KR20150032262A - 압력식 파워 시스템 - Google Patents

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브루스 아이. 벤
장 피에르 호프만
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브루스 아이. 벤
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Abstract

본 발명은 에너지 변환 및 생성 시스템에 관한 것으로, 구체적으로, 작동 유체 내의 압력차를 이용하여 에너지를 생성 및 변환하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 압력식 파워 시스템은 폐순환 내에서 연결된 저온 보조 시스템, 고온 보조 시스템, 동력 추출 시스템 및 유압식 펌프를 포함한다. 저온 보조 시스템과 고온 보조 시스템은 서로에 대하여 각각 낮은 온도와 높은 온도로 유지되어, 펌프를 통해 폐순환 내를 순환하는 작동 유체는 두 개의 보조 시스템에서 다른 평형 증기 압력을 갖게된다. 이렇게 다른 각각의 작동 유체의 상태 함수는 두 개의 다른 레벨의 탄성 위치 에너지를 나타내고, 결과적으로, 두 개의 시스템 사이에 압력차가 발생한다. 동력 추출 시스템은 상기 두 개의 보조 시스템 사이에 배치되어, 탄성 위치 에너지/압력차를 유용한 운동 에너지로 변환한다.

Description

압력식 파워 시스템{PRESSURE POWER SYSTEM}
본 발명은 에너지 변환 및 발생 시스템에 관한 것으로, 구체적으로, 작동 유체의 압력차를 이용하여 에너지를 발생 및 변환하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
많은 노력에도 불구하고, 세계적으로 더욱 많은 에너지를 계속하여 소비하고 있다. 일반적으로, 지구 온난화, 오염, 화석 연료의 고갈 및 많은 에너지의 소비에 대한 염려로서, 깨끗하고, 재생 가능하며, 에너지원의 소비가 줄이려는 노력이 진행되고 있다.
바람, 태양 에너지와 같은 일부 청정 에너지원을 사용할 수 있지만, 수열과 같이 여전히 크게 사용되지 않는 에너지원들이 있다. 예를 들어, 많은 파워 발생 시스템은 수류에서 에너지를 추출하지 않고 스팀 터빈을 사용한다.
또한, 많은 종래의 파워 발생 시스템은 그 크기를 크게 형성하여야만 실용적이고 효과적일 수 있다.
따라서, 깨끗하고, 비용 효율적이며, 효과적인 에너지를 발생(및 변환)할 수 있는 개선된 방법과 시스템을 제공할 필요가 있으며, 작은 시스템을 포함하는 여러가지 크기에서 적용할 수 있어야 한다.
본 발명의 목적은 에너지를 발생하고 변환하기 위한 개선된 방법과 시스템을 제공하는데 있다.
본 명세서는 혼합 물질, 때로는 유기물로 만들어지는 작동 유체(2)의 특성을 이용할 수 있는 "저온 보조 시스템"과 "고온 보조 시스템"에서 다른 상태 함수(1)를 나타내며, 에너지를 변환하고, 동력을 추출하기 위한 낮은 정상 끓는점(3)을 갖는 시스템(즉, "압력차를 통한 파워 발생", 이하, "압력식 파워 시스템"이라 한다)를 설명한다.
또한, 압력식 파워 시스템에 있어서, 원칙적으로 각각의 저장 컨테이너 포함되는 두 개의 분리된 폐쇄 보조 시스템을 갖는 다른 외기 온도(5)에서 작동 유체가 개별적으로 저장되는 경우, 이러한 독립적인 열역학적 보조 시스템의 상태 함수는 서로 다르며, 물질의 다른 상태에 대응하여, 다른 조건하에서 유체를 부분적으로 기화시킨다. 각각의 보조 시스템에 있어서, 이러한 기화를 통해, 특정한 유체(9)의 평형 증기 압력이 발생하고, 이는 동력을 추출하는데 사용되는 압력차를 발생시키는 다른 외기 압력(8)에 대응한다.
압력식 파워 시스템의 개념은 알려진 작동 유체의 물리학에 기초한 일부 기초 함수 원리에 의존한다. 이들은 주로 아래의 물리적 특성을 결정하는 작동 유체의 물질에 의존한다.
1. 휘발성
2. 팽창 인자
3. 증기/액체 평형
4. 자유 팽창
5. 응축
6. 정상 상태 함수
7. 임계점
이러한 함수 원리는 저온 및 고온 보조 시스템에서 각각 사용할 수 있는 상태 함수를 정량화하고, 이는 작동 유체의 본연의 특성, 그 중에서도 휘발성으로부터 발현되는 물리적 성질과 직접적으로 관련된다. 이들은 동력을 추출하는데 사용될 수 있는 두 개의 보조 시스템 사이의 압력차를 발생하는 평형 증기 압력을 결정한다.
압력식 파워 시스템의 각각의 보조 시스템에 있어서, 작동 유체의 평형 증기 압력은 온도와 선형적으로 변하지 않는 전술한 휘발성 인자에 의존하기 때문에, 상태 함수 W=PV(압력과 부피의 곱)는 관련된 외기 온도를 고려하여야한다. 이러한 설명의 이해를 간단히 하기 위해, 상태 함수 W=PV는 아래의 설명을 참고한다.
- PV는 보조 시스템의 내부 에너지로 간주된다. 기화 공정은 전술한 내부 에너지의 일부를 이하에서 "탄성 위치 에너지"(7)로 설명되는 다른 형태로 변환하며, 일반적으로 줄(Joule)로 나타낸다(도 5 및 도 6 에 도시된 프레온 R-410A 예시 참조).
- W는 추출 가능한 동력으로 고려되며, 이는 일반적으로 와트로 나타낸다(도 5 및 도 7 참조).
결과적으로, 압력식 파워 시스템의 적용 경로는 두 개의 보조 시스템 사이의 폐순환 내에서 작동 유체가 순환하는 회로를 포함하는 장치로 나타내며, 이 때, 유체는 개별적으로 저장되며, 각각 낮은 외기 온도와 높은 외기 온도에서 유지된다. 이러한 구성을 통해 다른 기화 정도에 대응하는 상태 함수가 각 보조 시스템에서 달리하기 때문에, 유체 중 가스화된 부분(소위 "포화된 증기")가 다른 평형 증기 압력을 나타내며, 저온 보조 시스템과 고온 보조 시스템 사이에 압력차를 발생하여, 동력을 추출하는데 사용될 수 있다.
배터리와 같이, 압력식 파워 시스템은 많은 가정과 산업 용도에서 공통적인 동력원이 되도록 저장된 탄성 위치 에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있는 두 개의 열역학적 전지로 구성된 장치로 제작된다.
따라서, 압력식 파워 시스템(즉, 본 출원의 참고로 사용될 수 있는 별도의 출원 PCT/CA2013/xxxxx에서 설명되는 "압력식 파워 유닛")의 실제 용도는 원칙적으로 동력의 추출을 목표로 하고 있고, 전기를 생성할 수 있는 발전소와 같은 산업용 설비가 될 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.
다른 열역학적 시스템(예를 들어, 랭킨(Rankine) 사이클)과 본 발명의 압력식 파워 시스템의 주요 차이점은 작동 유체의 임계점보다 높은 온도(예를 들어, 300℃/540℉ 또는 500℃/930℉ 초과의 온도)에서 증기의 가열로부터 압력차가 발생하는 것이 아닌, 임계점보다 낮은 온도, 즉, 약 20℃ 내지 30℃(68℉ 내지 86℉)의 외기 온도에서 상 변이의 다른 상태에서 물질 본연의 상태로부터 압력차가 발생한다는 점이다. 따라서, 적용된 외기 온도는 1bar 내지 64bar 에서 사용되며, 이는 작동 유체의 기화 에너지의 사실상 대부분이 소비되며, 보일러에 의해 다소 손실되는 종래의 시스템보다 작다. 이를 통해, 본 발명의 시스템은 재생 가능한 에너지원(예를 들어, 주변 대기로부터의 열 에너지)만을 사용하여 파워를 생성할 수 있다. 또한, 이를 위하여, 높은 압력의 스팀의 흐름보다 낮은 중간 압력의 많은 부피의 증기를 사용함에 따른 동력 추출 공정이 개발되어야 한다.
압력식 파워 유닛의 구조는 주로 세 가지의 특정 부품을 포함하며, 각각 전술한 적용 경로를 수행할 수 있다.
- 고온 보조 시스템의 주변에서 발견되는 열 에너지(즉, 주변 온도(6)의 장착 및/또는 회수 및 외기 온도에 따라 고온 보조 시스템을 구현하는 부품(즉, 본 출원의 참고로 사용될 수 있는 현재 출원 진행중인 출원 PCT/CA2013/xxxxx에서 설명되는 "열 회수 유닛") 내의 특정 평형 증기 압력에서 저장된 작동 유체의 탄성 위치 에너지로의 변환(물질의 기화(10)).
