KR20150107849A - 2개의 밀폐된 루프들 내에서 작동하는 시스템 - Google Patents

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Abstract

복합 사이클 이중 밀폐 루프 발전 시스템(combined cycle dual closed loop electric generating system)은 가스터빈 조립체(gas turbine assembly)(연소챔버, 컴프레서, 제1펌프, 제1구동샤프트, 가스터빈 및 제1발전기를 포함함)와 스팀터빈 조립체(제2펌프, 제2구동샤프트, 스팀터빈 및 제2발전기를 포함함)를 포함한다. 가스터빈 조립체 및 제1열교환기를 통해 작동유체(working fluid)의 제1부분이 순환된다. 스팀터빈 조립체 및 제1열교환기를 통해 작동유체의 제2부분이 순환된다. 제1열교환기는 가스터빈 루프로부터 제1열에너지를 스팀터빈 루프로 전달한다. 가스터빈 조립체는 전기 아웃풋(electric output)의 제1부분을 발생시킨다. 스팀터빈 조립체는 전기 아웃풋의 제2부분을 발생시킨다.

Description

2개의 밀폐된 루프들 내에서 작동하는 시스템{COMBINED BRAYTON/RANKINE CYCLE GAS AND STEAM TURBINE GENERATING SYSTEM OPERATED IN TWO CLOSED LOOPS}
본 개시는 일반적으로, 향상된 지하수 또는 뜨거운 지열 유체들로부터 2개의 밀폐 루프들 내에서 작동하며, 가스터빈 내에서는 공기와 화석 연료 대신에 수소 및 산소만을 연소시키는 복합 브레이톤/랭킨 사이클 가스 및 스팀 터빈 발전 시스템(combined Brayton/Rankine cycle gas and steam turbine generating system)에 관한 것이다.
전통적 복합 사이클 가스터빈 파워 플랜트는, 소비자에게 전기를 공급하기 위해 분배 그리드(distribution grid)로 공급되는 전기를 생산하는 터빈 발전기들을 작동시키기 위한 스팀을 생산하게끔, 작동유체, 일반적으로 급수(feed water)를 가열시키기 위해 공기와 연소되는 천연가스나 여타 탄화수소 기반이나 화석 연료들을 이용하여 작동된다. 이러한 플랜트들은, 폐열을 생성하는데, 이 폐열은 통상적으로 냉각탑, 라디에이터, 히트싱크, 응축조 등에서 소산되어야 한다. 폐열이 어떤 방법으로 작동유체에 전달되거나 가열시스템들과 같은 여타의 용도들로 유도될 수 있더라도, 이러한 경감 기술(mitigating techniques)로는 비효율성을 줄이는 데 부분적으로만 도움이 될 뿐이다. 터빈들을 사용하여 전기를 발생시키는 데 있어서, 알려진 여타 비효율성으로는, 산화제로 공기를 사용하는 제약, 시스템 내의 열전달 작동유체 및 연소공기로 소산시켜야 하는 시스템 부분들에서의 손실들 등이 포함된다.
화석 연료로 작동되는 발전 플랜트들은 또한, 공기 오염을 야기시키는 화합물들, 주로 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2), 일산화질소(NO), 그리고 다이옥신, 수은, 비산재(fly ash) 및 여타 미립자들과 같은 물질들을 상당히 방출하는 것으로 알려졌다. 또한 석유, 석탄 및, "합성가스(synthesis gas)"나 소위 바이오디젤을 포함하는 합성화합물을 사용하는 것은 대규모의 채광, 프로세싱, 운송 시설들 및 운용들을 필요로 하며, 이는 대규모 자본의 투자, 재생가능하지 않은 자원(non-renewable resources)의 상당한 사용을 요구하며, 심지어 심각한 환경오염을 야기하는 것으로 알려저 있다.
대부분의 전통적 파워 플랜트들은 개방 루프 사이클에서 작동된다. 예컨대, 탄화수소 연료들로 작동하는 보일러에 의해 물이 가열되어 스팀을 제공하여서 터빈을 구동시키고 결국 전기를 생산하기 위한 발전기를 구동시킨다. 터빈으로부터 배출되는 사용된 스팀에는 폐열이 포함되어 있는데, 이 폐열은 히팅 플랜트에 사용될 수도 있고, 열을 소산시키기 위한 저장소나 냉각탑으로 유도될 수 있지만, 시스템의 인풋(input)으로 다시 재순환되지는 않는다.
전형적인 밀폐 루프 시스템은, 기름 연소 엔진을 위해 1870년 조지 브레이톤(George Brayton)에 의해 처음 설명된 브레이톤 사이클이다. 밀폐 루프 시스템의 특징은, 그 시스템 내에서 에너지는 그 주변과 교환될 수 있지만(시스템 경계를 넘어서), 시스템 내의 질량은 일정하게 남아 있는, 즉 질량은 시스템 주변과 교환되지 않고 또는 시스템 경계를 넘어서지 못하는 시스템이라는 것이다. 브레이톤 사이클에서, 가장 흔히 구현된 시스템은, 터빈을 사용하여 연소 부분 내에서 가열된 압축공기가 터빈 내에서 팽창되면서 터빈의 출력 샤프트를 회전시켜, 그에 연결된 발전기를 구동시키는 것이다. 터빈으로부터의 배출공기는 열교환기를 거쳐 컴프레서의 인풋으로 피드백 된다. 작동유체인 공기가 인풋으로 복귀되기 때문에 시스템 내에서의 질량의 순 변화(net change)는 제로(이상적인 밀폐 루프에서)인 반면, 인풋으로 복귀되는 에너지는, 시스템에서 전기로 전환된 열의 양과, 시스템 손실로 인해 주변에 넘겨준 열의 양만큼 줄어들게 될 것이다.
이러한 시스템에서 손실되는 열을 회수하기 위해 많은 방법들이 고안되었다. 한 방법에서, 배출 측으로부터의 열을 상기 연소 부분으로 가는 압축공기에 열을 전달하기 위해 재생기(regenerator)를 사용한다. 직렬로 작동하는 2개의 컴프레서와 함께 인터쿨러(intercooler)를 사용하여, 제1컴프레서로부터의 가스 아웃풋을, 이것이 제2컴프레서로 들어가기 전에 냉각시키는 방법도 있다. 이러한 냉각으로 인해 압축공기의 밀도가 커지고 이에 따라 압축비가 향상된다. 리히팅(reheating)이라고 불리는 제3의 기술에선, 직렬로 작동하는 2개의 터빈들에서, 제1터빈으로부터의 배출물을, 이것이 제2터빈으로 들어가기 전에 가열시킨다. 이 리히팅은 가스의 팽창비를 증가시키고 따라서 발전기에 대한 구동력을 증대시킨다.
이러한 향상 방법들 및 밀폐 루프 시스템에서의 보다 효율적인 전기 발생에 대한 잠재성에 관계없이 비효율성은 존재하게 되는데, 이는 밀폐형 루프 시스템의 유용성을 제한하게 된다. 여전히 열손실은 상당하며, 기본적 시스템에 부가되는 추가적 장치들은 복잡성 및 비용을 추가시킨다. 하지만 가스터빈은 항공기 및 원양 항해선들에 널리 사용되고 일부 파워플랜트 분야에서 사용되고 있기 때문에 새로운 것이 아니며, 전기를 발생시키는 데 가스터빈 엔진을 사용하는 것은 가스터빈 엔진의 높은 가용성 및 신뢰성 등 때문에 상당한 경제성을 제공해줄 수 있다. 기존의 시스템들에서의 비효율성을 극복하여 밀폐형 루프에서 재생가능한 에너지를 사용하여 가스터빈 엔진을 작동시키는 방법이 찾아질 수 있으면 전기발전 시스템에 대해 상당한 장래성이 주어질 것이다.
최근 산디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories)에 의해 개발된 하나의 공지된 밀폐 루프 시스템에서, 브레이톤 사이클 가스터빈은 작동유체로서, 가스터빈 엔진의 일반적인 작동유체인 공기를 초임계(supercritical) 이산화탄소(CO2)로 교체하는데, 이것은 콤팩트한 발전 시스템의 가스터빈 조립체 부분의 변환 효율(conversion efficiency)을 약 40%에서 아마도 50% 정도로 증가시킬 수 있다고 한다. 이러한 효율의 증가는, 훨씬 작은 밀도를 지닌 기체인 공기에 비해, 초임계 CO2의 큰 밀도 - 액체의 밀도와 유사 - 에 기인하는 것이다. 이 초임계 CO2는 그 큰 밀도 및 매우 높은 온도 때문에, 가스터빈에 더 많은 양의 열을 전달할 수 있어 더 많은 전기를 발생시킬 수 있다. 효율이 커짐으로 인해, 발전 시설에 대한 공간이 작아질 수 있다. 그러나 온도가 높아지는 것이 수반되어, 묽은 탄산으로 인한 가스터빈 컴포넌트들에 대한 부식의 위험이 커진다.
요약하면, 현존하는 파워 플랜트 설계는 다음을 포함하는 몇 가지 단점들을 가지고 있다. (a) 탄화수소 기반의 화석 연료로 작동되는 것인데, 이들 연료들은 재생가능하지 않을 뿐만 아니라, 연소될 때 대기 중에 다양한 생성물들을 방출하여 기후변화, 환경오염을 야기하고 인류 건강에 대해 잠재적 악영향을 미치게 된다. (b) 열을 발생시키기 위해 화석 연료를 태우는 현존의 설계는 비교적 효율이 낮아서, 재생가능하지 않은 자원들이 더 빠르게 고갈되게 된다. (c) 이러한 본래의 비효율성을 완화시키기 위해 채택된 조치들은 복잡하고, 신뢰성이 떨어지면서, 제작, 설치 및 유지보수의 비용을 증가시키는 경향이 있다. (d) 브레이톤 사이클 플랜트를 초임계 CO2로 작동시키는 것은, 그 작동 유체의 매우 높은 온도로 야기되는 부식에 의한 손상 및/또는 수명의 단축 위험이 있다.
여타 공지된 설계로는 미국 특허번호 US 제5687559호 및 제5775091호와, 독일 특허출원번호 DE 제19808119A1호가 포함된다. 그러나 본 개시는 이들을 능가하는 효율의 이득(열역학적 효율의 이득 등)을 제시해 준다.
