KR20220148827A

KR20220148827A - 열병합 발전을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20220148827A
Application number: KR1020227030531A
Authority: KR
Inventors: 아담 로리머; 재러드 쉬드
Original assignee: 스파크 써미오닉스, 인크.
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2021-02-08
Publication date: 2022-11-07
Also published as: US11788734B2; EP4100630A4; US20210249974A1; AU2021216590A1; US20210376773A1; AU2024219926A1; AU2021216590B2; CA3165013A1; EP4100630A1; US11133757B2; WO2021159105A1

Abstract

열병합 발전을 위한 시스템은 바람직하게는 열 저장소 및 하나 이상의 전기 발생기를 포함하며, 각각은 바람직하게는 열 소스 및 에너지 변환기를 포함한다. 열병합 발전을 위한 방법은 바람직하게는 전기 발생기를 활성화시키는 단계, 전기 발생기를 비활성화시키는 단계, 및/또는 열 저장소로부터 열을 제공하는 단계를 포함한다.

Description

열병합 발전을 위한 시스템 및 방법

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2020년 02월 07일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 제62/971,796호 및 2021년 01월 05일자로 출원된 미국 가출원 일련 번호 제63/133,953호의 이익을 주장하며, 그 각각은 전체적으로 참조에 의해 통합된다.

정부 지원 성명서

본 발명은 에너지부(Department of Energy)에 의해 수여되는 허가 번호 DE-SC0019568 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 정보는 본 발명에서 특정 권리를 갖는다.

기술 분야

본 발명은 일반적으로 에너지 변환 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 에너지 변환 분야에서 열병합 발전(combined heat and electric power generation)을 위한 새롭고 유용한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

많은 전형적인 가열 시스템은 고온 열 소스, 예컨대 연소 기반 열 소스를 저온 열 출력으로 변환하며, 그것에 의해 열역학적 비효율성을 도입한다. 많은 전형적인 전력 발생기는 사용되지 않는 폐열을 생성하며, 또한 열역학적 비효율성을 도입한다. 따라서, 에너지 분야에서 열병합 발전을 위한 새롭고 유용한 시스템 및 방법을 생성하기 위한 필요성이 존재한다.

도 1a는 열병합 발전을 위한 시스템의 일 실시예의 개략도이다.
도 1b는 도 1a에 도시되는 실시예의 일 예의 개략도이다.
도 1c는 도 1b에 도시되는 예의 특정 예의 개략도이다.
도 2a는 시스템의 전기 발생기의 일 실시예의 개략도이다.
도 2b는 도 2a에 도시되는 실시예의 일 예의 개략도이다.
도 3a는 열병합 발전을 위한 방법의 일 실시예의 개략도이다.
도 3b는 도 3a에 도시되는 실시예의 일 예의 개략도이다.

본 발명의 바람직한 실시예의 다음 설명은 본 발명을 이러한 바람직한 실시예에 제한하도록 의도되지 않고, 오히려 당업자가 본 발명을 이해하고 이용할 수 있게 하도록 의도된다.

1. 개요.

열병합 발전을 위한 시스템(100)은 바람직하게는 (예를 들어, 도 1a 내지 도 1b에 도시된 바와 같이) 하나 이상의 전기 발생기(101) 및 열 저장소(130)를 포함한다. 전기 발생기(101)는 바람직하게는 열 소스(110) 및 에너지 변환기(120)를 포함한다. 시스템(100)은 선택적으로 전기 저장 모듈(140) 및/또는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다. 그러나, 시스템(100)은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 요소를 임의의 적절한 구성으로 포함할 수 있다.

열병합 발전을 위한 방법(200)은 바람직하게는 시스템(100)을 사용하여 수행되지만, 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 시스템을 사용하여 수행될 수 있다. 방법(200)은 바람직하게는, (예를 들어, 시스템(100)의 기능에 관련하여) 보다 상세히 아래에 설명되는 바와 같이, 열 및 전력 둘 다를 생성하는(예를 들어, 열 및 전력 둘 다를 동시에 생성하는) 단계를 포함한다. 그러나, 방법(200)은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 적절한 방식으로 수행되는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.

시스템 및/또는 방법의 실시예는 하나 이상의 이점을 부여할 수 있다. 첫째, 일부 실시예는 작은 전력 스케일에서 열병합 발전의 효율적인 구현을 가능하게 할 수 있다. 기계식 발생기는 전형적으로 그들이 더 큰 전력 스케일(예를 들어, 많은 kW 또는 그 이상)에 있을 수 있는 것보다 200-1000 W 또는 그 이하와 같은 더 작은 전력 스케일에서 훨씬 덜 효율적이지만, 본원에 설명되는 바와 같은 비-기계식(또는 실질적으로 비-기계식) 전력 발생기는 상당히 더 높은 효율을 나타낼 수 있다. 둘째, 일부 실시예에서, 열 저장소의 사용은 전력 발생기의 요소와 하나 이상의 시너지를 제공할 수 있다. 예를 들어, 열 저장소는, 열이온 에너지 변환기의 세슘 저장소와 같은, 전력 발생기의 하나 이상의 요소에 대한 온도 제어 요소로서 선택적으로 기능할 수 있다. 셋째, 일부 실시예에서, 본원에 설명되는 전력 발생기의 열 배출 부분(예를 들어, 흡열부(cold side)은 전력 발생기 효율에서의 상당한 감소없이 광범위한 온도를 견딜 수 있을 수 있다. 따라서, 그러한 전력 발생기는 본원에 설명되는 바와 같은 가변-온도 열 저장소에 대한 열적 결합에 대해 특히 잘 적합화될 수 있다. 그러나, 시스템 및/또는 방법은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 이점을 부여할 수 있다.

2. 시스템.

2.1 열 저장소(Heat reservoir).

열 저장소(130)는 바람직하게는 전기 발생기(101)에 의해 배출되는 열을 저장하고/하거나, 요구될 때(예를 들어, 시스템의 사용자에 의해 요구될 때) 열을 (예를 들어, 온수, 난방(space heating)으로서, 및/또는 다른 주거용, 상업용, 및/또는 산업용 용도 등을 위해) 제공하도록 기능한다. 열 저장소(130)는, 바람직하게는 실온과 비교하여 약간 상승된 온도, 예컨대 25-200℃(예를 들어, 35-120℃, 20-60℃, 50-100℃, 45-80℃, 90-150℃ 등)에서, 그러나 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 온도(들)에서, 열을 수용, 유지, 및/또는 분배하기 위한 임의의 적절한 요소를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 열 저장소는 (예를 들어. 도 1c에 도시된 바와 같이) 온수 저장소를 포함한다. 본 실시예에서, 열 저장소는, 물의 가열이 (예를 들어, 하나 이상의 버너, 전기 저항 요소, 열 펌프 등과 같은, 전형적인 온수기의 가열 모듈에 의해 직접 생성되는 열을 사용하기 보다는) 바람직하게는 전기 발생기(101)로부터 수신되는 열을 사용하여 달성된다는 것을 제외하고, 전형적인 온수기(예를 들어, 주거용 또는 상업용 온수기)와 실질적으로 유사할 수 있다. 저장소는 바람직하게는 저장소를 재충전하기 위해 비가열된 물(및/또는 임의의 다른 적절한 온도의 물)을 수용할 수 있는 유입구(inlet) 및 바람직하게는 저장소로부터 가열된 물을 제공하는 유출구(outlet)를 포함한다. 저장소는 바람직하게는 물(예를 들어, 가열된 물)을 저장하도록 구성되는 (예를 들어, 유입구에서 물을 수신하고/하거나 유출구에서 물을 제공하는) 공동(cavity)을 정의하며, 보다 바람직하게는 여기서 저장소는 저장된 물로부터 주변 환경으로 열 손실을 감소시키도록 구성되는 단열재(insulation)를 포함한다. 유입구 및/또는 유출구는 빌딩 용수 시스템에 연결될 수 있지만(예를 들어, 유입구는 가압된 냉수 소스에 연결되고, 유출구는 가압된 온수 소스로서의 역할을 하며, 여기서 온수 압력은 바람직하게는 냉수 소스의 가압에 의해 유지됨), 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 방식으로 구성될 수 있다.