- 탄성 위치 에너지를 기계적 에너지로 변환, 즉, 고온 보조 시스템과 저온 보조 시스템 사이에서 상기 보조 시스템들을 만족하는 물질의 다른 평형 증기 압력으로부터 발생하는 압력차를 사용하는 부품(즉, 본 출원의 참고로 사용될 수 있는 현재 출원 진행중인 출원 PCT/CA2013/xxxxx에서 설명되는 "동력 추출 유닛")에 의해 구체화되는 동력의 추출.
- 이러한 증기를 물질을 액화(11)하는 다른 평형 증기 압력을 발생시키는 낮은 외기 압력과 대응하는 낮은 외기 온도를 가지면서, 저온 보조 시스템을 구체화하는 부품(즉, 본 출원의 참고로 사용될 수 있는 현재 출원 진행중인 출원 PCT/CA2013/xxxxx에서 설명되는 "증기 회수 유닛")으로 회수.
이러한 세 개의 부품들을 제조하는 방법은 당업자에게 분명한 것이고, 다른 구조 또는 물리적 형태를 가질 수 있으며, 이는 본 발명의 주요 기술사 사상을 훼손하지 않는 변형이 가능할 수 있다.
본 발명의 다른 시스템, 방법, 특징 및 이점은 당업자라면 첨부된 도면과 상세한 설명에 의해 분명해질 것이다. 이러한 추가적인 시스템, 방법, 특징 및 이점은 본 발명의 설명 범위에 포함되고, 본 발명의 기술적 사상 범위 내에 있으며, 아래의 특허청구범위에 의해 보호된다.
본 발명은 아래의 상세한 설명과 첨부된 도면들을 통해 더욱 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압력식 파워 시스템의 개념을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압력식 파워 시스템의 작동 공정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 작동 유체의 압력/온도 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 작동 유체의 압력/온도의 차트이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 작동 유체로서 냉매(R-410A)의 상태 함수를 나타내는 차트이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 작동 유체로서 냉매(R-410A)의 탄성 위치 에너지를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 작동 유체로서 냉매(R-410A)의 추출 가능한 동력을 나타내는 도면이다.
도 8은 압력식 파워 시스템의 예시적인 실시 형태의 블록 다이어그램이다.
작동 유체 물질
외기 온도 및 외기 압력 검토
전술한 바와 같이, 압력식 파워 시스템은 주로 아래의 세 가지에 따라 좌우된다.
- 기화
- 동력 추출
- 액화
외기 온도 및 외기 압력값으로부터 도출된 이러한 세 가지 모두는 저온 및 고온 보조-시스템을 만족한다. 따라서, 압력식 파워 시스템의 실시 형태는 주로 각 공정의 작동 조건과 아래와 같은 이들로 인한 제약 조건들을 고려한다.
- 고온의 보조 시스템 내에서 이용할 수 있는 외기 온도로서, 이는 주위 온도와 일치하여야 하는 경우가 있으며, 에너지원을 소비하는 어떠한 형태의 외부열을 사용하는 것을 피하여야 한다.
- 고온의 보조 시스템 내의 외기 압력으로 인한 결과로서, 충분한 탄성 위치 에너지를 발생할 수 있어야 한다.
- 탄성 위치 에너지의 최대 효율을 생성할 수 있는 고온 보조 시스템 내에서 최적의 외기 온도 범위로 가열할 수 있는 외기 온도(예를 들어, 도 6 및 도 7의 기재에 따르면 R-410A 사용시 0℃ 내지 55℃)로서, 이를 통해 압력식 파워 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
- 저온 보조 시스템 내에서 유지하기 위한 외기 압력으로서, 이는 가능한 압력차를 나타내며, 결과적으로, 증기 회수 공정과 자유 팽창과 응축에 의한 이들의 액화에 이용되는 외기 온도를 나타낸다.
또한, 압력식 파워 시스템의 실시 형태는 작동 유체 물질을 고려하여야 하며, 그 정상 끓는점과 기준값은 시스템의 다른 상태 함수를 만들어낸다. 예를 들어,
-고온 및 저온 보조 시스템 내에서 작동 유체의 액상/가스상 부피 당량(팽창 인자)으로서, 이는 충분한 에너지 변환(동력의 추출)을 상승시키도록 시스템 내에서 순환하는 유체의 부피를 결정한다.
- 고온 및 저온 보조 시스템에서 사용될 수 있는 증기압 평형.
결과적으로, 이러한 검토들은 작동 유체의 재료에도 의존하며, 이하 상세히 설명하기로 한다.
재료 물질의 선택
작동 유체가 고온 및 저온 보조 시스템을 부분적으로 채우기 때문에, 각각의 가압된 증기가 액상으로 특정한 열역학적 평형을 유지하는 반면, 이러한 고온 및 저온 보조 시스템 각각에서의 다른 상태 함수는 재료 물질의 다른 평형 증기압을 갖게 되어, 두 가지의 물질 상태, 즉, 가스와 액체가 존재하게 된다.
저온 보조 시스템 : 저온 보조 시스템 내에서의 작동 외기 온도에 대응하는 작동 유체의 끓는점은 압력식 파워 시스템의 기준 레벨(즉, 시스템의 "정상 상태 함수")을 결정한다. 바람직하게, 고온 보조 시스템에 비하여 더 큰 압력차가 발생, 즉, 동력을 더욱 추출할 수 있기 때문에, 저온 보조 시스템의 작동 외기 온도는 가능한 한 재료 물질의 정상 끓는점에 가까워야한다.
고온 보조 시스템 : 주위 열 조건은 고온 보조 시스템의 작동 외기 온도를 결정하여, 작동 외기압을 결정한다. 압력식 파워 시스템의 성능을 향상시키기 위해, 고온 보조 시스템의 작동 외기 온도는 가능한 한 재료 물질의 임계점에 가까워야한다.
동력 추출 공정 : 고온 보조 시스템과 저온 보조 시스템 사이에 압력차가 발생하여, 이용 가능한 탄성 위치 에너지와 이용 가능한 압력식 파워 시스템의 에너지 효율성이 수량화된다.
그러나, 압력식 파워 시스템의 작동 유체로 사용되기 위해 선택될 수 있는 각 재료 물질은 그 온도/압력의 거동과 관련하는 다른 물질 상태(14) 기준을 제공한다. 도 4를 참조하면, "압력/온도 차트"의 예시가 압력식 파워 시스템에서 사용될 수 있는 일부 작동 유체의 수치를 제공하며, 이는 압력식 파워 시스템이 작동되는 환경에서의 이들의 각 외기 온도와 외기 압력을 나타낸다.
따라서, 재료 물질의 선택은 처음 결정되고, 이는 저온 및 고온 보조 시스템에서 유지될 수 있는 외기 온도의 작동 조건에 따라야한다.
예를 들어, 이 자료에 나타난 대부분의 기준들은 일반적으로 작동 유체로서 R-410A를 사용하는 경우, 고온 보조 시스템의 주위 온도가 달라져 고온 보조 시스템 내에서의 외기 온도를 유지하도록 하는 경우와 냉각 보조 시스템이 -40℃(-40℉) 내지 -30℃(-22℉)의 범위의 외기 온도에서 유지되는 경우의 수치 모델에 기초하게 된다.
작동 유체의 물리학
전술한 바와 같이, 압력식 파워 시스템은 고온 보조 시스템에 대한 저온 보조 시스템의 작동 유체의 물질의 상태에 의해 조절되며, 상태 함수들은 주로 정상 끓는점 및 임계점과 작동 유체의 휘발성 및 팽창 인자에 의존된다.
휘발성
물질의 작동 유체의 상태는 주로 휘발성(13)으로 알려진 증발하는 경향에 의해 결정되며, 물질의 평형 증기압과 바로 관련된다.
주어진 온도하에서, 시스템의 상태 함수는 정해진 부피에 저장되는 액체 또는 복합 물질의 평형 증기압을 결정하고, 이 때, 가스상(12)("증기")은 액상과 평형을 이루고 있다.
개별적으로 폐쇄된 보조 시스템들을 상정하여, 두가지 열역학적 시스템을 비교하면, 저장된 작동 유체는 두 경우의 다른 외기 온도(따라서, 다른 상태 함수들 나타냄)에서 동일하고, 각 보조 시스템에서 외기 온도를 초과하여 액체를 증기로 형성될 필요가 있는 휘발성(또는, 평형 증기압)은 다르다.
정상 온도에서 높은 증기압을 갖는 물질은 휘발성이 높은 물질로 기준이 된다. 휘발성이 높아질수록, 주어진 온도에서 액상의 증기압은 높아지고, 액상의 정상 끓는점은 낮아진다. 일반적으로, 도 3 및 도 4와 같이, 이러한 경향은 증기압 차트로 나타낼 수 있으며, 이는 외기 온도의 함수로서 액체 물질의 증기압 의존성을 나타낸다.
