KR101991399B1 - 발전효율을 향상시킨 자성유체를 이용한 발전 시스템 - Google Patents

발전효율을 향상시킨 자성유체를 이용한 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

발전효율을 향상시킨 자성유체를 이용한 발전 시스템은 자성나노입자를 포함하는 자성유체를 가열하는 가열부, 상기 자성유체가 순환되는 순환도관, 상기 가열된 자성유체가 통과하며 기전력이 유도되는 발전모듈, 및 상기 자성유체를 냉각하는 응축부를 포함한다. 상기 발전모듈은, 상기 순환도관과 연결되어 상기 자성유체가 통과하며, 중앙에 컬럼부 또는 격벽부가 형성되는 채널부, 및 상기 채널부의 외면에 권선되는 코일부를 포함한다.

Description

발전효율을 향상시킨 자성유체를 이용한 발전 시스템{POWER GENERATING SYSTEM USING MAGNETIC FLUID}
본 발명은 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자성유체가 통과함에 따라 발생하는 기전력을 이용한 발전 시스템에 있어서, 자성유체를 보다 높은 비율로 통과하여 발전효율을 향상시킬 수 있도록 자성유체의 통과율을 향상시킨 자성유체를 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.
종래 자성나노입자가 녹아 있는 자성 유체를 전도성 코일이 감긴 채널, 즉 솔레노이드로 빠르게 유동시키는 경우 코일 단면에 수직한 방향으로 통과하는 자성입자에 의해 코일에 기전력이 발생하게 되며, 대한민국 등록 특허 제10-1308585호 등에 개시된 바와 같이, 이렇게 발생하는 기전력을 이용한 발전 개념은 다양하게 개발되고 있다.
그러나, 자성유체에는 자성입자가 균일하게 녹아 있으므로 자성유체를 단순히 통과시키는 것으로는 자속 변화가 유도되지 않으며, 이에 따라 자성입자의 분포에 변화를 주는 것이 필요하고, 이를 위해 이물질을 작동유체 내에서 불규칙하게 발생시키는 기술이 개발되고 있다.
상기 불규칙한 유동을 발생시키는 기술로, 자성 유체를 가열하는 방법이 있으나, 이러한 자성 유체의 가열에 따라 수직으로 위치하는 채널을 통과하는 이상유동의 경우 자성입자가 분포하는 액상(liquid phase)이 채널의 벽면을 따라서만 분포함에 따라 전도성 코일이 배치된 단면을 지나는 경우 자성입자의 수가 급감하여 발전량이 저하되는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1308585호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 이상유동으로 코일 통과시 발생하는 자성나노입자량의 감소를 해결하여 솔레노이드 채널 내부 접촉 면적을 증가시켜 발전량을 향상시킬 수 있는 자성유체를 이용한 발전 시스템에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 발전 시스템은 자성나노입자를 포함하는 자성유체를 가열하는 가열부, 상기 자성유체가 순환되는 순환도관, 상기 가열된 자성유체가 통과하며 기전력이 유도되는 발전모듈, 및 상기 자성유체를 냉각하는 응축부를 포함한다. 상기 발전모듈은, 상기 순환도관과 연결되어 상기 자성유체가 통과하며, 내부에 컬럼부 또는 격벽부가 형성되는 채널부, 상기 채널부의 외면에 권선되는 코일부, 및 상기 자성나노입자의 자화 및 방향성 유지를 위한 외부자계 인가부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 가열부의 가열에 따라 상기 자성유체는 액상부(liquid phase)와 기상부(vapor phase)로 분리되어 유동하며, 상기 액상부는 상기 채널부를 통과하는 경우, 상기 컬럼부 또는 상기 격벽부를 따라 상기 컬럼부 또는 상기 격벽부에 접촉되며 상기 채널부의 중앙으로 유동될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기상부는 상기 채널부를 통과하는 경우, 상기 채널부의 내면과 상기 컬럼부 사이의 공간, 또는 상기 채널부의 내면과 상기 격벽부 사이의 공간을 따라 유동될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컬럼부는, 상기 채널부의 연장방향을 따라, 상기 채널부의 중앙에 컬럼(column) 형상으로 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컬럼부는, 복수개가 상기 채널부의 중앙에 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 격벽부는, 상기 채널부의 서로 마주하는 내면을 따라 연장되어 상기 채널부를 복수의 공간으로 구획할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 