KR20200058423A - 공기 구동 발전기 - Google Patents

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KR20200058423A
KR20200058423A KR1020207009017A KR20207009017A KR20200058423A KR 20200058423 A KR20200058423 A KR 20200058423A KR 1020207009017 A KR1020207009017 A KR 1020207009017A KR 20207009017 A KR20207009017 A KR 20207009017A KR 20200058423 A KR20200058423 A KR 20200058423A
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마크 제이. 메이나드
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마크 제이. 메이나드
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Abstract

본 발명은, 작업 유체의 이동으로부터 전력을 생성하기 위한 공기 구동 발전기(10)에 관한 것이다. 부력 도관들(14A-14D)의 상부 단부들은 중력 분배 도관(12)의 상부 단부와 유체 연통하고, 중력 분배 도관(12)의 하부 단부는 부력 도관들(14A-14D)의 하부 단부들과 유체 연통한다. 공기 주입 시스템(24A-24D)은 공기를 부력 도관들(14A- 14D) 내로 주입한다. 폐쇄 유체 루프는, 중력 분배 도관(12) 및 부력 도관들(14A-14D)의 하부 단부들 사이에 삽입된 유체 터빈 시스템(18A-18D)을 구동하는 중력 분배 도관(12)으로부터 흐르는 작업 유체로 형성된다. 작업 유체의 흐름은 유체 터빈 시스템(18A-18D)의 작동에 의한 전력의 생성을 달성하기 위해 부력 도관들(14A-14D)에 배치된 작업 유체 내로의 공기의 주입에 의해 유도될 수 있다. 상부 챔버(16)가 혼입 공기를 제거할 수 있다. 랭킨 순환 발전기가 배출된 공기를 수용하고 그에 의해 작동될 수 있다.

Description

공기 구동 발전기
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2017년 8월 28일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/550,836호에 대해 우선권을 주장하며, 이는 본 명세서에 참조로 통합된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 에너지 변환 장치들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 복수의 부력 도관(buoyancy conduits) 내로의 공기의 주입을 통해 폐쇄 루프 시스템 내의 작업 유체의 순환 이동을 유도하여 혼입 공기의 이동에 의한 복수의 부력 도관 내의 작업 유체의 상향 흐름 및 중앙 중력 분배 도관(central gravitational distribution conduit) 내의 작업 유체의 하향 흐름을 생성하여 유체 터빈 시스템을 구동함으로써 흐르는 작업 유체의 에너지로부터 전기 에너지를 생성하기 위한 전기 에너지 생성 시스템이 본 명세서에 개시된다.
대체 에너지 소스들에 대한 필요성이 잘 인식되고 계속 증가하고 있다. 수많은 숙련된 발명자들이 대체 에너지 발전의 진보에 기여하였다. 태양으로부터, 바람으로부터 그리고 강들 및 다른 물줄기들의 이동으로부터 에너지를 수확하기 위한 시스템들 및 방법들이 개시되었다. 대체 에너지의 각각의 진보로, 화석 연료들에 대한 필요성이 감소되고, 환경에 대한 인류의 부정적인 영향이 감소되었다.
액체의 컬럼(column of liquid) 내로 가스를 도입하여 가스의 그의 부력으로 인한 상향 이동과 함께 액체의 혼입 이동을 유도하고, 이어서 예를 들어 유체 터빈을 통해 이동 액체의 운동 및 위치 에너지를 수확함으로써 에너지를 수확하려고 시도하는 것이 또한 알려져 있다. 예를 들어, Ziegenfuss의 미국 특허 출원 공개 제2008/0303282호에는 공기 압축기가 원동력으로 사용되고 터빈이 발전에 사용되는 물 순환 시스템(water cycling system)이 교시되어 있다. 물 파이핑 서브시스템(water piping subsystem)은 하나의 상향 흐름 측 및 하나의 하향 흐름 측을 갖는 선회 루프(circuitous loop)를 확립한다. 공기 압축기는 상향 흐름 측의 하부 부분 내로 공기를 주입하여 물의 혼입 흐름을 유도하고, 하향 흐름 측에 배치된 터빈은 흐르는 물을 수용하여 그 안의 운동 에너지를 전력으로 변환한다. 유사한 맥락에서, Bervig의 미국 특허 제4,392,062호는 유체의 흐름을 생성하기 위해 U자형 도관의 하나의 레그(leg) 내의 유체 내에 더 낮은 밀도의 물질을 주입하기 위한 주입기와 함께 U자형 도관의 흐름 내에 전기 생성 디바이스를 배치하는 것을 개시한다. 유체의 흐름은 이동 유체 내의 에너지를 전력으로 수확하도록 전기 생성 디바이스를 작동시킨다. 또한, Markie 등의 국제 공개 번호 WO2014110160은 보유 탱크 내의 제1 유체가 더 낮은 밀도의 제2 유체를 수용하여 가늘고 긴 하우징 내의 제1 유체의 상향 흐름을 유도하는 전기 생성 시스템에 관한 것이다. 제1 유체의 흐름은 터빈의 회전을 유도하여 전기 에너지를 산출한다.
대체 에너지에서의 전술한 진보들이 유용하지만, 이들은 다수의 제한 및 중요한 단점을 갖는다. 예를 들어, 태양이 없으면, 광전지는 거의 효과가 없다. 풍력 터빈들은 충분한 바람에서만 동작하고, 오작동하기 쉽고, 유지 비용이 많이 든다. 또한, 파도 발전기들 및 강물 터빈들은 물길이 존재하는 곳에만 설치되고 동작될 수 있으며, 그들 자체는 자연스럽게 이동하는 물의 흐름 및 이동에 의존한다.
또한, 작업 유체 내의 부력 유체의 주입에 의해 동작하도록 유도되는 종래 기술의 순환 발전 시스템들은 광범위한 채택을 지금까지 방해하였던 유효성 및 동작의 제한들을 보여왔다. 많은 이러한 기동 유체 발전기(motive fluid power generators)는 높은 전력 손실을 보이며 매우 비효율적이다. 이러한 이전에 개시된 기동 유체 발전 시스템들은, 특히 순환 이동으로 유도되는 작업 유체의 단일 컬럼에 대한 의존성에 의해 제한된다. 또한, 종래 기술의 기동 유체 발전 시스템들은 혼입 부력 유체를 능동적으로 제거함으로써 작업 유체의 하향 순환 이동 이전에 작업 유체의 밀도를 향상시킬 능력 또는 필요성의 인식을 거의 보이지 못했다. 또한, 많은 종래 기술의 기동 유체 발전 시스템들은 구조 및 동작이 매우 복잡하고, 단일 흐름 경로에 완전히 의존한다. 따라서, 시스템의 컴포넌트들의 장애 또는 필요한 유지보수는 공통적이며, 완전한 시스템 셧다운을 초래한다.
전술한 내용을 고려할 때, 많은 숙련된 발명자의 유용한 노력에도 불구하고, 어떠한 외부 인자에도 의존하지 않고, 광범위하게 다양한 위치들에 설치되고 연속적으로 동작될 수 있으며, 이용 가능한 전력을 생성할 수 있는 인간의 능력의 진보를 나타낼 만큼 충분히 동작 효율적인 대체 에너지 발전 시스템에 대한 필요성이 이 분야에 남아 있다는 것을 인식할 것이다.
따라서, 본 발명은 전력의 실행 가능한 소스를 제공하기 위한 종래 기술의 한계들을 극복하는 대체 에너지 발전 시스템을 제공하는 기본적인 목적에 기초한다.
