KR20180107297A - 중력 전기 발전소 기술 - Google Patents

Abstract

한편으로 무거운 질량의 물체의 자유 낙하를 허용하여 자유낙하로부터 에너지를 활용 및 출력하는 것에 의해 중력에 의해 행해지는 일을 최대화하고, 다른 한편으로, 중력의 방향을 따라 하강된 물체를 다시 위로 원래 위치로 들어올리거나 해당 사이클을 반복하기 위해 2개의 질량의 순수 차이만이 입력 파워 메커니즘에 의해 일을 받는 것이 필요하도록 상기 무거운 질량을 다른 유사한 질량으로 카운터밸런싱함으로써 효율을 최대화하는 장치, 시스템 및 방법이 제공된다. 고출력 발전기를 연결하는 기어/플라이 휠/샤프트의 연속적인 이동을 유지하기 위해 복수의 이러한 유닛이 동시에 사용된다. 게다가, 본 발명은 시스템의 효율을 더욱 증가시키기 위해 보조 에너지 발생 메커니즘도 개시된다.

Description

중력 전기 발전소 기술{GRAVITATIONAL ELECTRIC POWER PLANT TECHNOLOGY}

본 발명은 중력을 이용하는 분야와 중력에 의해 행해진 일을 다른 형태의 에너지 및/또는 일로 변환하는 것에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 자원 경제, 최소 오염 및 외적 영향에 특히 중점을 두고 중력 자체만을 이용하거나 다른 형태의 에너지(재생 가능하거나 가능하지 않은 에너지)를 함께 이용하는 것에 의한 전기 에너지의 생산에 관한 것이다.

산업 혁명은 전방위적으로 거의 모든 측면의 인간 생활에 영향을 미쳤고, 정교함과 발전의 추구로 사람의 의존도는 달라짐과 함께 기하급수적으로 증가하였다. 오늘날, 인간에 의해 창조된 기계는 인간의 미래의 특성을 좌우하는 것은 물론, 인간의 생활-가정, 기업, 운송, 농업 산출, 식품 가공, 전쟁, 경제를 지배하고 있다. 모든 기계는 자체에 대한 투입의 처리를 위해 파워(에너지)를 필요로 하므로, 파워에 대한 수요도 기하급수적으로 증가하고 있으며, 오늘날 충분한 파워를 생산할 수 있는 능력은 국제적인 경제 및 정치 무대에서 국가의 위상을 결정하는 핵심적인 요인 중 하나이다. 파워 수요을 만족시키기 위해 최근 수십 년까지는 통상적인 비-재생 가능 자원(석탄, 석유, 천연 가스와 같은 화석 연료, 그리고 나중에는 방사성 우라늄으로부터 얻어지는 것과 같은 여러 종류의 원자력 및 소정의 대수층)에 중점을 두고 있었다. 그러나, 우리들의 발전소와 가열-냉각-조리-연소의 일상적인 관습은 안정적인 기후를 유지하기 위해 용인할 수 있는 것보다 많은 온실효과 가스를 생산하고 있다. 국제 기후 과학 커뮤니티는 우리들에게 탄소 배출량을 크게 감축하라고 경고하고 있다. 또한, 우리는 점진적으로 원가가 상승하면서 현재 알고 있는 전세계 공급량의 절반을 이미 사용한 석유 및 가스 생산의 피크에 도달하고 있으며, "저공해 석탄", "지속 가능한 바이오매스", "안전한 원자력" 및 기타 상투적인 문구들은 단지 착각으로 보인다. 우리의 에너지 미래에 대해 국제 과학 커뮤니티가 말하는 남아 있는 유일한 선택은 "재생 가능 자원"이다-수력, 지열, 바이오매스(biomass), 태양열, 태양 전기, 바람, 조수, 파도, 대양-열적 구배, 및 새로운 비인습적인 기술로서, 예컨대 진공(제로 포인트) 에너지, 저온 비방사성 핵반응("저온" 융합) 및 발전된 수소와 물의 화학적 성질 등의 비인습적인 기술.

기존의 비-재생 가능 및 재생 가능 에너지 생산 기술 및 그것의 지구 에너지에 대한 공헌은 대략적으로 다음과 같다: 비-재생가능(93%); 1. 석유계 연료의 연소(39%), 2. 천연 가스의 연소(24%), 3. 석탄 및 그 파생물의 연소(24%), 4. 석유, 천연 가수 또는 석탄으로부터 유도된 수소, 5. 고방사성인 우라늄 및 플루토늄 핵분열을 기초로 한 원자로(5%), 6. "고온 융합"; 재생 가능(7%); 7. 풍력계 발전 시스템(0.2%), 8. 태양계 가열 및 발전 시스템(0.1%), 9. 지열계 가열 및 발전 시스템(0.4%), 10. 바이오 연료(에탄올 및 바이오디젤)(1%), 11. 바이오매스 연소(주로 톱밥)(2%), 12. 연료 전지, 13. 쓰레기를 바이오가스로 혐기 소화, 14. 통상적인 수력 발전(3%).

