KR101564903B1 - 열전발전 장치 및 이를 포함하는 선박용 열전발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
열전발전 장치와 선박용 열전발전 시스템이 개시된다. 열전발전 장치는, 배기가스 리시버 상에, 이격된 복수의 다각형 판재로 구성되는 판 지지체; 상기 판 지지체 상에 설치되는 적어도 하나의 열전소자 설치판; 상기 적어도 하나의 열전소자 설치판 상에 설치되는 적어도 하나의 열전소자; 및 상기 적어도 하나의 열전소자 상에 설치되는 냉각수 라인층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 열전발전 장치 및 이를 포함하는 선박용 열전발전 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 배기가스 리시버 장착형 열전발전장치 및 이를 포함하는 선박용 열전발전 시스템에 관한 것이다.
최근 유가 상승 및 환경 규제 강화로 인해 친환경 선박 개발의 필요성이 부각되고 있다.
그에 따라 선박에서 엔진의 성능을 향상시키고 기존에 버려지던 폐열을 회수하는 시스템을 구성하여 선박의 연비를 향상시키는 연구가 수행되고 있으며, 강화되는 환경 규제를 만족하기 위해 질소산화물 및 황산화물을 제거하기 위한 촉매에 대한 연구가 진행되고 있다.
도 1은 일반적인 디젤엔진에서의 배기 폐열량을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 디젤엔진(1)에서는 연료를 100%로 가정할 때 45% 정도의 에너지가 사용가능 전력(useful power)으로 이용되며, 32% 정도의 에너지가 배기가스(exhaust gas)로 이코너마이저(economizer)(2)에 전달되고, 기타 손실(other loss) 에너지가 23% 정도 발생한다. 폐기관으로 이코너마이저(economizer)(2) 후단에서는 디젤엔진(1)에서 전달된 배기가스의 에너지(32% 정도) 중 16% 정도의 에너지가 배기가스로 버려지고 있으며, 물, 열유(thermal oil), 공기 등과 같은 스팀(steam)의 열로 16% 정도의 에너지가 다시 흡수될 수 있다.
이러한 폐열을 회수하는 방법으로는 열역학 사이클을 이용하는 방식이 일반적으로 사용된다. 한국공개특허공보 제10-2013-0097437호에는 선박용 폐열회수시스템의 폐열을 이용한 연료가스 공급 시스템이 개시되어 있다.
열역학 사이클을 이용한 폐열회수 방법을 이용하면 에너지 회수율은 높은 반면 시스템이 복잡하고 선박에 적용하기에는 너무 큰 것이 현실이다. 또한, 이 시스템을 유지 보수하기 위해 전문가가 필요하게 된다.
따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 대안이 필요한 실정이다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 선박에서 발생하는 배기가스 폐열과 엔진 냉각수 사이의 온도 차이를 이용하여 열전발전시스템을 적용하여 에너지를 회수하여 전력이 필요한 선박의 부분에 공급하여 발전기 부하를 감소시키고 선박 시스템 구성 시 전력망 구성이 용이한 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치 및 이를 포함하는 선박용 열전발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 공간적인 제약 및 배압의 영향을 최소화할 수 있고, 시스템 구성을 위한 추가적인 공간 배분이 불필요하며, 배기가스 리시버의 표면에 열전소자를 배치하고 그 외부에 냉각수를 흘림으로써 자연적인 단열효과를 기대할 수 있어 기존의 단열 시공 비용을 절약할 수 있는 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치 및 이를 포함하는 선박용 열전발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배기가스 리시버 상에, 이격된 복수의 다각형 판재로 구성되는 판 지지체; 상기 판 지지체 상에 설치되는 적어도 하나의 열전소자 설치판; 상기 적어도 하나의 열전소자 설치판 상에 설치되는 적어도 하나의 열전소자; 및 상기 적어도 하나의 열전소자 상에 설치되는 냉각수 라인층을 포함하는 열전발전 장치가 제공된다.
상기 복수의 다각형 판재의 중심에는 상기 배기가스 리시버의 단면에 상응하는 홀이 형성되어 있어 상기 복수의 다각형 판재가 상기 배기가스 리시버를 감싸는 구조를 가지며, 상기 이격된 복수의 다각형 판재 사이의 각 모서리는 동일 평면 상에 놓여질 수 있다.
