KR101494241B1 - 폐열 회수 발전 시스템 - Google Patents

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KR101494241B1 KR20130125777A KR20130125777A KR101494241B1 KR 101494241 B1 KR101494241 B1 KR 101494241B1 KR 20130125777 A KR20130125777 A KR 20130125777A KR 20130125777 A KR20130125777 A KR 20130125777A KR 101494241 B1 KR101494241 B1 KR 101494241B1
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thermoelectric
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권택율
윤영균
박찬
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리빙케어소재기술(주)
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Abstract

본 발명은 폐열 회수 발전 시스템에 관한 것으로, 본 발명은, 폐열 배출 시스템의 폐열 배기관에 연결되어 폐열이 배기되는 배기관; 상기 배기관 측벽에 적어도 하나가 상기 폐열의 배기방향과 평행하게 배치되어 상기 폐열에 의해 열전발전되는 열전 발전 모듈; 및 상기 배기관의 외부에서 상기 열전 발전 모듈의 냉각측을 수냉 방식으로 냉각시킬 수 있도록 냉각수 관이 연결되는 워터 재킷을 포함한다.
본 발명에 의하면, 폐열 배출 시스템의 폐열을 통해 열전 발전 모듈의 가열측을 가열시키고, 상기 열전 발전 모듈의 냉각측을 별도의 워터 재킷을 통해 냉각시켜 큰 온도차에 따라 기전력의 출력을 증대시킴에 따라 발전이 가능하고, 소형화, 경량화 및 간단한 구조에 의해 유지보수 비용이 저렴하며, 폐열을 회수하여 재사용함으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Description

폐열 회수 발전 시스템 {WASTE HEAT RECOVERY POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 폐열 회수 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐열 배출 시스템에서 회수되는 폐열을 제백(Seebeck)의 원리를 이용하여 열전 발전하는 폐열 회수 발전장치에 관한 것이다.
최근 지구 온난화와 기상 이변 등으로 인한 자연 재해를 방지하고자 이산화탄소의 배출 규제가 강화되고 있고, 이와 함께 청정 에너지의 수요가 증가하면서 연료전지 발전이나 열전발전 등이 도입되고 있다.
열전발전은 집적화된 열전반도체를 이용하여 열을 전기로 변환하는 것으로 소각로나 각종 산업 설비에서 발생하는 폐열이나 태양열, 지열, 하천수 열과 같은 자연열을 통해서도 직접 전력을 생산해 낼 수 있으며, 전기를 생산하는 과정에서 환경유해 가스를 배출하지 않을 뿐만 아니라 소음도 발생하지 않으며, 수명도 반영구적인 청정 전기 발생장치로 최근에 각광받고 있는 실정이다.
이러한 열전발전을 이용한 발전 설비와 관련된 기술이 특허등록 제10-0138698호 및 특허등록 제10-0965715호에 제안된 바 있다.
이하에서 종래기술로서 특허등록 제10-0138698호 및 특허등록 제10-0965715호에 개시된 지지 구조를 간략히 설명한다.
도 1은 특허등록 제10-0138698호(이하 '종래기술 1'이라 함)의 연료전지 발전과 열전발전을 이용한 복합 발전 설비를 개략적으로 나타내는 구성도이다. 도 1에서 보는 바와 같이 종래기술 1은 연료전지 발전과 열전발전을 이용한 복합 발전 설비는 수소 또는 천연가스와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전류와 고온의 폐열을 발생시키는 연료전지(110)와, 상기 연료전지(110)에 연료를 공급하는 저온의 연료공급 배관(215), 및 상기 연료전지(110)에서 발생되는 고온의 배기가스를 이송하는 배기가스 배관(220)을 포함하는 연료전지 발전 설비; 및 상기 연료공급 배관(215)을 저열원 흡수부로 하고 상기 배기가스 배관(220)을 고열원 흡수부로 하는 제 1 열전발전 모듈(230)과, 상기 배기가스 배관(220)을 통과한 배기가스가 배출되는 연도(250)를 고열원 흡수부로 하고 대기를 저열원 흡수부로 하는 제 2 열전발전 모듈(240)을 포함하는 열전발전 설비;를 포함하여 구성된다.
그러나 종래기술 1에 의한 열전발전을 이용한 복합 발전 설비는, 연료공급 배관(215)을 저열원 흡수부로 하고, 상기 배기가스 배관(220)을 고열원 흡수부로 한 흡수부가 각각 구비됨에 따라 구조가 복잡해지는 문제점이 있었다.
도 2는 특허등록 제10-0965715호(이하 '종래기술 2'라 한다)의 열전발전 및 열발생장치의 조립도이다.
종래기술 2의 열전발전 및 열발생장치는 열전발전 및 열발생장치는 연료탱크(1), 블로워(2), 연료·공기혼합기(3), 연료의 연소를 위한 버너(4), 연소가 이루어지는 보일러의 내벽에 부착하여 고온의 연소열에 의해 발전을 하는 열전모듈(5), 열전모듈의 저온부의 냉각을 위한 워터자켓(6), 폐연소가스의 에너지를 2차로 회수하여 폐연소가스의 수증기를 응축회수하는 응축 열교환기(7), 온수 또는 온풍의 열에너지를 소비하는 온돌 또는 부하장치(8), 온수 순환펌프(9)로 구성되어 진다.
