KR20210106341A - 유체 변위 시스템 - Google Patents

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이던 제이. 노벡
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이노베이터 에너지, 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 물 또는 액체 본체 내의 영역 또는 그 상단의 영역 또는 그 접촉 영역으로부터 유체를 펌핑 또는 제거하기 위한 시스템 및 방법, 그리고 상기 시스템 및 방법의 적용에 관한 것이다. 일부 실시예는, 예를 들어, 액체 환경 내에서 구조물에 성장물이 형성하는 것 또는 오염물이 부착되는 것을 억제하거나 방지하기 위해서 적용될 수 있다. 다른 실시예는, 예를 들어, 에너지 저장 장치 또는 조력 에너지 생성 시스템에 적용될 수 있다.

Description

유체 변위 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, 전체가 참조로 포함되는, 2018년 5월 11일자로 출원된 가출원 제62/670,133호에 대한 우선권을 주장한다.
스케일링(scaling), 오염물 부착(fouling), 다른 '성장(growths)' 및 부식은 물 기반시설 및 다른 액체 기반시설을 손상시킬 수 있다. 스케일링, 오염물 부착, 다른 '성장' 및 부식은 기반시설의 수명을 단축할 수 있고, 기반시설의 구조적 무결성을 손상시킬 수 있고, 항력 및 중량 증가를 통해서 보트 또는 다른 수상 운반체의 효율을 낮출 수 있고, 파이프를 막을 수 있고, 도크 및 부표의 부력을 감소시킬 수 있다.
스케일링, 오염물 부착, 및 다른 '성장'을 방지하기 위한 종래 기술은 오염 방지제 및 스케일 방지제를 포함한다. 오염 방지제 및 스케일 방지제는 많은 상당한 단점을 갖는다. 이들은 일반적으로 환경에 좋지 않고, 수생 생태계에 유독할 수 있다. 이들은 일반적으로 단지 일시적이고, 지속되는 효과를 위해서 재-도포 또는 재배치를 필요로 한다. 이들은 일반적으로, 재료비, 도포비, 및 그 일시적 성질에 기인하는 것을 포함하여, 고가이다.
도크 및 다른 영구적인 또는 반-영구적인 수중 기반시설에서, 오염 방지제 및 스케일 방지제를 이용하지 않는 것이 일반적이다. 일반적으로, 따개비 및/또는 다른 성장물이 도크의 하단부로부터 주기적으로 제거된다. 따개비 및 다른 성장물은 도크에 상당한 중량을 부가할 수 있고, 도크 철주(dock pontoon)를 손상시키거나 천공할 수 있다. 그러한 제거는 비용이 많이 들고, 노동 집약적이며, 단지 일시적인 해결책이다.
본 발명은 물 또는 액체 본체 내의 영역 또는 그 상단의 영역 또는 그 접촉 영역으로부터 유체를 펌핑 또는 제거하기 위한 시스템 및 방법, 그리고 상기 시스템 및 방법의 적용에 관한 것이다.
일부 실시예는, 예를 들어, 액체 환경 내에서 구조물에 성장물이 형성하는 것 또는 오염물이 부착되는 것을 억제하거나 방지하기 위해서 적용될 수 있다. 상기 액체 환경은 수성 및/또는 비-수성 환경을 포함할 수 있다. 본원에서 설명된 일부 실시예는, 코팅, 페인트, 수작업 세정/벗겨냄, 또는 당업계에서 설명되는 다른 방법을 필요로 하지 않으면서, 성장물 형성 또는 오염물 부착을 억제 또는 제거 또는 방지할 수 있다. 성장물 형성은, 비제한적으로, 이하 중 하나 이상 또는 조합을 포함할 수 있다: 해양 성장, 오염물 부착, 해양 생물, 해양 동물, 무기 스케일링, 유기 스케일링, 따개비, 홍합, 조개, 굴, 벌레, 새우, 갑각류, 생물막, 조류, 박테리아, 곰팡이 또는 아메바. 펌프 및 발전기(generator)와 같은, 액체 환경 내의 구조물의 성장물 형성 또는 오염물 부착 또는 부식을 억제하거나 방지하는 것과 관련된 상기 실시예의 이동 부분들이, 필요한 경우, 전체적으로 물 또는 액체 본체의 표면 위에 위치될 수 있다.
일부 실시예는, 예를 들어, 도크와 같은 부유 구조물의 높이를 증가 또는 감소시키는 것에 적용될 수 있다. 본원에서 설명된 일부 실시예는, 공기 또는 다른 가스 또는 다른 저밀도 유체가 오목 영역 내의 물의 일부를 적어도 부분적으로 변위시키도록, 공기를 상기 부유 구조물 내의 또는 아래의 오목 영역 내로 펌핑하는 것에 의해서, 액체의 표면 위의 부유 구조물의 높이를 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 유사하게, 가스가 상기 오목 영역으로부터 빠져나갈 수 있게 하거나 가스를 상기 오목 영역의 외부로 펌핑하는 것에 의해서, 액체 표면 위의 부유 구조물의 높이가 감소될 수 있다. 공기 또는 다른 가스는 하나 이상의 관을 이용하여 상기 오목 영역의 내외로 전달될 수 있다. 오목 영역은 물 또는 다른 액체에 개방될 수 있다. 유리한 경우에, 가스의 펌핑 또는 방출은, 전체적으로 물 또는 액체 본체의 외측에 있는 이동 부분을 이용하여 실시될 수 있다. 이동 부분을 물 또는 액체의 외측에 위치시키는 것 또는 그와 접촉되지 않게 하는 것에 의해서, 이동 부분(예를 들어, 공기 펌프)은 저비용 장비를 포함할 수 있고, 오염물 부착에 덜 취약할 수 있고, 더 긴 수명을 가질 수 있다.
일부 실시예는, 예를 들어, 에너지 저장 장치에 적용될 수 있다. 일부 실시예는 물 또는 액체 본체의 표면 아래의 저장 영역, 및 물 또는 액체 본체의 표면에 근접한 또는 그 위의 저장 영역을 포함할 수 있다. 상기 에너지 저장 장치를 '충전'하기 위해서, 비교적 낮은 밀도의 액체 또는 가스와 같은 저밀도 유체가 상기 저장 영역 내로 펌핑되어, 물과 같은 고밀도 유체를 변위시킬 수 있다. 상기 에너지 저장 장치를 방출하기 위해서, 상기 고밀도 유체가 상기 저밀도 유체를 변위시킬 수 있고, 그에 따라 발전기를 통한 저밀도 유체의 유동으로 인해서 전기를 생성할 수 있다. 상기 에너지 저장 장치를 위한 이동 부분, 예를 들어 펌프 및 발전기는, 희망하는 경우에, 물 또는 액체 본체의 표면 위에 전체적으로 위치될 수 있다.
일부 실시예는, 예를 들어, 예를 들어 조수로 인한 수위의 변화로부터 에너지를 생성하는, 조력 에너지 생성 시스템에 적용될 수 있다. 일부 실시예는, 전기와 같은 에너지를 생성하기 위해서 조수에 기인한 수위의 상승으로 인한 저장 영역으로부터의 공기 또는 다른 유체의 변위를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예는, 전기를 생성하기 위해서 조수에 기인한 수위의 감소로 인한 저장 영역 내로의 공기 또는 다른 유체의 이동을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 상기 조력 시스템을 위한 이동 부분, 예를 들어 펌프 및 발전기는, 희망하는 경우에, 물 또는 액체 본체의 표면 위에 전체적으로 위치될 수 있다.
본원에서 설명된 실시예들이 조합될 수 있다는 것, 그리고 본원에서 설명된 시스템 및 방법이 중복될 수 있거나 다수의 동시적인 적용예를 가질 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
도 1: 각각의 부유물 또는 철주의 하단부 상의 오목 영역 '가스 포켓'('3')을 갖는 예시적인 도크.
도 2(위쪽): 공기 펌프 및 관이 상호 연결된 각각의 부유물 또는 철주의 하단부 상의 오목 영역 '가스 포켓'('3')을 갖는 예시적인 도크.
도 3: 예를 들어, 파도, 난류 물, 또는 도크의 각도의 상당한 변화의 이벤트에서 공기 또는 가스 손실을 방지하기 위해서 이용될 수 있는, 연장된 '벽'을 갖는 예시적인 실시예.
도 4: 가스 포켓 내의 가스의 부피 변화가 액체 표면 위의 높이 및/또는 도크와 같은 부유 구조물의 각도를 조정하는 예시적인 실시예. 도 4는 높이 증가를 도시할 수 있다.
도 5: 가스 포켓 내의 가스의 부피 변화가 액체 표면 위의 높이 및/또는 도크와 같은 부유 구조물의 각도를 조정하는 예시적인 실시예. 도 5는 높이 감소를 도시할 수 있다.
도 6: 저밀도 액체 및 고밀도 액체를 이용하는 실시예의 예시적인 단순화된 구성.
도 7: 단계 1: 도 7은 충전이 이루어지는 에너지 저장 실시예를 도시할 수 있다.
도 8: 단계 2: 도 8은 상대적으로 충전된 상태에서의 에너지 저장 실시예를 도시할 수 있다.
도 9: 단계 3: 도 9는 에너지 저장 실시예 방출을 도시할 수 있다.
도 10: 단계 4: 도 10은 상대적으로 방출된 상태에서의 에너지 저장 실시예를 도시할 수 있다.
도 11: 도 11은, 더 높은 헤드 높이에서의 또는 표면 위의 LDL 및/또는 HDL 저장 영역이 플랫폼 또는 부유 플랫폼 상에 위치되는 예시적인 실시예를 도시할 수 있다.
도 12: 도 12는, 더 높은 헤드 높이에서의 또는 표면 위의 LDL 및/또는 HDL 저장 영역이 육지에 위치되는 예시적인 실시예를 도시할 수 있다.
도 13: 도 13은, 다수의 표면하(subsurface) 저장 영역이 에너지 저장 및/또는 화학적 저장을 위해서 이용되는 예시적인 실시예를 도시할 수 있다.
도 14: 단계 1 (높은 조수, 충진, 및 발전): 도 14는 전기가 생성되는 실시예를 도시할 수 있다.
도 15: 단계 2 (높은 조수, 공동 만충(Cavity Full)): 도 15는 저장 영역이 물로 거의 만충된 실시예를 도시할 수 있다.
도 16: 단계 3 (낮은 조수, 비워짐(Emptying), 발전): 도 16은, 주위 물 본체 수위가 저장 영역 내의 수위에 비해서 상대적으로 낮을 때 전기를 생성하는 실시예를 도시할 수 있다.
도 17: 단계 4 (낮은 조수, 비어 있음): 도 17은 저장 영역의 물이 거의 비워진 실시예를 도시할 수 있다.
도 18: 단계 4 대안 (낮은 조수, 비어 있음, 1년 중의 시간(time of year) 및 위치에 따름): 도 18은, 저장 영역의 물이 완전히 비워진 실시예를 도시할 수 있다.
도 19: 단계 5 (낮은 조수, 물을 외부에서 유지하는 펌프): 도 19는, 잔류 물을 제거 또는 변위시키기 위해서 공기가 저장 영역 내로 펌핑되는 실시예를 도시할 수 있다.
도 20: 단계 1 (높은 조수, 충진, 및 발전): 도 20은, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 다공성 재료를 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 21: 단계 2 (높은 조수, 공동 만충): 도 21은, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 다공성 재료를 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 22: 단계 3 (낮은 조수, 비워짐, 및 발전): 도 22는, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 다공성 재료를 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 23: 단계 4 (낮은 조수, 비어 있음): 도 23은, 물 공기 공동 또는 저장 영역이 다공성 재료를 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 24: 단계 1 (높은 조수, 충진, 발전): 도 24는, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 물 본체 상에 또는 내에 위치되는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 25: 단계 2 (높은 조수, 만충): 도 25는, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 물 본체 상에 또는 내에 위치되는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 26: 단계 3 (낮은 조수, 비워짐): 도 26은, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 물 본체 상에 또는 내에 위치되는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 27: 대안적인 단계 3 (낮은 조수, 비워짐, 조수 및 위치에 따름): 도 27은, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 물 본체 상에 또는 내에 위치되는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 28: 단계 4 (낮은 조수, 비어 있음): 도 28은, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 물 본체 상에 또는 내에 위치되는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 29: 도 29는 부유 펌프 또는 발전기 스테이션을 갖는 예시적인 실시예를 도시한다.
실시예에 관한 제1 설명
예시적인 실시예가, 액체 구조물의 하단부 또는 측면에 연결된 '벽'을 포함할 수 있다. 액체 구조물은, 비제한적으로, 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함할 수 있다: 부유 구조물, 도크, 부표, 플랫폼, 부유물, 보트, 편평한 하단부의 보트, 소형 보트, 또는 표면 구조물. 액체 구조물은 또한, 육지에 정박되거나 육지에 의해서 적어도 부분적으로 지지되면서, 또한 물 내에 있거나 물에 근접하거나 물에 접촉되거나 물 내에 침잠되거나 물과 접촉되거나 다른 액체와 접촉되는 구조물을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 구조물은 도크일 수 있다(도크는 부유 구조물의 예로서 제공된 것이고, 본원에서 설명된 실시예의 요소가 본원에서 설명된 다른 부유 구조물 또는 비-부유 구조물에 적용될 수 있다는 것을 주목하여야 한다). '벽'이 연결되거나 도크의 구성요소이거나 도크의 하단부의 형상의 특징부(feature)이고, 그러한 벽은 도크의 측면 또는 하단부에 또는 도크의 하단부의 둘레부 부근에 연결될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 상기 '벽'이 연결된 별개의 재료가 아니라 도크의 형상의 일부일 수 있는 경우와 같이, 도크의 하단부의 형상이 상기 '벽'을 갖도록 구성될 수 있다. 상기 '벽'은 물과 접촉되는 부유 도크의 대부분의 또는 전부의 수직 물 깊이를 넘어서 돌출될 수 있다. 구조물에 대한 '벽'의 연결은 이상적으로 기밀적(氣密的) 또는 수밀적일 수 있다. 상기 '벽'은 단순히 오목 구조물 또는 오목 구조물의 돌출 부분을 포함할 수 있다.
상기 벽은, 예를 들어, 부유 구조물의 하단부 부근에 위치되는 오목 영역 또는 공동의 형성을 초래할 수 있거나, 부유 구조물의 하단부의 대부분을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 가스가 상기 오목 영역의 적어도 일부를 점유할 수 있다. 상기 가스는, 비제한적으로, 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함할 수 있다: 공기, 질소, 수증기, 메탄, 수소, 연도 가스(flue gas), 이산화탄소, 산소, 불활성 가스, 아르곤, 헬륨, 사실상 물 불용성 가스, 탄화수소, 오존, 또는 그 조합. 가스는 상기 오목 영역 내에서 적어도 일시적으로 또는 반-영구적으로 또는 실질적으로 영구적으로 '포획'될 수 있다. 상기 오목 영역 내의 상기 '포획된' 가스는 '가스 포켓' 또는 '공기 포켓'으로 지칭될 수 있다. 상기 가스는, 예를 들어, 1) 가스보다 높은 물의 밀도; 및/또는 2) 가스가 물/가스 계면을 실질적으로 통과할 수 없는 것; 및/또는 3) 오목 영역의 상대적인 기밀성 또는 기밀 밀봉으로 인해서, 상기 오목 영역 내에서 유지된다.
공기 포켓의 동작 원래는, 단순히 빈 음료 컵 및 물로 채워진 용기를 이용하는 것에 의해서 시연될 수 있다. 빈 음료 컵이 뒤집히고 뒤집힌 위치로 물의 표면 아래로 침잠될 때, 공기가 음료 컵을 통해서 위쪽으로 빠져 나올 수 없기 때문에 물이 상기 공기를 대체할 수 없음에 따라, 상기 음료 컵 내의 공기는 상기 음료 컵 내부에서 포획될 수 있을 것이다. 상기 포획된 공기는 공기 포켓의 예일 수 있고, 공기가 포획된 컵 내측의 영역은 오목 영역 또는 공동의 예일 수 있다. 상기 공기 포켓 효과가 종래 기술에서 이용된 예시적인 적용예는 '다이빙 벨'을 포함할 수 있다.
상기 가스 포켓 또는 공기 포켓은 물과 오목 영역의 표면의 적어도 일부 사이의 분리 또는 비-인접 분리의 형성을 초래할 수 있다. 물과 상기 고체 표면 사이의 가스 포켓의 물리적 분리 또는 장벽으로 인해서, 물은 오목 영역의 고체 표면의 적어도 일부와의 접촉으로부터 분리될 수 있다. 오목 영역의 고체 표면의 표면적의 상당한 부분이 상기 가스 포켓과 접촉될 수 있다. 공기 포켓에 의해서 변위된 물의 표면적의 상당한 부분이 공기-물 계면에서 공기 포켓과 접촉될 수 있다. 상기 가스 포켓과 접촉되는 상기 오목 영역 또는 표면적은 하단부의, 예를 들어 표면 구조물의 하단부의 표면적의 상당한 부분 또는 거의 전부를 포함할 수 있다. 상기 가스 포켓과 접촉되는 상기 오목 영역 또는 표면적은, 물 또는 다른 액체에 노출될 수 있거나 그 영향을 받기 쉬운 또는 달리 접촉될 수 있는 표면적의 상당한 부분 또는 거의 전부를 포함할 수 있다. 상기 상당한 부분은 액체 또는 물 본체와 접촉되는 구조물의 표면의 하단부의 5% 초과, 또는 10% 초과, 또는 20% 초과, 또는 30% 초과, 또는 40% 초과, 또는 50% 초과, 또는 60% 초과, 또는 70% 초과, 또는 80% 초과, 또는 90% 초과, 또는 95% 초과를 포함할 수 있다.
