KR20190057692A - 공기를 이용한 물 생산 방법 및 이를 실행하는 장치 - Google Patents

공기를 이용한 물 생산 방법 및 이를 실행하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 기술적 측면에 따른 공기를 이용한 물 생산 장치는 공기 중의 물을 포집하여 증폭 및 가속시키는 하나 이상의 깔대기로 구성되는 깔때기 조합, 상기 깔대기 조합 외부의 일 측면에 구성되어 상기 깔때기 조합의 외부를 통해 흘러가는 공기를 상기 깔대기 조합으로 흘러가도록 하는 공기 포집기 및 상기 깔대기 조합에 의해 포집된 공기를 이슬점 이하로 냉각시켜 물을 생성하는 단열팽창 노즐을 포함한다.

Description

공기를 이용한 물 생산 방법 및 이를 실행하는 장치{METHOD FOR WATER HARVESTING FROM AIR AND APPARATUS PERFORMING THE SAME}
공기를 이용한 물 생산 방법 및 이를 실행하는 장치{METHOD FOR WATER HARVESTING FROM AIR AND APPARATUS PERFORMING THE SAME}
급속한 도시화, 인구집중, 기후변화에 따라 미래사회는 기후와 에너지로 개편되는 세계로 변화하고 있으며, 전세계적으로 물 산업은 인구증가 및 산업발전과 더불어 꾸준히 성장하고 있다.
특히 기후변화는 홍수와 가뭄의 빈도와 피해규모를 키우고, 만년설을 녹이고, 농업용수와 먹는 물을 고갈시키고, 삼각주가 침식되고 생태계가 파괴되는 등 물의 순환에 다양한 변화를 야기 시킨다.
전 세계적으로 겪고 있는 물 고갈 문제를 해결하기 위해 필요한 물을 공기로부터 생산하는 방법을 사용하고 있다.
예를 들어, 열 전도도가 높은 물체로 만들어진 그물망을 통해 공기 중에 있는 수분을 응축시켜서 물을 생산하는 방법이 있으나, 생산되는 물의 량이 많지 않을 뿐 만 아니라 지구의 모든 곳에서 사용할 수 없는 지역적인 한계성을 가지고 있다.
다른 예를 들어, 습기를 머금고 있는 공기를 포집하기 위해 풍력 발전기를 개조한 후, 풍력 발전기로부터 생산된 전기 에너지를 이용해서 포집된 공기로부터 수분을 응축시켜 물을 생산하기 위해 압축기와 응축기 등을 가동하는 방법이다. 하지만, 이 기술 또한 바람을 포집하는 면적에 제한적이기 때문에 많은 량의 물을 생산할 수 없을 뿐 만 아니라, 생산되는 물이 량이 많지 않을 뿐 만 아니라 압축기를 가동해야 하기 때문에 많은 에너지를 필요로 한다는 문제점이 있다.
상기와 같이, 전 세계적으로 겪고 있는 물 고갈 문제를 해결하기 위해 필요한 물을 공기로부터 생산하는 방법을 사용하고 있지만, 생산되는 물의 량에 한계를 가지고 있으며, 물 부족 국가에서 쉽게 사용하기에는 시스템이 복잡할 뿐 만 아니라, 제작하는 데 비용이 많이 든다는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 공기로부터 대량의 물을 생산함으로써 인류가 겪고 있는 물 고갈 문제와 물 고갈과 물과 관련된 질병으로 고생하고 있는 사람들에게 도움을 줄 수 있도록 하는 공기를 이용한 물 생산 방법 및 이를 실행하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 대량의 물은 마시는 물뿐 만 아니라, 농사와 산업용으로 사용할 수 있기 때문에 인류가 앞으로 직면하게 될 물 고갈 문제를 선제적으로 대응할 수 있도록 하는 공기를 이용한 물 생산 방법 및 이를 실행하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
실시예들 중에서, 공기를 이용한 물 생산 장치는 공기 중의 물을 포집하여 증폭 및 가속시키는 하나 이상의 깔대기로 구성되는 깔때기 조합, 상기 깔대기 조합 외부의 일 측면에 구성되어 상기 깔때기 조합의 외부를 통해 흘러가는 공기를 상기 깔대기 조합으로 흘러가도록 하는 공기 포집기 및 상기 깔대기 조합에 의해 포집된 공기를 이슬점 이하로 냉각시켜 물을 생성하는 단열팽창 노즐을 포함한다.
실시예들 중에서, 공기를 이용한 물 생산 방법은 하나 이상의 깔대기가 공기 중의 물을 포집하여 증폭 및 가속시키는 단계, 상기 깔대기 조합 외부의 일 측면에 구성된 공기 포집기가 상기 깔때기 조합의 외부를 통해 흘러가는 공기를 상기 깔대기 조합으로 흘러가도록 하는 단계 및 단열팽창 노즐이 상기 깔대기 조합에 의해 포집된 공기를 이슬점 이하로 냉각시켜 물을 생성하는 단계를 포함한다.
