KR20160102183A - 환기 배기용 에너지 회수 시스템 및 관련된 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20160102183A
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마크 디. 데이비스
알베르토 알리세다
마이클 씨. 쿠드리아브트세프
제레미 얀델
윌리엄 제이. 세터
차드 알. 엔. 게너
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유니버시티 오브 워싱턴 스로우 잇츠 센터 포 커머셜라이제이션
세컨드 윈드, 인코포레이티드
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Abstract

빌딩 또는 광산 환기 배기로부터 에너지를 생성하기 위한 장치 및 관련된 방법이 여기서 개시된다. 일 실시형태에서, 환기 배기로부터 에너지를 추출하기 위한 장치는, 적어도 부분적으로 에어포일(예를 들어, NACA 또는 SG60XX 에어포일)인 복수의 터빈 블레이드를 갖는 터빈 로터를 포함한다. 흐름 조절기는 상기 터빈에 배기 공기를 지향시키도록 위치될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 터빈 로터는 높은 RPM에서 회전되도록 구성될 수도 있다. 따라서, 터빈의 회전 샤프트는 개재되는 기어박스 없이 전기 발전기와 연결될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 전기 발전기에 의해서 생성되는 전기는 환기 시스템의 에너지 소비를 보상하도록 건물 또는 광산의 전기 배선에 직접적으로 공급될 수 있다.

Description

환기 배기용 에너지 회수 시스템 및 관련된 장치 및 방법{ENERGY RECOVERY SYSTEMS FOR VENTILATION EXHAUSTS AND ASSOCIATED APPARATUSES AND METHODS}
본 기술은 전체적으로 환기 배기용 에너지 회수 시스템 및 관련된 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 기술의 몇 가지 실시형태는 배기 환기구에 위치되는 터빈을 사용하여 전기 에너지를 생성하는 것에 관한 것이다.
공기 터빈은 공기로부터 운동 에너지를 기계적 토크로 변환하도록 구성될 수도 있다. 특히, 공기가 터빈의 블레이드를 지나도록 유동될 때, 양력이 블레이드 상에서 발생된다. 양력은 블레이드가 부착된 샤프트를 회전시킬 수 있는 토크를 생성한다. 전기 발전기가, 예를 들어 기어박스를 통해서 구동 샤프트에 연결되면, 샤프트의 회전이 전기 에너지를 생성한다. 따라서, 공기 터빈과 발전기의 조합은 전기 에너지를 생성하도록 공기 유동으로부터(즉, 바람으로부터) 에너지를 추출할 수 있다. 이러한 에너지 추출의 알려진 장점은, 윈드 터빈이 최소한의 환경 오염으로 지속가능한 방식으로 전기를 생성할 수 있기 때문에 낮은 환경적 영향이다. 바람 속력은 자연적으로 넓은 범위로 변하기 때문에, 경제적인 윈드 터빈은 바람 속력의 범위에서 합리적으로 효율적이어야 한다. 따라서, 많은 유틸러티(utility) 규모의 윈드 터빈은 바람의 속도에 기초하여 블레이드 피치를 조정함으로써 바람으로부터 에너지 추출을 최대화하도록 가변 블레이드 피치로 터빈 블레이드를 사용한다. 그러나, 블레이드 피치를 변경하는 메커니즘이 고가이고 쉽게 고장이 날 수 있다.
공기 터빈은 또한 컴퓨터, 서버, 광산(mine) 및/또는 빌딩의 폐기 공기 배기로부터 에너지를 추출하기 위해서 사용될 수 있다. 그러나, 배기 공기로부터 전기 에너지를 생성하는 많은 이러한 종래의 시스템은 이동하는 공기로부터 에너지를 추출하는데 비효율적이다. 예를 들어, 도 1은 컴퓨터 또는 서버(19)로부터의 배기 공기에 기초하여 전기 에너지를 생성하도록 구성되는 종래의 에너지 회수 시스템(10) 부분의 개략 등각 투상도이다. 작동 시, 냉가 공기의 흐름은 컴퓨터 상의 개구(18)를 통해서 배기된다. 냉각 공기의 기류 경로에 터빈(14)을 유지하는 스탠드(12)가 컴퓨터(19)에 부착된다. 샤프트(15)는 발전기(16)에 터빈(14)의 회전을 전달하도록 구성된다. 여기서, 개구(18)로부터 오는 냉각 공기의 어떤 부분은, 예를 들어 발전기(16)가 냉각 공기의 경로에서 배압을 형성하기 때문에 터빈(14)으로부터 누출될 수 있다. 냉가 공기의 이러한 누출은 도해된 종래의 시스템의 효율을 감소시킨다.
도 2는 컴퓨터의 냉각 공기로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 다른 종래 시스템(20) 부분의 개략 등각 투상도이다. 이 배열체에서, 슈라우드(27)가 컴퓨터(29)의 냉각 공기 배기구(비가시적) 위에 직접적으로 배치된다. 탭(23)은 컴퓨터(29)에 슈라우드(27)를 부착하기 위해서 사용된다. 터빈(비가시적)은 슈라우드(27) 내부에 위치되고, 발전기(21)에 부착된다. 냉각 공기는, 컴퓨터(29)를 떠날 때, 슈라우드에 들어가고, 샤프트를 통해서 발전기(21)와 연결되는 터빈을 회전시키고, 터빈(21)과 슈라우드(27) 사이의 공간을 통해서 배기된다. 시스템(20)은 공기 유동 손실을 최소화하도록 구성되나, 슈라우드(27) 내부에 있는 발전기 및 터빈은 상당한 배압을 생성할 수 있고, 이는 냉각 공기 유동을 감소시킨다.