오염물 부착 또는 스케일링 또는 성장물 형성은, 예를 들어, 상기 가스 포켓으로부터 초래되는 액체와 오목 영역의 표면의 적어도 일부 사이의 분리 또는 비-인접 분리에 의해서 방지될 수 있다. 오염물 부착 또는 스케일링 또는 성장물 형성은 일반적으로, 물이 고체 표면과 직접 접촉될 때, 물 환경 내에서 발생된다. 상기 공기 포켓은, 고체 표면과 접촉될 수도 있는 물의 상당한 표면적이, 고체 표면이 아니라, 물-가스 또는 물-공기 계면과 접촉되게 할 수 있다. 상기 가스 분리 또는 공기 장벽은 액체에 기인하는(liquid-borne) 또는 수인성의 오염물 또는 스케일물 또는 성장물이 상기 고체 표면에 부착되는 것을 방지한다. 상기 오목 영역은 액체와 접촉되는 부유 구조물 또는 구조물의 하단부의 표면적의 적어도 일부를 포함한다. 상기 오목 영역은 액체와 접촉되는 상기 부유 구조물 또는 구조물의 하단부의 표면적의 상당한 부분 또는 대부분 또는 거의 전부를 포함할 수 있고, 이는 가스 포켓 또는 공기 포켓을 가지지 않는 동일한 구조물에 비해서 오염물 부착 또는 스케일링 또는 성장물 형성의 상당한 감소를 가능하게 한다.
오염물 또는 스케일물 또는 성장물은 일반적으로 고체 표면과의 직접 접촉을 통해서 물로부터 표면에 부착된다. 수인성 오염물 또는 스케일물 또는 성장물은 일반적으로 공기 또는 다른 가스를 통해서 고체 표면까지 전달될 수 없다. 수인성 오염물 또는 스케일물 또는 성장물이 공기 또는 다른 가스를 통해서 고체 표면까지 어느 정도 전달될 수 있는 경우에, 상기 가스를 통한 대량 전달은, 물이 고체 표면과 직접 접촉되는 경우보다, 몇개의 자릿수(orders of magnitude)만큼 더 적을 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 결과적으로, 수인성 오염물 또는 스케일물 또는 성장물은, 고체 표면과 물의 직접 접촉의 환경에 비해서, 가스 또는 공기 환경에서의 실질적으로 임의의 또는 비교적 동등한 오염물 부착, 스케일링 또는 성장물 형성을 위해서 충분히 대량 전달되지 않을 수 있다.
가스 포켓 또는 오목 영역 또는 둘 모두가 안정성을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 안정성은, 예를 들어, 일 측면 상의 가스-고체 계면 및 타 측면 상의 고체-물 계면을 갖는 구조물에 의해서 생성되는 '흡인' 효과 또는 인력(引力)으로 인해서 증가될 수 있다. 안정성은, 예를 들어 오목 영역의 '벽'에 중량을 부가하는 것에 의해서, 예를 들어 도크의 중력 중심을 낮추는 것에 의해서 증가될 수 있다. 오목 영역의 벽에 또는 구조물의 하단부 부근에 중량을 부가함으로써, 구조물은, 예를 들어, 구조물 상의 중량 불균형 또는 큰 파도의 이벤트에서, 가스 포켓 내의 가스를 잃을 정도로 충분히 경사질 가능성이 낮다. 가스 포켓 또는 오목 영역은 잠재적으로 중력 중심을 높이는 것에 의해서 안정성을 감소시킬 수 있다. 구조물이 상당한 파도 또는 거친 물의 가능성이 있는 환경에 있는 경우에, 예를 들어, 안정성 증가 또는 경사 최소화를 위해서 구조물에 연결된 자이로스코픽 안정화부(gyroscopic stabilizer) 또는 안정화 앵커 또는 안정화 중량체 또는 안정화 어스(stabilizing earth)를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
가스 포켓 또는 오목 영역 또는 가스 포켓을 가능하게 하는 표면 변경을 이용하여 부식 또는 열화(劣化)를 방지할 수 있다. 예를 들어, 부식 민감형 재료 또는 장치가, 수중에 저장될 때, 가스 포켓 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 프로펠러 또는 보트가 사용되지 않을 때, 보트의 프로펠러가 가스 포켓에 의해서 둘러싸일 수 있고, 이는 상기 프로펠러를 오목 영역으로 케이스화하는 것(encasing) 또는 둘러싸는 것에 의해서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 수중 수압 장비 또는 수중 트림-탭(trim-tab)이, 예를 들어 사용 중이 아닐 때, 가스 포켓에 의해서 둘러싸일 수 있다.
관이 가스 포켓 또는 오목 영역 내에 배치될 수 있고, (예를 들어, 비제한적으로, 본원에서 설명된 가스, 예를 들어 공기 또는 질소를 포함하는) 가스가 상기 관 및/또는 (상기 관에 연결될 수 있는) 가스 펌프를 이용하여 오목 영역 내로 펌핑될 수 있다. 관의 개구부 중 하나가 상기 오목 영역의 내측에 또는 상기 오목 영역의 아래에 배치될 수 있다. 상기 오목 영역 내로의 가스의 초기 펌핑은 상기 오목 영역 내에 가스 포켓이 형성되게 할 수 있다. 가스 포켓의 형성 후에, 예를 들어, 비제한적으로: 상기 가스 포켓을 팽창시키기 위한 것, 상기 가스 포켓으로부터 빠져 나왔을 수 있는 가스를 대체하기 위한 것, 또는 상기 가스 포켓 및 오목 영역으로부터 과다 가스의 범람 또는 넘침을 가능하게 하기 위한 것 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함하여, 부가적인 가스가 상기 영역 내로 펌핑될 수 있다.
예를 들어, 큰 파도의 경우에 또는 구조물이 상당한 각도로 경사질 때, 상기 오목 영역 또는 가스 포켓에 물이 침투할 수 있다. 예를 들어 물과의 접촉으로부터 초래되는 스케일링 또는 오염물 부착 또는 부식 가능성을 최소화하기 위해서, 상기 물이 일시적으로 또는 가능한 한 짧은 지속시간 동안 접촉되는 것이 유리할 수 있다. 물 접촉 빈도수를 잠재적으로 최소화할 수 있는 하나의 수단은, 예를 들어, 관 또는 가압 공기 탱크를 이용하여 상기 오목 영역 또는 공동 내로 공기 또는 다른 가스를 펌핑하는 것을 포함할 수 있다. 상기 공기 또는 다른 가스는 상기 오목 영역 내로 연속적으로 펌핑될 수 있거나, 측정 경우에만 상기 오목 영역 내로 펌핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 특정 경우는, 가스 포켓 또는 공기 포켓이 공기를 상실할 위험이 있을 때 또는 오목 영역 내로 물이 침투할 위험이 있을 때를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 특정 경우는 구조물이 특정 각도를 넘어서 경사지는 때를 포함할 수 있고, 이는, 예를 들어, 당업계에 알려진 각도 변화 또는 이동을 측정하기 위한 장치를 이용하여 트리거링되거나 측정될 수 있다. 예를 들어, 상기 특정 경우는 상기 오목 영역의 고체 표면의 일부가 물로 습윤되는 때 또는 적어도 부분적으로 습윤되는 때 또는 물과 접촉되는 때를 포함할 수 있고, 이는, 예를 들어, 당업계에 알려진 물 또는 습윤 센서 또는 유사한 장치를 이용하여 트리거링되거나 측정될 수 있다.
'벽'이 내구성을 가질 수 있고 도크 또는 다수의 도크의 중량을 핸들링할 수 있고 다른 물체 또는 요소로부터의 충격(abuse)에 저항할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 상기 벽은, 예를 들어, '스커트'를 포함할 수 있고, 그 재료는 구조적으로 굽혀질 수 있으나, 공기 포켓을 저장할 수 있다. 상기 '스커트'는 호버크래프트에서 이용되는 '스커트'와 유사할 수 있으나, 호버크래프트와 달리, 그러한 스커트는 부분적으로 또는 전체적으로 물의 표면 아래에서 유지될 수 있다.
예시적인 내구성 벽은, 도크의 하단부에 연결되고, 예를 들어, 도크 하단부의 외측 둘레부 부근에 부착되고 도크의 외측 둘레부를 둘러쌀 수 있는 관을 포함한다. '벽'의 손상을 방지하기 위해서, 도크가 이동될 때, 관이 압궤될 수 있다. 예를 들어, 비제한적으로, 공압 압력 또는 수압 압력 또는 공압 또는 수압 유체를 이용한 충진과 같은, 공압식 또는 수압식 압력 수단을 포함하는 것을 이용하여, 관이 팽창될 수 있거나 더 강성이 될 수 있다. 상기 관은, 공기 또는 물이 도크와 관 '벽' 사이의 연결부를 통과하는 것을 방지하는 방식으로 도크에 연결될 수 있다.
본 발명, 및/또는 비제한적으로, '벽', 가스 포켓, 오목 영역, 관, 가스 펌프 또는 공기 펌프, 및/또는 본원에서 설명된 실시예의 다른 요소를 포함할 수 있는 본 발명의 요소가 기존 구조물 상으로 개장될 수 있거나 새로운 구조물의 요소가 될 수 있다.
본 발명은 또한 비-수성 액체 환경 내의 오염물 또는 스케일물 또는 성장물을 방지하거나 최소화하는데 적용될 수 있다.
오목 영역 또는 가스 포켓 외측의 고체 표면을 포함할 수 있는, 부유 구조물의 부분이, 예를 들어, 물 또는 액체와 접촉될 수 있다. 물 또는 액체와 접촉되는 상기 고체 표면은 성장, 오염물 부착 또는 스케일링에 취약할 수 있다. 물 또는 액체 표면 아래의 고체 표면적의 큰 부분이 가스 포켓과 접촉될 수 있고, 결과적으로, 성장물의 형성 오염물 부착 또는 스케일링에 취약하지 않을 수 있거나 그 경향이 덜할 수 있다는 점에 주목하는 것이 중요하다. 이는 고체 구조물의 표면하 표면적의 대부분에서의 성장물 형성, 오염물 부착 또는 스케일링을 상당히 감소시키거나 방지하는 효과를 가질 수 있다. 물 또는 액체와 접촉되는 표면은 성장물의 형성, 오염물 부착 또는 스케일링을 가질 수 있으나, 1) 측벽은 일반적으로 부유 구조물의 하단부/하부본체/하부 취약부(underbelly)보다 세정/벗겨냄이 더 용이하고; 2) 성장물의 형성, 오염물 부착 또는 스케일링의 총량은, 본 발명이 이용되지 않는 경우보다, 상당히 적을 수 있고; 3) 과다 공기를 상기 오목 영역 내로 펌핑하는 것 그리고 구조물의 측면을 따라서 상승될 수 있는 작은 기포의 형성을 촉진하는 것에 의해서, 공기 포켓에 의해서 보호되지 않는 영역 상에서의 성장물 형성을 최소화하는 공기 커튼이 생성될 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요할 수 있다.
물은 액체의 본체를 지칭할 수 있다. 상기 액체의 본체는, 비제한적으로, 염수를 포함하는 물의 적어도 일부를 포함하는 액체의 본체를 포함할 수 있다. 상기 액체의 본체는, 비제한적으로, 해양 환경, 수생 환경, 강, 호수, 소금물 웅덩이, 파쇄 수(frac water), 폐수, 오일 저장부, 화학물질 저장부, 또는 기타 액체 환경을 포함할 수 있다.
가스 포켓은 적은 난류 또는 최소 난류 또는 비-난류 조건으로 포획되거나 머무를 수 있다. 비-난류 조건은, 육안으로 볼 때 물이 잔잔하고 이동되지 않는 그리고 육안으로 볼 때 상기 물 내의 구조물이 또한 이동되지 않는 환경을 포함할 수 있다. 적은 난류 또는 최소 난류 조건은, 육안으로 볼 때 물이 잔잔하고 이동되는 및/또는 육안으로 볼 때 상기 물 내의 구조물이 또한 잔잔하고 이동되는 환경을 포함할 수 있다. 적은 난류 환경에서, 비록 식별 가능한 이동이 있지만, 물 또는 구조물의 이동은 가스 포켓 내의 가스의 10% 초과, 또는 20% 초과, 또는 25% 초과, 또는 30% 초과, 또는 40% 초과, 또는 50% 초과가 30초의 기간 이내에 구조물 아래로부터 빠져 나가게 할 정도로 충분하지는 않다. 상기 가스의 탈출은 상기 가스 포켓으로부터의 가스의 의도적인 제거 또는 상기 가스 포켓에 상호 연결된 관을 통한 가스의 탈출을 포함하지 않을 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
일부 실시예는 특정 형태의 성장물과 같은 성장물 형성을 촉진하기 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, 가스 포켓과 같은, 본원에서 설명된 실시예는, 침입성 조류의 종이나 침입성 어류의 알, 기타 잠재적으로 해로운 수인성 생명체를 죽이기 위해서 특정 영역에 형성될 수 있다. 예를 들어, 가스 포켓은 국소화된 산소화를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 가스 포켓은 국소화된 탈-산소화를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 가스 포켓은 국소화된 냉각을 가능하게 할 수 있고, 이는 증발 냉각을 포함할 수 있고, 그러한 증발 냉각은 예를 들어 산호의 수명을 연장시키거나 건강을 개선할 수 있다. 예를 들어, 가스 포켓은, CO2 제거 또는 CO2 가스 스트립핑(stripping)에 의한 pH 증가와 같은, 국소화된 pH 조정을 가능하게 할 수 있다.
예시적인 실시예 장비 및 설명:
도크 모듈을 위한 예시적인 비용 추정:
· 대형 도크 모듈 치수: 8 미터 길이 X 5 미터 폭 X 3/4 미터 높이.
· 약 5 미터 길이, 3 미터 폭, 및 0.07 미터 깊이(오목 영역의 1.05 입방 미터의 총 부피)인 도크 하단부 상의 오목 영역을 포함한다.
· 이하의 비용 추정은, 도크가 오목 영역을 가지고 또는 오목 영역으로 개장되어 구축된 것으로 가정한다.
· 도크 상의 그리드 전원(Grid Electricity Source)을 갖는 실시예를 위한 예시적인 장비(재료 CAPEX):
。 공기 펌프 - 예를 들어: 0.38 PSI, 200의 분당 리터, 35 와트, $12
。 1/2 인치 내경 비닐 배관, 50ft: $30
。 저동력 타이머 브레이크아웃: $13
。 (도크 각도가 변화될 때 온/오프 스위치를 또한 트리거링할 수 있는) 삼중-축 자이로 브레이크아웃 보드(Triple-Axis Gyro Breakout Board): $12.50
。 총 CAPEX: $67.50
· 도크 상의 그리드 전원을 갖는 예시적인 실시예(온-오프 타이머를 갖춘 연간 OPEX):
。 30분마다 2.5분 또는 1시간마다 5분의 타이머의 펌프 동작을 가정한다
。 펌프 연간 전기 소비: 25.55 kWh
。 kWh당 $0.10일 때 연간 전기 비용: $2.55
· 도크 상의 전원을 위한 배터리 구성을 갖는 태양광 패널을 갖춘 예시적인 실시예(CAPEX):
。 공기 펌프 - 예를 들어: 0.38 PSI, 200의 분당 리터, 35 와트, $12
。 1/2 인치 내경 비닐 배관, 50ft: $30
。 저동력 타이머 브레이크아웃: $13
。 (도크 각도가 변화될 때 온/오프 스위치를 또한 트리거링할 수 있는) 삼중-축 자이로 브레이크아웃 보드: $12.50
。 총 CAPEX: $67.50
(태양광 패널 및 배터리가 CAPEX로서 비용처리되는 경우에, 총 $108.13)
· 도크 상의 전원을 위한 배터리 구성을 갖는 태양광 패널을 갖춘 예시적인 실시예(온-오프 타이머를 갖춘 연간 OPEX):
。 30분마다 2.5분 또는 1시간마다 5분의 타이머의 펌프 동작을 가정한다
。 펌프 연간 전기 소비: 25.55 kWh
。 태양광 패널(10% 용량 인자를 기초로 결정된, 3개의 도크 모듈을 위한 하나의 100W 태양광 패널): 도크 모듈 당 $28.63
。 3개의 도크 모듈을 위한 264 Wh 배터리(1.17 일의 저장): 도크 모듈 당 $25
。 전기의 OPEX: $0
。 배터리 수명: 5 내지 10 년
。 연간 배터리 비용(5년의 수명을 가정): $5
。 태양광 패널 수명: 25년
。 연간 태양광 패널 비용(25년의 수명을 가정): $1.15
。 총 연간 OPEX: $6.15
예시적인 최소의 실행 가능 프로토타입 재료:
· 1 내지 3 와트 DC 수족관 공기 펌프
· 예를 들어, 10분마다 20초 동안 공기 펌프를 자동적으로 턴 온하는, 타이머 브레이크아웃 온-오프 스위치
。 예:
■ Adafruit TPL5110 저동력 타이머 브레이크아웃
■ 미니 타이머 시간 지연 릴레이 .1 초 내지 400 일.
· 작은 재충전 가능 배터리 뱅크, 예를 들어 스마트폰 충전을 위한 10 Wh 배터리 뱅크
· 공기 펌프와 플라스틱 상자의 하단부를 연결하기 위한 관
· 플라스틱 용기 하단부 상에서 직사각형 오목 영역을 생성하는 미세(subtle) 둘레 립을 갖는 플라스틱 상자. 대안적으로, 오목 영역을 시뮬레이트하기 위해서 뒤집힌 플라스틱 상자가 이용될 수 있다.
