KR20200023402A - 가열 처리 및 전기를 발생시키기 위한 열병합 발전 시스템 및 방법 - Google Patents

가열 처리 및 전기를 발생시키기 위한 열병합 발전 시스템 및 방법 Download PDF

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스티브 워커
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아이엠비와이 에너지, 인크.
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Abstract

인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및/또는 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템에 대한 시스템들 및 방법들이 개시되어 있다. 상기 시스템은 상기 인클로저에 대한 가열 처리 및 전기 공급을 위한 열 엔진을 포함한다. 유체를 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되어 열 에너지를 상기 유체로부터 상기 인클로저로 전달하는 제 1 도관이 상기 열 엔진에 결합된다. 상기 시스템은 상기 인클로저에 대해 적어도 가열 처리 및 냉각 처리를 공급하도록 구성된 열 펌프를 더 포함한다. 적어도 제 2 도관이 상기 열 펌프에 결합된다. 상기 제 2 도관은 유체를 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 이동시키도록 구성되어 열 에너지를 상기 유체로부터 상기 인클로저로 전달한다.

Description

가열 처리 및 전기를 발생시키기 위한 열병합 발전 시스템 및 방법
관련 출원들의 교차 참조
본 개시는 발명의 명칭이 “가열 처리, 냉각 처리, 및 전기를 발생시키기 위한 열병합 발전 시스템”으로서 2017년 6월 27일자로 출원된 미국 가출원 번호 62/525,513의 우선권을 주장하며, 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다. 본 출원은, 우선권을 주장하는 것은 아니지만, 미국 특허출원 일련번호 16/017,296(IMB0002PA1) 및 16/017,050(IMB0002PA2) 및 16/017,187 (IMB0002PA3)과 관련하며, 이들 각각은 본 발명과 동일자에 출원되었다.
본 발명은 열병합 발전 시스템(cogeneration system)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가열 처리(heating), 냉각 처리(cooling) 및/또는 전기를 발생시키는 열병합 발전 시스템에 관한 것이다.
오늘날 많은 지역 사회들은 송전선 및 배전선의 네트워크 또는 그리드(grid)로 알려진 그러한 네트워크를 통하여 중앙 발전소(예를 들어, 발전 설비)로부터 전력을 공급받는다. 중앙 집중식 발전소들은 일반적으로 연료(예를 들어, 석탄, 천연 가스, 핵, 석유)를 처리하여 열 에너지를 발생시키고 이러한 열 에너지는 열 엔진을 구동하여 이후 전기로 변환되는 기계적 작업(mechanical work)을 일으킨다. 이들 발전소는 작업을 달성하기 위해 증기 또는 가스 터빈과 같은 원동기를 포함할 수 있다. 연료를 처리함으로써(예를 들어, 연소 또는 화학 반응을 통해) 발생된 열 에너지를 사용하여, 원동기는 작업을 수행하도록 (예를 들어, 동적 가스 또는 증기압을 사용하여) 작동될 수 있다. 원동기는 일반적으로 기계적 작업을 전기로 변환하도록 발전기에 결합된다. 발전기는 원동기의 운동(예를 들어, 원동기에 결합된 샤프트의 회전)에 응답하여 전기를 생산할 수 있다. 그 다음에 이러한 전기는 네트워크의 송전선 및 배전선을 통해 소비자들에게 공급될 수 있다.
열병합 발전 시스템 및 방법에 있어 향상된 구성 및 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 인클로저(enclosure)에 대해 가열 처리(heating), 냉각 처리(cooling), 및 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저를 가열 처리하고 상기 인클로저에 대해 전기를 공급하도록 구성된 열 엔진, 상기 인클로저의 가열 처리 및 냉각 처리를 위해 구성된 열 펌프, 상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관, 상기 열 펌프에 결합된 제 2 도관, 및 상기 열 펌프에 결합된 제 3 도관을 포함하며, 상기 열 펌프는 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 냉각 처리를 동시에 공급하도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 도관은 제 1 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 1 도관은 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 상기 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 2 도관은 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 상기 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 3 도관은 제 2 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 3 도관은 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 상기 제 2 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 2 열 전달 유체에 의해 상기 인클로저로부터 흡수되게 할 수 있다.
상기 열 엔진은 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 도관은 상기 열 교환기에 결합되어 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 열 에너지를 전달할 수 있다. 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 인클로저에 대해 공간 가열 처리(space heating)를 제공하기 위해 상기 제 1 열 전달 유체를 통해 열 에너지를 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 가열 처리 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 가열 처리 시스템 열 교환기로 전달되게 할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템과 조합될 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 열 저장 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 열 저장 시스템 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어, 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달되게 할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 열 저장 시스템과 조합될 수 있다. 상기 열 저장 시스템은 온수(hot water) 저장 탱크일 수 있고, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어, 상기 온수 저장 탱크 내의 물을 가열 처리하도록 열 에너지를 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 냉각 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 냉각 처리 시스템 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 3 도관은 상기 냉각 처리 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어 상기 제 2 열 전달 유체가 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 상기 인클로저로부터 열 에너지를 흡수할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 상기 냉각 처리 시스템과 조합될 수 있다.
실시예들에서, 상기 제 1 열 전달 유체 및 상기 제 2 열 전달 유체는 글리콜(glycol)을 함유할 수 있다. 상기 열 엔진은 발전기를 더 포함할 수 있고, 상기 열 펌프는 또한 전기 모터일 수 있다. 상기 발전기는 상기 열 펌프의 전기 모터에 전기를 선택적으로 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기 열 펌프는 상기 열 엔진의 작동을 요구하지 않고서 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 냉각 처리를 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기 열 엔진은 상기 열 펌프의 작동을 요구하지 않고서 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 전기를 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기 열 엔진 및 상기 열 펌프는 동시에 동작되도록 구성되고 배열되어, 상기 열 엔진이 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 전기를 제공하고 상기 열 펌프를 작동시키도록 전기를 제공하고, 상기 열 펌프가 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 냉각 처리를 제공하게 할 수 있다.
다른 실시예에서, 인클로저에 대해 가열 처리 및 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저를 가열 처리하고 상기 인클로저에 전기를 공급하기 위해 구성된 열 엔진, 상기 인클로저의 가열 처리를 위해 구성된 열 펌프, 상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관, 및 상기 열 펌프 및 상기 제 1 도관에 결합된 제 2 도관을 포함한다. 상기 제 1 도관은 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 1 도관은 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 상기 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 2 도관은 상기 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 2 도관은 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 상기 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 제 1 도관 내의 열 전달 유체가 상기 제 2 도관 내의 열 전달 유체와 동일하도록 유체 결합될 수 있다.
상기 제 1 도관은 직렬로 상기 제 2 도관에 결합되어, 상기 열 전달 유체가 상기 제 2 도관으로부터 상기 제 1 도관으로 이동하거나 또는 상기 열 전달 유체가 상기 제 1 도관으로부터 상기 제 2 도관으로 이동하게 할 수 있다. 상기 열 엔진은 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 도관은 상기 열 교환기에 결합되어 상기 열 교환기로부터 상기 인클로저로 열 에너지를 전달할 수 있고, 상기 열 펌프는 응축기(condenser)를 더 포함할 수 있다. 상기 제 2 도관은 상기 응축기에 결합되어 상기 응축기로부터 상기 인클로저로 상기 열 에너지를 전달할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제 1 도관은 직렬로 상기 제 2 도관에 결합되어, 상기 열 전달 유체가 상기 열 펌프의 응축기로부터 상기 열 엔진의 열 교환기로 이동하거나 또는 상기 열 전달 유체가 상기 열 엔진의 열 교환기로부터 상기 열 펌프의 응축기로 이동하게 할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 열병합 발전 시스템은 상기 제 1 도관을 상기 제 2 도관에 결합하는 밸브를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 도관은 병렬로 제 2 도관에 결합되어, 상기 제 1 도관으로부터의 열 전달 유체가 상기 밸브에 의해 상기 제 2 도관으로부터의 열 전달 유체와 선택적으로 혼합되게 할 수 있다. 상기 열 엔진은 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 도관은 상기 열 교환기로부터의 열 에너지를 상기 인클로저로 전달하도록 상기 열 교환기에 결합될 수 있고, 상기 열 펌프는 응축기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 2 도관은 상기 응축기로부터의 열 에너지를 상기 인클로저로 전달하도록 상기 응축기에 결합될 수 있으며, 상기 제 1 도관은 병렬로 상기 제 2 도관에 결합되어, 상기 열 펌프의 응축기를 통해 이동하는 열 전달 유체가 상기 밸브에 의해 상기 열 엔진의 열 교환기를 통해 이동하는 열 전달 유체와 선택적으로 혼합되게 할 수 있다. 실시예들에서, 상기 제 1 도관 내의 열 전달 유체 및 상기 제 2 도관 내의 열 전달 유체는 글리콜을 함유한다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 열 펌프에 결합된 제 3 도관을 더 포함할 수 있다. 상기 제 3 도관은 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 3 도관은 상기 열 펌프로부터의 열 전달 유체를 열 공급원(heat source)으로 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 열 펌프를 작동시켜 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 열 전달 유체에 의해 상기 열 공급원으로부터 흡수되게 할 수 있다. 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 제 3 도관과 별개의 배관 시스템을 형성하여, 상기 인클로저가 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관 내의 열 전달 유체로부터의 열 에너지를 흡수하고, 상기 제 3 도관 내의 열 전달 유체가 상기 열 공급원으로부터의 열 에너지를 흡수하게 할 수 있다. 상기 제 3 도관 내의 열 전달 유체는 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관 내의 열 전달 유체와 혼합되지 않을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 인클로저에 대해 가열 처리 및 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저에 대한 가열 처리 및 전기를 일으키도록 구성된 열 엔진, 상기 인클로저에 대한 가열 처리를 일으키도록 구성된 열 펌프, 상기 인클로저 외부의 영역으로부터의 열 에너지를 상기 열 펌프로 전달하도록 구성되고 배열된 열 저장소, 상기 인클로저와 관련되고 열 저장 시스템 열 교환기를 포함하는 열 저장 시스템, 상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관, 및 상기 열 펌프에 결합된 제 2 도관을 포함할 수 있다. 상기 제 1 도관은 제 1 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 1 도관은 상기 열 엔진으로부터 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 상기 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 열 저장 시스템으로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 2 도관은 상기 열 펌프로부터 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 상기 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 열 저장 시스템으로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 유제적으로 결합되어, 상기 열 저장 시스템 내에 열 에너지를 저장하도록 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관으로부터의 제 1 열 전달 유체가 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달되게 할 수 있다.
상기 열 저장 시스템은 온수 저장 탱크일 수 있고, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어, 상기 제 1 열 전달 유체로부터의 열 에너지를 상기 온수 저장 탱크 내의 유체에 전달하도록 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관으로부터의 제 1 열 전달 유체를 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 가열 처리 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관으로부터의 제 1 열 전달 유체를 상기 가열 처리 시스템 열 교환기로 전달할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 열 펌프에 결합된 제 3 도관을 더 포함할 수 있으며, 상기 제 3 도관은 제 2 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 3 도관은 상기 열 펌프로부터의 제 2 열 전달 유체를 열 공급원으로 전달하도록 구성되고 배열되며, 여기에서 열 에너지는 상기 제 2 열 전달 유체에 의해 상기 열 공급원으로부터 흡수된다. 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어 상기 열 저장 시스템 내에 열 에너지를 저장하도록 상기 제 1 열 전달 유체가 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관으로부터 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달되게 할 수 있고, 상기 제 3 도관은 냉각 처리 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어 상기 인클로저를 냉각 처리시키도록 상기 냉각 처리 시스템 열 교환기로부터의 제 2 열 전달 유체를 상기 열 펌프로 전달하게 한다.
다른 일 실시예에서, 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저에 대한 가열 처리 및 전기를 일으키도록 구성된 열 엔진, 상기 인클로저에 대한 가열 처리 및 냉각 처리를 일으키도록 구성된 열 펌프, 상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관, 상기 열 펌프에 결합된 제 2 도관, 상기 열 펌프에 결합된 제 3 도관, 및 밸브 장치(valve arrangement)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 도관은 제 1 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 1 도관은 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 상기 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 2 도관은 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 상기 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 3 도관은 제 2 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 3 도관은 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 상기 제 2 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 2 열 전달 유체에 의해 상기 인클로저로부터 흡수되게 할 수 있다. 상기 밸브 장치는 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 인클로저에 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관을 선택적으로 결합하고, 공간 냉각 처리 및 상기 열 펌프에 대한 열 에너지의 공급원 중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 인클로저에 제 2 열 전달 유체를 전달하도록 상기 제 3 도관을 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열될 수 있다.
상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 밸브 장치는 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관을 통해 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 가열 처리 시스템 열 교환기에 선택적으로 전달하기 위해 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관을 상기 가열 처리 시스템과 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 열 저장 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 열 저장 시스템 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 밸브 장치는 상기 제 3 도관을 통해 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 선택적으로 전달하기 위해 상기 제 3 도관을 상기 열 저장 시스템과 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 상기 열 저장 시스템과 조합될 수 있다. 상기 밸브 장치는 상기 제 3 도관을 통해 열 전달 유체를 상기 열 펌프에 선택적으로 전달하기 위해 상기 제 3 도관을 상기 열 저장 시스템 열 교환기와 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 열 저장 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 열 저장소를 더 포함할 수 있고, 상기 밸브 장치는 상기 제 3 도관을 통해 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 저장소에 선택적으로 전달하기 위해 상기 제 3 도관을 상기 열 저장 시스템 열 교환기와 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열될 수 있다.
또 다른 일 실시예에서, 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저를 가열 처리하고 상기 인클로저에 전기를 공급하기 위해 구성된 열 엔진, 상기 인클로저의 가열 처리 및 냉각 처리를 위해 구성된 열 펌프, 상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관, 상기 열 펌프에 결합된 제 2 도관, 및 상기 열 펌프에 결합된 제 3 도관을 포함할 수 있다. 상기 열 엔진은 상기 열 펌프를 작동시키기 위해 전기를 공급하도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 도관은 제 1 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 1 도관은 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 상기 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 2 도관은 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 상기 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 3 도관은 제 2 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 제 3 도관은 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 상기 제 2 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 2 열 전달 유체에 의해 상기 인클로저로부터 흡수되게 할 수 있다.
상기 열병합 발전 시스템은 상기 열 엔진에 결합되도록 구성되고 배열된 발전기, 하나 이상의 전기 케이블들을 사용하여 상기 발전기에 결합되도록 구성되고 배열된 전기 저장 시스템, 및 상기 발전기에 결합되도록 구성 및 배열되고 전기를 상기 인클로저에 분배하도록 구성된 전력 패널을 더 포함할 수 있다. 상기 전기 저장 시스템은 상기 발전기에 의해 제공되는 전기를 공급받고 상기 전기를 상기 열 펌프 및 상기 전력 패널 중 하나로 선택적으로 전달하도록 구성될 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 전력 패널을 전기 그리드 미터(electrical grid meter)로부터 분리하도록 구성되고 배열된 전기 그리드 격리 장치(electrical grid isolation device)를 더 포함할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은, 상기 인클로저가 상기 열 엔진에 결합된 상기 발전기로부터 전력을 수신하는 경우, 상기 전력 패널을 전기 그리드 미터로부터 분리하도록 구성되고 배열된 전기 그리드 격리 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 열 엔진과 관련된 상기 발전기에 의해 생산된 전기가 하나 이상의 에너지 공급자들로 전달될 수 있도록 구성되고 배열된 전기 그리드 격리 장치를 더 포함할 수 있다.
또 다른 일 실시예에서, 인클로저에 대해 적어도 가열 처리를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저에 대한 가열 처리를 위해 구성된 열 엔진, 상기 인클로저를 가열 처리하기 위해 구성된 열 펌프, 상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관, 및 상기 열 펌프에 결합된 제 2 도관을 포함한다. 상기 열병합 발전 시스템은 또한 상기 인클로저에 전기를 공급하기 위한 것일 수도 있고, 상기 열 엔진은 상기 인클로저를 가열 처리하고 상기 인클로저에 전기를 공급하기 위해 구성된다. 상기 제 1 도관은 제 1 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 상기 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체로 채워질 수 있고, 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 상기 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 할 수 있다. 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 유체적으로 결합될 수 있고, 상기 제 1 도관과 상기 제 2 도관 사이에 상기 제 1 열 전달 유체를 비율적으로 하고 열적으로 격리하는 것 중 적어도 하나로 구성될 수 있다.
상기 열 엔진은 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 도관은 상기 열 교환기에 결합되어 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 열 에너지를 전달할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 가열 처리 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어, 상기 인클로저에 대해 공간 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 가열 처리 시스템 열 교환기로 전달되게 할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 열 저장 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 열 저장 시스템 열 교환기를 더 포함할 수 있고, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어, 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달되게 할 수 있다. 상기 열 저장 시스템은 온수(hot water) 저장 탱크일 수 있고, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어, 상기 온수 저장 탱크 내의 물을 가열 처리하도록 열 에너지를 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달할 수 있다. 상기 온수 저장 탱크는 하나 이상의 열 교환기들을 포함할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 냉각 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 냉각 처리 시스템 열 교환기, 상기 열 펌프에 결합된 제 3 도관을 더 포함할 수 있고, 상기 제 3 도관은 제 2 열 전달 유체로 채워지고, 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 상기 제 2 열 전달 유체를 전달하도록 구성되고 배열되어, 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 인클로저로부터 상기 제 2 열 전달 유체에 의해 흡수되게 한다. 상기 제 3 도관은 상기 냉각 처리 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어, 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 상기 제 2 열 전달 유체가 상기 인클로저로부터 열 에너지를 흡수하게 할 수 있고, 상기 열 펌프는 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 냉각 처리를 동시에 공급하도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 열 전달 유체 및 상기 제 2 열 전달 유체는 글리콜을 함유할 수 있다. 상기 열 엔진은 발전기를 더 포함할 수 있고, 상기 열 펌프는 또한 전기 모터일 수 있다. 상기 발전기는 상기 열 펌프의 전기 모터에 전기를 선택적으로 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다.
상기 열 펌프는 상기 열 엔진의 작동을 요구하지 않고서 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 냉각 처리를 제공하도록 구성 및 배열될 수 있고, 상기 열 엔진은 상기 열 펌프의 작동을 요구하지 않고서 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 전기를 제공하도록 구성 및 배열될 수 있거나, 또는 상기 열 엔진 및 상기 열 펌프는 동시에 작동하도록 구성되고 배열되어, 상기 열 엔진이 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 전기를 제공하고 상기 열 펌프를 작동시키도록 전기를 제공하고, 상기 열 펌프가 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 냉각 처리를 제공하게 할 수 있다. 상기 열 엔진 및 상기 열 펌프는 동시에 동작되도록 구성되고 배열되어, 상기 열 엔진이 상기 인클로저의 하나 이상의 부분들에 대해 가열 처리 및 전기를 제공하고 상기 열 펌프를 작동시키도록 전기를 제공하고, 상기 열 펌프가 상기 인클로저의 하나 이상의 부분들에 대해 가열 처리 및 냉각 처리를 제공하게 할 수 있다.
상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련되고 하나 이상의 열 교환기들과 열 저장소를 포함하는 열 저장 시스템을 더 포함할 수 있다. 상기 제 3 도관은 상기 열 저장 시스템 및 상기 열 저장소에 유체적으로 결합되어, 상기 열 저장소에 과도한 얼음(excess ice)이 축적되는 것을 방지하기 위해 상기 열 저장소에 열 에너지를 공급하도록 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 저장 시스템의 하나 이상의 열 교환기들로부터 제 1 방향으로 이동시키고, 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 저장 시스템의 하나 이상의 열 교환기들로 복귀시키기 위해 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 저장소로부터 상기 제 1 방향과는 반대의 제 2 방향으로 이동시키도록 할 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 밸브 장치를 더 포함할 수 있고, 상기 밸브 장치는 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 인클로저에 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관을 선택적으로 결합하고, 공간 냉각 처리, 물 냉각 처리, 및 상기 열 펌프에 대한 열 에너지의 공급원 중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 인클로저에 제 2 열 전달 유체를 전달하도록 상기 제 3 도관을 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기, 및 상기 인클로저와 관련된 열 저장 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 열 저장 시스템 열 교환기를 더 포함할 수 있다. 상기 밸브 장치는, 공간 가열 처리를 제공하기 위해 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관 중 적어도 하나를 통해 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 가열 처리 시스템 열 교환기로 선택적으로 전달하는 가열 처리 시스템과, 물 가열 처리를 제공하기 위해 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관 중 적어도 하나를 통해 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 선택적으로 전달하는 열 저장 시스템 중 적어도 하나에 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관을 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열될 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저와 관련된 냉각 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 냉각 처리 시스템 열 교환기를 더 포함할 수 있다. 상기 밸브 장치는, 공간 냉각 처리를 제공하기 위해 상기 냉각 처리 시스템 열 교환기를 통해 상기 제 3 도관 내의 제 2 열 전달 유체로 열 에너지를 흡수하는 냉각 처리 시스템과, 상기 물 냉각 처리 및 상기 열 펌프에 대한 열 에너지 공급원 중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 열 저장 시스템 열 교환기를 통해 상기 제 3 도관 내의 제 2 열 전달 유체로 열 에너지를 흡수하는 열 저장 시스템 중 적어도 하나에 상기 제 3 도관을 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열될 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 열병합 발전 시스템은 본 명세서에서 기술된 바와 같이, 상기 인클로저와 관련된 상기 냉각 처리 시스템과 조합될 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템(들)은 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템과 조합될 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템(들)은 상기 인클로저와 관련된 상기 열 저장 시스템과 조합될 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템(들)은 상기 인클로저와 조합될 수 있다. 상기 인클로저는 빌딩일 수 있다. 상기 인클로저는 자동차일 수 있다. 상기 열병합 발전 시스템(들)은 보조 전력 유닛으로서 구성되고 배열될 수 있다. 상기 보조 전력 유닛은 자동차를 위한 것일 수 있다. 상기 보조 전력 유닛은 상기 인클로저를 위한 것일 수 있다. 상기 열 펌프는 증기 압축 열 펌프일 수 있다. 상기 열 엔진은 연료 연소 엔진(fuel burning engine)을 포함할 수 있다. 상기 열 엔진은 폐쇄 루프 브레이튼 사이클 열 엔진(closed-loop Brayton cycle heat engine)일 수 있다.