팽창 인자
고온 보조 시스템에 있어서, 주위의 열에너지는 액상의 작동 유체에 전달되고, 일반적인 열 교환에 의하여, 액체는 증발되어 부피면에서 상당히 증가된다.
a. ISMC 대기압 평형(15)에서 개방된 공간에 있는 경우, 다양하게 가능한 작동 유체의 가스 형태의 부피 팽창은 일반적으로 액상 형태의 정상 부피에 비하여 약 200배 내지 400배의 팽창 인자에 대응한다. 예를 들어, ISMC 조건하에서,
- R-410A : 팽창 인자는 약 256배
- 프로판 : 팽창 인자는 약 311배
- 이산화탄소 : 팽창 인자는 약 845배이다.
b. 제한된 부피로 한정되는 경우, 이러한 공정은 증기압의 헤드부를 증가시키고, 따라서, 내부 에너지가 탄성 위치 에너지로 변환된다. 이처럼 조절된 물질 상태의 변화(상변태)를 통해, 전술한 바와 같이, 컨테이너 내부의 작동 유체의 평형 증기압을 조절함으로써 액체의 일부만이 가스로 변이된다.
압력식 파워 시스템에 있어서, 일반적으로 고온 보조 시스템은 미리 정해진 작동 유체의 부피를 포함하고, 그 부피는 진공 펌프 시스템을 통해 일정하게 유지되어, 시스템의 상태 함수를 안정하도록 보존한다.
증기화 공정에 따른 가스상에서의 작동 유체의 팽창을 통해, 가압된 가스의 효율적인 사용 부피를 크게 향상시키고, 그 후, 압력차를 운동 에너지(즉, 동력)로 변환하는 동력 추출 공정에 의해 감소되어, 결과적으로 시스템의 상태 함수의 평형이 유지된다.
또한, 압력식 파워 시스템의 실시 형태는 증기/액체 평형에 의존된다.
증기/액체 평형
물질의 증기압 또는 평형 증기압의 성질은 보조 시스템의 특정 온도/압력 조건하에서의 폐쇄 시스템, 즉, 작동 유체가 액상 유체 부피 당량보다는 크지만, 증기상 부피 당량보다는 작은 컨테이너에 저장된 상태일 때 주어진 온도하에서 열역학적 평형일 때 증기가 그 응축상에 가해지는 압력을 나타낸다. 결과적으로, 컨테이너 내의 작동 유체는 자연적으로 증기/액체 평형에서 "포화"될 때까지 증발하고, 응축된다.
평형 증기압은 액체의 증발율을 나타내고, 클라우지우스-클라페론(Clausius-Clapeyron) 관계(16)에 따라, 온도에 대하여 비선형적으로 증가한다. 이는 액체로부터 탈출하는 입자들의 성향(휘발성)과 관련이 있다.
두 가지 보조 시스템에 있어서, 상태 함수는 작동 유체 물질이 정상적으로 가압된 증기의 부피와 액체를 평형시키는지를 결정한다. 액상의 작동 유체의 부피가 보조 시스템의 저장 용량보다 작기 때문에, 이들은 전체 용량의 일부만을 차지하고, 나머지는 증기로 채워진다. 두 가지 보조 시스템에 있어서, 작동 유체는 자연적으로 가압된 증기/액체 평형을 찾게 된다. 보조 시스템 내의 외기 압력의 상태 함수가 낮아지는 경우, 작동 유체가 평형 증기압에 이를때까지 일부 액체는 자동적으로 기화되며, 이는 저장 용량의 나머지가 가압된 증기로 채워진다. 보조 시스템 내의 외기 압력의 상태 함수가 높아지는 경우, 일부 가압된 증기는 자동적으로 액화된다.
중력으로 인하여, 무거운 액체 부분은 컨테이너 장치의 바닥을 차지하고, 가벼운 가압된 가스는 상부를 차지하게 되며, 결과적으로,
- 고온 보조 시스템에서는 가압된 가스가 상부로부터 동력 추출 장치에서 팽창할 수 있다.
- 저온 보조 시스템에서는 액체가 바닥으로부터 배출되어, 고온 보조 시스템으로 다시 인도된다.
자유 팽창
저온 보조 시스템에 있어서, 자유 팽창은 비가역적인 공정으로, 가스가 단열 진공 챔버(즉, 팽창 챔버)로 팽창하고, 이를 통해, 외기 압력이 감소된다. 실제 가스는 자유 팽창시 온도가 변화하고, 대형의 팽창 챔버 내에서 외기 압력의 감소가 줄어들면, 팽창된 가스의 온도의 감소가 줄어들어, 즉, 대기압에서 가스 온도가 이슬점, 즉, 대략 정상 끓는점까지 감소하여, 증기에서 액체로 상변태가 조금 이루어진다.
자유 팽창시, 가스에 의한 일은 이루어지지 않고, 이는 에너지가 소비되지 않음을 의미한다. 가스는 최종 상태에 이르기 전까지 비열역학적 평형 상태를 거치게 되고, 이는 전체적으로 가스의 열역학적 파라미터를 결정할 수 없음을 의미한다. 예를 들어, 외기 압력이 어느 한 값에서 다른 값으로 변화하는 경우, 가스(입자 형태)가 차지하는 부피를 정량적으로 나타낼 수 없다. 이는 이러한 공정이 자연적으로 외기 온도 감소와 균형이 이루어지고 있음을 의미한다.
저온 보조 시스템에서 가스상의 작동 유체를 다시 액화하는 주요 1단계를 나타내기 때문에, 이러한 압력 조절 공정(소위, 줄-톰슨(Joule-Thomson) 효과(17) )은 기술적으로 중요하다.
응축
저온 보조 시스템에서의 재액화를 실시하는 2단계는 응축 공정으로 구성된다. 저온의 팽창된 증기는 팽창 챔버의 외부로 배출되고, 바람직하게 복수의 개구부(가스 구멍/뚜껑 주입 개구부), 즉, 일련의 밸브 또는 다공성 플러그를 통과하여 응축기로 배출되며, 증기가 상기 장치 내에 이미 저장된 액상의 작동 유체를 흐르도록 힘을 가하게 된다. 이를 통해, 증기를 주입 개구부로 이동시켜 증기 응축이 이루어질 수 있도록, 펌프는 저온 증기의 외기 압력을 소량으로 증가시킬 필요가 있으며, 이는 압축 인자로서 0.2bar 미만으로 나타난다.
일부의 나머지 증기가 이러한 능동 스프레이 시스템을 통해 남아 있는 경우, 거품을 형성하는 경우가 많지 않고, 저장된 저온의 작동 유체의 표면이 올라가는 경우, 저온의 외기 온도로 인하여 자연적으로 응축 공정이 이루어진다.
따라서, 전체 저온 보조 시스템이 외기 압력에서 자체적으로 안정화되고, 외기 온도는 작동 유체의 정상 상태 함수에 가까워진다.
정상 상태 함수
압력식 파워 시스템에 있어서, 기준값은 작동 유체의 정상 끓는점이고, 이는 저온 시스템 내에서 정상 상태 함수에 가까워짐을 나타낸다. 따라서, 작동 유체는 저온 보조 시스템의 이용 기준에 따라 선택되어야 한다. 가능한 한 상태 함수가 작동 유체의 정상 끓는점에 가까워야하기 때문에, 저온 보조 시스템에서 선택될 물질의 본질을 결정하는 것은 외기 온도이다. 예를 들어,
- R23/플로릴의 정상 끓는점은 -82.1℃/-115.78K 에 대응된다.
- 냉매 R-410A의 정상 끓는점은 -52.2℃/-61.96℉ 에 대응된다.
- R134A의 정상 끓는점은 -26.3℃/-15.34℉ 에 대응된다.
임계점
그러나, 작동 유체를 선택함에 있어서, 그 "임계점"도 참고하여야 한다. 각각의 가능한 작동 유체가 상변태의 정확한 임계점에 대응하는 특정 끓는점에서 특정 포화 상태를 나타내고, 이 경우, 액체/가스상의 경계는 사라지고, 물질은 가스상으로만 존재하게된다. 이러한 제한은 고온 보조 시스템의 상태 함수에 의해 이뤄질 필요가 있는 최대 온도/압력을 제한하고, 그 자체로 외기 압력은 일반적으로 32 내지 64bar의 범위로 상기 고온 보조 시스템에서 유지되는 외기 온도의 최대 레벨에 대응되며, 작동 유체 물질의 온도/압력 차트에 의해 결정된다. 예를 들어,
- R23/플로릴의 임계점은 25.6℃/78℉에서 48.37bar(701.55psi)의 압력에 대응한다.
- 냉매 R-410A의 임계점은 72.5℃/162.5℉에서 49.4bar(716.49psi)의 압력에 대응한다.
- R134A의 임계점은 100.9℃/213.6℉에서 40.6bar(588.85psi)의 압력에 대응한다.
실시예
도 1 및 도 8을 참고하면, 압력식 파워 시스템(100)의 예시적인 실시 형태의 폐순환 구성은 저온 보조 시스템(A-증기 회수 유닛)(105), 고온 보조 시스템(B-열 회수 유닛)(110), 동력 추출 공정(C-동력 추출 유닛)(115)과 전달 펌프(D-유압 펌프)(120)을 포함한다.
저온 보조 시스템(105)의 정상 상태 함수는 작동 유체의 평형 증기 압력에 대한 기준 레벨을 나타낸다.