요구되는 것은, 환경에 영향을 덜 주고 대기 오염을 줄이고, 재생가능 자원을 활용하면서 재생불가능 자원을 덜 쓰며, 실질적으로 더 높은 효율로 전기를 발생시키면서 수명이 길고, 차지하는 공간이 작고, 보다 적은 비용으로 설치되고 작동될 수 있는 발전 시스템이다.
공지된 발명들 및 특허들 어느 것도 단독적으로나 또는 조합이 되면서, 청구하는 바와 같은 즉각적인 개시를 묘사하지 않은 것으로 보인다. 따라서, 단계적 가스 및 스팀 터빈 발전 시스템을 향상된 지하수 또는 지열유체로 밀폐 루프 내에서 작동시키고, 가스터빈 조립체(118)에서 공기와 화석 연료 대신에 수소 및 산소만을 연소시키는 것이 매우 유리할 것이다.
시스템 및 방법에 대해 개시된다.
복합 사이클 이중 밀폐 루프 발전 시스템(combined cycle dual closed loop electric generating system)은 가스터빈 조립체(gas turbine assembly)(연소챔버, 컴프레서, 제1펌프, 제1구동샤프트, 가스터빈 및 제1발전기를 포함함)와 스팀터빈 조립체(제2펌프, 제2구동샤프트, 스팀터빈 및 제2발전기를 포함함)를 포함한다. 상기 가스터빈 조립체 및 제1열교환기를 통해 작동유체(working fluid)의 제1부분이 순환된다. 상기 스팀터빈 조립체 및 상기 제1열교환기를 통해 작동유체의 제2부분이 순환된다. 상기 제1열교환기는 가스터빈 루프로부터 제1열에너지를 스팀터빈 루프로 전달한다. 상기 가스터빈 조립체는 전기 아웃풋(electric output)의 제1부분을 발생시킨다. 상기 스팀터빈 조립체는 상기 전기 아웃풋의 제2부분을 발생시킨다.
복합 사이클 이중 밀폐 루프 발전 시스템을 사용하는 방법은, H2 및 O2의 일부를 연소시켜 가스터빈 조립체로 전기 아웃풋의 제1부분을 발생시키는 단계; 가스터빈 루프를 통해 작동유체의 제1부분을 순환시키고, 스팀터빈 루프를 통해 상기 작동유체의 제2부분을 순환시키는 단계; 제1열교환기를 이용하여 상기 가스터빈 루프로부터의 제1열에너지로 상기 스팀터빈 루프를 가열시키는 단계; 상기 작동유체의 상기 제2부분을 상기 스팀터빈 조립체 내로 이송시키는 단계; 및, 상기 스팀터빈 조립체로 상기 전기 아웃풋의 제2부분을 발생시키는 단계;를 포함한다. 상기 가스터빈 조립체는 연소챔버, 컴프레서, 제1펌프, 제1구동샤프트, 가스터빈 및 제1발전기를 포함한다. 상기 스팀터빈 조립체는 제2펌프, 제2구동샤프트, 스팀터빈 및 제2발전기를 포함한다. 상기 가스터빈 루프는 작동유체의 제1부분을 유지하고 이송할 수 있다. 상기 스팀터빈 루프는 상기 작동유체의 제2부분을 유지하고 이송할 수 있다. 2개의 밀폐 루프들은 상기 가스터빈 루프 및 상기 스팀터빈 루프를 포함한다. 상기 작동유체는 상기 2개의 밀폐 루프들 내 여러 스테이지들에서 액체 및 증기를 포함한다. 상기 작동유체의 상기 제1부분은 상기 가스터빈 조립체 및 제1열교환기를 통해 순환한다. 상기 작동유체의 상기 제2부분은 상기 스팀터빈 조립체 및 상기 제1열교환기를 통해 순환한다. 상기 제1열교환기는 상기 가스터빈 루프로부터 상기 제1열에너지를 상기 스팀터빈 루프로 전달한다.
도 1은 이중 밀폐 루프 발전 시스템에 대한, 간략화된 블록 발전 시스템 다이어그램이다.
도 2a 및 2b는 제각기 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템을 사용하는 제1방법 및 제2방법을 보여주는 도면이다.
도 3a 및 3b는 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템에 대한 2가지 상세 실시예들을 보여주는 도면들이다.
도 3a는 상세 블록 발전 시스템 다이어그램이다.
도 3b는 상세 블록 발전 시스템 다이어그램이다.
도 4a, 4b, 4c및 4d는 상기 간략화된 블록 발전 시스템 다이어그램의 상세한 부분들을 보여주는 도면들이다.
도 4a는 전기 인풋에 대한 상세 도면이다.
도 4b는 가스터빈 조립체에 대한 상세 도면이다.
도 4c는 스팀터빈 조립체에 대한 상세 도면이다.
도 4d는 전기 아웃풋에 대한 상세 도면이다.
도 5a, 5b, 및 5c는 마켓 로드 차트(market load chart)를 보여주는 도면들이다.
도 5a는 마켓 로드 예측 및 실제 마켓 로드가 나타난 마켓 로드 차트이다.
도 5b는 상기 실제 마켓 로드만 나타난 마켓 로드 차트이다.
도 5c는 상기 마켓 로드 예측이 있는 마켓 로드 차트이다.
도 6은 리소스 모델 차트(resource model chart)이다.
도 7은 베이스 로드 시나리오 차트(base load scenario chart)이다.
여기에 기술된 내용은, 향상된 지하수 또는 뜨거운 지열 유체로 2개의 밀폐 루프에서 작동되는 복합 브레이튼/랭킨 사이클의 가스 및 스팀터빈 발전 시스템인데, 가스터빈 조립체(118)에서는 공기와 화석연료 대신에 수소 및 산소만을 연소시킨다. 이하에서 기술된 내용은 당업자들이 본 발명에 대해 구현하고 활용할 수 있도록 제시되었고, 아래의 특정 예들을 통해 제공되었으며, 그들의 변형에 대해 당업자들은 쉽게 알 수 있을 것이다. 본 명세서에서는 간결함을 위해 실제로 실행되는 것의 모든 특징들이 기술되지는 않았다. 이러한 실제 실행의 개발에 있어서(개발 프로젝트에 있어서와 같이), 설계사항들은 설계자의 특정 목표를 달성하기 위해 결정되어야 할 것이며(예컨대 시스템 및 사업상의 조건을 만족시키기 위해), 이러한 목표들은 하나의 실행으로부터 다른 실행에 걸쳐 달라질 것이다. 또한 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간이 많이 소요될 것이지만, 본 개시의 이점을 가지는 분야에서의 당업자들에게는 통상적인 일일 것이다. 따라서, 여기에 첨부된 청구항들은 개시된 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라, 본 발명의 원리 및 특징들에 따라 가장 넓은 범위로 해석되어야 할 것이다.
도면들에는 본 개시의 주요 특징들이 나타나 있으며, 작동적 조합을 형성하는 구조적 특징들을 지칭하는 참조부호들이 도시되어 있다. 시그널들을 위한 컨덕터들(conductors), 유체들 등의 인풋들 및 아웃풋들은 다음과 같이 표시되었다. 인풋은 컴포넌트(component)의 심볼로 향하는 화살촉으로 표시되어 있고, 아웃풋은 컴포넌트의 심볼과 접하는 선으로 표시되고, 선의 반대편에 있는 원으로 연장되게 표시되어 있다. 주요 컴포넌트들의 예들은 예시적으로 1메가와트 내지 35 메가와트 용량의 적정 규모의 발전 플랜트에 대해 도시되었다. 여타 발전 용량에 대해선 적절히 규모가 조정된 컴포넌트들이 활용될 수 있다. 달리 명시되지 않는 한, 컴포넌트들 사이에 2 pt. 선들은 상응되는 인풋들 및 아웃풋들을 지닌 도관들을 나타낸다. 당업자는 컴포넌트들 사이의 연결을 위해 적정한 도관을 충분히 선정할 수 있을 것이다. 전기 전송 선들을 표시하기 위해, 전력 흐름의 방향을 나타내기 위해 사용된 화살촉과 함께 파선들이 사용되었다.
도 1에는 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)의 간략화된 블록 발전 시스템 다이아그램(100)이 도시되어 있다. 간략화된 블록 발전 시스템 다이아그램(100)은 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)의 미니말리스틱 버전(minimalistic version)을 나타내며, 도 1에 도시된 많은 엘리먼트들에 대해선 아래에서 좀 더 상세히 설명될 것이다.
일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 전기 인풋(102), 가스터빈 루프(103a), 스팀터빈 루프(103b), 물 인풋(104), 전기 아웃풋(106), 열교환기(111), 전해조(electrolyzer)(112), 분리기 조립체(separator assembly)(113), 가스터빈 조립체(118), H2 저장탱크(120), O2 저장탱크(122), 스팀터빈 조립체(140), 다수의 도관들(conduits), 작동유체들, 제2펌프(160b) 및 제1펌프(160a)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 가스터빈 루프(103a) 및 상기 스팀터빈 루프(103b)는 각기, 상기 작동유체들(상기 물 인풋(104)에 의해 공급될 수 있음)을 상기 가스터빈 조립체(118) 및 상기 스팀터빈 조립체(140)를 통해 상기 작동유체가 서로 간에 혼합되지 않게 이송하는 밀폐 루프 시스템을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스터빈 루프(103a) 및 상기 스팀터빈 루프(103b)는 함께 2개의 밀폐 루프들로 칭해질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 가스터빈 루프(103a)는 상기 작동유체의 제1부분을 포함할 수 있고, 상기 스팀터빈 루프(103b)는 상기 작동유체의 제2부분을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 작동유체의 상기 제1부분 및 제2부분은 물 폴리셔(water polisher) 및 부식억제기(rust inhibitor) 내로 들어갈 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)에서 보이는 엘리먼트들은, 숫자 180과 뒤에 문자가 붙은 참조부호가 매겨진 다수의 도관들에 의해 연결될 수 있다. 예컨대, 상기 다수의 도관들은 제1도관(180a), 제2도관(180b), 제3도관(180c), 제4도관(180d), 제5도관(180e), 제6도관(180f), 제7도관(180g), 제8도관(180h), 제9도관(180k), 제10도관(180m), 제11도관(180n), 제12도관(180p), 제13도관(180q), 제14도관(180r), 제15도관(180t), 제16도관(180w), 제17도관(180x), 제18도관(180y) 및 제19도관(180z)을 포함할 수 있다.
