 액체의 종류 (예를 들어, 물)에 의해 미리 결정될 수도 있다.
상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 각각의 방정식에 대한 입력값내에 존재하는 하나 또는 그 이상의 변수를 결정하도록 상기 컨트롤러에 명령할 수 있다. 예를 들어, 이전의 반복을 통한 결과를 통해, 원하는 단계별 온도 변화를 얻기 위해 특정한 방식으로 입력 변수를 바꾸어야 함을 알 수 있다. 따라서, 상기 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 존재하는 코드에 의해 표현되는 알고리듬에 기초하여, 상기 컨트롤러는 이전의 반복으로 부터 입력 값을 바꿀 수 있다. 켤레 구배법 (conjugate gradient) 또는 급 강하 방식 (steepest descent )과 같은 표준 방식이 사용될 수 있다.
실질적으로 동일한 온도 변화를 나타내는 단계들의 파라미터를 정의하기 위한 반복된 계산의 성공적인 수렴 여부는 수치 해석 방식 (numerical analysis techniques)에 기초하여 정해질 수 있다. 이러한 해법을 얻기 위한 수치 해석 방식의 예로는, 켤레 구배법, 급강하 방식, 레벤버그-마르콰트 방식, 뉴톤-랍손 방식, 중립 네트워크, 유전 알고리듬, 또는 이진 검색 (conjugate gradient, steepest descent, Levenberg-Marquardt, Newton-Raphson, neural networks, genetic algorithms, or binary search) 등의 방식이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
어떤 실시예에 따르면, 디자인의 불변 파라미터를 정하기 위해, 식 (5’ - 16’) 에 기초한 계산은 디자인 과정에서 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 전술한 반복된 계산은 변화하는 조건을 반영하기 위해 조정된 다단계 시스템의 특성과 함께, 지속적으로 수행될 수 있다.
구체적으로, 압축 시스템이 하루에 걸쳐 동작하면, 바깥 공기의 온도는 시간에 따라 변한다. 바깥 공기가 압축을 위해 유입되는 경우, 그 온도는 시간에 따라 변한다. 예를 들어, 낮에는 올라가고, 밤에는 내려간다. 상기 컨트롤러는 센서와 전기적으로 교통하면서 이러한 온도 변화를 감지하고, 계산시에 이를 입력값으로 제공한다. 상기 컨트롤러는 또한 추가적인 센서와 교통하면서 다른 변화하는 특성의 상태를 감지한다.
상기 컨트롤러는 가스 압축 시스템의 다양한 요소들과 전기적으로 교통할 수 있다. 이러한 계산에 기초하여, 상기 컨트롤러는 균일한 온도 변화가 다른 단계들에서 유지되도록 시스템 요소들의 동작을 명령할 수 있다.
예를 들어, 어떤 실시예에서, 상기 컨트롤러는 가스를 압축 챔버로 유입시키는 밸브를 구동할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 상기 컨트롤러는 가스를 팽창 챔버에서 배기하는 밸브, 또는 액체를 압축 챔버로 흘려보내는 밸브를 구동할 수 있다. 이러한 밸브 요소들의 구동 타이밍에 대한 제어로 각 단계의 압축비, 및 이러한 단계에 수반되는 온도 변화에 영향을 줄 수 있다.
식 (17') 은 T gas _ final 이 V closed 에 의존하 것을 보여준다:
Figure pat00081
(17’)
식 (18')은 Vclosed 가 압축비 (r)로 나타내 질 수 있음을 보여준다.
V closed = 압축 흡입 밸브가 폐쇄되었을때 챔버 부피 =
Figure pat00082
(18')
따라서, 어느 단계의 압축비는 압축 단계에 수반되는 온도 변화의 정도를 결정할 수 있다. 이러한 압축비에 대한 제어는 몇 가지 방법으로 행해질 수 있다.
그 중 한 가지 방법으로는, 압축비는 V closed 을 제어함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, V closed 는 가스를 압축 챔버로 유입하는 밸브의 구동 타이밍을 통해 제아될 수 있다.
전술한 바와 유사한 형태로, 상기 컨트롤러는 가스 압축 시스템의 다양한 요소들과 전기적으로 교통할 수 있다. 이러한 계산 결과에 기초하여, 상기 콘트톨러는 균일한 온도 변화가 다른 단계들에서 유지되도록 시스템 요소의 동작을 명령할 수 있다.
예를 들어, 어떤 실시예에서, 상기 컨트롤러는 가스를 압축 챔버로 유입하는 밸브를 구동 시킬 수 있다. 도63A-C는 압축시에 이러한 유입 밸브 구동의 일례를 보여준다. 구체적으로, 도63A-B 의 압축단계에서, 피스톤은 압축 전에 스트로크를 겪게 되고, 도63C에서는 압축 스트로크의 초기 부분을 보여준다.
도63A에서는, 아래도 이동하는 피스톤6306에 의해 밸브6312가 닫혀있고, 밸브6310는 개방되어 가스를 압축 챔버로 유입시킨다. 도63B에서, 밸브6310 는 폐쇄되어 피스톤이 BDC에 도달하기 전에 가스 유입을 중단시키고, 이로써 이어지는 피스톤의 스트로크에서 압축되는 가스의 양을 Vclosed 로 제한시킨다. 도63C 는 이어지는 압축 스트로크에서 피스톤이 위로 움직임에 따라 가스가 V closed 로 압축되는 것을 도시한다.
밸브6310를 폐쇄하는 타이밍을 조절함으로써, 실린더 내에서 압축되는 가스의 양이 결정된다. 구체적으로, 도63B에서, 밸브6310가 상기 피스톤이 BDC에 도달하기 전에 폐쇄되므로, 압축 실린더 내의 가스의 유효 부피는 제한되고, 그 단계의 압축비 (r) 도 제한된다.
상기 유입 밸브의 구동 타이밍은 컨트롤러 또는 프로세서에 의해 조절될 수 있다. 도63A-C 는 컨트롤러6396와 전기적으로 교통하는 밸브6310의 구동 요소6311 를 도시한다. 컨트롤러는 또한 밸브의 구동을 명령하는 코드가 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체와 전기적으로 교통한다.
압축 모드에서, 가스 유출 밸브의 구동 타이밍을 조절하여 압축비를 제어할 수 있다. 전술한 것과 유사한 방법으로, 유출 밸브의 폐쇄가 시간 조절되어 상기 압축 챔버 내에 잔존하는 압축 가스를 보존함으로써, V closed 를 이어지는 스트로크에서 (V displacement ) 의 최대값보다 낮도록 하여, 압축시에 더 많은 공기가 유입되도록 한다. 이러한 밸브 타이밍은 상기 압축비 (r)를 줄인다.
이전의 도면을 참고하여 이미 설명한 것과 비슷한 방법으로, 압축 챔버에 유입된 액체는 상기 압축비 (r)를 바꿀 수 있다. 내부에 물이 없는 실린더의 압축비는 of r = V total / V closed 이다. 만약 물이 부피V water 만큼 실린더 내에 유입되면, 상기 압축비는 r = (V total - V water ) / (V closed - V water )가 된다. 따라서, 압축비는 V water 에 따라 달라진다.
팽창기의 성능은 능동 제어 루프에 의해 제어될 수 있다. 능동 제어 루프의 입력은 제어 파라미터 및 센서 데이타를 포함하고, 출력은 밸브 구동을 포함한다. 일 실시예에서, 제어 입력은 아래의 값들을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다.
Pf ≡ 배기 밸브가 개방되기 전에 팽창에 의해 얻어지는 최종 압력
ΔVi ≡ 흡입동안의 부피 변화 (The change in volume during intake)
ΔVe ≡ 배기후의 부피 변화 (The change in volume after exhaust)
S ≡ 크랭크 회전 스피드 (RPM) (The rotational speed of the crank, in RPM)
Θo ≡ 스프레이 밸브가 개방된 크랭크 각도 (The crank angle at which a spray valve is opened)
Θc ≡ 스프레이 밸브가 폐쇄된 크랭크 각도 ( The crank angle at which a spray valve is closed)
F ≡ 스프레이 펌프의 유속 (The flow rate of a spray pump)
센서로 부터 측정된 값은 하기 값을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다.
Pi ≡ 입력 압력 (The input pressure)
Po ≡ 출력 압력 (The output pressure)
Θ ≡ TDC에 대한 크랭크 각 (The crank angle relative to TDC)
Ti ≡ 평균 유입 온도 (The average inlet temperature)
Tf ≡ 평균 배기 온도 (The average exhaust temperature)
W ≡ 팽창기에 의해 출력되는 샤프트 파워 (The shaft power output by the expander)
일 실시예에서, 상기 콘트롤 루프는 다음과 같이 동작할 수 있다. TDC에서 피스톤이 시작하여, 흡입 밸브가 개방되고, Pi에서 가스가 유입된다.
피스톤이 이동하여 부피ΔVi 가 될때까지 상기 흡입 밸브는 개방된 상태로 유지된다. 이는 측정된 크랭크 각, 알려진 피스톤 및 연결 부재의 치수로 부터 계산될 수 있다.
이 시점에서, 상기 유입 밸브는 닫히고, 가스가 팽창하여 피스톤에 일을 하고, 실린더 내부의 압력이 줄어든다. 실린더 내부의 압력이 Pf이하로 떨어지면, 배기 밸브가 개방된다. 이러한 동작이 BDC에서 또는 그 전에 수행된다.
TDC (크랭크 각을 측정함으로써 계산될 수 있다)이전의 ΔVe 까지는 배기 밸브를 개방된 상태로 유지되고, 그 시점에 이르면 배기 밸브가 폐쇄된다. 피스톤이 TDC로 이동하고, 사이클이 반복된다.
스프레이는 이러한 제어 루프로 제어된다. 어떤 실시예에서, 액체는 실린더 내로 계속적으로 스프레이된다.
*어떤 실시예에서는, 스프레이는 사이클의 일부에서, 솔레노이드 값과 같은 제어가능한 값에 의해 켜진다 (turned on). 예를 들어, 스프레이는 크랭크 각 A에서 턴온되어, TDC에서 크랭크각 B가 된다. A는
For 예를 들면, the spray may be turned on from a crank angle A to a crank angle B from TDC.
0, 5, 10, 45, 90, 120, 180, 200, 240, 270 도 일 수 있다. B는 180도 또는 360도에서 더하기/빼기 20도 이상 일 수 있다.
스프레이 노즐로의 압력 또는 유속은 제어될 수 있다. 예를 들어, 스프레이 펌프로 연결된 가변 주파수 드라이브를 제어하여 이를 수행할 수 있다.
시스템의 회전 속도도 제어될 수 있다. 예를 들어, 피스톤과 기계적으로 교통하는 발전기의 부하를 달리함으로써 이를 행할 수 있다.
동작 조건과 관련된 제어 입력 파라미터들에 의해 최종 온도 (Tf,) 또는 샤프트 파워 (W) 등에 특정한 결과가 나타나나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제어 입력 파라미터와 출력간의 관계는 물리적 원리로 모델링 될 수 도 있고, 또는 제어 테스트 동안 측정하여 맵 (map)을 만들 수도 있다. 이러한 맵은 매끈한 다차원 표면에 근사하도록 내삽 (interpolated to approximate a smooth multi-dimensional surface)될 수 있다.
팽창 동작 동안에, 특정 요구를 만족시킬 수 있는 특정한 파워 (W) 를 출력하는 등과 같은 어떤 목표 성능을 얻는 것이 바람직하다. 생성된 맵을 이용하여 동작을 위한 초기 제어 값들을 얻을 수 있다.
동작 동안, 원하는 성능 파라미터 (여기서는, W)가 측정되고, 맵의 성분을 이용하여 측정된 값과 원하는 값의 차이를 줄이거나 최소화하는 방향으로 제어 파라미터를 바꾼다. 목표 성능 계량 (metrics)의 예에는 파워 출력, 효율성 (측정된 값으로 부터 계산). 또는 다른 계량 (metrics)의 가중치 합 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
어떤 실시예에서는 Tf > Tmin와 같은 제한 조건에서 Ti - Tf 을 최소화하는 계량 (metrics)을 이용한다. 이를 이용하여 온도를 상기 액체의 어느점 이상으로 유지하면서 팽창기로 부터 높은 효율을 얻을 수 있다.
제어 루프를 이용하는 팽창기의 성능에 대해 설명하였으나, 본 발명이 이러한 특정 실시예에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에 따르면, 압축기의 성능은 능동 제어 루프에 의해 제어될 수 있고, 이러한 능동 제어 루프의 입력은 제어 파라미터와 센서 데이타를 포함할 수 있으며, 출력은 밸브 구동을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 입력은 하기값을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
ΔPf ≡ 배기 밸브를 개방하기 전 실린더 내의 최종 압력과 상기 배기 밸브의 다른 쪽에서의 압력 (Po)과의 차이 (The difference between the final pressure in the cylinder before opening the exhaust valve and the pressure on the other side of the exhaust valve (Po))
ΔPi ≡ 흡입 밸브를 개방하기전 실린더 내의 초기 압력과, 상기 흡입 밸브의 다른 쪽에서의 압력 (Pi)과의 차이 (The difference between the initial pressure in the cylinder before opening the intake valve and the pressure on the other side of the intake valve (Pi))
ΔVi ≡ 흡입동안의 부피 변화 (The change in volume during intake)
ΔVe ≡ 배기후 부피 변화 (The change in volume after exhaust)
S ≡ 크랭크의 회전 속도 (RPM) (The rotational speed of the crank, in RPM)
Θo ≡ 스프레이 밸브가 개방되는 시점에서의 크랭크 각 (The crank angle at which a spray valve is opened)
Θc ≡ 스프레이 밸브가 폐쇄되는 시점에서의 크랭크 각)The crank angle at which a spray valve is closed)
F ≡ 스프레이 펌프의 유속 (The flow rate of a spray pump)
센서로 측정한 값들은 하기값을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
Pi ≡ 입력 압력 (The input pressure)
Po ≡ 출력 압력 (The output pressure)
Θ ≡ TDC에 대한 크랭크 각 (The crank angle relative to TDC)
Ti ≡ 평균 유입 온도 (The average inlet temperature)
Tf ≡ 평균 배기 온도 (The average exhaust temperature)
W ≡ 팽창기에 의해 출력되는 샤프트 파워 (The shaft power output by the expander)
일 실시예에서, 제어 루프는 다음과 같이 진행된다. TDC에서 피스톤이 출발해서, 압력P에서 가스가 실린더로 유입되고, 피스톤이 BDC쪽으로 이동한다.
압력이 Pi - ΔPi 이하로 떨어지면, 흡입 밸브가 개방된다. 이는 TDC에 이르기 전까지 일어날 수 있다.
피스톤이 BDC로 이동하고, 그 시점에서 흡입 밸브가 폐쇄된다. 피스톤 헤드가 TDC쪽으로 돌아가면, 피스톤이 가스를 압축하여 실린더 내 압력이 증가한다.
실린더 내 압력이 Po - ΔPf보다 높아지면, 배기 밸브가 개방된다. 이러한 동작은 TDC에 이를때까지 진행된다.
TDC이전에 ΔVe 에 도달할 때 까지 상기 배기 밸브는 개방 상태로 유지 (측정된 크랭크 각으로 부터 계산될 수 있다)되고, 그 시점에서 배기 밸브가 폐쇄된다. 피스톤이 계속해서 TDC쪽으로 이동하고, 사이클이 반복된다.
스프레이는 제어 루프에 의해 제어될 수 있다. 어떤 실시예에서, 액체는 실린더 내로 계속적으로 스프레이될 수도 있다.
어떤 실시예에서, 사이클의 일부 동안에 상기 스프레이가 (예를 들어, 솔레노이드 값과 같은 제어가능한 밸브에 의해) 턴온 (turn on)된다. 예를 들어, 스프레이는 크랭크 각 A에서 턴온되어 TDC에서 크랭크가 B가 된다. A는 0, 5, 10, 45, 90, 120, 180, 200, 240, 270도 일 수 있다. B 는 180도 또는 360도에서 더하기/빼기 20도 또는 그 이상일 수 있다.
스프레이 노즐의 압력 또는 유속은 예를 들어, 스프레이 펌프와 연결된 가변 주파수 드라이버를 제어함으로써 제어될 수 있다. 상기 시스템의 회전 속도는 예를 들어, 상기 피스톤과 기계적으로 교통하는 발전기의 부하를 변화시킴으로써 제어할 수 있다.
동작 조건과 관련된 제어 입력 파라미터들에 의해 최종 온도 (Tf) 또는 샤프트 파워 (W)와 같은 특정할 결과가 도출된다. 제어 입력 파라미터와 출력간의 관계는 물리적 원리로 부터 모델링 될 수도 있고, 제어된 테스트에서 측정하여 맵을 만들 수도 있다. 이러한 맵은 매끈한 다차원 표면으로 근사되도록 내삽 (interpolated to approximate a smooth multi-dimensional surface)될 수 있다.
압축기의 동작 동안, 특정한 요구를 만족시키기 위해 특정 파워 (W) 를 출력하는 등 어떤 목표 성능을 얻는 것이 바람직하다. 먼저, 상기에서 만들어진 맵을 이용하여 상기 장치를 동작하는 초기 제어 값들을 얻을 수 있다.
동작 동안, 원하는 성능 파라미터 (여기서는 W)가 측정되고, 맵 성분 (gradient)을 이용하여 상기 측정된 값과 상기 원하는 값 사이의 차이가 줄어들거나 또는 최소화되는 방향으로 상기 제어 파라미터를 바꾼다. 어떤 목표 성능 계량 (metrics)은 파워 입력, 효율성 (상기 측정된 값으로 부터 계산) 등 일 수 있다. 또는, 다른 계량의 가중치의 합일 수 있다.
다른 계량은 Tf > Tmin와 같은 제한 조건에서 Ti - Tf 을 최소화할 수 있다. 이러한 계량을 이용하여 액체의 끓는점 보다 낮은 온도를 유지하면서 팽창기로 부터 높은 효율을 얻을 수 있다.
따라서, 한 단계의 압축비는 그 압축 단계에 수반되는 온도 변화 정도를 결정할 수 있다. 이러한 압축비에 대한 제어는 다양한 방법으로 이루어질 수 있다.
한 가지 방법으로, 압축비는 V closed 을 제어하여 정할 수 있다. 예를 들어, V closed 는 가스를 압축 챔버로 유입시키는 밸브의 구동 타이밍을 통해 제어된다.
컨트롤러는 가스 압축 시스템의 다양한 요소들과 전기적으로 교통하고 있다. 반복된 계산 결과에 기초하여, 컨트롤러는 균일한 온도 변화가 다른 시스템들에서 유지되도록 시스템 요소가 동작하게끔 명령할 수 있다.
예를 들어, 어떤 실시예에서, 컨트롤러는 가스를 압축 챔버로 유입하는 밸브를 구동시킬 수 있다. 도63A-C 는 압축시에 이러한 유입 밸브 구동 예을 보여준다. 구체적으로, 도63A-B 에 도시된 압축 단계6300에서는, 압축에 앞서 피스톤이 스트로크를 겪는 것을 보여주며, 도63C 는 압축 스트로크의 초기 상태를 나타낸다.
도63A에서 밸브6312는 폐쇄되어 있고, 피스톤6306은 아래로 이동하며, 밸브6310는 개방되어 가스 흐름이 압축 챔버로 유입된다. 도63B에서, 피스톤이 BDC에 도달하기 전에 밸브6310가 폐쇄되어 가스 유입이 중단되고, 이로써 이어지는 피스톤 스트로크에서 압축되는 가스량이 Vclosed t로 한정된다. 도63C에 도시된 이어지는 압축 스트로크에서는, 피스톤6306이 위로 이동하면서 가스량V closed 을 압축한다.
밸브6310의 폐쇄 타이밍을 조절함으로써, 실린더 내에서 압축되는 가스량이 결정된다. 도63B 에서, 피스톤이 BDC에 도달하기 전에 밸브6310가 폐쇄되기 때문에, 압축 실린더 내의 가스의 유효 부피가 제한되고, 그결과 그 단계의 압축비 (c r) 도 제한된다.
유입 밸브6310의 구동 타이밍은 컨트롤러 또는 프로세서에 의해 조절될 수 있다. 따라서, 도63A-C 에 도시된 밸브6310의 구동 요소6311는 컨트롤러6396와 전기적으로 교통하고 있다. 이어서, 컨트롤러6396는 밸브6310의 구동을 명령하는 코드가 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체6394와 전기적으로 교통하고 있다.
압축 모드에서, 가스 유출 밸브의 구동 타이밍을 조절하여 압축비를 제어할 수 있다. 전술한 것과 유사한 방식으로, 유출 밸브의 폐쇄 타이밍이 압축 챔버 내에 얼마간의 잔존 압축 가스를 남기도록 정해지고, 이로써, 이어지는 피스톤 스트로크에서 더 많은 흡입 가스가 압축될 수 있도록, V closed 을 줄여 의 전체 값 (full value) (V disp ) 보다 작아지도록 한다. 이러한 밸브 타이밍은 압축비 (c r)도 줄어들게 한다.
전술한 것과 비슷한 방식으로, 압축 챔버에 유입된 액체는 압축비 (c r)를 바꿀 수 있다. 내부에 물이 없는 실린더의 압축비는 c r = V total / V closed 이다. 만약 부피V wate r 의 물이 상기 실린더에 유입되면, 압축비는 c r = (V total - V water ) / (V closed - V water )가 된다. 따라서, 압축비는 V water 에 의존한다.
상기의 방법은 밸브 (유입/유출) 타이밍 및/또는 액체 주입을 조절하는 부피 제어에 의해 압축 및/또는 팽창비를 제어하는 것에 대해 주로 다루었다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시예에서는 압축 또는 팽창비에 영향을 주는 다른 요소를 조절함으로써 온도를 제어한다.
예를 들어, 압축 또는 팽창비를 바꾸는 다른 방법으로는 기계적인 방식을 택할 수 있다. 이러한 방식의 예로는 피스톤 스트로크의 길이를 변경하거나, 챔버 데드 볼륨을 바꾸기 위해 플런저 (plunger)를 동작하는 등의 방식이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
주어진 단계에서 발생하는 온도 변화는 그 단계의 속도를 바꿈으로써 제어할 수 있다. 예를 들어, 속도와, 가스 및 액체 질량 유동비가 같은 경우에, 낮은 압력 단계가 높은 압력 단계보다 ΔT만큼 작을 수 있다.
속도를 증가시키고, 동일 요인 (factor)의 변위를 줄이면, (예를 들어, 이어지는 단계에 맞먹는 (match))질량 유량비는 동일하나, ΔT는 더 커진다.
이동 가능 부재를 구동 시키는 별도의 크랭크들 또는 다른 연결 부재들 사이에 고정 또는 가변 기어비 (a fixed or variable gear ratio)를 갖고, 각 단계는 서로 다른 속도에서 수행될 수 있다. 또는, 별도의 모터/발전기가 각 단계별로 또는 단계 그룹별로 공급될 수 있다.
만약 하나 이상의 속도가 독립적으로 제어가능하다면, 이들 속도들을 동적으로 조절하여 원하는 동작 성능을 얻을 수 있다. 압축/팽창비 및 ΔT 값을 제어하는 파라미터를 동적으로 조절하는 방법 중 하나는 입력 가중치의 함수를 이용하는 것이다.
어떤 실시예에서, 이들 입력은 흡입 압력, 배기 압력, 흡입 온도, 배기 온도, 액체 유속, 가스 유속, 저장 탱크 압력, 및 상기 모터/발전기로/부터의 측정된 파워 등의 미가공 센서 데이타를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이들 입력은 미가공 센서 데이타 또는 다른 소스 (예를 들어, 파워 요구 조건, 사용자 입력 파라미터, 추정 ΔT, 및 추정 효율성)에 기초한 계산값을 포함한다.
본 발명에 따른 실시예에 따른, 실질적으로 동일한 온도 변화가 수반되는 다단계의 압축 및 팽창은 몇 가지 장점을 갖는다. 그 중 하나는 시스템 효율성이 극대화 되는 것이다.
전술한 바와 같이, 압축 및 팽창은 최소한의 열 소비와 최대의 효율성을 가진 채 진행되며, 근사-등온적 조건에서 수행된다. 이와 같이 다단계에 걸쳐 압축 또는 팽창을 효율적으로 수행하는 장치를 디자인하는 데 수반되는 문제는 각 단계에서의 온도 변화를 동일하게 함으로써 단순화된다. 이런 조건이 실현되면, 다단계 시스템의 다른 요소들은 이러한 균일한 온도 변화를 최소화하도록 디자인 될 수 있다.
또한, 효율적인 동작에 바람직하도록 근사-등온적 조건을 얻기 위해서는, 다단계 시스템의 각 단계는 열원 또는 열 싱크와 열적으로 교통하면서 에너지 교환을 한다. 압축 단계의 경우, 이러한 단계는 열싱크와 열적으로 교통하면서 데워진 가스로 부터 나온 열 에너지를 전달한다. 팽창 단계의 경우, 이 단계는 열원과 열적으로 교통하면서 열에너지를 식은 가스로 전달한다.
도64A 에 도시된 다단계 시스템6400에서는, 각 단계6402, 6404, 및 6406에서 다른 온도 변화가 수반된다. 필요한 양 만큼의 열 에너지를 안정적이고 효과적으로 열 교환하기 위해서, 도64A의 시스템은 통상 각 단계에서 다른 열 교환기 6408, 6410 및 6412 를 사용한다. 또한, 순환 액체가 다른 온도에 있기 때문에, 별도의 순환 시스템 (펌프를 포함)이 관련된 열량을 갖는 각각의 열 교환기와 각각의 열원 또는 열싱크 사이에 채용된다.
그러나, 각 단계가 실질적으로 동일한 온도 변화를 보이는 경우, 더 단순한 열 교환기 디자인이 사용될 수 있다. 도64B 에 도시된 시스템6450에서는, 각 단계6452, 6454, 및 6456 가 동일한 타입의 튜브-인-셀 열 교환기 (tube-in-shell heat exchanger) 6458 와 열 교환한다. 또한, 각 열 교환기가 각 단계에서 동일한 양의 열에너지를 교환하고자 하는 경우에는, 이러한 열 교환기들은 하나의 펌프6460 와 열 싱크 또는 열 소스를 갖는 공통의 순환 시스템을 공유할 수 있다. 이러한 구성에 의하면 복수개의 펌프와 액체 도관 루프들을 사용할 필요가 없고, 따라서 복잡성이 줄어들고 시스템 비용이 절감된다.
전술한 바와 같이, 도65에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압축 가스 시스템의 요소들은 하나 또는 그 이상의 연결 부재를 통해 다른 구조들과 교통하고 있다. 압축 가스 에너지 시스템6500과 외부 요소들 사이의 연결 부재는 기계적 연결 부재와 같은 물리적 연결 부재, 유압식 연결 부재, 자기식 연결 부재, 전자기식 연결 부재, 전기식 연결 부재 또는 공압식 연결 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 시스템 사이의 또 다른 타입의 연결 부재로는 교차 유량 열 교환기를 갖는 열적 연결 부재 등을 포함하며, 이러한 열적 연결 부재는 액체용, 가스용 또는 고체용 도관, 도관, 펌프, 밸브, 스위치, 재생기 및 열 교환기 등을 포함한다.
도65에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시스템과 외부 요소 사이에 배치되는 또 다른 연결 부재로는 유동식 연결 부재 (fluidic linkages) 6506 및 통신 연결 부재 (communications linkages) 6508 등이 있다. 전자의 예로는 가스 또는 액체 상태의 물질의 이동을 포함하고, 도관, 밸브, 펌프, 저장소, 축적기, 병, 스프레이, 및 다른 구조를 포함한다.
통신 연결 부재 (communications linkages)의 예로는, 유선 또는 광학 섬유 연결체 및 지역적으로 또는 광역에 걸쳐 동작하는 무선 통신 네트워크를 포함한다. 본 발명의 실시예에 사용하기에 적합한 통신 네트워크의 예로는 다음을 포함하나, 이에 한정되지는 않는다: 이더넷 (Ethernet), CAN, WiFi, Bluetooth, DSL, 전용 전자파 링크 (dedicated microwave links), SCADA 프로토콜 (protocols), DOE's NASPInet, DoD's SIPRNet, IEEE 802.11, IEEE 802.15.4, Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode (ATM), IEC 14908, IEC 61780, IEC 61850, IEC 61970/61968, IEC 61334, IEC 62056, ITU-T G.hn, SONET, IPv6, SNMP, TCP/IP, UDP/IP, 진보된 미터링 인프라스트럭쳐 (advanced metering infrastructure), 및 스마트 그리드 프로토콜 (Smart Grid protocols).
주어진 압력에서 공기 부피내에 존재하는 저장된 일량 및 도65의 시스템6500에 저장된 일량은 다음과 같이 계산된다.
양
Figure pat00083
은 저장 용기의 단위 부피당 저장된 일량을 나타낸다. 이는 저장 에너지 밀도이다. 이 에너지 밀도는 다음 식으로 결정될 수 있다.
Figure pat00084
여기서,
W = 저장된 일 (stored work);
V0 = 저장 유닛의 부피 (volume of the storage unit);
P a = 개방 시스템에서 주변 압력 또는 밀폐 시스템에서의 낮은 압력 (ambient pressure in an open system, or the low pressure in a closed system); 및
P 0 = 탱크의 압력 (pressure in the tank).
리터 (L) 단위의 부피와 atm 단위의 압력으로 부터 에너지 밀도의 계산은 다음 환산 식을 이용한다:
Figure pat00085
, 여기서:
W = 저장된 일 (Joule);
V0 = 저장유닛의 부피 (L);
Pa = 개방시스템에서의 주변 압력, 또는 밀폐시스템에서의 낮은 압력; 및
P0 = 탱크의 압력 (atm).
그러므로 표준 상태에서
V0 = 1 L;
Pa = 1 atm; and
Figure pat00086
:
일 때:
Figure pat00087
, 또는
Figure pat00088
W/ V0 의 역수는 주어진 에너지 양을 저장하기 위한 탱크의 부피다. 이 공식은 L/kW-h의 단위로 다음과 같이 표시된다:
Figure pat00089
, 여기서:
1 Joule = 1 W·s;
3600 Joule = 1 W·h; 및
3600 kJoule = 1 kW·h
이 식은 주어진 압력에 대해 다음과 같은 결과를 보여준다:
Figure pat00090
효율을 고려하여 윗 식을 다시 쓰면 다음과 같다:
Figure pat00091
, 여기서:
e = 시스템의 단방향 효율 (one-way efficiency of the system)
그래서, 효율 (e)이 0.8 일 때, 압축된 공기가 저장 압력 (P0) 300 기압으로 부터 최종 압력 (Pa ) 1 기압으로 되는 시스템에서, V0/ W = 31.45
Figure pat00092
가 된다.
압축된 가스 형태에 저장된 에너지를 급속히 복구하기 위한 본 발명에 따른 시스템의 효용성은 여러가지 다른 시스템에 응용될 수 있다. 예를 들면, 최종 사용자에게 전력을 공급하는 네트워크의 에너지 시스템의 일부로 사용될 수 있다.
이런한 네트워크를 파워그리드 (power grid) 라고 부른다..
다음의 문서가 참조로 사용되었다: "Energy Storage for the Electricity Grid: Benefits and Market Potential Assessment Guide: A Study for the DOE Energy Storage System s Program", Jim Eyer ＆ Garth Corey, Report No. SAND2010-0815, Sandia National Laboratories (February 2010).
도 66은 전력의 발전, 송전, 소비의 일반적인 네트워크의 실시예을 보여준다. 도 66의 실시예는 실제 전력네트워크의 간단한 형태를 보여주나 본 발명이 이러한 간단한 네트워크에 만 적용될 수 있는 것은 아니다.
전력 배전망 (power distribution network) 6601은 송전 레이어 (transmission layer) 6604와 전기적 통신이 되는 발전 레이어 (generation layer) 6602로 구성된다. 송전 레이어로 부터의 전력은 배전 레이어 6605를 통해 소비 레이어 6608에 있는 소비자 6606으로 흘러간다. 전력 분배 네트워크의 각 레이어에 대한 설명은 다음과 같다.
발전레이어 6602는 전력네트워크에 전기를 생산 공급하는 복수의 개별 생산 시설 (generation assets) 6610a, 6610b로 구성된다. 개별 생산 시설의 예로는 석탄이나, 천연가스, 중유를 이용하여 전력을 생산하는 발전소를 들 수 있다. 다른 예로는 화석 연료가 아닌 수소나 원자력을 이용한 발전소도 있다. 그 밖에도 다른 종류의 에너지 소스를 이용한, (예를들면, 지열이나 해양심층온도차), 또는 풍력, 태양전지, 태양열 등을 이용한 발전 시설도 있다.
발전 레이어에 있는 발전소는 일반전으로 송전 레이어 보다 낮은 전압 (<50kV)의 교류 전류를 전달한다. 이 전력은 라우팅 (routing) 을 위해 송전 레이어 (transmission layer)로 전달된다. 특별히, 여기서부터 생산 시설과 송전 레이어의 인터페이스는 버스바 (busbar) 6612 로 표시한다..
송전 레이어 (transmission layer) 는 송전 라인 6622를 따라 배치된 변압기 6620a, 6620b로 구성된다. 버스바와 발전 시설에 가까이 있는 승압 변압기 (step-up transformer) 6620a 는 전력 송전의 효율을 높이기 위해 전압을 올리는 역할을 한다. 보통 송전 레이어 (transmission layer) 에 흐르는 전압은 수백 kV 정도이다.
송전 라인의 반대편에는 강압기 (step-down) 6620b 가 있어서 최종 사용자에게 전달되는 송전 전압을 낮추는 일을 한다. 이 강압기의 출력 전압은 보통 수십 kV 정도이다.
도 66은 아주 간단한 형태의 송전 레이어를 보여주고 있지만, 실제로는 여러 송전 변전소 (transmission substation) 6665에 의해 여러 단계의 변압을 거쳐 송전될 수 있다. 즉 송전 라인 6622 와 6663 사이에 송전 변전소 (transmission substation)가 있을 수 있다.
배전 레이어 (distribution layer) 는 송전 레이어 (transmission layer) 로 부터 공급된 전력을 최종 사용자에게 공급한다. 일부의 사용자 6606a 는 일차 변전소 (primary substation ) 6630a 로 부터 비교적 높은 전압의 전력을 직접 공급받는다. 일차 변전소는 일차 배전 전압 (예를 들면 약 12,000V) 으로 강압된 전류를 공급한다.
다른 사용자들은 이차 변전소 6630b로 부터 낮은 전압의 전력을 공급받는다. 공급 라인 (Feeder line) 6632 는 일차 변전소와 이차 변전소를 연결한다. 이차 변전소는 일차 공급 전압을 더 낮추어 전력 계측기 6634 에 연결된 최종 사용자에게 공급한다. 예를 들면 120V 의 전력이 최종사용자에게 공급된다.
도66은 전력의 발전, 송전, 배전, 소비를 연결하는 전력 네트워크 (power network)의 일반적인 물리 요소를 보여준다. 이러한 전력 네트워크는 공공 인프라의 중요한 부분을 형성하므로 다수의 지리, 정치적 단체의 협력을 요구하고, 지역적, 국가적, 세계적인 수준의 규제가 있다.
또한 도66은 다양한 기관에 의한 다양한 네트워크 요소들에 대한 규제를 분류하기 위한 프레임워크를 제공한다. 예를 들어, 전력 네트워크의 요소는 발전, 송전 배전, 또는 소비 단계 분류에 따라 규제될 수 있다. 이런 규제의 분류는 전력 네트워크 내에 구축된 에너지 저장 시스템의 성격을 정하는 데 중요한 요인가 된다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 압축가스시스템은 전력 공급 네트워크의 발전 레이어 안에 포함될 수 있다. 특정 실시예로, 압축가스에서 복구된 에너지는 단기간의 안정된 전력 공급을 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 압축 가스로 부터 얻어진 에너지는 풍력 발전과 같이 재생 에너지 원으로 부터 얻어진 불안한 출력을 원활하게 하는 데도 사용할 수 있다.
도66에 있는 전력 네트워크의 여러 종류의 발전 시설은 생산되는 전력의 종류에 따라 분류된다. 예를 들면 베이스로드 (baseload) 생산 시설은 일반적으로 싼 가격으로 에너지를 생산한다. 이런 베이스로드 생산시설은 높은 효율을 얻기 위해 항시 최고 출력으로 운전된다. 대표적인 예로는 원자력, 화력 발전소이다.
로드 팔로잉 (load following) 발전 시설은 시간에 따른 전력 사용에 따라 대처할 수 있는 시설로 전력 사용량에 따라 생산을 중단할 수 있다. 예를 들면 수력발전소가 있다.
로드 팔로잉 (load following) 발전 시설은 빠르면 30분이내에 변화되는 전력 요구량에 대응할 수가 있다. 이러한 발전 시설은 항시 운행되는 것이 아니기 때문에 효율성이 떨어지고 그에 따라 생산 단가가 높다..
세번 째 생산 시설은 피크 (peak) 발전 시설이다. 피크 발전 시설은 다양하게 변화되는 요구에 간헐적으로 대응한다. 이러한 생산 시설은 아주 빠른 시간에 전력 사용 요구 변화에 대응하기 위해 효율성도 떨어지고 그에 따라 생산 단가도 매우 높게 된다. 예를 들면 천연 가스 터빈이나 디젤 발전기 등이 있다..
이러한 발전기들은 비교적 빠른 시간 내에 필요한 전력을 공급할 수 있지만, 전력 네트워크 요구에 맞는 양과 질의 전력을 공급하기에 그래도 약간의 준비 시간 (lead time) 이 필요하다. 예를 들면, 요구되는 오차의 전압과 이미 전력 네트워크에 흐르고 있는 전류의 주파수와 동기하는 데 시간이 필요하다.
압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 실시예는 미국 특허 가출원 제 Nos. 61/221,487 호 및 제61/294,396호 (U.S. Provisional Patent Application Nos. 61/221,487 and 61/294,396) , 및 미국 특허 정규 출원 제 12/695,922 호 (U.S. Nonprovisional patent application nos. 12/695,922)에 개시되어 있고, 상기 개시 내용은 본 발명에 결합된다. 미국 특허 가출원 제 61/358,776호 (Attorney Docket No. 800KT-001300US)도 본 발명에 결합된다.
압축 가스 저장 및 복구 시스템의 한 특징은 비교적 안정된 상태로 저장된 에너지를 공급하는 데 빠른 응답 속도를 가지고 있다는 것이다. 특히, 많은 양의 압축된 가스가 높은 압력 상태로 저장될 수 있다. 예를 들면 인공적으로 만든 탱크나, 버려진 탄광, 유전정, 또는 자연적으로 생긴 동굴, 소금 돔 (salt domes), 또는 다공성 지질 구조에 저장될 수 있다.
요구 시, 압축 가스의 형태로 저장되어있는 에너지는 저장 장치와 팽창기 장치 사이의 가스 유량 조절 밸브를 작동하여 사용될 수 있고, 이 간단한 밸브의 작동은 기계적 또는 전기적인 형태로 압축 가스의 에너지의 빠른 전환을 허용한다.
예를 들어, 아래에 설명된 것과 같이, 같은 챔버 내에 압축 가스의 팽창은 그 안에 위치한 피스톤을 운전하기 위해 사용될 수 있다. 이 피스톤은 결국 발전기와 연결되어 전기를 생산할 수 있다. 이러한 구성은 연소 엔진과 같은 웜업 (warm-up) 시간이 필요하지 않기 때문에 빠른 시간 내에 안정적인 전력을 만들어 낼 수 있다. 압축된 공기에 저장된 에너지는 즉시 사용될 수 있고 최고 출력을 내는 데 필요한 시간은 몇 초에 불과하다.
가연 엔지과는 달리 압축된 가스에 저장된, 바로 사용할 수 있는 에너지는 가스의 다중 흐름을 제어하므로서 안정된 출력을 낼 수 있다. 예를 들면, 천연 가스 터빈의 안정적인 운영은 공기와 천연 가스의 흐름, 두 흐름의 혼합, 점화의 정확한 제어에 의해 실현된다. 가스 터빈의 안정적 출력을 위해서는 연소에 의 발생되는 열의 정교한 제어가 필요하다. 이로써, 가스를 팽창시키고, 이어서, 그 에너지는 터빈 날개를 돌리는 기계적 에너지로 전환된다.
수행하는 특정 역할에 따라 발전 설비는 특정 성능특성을 가지고 운전된다. 이러한 특정 성능 특성은 도62 표에 설명되어 있다.
특정 실시예에서는 압축가스에너지 저장 및 복구 장치는 발전 설비와 같이 설치 될 수 있고, 공통의 버스바를 이용하여 전기적 통신을 할 수 있다. 또는 발전 설비와 에너지 저장 및 복구 시스템은 같은 송전 라인으로 전력 네트워크와 전기적 통신을 할 수 있다.
본 발명에 따라 압축 가스저장 및 복구 시스템은 전력 네트워크의 발전 레이어에 설치되어 가변적인 특성 (variable in nature)을 갖는 재생에너지를 이용한 시스템의 출력을 안정시키는 데 사용할 수 있다. 예를 들면 풍력 터빈의 출력은 부는 바람의 세기에 따라 변한다. 바람의 세기는 짧은 시간에 변동될 수 있고, 이 변화는 전력 출력의 변화를 초래한다. 마찬가지로 태양 에너지를 이용한 장치의 출력도 구름과 같은 영향에 의해 짧은 시간에도 출력이 변할 수 있다.
그러나, 통상, 전력 네트워크는 본질적으로 안정되고 제어 가능한 화석연료를 이용한 발전에 의지해 왔다. 이런 파워 네트워크에 의존한 전통적 시스템과 재생 에너지를 사용한 시스템과이 차이 때문에, 태양과 풍력을 이용한 시스템의 도입이 쉽지 않다.
따라서, 본 발명의 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 실시예를 재생 에너지를 이용하는 시스템에 결합함으로써, 파워 네트워크 상에서의 출력을 안정시킬 수 있다. 도67은 간단히 이러한 출력 안정 기능을 보여 준다.
예를 들면, 도67과 같이 주어진 기간 A 동안, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 재생 장치에서 나오는 출력과 요구되는 출력 Z 와의 차이를 보충할 충분한 출력을 공급한다. 요구되는 출력은, 예를들면, 발전설비의 소유자와 전력 네트워크 사이에 계약된 값 일 수 있다.
또한, 도67에 있는 B점부터, 바람이 전혀 없거나 태풍 등의 영향으로 전력 생산이 끊어질 경우, 다른 발전 설비가 필요한 전력을 생산해 내기 전까지 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템이 사용될 수 있다.
또 다른 실시예로는, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템이 대체 발전 설비와 같이 존재하지 않는 경우, 대체 발전 설비에서 전력 생산이 일어 날 수 있도록 메시지를 전달하게 구성되어 질 수 있다. 이러한 메시지는 인터넷이나 스마트 그리드와 같은 광역 네트워크 (wide are network) 을 통하여 전달될 수 있다.
특히, 압축 가스 저장 및 복구 시스템과 전력 네트워크와의 결합은 도 66에 있다. 특정 실시예에 따르면, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 6640b는 발전 설비 6610a 또는 6610b로 같은 송전 라인에 연결될 수 있다. 또 다른 실시예에서는 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 6640a 는 같은 버스바 (busbar) 뒤에 다른 발전 설비와 물리적으로 같이 사용될 수 있다.
압축 가스 저장 및 복구 시스템과 발전 설비를 같이 설치하면 보다 효율적인 운영으로 인한 원가 절감이 가능하다.
예를 들면, 특정 실시예로, 압축 가스 저장 및 복구 시스템의 압축기 (compressor) 는 물리적 링크 6641을 통하여 발전 설비의 움직이는 파트 (part)와 물리적으로 연결될 수 있다. 이렇게, 위에서 설명한 바와 같이, 특정 실시예로, 가스나 풍력 터빈의 회전 날개는 기계, 유압 또는 공압적인 연결을 통해 압축 가스 저장 및 복구 시스템의 압축기 (compressor) 와 물리적으로 연결될 수 있다.
이러한 직접적인 물리적 연결은 힘의 효율적인 전달을 가능하게 하고, 이에 따라 전기로의 변환에 따른 손실을 줄인다. 이런 식으로 가스나 풍력 터빈을 움직이는 힘은 뒤에 출력을 안정화 시키거나, 전력의 추가 공급을 위해 압축 가스를 저장하는 데 사용될 수 있다.
또, 발전 설비와 압축 가스 저장 및 복구 시스템의 공존은 이러한 시스템 사이의 다른 종류의 에너지 흐름에 효율적인 전달에 도움이 될 수 있다. 예를 들면, 에너지 저장 시스템의 특정 실시예로, 열적 링크 6642를 통해 발전설비와의 열적으로 교통할 수 있다. 따라서 특정 실시예로, 압축 가스에너지 저장 시스템에 의한 압축 가스의 팽창 효율이 발전 설비와의 열적 교통에 의해 향상될 수 있다.
이러한 방법으로 열 태양광 발전소에서 얻어지는 폐기 열은 에너지 저장 시스템의 챔버에서 가스 팽창의 효율을 향상시키기 위해 활용 될 수 있다. 특정 조건에서 이 시스템과 열 태양광 발전소는 공존할 수 있다. 다른 실시예에서는, 압축 가스가 긴 도관을 통해 발전 설비 쪽으로 전달될 수 있다.
에너지 저장 시스템과 발전 설비와의 공존은 또한 유체 링크 (fluid link) 6644를 통해 액체를 교환할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 시스템과 가스 터빈 발전기가 같이 있는 경우, 액체적 교환을 통해 시스템에 저장된 압축 가스가 가스 터빈으로 흘러가 연소될 수 있고, 그에 따라 가스 터빈의 효율을 증대시킬 수 있다.
기존 발전 설비, 에너지 저장 설비와의 공존의 또 다른 장점은 기존의 장비를 이용할 수 있다는 것이다. 예를 들면, 발전 설비에 있는 운동 에너지를 전기로 바꾸는 장치는 본 발명의 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템에 사용될 수 있다. 마찬가지로 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 기존 발전 설비의 전력 네트워크에 대한 인터페이스 (busbar) 를 이용하여 네트워크와 전력을 교환할 수 있다.
발전 레이어의 버스바 (busbar) 뒷단에 압축 가스 에너지 저장 시스템을 둘 경우의 또 하나의 장점은 감시((regulatory oversight)가 용이하다는 점이다. 발전 레이어의 일부로서, 압축 가스 에너지 저장 시스템과 전력 네트워크의 연결은 간단하고 한정되어 있다. 특히, 압축 가스 에너지 저장 시스템은 일정한 인터페이스에 의해 망과 연결이 되고, 전력의 크기와 흐름은 발전기와 에너지 저장 시스템의 예상되는 동작에 따른다.
에너지 저장 시스템과 발전설비의 공존은 두 장치간의 결합된 동작을 향상시킨다. 특히 에너지 저장 시스템 6640과 발전 설비 사이의 연결 링크 6650은 본질적으로 외부랑 단절되어 있고 그로 인해 광역의 네트워크 보다 빠르고 안정적이다.