상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 과제 해결을 위한 다양한 수단들은 이하의 상세한 설명의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 공기로부터 대량의 물을 생산함으로써 인류가 겪고 있는 물 고갈 문제와 물 고갈과 물과 관련된 질병으로 고생하고 있는 사람들에게 도움을 줄 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 대량의 물은 마시는 물뿐 만 아니라, 농사와 산업용으로 사용할 수 있기 때문에 인류가 앞으로 직면하게 될 물 고갈 문제를 선제적으로 대응할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 공기로부터 특히 안개로부터 물을 생산하는 수동적인 물 생산 기구인 포그 캣처(Fog Catcher)이다.
도 2 및 도 3은 종래의 풍력 발전기를 이용해서 공기를 포집하고 응축시키는 장치에 대한 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 공기 중에서 물을 생산하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 깔때기와 깔때기의 조합 그리고 깔때기의 조합을 통해 공기가 어떻게 바람의 방향뿐 만 아니라 그 반대 쪽 공기도 빨아들여서 좀 더 많은 공기를 초집하는지를 보여주는 도면이다.
도 6은 공기 포집기로서 깔때기로 좀 더 많은 바람을 보내 주기 위한 도면이다.
도 7은 깔때기와 공기 포집기를 조합했을 때 어떻게 바람을 효과적으로 모을 수 있는지를 보여주는 예시도이다.
도 8은 깔때기와 공기 포집기 상부 및 하부로 흘러가는 공기를 포집해서 공기 포집기로 유도하는 공기 유도기이다.
도 9는 깔때기와 공기 포집기 그리고 공기 유도기의 곡선에 대한 기본인 싸이클로이드 곡선에 대한 도면이다.
도 10은 포집된 공기로부터 응축수를 생산할 수 있도록 공기의 온도를 이슬점 이하로 떨어뜨리는 기능을 하는 단열팽창 노즐을 나타내는 도면이다.
도 11은 단열팽창 노즐을 통해 응축수가 만들어지는 개념을 보여 주는 도면이다.
도 12는 깔때기와 공기 포집기 그리고 공기 유도기를 조합한 공기로부터 물을 생산하는 장치의 한 예를 보여 주는 도면이다.
도 13은 최악의 경우에도 물을 생산할 수 있도록 신재생에너지로부터 생산된 전기를 이용하여 바람을 만들어서 물을 생산하기 위한 구조를 보여 주는 도면이다.
도 14는 대량으로 물을 생산할 수 있도록 상대적으로 지상보다 바람의 속도와 강도가 높은 위치로 상기의 장치들을 타워 위에 조합한 것을 보여 주는 도면이다.
도 15는 도 14의 타워 상부나 측면에 태양광 발전 패널을 설치해서 전기를 생산할 수 있도록 구성한 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 하나 또는 두 개로 구성된 니콜라 테슬라 발전기 구성을 보여 주는 도면이다.
도 17은 니콜라 테슬라 발전기를 하나 또는 그 이상을 수직 또는 수평으로 배치해서 전기를 생산할 수 있도록 한 것을 보여 주는 도면이다.
도 18은 히트 싱크, 히트 파이프, 열전소자의 조합을 이용하여 테스라 터빈을 통해 배출된 공기를 냉각시키는 목적을 위해 구성된 것을 보여 주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한, 인터넷을 통하여 다운로드할 수 있는 프로그램 구조체(예를 들어, 스마트폰의 어플리케이션 등)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 구성될 수 있으며, 따라서 분산 컴퓨팅 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드의 형태를 포함할 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 종래의 공기로부터 특히 안개로부터 물을 생산하는 수동적인 물 생산 기구인 포그 캣처(Fog Catcher)이다.
도 1을 참조하면, 안개로부터 물을 생산하는 장치인 안개 포집기(100, 110, 130)는 공기 중에 수분을 온도 차이를 통해 응축시켜 모으는 그물(120, 140)을 포함한다.
하지만, 응축이 일어나는 온도차이가 발생하기 위해서는 낮의 온도보다 낮은 밤에 더 효율적이기 때문에 생산되는 물의 량에 한계가 있고, 안개가 많은 지역에서만 사용할 수 있는 지역적인 한계성으로 인해 물 고갈 문제를 해결하는 데 어려움이 있다.
이와 같이, 도 1에서 보는 것과 같이 열 전도도가 높은 물체로 만들어진 그물망을 통해 공기 중에 있는 수분을 응축시켜서 물을 생산하는 기술에 관한 것으로써, 생산되는 물의 량이 많지 않을 뿐 만 아니라 지구의 모든 곳에서 사용할 수 없는 지역적인 한계성을 가지고 있다.
