KR20150084804A - 발전 시스템들의 부분 부하 제어를 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

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generator
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찰 에스. 데이비슨
스티븐 에이. 라이트
조슈아 씨. 월터
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슈퍼크리티컬 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

개시된 예시된 실시예들은 발전 시스템들의 부분 부하 제어를 위한 시스템들 및 발전 시스템들의 부분 부하 제어를 위한 시스템을 동작하는 방법들을 포함한다.

Description

발전 시스템들의 부분 부하 제어를 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR PART LOAD CONTROL OF ELECTRICAL POWER GENERATING SYSTEMS}
본원은 작동 유체들 및 열역학 사이클들에서의 이들의 사용과 관련된다.
개시된 예시적인 실시예들은 발전 시스템들의 부분 부하 제어를 위한 시스템들 및 발전 시스템들의 부분 부하 제어를 위한 시스템을 동작시키는 방법들을 포함한다.
위의 개요는 오직 예시적이며 어떠한 방식으로든 한정적으로 해석되어서는 안된다. 상술한 예시적인 양태들, 실시예들 및 특징들에 추가하여서, 다른 양태들, 실시예들, 및 특징들이 다음의 상세한 설명 및 도면들을 참조하면 명백해질 것이다.
도 1은 발전 시스템의 예시적인 실시예의 개략적 예시이다.
도 2는 열적 입력 모듈의 예시적인 실시예의 개략적 예시이다.
도 3은 도 1의 발전 시스템에 의해서 구현되는 열역학 사이클 동안의 엔트로피 대 온도의 그래프이다.
도 4는 루프 압력에 대한 전력 및 효율의 관계의 그래프이다.
도 5는 (초임계 유체의) 인벤토리 (inventory) 질량과 압축기 유입구 압력 간의 관계의 그래프이다.
도 6은 저압 레그 (leg), 저장부 (탱크) 및 고압 레그 내의 압력과 압축기 유입구 압력 간의 관계의 그래프이다.
도 7은 발전 시스템의 모든 컴포넌트들의 유입구 온도 및 유출구 온도의, 압축기 유입구에서의 인벤토리 루프 압력의 함수로서의 그래플이다.
도 8은 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략적 예시이다.
도 9는 도 8의 발전 시스템에 의해서 구현되는 열역학 사이클 동안의 엔트로피 대 온도의 그래프이다.
도 10은 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략적 예시이다.
도 11은 도 8의 발전 시스템에 의해서 구현되는 열역학 사이클 동안의 엔트로피 대 온도의 그래프이다.
도 12는 방열 모듈 (heat rejection module) 의 예시적인 실시예의 개략적 예시이다.
도 13은 프로세스 모듈의 예시적인 실시예의 개략적 예시이다.
도 14는 작동 모듈 (work module) 의 예시적인 실시예의 개략적 예시이다.
도 15 내지 도 21은 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 예시적인 실시예들의 개략적 예시들이다.
도 22 내지 도 24는 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 예시적인 실시예들의 개략적 예시들이다.
도 25a는 발전기의 부분적 부하를 제어하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 25b 내지 도 25f는 도 25a의 흐름도의 방법의 상세사항들을 예시한다.
관련 출원에 대한 교차 참조
본원은 2013년 3월 15일에 출원된 미국 정규 출원 번호 13/843,668 "SYSTEMS AND METHODS FOR PART LOAD CONTROL OF ELECTRICAL POWER GENERATING SYSTEMS" 및 2012년 9월 26일에 출원된 미국 가 출원 61/744,439 "MODULAR POWER INFRASTRUCTURE" 에 대한 우선권을 주장하며, 이들은 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 이러한 출원들 및/또는 본 명세서에서 참조로서 인용되는 다른 참조 문헌들이 본 개시와 모순되는 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 감안될 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
개략적으로 주어진 바와 같이, 개시된 예시적인 실시예들은 발전 시스템들의 부분 부하 제어를 위한 시스템들 및 발전 시스템들의 부분 부하 제어를 위한 시스템을 동작시키는 방법들을 포함한다.
이제 도 1를 간략하게 참조하면, 비한정적 실례에 의해서 주어진 예시적인 실시예에서, 예시적인 부분 부하 제어 시스템 (100) 은 발전 시스템 (9) 내의 발전기 (27) 의 부분적 부하를 제어하기 위해서 제공되며, 이 발전 시스템은 초임계 유체 (16) 를 사용하여서 열역학 사이클을 실행하도록 동작하며 적어도, 유입구 (34) 및 유출구 (36) 를 가지며 초임계 유체 (16) 를 압축하도록 구성된 제 1 압축기 (14), 및 압축된 초임계 유체 (16) 를 수용하도록 커플링된 유입구 (49) 를 가지며 유출구 (50) 를 가지며 초임계 유체 (16) 의 엔탈피 강하 (drop) 를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된 팽창기 (26), 및 상기 팽창기 (26) 에 커플링된 발전기를 포함한다. 비한정적 실시예들에서, 이 부분 부하 제어 시스템 (100) 은 발전기 (27) 에 요청된 전력 출력의 레벨에 응답하여서 압축기 유입구 (34) 압력을 제어하도록 구성된 제어기 시스템 (102); 및 초임계 유체 (16) 를 갖는 저장부 (reservoir) (104) 를 포함하며, 이 저장부 (104) 는 제어기 시스템 (102) 에 응답하고, 압축기 유출구 (36) 와 팽창기 유입구 (49) 간에서 그리고 팽창기 유출구 (50) 와 압축기 유입구 (34) 간에서 유체적으로 연통하게 동작적으로 커플링가능하다 (operatively coupleable). 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "초임계" 유체는 일 사이클의 하나 이상의 동작 부분들 동안에 초임계 상태로 존재하는 유체를 말한다.
개략적으로 계속하면, 본 명세서에서 개시된 부분 부하 제어 시스템들의 실시예들은 발전기에 요청된 전력 출력 레벨에 응답하여서, 초음계 유체를 사용하여서 열역학 사이클을 실행하도록 동작하는 발전 시스템 내에서 압축기의 유입구 압력을 제어함으로써 생성된 전력의 부분 부하 제어 (즉, 부분적으로-부하를 갖고 있는 (partially-loaded) 발전기의 제어) 를 제공한다. 발전 사이클이 폐쇄되기 때문에 (예를 들어서 비한정적으로 폐쇄형 루프 Brayton 사이클), 이 페쇄형 루프 내에서의 초임계 유체의 평균 밀도는 유리하게는 압축기 유입구 압력을 변화시킴으로써 위 또는 아래로 조절될 수 있다. 따라서, 압축기 및 터빈 샤프트-속력이 실질적으로 일정하게 유지될지라도, 폐쇄형 루프를 통한 초임계 유체의 질량 유량 레이트는 압축기 유입구 압력을 변화시킴으로써 제어될 수 있으며, 이로써 생성된 전력에 영향을 준다. 이로써 그리고 이하에서 기술될 바와 같이, 본 명세서에서 개시된 부분 부하 제어 시스템들의 실시예들은 터보머신의 샤프트 속력 변화 없이 생성된 전력을 조절하는 것을 돕고, 및/또는 시스템 효율에 대한 영향을 완화시키면서 전력 변화가 발생하는 것을 도울 수 있으며 및/또는 부분 부하 전력과 상관없이 컴포넌트 온도 변화를 완화시키는 것을 도울 수 있다.
부분 부하 제어 시스템들의 다양한 실시예들은 대부분의 타입들의 폐쇄형-루프 Brayton 사이클들을 포함하는 적합한 열역학 사이클을 실행하도록 동작하는 임의의 적합한 발전 시스템 (다음의 특징들 중 임의의 하나 이상을 갖는 발전 시스템들을 포함함: 재가열, 중간-냉각 (inter-cooling), 간단한 복열 (simple recuperation), 재압축 및/또는 압축기 복열). 이를 위해서, 본 명세서에서 개시된 발전 시스템들의 실례들 (간단한 복열, 재압축, 및 압축기 복열를 사용함) 이 비한정적으로 예시하기 위해서 비한정적 실례에 의해서 제시된다. 본 명세서에서 개시된 발전 시스템들의 실례들에 대해서는 한정되지 않으며 어떠한 이러한 한정도 추론되어서는 안 된다.
공지된 바와 같이, Brayton 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 차단을 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.
이를 위해서, 발전 시스템들의 부분 부하 제어를 위한 시스템들의 예시적인 실시예들이 이하에서 비한정적 실례에 의해서 논의될 것이다. 간단한 복열, 재압축, 및 압축기 복열를 사용하는 예시적인 발전 시스템들 (부분 부하 제어 시스템들을 가짐) 의 비한정적 실례들이 설명될 것이다. 또한, 예시적인 발전 시스템들 (부분 부하 제어 시스템들을 가짐) 의 다양한 실시예들을 포함하는 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들이 이하에서 비한정적 실례에 의해서 논의될 것이다.
간단한 복열된 Brayton 사이클에서의 부분 부하 제어
다시 도 1를 참조하면, 일 실시예에서, 예시적인 부분 부하 제어 시스템 (100) 이 초임계 유체 (16) 를 사용하여서 열역학 사이클을 실행하도록 동작하는 예시적인 발전 시스템 (9) 을 제어한다. 다양한 실시예들에서, 발전 시스템 (9) 은 초임계 발전 모듈 (12) 및 열 소스, 예를 들어서 열적 입력 모듈 (22) 을 포함하며, 간단한 복열를 포함하는 폐쇄형-루프 Brayton 열역학 사이클에 따라서 동작한다. 발전 시스템 (9) 의 예시적인 실시예가 먼저, 비한정적 실례에 의해서 설명되고, 이어서 부분 부하 제어 시스템 (100) 의 예시적인 실시예가 비한정적 실례에 의해서 설명될 것이다.
먼저 발전 시스템 (9) 의 실시예로서 오직 예시적이면서 비한정적으로 제공된 실시예를 참조하면, 일부 실시예들에서, 초임계 발전 모듈 (12) 및 열적 입력 모듈 (22) 은 개별 모듈들로서 제공될 수 있다; 즉, 초임계 발전 모듈 (12) 및 열적 입력 모듈 (22) 각각은 그 자신의 하우징, 인클로저 등 내에 제공될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 초임계 유체 (16) 는 초임계 발전 모듈 (12) 을 나가며 열적 입력 모듈 (22) 로 들어가서 열적 입력 모듈 (22) 에 의해서 가열되고, 이어서 열적 입력 모듈을 나가서 초임계 발전 모듈 (12) 내로 들어간다.
그러나, 초임계 발전 모듈 (12) 및 열적 입력 모듈 (22) 은 개별 모듈들로서 제공될 필요는 없다. 이를 위해서, 일부 실시예들에서, 초임계 발전 모듈 (12) 및 열적 입력 모듈 (22) 은 함께 하나의 하우징, 인클로저 등 내에 제공될 수 있다. 일부 이러한 실시예들에서, 하나의 하우징, 인클로저, 등은 (이하에서 논의되는 바와 같이) "모듈"로서 간주될 수 있다. 그러나, 하나의 하우징, 인클로저, 등 이 "모듈"이 될 필요가 없다. 이를 위해서, 일부 다른 이러한 실시예들에서, 하나의 하우징, 인클로저, 등은 "모듈"로서 간주되지 않을 수도 있다.
초임계 발전 모듈 (12) 은 초임계 유체 (16) 의 엔트로피 감소를 기계적 에너지로 변환할 수 있다 (그리고, 나중에 논의되는 일부 실시예들에서, 초임계 발전 모듈 (12) 로부터 초임계 유체 (16) 를 수용하도록 커플링될 수도 있는 임의의 다른 적합한 모듈들로 초임계 유체를 공급할 수도 있다). 상기에 논의된 바와 같이, 초임계 발전 모듈 (12) 은 Brayton 사이클에 따라 동작한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 초임계 발전 모듈 (12) 은 (도 2를 참조하여 이하에 설명될 바와 같이) 간단한 복열된 Brayton 사이클을 구현한다.
