KR101703955B1

KR101703955B1 - 열전발전 장치 및 이를 구비한 하이브리드 보일러

Info

Publication number: KR101703955B1
Application number: KR1020150073900A
Authority: KR
Inventors: 최현우; 박철희; 김동식; 박원찬; 권오정; 김태훈; 임병규
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2017-02-08
Also published as: KR20150136455A

Abstract

보일러 연소열을 활용함으로써 독립적으로 전력을 생산할 수 있는 열전발전 장치 및 이를 구비한 하이브리드 보일러를 제공한다. 본 발명에 따른 열전발전 장치는 냉각수가 흐르는 물관을 포함하는 냉각부; 및 상기 냉각부와 보일러에서 발생된 열의 온도차에 의해 전력을 생산하는 열전소자를 포함하는 열전발전부를 포함하고, 상기 열전발전부가 보일러의 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템 상부 및/또는 하부에 구비된다.

Description

열전발전 장치 및 이를 구비한 하이브리드 보일러 {Thermoelectric generation system and hybrid boiler using the same}

본 발명은 온도차에 의해 전기를 생산하는 열전발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보일러에 설치되는 열전발전 장치 및 이러한 열전발전 장치를 구비한 보일러에 관한 것이다.

고체 상태인 소재의 양단에 존재하는 온도차에 의해 열 의존성을 갖는 전자(혹은 홀)는 양단에서 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전현상으로 나타난다. 이러한 열전현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전발전과, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전냉각/가열로 구분할 수 있다.

열전현상을 보이는 열전소재는 발전과 냉각 과정에서 오염 물질의 배출이 없어 친환경적이고 지속가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 소각로나 각종 산업 설비에서 발생하는 폐열이나 태양열, 지열, 하천수열과 같은 자연열에서도 직접 전력을 생산해내어 에너지 하베스팅(energy harvesting)을 할 수 있는 신재생 에너지 관련 분야에 대한 관심이 높다.

열전발전을 이용한 설비 관련 기술은 특허등록 제10-0629352호 및 특허등록 제10-0138698호에 제안된 바 있다. 특허등록 제10-0629352호에서는 히트펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 폐열과 외부공기와의 온도차를 이용해서 전력을 발생시키는 열전모듈을 설치하여, 폐열의 이용 효율이 증대됨과 아울러 추가적으로 전력을 얻을 수 있고, 히트펌프식 공기조화기의 난방 운전시에는 상기 폐열 공급 열교환 시스템에 제공하고 남은 열을 열전모듈에 이용함으로써, 냉방 운전과 난방 운전에 관계없이 지속적으로 추가 전력을 발생시킬 수 있음을 제안하였다. 특허등록 제10-0138698호에서는 원통이나 사각기둥 모양의 열전모듈 집합체의 내부 공간을 연소실로 하며, 열전모듈 집합체의 외면은 방열면을 이루며, 이 방열면 외부에 또 다른 원통이나 사각기둥이 있고, 방열면과 외부 원통이나 사각기둥 사이의 공간에 냉각체가 물로 채워지며 이 냉각체는 외부의 펌프로 순환시켜 열을 흡수하고 흡수된 열은 온돌이나 열부하 장치에서 방열하도록 한 난방장치를 제안하였다.

그러나, 종래 열전발전을 이용한 설비 관련 기술들은 열전발전 모듈을 구성하는 저열원 흡수부와 고열원 흡수부를 각각 구비시킴에 따라 구조가 복잡해지는 문제가 있거나, 열전소자의 구조상 제약에 의해 광범위한 적용이 힘들게 되거나 장치의 체적이 증가하게 되는 단점이 있다. 나아가, 간단한 구조의 열전소자를 이용하더라도 연소실 내벽에만 열전소자를 부착함으로써 연소실의 한정된 크기에 의해 열전발전 용량의 한계가 있는 문제점이 있다.

한편, 일반적으로 보일러는 연소실에서 목재나 폐기물을 소각시키거나 가스나 기름 등의 연료를 연소시켜 발생된 열로 난방수를 가열하여 난방을 하고 있다. 이러한 보일러는 열손실을 줄여 효율적으로 난방수를 생산하기 위해 점점 그 구조가 복잡해지고 있어 단가가 높아지며, 고장이 자주 발생하고 있다. 그로 인해 구조가 간단하고, 열을 더욱 빠르고 효율적으로 난방수와 열 교환시켜 에너지 효율을 높일 수 있는 보일러의 개발이 절실히 요구되고 있다. 최근 스털링 엔진을 장착한 열전발전 보일러가 제안되었다. 스털링 엔진을 사용한 경우 이론 효율이 50%이고 최대 35%까지 구현할 수 있어 효율이 높으나 스털링 엔진 자체의 내구성이 좋지 않기 때문에 장기간 사용이 힘들 뿐 아니라 거대한 엔진으로 인해 전체적인 보일러의 크기가 증가하는 문제가 있다.

이에 따라, 본 발명자들은 에너지 효율이 높을 뿐 아니라 보일러에서 발생하는 열로부터 전력을 생산해내는 이른바, 열전발전 하이브리드 보일러의 필요성에 착안하게 되었다.

특허등록 제10-0629352호 특허등록 제10-0138698호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 보일러의 연소열을 활용함으로써 독립적으로 전력을 생산하는 열전발전 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 보일러의 연소열을 활용함으로써 독립적으로 전력을 생산하여 친환경적인 보일러를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 열전발전 장치는 보일러에서 발생된 열과 냉각부의 온도차에 의해 전력을 생산하는 열전소자를 포함하는 열전발전부를 포함하고, 단위 체적당 발생 전력이 0.1 ~ 2W/cm³ 일 수 있다. 보다 바람직하게는, 단위 체적당 발생 전력이 약 1.3W/cm³ 일 수 있다.