이러한 에너지 저장 시스템과 발전 설비와의 근접성은 발전 설비로 부터의 출력과 저장 시스템으로 부터의 출력 변환이 원활하게 이루어 질 수 있게 한다. 출력 레벨 (level) 조정 역할에서, 에너지 저장 시스템과 간헐적 에너지의 대체 소스 (source)와의 근접성은 급변하는 조건에서 저장 시스템이 신속하고 원활하게 개입하여 전력을 생산할 수 있게 한다.
특정 상황에서는 바람직 하지만, 본 발명의 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템과 발전 설비와의 공존이 꼭 필요한 것은 아니다. 특히, 인터넷과 같은 광역 네트워크의 신뢰성 향상으로 인해 네트워크 상의 각 장치들 간의 근접성의 필요성은 낮아 지고 있다.
따라서, 도 66은 발전 설비 6610a 와 같은 송전 라인에 있는 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 실시예를 보여 준다. 시스템 6640b 와 발전설비 6610a 는 유선 또는 무선 네트워크 6657을 통해 효과적으로 통신할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 실시에에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 한 역할은 다른 형태의 에너지 소스에 없는 거버너 응답 메커니즘 (governor response mechanism) 을 제공한다. 특히, 유체를 이용한 종래의 발전기 (예를 들면, 증기 터빈)는 발전기의 측정된 속도와 유량 밸브를 연결하는 거버너 장치를 가지고 있다. 거버너는 네가티브 피드백을 돌려 주도록 동작할 수도 있다. 예를 들면 동작 속도가 낮을 때는 유량을 늘리기 위해 밸브를 열고, 속도가 높을 때는 유량을 줄이기 위해 밸브를 닫는다.
이러한 발전기는 자동 발전 제어(Automatic Generation Control (AGC)) 기능을 갖도록 설계된다. 주파수나 전압을 안정화시키거나 다른 부수적인 목적으로 추가 파워가 필요할 때, AGC는 출력을 높이거나 낮추라는 시스템 오퍼레이터 (operator)의 메시지를 거버너에 전달한다. 이 명령은 거버너 자체의 설정된 속도나 다른 조건에 우선한다.
그러나, 특정 발전기에는 AGC 기능이 없다. 예를 들면 풍력 터빈에서 나오는 출력은 바람에 의한 터빈 날개의 회전 속도에 의해 결정된다. 이런한 회전은 추가 전압을 위해, 종래의 방법대로 거버너의 동작에 의해 가속될 수 없다.
특정 형태의 태양 에너지에서도 기본적인 거버너 응답 메카니즘이 결여되어 있을 수 있다. 예를 들면, 태양 전지나 태양열 시스템에 의해 얻어지는 에너지 양은 추가 전력의 요구에 따라 증가 시킬 수가 없다.
따라서 본 발명의 압축가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 실시예는 전력 네트워크의 거버너 기능이 없는 발전기와 연결될 수도 있다. 이러한 저장 시스템은 거버너의 기능을 대신하고, 발전기에 AGC 기능을 주고 또한 시스템 오퍼레이터가 요구하는 전압 안정화에 대응하여 짧은 시간안에 자동으로 출력을 높힐 수 있어야 한다. 이러한 구성은 기존 파워그리드 안에 대체 에너지 원의 결합을 촉진하고, 대체 발전 설비와 에너지 저장 시스템 간의 물리적 공존을 요구하지는 않는다.
에너지 시스템을 발전 설비와 따로 설치하는 것은 특정 상황에서 장점을 가진다. 예를 들면, 재생 에너지를 생산할 수 있는 장소는 바람이나 햇볕과 같은 자연 자원에 영향을 받는다. 그 결과로 대체 발전 설비는 원격지에 설치가 되고, 그에 따라 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템과 같은 공존 시스템의 검사와 보수 비용이 증가하게 된다. 또한 원격지로 부터의 전력 전송에 추가 비용이 발생할 수도 있다. 그러므로 에너지 저장 시스템을 가까운 곳에 설치하는 것이 비용 절감에 도움이 된다.
압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템을 발전 설비와 다른 장소에 설치하는 것이 더 유연할 수도 있다. 특히 원격지에 설치된 시스템의 운영이 특별한 발전 설비와 연관 될 필요는 없다. 그러므로 도 66의 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 6640b는 발전 설비 6610a 와 6610b, 또는 모두의 추가 전력 생산 요구에 즉각적으로 대처할 수 있다.
도 68은 본 발명의 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 한 실시예를 간단하게 보여준다. 특히, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템6801은 압축기 (compressor) 와 팽창기 (expander) (C/E) 6802 로 이루어져 있고, 가스 배출구6805, 압축 가스 저장 유닛 6803과 액체를 교환한다.
도 68은 압축기/팽창기 6802가 발전기 (M/G) 6804와 링크 6807과 물리적으로 연결된 블럭도를 보여 준다. 첫번째 동작 모드에서는 모터/발전기 6804는 모터를 동작시켜 에너지를 압축가스 (예, 공기) 의 형태로 저장시킨다. 모터/제너레이터 6804가 외부로 부터 파워를 공급 받으면, 압축기/팽창기 6802를 압축기로 동작시킨다. 모터/발전기 6804의 한 가지 파워 소스는 계측기 6880 이고, 계측기 6880 은 라인 6881을 통하여 파워그리드 6814의 배전계에 있는 변전소 6882와 전기적으로 교통한다. 아래에서 자세하게 설명하는 바와 같이, 파워그리드 6814는 전력 이외에 정보를 가진 스마트 그리드일 수 있다.
압축 시, 모터/발전기 6804는 링크 6807을 통해 파워를 압축기/팽창기 6802로 전달한다. 압축기/팽창기 6802는 유입구 6805로 가스를 받아 압축하여 압축된 가스를 저장 유닛 6803으로 보낸다.
도 68은 또한 시스템 6801이 풍력 터빈과 같은 첫 (변경될 수 있음) 대체 에너지 소스6810 으로 부터 에너지를 받을 수 있게 구성될 수 있음을 보여준다. 여기서 압축기/팽창기 6802는 풍력 터빈 6810과 링크 6820을 통해 물리적으로 교통한다. 이 링크는 기계적이거나, 유압적, 공압적일 수 있다.
링크 6820에 의한 풍력터빈 회전 날개와 압축기/팽창기 사이의 직접 교통은 작은 에너지 손실로 압축가스로서의 에너지 저장을 돕는다. 풍력터빈과 압축가스저장 시스템과 결합된 실시예는the co-pending U.S. Nonprovisional Patent Application No. 12/730,549에 설명되어 있고, 여기에 모든 목적으로 결합되어 진다. 특정 실시예에서는, 물리적 링크 6821에서 표시된 것과 같이 에너지 저장 시스템과 대체 에너지 소스가 발전기를 공유할 수 있다.
특정 실시예로, 대체 에너지 저장 소소는 별도의 발전기를 가질 수 있고, 링크 6883을 통해 모터/발전기 6804에 에너지를 전달할 수 있다. 이때 모터/발전기는 모터로 동작한다. 특정 실시예로 풍력 터빈에 있는 별도 발전기는 링크 6883을 통해 모터/발전기 6804와 전기적으로 교통할 수 있다.
도 68은 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 6801 이 유류나 천연가스의 파이프로 두번째 디스패쳐블(dispatchable) 소스 6850으로 부터 에너지를 받을 수 있게 구성될 수 있음을 보여 준다. 이 시스템은, 예를 들어, 압축된 가스 공급을 모두 사용했을 때, 파워를 공급하기 위해 이 디스패쳐블 에너지 소스 6850을 이용할 수 있다.
특히, 디스패쳐블 소스 6850으로 부터의 에너지는 링크 6822를 통해, 발전기 역할의 천연 가스 터빈이나, 디젤 모터, 가스 모터 등과 같은 장치 6864 에 의해 사용될 수 있고, 이로 부터 그리드에 전력을 공급할 수 있다 (예를 들면, 전력 요구가 최고일 때). 대체 에너지 소스 6850 으로 부터의 에너지는 또한 링크 6885를 통해 압축기로 동작하는 압축기/팽창기 6802를 구동하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 전력 수요가 없을 때, 추후의 에너지 복구를 위해 가스를 압축하는 데 사용한다.
장치 6864는 열 교환기 6860을 통해 열 소스 6862와 열적으로 교통한다. 이런 식으로 장치 6864의 동작으로 부터 생성된 열 에너지가 압축 가스로 부터 에너지를 복구할 때 효율을 향상시킨다.
특정 실시예로, 장치 6864가 터빈 (가스터빈과 같은 )일 경우, 연소 과정에서 저장 유닛으로 부터의 압축 가스를 이용한다. 따라서 도68과 같이, 장치 6864는 압축 가스 저장 장치 6803과 유체 도관 6876, 밸브 6878과 선택적으로 액체적 교환을 한다. 이런 식으로 연소를 위해 압축 가스를 이용하므로 인해 압축 가스에 저장된 에너지를 복구하는 데 높은 효율을 가진다.
특정 실시예로, 압축기/팽창기 6802는 별도의 압축기와 팽창기로 구성되어 열엔진으로 함께 동작될 수 있다. 이러한 실시예에서는 열소스 6862로 부터의 열은 가스 저장 유닛 6803의 가스가 고갈된 이후에도 모터/발전기 6804를 구동하는 데 사용될 수 있다.
특정 실시예로, 에너지 저장 장치 및 복구 시스템 6801은 많은 전류를 소비하는 다른 시설 6870과 같이 설치될 수 있다. 이런 시설의 예로는 공장 (반도체 제조 설비를 포함), 데이타센터, 병원, 항만, 공항, 및/또는 쇼핑몰과 같은 대형 소매점이 등이 있다..
시설 6870 및 에너지 저장 및 복구 시스템 6801은 전력 네트워크와 공통 인터페이스 (예 : 계측기)를 공유할 수 있다, 하지만 시스템 6801과 시설 6870 사이의 전력은 별도의 채널 6874로 연결될 수 있다. 전원은 무정전 전원 공급 장치 (UPS)와 같은 역할로서, 또는 부하조절, 피크 쉐이빙 (peak shaving), 또는 전력 사용 요구에 대한 응답 등의 목적 달성을 위해 채널 6874를 통해 시설에 에너지 저장 및 복구 시스템에서 직접 전달 수 있다. 열, 유체 등 여기 설명하지 않은 연결도 온도 조절을 위해 시설과 에너지 저장 시스템 사이에 있을 수 있다.
두번째 동작 모드에서는, 압축 가스에 저장된 에너지가 복구되고, 압축기/팽창기 6802는 팽창기로 동작한다. 압축기/팽창기 6802는 압축 가스를 받아서 팽창시키고 발전기로 동작하는 모터/발전기 6804를 링크 6807을 사용하여 움직인다. 모터/발전기로 부터의 전력은 버스바 (busbar) 6872와 송전 라인 6812를 통하여 파워그리드로 출력될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 가스가 압축이나 팽창될 때 온도 변화가 있다. 가스가 압축될 때는 온도가 증가하고, 팽창할 때는 온도가 감소한다.
위에서 설명한 바와 같이 가스의 압축, 팽창 시에는 열적, 기계적 손실이 있다. 그러나 이러한 압축/팽창 프로세스가 등온에 가까운 조건에서 일어나면 열손실을 줄일 수 있다. 이러한 근사-등온(near-isothermal) 조건에서의 압축 또는 팽창은 열 교환을 위한 유체의 투입 등과 같은 기술로 실현될 수 있다.
따라서, 시스템 6801의 압축/팽창 장치 6802는 하나 또는 다수의 열 교환기 6860과 액체 교환하고, 이 열 교환기는 방열판 또는 열원 6862와 선택적으로 열적 교통할 수 있다. 압축 모드에서 열 교환기는 방열판과, 예를 들어 열 교환기를 식히기 위해 팬 (fan)에 의해 생성되는 바람, 즉 대기와 열적으로 교통한다. 압축모드에서 열 교환기는 주위 공기 온도나 폐기열과 같은 열원 (heat source)과 열적으로 교통한다. 열원은 에너지 원 6850으로 부터 장치 6864에 의해서 생성된 열을 받아서 저장하는 연못과 같은 구조물 일 수 있다.
본 발명은 도 68이 보여 주는 압축 가스를 이용한 에너지 저장 및 복구 시스템의 특정 실시예에 한정하지 않는다. 본 발명의 다른 실시예는 똑 같은 버스바의 뒷편에 있거나, 전력 공급 네트워크의 발전 설비로서, 같은 송전 라인과 통신하는, 다른 형태의 에너지 저장 및 복구 장치를 이용할 수도 있다. 다른 형태의 에너지 저장 및 복구 장치로는 양수 발전 (pumped hydroelectric), 플라이휠 (flywheels), 배터리 (battery), 울트라캐패시터 (ultracapacitors), 열 저장 (thermal storage) , 화학저장 (chemical storage), 삼투압 저장 (osmotic pressure storage), 또는 초전도 링 ( superconducting rings) 등이 있다.
시스템 6801의 여러 구성 요소들은 컴퓨터가 판독할 수 저장 매개체6894와 연결된 중앙 컨트롤러 또는 프로세서 6896과 교통한다. 중앙 컨트롤러 또는 프로세서 6896은 또한 파워그리드 6814 (예를 들면, 스마트그리드) 와 유선연결 6816 및/또는 노드 6818과 6828 사이의 무선 연결을 통해 교통할 수 있다. 중앙 컨트롤러 또는 프로세서 6896은 예를 들면 인터넷 6822와 같은 다른 종류의 정보 소스과 교통할 수 있다.
컴퓨터가 판독할 수 있는 형태의 저장 장치 6894에 저장된 컴퓨터 코드 형태의 명령에 따라, 중앙 컨트롤러 또는 프로세서 6896은 시스템 6801에 있는 여러 구성 요소들을 제어 할 수 있다. 이 제어는 시스템에 연결되어 각 종 센서로 부터의 데이타, 그 데이타로 부터 계산된 값, 이 시스템과 같이 설치되어 있는 여러 종류의 데이타 소스나 외부의 데이타 소스에서 전달받은 데이타 등에 의존할 수도 있다.
특정 실시예로, 시스템의 컨트롤러는 발전 설비에서 받은 명령에 의해 동작을 시작할 수 있다. 예를 들면, 압축 가스 저장 및 복구 시스템은 재생 에너지 발전 설비로 부터의 간헐적 출력을 조절하기 위해 전력을 생산할 수 있다. 이러한 경우, 컨트롤러는 재생 에너지 발전 설비로 부터 간헐적이거나 변동하는 출력을 받아서, 그에 상응하는 충분한 전력을 생산할 수 있다.
특정 실시예로, 압축 가스 저장 및 복구 시스템은 발전 설비에 신호를 보낼 수 있다. 예를 들면, 재생 에너지 발전 설비로 부터 긴 기간 동안의 출력 손실 (구름이나 바람이 없는 경우)에 대한 정보를 받은 경우, 시스템 컨트롤러는 다른 발전 설비로 충분한 전력을 생산할 수 있도록 신호를 보낼 수 있다.
도 68A 는 실시예에 따른 압축/팽창 시스템의 동작에 관련된 여러 가지 시스템 파라미터 (parameter)를 보여 주는 간단한 블럭도다. 도68A 에서, 압축 시에는 모터/발전기 6804는 외부 소스에서 파워를 공급받고, 그 파워 (Win) 는 압축/팽창기를 압축기로 동작시킨다. 압축/팽창기는 유입 압력 (Pin) 의 압축되지 않은 가스를 받아서 피스톤과 같은 이동 장치를 사용, 저장을 위해 보다 큰 압력 (Pst) 의 가스로 압축하고 압축된 가스를 저장 유닛 6803으로 보낸다.
도 68A는 또한 두번째 동작 모드에서 압축 가스에 저장된 에너지가 복구되어 압축/팽창기 6802가 팽창기로 동작하는 것을 보여준다. 압축/팽창기 6802는 저장 압력 Pst 의 압축된 가스를 저장 유닛 6803으로 부터 받아서, 챔버에서, 낮은 배출구 압력 Pout 의 가스로 팽창시킨다. 이 팽창은 움직이는 장치를 통해 모터/발전기 6804를 발전기로 동작시킨다. 압축/팽창기로 부터 모터/발전기 6804로 전달되는 파워 출력 (Wout) 은 파워 그리드의 입력으로 사용이 된다.
도68A 또한 압력 가스 저장 및 복구 시스템과 다른 구성 요소들 간의 가능한 물리적, 유체적, 열적 링크 (linkages) 보여준다.
도 68 과 68A가 결합된 압축/팽창기 (C/E) 와 결합된 모터/발전기 (M/G) 갖는 압축 가스 저장 및 복구 시스템의 실시예를 보여주지만, 이것이 본 발명의 요구 사항은 아니다. 도68B는 별도의 전용 압축기와 팽창기 6886, 6888과 별도의 전용 모터, 발전기 6887, 6889를 가지는 실시예를 보여 준다. 특정 실시예로, 이러한 구성 요소들은 단일의 공통 링크를 통해 물리적으로 교통할 수 있다. 다른 실시예로, 이러한 구성 요소들은 복수의 링크를 통해 물리적으로 교통할 수 있다. 또 다른 실시예로, 모터 6887과 발전기 6889는 하나의 모터/발전기 유닛으로 결합될 수 있다.
다른 실시예와 마찬가지로, 이 실시예에서는, 압축 가스의 팽창으로 부터 얻어진 에너지가 전기적 에너지로 변환되어 출력될 필요는 없다. 특정 동작 모드에서 가스 팽창으로 얻어진 전체 에너지는 다른 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 가열, 냉각 등의 온도 제어나 압축기에 의한 가스 압축 등에 사용될 수 있다.
도 68C는 본 발명의 실시예에 따른 압축 가스 저장 및 복구 시스템의 또 다른 실시예를 보여 주는 간단한 블럭도이다. 도 68C의 실시예에서는, 전용 압축기 (C) 6886, 전용 팽창기 (E) 6888, 전용 모터 (M) 6887, 전용 발전기 (G) 6889 가 모두 서로 다중 노드 기어 시스템 6899에 의해 선택적으로 물리적 교통을 한다. 이러한 기어 시스템의 한 실시예는 플레니태리 기어 시스템(planetary gear system) 으로 U.S. Nonprovisional Patent Application No. 12/730,549 에 기술되어 있고, 여기서 모든 목적으로 결합된다.
앞의 도33A-AA에 있는 플레니태리 기어 시스템 (planetary gear system) 과 같은 다중 노드 기어 시스템은 모든 링크가 가감 방식 (subtractive or additive manner )으로 동시에 동작할 수 있게 한다. 예를 들면 바람이 불 때, 터빈 링크로 부터의 에너지는 발전기와 압축기 링크를 동시에 구동할 수 있다. 또 다른 예로, 바람이 불고 있고 에너지에 대한 요구가 클 때, 플레니태리 기어 시스템 (planetary gear system)은 풍력 터빈 링크의 출력과 팽창기 링크의 출력을 합해서 발전기링크를 구동할 수 있게 한다.
또, 다중노드 기어 시스템은 모든 링크 보다 작은수의 동작을 구성할 수 있다. 예로, 도 33A의 축 3341의 회전은 축 3362를 회전시키고, 반대로 축 3362의 회전은 축 3341을 회전시킨다. 여기서 축 3368은 회전을 안하게 된다. 축 3341과 3368, 축 3362와 3368도 위와 같은 동작 관계를 가진다. 이러한 구성은 기계적 에너지가 시스템의 선택된 두개의 구성 요소 사이에서만 교통할 수 있게 한다. 예를 들면 풍력 터빈이 멈춰 있을 때는 압축기는 모터의 출력에 의해서만 동작하는 게 바람직하다.
본 발명의 특정 실시예에서는 시스템의 서로 다른 구성 요소간의 기계적 에너지 전달을 위해 플레니태리 기어 시스템 을 사용하는 것이 더 좋을 수 있다. 특히, 이러한 플레니태리 기어 시스템 은 여러 동작 모드에서 여러 링크 사이의 동작을 유연하게 할 수 있다.
도 68C의 실시예에 있는 다중 노드 기어 시스템은 본 발명의 요구 사항은 아니다. 다른 실시예로, 시스템의 여러 구성요소는 각자의 링크나 일부의 링크에 의해 물리적으로 교통할 수 있다.
특정 실시예로, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 압축, 팽창 시의 열 교환을 촉진하기 위해 액체 주입을 활용할 수 있다. 이러한 열 교환은 압축, 팽창시에 온도 제어 (near-isothermal 같은) 를 가능하게 하여 에너지 저장, 복구의 효율을 높일 수 있다.
압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템을 전력 네트워크의 발전 레이어에 설치하는 것은 망의 전력 요구를 충족시키는 용도 외에, 예를 들어, 에너지 시장에 전력을 팔 수 있게 끔 한다.
이러한 하나의 시장은 한시간 이상 동안의 공급, 수요의 균형이 필요한 곳으로의 에너지 판매다. 이러한 실시예에서는 짧은 시간에 변하는 전력 요구에 거의 실시간으로 대응하여 전력을 공급해야 한다. 전력 공급의 변동은, 예를 들면 풍력을 이용한 재생 에너지 원의 경우와 같이 자연적인 원인에 의한다. 또한 이런 변동성은 인공적인 원인도 있다. 예를 들면 에너지 시장의 요금제의 변동에도 원인이 있을 수 있다.
압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 특정 실시예로 이 시스템은 에너지 도매 시장에 긴 시간 동안 전력을 팔기 위해 발전 시설을 추가할 때 사용될 수 있다. 본 발명의 에너지 저장 시스템은 발전 설비로서 하루 안에 대량 차익 거래에 사용될 수도 있다.
이런 경우에, 발전 설비는 전력이 비싼 시간에 생산을 늘려야 하고, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 짧은 시간 안에 전력을 생산할 수 있게 도와준다.
저장 시스템으로 부터의 전력 (생산 증가가 이루어 진 다음에는 발전설비의 전력으로 전환) 을 에너지 도매 시장에 팔 수 있다. 이러한 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 개별 전력 생산자 (Independent Power Producer (IPP)), 발전시설 ( generation utility), 또는 로드서빙엔티티 (Load Serving Entity (LSE))에 의해 소유될 수 있다.
에너지 저장 및 복구 시스템을 이용해 전력을 증산하는 발전 설비의 또 다른 역할은 재생 에너지를 사용한 시스템의 전력 안정화이다. 이 시스템의 빠른 응답 속도는 변동성이 큰 재생 에너지 시스템으로 대응하기 힘든 부하 변동에 신속하게 대처할 수 있게 한다. 예를 들어, 바람이 없을 때, 압축 가스로 부터의 에너지가 가스 터빈이 동작하기 전까지의 전력을 공급할 수 있다. 이것은 시스템의 안정성을 높이고 그에 따라 재생 에너지 시스템의 가치를 높인다.
위의 설명한 에너지 도매 시장의 판매 만이 본 발명의 역할은 아니다. 다른 실시예로, 에너지 저장 및 복구 시스템에서 생산된 에너지는 다른 시장에도 팔릴 수 있고 본 발명의 범위 내에 있다.
압축 가스로 부터 복구된 전력을 파는 다른 시장의 예는 보조 서비스 시장 (ancillary services (A/S) market) 이다. 큰 범위로, 보조 서비스 시장은 일반적으로 전력을 최종 사용자의 사용 목적이 아닌 네트워크에 판매하는 것을 말한다. 이런한 목적은 망의 안정성과 무결성, 그리고 그에 의해 공급되는 전력의 질을 유지하기 위한 것을 포함한다.
보조 서비스 시장에 에너지를 제공하는 양은, 보통 시장 가격에, 하루도 채 안되는 기간에 대해 판매된다. 독립 시스템 운영자 (ISO)는 예약된용량에 대한 비용을 지불한다.
실제 에너지 자체는, 일정 기간 동안에 전력을 제공하기 위한 네트워크으로 부터의 요청에 대한 응답으로 판매된다. 이 경우, 시스템의 소유자에게 에너지의 시장 가치가 지불된다.
네트워크 동작에 필요한 양을 유지하기 위한 보조 시장도 있다. 즉 네트워크 운영자는 미래의 요구를 충족시키기 위해 시장 요구보다 많은 양의 전력을 보유할 필요가 있다. 이러한 비축분은 공급초과의 백불율로 보통 계산된다.
한가지 형태의 비축은 비상용이다. 비상용 비축분은 특정 이벤트 (비상시) 가 일어났을 때 사용된다. 이 비상사테는 예측할 수 없지만 계획에 포함되어야 한다. 비상사태의 예는 송전 레이어의 고장 (송전 라인에), 요구 전력의 급작스러운 증가, 또는 발전 장치를 멈추거나, 출력을 낮춰야 되는 경우 등이 있다.
한 형태의 비상 비축은 스피닝 (spinning) 비축이다. 이러한 스피닝 비축은 일반적으로 매우 ?은 시간에 사용될 수 있다. 스피닝 비축은 보통 용량보다 적은 전력을 생산하고 있던 유닛의 출력을 높이거나, 특정 고객의 서비스를 중단하는 형태로 이루어 진다. 이런 비축이 “스피닝” 비축이라고 불리우는 이유는 발전 설비가 이미 나머지 네트워크과 동기되어 (spinning) 동작하고 있으므로 짧은 시간 안 에 사용되어 질 수 있기 때문이다.
또 하나의 비상 비축은 스탠딩 (standing) 비축이다. 스탠딩 비축은 네트워크 상에서 동작을 하고 있지 않기 때문에 스피닝 비축를 사용하는 거 보다 더 오랜 시간이 걸린다. 스탠딩 비축은 또한 긴 통지 시간을 가지고 특정 고객의 서비스를 중단하는 형태로도 될 수 있다.
특정 실시예로, 본 발명의 압축 가스 에너지 저장 및 복구 장치에 의해 출력을 증가 시킬 수 있는, 이미 설치된 발전 설비는 비상시에 비축 기능을 할 수 있다. 이러한 발전 설비는 서비스 공급자가 요구하는 동안의 필요한 비상 전력를 공급할 수 있는 용량을 가진다.
1. 압축 가스를 팽창시켜 챔버 안에 이동할 수 있는 부재를 동작시키고;
이동할 수 있는 부재의 운동으로 부터 전류를 생산하고;
전력 네트워크의 발전 설비의 전력 증가 기간 동안 전력 네트워크에 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 버스바 (busbar)를 통해 전력 네트워크에 전류를 공급하고, 발전 설비가 버스바 (busbar)를 통해 전력 네트워크와 전기적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 발전기를 통해 전력 네트워크에 전류를 공급하고, 발전 설비가 발전기와 물리적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 전력 네트워크의 송전 라인 전류를 공급하고, 발전 설비가 송전 라인과 전기적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 발전 설비가 가스 터빈이나 증기 터빈, 또는 디젤 터빈으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1항에 있어서, 발전 설비와 열적으로 교통하는 압축 가스를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 압축 가스의 소스와 액체적 교환하는 발전 설비를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 발전 설비와 물리적으로 교통하는 이동할 수 있는 부재를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 발전설비와 전기적으로 교통하는 이동할 수 있는 부재를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 압축 공기를 팽창시켜 챔버안에 놓여진 움직일 수 있는 부재를 구동하고;
이동할 수 있는 부재의 운동으로 부터 전류를 생산하고;
전력 네트워크의 발전 설비의 간헐적인 출력의 크기를 조절하기 위해 전력 네트워크에 전류를 공급하는 특징을 가진 방법.
11. 제10항에 있어서, 버스바를 통해 전력 네트워크에 전류를 공급하고, 발전 설비가 버스바를 통해 네트워크와 전기적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 방법.
*12. 제11항에 있어서, 발전기를 통해 전력 네트워크에 전류를 공급하고, 발전 설비가 발전기와 물리적 교통하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제10항에 있어서, 전력 네트워크의 송전 라인에 전류를 공급하고, 발전 설비가 송전 라인과 전기적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제10항에 있어서, 발전 설비가 재생 발전 설비로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 재생 발전 설비가 풍력 터빈 또는 태양 에너지 수집기 (solar energy harvester)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제10항에 있어서, 발전 설비와 열적 교통을 하는 압축 가스를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제10항에 있어서, 압축 가스 소스와 액체적 교환하는 발전 설비를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제10항에 있어서, 발전 설비와 물리적으로 교통하는 이동할 수 있는 부재를 배치하는 단계를 더 포함하는 특징으하는 방법.
19. 제10항에 있어서, 발전 설비와 전기적으로 교통하는 이동할 수 있는 부재를 배치하는 단계를 더 포함하는 특징으로 하는 방법.
20. 챔버 내의 가스의 팽창에 반응하여 이동할 수 있는 부재를 가진 챔버;
전력 네트워크의 송전 레이어와 전기적으로 교통하고 이동할 수 있는 부재와 물리적으로 교통하는 발전기; 및
발전 설비의 전력 증가 기간 동안에 전력 네트워크에 발전기가 전류를 공급하게 하도록 챔버와 선택적인 액체적 교환을 하게 구성된 압축 가스 저장 유닛을 특징으로 하는 장치.
21. 제20항에 있어서, 공통의 버스바를 통해 송전 레이어와 전기적으로 교통하는 발전기와 발전 설비를 특징으로 하는 장치.
22. 제20항에 있어서, 전류를 생산하기 위해 발전기와 물리적으로 교통하는 발전 설비를 특징으로 하는 장치.
23. 제20항에 있어서, 공통의 송전 라인을 통하여 송전 레이어와 전기적으로 교통하는 발전기와 발전 설비를 특징으로 하는 장치.
24. 제20항에 있어서, 발전 설비와 챔버 사이의 열적 링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제20항에 있어서, 발전설 비와 압축 가스 저장 유닛 사이의 유체적 링크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
26. 제25 항에 있어서, 가스 터빈을 가지는 발전기를 특징으로 하는 장치.
27. 제20항에 있어서, 압축 가스 저장 유닛과 액체적 교환하는 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
28. 제27항에 있어서, 발전 설비와 압축기 사이에 물리적 링크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
29. 제27항에 있어서, 이동할 수 있는 부재와 전기적으로 교통하고 발전 설비와 전기적으로 교통하는컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
30. 챔버 내에 가스의 팽창에 반응하는 이동할 수 있는 부재를 가지고;
전력 네트워크의 송전 레이어와 전기적으로 교통하고, 이동할 수 있는 부재와 물리적으로 교통하는 발전기;
발전기가 발전 설비의 간헐적인 출력의 크기를 조절하는 전류를 전력 네트워크에 공급하게 하는 챔버와 선택적으로 액체적 교환하게 구성된 압축 가스 저장 유닛을 특징으로 하는 장치.
31. 제30항에 있어서, 공통 버스바를 통하여 송전 레이어와 전기적으로 교통하는 발전기와 발전 설비를 특징으로 하는 장치.
32. 제31항에 있어서, 발전기와 물리적으로 교통하는 발전 설비를 특징으로 하는 장치.
33. 제30항에 있어서, 공통 전송라인을 통하여 송전 레이어와 전기적으로 교통하는 발전기와 발전 설비를 특징으로 하는 장치.
34. 제30항에 있어서, 압축 가스 저장 유닛과 액체적 교환을 하는 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
35. 제30항에 있어서, 발전 설비와 압축기 사이에 물리적 링크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
36. 제35항에 있어서, 가스 터빈을 갖는 발전 설비를 특징으로 하는 장치.
37. 제30항에 있어서, 발전 설비와 챔버 사이에 열적 링크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
38. 제30항에 있어서, 이동할 수 있은 부재, 발전 설비와 전기적 교통을 하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치..
압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 계측기 뒷단에 전력 공급 네트워크 안에, 최종 사용자와 통합될 수 있다. 이러한 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 전력 공급원 또는 온도 제어 역할을 할 수 있다. 특정 실시예로, 압축된 가스를 팽창시킬 때 나오는 에너지는 최종 사용자를 냉방하는 데 사용할 수 있다. 특정 실시예에 따라, 가스 압축으로 부터 나오는 열은 난방에 사용될 수도 있다. 전력 공급원으로 동작할 때에는, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 최종 사용자를 위해 무정전 전원 공급 장치 (UPS)로 사용될 수 있고, 또는 피크 쉐이빙 (peak shaving) 역할로, 또는 디맨드 응답 (demand response) 프로그램에 사용될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 최종 사용자 계측기의 뒷단에 있는 전력 공급 네트워크에 통합될 수 있다. 특정 실시예로, 가스를 압축할 때 나오는 에너지 또는 가스를 팽창시킬 때 복구되는 에너지 (그리고 다른 열원들로 부터의 보조 에너지) 는 최종사용자의 온도 제어 (예를 들면 냉방이나 난방)에 사용될 수 있다. 이러한 온도 제어 역할의 파라미터 예는 도 60의 표에 나열되어 있다.
특정 실시예로, 소비 레이어의 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 은 최종 사용자의 전체 또는 일부의 전력을 공급할 수 있다. 이러한 전력 공급의 예를 들면, 무정전 전원 공급 장치 (UPS) 로의 역할, 사용자의 일간 사용량의 비용을 줄이는 역할 (즉, 싼 시점에서 망으로 부터 전력을 구매할 수 있게 하는 역할), 디맨드 응답 (demand response) 프로그램에 참여할 수 있게 하는 역할, 사상 최고의 전력 소비를 피하게 하는 역할, 또는 재생 에너지 소스 (풍력이나 태양 전지등) 으로 부터 나오는 간헐적이고 불안정한 전력을 안정화 시키는 역할로 사용될 수 있다.
도 62에 있는 표는 이러한 전력 공급원으로 사용될 때의 몇가지 파라미터를 보여준다.
작은 규모의 최종 사용자의 예는 개인 집이나 소규모 사업장을 포함한다. 중간 크기의 최종 사용자의 예는 좀 더 많은 전력이나 온도 제어를 요구하는, 예를 들면 병원이나, 오피스 빌딩, 대형 가게, 공장, 데이타 센터 등이 있다. 대형 사용자는 복수의 개인 집단이나, 예를 들면 쇼핑몰, 동네, 학교, 공항, 기차, 항만 같은 교통 시설등이 있다..
도 66은 압축 가스 저장 시스템을 전력 네트워크에 통합하는 여러가지의 실시예를 보여 준다. 특정 실시예로, 도 66에서, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템6640a는 최종 사용자 6606a와 같이 계측기 6634a 뒷단에 올 수 있다. 이러한 구성에서는 최종 사용자와 사이에 복수의 다른 종류의 링크 (물리적, 열적, 전기적, 액체적 교환) 가 있을 수 있다.
도 66에서와 같이, 다른 실시예로, 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템6640b는 최종 사용자 6606b, 하나 또는 여러 개의 로컬 전력소스 6655와 계측기 6643b 뒷단에 설치될 수 있다. 이러한 로컬 전력 소스의 예로는 풍력 터빈, 지붕 위의 태양 집전기 또는 태양열 시스템 등이 있다. 이런 구성에서는 최종 사용자와 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 사이, 최종 사용자와 로컬 발전기 사이, 또는 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템과 로컬 전력 공급 소스 사이에 여러 가지 다른 종류의 링크 6660 (물리적, 전기적, 통신, 열적, 유체적) 이 존재할 수 있다.
도69는 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 한 실시예의 간단한 블럭도를 보여 준다. 특히, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 6901은 계측기 6992와 사용자 6950 과 전기적으로 교통하는 모터/발전기 (M/G) 6904 로 구성된다.
모터/발전기 (M/G) 6904 는 전용 압축기 (C) 6902와 물리적 링크 6921, 클러치 (clutch) 6922을 통하여 물리적으로 교통한다. 또한 모터/발전기 (M/G) 6904 는 링크 6923 과 클러치 6924를 통하여 전용 팽창기 (E) 6905와 물리적 교통을 한다.
전용 압축기 (C) 6902는 가스 유입구 6903과 선택적으로 액체적 교환을 한다. 전용 압축기의 가스 배출구 6947 은 선택적으로 역류 열 교환기6928 와 일방향 밸브 6909을 통하여 압축 가스 저장 유닛6932과 액체적 교환을 한다.
특정 실시예로, 압축 가스 저장 유닛 6932는 열 소스와 선택적 교통을 할 수 도 있다. 예를 들면, 압축 가스 저장 유닛은 낮에 태양열을 흡수하는 것과 같은 태양과 열적 교통을 할 수도 있다. 특정 실시예로, 저장 유닛은 흑색 페인트를 칠해서 열 에너지 흡수를 촉진할 수 있다.
특정 실시예로, 압축 저장 가스 저장소는 유리와 같은 투명한 장벽을 통해 태양과 열적 교통을 할 수가 있다. 이 장벽은 태양으로 부터의 적외선을 집적하여, 낮 시간 동안 압축 가스의 가열을 촉진시킬 수 있다.
전용 팽창기 (E)의 가스 입구6949 는 역류 열 교환기 6928과 일방향 밸브 6911을 통하여 압축 가스 저장 유닛 6932와 선택적으로 액체적 교환을 할 수 있다. 전용 팽창기는 가스 배출구 6907과 선택적으로 유체 교통한다.
위에서 말한 바와 같이 본 발명의 실시예는 온도 변화를 제어하는 환경하에서 가스의 압축과 팽창을 이용하여 효율적인 에너지 저장과 복구를 실현하기 위해 열 교환을 이용한다. 특정 실시예로, 가스 압축과 팽창은 이러한 근사-등온 (near-isothemal) 온도 제어 조건 하에 이루어 진다.
시스템 내에 남아 있는 열 에너지는 여러 가지의 열적 링크을 통하여 교통한다. 본 발명의 실시예에 따른 열적 링크는 한 물리적 장소에서 다른 장소로 열 에너지를 전달하기 위해 여러 가지 조합으로 구성될 수 있다. 열 링크의 가능한 예로는 액채 흐름 도관 (liquid flow conduit), 가스관 (gas flow conduit) , 열 파이프 (heat pipe) , 열 교환기 (heat exchanger), 루프 히트 파이프 (loop heat pipe), 그리고 열사이폰 (thrmosiphon) 등이 있다.
예를 들면, 전용 압축기는 열 링크 6961을 통하여 열 싱크(sink) 6962랑 선택적으로 교통할 수 있다. 이 열 링크는 압축 가스로 부터의 열 형태의 에너지를 전달할 수 도 있다.
전용의 팽창기는 열 링크 6964를 통하여 열 소스 6988과 선택적으로 열적 교통을 할 수 있다. 이 열 링크는 팽창 가스로 부터 얻어 지는 차가운 열 에너지를 전달할 수 있다.
전용 압축기는 압축 가스로 부터의 뜨거운 열 에너지와 교통할 수 있게 구성된 열 링크 6963을 포함한다. 이 뜨거운 열 에너지는 스위치 (switch) 6984를 통하여 시스템 밖으로, 또는 열 링크 6982를 통하려 최종 사용자 쪽으로 흘러간다. 특정 실시예로는, 열 링크 6982는 압축 가스 그 자체의 형태로 열을 전달한다. 특정 실시예로, 이 열 링크는 압축 가스와 열을 교환한 액체 형태의 열을 전달한다.
전용 팽창기는 팽창 가스로 부터의 차가운 형태의 열에너지와 교통하게 구성된 열 링크 6973을 포함한다. 이 차가운 형태의 열 에너지는 스위치 6981을 통하여 시스템 밖으로, 또는 열링크 6980을 통하여 최종 사용자로 흐른다. 특정 실시예로, 열링크 6973은 팽창 가스 그 자체의 형태로 차가움을 전달한다. 특정 실시예로, 이 열링크는 팽창가스와 열을 교환한 액체 형태의 차가움을 전달할 수도 있다.
*특정 실시예로, 열 링크 6980과 6982는 최종 사용자 측에 있는 기존의 가열, 통풍, 냉각 (HVAC) 시스템과 인터페이스를 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 표준 HVAC 시스템의 예로는 다음의 제조사로 부터 나오는 시스템을 들 수 있다: AAON, Addison Products Company, Allied Thermal System s, American Standard, Armstrong, Bard, Burnham, Carrier, Coleman, Comfortmaker, Goodman, Heil, Lennox, Nordyne, Peake Industries Limited, Rheem, Trane, and York International.
주거용 HVAC 시스템의 전형적인 예로는 에어컨, 히트 펌프 (heat pump), 팩키지 가스 전기 (packaged gas electric) , 팩키지 히트 펌프 (packaged heat pump), 패키지 (packaged) 에어컨, 패키지 듀얼 연료 (packaged dual fuel), 공기 처리기, 그리고 용광로 등이 있다. 상업용 HVAC 시스템의 전형적인 예로는 퓨론 냉매 (Puron refrigerant)을 사용한 팩키지 지붕 유닛 (packaged rooftop units), R-22 냉매 (R-22 refrigerant)을 사용한 팩키지 지붕 유닛 (packaged rooftop units), 그리고100% 전용 실외 공기 유닛 등을 포함한 팩키지 실외기 (packaged outdoor units)가 있다. 실내에 설치되는 상업용 HVAC 시스템은 실내 자체 포함 유닛 (indoor self-contained units), 물을 소스로 한 히트 펌프 (water source heat pump), 그리고 팩키지 터미날 에어컨 (packaged terminal air conditioner) 등을 포함한다.
상업용 HVAC 시스템은 또 팩키지 분리 시스템 (packaged split-system) 형태를 가질 수 있다. 예로는 분리된 시스템 (split system) (6 에서 130 톤), split system s (1.5 to 5 톤), 콘텐서 (condenser), 덕트 프리 시스템 (duct free system), 퍼니스 (funaces), 및 코일 (coil) 등이 있다.
냉동 장치의 예로는 공기 냉각기, 물 냉각기, 콘덴서가 없는 냉각기 등이 있고, 콘덴서와 다른 냉각 부품 등도 포함될 수 있다.
에어사이드 (Airside) 장비는 공기 처리기 (air handler), 공기 터미날 코일 (air terminal coil), 팬코일 (fan coils), 열/에너지 회생 유닛, 인덕션 유닛 (induction units), 마루밑 공기 배분 시스템 과 유닛 통풍기 (unit ventilators) 등을 포함할 수 있다. 가열 장비 예는 보일러와 퍼니스 (furnace) 등이 있다.
많은 실시예에서, 열 링크는 유체 흐름의 회로나 루프의 일부인 유체 도관으로 구성된다. 특정 실시예로, 최종 사용자의 직, 간접적 가열에 의해 냉각된 (또는 최종 사용자의 직, 간접적 냉각에 의해 가열된) 유체 흐름이 시스템으로 되돌아 올 수 있다
특정 실시예로, 압축기로 부터의 가열된 액체는 히트싱크 (heat sink) (가열이 필요한 최종 사용자 일 수 있는) 에 노출된 후에 압축기로 다시 돌아 올 수 있다. 마찬가지로 팽창기로 부터의 냉각된 액체는 열원 (냉각이 필요한 최종사용자일 수 있는) 에 노출된 후에 팽창기로 되돌아 올 수 있다. 이 두 가지 경우에, 열 노출은 하나 또는 다수의 열 교환 구조물을 통하여 일어난다.
특정 실시예로, 팽창기로 부터의 냉각된 가스는 냉각이 필요한 최종 사용자의 형태인 열원에 노출된 후에 압축기로 되돌아 올 수 있다. 마찬가지로 압축기로 부터의 가열된 가스는 가열이 필요한 최종사용자의 형태인 히트싱크 (heat sink)에 노출된 후에 팽창기로 돌아 올 수도 있다. 이러한 경우, 열 노출은 하나 또는 다수의 열 교환 구조물을 통하여 일어난다.
다시 말하면 열 링크는 하나의 요소로만 구성되어 질 필요가 없다. 열 에너지는 여러가지 종류의 열 교환을 사용하야, 액체 도관을 통하여 흐르는 액체로 부터 가스관을 통하여 흐르는 가스로 전달될 수 있다. (그리고 반대도 가능하다). 이러한 열 교환은 열 교환 사이트로 부터 최종 사용자의 내부까지 다양한 장소에 위치할 수 있다. 특정 실시예로, 하나 또는 다수의 열 링크 부품은 그 내부에서 유체가 가스와 액체사이로 상태가 바뀌는 하나의 히트 파이프 (heat pipe) 구성될 수 있다.
도 69A-D 는 열 링크가 최종 사용자와 인터페이스 되는 여러 가지 방법을 간단하게 보여준다. 도 69A는 열링크 6957이 찬 액체를 가지고, 최종 사용자 부품 6950이 열링크에서의 냉각되어 공기로 전달되는 열 교환기 6951로 구성되어 있는 실시예를 보여준다.
일부 실시예로는, 공기가 플레넘 (plenum) 6952를 통해 움직여 에어덕트 (air duct) 링크 6953 으로 들어간다. 특정 실시예로, 공기는 열 교환기로 부터 직접 그 링크로 움직인다.
일부 실시예로는, 공기가 플레넘 (plenum) 6952를 통해 움직여 에어 덕트 (air duct) 링크 6953 으로 들어 간다. 특정 실시예로, 공기는 열 교환기로 부터 직접 그 연결로 움직인다.
찬 공기는 특정 엔지니어링 (engineering) 표준에 준수하여 설계된 HVAC 시스템 6954로 들어간다. 열 교환기로 들어 가는 중에 데워진 액체는 링크 6955를 통해 최종 사용자 부품 6950으로 나간다. 특정 실시예로, 이 링크는 더워진 액체를 시스템으로 다시 돌려 보낼 수 있다.
본 발명은 도 69A에 있는 특정 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 특정 실시예로, 열 흐름은 반대 방향일 수 있다. 링크 6955는 뜨거운 액체를 열 교환기로 보내 공기 플레넘 (plenum) 안에 있는 공기를 가열할 수 있다. 그리고 뜨거운 공기는 에어 덕트를 통해 HVAC 시스템에 전달된다. 열 교환기로 가는 중에 냉각된 액체는 링크 6957을 통해 최종 사용자 부품 6950으로 전달된다.
도 69B 은 실시예를 보여준다. 열링크 6957은 찬 공기를 가지고, 최종 사용자 부품 6950은 위에서 설명한 바와 같이 HVAC 시스템 6954에 연결된 에어 덕트 연결 6953과 HVAC에서 공급되는 따듯한 공기를 가지는 열 링크 6954와 HVAC 시스템 6954를 연결하는 에어 덕트 링크6956으로 구성되어 있다.
다른 식으로, 열링크 6955는 더운 공기를 가지고, 최종 사용자 부품 6950은 위에서 설명한 바와 같이 HVAC 시스템으로 연결되는 에어 덕트와HVAC 시스템을 열 링크 6957로 연결하는 에어 덕트로 구성되어 있다. 이 열 링크 6957은 HVAC 시스템에서 나오는 찬 공기를 갖는다.
도 69C 는 또 다른 하나의 실시예를 보여준다. 여기서 열 링크 6957은 찬 공기를 갖고, 최종사용자 부품 6950은 위에서 설명한 바와 같이, HVAC 시스템으로 부터 링크 6955로 연결된 에어 덕트 6953에 연결된 습기제거기 6958과, HVAC 시스템으로 부터 링크 6955로 연결된 에어 덕트 링크 6956으로 구성된다. 링크 6955는 HVAC 시스템에서 나오는 따듯한 공기를 갖는다.
