KR101552784B1 - 열전 발전 장치 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 열전 발전 장치 및 시스템이 개시되고, 더 구체적으로는 열전 발전부가 발열체를 포함하여 구조를 단순화 함으로써 구조적 안정성 및 유지보수를 쉽게 할 수 있는 열전 발전 장치 및 시스템이 개시된다.
일 실시예에 따른 열전 발전 장치는 온도차에 의해 전력이 발생되는 열전발전부 및 상기 열전발전부 상에 배치되고, 전도체로 형성된 기판을 포함하고, 상기 열전발전부는 외부 열원 없이 스스로 발열할 수 있다.

Description

열전 발전 장치 및 시스템{DEVICE AND SYSTEM FOR THERMOELECTRIC GENERATION}
일 실시예에 따른 열전 발전 장치 및 시스템이 개시되고, 더 구체적으로는 열전 발전부가 발열체를 포함하여 구조를 단순화 함으로써 구조적 안정성 확보 및 유지보수를 쉽게 할 수 있는 열전 발전 장치 및 시스템이 개시된다.
열전 발전기는 다른 종류의 도체나 반도체의 양단을 접합하고 그 2개의 접합부에 온도차를 주면 제베크 효과에 의해 기전력이 발생하는 원리를 이용하여 발전을 한다. 2개의 접합점 간에 온도 차를 주기 위해서는 열원이 필요하며 열원을 취하는 방법에 따라 여러 방식이 있다.
예를 들어, 공개특허 제 10-2013-0073411호에 열전현상을 이용하여 엔진의 배기가스의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 차량용 열전 발전기가 개시된다. 상기 공개특허는 자동차의 배기가스의 열기를 이용하여 발전하는 차량용 열전 발전기에 관한 것으로서, 고온부, 열전모듈 및 저온부를 포함하고, 가열된 고온부와 저온부에 의해 냉각되는 면 사이의 온도차에 의한 열전현상을 이용하여 전기를 발생시킨다.
일 실시예에 따른 목적은 단순한 구조로 인하여 구조적 안정성을 갖는 열전 발전 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 단순한 구조로 인하여 쉽게 유지보수 할 수 있는 열전 발전 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 발열체를 포함하여 외부 열원 없이 전력을 생성할 수 있는 열전 발전 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 일 실시예의 목적은, 다음과 같은 열전 발전장치 및 시스템을 제공함으로써 달성된다.
일 실시예에 따른 열전 발전 장치는 온도차에 의해 전력이 발생되는 열전발전부 및 상기 열전발전부 상에 배치되고, 전도체로 형성된 기판을 포함하고, 상기 열전발전부는 외부 열원 없이 스스로 발열할 수 있다.
일측에 있어서, 상기 열전 발전 장치는 상기 열전발전부를 중심으로 상기 기판의 반대측에 배치된 전극을 더 포함할 수 있다.
일측에 있어서, 복수의 열전발전부들 및 기판들은 상기 전극을 중심으로 대칭되도록 배치될 수 있다.
일측에 있어서, 상기 열전 발전부는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하고, 상기 p형 반도체 및 n형 반도체는 서로 이격되고, 상기 기판이 p형 반도체 및 n형 반도체를 연결할 수 있다.
일측에 있어서, 상기 열전발전부는 발열체로써 방사성 동위원소를 포함할 수 있다.
일측에 있어서, 상기 방사성 동위원소는 균일하게 분포된 90Sr을 포함할 수 있다.
일측에 따른 열전 발전 시스템은 복수의 열전 발전 장치 및 상기 열전 발전 장치들을 연결하는 전극을 포함하고, 상기 열전 발전 장치는 열전 발전부 및 기판을 포함하고, 상기 열전 발전부는 상기 전극을 중심으로 대칭되도록 배열될 수 있다.
일측에 있어서, 상기 전극은 이웃하는 열전 발전 장치의 p형 반도체 및 n형 반도체를 연결할 수 있다.