이러한 열전발전 장치의 한 예는 상기 냉각부가 공냉 방식이어서, 상기 열전소자가 상기 보일러 구성요소내 열을 발산하는 부위에 부착되고 맞은편 외기를 냉각부로 삼는다. 그리고, 상기 열전소자는 상기 보일러에서 온도가 상이한 두 곳 이상에서 구성요소로 포함되며 온도별 성능지수(ZT)에 따라 선택된 열전소재가 적용된다. 예를 들어, 상기 열전소자는 1000℃ 이상의 초고온부에 부착되는 열전소자, 600 ~ 1000℃의 고온부에 부착되는 열전소자, 300 ~ 600℃의 중고온부에 부착되는 열전소자 및 300℃ 이하의 중저온부에 부착되는 열전소자 중 한 가지 이상을 포함할 수 있다.

열전발전 장치의 다른 예는 상기 냉각부가 수냉 방식이고, 상기 열전발전 장치가 상기 보일러의 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템에 구비되는 것이다.

보다 구체적으로, 상기 냉각부는 냉각수가 흐르는 물관을 포함하고, 상기 열전발전부는 보일러의 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템 상부 및/또는 하부에 구비된다. 상기 열전소자는 상기 물관 주위에 어느 곳이든 부착이 될 수 있지만 외벽에 부착된 것이 특히 바람직하다. 상기 냉각수의 온도는 30 ~ 100℃일 수 있다. 상기 물관은 다양한 크기 및 단면 모양을 가지며 하나 이상 배열될 수 있다.

상기 냉각부는 1 단 혹은 2 이상의 단으로 부착될 수 있다. 상기 냉각부가 2 이상의 단으로 부착되는 경우, 각 단에 포함되는 열전소자는 다른 단에 포함되는 열전소자와 온도별 성능지수가 다른 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 따른 열전발전 장치는 다양한 온도 대역의 열전소자를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 열전발전 장치에 있어서, 상기 열전소자는 관형(tubular) 또는 평면형(planar)일 수 있다. 상기 열전소자는 다수개의 조각으로 나누어져 부착될 수 있다. 따라서, 상기 관형은 일체로 된 것이거나 다수개의 조각이 부착되어 이루어진 것일 수 있다. 상기 열전소자는 높이가 10mm 이하인 열전레그(leg)로 이루어져 있는 초소형 열전소자인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 열전발전 장치는, 상기 열전소자에 연결되어 상기 열전소자에서 생산된 전력을 수집 및 조절하는 전력변환장치; 및 상기 전력변환장치와 연결되어 상기 전력변환장치에서 수집 및 조절된 전력을 충전하는 전력저장장치를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 보일러에서 생산되는 전력은 상기 열전소자로부터 독립적으로 생산된 전력이거나 상기 전력저장장치에 1차 저장되었다가 출력되는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 보일러는 본체, 연소장치, 연소실, 상기 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템을 포함하는 보일러부 및 상기한 바와 같은 열전발전 장치를 포함하는 하이브리드 보일러이다.

본 발명에 따르면, 보일러 내부에 열전소자를 설치하고 보일러 내부 고온부의 열과 반대편 외기 혹은 냉각수가 흐르는 물관을 포함하는 냉각부와의 온도차에 의해 발전함으로써, 보일러의 연소열을 적극 활용하고, 상기 연소열을 통해 독립적으로 전력을 생산하므로 친환경적이다.

온도차에 따라 기전력의 출력을 증대시킴에 따라 이를 보일러에 자체 전력으로 공급함으로써 효율을 증가시킴은 물론, 별도의 전력 저장 시스템과 연동하여 비상시에 활용이 가능하다. 즉, 독립전원이나 비상전원으로 사용이 가능하고, 간단한 구조에 의해 유지보수 비용이 저렴하며, 대체 에너지로 사용할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 열전소자는 초소형의 크기를 갖도록 하여 보일러 내부에 부착하고자 하는 부위의 형태에 구애받지 않고 다수개의 조각으로 나누어 부착이 가능하다. 따라서, 다양한 형태의 보일러 구성요소에 원활하게 부착되어 제품의 설치 및 제작효율이 향상될 수 있고 전력 발전을 위해 추가되는 발전장치의 크기가 매우 작기 때문에 보일러 전체의 크기를 최소화시킬 수 있다.

특히 다양한 조합의 열전발전부 적층을 통해 원하는 단위 체적당 발생 전력인 0.1 ~ 2W/cm³을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 장치 및 이를 포함하는 하이브리드 보일러의 개략적인 도면이다.
도 2a와 도 2b는 현재까지 개발된 n형과 p형 열전소재들의 온도에 따른 열전성능을 보여주는 그래프이다.
도 3은 연소실 외부와 같은 넓은 면적에 열전소자를 부착할 경우의 개략적인 도면이다.
도 4는 연통이나 배관과 같은 곡면을 갖는 부위에 열전소자를 부착할 경우의 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 열전발전 장치의 열전소자로 적용될 수 있는 열전모듈의 사시도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부의 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도들이다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

일반적으로 보일러는 화기, 연소가스, 기타 고온가스 또는 전기에 의해 물 또는 열매(熱媒)를 가열해서 대기압을 넘는 증기(steam) 또는 온수를 발생시키고, 이것을 다른 곳으로 공급하는 장치를 말한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치 및 이를 포함하는 하이브리드 보일러의 개략적인 도면이다. 도시한 보일러는 가정용 보일러인데 본 발명은 가정용 보일러뿐만 아니라 기업, 관공서 및 학교 등 각종 건물에 있는 보일러에도 적용이 가능하다.

도 1을 참조하면, 보일러(1)는 보일러 본체(10) 외에 연소장치(20), 연소실(30), 열교환기, 예를 들어, 입수구(I)와 출수구(O)를 가져 냉수가 온수로 되어 나오게 하는 배관(40), 연통(50), 과열기, 절탄기, 공기 예열기, 통풍장치, 급소장치, 자동제어장치, 기타 안전밸브 등의 부속장치들(미도시)로 구성되어 있는 보일러부를 포함한다.