도69D 는 또 다른 하나의 실시예를 보여준다. 여기서 열링크6957은 찬 액체를 가지고, 최종 사용자 부품 6950은 파이프 연결 6959로 구성된다.
파이프 연결은 냉각 부하 6999와 연결된다. 냉각 부하의 예로는 슈퍼마켓으 냉동고를 들 수 있다. 냉각부하를 통해 따듯해진 액체는 파이프 연결을 지나, 열링크 6955를 통해 최종 사용자 부품 6950으로 나간다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 열 에너지 교통을 위해 가스 덕트 (gas duct)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 도 69A에서 실시예의 열 교환 장치는 뜨겁거나 찬 공기를 플레넘 (plenum)을 통하여, 에어 덕트를 거쳐 HVAC 시스템으로 보낼 수 있다. 도 69B의 실시예에서, 열 링크는 뜨겁거나 찬 공기를 에어 덕트 연결을 통해 직접적으로 HVAC 시스템으로 보낼 수 있다. 도 69C의 실시예에서는, 열 링크는 찬공기를 에어 덕트 연결을 통해 HVAC 시스템에 연결된 습기 제거기로 보낼 수 있게 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 가스 덕트 연결은 하나 또는 다수의 다음 덕트 연결 부품으로 구성된다: 액체 실란트 (sealants), 마스틱 (mastics), 개스킷 ( gaskets), 테이프, 열을 가한 물질 (heat applied materials), 그리고 마스틱과 임베디드 직물 (mastic and embedded fabric) 혼합물 등을 포함한 덕트 실란트; 스탠딩 드라이브 슬립 (standing drive slips) , 스탠딩 S’s (standing S's), 컴패니언 앵글 (companion angles), 플랜지 조인트 리인포스먼트 (flange joint reinforcements), 슬립-온 플랜지 조인트 리인포스먼트 (slip-on flange joint reinforcements), 스탠딩 심 조인츠 리인포스먼트 (standing seam joint reinforcements), 및 용접된 플랜지 조인트 리인포스먼트 (welded flange joint reinforcements) 등을 포함한 횡단 조인트 보강재 (transverse joint reinforcements); 비금속 덕트 클램프 (nonmetallic duct clamps), 금속 클램프 (metal clamps), 칼라 (collars) (스핀-인 (spin-in), 플레어 (flared), 도브테일 (dovetail), 스핀-인 코니칼 (spin-in conical), 스핀-인 스트레이트 (spin-in straight), 4" 슬립 (sleeve), 및 최소 2" 칼라 등을 포함) 등을 포함한 유연한 덕트 커넥터; 타입re 1: 반경 엘보 (radius elbow), 타입re 2: 날개를 가진 사각 스로트 엘보 (square throat elbow) , 타입re 3: 날개를 가진 반경 엘보, 타입re 4: 날개 없는 사각 스로트 엘보, 타입re 5: 이중 반경 엘보 (dual radius elbow), 타입re 6: 연귀 이음 엘보 (mitered elbow); 타입re 7: 45°스로트 (throat), 45° 힐 (heel); 타입re 8: 45º 스로트 (throat), 반경 힐 (radius heel); 타입re 9: 45º 스로트 (throat), 90º 힐 (heel); 타입re 10: 반경 스로트 (radius throat), 90º 힐 (heel) 등을 포함한 부속품.
덕트 구조물 (ductworks)은 다음 표준을 준수 하여야 한다: HVAC Duct Construction Standards: Metal and Flexible (2005) standard of the Sheet Metal and Air Conditioning Contractor's National Association (SMACNA). 이 표준에 관련된 내용은 본 발명에 일체로 결합된다 (incorporated by reference herein in its entirety for all purposes).
낮은 압력부터 높게는 1000 Pa 압력까지 가스를 전달하기 위해 본 발명의 실시예에 따라 여러 가지 형태의 덕트 (ducts)가 사용될 수 있다. 특정 실시예로, 덕트는 아연 도금강으로 만들어 질 수 있다. 이 덕트는 ASTM A525 specification for General Requirements for Steel Sheet, Zinc Coating (Hot Dipped Galvanized), G90 Zinc Coating에 맞는 품질을 가질 수 있다.
특정 실시예로, 덕트는 나선형, 원형 및 평평한 타워 형의 덕트 구조물과 부품으로 구성될 수 있다. 특정 실시예로, 덕트는 나선 원형 덕트로 구성될 수 있다. 이 나선 원형 덕트는 제조사가 공표한 치수 오차 범위 표준에 따라 조정될 수 있다. 350 mm 이상의 나선형 덕트는 강도를 더하기 위해 골판지 모양으로 만들 수 있다. 나선형 심 (seam) 미끄러짐은 평평한 심과 심을 따라 기계적으로 형성된 움푹 들어간 자리 (indentation)에 의해 방지된다.
일부 실시예에서, 덕트는 제조된 플랜지 덕트 조인트 (flanged duct joint)로 구성될 수 있다. 예로는 개스킷 형태의 텐션 링 (tension ring) 또는 보강된 플랜지 (stiffened flanged)와 개스킷 형태 등이 있다. 허용되는 표준의 예로는 DUCTMATE, NEXUS, 및 McGill Airflow Flange/Hoop Connector, SPIRALMATE, 또는 OVALMATE 등이 있으나, 이제 한정되지 않는다.
여러 가지 실란트 (sealant)가 사용될 수 있다. 특정 실란트는 물 기반의 폴리머 (polymer), 비 가연성, 고속 덕트 실링 혼합물을 사용한다. 일부 실란트는 NFPA90A 및 90B의 요구 조건을 만족할 수도 있다. 실란트는 기름에 저항력이 있을 수 있다. 실란트는 UL Class 1에 속할 수 있다..
실란트의 온도 범위는 -7°C 에서 +93°C 일 수 있다. 실란트의 허용될 수 있는 표준은 DYN-O-SEAL (-40°F to +200°F), Foster 32-17, 및Foster 32-19를 포함한다.
여러 가지 테이프가 사용될 수 있다. 한 예로 PVC 로 처리된, 비가연성, 오픈 위브 (거즈) (open weave 거즈(gauze)) 유리 섬유 테이프가 있다. 테이프는 UL 에 속할 수 있다.
특정 실시예로, 테이프는 50mm의 너비를 가질 수 있다. 허용되는 표준은URODYNE FT-2, and HARDCAST FS-150을 포함한다.
덕트는 여러 방식으로 설치될 수 있다. 덕트는 SMACNA 표준에 따라 설치될 수 있다.
압력 공사 (pressure construction)는 특정 실시예에서 사용될 수 있다. 낮은 압력 덕트 구조물 분류는 다음 표에 있다.
Figure pat00093
덕트 공사, 쉬트 게이지 (sheet gauges), 보강 및 브레이싱 (bracing) 분류는 기능에 따라 아래와 같다:
● 팬 (fan)의 배출부로 부터의 공급 공기 덕트 구조물: 750 Pa (3 in WG) 클래스 (class);
● 팬의 흡입부에 귀환 공기 (return air) 덕트 구조물: 250 Pa (1 in WG) 클래스;
● 팬의 방출부에 배기 (exhaust air) 덕트 구조물: 250 Pa (1 in WG) 클래스;
● 팬의 흡입부에 배기 덕트 구조물: 500 Pa (2 in WG) 클래스.
낮은 압력의 덕트 구조물 (ductworks) 봉인(seal) 분류는 아래 표와 같다:
Figure pat00094
덕트 밀봉 공사는 아래와 같다:
● 팬의 배출부로 부터 공급 공기 덕트 구조물: 밀봉 클래스A;
● 팬의 배출부에서 귀환 공기 덕트 구조물: 밀봉 클래스B
● 팬의 흡입부에서 귀환 공기 덕트 구조물: 밀봉 클래스B
● 팬의 배출부에서 배기 덕트 구조물: 밀봉 클래스B
● 팬의 흡입부에서 배기 덕트 구조물: 밀봉 클래스B
본 발명에 따른 실시예는 유연한 덕트를 사용할 수 있다. 이러한 유연한 덕트 구조물에 적용할 수 있는 다음과 같의 최신의 표준이 있지만, 이에 한정하지 않는다:
● UL 181;
● National Fire Protection Association (NFPA) 90A 및90B;
● SMACNA installation standards for flexible duct.
본 발명에 따라 사용되는 유연한 덕트의 실시예는 최대 불꽃 퍼짐 레이팅 (maximum flame spread rating) 25 와 최대 연기 발생 레이팅 (maximum smoke developed rating) 50을 가질 수 있다.
본 발명에 따라 사용되는 유연한 덕트 (ducts)의 실시예는 공장에서 가공된 반강성 비절연 알루미늄 (factory fabricated semi-rigid non-insulated aluminum) 덕트 구조물 (ductworks)로 구성될 수 있다. 유연한 덕트 구조물은 나선형으로 감겨서 트리플 락 심 (triple lock seam) 과 기계적으로 연결될 수 있다. 덕트 구조물 사이의 심 (seam)은 연속적인 밀폐 누수 방지 조인트 (air-tight and leak proof joint)를 형성할 수 있다. 덕트 구조물은 UL Class 1에 속한다.
특정 실시예로, 유연한 덕트 구조물은 다음과 같은 하나 또는 다수의 동작 특성을 나타낸다:
● 최대 정압 (maximum positive pressure) 약 2500 Pa (10 in WG);
● 최대 부압 (maximum negative pressure) 약 250 Pa (1 in WG);
● 최대 가스 속도 약 20.3 m/s (4000 ft/min);
● 온도 범위: 약 -50°C 부터 320°C (-60°F to 600°F).
특정 실시예로, 열 절연이 된 유연한 덕트 구조물이 사용될 수 있다. 특정 실시예는 공장에서 제작된 반강성 열절연 알루미늄 (factory fabricated semi-rigid thermally insulated aluminum ) 덕트로 구성될 수 있다. 열 절연이 된 유연한 덕트 구조물은 나선형으로 감겨서 트리플 락 심과 기계적으로 연결될 수 있다. 열 절연이 된 유연한 덕트 구조물은 연속적인 밀폐 및 누수 방지 연결을 형성한 심 (seam)으로 구성될 수 있다. 열 절연이 된 유연한 덕트워크는 UL Class 1에 속한다. 열 절연이 된 유연한 덕트 구조물은 (폴리에틸렌 슬리브) 증기막에 의해 덮힌 25mm 유리섬유로 절연될 수 있다.
특정 실시예로, 열 절연이 된 유연한 덕트 구조물은 하나 또는 다수의 다음 동작 특성을 가질 수 있다:
● 약 0.24 Btu/h/ft² °F보다 크지 않은 평균 열 손실/이득;
● 최대 정압 약 2500 Pa (10 in WG);
● 최대 부압 약 250 Pa (1 in WG);
● 최대 가스 속도 약 20.3 m/s (4000 ft/min);
● 가스 온도 범위 약 -40°F 에서 250 °F.
본 발명의 실시예에 따른 유연한 덕트 구조물은 최대 3미터 길이의 유연한 지붕으로의 덕트와 함께 설치될 수 있다. 특정 실시예로, 실링재 (sealing compound) 나 테이프가 쉬트 메탈 (sheet metal)과 유연한 덕트 사이의 연결 점에 사용될 수 있다. 또한 기계적 연결은 쉬트 메탈 나사로 될 수 있다. 다양한 실시예에서, 덕트 구조물은 덕트의 직경보다 큰 센터라인 (centerline) 반지름을 가지고 휘어질 수 있다.
특정 실시예로, 열에너지는 액체를 흘리게 구성된 링크로 교통한다. 예를 들면, 도 69A 의 실시예는 열 교환 장치를 통해 차고 뜨거운 액체를 전달하게 구성된 열 링크를 포함한다. 도 69D의 실시예는 액체 덕트 연결을 통해 냉각 부하에 직접적으로 냉각 또는 가열 에너지를 전달하게 구성된 열 링크를 사용한다.
본 발명의 실시예에 따라 이러한 덕트 연결은 다음과 같은 하나 또는 다수의 부품으로 구성된다: 피팅 (fittings) (동 (copper), 블랙 파이브(black pipe), 황동, 아여 도금강, 또는 피브이씨 (PVC)로 구성되어 진다), 니플즈 (nipples) (동 (copper), 블랙 파이브(black pipe), 황동, 아여 도금강, 또는 피브이씨 (PVC)로 구성되어 진다), 허브가 없는 연결 (no hub couplings), 파이프 클램프 (pipe clamps), 및 파이프 행거 인서트 (hanger inserts) 등과 같은 파이프 실란트(pipe sealants).
여러 종류의 쇠파이프가 액체 덕트에 사용된다. 예를 들면, 스케줄 40에 따라, NPS 2 ＆ under, 스케줄 40에 따라 seamless, NPS 2½ - 3 , 스케줄 40에 따라 seamless 또는 Electric Resistant Weld (ERW), 및NPS 4 - 8, ERW 등이 있다. 적용 가능한 표준은 ASTM A53 or A135, Grade B를 포함한다.
여러가지 조인트 (joint)가 액체 덕트 파이프를 위해 사용된다. 나사 조인트 (threaded joints)의 예로는 테이퍼드 (tapered) 파이프 나사와 테플론 (Teflon) 테이프를 사용한 NPS 2 ＆ under 또는 표준 ANSI B1.20.1에 따른 분말 납 페이스트 (pulverized lead paste) 조인팅 혼합물, 또는 표준 ASME B16.39 따른 흑색 가단절 (black malleable iron)과 합급한 청동 페이스 (face)의 그라운드 조인트 등이 있다. NPS2 ＆ over를 위한 나사 조인트가 사용될 수도 있다.
용접 조인트도 액체 덕트 파이프에 사용될 수 있다. 용접 조인트의 예는 표준 ANSI B16.11 하의 소켓 용접 부속품을 사용한 NPS 2 ＆ under가 있다. NPS 2½ ＆ over 를 위한 조인트는 CSA W47.1-1983하의 높힌 페이스 플랜지 (raised face flanges), ANSI B18.2.1, B2.2.2 하의 플랜지 볼트와 너트, 및 플랜지 가스켓을 포함한다; 가스켓은 ANSI B16.21, B16.20, A21하에 탄성 쉬트 또는 다른 적합한 재질로 만든 1.6mm (1/16 in) 두께다.
그루브드 조인트 (Grooved joints)가 액체 덕트 파이프에 이용될 수도 있다. 그루브드 조인트의 예는 EPMD 가스켓과 강성 연결 (rigid coupling) 된 롤 기계식 조인트 (mechanical joint rolled) 또는 절개 그루브드 표준 (cur grooved standard)을 사용한 NPS 2½ ＆ over를 포함한다. 허용 표준은 Victaulic 및 Gruvlock를 포함한다. 적용 가능한 표준은 CSA B242-M1980이다.
다양한 형태의 부속품 (fitting)이 약 1035 kPa (150psi)의 압력에 견디도록 액체 덕트에 사용될 수 있다. 이 압력 범위에서, NPS 2 ＆ under에 대한 나사 부속품은 나사가 있는 가단철 (threaded malleable iron), ANSI B16.3 표준 하의 클래스 150, 및 청동 페이스를 갖는 흑색의 가단철과의 합금, ASME B16.39 표준 하의 그라운드 조인트 (ground joint)를 포함한다.
1035 kPa (150 psi) 압력까지 견디는 액체 덕트를 위한 용접 부속은 단조강 (forged steel)을 사용한 NPS 2½ ＆ over (및 그 이상), 클래스 150, 레이즈드 페이스 파이프 플랜지 (raised face pipe flanges), 용접 넥 (weld neck) 또는 슬립-온 (Slip-on), 또는 파이프와 같은 벽 두께를 갖는 단조강 버트 (butt) 용접 타입을 포함한다. 허용 표준은 웰드벤드(Weldbend), 튜브 턴(Tube Turns), 및 보니 포지(Bonney Forge)를 포함한다. 적용 표준은 ANSI B16.5이다..
1035 kPa (150 psi) 압력까지 견디는 액체 덕트용 그루브드 부속품은 가단철 (malleable iron)을 사용하는 표준 ASTM A47-77 하의 NPS 2½ ＆ over, 또는 표준 ASTM A536-80하의 연철 (ductile iron)을 포함한다. 허용 표준은 빅토릭(Victaulic) 및 그루브락(Gruvlock)을 포함한다.
약2070 kPa (300 psi)에 견디는 여러 형태의 부속품이 액체 덕크에 사용될 수 있다. NPS 2 ＆ under 용 나사 부속품은 표준 ANSI B16.3 하의 클래스 300 나사를 갖는 가단철 (malleable iron)을 사용할 수 있다.
용접 부속품들이 높은 압력에서 덕트를 위해 사용될 수 있다. NPS 2 ＆ under에는, 단조강, 클래스 300이 용접 부품으로 사용될 수 있다. 허용 표준은 ANSI 16.11표준하의 보니 포지(Bonney Forge) 및 안빌(Anvil) (Grinnell)이다. 단조강 클래스 300과 청동 페이스 (face), MSS-SP-83 표준 하의 그라운드 조인트의 합금이 사용될 수도 있다.
NPS 2½ ＆ over 에 대해, 단조강, 클래스 300, 레이즈드 페이스 파이프 플랜지, 용접 넥 (neck) 또는 슬립-온 등이 용접 부속으로 사용될 수 있다. 파이프와 같은 두께를 갖는 단조강 버트 (butt) 용접 타입도 또한 사용될 수 있다. 허용 표준은 Weldbend, Tube Turns, 및 Bonney Forge를 포함한다. 적용 표준은 ANSI B16.5를 포함한다.
그루브드 부속품도 이러한 압력 범위에서 사용될 수 있다. NPS 2½ ＆ over는 ASTM A47-77 표준 하의 가단철을 사용거나, ASTM A536-80 표준 하의 연철을 사용할 수 있다. 허용 표준은 Victaulic 및 Gruvlock를 포함한다.
용접 브랜치 연결 부속품 (Welded branch connection fittings)이 모든 크기의 파이프에 높은 압력을 위해 사용될 수 있다. 이러한 부속품은 단조강일 수 있다. 이 단조강의 두께는 그것에 용접되는 브랜치 부속의 연결되는 파이프의 최소 두께이다. 허용 표준은 Bonney Forge “O-let”부속품, 및 Anvil (Grinnell) “Anvilet” 부속품이다. 이 부속픔은 ANSI B31.1 표준에 따를 수 있다.
여러 종류의 밸브가 가열과 냉각에 사용되는 액체 덕트에 사용될 수 있다. 게이트 (gate) 밸브는 1035 kPa (150 psi)의 압력까지 사용될 수 있다. NPS 2 ＆ under 에서, 밸브는 청동 몸체와 스크류드 보넷 (screwed bonnet), 솔리드 웨지 디스크 (solis wedge disc)를 갖는 클래스 150 라이징 스템 (rising stem) 과 용접될 수 있다. 허용 표준은 Kitz 44d이다.
이러한 압력 조건에서는, 나사 게이트 (threaded gate) 밸브가 사용될 수 있고, 이것은 동 몸체와 스크류드 보넷 (screwed bonnet), 솔리드 웨지 디스크 (solis wedge disc)로 구성되어 있다. 허용되는 표준은 Kitz 24이다. NPS 2 and under 에 맞는 나사 밸브는 MSS SP-80 및/도는 ANSI/ASME B16.34 표준에 따를 수 있다.
NPS 2½ ＆ over에 맞는, 플랜지드 게이트 (flanged gate) 가 이 압력 범위에서 사용될 수 있다. 이 밸브는 납작한 플랜지 (flat faced flanges), 주조철 몸체, 청동 트림, 솔리드 웨지 디스크, 볼트 보넷, OS＆Y를 갖는 라이징 스템를 포함한다. 허용되는 표준은Kitz 72 이다. 플랜지 게이트 (Flanged gate) 밸브는 MSS SP-70 및/또는 ANSI/ASME B16.5 표준을 따른다.
2070 kPa (300 psi)까지의 압력에서는, 볼 (ball) 밸브가 사용될 수 있다. NPS 2 ＆ under 에서, 이러한 볼 밸브는 용접되거나 나사로 처리될 수 있다. 용접된 볼 (ball) 밸브는 다음으로 구성될 수 있다: 최소600 psi의 WOG 두 피스 청동 또는 황동 몸체, 풀 포트 (full port) 크롬 도금 청동 또는 스테인레스 볼(ball), PTFE 시트 (seat) 및 실 (seals), 블로우아웃 프루프 스템 (blowout proof stem). 허용 표준은 Kitz 59이다. 나사 볼 밸브는 다음으로 구성될 수 있다: 최소600 psi의 WOG 두 피스 청동 또는 황동 몸체, 풀 포트 스테인레스강 볼, PTFE 시트 (seat) 및 실 (seals), 블로우아웃 프루프 스템. 허용되는 표준은 Kitz 58이다. 이러한 볼 밸브는ANSI/ASME B16.34 표준을 따른다.
NPS 2½ to 12에는, 나비 밸브 (butterfly valves) 가 사용될 수 있다. 나비 밸브의 예로는, 93°C (200°F) 의 범위의 동작 온도에서, 긴목을 갖는 가단 또는 단철 몸체, 알루미늄 청동 디스크를 갖는, 클래스 150 그루브드 EPDM Grade E”라이너 (liner)가 있다. 허용 표준은 Victaulic Series 300이다. 이 밸브는 ANSI/ASME B16.34 또는 ANSI/ASME B16.5 표준을 따른다.
4100 kPa (600 psi) 까지의 압력에는, 볼 밸브가 사용될 수 있다. NPS 2 to 4에 대해, 볼 밸브는 600 psi WOG, 연철 몸체, 스테인레스강 볼과 스템, 표준 포트, 락쉴드 (명시될 때), TFE 시트 및 실을 갖고, 그루브드 될 수 있다. 허용 표준은 Victaulic Series 721 와 Gruvlok를 포함한다. 볼 밸브는 MSS SP-70 나 ANSI/ASME B16.5 표준을 따른다.
1035 kPa (150 psi) 까지의 압력에는, 스윙 첵 (swing check) 밸브가 사용될 수 있다. NPS 2 ＆ Under 에서는 납땜된 또는 나사 스윙 첵 밸브가 사용될 수 있다. 납땜된 스윙 첵 밸브는 클래스 150, 와이 패턴 (Y-Pattern) 청동 몸체, 청동 스윙 디스크, 인테그랄 시트 (integral seat), 캡이 있는 나사를 포함한다. 허용 표준은 Kitz 30- 이다. 나사 스윙 첵 밸브는 클래스 150, 와이 패턴 (Y-Pattern) 청동 몸체, 청동 스윙 디스크, 인테그랄 시트 (integral seat), 캡이 있는 나사를 포함한다. 허용 표준은 Kitz 29이다. 이러한 납땜된 또는 나사 스윙 첵 밸브는 MSS SP-80 및/또는 ANSI/ASME B16.34 표준을 따른다.
NPS 2½ ＆ over에는, 납작한 플랜지 (flat faced flanges), 주조철 몸체, 재생 청동 시트 링, 청동 스윙 타입 디스크 (bronze swing type disc)의 클래스 125, 플랜지드 (flanged) 스윙 첵 밸브가 사용될 수 있다. 허용 표준은 Kitz 78을 포함한다. 이런 플랜지드 스윙 첵 밸브는 (flanged swing check valves)는 표준 MSS SP-71 및/또는 ANSI/ASME B16.5 를 따른다.
특정 실시예에 따라, 시스템으로 부터의 열 링크는 냉동기와 교통할 수 있다. 이러한 냉동기 부품은 Canadian Standards Association (CSA) 표준B52를 준수해야 하고, 부품 레이팅 (rating)을 확립하기 위해 ARI, ASME 및 ASHRAE 규준 (codes and standards)이 동작 시험에 사용된다.
냉동 부품의 예로는 냉동 튜브가 있다. 할로겐 냉매를 사용할 때는 튜브에 공장에서 청소되고 봉인된 이음매가 없는 ACR 동이 사용된다. 이러한 튜브는 ASTM B280 표준을 따른다.
조립용 부속품은 냉동 부품의 또 다른 예다. 조림을 위해서, 긴 반지름 형태의 엘보우(elbow)와 리턴벤드 (return bend)가 사용될 수 있다. 이 조립은 연동 또는 단조 황동 땜납 (forged brass solder)을 사용할 수 있다. 조립은 ASME B16.22 표준을 따른다.
조인트도 또 다른 냉동 부품의 예다. 특정 실시예는 동 부속품과 결합된 동 파이프를 사용한다. 이런한 조인트를 위한 재료로는 SIL-FOS-15 인-동-은 합금이 있고, 이 재료는 CSA B52 표준을 따른다.
특정 실시예는 황동 부속품을 사용할 수도 있다. 이러한 부속품은 2500 PSI 땜납으로 구성되고, CSA B52 표준을 따른다.
특정 실시예로 장치나 부품으로의 연결은 95-5 땜납을 사용하고, CSA B52 표준을 따른다.
특정 실시예에서는 유연한 연결을 사용할 수도 있다. 본 발명에 따른 특정 실시예는 이음매 없는 유연한 청동 호스로 구성된 유연한 연결을 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 특정 실시예는 좀더 큰 크기를 위해 청동 와이어 피복 (bronze wire braid covering)으로 구성된 유연한 연결을 사용할 수 있다. 연결은CSA B52 표준을 따른다.
특정 실시예에 따라, 냉동 파이프는 다음과 같이 설치될 수 있다. 먼저, 파일링 (filing), 또는 습기가 있는 경우 냉동 파이프 를 냉매 오일에 담근 헝겊으로 문지를 수 있다. 연결할 때를 제외하고 파이프의 끝은 밀봉될 수 있다. 엘보우 (elbow)와 조립 부속품은 최소로 유지된다. 가스가 흐르는 수평 파이프는 가스가 흐르는 방향으로 1:240 만큼 기울인다. 파이프 라인은 8피트 이하로 지지되고 앵커로 고정시켜야 된다.
적당한 곳에, 확장 스윙 조인트 (expansion swing joints), 파이프 가이드 (pipe guides)와 앵커 (anchors)가 설치될 수 있다. 파이프 가이드와 앵커는 냉동 파이프와 연결되는 부분에 동으로 도금될 수 있다.
앵커는 빌딩 구조물에 안정되게 고정될 수 있다. 진동감쇄기는 냉동 파이프와 같은 크기의“아나콘다”("Anaconda")일 수 있다.
액체 라인 필터 드라이어 (drier) 와 사이트 글래스 (sight glass)는 제조자의 사양에 따라서 냉동 파이프와 부하에 적합한 크기와 용량의“스폴란” ("Sporlan") 일 수 있다. 석션 라인 P 트랩 (Suction line P traps)이 수평으로 매 50 피트마다 수직으로는 매 20피트 간격으로 증발 건조기 각각의 밑에 제공될 수 있다. 솔레노이드 밸브 (Solenoid valves)는 용량에 맞는 크기의 “스폴란” ("Sporlan")일 수 있고, 마그네틱 코일 전압은 제어 시스템으로 조절될 수 있다. 다수의 파이프가 설치될 때는 압/팽창을 위해 파이프 간의 간격이 최소 6인치가 되어야 한다.
“하이드라조브” (HYDRAZORB”) 또는 쿠쉬어클램프 (“CUSH-A-CLAMP”) 러버 그로멧 (rubber grommets)이 라인 간의 마찰을 피하기 위해 튜브와 클램프 (clamps) 사이에 사용될 수 있다. 1.7미터 이상의 버티칼 라이저 (vertical risers)가 석션 라인 (suction line)에 일어날 때는, 라이저는 수평 섹션의 제일 위에 연결될 수 있다. 나사와 플랜지 (flanged) 조인트는 납땜을 사용할 수 없을 때 만 장치 연결에 사용될 수 있다.
습기가 있는 연결에는 건조 질소를 넣을 수 있다. 유연한 파이프 진동 아이솔레이터 (isolators) 와 스텁 커넥터 (stub connector)는 620°C (1148 ° F) 이하에서 용융 합금을 사용하여 봉인되어 밀폐된 압축기에 납땜할 수 있다.
두 개의 이배큐에이션 피팅 (evacuation fittings) 이 제공될 수 있다. 하나는 흡입 라인 필터 쪽 입구에 있는 흡입 라인에 위치할 수 있고, 다른 하나는 필터-드라이어 출구 쪽에 있는 액체 라인 쪽에 있을 수 있다. 액체 라인의 연결은 충전 동작을 하는 밸브일 수 있다. 연결은 최소한 1/4 인치 길이어야 한다. 최신의 CSA B52 따라 압력이 배출될 수 있다.
누수과 압력시험은 다음과 같이 실행된다. 누수시험은 시스템을 비우기 전에 시행한다. 시험은 최신의 CSA B52를 따라서, 1050 kPa (150 psi) 와 2070 kPa (300psi) 사이에서 한다. 압력을 위해 건조 질소를 사용한다. 건조 질소로 낮은 압력과 높은 압력에서 실제 시험을 위한 장치를 만들 수 있다. 누수는 비누 용액을 이용해서 시험하거나 “스눕”(“SNOOP”) 같은 적당한 누수 감지 키트 (kit)나 형광 트레이서 (tracer)를 사용해서 한다.
도 69로 돌아가서, 여러 가지 종류의 센서, 습기 (H), 부피 (V), 온도 (T), 압력 (P), 그리고 밸브 상태 센서 등 이 시스템의 여러 곳에 설치된다. 이러한 센서들은 중앙 컨트롤러 6996과 전자적으로 교통한다.
특히, 시스템6901의 여러 요소는 중앙 컨트롤러 또는 프로세서 6996 과 교통하고, 컨트롤러와 프로세서는 컴퓨터가 판독 가능한 저장 매체 6994와 전자적으로 교통한다. 컴퓨터가 판독 가능한 저장 매체 6994에 저장된 컴퓨터 코드 형태의 명령에 따라, 컨트롤러 또는 프로세서6996 은 시스템6901의 여러 요소를 제어한다. 이 제어는 시스템의 여러 센서로 부터 또는 컨트롤러나 프로세서 6996이 여러가지 소스로 부터 받은 정보에 따를 수도 있다. 이러한 소스는 같은 시스템에 속하는 소스 (최종사용자나 밑에서 설명할 에너지 발전기)거나, 또는 인터넷이나 스마트 그리드같은 외부 소스이다.
압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 동작을 설명한다. 앞에서 말한 바와 같이, 예를 들면, 특정 목적으로, 시스템은 냉방이나 난방처럼, 최종 사용자의 온도를 제어하는 데 사용된다. 이런 냉방 또는 난방은 최종 사용자와 전용 압축기, 팽창기 사이의 열링크를 통하여 이루어 진다.
특히, 저장 유닛에 저장된 압축가스는 일방향 밸브 6911을 통하여 전용 팽창기로 흘러간다. 기본적인 열역학 원리에 따라, 팽창기에서 팽창하는 압축된 가스는 온도가 떨어진다. 가승 팽창 프로세스로 부터의 열에너지 흐름은 열 링크 6980과 스위치6981를 통하여 최종 사용자를 냉방한다.
특히, 냉방의 열역학적 효율은, 최소한의 온도 변화를 일으키고, 적은 열손실을 갖는, 근사-등온 (near-isothermal) 상태에서의 가스 팽창으로 향상될 수 있다. 특정 실시예로, 이러한 근사-등온 상태는 팽창 가스 안에 존재하는 액체 (물이나 기름)와 팽창 가스 사이의 열 교환을 이용하여 이루어 질 수 있다. 특히, 액체의 상대적으로 높은 열 용량과 액체 방울의 큰 표면적은 액체와 팽창 가스의 효율적인 열 교환을 허용한다. 팽창된 스프레이로 부터 분리된 후, 액체는 팽창 가스로의 열전달로 냉각되어 최종 사용자로 흘러가 냉방 작용을 하게 된다.
도 69에 설명된 특정 실시예가 압축 가스를 이용한 에너지 저장과 복구에 중점을 두고 있지만, 이것이 본 발명의 요구사항은 아니다. 위에서 설명한 바와 같이, 발전 레이어 안에 위치한 경우와 연관해서, 본 발명에 따른 또 다른 실시예는 최종 사용자 뒷단에 위치한 다른 종류의 에너지 저장 시스템을 이용할 수 있다
도 69에 있는 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 실시예는 도 28의 냉동기기의 실시예와는 다르다. 예를 들어, 도28의 냉동기기는 단일 압축/팽창 유닛으로 압축기와 팽창기가 함께 연결되어 있다.
더구나, 도28은 냉동 기기에 압축된 가스를 저장하는 구조가 없다는 것을 보여준다. 그러나 도 28과 관련하여 설명한 것 처럼 이 냉동 기기를 고쳐서 이러한 가스 저장 장치를 A 지점에 넣을 수 있다.
*도 28에 있는 냉동 기기에는 또한 별도의 전력 생산 기능이 없다. 그러나, 또 다른 특정 실시예로, 압축 팽창기의 팽창기 요소는 쉽게 발전기와 물리적 교통을 하여 전력을 생산할 수 있다. 이러한 전력 생산은 다음과 같은 경우에 유용하게 사용될 수 있다: 1) 압력 가스를 저장함에 의해 나중에 사용할 수 있고, 또는 2) 외부 열원과 열적인 교통을 하는 팽창기를 이용해 파워 출력을 확장할 수 있다.
그러나, 이러한 차이점에도 불구하고 도28의 냉동 시스템과 도 69의 에너지 저장 및 복구 시스템은 비슷한 원리 하에 동작한다. 특히, 두 시스템 모두 팽창 가스와 액체의 혼합으로 부터 분리된 액체를 사용하여 온도를 조절한다.
위의 도28-32는 냉방을 위한 가스 팽창의 효과에 대해 보여 준다. 그러나 본 발명은 이러한 응용에 한하지 않고, 다른 실시예는 난방의 효과를 보여준다.
기본적인 열역학 원리에 따라 압축기에 압축되는 가스는 온도가 올라간다. 위에서 설명한 바와 같이 스프레이 냉각과 비슷하게, 압축된 가스에 노출되어 가열된 액체는 스위치 6981 과 열링크 6980을 통해 흘러가 최종 사용자를 가열할 수 있다.
앞에서 온도 조절에 대한 압축 가스 저장 및 복구 시스템에 대해 중점을 두었지만, 본발명의 실시예는 온도 조절에만 국한하지 않는다. 특히, 전용 팽창기에서의 가스 팽창은 전력을 생산하기 위한 기계적인 힘을 제공할 수 있다.
도 69로 돌아와, 전용팽창기 6905은 링크6923과 물리적으로 교통하는 부재를 포함한다.
도69의 실시예와 도50B 에 있는 전용 팽창기의 자세한 도면은 가스팽창이 이동할수 있는 부재를 동작시켜 물리적 에너지를 도69의 링크 6923 같은 링크로 출력할 수 있음을 보여 준다. 기계적, 공압적, 유압적 형태의 이 물리적 에너지는 여러 가지로 사용될 수 있다.
예를 들면 링크6923의 에너지 출력은 두번째 링크 6921과 교통하여 전용 압축기 6902안에 있는 이동할 수 있는 부재를 동작시킬 수 있다. 이런식으로, 두번 째 이동할 수 있는 부재를 동작시켜, 가스를 압축하여 저장 유닛에 보내고, 팽창에 필요한 압축 가스의 공급을 보충할 수 있는 에너지로 사용할 수 있다.
도69의 특정 실시예는 링크 692과 6923이 별개로 되어 있지만, 이것은 본 발명의 요구 사항이 아니다. 특정 실시예로 링크 6921과 6923은 같은 구조물일 수 있다. 예를 들면, 이동할 수 있는 부재로서의 왕복 피스톤 사이의 공통의 크랭크프트 (crankshaft )일 수 있다. 이러한 구성은 저장유 닛에 압축 가스를 공급하기 위해 팽창기와 압축기 사이의 효과적인 에너지 전달을 도와준다.
특정 동작 모드에서 팽창기에 의해 움직이는 링크6923으로 부터의 에너지는 시스템내에 저장된다. 특히, 압축 가스로 부터 복구된 에너지는 냉방에 사용되거나 압축 가스를 추가로 공급하는 데 사용될 수 있다. 이런 경우에 전력은 모터/발전기로 부터 출력되지 않는다.
그러나 다른 역할로서, 압축 가스 에너지 저장 장치는 전력 공급원으로 사용될 수 있다. 특정 응용 (UPS, 피크쉐이빙 (peak shaving), 수요 대응, 그리고 재애 레벨라이징 (renewable levelizing)을 포함하는)에서는, 압축 가스 저장 시스템이 계측기를 통하지 않고 최종 사용자에게 전력을 바로 공급할 수 있다. 이러한 하나 또는 다수의 전력 공급 응용에서는, 압축 가스 에너지 저장 시스템이 파워 전자 모듈이나 단기간 에너지 저장 (예를 들면 배터리) 장치 등을 포함할 수 있다. 이러한 추가 장치들은 압축 가스 시스템이 최종사 용자에게 전력을 끊어짐 없이 전달하는 것을 도와준다.
다른 응용에서는, 시스템이 계측기를 통해 거꾸로 전력 네트워크로 전력을 공급한다. 예를 들면, 분산 발전 (DG) 구성에서는 전력 네트워크가 계측기를 통해 전력을 받도록 구성된다. 이런 식으로 압축 가스의 팽창으로 발전기를 움직여 출력된 전기는 전력 네트워크로 들어가고, 생산자는 전력에 대한 대가를 받는다.
이러한 제도는 특히 전력의 피크 수요 시간에 DG로 부터 전력 네트워크로 전력을 되돌려 추가 부하에 대응할 수 있게 하는 장점을 가진다. 이러한 제도는 또한 망에 탄력성을 주어서, 자연 재해나 테러 공격등에 의해 넓은 망이 고장났을 때, 국지적 임시의 전력 네트워크 형성에 도움을 준다.
시스템 690의 여러 요소는 중앙 컨트롤러 6996과 교통한다. 이 컨트롤러는 다시 저장 매체 6994와 교통한다. 저장 매체 6994에 저장된 컴퓨터 코드 형태의 명령에 의거하여, 컨트롤러나 프로세서 6996은 시스템 690의 여러 요소들을 제어한다. 이 제어는 시스템의 여러 센서들로 받아진 데이타, 데이타로 부터 계산된 값, 그리고 외부 소스 (최종 사용자나, 에너지 발전기 등의 아래에서 설명할) 로 부터 온 정보, 또는 인터넷이나 스마트그리드로 부터 온 정보에 의거한다
특정 실시예로, 시스템의 컨트롤러는 최종 사용자로 부터 온 명령에 따라 동작되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 최종 사용자가 전력 네트워크의 운영자로 부터 요구 요청을 받으면, 최종 사용자는 컨트롤러와 교통하여 저장 시스템으로 하여금 필요한 전력을 공급하게 할 수 있다.
다른 예로는, 압축 가스 저장 및 복구 시스템은 최종 사용자나 인터넷을 통한 외부로 부터 온도 조건에 대한 변화 신호를 받을 수 있고, 그에 대한 응답으로 컨트롤러는 시스템으로 하여금 좀더 큰 냉방 효과를 내게 할 수 있다.
특정 실시예로, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 최종 사용자에게 신호을 보낸다. 예를 들면, 압축된 가스가 줄어들 때, 에너지 저장 시스템은 최종 사용자에게 메시지를 보내서 추가 전력을 망으로 부터 그리드를 통해 공급받아 온도를 유지할 수 있게 한다.
에너지 저장 시스템을 계측기 뒷단에 놓는 것의 장점은 규제 형태에 있다. (the resulting form of regulatory oversight). 소비 레이어의 일부로서, 에너지 저장 시스템의 망과의 연결은 비교적 간단하고 한정되어 있다. 특히, 시스템은 망과 하나의 인터페이스 (계측기)를 통해서 상호 작용하게 되어 있다. 네트워크 계측기 연결의 경우에는, 이 인터페이스를 통해 흐르는 전력의 크기와 방향은 소비 패턴과 출력에 의해 예측될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 계측기 뒷단에 있는 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 은 전력 네트워크의 발전, 송전, 배전 등과 같은 다른 레이어에 있는 요소와 다르게, 규제에 관계 없는, 일반 가전 제품으로 생각될 수 있다
최종 사용자 측에 설치된 에너지 저장시스템은 두 시스템간의 교통을 쉽게 한다. 특히, 압축 가스 에너지 저장 시스템 6640과 최종 사용자 간의 교통은 국지적이고, 그에 따라 광역망보다 빠르고 더 안정적이다.
전력 공급원 (즉, 무정전 전원 장치 (UPS), 피크 쉐이빙 (peak shaving), 수요 대응, 재생 레벨라이징)의 하나로서, 이러한 에너지 저장시 스템과 최종 사용자 간의 근접성은 망으로 부터 오는 전력이 저장 시스템으로 쉽게 옮겨 갈 수 있게 한다.
도69의 특정 실시예는 개요에 있는 옵션 (optional) 기능을 포함한다. 예를 들면, 특정 실시예로, 팽창기의 가스 출구는 압축기의 가스 입구와 유체 교통한다. 이 실시예의 막힌 유체 루프 (loop) 에는 여저 가지 장점이 있다. 하나는 가스의 보존으로, 좀더 높은 열 용량을 갖는 특이한 가스 (헬륨이나 고밀도 가스)를 사용할 수 있게 하여, 열 교환을 향상시킨다
* 도69실시예의 다른 옵션 기능은 팽창기 6905와 외부 열원 6987 (예를 들면, 태양, 주변 공공시설, 개별 프로세스, 또는 지역 전력 소스 에서 발생된 열) 사이의 링크 6986이다. 특히, 이런 외부 열원으로 부터의 에너지는 압축 가스의 팽창으로 부터 에너지 복구 효율을 향상시키기 위해 사용된다. 다른 추가의 열원과 본 발명의 압축 가스 저장 및 복구 시스템과의 혼합 사용은 U.S. Provisional Patent Application No. 61/294,396 에 자세히 설명되어 있고, 그건은 일체로 본 발명에 결합된다.
특정 실시예로 , 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 동작은 하루 사이클의 열 페이스 (phase)와 조정된다. 이런 동작의 예가 밑에 제공된다.
다시 도69를 참조하면, 이 예에서, 최종 사용자는 밤낮의 일교차가 상대적을 큰 기후를 가진 지역의 대형 오피스 건물로 구성되어 있다. 저녁과 주말에는 대형 빌딩은 거의 비어 있고, 최소한의 온도를 유지하기 위해 약간의 전력만 사용하여, 전력 네트워크에 최소의 부하만을 준다.
그러나, 주중의 오전 7시부터 오후 7시 사이에 빌딩은 많은 사람들이 있고, 그에따라, 냉방을 위하여, 전력 네트워크에 큰 부하로 작용한다. 이 동안의 전기요금은 비싸고, 다른 사용 사용자로 부터의 요구에도 영향을 준다. 더구나, 공급된 전류에 대해 부과되는 요금은 사상 피크시의 사용 요금에 근거할 수도 있다.
그러므로, 전력 요금을 줄이기 위해서, 대형 빌딩은 계측기 뒷단에 본 발명의 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템을 설치할 수 있다. 이 시스템은 전력 공급은 물론 온도 제어 용으로도 사용할 수 있다.
예를 들면, 피크 시간이 아닌 경우에, 시스템은 전력 네트워크의 에너지를 사용하여 압축기를 돌려 압축 가스를 저장유닛에 저장한다. 이런 압축 과정에서 생기는 열을 난방에 사용할 수 있고, 난방을 위해 전력 네트워크로 부터 에너지를 받을 필요가 없어진다.
그러나, 경제적으로 더 중요한 장점은, 에너지가 싼 시간의 에너지를 사용한 다는 것이다. 그리고 저장된 에너지는 피크 시간에 오피스 빌딩이 전력 네트워크에 주는 부하를 줄이거나 제거하는 역할을 한다.
특히, 에너지 저장 및 복구 시스템은 피크 시간에 저장 유닛으로 부터 팽창기로 압축 가스를 보낼 수 있다. 이러한 동작은 최소한 2가지 이유로, 전력 네트워크에서의 오피스 빌딩의 부하를 줄인다.
첫째, 낮에 오피스 빌딩의 온도가 높을 때, 가스 팽창은 냉방 효과를 가진다. 가스 팽창에 의한 냉방은 오피스 빌딩의 냉방을 위한 전력 네트워크의 부하를 줄인다.
둘째, 부하를 줄이는 것 이외에도, 가스 팽창에 의해 만들어지 전력은 부하가 많은 시간을 피크 시간이 아닌 곳으로 옮겨 가게 할 수 있고, 저장된 에너지는 요금이 싼 시간에 전력 네트워크로 받아 놓았기 때문에, 비용을 절감시킨다. 낮은 가격으로 얻어진 복구 에너지는 결국 에너지 비용의 효과적인 절감을 가져온다.
또한, 낮에 자연적으로 얻을 수 있는 태양 에너지를 이용해 압축 가스로 부터 얻는 전력과 냉방 효과를 증대 시킬 수 있다. 예를 들면, 압축 가스 저장 유닛은 태양과 열적 교통을 하게 설치될 수 있다. 태양으로 부터의 열에너지는 저장유닛 안의 가스를 가열하여, 저장된 에너지를 증가시키고, 그 에너지는 가스 팽창시 복구된다.
또는 저장가스를 가열함과 동시에, 태양 에너지는 팽창 가스에 주입되는 액체를 가열하는 데도 사용한다. 특히, 열에너지는 가스 액체 혼합물의 팽창 뒤에 분리되는 액체를 가열하는 데도 사용된다. 위에 설명한 바와 같이, 이 액체는 근사 등온 상태에서 팽창하는 가스에 열을 전달 함으로 인해 냉각된다. 에너지 복구 시간에 액체와 가스를 가열하는 태양열은 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템을 하루 사이클 (diurnal cycle)로 동작시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 저장 에너지에 의해 얻어지는 부하의 감소와 부하 시간의 이동은 현재의 부하를 사상 피크 시보다 줄이므로서 비용을 더 절감하게 한다. 특히, 이전의 피크 부하에 포함되어 있던 냉방 비용을 줄이거나 제거하므로서, 현재의 부하가 피크 시간의 부하를 넘지 않게 하고, 그에 따라 부과되는 벌금이나 부담금도 피할 수 있다.
요약하면, 하루 사이클로 조정된 에너지 저장 시스템의 동작은 최소한 두가지 면에서 비용을 줄인다. 첫째, 에너지 저장 및 복구 시스템은 온도 제어와 관련된 에너지을 줄인다. 즉, 낮에는 가스 팽창에 의해 온도를 낮추고, 밤에는 가스 압축에 의해 온도를 높힌다.
둘째, 에너지 저장 및 복구 시스템은 비교적 비싼 전력의 피크 시간 부하를 싼 시간으로 옮길 수 있다. 이러한 부하 이동은 전력 사용량에 따라 부과 되는 요금을 줄이고, 또한 피크 시간 부하에 따라서 부과되는 요율도 줄인다.