· 물 외측에서 전자 장치를 저장하기 위한 플라스틱 상자
예시적인 실시예:
물 구조물 상에서 오염물 부착 및 스케일링을 방지하기 위한 시스템은 이하를 포함한다:
· 오목 영역을 포함하는 구조물
· 상기 오목 영역은 가스 포켓을 포함한다
· 상기 가스 포켓은 물과 상기 오목 영역의 표면의 적어도 일부 사이에서 비-인접 분리를 초래한다
물 구조물 상에서 오염물 부착 및 스케일링을 방지하기 위한 시스템은 이하를 포함한다:
· 공동을 포함하는 구조물
· 상기 공동은 가스 포켓을 포함한다
· 상기 가스 포켓은 액체와 상기 공동의 적어도 일부 사이에서 비-인접 분리를 초래한다
예시적인 하위-실시예:
· 상기 비-인접 분리는 상기 가스 포켓이 점유하는 상기 영역과 접촉되는 고체 표면 상에서의 스케일물, 오염물, 및 성장물의 형성을 방지한다.
· 상기 오목 영역 아래 또는 내에 위치된 개구부를 갖는 관이 가압 가스 공급원에 상호 연결된다
· 상기 가압 가스 공급원은 공기 펌프, 가스 펌프, 가압 가스 라인, 또는 그 조합을 포함할 수 있다
· 상기 관은, 가스가 상기 관을 통해서 상기 가스 포켓에 진입하거나 그로부터 진출하는 것을 제어할 수 있게 하는 밸브에 연결된다
· 상기 가스 포켓과 접촉되는 고체 표면적의 적어도 일부는 상기 구조물이 상기 물 내에 있는 시간의 30% 초과, 또는 40% 초과, 또는 50% 초과, 또는 60% 초과, 또는 70% 초과, 또는 80% 초과, 또는 90% 초과, 또는 95% 초과 동안 물과 분리되거나 직접적으로 접촉되지 않는다
· 상기 물은 액체의 본체를 포함한다
· 상기 가스 포켓은 액체를 변위시킨다
· 상기 가스 포켓은 적은 난류 또는 최소 난류 또는 비-난류 조건으로 포획되거나 머무른다.
· 가스는, 연속적으로 또는 반-연속적으로 또는 가스를 보충할 필요가 있는 경우에, 상기 가스 포켓 내로 펌핑될 수 있다
· 가스가 상기 공동 또는 오목 영역의 부피 용량을 초과하여 상기 가스 포켓 내로 펌핑되고, 그에 따라 기포의 넘침을 초래한다
· 상기 기포 넘침은 상기 가스 포켓과 직접 접촉되지 않는 고체 표면적 상의 오염물 부착을 감소시킨다
· 상기 기포 넘침은, 구조물의 섹션에 대한 형상 변경을 이용하여 상기 가스 포켓과 직접 접촉되지 않는 상기 고체 표면적을 따라서 방법론적으로 분산된다
· 상기 형상 변경은 천공부, 딤플, 미시적 변경, 표면 형태, 또는 거시적 변경을 포함할 수 있다
· 물의 표면 위의 상기 구조물의 높이는, 상기 오목 영역 또는 공동 내의 가스의 부피를 증가 또는 감소시키는 것에 의해서 조정될 수 있다
· 상기 오목 영역 또는 공동이 기존 구조물 상으로 개장된다
· 상기 오목 영역 또는 공동은 기존 구조물 형상의 양태이다
· 상기 오목 영역 또는 공동은 새로운 구조물 형상의 양태이다
· 상기 오목 영역 또는 공동의 형상 또는 크기 또는 강도 또는 강성도를 조정할 수 있다
· 상기 조정성은 상기 오목 영역 또는 상기 오목 영역의 '벽'의 제어된 형성 또는 압궤를 포함할 수 있다
· 상기 조정성은, 공압 또는 수압 수단을 이용한, 상기 오목 영역 또는 상기 오목 영역의 '벽'의 제어된 형성 또는 압궤를 포함할 수 있다
· 상기 조정성은 상기 오목 영역의 제어된 부피 또는 깊이 또는 표면적을 포함할 수 있다
· 상기 가스 포켓의 부피 또는 형상 또는 표면적 또는 깊이가 조정될 수 있다
· 상기 가스 포켓 조정성은 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함한다: 가스를 상기 가스 포켓에 부가하거나 그로부터 제거할 수 있는 능력, 상기 가스 포켓 또는 오목 영역의 형상 또는 윤곽을 변화시킬 수 있는 능력, 오목 영역의 '벽'의 형상 또는 크기를 조정할 수 있는 능력
· 상기 가스 포켓은, 가스에 더하여 또는 그 대신, 물이 아닌 액체를 포함한다
· 상기 가스 포켓의 표면이 소수적이거나, 소수성 코팅을 포함한다
· 상기 가스 포켓 또는 오목 영역 또는 공동은 다이빙 벨 또는 임시 피난처 또는 저장 영역으로서 기능할 수 있다
· 상기 관은, 가스(예를 들어, 공기)가 상기 관 및/또는 상기 오목 영역에 진입할 수 있게 하는, 그러나 공기가 상기 영역으로부터 방출되지 않게 하는 체크 밸브에 연결된다
본원에 참조로 포함된 종래 기술
· 따개비의 물리적 제거: https://www.scubadubacorp.com/Dockcleaning.htm
· 공기 기포 커튼 - 공기 기포가 선체 위로 살포된다: https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/20464177.2009.11020214
·https:// www.researchgate.net/profile/Sandra_Shumway/publication/44684741_The_use_of_aeration_as_a_simple_and_environmentally_sound_means_to_prevent_ biofouling/links/0c96051ffe80269766000000.pdf
· https://patents.google.com/patent/US20050087117A1/en
도면 핵심:
· '1' 또는 '(1)': 부유 플랫폼 또는 도크의 상단 섹션
· '2' 또는 '(2)': 부유물 또는 철주, 부유 플랫폼 또는 도크의 하단 섹션
· '3' 또는 '(3)': '2'의 하부측 또는 하단부 상의 오목 영역 내에 있을 수 있는 가스 또는 공기 포켓
· '4' 또는 '(4)': 물 또는 오일의 본체와 같은, 액체 본체
· '5' 또는 '(5)': 공기 포켓의 수직 깊이를 넘어서 연장될 수 있는 연장된 벽
· '6' 또는 '(6)': 공기 또는 가스 기포는 물과 접촉되는 '2'의 측벽에 커튼을 형성한다. '6'은 오목 영역 내로 펌핑되는 가스로부터 초래될 수 있고, 가스 포켓은 오목 영역의 가스 용량의 부피를 초과한다. 기포 커튼은 측벽 내의 천공부 또는 딤플에 의해서 촉진될 수 있다. 기포 커튼은 가스 포켓과 접촉되지 않는 표면 상에서의 성장물 형성을 감소시킬 수 있다.
· '7' 또는 '(7)': 배관(화살표를 갖는 선)에 연결된 공기 또는 가스 펌프. 배관은 상기 펌프에 의해서 펌핑되는 상기 가스 또는 공기와 오목 영역을 상호 연결한다.
도 1은 각각의 부유물 또는 철주의 하단부 상의 오목 영역 '가스 포켓'('3')을 갖는 예시적인 도크이다. 가스 포켓은 도크의 하단부 상의 표면적의 대부분 또는 공기 포켓과 접촉되는 도크의 표면적이 최소의 오염물, 스케일물, 또는 성장물을 가질 수 있게 하거나 가지지 않게 할 수 있다.
도 2은 각각의 부유물 또는 철주의 하단부 상의 오목 영역 '가스 포켓'('3')을 갖는 예시적인 도크이다. 관은 도크의 하단부 아래에 배치되거나 그에 연결될 수 있다. 공기 또는 다른 가스가 관 내로 펌핑될 수 있고, 그러한 관은 가스를 가스 포켓 내로 지향시킨다. 가스의 부피가 오목 영역 또는 공동의 부피를 초과하는 경우에, 기포가 도크의 측벽 위로 이동할 수 있고, 이는, 희망하는 경우에, 도크('6')의 측면을 따라서 기포 커튼을 형성할 수 있다. 상기 기포형 커튼은, 예를 들어, 오목 영역의 '벽' 내에 딤플 또는 천공부를 배치하는 것에 의해서 촉진될 수 있다. 딤플 또는 천공부는 오목 영역의 상기 '벽'의 수직 깊이의 하단부 부근에 위치될 수 있다. 상기 기포 커튼은 바람직하게 가스 포켓 외부의 오염물 부착, 스케일링, 및 성장을 최소화할 수 있다. 연속적인 기포 커튼이 바람직한 경우에, 펌핑된 공기의 연속적인 유동이 요구될 수 있다.
도 3: 예를 들어, 파도, 난류 물, 또는 도크의 각도의 상당한 변화의 이벤트에서 공기 또는 가스 손실을 방지하기 위해서 이용될 수 있는, 연장된 '벽'을 갖는 예시적인 실시예. 연장된 벽은 공기 포켓의 깊이를 넘어서는 깊이까지 연장될 수 있다. 연장된 벽은, 희망하는 경우에, 중력 중심을 낮추기 위해서 가중될 수 있다. (예를 들어, 도크가 안정적이도록 보장하기 위해서) 공기 포켓이 연장된 벽의 전체 깊이까지 연장되는 것을 방지하는 것이 바람직할 수 있고, 그러한 경우에, 연장된 벽의 특정 부분 내에 작은 천공부를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 연장된 벽의 실시예에서, 공기 또는 다른 가스가 공기 포켓 내로 덜 빈번하게 또는 더 적은 경우로 펌핑될 것이 필요할 수 있다.
도 4: 가스 포켓 내의 가스의 부피 변화가 액체 표면 위의 높이 및/또는 도크와 같은 부유 구조물의 각도를 조정하는 예시적인 실시예. 도 4는, 공기를 2개의 오목 영역 내로 펌핑하는 것, 공기 포켓의 부피를 증가시키는 것 및 물을 오목 영역으로부터 변위시키는 것에 의해서 증가된 물의 표면 위의 도크의 높이를 도시할 수 있다. 본 실시예는 도크의 높이를 증가 또는 감소시키거나 흘수(draft)를 감소시키는데 있어서 유리할 수 있다. 유리하게, 예를 들어, 비교적 낮은 헤드 높이로 인해서, 예를 들어 오목 영역 내의 잠재적으로 낮은 공기 압력 때문에, 도크의 높이를 높이는데 있어서 비교적 적은 에너지가 요구될 수 있다. 유리하게, 이동 부분이 액체와 접촉될 것이 요구되지 않는다.
도 5: 가스 포켓 내의 가스의 부피 변화가 액체 표면 위의 높이 및/또는 도크와 같은 부유 구조물의 각도를 조정하는 예시적인 실시예. 도 5는, 공기를 오목 영역으로부터 방출하는 것, 공기 포켓의 부피를 증가시키는 것 및 물을 오목 영역으로부터 변위시키는 것에 의해서 감소된 물의 표면 위의 도크의 높이를 도시할 수 있다. 본 실시예는 도크의 높이를 증가 또는 감소시키거나 흘수를 감소시키는데 있어서 유리할 수 있다.
실시예에 관한 제2 설명
예시적인 에너지 저장 실시예 개요: 에너지 저장 및/또는 동시적인 오일 또는 화학적 저장을 위한 시스템 및 방법이 소개된다. 일부 실시예에서, 에너지는, 하나 이상의 유체들 사이의 밀도차에 의해서 발생될 수 있는, 하나 이상의 불용성 또는 저용해도 유체들 사이의 정수압차를 통해서 저장된다. 그러한 기술은, 예를 들어, 이러한 정수압을 가능하게 하기 위해서 물 본체의 깊이를 이용할 수 있다. 실시예는, 예를 들어, 비교적 높은 밀도의 액체, 및 비교적 높은 밀도의 액체보다 낮은 밀도를 가질 수 있는 비교적 낮은 밀도의 액체 또는 유체를 포함할 수 있다. 완전한 기술(end-to-end technology)은 폐쇄형 시스템일 수 있거나, 적어도 물 본체의 표면 아래에서 폐쇄될 수 있다. 일부 실시예에서, 모든 또는 거의 모든 이동 부분은 해양 또는 호수와 같은 물 본체의 표면 위에 있거나, 유리하게, 이는 이동 부분을 가지지 않거나, 물 아래에서 또는 깊은 물 아래에서, 이동 부분을 본질적으로 가지지 않거나 비교적 고가의 이동 부분을 가지지 않거나, 물 아래로 250 ft보다 깊은 깊이에서 이동 부분을 가지지 않거나, 물 아래로 1000 ft보다 깊은 깊이에서 이동 부분을 가지지 않는다. 시스템이 폐쇄형 시스템인 것이 유리할 수 있고, 여기에서 내부 유체, 예를 들어 고밀도 액체 및 저밀도 액체가 서로 직접 접촉된다. 내부 유체는 주위 물 본체로부터 분리될 수 있고 실질적으로 접촉되지 않을 수 있다. 물 본체 내의 물은 단순히, 압력, 예를 들어 액체 압력이 내부 유체와 주위의 또는 외부의 물 본체 사이에서 평형이 되도록 보장하기 위해서 이용될 수 있다. 베슬(vessel)의 외측과 내측 사이의 압력 평형은, 예를 들어, 저비용의 재료를 이용하게 할 수 있는데, 이는, 예를 들어, 재료의 적어도 일부가 압력차 또는 상당한 차이를 견딜 필요가 없을 수 있기 때문이다. 에너지는, 예를 들어, 베슬 내측의 매체들(예를 들어: 액체들) 사이의 정수압차로 저장될 수 있고, 하나 이상의 매체는 다른 하나 이상의 매체보다 높은 정수압을 갖는다. 정수압의 차이는 동일한 수압 헤드 높이에서 상이한 밀도의 액체들의 정수압의 차이에 의해서 발생될 수 있다. 실시예는, 상이한 밀도들을 갖는 둘 이상의 비혼화성(immiscible) 또는 저용해도의 액체들을 포함하는 매체를 포함할 수 있다. 동일하거나 유사한 높이의 둘 이상의 액체들 사이의 밀도차는 정수압차를 생성할 수 있다. 유리하게, 프로세스는, 액체의 비압축성 및 수력 발전기의 높은 효율로 인해서, 70% 또는 80%의 왕복 효율(round-trip efficiency)로 동작될 수 있다.
실시예는 액체, 고체, 가스, 초임계 유체 또는 다른 매체 상을 이용할 수 있다. 예를 들어, 통합 시스템이 폐쇄형 시스템일 수 있기 때문에, 하나 이상의 상이 유리하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 폐쇄형 시스템에서, 예를 들어 누출이 없는 한, 주위 물 본체에 의한 오염은 문제가 되지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 고밀도 액체(예를 들어, 물)의 액체 저장부 및 저밀도 액체(예를 들어, 부탄)의 액체 저장부는, 별도의 액체-액체 계면 베슬 또는 베슬들보다 비교적 높은 헤드 높이에 배치된다. 그러한 비교적 높은 헤드 높이는, 비제한적으로, 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함할 수 있다: 물 본체의 표면 내에서 낮은 깊이에 위치되는 것, 물 본체의 표면에 위치되는 것, 물 본체의 표면 위에 위치되는 것, 물 본체의 표면 상에 부유하는 것, 물 본체에 인접한 육지에 위치되는 것, 또는 다른 물 본체 상에 위치되는 것, 또는 육지에 위치되는 것. 고밀도 액체가 동일한 깊이의 주위 물 본체와 동일하거나 유사한 밀도를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 고밀도 및 저밀도 액체를 포함하는 파이프 또는 용기가 해양 내에 있을 때, 고밀도 액체는, 주위 물 본체 또는 다른 주위 매체와 동일하거나 유사하거나 비교적 근접한 밀도의 액체를 포함할 수 있다. 대안적으로, 고밀도 액체는 주위 물 본체 또는 다른 주위 매체와 밀도가 상당히 다를 수 있고, 그에 따라, 그러한 실시예에서, 압력차 저항 재료가 요구될 수 있다. 별도의 액체-액체 계면 저장 베슬 또는 베슬들이 액체 저장부보다 낮은 헤드 높이에 위치될 수 있다. 상기 액체-액체 계면 저장 베슬 또는 베슬들은 하나 이상의 관을 이용하여 더 높은 헤드 높이 액체 저장 베슬 또는 베슬들에 연결될 수 있다. 관은 저밀도 액체 또는 고밀도 액체 또는 그 조합을 이송하기 위해서 이용될 수 있다. 하나 이상의 관이 하나 이상의 밸브 또는 펌프 또는 밀봉된 연결 조인트에 연결될 수 있다. 예를 들어, 저밀도 액체가 액체 관 또는 관들에 연결될 수 있고, 그러한 액체 관 또는 관들은 하나 이상의 펌프 또는 발전기에 연결될 수 있거나 저밀도 액체 저장부에 연결될 수 있거나 그 조합일 수 있다. 예를 들어, 고밀도 액체가 액체 관 또는 관들에 연결될 수 있고, 그러한 액체 관 또는 관들은 하나 이상의 펌프 또는 발전기에 연결될 수 있거나 고밀도 액체 저장부에 연결될 수 있거나 그 조합일 수 있다.
에너지를 저장하는 것은, 예를 들어, 저밀도 액체를 관 또는 관들 내로 펌핑하는 것, 고밀도 액체의 적어도 일부를 관 또는 관들 및 수중 베슬 또는 베슬들의 외부로 그리고 고밀도 액체 저장부 내로 변위시키는 것 또는, 대안적으로, 고밀도 액체를 주위 물 본체 내로 변위시키는 것을 포함할 수 있다. 에너지는, 동일한 수압 헤드 높이에서 저밀도 액체와 고밀도 액체 사이의 정수압의 차이로 인한 저장된 에너지일 수 있고 - 예를 들어, 저밀도가 배관 또는 저장 베슬 내로 펌핑됨에 따라, 이는 고밀도 액체의 정수압을 극복하여, 수압 헤드를 생성한다. 저장 장치가 충전을 중단할 때, 밸브를 이용하여, 하나 이상의 액체의 바람직하지 못한 유동 방향 반전을 방지할 수 있다.