도 2 및 도 3은 종래의 풍력 발전기를 이용해서 공기를 포집하고 응축시키는 장치에 대한 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 풍력발전기(200, 300)을 개조해서 수분을 머금고 있는 공기를 모으는 공기 블로워(Air Blower, 250), 응축기(240), 열교환기(230, 330), 압축기(270, 320), 전기 발전기(220), 로터 블레이드(Rotor Blade, 310), 필터(Filter, 350)가 상부와 타워(Tower)에 설치되어 있으며 이러한 장치를 통해 물(360, 260)을 공기로부터 생산하는 구조로 되어 있다.
이는 풍력 발전기가 더 복잡하고 무겁기 때문에 고가의 비용이 들며, 유지 및 보수성이 낮기 때문에 전문적인 교육을 받지 않는 지역에서 사용하기에는 어려움이 있으며, 특히 공기를 흡입하는 흡입구의 넓이의 한계로 인해 생산되는 물의 량이 제한적인 문제를 가지고 있다.
즉, 바람을 포집하는 면적에 제한적이기 때문에 많은 량의 물을 생산할 수 없을 뿐 만 아니라, 생산되는 물이 량이 많지 않을 뿐 만 아니라 압축기를 가동해야 하기 때문에 많은 에너지를 필요로 한다는 문제점이 있다.
도 4는 본 발명에 따른 공기 중에서 물을 생산하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4(a)는 전기를 이용하여 히트 파이프(Heat Pipe)와 히트 싱크(Heat Sink) 그리고 열전소자로 구성된 장치에 전기를 공급해서 테슬라 터빈에서 배출된 공기의 온도를 낮춤으로써 낮은 전기 에너지를 이용하여 효과적으로 공기로부터 대량의 물을 생산할 수 있는 흐름도이다.
도 4(a)를 참조하면, 공기 중의 물 생산 장치는 하나 이상의 깔대기로 구성되는 깔대기 조합을 이용하여 공기를 대량으로 포집하여 증폭 및 가속시킨다(단계 S410, 단계 S420, S430).
공기 중의 물 생산 장치는 발전기를 이용하여 전기를 생산한다(단계 S440).
단계 S440에 대한 일 실시예에서, 공기 중의 물 생산 장치는 단계 S410에서 포집된 공기를 이용하여 테슬라 터빈과 태양광 발전 패널을 통해 전기를 생산한다.
공기 중의 물 생산 장치는 발전기의 배출 공기를 이용하여 물을 생산한다(단계 S450).
단계 S450에 대한 일 실시예에서, 공기 중의 물 생산 장치는 S440에서 생산된 전기를 히트 파이프(Heat Pipe)와 히트 싱크(Heat Sink) 그리고 열전소자로 구성된 장치에 공급한다. 이에 따라, 테슬라 터빈에서 배출된 공기의 온도가 낮아짐으로써 효과적으로 공기로부터 대량의 물을 생산할 수 있는 것이다.
도 4(b)는 전기 에너지를 사용함이 없이 포집된 공기를 단열팽창(Adiabatic Expanding)시키는 장치를 통해 공기 중에서 물을 대량으로 생산할 수 있는 흐름도이다. 이때, 단열 팽창시키는 장치는 필요에 따라 단열 팽창 노즐을 하나 이상 설치해서 공기의 온도를 더 낮추거나 또는 단열 팽창 노즐을 대기보다 상대적으로 온도가 낮은(약 7°C) 땅 아래 설치해서 더 많은 물을 생성할 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 공기 중의 물 생산 장치는 하나 이상의 깔대기로 구성되는 깔대기 조합을 이용하여 공기를 대량으로 포집하여 증폭 및 가속시킨다(단계 S401, 단계 S402, S403).
공기 중의 물 생산 장치는 깔대기 조합에 의해 포집된 공기를 이슬점 이하로 냉각시켜 물을 생성한다(단계 S404).
도 5는 깔때기와 깔때기의 조합 그리고 깔때기의 조합을 통해 공기가 어떻게 바람의 방향뿐 만 아니라 그 반대 쪽 공기도 빨아들여서 좀 더 많은 공기를 포집하는지를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 공기를 포집하고 가속시키고 증폭시키는 깔때기 조합(400)은 깔때기(410, 420, 430)하나 이상의 조합으로 구성이 되어 있다. 도 5의 실시예에서는 세 개의 깔때기를 보여 주고 있지만, 필요에 따라서 2개 이상을 조합해서 사용할 수 있다.
본 발명의 그림 5와 같은 깔때기(410, 420, 430)를 그림과 같이 구성한 것은 도 5의(b)에서 보여 주는 것처럼 바람이 불어오는 방향의 공기(450)뿐만 아니라, 바람이 부는 방향과 반대쪽에 있는 공기(460)도 깔때기 조합(400) 내부로 빨려 들어가도록 구성함으로써 기존의 기술과 달리 더 많은 량의 공기를 포집할 수 있다.
