KR20160105386A - 물의 재순환과 에너지 생성을 위한 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

물의 재순환과 에너지 생성을 위한 장치, 시스템 및 방법 Download PDF

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레자 자한기르
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바미안 테크놀러지스 엘엘씨
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Abstract

물의 재순환과 에너지 생성을 위한 장치, 시스템, 및 방법은 저장소 및 저장소로부터의 물의 흐름을 촉진하는 장치를 포함한다. 시스템은 에너지 생성을 위한 방법을 구현하기 위해 사용된다. 장치는 장치의 내부 벽 상의 소수성 코팅을 이용하여 마찰을 최소화하도록 구성된다. 일방향 밸브는 장치로 유입된 물이 물 저장소로 되돌아가는 것을 방지한다. 물의 흐름을 유지하도록 친수성 및 소수성 상호작용이 더 이용된다. 이후 시스템은 터빈 및 발전기와 같은 전기 발전기 또는 유사한 장치를 구동하는데 사용되는 순환 폭포를 생성하여 전기를 발생시킨다.

Description

물의 재순환과 에너지 생성을 위한 장치, 시스템 및 방법{A DEVICE, SYSTEM AND METHOD FOR RECIRCULATION OF WATER AND ENERGY GENERATION}
본 발명은 에너지 생성 분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 유체 역학 및 모세관 작용을 이용하여 전기를 생성하기 위한 장치, 시스템, 및 방법에 관한 것이다.
물 순환 시스템은 하나의 저장소에서 다른 저장소로의 물의 이동 또는 저장소 외부 및 내부로의 물의 이동을 보장하기 위해 일반적으로 전기 펌프에 의존한다. 대기압과 물 마찰로 인해, 이러한 펌프는 지속적으로 작동하여야 한다. 수직 칼럼에서 물의 상승을 위해 중력을 극복하는 것은 어려운 일이다. 기계적 및 전기적 펌핑 작용이 없는 경우 중력과 대기압은 이러한 물의 흐름을 더욱 방해한다.
2012년 7월 26일 공개된 국제 특허 공개 제 WO2012/100100A2호에 개시되고 이의 전체가 본원에 참조로 포함된, 미끄러운 액체를 모이게 하는 다공성 표면(slippery liquid-infused porous surfaces, SLIPS)과 같은, 액체 및 물의 반발 분야의 최신 기술은 모세관 유도 메커니즘 및 저마찰 유체 시스템을 개발하기 위한 새로운 방안을 제공한다. 그러나, 낮은 마찰 단독은 물 순환 시스템에서 중력과 대기압의 힘을 극복하기에는 충분하지 않다.
에너지 생성 분야에서, 태양 전지 효율은 달리 언급하지 않는 한 표준 시험 조건(standard test conditions, STC) 하에서 측정된다. STC는 25℃의 온도 및 공기 질량 1.5(AM1.5) 스펙트럼의 1000 W/m2의 방사 조도를 명시한다. 이러한 조건은 태양이 수평선 위 41.81°의 각도에 있고 태양을 향해 37° 기울어진 표면을 따라 햇볕이 입사하는 맑은 날에 해당한다. 이는 전지의 표면이 직접 태양을 향하는 상태에서 미국 대륙의 춘분 및 추분점에 가까운 태양의 정오를 나타낸다. 이러한 시험 조건 하에서, 100 cm2((10cm)2)의 표면적을 갖는 20% 효율의 태양 전지는 2.0 W를 생산할 것이다. 광전지 시스템에서 사용되는 태양 전지의 효율은 위도 및 기후와 함께 시스템의 연간 에너지 출력을 결정한다. 예를 들어, 20% 효율과 1 m2의 면적을 갖는 태양 전지판은 STC에서 200 W를 생산하지만, 태양이 하늘 높이 있을 때 많이 생산할 수 있고, 흐린 조건에서 그리고 태양이 하늘에서 낮게 있을 때 덜 생산할 것이다. 따라서 태양 에너지에 의존하지 않는 더욱 효율적인 시스템이 필요하다.
본 발명의 목적은 흐름 유지부를 포함하는, 물을 순환하기 위한 장치를 제공하는 것이다. 흐름 유지부는 소수부 및 친수부를 포함하고 제 1 흐름 유지부 단부에서 흐름 유지부로 유입되고 제 2 흐름 유지부 단부에서 배출되는 물의 흐름을 유지한다.
본 발명의 또 다른 목적은 수직부, 전이부, 및 배출부를 포함하는, 물을 순환하기 위한 장치를 제공하는 것이다. 전이부는 수직부와 배출부를 연결한다. 수직부, 전이부, 및 배출부는 마찰 저감 재료로 코팅된 내부 벽을 갖는다. 수직부는 제 1 단부에서 흡입구를 포함하고, 상기 흡입구는 제 1 일방향 밸브를 포함하고; 상기 수직부는 수직부의 제 2 단부에서 전이부에 연결된다. 상기 전이부는 제 1 전이부 단부에서 수직부에 그리고 제 2 전이부 단부에서 배출부에 연결된다. 상기 배출부는 배출부의 상단부에서 제 2 일방향 밸브, 제 2 배출부 단부에서 제 3 일방향 밸브, 및 흐름 유지 메커니즘을 포함한다.
상기한 물을 순환하기 위한 장치, 물 저장소, 및 수력 발전기를 포함하는, 전기를 생산하기 위한 시스템이 개시된다. 흡입구를 통해 물을 순환하기 위한 장치를 통해 저장소로부터 물이 수집되고 제 2 흐름 유지부 단부에서 수력 발전기로 배출됨으로써, 전기를 생산한다.
