KR101029572B1 - Thermophotovoltaic generator using combustion in porous media of ceramic fiber - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연소에 의해 발생하는 열에너지로 물질을 가열할 때 발생되는 복사에너지를 광전소자에 조사하여 발전하는 열광전 발전장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 열에너지로부터 복사에너지로의 변환효율을 높임으로써 발전 효율을 높일 수 있는 세라믹 섬유 다공체 내 연소를 이용한 열광전 발전장치에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric photovoltaic device that generates power by irradiating a photoelectric device with radiant energy generated when heating a material with thermal energy generated by combustion, and more particularly, by increasing the conversion efficiency from thermal energy to radiant energy. The present invention relates to a thermoelectric photovoltaic device using combustion in a ceramic fiber porous body capable of increasing power generation efficiency.
근래에 들어 고유가와 지구 온난화 문제로 인해 고효율 에너지 기기 개발의 시급성이 증대되고 있다. In recent years, due to high oil prices and global warming, the urgent need for developing high efficiency energy devices is increasing.
미국의 에너지 정보국(Energy Information Administration)에서 정기적으로 발간하는 보고서에 따르면, 2006년을 기준으로 전 세계에서 사용되는 1차 에너지 중 석유(36.3%), 천연가스(22.8%), 석탄(27.0%)의 총 점유율은 86.1%에 달하며, 이들 화석연료 가격의 상승과 더불어 이들의 연소에 의해 발생되는 이산화탄소가 초래하는 지구 온난화 문제를 제어하기 위해 에너지 기기의 효율을 높이기 위한 노력 이 전 세계적으로 이루어지고 있다.According to a report published regularly by the US Energy Information Administration, oil (36.3%), natural gas (22.8%) and coal (27.0%) of the world's primary energy used as of 2006. Has a global share of 86.1%, and efforts to improve the efficiency of energy equipment around the world are underway to control the global warming problems caused by the rise of fossil fuel prices and the carbon dioxide generated by their combustion. .
화석연료의 연소를 통해 스팀터빈이나 가스터빈 등을 구동하여 발전을 하는 기존의 발전 기술은 열역학적인 동력 사이클로서, 고온(T H)과 저온(T L)의 두 열원 사이에서 작동하는 동력 사이클의 최대 효율은 Carnot cycle의 효율(1-T L/T H)을 넘지 못한다. 한편 최근 각광을 받고 있는 연료전지는 열역학적 동력 사이클을 따르지 않고 연료의 전기화학반응을 통해 직접 전기를 생산하는 기술로서, Carnot cycle의 효율 제한을 받지 않으므로 고효율화를 달성할 수 있는 기술로서 인식되고 있다.Conventional power generation technology, which generates electricity by driving steam turbines or gas turbines through the combustion of fossil fuels, is a thermodynamic power cycle, which operates between two heat sources, high temperature ( T H ) and low temperature ( T L ). The maximum efficiency does not exceed the efficiency of the carnot cycle (1- T L / T H ). On the other hand, fuel cells, which are in the spotlight recently, are a technology for directly producing electricity through electrochemical reactions of fuels without following a thermodynamic power cycle, and are recognized as a technology capable of achieving high efficiency since they are not limited by the efficiency of the carnot cycle.
본 발명이 속하는 열광전 발전(THERMOPHOTOVOLTAIC/TPV POWER GENERATION)도 열역학적 동력 사이클을 따르지 않는 직접 발전기술이다. 열광전 발전은 고온의 열원(HEAT SOURCE)에서 방사되는 광자(PHOTON)를 광전소자(PHOTOVOLTAIC/PV CELL)에 조사하여 발전하는 기술로서 태양광 발전기술과 일견 유사하다. 그러나 태양광 발전이 자연적으로 주어지는 태양 빛을 전기로 변환하는 수동적인 발전임에 반해, 열광전 발전은 인위적인 열원으로부터 빛을 발생시켜서 이를 전기로 변환하는 능동적인 발전기술이다. 따라서 열광전 발전의 에너지 변환은 열 -> 광 -> 전의 순서로 이루어지며, 어떠한 열원이 가지고 있는 열에너지를 빛 혹은 복사에너지로 변환한 후 궁극적인 전기에너지로 변환하는 기술이다.Thermoelectric photovoltaic (THERMOPHOTOVOLTAIC / TPV POWER GENERATION) to which the present invention belongs is also a direct power generation technology that does not follow a thermodynamic power cycle. Thermoelectric power generation is a technology that generates power by irradiating a photovoltaic device (PHOTOVOLTAIC / PV CELL) with a photon emitted from a high temperature heat source, which is similar to photovoltaic power generation technology. However, while photovoltaic power generation is passive power generation that naturally converts solar light into electricity, thermoelectric power generation is an active power generation technology that generates light from an artificial heat source and converts it into electricity. Therefore, the energy conversion of thermoelectric photovoltaic power generation is performed in the order of heat-> light-> electricity, and it is a technology that converts thermal energy of a heat source into light or radiant energy and ultimately into electrical energy.