온수 저장소 온도는 넓은 범위에 걸쳐 가변되도록 허용될 수 있다. 예를 들어, 온도는 최소 온도(예를 들어, 원하는 물 전달 온도 또는 최소 허용가능 물 전달 온도)와 최대 온도(예를 들어, 저장소에서 물의 국부적인 비등을 방지하는 것과 같은, 실제 고려사항에 의해 설정되는 온도 제한) 사이에서 가변될 수 있다. 일 예에서, 최소 온도는 30-60℃(예를 들어, 45-55℃, 예컨대 50℃ 등)일 수 있고 최대 온도는 80-100℃(예를 들어, 90-95℃ 또는 95-100℃ 등)일 수 있다.

저장소 온도는 시스템 동작 기준, 예컨대 저장소로부터 열(예를 들어, 온수) 전달에 대한 요구에 기초하여 가변되고/되거나 제어될 수 있다. 시스템 효율을 최대화하기 위해, 전기 발생기(101)는 바람직하게는, 열 요구가 허용하는 경우, 실질적으로 항상 활성적(active)이다. 그러나, 저장소가 최대 온도에 또는 그 근처에 있는 경우, 전기 발생기가 열을 저장소에 배출하는 것을 허용하는 것은 비효율적이고/이거나 불안전할 수 있다. 그러한 상황에서, 전기 발생기는 바람직하게는 그러한 비효율적인 및/또는 불안전한 상태를 회피하기 위해 비활성화된다. 전기 발생기(101)는 임계량(예를 들어, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98%, 40-50%, 50-60%, 60-75%, 75-85%, 85-95%, 및/또는 95-100% 등)보다 더 큰, 바람직하게는 50%보다 더 큰 듀티 사이클(duty cycle)을 가질 수 있지만, 대안적으로 임의의 다른 적절한 듀티 사이클을 가질 수 있다. 저장소 및/또는 전기 발생기는 바람직하게는 (예를 들어, 저장소 온도가 최소 온도 미만인 시간을 회피하거나 최소화하는 동안 듀티 사이클을 최대화하기 위해) 그러한 듀티 사이클을 가능하게 하도록 적절하게 구성(예를 들어, 크기화)된다. 예를 들어, 온수 및 전력에 대한 전형적인 요구(예를 들어, 주거용 요구)에 기초하여, 전기 발생기는 그것이 (예를 들어, 주거용을 위한) 총 전력 요구의 10-75%(예를 들어, 20-40%)를 제공할 수 있도록 크기화될 수 있지만, 대안적으로 임의의 다른 적절한 크기를 가질 수 있다.

일 예에서, 시스템은, 저장소 온도가 제1 임계 온도 아래에 있는 동안, 전기 발생기(101)가 활성화되도록 제어된다(예를 들어, 여기서 연료는 열 소스(110)에서 연소되고 전기는 에너지 변환기(120)에서 생성됨). 그러한 동작 하에서, 전기 발생기는 그것의 배출된 열을 사용하여 저장소를 점진적으로 가열할 수 있으며, 그것에 의해 효율적인 시스템 동작을 가능하게 한다. 제1 임계 온도는 바람직하게는 최대 온도 미만인 온도이지만, 대안적으로 최대 온도와 동일하거나, 최대 온도보다 더 크거나, 임의의 다른 적절한 온도일 수 있다. 제1 임계 온도는 최대(및/또는 최소) 온도, 예컨대 절대량(예를 들어, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 0-1, 1-2, 2-5, 5-10, 10-20, 및/또는 20-50℃ 등)만큼, 상대량(예를 들어, 최대 온도의 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 0-0.3, 0.3-1, 1-2, 2-5, 5-10, 10-20, 및/또는 20-30%; 최소 온도와 최대 온도 사이의 차이의 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 0-1, 1-2, 2-5, 5-10, 10-20, 및/또는 20-50% 등)만큼, 및/또는 임의의 다른 적절한 양만큼 최대 온도 미만에 기초하여 정의될 수 있다.

이러한 예에서, 저장소 온도가 제2 임계 온도에 도달하는 경우, 전기 발생기는 바람직하게는 비활성화되며, 그것에 의해 저장소의 과열을 방지한다. 제2 임계 온도는 바람직하게는, (예를 들어, 전기 발생기가 비활성화된 후 추가적인 열 전달을 허용하기 위해) 실질적으로 최대 온도와 동일하거나 더 작은 임계량만큼 최대 온도 미만과 같은, 제1 온도보다 더 큰 온도이지만, 대안적으로 최대 온도보다 더 크거나, 제1 임계 온도 미만이거나, 임의의 다른 적절한 온도일 수 있다. 제2 임계 온도는 최대 온도 및/또는 제1 임계 온도, 예컨대 절대량(예를 들어, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 0-1, 1-2, 2-5, 5-10, 10-20, 및/또는 20-50℃ 등)만큼 또는 상대량(예를 들어, 최대 온도의 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 0-0.3, 0.3-1, 1-2, 2-5, 5-10, 10-20, 및/또는 20-30%; 최소 온도와 최대 온도 사이의 차이의 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 0-1, 1-2, 2-5, 5-10, 10-20, 및/또는 20-50% 등)만큼 최대 온도보다 더 작은 것, 절대량(예를 들어, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 0-1, 1-2, 2-5, 5-10, 10-20, 및/또는 20-50℃ 등)만큼 또는 상대량(예를 들어, 제1 임계 온도의 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 0-0.3, 0.3-1, 1-2, 2-5, 5-10, 10-20, 및/또는 20-30%; 제1 임계 온도와 최대 온도 사이의 차이의 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 65, 75, 85, 90, 95, 0-1, 1-2, 2-5, 5-10, 10-20, 20-35, 35-50, 50-70, 70-80, 80-90, 및/또는 90-100% 등)만큼 제1 임계 온도보다 더 큰 것에 기초하여, 및/또는 임의의 다른 적절한 양에 의해 정의될 수 있다.