그러나 종래기술 2에 의한 열전발전 및 열발생장치는 연소실 내벽에 열전소자를 부착하여 구조는 간단하지만, 상기 연소실의 한정된 크기에 의해 열전발전 용량의 한계가 있는 문제점이 있었다.
KR 10-0138698 B1 KR 10-0965715 B1
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폐열 배출 시스템의 폐열을 통해 열전 발전 모듈의 가열측을 가열시키고, 상기 열전 발전 모듈의 냉각측을 별도의 워터 재킷을 통해 냉각시켜 큰 온도차에 따라 기전력의 출력을 증대시킴에 따라 발전이 가능하고, 소형화, 경량화 및 간단한 구조에 의해 유지보수 비용이 저렴하며, 폐열을 회수하여 재사용함으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있게 한 폐열 회수 발전 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 폐열 배출 시스템의 폐열 배기관에 연결되어 폐열이 배기되는 배기관; 상기 배기관 측벽에 적어도 하나가 상기 폐열의 배기방향과 평행하게 배치되어 상기 폐열에 의해 열전발전되는 열전 발전 모듈; 및 상기 배기관의 외부에서 상기 열전 발전 모듈의 냉각측을 수냉 방식으로 냉각시킬 수 있도록 냉각수 관이 연결되는 워터 재킷을 포함하는 폐열 회수 발전 시스템을 통해 달성된다.
또한, 본 발명에서의 상기 배기관은 바이패스(bypass)되며, 바이패스된 어느 한 쪽 배기관 측벽에 상기 열전 발전 모듈이 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 배기관 내벽에 배치된 열전 발전 모듈의 가열측에 구비되어 상기 열전 발전 모듈에 열전달율을 높일 수 있도록 열전달부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 열전달부는 히트 파이프(Heat pipe), 히트 리시버(Heat receiver), 히트 싱크(Heat sink) 및 라디에이터(radiator) 형태 중에 선택될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 배기관은 단면 형상이 다각형 또는 원형으로 형성되어, 각각의 면마다 상기 열전 발전 모듈이 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 배기관은 지그재그 형태로 구비될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 폐열 배출 시스템은 선박 또는 파워 플랜트(power plant)가 적용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 폐열 배출 시스템의 폐열을 통해 열전 발전 모듈의 가열측을 가열시키고, 상기 열전 발전 모듈의 냉각측을 별도의 워터 재킷을 통해 냉각시켜 큰 온도차에 따라 기전력의 출력을 증대시킴에 따라 발전이 가능하고, 소형화, 경량화 및 간단한 구조에 의해 유지보수 비용이 저렴하며, 폐열을 회수하여 재사용함으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술 1에 의한 연료전지 발전과 열전발전을 이용한 복합 발전 설비를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 종래기술 2에 의한 열전발전 및 열발생장치의 조립도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템을 도시한 평면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템에서 열전 발전 모듈의 측면도 및 공정도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템에서 수납장이 점차 회동되는 상태를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템에서 일실시예에 따른 다리의 작동 상태도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템에서 수납장이 점차 회동되는 상태를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템에서 일실시예에 따른 다리의 작동 상태도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부"라는 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.
이하 도면을 참고하여 본 발명에 의한 폐열 회수 발전 시스템에 대한 실시 예의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.
<제1 실시예>
도 3에는 본 발명의 제1 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템이 사시도로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명에 제1 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템이 평면도로 도시되어 있다.
이들 도면에 의하면, 본 실시예의 폐열 회수 발전 시스템(100)은 배기관(110), 열전달부(120), 열전 발전 모듈(130), 워터 재킷(140), 전력 조정 장치(150), 전력 변환 장치(160) 및 충/방전장치(170)를 포함하며, 상기 전력 조정 장치(150), 전력 변환 장치(160) 없이 충/방전장치(170)만 구비할 수도 있다.
더욱이, 상기 폐열 회수 발전 시스템(100)은 중저온(100~400℃ 정도)의 폐열이 발생하는 곳에서 적용이 가능하다. 여기서, 폐열을 제공하는 폐열 배출 시스템은 선박 터빈 또는 파워 플랜트(power plant) 등이 적용될 수 있으며, 이에 한정하지 않고 폐열이 발생되는 설비에 적용 가능하다.
배기관(110)은 폐열 배출 시스템의 폐열 배기관에 연결되어 폐열(연소가스)이 배기되는 통로로, 단면 형상이 다각형 또는 원형 등으로 형성된다. 이때, 배기관(110)은 열교환 면적이 향상되도록 지그재그 형태로 형성될 수 있으며, 이에 한정하지 않고 다른 형상으로도 변경 실시가 가능하다. 한편, 본 실시에에서와 같이 배기관(110)의 단면 형상이 4각형으로 형성되는 경우, 각각의 면마다 열전 발전 모듈(130) 및 워터 재킷(140)이 배치된다.