그리고 기존의 방법과 달리 본 발명에 따라 공기를 대량으로 포집하는 깔때기 조합(400)은 바람의 방향에 따라 움직이는 구조가 아니라, 바람의 방향에 따라 움직일 필요가 없는 360°방향의 어떤 바람도 포집할 수 있다. 이 과정을 도 5의(c)를 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 5의(c)를 참조하면, 바람이 "A"에서만 불어 온다고 가정한 경우, 바람은 "A" 위치에서 불어서 깔때기 속으로 들어간다. 이는 유체의 흐름은 물체의 표면을 따라 흐르는 "코안다 효과 (Coanda Effect)"로 설명이 된다.
이렇게 빨려 들어간 공기는 아래 쪽으로 갈수록 단면적이 줄어드는 깔때기의 형상으로 인해 공기의 속도는 점점 더 빨라지게 된다. 이렇게 속도가 증가한 공기가 "B" 위치에 도달하게 되면 베르누이(Bernoulli) 원리와 질량유량(Mass Flow) 법칙에 의해 "B" 위치에서의 공기의 속도 VB가 "A" 위치에서의 공기의 속도 VA보다 빠르다.
즉, 하기의 [수학식 1]과 같이 VA< VB가 되고, 베르누이의 법칙에 의해서 "B"위치에서의 압력 PB는 "A" 위치에서의 압력 PA보다 낮은 PA> PB가 된다. 이렇게 되면 바람이 불지 않는 "A1" 위치에서의 압력은 PA1> PB가 되어서 "A1" 위치에 있는 공기의 압력이 "B" 위치에 있는 공기의 압력보다 높아서 "A1" 위치에 있는 공기는 깔때기 안으로 빨려 들어가게 된다. 이와 같이 본 발명에서 각 위치별 면적, 공기의 속도, 압력, 공기의 유량에 대해서 도 5의(C)의 예에서 다음과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 1]
면적: AA> AB = AC = AD
공기의속도: VA< VB< VC<VD
압력: PA> PB> PC> PD
공기의 유량: VolA< VolB< VolC<VolD
상기의[수학식 1]과 같이 본 발명의 구조의 특징으로 인해 바람이 불어오는 방향에 있는 공기뿐 만 아니라 반대편에 있는 공기까지도 깔때기 안으로 들어가기 때문에 더 많은 공기를 포집할 수 있고, 공기가 흐르는 속도도 깔때기를 지날 수록 점점 더 빨라지는 것을 알 수 있다. "D" 위치에서의 공기의 속도와 유량이 최대가 됨을 알 수 있다.
도 6은 공기 포집기로써 깔때기로 좀 더 많은 바람을 보내 주기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 공기 포집기(500)를 깔때기 조합(400) 외부에 장착함으로써,깔때기 조합(400)의 외부를 통해 흘러가는 공기를 포집하고 깔때기 조합(400)으로 흘러가도록 유도하는 다수 개의 배인(Vane, 510)과 공기 포집기(500)의 상부와 하부를 덮는 덮개(520)를 가지고 있다.
상부 덮개(520)의 가운데 열린 구멍의 크기는 깔때기(410, 420, 430)의 상부의 크기와 동일하고, 하부 덮개(520)의 가운데 열린 구멍의 크기는 예를 들면 깔때기 (410)과 깔때기 (420)이 측면에서 봤을 때 만나는 위치에서의 상부 깔때기(410)의 크기와 동일하도록 구성한다. 이와 같이 깔때기 (410, 420, 430) 중 하나와 공기 포집기(500) 하나와 조합해서 사용하도록 구성한다.
그리고 도 6의 (b) 및 도 6의 (c)에서 보는 바와 같이 공기 포집기(500)는 3개 이상의 배인(Vane, 510)을 포함하고 있다. 이때, 공기 포집기(500)는 반드시 4개나 8개로 구성될 필요는 없으며, 최소한 4개 이상으로 구성하는 것이 좋으나 제작의 편의를 위해 4개나 6개로 동일한 간격으로 구성하였다.
포집된 공기는 배인(510) 사이에서 면적이 좁아지는 상태에서 깔때기(410, 420, 430) 외벽으로 흘러가기 때문에 공기 포집기(500)는 주변의 공기를 더 많이 포집하는 것뿐 만 아니라 공기가 흘러가면서(560) 속도를 높여줄 수 있다.
도 7은 깔때기와 공기 포집기를 조합했을 때 어떻게 바람을 효과적으로 모을 수 있는지를 보여주는 예시도이다.