이러한 예에서, 저장소 온도가 (예를 들어, 온수 사용과 같은 열 출력, 열 손실 등으로 인해) 제1 임계값 아래로 다시 떨어지면, 전기 발생기는 바람직하게는 상술한 바와 같이 재활성화된다(예를 들어, 그 다음, 제2 임계값에 도달 시 비활성화되는 등, 도 3a 내지 도 3b에서 예로서 도시된 바와 같이, 사이클을 계속함). 따라서, 본 실시예에서, 전기 발생기의 듀티 사이클은, 시스템의 전반적인 제약을 고려할 때, 최대화될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 전기 발생기는 전기 요구를 만족시키기 위해(예를 들어, 시스템이 설치되는, 거주지와 같은, 시설 내에 서지 전력을 제공하고; 서지 전력을 전력 그리드 등에 제공하기 위해) 활성화되는 것과 같은 전기 요구에 기초하고/하거나, 외부 신호(예를 들어, 전기 가격 신호, 전기 요구 신호, 시스템 제어 신호 등)에 응답하는 것과 같은 다른 기준에 기초하여 제어될 수 있다. 일 예에서, 전기 발생기(및/또는 시스템의 임의의 다른 적절한 요소)는 유틸리티 프로바이더, 유틸리티 레귤레이터, 정부 엔티티, 및/또는 다른 제어 엔티티로부터 수신되는 제어 신호와 같은 외부 신호에 의해 및/또는 이에 기초하여 제어될 수 있다. 그러나, 전기 발생기는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 방식으로 제어될 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 시스템은 하나 이상의 백업 열 배출 요소를 포함할 수 있으며, 이는, 예컨대 열 저장소가 (예를 들어, 최대 온도와 같은 임계 온도에 도달했고/했거나 도달할 것으로 예상되지) 못하는 경우, (예를 들어, 전기 발생기로부터) 열을 수용하도록 기능할 수 있다. 예를 들어, 전기 발생기는 열 저장소가 (예를 들어, 상술한 동작 모드와 유사한) 열을 수용하기 위한 상태에 있을 때 열 저장소에 열을 배출할 수 있지만, 또한 작동하여, 다른 시간에서(예를 들어, 모든 시간에서, 전기 요구가 높은 때와 같은 특정 환경 하에서 등) 백업 열 배출 요소(들)에 열을 배출할 수 있다.

열 저장소는 (예를 들어, 유출구에서) 온도 제어 요소를 포함할 수 있으며, 이는 보다 일정한 열 출력 온도(예를 들어, 온수 온도)를 가능하게 하도록 기능할 수 있다. 예를 들어, 온도 제어 요소는 저장소로부터 출력되는 가열된 물을 비가열된 물과 혼합하여, 그것에 의해 원하는 출력 온도를 달성할 수 있다. 특정 예에서, 온도 제어 요소는 실질적으로 일정한 출력 온도가 유지되도록 가열된 물과 비가열된 물의 혼합을 제어하는 온도 조절 밸브(thermostatic valve)를 포함한다.

일부 실시예에서, 열 저장소는 추가적으로 또는 대안적으로 물 이외의 열 저장 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 저장소는 열을 저장 및 방출하도록 구성되는 하나 이상의 상변화 물질(phase change material; PCM)(예를 들어, 왁스, 지방산, 염 수화물 등)을 포함할 수 있다(예를 들어, 여기서 열은 PCM을 용용시킴으로써 저장되고, PCM의 응고에 의해 방출될 수 있음). 예에서, 추가적인 저장 물질(들)(예를 들어, PCM)은 열을 가열된 물 저장소로 방출할 수 있고/있거나, 열을 방출하여 외부 열 요구(예를 들어, 온수로서 사용자에게 전달될 물을 가열하고, 복사 및/또는 강제 공기 가열을 통한 것과 같은 난방을 제공하는 등)를 직접 만족시킬 수 있다.

제1 실시예에서, 추가적인 저장 물질(예를 들어, PCM)은 온수 저장소에 (예를 들어, 직접 접촉, 열 전도성 요소에 의해 분리되는 것과 같은 인접 배열, 열 교환기에 의한 결합 등으로) 열적으로 결합된다. 예를 들어, 추가적인 저장 물질은 저장소 내의 물과 실질적으로 동일한 온도에 있을 수 있고, 열 저장소의 열 용량(heat capacity)을 증가시키도록 기능할 수 있다. 예에서, 열 저장소에 의해 수신되는 열은 주로 물(예를 들어, 이는 그 다음, 추가적인 저장 물질을 가열할 수 있음)에 의해, 주로 추가적인 저장 물질(예를 들어, 이는 그 다음, 물을 가열할 수 있음)에 의해 수신되거나, 실질적으로 둘 다에 의해 수신될 수 있다(예를 들어, 둘 다에 의해 동시에 수신되고; 물이 최대 온도와 같은 임계 온도보다 충분히 아래에 있을 때 물 저장소에 의해 또는 둘 다에 의해 수신되는 것과 같이, 하나 또는 다른 하나에 의해 제어가능하게 수신되고, 그렇지 않으면 추가적인 저장 물질에 의해서만 수용되는 등).

제2 실시예에서, 추가적인 저장 물질(예를 들어, PCM)은 시스템의 다른 요소로부터 열을 수신할 수 있고, (예를 들어, 시스템 내의 최대 물 온도보다 더 높은 온도, 100℃와 같은 물 비등 온도보다 더 높은 온도 등에 도달하는) 물보다 실질적으로 더 높은 온도에 도달할 수 있으며(때때로 이에 도달, 유지될 수 있는 등), 여기서 추가적인 저장 물질은 그 다음, 예컨대 물 저장소에 열적으로 결합됨으로써, (예를 들어, 열이 요구될 때에만 및/또는 물이 임계 온도 아래에 있을 때에만 등과 같이, 열을 물 저장소에 전달하도록 제어될 수 있는, 제어 가능한 열 교환기에 의해) 물 저장소에 열적으로 결합되도록 동작가능함으로써 물에 열을 제공할 수 있다. 본 실시예의 변형예에서, 열 저장소는 가열된 물 저장소를 포함하지 않는다. 예를 들어, 열 저장소는, 예컨대 온-디맨드(on-demand) 온수기(water heater)와 유사한 방식으로, 물 공급 라인에 열적으로 결합될 수 있고 물이 공급 라인을 통해 흐름에 따라 물을 가열하도록 구성될 수 있다(예를 들어, 임계 흐름 속도(flow rate) 위의 흐름과 같은, 흐름이 검출될 때 물을 가열하고, 흐름이 거의 또는 전혀 검출되지 않을 때 물을 가열하는 것을 중지함). 그러나, 추가적인 저장 물질(들)은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 방식으로 열 저장소에 포함될 수 있다.