도 1에 도시된 실시예에서, 그리고 제한이 아닌 예시로서 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 초임계 발전 모듈 (12) 은 압축기 (14), 복열기 (18), 유출 경로 (20), 유입 경로 (24), 팽창기 (26), 적어도 하나의 발전기 (27), 및 냉각기 (28) 를 적합하게 포함한다. 또한 이하에 설명될 바와 같이, 일부 실시예들에서 초임계 발전 모듈 (12) 은 적어도 하나의 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 적어도 하나의 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 포함할 수 있다.
압축기 (14) 는 초임계 유체 (16) 를 압축, 즉 압력을 상승시키도록 구성된다. 압축기 (14) 는 유입구 (34) 및 유출구 (36) 를 갖는다. 다양한 실시예들에서, 압축기 (14) 는 초임계 유체 (16) 의 압력을 상승시키는 압축기 또는 펌프 등과 같은 임의의 적합한 디바이스로서 적합하게 구현될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 압축기 (14) 는 샤프트 (38) 를 사용하여 팽창기 (26) 에 동작가능하게 커플링된다. 이러한 실시예들에서, 팽창기 (26) 는 초임계 유체 (16) 의 엔트로피 감소를 샤프트 (38) 의 회전을 포함하는 기계적 에너지로 변환하여, 압축기 (14) 를 회전시킨다. 압축기 (14) 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 (18) 는 압축된 초임계 유체 (16) 를 가열하도록 구성된다. 복열기 (18) 는 적합하게 튜브-쉘 (tube-and-shell) 열 교환기, 인쇄 회로 열 교환기, 등과 같은 임의의 타입의 열 교환기이다. 복열기 (18) 의 열 교환기는 교차 흐름 배향 (cross-flow orientation), 반대-흐름 배향 (counter-flow orientation), 또는 병렬-흐름 배향 (parallel-flow orientation) 과 같은 목표된 임의의 적합한 플로우 배향을 사용하여 구현될 수도 있다. 복열기 (18) 는 특정한 애플리케이션을 위해 목표된 선택된 열 전달 용량을 갖도록 적합하게 사이즈가 정해진다. 도 1에 도시된 실시예들에서, 복열기 (18) 는 압축기 유출구 (36) 와 유체적으로 연통한다. 복열기는 압축기 유출구 (36) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된 유입구 (42) 및 복열기 (18) 의 열 교환기의 일 측면을 규정하는 유출구 (44) 를 포함한다. 복열기 (18) 는 또한 팽창된 초임계 유체 (16) 를 수용하기 위해 팽창기 (26) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된 유입구 (46) 및 복열기 (18) 의 열 교환기의 다른 측면을 규정하는 유출구 (48) 를 포함한다. 열이 압축된 초임계 유체 (16) 로 전달되어 열 교환기의 일 측면 상의 유입구 (42) 와 유출구 (44) 사이를 흐르고 팽창된 초임계 유체 (16) 로부터 열 교환기의 다른 측면 상의 유입구 (46) 와 유출구 (48) 사이를 흐른다.
유출 경로 (20) 는 복열기 (18) 로부터 열적 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. 열적 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.
열적 입력 모듈 (22) 의 다른 예시적인 비한정적 세부사항들이 도 1을 추가적으로 참조하여서 제시된다. 열적 입력 모듈 (22) 은 초임계 유체 가열 유닛 (500) 을 포함한다. 초임계 유체 가열 유닛 (500) 은 열을 적합하게 생성하거나 수거하여 이 열을 초임계 유체 (16) 에 전달한다.
초임계 유체 가열 유닛 (500) 은 가열기 (502) 및 초임계 유체 열 교환기 (504) 를 포함한다. 가열기 (502) 는 열을 생성 또는 수거한다. 일부 실시예들에서, 가열기 (502) 는 예를 들자면 지열, 태양열, 프로세스 열, 폐열 등과 같은 열의 다른 소스들로부터 열을 수거한다 (및/또는 집열한다). 일부 다른 실시예들에서, 가열기 (502) 는 예를 들어서 산화 또는 연소 등을 통해서 열을 생성할 수도 있다.
초임계 유체 열 교환기 (504) 는 가열기 (502) 와 열적으로 연통하도록 동작하게 커플링되고 열을 가열기 (502) 로부터 초임계 유체 (16) 에 전달한다. 초임계 유체 열 교환기 (504) 는 적합하게는 임의의 타입의 열 교환기, 예를 들어서 튜브-및-쉘 (tube-and-shell) 열 교환기, 인쇄 회로 열 교환기, 등이다. 초임계 유체 열 교환기 (504) 는 목표된 바와 같은 임의의 적합한 플로우 배향, 예를 들어서 교차-흐름 배향 (cross-flow orientation), 반대-흐름 배향 (counter-flow orientation), 또는 병렬-흐름 배향 (parallel-flow orientation) 을 사용하여서 구현될 수 있다. 초임계 유체 열 교환기 (504) 는 적합하게는 특정 애플리케이션에 대해서 요구되는 바와 같이 선택된 열 전달 용량을 갖게 크기를 갖는다.
초임계 유체 열 교환기 (504) 의 일 측은 유입구 (506) 및 유출구 (508) 를 가지며, 이 유입구 (506) 는 유출 경로 (20) 로부터 초임계 유체 (16) 를 수용하도록 유체적으로 연통하게 커플링되고 유출구 (508) 는 가열된 초임계 유체 (16) 를 유입 경로 (24) 에 제공하게 유체적으로 커플링될 수 있다.
초임계 유체 열 교환기 (504) 의 다른 측은 유입구 (510) 및 유출구 (512) 를 가지며, 이 유입구는 열을 가열기 (502) 로부터 수용하도록 커플링된다. 유출구 (512) 는 주변으로 배기하거나, 거기로 폐열을 공급하도록 목표된 바와 같이 임의의 다른 적합한 모듈 또는 모듈들에 커플링될 수 있다.
열적 입력 모듈 (22) 의 다양한 실시예들은 2 개 이상의 가열기 (502) 를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 실시예들에서, 가열기들 (502) 은 서로 조합될 수 있는, 상술한 바와 같은 상이한 소스들, 또는 수거기들/집열기들일 수 있다. 또한, 열적 입력 모듈 (22) 의 다양한 실시예들은 특정 애플리케이션에서 요구되는 바와 같이, 2 개 이상의 초임계 유체 열 교환기 (504) 를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 1를 다시 참조하면, 팽창기 (26) 는 열적 입력 모듈 (22) 과 같은 열 소스로부터 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 수용하도록 커플링되고, 샤프트 (38) 의 회전을 제한하지 않고, 초임계 유체 (16) 의 엔트로피 감소를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된다. 팽창기 (26) 는 유입 경로 (24) 로부터 수용된 가열된 초임계 유체 (16) 를 팽창시키고 초임계 유체 (16) 의 엔트로피 감소를 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 3600 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 유체적으로 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유입구 (49) 및 팽창된 초임계 유체 (16) 로부터의 열을 압축된 초임계 유체 (16) 로 전달하기 위해 복열기 (18) 의 유입구 (46) 와 유체적으로 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유출구 (50) 를 갖는다.
발전기 (27) 는 샤프트 (38) 를 사용하여 팽창기 (26) 에 동작가능하게 커플링된다. 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 (18) 로부터 팽창된 초임계 유체 (16) 를 냉각하고 냉각된 초임계 유체 (16) 를 압축기 (14) 에 제공하도록 구성된다. 냉각기 (28) 는 복열기 (18) 의 유출구 (48) 와 유체적으로 연통하도록 동작가능하게 커플링된 유입구 (52) 및 압축기 (14) 의 유입구 (34) 와 유체적으로 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.
부분 부하 제어 시스템 (100) 의 실시예들이 설명되기 이전에, 발전 시스템 (9) 의 실시예들의 동작이 도 3을 참조하여서 이하에서 논의될 것이다. 도 3, 도 9 및 도 11에서, 알파벳 표시자들 (예를 들어서, A, B, C, 등) 은 하나의 설정점에 대응하고, 알파벳숫자 표시자들 (예를 들어서, A1, B1, C1, 등) 은 다른 설정점에 대응한다.
엔트로피 (Kj/kg-K로임) 가 예를 들어서 발전 시스템 (9) 에 의해서 구현되는 바와 같은 간단한 복열 사이클 동안에 온도 (절대 온도 K로임) 에 대해서 그래프 표현된다. 이하의 논의에서, 도 3에 예시된 열역학 사이클의 페이즈들 (phases) 은 이와 연관된 페이즈들을 구현하는 발전 시스템 (9) 의 대응하는 컴포넌트들로 맵핑된다. 알파벳 참조부호들 (도 1 및 도 3에서 표시됨) 이 사용되어서 도 3에 예시된 사이클의 페이즈들을 도 1에 예시된 해당 컴포넌트들과 관련시킨다.
도 3은 x 축을 따르는 엔트로피 (Kj/kg-K로임) 대 y 축을 따르는 온도 (절대온도 K임) 의 곡선 (200) 을 그래프 표현한다. 엔트로피 및 온도에 대한 값들은 오직 예시적이면서 비한정적으로 주어진다는 것이 이해될 것이다. 엔트로피 및 온도에 대한 값들은, 일부 실시예들에서 특정 목적을 위해서 목표된 바와 같이 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들 (이하에서 기술됨) 의 다른 모듈들 (도 1 및 도 3에서는 미도시) 에 제공되거나 그렇지 않을 수 있는 초임계 유체 (16) 의 양들에 의해서 영향을 받을 것이라는 것이 또한 이해될 것이다.
이제 도 1 및 도 3을 참조하면, 초임계 유체 (16) 의 압력이 압축기 (14) 내에서 상승하는 동안에 초임계 유체 (16) 의 온도가 지점 A 과 지점 B 간에서 거의 실질적으로 등엔트로피 프로세스로 상승한다 (잘 알려진 관계식 PV=nRT에 근사함). 지점들 B 및 C 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 복열기 (18) 의 유입구 (42) 와 복열기 (18) 의 유출구 (44) 간에서 상승한다. 지점들 C 및 D 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도는 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 간에서 열 소스, 예를 들어서 열적 입력 모듈 (22) 에 의해서 상승한다. 지점들 D 및 E 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도는, 팽창기 (26) 내에서 초임계 유체 (16) 가 팽창하고 따라서 그의 압력이 감소되면서, 거의 실질적으로 등엔트로피 프로세스로 낮아진다. 지점들 E 및 F 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 복열기 (18) 의 유입구 (46) 와 복열기 (18) 의 유출구 (48) 간에서 감소된다. 지점들 F 및 A 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 냉각기 (28) 에 의해서 더 감소한다.
도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 초임계 유체 (16) 는 도 3에 도시된 열역학 사이클의 모든 페이즈들 동안에 초임계 상태로 유지될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 곡선 (200) 을 따라서 도시된 프로세스 동안의 하나 이상의 지점들에서는, 초임계 상태가 아닌 상태가 존재할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그럼에도, 단순성을 위해서, 초임계 유체 (16) 의 특성과 다른 하나 이상의 특성들을 갖는 유체와는 상반되게, 오직 초임계 유체 (16) 만이 참조된다.
적합하게는 제어기 시스템 (102) 을 포함하는 제어 시스템이 발전 시스템 (9) 의 컴포넌트들과 동작적으로 통신하게 제공되어서 다양한 파라미터들을 모니터링하고 피드백을 발전 시스템 (9) 의 제어 동작에 제공한다. 그러나, 부분 부하 제어는 이하에서 나중에 기술될 것이다. 제어 시스템은 지점들 A, B, C, D, E, 및 F (도 1 및 도 3) 에 대응하는 발전 시스템 (9) 내의 선택된 위치들에서의 적어도 온도, 압력, 및 플로우 레이트를 적합하게 모니터링한다. 일부 실시예들에서, 제어 시스템은 발전기 (27) 의 샤프트 (38) 의 속력 및/또는 전기적 부하를 적합하게 모니터링한다. 일부 실시예들에서, 제어 시스템은 열적 입력 모듈 (22) 내에서의 열 플럭스 (heat flux) 를 모니터링할 수 있다. 제어 시스템은 모니터링된 조건들을 목표된 파라미터들과 적합하게 비교하여서 적합한 제어 신호들을 생성하고, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 의 컴포넌트들을 제어하여서 (필요하다면) 샤프트 (38) 의 속력을 변화시키고, 및/또는 압축기 (14) 의 압축 비를 변화시키고 및/또는 열적 입력 모듈 (22) 에 의해서 부가된 열의 양, 등을 변화시킬 수 있다. 제어 시스템은 적합하게는 제어기 시스템 (102) 과 같은 임의의 적합한 제어기, 예를 들어서 비한정적으로 임의의 로직 제어기 등, 임의의 적합한 센서들 (예를 들어서 써모커플들, 압력 센서들, 플로우 레이트 센서들, 회전 속력 센서들, 전압 센서들, 전류 센서들, 전력 센서들, 및/또는 열 플럭스 센서들) 및 임의의 적합한 제어 액추에이터들 (예를 들어서 비한정적으로 쓰로틀 밸브들, 레오스탯들, 등) 을 사용하여서 구현될 수 있다.
