KR20150084803A - 압축기 복열을 사용하는 열역학 사이클 및 이와 연관된 시스템들 및 방법들 - Google Patents

압축기 복열을 사용하는 열역학 사이클 및 이와 연관된 시스템들 및 방법들 Download PDF

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찰 에스. 데이비슨
스티븐 에이. 라이트
로버트 엘. 풀러
조슈아 씨. 월터
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슈퍼크리티컬 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

개시된 예시적인 실시예들은 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들, 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크를 동작하기 위한 방법 및 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크를 제조하기 위한 방법을 포함한다.

Description

압축기 복열을 사용하는 열역학 사이클 및 이와 연관된 시스템들 및 방법들{THERMODYNAMIC CYCLE WITH COMPRESSOR RECUPERATION, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS}
본 출원은 작동 유체들 및 이들의 열역학 사이클들에서의 사용에 관련된다.
개시된 예시적인 실시예들은 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들, 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크를 동작하기 위한 방법 및 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크를 제조하기 위한 방법을 포함한다.
전술한 개요는 단지 예시이고 어떠한 방식으로도 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 상기에 기술된 예시적인 양태들, 실시예들, 및 특징들에 더하여, 추가의 양태들, 실시예들, 및 특징들이 도면을 참조하여 그리고 이하의 상세한 기술에 의해 명백해질 것이다.
도 1은 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 2는 도 1의 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크에 의해 구현된 열역학 사이클 동안 엔트로피 대 온도의 그래프이다.
도 3은 열 입력 모듈의 예시적인 구현예의 개략도이다.
도 4는 방열 모듈의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 5는 프로세스 모듈의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 6은 작동 모듈의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 7 내지 도 13은 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 예시적인 실시예의 개략도들이다.
도 14 내지 도 16은 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 예시적인 실시예들의 개략도들이다.
도 17a는 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크를 동작하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 17b 내지 도 17h는 도 17a의 흐름도의 방법의 상세를 예시한다.
도 18은 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크를 제조하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 18a는 도 18에 도시된 예시적인 방법의 연속도이다.
도 18b 내지 도 18h는 도 18a의 흐름도의 방법의 상세를 예시한다.
관련 출원의 교차 참조
본 발명은 본 명세서에 참조로서 인용된, 명칭이 "THERMODYNAMIC CYCLE WITH COMPRESSOR RECUPERATION, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS"인 2013년 3월 15일 출원된 미국 가 출원 번호 제 13/843,517 호, 명칭이 "MODULAR POWER INFRASTRUCTURE"인 2012년 9월 26일 출원된 미국 가 출원 번호 제 61/744,439 호의 우선권을 주장한다. 전술한 출원들 및/또는 참조로서 본 명세서에 인용된 임의의 다른 참조문헌들이 본 개시와 상충하는 정도까지 본 개시가 제어한다.
이하의 상세한 기술에서, 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면들이 참조된다. 도면들에서, 유사한 기호들은 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 통상적으로 유사한 컴포넌트들을 식별한다.
상세한 설명, 도면들, 및 청구항들에 기술된 예시적인 실시예들은 제한하는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서에 제공된 정신 및 주제의 범위를 벗어나지 않고, 다른 실시예들이 활용될 수도 있고, 다른 변화들이 이루어질 수도 있다.
당업자는 본 명세서에 설명된 컴포넌트들 (예를 들어, 동작들), 디바이스들, 객체들, 및 이들을 동반하는 논의가 개념적 명확성을 위한 예들로서 사용되고 다양한 구성 수정들이 수반될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 결과적으로, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 언급된 구체적인 예들 및 동반된 논의는 보다 일반적인 부류들을 나타내는 것으로 의도된다. 일반적으로, 임의의 구체적인 예시의 사용은 이들의 부류, 구체적인 컴포넌트들 (예를 들어, 동작들), 디바이스들, 객체들을 나타내는 것으로 의도되고, 제한하는 것으로 취해지지 않아야 한다.
본 출원은 표현의 명확성을 위해 형식적인 개요 주제를 사용한다. 그러나, 개요 주제들이 표현을 목적으로 하고, 상이한 타입들의 주제가 본 출원 전체에서 논의될 수도 있다는 것이 이해된다 (예를 들어, 디바이스(들)/구조체(들)는 프로세스(들)/동작(들) 주제 하에서 기술될 수도 있고/있거나 프로세스(들)/동작들은 구조체(들)/프로세스(들) 주제들 하에서 논의될 수도 있고/있거나, 단일 토픽의 설명이 둘 이상의 토픽 주제들을 아우를 수도 있다). 따라서, 형식적인 개요 주제들의 사용은 어떠한 방식으로 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
이하에 설명된 기술의 많은 실시예들이 프로그램가능한 컴퓨터에 의해 실행된 루틴들을 포함하는, 컴퓨터-실행가능 인스트럭션들의 형태를 취할 수도 있다. 당업자는 이 기술이 이하에 도시되고 기술된 것 이외의 컴퓨터 시스템들 상에서 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이 기술은 이하에 설명된 하나 이상의 컴퓨터-실행가능 인스트럭션들을 수행하도록 특정하게 프로그램되거나, 구성되거나 구축된 특수-목적 컴퓨터 또는 데이터 프로세서 내에서 구현될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 일반적으로 사용된 용어 "컴퓨터" 및 "제어기"는 임의의 데이터 프로세서를 참조하고 인터넷 장비들 및 휴대형 디바이스들 (팜-탑 (palm-top) 컴퓨터들, 웨어러블 (wearable) 컴퓨터들, 셀룰러 폰 또는 모바일 폰, 멀티-프로세서 시스템들, 프로세서-기반 또는 프로그램가능 가전제품들, 네트워크 컴퓨터들, 미니 컴퓨터들 등을 포함함) 을 포함할 수 있다. 이들 컴퓨터들에 의해 처리된 정보는 CRT 디스플레이 또는 LCD를 포함하는, 임의의 적합한 디스플레이 매체로 제공될 수 있다.
본 기술은 또한 태스크들 또는 모듈들이 통신 네트워크를 통해 링크된 원격 프로세싱 디바이스들에 의해 수행되는, 분산된 환경에서 실시될 수 있다. 분산된 컴퓨팅 환경에서, 프로그램 모듈들 또는 서브루틴들이 로컬 또는 원격 메모리 저장 디바이스들 내에 위치될 수 있다. 이하에 설명된 기술의 양태들은 자기 또는 광학으로 판독가능하거나 이동식 컴퓨터 디스크들 상에 저장되거나 배포될 수도 있고, 네트워크를 통해 전기적으로 배포된다. 특정한 실시예들에서, 본 기술의 양태들에 특정한 데이터 구조들 및 데이터의 송신은 또한 본 기술의 범위 내에 포괄된다.
개요
개요의 방식으로 주어진, 개시된 예시적인 실시예들은 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들, 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크를 동작하는 방법들, 및 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크를 제조하는 방법들을 포함한다. 본 명세서에 개시된 예시적인 실시예들은 압축기 복열 (compressor recuperation) 을 갖는 열역학 사이클을 적합하게 포함한다.
도 1을 간단히 참조하면, 비제한적인 예로서 주어진 예시적인 실시예에서, 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 는 압축기 복열을 사용하는 열역학 사이클에 따라 동작하는 초임계 발전 모듈 (supercritical power module) (12) 을 포함한다. 초임계 발전 모듈 (12) 은 초임계 유체 (supercritical fluid) (16) 를 압축하도록 구성된 압축기 (14A) 를 포함한다. 복열기 (18A) 는 압축기 (14A) 로부터의 압축된 초임계 유체 (16) 를 가열하도록 구성된다. 압축기 (14B) 는 복열기 (18A) 로부터 수용된 가열된 초임계 유체 (16) 를 압축하도록 구성된다. 복열기 (18B) 는 압축기 (14B) 로부터의 압축된 초임계 유체 (16) 를 가열하도록 구성된다. 유출 경로 (20) 는 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 복열기 (18B) 로부터 열 입력 모듈 (22) 과 같은 열 소스로 제공하도록 구성된다. 유입 경로 (24) 는 열 입력 모듈 (22) 과 같은 열 소스로부터 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 제공하도록 구성된다. 팽창기 (26) 는 열 소스 (22) 로부터 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 수용하도록 커플링되고 초임계 유체 (16) 의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된다. 냉각기 (28) 는 복열기 (18A) 로부터 팽창된 초임계 유체 (16) 를 냉각하고 냉각된 초임계 유체 (16) 를 압축기 (14A) 로 제공하도록 구성된다.
개요의 방식을 계속하여, 다양한 실시예들에서, 초임계 발전 모듈은 모듈식, 컨테이너 방식으로 된 플랫폼 (도 1에는 미도시) 내에 적합하게 배치된다. 또한, 필요에 따라, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크의 다양한 실시예들은 또한 초임계 발전 모듈 (12) 에 부가적으로, 초임계 발전 모듈 (12) 로부터 초임계 유체 (16) 가 공급될 수도 있고, 다양한 문제들을 해결하는데 도움을 주기 위해, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 내의 다양한 모듈들과 연결가능한 하나 이상의 다른 모듈들 (도 1에는 미도시) 을 포함할 수도 있고, 상기 다양한 문제들은 제한하지 않고, 특정한 애플리케이션들에 대해 목표되는 바와 같이, 다양한 연료 공급 옵션들, 상이한 동작 환경들, 가열 및 냉각 수요, 기계적 작동 요건들, 설치 제한들 (siting constraints), 및/또는 효율성 요건들을 포함한다. 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크의 다양한 실시예들을 형성하는, 초임계 발전 모듈 및 다른 모듈들을 포함하는 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 예시적인 실시예들이 비제한적인 예들로서 이하에서 논의될 것이다.
적어도 일부 실시예들에서, 초임계 발전 모듈 (12) 및 열 입력 모듈 (22) 은 개별 모듈들로서 제공될 수도 있다; 즉, 초임계 발전 모듈 (12) 및 열 입력 모듈 (22) 각각은 각각의 고유의 하우징, 인클로저, 등에 제공될 수도 있다. 이러한 실시예들에서, 초임계 유체 (16) 는 초임계 발전 모듈 (12) 을 나가서 열 입력 모듈 (22) 에 들어가고, 열 입력 모듈 (22) 에 의해 가열되고, 이어서 열 입력 모듈을 나가서 초임계 발전 모듈 (12) 에 들어갈 수도 있다.
다른 실시예들에서, 초임계 발전 모듈 (12) 및 열 입력 모듈 (22) 은 개별 모듈들로서 제공될 필요는 없다. 이를 위해, 일부 실시예들에서, 초임계 발전 모듈 (12) 및 열 입력 모듈 (22) 은 함께 하나의 하우징, 인클로저, 등에 제공될 수도 있다. 일부 이러한 실시예들에서, 하나의 하우징, 인클로저, 등은 (이하에 논의된 바와 같이) "모듈"로서 간주될 수도 있다. 그러나, 하나의 하우징, 인클로저, 등이 "모듈"일 필요는 없다. 이를 위해, 일부 다른 이러한 실시예들에서, 하나의 하우징, 인클로저, 등은 "모듈"로서 간주되지 않을 수도 있다.
상기에 논의된 바와 같이, 본 출원은 작동 유체들 및 압축기 복열을 사용하는 열역학 사이클들에서의 사용에 관련된다. 다양한 실시예들에서, 이러한 열역학 사이클들은 Brayton 사이클, Rankine 사이클, 등을 포함할 수도 있다. Brayton 열역학 사이클들 및 Rankine 열역학 사이클들은 일반적으로 압축 및/또는 펌핑과 같은 작동 유체의 가압, 작동 유체로의 열 부가, 작동 유체의 운동, 열, 또는 포텐셜 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 디바이스 내에서 가열되고 가압된 유체의 팽창, 및 이어서 작동 유체로부터의 에너지 방출을 특징으로 한다. 폐쇄된 시스템에서, 팽창 후 작동 유체는 재-가압되고, 작동 유체는 상기 프로세스를 순환적 방식으로 겪는다.
공지된 바와 같이, 작동 유체들은 열역학 사이클 프로세스의 하나 이상의 지점들에서 초임계 상태로 천이할 수도 있다. 부가적으로, 작동 유체는 열역학 사이클의 모든 지점에서 완전히 초임계 상태에 있을 수도 있다. 또한 공지된 바와 같이, 초임계 상태는 유체의 임계점 이상의 온도 및 압력 상태로 규정된다. 초임계 상태에 있을 때, 유체들은 이상적인 상태의 유체에 대한 가압에 비해, 적은 양의 엔트로피 변화로 보다 높은 압력으로 천이할 수 있다. 초임계 유체들의 압축률은 가스 상태의 유체의 유사한 압축에 비해 감소된 수의 압축 스테이지들이 가능하게 한다. 초임계 유체들은 또한 이들의 유체 상태들에 비해 감소된 점도 및 표면 장력을 나타낸다. 이들 특징들의 조합은 초임계 작동 유체들로 하여금 회전하는 기계 내에서 고 질량 유량 레이트를 나타내게 하고, 소정의 작동 출력량을 달성하기 위해 필요한 회전하는 기계의 면적 사이즈를 감소시킨다.