도 3은 빌딩 또는 광산의 폐기 공기로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 종래 시스템(30) 부분의 개략적인 단면도이다. 동작 중에, 폐기 공기의 흐름(31)은 공기-조화 또는 환기 시스템에 의해서 전형적으로 생성된다. 흐름(31)은 슈라우드(37)에 들어가고, 샤프트(35)에 장착된 한 쌍의 터빈(34)을 향해서 지향된다. 폐기 공기는 출구 슈라우드(33a)를 통해서 시스템(30)으로부터 배기된다. 터빈(34)을 통과하는 배기 공기의 양은 슈라우드(33a 및 33b) 사이의 측방향 오프셋(offset)을 통해서 조절될 수 있다. 예를 들어, 슈라우드(33a 및 33b) 사이의 측방향 오프셋을 증가시키는 것은 터빈(34)에 도달되기 전에 더 많은 공기가 누출되는 것을 허여한다. 샤프트(35)로부터의 회전 에너지는 한 쌍의 풀리(32a 및 32b) 및 벨트(38)를 통해서 발전기(36)에 전달된다. 시스템(30)에서, 발전기(36)는 흐름(31)의 기류 경로에 있지 않고, 따라서 배압이 발전기(36)에 의해서 전형적으로 증가되지 않는다. 그러나, 터빈(34)의 상대적으로 높은 고형성(solidity)(즉, 기류 경로에서 상대적으로 크고 많은 터빈 블레이드)은 슈라우드(37) 내 및 더 상류에서 배압을 증가시킨다. 시스템(30)의 다른 단점은, 풀리/벨트 전달부가 터빈 샤프트배열체에 대한 발전기의 직접적인 샤프트장착보다 더 높은 기계적 손실 및 더 작은 토크 전달 능력을 갖는다는 점이다. 또한, 종래의 시스템(30)은 상대적으로 많은 수의 종래의 터빈 블레이드를 포함한다. 이러한 블레이드는 공기 유동을 토크로 전달하는 데 상대적으로 비효율적이고, 따라서 시스템(30)의 전체적인 효율에 부정적으로 영향을 준다.
본 개시의 많은 양태는 다음의 도면을 참조하여 더욱 잘 이해될 수 있다. 도면에서 구성요소는 반드시 축적에 맞지 않는다. 대신, 강조가 본 개시의 원리를 명확하게 도해하는 데 주어진다. 또한, 구성요소는 도해의 명확성만을 위해서 어떤 도면에서 투명한 것으로 도시될 수 있고, 이 도해된 구성요소가 반드시 투명하다는 것을 나타내지 않는다.
도 1은 종래 기술에 따라 구성된 에너지 회수 시스템의 부분 개략 등각 투상도이다.
도 2는 종래 기술에 따라 구성된 다른 에너지 회수 시스템의 부분 개략 등각 투상도이다.
도 3은 종래 기술에 따라 구성된 에너지 회수 시스템의 부분 개략 단면도이다.
도 4는 본 기술에 따라 구성된 에너지 회수 시스템의 부분 개략 측면도이다.
도 5는 도 4의 터빈 조립체의 등각 투상도이다.
도 6a는 도 4의 터빈 로터의 등각 투상도이다.
도 6b는 본 기술에 따라 구성된 터빈 블레이드의 단면도이다.
도 7은 본 기술의 실시형태에 따라 구성된 터빈 블레이드 및 샤프트의 부분 단면도이다.
도 8은 본 기술의 실시형태에 따른 흐름 조절기(flow conditioner)의 단면도이다.
도 9는 본 기술에 따라 구성된 터빈에 대한 주속비(Tip Speed Ratio)의 함수로서 토크 계수 및 출력 계수를 도해하는 그래프이다.
도 10은 본 기술에 따라 구성되는 터빈에 대한 각 속도의 함수로서 이론적 및 측정된 출력을 도해하는 그래프이다.
본 기술은 전체적으로 고유량 배기를 위한 에너지 회수 시스템 및 관련된 장치 및 방법에관한 것이다. 배기되는 공기는, 예를 들어, 빌딩 또는 광산의 공기 조화 또는 환기 시스템으로부터 나올 수도 있다. 특히, 본 기술의 어떤 실시형태는 대략적으로 일정한 속도인 배기 공기 흐름에 최적인 터빈 브레이드를 갖는 시스템에 관한 것이다. 예를 들어, 적어도 몇몇 실시형태에서, 고정된 공기 속도에서 작동되도록 특별하게 구성되는 터빈 블레이드는 어떤 속도 범위에 걸쳐서 최적으로 동작되는 터빈 블레이드보다 더 큰 효율을 가질 수도 있다. 또한, 본 기술의 몇몇 실시형태에서, 터빈 블레이드의 피치 각은 고정될 수도 있다. 이 배열체는 터빈 블레이드의 피치 각도를 변화시키기는 추가적인 메커니즘에 대한 필요성을 제거할 것으로 기대된다. 몇몇 실시형태에서, 터빈은 NACA 또는 SG60XX 중 하나의 에어포일에 기초한 2 개의 블레이드를 가질 수 있다(여기서, "SG60"은 에어포일의 패밀리를 식별하고, "XX"는 패밀리의 특별한 멤버를 가리킨다).
본 기술에 따라 구성된 터빈은 10을 초과하는 주속비(즉, 바람의 속력 대 블레이드의 팁의 속도의 비)에서 동작될 수 있는 반면, 대부분의 종래 윈드 터빈은 5-7의 주속비에서 동작된다. 본 기술의 몇몇 실시형태에서, 터빈은 터빈 일로 배기 공기의 운동 에너지를 전환할 때 약 30% - 50% 효율을 달성할 것으로 예상된다. 또한, 본 기술의 상대적으로 두꺼운 터빈 블레이드는 배기 공기에 일반적으로 존재하는 먼지 또는 다른 입자의 퇴적에 덜 민감할 것으로 예상된다. 또한, 블레이드의 두께 때문에, 블레이드는 저렴한 기술 및 재료(예를 들어 압축 몰딩)를 사용하여 만들어질 수 있다.
본 기술의 몇몇 실시형태에서, 흐름 조절기는 (a)배기 공기의 유동을 터빈으로 지향시키고, 그리고 (b) 터빈 주위의 공기 누출을 감소시키기 위해서 사용될 수 있다. 흐름 조절기 및 터빈은, 예를 들어, 공기 흐름 소스로부터 이격되어 위치될 수 있는 한편, 또한 배기로부터 오는 대부분의 공기를 터빈을 향해서 지향시킬 수 있다. 본 기술의 몇몇 실시형태에서, 터빈은, 발전기의 입력 RPM(예를 들어, 1,500 - 3,500 RPM)과 매칭되는 상대적으로 높은 각속도(분당 회전수 또는 RPM)에서 작동될 수 있다. 이것은 터빈 및 발전기의 샤프트를 연결하는 기어박스에 대한 필요성을 제거할 것으로 기대된다. 몇몇 실시형태에서, 발전기는 빌딩 또는 광산의 전기 시스템에 대한 직접적인 공급(직접 연결)에 적합한 전압/주파수로 전기를 출력하도록 구성될 수도 있어, 공급되는 외부 에너지에 대한 필요성을 감소시킬 수도 있다.
