KR101909792B1 - Thermoelectric generator and thermoelectric generator system including harvesting module array for thermal energy harvesting and reconfiguration method for harvesting module array - Google Patents
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Abstract
차량의 라디에이터에 부착되어 라디에이터의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 복수의 수확 모듈들을 포함하는 수확 모듈 어레이 및 복수의 수확 모듈들의 온도 분포에 기초하여, 복수의 수확 모듈들 각각에 연결된 스위치들의 전기적 연결을 재구성하는 스위치부를 포함하는 열전 발전기 및 열전 발전기 시스템을 제공할 수 있다.A harvesting module array attached to a radiator of the vehicle and including a plurality of harvesting modules for converting thermal energy of the radiator into electric energy, and an electrical connection of switches connected to each of the plurality of harvesting modules, And a switch unit for reconfiguring the thermoelectric generator and the thermoelectric generator system.
Description
아래의 실시예들은 열 에너지 수확을 위한 수확 모듈 어레이를 포함하는 열전 발전기, 열전 발전기 시스템 및 수확 모듈 어레이를 재구성하는 방법에 관한 것이다.The following embodiments are directed to a thermoelectric generator, a thermoelectric generator system, and a method of reconstructing a harvesting module array, including a harvesting module array for thermal energy harvesting.
전기 자동차로서 재생 제동(regenerative braking) 특징을 갖지 않는 일반적인 내연 기관 차량(internal combustion engine vehicles; ICEV)은 30 % 이하의 에너지 변환 효율을 가질 수 있다. 에너지 변환 시에 낭비되는 에너지는 대부분 열의 형태로 소실될 수 있다. 과도한 열 발생을 해소하기 위해 고용량의 라디에이터 및 냉각수 펌프와 관련된 다양한 기술들이 개발되었으나, 열 에너지의 재활용은 차량 설계의 주요 관점이 아니었다. 배기 시스템으로부터의 열 에너지 소거(scavenging)는 이전에 연구되어 왔으나, 배기 시스템의 열역학을 변경시키는 것은 차량 성능 저하 및 배출 문제를 야기할 수 있다. 따라서, 배기 시스템의 열역학을 변경시키지 않는 열 에너지의 재활용 방법이 요구되고 있다.As an electric vehicle, internal combustion engine vehicles (ICEV) that do not have regenerative braking characteristics can have an energy conversion efficiency of 30% or less. The energy that is wasted in energy conversion can be mostly lost in the form of heat. Various techniques related to high-capacity radiators and coolant pumps have been developed to overcome excessive heat generation, but the recycling of heat energy has not been a major aspect of vehicle design. Thermal energy scavenging from the exhaust system has been studied previously, but altering the thermodynamics of the exhaust system can cause vehicle performance degradation and emissions problems. Thus, there is a need for a method of recycling thermal energy that does not alter the thermodynamics of the exhaust system.
일 실시예에 따르면, 동적으로 변화하는 방열부(hot-side)의 온도, 냉각제의 온도 및 냉각제의 유속 하에서 모든 수확 모듈들이 그들의 최대 전력점(Maximum Power Point; MPP)에서 또는 최대 전력점에 가깝게 동작하도록 수확 모듈 어레이를 재구성할 수 있다. According to one embodiment, all of the harvesting modules are placed at their maximum power point (MPP) or near the maximum power point under the temperature of the dynamically changing hot-side, the temperature of the coolant and the flow rate of the coolant The harvesting module array can be reconfigured to operate.
일 실시예에 따르면, 차량의 성능 및 배기 시스템의 열역학에 영향을 미치지 않고도 출력을 최대화할 수 있는 열전 발전기 및 열전 발전기 시스템을 제공할 수 있다. According to one embodiment, it is possible to provide a thermoelectric generator and a thermoelectric generator system that can maximize the output without affecting the performance of the vehicle and the thermodynamics of the exhaust system.
일 실시예에 따르면, 차량의 구동 조건에 따라 동적으로 변화하는 온도 분포에 무관하게 최적의 효율을 나타내는 열전 발전기 및 열전 발전기 시스템을 제공할 수 있다. According to an embodiment, it is possible to provide a thermoelectric generator and a thermoelectric generator system that exhibit optimum efficiency irrespective of a temperature distribution that varies dynamically according to driving conditions of a vehicle.
일 측에 따르면, 열전 발전기는 차량의 라디에이터에 부착되어 상기 라디에이터의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 복수의 수확 모듈들(harvesting modules)을 포함하는 수확 모듈 어레이; 및 상기 복수의 수확 모듈들의 온도 분포에 기초하여, 상기 복수의 수확 모듈들 각각에 연결된 스위치들의 전기적 연결을 재구성하는 스위치부를 포함한다. According to one aspect, a thermoelectric generator includes a harvesting module array including a plurality of harvesting modules attached to a radiator of a vehicle to convert thermal energy of the radiator into electrical energy; And a switch portion for reconfiguring an electrical connection of switches connected to each of the plurality of harvesting modules based on the temperature distribution of the plurality of harvesting modules.
상기 스위치부는 상기 복수의 수확 모듈들 각각이 온도에 따른 최대 전력점에서 동작하도록 상기 스위치들의 전기적 연결을 재구성할 수 있다. The switch portion may reconfigure the electrical connection of the switches such that each of the plurality of harvest modules operates at a maximum power point with respect to temperature.
상기 스위치부는 상기 수확 모듈들을 병렬로 연결하여 수확 모듈 그룹들을 형성하는 병렬 스위치; 및 상기 수확 모듈 그룹들을 직렬로 연결하여 상기 수확 모듈 어레이를 구성하는 직렬 스위치를 포함할 수 있다. Wherein the switch unit comprises: a parallel switch for connecting the harvesting modules in parallel to form harvesting module groups; And a serial switch for connecting the harvesting module groups in series to constitute the harvesting module array.
상기 수확 모듈들 각각은 상기 라디에이터의 방열판(heat sink)에 부착되는 상부 세라믹; 및 상기 라디에이터의 라디에이터 핀(radiator fins)에 부착되는 하부 세라믹을 포함할 수 있다. Each of the harvesting modules includes an upper ceramic attached to a heat sink of the radiator; And a lower ceramic attached to the radiator fins of the radiator.
상기 수확 모듈들 각각은 상기 상부 세라믹과 상기 하부 세라믹 사이의 온도 차이를 상기 전기 에너지로 변환할 수 있다. Each of the harvesting modules may convert the temperature difference between the upper ceramic and the lower ceramic into the electrical energy.
일 측에 따르면, 열전 발전기 시스템은 차량의 라디에이터의 열 에너지를 수확하는 복수의 수확 모듈들을 포함하는 수확 모듈 어레이 및 상기 수확 모듈 어레이의 전기적 연결을 재구성하는 스위치들을 포함하는 열전 발전기; 상기 차량 라디에이터의 공간적 온도 변화(spatial temperature variation)에 기초하여, 상기 복수의 수확 모듈들이 최대 전력을 출력하는 최적의 수확 모듈 어레이의 구성을 얻기 위해 상기 스위치들을 제어하는 제어부; 및 상기 수확 모듈 어레이가 최대 출력 전력을 달성하도록 상기 수확 모듈 어레이의 동작점을 설정하는 충전기를 포함한다. According to one aspect, a thermoelectric generator system includes a thermoelectric generator including a harvesting module array including a plurality of harvesting modules for harvesting the thermal energy of a radiator of a vehicle and switches for reconfiguring the electrical connection of the harvesting module array; A controller for controlling the switches based on a spatial temperature variation of the vehicle radiator to obtain an optimum harvesting module array configuration in which the plurality of harvesting modules output maximum power; And a charger for setting the operating point of the harvesting module array such that the harvesting module array achieves maximum output power.
상기 열전 발전기는 상기 차량의 라디에이터에 부착되어 상기 라디에이터의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 상기 복수의 수확 모듈들을 포함하는 상기 수확 모듈 어레이; 및 상기 복수의 수확 모듈들 각각에 연결된 상기 스위치들의 전기적 연결을 재구성하는 스위치부를 포함할 수 있다. Wherein the thermoelectric generator includes the plurality of harvesting modules attached to a radiator of the vehicle and converting the thermal energy of the radiator into electrical energy; And a switch portion for reconfiguring an electrical connection of the switches connected to each of the plurality of harvesting modules.
상기 수확 모듈들 각각은 상기 라디에이터의 방열판에 부착되는 상부 세라믹; 및 상기 라디에이터의 라디에이터 핀에 부착되는 하부 세라믹을 포함하고, 상기 상부 세라믹과 상기 하부 세라믹 사이의 온도 차이를 전기 에너지로 변환할 수 있다. Each of the harvesting modules includes an upper ceramic attached to a heat sink of the radiator; And a lower ceramic attached to a radiator pin of the radiator, wherein the temperature difference between the upper ceramic and the lower ceramic can be converted into electric energy.
상기 제어부는 상기 복수의 수확 모듈들 각각이 온도에 따른 최대 전력점에서 동작하도록 상기 스위치들의 전기적 연결을 재구성할 수 있다. The control unit may reconfigure the electrical connection of the switches such that each of the plurality of harvesting modules operates at a maximum power point according to temperature.
상기 스위치들은 상기 수확 모듈들을 병렬로 연결하여 수확 모듈 그룹들을 형성하는 병렬 스위치; 및 상기 수확 모듈 그룹들을 직렬로 연결하여 상기 수확 모듈 어레이를 구성하는 직렬 스위치를 포함할 수 있다. The switches including a parallel switch connecting the harvesting modules in parallel to form harvesting module groups; And a serial switch for connecting the harvesting module groups in series to constitute the harvesting module array.
상기 제어부는 상기 공간적 온도 변화에 따른 최적의 수확 모듈 어레이의 구성 및 상기 최적의 수확 모듈 어레이의 구성에 따른 동작점을 산출할 수 있다. The controller may calculate an optimal harvesting module array according to the spatial temperature change and an operating point according to the configuration of the optimal harvesting module array.
상기 열전 발전기 시스템은 배터리를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 최적의 수확 모듈 어레이의 구성에 따른 상기 동작점에 따라 상기 배터리의 충전 전류를 결정할 수 있다. The thermoelectric generator system may further include a battery and the controller may determine the charge current of the battery according to the operating point according to the configuration of the optimal harvesting module array.
상기 열전 발전기 시스템은 상기 공간적 온도 변화에 따른 온도 분포를 나타내는 온도 프로파일을 수신하는 수신부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도 프로파일에 따른 상기 수확 모듈 어레이 내의 각 수확 모듈의 최대 전력점 전압 및 최대 전력점 전류를 기초로 상기 수확 모듈 어레이의 최대 출력 전력을 추정할 수 있다. Wherein the thermoelectric generator system further comprises a receiver for receiving a temperature profile indicative of a temperature distribution in accordance with the spatial temperature change and wherein the controller is operable to determine a maximum power point voltage and a maximum power point of each harvesting module in the harvesting module array, The maximum output power of the harvesting module array can be estimated based on the point current.