Xe, Kr, CO2, 및/또는 He와 같은 몇몇 초임계 유체들 중 임의의 하나 이상의 초임계 유체들이 다양한 실시예들에서 사용될 수도 있다. 이들 초임계 유체들은 순수한 형태뿐만 아니라 혼합물의 형태일 수도 있다. 이들 초임계 유체들은 또한 임의의 적합한 수의 유기 가스들 또는 가스성 불순물들과 혼합될 수도 있다. 간결성을 위해, 본 논의는 일반적으로 초임계 상태의 CO2 (때때로 "sCO2"로 참조됨) 의 이용과 관련되지만, 유사한 원리들이 다른 상술한 초임계 유체들 또는 이들의 혼합물들에 적용한다는 것이 이해될 것이다. 이를 위해, 임의의 하나 이상의 상술한 초임계 유체들은 특정한 애플리케이션으로 필요에 따라, 사용될 수도 있다. 예를 들어, 임의의 특정한 초임계 유체의 사용을 위한 고려사항들은 목표된 열 기계적 에너지 변환 시스템 (thermomechanical energy conversion system) 의 동작 온도 또는 압력을 포함할 수도 있다. 따라서, 임의의 특정한 초임계 유체에 대한 제한이 의도되지 않고 추론되지 않는다.
압축기 복열 (Compressor Recuperation)
상기에 논의된 바와 같이, 초임계 발전 모듈 (12) 은 (도 2를 참조하여 이하에 설명될 바와 같이) 압축기 복열을 갖는 (Brayton 사이클로 제한되지 않는) 열역학 사이클에 따라 동작한다. 간략하게, 다양한 실시예들에서 복열기 (18A) 는 복열기 (18B) 를 나가는 팽창된 (보다 낮은 압력) 초임계 유체 (16) 에 남아있는 열을 압축기 (14B) 로 들어가는 보다 높은 압력의 초임계 유체 (16) 에 전달한다. 또한, 복열기 (18B) 는 팽창된 초임계 유체 (16) 로부터의 열을 압축기 (14B) 를 나가는 초임계 유체 (16) 로 전달한다. 따라서, 복열기 (18B) 를 나가는 팽창된 초임계 유체 (16) 의 온도는 (단순 복열에 비해) 하강되고 복열기 (18B) 로 들어가는 압축된 초임계 유체 (16) 의 온도는 상승된다. 단순 복열에 비해, 이들 예시적인 실시예들은 보다 낮은 평균 방열 (heat rejection) 온도 및 보다 많은 양의 복열된 열을 발생하는 것을 도울 수도 있고, 이는 단순 복열된 전력 사이클에 비해 평균 열 부가 온도를 상승시키는 것을 도울 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 는 압축기 복열을 사용하는 열역학 사이클에 따라 동작하는 초임계 발전 모듈 (12) 을 포함한다. 열 에너지 소스에 연결될 때, 초임계 발전 모듈 (12) 은 초임계 유체 (16) 의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 필요에 따라, 일부 실시예들에서 초임계 발전 모듈 (12) 은 초임계 발전 모듈 (12) 로부터 초임계 유체 (16) 를 수용하도록 커플링될 수도 있는 임의의 다른 적합한 모듈들로 초임계 유체 (16) 를 공급할 수도 있다.
도 1에 도시된 실시예들에서 그리고 제한이 아닌 예시로서 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 초임계 발전 모듈 (12) 은 압축기 (14A), 복열기 (18A), 압축기 (14B), 복열기 (18B), 유출 경로 (20), 유입 경로 (24), 팽창기 (26), 및 냉각기 (28) 를 적합하게 포함한다. 또한 이하에 설명될 바와 같이, 일부 실시예들에서 초임계 발전 모듈 (12) 은 적어도 하나의 발전기 (electrical power generator) (27) 를 포함하고 일부 실시예들에서 초임계 발전 모듈 (12) 은 적어도 하나의 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 적어도 하나의 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 포함할 수도 있다.
압축기 (14A) 는 초임계 유체 (16) 를 압축, 즉 압력을 상승시키도록 구성된다. 압축기 (14A) 는 유입구 (34A) 및 유출구 (36A) 를 갖는다. 다양한 실시예들에서, 압축기 (14A) 는 초임계 유체 (16) 의 압력을 상승시키는 압축기 또는 펌프 등과 같은 임의의 적합한 디바이스로서 적합하게 구현될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 압축기 (14A) 는 샤프트 (38) 를 사용하여 팽창기 (26) 에 동작가능하게 커플링된다. 이러한 실시예들에서, 팽창기 (26) 는 초임계 유체 (16) 의 엔탈피 강하를 샤프트 (38) 의 회전을 포함하는 기계적 에너지로 변환하여, 압축기 (14A) 를 회전시킨다. 압축기 (14A) 를 팽창기 (26) 에 동작가능하게 커플링하는 것은 (기어박스 등과 같은) 기계적 커플링 또는 필요에 따라, 자기 커플링을 통해 이루어질 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
복열기 (18A) 는 압축기 (14A) 의 유출구 (36A) 를 나가는 압축된 초임계 유체 (16) 를 가열하도록 구성된다. 복열기 (18A) 는 적합하게 튜브-쉘 (tube-and-shell) 열 교환기, 인쇄 회로 열 교환기, 등과 같은 임의의 타입의 열 교환기이다. 복열기 (18A) 의 열 교환기는 교차류 배향 (cross-flow orientation), 대향류 배향 (counter-flow orientation), 또는 평행류 배향 (parallel-flow orientation) 과 같은 목표된 임의의 적합한 플로우 배향을 사용하여 구현될 수도 있다. 복열기 (18A) 는 특정한 애플리케이션을 위해 목표된 선택된 열 전달 용량을 갖도록 적합하게 사이즈가 정해진다. 도 1에 도시된 실시예들에서, 복열기 (18A) 는 압축기 (14A) 의 유출구 (36A) 와 유체 연통한다. 복열기 (18A) 는 압축기 (14A) 의 유출구 (36A) 와 유체 연통하도록 커플링된 유입구 (42A) 및 복열기 (18A) 의 열 교환기의 일 측면을 규정하는 유출구 (44A) 를 포함한다. 복열기 (18A) 는 또한 팽창된 초임계 유체 (16) 를 수용하기 위해 복열기 (18B) 와 유체 연통하도록 커플링된 유입구 (46A) 및 복열기 (18A) 의 열 교환기의 다른 측면을 규정하는 유출구 (48A) 를 포함한다. 열이 압축된 초임계 유체 (16) 로 전달되어 열 교환기의 일 측면 상의 유입구 (42A) 와 유출구 (44A) 사이를 흐르고 팽창된 초임계 유체 (16) 로부터 열 교환기의 다른 측면 상의 유입구 (46A) 와 유출구 (48A) 사이를 흐른다.
압축기 (14B) 는 복열기 (18A) 의 유출구 (44A) 를 나가는 초임계 유체 (16) 를 압축, 즉 압력을 상승시키도록 구성된다. 압축기들 (14A 및 14B) 의 제공은, 단순 복열된 전력 사이클을 위한 단일 압축기의 압축률보다 작은 압축률을 각각 갖는 2 개의 압축기 스테이지들의 제공과 동등한 것으로 간주될 수 있다. 2 개의 압축기 스테이지들의 압축률들의 곱 (즉, 압축기들 (14A 및 14B) 에 대한 압력비) 은 일반적으로 단순 복열된 전력 사이클을 위한 압축기 압력 비를 근사화할 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 매우 조밀하고 압축성을 거의 갖지 않는 작동 유체들을 사용하여, (다양한 실시예들에서, 압축기 (14B) 와 같은) 제 2 압축기 스테이지에서의 압축력의 상승은 보다 낮은 방열 온도에 의해 초래된 증가된 전력 사이클 효율 및 보다 높은 열 부가 온도에서 유발된 보다 많은 양의 복열으로 오프셋된다. 그 결과, 일부 실시예들은 통상적인 초임계 유체 전력 시스템들에서 사용된 통상적인 동작 조건들에 대해 단순 복열된 전력 사이클의 효율보다 높은 대략 2 ％ 차수 정도의 효율 증가를 달성하는 것을 도울 수 있다.
압축기 (14B) 는 복열기 (18A) 의 유출구 (44A) 와 유체 연통하도록 커플링된 유입구 (34B) 를 갖는다. 압축기 (14B) 는 유출구 (36B) 를 갖는다. 다양한 실시예들에서, 압축기 (14B) 는 초임계 유체 (16) 의 압력을 상승시키는 압축기 또는 펌프 등과 같은, 임의의 적합한 디바이스로 적합히 구현될 수도 있고, 압축기 (14A) 와 유사하거나 동일할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 압축기 (14B) 는 압축기 (14A) 에 대해 상기에 기술된 바와 유사하거나 동일한 방식으로 회전하도록 샤프트 (38) 를 사용하여 팽창기 (26) 에 동작가능하게 커플링된다.
따라서, 압축기들 (14A 및 14B) 은 (병렬 동작과 반대로) 직렬로 동작한다. 압축기들 (14A 및 14B) 이 (병렬 동작과 반대로) 직렬로 동작하기 때문에, 직렬로 동작하는 압축기들 (14A 및 14B) 에 적용가능하지 않은, 병렬로 동작하는 압축기 스테이지들의 상호작동에 적용할 수도 있는 잠재적 제어 문제들이 인식될 것이다.
복열기 (18B) 는 압축기 (14B) 의 유출구 (36B) 를 나가는 압축된 초임계 유체 (16) 를 가열하도록 구성된다. 복열기 (18B) 는 적합하게 튜브-쉘 열 교환기, 인쇄 회로 열 교환기, 등과 같은 임의의 타입의 열 교환기이고, 복열기 (18A) 와 유사하거나 동일할 수도 있다. 유사하게, 복열기 (18B) 의 열 교환기는 교차류 배향, 대향류 배향, 또는 평행류 배향과 같은 목표된 임의의 적합한 플로우 배향을 사용하여 구현될 수도 있다. 복열기 (18B) 는 특정한 애플리케이션을 위해 목표된 선택된 열 전달 용량을 갖도록 적합하게 사이즈가 정해진다. 도 1에 도시된 실시예들에서, 복열기 (18B) 는 압축기 (14B) 의 유출구 (36B) 와 유체 연통한다. 복열기 (18B) 는 압축기 (14A) 의 유출구 (36A) 와 유체 연통하도록 커플링된 유입구 (42B) 및 복열기 (18B) 의 열 교환기의 일 측면을 규정하는 유출구 (44B) 를 포함한다. 복열기 (18B) 는 또한 팽창된 초임계 유체 (16) 를 수용하기 위해 팽창기 (26) 와 유체 연통하도록 커플링된 유입구 (46B) 및 복열기 (18B) 의 열 교환기의 다른 측면을 규정하는 복열기 (18A) 의 유입구 (46A) 와 유체 연통하도록 커플링된 유출구 (48B) 를 포함한다. 열이 압축된 초임계 유체 (16) 로 전달되어 열 교환기의 일 측면 상의 유입구 (42B) 와 유출구 (44B) 사이를 흐르고 팽창된 초임계 유체 (16) 로부터 열 교환기의 다른 측면 상의 유입구 (46B) 와 유출구 (48B) 사이를 흐른다.
유출 경로 (20) 는 복열기 (18B) 로부터 열 입력 모듈 (22) 과 같은 열 소스로 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 제공하도록 구성된다. 유출 경로 (20) 는 적합한 격리 밸브 (21) 를 포함한다. 열 입력 모듈 (22) 과 같은 열 소스는 유출 경로 (20) 로부터 열 소스로 제공된 초임계 유체를 적합하게 가열한다. 유입 경로 (24) 는 열 소스 (22) 로부터 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 제공하도록 구성된다. 유입 경로 (24) 는 적합한 격리 밸브 (25) 를 포함한다. 열 입력 모듈 (22) 은 초임계 발전 모듈 (12) 의 모듈 경계 외부에 있는 모듈로 간주된다는 것이 이해될 것이다. 이와 같이, 열 입력 모듈 (22) 의 실시예들은 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 목표된 실시예들에 포함될 수도 있는 다른 모듈들과 함께 이하에 기술될 것이다.
팽창기 (26) 는 열 입력 모듈 (22) 과 같은 열 소스로부터 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 수용하도록 커플링되고, 초임계 유체 (16) 의 엔탈피 강하를예를 들어, 비한정적으로 샤프트 (38) 의 회전과 같은 기계적 에너지로 변환하도록 구성된다. 팽창기 (26) 는 유입 경로 (24) 로부터 수용된 가열된 초임계 유체 (16) 를 팽창시키고 초임계 유체 (16) 의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환할 수 있는 임의의 적합한 디바이스를 적합하게 포함할 수도 있다. 이와 같이, 일부 실시예들에서 팽창기 (26) 는 제한 없이 터보-팽창기, 팽창 터빈, 원심 터빈 (centrifugal turbine), 축류 터빈, 및/또는 등과 같은, 터빈 또는 터보머신을 제한 없이 적합하게 포함할 수도 있다. 이러한 실시예들에서, 팽창기 (26) 는 샤프트 (38) 가 제한 없이 36,000 회전/분보다 훨씬 큰 회전 속도와 같이, 매우 높은 회전 속도로 회전하게 한다. 일부 다른 실시예들에서, 팽창기 (26) 는 또한 왕복 엔진 (reciprocating engine) 을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 2 이상의 팽창기 (26) 가 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 1의 실시예들에 도시된 바와 같이, 팽창기 (26) 는 유입 경로 (24) 와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유입구 (49) 및 팽창된 초임계 유체 (16) 로부터의 열을 압축기 (14B) 를 나가는 압축된 초임계 유체 (16) 로 전달하기 위해 복열기 (18B) 의 유입구 (46B) 와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유출구 (50) 를 갖는다.