일부 작동 유체는 저온 보조 시스템(105)에 영구적으로 저장되고, 유체 물질의 정상 끓는점에 가능한 한 가까운 -80℃ 내지 -20℃ 범위의 저온 외기 온도에서 일정하게 유지된다. 이러한 외기 온도에서의 작동 유체의 상태 함수에 따르면, 작동 유체의 외기 압력은 0.1bar 내지 2bar의 계기 압력값(즉, 대기압에 대한 압력)을 갖는다.
이러한 외기 온도를 일정하게 유지하기 위해, 저온 보조 시스템(105)은 바람직하게 아래의 구성을 갖는다.
- 가스 형태의 작동 유체를 대략 대기압으로 자유 팽창시켜, 그 정상 끓는점 부피 점유가 가능하도록 하는 저온 보조 시스템(105)의 용적 효율성을 증가시키는 팽창 챔버(130). 이는 증기의 액화가 시작된다.
- 응축기(140)로 배출된 증기/액체 혼합물이 소량으로 압축되는 동안, 대략 대기압에서 팽창 챔버(130)의 외기 압력을 유지하여, 저온 보조 시스템(150)이 작동 유체의 대략 이슬점에서의 외기 온도 조건을 보존하도록 하는 진공 시스템(135);
- 가스상의 작동 유체의 나머지 부분이 액화되는 저장 장치로서 기능을 하고, 작동 유체가 정상 끓는점을 소량으로 초과하는 외기 온도에서 증기/액체 평형을 일정하게 유지하도록 하는 응축기(140). 이는 증기의 액화가 이루어진다.
작동시, 압력식 파워 시스템(100)이 가능한 한 최저의 외기 온도를 유지하기에 충분하고, 이를 통해, 간단한 냉각만으로 자연적으로 저온의 외기 온도가 가능하며, 이는 자유 팽창 공정에 인한 결과이다.
어떠한 이유에서 시스템의 작동이 정지되는 경우, 저온의 보조 시스템(105)은 저온의 외기 온도를 유지하기 위하여 부착될 수 있는 외부 냉각 장치(도시하지 않음)가 필요하게 되며, 이를 통해, 낮은 외기 압력을 유지할 수 있게 된다. 어떠한 이유에서 시스템의 작동이 정지되는 경우, 저온 보조 시스템의 온도는 증가하기 시작하고, 이에 따라 저온 보조 시스템의 압력 역시 증가된다. 이러한 경우, 저온 보조 시스템(100)은 저온의 외기 온도를 유지하기 위한 외부의 냉각 장치가 필요하며, 이를 통해, 낮은 외기 압력을 유지할 수 있게 된다. 그러나, 저온 보조 시스템은 안전의 이유로 30bar 이상의 압력을 견디도록 제조되기 때문에, 시스템이 오랜 시간 작동이 중지되고, 어떠한 이유에서 외부의 냉각 장치가 없는 경우, 외부 냉각 장치는 작동이 중지된다.
고온 보조 시스템
또한, 일부 작동 유체는 고온 보조 시스템(110)에 영구적으로 저장되며, 여기에서 일반적으로 -10℃ 내지 +80℃ 범위의 높은 외기 온도로 일정하게 유지된다. 그 휘발성에 따르면, 고온 보조 시스템의 작동 유체는 일반적으로 4 내지 32bar의 계기 압력값을 갖는다.
상기 외기 온도는 주위 환경(방, 컨테이너, 빌딩, 설비 또는 실외)에서 이용가능한 매체로부터 전달되는 열에 의해 얻어지고, 일반적으로 주위의 열 에너지를 작동 유체의 내부 에너지에 전달한 후, 이러한 내부 에너지를 탄성 위치 에너지로 변환하는 열교환기(예를 들어, 기화기)(205)를 사용한다.
- 이러한 열 교환기는 이격된 에너지원에 의해 가열되고, 에너지원은 다음 사항들을 포함하며, 이에 한정되지는 않는다 : 태양열, 지열, 바람, 바이오매스, 연료 전지, 강, 해저와 같은 수류, 대수층 또는 지하수원, 지하에서 발견되는 열구배, 예를 들어, 수직 갱도 및 건물의 지하층, 상업적 또는 산업적인 열 회복 시스템, 비닐하우스, 바로 주변이 아닌 대기 또는 산업용 건물에서 발견되는 외기 온도.
- 이러한 열 교환기는 바람직하게 프로판, 천연 가스 또는 다른 연료에 의해 연소되는 외부의 가열기를 통해 가열될 수 있다.
또한, 고온 보조 시스템(110)은 외기열 수집기(210) 및/또는 예비가열기(215)를 사용하여 주위의 다양한 열 에너지원으로부터 에너지를 수집할 수 있으며, 이는 압력식 파워 시스템(100)으로부터 일정 거리로 이격되어 있고, 이러한 압력식 파워 시스템(100)을 하이브리드 동작 공정으로 사용할 수 있다.
동력 추출 공정
동력 추출 공정은 압력을 유압식 모터(310)의 움직임으로 변환하는 수공식 엔진(305)와 같은 다양한 용량 장치로 구체화되도록 구성되어야 한다. 따라서, 이러한 공정은 고온 보조 시스템(110) 내의 작동 유체의 기화로부터 부피를 팽창시켜 저온 보조 시스템(105)과 고온 보조 시스템(110) 사이의 압력차를 이용하고 변환하며, 그 자체로 동력 추출 장치(115)는 고온 보조 시스템 내에서 생성된 탄성 위치 에너지를 운동 에너지로 변환한다. 또한, 터빈과 같은 다른 장치가 사용될 수도 있다.
작동 공정
결과적으로, 압력식 파워 시스템의 작동 공정은 네 개의 서로 연계된 구성으로 이루어진다(도 2 참조).
(1) 동력 추출
고온 보조 시스템(110)에서 동력 추출 장치(115)를 지나 저온 보조 시스템(105)으로 지나가는 작동 유체 물질의 가스 상태를 계산함으로써, 탄성 위치 에너지를 변환할 수 있고, 이를 통해, 고온 보조 시스템(110)과 저온 보조 시스템(105) 사이의 외기 압력의 차이가 운동 에너지, 즉, 동력 추출로 이루어진다.
따라서, 탄성 위치 에너지를 운동 에너지로 변환은 고온 보조 시스템(110)과 저온 보조 시스템(105) 사이의 가스상의 작동 유체의 압력 차이를 이용한다.
1A) 가스상의 작동 유체의 외기 압력이 팽창 가능한 압력 장치를 밀거나 이동 가능한 표면을 가압하여(예를 들어, 동력 추출기(205)는 실린더 내부에 피스톤을 포함한다) 이용할 수 있다.
1B) 가스상의 작동 유체를 저온 보조 시스템(105) 쪽으로 방출하여, 이 곳에서 간단한 자유 팽창에 의해 토출한다.
(2) 고온 보조 시스템(110) 내의 물질의 증기/액체 상태의 평형
전술한 공정이 액체의 부피에 대한 가압된 증기의 부피를 줄여 고온 보조 시스템(110) 내의 평형 증기압을 조절하기 때문에, 고온 보조 시스템(110)에서 만족하는 상태 함수는 작동 유체 물질의 상태가 액체의 일부를 가압된 증기로 기화시켜 재평형이 이루어지도록 한다.
고온 보조 시스템(110) 내의 작동 유체의 전체 부피는 동력 추출 공정에서 사용된 물질의 양만큼 일시적으로 감소된다. 이러한 작동 유체의 감소를 통해, 상태 함수가 외기 압력을 소량으로 줄이도록 하고, 그 결과, 외기 온도가 소량으로 낮아진다.
(3) 저온 보조 시스템 내의 물질의 증기/액체 상태의 평형
또한, 동력 추출 공정은 액체의 부피에 대한 가압된 증기의 부피를 일시적으로 증가시켜 저온 보조 시스템(105) 내의 증기압을 동력 추출 장치(115)에 의해 배출된 물질의 양으로 변경하고, 이를 통해, 상태 함수가 외기 압력을 소량으로 증가시켜, 외기 온도가 소량으로 높아지게 된다. 따라서, 저온 보조 시스템(105)에서 만족하는 상태 함수는 작동 유체 물질의 상태가 증기를 액화하여 재평형이 이루어질 필요가 있고, 이는 저온 보조 시스템(105)에서 실시되는 응축 공정을 통해 이루어진다.
(4) 재초기화
전술한 동력 추출의 특징을 통해, 고온 보조 시스템(110)과 저온 보조 시스템(105) 모두에 저장된 작동 유체의 최초 부피를 변화시키는 반면, 시스템 기준을 변경할 수 있다.
압력식 파워 시스템이 최초 조건을 회복하고, 작동 공정을 재초기화하기 위해, 일부의 액체 작동 유체는 펌프(즉, 유압 펌프)(120)를 통해 저온 보조 시스템(105)으로부터 뽑아내지고, 고온 보조 시스템(110)으로 다시 인도된다.
작동 조건
압력차
전술한 바와 같이, 압력식 파워 시스템(100)의 실시 형태는 1차 저온 보조 시스템(105)에서 정상 상태 함수를 이용하도록 이해되고 구성되며, 이를 통해, 작동 유체는 대기압에 대한 외기 압력에 대응하는 "ISMC" 온도(15)보다 훨씬 낮은(바람직하게, -20℃ 미만) 정상 끓는점을 제공할 수 있게 되며, 재액화가 가능해진다.