상기 제어부는 상기 최적의 수확 모듈 어레이의 구성을 주기적으로 갱신할 수 있다. The controller may periodically update the configuration of the optimal harvesting module array.
일 측에 따르면, 수확 모듈 어레이를 재구성하는 방법은 차량의 라디에이터의 공간적 온도 변화에 따른 온도 프로파일들-상기 온도 프로파일들의 수는 수확 모듈 어레이에 포함된 수확 모듈들의 개수에 대응함-을 수신하는 단계; 상기 온도 프로파일들을 기초로, 상기 수확 모듈 어레이의 기준 수확 모듈 그룹에 포함되는 수확 모듈의 개수에 따른 최대 전력점 전류를 산출하는 단계; 상기 수확 모듈 어레이의 수확 모듈 그룹들의 최대 전력점 전류들이 상기 기준 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류에 대응하도록, 해당 수확 모듈 그룹에 포함되는 수확 모듈의 개수를 결정하는 단계; 및 상기 기준 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류, 상기 해당 수확 모듈 그룹들의 최대 전력점 전류들, 및 상기 기준 수확 모듈 그룹과 상기 해당 수확 모듈 그룹들에 포함되지 않는 나머지 수확 모듈들의 최대 전력점 전류들에 기초하여, 상기 수확 모듈 어레이를 재구성하는 단계를 포함한다. According to one aspect, a method for reconstructing a harvesting module array includes receiving temperature profiles along a spatial temperature change of a radiator of a vehicle, wherein the number of temperature profiles corresponds to a number of harvesting modules included in the harvesting module array; Computing a maximum power point current according to the number of harvesting modules included in the reference harvesting module group of the harvesting module array based on the temperature profiles; Determining the number of harvesting modules included in the harvesting module group such that the maximum power point currents of the harvesting module groups of the harvesting module array correspond to the maximum power point current of the reference harvesting module group; And maximum power point currents of the reference harvesting module group and remaining harvesting modules not included in the reference harvesting module group and the corresponding harvesting module groups, And reconstructing the harvesting module array.
상기 라디에이터의 주입구(inlet)에 위치하는 수확 모듈들의 온도는 상기 라디에이터의 배출구(outlet)에 위치하는 수확 모듈들의 온도보다 높을 수 있다. The temperature of the harvesting modules located at the inlet of the radiator may be higher than the temperature of the harvesting modules located at the outlet of the radiator.
상기 기준 수확 모듈 그룹은 상기 라디에이터의 주입구에 위치하는 적어도 하나의 수확 모듈을 포함하고, 상기 해당 수확 모듈 그룹들은 상기 기준 수확 모듈 그룹과 인접한 순서로 결정될 수 있다. The reference harvesting module group includes at least one harvesting module located at an inlet of the radiator, and the corresponding harvesting module groups may be determined in the order of adjacent to the reference harvesting module group.
상기 해당 수확 모듈 그룹에 포함되는 수확 모듈의 개수를 결정하는 단계는 상기 해당 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류가 상기 기준 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류보다 크거나 같도록 하는, 수확 모듈의 최소 개수를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. Wherein the step of determining the number of harvesting modules included in the harvesting module group includes calculating a minimum number of harvesting modules in the harvesting module group such that a maximum power point current of the harvesting module group is equal to or greater than a maximum power point current of the reference harvesting module group Based on the result of the determination.
상기 수확 모듈 어레이를 재구성하는 단계는 상기 나머지 수확 모듈들로 구성된 새로운 수확 모듈 그룹을 생성하는 단계; 상기 나머지 수확 모듈들을 상기 수확 모듈 그룹들 중 적어도 하나에 포함시키는 단계; 및 상기 나머지 수확 모듈들을 바이패스 시키는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Wherein reconfiguring the harvesting module array comprises: creating a new harvesting module group consisting of the remaining harvesting modules; Including the remaining harvesting modules in at least one of the harvesting module groups; And bypassing the remaining harvesting modules.
일 측에 따르면, 동적으로 변화하는 방열부의 온도, 냉각제의 온도 및 냉각제의 유속 하에서 모든 수확 모듈들이 그들의 최대 전력점(MPP)에서 또는 최대 전력점에 가깝게 동작하도록 수확 모듈 어레이를 재구성할 수 있다. According to one aspect, the harvesting module array can be reconfigured such that all of the harvesting modules operate at their maximum power point (MPP) or near the maximum power point under the temperature of the dynamically changing heat sink, the temperature of the coolant, and the flow rate of the coolant.
일 측에 따르면, 차량의 성능 및 배기 시스템의 열역학에 영향을 미치지 않고도 출력을 최대화할 수 있는 열전 발전기 및 열전 발전기 시스템을 제공할 수 있다. According to one aspect, it is possible to provide a thermoelectric generator and a thermoelectric generator system that can maximize the output without affecting the performance of the vehicle and the thermodynamics of the exhaust system.
일 측에 따르면, 차량의 구동 조건에 따라 동적으로 변화하는 온도 분포에 무관하게 최적의 효율을 나타내는 열전 발전기 및 열전 발전기 시스템을 제공할 수 있다. According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a thermoelectric generator and a thermoelectric generator system that exhibit optimum efficiency irrespective of a temperature distribution that varies dynamically according to driving conditions of a vehicle.
도 1은 일 실시예에 따른 수확 모듈 어레이가 부착된 차량의 라디에이터 및 수확 모듈의 동작 개략도.
도 2는 일 실시예에 따른 열전 발전기 모듈의 전압-전류(V-I) 및 전압-전력(V-P) 특성을 나타낸 그래프.
도 3은 일 실시예에 따른 S 자 형태의 라디에이터 핀에 부착되는 수확 모듈 어레이를 나타낸 도면.
도 4는 라디에이터에 부착되는 고정된 전기적 연결을 가지는 수확 모듈 어레이를 나타낸 도면.
도 5는 일 실시예에 따라 라디에이터 방열부의 온도 변화로 인하여 수확 모듈들의 출력 전력에 손실이 발생하는 이유를 설명하기 위한 도면.
도 6은 일 실시예에 따른 재구성 가능한 수확 모듈 어레이를 포함하는 열전 발전기의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 7은 일 실시예에 따라 복수 개의 수확 모듈들을 포함하는 재구성 가능한 수확 모듈 어레이의 다양한 구성들을 도시한 도면.
도 8은 일 실시예에 따른 열전 발전기 시스템의 구조를 도시한 도면.
도 9는 일 실시예에 따른 수확 모듈 어레이를 재구성하는 방법을 나타내는 알고리즘의 수도 코드를 도시한 도면.
도 10은 일 실시예에 따라 복수의 수확 모듈들이 최대 전력점에서 동작하기 위해 재구성된 수확 모듈 어레이의 구조를 도시한 도면.
도 11은 일 실시에 따라 수확 모듈 어레이를 재구성하는 방법을 나타낸 흐름도.1 is an operational schematic diagram of a radiator and harvest module of a vehicle with an array of harvesting modules according to an embodiment;
2 is a graph illustrating voltage-current (VI) and voltage-power (VP) characteristics of a thermoelectric generator module according to one embodiment.
3 shows a harvesting module array attached to an S-shaped radiator fin according to one embodiment.
Figure 4 shows a harvesting module array with a fixed electrical connection attached to a radiator.
5 is a view for explaining a reason why a loss occurs in the output power of the harvesting modules due to the temperature change of the radiator heat radiating unit according to an embodiment.
6 is a diagram illustrating a structure of a thermoelectric generator including a reconfigurable harvesting module array according to one embodiment;
Figure 7 illustrates various configurations of a reconfigurable harvesting module array including a plurality of harvesting modules in accordance with one embodiment.
8 illustrates a structure of a thermoelectric generator system according to an embodiment.
9 illustrates a numeric code of an algorithm that illustrates a method for reconstructing a harvesting module array in accordance with one embodiment;
10 illustrates a structure of a reconstructed harvesting module array for a plurality of harvesting modules to operate at a maximum power point in accordance with one embodiment;
11 is a flow diagram illustrating a method for reconstructing a harvesting module array in accordance with one embodiment.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.In the following, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Various modifications may be made to the embodiments described below. It is to be understood that the embodiments described below are not intended to limit the embodiments, but include all modifications, equivalents, and alternatives to them.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used only to illustrate specific embodiments and are not intended to limit the embodiments. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. In the following description of the embodiments, a detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the embodiments may be unnecessarily blurred.
도 1은 일 실시예에 따른 수확 모듈 어레이가 부착된 차량의 라디에이터 및 수확 모듈의 동작 개략도이다. 도 1을 참조하면, 수확 모듈 어레이(120)가 부착된 라디에이터(110)의 라디에이터 핀을 통과하는 공기 흐름(air flow)이 냉각제(coolant)로부터의 열을 방산(dissipates) 하는 동작이 도시된다. 1 is an operational schematic diagram of a radiator and harvesting module of a vehicle with an array of harvesting modules according to one embodiment. Referring to FIG. 1, an operation is shown in which an air flow through a radiator pin of a
내연 기관 차량 (ICEV)용 냉각 시스템은 원하는 엔진 온도를 유지하는 필수적인 차량 부품 중 하나이다. 카르노 한계(Carnot Limit)는 내연 기관의 이론적 한계를 설명하지만, 일반적으로 연로 소비의 약 1/3이 열의 형태로 낭비된다. 내연 기관에 의해 생성된 열의 절반은 엔진 냉각 시스템을 통과해야 하는데, 이는 열을 방출하기 위한 추가 에너지 소비로 이어질 수 있다. A cooling system for an internal combustion engine vehicle (ICEV) is one of the essential vehicle components to maintain the desired engine temperature. The Carnot Limit describes the theoretical limitations of the internal combustion engine, but generally about one-third of its annual consumption is wasted in the form of heat. Half of the heat generated by the internal combustion engine must pass through the engine cooling system, which can lead to additional energy consumption to release heat.