격벽부는, 서로 교차하는 제1 및 제2 격벽들을 포함하며, 상기 제1 및 제2 격벽들에 의해 상기 채널부는 복수의 공간들로 구획될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 채널부의 내면, 상기 컬럼부 또는 상기 격벽부의 표면은 그래핀(graphene) 코팅될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 채널부 및 상기 컬럼부의 외면은 주름진 형상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 채널부는, 복수의 채널부들이 다발 형태로 상기 순환도관과 연결되어, 상기 자성유체가 각각의 채널부들로 분기되어 통과할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 종래 가열에 따라 기상부와 액상부로 분리된 자성유체에서, 자성나노입자가 포함된 액상부가 채널부의 벽면을 따라서만 유동됨에 따라 코일부를 통과하는 자성나노입자의 양이 저하되어 발전량이 감소하는 문제를 해결하여, 자성유체가 통과하는 채널부의 내부에 컬럼부 또는 격벽부가 형성됨에 따라, 자성나노입자가 포함된 액상부가 채널부의 벽면 외에, 컬럼부 또는 격벽부의 표면을 따라서도 통과하므로 코일부를 통과하는 자성나노입자의 양이 증가되어 발전량을 증가시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 자성유체의 이상유동에서 채널부의 내부를 통과하는 액상부가 접촉하는 면적이, 채널부의 내면 외에 컬럼부 또는 격벽부의 표면으로 증가하게 되므로, 코일부의 단면을 통과하는 자성나노입자의 양을 증가시킬 수 있다.
특히, 상기 컬럼부는 채널부의 중앙을 따라 컬럼의 형태로 연장되며, 한 개 또는 복수개가 연장될 수 있으며, 상기 격벽부도 한 개 또는 복수개가 채널부의 내부 공간을 복수개로 구획하며 연장되므로, 액상부가 접촉하며 통과할 수 있는 면적이 증가할 수 있다.
다만, 액상부가 채널부의 내면, 컬럼부 또는 격벽부의 표면을 따라 유동되므로, 마찰력의 증가로 유동 속도가 감소하는 문제가 발생할 수 있으나, 본 실시예에서는 상기 접촉면을 그래핀 코팅함으로서 마찰력을 최소화하여, 액상부의 유동 면적은 증가시키면서 유동 속도를 유지할 수 있다.
또한, 상기 채널부 및 상기 컬럼부의 표면을 주름진 형상으로 형성하여, 상기 액상부가 접촉되는 면적을 증가시켜 자성나노입자가 통과하는 양을 보다 증가시킬 수 있다.
나아가, 상기 발전모듈은 복수의 발전모듈들이 다발 형태로 묶이도록 배열될 수 있으므로, 상기 발전모듈을 통과하는 액상부의 양을 증가시켜 발전효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 자성유체를 이용한 발전시스템을 도시한 개념도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 발전시스템에서의 채널부를 도시한 단면도이다.
도 3a는 도 1의 발전시스템에서의 채널부를 도시한 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 발전시스템에서의 채널부를 도시한 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 발전시스템에서의 채널부를 도시한 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 발전시스템에서의 채널부를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 발전시스템에서의 발전모듈을 도시한 사시도이다.
도 6a는 종래 기술에 의한 발전시스템에서의 채널부에서의 자성유체의 유동특성을 시뮬레이션한 결과 이미지이고, 도 6b는 도 3a의 발전시스템에서의 채널부에서의 자성유체의 유동특성을 시뮬레이션한 결과 이미지이다.
도 7a는 종래 기술에 의한 발전시스템에서의 자성유체의 유동에 따른 발전전압을 시뮬레이션한 결과 그래프이고, 도 7b는 도 3a의 발전시스템에서의 자성유체의 유동에 따른 발전전압을 시뮬레이션한 결과 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 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.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 자성유체를 이용한 발전시스템을 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 자성유체를 이용한 발전시스템(10)은 가열부(20), 순환도관(30), 응축부(70) 및 발전모듈(50)을 포함하며, 자성유체(40)가 상기 발전시스템(10)을 순환하며 유동된다.