특별한 경우에, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 저장과 압축이 동시에 일어나도록 구성될 수 있다. 이러한 동작 모드에서는, 압축되는 모든 또는 일부의 가스가 냉방이나 전력 공급을 위해 바로 팽창될 수 있다.
이런 동작 모드는 다양한 조건하에 사용될 수 있다. 예를 들면, 온도 제어가 필요한 상태에서 압축된 가스가 거의 소진됐을 때 사용된다. 또 다른 예로는, 피크 부하를 줄이기 위해 계속된 파워 공급이 필요할 때나, 전력 공급자와의 계약 조건을 지키기 위해 (즉 압축가스가 다 소진된 후에도 전력을 공급하기 위해) 필요하다. 또 다른 예로는, 비용면에서 네트워크로 부터의 전력 요금이 낮아서 에너지 저장을 사용할 수 있을 때이다.
압축과 팽창의 동시 동작은 특정 효율성을 제공한다. 특히, 위에서 도28과 관련하여 설명한 바와 같이, 저장 유닛으로 부터 열 교환기로 가스의 동시 흐름은 이 두 가스 흐름 사이의 열 전달을 가능하게 한다..
도 71에 있는 표는 시스템의 다른 동작 모드를 요약한다.
도66으로 돌아와, 특정 실시예로, 에너지 저장 시스템과 최종 사용자는 계측기 뒷단에 로컬 에너지 소스와 같이 설치될 수 있다. 이러한 로컬 에너지 소스로는 지붕위의 태양 전지, 태양열 시스템, 풍력 터빈, 또는 최종사 용자에 의해 공급되는 천연 가스와 액체적 교환하는 가스 마이크로 터빈 등이 있다.
이에 따라, 도70은 본발명의 실시예에 따른 압축 가스 저장 및 복구 시스템 7001의 한 실시예의 간단한 블럭도를 보여 준다. 여기서 시스템은 계측기 뒷단에 최종 사용자 7050과 로컬 전력 소스 7070과 함께 설치된다. 도70의 실시예에서, 전용 압축기 (C) 7002, 전용 팽창기 (E) 7005, 전용모터 (M) 7004 그리고 전용 발전기 (G) 7003은 모두 다중 노드 기어 시스템 7099를 통해 서로 선택적인 물리적 교통을 한다.
이런 기어 시스템의 실시예는 U.S. Nonprovisional Patent Application No. 12/730,549 에 설명되어 있고, 위에서 도33A-33AA과 함께 설명하였다. 특히 다중노드 기어 시스템7099 는 세 회전 링크 (예를 들면, 링크 3341, 3362, 그리고 3368)에 물리적 링크를 제공한다. 이 각각의 링크는 시스템의 다른 요소와 물리적 교통을 한다. 다른 시스템 요소의 예를 들면, 풍력 터빈, 발전기, 모터, 모터/발전기, 압축기, 팽창기, 또는 압축기/팽창기 등의 로컬 에너지 소스가 있다.
다중노드 기어 시스템7099 는 모든 링크의 가감 방식의 동시 움직임을 허용한다. 예를 들면, 바람이 불면, 터빈 링크의 에너지는 발전기 링크와 압축기 링크를 모두 동작시킨다. 또 다른 예로는, 바람이 불고, 에너지의 요구가 높을 때 위성 기어 시템은 풍력 터빈의 출력이 팽창기 링크의 출력과 더해져서, 발전기의 링크를 동작시킨다.
또, 위성기어 시스템은 일부의 링크만 동작할 수 있게 구성될 수도 있다. 예를 들면, 도33A-33AA의 특정 실시예의 샤프트 3368가 회전이 안될 때, 회전 샤프트 334은 샤프트 3362를 회전시키고, 또는 반대로도 가능하다. 마찬가지로, 샤프트 3341의 회전은 샤프트3368만 돌리고, 그 반대도 가능하다. 또는샤프트 3362의 회전은 샤프트 3368만 회전시키고, 그 반대도 가능하다. 이러한 구성은 기계적 에너지가 시스템의 단지 두개의 요소와 선택적으로 교통하게 한다. 예를 들면, 풍력 터빈이 멈춰 있을 때에는 모터의 출력으로 압축기를 돌린다..
본 발명의 특정 실시예는 시스템의 서로 다른 요소에 에너지를 전달하기 위해 플래니태리 기어 시스템과 같은 다중 노드 기어 시스템을 사용한다. 특히, 이러한 위성 기어 시스템은 도 72에서 설명한 바와 같이 여러 가지 종류의 동작 모드에서 링크 사이의 서로 다른 움직임을 실현하기 위한 유연성을 제공한다.
도70은 다중 노드 기어 시스템을 보여 주고 있지만, 이것은 본 발명의 요구 사항이 아니다. 다른 실시예로, 시스템의 여러 요소 들은 각각의 개별 물리적 링크나 일부의 물리적 링크로 물리적 교통을 할 수 있다.
도70은 로컬 전력 소스가 링크 7080을 통해 다중 기어 시스템과 선택적으로 물리적 교통을 하고 있는 것을 보여준다. 이 구성은 로컬 전력 소스와 팽창기로 부터의 물리적 에너지가 합해져서, 더 많은 양의 전류를 생산할 수 있게 한다. 또한 이 구성은 로컬 전력 소스와 팽창기가 별개로 기존의 설비 (같은 발전기 구조)를 이용 전기를 생산할 수 있는 것을 보여준다.
도70은 로컬 전력소스이 최종사용자나 계측기와 링크 7082를 통하여 전기적 교통을 하는 것을 보여 준다. 이런 링크는 태양전지열의 경우와 마찬가지로 로컬 에너지 소스가 바로 전류를 출력하는 데 이용된다.
도70은 또한 로컬 발전기가 최종 사용자나 팽창기와 열링크 7072와 7074를 통하여 열적 교통을 하는 것을 보여준다. 이런 링크는 로컬 에너지 원이 열 형태의 에너지를 직접 출력할 때 사용된다. 예를 들면, 태양열 시스템이나, 연소 가스 마이크로 터빈등이 있다.
다중 드기어 시스템 과 다른 형태의 물리적, 열적, 유체적, 전기적 링크에 의한 유연성은 도72의 표에 요약되어 있다.
도70에서와 같이 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템을 로컬 전력 소스와 같이 설치하는 것은 시스템이 여러 역할을 할 수 있게 한다. 하나의 역할로, 지붕 위 태양전지, 풍력 터빈 과 같은 하나 또는 다수의 로컬 에너지 소스와 결합된 에너지 저장 유닛은 최종 사용자의 모든 에너지 요구를 만족시킬 수 있다. 이것은 최종 사용자를 완전히 그리드에서 제거하게 되고 안정성과 경제적인 이유로 바람직한 일이다.
또 다른 하나는 풍력 터빈이나, 태양 전지, 태양열 시스템 과 같은 재생 에너지 소스로 부터 나오는 간헐적인 출력을 안정화 시키는 역할이다. 예를 들면, DG 구성에서, 로컬 대체 전력 소스의 주인은 망 운영자와 계약을 맺고, 그리드로 전류를 공급할 수 있다. 그러나 태양, 바람 등의 간헐성은 일정한 전력 공급 계약 조건의 의무를 만족하기 어렵게 한다.
그러나 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템을 본 발명의 실시예에 따라, 같이 설치하게 되면, 로컬 에너지 소스 소유자가 일정한 전력을 공급할 수 있게 한다. 특히, 압력 가스로 저장된 시스템의 에너지는 바람이나 태양이 없을 때, 부족분을 채우기위해 사용될 수 있다. 그러므로 이 시스템으로 부터 나오는 에너지는 로컬 대체 에너지 소스로 부터의 출력을 안정화 시키는 데 사용될 수 있고, 궁극적으로 전력 네트워크로 일정한 전력을 공급하게 한다. 반나절 이상 보다 큰 양의 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 자연 리소스가 없는 동안에도 길게 안정화에 사용될 수 있다.
압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템을 도70의 로컬 전력 소스와 같이 설치하는 것은 특정 장점이 있다. 하나의 장점은 효율적인 운전에 의한 비용 절감이다.
예를 들면, 특정 실시예로, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 압축기는 로컬 전력 소스의 움직이는 부재와 링크와 기어를 통해 물리적 교통을 할 수 있다. 그래서 이 실시예에서, 지붕 위의 풍력 터빈의 회전 날개는 압축 가스 에너지 저장시 스템의 압축기와 기계적, 유압적, 공기압적 링크를 통해 물리적 교통을 할 수 있다. 이런 링크를 통한 물리적 교통은 로컬소스와 압축기 사이의 효율적 에너지 전달을 돕고, 그로 인해 중간 형태의 에너지로 바꿀 때 생기는 손실을 줄인다. 이런 식으로, 풍력 터빈이나 가스 마이크로 터빈을 돌릴 때 나오는 물리적 일은 나중에 전력 공급원이나 온도 제어 용으로 사용할 수 있도록 압축 가스에 저장될 수 있다.
또, 압축 가스 저장 및 복구 시스템과 로컬 파워 소스를 같이 설치하는 것은 다른 형태의 에너지 흐름의 효율적이 교통을 가능하게 한다. 예를 들면, 저장 시스템은 다른 에너지 원과 열 링크를 통해 열적 교통을 할 수 있다. 이렇게 특정 실시예로, 압축 가스 에너지 저장 시스템에 의한 압축 가스의 팽창 효율은 로컬 열에너지 소스와의 열적 교통으로 향상될 수 있다. 로컬 열에너지 소스는 도70에 참조 번호 7079로 표시되어 있다. 다른 소스의 열을 이용하여 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템를 동작 시키는 것은U.S. Provisional Patent No. 61/294,396, 에 설명되어 있고, 여기에 일체 통합된다.
특정 환경하에서, 로컬 파워 소스는 또한 파워 제너레이터일 수 있다. 예를 들면, 지붕위 태양 전기, 태양열 시스템, 마이크로 터빈, 디젤 제너레이터, 또는 다른 로컬 파워 소스가 있다. 이런 식으로, 그러한 로컬 파워 소스로 부터의 열 에너지는 같이 설치된 에너지 저장 시스템의 챔버 에서의 가스 팽창에 사용 될 수 있다
발전 설비와 에너지 저장 및 복구 시스템을 함께 설치하는 것은 유체 링크를 통해 이런 요소간의 액체적 교환을 가능하게 한다. 예를 들면, 에너지 저장 시스템이 마이크로 터빈과 같이 있으면, 유체적 링크은 시스템에 저장된 압축 가스를 연소를 위해 바로 마이크로 터빈으로 흘릴 수 있다. 그로 인해 마이크로 터빈의 효율을 올릴 수 있다. 마찬가지로, 열 태양 시스템에 의해 가열된 액체는 직접 또는 열적 교통을 하는 액체를 통해 압축 가스를 팽창 시키는 열로 전달될 수 있다.
발전 설비와 에너지 저장 시스템을 같이 설치함의 또 하나의 다른 장점은 기존의 설비를 활용할 수 있는 것이다. 예를 들면, 디젤 터빈이나 마이크로 터빈과 같은 파워 소스는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 바꾸는 발전기를 포함하고 있을 지도 모른다. 본 발명의 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템의 실시예는 같은 발전기를 이용하여 가스 팽창으로 부터 생긴 운동을 전기 파워로 바꿀 수 있다. 마찬가지로, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 최종 사용자가 가지고 있는 망 (계측기) 과의 인터페이스를 사용하여, 전력 네트워크와 전류를 주고 받을 수 있다.
도70으로 돌아가서, 시스템7001의 여러 요소는 중앙 컨트롤러 또는 프로세서 7096과 교통한다. 그리고 프로세스는 컴퓨터가 판독 가능한 저장 매체7094와 교통한다. 중앙 컨트롤러나 프로세서 7096 은 또한 하나 또는 다수의 정보 소스와 교통한다. 이 정보 소스는 내부나 외부에 있을 수 있다. 내부 정보의 예로는 여러가지 센서를 들 수 있다. 외부 정보 소스는 스마트 그리드나 인터넷, 또는 LAN 등이 있다.
위에서 지적한 바와 같이, 컴퓨터 코드 형태로 저장 매체 7094에 저장된 명령을 바탕으로, 컨트롤러나 프로세서 7096은 시스템 7001의 여러 가지 요소들을 제어한다. 이 제어는 시스템의 여러가지 센서들로 부터의 데이타, 데이타로 부터 계산된 , 제거기나 프로세서 7096에 의해 최종 사용자나 외부 소스로 부터 수집된 정보에 의거한다.
본 발명의 특정 실시예에 따라, 가스 압축, 팽창 시스템은 스마트 그리드와 같은, 하나 또는 다수의 외부 소스로 부터 수집된 데이타에 대응하여 구성될 수 있다. 외부 정보에 의거하여, 컨트롤러나 프로세서는 특정 방식으로 시스템 요소를 제어한다. 외부 정보의 예로는 현재의 전기요금, 미래의 전기 요금, 현재의 전기 요구량, 미래의 전기 요구량, 기상조건, 그리고 정전같은 파워 그리드의 상태에 대한 정보가 있다.
아래에 설명된 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 의 동작은 컨트롤러나 프로세서의 의해 수집된 정보에 기초한다. 특정 환경에서, 시스템의 동작은 수집된 정보에 의해 멈춘다. 예를 들면, 전기의 요구량이 많다는 정보를 받으면 그리드의 부하를 줄이기 위해 컨트롤러는 공기를 압축하는 동작을 멈춘다.
그렇지 않으면, 시스템 컨트롤러나 프로세서에 의해 받은 에너지는 시스템을 동작시킨다. 예를 들면, 시스템의 실시예는 산업공정 프로세스와 같이 정전이 문제가 되는 (예를 들면, 반도체 생산 설비), 교통 노드 (예를 들면, 항만, 공항 또는 전철), 또는 헬스케어 (병원), 또는 데이타 저장 (server farms) 등과 같은 특정 응용에서 는, 계속적으로 에너지를 공급하게 구성되어, 무정전 전원 공급장치 (UPS)로 동작할 수 있다. 이렇게 그리드로 부터오는 파워의 급격한 감소나 손실, 또는 그런 이벤트에 대한 위험에 관한 정보는 컨트롤러나 프로세서에 명령을 내려 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 을 동작시켜 계속적으로 필요한 파워를 제공한다.
특정 환경에서는, 컨트롤러나 프로세서에 제공되는 정보가 특정 모드, 예를 들면, 압축모드, 팽창모드, 또는 압축과 팽창이 결합된 모드등의 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 동작을 결정한다. 특정 환경에서는, 컨트롤러가 받은 정보가 전력 요금의 인하 정보를 컨트롤러가 받으면, 낮은 가격으로 에너지를 비축하기 위해 압축모드로 시스템을 동작시킨다.
또한, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 은 에너지 저장/복구, 그리고 일정 시간에 생산/저장된 파워의 양 사이의 균형을 맞춰서 동작한다. 예를 들면, 장치는 특정 부피 증가에 따른 압축 가스의 팽창에 기초하여 최고 효율을 가지고 파워를 생산하도록 설계될 수 있다. 다른 부피 증가의 팽창은 보다 낮은 효율로 보다 큰 파워 출력을 낼 수도 있다. 마찬가지로 , 특정 범위를 벗어나서 증가되는 가스의 압축은 저장을 위한 압축 가스 형태로의 비효율적 전환을 야기한다
특정 환경에서, 본 발명에 따른 시스템은 최적의 효율로 운전될 수 있다. 예를 들면 , 그리드가 보통의 전력 가격과 보통의 요구 정보를 주면 컨트롤러는 최적화된 효율로 가스를 압축, 팽창하도록 시스템에 명령을 내릴 수 있다.
아니면, 그리드나 인터넷과 같은 다른 소스로 부터 받은 정보에 컨트롤러 또는 프로세서는 시스템을 최적 효율에서 벗어난 조건에서 동작시킬 수 있다. 이렇게 스마트 그리드가 전기의 낮은 가격 정보를 줄 때는 (예를 들면 주중의 오전7시부터 오후 5시 사이의 피크 요구 시간 밖에서는), 프로세서 나 컨트롤러는 명령을 내려 싼 가격의 파워를 많이 사용하여 저장을 위해 가스를 압축할 수도 있다.
특정 실시예에 따라, 에너지 저장 및 보구 시스템 동작에 관련된 정보는 외부 소스로 부터 계속 입수될 수 있다. 이런 환경에서는 컴퓨터가 판독 가능한 저장 매체에 저장된 코드는 시스템 컨트롤러나 프로세스에 명령을 내려 입수될 수 있는 외부 정보 입수 가능성과 정보의 변화를 모니터 하여 시스템의 요소들을 그에 따라 동작시킨다.
특정 실시예로, 관련 정보는 외부 소스로 부터 에너지 저장 및 복구 시스템의 컨트롤러와 교통한다. 이러한 적극적인 교통의 한 예는 요구 대응 (demand response) 시스템의 요청이 있다..
특히, 특정 실시예로, 저장 시스템의 프로세서 나 컨트롤러는 파워 그리드의 운영자로 부터 요구 대응 시스템의 일부로, 피크 기간에 전력 요구량을 줄이라는 요청을 받는다. 그래서 컨트롤러나 프로세서는 시스템에 명령하여 이러한 요구 대응 시스템의 일부인 최종 사용자의 부하 감소를 보상하기 위해 충분한 파워를 공급하라는 명령을 내린다.
전기 가격이 낮다는 정보를 받으면 (한밤중일 때) , 프로세서 나컨트롤러는 많은 양의 파워를 사용하도록 가스의 압축 명령을 내린다 - 예를 들면, 가격이 낮을 때 많은 양의 가스를 압축한다. 이런 경우에, 압축의 비효율성에 연관된 추가 비용은 에너지의 낮은 비용으로 보상된다.
현재 요구량 이외의 요인은 에너지를 사고 파는 계약 조건에 영향을 준다. 예를 들면, 미래의 파워 요구량 또는 가격은 컨트롤러나 프로세서에 의해 장치의 동작 조건을 결정하는 데 사용된다.
특정 환경에서는, 미래 에너지 가격이 높을 것으로 예측될 때, 컨트롤러나 프로세서는 시스템을 특별한 방법으로 동작시킨다. 하나의 예로는 히트 웨이브 (heat wave)로서, 기상 예측에 근거하여 요구량이 급격히 증가할 것으로 예상 될 때이다. 이러한 경우에는 컨트롤러나 프로세서는 미래 조건에 맞게 시스템에 명령을 내린다. 예를 들면, 요구량의 급격한 증가를 미리 예측한 경우, 비효율적이라도 추가 가스를 압축하도록 동작시킨다.
동작에 영향을 주는 다른 요인들은 전력 네트워크과 최종사용자 간의 특정한 계약 조건이다. 이러한 계약조건은 일정 시간 동안의 필요한 최대부하 (또는 분산발전에서의 최소 파워 출력), 그리고 인크리멘탈 (incremental) 또는 티어베이스트 (tier-based) 보너스, 벌금(penalties), 또는 전력 출력 또는 소비의 승수 (multipliers)를 포함한다. 계약 조건과의 일치 또는 불일치가 컨트롤러나 프로세서에 의한 에너지 동작을 제어하는 중요한 요인이다.
이러한 특정 실시예로, 컨트롤러나 프로세서는 그런 계약조건을 고려하여 장치를 동작시킨다. 예를 들면 , 최종 사용자와 그리드 운영자 사이의 계약은 일정 기간 동안에 최종 사용자가 망으로 부터 사용할 수 있는 최대 부하를 설정할 수 있다. 그리고 이러한 최대 부하를 넘겨 사용하게 될 때, 컨트롤러나 프로세서는 계약 조건의 만족을 위해 시스템을 낮은 효율로 최대의 출력으로 운전할 수 있다.
시스템 동작에 영향을 줄 수 있는 또 다른 정보는 파워 그리드에 이용 가능한 예상 소스이다. 예를 들면, 망으로 에너지를 공급하고 있는 태양 에너지 팜 (farm) 지역에 구름이 낄 수 있다는 정보가 있는 경우, 장치의 프로세서나 컨트롤러는 낮은 효율로라도 가스를 압축하여 나중의 에너지의 높은 가격에 대처할 수 있도록 한다.
시스템 컨트롤러나 프로세서에 의해 고려될 수 있는 또 다른 형태의 정보는 다른 종류의 파워 소스의 잠재적 사용 가능성이다. 예를 들면, 도70의 시스템은 복수의 소스로 부터 에너지를 받도록 구성되어 있다. 특히, 시스템은 그리드로 부터나 지붕 위의 태양 전지와 같은 로컬 소스로 부터 직접 전기 파워의 형태로 에너지를 받는다. 시스템은, 예를 들면, 가까이 설치된 풍력 터빈이나 마이크로 터빈 같은 로컬 소스로 부터 물리적 형태 (기계적, 유압적, 공기압적)의 에너지를 받을 수 있다. 시스템은 태양열 같은 로컬 소스로 부터 열 형태의 에너지를 받을 수 있다
로컬 발전기로 부터 좋은 조건 바람에 대한 정보를 입수하면, 컨트롤러나 프로세서는 풍력 터빈에서 나오는 파워를 이용하여, 가스를 압축하여 저장한다. 바람이 감소되는 순간, 압축 가스에 저장된 에너지는 팽창 모드로 동작함에 의해 복구되어 최종 사용자에게 직접, 또는, 네트워크를 통하여 그리드로, 또는 양쪽으로 파워가 출력된다. 마찬가지로, 태양 일조량의 상태가 좋을 때 가스 압축을 위해 태양에너지를 이용할 수도 있다.
특정 환경에서는, 일조량이 많을 때에도 시스템을 팽창모드로 운전할 수 있다. 예를 들면, 많은 일조량은 태양열 장치로 부터의 열교통이 가스팽창으로 부터의 파워 출력을 높이거나 팽창 가스로 부터의 에너지 효율을 높인다.
특정 실시예로, 로컬 에너지 소스는 천연 가스 터빈과 같은 재생 에너지 장치가 아닐 수도 있다. 팽창에 앞서 저장 유닛의 압축 가스가 다 사용이 되었지만 파워가 더 필요한 경우, 컨트롤러는 발전기에 명령하여 그리드 외 (즉, 천연가스 분배망)로 부터 에너지를 공급받는 로컬 마이크로 터빈으로 부터 파워를 생산한다.
에너지 저장 시스템의 컨트롤러나 프로세서 받을 수 있는 또 다른 정보는 파워 그리드의 지연에 관한 정보이다. 특정 로컬 그리드로 부터 송전의 어려움 (또는 미래 송전의 어려움)에 대한 정보를 받으면, 프로세서나 컨트롤러는 그에 따라 시스템을 동작시킬 수 있다.
예를 들면, 그리드의 송전 지연이 예상되기에 앞서, 컨트롤러나 프로세서는 특정 그리드 노드를 통해 전송될 에너지를 저장하게 구성된다. 나중에 전력 요구를 만족시키기 위해, 이 저장된 에너지를 팽창 모드로 운전하여 노드의 지연이 없는 쪽으로 파워를 전송한다..
시스템 컨트롤러나 프로세서에 의해 입수된 정보는 여러가지 형태를 가진다. 특정 실시예로, 예를 들어, Institute for Standards and Technology (NIST)에 의해 개발된 스마트 그리드 상호 운영 표준 (Smart Grid Interoperability Standards )에 따라, 컨트롤러는 파워그리드로 부터 직접 정보를 받는다. 다음 문헌은 본 발명에 결합되어 본 발명을 구성한다(incorporated by reference herein for all purposes, are the following documents): "NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards, Release 1.0*" dated January 2010; and "SmartGrid: Enabler of the New Energy Economy", Electricity Advisory Committee (December 2008). 스마트 그리드에 관한 정보는 파워의 현재 가격, 파워의 예상되는 미래 가격, 소비의 역사적 피크값을 포함하는 파워 그리드 상의 전력 소모 또는 출력 검침값, 그리드의 정체 상태 표시, 그리드 브라운 아웃, 그리드 블랙 아웃 등(current prices for power, expected future prices for power, readings of metered power consumption or output onto the power grid including historical peaks of consumption, indications of grid congestion, grid brown-outs, or grid black-outs)을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
컨트롤러나 프로세서는 스마트 그리드를 통해 입수될 수 있는 정보 이외에 대해서도 시스템을 구성할 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예에 따라, 컨트롤러는 시스템 동작에 영향을 주는 다른 정보를 인터넷을 통해 받을 수 있다. 이 정보에는 기상예보, 미래의 전기 또는 발전에 사용되는 석탄, 원유 등의 가격 등이 있다. 이러한 정보에 의거하여, 컨트롤러나 프로세서는 시스템의 동작, 동작모드, 파워 사용과 출력 사이의 균형 등을 주어진 시간 동안 제어할 수 있다.
또 다른 정보의 소스는 특정사용자에 대한 현재, 과거의 전기 사용에 대한 정보이다. 예를 들면 , 특정 실시예로, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 산업 단지와 같은 많은 전력을 사용하는 최종 사용자 측에 설치될 수 있다. 이러한 사이트의 계측기로 부터 받은 정보에 의해, 컨트롤러나 프로세서는 특정 방법으로 시스템을 동작시킬 수 있다. 이러한 정보의 한 예로는 최종 사용자의 과거 피크 부하가 있다.
최종 사용자의 예상되는 전력 사용량에 대한 정보도 에너지 저장 및 복구 시스템을 제어하는 데 필요할 수 있다. 예를 들면, 산업 공공 시설의 확대 또는, 축소 운전이 예상될 때, 이 정보는 시스템의 동작을 결정할 수 있는 정보가 된다.
외부 소스로 부터의 정보외에도, 컨트롤러나 프로세서는 내부 시스템으로 부터 정보를 받는다. 이러한 내부 정보는 시스템 내에 물리적 파라미터를 측정하기 위해 설치된 센서로 부터의 데이타일 수 있다. 이 데이타는 온도, 압력, 부피, 습도, 액체 및 가스의 유속, 그리고, 시스템 안에 움직이는 요소인, 팬, 펌프, 피스톤, 샤프트 등의 스피드 및 토크 등을 포함한다. 컨트롤러나 프로세서에 제공되는 내부 정보의 추가 예는 펌프, 팬 등의 모터 구동에 의해 얻어지는 파워 등이 있다.
광범위한 의미로, 컨트롤러나 프로세서는 시스템의 동작을 결정하기 위해 시스템 요소의 기능을 제어한다. 이러한 요소의 한 예로, 압축 가스 저장 유닛과 압축기/팽창기 사이의 밸브가 있다. 이 밸브를 닫으면, 압축 모드에서 가스가 저장 유닛으로 들어가는 것을 막는다. 이 밸브를 닫으면, 또한, 팽창모드에서 가스가 저장 유닛으로 부터 흘러 나오는 것을 막는다. 이렇게 저장 용기 안의 압력이 압축 가스의 소진을 나타낼 때, 컨트롤러나 프로세서는 시스템의 동작을 멈추고, 경제적으로 좋은 조건일 때 가스를 공급할 수 있도록 할 수 있다.
시스템이 동작 중일 때, 컨트롤러나 프로세서는 동작 모드를 결정하기 위해 시스템 요소를 제어한다. 이런 시스템 요소의 한 예는 3방향 밸브와 같은 밸브이다. 이러한 밸브의 상태는 특정 동작 모드에 따라, 시스템안의 액체나 가스의 흐름을 제어하기 위해 사용된다. 저장 용기의 압력이 압축 가스의 소진을 나타낼 때, 컨트롤러나 프로세서가 가스의 추가 공급을 휘해 시스템을 압축 모드로 운전한다.
컨트롤러나 프로세서는 특정 동작 모드 안에서 동작 방법을 결정하기 위해 시스템 요소를 제어한다. 예를 들면, 압축기/팽창기의 동작 효율은 압축되거나 팽창되는 가스의 부피 증가에 의존한다.
컨트롤러에 의한 시스템 요소의 동작 제어는 출력 전력과 효율에 의존할 수 있다. 예를 들면, 특정 응용에서, 시스템은 온도 제어 역할로 냉, 난방을 위해 물질을 공급한다. 이런 환경에서, 컨트롤러는 하나 또는 다수의 단계에서의 액체 주입, 비주입, 하나 또는 다수의 단계에서의 액체 상태, 하나 또는 다수 단계에서의 압축, 팽창 비율 등의 동작 파라미터와 다른 파라미터 등을 제어하여, 온도 제어에 사용할 시스템으로 부터의 가스 또는 액체의 최종 온도를 결정한다.
비용은 시스템 동작의 또 다른 고려 사항의 예다. 예를 들면, 파워그리드로 부터의 에너지의 가격이 비교적 높을 때에는 컨트롤러가 밸브를 제어하여 작은 양의 가스 만을 압축한다. 또 다른 예로는, 파워 그리드로 공급되는 에너지의 가격이 낮을 때는 컨트롤러는 시스템이 작은 양의 압축가스를 팽창하도록 제어한다.
저장 압축 가스 부피도 시스템 동작에 고려되는 또 따른 요인이다. 예를 들면, 저장 탱크가 거의 채워 졌을 때는 작은 양의 압축만 되도록 밸브 타이밍을 조절한다. 반대 상황, 즉, 탱크가 거의 비워져 있을 때는 팽창 가스의 양을 줄이도록 밸브 타이밍을 조정한다.
컨트롤러에 의한 시스템 요소 동작의 제어에 고려할 또 하나의 요인은 다단계 장치에서의 각 단계의 동작 조정이다. 다단계 장치를 갖는 실시예로, 이러한 단계사이의 효율적이 조율을 위해 시스템 요소들은 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다
하나의 예로, 압축/팽창 챔버의 입, 출구 밸브의 동작 타이밍은 컨트롤러에 의해 제어되어, 다단계 시스템이 효율적으로 동작할 수 있다. 각 단계사이의 액체 흐름을 제어하는 밸브의 동작 타이밍은 컨트롤러에 의해 제어될 수 있는 또하나의 동작 파라미터 예다.
또한, 특정 실시예로, 특정 시스템의 개별 단계는 중간 구조물을 통해 액체적 교환을 할 수 있다. 중간 구조물은 압력 셀 (예를 들면, 도4의 특정 실시예에 있는), 열 교환기 (예를 들면, 도 10의 특정 실시예), 밸브와 밸브 네트워크 (예를 들면, 도58B-C의 특정 실시예), 가스 용기, 가스/액체 분리기, 또는 액체 저장기 등이 있다. 이러한 특정 실시예로, 중간 구조물로 또는 중간구조물로 부터의 물질 흐름을 담당하는 요소는 시스템 동작을 조율하기 위해 시스템 컨트롤러에 의해 제어된다. 특정 경우에, 이런 단계 사이에 있는 밸브 간의 압력 차이를 최소화 하기 위해, 주기적으로 움직이는 부재의 상대적 페이스 (phase)를 제어하는 것이 더 좋을 수도 있다.
특정 실시예로, 따듯한 대기와 팽창 챔버 (또는 열교통에 있는 열 교환기) 사이의 에너지 전달은 응결에 의해 액체 물을 형성한다. 이러한 액체 물은 특정 용도를 위해 제공된다 (예를 들면 관계용수나 식수). 액체 물은 본 발명에 따른 특정 실시예로 부터의 에너지를 사용하여, 담수화 (desalinization)에 의해 얻어질 수 있다.
* 특정 실시예로, 프로세서나 컨트롤러는 시스템에서 만들어지는 액체 물의 양을 기준으로 시스템 동작을 제어할 수 있다. 다른 형태의 생산물은, 전력, 압축 가스, 이산화 탄소, 냉, 난방 용량 등이 있다.
1. 역류 열 교환기를 통하여 저장 유닛으로 부터 팽창 챔버로 압축 가스를 보내고;
팽창 챔버 내에서 팽창하는 가스와 열을 교환하기 위한 액체 스프레이를 주입하고;
가스의 팽창에 응답하여 팽창 챔버안에 있는 부재의 운동에 의해 구동되는 링크를 통해 전기 발전기를 구동하고;
전기 발전기로부터 전류를 파워 네트워크의 최종 사용자에게 흘려 보내고, 이때 상기 최종 사용자는 발전기와 팽창 챔버를 구비한 계측기 뒷단에 위치하고;
가스의 팽창 후에 가스로 부터 액체를 제거하는 것; 및
상기 분리된 액체를 최종 소비자에게 냉방용으로 흘려 보내는 것flowing the separated liquid to cool the end user)을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 스프레이는 액체 물을 포함하고, 상기 팽창 가스는 공기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 부재는 피스톤을 포함하고, 상기 링크(연결부재)는 기계적 링크(연결부재)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 방법은 주중에 아침 7곱시부터 저녁 7곱시까지 동작시키는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 방법은 계측기의 뒷단에 있는 로컬 전력 소스(local power source)로부터의 얻어진 물리적 에너지로 발전기를 구동하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 로컬 파워 소스는 터빈을 포함하고, 상기 물리적 에너지는 샤프트의 로테이션을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 로컬 에너지 소스와 열교환하는 팽창 가스를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 로컬 에너지 소스는 태양열 장치(a solar thermal apparatus)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 제2 액체 스프레이를 공급하여 압축 챔버 내에서 압축되는 추가 가스와 열교환시키는 단계;
압축된 추가 가스로 부터 상기 제2 액체를 분리하는 단계; 및
압축된 가스가 저장 유닛으로 부터 팽창 챔버로 흐르는 동안 상기 압축된 추가 가스를 역류 열 교환기를 통해 상기 저장 유닛으로 흘려 보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 모터로 구동되는 제2부재의 운동에 의해 압축 챔버안의 추가 가스를 압축하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 모터는 계측기의 뒷단에 있는 로컬 전력 소스를 최소한 부분적으로라도(at least in part ) 이용하여 구동되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 모터는 광전지 어레이 (photovoltaic array)를 포함하는 로컬 파워 소스로 부터 공급되는 전류로 구동되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 모터는 상기 로컬 파워 소스로부터 공급되는 물리적 에너지로 구동되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 압축 가스는 컨트롤러의 명령에 반응하여 저장 유닛으로부터 흘러나오는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 컨트롤러는 전력 네트워크의 정보에 의거하여 명령을 내리는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 정보는 응답을 요청하는 정보(a demand response solicitation.)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제15항에 있어서, 상기 정보는 계측기를 통하여 전류 공급의 중단을 표시하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제14항에 있어서, 상기 컨트롤러는 최종 사용자로 부터의 입력된 정보를 바탕으로 상기 명령을 내리는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 정보는 상기 최종 사용자의 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제18항에 있어서, 상기 정보는 최종 사용자의 전력 증가 요청을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제14항에 있어서, 상기 컨트롤러는 계측기 뒷단의 로컬 에너지 소스로 부터 받은 정보를 바탕으로 상기 명령을 내리는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제18항에 있어서, 상기 정보는 로컬 에너지 소스로 부터 공급되는 전력 을 이용할 수 있는지 여부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제1 액체 분리기와 역류 열 교환기를 통하여 압축 가스 저장 유닛과 선택적으로 액체를 교환하는 유출구를 가지는 압축 챔버;
상기 압축 챔버와 액체 교환을 하는 제1액체 스프레이기;
상기 압축 챔버 내에서 위치하며, 모터와 물리적으로 교통하는 제1 이동 가능 부재;
상기 역류 열 교환기를 통해 상기 압축 가스 저장 유닛과 선택적으로 액체를 교환하는 유입구를 가진 팽창 챔버;
상기 팽창 챔버와 액체를 교환하는 제2액체 스프레이기;
상기 팽창 챔버의 유출구와 액체를 교환하는 제2액체 분리기;
상기 팽창 챔버 내에 위치하여 발전기와 물리적 교통을 하는 제2 이동 가능 부재; 및
최종 사용자와 제2 액체 분리기 사이에 있는 열적 링크를 포함하며, 상기 최종 사용자는 상기 모터, 발전기와 함께 계측기 뒷단에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제23항에 있어서, 상기 발전기는 모터/발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제24항에 있어서, 상기 제1이동 가능 부재와 상기 제2 이동 가능 부재는 공통 링크를 통해 상기 모터/발전기와 물리적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 장치.
26. 제23항에 있어서, 상기 제1 이동 가능 부재는 기계적 링크를 통해 상기 모터와 물리적으로 교통하고, 상기 제2 이동 가능 부재는 상기 기계적 링크를 통해 상기 발전기와 물리적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 장치.
27. 제26항에 있어서, 상기 기계적 링크는 회전 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
28. 제26항에 있어서, 상기 기계적 링크는 플래니태리(유성) 기어 메카니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
29. 제28항에 있어서, 상기 플래니태리(유성) 기어 메커니즘은 계측기의 뒷단에 있는 로컬 에너지 소스와 기계적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 장치.
30. 제23항에 있어서, 상기 모터는 로컬 에너지 소스와 전기적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 장치.
31. 제23항에 있어서, 상기 제1 이동 가능 부재는 솔리드 피스톤 (solid piston)을 포함하고, 상기 제2 이동 가능 부재는 제2 솔리드 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
32. 제23항에 있어서, 상기 장치는 상기 정보 소스와, 상기 모터 또는 상기 팽창 챔버로 연결된 가스 입력 흐름 밸브와 전기적으로 교통하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
33. 전력 공급 네트워크의 계측기와 최종 사용자 뒷단에 있는 발전기;
챔버와 선택적으로 액체적 교환하는 압축 가스 저장 유닛;
챔버 안에 위치하며, 챔버 안에서 가스 팽창에 따라 움직이도록 구성된 부재로서, 상기 부재는 발전기와 선택적으로 물리적 교통하며;
액체 분리기를 통해 상기 가스 챔버와 액체적 교환하는 가스 출구;
상기 액체 분리기로 부터 상기 가스 챔버로 선택적으로 액체를 흘리도록 구성된 스프레이기;
상기 액체 분리기와 상기 스프레이기 간의 유체적 링크; 및
상기 액체 분리기와 상기 최종 사용자 간의 열 링크(thermal linkage )를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
34. 제33항에 있어서, 상기 열 링크가 열 소스와의 열적 교통이 일어나도록 상기 액체 분리기로 부터 액체를 선택적으로 보내는 것을 특징으로 하는 시스템.
35. 제33항에 있어서,
상기 최종 사용자와 전력 공급 네트워크의 계측기 뒷단에 위치하며, 상기 챔버 안에서 가스를 압축하는 상기 부재와 선택적으로 물리적 교통을 하는 모터와;
상기 챔버와 상기 압축 가스 저장 유닛 사이의 제2 액체 분리기를 포함하며, 상기 스프레이기는 액체를 상기 제2액체 분리기로부터 상기 가스 챔버로 선택적으로 주입하도록 구성되어 있으며; 및
상기 제2액체 분리기와 상기 최종 사용자 사이의 제2열 링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
36. 제35항에 있어서, 제2열 링크는 액체가 상기 제2 액체 분리기로 부터 열싱크 (heat sink)와 열적 교통을 하도록 선택적으로 위치시키도록 구성된 것 특징으로 하는 시스템.
37. 제35항에 있어서, 상기 시스템은
최종 사용자와 함께 전력 공급 네트워크의 계측기 뒷단에 있는 로컬 에너지 소스; 및,
링크를 더 포함하며,
상기 링크는
상기 로컬 에너지 소스와 상기 모터 사이의 물리적 링크,
상기 로컬 에너지 소스와 상기 모터 사이의 전기적 링크, 또는
상기 로컬 에너지 소스와 액체 사이의 열 링크를 더 포함하며, 상기 액체는 상기 스프레이기에 의해 상기 액체 분리기로부터 분사되어 나온 것을 특징으로 하는 시스템.
38. 제37항에 있어서, 상기 부재, 상기 모터, 상기 발전기 및 상기 링크는 공통 기어와 물리적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 시스템.
39. 제35항에 있어서, 상기 모터와 상기 발전기는 모터/발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
위에서 설명한 실시예는 파워 공급 네트워크의 발전 또는 소비 레이어 안에 서의 압축 가스 시스템 설치에 관련이 있지만, 본 발명은 이러한 역할에만 한정되는 것이 아니다. 실시예로 압축 가스 시스템은 송전, 배전 레이어에 설치될 수도 있고, 이 것도 본 발명의 범위안에 있다.
이에 따라, 도 66은 압축 가스 저장 시스템 6690의 실시예를 보여준다. 여기서 시스템은 송전 레이어 안에 위치한다. 시스템 6690은 송전 서브 시스템 6665와 하나 또는 다수의 링크 666을 통하여 교통한다. 특정 실시예로, 에너지 저장 시스템은 하나 또는 다수의 전기 링크를 통해 송전 레이어의 변압기와 교통한다.
전력 공급 네트워크 송전 레이어의 시스템 6690의 위치는 여러 가지 역할을 수행하게 한다. 배전 레이어와 송전 레이어에서의 설비 업그레이드 또는 추가의 비용은 환경적, 안전성, 규제등 때문에 상대적으로 높다.
그래서, 특정 실시예로, 본 발명의 따른 에너지 저장 시스템은 송전 레이어에 설치되어 송전 라인의 업그레이드를 늦추거나 피할 수 있게 한다. 예를 들면, 에너지 저장 시스템은 피크 부하를 갖는 송전 라인의 송전 변전소와 가깝게 설치될 수 있다. 이러한 역할로, 에너지 저장 시스템은 피크 시간을 피해서 송전을 할 수 있게 한다.
특정 실시예로 , 송전 레이어 (또는 아래서 설명한 바와 같이 배전 레이어) 에서 사용되는 압축 가스 에너지 저장 시스템 은 물리적으로 이동가능(portable) 일 수 있다. 예를 들면 , 이런 시스템은 , 트럭, 트랙터 트레일러, 또는 컨테이너에 설치되어, 송전 레이어, 배전 레이어에서 송전, 배전 지연이 예상되는 지역으로 쉽게 이동할 수 있게 된다.
배전 설비를 통하여 전송되는 많은 양의 전력 때문에, 파워 저장 시스템의 실시예는 많은 많은 양의 파워 저장을 필요로 한다. 또한, 저장 시스템이 일일 기준이 지연 (congestion)을 해결하기 위해 설치된 경우, 그 용량은 몇 시간의 걸쳐 요구 전력을 만족 시킬 수 있어야 하고, 하루 동안에 재생할 능력이 있어야 한다.
송전 레이어의 혼잡 (congestion)은 상대적으로 긴 시간이나 분 단위로 특성화 되나, 다른 종류의 송전 혼잡은 매우 짧은 시간에 나타날 수 있다. 예를 들면, 특정 동작 제한이 비상 요인하의 장비의 안정성을 기준으로 송전 설비에 부과될 수 있다.
이에 따라, 짧은 기간의 송전 용량이 송전 라인의 실제 용량과 다르게, 이런 제약에 의해 제한될 수 있다. 그래서, 송전 레이어에 연결된 에너지 저장 및 복구 시스템의 다른 역할은 짧은 시간에 전력을 생산하여, 송전 안정성에 부과된 제약을 효과적으로 완하하는 것이다. 이런 에너지저장 시스템은 송전망 안에서 전략적 위치에 약1초부터 15분 동안 전력을 공급할 수 있게 설치 될 수 있다.
송전 레이어의 에너지 저장 및 복구 시스의 또 다른 역할은 제한된 송전을 갖는 재생 에너지 소스를 돕는 역할이다. 예를 들면, 바람이 많이 부는 원격지에 작은 용량의 고압 송전 라인만 있는 경우다.
본 발명에 따른 에너지 저장 및 복구 시스템 실시예는 이러한 기존의 송전 라인으로 그러한 발전 설비가 생산한 전력을 감당할 수 있게 한다.. 예를 들면, 저장 시스템은 발전 설비에서 생산된 일부 또는 모든 전력을 저장하였다가, 송전 라인의 용량이 허용될 때 송전을 할 수 있다.
이러한 송전 지연은, 지연이 없었을 때 버려야만 되는 전력의 낭비를 줄인다. 더구나, 저장 시스템의 의한 송전의 지연은 송전 라인이 충분히 업그레이드 되기 전에도 재생 에너지 발전 설비가 설치될 수 있도록 한다.
에너지 저장 및 복구 시스템의 또 다른 역할은 송전 전압을 보완하는 역할이다. 특히, 전압 보완은 특정 전압을 유지하기 위해 전압을 올리거나 내리는 역할을 말한다.
예를 들면, 여러 소스 (대표적으로 유도 전동기)로 부터의 무효 전력은 (VAR) 네트워크의 한 형태의 전력이다. 무효 전력은 최종 사용자가 사용할 수 없지만, 허용된 범위의 전압을 유지하기 위해 전력 네트워크의 운영자에 의해 공급되어야 한다.
무효 전력의 전압을 제공하기 위해 초단위 이하의 응답시간을 가지고 전력을 공급해야 한다. 그래서, 이러한 전압 제어에는 보통 콘텐서 뱅크 (capacitor banks), SVC (static VAR compensators ), 또는 동기 콘덴서를 사용해 왔다. 이러한 디바이스는 로컬 전압을 올리기 위해 용량성 저항을 한다.
따라서, 실시예로, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은 송전 레이어에 위치하여 전략적 요충지에 무효 전력을 공급할 수 있고, 이로 인해 발전설비는 최종 사용자가 사용하는 유효 전력만을 생산하게 할 수 있다. 이러한 전압 보완 기능은 1초 이하의 반응 시간을 요구하고, 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템은 콘덴서 뱅크, 또는 다른 빠른 응답 시간을 갖는 장비와 연결되어, 요구된 응답 시간 내에 전력을 공급할 수 있다.
실시예로, 본 발명에 따른 에너지 저장 및 복구 시스템은 배전 레이어에 설치 될 수 있다. 한 역할로, 에너지 저장 및 복구 시스템 변전소의 피크 부하를 줄이거나 백업 기능을 수행한다.
도 66에서와 같이, 배전 변전소는 전력을 최종 사용자에게 보내기 위해 배전 레이어 안에 전략적으로 위치한다. 인구가 늘어남에 따라, 이런 변전소의 부하는 늘어나고, 특히 피크로드는 더 늘어난다.
배전 변전소의 설계는 피크요구를 만족하기 위한 요구 조건에 제약을 받는다. 그리고 부하의 증가는 변전소의 추가나 업그레이드를 요구한다. 이에 따라, 특정 실시예로, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템 은 배전 레이어에 설치가 되어 이런 피크 부하를 감소시키고, 그에 따라 비용이 많이 드는 변전소의 추가나 업그레이드를 지연시킬 수 있다..
따라서, 도66은 배전 레이어에 설치된 압축 가스 에너지 저장 시스템을 보여 준다. 특히, 압축 가스 시스템 6680a은 일차 배전레 이어의 변전소 6630a와 하나 또는 다수의 링크 6667을 통하여 교통한다. 압축 가스 시스템 6680b는 이차 배전 레이어의 변전소6630b와 하나 또는 다수의 링크6669를 통해 교통한다. 특정 실시예로, 압축 가스 시스템 은 배전 레이어의 변압기와 전기적으로 교통한다. 실시예로, 발전기가 배전 레이어의 출력 전압과 같게 출력을 하도록 구성된 경우, 시스템은 배전 레이어와 직접적으로 전기적 교통을 한다.