본 기술의 몇가지 실시형태의 구체적 상세가 도 4 내지 도 10을 참조하여 여기서 설명된다. 비록 많은 실시형태가 빌딩 또는 광산 배기 공기로부터 에너지를 생성하는 것에 대해서 아래에 설명되나, 다른 응용이 본 기술의 범위 내에 있다. 추가적으로 본 기술의 다른 실시형태는 여기서 설명되는 것과 상이한 구성, 구성요소, 또는 절차를 가질 수 있다. 예를 들어, 다른 실시형태는 여기서 설명되는 것을 넘어서는 추가적인 구성요소 및 특징부를 포함할 수 있거나, 또는 다른 실시형태는 여기서 설명되고 도시되는 특징부 및 구성요소의 몇가지를 포함하지 않을 수도 있다.
A. 에너지 회수 시스템의 선택된 실시형태
도 4는 본 기술의 실시형태에 따라 구성된 에너지 회수 시스템(100)("시스템(100)")의 부분 개략 측면도이다. 시스템(100)은 빌딩 또는 광산의 배기 덕트(118)로부터 오는 배기 유동(140)으로부터 에너지를 추출하도록 구성된다. 시스템(100)은, 예를 들어 복수의 터빈 블레이드(126)를 갖는 터빈 로터(145)를 포함하는 터빈 조립체(200)를 포함할 수 있다. 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 터빈 블레이드(126)는 에어포일을 포함한다. 시스템(100)은 터빈 로터(145)에 배기 유동(140)을 지향시키도록 위치되는 흐름 조절기(124) 및 전기 발전기(150)와 터빈 로터(145)를 연결하는 회전 샤프트(129)를 또한 포함할 수 있다.
배기 유동(140)은 공기 조화 또는 환기 시스템에 의해서 제공될 수 있으나, 또한 상이한 소스로부터 올 수도 있다. 배기 덕트(118)로부터 오는 배기 유동(140)은 지면(미도시)에 대해서 수평, 수직, 또는 다른 각도일 수 있다. 배기 유동(140)은 팬 모터(114)에 의해서 동력을 공급받는 팬(116)에 의해서 제공될 수 있다. 배기 유동(140)은, 대부분의 부분에 대해서 일정한 또는 거의 일정한 속도에 의해서 특징지어진다. 비록 단지 단일의 팬(116)이 명확성을 위해서 도시되나, 시스템(100)은 환기 또는 공기 조화 시스템의 부분으로서 다른 환기 또는 공기 조화 구성요소뿐만 아니라 다수의 추가적인 팬(116)을 포함할 수도 있다. 팬 모터(114)는 팬 모터(114)에 동력을 제공하도록 구성되는 배선 캐비넷(110)에 연결되는 전기 공급부(112)를 통해서 동력을 받도록 구성될 수도 있다.
작동 동안에, 배기 덕트(118)을 떠나면, 배기 유동(140)은 흐름 조절기(124)를 향해서 유동하는 제트(142)로 발전된다. 본 기술의 몇몇 실시형태에서, 흐름 조절기(124)는 거리(L) 만큼 배기 덕트(118)의 출구로부터 오프셋(offset)될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 거리(L)는 흐름 조절기의 입구 직경의 25% 내지 200%에 대응될 수도 있다. 흐름 조절기(124)는 하류의 터빈 로터(145)를 향해서 배기 유동(140)의 흐름을 지향시키고 집중시키도록 위치된다.
전술된 바와 같이, 터빈 로터(145)는 두개 이상의 터빈 블레이드(126)를 가질 수 있다. 적어도 몇몇 실시형태에서, 터빈 블레이드(126)는 NACA 에어포일 또는 SG60XX 에어포일(예를 들어, NACA 4415 에어포일, SG6043 에어포일)에 기초할 수 있다. 그러나, 다른 실시형태에서, 터빈 블레이드(126)는 다른 구성을 가질 수도 있고, 그리고/또는 터빈 로터(145)는 상이한 갯수의 터빈 블레이드(126)를 포함할 수도 있다.
본 기술의 적어도 몇몇 실시형태에서, 터빈 샤프트(129)의 회전은, 터빈 샤프트(129)의 회전(RPM)이 터빈 샤프트(129)의 회전 속도(RPM)를 변화시키는 추가적인 기어박스 또는 유사한 장치에 대한 필요성 없이 발전기(150)가 요구되는 주파수 및 페이즈의 전압을 생성하도록 특정 발전기에 매칭될 수 있다. 또한, 발전기(150)에 의해서 생성되는 전기 에너지는 전압 조정기(160)에서 더욱 조절될 수도 있다. 어떤 실시형태에서, 예를 들어 전압 조정기(160)는, 배선 캐비넷(110)의 입력 전압 및 페이즈에 대응하는, 예를 들어 3-상, 480V 전압의 전압/페이즈를 생성할 수 있는 변압기일 수 있다. 다른 실시형태에서, 전압 조정기(160)는 다른 목적(예를 들어 다른 라인 전압)을 위해서 적합한 전압/페이즈를 생성할 수 있다. 전압 조정기(160)로 부터 나오는 전기가 라인(170)을 통해서 배선 캐비넷(110)과 전기적으로 연결되는 배열체에 있어서, 빌딩 또는 광산 공기 조화 및/또는 환기 시스템의 에너지 소비의 적어도 일 부분은 시스템(100)에 의해서 제공될 수 있다. 이 배열체는 공기 조화 및/또는 환기의 전체적인 에너지 소비를 감소시킬 것으로 예상된다.