이제 부분 부하 제어 시스템 (100) 의 실시예로서, 오직 예시적이면서 비한정적으로 주어진 실시예를 참조하면, 일부 실시예들에서, 부분 부하 제어 시스템 (100) 은 발전기 (27) 에 요청된 전력 출력 레벨에 응답하여서 압축기 유입구 (34) 압력을 제어하도록 구성된 제어기 시스템 (102) 및 초임계 유체 (16) 를 갖는 저장부 (104) 를 포함하며, 이 저장부 (104) 는 제어기 시스템 (102) 에 응답하고, 압축기 유출구 (36) 및 팽창기 유입구 (49) 간에서 그리고 팽창기 유출구 (50) 및 압축기 유입구 (34) 간에서 유체적으로 연통하게 동작적으로 커플링될 수 있다. 상술한 바와 같이, 초임계 유체 (16) 의 평균 밀도는 유리하게는 압축기 유입구 (34) 압력을 변화시킴으로써 위 또는 아래로 조절될 수 있다. 따라서, 압축기-및-터빈 샤프트 (38) 속력이 실질적으로 일정하게 유지될지라도, 폐쇄형 루프를 통한 초임계 유체 (16) 의 질량 유량 레이트는 압축기 유입구 (34) 압력을 변화시킴으로써 제어될 수 있으며, 이로써 생성된 전력에 영향을 줄 수 있다.
다양한 실시예들에서, 센서들 (미도시) 이 발전 시스템 (9) 에 걸쳐서 위치하여서 다음과 같은 파라미터들을 포함하는 파라미터들을 모니터링한다: 저장부 (104) 내에서의 초임계 유체의 온도 (T), 압축기 유출구 (36) 와 팽창기 유입구 (49) 간에서의 초임계 유체의 온도 (T), 팽창기 유출구 (50) 와 압축기 유입구 (34) 간에서의 초임계 유체의 온도 (T), 가열기 (502) (도 2) 의 출구 온도; 저장부 내에서의 초임계 유체의 압력 (p), 압축기 유출구와 팽창기 유입구 간에서의 초임계 유체의 압력 (p), 및 팽창기 유출구와 압축기 유입구 간의 초임계 유체의 압력 (p); 발전기 (27) 로부터 요청되는 전력 출력; 및 발전기 (27) 로부터의 실제 전력 출력.
다양한 실시예들에서, 제어기 시스템 (102) 은 적합한 컴퓨터 프로세싱 컴포넌트, 예를 들어서 비한정적으로 컴퓨터 프로세싱 유닛, 프로그램가능한 로직 컴포넌트, 컴퓨터 제어기, 등을 포함한다. 제어기 시스템 (102) 의 실시예들은 압축기 유입구 압력을 발전기에 요청된 전력 출력과 상관시키도록 구성된 적합한 컴퓨터 프로세싱 컴포넌트를 포함한다. 예를 들어서, 일부 실시예들에서, 컴퓨터 프로세싱 컴포넌트는 발전기 (27) 의 전력 출력과 연관된 압축기 유입구 압력을 포함하는 엔트리들을 갖는 룩업 테이블을 구현하도록 구성될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 컴퓨터 프로세싱 컴포넌트는 발전기에 요청된 전력 출력에 대한 압축기 유입구 압력의 피팅 (fit) 을 구현하도록 구성될 수 있다. 설정점들 (이하에서 논의됨) 은 효율 및 전력에 기초하고 압력, 온도, 및 질량 유량 레이트는 특정 애플리케이션에 대해서 목표된 바와 같이 조절할 루프 인벤토리 (inventory) 를 결정하는데 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
다양한 실시예들에서, 저장부 (104) 는 그 내에서 초임계 유체 (16) 를 가지며 제어기 시스템 (102) 에 응답하고, 압축기 유출구 (36) 와 팽창기 유입구 (49) 간 (또한 고압 레그 (leg) 로도 지칭됨) 및 팽창기 유출구 (50) 와 압축기 유입구 (34) 간 (또한 저압 레그 (leg) 로도 지칭됨) 과 유체적으로 연통하도록 동작적으로 커플링가능하다. 저장부 (104) 의 압력은 적합하게는 저압 레그 압력 내지 고압 레그 압력에 있다. 이로써, 목표된 바와 같이, 초임계 유체 (16) 는 저장부 (104) 로부터 저압 레그로 전달되고, 이로써 초임계 유체를 저압 레그로 부가하고, 초임계 유체의 평균 밀도를 상향 조절하여서, 압축기 유입구 (34) 압력을 증가시키고, 발전기에 의해서 생성된 전력을 증가시킬 수 있다. 이와 달리, 목표된 바와 같이, 초임계 유체 (16) 는 고압 레그로부터 저장부 (104) 로 전달되고, 이로써 초임계 유체를 고압 레그로부터 제거하고, 초임계 유체의 평균 밀도를 하향 조절하여서, 압축기 유입구 (34) 압력을 감소시키고, 발전기에 의해서 생성된 전력을 감소시킬 수 있다.
저장부 (104) 의 압력은 적합하게는 부분 부하 제어의 목표된 범위에 걸쳐서 저압 레그 압력과 고압 레그 압력 간에서, 적절한 저압 레그 체적, 고압 레그 체적, 저장부 (104) 체적, 및 발전 시스템 (9) 내의 총 체적을 선택함으로써, 확립 및 유지될 수 있다. 비한정적 실례에 의해서 상정된, 다양한 실시예들에서, 저압 레그 체적, 고압 레그 체적, 및 저장부 (104) 체적은 모두가 약 각각 1m3 일 수 있으며 (약 5MWe의 발전기에 대해서 적합함), 저압 레그 압력은 적합하게는 약 5,000 kPa 내지 약 8,000 kPa 범위에 있으며, 고압 레그 압력은 적합하게는 14,000 kPa 내지 약 24,000 kPa 범위에 있으며, 및 저장부 (104) 압력은 적합하게는 약 9,000 kPa 내지 약 11,000 kPa 범위에 있으며 총 충진 질량은 약 500kg이다.
다양한 실시예들에서, 격리 밸브 (106) 는 압축기 유출구 (36) 와 팽창기 유입구 (49) 간 (즉, 고압 레그) 의 파이핑 (piping) 컴포넌트와 저장부 (104) 간에서 배치되며, 격리 밸브 (108) 는 팽창기 유출구 (50) 와 압축기 유입구 (36) 간 (즉, 저압 레그) 의 파이핑 컴포넌트와 저장부 (104) 간에서 배치된다. 격리 밸브들 (106) 및 (108) 은 제어기 시스템 (102) 에 의해서 작동될 수 있는 임의의 적합한 타입의 격리 밸브일 수 있다. 격리 밸브들 (106) 및 (108) 은 정상적으로는 폐쇄된다 ("NS"). 격리 밸브들 (106) 및 (108) 은 적합하게는 제어기 시스템 (102) 에 응답하여 동작가능하다. 일부 실시예들에서, 격리 밸브 (108) 는 냉각기 (28) 의 유입구 (52) 에 커플링된 파이핑 컴포넌트와 저장부 (104) 간에 배치되며, 이로써 초임계 유체 (16) 를 저장부 (104) 로부터 저압 레그로 부가할 시에 (격리 밸브 (108) 내에서의 초임계 유체 (16) 의 가능한 팽창으로 인해서) 작은 온도 및 압력 변동들에 의해서 유발될 수 있는 변화들 (perturbations) 을 완화시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 저장부 (104) 는 그 내에 배치된 열 교환기 (110) 를 포함할 수 있다. 열 교환기 (104) 는 적합하게는 저장부 (104) 내의 초임계 유제 (16) 의 온도를 제어하도록 제어기 시스템 (102) 에 응답하여서 동작가능하다. 열 교환기 (110) 는 특정 애플리케이션에 대해서 목표된 바와 같은 임의의 적합한 열 교환 디바이스를 사용하여서 구현될 수 있다. 예를 들어서, 열 교환기 (110) 는 파이핑 또는 튜빙 루프 또는 세그먼트, 파이핑 또는 튜빙 코일, 등을 포함할 수 있으며, 이를 통해서 가열/냉각 유체가 흐를 수 있다. 예를 들어서, 열을 저장부 (104) 내의 초임계 유체 (16) 로부터 열 교환기 (110) 를 통해서 흐르는 유체에 전달하여서 저장부 (104) 를 냉각시켜서 저장부 (104) 의 의도되지 않은 과잉가열 (inadvertent overheating) 을 방지하는 것이 목표될 수 있다. 다른 실례로서, 열을 열 교환기 (110) 를 통해서 흐르는 유체로부터 저장부 (104) 내의 초임계 유체 (16) 로 전달하여서 저장부 (104) 를 가열하여 저장부 (104) 내에서 단일 상 (single phase) 초임계 유체를 유지하는 것을 도와서 저장부 (104) 내에서의 응축을 막아서 시스템 개시 동안에 동작상의 이점들을 갖도록 목표될 수 있다.
부분 부하 제어 시스템 (100) 의 실시예들이 이하에서 기술된 바와 같이 동작한다. 발전 시스템 (9) 은 도 3을 참조하여서 상술한 열역학 사이클에 따라서 동작하며, 발전기 (27) 는 상술한 바와 같이 전력을 생성한다. (예를 들어서, 발전기에 부여된 전력 요구에서의 변화에 응답하여서) 발전기 (27) 에 의해서 생성된 전력 출력 레벨을, ("설정점 A"로 지칭되는) 실제 전력 출력 레벨로부터 상이한 전력 출력 레벨 ("설정점 B"로 지칭됨) 로 변화시키는 것이 목표되는 때에, 적합한 명령이 제어 시스템 내에서 생성되어서 제어기 시스템 (102) 으로 전송되어서 순 전력을 설정점 A로부터 설정점 B로 변화시킨다.
인벤토리 제어기 (102) 는 도 4에 도시된 바와 같이 압축기 유입구 압력에 대한 순 전력의 룩업 테이블 또는 피팅 (예를 들어서, 곡선 피팅) 을 사용하여서 압축기 유입구 (34) 압력에 대한 새로운 설정점 압력 B 을 결정할 수 있다. 루프 입력에 대한 전력 및 효율의 관계가 도 4에서 보여진다. 도 4를 더 참조하고 예시적인 실례이면서 비한정적인 방식으로, 압축기 유입구 (34) 압력 (저압 레그) 이 5000 kPa 로부터 8000 kPa 로 감소하는 경우에 (즉, 33% 압력 감소), 순 전력은 3645 kWe 로부터 1233 kWe 로 감소할 수 있다. 이로써, 33% 압력 감소는 전력에서의 3 배 감소를 발생시킨다. 또한, 순 효율은 전력 변화의 전체 범위에 걸쳐서 거의 일정하게 유지된다는 것이 이해될 것이다. 이 예시적인 경우에서, 효율은 34.1 % 로부터 32.1% 로 오직 2 퍼센트 포인트만큼만 감소한다. 따라서, 부분 부하 전력은 압축기 유입구 (34) 압력에서의 상대적으로 작은 변화들에 있어서 넓은 범위에 걸쳐서 변화될 수 있으며, 순 전기적 효율은 상대적으로 일정하게 유지될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 적합한 룩업 테이블에는 예를 들어서 도 4에 도시된 바와 같은, 발전기 (27) 의 전력 출력과 연관된 압축기 유입구 (34) 압력의 엔트리들로 채워질 수 있다. 이 테이블에서 제공된 값들은 분석적 예측 툴들, 테스트 및/또는 이 양자를 통해서 결정될 수 있다.