본 발명의 많은 장점은 본 기술 분야의 숙련자가 첨부한 도면을 참조로 쉽게 이해할 수 있다, 도면에서:
도 1은 물을 순환하기 위한 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 제 1 실시형태의 배출부를 도시한 도면이다.
도 3A는 바람직한 실시형태에 따른 캐필러리 튜브(모세관, capillary tube)를 도시한 도면이다.
도 3B는 본 출원의 일 실시형태에 따른 캐필러리 튜브를 도시한 도면이다.
도 4A는 캐필러리 플레이트(capillary plate)를 도시한 도면이다.
도 4B는 홀더 프레임과 캐필러리 플레이트를 도시한 도면이다.
도 4C는 홀더 프레임 및 다수의 캐필러리 플레이트를 도시한 도면이다.
도 5는 소수부와 친수부 사이의 경계를 나타내는, 캐필러리 플레이트와 튜브를 도시한 도면이다.
도 6은 온도 제어 장치를 도시한 도면이다.
도 7은 테이퍼형 수직부를 구비하는 장치를 도시한 도면이다.
도 8은 다양한 홀 직경을 갖는 다수의 플레이트를 구비한 장치를 도시한 도면이다.
도 9는 제 1 단부로부터 전이부로 직경이 감소하는 수직부를 구비하는 물을 재순환하기 위한 장치를 도시한다.
도 10은 다수의 장치와 저장소가 지그재그로 배열된 물 순환 시스템의 하나의 응용을 도시한다.
다음의 설명은 본 발명의 구현을 실시할 수 있도록 명시된, 본 발명의 특정 실시형태에 대한 것이고, 바람직한 실시형태를 제한하지는 않으나, 이의 특정 실시예로 기능하도록 하기 위한 것이다. 본 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 방법 및 시스템을 변경하거나 설계하기 위한 기초로서 개시된 개념 및 특정 실시형태를 용이하게 사용할 수 있다는 것을 인식해야 한다. 본 기술 분야의 숙련자는 또한 이러한 상응하는 조합이 넓은 형태에서 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는다는 것을 인식해야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 물을 순환하기 위한 장치(100)는 수직부(110), 전이부(120), 및 배출부(130)를 포함한다. 전이부(120)는 수직부(110)와 배출부(130)를 연결한다. 바람직한 실시형태에서, 저장소가 해수면에 있을 때 장치(100)의 높이는 10.33 미터 이하이다. 높이는, 장치가 전이부(120) 상의 가장 높은 지점에 배치되는 수면으로부터 측정된다. 높이를 10.33 미터 이하로 유지하면 물의 순환을 촉진한다. 대기압은 760 mmHg 또는 해수면에서 10.33 미터 H2O와 같다. 대기압은 고도가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 예를 들어 해수면에서, 일반적인 날의 대기압은 101.3 kPa인 반면, 3,000 미터의 고도에서 일반적인 날의 대기압은 대략 70 kPa이다. 그 결과, 장치(100)의 높이는 장치(100)가 사용되는 고도의 1,000 미터마다 대략 1 미터씩 감소되어야 한다. 높이를 10.33 미터 이하로 유지하는데 있어서, 장치가 배치될 수 있는 저장소 상의 공기의 중량은, 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 진공이 형성되면, 수직부(110) 상에서 물의 상승 이동을 보조할 것이다.
본 기술 분야의 숙련자는 대기압과 관련하여 장치(100)의 대략적인 높이가 정확할 필요는 없다는 것을 인식할 것이다. 다른 바람직한 실시형태에서, 장치(100)의 높이는 다음과 같은 방식으로 계산될 수 있다. 제 1 단계에서, 소정 고도에서 대기압은 다음과 같이 결정된다:
Figure pct00001
상기 식에서, P는 공기압(pa)이고 h는 해발 고도(m)이다. 예를 들어, 3,000 m의 고도에서, P는 70.2 kPa이다. 이 대기압을 기반으로, 101.3 kPa는 10.3 m H20와 같고, 따라서, 1 kPa는 101.97 mm H20인, 물의 미터 상 고도를 계산할 수 있다. 3,000 m에서 P는 70.2 kPa이므로, 칼럼의 높이는 101.97 mm H20를 70.2 kPa와 곱해서 계산될 수 있고, 이는 7.1 m H20이다.