그 후, 이러한 저온 보조 시스템(105)으로부터 외기 온도가 "ISMC" 온도 주위에서 유지되는 2차 고온 보조 시스템(110)을 통과하여 압력식 파워 시스템(100)을 지나는 폐순환 구성의 액체 물질을 계산하여, 상태 함수를 작동 유체의 휘발성으로 자연적으로 변경할 수 있고, 그 탄성 위치 에너지와 평형 증기압을 외기 압력의 증가분과 일정 압력(bar) 차이로 균형을 맞춰, 고온 보조 시스템(110)과 저온 보조 시스템(105) 사이의 압력차를 발생시킬 수 있으며, 동력 추출에 이용하기에 충분하다.
이용가능한 에너지
작동 유체에 사용되는 물질에 좌우되고, 고온 보조 시스템(110) 내에서 기화가 일어나는 경우 그 부피의 약 200배 내지 400배 또는 그 이상을 이루는 작동 유체의 부피 팽창 인자로 인하여, 동력 추출 장치(205)로 배출될 때, 증기에 의해 발생하는 압력은 펌프를 후진시키는데 필요한 전체 압력보다 200배 내지 400배 크게 되고, 저온 보조 시스템(105)으로부터 액체 작동 유체의 부피가 작아진다. 따라서, 압력식 파워 시스템(100)은 저온 보조 시스템(105)으로부터 고온 보조 시스템(110)으로 작동 유체를 역방향으로 순환시키는데 필요한 양보다 많은 이용한 가능한 에너지를 생성할 수 있게 된다.
또한, 주위의 열 에너지가 무한하고 자유로운 것으로 간주되기 때문에, 상기 열 에너지를 작동 유체의 탄성 위치 에너지로 변환으로부터 이용 가능한 에너지는 충분한 열 교환이 가능하도록 주어진 고온 보조 시스템(110)의 실시 형태의 크기만큼 된다.
외부 에너지
압력식 파워 시스템(100)의 작동 공정은 동력 추출이 저온 보조 시스템(105)과 고온 보조 시스템(110) 모두의 작동 조건을 변화시킴을 나타낸다.
- 고온 보조 시스템(110)에서는 재가열되지 않는다면 외기 온도가 감소된다.
- 저온 보조 시스템(105)에서는 유지되지 않는다면 외기 온도가 증가된다.
따라서, 외부 에너지(즉, 주위 열 에너지와 압축 동력)는 압력식 파워 시스템(100)이 기본 조건으로 재평형을 이룰 필요가 있고, 따라서, 주어진 압력식 파워 시스템(100)의 부품에 맞게 그 성질과 크기를 결정하여야 한다.
또한, 작동 조건은 압력식 파워 시스템(100)의 효율성 인자를 나타내며, 이는 사용된 에너지의 차이량과 연속적인 변환의 수량화, 즉, 시스템 회로 전체의 에너지 균형을 분석하여 계산될 수 있다.
에너지 균형
R-410A 작동 유체 1kg 사용시 검토(도 5 참조)
1. 기화
저온 보조 시스템(105)에서 시작하며(예를 들어, 외기 온도 -30℃/22℉), 저온의 액체 작동 유체는, 예를 들어, 주위 열 에너지를 작동 유체의 내부 에너지로 변환하는 열 교환기를 통해, 고온 보조 시스템(110)의 작동 외기 온도(예를 들어, 20℃/68℉)로 가열되어야 한다.
기화 공정은 내부 에너지 일부를 탄성 위치 에너지로 변환한다. 즉, 20℃, 14.4bar에서 17.6L(62.15ft3)으로 증기를 포화시키기 위해, 1kg의 액체 작동 유체는 25.3kJ의 내부 에너지를 탄성 위치 에너지로 변환시킴을 나타내고, 따라서, 기압차가 발생한다.
2. 동력 추출
이러한 압력차를 통해 동력의 추출이 가능해진다. -30℃에서 유지되는 저온 보조 시스템의 외기 압력에서, 압력차 11.7bar[14.4bar-2.7bar]와 가압된 17.6L의 증기는 추출 가능한 일의 양에 대응하며, 이는 20.57kW[11.7bar*17.6L]이다.
3. 응축
가압된 증기가 동력 추출 공정에서 배출되는 경우(예를 들어, 17.6L), 어떠한 작업이 필요하지 않은 자유 팽창 공정은 부피를 팽창시키고(예를 들어,2.7bar 포화 증기에서 94.2L/3.33ft3), 외기 온도는 자연적으로 이슬점(예를 들어, 저온 보조 시스템에서 유지된 채로 약 -30℃)으로 감소된다. 끓는점과 이슬점 사이에는 매우 소량의 차이가 존재한다.
응축 공정의 2차 단계에서, 동력은 증기를 압축하도록 수행되고(예를 들어, 0.2bar에서 1.9kW[94.2L*0.2bar]), 모든 증기는 액체로 회수된다. 응축기 컨테이너에 저장된 작동 유체의 외기 온도가 거의 증가하지 않으며, 예를 들어, 팽창 챔버의 외기 온도와 비교하여 약 0.2℃ 차이이다.
4. 재초기화
저온 보조 시스템(10)에서, 응축 공정은 가스상의 작동 유체가 액체로 200배 내지 400배로 상당히 감소한다(예를 들어, 외기 온도 -30℃, 외기 압력 2.7bar 에서 가스상으로 94.2L를 차지하는 R-410A 1kg는 액체상으로 약 0.774L로만 나타난다).
결과적으로, 외기 압력이 커지는 이러한 액체를 다시 고온 보조 시스템(110)으로 빼내기 위해, 요구되는 외부 에너지는 추출된 동력보다 현저히 낮아진다. 저온 보조 시스템(105)에서 외기 압력이 2.7bar, 고온 보조 시스템(110)에서 외기 압력이 14.4bar 일 때, 수행되는 동력은 0.906kW[11.7bar*0.774L]로 계산될 수 있다.
실시예
액체 냉매 유체 R-410A를 1kg(2.2lb) 순환(도 5 내지 도 7 참조)
저온 보조 시스템 = -40℃/-40℉
외기 압력 1.76bar 유지시(1bar=100kPa=14.5psi)
○ 전술한 외기 압력에서, 자유 팽창 공정을 통해, 작동 유체의 상태 함수는 자연적으로 냉각되고, 물질의 평형 증기 압력이 외기 온도 -40℃/-40℉에서 유지된다.
○ 가압된 증기 형태에 있어서, 유체는 141.9L(5.01ft3)에 대응한다.
a) 고온 보조 시스템 = 20℃/68℉
외기 온도 20℃/68℉ 에서 유지:
- 전술한 외기 온도에서, 작동 유체의 상태 함수를 통해, 물질의 평형 증기 압력은 외기 압력 14.43bar에 대응한다.
- 가압된 증기 형태에 있어서, 유체는 17.6L(0.62ft3)에 대응한다.
- 고온 보조 시스템의 상태 함수(PV)는 아래의 탄성 위치 에너지로 나타난다.
17.6 L x 14.43 bars = 25.4 kJ
- 두 개의 보조 시스템은 12.67bar의 압력차를 나타내고, 이는 가압된 증기 17.6L로부터 동력을 추출하는데 이용될 수 있다.
17.6 L x 12.67 bars = 22.23 kW
이는 압력식 파워 시스템의 가용 효율성 비율이 87.5%(기계적 손실 없이)로 나타난다.
b) 고온 보조 시스템 = 30℃/86℉
외기 온도 30℃/86℉ 에서 유지:
- 외기 압력 : 18.83bar
- 가압된 증기는 13.1L(0.46ft3)의 부피를 갖는다.
- 탄성 위치 에너지 : 13.1 L x 18.83 bars = 24.7 kJ
- 압력차 : 17.07bar, 가압된 증기 13.1L로부터 추출 가능한 동력 : 13.1 L x 17.07 bars = 22.28 kW
이는 압력식 파워 시스템의 가용 효율성 비율이 90.2%(기계적 손실 없이)로 나타난다.
저온 보조 시스템 = -30℃/-22℉
외기 압력 2.7bar 유지시
○ 전술한 외기 압력에서, 보조 시스템은 외기 온도 -30℃/-22℉에서 평형이 된다.
○ 가압된 증기 형태에 있어서, 유체는 94.2L(3.33ft3)에 대응한다.
a) 고온 보조 시스템 = 20℃/68℉
외기 온도 20℃/68℉ 에서 유지:
- 외기 압력 : 14.43bar
- 가압된 증기 : 17.6L(0.62ft3)
- 탄성 위치 에너지 : 17.6 L x 14.43 bars = 25.4 kJ
- 압력차 : 11.73bar, 가압된 증기 17.6L로부터 추출 가능한 동력 : 17.6 L * 11.73 bar = 20.57 kW
이는 압력식 파워 시스템의 가용 효율성 비율이 81%(기계적 손실 없이)로 나타난다.
b) 고온 보조 시스템 = 30℃/86℉
외기 온도 30℃/86℉ 에서 유지:
- 외기 압력 : 18.83bar
- 가압된 증기는 13.1L(0.46ft3)의 부피를 갖는다.