더욱이, 배기관(110)은 도면에는 도시하지 않았지만 열전 발전 모듈(130)이 구비된 위치에서의 단면적이 입구쪽이나 출구쪽 위치에서의 단면적보다 크게 형성되어 상대적으로 상기 열전 발전 모듈(130)이 설치된 위치에서 연소 가스의 유동 속도가 감소하게 된다. 이는 압력이 일정한 유체의 흐름에서 유체가 지나가는 단면적과 유체속도의 곱은 일정하다고 정의한 베르누이 정리에 따라, 유체가 지나는 통로가 좁아지면 유체속도가 빨라지고, 통로가 넓어지면 유체의 속도가 늦어지는 점을 이용하는 것이다. 결국, 연소가스의 이동 속도를 늦춤으로써 실질적으로 열전달부(120)에서의 열 흡수율을 높일 수 있게 되고, 이를 통해 열전 발전 모듈(130)에서의 흡열률을 향상시키는 것이다.
열전달부(120)는 배기관(110)의 내벽에 위치된 열전 발전 모듈(130)의 가열측에 밀착되어 상기 열전 발전 모듈(130)에 열전달율을 높일 수 있도록 직립된 핀이 다수 구비된다. 이때, 상기 열전달부(120)는 히트 파이프(Heat pipe), 흡열 면적을 더 향상시킬 수 있는 히트 리시버(Heat receiver), 히트 싱크(Heat sink) 및 라디에이터(radiator) 형태 등이 선택적으로 구비될 수 있다.
이때, 본 실시예에서는 열전달부(120)가 히트 싱크인 것으로 예를 들어 설명한다. 즉, 열전달부(120)의 일종인 히트 싱크는 흡열 접촉면적을 향상시킬 수 있도록 배기관(110)의 내벽면을 따라 다수 구비된다. 이렇게 히트 싱크가 배기관(110)의 내벽면을 따라 다수 구비되므로 열전 발전 모듈(130)에 온도 분포를 균질화시킬 수 있다.
그리고 열전달부(120)가 히트 파이프인 경우, 배기관(110)의 내측에 흡열부가 위치되게 하고, 발열부가 상기 배기관(110)의 내벽면에 접촉하도록 위치시켜 상기 배기관(110)의 내부에 유동하는 연소가스의 열을 상기 흡열부에서 흡열한 후 상기 발열부 쪽으로 전달하게 된다.
여기서, 히트 파이프란, 도면에는 도시하지 않았지만 금속관의 내부를 진공으로 한 뒤에 증류수 또는 액체 등의 작동 유체를 삽입하여 한쪽 끝에 뜨거운 온수나 전기를 접촉하면 금속관 내부에서 작동 유체가 증기 상태로 변해 열을 가하지 않은 다른 방향으로 이동하면서 금속관 전체에 열을 전달하는 방식이다. 즉, 반복적으로 액체가 기체로 바뀌는 기화와 기체가 액체로 응축되는 과정에서 흡수 및 방출되는 높은 잠열(latent heat)을 이용하여 순간적으로 대량의 열을 이동시키는 열 전달 물체를 말한다.
그리고 도면에는 도시하지 않았지만 열전달부(120)가 라디에이터 형태인 경우, 한 쌍의 코어 플레이트의 사이에 다수의 코어(core)로 연결한 구조로 형성된다. 다르게는, 한 쌍의 코어 플레이트의 사이를 코어 대신 히트 파이프로 연결할 수 있으며, 이 경우, 상기 히트 파이프의 발열부가 배기관(110)의 내벽면에 접하도록 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 도면에는 도시하지 않았지만 열전달부(120)를 열전달이 가능한 재질(구리 등)의 플레이트를 격자 형태의 구조물로 제작한 후 격자 형태의 구조물 단부를 배기관(110)의 내벽면에 접촉시킨 상태에서 사용할 수도 있다.
열전 발전 모듈(130)은 배기관(110)의 벽면에 홀을 형성한 후 내부쪽으로 구비되는 가열측과 후술할 워터 재킷(140)과 접하는 냉각측으로 구성되며, 제백(Seebeck)의 원리를 이용하여 가열측과 냉각측의 금속 양단면에 열의 차이를 주면 기전력의 차이로 인해서 전류가 발생되는 현상을 이용하여 발전을 이루는 모듈을 말한다. 이때, 상기 열전 발전 모듈(130)은 배기관(110) 벽면에 홀을 형성하지 않고 상기 배기관(110)의 외벽면에 열전 발전 모듈(130)과 상기 열전 발전 모듈(130)의 냉각측에 워터 재킷(140)을 접촉시키고, 상기 열전 발전 모듈(130)의 가열측과 밀착되는 상기 배기관(110)의 내벽면에 열전달부(120)를 밀착시켜 구비할 수 있다.
한편, 상기 열전 발전 모듈(130)은 배기관(110) 내에 적어도 하나가 폐열의 배기방향과 평행하게 배치되어 상기 폐열에 의해 열전발전된다.