일부 실시예들에서 적어도 하나의 발전기 (27) 는 샤프트 (38) 를 사용하여 팽창기 (26) 에 동작가능하게 커플링될 수도 있다. 발전기 (27) 는 터빈 발전기, 교류 발전기와 같은 기술 분야에 공지된 임의의 적합한 발전기 또는 기술 분야에 공지된 임의의 다른 적합한 발전기일 수도 있다. 발전기 (27) 는 특정한 애플리케이션을 위해 목표된 전기 발전 용량을 갖도록 사이즈가 정해질 수도 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 특정한 애플리케이션을 위해 목표된, 2 이상의 발전기 (27) 가 제공될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 특정한 애플리케이션에 따라, 비제한적인 예로서 주어진, 일부 실시예들에서 발전기 (27) (또는 모든 발전기들 (27)) 는 2 내지 6 KWe 범위의 등급 (rating) 을 가질 수도 있다. 일부 실시예들 및 비제한적인 방식으로 주어진 예에서, 발전기 (27) (또는 모든 발전기들 (27)) 는 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 대략 5 KWe 정도의 차수의 등급을 가질 수도 있다. 발전기 (27) 의 등급 (또는 모든 발전기들 (27) 의 누적률) 에 대한 제한이 없는 것으로 의도되고 추론된다는 것이 이해될 것이다.
냉각기 (28) 는 복열기 (18A) 로부터 팽창된 초임계 유체 (16) 를 냉각하고 냉각된 초임계 유체 (16) 를 압축기 (14A) 에 제공하도록 구성된다. 냉각기 (28) 는 복열기 (18A) 의 유출구 (48A) 와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유입구 (52) 및 압축기 (14A) 의 유입구 (34) 와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유출구 (54) 를 갖는다. 냉각기 (28) 는 초임계 유체 (16) 를 냉각하기에 적합한 임의의 적합한 냉각기일 수도 있다. 예를 들어 제한이 아닌 예시로서 주어진, 다양한 실시예들에서 냉각기 (28) 는 콘덴서와 같은 "습식" 냉각기; 튜브-쉘 열 교환기 또는 인쇄 회로 열 교환기와 같은 열 교환기; 또는 강제 공냉 (forced-air cooling) "라디에이터" 와 같은 "건식" 냉각기 등을 포함할 수도 있다.
상기에 논의된 바와 같이, 동작 파라미터들은 특정한 애플리케이션을 위해 목표된 대로 선택될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 제한이 아닌 예시로서 주어진, 초임계 발전 모듈 (12) 의 다양한 예시적인 컴포넌트들 및 실시예들의 예시적인 동작 파라미터들은 제한 없이, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 이하의 차수의 값들의 파라미터들을 포함할 수도 있다: 압축기들 (14A 및 14B) 에 대한 대략 305 K 정도의 차수의 유입구 온도; 압축기들 (14A 및 14B) 에 대한 대략 7.5 MPa 정도의 차수의 유입구 압력; 대략 45 kg/s 정도의 차수의 질량 유량비; 대략 5 ％ 정도의 차수의 시스템 압력 강하; 대략 15 K 정도의 차수의 저온측 복열기 도달 온도; 및 압축기 (18B) 에 대한 대략 82 ％ 정도의 차수의 (거의)-등엔탈피 효율 (isentropic efficiency), 압축기 (14A) 에 대한 대략 84 ％ 정도의 차수의 (거의)-등엔탈피 효율, 팽창기 (26) 에 대한 대략 85 ％ 정도의 차수의 (거의)-등엔탈피 효율.
상기한 관점에서, 단순 복열된 사이클 동안 도 2에 도시된 사이클 효율의 개선은, 압축기들 (14A 및 14B) 에 의해 수반된 상승된 전력에도 불구하고, 복열된 보다 큰 사이즈의 유용한 열, 보다 낮은 평균 열 싱크 온도, 및 보다 높은 평균 열 소스 온도 때문에 부분적으로 발생할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 상기에 언급된 비제한적인 예들에서, 압축기들 (14A 및 14B) 간의 복열를 통한 재-가열의 사용으로 인한 효율 개선은 단순 복열된 전력 사이클 이상인 약 1/2 내지 1 ％ 정도의 차수일 수도 있고 (팽창된 초임계 유체의) 냉각을 사용하는 것은 약 1 ％ 추가의 효율 증가를 도울 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 열 교환 프로세스는 압축기 (14A) 와 압축기 (14B) 사이에서 초임계 유체를 가열한다. 이는 통상적으로 하나의 압축기 또는 압축기 스테이지로부터 다음 압축기 또는 압축기 스테이지로 통과하는 작동 유체를 냉각하는 압축기간 또는 압축기 스테이지간 열 교환 프로세스들과 반대이다. 따라서, 압축기 복열을 사용하는 열 역학 사이클은 단순 복열를 사용하는 열 역학 사이클보다 더 효율적인 약 2 ％ 정도의 차수일 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
(열 입력 모듈 (22) 과 같은) 고정된 사이즈의 열 소스에 대해, (도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은) 압축기 복열을 사용하는 열 역학 사이클을 통한 플로우 레이트 (약 20 내지 30 ％ 정도로 큰 차수) 가 단순 복열된 사이클보다 크다는 것이 또한 이해될 것이다. 초임계 유체들을 사용하는 발전 시스템들의 터보 머신이 컴팩트하고 강력하기 때문에, 이들은 고속 (예를 들어 제한 없이, 5 MWe 이하의 전력 레벨에 대해 대략 40,000 회전/분 (rpm: revolutions-per-minute) 이상의 속도) 에서 최적으로 동작한다. 그러나, 상업적 이용가능성은 대략 40,000 rpm 정도보다 큰 회전 속도를 수반하는 시스템들을 위한 베어링들 및 시일부들에 대해 제한될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
부가적으로, 압축기들 (14A 및 14B) 용 작은 사이즈의 휠들 (직경 약 3.5 내지 4 인치 정도) 은 압축기들 (14A 및 14B) 내에서 손실 메커니즘을 상승시키도록 기여하게 할 수도 있다. 따라서, 보다 큰 압축기 휠 사이즈는 보다 작은 휠보다 높은 등엔탈피 효율을 가질 수도 있다. 이 문제에 대한 부분적인 해법은 (제한 없이, 압축기들 (14A 및 14B) 의 사용과 같은) 2 스테이지 압축을 사용하는 것을 포함할 수도 있다. 따라서, 일부 (대략 10 MWe 정도의 차수보다 적은 비교적 작은 애플리케이션들과 같은) 애플리케이션들에 대해, 압축기의 물리적 배열은 인터-냉각 (병렬 압축기들) 또는 인터-복열 (직렬 압축기들) 을 위해 이미 맞춰졌다. 상기에 논의된 바와 같이, 인터-복열 (즉, 상기에 기술된 비제한적인 실시예들에 개시된 바와 같은 압축기-복열) 은 인터-냉각보다 효율을 상승시키게 할 수 있어서, 아마도 목표된 구현예로서, 언급되는 인터-복열 (상기 기술된 비제한적인 실시예들에 개시된 바와 같은 압축기-복열) 에 기여할 수 있게 한다.
일부 실시예들에서, 적어도 하나의 초임계 유체 공급 경로 (30) 는 초임계 발전 모듈 (12) 로부터 초임계 유체 (16) 를 공급하도록 구성될 수도 있고 적어도 하나의 초임계 유체 복귀 경로 (32) 는 초임계 발전 모듈 (12) 로 초임계 유체 (16) 를 복귀시키도록 구성될 수도 있다. 이러한 실시예들에서, 초임계 발전 모듈 (12) 로부터 공급된 초임계 유체 (16) 는 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 팽창된 초임계 유체 (16) 이고/이거나 압축된 초임계 유체 (16) 일 수도 있다. 초임계 유체 (16) 는 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 초임계 발전 모듈 (12) 로부터 초임계 유체 공급 경로 (30) 를 통해 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 내의 임의의 다른 적합한 모듈 또는 모듈들 (도 1에는 미도시) 로 공급될 수도 있다.
개시된 실시예들의 임의의 달성가능한 가능한 효율 개선들은 다수의 압축기들에 의해 요구된 상승된 전력에도 불구하고, 복열된 유용한 열의 가능한 보다 큰 크기, 보다 낮은 평균 열 싱크 온도, 보다 높은 평균 열 소스 온도 때문에 이루어질 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 이들 예에서 효율 개선은 단순 복열된 전력 사이클보다 약 2.0 ％ 클 수 있다는 것이 이해될 것이다. 비교예에서, 재가열의 사용은 효율을 0.5 ％에서 1 ％로 상승시킬 수 있다. 유사하게, 팽창된 초임계 유체의 냉각은 약 1 ％ 추가로 효율을 상승시킬 수 있다. 따라서, 압축기-복열를 사용하는 본 명세서에 개시된 기술은 일반적으로 사용된 압축기간 냉각 또는 압축기 스테이지간 냉각 방법보다 상당히 더 효과적이고/이거나 효율적일 수 있다.
특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 초임계 발전 모듈 (12) 로부터 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 내의 하나 이상의 다른 모듈들 (도 1에는 미도시) 로 다양한 온도 및 엔트로피 레벨들로 초임계 유체 (16) 를 제공하는 것이 바람직하다. 따라서, 다양한 실시예들에서, 초임계 유체 공급 경로들 (30) 은 하나 이상의 이하의 컴포넌트들 사이의 위치들에 적합하게 제공될 수도 있다: 압축기 (14A) 의 유출구 (36A) 및 복열기 (18) 의 유입구 (42A); 복열기 (18A) 의 유출구 (44A) 및 압축기 (14B) 의 유입구 (34B); 압축기 (14B) 의 유출구 (36B) 및 복열기 (18B) 의 유입구 (42B); 복열기 (18B) 의 유출구 (44B) 및 유출 경로 (20) 의 격리 밸브 (21); 유입 경로 (24) 의 격리 밸브 (25) 및 팽창기 (26) 의 유입구 (49); 팽창기 (26) 의 유출구 (50) 및 복열기 (18B) 의 유입구 (46B); 복열기 (18B) 의 유출구 (48B) 및 복열기 (18A) 의 유입구 (46A); 복열기 (18A) 의 유출구 (48A) 및 냉각기 (28) 의 유입구 (52); 및 냉각기 (28) 의 유출구 (54) 및 압축기 (14A) 의 유입구 (34A). 초임계 유체 공급 경로 (30) 각각은 적합한 격리 밸브 (56) 를 통해 격리된다.
적어도 하나의 초임계 유체 복귀 경로 (32) 는 초임계 유체 공급 경로 (30) 를 통해 초임계 유체 (16) 를 공급받는 다른 모듈 또는 모듈들 (도 1에는 미도시) 로부터 초임계 유체 (16) 를 초임계 발전 모듈 (12) 로 복귀시키도록 구성된다. 따라서, 다양한 실시예들에서, 초임계 유체 복귀 경로들 (32) 은 하나 이상의 이하의 컴포넌트들을 사이의 위치들에 적합히 제공될 수도 있다: 압축기 (14A) 의 유출구 (36A) 및 복열기 (18) 의 유입구 (42A); 복열기 (18A) 의 유출구 (44A) 및 압축기 (14B) 의 유입구 (34B); 압축기 (14B) 의 유출구 (36B) 및 복열기 (18B) 의 유입구 (42B); 복열기 (18B) 의 유출구 (44B) 및 유출 경로 (20) 내의 격리 밸브 (21); 유입 경로 (24) 내의 격리 밸브 (25) 및 팽창기 (26) 의 유입구 (49); 팽창기 (26) 의 유출구 (50) 및 복열기 (18B) 의 유입구 (46B); 복열기 (18B) 의 유출구 (48B) 및 복열기 (18A) 의 유입구 (46A); 복열기 (18A) 의 유출구 (48A) 및 냉각기 (28) 의 유입구 (52); 및 냉각기 (28) 의 유출구 (54) 및 압축기 (14A) 의 유입구 (34A). 초임계 유체 복귀 경로 (32) 각각은 격리 밸브 (58) 를 통해 격리된다.
상기 논의된 초임계 발전 모듈 (12) 의 컴포넌트는 그 내부에 함유되고 이를 통해 흐르는 초임계 유체 (16) 와의 양립성 및 온도 및 압력 조건들에 적절한 파이프들, 튜브들, 피팅들 (fitting), 커넥터들, 등과 적합하게 상호연결될 수도 있다. 부가적으로 일부 실시예들에서, 필요에 따라, 초임계 발전 모듈 (12) 의 컴포넌트들의 연결은 "고속 분리 (quick disconnect)"-타입 피팅들에 의해 이루어질 수 있어서 초임계 발전 모듈 (12) 의 모듈성에 기여하게 할 수도 있다. 게다가, 일부 실시예들에서, 초임계 발전 모듈 (12) 의 컴포넌트들의 물리적 배열은 표준화될 수도 있다. 즉, 설정된 양의 공간이 특정한 컴포넌트에 대해 할당될 수도 있고 표준 장착 패드 등이 상기 특정한 컴포넌트의 사이즈 또는 등급과 무관하게 상기 특정한 컴포넌트에 대해 활용될 수도 있어서, 또한 초임계 발전 모듈 (12) 의 모듈성에 기여하게 할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 필요에 따라, 유출 경로 (20), 유입 경로 (24), 초임계 유체 공급 경로 (30), 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 의 종단부에서와 같은, 초임계 발전 모듈 (12) 과 다른 모듈들 간의 연결은 "고속 분리"-타입 피팅들에 의해 이루어질 수도 있어서, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 의 모듈성에 기여하게 할 수도 있다.
일부 실시예들에서, 초임계 발전 모듈 (12) 은 원양 화물 컨테이너 (ocean-going cargo container) 등과 같은 하나 이상의 표준 컨테이너에서 구현될 수도 있어서 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 의 모듈성에 기여하게 할 수 있다. 게다가, 표준 컨테이너는 철도, 트럭, 열차, 공수 (airlift), 또는 수상 선박 (water-going vessel) 을 통해 선적된 임의의 이러한 컨테이너를 포함하는 것으로 간주될 수도 있다.