일부 변형예에서, 열 저장소는 백업 열 소스(예를 들어, 버너, 전기 저항 요소, 열 펌프 등)를 포함할 수 있으며, 이는 저장소를 직접 가열하도록 기능할 수 있다(예를 들어, 전기 발생기에 의해 매개되지 않음). 그러한 변형예에서, 백업 열 소스는 전기 발생기의 열 출력을 초과하는 가열에 대한 요구에 응답하여 활성화될 수 있다(예를 들어, 전기 발생기는 활성이고 열 저장소로 열을 배출하고 있지만, 전기 발생기에 의해 제공되는 열은 열 저장소 내에서 허용가능한 온도를 유지하고/하거나 허용가능한 온도에서 가열을 제공하기에 불충분함). 예를 들어, 열 저장소가 제3 임계 온도(예를 들어, 최소 온도, 최소 온도의 임계 범위 내의 온도, 예컨대 최소 온도 위 또는 아래의 1, 2, 5, 10, 또는 20℃ 미만 등) 아래로 내려가면(또는, 예컨대 현재 열 플렉스, 예상된 열 요구 등에 기초하여, 아래로 내려가는 것으로 예상되면), 백업 열 소스는 활성화될 수 있다(예를 들어, 전기 발생기를 온(on)으로 유지하면서, 전기 발생기 대신에 활성화되는 등일 수 있다). 이러한 예에서, 백업 열 소스는 열 저장소가 최소 온도 및/또는 제3 임계 온도보다 충분히 위에 있을 때까지(예를 들어, 최소 온도 및/또는 제3 임계 온도보다 1, 2, 5, 10, 또는 20℃ 이상일 때까지), 가열 요구가 중단되거나 감소될 때까지(예를 들어, 전기 발생기가 단독으로 열 저장소에 대해 충분한 가열을 제공할 수 있는 그러한 정도로 완화될 때까지), 전기 발생기가 단독으로 충분한 가열을 제공할 수 있는 것으로 예상된다고 결정할 때까지, 및/또는 임의의 다른 적절한 기준이 만족될 때까지 온(on)으로 남아 있을 수 있다.

그러나, 열 저장소(130)는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 요소를 임의의 적절한 배열로 포함할 수 있다.

2.2 전기 발생기(Electric generator).

상술한 바와 같이, 전기 발생기(101)는 바람직하게는 열 소스(110) 및 에너지 변환기(120)를 포함한다. 열 소스(110)는 바람직하게는 열 입력을 에너지 변환기(120)(및/또는 열 저장소(130))에 제공하도록 기능한다.

열 소스는 바람직하게는 버너이며, 보다 바람직하게는 재생 버너(recuperating burner)이다. 그러나, 열 소스는 대안적으로 임의의 다른 적절한 화학 에너지 입력, 방사열 입력, 및/또는 임의의 다른 열 입력 및/또는 에너지 변환기를 가열하도록 동작가능한 다른 요소를 포함할 수 있다. 열 소스(예를 들어, 버너)는 바람직하게는 열(예를 들어, 연소열)을 에너지 변환기에 전달한다. 열은 복사적으로, 대류적으로, 전도적으로, 및/또는 임의의 다른 적절한 방식으로 전달될 수 있다. 예를 들어, 열 소스는 에너지 변환기 근처 및/또는 이에 입사하는 화염(flame)을 생성할 수 있다.

버너는 바람직하게는 추가적인 열을 에너지 변환기 및/또는 열 저장소에 전달하도록 구성되는 배기(exhaust)(예를 들어, 응축 배기)를 포함한다. 예를 들어, 열은 높은 온도에서 버너 및 배기 둘 다로부터 에너지 변환기로 전달될 수 있고, 추가적인 열은 더 낮은 온도에서 (예를 들어, 응축 배기의 응축 부분으로부터) 열 저장소로 전달될 수 있다.

그러나, 열 소스(110)는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.

열 소스는 바람직하게는 2개 이상의 모드 사이에서 동작가능하며, 이는 열 소스가 상당한 연료를 소비(예를 들어, 임계율 초과에서, 실질적으로 그것의 최대 소비율 등에서 연료를 소비)하고/하거나 상당한 열을 생성하는 활성 모드, 및 열 소스가 활성 모드에서보다 실질적으로 더 적은 연료를 소비(예를 들어, 실질적으로 임계율 미만, 임계율의 1, 2, 5, 10, 20, 또는 50% 미만 등에서 연료를 소비하고; 연료를 전혀 또는 실질적으로 전혀 소비하지 않는, 예컨대 점화용 불씨(pilot light)을 유지하기 위해서만 연료 등을 소비)하고/하거나 활성 모드에서보다 실질적으로 더 적은 열을 생성(예를 들어, 실질적으로 열을 생성하지 않고, 그것이 활성 모드에서 열을 생성하는 비율(rate)의 임계량 미만에서, 예컨대 비율의 1, 2, 5, 10, 20, 또는 50%의 미만 등에서 열을 생성)하는 비활성 모드들 포함할 수 있다. 열 소스는 바람직하게는 에너지 변환기가 활성화될 때 활성 모드에서 동작되고(예를 들어, 여기서 활성 모드에서 열 소스를 동작시키는 것은 에너지 변환기의 활성화를 야기함), 바람직하게는 에너지 변환기가 활성화되지 않을 때 비활성 모드에서 동작되지만(예를 들어, 여기서 비활성 모드에서 열 소스를 동작시키는 것은 에너지 변환기의 비활성화를 야기시킴), 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 방식으로 동작될 수 있고/있거나, 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 모드에서 동작가능할 수 있다.

에너지 변환기(120)는 바람직하게는 (예를 들어, 열 소스로부터 수용되는) 열 입력을 (예를 들어, 외부 부하(14)에 제공되는) 전력 출력으로 변환하고 폐열을 열 저장소로 배출하도록 기능한다. 에너지 변환기는 바람직하게는 고체 상태 디바이스, 예컨대 열이온 에너지 변환기(thermionic energy converter; TEC), 열전기 디바이스, 열광전지 디바이스, 및/또는 임의의 다른 적절한 고체 상태 에너지 변환기이다. 일부 변형예에서, 에너지 변환기는 추가적으로 또는 대안적으로 (예를 들어, 전력 출력으로 변환될) 하나 이상의 화학 연료 입력을 수용할 수 있으며; 예를 들어, 에너지 변환기는 하나 이상의 연료 전지일 수 있다(또는 이를 포함할 수 있음). 일부 그러한 변형예에서(예를 들어, 여기서 변환기는 화학 연료 입력을 수용하고 열 입력을 수용하지 않음), 에너지 변환기는 아래에 설명되는 바와 같은 고온 영역(hot region) 및 저온 영역(cold region)을 포함하지 않을 수 있으며; 오히려, 그것은 열(예를 들어, 화학 연료 퍼텐셜 에너지의 전기 에너지로의 변환에서 기인하고/하거나 그렇지 않으면 이와 연관되는 열)을 하나 이상의 열 배출 영역으로 배출할 수 있으며, 당업자가 인식할 것은 바람직하게는 시스템에 배열되고/되거나 바람직하게는 저온 영역과 유사한 방식으로 사용된다(예를 들어, 여기서 열 배출 영역은 열 저장소에 열적으로 결합되고 열 저장소에 열을 제공함). 그러나, 시스템은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 유형의 에너지 변환기를 포함할 수 있다.

변환기는 바람직하게는 (예를 들어, 이동부를 갖지 않거나 실질적으로 갖지 않고, 열 배출 요소와 같은 보조 요소에만 이동부를 갖는 등의) 비-기계식이지만, 대안적으로 임의의 다른 적절한 변환기일 수 있다. 변환기가 TEC를 포함하는 일부 실시예에서, TEC는 2019년 12월 16일자로 출원되고 발명의 명칭이 "System and Method for Work Function Reduction and Thermionic Energy Conversion"인 미국 특허 출원 제16/715,705호, 2020년 05월 26일자로 출원되고 발명의 명칭이 "System and Method for Thermionic Energy Conversion"인 미국 특허 출원 제16/883,762호, 및/또는 2021년 01월 22일자로 출원되고 발명의 명칭이 "Small Gap Device System and Method of Fabrication"인 미국 특허 출원 제17/155,638호 설명되는 바와 같은 하나 이상의 요소를 포함할 수 있으며, 그 각각은 (예를 들어, 도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이) 이러한 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다.

