KR20200107928A - 땅 안으로부터 열을 이용하여 전기를 생성하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20200107928A
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테오도르 에스. 섬랄
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에이치엠에프에스에프 아이피 홀딩스, 엘엘씨
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Abstract

지열 형성부로부터 에너지를 생산하기 위한 시스템 및 방법. 열 교환기는 지열 형성부로부터 열을 흡수하기 위한 우물 내에 배치될 수 있다. 열 교환기는 높은 열 전도성 물질을 사용하여 우물 안에 지지될 수 있다. 열 교환기는 2차 열 교환기 및 터빈을 구비하는 유기 랭킨 사이클 엔진에 연결된다. 1차 및 2차 열 전달 유체들은 유기 랭킨 사이클의 효율을 최대화하기 위해 선택된다.

Description

땅 안으로부터 열을 이용하여 전기를 생성하는 시스템 및 방법
땅 안으로부터 열을 이용하여 전기를 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반 사람들에 의해 소비되고 이용되는 전기를 생성하기 위한 종래의 시스템들은 원자력, 화석 연료 동력 증기 생성 플랜트들 및 수력을 포함한다. 이러한 시스템들의 운용 및 유지는 비용이 많이 들고, 상당한 천연 사원들을 이용하며, 경우에 따라서 탄화수소 연소 또는 폐 핵연료봉 폐기를 통해 과도한 오염을 초래할 수 있다. 또한, 태양열 및 풍력 시스템들과 같은 재생 가능한 에너지 자원들 조차도 일부 지역들에서는 하루 평균 몇 시간 동안만 작동하는 반면, 지열 시스템들은 필요에 따라 대략적으로 연중 무휴의 기반으로(24/7 basis) 운용할 수 있다.
따라서, 석유 물질(material)들의 수임이나 수십억 달러 규모의 플랜트들의 건설에 의존하지 않고 대략적으로 24/7 이용 가능한, 청정 전력을 저렴하게 생성하기 위한 시스템 및 방법이 당 업계에 요구된다. 땅(earth) 안으로부터 열을 이용하여 전기를 생성하기 위한 시스템 및 방법에 대한 요구가 있다.
본 명세서에서 설명된 일 양태에서, 지열 에너지 시스템은, 우물(well) 안에 마련된 1차 열 교환기 -상기 우물은 지열 형성부(geothermal formation) 안의 열 캐리어(heat carrier) 및 지열 피처(geothermal feature)에 접촉하고, 상기 1차 열 교환기는 상기 1차 열 교환기의 열 캐리어로부터 열을 흡수하기 위한 제 1 열 전달 유체를 수용함-; 상기 1차 열 교환기와 열 소통하는(in thermal communication with) 2차 열 교환기 -상기 2차 열 교환기는 제 2 열 전달 유체를 수용하고, 상기 제 1 열 전달 유체 및 제 2 열 전달 유체는 서로 분리되어 유지되고(maintained separate from each other), 상기 제 2 열 전달 유체는 물의 인화점 보다 낮은 인화점을 가짐-; 상기 2차 열 교환기와 유체 소통하는 터빈 -상기 제 2 열 전달 유체는 상기 2차 열 교환기에서 기화되고, 기화된 제 2 열 전달 유체는 상기 터빈 내 작동 유체임-; 및 상기 터빈에 연결되는 생성기 -상기 생성기는 상기 터빈의 움직임에 기초하여 전기를 생성함-;를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 상기 1차 열 교환기는 공급 부분 및 복귀 부분을 포함하고, 상기 공급 부분은 상기 지열 피처와 열 소통하는 쉘을 포함하고, 상기 복귀 부분은 상기 공급 부분의 쉘 안에 동심으로(concentrically) 위치된다.
일부 실시 예들에서, 상기 복귀 부분은 단열 파이프를 포함하고, 상기 단열 파이프는 상기 1차 열 교환기의 공급 부분 내 비교적 더 저온인 제 1 열 전달 유체로부터 상기 복귀 부분 내 고온인 제 1 열 전달 유체를 단열시킨다.
일부 실시 예들에서, 상기 단열 파이프는 복수 개의 집중기(centralizer)들을 통해 상기 1차 열 교환기의 쉘 안에 매달려(suspend) 있고, 상기 집중기들은 상기 1차 열 교환기 안에 마련되어, 1차 열 교환 유체는 상기 복수 개의 집중기들과 접촉한다.
일부 실시 예들에서, 상기 복수 개의 집중기들은 상기 단열 파이프의 외부 표면에 연결되고, 상기 쉘의 내부 표면에 연결되지 않는다.
일부 실시 예들에서, 단열 복귀 파이프는 상기 공급 부분의 쉘의 바닥 부분 부근에 위치되는 제 1 단과, 상기 2차 열 교환기에 연결되는 제 2 단을 구비하고, 상기 단열 복귀 파이프의 제 1 단은 폐쇄되어 있고, 그 내부에 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 공급 부분으로부터 상기 단열 복귀 파이프 내로 유동하게 허용하는 복수 개의 천공(perforations)들을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 쉘은 우물 케이싱을 포함하고, 상기 케이싱은 상기 우물 안에 마련되는 복수 개의 케이싱 세그먼트들을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 상기 복수 개의 집중기들은 상기 케이싱 세그먼트들 사이의 접합부들에서 상기 케이싱의 내부 표면에 연결된다.
일부 실시 예들에서, 상기 1차 열 교환기는 높은 열 전도성을 갖는 시멘트 또는 그라우트에 의해 상기 우물 안에 지지된다.
일부 실시 예들에서, 상기 1차 열 교환기는 복수 개의 지지 칼라들에 의해 상기 우물 안에 지지된다.
일부 실시 예들에서, 상기 1차 열 교환기는 해저 또는 땅의 표면 또는 그 부근에 매달린다.
일부 실시 예들에서, 상기 열 캐리어는 벽의 내부 표면 및 상기 1차 열 교환기의 외부 표면 사이에 삽입된 열 전도성 물질을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 상기 열 캐리어는 상기 지열 형성부 안에서 유동 가능한 브라인이다.
일부 실시 예들에서, 상기 복수 개의 지지 칼라들 각각은 제 1 단 및 제 2 단을 포함하고, 상기 복수 개의 지지 칼라들의 제 1 단들은 상기 우물의 내부 벽에 고정되게 연결되고, 상기 복수 개의 지지 칼라들의 제 2 단들은 상기 복수 개의 지지 칼라들의 대응하는 제 1 단들보다 상기 우물에서 더 높은 지점에서 상기 1차 열 교환기의 외부 쉘에 접촉한다.
일부 실시 예들에서, 상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 우물의 바닥 위의 포지션에서 상기 1차 열 교환기의 외부 쉘을 지지한다.
일부 실시 예들에서, 상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 우물 안에 마련되어, 상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 지열 형성부 내 상기 열 캐리어와 접촉하고, 상기 열 캐리어는 상기 복수 개의 지지 칼라들 주위로 유동하여 상기 1차 열 교환기에 접촉한다.
일부 실시 예들에서, 쉘은 상기 쉘의 우물-마주하는 표면 상에 안티-스케일링 코팅(anti-scaling coating)을 포함하고, 상기 코팅은, 이온 결합 부위의 형성을 방지하여 스케일 형성을 방지하고 부식을 억제하는 매우 매끄러운 비-금속 물질을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 쉘은 상기 쉘의 우물-마주하는 표면 상에 안티-스케일링 코팅을 포함하고, 상기 코팅은, 화학 기상 증착 또는 기상 증착 합금을 통해 적용되는 붕소 또는 탄소와 같은, 비-금속 물질을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 쉘은 상기 쉘의 우물-마주하는 표면 상에 안티-스케일링 코팅을 포함하고, 상기 코팅은, 부식 및 스케일링을 지연시키기 위해 상당한 양의 sp3 혼성화 탄소(sp3 hybridized carbon)를 구비하는, 비정질 탄소 물질(amorphous carbon material)을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 쉘은 상기 쉘의 우물-마주하는 표면 상에 안티-스케일링 코팅을 포함하고, 상기 코팅은 스케일링 및 부식을 방지하거나 최소화하기 위해, 질화 탄소 및 질화 붕소를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 쉘은 상기 쉘의 우물-마주하는 표면 상에 안티-스케일링 코팅을 포함하고, 상기 코팅은 스케일링 및 부식을 저항하는 높은 열 전도성 세라믹을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 상기 제 1 열 전달 유체는 나노 유체이다.
본 명세서에서 설명된 다른 양태에서, 지열 에너지를 이용하여 전기를 생성하는 방법은, 우물 안에 마련된 1차 열 교환기 내로 제 1 열 전달 유체를 이동시키는 단계 -상기 우물은 지열 형성부 안의 열 캐리어 및 지열 피처에 접촉함-; 상기 제 1 열 전달 유체에서, 상기 우물 내 상기 열 캐리어로부터 열을 흡수하는 단계; 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 1차 열 교환기 및 우물 밖으로 이동시키고, 2차 열 교환기 내로 이동시키는 단계; 상기 제 1 열 전달 유체로부터 2차 열 교환기 안의 제 2 열 전달 유체로 열을 전달하여, 상기 2차 열 교환기 내 상기 2차 열 전달 유체를 기화시키는 단계; 기화된 2차 열 전달 유체를 터빈 내로 유동시키는 단계 -상기 터빈은 전기 발생기에 연결되고, 기화된 2차 열 전달 유체는 상기 터빈을 이동시킴-; 및 상기 터빈의 움직임을 이용하여 상기 전기 발생기에서 전기를 생성하는 단계를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 제 1 열 교환기 내로 상기 제 1 열 전달 유체를 이동시키는 단계는, 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 1차 열 교환기의 공급 부분 아래로 이동시키는 단계; 및 상기 1차 열 교환기의 쉘과 상기 1차 열 교환기의 쉘 안에 동심으로 배치된 복귀 파이프의 표면을, 상기 제 1 열 전달 유체에 접촉시키는 단계를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 1차 열 교환기 및 우물 밖으로 이동시키는 단계는, 상기 1차 열 교환기의 공급 부분의 쉘 안에 동심으로 배치된 복귀 파이프를 통해 1차 열 전달 유체를 유동시키는 단계를 포함하고, 상기 복귀 파이프는, 상기 1차 열 교환기의 공급 부분 내 상기 1차 열 전달 유체와 상기 복귀 파이프 안의 1차 열 교환기 사이의 열 전달을 최소화하기 위해 단열된다.
일부 실시 예들에서, 상기 우물 안의 1차 열 교환기는 높은 열 전도성을 갖는 시멘트 또는 그라우트를 통해 지지된다.
일부 실시 예들에서, 상기 1차 열 교환기는 복수 개의 지지 칼라들을 통해 상기 우물 안에 지지된다.
일부 실시 예들에서, 방법은 상기 우물의 내부 표면 및 상기 1차 열 교환기의 외부 표면 사이로, 그리고 상기 복수 개의 지지 칼라들 주위로 상기 열 캐리어를 유동시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시 예들에서, 방법은 상기 우물 내로 상기 1차 열 교환기를 삽입하는 단계 -상기 1차 열 교환기는 상기 1차 열 교환기에 부착되는 복수 개의 칼라들을 구비하고, 상기 복수 개의 지지 칼라들 각각의 제 1 단은 상기 1차 열 교환기의 외부 표면에 이동 가능하게 부착되고, 상기 복수 개의 지지 칼라들 각각의 제 2 단은 열화 연결부(degrading connection)를 통해 상기 1차 열 교환기의 외부 표면에 일시적으로 연결됨-; 및 일시적인 연결을 열화시키는 단계 -상기 복수 개의 지지 칼라들 각각의 제 2 단은 상기 우물의 내부 표면에 접촉할 때까지 연장됨-;를 더 포함한다.
일부 실시 예들에서, 상기 우물은 오직 상기 우물의 부분을 따라 연장하는 케이싱을 포함하고, 상기 케이싱이 상기 우물의 증가시키기 위해 연장하지 않을 경우, 언더 리머(under reamer)를 이용하여 상기 우물의 부분을 드릴링하는 단계; 및 증가된 직경을 갖는 상기 우물의 부분에 상기 1차 열 교환기를 마련하는 단계;를 더 포함한다.
본 명세서에서 설명된 다른 양태에서, 지열 응용에 사용하기 위한 열 교환기는, 우물 안에 배치되고, 열 전달 유체를 수용하기 위한 안티-스케일링 및/또는 안티-부식 레이어를 갖는 케이싱 -상기 케이싱은 열 전달 유체를 홀딩하기 위한 쉘을 형성함-; 상기 우물 안에 배치된 복수 개의 지지 칼라들 -상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 우물 안에 상기 케이싱을 지지하고, 상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 우물의 내부 표면으로부터 상기 케이싱을 향해 대체로 상방 각도로 배치됨-; 원통형 쉘 안에 동축으로 배치된 복귀 파이프 -상기 케이싱 및 복귀 파이프의 배열은 상기 복귀 파이프 및 원통형 쉘 사이에 고리를 형성하고, 상기 복귀 파이프의 내부 부피는 상기 고리로부터 단열됨-; 및 상기 고리 안에 배치되는 복수 개의 집중기들 -상기 복수 개의 집중기들은 제 1 단 및 제 2 단을 포함하고, 상기 복수 개의 집중기들의 제 1 단은 상기 쉘의 내부 표면에 연결되고, 상기 복수 개의 집중기들의 제 2 단은 상기 복귀 파이프의 외부 표면에 연결되고, 상기 집중기들은 상기 고리 안의 유동에 유압 저항을 최소화하기 위해 로우 프로파일을 가짐-;을 포함하고, 상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 케이싱 및 상기 우물의 내부 표면 사이에 열 캐리어의 유동을 허용한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 열전 시스템들의 제백 효과를 도시하는 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 열전 시스템의 열전퇴(thermopile)를 도시한다.
도 3은 일 실시 예에 따른 열전 생성기를 도시한다.
도 4는 일 실시 예에 따른 열전 생성 시스템을 도시한다.
도 5는 일 실시 예에 따른 땅 표면 안에 온도의 도면이다.
도 6은 일 실시 에에 따른 외부 파이프 및 내부 파이프를 구비하는 예시적인 파이프 구조의 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 열전 생성 시스템의 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 열전 생성 시스템의 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 일 실시 에에 따른 파이프 시스템의 도면이다.
도 10은 일 실시 에에 따른 열전 생성 시스템의 도면이다.
도 11은 일 실시 에에 따른 열전 생성 시스템의 도면이다.
도 12a는 지열 에너지 생산 시스템의 실시 예의 시스템 도면이다.
도 12b는 우물 안의 열 교환기의 실시 예의 단면도이다.
도 12c는 우물 안의 열 교환기의 실시 예의 단면도이다.
도 12d는 열 교환기의 부분의 평면도이다.
이하, 본 발명의 예시적인 실시 예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 출원은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있고, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 오히려, 이 실시 예는 본 개시가 철저하고 당업자에게 본 발명의 범위를 명확하게 전달하도록 제공된다. 유사한 번호들은 전체적으로 유사한 요소들을 지칭한다.