거의 포착되지 않은 상태의 다른 재생 가능 자원은 깨끗하고 무료이며 어디에나 있는 중력이다. 중력을 이용한 여러 실험과 발명은 전력 부문 관련 문헌의 일부를 형성한다. 그러나, 여러 발명자에 의해 취해진 하나의 공통적인 접근은 중력을 이용하여 자체 유지되는 기계를 구성하고, 특히 다른 기계/기기를 구동하기 위해 획득될 수 있는 상당량의 파워를 생산하는 측면에서-이론상 실현 가능한 것으로 보일 수 있지만 그다지 실용적이지 않은-파워를 발생시키는 것이다. 이것은 우선적으로 주어진 (자체 유지되는) 기계상에서 중력에 의해 행해진 일은 자체를 지속시킬만큼 거의 충분치 않으며, 따라서 추가적인 전력 생산의 가능성은 비현실적이라는 사실에 기인한다. 예컨대, US20090115195의 중력 발전 메커니즘은 발전 유닛을 선회할 때 일측으로만 외측으로 신장되는 경향이 있는 일련의 일방향 스윙 아암을 구동시켜 해당 발전 유닛의 연속적인 회전 동작을 유도하고 지속시키게 되는 큰 포지티브 토크(알려진 대로라면 일방향으로 신장된 아암에 기인함)를 생성함으로써 발전 유닛을 구동시키는 것을 추구한다. 그러나, 이것은 다수의 접혀진 아암이 반대측에 모아져서 소수의 펼쳐진 아암들에 의해 생성되는 포지티브 토크를 상쇄시키기 때문에 실행상 정확하지 않다. 인도 특허 제207600 (649/MUM/2004)호에서 청구된 장치는 로프와 풀리에 의해 매달린 하강하는 물체에 가해지는 중력을 이용하여 플라이 휠을 회전시킴으로써 말하자면 플라이 휠이 회전 운동 에너지를 저장한 다음, 말하자면 (하강된) 물체를 상향 이동시키는 것을 추구하며; 상기 질량체의 상승-하강 교차 운동의 이러한 사이클이 다이나모 샤프트의 회전에 사용되어 전기를 발생시키는 것으로 설명된다. 이것도 역시 효율적인 발전을 위한 지속 가능한 설계가 아닌데, 그 이유는 상기 기술이 시스템 내 일부 에너지는 항상 소실된다(전달 도중을 포함)라고 하는 열역학 제2 법칙에 위배되므로 기계는 자체에서 사용하는 것보다 많은 에너지 또는 심지어 자체를 무한정으로 작동시키기에 충분한 에너지를 생성할 수 없기 때문이다.

그러므로, 기계, 특히 중력을 이용하는 기계에 의해 행해지는 추가적인 일을 지속하기 위해 반드시 외력이 사용되어야 한다. 그러므로, US6445078의 경우, 상승된 수조가 물의 무게에 의해 아래로 이동되는 복수의 컨테이너를 충전하고 이러한 '제어된' 중력 영향 동작이 형성되어 발전기를 구동시키는 반면, 상기 컨테이너는 아래에 도달 후 임시 활성화 장치에 의해 비워지고 다시 위로 이송된다. US5905312의 경우도, 상승된 수조로부터 물 또는 다른 유체가 2차 탱크로 공급되고 2차 탱크는 조절된 하향 경로를 따라 중력의 영향하에서 미끄럼 이동되고 다른 바닥 수조 내로 비워지는 유사한 개념이 적용된다. 이러한 하향의 중력 유도된 동작은 기어의 도움으로 발전기 샤프트의 회전을 위한 동력원으로 이용된다. 2차 탱크에 의해 비워지는 물은 임시 활성화 펌프에 의해 상승된 탱크 내로 다시 펌핑된다. 그러나, 이들 시스템에서는 하향 이동이 '조절'되어 자유낙하가 아니므로, 부하에 대한 중력에 의해 행해지는 전체 일은 동력원으로 활용될 수 없으며, 이는 상기 시스템의 효율에 직접적으로 영향을 미친다. 이외에, 각각의 컨테이너/탱크 내로 물을 충전하는데 소요되는 시간, 물/유체가 수조 내로 다시 충전되는 속도, 및 각 컨테이너/탱크의 최대 실현 가능한 크기 등을 포함하는 인자는 장비의 확장성을 제한하므로, 행정단위 군구 또는 상당히 큰 산업 설비에 동력을 공급하는 것과 같은 매우 높은 발전 요건의 경우에는 이상적이지 않다. US8011182, US20110179784 및 US20110162356의 경우, 자체의 질량/중량(중력)에 기인하여 액체 매질 내에서 아래로 하강하는 체인 또는 벨트에 체결된 일련의 버킷에 중력이 작용한다. 일단 버킷이 바닥에 도달하면, 버킷은 가스 또는 다른 가벼운 유체/매질로 충전되고, 이러한 유체/매질은 버킷을 뜨게 함으로써 상승(상향)되게 하고 상부에 도달시 가스는 버킷으로부터 방출된다. 이러한 주기적인 상향-하향 이동은 발전기 샤프트를 구동하는데 활용되어 전기를 발생시킨다. 여기서 다시, 하강의 속도와 각각의 버킷 내로 강스의 재충전 속도, 버킷의 최대 실현 가능 크기 및 그렇게 생성될 수 있는 토크 등은 높은 발전 요건에 활용될 수 없는 발명의 확장성을 제한한다.

그러므로, 종래 기술(발명)로부터, 중력에 기초한 모델은 큰 스케일 또는 심지어 중간 스케일의 발전 요건에도 훨씬 못미침이 분명하다. 무료이고 영속적이며 어디에나 있으며 생태학적으로 안전하고 무엇보다도 대상 물체의 질량의 곱에 직접 비례하고(-상당한 효율을 보장) 기후, 계절, 날씨, 바람, 햇빛, 조수, 비, 지형, 또는 기타 자원 등으로부터 무관한 중력은 안전하고 지속 가능하며 중력을 효과적으로 활용하여 중력에 의해 행해지는 일을 특히 전기 에너지와 같은 다른 형태의 에너지로 특히 매우 큰 스케일로 효과적으로 변환시키는 실행 가능한 해법에 대하여 오랫동안 시급하게 느껴왔던 요구에 대한 길을 제시한다.

본 발명자는 중력을 효과적으로 활용하여 중력에 의해 행해지는 일을 특히 전기 에너지와 같은 다른 형태의 에너지로 효과적으로 변환시키며 확장성에 대해 다목적이면서 거의 제한 가능성이 없는 장치, 시스템 및 방법을 개발하였다.

그러므로 본 발명의 주요 목적은 경제적이고 환경 친화적이면서 안전한 방식으로 중력에 의해 행해지는 일을 효과적으로 활용하여 특히 전기 에너지와 같은 다른 형태의 에너지 및/또는 일로 효율적으로 변환시키는 것이다.