특히 본 발명에 따른 보일러(1)는 보일러(1) 구성요소에 부착되어 보일러 고온부로부터의 열을 활용하여 전력을 발전하고, 상기 발전된 전력을 보일러(1)에 공급하여 자가발전하는 열전발전 장치(100)를 더 포함하는데, 열전발전 장치(100)는 보일러(1) 구성요소에 부착되는 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)를 기본적으로 포함하고, 여기에 전력변환장치(70)와 전력저장장치(80)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)는 보일러(1) 구성요소에 부착되어 보일러(1)로부터 열, 예를 들어 연소열 또는 폐열과 외기의 온도차에 의해 전력을 생산한다. 즉, 본 실시예의 열전발전 장치(100)는 보일러(1)에서 발생된 열과 냉각부의 온도차에 의해 전력을 생산한다고 할 때에 특히 냉각부의 냉각이 공냉인 경우에 해당한다. 상기 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)는 상기 보일러(1) 구성요소내 열을 발산하는 부위에 부착되고 맞은편 외기를 냉각부로 삼는다.

이 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)는 온도가 상이한 두 곳 이상의 보일러(1) 구성요소에 부착되는 것과 같이 상기 보일러(1)에서 온도가 상이한 두 곳 이상에서 구성요소로 포함되며, 각 구성요소 온도에서의 ZT에 따라 선택된 열전소재가 적용된 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구성에 따라 열전발전 장치(100)는 0.1 ~ 2W/cm³ 전력을 생산해낼 수 있다. 0.1W/cm³ 미만은 발전량이 충분하지 않다. 열전소자를 많이 부착시키면 2W/cm³ 을 초과할 수 있지만 너무 많은 열전소자는 보일러 내부의 열 흐름에 영향을 줄 수 있어 바람직하지 않다.

종래에는 발전량을 전력으로만 측정할 뿐 단위 체적당 발생 전력을 고려하지 않았다. 단위 체적당 발생 전력의 개념을 도입하게 되면, 실질적인 부피를 갖는 발전개체의 생산 전력 정량화가 가능해진다. 또한 동일한 전력을 생산하는 발전 시스템이라 하더라도 단위 체적당 발생 전력이 큰 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 소형화되었음을 의미한다. 즉, 단위 체적당 발생 전력이란 개념은 보다 소형화되고 집적되는 열전발전 시스템의 발전량을 설명하는 데 적합한 새로운 개념이다.

본 발명에서는 단위 체적당 발생 전력을 0.1 ~ 2W/cm³으로 하여 보일러에 영향을 주지 않는 한도에서 최대의 발전량을 얻을 수 있고, 또한 이러한 단위 체적당 발생 전력을 얻을 수 있도록 보일러(1)에서 온도가 상이한 두 곳 이상에 ZT에 따라 선택된 열전소재로 이루어진 열전소자를 각각 적용한다.

본 실시예에서는 온도가 상이한 네 곳(A 내지 D)에 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)가 부착된 것을 예로 들어 설명하고 있다. 이와 같이, 열전발전 장치(100)는 다양한 온도 대역의 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)를 포함할 수 있다.

전력변환장치(70)는 보일러의 본체(10) 내에 부착되거나 보일러(1)의 외부에 별도로 부착되는 등 다양한 곳에 부착이 가능하고, 전력변환장치(70)는 다수개의 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)와 전선에 의해 연결된다. 상기 전력변환장치(70)는 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)에서 발생한 전력을 전달받아 내부에 수집 및 전력의 크기 등을 조절하는 장치로써, 1개의 열전소자에서는 미세한 전류와 전압이 발생하게 되므로 회로 상으로 이를 모으고 필요에 따라 증폭하는 기능을 보유하는 장치이다.

전력저장장치(80)는 전력변환장치(70)와 연결되어 전력변환장치(70)에서 발전된 전력을 저장하여 충전하는 장치로서, 전력변환장치(70)와 마찬가지로 보일러의 본체(10) 내 또는 보일러(1)의 외부 등 다양한 곳에 부착이 가능하다. 여기서 전력저장장치(80)에 저장되는 전기는 보일러(1)에 연결되어 전력을 공급하여 자체 전력을 공급하거나, 별도의 전력 저장 시스템과 연동하여 비상시에 활용이 가능하다. 상기 보일러(1)에서 생산되는 전력은 상기 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)로부터 독립적으로 생산된 전력이거나 상기 전력저장장치(80)에 1차 저장되었다가 출력되는 것일 수 있다.

즉, 열전발전 장치(100)는 독립전원이나 비상전원으로 사용이 가능하고, 간단한 구조에 의해 유지보수 비용이 저렴하며, 대체 에너지로 사용할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따르면, 보일러 내부에 열전소자를 포함하는 열전발전 장치를 설치하고 보일러 내부 고온부의 열과 반대편 외기의 온도차에 의해 발전함으로써, 보일러의 열을 활용하고, 상기 열을 통해 독립적으로 전력을 생산하여 친환경적이다.

도 1에 도시된 보일러(1)의 형태는 일례에 불과할 뿐, 본 발명은 이 밖에도 다양하게 구현될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 보일러와 열전발전 장치는 열전소자를 포함하는 형태이면 되고, 도 1에 도시된 형태에만 한정되는 것은 아니다. 또한, 보일러를 구성하는 각 요소나 배치는 도 1에 도시된 것으로 한정되지 않음은 본 발명의 당업자에게 자명하다.

연료는 버너(burner) 등의 연소장치(20)에 의해 연소실(30)에서 연소되고, 그 연소가스가 보일러 본체(10) 내를 통과하는 사이에 배관(40) 안의 물 등을 가열하고 배기가스가 되어 연통(50)을 통해 배출된다. 열 효율을 양호하게 하려면 본체 내에서 되도록 많은 열을 흡수해서 배출되는 가스의 온도를 낮출 필요가 있으며, 그렇게 하기 위해 연소가스와 물 등과의 접촉면을 크게 하도록 여러 가지 연구가 되어 있다. 이 접촉면을 전열(傳熱)면이라 하며, 그 중 연소실(30)에 직면하고 있는 것은 화염으로부터 강한 방사(放射)열을 받기 때문에 방사 전열면이라 하며, 연소실(30)을 나온 연소가스 통로가 되는 전열 면은 접촉 전열면 또는 대류 전열면이라 한다.