상기 적어도 하나의 열전소자는 고온단자, 저온단자 및 전기생성부를 포함하고, 상기 고온단자는 상기 적어도 하나의 열전소자 설치판에 접촉하고, 상기 저온단자는 상기 냉각수 라인층에 접촉하며, 상기 고온단자와 상기 저온단자 사이에 상기 전기생성부가 상기 열전소자 설치판을 통해 전달된 배기가스의 고열과 상기 냉각수 라인층을 통해 전달된 냉각수의 냉열에 따른 온도 차이에 따라 전력를 생성할 수 있다.
상기 냉각수 라인층은, 외부에서 냉각수가 유입되는 유입용 냉각수 라인블록, 외부로 냉각수를 배출하는 배출용 냉각수 라인블록 및 상기 유입용 냉각수 라인블록과 상기 냉각수 라인블록 사이에 위치하여 상기 열전소자 상에 냉각수가 흐르는 통로를 형성하는 냉각수 통로블록을 포함하고, 상기 유입용 냉각수 라인블록 및 상기 배출용 냉각수 라인블록은 상기 적어도 하나의 열전소자 설치판 간의 결합부에 대응되도록 절곡되어, 상기 결합부에 설치될 수 있다.
상기 유입용 냉각수 라인 블록과 상기 배출용 냉각수 라인 블록은 교번하여 설치될 수 있다.
상기 냉각수 라인층은, 상기 적어도 하나의 열전소자 설치판 간의 결합부에 대응되도록 절곡되어 상기 결합부에 설치되고, 상기 절곡된 부분에 격벽이 설치되어 냉각수 유입 및 배출공간으로 분리되는 적어도 하나의 냉각수 라인분리블록 및 상기 냉각수 라인분리블록 사이에 위치하여 상기 냉각수가 흐르는 통로를 형성하는 냉각수 통로블록을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 라인층에는 청수(fresh water) 또는 해수가 공급될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선박에서 발생하는 배기가스 리시버의 배기가스 폐열과 엔진 냉각수 사이의 온도 차이를 이용하여 열전발전시스템을 적용하여 에너지를 회수하여 전력이 필요한 선박의 부분에 공급하여 발전기 부하를 감소시키고 선박 시스템 구성 시 전력망 구성이 용이한 효과가 있다.
또한, 공간적인 제약 및 배압의 영향을 최소화할 수 있고, 시스템 구성을 위한 추가적인 공간 배분이 불필요하며, 배기가스 리시버의 표면에 열전소자를 배치하고 그 외부에 냉각수를 흘림으로써 자연적인 단열효과를 기대할 수 있어 기존의 단열 시공 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 디젤엔진에서의 배기 폐열량을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템을 나타낸 도면,
도 4는 배기가스 리시버가 설치된 선박용 메인엔진을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치의 단면도,
도 6은 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치에 포함되는 열전소자 설치판 형상을 나타낸 도면,
도 7은 배기가스 리시버 표면에 열전소자 설치판을 장착하기 위한 구조체 및 조립 형상을 나타낸 도면,
도 8은 열전소자 설치판 상에 설치된 열전소자 배치도,
도 9는 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치의 냉각수 라인 중 일 실시예에 따른 배치도,
도 10은 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치의 냉각수 라인 중 다른 실시예에 따른 배치도,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템을 나타낸 도면,
도 4는 배기가스 리시버가 설치된 선박용 메인엔진을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치의 단면도,
도 6은 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치에 포함되는 열전소자 설치판 형상을 나타낸 도면,
도 7은 배기가스 리시버 표면에 열전소자 설치판을 장착하기 위한 구조체 및 조립 형상을 나타낸 도면,
도 8은 열전소자 설치판 상에 설치된 열전소자 배치도,
도 9는 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치의 냉각수 라인 중 일 실시예에 따른 배치도,
도 10은 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치의 냉각수 라인 중 다른 실시예에 따른 배치도,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템의 구성도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예들에서는 선박에서 폐열을 회수하여 활용하는 방법으로 열전소자를 이용한 열전발전 시스템을 적용한다.