인프라스트럭처 네트워크 (10) 및 이의 컴포넌트들이 논의되었고, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 의 동작의 실시예들이 도 2를 참조하여 이하에서 논의될 것이다.
도 2를 참조하면, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 에 의해 구현되는 바와 같은, 압축기 복열을 사용하는 열역학 사이클 동안 엔트로피 (단위 Kj/kg-K) 대 온도 (단위 K) 그래프가 도시된다. 이하의 논의에서, 도 2에 예시된 열역학 사이클의 단계들은 이와 연관된 단계들을 구현할 수도 있는 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 의 대응하는 컴포넌트들에 맵핑된다. 도 1에 예시된 연관된 컴포넌트들에 대해 도 2에 예시된 사이클의 단계들과 관련하여 알파벳 참조부호들 (도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이) 이 사용된다.
도 2는 x축을 따르는 엔트로피 (단위 Kj/kg-K) 대 y축을 따르는 온도 (단위 K) 의 곡선 (200) 의 그래프이다. 엔트로피 및 온도에 대한 값들은 제한이 아닌 단지 예시로서 주어졌다는 것이 이해될 것이다. 엔트로피 및 온도의 값들은 특정한 목적을 위해 필요에 따라, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크의 다른 모듈들 (도 1 및 도 2에는 미도시) 에 제공되거나 제공되지 않을 수도 있는 초임계 유체 (16) 의 양에 영향을 받을 수도 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
이제 도 1 및 도 2를 참조하면, 지점 A와 지점 B 사이에서 초임계 유체 (16) 의 온도는 초임계 유체 (16) 의 압력이 압축기 (14A) 내에서 상승됨에 따라 거의 실질적으로 등엔탈피 프로세스 (isentropic process) (공지의 관계 PV=nRT를 근사화함) 에서 상승된다. 지점 B와 지점 A' 사이에서 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 복열기 (18A) 의 유입구 (42A) 와 복열기 (18A) 의 유출구 (44A) 사이에서 상승된다. 지점 A'과 지점 B' 사이에서 초임계 유체 (16) 의 온도는 초임계 유체 (16) 의 압력이 압축기 (14B) 내에서 상승됨에 따라 거의 실질적으로 등엔탈피 프로세스 (공지의 관계 PV=nRT를 근사화함) 에서 상승된다. 지점 B'과 지점 C 사이에서 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 복열기 (18B) 의 유입구 (42B) 및 복열기 (18B) 의 유출구 (44B) 사이에서 상승된다. 지점 C와 지점 D 사이에서 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 유출 경로 (20) 와 유입 경로 (24) 사이의 열 입력 모듈 (22) 과 같은 열 소스에 의해 상승된다. 지점 D와 지점 E 사이에서 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 초임계 유체 (16) 가 팽창되고, 이에 따라 압력이 감소되기 때문에 팽창기 (26) 내에서 거의 실질적으로 등엔탈피 프로세스로 하강된다. 지점 E와 지점 F' 사이에서 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 복열기 (18B) 의 유입구 (46B) 와 복열기 (18B) 의 유출구 (48B) 사이에서 감소된다. 지점 F'과 지점 F 사이에서 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 복열기 (18A) 의 유입구 (46A) 와 복열기 (18A) 의 유출구 (48A) 사이에서 감소된다. 지점 F와 지점 A 사이에서 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 냉각기 (28) 에 의해 더 감소된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서 초임계 유체 (16) 는 도 2에 도시된 열역학 사이클의 모든 단계들 동안 초임계 상태로 유지될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 곡선 (200) 을 따라 도시된 프로세스 동안 하나 이상의 지점들에서, 초임계 상태가 아닌 상태가 존재할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 그럼에도 불구하고, 간결성을 위해, 초임계 유체의 속성들과 다른 하나 이상의 속성들을 갖는 유체와 상반되는 초임계 유체 (16) 에 대해서만 참조된다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "초임계" 유체는 사이클의 하나 이상의 동작 부분들 동안 초임계 상태에 있는 유체를 말한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기에 논의된 바와 같이 다양한 실시예들에서, 복열기 (18A) 는 복열기 (18B) 를 나가는 팽창된 (보다 저압) 초임계 유체 (16) 에 남아 있는 열을 압축기 (14B) 로 들어가는 보다 고압의 초임계 유체 (16) 로 전달한다. 또한, 복열기 (18B) 는 팽창된 초임계 유체 (16) 로부터의 열을 압축기 (14B) 를 나가는 초임계 유체 (16) 로 전달한다. 따라서, 복열기 (18B) 를 나가는 팽창된 초임계 유체 (16) 의 온도는 (단순 복열에 비해) 하강되고 복열기 (18B) 로 들어가는 압축된 초임계 유체 (16) 의 온도는 상승된다. 단순 복열에 비해, 이들 예시적인 실시예들은 단순 복열된 전력 사이클에 비해 평균 열 부가 온도를 상승시킬 수 있는, 보다 낮은 평균 방열 온도 및 보다 많은 양의 열이 복열되게 할 수도 있다.
제어 시스템 (도 1에는 미도시) 은 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 의 동작을 제어하기 위해 다양한 파라미터들을 모니터링하고 피드백을 제공하도록 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 의 컴포넌트들과 동작가능하게 통신하도록 적합하게 제공되었다. 제어 시스템은 지점들 A, B, A', B', C, D, E, F', 및 F (도 1 및 도 2) 에 대응하는 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 내에서 선택된 위치들에서의 적어도 온도, 압력, 및 플로우 레이트를 적합하게 모니터링할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 제어 시스템은 또한 샤프트 (38) 의 속도 및/또는 발전기 (27) 의 전기적 부하를 적합하게 모니터링할 수도 있다. 일부 실시예들에서 제어 시스템은 열 입력 모듈 (22) 의 열 플럭스 (heat flux) 를 모니터링할 수도 있다. 제어 시스템은 샤프트 (38) 의 속도, 압축기들 (14A 및/또는 14B) 의 압축률 비, 열 입력 모듈 (22) 에 의해 부가된 열의 양, 및/또는 등을 변화시키기 위해 모니터링된 조건들을 목표된 파라미터들과 비교하고, 적절한 제어 신호들을 생성하고, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 의 컴포넌트들을 적합하게 제어한다. 제어 시스템은 제한 없이, 임의의 적합한 로직 제어기 등, 임의의 적합한 센서들 (써모커플들, 압력 센서들, 플로우 레이트 센서들, 회전 속도 센서들, 전압 센서들, 전류 센서들, 전력 센서들 및/또는 열 플럭스 센서들과 같은) 및 임의의 적합한 제어 액추에이터들 (제한 없이 쓰로틀 밸브들, 레오스탯들 (rheostats), 등과 같은) 과 같은 임의의 적합한 제어기로 구현될 수도 있다.
모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 다른 모듈들
초임계 발전 모듈의 실시예들에 의해 구현될 수도 있는 예시적인 열역학 사이클들이 논의되었기에, 필요에 따라, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 실시예들에 포함될 수도 있는 추가의 모듈들이 이제 논의될 것이다. 이해되는 바와 같이, 다른 모듈들이 필요에 따라, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크의 임의의 실시예들에 포함될 수도 있다. 이하에 설명된 다른 모듈들은 필요에 따라, 다양한 기능들을 수행하도록 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 상이한 실시예들을 구성하도록 할 수 있다. 또한 이해되는 바와 같이, 필요에 따라 다른 모듈들의 포함을 통해 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 다양한 실시예들을 재구성할 수 있는 능력은 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 모듈성에 기여하게 할 수 있다.
이제 도 1 및 도 3을 참조하면, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 다양한 실시예들은 하나 이상의 열 입력 모듈들 (22) 을 포함할 수도 있다. 열 입력 모듈 (22) 은 (초임계 발전 모듈에 의해 압축되고 공급된) 초임계 유체 (16) 를 가열하고 가열된 초임계 유체 (16) 를 초임계 발전 모듈에 제공한다.
열 입력 모듈 (22) 은 초임계 유체 가열 유닛 (500) 을 포함한다. 초임계 유체 가열 유닛 (500) 은 적합하게 열을 생성하거나 수거하고 열을 초임계 유체 (16) 로 전달한다.
초임계 유체 가열 유닛 (500) 는 가열기 (502) 및 초임계 유체 열 교환기 (504) 를 포함한다. 가열기 (502) 는 열을 생성하거나 수거한다. 일부 실시예들에서, 가열기 (502) 는 제한 없이, 지열 (geothermal), 태양열, 프로세스 열, 폐열 (waste heat), 등과 같은 다른 열 소스들로부터 열을 수거 (및/또는 집열) 할 수도 있다. 일부 다른 실시예들에서, 가열기 (502) 는 산화 또는 연소 등을 통해서와 같이, 열을 생성할 수도 있다.
초임계 유체 열 교환기 (504) 는 가열기 (502) 와 열 연통하도록 동작가능하게 커플링되고 가열기 (502) 로부터의 열을 초임계 유체 (16) 로 전달한다. 초임계 유체 열 교환기 (504) 는 적합하게 튜브-쉘 열 교환기, 인쇄 회로 열 교환기, 등과 같은 임의의 적합한 타입의 열 교환기이다. 초임계 유체 열 교환기 (504) 는 교차류 배향, 대향류 배향, 또는 평행류 배향과 같은 목표된 임의의 적합한 플로우 배향을 사용하여 구현될 수도 있다. 초임계 유체 열 교환기 (504) 는 특정한 애플리케이션을 위해 목표된 선택된 열 전달 용량을 갖도록 적합하게 사이즈가 정해진다.
초임계 유체 열 교환기 (504) 의 일 측면은 유출 경로 (20) 로부터 초임계 유체 (16) 를 수용하기 위해 유체 연통하도록 커플링될 수도 있는 유입구 (506) 및 가열된 초임계 유체 (16) 를 유입 경로 (24) 에 제공하기 위해 유체 연통하도록 커플링될 수도 있는 유출구 (508) 를 갖는다.
초임계 유체 열 교환기 (504) 의 다른 측면은 가열기 (502) 로부터의 열을 수용하도록 커플링된 유입구 (510) 및 유출구 (512) 를 갖는다. 유출구 (512) 는 대기로 배기할 수 있거나 필요에 따라, 폐열을 공급받기 위해 임의의 다른 적합한 모듈 또는 모듈들에 커플링될 수 있다.
특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 일부 실시예들은 하나의 열 입력 모듈 (22) 을 포함할 수도 있고 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 일부 다른 실시예들은 2 이상의 열 입력 모듈 (22) 을 포함할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 열 입력 모듈 (22) 의 다양한 실시예들은 2 이상의 가열기 (502) 를 포함할 수도 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 이러한 실시예들에서, 가열기들 (502) 은 상기 논의된 바와 같이, 상이한 열 소스들 또는 수거기들/집열기들일 수도 있고, 서로 결합될 수도 있다. 또한, 열 입력 모듈 (22) 의 다양한 실시예들은 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 2 이상의 초임계 유체 열 교환기 (504) 를 포함할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
이제 도 1 및 도 4를 참조하면, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 다양한 실시예들은 하나 이상의 방열 모듈들 (600) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예들에서, 방열 모듈 (600) 은 초임계 발전 모듈의 실시예들로부터 공급된 초임계 유체 (16) 로부터, 방열 모듈 (600) 에 공급된 초임계 유체 (16) 의 벌크 온도 이하의 벌크 온도를 갖는 열 싱크 (미도시) 로의 열 전달을 허용한다. 비제한적인 예로서 주어진, 초임계 발전 모듈의 실시예들로부터 공급된 초임계 유체 (16) 로부터 열 싱크로의 열 전달은 초임계 유체 (16) 의 펌핑 또는 압축 효율을 상승시키게 하는데 바람직할 수도 있다. 이를 위해, 초임계 발전 모듈의 실시예들로부터 공급된 초임계 유체 (16) 로부터 열 싱크로의 열 전달은 초임계 유체 (16) 의 엔탈피를 감소시켜, 초임계 유체 (16) 의 밀도를 상승시키고, 이는 초임계 유체 (16) 의 펌핑 또는 압축 효율을 상승시키게 할 수 있다.
방열 모듈 (600) 의 실시예들은 적어도 하나의 방열 열 교환기 (602) 를 포함한다. 방열 열 교환기 (602) 는 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 임의의 적합한 타입의 열 교환기일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 초임계 발전 모듈의 실시예들로부터 공급된 초임계 유체 (16) 로부터의 열을 열 싱크로 단순히 전달하는 것이 목표될 수도 있다. 일부 이러한 경우들에서, 열 싱크는 초임계 유체 (16) 의 벌크 온도 이하의 벌크 온도를 갖는 (호수, 강, 바다, 등과 같은) 대량의 물과 같은 저장부일 수도 있고 방열 열 교환기 (602) 는 쉘-튜브 열 교환기, 인쇄 회로 열 교환기, 등과 같은 임의의 허용가능한 열 교환기일 수도 있다. 다른 이러한 경우들에서, 열 싱크는 주변 공기일 수도 있고 방열 열 교환기 (602) 는 (예를 들어, 냉각 코일들 상으로 액체를 스프레이하도록 구성된 열 교환기와 같은) 증기 냉각을 제공하도록 구성된 임의의 허용가능한 열 교환기일 수도 있다. 다른 이러한 경우들에서, 방열 열 교환기 (602) 는 라디에이터일 수도 있고, 그 내부에서 열 싱크는 초임계 유체 (16) 가 흐르는 코일들을 통과하여 부는 (blow) 주변 공기이다.