본 발명의 다른 주요 목적은 중력을 이용 및 변환하여 큰, 중간 및 작은 규모의 전력을 생성함으로써 확장성의 측면이 거의 제한이 없고 어디서나 연중 내내 적용 가능한 장치, 시스템 및 방법을 설계 및 실현하는 것이다.

본 발명의 다른 주요 목적은 중력 활용의 효율성을 향상시키는 것이다.

본 발명의 다른 주요 목적은 중력 에너지를 특히 전기 에너지와 같은 다른 형태의 에너지로의 변환 효율을 향상시키는 것이다.

본 발명의 다른 주요 목적은 무거운 질량체가 중력의 영향하에 자유낙하할 수 있게 함으로써 활용 및 변환을 위해 행해지는 전체 일을 증가시키고; 들어 올려지는 순수 중량이 상승 및 하강 간의 차이가 되도록 균형잡기 수단에 의해 질량체의 하강을 제어하고 해당 질량체를 다시 위로 들어올리도록 함으로서 시스템의 효율을 증가시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 무거운 질량의 물체(들)의 자유낙하의 거리 및 속도와 함께 사용되는 유닛의 수를 최적화함으로써 최소 동력 입력과 최상의 효율을 달성하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 중력 발전 시스템에 보조 발전 메커니즘을 제공함으로써 전체 발전 출력 및 그에 따라 시스템의 효율을 향상시키는 것이다.

본 발명에 따르면, 한편으로 무거운 질량의 물체의 자유 낙하를 허용하여 자유낙하로부터 에너지를 활용 및 출력하는 것에 의해 중력에 의해 행해지는 일을 최대화하고, 다른 한편으로, 중력의 방향을 따라 하강된 물체를 다시 위로 원래 위치로 들어올리거나 해당 사이클을 반복하기 위해 2개의 질량의 순수 차이만이 입력 파워 메커니즘에 의해 일을 받는 것이 필요하도록 상기 무거운 질량을 다른 유사한 질량으로 카운터밸런싱(counterbalancing)함으로써 효율을 최대화하는 장치, 시스템 및 방법이 제공된다. 고출력 발전기를 연결하는 기어/플라이 휠/샤프트의 연속적인 이동을 유지하기 위해 복수의 이러한 유닛이 동시에 동기화되에 사용된다. 게다가, 본 발명은 시스템의 효율을 더욱 증가시키기 위해 공지된 보조 에너지 발생 메커니즘도 구상할 수 있는데; 이러한 유닛 각각은:

(i) 그라운드 높이 위로 기립되고, 내벽을 따라 연장되는 적어도 2개의 가이드 레일을 구비한 중공의 수직 채널을 포함하고, 상기 내벽을 통해 (ii) 메인 웨이트가 제공되며, 상기 웨이트는 (ii)(a) 바람직하게는 티타늄과 같이 적절한 질량과 밀도의 재료로 구성되고 바람직하게는 상기 채널의 단면에 대응하는 형상으로 이루어지고 그 외주에 상기 수직 채널의 상기 가이드 레일과 일치하고 해당 가이드 레일의 내부를 따라 슬라이드되는 수단을 구비한 '헤드'로 지칭되는 상부 요소와, (ii)(b) 바람직하게는 티타늄과 같은 적절한 질량과 밀도의 재료로 구성되고 길이의 적어도 일 측면상에 치부를 보유한 수직 샤프트인 하부 요소를 포함하고, 상기 치부는 상기 수직 샤프트가 메인 웨이트의 하강에 의해 중력에 기인하여 하향 이동될 때 직접적으로 또는 플라이 휠 및/또는 2차 기어(들)을 통해 (iv) 발전기의 수평 샤프트를 회전시키는 메인 기어(iii)와 맞물린다. 상기 메인 기어는 수직 샤프트가 하향 이동될 때 상기 발전기의 수평 샤프트의 양방향 맞물림 및 일방향 회전을 허용하도록 프리 휠처럼 구성된다.

(a) 메인 웨이트의 상부 요소(ii)(a)는 (한정되는 것은 아니지만) 원통형 또는 원통-타원형, 사각-프리즘형 또는 상기 중공의 수직 채널에 대응하고 프로젝트의 특정 필요 조건에 따른 다른 형태인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 프로젝트가 매우 무겁고 큰 웨이트를 사용하는 대규모 발전을 충족시키는 경우, 상기 웨이트를 매다는 다수의 로프를 수용하기 위해 원통형, 타원형 또는 사각형 프리즘 형태를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 메인 웨이트가 중력의 영향하에 아래로 자유낙하함에 따라 상부 요소 또는 헤드는 (v) 지연/정지 수단의 도움으로 점진적으로 멈춰지는 중공 수직 채널의 바닥에 도달하며, 지연/정지 수단은 한정되는 것은 아니지만 다음의 요소 중 하나 이상을 포함하며: 에어 챔버(들), 에어 푸셔(들), 스프링(들), 브레이크, 전자석(들), 로렌츠 힘(들)을 내고 반대측에서 카운터 웨이트의 대향 동작을 내는 수단; 상기 메인 웨이트의 하부 요소인 수직 샤프트는 (vi) 수직 지하 중공 튜브로 들어간다.

상기 웨이트는 풀리 시스템(viii)으로부터 로프(vii)에 의해 매달리고 상기 로프의 다른 단부는 (ix) 카운터 웨이트에 부착되며, 카운터 웨이트는 (x) 리프트상에 부착되되, 해당 리프트가(상기 카운터 웨이트와 함께) 상기 중공의 수직 채널에 평행하게 기립된 (xi) 수직 프레임 내에서 상하로 슬라이드되도록 매달리고, 메인 웨이트의 이동 방향이 메인 웨이트보다 무거운 카운터 웨이트의 이동 방향과 반대가 되도록 리프트상에 부착된다.