수직부(110)는 제 1 단부(101)와 제 2 단부(112)를 갖는다. 제 1 단부(101)는 물을 수집하기 위한 흡입구(105)를 구비한다. 바람직한 일 실시형태에서, 흡입구(105)는 제 1 일방향 밸브(108)를 갖는다. 제 1 일방향 밸브(108)는 제 1 단부(101)로부터 제 2 단부(112)로 오직 한 방향으로의 물의 흐름을 허용하도록 구성된다. 바람직한 실시형태에서, 수직부(110)의 제 2 단부(112)는 전이부(120)의 제 1 전이 단부(118)에 연결된다. 일부 실시형태에서, 수직부(110)와 전이부(120)는 하나로 제작된 부재로 형성되는 것을 고려할 수 있다. 이러한 실시형태에서, 제 1 전이 단부(118)와 제 2 단부(112)는 이들 각각의 부분의 영역이지만, 별도의 구조를 형성하지는 않는다. 그러나, 다른 실시형태에서, 장치(100)는 제 2 단부(112)와 제 1 전이 단부(118)가 서로 결합하는 별도의 수직부(110) 및 별도의 전이부(120)를 포함할 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 수직부(110)는 내부 벽(115)을 구비한다. 내부 벽(115)은 마찰 저감 재료로 코팅될 수 있다. 사용되는 마찰 저감 재료는 WO2012/100100A2('100 출원, 이의 전체가 본원에 참조로 포함됨)에 개시된 바와 같은, 미끄러운 액체를 모이게 하는 다공성 표면(slippery liquid-infused porous surfaces, SLIPS)으로 제조된 고도로 미끄럽고 극도로 반발성인 재료일 수 있다. '100 출원에 개시된 바와 같이, 내부 벽(115)은 마이크로 및 나노 크기의 지형을 특징으로 하는 거친 고체 표면 상에 화학적으로 불활성인 고밀도 액체 코팅을 흡수함으로써 코팅될 수 있다. SLIPS 코팅의 소수성은 수직부(110)의 제 1 단부(101)로부터 제 2 단부(112)를 향한 물의 흐름을 유지하는데 도움을 준다. 다른 실시형태에서, 전이부(120)의 내부 벽, 배출부의 내부 벽, 또는 이 둘 모두에 SLIPS 코팅이 적용되는 것을 고려할 수 있다. 일부 바람직한 실시형태에서, 장치(100)의 다양한 구성요소의 모든 내부 벽에 SLIPS 또는 다른 소수성 코팅이 적용될 수 있다.
전이부(120)는 장치(100) 내에서 물의 흐름의 방향을 변경하기 위한 메커니즘을 제공한다. 바람직한 일 실시형태에서, 전이부(120)는 뒤집힌 "U" 형상을 갖는다. 물은 제 1 전이 단부(118)를 통해 유입되고 제 2 전이 단부(125)를 통해 배출된다. 장치가 물 저장소(300) 상에 배치되는 경우, 수직부(110)는 수면에 대해 대체로 수직 방향으로 연장된다. 전이부(120)는 제 2 전이 단부(125)가 물의 흐름을 물 저장소(300) 쪽으로 향하게 하도록 수직부(110)에 연결된다. 예시적인 일 실시형태에서, 제 2 전이 단부(125)에서 배출되는 물의 흐름은 수직부(110)를 오르는 물의 흐름과 평행하다. 물의 수직 흐름과 실질적으로 평행하지 않는 방향으로 배출부(130)에서 물이 배출되는 것을 고려할 수 있지만, 일부 실시형태에서, 이러한 흐름이 수직 흐름과 평행한 것을 고려할 수 있다.
이후 제 2 전이 단부(125)는 배출부(130)의 상단부(135)에 연결된다. 배출부(130)는 두 가지 기능, 즉, 1) 저장소(300)로부터 물의 흐름을 개시하고, 2) 장치(100) 외부에서 물의 흐름을 유지하는 기능을 갖는다. 이들 기능을 달성하기 위해, 배출부(130)는 흐름 개시부(140) 및 흐름 유지부(150)의 두 개의 하위 부분으로 분할된다.
도 2에 상세하게 도시된 바와 같이, 바람직한 일 실시형태에서, 흐름 개시부(140)는 배출부(130)의 상단부(135)에 배치된 제 2 일방향 밸브(143)를 구비하며, 상단부(135)는 제 2 전이 단부(125)에 연결된다. 상기 제 2 일방향 밸브(143)는, 흐름이 이루어지고 난 이후, 물이 물 저장소(300)로 되돌아가는 것을 방지한다. 흐름 개시부(140)와 흐름 유지부(150) 사이에 제 3 일방향 밸브(145)가 배치된다. 흐름을 개시하기 위해, 흐름 개시부(140) 내에 진공 메커니즘이 설치된다. 예시적인 일 실시형태에서, 하나 이상의 효율 전기 진공 모터(148)가 사용될 수 있다. 모터는 흐름 개시부(140)에서 공기를 제거하도록 구성된다. 진공이 형성되어 제 3 일방향 밸브(145)의 폐쇄를 유지하고, 제 2 일방향 밸브(143) 및 제 1 일방향 밸브(108)를 개방한다. 시스템 내의 낮은 압력의 결과, 저장소(300)로부터의 물이 상승하여 흐름 개시부(140)로 유입된다. 장치(100)의 흐름 개시부(140)로 흐름을 개시하는 다른 방법을 이용하는 것을 고려할 수 있다.
흐름 유지부(150)는 부착부(155) 및 흐름 유도부(160)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 이들 두 부분은 단일 제조로 형성된다. 다른 실시형태에서, 이들 두 부분은 분리할 수 있다. 부착부(155)는 흐름 유지부(150)를 장치의 흐름 개시부(140)에 연결한다. 이는, 물의 흐름이 시작되면, 흐름 유도부(160)가 이를 유지하기 위해 물을 사용할 수 있게 한다. 흐름 유지부(150)는 소수부(306) 및 친수부(305)를 포함하고, 흐름 유지부(150)는 제 1 흐름 유지부 단부에서 흐름 유지부(150)로 유입되고 제 2 흐름 유지의 단부에서 배출되는 물의 흐름을 유지한다.