격리 밸브들 (106) 및 (108) 은 정상적으로는 폐쇄된다. 새로운 설정점 압력 B 및 전력 설정점 B 이 부분 부하 제어 시스템 (100) 의 동작 범위 내에 있으면, 제어기 시스템 (102) 은 격리 밸브 (106) 또는 격리 밸브 (108) 중 어느 하나를 개방하라는 적합한 명령을 전송하여서 이하에서 기술되는 바와 같이 루프로부터 초임계 유체를 채우거나 비울 수 있다.
설정점 전력 B 에서의 목표된 전력이 현 전력보다 낮으면, 제어기 시스템 (102) 은 격리 밸브 (106) 가 개방되게 하고 고압 레그는 격리 밸브 (106) 를 통해서 저장부 (104) 를 채운다. 이로써, 루프 내의 인벤토리 (즉, 초임계 유체 질량) 는 고압 레그로부터 제거되고, 이로써 압축기 유입구 (34) 압력, 질량 유량 레이트, 및 발전기 (27) 에 의해서 생성된 전력에서의 감소를 초래한다. 마찬가지로, 설정점 전력 B 가 실제 현 전력을 초과하면, 제어기 시스템 (102) 은 격리 밸브 (108) 가 개방되게 하고, 이로써 초임계 유체 인벤토리를 저장부 (104) 로부터 루프에 부가하여서 이로써 압축기 유입구 (34) 압력 및 발전기 (27) 에 의해서 생성된 전력 출력을 증가시킨다.
일부 실시예들에서, 제어기 시스템 (102) 은 설정점 전력 근방에서 +/- f % (예를 들어서 약 3% 내지 5% 의 값들 또는 일부 다른 적합한 값) 의 데드 존 (dead zone) 을 구현하며 이는 격리 밸브들 (106 및 108) 이 초과 레이트로 사이클링되는 것으로부터 도울 수 있다. 이는 새로운 전력 레벨이 격리 밸브들 (106 또는 108) 을 개방 또는 폐쇄하지 않고서 +/- f % 만큼 드리프트하는 것을 허용할 수 있다. 격리 밸브들 (106 및 108) 은 실제 전력이 설정점의 +/- f % 내에 있을 때에 폐쇄될 수 있다. 실제 전력이 설정점 전력의 +/- f % 내에 있는 (즉, 데드 존 내에 있는) 값으로 천이하는 때에, 개방된 격리 밸브 (106 또는 108) 는 폐쇄될 것이다. 일부 실시예들에서, 시간 지연이 또한 격리 밸브들 (106 및 108) 의 신속한 폐쇄 또는 개방을 막도록 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 필요하면, PID (Proportional Integral Differential) 피드백 제어가 사용되어서, 위에서 기술된 바와 같이 완전 개방형 및 완전 폐쇄형 밸브를 사용하기보다는 격리 밸브들 (106 또는 108) 을 저속으로 개방 또는 폐쇄할 수 있다.
인벤토리 질량 및 인벤토리 압력의 거동에 대한 세부사항들이 이하에서 제시된다. 도 5를 추가적으로 참조하면, 곡선들은 (저압 레그, 저장부 (104), 고압 레그, 및 전체 루프 내에서의) (초임계 유체의) 인벤토리 질량과 압축기 유입구 (34) 압력 간의 관계를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, (저압 레그를 통해서) 질량을 저장부 (104) 로부터 제거하고 이를 루프 내에 더하는 것은 저압 레그 질량 및 고압 레그 질량 및 압력을 증가시키며, 이는 이로써 생성된 전력을 증가시킨다. 전체 루프 인벤토리는 압축기 유입구 (34) 압력 또는 생성된 부분 부하 전력과 상관없이 (본 비한정적 실례의 경우에는 500 kg에서) 일정하다는 것이 이해될 것이다. 전체 충진 질량은 특정 애플리케이션에 대해서 목표된 바와 같은 임의의 적합한 값을 가질 것이 이해될 것이다. 비한정적 실례에 의해서 말하자면, 실시예는 약 500 kg의 전체 충진 질량을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 전체 시스템 충진 질량은 최소 충진 질량인 약 447 kg 내지 최대 충진 질량인 약 780 kg 의 범위 내에 있을 수 있다.
도 6을 추가적으로 참조하면, 곡선들은 저압 레그, 저장부 (104), 및 고압 레그 내의 압력과 압축기 유입구 (34) 압력 간의 관계를 나타낸다. 고압 레그, 저압 레그, 저장부 (104) 의 체적 및 전체 체적은, 부분 부하 제어 시스템 (100) 의 동작 범위에 걸쳐서, 저장부 (104) 압력이 고압 레그 압력과 저압 레그 압력 사이에서 있도록, 선택될 수 있다는 것이 도 6으로부터 이해될 것이다. 이로써, 부분 부하 제어 시스템 (100) 은 전체 설계된 부분 부하 전력 범위에 걸쳐서 초임계 유체를 루프에 더하거나 이로부터 제거할 수 있다.
도 6에서 도시된 바와 같이, 최소 충진 질량이 대략 447 kg인 실시예에서, 충진 질량이 500 kg인 경우에도, 8000 kPa에서의 압축기 유입구 압력에 대한 저장부 (104) (탱크) 압력 라인은 8000 kPa에서 저압 레그 라인과 거의 교차한다. 대체적으로, 저장부 (104) 내의 압력을 가능한 한 낮게 유지하는 전체 충진 인벤토리를 선택하는 것이 바람직한데, 그 이유는 보다 높은 저장부 (104) 압력들은 보다 크고 보다 질량이 나가고 보다 고가의 탱크들을 요구하기 때문이다.
마찬가지로, 최대 전체 시스템 충진 질량이 약 780 kg인 실시예에서, 780 kg에서, 저장부 (104) (탱크) 압력 라인은 상향 슬라이딩하여서 충진 질량이 너무 크면 (본 비한정적인 실례에서는 780 kg보다 큼) 고압 레그 압력 라인과 교차할 것이다. 이로써, 전체 충진 인벤토리를 변화시키는 것은 저장부 (104) (탱크) 압력 라인을 상향 및 하향으로 슬라이딩시키는 효과를 가질 것이다. 저장부 (104) (탱크) 압력 라인이 저압 레그 압력 라인 또는 고압 레그 압력 라인 중 어느 하나와 교차하지 않는 것이 바람직하다는 것이 이해될 것이다.
고압 레그, 저압 레그의 체적들, 저장부 (104) 의 체적, 및 초임계 유체 (16) 의 전체 충진 질량을 적절하게 선택함으로써, 저장부 (104) 압력이 저압 레그 압력보다 크고 저장부 (104) 압력이 고압 레그 압력보다 낮도록 구성할 수 있다. 이로써, 발전기 (27) 에 의해서 생성된 전력 레벨들이 도 4에 도시된 관계에 따라서, 압축기 유입구 (34) 압력을 조절함으로써 최소 설계 값으로부터 최대 설계 값으로 상대적으로 원활하게 천이될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 압축기 유입구 (34) 압력을 증가시키고/감소시키는 것이 또한 모든 다른 루프 압력들의 증가/감소를 초래할 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
도 7을 추가적으로 참조하면, 컴포넌트 유입구 및 유출구 온도들은 부분 부하 전력 변화들에 있어서 실질적으로 변화되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 도 7은 압축기 유입구 (34) 에서의 인벤토리 루프 압력의 함수로서 발전 시스템 (9) 의 모든 컴포넌트들의 유입구 및 유출구 온도들을 나타낸다. 예시된 바와 같이, 온도 변화는 매우 작으며, (수백 도의 변화보다는) 30 내지 40 K 정도의 차수에 있다 (상기한 수백 도의 변화는 정상적으로는 부분 부하 전력 변화들이 가열기 출구 온도를 변화시키고 또는 압축기 속력 변화들을 전력 테이크-오프 방식으로 (in a power take-off scheme) 사용함으로써 획득되는 경우에 관측되는 값이며, 상기 전력 테이크-오프 방식에서는 터빈 및 발전기는 일정한 샤프트 속력으로 회전하지만 압축기는 상이한 속력으로 회전할 수 있음). 전력의 전체 범위에 걸친 이러한 작은 온도 변화들 (swings) 은 보다 낮은 열적 사이클링으로 인해서 주요 열적 컴포넌트들 (주 열 교환기들, 복열기 (18), 및 냉각기 (28)) 의 보다 긴 수명에 기여할 수 있다. 또한, 도 3을 더 참조하면, 압축기 유입구 (34) 압력이 감소되는 때에 (비한정적 실시예에서는, 8000 kPa 로부터 5000 kPa 로 감소), T-S 곡선에 의해서 표시된 바오 같은 전체 발전 사이클은 동일한 형상을 유지하지만, 우측으로 (지점 A에서 지점 A1으로) 이동하며, 이로써 모든 컴포넌트들에 대한 온도들이 그들의 최초의 (전체 전력) 온도들 매우 근처에서 유지되게 할 수 있다.
부분 부하 제어 시스템 (100) 의 실시예들의 컴포넌트들 및 동작이 설명되었기에, 발전 시스템 (9) (부분 부하 제어 시스템 (100) 을 포함함) 및 초임계 유체를 초임계 발전 모듈 (12) 로부터 수용하고 초임계 유체를 거기로 복귀시키는 적어도 하나의 다른 모듈을 포함하는 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 이러한 실시예들에서, 적어도 하나의 초임계 유체 공급 경로 (30) 는 초임계 유체 (16) 를 초임계 발전 모듈 (12) 로부터 공급하도록 구성된다. 초임계 발전 모듈 (12) 로부터 공급된 초임계 유체 (16) 는 특정 애플리케이션에 대해서 목표된 바와 같이 팽창된 초임계 유체 (16) 및/또는 압축된 초임계 유체 (16) 일 수 있다. 초임계 유체 (16) 는 특정 애플리케이션에 대해서 목표된 바와 같이 초임계 유체 공급 경로 (30) 를 통해서 초임계 발전 모듈 (12) 로부터 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 내의 임의의 다른 적합한 모듈 또는 모듈들 (도 1에서는 미도시) 로 공급될 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 (14) 의 유출구 (36) 및 복열기 (18) 의 유입구 (42); 복열기 (18) 의 유출구 (44) 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 (18) 의 유입구 (46); 복열기 (18) 의 유출구 (48) 및 냉각기 (28) 의 유입구 (52); 및 냉각기 (28) 의 유출구 (54) 및 압축기 (14) 의 유입구 (34). 초임계 유체 공급 경로 (30) 각각은 적합한 격리 밸브 (56) 를 통해 격리된다.
이러한 실시예들에서, 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 복귀하도록 구성된다. 따라서, 다양한 실시예들에서, 초임계 유체 복귀 경로들 (32) 은 하나 이상의 이하의 컴포넌트들을 사이의 위치들에 적합히 제공될 수도 있다: 압축기 (14) 의 유출구 (36) 및 복열기 (18) 의 유입구 (42); 복열기 (18) 의 유출구 (44) 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 (18) 의 유입구 (46); 복열기 (18) 의 유출구 (48) 및 냉각기 (28) 의 유입구 (52); 및 냉각기 (28) 의 유출구 (54) 및 압축기 (14) 의 유입구 (34). 초임계 유체 복귀 경로 (32) 각각은 격리 밸브 (58) 를 통해 격리된다.
그러나, 발전 시스템 (9) 의 다른 실시예들에서, 초임계 발전 모듈 (12) 은 임의의 초임계 유체 공급 경로 (30) 또는 임의의 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 포함하지 않는다. 대신에, 초임계 발전 모듈 자체가 자신이 동작 동안에 사용하는 모든 초임계 유체를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 초임계 발전 모듈 (12) 은 적합하게는 모듈식 컨테이너화된 플랫폼 (modular, containerized platform) (도 1에서는 미도시) 내에 배치될 수 있지만 반드시 그러한 것은 아니다. 또한, 필요하다면, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 의 다양한 실시예들은, 초임계 발전 모듈 (12) 및 열적 입력 모듈 (22) 에 추가하여서, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10) 내의 다양한 모듈들과 연결가능하여서 특정 애플리케이션에 대해서 목표된 바와 같이 다양한 문제들을 처리하는 것을 돕는, 예를 들어서 비한정적으로 다양한 연료공급 옵션들, 상이한 동작 환경들, 가열 및 냉각 필요사항들, 기계적 작동 요건들, 안착 (siting) 제약사항들 및/또는 효율 필요사항들을 처리하는 것을 돕는 하나 이상의 다른 모듈들 (도 1에서는 미도시) 을 더 포함할 수 있다.