상기 자성유체(40)는 자성을 띄는 나노입자 분말이 포함된 유체로서, 나노입자의 개수가 많을 경우 포화 자화(saturation magnetization)값이 증가하여 발전에는 유리하지만, 연속발전을 위해 내부에 비자성체를 투여하는 경우 상기 순환도관(30)을 통과하지 못하며 유동이 정지될 수 있으므로, 포함되는 나노입자 분말의 개수는 적절하게 선택되는 것이 필요하다.
상기 가열부(20)는 상기 자성유체(40)를 가열하는 것으로, 상기 자성유체(40)가 끓는 점 이상으로 가열되면 상기 자성유체(40)는 이상유동(two phase flow)을 일으키게 되며, 이에 따라 자속변화를 유도할 수 있다.
상기 순환도관(30)은 상기 가열부(20)로부터 연결되어 상기 발전모듈(50) 및 상기 응축부(70)를 통과하여 다시 상기 가열부(20)까지 연결된 폐루프를 형성하는 도관으로, 내부에서 상기 자성유체(40)가 유동된다.
이 경우, 상기 순환도관(30)은 상기 가열된 자성유체(40)가 유동될 수 있도록 충분한 내열성을 가지며, 유도전류에 의한 역기전력 효과를 최소화하기 위해 비자성, 저전도성 금속 또는 비금속재질로 형성될 수 있다.
한편, 상기 순환도관(30)은 상기 발전모듈(50)에서는 채널부(100)와 연결되며, 상기 채널부(100)는 상기 순환도관(30)의 일부일 수 있으며, 이와 달리 별도로 제작되어 상기 순환도관(30) 상에 연결될 수도 있다.
상기 응축부(70)는 상기 순환도관(30)에 연결되어, 상기 발전모듈(50)을 통과한 상기 자성유체(40)를 냉각시키며, 이후 냉각된 상기 자성유체(40)는 상기 가열부(20)로 다시 순환되어 이동된다.
한편, 상기 발전모듈(50)은 상기 자성유체(40)가 통과하며 기전력이 유도되는 모듈로서, 상기 자성유체(40)가 통과하는 채널부(100), 상기 채널부(100)를 따라 권선된 코일부(510), 상기 코일부(510)의 외부에 배치되는 외부자계 인가부(52), 상기 코일부(510)에서 발생된 유도기전력을 저장하는 축전지(미도시)를 포함한다.
즉, 상기 코일부(510)가 상기 채널부(100)의 외주면을 따라 소정구간 권선되고, 상기 자성유체(40)가 상기 코일부(510)가 권선된 구간을 통과하면, 패러데이의 전자유도 법칙에 의해 상기 코일부(510)에는 유도기전력이 발생되며, 이렇게 발생된 유도기전력을 상기 축전지에 저장된다.
이 경우, 상기 외부자계 인가부(52)는 상기 자성유체(40)의 자성나노입자의 자화 및 방향성 유지를 위해 상기 코일부(510)의 외곽에 배치된다.
이 경우, 상기 유도기전력의 발생 효율을 향상시키기 위해서는, 상기 채널부(100)를 통과하는 자성유체에 포함된 자성나노입자의 양이 많은 것이 필요하지만, 앞서 설명한 바와 같이 상기 자성유체에 포함되는 자성나노입자의 양은 순환도관의 통과를 위해 적절한 양으로 제한되어야 한다. 따라서, 정해진 자성나노입자에 대하여 상기 채널부(100)를 통과하는 자성나노입자의 양을 증가시키는 것이 필요하다.
이하에서는, 상기 채널부(100)의 단면 형상을 중심으로, 이와 같이 채널부를 통과하는 자성나노입자의 양을 증가시킬 수 있는 채널부의 구조 및 형상을 중심으로 구체적으로 설명한다.
도 2는 종래 기술에 의한 발전시스템에서의 채널부를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 자성유체(40)는 끓는 점 이상으로 가열됨에 따라 이상유동(two phase)이 발생되며, 상기 이상유동에 따라 상기 자성유체(40)는 액상부(61)와 기상부(62)로 분리되는데, 이 경우, 상기 자성나노입자(63)는 상기 액상부(61)에만 분포한다.