메인 웨이트를 카운터밸러싱하는 카운터 웨이트는 발전기의 수평 샤프트의 회전이 연속적이도록 하강하는 메인 웨이트를 동기화하기 위해 해당 카운터 웨이트를 미리 정해진 속도로 상향으로 전달하는 급전된 리프트 시스템상에 설치된다. 각 유닛 내의 상기 로프는 풀리 시스템 위로 이어지며; 각 시스템은 마운팅 코일/자석이 전기 생산을 허용하도록 보조 발전을 대비하도록 설계된 복수 열의 풀리를 포함한다.

메인 웨이트 및 카운터 웨이트의 상향-하향 이동의 동기화는 발전기 샤프트의 연속적인 이동을 유지하기 위해 하나 이상의 유닛의 카운터 웨이트의 이동과 그에 따른 메인 웨이트의 이동을 동기화 및 제어하는 센서 및 신호 수단의 도움으로 실행된다.

도 1은 3개의 유닛과 그 구성을 개략적으로 도시하며, 하나의 유닛의 메인 웨이트는 자유 하강/낙하 상태에 있는 반면, 다른 유닛의 메인 웨이트는 동시에 끌어 올려진 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 3개의 유닛과 그 각각의 구성에 대한 레이아웃을 사시도로 나타낸 도면이다.
도 3은 지연 및 정지 수단이 작용하는 동안 메인 웨이트가 중공의 수직 채널의 바닥으로 떨어질 때 메인 웨이트에 촛점을 맞춘 근접 도면이다.
도 4는 리프트(및 도시되지 않은 메인 웨이트 포함)와 함께 카운터 웨이트를 매달은 풀리 및 로프 시스템을 나타낸다.

여기의 설명은 보다 구체적으로 그리고 특별히, 설명되는 부품, 구성 및 방법의 분명한 변경, 변형 및 적용에 대해 제한하지 않고 (한정되는 것은 아니지만) 고성능 발전 설비에 적용되는 방식으로 본 발명을 작동시킬 수 있는 설계, 구성 및 방법을 설명하는 것을 의미하고 여기의 다이어그램/도면은 비율대로 그려진 것이 아니고 본 발명의 구성. 작동 개념을 개략적으로 설명하고 상호 교환 가능하거나 다른 분명한 변형 및/또는 적용으로 제한하지 않고 부품의 대략적인 치수, 형태, 공간적 배열 및 상호간 관계를 나타낸다는 것을 언급하는 것이 적절하다.

본 발명은 작동 실시예, 그 다양한 형태, 적용 및 버전을 설명하기 위해 구체적으로 언급된 재료와 발전 장비의 제조를 위해 당업계에 공통적으로 사용되는 다양한 다른 금속 합금 및 다른 조합 이외의 재료(들)를 기대한다.

특정 언급을 보장하지 않고 당업자에게 알려지고 자명한 분명하면서도 하찮은 상세는 본 발명의 상당한 일부이지만 언급 및/또는 설명 및/또는 도시되지 않는다.

그러므로 여기의 설명은 본 발명의 의도된 범위, 취지 및 크기를 과도하게 제한하는 것으로 해석돼서는 안된다.

바람직한 실시예 1의 구체적인 설명 및 작동:

바람직한 실시예에 따르면, 대규모 전력의 생성을 위해 중력/에너지를 효율적으로 활용하고 효율적으로 변환시키는 장치, 시스템(들)은 (제한없이 그리고 특히 간단한 예와 설명을 제공하기 위해) 3개의 동일한 유닛을 포함하고, 각각의 단일 유닛은:

(i) 그라운드 높이 위로 기립되고, 내벽을 따라 연장되는 적어도 2개의 가이드 레일을 구비한, 48 m 높이, 1 m 30 cm의 내경 및 50 cm의 벽두께의 중공의 제1 수직 채널을 포함하고, 상기 내벽을 통해 (ii) 메인 웨이트가 제공되며, 상기 웨이트는 (ii)(a) 바람직하게는 (한정되는 것은 아니지만) 높이 30 cm, 무게 500 kg, 직경 1m, 채널의 단면에 대응하는 원통형 형상의 티타늄으로 구성되고 그 외주에 상기 수직 채널의 상기 가이드 레일과 일치하고 해당 가이드 레일의 내부를 따라 슬라이드되는 롤러를 구비한 '헤드'로 지칭되는 상부 요소와, (ii)(b) 바람직하게는 (한정되는 것은 아니지만) 길이 45 m, 높이 m 당 무게 100 kg= 4500 kg의 티타늄 재료로 구성되고 길이의 상부 5 m로부터 바닥 44 m까지 일 측면상에 40 m를 따라 치부를 보유한 수직 샤프트인 하부 요소를 포함하고, 상기 치부는 상기 수직 샤프트가 메인 웨이트의 하강에 의해 중력에 기인하여 40 m 하강 이동되는 동안 13.3 초의 속도(3 m/sec)로, 즉 대기압에 대해 제공되어야 할 값(due)과 기어에 맞물리고 회전되는 수평 샤프트 상의 기어에 의해 제공되는 임피던스를 가지고 하향 이동될 때 1 m 원주의 메인 기어와 맞물리고, 해당 메인 기어는 다시 발전기의 0.96 m 수평 샤프트를 직접 회전시킨다. 메인 웨이트의 상부 요소 또는 헤드(ii)(a)는 (한정되는 것은 아니지만) 원통형 또는 원통-타원형, 사각-프리즘형 또는 상기 제1 중공 수직 채널에 대응하고 프로젝트의 특정 필요 조건에 따른 다른 형태인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 프로젝트가 매우 무겁고 큰 웨이트를 사용하는 대규모 발전을 충족시키는 경우, 상기 웨이트를 매다는 다수의 로프를 수용하기 위해 원통형, 타원형 또는 사각형 프리즘 형태를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 메인 기어는 상기 수직 샤프트가 하향 이동될 때 양방향 맞물림과 일방향 회전을 허용하도록 프리 휠로서 작동한다.