본 개시 내용의 일부 실시 예들은 깊은 우물들(예를 들어, 버려지거나 사용되지 않은 오일, 가스 및 지열 우물들)을 이용하고, 이는 적은 투자로 얻을 수 있으며, 중간 재순환 유형 시스템에 적합하며, 전력 생성, 직접 가열 및/또는 물 응축에 충분한 열 에너지는 제공한다. 예를 들어, 발전 수단은 열전 생성기들, 스털링 엔진들, 랭킨 엔진들, 마테란 에너지 사이클 엔진들, 플래시 동력 플랜트들, 건식 증기 동력 플랜트들, 바이너리(binary) 유기 랭킨 사이클 동력 플랜트들, 플래시/유기 혼합 사이클들 등을 포함할 수 있다. 깊은 우물은 열 에너지를 생성할 수 있는 반면, 분리된 더 낮은 온도 소스는 본 명세서에 기재된 다양한 발전 수단에 의해 이용되는 바와 같이, 온도 차이, 열 싱크(heat sink) 등을 생성하기 위한 콜드 소스(cold source)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 분리된 더 낮은 온도 소스는, 내양, 바다, 걸프, 강, 개울, 시내, 호수, 샘 또는 지하 우물들과 같은 지하 소스 또는 공공 물 시스템들로부터 얻은 물에 의해 제공될 수 있다. 발전 수단은 공공, 민간 및 정부 소비를 위한 동력을 제공하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 방법들 및 시스템들은 효율적인 설계로 인해 많은 고유한 장점들을 갖고, 사용 가능한 에너지 소스들의 장점들을 갖고, 사용으로 인한 물리적 및 생태적 발자국 및 폐기물을 제한한다. 예를 들어, 폐쇄 루프(closed loop) 또는 실질적으로 폐쇄 루프 프로세스로 설계되어, 일부 개시된 실시 예들은, 실시 시, 땅 표면, 지하 및 땅 대기를 포함하는 주변 환경으로의 비-천연 물질의 오염 및 불필요한 도입을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 폐쇄 루프 특성 및 기존 에너지 소스들에 대한 의존은 현재 지열 에너지 생성 시스템에서 종종 발생하는 생산품들에 대한 추가 폐기물 발생 또는 바람직하지 않은 생산품들의 생성을 줄인다. 땅 내에 이미 존재하는 열 에너지의 사용을 통해, 본 발명의 실시 예는 현재 직면하고 있는 많은 연료 의존성 문제를 극복하면서 아직 손대지 않은 대체 에너지 소스를 추가로 제공할 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 또한 다수의 에너지 생성 수단들을 및 다수의 열 소스들을 포함함으로써 확장 가능하여, 국소 사용을 위한 대안적인 에너지 소스 및/또는 더 큰 개인 또는 공공 그리드(grid)들에 기여할 수 있다. 또한, 경제적으로 신중한(prudent) 시스템 구성을 통해 확장성(scalability)을 달성할 수 있으며, 과도한 건설 비용, 시간 및 공간을 피할 수 있다. 마지막으로, 본 발명의 실시 예들은 비-생산 우물들을 통해, 사용되지 않거나 활용도가 떨어질 수 있는 사용된 우물들이나 탐사 우물들과 같은, 이미 접근 가능한 기존 에너지를 활용할 기회를 창출할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 연속적으로 흐르는 전류는 제 1 물질의 제 1 와이어(12)가 제 2 물질의 제 2 와이어(14)와 결합된 후 접합 단부(16)들 중 하나에서 가열될 때 생성될 수 있다. 이것을 제벡 효과(Seebeck Effect)라고 한다. 제벡 효과는 2개의 메인 응용들: 온도 측정(열전대) 및 발전을 갖는다. 열전 시스템은 열 에너지를 전기 에너지 또는 전기 에너지로, 또는 전기 에너지를 감소하는 온도 구배로 변환하기 위해 열 및 전기 효과들을 모두 포함하는 회로에서 작동하는 시스템이다. 2개 이상의 와이어들의 조합은 열전 시스템에 통합된 열전퇴(10)를 생성한다. 발전 목적으로 사용될 때, 생성된 전압은 온도 차이 및 이용된 2개의 와이어들의 물질들의 함수이다. 열전 생성기는 전자가 작동 유체로서 역할을 하는 열 엔진 사이클과 밀접한 관련이 있는 동력 사이클을 갖고, 동력 생성기로 사용될 수 있다. 열은 고온 소스에서 고온 접합부(hot junction)로 전달된 다음, 저온 접합부(cold junction)로부터 저온 싱크로 또는 대기로 직접적으로 배출된다. 고온 접합부 및 저온 접합부 사이의 온도 구배는 전압 포텐셜(voltage potential) 및 전력의 생성을 생성한다. 반도체들은 열전 생성기들의 전압 출력을 크게 증가시키기 위해 이용될 수 있다.
도 2는 n-타입 반도체 물질(22) 및 p-타입 반도체 물질(24)로 구성되는 열전퇴(20)를 나타낸다. 증가된 전류를 위해, n-타입 물질(22)은 과잉 전자를 생성하기 위해 크게 도핑되는 반면, p-타입 물질(24)은 전자 부족을 생성하는데 이용된다.
열전 생성기 기술은 기능적이고, 실행 가능한 연속적인 장기 전력 소스이다. 자연 및 인공 환경들에서 발생하는 온도 구배의 접근성으로 인해, 열전 생성기들은 전기 형태의 연속적인 동력 공급을 제공할 수 있다. 가장 풍부하고, 일반적이며, 접근 가능한 에너지 소스 들 중 하나는 환경 열, 특히 지각에 포함된 열이다.
도 3은 열전 생성기의 실시 예를 도시한다. 열전 생성기(300)는 복수 개의 고온 접합부(320)들에 대한 인풋(310) 및 복수 개의 고온 접합부(320)들에 대한 아웃풋(330)을 포함할 수 있다. 고온 접합부(320)들은 열 전달을 위한 임의의 열원을 포함할 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 열원은 고온 플레이트(332)다. 고온 플레이트(332)는 금속 또는 임의의 다른 전도성 물질일 수 있다. 고온 플레이트(332)는 전도, 대류, 복사 또는 임의의 다른 열 전달 수단을 통해 열전퇴에 열을 제공하기 위해, 열전퇴(350)를 인터페이스(interface)할 수 있다. 당업자는 임의의 열전 생성기가 본 명세서에서 이용될 수 있으며, 이 실시 예로 제한되지 않음을 이해할 것이다. 열이 열전퇴에 접근할 수 있게 하는 임의의 시스템이 본원에서 고려된다.
열전 생성기(300)는 복수 개의 저온 접합부(360)들을 더 포함할 수 있다. 저온 접합부(360)들은 열 전달을 위한 저온 플레이트(312)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 열은 저온 접합부(360)들로부터 복사되거나, 대류될 수 있다. 저온 플레이트(312)는 금속 또는 임의의 다른 전도성 물질일 수 있다. 냉각 플레이트(312)는 열전퇴(350)와 인터페이스 되어 전도성 열 싱크를 제공할 수 있다. 고온 플레이트(332)의 온도와 저온 플레이트(312)의 온도 사이의 온도 구배로부터 열전퇴(350)를 가로질러 전압 포텐셜이 생성될 수 있다. 온도 구배가 클수록 더 많은 전력이 생성될 수 있다. 당업자는 임의의 열전 생성기가 본 명세서에서 이용될 수 있으며, 이 실시 예로 제한되지 않음을 이해할 것이다.
유체와 같은 자연적으로 발생하는 열 흡수 소스들을 포함하여, 열전퇴를 연결하는 열 싱크를 제공하는 임의의 시스템이 본 명세서에서 고려된다. 예시적인 실시 예에서, 유체는 물이다. 물은, 본 출원의 목적들을 위해, 대양, 바다, 걸프, 강, 개울, 시내, 호수, 샘 또는 지하 우물들과 같은 지하 소스 또는 공공 물 시스템들로부터 얻어질 수 있다. 물은 열을 흡수하는데 사용되므로, 본 명세서의 열 싱크로 사용되는 공공 물 시스템의 물은, 공공, 정부 또는 산업체가 원하는 용도로 물을 데우는데 필요한 동력을 감소시키기 위해, 물을 예열하는 보조 목적으로 사용될 수 있다. 저온 소스로서의 물 또는 유체는 열 전달 계수가 높고, 공기 또는 가스에 비해 기술적 이점을 제공하고, 따라서 저온 접합부로의 더 나은 열전달을 제공한다.
도 4는 열전 생성 시스템(400)의 예시적인 실시 예를 도시한다. 열원 생성기는 저온 소스 및 고온 소스 사이에 온도 구배로부터 전력을 생산하기(produce) 위해 열전 생성 시스템에서 사용될 수 있다. 열전 생성 시스템(400)은 대양, 걸프, 바다, 호수, 강, 샘, 개울 또는 임의의 다른 상대적으로 더 저온의 물을 포함하나 이에 제한되지 않는 수역(402, body of water) 내에 또는 그 근처에 위치될 수 있다. 열전 생성 시스템(400)은 열전 생성기를 위한 저온 소스로서 수역(402)을 이용한다.
수역(402)은 온도 구배를 증가시키기 위해 열전 생성기에 상당히 낮은 온도를 제공할 수 있다. 대양, 걸프, 바다 또는 호수와 같은 수역(402)에서, 물의 온도는 깊이에 따라 감소한다. 일반적으로, 수온약층(thermocline)이라고 하는 수심에서는 수온이 크게 감소한다. 수온약층이 발생하는 깊이는 평균 30미터에서 50미터 사이이며, 전 세계적으로 다양하다. 저온 소스이 연속적인 저온 물의 소스를 제공하기 위해, 바람직하게는 저온 물의 연속적인 흐름을 허용하는 전류를 제공하기 위해, 수온약층 아래 깊이의 물인 것이 바람직하고, 물은 전체되지 않아 에너지 생산 작업들 전반에 걸쳐 온도가 상승한다. 또한, 상대적으로 더 저온의 물의 다른 표면에 인접한 동력 플랜트 위치는 물이 플랜트를 통해 유동하게 하고, 물의 열 변화를 최소화하면서 배출되게 한다.
따라서, 저온 소스는 저온 접합부와 직접적으로 접촉할 수 있고, 또는 대안적으로 저온 접합부로부터 지리적으로 분리되어 파이프 또는 다른 매체 수송 수단에 의해 유체적으로 소통될 수 있다.
고온 소스는 지각(404, earth's crust) 안에서 제공될 수 있다. 땅는 지속적으로 연속적이고, 저렴한 특히 고온의 열원을 제공한다. 도 5에서 도시된 바와 같이, 땅 내부의 온도는 일반적으로 60피트의 깊이 마다 약 1 화씨의 평균 비율로 땅의 코어 쪽으로 갈수록 증가한다. 따라서, 땅 내 깊은 위치는 열전 생성기의 고온 접합부를 위한 고온 소스로서 사용될 수 있다. 땅 안에 위치들은 드릴링 또는 지면에 홀(416)을 생성하는 다른 수단을 통해 접근될 수 있고, 물 또는 일부 다른 타입의 열 전달 매체는 홀을 통해 순환되고 표면 또는 그 부근으로 가져와, 고효율 펌프 또는 다른 방법에 의해 열 전달이 발생하도록 할 수 있다.
일반적으로, 드라이 홀(dry hole)들이라고 하는 특정한 홀들을 사용하여 지각 안에 고온에 접근할 수 있다. 일반적으로 석유 산업이 석유 또는 가스를 찾는데 성공적이지 않았던 노력들로부터 드라이 홀들이 존재한다. 석유 산업은 석유 탑사를 위해 지각 깊숙이 파고 들어 간다. 전 세계에서 시추된 압도적인 대부분의 탐사정은 석유를 찾지 않으며, "드라이 홀"들로 지칭된다. 드라이 홀들은 지하 및 고온 조건들에 비교적 쉽게 접근할 수 있다. 드라이 홀들은 윤기나 수역에 위치할 수 있다. 드라이 홀들은 30,000 피트를 초과하는 깊이에 도달할 수 있다. 그러나, 당업자는 드라이 홀들이 임의의 깊이일 수 있고, 활성 또는 비활성 기능성 또는 비-기능성 오일, 가스 및/또는 지열 우물들일 수 있음을 이해할 수 있다.
도 5는 예시적인 우물에 대한 지각의 온도 및 깊이 사이의 관계를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 우물들이나 드라이 홀들에서의 온도가 매우 높은 온도에 도달할 수 있다. 도 5에 예시적인 묘사에서, 드라이 우물의 온도는 6100 피트에서 화씨온도 209도이다. 당업자는 본 발명이 드라이 홀들의 사용에 제한되지 않으며, 지각에 열전 생성기에 의해 이용되도록 드릴링된 홀들 및 확장되거나 이용되지 않은 오일 및 가스 우물들을 포함하는 열원을 제공하는 어떠한 홀 또는 우물이 포함될 수 있음을 이해할 수 있다. 도 5는 하나의 우물에 대한 예시이다. 일부 우물들에서 온도 프로파일은 다를 수 있고, 6100피트에서 화씨온도 209도보다 클 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 열전 생성 시스템은 펌프 스테이션(410), 파이프 시스템(420), 열전 생성기(430) 및 열 전달 유체(440)를 포함할 수 있다. 열전 생성 시스템은 수역(402) 내에 또는 그 부근에 마련될 수 있다. 펌프 스테이션(410)은 펌프 및 펌프를 위한 관련 하우징을 포함할 수 있다. 펌프는 상업적으로 이용 가능하거나, 특별하게 고안된 펌프일 수 있고, 이는 유체를 적절한 체적비(volumetric rate)로 유동하게 할 수 있다. 펌프 스테이션(410)은 육상, 수면 위 또는 물 아래에 위치될 수 있다. 펌프 스테이션(410)은 파이프 시스템(420)에 연결된다. 파이프 시스템(420)은 적어도 하나의 파이프(422)를 포함한다. 파이프(422)는 땅에 의해 가열된 유체 열 전달 유체(440)을 운반하기 위한 내부 보어 또는 내부 채널을 포함할 수 있다. 내부 보어는 충분한 열 전달 유체(440)가 파이프 시스템을 통해 펌핑될 수 있게 하는 임의의 적합한 직경일 수 있다. 파이프(422)는 펌프 스테이션(410)으로부터 홀(416) 내로 연장되고, 파이프(422)가 홀 밖으로 상승하도록 실질적으로 U-형상일 수 있다.
파이프 시스템(420)은 열전 생성기(430)의 고온 접합부(320)와 인터페이스(interface)할 수 있다. 파이프 시스템(420)의 파이프(422)의 내부 보어는 열전 생성기(430)의 고온 접합부(320)의 인풋에 접근 가능하다. 파이프 시스템(420)은 열전 생성기(430)의 고온 접합부(320)의 아웃풋으로부터 연장되어, 펌프 스테이션(410)으로 복귀한다.
따라서, 파이프 시스템(420)은 펌프 스테이션(410)과 열전 생성기(430) 사이에서 폐쇄 루프 또는 실질적으로 폐쇄 루프 구성으로 구성될 수 있다. 더 구체적으로, 펌프 스테이션(410)으로부터 땅 표면 예를 들어, 기존 우물 안) 아래에 존재하는 고온 소스로 펌핑되고, 열전 발생기의 고온 접합부(320)로 표면으로 다시 펌핑되는 열 전달 매체는, 고온 접합부에서 인터페이스까지 인터페이스 시스템 내부의 주변 요소들에 노출되지 않고 파이프 시스템(420)에 완전하게 수용될 수 있다. 그러나, 펌프 스테이션(410)에서 열 전달 매체를 추가, 교체 또는 보충할 필요가 있다는 것이 이해된다.
일부 실시 예들에서, 펌프 스테이션(410)은 파이프 시스템(420)의 제 1 부분에 양압을 제공하고 열 전달 유체(440)를 표면으로부터 홀(416) 내로 하향 펌핑하고, 유체는 지질 형성부로부터 열을 흡수한다. 열 전달 유체(440)는 파이프(422)의 내부 보어를 통해 열전 생성기(4230)로 상방으로 유동하고, 열 전달 유체(440)는 열전 생성기(430)에 열을 제공한다. 열 전달 유체(440)는 그 후 펌프 스테이션(410)을 통해 재순환되고, 다시 아래 방향으로 가압되어, 사이클이 반복된다.
일부 실시 예들에서, 파이프 시스템(420)의 부분, 예를 들어, 열전 생성기(430)와 열 소통하는 파이프 시스템(420)의 일부로부터 유체를 끌어당김으로써, 펌프 스테이션(410)은 파이프 시스템(420)에 석션 또는 진공 힘을 제공한다. 열 전달 유체(440)는 이어서 중력을 배출시키거나, 원하는대로 홀 내로 하방으로 순환한다.