- 탄성 위치 에너지 : 13.1 L x 18.83 bar = 24.7 kJ
- 압력차 : 16.13bar, 가압된 증기 13.1L로부터 추출 가능한 동력 : 13.1 L x 16.13 bar = 21.05 kW
이는 압력식 파워 시스템의 가용 효율성 비율이 85.2%(기계적 손실 없이)로 나타난다.
효율성
도 7에 도시된 바와 같이, 프레온 R-410A 1kg마다 고온 보조 시스템(110)에 수용된 탄성 위치 에너지의 대부분을 사용하여 동력을 추출(즉, 생산)할 수 있게 된다. 그러나, 고온 보조 시스템(110)에서 만족되는 상태 함수는 탄성 위치 에너지의 변동 최대량을 결정하기 때문에, 압력식 파워 시스템(100)은 이러한 제한 내에서만 동력을 추출할 수 있다.
특정값 미만 또는 초과시, 동력 추출을 위한 효율성 인자가 더 이상 유리하지 않다는 점을 고려하여야 하고, 최적의 조건으로부터 이득에 시스템을 구성함으로써 파라미터가 부응하도록 조절하여야하며, 즉, 최적값을 고온 및 저온 보조 시스템에서 외기 온도의 사용 기준과 일치하는 작동 유체 물질을 사용하여야 한다.
전술한 R-410A 사용시 20kW/kg 이상의 동력을 추출하기 위해서는,
- 저온 보조 시스템(105)은 약 -40℃로 유지되고, 고온 보조 시스템(110)의 외기 온도는 0℃ 내지 55℃ 범위가 되어야 한다.
- 저온 보조 시스템(105)은 약 -30℃로 유지되고, 고온 보조 시스템(110)의 외기 온도는 15℃ 내지 50℃ 범위가 되어야 한다.
효율비
이러한 실시예에서 살펴본 바와 같이, 압력식 파워 시스템(100)은 하기와 같은 R-410A 1kg 마다 에너지 균형 작업이 이루어진다(기계적 손실 가능성은 계산하지 않는다).
- 25.3kJ 의 열 에너지를 내부 에너지로 변환 후, 탄성 위치 에너지로 변환된다.
- 추출된 동력은 20.57kW에 대응하지만, 압축 동력은 1.9kW, 순환 펌프 동력은 1.115kW이고, 효과적인 사용된 동력은 약 17.55kW로 계산된다.
결과적으로, 에너지 균형은 69.4%의 효율비를 나타낸다.
하나 이상의 바람직한 실시 형태가 실시예로서 설명되었다. 당업자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상을 훼손하지 않고, 다양한 변형과 적용을 실시할 수 있을 것이다.
색인 및 데이터
(1) 상태 함수
열역학에 있어서, 상태 함수는 시스템이 그 상태를 이루게 되는 경로가 아닌 시스템의 현재 상태에만 의존하는 시스템의 특성이다(즉, 경로와 무관하다). 상태 함수는 시스템의 평형 상태를 설명한다.
상태 함수는 시스템 파라미터의 함수로서, 경로 끝점에서의 파라미터값에만 의존한다. 온도, 압력, 내부 또는 탄성 위치 에너지, 엔탈피 및 엔트로피는 이들이 열역학적 시스템의 평형 상태를 정량적으로 나타내기 때문에, 어떻게 시스템이 그 상태에 이르렀는지와 관계 없이, 상태 수량이 된다.
비상태 함수가 상태 함수가 변환되는 동안의 과정을 나타내는 반면, 상태 함수는 열역학적 시스템의 수량 또는 성질로 이해하는 것이 최선이다.
예를 들어, 본 명세서에 있어서, 상태 함수 W=PV("PV"는 압력과 부피의 곱을 의미한다)는 시스템의 경로중에 유체의 내부 에너지에 비례하여 변경되지만, 동력 "W"은 시스템이 수행하는 작업으로 전달되는 에너지의 양이다. 탄성 위치 에너지와 유사한 내부 에너지는 구별이 가능하고, 에너지의 특별한 형태이다. 동력은 그 형태 또는 위치가 변환된 에너지의 양이다.
(2) 작동 유체
다음 설명에 있어서, 작동 유체는 일반적으로 혼합 물질, 유기물 또는 냉매로 만들어지며, 가스에서 액체 또는 그 반대로 가역적으로 상이 변환하는 것과 관련된 외기 온도와 외기 압력에 따라 달라지는 물질의 상태이다.
예시
많은 혼합 물질들과 냉매는 다른 화합물과 혼합된다. 이러한 혼합물의 특성은 구성 성분의 비율을 변경시켜 쉽게 조절할 수 있다.
많은 국가에서, 작동 유체로 냉매를 사용하는 것이 일반적이다. 일반적으로, 냉매는 플로로카본, 특히, 클로로플로로카본이지만, 이들은 오존에 악영향을 미치기 때문에 그 사용이 줄어들고 있다. 현재 다른 분야에서 사용되는 냉매는 근사공비 혼합물(R-401A=HFC-32/HFC-125 등), 플로릴, 암모니아, 이산화황, 비할로겐탄화수소이다. 또한, 부탄, 프로판 또는 메탄, 질소나 산소와 같은 화학 물질, 산화 질소, 이산화탄소와 같은 화합물과 같은 다른 규격의 화합물과 유기물이 대신 사용될 수 있으며, 압력식 파워 시스템(100)의 특정 구성에 최적화된 특성을 갖는 새로운 작동 유체들이 개발되고 있다(예를 들어, 저온 보조 시스템(105)와 고온 보조 시스템(110)에서 더 낮거나 높은 외기 온도가 가능하면서도, 유사한 작동 외기 압력을 제공할 수 있다).
적절한 작동 유체의 특성들을 여기에서 설명하기로 한다.
(3) 정상 끓는점
액체의 끓는점은 액체의 증기압이 외기 압력(즉, 액체 주위의 주변 압력)과 동일해지는 온도이고, 액체는 증기로 변환한다.
- 액체의 정상 끓는점은 액체의 증기 압력이 해수면에서의 정해진 대기 압력, 즉, 1기압(1.013bar)와 동일해지는 특별한 경우이다. 이 온도에서, 액체의 증기 압력은 대기 압력을 극복하기에 충분해지고, 증기의 기포가 액체 내부에 형성된다(즉, 기화).
- 압력식 파워 시스템(100)에 있어서, 저온 보조 시스템(105)에서 끓는점을 결정하는 작동 유체의 외기 온도와 외기 압력은 시스템의 "정상 상태 함수"의 기준 레벨로 고려된다.
(4) 동력 추출
상태 함수와는 반대로, 기계적 동력과 열은 처리량이 되고, 이는 이들 값들이 두 가지 평형 상태 사이에 정해진 변이(또는 경로)에 좌우되기 때문이다.
즉, 부피가 팽창하는 경우 시스템의 상태 함수의 변화로 결정되는 것과 같이, 압력 시스템 내에서의 동력 추출은 내부 에너지의 음의 값과 대응하며, 시스템이 주변으로 일을 수행할 때 저장된 내부 에너지를 방출한다.
물리학적으로, 일은 힘 성분과 힘이 작용할 때 움직인 거리의 곱으로 설명될 수 있는 스칼라량이며, 이를 힘에 의한 일이라고 한다.
에너지가 이동될 수 있다(즉, 하나의 형태에서 다른 형태로 변환)라는 열역학적 상태의 제 1 법칙에 따라, 시스템의 내부 에너지의 변화는 시스템에 공급된 열의 양과 동일하고, 시스템이 주변에 일을 수행함으로써 수행되는 동력 추출의 음의 값과 동일하다.
압력식 시스템에 있어서, 온도와 압력이 일정하게 유지되는 경우, 추출될 수 있는 가용일의 양은 포함하는 물질의 부피와 상태에 대응하는 시스템의 상태 함수로 결정된다.
(5) 외기 온도
본 명세서의 설명에 있어서, 외기 온도는 공정 또는 시스템의 컨테이너, 부품 또는 성분내의 온도와 같은 주위 장치내의 작동 유체의 온도를 의미한다.
(6) 주위 온도
본 명세서의 설명에 있어서, 주위 온도는 아래의 사항을 의미한다
ⅰ) 대기상에서 낮 또는 밤의 특정 시간에 실외의 현재 온도 또는 해수, 호수, 강, 해저, 대수층 또는 지하수원과 같은 유체 유동에서 측정되는 온도, 및
ⅱ) 아래의 사항들을 포함하지만 이에 한정되지 않는 실내의 온도(소위, "실온"):
- 온도를 제어하거나 제어할 수 없는 사무실 빌딩, 아파트 복합 상가 또는 주택내에서와 같은 빌딩 또는 구조체 내부의 온도;
- 제조 또는 산업 설비 내의 온도로서, 여기에서의 온도는 주조, 제조, 펄프 및 종이, 직물, 사업용 주방 및 제과 기구 또는 세탁 및 건조 세정과 같은 작업으로부터 열이 발생되기 때문에 온도가 높다.