본 발명에 따른 보일러는 도시한 바와 같이 보일러(1) 내 고온부 어디에든 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)를 부착하여 본 발명을 적용할 수 있다. 뿐만 아니라, 보일러(1) 내부 고온부의 온도는 부위에 따라 다양하기 때문에 온도에 맞는 적정한 열전소재를 적용하는 것이 바람직하다. 본 발명은 특히 고온용 열전소재를 사용하여 보다 높은 온도를 갖는 보일러 내부 어디든지 부착이 가능하다. 각 부위 온도별 적합한 소재는 아래에서 상세히 설명한다.

도 2a와 도 2b는 현재까지 개발된 n형과 p형 열전소재들의 온도에 따른 열전성능을 보여주는 그래프이다. 도 2a와 도 2b를 참조하면, 열원의 온도에 따라 열전소재의 ZT가 변화하는 것을 볼 수 있으며, 특히 특정 온도에서 높은 값을 가지며 그 온도를 벗어나면 열전성능이 감소함을 알 수 있다. 따라서, 보일러 내 고온부의 온도에 맞는 적정한 열전소재를 적용하는 것이 바람직하다.

먼저 도 1에 A로 표시한 연소실(30) 내부(방사 전열면)는 1000℃ 이상의 초고온부이다. 따라서, 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이 SiGe, Yb₁₄MnSb₁₁과 같은 열전소재로 이루어진 열전소자(60a)를 이용하는 것이 바람직하다.

도 1에 B로 표시한 연소실(30) 외부 접촉 과열부(접촉 전열면)는 600 ~ 1000℃의 고온부, 이를테면 600 ~ 700℃ 정도의 고온부이다. 따라서, CoSb₃, CeFe₄Sb₁₂와 같은 열전소재로 이루어진 열전소자(60b)를 이용하도록 한다.

도 1에 C로 표시한 연소실 방사가열부위 및 전열부위(대류 전열면)는 300 ~ 600℃의 중고온부, 이를 테면 400 ~ 500℃ 정도의 중온부이다. 따라서, CoSb₃, CeFe₄Sb₁₂, 이외에 Cu₂Se와 같은 열전소재로 이루어진 열전소자(60c)를 이용하도록 한다.

도 1에 D로 표시한 연통, 출수구에 가까운 온수관은 300℃ 이하의 중저온부, 예를 들어 100 ~ 150℃ 정도의 저온부이다. 따라서, Bi₂Te₃와 같은 열전소재로 이루어진 열전소자(60d)를 이용할 수 있다. 물론 여기 언급된 소재 이외에 열원의 온도에 따라 열전소재의 ZT 특성으로부터 적절한 소재를 찾아 이용할 수 있다.

본 발명은 이와 같이 연소실 내부, 연소실 외부 접촉 과열부, 연소실 방사가열부위 및 전열부위, 연통, 출수구에 가까운 온수관 등에 열전소자를 부착할 수가있고, 각 위치가 1000℃ 이상의 초고온, 600 ~ 700℃의 고온부, 400 ~ 500℃의 중온부 및 100 ~ 150℃의 저온부에 해당하므로, 각 온도에서 최적의 ZT를 보이는 열전소재를 선택하여 적소에 배치함으로써 열전발전 용량을 극대화할 수 있다.

연소 후 버너로부터 배출되는 직후의 배기가스 온도는 평균 180℃ 정도이나 연통을 통해 배출되는 동안 온도는 더욱 감소하게 된다. 또한 보일러의 효율 향상을 위해 배기가스의 온도는 최대한 낮을수록 좋다. 이로 인해 충분한 온도 차이를 얻을 수 없으므로 연통을 통해 나오는 배기가스만을 이용한 열전발전의 경우 효율이 높지 못하다. 또한 연소실 내부에만 열전소자를 배치한다면 발전효율이 제한적이다. 본 발명은 연통 혹은 연소실과 같은 한군데의 위치가 아니라 보일러 고온부 두 곳 이상에 열전소자를 배치하므로 보일러의 열 활용에 더욱 효과적이다. 다양한 온도 영역 부위에 부착되는 열전소자는 특히 해당 온도 영역대에서 더욱 최적화된 성능을 발현할 수 있도록 고려하므로 열전발전 효율을 극대화할 수 있다.

열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)는 보일러 내부 구성요소의 외부면 형태 즉, 단면상 사각형, 원형, 다각형의 형태에 구애받지 않도록 초소형으로 다수개의 조각으로 각각 나누어지고, 상기 각각의 열전소자에는 전선이 연결되어 각각의 열전소자에서 하나의 전력변환장치(70)에 연결될 수 있다. 고온부에 부착되는 열전소자는 면적을 다양하게 조절할 수 있어, 예컨대 가로 × 세로가 수십 cm²가 되는 열전모듈을 사용할 수도 있고, 초소형의 크기로 만들어 보일러 내부에 부착하고자 하는 부위의 형태에 구애받지 않고 가로 × 세로가 수 cm² 크기가 되는 다수의 조각으로 나누어 부착하는 경우도 가능하다.

도 3은 연소실 외부와 같은 넓은 면적에 열전소자를 부착할 경우의 개략적인 도면이다. 예를 들어 연소실(30) 외부에 열전소자(60b)를 부착할 경우, 열전소자(60b)는 연소실(30) 외부면을 덮는 하나의 열전소자로 부착될 수도 있고, 도시한 바와 같이 여러 개의 열전소자(60b)로 부착될 수도 있다. 열전소자(60b) 하나의 크기와 부착되는 개수는 연소실(30) 면적에 따라 적절히 변경될 수 있다.

도 4는 연통이나 배관과 같은 곡면을 갖는 부위에 열전소자를 부착할 경우의 개략적인 도면이다. 도 4의 (a)는 열전소자(60d)가 부착된 연통(50)의 사시도이고, (b)는 열전소자(60d)가 부착된 연통(50)의 단면도이다.