도 7을 참조하면, 깔때기(410, 420, 430)와 공기 포집기(500)를 조합하면 도 7(a) 및 도 7(b)와 같다. 7(a) 및 도 7(b)는 세 개의 깔때기(410, 420, 430)와 두 개의 공기 포집기(500)가 조합된 상태를 보여 주고 있다.
이와 같이, 상부 공기 포집기(500)는 깔때기(410) 상부에 장착된 상태로 그리고 하부 깔때기(430)는 독립된 상태로 구성된 것을 볼 수 있는 데, 이것은 하나의 조합의 "예"를 보여 주는 것이며, 주변 환경이나 생산에 필요한 물(Water)의 량에 따라서 다양하게 조합해서 사용할 수 있다.
도 8은 깔때기와 공기 포집기 상부 및 하부로 흘러가는 공기를 포집해서 공기 포집기로 유도하는 공기 유도기이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에서는 조금이라도 더 많은 공기를 포집하기 위해 도 8과 같이 공기 유도기(600)를 공기 포집기(500)의 상부 및 하부에 장착하였다.
이러한 공기 유도기(600)는 바람이 불 때 공기 포집기(500)의 상부와 하부로 흘러가는 공기를 공기 포집기(500)방향으로 유도할 수 있으며, 도면 8에서 보는 것처럼 바람(620)이 공기 포집기(500)방향으로 유도됨을 알 수 있다. 바람(620)은 공기 포집기(500)에 가까워질수록 속도가 높아질 수 있다.
도 9는 깔때기와 공기 포집기 그리고 공기 유도기의 곡선에 대한 기본인 싸이클로이드 곡선에 대한 도면이다.
도 9를 참조하면, 깔때기(400), 공기 포집기(500) 및 공기 유도기(600)의 형상은 도 9 에서 보는 것처럼 싸이클로이드 곡선(Cycloid Curve)으로 구성되었다. 그러나, 도 9와 같이 싸이클로이드 곡선으로 구성될 수 있으나 다른 다양한 곡선으로 구성될 수 있다.
깔때기(400)의 형상은 도 9에 보는 것처럼 싸이클로이드 곡선의 형태를 가지도록 만들어지며, 공기 포집기(500)의 배인(501)의 곡선도 싸이클로이드 곡선이 형태로 그리고 공기 유도기(600)의 모양도 싸이클로이드 곡선의 형태로 구성이 되도록 하였다.
도 9에서 보는 것처럼 싸이클로이드 곡선은 임의의 같은 위치에서 동일한 물체가 하강할 때 가장 빨리 하강하는 "최단 강하곡선"과 싸이클로이드 곡선 상에서 서로 다른 위치에서 정지된 상태에 있는 물체를 떨어뜨렸을 때 하부에 동시에 떨어지는 "등시 곡선(Toutochrone)"의 특징을 가지고 있다.
본 발명에서 곡선을 가지고 있는 부분을 싸이클로이드 곡선을 채택함으로써, 예를 들면, 공기가 깔때기(400) 외벽에 닿았을 때, 유체가 물체의 표면을 따라 흐르는 코안다 효과(Coanda Effect)로 인해 깔때기 하부로 가장 빨리 흐르도록 만들어주도록 하였다.
마찬가지로, 공기 포집기(500)와 공기 유도기(600)도 코안다효과(Coanda Effect)로 인해 최소한의 공기 저항으로 최대한 빨리 증폭되고 가속이 되도록 구성하였다.
도 10은 포집된 공기로부터 응축수를 생산할 수 있도록 공기의 온도를 이슬점 이하로 떨어뜨리는 기능을 하는 단열팽창 노즐을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 포집되고 증폭되고 가속되어 유량이 많은 고속의 공기의 흐름은 도 10과 같은 형상을 가지고 있다. 단열팽창 노즐(700)의 입구(710)로 들어와서 단열팽창 노즐 목(Throat, 720)에서 가속이 되고 단열팽창 노즐 출구(730)을 통과하면서 습기를 머금고 있는 고속의 대용량의 공기는 단열 팽창하면서 이슬점 이하의 온도가 되어 공기 중의 습기가 "물"로 응축이 된다.
도 10의 (b)에서 보는 바와 같이 단열팽창 노즐(700)의 위치 별 공기의 온도, 압력, 속도의 변화를 보여 주고 있는 데, 공기가 단열팽창 노즐(700)을 단열 상태에서 팽창이 되면서 온도가 하강하게 됨을 알 수 있다.
본 발명에서는 이러한 단열팽창 노즐(700)을 사용함으로써 외부에 전기 에너지를 이용하여 열 교환기나 응축기 등을 사용하지 않고도 공기의 온도를 이슬점 이하로 낮출 수 있기 때문에 습기를 머금고 있는 공기에서 응축수인 물을 생산할 수 있는 것이다.
