KR101707816B1 - 열전발전 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전발전 자동차(TEGV)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액체연료의 연소열을 열전발전을 통해 전기에너지로 변환하는 고효율의 열전발전 시스템을 도입하여 기존의 내연기관(Internal Combustion Engine)을 대체 적용하고, 배터리와의 하이브리드를 통해 모터를 구동시킴으로써, 연비 향상 및 진동ㅇ소음 감소의 효과와 더불어 전기자동차 대비 긴 주행거리와 짧은 충전시간의 효과를 기대할 수 있는 열전발전 자동차(TEGV)에 관한 것이다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 열전발전 자동차(TEGV)는 연비 향상 및 진동ㅇ소음 감소의 효과와 더불어 전기자동차 대비 장거리 주행이 가능하며 충전에 대한 제약이 없어, 사용 편의성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

Description

열전발전 자동차{Thermoelectric Generation Vehicle, TEGV}
본 발명은 열전발전 자동차(TEGV)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액체연료의 연소열을 열전발전을 통해 전기에너지로 변환하는 고효율의 열전발전 시스템을 도입하여 기존의 내연기관(Internal Combustion Engine)을 대체 적용하고, 배터리와의 하이브리드를 통해 모터를 구동시킴으로써, 연비 향상 및 진동ㅇ소음 감소의 효과와 더불어 전기자동차 대비 긴 주행거리와 짧은 충전시간의 효과를 기대할 수 있는 열전발전 자동차(TEGV)에 관한 것이다.
열전발전(Thermoelectric Generation)이란 기존의 열기관이 열에너지를 기계적 에너지로 변환한 후 발전기를 통해 전기에너지로 전환시키던 것을, 열전효과(Thermoelectric Effect)를 이용하여 열에너지에서 전기에너지로 직접 변환하는 것을 말한다.
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 일컫는 제벡 효과(Seebeck Effect)를 총칭하는 말이다. 엄밀히 말하자면, 열전발전은 제벡 효과를 이용하는 것이다.
제벡 효과란 2종류의 금속선(또는 반도체) 양끝을 접합하고 그 양끝을 다른 온도로 유지할 때, 회로에 전류(열전류)가 흐르는 열전현상의 하나로서, 1821년 T. J. 제벡이 구리와 비스무트를 사용, 발견했다. 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 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. 한쪽 금속의 중간을 절단하면, 절단된 양 끝에 2종류 금속의 기전력의 차가 나타난다. 이것을 열기전력이라고 한다. 온도 측정에 사용되는 열전기쌍은 이 열기전력을 이용한 것이다.
열전 재료의 성능을 평가하는 매개변수로는 Z를 사용하며, 수식은 다음과 같다.
Figure 112010069199166-pat00001
상기와 같이 열전 재료의 특성은 제벡 계수(Seebeck Coefficient)가 높을수록 즉, 출력전압이 클수록, 전기 비저항이 낮을수록, 열전도율이 낮을수록 우수하다.
일반적으로 성능지수 Z값은 직접 사용하기보다는 이 값에 온도 T를 곱하여 무차원 매개변수 ZT를 만들어 사용하게 된다. 예를 들어, 성능지수(ZT)가 0.5 인 경우 열전냉각이나, 군사용 및 우주용 열전발전에 활용이 가능하며, 1.0 인 경우 발전효율은 5%로 열전냉각의 상용화가 가능할 수 있다. 또한 성능지수가 2.0 인 경우 발전효율은 10%로 열전발전의 상용화가 가능하고, 성능지수가 4.0 이상인 경우 발전효율은 20% 이상으로 자동차의 내연기관 효율에 해당하며, 열전발전의 대량 상용화 및 대형 열전발전 시스템에 적용 가능할 수 있다.
기존에는 열전발전을 비싼 원재료 가격과 낮은 효율 때문에 주로 우주용, 군용 및 극지용 등의 특수용도로 개발하였다. 열전발전의 장점은 태양에너지를 비롯한 모든 열(태양열, 지열, 도시배열, 산업 폐열)을 이용하여 전력 생산이 가능하다는 점이며, 작은 면적에서 큰 전력의 생산이 가능한 장점도 있다. 또한 전 온도범위(-160℃~수백℃)에서 이용 가능하다.