일 실시예에서, 열병합 발전 시스템을 사용하여 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하는 방법은 열 엔진의 작동에 의해 열 에너지 및 전기를 발생시키는 단계, 상기 열 엔진으로부터의 전기를 사용하여 열 펌프의 작동에 의해 열 에너지를 제공하는 단계, 상기 열 엔진 및 상기 열 펌프로부터의 열 에너지를 제 1 열 전달 유체에 전달하는 단계, 및 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기에서 상기 제 1 열 전달 유체를 통해 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 중 적어도 하나를 상기 인클로저에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 인클로저와 관련된 냉각 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 냉각 처리 시스템 열 교환기에서 상기 인클로저로부터 열 에너지를 흡수하는 제 2 열 전달 유체를 통해 상기 열 펌프의 작동에 의해 상기 인클로저에 공간 냉각 처리를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서, 상기 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 중 적어도 하나가 상기 인클로저에 대한 공간 냉각 처리과 동시에 상기 인클로저에 제공된다.
상기 방법은 열 에너지를 열 저장 시스템 열 교환기에 제공하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 열 저장 시스템 열 교환기는 상기 인클로저와 관련된 열 저장 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된다. 열 에너지가 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 제공되기 전에 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 중 적어도 하나가 상기 인클로저에 제공될 수 있다. 열 에너지는 상기 열 저장 시스템에 저장된 열 에너지의 양을 임계 레벨보다 높게 유지하기 위해 상기 열 저장 시스템에 주기적으로 제공될 수 있다. 상기 방법은 상기 열 저장 시스템 열 교환기로부터의 열 에너지를 상기 제 2 열 전달 유체에 제공하는 단계, 및 과도한 얼음이 열 저장소에 축적되는 것을 방지하기 위해 상기 제 2 열 전달 유체로부터의 열 에너지를 상기 열 저장소에 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 열 저장 시스템 열 교환기로부터의 열 에너지를 상기 제 2 열 전달 유체에 제공하는 단계, 및 열 펌프를 작동시키기 위해 상기 제 2 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수함으로써 상기 열 펌프에 열 에너지를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 전기 에너지 저장 시스템에 전기를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 전기 에너지 저장 시스템은 상기 열 펌프 및 전력 패널 중 적어도 하나에 전기를 선택적으로 전달하도록 구성되고 배열된다.
또 다른 실시예에서, 열병합 발전 시스템을 사용하여 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하는 방법은, 열 엔진의 작동에 의해 열 에너지 및 전기를 발생시키는 단계, 열 펌프의 작동에 의해 열 에너지를 제공하는 단계, 상기 열 엔진 및 상기 열 펌프로부터의 열 에너지를 제 1 열 전달 유체로 전달하는 단계, 및 밸브 장치는 통해 상기 제 1 열 전달 유체를 이동시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 밸브 장치는 상기 제 1 열 전달 유체를 하나 이상의 열병합 발전 시스템 구성 요소들에 분배하도록 구성되고 배열된다. 상기 방법은 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기에서 제 1 열 전달 유체를 통해 상기 인클로저에 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 중 적어도 하나를 제공하는 단계, 상기 밸브 장치를 통해 제 2 열 전달 유체를 이동시키는 단계로서, 상기 밸브 장치는 상기 제 1 열 전달 유체가 상기 제 2 열 전달 유체와 접촉하지 않게 하고서 상기 제 2 열 전달 유체를 하나 이상의 열병합 발전 시스템 구성 요소들에 분배하도록 구성되고 배열되는, 상기 제 2 열 전달 유체를 이동시키는 단계, 및 상기 인클로저와 관련된 냉각 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 냉각 처리 시스템 열 교환기에서 상기 인클로저로부터 열 에너지를 흡수하는 상기 제 2 열 전달 유체를 통해 상기 열 펌프의 작동에 의해 상기 인클로저에 공간 냉각 처리를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하기 위해 열 에너지를 가열 처리 시스템 열 교환기에 공급하도록 상기 열 엔진 및 열 펌프 중 적어도 하나로부터 그리고 상기 밸브 장치를 통해 제 1 방향으로 제 1 열 전달 유체를 이동시키는 단계, 및 상기 제 1 열 전달 유체가 상기 열 엔진 및 상기 열 펌프 중 적어도 하나로부터의 추가적인 열 에너지를 흡수하도록, 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 엔진 및 상기 열 펌프 중 적어도 하나로 복귀시키기 위해 상기 가열 처리 시스템 열 교환기로부터 그리고 상기 밸브 장치를 통해 상기 제 1 방향과 반대의 제 2 방향으로 제 1 열 전달 유체를 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하기 위해 상기 냉각 처리 시스템 열 교환기로부터의 열 에너지를 공급받도록 상기 열 펌프로부터 그리고 상기 밸브 장치를 통해 제 1 방향으로 제 2 열 전달 유체를 이동시키는 단계, 및 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 펌프로 복귀시키기 위해 상기 냉각 처리 시스템 열 교환기로부터 그리고 상기 밸브 장치를 통해 상기 제 1 방향과 반대의 제 2 방향으로 제 2 열 전달 유체를 이동시키는 단계로서, 추가적인 열 에너지가 상기 제 2 열 전달 유체로부터 상기 열 펌프로 이동되는, 상기 제 2 열 전달 유체를 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 열 펌프를 작동시키기 위해 열 에너지를 상기 열 펌프에 공급하도록 상기 열 저장 시스템 열 교환기로부터 그리고 상기 밸브 장치를 통해 제 1 방향으로 상기 제 2 열 전달 유체를 이동시키는 단계, 및 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 복귀시키기 위해 상기 열 펌프로부터 그리고 상기 밸브 장치를 통해 상기 제 1 방향과 반대의 제 2 방향으로 상기 제 2 열 전달 유체를 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 과도한 얼음이 열 저장소에 축적되는 것을 방지하기 위해 상기 열 저장소에 열 에너지를 공급하도록 열 저장 시스템 열 교환기로부터 그리고 상기 밸브 장치를 통해 제 1 방향으로 상기 제 2 열 전달 유체를 이동시키는 단계, 및 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 복귀시키도록 상기 열 저장소로부터 그리고 밸브 장치를 통해 상기 제 1 방향과 반대의 제 2 방향으로 상기 제 2 열 전달 유체를 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 열병합 발전 시스템을 사용하여 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하는 방법은, 열 엔진의 작동에 의해 열 에너지 및 전기를 발생시키는 단계, 열 펌프의 작동에 의해 열 에너지를 제공하는 단계, 상기 열 엔진 및 상기 열 펌프로부터의 열 에너지를 제 1 열 전달 유체로 전달하는 단계, 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되로록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기에서 상기 제 1 열 전달 유체를 통해 상기 인클로저에 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 중 적어도 하나를 제공하는 단계, 및 상기 제 1 열 전달 유체 및 제 2 열 전달 유체 중 적어도 하나를 통해 열 저장 시스템 열 교환기에 열 에너지를 제공하는 단계로서, 상기 열 저장 시스템 열 교환기는 상기 인클로저와 관련된 열 저장 시스템에 결합되도록 구성되고 배열되는, 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 열 에너지를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 인클로저와 관련된 냉각 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 냉각 처리 시스템 열 교환기에서 상기 인클로저로부터 열 에너지를 흡수하는 제 2 열 전달 유체를 통해 상기 인클로저에 공간 냉각 처리를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 열 엔진에 의해 발생된 전기를 하나 이상의 에너지 공급자들에 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 열 에너지는 상기 열 저장 시스템에 저장된 열 에너지의 양을 임계 레벨보다 높게 유지하기 위해 상기 열 저장 시스템에 주기적으로 제공될 수 있다.
본 명세서에 기술된 실시예들에 의해 제공되는 이들 및 추가 특징들은 도면과 관련하여 다음의 상세한 설명을 고려하여 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따라, 인클로저에 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하는 열 엔진 및 열 펌프를 포함하는 열병합 발전 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따라, 에너지의 생산을 도시하는 열병합 발전 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 개시의 다른 실시예에 따라, 도 1에 도시된 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하는 브레이튼-사이클 열 엔진 및 증기 압축 열 펌프를 포함하는 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 개시의 다른 실시예에 따라, 증기 압축 열 펌프에 직렬로 작동 가능하게 결합된 브레이튼-사이클 열 엔진을 포함하는 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 개시의 다른 실시예에 따라, 브레이튼-사이클 열 엔진에 작동 가능하게 직렬로 결합된 증기 압축 열 펌프를 포함하는 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 엔진을 사용하여 인클로저에 대해 공간 가열 처리 및 전기를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 엔진을 사용하여 인클로저에 대해 물 가열 처리 및 전기를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 엔진을 사용하여 인클로저에 대해 공간 및 물 가열 처리 및 전기를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 9은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 엔진을 사용하여 인클로저에 대해 전기를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프를 사용하여 인클로저에 대해 공간 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프를 사용하여 인클로저에 대해 물 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 12은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프를 사용하여 인클로저에 대해 공간 및 물 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프를 사용하여 인클로저에 대해 공간 냉각 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 14은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프를 사용하여 인클로저에 대해 물 가열 처리 및 공간 냉각 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 15는 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프를 사용하여 외부 열 교환기와 같은 열 저장소와의 접촉 지점을 제빙(de-ice)하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 16은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프 및 열 저장 시스템을 사용하여 인클로저에 대해 공간 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 17은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프, 열 엔진 및 열 저장소를 사용하여 인클로저에 대해 공간 가열 처리 및 전기를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프 및 열 엔진을 사용하여 인클로저에 대해 물 가열 처리 및 전기를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 19은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프 및 열 엔진을 사용하여 인클로저에 대해 공간 및 물 가열 처리 및 전기를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 20은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프 및 열 엔진을 사용하여 인클로저에 대해 공간 냉각 처리 및 전기를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 21은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프 및 열 엔진을 사용하여 인클로저에 대해 물 가열 처리 및 공간 냉각 처리 및 전기를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 22은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프 및 열 엔진을 사용하여 열 저장소와의 접촉 지점을 제빙하고 인클로저에 대해 전기를 제공하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
도 23은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프, 열 엔진 및 열 저장 시스템을 사용하여 인클로저에 대해 공간 가열 처리 및 전기를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다.
본 실시예들의 이들 및 다른 특징들은 여기에 설명된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이다. 첨부된 도면들은 실제 크기대로 도시된 것이 아니다. 명확성을 위해, 모든 도면에 모든 구성 요소들이 표시된 것은 아니다.
인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및/또는 전기를 제공하도록 구성된 열병합 발전 시스템에 대한 시스템들 및 방법들이 개시되어 있다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 일 실시예에서, 시스템은 주거용, 도시용, 상업용 또는 임의의 다른 유형의 건물(예를 들어, 가정 또는 사무실)과 같은 인클로저와 함께 사용하도록 구성된다. 후술하는 바와 같이, 다른 실시예에서, 시스템은 보조 전력 유닛(APU)으로서 구성되고, 차량(장거리 트럭을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 유형들의 자동차 포함)과 같은 인클로저와 함께 사용하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 시스템은 APU로서 구성되며, 군사용 임시 전력 시스템들, 마이크로-그리드(micro-grids) 및 보트(boats)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 모바일 애플리케이션들을 위해 구성될 수 있다.
이하에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 시스템은 가열 처리, 냉각 처리 또는 전기(또는 이들의 조합)를 공급하기 위해 함께 또는 개별적으로 작동될 수 있는 열 엔진 및 열 펌프를 광범위하게 포함할 수 있다. 열 엔진은 인클로저에 대해 가열 처리 또는 전기(또는 둘 다)를 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 열 엔진에 의해 발생된 열 에너지는 또한 예를 들어 프로세스 가열 처리(process heating)에 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 열병합 발전 시스템은 또한 열 엔진에 의해 생산된 전기를 그리드로 전달하도록 구성될 수 있다. 열 엔진에 부착되거나 또는 결합되는 것은 열 전달 유체로 채워지는 제 1 도관이다. 열 전달 유체는 열 엔진에 의해 발생된 열 에너지가 인클로저의 가열 처리에 사용될 수 있게 한다. 시스템은 인클로저를 가열 처리 또는 냉각 처리(또는 둘 다)할 수 있는 열 펌프를 더 포함한다. 열 펌프는 인클로저에 대해 가열 처리 및 냉각 처리 모두를 동시에 공급하거나 또는 한 번에 하나씩 공급할 수 있다. 열 펌프에 결합되는 것은 열 전달 유체로 채워지는 제 2 도관 및 제 3 도관이 될 수 있다. 제 2 도관은 열 펌프에 의해 발생된 열 에너지가 공간 가열 처리 및/또는 물 가열 처리를 위해 인클로저로 전달될 수 있도록 구성되고 배열된다. 제 3 도관은 공간 냉각 처리를 제공하기 위해 인클로저로부터의 열 전달 유체에 의해 열 에너지가 흡수될 수 있도록 구성되고 배열된다.
일반 개요
중앙 발전소를 포함하는 시스템들과 같은 열 발전소는 소비자들에게 전기를 효율적으로 공급(예를 들어, 전력을 발생시키고 분배)하지 못한다. 예를 들어, 많은 중앙 발전소는 50 % 미만의 효율로 전기를 생산한다. 이러한 열악한 효율은 열 에너지를 전기로 변환하는 데 있어서의 고유한 열 에너지 손실(예를 들어, 버려진 열(rejected heat))로 인해 야기될 수 있다. 이러한 중앙 집중식 시스템들의 효율은 전기가 공급원(source)으로부터 소비자에게로 수 마일을 전송됨에 따라 더욱 감소될 수 있다. 소비자를 중앙 발전소에 전기적으로 연결하는 배전선들의 네트워크(즉, 그리드)를 따라 전기가 전송됨에 따라서, 열 에너지 손실(예를 들어, 열(heat))이 일어날 수 있다. 결과적으로, 중앙 발전소에 의해 처리된 연료로부터의 에너지의 대략 34 %만이 소비자들에게 공급될 수 있을 것으로 추정된다.
일단 전기가 생산되면 그에 대한 배전을 관리하는 데 있어 많은 어려움이 있다. 실례로, 전기의 배전은 일반적으로 공급측 관리 기술들을 사용하여 관리된다. 이러한 기술들은 소비자의 요구들 또는 상황들에 기초하기보다는 발전소의 요구들 또는 상황들에 기초하여 전기를 발생시키는 것을 수반할 수 있다. 실례로, 발전소는 전기 생산에 있어 더 높은 비용 효율이 있을 경우, 예를 들어 연료 비용이 높거나 소비자 수요가 낮은 경우, 그 정격 용량보다 적은 전기를 생산할 수 있다. 결과적으로, 전기는 소비자 수요보다는 중앙 발전소에 의해 생산된 전기의 가용성에 기초하여 배전된다. 따라서, 피크-수요 기간들과 같은 연중의 기간들이 있을 수 있으며, 이러한 기간에는 소비자 수요를 충족하기에는 전기가 충분하지 않다. 그러한 많은 경우들에 있어서, 사용자들은 전력의 손실(예를 들어, 정전(power blackout))을 겪을 수 있다.
따라서, 그리고 본 개시의 한 실시예에 따라, 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및/또는 전기를 제공하도록 구성된 열병합 발전 시스템에 대한 시스템들 및 방법들이 개시된다. 위에서 언급한 바와 같이, 인클로저는 고정 구조물, 가정, 사무실, 소매 건물, 학교, 호텔 및/또는 공장과 같은 임의의 유형의 건물일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 일부 다른 실시예들에서, 인클로저는 예를 들어 캠핑카, 버스, 이동 주택 또는 세미-트레일러 트럭의 트랙터와 같은 이동 플랫폼일 수 있다. 시스템은 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 또는 전기(또는 이들의 조합)를 공급하기 위해 함께 또는 개별적으로 작동될 수 있는 열 엔진 및 열 펌프를 포함할 수 있다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 폐쇄-루프(closed-loop), 터보-브레이튼 사이클 열 엔진(turbo-Brayton cycle heat engine)과 같은 열 엔진은 열 에너지를 생산하기 위해 그 안에 포함된 작동 유체(working fluid)를 처리함으로써 인클로저에 대해 가열 처리 또는 전기(또는 둘 모두)를 제공할 수 있다. 다른 실시예들에서, 열 엔진은 이에 제한되는 것은 아니지만, 개방-루프 브레이튼 사이클(예를 들어, 제트 엔진), 오토-사이클 가스 피스톤 엔진(Otto-cycle gas piston engine), 디젤 엔진, 스팀 또는 유기 랭킨-사이클 엔진(steam or organic Rankine-cycle engine), 연료 전지 또는 스털링 엔진(Stirling engine) 또는 열전 발전기(thermoelectric generator)와 같이 상이하게 구성될 수 있다. 열 엔진에 부착되거나 또는 결합되는 것은 이에 제한되는 것은 아니지만 글리콜 또는 물과 같은 열 전달 유체로 채워지는 제 1 도관이다. 열 전달 유체는 일반적으로 열 에너지를 흡수 및 전달할 수 있는 매체(예를 들어, 액체 또는 기체 또는 다른 상 변화 물질)이다. 열 전달 유체는 열 엔진 또는 열 펌프(또는 둘 다)에 의해 발생된 열 에너지가 인클로저의 가열 처리에 사용될 수 있게 한다.
일 실시예에서, 열 엔진에 의해 발생된 열 에너지는 또한 하나 이상의 열 저장 장치들 내에 저장될 수 있다. 이러한 장치들은 시스템 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있는 열 에너지원의 공급원을 유지하거나 또는 보유한다. 실례로, 일 실시예에서, 상기 저장된 열 에너지는, 외부 온도가 낮고 열 펌프를 효율적으로 작동시킬 수 있는 레벨보다 아래에 있을 때, 열 펌프에 의해 열 공급원(heat source)으로서 사용될 수 있다. 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 일 실시예에서, 상기 저장된 열 에너지는 또한, 외부 열 교환기와 같은 열 저장소에 대한 접촉 지점에서 얼음을 제거하는 것, 또는 환경으로의 에너지 손실을 방지하고 열병합 발전 시스템 성능을 향상시키기 위한 열 에너지의 회수(recovering)와 같은 다른 목적들을 위해 사용될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 열병합 발전 시스템은 그리드를 통한 에너지 공급자들로부터의 전기를 사용하지 않고서 작동되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 열 엔진은 열 펌프를 작동시키기 위해 전기를 제공할 수 있다. 이러한 그리드 없는(off-the-grid) 작동은, 에너지 공급자들과 관련된 변동하는 에너지 요건들로 인해 통상적으로 일어나게 되는 것으로서 전기를 사용지 못하게 될 수 있는 위험 없이, 인클로저를 작동할 수 있도록 한다. 일 실시예에서, 열 엔진은 열 펌프 및 인클로저 모두를 작동시키기 위해 전기를 제공한다. 일 실시예에서, 열병합 발전 시스템은 또한 이에 제한되는 것은 아니지만, 태양 전지판과 같은 다른 에너지 발생 장치들을 포함하여 인클로저 또는 열 펌프(또는 둘 다)를 작동시키기 위해 전기를 공급할 수 있다. 일 실시예에서, 열병합 발전 시스템은 장래의 사용을 위해 또는 백업 전기의 공급원(source)으로서 열 엔진(또는 다른 에너지 발생 장치들)에 의해 발생된 에너지를 저장하기 위한 하나 이상의 전기 에너지 저장 장치들, 예를 들어 배터리들 또는 커패시터들을 포함할 수 있다.