일부 다른 실시예들에서, 열 싱크는 초임계 유체 (16) 의 벌크 온도 이하의 벌크 온도를 갖는 유체의 저장부일 수도 있고, 초임계 유체 (16) 로부터의 열을 이 열 싱크로 전달하고 원하는 목적을 위해 벌크 온도를 상승시키도록 목표된다. 이러한 경우들 및 비제한적으로 주어진 예들에서, 초임계 발전 모듈의 실시예들은 제한 없이, 지역 난방 (district heating), 주거용 난방 (residential heating), 상업용 난방 (commercial heating), 산업적 난방 (industrial heating), 구조적 가열 (structural heating), 프로세스 가열 (process heating), 등과 같은 열적 입력을 요구하는 외부 시스템들을 서빙하기 위해 내부에서 달리 활용된 열을 제공할 수도 있다.
방열 열 교환기 (602) 의 양 측면들로의 공급 라인 및 방열 열 교환기 (602) 의 양 측면들로부터의 복귀 라인 각각은 격리 밸브 (604) 를 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 필요에 따라, 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 의 종단부들에서와 같은 방열 모듈 (600) 과 다른 모듈들 간의 연결은 "고속 분리"-타입 피팅들로 이루어질 수 있어서, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크의 모듈성에 기여하게 할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 일부 실시예들에서 방열 열 교환기 (602) 로부터의 초임계 유체 (16) 는 초임계 유체 복귀 경로 (32) 로 직접적으로 복귀되는 대신, 필요에 따라, 가열을 위한 임의의 다른 적합한 모듈로 제공 (결국 초임계 유체 복귀 경로 (32) 로 복귀) 될 수도 있다.
이제 도 1 및 도 5를 참조하면, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 다양한 실시예들은 하나 이상의 프로세스 모듈들 (700) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예들에서, 프로세스 모듈 (700) 은 열 소스 (미도시) 에 의해 공급된 유체로부터의 열을 초임계 발전 모듈의 실시예들로부터 공급된 초임계 유체 (16) 로 전달하게 하여, 열 소스에 의해 냉각 유체가 공급된다.
프로세스 모듈 (700) 의 실시예들은 제한 없이, 팽창 밸브 등과 같은 적어도 하나의 팽창 디바이스 (702) 및 적어도 하나의 프로세스 열 교환기 (704) 를 포함한다. 프로세스 열 교환기 (704) 는 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 쉘-튜브 열 교환기, 인쇄 회로 열 교환기, 등과 같은 임의의 적합한 타입의 열 교환기일 수도 있다. 팽창 디바이스 (702) 는 초임계 유체 (16) 를 팽창시켜, 압력을 하강시키고 엔탈피 강하 (및 결과적으로 온도 강하) 를 초래한다. 프로세스 열 교환기 (704) 에서 열 소스에 의해 공급된 (그리고 팽창 디바이스 (702) 에 의해 팽창된 초임계 유체 (16) 의 벌크 온도 이상의 벌크 온도를 갖는) 유체로부터 열이 팽창 디바이스 (702) 에 의해 팽창된 초임계 유체 (16) 로 전달된다.
프로세스 모듈 (700) 은 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 제한 없이, 컴퓨팅 설비, HVAC 시스템, 프로세스 냉각, 빌딩 냉각 및 구조체 냉각, 등과 같은, 임의의 적합한 열 소스로부터의 유체의 냉각을 제공하기 위해 사용될 수도 있다.
프로세스 열 교환기 (704) 의 양 측면들로의 공급 라인 및 프로세스 열 교환기 (704) 의 양 측면들로부터의 복귀 라인 각각은 격리 밸브 (706) 를 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 필요에 따라, 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 의 종단부들에서와 같은 프로세스 모듈 (700) 과 다른 모듈들 간의 열결은 "고속 분리"-타입 피팅들에 의해 이루어질 수 있어서, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크의 모듈성에 기여하게 한다. 또한, 필요에 따라, 일부 실시예들에서, 프로세스 열 교환기 (704) 로부터의 초임계 유체 (16) 는 초임계 유체 복귀 경로 (32) 로 직접적으로 복귀되는 대신, 필요에 따라, 냉각을 위한 임의의 다른 적합한 모듈로 제공 (결국 초임계 유체 복귀 경로 (32) 로 복귀) 될 수도 있다.
이제 도 1 및 도 6을 참조하면, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 다양한 실시예들은 하나 이상의 작동 모듈들 (800) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예들에서, 작동 모듈 (800) 은 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 초임계 발전 모듈의 실시예들로부터 공급된 초임계 유체 (16) 의 에너지를 기계적 작동 또는 전기적 작동으로 변환하는 적어도 하나의 열 기계 작동 디바이스 (802) 를 포함한다.
일부 실시예들 및 비제한적인 방식으로 주어진 예에서, 작동 모듈 (800) 에 회전 기계적 에너지의 형태의 기계적 작동을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 실시예들에서, 열 기계 작동 디바이스 (802) 는, 초임계 유체 (16) 를 팽창시키고 초임계 유체 (16) 의 엔탈피 강하를 회전 기계적 에너지로 변환하는 터빈과 같은 팽창기를 포함할 수도 있다. 예로서 비제한적인 방식으로 주어진, 적합한 터빈들은 터보-팽창기, 팽창 터빈, 원심 터빈, 축류 터빈, 및/또는 등을 포함할 수도 있다. 비제한적인 예로서 주어진, 이러한 경우들에서 열 기계 작동 디바이스 (802) 는 필요에 따라, 제한 없이, 광업, 건설, 화석연료 탐사, 화석연료 추출, 산업적 또는 상업적 애플리케이션, 등과 같은 애플리케이션들을 위한 임의의 적합한 기어링 (gearing) 및 적절한 샤프트를 사용하여 열 기계 작동 디바이스 (802) (이 경우에서, 터빈) 에 커플링된 드릴 비트 (drill bit) 를 회전구동할 수도 있다. 다른 비제한적인 예로서 주어진, 열 기계 작동 디바이스 (802) 는 필요에 따라, 산업적 또는 상업적 애플리케이션들을 위해 버퍼 등과 같은 엔드 이펙터를 회전 구동할 수도 있다. 열 기계 작동 디바이스 (802) 에 의해 제공된 회전 기계적 에너지가 상기에 논의된 바와 같이, 열 기계 작동 디바이스 (802) 에 부착된 임의의 적합한 기계적 작동 디바이스를 회전 구동하도록 사용되는지 여부와 무관하게, 일부 실시예들에서 열 기계 작동 디바이스 (802) 는 하나 이상의 적합한 발전기들을 회전 구동할 수 있어서 원하는 바와 같이 전기를 생산한다.
일부 다른 실시예들 및 비제한적인 방식으로 주어진 예에서, 작동 모듈 (800) 에 축방향 기계적 에너지의 형태로 기계 작동을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 실시예들에서, 열 기계 작동 디바이스 (802) 는 초임계 유체 (16) 를 팽창시키고 초임계 유체 (16) 의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하는, 왕복 엔진과 같은, 팽창기를 포함할 수도 있다. 비제한적인 예로서 주어진, 이러한 경우들에서 열 기계 작동 디바이스 (802) 는 필요에 따라, 제한 없이, 광업, 건설, 화석연료 탐사, 화석연료 추출, 산업적 또는 상업적 애플리케이션, 등과 같은 애플리케이션들을 위해, 적절하게 열 기계 작동 디바이스 (802) (이 경우에서, 왕복 엔진) 에 커플링된 해머 또는 파일 드라이버 비트 (pile driver bit) 를 축방향 구동할 수도 있다. 열 기계 작동 디바이스 (802) 에 의해 제공된 축방향 기계적 에너지가 상기에 논의된 바와 같이, 열 기계 작동 디바이스 (802) 에 부착된 임의의 적합한 기계적 작동 디바이스를 축방향 구동하도록 사용되는지 여부와 무관하게, 일부 실시예들에서 열 기계 작동 디바이스 (802) 는 하나 이상의 적합한 발전기들을 축방향 구동할 수 있어서 원하는 바와 같이 전기를 생산한다.
일부 실시예들에서, 작동 모듈 (800) 에 회전 기계적 에너지 및 축방향 기계적 에너지의 형태로 기계적 작동을 제공하는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 실시예들에서, 적어도 하나의 열 기계 작동 디바이스 (802) 는 상기에 논의된 바와 같이, 초임계 유체 (16) 를 팽창시키고 초임계 유체 (16) 의 엔탈피 강하를 회전 기계적 에너지로 변환하는 터빈과 같은 팽창기 및 초임계 유체 (16) 를 팽창시키고 초임계 유체 (16) 의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하는, 왕복 엔진과 같은, 팽창기를 포함할 수도 있다. 제한이 아닌 예로서 주어진, 이러한 예시적인 열 기계 작동 디바이스 (802) (또는 열 기계 작동 디바이스들 (802)) 은 해머/드릴 조합을 축방향 및 회전 구동하도록 사용될 수도 있다. 상기에 논의된 바와 같이, 열 기계 작동 디바이스 (802) 에 의해 제공된 축방향 및 회전 기계적 에너지가 열 기계 작동 디바이스 (802) 에 부착된 임의의 적합한 기계 작동 디바이스를 축방향 구동하기 위해 사용되는지 여부와 무관하게, 일부 실시예들에서 열 기계 작동 디바이스 (802) 는 하나 이상의 적합한 발전기를 축방향 구동할 수도 있고/있거나 하나 이상의 적합한 발전기를 회전 구동할 수도 있어서, 원하는 바와 같이 전기를 생산한다.
작동 모듈 (800) 이 임의의 적합한 기계 작동을 제공하는지 여부와 무관하게, 다양한 실시예들에서 하나 이상의 열 기계 작동 디바이스들 (802) 은 하나 이상의 열전 발전기들 (thermoelectric generators) 을 포함할 수도 있다. 이러한 경우들에서, 열전 발전기는 "제벡 효과 (Seebeck effect)" (또는 "열전 효과") 라고 하는 현상을 이용하여, 초임계 유체 (16) 로부터의 열을 바로 전기 에너지로 변환한다.
열 기계 작동 디바이스 (802) 로의 공급 라인 및 열 기계 작동 디바이스 (802) 로부터의 복귀 라인 각각은 격리 밸브 (804) 를 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 필요에 따라, 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 의 종단부에서와 같은, 작동 모듈 (800) 과 다른 모듈들 사이의 연결은 "고속 분리"-타입 피팅들을 사용하여 이루어질 수도 있어서, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크의 모듈성에 기여하게 한다. 또한, 필요에 따라, 일부 실시예들에서 열 기계 작동 디바이스 (802) 로부터의 초임계 유체 (16) 는 초임계 유체 복귀 경로 (32) 로 직접적으로 복귀되는 대신, 필요에 따라, 가열, 냉각, 또는 작동으로의 변환을 위한 임의의 다른 적합한 모듈로 제공 (결국 초임계 유체 복귀 경로 (32) 로 복귀) 될 수도 있다.
모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 다양한 실시예들에서, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 다양한 모듈들이 결합될 수 있다. 이를 위해, 이제 도 7을 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열 입력 모듈 (22), 및 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 방열 모듈 (600) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예들은 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, CHP (combined heating and power) 을 제공할 수 있다.
이제 도 8을 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열 입력 모듈 (22), 및 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 프로세스 모듈 (700) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예들은, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, CCP (combined cooling and power) 를 제공할 수 있다.
이제 도 9를 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열 입력 모듈 (22), 및 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 작동 모듈 (800) 을 포함할 수도 있다.
이제 도 10을 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열 입력 모듈 (22), 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 방열 모듈 (600), 및 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 작동 모듈 (800) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예들은, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, CHP를 제공할 수 있다.
이제 도 11을 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열 입력 모듈 (22), 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 프로세스 모듈 (700), 및 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 작동 모듈 (800) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예는, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, CCP를 제공할 수 있다.
이제 도 12를 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열 입력 모듈 (22), 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 방열 모듈 (600), 및 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 프로세스 모듈 (700) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예들은, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, CHCP (combined heating, cooling, 및 power) 를 제공할 수 있다.
이제 도 13을 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열 입력 모듈 (22), 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 방열 모듈 (600), 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 프로세스 모듈 (700), 및 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 작동 모듈 (800) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예는, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, CHCP를 제공할 수 있다.
이제 도 14 내지 도 16을 참조하면, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 의 실시예들이 분산형 발전 및/또는 분산형 전력 그리드 (grid) 인프라스트럭처 (본 명세서에서 집합적으로 "분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크"라고 함) 를 제공할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예시적인 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들은 적어도 하나의 열 입력 모듈 (22) 및 (그 내부에서 구현된 열역학 사이클과 무관하게) 2 이상의 초임계 발전 모듈들 (12) 을 포함하고, 이 전력 모듈 각각은 적어도 하나의 발전기 (27) (도 14 내지 도 16에는 미도시) 를 포함한다. 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 실시예들은 제한 없이, 그리드-스케일 전기 유틸리티들, 로컬 유틸리티들, 마이크로그리드, 컴퓨팅 설비 및 장비, 모터들, 광업, 군사 기지들, 원격 전력, 수송 장비, 배터리들, 플라이휠들 (flywheels) 을 포함하는 애플리케이션들을 위한 전력을 생성 및 분배할 수 있다.