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 있지만, 반드시 그러한 것은 아니다. 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 있지만 반드시 그러한 것은 아니되, 이로써 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.
필요에 따라, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 다른 실시예들에 포함될 수도 있는 추가의 모듈들을 논의하기 전에, 발전 시스템 (9) 의 실시예들에 의해 구현될 수도 있는 다른 열역학 사이클이 논의될 것이다. 발전 시스템 (9) 내에서 구현된 열역학 사이클과 무관하게, 다른 모듈들은 필요에 따라, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크의 임의의 실시예에 포함될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
재압축 Brayton 사이클 ( Recompression Brayton Cycle )
이제 도 8 및 도 9를 참조하여, 다른 실시예에서 예시적인 발전 시스템 (309) 이 재압축 Brayton 사이클을 적합하게 구현한다. 발전 시스템 (309) 및 발전 시스템 (9) (도 1) 은 상기에 논의된 많은 공통적인 컴포넌트들을 공유한다는 것이 이해될 것이다. 명료성을 위해, 발전 시스템 (309) 및 발전 시스템 (309) (도 1) 에 공통적인 컴포넌트들에 관한 상세는 반복되지 않을 것이다. 동일한 참조 번호들이 발전 시스템 (309) 및 발전 시스템 (309) (도 1) 에 공통된 컴포넌트들을 참조하도록 사용될 것이다.
예시적인 실시예들에서, 발전 시스템 (309) 은 재압축 Brayton 사이클을 적합하게 구현한다. 개요로서 주어진, 압축기 (314A) 는 초임계 유체 (16) 를 압축하도록 구성된다. 복열기 (318A) 는 압축기 (314A) 로부터의 압축된 초임계 유체 (16) 를 가열하도록 구성된다. 압축기 (314B) 는 초임계 유체 (16) 를 압축하도록 구성되고 압축기 (314A) 와 병렬 연결된다. 복열기 (318B) 는 압축기 (314A) 및 압축기 (314B) 로부터 압축된 초임계 유체 (16) 를 가열하도록 구성된다. 유출 경로 (20) 는 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 복열기 (318B) 로부터 열적 입력 모듈 (22) 과 같은 열 소스로 제공하도록 구성된다. 유입 경로 (24) 는 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 열적 입력 모듈 (22) 과 같은 열 소스로부터 제공하도록 구성된다. 팽창기 (26) 는 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 열 소스로부터 수용하도록 커플링되고 초임계 유체 (16) 의 엔트로피 감소를 기계적 에너지로 변환하도록 구성된다. 발전기 (27) 는 팽창기 (26) 에 동작적으로 커플링된다. 냉각기 (28) 는 복열기 (318A) 로부터의 팽창된 초임계 유체 (16) 를 냉각하고 냉각된 초임계 유체 (16) 를 압축기 (314A) 로 제공하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 필요하다면, 적어도 하나의 초임계 유체 공급 경로 (30) 는 초임계 발전 모듈 (312) 로부터 초임계 유체 (16) 를 공급하도록 구성되고, 적어도 하나의 초임계 유체 복귀 경로 (32) 는 초임계 유체 (16) 를 초임계 발전 모듈 (312) 로 복귀시키도록 구성될 수 있다.
압축기 (314A) 및 압축기 (314B) 는 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, 압축기 (14) (도 1) 와 동일하거나 실질적으로 유사할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 압축기 (314A) 는 유입구 (334A) 및 유출구 (336A) 를 갖고, 압축기 (314B) 는 유입구 (334B) 및 유출구 (336B) 를 갖는다. 압축기 (314A) 및 압축기 (314B) 는 적합하게 압축기 (14) (도 1) 에 관하여 상기에 논의된 바와 동일한 방식으로 샤프트 (38) 를 사용하여 팽창기 (26) 에 동작가능하게 커플링된다.
복열기 (318A) 및 복열기 (318B) 는 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라복열기 (18) (도 1) 와 동일하거나 실질적으로 유사할 수도 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 복열기 (318A) 는 복열기 (318A) 의 열 교환기의 일 측면 상에 유입구 (342A) 및 유출구 (344A) 를 갖고, 복열기 (318A) 의 다른 측면 상에 유입구 (346A) 및 유출구 (348A) 를 갖는다. 복열기 (318B) 는 복열기 (318B) 의 일 측면 상에 유입구 (342B) 및 유출구 (344B) 를 갖고, 복열기 (318B) 의 다른 측면 상에 유입구 (346B) 및 유출구 (348B) 를 갖는다.
복열기 (318A) 의 유입구 (342A) 는 압축기 (314A) 의 유출구 (336A) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다. 복열기 (318B) 의 유입구 (342B) 는 복열기 (318A) 의 유출구 (344A) 및 압축기 (314B) 의 유출구 (336A) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다. 유출 경로 (20) 는 복열기 (318B) 의 유출구 (344B) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다. 팽창기 (26) 의 유출구 (50) 는 복열기 (318B) 의 유입구 (346B) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다. 복열기 (318B) 의 유출구 (348B) 는 복열기 (318A) 의 유입구 (346A) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다.
복열기 (318A) 의 유출구 (348A) 는 냉각기 (28) 의 유입구 (52) 및 압축기 (314B) 의 유입구 (334B) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다. 이와 같이, 압축기 (314A) 및 압축기 (314B) 는 초임계 유체 (16) 를 병렬로 압축한다. 압축기 (314A) 로의 초임계 유체 (16) 의 플로우 대 압축기 (314B) 로의 초임계 유체 (16) 의 플로우의 비는 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라 결정될 수도 있다.
발전 시스템 (309) (부분 부하 제어 시스템 (100) 을 포함함) 에 관한 다른 상세들은 발전 시스템 (9) (도 1) 에 관해 상기에 언급된 상세들과 같고 이해를 위해 반복될 필요는 없다. 발전 시스템 (9) (도 1) 과 유사하게, 발전 시스템 (309) 은 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라 2 이상의 팽창기 (26) 및 2 이상의 발전기 (27) 를 포함할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
예시적인 발전 시스템 (309) 및 이의 컴포넌트들이 논의되었고, 발전 시스템 (309) 의 동작이 도 9를 참조하여 이하에서 논의될 것이다.
부가적으로 도 9를 참조하면, 발전 시스템 (309) 에 의해 구현되는 바와 같은, 압축 사이클에 대해 엔트로피 (단위 Kj/kg-K) 대 온도 (단위 K) 그래프가 도시된다. 이하의 논의에서, 도 9에 예시된 열역학 사이클의 페이즈들은 이와 연관된 페이즈들을 구현할 수도 있는 발전 시스템 (309) 의 대응하는 컴포넌트들에 맵핑된다. 알파벳 참조부호들 (도 8 및 도 9에서 표시됨) 이 사용되어서 도 8에 예시된 해당 컴포넌트들로 도 9에 예시된 사이클의 페이즈들을 연관시킨다.
도 9는 x축을 따르는 엔트로피 (단위 Kj/kg-K) 대 y축을 따르는 온도 (단위 K) 의 곡선 (400) 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 8 및 도 9에는 미도시) 에 제공되거나 제공되지 않을 수도 있는 초임계 유체 (16) 의 양에 영향을 받을 수도 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
이제 도 8 및 도 9를 참조하면, 초임계 유체 (16) 의 지점 A'와 지점 B' 사이의 온도는 초임계 유체 (16) 의 압력이 압축기 (314A) 및 압축기 (314B) 내에서 상승됨에 따라 거의 실질적으로 등엔트로피 프로세스 (공지의 관계 PV=nRT를 근사화함) 에서 상승된다. 지점 B와 지점 B' 사이에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔트로피는 복열기 (318A) 의 유입구 (342A) 와 복열기 (318A) 의 유출구 (344A) 사이에서 상승된다. 지점 B'과 지점 C 사이에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔트로피는 복열기 (318B) 의 유입구 (342B) 및 복열기 (318B) 의 유출구 (344B) 사이에서 상승된다. 지점 C와 지점 D 사이에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔트로피는 유출 경로 (20) 와 유입 경로 (24) 사이의 열적 입력 모듈 (22) 과 같은 열 소스에 의해 상승된다. 지점 D와 지점 E 사이에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔트로피는 초임계 유체 (16) 가 팽창되고, 이에 따라 압력이 감소되기 때문에 팽창기 (26) 내에서 거의 실질적으로 등엔트로피 프로세스로 하강된다. 지점 E와 지점 F' 사이에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔트로피는 복열기 (318B) 의 유입구 (346B) 와 복열기 (318B) 의 유출구 (348B) 사이에서 감소된다. 지점 F'과 지점 F 사이에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔트로피는 복열기 (318A) 의 유입구 (346A) 와 복열기 (318A) 의 유출구 (348A) 사이에서 감소된다. 지점 F와 지점 A 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔트로피는 냉각기 (28) 에 의해 더 감소된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서 초임계 유체 (16) 는 도 9에 도시된 열역학 사이클의 모든 단계들 동안 초임계 상태로 유지될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 곡선 (400) 을 따라 도시된 프로세스 동안 하나 이상의 지점들에서, 초임계 상태가 아닌 상태가 존재할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 그럼에도 불구하고, 간결성을 위해, 초임계 유체의 특성들과 다른 하나 이상의 특성들을 갖는 유체에 대조되는 초임계 유체 (16) 에 대해서만 참조된다.
또한, 압축기 유입구 (334A 및 334B) 압력이 감소되는 때에 (비한정적 실시예에서, 8000 kPa 로부터 5000 kPa 로 감소됨), T-S 곡선에 의해서 표시된 바와 같은 전체 발전 사이클은 동일한 형상을 유지하지만 우측으로 (지점 A에서 지점 A1으로) 이동되며, 이로써 모든 컴포넌트들의 온도들이 그들의 최초의 (전체 전력) 온도들 매우 근처에서 유지되게 한다.
압축기 복열 Brayton 사이클
이제 도 10 및 도 11을 참조하면, 다른 실시예에서, 예시적인 발전 시스템 (1009) 은 적합하게는 압축기 복열 Brayton 사이클을 구현한다. 발전 시스템 (1009) 및 발전 시스템 (9) (도 1) 은 상술한 수많은 공통 컴포넌트들을 공유한다는 것이 이해될 것이다. 명료성을 위해서, 발전 시스템 (1009) 및 발전 시스템 (9) (도 1) 에 공통적인 컴포넌트들에 대한 세부사항들은 반복되지 않을 것이다. 동일한 참조 부호들이 발전 시스템 (1009) 및 발전 시스템 (9) (도 1) 에 공통적인 컴포넌트들을 참조하는데 사용된다.
예시적인 실시예에서, 발전 시스템 (1009) 은 적합하게는 압축기 복열 Brayton 사이클을 구현한다. 개략적으로 말하자면, 압축기 (1014A) 는 초임계 유체 (16) 를 압축하도록 구성된다. 복열기 (recuperator) (1018A) 는 압축기 (1014A) 로부터의 압축된 초임계 유체 (16) 를 가열하도록 구성된다. 압축기 (1014B) 는 복열기 (1018A) 로부터 수용된 가열된 초임계 유체 (16) 를 압축하도록 구성된다. 복열기 (1018B) 는 압축기 (1014B) 로부터의 압축된 초임계 유체 (16) 를 가열하도록 구성된다. 유출 경로 (20) 는 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 복열기 (1018B) 로부터 열 소스로, 예를 들어서 열적 입력 모듈 (22) 로 제공하도록 구성된다. 유입 경로 (24) 는 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 열 소스, 예를 들어서 열적 입력 모듈 (22) 로부터 제공하도록 구성된다. 팽창기 (26) 는 가열된 압축된 초임계 유체 (16) 를 열 소스 (22) 로부터 수용하도록 커플링되고, 초임계 유체 (16) 의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된다. 발전기 (27) 는 팽창기 (26) 에 동작적으로 커플링된다. 냉각기 (28) 는 복열기 (1018A) 로부터의 팽창된 초임계 유체 (16) 를 냉각시키고 이 냉각된 초임계 유체 (16) 를 압축기 (1014A) 에 제공하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 필요하다면, 적어도 하나의 초임계 유체 공급 경로 (30) 는 초임계 유체 (16) 를 초임계 발전 모듈 (1012) 로부터 공급하도록 구성되고, 적어도 하나의 초임계 유체 복귀 경로 (32) 는 초임계 유체 (16) 를 초임계 발전 모듈 (1012) 로 복귀시키도록 구성될 수 있다.