여기서, 열전 발전 모듈(130)은 상부전극(134a)과, 양극과 음극이 연결되는 하부전극(134b)과, 상기 상부 및 하부전극(134a)(134b)의 사이에 설치하고 상기 상부 및 하부전극(134a)(134b)에 의해 통전되게 π형으로 직렬로 연결한 복수의 P형 열전반도체(134c) 및 N형 열전반도체(134d)를 포함한다. 또한, 상기 상부 및 하부 전극 상에는 절연층(134e)이 각각 형성된다. 이때, 열전 발전 모듈(130)은 전류의 발생량을 극대화하기 위하여 가열측과 냉각측의 온도차를 크게 하는 것이 바람직하다.
더욱이, 상기 열전 발전 모듈(130)은 배기관(110) 내벽에 홀을 형성하거나, 외벽에 설치되기 때문에 상기 배기관(110)의 형상이나 길이를 변경하는 과정에서 설치면적을 크게 하므로 상기 열전 발전 모듈(130)의 수량을 크게 할 수 있어 대용량으로도 가능하다. 또한, 상기 열전 발전 모듈(130)의 냉각측이 배기관(110) 외부에 위치하기 때문에 dt(가열측 온도-냉각측 온도)를 크게 하여 발전효율을 높일 수 있다. 그리고 배기관(110)을 변경하여 상기 열전 발전 모듈(130)의 위치에 제약이 적다. 따라서, 기존 선박 및 플랜트 등에 설치공간이 부족할 때에도 상기 열전 발전 모듈(130)을 외부의 별도 공간으로 위치할 수 있기 때문에 적용이 용이하다.
워터 재킷(Water jacket: 140)은 열전 발전 모듈(130)에 의한 전류의 발생량을 극대화하기 위하여 상기 열전 발전 모듈(130)의 냉각측을 수냉 방식 등을 통해 냉각시키는 기능을 하며, 냉수 공급부(도면에 미도시)를 더 포함한다. 이렇게 상기 워터 재킷(140)은 열전 발전 모듈(130)의 적절한 온도를 유지하게 하면서 급격한 온도 변화에 따른 제어가 가능하다. 결국, 상기 워터 재킷(140)은 열전 발전 모듈(130)에서의 가열측과 냉각측에 대한 온도 차이를 정밀 제어할 수 있다.
더욱이, 상기 워터 재킷(140)은 블록 형태로 형성되어 배기관(110)의 상하좌우에 각각 배치되며, 일측벽에 냉수 공급부에서 공급되는 냉수가 유입되는 유입구와, 사용된 냉수가 상기 냉수 공급부로 환수되도록 배출되는 배출구가 냉각수 관(142)을 통해 연결된다.
한편, 상기 워터 재킷(140)에 의한 수냉식 대신 공냉식으로도 가능하다.
전력 조정 장치(150)는 열전 발전 모듈(130)에서 발전되는 발전전류의 안정화를 위해 직류를 일단 교류로 변환한 다음, 변압기(도면에 미도시)로 승압 또는 강압하여 정류함으로써 직류 전압의 변압시키는 직류/직류 컨터버(DC/DC CONVERTER)이다.
전력 변환 장치(160)는 전력 조정 장치(150)에서 조정된 전력을 소비자의 필요에 따라 직류 및 교류전원으로 즉시 활용(수요) 가능토록 하는 직류/교류 인버터(DC/AC INVERTER)이다.
충/방전장치(170)는 전력 조정 장치(150)와 전력 변환 장치(160)의 사이에 전기적으로 연결되어, 열전발전 시 전력부하가 자주 급격하게 변동하는 현상과, 방전 밀도의 커짐 현상을 방지하므로 축전기(도면에 미도시)의 충방전의 밀도를 감소시켜 장기간 동안 축전지의 내구성을 향상시키고, 상기 축전지의 물을 자동적으로 최적의 레벨로 보충함으로써, 시간을 절약함과 동시에 내구성을 향상시킨다. 이때, 축전기는 충/방전장치(170)에 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 전력 조정 장치(150)와 전력 변환 장치(160) 및 충/방전장치(170)는 배기관(110)의 이웃한 2면에 구비된 열전 발전 모듈(130)을 전기적으로 연결하는 것으로 예시하였으나, 4면에 구비된 상기 열전 발전 모듈(130) 모두를 전기적으로 연결할 수 있다.
이때, 상기 열전 발전 모듈(130)은 상술한 바와 같이 벌크(bulk)형인 것으로 설명하였지만, 이에 한정하지 않고 도 5 및 도 6과 같이 골격(skeleton)형 등이 적용될 수 있으며, 골격형 열전 발전 모듈에 대해 설명하면 하기와 같다.