도 4를 참조하면, 예를 들어 연통(50)과 같은 곡면에 열전소자(60d)를 부착할 경우, 열전소자(60d)는 연통(50) 외부면을 덮는 하나의 열전소자로 부착하기가 어려울 수 있다. 따라서, 도시한 바와 같이 여러 개의 작은 열전소자(60d)로 부착될 수 있다. 열전소자(60d) 하나의 크기와 부착되는 개수는 연통(50) 면적에 따라 적절히 변경될 수 있다.

열전소자는 홀이 이동하여 열에너지를 이동시키는 p형 소자와 전자가 이동하여 열에너지를 이동시키는 n형 소자로 이루어진 p ~ n 열전소자 1쌍이 기본 단위가 될 수 있으며, 이러한 p ~ n 열전소자를 하나 이상 포함하며 p ~ n 열전소자 상부 및 하부의 절연 기판, 그리고 전극으로 구성된 모듈 타입의 열전소자일 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 열전발전 장치의 열전소자로 적용될 수 있는 열전모듈의 사시도이다.

도 5를 참조하면, p형 레그(200)와 n형 레그(210)로 이루어진 p ~ n 열전소자 1쌍이 기본 단위가 되며, p ~ n 열전소자 상부 및 하부의 절연 기판(220, 230), 그리고 전극(240, 250)을 포함하여 열전모듈이 구성되어 있다. 전극(240)은 p형 레그(200)와 n형 레그(210) 상부에서 그들끼리를 연결하며, 전극(250)은 p형 레그(200)와 인접된 다른 열전소자의 n형 레그(210) 하부에서 그들끼리를 연결한다.

p ~ n 열전소자 상부의 절연 기판(220)이 열원, 즉 보일러의 고온부에 접촉될 수 있다. p ~ n 열전소자들은 직렬로 연결되며, 발생된 전기를 외부로 공급할 수 있도록, 직렬로 연결된 p ~ n 열전소자들의 양단에 리드 전선(260)이 구비된다.

열전모듈은 잉곳(ingot) 형태의 열전소재를 일정 크기로 절단하여 열전레그를 만들어 세라믹 기판에 접합하는 벌크(bulk)형, 소결한 열전재료 펠렛을 세라믹 기판에 접합한 형태, 또는 스퍼터링과 같은 MEMS(MicroElectroMechanical System) 공정을 이용하여 열전레그를 초소형으로 제작하고 기판으로는 유연성(flexible)이 있는 재료를 이용한 형태 등이 모두 가능하다. 따라서, 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)는 p, n의 열전레그 크기(두께 및 가로, 세로 길이)를 매우 작은 크기로 구성함으로써 작은 조각 형태를 취할 수 있다는 것이다. 열전레그 는 보일러 내부에서 열 흐름에 방해가 되지 않도록 되도록이면 작은 크기, 구체적으로는 높이가 10mm 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 열전레그의 높이가 5mm 이하이다.

이와 같이 본 발명에서 사용되는 열전소자는 초소형의 크기를 갖기 때문에 보일러 내부에 부착하고자 하는 부위의 형태에 구애받지 않고 다수개의 조각으로 나누어 부착이 가능하고 이를 포함하는 열전발전 장치는 초소형 열전발전 장치이다. 따라서, 다양한 형태의 보일러 구성요소에 원활하게 부착되어 제품의 설치 및 제작효율이 향상될 수 있고 전력 발전을 위해 추가되는 발전장치의 크기가 매우 작기 때문에 보일러 전체의 크기를 최소화시킬 수 있다.

종래 열전발전을 이용한 설비 관련 기술들은 열전발전 모듈을 구성하는 저열원 흡수부와 고열원 흡수부를 각각 구비시킴에 따라 구조가 복잡해지는 문제가 있거나, 열전소자의 구조상 제약에 의해 광범위한 적용이 힘들게 되거나 장치의 체적이 증가하게 되는 단점이 있다. 나아가, 간단한 구조의 열전소자를 이용하더라도 연소실 내벽에만 열전소자를 부착함으로써 연소실의 한정된 크기에 의해 열전발전 용량의 한계가 있는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 장치(100)에서는 보일러 고온부와 외기와의 온도차를 이용하므로 저열원 흡수부와 고열원 흡수부를 각각 구비시킬 필요가 없어 간단한 열전소자를 이용하므로 장치의 체적을 증가시키지 않는다. 연소실 내부에 해당하는 초고온부, 연소실 외부 접촉 과열부에 해당하는 고온부, 연소실 방사가열부위 및 전열부위에 해당하는 중온부, 및 연통이나 출수구에 가까운 배관에 해당하는 저온부 중 두 곳 이상에 열전소자가 부착되므로 열전발전 용량을 증가시킬 수 있다. 나아가, 열전소자는 온도가 상이한 두 곳 이상의 보일러 구성요소 온도에서의 ZT에 따라 선택된 열전소재가 적용되므로 열전발전 용량을 극대화할 수 있다.

도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전 장치를 설명하기 위한 개략도들이다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전발전 장치는 보일러에서 발생된 열과 냉각부의 온도차에 의해 전력을 생산하는 열전소자를 포함하는 열전발전부를 포함하고, 0.1 ~ 2W/cm³ 전력을 생산할 수 있다.

이 때, 상기 냉각부의 냉각 방식은 공냉 혹은 수냉일 수 있는데, 도 6 내지 도 9에 도시한 열전발전 장치는 그 중에서도 냉각부가 수냉인 경우이다. 한편, 도 1과 같이 냉각부가 공냉인 열전발전 장치와 도 6 내지 도 9에 후술할 냉각부가 수냉인 열전발전 장치를 조합한 것도 본 발명의 실시예에 해당된다.

보일러는 도 6 내지 도 9에 도시한 바와 같이 보일러의 연소실(330) 내부에 열교환 시스템(340)을 포함한다. 도 6 내지 도 8은 열교환 시스템(340)이 한 개 포함되는 경우이고 도 9는 열교환 시스템(340)이 두 개 포함되는 이중 열교환 시스템의 경우를 예로 들었다. 본 발명에 따른 열전발전 장치는 이와 같이 보일러의 연소실(330) 내부에 포함되는 하나 혹은 복수개의 열교환 시스템(340) 상부 및/또는 하부에 구비되는 열전발전부(400)를 포함하도록 구성된다.

