KR101406346B1 - 철도 차량용 열전 발전 장치 및 그 방법 - Google Patents

철도 차량용 열전 발전 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도 차량용 열전 발전 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 철도 차량의 제륜자에 설치되어 열전발전용 소재 간의 온도차에 따른 전압을 출력하는 열전발전모듈, 열전발전모듈로부터 출력되는 전압을 에너지저장부의 충전전압으로 변환하여 에너지저장부로 출력하는 전력변환부, 충전전압에 의해 에너지저장부에 저장된 전력을 보조전원부로 공급 또는 차단하는 스위치부 및 철도 차량의 제동신호가 입력되면, 전력변환부를 제어하여 에너지저장부를 충전시키고, 에너지저장부에 저장된 전력을 미리 설정된 기준치와 비교하여 스위치부를 제어하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 철도 차량의 제동시 제륜자에서 발생하는 폐열을 전기에너지로 회수하여 보조전원으로 사용할 수 있기 때문에, 철도 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

철도 차량용 열전 발전 장치 및 그 방법{THERMOELECTRIC GENERATION APPARATUS FOR RAILWAY VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 철도 차량용 열전 발전 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 철도 차량의 제동시 제륜자에서 발생하는 폐열을 전기에너지로 회수하여 사용할 수 있도록 한 철도 차량용 열전 발전 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 열에너지로부터 전기에너지를 생성하는 발전 시스템에서는 열에너지를 피스톤이나 터빈을 움직이는 역학적 에너지로 변환한 후 전기에너지를 생성하는 방식을 이용해왔다. 하지만, 이러한 방식에 의하는 경우 복잡한 기계 장치가 구비되어야 하기 때문에 제조 단가가 높고 운반이나 휴대가 곤란한 문제점이 있었다.
따라서, 열전효과(Thermoelectir Effect)를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 열전발전(Thermoelectric Generation)이 고안되었다.
열전효과는 물질 사이에 전류를 인가함으로써 접합부 양단에 발열 및 냉각이 이루어지는 펠티에 효과(Peltier Effect)와, 역으로 두 물질간의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 가역적인 현상을 나타내는 제벡 효과(Seebeck Effect)를 총칭하는 것으로, 엄밀히 말해 열전발전은 제벡 효과를 이용하는 것이다.
제벡 효과는 2종류의 금속선(또는 반도체) 양끝을 접합하고 그 양끝을 다른 온도로 유지시킬 때, 그 온도차에 의해 전류가 흐르는 열전현상의 하나이다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 하나의 금속봉 양끝 A, B에 온도차를 주면, A, B 사이에는 열류에 따른 기전력이 나타난다. 이 기전력은 금속의 종류에 따라 다르기 때문에, 2종류의 금속 양끝 A, B를 접합했을 때 각 금속에 나타나는 A, B 사이의 기전력에 차가 생겨 회로에 전류가 흐른다.
최근 지구 온난화 등과 같은 환경 문제 등으로 화석 연료에서 발생하는 이산화탄소 감축이 의무화됨에 따라 열전발전을 이용한 열에너지의 재활용에 대한 관심이 집중되고 있다.
한편, 철도 차량의 제동시 차륜이나 디스크를 압박하는 제륜자에는 마찰로 인해 많은 열이 발생하게 된다. 특히, 도시 철도의 경우 역간 거리가 짧기 때문에 철도 차량의 빈번한 정차가 이루어져 제륜자에서 많은 열이 발생하고 있는데, 이러한 폐열을 제대로 활용하지 못하고 있는 실정이다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제2010-0133169호(2010.12.21 공개, 발명의 명칭 : 베어타입 열전모듈의 제조방법 및 그 열전모듈)가 있다.