예를 들면, 일 실시예로, 배전 레이어 안의 저장 시스템 은 피크 시간이 아닐 때 파워를 저장하게 구성될 수 있다. 피크 시간에, 저장 시스템은 배전 레이어로 전력을 공급한다. 이러한 전략적 파워 공급은 하나 또는 다수의 변전소가 겪는 피크 부하를 감소 시킬 수 있다. 변전소의 사상 최고의 부하가 증가하지 않으면, 배전 변전소의 업그레이드에 필요성은 지연될 수 있다.
실시예로, 본 발명에 따른 저장시스템에 의해 감소된 피크부하는 또 다른 비용 감소를 제공한다. 예를 들면, 피크 부하의 감소는 변전소 요소의 부하를 줄이고 그에 따라 오랜 기간에 그 들의 안정성을 증가시킨다.
저장 시스템의 배전 레이어 변전소의 피크 부하 감소 역할은 저장 시스템의 속성을 결정한다. 예를 들면, 일차 변전소를 백업하기 위해 설치된 저장 시스템은 비교적 높은 전압을 출력해야 한다.
더하여, 전체 부하 대신, 피크 부하를 줄이기 위해 설치된 저장 시스템은 다른 역할의 시스템보다 작은 용량을 가질 수 있다. 시스템의 저장 용량은 또한 요구가 많은 시간의 횟수와 관련되어 결정될 수 있다.
다른 실시예로, 일차 배전 레이어에 설치하는 것 외에, 본 발명의 저장 시스템은 2차 배전 레이어에 설치될 수 있다. 이러한 역할로, 저장 시스템은 장비의 업그레이드를 지연시키고, 장비의 노후화를 방지할 수 있다.
또, 에너지 저장시 스템의 2차 배전레이어에 설치는 다른 장점을 제공한다. 예를 들면, 이러한 저장 시스템은 전력이 공급되지 않는 모든 상황에서 최종 사용자를 백업할 수 있다. 이러한 커뮤니티 (community) 에너지 공급의 분산성은 네트워크의 일부 노드의 고장으로 인한 전체 전력의 손실을 피하므로, 전력 네트워크의 안전성도 증가시킨다.
에너지 저장 시스템을 배전 레이어 안에 설치하는 것은 또한 “아이랜딩”(“islanding”) 효과를 제공한다. 즉, 보다 큰 망의 고장이 있을 때, 그리드의 일부는 아일랜드 (“islands”)로 독립정인 전력이 공급될 수 있고, 궁극적으로 다시 그리드로 연결된다. 이런 "아일랜딩" 기술은 그리드의 고장을 감소시키고, 사용자의 무전력 시간을 줄인다.
2차 배전 레이어에 설치된 에너지 저장 시스템은 최종 사용자에 설치된 다수의 분산 발전 (DG) 장치들로 부터의 출력을 안정화 시키는 데 사용된다. 이러한 분산 발전 장치의 예로는 지붕 위의 태양 전지, 풍력 터빈이 있다. 이런 역할로, 에너지 저장 시스템의 비용은 한 사용자 보다 많은 커뮤니티의 여러 사용자에게 분산될 수 있다.
에너지 저장 및 복구 시스템을 커뮤니티의 에너지 공급원으로 2차 배전 레이어에 설치하는 것은 또한 배전 손실을 줄여서 배전 효율을 향상시킨다. 이유는 저장 시스템이 부하와 가깝게 설치되기 때문이다.
전압 보완은 배전레이어에 설치된 본 발명에 따른 에너지 저장 시스템의 또 하나의 역할이다. 전압 보완기능은 배전 레이어와 연계되어 위에서 설명하였다.
특정 실시예로, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 배전레이어에 연결되어 전압보완을 제공한다. 예를 들면, 압축 가스 에너지 저장 시스템 은 농촌의 넓은 지역에 걸친 2차 배전 레이어를 따라 있는 점들의 전압을 올리는 데 사용될 수 있다.
특정 실시예로, 압축 가스 에너지 저장 및 복구 시스템은 다른 국지적 역할에 적당할 수 도 있다. 예를 들면, 전기를 많이 소비하는 특정 시설이 넓은 지역에 퍼져 있고, 공동 계측기를 사용하지 않을 수 있다 (따라서 위에서 설명한 바와 같이 개별 최종 사용자로 분류된다). 이러한 예로는 공항, 항만, 철도 들의 허브 (hubs)가 있다..
이러한 시설에 가까이 배전 레이어 안에 에너지 저장 시스템을 설치하는 것은 피크 시간에 부하를 줄이는 역할을 한다. 또, 에너지 저장 시스템을 그러한 배전 레이어에 사용하는 것은 안전성을 높이고, 자연 재해나, 테러 공격시에, 중요 시설에 공급되는 전력의 안정화에 도움이 된다
위에서 상세히 말한대로, 본 발명에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템의 동작은 컨트롤러나 프로세서가 받은 정보에 의해 제어된다. 특정 실시예로, 컨트롤러가 받은 정보는 시스템을 동작시키거나, 멈추는 기준이 된다. 특정 실시예로, 정보는 시스템을 압축 모드, 또는 팽창 모드로 운전하게 할 수 있다. 특정 실시예로, 컨트롤러가 받은 정보는 시스템의 효율을 전력 소비 또는 출력 전력과 비교하여 결정할 수 있다. 컨트롤러가 받는 정보는 에너지의 현재 가격, 미래 가격, 판매, 구매 계약 조건, 다른 소스로 부터 파워 그리드로 들어가는 에너지 공급 레벨, 기상 정보, 또는 시스템이나 다른 시설의 과거 계측기 정보 등이 있다.
1. 압축 가스 저장 및 복구 시스템의 컨트롤러에 외부 소스의 정보를 제공하는 단계; 및
제공된 정보를 정보를 바탕으로 상기 컨트롤러가 시스템 요소(system element)를 제어하여, 시스템 특성 중 적어도 하나를 결정하는 단계를 포함하며,
상기 시스템 특성은 (i) 시스템의 동작 또는 비동작, (ii) 압축 모드 또는 팽창 모드에서 시스템의 동작, (iii) 가스 압축에 의한 에너지 저장의 효율 또는 가스 팽창에 의한 에너지 복구의 효율, (iv) 시스템에서 소비된 파워의 양, 또는 (v) 시스템에서 생성된 공급 가능한 물질의 양을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 외부 정보가 파워 그리드에서의 전력의 현재와 미래 가격을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 전력의 현재 가격 또는 전력의 미래 가격은 파워 그리드에서 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 외부 정보는 파워 그리드로 전력을 사고 파는 계약 조건을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 요소(element)는 압축 또는 팽창 모드에서 시스템을 통하여 가스를 보낼 수 있는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 밸브는 압축 모드에서는 제1 패스 (path)로, 팽창모드에서는 제2패스로 가스를 보낼 수 있게 구성된 3방향 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 요소는 챔버 내에서 압축 또는 팽창을 위해 가스의 순차적 증가를 조절하는 밸브를 포함하고; 및
상기 밸브의 구동 타이밍은 증가량(a magnitude of the incremental volume)을 제어하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서,
상기 요소는 상기 챔버 안에서 압축 또는 팽창에 따라 가스를 배기 시킬 수 있는 밸브를 포함하고; 및
상기 밸브의 구동 타이밍은 상기 배기시에 상기 챔버 내의 압력을 제어하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 요소는 시스템에 의한 가스 압축 또는 팽창의 효율의 변화를 제어할 수 있도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
*10. 제1항에 있어서, 상기 요소는 가스를 압축하기 위해 시스템에 의해 소비되는 전력량을 바꿀 수 있도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법..
11. 제1항에 있어서, 상기 요소가 압축 가스의 팽창 시 시스템에서 출력되는 전력량을 제어할 수 있도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법..
12. 제1항에 있어서, 상기 출력되는 물질은 전력, 물, 또는 압축된 이산화 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 시스템 내부로 부터 받은 추가 정보를 바탕으로 상기 요소를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 추가 내부 정보가 압축 가스 저장 유닛의 압력을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장 및 복구 시스템이 복수의 단계를 포함하고, 상기 요소가 이러한 복수개의 단계간의 동작을 제어하는 하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장 및 복구 시스템이 복수의 단계를 포함하고, 상기 요소는 사용되는 단계의 수를 결정하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제1항에 있어서,
상기 에너지 저장 및 복구 시스템은 파워 그리드와 교통하고; 및
상기 정보는 (i) 파워 그리드의 운영자로 부터 받는 요구 대응, (ii) 그리드로 부터의 시스템에서 사용되는 사상 피크 전력, (iii) 파워 그리드 상의 부하의 표시,
(iv) 파워 그리드로부의 감소된 전력의 표시, 또는 (v) 파워 그리드의 혼잡 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제1항에 있어서,
상기 에너지 저장 및 복구 시스템은 공존하는 시설과 공유하는 계측기를 통해 파워 그리드와 교통하고; 및
상기 정보는 계측기에서 그리드로 부터 소비된 사상 피크 파워를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제1항에 있어서,
상기 에너지 저장 복구 시스템은 변동 출력을 가지는 대체 에너지 소스와 병존하며; 및
상기 정보는 대체 에너지 소스의 출력을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제1항에 있어서, 상기 정보는 기상 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 압축 가스 저장 및 복구 시스템과 전자적 교통을 하는 컨트롤러로서, 상기 컨트롤러는 외부 정보 소스와도 전자적 교통하며; 및
외부 정보 소스로 부터 받은 정보에 대응하여 요소를 제어하도록 구성된 코드를 저장하는 컴퓨터가 판독 가능한 저장 매체를 포함하며,
상기 코드는 상기 요소를 제어하여 시스템 요소 중 적어도 하나를 결정하도록 구성되어 있으며,
상기 시스템 요소는 (i) 시스템의 동작 또는 비동작, (ii) 압축 모드 또는 팽창 모드의 시스템 동작 상태, (iii) 압축에 의한 에너지 저장 효율 또는 팽창에 의한 에너지 복구 효율, (iv) 시스템이 사용한 전력의 양, 또는 (v) 시스템에서 생성된 물질의 양을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 요소는 압축모드 또는 팽창모드에서 시스템에 흐르는 가스를 제어하는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제22항에 있어서, 상기 밸브는 압축 모드에서는 제1패스 (path)로, 또는 팽창 모드에서는 제2패스로 가스를 보낼 수 있게 구성된 3방향 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제23항에 있어서, 상기 요소가 챔버 내에서 압축 또는 팽창을 위해 순차적으로 증가되는 양으로 가스를 공급할 수 있는 밸브를 포함하며; 및,
상기 밸브의 구동 타이밍은 순차적으로 증가시키는 양을 제어할 수 있도록 조절되는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제21항에 있어서, 상기 코드는 컨트롤러에 명령을 내려 상기 요소를 제어함으로써 상기 시스템에 의한 가스 압축 또는 팽창의 효율을 변경시키는 것을 특징으로 하는 장치.
26. 제21항에 있어서, 상기 코드는 컨트롤러에 명령을 내려 상기 요소를 제어함으로써, 가스를 압축하기 위해 시스템에서 소비되는 파워의 양을 변경시키는 것을 특징으로 하는 장치.
27. 제21항에 있어서, 상기 코드는 상기 컨트롤러에 명령을 내려 상기 요소를 제어함으로써, 압축된 가스의 팽창에 의해 시스템이 출력하는 파워의 양을 변경시키는 것을 특징으로 하는 장치.
28. 제21항에 있어서, 상기 코드는 상기 컨트롤러에 명령을 내려 전력, 물, 또는 압축된 이산화 탄소을 포함하는 시스템에서 출력되는 물질의 양을 제어할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
29. 제21항에 있어서, 상기 컨트롤러는 시스템 내부에서 생성된 추가 정보를 바탕으로 상기 요소를 제어할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
30. 제29항에 있어서, 상기 추가 내부 정보는 압축된 가스 저장 유닛의 압력을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
31. 제21항에 있어서,
상기 에너지 저장 및 복구 시스템은 복수의 단계를 포함하며,
상기 요소는 복수 단계들 사이의 동작을 조절할 수 있도록 제어되는 것을 특징으로 하는 장치.
32. 제21항에 있어서,
상기 에너지 저장 및 복구 시스템은 복수의 단계를 포함하며,
상기 요소는 사용되는 복수 단계의 수를 결정하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 장치.
33. 제21항에 있어서, 상기 코드는 파워 그리드 내에서의 현재 또는 미래의 전력 가격 정보를 바탕으로 상기 요소를 제어할 수 있게 상기 컨트롤러에 명령하는 것을 특징으로 하는 장치.
34. 제21항에 있어서, 상기 컨트롤러는 파워 그리드로 부터 정보를 받을 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
35. 제21항에 있어서, 상기 코드는 파워 그리드에서의 전력 판매 또는 구입에 대한 계약 조건 정보를 받아서 이에 기초하여 상기 요소를 제어할 수 있도록 상기 컨트롤러에 명령하는 것을 특징으로 하는 장치.
36. 제21항에 있어서, 상기 에너지 저장 및 복구 시스템은 파워 그리드와 교통하고; 및
상기 정보는 (i) 파워 그리드의 운영자로 부터의 요구, (ii) 그리드로 부터 소모된 시스템의 최고 전력, (iii) 파워 그리드에 있는 부하 표시, (iv) 파워 그리드로 부터 얻을 수 있는 감소된 전력 표시, 또는 (v) 파워 그리드의 혼잡도 표시 등의 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
37. 제21항에 있어서, 상기 에너지 저장 및 복구 시스템은 공존하는 시설과 공유하는 계측기를 통해 파워 그리드와 교통하며; 및
상기 정보는 계측기에 있는 그리드로부터 소비된 최고 피크 전력을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
38. 제21항에 있어서,
에너지 저장 및 복구 시스템 은 변동성이 있는출력을 내는 대체 에너지 소스와 병존하며; 및
상기 정보는 대체 에너지 소스의 출력을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
39. 제38항에 있어서, 상기 정보는 기상정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
본 발명에 따른 실시예는 에어로졸-사이클 ( aerosol-cycle) 냉각을 채용한 시스템과 방법에 관계가 있다.
증기-압축 (Vapor-compression) 에어콘은 간단하고, 효율적이고, 값도 싸고, 효과적이다. 불행하게도, 표준 냉매를 사용하면 온실 가스를 방출한다 본 발명에 따른 실시예는 증기-압축 시스템의 효율보다 좋고, 냉각 사이클 (refrigeration cycle) 이라는 열역학적 사이클의 사용으로 GHG의 방출이 없다.
본 발명에 따른 실시예는 스털링 (Stirling) 사이클과 비슷하 사이클을 이용한다. 이 사이클은 열을 전달하는 데 이용하는 가스의 등온 압축과 팽창을 이용한다. 몇가지 접근 방법에 따라, 가늘고, 밀도가 높은 액체 스프레이가 가스의 압축, 팽창에 주입될 수 있다. 높은 열 용량을 갖고 높은 인터페이스 면적을 갖는 이 스프레이는 동작 가스와 뜨겁거나, 차가운 대기 열 교환기 사이의 에너지를 수집하여 전달한다. 액체 가스 에어로졸의 한 선택으로 물과 공기가 있다. 이 물과 공기의 이용은 온실가스 배출이 없다.
가스 냉동 사이클은 기존의 증기 압력 장치에 비해 가벼워서 전통적으로 비행기에서 사용되었다. (Nag, P., "Engineering Thermodynamics," Tata-McGraw Hill, 2nd Ed., 1995를 참조). 이 가스 냉동 사이클은 시스템에 실행되는 단열 압축, 팽창 때문에 낮은 COP를 가지고, 그에따라, 기존의 냉동 유닛에는 부적합하다.
주목을 받는 기술은 스털링 (stirling) 사이클 냉동기이다. 현재 작은 사이즈의 스털링 사이클 냉동기는 상업적으로 사용된다. 이러한 시스템의 단점은 냉동 부하의 큰 변화에 대한 설계가 어렵다는 것이다. 또한, 스털링 냉동기는 동작 시작으로 부터 원하는 온도까지 올라가는 데 오랜 시간이 걸리고, 파워가 낮아서 시스템이 커지게 된다. (Organ, A, J., "Regenerator and the Stirling Engine," Mechanical Engineering Publications, UK을 참조.)
결론적으로, 이상적 스털링 사이클로 동작하는 에어컨은 FOA (Area of Interest 1a)가 설정한 목적을 달성할 수 있다. 그러나, 실제적으로, 이상적인 스털링 사이클에 근접하게 만들어진 스털링 에어콘이라도, 압축과 팽창 중에 가스로 부터의 아주 효율적이고 빠른 열 교환을 요구한다. 이런한 조건을 만족 못하면, 기존의 스털링 사이클 시스템의 압축과 팽창 프로세스는 거의 단열적 (adiabatic) 이고, 이에 따라 심각한 열 실을 일으키고, 파워 밀도를 제한한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예는 에어로졸 냉동 사이클을 이용한다. 이런 실시예는 가스의 압축과 팽창을 등온 (즉, 거의 온도 변화가 없는) 상태에서 일어날 수 있게 한다. 이것은 가늘고, 고열용량의 액체 스프레이를 압축되거나 팽창하는 가스에 혼입함으로 이루어 진다. 스프레이의 열용량은 가스의 열용량 보다 훨씬 커서, 압축시나 팽창시의 온도 변화는 단지 몇 도에 불과하다.
따라서, 이러한 에어로졸 냉동 사이클로 동작하는 고효율의 에어컨이 만들어 질 수 있다.
도73은 특정 실시예를 간단히 보여 준다. 시스템은, 모터 (7301), 왕복 피스톤 압축기 (7302)와 팽창기 (7303), 뜨겁거나 차가운 공기로 냉각된 액체 열 교환기 (7304와 7305), 두 개의 펌프 (7306과 7307), 두 대의 가스-액체 분리기 (7308 과 7309), 첵 밸브 (check valves) (7310과 7311), 그리고 솔레노이드 밸브 (7312 부터 7315까지), 그리고역류 열 교환기 (7316)로 구성된다.
에어로졸 사이클의 자세한 실시예는 다음과 같다.
1. 액체 스프레이로 부터 열을 받아서, 차가운 가스 ( ~55℉ 에서)가 왕복 팽창기 (7303)에서 팽창한다. 둘은 모두 ~45℉에서 팽창기를 떠난다. 추출된 일은 다시 압축기 (7302)와 펌프 (7306 과 7307)에 돌려 진다.
2. 차가운 에어로졸의 액체는 가스로 부터 분리 되어 (분리기 7309에 의해), 액체 증기로 흡수되고, 열 교환기 (7305)로 전달되어, 흡입된 공기를 ~55℉로 냉각시키고, 다시 팽창 가스에 스프레이 될 수 있도록 되돌아 온다.
3. 차가운 건조 가스는 역류 열 교환기(7316)를 통해서, 따듯한 건조가스를 역류시킨다. 차가운 가스는 등압 조건에서 가열되어 대기 온도 (~105℉)보다 약간 높게 된다.
4. 더운 액체는 따듯한 가스에 스프레이 되서, 압축된다 (압축기 7302에서). 압축기 일부는 팽창기에 의해 구동되고, 일부는 전기 모터 (7301)에 의해 구동된다. 압축에서 나오는 열은 에어로졸로 흡수된다. 둘 다 압축기로 부터 ~115℉ 에 나온다.
5. 더운 액체는 가스로 부터 분리돼서 (분리기 7308를 통해), 흐름에 흡수되고, 열 교환기 (7304) 로 흘러간다, 열 교환기는 대기로 열을 내 보내서 냉각된 액체는 다시 압축 가스로 스프레이 될 수 있도록 돌아온다.
6. 더운 건조 가스는 역류 열 교환기 (7316)를 통해, 찬 건조 가스를 역류시킨다. 더운 가스는 등압 조건 하에서 에어컨의 방출 온도 ( ~45℉까지)보다 낮아 진다. 가스는 팽창기로 들어가, 찬 액체화 혼합되고 사이클은 계속 된다.
종래의 냉동 사이클에서와 마찬가지로, 이 설계의 압축기는 가스 (공기 또는 헬륨)를 압축하고, 가열하고, 열은 열 교환기에 의해 대기로 방출된다. 그러나, 본 발명에 따른 사이클의 특정 실시예에서는, 대량 위상 변화가 없다; 온도 변화는 거의 전부 감지가 가능한 열로 전달된다. 더욱 더, 압축시의 열은 거의 모두 압축 실린더에 스프레이 되는 물방울에 흡수된다. 가열된 물방울은 압축의 맨 마지막 단계에서 방출되고, 압축 공기로 부터 분리된다. 가열된 액체는 열 교환기를 통해 열을 방출한다.
사이클의 팽창 단계는 압축 단계의 반대이다. 그러나 가스의 팽창이 피스톤을 구동하고, 차례로, 압축기를 구동하는 것에 주의한다. 이것은 가스의 팽창 에너지가 손실되는 표준 스로틀 (throttle) 밸브와 비교하여 효율을 향상시킨다.
내연 기관에서 볼 수 있는 왕복 피스톤 구조는 직접적으로 압축/팽창 챔버에 스프레이 할 수 있게 한다. 터빈과 같은 압축기는 가스와 액체 방울을 일정하게 혼합할 수 있는 구조를 가지지 않는다.
목표 사양 (75°F 빌딩 온도와 60% 상대습도, 상대습도 100% 에서 55°F 방출 온도, 그리고 95°F 대기온도)을 위해, 만일 다수의 기생손실 (parasitic)을 제어할 수 있으며, 합리적이 비용으로, 4를 넘는COP (coefficient of performance) 를 얻을 수 있다. 전기 모터와 드라이브의 효율이 95%가 넘으면, 압축기와 팽창기의 효율은 왕복 79%를 넘는다. 고성능 기계 부품을 사용하고, 압력, 팽창, 열 교환기의 온도 변화를 약 10° F 로 할 수 있으면, 이 정도의 효율을 얻을 수 있다.
반대로, 종래의 단열 압축기와 팽창기는 비슷한 조건에서100도가 넘는 온도 변화를 가진다. 본 발명의 실시예의 근사-등온 기술은 원하는 냉동 효율을 얻게 한다.
본 발명에 따른 실시예는 액체 스프레이 시스템을 사용한다. 특히, 압축/팽창시의 작은 고정된 작은 온도 변화는 효율적 시스템을 제공한다. 액체 스프레이는 압축시에 열을 흡수하고 팽창시에는 열을 방출한다. 고 열용량 때문에 물이 액체 선택으로 가장 좋다. 원하는 열 교환 비율을 얻기 위해, 스프레이의 밀도가 높을 수 있다. 즉, 물이 차지하는 부피는 최소한 0.25%가 된다. 또, 가스-물 에어로졸은 압축/팽창 챔버에 균일하게 분포되어 뜨겁거나 찬 부분이 생기지 않도록 한다.
설계된 노즐과 스프레이 매니폴드 (manifolds)는 전산 유동 역학 (CFD) 도구로 시뮬레이션 될 수 있고, 만들어 진 후, 레이저 영상 (laser imaging)과 입자 영상 유속계 (particle imaging velocimetry, PIV)로 시험될 수 있다.
스프레이 시스템의 실시예는 실린더 헤드를 통해서 물을 직접적으로 압축, 팽창 실린더로 주입한다. 어려운 점은 약 1리터의 실린더 헤드에 맞는 작은 스프레이 시스템을 만드는 것이다.
본 발명의 실시예는 압축기와 팽창기를 통합하는 것이다. 원칙적으로 여러 종류의 압축기와 팽창기 기술이 이 응용에 사용될 수 있다.
실제적으로, 동작 중에 밀도가 높은 물 스프레이를 주입해야 되는 요구 조건이 이 것을 결정한다. 왕복 피스톤 장치가 사용될 수 있다. 이 접근 방식은 기구적으로 가장 적합하고, 가장 효율적이고, 적당한 스피드와 기계적 효율을 제공할 수 있다.
왕복 장치는 기존의 압축기를 개조하여 설계될 수 있다. 스프레이 시스템 용 커스텀 실린더 헤드를 만들 수 있다. 특수 물질과 코팅을 이용하여 방수가 되는 장치를 만들 수 있다. 예로는 드러난 표면용으로 니켈 폴리머 (nickel-polymer) , DLC (diamond-like carbon) 코팅이 있고, 그래파이트 필드 (graphite-filled) PTFE 피스톤 링, 황동 노즐과 스테인레스 밸브가 있다.
본 발명의 실시예는 역류 열 교환기를 사용한다.역류 열 교환기의 성능은 원하는 시스템의 효율을 결정한다. 열 교환기 양끝의 입, 출력 공기흐름은 낮은 ΔT (약 10° F)를 갖고, 120psi이상의 내부 압력에 견디는 열 교환기를 사용할 수 있다.
둘째로, 더운 가스가 냉각될 때, 역류 교환기에 결로 현상이 일어날 수 있다. 뜨거운 가스가 열 교환기에 압서 분리기를 떠날 때, 습기로 포화될 수 있다. 열 교환기의 압력 강하가 낮을 수 있으므로, 공기 중의 습기의 일부가 열 교환기 안에 응결될 수 있다. 시스템의 폐회로에서 물이 높은 압력 상태로 있으면, 응결은 해결되고, 다시 시스템으로 돌려진다.
역류 열 교환기의 모델은 높은 압력에서 건습계 (psychrometric ) 속성 값을 포함한다. 기존의 소프트웨어는 27 bar까지의 압력에 대해 습도를 가진 공기의 열열학을 해석할 수 있다. 건습계 (Psychrometric) 알고리즘이 응결이 일어나는 차가운 물 코일을 지나는 습기를 가진 공기 모델에 사용된다.
사용되는 가스가 공기일 경우, 압축기로 바로 보내지 않고, 적합한 압력 용기에 저장될 수 있다. 이것은 전기가 싼 밤시간에 충전할 수 있게 한다. 냉방은 나중에 사용하게 된다 (더 이상의 전기를 사용하지 않고) - 주로, 다음날, 에어컨이 필요하고 전기료가 비쌀 때.
본 발명에 따른 실시예는 “오픈”(“open”) 설계를 허용한다. 즉 대기로 부터 들어온 공기는 팽창기로 부터 다시 대기로 돌아간다.
본 발명에 따른 실시예에 따라 온실 가스를 배출하지 않는, COP 4를 갖는 에어컨 시스템을 경제적으로 개발할 수 있다. 특정 부품 (즉, 근사 등온 압축기과 팽창기, 역류 열 교환기)은 개별적으로 만들어지고 시험될 수 있고, ( 적당한 분석과 시뮬레이션 후에), 시스템에 조립될 수 있다.
열역학적 모델링은 다음과 같이 구해진다. 이 장치의 응용은 고성능 에어컨 시스템이다. 라텐트 (Latent) 및 센서블 (sensible) 냉각은 차가운 물 코일에서 일어난다 (차가운 쪽의 열 교환기). 그러므로, 정확한 성능에 대한 모델링은 공기 쪽의 적당한 건습계 프로세스를 포함한다.
설계 파라미터들에 대해 성능이 측정되지만, “오프” (“off”) 설계 조건에서의 동작도 계절적 성능 평가에 중요하다. 시스템 성능을 실내, 실외 조건에서 시뮬레션하기 위해, 열역학적/건습계적 모델을 사용한 파라미터 분석이 필요하다.
여러가지 실시예에 따른 가능한 다른 응용은 온수 난방을 돕거나, 또는 히트 펌프에 사용되는 시스템이다. 이러한 시스템은 정적 상태 열역학적 모델링을 사용하여 분석될 수 있다. 이런 응용은 원래 설계와 다른 열 교환기를 사용한다. 만일 더운 쪽의 일부 또는 전체 열이 온수를 데우기 위해 사용되거나, 공기와 공기 사이의 히트 펌프로 사용될 때, 시스템 성능에 미치는 영향을 보기 위해 열역학적 시뮬레이션이 사용된다.
부품에 대한 모델링은 다음과 같이 실행된다. 이러한 응용에서는 두가지 문제점 때문에, 기존의 열 교환기를 사용할 수 없다. 첫째는, 모든 열 교환기에서 높은 압력을 사용하고 있다. 높은 압력에 대한 안전성을 갖기 위해, 튜브의 두께를 두껍게 해야한다.
둘째로, 뜨거운 가스 흐름이 냉각될 때, 역류 열 교환기에 결로가 생긴다. 뜨거운 가스가 역류 열 교환에 앞서 분리기를 떠날 때, 습기로 거의 포화된다. 열 교환기를 통한 압력 강하는 낮아서, 공기에 있는 일부 습기는 열 교환기 안에서 응결된다. 이 시스템의 폐쇠 회로 안에서 높은 압력 상태에 있는 모든 물과 같이, 응결된 습기는 회수되어, 시스템에 돌려진다.
역류 열 교환기의 모델링은 고압에서의 건습 속성값을 요구한다. 기존의 소프트웨어는 27 bar 압력까지의 습공기의 열역학적 속성를 제공한다. 종래의 건습 알고리즘이 결로가 일어나는 차가운 물 코일을 통해 흐르는 습공기의 모델링에 사용될 수 있다. 종래의 열 교환, 유체역학 원리와 모델이 수정없이 시스템 밖에 있는 습공기와 습공기 안에 있는 물에 적용될 수 있다.
부품 들은 다음과 같이 설계될 수 있다. 열 교환기의 설계 요구사항은 부품의 모델링의 결과로 부터 결정된다. 설계는 세개의 주 열 교환기, 가스와 뜨거운 물 사이의 역류교환기, 그리고 차가운 물 코일에 대한 사양들로 구성된다. 사양은 열 교환 용량, 유속, 압력 등급과 압력 강하, 최대 크기와 무게를 포함한다. 컴팩트 (compact)한 설계는 또 하나의 도전일 수 있다.
데이타 수집과 시스템 설계는 다음과 같다. 고압력 상태에서 사용할 수 있는 적당한 센서가 데이타 수집을 위한 소프트웨어, 하드웨어와 사용될 수 있다.
* 시험 설비는 열 교환기의 차고 더운 양쪽으로 들어오는 공기에 대해, 안정된 온도와 습도를 유지할 수 있는 두개의 챔버를 포함한다. 차가운 쪽에서 수집된 대부분의 데이타는 시스템의 냉동 부하를 결정한다. 열 교환기의 공기와 물의 열전달 율이 얻어질 수 있다. 물 쪽의 측정이 습공기 쪽의 측정보다 정확할 수 있다. 정확한 전력 측정이 시스템의 C.O.P를 결정하기 위해 필요하다.
열 교환기의 설계를 시험하기 위한 설비는 다음과 같다. 두개의 별개의 측정 시스템이 가능하다. 하나는 역류 열 교환기 시험용이다.
이 설비에서는, 압축/팽창기의 고온/저온 측에 있는가스/액체 분리기에서 나오는 조건하에서 습공기가 제공된다. 열 교환기의 양쪽 끝에서 나오는 습공기의 온도, 압력, 습도 값과 유속이 측정된다. 추가로 응축액의 온도와 유속도 모니터할 수 있다.
뜨겁고 찬 물 코일은 주어진 공기 속도를 낼 수 있고, 터널에서 공기를 가열하거나 습기를 주입할 수 있는 설비를 사용하여 시험한다. 이 설비는 공기가 가열되고 습기가 주입되는 차가운 물 코일을 시험할 수 있다. 찬물을 이용하여, 열이 공기 흐름으로 부터 제거될 필요가 있을 때, 온수 코일를 시험하기 위해 냉각 기능이 설계될 수 있다. 이러한 시험에서 공기의 유속은 아쉬래 (ASHRAE) 필터 시험에서 보다 낮다. 그러므로, 기존의 노즐보다 낮은 범위에서 유속을 측정하기 위해, 또 정확한 측정을 위해, 새로운 공기 흐름 노즐이 사용된다. 계측 장치는 두개의 설비에 모두 설치되고, 데이타 수집 장치에 연결된다. 시스템의 성능 점검이 이루어 질 수 있다.
근사 등온 압축과 팽창 사이틀의 열역학적 해석과, 시스템의 관련 기술이 개발이 이루어 졌다. 이 연구는 저가의 효과적인 에너지 저장 시스템을 개발하기 위해 유사한 기술을 사용하려는 노력으로 부터 이루어 졌다.
액체를 압축과 팽창 챔버에 질량 흐름과 물방울 크기로 넣기 위한 스프레이 노즐과 제어시스템 대한 연구를 하였다. 이러한 스프레이 시스템은 입자가속이미지와 전산 유동 역학 분석으로 특성화 될 수 있다.
도 29는 매우 균일한 물방울을 분배하고, 고압축율에 적합한, 속이 빈 콘 모양을 갖는 노즐의 속도장 (velocity field)을 보여준다. 도 30은 팬 (fan) 노즐의 전산 유동 역학 시뮬레이션이다. 팬 노즐은 높은 질량 흐름을 제곡하고, 가스에 균일하게 스프레이 할 수 있게 매니폴드 (manifold)에 설치될 수 있다.
도 74는 압축율 32를 갖는 두 압축 사이클에 걸친 질량 가중 평균 온도 (mass weighted average temperature) 그래프다. 비교를 위해, 스프레이 없는 평균 온도도 보여준다. 도 74A는 매우 높은32의 압축율에서 가스 압축 전산 유동 역학 시뮬레이션으로 부터 상부 사점 (top dead center)에서의 절대 온도의 적외선 사진 (false color representation)을 보여 준다.스트로크 당 주입되는 물의 양은 부피의 약 0.6 %이다.
R＆D 진행:
과거에, 압축 가스를 이용한 에어컨이 개발되지 않은 하나의 이유는 종래 (단열)의 압축/팽창의 열효율이 매우 낮았기 때문이다. 예를 들면, 공기를 1 기압 에서부터 200 기압으로 압축했다 원상태로 팽창시키는 왕복 효율은 약 30%에 불과하다. 추가로, (압축, 팽창시의) 가스의 온도 변화는 압축율을 약 3.5로 제한하고, 여러 단계의 압축 팽창을 요구하고, 그에 따라, 효율을 더 감소시킨다.
이런 시스템의 성능을 보여주기 위해, 우리는 물을 압축기에 스프레이 함으로서 온도 차이 (ΔT )를 20도 이하로 유지하면서 공기를 압축하는 것을 보여 주려 한다. 압력에 대한 조건은 에너지 밀도가 약 25 Wh/liter가 되게 설정한다, 이 조건은 시스템의 실제사용에 적합하다. ΔT에 대한 조건은 아래서 설명하는 바와 같이, 목표 왕복 열효율인 90%가 되게 설정한다.
시스템의 열효율:
도 75는 에너지 저장 시스템에 사용되는 열역학적 사이클의 실시예를 보여준다. 프로세스 1에서 2로 가는 동안, 공기는 등온 압축기로 약 200 기압 정도의 높은 압력으로 압축된다. 이 등온 압축기는 LSE에 의해 개발된 적합한 물 스프레이 기술을 사용한다. 기존의 시험 데이타는 30 정도의 높은 압축율이 등온 압축에서 얻어 질 수 있음을 보여 준다 (Coney et. al., "Development of a reciprocating compressor using water injection to achieve quasi-isothermal compression", Int. Compressor Eng. Conf., July 16-19, 2002, 를 참조), 반면에 종래의 단열 압축기로는 압축율 3.5를 얻을 수 있다. 이러한 등온의 높은 압축율 때문에, 고압 (200 기압을 넘는)이 단지 두 단계에 의해 얻어 질 수 있다. 이 압축 에너지는 몇 분 또는 몇 시간 동안 탱크에 보관된다. 대형 수메가 와트 급 발전 시스템에서는, 이러한 에너지는 몇시간 동안 탱크에 보관될 수 있다. 이 시간 동안 탱크에 있는 공기는 일부의 열을 잃고 일정 부피에서, 대기 온도로 돌아 온다. 저장된 에너지가 필요할 때, 압축공기는 물스프레이 기술을 사용한, 프로세스 2-3을 따라 등온 상태에서 팽창된다.
열역학적 분석:
이 섹션에서 이 시스템의 가능성을 보여준 기본적인 열역학적 계산을 보여준다. 시스템에 주입되는 물의 양은 온도를 어느 정도 일정하게 유지할 정도여야 한다. 에너지 전달은 다음 식으로 주어진다:
Figure pat00095
. 수백 마이크론 크기의 물방울의 열 전달율은 매우 빨라서 공기와 물방울에 의해 빠른 열평형에 다다른다. 개발된 독점 스프레이 기술에 대한 다음 섹션의 논의는 명확히 작은 물방울 사이즈가 전체 에너지의 상대적으로 작은 비율의 에너지를 적용하여 가능함을 보여 준다. 공기와 물이 같은 온도를 갖는다고 가정한다. 그러므로,
Figure pat00096
가 되고, 여기서
Figure pat00097
는 단위 공기당 물의 질양이다.
Figure pat00098
와
Figure pat00099
가 각각, 공기와 물의 질량이라고 할 때, 다음 식이
Figure pat00100
성립된다. 위의 두식을 결합하면, 다음이 성립한다.
Figure pat00101
, 여기서.
Figure pat00102
. 압축시의 일 (work)은 다음과 같이 계산된다:
Figure pat00103
. 에너지 저장 시스템의 효율은 다음과 같이 정의 된다:
Figure pat00104
.
효율과 물 부피의 비율과의 관계는 도 76A에 있다. 도76A은 다른 크기의 물방울이 압축시 실린던에 스프레이 될 때, 에너지 저장 사이클의 이상적인 열역학적 효율을 보여준다 (20 Hz에서 14.1의 압축율을 가지고).
이것은 90%의 이상적인 왕복 열역학적 효율을 얻을 수 있고, 100 마이크로 미터 크기의 물방울 형태로 압축기에 최고 2.5%의 부피의 물을 스프레이하는 것이 필요하다는 것을 보여준다. 도76A에서 보는 바와 같이, 이 양의 물을 스프레이 하는 것은 압축/팽창시의 온도 증감을 약 ΔT = 20 K로 한정한다.
도 76B는 물부피 비율의 증가와 배출 공기의 온도 관계를 보여준다. 도 76B는 1 기압 에서, 압축율 14.1로 20Hz 주기로 압축하는 동안에, 초기 물 부피 비율의 함수로, 공기 온도 증가 (ΔT) 를 보여준다.
물 부피의 비율이 2.5%에서, 100㎛ 물방울이 스프레이 될 때, 배출 공기 온도의 증가는 20도 보다 작다. 비교하면, 물방울이 사용되지 않으면, 온도 증가는 1000K 가 넘는다.
공기와 물방울 사이의 열 교환에 대한 시간 스케일 ( scale )
현재 압축 시스템에 대해, 다음을 가정할 수 있다:
Figure pat00105
, 그리고 이론적, 실험적으로 계산된 주입 속도에 근거하여,
Figure pat00106
. 그래서,
Figure pat00107
. 물방울의 평균적 크기를 100 마이크론, 공기 전도율 k = 0.027 W/m/K 를 가정하면, 열 전달 상수 'h' 는 2000 W/m2/K가 된다. 구형의 물방울과 공기 사이의 열전달은 다음 식으로 써진다:
Figure pat00108
, 여기서
Figure pat00109
는 물방울 하나를 둘러 싸고 있는 공기의 질량이다.
Figure pat00110
와
Figure pat00111
는 공기와 물방울 각각의 온도이다.
Figure pat00112
는 물방울의 표면적이다. 주입된 물질량의 계산으로 부터,
Figure pat00113
이 된다, 여기서
Figure pat00114
는 물방울의 질량이다. 열 교환 프로세스와 관련된 시간 스케일 (time scale)은
Figure pat00115
로 계산된다. 100 마이크론 물방울에 대해 계산하면, 대략 1 밀리 초가 된다. 이것은 압축 프로세스의 시간 스케일보다 매우 빠르다. (압축은 약 1200 RPM의 회전 속도로 동작한다).
등온 압축의 전산 유동 역학 분석( CFD Analysis ):
압축 비율 를 갖는 등온 압축에 대해 전산 유동 역학 (CFD) 분석을 하였다. 다이나믹 리메싱과 (dynamic re-meshing) 복잡한 다위상 유동 시뮬레이션 모델을 사용하여 공기와 물 위상 사이의 복잡한 상호작용을 시뮬레이션 했다. 두 위상에 대해 개별 에너지, 모멘텀과 부피 보존 수식을 풀었다.
도 77은 배출 밸브가 열린 직 후에 실린더 헤드에 가까운 위의 중심의 온도 (K)를 보여준다. 시뮬레이션에서, 물방울의 스플래슁 (splashing), 슬라이딩 (sliding), 스틱킹 (sticking) 효과 때문에 벽에 물의 축적 현상이 관찰된다. 일반적으로, 물이 많은 부분의 온도는 낮고, 물 부피가 작은 부분에서는 온도가 높다.
도 78은 스프레이가 없을 때와 있을 때의 온도 변화를 보여준다. 도78은 스프레이가 있을 때와 없을 때, 크랭크 회전과 질량 평균 공기 온도 (K)의 전산 유동 역학 예측을 보여준다.
스프레이가 없을 때에 가스의 평균 온도는 약 270K 정도 올라가고, 반면에 200 마이크로 미터의 물방울을 1초에 0.4리터씩 스프레이 할 때의 온도 변화는 약 25K였다. 이 결과는 이론적 분석을 확인하고, 명확히 제안된 접근 방법의 효과를 보여준다.
다른 손실:
등온 압축/팽창 사이클에 의해 감소될 수 있는 열적 비효율 이외에, 효율을 떨어뜨리는 다른 손실도 있다. 여기에 이러한 손실이 요약되어 있다.
모터와 전자부품의 손실: 약 5%로 추정됨. 높은 효율의 부품을 높은 비용으로 구입할 수 있다..
밸브 손실: 약 2.7%로 추정됨. 밸브를 통한 흐름과 압력 강하와의 관계는 다음 식과 같다:
Figure pat00116
. 공기와 물의 흐름을 알고 있기 때문에, 압력 강하는 다음과 같이 계산된다:
Figure pat00117
. 공기와 물의 전형적인 속도는 밸브 근처에서 약 10m/s 정도 이다 (
Figure pat00118
). 손실은 물과 공기의 별도의 위상에 대해 계산된다: KJ/kg-of-air 단위로 공기 흐름 손실을 계산하면
Figure pat00119
가 되고, 약
Figure pat00120
가 된다. kJ / kg - of - air 단위로 계산한 물 흐름에 의한 밸브손실은
Figure pat00121
가 되고, 약
Figure pat00122
로 계산되고, 이것은 456 kJ / kg의 생산된 파워의 1.1% 정도이다.
마찰과 누출 손실: 이러한 손실은 주로 실린더 안의 피스톤 운동과, 피스톤 링을 통한 압축된 공기의 누출에 기인한다. 마찰과 누출에 의한 손실은 피스톤 링 당 약 4 psi가 된다.
스프레이 손실: 약 0.16%로 추정됨. 이 손실은 노즐에 가해지는 압력 차이와 노즐을 통해 흐르는 유속에 근거하여 추정된다. 손실은 다음 식을 이용해 추정된다:
Figure pat00123
스프레이 시스템:
위에서 말한 분석에 의해 설정된 스프레이 조건을 만족하기 위해, 상대적으로 낮은 압력 차이 (<50 psi)와 높은 유속 (~100cc/s)으로 동작하고, 비교적 짧은 브레이크업 길이 (short breakup length)로 작은 물방울 (<100 micron)을 만들어 내는 스프레이 시스템이 설계될 수 있다. 스프레이 노즐은 실린더 내부에 상대적으로 균일한 스프레이를 만들어, 얕은 (실린더 헤드에 대해) 각도로 스프레이 하고, 작거나 부피가 없는 물방울을 만들어 내야 한다. 그리고 노즐은 제조가 쉬어야 하고, 쉽게 캐비테이션 (cavitation) 효과를 제거하거나, 줄일 수 있어야 한다.
노즐은 실린더에 적합하도록 충분히 작고, 안정적이고, 낮은 가격으로 재 생산될 수 있게 설계되었다. 노즐 개발은 계속되고 있다. 일부의 실험적, 수리적 시험은 다음과 같다.
도30 과79-82b는 우리가 시험한 노즐의 전산 유동 역학 시뮬레이션을 보여 준다. 도 79는 이차원 적으로 제트 브레이크업 (jet breakup) 의 다위상 흐름의 시뮬레이션을 보여준다. 도30은 독점적인 LSE의 하나의 노즐로 부터 방출되는 물 스프레이의 전산 유동 역학 시뮬레이션을 보여준다. 도80은 개발된 피라미드 노즐로 부터 방출되는 물 스프레이의 전산 유동 역학 시뮬레이션을 보여 준다.
전산 유동 역학 시뮬레이션으로, 우리는 노즐의 내부 흐름의 구조와 형성된 쉬트 (sheet) 의 분산 각도를 예상할 수 있다. 우리는 또 대충의 브레이크업 (breakup) 길이와 메커니즘을 얻을 수 있다. 그리고 얻어진 정보와 출판된 과학 문헌에 나와 있는 반 실험적 결과를 가지고, 브레이크업 (breakup) 길이와 물방울 크기 값을 더 정확하게 예측할 수 있다.
도81은 입자 영상 유속계 (PIV)를 사용하여 얻은 물방울의 실험적 그림이다. 이 그림은 액체쉬트 브레이크업과 미립자화 (atomization)를 보여 준다. 도 81b 측정된 물방울 크기의 분포를 보여준다.
실험 설정은 532nm 파장의 두 시퀀셜 (sequential) 50mJ 4ns 레이저 펄스로 관찰장 (view field)를 비출 수 있는 dual-cavity Nd:Yag laser (Solo III-15, New Wave Research를 포함한다. 이 설정으로 물방울 속도의 공간적 분포를 측정할 수 있다.
비용 분석:
20 Hz (1200 RPM, 두번의 파워 스트로크 ( strokes))의 동작을 가정하고, 90%의 효율로 공기를 200 기압 탱크로 부터 1 기압으로 팽창시키면, 시스템의 파워 레이팅 (power rating)은 다음 식을 사용하여, 7.75 kW/Liter-of-displacement 로 계산된다:
Figure pat00124
우리는 트럭 디젤 엔진을 모델로 사용하여 제안된 압축기와 팽창기의 (대량 산 의) 비용을 계산해 보았다. 이것은 디젤 엔진의 압력 값이 우리 시스템의 압력 값 (~200 기압)과 비슷하기 때문에 직관적으로 합리적이다. 4 스트로크 (strokes, 우리 시스템과 같은 스트로크 수다)를 가지고, 2400 RPM 에서 디젤 엔진의 파워 레이팅 (power rating)은 다음 식을 사용해 약 16 kW/Liter-of-displacement 로 계산된다:
Figure pat00125
100 마력 (~75 kW) 의 트럭 엔진의 비용이 약 $6000 이라고 가정하면, 대량 생산 시의 압축기/팽창기의 총 비용은 약 $165/ kW 가 된다. 다음 표는 추정된 비용을 요약한다.