도 6에서 도시된 예시적인 실시 예에서, 파이프 시스템은 내부 파이프(424) 및 외부 파이프(423) 사이에 고리(425, annulus)가 존재하도록, 내부 파이프(424) 및 외부 파이프(423)를 포함할 수 있다. 이 예시적인 실시 예에서, 유체(440)는 내부 파이프(424)를 통해 홀로 펌핑될 수 있고, 땅에 의해 가열된 유체(440)는 고리(425)를 통해 열전 생성기(430)의 고온 접합부(320)로 홀(416)로 펌핑될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 유체(440)는 고리(425)를 통해 홀 내로 펌핑되고, 내부 파이프(424)를 통해 홀 밖으로 펌핑될 수 있다. 파이프 시스템(420)이 인터페이스 하는 주위 환경 및 온도에 따라, 고리(425)를 통해 펌핑된 복귀 유체는 내부 파이프(424)를 통해 펌핑된 가열된 매체를 추가적으로 단열시킬 수 있다는 것이 이해된다.
도 7에 도시된 열전 생성기 시스템의 다른 실시 예에서, 홀(416)은 수역에 가까운 육지에 위치될 수 있다. 홀(416)은 전술한 바와 같이 고온 접합부들을 위한 고온 소스를 제공할 수 있다. 수역(402)은 저온 접합부를 위한 저온 소스를 제공할 수 있다. 수역(402)은 강, 샘, 개울, 호수 또는 임의의 다른 냉수 공급부일 수 있다. 열전 생성기(430)의 저온 접합부(360)는 수역(402)에 열적으로 커플링될 수 있다. 저온 접합부(360)는 수역(402)과 직접적으로 접촉할 수 있거나, 또는 수역은 파이프 시스템의 파이프(422) 또는 열 교환기와 같은 물을 채널링(channeling)하는 다른 수단을 사용하여 저온 접합부(360)로 향할 수 있다. 저온 접합부(360)는 저온 접합부를 인터페이스 하는 물의 온도로 대략적으로 냉각된다. 열전 생성기(430)는 열전 생성기(430)의 저온 접합부(360)들 및 고온 접합부(320)들에 걸쳐 전압 포텐셜을 생성한다. 저온 접합부(360)의 온도를 제어하기 위해 지표수 또는 지표의 차가움을 제어하고 고온 접합부(320)의 온도를 제어하기 위한 땅로부터 열의 사용은, 온도 구배를 최대화하고, 열전 모듈들의 사용을 통해 상당한 전력을 생산한다. 열전 생성기(430)로부터 생성된 전기는 전력 라인(450)들을 통해 임의의 목적지로 전송될 수 있다.
도 8에 도시된 열전 생성기의 다른 실시 예에서, 저온 접합부(360)를 위한 저온 공급 소스는 땅의 표면 상에, 위 또는 아래에 있는 냉동 장치(810, chiller device)로부터의 물일 수 있다. 땅 표면 바로 아래의 저온으로 인해, 냉동 장치(810)는 물의 온도를 낮추는데 사용될 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 냉동 장치는 표면 아래 약 300 피트 이하의 깊이에 배치될 수 있다. 표면 아래 약 300 피트에서, 온도는 일반적으로 깊이에 따라 증가하기 시작한다. 당업자는 300 피트 레벨이 단지 근사치이며, 깊이는 땅 상의 위치에 따라 다를 수 있고, 300 피트 근사로 제한되지 않음을 이해한다. 냉동 장치(810)는 열전 생성기로부터 생성된 전기로부터 동력을 공급받을 수 있다.
지표면 깊은 곳에서 열 전달 매체로 물을 이용하면, 금속 파이프 시스템이 부식될 수 있다. 특히 산소를 수용한 고온 물은 금속을 빠르게 부식시킬 수 있다. 부식을 줄이기 위해, 물에서 산소를 제거하기 위해, 고진공과 같은 탈-산소화 메커니즘이 사용될 수 있다. 대안적으로, 스테인레스 스틸과 같은 비-부식성 금속이 파이프 시스템에 사용될 수 있다. 다른 실시 예에서, 파이프 시스템은 고온 내성 및 비-부식성 플라스틱 파이핑(plastic piping)를 포함할 수 있다. 플라스틱 파이핑의 예시적인 실시 예는 PARMAX 물질로 제조된 파이핑이다. 당업자는 임의의 비-부식성 내열성 및 내열성 플라스틱이 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 또 다른 실시 예에서, 부식 방지 물질들은 부식을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 크롬산염(chromates) 또는 다른 화학물들이 사용될 수 있다. 물에 대한 대안으로, 합성 오일 또는 미네랄 오일과 같은 비-부식성 유체 또는 특수 열 전달 유체는, 고온 소스를 위해 지각 안에 열을 흡수하기 위해 사용도리 수 있다. 오일은 물 보다 더 높은 온도로 가열될 수 있다는 이점이 있으며, 따라서 이러한 방식으로 열전 생성 시스템으로부터 더 많은 동력을 끌들일 수 있다.
열전 생성기는 작동 중에 저온 소스로부터 보호되어, 열전 발생기의 수명을 연장시킬 수 있다. 보호는 화학적 보호 또는 다른 소스의 형태일 수 있다. 저온 접합부는 물로부터 부식에 저항하는 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 열전 생성기는, 물이 열전퇴들과 결합하거나 부식되지 않도록 밀봉될 수 있다.
열전 생성기는 기성품 열전퇴들을 포함할 수 있다. 열전 생성기들은, 발전량을 크게 증가시킬 수 있는 양자 우물 열전 생성기(Quantum Well Thermoelectric Generator)들과 같이, 특별히 고안된 열전퇴들을 사용할 수도 있다.
열전 생성기는 또한 시스템의 효율을 증가시키기 위해, 나노 와이어들을 채용할 수 있다. 나노 와이어들은 상태의 밀도를 증가시킨다. 나노 와이어들은 생성된 전기를 수송하기 위해 실질적으로 평행한 어레이로 배열될 수 있다. 열전 생성기는 또한 시스템의 효율을 증가시키고, 시스템의 열전도성을 낮추기 위해, 양자점(quantum dot)들을 포함할 수 있다.
열전 생성 시스템의 다른 실시 예에서, 고온 접합부의 고온 소스는 머드 피트(mud pit)로부터 온 것일 수 있다. 머드 피트의 머드는 오일 우물 드릴링을 위한 드릴링 유체로서 사용될 수 있다. 머드는 오일 탐사를 위해 드릴된 홀의 바닥까지 연장한다. 머드는 땅 표면 안에서 드릴링 및 고온으로부터 가열된다. 열전 생성기의 고온 접합부는, 머드의 고온에 접근하기 위해 머드 피트를 인터페이스할 수 있다. 머드의 고온은 열전퇴에 걸친 온도의 변화를 증가시키고, 전기 생성을 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
열전 생성 시스템은 종래의 동력 생성 시스템들에 비해 몇 가지 장점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 열전 생성 시스템은 폐쇄 루프 시스템으로서 작동으로 인해 오염 문제가 최소화되며, 만약에 있더라도, 비-천연 물질의 도입에 최소한으로 의존할 것이다. 열전 생성 시스템은 폐기물과 최소한의 대기 배출량을 갖는다. 열전 생성 시스템도 완전하게 재생 가능하다. 열전 생성 시스템은 또한 지역에 동력을 제공할 수 있는 수준으로 축소될 수 있다. 열전 생성 시스템은 전력 시스템에 비해 구성 및 작동 비용이 저렴할 수 있고, 또한 비-생산적인 우물들을 막거나, 새로운 홀들을 뚫는 대신 비-생산 오일 오물들을 이용할 수도 있다.
도 9a 및 도 9b는, 도 6을 참조하여 앞서 설명된 바와 같이, 동심으로 배열되는 외부 파이프(910) 및 내부 파이프(92)를 모두 갖는 파이프 시스템(900)의 다른 예시적인 실시 예를 도시한다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 내부 파이프(920)는 파이프의 외부 표면에 부착된 복수 개의 핀(930)들을 포함하고, 이는 파이프 길이의 적어도 일부를 따라 연장되고 방사상(radially) 외측으로 연장될 수 있다. 일 예에서, 핀(930)들은 실질적으로 파이프의 전체 길이에서 연장될 수 있다. 그러나, 다른 실시 예에서, 핀(93)들은 파이프 시스템(900)의 원위 부분에서 또는 그 부근에서 길이를 따라 내부 파이프(920)에 붙을(affix) 수 있다. 핀(930)은 땅로부터 땅를 통해 순환되는 매체로 지열 열 전달을 용이하게 할 수 있고, 매체 안에 열 소산을 추가적으로 용이하게 한다. 따라서, 파이프 시스템(900)의 원위 부분에만 핀들을 포함하는 파이프 시스템(900)의 실시 예는, 지열 에너지가 가장 큰 파이프 시스템의 가장 깊은 부분에서 또는 그 부근에서 증가된 열 전달 메커니즘을 제공할 것이다. 대안적으로, 도 9b에 의해 도시되는 다른 예시적인 실시 예에서, 복수 개의 핀(930)들은 외부 파이프(910) 및 내부 파이프(910) 모두에 붙고, 이들 사이에서 연장될 수 있음이 이해된다. 핀(930)들은 공지된 바와 같이 높은 열 전도성을 갖는 물질로 구성될 수 있다.
설명된 바와 같은 핀들은, 도 4를 참조하여 설명된 실질적으로 U-형상 시스템과 같이, 내부 또는 외부 파이프를 모두 포함하지 않는 파이프 시스템을 갖는 실시 예들에서 사용될 수 있다. 이들 실시 예들에서, 핀들은 파이프의 내부 표면에 붙을 수 있고, 방사상 내측으로 연장될 수 있으며, 땅로부터 이를 통해 펌핑된 유체로의 지열 열 전달을 추가로 개선한다.
유체(440)는 펌프 스테이션(410)을 사용하여 펌프를 통해 가압된다. 유체(440)는, 펌프를 사용하여, 파이프(422), 열전 생성기(430)의 고온 접합부(320) 및 펌프 스테이션(410)을 통해 순환된다. 파이프 시스템 및 펌프 스테이션의 작동 동안 유체의 손실을 설명하기 위해 시스템에 의해 필요에 따라 추가의 유체가 파이프 시스템(420)에 추가될 수 있다. 그러나, 당업자는 유체를 표면으로 또는 표면 부근으로 가져오는 다른 방법이 채용될 수 있음을 인식할 수 있다.
파이프(422) 안에 유체(440)는 펌프 스테이션(410)으로부터 홀(416)의 바닥을 향해 하강함에 따라 땅에 의해 가열된다. 유체(440)는 홀(416) 내의 땅 온도에 근접하도록 가열될 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 유체(440)는 화씨 200도를 초과하여 가열될 수 있다. 유체(440)가 파이프(422)의 가장 낮은 지점에 도달한 후, 가열된 유체는 홀(416)로부터 열전 생성기(430)의 고온 접합부(320)의 인풋으로 내로 상승한다.
파이프(422) 내의 가열된 유체는 고온 소스일 수 있고, 열전 생성기(430)의 고온 접합부(320)에 열적으로 커플링된다. 유체는 파이프(422)의 내부 보어를 빠져나와서, 열전 생성기(430)의 고온 접합부(320)의 인풋으로 진입한다. 유체(440)는 파이프(422)의 내부 보어를 통해, 열전 생성기(430)의 고온 접합부(320)의 아웃풋(330)을 통해 빠져나갈 수 있다. 유체(440)는, 유체의 펌핑 사이클을 폐쇄하기 위해, 펌프 스테이션(410)으로 계속된다. 펌프 스테이션은 파이프 시스템(420) 및 열전 생성기(430)를 통해 적절한 체적비로, 유체(440)를 펌핑하도록 작동 가능한 임의의 펌프를 포함할 수 있다. 또한, 열전 생성 시스템은 폐쇄 시스템 및 개방 시스템으로 작동할 수 있다.
유체(440)는 땅에 의해 가열될 수 있고, 열전 생성기의 고온 접합부에 전달하기 위해 열의 상당 부분을 보유할 수 있는 임의의 유체를 포함할 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 유체는 물이지만, 부식을 줄이고 물의 비점(boiling point) 보다 훨씬 높은 가열을 허용하기 위해 다른 유체들이 채용될 수 있다.
열전 생성기(430)는 수역(402)에 위치되고, 파이프 시스템(420)과 연통할 수 있다. 수역(402)은 열전 생성기의 저온 접합부(360)를 위한 저온 소스로서 이용된다. 도 4의 예시적인 실시 예에서, 열전 생성기(430)는 저온 접합부(360)가 수온약층 아래에 접근할 수 있도록, 수역(402)의 수온약층 아래에 위치된다. 예시적인 실시 예에서, 열전 생성기(430)는 물의 유동에 접근하기 위해 수역(402)의 전류 흐름 내에 위치될 수 있다. 수역(402)은 열전 생성기(430)의 저온 접합부(360)를 위한 저온 소스를 제공한다. 저온 접합부(360)는 수역(402)의 물로 외부로 노출될 수 있다. 저온 접합부(360)는 부식을 방지하기 위해 충분하게 보호될 수 있다. 수역(402)의 물은 또한 열전 생성기의 저온 접합부(360)로 채널링(channel)될 수 있다. 저온 접합부(360)는 물을 공급받기 위한 인풋 및 저온 물을 배출하기 위한 아웃풋을 포함할 수 있다. 물은 저온 접합부(360)를 통해 유동하여 저온 소스를 열전 생성기의 저온 접합부(360)에 제공할 수 있다.
예시적인 실시 예에서, 고온 소스는 화씨 100도 내지 화씨 600도일 수 있고, 저온 소스는 대략적으로 화씨 32도 내지 화씨 130도일 수 있다. 당업자는 고온 소스 및 저온 소스가 이들 온도 범위에 제한되지 않고, 임의의 적절한 온도 범위일 수 있음을 이해할 것이다. 예시적인 실시 예에서, 고온 접합부 및 저온 접합부 사이의 온도 구배(ΔT)는 470도 내지 68도일 수 있다. 당업자는 온도 구배가 이 범위로 제한되지 않고 임의의 온도 구배일 수 있음을 이해할 것이다.
열전 생성기(430)는 열전 생성기의 고온 접합부(320) 및 저온 접합부(360)를 가로질러 전압 포텐셜을 생성한다. 고온 접합부(320)의 온도와 저온 접합부(360)의 온도를 제어하기 위한 물의 차가움을 제어하기 위해 땅로부터 열을 사용하는 것은, 온도 구배를 최대화하고 상당한 양의 전력을 생성한다. 전력은 직류로 생성될 수 있다. 직류는 교류로 변환될 수 있다. 3상 전류도 생성될 수 있다. 열전 생성기(430)로부터 생성된 전기는 전력 라인(450)들을 통해 임의의 목적지로 전송될 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 기존의 동력 전송 설비들 및 전력 라인(450)들은 임의의 현재 또는 새로 생성된 전기 그리드 네트워크에 동력을 제공할 수 있다.