열광전 발전에서 에너지의 원천인 열에너지는 원자력발전에서 발생하는 열을 사용할 수도 있고, 산업공정 등에서 발생하는 고온의 폐열 혹은 태양열을 집광한 고온 태양열을 활용할 수도 있다. 그러나 일반적으로 현 단계에서 주 대상으로 연구되고 있는 열원은 연료가 가지는 화학에너지로부터 손쉽게 획득되는 연소 열원이며, 본 발명도 여기에 속한다.Thermal energy, which is a source of energy in thermoelectric power generation, may use heat generated from nuclear power generation, or may use high temperature waste heat generated from industrial processes, or high temperature solar heat that collects solar heat. In general, however, the heat source that is mainly studied at this stage is a combustion heat source easily obtained from the chemical energy of the fuel, and the present invention also belongs to this.
따라서 연소 열원을 이용한 열광전 발전은, 열에너지를 생성하는 연소기(BURNER)와, 열에너지로부터 복사에너지로의 변환을 담당하는 방사체(EMITTER)와, 복사에너지를 전기로 변환하는 광전소자로 구성된다. Therefore, thermoelectric power generation using a combustion heat source is composed of a burner (BURNER) that generates heat energy, an emitter (EMITTER) that is responsible for converting thermal energy into radiant energy, and an optoelectronic device that converts radiant energy into electricity.
방사체에서 이루어지는 열에서 복사에너지로의 변환은 물질의 고온 복사와 관련되며, 방사되는 빛의 파장별 에너지는 Plank의 법칙으로, 최대 에너지를 방출하는 파장은 Wien의 법칙으로 기술된다. 이들에 따르면 일반적인 화석연료의 공기 연소에 의해 도달 가능한 2000℃ 이하에서는 주로 적외선 영역 복사 에너지가 방출되며, 이는 일반적인 금속이나 세라믹이 고온에서 빨간색을 띄는 것과 같은 원리이다.The heat-to-radiation conversion of the radiator is related to the high temperature radiation of the material, the energy of each wavelength of emitted light is described in Plank's law, and the wavelength of maximum energy is described in Wien's law. According to them, mainly in the infrared region radiant energy is emitted below 2000 ° C, which can be reached by air burning of general fossil fuels, which is the same principle that a general metal or ceramic is red at high temperatures.
이에 반해 현재 상용화되어 널리 쓰이는 결정질 실리콘 태양전지는 약 1.11㎛의 bandgap 파장을 가지고 있어서 주로 가시광(약 0.4~0.7㎛) 영역의 빛을 흡수하여 전기로 변환한다. 만일 방사체에서 방사되는 적외선 피크의 복사에너지를 실리콘 태양전지에 조사하면 bandgap 파장 이상의 광자는 태양전지에서 흡수되지 못하고 투과하게 된다. In contrast, crystalline silicon solar cells, which are commercially available and widely used, have a bandgap wavelength of about 1.11 μm, and mainly absorb light in the visible light (about 0.4 to 0.7 μm) region and convert it into electricity. If the radiation of the infrared peak radiated from the emitter is irradiated on the silicon solar cell, photons above the bandgap wavelength are transmitted by the solar cell.
따라서 열광전 발전에서는 방사체에서 방사되는 복사에너지의 파장과 광전소자의 bandgap 파장을 매칭시키는 것이 반드시 필요하며, 이를 위해 크게 세가지 기술적 접근이 사용된다. 첫 번째로 적외선 피크를 가지는 방사체의 복사에너지 스펙 트럼에 대해 전기로의 변환 효율을 높일 수 있는 낮은 bandgap 파장을 가지는 광전소자를 사용하는 방법, 두 번째로 주어진 광전소자의 bandgap 파장에 적합한 복사에너지를 방사하는 물질을 방사체로 사용하는 방법, 세 번째로 bandgap 파장에 적합한 광자만을 선택적으로 투과하고 나머지는 반사시키는 광학필터(OPTICAL FILTER)를 방사체와 광전소자의 사이에 사용하는 방법이 있다. 그러나 이 세 가지 방법은 단독으로 사용되기 보다는 둘 이상의 조합을 통해 발전 효율을 높일 수 있는 방향으로 사용되는 것이 일반적이다.Therefore, in thermoelectric power generation, it is necessary to match the wavelength of radiant energy radiated from a radiator with the bandgap wavelength of an optoelectronic device, and three technical approaches are used for this purpose. Firstly, a method using an optoelectronic device having a low bandgap wavelength to improve the conversion efficiency to electricity for the radiant energy spectrum of an emitter having an infrared peak, and secondly radiating radiation energy suitable for the bandgap wavelength of a given optoelectronic device There is a method of using a material as a emitter, and a third method is to use an optical filter (OPTICAL FILTER) between the emitter and the optoelectronic device to selectively transmit only the photons suitable for the bandgap wavelength and reflect the rest. However, these three methods are generally used in a direction that can increase power generation efficiency through a combination of two or more rather than being used alone.
이를 종합하면, 열광전 발전은 일반적으로 연소기, 방사체, 광학필터, 광전소자로 이루어진다.In sum, thermoelectric power generation generally consists of a combustor, a radiator, an optical filter, and an optoelectronic device.