도 6과 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 열전발전부(400)는 열교환 시스템(340) 상부와 하부에 모두 구비될 수도 있고 도 7에 도시한 바와 같이 상부에만 구비될 수도 있으며, 도시하지는 않았지만 열교환 시스템(340) 하부에만 구비될 수도 있다.

그리고, 도 6 및 도 9에 도시한 바와 같이 열전발전부(400)가 1 단으로 부착이 될 수도 있고, 도 7 및 도 8에서와 같이 2 이상의 단으로 부착될 수 있다. 열전발전부(400)는 연소가스 압력 저하로 원활한 보일러의 열교환 기능이 이루어지지 않는 것이 아닌 한, 복수개의 단으로 부착될 수 있다.

열전발전부(400)에는 열전소자가 포함되어 있다. 단위 체적당 더욱 많은 열전소자를 집적할 수 있도록, 열전소자는 높이가 10mm 이하인 열전레그를 포함하는 열전모듈을 이용함이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 열전레그의 높이가 5mm 이하이다. 이러한 열전발전부(400)를 포함할 때에 본 발명에 따른 열전발전 장치는 초소형 열전발전 장치이다. 그리고, 열전소자는 열전소자를 구성하는 열전재료의 온도별 ZT를 고려하여, 각 단에 포함되는 열전소자는 다른 단에 포함되는 열전소자와 온도별 ZT가 다르게 구성함이 바람직하다.

하나의 예로서, 열교환 시스템(340)에 근접한 안쪽은 고온 영역대의 열전소자가, 바깥쪽은 저온 영역대의 열전소자가 배치될 수 있도록 구성한다. 다른 예로서, 연소실(330)로 투입되는 연소가스의 온도가 1000 ℃라 가정하면 열교환 시스템(340)의 온도는 약 800 ℃가 되고, 열교환 시스템(800)을 거친 뒤 약 500 ℃가 되며, 연소가스 출구로 가면서 100 ℃ 정도까지 점진적으로 감소한다고 가정할 수 있다. 따라서, 연소가스 입구 쪽은 고온 영역대의 열전소자가, 연소가스의 출구 쪽은 저온 영역대의 열전소자가 배치되도록 구성함이 바람직하다.

도 6을 더 상세히 설명하면, 도 6의 열전발전 장치(500)는 열교환 시스템(340) 상부에 열전발전부(400a)가 1 단으로 부착되어 있고 열교환 시스템(340) 하부에도 열전발전부(400a')가 1 단으로 부착되어 있다. 열전발전부(400a)와 열전발전부(400a')는 서로 동일한 것이거나 온도 대역이 다른 열전소자를 포함하는 것일 수 있다.

도시한 바와 같이, 열전발전부(400) 안의 열전소자에 연결되어 상기 열전소자에서 생산된 전력을 수집 및 조절하는 전력변환장치(470)와 상기 전력변환장치(470)와 연결되어 상기 전력변환장치(470)에서 수집 및 조절된 전력을 충전하는 전력저장장치(480)가 더 포함되어 열전발전 장치(500)를 구성한다.

도 7을 더 상세히 참조하면, 도 7의 열전발전 장치는 열교환 시스템(340) 상부에 열전발전부(400a, 400b, 400c, 400d)를 포함함으로써 열전발전부(400)가 여러 단으로 부착되어 있다. 열전발전부(400a)에서 열전발전부(400b), 열전발전부(400c), 열전발전부(400d) 쪽으로 갈수록 온도 대역이 낮아진다고 하면 열전발전부(400a, 400b, 400c, 400d)에 포함되는 열전소자들도 고온 영역대부터 저온 영역대까지 순차적으로 구성함이 바람직하다.

도 8을 더 상세히 참조하면, 도 8의 열전발전 장치는 열교환 시스템(340) 상부에 열전발전부(400a, 400b)를 포함함으로써 열전발전부(400)가 2 단으로 부착되어 있고 열교환 시스템(340) 하부에도 열전발전부(400a, 400b)를 포함함으로써 열전발전부(400)가 2 단으로 부착되어 있다. 열전발전부(400a)에 포함되는 열전소자는 열전발전부(400b)에 포함되는 열전소자보다 고온 영역대의 열전소자를 채택함으로써 열발전 효율을 극대화할 수 있다.

도 9를 더 상세히 참조하면, 도 9의 열전발전 장치는 열교환 시스템(340a) 상부와 하부에 열전발전부(400a)가 부착되어 있고 열교환 시스템(340b) 상부와 하부에 열전발전부(400b)가 부착되어 있다.

도 9에서 연소실(330)로 투입되는 연소가스의 온도가 1000 ℃라 가정하면 첫 번째 열교환 시스템(340a)의 온도는 약 1000 ℃가 되고, 첫 번째 열교환 시스템(340a)을 거친 뒤 약 700 ℃가 되며, 두 번째 열교환 시스템(340b)의 온도는 약 500 ℃가 되고, 두 번째 열교환 시스템(340b)을 거친 뒤 약 300 ℃가 되며, 연소가스 출구로 가면서 100 ℃ 정도까지 점진적으로 감소한다고 가정할 수 있다. 따라서, 열전발전부(400a)에서 열전발전부(400b) 쪽으로 갈수록 온도 대역이 낮아지므로 열전발전부(400a, 400b)에 포함되는 열전소자들도 고온 영역대부터 저온 영역대까지 순차적으로 구성함이 바람직하다.

이와 같이, 다양한 조합의 열전발전부(400) 적층을 통해, 본 발명에서는 원하는 단위 체적당 발생 전력인 0.1 ~ 2W/cm³ 전력을 생산해내게 된다. 열전소자를 많이 부착시키면 2W/cm³ 을 초과할 수 있지만 너무 많은 열전소자는 보일러 연소실(330) 내부를 통과하는 연소 가스의 압력을 지나치게 저하시켜 보일러 본연의 열 교환 기능에 영향을 줄 수 있어 바람직하지 않다.