자동차 분야에서도 이러한 열전발전 기술이 적용되고 있으나, 아직 낮은 열전발전 효율로 인하여 내연기관의 엔진열이나 배기가스열을 이용하여 자동차의 연료 효율을 일부 높이는 정도로 적용되고 있다. 하지만, 열전발전 기술이 비싼 원재료 가격을 극복하여 가격 경쟁력을 갖춘다면, 일부 연료 효율을 높이는 정도로도 전세계적으로 매년 7천만대 이상 생산되는 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다.
이에 더하여, 열전발전 기술이 발전하여 현재의 내연기관을 상회하는 용량과 효율에 이른다면, 내연기관과 비교하여 진동ㅇ소음이 적은 장점을 가진 열전발전 시스템을 자동차의 주요 에너지원으로 적용하는 것이 가능할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 가능성을 실현하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 자동차의 구동 모터 또는 배터리에 전력을 공급하기 위한 열전발전 시스템을 구비하게 되는 열전발전 자동차(TEGV)를 제공함에 있다.
이때, 상기 열전발전 시스템의 열원은 액체연료의 연소열을 이용하게 되는 열전발전 자동차(TEGV)를 제공함에 있다.
또한, 상기 열전발전시스템은 고온영역, 중온영역 및 저온영역에서 각각 최대의 발전 효율을 갖고 있는 모듈을 차별 구성하고, 고온영역의 모듈이 열원에 근접 설치되도록 고온, 중온, 저온 영역의 모듈을 순차적으로 적층시켜 열전발전 효율이 우수한 열전발전 자동차(TEGV)를 제공함에 있다.
본 발명의 열전발전 자동차(TEGV)는, 모터(M)를 동력원으로 하는 열전발전 자동차(TEGV)에 있어서, 상기 열전발전 자동차(TEGV)는, 상기 모터(M)를 구동시키기 위해 전력을 공급하는 배터리(B); 및 액체연료의 연소열을 통해 전력을 발생시키는 열전발전부(100);를 포함하며, 상기 열전발전부(100)는 상기 모터(M)로 전력을 공급하여 상기 모터(M)를 구동시키거나, 상기 배터리(B)로 전력을 공급하여 상기 배터리(B)를 충전하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 열전발전부(100)는, 액체연료를 연소시켜 열을 발생시키는 연소실(200); 상기 연소실(200)의 외면에 결합되며 열에너지를 전기에너지로 전환하는 제벡소자(Seebeck device)로 이루어진 열전모듈(310)을 포함하는 열전모듈부(300);로 구성되되, 상기 열전모듈(310)은 복수개가 다단으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열전모듈부(300)는, 상기 연소실(200)의 외면에 설치되어 접촉하는 제1 방열층(301); 상기 제1 방열층(301)과 접촉하는 제1 열전모듈(311); 상기 제1 열전모듈(311)과 접촉하는 제2 방열층(302); 상기 제2 방열층(302)과 접촉하는 제2 열전모듈(312); 상기 제2 열전모듈(312)과 접촉하는 제3 방열층(303); 및 상기 제3 방열층(303)과 접촉하는 제3 열전모듈(313); 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제1 열전모듈(311)은 AMTEC(Alkali Metal Thermal to Electric Converter) 또는 규소게르마늄(Si-Ge)계 중 선택되는 어느 하나로 이루어지며, 상기 제2 열전모듈(312)은 납텔루륨(Pb-Te)계로 이루어지고, 상기 제3 열전모듈(313)은 창연텔루륨(Bi-Te)계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전발전 자동차(TEGV)는, 상기 열전발전부(100)에서 발생되는 전력을 상기 배터리(B) 또는 상기 모터(M)로 공급하기 위한 전력분배부(400); 및 상기 열전발전부(100) 또는 상기 배터리(B)에서 공급되는 전력을 전환하여 상기 모터(M)로 공급하기 위한 전력제어부(500); 가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 열전발전 자동차(TEGV)는, 액체연료의 연소열을 전기에너지로 직접 전환할 수 있는 열전발전 시스템을 통해 기존의 내연기관을 대체함으로써 내연기관 대비 진동ㅇ소음 감소의 효과를 누리게 된다.