본 발명은 전술한 필요성에 의해 창안된 것으로서, 철도 차량의 제동시 제륜자에서 발생하는 폐열을 전기에너지로 회수하여 보조전원으로 사용함으로써 철도 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 철도 차량용 열전 발전 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 철도 차량용 열전 발전 장치는 철도 차량의 제륜자에 설치되어 열전발전용 소재 간의 온도차에 따른 전압을 출력하는 열전발전모듈; 상기 열전발전모듈로부터 출력되는 전압을 에너지저장부의 충전전압으로 변환하여 상기 에너지저장부로 출력하는 전력변환부; 상기 충전전압에 의해 상기 에너지저장부에 저장된 전력을 보조전원부로 공급 또는 차단하는 스위치부; 및 철도 차량의 제동신호가 입력되면, 상기 전력변환부를 제어하여 상기 에너지저장부를 충전시키고, 상기 에너지저장부에 저장된 전력을 미리 설정된 기준치와 비교하여 상기 스위치부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 에너지저장부에 저장된 전력은 상기 기준치 이상인 경우에 상기 보조전원부로 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 보조전원부에 공급된 전력은 상기 철도 차량에 구비된 조명 장치의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 철도 차량용 열전 발전 방법은 철도 차량의 제동신호가 입력되면, 제어부가 제륜자에 설치된 열전발전모듈로부터 출력되는 전압을 충전전압으로 변환하여 에너지저장부로 출력하는 전력변환부를 제어하여 상기 에너지저장부를 충전시키는 단계; 및 상기 제어부가 상기 에너지저장부에 저장된 전력을 미리 설정된 기준치와 비교하여 상기 기준치 이상이면 보조전원부로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명에서 상기 보조전원부에 공급된 전력은 상기 철도 차량에 구비된 조명 장치의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 철도 차량의 제동시 제륜자에서 발생하는 폐열을 전기에너지로 회수하여 보조전원으로 사용할 수 있기 때문에, 철도 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 열전 발전 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 열전 발전 방법의 동작 흐름을 도시한 순서도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 철도 차량용 열전 발전 장치 및 그 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 열전 발전 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 열전 발전 장치는 열전발전모듈(10), 전력변환부(20), 에너지저장부(30), 제동신호 입력부(40), 제어부(50), 스위치부(60) 및 보조전원부(70)를 포함한다.
열전발전모듈(10)은 서로 대향하는 열전발전용 소재 간의 온도차에 따른 전압을 전력변환부(20)로 출력한다.
이러한 열전발전모듈(10)은 철도 차량의 제동시 디스크 또는 차륜과의 마찰에 의해 높은 열이 발생하는 제륜자에 설치될 수 있으며, 칩(chip)이나 모듈(module) 형태로 구현될 수 있다.
이 경우, 열전발전모듈(10)의 일 측면에 구비되는 열전발전용 소재는 제륜자에서 발생하는 열에 의해 온도가 상승하여, 열전발전모듈(10)의 타 측면에 구비되는 열전발전용 소재와의 온도차에 따른 기전력이 발생하게 된다.
이와 같이, 열전발전모듈(10)을 제륜자에 설치하면, 철도 차량의 제동시 제륜자에 발생하는 폐열을 전기에너지로 회수하여 사용할 수 있게 된다.
특히, 역간 거리가 짧아 제동이 빈번하게 이루어지는 도시 철도의 경우, 철도 차량에 구비된 복수 개의 제륜자로부터 발생하는 폐열을 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있어, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 10량 전동차의 경우 1량당 8개의 열전발전모듈(10)을 설치할 수 있어 총 80개의 열전발전모듈(10)을 이용하여 전기에너지를 생성할 수 있다.
전력변환부(20)는 열전발전모듈(10)로부터 출력되는 전압을 에너지저장부(30)의 충전전압으로 변환하여 출력함으로써 에너지저장부(30)를 충전시키며, 제어부(50)에 의해 그 동작이 제어될 수 있다. 여기서, 충전전압은 에너지저장부(30)의 사양에 따라 다양하게 선택될 수 있을 것이다.
에너지저장부(30)는 전력변환부(20)로부터 출력되는 충전전압에 의해 충전되어 충전된 전력을 저장한다. 에너지저장부(30)는 다양한 종류의 전지(battery)에 해당할 수 있다.
제동신호 입력부(40)는 철도 차량을 감속시키기 위한 제동신호를 입력받아 제어부(50)에 전달한다.
제어부(50)는 제동신호 입력부(40)로부터 제동신호가 입력되면, 전력변환부(20)를 제어하여 에너지저장부(30)를 충전시킨다.
이후, 제어부(50)는 에너지저장부(30)에 저장된 전력을 미리 설정된 기준치와 비교하여 기준치 이상인 경우, 스위치부(60)를 제어하여 에너지저장부(30)에 저장된 전력이 보조전원부(70)로 공급될 수 있도록 한다.
즉, 제어부(50)는 일정 수준 이상의 전력이 에너지저장부(30)에 축적되었다고 판단되면, 에너지저장부(30)에 저장된 전력을 보조전원부(70)로 공급하여 철도 차량의 보조전원으로 이용될 수 있도록 한다.