Figure pat00126
COP
목표 조건 하에서, 많은 상업적 에어컨 유닛은 COP 3.5로 동작한다. 우리 시스템의 목표는 COP 4.25 이다. 우리 분석의 요약은 다음과 같다.
도32A는 전체 사이클을 통한 일과 열 흐름을 보여 주는 파워 흐름 그래프다. 모든 파워 값은 그리드로 부터 흘러 들어 오는 파워에 정상화 (normalize) 되어 있다. 첫째, 1 kw의 전력이 97%의 효율로 모터 드라이브에 의해 처리되고, 다시 95%의 효율로, 모터에 의해 처리된다. 모터 샤프트로 전달된 파워는 마찰에 의해 0.5%의 손실이 생긴다. 이 샤프트는 압축기를 구동한다. 압축기는 스프레이, 누출, 기계적, 열적 손실을 가진다.
스프레이 손실은, 1:10의 물과 헬륨사이의 질량 비에 대해, 시스템에 사이클 되는 일의 단지 1% 이다. 왕복 압축기 또는 팽창기의 기계적이나 누출에 의한 손실은 보통 95% 정도다. 그러나, 마찰 손실은 구멍 마찰 (orifice)과 파이프 손실, 피스톤 링 등의 밸브 구동기에 집중되어 있고, 이러한 마찰 손실은 압력의 증가에 비례하지 않는다. 그리고 밸브/파이프 손실은 헬륨과 같은 가벼운 가스에 대해 낮다. 동작은 내부압력 25 bar와 압력비 2.71 상태에서 이루어 진다. 이러한 기계적 효율은 95.6 %을 유지한다.
열 효율도 있다. 압축기와 팽창기의 동적 열 성능이 분석되어, 분석적 한계치, 계산적 결과, 그리고 소규모로 실험한 결과를 얻었다. 가스가 낮은 온도에 있으므로 팽창 시의 일의 양은 압축 시의 일의 양보다 작다. 가스와 액체 사이의 온도 차가 5°F 이하일 때, 팽창 효율은 92.7%고 압축효율은 98%다. 이러한 온도 차는 우리의 분석적, 계산적 결과에 따르면 실현 가능하다.
크기
1200 RPM 과150 psi로 움직이는 1 톤 시스템을 위해서는, 1 마력의 전기 모터, 350 cc의 두 개의 왕복 피스톤, 그리고 15 제곱 미터의 인터페이스 표면적을 갖는 팬-냉각 (fan-cooled) 열 교환기가 필요하다. 이러한 부품 들은 원하는 크기로 (1.5’x1’x9”) 만드는 것은 어렵지만, 가능하다.
수명
설계에 사용된 부품은 목표 사양인 14년 동안 작은 보수, 또는 보수 없이 동작할 수 있다. - 이 부품들은 다른 비슷한 시스템에서도 마찬가지다. 수명의 위험성은 압축기와 팽창기에 물을 사용할 때 생긴다. 물은 많은 금속을 부식시킨다. 수명이 긴 방수 재료가 슬라이딩 실 (sliding seal), 밸브 시트 (valve seats), 웨어 서피스 (wear surface), 그리고 패스너 (fastener)에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 설계는 알루미늄 부품, 니켈-폴리머 코팅, 그리고 PTFT 슬라이딩 (sliding) 부품 들을 사용할 수 있다.
비용
톤 당 $1000의 목표를 달성하기 위해, 근사-등온 압축과 팽창 실린더의 비용 공학을 적용할 수 있다. 350 cc 왕복 공기 압축 펌프의 소매 가격은 약 $370이다. 본 발명에 따른 실시예는 커스텀 밸브와 스프레이 노즐, 펌프, 공기-물 분리기를 사용하여, 압축기나 팽창기로서 동작할 수 있다. 만일 모든 부품의 총 비용이 $500로 유지되면 , 1 hp 모터에 $150, 3개의 열 교환기에 총 $300, 인클로져 (enclosure)와 컨트롤러를 위해 $50이 남는다.
확장성
디자인이 간단한 왕복 피스톤 메커니즘을 사용하므로, 시스템은 임의로 100 와트 부터 10 메가 와트까지 확장될 수 있다. 대형 유닛은 낮은 톤 당 비용이 든다..
8 기압까지의 등온 압축은 시연될 수있다. 시연은 다음 단계를 포함한다:
1. 근사 등온 공기 압축과 낮은 압력 (10 기압 )에서의 팽창을 시연한다. 이 시연은 낮은 밀도의 에너지 저장을 가능하게 한다.
2. 근사 등온 공기 압축과 높은 압력 (ca. 200 atmospheres ) 에서의 팽창을 시연한다. 이 시연은 일반적으로 적용 가능한 에너지지 저장을 가능하게 한다.
3. 효율을 향상시키기 위한 오픈 어큐뮬에이터 (open accumulator)와 낮은 비용의 복합 에어 탱크 (composite air tanks)를 포함하는 시스템을 시연한다..
4. 커스텀 엔진 블럭 (custom engine block)과 위의 4에서 시연한 기술의 비요 효과적인 구현을 위해 설계된 다른 부품을 개발한다..
5. 위의 5에서 개발된 부품들을 위한 도구를 제작하고, 파일럿 (pilot) 생산 시설을 확립한다.
6. 초기의 파일럿 에너지 저장 유닛을 시험 시설에 세운다.
7. 생산을 위한 도구
위에서 기술한 처음 3단계는 이 문서에서 제안되었고, 대강 프로젝트의 1, 2, 3년차 계획에 해당된다. 만일 프로젝트의 목표가 이루어지면, 이 기술은 상업적 개발이 가능한 상태가 된다. 프로젝트의 최종 프로토타잎은 그리드로 부터 전기를 공급 받을 수 있고, 그 전기를 안전 기준에 맞게 계속적으로 공기탱크에 저장할 수 있고, 저장된 전기를 그리드로 전송할 수 있다. 이것은 현존하는 많은 에너지 저장 응용의 기본적인 기능이다. (예를 들면, 빌딩용 디맨드 쉬프팅(demand shifting) 및 주파수 제어).
* 4번째 단계는 상업화를 위한 첫단계이다. 이것은 주로 가격과 품질을 중점으로 한 생산 공정이다. 우리는 100 kW 정도의 제품를 예산한다 - 여기서 이 크기의 프로토타잎을 만든다. 이러한 시스템은 산업적으로 많이 응용될 수 있는 크기이다 (빌딩용 디맨드 쉬프팅, 백언 파워, 변전소“아일랜딩, 대형 태양 전지를 위한 저장 장치, 등.)
첫 제품을 시장에 내놓기 위해 필요한 투자는 주로 도구, 파일럿 생산, 파일럿 시험, 소규모 생산을 위한 도구 업그레이드, 그리고 초기 생산에 사용된다. 구매 오더가 본격적 생산 전에 있을 것으로 예상되고, 이것는 재고와 . 미수금에 대한 종래의 융자를 촉진한다. 벤쳐 투자가 도구와 파일럿 생산을 위한 투자의 소스가 될 것이다. 소형 엔진을 만드는 데 필요한 비용은 약 $25M 에서 $50M 사이가 된다..
위의 실시예가 액체 물방울의 스프레이를 통하여 열 교환에 물을 주입하는 것에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이에만 한정되지 않는다. 특정 실시예로, 예를 들어, 버블발생기(bubbler) 또는 스파저 (sparger)를 사용하여, 액체 안의 버블링 가스 (bubbling gas) 를 생성하여, 하나 또는 여러 단계를 걸쳐 주입될 수 있다. 이런 버블링을 이용하여 액체를 주입하는 것은 특히 높은 압력에서 유리하다. 왜냐하면, 높은 압력에서는 균일한 열 교환을 위한 가스와 물방울 사이의 균일한 상호 작용을 달성하기 어렵기 때문이다.
그리고. 앞에서 설명한 실시예가 가스형 태로 남아 있는 냉매를 이용해 냉방을 하는 것을 보여 주었지만, 본 발명은 이러한 접근에 한정되지 않는다. 본 발명의 특정 실시예에 따른 냉방은 냉매가 액체에서 가스로 다시 가스에서 액체로 변화하는 사이클을 가질 수도 있다.
예를 들면, 도 82는 본 발명에 따른 아주 간단한 냉방 시스템의 실시예을 보여준다. 시스템8200은 액체에서 가스로 다시 가스에서 액체 상태로 바뀌게 구성된 냉매를 사용한다. 아래에서 설명한 바와 같이, 냉매의 상 변화는 기화기 8202에서 냉방을 위해 열을 흡수하여 제거하여, 콘덴서 8204에서 이 흡수된 열을 방출하는 역할을 한다.
순환하는 냉매는 압축기 (C) 8206에 가스 상태로 들어가서, 높은 압력으로 압축된다. 본 발명의 실시예에 따라, 저온의 액체는 압축 시에 , 저장기 8210과 펌프 8212와 열 교환기 8214를 통해 액체적 교환을 하는 스프레이기 8208 (또는 버블러)을 통해 가스에 주입된다. 주입된 액체는 압축된 가스와 열 교환을 하여, 가스의 온도 변화를 감소시키고, 위에서 자세히 설명한 바와 같이 열역학적 효율을 향상시킨다.
주입된 액체는 냉매 자체일 수도 있고 아닐 수도 있다. 본 발명에 따른 여러 실시예에 따라 주입될 수 있는 액체의 종류는 이 문서의 다른 부분에 나열되어 있다.
압축 후에, 주입된 액체는 위에서 설명한 설계 중의 한 방법으로 액체-가스 분리기 8216에 의해 분리된다. 이 분리된 액체는 저장기 8210으로 흘러 들어간다.
분리된 압축 가스는 다시 콘덴서 8204로 흘러 들어가 열링크 8220 과 열 교환을 하여 냉각되고, 그로 인해, 다시 액체 상태로 바뀐다. 응축된 액체의 열은 열 싱크에 의해 밖으로 전달된다.
응축된 액체 냉매는 다시 스로틀 밸브 (throttle valve (TV) ) 8232를 통해 흘러서, 급격하게 압력이 강하된다. 이 압력 강하는 액체 냉매의 일부를 증발시키고, 냉매를 가스와 액체의 혼합물로 만든다. 이 증발은 가스/액체 혼합물의 온도를 원하는 냉방 온도 이하로 낮춘다.
차가운 가스/액체 혼합물은 다시 기화기8202로 들어간다. 사용자 8230 (여기서는 간단하게 주거지로 표시)으로 부터의 열 (보통 공기 형태의)은 차가운 가스/액체 혼합물과 상호 작용을 한다. 사용자로 부터의 공기 상태의 열은 찬 냉매 혼합물에 있는 액체를 기화시키고, 그에 의해, 냉방이 이루어 진다.
마지막으로, 기화기의 냉매 가스는 압축기로 다시 돌아가서, 새로운 사이클이 시작된다.
도 82에 있는 냉동 사이클에서 압축 중에 열 교환을 위한 액체의 주입은 압축을 좀더 등온 상태에서 하여 압축 효율을 높이기 위해서다. 증가된 효율은 COP (coefficient of performance)를 획기적으로 증가시킨다
압축 가스 에너지 저장 시스템에 대한 본 발명의 실시예는 하나 또는 다수의 특징을 가진다. 이러한 시스템은 효율적이고 (왕복 80% ), 비용이 적게 들고, (시스템 비용 < $100 kWh), 에너지를 빨리 생산할 수 있다 (< 10 minutes). 이러한 에너지 저장은 명확히 변화된 기술 (transformational technology)를 보여 준다. 특정 실시예는 압축과 팽창 시에 높은 압력에서 열 교환을 촉진하기 위해 물 스프레이를 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 효율적이고 비용 절감적인 에너지 저장 기술은 저장 매체로 압축 가스를 사용한다. 기존의 압축 가스 에너지 저장 기술 (CAES)과 다르게, 본 발명의 실시예는 모든 장소에 설치될 수 있고, 매우 효율적이고, 동작에 화석 연료가 필요하지 않다.
본 발명에 따른 실시예는 공기를 근사 등온 상태에서 압축, 팽창시킬 수 있다. 등온 상태에서의 동작은 효율을 향상시키지만, 이전에는 특히 높은 파워 밀도에서 달성하는 것이 어려웠다. 본 발명의 실시예는 압축 또는 팽창하는 공기에 물을 직접적으로 스프레이한다. 이 스프레이는 압축 열을 흡수하여, 필요한 일 (work)을 감소시킨다 (팽창 시에는, 열을 더하여, 복구되는 일을 증가시킨다). 거의 일정한 동작 온도는 높은 압축 비율과 속도를 가능하게 하고, 비용을 낮춘다; 그리고 이것은 팽창 중에 화석 연료 사용에 요구를 제거한다.
개념적으로 간단하지만, 열 전달을 촉진하는 물스프레이는 특히 고압에서 공학적으로 실현하기가 어렵다. 본 발명에 따른 실시예는 압축 챔버로 부터의 (그리고, 팽창 챔버로) 열을 기존의 과학 문헌에 나와 있는 것 보다 10배 까지 빠르게 전달한다.
본 발명에 따른 실시예는 저장 장치로 압축 공기를 사용하는 상업적 공공 시설 규모의 에너지 저장과 관련이 있다. 제안된 기술은 모든 곳에 설치될 수 있고, 높은 효율을 가지고, 운전에 화석 연료가 필요없다.
본 발명에 따른 실시예의 중요점은 압축과 팽창이 거의 등온 상태에서 일어나는 것이다. 등온 압축은 효율을 급격히 향상시키지만, 특히, 고 파워 밀도 에서, 구현이 어렵다고 알려져 왔다. 본 발명의 실시예의 한 접근 방법은 열 교환을 촉진하기 위해 압축, 팽창 챔버에 물방울을 스프레이하는 것이다.
상업적 규모로 이 기술을 시연하기 위해 여러작업이 이루어 졌다. 분석과 모델링이 이 시스템에서 일어나는 열역학적, 기계적, 음향적, 유압적 프로세스의 수학적 모델을 정제하고, 확장하기 위해 사용되었다.
물 스프레이의 유체역학이 모델될 수 있다. 예는 노즐을 통한 흐름, 물방울 브레이크업 (breakup), 실린더 벽과의 충돌, 그리고 공기와의 이 상 (phase)의 흐름 등을 포함한다.
압축기의 개발은 아래와 같이 진행될 수 있다.100 kW-규모의 가스 압축기를 개량하여 팽창기로 동작하게 하고, 열 교환을 촉진하기 위해 물 스프레이를 결합할 수 있다. 한 단계 시스템은 저압 (300 psi)에서 구성될 수 있고, 3000 psi 또는 더 높은 압력을 위해 다른 단계를 추가할 수 있다. 두번 째 단계를 위한, 예비 배합 (pre-mixing) 챔버와 밸브가 고압에서 물의 고용량 비율의 부피를 갖도록 설계될 수 있다.
기존의 그리드-규모의 에너지 저장 기술
그리드 에너지 저장은 오늘날 , 양수 (pumped hydro)와 압축공기, 두 기술에 의해 지배되고 있다. 이 기술 들은 두 유체, 공기와 물의 전송과 압축에 의해 동작한다. 공기와 물은 언제나 가격이 싸다. 어려운 점은 효율적이고, 확장이 용이하고, 유연한 시스템을 만드는 것이다.
본 발명에 따른 실시예는 저장 매체로 압축 가스를 사용하는 에너지 저장 기술과 관련이 있다. 연구 보고서의 결론으로는, 압축 공기가 비용 효과적인 그리드-규모의 에너지 장치에 가장 적합할 수 있고 - 그리고 아마 FOA 에서 정의한 비용 목표 (< $100/kWh)를 만족시킬 수 있는 유일하게 가능한 방법이다.
기존의 압축 공기 에너지 저장 (CAES)시스템은 공기압축을 위해 전기 모터로 구동되는 압축 터빈을 사용한다. 현재까지 실현된 시스템에서, 압축 가스는 필요할 때까지, 지하의 소금돔 (salt dome)에 저장된다. 압축 공기는 송전 시에 팽창 터빈을 동작시키는 데 사용된다.
그러나, 공기가 팽창 중에 너무 많이 냉각되기 때문에, 얻을 수 있는 에너지에 한계가 있다. 그러므로, 공기가 팽창 터빈에 들어 가기 전에 천연 가스를 이용하여 공기를 가열한다. 이것은 결국은 압축과 팽창 사이에 시간 지연을 갖고 운전되는 천연 가스 연소 터빈이다.
두 가지의 CAES 시스템이 운정 중에 있지만, 이들은 비용과 효율면에서 대중 기술이 될 수가 없고, 운전에 화석 연료가 필요하다.
근사 등온 압축 공기 에너지 저장
여러 가지 프로젝트가 기존의 CASE 시스템의 단점을 보완하기 위해 진행되고 있다. 목적은 화석 연료 없이 압축 공기로 부터 전력을 생산하는 압축 공기 에너지 저장을 개발하는 것이다.
이러한 새로운 압축 공기 기술은 (단열 대신) 근사 등온 압축과 팽창을 사용한다. 만일 압축에서 발생된 열이 압축 시점에서 제거되면, 가스 압축에 필요한 일은 감소된다는 것은 열역학의 기본적인 결과다 (밑에 있는 예비결과 섹션 참조). 마찬가지로 팽창 중에 열이 추가되면, 더 많은 파워가 생산된다.
만일 온도가 동작 중에 일정하게 유지되면, 에너지 저장의 효율은 이론적으로 100% 에 이른다. 실제로는 많은 종류의 가능한 손실 - 마찰, 압력 강하, 전기-기계적 변환에 따른 손실 등 - 이 있다. 그럼에도 불구하고 80% 정도의 왕복 효율을 얻을 수 있다.
팽창 시에 열을 더하고, 압축 시에 열을 제거하는 근사 등온 성능을 얻기 위한 여러가지 접근 방법이 있다. 운전을 느리게 하여 압축시 열이 챔버의 벽을 통해 전도되어 나가는 방법이 있다. 이런 시스템은 확장하기가 어렵고, 운전이 느려서 시스템의 파워 밀도에 제한이 있고, 그에 따라 비용을 증가시킨다.
또 다른 방법으로, 열 교환기를 압축 챔버와 결합할 수 있다. 이 접근은 아래 문헌에서 사용되었다.emofouet, S.,“Energy Autonomy and Efficiency through Hydro-Pneumatic Storage, http://www.petitsdejeunersvaud.ch/fileadmin/user_upload/Petits_dejeuners/EnAi rys _ Powertech _20081121. pdf
근사 등온 공기 압축과 팽창를 위한 물 스프레이 메카니즘
본 발명에 따른 실시예는 다른 접근 방법을 가질 수 있다. 특히, 고 열 용량 (물과 같은)을 갖는 액체를 압축과 팽창 시에 공기에 스프레이할 수 있다. 물은 공기보다 단위 부피당 훨씬 많은 열을 흡수할 수 있기 때문에, 작은 양으로도 근사 등온의 프로세스을 형성할 수 있다. 그리고, 물 스프레이는 열 교환을 위해 큰 표면적을 제공하기 때문에, 많은 양의 열이 빨리 전달될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이러한 액체 주입은 압축기와 팽창기가 높은 회전율 (RPM)에서 운전되게 할 수 있다. 시스템 동작이 빠르면 빠를 수록, 주어진 비용으로 더 많은 파워를 생산할 수 있다.
물 스프레이의 열 교환을 충분히 이용하려면, 기계적 부품들이 고속 성능을 가져야만 한다. 그러나 기존의 근사 등온 기술은 공기 압축에 유압 실린더와 유압 모터/펌프를 사용하였다. 이러한 유압은 프로토타입 제작은 쉽지만, 동작 속도에 제약이 있다. 여기서 설명하는 규모의 시스템에서는, 본 발명의 실시예에 따른, 예를 들면 왕복 피스톤과 크랭크 샤프트를 가진, 기계적 시스템이 유압시스템 보다 훨씬 빠르게 동작할 수 있다.
그러나, 열 교환을 촉진하근 물 스프레이의 문제는 고압에서 더 어려워진다 - 그리고 작은 공기 저장으로 고 효율을 얻으려면 고압 조건이 중요하다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 근사 등온을 목표 압력 200 기압에서 유지하기 위해, 현재까지 과학 문헌에서 보고된 것 보다 큰 물과 공기의 부피 비율을 사용한다. 이것은 스프레이 밀도와 균일성을 얻기위해, 특수한 노즐, 밸브, 스프레이 매니폴드 (manifold) 등의 설계를 포함한다.
본 발명의 실시예는 자동차 엔진같이 왕복 피스톤을 이용한다. 크랭크 샤프트, 베어링, 그리고 윤활 시스템을 사용한 기계적 피스톤 설계는 유압 시스템 설계보다 어렵다. 그러나, 이러한 응용을 위해, 본 발명의 따른 실시예는 같은 크기에서, 유압 시스템보다, 열배가 빠른 동작 속도를 얻었다. 이런한 시스템은 비슷한 비용으로 훨씬 많은 파워를 전달한다. 추가된 복잡한 왕복 메커니즘은 물 스프레이의 열 교환 능력을 최대한 활용한다.
본 발명의 실시예는 최소한 1시간 동안, 20kW 이상의 파워를 빠른 시간 안에 (예를 들면 1분이하로) 전달하는 효율적인 에너지 저장 시스템과 관련이 있다. 프로토타입 시스템은 200 기압 까지의 압력에서 등온 동작을 할 수 있게 개조된 상업적인 왕복 압축기다. 종래의 압축기는 약 3.5 atm의 저압에서 동작한다..
압축기/팽창기
전체 공기 압축/팽창 프로세스에 대한 열역학적 모델을 만들기 위해, 밑의 예비 결과 섹션에 설명된 현재 모델이 물기화, 연속스프레이, 바운더리레이어 (boundary layer), 그리고 터버런트 혼합 효과 (turbulent mixing effects)를 포함하게 수정될 수 있단. 시스템 동작의 폐쇄형 바운드(Closed-form bounds)가 발견되면, 수치 방법 (numerical method)이 특정 구성과 동작 조건에 대한 상세한 값을 결정할 수 있도록 사용될 수 있다.
고압에서 움직이는 피스톤과 실린더 안의 물 스프레이 동작을 모델링하기 위해, 새로운 노즐 설계 (예를 들면, 밑에 예비결과 섹션에서 설명된)가 스프레이 밀도와 균일성을 올리기 위해 전산 유동 역학을 사용하여 모델링 될 수 있다. 전산 유동 역학 분석이 추구하는 생산성을 가지는 설계에 유용하다는 것이 증명되었다.
실린더 모델의 노즐 매니폴드 (manifold)는 해당 압력 범위와 해당 구경 (bore) / 스트로크 (stroke) 비율 범위에서 모델링 될 수 있다. 고압 (100 atm 이상)에서의 스프레이시스템의 모델은 달성되는 고 스프레이 밀도를 반영하기 위해 가치가 있을 수 있다.
별도의 전산 유동 역학 모델이 밸브로 부터의 유입, 유출을 시뮬에이션 하기 위해 사용될 수 있다. 밸브 흐름의 최적화는 부피적 효율을 향상시킨다. 밸브 설계 시의 또 다른 고려는 예비 혼합 챔버에서 공기 흐름에 스프레이되는 물방울이 밸브 출구를 통해 나갈 때까지 잘 섞여 있게 하는 것이다.
*특정 모델은 피스톤 운동과 스플래슁 효과(splashing effects)가 관계 있음을 보여준다. 이 관계는 특히 고압에서 더 있다. 위에서 설명한 모델링은 ANSYS사의 플루언트 소프트웨어 팩키지 (Fluent software package)로 수행할 수 있다.
200기압에서 거의 10%의 균일한 물 비율을 가질 수 있는 스프레이 시스템이 개발 중에 있다. 고압 실린더는 작은 구경을 갖고 있어서 저압 실린더에서와 같은 직접 주입은 실용적이 아니다 - 즉, 여러 개의 노즐이 들어 갈 여유가 없다.
실린더의 압체 예비 혼합 챔버가 사용될 수 있다. 이 챔버에서, 공기로 일부의 물이 생산되고, 입력 밸브로 통해 실린더로 들어간다. 전산 유동 역학을 사용하여, 효과적인 크기의 실린더와 노즐 분포를 설계할 수 있다.
밀도있는 공기-물 에어로졸을 통과 시킬 수 있는 고효율의 밸브가 개발되고 있다. 위에서 얘기한 바와 같이, 문제는 예비 혼합 챔버로 부터 실린더로 밀도있는 공기-물방울을 분리되지 않게 보내는 것이다.
여러가지 밸브 형태가 가능하다. 하나는 흐름의 방향을 바꿀 필요가 없는 큰 실린더 형태의 구멍을 갖는 회전 밸브이다. 두번 째 형태는 스트로크 기관에서 볼 수 있는 실린더 벽에 있는 하나의 포트 (port)나 여러 개의 포트를 이용한다.
두번 째 경우에, 피스톤의 움직임이 밸브를 닫고 열게된다. 두번 째 형태의 문제점은 압축 (포트는 피스톤의 바로 위의 제일 밑에 위치할 수 있다)과 팽창 (포트는 위의 윗 부분의 정 가운데에 위치할 수 있다) 시 모두 동작해야 된다는 것이다..
특정 실시예는 실린더에 있는 데드볼륨 (dead volume, 피스톤이 제일 위에 있을 때, 커버할 수 없는 실린더 부피)을 관리하기 위해 물을 사용한다. 근사 등온 압축과 팽창에 의해 큰 온도 차이 없이 고 압축율을 얻을 수 있다. 그러나, 고 압축, 고 팽창율은 데드볼륨을 줄이지 않고는 얻을 수 없다. 예를 들면, 종래의 가스 압축기에서는 데드볼륨은 약 25% 정도이고 압축율을 25% 정도로 제한한다.
본 발명에 따른 실시예는 20 이상의 압축율을 얻을 수 있다. 이것는 잘 설계된 피스톤/실린더/밸브 구조물과 데드스페이스 (dead space)에 물을 채우므로 인해 얻어진다.
후자의 경우, 실린더에 적당한 양의 물을 유지하는 것은 실현하기가 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해, 밸브 설계와 피드백을 이용한 제어에 대한 모델링과 실험이 필요하다.
본 발명의 실시예는 공기 압축/팽창에 사용되는 물 스프레이의 최적 제어를 찾는다. 압축과 팽창의 성능 (효율과 파워)은 물 스프레이의 타이밍과 양에 달려 있다.
일반적으로 스프레이 양이 많아지면, 압축/팽창의 등온을 좋게한다. 그러나 물 스프레이는 압력을 감소시키는 등의 손실도 초래한다.
그러므로, 등온 프로세스의 목표를 만족시키는 최소한의 물을 주입하는 방법을 결정하여야 한다. 충분한 정확도로 최적 타이밍과 양을 결정할 수 있는 분석 모델이 가능하다. 학습 제어 방식도 사용될수 있다. 즉, 반복적이 실험에 의해 최적 조건을 얻을 수 있다. 공식적으로 이런 방식은 자기-최적 제어 (self-optimizing control) 또는 극한검색접근 (extremum seeking approache)이라 불리운다.
본 발명의 실시예는 스프레이 시스템, 밸브, 데드볼륨 제어 시스템, 스프레이 최적 제어 시스템을, 고 압축율을 얻을 수 있는 실린더 하나를 갖는 압축/팽창기에 결합할 수 있다. 실린더 하나가 압축기와 팽창기 10 또는 20 기압에서, 제어할 수 있는 온도 차이 ΔT를 가지고 동작할 수 있도록 구성할 수 있다. 시스템 성능은 분석 모델과 비교될 수 있다.
특정 실시예는 100기압이 넘는 다단계 압축기를 사용할 수 있다. 특정 실시예로, 압축/팽창기는 2개의 실린더와 동작하게 구성할 수 있다. 특정 실시예에 따라, 물 스프레이 시스템은 고압의 두번째 단계를 사용하여, 저압 실린더의 노즐을 통하여, 물 스프레이를 할 수 있다. 열 교환기 시스템은 두단계에서 동일한 ΔT 를 유지할 수 있게 스프레이 시스템과 실린더를 관리할 수 있게 구성된다.
예비 결과
근사등온압축과 팽창
공기는 저가격의 저장매체다. 급격한 열 교환으로 효율적 에너지 저장이 가능하다. 미세하고, 조밀하고, 균일하게 스프레이된 물은 이전에 시험된 어떤 것보다 나은 열 전달을 한다.
물은 공기보다 같은 부피에서 약 3200배의 열 용량을 가진다. 그러므로, 압축공기에 떠도는 아주 작은 약의 물이라도, 상당한 온도 변화 없이, 아주 많은 양의 열을 흡수할 수 있고, 마찬가지로 팽창 시에 아주 많은 양의 열을 공급할 수 있다.
상세한 해석적 그리고 수치적 열역학 분석 (밑을 참조)이 열역학적 효율의 최소 및 최대 분석 한계치를 산출해 냈다. 수치적 시뮬레이션이 그러한 한계치를 입증하였다.
효율적인 공기의 팽창은 여러 접근 방식으로 실현될 수 있다. 물 스프레이가 열 전달을 향상시키는 반면에, 기존의 공기 모터는 상당한 “프리” (“free”_ 팽창을 일으키고, 이것은 아무 하는 일이 없이 저장된 에너지를 낭비한다.
이에 따라, 본 발명의 특정 실시예는 효율을 복구할 수 있는 ‘제어펄스’(‘controlled pulse’) 밸브 타이밍 전략을 사용할 수 있다. 이 밸브 타이밍 전략은 팽창 프로세스의 초기에 특정 시간 동안 밸브를 열었다가 닫는다. 이것은, 팽창이 완료되었을 때, 내부의 압력이 아랫 단계 또는 대기의 압력과 같아 지게 하여, 모든 에너지가 추출되게끔, 충분한 공기를 공급하게 된다.
다음을 시연하기 위하여, 유체 피스톤 개념을 사용하여, 소규모의 프로토 타입이 제작되었다 : (a) ‘제어펄스’ 밸브 전략이 “프리” 팽창에 의한 비 효율을 피하고 (b) 근사 등온 압축과 팽창이 모두 가능하고, 효율적인 에너지 저장이 가능하다. 공기에 액체를 스프레이하지 않고, 공기는 피스톤 대신에 유체 흐름에 의해 압축, 팽창된다. 구동 장치, 제어 보드, 그리고 압력셀 들은 자체 제작하였다. 솔레노이드 밸브, 유압 모터, 그리고 유압 흐름을 위해 1 갤런의 식용유를 사용하여, 공기 모터를 제작하였고, 이것으로 완전한 등온 시스템의 열역학적 효율 88%를 갖는 것을 시연하였다.
이 프로토타입 시스템의 전반적인 부분에서, 부품, 비용, 그리고 기생 손실을 찾아내어, 가능한 한 제거하였다. 예를 들면, 액체 피스톤 또는 다른 유압 시스템은 고 에너지 밀도, 저비용, 고 효율을 얻는 데 방해가 된다는 것을 알았다. 고 에너지 밀도를 얻기 위해서는 높은 회전이 요구되나, 빠르게 움직이는 액체의 모멘텀과 마찰때문에, 안정적이고, 튼튼하고, 효율적인 시스템을 만들기는 어렵다. 이러한 많은 양의 액체의 움직임과 관련된 액체 마찰은 상당히 많이 효율을 감소 시킨다 - 각 방향, 약 5% 정도로 추정된다.
또한, 압축과 팽창시에 압력이 변하여, 유압 모터/펌프를 최대 효율점으로 부터 벗어나게 움직인다. 입수 가능한 효율 곡선에 근거하여, 효율은 각 방향으로, 약 5%정도 감소할 수 있다.
이에따라, 압축과 팽창에, 예를 들어, 왕복 피스톤을 갖는 실린더와 같은, 기계적 부품을 사용하는 것이 더 좋다.
물 스프레이는는 모든 표면의 냉각하고, 모든 슬라이딩 부품의 마모 등을 감소시켜야 하는 등과 같은 종래의 기술적인 문제를 더 어렵게 만든다. 예를 들면, 한 선도적 제조사는 압축비율이 3.5가 넘을 수 없는 압축기를 생산한다: 왜냐하면, 생성되 고온이 재료들에 너무 충격을 주기 때문이다. 이 한계는 물 스프레이를 사용하여 해결될 수 있다.
추가로, 물은 실린더 헤드나 밸브 어셈블리에 접근하기 힘든 틈 사이로도 들어갈 수 있으므로, 이것은 데드볼륨을 줄이고, 그에 따라 압축기와 엔진의 부피에 대비한 효율을 증가시킨다. 예를 들면, 종래의 왕복 기술로는, 공기를 200기압까지 압축하는 데 4 단계가 필요하지만, 본 발명에 따른 실시예는 이것이 2 단계를 갖는 시스템으로 가능하다.
변동 주파수 구동의 비용과 비효율은 개선이 될 수 있는 또 하나이다. 부하 제어를 하는 동기 모터 발전기가 대신에 사용되어, 압축/팽창시에 밸브 펄스 길이를 제어할 수 있다. 이러한 접근 방법으로 교환 효율의 증가와 실시간성 파워의 증감 사이의 균형을 이룰 수 있다.
특정 실시예로, 스프레이 시스템은 다음과 같은 성능 조건을 만족할 수도 있다: 이 시스템은 상대적으로 짧은 브레이크업 길이를 갖고, 상대적으로 낮은 압력 (<50 psi) 에서, 그리고 상대적으로 높은 유속 (~100cc/s)으로, 작은 물방울 (<100 micron)을 만들어 낼 수 있다. 스프레이 시스템은 실린더 안에서 상대적으로 균일한 스프레이를 만들어 낼 수 있다. 스프레이 노즐 설계로 데드볼륨을 줄이거나 없앨 수 있고, 제조를 쉽게 하고, 캐비테이션 (cavitation) 효과를 줄이거나 없앨 수 있다.
노즐은 낮은 압력 차이에서 물을 줄기 형태로 배출한다. 다른 노즐 설계에서는 높은 압력 차이에서 매우 미세한 안개를 배출한다. 그러나 현재까지 알려진 어떤 노즐도 여기서 원하는 파라미터를 갖고 있지 않다.
그래서, 본 발명에 따른 실시예는 새로운 노즐 설계를 사용한다. 도 79 는 이차원적 전산 유동 역학 시뮬레이션으로 부터 제트 브레이크업 (jet breakup) 모델을 보여준다. 빨간 영역은 액체이고, 파란 영역은 공기다..
도 80은 노즐 설계로 부터 배출되는 물 스프레이의 전산 유동 역학 시뮬레이션을 보여 준다. 적색은 완전 액체를 나타내고, 청색은 공기를 나타낸다. 도 80은 LSE에 의해 개발된 피라미드 노늘으로 부터 방출되는 물 스프레이의 전산 유동 역학 시뮬레이션을 보여 준다. 적색은 액체 스프레이를 보여주고 청색은 공기를 나타낸다. 도81a 는 노즐의 실시예로 부터, 액체 쉬트 브레이크업 (sheet breakup)과 입자화(atomization)를 보여준다. 도81b은 노즐의 실시예로 부터 물방울 크기의 분포를 보여준다.
본 발명의 실시예에 따른 노즐 설계는 바람직한 특성을 보여준다. 노즐 설계는 물방울을 100 microns 이하로 입자화 하고, 단지 50 psi 압력 강하, 그리고 고 유속 (100 cc/s) 과 짧은 브레이크업 길이 (~1 inch)를 가지고, 이것은 실린더에 연결될 수 있을 만큼 작고, 안정적이고, 저비용으로 생산될 수 있다.
압축/팽창 실린더와 밸브의 모델을 합하여, 전체 압축/팽창 프로세스에 대한 전산 유동 역학 모델을 만들어 낼 수 있다. 이것은 또한 표면에 얇은 물막을 통하여 벽에 부딪히는 물방울, 피스톤 운동과 밸브의 열고 닫음에 의해 동적으로 형성되는 메쉬 (mesh), 그리고 함께 가까이 모여, 매우 높은 부피 비율을 갖는 물방울의 모델을 통합하는 데 사용된다.
압축 비율 9를 갖는 변위량을 가지고, 초당 20 스트로크를 가지는 시스템의 시뮬레이션은 물 스프레이가 없는 경우, 가스의 평균온도는 300 K 에서 570 K로 올라감을 보여준다. 반면에, 200 마이크론 액체방울이 초당 0.4리터로 분사(20 cc’s per stroke)되는 경우에는 온도가 상승한다.
도 83은 전산 유동 역학 시뮬레이션으로 부터, 스플래쉬 (splash) 모델이 있을 때와 없을 경우 각각에 대해, 실린더 내에 질량-평균 공기 온도 (mass-average air temperature (K))와 크래킁 회전과의 관계를 보여준다. 도 77 방출 밸브 (exhaust valve )를 연 직후의 온도 (K)를 보여준다.
열역학적 분석은 세 부분으로 진행되었다. 첫째, 다음과 같은 조건에서 압축과 팽창 프로세스의 열적 동작이 계산되었다: 물은 공기와 완전 열평형을 이루고 있고, 혼합물과 대기 사이의 열 교환은 무시하고, 온도는 충분히 낮아서, 포화 증기 압력도 또한 낮고, 그래서 위상 변화는 무시될 수 있다. 이 프로세스는 대기와 혼합물 사이에 열 교환이 없는 단열 압축 또는 팽창 프로세스와 비슷하다. 그러나, 공기와 밀접하게 접촉되어 있는 물의 존재가 공기의 “효과적인 (effective)”, 몰 (mole) 당 열용량을 증가시킨다.
이상적인 가스의 단열 압축 또는 팽창에서, 프로세스는 다음 식을 만족한다:
Figure pat00127
, 여기서:
Figure pat00128
, 여기서:
Figure pat00129
와
Figure pat00130
는 일정한 압력과 부피에서의 몰당 열용량 (molar heat capacities), 그리고, 여기서 R은 몰가스상수 (molar gas constant).
추가로,
Figure pat00131
이므로, 온도는 다음과 같이 주어지고:
Figure pat00132
Figure pat00133
가 다음식에 의해 치환되는 것을 제외하고, 이것은 공기와 물의 혼합체의 압축과 팽창에 대해 성립한다:
Figure pat00134
, 여기서:
Figure pat00135
는 1몰의 가스당, 일정 부피에서의 가스와 액체의 총 열용량이다.
물 스프레이가 비례하여 증가되면,
Figure pat00136
가 증가하고,
Figure pat00137
에 다다른다. 그래서, 위에 주어진 온도 식에 의해, 온도는 프로세스 중에 거의 변하지 않는다.
두번 째의 열역학 분석은, 물방울과 공기는 순간적으로 열평형에 이를 수 없다는 사실을 고려한 위의 분석 결과의 확장이다. 첫째로, 프로세스 중에 들어오고 나가는 최고 샤프트 파워의 식을 구했다. 이 식은 프로세스에 의해 얻어진 물과 공기 사이의 최고 온도 차이에 대한 식을 찾아낸다.
이것으로 경계 조건에서의 프로세스를 생성할 수 있고, 이것으로 부터 압축과 팽창시에 온도 변화가 약간 과하게 추정되었다는 것을 보여준다. 이 경계 건에서의 프로세는 또한 압축에 필요한 일을 약간 과대 평가 하고, 팽창 시 일의 양을 과소 평가한다. 계속적인 열평형 상태로 있다고 가정된 공기와 물은 최대 온도 차에 의해 초기 상태로 부터 이미 데워지거나 냉각되었다.
이 프로세스는 위에서 설명한 바와 같은 평형 프로세로 진행된다. 이러한 값들은 서로에 의존하지만, 대수적으로 구해질 수 있다. 이 연구를 통해 압축과 팽창 프로세스 시에 얻어지는 ΔT 에 대한 스케일링 (scaling) 법칙과 분석적인 경계치, 그리고 열역학적 효율의 최소 경계치를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 시스템의 실시예는 다른 에너지 저장 시스템에 비해 바람직한 속성을 제공한다. 예를 들면, 배터리와 달리, 공기 압축기의 사이클은 무한하다.
압축-공기 에너지 저장 (CAES) 시스템의 비용은 두 비용의 합이다: 압축 / 팽창의 비용 (kW 당 비용, 왜냐하면, 이 메커니즘이 파워를 생산하므로), 그리고 공기 저장 시스템의 비용 (kWh 당 비용, 왜냐하면, 에너지를 저장하므로). 본 발명의 실시예는 400/kW 과 $80/kWh 의 설치 후 비용를 목표로 한다 (지하 저장을 사용하지 않는 다는 가정하에). 12 시간의 저장을 갖는 시스템에 대해, 비용은 $113/kWh로 계산된다. 그러나, 26 시간의 저장은 단지 $95/kWh 의 비용이 든다 (Macintosh, Alabama CAES plant의 저장시간).
왕복 엔진은 이미 성숙된 기술이다. 트럭 디젤 엔진의 비용은 보통 약 $100/kW이다. 이러한 비용으로 (비슷한 파워 밀도를 가정하여) 모터-발전기, 파워 일렉트로닉스, 그리고 다른 부품들이 포함되어야 한다. $400/kW 의 목표는 대량 생산 시 가능하다.
200 기압에서 공기를 저장할 수 있는 철강 탱크는 밸브를 포함하여 약 $125 / kWh의 비용이 든다. 여기에, 매니폴드 (manifold, 연결 호스, 외장 (enclosure), 게이지 ( gauges), 그리고 커넥터 (connectors) 가 추가되어야 한다. 추가로, 압축 공기로 부터 파워를 전달 할 때의 비효율성을 고려하여, 여분의 용량이 필요하다. 만일 일방향 (one-way) 효율이 90%이면, 약 1.1 kWh 의 저장 용량은 1.0 kWh를 공급할 수 있다. 현존 제품으로 약 $150 / kWh의 비용이 든다..
만일 탱크의 길이가 보통의 1.6미터가 아닌 16미터 길이가 되면, 폐쇄된 (closed) 탱크를 회전시키는 비용은, 밸브와 호스의 비용과 함께 작아진다. 천연 가스 파이프 라인용 파이프로 하거나 웰-캐스팅 (well-casing) 파이프로 하는 것도 또 다른 접근방법이다.
정격 전력에서 동작시간은 더 많은 저장 탱크를 추가함에 의해 무한정 확장될 수 있다. 최소한 한 시간 동안의 운전을 위해 충분한 탱크가 추가될 수 있다 (즉, 약 100 kWh의 총 저장).
본 발명에 따른 실시예는 또한 긴 사이클 수명 (cycle life)을 제공한다. 압축 공기 에너지 저장 시스템이 전기적이 아닌 기계적이기 때문에, 그 성능은 배터리와 같이 저하되지 않는다. 적절히 유지되는 가스 압축기는 20년 (하루에11,000 사이클) 동안 연속적으로 동작할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예는 또 고 왕복 효율을 제공한다. 종래의 CAES 시스템은 50%가 약간 넘는 효율을 가진다. 이론적으로 등온 시스템일 때, 80% 왕복 효율을 가진다. 정상 동작 상태에서 75% 효율이 더 실제적인 목표이다. 90% 또는 그 이상의 효율은 낮은 등급 (low-grade)의 열 (폐기열 같은)을 이용할 수 있을 때 가능하다.
압축 열의 손실이 있으므로, 현재의 CAES 시스템의 효율은 한정되어 있다. 근사-등온 (Near-isothermal) 동작은 100%에 가까운 열효율을 제공한다.
그러나, 여러가지의 기생 (parasitic) 손실이 최소화 되어야 한다. 이러한 기생 손실의 예는 다음에 있고, 이에 한정하지 않는다: 부피 손실 (유입 스트로크 (intake stroke)에서 공기로 실린더를 채우거나, 배기 스트로트 (exhaust stroke) 에서 실린더를 비우는); 모터/발전기 효율; 실린더에 물을 스프레이하는 데 사용되는 파워; 열 교환기 팬 (fan); 그리고 마찰. 예를 들면, 부피 효율 (volumetric efficiency)을 위해, 실린더의 모든 데드볼륨 (dead volume)을 채울 수 있도록 적당한 양의 물이 유지되어야 한다.
드웰 (dewell) 시간에 대해서는, 충전 모드에서 방전 모드로의 전환은 몇 개의 밸브의 상태를 스위칭 (switching)으로 이루어 진다. 엔진은 같은 방향으로 계속 회전한다. 이것은 거의 짧은 시간에 일어난다.
확장성에 대하여, 실시예의 시스템은 네 개의 실린더가 모두 부착되었을 때, 약 1 MW로 동작할 수 있다. 처음에는 동작이 100 kW이 시작되나, 기본 목표가 달성되면, 곧 확장될 수 있다.
확장성과 관련된 하나의 기술적 도전은 고압에서의 효율적인 동작을 포함한다: 저장 시스템의 크기와 비용을 줄이기 위해 3000 psi 이상이 바람직하다. 이런한 압력에서 충분히 높은 물의 부피 비율을 유지하는 게 목표다.
본 발명에 따른 실시예에 의해 제공되는 또 다른 잠재적 이점은 내부 손실의 감소다. 특히, 기존의 CAES 시스템은 지하에 압축 공기를 저장한다. 사용되는 지질 구조에 따라, 손실이 매우 클 수 있다. 지상의 강철, 또는 합금의 탱크를 이용하면, 실용적인 목적으로, 임의의 긴 시간 동안 에너지 저장에 손실을 제로 (zero)로 할 수 있다.
안전성에 있어서, 기계적 부품과 압력 용기는 적절한 엔지니어링 규격을 충족할 수 있다. 또한, 많은 실시예에 있는 시스템은 독극물을 사용하지 않고, 단지 물과 공기 만을 사용한다.
본 발명의 실시예는 30년 이상 지속될 수 있는 전형적인 강력 (heavy-duty) 왕복 가스 압축기이다. 다른 엔진과 마찬가지로 정기적인 보수 유지가 필요하다. 피스톤 링, 팩킹 (packing), 필터, 윤활 오일은 정기적이 교환이 필요하다.
실린더에 사용되는 물은 부식의 원인을 제공한다. DLC, 니켈/폴리머 (nickel/polymer), 및 다른 물질에 의한 코팅 (coating)이 부식에 대한 긴 기간의 보호 기능을 제공할 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 저장 유닛에 있는 압축 가스는 에너지 저장 이외의 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 위에서 설명한 바와 같이, 특정 실시예에서, 압축 가스는 물리적 지지 역할을 한다. 압축 가스에 의해 가해진 힘으로 부풀려진 (inflated) 구조의 형태를 유지하도록 한다. 이러한 부풀려진 구조물의 필라 (pillars), 벽, 및 지붕, 및/또는 폰톤(pontoons), 부표(buoys), 바지(barges), 또는 배선체(vessel hulls) 등과 같은 유동 물질이 빌딩 요소에 포함되지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 위에 설명한 바와 같이, 압축 가스를 저장하게 구성된 inflatable support member 의 구조는 압축 가스에 의해 제공된 인플레이션 힘을 최대한 이용하도록 설계될 수 있다. 이러한 구조의 한 예는 다음 문헌에 개시되며, 그 기재내용은 본 발명에 결합된다: Mauro Pedretti, " TENSAIRITY®", European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2004). TENSAIRITY® 는 버클링(buckling)에 대해 압축 요소를 안정화 시키기 위해 낮은 압력 공기를 이용하는 경량 구조 개념에 대해 개시하고 있다.