벌크(bulk)형 열전 발전 모듈(130)은 전극 패턴이 형성된 상, 하부 기판과 상기 상, 하부 기판의 전극 패턴 상에 솔더링을 통해 전기적으로 접속되는 P형 및 N형 소자를 포함한다. 이때, 상기 상, 하부 기판의 표면에 절연층이 형성될 수 있고, 상기 전극 패턴 중 양 끝단에 전원을 인가할 수 있도록 단자선이 솔더링하여 부착된다. 더욱이, 상기 P형 및 N형 소자는 상기 상, 하부 기판의 전극 패턴에 교번되게 배치된다. 즉, 일측 P형 및 N형 소자의 상면이 상부 기판의 저면에 형성된 전극 패턴을 통해 전기적으로 연결되고, 타측 N형 및 P형 소자의 저면이 하부 기판의 상면에 형성된 전극 패턴을 통해 전기적으로 연결되어 교번되게 연결된다.
열전 발전 모듈(130')이 골격(skeleton)형이면, 상기 열전 발전 모듈(130')의 구조는 상, 하부 전극(132', 134'), 상, 하부 접합층(132a', 134a'), 상, 하부 코팅층(132b', 134b'), N형 소자(136') 및 P형 소자(138')를 포함하며, 전류의 발생량을 극대화하기 위하여 흡열면과 발열면에 온도차를 크게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 열전 발전 모듈(130')은 N형 소자(136') 및 P형 소자(138')의 상면에 상부 코팅층(132b'), 상부 접합층(132a'), 상부 전극(132')이 순차 적층되는 구조로 형성되고, 상기 N형 소자(136') 및 P형 소자(138')의 저면에 하부 코팅층(134b'), 하부 접합층(134a'), 하부 전극(134')이 순차 적층되는 구조로 형성된다.
상, 하부 접합층(132a', 134a')은 임시 기판인 상, 하부 세라믹 기판(130a', 130b')의 대향면(전극 부착면)에 모델별 상, 하부 전극 패턴에 맞게 인쇄 등을 통해 형성되며, 글루(Glue) 접착제 등에 의한 접착층 또는 점착제에 의한 점착층이 형성될 수 있다.
상, 하부 전극(132', 134')은 구리(무산소동) 등의 재질로 형성되어, 전기와 열전도도 등이 우수한 재질로의 변경이 가능하며, 이중 하부 전극(134')에 양극과 음극이 연결된다.
N형 소자(136') 및 P형 소자(138')는 복수개가 상, 하부 전극(132', 134')의 사이에 순차적으로 설치되어 상기 상, 하부 전극(132', 134')에 의해 통전될 수 있게 π형이면서 직렬로 연결된다.
이때, 상기 N형 소자(136') 및 P형 소자(138')는 그 양면에 코팅층(132b', 134b')을 형성하여 상, 하부 전극(132', 134')과의 부착성 향상과, 상기 N형 소자(136') 및 P형 소자(138')와 상기 상, 하부 전극(132', 134') 간의 상호 확산을 방지하게 된다.
이렇게, N형 소자(136') 및 P형 소자(138')가 교번되게 배치된 상태에서 상, 하부 전극(132', 134')을 통해 상기 N형 소자(136') 및 P형 소자(138')의 양면에 교호되게 접속되며, 상기 상, 하부 전극(132', 134')을 통한 접속 형상이 온도 전달 면적을 넓히기 위해 지그재그 형상 등으로 배열될 수 있다.
그러므로 본 발명에 의한 폐열 회수 발전 시스템의 작동 순서를 설명하면 다음과 같다.
우선, 폐열 배출 시스템이 작동하여 연소가스가 발생하면 상기 폐열 배출 시스템의 폐열 배기관에 연결된 배기관(110)을 통해 고온의 연소가스가 유입된다. 이때, 고온의 연소가스가 배기되는 배기관(110)의 상하좌우 벽면마다 다수 열전 발전 모듈(130)의 가열측에 각각 접촉된 열전달부(120)가 구비되며, 상기 열전 발전 모듈(130)의 냉각측에 워터 재킷(140)이 접촉된 상태이다.
다음으로, 열전 발전 모듈(130)의 가열측에 구비되는 열전달부(120) 표면에 고온의 열기가 전달되고, 워터 재킷(140)에 접촉된 상기 열전 발전 모듈(130)의 냉각측에 순환되는 냉수를 통해 저온의 냉기가 전달되므로 상기 가열측과 냉각측의 큰 온도차에 따른 기전력의 차이로 상기 열전 발전 모듈(130)에서 전류가 발생된다.
다음으로, 열전 발전 모듈(130)에서 발전된 전류는 전력 조정 장치(150)를 통해 상기 열전 발전 모듈(130)에서 발전되는 발전전류를 안정화시키고, 전력 변환 장치(160)를 통해 상기 전력 조정 장치(150)에서 조정된 전력을 소비자의 필요에 따라 직류 및 교류전원으로 즉시 활용가능토록 한다.
여기서, 전력 조정 장치(150)와 전력 변환 장치(160)의 사이에 충/방전장치(170)가 구비되므로 축전기에 전기를 축전하면서 열전발전 시 전력부하가 자주 급격하게 변동하는 현상과, 방전 밀도의 커짐 현상을 방지하게 된다.
결국, 본 실시예의 폐열 회수 발전 시스템(100)은 경우 열전 발전 모듈(130)의 가열측이 배기관(110) 내부에 위치하고 열전달부(120)로 표면적을 키웠기 때문에 상기 가열측의 온도가 제2 실시예에 비해 높아서 상대적으로 dt(가열측 온도-냉각측 온도)가 높고 발전량 및 발전효율이 제2 실시예보다 높다.