다른 실시 예에서, 고온 소스는 증기 동력 생성기와 함께 사용될 수 있다. 유체는 파이프 시스템을 통해 지각으로 펌핑될 수 있다. 유체는 지각에 의해 가열되어 표면으로 펌핑될 수 있다. 유체를 가열하기 위해 고온 소스를 사용하는 것은, 증기 플랜트들에 물을 예열함으로써 증기 동력 생성기를 작동시키는데 필요한 전력을 최소화할 수 있다. 따라서, 지각 내부의 가열로 인해 유체가 더 높은 온도에 도달할 수 있는 경우, 끓는점까지 유체를 가열하는 비용은 탄화수소 동력 또는 다른 타입의 전기 플랜트들에서 크게 줄어든다. 예를 들어, 유체가 물인 경우, 고온 소스는 물을 비점 또는 그 부근에서 가열할 수 있다. 그 후 물은 증기 동력 생성기에서 사용하기 위해 증기로 변환될 수 있다. 유체가 비점이 물보다 큰 오일과 같은 유체인 경우, 유체는 화씨 212도 이상으로 가열되어 열 교환기를 통해 열을 증기 발생기의 물로 전달하여, 화석 연료 또는 기타 에너지 소스들이 거의 없어도 증기로 변환될 수 있다. 증기 동력 발생기는 열전 생성 시스템과 함께 사용되거나 완전히 분리될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 본 발명은 전술한 바와 같이 열전 생성기 대신에 대안적인 동력 생성 수단을 포함할 수 있다. 예를 들어, 대안적인 동력 생성 수단은, 스털링 엔진들, 랭킨 엔진들, 마테란 에너지 사이클 엔진들, 플래시 동력 플랜트들, 건식 증기 동력 플랜트들, 바이너리 유기 랭킨 사이클 동력 플랜트들, 플래시/유기 혼합 사이클들 등을 포함할 수 있다. 예로서, 스털링 엔진은 대표적인 실시 예로 설명되나; 동력 생성 시스템은 랭킨 엔진들, 마테란 에너지 사이클 엔진들, 플래시 동력 플랜트들, 건식 증기 동력 플랜트들, 바이너리 유기 랭킨 사이클 동력 플랜트들, 플래시/유기 혼합 사이클들 등과 같은 다른 동력 생성 수단을 포함할 수 있다는 것이 이해된다.
스털링 엔진은 전형적인 내연 기관과는 크게 다른 열 엔진이고, 가솔린 또는 디젤 엔진보다 훨씬 더 효율적일 수 있다. 그러나, 오늘날 스털링 엔진 사용은 일반적으로 조용한 작업이 중요한 잠수함이나 요트 보조 동력 생성기들과 같은 특수한 용도로 제한된다. 스털링 엔진은 스털링 사이클을 사용하는데, 이는 내연 기관에서 사용되는 사이클과 달리 카르노 사이클(Carnot cycle) 원리에 따라 작동한다. 예시적인 스털링 엔진들은 단일 변위 피스톤을 사용하는 알파-타입 또는 베타-타입 스털링 엔진, 또는 적어도 2개의 피스톤 구성을 사용하는 감마-타입 스털링 엔진을 포함할 수 있다. 스털링 엔진 내부에 사용된 가스들은 엔진을 빠져나가지 않는다. 휘발유나 디젤 엔진처럼 고압 가스를 배출하는 배기 밸브가 없으며, 연소가 발생하지 않는다. 이 때문에, 스털링 엔진들은 매우 조용하다.
스털링 엔진의 예시적인 실시 예는, 피스톤, 피스톤을 갖는 원통형 저온 챔버, 가스 및 연결 파이프를 갖는 원통형 고온 챔버를 포함할 수 있다. 고온 챔버 내의 가스의 온도를 증가시키기 위해, 고온 소스가 고온 챔버에 적용되거나 열적으로 커플링될 수 있다. 고온 소스로부터 열은 전도, 대류, 복사 또는 다른 방식을 통해 가스로 전달될 수 있다. 저온 챔버는 저온 챔버 안의 가스의 온도를 감소시키기 위해 저온 챔버에 적용되거나 열적으로 커플링될 수 있다. 가스로부터 열은 전도, 대류, 복사 또는 다른 수단을 통해 저온 소스에 의해 추출될 수 있다.
당업자에게 공지된 바와 같이, 스털링 엔진은 고온 소스를 고온 챔버에 적용하고, 저온 소스를 저온 챔버에 적용함으로써 가스를 가압 및 감압함으로써 작동된다. 스털링 엔진에 의해 생성된 효율 및 전력은, 또한 고온 챔버 및 저온 챔버를 가로질러 실질적인 온도 구배를 생성하기 위해, 증가된 고온 소스 및 감소된 저온 소스를 사용함으로써, 증가될 수 있다. 고온 및 저온 챔버의 온도 구배는 엔진 전체의 압력 분포를 증가시켜 피스톤들을 보다 활발하게 움직이게 한다. 따라서, 고온 및 저온 열 교환기들 사이의 온도 차이가 커질수록, 스털링 엔진이 더 효율적으로 작동한다. 피스톤들은 피스톤의 움직임들로 인해 샤프트가 회전하도록 샤프트에 연결될 수 있다. 회전축의 기계적인 에너지를 전기로 변환하기 위해, 샤프트에 전기 생성기가 부착될 수 있다.
스털링 엔진을 이용하는 시스템의 예시적인 실시 예가 도 10에 도시된다. 스털링 엔진 생성 시스템은 펌프 스테이션(1010), 스털링 엔진 생성기(1030, 여기서 스털링 엔진 및 전기 생성을 위한 전기 생성기를 모두 포함함), 지각의 깊은 우물 또는 다른 천공(1040) 내에 배치된 파이프 시스템(1020), 및 파이프 시스템(1020)을 통해 유동하는 열 전달 매체를 포함할 수 있고, 도 4 내지 도 9에서 설명된 것과 거의 동일한 방식으로 실시 예들은 열전 생성기를 채용한다. 하나의 예시적인 실시 예들에서, 스털링 엔진 생성 시스템은 수역(1050) 내에 또는 그 근처에 위치될 수 있다. 다른 예시적인 실시 예들에서, 예를 들어, 도 7에서 도시된 바와 같이 2차 파이프 시스템에 의해, 스털링 엔진 생성 시스템은 수역(1050)으로부터 지리적으로 분리될 수 있고, 선택적으로 그와 열 연통할 수 있다.
파이프 시스템(1020)은, 파이프 시스템(1020) 내의 열 전달 매체와 고온 챔버(본 명세서에서 "고온 접합부" 또는 "고온 열 교환기"라고도 함) 사이에 열 연통을 제공하기 위해, 스털링 엔진 생성기의 고온 접합부(또한 열 교환기라고도 함)와 인터페이스한다. 도 4 내지 도 8을 참조하여, 전술한 것과 유사한 방식으로, 열 전달 매체(예를 들어, 물과 같은 유체)는 펌프 스테이션(1010)으로부터 파이프 시스템(1020)아래로 펌핑되어 가열된다. 파이프 시스템(1020) 내의 이송 매체는 펌프 스테이션으로부터 홀(1040)의 바닥을 향해 내려갈 때, 땅에 의해 가열된다. 열 전달 매체는 홀(1040) 내의 땅 온도에 근접하도록 가열도리 수 있다. 예시적인 실시 예들에서, 열 전달 매체는 화씨 200도를 초과하여 가열될 수 있다. 파이프 시스템(1020)의 가장 낮은 지점에 도달한 후, 가열된 매체는 이어서 홀(1040)로부터 스털링 엔진 생성기(1030)의 고온 챔버를 향해 상승한다.
파이프들 내에 가열된 매체는 스털링 엔진 생성기(1030)의 열 교환기와 열적으로 인터페이스 하기 위한 고온 소스를 제공한다. 따라서, 깊은 우물 또는 홀(1040) 내에서 이용 가능한 열은 가스를 가열하기 위해, 스털링 엔진과 열 소통하는 매우 높은 온도 소스를 제공한다. 열 전달 매체는 땅에 의해 가열될 수 있고, 스털링 엔진 생성기(1030)의 고온 챔버로 전달하기 위해 열의 상당 부분을 보유할 수 있는 임의의 유체를 포함할 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 유체는 물이고, 그러나, 부식을 줄이고 물의 비점보다 훨씬 높은 온도로 가열하기 위해 다른 유체가 사용될 수 있다.
스털링 엔진 생성기의 냉열 교환기 또는 저온 챔버(본 명세서에서 "냉각 접합부" 또는 "냉각 열 교환기"로도 지칭됨)는, 예를 들어, 도 4 내지 도 8을 참조하여 상술한 바와 같이, 저온 공급원과 열 소통할 수 있다. 스털링 엔진 생성기의 예시적인 실시 예에서, 생성기의 저온 챔버는 수역의 수온약층 아래의 지점에서 수역과 열적 소통(thermal communication)되어 있어, 저온 챔버는 수온약층 아래의 저온 물에 접근할 수 있거나 수온약층으로부터 냉각수가 표면으로 펌핑되어 저온 열 싱크를 제공할 수 있다.
예시적인 실시 예에서, 고온 소스는 화씨 100도 내지 화씨 600도 사이일 수 있고, 저온 소스는 대략 화씨 32도 내지 화씨 130도일 수 있다. 그러나, 고온 소스 및 저온 소스는 이들 온도 범위로 제한되지 않고, 임의의 적절한 온도 범위일 수 있음을 이해해야 한다. 예시적인 실시 예에서, 고온 접합부 및 저온 접합부 사이의 온도 구배(ΔT)는 대략적으로 470도 내지 대략적으로 68도일 수 있다. 그러나, 온도 구배는 이 범위로 제한되지 않고, 임의의 온도 구배일 수 있다는 것이 이해된다. 따라서, 스털링 엔진 생성기의 고온 열 교환기에서 온도를 상승시키고 저온 열 교환기의 온도를 냉각시키기 위한 물의 냉각을 위한, 지각 안으로부터 이용 가능한 열 에너지의 사용은, 온도 구배를 최대화하고 상당한 양의 전력을 생산한다. 전력은 직류로 생성될 수 있다. 직류는 교류로 변환될 수 있다. 3상 전류도 생성될 수 있다. 스털링 엔진 생성기로부터 생성된 전기는 동력 라인들을 통해 임의의 목적지로 전달될 수 있다. 예시적인 실시 예에서, 기존의 동력 전송 설비 및 동력 전도 라인들은 임의의 현재 또는 새로 생성된 전기 그리드 네트워크에 동력을 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 더 큰 온도 차이로 이득을 얻는 다른 생성 수단은 여기서 기술된 시스템 및 방법에 의해 지각으로부터 전달된 열 에너지와 함께 사용될 수 있다. 일 예에서, 랭킨 엔진은 열전 생성기 또는 스털링 엔진과 거의 동일한 방식으로 사용될 수 있으며, 펌프 스테이션에서 우물의 바닥 또는 홀로 열 전달 매체를 순환시킨 다음, 랭킨 엔진을 통해 순환될 수 있고, 수역과 같은 저온 소스를 레버리징(leveraging)한다.
도 11은, 도 4 내지 도 10을 참조하여 구체적으로 설명된 것처럼, 터빈(1112) 및 생성기(1114)를 구비할 수 있는 동력 생성 수단(1110), 펌프 스테이션(1120) 및 지각 안에 깊은 우물 또는 홀(1140)으로 연장되는 파이프 시스템(1130)을 포함하는 다른 예시적인 실시 예를 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 파이프 시스템은, 도 6 및 도 9에서 보다 구체적으로 설명된 것처럼, 내부 파이프(1132) 및 외부 파이프(1134)를 포함할 수 있다. 그러나, 이들 예시적인 실시 예 중 임의의 것이 예를 들어 실질적으로 U-형상 파이프와 같은 다른 파이프 구성들을 이용할 수 있는 것이 이해된다.
파이프 시스템(1130)은 공지된 바와 같이 열 파이프 또는 열 사이펀(thermosiphon)으로 구성될 수 있다는 것이 추가로 이해된다. 열 파이프는 작은 온도 구배로 많은 양의 열을 전달할 수 있는 열 전달 메커니즘이다. 열원 안에서, 고온 소스에서 또는 그 부근에서, 그 내부에 열 전달 유체는 동력 생성 수단(1110)에서와 같이 저온 인터페이스에서 또는 그 부근에서 기화되고 자연적으로 유동하고 응축된다. 응축 후, 액체가 떨어지거나 모세관 작용에 의해 고온 소스로 다시 이동하여 다시 증발하고 사이클을 반복한다. 따라서, 파이프 시스템(1130)이 열 파이프로서 구성되는 실시 예에서, 천공(1140)의 바닥으로부터 열은 신속하게 동력 생성 수단(1110)으로 전달도리 수 있고, 열은 추출되어 터빈(1112)에 동력을 공급하는데 사용된다. 열 파이프 및 열 사이펀이 도 11을 참조하여 설명되는 동안, 임의의 실시 예들은 열 파이프 기술을 채용하여 그 안에 사용된 파이프 시스템들의 일부 또는 전부를 구성할 수 있다.
동력 생성 수단(1110)은 섬롤(Sumrall) 에너지 사이클 플랜트, 마테란 에너지 사이클 플랜트, 플래시 동력 플랜트, 건식 증기 동력 플랜트, 바이너리 동력 플랜트, 플래시/바이너리 혼합 사이클 동력 플랜트 등을 포함할 수 있고, 이들 각각은 도 11을 참조하여 자세히 설명된다.
동력 생성 수단(1110)으로 섬롤 에너지 사이클 플랜트를 사용하는 실시 예에서, 열 전달 매체는 정상 실온에서 액체인 것일 수 있고, 물 보다 비점이 낮고, 낮은 온도에서 증발할 수 있다. 섬롤 에너지 사이클에서, 저비점 매체는, 열 교환기를 통해 인터페이스하는 2차 유체가 아닌, 파이프 시스템(1130) 아래로 직접 전달되고, 1차 열 전달 매체는 파이프 아래로 전달된다. 섬롤 에너지 사이클에 사용하기 위한 예시적인 매체는, 이소부탄(isobutane), 시클로펜탄(cyclopentane) 또는 섭씨 100도 미만에서 기화하는 다른 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 더 낮은 비점을 갖는 매체는 더 낮은 증발 열을 가지며, 따라서, 홀 또는 우물(1140)의 바닥에서 파이프 시스템(1130) 내에 도달된 열에 의해 직접적으로 기화될 수 있고, 증기는 생성기(1114)를 구동하여 전기 에너지를 생성하기 위한 동력 생성 수단(1100)에서 터빈(1112)으로 직접적으로 운송될 수 있다. 터빈을 통해 전달된 후, 저비점 매체는 이후 액체로 재-응축되고, 다음 증발 사이클 동안 파이프 시스템(1130)을 통해 우물(1140) 아래로 다시 전달된다. 섬롤 에너지 사이클 플랜트라고도 하는 이 예시적인 실시 예는 설계에서 전체적으로 또는 실질적으로 폐쇄된 루프일 수 있고, 다른 열전 생성기들, 열 엔진들에서와 같이 저온 소스를 요구하지 않을 수 있다. 또한, 이 예시적인 실시 예는 펌프 스테이션의 사용을 요구하지 않을 수 있고, 열 증기는 파이프 시스템을 통해 자연스럽게 상승하여 고온 소스에 중력이 공급될 수 있다. 유체 접합부보다 고온 접합부에서 기체 인터페이스를 제공하도록, 저비점 유체가 다른 임의의 구성으로 사용될 수 있음이 이해된다.
터빈에서 이소부탄 또는 시클로펜탄과 같은 낮은 인화점(flashpoint) 유체를 사용하는 것은, 물 또는 증기를 사용하는 것과 비교하여 터빈의 성능이 향상될 수 있다. 낮은 인화점 유체는 물 또는 증기와 비교하여 더 낮은 압력 및 더 낮은 속도에서 사용도리 수 있고, 터빈 및 기타 장비의 블레이드들 및 금속 성분들의 마모가 줄어든다. 낮은 인화점 유체를 사용하면 유속이 높아지고, 더 큰 직경의 터빈을 사용할 수 있다. 이는 작동 유체의 속도를 감소시키며 터빈 성분들의 마모 및 손상을 줄일 수 있다. 또한, 낮은 인화점 유체들은 터빈 블레이드들, 케이싱들 및 기타 성분들에 충돌하여, 터빈에 악영향(impinge)을 끼칠 수 있는 혼입 액체(entrained liquid)를 함유할 가능성이 적다.