제1 실시예(예를 들어, 주거용 용도, 예컨대 단독 주택 또는 소형 다세대 주택을 위해 설계됨)에서, 에너지 변환기는 1000 와트 미만, 바람직하게는 500 와트 미만(예를 들어, 10-50, 50-100, 100-200, 150-250, 250-350, 및/또는 350-500 W 등)의 전력 스케일(예를 들어, 수용되는 입력 전력 또는 생성되는 출력 전력)을 가질 수 있다. 본 실시예의 예에서, 에너지 변환기는 단일 평방 인치(예를 들어, 1-10 평방 인치, 예컨대 1-2, 2-5, 또는 5-10 평방 인치)와 비슷한 활성 영역을 포함할 수 있다. 제2 실시예(예를 들어, 상업용, 산업용, 및/또는 대형 다세대 주거용 용도를 위해 설계됨)에서, 에너지 변환기는 1 kW보다 더 큰(그러나 대안적으로 1 kW 미만의) 전력 스케일 및/또는 바람직하게는 애플리케이션(application)의 가열 요구에 대략 비례하도록 크기화되는(예를 들어, 상술한 제1 실시예와 유사한 비례를 갖는) 10 평방 인치보다 더 큰(그러나 대안적으로 10 평방 인치 미만의) 활성 영역을 가질 수 있다. 그러나, 변환기는 대안적으로 임의의 다른 적절한 스케일을 가질 수 있다.

에너지 변환기(120)는 바람직하게는 (도 2b에 도시된 바와 같이) 열 소스로부터 열 입력을 수용하도록 구성되는 열 입력 영역(121)(예를 들어, 고온 영역), 및 폐열을 열 저장소로 배출하도록 구성되는 열 배출 영역(122)(예를 들어, 저온 영역)을 정의한다. TEC의 경우, 고온 영역은 바람직하게는 이미터(및/또는 이미터에 열을 전달하는 열적 결합 영역)이고 저온 영역은 바람직하게는 콜렉터(및/또는 콜렉터로부터 열을 전달하는 열적 결합 영역)이다. 일부 예에서, 이러한 영역은 (예를 들어, 변환기의 두께에 걸쳐 서로 대향하는) 실질적으로 평행한 평면 영역이다. 일부 예에서, 여기서 TEC는 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합되는 2020년 05월 26일자로 출원되고 발명의 명칭이 "System and Method for Thermionic Energy Conversion"인 미국 특허 출원 제16/883,762호에 설명되는 바와 같은 하나 이상의 요소를 포함하며(예를 들어, TEC는 그것이 열을 수용하는 공동을 정의함), 고온 영역(121)은 '이미터 모듈(100)'(예를 들어, '내부 쉘(120)')에 관하여 미국 특허 출원 제16/883,762호에 설명되는 바와 같은 하나 이상의 요소를 포함할 수 있고/있거나, 저온 영역(122)은 '콜렉터 모듈(200)'(예를 들어, '전자 콜렉터(210)' 및/또는 '냉각 요소(230)')에 관하여 미국 특허 출원 제16/883,762호에 설명되는 바와 같은 하나 이상의 요소를 포함할 수 있으며, 예컨대 여기서 '콜렉터 모듈(200)'은 (예를 들어, 열을 '기류 모듈(airflow module)(13)'에 배출하는 것에 더하여 또는 그 대신에) 열 저장소로 열을 배출한다. 그러나, 이러한 영역은 대안적으로 임의의 다른 적절한 형상 및/또는 배열을 가질 수 있다.

에너지 변환기는 생성된 전력을 하나 이상의 전기 요소, 예컨대 전기 시스템(예를 들어, 빌딩-스케일 전기 시스템, 유틸리티-스케일 전기 그리드 등), 전기 저장 모듈(140), 및/또는 임의의 다른 적절한 요소로 출력할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 생성된 전력의 서브세트(또는 전부)는 시스템(100)에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다(예를 들어, 시스템 동작이 전기 그리드 정전 동안 계속되도록 할 수 있음). 그러나, 생성된 전기 에너지는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 방식으로 사용될 수 있다.

저온 영역(122)은 바람직하게는 열 저장소에 열적으로 결합된다. 이러한 결합은 바람직하게는 직접 결합(예를 들어, 바람직하게는 낮은 열적 저항 요소를 통한, 열 전도성 결합)이다. 그러나, 열적 결합은 추가적으로 또는 대안적으로 열 교환기, 결합 유체(예를 들어, 강제 공기 결합), 및/또는 임의의 다른 적절한 열적 결합과 같은 요소에 의해 매개될 수 있다. 일부 예에서, 열적 결합은 (예를 들어, 열 저장소에서 유체의 국부적인 비등을 방지하고, 열 저장소의 보다 균일한 가열을 보조하는 등을 위해) 저온 영역과 열 저장소 사이에 높은 열적 저항을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 예에서, 열 소스 배기는 또한 열을 저장소에 배출할 수 있다. 예를 들어, 열 소스 배기는 고온 열 출력을 고온 영역(121)에 제공하고, 저온 열 출력을 (예를 들어, 응축 스테이지와 같은, 나중 열 교환 스테이지로부터) 저장소(130)로 제공할 수 있다. 그러나, 전기 발생기는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 방식으로 열 저장소로 열을 전달할 수 있다.

일부 예에서, 에너지 변환기는 세슘 저장소를 포함하는 TEC이다. 일부 그러한 예에서, 세슘 저장소는 바람직하게는 특정 온도 범위, 예컨대 140℃ 내지 400℃ 사이의 범위(예를 들어, 140-180, 180-230, 200-250, 220-280, 230-270, 250-300, 260-320, 및/또는 320-400℃) 내에서 유지된다. 그러한 예에서, 세슘 저장소는 선택적으로 열 저장소에 열적으로 결합될 수 있으며, 여기서 열 저장소는 (예를 들어, 세슘 저장소를 과열로부터 방지하는) 원하는 온도 범위 내에서 세슘 저장소를 유지시키는 것을 돕는 열적 밸러스트(ballast)로서의 역할을 할 수 있다. 그러나, 세슘 저장소는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 방식으로 구성될 수 있다.

에너지 변환기(120)는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 요소를 임의의 적절한 배열로 포함할 수 있다.

일부 예에서, 전기 발생기(101)는 본 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합되는 2020년 05월 26일자로 출원되고 발명의 명칭이 "System and Method for Thermionic Energy Conversion"인 미국 특허 출원 제16/883,762호에 설명되는 바와 같은 하나 이상의 요소를 포함할 수 있다(예를 들어, 전기 발생기(101)는 미국 특허 출원 제16/883,762호의 시스템을 포함할 수 있으며, 여기서 열 소스(110)는 미국 특허 출원 제 16/883,762호의 전력 입력(12)에 관하여 설명되는 바와 같고/같거나, 에너지 변환기(120)는 미국 특허 출원 제16/883,762호의 TEC(11)에 관하여 설명되는 바와 같고/같거나, 전기 발생기(101)는 선택적으로 미국 특허 출원 제 16/883,762에 설명되는 바와 같은 하나 이상의 기류 모듈(13) 및/또는 다른 요소를 포함함). 특정 예에서, 전기 발생기(101)는, (예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이) 미국 특허 출원 제16/883,762호에 설명되는 바와 같은, TEC에 의해 정의되는 가열 공동 내에 배열되는 버너(예를 들어, 재생 버너)를 포함한다.