<제2 실시예>
도 7에는 본 발명의 제2 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템이 사시도로 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명에 제2 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템이 평면도로 도시되어 있다.
이들 도면에 의하면, 본 실시예의 폐열 회수 발전 시스템(200)은 배기관(210), 열전 발전 모듈(230), 워터 재킷(240), 전력 조정 장치(250), 전력 변환 장치(260) 및 충/방전장치(270)를 포함하며, 상기 전력 조정 장치(250), 전력 변환 장치(260) 없이 충/방전장치(270)만 구비할 수도 있다.
더욱이, 상기 폐열 회수 발전 시스템(200)은 중저온(100~400℃ 정도)의 폐열이 발생하는 곳에서 적용이 가능하다. 여기서, 폐열을 제공하는 폐열 배출 시스템은 선박 터빈 또는 파워 플랜트(power plant) 등이 적용될 수 있으며, 이에 한정하지 않고 폐열이 발생되는 설비에 적용 가능하다.
배기관(210)은 폐열 배출 시스템의 폐열 배기관에 연결되어 폐열(연소가스)이 배기되는 통로로, 단면 형상이 다각형 또는 원형 등으로 형성된다. 이때, 배기관(210)은 열교환 면적이 향상되도록 지그재그 형태로 형성될 수 있으며, 이에 한정하지 않고 다른 형상으로도 변경 실시가 가능하다. 한편, 본 실시에에서와 같이 배기관(210)의 단면 형상이 4각형으로 형성되는 경우, 각각의 면마다 열전 발전 모듈(230) 및 워터 재킷(240)이 배치된다.
더욱이, 배기관(210)은 도면에는 도시하지 않았지만 열전 발전 모듈(230)이 구비된 위치에서의 단면적이 입구쪽이나 출구쪽 위치에서의 단면적보다 크게 형성될 수 있으며, 이는 제1 실시예에서 설명하였으므로 상세한 설명은 생략한다.
열전 발전 모듈(230)은 배기관(210)의 외벽면에 밀착되는 가열측과 후술할 워터 재킷(240)과 접하는 냉각측으로 구성되며, 제백(Seebeck)의 원리를 이용하여 가열측과 냉각측의 금속 양단면에 열의 차이를 주면 기전력의 차이로 인해서 전류가 발생되는 현상을 이용하여 발전을 이루는 모듈을 말한다.
더욱이, 상기 열전 발전 모듈(230)은 배기관(210) 외벽에 설치되기 때문에 상기 배기관(210)의 형상이나 길이를 변경하는 과정에서 설치면적을 크게 하므로 상기 열전 발전 모듈(230)의 수량을 크게 할 수 있어 대용량으로도 가능하다. 또한, 상기 열전 발전 모듈(230)의 냉각측이 배기관(210) 외부에 위치하기 때문에 dt(가열측 온도-냉각측 온도)를 크게 하여 발전효율을 높일 수 있다. 그리고 배기관(210)을 변경하여 상기 열전 발전 모듈(230)의 위치에 제약이 적다. 따라서, 기존 선박 및 플랜트 등에 설치공간이 부족할 때에도 상기 열전 발전 모듈(230)을 외부의 별도 공간으로 위치할 수 있기 때문에 적용이 용이하다.
한편, 상기 열전 발전 모듈(230)은 배기관(210) 내에 적어도 하나가 폐열의 배기방향과 평행하게 배치되어 상기 폐열에 의해 열전발전되며, 제1 실시예의 그것과 동일한 구조와 기능을 하므로 상세한 설명은 생략한다.
워터 재킷(Water jacket: 240)은 열전 발전 모듈(230)에 의한 전류의 발생량을 극대화하기 위하여 상기 열전 발전 모듈(230)의 냉각측을 수냉 방식 등을 통해 냉각시키는 기능을 하며, 냉수 공급부(도면에 미도시)를 더 포함한다. 이렇게 상기 워터 재킷(240)은 열전 발전 모듈(130)의 적절한 온도를 유지하게 하면서 급격한 온도 변화에 따른 제어가 가능하다. 결국, 상기 워터 재킷(240)은 열전 발전 모듈(230)에서의 가열측과 냉각측에 대한 온도 차이를 정밀 제어할 수 있다.
더욱이, 상기 워터 재킷(240)은 블록 형태로 형성되어 배기관(210)의 상하좌우에 각각 배치되며, 일측벽에 냉수 공급부에서 공급되는 냉수가 유입되는 유입구와, 사용된 냉수가 상기 냉수 공급부로 환수되도록 배출되는 배출구가 냉각수 관(242)을 통해 연결된다.
한편, 상기 워터 재킷(240)에 의한 수냉식 대신 공냉식으로도 가능하다.