도 5는 도 4의 터빈 조립체(200)의 등각 투상도이다. 도 5에서 가장 잘 보여지는 바와 같이, 터빈 조립체는 수평 또는 대제로 수평 방향으로 공기의 배기 유동(도 4의 배기 유동(140))을 수용하도록 구성된다. 배기 유동은 흐름 조절기(124)에 의해서 터빈 로터(145)를 향해서 지향될 수 있다. 터빈 로터(145)는 메쉬(181)에 의해서 적어도 부분적으로 보호될 수 있는 터빈 허브(127) 및 터빈 블레이드(126)를 포함할 수 있다. 전술된 바와 같이, 터빈 로터(145)는 2 개의 터빈 블레이드(126)를 포함하나, 다른 실시형태에서 터빈 로터(145)는 상이한 갯수의 터빈 블레이드(126)를 포함할 수도 있다. 또한 상술된 바와 같이, 본 기술의 적어도 몇몇 실시형태에서, 터빈 로터(145)의 회전은, 임의의 추가적인 장비, 예를 들어 터빈 및 발전기의 샤프트를 연결하는 기어박스 없이 발전기(150)에 직접적으로 전달될 수 있다. 터빈 조립체(200)는 수평 표면(예를 들어, 빌딩의 편평한 지붕)에 조립체(200)를 고정하도록 구성되는 터빈 장착부(180)를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 터빈 조립체(200)는 상이한 특징부를 포함할 수도 있고, 그리고/또는 상이한 배열체를 가질 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 예를 들어, 터빈 조립체(200)는 수직 및/또는 경사진 배기 공기 유동을 위해서 구성될 수도 있다.
도 6a는 도 4 및 도 5의 터빈 로터(145)의 등각 투상도이다. 본 기술의 적어도 몇몇 실시형태에서, 터빈 블레이드(126)는, 예를 들어 압축 성형(compression molding)을 사용하여 한가지 재료로부터 제조될 수 있다. 상대적으로 두꺼운 터빈 블레이드(126)는 배기 유동 내의 먼지 및 다른 입자에 대해 낮은 민감성을 가질 것으로 예상된다. 상대적으로 작은 폭을 갖는 상대적으로 작은 수의 터빈 블레이드(예를 들어, 2개의 블레이드)는 터빈 로터(145)의 낮은 고형성으로 이어진다. 그 밖의 모든 것이 동일하게 유지될 때, 터빈의 낮은 고형성은 그 효율을 향상시킨다. 각도(θ)는 터빈 블레이드(126)의 비틀림 각도(twist angle)를 나타낸다(그리고 표 1을 참조하여 아래에서 더욱 상세히 논의된다). 도 6a에서 가장 잘 보여지는 바와 같이, 각각의 터빈 블레이드(126)는 전체 스팬(R)을 갖는다. 엘리먼트 "r"은 중심선(128)과 전체 스팬(R) 사이의 터빈 블레이드(126) 상의 위치를 나타낸다. 일반적으로, 동작 중에, 배기 유동은 중심선(128)에 대략 평행한 유동 경로를 따라서 터빈 로터(145)에 접근하고, 터빈 허브(127)를 지나서 그리고 터빈 블레이드(126)를 향해서 진행하며, 다음으로 터빈 블레이드는 중심선(128) 둘레로 회전된다. 몇몇 실시형태에서, 터빈 블레이드(126)는, 터빈 블레이드가 유동의 압력 하에서 직선이 되도록 들어오는 유동 안으로 전방으로 스윕되고(swept), 작동 중에 대략 직선인 터빈 블레이드로 귀결된다. 터빈 블레이드(126)의 대표 단면이 도 6b에 도시된다.
도 6b는 도 6a의 선 A-A를 따라서 취해지는 터빈 블레이드(126)의 단면도이다. 도 6a 및 도 6b를 함께 참조하면, 각도(α)는, 에어포일이 중심선(128)(도 6a) 둘레로 회전될 때 에어포일(600)의 받음각을 나타낸다. 에어포일(600)은 리딩 에지(191) 및 트레일링 에지(192)를 포함한다. 에어포일(600)은 또한 아랫면(194) 및 윗면(195)을 포함한다. 시위선(c)은 리딩 에지(191)와 트레일링 에지(192)를 연결하는 직선이다.
상술된 바와 같이, 본 기술의 몇몇 실시형태에서, 에어포일(600)은 에어포일의 NACA 및/또는 SG60XX 패밀리, 예를 들어 NACA4415 또는 SG6043에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 다른 실시형태에서, 그러나, 다른 적합한 에어포일이 또한 사용될 수 있다. 이것 또는 다른 에어포일의 사용은 들어오는 배기 유동의 운동 에너지의 터빈 샤프트의 토크로의 전환에서 더 큰 효율로 귀결될 것이 예상된다.
몇몇 실시예에서, 터빈 블레이드(126)의 비틀림 각도(θ) 및 시위선(c)은 터빈 로터(145)의 성능을 최적화하도록 터빈 블레이드(126)의 스팬(R)을 따라서 변할수 있다. 터빈 블레이드(126)의 스팬(R)을 따른 위치의 함수로서 비틀림 각(θ) 및 시위선(c)의 몇몇 값이 아래 표 1에서 보여진다.
r/R Θ c/R
0% - 25% 10° - 30° 8.5% - 25%
25% - 50% 1° - 10° 4.5% - 8.5%
50% - 70% (-1.5°) - 1° 3% - 4.5%
70% - 100% (-1.5) ° - (-1) ° 0% - 3%
예시로서, 터빈 블레이드의 전체 길이의 0 내지 25%에 대응하는 터빈 블레이드(126)의 길이(r/R=0% - 25%)를 따른 위치에 대해서, 비틀림 각도(θ)는 10° 내지 30°일 수 있고, 반면 터빈 블레이드의 전체 길이에 대한 시위선의 비(즉, c/R)는 8.5% 내지 25% 일 수 있다. 터빈 로터(145)의 중심선(128)으로부터 더 멀리, 예를 들어 터빈 블레이드(126)의 길이의 25% 내지 50%에서, 비틀림 각도(θ)는 1° 내지 10°일 수도 있으며, 반면 터빈 블레이드(126)의 길이 대 시위선의 비는 4.5% 내지 8.5%일 수 있다. 터빈 로터(145)의 중심선(128)으로부터 더 멀리, 터빈 블레이드(126)의 길이의 50% 내지 70%에서, 비틀림 각도(θ)는 (-1.5)° 내지 1°일 수도 있으며, 반면 터빈 블레이드(126)의 길이 대한 시위선의 비는 3% 내지 4.5%일 수 있다. 마지막으로, 터빈 블레이드(126)의 스팬의 70% 내지 100%에서, 비틀림 각도(θ)는 음의 범위, 예를 들어 -(1)° 내지 -(1.5)°, 및 터빈 블레이드(126)의 전체 길이 대 시위선의 비는 0% 내지 3%일 수 있다. 표 1에서 θ 및 c/R의 값은 아래 부등식 (1) 및 (2)에서 보여지는 바와 같이, r/R의 함수로서 계산될 수 있다.