라디에이터(110)는 열 교환을 위한 냉각 시스템의 주요 구성 요소이다. 냉각수는 내부 엔진 블록을 통과하여 열을 내부 탱크로 전달하며, 이 열은 라디에이터 팬을 통해 주변 공기로 분산된다. 라디에이터 핀(radiator fins)을 통과하고, 라디에이터 팬에 의해 제공된 공기 흐름은 냉각제로부터의 열을 도 1(a)와 같이 방산할 수 있다. 이때, 수확 모듈 어레이(120)는 차량의 라디에이터(110)에 부착되고, 라디에이터의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 복수의 수확 모듈들(harvesting modules)(도 1(b)의 수확 모듈(130) 참조)을 포함할 수 있다.The
자동차 라디에이터의 주요 기능은 엔진이 최적의 온도에서 작동하도록 보장하기 위해 내부 엔진 블록에서의 여분의 열을 대기로 방출하는 것이다. 일 실시예에서는 튜브 내의 냉각수, 교차 흐름의 공기를 갖는 핀튜브(finned-tube) 열 교환기를 라디에이터(110)로 이용할 수 있다. 일 실시예에서 따른 라디에이터(110)는 예를 들어, i) 소실된 열은 라디에이터를 통해서만 전달되고, ii) 냉각제 튜브 내의 냉각제 유속이 라디에이터를 통해 균일하게 분배되고, 냉각제가 튜브 내에서 완전히 유동하는 상태에 있으며, iii) 두 유체(예를 들어, 냉각수 및 주변 공기)는 비압축성 흐름(incompressible flow)으로 간주되고, 경로들 간의 어느 교차점에서도 혼합되지 않는다는 가정들에 기반하여 동작할 수 있다. The main function of automotive radiators is to release extra heat from the internal engine block into the atmosphere to ensure that the engine operates at the optimum temperature. In one embodiment, the cooling water in the tube, a finned-tube heat exchanger having cross-flow air, can be used as the
일 실시예에서는 열 교환기로서의 라디에이터(110)의 효율성을 결정하기 위해 열 전달 단위수 (number of heat transfer units; NTU) 방법을 이용할 수 있다. 열 전달 단위수 방법은 열 전달 단위수(NTU), 열교환 효율성(?) 및 열용량 비(heat capacity ratio)(Cr)를 포함하여 계산되는 3개의 무차원 파라미터들을 포함할 수 있다. In one embodiment, the number of heat transfer units (NTU) may be used to determine the efficiency of the
라디에이터(110)의 열용량 비(heat capacity ratio)(Cr)는 아래의 [수학식 1]과 같이 정의될 수 있다.The heat capacity ratio C r of the
여기서, Cmin 은 Ca 와 Cc 사이의 최소값과 같고, Cmax 는 Ca 와 Cc 사이의 최대값과 같다. Ca 와 Cc 는 주변 대기 및 냉각수 각각의 열용량률(heat capacity rate)을 나타내며, 아래의 [수학식 2] 및 [수학식 3]에 의해 계산될 수 있다.Where C min equals the minimum value between C a and C c and C max equals the maximum value between C a and C c . C a and C c represent the heat capacity rates of the ambient atmosphere and the cooling water, respectively, and can be calculated by the following equations (2) and (3).
도 1에 나타난 것과 같이, ma 는 주변 공기의 유량(Airflow rate)을, mc 는 냉각제의 유량(Coolant flow rate)을 나타낸다. cp,a 는 주변 공기의 특정 비열 용량(specific heat capacity)을 나타내고, cp,c 는 냉각제의 특정 비열 용량을 나타낸다. As shown in FIG. 1, m a represents the air flow rate of ambient air, and m c represents the coolant flow rate. c p, a is the specific heat capacity of the ambient air, and c p, c is the specific heat capacity of the coolant.
열 전달 단위수는 열 교환기, 다시 말해 라디에이터(110)의 분석에 사용될 수 있으며, 아래의 [수학식 4]와 같이 정의될 수 있다. The number of heat transfer units can be used to analyze the heat exchanger, i. E., The
여기서, U는 열 전달 계수(heat transfer coefficient)를 나타내고, A는 라디에이터(110)의 표면적(surface area)을 나타낸다. 일 실시예에 따른 열 교환기의 유량 배열 유형으로는 혼합되지 않은 양자 교차형이 이용될 수 있다. Here, U represents a heat transfer coefficient, and A represents a surface area of the
라디에이터(110)의 열교환 효용성(heat exchanger effectiveness)(?)은 아래의 [수학식 5]에 의해 구할 수 있다. The heat exchanger effectiveness (?) Of the
라디에이터(110)에 대한 최대 가능 열 전달율(Qmax)는 아래의 [수학식 6]과 같이 정의될 수 있다.The maximum possible heat transfer rate (Q max ) for the
여기서, Tc,in 및 Ta,in 는 냉각제의 주입구(inlet) 온도 및 주변 대기의 주입구 온도를 나타낸다. Here, T c, in and T a, in Represents the inlet temperature of the coolant and the inlet temperature of the ambient atmosphere.
라디에이터(110)의 실제 열 전달율(Q)은 아래의 [수학식 7]과 같이 라디에이터(110)의 열교환 계수(ε) 및 최대 가능 열 전달율(Qmax)에 의해 결정될 수 있다.The actual heat transfer rate Q of the
냉각제의 배출구(outlet) 온도(Tc, out)는 [수학식 8]과 같이 구할 수 있다.The outlet temperature (T c, out ) of the coolant can be obtained as shown in Equation (8).
주변 대기의 배출구 온도(Ta, out)는 [수학식 9]와 같이 구할 수 있다. The outlet temperature (Ta , out ) of the ambient atmosphere can be calculated as shown in Equation (9).
라디에이터(110)의 라디에이터 핀들에 따른 온도 프로파일(Tpf)은 아래의 [수학식 10]에 의해 구할 수 있다. The temperature profile (T pf ) along the radiator fins of the
여기서, Avar 는 라디에이터(110)의 평균 표면적으로서, 부분 온도 유도를 위한 영역 벡터(area vector)일 수 있다. 온도 프로파일(Tpf)은 라디에이터(110)의 평균 표면적(Avar)과 동일한 차원을 갖는 벡터일 수 있다. Where A var is the average surface area of the
수확 모듈 어레이(120)는 복수의 수확 모듈(130)들을 포함할 수 있다. 수확 모듈(130)은 라디에이터의 열 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 수확 모듈(130)은 '열전 발전기(Thermoelectric Generator; TEG) 모듈'이라고도 부를 수 있다. 복수 개의 수확 모듈(130)들은 수확 모듈 어레이(120)의 형태로 차량 라디에이터에 결합될 수 있다. The
라디에이터의 열 에너지를 수확함에 있어 중요한 것은 라디에이터에 결합된 수확 모듈 어레이에 포함된 모든 수확 모듈(130)들이 최대 전력점에서 작동할 수 있도록 하는 것이다. What is important in harvesting the heat energy of the radiator is that all of the
일반적으로, 라디에이터의 표면 온도는 주입구에서 배출구로 갈수록 점진적으로 크게 감소할 수 있다. 또한, 라디에이터의 주입구와 배출구 간의 온도 차는 여름에 60도에까지 이를 수 있다. 라디에이터의 온도 분포는 차량의 구동 조건에 의해 동적으로 변화할 수 있다. In general, the surface temperature of the radiator may gradually decrease progressively from the inlet to the outlet. Also, the temperature difference between the inlet and outlet of the radiator can reach 60 degrees in the summer. The temperature distribution of the radiator can change dynamically depending on the driving conditions of the vehicle.
이와 같이 동적으로 변화하는 온도 분포로 인해 라디에이터에 부착된 수확 모듈(130) 각각은 모두 동일한 방열부(hot-side) 온도를 가지기 어렵다. 또한, 서로 다른 방열부 온도를 갖는 수확 모듈(130)들이 고정된 연결 구조를 가지는 경우, 수확 모듈(130)들 각각이 최대 전력점(Maximum Power Point; MPP)에서 동작하기 어렵다. 여기서, 최대 전력점은 출력 전력의 최대치로 이해될 수 있다. Due to the dynamically changing temperature distribution, each of the
일 실시예에서는 동적으로 변화하는 냉각제의 온도 및 냉각제의 유속 하에서 수확 모듈(130)들의 재구성을 통해 수확 모듈(130)들 각각이 최대 전력점에서 동작하도록 할 수 있다. 이를 위해 일 실시예에서는 주어진 냉각수 유량(coolant flow rate), 주입구 온도, 공기 흐름 (차량 속도) 및 주변 온도 등에 대한 최상의 다항 시간 복잡도(polynomial time complexity)를 갖는 재구성 알고리즘을 이용할 수 있다. 재구성 알고리즘에 대하여 후술하기로 한다. In one embodiment, each of the
수확 모듈(130)의 구조는 다음과 같다. The structure of the
수확 모듈(130)들은 라디에이터의 주입구에서 배출구 방향으로 라디에이터 핀에 부착될 수 있다. 수확 모듈(130)은 상부 세라믹(131) 및 하부 세라믹(133)을 포함할 수 있다. 상부 세라믹(131) 및 하부 세라믹(133)은 열전 재료들에 해당할 수 있다. 또한, 수확 모듈(130)은 도면에 도시하지 않았으나 내부 펠릿들(internal pellets) 및 주변 회로를 더 포함할 수 있다. 내부 펠릿들 및 주변 회로를 활용하여 양 세라믹의 온도 차이로부터 전기 에너지를 만들 수 있다. The
상부 세라믹(131)은 라디에이터의 방열판(heat sink)(150)(의 일단)에 부착될 수 있다. 이때, 라디에이터의 방열판(150)의 타단은 대기 중에 노출될 수 있다. 라디에이터의 방열판(150)은 수확 모듈(130)의 상부 세라믹에 부착되며 차량 주행 실험에서 예를 들어, 약 10 ° C의 대기에 노출될 수 있다. The upper ceramic 131 may be attached to (one end of) a
하부 세라믹(133)은 라디에이터의 라디에이터 핀들(170)에 부착될 수 있다. 하부 세라믹(133)은 라디에이터 핀들(170)의 할당된 위치에 부착되고, 해당 위치의 온도 조건에서 동작할 수 있다. 또한, 수확 모듈(130)의 방열부(hot side)는 라디에이터의 냉각제와 접촉하고, 수확 모듈(130)의 냉각부(cool sides)는 주변 공기와 접촉할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 차량 라디에이터에 부착된 수확 모듈(130)들에 의해 수확된 열 에너지의 양을 최대화할 수 있다. The lower ceramic 133 may be attached to the
일 실시예에 따른 수확 모듈(130)은 상부 세라믹(131)과 하부 세라믹(133) 사이의 온도 차이를 전기 에너지로 변환할 수 있다. The
일 실시예에서 라디에이터의 방열판(150)과 주변 공기가 동일한 온도를 갖거나, 또는 (차량 라디에이터의 일반적인 작동 상태에 해당하는) 주변 공기 흐름이 충분히 빠른 상태라고 가정하는 경우, 수확 모듈(130)의 출력 에너지(Eteg)는 다음의 [수학식 11]에 의해 추정할 수 있다. In one embodiment, if the
여기서, α는 제베크 계수(Seebeck coefficient)이고, 는 수확 모듈(130)이 부착된 영역(부분)에 대응하는 라디에이터 핀의 온도를, Tamb 는 대기 온도를 나타낸다. Ncpl 는 수확 모듈들의 개수를 나타낸다.Here,? Is a Seebeck coefficient, Represents the temperature of the radiator fin corresponding to the area (portion) to which the
또한, 수확 모듈(130)이 출력 에너지(Eteg)를 가질 때의 전류(Iteg) 및 전력(Pteg)은 각각 아래의 [수학식 12] 및 [수학식 13]을 통해 구할 수 있다. The current I teg and the power P teg when the
여기서, Rteg는 수확 모듈(130)의 저항을 나타낸다. Here, R teg represents the resistance of the
여기서, Rload 는 수확 모듈(130)의 부하 저항을 나타낸다. Here, R load represents the load resistance of the
일 실시예에 따르면, 라디에이터의 열 에너지 수확이 훨씬 낮은 룸 온도(room temperature)를 가진 수확 모듈(130)에 의해 달성될 수 있다. 하나의 수확 모듈(130)은 충분한 전압과 전류를 생성하기 어렵다. 때문에 복수의 수확 모듈(130)들이 예를 들어, 수확 모듈 어레이(120)와 같이 직렬 및 병렬의 어레이 형태로 연결될 수 있다. 직렬 및 병렬로 연결된 수확 모듈(130)들의 양 끝 단에는 단일의 전원 변환기(power converter)가 연결될 수 있다. According to one embodiment, thermal energy harvesting of the radiator may be accomplished by a
도 2는 일 실시예에 따른 수확 모듈의 전압-전류(V-I) 및 전압-전력(V-P) 출력 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 수확 모듈이 부착된 영역(부분)에 대응하는 라디에이터 핀의 온도()와 대기 온도(Tamb) 간의 온도 차() 하에서 수확 모듈의 전압(V) 대 전류(I) 간의 관계를 나타낸 그래프 (a) 및 수확 모듈의 전압(V) 대 전력(P) 간의 관계를 나타낸 그래프 (b)가 도시된다. 2 is a graph illustrating voltage-current (VI) and voltage-power (VP) output characteristics of a harvesting module according to one embodiment. 2, the temperature of the radiator fin corresponding to the area (portion) to which the harvesting module according to one embodiment is attached ) And the ambient temperature (T amb ) ( (B) showing the relationship between the voltage (V) and the current (I) of the harvesting module under the condition of the harvesting module (a) and the voltage (V)
그래프 (a)에서 검정색 점(●)은 각 온도 차에서의 수확 모듈의 최대 전력점(MPP)들을 나타낸다. 그래프 (a)에서 수확 모듈의 최대 전력점(MPP)들은 온도 차가 커질수록 그 값이 커지는 것을 볼 수 있다. The black dots (●) in the graph (a) represent the maximum power points (MPP) of the harvesting module at each temperature difference. In graph (a), the maximum power points (MPP) of the harvesting module are found to increase as the temperature difference increases.