열전발전은 양단자에 온도차가 존재할 때 지백효과(zeeback effect) 를 이용하여 전기를 발생시키는 반도체의 성질을 이용하는 열전소자(Thermo-Electric Device) 모듈을 직렬로 연결하여 전기를 얻는 방법이다. 여기서, 지백효과(zeeback effect)는 열을 받으면 기전력이 발생되는 반도체의 효과 중 하나이다.
열전발전 시스템은 배기가스의 배압 감소 없이 에너지를 회수할 수 있으며, 높은 신뢰성과 내구성을 가지고, 컴팩트(compact)한 시스템 구성이 가능하다. 또한, 한번 설치하면 유지 보수 비용이 거의 들지 않는 특성이 있다.
또한, 선박에 적용되는 가변 모터 혹은 펌프는 열전발전을 이용하여 발생된 직류(D/C) 전기를 이용하여 원하는 주파수의 교류로 변환하여 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 선박에서 발생하는 배기가스 리시버의 배기가스 폐열과 엔진의 냉각수 혹은 중앙 냉각부(central cooler) 혹은 해수의 냉열을 이용한 에너지 회수 시스템을 구성하고, 회수된 에너지를 전력이 필요한 선박의 각종 부분에 공급하여 발전기 부하를 감소시키고 선박 시스템 구성에 있어 전력망 구성이 용이하도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템(10)에는 청수 냉각 방식이 적용되어 있으며, 메인엔진(11), 배기가스 리시버(12), 충전부(13), 중앙 열교환기(14)를 포함한다.
중앙 열교환기(14)는 해수펌프(17)의 펌핑에 의해 해수를 유입하고, 청수펌프(16)의 펌핑에 의해 엔진 룸에 냉각수로 제공되는 청수(fresh water)와 유입된 해수를 열교환시켜 청수를 냉각시킨다.
냉각된 청수는 배기가스 리시버(12)에도 전달되고, 메인엔진(11)의 배기가스가 배기관을 통해 배출되는 과정 중에 배기가스 리시버(12)에 설치된 열전소자가 배기가스와 청수의 온도 차이를 이용하여 전기를 생성한다. 그리고 생성된 전기는 충전부(13)에 저장된 후 메인 스위치 보드(15), 청수펌프(16), 해수펌프(17) 등을 구동시키는데 이용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템(20)에는 해수 냉각방식이 적용되어 있으며, 메인엔진(21), 배기가스 리시버(22), 충전부(23)를 포함한다.
청수 대신에 해수를 엔진 룸의 냉각수로 직접 이용하며, 해수펌프(24)의 펌핑에 의해 해수가 배기가스 리시버(22)에도 전달된다.
메인엔진(21)의 배기가스가 배기관을 통해 배출되는 과정 중에 배기가스 리시버(22)에 설치된 열전소자가 배기가스와 해수의 온도 차이를 이용하여 전기를 생성한다. 그리고 생성된 전기는 충전부(23)에 저장된 후 메인 스위치 보드(25), 해수펌프(24) 등을 구동시키는데 이용될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 배기가스 리시버(12, 22)에서 배기가스와 청수 혹은 배기가스와 해수 간의 온도 차이를 이용하기 위한 열전소자의 설치형태에 대해서는 이하 관련 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 배기가스 리시버가 설치된 선박용 메인엔진을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치는 선박용 메인엔진의 연소가스가 배출되는 경로 중 하나인 배기가스 리시버에 장착되어 배기가스의 고온과 냉각수의 저온에 따른 온도 차이를 이용하여 발전을 하는 것을 특징으로 한다.
도 4를 참조하면, 선박용 메인엔진(11)이 도시되어 있다.
선박용 메인엔진(11)의 배기가스 리시버(12)는 실린더에서 소기행정에 의해 배출되는 연소가스를 모으는 실린더 형상의 엔진 구성품으로, 실린더 상부에 위치하며 그 길이가 메인엔진(11)의 길이와 비례하여 예를 들면 130,000TEU급 컨테이너의 경우 약 18m에 달할 수 있다.
배기가스 리시버(12)에는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치가 장착될 수 있다.
도 5를 참조하면, 배기가스 리시버(12)에 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치(100)이 장착된 경우의 단면도가 도시되어 있다.