상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)에서의 다수의 작동유체들은, 숫자 123과 뒤에 문자가 붙은 참조부호가 매겨져 있다. 예컨대, 상기 다수의 작동유체들은 제1작동유체(123a), 제2작동유체(123b), 제3작동유체(123c), 제4작동유체(123d), 제5작동유체(123e), 제6작동유체(123f), 제7작동유체(123g), 제8작동유체(123h), 제9작동유체(123k), 제10작동유체(123m), 제11작동유체(123n), 제12작동유체(123p), 제13작동유체(123q), 제14작동유체(123r) 및 제15작동유체(123t)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스터빈 루프(103a)는, 상기 제1작동유체(123a)(실질적으로 증기를 포함할 수 있음)를 상기 가스터빈 조립체(118)로부터 상기 열교환기(111)로 운송하는 상기 제1도관(180a)과, 상기 제2작동유체(123b)(실질적으로 증기 및 액체를 포함할 수 있음)를 상기 열교환기(111)로부터 상기 분리기 조립체(113)로 운송하는 상기 제2도관(180b)과, 상기 제2작동유체(123b)를 상기 제3작동유체(123c)(실질적으로 증기 부분을 포함함) 및 제4직동유체(123d)(실질적으로 액체 부분을 포함함)로 분리시키는 상기 분리기 조립체(113)와, 상기 제4작동유체(123d)를 상기 분리기 조립체(113)로부터 상기 제1펌프(160a)를 거쳐 상기 가스터빈 조립체(118)로 운송하는 상기 제4도관(180d)과, 상기 제5작동유체(123e)를 상기 분리기 조립체(113)로부터 상기 가스터빈 조립체(118)로 운송하는 상기 제5도관(180d)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1펌프(160a)는 가스터빈 조립체(118) 및 분리기 조립체(113) 사이의 상기 제4작동유체(123d)의 유량을 조절할 수 있다.
이와 유사하게 일 실시예에서, 상기 스팀터빈 루프(103b)는 상기 제5작동유체(123e)를 상기 스팀터빈 조립체(140)로부터 상기 열교환기(111)로 운송하는 상기 제5도관(180e)과, 상기 제6작동유체(123f)를 상기 열교환기(111)로부터 상기 스팀터빈 조립체(140)로 운송하는 상기 제6도관(180f)과, 상기 제5작동유체(123e)의 유량을 조절하는 상기 제2펌프(160b)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전해조(112)는 상기 전기 인풋(102) 및 상기 물 인풋(104)를 받아서 H2(114) 및 O2(116)을 발생시킬 수 있는데, 이들 H2(114) 및 O2(116)는 제각기 상기 H2 저장탱크(120) 및 O2 저장탱크(122)에 저장될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제15도관(180t)은 상기 물 인풋(104)의 제15작동유체(123t)를 상기 전해조(112)로 운송할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제16 도관(180w)은 상기 H2(114)를 상기 전해조(112)로부터 상기 H2 저장탱크(120)로 운송할 수 있으며, 제18 도관(180y)은 상기 H2(114)를 상기 H2 저장탱크(120)로부터 상기 가스터빈 조립체(118)로 운송할 수 있다. 이와 유사하게 일 실시예에서, 상기 제18 도관(180y)은 상기 O2(116)를 상기 전해조(112)로부터 상기 O2 저장탱크(122)로 운송할 수 있으며, 제19 도관(180z)은 상기 O2(116)를 상기 전해조(112)로부터 상기 가스터빈 조립체(118)로 운송할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프발전 시스템(101)은, 상기 H2(114) 및/또는 상기 O2(116)의 저장이 필요 없는 경우에는 H2 저장탱크(120) 및/또는 상기 O2 저장탱크(122)를 우회할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스터빈 조립체(118)는 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)의 일부를 연소시킬 수 있으며, 상기 전기 아웃풋(106)의 제1부분(106a)을 발생시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 가스터빈 조립체(118)는 상기 전기 아웃풋(106)의 제1부분(106a)을 발생시키면서 상기 제4작동유체(123d) 및 상기 제3작동유체(123c)을 가열할 수 있다. 달리 일 실시예에서, 상기 제3작동유체(123c) 및 상기 제4작동유체(123d)는, 상기 제1작동유체(123a)의 형태로 상기 가스터빈 조립체(118)를 빠져나올 때보다 낮은 온도로 상기 가스터빈 조립체(118)로 들어갈 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 전력을 받고 분배 그리드(105)에 전력을 보낼 수 있다. 일 실시예에서, 상기 분배 그리드(105)는, 풍력 및 태양 발전, 전통적 발전 및/또는 당업자에게 공지된 바와 유사한 발전 장비를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열교환기(111)는 상기 제2작동유체(123b)를 냉각시킬 수 있다. 이리하여 일 실시예에서, 상기 제2작동유체(123b)는 상기 제1작동유체(123a)보다 온도가 낮을 수 있다. 따라서 상기 열교환기(111)는 상기 가스터빈 루프(103a)로부터 상기 스팀터빈 루프(103b)로 열을 전달하는 역할을 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제6작동유체(123f)는, 상기 제5작동유체(123e)로 상기 스팀터빈 조립체(140)를 빠져나올 때보다 높은 온도로 상기 스팀터빈 조립체(140)로 들어갈 수 있다. 이와 유사하게 일 실시예에서, 상기 열교환기(111)는 앞에서 논의한 바와 같이 상기 스팀터빈 루프(103b)를 재가열하는 데 사용될 수 있다. 달리 일 실시예에서, 상기 열교환기(111)는 상기 가스터빈 루프(103a)로부터 상기 스팀터빈 루프(103b)로 열에너지를 전달하는 역할을 할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 스팀터빈 조립체(140)는 상기 제1열에너지를 이용하여 제2부분(106b)를 발생시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스터빈 조립체(118) 및 상기 스팀터빈 조립체(140)는 전력을 생산하기 위해 다수의 발전기들(제1발전기(119) 및 제2발전기(142)를 포함함)을 구동시킬 수 있으며, 바람직한 실시예에서, 이러한 생산은 탄소 기반의 배기가스 방출 없이 이루어진다.
일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은, 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)가 다른 소스에 의해 공급되는 경우, 전해조(112) 없이 작동될 수 있다. 예컨대 일 실시예에서, 상기 H2(114)는 정제소 또는 공장으로부터 공급될 수 있고 상기 O2(116)는 상기 전해조(112)와 관계없는 수단에 의해 제공될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 제각기, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)를 이용하는 제1방법(200) 및 제2방법(210)을 보여준다.
도 2a에 대해, 일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)을 이용하는 상기 제1방법(200)은, 상기 전기 인풋(102) 및 상기 물 인풋(104)을 받아들이는 제1단계(202)와, 상기 물 인풋(104)을 상기 전해조(112)로 전해하는 제2단계(204)와, 상기 전해조(112)로 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)를 발생시키는 제3단계(206)와, 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)의 일부를 연소시킴으로써 상기 가스터빈 조립체(118)로 상기 전기 아웃풋(106)의 상기 제1부분(106a)을 발생시키는 제4단계(208)를 포함할 수 있다.
도 2b에 대해, 일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)을 이용하는 상기 제2방법(210)은 상기 제1방법(200)의 단게들을 포함하면서, 추가로, 상기 가스터빈 루프(103a)를 통해 상기 작동유체의 제1부분을 순환시키고 상기 스팀터빈 루프(103b)를 통해 상기 작동유체의 제2부분을 순환시키는 제5단계(212)와, 상기 열교환기(111)를 통해 상기 가스터빈 루프(103a)로부터의 상기 제1열에너지로 상기 스팀터빈 루프(103b)를 가열하는 제6단계(214)와, 상기 작동유체의 제2부분을 상기 스팀터빈 조립체(140) 내로 보내는 제7단계(216)와, 상기 스팀터빈 조립체(140)로 상기 전기 아웃풋(106)의 제2부분(106b)를 발생시키는 제8단계(218)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 작동유체의 상기 제1부분은 상기 제1작동유체(123a), 상기 제2작동유체(123b), 상기 제3작동유체(123c) 및 상기 제4작동유체(123d)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 작동유체의 상기 제2부분은 상기 제5작동유체(123e) 및 상기 제6작동유체(123f)를 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)에 대한 2개의 상세한 실시예들을 보여준다. 비교해보면, 도 3a 및 도 3b에는 도 1에 반해 추가적인 상세 내용들이 도시되어 있다. 예컨대 일 실시예에서, 상기 간략화된 블록 발전 시스템 다이아그램(100)의 상기 열교환기(111)는 제1열교환기(111a) 및 제2열교환기(111b)로 나눠져 있다. 보일러(124)(도 3b), 컨덴서 조립체(128) 및 분리기(302)와 같은 부가적인 엘리먼트들이 추가되어 있다.
도 3a는 상세한 블록 발전 시스템 다이아그램(300)을 보여준다. 상기 상세한 블록 발전 시스템 다이아그램(300)은 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)의 바람직한 실시예를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 가스터빈 조립체(118)는 제17도관(180x)을 통해 H2(114)를 받고, 제19도관(180z)을 통해 O2(116)를 받고, 제3도관(180c)을 통해 제3작동유체(123c)를 받고, 제4도관(180d)을 통해 제4작동유체(123d)를 받을 수 있다. 결과적으로 상기 가스터빈 조립체(118)는 당업계에 공지된 바와 같이, 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)의 일부를 연소시킴으로써 상기 제1부분(106a)을 발생시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1부분(106a)은 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)으로부터 하나 이상의 트랜스포머(transformer)(156)들을 통해 상기 분배 그리드(105)로 보내질 수 있다.