일 실시형태에서, 흐름 유도부(160)는 다수의 모세관(170)에 대한 지지를 제공하는 홀더 또는 지지 프레임(165)을 구비한다. 모세관(170)은 물의 흐름을 개시/유도 및 유지하도록 설계된 튜브이다. 일부 실시형태에서, 지지 프레임 또는 홀더(165)가 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 다른 형태의 흐름 유도 구성요소에 대한 지지를 제공하는 것을 고려할 수 있다. 일부 바람직한 실시형태에서, 지지 프레임 또는 홀더(165)는 부착부(155)에 부착될 수 있는 별도의 구성요소이다.
도 3A는 캐필러리 튜브(170)를 사용하는 일 실시형태를 도시하고 있다. 캐필러리 튜브(170)는 두 개의 분리된 부분, 즉, 친수부(305)와 소수부(306)를 갖는다. 일부 실시형태에서, 캐필러리 튜브는 다수의 교번하는 친수부(305) 및 소수부(306)를 갖는다. 친수부(305)는 소수부(306)의 물 접촉각보다 작은 물 접촉각을 갖는다. 대안적인 일 실시형태에서, 캐필러리 튜브는 친수부(305) 및 부분(306)을 가지며, 이 부분(306)에서, 캐필러리 튜브는 높고 낮은 표면 장력의 다수의 교번하는 친수부를 갖는다. 일 실시예에서, 도 3A에 나타낸 바와 같이 실(yarn) 부분 사이에 교번하는 유리 부분이 캐필러리 튜브를 약간 확장시킨다.
표면 장력과 표면 에너지의 정의는 고체와 접촉하는 액체의 거동 및 물방울 또는 박막의 형성의 고려를 포함한다. 이러한 거동을 확인하는 한 가지 편리한 방법은 액체-고체 및 액체-액체 계면에 의해 형성되는 각도(θ)를 측정하는 것이다. 각도(θ)가 90°보다 큰 경우, 액체는 표면에서 물방울을 형성하는 경향이 있다. 각도(θ)가 90°보다 작은 경우, 액체는 표면에서 확산되는 경향이 있다. 각도(θ)가 영(0)인 경우, 액체는 표면 상에서 박막을 형성하는 경향이 있다. 또한, 친수부(305)에서의 물의 표면 장력은 소수부(306)에서의 물의 표면 장력보다 작다. 도 3B에 도시된 대안적인 일 실시형태에서, 장치(100)의 수직부(110)에 대해 상기한 바와 같이 캐필러리의 소수부(306)는 이의 소수성을 SLIPS의 코팅으로부터 얻는다. 친수부(305)의 거친 표면의 물 접촉각은 90° 이하이다. 미끄러운 소수성 표면 상의 물 접촉각은 90° 이상이다. SLIPS에 대한 접촉각은 사용되는 재료의 형태에 따라 변경된다. 다양한 재료의 접촉각이, 예를 들어, 미국 특허 공개 제 2014/0187666호('666 출원, 이의 전체가 본원에 참조로 포함됨)에 도시되어 있다. 예를 들어, 실란화(silanized) 에폭시 수지(S. Epoxy)가 사용되는 경우, 접촉각은 대략 113°이고, 여기서 평균 오차는 ±2.8이고; 고체 표면이 에폭시인 경우, 물 접촉각은 대략 92.6°이고, 평균 오차는 ±1.8이며; 고체 표면이 실리콘인 경우, 물 접촉각은 13.1°이고, 평균 오차는 ±1.7이다. 본원에 개시된 바와 같이, 장치는 다양한 재료로 제조될 수 있고, 본 기술 분야의 숙련자라면 적절한 접촉각을 확인할 수 있을 것이다.
'666 출원에 설명된 바와 같이, 평형 접촉각(θ)은 액체/증기 계면이 고체 표면과 접촉하는 각도이며, 이는 세 개의 계면, 예를 들어, 고체/액체/증기에 걸친 상호작용에 의해 결정된다. 실험상, 실제 표면 상의 액체 방울의 가장 안정적인 평형 접촉각은 달성하기 어렵다. 표면 상에 존재하는 액체 방울은 두 가지 극한값에 의해 형성되는 다양한 접촉각을 나타낸다. 상한은 겉보기 전진(apparent advancing) 접촉각(θ adv )으로 알려져 있는 반면, 하한은 겉보기 후진(apparent receding) 접촉각(θ rec )이라 칭한다. 이들 값의 차이는 접촉각 이력(contact angle hysteresis)(즉, Δθ = θ adv - θ rec , where θ adv ≥ θ ≥)으로 알려져 있고, 이는 표면의 액체 반발을 특징짓는다. 예를 들어, 대략 5°, 2.5°, 2° 또는 심지어 1° 이하의 접촉각 이력을 얻을 수 있다. 낮은 접촉각 이력은 낮은 경사각에서 미끄러짐을 조장한다. 종래에, 평형 접촉각은 전진 및 후진 접촉각의 평균(즉, θ = θadv + θ rec )/2) 또는 정적 접촉각(θ static , 즉, θ = θ static )에 의해 대략 추정될 수 있다.