열광전 발전의 고 효율화를 위해서는 먼저 열에너지로부터 복사에너지로의 변환 효율이 높아야 한다. 이는 물질의 열복사와 관련되는데, 절대 온도 의 흑체(blackbody)에서 방사되는 총 복사에너지()는 Stefan-Boltzmann의 법칙에 따라 온도 의 4승에 비례(, 여기서 는 Stefan-Boltzmann 상수, )한다. 이에 따르면 흑체 온도가 1500K에서 1600K로 100℃만 상승하여도 복사에너지 방출량은 29.5%나 상승하게 된다. 따라서 방사체의 온도가 높을수록 더욱 더 많은 에너지를 복사에너지로 변환할 수 있는 것이다.For high efficiency of thermoelectric power generation, the conversion efficiency from thermal energy to radiant energy should be high. This is related to the thermal radiation of the material, where the total radiant energy radiated from the blackbody at absolute temperature is proportional to the quadratic power of the temperature (in this case, the Stefan-Boltzmann constant), according to Stefan-Boltzmann's law. According to this, even if the blackbody temperature rises from 1500K to 1600K only by 100 ° C, the amount of radiant energy emitted increases by 29.5%. Therefore, the higher the temperature of the radiator, the more energy can be converted into radiant energy.
연소를 통한 방사체의 가열과 관련한 종래기술에서, 첫 번째로, Bitnar 등(Bernd Bitnar, Wilhelm Durisch, Alfred Waser, 2004, “TPV systems-From research towards commercialisation”, 6th Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity), Fraas 등(US Patent 6489553, “TPV cylindrical generator for home cogeneration”, US Patent 7196263, “TPV cylindrical generator for home cogeneration using low NOx radiant tube burner”)은 적당한 크기의 연소실을 구비하고 있고 그 곳에서 발생된 고온의 연소 배기가스가 방사체 표면과 나란하게 흘러가면서 대류 열전달에 의해 방사체를 가열하는 방식을 채택하였다.In the prior art relating to the heating of radiators by combustion, first, Bitnar et al. (Bernd Bitnar, Wilhelm Durisch, Alfred Waser, 2004, “TPV systems-From research towards commercialisation”, 6th Conference on Thermophotovoltaic Generation of Electricity), Fraas (US Patent 6489553, "TPV cylindrical generator for home cogeneration", US Patent 7196263, "TPV cylindrical generator for home cogeneration using low NOx radiant tube burner") has a combustion chamber of a suitable size and the high temperature generated therein Combustion exhaust flows parallel to the surface of the radiator, and the radiator is heated by convective heat transfer.
두 번째로, Qiu 등(Qiu K, Hayden ACS, 2007, “Thermophotovoltaic power generation systems using natural gas-fired radiant burners”, Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 91, pp.588-596)은 세라믹 허니컴(honeycomb)과 같이 다수의 구멍이 형성된 방사체를 사용하고 배기가스가 방사체의 구멍을 통해 지나가도록 함으로써 방사체를 가열하는 방식을 채택하였다.Secondly, Qiu et al. (Qiu K, Hayden ACS, 2007, “Thermophotovoltaic power generation systems using natural gas-fired radiant burners”, Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 91, pp.588-596) Honeycomb) is used to heat the radiator by using a radiator with a plurality of holes and allowing exhaust gas to pass through the hole of the radiator.
세 번째로 Nelson(US Patent 5360490, "Radiant emission and thermophotovoltaic technology), Qiu 등(Qiu K, Hayden ACS, 2006, “Development of a silicon concentrator solar cell based TPV power system”, Energy Conversion and Management, vol. 47, pp.365-376)은 다공성 방사체를 사용하여 그 표면에서 연소가 일어나도록 하는 표면연소 방식을 채택하였다.Third, Nelson (US Patent 5360490, "Radiant emission and thermophotovoltaic technology), Qiu et al. (Qiu K, Hayden ACS, 2006," Development of a silicon concentrator solar cell based TPV power system ", Energy Conversion and Management, vol. 47 , pp.365-376) employ a surface combustion method that allows combustion to occur on its surface using porous emitters.
방사체에서의 열복사량은 그것의 온도에 크게 의존함을 상기할 때, 첫 번째의 경우 고온의 배기가스가 방사체의 내벽 만을 가열함에 반해, 두 번째는 다공성 방사체의 내부를 통과하므로 보다 높은 방사체 온도를 기대할 수 있다. 반면 세 번째는 표면 연소에 의해 고온의 화염이 방사체와 매우 가깝게 위치하여 방사체를 고온화 시킬 수 있는 이점이 있으나, 차가운 반응가스가 다공성 방사체를 통해 지속 적으로 유입되므로 운전조건에 따라서는 상기 두 경우보다 온도가 낮을 가능성도 있다.Recalling that the amount of heat radiation at the emitter is highly dependent on its temperature, while in the first case hot exhaust gases heat only the inner wall of the emitter, the second passes through the interior of the porous emitter and therefore at higher emitter temperatures. You can expect On the other hand, in the third case, the high temperature flame is located very close to the radiator by the surface combustion, so that the radiator can be heated. However, since the cool reaction gas is continuously introduced through the porous radiator, the operating conditions are higher than those of the two cases. It is possible that the temperature is low.
이상과 같이 살펴 본 종래 기술을 종합해 볼 때, 열광전 발전이 높은 효율을 달성하기 위해서는 방사체를 고온화 할 수 있는 기술이 필요하나, 종래의 기술은 배기가스로 방사체를 가열하거나, 표면연소를 통해 방사체를 가열하는 방식을 채택하고 있으며, 그로 인해 복사에너지로의 변환효율이 매우 낮은 편이다. In view of the above-described conventional techniques, in order to achieve high efficiency of thermoelectric power generation, a technique capable of high temperature of the radiator is required, but the conventional technique requires heating the radiator with exhaust gas or by surface combustion. The radiator is heated, and the conversion efficiency to radiant energy is very low.