그래프 (b)에서 검은색 점은 각 온도 차에 따라 수확 모듈이 달성하는 최대 출력 전력을 나타내며, 그래프 (a)에 도시된 검정색 점에 대응된다. 그래프 (b)에서 온도 차가 커질수록 최대 출력 전력 또한 커지는 것을 볼 수 있다. The black dot in the graph (b) represents the maximum output power achieved by the harvesting module according to each temperature difference, and corresponds to the black dot shown in the graph (a). In graph (b), the larger the temperature difference, the larger the maximum output power.
일 실시예에서는 수확 모듈들이 모두 수확 모듈들 각각의 온도 차, 다시 말해 수확 모듈들 각각이 부착된 부분에 대응하는 라디에이터 핀의 온도()와 대기 온도(Tamb) 간의 온도 차에 따른 최대 전력점 또는 최대 전력점 부근에서 동작하도록 함으로써 수확 모듈 어레이의 출력 전력을 향상시킬 수 있다. In one embodiment, the harvesting modules all have a temperature difference of each of the harvesting modules, i. E. The temperature of the radiator fin corresponding to the portion to which each harvesting module is attached ) And the ambient temperature (T amb ), the output power of the harvesting module array can be improved by operating at the maximum power point or near the maximum power point.
도 3은 일 실시예에 따른 S 자 형태의 라디에이터 핀에 부착되는 수확 모듈 어레이(300)를 나타낸 도면이다. 일 실시예에서는 S 자 모양의 라디에이터 핀 모델을 갖는 차량 라디에이터를 사용할 수 있다. 이때, 수확 모듈 어레이(300)를 구성하는 복수 개(예를 들어, N 개)의 수확 모듈들(310)은 도 3에 도시된 것과 같이, S 자 모양의 라디에이터 핀들에 부착될 수 있다. FIG. 3 illustrates a
이때, 전체 N 개의 수확 모듈들(310) 중 i 번째 위치()의 수확 모듈에서의 라디에이터 핀의 온도는 이고, 전술한 [수학식 10]을 통해 구할 수 있다. At this time, the i-th position ( ) The temperature of the radiator pin in the harvesting module is , And can be obtained through the above-described expression (10).
따라서, i 번째 위치의 수확 모듈인 TEGi 의 하부 세라믹 및 상부 세라믹 사이의 온도 차이는 일 수 있다. Thus, the temperature difference between the bottom ceramic and the top ceramic of the TEGi harvesting module at the i-th position Lt; / RTI >
라디에이터 핀을 따라, 냉각수 주입구에서 배출구까지의 라디에이터 핀의 온도 및 온도 차이 는 점차 감소할 수 있다. The temperature of the radiator pin along the radiator pin, from the cooling water inlet to the outlet And temperature difference Can be gradually decreased.
도 4는 라디에이터에 부착되는 고정된 전기적 연결을 가지는 수확 모듈 어레이를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 수확 모듈 어레이(410)는 복수의 수확 모듈(415)들 간의 고정된 전기적 연결을 가질 수 있다. 수확 모듈 어레이(410)에서 동일한 행(row)에 있는 수확 모듈들은 병렬로 연결되고, 수확 모듈들의 행(column)은 직렬로 연결될 수 있다. Figure 4 shows a harvesting module array having a fixed electrical connection attached to a radiator. Referring to FIG. 4, the
이상적으로, 수확 모듈 어레이(410)에 포함된 수확 모듈(415)들이 모두 최대 전력점에서 동시에 작동하는 경우, 수확 모듈 어레이(410)는 수확 모듈(415)들 각각의 최대 전력점의 전력의 합에 해당하는 최대 출력 전력을 달성할 수 있다. Ideally, if all of the
하지만, 수확 모듈(415)들이 위치하는 라디에이터 핀들의 온도 변화로 인해, 이러한 수확 모듈(415)들의 최대 전력점을 서로 다를 수 있다. 도 4와 같이 고정된 전기적 연결을 가진 수확 모듈 어레이(410)의 수확 모듈(415)들은 그들의 최대 전력점으로부터 벗어나서 동작하게 된다. 따라서, 수확 모듈 어레이(410)는 심각한 출력 전력 손실을 겪을 수 있다. However, due to temperature changes of the radiator fins in which the
도 5는 일 실시예에 따라 라디에이터 방열부의 온도 변화로 인하여 수확 모듈들의 출력 전력에 손실이 발생하는 이유를 설명하기 위한 도면이다. 5 is a view for explaining a reason why a loss occurs in the output power of the harvesting modules due to the temperature change of the radiator heat radiating part according to an embodiment.
도 5(a)를 참조하면, 라디에이터의 주입구와 배출구 간의 온도차를 시간 별로 나타낸 그래프가 도시된다. 라디에이터의 주입구와 배출구 사이의 냉각수 흐름이 (예를 들어, 약 30 초 정도) 지연되어 라디에이터의 주입구와 배출구 간에 온도차가 발생할 수 있다. 냉각수의 유속은 예를 들어, 차량의 엔진 RPM(Revolution Per Minute), 차량 속도 및 엔진 온도 등과 상관 관계를 가질 수 있다. Referring to FIG. 5 (a), there is shown a graph showing the temperature difference between the inlet and the outlet of the radiator by time. The cooling water flow between the inlet and outlet of the radiator may be delayed (e.g., by about 30 seconds), resulting in a temperature difference between the inlet and outlet of the radiator. The flow rate of the cooling water may have a correlation with, for example, the engine RPM (Revolution Per Minute) of the vehicle, the vehicle speed and the engine temperature.
냉각수는 라디에이터를 거치면서 점차 냉각이 되므로, 라디에이터의 주입구와 배출구 사이에서 점차 온도가 낮아지는 분포가 나타날 수 있다. 라디에이터의 주입구에 위치하는 수확 모듈들의 온도는 라디에이터의 배출구에 위치하는 수확 모듈들의 온도보다 높을 수 있다. 라디에이터의 주입구와 배출구 사이의 온도차는 예를 들어, 최대 65 °C 일 수 있다.Since the cooling water is gradually cooled through the radiator, a distribution in which the temperature is gradually lowered between the inlet and the outlet of the radiator may appear. The temperature of the harvesting modules located at the inlet of the radiator may be higher than the temperature of the harvesting modules located at the outlet of the radiator. The temperature difference between the inlet and outlet of the radiator can be, for example, up to 65 ° C.
도 5(b) 및 도 5(c)를 참조하면, 라디에이터 핀의 서로 다른 위치에 부착된 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)이 서로 병렬로 연결된 경우 및 직렬로 연결된 경우에 라디에이터 핀의 온도 변화에 따른 전압-전류 출력 특성이 도시된다. 5 (b) and 5 (c), when the harvesting modules A, B, C, D and E attached to different positions of the radiator pins are connected to each other in parallel and in series The voltage-current output characteristic according to the temperature change of the radiator pin is shown.