일 실시예에 따른 열전 발전 장치 및 시스템은 단순한 구조로 인하여 구조적 안정성을 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 열전 발전 장치 및 시스템은 단순한 구조로 인하여 쉽게 유지보수 할 수 있다.
일 실시예에 따른 열전 발전 장치 및 시스템은 발열체를 포함하여 외부 열원 없이 전력을 생성할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 반도체의 높이 및 온도에 따른 열 효율 및 전력밀도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 복수의 열전 발전 장치들을 포함하는 일 실시예에 따른 열전 발전 시스템의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 실시 예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 여러 태양 중 하나이며, 하기의 기술은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하여, 열전 발전 장치(1)는 열전발전부(110) 및 기판(120)을 포함하고 열전발전부(110)는 외부 열원 없이 스스로 발열할 수 있다.
기판(120)은 열전발전부(110) 상에 배치될 수 있고, 전류가 흐를 수 있는 전도체로 형성될 수 있다.
열전 발전 장치(1)는 전극(130)을 더 포함할 수 있는데, 열전발전부(110)를 중심으로 기판(120)의 반대측에 배치될 수 있다.
즉, 기판(120)이 열전발전부(110)를 덮고, 전극(130)이 열전발전부(110)의 하측에 배치되는 형태로 구성될 수 있다.
열전발전부(110)는 금속 또는 반도체에 온도차가 존재하면 전력이 생성되는 제베크효과(Seeback effect)를 이용해 전력을 생성할 수 있다.
열전발전부(110)는 p형 반도체(111) 및 n형 반도체(112)를 포함할 수 있다. 예를 들어 도핑과정을 거쳐 순수한 반도체 물질인 규소나 저마늄에 불순물을 첨가하여 저항을 감소시킬수 있다. 전자나 정공의 수를 증가시킴으로써 전도성을 높여 저항을 감소시키게 되는데, 정공수를 증가시켜 p형 반도체를 얻을 수 있고, 전자수를 증가시켜 n형 반도체를 얻을 수 있다.
p형 반도체(111) 및 n형 반도체(112)는 가령 단위면적의 가로, 세로보다 높이가 큰 직육면체 형태로 구성될 수 있고 서로 이격되도록 배치될 수 있다. p형 반도체(111) 및 n형 반도체(112)가 서로 이격되도록 배치되면 p형 반도체(111) 및 n형 반도체(112)의 사이에 내부 공간(140)이 발생될 수 있다.
p형 반도체(111) 및 n형 반도체(112)는 이격되기 때문에, 기판(120)이 p형 반도체(111) 및 n형 반도체(112)를 연결하여 화살표(C)가 도시하는 것처럼, 전류가 흐르도록 구성될 수 있다.
열전발전부(110)는 스스로 발열할 수 있는데, 발열체로서 방사성 동위원소를 포함할 수 있다. 여기서 방사성 동위원소는 균일하게 분포된 90Sr일 수 있다. 즉, p형 반도체(111) 및 n형 반도체(112)에 90Sr이 균일하게 분포될 수 있다. 방사성 동위원소에 대한 내용은 아래에서 설명하기로 한다.
일반적인 열전 발전 장치는 외부 열원에 의하여 가열되는 고온부를 이용하여 전력을 생성하지만 열전 발전 장치(1)는 열전발전부(110)에 발열체를 포함하여, 외부 열원 없이 전력을 생성할 수 있다.
열전 발전 장치(1)는 열전발전부(110)가 스스로 발열할 수 있다. 따라서, 외부 열원 없이도 열전 발전 장치(1)에 고온부 및 저온부가 발생될 수 있다.
복수의 열전발전부(110)들 및 기판(120)들은 전극(130)을 중심으로 대칭되도록 배치될 수 있다. 이와 같이 전극(130)을 중심으로 상, 하에 복수의 열전발전부(110) 및 기판(120)을 배치함으로써 샌드위치와 같은 구조를 형성할 수 있다.