한편 복사에너지로의 변환 효율의 지표는 배기가스를 통해 외부로 방출되는 열량으로 표현될 수 있는데, 외부로 배출되는 배기가스의 온도가 낮을수록 그 효율이 높다고 할 수 있다. 상기의 종래 기술은 고온의 배기가스를 외부로 방출하며 이를 회수하기 위해 후단에 열교환기를 설치하여 이를 통해 연소용 공기를 예열하는 방식을 채택하고 있다. 그러나 고온의 배기가스가 가지는 열을 회수하기 위해 대형의 열교환기가 사용되어야 하는 문제점이 있었다.On the other hand, the index of the conversion efficiency to radiant energy can be expressed by the amount of heat emitted to the outside through the exhaust gas, the lower the temperature of the exhaust gas to the outside can be said that the higher the efficiency. The prior art has adopted a method of preheating the combustion air by installing a heat exchanger at the rear end to discharge the high temperature exhaust gas to the outside and recover it. However, there is a problem that a large heat exchanger should be used to recover the heat of the high temperature exhaust gas.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, The present invention has been made to solve the above problems,
연료의 연소에 의해 발생되는 열에너지로 방사체를 가열하여 복사에너지를 생성하고 이를 광전소자에 조사하여 발전하는 열광전 발전장치에 있어서, 종래 기술에 의한 열에너지로부터 복사에너지로의 낮은 변환효율을 극복할 수 있도록, 세라믹 섬유를 방사체로 사용하고, 세라믹 섬유 방사체 내부에 적정 크기의 기공이 유지되도록 하여 다공체를 형성하고, 그 다공체 내부에서 연소가 일어나도록 함으로써, 다공체 내 초과 엔탈피(excess enthalpy) 연소에 의해 방사체가 종래 기술보다 고온화 되도록 하여, 열에너지로부터 복사에너지로의 변환효율을 높이고, 궁극적으로 고 효율의 열광전 발전 장치를 제공함에 목적이 있다.In the thermoelectric photovoltaic device that generates radiant energy by heating radiators with thermal energy generated by combustion of fuel and irradiates the optoelectronic devices, low conversion efficiency from thermal energy to radiant energy according to the prior art can be overcome. The ceramics are used as radiators, and the pores of the proper size are maintained inside the ceramic fiber radiators to form the porous bodies, and the combustion takes place inside the porous bodies, thereby causing the radiators to be discharged by excess enthalpy combustion in the porous bodies. By making the temperature higher than the prior art, it is an object to increase the conversion efficiency from thermal energy to radiant energy, and ultimately to provide a high efficiency thermoelectric photovoltaic device.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 세라믹 섬유 다공체 내 연소를 이용한 열광전 발전장치는, 세라믹 섬유로 이루어지는 다공성 방사체와, 상기 다공성 방사체 내부에서 초과 엔탈피 연소가 이루어지도록 연료와 공기의 분배와 연소 안정성을 제공하는 미세 다공성 분배관과, 상기 방사체에서 방사되는 복사에너지 중 특정 스펙트럼만 통과시키는 광학필터와, 상기 광학필터를 통과한 스펙트럼의 광자를 전기로 변환하는 광전소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a thermoelectric photovoltaic device using combustion in a ceramic fiber porous body of the present invention includes a porous radiator made of ceramic fibers, and fuel and air distribution and combustion stability such that excess enthalpy combustion is performed inside the porous radiator. And a microporous distribution tube providing an optical filter, an optical filter for passing only a specific spectrum of radiant energy emitted from the emitter, and an optoelectronic device for converting photons of the spectrum passing through the optical filter into electricity.
그리고, 상기 미세 다공성 분배관은, 연료와 공기의 혼합기를 균일하게 분배하고, 고온의 화염이 형성되도록 하며, 고온의 화염에서 전달되는 열에 의해 상기 연료와 공기의 혼합기를 예열하여 초과 엔탈피 연소에 의한 고온 연소 및 방사체의 고온화가 가능하도록 미세 기공이 형성되되, 상기 미세 기공의 평균 크기가 500㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.Further, the microporous distribution tube uniformly distributes the mixture of fuel and air, allows a high temperature flame to be formed, and preheats the mixture of fuel and air by heat transferred from the high temperature flame, thereby causing excessive enthalpy combustion. Fine pores are formed to enable high temperature combustion and high temperature of the radiator, and the average size of the fine pores is 500 μm or less.
또한, 상기 다공성 방사체에서 방사되는 복사에너지는 통과시키고, 대류 및 전도에 의한 열전달을 차단하도록, 그 사이가 진공되도록 투명한 이중관으로 형성되는 진공단열부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the radiating energy radiated from the porous radiator is characterized in that it further comprises a vacuum insulating member formed of a transparent double tube so that the vacuum therebetween to pass through, and block heat transfer by convection and conduction.
한편, 상기다공성 방사체는, 상기 미세 다공성 분배관 둘레에 감싸져서 설치되며, 그 내부에 적정 크기의 기공이 형성되도록 세라믹 섬유를 직물로 제조한 세라믹 직물인 것을 특징으로 한다.On the other hand, the porous radiator is wrapped around the microporous distribution pipe is installed, characterized in that the ceramic fabric made of a ceramic fiber fabric to form pores of the appropriate size therein.