[1] 시스템은 인클로저를 가열 처리 및/또는 냉각 처리하도록(또는 둘 다) 구성되는 열 펌프를 더 포함한다. 일 실시예에서, 열 펌프는 증기-압축 사이클 열 펌프로서 구성되며, 다른 실시예에서, 열 펌프는 역-브레이튼 사이클(Reverse Brayton cycle), 열 전기, 또는 열 펌프의 다른 형태들로서 구성될 수 있다. 열 펌프는 그 안에 포함된 작동 유체로부터의 열 에너지를 시스템의 열 전달 유체로 전달함으로써 인클로저에 대해 가열 처리 및 냉각 처리 모두를 동시에 공급할 수 있거나 또는 한 번에 하나씩 공급할 수 있다. 상기 작동 유체는 일반적으로 말해서 가스 또는 액체, 예를 들어 프로판일 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 일 실시예에서, 열 펌프에 결합되는 것은 제 2 도관 및 제 3 도관이며, 이들 각각에는 열 전달 유체가 채워진다. 일 실시예에서, 열 전달 유체는 열병합 발전 시스템의 제 1, 제 2 및 제 3 도관들 각각에서 동일한 유체이다. 주어진 응용에 따라, 제 2 도관의 열 전달 유체는 공간 가열 처리 및/또는 물 가열 처리를 위해 열 펌프에 의해 발생된 열 에너지를 인클로저로 전달할 수 있다. 또한, 제 3 도관의 열 전달 유체는 인클로저로부터 열 에너지를 흡수하여 공간 냉각 처리를 제공하거나, 또는 열 저장소를 통해 주변 환경으로부터 열 에너지를 흡수하여 열 펌프를 작동시킬 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 및 제 3 도관들의 열 전달 유체의 사용은 다른 폐쇄 영역에 대해 가열 처리를 제공하면서 일부 폐쇄 영역의 공간 냉각 처리을 허용한다. 다수의 열병합 발전 시스템 구성들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
열병합 발전 시스템 응용 사례
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따라, 인클로저(500)에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하는 열 엔진(100) 및 열 펌프(400)를 포함하는 열병합 발전 시스템(10)의 블록도이다. 본 명세서에서 이전에 설명된 바와 같이, 단지 중앙 발전소로부터 전기를 공급받는 것과 관련된 많은 단점들이 존재한다. 따라서, 본 개시의 열병합 발전 시스템은 전통적인 중앙 전력 배전 시스템에 대한 보다 신뢰성 있고 효율적인 대안을 제공할 수 있다. 보다 상세하게는, 본 명세서에 기술된 열병합 발전 시스템은 인클로저(예를 들어, 가정, 상업 또는 다른 건물 또는 차량)의 가열 처리, 냉각 처리 및 전기 수요를 만족시키기 위해 국부적으로 열 및 전기 에너지를 발생시키도록 구성된다. 따라서, 일 실시예에 따라서, 소비자들은 그들의 전기를 위해 그리드를 통해 중앙 집중식 발전소에 의존할 필요가 없을 수 있다. 또한, 소비자들은 중앙 집중식 전력 시스템들을 관리하는 데 있어 일반적인 변동하는 요건들(예를 들어, 전기 가용성 및 비용)에 영향을 받지 않아도 된다. 일 실시예에서, 본 개시의 열병합 발전 시스템은 인클로저의 기존의 가열 처리, 냉각 처리 및 전기 배전 시스템들에 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 열병합 발전 시스템은 기존의 가열 처리 및 냉각 처리 시스템들을 교체할 수 있다. 설치되는 방식에 상관없이, 본 개시의 열병합 발전 시스템은 별도의 가열 처리 및 냉각 처리 시스템 및 백업 발전기들에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 다른 실시예에서, 열병합 발전 시스템(10)은 열병합 발전 시스템(10)이 인클로저에 필요한 것보다 많은 전기를 생산할 때 그리드에 전기를 제공할 수 있다.
또한, 본 명세서에 기술된 열병합 발전 시스템은 또한 상업적으로 이용 가능한 전기 공급원이 없을 때 전기의 공급원으로서 기능할 수 있다. 일 실시예에서, 열병합 발전 시스템(10)은 고정식(예를 들어, 가정 또는 사무실 빌딩) 또는 모바일(예를 들어, 자동차) 플랫폼들과 함께 사용하기 위한 보조 전력 유닛이 될 수 있다. 일 실시예에서, 열병합 발전 시스템(10)은 정전(예를 들어, 블랙아웃) 동안 에너지를 제공하기 위해 발전기들과 같은 전통적인 백업 에너지의 공급원들을 대체하도록 구성될 수 있다. 열병합 발전 시스템은 인클로저의 기존의 임시 또는 보조 전력 시스템들과 연결하거나 또는 인터페이스하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 열병합 발전 시스템은 모바일 플랫폼(예를 들어, 장거리 트럭)에 에너지를 제공하기 위해 보조 전력 유닛(APU)로서 구성될 수 있다. 일반적으로 APU는 자동차를 이동시키는 것들과는 다른 기능들을 위해 자동차에 에너지를 제공하는 장치가 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 실례로, 열병합 발전 시스템(10)은, 주 구동 엔진이 작동하지 않을 때(예를 들어, 공회전(idling)하지 않음) 탑승자가 차량에서 편안하게 머무를 수 있도록 탑승자 칸(occupant compartment)(예를 들어, 트럭의 운전석)에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및/또는 전기를 제공하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 가열 처리, 냉각 처리 및/또는 전기는 주 구동 엔진을 작동시키지 않고 차량의 칸(예를 들어, 트럭의 운전실 또는 트레일러의 화물 공간)에 대해 제공될 수 있다. 결과적으로, 정기 트럭 운송 회사들(trucking lines)의 소유자들과 운영자들은 연료 비용, 엔진 시간, 유지 보수 및 서비스 비용을 줄일 수 있는데, 이는 차량이 이동하지 않을 때(예를 들어, 운전자가 쉬고있는 야간 동안) 차량의 주 구동 엔진이 장시간의 기간 동안 작동하지 않기 때문이다. 열병합 발전 시스템(10)은 일부 실시예들에서 장거리 트럭 또는 그 트레일러(또는 둘 다)에 대해 전기, 가열 처리 및 냉각 처리를 제공할 수 있다. 열병합 발전 시스템(10)은 또한, 일부 다른 실시예들에서 차량의 하나 이상의 배터리들을 충전하기 위해 전기를 제공할 수도 있다. 상업적 전력의 이용 가능 여부에 관계없이, 본 개시의 열병합 발전 시스템은 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및/또는 전기를 제공한다. 알 수 있는 바와 같이, 도 1에 도시된 열병합 발전 시스템(10)은 열 엔진(100), 복수의 도관들(200), 전기 케이블들(300), 열 펌프(400) 및 인클로저(500)를 포함한다. 열 엔진(100) 및 열 펌프(400)는 일부 실시예들에서, (도 1에서 점선으로 표시된 바와 같이) 공통 하우징 내에 보유된 하나의 유닛 또는 장치로서 구성되고 배열될 수 있다. 다른 실시예들에서, 열 엔진(100)과 열 펌프(400)는 열병합 발전 시스템을 인클로저(500)에 설치하거나 또는 연결하기 위해 서로 분리되어 위치될 수 있다. 이들이 어떻게 설치 되든지 상관없이, 열 엔진(100) 및 열 펌프(400)는 본 명세서에서 더 설명되는 바와 같이, 도관들(200) 및 전기 케이블들(300)을 통해 인클로저(500)에 대해 열 에너지 또는 전기(또는 둘 다)를 제공한다.
열병합 발전 시스템(10)은 열 에너지(예를 들어, 열(heat))를 전기를 발생시키는 데 사용될 수 있는 작업(work)으로 변환하는 열 엔진(100)을 포함한다. 열 엔진(100)은 열 에너지를 발생시키기 위해 연료, 예를 들어 목재 펠릿(wood pellets), 석탄, 오일, 프로판, 천연 가스 또는 다른 바이오 가스를 처리한다. 연료가 처리되거나 또는 소비됨에 따라, 열 엔진(100)은 열병합 발전 시스템(10)의 다른 구성 요소들(예를 들어, 열 펌프(400))을 작동시키기 위해 전기를 발생시키는 데 사용될 수 있는 작업(예를 들어, 회전 샤프트와 같은 기계적 작업)을 일으킨다. 일 실시예에서, 발생된 전기는 또한 인클로저(500)의 전기 수요에 따라 중앙 집중식 발전 시스템(예를 들어, 그리드)에 제공될 수 있다. 전기의 발생 외에도, 열 엔진(100)은 또한 기계적 작업을 발생시키기 위해 연료를 처리함에 따라 열 에너지(예를 들어, 열)를 생산할 수 있다. 이러한 열 에너지는 본 명세서에서 더 논의되는 바와 같이 열병합 발전 시스템(10) 또는 인클로저(500)의 하나 이상의 구성 요소들로 전달될 수 있다.
열 엔진(100)에 부착되는 것은 열병합 발전 시스템(10) 내에서 열 에너지를 분배하기 위한 하나 이상의 도관들(200)이 있다. 도관들(200)은 열 엔진(100)으로부터의 열 전달 유체를 열병합 발전 시스템(10)의 하나 이상의 구성 요소들로 전달한다. 열 전달 유체는 일반적으로 열 에너지를 흡수 및 전달할 수 있는 매체(예를 들어, 액체 또는 기체)이다. 일 실시예에서, 열 전달 유체는 글리콜을 함유한다. 다른 실시예에서, 열 전달 유체는 물을 함유한다. 다른 실시예에서, 열 전달 유체는 물과 글리콜의 혼합물이다. 도관들(200)은 공통의 열 전달 유체로 채워질 수 있거나, 또는 상이한 도관 섹션들이 주어진 응용에 따라 상이한 유체들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 도관들(200)은 열 전달 유체를 열병합 발전 시스템(10)의 다양한 구성 요소들로 운반하기 위한 파이프(pipes), 덕트(ducts), 튜빙(tubing) 또는 다른 배관 시스템(plumbing systems)일 수 있다. 도관들(200)은 별도의 고온 및 저온 열 전달 유체 경로들 또는 루프들을 생성하도록 구성 및 배치될 수 있다. 각각의 경로는 도관들(200)을 통해 열 전달 유체를 이동시키기 위한 하나 이상의 유체 펌프들을 포함할 수 있다. 열 전달 유체는 고온 열 에너지 저장소들(예를 들어, 열 엔진(100))로부터 열 에너지를 흡수하여 이를 저온 열 에너지 저장소들(예를 들어, 열 교환기)로 전달할 수 있다. 당업자는 열 전달 유체가 도관들(200) 내에 통합되거나 또는 연결된 펌프, 밸브, 전환기(diverter) 또는 다른 유체 흐름 장치들을 사용하여 열병합 발전 시스템(10)을 통해 이동될 수 있음을 인식할 것이다. 실례로, 일부 실시예들에서, 열병합 발전 시스템(10)은 인클로저(500)로부터 열 엔진(105) 및 열 펌프(405)로 열 전달 유체를 복귀시키기 위한 프로포셔닝 밸브(proportioning valve)를 포함할 수 있다. 결과적으로, 열 엔진(105) 및 열 펌프(405)는 상이한 출력들에서 작동할 수 있으며, 그에 따라 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. 다수의 배관 시스템 구성들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
열 엔진(100)에는 또한 열 엔진(100)에 의해 발생된 전기를 열병합 발전 시스템(10)의 다른 구성 요소들에 배전하기 위한 하나 이상의 전기 케이블들(300)이 부착된다. 실례로, 전기 케이블들(300)은 열 엔진(100)을 열 펌프(400)에 전기적으로 연결하여, 열 엔진(100)에 의해 제공된 전기를 사용하여 열 펌프(400)가 작동될 수 있게 할 수 있다. 전기 케이블들(300)은 또한, 열병합 발전 시스템(10)이 작동되는 주어진 응용에 따라 열 펌프(400)를 작동시키기 위해 전기의 대체 공급을 (예를 들어, 그리드 또는 저장 배터리) 제공하도록 열 펌프(400)를 인클로저(500)에 연결할 수 있다.
열병합 발전 시스템(10)은 열 에너지(예를 들어, 열)를 고온 저장소로부터 저온 저장소로 전달하기 위한 열 펌프(400)를 포함한다. 당업자라면, 열 펌프(400)가 열 에너지를 열 공급원으로부터 비교적 더 낮은 온도의 공간 또는 물체(예를 들어, 열 에너지 싱크(thermal energy sink))로 전달하는 장치라는 것을 이해할 것이다. 작동시, 열 펌프(400)의 작동 유체는 열 에너지를 흡수하고 전달한다. 보다 상세하게는, 열 펌프(400)의 고온 작동 유체는 열 교환기(또한 응축기라고도 함)를 통해 열 에너지를 열 전달 유체로 전달하고, 이 열 전달 유체는 열을 인클로저(500)로 전달한다. 또한, 열 펌프(400)의 저온 작동 유체는 고온 공급원(high-temperature source)(예를 들어, 인클로저(500) 주위의 영역)와 연통하는 또 다른 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하여, 저온 작동 유체가 고온 유체로 변환될 수 있게 하고, 그에 따라 열 에너지 공급원을 제공한다. 이러한 열 전달 프로세스를 달성하기 위해, 열 펌프(400)에 공급되는 전기의 형태로 열병합 발전 시스템(10)에 작업이 투입된다. 열 펌프(400)를 작동시키기 위한 전기의 공급원들은 열병합 발전 시스템(10)이 작동되는 주어진 응용에 따라 열 엔진(100), 축전지 또는 그리드를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열병합 발전 시스템(10)은 또한 열 엔진(100) 및 열 펌프(400)로부터 열 및 전기 에너지를 공급받는 인클로저(500)를 포함한다. 일반적으로, 인클로저(500)는 임의의 공간 또는 영역일 수 있으며, 여기서 전기 또는 열 에너지(또는 둘 다)가 예를 들어 전기 기기들을 작동시키는 데 사용된다. 예시적인 실시예에서, 인클로저(500)는 단독 주택과 같은 거주지이다. 다른 실시예들들에서, 인클로저(500)는 이에 제한되는 것은 아니지만, 교회, 학교 또는 다른 정부 건물, 다가구 구조물(예를 들어, 아파트 또는 콘도 건물), 소매 매장(백화점 또는 식당), 또는 상업용 구조물(예를 들어, 사무실 건물 또는 공장)과 같은 임의의 유형의 건물 또는 구조물일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 인클로저(500)는 자동차, 캠핑카, 버스, 이동 주택, 또는 장거리 트럭(예를 들어, 세미-트레일러 트럭)과 같은 이동 플랫폼일 수 있다. 열 엔진(100) 또는 열 펌프(400)(또는 둘 다)에 의해 발생된 열 에너지는 복수의 도관들(200) 및 다른 배관 시스템 구성 요소들에 의해 운반되는 열 전달 유체를 통해 인클로저 구성 요소들로 전달된다. 유사하게, 열 엔진(100)에 의해 제공되는 전기 에너지는 전기 케이블들(300)을 통해 인클로저(500)의 하나 이상의 구성 요소들로 전달된다. 도관들(200) 중 일부는 인클로저(500)와 열 엔진(100) 또는 열 펌프(400)(또는 둘 다) 사이에서 열 전달 유체를 이동시키기 위한 공급 및 복귀 라인들로서 기능한다. 도관들(200) 및 전기 케이블들(300)은 본 명세서에서 이전에 설명되었다. 다수의 다른 인클로저 구성들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따라, 에너지의 생산을 도시하는 열병합 발전 시스템(10)의 블록도이다. 일반적으로, 본 개시의 열병합 발전 시스템(10)은 현재 시장에서 입수할 수 있는 현재 시스템(또는 시스템들의 조합)에 비해 상당히 적은 에너지를 사용하면서 인클로저(예를 들어, 가정 또는 사무실 건물)에 대한 가열 처리, 냉각 처리 및 전기 수요를 충족시키는 에너지를 공급한다. 실례로, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 하나의 특정 실시예에서, 열병합 발전 시스템(10)은 현재 시스템들보다 20 내지 50 % 적은 에너지를 사용하여 작동할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 열 엔진(100)은 대략 13.9 kW의 연료(예를 들어, 오일, 천연 가스 또는 프로판)를 사용하여 최대 5 킬로와트(kW)의 전기를 발생시킬 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 열 엔진(100)에 의해 소비된 연료는 열(예를 들어, 8.9 kW) 및 전기(예를 들어, 5.0 Kw) 에너지 양쪽으로 변환된다. 열 에너지의 일부(예를 들어, 1.4 kW)는 열 엔진 작동 동안 인클로저(500) 외부 영역(예를 들어, 주변 환경)으로 전달되는 낭비 또는 미사용 열이다. 열 에너지의 나머지(예를 들어, 7.5 kW)는 공간 가열 처리 또는 물 가열 처리(또는 둘 다)를 위해 인클로저로 전달될 수 있다. 열 에너지 외에, 열 엔진(100)은 또한 전기 형태의 전기 에너지를 생산할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 열 엔진(100)은 열 펌프(400) 또는 인클로저(500)에 전기를 공급하는데 사용될 수 있는 전기(예를 들어, 5 kW)를 발생시킬 수 있다. 일단 공급받게 되면, 열 펌프(400)는 열 엔진(100)으로부터의 전기를 사용하여 열 에너지를 발생시킨다. 작동시, 열 펌프(400)는 주변 환경으로부터 열 에너지(예를 들어, 6.8 kw)를 흡수하여 인클로저(500)에 대한 공간 가열 처리 또는 물 가열 처리(또는 둘 다)를 공급하는데 사용될 수 있는 열 에너지(예를 들어, 10.8 kW)를 생산한다. 일 예에서, 열병합 발전 시스템은 환경으로부터 직접 열 에너지(예를 들어, 수역(body of water)이나 또는 지면(in the ground)과 같은 열 저장소 내에 저장된 열 에너지)를 공급받을 수 있다. 그러한 경우에, 열병합 발전 시스템의 도관들은 상기 환경 내의 호수 또는 스트림(stream) 또는 상기 환경 아래의 지면의 일부와 같은 열 저장소와 접촉하여, 그로부터 열 에너지를 공급받을 수 있다. 다른 예들에서, 열병합 발전 시스템은 본 명세서에서 더 설명되는 바와 같이, 예를 들어 열 교환기를 사용함으로써 상기 환경으로부터 열 에너지를 간접적으로 공급받을 수 있다. 열병합 발전 시스템(10)은 인클로저(500)에 의한 사용을 위해 대략 18.3 kW의 열 에너지((-10 ℃ 환경의 온도에서) 및 1 kW의 전기를 생산할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 열병합 발전 시스템(10)은 그리드를 통한 에너지 공급자로부터의 전기를 사용하지 않고서 인클로저(500)로 충분한 에너지(열 및 전기 에너지)를 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 열병합 발전 시스템(10)은 오프-그리드 작동에 사용될 수 있다. 그러나, 일 실시예에서, 열병합 발전 시스템(10)은 또한 본 명세서에서 더 설명되는 바와 같이, 가용 에너지의 변동하는 요구에 응답하여 그리드에 대한 에너지 싱크(예를 들어, 에너지 소비자) 또는 에너지 공급원(예를 들어, 에너지 제공자)로서 기능할 수 있다.
열 엔진 및 열 펌프 열병합 발전 시스템들의 예
도 3은 본 개시의 또 다른 실시예에 따라, 도 1에 도시된 인클로저(500)에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하기 위해 폐쇄-루프 브레이튼 사이클 열 엔진(105)(이하, 열 엔진(105)이라고 함) 및 증기 압축 열 펌프(405)(이하, 열 펌프(405)라고 함)를 포함하는 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 열 엔진(105)에는 열 엔진에 의해 발생된 열 에너지가 인클로저의 가열 처리에 사용될 수 있도록 열 전달 유체로 채워지는 제 1 도관(200A)이 부착되거나 또는 결합된다. 상기 열 전달 유체는 제 1 열 전달 유체일 수 있다. 열 펌프(405)에는 열 전달 유체로 역시 채워지는 제 2 도관(200E) 및 제 3 도관(200F)이 결합되어 있다. 제 2 도관(200E)은 열 펌프(405)에 의해 발생된 열 에너지가 공간 가열 처리 및/또는 물 가열 처리를 위해 인클로저로 전달될 수 있도록 구성되고 배열된다. 제 3 도관(200F)은 공간 냉각 처리를 제공하기 위해 열 에너지가 인클로저로부터 열 전달 유체에 의해 흡수될 수 있도록 구성되고 배열된다. 제 2 도관(200E)과 관련된 열 전달 유체는 제 1 도관(200A)과 관련된 제 1 열 전달 유체일 수 있고, 제 3 도관(200F)과 관련된 열 전달 유체는 제 2 열 전달 유체일 수 있다. 상기 제 1 도관(200A) 및 상기 제 2 도관(200E)은 유체적으로 결합될 수 있고, 상기 제 1 도관(200A)과 상기 제 2 도관(200E) 사이에 상기 제 1 열 전달 유체를 비율적으로 하고 열적으로 격리하는 것 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 제 1 열 전달 유체는 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 밸브 장치(510)를 통해 제 1 도관(200A)과 제 2 도관(200E) 사이에서 비율적으로 될 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 열 엔진(105) 및 열 펌프(405)는 도관들(200A, 200E)을 통해 서로 병렬로 연결되어, 열 전달 유체가 각각의 구성 요소에 대해 별개의 경로들로 흐를 수 있다. 이러한 유형의 구성은, 열 엔진(105) 또는 열 펌프(405)가 작동하지 않을 때 열 엔진(105) 또는 열 펌프(405)를 통해 열 전달 유체를 이동시킴으로써 야기되는 열 에너지 손실을 겪지 않으면서 열병합 발전 시스템(15)이 열 전달 유체를 이동시킬 수 있게 한다. 예시적인 실시예에서, 열병합 발전 시스템(15)은 열 엔진(105), 열 펌프(405) 및 인클로저(500)를 포함할 수 있다.