여기서 단열팽창을 계산하기 위해 열역학 법칙에 따라 단열팽창(Adiabatic Expansion)으로 인한 단열팽창 전후의 공기의 온도를 실시 예로 계산하고자 한다. 공기의 입측 온도와 부피를 Ti와 Vi 그리고 공기의 출측 온도와 부피를 Tf와 Vf라 하면 하기의 [수학식 2]와 같이 표시가 된다.
[수학식 2]
Figure pat00001
[수학식 2]에서 γ는 열용량 비(Specific Heat Ratio)로써 공기는 1.4로 가정할 수 있다. 초기 공기의 온도 Ti를 35°C, 단열팽창 노즐에서 공기 부피의 팽창 계수(Vi/Vf)를 1.28로 하면 단열팽창 노즐 후단에서의 온도 Tf는 6.0°C가 되기 때문에 35°C공기의 이슬점 온도(Dew Point)인 25°C이하가 되어서 공기 중에 수분이 응축수로 변하게 되는 것이다.
도 11은 단열팽창 노즐을 통해 응축수가 만들어지는 개념을 보여 주는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에서는 단열팽창 노즐(700)을 도 11(a)와 같이 배열해서 응축수를 얻도록 구성할 수도 있으며, 도 11(b)와 같이 수평으로 배열해서 응축수를 얻는 구조로 구성할 수도 있으며, 도 11(c)와 같이 지면 아래 즉 기초(760)아래로 구성해서 응축수 (740)을 생산하도록 구성할 수 있다.
도 11(c)와 같이 구성하는 것은 대기보다 상대적으로 낮은 온도를 가진 땅 아래로 단열팽창 노즐과 배관을 설치함으로 인해서 땅 아래 낮은 온도로 인해 공기 중에 더 많은 수분이 응축이 될 수 있기 때문이다.
본 발명의 실시 예에서 첫 번째로써 대한민국 여름 가뭄이 심한 경우를 가정해서 생산할 수 있는 물의 량을 계산해 보았다. 여기서 대한민국 여름 날씨를 상대습도 70%, 온도 약 35°C로 가정했으며, 본 발명으로 인해 바람이 받는 면적(일반적으로 대한민국 여름에는 가뭄이 있어도 바람은 불고 있음)을 600m2으로 바람의 속도를 3.0 m/sec로 가정했다. 그리고 단열팽창 노즐(700)을 통과한 공기의 온도는 이슬점 이하인 것을 확인했다. 하기의 [표 1]은 온도와 상대습도를 나타내고 있다.
[표 1]
Figure pat00002
온도 강화로 공기 중 수분이 물로 변하는 량 = 27.7 - 16.1 = 11.6 g/m3
따라서, 본 발명에 의해 생산되는 물의 량은 = 11.6 g/m3x600m2 x 3 m/sec = 20,880 g/sec이다.
이것은 20.88 kg/sec -> 75,168 kg/hr -> 76.168 Ton/hr 이며, 하루에 생산되는 물의 량은 1,804 Ton/day가 된다.
본 발명의 실시 예에서 두 번째로써 지구에서 가장 건조한 사하라 사막의 경우에 생산되는 물의 량은 다음과 같다. 사하라 사막 평균 상대 습도는 25%, 그리고 평균 온도를 35°C이며, 이때 공기 중 수분은 7.92 g/m3이다.
이슬점 온도는 9°C이며 이때 수분 함량은 1.88 g/m3이다. 앞에서 단열팽창 노즐(700)을 통과한 공기의 온도가 6°C임을 확인했다.
두 번째 실시 예에서는 바람이 받는 면적을 19.625 m2으로 풍속을 3.0 m/sec로 가정한다. 따라서, 본 발명에 의해 생산되는 물의 량은 = (7.92-1.88) g/m3x19.625 m2 x 3 m/sec = 355.605 g/sec이다. 이것은 1,280 kg/hr -> 1.28 Ton/hr이며, 하루에 생산되는 물의 량은 30.7Ton/day가 된다.
도 12는 깔때기와 공기 포집기 그리고 공기 유도기를 조합한 공기로부터 물을 생산하는 장치의 한 예를 보여 주는 도면이다. 도 13은 최악의 경우에도 물을 생산할 수 있도록 신재생 에너지로부터 생산된 전기를 이용하여 바람을 만들어서 물을 생산하기 위한 구조를 보여 주는 도면이다. 도 14는 대량으로 물을 생산할 수 있도록 상대적으로 지상보다 바람의 속도와 강도가 높은 위치로 상기의 장치들을 타워 위에 조합한 것을 보여 주는 도면이다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 본 발명에서 주변의 공기를 가능한 한 많은 량으로 포집하고 증폭시키고 가속시키기 위해 깔때기(400), 공기 포집기(500), 공기 유도기(600)를 다양한 조합으로 구성을 할 수 있다.