또는, 상기 세라믹 섬유 다공성 방사체는, 미세 다공성 분배관에서 발생되는 대류 및 전도에 의한 열전달을 차단하도록 석영 유리관이 상기 미세 다공성 분배관을 커버하도록 설치되며, 상기 미세 다공성 분배관과 석영 유리관의 사이에 적정크기로 파쇄된 세라믹 섬유가 적정 크기의 기공이 형성되도록 충전된 것을 특징으로 한다.Alternatively, the ceramic fiber porous radiator is installed so that the quartz glass tube covers the microporous distribution tube so as to block heat transfer due to convection and conduction generated in the microporous distribution tube, between the microporous distribution tube and the quartz glass tube. The ceramic fiber crushed to the appropriate size is characterized in that the filling to form pores of the appropriate size.
이에 더하여, 상기 다공성 방사체는 평균 기공의 크기가 1~5mm인 것을 특징으로 한다.In addition, the porous emitter is characterized in that the average pore size is 1 ~ 5mm.
그리고, 상기 세라믹 섬유는 탄화규소로 제조되는 섬유인 것을 특징으로 한다.And, the ceramic fiber is characterized in that the fiber is made of silicon carbide.
이때, 상기 다공성 방사체는, 선택 파장의 복사에너지가 방사되도록 희토류 금속산화물의 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 한다.In this case, the porous emitter, characterized in that to form a coating layer of rare earth metal oxide so that radiant energy of a selected wavelength is emitted.
한편, 다공성 방사체에서 연소되어 발생되는 연소 배기가스로부터 열을 회수하도록, 배기가스와 연료 및 공기 간의 열교환을 위한 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 한다.On the other hand, it is characterized in that a heat exchanger for heat exchange between the exhaust gas, fuel and air to recover heat from the combustion exhaust gas generated by combustion in the porous radiator.
한편, 상기 다공성 방사체에서 방사되는 복사에너지 중 광전소자에 조사되지 못하는 빛이 회수되도록, 반사체가 구비되는 것을 특징으로 한다.On the other hand, it is characterized in that the reflector is provided to recover the light that is not irradiated to the photoelectric device of the radiant energy emitted from the porous radiator.
본 발명에 따르면, 연료의 연소에 의해 발생되는 열에너지가 열역학적 동력 사이클을 통하지 않고, 전기로 직접 변환되므로 고효율 발전이 가능한 이점이 있으며, 다공체 내부에서 열의 재순환이 발생하므로 기존의 방법보다 고온의 화염을 형성할 수 있으며, 그로 인해 고효율 발전이 가능한 이점이 있다.According to the present invention, since thermal energy generated by combustion of fuel is directly converted into electricity, rather than through a thermodynamic power cycle, high efficiency power generation is possible, and heat recycling occurs inside the porous body so that flames having a higher temperature than conventional methods are produced. It is possible to form, and there is an advantage that high efficiency power generation is possible.
또한, 미세 다공성 분배관과 다공성 방사체로 이루어진 이중 구조로 인해 다양한 작동 부하에서 안정적인 연소가 가능하며, 미세 다공성 분배관에 의한 열 재순환의 극대화가 가능한 이점이 있다.In addition, due to the dual structure consisting of a microporous distribution tube and a porous radiator, a stable combustion is possible at various operating loads, and there is an advantage of maximizing heat recycling by the microporous distribution tube.
그리고, 본 발명의 다공성 방사체는 세라믹 섬유로 제조되어 유연하므로 외부의 충격에 유연하게 대응할 수 있으며, 선택 복사를 위한 희토류 금속 산화물을 코팅할 경우, 희토류 금속 산화물이 가지는 낮은 열전도도와 높은 열팽창계수에 따른 박리현상을 최소화할 수 있는 이점이 있다.In addition, since the porous radiator of the present invention is made of ceramic fiber and is flexible, it can flexibly respond to external impact, and when the rare earth metal oxide is coated for selective radiation, the rare earth metal oxide has a low thermal conductivity and a high coefficient of thermal expansion. There is an advantage that can minimize the peeling phenomenon.
더욱이, 본 발명은 투명한 진공단열부재를 이용함으로써, 다공성 방사체에서 방사되는 복사에너지는 통과시키고, 전도와 대류 열전달은 차단함으로써 고효율 발전이 가능한 이점이 있다.Moreover, the present invention has the advantage that high efficiency power generation is possible by passing the radiant energy radiated from the porous radiator and blocking conduction and convective heat transfer by using the transparent vacuum insulation member.
게다가, 본 발명은 배기가스로부터 열을 회수하기 위한 열교환기가 구비되며, 광전소자에 조사되지 못하는 복사에너지를 회수하기 위한 반사체가 구비되어, 고효율 발전이 가능한 이점이 있다.In addition, the present invention is provided with a heat exchanger for recovering heat from the exhaust gas, the reflector for recovering the radiant energy that is not irradiated to the photoelectric device is provided, there is an advantage that high efficiency power generation is possible.