전력 조정 장치(250), 전력 변환 장치(260) 및 충/방전장치(270)는 제1 실시예의 그것과 동일한 구조와 기능을 하므로 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 전력 조정 장치(250)와 전력 변환 장치(260) 및 충/방전장치(270)는 배기관(110)의 이웃한 2면에 구비된 열전 발전 모듈(230)을 전기적으로 연결하는 것으로 예시하였으나, 4면에 구비된 상기 열전 발전 모듈(230) 모두를 전기적으로 연결할 수 있다.
그러므로 본 발명에 의한 폐열 회수 발전 시스템의 작동 순서를 설명하면 다음과 같다.
우선, 폐열 배출 시스템이 작동하여 연소가스가 발생하면 상기 폐열 배출 시스템의 폐열 배기관에 연결된 배기관(210)을 통해 고온의 연소가스가 유입된다. 이때, 고온의 연소가스가 배기되는 배기관(210)의 상하좌우 외벽면마다 다수 열전 발전 모듈(230)의 가열측이 각각 접촉되면서, 상기 열전 발전 모듈(230)의 냉각측에는 워터 재킷(240)이 접촉된 상태이다.
다음으로, 고온의 연소가스가 배기되는 배기관(210) 표면에 접촉된 열전 발전 모듈(230)의 가열측에 고온의 열기가 전달되고, 워터 재킷(240)에 접촉된 상기 열전 발전 모듈(230)의 냉각측에 순환되는 냉수를 통해 저온의 냉기가 전달되므로 상기 가열측과 냉각측의 큰 온도차에 따른 기전력의 차이로 상기 열전 발전 모듈(230)에서 전류가 발생된다.
다음으로, 열전 발전 모듈(230)에서 발전된 전류는 전력 조정 장치(250)를 통해 상기 열전 발전 모듈(230)에서 발전되는 발전전류를 안정화시키고, 전력 변환 장치(260)를 통해 상기 전력 조정 장치(250)에서 조정된 전력을 소비자의 필요에 따라 직류 및 교류전원으로 즉시 활용가능토록 한다.
여기서, 전력 조정 장치(250)와 전력 변환 장치(260)의 사이에 충/방전장치(270)가 구비되므로 축전기에 전기를 축전하면서 열전발전 시 전력부하가 자주 급격하게 변동하는 현상과, 방전 밀도의 커짐 현상을 방지하게 된다.
결국, 본 실시예의 폐열 회수 발전 시스템(200)은 경우 열전 발전 모듈(230)이 배기관(210)의 외벽에 설치하여 제1 실시예보다 가열측 온도가 상대적으로 낮기 때문에 dt(가열측 온도-냉각측 온도)가 작아지며, 따라서 발전량 및 효율이 제1 실시예보다 떨어진다. 그러나 배기관(210) 내에 유닛이 위치하지 않아서 감압은 없다.
<제3 실시예>
도 9에는 본 발명의 제3 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템이 사시도로 도시되어 있고, 도 10에는 본 발명에 제3 실시예에 의한 폐열 회수 발전 시스템이 평면도로 도시되어 있다.
이들 도면에 의하면, 본 실시예의 폐열 회수 발전 시스템(300)은 배기관(310), 열전달부(320), 열전 발전 모듈(330), 워터 재킷(340), 전력 조정 장치(350), 전력 변환 장치(360), 충/방전장치(370) 및 제어부를 포함하며, 상기 전력 조정 장치(350), 전력 변환 장치(360) 없이 충/방전장치(370)만 구비할 수도 있다.
더욱이, 상기 폐열 회수 발전 시스템(300)은 중저온(100~400℃ 정도)의 폐열이 발생하는 곳에서 적용이 가능하다. 여기서, 폐열을 제공하는 폐열 배출 시스템은 선박 터빈 또는 파워 플랜트(power plant) 등이 적용될 수 있으며, 이에 한정하지 않고 폐열이 발생되는 설비에 적용 가능하다.
한편, 본 실시예의 폐열 회수 발전 시스템(300)은 배기관(310)을 제외한 열전달부(320), 열전 발전 모듈(330), 워터 재킷(340), 전력 조정 장치(350), 전력 변환 장치(360) 및 충/방전장치(370)가 제1 실시예의 그것과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
배기관(310)은 폐열 배출 시스템의 폐열 배기관에 연결되어 폐열(연소가스)이 배기되는 통로로, 단면 형상이 다각형 또는 원형 등으로 형성된다. 더욱이, 상기 배기관(310)은 감압, 성능저하를 개선하고 상기 열전달부(320), 열전 발전 모듈(330) 및 워터 재킷(340)의 설치 위치가 자유롭도록 바이패스(bypass) 형성되며, 바이패스된 어느 한 쪽에 열전달부(320), 열전 발전 모듈(330), 워터 재킷(340)이 배치된다.
이때, 배기관(310)은 열교환 면적이 향상되도록 지그재그 형태로 형성될 수 있으며, 이에 한정하지 않고 다른 형상으로도 변경 실시가 가능하다. 한편, 본 실시에에서와 같이 배기관(310)의 단면 형상이 4각형으로 형성되는 경우, 각각의 면마다 열전달부(320), 열전 발전 모듈(330) 및 워터 재킷(340)이 배치된다.