도 5(b) 및 도 5(c)를 참조하면, 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)의 각 위치에서의 라디에이터 핀 온도가 수확 모듈 A로부터 수확 모듈 E로 갈수록 점차 감소하는 것을 볼 수 있다. 이때, 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)의 최대 전력점은 라인(510) 또는 라인(520) 상에 놓여질 수 있다. 5 (b) and 5 (c), the radiator pin temperature at each position of the harvesting modules A, B, C, D, and E gradually decreases from harvesting module A to harvesting module E. Can be seen. At this point, the maximum power point of the harvesting modules A, B, C, D, and E may be placed on
도 5(b)와 같이 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)이 병렬로 연결되고, 충전기(530)가 출력 전압을 Vo로 설정한다고 가정하면, 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)의 실제 동작점은 점선(515)으로 표시될 수 있다. 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)이 서로 병렬로 연결되는 경우, 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)의 전류는 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E) 각각의 전류를 더한 값으로 정해지고, 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)의 전압은 동일한 값으로 정해질 수 있다. Assuming that the harvesting modules A, B, C, D and E are connected in parallel and the
도 5(b)에서 수확 모듈 B의 동작점이 라인(510) 상에 위치하므로 수확 모듈 B가 최대 전력점에서 동작할 수 있다. 또한, 충전기(530)의 출력 전압 Vo 하에서 수확 모듈 E의 개방 회로 전압은 충전기(530)의 출력 전압 Vo 보다 낮다. 때문에, 수확 모듈 E는 전력을 생산하는 대신에, 전력을 소비하게 된다. 도 5(b)에서 수확 모듈 E의 개방 회로 전압이 충전기(530)의 출력 전압 Vo 보다 낮은 경우, 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)의 전압은 수확 모듈 E에 의한 손실이 발생할 수 있다. In Figure 5 (b), the operating point of harvest module B is located on
이와 유사하게, 도 5(c)와 같이 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)이 직렬로 연결되고, 충전기(530)가 출력 전류를 Io 로 설정한다고 가정하면, 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)의 실제 동작점은 점선(525)으로 표시될 수 있다. 수확 모듈들(A, B, C, D 및 E)이 직렬로 연결되는 경우, 수확 모듈들의 전류는 동일한 값을 가지고, 수확 모듈들의 전압은 수확 모듈들 각각의 전압을 더한 값으로 정해질 수 있다. Similarly, the harvesting module as shown in Fig. 5 (c) and (A, B, C, D and E) are connected in series, assuming that the
도 5(c)에서 수확 모듈 C의 동작점이 라인(525) 상에 위치하므로 수확 모듈 C가 최대 전력점에서 동작할 수 있다. 또한, 충전기(530)의 출력 전류 Io 하에서 수확 모듈 E의 개방 회로 전류가 충전기(530)의 출력 전류 Io 보다 낮다. 때문에, 수확 모듈 E는 전력을 생산하는 대신에, 전력을 소비하게 된다. 도 5(c)에서 수확 모듈 E의 개방 회로 전류가 충전기(530)의 출력 전류 Io 보다 낮은 경우, 수확 모듈들의 전류는 수확 모듈 E에 의한 손실이 발생할 수 있다. In Figure 5 (c), the operating point of the harvesting module C is located on
도 6은 일 실시예에 따른 재구성 가능한 수확 모듈 어레이를 포함하는 열전 발전기의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 열전 발전기(600)의 재구성 가능한 수확 모듈 어레이의 구조 및 수확 모듈들의 전기적 연결이 도시된다. 6 is a diagram illustrating a structure of a thermoelectric generator including a reconfigurable harvesting module array according to an embodiment. Referring to FIG. 6, the structure of a reconfigurable harvesting module array of a
일 실시예에 따른 열전 발전기(600)는 라디에이터에서의 공간적 온도 변화로 인한 수확 모듈 어레이(630)의 출력 전력 손실을 극복하기 위해, 수확 모듈들(631, 633, 635) 각각에 연결된 스위치들(651, 653, 655)의 전기적 연결을 재구성할 수 있다. The
열전 발전기(600)는 수확 모듈 어레이(630) 및 스위치부(650)를 포함한다. The
수확 모듈 어레이(630)는 차량의 라디에이터(610)에 부착되어 라디에이터의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 복수의 수확 모듈들(harvesting modules)(631, 633, 635)을 포함한다. The
스위치부(650)는 복수의 수확 모듈들(631, 633, 635)의 온도 분포에 기초하여, 복수의 수확 모듈들(631, 633, 635) 각각에 연결된 스위치들(651, 653, 655)의 전기적 연결을 재구성한다. 스위치부(650)는 동적으로 변화하는 수확 모듈들(631, 633, 635)의 방열부의 온도 분포에 기초하여 스위치들(651, 653, 655)의 전기적 연결을 재구성할 수 있다. 스위치부(650)는 수확 모듈들이 냉각제의 유량, 냉각제의 온도, 차량의 속도(공기 흐름) 및 주변 온도에 무관하게 최대 전력점에서 동작하도록 제어부(도 8의 도면 번호 850 참조)의 제어 신호에 따라 수확 모듈들(631, 633, 635) 각각에 연결된 스위치들(651, 653, 655)의 전기적 연결을 재구성할 수 있다. The
스위치부(650)는 복수의 수확 모듈들(631, 633, 635) 각각이 온도에 따른 최대 전력점에서 동작하도록 스위치들의 전기적 연결을 재구성할 수 있다. The
스위치부(650)는 상부 병렬 스위치(SPT,i)(651), 하부 병렬 스위치(SPB,i)(653) 및 직렬 스위치(SS,i)(655)의 3개의 반도체 스위치들을 포함할 수 있다. The
병렬 스위치(651, 653)는 수확 모듈들을 병렬로 연결하여 수확 모듈 그룹들을 형성할 수 있다. 상부 병렬 스위치(651)는 라디에이터 핀의 상부에 위치하여 수확 모듈을 병렬로 연결할 수 있다. 하부 병렬 스위치(653)는 라디에이터 핀의 하부에 위치하여 수확 모듈을 병렬로 연결할 수 있다. The
직렬 스위치(655)는 수확 모듈 그룹들을 직렬로 연결하여 수확 모듈 어레이(630)를 구성할 수 있다. The
예를 들어, 수확 모듈 어레이(630)가 N 개의 수확 모듈들을 포함하는 경우, N 번째를 제외한 수확 모듈들 각각은 상부 병렬 스위치(SPT,i), 하부 병렬 스위치 (SPB,i), 및 직렬 스위치(SS,i)의 3개의 반도체 스위치와 결합될 수 있다. For example, if the
일 실시예에 따른 열전 발전기 시스템의 제어부(도 8의 도면 번호 850 참조)는 수확 모듈들 각각에 결합된 스위치들의 온/오프(ON/OFF) 상태를 제어함으로써, 수확 모듈들의 물리적 위치가 고정됨에도 불구하고, 수확 모듈들의 전기적 연결을 변경, 다시 말해 재구성할 수 있다. 이와 같이 수확 모듈들의 전기적 연결을 재구성할 수 있는 구조의 수확 모듈 어레이를 '재구성 가능한 수확 모듈 어레이'라고 부를 수 있다. The control of the thermoelectric generator system according to one embodiment (see
예를 들어, N 개의 수확 모듈들을 가진 재구성 가능한 수확 모듈 어레이가 있다고 하자. 재구성 가능한 수확 모듈 어레이는 임의의 개수(예를 들어, g (≤ N))의 수확 모듈 그룹들을 포함할 수 있다. j 번째 수확 모듈 그룹에는 아래의 [수학식 14]를 만족하는 r j 개의 병렬 연결된 수확 모듈들이 있을 수 있다. For example, suppose there is a reconfigurable harvesting module array with N harvesting modules. The reconfigurable harvesting module array may include harvesting module groups of any number (e.g., g (N)). j-th module group harvest there may be r j-parallel connected harvest modules satisfying the formula (14) below.
수확 모듈 어레이의 구성은 에 의해 정의될 수 있다. The configuration of the harvesting module array Lt; / RTI >
도 7은 일 실시예에 따라 복수 개의 수확 모듈들을 포함하는 재구성 가능한 수확 모듈 어레이의 다양한 구성들을 도시한 도면이다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 12개의 수확 모듈들에 의해 구성될 수 있는 수확 모듈 어레이의 구성이 도시된다. 7 is a diagram illustrating various configurations of a reconfigurable harvesting module array including a plurality of harvesting modules in accordance with one embodiment. Referring to Figures 7A and 7B, there is shown a configuration of a harvesting module array that may be constructed by twelve harvesting modules.
도 7a를 참조하면, 12개의 수확 모듈들을 제1 그룹(TEG group 1), 제2 그룹(TEG group 2) 및 제3 그룹(TEG group 3)의 총 3개의 그룹들로 구성하고, 각 그룹에 속한 수확 모듈들의 개수가 각각 3개, 4개, 5개인 수확 모듈 어레이의 구성이 도시된다. 도 7a과 같은 수확 모듈 어레이의 구성은 C(3; 3, 4, 5)와 같이 표현될 수 있다. Referring to FIG. 7A, twelve harvesting modules are formed of a total of three groups of a first group (TEG group 1), a second group (TEG group 2), and a third group (TEG group 3) The configuration of the harvesting module array having three, four, five, respectively, of the number of the harvesting modules belonging thereto is shown. The configuration of the harvesting module array as shown in Fig. 7A can be expressed as C (3; 3, 4, 5).
도 7a의 수확 모듈 어레이에서 제1 그룹(TEG group 1)의 마지막 수확 모듈이 바이패스되고, 제2 그룹(TEG group 2)의 마지막 수확 모듈이 바이패스되어 각 그룹에 속한 수확 모듈들의 개수가 각각 3개, 4개, 5개가 되는 것을 볼 수 있다. In the harvesting module array of FIG. 7A, the last harvesting module of the first group (TEG group 1) is bypassed, the last harvesting module of the second group (TEG group 2) is bypassed, and the number of harvesting modules belonging to each group is Three, four, five.
또한, 도 7b를 참조하면, 12개의 수확 모듈들을 제1 그룹(TEG group 1), 제2 그룹(TEG group 2) 및 제3 그룹(TEG group 3)의 총 3개의 그룹들로 구성하고, 각 그룹에 속한 수확 모듈들의 개수가 각각 3개, 4개, 4개인 수확 모듈 어레이의 구성이 도시된다. 도 7b과 같은 수확 모듈 어레이의 구성은 C(3; 3, 4, 4)와 같이 표현될 수 있다. Referring to FIG. 7B, the 12 harvesting modules are constituted of a total of three groups of a first group (TEG group 1), a second group (TEG group 2), and a third group (TEG group 3) The configuration of the harvesting module array having three, four, and four harvesting modules belonging to the group is shown. The configuration of the harvesting module array as shown in FIG. 7B can be expressed as C (3; 3, 4, 4).
도 7b의 수확 모듈 어레이에서 제1 그룹(TEG group 1)의 마지막 수확 모듈이 바이패스되고, 제2 그룹(TEG group 2)의 마지막 수확 모듈이 바이패스되며, 제3 그룹(TEG group 3)의 마지막 수확 모듈 또한 바이패스되어 총 11개의 수확 모듈들이 어레이에 연결된 것을 볼 수 있다. In the harvesting module array of FIG. 7B, the last harvesting module of the first group (TEG group 1) is bypassed, the last harvesting module of the second group (TEG group 2) is bypassed, The last harvest module is also bypassed and a total of 11 harvest modules can be seen connected to the array.
일 실시예에 따르면, 수확 모듈 어레이에 포함된 복수의 수확 모듈들에 결합된 스위치들의 연결을 제어함으로써, 차량 라디에이터의 공간적 온도 변화에 기초하여 복수의 수확 모듈들이 최대 전력을 출력할 수 있는 최적의 수확 모듈 어레이의 구성을 얻을 수 있다. According to one embodiment, by controlling the connection of the switches coupled to the plurality of harvesting modules included in the harvesting module array, it is possible to optimize the plurality of harvesting modules to output the maximum power based on the spatial temperature change of the vehicle radiator The configuration of the harvesting module array can be obtained.