상기 가스터빈 루프(103a)를 보면, 일 실시예에서, 상기 분리기 조립체(113)는 상기 제2열교환기(111b) 및 상기 분리기(302)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 분리기 조립체(113)는 제2작동유체(123b)를 받아들일 수 있고(제2도관(180b)를 통해서), 제7작동유체(123g)를 받아들일 수 있다(제7도관(180g)을 통해서). 일 실시예에서, 상기 분리기 조립체(113)는 상기 제2열교환기(111b) 및 상기 분리기(302)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 분리기 조립체(113)는, 상기 제2열교환기(111b)를 이용하여 상기 제2작동유체(123b)를 제8작동유체(123h)로 냉각시킴으로써, 제8도관(180h)에서 상기 제8작동유체(123h)를 상기 분리기(302)로 유도함으로써, 상기 분리기(302)로 상기 제4작동유체(123d)로부터 상기 제3작동유체(123c)를 분리시킴으로써, 그리고 상기 분리기(302)로부터 제9작동유체(123k)를 제9도관(180k)을 통해 상기 물 아웃풋(108)으로 배출함으로써, 상기 제2작동유체(123b)로부터 액체 스트림(liquid stream)(상기 제4작동유체(123d)) 및 증기 스트림(vapor stream)(상기 제3작동유체(123c)을 분리시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제2열교환기(111b)는, 상기 물 인풋(104)으로부터 상기 제7작동유체(123g)를 받아들임으로써, 상기 제2작동유체(123b)로부터 제1열에너지를 상기 제7작동유체(123g)로 전달함으로써, 그리고 상기 제2열교환기(111b)로부터 제10작동유체(123m)를 제10도관(180m)을 통해 인젝션 웰(injection well)(110)로 배출함으로써, 상기 제2작동유체(123b)를 냉각시킨다. 일 실시예에서, 상기 제9작동유체(123k)에서 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)으로부터 배출되는 유체의 양은, 상기 전해조(112)에서 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101) 내로 들어오는 유체의 양과 실질적으로 동일하다. 비록 동시적은 아닐지라도, 이 보존의 내용은 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)가 H2O로 재결합하는 결과에 따른 것이다.
스팀터빈 루프(103b)를 보면, 일 실시예에서, 상기 제5작동유체(123e)는, 스팀터빈 조립체(140) 및 제1열교환기(111a) 사이의 컨덴서 조립체(128)에 의해 냉각될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컨덴서 조립체(128)는 상기 제5도관(180e)을 통해 상기 제5작동유체(123e)를 받아들이고 상기 물 인풋(104)으로부터 제11도관(180n)을 통해 제11작동유체(123n)를 받아들일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제11작동유체(123n)는 물을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컨덴서 조립체(128)는 상기 제5작동유체(123e)를 받아서 이를 제12작동유체(123p)로서 제12도관(180p)을 통해 제1열교환기(111a)로 배출할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컨덴서 조립체(128)는 제13작동유체(123q)를 제13도관(180q)을 통해 배출할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제1열교환기(111a)는, 상기 열교환기(111)를 설명할 때 앞에서 설명한 방식으로 상기 제12작동유체(123p)를 가열할 수 있다. 즉, 상기 제1열교환기(111a)는 상기 가스터빈 루프(103a)로부터의 제1열에너지로 상기 스팀터빈 루프(103b)를 가열할 수 있다.
열교환기(111)는 바람직하게 외부 손실은 최소로 하고 열전달은 최대로 되게끔 설계된 완전 직교류형 유닛(cross-flow unit)으로 주문 제작될 수 있다. 일 실시예에서, 인터리브된(interleaved) 수요측(demand side) 및 공급측(source side) 통로들은 제각기 가스터빈 배출 및 스팀터빈 작동유체를 수행하는 것으로 규정되고 시행된다. 마찬가지로, 분리기는 바람직하게, 터빈 배출 스트림으로부터 액체 및 증기 상태의 물질들을 효과적으로 분리시키기 적합하게끔 주문 설계될 수 있다. 보일러는 표준형일 수 있다. 발전기들은 펜실베니아 이리(Erie)의 스키너 파워시스템®(Skinner Power Systems®)이나 스위스 취리히의 아세아브라운보베리(Asea Brown Bovieri, ABB®)와 같은 제조사로부터 공급받을 수 있다. 트랜스포머들은 텍사스 휴스턴의 알리스-차머스에너지®(Allis-Chalmers Energy®) 또는 지멘스 회사(Siemens Corporation®)로부터 구할 수 있다.
도 3b는 상세 블록 발전 시스템 다이아그램(310)을 보여준다. 일 실시예에서, 상기 상세 블록 발전 시스템 다이아그램(310)은, 제6작동유체(123f)가 상기 스팀터빈 조립체(140)로 들어가기 전에 상기 제6작동유체(123f)를 가열해줄 수 있는 보일러(124)를 더 포함하는 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)의 실시예를 포함할 수 있다. 예컨대 일 실시예에서, 상기 보일러(124)는, 상기 제6작동유체(123f)를 가열할 수 있는 천연가스 인풋(312)을 받을 수 있고, 제14도관(180r) 내의 제14작동유체(123r)를 상기 스팀터빈 조립체(140)로 보낼 수 있다. 일 실시예에서, 상기 보일러(124)는 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)에 선택사항일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 천연가스 인풋(312)은, 안 그러면 플레어(flare)될 수 있는 초과분의 천연가스를 포함할 수 있다. 여기서 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 플레어 가스(flare gas)를 받아서 이를 상기 전기 아웃풋(106)으로 변환시킬 수 있으며, 이는 결국, 나중의 사용을 위해 상기 H2 저장탱크(120) 및/또는 상기 O2 저장탱크(122)를 채우기 위해 변할 수 있다.
논의된 바와 같이 일 실시예에서, 상기 보일러(124)는 상기 천연가스 인풋(312)에 의해 연료 공급받을 수 있다. 일 실시예에서, 상기 천연가스 인풋(312)은 상기 물 인풋(104)(지열 유체) 또는 어떤 여타 소스로부터 분리된 메탄(CH4)을 포함할 수 있는데, 이는 별도의 도관(미 도시)을 통해 이송될 수 있다. 지열 및 작동 유체들, 수소 및 산소 가스들, 다양한 상태의 스팀, 그리고 전기는 본 시스템의 조직 부분이 이니라 전기를 생산하기 위해 시스템에서 처리되는 작동적 소재이다.
일 실시예에서, 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)의 작동을 위한 제1열에너지의 기본 소스는, 당업계에 공지된 바와 같이, 지표면 아래에서 웰(well)과 웰을 통해 입수되는 매장물로부터 얻어지는 지하수 또는 지열 유체일 수 있다. 주로 염수로서 액체 형태의 탄화수소 또는 미네랄들을 품고 있는 다양한 유체들을 포함할 수 있는 지하수 또는 지열 유체는 상기 물 인풋(104)을 통해 본 시스템 내에 들어온다. 일 실시예에서, 상기 지열 유체는 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)를 통과해 이송되고(기 논의된 바와 같음), 냉각된 지열 유체는 나중에 상기 제10도관(180m) 및 상기 13도관(180q)을 통해 제각기 상기 인젝션 웰(110) 및 상기 물 아웃풋(108)으로 나가게 된다. 일 실시예에서, 상기 물 아웃풋(108)은 인젝션 웰 또는 지자체 용도를 포함할 수 있는데, 이는 아래에서 논의될 것이다. 달리, 냉각된 지열 유체는 나중의 프로세싱 또는 수송(미 도시)을 위해 저장될 수 있다.
지열 유체는, 지하 매장층으로부터 획득된 원자재로부터 어떤 부식성 물질 또는 원치 않는 물질들을 통상적으로 가스나 증기 형태로 분리시킨 후에, 상기 H2(114) 및 O2(116)를 생산하기 위한 프로세싱을 위해 제15도관(180t)을 통해 상기 전해조(112)로 이송될 수 있다.
도 4a, 4b, 4c 및 4d에는 상기 간략화된 블록 발전 시스템 다이아그램(100)의 상세 부분들이 도시되어 있다.
도 4a에는 상기 전기 인풋(102)의 상세 도면이 도시되어 있다. 일 실시예에서, 상기 전기 인풋(102)은 상기 분배 그리드(105)로부터의 전기적 인풋을 포함할 수 있으며, 상기 분배 그리드(105)는 전통적 발전시스템(402) 또는 풍력이나 태양 발전(404)으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 상기 전해조(112)의 작동을 위한 전기는 상기 분배 그리드(105) 또는 재생가능한 소스들(풍력이나 태양 발전(404)과 같은)로부터 공급받을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전해조(112)는, 상기 물 인풋(104)(실질적으로 H2O를 포함함)으로부터 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)를 분리시키기 위한 독립식 전해조를 포함할 수 있다. 그 다음, 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)는, 상기 스팀터빈 조립체(140)를 향상된 효율로 직접 또는 간접적으로 구동시키는 보다 높은 압력과 온도를 지닌 초임계 스팀을 생산하기 위해 가스터빈 조립체(118)에 의해 연소될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전해조(112)는 아티엠 파워 일렉트로라이저(ITM Power Electrolyzer)를 포함할 수 있는데, 이는 수소 및 산소를 압력하에 생산할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 전해조(112)는, 메사추세츠주 뉴톤의 지너 일렉트로케미칼 시스템즈, 엘엘씨(Giner Electrochemical Systems, LLC,)에 의해 제작된 15 KW 유닛일 수 있는데, 이는 경량이면서 높은 고도의 항공기에서 사용하기 위한 경량의 전해조 스택이다.
일 실시예에서, 상기 전해조(112)는 미네랄이 함유된 물 소스를 필요로 할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 물 인풋(104)은 수처리 시스템(405)과 유체적으로 연결된 물(403)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 물(403)은 당업계에서 공지된 바와 같이, 지열 유체를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 수처리 시스템(405)은 상기 물(403)에서 상기 전해조(112)의 적절한 작동을 위해 필요한 정상의 미네랄들과 물은 남겨 놓고 화학물질 및 탄화수소들을 제거할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 물(403)은 상기 제11작동유체(123n) 및 상기 제7작동유체(123g)로서의 사용을 위해 상기 수처리 시스템(405)에 의해 여과되고 처리될 필요는 없다. 일 실시예에서, 상기 물(403)은 지하수 또는 지자체의 물 소스를 포함할 수 있다.