10 - 71.18(r/R) + 185.1(r/R)2 - 177.4(r/R)3<θ< 60.24 - 142.1(r/R) + 86.37(r/R)2 - 5.925(r/R)3 (1)
8.5 - 28.14(r/R) + 62.85(r/R)2 - 57.14(r/R)3< c/R < 62.70 - 205.2(r/R) + 241.8(r/R)2 - 96.29(r/R)3 (2)
터빈 블레이드의 길이를 따른 θ 및 c/R의 위 조합은 대략 일정한 속도의 배기 유동에 대해서 터빈의 향상된 효율로 귀결될 것으로 예상된다. 예를 들어, 본 기술의 몇몇 실시형태에서, 터빈 블레이드의 길이 대 시위선의 비 및 비틀림 각도의 위 조합이 약 30% 내지 약 50% 범위의 터빈의 전체적 효율로 귀결될 것으로 예상된다. 대조적으로, 종래의 윈드 터빈은 대체로 약 30% 이하의 전체 효율을 갖는다. 터빈 블레이드(126)가 다른 실시형태에서 상이한 배열체 및/또는 치수를 가질 수도 있다는 점이 이해될 것이다.
도 7은 본 기술의 실시형태에 따라 구성된 터빈 로터(145)의 배열체의 부분 단면도이다. 도시된 실시형태에서, 터빈 샤프트(129) 및 터빈 로터(145)는 중심선(128)에 대해서 중심에 놓인다. 터빈 로터(145)는 터빈 샤프트(129)의 단부를 수용하도록 구성되는 터빈 삽입부(inset; 130a)를 포함할 수 있다. 터빈 삽입부(130a)는 대체로 원추형인 터빈 삽입부 측부(131a)를 포함할 수 있다. 또한, 터빈 샤프트(129)는 터빈 삽입부 측부(131a)에 상보적인 대응하는 대체로 원추형인 샤프트측부(131b)를 포함할 수 있다. 터빈 삽입부(130a) 및 터빈 샤프트(129)의 단부 형상의 배열체는 터빈 샤프트(129)에 대해서 터빈 로터(145)를 중심에 위치시키는 것을 돕는다. 다른 실시형태에서, 터빈 삽입부 측부(131a) 및 샤프트측부(131b)는 다양한 다른 적합한 상보적인 형상(예를 들어, 원통형, 반구형, 또는 다른 형상)을 가질 수도 있다.
도 8은 본 기술의 실시형태에 따라 구성된 도 4 및 도 5의 흐름 조절기(124)의 단면도이다. 도시된 흐름 조절기(124)는 수렴하는 흐름 조절기이다. 작동 중에, 공기 유동(144)은 흐름 조절기(124)에 그 입구(더 큰 직경(Dmax)을 가짐)에서 들어가고, 그리고 출구(하류의 직경(Dmin)을 가짐)를 향하여 기류 경로를 따라서 진행된다. 유동(144)은, 압력이 흐름 조절기(124)의 중심선을 따라서 감소함에 따라 가속된다. 어떤 실시형태에서, 터빈 로터(미도시)는 흐름 조절기(124)의 출구 근처에 위치될 수 있다. 흐름 조절기(124)는 반경(ρ) 및 깊이(L)를 포함한다. 중심 축선을 따른 위치(x)에서 반경(ρ)은 흐름 조절기(124)의 효율을 향상시키고 압력 손실을 최소화하는 것을 돕도록, 예를 들어 아래 방정식(3)을 사용하여, 선택될 수 있다.
Figure pct00001
(3)
도해된 실시형태에서, 반경(ρ)은 왼쪽에서 오른쪽으로, 즉 흐름 조절기(124)의 공기 흐름 입구로부터 공기 흐름 출구까지 비-선형적으로 감소된다. 그러나, 다른 실시형태에서, 반경(ρ)은 상이한 파라미터를 사용하여 선택될 수도 있다.
도 9는 본 기술에 따라 구성되는 터빈에 대한주속비의 함수로서 토크 계수 및 출력 계수를 도해하는 그래프이다. 그래프에서, 주속비는 수평 축선에있고, 출력 계수(Cp) 및 토크 계수(CT)는 수직 축선에 있다. 주속비는 터빈 블레이드의 팁의 속력 대 들어오는 공기 속도의 비를 나타낸다. 그래프의 수평 축선 상에서 주속비의 범위는 0 (터빈이 회전하지 않는 것을 의미)으로부터 약 19 (터빈 블레이드 팁의 속력이 들어오는 배기 공기의 속도보다 약 19배 크다는 것을 의미)까지 이다. 이론에 의해서 묶이는 것 없이, 출력 계수는 시간당, 들어오는 공기 유동으로부터 추출되는 에너지와 들어오는 공기 유동의 총 이용가능한 운동 에너지의 비로서 이해될 수 있다. 유사하게, 토크 계수는 들어오는 공기 유동으로부터 이론적으로 추출가능한 가장 큰 토크 대 터빈 샤프트에서 측정되는 토크의 비로서 이해될 수 있다. 본 기술의 하나의 특정 실시형태에서, 라인(255)은 터빈에 대한 최대 출력 계수가 약 47%이고, 약 10.5의 주속비에서 달성되는 것을 나타낸다. 라인(245)는 이 실시형태에 대한 최대 토크 계수가 약 50%이고, 약 7.5의 주속비에서 달성된다는 점을 나타낸다. 본 기술에 따라 구성되는 터빈에 의해서 달성되는 피크 효율 주속비에 대조적으로, 전형적인 기존의 터빈은 영역(60)에서 동작된다. 주속비는 영역(60)에서 더 낮고, 즉, 약 5 내지 7이고, 이러한 종래의 터빈에 대한 피크 출력 계수 및 토크 계수에 대해서 대응하는 더 낮은 블레이드 팁의 속력으로 귀결된다.