이러한 접근 방법은 다른 방향으로 부터의 부하에 반하는 추가의 압축 멤버의 추가와 배열을 허용한다. 특정 실시예로, 파이버 (fiber)가 엔드캡 (end caps) 를 사용하여 팽창된 부재 (inflated member) 주위에 나선형으로 배열될 수 있고, 특정 실시예에서는 엔드캡을 사용하여 파이버가 팽창된 부재 주에에 나선형으로 배열될 수 있다. 이러한 구성은 내부 압력에 대한 저항, 팽창 버클리 모드 (expansion buckling modes)에 대한 저항, 그리고 압축 팽창 멤버로의, 멤버로 부터의 힘의 분산을 제공한다.
특정 실시예로, 물리적 지지를 제공하기 위한 역할에 대하여, 압축 가스 저장 유닛 의 형태, 재료 구성과 위치가 최소한 부분적으로 라도 선택될 수 있다. 특정 실시예로, 압축 가스에 의해 제공되는 추가의 안정화 힘 (stabilizing force )은 지지용 부재 (supporting member) 특정 공차 (certain tolerances )의 완화 (relaxation) 허용한다.
예를 들면, 다시 압축 가스 저장 유닛으로 구성된 풍력 터빈 지지 구조물의 예로 돌아와, 압축 가스에 의해 가해진 힘은 타워의 벽을 더 얇게 할 수 있다. 이것은 결국 전체 구조물의 무게와 비용을 줄일 수 있다. 왜냐하면, 이러한 타워의 상당한 부분의 재료는 풍력 터빈의 부하를 지탱하기 보다, 타워를 지지하기 위해 사용되기 때문이다.
팽창할 수 있는 (inflatable) 지지 구조물의 설계는 또한 잠재적 고장 모드를 고려한다. 예를 들면, 풍력 터빈 지지 타워의 전체 내구력의 상당한 양은 회전 날개의 토크를 반대로 지지하기 위한 충분한 힘을 제공하기 위해 사용된다. 압축 가스의 손실을 일으키는 문제가 생겼을 때, 터빈은 회전은 급격히 멈출 수 있고, 그에 따라, 지지 구조가 이 토크를 감당할 수 있게 해야한다. 물론, 팽창 되지 않은 상태에서도, 지지 타워는 터빈의 무게를 견딜 수 있는 충분한 힘을 필요로 하고, 그리고 우세풍 (prevailing winds)에 대한 정지된 터빈에 의한 드래그 힘 (drag forces) 에서 견뎌야 한다.
본 발명의 특정 실시예는 압축과 팽창 챔버 안의 가스에 액체를 주입하는 액체 스프레이 노즐에 관련이 있다. 실시예에 따라, 액체 스프레이 노즐은 하나의 조각 (piece)으로 부터 선택적으로 정확하게 제거된 재료로 만들어 지고, 좁은 (narrow) 팬 (fan)모양의 출력 슬롯 (slot)과 액체적 교환을 하는 속도 증가 영역을 형성한다. . 특정 실시예의 액체 스프레이 노즐은 서로 접합된 (mated) 두 개 또는 다수의 피스의 반대편 면의 리세스 (recesses) 사이에 정의될 수 있다. 접합되기 전에 반대면에 접근이 가능하므로, 이러한 다 피스 실시예는 공작 기계에 의해 정확한 내부 형태 정의가 가능하다.
도89는 본 발명의 실시예에 따른 액체 스프레이기를 정의하는 단면도를 보여 준다. 스페이스 (space) 8902는 주입구 (inlet) 8904a를 갖는 딥리전 (deep region) 8904 로 구성된다. 이 딥리전 (deep region) 890는 가압된 (pressurized) 액체 소스 8906 (예를 들면, 매니폴드 (manifold)나 액체흐름밸브)과 액체적 교환한다. 딥리전 8904는, 가는 실린더 형태의 원형 단면이나 다른 형태의 단면을 갖는 실린더로 개조될 수 있다.
딥리전 (deep region) 8904의 두번 째 끝 (end) 8904b는 여러 가지 길이의 속도 증가 리전 (velocity enhancing region 8908)으로 열려 있고, 이것은 액체를 주입 받도록 짧은 공간 (short of the space, chamber)으로 마감되어 있다. 얇은 팬 모양의 (fan-shaped) 슬롯 리전 (slot region) 8912는 딥 리전 8904의 두번째 끝 8904b로 부터 확장되어, 속도 증가 영역8908을 지나서, 유출구 8912a로 연결된다. 이 유출구 8912a는, 예를 들어, 가스 압축/팽창 챔버와 같은, 액체가 주입되는 스페이스 (space) 8910에 열려 있다. 도89에 보여 주는 특정 실시예에서, 팬 (fan) 모양의 슬롯 리전의 각 면은 서로와 상대적으로 120º 각을 이룬다. 이 각도나 다른 특정한 각도가 본 발명의 요구 사항은 아니다.
도 89의 화살표는 스페이스 (space)를 흐르는 액체의 일반적인 방향 (path)을 보여준다. 가압된 액체는 유입구 8904로 들어가 상대적으로 똑바로 흘러서 실린더 모양의 리전 (cylindrical region)으로 간다. 액체는 그 뒤 리전 (region) 8912의 좁아지는 단면 때문에 속도가 높아 지고, 결국 가압된 액체가 팬 모양의 슬롯 리전 8912을 통해 팬 모양의 궤도로 배출된다. 리전 8908의 모양은 액체의 속도 벡터 (vector)를 리전 8908과 8912 사이의 경계에 대해 수직으로 바꾸는 역할을 한다.
특정 실시예로, 액체 주입 노즐을 정의 하는 스페이스 (spaces)는 한 피스의 재료 (예를 들면, 금속)로 형성될 수 있다. 도 90A는 한 피스로 만든 실시예의 주입 부분으로 부터의 끝 모양을 보여 준다. 도 90B는 도 90A의 라인 90B-90B’를 따라, 간단한 단면도를 보여준다. 도90C는 노즐의 유출구로 부터의 끝 모양을 간단히 보여준다.
도90A의 노즐 9000의 실시예는 노즐로 액체가 주입되도록 구성된 유입구 부분 첫 유입구 포션 (portion) 9002로 구성된다. 특정 실시예로, 이 첫번 째 유입구 포션 (portion)은 드릴 비트 (drill bit)나 직경 D를 갖는 엔드밀 (end mill)을 사용하여 금속 블럭 (block of metal)을 가공하여 의해 만들어 질 수 있다.
첫번째 포션 (portion) 9002는 차례로 중간 포션 (portion) 9004와 교통하고, 이 부분은 도 89에서 설명한 딥 포션 (deep portion) 이다. 중간 포션 (portion) 방향 전환을 위한 포션 9006 쪽으로 열려 있고, 반구형 모양의 가속 포션 9008이다.
특정 실시예로, 중간 포션과 방향 전환 포션은 동시에 쉽게 만들어 질 수 있다. 직경 D'를 갖는 볼 엔드 밀 (ball end mill)을 사용하여 금속 블럭을 가공하여 블럭의 유출구 쪽으로 나가지 않게, 유입구 쪽으로 삽입하여 만들어진다.
마지막으로 , 중간 포션 9004와 방향 전환 포션9006은 얇은 슬롯 리전 9008을 통해 유출구와 액체적 교환을 한다. 얇은 슬롯 리전9008은 유출구 쪽으로 부터 금속 블럭을 가공하여 쉽게 만들 수 있다. 특정 실시예로, 얇은 슬롯 리전 은 반경 r 과 두께 t의 날 (blade)을 갖는 슬리팅 (slitting) 톱을 사용하여 만들어 질 수도 있다.
본 발명에 의한 실시예는 도 90A-90C에 나와 있는 특정한 형태에 한하지 않는다. 예를 들면, 슬롯 포션은 포션9002 와 9004에 의해 정의된 길이 방향의 축 A 에 평행한 각으로 확장되어(extending) 있지만, 이것이 본 발명의 요구 사항은 아니다.
도 91A-91E는 다른 실시예를 간단히 보여 준다. 여기서 슬롯은 유입구과 중간 포션의 축과 수직하게 형성된다. 도 91A는 유입구의 투시도의 엔드 뷰 (end view)를 보여준다. 도 91B는 도91A의 라인 91B-91B' 를 따라 자른 간단한 단면도를 보여 준다. 도 91C는 도91A의 반대 끝으로 부터의 간단한 엔드뷰를 보여 준다. 도 91D는 유출구의 투시도로 부터 측면을 보여 준다. 도 91E은 다른 측면도이다
특히, 도 91A-91E의 또 다른 실시예는, 블럭 재료 9150을 밀링 (milling)하여 만든 노즐을 특징으로 한다. 이 노즐은 좁은 헤드 포션 (narrower head portion) 9152 과 넓은 몸체 포션 (broader body portion) 9154를 포함한 모양이다. 몸체 포션은 유입구 스페이스 (space) 9156 전체와 중가 스페이스 9158의 일부를 포함한다. 헤드 포션은 미들 스페이스 9158의 나머지,방형 전환 스페이스 9160 과 좁은 유출구 슬롯 9162를 포함한다.
도91A-91E의 노즐 설계는 도90A-90C와 연관지어 설명한 밀링 기술을 사용하여 유입구 스페이스와 중간 스페이스를 형성함에 의해 가공될 수 있다. 슬롯은 들어난 헤드 포션의 옆 부분을 밀링하여 만들 수 있고, 다시 예를 들면, 도91D에 보여진 것과 같이 두께 t를 갖는 슬리팅 (slitting) 톱을 사용할 수 있다. 그림은 미들 스페이스 9158의 직경을 통하여 슬롯을 파내는 것을 보여 주지만, 이것이 요구되는 것은 아니고, 슬롯은 더 얕게 또는 더 깊게 파낼 수 있다.
특정 실시예는 슬롯이 축 A에 대해 90º각도 인 것을 보여 주지만, 이것이 요구 사항은 아니다. 특정 실시예로, 유출구의 각도는 90º가 아닌 것도 포함된다. 이것은 슬롯을 가공할 때 도구에 대한 피스 (piece)의 각도를 결정함에 의해 이루어 진다.
도 92A-92E 다른 실시예를 간단하게 보여준다. 여기서 슬롯은 유입구와 미들 포션의 축에 대해 각을 형성한다. 도 92A 는 유입구 투시도의 끝 쪽를 간단히 보여준다. 도 92B는 도92A line 92B-92B'을 따라 자른 단면을 간단히 보여준다. 도 92C는 도92A의 반대편 끝을 간단히 보여준다. 도92D는 유출구의 투시도의 옆면을 보여준다. 도 92E는 다른 쪽 면을 보여 준다.
특히, 도 92A-92E의 다른 실시예는 재료 9280을 밀링에 의해 가공한 노즐을 특징으로 한다. 이 노즐은 속도 증가 포션 9284에 가까운 쇼울더 표면 (shoulder surface) 9282를 포함하는 모양으로 가공된다.
도92A-92E의 노즐 설계는 도92A-92C와 관련하여 설명된 밀링 기술을 사용하여, 유입구 스페이스 (space)와 미들 스페이스를 형성함에 의해 가공될 수 있다. 슬롯은 예를 들어 슬리팅 톱을 사용하여, 그 표면과 직각의 각도를 가지고 기울어지게 표면을 가공하여 만들어 질 수 있다. 이 슬롯을 만들 수 있는 다른 가공 기술로는 전기 방전 머시닝 (electrical discharge maching, EDM)이 있다. 유입구 스페이스의 축에 대해 기울어진 표면 방향으로 인해, 만들어진 슬롯은 또한 그 유입구 스페이스에 대해 각도를 이룬다.
위의 실시예는 한 조각으로 부터 만들어지 노즐 구조를 설명하였지만, 본 발명은 이러한 구조에 한정되지 않는다. 다른 실시예로, 액체 주입 노즐을 형성하는 하나 또는 다수의 스페이스 포션은 접합된 (mated) 측판 (plates)의 반대면에 있는 리세스 (recesses)에 의해 정의될 수도 있다. 도 93은 그러한 하나의 측판 9300과 스프레이 구조의 반을 이루는 리세스 9304를 정의하는 엔드 서피스 (end surface) 9302를 보여 주는 투시도를 보여 준다. 이 도는 또한 유출구 9306a를 갖는 얇은 사다리 꼴의 슬롯 리세스 9306을 보여 준다.
도 93A는 도93에 있는 측판의 윗면을 보여 준다.도93B는 도93에 있는 측판의 측면을 보여 준다.
도93과 93B은 또한 측판의 옆면에 있는 홀 (holes) 9307을 보여 준다. 이러한 홀은 볼트 (bolt)나 다른 구조를 사용하여 측판을 매니폴드 (manifold)나 다른 유체 소스에 물리적으로 고정하는 데 사용된다.
도 93-93B은 엔드 서피스 (end surface) 9302를 확장하는 프로젝션 (projections) 9308을 보여 준다. 이 프로젝션은 두번 째 측판에 있는 해당된 구멍과 함께 연결되도록 구성되고, 이에 의해 스프레이기를 정의하기 위해 접합된 측판은 정렬된다.
특히, 도94는 첫번째 측판과 접합되게 구성된 두번 째 측판의 실시예의 투시도를 보여 준다. 도 94 는 스프레이의 구조의 다른 반을 구성하고 평면 구멍을 정의하는 반실린더 모양의 리세스 9404를 정의하는 측판 9400의 표면 9402를 보여 준다. 엔드 서피스 (end surface) 9402는 또한 두번 째 측판의 표면으로 부터 해당되는 프로젝션을 받을 수 있는 크기의 홀 9410을 포함한다. 측판의 옆면에 있는 홀 9407은 측판을 볼트나 비슷한 구조로 매니폴드나 다른 유체소스에 물리적으로 고정시키기 위해 사용된다.
도95는 스프레이로 부터 액체을 받게 구성된 챔버의 투시도로 부터의 조립된 스프레이 구조의 실시예를 보여 준다. 도95는 가늘고 긴 홀 9500으로 보이는 사다리꼴 모양의 슬롯 포션의 구멍과 함께 접합된 긴 측판 9300과 940을 보여 준다.
도96은 매니폴드와 같은 스프레이에 대한 가압된 액체 소스의 투시도에서 가져온 도95의 조립된 스프레이 구조의 실시예를 보여 준다. 도 9은 원형9600으로 보이는 실린더 모양의 리세스의 평면 구멍과 함께 접합된 측판 9300 과 9400을 보여 준다.
본 발명의 특정 실시예에 따른 노즐은 팬 (fan) 모양의 스프레이 만들어 냄에 의해 이점을 제공할 수 있다. 이러한 액체 가스 열 교환은 열역학적으로 효율적인 조건 하에 가스의 압축 또는 압축 가스의 팽창을 달성에 사용될 수 있다.
특히, 열 교환 양은 가스에 노출되는 액체의 표면적에 달려 있다. 주어진 주입될 액체 양을 팬 모양의 영역에 제공하므로서, 액체가 흐를 때 얇은 액체 쉬트 (sheet)를 만들고, 결국은 개별 방울로 부서 지게 된다. 균일하게 큰 부피로 분산되는 작은 사이즈의 방울이 바람직 하다. 더 작은 방울은 결과적으로 더 큰 표면적을 가지고, 그에따라 열 교환을 특성을 향상시킨다.
종래의 스프레이 노즐 설계를 사용하면, 스프레이의 가장자리 부분의 방울 (droplet)은 팬 스프레이의 중앙에 있는 방울보다, 더 큰 덩어리 상태로 남아 있는 경향이 있다. 이 가장자리에 있는 큰 방울의 존재는 가스와의 열 교환에 필요한 액체의 표면적을 줄이고, 이것은 결국 액체 가스간의 열 교환 효율을 감소시킨다.
그러나, 위에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 스프레이 노즐 설계를 사용하면 팬 스프레이의 가장자리에 큰 물방울 수를 줄일 수 있다. 특별히, 도 97은 방향이 바뀌는 영역 (반구 영역)의 가장자리로 부터 생겨난 액체는 좁은 슬롯의 한정된 부피안에서 더 긴 거리를 이동해야 하는 것을 보여 준다. 방향이 바뀌는 영역의 중심으로 부터 생겨난 액체가 슬롯을 통하여 이동하는 짧은 흐름 패스 (path) X 에 비하여 이 좁은 슬롯을 통한 긴 흐름 패스 (path) X' 는 팬 스프레이의 가장자리에서 액체의 흐름을 느리게 하고, 그에 따라 스프레이의 중심에 있는 액체의 부피에 비해 스프레이의 가장자리에 있는 액체의 부피를 줄인다. 이러한 낮은 액체 흐름 효과는 결과적으로 브레이크업 전의 액체 쉬트(sheet)의 상대적 두께를 줄이고, 도98에 보여진 바와 같이, 스프레이의 가장자리의 방울의 수와 크기를 줄인다.
본 발명에 따른 스프레이 구조의 일부 실시예에서 제공된 하나의 잠재적인 혜택은 상대적으로 쉬운 제조이다. 특히, 스프레이 (sprayer)를 형성하는 리세스는 함께 짝지어 지는 반대 표면 사이에 정의된다. 측판을 접합 전에, 각 측판의 표면은 노출되어 있고, 그러므로, 공작 도구와 디자이너가 원하는 모양을 갖는 리세스를 가공하기 위해 쉽게 접근할 수 있다.
본 발명에 따른 특정 실시예의 다 피스 (multi-piece) 구성은 또한 다수의 스프레이를 사용하여, 더 복잡한 장치 제작을 가능하게 한다. 특별히, 조립전의 측판의 표면에의 접근은 같은 표면에 가깝게 형성되는 다수의 리세스를 허용한다. 다수의 그러한 리세스를 갖는 하나 또는 다수의 측판과 측판을 합치는 것은 다수의 스프레이를 갖는 구조를 가능하게 한다.
또한, 측판 표면에 있는 리세스의 모양은 상대적으로 간단하고, 적당한 정확도를 가지고 쉽게 만들 수 있다. 예를 들면, 특정 밀링 도구는 100 마이크론, 50 마이크론, 또는 25 마이크론 이하의 정확도를 갖는 모양의 가공을 허용한다. 이러한 정확도의 노즐 제작은 디바이스를 통하여 액체의 흐름을 상세하게 제어할 수 있다.
도93-93B에 보여진 특정 실시예에서, 하나의 측판은 반구형 끝을 갖는 실린더 형태의 리세스의 반을 정의하는 평면 구멍을 가지고 있다. 이러한 모양은 적합한 프로파일 (profile)을 갖는 공작 도구로 높은 정확도와 낮은 치수 공차 (dimensional tolerances)로 가공될 수 있다
다른 측판의 반대편 표면에 형성되는 리세스의 모양은 다소 더 복잡할 수 있고, 또한 구형 또는 다른 모양의 방향 전환 포션과 연결되는 얇은 사다리꼴 모양의 슬롯 포션을 포함한다. 그러나, 이러한 보다 복잡한 조합의 모양도 종래의 밀링 기술로 높은 정확도와 낮은 치수 공차로 쉽게 가공될 수 있다.
도89-96은 스프레이 구조의 특정한 실시예를 보여주고 있고, 이것이 본 발명을 한정하지는 않는다. 다른 실시예는 도에 보여진 이러한 것들과 다른 상대적 치수를 가질 수도 있고, 이것은 본 발명의 범위에 있다.
본 발명에 따른 스프레이의 다른 실시예는 위에서 설명하고 보여 준 특정 실시예와 다른 모양으로 리세스를 만들 수도 있다. 예를 들면, 사다리꼴 모양의 리세스의 옆면의 상대적 각도는 120º로 한정되지 않고, 특정 응용에서 작거나 클 수 있고, 액체의 팬 (fan) 스프레이는 다른 각도를 가질 수 있다. 각도를 증가시키는 것은 브레이크업 길이를 짧게 하고, 액체방울 크기에 영향을 준다.
다른 실시예에 따라, 리세스의 다른 구성이 가능하다. 예를 들면, 위의 실시예는 유입구 보 (bore) 축에 평행하거나 수직한 각도로 액체를 배출하는 슬롯 기능을 보여주었으나, 이것은 본 발명에 의해 요구되지 않는다.
도99A-D는 본 발명에 따른 노즐 구조9900의 다른 실시예을 보여 준다. 여기서 유출구 9902a를 갖는 슬롯 포션9902는 접합되 측판9904 와 9906의 옆면 9904a 와 9906a에 의해 정의된 평면에 대해 단지 15º의 각도를 가진다. 이것은 사각형과 다른 모양으로 측판과 포션을 가공하여, 그들의 반대편 짝의 엔드 면9904b와 9906b가 측판의 각 옆면9904a, 9904b가 직각이 안되게 함에 의해 이루어 진다.
이렇게 도99A-D에 보여진 특정 실시예에서, 플레나 오프닝 (planar opening) 9910 을 정의하는 부분적 구형의 리세스 9908은 삼각형의 측판 9906에 형성되고, 넌플레나 오프닝 (non-planar opening) 9914 를 정의하는 리세스 9912는 삼각형 측판에 맞는 표면을 갖는 측판 9904에 형성된다.
도99A-D 또한 액체 유입구오프닝 9915와 측판을 고정하는 데 사용되는 볼트나 나사를 받는 보 (bore) 9916으로의 오프닝을 보여 준다.
도99A-D의 특정 실시예는 앞의 다 피스 실시예와 다르다. 앞의 실시예에서는 각 측판의 리세스의 모양이 서로에 대칭이 아니었다. 즉, 측판 9906의 리세스 9909는 부분적인 구형의 포션을 정의한 반면에, 측판 9904의 리세스 9912는 유입구 오프닝 9915로 부터 넌플레나 오프닝 (non-planar opening)과 슬롯으로의 실린더 모양의 채널을 정의한다. 그러나 다시, 이러한 리세스는 조립에 앞서 밀링 기술을 사용하여 상대적으로 간단히 각 측판에 쉽게 만들어 질 수 있다.
위에서 설명한 노즐의 실시예는 서로 접합된 두 측판의 반대편 면 사이에 정의되었지만, 본 발명은 이 특별한 접근 방법에 한하지는 않는다. 본 발명에 따른 다른 실시예는 첫번 째 피스를 두번 째 피스에 삽입함에 의해 만들어 질 수 있다. 즉 삽입된 피스에 해당하는 면으로 노즐을 정의 할 수 있다.
예를 들면, 도100A-J는 노즐 설계 10000의 여러가지 다른 실시예를 보여준다. 여기서 노즐은 두번 째 피스 10004에 있는 오프닝 10003 안에 첫번 째 피스 10002를 삽입함에 의해 형성된다. 두 pieces 10002 와 10004는 첫번 째 피스의 홀 10008과 두번째 피스의 홀 10010을 통하여 볼트 10006을 사용하여 고정된다. 볼트 10006은 엔드피스 10006a를 포함한다. 워셔 (Washer) 10005는 두번 째 피스 10004의 표면 10004b에 위치하고, first piece 10002는 워셔 위에 놓인다.
도100H의 단면도에서 보는 바와 같이, 스프레이 될 액체의 흐름은 화살표로 나타내 진다. 액체는 두번 째 피스 10004에 있는 구멍 (orifice (s)) 10021을 통하여 흐른다 (여기서는 12개를 보여 준다).
흐르는 액체는 화살표로 나타낸 바와 같이 리전10007에서 방향을 바꾼다. 리전 10007은 이와 같이 노즐 설계의 실시예의 방향 전환 포션과 대응된다.
액체는 첫번 째와 두번 째 각 피스에 의해 제공된 반대면10002a와 10004a에 의해 정의된 패시지웨이 (passageway )10009를 통해 흐른다. 패시지웨이 10009은 패시지웨이 10021 보다 좁은 단면적을 가지고 있으므로, 액체의 속도는 증가된다.
추가로, 각 표면 10002a 와 10004a는 서로에 대해 다른 각도로 기울어져 있다 (표면10002a는 15º각도로 기울어져 있고, 표면10004a는 30º각도로 기울어져 있다). 도 100J에서와 같이, 이 구조는 액체가 패시지웨이10009를 통해 흐를 때, 실질적으로 같은 단면적을 제공하기 위해 설계되었다. 특히, 속도 증가 포션을 형성하는 패시지웨이 10009 로의 유입구 10009a는 실질적으로 , 그 패시지웨이의 유출구를 형성하는 갭 (gap) 10020 의 단면적 A'와 같다 (또는 다소 크다).
노즐의 유입구와 속도 증가 포션 쪽으로의 유출구의 상대적 단면적에 의해, 도 100A-J에 있는 실시예의 구성은 액체가 갖는 압력 강하의 크기를 낮출 수 있다. 이런 식으로, 도 100A-J에 있는 실시예의 구성은 바람직하게 캐비테이션의 발생을 줄이고, 반면에 노즐로 부터 나오는 빈 원추형 쉬트의 액체를 생성하는 속도 벡터 프로파일 (velocity vector profile)을 유도할 수 있다.
가압된 흐르는 액체는 궁극적으로 좁은 갭 10020을 통하여 패시지웨이 10009 와 노즐로 부터 나온다. 도 100H는 실제 비율로 그려진 것이 아니고, 갭10020의 넓이는 도시를 위해 과장되었다.
도 100A-J에 보여지는 노즐 설계 실시예의 하나의 성능은 빈 콘 (hollow cone) 형태의 스프레이를 생성하는 것이다. 이러한 형태에서 제공되는 가장자리가 없는 것은 팬 스프레이 보다 더 균일한 방울의 크기를 생성한다. 추가로, 빈 콘 스프레이 형태는 보다 큰 부피로 액체를 분산시킨다.
도100A-J의 노즐은 열 교환에 바람직한 크기의 방울 생성에 유리한 구조를 나타낸다. 특히, 이 실시예에서 노즐의 갭 10020은 25 마이크론 이다. 이 갭 10020은 최소한 부분적으로 워셔 10005의 두께에 의해 결정된다.
도 100A-J의 설계에서, 갭 10020의 유출구 쪽에 가까운 두번째 피스 10004의 표면은 리세스 (recessed)되어 있다. 이 리세스는 “콘다”(“Conda”) 효과에 기인한 액체 스프레이의 편차를 피하는 데 도움이 된다. 특정 실시예에 따라, 첫번 째 (삽입된) 피스는 “콘다” 효과를 없애기 위해 리세스되거나 베벨드 (beveled) 될 수 있다. 다른 실시예로, 콘다 효과는 흐름 방향의 전환이나 변경에 의존할 수도 있다.
물 압력 50psig에서 0.41 Gal/Minute ( 25.93 ml/s)의 볼륨 유량이 스톱 워치와 눈금을 가진 실린더로 측정되었다. 다음 표는 두 다른 압력에서 도 100A-J에 있는 노즐을 통하여 흐르는 액체의 간단한 결과 요약을 보여 준다.
Figure pat00138
이 표는 액체 방울 크기의 두 측정 결과를 포함한다. 양 (quantity) D32 (Sauter Mean Diameter 또는 SMD로 알려진)은, 가상의 액체 방울로 스프레이를 계량화 한다. 가상 액체 방울의 직경은 측정된 액체 방울에 대해, 표면적 대 부피의 평균 비율을 나타낸다.
양 DV50은 이 값보다 작은 직경을 갖는 방울이 50%가 되는 직경을 나타낸다. 양 DV90은 이 값보다 작은 직경을 갖는 방울이 90%가 되는 직경을 나타낸다.
1.94" 가시범위 (Field of view, FOV) (런4 ＆ 3을 포함하여)를 가지고 측정하면, 작은 방울은 감지되지 않는다. 그래서, 방울 크기 통계는 모든 방울을 반영하지는 않는다.
노즐 성능을 평가하기 위한 실험 설정을 도101A-C과 같이 하였다. 물 압력 50 과 100 PSIG 에 대해 실험하였다.
도100A-J의 노즐은 높은 유량을 가지므로, 스프레이될 때 8 에서10 PSI 사이의 물 압력 강하가 일어난다. 글므로 노즐이 갖는 물압력은 약 42-50 PSIG 과 90-100 PSIG 이다.
노즐의 두 내부 표면은 다른 각도를 가지므로 (30º and 15º), 출구에서의 물 쉬트의 각도는 실험 전에 알 수 없다. 도 101C에서 보는 바와 같이, 노즐에 대해 평균 각도 22.5º가 설치에 사용되었다.
측정으로 부터 계산된 노즐 면과 물 쉬트 사이의 각도는 30º이다. 이것은 물 쉬트가 30º 표면을 따라감을 나타낸다.
도101A 는 가시범위 (FOV) 좌표를 보여 준다. 보통의 측정 평면(plane) (z=0)에 더하여, 도 101B에서와 같이, 다른 z 위치에 대하여 실험이 더 수행되었다. 이것은 스프레이 레이어의 두께와 스프레이 각도를 결정하기 위함이었다.
도102-112B는 도100A-J 에 있는 노즐을 통하여 100 PSIG 물 압력에서 스프레이한 결과이다. 도 102는 두 순간적인 글로벌 그림자그래프이미지 (shadowgraphy images)로 부터의 흐름 구조를 보여준다. 이 두 이미지는 동시에 얻어지지 않았다. 백색선은 브레이크업 길이1.15"을 나타낸다.
다음 표는 300 순간 속도장 (velocity fields)과 1-4 런으로 부터의 평균 속도를 보여 준다..
Figure pat00139
도103은 런 1부터 4까지의 평균 속도 벡터를 보여 준다.도 104는 런 1부터 4의 실효값 속도 벡터 를 보여 준다.
런 1로 부터 얻어지 방울 크기에 대해서 논한다. 브레이크업 길이는 1.15"이고, 가시범위는 1.94"다. 스프레이는 런 1의 가시범위가 2/3가 될 때까지 브레이크업하지 않으므로, 방울 크기 분석은 단지 x가 -1.64"에서 -2.24”까지에 대해서만 이루어 졌다.
도 105는 런 1로 부터 관찰된 방울에 대한 순간 이미지를 보여 준다. 단지 일부의 방울만 보여 진다. 나머지 방울은 관찰하기에 크기가 너무 작거나 포커스에서 벗어 난다.
작은방울이 관찰되지 않으므로, 방울 크기의 통계는 완벽히 정확하지 않다. 그러나, 이러한 방울 크기 통계는 큰 방울의 분포를 보여주기 위해 다음 표에 보여진다.
Figure pat00140
도106 은 런 1의 방울 크기의 히스토그램을 보여 준다.
여기서 부터 런4로 부터의 방울 크기 결과에 대해 논한다. 도107는 런4로 부터 관찰된 방울의 순간 이미지를 보여 준다. 단지 일부의 방울만 관찰된다. 나머지는 관찰하기에 너무 작거나, 포커스에서 벗어난다.
관찰할 수 없는 방울 들은 다시 방울 크기 통계의 전체 정확도에 영향을 준다. 그러나 다음 표에 보여주는 방울 크기 통계의 목적은 큰 물방울의 분포에 대한 정보를 제공하기 위함이다.
Figure pat00141
도108은 방울 크기의 히스토그램을 보여 준다.
런5-15와 25-27의 방울 크기에 대해 논한다. 도 109A은 run 12 (z = 7 mm)에서 도109B는 run 14 (z = 9 mm)에서 관찰된 방울의 순간 이미지를 보여 준다. 단지 특정 방울만 관찰된다. 나머지는 관찰하기에 너무 작거나 포커스에서 벗어난다.
도110A는 런 12의 방울 크기 히스토그램을 보여 준다. 도 110B은 런 14의 히스토그램을 보여 준다.
다음 표는 runs 5-15 와 25-27의 방울 크기 통계를 보여준다.
Figure pat00142
도111A는 런 5-15, 25-27의 z축을 따라 방울 크기 분포를 보여 준다. 도 111B은 쉬트 각도에 따라 같은 데이타를 보여 준다.
도 112A는 런 5-15, 25-27의 각 z위치에서 관찰된 방울의 수를 보여 준다. 도 112B는 쉬트 각도로 같은 데이타를 보여 준다.
도112A-B는 z가 7 mm (쉬트 각도27.7º) 가 될 때까지 D32 라인은 증가하고, z가 8 하고 10 mm (sheet angle from 28.5º to 30º) 사이에서 안정됨을 보여 준다. 그래서 방울 크기에 의해 정의된 쉬트 두께는 20 mm 이상이다.
도112A-B는 또한 4 mm (sheet angle 25.5º )에서 관찰된 방울 수를 보여 준다. 정의된 결과 쉬트 두께는 10 mm 이상이다. 방울의 수가 z 가 4 부터 10 mm 까지 작아지지만, 이 레이어는 많은 물을 포함하고 있는 큰 방울 때문에 중요하다..
도113-123B는 50 PSIG 물 압력 에서 도100A-J의 노즐을 통하여 스프레이한 결과를 보여 준다. 도 113은 두 순간 그림자그래프이미지로 부터의 글로벌 흐름 구조를 보여 준다. 두 이미지는 동시에 관찰되지 않았다. 백색선은 브레이크업1.4"를 나타낸다.
다음 표는 런2 및 3으로 부터 300 순간 속도장에 대한 평균 속도를 보여 준다..
Figure pat00143
run 2의 속도장은 흐름이 너무 부드럽고 (smooth) PIV 분석에 적합하지 않아서 정확하지 않다. 런 2 및 3 으로 부터의 평균과 실효 속도 벡터장이 도 114와 115에 각각 보여 진다.
런 2의 가시범위는 1.94",그리고 브레이크업 길이 1.4" 이다. 런 2의 스프레이는 가시범위가 2/3이 될 때까지 브레이크업하지 않으므로, 방울 크기 분석은 단지 x= -1.64" to -2.24"에 대해 수행되었다.
*도116 은 런 2로 부터 관찰된 하나의 순간 이미지를 보여 준다. 앞에서 설명한 바와 같이 특정 방울은 관찰되지 않는다. 나머지는 관찰하기에 너무 작거나, 포커스에서 벗어난다.
작은 방울은 관찰할 수 없으므로, 방울 크기 통계의 정확도에 영향을 준다. 그러나, 이 통계를 보여 주는 목적은, 큰 방울의 분포에 대한 아이디어를 제공하기 위함이다.
다음 표는 런2로 부터의 방울 크기의 통계를 보여 준다.
Figure pat00144
도117은 방울 크기의 히스토그램이다.
도118은 런3으로 부터 관찰된 방울의 순간 이미지를 보여 준다. 다시, 단지 특정 방울만 관찰된다. 나머지는 관찰하기에 너무 작거나, 포커스를 벗어난다. 이것은 방울 크기 통계의 정확도에 영향을 주지만, 큰 방울의 분포에 대한 아이디어를 제공하기 위해 다음 표에 보여 준다.
Figure pat00145
도119는 런3으로 부터의 방울 크기의 히스토그램을 보여 준다.
도120은 일부의 관찰된 방울에 대한 런 20으로 부터의 순간 이미지를 보여 준다. 나머지는 관찰하기에 너무 작거나, 우리의 포커스를 벗어 난다.
다음 표는 런 16-24의 방울 크기 통계를 보여 준다.
Figure pat00146
도121은 런 20의 방울 크기의 히스토그램을 보여 준다.
도122A 플롯은 런 16-21과 22-24로 부터의 z축을 따라 방울 크기의 분포를 보여 준다 (mm의 단위로). 도 122 플롯은 쉬트 각도로 방울 크기 분포를 보여 준다.
도123A는 런 16-24로 부터의 각 z위치에서 관찰된 방울의 수를 보여 준다. 도 123B는 쉬트 각도로 같은 데이타를 보여 준다.
D32의 두 라인과 관찰된 방울 수는 z = 4 mm (쉬트 각도 25.5)에서 플랫점근 (flat asymptote)에 도달한다. 그러므로 쉬트 두께는 또한 20 mm이상이다.
100 psig 의 물 압력에서 관찰된 결과와 다르게, x방향으로 쉬프트된 마지막 3런은 쉬프트 하지 않은 결과와 다르다. 이것은 낮은 물 압력 (50 psig) 경우는 하나 또는 다수의 콘 각도, 상대적으로 균일한 방울 크기 분포, 더 큰 방울 사이즈를 생성한다는 것을 암시한다.
도100A-J에 보여 지는 노즐 구조가 제공하는 하나의 이점은 실린더로 주입하는 기능이 없다는 것이다. 특히, 슬롯의 오프닝이 챔버의 벽에 있으므로, 노즐은 실린더 안에 추가의 데드 볼륨을 만들지 않는다. 작은 데드 볼륨은 높은 압축/팽창 비율을 얻는 데 도움이 된다..
도100A-J의 보여 준 노즐 구조의 또 하나의 이점은 제조하기가 쉽다는 것이다. 특히, 측판의 반대면에 있는 노즐을 정의하는 한 쌍의리세스는 복잡한 모양이라도 측판을 접합시키기 전에 정확하게 만들어 질 수 있다..
위에서 말한 바와 같이, 본 발명에 따른 스프레이기의 실시예는 액체 방울을 가압된 가스에 주입하기에 사용되기 적합하다. 특정 실시예로, 이 가압된 가스는 압축 또는 팽창될 수 있다. 특정 실시예로, 스프레이는 열 교환을 수행할 목적으로 가압된 가스에 액체를 주입하기 위해 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예는 가압된 가스로 액체 방울을 주입하는 데 적합하다. 특정 실시예로, 가스는 공기일 수 있다..
본 발명에 따른 스프레이의 실시예는 압축 또는 팽창이 일어나는 챔버 안에 있는 압축 가스에 액체를 주입하는 데 적합하다. 이런한 챔버의 하나의 예로 솔리드 (solid) 피스톤과 같은 왕복 부재를 갖는 실린더이다. 또 다른 예는 나사 (screw)와 같은 움직이는 부재를 가진 챔버이다. 본 발명에 따른 스프레이를 사용할 수 있는 장치의 예는 터빈, 다엽송풍기(multi-lobe blowers), 날개형 압축기 (vane compressors), 제로터 (gerotors), 및 유사 터빈 (quasi-turbines) 등을 포함하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 따른 스프레이 구조의 실시예는 액체 밸브 구조를 통하여 가압된 액체 흐름을 받을 수 있도록 구성되어 질 수 있다. 스프레이 구조에 가압된 액체를 흘리기에 적합한 액체 밸브 구조의 예는 솔레노이드-구동 밸브 (solenoid-actuated valves), 스풀밸브 (spool valves), 포핏밸브 (poppet valves), 또는 니들밸브 (needle valves) 등을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 액체 흐름 밸브 (liquid flow valves)는 기계적, 자기적, 전자기적, pneumatic, 또는 유압 힘에 의해 구동될 수 있다.
특정 실시예로, 스프레이 구조물은 매니폴드 구조를 통하여 가압된 액체 흐름을 받을 수 있게 구성될 수 있다. 특정 실시예로, 스프레이 구조는 다른 스프레이와 공유하는 포션를 갖는 개별 도관 (conduit)을 통하여 가압된 액체 흐름을 받을 수 있도록 구성될 수 있다.
특정 실시예로, 스프레이 구조물을 액체 흐름 밸브에 연결하는 도관은 가능한 한 짧게 만들어 질 수 있다. 이러한 구성은 밸브가 닫혔을 때 기체를 방출함에 의해 도관에서 형성된 버블(bubble)와 관련된 잠재적 문제를 줄이는 데 유용할 수 있다. 이러한 기체의 방출 (outgasing)은 스프레이를 통하여 흐르는 액체를 받는 챔버에 존재하는 낮은 압력과 가압된 형태로 밸브에 공급되는 액체 때문에 일어날 수 있다.
특정 실시예로, 본 발명의 실시예에 따른 스프레이기 구조물은 같은 챔버와 또한 액체적 교환을 하는 두 번째 스프레이와 상대적인 위치에 있을 수 있다. 특정 실시예로 스프레이의 크기는 같을 수 있지만, 이 들의 서로 특정 방식의 방향으로 위치할 수 있다.
예를 들면, 도 100A-J의 실시예에서, 인서트 (insert)는 인서트의 윗면에 대해 15º의 각도를 갖는 표면(surface)을 포함하고, 이것은 압축 및/또는 팽창기에서도 마찬가지다. 특정 실시예에서, 두개 이상의 스프레이는 일정한 형식으로 특정 방향으로 향하는 유출구 슬롯을 가질 수도 있다. 특정 실시예에 따라서, 이 방향은 스프레이에 대한 가스 유입구 밸브의 위치, 및/또는 챔버 안에서 움직이는 부재의 움직이는 방향 등과 같은 요인에 의해 영향받을 수 있다.
여기까지 설명한 본 발명의 실시예는 압축 가스와 열 교환을 수행하기 위해 액체 스프레이를 주입하는 데 사용되는 스프레이 구조물에 관련된다. 그러나, 이 스프레이 구조물은 이러한 특정 응용에 만 사용되는 것이 아니고, 가스에 액체를 주입하는 곳 어디에나 사용될 수 있다.
다음 청구항은 노즐의 실시예에 관련괸 것이다.
1. 제1피스 (piece);
제2피스; 및
제1피스를 제2피스에 고정하여 제1피스와 제2피스 사이에 공간을 정의하는 고정 부재를 포함하며,
상기 공간은 방향 전환 포션과, 속도 증가 포션과, 유출구를 포함하며,
상기 방향 전환 포션은 액체 소스로 받아, 상기 액체를 제1단면적을 갖는 상기 방향 전환 포션의 유출구로 흘려보내며,
상기 속도 증가 포션은 제2 단면적을 같은 유입구를 통하여 상기 방향 전환 포션의 유출구로부터 액체를 받아들여, 상기 속도 증가 포션의 유입구로 부터 흘러 나오는 액체의 속도를 증가시키며,
상기 유출구는 상기 속도 증가 포션과 액체 교환을 하며, 제3단면적을 갖고,
상기 제2 단면적은 상기 제1 단면적보다 훨씬 적고, 상기 세3단면적과 거의 같거나 또는 약간 큰 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
2. 청구항 1에 있어서, 제1피스가 제2피스의 오프닝 안에 삽입되게 구성된 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
3. 청구항 2에 있어서, 오프닝의 주변이 실질적으로 원형(substantially circular)인 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
4. 청구항 2에 있어서, 상기 고정 부재가 나사 볼트 (threaded bolt)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 나사 볼트가 잼 너트 (jam nut)에 연결되는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
6. 청구항 4에 있어서, 상기 나사 볼트가 제1피스의 나사로 연결되는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
7. 청구항 2에 있어서, 액체 스프레이 노즐은 제1피스와 제2피스사이에 위치한 스페이서 (spacer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 고정 부재가 (i) 나사 볼트와 (ii) 워셔 (washer)를 포함하는 스페이서를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
9. 청구항 2에 있어서, 상기 유출구에 인접한 상기 제2피스의 표면의 제1영역 (region)이 리세스 (recess)를 정의하는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 제2피스로 상기 제1피스를 삽입할 때, 상기 제1피스의 표면이 제1영역 밖에 있는 제2피스의 표면과 동일한 높이에 있는(flush with) 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
11. 청구항 1에 있어서, 상기 유출구로 부터 흘러 나오는 상기 액체가 약 10-50 um 사이의 소터 평균 직경 (Sauter mean diameter)을 갖는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐 .
12. 청구항 1에 있어서, 상기 유출구로 부터 흘러 나가는 액체가 약 초당 20 and 0.01 리터의 유속을 갖는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 속도 증가 포션의 축이 상기 제1피스와 상기 제2피스의 윗면에 대해 직각이 아닌 각도로 기울어져 놓여 있는 것(inclined at other than normal to a top surface) 을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐.
1. 액체 소스로 부터 유입된 액체를, 제1 피스 및 제2피스 사이에 정의된 공간을 통해 이동 가능 부재를 내장하고 있는 챔버로 흘려보내는 단계를 포함하며,
상기 공간은 방향 전환 포션, 속도 증가 포션, 및 유출구를 포함하며,
상기 방향 전환 포션은 액체 소스로부터 유입된 액체의 방향을 전환하여, 제1단면적을 갖는 상기 방향 전환 포션의 유출구로 액체를 흘려보내도록 구성되며,
상기 속도 증가 포션은 제2단면적을 갖는 유입구를 통하여 상기 방향 전환 포션의 유출구로부터 액체를 받아들여, 상기 속도 증가 포션의 유입구로 부터 흘러나온 액체의 속도를 증가시키도록 구성되며,
상기 유출구는 상기 속도 증가 포션 및 챔버와 액체 교환을 하고, 상기 유출구는 제3 단면적을 가지며,
상기 제2단면적은 상기 제1단면적 보다 현저히 작고(significantly smaller ), 상기 제3단면적 보다는 약간 크거나 실질적으로 거의 같은 것을 특징으로 하는
방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 챔버 안에서 압축 가스가 팽창하는 동안, 상기 스페이스 (space)를 통하여 상기 챔버로 이동하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 이동 부재를 이용하여 챔버 안에서 가스를 압축하는 동안, 상기 스페이스 (space)를 통하여 상기 챔버로 이동하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 가스가 상기 챔버로 흘러 들어갈 때, 상기 스페이스를 통해 상기 챔버로 흘러가는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 제1피스는 상기 제2피스의 오프닝 안에 삽입되는 것을 특징으로 하는 액체 스프레이 노즐을 특징으로 하는 방법.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 방향 전환 포션, 상기 속도 증가 포션과 상기 유출구는 도넛 모양 (toroidal shape)을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
본 발명에 따른 실시예는 움직이는 부재의 운동 방향이나 가스의 유입 방향에 대해 어떤 특정 방향으로의 액체 주입에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 50A-B의 특정 실시예는 액체 스프레이가 실린더의 반대 쪽 끝 벽에 위치하고 밸브 구조물이 실린더의 옆면에 위치한 것을 특징으로 한다.
이러한 실시예의 구성에서, 스프레이의 위치에 의해, 액체는 피스톤의 운동과 평행하게 챔버로 주입될 수 있다. 이러한 방향으로의 주입은 가스와 주입되는 액체 사이의 상호작용을 촉진 시켜, 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물을 형성할 수 있다.
이러한 실시예에서, 액체 주입의 방향은 챔버 옆 벽에 있는 가스 흐름 밸브를 통한 가스의 유입구의 방향과 정확히 일치할 필요는 없다. 이러한 방향으로의 주입은 가스와 주입되 액체 사이의 상호작용을 촉진 시켜, 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물을 형성할 수 있다.
도51의 특정 실시예에서 스프레이는 챔버의 반대편 옆 벽에 위치하고 밸브 구조물은 다른 쪽 벽에 위치한 것을 보여준다. 따라서, 액체 주입 방향은 챔버로 흘러 들어 가는 가스의 방향이나 (압축 또는 팽창 모드에서), 챔버 안의 피스톤의 운동 방향과 정확히 평행일 필요는 없다. 이러한 액체 주입의 방향과 유입구 가스 흐름의 방향 또는 피스톤 운동 방향의 불일치는 바람직한 특성을 갖는 가스-액체의 혼합과 액체-가스 혼합물의 형성을 촉진한다.