도 8은 일 실시예에 따른 열전 발전기 시스템의 구조를 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 열전 발전기 시스템(800)은 재구성 가능한 수확 모듈 어레이를 포함하는 열전 발전기(810), 충전기(830) 및 제어부(850)를 포함한다. 열전 발전기 시스템(800)은 배터리(870) 및 수신부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 8 is a diagram illustrating a structure of a thermoelectric generator system according to an embodiment. Referring to FIG. 8, a
열전 발전기(810)는 수확 모듈 어레이 및 스위치들을 포함한다. 수확 모듈 어레이는 차량의 라디에이터에 부착되어 라디에이터의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 복수의 수확 모듈들을 포함할 수 있다. 수확 모듈들 각각은 라디에이터의 방열판에 부착되는 상부 세라믹 및 라디에이터 핀에 부착되는 하부 세라믹을 포함할 수 있다. 수확 모듈들 각각은 상부 세라믹과 하부 세라믹 사이의 온도 차이를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 도 8에 도시된 열전 발전기(810)는 도 6을 통해 전술한 열전 발전기(600)와 동일하므로 그 밖에 구체적인 설명은 전술한 내용을 참고하기로 한다.
스위치들은 수확 모듈 어레이의 전기적 연결을 재구성할 수 있다. 열전 발전기(810)는 복수의 수확 모듈들 각각에 연결된 스위치들의 전기적 연결을 재구성하는 스위치부를 포함할 수 있다. 스위치들은 스위치부에 포함될 수 있다. The switches can reconfigure the electrical connection of the harvesting module array. The
충전기(830)는 수확 모듈 어레이가 최대 출력 전력을 달성하도록 수확 모듈 어레이의 동작점을 설정한다. 충전기(830)는 출력 전류를 제어함으로써, 수확 모듈 어레이가 주어진 수확 모듈 어레이 구성 하에서 최대 출력 전력을 달성하도록 수확 모듈 어레이의 동작점을 설정할 수 있다. 충전기(830)의 입력 포트는 수확 모듈 어레이에 연결되고, 충전기(830)의 출력 포트는 배터리(870)에 연결될 수 있다.
제어부(850)는 차량 라디에이터의 공간적 온도 변화에 기초하여, 복수의 수확 모듈들이 최대 전력을 출력하는 최적의 수확 모듈 어레이의 구성을 얻기 위해 스위치들을 제어한다. 제어부(850)는 차량의 라디에이터 핀의 순간적인 공간적 온도 변화에 따른 최적의 수확 모듈 어레이의 구성을 계산하고, 현재 최적의 수확 모듈 어레이의 구성을 얻기 위해 재구성 가능한 수확 모듈 어레이 내의 스위치들의 온/오프(ON / OFF) 상태를 제어할 수 있다. 제어부(850)는 프로세서에 의해 구현될 수 있다. The
제어부(850)는 복수의 수확 모듈들 각각이 온도에 따른 최대 전력점에서 동작하도록 상기 스위치들의 전기적 연결을 재구성할 수 있다. 제어부(850)는 공간적 온도 변화에 따른 최적의 수확 모듈 어레이의 구성 및 최적의 수확 모듈 어레이의 구성에 따른 동작점을 산출할 수 있다. The
배터리(870)는 충전 전압이 내연 기관 차량을 위한 전압인 13.8V 를 갖는 배터리일 수 있다. 이때, 제어부(850)는 최적의 수확 모듈 어레이의 구성에 따른 동작점에 따라 배터리(870)의 충전 전류를 결정할 수 있다. The
수신부(미도시)는 공간적 온도 변화에 따른 온도 분포를 나타내는 온도 프로파일을 수신할 수 있다. 이때, 제어부(850)는 온도 프로파일에 따른 수확 모듈 어레이 내의 각 수확 모듈의 최대 전력점 전압 및 최대 전력점 전류를 기초로 수확 모듈 어레이의 최대 출력 전력을 추정할 수 있다. The receiving unit (not shown) may receive a temperature profile indicating a temperature distribution according to a spatial temperature change. At this time, the
또한, 제어부(850)는 최적의 수확 모듈 어레이의 구성을 주기적으로 갱신할 수 있다. 제어부(850)는 최적의 수확 모듈 어레이의 구성을 업데이트 된 상태로 유지하기 위해, 이하에서 설명하는 수확 모듈 어레이의 제구성 알고리즘을 주기적으로 실행하여 수확 모듈 어레이의 구성을 갱신할 수 있다. In addition, the
일 실시예에 따르면, 수확 모듈 어레이 재구성 알고리즘을 다음과 같이 표현할 수 있다. According to one embodiment, the harvest module array reconstruction algorithm may be expressed as: < RTI ID = 0.0 >
전체 N 개의 수확 모듈들 중 i 번째 위치()의 수확 모듈에 대한 순간적인 공간적 온도 변화와 함께 라디에이터 핀을 따라 수확 모듈 배열이 주어지면, 일 실시예에 따른 열전 발전기 시스템(800)은 1) 최적의 수확 모듈 구성 Copt 및 최적의 열전 발전기 어레이의 동작점(Varray, Iarray)를 찾고, 2) 배터리 충전 전류 Ibatt.를 최대화할 수 있다.Of the N total harvesting modules, the i < th > ), The
수확 모듈 어레이를 재구성하는 궁극적인 목적은 수확 모듈 어레이에 포함된 수확 모듈들 각각이 최대 전력점에서 작동하거나, 또는 최대 전력점에 근접하게 작동 할 수 있는 수확 모듈 어레이의 구성 C(g; r1, r2, .. , rg)를 찾는 것이다. The ultimate purpose of reconfiguring the harvesting module array configuration of the harvesting modules harvesting module array in which each number is to operate at the maximum power point, or operating proximate to the maximum power point included in the harvesting module array C (g; r 1 , r 2 , ..., r g ).
라디에이터 핀 상의 수확 모듈 어레이 및 수확 모듈 어레이의 구성에 따른 온도 분포가 주어지면, 열전 발전기 시스템(800)은 수확 모듈 어레이 내의 각 수확 모듈의 최대 전력점 전압(MPP voltage) 및 최대 전력점 전류(MPP current)에 기초하여 수확 모듈 어레이의 최대 출력 전력(즉, 최대 전력점 전력(MPP power))을 다음과 같이 추정할 수 있다. Given a temperature distribution according to the configuration of the harvesting module array and the harvesting module array on the radiator pins, the
앞서 도 5를 통해 설명한 바와 같이, 수확 모듈들이 한 행(병렬)으로 연결되면, 해당 행의 출력 전압은 가장 작은 최대 전력점 전압을 갖는 수확 모듈에 의해 제한될 수 있다. 마찬가지로, 수확 모듈들이 한 열(직렬)로 연결되면, 해당 열의 출력 전류는 가장 작은 최대 전력점 전류를 갖는 수확 모듈에 의해 제한될 수 있다. As described above with reference to FIG. 5, when the harvesting modules are connected in a row (in parallel), the output voltage of the corresponding row may be limited by the harvesting module having the smallest maximum power point voltage. Likewise, if the harvesting modules are connected in a row (in series), the output current of that row may be limited by the harvesting module with the smallest maximum power point current.
수확 모듈 어레이의 구성 C(g; r1, r2, .. , rg)이 주어지면, 수확 모듈 어레이의 최대 전력점 전압은 각 수확 모듈 그룹에서 가장 작은 최대 전력점 전압의 합에 의해 추정될 수 있다. 일 실시예에 따른 열전 발전기 시스템(800)은 수확 모듈 그룹 각각에서의 최대 전력점 전류의 합이 잘 균형 잡힐 수 있는 구성, 다시 말해, 최대 전력점 전류가 가능한 서로 유사한 값을 가질 수 있는 구성을 찾을 수 있다. 수확 모듈 어레이의 출력 전력이 너무 낮으면, 수확 모듈 어레이의 끝 단에 연결되는 전력 변환기의 효율이 낮아진다. 때문에, 최대 출력 전류를 얻기 위해 모든 수확 모듈들을 병렬로 연결하는 것은 적절하지 않다. Given a configuration C (g; r 1 , r 2 , .., r g ) of the harvesting module array, the maximum power point voltage of the harvesting module array is estimated by the sum of the smallest maximum power point voltages in each harvesting module group . The
수확 모듈 어레이가 최대 전력점에서 동작하도록 재구성하는 방법은 아래의 도 9를 참조하여 구체적으로 설명한다.A method for reconfiguring the harvesting module array to operate at the maximum power point will be described in detail with reference to FIG. 9 below.
도 9는 일 실시예에 따른 수확 모듈 어레이를 재구성하는 방법을 나타내는 재구성 알고리즘의 수도 코드(pseudo code)를 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 재구성 알고리즘은 차량의 라디에이터의 공간적 온도 변화에 따른 온도 프로파일들을 입력으로 받아, 최적의 수확 모듈 어레이의 구성(예를 들어, )을 출력할 수 있다. 9 is a diagram illustrating pseudo code of a reconstruction algorithm illustrating a method of reconstructing a harvesting module array according to an embodiment. Referring to FIG. 9, a reconfiguration algorithm according to an exemplary embodiment receives temperature profiles according to a spatial temperature change of a radiator of a vehicle as input, and compares the configuration of an optimal harvesting module array (for example, Can be output.
재구성 알고리즘은 i) 어레이의 제 1 수확 모듈 그룹 내의 수확 모듈의 개수(예를 들어, r1)를 스윕(sweep)하는 외부 루프(outer loop)와 ii) 주어진 r1 값, 다시 말해 제 1 수확 모듈 그룹 내에 포함되는 수확 모듈들의 개수(예를 들어, C(r1))에 따라 수확 모듈 어레이 구성을 고정시키는 커널 절차(kernel procedure)를 포함한다. The reconstruction algorithm includes i) an outer loop that sweeps the number of harvesting modules (e.g., r 1 ) in the first harvesting module group of the array and ii) an outer loop that sweeps the given r 1 value, And a kernel procedure that fixes the harvest module array configuration according to the number of harvest modules (e.g., C (r 1 )) contained within the module group.
일 실시예에 따른 열전 발전기 시스템은 입력 받은 온도 프로파일들을 기초로, 수확 모듈 어레이의 제1 수확 모듈 그룹에 포함되는 수확 모듈의 개수에 따른 최대 전력점 전류를 산출할 수 있다. 이때, 입력받은 온도 프로파일들의 수는 수확 모듈 어레이에 포함된 수확 모듈들의 개수에 대응할 수 있다. The thermoelectric generator system according to one embodiment can calculate the maximum power point current according to the number of harvesting modules included in the first harvesting module group of the harvesting module array based on input temperature profiles. At this time, the number of input temperature profiles may correspond to the number of the harvesting modules included in the harvesting module array.
제1 수확 모듈 그룹에서 최대 전력점 전력을 얻을 수 있는 최적의 수확 모듈 어레이의 구성 이 결정되면, 현재 수확 모듈 어레이의 공간적 온도 분포 하에서 최적의 수확 모듈 어레이의 구성이 결정될 수 있다. Configuration of an optimal harvesting module array to obtain the maximum power point power in the first harvesting module group The configuration of the optimal harvesting module array can be determined under the spatial temperature distribution of the current harvesting module array.