그러나, 전기 발생기(101)는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 요소를 임의의 적절한 배열로 포함할 수 있다.

2.3 전기 저장 모듈(Electric storage module).

시스템은 선택적으로 하나 이상의 전기 저장 모듈(140)을 포함할 수 있다. 전기 저장 모듈은 (예를 들어, 온-디맨드 전력을 위한 것과 같은, 추후 사용을 위해) 전기 발생기로부터 수신되는 에너지를 저장하도록 기능할 수 있다. 전기 저장 모듈(140) 하나 이상의 배터리(바람직하게는 2차 배터리), 커패시터(예를 들어, 슈퍼커패시터), 및/또는 임의의 다른 적절한 전지 저장 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 저장 모듈은 요구(예를 들어, 시스템이 설치되는, 주거지와 같은 시설 내에 서지 전력을 제공하고; 전력 그리드가 현재 전력을 전달하고 있지 않는 경우 그것이 설치되는 시설 내에 전력을 제공하고; 시스템(100)의 다른 요소에 전력을 제공하고, 예컨대 전기 발생기(101)를 시작 및/또는 동작시키기 위해 전력을 제공하고; 서지 전력을 전력 그리드에 제공하는 등)를 만족시키기 위해 전력을 전달하고/하거나 외부 신호(예를 들어, 전기 가격 신호, 시스템 제어 신호 등)에 응답할 수 있다. 그러나, 추가적으로 또는 대안적으로, 전기 저장 모듈은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 요소를 임의의 적절한 배열로 포함할 수 있고/있거나, 임의의 다른 적절한 기능을 가질 수 있다.

2.4 배열(Arrangements).

시스템은 바람직하게는 열 저장소(130)에 열적으로 결합되는 하나 이상의 전기 발생기(101)를 포함한다. 일부 그러한 예에서, 여기서 열 저장소는 온수 탱크를 포함하며, 전기 발생기는, (예를 들어, 도 1c에 도시된 바와 같이) 직립 원통형 탱크의 베이스(base)에 또는 그 근처에서와 같은, 온수 탱크의 하단 근처에 배열될 수 있다.

전기 발생기는 바람직하게는 열 저장소의 하나 이상의 경계(예를 들어, 면)를 따라 서로 이격되어 배열된다. 예를 들어, 전기 발생기는 저장소 베이스에 실질적 평면 배열을 정의할 수 있다. 일 예에서, 시스템은 (예컨대 열 저장소의 중심축에 대해, 바람직하게는 실질적 등각 간격을 갖는) 링으로 배열되는 4-12(예를 들어, 6)의 전기 발생기를 포함한다. 변형예에서, 시스템은 다수의 링(예를 들어, 동심 링) - 각각의 링은 동일한 또는 상이한 수의 전기 발생기(예를 들어, 예컨대 모든 링의 전기 발생기 사이에 실질적 등거리 간격을 설정하기 위해, 더 적은 전기 발생기를 갖는 내부 링 및 더 큰 수의 전기 발생기를 갖는 외부 링)를 포함함 -을 포함할 수 있고/있거나, 일부 또는 모든 다른 전기 발생기에 의해 정의되는 링의 중앙에 단일 중심 전기 발생기를 포함할 수 있다. 그러나, 전기 발생기는 대안적으로 임의의 다른 적절한 배열을 가질 수 있다.

열 저장소(130)는 하나 이상의 열 전도성 요소를 포함할 수 있으며, 이는 열 저장소에 대한 전기 발생기의 열적 결합을 용이하게 할 수 있다. 이러한 열 전도성 요소는 저장소의 더 큰 부분에 걸쳐 전기 발생기로부터 수신되는 열을 분배하도록(예를 들어, 열 저장소의 보다 균일한 가열을 용이하게 하도록) 기능할 수 있다. 예를 들어, 온수 탱크를 갖는 열 저장소는 탱크 베이스와 전기 발생기 사이에 고-전도성 인터페이스를 포함할 수 있다. 그러한 인터페이스는, 전기 발생기로부터 물로의 직접 열 전달에서 기인할 수도 있는 보다 국부적인 가열보다는, 전체 베이스에 걸쳐 보다 균일하게 물에 열을 전달하도록 기능할 수 있다. 열 저장소는 선택적으로 저장소 내의 보다 균일한 열 분배를 촉진하기 위한 하나 이상의 요소, 예컨대 온수 탱크에서 물의 혼합을 가능하게 하고/하거나 촉진시키도록 구성되는 대류 요소(convection element)를 포함할 수 있다. 열 저장소 내의 대류를 촉진시킴으로써, 이러한 요소는 저장소 내의 국부적인 과열(예를 들어, 비등)을 방지하는 것을 도울 수 있다.

일부 예에서, 각각의 전기 발생기(101)는 별도의 배기 시스템을 갖는다. 전기 발생기 배기는 바람직하게는 (예를 들어, 본 참고에 의해 전체적으로 본원에 통합되는 2020년 05월 26일자로 출원되고 발명의 명칭이 "System and Method for Thermionic Energy Conversion"인 미국 특허 출원 제16/883,762호에 설명된 바와 같이) 추가적인 열을 전기 발생기의 고온 영역(121)에 제공하지만, 대안적으로 추가적인 열을 고온 영역에 제공하지 않을 수 있다(또는 그러한 열을 간접적으로만 제공할 수 있음). 일부 그러한 예에서, 이러한 다중 배기는 서로 결합되고/되거나 근접될 수 있으며 여기서 이러한 결합된 배기는 추가적인 열 배출을 열 저장소에 제공할 수 있다(예를 들어, 여기서 결합된 배기는 저장소를 통해, 예컨대 저장소의 중심축을 따라서 진행한다).

그러나, 시스템은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 요소를 임의의 적절한 배열로 포함할 수 있다.

3. 방법(Method).

상술한 바와 같이, 열병합 발전을 위한 방법(200)은 바람직하게는 시스템(100)을 사용하여 수행되지만, 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 시스템을 사용하여 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 방법(200)은: (예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이) 전기 발생기를 활성화시키는 단계, 전기 발생기를 비활성화시키는 단계, 및/또는 열 저장소로부터 열을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

전기 발생기는 바람직하게는 (예를 들어, 하나 이상의 기준, 예컨대 열 저장소 온도 및/또는 열 요구와 연관되는 기준 등에 기초하여) 시스템에 관하여 상술한 바와 같이 활성화된다. 전기 발생기가 활성화될 때, 열 입력은 바람직하게는 활성 모드에서 동작하여, 열을 생성하고 생성된 열의 일부 또는 전부를 에너지 변환기(예를 들어, TEC)에 제공한다. 이러한 열을 수신하는 것에 응답하여, 에너지 변환기는 바람직하게는 (시스템에 관하여 상술한 바와 같은, 전기 시스템에 제공될 수 있는) 전력 출력을 생성함으로써, 그것이 바람직하게는 열 저장소에 제공하는, (예를 들어, 그것이 수신하는 열보다 더 낮은 온도에서) 폐열을 생성한다(예를 들어, 그것에 의해 열 저장소 내의 에너지 저장 물질, 예컨대 열 저장소 내에 저장되고/되거나 이를 통해 흐르는 유체의 온도를 증가시킴).