다른 예시적인 실시 예에서, 동력 생성 수단(1110)은 마테란 에너지 사이클 동력 플랜트일 수 있다. 마테란 에너지 사이클은 일반적으로 유체 공급 펌프들의 사용을 요구할 필요가 없는 폐쇄 루프 에너지 사이클이고, 열 전달 매체로서 물 대신 냉매를 사용하고 증기를 회수하기 위한 응축 메커니즘의 결과로서, 저온 열 소스만을 요구한다. 가열을 위해 고온 소스로 전달하기 전에 응축된 물질을 가열하기 위해 열교환기(미도시)는, 일련의 제어 가능한 밸브들을 통해 연결된다. 따라서, 도 11을 참조하면, 동력 생성 수단(1110)은 마테란 에너지 사이클 플랜트를 포함할 수 있다. 따라서, 예시적인 실시 예에서 유체 전달 매체는 공지된 냉매이다. 또한, 도시되지는 않았지만, 마테란 에너지 사이클 플랜트는 유체 복귀 파이프(1134)와 소통되어 남아있는 증기를 액체 상태로 응축시키기 위한 적어도 하나의 응축기를 포함할 수 있다. 또한, 표시되지는 않았지만, 마테란 에너지 사이클 플랜트는 유체 복귀 파이프(1134)와 연통하고, 전술한 열 교환기의 하류에 있는 하나 이상의 열 교환기를 포함할 수 있다. 공지된 밸브 시스템은 파이프 시스템(1130)의 바닥 및 가열을 위한 홀(1140)의 바닥으로 전달되기 전에, 응축기 및 열 교환기를 통해 터빈(1112)으로부터 유체를 선택적으로 제어할 수 있다. 가열 후, 실질적으로 기화될 수 있는 유체는, 그 내부에 회전력을 발생시키고 생성기(1114)로 전달하기 위한 동력 전달 수단(1110)의 터빈(1112)으로 전달될 수 있다. 터빈(1112)을 통해 전달된 후, 이용된 열 전달 매체는 후속 응축 사이클을 위해 유체 복귀 파이프(1134) 아래로 전달되고, 열 교환기에 의해 가열되고, 고온 소스에 의해 가열되고, 동력 생성 수단(1110)으로 재전달된다.
또 다른 실시 예들에서, 동력 생성 수단(1110)으로서 건식 증기 동력 플랜트 또는 플래시 사이클 동력 플랜트가 채용될 수 있다. 건식 사이클 동력 플랜트에서 증기는 (일 실시 예에서 지각 안에 존재하는 증기를 전달하는 개방 루프 구성인) 우물 안으로부터 동력 생성을 위해 터빈(1112)으로 전달된다. 플래시 증기 동력 플랜트에서 고온 물은 (도 4 내지 도 10을 참조하여 전술한 바와 같은 폐쇄 루프 구성 또는 개방 루프 구성을 포함할 수 있는) 우물 안으로부터 터빈(1112)으로 전달되기 전에 증기를 생성하기 위해 추가적인 플래시 탱크(미도시)로 전달된다. 유사하게, 바이너리 동력 플랜트 또는 조합 플래시/바이너리 혼합 사이클 플랜트는, 파이프 시스템(1130)과 열 소통하고, 터빈(1112) 및 생성기(1114)를 구동시키기 위해 기화되는 2차 작동 유체를 채용할 수 있다. 알려진 바와 같이, 열 교환기 또는 일련의 열 교환기들을 통해 펌핑되는 1차 매체로부터 우물(1140)의 바닥으로 그리고 2차 작동 유체로 열이 전달될 수 있다. 추가적인 작동 유체의 이용은 파이프 시스템(1130) 아래로 우물의 바닥으로 펌핑되는 것과 다른 퀄리티를 갖는 유체가 터빈(1112)과 인터페이스 하는 것을 허용한다.
"펌프 스테이션"이라는 용어가 이러한 예시적인 실시 예들에 사용되는 경우, "펌프 스테이션"은 공지된 바와 같이 실제 펌프 또는 펌핑 능력을 포함할 필요는 없음이 이해된다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 "펌프 스테이션"은 단순히 파이프 시스템을 통해 고온 소스 및 저온 소스 중 하나 또는 둘 모두에 열 전달 매체를 전달하고, 열전 생성기, 예시적인 열 엔진들, 예시적인 터빈 생성기들과 같이 동력 생성 수단으로 복귀하도록 작동 가능한 메커니즘을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 공지된 임의의 펌프 수단이 일부 예시적인 실시 예들에서 고려될 수 있으나, 다른 예시적인 실시 예들은 중력 공급, 사이펀-기반(siphon-based), 변위-기반(displacement-based) 등일 수 있다.
지열 생성 시스템들은 효율적이거나 비용-효율적인 동력 생성에 있어서 장애물들을 맞닥뜨릴 수 있다. 예를 들어, 드릴링된 모든 지열 우물들의 약 40%가 비생산적이고, 다음과 같은 여러가지 이유들로 경제적인 시스템을 유지하지 않거나 유지할 수 없음을 의미한다: 열 자원들의 부족, 불충분한 열 전도성, 표면에 고온 브라인(brine)을 가져오기 위한 불충분한 지압 등. 더욱이, 지열 형성부의 열 캐리어인 브라인은 환경 및 운영에 심각한 문제를 야기할 수 있다. 전통적인 지열 프로세스들에서, 고온 브라인이 생산 우물에서 지면으로 펌핑되고, 열은 지면 위로 추출되고, 브라인은 다시 지면 안으로 펌핑된다. 일반적인 시스템들은 브라인에서 열의 약 15-20%를 제거하고, 브라인은 생산 우물로부터 상당한 거리에 있는 주입 우물에서 지열 형성부로, 예를 들어 1-2km 이상으로 재도입된다(re-introduce). 브라인에서 열이 제거되므로, 브라인의 포화 조건들이 바뀌고, 파이프, 펌프 및 열 교환 표면들에서 브라인 성분(스케일링)들의 침전(precipitation)이 발생할 수 있다. 브라인의 침전은 파이핑을 틀어막을 수 있고(plug), 열전달 능력을 줄이고, 펌핑 동력 요구를 높이고, 파이프 파열을 유발할 수 있다. 브라인의 침전을 방지하기 위해, 상당한 양의 물을 브라인에 다시 부가해야 한다. 물 요구량은 생산된 MW 동력 당 1,000 에이커-풋의 물일 수 있다. 따라서, 50MW의 지열 플랜트는 연간 16.3억 갤런의 담수를 사용할 수 있다.
또한, 브라인은 카드뮴, 비소(arsenic), 셀레늄과 같은 중금속 및 황화수소(H2S)와 같은 독성 가스들을 포함하는 부식성 및 독성 성분들을 포함할 수 있다. 브라인을 표면으로 옮기는 것은, 이러한 성분들이 환경에 노출되거나 바람직하게 노출되게 할 수 있다. 더욱이, 브라인은 부식성이 높고, 브라인에 노출된 파이핑 시스템들의 부식을 방지하기 위한 단계들이 수행되어야 한다.
본 발명의 실시 예들은 종래의 지열 동력 생산의 문제점들을 극복 및/또는 최소화한다. 본 명세서에 기재된 실시 예들은 브라인을 처리하거나 브라인과 접촉하는 장비 및 파이핑의 양을 최소화한다. 본 명세서에 기술된 실시 예들은 브라인을 표면으로 펌핑하지 않고, 지열 형성부에서 지중(in-ground)에서 열을 교환한다. 따라서, 대량의 보충 물이나 담수가 요구되지 않는다. 위험한 브라인의 성분들은, 표면으로 이동하지 않고, 지열 형성부 안에 유지된다. 아래에 설명된 추가 시스템들은, 브라인을 표면으로 이동시키기에 충분한 지압을 가질 수 없는 기존의 사용된, 또는 소비된 오일 및 가스 우물들을 이용할 수 있다.
본 발명은 1차 열 전달 유체를 갖는 지중 열 교환기와, 1차 열 교환 유체 2차 열 교환 유체에 그 열을 전달하는 상기 지상 열 교환기와, 작동 유체로 2차 열 전달 유체를 사용하는 생성 부분을 포함하는 지열 동력 시스템들에 관한 것이다. 시스템은 유리하게는 유기 랭킨 사이클을 사용할 수 있고, 유기 액체(2차 열 교환 유체)는 이소부텐, 이소펜탄, 시클로펜탄 등의 상대적으로 낮은 비점을 가지고, 이는 열 교환기에서 액체로부터 증기로의 상 변화를 겪고, 증기는 터빈을 통과하여 재응축 및 재순환된다.
도 12a는 지열 특징으로부터 열을 추출하기 위한 시스템의 예시적인 실시 예를 도시한다. 생성 시스템(1200)은 1차 열 교환기 부분(1205), 2차 열 교환기 부분(1207) 및 생성 부분(1208)을 포함한다.
1차 열 교환기 부분(1205)은 지열 형성부(1245) 및 1차 열 교환기(1220)으로 드릴링된 우물(1240) 또는 홀을 포함한다. 우물(1240)은 새로 드릴링된 우물일 수 있다. 지열 형성부(1245)는 지열 에너지 소스 및 지열 형성부 안에 브라인과 같은 열 캐리어를 가질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 우물(1240)은 건조 우물, 소비된 오일 또는 가스 우물, 또는 사용되지 않은 우물일 수 있다. 1차 열 교환기(1220)는, 지열 형성부(1245) 내에서 우물(1240) 안에 배치되거나 삽입되고, 2차 열 교환 부분(1207)과 소통하는 공급 부분(1222) 및 복귀 부분(1224)을 갖는다. 공급 부분(1222) 및 복귀 부분(1224)의 부분들은 우물(1240) 밖으로 연장되어, 시스템(1200)의 다른 성분들에 연결된다.
일부 실시 예들에서, 우물 안의 온도는 깊이가 증가함에 따라 증가할 수 있다. 일부 우물들에서, 최대 3000피트까지 온도가 낮아질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 온도는 300피트 미만에서 증가하고, 지열 형성부(1245)로부터 유용한 열 전달이 발생할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 지열 피처들은 3000피트에서 12,000피트 또는 더 깊은 곳까지 증가하는 온도를 가질 수 있다. 화씨 600도 이상의 온도 다운 홀(temperatures down hole)은 시스템(1200)의 작동에 있어서 유리할 수 있다. 복귀 부분(1224)을 빠져나가는 열 교환 유체 온도들은 유리하게는 약 화씨 600도일 수 있다. 1차 열 교환기(1220)는 우물의 전체 깊이 또는 우물의 거의 전체 깊이를 따라 연장할 수 있고, 열 전달은 우물의 깊이를 따라 발생할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열 교환기는 효율적인 열 전달을 위해 충분히 높은 지중 온도를 갖는 우물의 일부만을 통해 연장할 수 있다.
1차 열 교환기(1220)는 아래에서 더 상세히 설명된다. 펌프(1210)는 공급 부분(1222) 및 복귀 부분(1224)과 유체 연통하고, 공급 부분(1222) 및 복귀 부분(1224)을 통해 1차 열 전달 유체를 순환시키기 위한 원통력(motive force)을 제공한다. 일부 실시 예들에서, 펌프(1210)는 지열 형성부(1245) 안에서 우물(1240) 아래로 1차 열 전달 유체를 가압하기 위한 정압(positive pressure)을 발생시킬 수 있다. 일부 실시 예들에서, 펌프(1210)는 복귀 부분(1224)을 통해 1차 열 전달 유체를 우물 밖으로 끌어올리기 위한 부압(negative pressure)을 제공할 수 있다. 공급 부분(1222) 안에 유체의 정적 헤드가 1차 열 전달 유체를 우물(1240) 밖으로 이동시키는 것을 도울 수 있으므로, 이는 유리할 수 있다.
펌프(1210)는 원심 펌프, 양변위 펌프(positive displacement pump), 가압 공기 또는 불활성 가스의 소스 또는 임의의 다른 유형의 펌프일 수 있다. 펌프(1210)는 전기적으로, 기계적으로 또는 유체 구동될 수 있다. 당업자는 펌프(1210)가 1차 열 전달 유체를 우물(1240) 내외로 순환시키기 위한 원동력을 제공할 수 있는 임의의 구성 요소일 수 있음을 이해할 것이다.
일부 실시 예들에서, 1차 열 전달 유체는 물과 같은 높은 열 용량을 갖는 유체일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 1차 열 전달 유체는 고온 증기/액상 유체 또는 유기 열 전달 유체일 수 있다. 테르미놀(Therminol)과 같은 열 전달 유체가 유리하게 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 1차 열 전달 유체는, 나노-파우터 마그네슐과 같은 나노-파우더 및 테르미놀의 혼합물일 수 있다. 테르미놀과 같은 고온 열 전달 유체를 사용하면, 지열 형성부(1245)로부터 열 흡수를 개선하고, 물 및 증기를 사용하는 것에 비해, 1차 열 교환기(1220) 및 2차 열 교환기(1215)의 부식을 감소시킬 수 있다. 열 전달 유체는 지열 동력 생성과 관련된 고열을 처리할 수 있는 것이 바람직하다. 1차 열 전달 유체의 열 전도성은 나노-파우더들 또는 유사한 성분들의 첨가에 의해 증가될 수 있다. 1차 열 전달 유체는 나노유체일 수 있다. 나노유체는 마그네슘과 같은 나노미터-크기의 금속 입자, 또는 유체의 열 전달 능력을 향상시키는 평균 크기가 1-100nm인 세라믹 또는 다른 입자들을 갖는 유체일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 나노-파우더 마그네슘은 047 J/kg-K의 열 용량을 갖는다. 1차 열 전달 유체의 열 용량은 리튬과 같은 다른 첨가제들을 첨가함으로써 증가될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 1차 열 교환기(1220)는 1차 열 전달 유체가 액체로서 유지되어 충분한 열 전달 능력 및 펌핑성(pumpability)을 제공하도록 가압된 상태로 유지될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 1차 열 전달 유체는 공정염들과 같은 지열 열 전달에 적합한 다른 물질일 수 있고, 이는 시스템(1200)의 효율을 향상시킬 수 있다.
1차 열 교환기(1220)에서 열 유동은 1차 열 전달 유체가 우물(1240) 내로 펌핑 다운되거나, 원동력을 통해 우물(1240) 내로 이동함에 따라 발생할 수 있다. 지열 형성부(1245)로부터 열은 열 캐리어 또는 브라인에 의해 공급 부분(1222)으로 운반된다. 열 캐리어 또는 브라인으로부터 열은 공급 부분(1222)의 벽을 통해 1차 열 전달 유체로 전달된다. 열 전달 유체는 열을 흡수하고, 펌프와 같은 원동력을 통해 2차 열 교환기 부분(1207)으로 이동하며, 1차 열 전달 유체는 2차 열 전달 유체에 열을 방출한다. 더 저온의 1차 열 전달 유체는 우물로 재순환되어 사이클을 반복한다.
우물로 복귀하는 열 전달 유체는, 2차 열 전달 유체에 모든 열을 공급하지 않기 때문에, 이미 주변 온도 이상이다. 전형적인 지열 동작에서는, (브라인 또는 증기로부터) 열의 15-25%는 열 소스로부터 추출되고, 브라인 및 증기의 나머지는 추출 포인트로부터 멀리 재주입되므로, 프로세스에 더 이상 사용되지 않는다. 그러나, 현재 출원은 (원래 열의 75-85%) 잔류 열이 추출된 동일한 우물에 재주입될 수 있도록 설계된다. 이러한 방식으로, 1차 유체는 시스템의 최적 열 작동을 위해 지열 형성부로부터 원하는 온도로 적은 열 인풋으로 최적 온도로 재가열될 수 있다. 이는 시스템(1200)에서 낭비되는 열을 줄이고, 작동 효율을 향상시킨다.