체크 밸브가 펌핑 동작 중에 이용되어, 저밀도 액체가 반대 방향으로 펌핑되는 것을 방지할 수 있다. 누출이 없는 경우에, 에너지 저장 기간은 무한할 수 있다. 방출 중에, 하나 이상의 밸브가 개방될 수 있고, 그에 따라 가압된 저밀도 액체가 적어도 부분적으로 변위될 수 있게 하고 상기 저밀도 액체가 발전기에 동력을 공급하게 할 수 있다. 밸브, 펌프, 발전기, 및 다른 이동 부분은 표면에 또는 표면 바로 아래에, 또는 육지에, 또는 그 조합에 위치될 수 있고, 그에 따라 이는 자본, 운영 비용, 및/또는 유지보수 비용을 줄일 수 있다.
다른 실시예에서, 프로세스는 개방형 시스템일 수 있고, 여기에서 고밀도 유체는, 예를 들어, 물 또는 염수 또는 오일 또는 비교적 저렴한 액체와 같은 하나 이상의 액체 또는 물 본체 내의 유체를 포함한다. 충전을 위해서, 저밀도 액체가 하나 이상의 베슬 내로 펌핑될 수 있고, 그에 따라 베슬 내의 고밀도 물 또는 액체를 변위시킬 수 있다. 비록, 비제한적으로, 혼합의 최소화, 오염물 액체 레벨, 예를 들어 저밀도 액체 레벨이 베슬의 연부에 접근하거나 초과하는 것을 방지하는 것, 저용해도 또는 불용성 액체 또는 매체의 조합을 이용하는 것, 위험하지 않거나 저렴한 저밀도 액체를 이용하는 것, 또는 이들의 조합을 포함하는 것에 의해서, 오염을 최소화할 수 있지만, 그러한 프로세스는 만(bay) 내의 물을 오염시킬 수 있다. 본 실시예에서, 고밀도 액체 저장 베슬이 불필요할 수 있고, 그에 따라 잠재적으로 자본 비용 및 복잡성을 줄일 수 있다. 본 실시예의 버전은, 배럴의 폐쇄되고 상향 대면되는 측면의 내측 면 상의 관 개구부 및 배럴의 하향 대면 측면 상의 주위 액체 본체(예를 들어, 물 본체 또는 해양 또는 호수)에 개방된 포트를 갖는 뒤집힌 배럴을 포함할 수 있다. 본 실시예의 버전은, 배럴의 폐쇄되고 상향 대면 측면에 연결된 액밀 포트에 연결된 관 및 배럴의 하향 대면 측면 상의 주위 액체 본체(예를 들어, 물 본체 또는 해양 또는 호수)에 개방된 포트를 갖는 뒤집힌 배럴을 포함할 수 있다. 본 실시예의 버전은 어떠한 액밀 포트도 포함하지 않을 수 있고 - 관은 뒤집힌 베슬 또는 배럴의 개방 측면 내로 공급될 수 있고 베슬 또는 배럴의 내측의 하단부(뒤집히는 것에 의해서 배럴의 상단부의 내측)에 부착될 수 있다. 상기 대안적인 실시예의 장점은, 비제한적으로, 단순화된 구성, 큰 내압성, 낮은 누출 또는 오염 가능성, 및 저비용을 포함한다. 하나 이상의 베슬 또는 배럴은 중량체 또는 앵커에 더 연결될 수 있고, 배럴의 상부 영역이 부유부에 연결되어 하나 이상의 베슬 또는 배럴을 희망 위치(예를 들어, 뒤집힌 위치)에서 유지할 수 있다. 하나 이상의 관이 펌프 또는 발전기에 더 연결될 수 있고, 이는 추가적으로 하나 이상의 저밀도 유체 저장 베슬에 연결될 수 있다. 상기 하나 이상의 저밀도 액체(또는 다른 유체, 예를 들어 가스) 저장 베슬은 더 높은 헤드 높이에, 예를 들어, 물 본체의 표면 부근에, 표면에, 또는 표면 위에 위치될 수 있다. 충전 중에, 저밀도 액체(또는 다른 유체, 예를 들어 가스)가 베슬 내로 펌핑되어, 고밀도 액체를 변위시킬 수 있다. 방출 중에, 저밀도 액체가 베슬 내로 펌핑되어, 고밀도 액체를 변위시킬 수 있다.
저밀도 액체의 압력:
에너지가 저장될 때의 경우와 같이, 액체가 강제되어 고밀도 액체를 변위시킬 때, 저밀도 액체의 압력은 주위 물 본체보다 높은 압력일 수 있고, 저밀도 액체와 주위 물 본체 사이의 압력차는 깊이가 감소될 수록 증가된다. 저밀도 액체와 고밀도 액체 사이의 계면에서, 2개의 액체의 압력이 동일하거나 동일한 것에 근접할 수 있다. 저밀도 액체의 깊이가 감소됨에 따라(또는 저밀도 액체가 액체-액체 계면 위에 더 높게 위치됨에 따라), 저밀도 액체의 압력이 고밀도 액체의 압력으로부터 더 많이 벗어나거나 저밀도 액체의 순 압력이 더 커진다. 결과적으로, 깊이 또는 헤드 높이에 걸쳐 저밀도 액체를 이송하는 관 또는 다른 베슬은 내압성을 필요로 할 수 있고, 내압성 요건은 깊이가 감소될수록(또는 액체-액체 계면으로부터 수압 높이가 높아질수록 또는 가장 깊은 지점) 커질 수 있다. 실시예에서, 펌프 또는 생성 지점이 가장 높은 압력을 포함할 수 있다. 이러한 현상을 설명하는 하나의 방식은 다음과 같다:
개방 관이 물 본체 내에 수직으로 배치되는 경우에, 관 내측의 물은, 비록 분리되지만, 임의의 주어진 깊이에서 주위 물 본체와 주로 동일한 압력인데, 이는, 관 내의 주어진 지점 위의 관 내측의 물에 의해서 인가되는 수압이 관 주위의 물과 동일하기 때문이다. 유사하게, 저밀도 또는 고밀도와 같은, 상이한 밀도의 액체가 개방 공기 내의 폐쇄된 하단 베슬 내에 배치될 때, 임의의 주어진 지점에서의 액체의 압력은 액체 내의 지점 위의 액체에 의해서 인가되는 액체 압력과 균등할 수 있다. 동일한 높이 또는 깊이에서, 저밀도 액체는, 고밀도 액체보다, 상당히 낮은 중력 유도 압력을 가질 수 있다. 위치에 따라 발생되는 중력에서 (예를 들어, 외력의 인가로 인해서) 저밀도 액체가 고밀도 액체를 변위시킬 때, 액체-액체 계면 위의 임의의 주어진 높이에서 또는 저밀도 액체의 가장 깊은 지점에서 저밀도 액체가 받는 순 압력 또는 압력차는 다음과 같다:
PNet=PHD- PLD
여기에서:
· 'PNet'는 저밀도 액체의 가장 낮은 깊이 위의 주어진 높이 또는 액체-액체 계면에서의 저밀도 액체의 순 압력일 수 있다
· 'PHD'는 저밀도 액체의 가장 낮은 깊이 위의 높이 또는 액체-액체 계면에서의 고밀도 액체의 중력적 압력 헤드일 수 있다
· 'PLD'는 저밀도 액체의 가장 낮은 깊이 위의 높이 또는 액체-액체 계면에서의 저밀도 액체의 중력적 압력 헤드일 수 있다
도 6: 도 6은 저밀도 액체 및 고밀도 액체를 이용하는 실시예의 예시적인 단순화된 구성을 도시한다. 검은색 문자를 갖는 2개의 박스는 높은 헤드 높이 액체 저장 베슬이다. 높은 헤드 높이 액체 저장 영역은 관 또는 파이프를 통해서 하나 이상의 별도의 저장 베슬에 연결된다. 도 6에서, 관은 액체 본체(예를 들어, 물 본체)의 표면 아래의 헤드 높이에서 단일 저장 베슬에 연결되고 높은 헤드 높이 액체 저장 베슬 아래의 헤드 높이에 위치될 수 있고, 이는 낮은 헤드 높이 저장 베슬로 지칭될 수 있다. 고밀도 액체 관 또는 파이프는 낮은 헤드 높이 저장 베슬의 하단부에서 하나 이상의 포트에 연결된다. 저밀도 액체 관 또는 파이프는 낮은 헤드 높이 저장 베슬의 상단부에서 하나 이상의 포트에 연결된다. 낮은 헤드 높이 저장 베슬 상의 포트의 배치 위치가 중요하지 않다는 것, 그리고 포트가, 비제한적으로: 서로의 옆에 배치되는 것, 수직으로 서로 교차되어 배치되는 것, 수평으로 서로 교차되어 배치되는 것, 무작위적으로 배치되는 것, 또는 다른 구성으로 배치되는 것 또는 그 조합을 포함하여, 배치될 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 포트가 액밀인 것이 중요할 수 있다. 예외는, 예를 들어, 무거운 액체 포트가 주위 물 만(bay)에 개방되는 경우에, 고밀도 액체를 위한 액밀 포트의 필요성을 잠재적으로 제거할 수 있다는 것 그리고 고밀도 액체 파이프 또는 저장 베슬의 필요성을 잠재적으로 제거할 수 있다는 것일 수 있다. 고밀도 액체 및 저밀도 액체가 만나는 낮은 헤드 높이 베슬 내측의 영역은 유체-유체 또는 액체-액체 계면으로 지칭될 수 있다. 액체가 직접적으로 접촉될 수 있고, 그러한 경우에, 액체가 비혼화성인 것이 바람직할 수 있다. 액체는 또한, 비제한적으로 드럼 또는 부유 드럼을 포함하는, 드럼 또는 분리부에 의해서, 이격되거나 분리되거나 비-인접 액체를 구성할 수 있다. 고밀도 액체를 저밀도 액체로부터 분리하기 위해서 부유 드럼이 이용되는 경우에, 부유 드럼이 고밀도 액체보다 낮은 밀도인 것 그리고 저밀도 액체보다 높은 밀도인 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, (특히, 용해 가능 액체에서 중요한) 액체-액체 혼합을 감소시키기 위해서, 또는 개방 물이 고밀도 액체 액체 고밀도 액체인 경우에, 환경 오염을 감소시키기 위해서, 액체-액체 분리부 또는 드럼이 이용될 수 있다. 저밀도 액체를 저밀도 액체 관 또는 파이프 내로 펌핑하는 것에 의해서 에너지가 저장되고, 그러한 펌핑은 고밀도 액체를 낮은 헤드 높이 저장 베슬로부터 변위시킬 수 있다. 저장된 에너지는, 변위된 물이 낮은 헤드 높이 베슬로 진입할 수 있게 하는 것에 의해서, 방출될 수 있고, 그러한 진입은 낮은 헤드 높이 액체를 변위시킬 수 있고 전기를 생성할 수 있다. 도 1에 도시된 구성에서, 펌프/발전기는 저밀도 액체 파이프 또는 관에 연결되어 도시되어 있고, 이는 더 높은 펌핑 효율을 가능하게 할 수 있다. 펌프는 물 표면 위에 있을 수 있고, 이동 부분이 물 아래에 있지 않게 할 수 있다. 저밀도 액체는 충전 및 방출 중에 압력 하에 있을 수 있다.
펌프/발전기가 고밀도 액체에 연결될 수 있다. 고밀도 액체를 직접 펌핑하는 것의 하나의 잠재적인 난제는, 충전이 부분적 진공의 형성을 필요로 할 수 있다는 것이고, 이는 덜 효율적일 수 있고, 심지어 순 진공의 경우에, 고밀도 액체를 낮은 헤드 높이 베슬로부터 충분히 제거하기 위한 구동력이 충분치 않을 수 있다. 예를 들어, 펌프 또는 발전기가 고밀도 액체와 직접적으로 접촉되는 경우에 또는 고밀도 액체를 펌핑하는 경우에, 펌프 또는 발전기가 물 라인 아래에 위치되는 것이 바람직할 수 있다.
액체 저장 영역은, 저밀도 액체 또는 고밀도 액체를 저장하는 탱크 또는 저장용기를 포함할 수 있다. 실질적인 비혼화성 또는 불용성은, 다른 액체 내에서 50 중량%(wt%) 미만, 또는 40 중량% 미만, 또는 30 중량% 미만, 또는 20 중량% 미만으로 용해될 수 있는 액체를 의미할 수 있다.
고밀도 액체 저장 영역이 물 라인 아래에 또는 액체-액체 계면과 동일하게 또는 유사하게 또는 더 낮은 깊이에 또는 저밀도 액체의 가장 낮은 지점에 있는 것이 유리할 수 있다. 이는, 예를 들어, 고밀도 액체가 에너지 저장 장치를 둘러싸는 물 본체와 같은 액체 본체와 동일한 밀도를 가지는 경우에, 유리할 수 있다. 고밀도 액체 저장 영역은, 예를 들어, 물 본체와 같은, 주위 액체 본체와 압력이 평형인 브래더-유사 저장 장치를 포함할 수 있다. 고밀도 액체 저장 영역은, 예를 들어, 물 본체와 같은, 주위 액체 본체와 압력이 평형인 부유 지붕 또는 이동 가능 지붕을 갖는 저장 장치를 포함할 수 있다.
낮은 헤드 높이 베슬은 압력차 내성을 가질 수 있다. 낮은 헤드 높이 베슬이 요구하는 내압력성은, 액체-액체 계면 또는 저밀도 액체의 가장 낮은 지점으로부터의 수직 거리가 멀어질수록 증가될 수 있다. 베슬의 수직 높이를 최소화하여, 비교되는 낮은 헤드 높이 베슬에서 발생되는 압력차를 최소화하는 것이 유리할 수 있다. 이는 더 많은 또는 대부분의 저밀도 액체 압력차를 파이프/관에 전달할 수 있다. 액체-액체 계면 또는 저밀도 액체의 가장 낮은 지점으로부터의 수직 거리가 멀어질수록 낮은 헤드 높이 베슬의 보강을 점진적으로 증가시키는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 낮은 헤드 높이 베슬의 보강을 점진적으로 증가시키는 구조물은 물 타워와 유사할 수 있고, 베슬은 정수압이 높을수록 점진적으로 더 내압성을 가지고 보강된다.
고밀도 액체 저장부 및 저밀도 액체 저장부는, 예를 들어, 표면 아래에, 표면 상에 부유되어, 또는 육지 상에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 고밀도 액체 저장부는 주위 물 본체를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 고밀도 액체 저장부는 저밀도 액체 저장부와 상이한 위치에 있을 수 있다. 예를 들어, 고밀도 액체 저장부는 물 본체 표면 아래의 팽창 가능한 그리고 수축 가능한 부피 저장 영역과 같은 브래더일 수 있는 한편, 저밀도 액체 저장 영역은 육지에 위치될 수 있다.
저장 용량 내의 임의의 지점에서, 에너지 저장 장치의 충전 또는 방출이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 장치가 적어도 부분적으로 충전된 경우에, 이는 방출될 수 있다. 예를 들어, 장치가 적어도 부분적으로 방출된 경우에, 이는 충전될 수 있다. 예를 들어, 장치가 완전히 충전된 경우에, 이는 추가적인 충전을 위한 용량을 가지지 않을 수 있다. 예를 들어, 장치가 완전히 방출된 경우에, 이는 추가적인 방출을 위한 용량을 가지지 않을 수 있다.
예시적인 단계별 설명:
도 7: 단계 1: 도 7은 충전이 이루어지는 에너지 저장 장치를 도시할 수 있다. 액체 펌프가 저밀도 액체(LDL)를 가압하고 낮은 헤드 높이 저장 영역에 연결된 파이프 내로 펌핑할 수 있고, 이는 LDL이 낮은 헤드 높이 저장부 내의 고밀도 액체(HDL)를 변위시키게 할 수 있다. HDL이 LDL에 의해서 변위됨에 따라, 중력 위치 에너지가 저장될 수 있다. 도 7에서, HDL은 낮은 헤드 높이 저장 영역 위의 HDL 저장 영역으로 전달되는 것을 도시할 수 있다. HDL 저장 영역은, 예를 들어 주위 액체의 또는 주위 액체와 동일한 밀도의 정수압과 평형인 유체를 포함하는 경우에, 임의의 곳에, 예를 들어 액체 본체의 표면 아래에, 또는 낮은 헤드 영역과 동일한 높이 또는 깊이에, 또는 액체-액체 계면의 깊이 아래에 위치될 수 있다. 펌프 또는 펌프들은, 일(work), 예를 들어, 전기, 수압 압력, 또는 기계적 일에 의해서 동력을 공급받을 수 있다.
LDL은 휘발성 액체(예를 들어, 프로판 또는 부탄)일 수 있고, LDL 저장 영역은 폐쇄될 수 있다. LDL이 휘발적인지와 관계없이, LDL 저장 영역은 외부 공기에 대해서 폐쇄될 수 있다. LDL이 충분히 휘발적인 경우에, LDL 내의 헤드스페이스 가스는 가스 상 내에서 LDL을 포함할 수 있다. LDL이 충분히 큰 부분압(예를 들어: 프로판 또는 부탄)을 갖는 경우에, LDL 저장 영역은 내압성을 가질 수 있고 적절한 안전 예방책과 일치될 수 있다.