초임계 유체는 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 다양한 실시예들에서 필요에 따라, 가열되고 분배될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 비제한적인 예로서 도 14에 도시된 바와 같이, 열 입력 모듈 (22) 각각은 유출 경로들 (20) 및 유입 경로들 (24) 을 통해 연관된 초임계 발전 모듈 (12) 과 직접적으로 유체 연통하도록 커플링될 수도 있다. 다른 비제한적인 실시예로서 도 15에 도시된 바와 같이, 하나의 열 입력 모듈 (22) 이 유출 경로들 (20) 및 유입 경로들 (24) 을 통해 2 이상의 초임계 발전 모듈 (12) 와 직접적으로 유체 연통하도록 커플링될 수도 있다. 다른 비제한적인 예로서 도 16에 도시된 바와 같이, 하나의 열 입력 모듈 (22) 은 유출 경로들 (20) 및 유입 경로들 (24) 을 통해 연관된 하나의 초임계 발전 모듈 (12) 과 직접적으로 유체 연통하도록 커플링될 수 있고, 차례로 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 다른 초임계 발전 모듈 (12) 과 유체 연통하도록 커플링될 수도 있다. 도 14 내지 도 16에는 도시되지 않지만, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 실시예들은 임의의 하나 이상의 방열 모듈들 (600), 프로세스 모듈 (700), 및/또는 작동 모듈 (800) 을 포함할 수도 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
예시적인 방법들
모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들 및 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 예시적인 실시예들이 논의되었기에, 이제 예시적인 방법들이 비제한적인 예로서 논의될 것이다. 방법들의 실시예들은 상기 논의된 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 및 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 실시예들과 연관되어 사용될 수 있다. 상기에 논의되고 언급된 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 및 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 상세는 참조로서 인용되고, 예시적인 방법들의 실시예들의 이해를 위해 반복될 필요는 없다.
구현예들을 도시하는 일련의 흐름도들이 이어진다. 용이한 이해를 위해, 흐름도들은 최초 흐름도들이 예시적인 구현예를 통한 구현예를 나타내고, 이어지는 흐름도은 하나 이상의 앞서 제공된 흐름도들에 기초하여 하위-컴포넌트 동작들 또는 부가적인 컴포넌트 동작들로서 최초의 흐름도(들)의 대안적인 구현예들 및/또는 확장들을 나타낸다. 당업자는 본 명세서에서 활용된 프리젠테이션 스타일 (예를 들어, 예시적인 구현예를 나타내는 흐름도(들)로 시작하고 이어서 후속 흐름도들에서 부가 및/또는 추가의 상세들을 제공하는) 이 일반적으로 다양한 프로세스 구현예들의 신속하고 용이한 이해를 가능하게 한다는 것을 이해할 것이다. 부가적으로, 당업자는 본 명세서에서 사용된 프리젠테이션 스타일이 또한 모듈식 및/또는 객체-지향 프로그램 설계 패러다임에 적합하다는 것이 또한 이해할 것이다.
이제 도 17a를 참조하면, 실시예들에서 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크를 동작시키기 위한 예시적인 방법 (1700) 이 제공된다. 방법 (1700) 은 블록 1702에서 시작된다. 블록 1704에서 초임계 유체는 제 1 모듈 내에서 제 1 압축기로 압축된다. 블록 1704A에서 압축된 초임계 유체는 제 1 모듈 내에서 제 1 복열기로 가열된다. 블록 1705에서 제 1 복열기에 의해 가열된 초임계 유체는 제 1 모듈 내에서 제 1 압축기와 직렬인 제 2 압축기를 사용하여 압축된다. 블록 1706에서 제 2 압축기로부터 압축된 초임계 유체는 적어도 제 1 모듈 내에서 가열된다. 블록 1708에서 가열된 압축된 초임계 유체는 제 1 모듈 내에서 팽창된다. 블록 1710에서 초임계 유체의 엔탈피 강하는 제 1 모듈 내에서 기계적 에너지로 변환된다. 블록 1712에서 팽창된 초임계 유체는 제 1 모듈 내에서 냉각된다. 방법 (1700) 은 블록 1714에서 정지한다.
부가적으로 도 17b를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1716에서 초임계 유체는 제 1 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 공급되고 블록 1718에서 초임계 유체는 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로부터 제 1 모듈로 복귀될 수 있다.
부가적으로 도 17c를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1706에서 적어도 제 1 모듈 내에서 압축된 초임계 유체를 가열하는 단계는 블록 1722에서 제 1 모듈 내에 배치된 제 2 복열기의 제 2 압축기로부터의 압축된 초임계 유체를 가열하는 단계 및 블록 1724에서 열 소스를 갖는 제 2 모듈 내에서 압축된 초임계 유체를 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
부가적으로 도 17d를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1726에서 폐열이 제 2 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 공급될 수도 있다.
부가적으로 도 17e를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1716에서 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 공급하는 단계는 블록 1728에서 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈 내의 적어도 하나의 열 교환기로 공급하는 단계를 포함할 수도 있다.
부가적으로 도 17f를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1716에서 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 공급하는 단계는 블록 1730에서 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈 내의 적어도 하나의 팽창 디바이스로 공급하는 단계 및 블록 1732에서 적어도 하나의 팽창 디바이스로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈 내의 적어도 하나의 열 교환기로 공급하는 단계를 포함할 수도 있다.
부가적으로 도 17g를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1716에서 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 공급하는 단계는 블록 1734에서 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈의 적어도 하나의 열 기계 작동 디바이스로 공급하는 단계를 포함할 수도 있다.
부가적으로 도 17h를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1736에서 제 1 모듈의 발전기는 기계적 에너지로 구동될 수도 있고 블록 1738에서 발전기를 사용하여 전력이 생성될 수도 있다.
이제 도 18을 참조하면, 실시예들에서 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크를 제조하는 예시적인 방법 (1800) 이 제공된다. 방법 (1800) 은 블록 1802에서 시작된다. 블록 1804에서 유입구 및 유출구를 갖고 초임계 유체의 압력을 상승시키도록 구성된 제 1 압축기가 제 1 모듈 내에 배치된다. 블록 1806에서 제 1 압축기 유출구와 유체 연통하고 압축된 초임계 유체로 열을 전달하도록 구성된 제 1 복열기가 제 1 모듈 내에 배치된다. 블록 1808에서 제 1 복열기와 유체적으로 연통하는 유입구, 유출구를 갖고 초임계 유체의 압력을 상승시키도록 구성된 제 2 압축기가 제 1 모듈 내에 배치된다. 블록 1810에서 제 2 압축기 유출구와 유체 연통하고 압축된 초임계 유체로 열을 전달하도록 구성된 제 2 복열기가 제 1 모듈 내에 배치된다. 블록 1812에서 제 2 복열기로부터의 가열된 압축된 초임계 유체를 열 소스로 제공하도록 구성된 유출 경로가 제공된다. 블록 1814에서 열 소스로부터의 가열된 압축된 초임계 유체를 제공하도록 구성된 유입 경로가 제공된다.
도 18a에 도시된 바와 같이, 블록 1816에서 유입 경로와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유입구를 갖는 팽창기가 제 1 모듈 내에 배치되고, 팽창기는 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하도록 구성되고, 팽창기는 팽창된 초임계 유체로부터 압축된 초임계 유체로 열을 전달하기 위해 제 2 복열기와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유출구를 갖는다. 블록 1818에서 제 1 복열기로부터의 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 냉각된 팽창된 초임계 유체를 제 1 압축기 유입구에 제공하도록 구성된 냉각기는 제 1 모듈 내에 배치된다. 방법 (1800) 은 블록 1820에서 정지된다.
이제 도 18b를 참조하면, 일부 실시예들에서는 블록 1822에서 초임계 발전 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 초임계 유체를 공급하도록 구성된 초임계 유체 공급 경로가 제공될 수도 있고, 블록 1824에서 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로부터 초임계 발전 모듈로 초임계 유체를 복귀시키도록 구성된 초임계 유체 복귀 경로가 제공될 수도 있다.
이제 도 18c를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1826에서 유출 경로 및 유입 경로와 유체적으로 연통하는 열 입력 모듈이 제공될 수도 있고, 열 소스를 포함하는 열 입력 모듈은 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된다.
이제 도 18d를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1828에서 열 입력 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 폐열을 공급하도록 구성된 폐열 공급 경로가 제공될 수도 있다.
이제 도 18e를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1830에서 초임계 유체 공급 경로 및 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 방열 모듈이 제공될 수도 있다.
이제 도 18f를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1832에서 초임계 유체 공급 경로 및 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 프로세스 모듈이 제공될 수도 있다.
이제 도 18g를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1834에서 초임계 유체 공급 경로 및 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 작동 모듈이 제공될 수도 있다.
이제 도 18h를 참조하면, 일부 실시예들에서 블록 1836에서 팽창기에 커플링된 발전기가 제 1 모듈 내에 배치될 수도 있다.
본 명세서와 동시에 출원된, 이하의 미국 출원들은 참조로서 본 명세서에 인용된다: 미국 특허 출원 번호 제 13/843,033 호, 명칭 "MODULAR POWER INFRASTRUCTURE NETWORK, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS" (대리인 관리 번호 87255.8001US1) 및 미국 특허 출원 번호 제 13/843,668 호, 명칭 "SYSTEMS AND METHODS FOR PART LOAD CONTROL OF ELECTRICAL POWER GENERATING SYSTEMS" (대리인 관리 번호 87255.8004US).
출원 데이터 시트 (ADS) 에서 열거되고/되거나 본 명세서에서 참조되는, 위의 미국 특허들, 미국 특허 출원 공개들, 미국 특허 출원들, 해외 특허들, 해외 특허 출원들 및 비특허 문헌들 모두는 본 명세서와 모순되지 않는 정도로 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
본 명세서에서 실질적으로 임의의 명사의 복수형 및/또는 단수형의 사용에 있어서, 본 기술 분야의 당업자는 문맥 및/또는 애플리케이션에 적합하게, 복수형을 단수형으로 변환하고/하거나 단순형을 복수형으로 변환할 수 있다. 다양한 단수형/복수형 치환들은 명료성을 위해서 본 명세서에서 명시적으로 제시되지 않는다.
본 명세서에서 기술된 논의 대상은 때로 상이한 다른 컴포넌트들 내에 포함되거나 그와 연결되는 상이한 컴포넌트들을 예시한다. 이러한 도시된 아키텍처들은 단지 예시적이며, 사실상 동일한 기능을 달성하는 수많은 다른 아키텍처들이 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 개념적 측면에서, 동일한 기능을 달성하기 위한 컴포넌트들의 임의의 적합한 구성이 목적된 기능이 달성되도록 효과적으로 "연관된다". 따라서, 아키텍처들 또는 중간 컴포넌트들과 상관없이, 특정 기능을 달성하도록 조합된 본 명세서에서의 임의의 2 개의 컴포넌트들은 목표된 기능이 달성되도록 서로 "연관되는" 것처럼 보일 수 있다. 마찬가지로, 이렇게 연관된 임의의 2 개의 컴포넌트들은 또한 목표된 기능을 달성하도록 서로 "동작가능하게 연결되거나" 또는 "동작가능하게 커플링"되는 것처럼 보일 수도 있으며, 이렇게 연관될 수 있는 임의의 2 개의 컴포넌트들은 목표된 기능을 달성하도록 서로 "동작가능하게 커플링가능하게 " 되는 것처럼 보일 수도 있다. 동작가능하게 커플링가능한 컴포넌트들의 특정 실례들은 다음으로 한정되지 않지만, 물리적으로 짝을 이룰 수 있거나 (physically mateable) 및/또는 물리적으로 상호작용하는 (physically interacting) 컴포넌트들, 및/또는 무선으로 상호작용가능한 (wirelessly interactable), 및/또는 무선으로 상호작용하는 (wirelessly interacting) 컴포넌트들, 및/또는 논리적으로 상호작용하는 (logically interacting), 및/또는 논리적으로 상호작용가능한 (logically interactable) 컴포넌트들을 포함한다.
일부 실례들에서, 하나 이상의 컴포넌트들은 본 명세서에서, "하도록 구성된", "에 의해서 구성가능한", "하도록 구성가능한", "하도록 동작하는/동작가능한", "적응된/적응가능한", "할 수 있는", "하도록 순응가능한/순응하는" 등으로서 말해질 수 있다. 본 기술 분야의 당업자는 문맥이 달리 요구하지 않는 이상, 이러한 용어들 (예를 들어서, "하도록 구성된") 은 일반적으로 활성-상태 컴포넌트들 및/또는 비활성-상태 컴포넌트들 및/또는 대기-상태 컴포넌트들을 포함할 수 있음을 인지한다.