한편, 종래 기술에서의 상기 채널부(60)가 단면이 도시된 바와 같은 사각형, 또는 이와 달리 다각형 또는 원형 등의 형상을 가지는 경우, 상기 채널부(60)를 통과하는 자성유체(40)의 액상부(61)는 상기 채널부(60)의 내면에 접촉하면서, 즉 상기 채널부(60)의 내면으로부터 소정 거리 이내의 영역으로만 통과하며, 상기 채널부(60) 내부의 중앙을 포함한 대부분의 공간으로는 상기 기상부(62)가 통과한다.
이에 따라, 상기 자성나노입자(63)가 통과되는 영역, 즉 상기 액상부(61)가 통과되는 영역은 상대적으로 좁으며, 그리하여 상기 채널부(60)를 통과하는 자성나노입자(63)의 수는 매우 감소하는 문제가 있었으며, 이는 곧 발전량을 감소시키는 문제가 있었다.
도 3a는 도 1의 발전시스템에서의 채널부를 도시한 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 본 실시예에서는, 상기 채널부(100)의 중앙에 컬럼부(110)가 형성되며, 상기 컬럼부(110)는 컬럼(column)의 형상으로 상기 채널부(100)의 연장방향을 따라 연장되도록 형성된다.
또한, 도면에서는 상기 컬럼부(110)가 한 개가 상기 채널부(100)의 정중앙에 형성되는 것을 도시하였으나, 복수개가 상기 채널부(100)의 중앙부에 소정간격 이격되며 형성될 수도 있다.
이와 같이, 상기 채널부(100)의 중앙에 컬럼부(110)가 형성됨에 따라, 종래 상기 채널부(100)의 내면에만 접촉하며 유동되는 액상부(120)는 상기 컬럼부(110)의 표면에도 접촉하며 유동되게 되며, 이에 따라 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 액상부(120)가 통과하는 영역, 즉 상기 자성나노입자(140)가 통과하는 영역이 증가하게 된다. 한편, 상기 기상부(130)가 통과하는 공간은 상기 채널부(100)와 상기 컬럼부(110) 사이의 공간으로 감소하게 된다.
즉, 상기 액상부(120)는 상기 채널부(100)의 내면 및 상기 컬럼부(110)의 표면으로부터 소정 거리까지 유동되게 되며, 상기 채널부(100)의 내부를 통과하는 상기 자성나노입자(140)의 양은 증가하게 된다. 그리하여, 발전량은 증가하게 된다.
한편, 본 실시예에서, 상기 액상부(120)가 상기 채널부(100)의 내면 및 상기 컬럼부(110)의 표면과 접촉하며 유동되므로, 접촉에 의한 마찰력이 증가되어 상기 액상부(120)의 유동속도가 감소할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 액상부(120)가 접촉하는 부분, 즉 상기 채널부(100)의 내면 및 상기 컬럼부(110)의 표면을, 예를 들어, 그래핀(graphene)으로 코팅하여, 유동 마찰력을 최소화하여 이와 같은 마찰력 증가에 의한 유동속도 감소 문제를 해결할 수 있다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 의한 발전시스템에서의 채널부를 도시한 단면도이다.
본 실시예에서의 채널부(200)는 내부에 컬럼부(110) 대신 격벽부(210)가 형성되는 것을 제외하고는 도 3a를 통해 설명한 채널부와 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 이를 생략한다.
도 3b를 참조하면, 본 실시예에서의 상기 채널부(200)는 내부에 상기 격벽부(210)가 형성되며, 상기 격벽부(210)는 도시된 바와 같이 제1 방향(X)으로 연장된 제1 격벽(211) 및 상기 제1 방향(X)에 수직인 제2 방향(Y)으로 연장된 제2 격벽(212)을 포함할 수 있다.
이와 달리, 도시하지는 않았으나, 상기 격벽부(210)는 한 개 또는 3개 이상의 격벽을 포함할 수도 있으며, 이하에서는 2개의 격벽이 형성된 것을 예를 들어 설명한다. 또한, 2개의 격벽이 서로 수직으로 형성되는 것 외에, 다양한 각도로 서로 교차하며 형성될 수도 있다.