도 10은 본 기술에 따라 구성되는 터빈에 대한 각 속도의 함수로서 이론적 및 측정된 출력을 도해하는 그래프이다. 그래프에서, 각 속도(RPM)는 수평 축선 상에 있고, 출력(W)은 수직 축선 상에 있다. 예를 들어, 그래프는 약 10 m/s 내지 약 17 m/s의 범위에서 배기 공기의 들어오는 유동의 몇가지 속도에서 이론적 및 측정된 결과를 포함한다. 하나의 특정 실시형태에서, 배기 공기의 유동으로부터 추출되는 출력은 약 17 m/s의 가장 높은 측정된 배기 공기 속도에 대해서 약 1,600 와트에 도달되면서, 배기 공기의 속도에 따라 증가한다. 들어오는 배기 공기의 고정된 값의 속도에 대해서, 터빈에 의해서 생성된 출력은 그 각속도에 따라서 변한다. 들어오는 배기 공기의 측정된 속도의 대부분에 대해서, 최대 출력 추출은 개재되는 기어박스의 필요성 없이 발전기 및 터빈 샤프트의 직접 연결에 대해서 적합한 각속도인 1,500과 3,500 RPM 사이에서 발생된다. 측정된 출력(기호에 의해서 도시됨)은 배기 공기의 주어진 속도에 대한 터빈 출력의 이론적 값(선에 의해서 도시됨)과 대략적으로 잘 대응된다. 배기 공기 속도의 더 낮은 범위(예를 들어, 약 10 m/s 내지 14 m/s의 범위)에 대해서, 출력의 측정된 값은 배기 공기 유동의 주어진 속도에 대해서 피크 출력에 인접하거나 또는 피크 출력에서 이들의 대응하는 이론적인 값보다 더 크게 되는 경향이 있다. 들어오는 배기 공기 유동의 최고 높은 속도(17 m/s)에 대해서, 출력의 측정된 값은 피크 출력 주변 또는 피크 출력에서 이들의 이론적 대응값보다 약간 더 낮은 경향이 있다.
B. 실시예
1. 환기 배기로부터 에너지를 추출하기 위한 에너지 회수 장치에 있어서,
복수의 터빈 블레이드를 갖는 터빈 로터로서, 상기 터빈 블레이드는 부분적으로 에어포일(airfoil)인, 상기 터빈 로터;
상기 터빈에 배기 유동을 지향시키도록 위치되는 흐름 조절기(flow conditioner); 및
전기 발전기와 상기 터빈을 연결하는 회전샤프트를 포함하며,
상기 흐름 조절기는 상기 배기 유동의 출구로부터 흐름에 관한(streamwise) 방향으로 오프셋(offset)되는 에너지 회수 장치.
2. 실시예 1에서, 상기 터빈 블레이드는 적어도 부분적으로 NACA 에어포일인 에너지 회수 장치.
3. 실시예 2에서, 상기 NACA 에어포일은 NACA 4415 에어포일인 에너지 회수 장치.
4. 실시예 1에서, 상기 터빈 블레이드는 적어도 부분적으로 SG60XX 에어포일인 에너지 회수 장치.
5. 실시예 4에서, 상기 SG60XX 에어포일은 SG6043 에어포일인 에너지 회수 장치.
6. 실시예 1에서, 상기 터빈 로터는 2 개의 터빈 블레이드를 갖는 에너지 회수 장치.
7. 실시예 1에서, 상기 터빈 로터는 40%보다 큰 출력 계수를 갖는 에너지 회수 장치.
8. 실시예 1에서, 상기 터빈 블레이드는 고정된 피치(pitch)를 갖는 에너지 회수 장치.
9. 실시예 1에서, 상기 터빈 블레이드는 대략적으로 부등식:
10 - 71.18(r/R) + 185.1(r/R)2 - 177.4(r/R)3<θ< 60.24 - 142.1(r/R) + 86.37(r/R)2 - 5.925(r/R)3
(여기서 R은 상기 터빈 블레이드의 전체 스팬이고, r은 상기 전체 스팬을 따른 위치이다)
을 따르는 비틀림 각도(θ)를 갖는 에너지 회수 장치.
10. 실시예 1에서, 상기 터빈블레이드는 대략적으로 부등식:
8.5 - 28.14(r/R) + 62.85(r/R)2 - 57.14(r/R)3< c/R < 62.70 - 205.2(r/R) + 241.8(r/R)2 - 96.29(r/R)3
(여기서 R은 상기 터빈 블레이드의 전체 스팬이고, r은 상기 전체 스팬을 따른 위치이다)
을 따르는 시위선(c)을 갖는 에너지 회수 장치.
11. 실시예 1에서, 상기 터빈로터는, 터빈 삽입부 면 및 대략 원추형 터빈 삽입부 측부를 갖는 터빈 삽입부를 포함하고; 그리고 상기 회전샤프트는 대략 원추형 샤프트측부 및 상기 터빈 사입부 면에 대향하게 위치되는 샤프트 면을 포함하는 에너지 회수 장치.
12. 실시예 1에서, 상기 흐름 조절기는 대략적으로 다항식 방정식:
Figure pct00002
(여기서 ρ는 중심축선을 따른 위치(x)에서 상기 흐름 조절기의 반경이고, Dmax는 상기 흐름 조절기의 입구 직경이고, Dmin은 상기 흐름 조절기의 출구 직경이고, 그리고 L은 상기 흐름 조절기의 깊이이다)
을 따르는 흐름에 관한 아웃라인을 갖는 에너지 회수 장치.
13. 실시예 1에서, 상기 흐름 조절기는 상기 흐름 조절기의 입구 직경의 25% 내지 200%에 대응하는 거리만큼 상기 배기 유동의 상기 출구로부터 상기 흐름에 관한 방향으로 오프셋되는 에너지 회수 장치.