그러나, 1차 열 교환기(1220)의 전체적인 표면적은, 파이프 직경을 최대한 증가시킴으로써, 증가될 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 기존 우물을 이용하는 경우와 같이 일부 실시 예들에서, 기존 우물(1240)의 직경은 기존 케이싱 보다 작은 직경을 갖는 열 교환기만을 허용할 수 있다. 그러나, 하부 리머(under reamer)를 사용함으로써, 우물의 개방 홀 섹션, 즉 케이싱이 없는 우물의 섹션들은, (기존 케이싱의 직경을 넘어) 직경이 증가될 수 있고, 다른 곳에서 설명된 것처럼, 확장 가능한 케이싱 또는 지지 칼라들이 우물의 개방 홀 섹션에 삽입될 수 있으며, 따라서 더 큰 직경의 1차 열 교환기(1220)를 제공한다.
2차 열 교환기 부분(1207)은 2차 열 교환기(1215), 고온 유체 라인(1232) 및 저온 유체 라인(1234)을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 2차 열 교환기(1214)는 쉘 및 튜브 타입 열 교환기일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 공급 부분(1222) 및 복귀 부분(1224)은 2차 열 교환기(1215)의 튜브 부분과 유체 연통된다. 고온 유체 라인(1237) 및 저온 유체 라인(1234)은 2차 열 교환기(1215)의 쉘 부분과 유체 연통된다. 1차 열 전달 유체는 2차 열 교환기(1215)의 튜브 부분을 통해 유동하고, 2차 열 교환기(1215) 내의 2차 열 전달 유체에 열을 방출하며, 이는 2차 열 교환기(1215)의 쉘 측으로 유동한다. 2차 열 전달 유체는 1차 열 전달 유체의 열에 의해 기화되고, 기화된 2차 열 전달 유체는 발생 부분(1208)으로 유동한다.
2차 열 전달 유체는 공급 펌프(1237)를 통해, 고온 유체 라인(1232) 및 저온 유체 라인(1234)을 통해 순환된다. 공급 펌프(1237)는 2차 열 전달 유체를 2차 열 교환기(1215) 내로 순환시키기 위한 원동력을 전달할 수 있는 임의의 타입의 펌프일 수 있고, 본원에 다른 곳에 기술된 펌프와 유사할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 1차 및 2차 열 전달 유체들은 2차 열 교환기(1215)에서 혼합되지 않고 서로 분리된다.
2차 열 전달 유체는 2차 열 교환기(1215) 내에서 달성되는 온도에서 기화하는 유체일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 2차 열 전달 유체는 물일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 2차 열 전달 유체는 유리하게는 물보다 인화점이 낮은 유기 화합물일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 2차 열 전달 유체는 유리하게는 이소부탄 또는 시클로펜탄일 수 있다.
생성 부분(1208)은 터빈(1230), 생성기(1232) 및 응축기(1235)를 포함한다. 기화된 2차 열 전달 유체는 터빈(1230)의 블레이드들에 충돌하여, 생성기(1232)에 기계적으로 연결된 터빈 샤프트를 회전시킨다. 터빈(1230)이 회전함에 따라, 생성기(1232)는 전기를 생성한다. 터빈(1230)은 유리하게는 유기 랭킨 사이클의 일부일 수 있다.
응축기(1235)는 냉각기(1238)로부터 공급된 냉각제를 사용하여 2차 열 전달 유체를 응축시키도록 작동한다. 냉각기(1238)는 당업계에 공지된 하나 이상의 물 또는 공랭식 타워들을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 냉각기(1238)는 수역과 같은 큰 열 싱크일 수 있고, 본원 다른 곳에 기재된 열 싱크와 유사하게 펌프(미도시)를 통해 펌핑되거나 응축기(1235)를 통해 자연적으로 순환될 수 있다. 응축된 2차 열 전달 유체는 공급 펌프(1237)를 통해 2차 열 교환기(1215)로 순환되고, 여기서 다시 가열되고 기화된다.
열 교환기들(1215, 1235)는 본원에서 기재된 쉘-튜브 타입 열 교환기들이다. 그러나, 당업자는 본 개시 내용에 따라 임의의 타입의 열 교환기가 이용될 수 있음을 이해할 것이다. 추가로, 당업자는 열 교환기들의 쉘 및 튜브 측들로 유동하는 유체가 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 변경될 수 있음을 이해할 것이다.
일부 실시 예들에서, 생성 시스템(1200)은 2차 열 교환기(1215)를 포함하지 않을 수 있다. 이 경우, 1차 열 교환기 유체는 우물(1240)에서 가열되고, 터빈(1230)의 작동 유체로서 터빈(1230)으로 순환되고, 이어서 응축기(1235)에서 응축되어 우물(1240)로 복귀한다.
도 12b는 우물(1240) 안에 1차 열 교환기(1220)의 일부의 확대 단면도이다. 우물(1240)은 지열 형성부 안에 형성된 보어일 수 있고, 본원의 다른 곳에서 설명된 것과 유사할 수 있다. 지열 형성부(1245) 안에서, 브라인과 같은 액체가 존재할 수 있다. 브라인은 지질 효과(geological effect)들에 의해 지열 형성부(1245) 안에서 가열된다. 가열된 브라인은 지열 형성부(1245) 안에서 우물(1240) 안으로 유동하여 열 교환기(1220)에 열을 공급한다. 브라인이 없는 곳과 같은 고온/건조 다운 홀 조건들에서는, 주변 암석의 열 전도성에 의해 열이 전달될 수 있고, 고온 및 열 전도성이 높은 물질이 열 교환기의 외부와 건조 우물의 벽 사이에 삽입되어, 고온/건조 다운홀 조건들에서, 열 전도율을 향상시킬 수 있음이 이해될 수 있다. 이 경우, 열 전도성이 높은 물질은 열 암석에서 열 교환기(1220)로 열을 전달하기 위한 열 캐리어일 수 있다.
1차 열 교환기(1220)는 공급 부분(1222) 및 복귀 부분(1224)을 포함한다. 공급 부분(122)은 지열 형성부(1245)와 접촉하는 외부 쉘(1264) 및 복귀 부분(1224)에 의해 경계가 정해진다. 외부 쉘(1264)은 케이싱 조인트들 또는 케이싱 커플러(1227)들을 사용하여 서로 연결되고, 끝과 끝을 붙여, 서로 연결되는 복수 개의 케이싱 유닛들 또는 세그먼트들을 포함한다. 이러한 방식으로, 외부 쉘(1264)은 지열 형성부(1245)의 깊이에 도달하기 위해 필요한만큼 길 수 있다. 케이싱 커플러(1227)들은 케이싱의 한 섹션을 다른 섹션에 연결하고, 1차 열 교환기(1220)의 외부 경계를 형성한다.
외부 쉘(1264)은 소비되거나 사용되지 않은 오일 또는 가스 우물 내 케이싱일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 외부 쉘(1264)은 케이싱을 갖지 않은 드릴링된 우물 안에 제공되거나 위치될 수 있다. 기존의 케이싱이 우물에 존재하는 경우, 1차 열 교환기(1220)는 복귀 부분(1224)을 케이싱 내에 삽입하고, 브라인의 유출 또는 1차 열 전달 유체의 유출을 방지하기 위해, 밀봉함으로써 형성될 수 있다. 복귀 부분(1224)은 본원에 기술된 바와 같이 케이싱 또는 공급 부분(1222) 안에서 지지될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 브라인은 부식성이 높고 공급 부분(1222)의 외부 쉘(1264)에서 침전 또는 스케일링에 취약하다. 규산철(iron silicate) 또는 황산 바륨과 같은 스케일 물질은 외부 쉘(1264)의 우물 측면 상에 증착되거나 축적될 수 있다. 우물(1249)에서의 열 전달 프로세스가 등압이므로, 탄산 칼슘은 외부 쉘(1264)에서 스케일링되지 않을 수 있다. 외부 쉘(1264) 상의 스케일 축적은 외부 쉘(1264)의 열 전도성을 감소시켜, 브라인으로부터 1차 열 전달 유체로 전달되는 열의 양을 낮춘다.
부식 및 스케일 축적을 방지 또는 최소화하고, 1차 열 교환기의 유용한 작동 수명을 연장시키기 위해, 외부 쉘(1264)의 물질들을 신중하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 외부 쉘은 스테인리스 강으로 형성될 수 있고, 그런 다음 니켈 합금(625)과 같은 내식성 물질로 클래드(clad)된다. 니켈 합금(625)은 부식 및 스케일링에 저항하고, 외부 쉘(1264)의 높은 열 전도성을 유지한다. 내부식성 물질들은 스케일이 형성되기 시작하는데 필요한 핵 생성 부위들에 저항하기 때문에, 내부식성 물질들은 효과적인 스케일링 억제제일 수 있다.
또한, 작동 동안 브라인에 접촉하는 외부 쉘(1264)의 외부 표면은, 매우 매끄러운 비금속 물질로 코팅될 수 있다. 탄소 또는 붕소와 같은 비금속 물질을 사용한다. 이러한 비금속 물질은 화학 기상 증착(CVD) 또는 기상 증착 합금(VDA)을 통해 적용될 수 있다. 비금속 재료는 이온 결합 부위(ionic bonding site)가 형성되는 것을 방지하여, 스케일링 형성을 방지한다.
다이아몬드형 탄소(DLC) 코팅은 유리하게는 외부 쉘(1264)의 외표면에 적용될 수 있다. DLC는 상당한 양의 sp3 혼성화 탄소 원자를 갖는 비정질 탄소 물질의 분류이다. DLC의 한 형태, 예를 들어, 사면체의 비결정질 탄소(tetrahedral amorphous carbon, ta-C)가 유리하게 사용될 수 있다. Ta-C의 2mm 두께의 코팅은 마모, 스케일링 및 기타 오염에 대한 스테인리스 강(또는 더 낮거나 더 높은 등급의 강)의 저항을 크게 증가시킬 수 있다. 수소, 흑연 탄소 또는 금속을 갖는 형태들과 같은 다른 형태의 DLC가 또한 유리하게 사용될 수 있고, 비용을 감소시키고, 다른 바람직한 특성을 부여하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 질화 탄소, 질화 붕소, 또는 다른 탄소 또는 붕소 함유 물질이 스케일링 및 부식을 방지하거나 최소화하기 위해 외부 쉘(1264)의 외부 표면에 적용되는 것이 유리할 수 있다. 질화 붕소 코팅(CVD 또는 VDA 또는 유사한 방법을 통해 적용됨)은 1차 열 교환기(1220)의 작동 수명을 10배까지 향상시킬 수 있다.
일부 실시 예들에서, 외부 쉘(1264)은 열 전도성이 높고, 브라인으로부터 스케일링 및 부식에 저항하는 세라믹으로 형성되거나 코팅될 수 있다.
복귀 부분(1224)은 공급 부분(1222)의 외부 쉘(1264) 안에 동심으로 배치된 복귀 파이프(1254)를 포함한다. 복귀 파이프(1254)는 외부 쉘(1264) 보다 작은 직경을 가지므로, 복귀 부분(1254)을 통해 유속은 공급 부분(1222)에서의 유속보다 높을 수 있다. 복귀 파이프(1254)에서의 높은 속도는, 1차 열 전달 유체가 복귀 파이프(1254) 위로 이동할 때, 공급 부분(1222)에서 복귀 파이프의 벽들을 통해 1차 열 전달 유체의 냉각 부분으로의 열 손실을 제한할 수 있다.
또한, 복귀 파이프(1254)를 통한, 공급 부분(1222) 및 복귀 부분 사이의 열 전달을 최소화하기 위해, 복귀 파이프(1254)를 통해, 단열 레이어(1225)가 복귀 파이프(1254)의 표면에 추가될 수 있다. 이 단열 레이어는 공급 부분(1222) 및 복귀 부분(1224) 사이에 원하지 않는 열 전달을 방지, 저하 및/또는 최소화할 수 있다. 단열 레이어(1225)는 복귀 파이프(1254)의 내면, 외면 및 내외면 모두에 배치될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 단열 레이어는, 열 저항이 높고 낮은 열 전도성을 갖는 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole, PBI) 또는 다른 유사한 물질과 같은, 열 저항 폴리머를 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 복귀 파이프(1254)는 진공 단열 튜브(vacuum insulated tubing)일 수 있다. 진공 단열 튜브는 두 벽들 사이에 진공 공간이 있는 이중 벽 튜브이다. 배기 공간은 공급 부분(1222)의 1차 열 전달 유체로부터 복귀 파이프(1254)의 1차 열 전달 유체를 단열한다. 일부 실시 예들에서, 복귀 파이프는 진공 단열 튜브일 수 있고, 추가로 그 위에 코팅되는 절연 코팅을 구비할 수 있다.
복귀 파이프(1254)는 하나 이상의 집중기(1228)들을 사용하여, 외부 쉘(1264) 내에 동심으로 제자리에 지지된다. 집중기들은 케이싱 커플러(1227)들에서 또는 그 부근에서 외부 쉘(1264)의 내부 표면으로부터 연장하고, 복귀 파이프91254)의 외부 표면에 연결되는 경사진 브레이스(angled brace)들이다. 집중기(1228)들은 외부 쉘(1264)의 내표면으로부터 복귀 파이프(1254)의 외표면을 향하여 하방으로 경사져 있다. 도 12b는, 1차 열 교환기(1224)의 일측 상에 집중기(1228)들만을 도시하지만, 이들은 도 12d와 관련하여 후술하는 것과 같이, 복귀 파이프(1254)의 원주 둘레로 연장할 수 있다. 집중기(1228)들은 외부 쉘(1264) 안에 중심이 있는 복귀 파이프(1254)를 지지하고 유지하도록 작용한다. 집중기(1228)들은 1차 열 교환 유체의 유동에 대한 유압 저항을 최소화하기 위해 좁은 프로파일을 갖는다.
복귀 파이프(1254)는 내부에 하나 이상의 천공(1223, perforation)들을 갖도록 형성된다. 하나 이상의 천공(1223)들은 공급 부분(1222) 및 복귀 부분(1224) 사이에 유체 통로를 제공한다. 일부 실시 예들에서, 복귀 파이프(1254)는 하부 표면(1255) 상에 캡핑(cap)되고, 천공들은 복귀 파이프(1254)의 바닥 표면(1255)에 원주로 형성된다. 일부 실시 예들에서, 복귀 파이프(1254)의 하부 표면(1255)은 캡핑되지 않고, 가열된 1차 열 전달 유체는 복귀 파이프(1254)의 바닥으로 유동한다. 일부 실시 예들에서, 복귀 파이프(1254)는 천공(1223)들을 포함하고, 하부 표면(1255) 상에 언캡핑(uncap)된다.
천공(1223)들은 유리하게는 1차 열 교환기(1220)를 통해, 펌핑 작용의 결과로 쉘의 바닥 파트의 압력을 줄임으로써, 제 1 열 전달 유체를 순환시키기 위한 동력 조건들의 개선을 제공할 수 있다.
1차 열 전달 유체는 화살표(1222a, 1222b)로 표시된 방향들로 1차 열 교환기(1220)를 통해 유동한다. 예를 들어, 설명하기 위해, 공급 부분(1222)에서 2차 열 교환기(1215)로부터 우물(1240) 아래로 저온, 또는 비교적 더 저온의 1차 열 전달 유체가 유동하고, 화살표(1222a)로 도시된 바와 같이, 집중기(1228)들 주위로, 1차 열 교환기(1220)의 바닥 표면(1255)에 또는 그 부근에 위치한다. 1차 열 전달 유체가 공급 부분(1222) 아래로 유동함에 따라, 그것은 브라인과 열적으로 연결된 외부 쉘(1264)을 통해 지열 형성부(1245)로부터 열을 픽업한다. 지열 형성부로부터 열은 외부 쉘(1264)을 통해 1차 열 전달 유체로 전도 및/또는 대류한다.
고온, 또는 비교적 고온의 1차 열 전달 유체는 천공(1223)들을 통해 복귀 파이프(1254)로 유동한다. 복귀 파이프의 단열은 복귀 파이프(1254)의 고온 1차 열 전달 유체와 공급 부분(1222)에서 아래로 유동하는 차가운 1차 열 전달 유체 사이의 열 전달을 최소화한다. 고온 1차 열 전달 유체는 그 후 복귀 파이프(1254) 및 2차 열 교환기(1215)로 유동하거나, 일부 실시 예들에서, 터빈(1230)으로 유동한다.