본 명세서에서 기술된 본 논의 대상의 특정 양태들이 도시 및 기술되었지만, 본 명세서에서의 교시사항들에 기초하여서, 변경들 및 수정사항들이 본 명세서에서 기술된 논의 대상으로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있으며, 따라서 첨부된 청구항들은 본 명세서에서 기술된 논의 대상의 진정한 사상 및 범위 내에 있는 모든 이러한 변경들 및 수정사항들을 그들의 범위 내에서 포함시키고자 한다는 것이 본 기술 분야의 당업자에게는 자명할 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 용어들 및 특히 첨부된 청구항들 (예를 들어서, 첨부된 청구항들의 바디부) 에서 사용된 용어들은 일반적으로 "개방형" 용어들로서 해석되어야 한다는 것도 역시 본 기술 분야의 당업자에게 이해될 것이다 (예를 들어서, 용어 "포함하는"은 "포함하되 한정되지 않는"으로 해석되어야 하며, 용어 "갖는다"도 "적어도 갖는다"로 해석되어야 하며, 용어 "포함한다"는 "포함하되 한정되지 않는다" 로 해석되어야 한다). 특정 개수의 도입된 청구항의 한정요소들이 의도되는 경우에, 이러한 의도는 해당 청구항에서 명시적으로 인용될 것이며, 이러한 인용의 부재 시에는 그러한 의도는 존재하지 않는다는 것도 역시 본 기술 분야의 당업자에게 이해될 것이다. 예를 들어서, 이해를 돕기 위해서, 다음의 첨부된 청구항들은 청구항 한정요소들을 도입하는데 있어서 "적어도 하나" 및 "하나 이상"이라는 도입 구절들을 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 구절들을 사용한다고 해서, 해당 청구항에서 컴포넌트의 단수형을 사용하는 것이, 이러한 구성 요소의 단수형을 포함하는 청구항을, 동일한 청구항이 도입 구절들 "하나 이상의" 또는 "적어도 하나" 및 명사의 단수형을 포함하는 경우에도, 이러한 청구항이 오직 하나의 컴포넌트만을 포함하는 청구항으로 되게 해석하지는 말아야 하며 (예를 들어서, 명사의 단수형은 통상적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"이 존재하는 것으로 해석되어야 함); 이러한 바는 역시 청구항 컴포넌트들을 도입할 때에 사용되는 "상기"라는 용어가 사용되는 경우에도 적용된다. 또한, 특정 개수의 도입된 청구항 한정요소들이 명시적으로 인용되는 경우에, 본 기술 분야의 당업자는, 이러한 인용이 통상적으로 "적어도" 인용된 개수를 의미하는 것으로 해석되어야 한다 (예를 들어서, 다른 수식하는 단어가 없이 "2 개의 한정요소들"을 단지 인용하는 것은 통상적으로 적어도 2 개의 한정요소들 또는 2 개 이상의 한정요소들을 의미한다). 또한, "A, B, 및 C 중 적어도 하나"와 유사한 용례가 사용되는 이러한 실례들에서, 일반적으로 이러한 용례를 본 기술 분야의 당업자가 이해할 것이라는 견지에서 그러한 해석이 의도된다 (예를 들어서, "A, B, 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 다음으로 한정되지 않지만, A만을 갖는 시스템, B만을 갖는 시스템, C만을 갖는 시스템, A 및 B을 함께 갖는 시스템, A와 C를 함께 갖는 시스템, B와 C를 함께 갖는 시스템, 및/또는 A, B, 및 C를 함께 갖는 시스템을 포함한다). "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 유사한 용례가 사용되는 이러한 실례들에서, 일반적으로 이러한 용례를 본 기술 분야의 당업자가 이해할 것이라는 견지에서 그러한 해석이 의도된다 (예를 들어서, "A, B, 또는 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 다음으로 한정되지 않지만, A만을 갖는 시스템, B만을 갖는 시스템, C만을 갖는 시스템, A 및 B을 함께 갖는 시스템, A와 C를 함께 갖는 시스템, B와 C를 함께 갖는 시스템, 및/또는 A, B, 및 C를 함께 갖는 시스템을 포함한다). 통상적으로 명세서, 청구항, 또는 도면 중 어디에서 사용되는 것과 상관없이 2 개 이상의 대안적 (alternative) 용어들을 나타내는 이접적 (disjunctive) 어휘 및/또는 구절은, 문맥이 달리 지시하지 않는 이상, 이러한 용어들 중 하나, 이러한 용어들 중 어느 하나, 이러한 용어들 양자를 포함할 가능성이 있다는 것으로 이해되어야 한다는 것도 본 기술 분야의 당업자에게는 또한 이해될 것이다. 예를 들어서, 구절 "A 또는 B"는 통상적으로 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 청구항들에 있어서, 본 기술 분야의 당업자는 해당 청구항들에서의 인용된 동작들이 일반적으로 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 다양한 동작상의 흐름들이 시퀀스(들)로 제공될지라도, 다양한 동작들이 예시된 순서와 다른 순서로 수행될 수 있거나, 동시에 수행될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 선택적인 순서들의 실례들은 문맥이 달리 지시하지 않는 이상, 중첩하는 (overlapping), 인터리빙된 (interleaved), 인터럽트된 (interrupted), 재배열된 (reordered), 증분적 (incremental), 예비적 (preparatory), 보충적 (supplemental), 동시적 (simultaneous), 역 (reverse), 또는 다른 변형 순서들을 포함한다. 또한, "에 응답하여서" 또는 "와 관련된" 또는 다른 과거 시제 형용사들과 같은 용어들은 문맥이 달리 지시하지 않는 이상 일반적으로 그러한 변형들을 배제하는 것으로 해석되지 말아야 한다.
본 기술 분야의 당업자는 전술한 특정 예시적인 프로세스들 및/또는 디바이스들 및/또는 기술들은 본원에서 제출된 청구항들에서 및/또는 본원의 다른 곳에서와 같이, 본 명세서의 어느 개소에서 교시된 보다 일반적인 프로세스들 및/또는 디바이스들 및/또는 기술들을 표현한다는 것을 이해할 것이다.
다양한 양태들 및 실시예들이 본 명세서에서 기술되었지만, 다른 양태들 및 실시예들이 본 기술 분야의 당업자에게 자명할 것이다. 본 명세서에서 개시된 다양한 양태들 및 실시예들은 오직 예시적인 목적을 위한 것이며 한정적으로 해석되지 말아야 하며, 그 진정한 범위 및 사상은 다음의 청구항들에 의해서 표시된다.
이하의 예들은 현재 개시된 기술의 부가적인 실시예들을 포함한다.
예
A. 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템으로서,
초임계 발전 모듈 (supercritical power module) 로서,
초임계 유체 (supercritical fluid) 를 압축하도록 구성된 제 1 압축기 (compressor);
상기 제 1 압축기로부터 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 1 복열기 (recuperator);
상기 제 1 복열기로부터 수용된 가열된 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 2 압축기;
상기 제 2 압축기로부터 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 2 복열기;
상기 제 2 복열기로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 열 소스에 제공하도록 구성된 유출 경로 (outlet path);
상기 열 소스로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 제공하도록 구성된 유입 경로 (inlet path);
상기 열 소스로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링되고 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된 팽창기 (expander); 및
상기 제 1 복열기로부터 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 상기 냉각된 초임계 유체를 상기 제 1 압축기에 제공하도록 구성된 냉각기를 포함하는, 상기 초임계 발전 모듈을 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
B. 상기 초임계 발전 모듈로부터의 초임계 유체를 공급하도록 구성된 초임계 유체 공급 경로; 및
상기 초임계 발전 모듈로 초임계 유체를 복귀시키도록 (return) 구성된 초임계 유체 복귀 경로를 더 포함하는, 예 A의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
C. 상기 유출 경로 및 상기 유입 경로와 유체적으로 연통하는 열 입력 모듈을 더 포함하고,
상기 열 입력 모듈은 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 열 소스를 포함하는, 예 A의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
D. 상기 열 입력 모듈은 상기 열 입력 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 폐열 (waste heat) 을 공급하도록 구성된 폐열 공급 경로를 더 포함하는, 예 C의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
E. 상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 방열 모듈 (heat rejection module) 을 더 포함하는, 예 B의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
F. 상기 방열 모듈은 열 교환기를 포함하는, 예 E의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
G. 상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 프로세스 모듈을 더 포함하는, 예 B의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
H. 상기 프로세스 모듈은 팽창 디바이스 및 열 교환기를 포함하는, 예 G의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
I. 상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 작동 모듈을 더 포함하는, 예 B의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
J. 상기 작동 모듈은 적어도 하나의 열 기계 작동 디바이스 (thermo mechanical work device) 를 포함하는, 예 I의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
K. 상기 초임계 발전 모듈은 상기 팽창기에 커플링된 발전기 (electrical power generator) 를 더 포함하는, 예 A의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
L. 상기 팽창기는 왕복 엔진 (reciprocating engine), 축류 터빈 (axial flow turbine), 및 반경류 터빈 (radial flow turbine) 으로부터 선택된 디바이스를 포함하는, 예 A의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
M. 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템으로서,
초임계 발전 모듈로서,
유입구 및 유출구를 가지며 초임계 유체의 압력을 상승시키도록 구성되는 제 1 압축기;
상기 제 1 압축기 유출구와 유체 연통하고 압축된 초임계 유체로 열을 전달하도록 구성되는 제 1 복열기;
상기 제 1 복열기와 유체적으로 연통하는 유입구를 가지고 그리고 유출구를 가지며 상기 초임계 유체의 상기 압력을 상승시키도록 구성되는 제 2 압축기;
상기 제 2 압축기 유출구와 유체 연통하고 상기 압축된 초임계 유체로 열을 전달하도록 구성되는 제 2 복열기;
상기 제 2 복열기로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 열 소스에 제공하도록 구성된 유출 경로;
상기 열 소스로부터 상기 가열된 압축된 초임계 유체를 제공하도록 구성된 유입 경로;
상기 유입 경로와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유입구를 갖는, 팽창기로서, 상기 팽창기는 상기 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하도록 구성되고, 상기 팽창기는 팽창된 초임계 유체로부터의 열을 압축된 초임계 유체로 전달하기 위해 상기 제 2 복열기와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유출구를 갖는, 상기 팽창기; 및
상기 제 1 복열기로부터의 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 냉각된 팽창된 초임계 유체를 상기 제 1 압축기에 제공하도록 구성되는 냉각기를 포함하는, 상기 초임계 발전 모듈을 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
N. 상기 초임계 발전 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 공급하도록 구성된 초임계 유체 공급 경로; 및
상기 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로부터 상기 초임계 발전 모듈로 초임계 유체를 복귀시키도록 구성된 초임계 유체 복귀 경로를 더 포함하는, 예 M의모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
O. 상기 유출 경로 및 상기 유입 경로와 유체적으로 연통하는 열 입력 모듈을 더 포함하고,
상기 열 입력 모듈은 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 열 소스를 포함하는, 예 M의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
P. 상기 열 입력 모듈은 상기 열 입력 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 폐열을 공급하도록 구성된 폐열 공급 경로를 더 포함하는, 예 O의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
Q. 상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 방열 모듈을 더 포함하는, 예 N의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
R. 상기 방열 모듈은 열 교환기를 포함하는, 예 Q의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
S. 상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 프로세스 모듈을 더 포함하는, 예 N의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
T. 상기 프로세스 모듈은 팽창 디바이스 및 열 교환기를 포함하는, 예 S의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
U. 상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 작동 모듈을 더 포함하는, 예 N의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
V. 상기 작동 모듈은 적어도 하나의 열 기계 작동 디바이스를 포함하는, 예 U의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
W. 상기 초임계 발전 모듈은 상기 팽창기에 커플링된 발전기를 더 포함하는, 예 N의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
X. 상기 팽창기는 왕복 엔진, 축류 터빈, 및 반경류 터빈으로부터 선택된 디바이스를 포함하는, 예 N의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
Y. 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템으로서,
열 입력 모듈;
상기 열 입력 모듈과 유체적으로 연통하는 초임계 발전 모듈로서,
초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 1 압축기;
상기 제 1 압축기로부터 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 1 복열기;
상기 제 1 복열기로부터 수용된 가열된 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 2 압축기;
상기 제 2 압축기로부터 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 2 복열기로서, 상기 열 입력 모듈은 상기 제 2 복열기로부터 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링되는, 상기 제 2 복열기;
상기 열 입력 모듈로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링되고 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된 팽창기; 및
상기 제 1 복열기로부터 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 상기 냉각된 초임계 유체를 상기 제 1 압축기에 제공하도록 구성된 냉각기를 포함하는, 상기 초임계 발전 모듈을 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
Z. 상기 초임계 발전 모듈은,
상기 초임계 발전 모듈로부터의 초임계 유체를 공급하도록 구성된 초임계 유체 공급 경로; 및
상기 초임계 발전 모듈로 초임계 유체를 복귀시키도록 구성된 초임계 유체 복귀 경로를 더 포함하는, 예 Y의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AA. 상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 적어도 하나의 선택된 다른 모듈을 더 포함하는, 예 Z의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AB. 상기 열 입력 모듈은 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 열 소스를 포함하는, 예 Y의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AC. 상기 열 입력 모듈은 상기 열 입력 모듈로부터 상기 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 폐열을 공급하도록 구성된 폐열 공급 경로를 더 포함하는, 예 AA의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AD. 상기 적어도 하나의 선택된 다른 모듈은 방열 모듈을 포함하는, 예 AA의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AE. 상기 방열 모듈은 열 교환기를 포함하는, 예 AD의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AF. 상기 적어도 하나의 선택된 다른 모듈은 프로세스 모듈을 포함하는, 예 AA의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AG. 상기 프로세스 모듈은 팽창 디바이스 및 열 교환기를 포함하는, 예 AF의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AH. 상기 적어도 하나의 선택된 다른 모듈은 기계적 작동 모듈을 포함하는, 예 AA의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AI. 상기 작동 모듈은 적어도 하나의 열 기계 작동 디바이스를 포함하는, 예 AH의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AJ. 상기 초임계 발전 모듈은 상기 팽창기에 커플링된 발전기를 포함하는, 예 AA의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AK. 상기 팽창기는 왕복 엔진, 축류 터빈, 및 반경류 터빈으로부터 선택된 디바이스를 포함하는, 예 AA의 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
AL. 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크로서,
적어도 하나의 열 입력 모듈; 및
상기 적어도 하나의 열 입력 모듈과 유체적으로 연통하는 복수의 초임계 발전 모듈을 포함하고, 상기 복수의 초임계 발전 모듈들 각각은:
초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 1 압축기;
상기 제 1 압축기로부터 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 1 복열기;
상기 제 1 복열기로부터 수용된 가열된 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 2 압축기;
상기 제 2 압축기로부터 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 2 복열기로서, 상기 열 입력 모듈은 상기 제 2 복열기로부터 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링되는, 상기 제 2 복열기;
상기 열 입력 모듈로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링되고 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된 팽창기;
상기 팽창기에 커플링된 발전기; 및
상기 제 1 복열기로부터 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 상기 냉각된 초임계 유체를 상기 제 1 압축기에 제공하도록 구성된 냉각기를 포함하는, 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크.