그 중에 도 12 및 도 13과 같이 구성할 수 있을 뿐 만 아니라 도면에서 표시되어 있지는 않지만, 깔때기(400), 공기 포집기(500), 공기 유도기(600)를 조합한 여러 가지 구조로 구성해서 사용할 수 있다.
도 13 에서 공기 블로워(Air Blower, 810)는 최악의 상황을 상정해서 오랜 기간 동안 바람이 불지 않을 때에라도 공기로부터 물을 생산하기 위해 풍력과 태양 발전을 통해 생산된 전기로 공기 블로워(810)을 돌려서 습도를 머금고 있는 공기를 빨아 들여서 물을 생산할 수 있다.
본 발명에서는 도면 12와 13과 같이 구성된 공기로부터 많은 물을 생산하는 장치(800)를 지구상의 다양한 곳에 적용할 수 있도록 지상 기초(760) 위에 타워(820)를 설치하고 그 상부에 도 14와 같이 공기로부터 물을 생산하는 장치(800)를 설치하는 구조로 구성할 수 있으며, 이 또한 상황에 따라서 다양하게 수정해서 사용할 수 있다.
도 15는 도 14의 타워 상부나 측면에 태양광 발전 패널을 설치해서 전기를 생산할 수 있도록 구성한 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 지상 기초(760) 위에 설치된 타워(800) 측면(870)이나 깔때기 조합(800) 상부(860)에 태양광 발전 패널을 설치해서 낮에 전기를 생산하도록 구성할 수 있다.
도 16은 하나 또는 두 개로 구성된 니콜라 테슬라 발전기 구성을 보여 주는 도면이다.
도 16의 (a)는 니콜라 테슬라 터빈구조로써 하우징(2)이 설치되어있고 입구(5)를 통해 증폭된 공기가 디스크 조합(1)으로 점성 저항력으로 인해 점선으로된화살표 방향으로 유체가 통과 하면서 토출구(9)로 통해 배출된다. 이 과정에서 다수의 디스크 조합(2)이 발전기(미되시됨)와 함께 회전 하면서 전기를 생산하는 테슬라 발전기를 보여주고 있다.
도 16의 (b)는 도 16(a)를 두 개로 구성한 테슬라 발전기를 보여주고있다.
도 17은 니콜라 테슬라 발전기를 하나 또는 그 이상을 수직 또는 수평으로 배치해서 전기를 생산할 수 있도록 한 것을 보여 주는 도면이다.
도 17을 참조하면, 도 16의 테슬라 발전기를 통해 증폭된 공기를 테슬라 발전기(1, 1-1)의 입구(5)로 빠른 속도로 보내면서 발전하는 구조를 보여주고 있으며, 필요에 따라서 하나 이상의 테슬라 발전기(1, 1-1)를 조합해 사용 할 수 있는것을 보여주고 있다.
도 18은 히트 싱크, 히트 파이프, 열전소자의 조합을 이용하여 테스라 터빈을 통해 배출된 공기를 냉각시키는 목적을 위해 구성된 것을 보여 주는 도면이다.
도 18을 참조하면, 포집된 공기를 이용하여 테슬라 터빈과 본 발명에 의한 타워 상부와 측면에 장착된 태양광 발전 패널을 통해 전기를 생산하고, 생산된 전기를 이용하여 히트 파이프(Heat Pipe, 21)와 히트 싱크(Heat Sink, 10, 40) 그리고 열전소자(30)로 구성된 장치에 전기를 공급해서 테슬라 터빈에서 배출된 공기를 히트 싱크(10) 상부로 보내 줌으로써 히트 싱크 조합(10)의 히트 싱크(11)의 낮은 온도로 인해 열 전달이 일어나면서 공기 중의 수분이 응축되도록 한 것이다.
이때, 히트 싱크 조합(10)의 온도를 낮추는 것은 구리보다 열전도도가 높은 히트 파이프(21)로 구성된 히트 파이프 조합(20)을 통해서이다. 이는 히트 싱크 조합(10)과 접한 히트 파이프(20)는 증발기(Evaporator)가 위치하고, 응축기 부분은 열전소자(30)의 낮은 온도 측(31)과 접촉하도록 구성되어 있기 때문이다.
히트 싱크 조합(10)을 통해 냉각된 공기는 또 다른 히트 싱크(41)로 구성된 히트 싱크 조합(40)을 통해 밖으로 배출이 되며, 응축된 물은 물 배출구(50)을 통해 저장고(Reservoir, 미도시됨)로 보내지거나 바로 사용할 수 있다.