본 발명의 더 구체적인 목적은 높은 효율로 동작하는 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 구체적인 목적은 발전 시스템이 실질적으로 임의의 위치에 설치되고 동작될 수 있도록 외부 인자들에 대한 감소된 의존성을 보이는 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들의 또 다른 목적은 최소화된 유지보수 요구들 및 감소된 시스템 전체 셧다운과 함께 실질적으로 연속적으로 동작될 수 있는 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 및 추가적인 목적들 및 이점들은 본 명세서 및 도면들을 검토하는 사람뿐만 아니라 본 명세서에 개시된 공기 구동 발전기(air-driven generator)의 실시예를 경험할 기회를 갖는 사람들에게도 명백해질 것이다. 본 발명의 단일 실시예에서의 전술한 목적들 각각의 성취가 가능할 수 있고, 사실상 바람직할 수 있지만, 모든 실시예들이 각각의 그리고 모든 잠재적인 이점 및 기능을 달성하는 것을 추구하거나 필요로 하는 것은 아니라는 것이 이해될 것이다. 그럼에도 불구하고, 모든 그러한 실시예들은 본 발명의 범위 내에서 고려되어야 한다.
본 발명의 하나 이상의 목적을 달성하기 위해, 발전 시스템은 작업 유체의 이동으로부터 전력을 생성하기 위한 공기 구동 발전기를 포함한다. 공기 구동 발전기는 상부 단부 및 하부 단부를 갖는 가늘고 긴 중력 분배 도관 및 복수의 가늘고 긴 부력 도관을 가질 수 있고, 각각의 부력 도관은 상부 단부 및 하부 단부를 갖는다. 부력 도관들의 상부 단부들은 중력 분배 도관의 상부 단부와 유체 연통한다. 중력 분배 도관의 하부 단부는 복수의 부력 도관의 하부 단부들과 유체 연통한다. 부력 도관들과 중력 분배 도관 사이에 폐쇄 유체 루프가 형성된다. 부력 도관들의 상부 단부들로부터 흐르는 작업 유체는 중력 분배 도관의 상부 단부 내로 공급될 것이고, 중력 분배 도관을 통해 아래로 흐르는 작업 유체는 분배 도관의 하부 단부로부터 복수의 부력 도관의 하부 단부들 내로 공급될 것이다. 유체 터빈 시스템이 중력 분배 도관의 하부 단부와 부력 도관들의 하부 단부들 사이에 유동적으로 삽입되고, 공기 주입 시스템이 부력 도관들 각각 내로 공기를 주입하도록 동작한다. 공기 구동 발전기의 이러한 구성들 하에서, 부력 도관들에 배치된 작업 유체 내로의 공기의 주입은 부력 도관들 내의 작업 유체의 상향 흐름을 유도하는 경향이 있을 것이고, 중력 분배 도관의 상부 단부에 공급되는 작업 유체는 유체 터빈 시스템을 작동시키기 위해 중력 분배 도관 내에 하향 흐름을 갖는 경향이 있을 것이다.
본 발명의 소정 실시들에서, 공기 주입 시스템은 각각의 부력 도관에 결합된 하나 이상의 공기 주입기(air injectors)를 각각의 부력 도관에 결합된 하나 이상의 공기 주입기에 결합된 압축 공기의 소스와 조합하여 포함한다. 압축 공기의 소스는, 예를 들어 공기 압축기 또는 압축 공기의 소정의 다른 소스일 수 있다. 특정 실시예들에서, 압축 공기의 소스는 교번 기계 압축기들(alternating mechanical compressors) 및 열 펌프들의 시스템을 포함할 수 있다.
공기 구동 발전기의 실시예들은 상부 챔버를 더 포함할 수 있다. 그러면, 부력 도관들의 상부 단부들은 상부 챔버를 통해 중력 분배 도관의 상부 단부와 유체 연통할 수 있다. 포함되는 경우, 상부 챔버는 실질적으로 환형인 측벽을 가질 수 있다. 각각의 부력 도관의 상부 단부는 비방사 방향(non-radial direction)으로 상부 챔버와 만날 수 있다. 예를 들어, 부력 도관들의 상부 단부들은 적어도 부분적으로 접선 방향으로 상부 챔버와 만날 수 있다. 더 구체적으로, 부력 도관들의 상부 단부들은 직렬로 대략 동일한 비방사 각도들로 상부 챔버와 만날 수 있다. 이러한 실시예들 하에서, 부력 도관들의 상부 단부들로부터 배출되는 작업 유체는 상부 챔버 내에서 초기 회전 패턴(rotary pattern)을 따르는 경향이 있을 것이다. 따라서, 상부 챔버는 챔버 내에 수용된 작업 유체 내에 혼입된 공기를 제거하여, 중력 분배 도관의 상부 단부 내에 수용된 작업 유체가 감소된 부피의 공기를 유지하게 함으로써 발전기의 효율에 기여하도록 동작할 수 있다.
또한, 배플 구조(baffle structure)가 상부 챔버 내에 배치될 수 있다는 것이 고려된다. 복수의 배플 플레이트를 갖는 구조와 같은 배플 구조는 작업 유체로부터 혼입 공기를 제거하는 데 도움을 줄 수 있다.
중력 분배 도관이 세로 중심선을 갖고, 부력 도관들이 세로 중심선을 중심으로 하는 공기 구동 발전기의 실시예들이 개시된다. 또한, 본 발명의 실시예들은 실질적으로 평행한 배치들로 부력 도관들 및 중력 분배 도관을 배치할 수 있다. 예를 들어, 4개의 부력 도관이 사용되는 경우, 부력 도관들은 대칭 사각형 구성(square configuration)으로 배치될 수 있다.
공기 구동 발전기의 실시들에서, 중력 분배 도관의 하부 단부는 유체 반환 연결들(fluidic return connections)과 조합하여 중력 분배 도관의 하부 단부에 배치된 유체 분배기(fluid distributor)를 통해 복수의 부력 도관의 하부 단부들과 유체 연통한다. 더욱이, 열 교환기는 중력 분배 도관의 하부 단부와 부력 도관들의 하부 단부들 사이에 삽입될 수 있다.
유체 터빈 시스템은 중력 분배 도관의 하부 단부와 각각의 부력 도관의 하부 단부 사이에 유동적으로 삽입된 유체 터빈을 포함할 수 있는 것이 추가로 개시된다. 예를 들어, 4개의 부력 도관이 사용되는 경우, 4개의 유체 터빈이 제공될 수 있고, 그 중 하나는 각각의 부력 도관을 중력 분배 도관에 유동적으로 결합한다.
부력 도관들과 중력 분배 도관 사이에 형성된 폐쇄 유체 루프 내에 배치된 작업 유체는 물보다 밀도가 높을 수 있다. 예를 들어, 작업 유체는 1보다 큰, 바람직하게는 2보다 큰 물에 대한 비중(specific gravity)을 가질 수 있다.
공기 구동 시스템은 프레임워크를 포함할 수 있다. 그러면, 부력 도관들 및 중력 분배 도관은 프레임워크에 의해 상부 구조(superstructure)를 형성하도록 유지될 수 있다. 부력 도관 및 중력 분배 도관에 의해 형성된 상부 구조들은, 예를 들어 빌딩 구조로 통합됨으로써 80 피트를 초과하는 높이들 및 수천 피트 정도의 높이들을 갖는 것으로 고려된다. 공기 구동 시스템은 독립적이거나 임의의 구조에 결합될 수 있다.
공기 구동 발전기가 상부 챔버를 포함하고, 부력 도관들의 상부 단부들이 상부 챔버를 통해 중력 분배 도관의 상부 단부와 유체 연통하는 경우, 공기 배출구가 공기 주입 시스템으로부터 주입되고 부력 도관들의 상부 단부들로부터 배출되는 공기의 배출을 허용하기 위해 상부 챔버 내에 배치될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 유기 랭킨 순환 발전기(Organic Rankin Cycle Generator)가 상부 챔버의 공기 배출구로부터 배출되는 공기를 수용하고, 따라서 시스템의 효율을 더 증가시키도록 배치될 수 있는 것이 더 개시된다.