도 4A는 캐필러리 튜브(170) 대신에 사용될 수 있는 대안적인 실시형태의 캐필러리 플레이트(410)를 도시하고 있다. 본 출원에서 사용되는 용어 "캐필러리 플레이트(capillary plate)"는 액체 흐름을 형성하는데 사용되는 임의의 크기의 평평한 표면(원통형 튜브와는 다름)을 말한다. 캐필러리 튜브에서, 물의 상승 흐름의 높이는 캐필러리 튜브의 직경과 반비례한다. 아래의 수식에 의하면, 물이 캐필러리 튜브 내부로 얼마나 높이 들어가는지를 계산하기 위해, 수식은 다음과 같이 사용된다:
Figure pct00002
여기서, h는 튜브 내부에서의(튜브가 배치된 저장소 높이로부터의) 물 상승 높이이고; y는 표면 장력이고; θ는 튜브 표면 상의 액체의 접촉각이고; p는 액체의 밀도이고; R은 튜브의 반경이며; g는 중력에 의한 가속도이다. 예를 들어, 1 mm 직경(또는 0.5 mm 반경)을 갖는 튜브 내부의 물의 높이는 대략 3 cm (2.97 cm)일 것이고, 1 cm 직경(5 mm 반경)을 갖는 튜브의 경우, 물의 높이는 대략 3 mm (0.29 cm)일 것이다.
마찬가지로, 아래에서 설명되는 바와 같이, 플레이트를 사용하는 경우 상승 흐름은 두 개의 캐필러리 플레이트 사이의 거리에 반비례한다. 캐필러리 튜브(170)에서와 같이, 캐필러리 플레이트(410)는 친수부(405) 및 소수부(406)를 갖는다. 상기한 바와 같이, 캐필러리 튜브 내부에서 상승하는 물의 높이는 튜브의 직경에 반비례한다. 마찬가지로, 두 개의 캐필러리 플레이트(410) 사이에서 상승하는 물의 높이는 캐필러리 플레이트(410) 사이의 거리에 반비례한다. 두 개의 캐필러리 플레이트(410) 사이에서 이동하는 거리는 다음의 수식을 이용하여 계산될 수 있다:
Figure pct00003
상기 수식에서, d는 플레이트 사이를 cm로 나타낸 거리이다. 예를 들어, 거리가 0.5 mm인 경우, 물의 높이는 대략 3 cm(2.97 cm)이고, 1 mm인 경우, 높이는 대략 1.5 cm(1.48 cm)이다.
도 4B는 (상기한) 홀더 또는 프레임(165) 상에 설치되는 캐필러리 플레이트(410)를 도시하고 있다. 홀더 또는 프레임(165)은 각각의 캐필러리 플레이트(410)를 위한 가이드(430)를 구비한다. 도 4C는 홀더 또는 프레임(165) 내에 수용되는 다수의 캐필러리 플레이트(410)를 구비하는 대안적인 실시형태를 도시하고 있다. 바람직한 일 실시형태에서, 캐필러리 플레이트가 소수부(406)와 친수부(405)를 구비하는 것 대신에, 홀더 또는 프레임(165)이 완전히 소수성(406) 또는 완전히 친수성(405)인 캐필러리 플레이트(410)를 수용하는 것을 고려할 수 있다. 이러한 경우, 소수성 플레이트와 친수성 플레이트는 교번함으로써 이들의 흡습성으로 인해 원하는 흐름을 형성한다.
캐필러리 플레이트(410)는 서로 근접하게 배치됨으로써, 물이 부착부(155)에서 떨어져 내리도록 하는 캐필러리 브리지(capillary bridge)를 형성한다. 하나의 가능한 배치에서, 소수부 및 친수부가 교번하는 방식으로 동일한 크기의 플레이트(410)가 배치된다. 대안적인 실시형태에서, 친수성 플레이트(410)가 소수성 플레이트보다 위에 배치되고 동일한 방향으로 물의 흐름을 유지하도록 소수성 또는 친수성인 플레이트(410)가 배치된다. 또 다른 실시형태에서, 플레이트는 다른 크기로 제조되어 친수성 플레이트가 물의 흐름을 촉진하는 소수성 플레이트 상에서 연장되도록 한다. 튜브와 대조적인 플레이트를 사용하는 한 가지 장점은 저렴하고 제조하기 용이하다는 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 캐필러리 플레이트(410) 또는 캐필러리 튜브(170)는 가장 효과적인 친수부(305, 405) 또는 소수부(306, 406)를 갖도록 더 설계될 수 있다. 바람직한 일 실시형태에서, 흡습부는 도면에 도시된 바와 같이 분할되며, 여기서 "W" 패턴은 플레이트(410)이건 튜브(170)이건 간에 각각의 구성요소의 소수부 및 친수부 사이의 밀접한 상호작용을 허용한다. 바람직한 일 실시형태에서 이러한 최적의 상호작용은 플레이트(410) 또는 튜브(170)의 소수부 및 친수부 간의 표면적을 최대화한다. 각각의 부분이 별도로 제조된 후 사용시 결합되는 것을 고려할 수 있다.
일부 바람직한 실시형태에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 캐필러리 튜브(170)의 과열을 방지하기 위해 온도 제어 장치(600)가 사용될 수 있다. 일부 환경에서, 대기 온도, 물 온도, 및 캐필러리 튜브(170)를 통한 물의 이동의 조합은 40 내지 50℃ 이상의 온도를 생성할 수 있다. 이러한 경우, 물의 표면 장력은 상당히 영향을 받으며 캐필러리 튜브(170)의 효율을 감소된다. 바람직한 일 실시형태에서, 이러한 문제는 도 6에 도시된 온도 제어 장치(600)를 포함함으로써 해결된다. 온도 제어 장치(600)는 슬리브(601)와 연장부(608)로 구성된다. 슬리브(601)는 캐필러리 튜브(170)의 홀더 또는 프레임(165) 주위에 꼭 맞다. 연장부(608)는 흐름 유도부(160)와 홀더 또는 프레임(165)의 단부를 넘어 연장된다. 연장부(608)는 유도부(160)에서 배출되는 물의 흐름 내에 있도록 더 구성된다. 온도 제어 장치는 물을 흡수하는 스폰지와 같은 다공성 물질로 제조된다. 연장부(608)는 전체 슬리브(601)가 젖을 때까지 장치(100)에서 흘러나오는 소량의 물을 수집한다. 젖은 슬리브(601)는 캐필러리 튜브(170)에 대한 냉각 메커니즘을 제공한다. 열 형태의 에너지가 슬리브(601) 내의 물에 흡수됨에 따라, 물은 증발하고 캐필러리 튜브(170)는 냉각된다.