더욱이, 상기 배기관(30)은 입구는 한 곳이고, 출구는 배기구(312)와 우회 배기관(314)으로 분기되는 "Y" 자 형상으로 형성됨을 예시하며, 분기 기점에 구동 수단(도면에 미도시)에 의해 작동되는 개폐문(도면에 미도시)이 구비되어 제어부의 제어를 통해 개폐될 수 있다. 이때, 상기 배기관(310)은 분기 기점에서 단면적이 넓어지는 방향으로 설계되므로 감압 발생을 방지한다.
또한, 상기 배기관(310)의 내부에는 온도를 감지하는 온도센서(도면에 미도시)가 구비될 수 있다. 온도센서는 배기관(310) 내부를 유동하는 폐열 온도를 감지한 후 제어부에 신호를 출력하는 것이다. 이렇게 온도센서를 통해 배기관(310) 내부의 폐열 온도를 감지하므로 상기 폐열 온도가 설정 온도 이상으로 상승하는 경우 제어부의 제어를 통해 폐열 배출 시스템의 구동을 정지시키게 하거나, 개폐문을 배기관(310)의 배기구(312) 측이 아닌 우회 배기관(314) 방향으로 개방시켜 연소 가스가 상기 우회 배기관(314) 쪽으로 빠져나가게 한다. 이는 폐열 배출 시스템에서 생성되는 폐열의 온도가 200~300℃ 범위를 초과할 경우 열전 발전 모듈(330)이 열에 의해 손상되는 것을 방지하기 위함이다.
더욱이, 상기 배기관(310) 중 배기구(312)는 도면에는 도시하지 않았지만 열전 발전 모듈(330)이 구비된 위치에서의 단면적이 입구쪽이나 출구쪽 위치에서의 단면적보다 크게 형성되어 상대적으로 상기 열전 발전 모듈(330)이 설치된 위치에서 연소 가스의 유동 속도가 감소하게 된다. 이는 압력이 일정한 유체의 흐름에서 유체가 지나가는 단면적과 유체속도의 곱은 일정하다고 정의한 베르누이 정리에 따라, 유체가 지나는 통로가 좁아지면 유체속도가 빨라지고, 통로가 넓어지면 유체의 속도가 늦어지는 점을 이용하는 것이다. 결국, 연소가스의 이동 속도를 늦춤으로써 실질적으로 열전달부(320)에서의 열 흡수율을 높일 수 있게 되고, 이를 통해 열전 발전 모듈(330)에서의 흡열률을 향상시키는 것이다.
결국, 본 실시예의 폐열 회수 발전 시스템(300)은 제1, 2 실시예를 절충하여 폐열의 일부를 바이패스하므로 별도의 공간에 위치할 수 있기 때문에 발전량 및 효율도 높이면서 감압이 적고 공간 활용이 가능한 이점이 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 제1 실시예의 폐열 회수 발전 시스템
110: 배기관
120: 열전달부
130: 열전 발전 모듈
140: 워터 재킷
200: 제2 실시예의 폐열 회수 발전 시스템
210: 배기관
230: 열전 발전 모듈
240: 워터 재킷
300: 제3 실시예의 폐열 회수 발전 시스템
310: 배기관
320: 열전달부
330: 열전 발전 모듈
340: 워터 재킷

Claims (7)

  1. 폐열 배출 시스템의 폐열 배기관에 연결되어 폐열이 배기되는 배기관;
    상기 배기관 측벽에 적어도 하나가 상기 폐열의 배기방향과 평행하게 배치되어 상기 폐열에 의해 열전발전되는 열전 발전 모듈; 및
    상기 배기관의 외부에서 상기 열전 발전 모듈의 냉각측을 수냉 방식으로 냉각시킬 수 있도록 냉각수 관이 연결되는 워터 재킷을 포함하며,
    상기 배기관은 바이패스(bypass)된 우회 배기관이 분기되어 "Y" 자 형상으로 형성되고, 바이패스된 어느 한 쪽 배기관 측벽에 상기 열전 발전 모듈이 배치되며, 폐열의 온도가 기준값 범위를 초과하는 경우 분기 기점에 구비된 개폐문을 우회 배기관 방향으로 개방시켜 연소 가스가 상기 우회 배기관 쪽으로 빠져나가게 하는 폐열 회수 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배기관 내벽에 배치된 열전 발전 모듈의 가열측에 구비되어 상기 열전 발전 모듈에 열전달율을 높일 수 있도록 열전달부를 포함하는 폐열 회수 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열전달부는 히트 파이프(Heat pipe), 히트 리시버(Heat receiver), 히트 싱크(Heat sink) 및 라디에이터(radiator) 형태 중에 선택되는 폐열 회수 발전 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배기관은 단면 형상이 다각형 또는 원형으로 형성되어, 각각의 면마다 상기 열전 발전 모듈이 배치되는 폐열 회수 발전 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 배기관은 지그재그 형태로 구비되는 폐열 회수 발전 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폐열 배출 시스템은 선박 또는 파워 플랜트(power plant)가 적용되는 폐열 회수 발전 시스템.
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