전술한 논의는 이어지는 상세한 설명의 더 양호한 이해를 가능하게 하고 발명자의 기술에 대한 기여의 더 양호한 인식을 심어주기 위해 본 발명의 소정의 더 중요한 목표들 및 특징들을 광범위하게 개술한다는 것을 이해할 것이다. 임의의 특정 실시예 또는 그의 양태가 상세하게 설명되기 전에, 본 발명의 개념들의 구성 및 예시들의 다음의 상세들은 본 발명의 많은 가능한 표현들의 예들에 불과하다는 것이 명백하게 되어야 한다. 따라서, 제한 없는 그리고 첨부된 도면들을 참조하는 구현들 및 실시예들의 상세한 설명의 판독을 통해 본 발명의 추가적인 특징들 및 이익들이 명백할 것임이 분명할 것이다.
본 명세서 및 도면들을 검토한 후에 본 명세서에 개시된 공기 구동 발전기의 추가 상세들 및 특징들이 이 분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 공기 구동 발전기의 사시도이다.
도 2는 공기 구동 발전기의 정면도이다.
도 3은 공기 구동 발전기의 평면도이다.
도 4는 공기 구동 발전기의 베이스 부분의 사시도이다.
도 5는 공기 구동 발전기의 부분 단면 평면도이다.
도 6은 공기 구동 발전기의 베이스 부분의 정면도이다.
도 7은 공기 구동 발전기의 상부 부분의 사시도이다.
도 8은 공기 구동 발전기의 상부 부분의 평면도이다.
도 9는 공기 구동 발전기의 상부 부분의 정면도이다.
도 10은 본 명세서에 개시된 공기 구동 발전기의 대안 실시예의 사시도이다.
도 11은 도 10의 공기 구동 발전기의 정면도이다.
도 12는 도 10의 공기 구동 발전기의 평면도이다.
도 13은 도 10의 공기 구동 발전기의 베이스 부분의 사시도이다.
도 14는 도 10의 공기 구동 발전기의 베이스 부분의 정면도이다.
도 15는 도 10의 공기 구동 발전기의 부분 단면 평면도이다.
도 16은 랭킨 순환 발전기가 제거된 도 10의 공기 구동 발전기의 상부 부분의 사시도이다.
도 17은 다시 랭킨 순환 발전기가 제거된 도 10의 공기 구동 발전기의 상부 부분의 정면도이다.
도 18은 도 10의 공기 구동 발전기의 상부 부분의 부분 단면 평면도이다.
본 명세서에 개시된 공기 구동 발전기는 다양한 실시예들을 갖는다. 그러나, 이 분야의 기술자가 본 발명을 이해하고 적절한 경우에 본 발명을 실시할 수 있는 것을 보장하기 위해, 본 명세서에서 개시된 더 넓은 발명의 소정의 바람직한 실시예들이 아래에 설명되고 첨부 도면들에 도시된다. 따라서, 본 발명의 임의의 특정 실시예가 상세히 설명되기 전에, 본 발명의 개념들의 구성 및 예시들의 이하의 상세들은 본 발명의 많은 가능한 표현들의 예들일 뿐이라는 것이 분명하게 되어야 한다.
이것을 염두에 두고 더 구체적으로 첨부 도면들을 살펴보면, 본 명세서에 개시된 공기 구동 발전기의 실시예가 도 1 및 도 2에서 일반적으로 10으로 표시된다. 이 도면들에서, 공기 구동 발전기(10)는 가늘고 긴 중력 분배 도관(12)이 복수의 가늘고 긴 부력 도관(14A, 14B, 14C, 14D)에 유동적으로 결합된 폐쇄 루프 유체 시스템(closed-loop fluidic system)을 갖는다. 도시된 실시예에서, 부력 도관들(14A, 14B, 14C, 14D) 및 중력 분배 도관(12)은 상부 구조를 형성하기 위해 프레임워크(30)에 의해 상호 평행 관계로 유지된다. 4개의 부력 도관(14A-14D)이 이러한 예시적인 예에 포함되며, 더 적거나 더 많은 부력 도관(14A-14D)이 사용될 수 있다는 것이 이해된다.
공기 구동 발전기(10)는 부력 도관들(14A, 14B, 14C, 14D) 및 중력 분배 도관(12)이 수직 배치들을 가져서 각각의 도관(12, 14A-14D)이 상부 단부 및 하부 단부를 갖도록 구성되고, 설치되고 동작될 수 있다. 부력 도관들(14A-14D)의 상부 단부들은, 도관들(12, 14A-14D) 각각이 유동적으로 개방되는 상부 챔버(16)를 통해 중력 분배 도관(12)의 상부 단부와 유체 연통된다. 중력 분배 도관(12)의 하부 단부는 중앙 분배 도관(12)의 하부 단부에 있는 유체 분배기(26) 및 유체 반환 연결들에 의해 복수의 부력 도관(14A-14D)의 하부 단부들과 유체 연통한다. 도시된 실시예에서의 유체 반환 연결들은 열 교환기들(20A 내지 20D)을 포함한다. 본 발명의 이러한 예시적 실시에서의 중력 분배 도관(12) 및 부력 도관들(14A-14D)은 튜브형이지만, 다른 단면 형상들이 가능하다는 것을 이해할 것이다.
이러한 구성 하에서, 폐쇄 유체 루프가 형성된다. 부력 도관들(14A-14D)을 통해 위로 흐르는 유체는 부력 도관들(14A-14D)의 상부 단부들로부터 상부 챔버(16) 내로 그리고 중력 분배 도관(12)의 상부 단부 내로 공급될 것이다. 중력 분배 도관(12)을 통해 아래로 흐르는 유체는 분배 도관(12)의 하부 단부로부터 그리고 분배 도관(12)과의 유동적 결합을 통해 복수의 부력 도관(14A-14D)의 하부 단부들 내로 공급될 것이다.
공기 구동 발전기(10)는 중심선을 갖는 것으로 간주될 수 있다. 도시된 실시예에서, 중력 분배 도관(12)은 중심선을 따라 세로로 중심을 갖는다. 복수의 부력 도관(14A-14D)은 중력 분배 도관(12)에 평행하게 그리고 중심선 및 중력 분배 도관(12)을 중심으로 하는 주변 원 형상을 따라 균일하게 이격된다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 4개의 부력 도관(14A-14D)이 사용되는 경우, 그들은 중력 분배 도관(12)이 그들 사이에 중심을 갖는 사각 단면 형상으로 배치될 수 있다. 3개의 부력 도관(14)이 삼각형 구성으로 배치될 수 있고, 5개의 부력 도관(14)이 오각형 구성으로 배치될 수 있고, 기타 등등일 수 있다.
도 1-3 및 도 7-9를 조합 참조하여 이해될 수 있는 바와 같이, 이 표현의 상부 챔버(16)는 환형이고, 도관들(14A-14D)이 배치되는 사각형의 레그들의 길이보다 작은 직경을 갖고서 도관들(14A-14D)의 가늘고 긴 부분들의 내측에 측면으로 배치된다. 부력 도관들(14A-14D)은 상부 챔버(16)의 주변부와 만나도록 대략 직각으로 안쪽으로 돌아가는 상부 단부 부분들을 갖는다. 여기서, 부력 도관들(14A-14D)은 대체로 상부 챔버(16)의 원형 주변부에 대한 순차적인 접선들을 따라 상부 챔버(16)와 교차하는 외측 에지들을 갖는다. 따라서, 도관들(14A-14D)의 상부 단부들로부터 배출되는 유체는 분배 도관(12)의 상부 단부 내로 공급되기 전에 상부 챔버(16) 내에서 초기 회전 패턴을 따르는 경향이 있을 것이다.