열 엔진
열병합 발전 시스템(15)은 시스템(15)의 하나 이상의 다른 구성 요소들(예를 들어, 열 펌프(405))를 작동시키기 위해 열과 전기를 발생시키는 열 엔진(105)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 열 엔진(105)과 같은 폐쇄-루프 브레이튼-사이클 열 엔진은 다른 유형의 열 엔진들에 비해 몇 가지 장점들을 제공한다. 이러한 장점들은 예를 들어, 보다 높은 효율성, 보다 작은 질량 및 크기, 엔진 유지 보수의 더 길어진 간격, 감지할 수 없는 진동, 및 유연한 패키징을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 열 엔진(105)은 터보 기계(turbo machine)이고, 최대 5 킬로와트(kW)를 발생시킬 수 있다. 다른 실시예들에서, 열 엔진(100)은 개방-루프 브레이튼 사이클(예를 들어, 제트 엔진), 오토-사이클 가스 피스톤 엔진, 디젤 엔진, 스팀 또는 유기 랭킨-사이클 엔진, 연료 전지 또는 스털링 엔진 또는 열전 발전기가 될 수 있다. 열병합 발전 시스템(15)에서 구현되는 열 엔진의 유형은 주어진 응용에 따라 전기 효율, 배출, 연료 유연성, 및 턴-다운 비율(turn-down ratio)을 포함하는 다수의 요인들에 기초하여 선택될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 열 엔진(105)은 열 공급원(110), 팽창기(expander)(120), 열 엔진 복열기(heat engine recuperator)(130), 열 교환기(140), 압축기(150), 열 공급원 복열기(thermal source recuperator)(160), 및 발전기(170)를 포함한다.
열 엔진(105)은 열 에너지를 열 엔진(105)의 작동 유체로 전달하기 위한 열 공급원(110)을 포함한다. 열 공급원(110)은 작동 유체가 열 공급원(110)과 접촉함에 따라 작동 유체의 온도를 상승시키기 위한 열 저장소로서 작동한다. 작동 유체는 기계를 가동시키거나 또는 작동시키는 가스 또는 액체일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 열 공급원(110)은 예를 들어 버너 및 연소실을 포함하는 연소기(combustor)이다. 열 공급원(110)은 연료(예를 들어, 화석 또는 재생 가능한 연료)의 연소를 통해 열 에너지를 발생시킬 수 있다. 열 공급원(110)에는 연료관(113), 공기 흡입관(116), 및 배기관(119)이 부착되어, 열 공급원(110)의 연소실 내의 버너에 의한 연료의 연소를 진척시킨다. 연료관(113)은 오일, 프로판, 또는 천연 가스와 같은 연료를 열 공급원(110)의 연소실로 공급하도록 적응된다. 일부 다른 실시예들에서, 연료관은 예를 들어 목재 펠릿 및 바이오 매스(BioMass) 또는 바이오 연료(BioFuels)(바이오 가스, 바이오 오일), 재생 가능한 연료를 포함하는 바이오 연료와 같은 재생 가능한 연료들을 공급하도록 구성된다. 알 수 있는 바와 같이, 공기 흡입관(116)이 또한 열 공급원(110)에 부착된다. 공기 흡입관(116)은 내부의 연료의 연소를 가능하게 하기 위해 열 공급원(110)에 공기를 공급하도록 적응되거나 구성된다. 일단 연료가 소비되면, 배기 가스는 부착된 배기관(119)을 통해 열 공급원을 떠날 수 있다. 배기관(119)은 배기 가스를 열 공급원(110)으로부터 주변 환경으로 운반하도록 구성된다. 다수의 다른 열 공급원 구성들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
열 엔진(105)은 작동 유체의 압력을 고압에서 저압으로 변경하기 위한 팽창기(120)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 팽창기(120)는 방사형 유동 터빈(radial flow turbine)과 같은 터보 팽창기이며, 여기에서 고압 가스가 팽창되어 샤프트의 기계적 운동과 같은 작업을 일으킨다. 팽창기(120)의 출력 작업은 열 엔진(105)의 작동 사이클 동안 다른 지점에서 작동 유체를 압축하기 위해 압축기(150)를 작동시키는 데 사용될 수 있다. 또한, 팽창기(120)에 의해 발생된 작업은 본 명세서에서 더 설명되는 바와 같이, 전기를 생산하기 위해 발전기(170를 작동시키는 데 사용될 수 있다. 팽창기(120)는 일부 다른 실시예들에서, 축 유동 터빈(axial flow turbine) 또는 포지티브 변위 메커니즘일 수 있다. 팽창기(120)를 통해 작업을 일으킴에 따라, 작동 유체의 압력은 더 낮은 압력으로 감소되지만 주변 환경과 비교하여 상대적으로 높은 온도를 유지한다. 따라서, 열 엔진(105)의 효율은 이러한 열 에너지의 일부를 엔진(105)의 폐쇄 사이클을 따라 추가로 현재 저압 작동 유체로부터 고압 작동 유체로 전달함으로써 개선될 수 있다.
열 엔진(105)은 팽창기(120)를 빠져나가는 고온 작동 유체로부터 다른 저온 작동 유체로 열 에너지를 전달하기 위한 열 엔진 복열기(130)(이하, 복열기(130)라고 함)를 포함한다. 일반적으로, 복열기(130)는 폐열 에너지(예를 들어, 열)를 회수하기 위한 장치이다. 예시적인 실시예에서, 복열기(130)는 팽창기(120)를 빠져나가는 고온 작동 유체로부터 열 에너지를 회수하거나 또는 흡수하고, 이를 열 공급원(110)으로 유입되기 전에 다른 저온 작동 유체에 전달한다. 결과적으로, 열 공급원(105)에 대한 전체적인 효율이 향상되는데, 이는 열 공급원(110)으로 들어가는 작동 유체가 더 높은 온도에 있기 때문에 열 공급원(110)에 의해 더 적은 연료가 소비되기 때문이다. 예시적인 실시예에서, 복열기(130)는 고온 작동 유체를 저온 작동 유체로부터 물리적으로 분리시키는 수직 평면 패널 역류 열 교환기(vertical flat panel counter-flow heat exchanger)이다. 작동시, 고온 작동 유체는 복열기(130)를 통해 유동하고 벽 또는 패널과 같은 하나의 표면과 접촉한다. 이러한 접촉의 결과로, 패널은 대류를 통해 고온 작동 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 이러한 열 에너지는 전도를 통하여 벽을 통해 전달되고 패널의 반대 표면과 접촉하는 저온 작동 유체에 의해 흡수된다. 다른 실시예에서, 복열기(130)는 수평 평면 패널 또는 셀룰러 유형 열 교환기와 같은 역류 열 교환기일 수 있다. 고온 작동 유체로부터 열 에너지가 흡수되었지만, 그로부터 회수될 수 있는 추가의 열 에너지가 여전히 존재할 수 있다. 따라서, 열 엔진(105)의 효율은 이러한 추가의 열 에너지의 회수 시에 추가로 향상될 수 있다.
열 엔진(105)은 열 에너지(예를 들어, 열)를 열 엔진(105)의 작동 유체로부터 열병합 발전 시스템(15)의 열 전달 유체로 전달하기 위한 열 교환기(140)를 더 포함한다. 전술한 바와 같이, 열 엔진 복열기(130)를 빠져나가는 작동 유체는 열병합 발전 시스템(15) 내의 다른 곳에서 사용될 수 있거나(예를 들어, 인클로저(500)를 가열 처리하기 위해) 열 저장소에 대해 거부될 수 있는 작동 유체(및 열 엔진)로부터 제거되는 열 에너지를 포함한다. 일반적으로, 열 교환기(140)는 고체 물체와 유체 사이 또는 둘 이상의 유체들 사이에서 열 에너지를 전달하기 위한 장치일 수 있다. 일부 응용들에서, 둘 이상의 유체들은 상기 유체들의 혼합을 방지하기 위해 장벽(예를 들어, 벽, 배관 또는 패널)에 의해 분리될 수 있다. 다른 응용들에서, 유체들은 서로 직접 접촉될 수 있다(예를 들어, 함께 혼합될 수 있다). 예시적인 실시예에서, 열 교환기(140)는 쉘 및 튜브 열 교환기(shell and tube heat exchanger)이다. 이러한 실시예에서, 열 교환기(140)는 열 에너지가 열 엔진(105)의 작동 유체로부터 흡수될 수 있게 하고, 열병합 발전 시스템(15)의 열 전달 유체로 전달되어 인클로저(500)에 열 에너지(예를 들어, 가열 처리)를 제공할 수 있게 하며, 이에 대해서는 본 명세서에서보다 상세히 설명될 것이다. 다른 실시예들에서, 열 교환기(140)는 플레이트(plate), 또는 플레이트 및 쉘 열 교환기(plate and shell heat exchanger)일 수 있다. 특정 구성에 상관없이, 열 교환기(140)는 상기 엔진(105)에 의해 생산된 회수되지 않은 열 에너지(예를 들어, 폐열)의 양을 감소시키고, 따라서 열 엔진(105)의 전체 효율을 향상시킨다.
열 엔진(105)은 작동 유체를 저압에서 고압으로 이동시키기 위한 압축기(150)를 더 포함한다. 일반적으로, 압축기(150)는 가스가 함유된 체적을 감소시킴으로써 가스의 압력을 증가시키는 기계적 장치일 수 있다. 전술한 바와 같이, 압축기(150)로 유입되는 작동 유체는 팽창기(120)를 통해 유동할 때 저압(예를 들어, 대기압)에 있다. 작동 유체를 압축하기 위해, 작업이 열병합 발전 시스템(15)에 투입된다. 예시적인 실시예에 있어서, 압축기(150)는 팽창기(120)로부터 입력(예를 들어, 회전 샤프트 형태의 기계적 작업)을 공급받는다. 압축기(150)를 통해 작동 유체를 이동시키는 결과, 작동 유체의 압력은 상당히 증가되지만, 작동 유체의 온도는 단지 약간만 증가된다. 따라서, 작동 유체는 열 공급원(110)으로 이동할 수 있으며, 여기에서 그 온도가 증가하여 그에 따라 다음의 열 엔진 작동 사이클을 위한 유체를 준비할 수 있다.
일부 실시예에서, 열 엔진(105)은 배기관(119) 내의 배기 가스로부터 공기 흡입관(116)을 통해 유동하는 저온 공기로 열 에너지를 전달하기 위한 열 공급원 복열기(thermal source recuperator)(160)를 포함할 수 있다. 열 공급원 복열기(160)는 열 교환기와 같은 폐열 에너지(예를 들어, 열)를 회수하기 위한 장치이다. 더욱 구체적으로는, 열 공급원 복열기(160)는 배기관(119)을 통해 유동하는 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하거나 또는 흡수하여, 이를 공기 흡입관(116)을 통해 유동하는 저온 공기로 전달하고, 이어서 열 공급원(110)으로 유입시킨다. 결과적으로, 열 공급원(110)으로 유입되는 공기가 주변 환경의 주위의 공기 온도(ambient air temperature)보다 더 높은 온도에 있기 때문에 작동 유체의 온도를 높이기 위해 더 적은 연료가 사용되므로, 열 엔진(105)에 대한 전체 효율은 향상된다.
열 엔진(105)은 또한 팽창기(120)에 의해 제공된 작업의 출력을 사용하여 전기를 생산하기 위한 발전기(170)를 포함한다. 일반적으로, 발전기(170)는 기계적 에너지(예를 들어, 회전 샤프트)를 사용을 위한 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 예시적인 실시예에서, 발전기(170)는 50,000 내지 80,000 분당 회전수(RPM)의 작동 범위를 가지며, 최대 5 kW의 전력을 생산할 수 있는 가변 속도 발전기일 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 발전기(170)는 영구 자기장(permanent magnet field) 및 정류자(commutator)를 사용하여 직류를 생성하는 발전식 발전기(dynamo type generator)일 수 있다. 다른 실시예들에서, 발전기(170)는 전기를 생산하기 위해 자기장에서 회전하는 와이어 코일을 갖는 직류 또는 교류 발전기일 수 있다. 다수의 다른 발전기 구성들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
열 펌프
열병합 발전 시스템(15)은 또한 인클로저(500)에 열 에너지(예를 들어, 열)를 공급하거나 이로부터 열 에너지를 제거하기 위한 열 펌프(405)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 열 펌프(405)는 열 에너지(예를 들어, 열)를 인클로저(500)에 제공하도록 구성된다. 예시적인 실시예에서, 열 펌프(405)는 진보된 증기-압축 사이클 열 펌프이다. 그러한 일부 실시예들에서, 열 펌프(405)는 2-단계 압축 사이클 열 펌프이다. 또 다른 실시예들에서, 열 펌프(405)는 열 에너지의 흡수 또는 흡착을 위한 고체 상태 또는 다른 화학적 반응성 프로세스일 수 있다. 그 구성과 관계없이, 열 펌프(405)는 -10 ℃(Celsius) 내지 15 ℃ 사이의 온도 범위에서 작동할 수 있다. 일부 응용들에서, 열 펌프(405)는 주위의 외부 온도가 -30 ℃만큼 낮음에도 불구하고 인클로저(500)에 열 에너지를 제공할 수 있음에 유의해야 한다. 결과적으로, 열병합 발전 시스템(15)은 가열 처리 시스템들이 작동되는 대부분의 국가에서 설치 및 작동될 수 있다.
열 펌프(405)는 하나의 열 에너지 저장소로부터 열 에너지를 흡수하여 이를 다른 열 에너지 저장소로 전달하는 작동 유체를 포함한다. 일반적으로 말해서 작동 유체는 기계에 의해 작동되는 가스 또는 액체일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 열 펌프(405)의 작동 유체는 프로판이다. 프로판은 더 낮은 비용, 더 적은 독성, 및 감소된 환경 영향을 포함하여 합성 재료에 비해 몇 가지 장점들을 제공한다. 일부 다른 실시예들에서, 작동 유체는 냉매일 수 있다. 작동 유체에 관계없이, 열 펌프(405)는 작동 유체가 주변 환경을 오염시키거나 또는 접촉하는 것을 방지하도록 밀봉한 실 패키징(hermetically seal packaging)과 같이 구성될 수 있다. 그러한 패키징은 열 펌프(405)가 복수의 상이한 작동 유체들로 그리고 인클로저(500) 외부에서 안전하게 작동될 수 있게 한다. 대조적으로, 종래의 열 펌프 시스템들은 인클로저를 통해 작동 유체를 이동시킨다. 결과적으로, 종래의 열 펌프는 인클로저 내에서 안전하게 사용할 수 있는 제한된 수의 작동 유체들을 갖는다. 본 개시의 열 펌프(405)는 그와 같이 제한되지 않는다. 보다 상세하게는, 열 펌프(405)는 다수의 상이한 유형들의 작동 유체들을 사용할 수 있는데, 이는 이러한 것이 필봉되고 패키징되어 주변 환경으로의 유체 손실을 방지하기 때문이다. 또한, 열 펌프(405)의 작동 유체는 인클로저(500)의 외부에 남아 있을 수 있으며, 여기서 인클로저(500) 내의 탑승자에게 위험을 초래하지 않도록 안전하게 사용될 수 있고 수용될 수 있다. 결과적으로, 보다 적은 작동 유체가 열 펌프(405)에 의해 사용되는데, 이는 작동 유체가 인클로저(500)에 열 에너지를 전달하도록 이동되기보다는 펌프(405)에 남아있기 때문이다.
열 펌프(405)는 전기 모터(410), 압축기(420), 응축기(430), 감소 밸브(440) 및 증발기(450)를 포함할 수 있다. 일반적으로 전기 모터(410)는 전기(예를 들어, 발전기(170)로부터의 전기)를 기계적 작업(예를 들어, 회전 샤프트)으로 변환한다. 전기 모터(410)로부터의 출력된 작업은 여기에 더 설명되는 바와 같이 압축기(420)를 작동시키는 데 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전기 모터(410)는 교류(AC) 전기 모터이다. 전기 모터(410)는 일부 실시예에서는 직류(DC) 전기 모터이다. 구성에 상관없이, 전기 모터(410)는 열 펌프(405)를 작동시키기 위한 작업을 제공하는 것이다.
알 수 있는 바와 같이, 열 펌프(405)는 발전기(170) 및 전기 케이블들(300)을 통해 전기를 공급받기 위해 열 엔진(105)에 결합되거나 또는 연결된다. 일 실시예에서, 작동할 때, 열 엔진(105)은 전기를 공급하여 열 펌프(405)에 전력을 공급할 수 있으며, 그에 따라 비싸거나 또는 항상 이용 가능한 것이 아닌 공급자(예를 들어, 그리드)로부터의 전기를 사용하지 않을 수 있다. 열병합 발전 시스템(15)은 또한 대안적으로 전기 케이블들(300)을 통해 열 펌프(405)를 그리드 및/또는 하나 이상의 전기 저장 시스템들에 전기적으로 연결하도록 구성되어, 열 엔진(105)을 작동하는 것이 바람직하지 않거나 실용적이지 않을 때 열 엔진(105) 이외의 다른 공급원으로부터 전기를 수신할 수 있다.
열 펌프(405)는 열 펌프(405)의 작동 유체의 압력 및 온도를 증가시키기 위해 압축기(420)를 더 포함한다. 일반적으로, 압축기(420)는 가스가 함유된 체적을 감소시킴으로써 가스의 압력을 증가시키는 기계적 장치일 수 있다는 것을 유의해야 한다. 다시 말해서, 압축기(420)는 작동 유체를 저압에서 고압으로 이동시키는 장치일 수 있다. 작동시, 압축기(420)는 작업(work)과 같은 전기 모터(410)로부터의 입력을 수용한다. 이러한 것은 작동 유체를 압축하기 위해 압축기(420)를 작동시키는 데 사용될 수 있는 작업이다. 예시적인 실시예에서, 압축기(420)는 스크롤 압축기(scroll compressor)일 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 압축기(420)는 회전식 피스톤 또는 왕복 피스톤 압축기일 수 있다. 작동시, 작동 유체는 비교적 낮은 압력 및 온도로 압축기(420)로 유입된다. 일단 압축되면, 작동 유체(예를 들어, 프로판 가스)는 온도와 압력에서의 증가를 겪는다.
증기 압축형 열 펌프를 갖는 일 실시예에서, 열 펌프(405)는 열 에너지를 열 펌프(405)의 작동 유체로부터 열병합 발전 시스템(15)의 열 전달 유체로 전달하기 위한 응축기(430)를 더 포함할 수 있다. 말하자면, 응축기(430)는 하나의 유체 또는 고체로부터 다른 유체 또는 고체로 열 에너지를 전달하도록 구성된 장치, 예를 들어 열 교환기일 수 있다. 전술한 바와 같이, 작동 유체는 압축기(420)를 빠져나가고 일정량의 열 에너지를 함유한다. 이러한 열 에너지는 인클로저(500)를 가열 처리하기 위해서와 같이 열병합 발전 시스템(15) 내의 다른 곳에서 사용될 수 있다. 보다 상세하게는, 응축기(430)는 작동 유체로부터 열 에너지를 흡수하여, 이를 열 전달 유체로 전달한다. 결과적으로, 열 전달 유체의 온도는 증가하여 인클로저(500)에 대해 열(예를 들어, 공간 가열 처리 또는 물 가열 처리)을 제공하는데 사용될 수 있다. 한편, 작동 유체의 온도 및 압력은 열 에너지가 열 전달 유체로 전달된 결과 감소하게 된다. 예시적인 실시예에서, 응축기(430)는 쉘 및 튜브 열 교환기이다. 그러한 실시예들에서, 작동 유체 및 열 전달 유체는 유체들의 혼합을 방지하기 위해 장벽(예를 들어, 벽, 배관 또는 패널)에 의해 분리될 수 있다. 다른 실시예들에서, 응축기(430)는 플레이트 또는 플레이트 및 쉘 열 교환기일 수 있다. 다수의 다른 응축기 구성들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
일 실시예에서, 열 펌프(405)는 또한 작동 유체의 압력을 감소시키거나 또는 낮추기 위해 감압 밸브(440)(팽창 밸브라고도 함)를 포함할 수 있다. 감압 밸브(440)는 일반적으로 유체의 입력 압력을 그 출력에서 특정 값으로 감소시킴으로써 유체의 유동을 조절하는 장치 일 수 있다. 전술한 바와 같이, 작동 유체는 대기보다 큰 압력에서 응축기(430)를 빠져나간다. 다음 작동 사이클을 위한 작동 유체를 준비하기 위해, 열 펌프(405) 내의 작동 유체의 압력이 감소되어야 한다. 작동 유체는 그 압력을 감소시키기 위해 감압 밸브(440)를 통해 유동하거나 또는 이를 통과할 수 있다. 또한, 감압 밸브(440)를 통해 이동하는 동안 작동 유체가 팽창함에 따라 작동 유체의 온도도 역시 감소한다.