전기 발생기는 바람직하게는 (예를 들어, 하나 이상의 기준, 예컨대 열 저장소 온도 및/또는 열 요구와 연관되는 기준 등에 기초하여) 시스템에 관하여 상술한 바와 같이 비활성화된다. 전기 발생기가 비활성화될 때, 열 입력은 바람직하게는 (예를 들어, 상당한 열을 에너지 변환기에 제공하지 않는) 비활성 모드에서 동작한다. 따라서, 전기 발생기가 비활성화되는 동안, 에너지 변환기는 전형적으로 상당한 전력 출력을 생성하지 않을 것이고 전형적으로 상당한 열 출력을 열 저장소에 제공하지 않을 것이다.

열 저장소로부터 열을 제공하는 것은 바람직하게는 시스템에 관하여(예를 들어, 열 저장소에 관하여) 상술한 바와 같이 수행된다. 열 저장소가 유체 열 저장 물질을 포함하는 실시예에서, 유체는 저장소 내에 유지되는 동안, 저장소를 통과하는 동안, 및/또는 저장소 외부에 있는 동안(예를 들어, 저장소의 열 교환기를 지나서 흐르는 동안) (예를 들어, 전기 발생기로부터 수신되는 열, 백업 열 소스에 의해 생성되는 열, 열 저장소의 다른 요소로부터 예컨대 다른 열 저장 물질로부터 수신되는 열 등에 의해) 가열될 수 있다. 가열된 유체는 바람직하게는 하나 이상의 가열된 유체 수요처(demander)에 전달된다(예를 들어, 가열된 유체에 대한 요구에 따라 및/또는 그에 응답하여 제공됨). 예를 들어, 온수 밸브(예를 들어, 수도꼭지)의 개방은 물이 (예를 들어, 열 저장소 유출구로부터) 밸브를 통해 (예를 들어, 수도꼭지 밖으로) 흐르게 할 수 있다. 이러한 예에서, 추가적인 물은 유입구를 통해 저장소로 흐를 수 있다(그리고 이러한 추가적인 물은 그 다음, 바람직하게는 상술한 바와 동일한 방식으로, 가열될 수 있다). 대안적인 변형예에서, 유체는 루프로 흐를 수 있으며(예를 들어, 흐름 제어 밸브가 개방된 때, 항상 등), 예컨대 여기서 가열된 유체는 유출구를 통해 저장소를 나가고, 그것이 (예를 들어, 열 교환기를 통해 흐름으로써) 그것의 열의 일부를 전달하는 열 수요처로 흐르고, 그 다음, 유입구를 통해 저장소로 다시 흐른다. 예에서, 열 수요처(예를 들어, 가열된 유체 수요처)는 온수 유출구, 난방 시스템, 시스템에 관하여 상술한 바와 같은 다른 열 사용자, 및/또는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다.

전기 발생기는 바람직하게는 그것이 임계량(예를 들어, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98%, 40-50%, 50-60%, 60-75%, 75-85%, 85-95%, 및/또는 95-100% 등)보다 더 큰, 바람직하게는 50%보다 더 큰 듀티 사이클(예를 들어, 총 시간으로 나눈 활성화된 시간)을 갖지만, 대안적으로 (예를 들어, 시스템에 관하여 상술한 바와 같은) 임의의 다른 적절한 듀티 사이클을 갖도록 활성화 및 비활성화된다. 일부 예에서, 활성화 및/또는 비활성화는 임계 온도 및/또는 열 플럭스(heat flux)에 기초하여 수행되며, 여기서 임계값은 미리결정되고, 동적으로 결정되고, 일정하고, 시간(time of day), 이력 사용(historical usage), 및/또는 예상 사용과 같은 인자에 기초하여 가변될 수 있고/있거나, 임의의 다른 적절한 방식으로 결정될 수 있다.

그러나, 전기 발생기를 활성화시키는 단계, 전기 발생기를 비활성화시키는 단계, 및/또는 열 저장소로부터 열을 제공하는 단계는 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 다른 적절한 방식으로 수행될 수 있다. 또한, 방법(200)은 추가적으로 또는 대안적으로 임의의 적절한 방식으로 수행되는 임의의 다른 적절한 요소를 포함한다.

간결성을 위해 생략되었지만, 바람직한 실시예는 다양한 시스템 구성요소 및 다양한 방법 프로세스의 모든 조합 및 순열을 포함한다. 더욱이, 바람직한 방법의 다양한 프로세스는 컴퓨터-판독가능 명령을 저장하는 컴퓨터-판독가능 매체를 수용하도록 구성되는 머신으로서 적어도 부분적으로 구체화되고/되거나 구현될 수 있다. 명령은 바람직하게는 시스템과 바람직하게는 통합되는 컴퓨터-실행가능 구성요소에 의해 실행된다. 컴퓨터-판독가능 매체는 임의의 적절한 컴퓨터 판독가능 매체 예컨대 RAM, ROM, 플래시 메모리, EEPROM, 광학 디스크(CD 또는 DVD), 하드 드라이브, 플로피 드라이브, 또는 임의의 적절한 디바이스 상에 저장될 수 있다. 컴퓨터-실행가능 구성요소는 바람직하게는 일반적인 또는 애플리케이션 특정 처리 서브시스템이지만, 임의의 적절한 전용 하드웨어 디바이스 또는 하드웨어/팜웨어 조합 디바이스는 추가적으로 또는 대안적으로 명령을 실행할 수 있다.

도면은 바람직한 실시예, 예시적 구성, 및 그 변형에 따른 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품의 가능한 구현의 아키텍처, 기능 및 동작을 예시한다. 이와 관련하여, 흐름도 또는 블록도 내의 각각의 블록은 모듈, 세그먼트, 단계, 또는 코드의 부분을 나타낼 수 있으며, 이는 지정된 논리 함수(들)를 구현하기 위한 하나 이상의 실행가능 명령을 포함한다. 또한, 일부 대안적인 구현예에서, 블록에 언급되는 기능은 도면에 언급되는 순서에서 벗어나서 발생할 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 예를 들어, 연속으로 도시되는 2개의 블록은, 사실상, 실질적으로 동시에 수행될 수 있거나, 블록은, 수반되는 기능에 따라, 역순으로 실행될 수 있다. 또한, 블록도 및/또는 흐름도의 각각의 블록, 및 블록도 및/또는 흐름도 내의 블록의 조합은 지정된 기능 또는 액트(act)를 수행하는 특수 목적 하드웨어-기반 시스템, 또는 특수 목적 하드웨어 및 컴퓨터 명령의 조합에 의해 구현될 수 있다는 점이 언급될 것이다.

당업자가 이전 상세화된 설명으로부터 그리고 도면 및 청구항으로부터 인식하는 바와 같이, 수정 및 변경은 다음 청구항에 정의되는 본 발명의 범위로부터 벗어나는 것 없이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 이루어질 수 있다.