유체 터빈 시스템이 부력 도관들(14A-14D)의 하부 단부들과 분배 도관(12)의 하부 단부 사이에 삽입된다. 유체 터빈 시스템은 분배 도관(12)의 하부 단부로부터 부력 도관들(14A-14D)의 하부 단부들로 횡단하는 유체에 구체화된 운동 에너지를 변환하도록 동작한다. 이 실시예에서의 유체 터빈 시스템은 이동 유체 내의 동력을 이용 가능한 전력, 예컨대 배터리 뱅크(44)에서와 같이 저장되거나, 전기적 연결(42)을 통해 출력될 전력으로 변환하도록 동작하는 회전 터빈 시스템이다. 도시된 실시예에서, 전용 유체 터빈(18A, 18B, 18C, 18D)이 분배 도관(12)의 하부 단부와 부력 도관들(14A-14D)의 각각의 하부 단부 사이에 삽입된다. 그와 함께, 분배 도관(12)의 하부 단부로부터 제1 부력 도관(14A)의 하부 단부로 흐르는 유체는 유체 터빈(18A)의 작동에 의해 전기 에너지를 생성할 것이고, 분배 도관(12)의 하부 단부로부터 제2, 제3 및 제4 부력 도관들(14B 내지 14D)의 하부 단부들로 흐르는 작업 유체는 유체 터빈들(18B 내지 18D) 각각의 작동에 의해 전기 에너지를 생성할 것이다.
전용 열 교환기(20A 내지 20D)가 분배 도관(12)의 하부 단부와 부력 도관들(14A-14D)의 하부 단부들 사이에 추가로 유동적으로 삽입될 수 있다는 것이 추가로 개시된다. 도시된 공기 구동 발전기(10)의 실시예에서, 각각의 부력 도관(14A-14D)은 그 하부 단부에 90도 엘보우(right-angle elbow)를 갖는다. 엘보우들은 연속적인 도관들(14A-14D)을 향해 유사하게 각이 지고, 각각의 열 교환기(20A 내지 20D)는 그들에 결합된다. 제2의 90도 엘보우는 인접한 도관(14A-14D)의 열 교환기(20A 내지 20D) 안쪽의 내측 파이프 섹션에 연결되도록 안쪽으로 각지고, 각각의 유체 터빈(18A 내지 18D)은 중심선 및 분배 도관(12)에 방사상으로 배치되도록 직각으로 내측 파이프 섹션에 결합된다. 하나 이상의 밸브(32)가 부력 도관들(14A-14D)의 하부들과 분배 도관(12)의 하부 사이의 유체 경로를 따라 삽입될 수 있다.
부력 도관들(14A-14D) 내에 유지되는 작업 유체(100)의 컬럼들 내로 공기를 주입하기 위한 공기 주입 시스템이 제공된다. 이 예에서, 공기 주입기들(24A 내지 24D)은 공기를 도관들(14A-14D) 내에 배치된 유체의 컬럼들 내로 제공하기 위해 각각의 부력 도관(14A-14D)의 하부 부분들에 배치된다. 각각의 공기 주입기(24A 내지 24D)는 압축기(22)와 같은 공기 소스(22)로부터 공기를 수용하기 위해 그와 연관된 복수의 공기 라인(28A 내지 28D)을 갖는다. 압축기(22), 공기 주입기들(24A 내지 24D) 및 복수의 공기 라인(28A 내지 28D)은 예를 들어 압축기(22)의 자동화된 동작에 의해 간헐적 공기 주입기들로서 동작할 수 있다. 액체의 컬럼 내로 주입된 공기는 액체 내에서 부피를 차지하여, 다량의 액체를 변위시킨다. 도관들(14A-14D)을 통해 상승한 공기는, 예를 들어 상부 챔버(16) 내의 하나 이상의 공기 배출구(34)를 통해 공기 구동 발전기(10)로부터 방출될 수 있거나, 공기는 자체적으로 복구되고 재순환되거나 다른 방식으로 지향될 수 있다.
도 2에서와 같이, 액체(100) 내의 공기의 부력 및 액체(100)의 중량에 비해 공기의 더 가벼운 중량으로 인해, 도관들(14A-14D) 내의 재료의 총 중량은 감소되고, 공기는 액체(100) 내에서 빠르게 상승하는 경향이 있다. 또한, 도관들(14A-14D) 내의 결합된 공기 및 액체의 단위 부피당 중량인 밀도는 중력 분배 도관(12) 내의 액체의 밀도보다 작게 된다. 액체(100) 내의 공기의 상향 이동 및 중력 분배 도관(12) 내의 유체의 밀도와 비교되는 유동적으로 연결된 부력 도관들(14A-14D) 내의 유체들의 밀도들의 차이들은 중력 하에서 떨어지는 경향이 있는 중력 분배 도관(12) 내의 유체에 비해 부력 도관들(14A-14D) 내의 유체들의 상당한 상향 기동 흐름(motive flow)을 생성한다. 따라서, 공기 구동 발전기(10) 내의 액체(100)의 순환적인 폐쇄 루프 이동이 유도되고, 그러한 액체 이동의 운동 에너지는 출력 또는 저장을 위한 전력을 생성하기 위해 유체 터빈들(18A 내지 18D)에 의해 능동적으로 수확된다.
상부 챔버(16)는 중력 분배 도관(12)에 공급되는 유체가 적어도 실질적으로 기포를 갖지 않는 것을 보장하는 것을 목표로 각각의 부력 도관(14A-14D)으로부터 상승한 액체(100)로부터 혼입 공기를 제거하도록 설계된다. 상부 챔버(16)의 공기 분리(air separation) 양태에 의해, 중력 분배 도관(12) 내의 유체가 가능한 한 밀도가 높고, 따라서 공기 구동 발전기(10)의 연속적이고 효율적인 작동을 촉진한다. 따라서, 상부 챔버(16)에 의해 용이하게 된 공기 분리는 중력 분배 도관(12) 내의 액체를 최대 밀도 및 최적의 하향력을 달성하도록 유도함으로써, 헤드 압력 및 유체 흐름을 촉진하여 유체 터빈들(18A 내지 18D)을 구동하고 전력을 생성한다.
공기 구동 발전기(10)의 효율은 공기 혼입 제거 상부 챔버(16)에 의해 지원된다. 상부 챔버(16)는 공기 구동 발전기로 하여금 유체(100)로부터의 심지어 매우 작은 기포들의 그의 제거를 통해 그리고 그러한 공기 기포들이 중력 분배 도관(12) 아래로 끌리어 그 안의 유체(100)의 밀도를 바람직하지 않게 낮추는 것을 방지함으로써 높은 레벨의 효율로 연속적으로 동작하는 것을 가능하게 한다. 부력 도관들(14A-14n)의 상부 챔버(16) 내로의 접선 수용(tangential receipt)에 기초하여, 부력 도관들(14A-14n)로부터 수용된 유체(100) 및 공기의 수직 이동은 원심력 및 구심력을 받는 실질적 회전 이동으로 변환된다.
상부 챔버(16) 내의 유체(100)의 회전 이동은 챔버(16)의 상부 중심에 밀도가 낮은 유체(100)를 모으고, 챔버(16)의 외부 및 하부에 밀도가 높은 유체(100)를 모으는 경향이 있다. 한편, 중력 분배 도관(12)의 하향 흐름은 챔버(16)의 외측 하부로부터 오는 경향이 있다.
더욱이, 도 18에 도시된 바와 같이, 챔버(16)는 유체(100)의 회전 속도를 챔버(16)의 하부 중앙 부분 내의 배플들(38) 내로 지향시킬 수 있고, 여기서 유체(100)의 회전 속도는 층류의 하향 흐름 유체(100)로 변경된다. 이 프로세스는 방향 및 마찰의 변화 및 난류로 인한 손실을 최소화한다. 유체(100)의 하향 흐름으로부터의 함몰 우물(well of depression)을 방지하기 위해, 플레이트(40)가 배플들(38) 위에 배치된다. 플레이트(40)는 공기 또는 공기가 포획된 유체(100)의 흡인이 중력 분배 도관(12)으로 유입되는 것을 방지한다.