상기 전해조(112)는, 재생가능한 소스들(풍력이나 태양 발전(404)과 같은)을 포함할 수 있는 상기 분배 그리드(105)로부터, 연료전지들로부터, 또는 상기 가스터빈 조립체(118) 및 상기 스팀터빈 조립체(140) 중 하나 또는 양쪽으로부터 뽑아진 전기로 작동될 수 있다. 상기 전해조(112)로부터의 아웃풋들은 실질적으로 순수한 산소(O2(116)) 및 수소(H2(114))를 포함하는데, 이들은 각자의 도관들을 통해 각자의 저장탱크들로 이송된다. 일 실시예에서, 상기 전해조(112)는 당업계에 공지된 바와 같이, 캐소드(cathode)(미 도시) 및 아노드(anode)(미 도시)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제18도관(180y)은 상기 전해조(112) 내의 상기 캐소드와 연결될 수 있는데, 이는 상기 O2(116)를 공급한다. 마찬가지로 일 실시예에서, 상기 제16도관(180w)은 상기 전해조(112) 내의 상기 아노드와 연결될 수 있는데, 이는 상기 H2(114)를 공급한다. 일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)의 작동 중에, 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)는 상기 가스터빈 조립체(118) 내의 연소챔버(408)의 각자의 인풋 포트(input port)들(아래에서 설명되고 논의될 것임)로 이송된다.
도 4b에는 상기 가스터빈 조립체(118)의 상세 도면이 도시되어 있다. 일 실시예에서, 상기 가스터빈 조립체(118)는 제1발전기(119), 컴프레서(406), 연소챔버(408), 가스터빈(410) 및 제1제2구동샤프트(412)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컴프레서(406)는 상기 제3도관(180c)을 통해 상기 제3작동유체(123c)(증기를 포함할 수 있음)를 받을 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컴프레서(406)는 상기 제3작동유체(123c)를 압축할 수 있으며, 상기 가스터빈(410)과 연계되어 작동할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컴프레서(406)는 작동유체(414)를 만들 수 있고 상기 작동유체(414)를 제20 도관(415)를 통해 상기 연소챔버(408)로 보낼 수 있다. 일 실시예에서, 상기 연소챔버(408)는 상기 제17도관(180x)을 통해 상기 H2(114)를. 상기 제19도관(180z)을 통해 상기 O2(116)를, 상기 제20도관(415)을 통해 상기 작동유체(414)를, 상기 제4도관(180d)을 통해 상기 제4작동유체(123d)를 받을 수 있다. 일 실시예에서, 상기 연소챔버(408)는 제21작동유체(416)를 생산할 수 있으며, 이것은 제21도관(417)을 통해 상기 가스터빈(410)으로 보내질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 가스터빈(410)은 상기 제1제2구동샤프트(412)를 구동시키기 위해 상기 제21작동유체(416)를 이용할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 가스터빈(410)은 상기 제1작동유체(123a)를 포함할 수 있는 배출물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1제2구동샤프트(412)는 상기 제1발전기(119)에 회전가능하게 부착된다. 여기서 상기 가스터빈(410)은 상기 제1제2구동샤프트(412)를 구동시킬 수 있으며, 상기 제1발전기(119)는 상기 제1부분(106a)을 발생시킬 수 있으며, 이는 당업계에 공지된 바와 같다.
일 실시예에서, 상기 분리기(302)는, 상기 제3도관(180c)을 거쳐 상기 컴프레서(406)의 공기 인렛(air inlet)(419a)으로 들어오는 증기 비율 및, 상기 제4도관(180d)을 통해 상기 연소챔버(408)로(물 인젝션 포트(419b)로) 들어오는 액체 비율을 조절할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 물 인젝션 포트(419b)는 상기 연소챔버(408)의 최후방 부분에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 분리기(302)는 앞에서 논의한 바와 같이, 상기 증기를 상기 제3작동유체(123c)로 그리고 상기 액체를 상기 제4작동유체(123d)로 나눌 수 있다. 바람직한 작동 실시예에서, 상기 제3작동유체(123c)는 상기 제7작동유체(123g)의 약 25%를 포함할 수 있고, 상기 제4작동유체(123d)는 상기 제7작동유체(123g)의 잔여분을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컴프레서(406)에 의해 사용될 수 있는 상기 제3작동유체(123c)(증기를 포함함)는 상기 컴프레서(406)에 있는 공기 인렛(419a)의 체적 유량에 의해 제한될 수 있다(즉 상기 컴프레서(406)의 스톨리미트(stall limit)). 이러한 제한은 엔진의 스톨링(stalling)을 방지하기 위해 필요하다. 상기 제3작동유체(123c)의 밸런스(balance)는 상기 연소챔버(408)의 상기 물 인젝션 포트(419b)로 공급될 수 있으며, 이는 상기 연소챔버(408)의 아웃풋 근처에 있을 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 일은 T56-A 타입의 가스터빈 엔진(롤스로이스(Rolls-Royce®)에 의해 제작됨)이 사용될 때 편리하게 수행될 수 있는데, 왜냐하면 이것은 상기 컴프레서(406)의 "번캔(burn can)"의 바로 후방에 물 인젝션 포트(미 도시)가 구비되어 있기 때문이다. 거기서 작동유체(상기 물 인풋(104)의 일부를 포함할 수 있음)는 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)와 혼합되어, 상기 가스터빈(410)을 구동시키기 위해 재가열된다. 일 실시예에서, 상기 물 인젝션 포트(419b)에 공급된 작동유체는 스팀의 체적을 증가시키고, 또한 상기 스팀터빈 조립체(140)에 있는 콤포넌트들의 하나 이상의 금속학적 사양들을 만족시키는 온도로 스팀을 냉각시킨다. 일 실시예에서, 상기 작동유체 및 연소 생성물은 상기 가스터빈 조립체(118)의 배출부분에서 혼합되어 상기 제1작동유체(123a)가 된다.
일 실시예에서, 본 시스템을 위한 연소가능한 물질들(즉 상기 연소챔버(408)의 인풋들)은 상기 전해조에서 생성된 순수 H2 및 순수 O2를 포함한다. 상기 분리기(302)로부터 물 인젝션 포트(419b)에 들어오는 저압/저온의 작동유체는 상기 연소챔버(408) 내에서 12:1 내지 16:1 정도로 압축을 겪게 된다. 그리고 압축된 작동유체는 상기 연소챔버(408) 내에서 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)와 혼합되는데, 바람직하게는, 상기 가스터빈(410)을 구동시키기 위한 초임계 스팀을 생성하기 위해, 유량계(미 도시)로 측정되고 스팀 분석(미 도시)에 의해 체크될 때 상기 H2(114) 2kg 및 상기 O2(116) 8kg의 비율로 혼합된다. 일 실시예에서, 다음 2가지 이유로 대기의 공기와 혼합된 화석연료 또는 여타 탄소 기반의 연료 대신에, 상기 H2(114) 및 상기 O2(116) 가스들이 연료로 사용된다. (a) 스팀의 온도를 초임계 수준으로 올리기 위해서, (b) 대기 중에 이산화탄소(CO2)를 방출하는 것을 막기 위해서. 잘 알려진 바와 같이, 탄소 기반의 연료들(예컨대 석탄, 석유, 천연가스 등) 및 공기의 조합은 전통적 발전 플랜트들에서 연소 연료로 사용되고 있지만, 온도가 낮음으로 인한 비효율성의 문제가 있고, 대기로의 배출로 인한 환경오염 문제가 있고, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)의 컴포넌트들에 대한 부식의 문제가 있다.
상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)에 사용하기 위한 가스터빈(410)의 예들에는, 롤스로이스(Rolls-Royce®)에서 제작되는 T56-A 시리즈 타입의 가스터빈과, 독일의 지멘스 회사에 의해 제작되는 SST-200 타입의 스팀터빈이 포함된다.
도 4c에는 상기 스팀터빈 조립체(140)의 상세 도면이 도시되어 있다. 일 실시예에서, 상기 스팀터빈 조립체(140)는 스팀터빈(428), 제2구동샤프트(430) 및 제2발전기(142)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 스팀터빈(428)은 상기 제6작동유체(123f)(증기를 포함함)를 받을 수 있으며, 상기 스팀터빈(428)은 상기 제6작동유체(123f)로부터 받은 에너지로 상기 제2구동샤프트(430)를 구동시킬 수 있다. 또한 상기 제2구동샤프트(430)는 상기 제2발전기(142)를 구동시켜 결과적으로 상기 전기 아웃풋(106)의 제2부분(106b)을 발생시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스팀터빈 조립체(140)는 상기 제6도관(180f)을 통해 상기 제6작동유체(123f)를 받을 수 있고, 상기 제5작동유체(123e)를 상기 제5도관(180e)으로 배출할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제5작동유체(123e)는 배출 액체 + 증기를 포함할 수 있는데, 이것은 상기 컨덴서 조립체(128)에서 응축이 된다. 일 실시예에서, 상기 컨덴서 조립체(128)는 상기 제5도관(180e)을 통해 상기 제5작동유체(123e)를 그리고 상기 제11도관(180n)을 통해 상기 제11작동유체(123n)를 받을 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컨덴서 조립체(128)는 상기 제12도관(180p)를 통하는 상기 제12작동유체(123p) 및 상기 제13도관(180q)를 통하는 상기 제13작동유체(123q)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제11작동유체(123n) 및 상기 제5작동유체(123e)는 혼합되지 않고, 상기 제11작동유체(123n)는 상기 제5작동유체(123e)를 냉각시켜 응축시키는 데 사용된다.
일 실시예에서, 상기 제13작동유체(123q)는 상기 물 아웃풋(108)에서 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)을 빠져나갈 수 있거나(도시됨), 또는 상기 물 인풋(104)에서 재사용될 수 있다(도시되지 않음). 일 실시예에서, 상기 물 아웃풋(108)은 상업용 또는 지자체용 목적으로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제13작동유체(123q)는 "오프-테이크(off-take)" 유체들로 칭해질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제13작동유체(123q)는 당업계에 공지된 바와 같이, 인간의 사용을 위해 혼합이 이루어질 필요가 있을 수 있는 실질적으로 순수한 물 유체를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스팀터빈 조립체(140)는 샤프트(430)를 구동시킬 수 있고, 이는 제2발전기(142)를 구동시켜 상기 전기 아웃풋(106)의 상기 제2부분(106b)을 발생시킬 수 있다.