(a) 상기 메인 웨이트가 중력의 영향하에 아래로 자유낙하함에 따라 상부 요소 또는 헤드는 에어 챔버(들), 에어 푸셔(들), 스프링(들), 브레이크, 전자석(들)의 조합과 반대측에서 카운터 웨이트의 대향 동작에 의해 점진적으로 멈춰지는 중공 수직 채널의 바닥에 도달하며, 상기 메인 웨이트의 하부 요소인 수직 샤프트는 45 m 깊이의 수직 지하 중공 튜브로 들어간다.

상기 웨이트는 풀리 시스템으로부터 (한정되는 것은 아니지만) 자체 윤활되는 섬유 합성 견인 로프로 구성된 24 mm 견인 로프에 의해 매달리고 상기 로프의 다른 단부는 (iii) 카운터 웨이트에 부착되며, 카운터 웨이트는 리프트상에 부착되되, 해당 리프트가(상기 카운터 웨이트와 함께) 상기 중공의 수직 채널에 평행하게 기립된 수직 프레임 내에서 상하로 슬라이드되도록 매달리고, 메인 웨이트의 이동 방향이 본 실시예에 따라 메인 웨이트 즉 5100 kg 보다 다소 무겁거나 가벼운 카운터 웨이트의 이동 방향과 반대가 되도록 리프트상에 부착된다.

메인 웨이트를 다소간 카운터밸런싱시키는 카운터 웨이트는 발전기의 수평 샤프트의 회전이 연속적이도록 하강하는 메인 웨이트를 동기화하기 위해 해당 카운터 웨이트를 미리 정해진 속도로 상향 및 하향으로 전달하는 급전된 리프트 시스템상에 설치된다. 상기 리프트는 15초 내에 45 m로 카운터 웨이트를 들어올리는 20 HP 모터에 의해 활성화되어 필요한 파워는 15초 내에 12KW이다. 따라서, 3개 유닛을 포함하는 본 실시예의 경우, 3개의 리프트 각각에 의해 소모되는 총 파워는 (12kw×4×60×24)=하루당 69MW이다. 각각의 유닛의 메인 웨이트 및 카운터 웨이트는 9개의 튼튼한 24 mm 견인 로프 세트에 의해 매달린다.

각 유닛 내의 상기 로프는 풀리 시스템을 따라 이어지며; 각 시스템은 12열의 풀리를 포함하고, 따라서 3개 유닛으로 이루어진 본 실시예는 총 36개의 풀리가 채용된다. 각각의 풀리는 망간 청동으로 이루어지고 50 cm의 직경을 갖는다. 각각의 풀리 시스템은 마운팅 코일/자석이 전기 생산을 허용하도록 보조 발전을 대비하도록 설계된다.

메인 웨이트 및 카운터 웨이트의 상향-하향 이동의 동기화는 카운터 웨이트의 이동과 그에 따른 메인 웨이트의 부분적인 이동을 제어하기 위해 제1 수직 채널의 정점으로부터 40 m의 거리에 위치된 자기 센서(들)의 도움으로 실행된다.

상기 메인 웨이트의 헤드가 40 m 깊이의 제1 중공 수직 채널의 바닥에 도달하면, 유닛 I의 자기 센서는 유닛 I의 리프트의 전자 신호를 활성화하여 유닛 I의 메인 웨이트와 동일한 방향으로의 제동 또는 동작에 의해 필요한 지연 효과를 발휘함으로써 상기 메인 웨이트의 하강을 1차로 제어/지연하고 후속으로 다시 상향으로 원래 위치로 이동하도록 반대 방향으로 동작을 세팅한다.

상기 유닛 I의 센서는 유닛 II의 전자 신호도 활성화시켜 유닛 II의 메인 웨이트의 자유 하강 상황을 개시할 것이다. 이 사이클은 유닛 III의 메인 웨이트의 자유 하강 상황을 개시하도록 유닛 III의 리프트를 활성화하도록 신호를 보내기 위해 나란한 유닛 II의 자기 센서에 의해 반복되며, 마찬가지로 해당 사이클은 유닛 I의 메인 웨이트의 자유 하강 상황을 개시하도록 유닛 I의 리프트를 활성화하도록 신호를 보내기 위해 나란한 유닛 III의 자기 센서에 대해 반복함으로써 적어도 하나의 수직 샤프트(3개의 유닛 중 하나의 유닛의)가 임의의 주어진 시간에 하강/낙하 상태에 있게 되는 것을 보장한다.

파워/전기의 발전 공정/방법

시동

(a) 본 실시예에 따르면, 카운터 웨이트는 메인 웨이트보다 무겁기 때문에 시동 전의 디폴트 위치는: 메인 웨이트가 제1 수직 공동 채널에서 45.5 m 높이로 상승되고 카운터 웨이트는(리프트와 함께) 수직 프레임의 바닥에 위치될 것이다. 그러므로 시동 동작은 다른 것들 중에 메인 웨이트가 강하되도록 상기 리프트를 상향 방향으로 동작시키는 것을 포함한다. 이 공정 단계는 리프트의 이동 방향이(카운터 웨이트와 함께) 중력을 거스르기 때문에 특히 본 단계의 시작시 높은 입력 파워/에너지를 소비하지만, 이는 리프트가 자체에 가해진 부담을 상향 이동시킬 때 하강 웨이트의 10% 이하인 메인 웨이트와 카운터 웨이트 간의 중량 차에 불과하다. 더욱이, 하강하는 웨이트가 중력의 영향하에서 모멘텀을 획득함에 따라 하강하는 웨이트는 점진적으로 가속되어 그 속도는 선형으로 증가되고 단위 시간 내에 커버되는 거리는 2차 함수적으로 증가되는 경향이 있다. 메인 웨이트의 수직 샤프트와 맞물려, 발전기의 수평 샤프트와 맞물려 회전시키는 것에 의해 활용되는 중력에 의해 최대의 일이 행해지는 것은 이러한 상황 중이다. 그러나, 메인 웨이트가 하강하여 바닥에 도달할 때, 메인 웨이트는 (한정되는 것은 아니지만) 다른 쪽의의 리프트(카운터 웨이트와 함께)의 제동 및 대향 동작을 포함하는 지연 및 정지 메커니즘에 의해 부드럽게 지연 및 정지된다.