증기 압축형 열 펌프를 갖는 일 실시예에서, 열 펌프(405)는 작동 유체가 다른 열 에너지 공급원 또는 저장소로부터 열 에너지를 흡수할 수 있게 하는 증발기(450)를 더 포함할 수 있다. 광범위하게 말해서, 증발기(450)는 하나의 유체로부터 다른 유체로 열 에너지를 전달하도록 구성된 장치, 예를 들어 열 교환기일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 증발기(450)는 열병합 발전 시스템(15)의 열 전달 유체로부터 열 펌프(405)의 작동 유체로 열 에너지를 전달하도록 구성된 쉘 및 튜브 열 교환기이다. 그러한 실시예들에서, 작동 유체 및 열 전달 유체는 상기 유체들의 혼합을 방지하기 위해 장벽(예를 들어, 벽, 배관 또는 패널)에 의해 분리될 수 있다. 다른 실시예들에서, 증발기(450)는 플레이트 또는 플레이트 및 쉘 열 교환기일 수 있다. 전술한 바와 같이, 감압 밸브(440)를 빠져나갈 때 작동 유체의 온도는 감소된다. 그 온도를 상승시키기 위해, 작동 유체는 증발기(450)를 통해 유동하거나 또는 이를 통해 이동할 수 있다. 보다 상세하게는, 증발기(450)는 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하여, 이를 작동 유체로 전달한다. 결과적으로, 작동 유체의 온도와 압력이 증가한다.
열 펌프(405)는 또한 열 에너지를 주변 환경으로부터 열 전달 유체로 전달하기 위한 외부 열 교환기(460)와 같은 열 저장소를 포함한다. 전술한 바와 같이, 열 교환기는 하나의 유체 또는 가스로부터 다른 유체 또는 가스로 열 에너지를 전달하도록 구성된 장치일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 열병합 발전 시스템(15)은 주어진 응용에 따라 열 공급원 또는 열 싱크로서 기능하도록 구성된 쉘 및 튜브 열 교환기와 같은 외부 열 교환기(460)를 포함한다. 열 공급원은 열 에너지를 다른 것으로 전달하는 매체 또는 장치이며, 열 싱크는 다른 매체 또는 장치로부터 열 에너지를 흡수한다. 보다 상세하게는, 열 저장소는 주위의 공기로부터 열 전달 유체로 열 에너지를 전달할 수 있고, 이에 의해 열 전달 유체의 온도를 증가시키는 열 공급원으로서 기능할 수 있다. 다른 실시예들에서, 열 에너지는 외부 열 교환기(460)를 통해 열 전달 유체로부터 주위의 공기로 전달될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 열 교환기(460)는 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하여 주위의 공기로 전달하여 방출하는 열 싱크로서 기능할 수 있다. 열 싱크의 결과로, 열 전달 유체의 온도가 감소한다. 또한, 단일 또는 공통 열 교환기 구성들은 다중의 아웃도어 열 교환기들을 갖는 시스템들에 비해 시스템의 제조/설치 비용과 복잡성을 모두 줄인다. 다른 실시예들에서, 열 교환기(460)는 플레이트 또는 플레이트 및 쉘 열 교환기일 수 있다. 이러한 실시예에서, 외부 열 교환기(460)는 저압 열 전달 유체를 사용하여 작동될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 열병합 발전 시스템(15)은 주어진 응용에 따라 하나보다 많은 열 저장소를 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 열 저장소는 열 에너지를 지면(ground)으로 또는 지면으로부터 전달하기 위해 지열 시스템(geothermal system)이 될 수 있거나 또는 그에 통합될 수 있다. 작동시, 열 전달 유체는 주변 환경의 주위의 공기 온도보다 낮은 온도에서 증발기(450)를 빠져나간다. 그리고 열 전달 유체는 열 교환기(460)를 통해 유동할 수 있으며, 여기에서 열 전달 유체는 주위의 공기(ambient air)로부터 열 에너지를 흡수한다. 결과적으로, 열 전달 유체의 온도가 증가하여, 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 다음 사이클 동안 증발기(450)에서 열 펌프(405)의 작동 유체에 열 에너지를 공급할 수 있게 한다.
일부 실시예들에서, 열 펌프(405)는 아웃도어 열 교환기 없이 주변 환경으로부터 열 에너지를 공급받도록 구성될 수 있다. 그러한 경우에, 열 펌프(405)와 유체 연통하는 하나 이상의 도관들이 상기 환경 내에 설치될 수 있어, 상기 도관들이 상기 환경에 존재하는 열 저장소(예를 들어, 지하에 묻히거나 수역 내의 열 저장소)와 접촉하게 된다. 열 저장소로부터의 열 에너지(예를 들어, 지열 에너지)는 상기 도관 및 그 안에서 이동하는 저온 열 전달 유체으로 전달되어, 상기 유체의 온도를 증가시킨다. 고온 열 전달 유체는 열 펌프(405)를 작동시키기 위해 하나 이상의 도관들을 통해 역으로 유동할 수 있다. 열 펌프를 작동시키기 위해 열 에너지를 열 전달 유체에 전달하는 다수의 다른 방식들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
인클로저
상술한 바와 같이, 일 실시예에서, 열병합 발전 시스템(15)은 열 엔진(105) 및 열 펌프(405)에 의해 발생된 열 에너지 및 전기가 가열 처리, 냉각 처리 및 전기 공급의 목적으로 공급될 수 있는 인클로저(500)를 더 포함한다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 인클로저(500)는 밸브 장치(510)(매니폴드(manifold)를 포함하지만 이에 제한되지 않음), 내부 열 교환기(520), 열 저장 시스템(530), 전력 패널(540), 전기 그리드 미터(550), 전기 그리드 격리 스위치(560), 제어 패널(570), 전기 에너지 저장 시스템(580) 및/또는 태양 에너지 패널들(590)을 포함할 수 있다. 밸브 장치(510)는 열 엔진(105) 또는 열 펌프(405)(또는 둘 다)로부터 유동하는 열 전달 유체를 공급받기 위해 하나 이상의 도관들(200)에 선택적으로 결합하도록 구성될 수 있다. 일반적으로, 밸브 장치(510)는, 열병합 발전 시스템(15)을 통하여 열 전달 유체의 유동을 안내하거나 또는 지시하는(direct) 밸브 블록과 같은 하나의 장치, 또는 개별 밸브들의 그룹과 같은 장치의 그룹일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 밸브 장치(510)는 열병합 발전 시스템(15)을 통하여 열 전달 유체를 이동시키기 위한 배관 시스템을 형성하는 하나 이상의 도관들(200)에 연결된다. 더 상세하게는, 열 전달 유체를 공급받을 때, 밸브 장치(510)는 본 명세서에서 더 설명되는 바와 같이 (예를 들어, 유체의 유동을 전환시키거나 또는 지시함으로써) 열 전달 유체를 열병합 발전 시스템의 하나 이상의 구성 요소들로 선택적으로 전달하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 밸브 장치(510)는 열 엔진(105) 및 열 펌프(405)로부터의 열 전달 유체를 다른 시스템 도관들로부터 분리하는 별개의 배관 시스템을 생성한다. 열 엔진(105) 또는 열 펌프(405)(또는 둘 다)로부터 공급받은 열 전달 유체는 다른 열병합 발전 시스템 구성 요소들에 대해 적어도 하나의 방향으로(예를 들어, 공급 방향으로) 밸브 장치(510)를 빠져나갈 수 있다. 유사하게, 다른 열병합 발전 시스템 구성 요소들로부터의 열 전달 유체는 주어진 응용에 따라 가열 처리 또는 냉각 처리 사이클을 반복하기 위해 열 엔진(105) 또는 열 펌프(405)(또는 둘 다)에 대해 적어도 하나의 다른 방향으로(예를 들어, 복귀 방향으로) 밸브 장치(510)를 빠져나갈 수 있다. 그 구성에 관계없이, 밸브 장치(510)는 열병합 발전 시스템(15)의 다양한 구성 요소들 사이에서 열 전달 유체 이동을 지시한다.
인클로저(500)는 인클로저에 대해 가열 처리 또는 냉각 처리를 공급하기 위한 하나 이상의 내부 열 교환기를 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 인클로저는 인클로저(500) 내에 또는 인접하여 위치된 내부 열 교환기들(520A 및 520B)(집합적으로, 520)를 포함하여, 인클로저에 대해 가열 처리 또는 냉각 처리를 공급한다. 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 일반적으로 열 교환기는 열 에너지를 예를 들어 하나의 유체로부터 다른 유체로 전달하는 장치일 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 열 교환기(520)는 밸브 장치(510)를 통해 열 교환기(520)와 열 엔진(105) 또는 열 펌프(405)(또는 둘 다) 사이에서 열 전달 유체를 공급받고 전달하기 위해 하나 이상의 도관들(200)에 연결된다. 주어진 응용에 따라, 열 교환기(520A)(예를 들어, 가열 처리 시스템 열 교환기)는 열 에너지가 열 전달 유체로부터 흡수될 수 있게 하고 인클로저(500) 내의 주변 환경으로 전달될 수 있게 하여 인클로저를 가열 처리한다. 그러한 경우에, 열 전달 유체는 인클로저(500)의 주위의 공기 온도보다 높은 온도를 가질 수 있는데, 이는 열 전달 유체가 열 엔진(105) 또는 열 펌프(405)(또는 둘 다)로부터 열 에너지를 공급받기 때문이다. 따라서, 열병합 발전 시스템(15)은 인클로저(500)를 가열 처리하도록 작동한다. 다른 응용들에서, 열 전달 유체는 인클로저(500) 내의 주위의 공기(ambient air)로부터 열 에너지를 흡수할 수 있다. 이러한 응용에서, 열 전달 유체는 인클로저(500)의 주위의 공기 온도보다 낮은 온도를 가질 수 있는데, 이는 본 명세서에서 이전에 자세히 기술한 바와 같이, 열 교환기(520B)(예를 들어, 냉각 처리 시스템 열 교환기)를 통해 이동하는 열 전달 유체가 그 열 에너지 중 일부를 열 펌프(405)의 작동 유체로 전달했기 때문이다. 그러한 응용들을 위한 열병합 발전 시스템(15)은 인클로저(500)를 냉각 처리시키기 위해 작동하고 있다. 일 실시예에서, 열 교환기(520A)는 인클로저(500)에 대한 기존의 가열 처리 시스템의 일부일 수 있고, 열병합 발전 시스템은 기존의 가열 처리 시스템에 대해 개선된 것일 수 있다. 유사하게, 열 교환기(520B)는 인클로저()에 대한 기존의 냉각 처리 시스템의 일부일 수 있고, 열병합 발전 시스템은 기존의 냉각 처리 시스템에 대해 개선된 것일 수 있다. 다른 실시예에서, 열 교환기들(520A, 520B) 중 하나 또는 둘 모두는 열병합 발전 시스템의 구성 요소일 수 있고, 열병합 발전 시스템은 인클로저에 대한 가열 처리 시스템 및/또는 냉각 처리 시스템을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 밸브 장치(510)는 인클로저(500)의 적어도 일부를 가열 처리 또는 냉각 처리하기 위해 작동 모드들 사이에서 전환하며, 동시에 인클로저(500)의 다른 부분 또는 구성 요소들 또는 열병합 발전 시스템의 다른 구성 요소를 냉각 처리 또는 가열 처리하기 위해 반대 작동 모드들을 유효하게 하도록 구성될 수 있다. 비 제한적인 실시예로서, 열병합 발전 시스템은 인클로저(500)를 가열 처리하면서 동시에 인클로저(500) 내의 풀(pool)을 냉각 처리할 수 있으며, 그 역으로도 마찬가지이다. 추운 날과 같은 다른 비 제한적인 예로서, 밸브 장치(510)의 제 1 작동 모드는 열 교환기(520A)를 통해 인클로저(500)를 가열 처리하도록 열병합 발전 시스템에 지시하여, 열 에너지가 제 1 도관(200A) 및/또는 제 2 도관(200E)의 제 1 열 전달 유체로부터 흡수되고 인클로저(500)로 전달되도록 하여 인클로저(500)를 가열 처리하도록 구성될 수 있다. 밸브 장치(510)의 제 1 작동 모드는 동시에 열 공급원으로서 외부 열 교환기(460)와 같은 열 저장소를 사용하도록 열병합 발전 시스템에 지시하여, 주위의 공기보다 낮은 온도를 갖는 제 3 도관(200F)의 제 2 열 전달 유체로부터의 열 에너지가 외부 열 교환기(460)로부터 열 에너지를 흡수하여 제 2 열 전달 유체의 온도를 증가시키도록 할 수 있다. 밸브 장치(510)는 제 1 작동 모드와 제 1 작동 모드 반대인 제 2 작동 모드 사이에서 전환할 수 있다. 더운 날과 같은 비 제한적인 예로서, 밸브 장치(510)의 제 2 작동 모드는 열 교환기(520B)를 통해 인클로저(500)를 냉각 처리하도록 열병합 발전 시스템에 지시하여, 열 에너지가 인클로저(500)로부터 흡수되고 제 3 도관(200F)의 제 2 열 전달 유체로 전달될 수 있도록 하여 인클로저(500)를 냉각 처리하도록 구성될 수 있다. 밸브 장치(510)의 제 2 작동 모드는 동시에 히트 싱크로서 외부 열 교환기(460)를 사용하도록 열병합 발전 시스템에 지시하고, 주위의 공기보다 높은 온도를 갖는 제 1 열 전달 유체는 외부 열 교환기(460)에 의해 흡수되어 제 1 열 전달 유체의 온도를 감소시킬 수 있다.
인클로저(500)는 인클로저(500) 내에 또는 이에 인접하여 위치된 열 저장 시스템(530)을 더 포함한다. 일반적으로, 일 실시예에서, 열 저장 시스템(530)은 열 에너지가 저장되어 나중에 사용 가능하게 할 수 있게 된 장치(또는 장치들의 조합)이다. 알 수 있는 바와 같이, 열 저장 장치(530)는 복수의 도관들(200)에 연결되어, 열 전달 유체를 장치(530)로 그리고 장치(530)로부터 열병합 발전 시스템(15)의 다른 구성 요소들로 이동시킬 수 있다. 주어진 응용에 따라, 열 저장 시스템(530)은 본 명세서에서 더 기술되는 바와 같이, 인클로저에 대해 냉각 처리 또는 가열 처리를 공급할 목적으로 저온 또는 고온의 열 전달 유체를 수용하거나 또는 포함할 수 있다. 따라서, 열 저장 시스템(530)은 본 명세서에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 열 공급원 또는 열 싱크로서 기능할 수 있다. 전술한 바와 같이, 열 공급원은 열 에너지를 다른 것으로 전달하는 매체 또는 장치이다. 이에 반해, 열 싱크는 다른 매체나 장치로부터 열 에너지를 흡수한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 열 저장 시스템(530)은 그 안에 배치된 열 교환기(예를 들어, 열 저장 시스템 열 교환기)를 포함하는 유체 저장 탱크(예를 들어, 온수 저장 탱크)이다. 열 전달 유체가 열 교환기를 통과함에 따라, 열 에너지가 탱크 내의 유체로 전달되어 유체(예를 들어, 물)를 가열하거나 또는 열 에너지가 탱크 내의 유체로부터 흡수되어 열 전달 유체를 가열하며, 이러한 것은 주어진 응용에 따른다. 결과적으로, 저장 탱크 내의 유체는 열 교환기를 통한 열 전달 유체의 유동에 의해 가열되거나 냉각된다. 다른 실시예들에서, 열 저장 시스템(530)은 상 변화 물질들(phase change materials)이 될 수 있다. 다수의 다른 열 저장 시스템 구성들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다. 열 저장 시스템(530)은 하나 이상의 열 교환기들을 포함할 수 있다. 비 제한적인 제 1 실시예로서, 열 저장 시스템(530)은 열 저장 시스템(530)을 위해 가열되거나 냉각된 매체를 저장하도록 구성된 저장 열 교환기를 포함할 수 있다. 비 제한적인 제 2 실시예로서, 열 저장 시스템(530)은 인클로저(500) 내에서의 샤워(shower)를 위해서와 같이 가정용 물을 가열하거나 냉각하도록 구성된 가정용 급수 열 교환기를 포함할 수 있다. 비 제한적인 제 3 실시예로서, 열 저장 시스템(530)은 2 개의 열 교환기들을 포함할 수 있고, 이 중 하나는 저장 열 교환기이고, 다른 하나는 가정용 급수 열 교환기이다.
인클로저(500)는 또한 전기 패널(540), 전기 그리드 미터(550), 및 전기 그리드 격리 장치(560)를 포함한다. 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 인클로저(500)는 송전선 및 배전선의 네트워크 또는 전기 그리드로 알려진 것을 통해 전력 공급자로부터 전기를 공급받아, 그 전기 수요를 충족시킬 수 있다. 일반적으로, 가정 또는 사무실 건물들과 같은 인클로저(500)는 그리드로부터 인클로저(500)의 전기 패널(540)로 전기를 전달하기 위한 전기 그리드 미터(550)를 포함할 수 있다. 전기 패널(540)은 수신된 전기를 인클로저(500) 전체의 다양한 위치들로 배전하도록 구성되어, 그 안의 전기 기기들을 작동시킨다. 그러나, 일부 실시예들에서, 열병합 발전 시스템(15)은 그리드로부터 수신된 전기를 사용하지 않고서 인클로저(500)에 전기를 공급하도록 구성될 수 있다. 그러한 경우에, 인클로저(500)는 그리드로부터 분리되거나 또는 격리되어, 전기를 그리드로 전송하는 것과 그에 따른 손상 유발을 피할 수 있다. 따라서, 그리드에 대한 손상을 피하기 위해, 인클로저(500)는 또한 전기 그리드 격리 장치(560)를 포함할 수 있다. 전기 그리드 격리 장치(560)는 일반적으로 전력 패널(540)과 전기 미터(550) 사이의 전기 연결을 차단하거나 분리하는 장치일 수 있다. 더욱이, 전기 그리드 격리 장치는 또한 그리드가 올바르게 작동하지 않을 때 인클로저를 전기 그리드로부터 전기적으로 격리시키는 데 사용될 수도 있다. 예시적인 실시예에서, 전기 그리드 격리 장치(560)는 인클로저(500)를 그리드로부터 전기적으로 격리시키기 위해 물리적으로 작동될 수 있는 스위치일 수 있다. 다른 실시예들에서, 전기 그리드 격리 장치는 전기 차단 또는 전자 스위칭 메커니즘일 수 있다.