유체 온도를 상승시키기 위해 열 펌프들을 사용하는 것의 추가의 이익들은 배출 공기가 이제 주변 공기보다 훨씬 더 뜨거운 것을 포함한다. 이와 함께, 공기 구동 발전기(10)는 유기 랭킨 순환 발전기(ORC)(36)를 사용하여 정상적으로 주변 공기로 배출될 열 에너지를 복구할 수 있다. 그러한 실시예는, 예를 들어 유기 랭킨 순환 발전기(36)가 상부 챔버(16)의 공기 배출구(34)로부터 배기된 공기를 수용하도록 배치되는 도 10 및 11에 도시된다. 유기 랭킨 순환 발전기(36)는 환경으로 정상적으로 손실될 에너지의 10% 내지 15%를 복구하여 발전기(10)의 전체 성능을 더 증가시킬 것으로 예상된다. 따라서, 챔버(16)는 배기된 가열 공기를 배출구(34)를 통해 수집하여 그것을 유기 랭킨 순환 발전기(36) 내로 지향시켜, 낮은 등급의 폐열(waste heat)로부터 추가 에너지를 추출한다.
공기 구동 발전기(10) 및 그의 컴포넌트들의 전체 크기 및 상대적 비율들은 본 발명의 범위 내에서 변할 수 있다. 중력 분배 도관(12), 부력 도관들(14A-14D) 및 상부 챔버(16)에 의해 형성된 상부 구조의 높이는 부력 도관들(14A-14D) 내의 공기 변위 액체(air displacing liquid, 100)가 순수 차분 밀도(net differential density) 및 액체 이동을 생성하여 중력 분배 도관(12) 내의 헤드 압력을 발생시키는 것을 가능하게 하기에 충분해야 하며, 헤드 압력은 중력 분배 도관(12) 내의 액체의 밀도와 비교되는 부력 도관들(14A-14D) 내의 액체의 밀도의 차이에 비례하는 것으로 계산된다. 예를 들어, 본 발명의 하나의 비제한적인 실시에서, 공기 구동 발전기(10)는 80 피트를 초과하는 전체 높이를 갖지만, 높이가 수백 또는 심지어 수천 피트인 실시예들이 고려된다. 공기 구동 발전기(10)는 섹션별로 제조되고 현장에서 결합될 수 있다.
폐쇄 루프 발전기(10)는 연속적인 물 소스 또는 큰 면적의 전용 토지를 필요로 하지 않고 유리하게 동작한다. 폐쇄 루프 발전기(10)는 메가와트 상용 발전소를 포함하는 실질적으로 임의의 크기로 조정될 수 있다. 이러한 폐쇄 루프 시스템에서, 공기 주입된 부력 도관들(14A-14D)로부터 변위된 유체는 그렇게 수용된 유체를 유지하고 이를 하향 흐름 분배 도관(12)에 공급하여 각각의 유체 터빈(18A 내지 18D)을 구동할 만큼 충분히 큰 상부 챔버(16)로 상승한다. 유체의 더 높은 컬럼들은, 부력 도관들(14A-14D) 내에서 상승하는 공기의 체류 시간이 증가하여 변위를 증가시키고, 단위 시간당 전달되는 동일한 양의 공기에 대해 더 높은 헤드 압력 및 흐름을 생성하므로 더 높은 동작 효율을 유도할 것으로 고려된다. 더욱이, 공기 구동 발전기(10)는 지구 상의 거의 임의의 곳에 위치되어 화석 연료 소비를 감소시키고, 전력 그리드들(electrical power grids)에 대한 접근이 제한되는 영역들에서도 전기 에너지의 소스를 제공할 수 있다.
복수의 부력 도관(14A-14D) 및 그들의 서로에 대한 그리고 중앙에 배치된 중력 분배 도관(12)에 대한 구성은 주입된 공기를 수용하기 위한 액체 컬럼을 사용하여 달성될 수 있는 것에 비해 효율 및 동작에서의 이점들을 제공한다. 유체의 변위 및 헤드 압력의 발생은 임의의 액체 컬럼의 약 55%로 제한되는 것으로 밝혀졌으므로, 유체의 단일 부력 컬럼에서 발생할 수 있는 에너지의 양에 대한 제한이 존재한다. 또한, 헤드 압력 및 유체 흐름은 파이프 직경에 의해 제한될 수 있다. 이러한 제약들 때문에, 단일 부력 도관 구성으로 달성될 수 있는 전력 및 에너지 생성의 양에 대한 제한들이 존재한다. 반대로, 현재 개시된 공기 구동 발전기(10)는 복수의 부력 도관(14A-14n)의 조합 및 그로부터 흐르는 유체의 단일 하향 흐름 분배 도관(12)으로의 공급을 가능하게 한다. 각각의 부력 도관(14A-14n)은 최대 헤드 압력을 달성할 수 있고, 그러한 도관들(14A-14n)을 결합함으로써, 헤드 압력은 동일하게 유지될 수 있는 반면, 흐름은 그만큼 많은 유닛이 사용됨에 따라 2배, 3배, 기타 등등이 된다. 복수의 부력 도관(14)은 유체 터빈 시스템을 구동하기 위해 동일하거나 더 큰 단면 체적을 갖는 단일 분배 도관(12)과 협력한다.
더 많은 전력 생산에 의해, 공기 구동 발전기(10)의 경제성은 더 큰 터빈들(18A 내지 18D) 및 더 큰 효율을 보이면서 킬로와트 전기 생성당 비용이 감소되는 관련 전기 생성 장비로 개선될 수 있다. 독립적으로 동작하는 부력 도관들(14A-14n)의 중복성(redundant nature)으로 인해, 개별 오동작들의 영향들이 최소화될 수 있고, 공기 구동 발전기(10)의 부분들은 전체 발전기(10)를 셧다운하지 않고 격리, 수리 및 유지될 수 있다. 실제로, 중복되는 터빈들(18A 내지 18n) 및 전체 유닛들은, 예를 들어 진행중인 설비 동작을 허용하면서 장비 장애 또는 일상적인 유지보수 동작의 경우에 작동하도록 독립적으로 추가, 제거, 수리 및 유지될 수 있다.
공기 구동 발전기 내의 작업 유체(100)는 개선된 성능을 위해 선택될 수 있다. 이와 관련하여, 소정 레벨들의 헤드 압력들이 달성되어야 하는 경우, 타워 공기 구동 발전기(10)는 메가와트 크기의 시스템들을 위해 수백 내지 수천 피트 높이를 가질 필요가 있을 수 있다는 것이 이해된다. 이러한 구조들은 제조의 비용 및 복잡성을 크게 증가시킬 것이고, 위치들의 제한 및 규제 승인 달성의 어려움을 부과할 것이다. 그러면, 공기 구동 발전기(10)의 필요한 높이를 감소시키기 위해, 물의 밀도보다 3배 내지 4배 높은 밀도를 갖는 물 기반 고밀도 재료와 같은 매우 밀도가 높은 액체는 공기 구동 발전기(10)가 유사한 전력 생산을 달성하면서 비례적으로 감소된 높이로 구성되는 것을 가능하게 할 것이다. 공기 구동 발전기(10)에서 사용하기 위해 고려되는 매우 밀도가 높은 액체는 또한 더 큰 점도를 나타낼 수 있고, 그에 따라 액체(100)를 통한 공기의 통과를 느리게 하고, 체류 시간, 유체 흐름 및 전력 생산을 증가시킬 수 있다. 매우 밀도가 높은 액체는 더 큰 파이프들 내의 더 높은 헤드 압력들을 가능하게 한다. 매우 밀도가 높은 액체(100)는 추가로 윤활제로서 작용하여 액체(100)의 이동에 대한 마찰 저항을 낮추고 전체 효율을 증가시킨다. 액체(100)는 매우 낮은 연마재 함량(abrasive content)을 갖고, 비부식성(non-corrosive)이며, 이에 의해 파이프들 및 장비의 마모를 낮춘다. 또한, 고밀도 유체(100)의 비등점 및 증기압은 증기 손실을 제어하는 것을 돕기 위해 더 높을 수 있다.