도 7 내지 도 9의 열전발전 장치들도 도 6을 참조하여 설명한 바와 같은 전력변환장치와 전력저장장치를 더 포함할 수 있다. 그러한 경우에 열전발전부(400)는 열교환 시스템(340) 상부 또는 하부에 부착되고, 나머지 구성요소인 전력변환장치와 전력저장장치는 열교환 시스템(340)으로부터 이격된 곳에 위치할 수 있음을 이해하여야 한다. 그리고, 본 실시예의 열전발전 장치는 보일러부에 구비되어 보일러의 연소열을 활용하는 하이브리드 보일러로 구성이 될 수 있다. 그러한 경우 보일러부의 구성은 도 1에 도시한 보일러(1)를 참고하면 되고, 보일러(1)의 연소실(30) 대신에 도 6 내지 도 9의 연소실(330)이 포함되는 구성이 된다.

열전발전부(400)는 열전소자 이외에 냉각수가 흐르는 물관을 포함하는 냉각부를 더 포함한다. 냉각수의 온도는 정상상태에 도달했을 때의 온도이며 30 ~ 100 ℃ 임이 바람직하다. 보다 바람직하게는 냉각수의 온도가 60 ℃이다.

이상의 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명한 실시예들은 보일러 열교환 시스템(340)을 고열원 흡수부로 하고, 물관을 포함하는 냉각부를 저열원 흡수부로 삼는 것이며, 물관을 통해 냉각수를 통과시켜 온도차를 극대화할 수 있으므로 열전발전 용량을 더욱 증가시킬 수 있다. 나아가, 열전소자가 여러 단으로 부착되는 경우에는 열교환 시스템에 근접한 안쪽은 고온 영역대의 열전소자가, 바깥쪽은 저온 영역대의 열전소자가 배치되도록 함으로써, 열전발전 용량을 극대화할 수 있다.

특히, 열전소자는 물관의 외벽에 부착되는 것일 수 있다. 상기 물관은 다양한 크기 및 단면 모양을 가지며 하나 이상 배열될 수 있다. 이에 대하여 도 10 내지 도 14를 참조하여 상세히 설명한다.

먼저 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부(400)의 일 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도이다.

도 10은 물관의 길이 방향에 수직인 단면으로, 물관(410a)은 단면이 대략 정방형이다. 이 때 물관(410a) 외벽에 평면형 열전소자(420a)를 배치할 수 있다. 평면형 열전소자(420a)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같은 열전소자(60b)의 형상과 유사한 것이다. 도 10에는 물관(410a) 하나의 구조를 따로 도시한 사시도도 포함되어 있다. 도시한 바와 같이 물관(410a) 외벽에 평면형 열전소자(420a)가 다수개의 조각으로 나누어져 부착이 되어 있을 수 있다.

평면형 열전소자(420a)는 열교환 시스템(340)을 고온부로 하고 물관(410a)을 저온부로 하여 양자의 온도차에 의한 전력을 생산할 수 있다. 열전발전부(400)는 도 6에서와 같이 열교환 시스템(340)에 부착할 수 있는 본체를 포함하고, 그 내부에 물관(410a)과 열전소자(420a)를 포함할 수 있다. 도면들에서는 열전발전부(400)를 도시의 편의상 블록 모양으로 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 블록 모양으로 도시한 열전발전부(400)는 열교환 시스템(340)의 열이 열전소자(420a)에 잘 전달될 수 있도록 열전달 매개 부재를 포함하여 구성될 수도 있다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부(400)의 다른 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도이다.

도 11도 물관의 길이 방향에 수직인 단면으로, 물관(410b)은 단면이 대략 장방형이다. 이 때 물관(410b) 외벽에도 평면형 열전소자(420b)가 배치되어 있다. 평면형 열전소자(420b)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같은 열전소자(60b)의 형상과 유사한 것이다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부(400)의 또 다른 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도이다.

도 12도 물관의 길이 방향에 수직인 단면으로, 물관(410c)은 단면이 대략 육각형이다. 이 때 물관(410c) 외벽에도 평면형 열전소자(420c)가 배치되어 있다. 육각형 물관(410c)은 좁은 공간에 밀집하여 배치할 수 있으므로 평면형 열전소자(420c)를 보다 많이 배치함으로써 단위 체적당 발생 전력인 0.1 ~ 2W/cm³을 생산하는 데에 유리하다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부(400)의 또 다른 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도이다.

도 13도 물관의 길이 방향에 수직인 단면으로, 물관(410d)은 단면이 대략 원형이다. 이 때 물관(410d) 외벽에는 관형 열전소자(420d)를 배치할 수 있다. 관형 열전소자(420d)는 물관(410d) 주위를 감싸는 구조이며 도시한 바와 같이 일체형인 하나의 튜브(tube) 모양일 수도 있고, 하프 파이프(half pipe) 두 개가 모여 감싸는 구조로 형성할 수도 있다.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부(400)의 또 다른 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도이다.

도 14도 물관의 길이 방향에 수직인 단면으로, 물관(410d)은 도 13에서와 마찬가지로 단면이 대략 원형이다. 이 때 물관(410d) 외벽에는 작은 평면형 열전소자(420e)를 배치할 수 있다. 평면형 열전소자(420e)는 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은 열전소자(60d)처럼 물관(410d)의 곡면 부위를 덮도록 작은 크기로 마련하여 모자이크 타일처럼 배치되는 것이다.

이와 같이, 다양한 내부 구조를 갖는 열전발전부(400)를 통해, 본 발명에서는 원하는 단위 체적당 발생 전력인 0.1 ~ 2W/cm³ 을 달성할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 열전발전 장치 중 냉각부가 수냉인 경우는 연소실 내부 열교환 시스템의 배치나 수에 따라서도 연소실 내 온도 분포가 달라지는 점에 대응할 수 있도록, 다양한 내부 구조 및 외부 적층 구조를 가질 수 있는 열전발전부를 적절히 적층함으로써 단위 체적당 발전량을 증가시킬 수 있는 장점을 가진다.