먼저, 본 발명은 세라믹 섬유로 이루진 다공성 방사체와, 상기 다공성 방사체 내부에서 연료와 공기의 분배와 연소 안정성을 제공하는 미세 다공성 분배관(11)과, 상기 다공성 방사체의 외부에 설치되어 복사에너지는 통과시키고 전도와 대류열전달은 차단하는 진공단열부재(60)와, 상기 다공성 방사체에서 방사되는 복사에너지 중 특정 스펙트럼만 통과시키는 광학필터(20)와, 상기 광학필터(20)를 통과한 스펙트럼의 광자를 전기로 변환하는 광전소자(30)와, 상기 다공성 방사체에서 방사되는 복사에너지 중 광전소자에 조사되지 못하는 빛을 반사시켜 회수할 수 있도록 하는 반사체(70)와, 상기 다공성 방사체 내 연소에 의해 생성된 배기가스로부터 열을 회수하기 위한 열교환기(40)를 포함하여 구성된다.First, the present invention provides a porous radiator made of ceramic fibers, a
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail. The accompanying drawings show exemplary forms of the present invention, which are provided to explain the present invention in more detail, and the technical scope of the present invention is not limited thereto.
도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예는 연료와 공기의 혼합기를 균일하게 공급하는 미세 다공성 분배관(11)과, 연소에 의해 생성된 열에너지를 복사에너지로 변환하는 다공성 방사체와, 상기 다공성 방사체에서 방사되는 복사에너지만 통과시키고 전도와 대류 열전달을 차단하는 진공단열부재(60)와, 상 기 다공성 방사체에서 방사되는 특정 스펙트럼의 복사에너지만 통과시키는 광학필터(20)와, 상기 광학필터(20)를 통과한 스펙트럼의 광자(photon)를 전기로 변환하는 광전소자(30)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in Figures 1 to 9, an embodiment of the present invention is a
여기서, 다공성 방사체는 세라믹 직물 다공성 방사체(12) 또는 세라믹 섬유 다공성 방사체(15)가 선택적으로 적용될 수 있다. 그리고, 세라믹으로 제조되는 다공성 방사체는 탄화규소로 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 다공성 방사체는 선택 파장의 복사에너지가 방사되도록 희토류 금속산화물의 코팅층을 형성하는 것이 바람직하다.Here, the porous radiator may be selectively applied to the ceramic fabric
아래에서는, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명을 상세히 설명하고, 도 6 내지 9에 대한 설명은 도 1 내지 도 5와 상이한 점만을 상세히 기술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5, and the description of FIGS. 6 to 9 will only describe the points different from those of FIGS. 1 to 5.
도 1 내지 도 5의 미세 다공성 분배관(11)은 연료와 공기의 혼합기를 균일하게 분배하기 위한 일차적인 목적으로 사용되며, 연결재(14)에 의해 고정되며, 상기 혼합기의 공급단의 반대 측은 밀봉재(13)에 의해 막혀있도록 한다. 상기 미세 다공성 분배관(11)의 둘레에는 세라믹 섬유를 직물로 제조한 세라믹 직물을 감아서 그 내부에 기공이 형성되도록 한 세라믹 직물 다공성 방사체(12)가 위치한다. 상기 미세 다공성 분배관(11)에서 공급된 혼합기는 세라믹 직물 다공성 방사체(12)의 내부에 화염을 형성하여, 궁극적으로 다공체 내 연소를 실현한다. The
이때, 세라믹 직물 다공성 방사체(12)는 다공체 내 연소가 실현될 수 있도록 평균 기공의 크기가 1mm 내지 5mm 이하인 것이 바람직하다. 또한 상기 미세 다공성 분배관(11)의 평균 기공의 크기는 500㎛ 이하인 것을 사용함으로써 화염의 역화를 방지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이로써 미세 다공성 분배관(11)과 세라믹 직물 다공성 방사체(12)로 이루어진 이중 기공 구조는 상기 세라믹 직물 다공성 방사체(12)의 기공 내부에 형성되는 화염이 역화되지 못하도록 함으로써 다양한 작동 부하에서 안정적인 연소가 가능하도록 한다.At this time, the ceramic fabric
또한 미세 다공성 분배관(11)과 세라믹 직물 다공성 방사체(12)로 이루어진 이중 다공체는 연소에 열 재순환의 효과를 부여하여 궁극적으로 초과 엔탈피 연소(excess enthalpy combustion)가 가능케 한다. 연료와 공기가 만나서 화염을 형성할 때, 화염의 온도는 연료가 가지는 화학적 에너지 중에서 외부로의 대류, 전도, 복사에 의해 손실되는 열을 제외한 에너지에 의해 승온되는 가스의 온도로 결정된다. 이 때 연소반응이 활발히 일어나는 화염 영역의 후류에서 배기가스가 가지는 열에너지를 재순환하여 화염 영역의 상류에서 연료와 공기의 혼합기를 예열하는데 사용한다면, 열 재순환이 적용되지 않은 화염에 비해 고온인 화염을 얻을 수 있으며, 이를 초과 엔탈피 연소라 한다. In addition, the dual porous body composed of the