대안적인 일 실시형태에서, 부착 장치(700)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 흐름 유지부(150)의 부착부(155)에 연결된다, 다시 말해서, 이는 흐름 유지부(150)의 유도부(160)에 의해 대체된다. 부착 장치(700)는 여러 부분, 즉, 연결부(705), 제 1 흐름부 P1(710), 제 2 흐름부 P2(715), 제 3 흐름부 P3(720), 하나 이상의 통풍구 또는 조절 가능한 개구부(730), 및 배출 홀(735)을 구비한다. 일 실시형태에서, 부착 장치(700)는 흐름 유지부(150)의 부착부(155)에 영구적으로 부착된다. 바람직한 다른 실시형태에서, 부착 장치(700)는 부착부(155)에 분리 가능하게 부착된다. 이러한 실시형태에서, 부착 장치(700)의 연결부(705)는 나삿니를 가질 수 있고 부착부(155)의 대응하는 나사산에 나사 결합될 수 있다.
부착 장치(700)는 제 1 흐름부 P1(710) 및 제 2 흐름부 P2(715)를 구비하며, 여기서 제 1 흐름부 P1(710)은 제 2 흐름부 P2(715)의 직경보다 큰 직경을 갖는다. 그 결과, 제 2 흐름부 P2(715) 내에 소량의 물이 존재하고, 이는 제 2 흐름부 P2(715) 내의 물의 감소된 압력 및 증가된 속도를 유발한다. A 지점(740)에서, 부착 장치(700)는 분리벽(743)에 의해 분리되어 제 3 흐름부 P3(720)를 형성한다. 제 3 흐름부 P3(720)는 따라서 흐르는 물이 이용할 수 있는 작은 공간을 제공하는데, 이는 물이 이제 분리벽(743)의 양측으로 흐르기 때문이며, 이들 각각은 제 2 흐름부 P2(715)보다 각각 작은 직경을 갖는다. 수량의 감소는 장치를 통해 이동하는 물의 속도의 증가를 유발한다.
일부 실시형태에서, 제 3 흐름부 P3(720)에 하나 이상의 통풍구 또는 조절 가능한 개구부(730)가 존재한다. 또한, 고정 배출 플레이트(810) 상의 제 3 흐름부 P3(720)의 하부에 작은 배출 홀(735)이 배치된다. 하나 이상의 통풍구 또는 조절 가능한 개구부(730)가 개방되면, 대기압은 작은 배출 홀(735)에서의 물의 표면 장력을 극복하고, 따라서 물이 흐를 수 있게 한다. 하나 이상의 통풍구 또는 조절 가능한 개구부(730)가 폐쇄되면, 작은 배출 홀(735)에서의 물의 표면 장력은 단독으로 물을 당기는 중력보다 크며, 따라서, 물은 흐르지 않게 된다. 바람직한 일 실시형태에서, 작은 배출 홀(735)은 2 내지 10 mm 사이, 바람직하게는 4 내지 6 mm 사이, 또는 더욱 바람직하게 대략 5 mm의 직경을 갖는다. 홀의 직경은 다양할 수 있고 조절 가능하다. 예를 들어, 하나를 다른 하나 위에 올려놓고 서로에 대해 회전할 수 있는 동일한 홀 구성을 갖는 두 개의 플레이트를 포함함으로써 크기가 변경될 수 있다. 플레이트가 개방 위치에 있을 때, 두 플레이트 내의 홀은 정렬되고, 물이 통과할 수 있게 채널에 대한 최대 직경을 제공한다. 플레이트 중 하나가 회전할 때, 다른 하나는 고정을 유지하면서, 홀은 더 이상 정렬되지 않고, 채널의 직경은 두 홀의 오프셋의 차이일 것이다. 다른 실시형태에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 제거 가능한 플레이트(801, 804)가 사용될 수 있다. 각각의 제거 가능한 플레이트(812, 813)는 다수의 배출 홀(735)보다 작은 직경의 배출 홀을 갖는다.
바람직한 실시형태에서, 부착 장치(700)는 소수성 물질, 바람직하게는 SLIPS 물질로 코팅되거나 제조되는 제 3 흐름부 P3(720)를 통해 제 2 흐름부 P2(715)로부터 연장되는 분리벽(753)을 구비함으로써, 연결부(705)에서 배출 홀(735)로의 물의 이동을 촉진한다. 다른 소수성 재료를 이용하여 분리벽(753)을 코팅함으로써 제 2 흐름부 P2(715) 및 제 3 흐름부 P3(720)에서 난류를 생성할 수 있다.