HDL이 휘발성 액체일 수 있다. HDL이 물을 포함할 수 있다. HDL 저장 영역이 외부 공기에 개방되지 않는 것이 바람직할 수 있는데, 이는 생물 오염제 및 다른 오염물이 유입될 수 있기 때문이다. 대안적으로, HDL 저장 영역의 헤드스페이스가, 예를 들어, 필터링된 또는 처리된 공기를 포함할 수 있다.
도 8: 단계 2: 도 8은 상대적으로 충전된 상태에서의 에너지 저장 장치를 도시할 수 있다. 충전된 상태에서, 또는 방출 상태에서, 또는 충전되는 상태일 때, 또는 정상 상태에 있을 때, 체크 밸브를 이용하여 액체가 LDL 탱크 내로 유동하는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, HDL 저장 영역이 LDL에 비해서 높은 높이에 위치된 경우 과다 방출 중에 발생될 수 있는 것으로서, LDL이 고밀도 액체 영역에 진입하는 것은 유리하지 않을 수 있다. 이러한 것이 발생된다면, 예를 들어, HDL 저장 영역이 LDL 액체-액체 계면에 비해서 더 높은 높이에 있는 경우에, LDL이 HDL 저장 영역의 표면까지 부유할 수 있다. 이는, 예를 들어, 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 이용하는 것에 의해서 LDL을 HDL로부터 제거하는 것에 의해서, 예를 들어, 해결될 수 있다: 디캔팅(decanting), 사이클론, 코어레서(coalescer), 필터, 또는 다른 상 분리 또는 액체-액체 분리 수단. LDL이 HDL 저장 영역 내의 조건에서 가스 상을 형성하는 경우에, LDL은, 예를 들어, 비제한적으로, 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함하는 것에 의해서 분리될 수 있다: LDL 가스를 헤드스페이스로부터 제거하는 것, 헤드스페이스 가스의 압축, 헤드스페이스 가스의 냉각, 가스 분리 방법, 압력 스윙 흡착, 압력 스윙 흡수, 멤브레인, 증류, 연소, 흡수, 또는 흡착.
도 9: 단계 3: 도 9는 에너지 저장 장치 방출을 도시할 수 있다. HDL은 표면하 저장 영역 내에서 LDL을 변위시킬 수 있고, 이는 고압 LDL이 발전기를 통과하여 전기를 생성하는 것 그리고, 예를 들어, LDL 저장 탱크에 진입하는 것을 초래한다.
도 10: 단계 4: 도 10은 상대적으로 방출된 상태에서의 에너지 저장 장치를 도시할 수 있다. 방출된 상태, 또는 충전된 상태에서 또는 충전되는 상태일 때, 또는 정상 상태에 있을 때, 체크 밸브를 이용하여 액체가 LDL 탱크 내로 유동하는 것을 방지할 수 있다.
도 11: 도 11은, 더 높은 헤드 높이에서의 또는 표면 위의 LDL 및/또는 HDL 저장 영역이 플랫폼 또는 부유 플랫폼 상에 위치되는 예시적인 실시예를 도시할 수 있다. 희망하는 경우에, 전기 케이블과 같은, 에너지 저장 장치와 육지 사이의 직접적인 상호 연결만이 전기를 이송하기 위한 매체일 수 있다.
도 12: 도 12는, 더 높은 헤드 높이에서의 또는 표면 위의 LDL 및/또는 HDL 저장 영역이, 해안 또는 섬과 같은, 육지에 위치되는 예시적인 실시예를 도시할 수 있다.
도 13: 도 13은, 다수의 표면하 저장 영역이 에너지 저장을 위해서 이용되는 예시적인 실시예를 도시할 수 있다. 하나 초과의 표면하 저장 영역이 있는 경우에, 표면하 저장 영역들이 상호 연결될 수 있고, 이는 높은 헤드 높이 저장 영역 또는 영역들과 낮은 헤드 높이 또는 표면하 저장 영역 또는 영역들 사이의 파이프의 수를 최소화할 수 있다.
예시적인 실시예의 예시적인 설치:
1. 관(저밀도 액체 관 및 고밀도 액체 관)을 액밀 베슬의 2개의 포트에 연결한다. 관은 롤로 또는 다른 저장 구성으로 랩핑될(wrapped) 수 있다.
a. 포트의 위치가 중요할 수 있고, 예를 들어, 혼합을 최소화하도록 위치될 수 있다. 예를 들어, 포트는 저밀도 액체 관 연결을 위해서 베슬의 상단부 부근에 그리고 고밀도 액체 관을 위해서 베슬의 하단부 부근에 위치될 수 있다.
b. 관은 배관의 하나 이상의 롤에 연결될 수 있다.
c. 관 또는 베슬은 압력을 견딜 필요가 있을 수 있으나, 일부 실시예에서, 저밀도 액체를 이송하는 관만이 상당한 압력차를 견뎌야 한다.
2. 베슬 또는 관 또는 그 둘 모두를 주위 물 본체와 동일한 또는 유사한 밀도의 액체로 충진한다(예를 들어: 해양의 경우에, 해양수와 동일한 밀도는 염수 또는, 글리세롤 또는 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜과 같은, 고밀도 유기 첨가제를 포함하는 수성 용액일 수 있다. 액체가 생물-오염물, 스케일링제, 또는 부식 또는 열화 유발제를 포함하지 않는 것이 바람직할 수 있다). 대안적으로, 액체는 생물-오염물, 스케일링제, 또는 부식 또는 열화 유발제, 예를 들어 미가공 해양수 또는 호수의 물 또는 미가공 오일 저장 액체 또는 미가공 폐수 또는 다른 액체를 포함할 수 있다. 본 단계에서 베슬 또는 관 또는 둘 모두를 충진하는 액체는 고밀도 액체로 간주될 수 있다.
3. 관을 그 희망 저장 탱크 및 발전기/펌프에 부착한다.
4. 베슬이 (예를 들어, 직립 위치와 같은) 희망 위치에서 유지되도록 보장하기 위해서 그리고 관의 얽힘을 방지하기 위해서, 구현예는 하나 이상의 중량체 또는 앵커를 베슬의 하단부 부근에 그리고 하나 이상의 부표 부유물을 베슬의 상단부 부근에 부착하는 것을 포함할 수 있다. 부유물 또는 베슬의 근접 상단부 또는 그 조합이 라인에 더 부착될 수 있고, 이는 클립 또는 원격 탈착 가능 클립과 같은 탈착 가능 메커니즘을 포함하는 연결부에 의해서 연결될 수 있다.
5. 베슬이, 예를 들어, 물 본체의 하단부에 위치되는 또는 그 부근에 위치되는 희망 깊이까지 가라앉게 한다. 베슬이 가라앉을 때, 관 및 라인(예를 들어: 부유물 라인 및 안내 라인)을 푼다.
6. 베슬이 그 희망 깊이(예를 들어: 중량체 또는 앵커가 하단부에 도달하는 깊이)에 도달할 때, 안내 라인이 탈착될 수 있거나 위치를 특정하는 부유물에 부착될 수 있다.
7. 충전을 위해서, 저밀도 액체를 액체 관 또는 베슬 내로 펌핑하여, 고밀도 액체를 변위시키고, 그러한 고밀도 액체는 인접 관을 통해서 저장 베슬 내로 이동된다. 충전 중에, 저밀도 액체는 관 내의 또는 베슬 내의 또는 그 조합 내의 고밀도 액체를 변위시킬 수 있다.
8. 방출을 위해서, 밸브를 개방하여, (예를 들어: 단계(8)로부터의) 가압된 저밀도 액체가 (예를 들어, 별개의 발전기일 수 있거나 발전기로서 가역적으로 이용될 수 있는 펌프일 수 있는) 발전기로 이동될 수 있게 한다.
본원에서 설명된 에너지 저장 기술의 잠재적인 이점:
· 80% 초과의 왕복 효율
。 액체 펌프 및 발전기는 고효율 및 작은 열역학적 손실을 달성한다
· 제한없이 이용 가능한 육지 면적(물 본체의 하단부 또는 해양에의 배치)
· 제한없는 저장 시간
· 제한 없는 충전/방출 사이클
。 해양 내의 이동 부분이 없는 것
。 열화 또는 부식이 없는 것
。 반응물이 해양과 접촉되지 않는다(해양과 같은, 물 본체를 단순히 이용하여, 동일한 주변 정수압을 갖는 깊이/헤드 높이를 생성한다)
。 해양 또는 물 본체 성장(예를 들어, 따개비, 진흙)에 의한 영향을 받지 않는다
■ 전체적으로 폐쇄형 시스템
· kWh 당 비용 - m3 액체 당 부탄 비용 ~$300
· 에너지 밀도(1000 m 내지 1 m3의 부탄 - 물은 약 1 kWh의 전기이다)
· 환경 영향이 없다
。 폐쇄형 시스템
。 유독성 반응물 없음(누출이 발생되는 경우)
· 풍부한, 비-유독성, 비-휘발성 반응물 및 구축 재료
· 단순하고 저비용인 구성
。 기술 내의 정수압은 그 주변과 동일할 수 있다. 저비용, 작은 내압성의 재료를 구성에서 사용할 수 있게 한다. (주: 저밀도 액체에 연결된 관은 큰 내압성을 요구할 수 있다)
。 물 내에 이동 부분이 없는 것
。 실시예는 3개의 탱크(표면 상의 2개, 해저 상에 1개), 2개의 파이프 및 하나의 펌프/발전기
고밀도 액체(HDL)가 주위 물 본체 액체와 동일한 밀도를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 이는, 베슬(들) 및/또는 파이프 내의 정수압이 베슬(들) 및/또는 파이프 주위와 유사해지게 할 수 있고, 그에 따라 저비용의, 작은 내압성의 재료를 잠재적으로 사용할 수 있게 한다.
도입된 저장 장치의 에너지 밀도를 최대화하기 위해서, 잠재적으로 바람직한 특성은, 비제한적으로, 큰 순 밀도차(즉, [고밀도 액체의 밀도] - ['저밀도 액체'의 밀도]) 및 저압 또는 온도 구동되는 액체 압축(예를 들어, 물은 고압 하에서 최소로 압축된다)을 포함한다. 이러한 것의 예는, 비제한적으로, 프로판(LDL) 및 물(HDL)을 포함한다.
도입된 저장 장치의 효과적인 기능을 가능하게 하기 위해서, 잠재적으로 바람직한 특성은, 비제한적으로, 실질적으로 불용성인 또는 비혼화성인 둘 이상의 반응물을 포함한다. 고밀도 액체 및 저밀도 액체가 서로 실질적으로 불용성인 또는 비혼화성인 것이 바람직할 수 있다.
자본 비용을 최소화하기 위해서, 잠재적으로 바람직한 특성은, 비제한적으로, 저비용의 반응물, 저밀도 액체를 위한 저밀도, 및/또는 적은 부식 또는 비-부식의 반응물을 포함한다. 예를 들어, 부탄 및 프로판이 저비용이고 고압 동작에서 액체이다.
자본 비용을 최소화하기 위해서, 잠재적으로 바람직한 특성은, 비제한적으로, 통합 프로세스 내의 반응물과 양립 가능한 재료를 이용하는 것을 포함한다. 예를 들어, 폴리프로필렌 또는 HDPE는 저렴하고, 풍부하며, 내식적이고, 물, 해수, 부탄 및 프로판과 양립 가능하다.
에너지 저장 장치는 또한 탄화수소 액체 또는 화학물질 또는 휘발성 탄화수소를 저장하는 수단일 수 있다. 예를 들어, LDL 저장 영역 및 낮은 헤드 높이 저장 영역은, 예를 들어, 비제한적으로, 원유, 가솔린, 디젤, 케로센, 에탄, 프로판, 부탄, 헥산, 옥탄, 시클로프로판, 또는 데칸, 또는 그 조합을 포함하는, 탄화수소를 위한 저장부를 포함할 수 있다. 탄화수소 액체는, 이들이 중합체 생산, 연료, 또는 다른 용도와 같은 다양한 적용예에서 사용되거나 이송되기 전에, 소량, 중간량, 또는 대량으로 저장된다. 에너지 저장 장치를 동시적인 비교적 저밀도의 액체 저장 장치로서 이용하는 것에 의해서, 탄화수소 액체의 자본 지출을 피할 수 있다. 예를 들어, 오일 및 가스 회사, 탄화수소 이송 회사, 오일 거래업자, 상품 거래업자, 화학 회사, 및 탄화수소 또는 다른 비교적 저밀도의 액체의 다른 사용자는 본 에너지 저장 장치를 탄화수소 액체 저장 장치로서 이용할 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 장치의 소유자 또는 운영자는 비교적 저밀도의 액체를 저장 또는 서비스 또는 저장하는 것에서 보상을 받을 수 있다. 비록 비교적 저밀도의 액체가 구입될 수 있지만, 본 실시예에서, 비교적 저밀도의 액체는 유리하게 에너지 저장 장치의 소유자 또는 운영자에 의해서 구입되지 않을 수 있다. 대안적으로, 에너지 저장 장치의 소유자 또는 운영자는 비교적 저밀도의 액체를 적절하게 저장하는 것에서 보상을 받을 수 있다. 이는 탄화수소 액체를 구입하는 것과 관련된 자본 지출을 지불할 필요성을 제거할 수 있는 한편, 또한 탄화수소 액체를 저장하는 것에 대한 새로운 수입원을 개발할 수 있다.
고밀도 액체는, 프로필렌 카보네이트(~1.2 g/cm3의 밀도) 또는 에틸렌 글리콜 디아세테이트(~1.128 g/cm3의 밀도)와 같이, 물 내에서 제한된 용해도를 갖는 고밀도 액체를 포함할 수 있다. 물에서 제한된 용해도를 갖는 상기 고밀도 액체와 함께, 물을 저밀도 액체로서 이용할 수 있다. 상기 고밀도 액체는 저비용, 비-휘발성, 및 비교적 무독성일 수 있고, 그에 따라 수중 또는 해양 환경에서 대량으로 사용될 수 있게 한다. 수중 및 해양은 본원에서 상호 교환 가능하게 사용된다.
융기된 저장 영역 또는 용기가, 물의 표면 아래에 위치되는 저장 영역 또는 영역들을 위해서 이용될 수 있다. 상기 저장 영역은, 비제한적으로, 해양 또는 다른 물 본체의 표면 아래에서 원유 또는 화학물질을 저장하기 위해서 현재 이용되는 저장 용기를 포함할 수 있다. 비-융기형 또는 융기형 저장 영역 또는 용기를 포함하는 저장 영역이 물 또는 액체 본체의 외부에 위치될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 저장 영역은 전략유 저장고, 오일 저장부, 천연 가스 저장부, 액체 저장부, 염수층(saline aquifer), 지리적 포메이션(geological formation), 또는 오일 및 가스 유전 내에 위치될 수 있다. 저장 영역 또는 용기의 강도 요건 및 잠재적 비용을 최소화하기 위해서, 대기압보다 큰 정수압을 받는 하나 이상의 저장 영역이, 주변부가 유사한 또는 보충적인 압력을 가하는 환경에 위치되는 것이 바람직할 수 있다. 소금 동굴과 같은 지리적 포메이션과 같은 고체의 주위의 경우에, 지리적 포메이션 또는 인공적으로 구축된 지리적 포메이션은 상기 액체를 직접적으로 수용 또는 저장하는 기능을 할 수 있고 그 자체의 저장 영역으로서의 기능을 할 수 있다.
예시적인 실시예:
· 에너지 저장 장치로서:
。 둘 이상의 저장 영역을 포함하고
。 적어도 하나의 저장 영역은 다른 저장 영역보다 높은 압력이고
。 에너지는, 동일한 헤드 높이 또는 깊이의 저밀도 액체와 고밀도 액체 사이의 압력차를 이용하여 저장되고
· 에너지 저장 장치로서:
。 둘 이상의 저장 영역을 포함하고
。 적어도 하나의 저장 영역은 다른 저장 영역보다 높은 압력이고
。 상기 에너지 저장 장치는, 비교적 저밀도의 액체를 저장 영역 내로 펌핑하여 비교적 고밀도의 액체를 변위시키는 것에 의해서 충전되고
。 상기 에너지 저장 장치는, 비교적 고밀도의 액체가 비교적 저밀도의 액체를 변위시키게 하는 것 그리고 상기 저밀도 액체의 유동이 발전기 또는 수압 터빈에 동력을 공급하게 하는 것에 의해서 방출되고
· 대규모 에너지 저장 장치로서 동시에 기능하는, 해저 오일 또는 화학물질 저장 설비로서:
。 둘 이상의 저장 영역을 포함하고
。 적어도 하나의 저장 영역은 다른 저장 영역보다 높은 압력이고
。 에너지는, 동일한 헤드 높이 또는 깊이의 저밀도 액체와 고밀도 액체 사이의 압력차를 이용하여 저장되고
· 대규모 에너지 저장 장치로서 동시에 기능하는, 해저 오일 또는 화학물질 저장 설비로서:
。 둘 이상의 저장 영역을 포함하고
。 적어도 하나의 저장 영역은 다른 저장 영역보다 높은 압력이고
。 상기 에너지 저장 장치는, 비교적 저밀도의 액체를 저장 영역 내로 펌핑하여 비교적 고밀도의 액체를 변위시키는 것에 의해서 충전되고
。 상기 에너지 저장 장치는, 비교적 고밀도의 액체가 비교적 저밀도의 액체를 변위시키게 하는 것 그리고 상기 저밀도 액체의 유동이 발전기 또는 수압 터빈에 동력을 공급하게 하는 것에 의해서 방출되고
· 천연 가스를 동시에 저장하는 동안 에너지/전기를 저장하기 위한 프로세스로서:
。 물 본체의 표면 아래의 가스 백 또는 저장 영역 내에서 천연 가스를 저장하는 단계
。 상기 저장 영역의 부피를 팽창시킬 수 있는 것으로서, 천연 가스를 상기 가스 백 또는 저장 영역 내로 압축 또는 펌핑하는 것에 의해서 전기를 저장하는 단계
。 상기 천연 가스가 상기 가스 백 또는 저장 영역을 떠나게 하는 것 그리고 발전기 또는 터빈을 통과하게 하는 것에 의해서 방출하는 또는 전기를 생성하는 단계를 포함하고
。 상기 저장 영역은 하나 이상의 관 또는 파이프를 통해서 표면 상의 천연 가스 파이프라인 또는 LNG 설비 또는 천연 가스 설비에 연결된다.