상기 제1 격벽(211)은 상기 채널부(200)의 제1 방향(X)으로 서로 마주하는 내면을 연결하며, 플레이트(plate) 형상으로 상기 채널부(200)의 연장방향을 따라 연장되어 상기 채널부(200)의 내부 공간을 상부 및 하부 공간으로 구획한다.
또한, 상기 제2 격벽(212)은 상기 제1 격벽(211)과 수직으로 상기 채널부(200)의 제2 방향(Y)으로 서로 마주하는 내면을 연결하며, 플레이트(plate) 형상으로 상기 채널부(200)의 연장방향을 따라 연장되어 상기 채널부(200)의 내부 공간을 좌측 및 우측 공간으로 구획한다.
이에 따라, 상기 채널부(200)의 내부는 4개의 공간으로 구획된다.
그리하여, 상기 채널부(200)의 내부로 상기 자성유체(40)가 유동되는 경우, 액상부(220)는 상기 채널부(200)의 내면, 및 상기 제1 및 제2 격벽들(211, 212)의 표면을 따라 접촉하며 유동하게 되며, 기상부(230)는 상기 구획된 공간들의 중앙부를 따라서만 유동하게 된다.
즉, 상기 자성유체(40)가 상기 채널부(200)의 내부로 유동되는 단면적이 증가하게 되며, 이에 따라 자성나노입자(240)가 통과하는 면적도 증가하게 되고, 결국 상기 채널부(200)를 통과하는 자성나노입자(240)의 비율이 증가하게 되어, 발전량이 향상된다.
한편, 본 실시예에서도, 상기 액상부(220)가 접촉하는 부분, 즉 상기 채널부(200)의 내면 및 상기 격벽부(210)의 표면을, 예를 들어, 그래핀(graphene)으로 코팅하여, 유동 마찰력을 최소화하여 이와 같은 마찰력 증가에 의한 유동속도 감소 문제를 해결할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 발전시스템에서의 채널부를 도시한 단면도이다.
본 실시예에서의 상기 채널부(300)는 컬럼부(310) 및 외면부(301)의 형상을 제외하고는 도 3a에서 설명한 상기 채널부(100)와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
도 4a를 참조하면, 본 실시예에서는 상기 채널부(300)의 외면부(301)는 곡면형상을 가지며, 특히, 상기 외면부(301)는 주름진 형상을 가진다.
또한, 상기 컬럼부(310)의 표면도 마찬가지로 주름진 형상을 가진다.
이상과 같이, 상기 채널부(300)의 외면부(301) 및 상기 컬럼부(310)의 표면이 주름진 형상을 가짐에 따라, 액상부(320)가 접촉할 수 있는 면적이 증가하게 되며, 상기 코일부(51)의 단면에서 상기 액상부(320)를 따라 유동되는 자성나노입자(340)의 양이 보다 증가하게 된다.
도 4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 발전시스템에서의 채널부를 도시한 단면도이다.
본 실시예에서의 상기 채널부(400)는 격벽부(410) 및 외면부(401)의 형상을 제외하고는 도 3a에서 설명한 상기 채널부(100)와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
도 4b를 참조하면, 본 실시예에서는 상기 채널부(400)의 외면부(401)는 곡면형상을 가지며, 특히, 상기 외면부(401)는 주름진 형상을 가진다.
또한, 상기 격벽부(410), 즉 상기 제1 및 제2 격벽들(411, 412)의 표면도 마찬가지로 주름진 형상을 가진다.
이상과 같이, 상기 채널부(400)의 외면부(401) 및 상기 격벽부(410)의 표면이 주름진 형상을 가짐에 따라, 액상부(420)가 접촉할 수 있는 면적이 증가하게 되며, 상기 코일부(51)의 단면에서 상기 액상부(420)를 따라 유동되는 자성나노입자(440)의 양이 보다 증가하게 된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 발전시스템에서의 발전모듈을 도시한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에서의 상기 발전모듈은 다발(500)로 서로 묶여 배열된다. 즉, 각각의 발전모듈들(510, 520)이 서로 다발형태로 서로 묶여 발전모듈 다발(500)을 형성하며 배열된다.