배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치(100)는 배기가스 리시버(12)의 챔버 표면에 고정되어 배기가스의 열을 전달하는 판 지지체(110)를 기본 골격으로 하며, 판 지지체(110) 상에 부착되는 열전소자 설치판으로 이루어진 설치용 외피(120), 열전소자 설치판 상에 배치되는 열전소자들(130), 열전소자들(130) 상에 냉각수가 흐르는 경로가 마련된 냉각수 라인층(140)이 순차적으로 적층되어 있다.
즉, 배기가스 리시버(12)의 외부를 열전소자 부착을 위한 설치용 외피(120)를 구성하는 열전소자 설치판을 지지하는 구조물에 해당하는 판 지지체(110)로 감싸고, 그 위에 열전소자 설치판을 설치하며, 그 표면에 열전소자(130)를 설치한다. 그리고 그 외부에 냉각수 유로인 냉각수 라인층(140)을 설치하여 마감하게 된다.
판 지지체(110)의 형상에 따라 전체적인 형상이 변경될 수 있다. 본 명세서에서는 판 지지체(110)가 육각형 형상을 가지는 경우가 예시적으로 도시되어 있지만, 이는 일 실시예에 불과하며, 판 지지체는 사각형, 오각형 등의 다각형 형상을 가질 수도 있음은 물론이다.
이하에서는 판 지지체(110), 설치용 외피(120), 열전소자(130), 냉각수 라인층(140)에 대해서 관련 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 6은 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치에 포함되는 열전소자 설치판 형상을 나타낸 도면이고, 도 7은 배기가스 리시버 표면에 열전소자 설치판을 장착하기 위한 구조체 및 조립 형상을 나타낸 도면이며, 도 8은 열전소자 설치판 상에 설치된 열전소자 배치도이고, 도 9는 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치의 냉각수 라인 중 일 실시예에 따른 배치도이며, 도 10은 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치의 냉각수 라인 중 다른 실시예에 따른 배치도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치(100)의 판 지지체(110)가 육각형인 경우를 가정하여 설명하기로 한다.
도 6의 (a)는 배기가스 리시버(12)에 판 지지체(110) 및 설치용 외피(120)가 설치된 경우의 단면도이고, (b)는 열전소자 설치판(121)이 조립된 경우의 사시도가 나타나 있다.
배기가스 리시버(12)에는 메인엔진에서 배출되는 연소가스가 유입되어 그 내부를 유동해야 하므로, 열전소자 설치판(121) 중 어느 하나에 하나 이상의 배기가스 유입구(105)가 형성되어 있을 수 있다.
배기가스 유입구(105)를 통해 고온의 배기가스가 배기가스 리시버(12) 내부로 유입되어 그 내부를 유동하게 된다.
도 7을 참조하면, 판 지지체(110)는 중심에 배기가스 리시버(12)의 단면 형상에 상응하는 홀이 형성된 복수의 다각형 판재(도면에서는 육각형 판재가 예시되어 있음)를 포함한다.
복수의 다각형 판재는 배기가스 리시버(12)의 길이 방향에 수직으로 설치되며, 복수의 다각형 판재는 일정 간격 혹은 임의의 간격으로 상호 이격되어 있으면서, 각 모서리가 동일한 평면 상에 놓여지도록 설치된다.
복수의 다각형 판재의 모서리에는 복수의 열전소자 설치판(121)으로 이루어진 설치용 외피(120)가 부착될 수 있다. 열전소자 설치판(121)은 다각형 판재에 대하여 수직으로 부착될 수 있다.
이 때 열전소자 설치판(121)의 개수는 다각형 판재의 모서리 수에 대응될 수 있다. 즉, 도면에서는 다각형 판재가 육각형 판재인 바, 열전소자 설치판(121)의 개수는 6개일 수 있다.
열전소자 설치판(121)로 이루어진 설치용 외피(120)는 판 지지체(110)의 형상에 상응하는 단면을 가지는 다각 기둥 형상이 되며, 도면에서는 그 예시로 육각 기둥이 도시되어 있다.
배기가스 리시버(12)에 모인 배기가스의 고열은 배기가스 리시버(12)의 표면과 판 지지체(110), 설치용 외피(120) 순으로 전달될 수 있다.
배기가스의 고열이 효율적으로 전달될 수 있도록 하기 위해, 판 지지체(110) 및/또는 설치용 외피(120)는 열전도율이 높은 재질(예를 들어, 금속)로 이루어질 수 있다.