예시적인 하위-실시예:
· 에너지는, 고밀도 액체의 중력으로 인해서 압력 헤드가 저밀도 액체의 중력 압력 헤드를 초과하는 조건 하에서, 저밀도 액체를 이용하여 고밀도 액체를 변위시키는 것에 의해서 저장되고
· 펌프는 가역적으로 발전기로서 기능할 수 있고
· 하나의 저장 영역이 물 본체의 표면 아래에 위치되고, 다른 저장 영역은 물 본체의 표면 부근에 또는 위에 위치되고
· 상기 저장 영역은 오일 또는 화학물질 저장부로서 기능하고
· 상기 저밀도 액체 또는 고밀도 액체 또는 둘 모두가 저장을 필요로 하는 오일 또는 화학물질이고
· 물 본체의 표면 아래의 저장 영역은 고압의 낮은 헤드 높이 저장 영역을 구성하는 한편, 물 본체의 표면 위의 저장 영역은 저압의 높은 헤드 높이 영역을 구성하고
· 펌프 또는 발전기가 물 본체의 표면의 부근에 또는 위에 위치되고
· 물 본체의 표면 아래의 상기 저장 영역은, 주위 물 본체에 개방된 상기 오목 영역의 하단부 부근의 개구부를 갖는, 오목 영역을 포함하고
· 드럼 또는 분리부가 저밀도 액체 및 물을 주위 물 본체로부터 분리하거나 그 사이에 위치되고
· 물 본체의 표면 아래의 상기 저장 영역은 팽창 가능 또는 수축 가능 또는, 충전 중에 저밀도 액체로 팽창 및 충진될 수 있고 방출 중에 압궤되거나 수축되거나 비워지는, 가요성 구조물, 예를 들어 브래더 또는 백 또는 풍선을 포함하고
· 팽창 가능하거나 수축 가능하거나 가요성 구조물을 포함하는 상기 저장 영역이 물을 상기 저장 영역 주위에서 변위시킬 수 있고
· 고밀도 액체가 저장 영역을 둘러싸는 물 또는 물 본체를 구성하고
· 물 본체의 표면 아래의 상기 저장 영역이 상기 물 본체의 하단부 부근의 지면에 고정 또는 테더링될(tethered) 수 있고
· 펌프 또는 발전기가 저밀도 액체와 접촉되며
· 펌프 또는 발전기가 고밀도 액체와 접촉되며
· 펌프 또는 발전기가 물의 표면 아래에 위치되고
· 펌프 또는 발전기가 고밀도 액체와 접촉되고 낮은 헤드 높이의 고압 저장 영역 부근에 위치되고
· 충전 중에, 고밀도 액체가 저장 영역 외부로 펌핑되고, 저밀도 액체가 고밀도 액체를 대체하고
· 하나 이상의 저장 영역이 하나 이상의 화학물질의 저장을 위해서 이용되고
· 저밀도 액체 또는 고밀도 액체 또는 그 둘 모두가, 저장되는 화학물질을 포함하고
· 저밀도 액체 또는 고밀도 액체 또는 둘 모두가 상기 시스템에 부가되거나 그로부터 제거될 수 있고
· 상기 저장 설비/에너지 저장 장치가 오일 플랫폼 또는 화학물질 설비에 근접하여 위치되고
· 프로세싱 유닛을 이용하여, 하기 액체 또는 액체들이 상기 저장 영역으로부터의 제거 후에 이용되거나 이송되기 전에, 잔류 고밀도 액체를 저밀도 액체로부터 분리하거나 반대로 분리하고
· 과다 저장이 요구될 때, 오일 또는 화학물질의 저장을 위해서, 저장 유닛이 이용될 수 있고
· 저장 유닛은, 예를 들어, 저장이 필요한 이벤트에서, 오일 또는 화학물질 저장부를 위해서 일시적으로 또는 반-영구적으로 또는 영구적으로 이용되도록, 저밀도 액체를 더 포함할 수 있거나, 충진될 수 있거나, 거의 완전히 충진될 수 있거나, 더 충진될 수 있고
· 저장 유닛은, 예를 들어, 저장이 필요한 이벤트에서, 오일 또는 화학물질 저장부를 위해서 일시적으로 또는 반-영구적으로 또는 영구적으로 이용되도록, 고밀도 액체를 더 포함할 수 있거나, 충진될 수 있거나, 거의 완전히 충진될 수 있거나, 더 충진될 수 있고
· 시스템은, 예를 들어, 비제한적으로, 이하 중 하나 이상 또는 조합을 포함하는 것에 따라서, 에너지 저장 또는 오일 저장 또는 화학물질 저장 또는 그 조합을 우선시하거나 균형잡기 위해서 최적화될 수 있고:
。 저장을 필요로 하는 화학물질 또는 오일의 양
。 화학물질 또는 오일 저장에 대한 시장 이자율(market rate)/가격
。 전기 그리드 내의 에너지 저장의 시장 이자율/가격
。 에너지 저장을 위해서 이용될 수 있는 임의의 값
。 화학물질 저장을 위해서 이용될 수 있는 임의의 값
· 저밀도 액체는 저밀도 유체이고
· 상기 저밀도 유체가 가스를 포함하고
· 상기 저밀도 유체 또는 가스가 천연 가스를 포함할 수 있고
· 상기 천연 가스가 에너지 생성 및 오일 천연 가스 저장을 위한 상기 시스템에서 이용될 수 있고
· 상기 천연 가스가 압축 천연 가스(CNG) 또는 액체 천연 가스(LNG)의 형태로 저장될 수 있고
· 상기 저장 영역은 하나 이상의 관 또는 파이프를 통해서 표면 상의 천연 가스 파이프라인 또는 LNG 설비 또는 천연 가스 설비에 연결된다.
· 천연 가스를 동시에 저장하는 동안 에너지/전기를 저장하기 위한 프로세스로서:
。 물 본체의 표면 아래의 가스 백 또는 저장 영역 내에서 천연 가스를 저장하는 단계
。 상기 저장 영역의 부피를 팽창시킬 수 있는 것으로서, 천연 가스를 상기 가스 백 또는 저장 영역 내로 압축 또는 펌핑하는 것에 의해서 전기를 저장하는 단계
。 상기 천연 가스가 상기 가스 백 또는 저장 영역을 떠나게 하는 것 그리고 발전기 또는 터빈을 통과하게 하는 것에 의해서 방출하는 또는 전기를 생성하는 단계를 포함하고
。 상기 저장 영역은 하나 이상의 관 또는 파이프를 통해서 표면 상의 천연 가스 파이프라인 또는 LNG 설비 또는 천연 가스 설비에 연결된다.
낮은 헤드 높이의, 고압 저장 영역은 물 본체의 표면 아래의 저장 영역과 동등할 수 있다.
에너지 밀도(부탄-물):
Figure pct00001
액체 밀도
이하의 표는, 본원에서 소개된 기술에서 이용될 수 있는 여러 예시적인 액체의 밀도를 보여준다.
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
Figure pct00008
저밀도 액체 또는 고밀도 액체는 예를 들어 폐 생성물로부터 얻어질 수 있다. 예를 들어, 저밀도 액체 또는 고밀도 액체는, 예를 들어, 비제한적으로, 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함하는 것으로부터 얻어질 수 있다: 폐 식용유, 폐 플라스틱, 액체로 변환된 폐 플라스틱, 연료 오일로 변환된 폐 플라스틱, 폐 글리세롤, 폐 알코올, 폐 냉각수, 폐 부동액, 폐 윤활제, 폐 연료, 오염된 오일, 오염된 화학물질 또는 유효 기간이 지난 상품.
본원에 참조로 포함된 종래 기술:
(Ocean Renewable Energy Storage (ORES) System: Analysis of an Undersea Energy Storage Concept, 2013, 10.1109/JPROC.2013.2242411, https://ieeexplore.ieee.org/document/6471167/)( https://www.renewableenergyworld.com/articles/2016/09/storing-energy-in-the-sea-a-new-design-for-marine-energy-storage.html).
Application 14/003,567, 20140060028, Pumped-Storage Power Plant https://patents.justia.com/patent/20140060028
실시예에 관한 제3 설명
조력 시스템
설명: 본 실시예는 조수로 인한 수위의 변화로부터 에너지를 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것일 수 있다. 일부 실시예는, 예를 들어, 예를 들어 조수로 인한 수위의 변화로부터 에너지를 생성하는, 조력 에너지 생성 시스템에 적용될 수 있다. 일부 실시예는, 전기와 같은 에너지를 생성하기 위해서 조수에 기인한 수위의 상승으로 인한 저장 영역으로부터의 공기 또는 다른 유체의 변위를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예는, 전기와 같은 에너지를 생성하기 위해서 조수에 기인한 수위의 감소로 인한 저장 영역 내로의 공기 또는 다른 유체의 이동을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 공기의 이동 또는 공기의 변위는 하나 이상의 관을 통해서, 예를 들어, 표면에 전달될 수 있고, 및/또는 예를 들어 공압 발전기를 이용하여 전기로 변환될 수 있다. 전기 생성을 위해서, 공압 펌프, 공압 발전기, 및/또는 다른 구성요소가, 필요한 경우에, 저장 영역 또는 물 외부의 표면에 위치될 수 있다. 공기에 더하여 또는 공기와 조합된, 다른 가스 또는 공기 이외의 유체가 필요한 경우에 이용될 수 있다. 상기 저장 영역은, 유체가 점유할 수 있는 공간을 가지는 오목 영역을 갖춘, 물 또는 공기 또는 유체 불투과성 재료 또는 구조물을 포함할 수 있다. 상기 오목 영역은, 물 또는 공기와 같은 유체가 점유할 수 있는 공간을 포함할 수 있는, 다공성 재료, 예를 들어 모래 또는 암석 또는 실린더 블록 또는 플라스틱 병 또는 팩킹 재료에 의해서 점유될 수 있다. 상기 저장 영역은, 물 또는 공기와 같은 유체에 의해서 점유될 수 있는 공간을 갖는, 모래 또는 암석 또는 실린더 블록 또는 플라스틱 병 또는 팩킹 재료 또는 고체 재료의 일부에 걸쳐 오목 영역을 형성하는 수밀 또는 기밀 라이너 또는 타프(tarp)를 포함할 수 있다. 상기 저장 영역은 오래된 선박, 또는 플라스틱 용기와 같은 강성 구조물을 포함할 수 있다. 상기 저장 영역은, 예를 들어 낮은 조수에서 가스 또는 저밀도 액체로 충진될 때 팽창될 수 있고 높은 조수에서 상기 가스 또는 저밀도 액체가 예를 들어 발전기를 통해서 방출될 때 압궤될 수 있는, 백, 브래더, 또는 가요성 구조물을 포함할 수 있다. 상기 오목 영역은, 물 또는 공기와 같은 유체에 의해서 점유될 수 있는 개방 공간을 포함할 수 있다. 오목 영역이 지구의 표면의 방향(예를 들어, 중력의 방향)에 대면되도록, 그에 따라 희망하는 경우에 저밀도 유체가 상기 오목 영역 내에 포획될 수 있도록, 상기 오목 영역이 배치될 수 있다. 상기 오목 영역은 상기 오목 영역 내측에서 개구부를 갖는 관을 포함할 수 있다. 상기 관은, 공압 펌프 또는 발전기 또는 수압 펌프 또는 발전기에 연결될 수 있는, 표면에 상호 연결될 수 있다. 상기 관은, 예를 들어 상기 저장 영역의 재료를 통과하는 것과 대조적으로, 상기 오목 영역의 아래에 그리고 그 주위에 배치될 수 있고, 그에 따라 이는 상기 저장 영역을 통한 누출 가능성을 낮출 수 있다.
오목 영역 또는 저장 영역은, 비제한적으로, 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함할 수 있는: 다른 목적을 위해서 이용되는 기반시설을 포함할 수 있다: 하수관 시스템, 배수 시스템, 유출수 시스템, 폐수 시스템, 배수 파이프, 흡입 파이프, 유출 파이프, 또는 물 저장 영역.
오목 영역 또는 저장 영역은 다공성 재료 충진물로 충진될 수 있다. 상기 다공성 재료는, 비제한적으로, 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함할 수 있다: 모래, 자갈, 암석, 팩킹 재료, 또는 실린더블록, 또는 플라스틱 병, 플라스틱 용기, 또는 플라스틱 양동이, 또는 상호 연결된 실린더 블록, 또는 상호 연결된 플라스틱 용기, 또는 상호 연결된 팩킹 재료.
오목 영역 또는 저장 영역은 기존의 또는 새로운 해양 구조물 내로 설치될 수 있거나 그 구성요소일 수 있다. 예를 들어, (공기 관 또는 공압 발전기/펌프와 통합될 수 있는) 오목 영역 또는 저장 영역이 구성 둑길, 방파제, 건물 기초부, 매립지 또는 토지 확장 또는 인공 섬으로서 만들어질 수 있다. 유리하게, 건설 후에 거의 보이지 않거나 이용되지 않는 수변 육지의 표면 아래가, 조수 또는 물 본체의 수위의 변화로부터 재생 가능 전기를 생산하기 위한 수단으로 변환될 수 있다.
예를 들어, 오목 영역 또는 저장 영역은 이하의 3개의 일반적인 단계로 둑길 또는 매립지 또는 인공 섬의 일부로서 구축될 수 있다: 1) 해양 구조물이 구축될 영역 내에 공기 관이 배치될 수 있다. 공기 관은, 최종적으로 구축되는 오목 영역 또는 저장 영역의 수직 높이 부근의 수직 높이에 위치되는 단부를 가질 수 있다. 유리한 경우에, 최종적으로 구축되는 오목 영역 또는 저장 영역 내로의 물 유동을 촉진하기 위해서, 물 파이프가, 해양 구조물이 구축될 영역 내에 배치될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어 물 파이프가 이용되지 않는 경우에, 물 삼출 또는 침투가 유일한 물 유동의 공급원일 수 있다. 2) 본원에서 설명된 다공성 재료 충진물, 예를 들어, 암석, 또는 모래, 또는 실린더 블록, 또는 다른 충진 재료, 또는 다른 다공성 충진 재료, 또는 그 조합이 부가될 수 있다. 상기 충진 재료는 오목 영역 또는 저장 영역의 내측부를 포함할 수 있다. 상기 충진 재료는 공기 관을 둘러쌀 수 있다. 상기 충진 재료가 공기 관을 둘러싸는 것이 바람직할 수 있으나, 실질적으로 또는 완전히 차단하거나 꼬이게 하거나 막히게 하지 않는다. 충진 재료는, 저장 영역 또는 오목 영역 라이너의 설계 또는 윤곽에 합치되도록 주의 깊게 배치될 수 있다. 3) 라이너가 상기 충진 재료 및 파이프 위에 배치될 수 있다. 라이너가 충진 재료의 윤곽에 합치되는 것이 바람직할 수 있고, 라이너가 충진 재료 또는 저장 영역의 전체 수직 깊이에 대해서 충진 재료를 둘러싸는 것이 바람직할 수 있다. 라이너는, 비제한적으로, 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함할 수 있다: HDPE 라이너, 또는 LDPE 라이너, 또는 알루미늄 라이너, 또는 강 라이너, 또는 금속 코팅 라이너, 또는 금속 라이너, 또는 시멘트 라이너, 시멘트 층, 또는 점토 라이너, 또는 매립지 라이너, 또는 연못 라이너, 또는 호수 라이너, 저장소 분지 라이너, 또는 나일론 라이너, 또는 토목 합성 라이너, 또는 PVC 라이너, 또는 백, 또는 천, 또는 직물, 또는 메시, 또는 고강도 중합체 라이너, 또는 직조 라이너, 또는 편조 라이너 또는 강도 및 유밀성을 위해서 여러 층의 재료를 포함하는 라이너, 또는 타프.
라이너가 배치된 후에, 해양 구조물의 나머지를 포함하는 재료를 부가하여, 예를 들어, 해양 구조물을 구축할 수 있다. 유리한 경우에, 버퍼 재료를 라이너의 상단부 또는 하단부에 부가하여, 마모 및 파열 가능성을 최소화하거나 라이너 내의 천공부 형성을 방지할 수 있다. 상기 버퍼 재료는, 비제한적으로, 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함할 수 있다: 모래, 또는 삼베, 또는 삼끈(twine), 또는 직조 나일론, 또는 케블라, 또는 자갈, 또는 점토, 또는 진흙, 또는 발포체, 또는 시멘트, 또는 콘크리트, 또는 메시, 또는 천, 또는 직물, 또는 고무. 유리하게, 물의 표면 아래에, 또는 지하에, 또는 저장 영역 또는 공동 내에 이동 부분이 없는 본 조력 시스템을 구축할 수 있다.