공기 구동 발전기(10)가 청구항들에 의해 명백히 제한될 수 있는 것을 제외하고는, 다양한 작업 유체들(100)이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다. 예시적인 예로서, 작업 유체(100)의 일 실시예는 다음의 중량부(parts by weight): 2.5 내지 4의 물: 1 내지 3의 콜로이드 현탁액의 벤토나이트 클레이; 1 내지 5의 가중 재료(weighting material)로서의 황산 바륨; 0.5 내지 4.5의 50 내지 200 메시 크기(mesh size)의 가중 재료로서의 원소 철; 특히 0.25 내지 1.5의 겔 제어(gel control)로서의 염들; 및 0.20 내지 1의 pH 제어로서의 수산화칼슘을 가질 수 있다.
그렇게 구성된 작업 유체(100)는 사용된 식(formula)에 따라 입방 피트당 190 내지 240 파운드의 중량으로 밀도가 매우 높다. 작업 유체(100)는 훨씬 더 낮은 최종 점도를 갖는 황산 바륨 단독보다 상당히 더 큰 밀도를 갖는 것으로 계산된다. 또한, 작업 유체(100)는 단독으로 취해진 황산 바륨보다 덜 마모성이며, 탄소강, 황동, 구리, 청동 및 이러한 재료들의 조합에 비부식성이다.
다른 염들이 작용하며, 본 발명의 범위 내에서 유사한 부식 억제제로서 작용하고, 사용될 수 있는 겔 형성을 방해할 것이라는 점에 명백히 유의한다. 또한, 원소 철의 메시 크기는 상이한 윤활 특성들 및 마모 저항을 달성하도록 선택될 수 있다. 또한, 공기 구동 발전기(10)에서 사용되는 재료들에 따라, 염들은 작업 유체(100)가 재료들 또는 재료들의 조합과 호환 가능하도록 조정 또는 변경될 수 있다. 현재 고려되는 염들은 염화칼슘 및 황산 마그네슘을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 작업 유체(100)는 바람직하게는, 특히 증발을 제어하기 위해 증가된 비등점을 보이면서 동결에 저항력을 가질 것이다. 작업 유체(100)의 컴포넌트들은 바람직하게는 연장된 기간 동안 현탁 상태로 유지될 것이다.
발전기(10)의 공기 구동 속성 및 시스템이 동작하는 기반인 압축 공기를 생성하기 위한 에너지에 대한 요구를 고려하여, 공기 압축 시스템이 공기 소스(22) 내에 포함되거나 그에 결합될 수 있는 것이 추가로 고려된다. 공기 압축 시스템 하에서, 교번 기계 압축기들 및 열 펌프들은 단열 열(adiabatic heat)을 제거하고 배압(backpressure)을 낮춘다. 결과적으로, 공기를 압축하는 데 필요한 에너지가 감소된다. 이러한 시스템은 본 명세서에 참고로 통합되는, 2018년 1월 18일자로 출원된 본 발명자의 출원 제62,618,720호에 개시되어 있다. 공기 압축 시스템은 기계적 압축기들의 필요한 에너지를 약 60%만큼 낮추는 것으로 계산된다. 이러한 에너지 절약분들 중 일부는 열 펌프 압축기들에 의해 사용되지만, 열 펌프들이 평균 8 이상의 높은 성능 계수(coefficients of performance, C0P)로 열을 제거하기 위해 사용되기 때문에, 필요한 에너지의 총량은 여전히 전통적인 압축기보다 낮은 것으로 계산된다. 또한, 열 펌프들은 그들이 한 장소에서 다른 장소로 매우 효율적으로 열을 이동시킨다는 점에서 이점을 갖는다. 그에 의해, 열은 각각의 유체 터빈(18A 내지 18D)을 통과한 후에 유체(100)를 수용하도록 배치된 열 교환기들(20A 내지 20D)의 동작에 의해 공기 구동 발전기(10) 내의 유체(100)로 반환될 수 있으며, 이는 손실된 단열 열의 교체를 용이하게 하여 정상 상태(steady state)에서 동작하는 공기 구동 발전기(10)의 성능을 유지할 수 있다. 열 펌프들은 또한 압축되는 공기에 포함된 수증기의 응축 및 마찰로 인한 열을 수집할 수 있다. 단열 열이 반환될 수 있을 뿐만 아니라 그러한 조합은 발전기(10)에 약 25% 더 많은 에너지를 반환할 수 있는 것으로 계산된다. 이러한 추가 에너지는 액체(100)의 온도를 동작 분당 평균 화씨 약 0.6도 상승시키는 것으로 계산되었다. 이것은 입력 에너지가 출력 에너지와 동일한 평형에 도달할 때까지 전체 시스템의 온도를 점진적으로 증가시킬 것이다. 주변 조건들에 따라, 그러한 평형은 화씨 약 170 내지 200도이다. 유체(100)의 온도의 결과적인 증가는 유체(100) 내의 공기가 약 35% 과잉 팽창되게 하고, 발전기(10) 내의 유체(100)의 변위를 증가시킨다. 유체(100)의 변위의 이러한 증가는 전력 출력을 직접 증가시킨다. 따라서, 압축 시스템의 열 펌프 부분에서 사용되는 에너지는 발전기(10)의 전체 전력을 증가시키기 위해 사용된다.
이와 관련하여, 통상의 단일 스테이지(single-stage) 압축기에서는 공기가 하나의 단계에서 원하는 psi로 압축되는 것이 이해될 것이다. 열 형태의 에너지의 방출 모두는 압축 공기와 함께 머물지만, 압력 및 부피는 변했다. 이것은 증가된 온도가 압축기에 배압을 인가하고, 이는 압축기에서 더 많은 에너지를 사용한다는 것을 의미한다. 2 스테이지 압축기에서, 공기는 단열 열의 일부를 제거하기 위해 제1 스테이지와 제2 스테이지 사이에서 냉각된 공기이다. 단열 열의 제거는 제2 스테이지에서 압축기 상의 배압을 낮추고, 따라서 공기를 압축하기 위한 에너지를 낮춘다. 그것은 제거될 필요가 있는 단열 열의 양을 낮추지 않는다. 그것은 방출된 열의 배압의 일부가 에너지를 사용하지 않는 공랭식 인터쿨러(air-cooled intercooler)에 의해 제거되기 때문에 압축기의 전기 에너지만을 낮춘다. 그로 인해, 압축기에 더 적은 에너지가 인가되어야 한다. 추가의 이점은 3 스테이지 압축기로 얻을 수 있다. 이러한 프로세스들에서, 제거되는 열은 통상적으로 주변 공기 내로 소산된다.
본 발명 하에서, 인터쿨러들에서 압축 공기로부터 열을 제거하기 위해 열 펌프들을 사용하여, 예를 들어 공기 소스(22)에 의해 공기 압축 순환이 사용될 수 있다. 인터쿨러를 냉각하기 위해 열 펌프들을 사용함으로써, 이전 순환으로부터의 인입 압축 공기가 주위 공기 온도보다 낮추기 위해 사용될 수 있다. 이것은 기계적 공기 압축기들에 의한 공기 압축에 필요한 에너지를 50% 내지 60% 낮추는 것으로 계산된다. 압축 순환들의 수를 증가시킴으로써, 열 펌프들의 성능 계수(C0P)는 8 위로 높게 유지될 수 있다. 이에 따라, 콘덴서에 전송되는 8개의 열 단위(units of heat) 각각에 대해, 열 펌프 압축기는 1 전기 단위(unit of electricity)만을 사용하며, 이는 또한 열의 형태이다. 이것은 단열 열뿐만 아니라 공기 압축기들의 마찰로 인한 기계적 열 손실의 포획을 가능하게 한다. 이어서, 수확된 열은 재지향될 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 온도는 각각의 순환이 온도를 상승시키는 캐스케이딩 열 펌프 시스템에 의해 더 높은 등급의 사용 가능 온도 범위로 상승될 수 있다. 각각의 순환에서, 더 많은 에너지가 사용되지만, 에너지는 또한 나중에 프로세스에서 사용되도록 열 펌프들에 의해 포획되며, 따라서 에너지 손실이 감소하거나 제거된다.