커널 절차에서, 열전 발전기 시스템은 외부 루프로부터 공급된 제1 수확 모듈 그룹에서의 수확 모듈들의 개수(r1)를 기초로, 제2 수확 모듈 그룹에 포함된 수확 모듈들의 최대 전력점 전류의 합이 제 1 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류의 합에 근접하도록 제2 수확 모듈 그룹에서의 수확 모듈들의 개수(r2)를 결정할 수 있다. In the kernel procedure, the thermoelectric generator system calculates the sum of the maximum power point currents of the harvesting modules included in the second harvesting module group based on the number (r 1 ) of harvesting modules in the first harvesting module group supplied from the outer loop The number of harvesting modules (r 2 ) in the second harvesting module group can be determined to be close to the sum of the maximum power point currents of the first harvesting module group.
즉, 열전 발전기 시스템은 아래의 [수학식 15]를 만족하는 제2 수확 모듈 그룹을 찾을 수 있다. That is, the thermoelectric generator system can find a second harvesting module group satisfying the following equation (15).
여기서, 는 i 번째 수확 모듈의 최대 전력점 전류를 나타낸다. here, Represents the maximum power point current of the ith harvesting module.
열전 발전기 시스템은 상기와 유사하게 제3 수확 모듈 그룹 및 제4 수확 모듈 그룹 각각에 포함되는 수확 모듈들의 개수(r3, r4)를 결정할 수 있다.The thermoelectric generator system may determine the number (r 3, r 4 ) of harvesting modules included in each of the third harvesting module group and the fourth harvesting module group similarly to the above.
열전 발전기 시스템은 수확 모듈 어레이의 수확 모듈 그룹들의 최대 전력점 전류들이 제1 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류에 대응하도록, 제1 수확 모듈 그룹을 제외한 다른 수확 모듈 그룹들(제2 수확 모듈 그룹, 제3 수확 모듈 그룹 및 제4 수확 모듈 그룹 등)에 포함되는 수확 모듈들의 개수를 결정할 수 있다. The thermoelectric generator system is configured such that the maximum power point currents of the harvesting module groups of the harvesting module array correspond to the maximum power point currents of the first harvesting module group and the other harvesting module groups except the first harvesting module group The third harvesting module group and the fourth harvesting module group, etc.).
상술한 과정을 통해 각 수확 모듈 그룹에서의 수확 모듈들의 개수가 결정되면, 열전 발전기 시스템은 제1 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류, 제1 수확 모듈 그룹을 제외한 다른 수확 모듈 그룹들의 최대 전력점 전류들 및 제1 수확 모듈 그룹과 다른 수확 모듈 그룹들에 포함되지 않는 나머지 수확 모듈들의 최대 전력점 전류들에 기초하여, 수확 모듈 어레이를 재구성할 수 있다. When the number of harvesting modules in each harvesting module group is determined through the above-described process, the thermoelectric generator system determines the maximum power point current of the first harvesting module group, the maximum power point current of the harvesting module groups other than the first harvesting module group And the maximum power point currents of the remaining harvesting modules not included in the first harvesting module group and other harvesting module groups, the harvesting module array can be reconfigured.
열전 발전기 시스템은 아래 [수학식 16]을 통해 각 수확 모듈 그룹에 포함되지 않은 나머지 수확 모듈들의 최대 전력점 전류의 합이 제1 수확 모듈 그룹에 포함된 수확 모듈들의 최대 전력점 전류의 합보다 작은지 여부를 판단할 수 있다. The thermoelectric generator system calculates the sum of the maximum power point currents of the remaining harvesting modules not included in each harvesting module group by the following equation (16) to be smaller than the sum of the maximum power point currents of the harvesting modules included in the first harvesting module group Or not.
열전 발전기 시스템은 [수학식 16]의 판단 결과를 기초로, 나머지 수확 모듈들에 대하여 다음의 세 가지 옵션들을 적용하여 수확 모듈 어레이를 재구성할 수 있다. The thermoelectric generator system can reconstruct the harvesting module array by applying the following three options to the remaining harvesting modules, based on the determination result of Equation (16).
열전 발전기 시스템에 i) 나머지 수확 모듈들로 구성된 새로운 수확 모듈 그룹(예를 들어, j + 1 번째 그룹)을 생성하거나, ii) 나머지 수확 모듈들 중 적어도 하나(예를 들어, j 번째 그룹)에 포함(추가)시키거나, 또는 iii) 나머지 수확 모듈들을 수확 모듈 그룹들과 바이패스(bypass), 다시 말해 나머지 수확 모듈들을 수확 모듈 그룹들에 연결하지 않을 수 있다.(E.g., a j + 1 th group) consisting of the remaining harvest modules, or ii) generating at least one of the remaining harvest modules (e.g., the j th group) Or iii) the remaining harvest modules may not be connected to the harvesting module groups and bypass, i. E., The remainder harvesting modules, to the harvesting module groups.
상술한 세 가지 옵션들에 따른 수확 모듈 어레이의 구성은 , 또는 와 같이 표현할 수 있다. The configuration of the harvesting module array according to the above three options , or Can be expressed as
열전 발전기 시스템은 세 가지 옵션들에 따른 수확 모듈 어레이의 구성에 따른 최대 전력점 전력을 비교하여 가장 높은 최대 전력점 전력을 갖는 수확 모듈 어레이의 구성을 C(r1), 즉, 커널 절차의 반환된 결과로서 선택할 수 있다. The thermoelectric generator system compares the maximum power point power according to the configuration of the harvesting module array according to the three options to obtain the configuration of the harvesting module array with the highest maximum power point power as C (r 1 ) Can be selected as a result.
도 10은 일 실시예에 따라 복수의 수확 모듈들이 최대 전력점에서 동작하기 위해 재구성된 수확 모듈 어레이의 구조를 도시한 도면이다. 10 is a diagram illustrating the structure of a reconstructed harvesting module array for a plurality of harvesting modules to operate at a maximum power point in accordance with one embodiment.
수확 모듈 어레이를 이용할 디바이스가 결정되면, 해당 디바이스의 고유 특성에 따라서 방열부의 온도와 냉각부의 온도 차이에 따른 최대 전력점 전류가 결정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각 수확 모듈의 전류가 최대 전력점 전류와 최대한 가깝게 되도록 도 10과 같이 불균형적인(Imbalanced) 수확 모듈 어레이의 구성을 결정할 수 있다. When a device using the harvesting module array is determined, the maximum power point current corresponding to the temperature difference between the heat dissipating unit and the cooling unit can be determined according to the intrinsic characteristics of the device. According to one embodiment, the configuration of the imbalanced harvesting module array can be determined as shown in FIG. 10 such that the current of each harvesting module is as close as possible to the maximum power point current.
도 11은 일 실시에 따라 수확 모듈 어레이를 재구성하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 열전 발전기 시스템은 차량의 라디에이터의 공간적 온도 변화에 따른 온도 프로파일들을 수신한다(1110). 온도 프로파일들의 수는 수확 모듈 어레이에 포함된 수확 모듈들의 개수에 대응할 수 있다. 이때, 라디에이터의 주입구에 위치하는 수확 모듈들의 온도는 라디에이터의 배출구에 위치하는 수확 모듈들의 온도보다 높을 수 있다. 11 is a flow diagram illustrating a method of reconstructing a harvesting module array in accordance with one embodiment. Referring to FIG. 11, a thermoelectric generator system according to an embodiment receives temperature profiles according to a spatial temperature change of a radiator of a vehicle (1110). The number of temperature profiles may correspond to the number of harvesting modules included in the harvesting module array. At this time, the temperature of the harvesting modules located at the inlet of the radiator may be higher than the temperature of the harvesting modules located at the outlet of the radiator.
열전 발전기 시스템은 단계(1110)에서 수신한 온도 프로파일들을 기초로, 수확 모듈 어레이의 기준 수확 모듈 그룹에 포함되는 수확 모듈의 개수에 따른 최대 전력점 전류를 산출할 수 있다(1120). 기준 수확 모듈 그룹은 라디에이터의 주입구에 위치하는 적어도 하나의 수확 모듈을 포함할 수 있다. 기준 수확 모듈 그룹은 예를 들어, 수확 모듈들의 제1 그룹에 해당할 수 있다. The thermoelectric generator system may calculate 1120 the maximum power point current according to the number of harvesting modules included in the reference harvesting module group of the harvesting module array, based on the temperature profiles received in
열전 발전기 시스템은 수확 모듈 어레이의 수확 모듈 그룹들의 최대 전력점 전류들이 기준 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류에 대응하도록, 해당 수확 모듈 그룹에 포함되는 수확 모듈의 개수를 결정할 수 있다(1130). 해당 수확 모듈 그룹들은 기준 수확 모듈 그룹과 인접한 순서로 결정될 수 있다. 해당 수확 모듈 그룹들은 수확 모듈 어레이에서 기준 수확 모듈 그룹을 제외한 나머지 수확 모듈 그룹들일 수 있다. 열전 발전기 시스템은 해당 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류가 기준 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류보다 크거나 같도록 하는, 수확 모듈의 최소 개수를 결정할 수 있다. The thermoelectric generator system may determine the number of harvesting modules included in the harvesting module group so that the maximum power point currents of the harvesting module groups of the harvesting module array correspond to the maximum power point current of the reference harvesting module group (1130). The groups of harvesting modules may be determined in the order of proximity to the reference harvesting module group. The corresponding harvesting module groups may be the remaining harvesting module groups except the reference harvesting module group in the harvesting module array. The thermoelectric generator system can determine the minimum number of harvesting modules so that the maximum power point current of the harvesting module group is greater than or equal to the maximum power point current of the reference harvesting module group.
열전 발전기 시스템은 기준 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류, 수확 모듈 그룹들의 최대 전력점 전류들, 및 기준 수확 모듈 그룹과 해당 수확 모듈 그룹들에 포함되지 않는 나머지 수확 모듈들의 최대 전력점 전류들에 기초하여, 수확 모듈 어레이를 재구성할 수 있다(1140). 단계(1140)에서, 열전 발전기 시스템은 나머지 수확 모듈들로 구성된 새로운 수확 모듈 그룹을 생성하거나, 나머지 수확 모듈들을 수확 모듈 그룹들 중 적어도 하나에 포함시키거나, 또는 나머지 수확 모듈들을 바이패스(bypass) 시킬 수 있다. The thermoelectric generator system is based on the maximum power point currents of the reference harvesting module group, the maximum power point currents of the harvesting module groups, and the maximum power point currents of the remaining harvesting modules not included in the reference harvesting module group and the corresponding harvesting module groups. , The harvesting module array may be reconfigured (1140). At
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to an embodiment of the present invention can be implemented in the form of a program command which can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
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 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, but should be determined by equivalents to the appended claims, as well as the appended claims.