14. 실시예 1에서, 상기 터빈 로터 및 상기 전기 발전기의 로터는 동일한 각속도로 회전되도록 구성되는 에너지 회수 장치.
15. 실시예 1에서, 전압 변환기를 더 포함하며, 상기 전압 변환기로부터 출력되는 전압은 환기 팬에 에너지를 공급하도록 구성되는 배선 캐비넷(wiring cabinet)에서의 전압에 대응하는 에너지 회수 장치.
16. 환기 배기로부터 에너지를 추출하기 위한 에너지 회수 장치에 있어서, 적어도 부분적으로 에어포일에 대응하는 2 개 이상의 터빈 블레이드를 갖는 터빈; 상기 터빈에 배기 유동을 지향시키도록 위치되는 흐름 조절기; 전기 발전기와 상기 터빈을 연결하는 회전 샤프트; 및 팬에 동력을 공급하기에 적합한 제2 전압으로 상기 전기 발전기로부터의 제1 전압을 변화시키도록 구성되는 전압 변환기를 포함하며, 상기 흐름 조절기는 상기 배기 유동의 출구로부터 흐름에 관한(streamwise) 방향으로오프셋되는 에너지 회수 장치.
17. 실시예 16에서, 상기 회전 샤프트는 약 1500 - 3500 RPM의 범위 내에서 회전되도록 구성되는 에너지 회수 장치.
18. 실시예 16에서, 상기 제2 전압은 3-상, 480V 전압인 에너지 회수 장치.
19. 실시예 16에서, 상기 터빈블레이드는 전방으로 스윕된(swept) 에너지 회수 장치.
20. 공기 배기로부터 폐 에너지를 회수하기 위한 방법에 있어서, 상기 공기 배기로부터 흐름 조절기 안으로 공기 유동을 제공하는 것으로서, 상기 흐름 조절기는 상기 공기 배기의 출구로부터 흐름에 관한 방향으로 오프셋되는, 상기 공기 유동을 제공하는 것; 복수의 터빈 블레이드를 갖는 터빈 로터에 상기 흐름 제어기를 통해서 상기 공기 유동을 지향시키는 것; 상기 터빈 로터를 회전시키는 것으로서, 상기 터빈 로터는 회전 샤프트에부착되는, 상기 터빈 로터를 회전시키는 것; 및 전기를 생성하도록 상기 회전 샤프트 상의 전기 발전기를 회전시키는 것을 포함하는 방법.
21. 실시예 20에서, 환기 팬을 위해서 적합한 전압으로 상기 전기를 조절하는 것을 더 포함하는 방법.
22. 실시예 20에서, 상기 터빈블레이드는 적어도 부분적으로 NACA 패밀리 에어포일인 방법.
23. 실시예 20에서, 상기 터빈 블레이드는 적어도 부분적으로 SG60XX 패밀리 에어포일인 방법.
24. 실시예 20에 있어서, 상기 공기 배기로부터 상기 흐름 조절기까지의 거리는 적어도 부분적으로 흐름 조절기의 입구 직경에 기초하여 선택되는 방법.
25. 실시예 20에 있어서, 상기 터빈은 배기 흐름으로부터 운동 에너지 플럭스(flux)의 30 내지 50%를 추출하도록 구성되는 방법.
C. 결론
본 기술의 실시형태의 상기 상세한 설명은 모든 것을 다 포함하게 하거나 또는 위에서 개시된 정확한 형태에 본 기술을 한정하려는 의도는 아니다. 비록, 본 기술의 특정 실시형태 및 실시예가 도해적인 목적을 위해서 위해서 설명되나, 당업자가 인식하는 바와 같이 다양한 균등 변형예가 본 기술의 범위 내에서 가능하다. 또한, 단계가 주어진 순서로 제공되나, 대안적인 실시형태는 상이한 순서로 단계를 행할 수도 있다. 여기서 설명되는 다양한 실시형태는 또한 추가적인 실시형태를 제공하도록 결합될 수도 있다.
상기로부터, 본 기술의 구체적 실시형태가 도해적인 목적을 위해서 여기서 설명되었으나, 잘 알려진 구조 및 기능이, 본 기술의 실시형태의 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해서, 상세히 도시되거나 설명되지 않았다는 점이 이해될 것이다. 문맥이 허여하는 곳에서, 단수 또는 복수 용어는 또한 각각 복수 또는 단수 용어를 포함한다.
또한, 단어 "또는"이 2 개 이상의 아이템의 리스트에 대한 참조에서 나머지 다른 아이템으로부터 배타적으로 단일의 아이템만을 의미하도록 명시적으로 한정되지 않는 한, 이러한 리스트에서 "또는"의 사용은 (a)리스트에 있는 임의의 단일의 아이템, (b)리스트에 있는 아이템 전부, 또는 (c) 리스트에 있는 아이템의 임의의 조합을 포함하는 것으로서 해석되어야 한다. 추가적으로, 용어 "포함"은, 임의의 더 큰 수의 동일한 특징부 및/또는 추가적인 타입의 다른 특징부가 배제되지 않도록 적어도 언급된특징부(들)를 포함하는 것을 의미기 위해서 전체에 걸쳐서 사용된다. 또한, 특정 실시형태가 도해의 목적을 위해서 여기서 설명되었으나, 다양한 변형예가 본 기술로부터 벗어나지 않으면서 만들어질 수도 있다는 점이 이해될 것이다. 또한, 본 기술의 특정 실시형태와 관련된 장점이 이 실시형태의 맥락에서 설명되었으나, 다른 실시형태도 이러한 장점을 보일 수도 있고, 그리고 모든 실시형태가 본 기술의 범위 내에 해당되는 이러한 장점을 반드시 보여야 하는 것은 아니다. 따라서, 본 개시 및 관련된 기술은 명확하게 여기서 설명되거나 도시되지 않은 다른 실시형태를 포함할 수 있다.