일상적인 동작

(b) 다음 단계(즉, 메인 웨이트의 하강 후)에서, 수직 프레임의 상단에 끌어올려진 상태의 리프트(카운터 웨이트와 함께)는 전술한 바와 같은 센서 및 신호 메커니즘에 의해 시동되어 하향 이동을 시작한다. 이 하향 이동은 2가지 이유, 즉, (i) 카운터 웨이트(리프트와 함께)의 총 중량이 다른 측면상의 메인 웨이트의 중량보다 무겁고 (ii) 위와 같은 하향 이동이 중력의 방향(및 중력에 의해 추가적으로 도움을 받아)을 따라 행해지므로, 최소의 파워/에너지를 소비한다. 보다 많은 수의 상기 유닛을 포함하는 실시예의 경우, 해당 단계는 리프트를 온 파워 상태로 구동하지 않고도 실행 가능한데, 이것은 보다 무거운 카운터 웨이트가 자동적으로 메인 웨이트의 중량을 초과하여 다시 메인 웨이트를 위로 들어올리기 때문이다.

(c) 센서 및 신호 메커니즘은 카운터 웨이트와 함께 리프트의 동작 및 방향과 동기화함으로써 (3개 유닛 중 하나의) 적어도 하나의 수직 샤프트가 발전기의 수평 샤프트의 연속적인 이동을 유지하기 위해 임의의 주어진 시간에 하강/낙하 상태에 있게 되는 것을 보장한다.

(d) 그러므로 본 실시예는 하루 당 적어도 562 MW의 범위의 순수 파워 출력을 생성할 수 있다(메인 웨이트 및 카운터 웨이트의 상향-하향 이동을 지속시키는데 소비된 파워 입력의 30%임에 유의).

(e) 그러므로 발전소에 대한 이상적인 구성은 파워 요건의 양자를 기초로 함으로써 무거운 중량의 물체(들)의 자유 하강의 거리 및 속도와 함께 사용되는 유닛의 수를 최적화함으로써 최소의 파워 입력과 최상의 효율을 달성할 수 있다.

실시예 II

다른 실시예에서, 입력 파워 요건은 더 최소화될 수 있는데, 모든 다른 조건, 파라미터는 상술된 바람직한 실시예 I에서와 동일하고, 구별되는 특징은 다음과 같다:

(i) 수직 챔버와 프레임 위로 수평으로 위치된 풀리 시스템은 외부 소스에 의해 또는 본 발명에 의해 생성된 출력 에너지의 일부에 의해 작동되는 하나 이상의 모터에 연결되어, 실시예 I에 언급된 바와 같은 상기 리프트에 부가되거나 어떤 리프트의 사용도 없는 경우에 따라, 시계 방향 및/또는 반시계 방향의 회전을 통해 메인 웨이트 또는 카운터 웨이트를 들어올리거나 하강시킨다.

(ii) 본 실시예에서, 상기 풀리 위로 이어지고 웨이트를 매다는 수단은 미끄러짐을 미연에 방지하기 위해 풀리 위로 충분한 마찰 및 그립을 발휘하는 것이 필요하다. 바람직한 실시예 I에서 언급된 상기 로프의 유용한 대체물은 (한정되는 것은 아니지만) 당업계에 공지된 적절한 재료로 이루어지고 치부를 갖는 벨트이며, 해당 벨트의 치부는 상기 벨트의 것과 대응하는 치부를 갖는 기어와 유사하도록 적절히 변형된 상기 풀리의 치부와 맞물린다.

실시예 III

다른 실시예에서, 입력 파워 요건은 더 최소화될 수 있는데, 모든 다른 조건, 파라미터는 상술된 바람직한 실시예 I에서와 동일하고, 오직 구별되는 특징은 다음과 같다:

(i) 메인 웨이트와 카운터 웨이트 각각은 각각의 웨이트(즉, 메인 웨이트 또는 카운터 웨이트) 위에 위치된 상부 리프트와 각각의 웨이트(즉, 메인 웨이트 또는 카운터 웨이트) 아래에 위치된 하부 리프트에 추가로 부착되고, 상기 상부 및 하부 리프트 각각은 그 각각의 웨이트로부터 분리 가능하다.

(ii) 센서 및 신호 메커니즘은 시스템 내 유닛의 거리, 속도/속력, 및 갯수를 합리화 및 최적화하는 계산을 기초로 각각의 카운터 웨이트에 대한 상기 리프트의 프로그래밍화된 탈부착을 조절한다.

(iii) 상기 리프트 각각은 주어진 유닛 내의 리프트에 걸쳐 일정한 자체의 질량 및 중량을 가진다.

(iv) 주어진 리프트가 각각의 웨이트에 부착되고 다른 리프트는 자체의 웨이트로부터 탈착시, 불안정 또는 불균형이 생기며, 이는 다시 하나 또는 양자의 리프트가 분리되는 웨이트가, 양자의 개별 리프트를 갖는 다른 측면상의 웨이트가 해당 웨이트에 부착됨으로써 중력의 영향하에 자유로이 또는 각각의 리프트(들)의 동력을 받은 동작에 기인하여 더 무거워져서 하강되므로, 자동적으로 들어 올려지게 된다.

(v) 이러한 상향 및 하향 이동은 중력을 최대한으로 끌어와서 입력 파워의 요건을 최소화함으로써 시스템의 최상의 발전 효율을 달성한다.