즉, 복수의 제1, 제2, ... 발전모듈들(510, 520, ...)이 서로 인접하도록 다발형태로 배열되며, 외부는 외면부(501)에 의해 커버될 수 있다.
이 경우, 상기 발전모듈들 각각은 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일한 구조이며, 상기 발전모듈들 각각에 포함되는 채널부들 각각도 도 3a 내지 도 4b를 참조하여 설명한 각각의 채널부들(100, 200, 300, 400)과 동일한 형상 및 구조를 포함할 수 있다.
한편, 상기 순환도관(30) 전체가 상기 복수의 발전모듈들이 다발로 배열된 것과 동일하게 다발 형태로 배열되어, 각각의 내부에서 상기 자성유체가 순환될 수 있다.
이와 달리 상기 순환도관(30)은 하나의 도관이며, 상기 발전모듈 다발에서만 복수로 분기되어 상기 자성유체가 분기되어 발전모듈들 각각의 채널부로 순환되고, 상기 채널부를 통과한 자성유체는 다시 하나의 순환도관(30)으로 합쳐져 순환되는 형태일 수도 있다.
이상과 같이, 복수의 발전모듈들이 형성되어 각각을 통해 자성유체가 분기되어 순환되면서 상기 코일부(51)의 단면을 통과하는 자성나노입자의 양이 증가하게 되며, 이에 따라 발전효율이 더욱 향상될 수 있다.
도 6a는 종래 기술에 의한 발전시스템에서의 채널부에서의 자성유체의 유동특성을 시뮬레이션한 결과 이미지이고, 도 6b는 도 3a의 발전시스템에서의 채널부에서의 자성유체의 유동특성을 시뮬레이션한 결과 이미지이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 종래 기술의 발전시스템에서, 상기 채널부(60)에서의 자성유체(40)의 버블유동특성과 도 3a를 참조하여 설명한 발전시스템에서 상기 채널부(100)에서의 상기 자성유체(40)의 버블유동특성을 비교하면, 도 3a를 참조하여 설명한 채널부(100)에서의 자성유체(40)의 유동에서, 보다 많은 버블이 발생하며 유동되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, 도 3b 내지 도 5를 참조하여 설명한, 본 발명의 다른 실시예들에서의 채널부에서의 자성유체의 유동에서도, 종래 기술에서보다 많은 버블이 발생되며 유동되는 것을 예상할 수 있다.
도 7a는 종래 기술에 의한 발전시스템에서의 자성유체의 유동에 따른 발전전압을 시뮬레이션한 결과 그래프이고, 도 7b는 도 3a의 발전시스템에서의 자성유체의 유동에 따른 발전전압을 시뮬레이션한 결과 그래프이다.
나아가, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 종래 기술의 발전시스템에서의 발전전압은 최대 ­35mV 내지 10mV 범위의 수준에 불과함을 확인할 수 있으나, 도 3a를 참조하여 설명한 발전시스템에서의 발전전압은 최대 ­40mV 내지 40mV 범위의 수준으로, 발전전압이 종래기술대비 우수함을 확인할 수 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, 도 3b 내지 도 5를 참조하여 설명한, 본 발명의 다른 실시예들에서의 발전전압 역시, 종래기술과 대비하여 우수함을 예상할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 종래 가열에 따라 기상부와 액상부로 분리된 자성유체에서, 자성나노입자가 포함된 액상부가 채널부의 벽면을 따라서만 유동됨에 따라 코일부를 통과하는 자성나노입자의 양이 저하되어 발전량이 감소하는 문제를 해결하여, 자성유체가 통과하는 채널부의 내부에 컬럼부 또는 격벽부가 형성됨에 따라, 자성나노입자가 포함된 액상부가 채널부의 벽면 외에, 컬럼부 또는 격벽부의 표면을 따라서도 통과하므로 코일부를 통과하는 자성나노입자의 양이 증가되어 발전량을 증가시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 자성유체의 이상유동에서 채널부의 내부를 통과하는 액상부가 접촉하는 면적이, 채널부의 내면 외에 컬럼부 또는 격벽부의 표면으로 증가하게 되므로, 코일부의 단면을 통과하는 자성나노입자의 양을 증가시킬 수 있다.