800: 열전 발전기 시스템
810: 열전 발전기
830: 충전기
850: 제어부
870: 배터리800: Thermoelectric generator system
810: Thermoelectric generator
830: Charger
850:
870: Battery
Claims (20)
상기 차량 라디에이터의 공간적 온도 변화(spatial temperature variation)에 기초하여, 상기 복수의 수확 모듈들이 최대 전력을 출력하는 최적의 수확 모듈 어레이의 구성을 얻기 위해 상기 스위치들을 제어하는 제어부; 및
상기 수확 모듈 어레이가 최대 출력 전력을 달성하도록 상기 수확 모듈 어레이의 동작점을 설정하는 충전기
를 포함하고,
상기 제어부는
온도 프로파일들을 기초로, 상기 수확 모듈 어레이의 기준 수확 모듈 그룹에 포함되는 수확 모듈의 개수에 따른 최대 전력점 전류를 산출하고, 상기 수확 모듈 어레이의 수확 모듈 그룹들의 최대 전력점 전류들이 상기 기준 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류에 대응하도록, 해당 수확 모듈 그룹에 포함되는 수확 모듈의 개수를 결정하며, 상기 기준 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류, 상기 해당 수확 모듈 그룹들의 최대 전력점 전류들, 및 상기 기준 수확 모듈 그룹과 상기 해당 수확 모듈 그룹들에 포함되지 않는 나머지 수확 모듈들의 최대 전력점 전류들에 기초하여, 상기 수확 모듈 어레이를 재구성하는, 열전 발전기 시스템.A thermoelectric generator including a harvesting module array including a plurality of harvesting modules for harvesting thermal energy of a radiator of a vehicle and switches for reconfiguring an electrical connection of the harvesting module array;
A controller for controlling the switches based on a spatial temperature variation of the vehicle radiator to obtain an optimum harvesting module array configuration in which the plurality of harvesting modules output maximum power; And
A charger module for setting an operating point of the harvesting module array such that the harvesting module array achieves a maximum output power;
Lt; / RTI >
The control unit
Calculating a maximum power point current according to the number of harvesting modules included in the reference harvesting module group of the harvesting module array based on the temperature profiles of the harvesting module arrays, Determining a number of harvesting modules included in the harvesting module group so as to correspond to a maximum power point current of the group, calculating a maximum power point current of the reference harvesting module group, a maximum power point currents of the harvesting module groups, And reconstructs the harvesting module array based on the reference harvesting module group and the maximum power point currents of the remaining harvesting modules not included in the harvesting module groups.
상기 열전 발전기는
상기 차량의 라디에이터에 부착되어 상기 라디에이터의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 상기 복수의 수확 모듈들을 포함하는 상기 수확 모듈 어레이; 및
상기 복수의 수확 모듈들 각각에 연결된 상기 스위치들의 전기적 연결을 재구성하는 스위치부
를 포함하는, 열전 발전기 시스템.The method according to claim 6,
The thermoelectric generator
The harvesting module array comprising: a plurality of harvesting modules attached to a radiator of the vehicle to convert thermal energy of the radiator into electrical energy; And
A switch unit for reconfiguring an electrical connection of the switches connected to each of the plurality of harvesting modules,
/ RTI > thermoelectric generator system.
상기 수확 모듈들 각각은
상기 라디에이터의 방열판(heat sink)에 부착되는 상부 세라믹; 및
상기 라디에이터의 라디에이터 핀에 부착되는 하부 세라믹
을 포함하고,
상기 상부 세라믹과 상기 하부 세라믹 사이의 온도 차이를 전기 에너지로 변환하는, 열전 발전기 시스템.The method according to claim 6,
Each of the harvesting modules
An upper ceramic attached to a heat sink of the radiator; And
A lower ceramic attached to the radiator pin of the radiator
/ RTI >
And converts the temperature difference between the upper ceramic and the lower ceramic into electrical energy.
상기 제어부는
상기 복수의 수확 모듈들 각각이 온도에 따른 최대 전력점에서 동작하도록 상기 스위치들의 전기적 연결을 재구성하는, 열전 발전기 시스템.The method according to claim 6,
The control unit
Wherein each of the plurality of harvest modules reconfigures an electrical connection of the switches to operate at a maximum power point according to temperature.
상기 스위치들은
상기 수확 모듈들을 병렬로 연결하여 수확 모듈 그룹들을 형성하는 병렬 스위치; 및
상기 수확 모듈 그룹들을 직렬로 연결하여 상기 수확 모듈 어레이를 구성하는 직렬 스위치
를 포함하는, 열전 발전기 시스템.The method according to claim 6,
The switches
A parallel switch for connecting the harvesting modules in parallel to form harvesting module groups; And
A serial switch for connecting the harvesting module groups in series and constituting the harvesting module array;
/ RTI > thermoelectric generator system.
상기 제어부는
상기 공간적 온도 변화에 따른 최적의 수확 모듈 어레이의 구성 및 상기 최적의 수확 모듈 어레이의 구성에 따른 동작점을 산출하는, 열전 발전기 시스템The method according to claim 6,
The control unit
A thermoelectric generator system for calculating an optimal harvesting module array according to the spatial temperature change and an operating point according to the configuration of the optimal harvesting module array,
배터리를 더 포함하고,
상기 제어부는
상기 최적의 수확 모듈 어레이의 구성에 따른 상기 동작점에 따라 상기 배터리의 충전 전류를 결정하는, 열전 발전기 시스템.12. The method of claim 11,
Further comprising a battery,
The control unit
And determines the charge current of the battery according to the operating point according to the configuration of the optimal harvesting module array.
상기 공간적 온도 변화에 따른 온도 분포를 나타내는 상기 온도 프로파일을 수신하는 수신부
를 더 포함하고,
상기 제어부는
상기 온도 프로파일에 따른 상기 수확 모듈 어레이 내의 각 수확 모듈의 최대 전력점 전압 및 최대 전력점 전류를 기초로 상기 수확 모듈 어레이의 최대 출력 전력을 추정하는, 열전 발전기 시스템.The method according to claim 6,
A receiver for receiving the temperature profile indicating a temperature distribution according to the spatial temperature change;
Further comprising:
The control unit
And estimates the maximum output power of the harvesting module array based on a maximum power point voltage and a maximum power point current of each harvesting module in the harvesting module array according to the temperature profile.
상기 제어부는
상기 최적의 수확 모듈 어레이의 구성을 주기적으로 갱신하는, 열전 발전기 시스템.The method according to claim 6,
The control unit
And periodically updates the configuration of the optimal harvesting module array.
상기 온도 프로파일들을 기초로, 상기 수확 모듈 어레이의 기준 수확 모듈 그룹에 포함되는 수확 모듈의 개수에 따른 최대 전력점 전류를 산출하는 단계;
상기 수확 모듈 어레이의 수확 모듈 그룹들의 최대 전력점 전류들이 상기 기준 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류에 대응하도록, 해당 수확 모듈 그룹에 포함되는 수확 모듈의 개수를 결정하는 단계; 및
상기 기준 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류, 상기 해당 수확 모듈 그룹들의 최대 전력점 전류들, 및 상기 기준 수확 모듈 그룹과 상기 해당 수확 모듈 그룹들에 포함되지 않는 나머지 수확 모듈들의 최대 전력점 전류들에 기초하여, 상기 수확 모듈 어레이를 재구성하는 단계
를 포함하는 수확 모듈 어레이를 재구성하는 방법.Receiving temperature profiles according to a spatial temperature variation of the radiator of the vehicle, the number of temperature profiles corresponding to the number of harvesting modules included in the harvesting module array;
Computing a maximum power point current according to the number of harvesting modules included in the reference harvesting module group of the harvesting module array based on the temperature profiles;
Determining the number of harvesting modules included in the harvesting module group such that the maximum power point currents of the harvesting module groups of the harvesting module array correspond to the maximum power point current of the reference harvesting module group; And
The maximum power point currents of the reference harvesting module group, the maximum power point currents of the corresponding harvesting module groups, and the maximum power point currents of the remaining harvesting modules not included in the reference harvesting module group and the corresponding harvesting module groups , ≪ / RTI > reconstructing the harvesting module array
Wherein the harvesting module array comprises a plurality of harvesting modules.
상기 라디에이터의 주입구(inlet)에 위치하는 수확 모듈들의 온도는
상기 라디에이터의 배출구(outlet)에 위치하는 수확 모듈들의 온도보다 높은, 수확 모듈 어레이를 재구성하는 방법.16. The method of claim 15,
The temperature of the harvesting modules located at the inlet of the radiator is
Wherein the temperature of the harvesting modules located at the outlet of the radiator is higher than the temperature of the harvesting modules located at the outlet of the radiator.
상기 기준 수확 모듈 그룹은 상기 라디에이터의 주입구에 위치하는 적어도 하나의 수확 모듈을 포함하고,
상기 해당 수확 모듈 그룹들은 상기 기준 수확 모듈 그룹과 인접한 순서로 결정되는, 수확 모듈 어레이를 재구성하는 방법.16. The method of claim 15,
Wherein the reference harvesting module group comprises at least one harvesting module located at an inlet of the radiator,
Wherein the corresponding harvesting module groups are determined in order of proximity to the reference harvesting module group.
상기 해당 수확 모듈 그룹에 포함되는 수확 모듈의 개수를 결정하는 단계는
상기 해당 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류가 상기 기준 수확 모듈 그룹의 최대 전력점 전류보다 크거나 같도록 하는, 수확 모듈의 최소 개수를 결정하는 단계
를 포함하는, 수확 모듈 어레이를 재구성하는 방법.16. The method of claim 15,
The step of determining the number of harvesting modules included in the corresponding harvesting module group
Determining a minimum number of harvesting modules such that a maximum power point current of the harvesting module group is greater than or equal to a maximum power point current of the reference harvesting module group
≪ / RTI >
상기 수확 모듈 어레이를 재구성하는 단계는
상기 나머지 수확 모듈들로 구성된 새로운 수확 모듈 그룹을 생성하는 단계;
상기 나머지 수확 모듈들을 상기 수확 모듈 그룹들 중 적어도 하나에 포함시키는 단계; 및
상기 나머지 수확 모듈들을 바이패스 시키는 단계
중 적어도 하나를 포함하는, 수확 모듈 어레이를 재구성하는 방법.16. The method of claim 15,
The step of reconstructing the harvesting module array
Generating a new harvesting module group composed of the remaining harvesting modules;
Including the remaining harvesting modules in at least one of the harvesting module groups; And
Bypassing the remaining harvest modules
, ≪ / RTI >
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020160180080A KR101909792B1 (en) | 2016-12-27 | 2016-12-27 | Thermoelectric generator and thermoelectric generator system including harvesting module array for thermal energy harvesting and reconfiguration method for harvesting module array |
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KR1020160180080A KR101909792B1 (en) | 2016-12-27 | 2016-12-27 | Thermoelectric generator and thermoelectric generator system including harvesting module array for thermal energy harvesting and reconfiguration method for harvesting module array |
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JP2005269713A (en) * | 2004-03-16 | 2005-09-29 | Toyota Motor Corp | Thermal power generator |
JP2015060935A (en) * | 2013-09-18 | 2015-03-30 | 株式会社東芝 | Thermoelectric generator |
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