1. 중공 수직 채널
2. 로프
3. 풀리 시스템
4. 메인 웨이트의 헤드
5. 메인 웨이트의 수직 샤프트
6. 중공 수직 채널 내의 정지 및 제동 시스템
6-A. 제동 시스템의 일부로서 에어 푸셔
6-S. 제동 시스템의 일부로서 스프링
7. 센서 및 신호 수단
7-(1). 센서-1
7-(2). 센서-2
8. 메인 기어
9. 수직 지하 중공 튜브
10. 수직 프레임
11. 카운터 웨이트
12. 리프트
13. 수평 샤프트
13-A. 풀리 시스템 내 보조 발전 유닛
13-H. 수평 샤프트 홀더
14. 발전기
15. 보조 발전 유닛
15-P. 풀리 시스템 내 보조 발전 유닛

Claims (19)

1. 무거운 질량의 물체의 자유 낙하를 허용하는 것에 의해 중력에 의해 행해지는 일을 최대화하고, 중력의 방향을 따라 하강된 물체를 다시 위로 원래 위치로 들어올리거나 해당 사이클을 반복하기 위해 2개의 질량의 순수 차이만이 입력 파워 메커니즘에 의해 일을 받는 것이 필요하도록 상기 무거운 질량을 다른 유사한 질량으로 카운터밸런싱함으로써 효율을 최대화하는 장치 및 시스템으로서, 고출력 발전기를 연결하는 기어, 플라이 휠 및 샤프트의 안정적인 RPM을 유지하기 위해 복수의 유닛이 동시에 사용되며, 상기 유닛 각각은:
   (i) 그라운드 높이 위로 기립되며, 내벽을 따라 적어도 2개의 가이드 레일을 구비하는 중공 수직 채널과,
   (ii) 메인 웨이트로서,
   (ii)(a) 바람직하게는 상기 채널의 단면에 대응하는 형상이고, 상기 수직 채널의 상기 가이드 레일과 일치되고 해당 가이드 레일의 내부를 따라 슬라이드되는 수단을 외주에 구비한, '헤드'로 지칭되는 상부 요소와,
   (ii)(b) 길이의 적어도 일측면상에 치부를 갖는 수직 샤프트인 하부 요소를 포함하는, 메인 웨이트와,
   (iii) 상기 수직 샤프트의 치부와 맞물리며 플라이 휠 및/또는 다른 2차 기어에 연결된 메인 기어와,
   (iv) 상기 수직 샤프트가 중력에 기인하여 메인 웨이트의 하강에 따라 하향 이동시 상기 메인 웨이트에 의해 직접, 또는 플라이 휠 및/또는 하나 이상의 중간 2차 기어를 통해 회전되는 발전기의 수평 샤프트와,
   (v) 동기화를 위해 미리 정해진 시간과 거리에 걸쳐 자유 하강하는 메인 웨이트가 중공 수직 채널의 바닥에 도달시 해당 메인 웨이트의 상기 헤드를 부드럽게 지연 및 정지하도록 된 지연 및 정지 수단과,
   (vi) 상기 메인 웨이트의 헤드가 상기 중공 수직 채널의 바닥에 도달시 해당 메인 웨이트의 상기 수직 샤프트를 수용하는 수직 지하 중공 튜브와,
   (vii) 발전기의 수평 샤프트의 회전이 일정하게 유지되도록 하강하는 웨이트를 동기화하기 위해 주어진 속도로 상향 및 하향 이동시키는 동력 활성화 수단상에 설치되어 반대 측면상에서 상기 메인 웨이트를 카운터밸런싱하는 카운터 웨이트와,
   (viii) 상향-하향 동작을 위해 상기 메인 웨이트와 카운터 웨이트를 풀리 시스템의 어느 측면상에 매달기 위한 하나 이상의 로프와,
   (ix) 각각의 유닛 내에서 상기 로프가 위로 이어져서 상기 메인 웨이트와 카운터 웨이트를 상향 이송 및 하강 또는 하향 슬라이드하는 복수의 풀리를 각각 포함하는 하나 이상의 풀리 시스템과,
   (x) 상기 메인 웨이트 또는 카운터 웨이트 또는 양자 모두의 상향 및 하향 동작을 개시 및 지속시키는 수단과,
   (xi) 상기 중공 수직 채널에 평행하게 기립된 수직 프레임으로서, 해당 프레임 내에서 상기 수단이 상기 메인 웨이트 또는 카운터 웨이트를 균형을 잡아 상향 또는 하향 이동시키는, 수직 프레임과,
   (xii) 발전기 샤프트의 안정적인 RPM을 유지하기 위해 복수의 유닛의 상기 카운터 웨이트의 속도와 그에 따른 상기 메인 웨이트의 속도를 제어 및 동기화하는 센서, 신호 수단 및 속도계를 포함하는 것에 의해;
   동작 중의 임의의 주어진 순간에 적어도 하나의 메인 웨이트(수직 샤프트 포함)가 발전기의 수평 샤프트(의 기어)와 결합하여 회전시키는 자유 하강 상태에 있는 것을 특징으로 하는 장치 및 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 메인 웨이트의 상부 요소[(ii)(a)]는 원통형, 원통-타원형, 사각형 프리즘 또는 주어진 프로젝트의 주어진 요건에 맞도록 상기 중공 수직 채널에 대응하는 다른 형태인 장치 및 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 메인 기어는 해당 기어가 낙하/하향 슬라이드됨에 따라 상기 수직 샤프트가 상기 기어와 맞물릴 때 바람직하게는 발전기의 상기 수평 샤프트의 양방향 결합 및 일방향 회전을 허용하도록 프리 휠로서 구성된 장치 및 시스템.
4. 제1항 내지 제3항에 있어서, 상기 자유 하강하는 메인 웨이트의 헤드가 중공 수직 채널의 바닥에 도달시 해당 메인 웨이트의 상기 헤드를 부드럽게 지연 및 정지하도록 된 상기 지연 및 정지 수단은:
   (a) 에어 챔버(들),
   (b) 에어 푸셔(들),
   (c) 스프링(들),
   (d) 브레이크(들),
   (e) 전자석(들), 또는
   (f) 로렌쯔 힘(들)을 내는 수단;
   (g) 다른 측면상의 카운터 웨이트의 대향 동작 중 하나 이상인 장치 및 시스템.