Claims (25)

  1. 환기 배기로부터 에너지를 추출하기 위한 에너지 회수 장치에 있어서,
    복수의 터빈 블레이드를 갖는 터빈 로터로서, 상기 터빈 블레이드는 부분적으로 에어포일(airfoil)인, 상기 터빈 로터;
    상기 터빈에 배기 유동을 지향시키도록 위치되는 흐름 조절기(flow conditioner); 및
    전기 발전기와 상기 터빈을 연결하는 회전 샤프트를 포함하며,
    상기 흐름 조절기는 상기 배기 유동의 출구로부터 흐름에 관한(streamwise) 방향으로 오프셋(offset)되는 에너지 회수 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 터빈 블레이드는 적어도 부분적으로 NACA 에어포일인 에너지 회수 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 NACA 에어포일은 NACA 4415 에어포일인 에너지 회수 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 터빈 블레이드는 적어도 부분적으로 SG60XX 에어포일인 에너지 회수 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 SG60XX 에어포일은 SG6043 에어포일인 에너지 회수 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 터빈 로터는 2 개의 터빈 블레이드를 갖는 에너지 회수 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 터빈 로터는 40%보다 큰 출력 계수를 갖는 에너지 회수 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 터빈 블레이드는 고정된 피치(pitch)를 갖는 에너지 회수 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 터빈 블레이드는 대략적으로 부등식:
    10 - 71.18(r/R) + 185.1(r/R)2 - 177.4(r/R)3<θ< 60.24 - 142.1(r/R) + 86.37(r/R)2 - 5.925(r/R)3
    (여기서 R은 상기 터빈 블레이드의 전체 스팬이고, r은 상기 전체 스팬을 따른 위치이다)
    을 따르는 비틀림 각도(θ)를 갖는 에너지 회수 장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 터빈 블레이드는 대략적으로 부등식:
    8.5 - 28.14(r/R) + 62.85(r/R)2 - 57.14(r/R)3< c/R < 62.70 - 205.2(r/R) + 241.8(r/R)2 - 96.29(r/R)3
    (여기서 R은 상기 터빈 블레이드의 전체 스팬이고, r은 상기 전체 스팬을 따른 위치이다)
    을 따르는 시위선(c)을 갖는 에너지 회수 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 터빈 로터는, 터빈 삽입부 면 및 대략 원추형 터빈 삽입부 측부를 갖는 터빈 삽입부를 포함하고; 그리고 상기 회전 샤프트는 대략 원추형 샤프트측부 및 상기 터빈 삽입부 면에 대향하게 위치되는 샤프트 면을 포함하는 에너지 회수 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 흐름 조절기는 대략적으로 다항식 방정식:
    Figure pct00003

    (여기서 ρ는 중심 축선을 따른 위치(x)에서 상기 흐름 조절기의 반경이고, Dmax는 상기 흐름 조절기의 입구 직경이고, Dmin은 상기 흐름 조절기의 출구 직경이고, 그리고 L은 상기 흐름 조절기의 깊이이다)
    을 따르는 흐름에 관한 아웃라인을 갖는 에너지 회수 장치.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 흐름 조절기는 상기 흐름 조절기의 입구 직경의 25% 내지 200%에 대응하는 거리만큼 상기 배기 유동의 상기 출구로부터 상기 흐름에 관한 방향으로 오프셋되는 에너지 회수 장치.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 터빈 로터 및 상기 전기 발전기의 로터는 동일한 각속도로 회전되도록 구성되는 에너지 회수 장치.
  15. 청구항 1에 있어서, 전압 변환기를 더 포함하며, 상기 전압 변환기로부터 출력되는 전압은 환기 팬에 에너지를 공급하도록 구성되는 배선 캐비넷(wiring cabinet)에서의 전압에 대응하는 에너지 회수 장치.
  16. 환기 배기로부터 에너지를 추출하기 위한 에너지 회수 장치에 있어서,
    적어도 부분적으로 에어포일에 대응하는 2 개 이상의 터빈 블레이드를 갖는 터빈;
    상기 터빈에 배기 유동을 지향시키도록 위치되는 흐름 조절기;
    전기 발전기와 상기 터빈을 연결하는 회전 샤프트; 및
    팬에 동력을 공급하기에 적합한 제2 전압으로 상기 전기 발전기로부터의 제1 전압을 변화시키도록 구성되는 전압 변환기를 포함하며,
    상기 흐름 조절기는 상기 배기 유동의 출구로부터 흐름에 관한(streamwise) 방향으로 오프셋되는 에너지 회수 장치.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 회전 샤프트는 약 1500 - 3500 RPM의 범위 내에서 회전되도록 구성되는 에너지 회수 장치.
  18. 청구항 16에서, 상기 제2 전압은 3-상, 480V 전압인 에너지 회수 장치.
  19. 청구항16에서, 상기 터빈 블레이드는 전방으로 스윕된(swept) 에너지 회수 장치.
  20. 공기 배기로부터 폐 에너지를 회수하기 위한 방법에 있어서,
    상기 공기 배기로부터 흐름 조절기 안으로 공기 유동을 제공하는 것으로서, 상기 흐름 조절기는 상기 공기 배기의 출구로부터 흐름에 관한 방향으로 오프셋되는, 상기 공기 유동을 제공하는 것;
    복수의 터빈 블레이드를 갖는 터빈 로터에 상기 흐름 제어기를 통해서 상기 공기 유동을 지향시키는 것;
    상기 터빈 로터를 회전시키는 것으로서, 상기 터빈 로터는 회전 샤프트에 부착되는, 상기 터빈 로터를 회전시키는 것; 및
    전기를 생성하도록 상기 회전 샤프트 상의 전기 발전기를 회전시키는 것을 포함하는 방법.
  21. 청구항 20에 있어서, 환기 팬을 위해서 적합한 전압으로 상기 전기를 조절하는 것을 더 포함하는 방법.
  22. 청구항 20에서, 상기 터빈 블레이드는 적어도 부분적으로 NACA 패밀리 에어포일인 방법.
  23. 청구항 20에 있어서, 상기 터빈 블레이드는 적어도 부분적으로 SG60XX 패밀리 에어포일인 방법.
  24. 청구항 20에 있어서, 상기 공기 배기로부터 상기 흐름 조절기까지의 거리는 적어도 부분적으로 흐름 조절기의 입구 직경에 기초하여 선택되는 방법.
  25. 청구항 20에 있어서, 상기 터빈은 배기 유동으로부터 운동 에너지 플럭스(flux)의 30 내지 50%를 추출하도록 구성되는 방법.
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