도 8을 참조하면, 설치용 외피(120), 즉 열전소자 설치판(121)의 외부면에 복수의 열전소자(130)를 배치한다. 열전소자(130)의 배치는 열전소자의 특성에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
예를 들면, 열전소자 설치판(121)의 외부면에 고르게 배치되어 열전소자 설치판(121)으로 전달되는 배기가스의 열을 효과적으로 전달받을 수 있다.
열전소자(130)는 고온단자와 저온단자 사이에 반도체가 배치되어 있어 고온단자에 전달되는 배기가스의 고열과 저온단자에 전달되는 냉각수의 냉열의 온도 차이에 의해 반도체에서 전기를 발생시키게 된다.
열전소자 설치판(121)에 열전소자(130)를 설치함에 있어서 열전소자 설치판(121)이 배기가스의 고열을 전달하게 되므로, 고온단자가 열전소자 설치판(121)에 부착되도록 할 수 있다.
열전소자(130)의 저온단자에 대해서는 냉각수 라인층(140)을 적층하여 냉각수 라인층(140)을 따라 흐르는 냉각수에 의해 냉열이 전달되도록 한다. 여기서, 냉각수로는 도 2에서 설명한 청수 혹은 도 3에서 설명한 해수 중 하나가 이용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 열전소자(130) 상에 적층되는 냉각수 라인층(140a)의 일 실시예가 도시되어 있다.
냉각수 라인층(140a)은 외부에서 냉각수가 유입 혹은 배출되는 냉각수 라인 블록(210, 220)과, 냉각수 라인 블록(210, 220) 사이에서 표면을 따라 냉각수가 흐르도록 하는 냉각수 통로 블록(230)을 포함한다.
냉각수 라인 블록(210, 220)은 열전소자 설치판(121)으로 이루어진 설치용 외피(120)의 모서리마다 설치되며, 각 모서리마다 교번하여 냉각수 유입용과 냉각수 배출용이 배치된다. 여기서, 모서리는 이웃하는 열전소자 설치판(121)이 서로 만나는 지점들에 해당한다.
예를 들어, 임의의 모서리에 유입용 냉각수 라인 블록(210)이 배치되면 이웃하는 모서리들에는 배출용 냉각수 라인 블록(220)이 배치될 수 있다.
유입용 냉각수 라인 블록(210)과 배출용 냉각수 라인 블록(220) 사이에는 냉각수 통로 블록(230)이 개재되어 있어 유입용 냉각수 라인 블록(210)을 통해 외부에서 유입된 냉각수가 냉각수 통로 블록(230)을 통해 배출용 냉각수 라인 블록(220)으로 흘러가서 다시 외부로 배출되는 냉각수 유로가 형성된다.
이 때 냉각수 통로 블록(230)이 열전소자 설치판(121) 표면에 설치된 열전소자(130), 특히 열전소자(130)의 저온단자와 접촉하게 되어 냉각수의 냉열이 열전소자(130)에 전달될 수 있도록 한다.
냉각수 라인 블록(230)은 열전소자 설치판(121)으로 이루어진 설치용 외피(120)의 모서리에 설치 가능하도록 다각형 판재의 내각에 상응하여 절곡되고, 내부에 냉각수가 흐를 수 있도록 하는 공간이 마련된 몸체(212)를 포함한다. 몸체(212)의 양 측면에는 냉각수가 냉각수 통로 블록(230)으로 배출되거나 냉각수 통로 블록(230)에서 유입될 수 있도록 하는 하나 이상의 관통공(214)이 형성되어 있을 수 있다.
도 10을 참조하면, 열전소자(130) 상에 적층되는 냉각수 라인층(140b)의 다른 실시예가 도시되어 있다.
냉각수 라인층(140b)은 외부에서 냉각수가 유입 및 배출되는 냉각수 라인 분리 블록(250)과, 냉각수 라인 분리 블록(250) 사이에서 표면을 따라 냉각수가 흐르도록 하는 냉각수 통로 블록(260)을 포함한다.
냉각수 라인 분리 블록(250)은 열전소자 설치판(121)으로 이루어진 설치용 외피(120)의 모서리마다 설치된다.
냉각수 라인 분리 블록(250)은 다각형 판재의 내각에 상응하여 절곡되고, 내부에 냉각수가 흐를 수 있도록 하는 공간이 마련된 몸체(252)를 포함한다.