예를 들어, 오목 영역 또는 저장 영역은 인공 어초(artificial reef)의 양태로서 또는 달리 가라앉을 수 있는 베슬 또는 구조물로 구성될 수 있다. 예를 들어, 오목 영역 또는 저장 영역은 뒤집힌 베슬 또는 선박 또는 보트 또는 탱크 또는 바지를 이용하여 구축될 수 있다. 유리하게, 비록 희망하는 경우에 부가적인 패칭(patching) 또는 재-보강이 이용될 수 있지만, 선박의 선체가 이미 유밀적일 수 있다. 예시적인 구현예가 이하의 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 1) 배관 및/또는 물 파이프를 상기 베슬 내에 배치하는 단계. 공기 배관의 개구부가 (상기 베슬이 저장 영역 또는 오목 영역이 될 때, 상기 저장 영역 또는 오목 영역의 최종적인 상단부 부근에 위치될 수 있는) 베슬의 하단부 부근에 배치되거나 부착될 수 있다. 저장 영역 또는 오목 영역 내외로의 물 유동을 촉진하기 위해서, 물 배관이 이용될 수 있다. 2) 다공성 충진 재료를 상기 베슬의 적어도 일부 내로 배치하는 단계. 상기 다공성 충진 재료를 이용하여, 베슬 개방 공간이 공기에 의해서 점유될 때, 베슬이 부유하는 것을 방지할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 상기 베슬은, 베슬에 걸쳐 균일하게 분포될 수 있는 앵커 및 라인을 이용하는 것에 의해서, 부유되지 않을 수 있다. 필요한 경우, 베슬 내의 잔류 공기 공간의 일부를 물로 충진하여, 가라 앉는 것을 촉진할 수 있다. 3) 상기 베슬을 뒤집고 상기 베슬을 물 본체의 하단부에서 또는 그 부근에 배치하는 단계. 충진 재료의 상당한 제어되지 않은 유출을 방지하기 위해서, 충진 재료가 적어도 부분적으로 베슬 내에 수용되는 것이 바람직할 수 있다. 충진 재료는, 상기 베슬 내의 적어도 부분적으로 덮인 격실로 인해서, 수용될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 상기 충진 재료는 천 또는 메시 또는 삼끈 또는 네트를 이용하여 수용될 수 있다. 예를 들어, 충진 재료의 제어되지 않은 유출을 최소화하기 위해서, 베슬이 상기 물 본체의 하단부에 근접할 때 이러한 단계를 실시하는 것이 유리할 수 있다. 공기 파이프는, 표면 부근에, 표면에, 또는 표면 위에 위치된 공기 펌프 또는 공압 발전기에 연결될 수 있다. 물 파이프가 주위 물 본체에 개방될 수 있다. 유리하게, 저장 영역 또는 오목 영역이 물 본체의 하단부 부근에 위치되는 경우에, 이는 에너지 생성 단계 전체를 통해서 물 본체의 만충 수압 헤드 부근에서 또는 그에 근접하여 발생될 수 있으나, 이는 물 본체의 깊이에 대한 상기 오목 영역의 수직 높이 및 낮은 조수와 높은 조수 사이의 수위 차이에 따라 달라질 수 있다.
일부 실시예는, 조수에 기인할 수 있는 수위의 변화로 인한, 물 본체 내의 저장 영역 내의 수압 압력의 차이로부터 전기를 생성할 수 있다. 실시예는 물 본체의 표면 아래의 저장 영역을 포함할 수 있다. 비교적 낮은 수위 또는 조수 중에, 공기는, 예를 들어, 하나 이상의 관을 이용하여, 저장 영역 내로 펌핑될 수 있고, 그에 따라 상기 저장 영역 내의 물을 변위시킬 수 있다. 비교적 높은 수위 또는 조수 중에, 물은 공기를 상기 저장 영역으로부터 변위시킬 수 있고, 상기 공기는, 예를 들어 하나 이상의 관을 통해서, 공압 발전기 내로 전달될 수 있고, 그에 따라 유용한 일 또는 전기를 생성할 수 있다. 높은 수위 또는 조수에서, 저장 영역 내의 수압 압력은, 낮은 수위 또는 조수 중의 저장 영역 내의 수압 압력보다 상당히 더 클 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 순 에너지 또는 전기는, 예를 들어, 높은 조수 또는 수위에서 발전기 내로 변위되는 공기로부터 생산되는 에너지 또는 전기가, 낮은 수위 또는 조수 중에 공기를 상기 저장 영역 내로 펌핑하는데 필요한 에너지 또는 전기보다 상당히 많은 양이기 때문에, 생성될 수 있다. 생성된 순 에너지 또는 전기는, 낮은 수위 또는 조수 중에 소비되는 에너지와 비교하여 높은 수위 또는 조수 중에 생성되는 에너지 사이의 차이를 포함할 수 있다.
실시예는 조수 사이클 중 하나 이상 동안 전기를 생성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예는 ~1일의 기간 내의 4번의 조수 사이클(예를 들어: 2번의 높은 조수, 2번의 낮은 조수) 중에 전기를 생성할 수 있고 - 그 예는, 높은 또는 낮은 또는 그 둘 모두의 조수에서 해양 수위의 범위 내의 깊이를 갖는 지하 공동을 이용하는 실시예일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예는 ~1일의 기간 내의 2번의 조수 사이클(예를 들어: 2번의 높은 조수) 중에 전기를 생성할 수 있고 - 그 예는, 영역 내의 얕은 조수 깊이의 동일한 물 깊이 아래의 또는 부근의 또는 그 주변의 수중 저장 영역을 이용하는 실시예일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예는 이용 가능 용량보다 적은 사이클 동안 전기를 생성할 수 있고 - 그 예는, 높은 또는 낮은 또는 그 둘 모두의 조수에서 해양 수위의 범위 내의 깊이를 갖는 지하 공동을 이용하는 실시예일 수 있고, 여기에서 프로세스는 높은 조수 중에만 전기를 생산한다. 하루 중에 4번의 조수 이동 전부 중에 전기를 생산할 것을 필요로 할 수 있는, 일부 공동이 부분적인 진공에 구조적으로 적합하지 않을 수 있을 때, 높은 조수 중에만 전기를 생성하는 실시예가 유리할 수 있다.
프로세스는, 유리한 경우에, 수력 발전기 또는 하이드로 발전기를 이용할 수 있다. 비용을 최소화하고 수명을 최대화하기 위해서, 공기 변위에 의해서 동력을 공급 받는 공압 발전기를 이용하는 것이 유리할 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
공동, 저장 영역, 또는 오목 영역이 유사할 수 있거나 동의어일 수 있다.
예시적인 장점:
· 비용:
。 재료비가 저렴하다. 재료비는 단순히 라이너, 파이프, (주변 환경에서 이미 이용가능하지 않은 경우) 충진 재료, 및 공압 발전기 또는 펌프를 포함할 수 있다.
。 노동비는, 설치가 해양 구조물의 구축과 같은 다른 프로젝트의 일부인지의 여부 그리고 설치가 지면의 표면 아래로 파고 들어가는 것 또는 준설을 필요로 하는지의 여부에 따라 달라질 수 있다.
· 신뢰성 및 내구성:
。 일부 실시예는 지하에 또는 물 본체의 표면 아래에 위치될 수 있고, 그에 따라 파도 및 파편으로부터의 잠재적인 위험을 줄일 수 있고
。 일부 실시예는 물 본체의 표면 아래에서 이동 부분을 가지지 않을 수 있고, 그에 따라 부식, 오염물 부착, 또는 파편으로부터의 잠재적인 복합적 문제를 감소 또는 제거할 수 있다.
。 이동 부분은, 희망하는 경우에, 물 또는 물 본체와 접촉되지 않거나 직접 접촉되지 않을 수 있고, 그에 따라 그 비용을 줄일 수 있고 그 예상 수명을 연장시킬 수 있다.
· 효율
。 비교적 낮은 압력의 가압 공기를 이용하여 동력 공급되는 공압 발전기는 50% 초과, 또는, 60% 초과, 또는 70% 초과, 또는 80% 초과, 또는 90% 초과의 효율로 전기를 생산할 수 있다.
예시적인 단계별 설명
지하 공기 및 물 공동:
개요: 도 14 내지 도 19는 지하 저장 영역 또는 공동을 이용하는 실시예를 도시할 수 있다. 각각의 도면은, 예를 들어, 비제한적으로 조수를 포함하는 것으로 인해서 수위의 변화로부터 전기를 생성하는 프로세스 내의 예시적인 단계를 도시할 수 있다. 도 14 내지 도 19에서, 저장 영역 또는 공동은, 공기 또는 물과 같은 유체가 점유하기 위한 대부분 개방 공간을 포함할 수 있다.
도 14: 단계 1 (높은 조수, 충진, 발전): 도 14는 전기가 생성되는 실시예를 도시할 수 있다. 공기는 공기 관 또는 공압 펌프 내의 밸브의 개구부를 통해서 방출될 수 있고, 이는 공기가 파이프를 통해 저장 영역을 빠져나와 전기를 생성할 수 있는 공압 발전기로 들어가도록 한다. 저장 영역 내의 수위에 대비되는, 물 본체 주위의 또는 부근의 비교적 높은 수위로 인해서, 저장 영역 내의 공기 압력은 대기압보다 높을 수 있다. 물 본체 주위 또는 부근으로부터의 물은 저장 영역 내로 펌프를 통해서 전달되거나 삼출을 통해서 이동될 수 있고, 그에 따라 상기 저장 영역 내의 공기를 변위시킨다. 저장 영역을 빠져 나가는 공기의 유량 및 저장 영역에 진입하는 물의 비율은, 공압 발전기에 진입하는 공기의 유량을 제어하는 것에 의해서 제어될 수 있다.
도 15: 단계 2 (높은 조수, 공동 만충): 도 15는 저장 영역이 물로 거의 만충된 실시예를 도시할 수 있다. 저장 영역은, 이하 모두를 달성할 때, 거의 만충인 것으로 간주될 수 있다: 1) 저장 영역 내의 수위가 부근의 물 본체의 최근의 조수 범위 내의 최대 수위 이거나 그 부근인 것; 또는 2) 물 부피가 저장 영역의 최대 실질 부피 용량에 도달하는 것.
도 16: 단계 3 (낮은 조수, 비워짐, 발전): 도 16은, 주위 물 본체 수위가 저장 영역 내의 수위에 비해서 상대적으로 낮을 때 전기를 생성하는 실시예를 도시할 수 있다. 에너지는, 물이 상기 저장 영역을 빠져 나갈 때의 저장 영역 내로의 공기 유동으로 인해서 생성될 수 있고, 상기 공기의 유동은, 예를 들어, 공압 발전기에 동력을 공급한다. 상기 저장 영역의 외부로의 물의 유동은 물 파이프 또는 물 삼출을 통해서 이루어질 수 있다. 저장 영역에서의 제어되지 않은 물의 유출 또는 공기 진입을 방지하기 위해서, 저장 영역의 깊이 또는, 물 파이프가 저장 영역에 연결된 경우에, 물 파이프의 깊이가 바람직하게, 물 본체 내의 물의 깊이보다 낮을 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 공기 유동 및 물 유출은, 공기 관 또는 공압 발전기에 연결된 밸브의 개구부를 통해서 제어될 수 있다.
도 17: 단계 4 (낮은 조수, 비어 있음): 도 17은 저장 영역의 물이 거의 비워진 실시예를 도시할 수 있다. 저장 영역은, 이하 중 하나를 달성할 때, 거의 비어 있는 것으로 간주될 수 있다: 1) 저장 영역 내의 수위가 부근의 물 본체의 최근의 조수 범위 내의 최소 수위 이거나 그 부근인 것; 또는 2) 저장 영역 내에 물이 없는 것.
도 18: 단계 4 대안 (낮은 조수, 비어 있음, 1년 중의 시간 및 위치에 따름): 도 18은, 저장 영역의 물이 완전히 비워진 실시예를 도시할 수 있다. 의도하지 않은 공기 또는 물 유동을 방지하기 위해서, 저장 영역을 빠져 나가는 물로부터의 에너지 생성이, 물 파이프 또는 저장 영역이 적어도 부분적으로 물의 표면 아래에 있을 것을 요구할 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 공기에 의해서 거의 전체가 점유된 저장 영역이 잠재적인 에너지 생산 용량을 최대화할 수 있다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
도 19: 단계 5 (낮은 조수, 물을 외부에서 유지하는 펌프): 도 19는, 잔류 물을 제거하기 위해서 공기가 저장 영역 내로 펌핑되는 실시예를 도시할 수 있다. 저장 영역 내로의 공기 펌핑은, 예를 들어, 주위 물 본체 내의 수위가 비교적 낮을 때, 실시될 수 있다. 낮은 조수에서 저장 영역 내로 공기를 펌핑하는데 (그리고 잔류 물을 변위시키는데) 필요한 에너지는, 저장 영역 내에서 공기에 의해서 점유된 변위 가능 부피의 증가로부터 생성되는 에너지보다 상당히 적을 수 있다. 또한, 공기 파이프 내에 포획되었을 수 있는 물을 제거하기 위해서, 공기가 저장 영역 내로 펌핑될 수 있다.
물/공기 공동 또는 저장 영역이 다공성 재료를 포함하는 예시적인 실시예:
개요: 도 20 내지 도 23은 지하 저장 영역 또는 공동을 이용하는 실시예를 도시할 수 있다. 각각의 도면은, 예를 들어, 비제한적으로 조수를 포함하는 것으로 인해서 수위의 변화로부터 전기를 생성하는 프로세스 내의 예시적인 단계를 도시할 수 있다. 도 14 내지 도 19에서, 저장 영역 또는 공동은, 공기 또는 물과 같은 유체가 점유하기 위한 공간을 포함할 수 있는, 대부분 다공성인 충진 재료를 포함할 수 있다. 전기를 생성하기 위한 단계는 도 14 내지 도 19에 도시된 단계와 유사할 수 있다.
도 20: 단계 1 (높은 조수, 충진, 및 발전): 도 20은, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 다공성 재료를 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 21: 단계 2 (높은 조수, 공동 만충): 도 21은, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 다공성 재료를 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 22: 단계 3 (낮은 조수, 비워짐, 및 발전): 도 22는, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 다공성 재료를 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 23: 단계 4 (낮은 조수, 비어 있음): 도 23은, 물 공기 공동 또는 저장 영역이 다공성 재료를 포함하는 예시적인 실시예를 도시한다.
(동력 생성 전체를 통해서 만충 헤드 높이 부근일 수 있는) 수중 베슬:
도 24: 단계 1 (높은 조수, 충진, 발전): 도 24는, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 물 본체 상에 또는 내에 위치되는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 25: 단계 2 (높은 조수, 만충): 도 25는, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 물 본체 상에 또는 내에 위치되는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 26: 단계 3 (낮은 조수, 비워짐): 도 26은, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 물 본체 상에 또는 내에 위치되는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 27: 대안적인 단계 3 (낮은 조수, 비워짐, 조수 및 위치에 따름): 도 27은, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 물 본체 상에 또는 내에 위치되는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 28: 단계 4 (낮은 조수, 비어 있음): 도 28은, 물/공기 공동 또는 저장 영역이 물 본체 상에 또는 내에 위치되는 예시적인 실시예를 도시한다.
도 29: 도 29는 부유 펌프 또는 발전기 스테이션을 갖는 예시적인 실시예를 도시한다.
상기 도면 중 많은 도면이 물 본체의 하단부에서의 또는 그 부근의 베슬 또는 다른 저장 구조물을 도시하지만, 그러한 것이 표면 아래의 임의의 편리한 위치에 위치될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 이는 물 본체의 하단부 및/또는 상단부에 정박될 수 있다.
공기는 본원에서 설명된 다른 유체로 대체될 수 있다. 유체가 액체를 포함하는 경우에, 수압 또는 수력 발전기가 공압 발전기 대신 이용될 수 있다.
비교적 높은 조수는, 물 본체 내의 수위가 비교적 낮은 조수 중의 수위보다 높은 때이다. 수위 변화는, 주로 중력 조수로 인한 수위의 변화 때문일 수 있다.
예시적인 실시예:
· 조력 시스템으로서:
。 적어도 부분적으로 물 불투과성 재료로 둘러싸인 공동, 또는 오목 영역, 또는 저장 영역을 포함하는 영역을 포함하고
。 비교적 높은 조수에서, 물이 상기 영역으로부터 공기를 변위시키고,
。 비교적 낮은 조수에서, 공기가 물을 변위시키며
。 공기가 상기 영역으로 또는 그로부터 이동하는 것에 의해서 전기가 생성된다.
예시적인 하위-실시예:
· 공압 터빈 또는 발전기를 이용하여, 에너지 또는 전기가 생성되고
· 상기 영역은 지면의 표면 아래에, 또는 둑길, 또는 매립지, 또는 인공 섬, 또는 방파제, 또는 건물 기초부, 또는 구조물 기초부 내에, 또는 그 조합에 위치되고
· 상기 저장 영역은 다공성 충진 재료를 포함하고
상기 다공성 충진 재료는 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함한다: 모래, 자갈, 암석, 팩킹 재료, 또는 실린더블록, 또는 플라스틱 병, 플라스틱 용기, 또는 플라스틱 양동이, 또는 상호 연결된 실린더 블록, 또는 상호 연결된 플라스틱 용기, 또는 상호 연결된 팩킹 재료.
· 상기 물 불투과성 재료가 라이너를 포함할 수 있고
· 공기가 파이프를 이용하여 상기 영역에서 진출하고 그에 진입하며
· 상기 파이프는 상기 저장 영역 내측의 개구부 또는 물의 표면 위의 개구부 또는 그 둘 모두를 가지고
· 물이 물 삼출을 통해서 상기 영역에 진입하거나 진출하고
· 물이 파이프를 통해서 상기 영역에 진입하거나 진출하고
· 물은, 상기 영역 또는 물 불투과성 재료 내의 개구부를 통해서 상기 영역에 진입하거나 그로부터 진출하고
· 구조적으로 강성이고
· 상기 영역은 구조적으로 가요성을 가지거나 팽창 가능하거나 압궤 가능하고, 브래더, 백, 또는 유사 장치를 포함할 수 있고
· 상기 공기는 상기 구조적으로 가요적인 영역 내측에 위치되고, 상기 구조적으로 가요적인 영역은 낮은 조수 중에 팽창되고 높은 조수 중에 압궤되며,
· 상기 압궤는, 상기 구조적으로 가요적인 영역으로부터 공압 발전기로의 공기의 변위를 통해서 전기를 생성하고
· 상기 영역은 이하 중 하나 이상 또는 그 조합과 같은, 다른 목적을 위해서 이용되는 기반시설을 포함하고: 하수관 시스템, 배수 시스템, 강수 시스템, 폐수 시스템, 배수 파이프, 흡입 파이프, 흡입 시스템, 유출 파이프, 유출 시스템, 또는 저장 영역.