일 실시예에서, 인클로저(500)는 또한 인클로저(500)의 요구를 충족시키기 위해 전기 및 열 에너지의 전달을 관리하도록 열병합 발전 시스템 구성 요소들을 작동시키기 위한 제어 패널(570)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제어 패널(570)은 열병합 발전 시스템(15)을 작동시키고 그 성능을 모니터링하는데 사용되는 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어의 조합이 될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제어 패널(570)은 하나 이상의 전기 케이블들(300)에 연결되어 패널(570)을 열병합 발전 시스템(15)의 구성 요소들에 작동 가능하게 결합한다. 보다 상세하게는, 제어 패널(570)은 시스템 구성 요소들, 예를 들어 열 엔진(105) 또는 열 펌프(405)를 제어하거나 또는 작동시키기 위해 전기 신호들을 발생시켜 전송할 수 있다. 제어 패널(570)은 유선 또는 무선 네트워크(예를 들어, 로컬 영역 네트워크 또는 인터넷)를 통해 정보를 수신 또는 전송하기 위한 트랜시버(예를 들어, 라우터 또는 셀룰러 통신 장치)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제어 패널(570)은 전기 에너지 공급자들로부터 전기 가격을 실시간으로 수신하고, 이어서 인클로저(500)의 전기 수요를 가장 효과적이고 효율적으로 충족시키기 위해 열병합 발전 시스템(15)을 어떻게 작동시킬지를 결정할 수 있다. 이에 더하여, 제어 패널은 또한 그래픽 사용자 인터페이스를 포함하여 시스템의 설치 또는 작동 동안 구성되거나 또는 액세스될 수 있게 할 수 있다. 다수의 다른 제어 패널 구성들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 인클로저(500)는 전기 에너지 저장 시스템(580)을 더 포함할 수 있다. 광범위하게 말하면, 전기 에너지 저장 시스템(580)은 열 엔진을 비교적 일정한 출력으로 구동하기 위해 열병합 발전 시스템을 시작하고 및/또는 수요 변동을 맞추도록 오프 그리드(off-grid) 사용에서와 같이 전기가 저장되거나 유지되고 향후 사용 가능하게 되는 장치(또는 장치들의 조합)이다. 알 수 있는 바와 같이, 열병합 발전 시스템(15)은 전기 케이블들(300)을 통해 시스템(15)의 다른 장치들에 전기적으로 연결된 하나 이상의 전기 에너지 저장 시스템들(580)을 포함할 수 있다. 작동 중에, 열병합 발전 시스템(15)은, 예를 들어 발전기(170) 또는 태양 에너지 패널들(590)로부터, 전기의 백업 공급원(backup source)을 제공하도록 전기가 저장될 수 있는 전기 에너지 저장 시스템(580)으로 전기를 전달하도록 구성될 수 있다. 그 후, 특정 응용에 따라, 전기는 전기 에너지 저장 시스템(580)으로부터 하나 이상의 열병합 발전 시스템 구성 요소들, 예를 들어 전기 모터(410)로 전달되어 열 펌프(405)를 작동시키거나 전기를 전력 패널(540)에 공급할 수 있다. 전기 에너지 저장 시스템(580)으로부터의 전기는, 예를 들어 전기가 그리드로부터 이용 가능하지 않은 경우(예를 들어, 정전) 또는 그리드에 의해 공급되는 전기 비용이 높은 경우(예를 들어, 피크 수요 기간 동안)를 포함하는 다수의 경우들에 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에 도시된 바와 같이, 인클로저(500)는 또한 재생 가능한 전기 에너지의 공급원을 제공하는 하나 이상의 태양 에너지 패널들(590)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 태양 패널들은 외부 에너지 공급원(예를 들어, 태양)으로부터 에너지(예를 들어, 광선 형태의 방사선)를 흡수하거나 또는 공급받고 그 에너지를 열 또는 전기로 전달하도록 구성된 장치들이라는 것을 유의해야 한다. 알 수 있는 바와 같이, 태양 에너지 패널들(590)은 하나 이상의 다른 열병합 발전 시스템 구성 요소들, 예를 들어 전기 케이블들(300)을 통해 전기 에너지 저장 시스템들(580)에 연결될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 태양 에너지 패널들은 또한 하나 이상의 도관들(200)과 인터페이스하여, 이를 통해 유동하는 열 전달 유체로 열 에너지를 전달할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 태양 에너지 패널들은 광기전 태양 전지들(photovoltaic solar cells)을 포함하는 광기전 모듈이다.
도 4는 본 개시의 다른 실시예에 따라, 도관들(200A 및 200E)을 통해 증기 압축 열 펌프(405)에 직렬로 작동 가능하게 결합된 폐쇄-루프 브레이튼 사이클 열 엔진(105)을 포함하는 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 도 5는 본 개시의 다른 실시예에 따라, 도관들(200A 및 200E)을 통해 브레이튼-사이클 열 엔진에 작동 가능하게 직렬로 결합된 증기 압축 열 펌프를 포함하는 열병합 발전 시스템의 개략도이다. 일부 응용들에서, 열병합 발전 시스템(15)은, 도관들 (200)이 병렬 구성으로 구성되는 이전에 도 2에 도시된 바와 같이 각각의 구성 요소에 대해 개별적으로 되지 않고, 열 펌프(405)로부터 열 엔진(105)으로(또는 그 반대로) 열 전달 유체를 이동 시키도록 구성될 수 있다.
직렬로 구성된 도관들(200)을 통해 열 전달 유체를 이동시키는 데에는 몇 가지 장점들이있다. 예를 들어, 직렬 구성은 병렬 도관 구성보다 덜 복잡한데, 이는 배관 시스템이 더 적은 수의 구성 요소들(예를 들어, 보다 적은 도관 섹션들 및 밸브들)을 포함하기 때문이다. 또한, 직렬 구성은 펌프들 또는 밸브들과 같이 덜 복잡한 구성 요소들을 사용할 수 있으며, 이는 작동 및 구성에 보다 용이하다. 도 4에 도시된 예시적인 실시예에서, 밸브 장치(510)를 떠나는 열 전달 유체는 도관(200)을 따라(화살표들로 표시됨) 응축기(430)를 통해 이동하여 열 펌프(405)의 작동 유체로부터 열 에너지를 흡수할 수 있다. 열 전달 유체는 이어서 도관(200E)을 따라 열 엔진(105)의 열 교환기(140)로 계속 이동할 수 있다. 열 교환기(140)에서, 열 전달 유체는 열 엔진(105)의 작동 유체로부터 열 에너지를 흡수할 수 있다. 열 엔진(105)으로부터 열 에너지를 공급받으면, 열 전달 유체는 도관(200A)을 통해 밸브 장치(510)로 다시 이동할 수 있으며, 열병합 발전 시스템의 다른 구성 요소들에 분배될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 열병합 발전 시스템(15)은 도 4에 도시된 것과 반대 방향으로 열 전달 유체를 이동시키도록 구성되고 배열된다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 열 전달 유체는 열 엔진(105)으로부터 열 펌프(405)로 이동하여(화살표들로 표시된 바와 같이), 다른 시스템 구성 요소들에 분배되기 전에 열 에너지를 흡수할 수 있다. 다수의 다른 열병합 발전 시스템 구성들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
시스템 작동 응용 예
본 개시의 열병합 발전 시스템들은 인클로저(500)에 하나 이상의 서비스들을 제공하도록 작동될 수 있다. 공간 가열 처리 및/또는 냉각 처리, 물 가열 처리, 및 열 및 전기 에너지 발생과 같은 서비스들이 열 엔진, 열 펌프 또는 이들의 조합의 작동에 의해 인클로저(500)에 공급되거나 또는 제공될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 열병합 발전 시스템(15)은 다수의 요인들에 기초하여 열 엔진(105) 또는 열 펌프(405)(또는 둘 다)를 작동시킬지 여부를 결정하도록 구성될 수 있다. 에너지 공급자로부터의 전기 가용성, 전기 및 연료(예를 들어, 화석 또는 재생 가능한 화학 연료)의 시장 가격, 주변 환경의 온도, 백업 에너지 공급(예를 들어, 열 또는 전기 에너지 저장 시스템들로부터), 또는 인클로저(500)의 서비스 요구와 같은 요인들이 열병합 발전 시스템 구성 요소들을 작동시키는 방식을 결정하기 위해 개별적으로 또는 집합적으로 고려될 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따라, 인클로저(500)에 대해 공간 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 열 엔진(105)은 열 및 전기 에너지 모두를 발생시킬 수 있다. 이러한 응용에서, 열병합 발전 시스템(15)은 열 전달 유체를 통해 인클로저(500)에 대해 가열 처리를 공급하거나 또는 제공하기 위해 열 엔진(105)(음영 라인으로 표시)을 작동시킬 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 열 엔진(105)의 작동은 열 펌프(405)를 작동시키지 않고서 달성된다. 열 에너지를 발생시키기 위해 열 엔진(105)만을 작동시키는 것이 바람직할 수 있는 많은 경우들이 있다. 하나의 그러한 예에서, 요구되는 전기에 맞추는 데 있어 열 엔진에 의해 (열병합) 발생된 열은 열 부하(heat load)를 충족시키기에 충분하다. 다른 예들에서는, 시스템이 열 부하에 맞추기에 적어도 충분한 열을 열병합 발생(cogenerating)하면서 그리드에 전해질 수 있는 전기를 발생시킬 경우, 그리드-연결된 상황들을 포함할 수 있다. 결과적으로, 열병합 발전 시스템(15)은 그 자체에 의해 열 엔진(105)(음영 및 화살표로 표시)을 작동하는 것이 가장 실용적일 때 그와 같이 하도록 구성된다. 도 6에 도시된 응용에서, 열 전달 유체는 열 교환기(140)를 통해 이동하여 열 엔진(105)의 작동 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 알 수 있는 바와 같이, 고온 열 전달 유체(짙은 음영으로 표시)는 열 엔진(105)에 부착된 도관(200A)(즉, 제 1 도관)을 통해 열 엔진(105)으로부터 밸브 장치(510)로 이동한다. 밸브 장치(510)에서, 고온 열 전달 유체는 다수의 열병합 발전 시스템 구성 요소들로 보내질 수 있다. 이 경우, 밸브 장치(510)는 고온 열 전달 유체를 도관(200B)을 통해 내부 열 교환기(520A)로 보낸다. 일단 열 교환기(520A)에서, 인클로저(500)의 주위의 공기는 본 명세서에서 전술된 바와 같이 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하여, 인클로저(500)를 가열 처리한다. 열 교환기(520A)를 빠져나가면, 열 전달 유체는 감소된 온도에 있게 된다(지그재그 라인들로 음영으로 표시). 온도가 감소된 열 전달 유체는 도관들(200C)을 통해 밸브 장치(510) 및 열 교환기(140)로 다시 이동하거나 유동하여, 가열 처리 사이클을 반복한다. 알 수 있는 바와 같이, 열 에너지 외에, 열 엔진(105)은 또한 발전기(170)를 작동시킴으로써 전기를 발생시킨다(아주 짙은 검은색 라인들로 표시). 이러한 전기는 임의의 수의 열병합 발전 시스템 구성 요소들에 공급될 수 있다. 이 경우, 전기는 전기 케이블들(300)을 통해 제어 패널(570), 전기 에너지 저장 시스템(580), 및 전력 패널(540)로 전송된다. 다른 경우들에서는, 발생된 전기는 그리드와의 전기적 연결을 통해 하나 이상의 에너지 공급자들에게 제공될 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 엔진(105)을 사용하여 인클로저(500)에 대해 물 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 알 수 있는 바와 같이, 열병합 발전 시스템(15)은 열 펌프(405)를 작동시키지 않고 열 엔진(105)(음영 및 화살표들로 표시)을 작동시켜, 인클로저(500)에 대해 물 가열 처리를 공급 또는 제공할 수 있다. 일반적으로 말해서, 물 가열 처리는 가정용 온수 사용 또는 온수 저장과 같은 다양한 목적들을 위한 것일 수 있다. 전술한 바와 같이, 열 전달 유체는 열 교환기(140)로부터 열 에너지를 흡수할 수 있고, 도관(200A)(제 1 도관)을 통해 밸브 장치(510)를 향해 이동한다. 밸브 장치(510)에서, 고온 열 전달 유체(짙은 음영으로 표시)는 도관(200D)을 통해 열 저장 시스템(530)(예를 들어, 수열 탱크(water heat tank))으로 보내질 수 있다. 일단 열 에너지 저장 시스템(530)에서, 저장 시스템(530)에 배치된 유체는 예를 들어 탱크에 배치된 열 교환기를 통해 고온 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 결과적으로, 열 저장 시스템(530) 내의 유체의 온도가 증가하고, 그에 따라 그 내부에 열 에너지를 저장한다. 이러한 저장된 열 에너지는 추가적인 열 유입이 거의 또는 전혀 없이 일정 기간 동안(예를 들어, 몇 주 또는 몇 달 동안) 유지될 수 있다. 일단 열 저장 시스템(530)에 저장되면, 이러한 열 에너지는 본 명세서에서 더 설명될 바와 같이, 다른 열병합 발전 시스템 구성 요소들에 에너지를 공급하는 데 사용될 수 있다. 열 저장 시스템(530)을 빠져나가면, 열 전달 유체는 감소된 온도에 있게 된다(지그재그 라인들로 음영으로 표시). 온도가 감소된 열 전달 유체는 도관들(200C)을 통해 밸브 장치(510) 및 열 교환기(140)로 다시 이동하거나 유동하여, 가열 처리 사이클을 반복할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 열 엔진(105)은 또한 본 명세서에서 전술된 바와 같이 열병합 발전 시스템 구성 요소들을 작동시키는 데 사용될 수 있거나 에너지 공급자들에게 판매될 수 있는 전기를 발생시킨다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 엔진(105)을 사용하여 인클로저(500)에 대해 공간 가열 처리 및 물 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 알 수 있는 바와 같이, 열병합 발전 시스템(15)은 인클로저(500)에 대해 공간 및 물 가열 처리를 모두 제공하기 위해 열 엔진(105)(음영 및 화살표들로 표시)만을 작동시킬 수 있다. 이러한 실시예에서, 이 경우 고온 열 전달 유체(짙은 음영으로 표시)는 도관(200A)(제 1 도관)을 통해 열 엔진(105)의 열 교환기(140)로부터 밸브 장치(510)로 이동할 수 있다. 밸브 장치(510)에서, 고온 열 전달 유체는 본 명세서에서 전술한 바와 같이 도관(200B)을 통해 열 교환기(520A)로 및 도관(200D)을 통해 열 저장 시스템(530)(예를 들어, 수열 탱크)으로 보내질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 밸브 장치(510)는 동시에 고온 열 전달 유체를 열 교환기(520A) 및 열 저장 시스템(530) 모두에 보낼 수 있으며, 그에 따라 인클로저(500)를 가열 처리하고 동시에 열 에너지를 저장할 수 있다. 다른 실시예들에서, 밸브 장치(510)는 고온 열 전달 유체를 하나의 구성 요소에 먼저 보낸 다음 다른 구성 요소로 보낼 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 열병합 발전 시스템(15)은 열 에너지를 저장하기에 앞서 공간 가열 처리에 대한 요구를 우선적으로 처리하도록 구성될 수 있다. 그러한 예에서, 밸브 장치(510)는, 인클로저(500) 내에 원하는 온도가 달성될 때까지(예를 들어, 20 ℃(Celsius)), 모든 고온 열 전달 유체를 열 교환기(520A)로 보낼 수 있다. 다른 예들에서, 밸브 장치(510)는 고온 열 전달 유체의 양을 각각의 구성 요소에 대해 다르게 할 수 있다(예를 들어, 열 교환기(520A)에 대해 75 % 및 열 저장 시스템(530)에 대해 25 %). 그러한 예는 열 저장 시스템이 제한된 입력만을 요구할 때(예를 들어, 저장 시스템의 유체 온도가 열 전달 유체와 거의 동일할 때) 바람직할 수 있다. 특정의 작동 시퀀스 또는 작동 방식에 상관없이, 열병합 발전 시스템(15)은 인클로저(500)를 가열 처리하고 시스템(15)에 의해 향후에 사용하기 위해 열 에너지를 저장하는 모두를 위해 열 엔진(105)을 사용할 수 있으며, 이는 본 명세서에 전술한 바와 같다. 열 교환기(520A) 및 열 저장 시스템(530)을 빠져나가면, 열 전달 유체는 감소된 온도에 있게 된다(지그재그 라인들로 음영으로 표시). 온도가 감소된 열 전달 유체는 도관(200C)을 통해 밸브 장치(510)로 복귀하여 공간 가열 처리 및 열 에너지 저장 사이클을 반복할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 열 엔진(105)은 또한 본 명세서에서 전술된 바와 같이 열병합 발전 시스템 구성 요소들을 작동시키는 데 사용될 수 있거나 그리드를 통해 에너지 구매자들에게 판매될 수 있는 전기를 발생시킨다.
도 9은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 엔진(105)을 사용하여 인클로저(500)에 대해 전기를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템의 개략도이다. 이러한 예시적인 응용에서, 열 펌프(405)는 전기를 생산하지 않기 때문에 열 엔진(105)만이 전기를 발생시킬 목적으로 작동된다.(음영 및 화살표들로 표시). 오히려, 열 펌프(405)와 같은 열 펌프는 본 명세서에서 더 설명되는 바와 같이 가열 처리 및 냉각 처리를 일으키게 하기 위해 전기를 소비한다. 열병합 발전 시스템(15)은 이러한 방식으로 다수의 경우들에 작동할 수 있다. 예를 들어, 일 예에서, 인클로저(500)는 전기를 요구하지만 가열 처리 또는 냉각 처리를 요구하지 않을 수 있다. 결과적으로, 열병합 발전 시스템(15)은 열 엔진(105)만을 작동하도록 구성될 수 있게 되며, 이는 인클로저(500)에 대해 만족되지 않거나 충족되지 않은 열 에너지 요구가 없기 때문이다(예를 들어, 가열 처리 또는 냉각 처리에 대한 요구가 없고, 열 저장 시스템들은 완전 용량 상태에 있거나 거의 완전 용량 상태에 있다). 다른 경우들에서, 열병합 발전 시스템(15)은 전기를 공급하는 가장 비용 효과적인 방식을 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전기의 시장 가격이 높을 때(예를 들어, 이른 아침 시간과 같은 피크 시간) 전기 수요가 발생하는 경우, 열병합 발전 시스템(15)은 그리드로부터 전력을 구매하는 대신 열 엔진(105)을 작동시켜 전기를 생산할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 이러한 예에서, 고온 열 전달 유체(짙은 음영으로 표시)는 도관(200A)을 통해 열 교환기(140)로부터 밸브 장치(510)로 이동하거나 또는 유동할 수 있다. 밸브 장치(510)로부터, 고온 열 전달 유체는 도관(200E)을 통해 외부 열 교환기(460)로 이동할 수 있다. 일단 열 교환기(460)에서, 주변 환경의 주위의 공기는 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하여, 그에 따라 열병합 발전 시스템(15)이 시스템을 작동시키는데 필요하지 않은 열 에너지를 처리하게 한다. 열 교환기(460)를 빠져나가면, 열 전달 유체는 감소된 온도에 있게 된다(지그재그 라인들로 음영으로 표시). 온도가 감소된 열 전달 유체는 도관(200C)을 통해 밸브 장치(510)로 다시 이동하거나 유동하여 열 엔진(105)을 냉각시키도록 사이클을 반복할 수 있다. 열 엔진(105)에 의해 발생된 전기는 본 명세서에서 전술한 바와 같이 열병합 발전 시스템 구성 요소들을 작동시키는 데 사용될 수 있거나 에너지 공급자들에게 판매될 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405)를 사용하여 인클로저(500)에 대해 공간 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 알 수 있는 바와 같이, 열병합 발전 시스템(15)은 인클로저(500)를 가열 처리하기 위해 열 펌프(405)(음영 및 화살표들로 표시)만을 작동시킬 수 있다. 열 에너지를 발생시키기 위해 열 펌프(405)만을 작동시키는 것이 바람직할 수 있는 많은 경우들이 있다. 하나의 그러한 예에서, 열 엔진(105)을 작동시키기 위한 비용(예를 들어, 연료의 가격)은 엔진(105)의 작동이 에너지 공급자로부터 전기를 구매하는 것보다 더 비싸게 할 수 있다. 일부 다른 예들에서, 인클로저에 대한 가열 처리 요구는 높을 수 있지만, 그에 대한 전기 수요는 낮을 수 있다(예를 들어, 인클로저(500)에서 활동이 거의 없거나 전혀 없는 늦은 저녁 및 이른 아침 시간 동안). 다른 경우들에서는 그리드 전기가 비교적 저렴한 가격으로 이용 가능하거나 또는 현장에 있는 태양 전지로부터 이용 가능한 잉여 전기가 있을 때의 상황들이 포함될 수 있다. 결과적으로, 열병합 발전 시스템(15)은 그리드로부터의 전기를 사용하여 그 자체에 의해 열 펌프(405)를 작동하는 것이 가장 실용적일 때 그와 같이 하도록 구성될 수 있다. 도 10에 도시된 응용에서, 열 전달 유체는 열 펌프(405)의 응축기(430)을 통해 이동하여 열 펌프(405)의 작동 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 알 수 있는 바와 같이, 고온 열 전달 유체(짙은 음영으로 표시)는 도관들(200E 및 200A)을 통해 열 펌프(405)로부터 밸브 장치(510)로 이동한다. 밸브 장치(510)로부터, 고온 열 전달 유체는 도관(200B)을 통해 내부 열 교환기(520A)로 이동할 수 있다. 일단 열 교환기(520A)에서, 인클로저(500)의 주위의 공기는 본 명세서에서 전술된 바와 같이 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하여, 인클로저(500)를 가열 처리한다. 열 교환기(520A)를 빠져나가면, 열 전달 유체는 감소된 온도에 있게 된다(지그재그 라인들로 음영으로 표시). 온도가 감소된 열 전달 유체는 도관들(200C)을 통해 응축기(430)로 다시 이동하여, 가열 처리 사이클을 반복할 수 있다.