열 펌프들은 또한 압축 공기의 다른 문제, 즉 수증기 문제를 해결한다. 대부분의 공기는 소정의 수증기를 포함한다. 압축 프로세스는 물이 응축되게 한다. 이것은 응축 열을 방출하고, 이는 공기 압축기에 대해 배압을 인가하고 압축기에 의해 요구되는 에너지를 증가시킨다. 여름에는, 상대 습도가 매우 높을 수 있고, 이는 공기를 압축하는 데 필요한 에너지의 양을 상당히 증가시킬 수 있다. 인터쿨러들에서 적절한 크기의 열 펌프들을 사용함으로써, 여분의 방출된 에너지가 포획되고, 공기 압축기들에 필요한 전기가 낮게 유지된다. 이제, 그러한 대량의 포획된 에너지가 발전기(10)의 전력 출력을 증가시키기 위해 프로세스에서 나중에 사용될 수 있다.
따라서, 공기 구동 발전기(10)는 압축 공기를 이동하는 고밀도의 낮은 항력의 유체(low drag fluid, 100)로 변환하여 폐쇄 루프 시스템에서 유체 터빈 시스템을 구동한다. 고압 공기가 유체(100) 내로 주입되어 유체(100)를 변위시키고 부력 도관들(14A-14D) 내에 상향 부력을 생성한다. 유체(100)의 컬럼들이 위로 이동함에 따라, 압력은 감소하고, 변위된 유체(100)의 부피는 비례적으로 증가한다. 부력 도관들(14A-14D)에서의 공기에 의한 유체(100)의 모든 변위의 합은 전체 부력을 형성한다. 움직이는 물체의 운동 에너지는 질량과 속도의 곱에 기초하여 계산된다. 유체 터빈들(18A 내지 18D)에 의해 전기로 변환되는 데 이용 가능한, 중력 분배 도관(12) 내에서 떨어지는 이동 유체(100)에서 이용 가능한 에너지는 이동 유체(100)의 밀도와 액체 흐름 부피와 액체(100)가 떨어지는 높이 또는 헤드와 중력 가속도의 곱에 기초하여 계산될 수 있다. 실제로 수확되는 에너지는 전술한 계산치와 에너지 변환 효율의 곱이다.
공기 소스(22)에 의해 제공되고 공기 주입기들(24A 내지 24D)을 통해 주입되는 공기에 의해 유체(100)의 총 변위를 증가시키고, 결국 터빈 발전기들(18A 내지 18D)의 전력 출력을 증가시키기 위해, 단열 프로세스로부터의 수집된 열은 터빈 발전기들(18A 내지 18D)을 통한 흐름 뒤에 그러나 공기 주입기들(24A 내지 24D)의 위치 전에 수증기의 응축 및 유체(100) 내로의 기계적 열 손실과 함께 다시 축적될 수 있다.
열 주입은 단열 프로세스를 통해 손실된 열을 대체하고, 따라서 공기 구동 발전기(10)는 안정 상태로 유지되지만, 여분의 열은 외부 대기 조건들에 따라 유체(100)의 온도를 동작 분당 화씨 0.6도 내지 1.5도 상승시키기 시작한다. 시스템의 열이 증가함에 따라, 유체 변위가 증가하고 에너지 출력이 증가한다. 이러한 상황에서, 배출 공기 온도 및 수증기의 증가로 인한 열 에너지 손실의 레이트도 증가하는 경향이 있을 것이다. 전체 시스템은 결국 입력 에너지 대 출력 에너지의 평형에 도달할 것이다. 에너지 생산의 증가는 단열 열 이상으로 수집된 모든 추가 에너지에서 터빈 효율을 뺀 것의 등가물과 동일한 것으로 계산된다.
공기 구동 발전기(10)의 동작에서, 배출 공기의 온도는 주위의 주변 공기 온도보다 상당히 더 높을 것이다. 뜨거운 공기가 주변 대기 내로 소산되기 전에 낮은 등급의 열을 전기로 변환하기 위해 유기 랭킨 순환 발전기(36)가 이용될 수 있다. 배출 공기 온도가 화씨 100도 이상 증가함으로써, 추가 에너지의 10% 내지 15%가 유기 랭킨 순환 발전기(36)를 사용하는 전기 생산에서 다시 포획될 수 있다.
공기 구동 발전기(10)의 예측된 성능을 릴레이하기 위해 다수의 계산이 제공될 수 있고, 실제 성능에 대한 어떠한 표현도 의존되도록 의도되지 않는다는 것이 이해된다. 공기 구동 발전기가 표준 압축기를 사용하는 경우, 100 KW당 약 90 KW가 폐쇄 루프 발전 시스템에 입력될 것으로 계산된다. 그러나, 압축기의 기계적 항력으로 인해, 100 KW의 공기를 만들기 위해서는 습한 공기보다 훨씬 더 큰 건조한 공기로는 115 KW가 필요하다. 이것은 25 KW의 손실을 산출하는데, 이는 저장을 위한 양호한 배터리를 만들지만 전력을 생성하기 위해서는 그렇지 못하다. 그럼에도 불구하고, 본 발명자의 공기 압축 시스템의 사용은 50 KW의 전력의 순수 이득(net gain)을 유발하는 100 KW의 공기를 만들기 위해 40 KW만을 필요로 하는 것으로 계산된다. 또한, 기계적 항력 및 수증기로부터의 여분의 열이 수집되어 폐쇄 루프 시스템에서 사용되어 유체(100)의 온도를 상승시키고, 계산된 바와 같이, 35% 더 많은 전력 또는 32 KW를 생성할 수 있다. 총 50 KW 플러스 32 KW 또는 82 KW의 순수 이득이 예측된다. 또한, 뜨거운 배출 공기는 에너지를 포함한다. 유기 랭킨 순환 발전기(ORC)(36)를 사용하여, 추가적인 15% 또는 12 KW의 전력이 포획되어 94 KW의 총 순수 이득을 생성할 수 있다. 표준 20% 효율 손실을 이용하여, 75 KW의 전력의 순수 이득이 예측된다. 전체 크기의 파일럿 시스템은 이 계산된 에너지 중 얼마가 실제로 복구될 수 있는지를 이해하도록 구성되어야 하고, 본 개시의 어느 것도 성능의 단언적 표현으로서 해석되거나 의존되지 않아야 한다고 생각된다.