압축기 (1014A) 및 압축기 (1014B) 는 특정 애플리케이션에 대해서 목표된 바와 같이, 압축기 (14) (도 1) 와 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 압축기 (1014A) 는 유입구 (1034A) 및 유출구 (1036A) 를 가지며, 압축기 (1014B) 는 유입구 (1034B) 및 유출구 (1036B) 를 갖는다. 압축기 (1014A) 및 압축기 (1014B) 는 적합하게는 압축기 (14) (도 1) 에 대해서 상술한 바와 동일한 방식으로 샤프트 (38) 로 팽창기 (26) 에 동작적으로 커플링된다.
복열기 (1018A) 및 복열기 (1018B) 는 특정 애플리케이션에 대해서 목표된 바와 같이, 복열기 (18) (도 1) 와 동일하거나 실질적으로 유사할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 복열기 (1018A) 는 복열기 (1018A) 의 열 교환기의 일 측 상에서 유입구 (1042A) 및 유출구 (1044A) 를 가지며, 복열기 (1018A) 의 열 교환기의 다른 측 상에서 유입구 (1046A) 및 유출구 (1048A) 를 갖는다. 복열기 (1018B) 는 복열기 (1018B) 의 열 교환기의 일 측 상에서 유입구 (1042B) 및 유출구 (1044B) 를 가지며, 복열기 (1018B) 의 열 교환기의 다른 측 상에서 유입구 (1046B) 및 유출구 (1048B) 를 갖는다.
복열기 (1018A) 의 유입구 (1042A) 는 압축기 (1014A) 의 유출구 (1036A) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다. 복열기 (1018A) 의 유출구 (1044A) 는 압축기 (1014B) 의 유입구 (1034B) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다. 압축기 (1014B) 의 유출구 (1036B) 는 복열기 (1018B) 의 유입구 (1042B) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다. 유출 경로 (20) 는 복열기 (1018B) 의 유출구 (1044B) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다. 팽창기 (26) 의 유출구 (50) 는 복열기 (1018B) 의 유입구 (1046B) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다. 복열기 (1018B) 의 유출구 (1048B) 는 복열기 (1018A) 의 유입구 (1046A) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다.
복열기 (1018A) 의 유출구 (1048A) 는 냉각기 (28) 의 유입구 (52) 와 유체적으로 연통하도록 커플링된다. 이로써, 압축기 (1014A) 및 압축기 (1014B) 는 초임계 유체 (16) 를 연속하여 압축한다. 복열기 (1018A) 는 압축기 (1014A) 를 나가는 초임계 유체를 가열하고, 복열기 (1018B) 의 유출구 (1048B) 를 나가는 팽창된 초임계 유체를 냉각한다.
발전 시스템 (1009) (부분 부하 제어 시스템 (100) 을 포함함) 에 대한 다른 세부사항들은 발전 시스템 (9) (도 1) (부분 부하 제어 시스템 (100) 을 포함함) 에 대해서 위에서 제시된 세부사항들과 동일하며 이해를 위해서 반복될 필요가 없다. 발전 시스템 (9) (도 1) 과 유사하게, 발전 시스템 (1009) 은 특정 애플리케이션에 대해서 목표된 바와 같이 2 개 이상의 팽창기 (26) 및 2 개 이상의 발전기 (27) 를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
예시적인 발전 시스템 (1009) 및 그의 컴포넌트들이 논의되었기에, 발전 시스템 (1009) 의 실시예들의 동작이 도 9를 참조하여서 논의될 것이다.
도 11을 추가적으로 참조하면, 엔트로피 (Kj/kg-K로임) 가 예를 들어서 발전 시스템 (1009) 에 의해서 구현되는 것과 같은 압축기 복열 사이클 동안 온도 (절대온도 K) 에 대해서 그래프 표현된다. 이하의 논의에서, 도 11에 예시된 열역학 사이클의 페이지들은 그와 연관된 페이즈들을 구현할 수 있는 발전 시스템 (1009) 의 대응하는 컴포넌트들로 맵핑된다. 알파벳 참조부호들 (도 10 및 도 11에서 표시됨) 이 사용되어서 도 11에서 예시된 사이클의 페이즈들을 도 10에 예시된 해당 컴포넌트들과 연관시킨다.
도 11은 x 축에 따른 엔트로피 (Kj/kg-K로임) 대 y 축에 따른 온도 (절대온도 K) 의 곡선 2000 의 그래프이다. 엔트로피 및 온도에 대한 값들은 오직 예시적이면서 비한정적으로 주어진 것이 이해될 것이다. 엔트로피 및 온도에 대한 값들은 특정 목적을 위해서 목표된 바와 같이 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 내의 다른 모듈들 (도 10 및 도 11에서 미도시) 로 제공되거나 그러지 않을 수 있는 초임계 유체 (16) 의 양에 의해서 영향을 받을 수 있음이 또한 이해될 것이다.
이제 도 10 및 도 11을 참조하면, 지점들 A 및 B 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도는, 초임계 유체 (16) 의 압력이 압축기 (1014A) 내에서 상승하면서, 거의 실질적으로 등엔트로피 프로세스로 상승한다 (잘 알려진 관계 PV=nRT에 근사함). 지점들 B 및 A' 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 복열기 (1018A) 의 유입구 (1042A) 와 복열기 (1018A) 의 유출구 (1044A) 간에서 상승한다. 지점들 A' 와 B' 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도는, 초임계 유체 (16) 의 압력이 압축기 (1014B) 내에서 상승하면서, 거의 실질적으로 등엔트로피 프로세스로 상승한다 (잘 알려진 관계 PV=nRT에 근사함). 지점들 B' 와 C 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 복열기 (1018B) 의 유입구 (10042B) 와 복열기 (1018B) 의 유출구 (10044B) 간에서 상승한다. 지점들 C 및 D 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 열 소스, 예를 들어서 열적 입력 모듈 (22) 에 의해서, 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 간에서 상승한다. 지점들 D 및 E 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는, 초임계 유체 (16) 가 팽창기 (26) 내에서 팽창되고 이로써 이에 따라서 그의 압력이 감소되면서, 거의 실질적으로 등엔트로피 프로세스로 감소한다. 지점들 E 및 F' 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 복열기 (1018B) 의 유입구 (1046B) 와 복열기 (1018B) 의 유출구 (1048B) 간에서 감소한다. 지점들 F' 와 F 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 복열기 (1018A) 의 유입구 (1046A) 와 복열기 (1018A) 의 유출구 (1048A) 간에서 감소한다. 지점들 F 와 A 간에서, 초임계 유체 (16) 의 온도 및 엔탈피는 냉각기 (28) 에 의해서 더 감소한다.
도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 초임계 유체 (16) 는 도 11에 도시된 열역학 사이클의 모든 페이즈들 동안에 초임계 상태로 존재할 것이라고 이해될 것이다. 그러나, 곡선 2000 을 따라서 도시된 프로세스 동안의 하나 이상의 지점들에서, 초임계 상태가 아닌 상태가 존재할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 그럼에도, 간략성을 위해서, 초임계 유체의 특성과 다른 하나 이상의 특성들을 갖는 유체와 상반되는 바와 같은 초임계 유체 (16) 만이 참조된다.
상술한 바와 같이, 다양한 실시예들에서, 복열기 (1018A) 는 복열기 (1018B) 를 나가는 팽창된 (보다 낮은 압력) 초임계 유체 (16) 내에서 유지되는 열을, 압축기 (1014B) 로 들어가는 보다 높은 압력 초임계 유체 (16) 로 전달한다. 또한, 복열기 (1018B) 는 팽창된 초임계 유체 (16)로부터의 열을 압축기 (1014B) 를 나가는 초임계 유체 (16) 로 전달한다. 이로써, 복열기 (1018B) 를 나가는 팽창된 초임계 유체 (16) 의 온도는 (간단한 복열에 비해서) 낮아지며, 복열기 (1018B) 로 들어가는 압축된 초임계 유체 (16) 의 온도는 상승한다. 간단한 복열에 비해서, 이러한 예시적인 실시예들은 보다 낮은 평균 열 차단 온도 및 보다 높은 복열된 열량을 낳는 것을 도울 수 있으며, 이는 간단한 복열된 발전 사이클에 비해서 평균 열 부가 온도를 증가시키는 것을 도울 수 있다.
또한, 압축기 유입구 (1034A) 압력이 감소되는 때에 (비한정적 실시예에서, 8000 kPa 로부터 5000 kPa 로 감소됨), T-S 곡선에 의해서 표시된 전체 발전 사이클은 동일한 형상을 유지하지만, 우측으로 (지점 A에서 지점 A1으로) 이동하며, 이로써 모든 컴포넌트들의 온도가 그들의 최초의 (전체 전력) 온도들 매우 근처에서 유지되게 할 수 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, 도 8, 도 10 및 도 12를 참조하면, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 다양한 실시예들은 하나 이상의 방열 모듈들 (heat rejection modules) (600) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예들에서, 방열 모듈 (600) 은 (그 내에서 구현되는 열역학 사이클과 무관하게) 초임계 발전 모듈의 실시예들로부터 공급된 초임계 유체 (16) 로부터의 열을, 방열 모듈 (600) 에 공급된 초임계 유체 (16) 의 벌크 온도 이하의 벌크 온도를 갖는 열 싱크 (미도시) 로 전달하는 것을 가능하게 한다. 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 엔트로피를 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 (heat rejection heat exchanger) (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, (그 내에서 구현되는 열역학 사이클과 무관하게) 초임계 발전 모듈의 실시예들은 제한 없이, 지역 난방 (district heating), 주거용 난방 (residential heating), 상업용 난방 (commercial heating), 산업용 난방 (industrial heating), 구조적 가열 (structural heating), 프로세스 가열 (process heating), 등과 같은 열적 입력을 요구하는 외부 시스템들을 제공하기 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, 도 8, 도 10 및 도 13을 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 (그 내에서 구현되는 열역학 사이클과 무관하게) 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 엔트로피 감소 (및 결과적으로 온도 감소) 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, 도 8, 도 10 및 도 14를 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, (그 내에서 구현되는 열역학 사이클과 무관하게) 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 엔트로피 감소를 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 이펙터 (end effector) 를 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 엔트로피 감소를 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 엔트로피 감소를 회전 기계적 에너지로 변환하는 터빈과 같은 팽창기 및 초임계 유체 (16) 를 팽창시키고 초임계 유체 (16) 의 엔트로피 감소를 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 이루어 질수도 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. 이러한 결합들은 초임계 발전 모듈에 의해서 구현되는 열역학 사이클과 무관하게 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이를 위해, 이제 도 15를 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10, 310,1010) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열적 입력 모듈 (22), 및 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 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 16을 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10, 310,1010) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열적 입력 모듈 (22), 및 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 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 17을 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10, 310,1010) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열적 입력 모듈 (22), 및 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 작동 모듈 (800) 을 포함할 수도 있다.
이제 도 18을 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10, 310,1010) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열적 입력 모듈 (22), 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 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, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 작동 모듈 (800) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예들은, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, CHP를 제공할 수 있다.
이제 도 19을 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10, 310, 1010) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열적 입력 모듈 (22), 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 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, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 작동 모듈 (800) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예는, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, CCP를 제공할 수 있다.
이제 도 20를 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10, 310, 1010) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열적 입력 모듈 (22), 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 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, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 프로세스 모듈 (700) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예들은, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, CHCP (combined heating, cooling, and power) 를 제공할 수 있다.