5. 제1항 내지 제4항에 있어서, 상기 카운터 웨이트는 상기 메인 웨이트만큼 무거운 장치 및 시스템.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 항에 있어서, 상기 카운터 웨이트는 상기 메인 웨이트보다 3%-10% 무거운 장치 및 시스템.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 항에 있어서, 상기 카운터 웨이트는 상기 메인 웨이트보다 3%-10% 가벼운 장치 및 시스템.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 항에 있어서, 상기 카운터 웨이트를 이송하는 상기 수단은 발전기의 수평 샤프트의 회전이 일정하게 유지되도록 하강하는 웨이트를 동기화하기 위해 상기 센서 및 신호 수단과 협력하여 상기 메인 웨이트를 미리 정해진 속도로 상향 및 하향으로 균형을 잡아주는 장치 및 시스템.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 항에 있어서, 상기 메인 웨이트 또는 카운터 웨이트를 이송하는 상기 수단은 상기 메인 웨이트 또는 카운터 웨이트로부터 분리 가능하며, 외부 파워 소스에 의해 급전되는 장치 및 시스템.
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 항에 있어서, 상기 메인 웨이트 또는 카운터 웨이트를 이송하는 상기 수단은 상기 메인 웨이트 또는 카운터 웨이트로부터 분리 가능하며, 본 발명의 하나 이상의 유닛에 의해 또는 부분적으로 또는 대안적으로 외부 파워 소스에 의해 발생된 파워의 일부를 다시 공급하는 것에 의해 급전되는 장치 및 시스템.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 항에 있어서, 발전기 샤프트의 안정적인 RPM을 유지하기 위해 하나 이상의 유닛의 상기 카운터 웨이트의 속도와 그에 따른 상기 메인 웨이트의 속도를 제어 및 동기화하는 센서는 (a) 자기적 센서, (b) 광 빔/레이저 센서, (c) 수동 적외선 센서, (d) 노크 센서(knock sensor), (e) 압력 센서, (f) 근접각 센서, (g) 전기 센서 중 하나 이상인 장치 및 시스템.
12. 제1항 내지 제11항에 있어서, (a) 풀리와 로드, (b) 수직 채널과 메인 웨이트, (c) 수직 프레임과 카운터 웨이트, (d) 수평 샤프트와 기어, (e) 수직 샤프트와 지하 중공 튜브 중 하나 이상에 전기를 발생시키는 코일 및 자석을 설치하도록 적절히 수정/변형하는 것에 의해 보조 동력 수단이 제공된 장치 및 시스템.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 항에 있어서, 상기 메인 웨이트와 카운터 웨이트의 상향-하향 동작을 개시 및 지속하는 수단은 상기 풀리 시스템의 하나 이상의 풀리상에 설치된 급전 모터인 장치 및 시스템.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 항에 따른 복수의 유닛을 채용하여 발전하는 방법으로서, 중력의 최대 힘을 고출력 발전기의 샤프트를 직접 회전시키거나 플라이 휠 및/또는 기어(들)을 통해 회전시키도록 배향시키는 것에 의해 중력의 최대 힘이 활용될 수 있게 유효하게 되도록, 임의의 주어진 유닛 내에서 무거운 질량의 물체는 시간에 따라 그 속도가 선형으로 증가하는 한편, 물체가 커버하는 거리는 2차 함수적으로 증가하도록 지하 높이로부터 중력의 영향하에서 자유롭게 하강하도록 허용되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 자유 하강하는 무거운 질량의 물체의 웨이트는 외부 파워 소스에 의해 또는 본 시스템의 출력으로부터 다시 공급되는 파워에 의해 들어 올려지는 순수 중량이 단지 2개의 웨이트 간의 차이가 되도록 카운터 웨이트에 의해 일정하게 카운터밸런싱됨으로써 시스템의 효율을 증가시키는 방법.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 채용된 유닛의 수는, 주어진 임의의 유닛에서 메인 웨이트 또는 카운터 웨이트의 상향 또는 하향 동작이 소극적이어서 전체가 중력만으로 구동됨으로써 최소의 파워 입력과 최상의 효율을 달성하도록, 무거운 질량의 물체(들)의 자유 하강의 거리 및 속도와 함께, 최적화되는 방법.
17. 제14항, 제15항 및 제16항에 있어서, 상기 메인 웨이트와 카운터 웨이트의 시간, 거리 및 속도는, 적어도 하나의 유닛의 수직 샤프트가, 다른 유닛(들)의 수직 샤프트가 들어 올려져서 동시에 아래로 하강하는 상태에 있는 발전기 샤프트의 회전의 안정적인 속도를 지속하기 위해, 임의의 주어진 시간에 자유 하강/낙하하는 상태에 있도록, 동기화되는 방법.
18. 무거운 질량의 물체의 자유 낙하를 허용하는 것에 의해 중력에 의해 행해지는 일을 최대화하고, 중력의 방향을 따라 하강된 물체를 다시 위로 원래 위치로 들어올리거나 해당 사이클을 반복하기 위해 2개의 질량의 순수 차이만이 입력 파워 메커니즘에 의해 일을 받는 것이 필요하도록 상기 무거운 질량을 다른 유사한 질량으로 카운터밸런싱함으로써 효율을 최대화하는 장치 및 시스템으로서, 실질적으로 여기 기술되는 바와 같이 고출력 발전기를 연결하는 기어, 플라이 휠 및 샤프트의 안정적인 RPM을 유지하기 위해 복수의 유닛이 동시에 사용되는 것을 특징으로 하는 장치 및 시스템.
19. 복수의 유닛을 채용하여 발전하는 방법으로서, 실질적으로 여기 기술되는 바와 같이 중력의 최대 힘을 고출력 발전기의 샤프트를 직접 회전시키거나 플라이 휠 및/또는 기어(들)을 통해 회전시키도록 배향시키는 것에 의해 중력의 최대 힘이 활용될 수 있게 유효하게 되도록, 임의의 주어진 유닛 내에서 무거운 질량의 물체는 시간에 따라 그 속도가 선형으로 증가하는 한편, 물체가 커버하는 거리는 2차 함수적으로 증가하도록 지하 높이로부터 중력의 영향하에서 자유롭게 하강하도록 허용되는 것을 특징으로 하는 방법.

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