도 4d에는 상기 전기 아웃풋(106)의 상세한 도면이 도시되어 있다. 일 실시예에서, 상기 전기 아웃풋(106)은, 상기 분배 그리드(105)로 전달되는 상기 전기 아웃풋(106)의 상기 제1부분(106a) 및 제2부분(106b)을 모아서 변환시키는 하나 이상의 트랜스포머(156)들을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 그리드 운용자나 시스템 설계자는 성능, 안전 및 예산에 따라, 사용할 상기 하나 이상의 트랜스포머(156)들의 적정 수량을 결정할 수 있는데, 이는 당업계에서 공지된 바와 같다. 예컨대 일 실시예에서, 링-버스(ring-bus) 시스템에서 종종 여분의 트랜스포머가 사용된다는 것은 공지된 사항이다.
도 5a, 5b 및 5c에는 마켓 로드 차트(500)가 도시되어 있다. 도 5a에는 마켓 로드 예측(502) 및 실제 마켓 로드(504)가 나타난 마켓 로드 차트(500)가 도시되어 있다. 도 5b에는 상기 실제 마켓 로드(504)만 있는 마켓 로드 차트(500)가 도시되어 있다. 도 5c에는 상기 마켓 로드 예측이 있는 마켓 로드 차트(500)가 도시되어 있다. 상기 마켓 로드 차트(500)는 사우스웨스트 파워 풀(Southwest Power Pool (spp.org))로부터 공공연하게 입수할 수 있는 차트를 나타내고, 그리드 운용자로부터의 데이터이다.
당업계에 공지된 바와 같이, 상기 실제 마켓 로드(504)는 상기 마켓 로드 예측(502)과 항상 맞는 것은 아니다. 따라서 그리드 운용자들이 상기 실제 마켓 로드(504)를 예상하는 데 많은 노력을 투입하지만, 이것들이 정확히 맞지는 않는다. 상기 마켓 로드 예측(502) 및 상기 실제 마켓 로드(504) 사이의 델타(delta)는 그리드 운용자들에게 유의미한 문제를 나타낸다. 일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 예상치 못한 수요를 만족시키기 위해 저비용으로 출력 증대(ramping up)를 할 수 있으므로, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 상기 실제 마켓 로드(504)에서의 예상치 못한 급등 및 강하를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다. 역으로, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)이 상기 마켓 로드 예측(502)에 대한 기본 부하의 일부를 제공하도록 사용되는 경우, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 전력의 과잉 생산량을 구매하고 이것을 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)로 전환시킴으로써 전력의 과잉 생산을 흡수할 수 있다.
상기 마켓 로드 차트(500)는 또한, 예상치 못한 부하 강하(512) 및 보정의 재균형(514)을 포함하는 시스템 이벤트(510)를 보여준다. 일 실시예에서, 상기 시스템 이벤트(510)는, 상기 마켓 로드 예측(502)에 의해 예상되었던 것과 상당히 차이가 나는 상기 실제 마켓 로드(504) 상의 이벤트를 포함한다. 상기 예상치 못한 부하 강하(512)는 장비의 고장이나 여타의 많은 예상치 못한 상황들에 의해 발생될 수 있다. 이 경우, 시스템에는 상기 보정의 재균형(514)에서 과잉 보정이 일어나고, 궁극적으로는 상기 마켓 로드 예측(502) 지점에 및 그 근처 수준으로 돌아가게 된다.
상기 간략화된 블록 발전 시스템 다이아그램(100)은 몇 가지 참신한 특징들을 포함하는데, 이들 특징들은, 복합 브레이톤/랭킨 사이클에서 작동하는 가스터빈 및 스팀터빈 조합을 기본으로 하는 2개의 밀폐 루프 물/스팀 시스템에서 재생가능한 에너지 소스들로부터 발전을 하는 데 많은 이점들을 가져다 준다.
첫째로, 상기 가스터빈 조립체(118)는 초임계 스팀을 생성하기 위해, 상기 가스터빈 조립체(118)의 상기 연소챔버(408)로 공급되는 순수한 H2(114) 및 순수한 O2(116)를 연료로 쓴다. 이리하여 (a) 전통적인 파워 플랜트에서와 같이 공기(산소는 불과 20% 뿐)를 사용한 경우보다는 연소 압력 및 온도가 훨씬 높아진다. 이 혼합물은 상기 연소챔버에서 배출되는 초임계 스팀을 높은 압력으로 생성하고, 이는 상기 가스터빈 조립체(118) 및 발전기 조합을 구동시키기 위한 더 높은 에너지를 갖게 된다. 또한, 순수한 수소 및 산소를 사용하여 생성된 초임계 스팀은 여타 물질들보다 부식을 덜 일으킨다. (b) 게다가 컴프레서로부터 상기 연소챔버에 공급되는 스팀을, 상기 연소챔버 내에서 연소될 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)와 혼합하는 것은 질량을 부가하여 상기 연소챔버 내의 스팀을, 발전기를 구동시키는 상기 가스터빈 조립체(118)에서 사용되는 재료들의 열적 한계 내에 유지시킨다. (c) 또한, 유일한 연소 생성물은 스팀이므로, 공기 중 산소 성분과 함께 가열되어야 하는, 그렇지 않으면 시스템에 상당한 열손실이 발생하게 되는, 대기의 공기를 사용하는 경우에서와 같이 해로운 공기 오염 물질이나 부식 발생 물질을 생성하지 않는다.
둘째로, 상기 열교환기(111)(도 1) 및/또는 상기 제1열교환기(111a)(도 3a-3b)에서 열을 재활용함에 있어서 효율성이 밝혀졌다.
셋째로, 상기 가스터빈 조립체(118) 및 상기 스팀터빈 조립체(140)를 2개의 밀폐 루프들로 조합하는 것은, (a) 개방-루프, 공기-공급 시스템에서 시스템 내로 들어오기 쉬운 외부 물질들로 인한 손상으로부터 상기 가스터빈 조립체(118)를 보호해주며, 따라서 수리나 및 유지보수를 위한 시간을 줄여준다. (b) 밀폐 루프 작동은, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)이 항상 표준 ISO 상태에서, 즉 섭씨 15도, 상대습도 60%, 해수면 대기압 29.72 Hg 상태에서 작동함을 의미한다. (c) 대기 중에 탄소 화합물(해당사항이 있는 경우)의 방출이 없으므로 이러한 물질들로 인한 공기 오염이 발생하지 않는다.
작동에 있어서, 연료로 순수한 수소 및 산소를 사용하고, 급수 또는 초기 열 소스로 지열수 또는 지하수를 사용하는 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)의 순차적 구성, 밀폐 루프는 효율을 증대시키고, 손실을 상당히 감소시키고, 대기로의 유해한 방출을 상당히 줄여주는 기회를 제공한다.
일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은, 상기 분배 그리드(105)에 의해 요구되는 바의 VAR들을 제공하는 데 유용할 수 있다. 전력 전송 및 분배에 있어서, 볼트-암페어 리액티브(volt-ampere reactive (var))는 AC 전력 시스템에서 무효 전력(reactive power)을 재는 데 사용되는 단위이다. AC 회로에서 전류와 전압이 다른 위상일 때 무효 전력이 존재하게 된다. 일 실시예에서, 무효 전력은 헨리의 법칙에 따른 인덕턴스(inductance)에 의해 생성되고 임밸런스(imbalance)가 아니다. 임밸런스는 전압 컨트롤의 손실을 야기한다. 일 실시예에서, 필요에 따라 상기 분배 그리드(105)에 수정 VAR들을 제공하기 위해, 다수의 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)이 상기 분배 그리드(105)에 분포될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 상기 분배 그리드(105) 상의 VAR 요건들을 밸런싱하고 필터링 할 수 있다.
도 6에는 리소스 모델 차트(600)가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 상기 리소스 모델 차트(600)는 부하(load)에서 발생(generation)까지 균일하게 움직일 수 있는 리소스를 보여줄 수 있다. 일 실시예에서, 상기 리소스 모델 차트(600)는 시스템 램프 레이트 칼럼(ramp rate column)(602)(상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)에 대한 램프 레이트를 나타남), 발생 칼럼(generation column)(604) 및 수요 응답 칼럼(demand response column)(606)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 리소스 모델 차트(600)는 상부 한계(upper limit)(608) 및 하부 한계(lower limit)(610) 사이에서의 전력 소모 및 발생 원리를 보여줄 수 있다. 일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 상기 분배 그리드(105)의 수요를 맞추기 위해 다른 시스템들보다 빨리 램프업(ramp up)할 수 있고, 발생이 수요보다 많을 때는 파워를 저장할 수 있다. 이러한 신속한 램프업 및 잉여 파워의 저장 능력은, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)이 상기 분배 그리드(105) 운용자에게 매우 유용한 툴(tool)이 되게 하는 역할을 한다.
상기 리소스 모델 차트(600)는, 2013년10월30일 뉴욕주 뉴욕에서의 APEC 컨퍼런스에서 그레그 쿡(Greg Cook)에 의한 캘리포니아 ISO 프리젠테이션에서 보여진 유사 차트를 기반으로 한 것이다.
상기 리소스 모델 차트(600)는, 상기 상부 한계(608) 및 상기 하부 한계(610)의 절대치들의 합을 나타내는 최대 램프(612)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 최대 램프(612)는 발전 시스템들에 의해 극복되어야 하는 간격을 포함할 수 있으며, 상기 최대 램프(612)는 발전 시스템들 상의 장래 수요들을 근거로 하여 증가시키기 위해 예측된다. 따라서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 전력 램프 레이트 요구들을 수용하는 데 도움을 줄 수 있다.
달리, 일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 시스템 밸런싱 캡쳐 스필드 윈드(system balancing capture spilled wind), 필터 하모닉들(filter harmonics) 및 큰 인덕션 소스들로부터의 트랜지언트들(transients from large induction sources)을 제공하기 위해, 그리고 제로 시퀀스 이슈들(zero sequence issues)을 해결하기 위해 상기 전해조를 이용할 수 있다. 실제로 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 상기 분배 그리드(105) 상의 부하들을 밸런싱하기 위해 거의 즉각적으로 반응할 수 있다.