열전 소자(30)의 뜨거운 부분(32)은 배출되는 공기와 접하는 히트 싱크 조합(40)과 접촉된 것은 공기가 흐르면서 냉각되도록 한 것이기 때문에 열전 소자(30)의 냉각 부분(31)의 효율을 증가시켜 주는 역할도 하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있으므로 본 발명의 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100, 110, 120: 안개 포집기
200, 300: 풍력발전기
240: 응축기
250: 공기 블로워
230, 330: 열교환기
270, 320: 압축기
220: 전기 발전기
310: 로터 블레이드
350: 필터
410, 420, 430: 깔때기
400: 깔대기 조합
500: 공기 포집기
510: 배인
520: 덮개
600: 공기 유도기
700: 단열팽창 노즐

Claims (10)

  1. 공기 중의 물을 포집하여 증폭 및 가속시키는 하나 이상의 깔대기로 구성되는 깔때기 조합;
    상기 깔대기 조합 외부의 일 측면에 구성되어 상기 깔때기 조합의 외부를 통해 흘러가는 공기를 상기 깔대기 조합으로 흘러가도록 하는 공기 포집기; 및
    상기 깔대기 조합에 의해 포집된 공기를 이슬점 이하로 냉각시켜 물을 생성하는 단열팽창 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는
    공기를 이용한 물 생산 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기 포집기는
    바람이 불 때 상부 및 하부 각각으로 흘러가는 공기를 상기 공기 포집기 방향으로 유도하는 공기 유도기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    공기를 이용한 물 생산 장치.
  3. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 깔때기, 상기 공기 포집기 및 상기 공기 유도기 각각은
    동일한 위치에서 동일한 물체가 하강할 때 가장 빨리 하강하는 최단 강하곡선 및 곡선 상에서 서로 다른 위치에서 정지된 상태에 있는 물체를 떨어뜨렸을 때 부에 동시에 떨어지는 등시 곡선으로 구성되는 것을 특징으로 하는
    공기를 이용한 물 생산 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 깔때기는
    아래 쪽으로 갈수록 단면적이 줄어드는 형상으로 구현되어 상기 공기의 속도가 상기 깔대기의 아래 쪽을 부분으로 이동할수록 빨라지는 것을 특징으로 하는
    공기를 이용한 물 생산 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공기 포집기는
    상기 깔때기 조합의 외부를 통해 흘러가는 공기를 포집하고 상기 깔때기 조합으로 흘러가도록 유도하는 복수의 배인; 및
    상기 공기 포집기의 상부를 덮는 상부 덮개 및 하부를 덮는 하부 덮개를 포함하는 것을 특징으로 하는
    공기를 이용한 물 생산 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 덮개는
    상기 하나 이상의 깔대기 각각의 상부의 크기와 동일한 크기의 구멍이 중앙에 구성되어 있고,
    상기 하부 덮개는
    상기 하나 이상의 깔대기 중 제1 깔대기 및 제2 깔대기가 만나는 위치에서의 상부 깔대기의 크기와 동일한 크기의 구멍이 중앙에 구성되어 있는 것을 특징으로 하는
    공기를 이용한 물 생산 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 포집된 공기를 이용하여 전기를 생산하는 테슬라 터빈 및 태양광 발전 패널을 더 포함하고,
    상기 생산된 전기는 히트 파이프(Heat Pipe)와 히트 싱크(Heat Sink) 그리고 열전소자로 구성된 장치에 공급되어 상기 테슬라 터빈에서 배출된 공기의 온도가 낮아지는 것을 특징으로 하는
    공기를 이용한 물 생산 장치.
  8. 하나 이상의 깔대기가 공기 중의 물을 포집하여 증폭 및 가속시키는 단계;
    상기 깔대기 조합 외부의 일 측면에 구성된 공기 포집기가 상기 깔때기 조합의 외부를 통해 흘러가는 공기를 상기 깔대기 조합으로 흘러가도록 하는 단계; 및
    단열팽창 노즐이 상기 깔대기 조합에 의해 포집된 공기를 이슬점 이하로 냉각시켜 물을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    공기를 이용한 물 생산 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공기 포집기가 상기 깔때기 조합의 외부를 통해 흘러가는 공기를 상기 깔대기 조합으로 흘러가도록 하는 단계는
    상기 공기 포집기의 공기 유도기가 바람이 불 때 상기 깔대기 조합의 상부 및 하부 각각으로 흘러가는 공기를 상기 공기 포집기 방향으로 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    공기를 이용한 물 생산 방법.
  10. 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    테슬라 터빈 및 태양광 발전 패널이 상기 포집된 공기를 이용하여 전기를 생산하는; 및
    상기 생산된 전기를 히트 파이프(Heat Pipe)와 히트 싱크(Heat Sink) 그리고 열전소자로 구성된 장치에 공급하여 상기 테슬라 터빈에서 배출된 공기의 온도를 낮추는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    공기를 이용한 물 생산 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4212677A1 (en) * 2022-01-10 2023-07-19 Shih-Hsiung Chen Fluid dynamic rain-making apparatus

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