특히, 상기 컬럼부는 채널부의 중앙을 따라 컬럼의 형태로 연장되며, 한 개 또는 복수개가 연장될 수 있으며, 상기 격벽부도 한 개 또는 복수개가 채널부의 내부 공간을 복수개로 구획하며 연장되므로, 액상부가 접촉하며 통과할 수 있는 면적이 증가할 수 있다.
다만, 액상부가 채널부의 내면, 컬럼부 또는 격벽부의 표면을 따라 유동되므로, 마찰력의 증가로 유동 속도가 감소하는 문제가 발생할 수 있으나, 본 실시예에서는 상기 접촉면을 그래핀 코팅함으로서 마찰력을 최소화하여, 액상부의 유동 면적은 증가시키면서 유동 속도를 유지할 수 있다.
또한, 상기 채널부 및 상기 컬럼부의 표면을 주름진 형상으로 형성하여, 상기 액상부가 접촉되는 면적을 증가시켜 자성나노입자가 통과하는 양을 보다 증가시킬 수 있다.
나아가, 상기 발전모듈은 복수의 발전모듈들이 다발 형태로 묶이도록 배열될 수 있으므로, 상기 발전모듈을 통과하는 액상부의 양을 증가시켜 발전효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 자성유체를 이용한 발전 시스템은 발전장치로 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
10 : 발전 시스템 20 : 가열부
30 : 순환도관 40 : 자성유체
50, 510, 520 : 발전모듈 500 : 발전모듈 다발
100, 200, 300, 400 : 채널부
110, 310 : 컬럼부 210, 410 : 격벽부
120, 220, 320, 420 : 액상부
130, 230, 330, 430 : 기상부
140, 240, 340, 440 : 자성나노입자

Claims (10)

  1. 자성나노입자를 포함하는 자성유체를 가열하는 가열부, 상기 자성유체가 순환되는 순환도관, 상기 가열된 자성유체가 통과하며 기전력이 유도되는 발전모듈, 및 상기 자성유체를 냉각하는 응축부를 포함하는 발전 시스템에서,
    상기 발전모듈은,
    상기 순환도관과 연결되어 상기 자성유체가 통과하며, 내부에 컬럼부 또는 격벽부가 형성되는 채널부;
    상기 채널부의 외면에 권선되는 코일부; 및
    상기 자성나노입자의 자화 및 방향성 유지를 위한 외부자계 인가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열부의 가열에 따라 상기 자성유체는 액상부(liquid phase)와 기상부(vapor phase)로 분리되어 유동하며,
    상기 액상부는 상기 채널부를 통과하는 경우, 상기 컬럼부 또는 상기 격벽부를 따라 상기 컬럼부 또는 상기 격벽부에 접촉되며 상기 채널부의 중앙으로 유동되는 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기상부는 상기 채널부를 통과하는 경우, 상기 채널부의 내면과 상기 컬럼부 사이의 공간, 또는 상기 채널부의 내면과 상기 격벽부 사이의 공간을 따라 유동되는 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 발전 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 컬럼부는,
    상기 채널부의 연장방향을 따라, 상기 채널부의 중앙에 컬럼(column) 형상으로 연장되는 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 컬럼부는,
    복수개가 상기 채널부의 중앙에 연장되는 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 발전 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 격벽부는,
    상기 채널부의 서로 마주하는 내면을 따라 연장되어 상기 채널부를 복수의 공간으로 구획하는 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 발전 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 격벽부는,
    서로 교차하는 제1 및 제2 격벽들을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 격벽들에 의해 상기 채널부는 복수의 공간들로 구획되는 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 발전 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 채널부의 내면, 상기 컬럼부 또는 상기 격벽부의 표면은 그래핀(graphene) 코팅된 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 채널부 및 상기 컬럼부의 표면은 주름진 형상인 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 발전 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 발전모듈은,
    복수의 발전모듈들이 다발 형태로 상기 순환도관과 연결되어, 상기 자성유체가 각각의 발전모듈의 채널부로 분기되어 통과하는 것을 특징으로 하는 자성유체를 이용한 발전 시스템.
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