몸체(252)는 절곡 부분에 격벽이 설치되어 있어 2개의 공간으로 나누어지며, 유입 공간(254a)은 외부에서 냉각수가 유입되는 냉각수 유입 통로, 배출 공간(254b)은 외부로 냉각수가 배출되는 냉각수 배출 통로로 이용될 수 있다.
유입 공간(254a)의 외측면에는 냉각수가 냉각수 통로 블록(260)으로 배출될 수 있도록 하는 하나 이상의 관통공(256a)이 형성되어 있고, 배출 공간(254b)의 외측면에는 냉각수가 냉각수 통로 블록(230)에서 유입될 수 있도록 하는 하나 이상의 관통공(256b)이 형성되어 있을 수 있다.
이웃하는 냉각수 라인 분리 블록(250) 사이에는 냉각수 통로 블록(260)이 개재되어 있어 냉각수 라인 분리 블록(250)의 유입 공간(254a)을 통해 외부에서 유입된 냉각수가 냉각수 통로 블록(260)을 통해 이웃하는 냉각수 라인 분리 블록(250)의 배출 공간(254b)으로 흘러가서 다시 외부로 배출되는 냉각수 유로가 형성된다.
이를 위해 각 모서리에 설치되는 냉각수 라인 분리 블록(250)은 유입 공간(254a)과 배출 공간(254b)이 동일 순서로 배치되도록 한다. 즉, 동일한 열전소자 설치판(121) 위에서 서로 이웃하는 냉각수 라인 분리 블록(250) 중 어느 하나가 유입 공간(254a)인 경우 다른 하나는 배출 공간(254b)이 배치되게 된다.
이 때 냉각수 통로 블록(260)이 열전소자 설치판(121) 표면에 설치된 열전소자(130), 특히 열전소자(130)의 저온단자와 접촉하게 되어 냉각수의 냉열이 열전소자(130)에 전달될 수 있도록 한다.
기존에는 배기가스 리시버의 표면 형상을 따라 시스템을 구성하게 될 경우 새로운 형상의 열전발전 모듈을 설계해야 하고, 이로 인해 열전발전 시스템의 구성이 어려울 수도 있는 단점이 있다.
하지만, 전술한 것과 같이 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 리시버 장착용 열전발전 장치는 배기가스 리시버의 표면에 열전도율이 높은 평면을 형성해 줌으로써 열전발전 시스템의 시공 및 유지보수가 쉬운 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템의 구성도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템(30)에서는 폐열 발전으로 얻은 전기를 이용하여 선박의 각종 설비를 구동시키고 있다.
도 11에 도시된 선박용 열전발전 시스템(30)은 도 2에 도시된 선박용 열전발전 시스템(10)과 비교할 때 발전기엔진(39) 및 이에 연결되는 배기가스 리시버(38)와, 이들에 연결되는 전기 라인, 청수 라인 등이 추가되어 있다.
메인엔진(31) 이외에 발전기엔진(39)에도 전술한 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치를 장착하여 열전발전 시스템을 구성할 수 있으며, 열전발전을 통해 생성된 전기는 충전부(33)에 저장되고, 해수펌프(37), 청수펌프(36) 등에 보내질 수 있다. 잔여 전기는 메인 스위치 보드(35)로 전달되어 선박 내에서 전력이 필요한 곳으로 보내질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의한 열전발전 시스템에 의하면, 기존의 폐열 발전 시스템에 비해 공간적인 제약 및 배압의 영향을 최소화할 수 있게 된다. 또한, 회수된 전기를 이용하여 엔진 룸 내부에 설치되어 있는 각종 전기 설비들(펌프, 스위치 보드 등)을 구동하게 됨으로 발전기의 부하 및 연료 소모를 절감할 수 있다.