대안적인 실시형태에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 수직부(110)는, 수직부(110)의 제 1 단부(101)가 수직부(110)의 제 2 단부(112)보다 큰 직경을 갖도록 설계된다. 그 결과, 물이 위쪽으로 이동할 때 이용할 수 있는 공간이 감소되고, 따라서 물의 속도가 증가하지 않는 한 수량은 감소된다. 이러한 실시형태에서, 전이부(120)는 작은 직경을 갖는다. 일부 실시형태에서, 제 2 전이 단부(125)는 큰 직경을 가질 수 있고, 이는 물이 전이부의 정점을 통과한 이후 속도를 줄일 수 있다. 이러한 형태의 실시형태에서, 배출부(130)는 여전히 동일하다.
상기한 장치(100)는 다양한 응용에 대해 이용될 수 있다. 바람직한 일 실시형태에서, 장치(100)는 물 재순환 시스템(900)에서 사용된다. 시스템은 두 개의 구성요소, 즉, 장치(100) 및 물 저장소(300)를 구비한다. 상기 시스템(900)을 이용하여 물을 재순환하기 위한 방법이 구현될 수 있다. 방법의 제 1 단계에서, 전기 모터(148)에 의해 진공이 형성된다. 진공은 수직부(110)와 전이부(120)를 통해 저장소로부터 배출부(130)까지 물을 끌어올린다. 물의 흐름이 형성되면, 전기 모터(148)는 전원이 꺼지고, 배출부(130)는 물의 흐름이 계속되는 것을 보장한다. 물은 저장소(300)를 다시 채우고 공정은 계속된다. 가능한 응용의 예로는 저장소(300)가 수족관인 아쿠아리움, 장식용 풀, 분수, 및 그 밖의 유사한 구조를 들 수 있다.
대안적인 실시형태에서, 도 10에 도시된 바와 같이 다수의 장치(100)가 이용될 수 있다. 바람직한 일 실시형태에서, 다수의 물 재순환 시스템(900)이 지그재그 방식으로 서로 결합될 수 있다. 이 실시형태에서, 물 저장소(300)는 다양한 높이에 배치된다. 각각의 물 재순환 시스템(900)이 다음 시스템에 결합되는 것을 고려할 수 있다. 각각의 물 재순환 시스템(900)의 장치(100)는 물 저장소(300)가 위치한 고도에 따라 다른 높이를 갖는다. 일반적으로, 저장소(300)에 대한 고도의 100 미터씩의 증가에 대해 1.2 kPa의 압력 감소가 있다. 이러한 변화에 대처하기 위해, 수면 위의 장치의 높이는 조절될 것이다.
또 다른 실시형태에서, 물 재순환 시스템(900)은 도 1에 도시된 바와 같이 전기를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 시스템(900)은 세 개의 주요 구성요소, 즉, 물 저장소(300), 장치(100), 및 수력 발전기(910)를 구비한다. 수력 발전기(910)는 배출부(130) 아래에 배치되고, 배출부(130)에서 배출된 물이 수력 발전기(910)를 작동시켜 보급을 위한 전류를 생성하도록 위치된다.
상기 시스템(900)을 이용하여 에너지를 생산하기 위한 방법이 구현될 수 있다. 방법의 제 1 단계에서, 전기 모터(148)에 의해 진공이 형성된다. 진공은 수직부(110)와 전이부(120)를 통해 저장소로부터 배출부(130)까지 물을 끌어올린다. 배출부(130)의 흐름 개시부(140)가 물로 채워지면, 전기 진공 모터(148)는 전원이 꺼지고, 이에 따라, 배출부(130)의 일방향 밸브(145)가 개방되게 하고 부착부(155)를 채우며, 이후 캐필러리 튜브(170)의 모세관 작용으로 인해, 물의 흐름이 유도되고 유지되며, 배출부(130)는 물의 흐름이 계속되는 것을 보장한다. 방법의 제 2 단계에서, 배출되는 물은 수력 발전기(910)를 작동시킨다. 물이 수력 발전기(910)를 작동시키고 나면, 물은 물 저장소(905)로 복귀한다. 물은 저장소(300)를 다시 채우고 공정은 계속된다.
또 다른 실시형태에서, 강 또는 다른 물줄기로부터 물 분배 시스템을 형성하기 위해 물 순환 장치가 이용될 수 있다. 장치는 강과 같이 무제한의 수자원 내에 배치될 수 있다. 장치는 도 10에 도시된 바와 같이 원하는 높이와 거리로 물을 이송할 수 있다. 장치는 또한 관개(irrigation) 또는 한 장소로부터 다른 장소로 원하는 양의 물을 단순히 이동하기 위한 다양한 응용에 대해 사용될 수 있다. 바람직한 일부 실시형태에서, 장치의 입구 앞에 다양한 필터링 메커니즘이 배치되어 필터링된 물을 제공할 수 있다. 물의 불순물이 장치에 들어가지 않기 때문에 필터링은 장치의 효율에 도움을 준다.
상기한 시스템은, 예를 들어, 태양광 및 풍력 기술이 의존하는 조건과 같은 현재의 환경 기술이 당면하고 있는 대부분의 과제를 극복한다. 개념의 최소 효율은 대략 2.5 kw/m이다, 다시 말해서, 대략 1 m의 유도부의 면적은 2500 w를 생산할 것이다. 장치를 통해 운동 에너지로 전환되는 에너지(즉, 위치 에너지)의 양은 장치로부터 얻을 수 있는 최소 전력(와트)을 생성하며 다음과 같이 계산된다:
Figure pct00004
총 생산 에너지(역학적 에너지)는 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00005
그리고, 적어도 두 개의 주요 변수, 즉, 수량(유도 플레이트의 원하는 양(m)을 통해) 및 장치의 높이를 변경함으로써, 원하는 양의 에너지를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이, 바람직한 조건은 장치의 높이가 약 10 미터인 해수면 대기압이다.