라이너는 이하 중 하나 이상 또는 그 조합을 포함하고: HDPE 라이너, 또는 LDPE 라이너, 또는 알루미늄 라이너, 또는 강 라이너, 또는 금속 코팅 라이너, 또는 금속 라이너, 또는 시멘트 라이너, 시멘트 층, 또는 점토 라이너, 또는 매립지 라이너, 또는 연못 라이너, 또는 호수 라이너, 저장소 분지 라이너, 또는 나일론 라이너, 또는 토목 합성 라이너, 또는 PVC 라이너, 또는 백, 또는 천, 또는 직물, 또는 메시, 또는 고강도 중합체 라이너, 또는 직조 라이너, 또는 편조 라이너 또는 강도 및 유밀성을 위해서 여러 층의 재료를 포함하는 라이너, 또는 타프.
· 상기 영역은, 인공 지붕의 양태로서, 또는 달리 가라앉을 수 있는 베슬 또는 구조물로부터 또는 그 조합으로 구축되고
· 공기는 낮은 조수 중에 상기 영역 내로 펌핑되고, 공기는 높은 조수 중에 상기 영역으로부터 발전기 내로 방출되며
· 높은 조수 중에 생성되는 에너지가 낮은 조수 중에 소비되는 에너지보다 크고
· 전기 저장을 위해서 공기가 상기 영역 내로 펌핑되고
· 전기 생성을 위해서 공기가 상기 영역으로부터 방출되고
· 본 발명은 조력 에너지 생성 장치, 에너지 저장 장치, 또는 그 둘 모두로서 기능할 수 있다.
구체적인 실시예
"해양 구조물의 오염물 부착을 방지하기 위한 시스템 및 방법"에 대한 실시예
1. 수중 구조물 상의 오염물 부착을 감소시키기 위한 시스템이며:
물에 노출되는 적어도 하나의 표면을 포함하는 수중 구조물;
물에 노출되는 표면의 적어도 하나의 부분 상의 오목 영역으로서, 상기 오목 영역은 물과 상기 영역 사이의 실질적으로 비-인접적인 물리적 분리를 유지하도록 구성되고, 상기 오목 영역의 적어도 일부를 가스가 점유하는, 오목 영역을 포함한다.
2. 실시예 1의 시스템에 있어서, 실질적으로 비-인접적인 물리적 분리가 상기 오목 영역 내의 가스의 양을 제어하는 것에 의해서 유지된다.
3. 실시예 1의 시스템에 있어서, 제어기 및 상기 오목 영역에 동작 가능하게 연결된 가스 공급원을 더 포함하고, 제어기 및 가스 공급원이 가스의 양을 제어한다.
4. 실시예 3의 시스템에 있어서, 상기 제어기 및 가스 공급원은 상기 오목 영역의 적어도 일부 내에서 가스로 물을 변위시키기 위해서 이용된다.
5. 실시예 1의 시스템에 있어서, 상기 가스 포켓은 제어된 기간 동안 제어 가능하게 부동화된다.
6. 실시예 5의 시스템에 있어서, 상기 시간은 적어도 약 5초이다.
7. 실시예 1의 시스템에 있어서, 상기 실질적으로 비-인접적인 물리적 분리는 상기 구조물이 사용되는 시간의 30% 초과 동안 존재한다.
8. 수중 구조물 상의 오염물 부착을 감소시키기 위한 시스템이며:
구조물이 사용될 때 물에 노출되는 적어도 하나의 표면을 포함하는 수중 구조물;
물에 노출되는 표면의 적어도 하나의 부분 상의 오목 영역으로서, 상기 오목 영역은 물과 상기 영역 사이에서 실질적으로 비-인접적인 물리적 분리를 유지하도록 구성되는, 오목 영역을 포함한다.
9. 실시예 8의 시스템에 있어서, 상기 오목 영역 아래의 부피가 조정될 수 있다.
10. 실시예 8의 시스템에 있어서, 오목 영역의 표면적을 조정할 수 있다.
11. 실시예 8의 시스템에 있어서, 물에 대한 오목 영역의 높이를 조정할 수 있다.
12. 실시예 8의 시스템에 있어서, 상기 오목 영역 아래의 부피, 오목 영역의 표면적, 또는 물 위의 오목 영역의 높이 중 적어도 하나가, 오목 영역의 또는 오목 영역 상의 표면 형태를 변경하는 것에 의해서 조정된다.
13. 실시예 8의 시스템에 있어서, 물에 노출된 표면의 적어도 일부가 실질적으로 소수적이다.
14. 개선된 수중 구조물이며:
구조물이 사용될 때 물에 노출되는 적어도 하나의 표면을 포함하는 수중 구조물을 포함하고, 개선은;
구조물이 사용될 때 물에 노출된 상기 표면의 적어도 부분이 물과의 비-인접적인 분리를 가지도록, 물에 노출된 상기 표면의 적어도 부분을 구성하는 것을 포함하고, 물과의 비-인접적인 분리를 가지는 부분은, 구조물이 사용될 때, 상기 부분과 물 사이에서 가스 포켓을 제공한다.
15. 실시예 14의 개선된 수중 구조물에 있어서, 물에 노출된 표면의 물과의 실질적으로 비-인접적인 물리적 분리의 양은 포켓 내의 가스의 양을 조정하는 것에 의해서 제어된다.
16. 실시예 14의 개선된 수중 구조물에 있어서, 상기 비-인접적인 분리는 상기 구조물이 사용되는 시간의 30% 초과 동안 존재한다.
17. 실시예 14의 개선된 수중 구조물에 있어서, 비-인접적이 되도록 구성된 상기 부분은, 상기 비-인접적인 부분을 가지지 않는 유사한 구조물에 비해서, 적어도 50%만큼 가시적인 오염물 부착을 감소시킨다.
18. 실시예 14의 개선된 수중 구조물에 있어서, 포켓 내의 가스의 양을 조정할 수 있다.
19. 실시예 14의 개선된 수중 구조물에 있어서, 가스 포켓의 부피를 조정할 수 있다.
20. 실시예 14의 개선된 수중 구조물에 있어서, 비-인접적인 분리된 부분의 표면적 또는 부피를 조정할 수 있다.
21. 실시예 14의 시스템에 있어서, 물에 대한 비-인접적인 분리된 부분의 높이를 조정할 수 있다.
"동력 생산을 위한 저밀도 유체 변위"에 대한 실시예
1. 발전용 시스템이며:
물의 본체의 표면 부근에 위치되고 물과 실질적으로 비혼화성인 저밀도 유체를 저장하도록 구성된 제1 저장 저장용기;
물의 본체의 표면 아래에 위치되고 물을 저장하도록 구성된 제2 저장 저장용기; 펌프; 및
발전기를 포함하고;
제1 저장 저장용기 내의 저밀도 유체를 제2 저장 저장용기로 펌핑하는 것에 의해서 제2 저장 저장용기 내의 물을 변위시키는 것에 의해서 전기가 저장되도록, 펌프, 발전기, 그리고 제1 및 제2 저장용기가 동작 가능하게 연결되고, 전기는, 제2 저장 저장용기 내의 저밀도 유체가 제1 저장용기로 복귀되게 하는 것에 의해서 생성된다(또는 방출한다).
2. 실시예 1의 시스템에 있어서, 펌프 및 발전기가 동일 유닛일 수 있다.
3. 실시예 1의 시스템에 있어서, 상기 제2 저장 저장용기는 팽창 가능한 또는 수축 가능한 구조물을 포함한다.
4. 실시예 1의 시스템에 있어서, 상기 제2 저장 저장용기는 브래더, 백, 또는 풍선을 포함한다.
5. 실시예 1의 시스템에 있어서, 상기 제2 저장 저장용기는, 물의 본체에 개방되는 상기 오목 영역의 하단부 부근의 개구부를 갖춘 오목 영역을 포함한다.
6. 실시예 1의 시스템에 있어서, 상기 제2 저장 저장용기는 상기 물 본체의 하단부에 테더링된다.
7. 실시예 1의 시스템에 있어서, 저밀도 유체는 탄화수소 액체 또는 천연 가스를 포함한다.
8. 실시예 1의 시스템에 있어서, 저밀도 유체는 압축된 천연 가스 또는 액체 천연 가스를 포함한다.
9. 실시예 1의 시스템에 있어서, 전기를 필요로 하는 유닛에 동작 가능하게 연결된다.
10. 에너지를 생성하기 위한 프로세스이며:
제1 밀도를 갖는 제1 유체의 적어도 일부를 상기 제1 유체보다 낮은 제2 밀도를 갖는 제2 유체로 변위시키는 것에 의해서 에너지를 저장하는 단계로서, 상기 제1 및 제2 유체는 서로 실질적으로 비혼화적인, 단계;
제1의 고밀도 유체로 저밀도의 제2 유체의 적어도 일부를 변위시키는 것에 의해서 동력이 방출될 수 있게 하는 단계를 포함하고;
생성 단계, 방출될 수 있게 하는 단계, 또는 둘 모두가 압력 및 중력에 의해서 촉진된다.
11. 실시예 10의 프로세스에 있어서, 생성 단계, 방출될 수 있게 하는 단계, 또는 둘 모두가 물의 표면 아래에서 발생되고, 상기 물은 압력을 촉진하기 위해서 이용된다.
12. 실시예 10의 프로세스에 있어서, 상기 제1 유체가 물이다.
13. 실시예 10의 프로세스에 있어서, 상기 제2 유체는 압축된 천연 가스, 액체 천연 가스, 액체 탄화수소, 석유 에테르, 또는 원유를 포함한다.
14. 실시예 10의 프로세스에 있어서, 제2 밀도를 갖는 제2 유체가 물의 본체의 표면 부근에 저장된다.
15. 실시예 10의 프로세스에 있어서, 동력 방출을 전기로 변환하는 단계를 더 포함한다.
16. 실시예 10의 프로세스에 있어서, 상기 동력 방출을 저장하는 단계를 더 포함한다.
17. 실시예 10의 프로세스에 있어서, 동력 방출을 전기로 변환하는 단계를 더 포함한다.
18. 실시예 10의 프로세스에 있어서, 제1 또는 제2 유체가 폐 유체를 포함한다.
19. 실시예 10의 프로세스에 있어서, 제1 또는 제2 유체는 고체 폐기물로부터 생성된 유체를 포함한다.
20. 실시예 10의 프로세스에 있어서, 제1 또는 제2 유체가 식용유를 포함한다.
"수중 에너지 저장 및 전기"에 대한 실시예
1. 조수로부터 전기를 생성하기 위한 프로세스이며:
조수 물에 동작 가능하게 연계되고, 높은 조수에서 공기가 물로 변위되도록 그리고 낮은 조수에서 물이 공기로 변위되도록 구성된, 공동을 제공하는 단계;
높은 조수에서 공동 내의 공기의 적어도 일부를 물로 변위시키는 단계;
낮은 조수에서 공동 내의 물의 적어도 일부를 공기로 변위시키는 단계를 포함하고;
물, 공기 또는 그 둘 모두를 변위시키는 단계가 동력을 생성한다.
2. 실시예 1의 프로세스에 있어서, 공동이 하단부에서 개방된다.
3. 실시예 1의 프로세스에 있어서, 변위된 공기의 적어도 일부를 공압 발전기에 전달하는 단계를 더 포함한다.
4. 실시예 1의 프로세스에 있어서, 공기의 변위 중에 공기의 유량을 제어하는 단계를 더 포함한다.
5. 실시예 1의 프로세스에 있어서, 공기의 변위 중에 물의 유량을 제어하는 단계를 더 포함한다.
6. 실시예 1의 프로세스에 있어서, 공동이 지면 위에 위치된다.
7. 실시예 1의 프로세스에 있어서, 공동이 지면 아래에 위치된다.
8. 실시예 1의 프로세스에 있어서,
공동은 적어도 부분적으로 조수 물 본체 내에 침잠된다.
9. 실시예 1의 프로세스에 있어서, 변위된 공기의 적어도 일부를 하나 이상의 파이프를 통해서 공압 발전기에 전달하는 단계를 더 포함한다.
10. 실시예 1의 프로세스에 있어서, 공동은 가요성 라이너를 포함한다.
11. 실시예 1의 프로세스에 있어서, 공동은 강성이다.
12. 실시예 1의 프로세스에 있어서, 공동은 팽창 가능하거나 압궤 가능하다.
13. 실시예 1의 프로세스에 있어서, 높은 조수에서 생성된 동력이 낮은 조수에서 소비되는 임의의 동력을 초과하도록 구성된다.
14. 조수로부터 전기를 생성하기 위한 프로세스이며:
다공성 재료 및 공기로 적어도 부분적으로 충진되는 공동을 제공하는 단계로서, 공동은 조수 물에 동작 가능하게 연계되고, 높은 조수에서 공기가 물로 변위되도록 그리고 낮은 조수에서 물이 공기로 변위되도록 구성되는 단계;
높은 조수에서 공동 내의 공기의 적어도 일부를 물로 변위시키는 단계;
낮은 조수에서 공동 내의 물의 적어도 일부를 공기로 변위시키는 단계를 포함하고;
물, 공기 또는 그 둘 모두를 변위시키는 단계가 동력을 생성한다.
15. 실시예 14의 프로세스에 있어서, 다공성 재료는 모래, 자갈, 암석, 팩킹 재료, 또는 실린더블록, 또는 플라스틱 병, 플라스틱 용기, 또는 플라스틱 양동이, 또는 상호 연결된 실린더 블록, 또는 상호 연결된 플라스틱 용기, 상호 연결된 팩킹 재료, 또는 그 혼합물을 포함한다.
16. 실시예 14의 프로세스에 있어서, 공동은 가요성 라이너를 포함한다.
17. 실시예 14의 프로세스에 있어서, 공동은 강성이다.
18. 실시예 14의 프로세스에 있어서, 공동은 팽창 가능하거나 압궤 가능하다.
19. 실시예 14의 프로세스에 있어서, 변위된 공기의 적어도 일부를 공압 발전기에 전달하는 단계를 더 포함한다.
20. 실시예 14의 프로세스에 있어서, 공기의 변위 중에 물의 유량을 제어하는 단계를 더 포함한다.

Claims (15)

  1. 수중 구조물 상의 오염물 부착을 감소시키기 위한 시스템이며:
    구조물이 사용될 때 물에 노출되는 적어도 하나의 표면을 포함하는 수중 구조물;
    물에 노출되는 상기 표면의 적어도 하나의 부분 상의 오목 영역으로서, 상기 오목 영역은 물과 상기 영역 사이에서 실질적으로 비-인접적인 물리적 분리를 유지하도록 구성되는, 오목 영역을 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오목 영역 아래의 부피가 조정될 수 있는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 오목 영역의 표면적이 조정될 수 있는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    물에 대한 상기 오목 영역의 높이가 조정될 수 있는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오목 영역 아래의 부피, 상기 오목 영역의 표면적, 또는 물 위의 상기 오목 영역의 높이 중 적어도 하나가, 상기 오목 영역의 또는 상기 오목 영역 상의 표면 형태를 변경하는 것에 의해서 조정되는, 시스템.
  6. 에너지를 저장하기 위한 방법이며:
    제1 밀도를 갖는 제1 유체의 적어도 일부를 상기 제1 유체보다 낮은 제2 밀도를 갖는 제2 유체로 변위시키는 것에 의해서 에너지를 저장하는 단계로서, 상기 제1 및 제2 유체는 서로 실질적으로 비혼화적인, 단계;
    제1의 고밀도 유체로 저밀도의 제2 유체의 적어도 일부를 변위시키는 것에 의해서 동력이 방출될 수 있게 하는 단계를 포함하고;
    생성 단계, 방출될 수 있게 하는 단계, 또는 둘 모두가 압력 및 중력에 의해서 촉진되는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    생성 단계, 방출될 수 있게 하는 단계, 또는 둘 모두가 물의 표면 아래에서 발생되고, 상기 물은 압력을 촉진하기 위해서 이용되는, 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 유체는 물인, 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2 유체는 압축된 천연 가스, 액체 천연 가스, 액체 탄화수소, 석유 에테르, 또는 원유를 포함하는, 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    제2 밀도를 갖는 상기 제2 유체가 물의 본체의 표면 부근에 저장되는, 방법.
  11. 조수로부터 전기를 생성하기 위한 방법이며:
    조수 물에 동작 가능하게 연계되고, 높은 조수에서 공기가 물로 변위되도록 그리고 낮은 조수에서 물이 공기로 변위되도록 구성된, 공동을 제공하는 단계;
    높은 조수에서 상기 공동 내의 공기의 적어도 일부를 물로 변위시키는 단계;
    낮은 조수에서 상기 공동 내의 물의 적어도 일부를 공기로 변위시키는 단계;
    상기 물, 공기 또는 그 둘 모두를 변위시키는 단계는 동력을 생성하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공동은 하단부에서 개방되는, 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    변위된 공기의 적어도 일부를 공압 발전기에 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    공기의 변위 중에 상기 공기의 유량을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    공기의 변위 중에 상기 물의 유량을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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