그러나, 다른 실시예에서는, 액체가 챔버로 흐르는 유입 가스의 방향과 정확히 같은 방향으로 챔버에 주입될 수도 있다. 이러한 액체 주입 방향성 (directionality )은 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물의 형성을 촉진한다.
예를 들면, 도 50A-B 와 도51의 실시예는 저압쪽과 고압쪽 밸브가 액체 스프레이의 위치와 다르게 챔버의 벽에 배치되어 있지만, 이것은 본 발명의 요구 사항이 아니따. 도124는 다른 실시예를 보여준다. 여기서 스프레이 12438과 밸브12412와 12422는 챔버 12408의 같은 쪽 벽12408b에 위치한다.
도124의 실시예에서, 3-방향 밸브 12436는 펌프 12434와 스프레이 12438 사이에 위치하여, 동작 모드에 따라, 액체를 저압쪽 밸브 12412에 가까운 챔버 옆 벽에 위치한 특정 스프레이나 고압쪽 밸브 12422에 가까운 챔버 옆 벽에 위치한 스프레이에 선택적으로 액체를 흘린다. 이러한 밸브는 또한 특정 방향으로의 흐름을 차단하도록 구성될 수도 있고, 이에 의해, 액체가 없을 때, 액체 순환 시스템을 챔버의 압력 변화로 부터 단절시킬 수 있다.
도124의 실시예는 압축 또는 팽창 모드에서, 스프레이가 챔버로의 가스 흐름 방향과 정확히 일치하는 방향으로 액체 방울을 주입하는 것에 대한 이점을 보여 준다. 이러한 액체 주입 방향과 가스 흐름의 방향의 일치는 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물의 형성을 촉진할 수 있다.
도 124의 실시예는 압축 또는 팽창시에 스프레이가 움직이는 부재의 운동 방향과 정확히 평행하지 않은 방향으로 액체 방울을 주입하는 것의 이점을 보여 준다. 이러한 액체 주입 방향과 피스톤 운동 방향의 불일치는 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물의 형성을 촉진할 수 있다.
도124의 실시예는 각 밸브의 위쪽에 챔버 벽에 위치한 스프레이를 보여 주지만, 이러한 특정 구성이 본 발명의 요구 사항은 아니고 다른 구성이 가능하다. 예를 들면, 도124A는 밸브 측판12454을 포함한 밸브12452를 보여주는 챔버의 안으로 부터 본 옆 벽12450를 보여준다. 도 124A는 복수의 스프레이 12456을 보여준다. 이 스프레이는 밸브를 둘러 싸고 있고, 유입되는 가스 흐름에 여러 궤적 (trajectories )으로 액체를 주입하도록 구성되어 있다.
특정 실시예로, 스프레이는 밸브를 통하여 가스의 흐름 방향과 정확히 평행한 방향으로 액체를 주입하게 구성되어 질 수 있다. 다른 실시예로, 하나 이상의 스프레이가 밸브를 통하여 흐름 방향에 정확히 평행하지 않은 방향으로 액체를 주입하게 구성되어 질 수 있다. 이러한 실시예로, 스프레이의 유출구는 서로 균일하거나 비균일하게 정렬될 수 있다.
위의 실시예가 압축 또는 팽창 챔버의 반대편 벽이나 한벽 (single wall)에 위치한 것을 보여 주지만, 본 발명은 이러한 구성에 한정하지 않는다. 예를 들면, 도125는 다른 실시예를 보여 준다. 여기서 스프레이는 챔버의 끝쪽 벽과 가까운 옆 벽 모두에 위치한다. 특정 실시예로, 이러한 구성은 챔버 12508의 여러 옆 면에 확장된 액체 매니폴드12570에 이 매니폴드와 공통의 액체적 교환을 하는 스프레이를 제공함에 의해 가능하다. 도125는 단지 단면을 보여 준다. 이렇게 특정 실시예로, 액체 매니폴드는 다른 쪽 챔버 벽에 위치한 스프레이와 액체적 교환을 위해, 도면의 윗쪽으로 확장될 수 있다.
도 126은 다른 실시예를 보여준다. 여기서 스프레이 12638 과 각 밸브 12612, 12622는 챔버 12608의 같은 (끝) 쪽 12608a에 위치한다. 밸브에 대한 스프레이의 이러한 방향은 잠재적으로 압축과 팽창시에 액체를 주입하는 같은 스프레이의 사용을 가능하게 한다. 이것은 압축과 팽창을 위해 별개의 스프레이를 설계, 배치할 필요를 없애고, 압축 또는 팽창에만 사용되는 각각의 스프레이 세트에 액체를 분배하는 추가의 밸브와 도관의 복잡성을 피하게 한다.
도126의 특정 실시예가 밸브 사이에 위치한 스프레이를 보여 주지만, 이것이 요구되지는 않는다. 다른 실시예로, 스프레이는 도 124A에 보여 주는 바와 같은 비슷한 방식으로 밸브를 둘러 쌀 수 있다.
도126에서 보여진 것과 같이, 밸브 12636은 스프레이와 펌프 사이에 위치하여, 유체 순환 시스템을 액체가 없을 때 챔버에서 일어나는 압력 변화로 부터 단절 시킬 수 있다.
도 126의 실시예는 챔버로 들어가는 가스 흐름의 방향과 정확히 일치하는 방향으로 액체를 주입하게 놓여진 스프레이기의 이점을 제공하다. 이러한 가스 흐름과 액체 주입 방향의 일치는 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물의 형성을 촉진한다.
도 126의 실시예는 또한 압축 또는 팽창시에 움직이는 부재의 운동 방향과 정확히 일치하는 방향으로 액체 방울을 주입하게 놓여진 스프레이의 이점을 제공한다. 이러한 피스톤 운동 방향 액체 주입 방향의 일치는 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물의 형성을 촉진한다.
도 126의 실시예는 특정 잠재적 이점을 제공할 수 있는 거 이외에, 이것은 여러 요소 (밸브, 밸브 구동기, 복수의 스프레이기 및 액체 도관)를 챔버의 끝쪽 벽에 있는 상대적으로 작은 리전에 배치할 수 있게 한다. 작은 스페이스에 이러한 요소를 배치함은 설계, 검사, 및/또는 장치의 유지 보수에 영향을 준다.
그러나 액체-가스 혼합물의 특성을 결정하는 데 중요한 것은 가스 유입 밸브에 대한 스프레이의 위치이다. 특히, 압축/팽창 프로세스 중에 열 교환을 위해 유입 가스에 액체가 주입된다. 압축 또는 팽창은 유입 가스의 흐름과 동시에 일어나기 때문에, 유입되는 가스와 액체 스프레이 사이에 빠른 상호작용을 촉진 시킬 수 있는 방식으로 스프레이기를 배치하는 것이 바람직하다.
반면에, 유출구 밸브에 대한 액체 스프레이의 방향은 덜 중요할 수도 있다. 이것은 압축 또는 팽창시에 열 교환이 이미 일어난 후에는 유출구 밸브가 단지 액체-가스 혼합물을 배출하기 때문이다.
따라서, 본 발명의 특정 실시예는 압축 및/또는 팽창 모드에서 챔버로 가스를 흘리는 것을 제어하는 전용의 한 밸브에 대해 방향이 정해진 스프레이를 통하여 액체를 주입한다. 도 127은 이러한 실시예의 간단한 연결도를 보여 준다. 여기서 유입 밸브12712 은 챔버12708의 끝 쪽 벽12708a 에 위치한다. .
도127의 실시예에서, 복수의 스프레이 12738은 또한 유입 밸브 12712를 둘러 싸고 끝 쪽 벽12708a에 위치한다. 이 스프레이기들은 공통의 액체 매니폴드 12770와 액체적 교환한다. 이 매니폴드 12770은 펌프 12734로 부터 액체를 받도록 구성되어 있다. 유출 밸브 12722는 챔버의 옆 벽 12708b에 위치해 있다.
스프레이기의 유입밸브의 위치와 세심한 스프레이의 설계에 의해, 방울 크기, 방울의 균일한 분포, 액체 부피 비율, 온도, 및 압력 등의 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물을 챔버에 주입할 수 있다. 그리고 압축 과 팽창 모드에서 가스의 유입을 위해 같은 밸브가 사용되기 때문에, 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물이 각 경우에 생성될 수 있다.
액체가 주입되는 조건은 팽창과 압축의 경우에 다를 수 있다. 예를 들면, 압축 시에는, 액체가 저압의 가스에 주입될 수 있다. 팽창 시에는 액체가 고압의 가스에 주입될 수 있다.
따라서, 도 127의 실시예에서, 특정 요소의 동작 파라미터는 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물의 생성을 위해 제어될 수 있다. 변할 수 있는 파라미터의 한 예는 챔버에 주입되는 액체의 속도이다. 이런한 속도 파라미터는 펌프의 속도, 및/또는 스프레이기의 크기, 및/또는 보 (bore), 길이, 및 number/degree of turns 등과 같은 스프레이로 연결되는 도관의 특성 등과 같은 변수에 의해 영향을 받는다. 특정 실시예로, 스프레이기는 액체의 속도를 제어하기 위해 조절될 수 있는 구멍 (orifice)을 갖는 노즐로 구성될 수 있다. 특정 실시예로, 스프레이로 연결되는 도관의 특성이 변경될 수도 있다 (예를 들면 액체 흐름의 패스 (path)를 변경하는 밸브의 구동에 의해).
특정 실시예로, 액체의 압력이 변경될 수 있다. 예를 들면, 이것은 펌프의 동작 특성 (예를 들면, 펌프 속도)을 변경함에 의해 이루어 진다. 특정 실시예로, 높은 속도에서 액체 흐름의 분출에 의해 주기적으로 감소되는 축적된 압력을 증가시키기 위해 밸브를 조작함에 의해, 액체 압력이 변경될 수 있다.
액체 방울의 크기도 다른 압력의 가스 흐름과의 상호 작용에 영향을 준다. 예를 들면 , 큰 크기의 액체 방울은 가스의 압축 부피에 더 깊이 스며 들 수가 있다. 그래서, 특정 실시예로, 스프레이는 압축과 팽창 경우에 서로 다른 방울 크기를 생성하게 설계될 수 있다.
도127의 실시예는 챔버에 흘러 들어가는 가스와 정확히 같은 방향으로 액체를 주입하도록 하는 스프레이의 이점을 제공한다. 이러한 스프레이는 압축 또는 팽창시에 챔버 안에서 움직이는 부재의 운동 방향과 정확히 일치하는 방향으로 액체 방울을 주입한다.
이러한 가스 흐름, 피스톤 운동의 방향과 액체 주입 방향의 일치는 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물의 형성을 촉진한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 가스 흐름이나 피스톤 운동 방향에 대한 어떤 특정 방향의 액체 흐름에 한정되지 않는다.
따라서 도 128는 다른 하나의 실시예를 보여 준다. 여기서 유입 밸브 12812는 챔버 12808의 옆 벽 12808a에 위치하고, 스프레이 12838은 챔버의 끝 벽 12808b에 위치한다. 이러한 실시예에서, 액체 주입의 궤적은 챔버로의 가스 유입 방향과 정확히 일치하지 않는다. 이러한 실시예는 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물의 형성을 촉진할 수 있다.
도 129는 다른 실시예를 보여준다. 여기서 스프레이12938은 유입 가스과 피스톤 운동의 방향과 다른 방향을 가지고 여러 챔버 벽에 위치되어 있다. 이러한 구성은 압축 또는 팽창 챔버의 다수의 옆 면으로 부터 확장된 액체 매니폴드 12970의 사용에 의해 가능하다. 도 129는 단면적을 보여 준다. 이렇게 특정 실시예에서, 액체 매니폴드는 챔버의 다른 벽에 위치한 스프레이와 액체적 교환을 위해 도면 윗 쪽으로 확장될 수 있다.
본 발명의 실시예는 도 100A-J에 보여진 특정 액체 노즐 주입 설계에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 80은 다른 형태의 노즐의 스프레이 프로파일 (profile)을 보여 준다. 여기서, 본 발명은 인서트 (insert)가 이러한, 특정한 수의 옆면을 가지는 거에 한정되지는 않지만, 인서트 (insert)는 사각형 피라미드 모양을 가진다.
도133A-G 는 또 다른 형태의 노즐 설계 실시예를 보여 준다. 이러한 노즐 설계에서는, 첫번 째 피스 13302는 두번 째 피스 13304의 오프닝 13303안에 삽입된다. 두 피스는 두번 째 피스의 오프닝13308 에 나사 볼트 13310을 사용하여 고정된다. 볼트13310의 뒷면은 두번 째 피스 13304의 뒷면에 잼 너트 13306을 사용하여 고정된다.
워셔13305은 두번 째 피스 13304의 표면13304b위에 놓인다. 첫번 째 피스13302 는 워셔 위에 놓인다.
도 133F 단면도에서와 같이, 스프레이 되는 액체의 흐름은 화살표로 나타낸다. 액체은 두번 째 피스 13304 에 있는 구멍 (orifice (s)) 13321 (여기서 12개)을 통해 흐른다.
액체는 첫번 째와 두번 째 피스에 의해 제공된 반대의 서피스 13302a 과13304a 사이에 정의된 패시지웨이 13309을 통해 흐른다. 패시지웨이 13309가 유입되는 액체에 작은 단면적을 제공하기 때문에 액체의 속도는 증가한다.
추가로, 각 서피스13302a와 13304a는 서로에 대해 다른 각도로 기울어져 있다 (서피스13302a는 15º 각도로 기울어져 있고, 13304a는 30º 각도로 기울어져 있다). 도100A-J의 실시예에 있는 노즐과 마찬가지로, 액체가 패시지웨이 13309를 통해 흘러갈 때 정확히 같은 단면적을 가지게 구성되어, 노즐로 부터 빈 콘모양의 액체 쉬트 (hollow conical sheet of liquid )를 생성하는 속도 벡터 프로파일을 유도함과 동시에 캐비테이션의 생성을 감소시킨다.
가압된 유체는 결국 좁은 갭13320을 통하여 패시지웨이 13309와 노즐로 부터 배출된다. 도 133F는 실제 비율이 아니고, gap 13320의 너비는 도시를 위해 과장되었다.
도133A-G에 있는 노즐은 열 교환을 위해 바람직한 크기의 방울을 생성하기에 유리한 기하학 구조를 가진다. 특별히, 이 실시예에서는, 노즐의 갭 13320은 25 ㎛이다. 이 갭13320은 최소한 워셔 13305의 두께에 의해 일부 결정된다.
도133A-G의 설계에서, 갭 13320의 유출구 쪽에 가까운 두번 째 피스13304의 표면은 첫번 째 리세스 13330 과 두번 째 리세스 13340을 가진다. 이 리세스는 콘다 효과에 의한 액체 스프레이 패스의 편차를 줄이는 데 도움이 된다..
도 133A-G의 노즐 설계 실시예는 특정한 이점을 제공한다. 예를 들면, 두번 째 피스의 리세스와 첫번 째 피스를 가공할 때의 재료의 두께의 세심한 사용은 첫번 째 피스의 윗면과 두번 째 피스의 윗면이 일치하도록 할 수 있다. 이 것은 첫번 째 피스가 챔버 안으로 돌출되는 것을 막고, 데드볼륨을 줄인다.
도133A-G의 노즐 실시예의 또 다른 이점은, 액체가 흐를 때의 진동 조건하에 첫번 째 피스와 두번 째 피스를 함께 고정하는 능력이다. 특히, 이 두 피스는 볼트에 의해 고정되고, 다시 잼 너트로 두번 째 피스에 고정되어, 노즐의 동작 중에 볼트의 느슨해 짐을 방지한다.
본 발명에 따른 노즐 설계는 위에서 설명한 특정 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도100A-J 와 도133A-G는 두번 째 피스의 표면에 직각으로 놓인 축에 있는 (12개의) 보 (bores)와 두번 째 피스를 갖는 노즐을 보여 주지만, 이것이 본 발명의 요구 사항은 아니다.
다른 실시예에 따라, 보 (bores)의 축은 다른 방향으로 놓일 수 있다. 예를 들면 표면적 수직에 대하여 일정한 각도로 빗겨 놓일 수 있다. 이러한 구성은 노즐 밖으로 나가는 액체에 소용돌이를 일으킬 수 있다. 이러한 소용돌이의 액체 흐름은 브레이크업 길이를 줄이는 등의 바람직한 특성을 가질 수 있다.
또, 특정 노즐의 동작 특성은 요소들 간의 상대적 치수 차이에 의해 결정될 수도 있다. 예를 들면, 도134A는 노즐 13406의 두 피스 13402과 13204 사이에 형성된 갭 리전 13400의 확대를 보여 준다.
액체는 노즐로 부터 피스 13402 와13404의 끝 사이에 형성된 평면에 대략 수직 방향으로 흘러 나온다. 따라서, 이 피스들의 상대적 길이의 변경은 스프레이 각도에 영향을 준다.
도 134B는 도134A의 실시예에 비해 짧은 첫번 째 피스 13402의 길이 L을 갖는 다른 실시예를 보여 준다. 칫수의 변경은 도 134의 실시예와 비교하여, 노즐의 표면의 평면에 대해, 흐름의 각도 A를 증가시킨다.
도134C는 도134A의 실시예에 비해 긴 첫번 째 피스 13402 의 길이 L을 갖는 다른 실시예를 보여 준다. 이러한 칫수의 변경은 도134의 실시예와 비교하여, 노즐 표면의 평면에 대한 흐름 각도 A의 감소를 가져온다
본 발명에 따른 스프레이 노즐의 실시예는 특정한 성능 특성을 나타낸다. 한 성능은 방울 크기이다.
방울 크기는 DV50, 소터 평균 직경 (Sauter mean diameter) (또한SMD라고 불린다, D32, d32 또는 D[3, 2]), 또는 다른 측정치을 사용하여 측정될 수 있다. 본 발명에 따른 노즐의 실시예는 SMD 크기 약 10-200 um 사이의 액체 방울을 생성할 수 있다. 본 발명에 따른 노즐의 실시예에 의해 생성되는 방울 크기의 예는 SMD 약 200 microns, 150 microns, 100 microns, 50 microns, 25 microns, 및 10 microns을 포함하지만, 이 크기에 한정하지는 않는다
본 발명의 실시예에 따른 액체 스프레이 노즐의 성능 특성의 하나는 유속이다. 본 발명에 따른 실시예는 약 초당 20 및 0.01 리터의 유속을 생성할 수 있다. 본 발명에 따른 노즐의 실시예의 유속 예는 20, 10, 5, 2, 1, 0.5, 0.25, 0.1, 0.05, 0.02, 및 0.01 리터/초 (liters per second) 이다. 브레이크업 길이, 스프레이 패턴, 스프레이 콘 각도, 팬 각도, (팬 스프레이의 경우) 표면에 대한 각도, 액체 공간 분포 (breakup length, spray pattern, spray cone angle, fan angle, angle to surface (for fan sprays), droplet spatial distribution) 등.
본 발명의 실시예에 따른 액체 스프레이 노즐의 또 하나의 성능 특성은 브레이크업 length다. 본 발명에 따른 노즐의 실시에에 의한 액체 줄력은 약 1-100 mm 사이의 브레이크업 길이를 가진다. 본 발명에 따른 노즐로 부터의 액체 스프레이의 브레이크업 길이100, 50, 25, 10, 5, 2, 및1 mm을 포함한다.
본 발명에 따른 노즐의 실시예는 다른 스프레이 형태를 생성한다. 본 발명에 따른 노즐 실시예에 의해 생성되는 스프레이 형태의 예는 빈 콘, 솔리드콘, 스트림 (stream), 단일 팬 (single fan), 및 복수팬 (multiple fans)이 있지만, 이것에 한정되지는 않는다.
본 발명에 따른 노즐의 실시예는 스프레이 콘 각도, 약 20-180 도 를 생성한다. 이러한 스프레이 콘 각도의 예는20º, 22.5º, 25º, 30º, 45º, 60º, 90º, 120º, 150º, and 180º를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명에 따른 노즐의 실시예는 스프레이 팬 각도 약 20-360 도를 생성한다. 이러한 팬 각도의 20º, 22.5º, 25º, 30º, 45º, 60º, 90º, 120º, 150º, 180º, 225º, 270º, 300º, 330º, or 360º를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 본 발명의 실시예에 의해 생성되는 표면에 대한 팬 스프레이 각도의 90º, 80º, 60º, 45º, 30º, 22.5º, 20º, 15º, 10º, 5º, or 0º 이지만, 이에 한정되지는 않는다.
방울의 공간적 분포는 본 발명의 실시예에 따른 액체 스프레이 노즐의 또 다른 성능 특성이다. 방울의 공간적 분포를 측정하는 한 방법은 쉬트에서 벗어나는 모든 방울을 포함하는 쉬트 또는 콘 단면의 각도를 측정하는 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 노즐 설계에서 이 각도는 0-90 도 사이다. 본 발명의 실시예에 의해 생성되는 그러한 각도의 예는 0º, 1º, 2º, 5º, 7.5º, 10º, 15º, 20º, 25º, 30º, 45º, 60º, 75º, or 90º 를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 실시예에 따라, 열 교환을 향상시키기 위해 챔버로 들어가는 액체의 양을 제어하는 게 중요할 수도 있다. 이상적인 양은 여러가지 요인에 달려 있다. 이러한 요인은 가스와 액체의 열용량, 및 압축 또는 팽창 시의 바람직한 온도의 변화를 포함한다.
주입되는 액체의 양은 스프레이 노즐에 의해 형성되는 방울의 크기에 의존한다. 주입되는 액체 양의 하나의 측정은 챔버안에 있는 가스의 몰 (moles) 수에 대한 모든 방울의 전체 표면적의 비율이다. 이 비율은 몰당 제곱미터 단위로, 약1 에서 250 사이 있거나 또는 클 수도 있다. 본 발명의 실시예에서 사용하기에 적당한 이 비율이 1, 2, 5, 10, 15, 25, 30, 50, 100, 125, 150, 200, 또는 250을 포함한다..
특정 노즐 설계는 개개의 노즐의 제작을 용이하게 한다. 특정 노즐 설계는 또한 주어진 표면 위에 복수의 노즐을 서로 가깝게 배치할 수 있게 하고, 이것은 성능을 향상시킬 수 있다..
예를 들면, 도 130A는 실린더의 같은 벽에 있는 다수의 노즐 13010의 스프레이 궤적을 보여 준다. 특정 리전13012에서, 두 개 또는 다수의 노즐으로 부터의 액체 스프레이는 서로 겹쳐진다. 이런 겹침은 액체 사이의 잠재적 충돌을 야기하고, 이에 의해 열 교환을 위한 방울들을 더욱 더 작은 크기로 분할시킨다.
복수의 스프레이 노즐을 배치하고 제조할 수 있는 유연성은 성능의 추가 향상을 제공할 수도 있다. 예를 들면, 특정 실시예로, 피스톤 운동의 방향 및/또는 입력 가스의 방향에 대한 스프레이 구조물의 축의 방향은 다른 스프레이 구조물에 대해 균일하거나 또는 비균일 할 수 있다.
그래서 특정 실시예로, 스프레이 구조물의 축은 일정하게 가스 흐름 방향으로 부터 달라질 수 있고, 이에 의해 소용돌이와 같은 벌크 효과 (bulk effect)를 증가시킬 수 있다. 다른 실시예로, 스프레이 구조물의 축은 가스와 액체 방울의 상호작용을 촉진시키기 위해 특정 방향에 대해 균일하지 않게 정해질 수 있다. 이런 상호작용은 결과 혼합물의 동질성을 향상시키고, 가스와 액체 사이의 열 교환 특성도 향상 시킬 수 있다.
특정 실시예로, 하나 또는 다수의 스프레이 노즐은 의도적으로 일부의 스프레이가 챔버의 벽쪽으로 쏘아 지게 지향될 수 있다. 이렇게 벽으로 쏘아 지는 스프레이는 방울을 더 작은 방울로 잘게 자르는 효과가 있을 수 있다.
도130B는 액체 스프레이를 더 작은 크기의 방울로의 붕괴를 향상시키기 위해 설계된 또 다른 접근 방법이다. 이 실시예에서, 노즐 13020은 챔버 벽에 쏘아지는 팬 스프레이를 생성하도록 설계되었다. 변환기 (transducer) 13024 로 부터의 음파 또는 초음파 13022 가 또한 챔버 벽으로 쏘아 져서 벽을 진동시킨다.
이 진동은 액체 충격의 위치와 각도를 바꾸고, 이에 의해 진동하는 벽으로 부터 반사되어 나오는 액체의 위치와 각도를 바꾼다. 이러한 반사는 결국 주어진 액체 스프레이를 더 넓은 영역으로 분산시키고, 이에 따라 더 작은 방울로 부서뜨려, 효과적으로 열 교환을 수행하게 한다.
본 발명은 도130B에 있는 특정 실시예에 한정되지 않는다. 특히, 그림은 초음파 변환기 (transducer)가 챔버의 바깥에 위치함을 보여 주지만, 이 초음파 변화기는 챔버 안에 또는 안과 밖에 모두 위치할 수 있다.
또한, 이 실시예가 벽에 부딪히는 액체가 음파나 초음파 변환기에 의해 간접적으로 활성화 (energized)되지만, 이것이 요구되는 것은 아니다. 특정 실시예에 따라, 액체는 음파 또는 초음파 변환기의 표면과 직접 상호작용할 수 있다. 특정 형태의 변환기는 압전기 (piezoelectric), 전자기, 및 자기 변형 (magnetostrictive)을 포함한다.
스프레이가 액체를 주입하는 방향은 노즐이 형성된 챔버 벽에 수직일 필요가 없다. 예를 들면, 도 100A-J의 실시예에서, 유출구 슬롯은 챔버 벽의 수직에 대해 큰 각도로 기울어져 있다.
스프레이의 축은 (압축 또는 팽창) 챔버로 들어가는 가스의 방향 쪽 또는 반대 쪽으로 기울어 져 놓일 수 있다. 액체 주입의 방향은 또한 압축 또는 팽창에 액체를 주입시에, 피스톤의 움직임 방향 쪽으로 또는 반대 쪽으로 기울어 질 수 있다.
이런 스프레이의 기울어 짐은 액체가 피스톤 헤드나 다른 솔리드 표면을 만나기 전까지의 패스 (path)를 효과적으로 증가시킴다. 이러한 긴 패스는 각 방울이 원하는 작은 사이즈 (이에 의해 넓은 표면적)를 갖는 개별 방울로 붕괴되기 위한 더 많은 시간를 제공한다. 이것은 스프레이된 액체의 브레이크업 길이에 비해서 짧은 피스톤 스트로크의 경우에 설계의 중요한 점이다.
이전의 실시예는 챔버를 벽에의 정의된 간단한 내부 스페이스로 나타내었다. 그러나, 특정 실시예로, 챔버의 내부는 더 복잡한 프로파일을 나타낼 수 있다.
예를 들면, 도131은 피스톤 헤드 13106a 와 피스톤 샤프트13106b로 구성된 복동식 피스톤을 갖는 압축 또는 팽창 챔버 실시예의 간단한 단면도를 보여 준다. 피스톤 헤드는 두 챔버13108 과 13109 정의하고, 이들은 각각 밸브 오프닝13111 과 13123, 및 밸브오프닝s 13112 와 13122를 통하여 외부 도관과 액체적 교환을 한다.
도131은 두 근단 위치13130 및13132에서 피스톤 헤드의 위치를 점선으로 보여 준다. 이 위치에서, 피스톤 헤드는 가스가 나가는 밸브 오프닝의 일부를 차지한다.
도131은 또한 챔버의 끝 벽13108a 및13109a가 밸브 오프닝과 근접한 각 리세스 포션13108b 및 13109b을 포함함을 보여 준다. 이러한 리세스에 의해 제공되는 내부 스페이스 13108c 및 13109c는 밸브 오프닝이 13130 및13132 위치에서 피스톤에 의해 가려 졌을 때, 밸브 오프닝을 통해 가스가 나갈 자리를 만들어 준다.
따라서, 특정 실시예에서, 액체 스프레이는 바람직한 특성을 갖는 액체-가스 혼합물의 형성을 촉진하기 위해, 내부 챔버 스페이스에 대하여 특정하게 방향이 설정될 수 있다. 예를 들면, 도131의 실시예에서, 스프레이13138은 밸브 오프닝을 통한 가스 유입구의 길이 되는 스페이스13108c 및 13109c로 액체 방울을 주입하기 위해 끝 벽으로 향할 수 있다.
도131의 특정 실시예는 특정한 내부 프로파일을 갖는 챔버를 보여 주고 있지만, 본 발명은 이런 또는 다른 형태의 챔버로의 액체 주입에만 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 132는 복동 피스톤 (double-action pistion)dmf 갖는 또 다른 챔버의 단면도를 보여 준다.
도 132의 실시예에서, 피스톤 헤드13206a 는 오목한 형태의 끝 벽과 대응되는 볼록한 형태를 나타낸다. 도 132는 끝벽에 위치한 스프레이13238를 보여 준다. 이 스프레이는 액체를 볼록한 피스토 헤드와 오목한 형태의 벽 사이에 정의된 스페이드에 액체를 주입한다.
도131 과 132의 특정한 실시예는 수평으로 움직이는 부재를 갖는 챔버에의 액체 주입을 보여 준다. 본 발명의 이러한 실시예는 특정 축을 따라서의 액체 주입에 한정되지는 않고, 액체는 수평 또는 수직으로 움직이는 피스톤을 갖는 챔버에 주입될 수 있다.
특정 실시예로, 액체의 직접 주입은 가스 압축 또는 팽창 프로세스 중에 일어나는 조건 변화를 고려할 수도 있다. 그러한 변경 조건의 한 예는 온도이다.
특히, 가스 가열은 압축 스트로크에 걸쳐 일정 비율로 일어나 지 않는다. 대신에, 가열은 압축의 끝에서 압력이 높아 짐에 따라 강해진다. 그래서, 근사-등온 조건하에서 압축을 달성하기 위해서, 열 교환의 많은 양이 특정 범위 안에서 온도를 유지하기 위해 압축 스트로크의 거의 마지막 단계에서 요구된다. 이 더 많은 양의 열 교환은 결과적으로 스트로크의 마지막 단계에서 더 많은 양의 액체 주입을 요구한다. 이것은 액체 주입 장치의 특정한 배치에 의해 달성될 수 있다.
주입되는 액체의 효과적인 부피는 개별적 또는 조합된 여러 방법으로 제어 될 수 있다. 예를 들면, 스프레이는 크기가 작거나 또는 크거나, 및/또는 숫자가 많거나 또는 작거나를 조정하여 주입되는 액체의 양을 조절할 수 있다. 또는, 다른 방법으로, 이러한 요인과 함께, 액체는 낮은 또는 높은 속도로 주입될 수 있다. 즉, 유체가 낮은 또는 높은 유속으로 주입될 수 있다.
또, 다른 방법으로는, 위의 요인들과 함께, 스프레이는 다른 크기의 방울을 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 다른 크기의 방울은 좁은 또는 넓은 열 교환 표면적을 제공하고, 이에 따라 작은 효과적이 부피를 나타낸다.
위의 설명은 압축 스트로크에 일어나는 온도의 변화에 중점을 두었으나, 다른 조건도 또한 변한다. 예를 들면, 다른 변화되는 조건은 압력이다. 특히, 압축 프로세스의 첫 부분에서는가스의 압력이 낮아서, 가스로의 물 방울의 혼합이 쉽다. 반면에, 압축 스트로크의 끝에서는 가스의 압력이 매우 높다. 가스 압력 및/또는 밀도가 주입된 액체의 운동에 저항하므로, 이 변화된 압력 조건이 물을 밀어내어 방울과 가스의 상호작용을 방해할 수 있다
특정 장치의 설계는 이 효과를 고려할 수도 있다. 예를 들면, 챔버의 하부사점 (BDC) 위치에서 압축되는 공기는 낮은 압력에 있고, 그에따라, 가스와 주입된 액체와의 상호작용과 혼합을 촉진한다. 따라서, 이 실시예에서, 이 위치에, 스프레이기가 위에서 설명한 접근 방법의 하나 또는 이상의 방법을 사용하여 가장 많은 양의 액체를 주입하게 구성할 수 있다.
위의 예들이 압력 스트로크에서의 온도와 압력 변화에 중점을 두었지만, 부피도 또 다른 하나의 변화 조건이다. 특히, 압축의 초반 단계에서는, 가스는 큰 부피로 분산되어, 가스와 상호 작용하는 스프레이의 위치에 더 많은 공간을 제공한다. 반면에, 압축 스트로크의 끝에서는 가스는 작은 양으로 줄어 들어, 스프레이가 액체를 주입할 공간을 감소시킨다. 다시, 위에서 설명한 하나 또는 이상의 액체 주입 요인을 적용하여 챔버의 적당한 위치에 열 교환을 위한 효과적인 액체 부피를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 액체 주입을 이용한는 장치의 설계는 액체 주입의 타이밍을 고려하여야 한다. 예를 들면, 액체 주입이 압축 스트로크의 시작 시에 일어날 수 있는 반면에, 특정 실시예에 따라 액체 주입이 피스톤의 스트로크 전에 공기가 챔버로 들어갈 때 일어날 수도 있다.
이러한 접근은 액체 주입 시스템의 바람직한 구성을 변경한다. 예를 들면, 피스톤 스트로크의 방향에 따른 여러 위치 보다는, 들어오는 가스에 대한 스프레이의 방향을 고려하여야 한다. 많은 효과적인 부피를 유입 밸브에 가깝게 주입하기 위해 구성된 스프레이의 배치는 압축 전에 방울이 챔버를 채우는 가스와 상호 작용하면서 가스-액체 혼합을 촉진한다. 물론, 특정 실시예로, 액체는 챔버가 가스로 찬 이후에, 피스톤이 압축시 TDC 점으로 움직일 때에도, 직접 주입될 수 있다
액체 주입 시스템의 다른 구성은 팽창의 경우에도 적합하다. 여기서, 스트로크시의 피스톤의 위치, 온도 및 압력의 관계는 압축에서와 마찬가지 이지만, 이 조건들은 시간에 따라 반대 방향으로 변한다. 또한, 압력과 온도의 값은 압축과 팽창 시에 다를 수 있다. 따라서, 주입 시스템의 상대적 구성은 팽창의 맥락에서 가스와 주입된 액체의 최적 열 교환을 얻기 위해서 다를 수 있다.
현재까지 보여준 특정 실시예는 실례을 위한 목적이고, 본 발명은 그것들에 만 한정되지 않는다. 예를 들면, 위에서 설명한 많은 챔버들은 두 개의 또는 이상의 포트를 사용하여 가스를 챔버로 흘리거나 챔버로 부터 흘러 나오게 하지만, 이것은 본 발명의 요구 사항이 아니다
다른 실시예에 따라, 압축 및/또는팽창 챔버는 압축 및/또는 팽창 모드에서 가스를 챔버에 넣고 빼는 하나의 포트를 사용할 수 있다. 이러한 포트를 통한 가스의 흐름은 한 밸브의 의해 제어될 수 있고, 밸브가 열리면, 가스는 들어가고, 닫으면 가스를 챔버 밖으로 흘러 나오게 할 수 있다.
이 한 포트는 압축된 또는 팽창된 가스의 라우팅을 위해 높은 또는 낮은 압력 측에 있는 적합한 도관과 3 방향 밸브 또는 밸브 네트워크를 통해 교통할 수 있다. 한 포트와 그에 대응하는 가스 밸브를 갖는 이러한 구성의 사용은 장치의 구조를 간단하게 하고 상당한 비용을 줄일 수 있다.
그리고 위에서 설명한 특정 실시예는 챔버의 벽을 통한 액체 주입을 사용하지만, 이것은 또한 본 발명의 요구 사항이 아니다. 다른 실시예로, 액체는 움직이는 부재에 의해 공급될 수도 있다. 예를 들면, 솔리드 피스톤 헤드, 피스톤 로드, 및/또는 멤브레인 (membrane)에 있는 구멍 (orifices)을 사용할 수도 있다.
다음 청구항은 팽창에 관련한다.
1. 내부에 이동 가능 부재를 챔버를 제공하는 단계와;
포트를 통하여 상기 챔버로 압축 가스를 흘리는 단계와;
상기 챔버내에 액체를 주입하는 단계와;
액체를 연소시키지 않는 상태로 액체의 존재하에서 압축 가스를 팽창시켜 상기 이동 가능한 부재를 움직이는 단계와;
상기 이동 가능한 부재와 물리적으로 교통을 하는 링크로부터 파워를 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 액체를 주입하는 단계는 액체 방울을 분사(스프레이)하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2a. 청구항2에 있어서, 상기 챔버 내에 있는 가스의 몰 수에 대한 상기 액체 방울의 총 표면적의 비율은 1-250 m2/mol 인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 액체를 주입하는 단계는 상기 압축 가스를 상기 액체내로 버블링 (bubbling)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 파워는 상기 이동 가능한 부재의 운동에 의해 동작하는 샤프트의 회전으로부터 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 물리적 교통은 유압 또는 공압식 교통을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 물리적 교통은 기계적 교통, 자기적 교통, 전자기적 교통, 및/또는 정전기적 교통을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 이동 가능한 부재는 솔리드 피스톤과 스크류 (screw)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 링크가 크랭크 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 챔버로 압축 가스가 흘러가는 방향에 실질적으로 평행한 방향이 아닌 방향으로 주입되는 것(introduced in a direction other than substantially parallel to a direction of flow of the compressed gas into the chamber)을 특징으로 하는 방법.
10. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 이동 가능한 부재의 운동 방향과 실질적으로 평행한 방향이 아닌 방향으로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법 .
11. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 포트를 정의하는 상기 챔버의 벽을 통하여 주입되는 것을 특징으로 하는 방법 .
12. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 매니폴드를 통해 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 밸브를 통해 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은
상기 챔버로부터 가스-액체 혼합물을 유출시키는 단계와;
상기 가스-액체 혼합물로부터 최소한 액체를 분리해 내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 가스-액체 혼합물은 상기 포트를 통하지 않고 상기 챔버로부터 흘러 나오는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 챔버로 상기 압축 가스가 흘러 들어가는 동안 주입되는 것을 특징으로 하는 방법 .
17. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 압축 가스가 팽창하는 동안에 주입되는 것을 특징으로 하는 방법 .
18. 청구항 1에 있어서, 상기 파워를 생산하는 단계는 전기를 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 청구항 1에 있어서, 상기 파워를 생산하는 단계는 기계적 파워를 생산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은
상기 챔버와의 열 링크를 통하여 상기 최종 사용자를 냉방하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
다음 청구항은 압축에 관련된다.
1. 내부에 이동 가능 부재를 갖는 챔버를 제공하는 단계;
포트를 통해 가스를 상기 챔버에 흘리는 단계;
상기 챔버에 액체를 주입하는 단계;
링크와 기계적 교통을 하는 이동 가능 부재의 운동에 의해 상기 액체의 존재하에서 상기 가스를 압축하는 단계; 및
상기 챔버로부터 상기 압축된 상기 가스가 흘러나오는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 액체를 주입하는 단계는 상기 액체의 방울(droplets of the liquid)을 스프레이하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2a. 청구항 2에 있어서, 상기 챔버 내에 있는 가스의 몰 (moles) 수에 대한 상기 액체 방울의 총 표면적 비율은 약 1-250 m2/mol인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 액체를 주입하는 단계는 상기 가스를 상기 액체내로 버블링 (bubbling)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 이동 가능 부재는 샤프트의 회전으로 움직이는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 물리적 교통은 유압 또는 공압식 교통을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 물리적 교통은 기계적 교통, 자기적 교통, 전자기적 교통, 및/또는 정전기적 교통을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 이동 가능한 부재는 솔리드 피스톤과 스크류 (screw)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 링크가 크랭크 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 가스가 상기 챔버로 흘러가는 방향과 실질적으로 평행한 방향이 아닌 방향으로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 이동 가능 부재의 운동 방향과 실질적으로 평행한 방향이 아닌 방향으로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 포트를 정의하는 상기 챔버의 벽을 통하여 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 매니폴드를 통해 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 밸브를 통해 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은
상기 챔버로 부터 가스-액체 혼합물을 흘려보내는 단계; 및
상기 가스-액체 혼합물로부터 적어도 액체의 일부를 분리해 내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 가스-액체 혼합물은 상기 포트를 통하지 않고 상기 챔버로부터 흘러 나오는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 챔버로 가스가 흘러들어가는 동안 주입되는 것을 특징으로 하는 방법 .
17. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 가스가 압축되는 동안 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 상기 가스가 상기 챔버로 들어가는 동안, 및 상기 가스가 압축되는 동안 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 청구항 1에 있어서, 상기 방법은
상기 챔버와 연결된 열링크를 통하여 최종 사용자를 가열(heating)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
다음 청구항은 장치에 관련된다.
1. 내부에 이동 가능한 제1부재를 갖는 제1챔버;
상기 제1챔버에 액체를 주입하도록 구성된 제1요소;
상기 제1챔버내에서 가스를 압축하기 위해 상기 제1부재와 물리적으로 교통하는 링크;
내부에 이동 가능한 제2부재를 갖는 제2챔버;
상기 제2챔버에 액체를 주입하도록 구성된 제2요소;
역류 열 교환기로서, 상기 역류 열 교환기는
상기 이동 가능한 제1부재에 의해 상기 제1챔버에서 압축되는 가스 흐름, 및
상기 제2챔버에서 팽창되는 가스 흐름을 받아들이도록 구성되고; 및
상기 제2챔버와 최종 사용자 사이의 열 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 장치는 압축 가스 저장 유닛을 더 포함하며,
상기 압축 가스 저장 유닛은
상기 역류 열 교환기로부터 압축된 가스를 받아 들이고,
저장된 가스를 상기 제2챔버로 흘리도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 이동 가능한 제2부재는 상기 링크와 물리적으로 교통하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 제2챔버가 열 소스와 열적 교통을 하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 이동 가능한 제2 부재가 발전기와 물리적 교통을 하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 이동 가능한 제2 부재가 발전기와 물리적 교통하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 이동 가능한 제2 부재가 상기 링크를 통해 상기 발전기와 물리적 교통하는 것을 특징으로 하는 장치 .
8. 청구항 7에 있어서, 상기 링크가 회전 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 청구항 7에 있어서, 상기 링크가 다중 노드 기어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치
10. 청구항 7에 있어서, 상기 제1요소 및/또는 상기 제2요소가 스프레이기 또는 스파저 (sparger)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.

Claims (21)

  1. 하나 또는 다수의 벽 내에 정의되는 챔버,
    상기 챔버와 압축 가스 저장 유닛 사이의 선택적인 유체 교환를 허용하는 하나 또는 다수의 밸브;
    연소가 없는 상태에서 상기 챔버 안에서 팽창하는 가스와 액체간의 열 교환이 발생하도록 상기 챔버에 상기 액체를 공급하며, 상기 압축 가스 저장 유닛과 상기 밸브 사이에 위치하는 제 1 혼합기;
    상기 팽창 가스에 의해 구동되며, 상기 챔버 내에 위치하는 이동 가능한 부재; 및
    상기 팽창 가스의 파워를 상기 챔버 외부로 전달하도록 구성된 기계적 링크를 포함하며,
    상기 챔버 안에서 팽창하는 가스는 상기 압축 가스 저장 유닛으로부터 상기 밸브를 통해 제공되는 것을 특징으로 하는 압축 가스로부터 에너지를 복구하는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기계적 링크는 회전 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기계적 링크는 왕복 운동을 샤프트 토크로 변환하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기계적 링크는 피스톤 막대(piston rod)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 기계적 링크는 상기 피스톤 막대와 크랭크샤프트(crankshaft)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동 가능한 부재는 상기 챔버 내에서 회전하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버 내의 이동 가능한 부재가 터빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 장치는 열교환기를 더 포함하며,
    상기 열교환기는 상기 팽창가스와 열 교환하는 액체(liquid)와 열 소스(heat source) 사이의 열적 교통을 허용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 장치는 가스-액체 분리기를 더 포함하며,
    상기 가스-액체 분리기는 상기 챔버로부터 가스-액체 혼합물을 받아들이도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 기계적 링크는 에너지 소스와 선택적으로 교통하여, 상기 챔버 안에서의 가스 압축을 위해 상기 이동 가능한 부재를 구동하며,
    상기 챔버 안에서 압축되는 가스와 액체 사이에 열 교환이 일어나도록 상기 챔버에 상기 액체를 공급하는 제 2 혼합기; 및
    상기 챔버 안에서 압축되는 가스와 액체 사이의 열 교환을 위해 상기 액체와 열적 교통을 하는 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    제2챔버 안에서 가스를 압축하고 압축된 가스를 상기 압축 가스 저장 유닛으로 흘려보내기 위해, 상기 기계적 링크를 통해 에너지 소스와 교통하는 이동 가능한 제2부재;
    제2챔버 안에서 압축되는 가스와 액체 사이의 열 교환이 발생하도록 상기 제 2 챔버에 상기 액체를 공급하는 제2 혼합기; 및
    상기 압축 가스 저장 유닛으로 흘러 들어가고 상기 압축 가스 저장 유닛으로부터 흘러 나오는 가스를 받아들이도록 구성된 역류 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 밸브를 통해 압축 가스 저장 유닛과 선택적 유체 교환을 하는 챔버;
    연소가 없는 상태에서 상기 챔버 안에서 팽창하는 가스에 의해 구동되도록, 기계적 링크와 함께 상기 챔버 안에 위치하는 이동 가능한 부재;
    연소가 없는 상태에서 상기 챔버 안에서 팽창하는 가스와 액체 사이에 열 교환이 발생하도록 상기 챔버에 상기 액체를 공급하는 스프레이; 및
    상기 압축 가스 저장 유닛이 비워짐에 따라 밸프 타이밍을 다이나믹하게 조절하기 위해 상기 밸브의 상태를 전기적으로 제어하는 제어 시스템을포함하며,
    상기 챔버 안에서 팽창하는 가스는 상기 압축 가스 저장 유닛으로부터 상기 밸브를 통해 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 기계적 링크는 피스톤 막대와 크랭크샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 스프레이는 상기 챔버와 직접적인 유체 교환을 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 스프레이는 상기 밸브의 업스트림에 위치하는 혼합 챔버와 직접적인 유체 교환을 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 기계적 링크가 회전 샤프트를 포함하여,
    상기 챔버 안에서 가스를 압축하기 위해, 상기 회전 샤프트는 샤프트 토크 소스와 선택적으로 교통하여 상기 이동 가능한 부재를 구동하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 압축 가스 저장 유닛과 유체 교환을 하는 압축 전용 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 청구항 12에 있어서,
    상기 밸브가 포핏 밸브(poppet valve)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 포핏 밸브는 캠-동작(cam-operating) 포핏 밸브인 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    캠(cam)의 유효 프로파일을 변화시켜 상기 밸브의 타이밍을 변화시키는 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어 시스템이 효율성에 기초하여 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.
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