이제 본 발명의 기초가 되는 개념의 바람직한 실시형태 및 특정 변형을 완전히 명시하였고, 다양한 다른 실시형태뿐만 아니라 본원에 도시되고 개시된 실시형태의 변형 및 변경은 상기 기본 개념을 숙지한 본 기술 분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 구체적으로 본원에 명시된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명은 물 흐름 순환의 생성에 적용할 수 있다. 본 발명은 물의 흐름을 생성하고 유지하기 위한 장치 및 방법을 개시한다. 방법은 물의 흐름 및 에너지 생성 분야에서 산업적으로 실시될 수 있다.

Claims (34)

  1. 물을 순환하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는,
    소수부 및 친수부를 포함하는 흐름 유지부를 포함하고, 상기 흐름 유지부는 제 1 흐름 유지부 단부에서 흐름 유지부로 유입되고 제 2 흐름 유지부 단부에서 배출되는 물의 흐름을 유지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물 흐름 유지부는 흐름 개시부를 포함하는 배출부에 부착되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 배출부에 연결되는 전이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 물을 순환하기 위한 장치는 저장소로부터의 물의 수직 흐름을 가능하게 하는, 상기 전이부에 연결되는 수직부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 수직부의 제 1 단부에 제 1 일방향 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 배출부의 상단부에 제 2 일방향 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 흐름 개시부와 흐름 유지부 사이에 제 3 일방향 밸브가 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 수직부는 마찰 저감 재료로 코팅된 내부 벽을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 마찰 저감 재료는 미끄러운 액체를 모이게 하는 다공성 표면(slippery liquid-infused porous surfaces, SLIPS)인 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 소수부와 친수부는 캐필러리 튜브의 부분인 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 흐름 유지부는 다수의 캐필러리 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 친수부는 소수부보다 작은 접촉각을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 장치가 실란화(silanized) 에폭시 수지(S. Epoxy)로 제조되는 경우, 소수부의 접촉각은 대략 113°이고, 상기 장치가 에폭시로 제조되는 경우, 대략 92.6°; 또는 상기 장치가 실리콘으로 제조되는 경우, 13.1°인 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 소수부와 친수부는 캐필러리 플레이트의 부분인 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 흐름 유지부는 다수의 평행한 캐필러리 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 평행한 캐필러리 플레이트는 친수성 및 소수성 캐필러리 플레이트 사이에서 교번하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 평행한 캐필러리 플레이트는 이들 사이에서 물을 흘러내리도록 서로 충분한 거리만큼 이격되고, 각각의 플레이트 간의 거리는 바람직하게 1 mm인 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    10.33 미터 이하의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 2 항에 있어서,
    상기 흐름 개시부는 진공 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 진공 메커니즘은 전기 진공 모터인 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    온도 제어 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    제 2 흐름부보다 큰 직경을 갖는 제 1 흐름부, 제 2 흐름부보다 작은 직경을 갖고 분리벽을 구비하는 제 3 흐름부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    제 2 흐름부보다 큰 직경을 갖는 제 1 흐름부, 제 2 흐름부보다 작은 직경을 갖고 분리벽을 구비하는 제 3 흐름부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 분리벽은 소수성 물질, 바람직하게는 SLIPS로 코팅되는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제 22 항에 있어서,
    다수의 배출 홀을 포함하는 고정 배출 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 배출 홀은 가변 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 배출 홀은 2 내지 10 mm 사이, 바람직하게는 4 내지 6 mm 사이, 또는 더욱 바람직하게 대략 5 mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 제 25 항에 있어서,
    하나 이상의 제거 가능한 플레이트를 더 포함하고, 상기 각각의 제거 가능한 플레이트는 상기 다수의 배출 홀보다 작은 직경의 배출 홀을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 전기를 생성하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은 제 1 항에 따른 물을 순환하기 위한 장치, 물 저장소, 및 수력 발전기를 포함하고, 흡입구를 통해 물을 순환하기 위한 장치를 통해 저장소로부터 물이 수집되고 제 2 흐름 유지부 단부에서 수력 발전기로 배출되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  30. 물을 순환하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는,
    수직부, 전이부, 및 배출부를 포함하고, 상기 전이부는 수직부와 배출부를 연결하고,
    상기 수직부, 전이부, 및 배출부는 마찰 저감 재료로 코팅된 내부 벽을 갖고,
    상기 수직부는 제 1 단부에서 흡입구를 포함하고, 상기 흡입구는 제 1 일방향 밸브를 포함하고; 상기 수직부는 수직부의 제 2 단부에서 전이부에 연결되고,
    상기 전이부는 제 1 전이부 단부에서 수직부에 그리고 제 2 전이부 단부에서 배출부에 연결되며,
    상기 배출부는 배출부의 상단부에서 제 2 일방향 밸브, 제 2 배출부 단부에서 제 3 일방향 밸브, 및 흐름 유지 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 배출부는 진공 생성 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 유지 메커니즘은 다수의 캐필러리 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 캐필러리 튜브 각각은 소수부 및 친수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  34. 제 30 항에 있어서,
    상기 마찰 저감 재료는 미끄러운 액체를 모이게 하는 다공성 표면(slippery liquid-infused porous surfaces, SLIPS)인 것을 특징으로 하는 장치.
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