본 발명은 세라믹 직물 다공성 방사체(12) 내부에서 연소가 일어나도록 함으로써, 상기 세라믹 직물 다공성 방사체(12)를 이루는 세라믹 섬유가 고온의 화염영역으로부터 저온의 상류영역으로 전도 및 복사 열전달에 의해 열에너지를 수송하게 되고, 이를 획득한 연료와 공기의 혼합기는 화염영역에 도달하기 이전부터 열에너지를 받아서 승온이 이루어지게 된다. 더욱이, 상기 세라믹 직물 다공성 방사체(12) 내부에 삽입된 미세 다공성 분배관(11)도 이러한 열 에너지의 재순환에 참여하여, 연료와 공기의 예열을 돕는 역할을 한다. The present invention allows combustion to occur within the ceramic fabric
결과적으로 상기 미세 다공성 분배관(11)과 상기 세라믹 직물 다공성 방사체(12)의 이중 구조로 이루어진 열광전 발전의 방사체 및 분배기로 이루어지는 연소기는, 연료와 공기의 균등 분배와, 다공체 내 연소를 통한 초과 엔탈피 연소와, 다공체 내에 형성된 화염의 안정화와, 초과 엔탈피 연소를 통한 방사체의 고온화를 이룰 수 있는 특징이 있으므로, 열광전 발전장치에 적용되어 널리 사용될 수 있는 매우 유용한 발명이라 할 수 있다. As a result, a combustor composed of a radiator and a distributor of thermoelectric power generation having a dual structure of the
한편, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 상기 세라믹 직물 다공성 방사체(12)를 빠져나온 배기가스는 투명한 석영 유리관(51)을 따라 빠져나가도록 함으로써, 배기가스가 여전히 가지고 있는 열에너지가 상기 세라믹 직물 다공성 방사체(12)를 따라 흐르면서 회수될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.Meanwhile, as illustrated in FIGS. 1 to 5, the exhaust gas exiting the ceramic fabric
또한, 상기 석영 유리관(51)의 외측에는 상기 세라믹 직물 다공성 방사체(12)에서 방사되는 복사에너지는 통과시키고, 대류와 전도 열전달에 의한 열 손실을 차단할 수 있는 진공단열부재(60)를 포함하여 구성하는 것이 바람직하다. In addition, the outer side of the
상기 진공단열부재(60)는 빛을 통과시킬 수 있도록 투명하며, 비교적 고온에서 견딜 수 있도록, 내열성 유리나 석영유리 등으로 구현할 수 있으며, 상기 세라믹 직물 다공성 방사체(12)와 석영 유리관(51)을 씌워서 커버하도록 상부가 폐쇄된 이중관 형상이면서 그 사이가 진공상태인 것이 바람직하다. 상기 진공단열부재(60)를 사용함으로써 열에 약한 광전 소자(30)를 보호할 수 있으므로 매우 유용한 방법이다. The
또한 상기 진공단열부재(60)는 상부가 페쇄된 형상을 가짐으로 인해 상기 세 라믹 직물 다공성 방사체(12)를 빠져나온 배기가스가 애초에 연료와 공기의 혼합기가 공급되었던 방향으로 배출될 수 있도록 하는 효과가 있고, 이로 인해 연료와 공기의 공급지점과 배기가스의 배출지점이 일원화되어 열교환기(40)의 설치가 용이해지는 이점이 있다.In addition, the
한편, 상기 진공단열부재(60)의 외측에는 광전소자(30)에 적합한 파장의 복사에너지만 통과시키고, 그 외의 스펙트럼은 반사시킬 수 있는 광학 필터(20)를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 광학 필터(20)는 장파장의 적외선을 반사시킬 수 있도록 ITO(Indium-Tin-Oxide)가 코팅된 유리나, 미세 구조물에 의해 선택 파장만을 필터링 할 수 있는 광자 결정(photonic crystal)등, 다양한 방법을 통해 구현될 수 있으며, 광전 소자(30)의 밴드갭(bandgap)을 고려하여 필터링 파장을 결정하여야 한다. 그러면, 광전소자(30)는 광학필터(20)를 통과한 광자를 이용하여 발전하게 된다. On the other hand, the outer side of the
한편, 상기 세라믹 직물 다공성 방사체(12)에서 방사되는 복사에너지 중에서 상기 광전 소자(30)를 향하여 방사되지 못하고 외부로 방출되는 일부의 빛은 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 상부에 반사체(70)를 설치함으로써 회수하는 것이 바람직하다.Meanwhile, some of the light emitted from the ceramic fabric
또한, 배기가스가 가지고 있는 잔여 에너지를 회수하기 위해 배기가스가 배출되는 후단에 열교환기(40)를 설치하여, 상기 미세 다공성 분배관(11)으로 공급되는 연료와 공기의 혼합기를 예열하는데 사용하는 것이 바람직하다. 이 때, 열교환기 입구(41)와 열교환기 출구(42)는 각각 상기 미세 다공성 분배관(11)의 내측과 외측에 연결되도록 한다.In addition, a
본 발명의 다른 실시 예를 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면 아래와 같다.Another embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 6 and 7.