열전발전을 위하여 필요한 열적 경계는 상기 샌드위치와 같은 구조로 형성할 수 있는데, 전극(130)이 열전발전부(110) 사이에 위치함으로써 간단한 경계를 형성할 수 있다. 상기와 같은 구조로 인하여, 내부 공간(140)의 중심과 전극(130)은 자연적으로 단열이 될 수 있다. 따라서, 내부 공간(140) 및 열전발전부(110)와 접하는 전극(130) 부분은 고온이 유지될 수 있다.
상기와 같은 구조로 인하여, 발열체를 포함하는 열전 발전부(110)와 접하는 전극(130)부분과 내부 공간(140)은 고온이 유지될 수 있다. 이에 반하여, 기판(120)은 발열체가 양쪽에서 감싸는 구조가 아니기 때문에 상대적으로 저온이 유지될 수 있다.
따라서, 열전 발전 장치의 중심부는 고온으로 유지되고, 열전 발전 장치의 양 단부는 상대적으로 저온이 유지되기 때문에 열은 화살표(H)가 도시하는 것처럼 이동될 수 있다.
열전발전부(110)는 발열체로써 방사성 동위원소를 포함할 수 있다. 열전발전부(110)가 스스로 발열할 수 있도록 하는 방법에는 여러 가지가 존재할 수 있지만, 그 중 한가지는 방사성 동위원소를 포함하는 것일 수 있다.
예를 들어, 상기 방사성 동위원소는 균일하게 분포된 90Sr(스트론튬-90)일 수 있다. 가령, 이미 알려진 SrTiO3(스트론튬타이타늄옥사이드)와 같은 열전 산화물에서 Sr원자를 방사성 동위원소 90Sr로 바꿈으로써 상기 열전 산화물을 자가발열을 하는 열전 산화물로 사용할 수 있다. 즉, 열전 발전 장치는 90Sr을 SrTiO3 형태로 포함할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 열전 발전 장치의 반도체의 높이 및 온도에 따른 열 효율 및 전력밀도를 나타내는 그래프이다. 도 2(a)는 반도체의 높이(L)가 1cm일 때의 실험결과를 나타내는 그래프이고, 도 2(b)는 반도체의 높이(L)가 5cm일 때의 실험결과를 나타내는 그래프이다. 여기에서 이고, RL 외부저항이고, R은 열전 발전부의 전기저항이다. 반도체의 높이(L)는 도 1에 도시되어 있다.
도 2(a)를 참조하여 단위 부피당 생성된 열의 양(
Figure 112014006609910-pat00001
)이 이고, 반도체의 높이(L)가 1cm인 실험에서, m 값이 1과 1.5 사이일 때, 최대 효율(
Figure 112014006609910-pat00002
)은 약 0.05 ~ 0.06%이고 최대 전력 밀도(
Figure 112014006609910-pat00003
)는 약 4.5 ~ 5 [W/m2]이다. 도 2(b)를 참조하여 단위 부피당 생성된 열의 양(
Figure 112014006609910-pat00004
)이 이고 반도체의 높이(L)가 5cm인 실험에서, m 값이 1과 1.5 사이일 때, 최대 효율(
Figure 112014006609910-pat00005
)은 약 1.2 ~ 1.3%이고 최대 전력 밀도(
Figure 112014006609910-pat00006
)는 약 500 ~ 600 [W/m2]이다.
또한, 양 실험 모두에서 저온부의 온도(Tc)가 300K일 때의 효율 및 전력 밀도 값이, 저온부의 온도(Tc)가 400K 또는 500K일 때보다 높게 나타났다.
상기 실험으로부터 전력 생성부의 높이(L)가 클수록, 그리고 고온부와 저온부의 온도차가 클수록 열전 발전기의 효율이 상승한다는 것을 알 수 있다.