- 광구 작업이 수행되거나 되지 않는 경우의 광구의 특정 깊이에서의 온도;
- 특별하게 집 역할을 하도록 건축된 비닐하우스, 오두막 또는 다른 복합체에서의 온도.
(7) 에너지 형태
- 열 에너지는 열과 구분된다. 물리학에서는 특별히 구별하여 사용되는데, 열은 공정만의 특성, 즉, 에너지 변환에 따라 흡수되거나 생성되는 것이고, 물질의 고정적인 특성이 아니다. 물질은 열 에너지가 아닌 열을 포함하지 않는다. 열은 물질의 한 구역 경계에서 다른 구역 경계로 변환 또는 역변환 공정에서의 열 에너지이다.
- 열역학에 있어서 내부 에너지는 열역학적 시스템에 포함된 전체 에너지이다. 시스템을 생성하는데 요구되는 에너지이지만, 시스템의 주변을 이동시키는 에너지를 제외하지는 않고, 전체로서 관련되거나 외력장으로 인한 사항과 관련된 에너지이다. 내부 에너지는 두 개의 주요 성분, 즉, 운동 에너지와 위치 에너지 성분을 갖는다. 시스템의 내부 에너지는 시스템의 가열 또는 시스템에 작용하는 일에 의해 변경될 수 있다. 열역학 제1법칙에 따르면, 내부 에너지의 증가는 주변에 의해 증가된 전체 열과 수행된 일의 곱과 동일하다. 만일 시스템이 주변과 고립되어 있다면, 내부 에너지는 변하지 않는다.
- 물체 또는 물질의 운동 에너지는 물체의 움직임에 따라 갖게 되는 기계적 에너지의 일부이다. 정지 상태에서 정의된 속도록 질량을 갖는 물체를 가속하기 위해 요구되는 일로 정의된다. 가속시 운동 에너지를 갖게 되면, 물체의 속도가 변하지 않는다면 운동 에너지를 갖게된다. 현재 속도에서 정지 상태로 물체를 감속함으로써 동일한 양의 일이 수행된다.
속도, 즉, 물질의 운동 에너지는 상대적으로 계에 의존한다 : 기준으로서 적절한 관성계를 선택하여 음의 값을 가질 수 없다.
- 위치 에너지는 물질의 현재 상태, 힘이 미치는 영역에서의 위치 또는 그 구성으로 인한 재료, 몸체 또는 시스템에 저장된 에너지이다. 여러가지 유형의 위치 에너지가 있으며, 이들은 힘의 특정 유형과 관련이 있다. 특히, 모든 보존력은 위치 에너지를 증가시킨다. 예를 들어, 탄성력으로 인한 일은 탄성 위치 에너지라고 불리운다.
- 탄성 에너지는 물체의 부피나 형상을 왜곡함으로써 발생되는 일로서, 일반적으로 시스템(그 상태 함수와 대응) 또는 물리학적인 시스템에서의 포함된 물질에 저장된 위치적인 기계적 에너지를 고려하는 것이다. 탄성 에너지의 개념은 고체 물질의 역학을 분석적으로 이해하는 것으로 주로 발전된 일반적인 탄성 이론에 한정되지 않는다.
탄성의 중요한 점은 가역성이다. 탄성 물질에 가해진 힘은 물체 주위에 대한 에너지를 극복하면서 원래 형상 또는 부피를 회복할 수 있는 물질 내에 에너지를 전달한다.
탄성이 고체 몸체 또는 물질의 역학과 공통적으로 가장 연관되어 있지만, 전술한 넓은 의미의 정의와 비교하는 방법으로서, 일반적인 열역학은 "유체의 탄성"을 정의하고 사용한다.
압축이 가능하고 가압된 가스와 액체에서의 탄성 위치 에너지
본 발명은 탄성 위치 에너지를 일로 변환하는 것과 비교하는 방법으로서, "유체의 탄성"에 기초하고 있다.
- 외기 압력/온도는 그 탄성 위치 에너지를 나타내는 시스템의 유체의 거동은 액체 상태(이하, "액체"라 한다)로부터 가스 상태(이하, "증기" 또는 "가스"라 한다)로 상 변이가 이루어지는 것과 그 반대의 상황을 의미하고, 시스템의 상태 함수를 적용한다.
- 서로 연결되는 두 개의 분리된 시스템(예를 들어, 단일의 외기 온도/압력 관계를 갖는 다른 상태 함수를 갖는 것)에서의 물질의 서로 다른 두 개의 상태는 팽창 가능한 압력 장치(예를 들어, 실린더의 피스톤)를 가압하여 에너지 변환(즉, 동력의 생산)이 가능한 기압 차이를 발생하고, 이는 엔진을 작동시키고, 탄성 위치 에너지를 운동 에너지로 변환하기 위한 기계적으로 압축된 가스를 사용하는 시스템과 유사하다.
(8) 외기 압력
본 명세서에 있어서, 시스템의 외기 압력은 바로 주변에 가하는 작동 유체의 압력으로서, 주변은 컨테이너, 특정 장치, 공정 또는 시스템에서의 장비 또는 부품에 해당할 수 있다.
외기 압력은 작동 유체의 외기 온도와 직접적으로 관련되어 달라지고, 물질의 상태 변화 특성이 정해질 때, 물질이 평형 증기 압력의 특정 상태에서 주어지는 탄성 위치 에너지에 대응한다.
(9) 평형 증기 압력
평형 증기 압력은 폐시스템의 주어진 온도에서 응축된 상(고체 또는 액체)와 열역학적으로 평형을 이루는 증기에 의해 가해지는 외기 압력이다. 평형 증기 압력은 액체의 기화율로 나타낸다. 이는 액체(또는 고체)로부터 탈출하는 입자의 경향과 관련이 있다. 정상 온도에서 높은 증기 압력을 갖는 물질은 휘발성이 높은 것으로 참고된다.
어느 물질의 증기 압력은 클라우시우스-클라페론 관계식에 따라 온도에 비선형적으로 증가한다. 액체의 대기 압력 끓는점("정상 끓는점")은 증기 압력이 외기의 대기 압력과 동일해지는 온도이다. 온도가 증가하는 경우, 증기 압력은 대기 압력을 초과하도록 충분해지고, 물질 대부분의 내부로 증기 거품을 형성하도록 액체를 끌어올린다. 액체에서 거품을 더욱 형성하는 것은 유체 압력이 깊이가 증가함에 따라 대기 압력보다 크게 증가하기 때문에, 높은 압력, 높은 온도가 요구된다.
(10) 기화
성분 또는 화합물의 기화는 액체상에서 기체상으로 상 변이하는 것이다. 증발과 비등이라는 두 가지 형태의 기화가 있다. 그러나, 압력식 파워 시스템(100)에서는 주로 증발이 고려되며, 이는 주어진 압력에서 끓는점보다 높은 온도에서 발생하는 액체상에서 가스상으로 상 변이하는 것이다. 통상적으로, 증발은 표면에서 이루어진다.
(11) 액화
액화는 가스의 액화, 즉, 가스에서 액체로 응축되는 공정을 의미한다. 압력식 파워 시스템(100)에 있어서, 일반적으로, 소량의 압축 공정과 연계된 냉각으로 실시되는 응축을 통해 액화는 작동 유체의 가스 형태에서 액체 형태로 변화하는 것을 의미한다.
(12) 상
벌크(bulk)에 있어서, 물질은 외기 압력, 온도 및 부피에 따라, 여러가지 다른 형태, 또는 집합체 상태, 즉, 상으로 존재할 수 있다. 상은 상태 함수를 결정하는 특정 시스템에서 비교적 균일한 화학적 조성 및 물리적 특성(예를 들어, 밀도, 비열, 굴절률, 압력 등)을 갖는 물질의 형태이다.
간혹, 상은 물질의 상태로 불리우고, 이러한 용어가 열역학적 상태와 혼동될 수 있다. 예를 들어, 다른 압력하에 유지되는 두 개의 가스는 다른 열역학적 상태(다른 압력)을 갖지만, 동일한 상(모두 가스)을 갖는다. 주어진 물질의 상태 또는 상은 상태 함수의 특정 조건에 의해 결정되면서 외기 압력과 외기 온도 조건에 따라 변경될 수 있고, 이들 조건이 존재하기에 유리하게 변화함에 따라 다른 상으로 변환된다. 예를 들어, 액체는 온도가 증가하면서 가스로 변환한다.
(13) 휘발성
휘발성은 물질이 기화하는 경향이다. 휘발성은 물질의 증기 압력과 바로 관련이 있다. 주어진 온도에서, 높은 증기 압력을 갖는 물질은 낮은 증기 압력을 갖는 물질보다 더욱 용이하게 기화하며, 주어진 온도에서 액체의 증기 압력이 높은 경우, 휘발성은 높아지고, 액체의 정상 끓는점은 낮아진다.
(14) 물질의 상태
물질의 상태는 물질의 상과는 다른 형태이다. 고체, 액체 및 가스는 가장 공통적인 물의 상태이다.