먼저, 도 6 및 도 7의 실시 예는, 도 1 내지 도 6의 실시 예에서 상기 세라믹 직물 다공성 방사체(12)와 석영 유리관(51)을, 각각 세라믹 섬유 다공성 방사체(15)와 희토류 금속 산화물관(52)로 대치하여 구성되어 있다.First, the embodiment of FIGS. 6 and 7 includes the ceramic fabric
상기 세라믹 섬유 다공성 방사체(15)는 세라믹 섬유를 짧게 파쇄하여, 상기 미세 다공성 분배관(11)과 상기 희토류 금속 산화물관(52) 사이에 채워 넣음으로써, 적정 크기의 기공이 형성되도록 한 다공성 방사체로서, 상기 세라믹 직물 다공성 방사체(12)와 같이 세라믹 섬유를 직물로서 제조하는 수고를 덜 수 있는 이점이 있으며, 상기 세라믹 섬유 다공성 방사체(15) 내부에 형성된 고온의 화염으로부터 열전달에 의해 상기 희토류 금속 산화물관(52)을 고온으로 가열할 수 있는 특징이 있다. The ceramic fiber
따라서 상기 세라믹 섬유 다공성 방사체(15)를 방사체로 사용할 경우에는, 도 1 내지 도 5의 실시 예와 마찬가지 방법으로, 그 외부에 희토류 금속 산화물관(52)을 대신하여 석영 유리관(52)을 씌우도록 한다. Therefore, when the ceramic fiber
한편 희토류 금속 산화물과 같이 특정 파장의 빛이 강하게 방사되는 선택 방사 물질을 방사체로 사용하고자 할 경우에는, 상기 세라믹 섬유 다공성 방사체(15)의 외부에 희토류 금속 산화물관(52)을 사용하여 구현할 수 있다. On the other hand, when using a selective radiating material that emits light of a particular wavelength strongly, such as rare earth metal oxide, as a radiator, it may be implemented by using a rare earth
본 발명의 또 다른 실시 예를 도 8과 도 9을 참조하여 설명하면 아래와 같다.Another embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 8 and 9.
도 8과 도 9의 실시 예는 상기 도 5와 도 7의 실시 예와 달리, 상기 다공성 방사체에서 배출되는 배기가스가, 도 5의 석영 유리관(51)의 외측이나, 도 7의 석영 유리관 또는 희토류 금속 산화물관(52)의 외측을 따라 흐르지 않고, 상기 미세 다공성 분배관(11)의 내측에 구비된 배기가스 회기관(80)을 통해 열교환기(40)에 공급되도록 한 것이 특징으로서, 고온의 배기가스가 배기가스 회귀관(80)을 통해 흐를 때 그 주위를 따라 흐르는 상기 미세 다공성 분배관(11) 내부의 연료와 공기의 혼합기가 추가적으로 예열될 수 있도록 함으로써 보다 많은 열에너지를 회수할 수 있도록 고안된 것이다. 8 and 9 are different from the embodiments of FIGS. 5 and 7, the exhaust gas discharged from the porous radiator is outside the
다만 도 8과 도 9는, 각각 도 5과 도 7에서와 같이, 세라믹 직물 다공성 방사체(12)와 세라믹 섬유 다공성 방사체(15)가 각각 사용되는 것이 차이점이며, 그에 따르는 효과는 상기한 도 5과 도 7의 실시 예에서 기술한 바와 같다.8 and 9, the ceramic fabric
한편, 도 1 내지 도 9의 실시 예에서 초기에 연료와 공기의 혼합기의 점화를 위하여 스파크 점화기(도시생략)를 사용하는 것이 바람직하며, 스파크 점화기는 상기 다공성 방사체를 빠져 나오는 가스의 흐름 중에 위치시키며, 상기 열교환기(40) 이전에 설치하도록 한다.Meanwhile, in the embodiments of FIGS. 1 to 9, it is preferable to use a spark igniter (not shown) for ignition of a mixture of fuel and air initially, and the spark igniter is positioned in the flow of gas exiting the porous radiator. To be installed before the
이상, 본 발명의 실시 예에 대해 설명하였다. 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.In the above, the embodiment of the present invention has been described. It will be appreciated that the technical configuration of the present invention can be implemented in other specific forms by those skilled in the art without changing the technical spirit or essential features.
그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. Therefore, the embodiments described above are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive, the scope of the invention being indicated by the following claims rather than the foregoing description, and the meaning and scope of the claims and All changes or modifications derived from the equivalent concept should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 세라믹 직물 다공성 방사체가 적용된 일실시예를 보인 사시도.1 is a perspective view showing an embodiment in which the ceramic fabric porous radiator of the present invention is applied.
도 2는 도 1의 내부를 보인 사시도.Figure 2 is a perspective view of the inside of FIG.
도 3은 도 1의 요부를 보인 분해사시도.Figure 3 is an exploded perspective view showing the main portion of FIG.
도 4는 도 3의 분해사시도.4 is an exploded perspective view of FIG. 3;
도 5는 도 1의 단면을 보인 개념도.5 is a conceptual view showing a cross section of FIG.
도 6은 도 1에 세라믹 섬유 다공성 방사체가 적용된 다른 요부를 개략적으로 보인 분해사시도. 6 is an exploded perspective view schematically showing another main portion to which the ceramic fiber porous radiator is applied to FIG. 1;
도 7은 도 6이 적용된 다른 실시예를 보인 개념도.7 is a conceptual diagram illustrating another embodiment to which FIG. 6 is applied.
도 8은 본 발명의 세라믹 직물 다공성 방사체가 적용된 다른 실시예를 개략적으로 보인 개념도.8 is a conceptual view schematically showing another embodiment to which the ceramic fabric porous radiator of the present invention is applied.
도 9는 도 8에 세라믹 섬유 다공성 방사체가 적용된 상태를 개략적으로 보인 개념도.9 is a conceptual view schematically showing a state in which the ceramic fiber porous radiator is applied to FIG.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >Description of the Related Art
11 : 분배관 12 : 세라믹 직물 다공성 방사체11: distribution tube 12: ceramic fabric porous emitter
15 : 세라믹 섬유 다공성 방사체 20 : 광학필터15 ceramic fiber
30 : 광전소자 60 : 진공단열부재30: optoelectronic device 60: vacuum insulation member
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Cited By (6)
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