1차 열 교환기(1220)의 외부 쉘(1264)은 우물(1240) 안에서 제자리에 지지된다. 외부 쉘(1264)은 일반적으로 우물(1240) 보다 작은 직경을 가지므로, 우물(1240)의 내부 쉘(1263) 및 외부 쉘(1264) 사이에 갭이 존재한다.
일부 사용된 또는 건조 오일 또는 가스 우물들에서, 포틀랜드 시멘트(portland cement) 또는 고실리카 시멘트(high silica cement)는 우물(1240) 안에 케이싱을 지지하기 위해 사용되어 왔다. 본 명세서에 기술된 일부 실시 예들에서, 케이싱은 1차 열 교환기(1220)의 외부 쉘(1264)을 형성할 수 있다. 우물들에 사용되는 포틀랜드 시멘트 및 기타 유사한 구조는 열전도성이 매우 낮다. 포틀랜드 시멘트는, 특히, 약 0.2W/m·K의 열 전도성을 갖는다. 열 전도성이 낮은 지지 물질을 사용하면, 우물(1240)에서 열 전달을 크게 억제하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 낮은 열 전도성을 갖는 1차 열 교환기(1220)를 지지하는 구조 물질은, 지열 형성부(1245) 및 브라인으로부터 1차 열 교환기(1220)로 열 전달을 크게 억제한다. 기존 우물을 사용할 때, 건조 우물 또는 가스 우물과 같은 기존 우물의 일부는, 케이싱이 지열 형성부 안에 정상적으로 있을 때까지 저 전도성 시멘트로 케이싱 및 시멘트 처리되어, 지열 브라인이 훨씬 더 얕은 담수 대수층(aquifers)으로 흘러 들어가지 못하게 한다. 특정 깊이 (우물의 깊이의 바닥 2/3) 아래에서, 일부 실시 예들에서, 개방 홀이 있거나, 케이싱되지 않은 우물이 있고, 이는 지열 형성부(1245) 안에서 매우 높은 온도에 있고, 열 교환기가 삽입될 수 있고, 여기에 설명된 열 전달 작업들이 수행될 수 있다. 일 예에서, 12,000 피트 깊이의 우물에서, 처음 3천 피트의 경우, 지표면 온도는 복귀하는 1차 열 전달 유체 온도(화씨 355도) 보다 저온일 수 있고, 따라서, 비-전도성 시멘트는 초기 복귀 사이클 동안, 상부 형성부로의 열 손실을 방지하고, 이용되지 않은 유일한 섹션은 3,000 피트에서 4,000 피트 사이의 깊이이다(우물이 지열 형성부로 개방된 곳).
우물(1240) 안에 1차 열 교환기(1220)를 지지하기 위한 구조 물질에 대한 바람직한 열 전도율 값은 약 15 W/m·K인 것으로 밝혀졌다. 15 W/m·K 보다 작은 열전도율은 지열 에너지를 효율적으로 사용하거나 최대화하기에 충분한 열 유속(heat flux)을 제공하지 않을 수 있고, 15 W/m·K 보다 큰 열전도율은 열 유속을, 더 높은 열 전도성을 갖는 물질을 제공하는 비용에 대한 수익 감소 시점까지, 더욱 증가시킨다. 우물(1240) 안에 외부 쉘(1264) 또는 케이싱을 지지하기 위해 높은 열 전도성을 갖는 시멘트 또는 구조 물질이 유리하게 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 아래에서 더 상세하게 설명되는 것처럼, 1차 열 교환기(1220)는 시멘트, 콘크리트 또는 그라우트를 사용하지 않고, 우물(1240) 안에 매달리거나 지지될 수 있다.
지지 물질에서 바람직한 또는 더 높은 열 전도성을 달성하기 위해, 열적으로 강화된 물질들을 갖는 콘크리트 또는 그라우트가 사용될 수 있다. 예를 들어, 시멘트 또는 그라우트는 알루미늄, 구리, 자철석(magnetite) 등과 같은 금속 파우더들을 첨가함으로써, 열적으로 향상될 수 있다. 높은 열전도성을 갖는 시멘트 또는 그라우트에 이러한 물질을 부가하면, 결과 콘크리트(resulting concrete)의 열전도성이 증가한다. 시멘트 또는 그라우트는 첨가된 금속 파우더들과 반응하지 않도록 중석 또는 중성 pH에 근접해야 한다. 알칼리성 또는 산성 그라우트는 금속 물질들과 반응할 수 있고, 이는 시멘트 또는 그라우트의 가스 생성, 부식 및 약화를 초래할 수 있다.
도 12b에 도시된 바와 같이 일부 실시 예들에서, 외부 쉘(1264)은 열적으로 강화된 시멘트(1260, thermally enhanced cement)를 사용하여 제자리에 지지된다. 열적으로 강화된 시멘트(1260)는 벽(1240)의 내부 벽(1263) 및 외부 쉘(1264) 사이에 배치될 수 있다. 열적으로 강화된 시멘트(1260)는 지열 형성부(1245) 및 1차 열 교환기(1220) 사이에 열 전달을 향상시키고, 우물(1240) 내에서 외부 쉘(1264)을 지지한다.
도 12c는 우물(1240) 안에 1차 열 교환기(1220)의 실시 예를 도시하고, 외부 쉘(1264)은 복수 개의 측면 지지 칼라(1261, lateral support collar)들을 사용하여 제자리에 지지된다. 측면 지지 칼라(1261)들은 우물(1240)의 내부 벽(1263)으로부터 연장하고 외부 쉘(1264)에 접촉한다. 측면 지지 칼라(1261)들은 외부 쉘(1264)의 원주 둘레에 그리고 외부 쉘(1264)의 길이를 따라 이격되고, 외부 쉘(1264)로부터 우물(1240)의 내부 표면(1263)을 향해 하방으로 연장할 수 있다. 따라서, 측면 지지 칼라(1261)들을 사용하는 것은 외부 쉘(1264) 및 우물(1240)의 내부 벽(1263) 사이에 갭(1246)을 남긴다. 지열 형성부의 브라인은 갭(1246) 주위에서 갭(1246)을 통해 유동하고, 브라인은 1차 열 교환기(1220)의 외부 쉘(1264)과 직접적으로 접촉할 수 있다. 이 배열은 지열 형성부로부터 1차 열 교환기(1220)로 열 전달을 증가시킨다. 일부 우물(1240)에는 외부 쉘(1264)과 접촉하는 브라인 이외의 신선한 지하수 또는 다른 열 전달 매체가 있을 수 있음이 이해된다.
측면 지지 칼라(1261)들이 외부 쉘(1264)로부터 방사상 바깥쪽으로 그리고 아래로 연장하는 것은, 1차 열 교환기의 아래쪽으로 우물(1240) 내로 또는 음의 y축 방향으로 이동을 제한하거나, 그러나 우물(1240) 밖으로 또는 양의 y축 방향으로 이동할 수 있도록 지지를 제공한다. 측면 지지 칼라(1261)들은 움직일 수 있는 접합부 또는 힌지들에서 외부 쉘(1264)의 외부 표면에 부착될 수 있다. 열 교환기(1220)가 우물 내로 삽입되기 전에, 측면 지지 칼라들은 바이어스 및 힌지식, 피봇 가능 또는 이동 가능하지만, 제거 가능하지 않은 접합부를 통해 열 교환기의 외부 쉘의 제 1 단에 고정될 수 있다. 측면 지지 칼라들의 타단은 외부 쉘(1264)의 외부 표면에 대해 접힐 수 있고, 임시적인 연결 또는 분해 가능한 물질로 제자리에 고정될 수 있다. 열 교환기(1220)가 우물(1240)에 삽입됨에 따라, 측면 지지 칼라들은 외부 쉘(1264)의 외부 표면과 동일한 평면이거나 거의 동일한 평면이고, 열 교환기(1220)는 측면 지지 칼라(1261)들로부터 간섭 없이 우물(1240) 내로 연장할 수 있다. 열 교환기가 우물(1240) 안에 제자리에 있을 때, 임시적인 연결 또는 열화(degrade) 가능한 물질은 열화될 수 있다. 임시적인 연결이 열화될 때, 측면 지지 칼라(1261)들의 제 1 단에서 접합부에서 바이어스 힘은 측면 지지 칼라(1261)들이 도 12c에 도시된 위치로 연장하게 하고, 우물(1240) 안에서 열 교환기(1220)를 지지하면서, 우물(1240)의 내부 표면에 악영향을 준다.
일부 실시 예들에서, 임시적인 연결 또는 열화 물질은 우물(1240)의 부식 조건으로 인해 열화되거나, 우물(1240) 아래의 고온으로 인해 열적으로 열화되거나, 또는 둘 다로 구성된다. 다른 열화 메커니즘도 사용될 수 있다.
이는 1차 열 교환기(1220)가 필요하다면 우물(1240)로부터 쉽게 위쪽으로 제거될 수 있게 하나, 1차 열 교환기(1220)가 우물(1240) 내로 더 아래쪽으로 이동하는 것을 방지한다. 일부 실시 예들에서, 1차 열 교환기(1220)는 유리하게는 지표면 또는 수면으로부터 우물(1240) 내로 매달릴 수 있다.
도 12c는 중앙 집중기(1228)들을 접합부(1229)에서 복귀 파이프(1254)에 연결되고, 외부 쉘(1264)에 연결되지 않은 수평 브레이스들로서 도시한다. 이는 복귀 파이프(1254)의 중심을 쉘(1264) 안에 있게 하고, 복귀 파이프(1254)가 유지 보수, 교체, 검사 등을 위해 쉘(1263)(또는 케이싱) 또는 우물(1240)로부터 제거될 수 있게 한다. 복귀 파이프(1254)가 케이싱으로부터 제거됨에 따라, 집중기(1228)들은 복귀 파이프(1254)로 제거된다. 이는 또한 쉘(1264)에 연결된 구조들의 어레이를 탐색할 필요 없이 복귀 파이프(1254)를 쉘(1264) 내로 삽입할 수 있게 한다.
일부 실시 예들에서, 집중기(1228)들은 수평으로 배열되어 복귀 파이프(1254) 및 쉘(1264) 모두에 연결될 수 있다.
비록 열적으로 강화된 콘크리트(1260)를 구비하는 실시 예에서 도 12b의 경사진 집중기(1228)의 배열이 도시되고, 지지 칼라(1261)들을 갖는 실시 예에서 도 12c의 수평 집중기(1228)가 도시되나, 수평 집중기(1228)들은 열적으로 강화된 콘크리트(1260)에 의해 지지되는 열 교환기에서 사용될 수 있고, 경사진 집중기들은 지지 칼라(1261)들에 의해 지지되는 열 교환기들에서 사용될 수 있다.
도 12d는 집중기(1228)들의 배열을 도시하는 1차 열 교환기(1220)의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 집중기들은 복귀 파이프(1254)로부터 외부 쉘(1264)을 향해 방사상 외측으로 연장되고, 복귀 파이프(1254)의 주위에 원주 방향으로 배치된다. 집중기(1228)들 사이에는 1차 열 전달 유체의 유동을 허용하는 공간이 있다. 도 12d에 도시된 집중기(1228)들의 도면은, 경사진 또는 수평의 집중기(1228)들에 적용될 수 있다. 도 12d는 제 1 열 전달 유체의 유동에 대한 유압 저항을 최소화하기 위해 집중기(1228)들이 좁을 것이라는 것을 도시한다.
전기를 생성하기 위한 시스템 및 방법은 또한 시설, 장비 등의 가열 및 냉각에 적합할 수 있다. 가열 및 냉각 응용들에서, 시스템은 터빈 또는 생성기를 포함할 필요는 없지만, 열 교환기들 및 제어 시스템들을 사용하여, 빌딩, 방, 장비 등의 온도 제어를 제공할 수 있다. 부가적으로 흡착 또는 흡착 냉동기(adsorption chiller)들은 유리하게는 본 명세서에 기술된 지열 에너지를 사용하는 설비 및 장비들에 냉각을 제공할 수 있거나, 대기 수증기의 응축에 사용될 수 있다.
도 12와 관련하여 설명된 1차 열 교환기에 관한 생성 시스템들 및 세부 사항들은, 열전 생성기, 스털링 엔진, 마테란 사이클, 유기 랭킨 사이클, 전통적인 랭킨 사이클, 또는 본 명세서에 기술된 임의의 다른 사이클 또는 프로세스를 갖는 실시 예에서 유리하게 사용될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 예를 들어, 우물이 지열 압력이 불충분하거나 지열 형성부 안의 열 캐리어 이동이 원하는 것 보다 낮은 경우, 지열 형성부 및 우물 안에 충분한 열 캐리어 유동이 존재하도록 보장하기 위한 단계들이 수행될 수 있다. 예를 들어, 우물 부근의 영역에서 수압 파쇄를 수행하여, 1차 열 교환기 주변, 순환 및 순환 경로를 생성함으로써, 지열 형성부에 대한 열 캐리어의 전체적인 부피 노출을 증가시킬 수 있다. 일부 실시 예들에서, 수압 파단(hydraulic fracture)들은 예를 들어 파단 물에 포함된 약 80 매쉬 또는 177 마이크로미터들의 평균 입자 직경을 갖는 모래를 사용하여 수행될 수 있다. 본 개시에 의해 안내되는 당업자는, 다른 모래 직경들이 본원에 기술된 실시 예들에서 어떻게 사용될 수 있는지 이해할 것이다. 일부 실시 예들에서, 모래는 스케일 억제 화학물들로 코팅되거나 혼합될 수 있다. 스케일 억제 화학물들은 1차 열 교환기의 외부 쉘 상에 스케일 형성을 방지하기 위해 수압 파단에 삽입될 수 있다. 이러한 화학물들은 아크릴산 폴리머들, 밀레 산 폴리머들 및 포스포네이트(phosphonate)들을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 스케일-억제 화학물들은 바람직한 용해도, 열 안정성 및 투여 효율 특성들을 위해 선택될 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같이 지열 피처에서 드릴링된 우물로, 우물의 구성은 복수 개의 지지 칼라들을 삽입함으로써 달성될 수 있다. 케이싱 유닛들 또는 케이싱 세그먼트들은 표면 상에 조립된 다음 우물에 삽입되고, 지지 칼라에 의해 지지될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 케이싱 세그먼트들은 우물 안에 개별적으로 삽입되고 지지 칼라들에 의해 지지된다. 케이싱 부분이 완성되면, 리턴 파이프가 케이싱에 동축으로 삽입될 수 있고, 적절한 입구들 및 출구들 및 연결들이 이루어질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 열 교환기는 완전한 유닛으로서 우물에 삽입될 수 있고, 지지 칼라들에 의해 지지될 수 있다. 열 교환기가 스케일링 되었거나 효율적인 열 전달을 제공할 수 없는 경우, 유닛은 우물에서 제거되고, 새 열 교환기로 교체되거나, 제거된 열 교환기를 세척/수리 및 우물에 재삽입될 수 있다.
전술한 내용은 본 발명의 예시적인 실시 예들에만 관련되고, 본 명세서에 정의된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 본 명세서에서 다수의 변경 및 수정이 이루어질 수 있음이 명백하다.
상기 설명은 본 발명의 여러 방법들 및 물질들을 개시한다. 본 발명은 방법들 및 물질들의 변형 뿐만 아니라, 제조 방법들 및 장비의 변형이 가능하다. 이러한 변형들은 본 명세서 또는 본 명세서에 개시된 본 발명의 실시를 고려하여, 당업자에게 명백할 것이다. 결과적으로, 본 발명의 범위는 여기에 개시된 특정 실시 예로 제한되는 것이 아니라, 본 발명의 진정한 범위 및 사상 내에 있는 모든 수정 및 대안을 포함하는 것으로 의도된다.