산업 고부가 가치화에 따른 산업/수송 부문 수요는 둔화되는 반면, 소득 수준 향상으로 인해 가정 부문 수요는 증대되어 수급 불균형과 환경 문제가 야기되고 있다. 전력 수요 증가로 전력 수급 위기상황이 초래되고 있으나 상응하는 발전시설 확충이 어려운 문제가 있다. 또한, 우리나라는 온실가스 배출 세계 7 위국으로 2020년까지의 감축목표 30 %를 달성하기 위해 가스발전보다 CO₂ 배출량이 약 2배 많은 유류 발전 비율 감축 필요하다(현재 8%). 본 발명은 가정용 보일러 등에 적용되어 연소열을 이용할 수 있는 열전발전 장치 및 이를 포함하는 하이브리드 보일러를 제공함으로써 이러한 문제 해결 및 요구 사항에 부합될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

1 : 보일러 10 : 본체
20 : 연소장치 30, 330 : 연소실
40 : 배관 50 : 연통
60a, 60b, 60c, 60d, 420a, 420b, 420c, 420d, 420e : 열전소자
70 : 전력변환장치
80 : 전력저장장치 100, 500 : 열전발전 장치
340 : 열교환 시스템
400 : 열전발전부
410a, 410b, 410c, 410d : 물관

Claims

냉각수가 흐르는 물관을 포함하는 냉각부; 및
상기 물관 외벽에 부착된 열전소자;를 포함하는 열전발전부가
연소가스 입구와 연소가스 출구를 가지는 보일러의 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템 상부 및/또는 하부에 2 이상의 단으로 부착되고,
상기 열전소자는 상기 열교환 시스템을 고열원 흡수부로 하고 상기 냉각부를 저열원 흡수부로 삼아 전력을 생산하며,
각 단에 포함되는 열전소자는 다른 단에 포함되는 열전소자와 온도별 성능지수가 달라,
상기 2 이상의 단에서 상기 열교환 시스템에 근접한 안쪽은 고온 영역대의 열전소자가, 바깥쪽은 저온 영역대의 열전소자가 배치되거나,
상기 2 이상의 단에서 상기 연소가스 입구 쪽은 고온 영역대의 열전소자가, 상기 연소가스 출구 쪽은 저온 영역대의 열전소자가 배치되는 열전발전 장치.
제1항에 있어서, 단위 체적당 발생 전력이 0.1 ~ 2W/cm³ 인 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 냉각수의 온도는 30 ~ 100℃인 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.
제1항에 있어서, 상기 물관은 다양한 크기 및 단면 모양을 가지며 하나 이상 배열되는 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 열전소자는 다수개의 조각으로 나누어져 부착되는 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.
제1항에 있어서, 상기 열전소자는 일체로 된 관형 또는 다수개의 조각이 부착되어 이루는 관형인 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.
제1항에 있어서, 상기 열전소자는 높이가 10mm 이하인 열전레그로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.
제1항에 있어서, 상기 열전소자에 연결되어 상기 열전소자에서 생산된 전력을 수집 및 조절하는 전력변환장치; 및
상기 전력변환장치와 연결되어 상기 전력변환장치에서 수집 및 조절된 전력을 충전하는 전력저장장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.
제11항에 있어서, 상기 보일러에서 생산되는 전력은 상기 열전소자로부터 독립적으로 생산된 전력이거나 상기 전력저장장치에 1차 저장되었다가 출력되는 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.
본체, 연소장치, 연소가스 입구와 연소가스 출구를 가지는 연소실, 상기 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템을 포함하는 보일러부; 및
열전발전 장치를 포함하며,
상기 열전발전 장치는
냉각수가 흐르는 물관을 포함하는 냉각부; 및
상기 물관 외벽에 부착된 열전소자;를 포함하는 열전발전부가
연소가스 입구와 연소가스 출구를 가지는 보일러의 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템 상부 및/또는 하부에 2 이상의 단으로 부착되고,
상기 열전소자는 상기 열교환 시스템을 고열원 흡수부로 하고 상기 냉각부를 저열원 흡수부로 삼아 전력을 생산하며,
각 단에 포함되는 열전소자는 다른 단에 포함되는 열전소자와 온도별 성능지수가 달라,
상기 2 이상의 단에서 상기 열교환 시스템에 근접한 안쪽은 고온 영역대의 열전소자가, 바깥쪽은 저온 영역대의 열전소자가 배치되거나,
상기 2 이상의 단에서 상기 연소가스 입구 쪽은 고온 영역대의 열전소자가, 상기 연소가스 출구 쪽은 저온 영역대의 열전소자가 배치되는 것을 특징으로 하는 보일러.
제13항에 있어서, 상기 열전발전 장치가 단위 체적당 발생 전력이 0.1 ~ 2W/cm³ 인 것을 특징으로 하는 보일러.
삭제
제13항에 있어서, 상기 냉각수의 온도는 30 ~ 100℃인 것을 특징으로 하는 보일러.
제13항에 있어서, 상기 물관은 다양한 크기 및 단면 모양을 가지며 하나 이상 배열되는 것을 특징으로 하는 보일러.
삭제
삭제
제13항에 있어서, 상기 열전소자는 다수개의 조각으로 나누어져 부착되는 것을 특징으로 하는 보일러.
제13항에 있어서, 상기 열전소자는 일체로 된 관형 또는 다수개의 조각이 부착되어 이루는 관형인 것을 특징으로 하는 보일러.
제13항에 있어서, 상기 열전소자는 높이가 10mm 이하인 열전레그로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 보일러.
제13항에 있어서, 상기 열전발전 장치가
상기 열전소자에 연결되어 상기 열전소자에서 생산된 전력을 수집 및 조절하는 전력변환장치; 및
상기 전력변환장치와 연결되어 상기 전력변환장치에서 수집 및 조절된 전력을 충전하는 전력저장장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
제23항에 있어서, 상기 보일러에서 생산되는 전력은 상기 열전소자로부터 독립적으로 생산된 전력이거나 상기 전력저장장치에 1차 저장되었다가 출력되는 것을 특징으로 하는 보일러.