도관(200E)의 열 전달 유체는 열 펌프(405)의 작동 유체로부터 열 에너지를 흡수하지만, 상기 작동 유체는 또한 도관(200F)의 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 알 수 있는 바와 같이, 감압 밸브(440)를 통해 이동할 때 상기 작동 유체의 온도는 감소하게 된다. 그 온도를 증가시키고 그에 따라 작동 유체를 압축기(420)로 유입할 준비를 하기 위해, 작동 유체는 증발기(450)를 통해 이동할 수 있다. 증발기(450)에서, 저온 작동 유체는 고온 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하여 작동 유체의 온도를 상승시킨다. 또한, 도관(200F) 내의 열 전달 유체의 온도는 감소된다. 증발기(450)를 빠져나간 후, 저온 열 전달 유체(가볍게 점으로 된 음영으로 표시)는 도관(200H)을 통해 열 펌프(405)로부터 밸브 장치(510)로 이동할 수 있다. 밸브 장치(510)로부터, 저온 열 전달 유체는 도관(200G)을 통해 외부 열 교환기(460)로 이동할 수 있다. 일단 열 교환기(460)에서, 열 전달 유체는 주변의 주위 온도로부터 열 에너지를 흡수하여 상기 유체의 온도를 증가시킨다. 열 교환기(460)를 빠져나가면, 열 전달 유체는 증가된 온도에 있게 된다(더욱 진하게 점으로 된 음영으로 표시). 온도가 증가된 열 전달 유체는 도관들(200F)을 통해 증발기(450)로 다시 이동하여, 사이클을 반복한다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405)를 사용하여 인클로저(500)에 대해 물 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 예시적인 응용에서, 열병합 발전 시스템(15)은 인클로저(500)에 대해 물 가열 처리를 제공하기 위해 열 펌프(405)(음영 및 화살표들로 표시)만을 작동시킬 수 있다. 도 11에 도시된 응용에서, 열 전달 유체는 열 펌프(405)의 응축기(430)를 통해 작동 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 알 수 있는 바와 같이, 고온 열 전달 유체(짙은 음영으로 표시)는 도관들(200E 및 200A)을 통해 열 펌프(405)로부터 밸브 장치(510)로 이동한다. 밸브 장치로부터, 고온 열 전달 유체는 도관(200D)을 통해 열 저장 시스템(530)(예를 들어, 수열 탱크)으로 이동한다. 일단 열 저장 시스템(530)에서, 저장 시스템(530)에 배치된 유체는 예를 들어 탱크에 배치된 열 교환기를 통해 고온 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하며, 이는 본 명세서에서 전술한 바와 같다. 열 저장 시스템(530)을 빠져나가면, 열 전달 유체는 감소된 온도에 있게 된다(지그재그 라인들로 음영으로 표시). 온도가 감소된 열 전달 유체는 도관들(200C)을 통해 열 펌프(405)의 응축기(430)로 다시 이동하여, 물 가열 처리 사이클을 반복할 수 있다. 도 10과 관련하여 전술한 바와 같이, 증발기(450)에 부착되고, 열 펌프(405)를 작동시키기 위해 저온 열 전달 유체를 열병합 발전 시스템 구성 요소들에 공급하도록 구성된, 도관(200F)이 또한 도시된다.
도 12은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405)을 사용하여 인클로저(500)에 대해 공간 가열 처리 및 물 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 알 수 있는 바와 같이, 열병합 발전 시스템(15)은 열 엔진(105)(음영이 없이 화살표들로 표시)을 작동시키지 않고 열 펌프(405)(음영 및 화살표들로 표시)를 작동시켜, 인클로저(500)에 대해 공간 가열 처리 및 물 가열 처리를 모두 제공할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 본 예에서, 고온 열 전달 유체(짙은 음영으로 표시)는 도관들(200E 및 200A)을 통해 응축기(430)로부터 밸브 장치(510)로 이동한다. 밸브 장치(510)로부터, 고온 열 전달 유체는 도관(200B)을 통해 열 교환기(520A)로 및 도관(200D)을 통해 열 저장 시스템(530)(예를 들어, 수열 탱크)으로 이동한다. 열 펌프(405)는 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 공간 및 물 가열 처리를 다수의 방식들, 예컨대 동시에, 개별적으로(예를 들어, 하나의 구성 요소를 공급한데 이어 다른 구성 요소를 공급) 또는 비율적으로(한 구성 요소에 대해 열 전달 유체의 75 %를 , 다른 구성 요소에 대해 25 %를) 공급할 수 있다. 열 교환기(520A) 및 열 저장 시스템(530)을 빠져나가면, 열 전달 유체는 감소된 온도에 있게 된다(지그재그 라인들로 음영으로 표시). 온도가 감소된 열 전달 유체는 도관들(200C)을 통해 응축기(430)로 다시 이동하여, 공간 및 물 가열 처리 사이클을 반복한다. 또한 도 10 및 도 11과 관련하여 전술한 바와 같이, 열 펌프(405)를 작동시키기 위해 저온 열 전달 유체를 열병합 발전 시스템 구성 요소들에 공급하는 도관(200F)이 또한 도시된다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405)를 사용하여 인클로저(500)에 대해 공간 냉각 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 열 펌프(405)는 또한 인클로저(500)에 공간 냉각 처리를 제공할 수 있다. 이러한 응용에서, 열병합 발전 시스템(15)은 열 전달 유체를 통해 인클로저(500)에 대해 공간 냉각 처리를 공급하거나 또는 제공하기 위해 열 펌프(405)(음영 및 화살표들로 표시)를 작동시킬 수 있다. 인클로저(500)는 위에 제공된 이유들로 열 엔진(105)을 작동시키지 않고 열 펌프(405)에 의해 냉각 처리될 수 있다. 결과적으로, 열병합 발전 시스템(15)은 그리드로부터의 전기를 사용하여 그 자체에 의해 열 펌프(405)를 작동하는 것이 가장 실용적일 때 그와 같이 하도록 구성될 수 있다. 도 13에 도시된 응용에서, 열 펌프(405)의 작동 유체는 증발기(450)를 통해 유동하는 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 결과적으로, 열 전달 유체의 온도는 감소된다(밝은 점으로 된 음영으로 표시). 증발기(450)를 빠져나가면, 저온 열 전달 유체는 도관(200F)을 통해 열 펌프(405)로부터 밸브 장치(510)로 이동하거나 유동할 수 있다. 밸브 장치(510)로부터, 저온 열 전달 유체는 도관(200I)을 통해 내부 열 교환기(520B)로 이동할 수 있다. 일단 열 교환기(520B)에서, 열 전달 유체는 인클로저(500)의 주위의 공기로부터 열 에너지를 흡수하여 그에 따라 인클로저(500)를 냉각 처리한다. 상기 열 교환기(520B)를 빠져나가면, 열 전달 유체는 증가된 온도에 있게 된다(더욱 진하게 점으로 된 음영으로 표시). 온도가 증가된 열 전달 유체는 도관들(200H)을 통해 증발기(450)로 다시 이동하여, 냉각 처리 사이클을 반복한다.
상기 작동 유체가 인클로저에 대해 냉각 처리를 공급하기 위해 도관(200F) 내의 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하는 동안, 도관(200E) 내의 열 전달 유체는 열 펌프(405)의 작동 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 알 수 있는 바와 같이, 본 예에서, 고온 열 전달 유체(짙은 음영으로 표시)는 도관들(200E 및 200A)을 통해 응축기(430)로부터 밸브 장치(510)로 이동한다. 밸브 장치(510)로부터, 고온 열 전달 유체는 도관(200G)을 통해 외부 열 교환기(460)로 이동할 수 있다. 일단 상기 열 교환기(460)에서, 주변 환경의 주위의 공기는 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하여, 그에 따라 열병합 발전 시스템(15)이 시스템을 작동시키는데 필요하지 않은 열 에너지를 처리하게 한다. 열 교환기(460)를 빠져나가면, 열 전달 유체는 감소된 온도에 있게 된다(지그재그 라인들로 음영으로 표시). 온도가 감소된 열 전달 유체는 도관들(200H)을 통해 응축기(430)로 다시 이동하여, 열 펌프(405)에 의해 발생된 열 에너지를 처리하게 하는 사이클을 반복할 수 있다.
도 14은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405)을 사용하여 인클로저(500)에 대해 물 가열 처리 및 공간 냉각 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 도 13에 도시된 바와 같이 냉각 처리 사이클 동안 열 펌프(405)에 의해 발생된 열 에너지를 주변 환경으로 전달하기보다는, 열병합 발전 시스템(15)은 이러한 에너지를 여러 가지 방식들로 회수하도록 구성될 수 있다. 실례로, 하나의 예시적인 실시예에서, 열병합 발전 시스템(15)은 열 펌프(405)에 의해 발생된 열 에너지를 회수하거나 또는 캡처하여, 나중에 사용하기 위해 이를 저장할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 열 펌프(405)는 도 13과 관련하여 전술한 바와 같이, 인클로저(500)를 냉각 처리하기 위해 제 3 도관(200F)을 통해 이동하는 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수할 수 있다. 또한, 열병합 발전 시스템(15)은, 인클로저(500)에 대한 공간 냉각 처리를 제공함에 따라, 열 펌프(405)에 의해 발생된 열 에너지를 저장할 수 있다. 도시된 바와 같이, 고온 열 전달 유체(짙은 음영으로 표시)는 도관들(200E 및 200A)을 통해 응축기(430)로부터 밸브 장치(510)로 이동한다. 밸브 장치(510)로부터, 고온 열 전달 유체는 도관(200D)을 통해 열 저장 시스템(530)(예를 들어, 수열 탱크)으로 이동할 수 있다. 일단 열 저장 시스템(530)에서, 저장 시스템(530)에 배치된 유체는 예를 들어 탱크에 배치된 열 교환기를 통해 고온 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하며, 이는 본 명세서에서 전술한 바와 같다. 열 저장 시스템(530)을 빠져나가면, 열 전달 유체는 감소된 온도에 있게 된다(지그재그 라인들로 음영으로 표시). 온도가 감소된 열 전달 유체는 도관들(200C)을 통해 응축기(430)로 다시 이동하여, 열 저장 사이클을 반복할 수 있다. 일부 실시예들에서, 열 에너지는 열병합 발전 시스템(15)에 의해 저장될 수 있으며, 동시에 그에 의해 인클로저(500)에 대해 냉각 처리가 공급된다. 다른 실시예들에서, 열병합 발전 시스템(15)은 인클로저(500)에 대해 냉각 처리를 공급하고 간헐적으로 또는 주기적으로 필요에 따라 열 에너지를 저장할 수 있다(예를 들어, 임계 레벨 또는 용량을 유지한다). 예를 들어, 밸브 장치(510)는 처음에 고온 열 전달 유체를 열 저장 시스템(530)으로 보낸 다음, 시스템(530)이 원하는 열 에너지 레벨이 되면 외부 열 교환기(460)로 보낼 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 열 저장 시스템은 열 저장 시스템에 저장된 열 에너지의 양을 임계 레벨 이상으로 유지하기 위해 열 에너지를 주기적으로 공급받을 수 있다. 임계 레벨은 일정 기간(예를 들어, 6 시간, 12 시간, 하루, 며칠) 동안 열병합 발전 시스템(15)을 작동시킬 수 있도록 열 저장 시스템(539)에 저장될 수 있는 에너지의 최소량이 될 수 있다. 다수의 열 저장 구성들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
도 15는 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405)를 사용하여 외부 열 교환기(460)와 같은 열 저장소를 제빙하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 일부 조건들(예를 들어, 열 펌프가 높은 성능 계수로 작동하는 추운 날들) 하에서는, 외부 열 교환기(460)에 얼음이 형성될 수 있으며, 그에 따라 열 교환기(460)가 제대로 기능하지 못하게 될 수 있다. 종래의 시스템은 원치 않는 냉각 처리가 인클로저(500)에 대해 공급되고 및/또는 열 교환기를 제거하거나 또는 제빙하기 위해 구성 요소들에 대한 물리적 변경(예를 들어, 밸브 추가 또는 교체)이 이루어지는 것을 필요로 한다. 이러한 원치 않는 냉각 처리는 만족스럽지 않거나 또는 인클로저 내의 개인들에게 불편을 줄 수 있다(예를 들어, 겨울철에 인클로저를 냉각 처리). 또한, 시스템에 구성 요소들을 추가하거나 또는 물리적으로 변경하는 것은 시간 소모적인 것이며, 따라서 이러한 것은 불편하고 종종 시스템 작동에 지연을 초래한다. 본 개시의 열병합 발전 시스템은 그와 같이 제한되지 않는다. 하나의 예시적인 실시예에서, 열병합 발전 시스템(15)은 인클로저(500)를 냉각 처리하거나 또는 구성 요소들을 변경하지 않고서 과도한 얼음의 축적을 방지하거나 외부 열 교환기(460)를 제빙할 수 있다. 예시적인 응용에서, 열 펌프(405)는 외부 열 교환기(460)를 가열 처리하기 위해 그 자체에 의해(즉, 열 엔진(105) 없이) 작동될 수 있고, 그에 따라 얼음의 축적을 방지하거나 열 교환기 상에 존재하는 얼음을 녹인다. 이러한 응용에서, 열 저장 시스템(530)은 외부 열 교환기(460) 대신 열 펌프(405)를 작동시키기 위해 열 에너지를 제공할 수 있다. 보다 상세하게는, 도 15에 도시된 바와 같이, 열 펌프(405)의 작동 유체는 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 증발기(450)를 통해 이동하는 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 결과적으로, 열 전달 유체의 온도는 감소된다(밝은 점으로 된 음영으로 표시). 증발기(450)를 빠져나가면, 저온 열 전달 유체는 도관(200F)을 통해 열 펌프(405)로부터 밸브 장치(510)로 이동할 수 있다. 밸브 장치(510)로부터, 저온 열 전달 유체는 도관(200K)을 통해 열 저장 시스템(530)으로 이동할 수 있다. 일단 저장 시스템(530)에서, 열 전달 유체는 그 내부의 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 열 저장 시스템(530)을 빠져나가면, 열 전달 유체는 증가된 온도에 있게 된다(더욱 진하게 점으로 된 음영으로 표시). 온도가 증가된 열 전달 유체는 도관(200H)을 통해 증발기(450)로 다시 이동하여 열 펌프(405)를 작동시킨다.
작동 유체가 또한 도관(200F)의 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하는 동안, 도관(200E)의 열 전달 유체는 열 펌프(405)의 작동 유체로부터 열 에너지를 흡수하여 그 온도를 상승시킨다. 고온 열 전달 유체는 이후 외부 열 교환기(460)에 공급되어 열 교환기(460)를 가열 처리하거나 또는 제빙할 수 있다. 보다 상세하게는, 도 15의 실시예에 도시된 바와 같이, 고온 열 전달 유체(짙은 음영으로 표시)는 도관들(200E 및 200A)을 통해 응축기(430)로부터 밸브 장치(510)로 이동한다. 밸브 장치(510)로부터, 고온 열 전달 유체는 도관(200G)을 통해 외부 열 교환기(460)로 이동할 수 있다. 일단 열 교환기(460)에서, 주변 환경의 주위의 공기는 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수하여, 그에 따라 열 교환기 상에 형성된 얼음을 녹게 한다. 열 교환기(460)를 빠져나가면, 열 전달 유체는 감소된 온도에 있게 되고(지그재그 라인들로 음영으로 표시) 도관들(200H)을 통해 응축기(430)로 이동하여 제빙 사이클을 반복한다.
도 16은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405) 및 열 저장 시스템(530)을 사용하여 인클로저(500)에 대해 공간 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다. 열병합 발전 시스템(15)은 일부 실시예들에서 외부 열 교환기(460)를 사용하지 않고 고온 저장소로서 열 저장 시스템(530)을 사용하도록 구성될 수 있다. 그러한 구성은 주변 환경의 주위 공기의 온도가 감소함에 따라 바람직하게 될 수 있다. 이러한 것은 특히, 주변 환경의 온도가 열 전달 유체와 대략 동일하여 열 에너지가 서로 간에 거의 또는 전혀 전달되지 않는 때인 경우가 그렇다. 이러한 상황들을 피하기 위해, 열병합 발전 시스템(15)은 열 펌프(405)를 작동시키기 위한 열 공급원으로서 열 저장 시스템(530)의 저장된 에너지를 이용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 열 펌프(405)의 작동 유체는 본 명세서에서 앞서 기술된 바와 같이, 증발기(450)를 통해 이동하는 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 결과적으로, 열 전달 유체의 온도는 감소된다(밝은 점으로 된 음영으로 표시). 증발기(450)를 빠져나가면, 저온 열 전달 유체는 도관(200F)을 통해 열 펌프(405)로부터 밸브 장치(510)로 이동할 수 있다. 밸브 장치(510)로부터, 저온 열 전달 유체는 도관(200K)을 통해 열 저장 시스템(530)으로 이동할 수 있다. 일단 저장 시스템(530)에서, 열 전달 유체는 그 내부의 유체로부터 열 에너지를 흡수한다. 열 저장 시스템(530)을 빠져나가면, 열 전달 유체는 증가된 온도에 있게 된다(더욱 진하게 점으로 된 표시). 온도가 증가된 열 전달 유체는 도관(200H)을 통해 증발기(450)로 다시 이동하여 열 펌프(405)를 작동시킨다. 또한, 도관(200E) 내의 열 전달 유체는 열 펌프(405)의 작동 유체로부터 열 에너지를 흡수하고, 내부 열 교환기(520A)로 전달되어 인클로저를 가열 처리하며, 이는 본 명세서에서 전술한 바와 같다.
도 17은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405), 열 엔진(105) 및 열 저장소(외부 열 교환기(460))를 사용하여 인클로저(500)에 대해 공간 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다.
도 18은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405) 및 열 엔진(105)을 사용하여 인클로저(500)에 대해 물 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다.
도 19은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405) 및 열 엔진(105)을 사용하여 인클로저(500)에 대해 공간 가열 처리 및 물 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다.
도 17 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 열병합 발전 시스템(15)은 일부 예들에서 인클로저(500)를 가열 처리하기 위해 열 엔진(105) 및 열 펌프(405) 모두를 작동시킬 수 있다. 열병합 발전 시스템이 열 엔진(105) 및 열 펌프(405) 모두를 작동시킬 수 있는 많은 상황들이 있다. 하나의 그러한 상황에서, 예를 들어 인클로저(500)에 대한 가열 처리 요구들은 열 엔진(105) 자체의 열 출력을 초과할 수 있다. 다른 경우들에 있어서, (예를 들어, 에너지 소비의 피크 시간에) 그리드로부터보다는 열 엔진(105)에 의해 발생된 전기를 사용하는 것이 더 비용 효과적일 수 있다. 또는 다른 경우들에 있어서, 그리드를 통해 전기 에너지 공급자들로부터 전기를 사용하지 못할 수도 있다(예를 들어, 전기 공급자가 그리드로부터 인클로저를 차단하거나 또는 정전 동안).
예시적인 실시예에서,도 17 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 열 엔진(105)은 본 명세서에서 전술한 바와 같이 열 및 전기 에너지 모두를 생산할 수 있다. 열 엔진(105)에 의해 생산된 전기의 일부는 열 펌프를 작동시키는 데 사용될 수 있다. 전기의 나머지 부분은 인클로저(500)의 전기 구성 요소들(예를 들어, 전력 패널(540) 및 제어 패널(570))에 전력을 공급하거나 추후 사용을 위해 전기 에너지 저장 시스템(580)에 의해 저장될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 도관들(200A(즉, 제 1 도관) 및 200E(즉, 제 2 도관)) 내의 열 전달 유체들 각각은 열 엔진(105) 및 열 펌프(405)의 작동 유체들로부터 열 에너지를 (각각) 흡수한다. 위에서 논의되고 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 고온 열 전달 유체는 직렬 또는 병렬 방식으로 결합되어, 유체가 인클로저(500)를 가열 처리하도록 내부 열 교환기(520A)로 이동될 수 있다. 또한, 열 펌프(405)의 작동 유체는 또한 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 열 펌프(405)를 작동시키기 위해 다른 열병합 발전 시스템 구성 요소들(예를 들어, 외부 열 교환기(460) 또는 열 저장 시스템(530))과 연통하여 도관(200F)(즉, 제 3 도관) 내의 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수할 수 있다. 일부 다른 응용들에서, 결합된 고온 열 전달 유체가 또한 도 18에 도시된 바와 같이 열 저장 시스템(530)에 공급되어 열 에너지를 저장할 수 있다. 또 다른 응용들에서, 열병합 발전 시스템(15)은 상기 결합된 고온 열 전달 유체를 내부 열 교환기(520A) 및 열 저장 시스템(530) 모두로 이동시켜 인클로저(500)의 공간 가열 처리 및 물 가열 처리를 모두 달성할 수 있다(도 19 참조). 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 열병합 발전 시스템(15)은 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 동작들 모두를 동시에 또는 한번에 하나씩 수행하도록 구성될 수 있다. 일부의 그러한 경우들에 있어서, 공간 가열 처리가 수행되는 동안 물 가열 처리는 단지 주기적으로만 일어날 수 있다. 다수의 다른 열병합 발전 시스템 응용들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
도 20은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405) 및 열 엔진(105)을 사용하여 인클로저에 대해 공간 냉각 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다.