도 3을 참조하여, 일 실시예에 따른 열전 발전 시스템(2)은 복수의 열전 발전 장치(200) 및 열전 발전 장치(200)들을 연결하는 전극(230)을 포함할 수 있다.
앞서 설명한 열전 발전 장치(1)와 유사한 구성요소를 포함할 수 있기 때문에 설명의 간략화를 위해 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
열전 발전 장치(200)는 열전발전부(210) 및 기판(220)을 포함하고, 열전발전부(210)는 전극(230)을 중심으로 대칭되도록 샌드위치와 같은 형태로 배열될 수 있다. 전극(230)은 복수의 열전 발전 장치(200)들을 연결할 수 있다.
전극(220)은 이웃하는 열전 발전 장치(200)의 p형 반도체(211a) 및 n형 반도체(212)를 연결할 수 있다. 그러므로, 열전 발전 시스템(200)은 p형 반도체(211a)와 n형 반도체(212)가 번갈아 가면서 배치되는 형태로 구성될 수 있다.
예를 들어 상기와 같은 구성으로 인하여 열전 발전 시스템(200)은, 화살표(C)에 도시된 것처럼, 열전 발전 장치의 p형 반도체(211)에서 기판(220)을 통하여 n형 반도체(212)로 전류가 흐르고, n형 반도체(212)에서 전극(230)으로 전류가 흐르며, 인접한 열전 발전 장치들을 연결하는 전극(230)을 통하여, 인접한 열전 발전 장치(200a)의 p형 반도체(211a)로 전류가 흐를 수 있다.
상기의 열전 발전 장치(1) 및 시스템(2)은 단순한 구조로 인하여 구조적 안정성을 가질 수 있고, 단순한 구조로 인하여 쉽게 유지보수 할 수 있고, 발열체를 포함하여 외부 열원 없이 전력을 생성할 수 있다.
이상 설명한 본 발명은, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 고안에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정하여야 할 것이다.
1 열전 발전 장치
110 열전발전부
111 p형 반도체
112 n형 반도체
120 기판
130 전극
140 내부 공간
E 외부공간
2 열전 시스템
200, 200a 열전 발전 장치
210 열전발전부
211, 211a p형 반도체
212 n형 반도체
220 기판
230 전극
C 전류흐름
H 열 흐름

Claims (9)

  1. p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하는 열전발전부;
    상기 열전발전부 상에 배치되고, 전도체로 형성된 기판; 및
    상기 열전발전부를 중심으로 상기 기판의 반대측에 배치된 전극;
    을 포함하고,
    상기 열전발전부와 상기 기판은 복수개로 마련되어 상기 전극을 중심으로 대칭으로 배치되고,
    상기 열전발전부는 발열체를 포함하는 열전 발전 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 p형 반도체 및 n형 반도체는 서로 이격되고, 상기 기판은 p형 반도체 및 n형 반도체를 연결하는 열전 발전 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 발열체는 방사성 동위원소를 포함하는 열전 발전 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 발열체는 균일하게 분포된 90Sr을 포함하는 열전 발전 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 발열체는 90Sr를 SrTiO3의 형태로 포함하는 열전 발전 장치.
  8. 발열체를 포함하는 열전발전부와, 상기 열전발전부 상에 배치되고 전도체로 형성된 기판과, 상기 열전발전부를 중심으로 상기 기판의 반대측에 배치된 전극을 포함하고, 상기 열전발전부와 상기 기판은 복수개로 마련되어 상기 전극을 중심으로 대칭으로 배치되는 열전 발전 장치가 복수개로 마련되고,
    상기 전극은 상기 열전 발전 장치들을 연결하는 열전 발전 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 열전발전부는 p형 반도체 및 n형 반도체를 포함하고,
    상기 전극은 이웃하는 열전 발전 장치의 p형 반도체 및 n형 반도체를 연결하는 열전 발전 시스템.
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