또한, 열전발전 시스템에 배터리를 조합하여 하이브리드 시스템을 구성함으로써, 연비향상을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 전기자동차 대비 장거리 주행이 가능하며 충전에 대한 제약이 없어, 사용 편의성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 열전발전 자동차(TEGV) 개략도이다.
도 2는 도 1의 열전발전부 개략도이다.
도 3은 도 2의 AA' 단면도이다.
이하, 상기에서 언급한 열전발전 자동차(TEGV)에 대한 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 열전발전 자동차(TEGV)는 배터리(B), 모터(M), 열전발전부(100), 전력분배부(400) 및 전력제어부(500)를 포함며, 모터(M)를 주동력원으로 사용한다.
상기 열전발전부(100)는 액체연료의 연소열을 이용하여 전력을 생산하는 구성으로 연소실(200)과 열전모듈부(300)로 구성된다. 상기 열전발전부(100)의 구성은 후술하기로 한다.
상기 전력분배부(400)는 상기 열전발전부(100)에서 생산되는 전기에너지를 상기 전력제어부(500)를 통해 상기 모터(M)로 전달하거나, 승압을 통해 배터리(B)를 충전하기 위한 DC/DC 컨버터로 구성된다.
상기 전력제어부(500)는 상기 전력분배부(400) 또는 상기 배터리(B)에서 공급되는 직류(DC)전압을 전기모터용 교류(AC)전압으로 변환하는 DC/AC 인버터와, 상기 전력분배부(400) 또는 상기 배터리(B)에서 공급되는 직류(DC)전압을 DC/AC 인버터의 정격전압으로 조절하거나 제동 시에 상기 배터리(B)를 충전하기 위한 DC/DC 컨버터로 구성된다.
상기 모터(M)의 구동력은 감속기어를 통해 열전발전 자동차(TEGV)의 구동축에 전달되어 바퀴를 회전시키게 된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 연소실(200)은 액체연료인 가솔린(Gasoline)이나 디젤(Diesel)과 같은 연료를 연소시켜 열을 발생시킬 수 있는 통상의 연소실 구성이 적용될 수 있다.
상기 연소실(200)의 외면에는 열전모듈부(300)가 설치되며, 상기 열전모듈부(300)는 제1 방열층(301), 제2 방열층(302), 제3 방열층(303), 냉각층(304) 및 열전모듈(310)을 포함하여 이루어진다. 상기 제1 방열층(301), 제2 방열층(302), 제3 방열층(303) 및 냉각층(304)은 고체 또는 유체 등으로 구성될 수 있다.
이때, 상기 열전모듈(310)은 열에너지를 전기에너지로 전환하는 제벡 소자(Seebeck device)로 이루어지며, 열전발전 효율을 극대화시키기 위해 다단으로 적층될 수 있다. 구체적으로, 열전모듈(310)은 온도 영역 대에 따라 열전발전 효율을 극대화 시킬 수 있는 서로 다른 재질에 의해 다단으로 구성될 수 있다. 이에 의해, 연소실(200) 상에 형성된 열전모듈(310)의 단면적 방향(A-A')을 따라 온도구배가 발생하더라도, 효과적으로 열전발전이 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 열전모듈(310)은 제1 열전모듈(311), 제2 열전모듈(312), 제3 열전모듈(313)을 포함하여 이루어지며, 상기 연소실(200)과 상기 제1 열전모듈(311) 사이에는 상기 제1 방열층(301)이 구비될 수 있다. 또한, 상기 제1 열전모듈(311)과 상기 제2 열전모듈(312) 사이에는 제2 방열층(302)이 구비되고, 상기 제2 열전모듈(312)과 제3 열전모듈(313) 사이에는 제3 방열층(303)이 구비될 수 있다. 마지막으로 상기 제3 방열층(303)의 외측면에는 냉각층(304)이 구비될 수 있다.
상기 제1 방열층(302)은 상기 제1 열전모듈(311)로 연소실(200)에서 발생되는 연소열을 전달한다. 상기 제2 방열층(302)은 상기 제1 열전모듈(311)을 냉각시킴과 동시에 상기 제2 열전모듈(312)로 열을 전달한다. 상기 제3 방열층(303)은 상기 제2 열전모듈(312)을 냉각시킴과 동시에 상기 제3 열전모듈(313)로 열을 전달한다. 아울러 상기 냉각층은 상기 제3 열전모듈(313)을 냉각시키게 된다.