도 21은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405) 및 열 엔진(105)을 사용하여 인클로저에 대해 물 가열 처리 및 공간 냉각 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다.
도 20 및 도 21에 도시된 실시예들에 도시된 바와 같이, 열병합 발전 시스템(15)은 전술한 바와 같이 인클로저(500)를 냉각 처리하기 위해 열 엔진(105) 및 열 펌프(405) 모두를 작동시킬 수 있다. 예시적인 실시예에서, 도시된 바와 같이, 열 엔진(105)은 본 명세서에서 전술한 바와 같이 열 및 전기 에너지 모두를 생산할 수 있다. 열 엔진(105)으로부터의 전기 중 일부는 인클로저(500)에 대해 냉각 처리를 공급하기 위해 열 펌프(405)를 작동시키는 데 사용될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 도관들(200A(제 1 도관) 및 200E(제 2 도관)) 내의 열 전달 유체들 각각은 열 엔진(105) 및 열 펌프(405)의 작동 유체들로부터 열 에너지를 (각각) 흡수한다. 고온 열 전달 유체들은 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 원하지 않는 열 에너지를 열 엔진(105) 및 열 펌프(405)로부터 외부 열 교환기(460)로 전달하도록 결합될 수 있으며, 여기에서 에너지는 그 환경으로 흡수될 수 있다. 일부 다른 응용들에서, 상기 결합된 고온 열 전달 유체는 또한 도 21에 도시된 바와 같이, 열병합 발전 시스템 구성 요소들에 의한 차후의 사용을 위해 열 엔진(105) 및 열 펌프(405)에 의해 생산된 열 에너지를 저장하도록 열 저장 시스템(530)에 공급될 수 있다. 또한, 열 펌프(405)의 작동 유체는 또한 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 인클로저(500)에 대해 냉각 처리를 공급하기 위해 다른 열병합 발전 시스템 구성 요소들(예를 들어, 내부 열 교환기(520B))과 연통하여 도관(200F)(제 3 도관) 내의 열 전달 유체로부터 열 에너지를 흡수할 수 있다.
도 22는 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405) 및 열 엔진(105)을 사용하여 외부 열 교환기(460)와 같은 열 저장소를 제빙하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다.
도 23은 본 개시의 일 실시예에 따라, 열 펌프(405), 열 엔진(105), 및 열 저장 시스템(530)을 사용하여 인클로저(500)에 대해 공간 가열 처리를 공급하도록 구성된 열병합 발전 시스템(15)의 개략도이다.
도 22 및 도 23에 도시된 실시예들에 도시된 바와 같이, 열병합 발전 시스템(15)은 외부 열 교환기(460) 대신에 고온 저장소로서 열 저장 시스템(530)을 이용하도록 구성될 수 있다. 이러한 것은 특히, 외부 열 교환기(460)가 그 위에 얼음을 형성하거나 또는 그 환경의 공기 온도가 열 펌프(405)의 성능에 악영향을 줄 정도로 낮을 때의 경우이다. 예시적인 응용에서, 열 펌프(405)는 도관(200F) 내의 열 전달 유체를 통해 열 저장 시스템(530)으로부터 열 에너지를 공급받을 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 열 엔진(105) 및 열 펌프(405)에 의해 생산된 열 에너지는 도관들(200A 및 200E) 내의 고온 열 전달 유체를 통해 외부 열 교환기(460)로 전달될 수 있다. 일단 수용되면, 고온 열 전달 유체는 열 에너지를 외부 열 교환기(460)로 전달하여 그에 따라 그 위에 형성된 얼음을 녹일 수 있다. 유사하게, 열병합 발전 시스템(15)은 도 23에 도시된 바와 같이, 고온 열 전달 유체를 내부 열 교환기(520A)로 보내서 인클로저(500)를 가열 처리할 수 있다. 다수의 다른 열병합 발전 시스템 응용들은 본 개시의 관점에서 명백할 것이다.
요약
본 개시의 하나의 예시적인 실시예는 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리, 및 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템을 제공하고, 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저를 가열 처리하고 그에 대해 전기를 공급하도록 구성된 열 엔진; 상기 인클로저의 가열 처리 및 냉각 처리를 위해 구성된 열 펌프; 상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관으로서, 상기 제 1 도관은 제 1 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 1 도관은 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 하는, 상기 제 1 도관; 상기 열 펌프에 결합된 제 2 도관으로서, 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 하는, 상기 제 2 도관; 및 상기 열 펌프에 결합된 제 3 도관으로서, 상기 제 3 도관은 제 2 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 3 도관은 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 2 열 전달 유체에 의해 상기 인클로저로부터 흡수되게 하는, 상기 제 3 도관을 포함하고; 그리고 상기 열 펌프는 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 냉각 처리를 동시에 공급하도록 구성된다.
본 개시의 다른 예시적인 실시예는 인클로저에 대해 가열 처리 및 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템을 제공하고, 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저를 가열 처리하고 그에 대해 전기를 공급하도록 구성된 열 엔진; 상기 인클로저의 가열 처리를 위해 구성된 열 펌프; 상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관으로서, 상기 제 1 도관은 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 1 도관은 상기 열 전달 유체를 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 하는, 상기 제 1 도관; 상기 열 펌프 및 상기 제 1 도관에 결합된 제 2 도관으로서, 상기 제 2 도관은 상기 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 2 도관은 상기 열 전달 유체를 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 하는, 상기 제 2 도관을 포함하고; 그리고 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 유체적으로 결합되어 상기 제 1 도관 내의 열 전달 유체가 상기 제 2 도관 내의 열 전달 유체와 동일하게 된다.
본 개시의 또 다른 예시적인 실시예는 인클로저에 대해 가열 처리 및 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템을 제공하고, 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저에 대한 가열 처리 및 전기를 일으키도록 구성된 열 엔진; 상기 인클로저에 대한 가열 처리를 일으키도록 구성된 열 펌프; 열 에너지를 상기 인클로저의 외부 영역으로부터 상기 열 펌프로 전달하도록 구성되고 배열된 열 저장소; 상기 인클로저와 괸련되며 열 저장 시스템 열 교환기를 포함하는 열 저장 시스템; 상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관으로서, 상기 제 1 도관은 제 1 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 1 도관은 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 엔진으로부터 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달하도록 구성되고 배열되어 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 열 저장 시스템으로 전달되게 하는, 상기 제 1 도관; 상기 열 펌프에 결합된 제 2 도관으로서, 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 펌프로부터 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달하도록 구성되고 배열되어 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 열 저장 시스템으로 전달되게 하는, 상기 제 2 도관을 포함하고; 그리고 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어 상기 열 저장 시스템 내에 열 에너지를 저장하기 위해 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관으로부터의 제 1 열 전달 유체가 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달되게 한다.
본 개시의 또 다른 예시적인 실시예는 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리, 및 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템을 제공하고, 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저에 대한 가열 처리 및 전기를 일으키하도록 구성된 열 엔진; 상기 인클로저에 대한 가열 처리 및 냉각 처리를 일으키도록 구성된 열 펌프; 상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관으로서, 상기 제 1 도관은 제 1 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 1 도관은 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 하는, 상기 제 1 도관; 상기 열 펌프에 결합된 제 2 도관으로서, 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 하는, 상기 제 2 도관; 상기 열 펌프에 결합된 제 3 도관으로서, 상기 제 3 도관은 제 2 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 3 도관은 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 2 열 전달 유체에 의해 상기 인클로저로부터 흡수되게 하는, 상기 제 3 도관; 및 공간 가열 및 물 가열 중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 인클로저에 전달하도록 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관을 선택적으로 결합하고, 공간 냉각 및 상기 열 펌프에 대한 열 에너지 공급원 중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 인클로저에 전달하도록 상기 제 3 도관을 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열된 밸브 장치를 포함한다.
본 개시의 또 다른 예시적인 실시예는 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리, 및 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템을 제공하고, 상기 열병합 발전 시스템은 상기 인클로저를 가열 처리하고 그에 대해 전기를 공급하도록 구성된 열 엔진; 상기 인클로저의 가열 처리 및 냉각 처리를 위해 구성된 열 펌프; 상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관으로서, 상기 제 1 도관은 제 1 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 1 도관은 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 하는, 상기 제 1 도관; 상기 열 펌프에 결합된 제 2 도관으로서, 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 2 도관은 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 하는, 상기 제 2 도관; 및 상기 열 펌프에 결합된 제 3 도관으로서, 상기 제 3 도관은 제 2 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 3 도관은 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 2 열 전달 유체에 의해 상기 인클로저로부터 흡수되게 하는, 상기 제 3 도관을 포함하고; 그리고 상기 열 엔진은 상기 열 펌프를 작동시키기 위해 전기를 공급하도록 구성된다.
본 개시의 또 다른 예시적인 실시예는 열병합 발전 시스템을 사용하여 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하는 방법를 제공하며, 상기 방법은, 열 엔진의 작동에 의해 열 에너지 및 전기를 발생시키는 단계; 상기 열 엔진으로부터의 전기를 사용하여 열 펌프의 작동에 의해 열 에너지를 제공하는 단계; 상기 열 엔진 및 상기 열 펌프로부터의 열 에너지를 제 1 열 전달 유체로 전달하는 단계; 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되로록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기에서 상기 제 1 열 전달 유체를 통해 상기 인클로저에 대해 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 중 적어도 하나를 제공하는 단계; 및 상기 인클로저와 관련된 냉각 처리 시스템에 결합되로록 구성되고 배열된 냉각 처리 시스템 열 교환기에서 상기 인클로저로부터 열 에너지를 흡수하는 제 2 열 전달 유체를 통해 상기 열 펌프의 작동에 의해 상기 인클로저에 대해 공간 냉각 처리를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 공간 가열 처리 및 상기 물 가열 처리 중 적어도 하나는 상기 인클로저에 대한 공간 냉각 처리와 동시에 상기 인클로저에 대해 제공된다.
본 개시의 또 다른 예시적인 실시예는 열병합 발전 시스템을 사용하여 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하는 방법를 제공하며, 상기 방법은, 열 엔진의 작동에 의해 열 에너지 및 전기를 발생시키는 단계; 열 펌프의 작동에 의해 열 에너지를 제공하는 단계; 상기 열 엔진 및 상기 열 펌프로부터의 열 에너지를 제 1 열 전달 유체로 전달하는 단계; 밸브 장치를 통해 상기 제 1 열 전달 유체를 이동시키는 단계로서, 상기 밸브 장치는 상기 제 1 열 전달 유체를 하나 이상의 열병합 발전 시스템 구성 요소들에 분배하도록 구성되고 배열되는, 상기 제 1 열 전달 유체를 이동시키는 단계; 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되로록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기에서 상기 제 1 열 전달 유체를 통해 상기 인클로저에 대해 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 중 적어도 하나를 제공하는 단계; 상기 밸브 장치를 통해 제 2 열 전달 유체를 이동시키는 단계로서, 상기 밸브 장치는 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 제 2 열 전달 유체와 접촉시키지 않고서 상기 제 2 열 전달 유체를 하나 이상의 열병합 발전 시스템 구성 요소들에 분배하도록 구성되고 배열되는, 상기 제 2 열 전달 유체를 이동시키는 단계; 및 상기 인클로저와 관련된 냉각 처리 시스템에 결합되로록 구성되고 배열된 냉각 처리 시스템 열 교환기에서 상기 인클로저로부터 열 에너지를 흡수하는 제 2 열 전달 유체를 통해 상기 열 펌프의 작동에 의해 상기 인클로저에 대해 공간 냉각 처리를 제공하는 단계를 포함한다.
본 개시의 또 다른 예시적인 실시예는 열병합 발전 시스템을 사용하여 인클로저에 대해 가열 처리, 냉각 처리 및 전기를 제공하는 방법을 제공하며, 상기 방법은, 열 엔진의 작동에 의해 열 에너지 및 전기를 발생시키는 단계; 열 펌프의 작동에 의해 열 에너지를 제공하는 단계; 상기 열 엔진 및 상기 열 펌프로부터의 열 에너지를 제 1 열 전달 유체로 전달하는 단계; 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되로록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기에서 상기 제 1 열 전달 유체를 통해 상기 인클로저에 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 중 적어도 하나를 제공하는 단계; 및 상기 제 1 열 전달 유체 및 제 2 열 전달 유체 중 적어도 하나를 통해 열 저장 시스템 열 교환기에 열 에너지를 제공하는 단계로서, 상기 열 저장 시스템 열 교환기는 상기 인클로저와 관련된 열 저장 시스템에 결합되도록 구성되고 배열되는, 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 열 에너지를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 또 다른 예시적인 실시예는 전기 출력없이 가열 처리(예를 들어, 공간 가열 처리, 물 가열 처리 및/또는 프로세스 가열 처리를 위해)만을 제공하도록 구성될 수 있는 열 엔진 및 열 펌프를 포함하는 열병합 발전 시스템을 제공한다.  다른 엔진-구동식 열 펌프들의 기술의 상태와 달리, 본 열병합 발전 시스템은 전기 생산의 중간 단계를 거칠 수 있으며, 그 100 %가 열 펌프를 구동하는 데 사용될 수도 있으며, 그에 따라 전기 출력이 없게 된다.
본 개시의 실시예들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이러한 개시는 포괄적인 것으로 의도되지 않았으며 본 개시를 개시된 것과 정확한 형태로 제한하도록 의도된 것은 아니다. 본 개시에 비추어 많은 수정들 및 변형들이 가능하다. 본 개시의 범위는 본 상세한 설명에 의해서가 아니라 여기에 첨부된 청구 범위에 의해 제한되는 것으로 의도되었다.

Claims (15)

  1. 인클로저에 대해 적어도 가열 처리(heating) 및 전기를 제공하기 위한 열병합 발전 시스템(cogeneration system)에 있어서:
    상기 인클로저에 대한 가열 처리 및 전기 공급을 위해 구성된 열 엔진(heat engine);
    상기 인클로저의 가열 처리를 위해 구성된 열 펌프(heat pump);
    상기 열 엔진에 결합된 제 1 도관으로서, 제 1 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 하는, 상기 제 1 도관; 및
    상기 열 펌프에 결합된 제 2 도관으로서, 상기 제 1 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 인클로저로 전달되게 하는, 상기 제 2 도관을 포함하며;
    상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 유체적으로 결합되고, 상기 제 1 도관과 상기 제 2 도관 사이에 상기 제 1 열 전달 유체를 비율적으로 하고 열적으로 격리하는 것 중 적어도 하나로 구성되는, 열병합 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열 엔진은 열 교환기를 더 포함하고, 상기 제 1 도관은 상기 열 교환기에 결합되어 열 에너지를 상기 열 엔진으로부터 상기 인클로저로 전달하고, 상기 열 엔진은 연료 연소 엔진 및 폐쇄 루프 브레이튼 사이클 열 엔진(closed-loop Brayton cycle heat engine)을 포함하는, 열병합 발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기를 더 포함하고;
    상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 가열 처리 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어 상기 인클로저에 대해 공간 가열 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 가열 처리 시스템 열 교환기로 전달되게 하는, 열병합 발전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 인클로저와 관련된 열 저장 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 열 저장 시스템 열 교환기를 더 포함하고;
    상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어 열 에너지가 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달되게 하고;
    상기 열 저장 시스템은 온수(hot water) 저장 탱크이고, 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관은 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어, 상기 온수 저장 탱크 내의 물을 가열 처리하도록 열 에너지를 상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 열 저장 시스템 열 교환기로 전달하는, 열병합 발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 열 펌프는 또한 상기 인클로저의 냉각 처리를 위해 구성되고, 상기 열병합 발전 시스템은:
    상기 인클로저와 관련된 냉각 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 냉각 처리 시스템 열 교환기; 및
    상기 열 펌프에 결합된 제 3 도관으로서, 제 2 열 전달 유체로 채워지고, 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 펌프로부터 상기 인클로저로 전달하도록 구성되고 배열되어 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 열 에너지가 상기 제 2 열 전달 유체에 의해 상기 인클로저로부터 흡수되게 하는, 상기 제 3 도관을 더 포함하고;
    상기 제 3 도관은 상기 냉각 처리 시스템 열 교환기에 유체적으로 결합되어 상기 인클로저에 대해 냉각 처리를 제공하도록 상기 제 2 열 전달 유체가 상기 인클로저로부터 열 에너지를 흡수하게 하고, 상기 열 펌프는 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 냉각 처리를 동시에 공급하도록 구성되는, 열병합 발전 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 인클로저는 빌딩 및 자동차 중 하나인, 열병합 발전 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 인클로저와 관련되고 하나 이상의 열 교환기들을 포함하는 열 저장 시스템; 및
    열 저장소를 더 포함하며;
    상기 제 3 도관은 상기 열 저장 시스템 및 상기 열 저장소에 유체적으로 결합되어, 상기 열 저장소에 과도한 얼음(excess ice)이 축적되는 것을 방지하기 위해 상기 열 저장소에 열 에너지를 공급하도록 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 저장 시스템의 하나 이상의 열 교환기들로부터 제 1 방향으로 이동시키고, 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 저장 시스템의 하나 이상의 열 교환기들로 복귀시키도록 상기 제 2 열 전달 유체를 상기 열 저장소로부터 상기 제 1 방향과는 반대의 제 2 방향으로 이동시키는, 열병합 발전 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 자동차 및 상기 인클로저 중 하나를 위한 보조 전력 유닛으로서 구성되고 배열된, 열병합 발전 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 열 펌프는 증기 압축 열 펌프인, 열병합 발전 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 열 전달 유체 및 상기 제 2 열 전달 유체는 글리콜을 함유하는, 열병합 발전 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 열 엔진은 발전기를 더 포함하고, 상기 열 펌프는 전기 모터를 더 포함하며, 상기 발전기는 상기 열 펌프의 전기 모터에 전기를 선택적으로 제공하도록 구성되고 배열되는, 열병합 발전 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 펌프는 상기 열 엔진의 작동을 요구하지 않고서 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 냉각 처리를 제공하도록 구성되고 배열되고;
    상기 열 엔진은 상기 열 펌프의 작동을 요구하지 않고서 상기 인클로저에 대해 가열 처리 및 전기를 제공하도록 구성되고 배열되며;
    상기 열 엔진 및 상기 열 펌프는 동시에 작동되도록 구성되고 배열되어, 상기 열 엔진이 상기 인클로저의 하나 이상의 부분들에 대해 가열 처리 및 전기를 제공하고 상기 열 펌프를 작동시키도록 전기를 제공하고, 상기 열 펌프가 상기 인클로저의 하나 이상의 부분들에 대해 가열 처리 및 냉각 처리를 제공하게 하는, 열병합 발전 시스템.
  13. 제 5 항에 있어서, 공간 가열 처리 및 물 가열 처리 중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 인클로저에 상기 제 1 열 전달 유체를 전달하도록 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관을 선택적으로 결합하고, 공간 냉각 처리, 물 냉각 처리, 및 상기 열 펌프에 대한 열 에너지의 공급원 중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 인클로저에 상기 제 2 열 전달 유체를 전달하도록 상기 제 3 도관을 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열된 밸브 장치를 더 포함하는, 열병합 발전 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 인클로저와 관련된 가열 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 가열 처리 시스템 열 교환기; 및
    상기 인클로저와 관련된 열 저장 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 열 저장 시스템 열 교환기를 더 포함하고;
    상기 밸브 장치는 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관을,
    공간 가열 처리를 제공하기 위해 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관 중 적어도 하나를 통해 상기 가열 처리 시스템 열 교환기에 상기 제 1 열 전달 유체를 선택적으로 전달하기 위한 가열 처리 시스템과,
    물 가열 처리를 제공하기 위해 상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관 중 적어도 하나를 통해 상기 열 저장 시스템 열 교환기에 상기 제 1 열 전달 유체를 선택적으로 전달하기 위한 열 저장 시스템,
    중 적어도 하나와 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열되는, 열병합 발전 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 인클로저와 관련된 냉각 처리 시스템에 결합되도록 구성되고 배열된 냉각 처리 시스템 열 교환기를 더 포함하고,
    상기 밸브 장치는 상기 제 3 도관을,
    공간 냉각 처리를 제공하기 위해 상기 냉각 처리 시스템 열 교환기를 통해 열 에너지를 상기 제 3 도관의 상기 제 2 열 전달 유체로 흡수하기 위한 냉각 처리 시스템과,
    물 냉각 처리 및 상기 열 펌프에 대한 열 에너지 공급원 중 적어도 하나를 제공하기 위해 상기 열 저장 시스템 열 교환기를 통해 열 에너지를 상기 제 3 도관의 상기 제 2 열 전달 유체로 흡수하기 위한 열 저장 시스템,
    중 적어도 하나와 선택적으로 결합하도록 구성되고 배열되는, 열병합 발전 시스템.
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