도 7에는 베이스 로드 시나리오 차트(700)가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 상기 베이스 로드 시나리오 차트(700)는 캘리포니아주에서의 2020년 시간에 따른 부하를 보여준다. 일 실시예에서, 상기 베이스 로드 시나리오 차트(700)는 풍력 부하(wind load)(702), 전체적 태양 부하(total solar load)(704), 순 부하(net load)(706) 및 부하(708)를 포함할 수 있다. 상기 베이스 로드 시나리오 차트(700)는 전력 발생을 예측할 때 상기 풍력 부하(702) 및 전체적 태양 부하(704)의 변동성을 보여준다. 따라서, 이러한 전력 운용 환경에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)의 빠른 램프 레이트는 도움을 주는 데 활용될 수 있다. 이리하여 일 실시예에서, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은 상기 분배 그리드(105)의 수요 관리를 돕기 위해 상기 H2(114) 및 상기 O2(116)의 비축을 활용할 수 있다. 실제로, 상기 이중 밀폐 루프 발전 시스템(101)은, 생산의 시기 및 소비의 시기 사이에 파워를 저장함으로써, 상기 풍력 부하(702)에 나타나는 갑작스런 돌풍 상태 또는 상기 전체적 태양 부하(704)에 나타나는 구름의 통과 상태를 처리하는 데 도움을 줄 수 있다. 궁극적으로, 이러한 기술은, 관리자들로 하여금 그들이 발생시키는 파워를 활용하는 도구를 갖게 함으로써 더 많은 풍력 발전 또는 태양 발전(404)을 활용하는 데 도움을 줄 것이다.
상기 베이스 로드 시나리오 차트(700)는, 마크 로들레더(Mr. Mark Rothleder)에 의해, 2013년8월5일 캘리포니아 ISO의 2013년 여름 세미나 유연성 혁신(Innovating for Flexibility)에 발표된 것으로부터 취해진 것이다.
본 발명이 본 발명의 형태들 중 단지 하나의 형태로만 도시되었지만, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변형이 쉽게 이루어질 수 있을 것이다. 다른 일 실시예에서, 스팀터빈 인풋 루프에서의 보일러는 선택사항일 수 있다.
여기서 설명된 작동 방법들의 상세한 부분들에 있어서, 다음의 청구항들의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경들이 이루어질 수 있다. 어떤 실시예들에서, 여기서 기술된 활동 내용들이 별도의 단계들로 조합될 수 있다. 이와 유사하게, 본 방법이 구현되는 특정의 작동환경에 따라, 기술된 단계들 중 하나 이상이 생략될 수 있다. 앞에서 기술된 내용은 설명을 하기 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 예컨대 앞에서의 실시예들은 서로 조합되어 사용될 수 있다. 당업자들은 본 내용을 보고 많은 여타 실시예들을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의해 결정되어야 하며, 그 등가물들도 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.

Claims (31)

  1. 복합 사이클 이중 밀폐 루프 발전 시스템(combined cycle dual closed loop electric generating system)으로서, 상기 시스템은,
    연소챔버(combustion chamber), 컴프레서, 제1펌프, 제1구동샤프트, 가스터빈 및 제1발전기를 포함하는 가스터빈 조립체(gas turbine assembly);
    제2펌프, 제2구동샤프트, 스팀터빈 및 제2발전기를 포함하는 스팀터빈 조립체;
    작동유체(working fluid)의 제1부분(first portion)을 유지하고 이송할 수 있는 가스터빈 루프;
    상기 작동유체의 제2부분을 유지하고 이송할 수 있는 스팀터빈 루프;
    상기 가스터빈 루프 및 상기 스팀터빈 루프를 포함하는 2개의 밀폐 루프들;
    전해조(electrolyzer)를 포함하며;
    상기 작동유체는 상기 2개의 밀폐 루프들 내 여러 스테이지들(different stages)에서 액체 및 증기(vapor)를 포함하며;
    상기 작동유체의 상기 제1부분은 상기 가스터빈 조립체 및 제1열교환기를 통해 순환하며;
    상기 작동유체의 상기 제2부분은 상기 스팀터빈 조립체 및 상기 제1열교환기를 통해 순환하며;
    상기 제1열교환기는 상기 가스터빈 루프로부터 제1열에너지를 상기 스팀터빈 루프로 전달하며;
    상기 가스터빈 조립체는 H2 및 O2를 연소시켜 상기 가스터빈을 작동시키고 상기 제1발전기를 구동시킴으로써 전기 아웃풋(electric output)의 제1부분을 발생시키며;
    상기 스팀터빈 조립체는 상기 제1열에너지를 상기 스팀터빈에 전달하고 상기 제2발전기를 구동시킴으로써 상기 전기 아웃풋의 제2부분을 발생시키며;
    상기 가스터빈 루프는,
    상기 가스터빈 조립체로부터 상기 제1열교환기로 제1작동유체를 운반하는 제1도관(conduit),
    상기 제1열교환기로부터 분리기 조립체(separator assembly)로 제2작동유체를 운반하는 제2도관,
    상기 분리기 조립체로부터 상기 가스터빈 조립체로 제3작동유체를 운반하는 제3도관, 및
    상기 분리기 조립체로부터 상기 가스터빈 조립체로 제4작동유체를 운반하는 제4도관을 포함하며;
    상기 제1작동유체는 상기 가스터빈 조립체로부터의 배출물(exhaust)을 포함하며;
    상기 제3작동유체는 증기를 포함하며;
    상기 제4작동유체는 액체를 포함하며;
    상기 제4도관은, 상기 제4도관을 통하는 상기 제4작동유체의 유량을 조절할 수 있는 상기 제1펌프를 포함하며;
    상기 분리기 조립체는 상기 제2작동유체를,
    상기 제3작동유체를 포함하는 증기 부분, 및
    상기 제4작동유체를 포함하는 액체 부분으로 분리시킬 수 있으며;
    상기 스팀터빈 루프는,
    상기 스팀터빈 조립체로부터 상기 제1열교환기로 제5작동유체를 이송하는 제5도관, 및
    상기 제1열교환기로부터 상기 스팀터빈 조립체로 제6작동유체를 이송하는 제6도관을 포함하며;
    상기 제5작동유체는 상기 스팀터빈 조립체로부터의 배출물을 포함하며;
    상기 제1열교환기는, 상기 제6작동유체가 상기 스팀터빈 조립체로 다시 이송되기 전에 상기 제6작동유체를 가열시킬 수 있으며;
    상기 제2 펌프는 상기 제5도관 상에 위치하고, 상기 스팀터빈 조립체로부터 제2열교환기로 가는 상기 제5작동유체의 유량을 조절할 수 있으며;
    상기 전해조는 상기 H2 및 상기 O2를 발생시키며;
    상기 작동유체의 상기 제1부분은 제1작동유체, 제2작동유체, 제3작동유체 및 제4작동유체를 포함하며;
    상기 작동유체의 상기 제2부분은 제5작동유체, 제12작동유체, 제6작동유체 및 제14작동유체를 포함하며;
    상기 제1작동유체는 상기 가스터빈 조립체로부터 상기 제1열교환기로 흐르며;
    상기 제2작동유체는 상기 제1열교환기로부터 제2열교환기로 흐르며;
    상기 제2열교환기로부터 제8작동유체가 분리기로 흐르며;
    상기 제4작동유체 및 상기 제5작동유체는 상기 분리기로부터 상기 가스터빈 조립체로 흐르며;
    상기 제5작동유체는 상기 스팀터빈 조립체로부터 콘덴서 조립체(condenser assembly)로 흐르며;
    상기 제12작동유체는 상기 콘덴서 조립체로부터 상기 제1열교환기로 흐르며;
    상기 제6작동유체는 상기 제1열교환기로부터 보일러로 흐르며;
    상기 제14작동유체는 상기 보일러로부터 상기 스팀터빈 조립체로 흐르는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 복합 사이클 이중 밀폐 루프 발전 시스템으로서, 상기 시스템은,
    연소챔버, 컴프레서, 제1펌프, 제1구동샤프트, 가스터빈 및 제1발전기를 포함하는 가스터빈 조립체;
    제2펌프, 제2구동샤프트, 스팀터빈 및 제2발전기를 포함하는 스팀터빈 조립체;
    작동유체의 제1부분을 유지하고 이송할 수 있는 가스터빈 루프;
    상기 작동유체의 제2부분을 유지하고 이송할 수 있는 스팀터빈 루프;
    상기 가스터빈 루프 및 상기 스팀터빈 루프를 포함하는 2개의 밀폐 루프들을 포함하며;
    상기 작동유체는 상기 2개의 밀폐 루프들 내 여러 스테이지들에서 액체 및 증기를 포함하며;
    상기 작동유체의 상기 제1부분은 상기 가스터빈 조립체 및 제1열교환기를 통해 순환하며;
    상기 작동유체의 상기 제2부분은 상기 스팀터빈 조립체 및 상기 제1열교환기를 통해 순환하며;
    상기 제1열교환기는 상기 가스터빈 루프로부터 제1열에너지를 상기 스팀터빈 루프로 전달하며;
    상기 가스터빈 조립체는 H2 및 O2를 연소시켜 상기 가스터빈을 작동시키고 상기 제1발전기를 구동시킴으로써 전기 아웃풋의 제1부분을 발생시키며;
    상기 스팀터빈 조립체는 상기 제1열에너지를 상기 스팀터빈에 전달하고 상기 제2발전기를 구동시킴으로써 상기 전기 아웃풋의 제2부분을 발생시키는 것을 특징으로 하는 시스템
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스터빈 루프는,
    상기 가스터빈 조립체로부터 상기 제1열교환기로 제1작동유체를 운반하는 제1도관,
    상기 제1열교환기로부터 분리기 조립체로 제2작동유체를 운반하는 제2도관,
    상기 분리기 조립체로부터 상기 가스터빈 조립체로 제3작동유체를 운반하는 제3도관, 및
    상기 분리기 조립체로부터 상기 가스터빈 조립체로 제4작동유체를 운반하는 제4도관을 포함하며;
    상기 제1작동유체는 상기 가스터빈 조립체로부터의 배출물을 포함하며;
    상기 제3작동유체는 증기를 포함하며;
    상기 제4작동유체는 액체를 포함하며;
    상기 제4도관은, 상기 제4도관을 통하는 상기 제4작동유체의 유량을 조절할 수 있는 상기 제1펌프를 포함하며;
    상기 분리기 조립체는 상기 제2작동유체를,
    상기 제3작동유체를 포함하는 증기 부분, 및
    상기 제4작동유체를 포함하는 액체 부분으로 분리시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분리기 조립체는 제2열교환기 및 분리기를 포함하며;
    상기 제2도관은 상기 제2작동유체를 상기 제1열교환기로부터 상기 제2열교환기로 이송하며;
    제7도관은 제7작동유체를 상기 물 인풋(water input)으로부터 상기 제2열교환기로 이송하며;
    상기 제7작동유체는 상기 제2열교환기로 들어가서, 제10도관 내 제10작동유체로서 상기 제2열교환기를 빠져나오며;
    상기 제2작동유체는 상기 제2열교환기로 들어가서, 제8도관 내 제8작동유체로서 상기 제2열교환기를 빠져나오며;
    상기 제2열교환기는 상기 제2 작동유체로부터 제2열에너지를 상기 제7작동유체로 전달함으로써 상기 제2작동유체를 냉각시키며;