Claims

열병합 발전을 위한 방법으로서,
● 열 저장소에서, 상기 열 저장소의 열 저장소 온도가 제1 임계 온도보다 더 큰 동안, 유체를 가열하는 단계;
● 상기 가열된 유체를 외부 열 요구 요소에 제공하는 단계;
● 상기 열 저장소 온도가 임계 온도 미만인 동안, 상기 열 저장소에 열적으로 결합되는 전기 발생기를 활성화시키는 단계 - 상기 전기 발생기가 활성화되는 동안:
● 상기 전기 발생기의 열 소스는 열을 생성하고 상기 열을 상기 전기 발생기의 고체 상태 에너지 변환기로 제공하고;
● 상기 고체 상태 에너지 변환기는 전력 출력을 생성하고; 및
● 상기 고체 상태 에너지 변환기는 폐열을 상기 열 저장소로 배출함 -;
● 상기 전기 발생기를 활성화시킨 후, 상기 열 저장소 온도가 상기 임계 온도보다 더 큰 동안, 상기 전기 발생기를 비활성화시키는 단계;
를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 가열된 유체는 물인, 방법.
제2항에 있어서,
상기 외부 열 요구 요소는 온수 파이프에 의해 상기 열 저장소에 유체적으로 결합되는 가정용 온수 수도꼭지(faucet)를 포함하며, 상기 가열된 유체를 상기 외부 열 요구 요소에 제공하는 단계는 상기 가정용 온수 수도꼭지의 개방에 응답하여 자동으로 수행되는, 방법.
제2항에 있어서,
상기 임계 온도는 100℃ 미만인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 열 저장소 온도가 상기 임계 온도 미만이라고 결정하는 단계를 더 포함하며, 상기 전기 발생기를 활성화시키는 단계는 상기 열 저장소 온도가 상기 임계 온도 미만이라고 결정하는 단계에 응답하여 수행되는, 방법.
제5항에 있어서,
상기 전기 발생기가 활성인 동안, 상기 열 저장소 온도가 상기 임계 온도보다 더 큰 제2 임계 온도보다 더 크다고 결정하는 단계를 더 포함하며, 상기 전기 발생기를 비활성화시키는 단계는 상기 열 저장소 온도가 상기 제2 임계 온도보다 더 크다고 결정하는 단계에 응답하여 수행되는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 전기 발생기가 활성인 시간 대 총 시간 사이의 비율로서 정의되는 상기 전기 발생기의 듀티 사이클은 30%보다 더 큰, 방법.
제7항에 있어서,
상기 듀티 사이클은 60%보다 더 큰, 방법.
제1항에 있어서,
상기 열 소스는, 상기 전기 발생기가 활성화되는 동안, 연료를 연소시킴으로써 상기 열을 생성하는 버너를 포함하는, 방법.
제9항에 있어서,
연료를 연소시키는 동안, 상기 버너는 배기를 생성하며, 상기 배기는 상기 열 저장소로 열을 전달하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 고체-상태 에너지 변환기는 열이온 에너지 변환기를 포함하는, 방법.
열병합 발전을 위한 시스템으로서,
● 다음 모드 사이에서 동작가능한 열 발생기:
● 상기 열 발생기가 임계율보다 더 크게 연료를 소비하고 열을 생성하는 활성 모드; 및
● 상기 열 발생기가 실질적으로 상기 임계율 미만에서 연료를 소비하는 비활성 모드;
● 열 입력 영역 및 열 배출 영역을 포함하는 고체 상태 전기 발생기 - 상기 열 입력 영역은 상기 열 발생기에 열적으로 결합됨 -; 및
● 상기 고체 상태 전기 발생기의 상기 열 배출 영역에 열적으로 결합되는 가열된 물 저장소 - 상기 가열된 물 저장소는 가열된 물을 저장하도록 구성되는 공동을 정의하며, 상기 공동은 물 입력 및 가열된 물 출력을 정의함 -;
를 포함하며;
상기 고체 상태 전기 발생기는:
● 상기 열 입력 영역에서 상기 열 발생기로부터 열을 수용하고;
● 전력 출력을 생성하고;
● 상기 열 배출 영역에서 폐열을 상기 가열된 물 저장소에 제공하도록
구성되는, 시스템.
제12항에 있어서,
상기 가열된 물 출력으로부터 변화하는 가열된 물 온도에서 가열된 물을 수신하고, 상기 변화하는 가열된 물 온도보다 더 낮은 온도에서 물을 수신하고, 상기 물 및 가열된 물을 혼합하여 실질적으로 고정된 온도의 중간-온도 물을 생성하도록 구성되는 온도 조절(thermostatic) 혼합 밸브를 더 포함하는, 시스템.
제12항에 있어서,
상기 고체 상태 전기 발생기는 열이온 에너지 변환기(thermionic energy converter; TEC)를 포함하는, 시스템.
제14항에 있어서,
● 상기 TEC는 공동을 정의하며, 상기 열 입력 영역은 상기 공동과 경계를 이루고 상기 열 배출 영역은 상기 열 입력 영역에 걸쳐 상기 공동에 대향하고;
● 상기 열 발생기는 상기 공동 내에 배열되는 버너를 포함하며, 상기 활성 모드에서, 상기 버너는 상기 연료를 연소시킴으로써 상기 열을 생성하는, 시스템.
제15항에 있어서,
● 상기 고체 상태 전기 발생기는 제2 공동을 정의하는 제2 TEC를 더 포함하고;
● 상기 열 발생기는 상기 제2 공동 내에 배열되는 제2 버너를 더 포함하고;
● 상기 시스템은 배기 매니폴드(exhaust manifold)를 더 포함하며, 상기 배기 매니폴드는:
● 상기 가열된 물 저장소를 통해 연장되고 이에 열적으로 결합되는 병합된 배기 튜브;
● 상기 버너로부터 상기 병합된 배기 튜브로 연장되는 제1 배기 튜브; 및
● 상기 제2 버너로부터 상기 병합된 배기 튜브로 연장되는 제2 배기 튜브를 포함하는, 시스템.
제12항에 있어서,
상기 열 발생기는 상기 공동 내에 배열되는 버너를 포함하며, 상기 활성 모드에서, 상기 버너는 상기 연료를 연소시킴으로써 상기 열을 생성하는, 시스템.
제17항에 있어서,
상기 버너는 재생 버너(recuperating burner)인, 시스템.
제17항에 있어서,
● 상기 버너는 상기 가열된 물 저장소의 상기 공동을 통해 상기 버너로부터 연장되는 배기 매니폴드를 포함하고;
● 상기 연료를 연소시키는 동안, 상기 버너는 배기를 생성하며, 상기 배기는 상기 배기 매니폴드를 통해 상기 가열된 물 저장소로 열을 전달하는, 시스템
제19항에 있어서,
● 상기 고체 상태 전기 발생기는 복수의 전기 발생기 모듈을 포함하고;
● 상기 열 발생기는 세트의 버너를 포함하고 - 상기 세트의 버너는 상기 버너를 포함하며, 상기 세트의 각각의 버너는 상기 복수의 각각의 발생기 모듈과 연관됨 -;
● 상기 세트의 각각의 버너는 상기 배기 매니폴드의 각각의 배기 튜브를 포함하는, 시스템.