엔진 룸 내부에 설치되어 있는 냉각수 파이프와 기존 설비들의 용량만을 키워서 본 발명의 실시예들에 의한 열전발전 시스템을 구현할 수 있어, 시스템 구현을 위한 추가적인 공간 배분을 필요로 하지 않는다. 또한, 열전발전 시스템의 구성 시에 배기가스 리시버의 표면에 열전소자를 배치하고 그 외부에 냉각수를 흘림으로 인해 자연적인 단열 효과도 기대할 수 있어 기존의 단열 시공 비용을 절약할 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 20, 30: 선박용 열전발전 시스템 11, 21, 31: 메인엔진
12, 22, 32: 배기가스 리시버 13, 23, 33: 충전부
14, 34: 중앙 열교환기 15, 25, 35: 메인 스위치 보드
16, 36: 청수펌프 17, 24, 37: 해수펌프
100: 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치
110: 판 지지체 120: 설치용 외피
121: 열전소자 설치판 130: 열전소자
140a, 140b: 냉각수 라인층 210, 220: 냉각수 라인 블록
230: 냉각수 통로 블록 250: 냉각수 라인 분리 블록
260: 냉각수 통로 블록
12, 22, 32: 배기가스 리시버 13, 23, 33: 충전부
14, 34: 중앙 열교환기 15, 25, 35: 메인 스위치 보드
16, 36: 청수펌프 17, 24, 37: 해수펌프
100: 배기가스 리시버 장착형 열전발전 장치
110: 판 지지체 120: 설치용 외피
121: 열전소자 설치판 130: 열전소자
140a, 140b: 냉각수 라인층 210, 220: 냉각수 라인 블록
230: 냉각수 통로 블록 250: 냉각수 라인 분리 블록
260: 냉각수 통로 블록
Claims (7)
- 배기가스 리시버 상에, 서로 이격된 복수의 다각형 판재로 구성되는 판 지지체;
상기 판 지지체 상에 설치되는 적어도 하나의 열전소자 설치판에 의해 다각 기둥 형상을 가지는 설치용 외피;
상기 적어도 하나의 열전소자 설치판 상에 설치되는 적어도 하나의 열전소자; 및
상기 적어도 하나의 열전소자 상에 설치되는 냉각수 라인층을 포함하는 열전발전 장치. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 다각형 판재의 중심에는 상기 배기가스 리시버의 단면에 상응하는 홀이 형성되어 있어 상기 복수의 다각형 판재가 상기 배기가스 리시버를 감싸는 구조를 가지며,
상기 서로 이격된 복수의 다각형 판재 사이의 각 모서리는 동일 평면 상에 놓여지는 열전발전 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 열전소자는 고온단자, 저온단자 및 전기생성부를 포함하고,
상기 고온단자는 상기 적어도 하나의 열전소자 설치판에 접촉하고, 상기 저온단자는 상기 냉각수 라인층에 접촉하며, 상기 고온단자와 상기 저온단자 사이에 상기 전기생성부가 상기 열전소자 설치판을 통해 전달된 배기가스의 고열과 상기 냉각수 라인층을 통해 전달된 냉각수의 냉열에 따른 온도 차이에 따라 전력를 생성하는 열전발전 장치. - 제1항에 있어서,
상기 냉각수 라인층은,
외부에서 냉각수가 유입되는 유입용 냉각수 라인블록, 외부로 냉각수를 배출하는 배출용 냉각수 라인블록 및 상기 유입용 냉각수 라인블록과 상기 냉각수 라인블록 사이에 위치하여 상기 열전소자 상에 냉각수가 흐르는 통로를 형성하는 냉각수 통로블록을 포함하고,
상기 유입용 냉각수 라인블록 및 상기 배출용 냉각수 라인블록은 상기 적어도 하나의 열전소자 설치판 간의 결합부에 대응되도록 절곡되어, 상기 결합부에 설치되는 열전발전 장치. - 제4항에 있어서,
상기 유입용 냉각수 라인 블록과 상기 배출용 냉각수 라인 블록은 교번하여 설치되는 열전발전 장치. - 제1항에 있어서,
상기 냉각수 라인층은,
상기 적어도 하나의 열전소자 설치판 간의 결합부에 대응되도록 절곡되어 상기 결합부에 설치되고, 상기 절곡된 부분에 격벽이 설치되어 냉각수 유입 및 배출공간으로 분리되는 적어도 하나의 냉각수 라인분리블록 및 상기 냉각수 라인분리블록 사이에 위치하여 상기 냉각수가 흐르는 통로를 형성하는 냉각수 통로블록을 더 포함하는 열전발전 장치. - 제1항에 있어서,
상기 냉각수 라인층에는 청수(fresh water) 또는 해수가 공급되는 열전발전 장치.
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