    상기 제8도관은 상기 제8작동유체를 상기 분리기로 이송하며;
    상기 분리기는 상기 제8작동유체를 상기 제3작동유체 및 상기 제4작동유체로 나누는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제10도관은 상기 제10작동유체를 상기 제2열교환기로부터 인젝션 웰(injection well)로 이송하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 분리기는 배출 액체(exhaust liquid)를 포함하는 제9작동유체를 방출하며;
    제9도관은 상기 제9작동유체를 상기 분리기로부터 물 아웃풋(water output)으로 이송하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제7작동유체는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제3도관은 상기 제3작동유체를 상기 분리기로부터 상기 가스터빈 조립체의 상기 컴프레서로 이송하며;
    상기 제4도관은 상기 제4작동유체를 상기 분리기로부터 상기 가스터빈 조립체의 상기 연소챔버로 이송하며;
    제7도관은 상기 H2를 상기 연소챔버로 이송하며;
    제9도관은 상기 O2를 상기 연소챔버로 이송하며;
    제20도관은 제20작동유체를 상기 컴프레서로부터 상기 연소챔버로 이송하며;
    제21도관은 제21작동유체를 상기 연소챔버로부터 상기 가스터빈으로 이송하며;
    상기 제21작동유체는 상기 가스터빈을 위한 연료를 포함하며;
    상기 제1작동유체는 상기 제1도관을 통해 상기 가스터빈 조립체의 밖으로 방출되며;
    상기 가스터빈은 상기 제1구동샤프트를 구동시키며;
    상기 제1구동샤프트는 상기 제1발전기를 구동시키며;
    상기 제1발전기는 상기 전기 아웃풋의 상기 제1부분을 발생시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 스팀터빈 루프는,
    상기 스팀터빈 조립체로부터 상기 제1열교환기로 제5작동유체를 이송하는 제5도관, 및
    상기 제1열교환기로부터 상기 스팀터빈 조립체로 제6작동유체를 이송하는 제6도관을 포함하며;
    상기 제5작동유체는 상기 스팀터빈 조립체로부터의 배출물을 포함하며;
    상기 제1열교환기는, 상기 제6작동유체가 상기 스팀터빈 조립체로 다시 이송되기 전에 상기 제6작동유체를 가열시킬 수 있으며;
    상기 제2 펌프는 상기 제5도관 상에 위치하고, 상기 스팀터빈 조립체로부터 제2열교환기로 가는 상기 제5작동유체의 유량을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스팀터빈 루프는 상기 스팀터빈 조립체 및 상기 제2펌프 사이에 컨덴서 조립체(condenser assembly)를 더 포함하며;
    상기 제5도관은 상기 제5작동유체를 상기 스팀터빈 조립체로부터 상기 컨덴서 조립체로 이송하며;
    제12도관은 제12작동유체를 상기 컨덴서 조립체로부터 상기 제1열교환기로 이송하며;
    제11도관은 제11작동유체를 물 인풋으로부터 상기 컨덴서 조립체로 이송하며;
    제13도관은 제13작동유체를 상기 컨덴서 조립체로부터 물 아웃풋으로 이송하며;
    상기 제5작동유체는 상기 제11작동유체와 섞이지 않으며;
    상기 제5작동유체는 상기 컨덴서 조립체에서 냉각되어 응축되고, 상기 제12작동유체로서 빠져나가며;
    상기 제11작동유체는 상기 제13작동유체로서 상기 컨덴서 조립체를 떠나는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제13작동유체는 희석 후 음용수로 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    보일러를 더 포함하며;
    상기 보일러는 천연가스 인풋(natural gas input)의 일부를 연소시킴으로써 상기 스팀터빈 루프의 일부를 가열시킬 수 있으며;
    상기 제6도관은 상기 제6작동유체를 상기 제1열교환기로부터 상기 보일러로 이송하며;
    제14도관은 제14작동유체를 상기 보일러로부터 상기 스팀터빈 조립체로 이송하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제2항에 있어서,
    전해조를 더 포함하며;
    상기 전해조는 상기 H2 및 상기 O2를 발생시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    제15도관은 제15작동유체를 물 인풋으로부터 상기 전해조로 이송시키며;
    상기 전해조는 상기 H2 및 상기 O2를 발생시키기 위해 전기 인풋 및 상기 제15작동유체를 조합하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제15작동유체는 수처리 시스템(water treatment system)에 의해 처리된 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 전기 인풋은 분배 그리드(distribution grid)에 부착되며;
    상기 분배 그리드는 전통적 발전 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 전기 인풋은 분배 그리드에 부착되며;
    상기 분배 그리드는 풍력 발전 또는 태양 발전을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 전해조에 의해 발생된 상기 H2 및 상기 O2는 상기 가스터빈에 의해 사용되기 전에, 제각기 H2 저장탱크 및 O2 저장탱크에 저장되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제2항에 있어서,
    상기 작동유체의 상기 제1부분은 제1작동유체, 제2작동유체, 제3작동유체 및 제4작동유체를 포함하며;
    상기 작동유체의 상기 제2부분은 제5작동유체, 제12작동유체, 제6작동유체 및 제14작동유체를 포함하며;
    상기 제1작동유체는 상기 가스터빈 조립체로부터 상기 제1열교환기로 흐르며;
    상기 제2작동유체는 상기 제1열교환기로부터 제2열교환기로 흐르며;
    상기 제2열교환기로부터 제8작동유체가 분리기로 흐르며;
    상기 제4작동유체 및 제5작동유체는 상기 분리기로부터 상기 가스터빈 조립체로 이송되며;
    상기 제5작동유체는 상기 스팀터빈 조립체로부터 콘덴서 조립체로 흐르며;
    상기 제12작동유체는 상기 콘덴서 조립체로부터 상기 제1열교환기로 흐르며;
    상기 제6작동유체는 상기 제1열교환기로부터 보일러로 흐르며; 및
    상기 제14작동유체는 상기 보일러로부터 상기 스팀터빈 조립체로 흐르는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 작동유체의 상기 제1부분 및 상기 제2부분은 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제2항에 있어서,
    상기 전기 아웃풋의 상기 제1부분 및 상기 제2부분은, 분배 그리드에 연결되는 하나 이상의 트랜스포머들(transformers)에 연결되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제2항에 있어서,
    상기 스팀터빈 조립체 및 상기 가스터빈 조립체는 상기 전기 아웃풋을 위해 VAR들을 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 복합 사이클 이중 밀폐 루프 발전 시스템을 사용하는 방법으로서, 상기 방법은,
    H2 및 O2의 일부를 연소시켜 가스터빈 조립체로 전기 아웃풋의 제1부분을 발생시키는 단계;
    가스터빈 루프를 통해 작동유체의 제1부분을 순환시키고, 스팀터빈 루프를 통해 상기 작동유체의 제2부분을 순환시키는 단계;
    제1열교환기를 이용하여, 상기 가스터빈 루프로부터의 제1열에너지로 상기 스팀터빈 루프를 가열시키는 단계;
    상기 작동유체의 상기 제2부분을 스팀터빈 조립체 내로 이송시키는 단계; 및
    상기 스팀터빈 조립체로 상기 전기 아웃풋의 제2부분을 발생시키는 단계를 포함하며;
    상기 가스터빈 조립체는 연소챔버, 컴프레서, 제1펌프, 제1구동샤프트, 가스터빈 및 제1발전기를 포함하며;
    상기 스팀터빈 조립체는 제2펌프, 제2구동샤프트, 스팀터빈 및 제2발전기를 포함하며;
    상기 가스터빈 루프는 작동유체의 제1부분을 유지하고 이송할 수 있으며;
    상기 스팀터빈 루프는 상기 작동유체의 제2부분을 유지하고 이송할 수 있으며;
    2개의 밀폐 루프들은 상기 가스터빈 루프 및 상기 스팀터빈 루프를 포함하며;
    상기 작동유체는 상기 2개의 밀폐 루프들 내 여러 스테이지들에서 액체 및 증기를 포함하며;
    상기 작동유체의 상기 제1부분은 상기 가스터빈 조립체 및 제1열교환기를 통해 순환하며;
    상기 작동유체의 상기 제2부분은 상기 스팀터빈 조립체 및 상기 제1열교환기를 통해 순환하며;
    상기 제1열교환기는 상기 가스터빈 루프로부터 상기 제1열에너지를 상기 스팀터빈 루프로 전달하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    전해조에 전기 인풋 및 물 인풋을 받아들이는 단계;
    상기 전해조로 상기 물 인풋을 전해시키는 단계;
    상기 전해조로 상기 H2 및 상기 O2를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 H2 및 상기 O2를 제각기 H2 저장탱크 및 O2 저장탱크 내에 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제23항에 있어서,
    화석 연료들을 사용하지 않고 상기 전기 아웃풋을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제23항에 있어서,
    CO2 방출을 최소화하면서 상기 전기 아웃풋을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제23항에 있어서,
    나중에 사용하기 위해, 분배 그리드로부터의 에너지를 H2 저장탱크 및 O2 저장탱크에 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    풍력이나 태양 발전에서 발생된 에너지를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제23항에 있어서,
    상기 H2 및 상기 O2의 저장된 부분들로부터 필요에 따라 상기 전기 아웃풋을 발생시킴으로써, 분배 그리드 상의 부하를 밸런싱(balancing)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제23항에 있어서,
    상기 가스터빈 조립체 및 상기 스팀터빈 조립체에 의해 발생된 VAR들 및 전압을 컨트롤하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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