KR101999256B1 - 스택형 열전발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부에 작동유체를 흐르게 하며, 열 교환을 유발하는 복수의 열원판들과, 서로 다른 온도의 작동유체가 흐르는 상기 열원판들에 개재되며, 상기 열원판들에 의한 양면의 온도차를 이용해 전기를 생산하는 열전소자, 및 상기 열전소자의 설치위치를 정의하여 상기 열전소자 간의 간격을 일정하게 유지시키는 간격판을 포함하는 스택형 열전발전 시스템을 제공한다.

Description

스택형 열전발전 시스템{STACK TYPE THERMOELECTRIC GENERATION SYSTEM}
본 발명은 열전발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 표층해수와 심층해수의 저온도차를 이용한 열전발전 시스템의 발전량을 향상시킬 수 있는 스택형 열전발전 시스템에 관한 것이다.
표층해수와 심층해수의 저온도차를 이용한 열전발전 시스템은 압축기, 터빈과 같은 구동파트가 없기에, 소음이 적고, 수명이 길어 오랜 기간 사용할 수 있다.
그러나 해수처럼 온도차가 적은 경우 발전량이 적고, 해수에 방치될 경우 열전소자들의 결속이 어렵고, 열 손실에 취약해지는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 10-2012-0114454
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열전소자 양면의 온도차를 제어하여 표층해수와 심층해수의 저온도차를 이용한 열전발전 시스템의 발전량을 향상시킬 수 있는 스택형 열전발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스택형 열전발전 시스템은 내부에 작동유체를 흐르게 하며, 열 교환을 유발하는 복수의 열원판들과, 서로 다른 온도의 작동유체가 흐르는 상기 열원판들에 개재되며, 상기 열원판들에 의한 양면의 온도차를 이용해 전기를 생산하는 열전소자, 및 상기 열전소자의 설치위치를 정의하여 상기 열전소자 간의 간격을 일정하게 유지시키는 간격판을 포함한다.
또한, 상기 열원판은 평판형태로 구성되며, 표면이 코팅된 금속으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 열원판은 양단에 설치되며, 상기 작동유체가 출입하는 출입구, 및 상기 열원판의 내부에 설치되며, 상기 열원판의 열량을 제어하도록 상기 작동유체의 온도를 제어하는 복수의 칠러를 구비할 수 있다.
또한, 상기 열원판은 적층 시, 상기 출입구가 번갈아 위치되도록 배치되어 적층될 수 있다.
또한, 본 발명의 스택형 열전발전 시스템은 상기 열전소자가 개재된 열원판들로 이루어진 열전발전유닛의 복수 개를 결속시켜주는 프레임을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 프레임은 상단부에 배치되며, 상기 열전발전유닛에 수직방향으로 일정한 압력을 가하는 볼트를 구비할 수 있다.
또한, 상기 프레임은 상부와 바닥부가 연결되게 배치될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 스택형 열전발전 시스템은 서로 다른 온도의 작동유체가 흐르는 열원판들에 개재된 열전소자로 이루어진 열전발전유닛을 적층함으로써, 열원판에 인가되는 작동유체의 유량 및 온도를 실시간 모니터링 할 수 있기 때문에, 열전소자 양면의 온도차를 제어하여 발전량을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 실시예에 따른 스택형 열전발전 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 작동유체의 흐름을 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 1의 열원판을 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1의 간격판을 나타낸 사시도이다.
도 5는 적층된 열전발전유닛을 나타낸 개략도이다.
도 6은 도 5의 적층된 열전발전유닛 결속용 프레임을 나타낸 개략도이다.
도 7은 다른 형태의 적층된 열전발전유닛을 나타낸 개략도이다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 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.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 스택형 열전발전 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1의 작동유체의 흐름을 나타낸 개략도이다. 그리고 도 3은 도 1의 열원판을 나타낸 개략도이다. 또한, 도 4는 도 1의 간격판을 나타낸 사시도이다. 또한, 도 5는 적층된 열전발전유닛을 나타낸 개략도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 스택형 열전발전 시스템은 심층해수와 표층해수의 저온도차를 이용하여 제벡(Seebeck) 효과를 기반으로 하는 멀티채널 열전발전 시스템으로서, 열원판(10), 열전소자(30), 및 간격판(50)을 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 열원판(10)은 평판형태로 구성되며, 내부에 물, 냉각수 등의 작동유체를 흐르게 하며 열 교환을 유발한다.