여기서, 기준치는 에너지저장부(30)에 저장된 전력이 철도 차량 내의 특정한 부하 장치에 안정된 전원을 공급할 수 있을 정도인지를 판단하기 위한 기준전력에 해당하는 값으로, 설계자의 의도 및 특정한 부하 장치의 종류 및 사양에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
스위치부(60)는 제어부(50)의 제어에 따라 에너지저장부(30)에 저장된 전력을 보조전원부(70)로 공급 또는 차단한다.
보조전원부(70)는 에너지저장부(30)로부터 공급되는 전력을 특정한 부하 장치에 제공한다. 이때, 보조전원부(70)는 철도 차량의 조명 등과 같이 비교적 낮은 전력을 요하는 부하 장치에 전력을 공급할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도 차량용 열전 발전 방법의 동작 흐름을 도시한 순서도로, 이를 참조하여 본 발명의 구체적인 동작을 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 제어부(50)는 제동신호 입력부(40)로부터 제동신호가 입력되는지 확인한다(S100).
만약, 제동신호 입력부(40)로부터 제동신호가 입력되는 경우, 제어부(50)는 전력변환부(20)를 제어하여 철도 차량의 제륜자에 설치된 열전발전모듈(10)로부터 출력되는 전압을 에너지저장부(30)의 충전전압으로 변환하여 에너지저장부(30)를 충전시킨다(S110). 즉, 제어부(50)는 철도 차량의 제동시 제륜자에서 발생하는 열을 이용하여 에너지저장부(30)를 충전시킨다.
이후, 제어부(50)는 에너지저장부(30)에 저장된 전력을 미리 설정된 기준치와 비교하여 에너지저장부(30)에 저장된 전력이 미리 설정된 기준치 이상인지 확인한다(S120).
만약, 에너지저장부(30)에 저장된 전력이 기준치 이상인 경우, 철도 차량에 구비된 특정한 부하 장치에 안정된 전원을 공급할 수 있을 정도의 전력이 축적된 것이므로, 제어부(50)는 스위치부(60)를 제어하여 에너지저장부(30)에 저장된 전력을 보조전원부(70)로 공급한다(S130).
반면, 에너지저장부(30)에 저장된 전력이 기준치 미만인 경우, 보조전원으로 사용하기에는 아직 부족한 상태인 것이므로, 제어부(50)는 에너지저장부(30)에 저장된 전력을 보조전원부(70)로 공급하지 않고 종료한다.
이와 같이 본 발명에 따른 철도 차량용 열전 발전 장치 및 그 방법에 의하면, 철도 차량의 제동시 제륜자에서 발생하는 폐열을 전기에너지로 회수하여 보조전원으로 사용할 수 있기 때문에, 철도 차량의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 열전발전모듈
20 : 전력변환부
30 : 에너지저장부
40 : 제동신호 입력부
50 : 제어부
60 : 스위치부
70 : 보조전원부

Claims (6)

  1. 철도 차량의 제륜자에 설치되어 열전발전용 소재 간의 온도차에 따른 전압을 출력하는 열전발전모듈;
    상기 열전발전모듈로부터 출력되는 전압을 에너지저장부의 충전전압으로 변환하여 상기 에너지저장부로 출력하는 전력변환부;
    상기 충전전압에 의해 상기 에너지저장부에 저장된 전력을 보조전원부로 공급 또는 차단하는 스위치부; 및
    철도 차량의 제동신호가 입력되면, 상기 전력변환부를 제어하여 상기 에너지저장부를 충전시키고, 상기 에너지저장부에 저장된 전력을 미리 설정된 기준치와 비교하여 상기 스위치부를 제어하는 제어부를 포함하는 철도 차량용 열전 발전 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지저장부에 저장된 전력은 상기 기준치 이상인 경우에 상기 보조전원부로 공급되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 열전 발전 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 보조전원부에 공급된 전력은 상기 철도 차량에 구비된 조명 장치의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 열전 발전 장치.
  4. 철도 차량의 제동신호가 입력되면, 제어부가 제륜자에 설치된 열전발전모듈로부터 출력되는 전압을 충전전압으로 변환하여 에너지저장부로 출력하는 전력변환부를 제어하여 상기 에너지저장부를 충전시키는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 에너지저장부에 저장된 전력을 미리 설정된 기준치와 비교하여 상기 기준치 이상이면 보조전원부로 공급하는 단계를 포함하는 철도 차량용 열전 발전 방법.
  5. 삭제
  6. 제 4항에 있어서, 상기 보조전원부에 공급된 전력은 상기 철도 차량에 구비된 조명 장치의 전원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 열전 발전 방법.
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