여기서, 상기 제1 열전모듈(311)은 고온 영역(예를 들어, 700~1300K)에서 열전발전 효율을 극대화할 수 있는 재질로 구성되며, 예를 들어, AMTEC(Alkali Metal Thermal to Electric Converter) 또는 규소게르마늄(Si-Ge)계 중 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제2 열전모듈(312)은 중온 영역(예를 들어, 500~700K)에서 열전발전 효율을 극대화할 수 있는 재질로 구성되며, 예를 들어, 납텔루륨(Pb-Te)계로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제3 열전모듈(313)은 저온 영역(예를 들어, 300~500K)에서 열전발전 효율을 극대화할 수 있는 재질로 구성되며, 예를 들어, 창연텔루륨(Bi-Te)계로 이루어질 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
TEGV : 열전발전 자동차
B : 배터리 M : 모터
100 : 열전발전부 200 : 연소실
300 : 열전모듈부 301 : 제1 방열층
302 : 제2 방열층 303 : 제3 방열층
304 : 제4 방열층 310 : 열전모듈
311 : 제1 열전모듈 312 : 제2 열전모듈
313 : 제3 열전모듈
400 : 전력분배부 500 : 전력제어부

Claims (6)

  1. 모터(M)를 동력원으로 하는 열전발전 자동차(TEGV)에 있어서,
    상기 열전발전 자동차(TEGV)는,
    상기 모터(M)를 구동시키기 위해 전력을 공급하는 배터리(B); 및
    액체연료의 연소열을 통해 전력을 발생시키는 열전발전부(100);를 포함하며,
    상기 열전발전부(100)는 상기 모터(M)로 전력을 공급하여 상기 모터(M)를 구동시키거나, 상기 배터리(B)로 전력을 공급하여 상기 배터리(B)를 충전하는 것을 특징으로 하되,
    상기 열전발전부(100)는,
    액체연료를 연소시켜 열을 발생시키는 연소실(200);
    상기 연소실(200)의 외면에 결합되며 열에너지를 전기에너지로 전환하는 제벡소자(Seebeck device)로 이루어진 열전모듈(310)을 포함하는 열전모듈부(300);로 구성되며,
    상기 열전모듈(310)은 복수개가 다단으로 적층되되,
    상기 열전모듈(310)은 각각 서로 다른 재질로 구성되고, 상기 연소실(200)에서 이격된 열전모듈은 상기 연소실(200)에 근접한 열전모듈보다 저온 영역에서 열전발전 효율이 높은 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전발전 자동차(TEGV).
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열전모듈부(300)는,
    상기 연소실(200)의 외면에 설치되어 접촉하는 제1 방열층(301);
    상기 제1 방열층(301)과 접촉하는 제1 열전모듈(311);
    상기 제1 열전모듈(311)과 접촉하는 제2 방열층(302);
    상기 제2 방열층(302)과 접촉하는 제2 열전모듈(312);
    상기 제2 열전모듈(312)과 접촉하는 제3 방열층(303); 및
    상기 제3 방열층(303)과 접촉하는 제3 열전모듈(313);
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전발전 자동차(TEGV).
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 열전모듈(311)은 AMTEC(Alkali Metal Thermal to Electric Converter) 또는 규소게르마늄(Si-Ge)계 중 선택되는 어느 하나로 이루어지며,
    상기 제2 열전모듈(312)은 납텔루륨(Pb-Te)계로 이루어지고,
    상기 제3 열전모듈(313)은 창연텔루륨(Bi-Te)계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전발전 자동차(TEGV).
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열전발전 자동차(TEGV)는,
    상기 열전발전부(100)에서 발생되는 전력을 상기 모터(M) 또는 상기 배터리(B)로 공급하기 위한 전력분배부(400); 가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 열전발전 자동차(TEGV).
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 열전발전 자동차(TEGV)는,
    상기 열전발전부(100) 또는 상기 배터리(B)에서 공급되는 전력을 전환하여 상기 모터(M)로 공급하기 위한 전력제어부(500); 가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 열전발전 자동차(TEGV).
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