AM. 상기 복수의 초임계 발전 모듈들 중 적어도 하나는,
상기 초임계 발전 모듈로부터의 초임계 유체를 공급하도록 구성된 초임계 유체 공급 경로; 및
상기 초임계 발전 모듈로 초임계 유체를 복귀시키도록 구성된 초임계 유체 복귀 경로를 더 포함하는, 예 AL의 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크.
AN. 상기 열 입력 모듈은 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 열 소스를 포함하는, 예 AL의 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크.
AO. 상기 열 입력 모듈은 상기 열 입력 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 폐열을 공급하도록 구성된 폐열 공급 경로를 더 포함하는, 예 AM의 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크.
AP. 상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 방열 모듈을 더 포함하는, 예 AM의 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크.
AQ. 상기 방열 모듈은 열 교환기를 포함하는, 예 AP의 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크.
AR. 상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 프로세스 모듈을 더 포함하는, 예 AM의 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크.
AS. 상기 프로세스 모듈은 팽창 디바이스 및 열 교환기를 포함하는, 예 AR의 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크.
AT. 상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 작동 모듈을 더 포함하는, 예 AM의 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크.
AU. 상기 작동 모듈은 적어도 하나의 열 기계 작동 디바이스를 포함하는, 예 AT의 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크.
AV. 상기 팽창기는 왕복 엔진, 축류 터빈, 및 반경류 터빈으로부터 선택된 디바이스를 포함하는, 예 AM의 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크.
AW. 제 1 모듈 내에서 제 1 압축기를 사용하여 초임계 유체를 압축하는 단계;
제 1 모듈 내의 제 1 복열기 내에서 압축된 초임계 유체를 가열하는 단계;
제 1 모듈 내에서 제 1 압축기와 직렬인 제 2 압축기를 사용하여 제 1 복열기에 의해 가열된 초임계 유체를 압축하는 단계;
적어도 제 1 모듈 내에서 제 2 압축기로부터의 압축된 초임계 유체를 가열하는 단계;
제 1 모듈 내에서 가열된 압축된 초임계 유체를 팽창시키는 단계;
제 1 모듈 내에서 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하는 단계; 및
제 1 모듈 내에서 팽창된 초임계 유체를 냉각하는 단계를 포함하는 방법.
AX. 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 공급하는 단계; 및
적어도 하나의 선택된 다른 모듈로부터 제 1 모듈로 초임계 유체를 복귀하는 단계를 더 포함하는, 예 AW의 방법.
AY. 적어도 제 1 모듈 내의 제 2 압축기로부터의 압축된 초임계 유체를 가열하는 단계는,
제 1 모듈 내에 배치된 제 2 복열기 내의 제 2 압축기로부터의 압축된 초임계 유체를 가열하는 단계; 및
열 소스를 갖는 제 2 모듈 내에서 압축된 초임계 유체를 가열하는 단계를 포함하는, 예 AW의 방법.
AZ. 제 2 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 폐열을 공급하는 단계를 더 포함하는, 예 AY의 방법.
BA. 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 공급하는 단계는 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈 내의 적어도 하나의 열 교환기로 공급하는 단계를 포함하는, 예 AX의 방법.
BB. 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 공급하는 단계는,
제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈 내의 적어도 하나의 팽창 디바이스로 공급하는 단계; 및
적어도 하나의 팽창 디바이스로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈 내의 적어도 하나의 열 교환기로 공급하는 단계를 포함하는, 예 BA의 방법.
BC. 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 공급하는 단계는 제 1 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈 내의 적어도 하나의 열 기계 작동 디바이스로 공급하는 단계를 포함하는, 예 AX의 방법.
BD. 기계적 에너지를 사용하여 제 1 모듈 내의 발전기를 구동하는 단계;
발전기를 사용하여 전력을 생성하는 단계를 더 포함하는, 예 AW의 방법.
BE. 유입구 및 유출구를 갖고 초임계 유체의 압력을 상승시키도록 구성된 제 1 압축기를 제 1 모듈 내에 배치하는 단계;
제 1 압축기 유출구와 유체 연통하고 압축된 초임계 유체로 열을 전달하도록 구성된 제 1 복열기를 제 1 모듈 내에 배치하는 단계;
제 1 복열기와 유체적으로 연통하는 유입구, 및 유출구를 갖고, 초임계 유체의 압력을 상승시키도록 구성된 제 2 압축기를 제 1 모듈 내에 배치하는 단계;
제 2 압축기 유출구와 유체 연통하고 압축된 초임계 유체로 열을 전달하도록 구성된 제 2 복열기를 제 1 모듈 내에 배치하는 단계;
제 2 복열기로부터 열 소스로 가열된 압축된 초임계 유체를 제공하도록 구성된 유출 경로를 제공하는 단계;
열 소스로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 제공하도록 구성된 유입 경로를 제공하는 단계;
유입 경로와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유입구를 갖는 팽창기를 제 1 모듈 내에 배치하는 단계로서, 팽창기는 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하도록 구성되고, 팽창기는 팽창된 초임계 유체로부터 압축된 초임계 유체로 열을 전달하기 위해 제 2 복열기와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유출구를 갖는, 상기 팽창기를 배치하는 단계; 및
제 1 복열기로부터의 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 냉각된 팽창된 초임계 유체를 제 1 압축기 유입구에 제공하도록 구성된 냉각기를 제 1 모듈 내에 배치하는 단계를 포함하는, 방법.
BF. 초임계 발전 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 초임계 유체를 공급하도록 구성된 초임계 유체 공급 경로를 제공하는 단계; 및
적어도 하나의 선택된 다른 모듈로부터 초임계 발전 모듈로 초임계 유체를 복귀시키도록 구성된 초임계 유체 복귀 경로를 제공하는 단계를 더 포함하는, 예 BE의 방법.
BG. 유출 경로 및 유입 경로와 유체적으로 연통하는 열 입력 모듈을 제공하는 단계를 더 포함하고, 열 입력 모듈은 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 열 소스를 포함하는, 예 BE의 방법.
BH. 열 입력 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 폐열을 공급하도록 구성된 폐열 공급 경로를 제공하는 단계를 더 포함하는, 예 BG의 방법.
BI. 초임계 유체 공급 경로 및 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 방열 모듈을 제공하는 단계를 더 포함하는, 예 BF의 방법.
BJ. 초임계 유체 공급 경로 및 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 프로세스 모듈을 제공하는 단계를 더 포함하는, 예 BF의 방법.
BK. 초임계 유체 공급 경로 및 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 작동 모듈을 제공하는 단계를 더 포함하는, 예 BF의 방법.
BL. 팽창기에 커플링된 발전기를 제 1 모듈 내에 배치하는 단계를 더 포함하는, 예 BE의 방법.

Claims (37)

  1. 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템으로서,
    초임계 발전 모듈 (supercritical power module) 을 포함하고,
    상기 초임계 발전 모듈은,
    초임계 유체 (supercritical fluid) 를 압축하도록 구성된 제 1 압축기 (compressor);
    상기 제 1 압축기로부터 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 1 복열기 (recuperator);
    상기 제 1 복열기로부터 수용된 가열된 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 2 압축기;
    상기 제 2 압축기로부터 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 2 복열기;
    상기 제 2 복열기로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 열 소스에 제공하도록 구성된 유출 경로 (outlet path);
    상기 열 소스로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 제공하도록 구성된 유입 경로 (inlet path);
    상기 열 소스로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링되고 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된 팽창기 (expander); 및
    상기 제 1 복열기로부터 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 상기 냉각된 초임계 유체를 상기 제 1 압축기에 제공하도록 구성된 냉각기를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초임계 발전 모듈로부터의 초임계 유체를 공급하도록 구성된 초임계 유체 공급 경로; 및
    상기 초임계 발전 모듈로 초임계 유체를 복귀시키도록 (return) 구성된 초임계 유체 복귀 경로를 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유출 경로 및 상기 유입 경로와 유체적으로 연통하는 열 입력 모듈을 더 포함하고,
    상기 열 입력 모듈은 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 열 소스를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열 입력 모듈은 상기 열 입력 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 폐열 (waste heat) 을 공급하도록 구성된 폐열 공급 경로를 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 방열 모듈 (heat rejection module) 을 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 방열 모듈은 열 교환기를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 프로세스 모듈을 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로세스 모듈은 팽창 디바이스 및 열 교환기를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 작동 모듈을 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 작동 모듈은 적어도 하나의 열 기계 작동 디바이스 (thermo mechanical work device) 를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 초임계 발전 모듈은 상기 팽창기에 커플링된 발전기 (electrical power generator) 를 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 팽창기는 왕복 엔진 (reciprocating engine), 축류 터빈 (axial flow turbine), 및 반경류 터빈 (radial flow turbine) 으로부터 선택된 디바이스를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  13. 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템으로서,
    초임계 발전 모듈을 포함하고,
    상기 초임계 발전 모듈은,
    유입구 및 유출구를 가지며 초임계 유체의 압력을 상승시키도록 구성되는 제 1 압축기;
    상기 제 1 압축기 유출구와 유체 연통하고 압축된 초임계 유체로 열을 전달하도록 구성되는 제 1 복열기;
    상기 제 1 복열기와 유체적으로 연통하는 유입구를 가지고 그리고 유출구를 가지며 상기 초임계 유체의 상기 압력을 상승시키도록 구성되는 제 2 압축기;
    상기 제 2 압축기 유출구와 유체 연통하고 상기 압축된 초임계 유체로 열을 전달하도록 구성되는 제 2 복열기;
    상기 제 2 복열기로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 열 소스에 제공하도록 구성된 유출 경로;
    상기 열 소스로부터 상기 가열된 압축된 초임계 유체를 제공하도록 구성된 유입 경로;
    상기 유입 경로와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유입구를 갖는, 팽창기로서, 상기 팽창기는 상기 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하도록 구성되고, 상기 팽창기는 팽창된 초임계 유체로부터의 열을 압축된 초임계 유체로 전달하기 위해 상기 제 2 복열기와 유체 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유출구를 갖는, 상기 팽창기; 및
    상기 제 1 복열기로부터의 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 냉각된 팽창된 초임계 유체를 상기 제 1 압축기 유입구에 제공하도록 구성되는 냉각기를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 초임계 발전 모듈로부터의 초임계 유체를 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 공급하도록 구성된 초임계 유체 공급 경로; 및
    상기 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로부터 상기 초임계 발전 모듈로 초임계 유체를 복귀시키도록 구성된 초임계 유체 복귀 경로를 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 유출 경로 및 상기 유입 경로와 유체적으로 연통하는 열 입력 모듈을 더 포함하고,
    상기 열 입력 모듈은 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 열 소스를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 열 입력 모듈은 상기 열 입력 모듈로부터 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 폐열을 공급하도록 구성된 폐열 공급 경로를 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 방열 모듈을 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 방열 모듈은 열 교환기를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 프로세스 모듈을 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 프로세스 모듈은 팽창 디바이스 및 열 교환기를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 작동 모듈을 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 작동 모듈은 적어도 하나의 열 기계 작동 디바이스를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 초임계 발전 모듈은 상기 팽창기에 커플링된 발전기를 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  24. 제 14 항에 있어서,
    상기 팽창기는 왕복 엔진, 축류 터빈, 및 반경류 터빈으로부터 선택된 디바이스를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  25. 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템으로서,
    열 입력 모듈;
    상기 열 입력 모듈과 유체적으로 연통하는 초임계 발전 모듈을 포함하고,
    상기 초임계 발전 모듈은,
    초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 1 압축기;
    상기 제 1 압축기로부터 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 1 복열기;
    상기 제 1 복열기로부터 수용된 가열된 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 2 압축기;
    상기 제 2 압축기로부터 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 2 복열기로서, 상기 열 입력 모듈이 상기 제 2 복열기로부터 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링되는, 상기 제 2 복열기;
    상기 열 입력 모듈로부터 가열된 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링되고 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된 팽창기; 및
    상기 제 1 복열기로부터 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 상기 냉각된 초임계 유체를 상기 제 1 압축기에 제공하도록 구성된 냉각기를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 초임계 발전 모듈은,
    상기 초임계 발전 모듈로부터의 초임계 유체를 공급하도록 구성된 초임계 유체 공급 경로; 및
    상기 초임계 발전 모듈로 초임계 유체를 복귀시키도록 구성된 초임계 유체 복귀 경로를 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 초임계 유체 공급 경로 및 상기 초임계 유체 복귀 경로와 유체적으로 연통하는 적어도 하나의 선택된 다른 모듈을 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 열 입력 모듈은 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 열 소스를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 열 입력 모듈은 상기 열 입력 모듈로부터 상기 적어도 하나의 선택된 다른 모듈로 폐열을 공급하도록 구성된 폐열 공급 경로를 더 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 선택된 다른 모듈은 방열 모듈을 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 방열 모듈은 열 교환기를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  32. 제 27 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 선택된 다른 모듈은 프로세스 모듈을 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 프로세스 모듈은 팽창 디바이스 및 열 교환기를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  34. 제 27 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 선택된 다른 모듈은 기계적 작동 모듈을 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 작동 모듈은 적어도 하나의 열 기계 작동 디바이스를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  36. 제 27 항에 있어서,
    상기 초임계 발전 모듈은 상기 팽창기에 커플링된 발전기를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
  37. 제 27 항에 있어서,
    상기 팽창기는 왕복 엔진, 축류 터빈, 및 반경류 터빈으로부터 선택된 디바이스를 포함하는, 모듈식 발전 인프라스트럭처 시스템.
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