이제 도 21을 참조하면, 일부 실시예들에서 예시적인 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10, 310, 1010) 는 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012), 유출 경로 (20) 및 유입 경로 (24) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 열적 입력 모듈 (22), 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 적어도 하나의 초임계 발전 모듈 (12, 312, 1012) 과 유체적으로 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, 312, 1012) 과 유체적으로 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, 312, 1012) 과 유체적으로 연통하도록 커플링된 적어도 하나의 작동 모듈 (800) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시예는, 특정한 애플리케이션을 위해 필요에 따라, CHCP를 제공할 수 있다.
이제 도 22 내지 도 24를 참조하면, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크 (10, 310, 1010) 의 실시예들이 (임의의 초임계 발전 모듈 (10, 3010, 1010) 내에서 구현되는 열역학 사이클과 무관하게) 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 열적 입력 모듈 (22) 및 (그 내부에서 구현된 열역학 사이클과 무관하게) 2 개 이상의 초임계 발전 모듈들 (10, 301, 1010) 을 포함하고, 이 발전 모듈 각각은 적어도 하나의 발전기 (27) (도 22 내지 도 24에는 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 22에 도시된 바와 같이, 열적 입력 모듈 (22) 각각은 유출 경로들 (20) 및 유입 경로들 (24) 을 통해 연관된 초임계 발전 모듈 (10, 301, 1010) 과 직접적으로 유체적으로 연통하도록 커플링될 수도 있다. 다른 비제한적인 실시예로서 도 23에 도시된 바와 같이, 하나의 열적 입력 모듈 (22) 이 유출 경로들 (20) 및 유입 경로들 (24) 을 통해 2 개 이상의 초임계 발전 모듈 (10, 301, 1010) 과 직접적으로 유체적으로 연통하도록 커플링될 수도 있다. 다른 비제한적인 예로서 도 24에 도시된 바와 같이, 하나의 열적 입력 모듈 (22) 은 유출 경로들 (20) 및 유입 경로들 (24) 을 통해 연관된 하나의 초임계 발전 모듈 (10, 301, 1010) 과 직접적으로 유체적으로 연통하도록 커플링될 수 있고, 차례로 초임계 유체 공급 경로 (30) 및 초임계 유체 복귀 경로 (32) 를 통해 다른 초임계 발전 모듈 (10, 301, 1010) 과 유체적으로 연통하도록 커플링될 수도 있다. 도 22 내지 도 24에는 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
발전 시스템, 모듈식 발전 인프라스트럭처 네트워크들 및 분산형 발전 인프라스트럭처 네트워크들의 예시적인 실시예들이 논의되었기에, 이제 예시적인 방법들이 비제한적인 예로서 논의될 것이다. 방법들의 실시예들은 상기 논의된 발전 시스템 (9,309,1009) 의 실시예들과 연관되어 사용될 수 있다. 상기에 논의되고 언급된 발전 시스템 (9,309,1009) 의 상세사항들은 여기에서 참조로서 인용되고, 예시적인 방법들의 실시예들의 이해를 위해 반복될 필요는 없다.
대표적인 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 다른 (예를 들어서, 대안적인) 구현예들 및/또는 확장예들을 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 25a를 참조하면, 일 실시예에서, 발전기의 부분적 부하를 제어하기 위한 예시적인 방법 (2500) 이 제공된다. 이 방법 (2500) 은 블록 (2502) 에서 시작한다. 블록 (2504) 에서, 초임계 유체는 유입구 및 유출구를 가지며 제 1 유입구 압력을 갖는 적어도 제 1 압축기로 압축된다. 블록 (2506) 에서, 초임계 유체는 팽창되고, 초임계 유체의 엔탈피 강하는 압축된 초임계 유체를 수용하게 커플링된 유입구를 가지며 유출구를 갖는 팽창기에 의해서 기계적 에너지로 변환된다. 블록 (2508) 에서, 전기가 팽창기에 커플링된 발전기에 의해서 제 1 전력 출력 레벨로 생성된다. 블록 (2510) 에서, 압축기 유입구 압력이 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관된다. 블록 (2512) 에서, 압축기 유입구 압력이, 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 압축기 유입구 압력 간의 확립된 상관관계에 응답하여서 제 2 압축기 유입구 압력으로 제어된다. 블록 (2514) 에서, 압축기 유입구 압력을 제 2 압축기 유입구 압력으로 제어하는 것에 응답하여서 제 2 전력 출력 레벨에서 전기가 생성된다. 방법 (2500) 은 블록 (2516) 에서 중지된다.
도 25b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 블록 (2510) 에서 압축기 유입구 압력을 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관시키는 것은 블록 (2518) 에서 발전기의 전력 출력과 연관된 압축기 유입구 압력을 포함하는 엔트리들을 갖는 룩업 테이블을 액세스하는 것을 포함할 수 있다.
도 25c를 참조하면, 일부 실시예들에서, 블록 (2510) 에서 압축기 유입구 압력을 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관시키는 것은, 블록 (2520) 에서 발전기에 요청된 전력 출력에 대한 압축기 유입구 압력의 피팅 (예를 들어서, 곡선 피팅) 을 입력하는 것을 포함할 수 있다.
도 25d를 참조하면, 일부 실시예들에서, 블록 (2512) 에서 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 압축기 유입구 압력을 상관시키는 것에 응답하여서 압축기 유입구 압력을 제 2 압축기 유입구 압력으로 제어하는 것은, 블록 (2522) 에서 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 압축기 유입구 압력을 상관시키는 것에 응답하여서 압축기 유출구와 팽창기 유입구 간으로 그리고 팽창기 유출구와 압축기 유입구 간으로 유체적으로 연통하게 초임계 유체를 갖는 저장부를 동작적으로 커플링하는 것 (operatively coupling) 을 포함할 수 있다.
도 25e를 참조하면, 일부 실시예들에서, 블록 (2512) 에서 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 압축기 유입구 압력을 상관시키는 것에 응답하여서 압축기 유입구 압력을 제 2 압축기 유입구 압력으로 제어하는 것은, 블록 (2524) 에서 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 압축기 유입구 압력을 상관시키는 것에 응답하여서, 초임계 유체를 압축기 유출구 및 팽창기 유입구 간의 파이핑 컴포넌트로부터 저장부로 전달하는 동작 및 초임계 유체를 저장부로부터 팽창기 유출구 및 압축기 유입구 간의 파이핑 컴포넌트로 전달하는 동작으로부터 선택된 적어도 하나의 동작을 수행하는 것을 포함할 수 있다.
도 25f를 참조하면, 일부 실시예들에서, 저장부 내에서의 초임계 유체의 온도는 블록 (2526) 에서 변화될 수 있다.
본원과 동시에 출원된 다음의 미국 특허 출원들은 본 명세서에서 참조로서 인용된다: 미국 특허 출원 번호 13/843,033 "MODULAR POWER INFRASTRUCTURE NETWORK, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS" (변호사 문서 번호 87255.8001US1) 및 미국 특허 출원 번호 13/843,517 "Thermodynamic Cycle with Compressor Recuperation, And Associated Systems And Methods" (변호사 문서 번호 87255.8003US).
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.

Claims (27)

  1. 발전 시스템 내의 발전기의 부분적 부하를 제어하기 위한 부분 부하 제어 시스템으로서,
    상기 발전 시스템은 초임계 유체를 사용하여서 열역학 사이클을 실행하도록 동작하며 적어도, 유입구 및 유출구를 가지며 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 1 압축기, 및 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링된 유입구를 가지며 유출구를 가지며 초임계 유체의 엔탈피 강하 (enthalpy drop) 를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된 팽창기, 및 상기 팽창기에 커플링된 발전기를 포함하며,
    상기 부분 부하 제어 시스템은,
    발전기에 요청된 전력 출력의 레벨에 응답하여서 압축기 유입구 압력을 제어하도록 구성된 제어기 시스템; 및
    초임계 유체를 가지며, 상기 제어기 시스템에 응답하는 저장부 (reservoir) 로서, 상기 저장부는 상기 압축기 유출구와 상기 팽창기 유입구 간으로 그리고 상기 팽창기 유출구와 상기 압축기 유입구 간으로 상기 발전 시스템과 유체적으로 연통하는, 상기 저장부를 포함하는, 부분 부하 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기 시스템은 상기 압축기 유입구 압력을 상기 발전기에 요청된 전력 출력과 상관시키도록 구성된 컴퓨터 프로세싱 컴포넌트를 포함하는, 부분 부하 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 프로세싱 컴포넌트는 상기 발전기의 전력 출력과 연관된 압축기 유입구 압력을 포함하는 엔트리들을 갖는 룩업 테이블, 및 상기 발전기에 요청된 전력 출력에 대한 상기 압축기 유입구 압력의 피팅 (fit) 중 적어도 하나를 구현하도록 구성되는, 부분 부하 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기 시스템은 복수의 파라미터들을 모니터링하도록 구성되며,
    상기 복수의 파라미터들은,
    상기 저장부 내에서의 초임계 유체의 온도, 압축기 유출구와 팽창기 유입구 간에서의 초임계 유체의 온도, 및 팽창기 유출구와 압축기 유입구 간에서의 초임계 유체의 온도;
    상기 저장부 내에서의 초임계 유체의 압력, 압축기 유출구와 팽창기 유입구 간에서의 초임계 유체의 압력, 및 팽창기 유출구와 압축기 유입구 간에서의 초임계 유체의 압력;
    상기 발전기에 요청된 전력 출력; 및
    상기 발전기로부터의 실제 전력 출력을 포함하는, 부분 부하 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장부는 상기 저장부 내에 배치된 열 교환기를 포함하며,
    상기 열 교환기는 상기 제어기 시스템에 응답하여서 동작가능한, 부분 부하 제어 시스템.
  6. 시스템으로서,
    발전 시스템 및 부분 부하 제어 시스템을 포함하고,
    상기 발전 시스템은 초임계 유체를 사용하여서 열역학 사이클을 실행하도록 동작하며,
    상기 발전 시스템은,
    유입구 및 유출구를 가지며 초임계 유체를 압축하도록 구성된 적어도 제 1 압축기;
    상기 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링된 유입구를 가지며 유출구를 가지며 초임계 유체의 엔탈피 강하 (drop) 를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된 팽창기; 및
    상기 팽창기에 커플링된 발전기를 포함하며,
    상기 부분 부하 제어 시스템은 상기 발전기의 부분적 부하를 제어하도록 구성되며,
    상기 부분 부하 제어 시스템은,
    상기 발전기의 요청된 전력 출력의 레벨에 응답하여서 압축기 유입구 압력을 제어하도록 구성된 제어기 시스템; 및
    초임계 유체를 갖는 저장부를 포함하며,
    상기 저장부는 상기 제어기 시스템에 응답하고, 압축기 유출구와 팽창기 유입구 간으로 그리고 팽창기 유출구와 압축기 유입구 간으로 유체적으로 연통하도록 동작적으로 커플링가능한, 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기 시스템은 상기 압축기 유입구 압력을 상기 발전기에 요청된 전력 출력과 상관시키도록 구성된 컴퓨터 프로세싱 컴포넌트를 포함하는, 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 프로세싱 컴포넌트는 상기 발전기의 전력 출력과 연관된 압축기 유입구 압력을 포함하는 엔트리들을 갖는 룩업 테이블, 및 상기 발전기에 요청된 전력 출력에 대한 상기 압축기 유입구 압력의 피팅 (fit) 중 적어도 하나를 구현하도록 구성되는, 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어기 시스템은 복수의 파라미터들을 모니터링하도록 구성되며,
    상기 복수의 파라미터들은,
    상기 저장부 내에서의 초임계 유체의 온도, 압축기 유출구와 팽창기 유입구 간에서의 초임계 유체의 온도, 및 팽창기 유출구와 압축기 유입구 간에서의 초임계 유체의 온도;
    상기 저장부 내에서의 초임계 유체의 압력, 압축기 유출구와 팽창기 유입구 간에서의 초임계 유체의 압력, 및 팽창기 유출구와 압축기 유입구 간에서의 초임계 유체의 압력;
    상기 발전기에 요청된 전력 출력; 및
    상기 발전기로부터의 실제 전력 출력을 포함하는, 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 압축기 유입구는 제 1 압력을 가지며,
    상기 압축기 유출구는 상기 제 1 압력보다 높은 제 2 압력을 가지며,
    상기 저장부는 상기 제 1 압력과 상기 제 2 압력 간의 제 3 압력을 갖는, 시스템.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 부분 부하 제어 시스템은,
    상기 압축기 유출구와 상기 팽창기 유입구 간의 파이핑 (piping) 컴포넌트와 상기 저장부 간에 배치된 제 1 격리 밸브; 및
    상기 팽창기 유출구와 상기 압축기 유입구 간의 파이핑 컴포넌트와 상기 저장부 간에 배치된 제 2 격리 밸브를 포함하고,
    상기 제 1 격리 밸브 및 상기 제 2 격리 밸브는 상기 제어기 시스템에 응답하여서 동작가능한, 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 팽창기로부터의 팽창된 초임계 유체를 냉각시키고 상기 냉각된 초임계 유체를 상기 압축기에 제공하도록 구성된 냉각기를 더 포함하며,
    상기 제 2 격리 밸브는 상기 냉각기의 유입구에 커플링된 파이핑 컴포넌트와 상기 저장부 간에 배치된, 시스템.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 저장부는 상기 저장부 내에 배치된 열 교환기를 포함하며,
    상기 열 교환기는 상기 제어기 시스템에 응답하여서 동작가능한, 시스템.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 발전 시스템은,
    유입구 및 유출구를 가지며 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 1 압축기; 및
    상기 제 1 압축기 유입구와 병렬로 유체적으로 연통하게 커플링된 유입구를 가지며 유출구를 가지며 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 2 압축기를 포함하며,
    상기 제어기 시스템은 상기 발전기로부터의 전력 출력 레벨에 응답하여서 상기 제 1 압축기 및 상기 제 2 압축기의 유입구 압력을 제어하도록 구성되는, 시스템.