개시된 공기 구동 발전기(10)에 대한 본 발명의 소정 상세들 및 실시예들과 관련하여, 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고서 그들에 대한 다수의 변경 및 추가가 이루어질 수 있다는 것이 이 분야의 기술자에 의해 이해될 것이다. 이것은 특히, 현재 바람직한 실시예들이 본 명세서에 개시된 더 넓은 발명을 예시할 뿐이라는 것을 염두에 두는 경우에 사실이다. 따라서, 본 발명의 주요 특징들을 염두에 두는 사람들은 바람직한 실시예들에 포함되는 모든 특징들을 포함하지 않으면서 그러한 주요 특징들을 포함하는 실시예들을 생성할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
따라서, 이하의 청구항들은 본 발명자에게 제공될 보호의 범위를 정의하도록 의도된다. 이 청구항들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한 등가 구성들을 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 또한, 복수의 다음의 청구항들은 때때로 구조 또는 재료의 기재 없이 소정의 요소들을 특정 기능을 수행하기 위한 수단으로서 표현할 수 있다는 점에 더 유의해야 한다. 법 요구들로서, 이 청구항들은 본 명세서에서 명시적으로 설명된 대응하는 구조 및 재료뿐만 아니라, 현재 공지되어 있거나 이후에 발견될 수 있는 그들의 모든 균등물들도 커버하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (22)

  1. 작업 유체의 이동으로부터 전력을 생성하기 위한 공기 구동 발전기(10)로서,
    상기 공기 구동 발전기(10)는:
    상부 단부 및 하부 단부를 갖는 가늘고 긴 중력 분배 도관(12);
    복수의 가늘고 긴 부력 도관(14A-14D)으로서, 각각의 부력 도관은 상부 단부 및 하부 단부를 갖고,
    상기 부력 도관들(14A-14D)의 상기 상부 단부들은 상기 중력 분배 도관(12)의 상기 상부 단부와 유체 연통하고, 상기 중력 분배 도관(12)의 상기 하부 단부는 상기 복수의 부력 도관(14A-14D)의 상기 하부 단부들과 유체 연통하고, 그에 따라 폐쇄 유체 루프가 상기 부력 도관들(14A-14D)과 상기 중력 분배 도관(12) 사이에 형성되어, 상기 부력 도관들(14A-14D)의 상기 상부 단부들로부터 흐르는 작업 유체는 상기 중력 분배 도관(12)의 상기 상부 단부에 공급되고, 상기 중력 분배 도관(12)을 통해 아래로 흐르는 작업 유체는 상기 분배 도관의 상기 하부 단부로부터 상기 복수의 부력 도관(14A-14D)의 상기 하부 단부들 내로 공급되는, 부력 도관(14A-14D);
    상기 중력 분배 도관(12)의 상기 하부 단부와 상기 부력 도관들(14A-14D)의 상기 하부 단부들 사이에 유동적으로 삽입된 유체 터빈 시스템(18A-18D); 및
    상기 부력 도관들(14A-14D) 각각 내로 공기를 주입하도록 동작하는 공기 주입 시스템(24A-24D)
    을 포함하며,
    이에 따라, 상기 부력 도관들(14A-14D) 내에 배치된 작업 유체 내로의 공기의 주입은 상기 부력 도관들(14A-14D) 내의 상기 작업 유체의 상향 흐름을 유도하는 경향이 있을 것이고, 이에 따라, 상기 중력 분배 도관(12)의 상기 상부 단부에 공급되는 작업 유체는 상기 유체 터빈 시스템(18A-18D)을 작동시키기 위해 상기 중력 분배 도관(12) 내에서 하향 흐름을 가질 것인 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 공기 주입 시스템은 각각의 부력 도관(14A-14D)에 결합된 하나 이상의 공기 주입기(24A-24D)를 각각의 부력 도관(14A-14D)에 결합된 상기 하나 이상의 공기 주입기(24A-24D)에 결합된 압축 공기의 소스(22)와 조합하여 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  3. 제1항에 있어서, 상기 공기 구동 발전기(10)는 상부 챔버(16)를 더 포함하며, 상기 부력 도관들(14A-14D)의 상기 상부 단부들은 상기 상부 챔버(16)를 통해 상기 중력 분배 도관(12)의 상기 상부 단부와 유체 연통하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  4. 제3항에 있어서, 상기 상부 챔버(16)는 실질적으로 환형인 측벽을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  5. 제4항에 있어서, 각각의 부력 도관(14A-14D)의 상기 상부 단부는 비방사 방향으로 상기 상부 챔버(16)와 만나는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  6. 제5항에 있어서, 상기 부력 도관들(14A-14D)의 상기 상부 단부들은 적어도 부분적 접선 방향으로 상기 상부 챔버(16)와 만나는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  7. 제5항에 있어서, 상기 부력 도관들(14A-14D)의 상기 상부 단부들은 직렬로 거의 동일한 비방사 각도들로 상기 상부 챔버(16)와 만나며, 이에 따라 상기 부력 도관들(14A-14D)의 상기 상부 단부들로부터 배출되는 작업 유체는 상기 상부 챔버(16) 내에서 초기 회전 패턴을 따르는 경향이 있을 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  8. 제7항에 있어서, 상기 공기 구동 발전기(10)는 상기 상부 챔버(16) 내에 배플 구조(38)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  9. 제1항에 있어서, 상기 중력 분배 도관(12)은 세로 중심선을 가지며, 상기 부력 도관들(14A-14D)은 상기 세로 중심선을 중심으로 하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  10. 제9항에 있어서, 상기 부력 도관들(14A-14D) 및 상기 중력 분배 도관(12)은 실질적으로 평행한 배치들을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  11. 제10항에 있어서, 4개의 부력 도관(14A-14D)이 존재하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  12. 제11항에 있어서, 상기 4개의 부력 도관(14A-14D)은 사각형 구성으로 배치되는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  13. 제1항에 있어서, 상기 중력 분배 도관(12)의 상기 하부 단부는 유동적 반환 연결들(20A-20D)과 조합하여 상기 중력 분배 도관(12)의 상기 하부 단부에 배치된 유체 분배기(26)를 통해 상기 복수의 부력 도관(14A-14D)의 상기 하부 단부들과 유체 연통하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  14. 제1항에 있어서, 상기 공기 구동 발전기(10)는 상기 중력 분배 도관(12)의 상기 하부 단부와 각각의 부력 도관(14A-14D)의 상기 하부 단부 사이에 삽입된 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  15. 제1항에 있어서, 상기 유체 터빈 시스템(18A-18D)은 상기 중력 분배 도관(12)의 상기 하부 단부와 각각의 부력 도관(14A-14D)의 상기 하부 단부 사이에 유동적으로 삽입된 유체 터빈을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  16. 제1항에 있어서, 상기 공기 구동 발전기(10)는 상기 부력 도관들(14A-14D)과 상기 중력 분배 도관(12) 사이에 형성된 상기 폐쇄 유체 루프 내에 배치된 작업 유체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  17. 제16항에 있어서, 상기 작업 유체는 1 보다 큰 물에 대한 비중을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  18. 제17항에 있어서, 상기 작업 유체는 적어도 2의 물에 대한 비중을 갖는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  19. 제1항에 있어서, 상기 공기 주입 시스템은 각각의 부력 도관(14A-14D)에 결합된 하나 이상의 공기 주입기(24A-24D)를 각각의 부력 도관(14A-14D)에 결합된 상기 하나 이상의 공기 주입기(24A-24D)에 결합된 압축 공기의 소스(22)와 조합하여 포함하며, 상기 압축 공기의 소스(22)는 교번 기계 압축기들 및 열 펌프들의 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  20. 제1항에 있어서, 상기 공기 구동 발전기(10)는 프레임워크(30)를 더 포함하며, 상기 부력 도관들(14A-14D) 및 상기 중력 분배 도관(12)은 상기 프레임워크(30)에 의해 유지되어 상부 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  21. 제1항에 있어서, 상기 공기 구동 발전기(10)는 상부 챔버(16)를 더 포함하고, 상기 부력 도관들(14A-14D)의 상기 상부 단부들은 상기 상부 챔버(16)를 통해 상기 중력 분배 도관(12)의 상기 상부 단부와 유체 연통하며, 상기 상부 챔버(16)는 상기 공기 주입 시스템(24A-24D)으로부터 주입되고 상기 부력 도관들(14A-14D)의 상기 상부 단부들로부터 배출되는 공기의 방출을 가능하게 하기 위한 공기 배출구(34)를 갖는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
  22. 제21항에 있어서, 상기 변형가능한 구조(10)는 상기 상부 챔버(16)의 상기 공기 배출구(34)로부터 배출되는 공기를 수용하도록 배치된 유기 랭킨 순환 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 구동 발전기(10).
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