전술한 설명은 여기에 개시된 시스템들, 장치들 및 방법들의 특정 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 전술한 내용이 얼마나 상세하게 나타나든지, 시스템들, 장치들 및 방법들은 여러 방식으로 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 특정 특징 또는 양태를 기술할 때 특정 용어의 사용이 그 용어를 의미하는 것으로 간주되어서는 안됨에 유의해야 하고, 본 명세서에서 그 용어는 그 용어와 관련된 기술적 특징 또는 양태의 임의의 특정 특성을 포함하도록 제한되도록 본 명세서에서 재정의되고 있다.
당업자는 설명된 기술의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 수정 및 변경은 실시 예의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다. 당업자는 일 실시 예에 포함된 부분이 다른 실시 예와 상호 교환 가능하다는 것을 이해할 것이고, 도시된 실시 예의 하나 이상의 부분은 다른 도시된 실시 예와 임의의 조합으로 포함될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기술되고 및/또는 도면에 도시된 다양한 구성 요소 중 임의의 구성 요소는 다른 실시 예로부터 결합, 교환 또는 배제될 수 있다.
본 명세서의 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수 용어의 사용과 관련하여, 당업자는 문맥 및/또는 적용에 적절한 바와 같이 복수에서 단수로 또는 단수에서 복수로 해석할 수 있다. 명확성을 위해 다양한 단수/복수 치환이 본 명세서에 명시적으로 제시될 수 있다.
일반적으로, 본 명세서에서 사용된 용어는 일반적으로 "개방" 용어로 의도된 것으로 이해될 것이다(예를 들어, "포함"한다는 용어는 "포함하지만 이에 제한되지 않는"으로 해석되어야 하고, "구비"한다는 용어는 "적어도 구비"하는 것으로 해석되어야 하고, "갖는다"는 용어는 "갖지만 이에 제한되지 않음"으로 해석되어야 함). 또한, 소개된 청구에서 특정 수가 의도될 경우, 그러한 의도는 청구 범위에서 명시적으로 언급될 것이며, 그러한 언급이 없으면 그러한 의도가 존재하지 않는 것으로, 당업자에 의해 더 이해될 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위해, 다음의 첨부된 청구범위는 청구 인용을 도입하기 위한 "적어도 하나" 및 "하나 이상"과 같은 소개 문구의 사용을 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 문구의 사용은 무정 관사 "한" 또는 "하나"에 의한 청구 설명의 도입이 그러한 개시된 청구 설명을 포함하는 실시 예로 제한한다는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안되며, 동일한 청구가 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"의 소개 문구를 포함하고 "한" 또는 "하나"와 같은 부정관사는 일반적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 하고, 청구 설명을 소개하는데 사용된 정관사의 사용에도 마찬가지다.
또한, 특정 수의 도입된 청구 설명이 명시적으로 언급되더라도, 당업자는 이러한 설명이 적어도 인용된 수를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 이해할 수 있다(예를 들어, 다른 수정이 없는 "두 번의 설명"은 전형적으로 두 번의 설명 또는 두 번 이상의 설명을 의미함). 또한 "A, B 및 C 중 적어도 하나"와 같은 규칙이 있는 경우, 일반적으로 이러한 구성은 당업자가 관습을 이해한다는 것에서 의도된다(예를 들어, "A, B 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 "A 단독, B 단독, C 단독, A 및 B를 함께, A 및 C를 함께, B 및 C를 함께, A, B 및 C를 함께 갖는 시스템을 포함하나 이에 제한되지 않음을 의미함). "A, B 및 C 중 적어도 하나"와 같이 유사한 규칙이 있는 경우, 당업자가 관섭을 이해한다는 것에서 의도된다(예를 들어, "A, B 및 C중 적어도 하나를 갖는 시스템은 "A 단독, B 단독, C 단독, A 및 B를 함께, A 및 C를 함께, B 및 C를 함께, A, B 및 C를 함께 갖는 시스템을 포함하나 이에 제한되지 않음을 의미함). 상세한 설명, 청구범위 또는 도면에서, 둘 이상의 대안 용어를 나타내는 사실상 임의의 분리형 단어 및/또는 문구가 용어 중 하나를 포함하는 가능성을 고려하도록 당업자에게 이해된다. 예를 들어, "A 또는 B"는, "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성들을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 "포함"은 "구비", "수용" 또는 "특징된"과 동의어이며, 포괄적이거나 개방적이고 추가의 언급되지 않은 요소 또는 방법을 배제하지 않는다.

Claims (31)

  1. 우물 안에 마련된 1차 열 교환기 -상기 우물은 지열 형성부 안의 열 캐리어 및 지열 피처에 접촉하고, 상기 1차 열 교환기는 상기 1차 열 교환기의 열 캐리어로부터 열을 흡수하기 위한 제 1 열 전달 유체를 수용함-;
    상기 1차 열 교환기와 열 소통하는 2차 열 교환기 -상기 2차 열 교환기는 제 2 열 전달 유체를 수용하고, 상기 제 1 열 전달 유체 및 제 2 열 전달 유체는 서로 분리되어 유지되고, 상기 제 2 열 전달 유체는 물의 인화점 보다 낮은 인화점을 가짐-;
    상기 2차 열 교환기와 유체 소통하는 터빈 -상기 제 2 열 전달 유체는 상기 2차 열 교환기에서 기화되고, 기화된 제 2 열 전달 유체는 상기 터빈 내 작동 유체임-; 및
    상기 터빈에 연결되는 생성기 -상기 생성기는 상기 터빈의 움직임에 기초하여 전기를 생성함-;
    를 포함하는 지열 에너지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 열 교환기는 공급 부분 및 복귀 부분을 포함하고, 상기 공급 부분은 상기 지열 피처와 열 소통하는 쉘을 포함하고, 상기 복귀 부분은 상기 공급 부분의 쉘 안에 동심으로 위치되는 지열 에너지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복귀 부분은 단열 파이프를 포함하고, 상기 단열 파이프는 상기 1차 열 교환기의 공급 부분 내 비교적 더 저온인 제 1 열 전달 유체로부터 상기 복귀 부분 내 고온인 제 1 열 전달 유체를 단열시키는 지열 에너지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 단열 파이프는 복수 개의 집중기들을 통해 상기 1차 열 교환기의 쉘 안에 매달려 있고, 상기 집중기들은 상기 1차 열 교환기 안에 마련되어, 1차 열 교환 유체는 상기 복수 개의 집중기들과 접촉하는 지열 에너지 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수 개의 집중기들은 상기 단열 파이프의 외부 표면에 연결되고, 상기 쉘의 내부 표면에 연결되지 않는 지열 에너지 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    단열 복귀 파이프는 상기 공급 부분의 쉘의 바닥 부분 부근에 위치되는 제 1 단과, 상기 2차 열 교환기에 연결되는 제 2 단을 구비하고, 상기 단열 복귀 파이프의 제 1 단은 폐쇄되어 있고, 그 내부에 상기 제 1 열 전달 유체를 상기 공급 부분으로부터 상기 단열 복귀 파이프 내로 유동하게 허용하는 복수 개의 천공들을 포함하는 지열 에너지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    쉘은 우물 케이싱을 포함하고, 상기 케이싱은 상기 우물 안에 마련되는 복수 개의 케이싱 세그먼트들을 포함하는 지열 에너지 시스템.
  8. 청구항에 있어서,
    상기 복수 개의 집중기들은 상기 케이싱 세그먼트들 사이의 접합부들에서 상기 케이싱의 내부 표면에 연결되는 지열 에너지 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 열 교환기는 높은 열 전도성을 갖는 시멘트 또는 그라우트에 의해 상기 우물 안에 지지되는 지열 에너지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 열 교환기는 복수 개의 지지 칼라들에 의해 상기 우물 안에 지지되는 지열 에너지 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 열 교환기는 해저 또는 땅의 표면 또는 그 부근에 매달리는 지열 에너지 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 캐리어는 벽의 내부 표면 및 상기 1차 열 교환기의 외부 표면 사이에 삽입된 열 전도성 물질을 포함하는 지열 에너지 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 캐리어는 상기 지열 형성부 안에서 유동 가능한 브라인인 지열 에너지 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수 개의 지지 칼라들 각각은 제 1 단 및 제 2 단을 포함하고, 상기 복수 개의 지지 칼라들의 제 1 단들은 상기 우물의 내부 벽에 고정되게 연결되고, 상기 복수 개의 지지 칼라들의 제 2 단들은 상기 복수 개의 지지 칼라들의 대응하는 제 1 단들보다 상기 우물에서 더 높은 지점에서 상기 1차 열 교환기의 외부 쉘에 접촉하는 지열 에너지 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 우물의 바닥 위의 포지션에서 상기 1차 열 교환기의 외부 쉘을 지지하는 지열 에너지 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 우물 안에 마련되어, 상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 지열 형성부 내 상기 열 캐리어와 접촉하고, 상기 열 캐리어는 상기 복수 개의 지지 칼라들 주위로 유동하여 상기 1차 열 교환기에 접촉하는 지열 에너지 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    쉘은 상기 쉘의 우물-마주하는 표면 상에 안티-스케일링 코팅을 포함하고, 상기 코팅은, 이온 결합 부위의 형성을 방지하여 스케일 형성을 방지하고 부식을 억제하는 매우 매끄러운 비-금속 물질을 포함하는 지열 에너지 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    쉘은 상기 쉘의 우물-마주하는 표면 상에 안티-스케일링 코팅을 포함하고, 상기 코팅은, 화학 기상 증착 또는 기상 증착 합금을 통해 적용되는 붕소 또는 탄소와 같은, 비-금속 물질을 포함하는 지열 에너지 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    쉘은 상기 쉘의 우물-마주하는 표면 상에 안티-스케일링 코팅을 포함하고, 상기 코팅은, 부식 및 스케일링을 지연시키기 위해 상당한 양의 sp3 혼성화 탄소를 구비하는, 비정질 탄소 물질을 포함하는 지열 에너지 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    쉘은 상기 쉘의 우물-마주하는 표면 상에 안티-스케일링 코팅을 포함하고, 상기 코팅은 스케일링 및 부식을 방지하거나 최소화하기 위해, 질화 탄소 및 질화 붕소를 포함하는 지열 에너지 시스템.
  21. 제 1 항에 있어서,
    쉘은 상기 쉘의 우물-마주하는 표면 상에 안티-스케일링 코팅을 포함하고, 상기 코팅은 스케일링 및 부식을 저항하는 높은 열 전도성 세라믹을 포함하는 지열 에너지 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열 전달 유체는 나노 유체인 지열 에너지 시스템.
  23. 우물 안에 마련된 1차 열 교환기 내로 제 1 열 전달 유체를 이동시키는 단계 -상기 우물은 지열 형성부 안의 열 캐리어 및 지열 피처에 접촉함-;
    상기 제 1 열 전달 유체에서, 상기 우물 내 상기 열 캐리어로부터 열을 흡수하는 단계;
    상기 제 1 열 전달 유체를 상기 1차 열 교환기 및 우물 밖으로 이동시키고, 2차 열 교환기 내로 이동시키는 단계;
    상기 제 1 열 전달 유체로부터 상기 2차 열 교환기 안의 제 2 열 전달 유체로 열을 전달하여, 상기 2차 열 교환기 내 2차 열 전달 유체를 기화시키는 단계;
    기화된 2차 열 전달 유체를 터빈 내로 유동시키는 단계 -상기 터빈은 전기 발생기에 연결되고, 기화된 2차 열 전달 유체는 상기 터빈을 이동시킴-; 및
    상기 터빈의 움직임을 이용하여 상기 전기 발생기에서 전기를 생성하는 단계;
    를 포함하는 지열 에너지를 이용하여 전기를 생성하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 열 교환기 내로 제 1 열 전달 유체를 이동시키는 단계는,
    상기 제 1 열 전달 유체를 상기 1차 열 교환기의 공급 부분 아래로 이동시키는 단계; 및
    상기 1차 열 교환기의 쉘과 상기 1차 열 교환기의 쉘 안에 동심으로 배치된 복귀 파이프의 표면을, 상기 제 1 열 전달 유체에 접촉시키는 단계;
    를 포함하는 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 열 전달 유체를 상기 1차 열 교환기 및 우물 밖으로 이동시키는 단계는, 상기 1차 열 교환기의 공급 부분의 쉘 안에 동심으로 배치된 복귀 파이프를 통해 상기 1차 열 전달 유체를 유동시키는 단계를 포함하고, 상기 복귀 파이프는, 상기 1차 열 교환기의 공급 부분 내 상기 1차 열 전달 유체와 상기 복귀 파이프 안의 1차 열 교환기 사이의 열 전달을 최소화하기 위해 단열되는 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 우물 안의 1차 열 교환기는 높은 열 전도성을 갖는 시멘트 또는 그라우트를 통해 지지되는 방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 1차 열 교환기는 복수 개의 지지 칼라들을 통해 상기 우물 안에 지지되는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 우물의 내부 표면 및 상기 1차 열 교환기의 외부 표면 사이로, 그리고 상기 복수 개의 지지 칼라들 주위로 상기 열 캐리어를 유동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 우물 내로 상기 1차 열 교환기를 삽입하는 단계 -상기 1차 열 교환기는 상기 1차 열 교환기에 부착되는 복수 개의 칼라들을 구비하고, 상기 복수 개의 지지 칼라들 각각의 제 1 단은 상기 1차 열 교환기의 외부 표면에 이동 가능하게 부착되고, 상기 복수 개의 지지 칼라들 각각의 제 2 단은 열화 연결부를 통해 상기 1차 열 교환기의 외부 표면에 일시적으로 연결됨-; 및
    일시적인 연결을 열화시키는 단계 -상기 복수 개의 지지 칼라들 각각의 제 2 단은 상기 우물의 내부 표면에 접촉할 때까지 연장됨-;
    를 더 포함하는 방법.
  30. 제 23 항에 있어서,
    상기 우물은 오직 상기 우물의 부분을 따라 연장하는 케이싱을 포함하고,
    상기 케이싱이 상기 우물의 증가시키기 위해 연장하지 않을 경우, 언더 리머를 이용하여 상기 우물의 부분을 드릴링하는 단계; 및
    증가된 직경을 갖는 상기 우물의 부분에 상기 1차 열 교환기를 마련하는 단계;
    를 더 포함하는 방법.
  31. 우물 안에 배치되고, 열 전달 유체를 수용하기 위한 안티-스케일링 및/또는 안티-부식 레이어를 갖는 케이싱 -상기 케이싱은 열 전달 유체를 홀딩하기 위한 쉘을 형성함-;
    상기 우물 안에 배치된 복수 개의 지지 칼라들 -상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 우물 안에 상기 케이싱을 지지하고, 상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 우물의 내부 표면으로부터 상기 케이싱을 향해 대체로 상방 각도로 배치됨-;
    원통형 쉘 안에 동축으로 배치된 복귀 파이프 -상기 케이싱 및 복귀 파이프의 배열은 상기 복귀 파이프 및 원통형 쉘 사이에 고리를 형성하고, 상기 복귀 파이프의 내부 부피는 상기 고리로부터 단열됨-; 및
    상기 고리 안에 배치되는 복수 개의 집중기들 -상기 복수 개의 집중기들은 제 1 단 및 제 2 단을 포함하고, 상기 복수 개의 집중기들의 제 1 단은 상기 쉘의 내부 표면에 연결되고, 상기 복수 개의 집중기들의 제 2 단은 상기 복귀 파이프의 외부 표면에 연결되고, 상기 집중기들은 상기 고리 안의 유동에 유압 저항을 최소화하기 위해 로우 프로파일을 가짐-;
    을 포함하고,
    상기 복수 개의 지지 칼라들은 상기 케이싱 및 상기 우물의 내부 표면 사이에 열 캐리어의 유동을 허용하는, 지열 응용에 사용하기 위한 열 교환기.
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