또한, 물질의 상태는 상 변이의 용어로 정의될 수 있다. 상 변이는 구조의 변화를 나타내며, 특성의 갑작스런 변화로 인식될 수 있다. 이러한 정의에 있어서, 물질의 상태 구분은 상 변이에 의한 상태의 다른 상태와는 구별되는 특정 상태이다.
주어진 물질의 상태 또는 상은 시스템(외기 압력 및 외기 온도 조건)의 상태 함수에 따라 변경될 수 있으며, 이러한 조건들이 물질이 존재하기에 유리할 때 다른 상으로 변이, 예를 들어, 외기 온도 또는 외기 압력의 증가/감소가 있는 경우, 액체서 가스로 또는 그 반대로 변이가 이루어진다.
이러한 상태들 사이의 차이점은 분자의 연관성의 차이에 기초한다. 액체는 분자가 서로 접근하도록 분자 간의 인력을 가진 상태이지만, 분자들이 서로 고정된 관계들을 유지하지는 않고, 저장 컨테이너의 형상에 따라 저장 가능하지만, 압력과 독립적으로 (거의) 일정한 부피를 유지한다. 기체는 분자가 상대적으로 분리되는 상태이고 분자 간의 인력이 상대 이동에 주는 영향력이 상대적으로 미미하고, 형상 또는 부피에 제한되지 않지만, 외기 압력/온도를 감소/증가하는 것에 의해 제한되어 그 형상 또는 부피가 전체 압력 장치의 그것과 대응한다.
(15) ISMC = ISO 13443
천연 가스, 천연 가스 대체물 및 기체 상태 내의 유사한 유체물을 측정 및 산출하기 위한, 온도, 압력 및 습도(포화 상태)의 국제 표준 측정 조건은, 288.15K(15℃)이고, 101.325kPa(1 atm)이다.
(16) 클라우지우스 - 클라페론 ( Clausius - Clapeyron ) 관계
루돌프 클라우지우스와 베노잇 폴 에밀 클라페론의 이름을 딴 이 관계식은 단일 물질의 두 가지 상 사이에 비연속적으로 상 변이가 이루어지는 방법을 정의한다. 압력-온도(P-T) 그래프에 있어서, 두 개의 상을 구분하는 선은 공존 곡선으로 알려져 있다. 클라우지우스-클라페론 관계식을 통해, 이러한 곡선의 기울기를 구할 수 있고, 수학적으로 아래와 같이 나타난다.
Figure pct00001
Figure pct00002
는 특정 지점에서의 공존 곡선의 기울기이고, L은 특정 잠복열, T는 온도, ΔV는 상 변이의 특정 부피 변화를 나타낸다.
(17) 줄-톰슨( Joule - Thomson ) 효과
열역학에 있어서, 진공내 가스의 자유 팽창이 일어나는 줄-톰슨 효과 또는 줄-켈빈 효과 또는 켈빈-줄 효과 또는 줄-톰슨 팽창은, 가스 또는 액체가 주위와 열 교환이 일어나지 않는 단열된 채로 밸브 또는 기공성 플러그를 통과할 때 힘을 받는 경우, 가스 또는 액체의 온도 변화를 나타낸다. 이러한 과정은 압력 조절 공정 또는 줄-톰슨 공정으로 불리운다. 실온에 있어서, 수소, 헬률, 네온을 제외한 모든 가스들은 줄-톰슨 공정에 의해 팽창시 냉각된다.

Claims (27)

  1. 저온 보조 시스템;
    고온 보조 시스템;
    동력 추출 시스템; 및
    유압식 펌프를 포함하고;
    상기 저온 보조 시스템, 상기 고온 보조 시스템, 상기 동력 추출 시스템, 상기 유압식 펌프는 폐순환 회로로 배치되며;
    상기 저온 보조 시스템 및 상기 고온 보조 시스템은 각각 서로에 대하여 낮은 온도와 높은 온도로 유지되고;
    상기 저온 보조 시스템과 고온 보조 시스템 사이의 폐순환 회로에서 작동 유체가 주기적으로 순환하며, 상기 작동 유체는 상기 저온 보조 시스템과 상기 고온 보조 시스템에서 각각의 상태 함수에 따라 서로 다른 평형 압력을 갖고, 상기 저온 보조 시스템과 상기 고온 보조 시스템 사이에서 압력차를 발생하는 서로 다른 두 개의 탄성 위치 에너지 레벨을 나타내며,
    상기 동력 추출 시스템은 상기 고온 보조 시스템의 출구와 상기 저온 보조 시스템의 입구 사이에 배치되어, 상기 탄성 위치 에너지 및 압력차를 운동 에너지로 변환하고,
    상기 유압식 펌프는 상기 저온 보조 시스템의 출구와 상기 고온 보조 시스템의 입구 사이에 배치되어, 상기 저온 보조 시스템으로부터 상기 고온 보조 시스템으로 액체인 작동 유체를 반대 방향으로 순환시키는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 유체는 상기 저온 보조 시스템에 저장되어 있을 때보다 상기 고온 보조 시스템에 저장되어 있을 때 온도가 높고, 상기 저온 보조 시스템과 상기 고온 보조 시스템 사이의 온도차는 두 개의 다른 상태 함수를 결정하기에 충분하며, 상기 저온 보조 시스템의 작동 유체의 평형 증기 압력에 대한 상기 고온 보조 시스템의 작동 유체의 평형 증기 압력을 통해 동력의 추출이 가능한 압력 차이를 발생하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 작동 유체의 물질 또는 화합물은 그 상태가 가스에서 액체로 및 액체에서 가스로 가역적으로 상 변환될 수 있는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저온 보조 시스템은 상기 작동 유체의 대부분을 액화시키는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저온 보조 시스템은 압력 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 압력 용기는 대기 압력에 대하여 가스상으로 작동 유체를 자유 팽창시킬 수 있는 상기 저온 보조 시스템의 부피를 크게 하는 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저온 보조 시스템은 팽창 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 저온 보조 시스템은 가스상의 작동 유체를 액화하는 응축기를 포함하여, 정상 끓는점을 소량으로 초과하는 외기 온도에서 작동 유체의 증기/압력 평형을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 저온 보조 시스템의 응축기는 저장 컨테이너 기능을 하는 압력 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저온 보조 시스템은 단열되는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저온 보조 시스템은 능동식 분사 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저온 보조 시스템은 상기 팽창 챔버에서 상기 응축기로 작동 유체를 전달하기 위한 펌프/진공 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 유체는 상기 저온 보조 시스템에서 정상 끓는점에 근사하거나 소량으로 초과하는 온도에 저장되는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저온 보조 시스템의 출구에서 상기 고온 보조 시스템의 입구로 액체 상태의 작동 유체를 전달하는 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 보조 시스템은 작동 유체의 대부분을 기화하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 보조 시스템은 저장 컨테이너의 기능을 하는 압력 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 보조 시스템과 상기 저온 보조 시스템의 상태 함수는 작동 유체의 휘발성이 각각의 증기/액체 평형에 머무르도록 일정하게 유지되며, 상기 가스상(증기)은 액체상과 평형을 유지하여, 상기 압력 용기의 일부는 물질의 상태가 액체 상태로 채워지고, 상기 압력 용기의 나머지는 가압된 가스 상태로 채워지는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 보조 시스템은 외기 온도를 유지하기 위해 주위의 열 에너지를 수집하고, 작동 유체의 액체상 일부를 가압된 증기로 기화하여 작동 유체가 탄성 위치 에너지를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 보조 시스템은 하나 이상의 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 교환기는 주위의 온도에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 보조 시스템은 태양열; 지열; 풍열; 바이오매스; 연료 전지; 강, 해수층, 대수층 또는 지하수원과 같은 물의 유동; 광구 및 빌딩의 지하실과 같은 지하에서 발견되는 열 차이; 상업용 또는 산업용 열 회수 시스템; 비닐 하우스; 바로 주위가 아닌 대기 또는 산업용 빌딩에서 발견되는 외기 온도에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 교환기는 바람직하게 프로판, 천연 가스 또는 다른 화석 연료로 연소되는 외부 가열기에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 보조 시스템은 상기 압력식 파워 시스템으로부터 일정 거리로 이격되어 배치된 복수의 주변 열 에너지원으로부터 에너지를 수집하여, 상기 압력식 파워 시스템을 하이브리드 형태로 작동시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 보조 시스템은 바로 주위의 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 보조 시스템은 상기 작동 유체의 임계적 아래에서 유지되는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 유체는 유기물, 화합물, 혼합물, 냉매, 암모니아, 이산화황, 플로릴, 프로판, 메탄과 같은 비할로겐화 탄화수소, 질소와 같은 화학 물질 및 이산화탄소 및 산화질소와 같은 화합물에서 선택되는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
  27. 제 1 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 유체는 국제미터법의 온도, 압력 및 습도 또는 포화 상태인 288.15K[15℃] 및 101.325kPa[1기압]인 ISMC온도 바로 미만의 정상 끓는점을 갖는 것을 특징으로 하는 압력식 파워 시스템.
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