  15. 제 6 항에 있어서,
    상기 발전 시스템은,
    유입구 및 유출구를 가지며 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 1 압축기; 및
    상기 제 1 압축기 유입구와 유체적으로 연통하게 커플링된 유입구를 가지며 유출구를 가지며 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 2 압축기를 포함하며,
    상기 제어기 시스템은 상기 발전기로부터의 전력 출력 레벨에 응답하여서 상기 제 1 압축기의 유입구 압력을 제어하도록 구성되는, 시스템.
  16. 발전기의 부분적 부하를 제어하는 방법으로서,
    유입구 및 유출구를 가지며 제 1 유입구 압력을 갖는 적어도 제 1 압축기로 초임계 유체를 압축하는 단계;
    상기 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링된 유입구를 가지며 유출구를 갖는 팽창기로, 상기 초임계 유체를 팽창시키고 상기 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환시키는 단계;
    상기 팽창기에 커플링된 발전기로 제 1 전력 출력 레벨의 전기를 생성하는 단계;
    압축기 유입구 압력을 상기 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관시키는 단계;
    상기 압축기 유입구 압력을 상기 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관시키는 것에 응답하여서, 상기 압축기 유입구 압력을 제 2 압축기 유입구 압력으로 제어하는 단계; 및
    상기 압축기 유입구 압력을 상기 제 2 압축기 유입구 압력으로 제어하는 것에 응답하여서 제 2 전력 출력 레벨의 전기를 생성하는 단계를 포함하는, 부분적 부하 제어 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 압축기 유입구 압력을 상기 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관시키는 단계는 상기 발전기의 전력 출력과 연관된 압축기 유입구 압력을 포함하는 엔트리들을 갖는 룩업 테이블을 액세스하는 단계를 포함하는, 부분적 부하 제어 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 압축기 유입구 압력을 상기 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관시키는 단계는 상기 발전기에 요청된 전력 출력에 대한 상기 압축기 유입구 압력의 피팅 (fit) 을 입력하는 단계를 포함하는, 부분적 부하 제어 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 압축기 유입구 압력을 상기 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관시키는 것에 응답하여서, 상기 압축기 유입구 압력을 제 2 압축기 유입구 압력으로 제어하는 단계는,
    상기 압축기 유입구 압력을 상기 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관시키는 것에 응답하여서, 상기 압축기 유출구와 상기 팽창기 유입구 간으로 그리고 상기 팽창기 유출구와 상기 압축기 유입구 간으로 유체적으로 연통하도록 초임계 유체를 갖는 저장부를 동작적으로 커플링하는 (operatively coupling) 단계를 포함하는, 부분적 부하 제어 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 압축기 유입구 압력을 상기 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관시키는 것에 응답하여서, 상기 압축기 유입구 압력을 제 2 압축기 유입구 압력으로 제어하는 단계는,
    상기 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상기 압축기 유입구 압력을 상관시키는 것에 응답하여서, 초임계 유체를 상기 압축기 유출구와 상기 팽창기 유입구 간의 파이핑 컴포넌트로부터 상기 저장부로 전달하는 동작, 및 초임계 유체를 상기 저장부로부터 상기 팽창기 유출구와 상기 압축기 유입구 간의 파이핑 컴포넌트로 전달하는 동작으로부터 선택된 적어도 하나의 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는, 부분적 부하 제어 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 저장부 내의 초임계 유체의 온도를 변화시키는 단계를 더 포함하는, 부분적 부하 제어 방법.
  22. 시스템으로서,
    초임계 발전 모듈 및 부분 부하 제어 시스템을 포함하고,
    상기 초임계 발전 모듈은,
    유입구 및 유출구를 가지며 초임계 유체를 압축하도록 구성된 압축기;
    상기 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 복열기 (recuperator);
    상기 가열된 압축된 초임계 유체를 상기 복열기로부터 열 소스로 제공하도록 구성된 유출 경로;
    상기 가열된 압축된 초임계 유체를 상기 열 소스로부터 제공하도록 구성된 유입 경로;
    상기 가열된 압축된 초임계 유체를 상기 열 소스로부터 수용하도록 커플링된 유입구를 가지며, 유출구를 가지며, 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된 팽창기;
    상기 팽창기에 커플링된 발전기; 및
    상기 팽창기로부터의 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 상기 냉각된 초임계 유체를 상기 압축기에 제공하도록 구성된 냉각기를 포함하고,
    상기 부분 부하 제어 시스템은 상기 발전기의 부분적 부하를 제어하도록 구성되며,
    상기 부분 부하 제어 시스템은,
    상기 발전기에 요청된 전력 출력의 레벨에 응답하여서 압축기 유입구 압력을 제어하도록 구성된 제어기 시스템; 및
    초임계 유체를 갖는 저장부를 포함하며,
    상기 저장부는 상기 제어기 시스템에 응답하고, 상기 압축기 유출구와 상기 팽창기 유입구 간으로 그리고 상기 팽창기 유출구와 상기 압축기 유입구 간으로 유체적으로 연통하게 동작적으로 커플링가능한, 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    초임계 유체를 상기 초임계 발전 모듈로부터 공급하도록 구성된 초임계 유체 공급 경로; 및
    초임계 유체를 상기 초임계 발전 모듈로 복귀시키도록 구성된 초임계 유체 복귀 경로를 더 포함하는, 시스템.
  24. 시스템으로서,
    초임계 발전 모듈 및 부분 부하 제어 시스템을 포함하고,
    상기 초임계 발전 모듈은,
    초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 1 압축기;
    상기 제 1 압축기로부터의 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 1 복열기;
    상기 제 1 압축기와 병렬로 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 2 압축기;
    상기 제 1 압축기 및 상기 제 2 압축기로부터의 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 2 복열기;
    상기 가열된 압축된 초임계 유체를 상기 제 2 복열기로부터 열 소스로 제공하도록 구성된 유출 경로;
    상기 가열된 압축된 초임계 유체를 상기 열 소스로부터 제공하도록 구성된 유입 경로;
    상기 가열된 압축된 초임계 유체를 상기 열 소스로부터 수용하도록 커플링되고 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된 팽창기; 및
    상기 제 1 복열기로부터의 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 상기 냉각된 초임계 유체를 상기 제 1 압축기에 제공하도록 구성된 냉각기를 포함하고,
    상기 부분 부하 제어 시스템은 발전기의 부분적 부하를 제어하도록 구성되며,
    상기 부분 부하 제어 시스템은,
    상기 발전기에 요청된 전력 출력의 레벨에 응답하여서 제 1 압축기 유입구 압력 및 제 2 압축기 유입구 압력을 제어하도록 구성된 제어기 시스템; 및
    초임계 유체를 갖는 저장부를 포함하며,
    상기 저장부는 상기 제어기 시스템에 응답하고, 상기 제 1 압축기 유출구 및 상기 제 2 압축기 유출구와 상기 팽창기 유입구 간으로 그리고 상기 팽창기 유출구와 상기 제 1 압축기 유입구 및 상기 제 2 압축기 유입구 간으로 유체적으로 연통하게 동작적으로 커플링가능한, 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    초임계 유체를 상기 초임계 발전 모듈로부터 공급하도록 구성된 초임계 유체 공급 경로; 및
    초임계 유체를 상기 초임계 발전 모듈로 복귀시키도록 구성된 초임계 유체 복귀 경로를 더 포함하는, 시스템.
  26. 시스템으로서,
    초임계 발전 모듈 및 부분 부하 제어 시스템을 포함하고,
    상기 초임계 발전 모듈은,
    초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 1 압축기;
    상기 제 1 압축기로부터의 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 1 복열기;
    상기 제 1 복열기로부터 수용된 가열된 초임계 유체를 압축하도록 구성된 제 2 압축기;
    상기 제 2 압축기로부터의 압축된 초임계 유체를 가열하도록 구성된 제 2 복열기;
    상기 가열된 압축된 초임계 유체를 상기 제 2 복열기로부터 열 소스로 제공하도록 구성된 유출 경로;
    상기 가열된 압축된 초임계 유체를 상기 열 소스로부터 제공하도록 구성된 유입 경로;
    상기 가열된 압축된 초임계 유체를 상기 열 소스로부터 수용하도록 커플링되고 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환시키도록 구성된 팽창기; 및
    상기 제 1 복열기로부터의 팽창된 초임계 유체를 냉각하고 상기 냉각된 초임계 유체를 상기 제 1 압축기에 제공하도록 구성된 냉각기를 포함하고,
    상기 부분 부하 제어 시스템은 발전기의 부분적 부하를 제어하도록 구성되며,
    상기 부분 부하 제어 시스템은,
    상기 발전기에 요청된 전력 출력의 레벨에 응답하여서 압축기 유입구 압력을 제어하도록 구성된 제어기 시스템; 및
    초임계 유체를 갖는 저장부를 포함하며,
    상기 저장부는 상기 제어기 시스템에 응답하고, 상기 제 2 압축기 유출구와 상기 팽창기 유입구 간으로 그리고 상기 팽창기 유출구와 상기 제 1 압축기 유입구 간으로 유체적으로 연통하게 동작적으로 커플링가능한, 시스템.
  27. 발전기의 부분적 부하를 제어하는 시스템으로서,
    인스트럭션들을 갖는 컴퓨터 판독가능한 매체를 갖는 제어기를 포함하며,
    상기 인스트럭션들은 실행될 시에,
    유입구 및 유출구를 가지며 제 1 유입구 압력을 갖는 적어도 제 1 압축기로 초임계 유체를 압축하는 동작을 지시하며,
    상기 압축된 초임계 유체를 수용하도록 커플링된 유입구를 가지며 유출구를 갖는 팽창기로, 상기 초임계 유체를 팽창시키고 상기 초임계 유체의 엔탈피 강하를 기계적 에너지로 변환시키는 동작을 지시하며,
    상기 팽창기에 커플링된 발전기로 제 1 전력 출력 레벨의 전기를 생성하는 동작을 지시하며,
    압축기 유입구 압력을 상기 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관시키는 동작을 지시하며,
    상기 압축기 유입구 압력을 상기 발전기에 요청된 제 2 전력 출력 레벨과 상관시키는 것에 응답하여서, 상기 압축기 유입구 압력을 제 2 압축기 유입구 압력으로 제어하는 동작을 지시하며,
    상기 압축기 유입구 압력을 상기 제 2 압축기 유입구 압력으로 제어하는 것에 응답하여서 제 2 전력 출력 레벨의 전기를 생성하는 동작을 지시하는, 부분적 부하 제어 시스템.
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