또한, 열원판(10)은 알루미늄 등 열전도도를 가지는 금속(11,15)으로 이루어지고, 해수에 의한 부식을 막기 위해 금속(11,15)표면은 코팅된다. 또한, 열원판(10)은 효율적인 열전발전을 위해 ISO 8301을 기반으로 제작될 수 있다.
또한, 열원판(10)은 열전소자(30)와 간격판(50)의 배치를 위해 가로(W)가 120mm ~ 140mm로 그리고 세로(L)가 310mm ~ 320mm로 제작될 수 있으며, 두께가 작동유체의 출입을 도와주는 관의 크기를 고려하여 20mm ~ 30mm로 제작될 수 있다.
또한, 열원판(10)은 양단에 설치되며 작동유체가 출입하는 출입구를 포함하여 열원판(10) 내부에 작동유체가 흐르게 한다.
또한, 열원판(10)은 내부에 설치된 복수의 소형 칠러(13)를 포함한다. 이때, 소형 칠러(13)는 작동유체의 온도를 제어한다. 여기서, 소형 칠러(13)를 이용하여 작동유체의 온도를 제어함으로써 열원판(10)의 열량은 제어된다.
또한, 열원판(10)에 인가되는 작동유체의 유량은 실시간 모니터링이 가능한 구조로 구성되어 제어가 가능하고, 작동유체의 온도는 출입구 각각에서 온도센서를 통해 실시간으로 모니터링이 가능하다. 또한, 전력계(Wattmeter) 등을 이용한 제어시스템을 통해 출력 전압/전류 실시간 모니터링이 가능하다. 또한, 열원판(10)으로 유입되는 작동유체의 방향에 따라 순방향 열전달 및 역방향 열전달로 제어가 가능하다.
또한, 열원판(10)들은 적층되어 사용된다. 이때, 열원판(10)들의 적층 시 각 출입구에 온도 센서의 부착을 위한 공간 마련을 위해서, 고온의 작동유체가 흐르는 고온열원판(10h)의 출입구(즉 고온유입부(101), 고온유출부(103))와 저온의 작동유체가 흐르는 저온열원판(10c)의 출입구(즉 저온유입부(201), 저온유출부(203)) 각각은 번갈아 배치될 수 있다.
열전소자(30)는 온도차를 이용해 전기를 생산한다. 예를 들어, 서로 다른 온도의 작동유체가 흐르는 두 개의 열원판(10) 즉 고온열원판(10h)과 저온열원판(10c)에 생성된 2개의 열량은 개재된 열전소자(30)의 양면에 온도차를 인가하여 내부에서 열 유속을 생성한다. 그리고 열 유속으로 인해 발생한 열에너지는 열전소자(30) 내부의 p-n 접합(p-n junction)으로 인하여 전기에너지로 변환된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 간격판(50)은 열전소자(30)의 설치위치를 정의(M)하여 열전소자(30) 간의 간격을 일정하게 유지시켜준다. 이때, 간격판(50)이 제공하는 간격에 따라 서로 다른 온도의 작동유체가 흐르는 열원판들에 개재된 열전소자로 이루어진 열전발전유닛 하나에서 출력되는 파워가 다르기에, 간격 제어를 통한 최적화가 필수적이다. 즉, 열전소자 간의 간격을 일정하게 제어하여 열전소자의 열 손실을 방지하고 열전소자들의 밀집 형태보다 높은 출력을 확보할 수 있다. 여기서, 간격판(50)은 복수의 간격을 포함한 형태(예를 들어, 다이폴 안테나(dipole antenna) 형태)로 이루어질 수 있으며, 각 간격의 폭(W3)을 조절하여 열전소자(30)의 간격을 제어할 수 있다.
또한, 간격판(50)은 3D프린팅 기법으로 제작될 수 있으며 설계 프로그램을 통해 열전소자(30) 간의 간격을 원하는 대로 제어할 수 있다. 이때, 간격판(50)은 설계 프로그램과 3D 프린터로 제작되기 때문에 제작 공정이 단순하고, 제작 시간과 비용이 절감된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 서로 다른 온도의 작동유체가 흐르는 열원판(10)들에 개재된 열전소자(30)로 이루어진 열전발전유닛은 적층될 수 있다. 여기서, 열전발전유닛은 열원판(10)이 평판형태로 구성되어 열전소자(30)를 올리는 방식으로 설계되고, 그 위에 다른 온도의 작동유체가 흐르는 열원판(10)을 올려 2 채널 열전발전 시스템을 구성할 수 있다.
도 6은 도 5의 적층된 열전발전유닛 결속용 프레임을 나타낸 개략도이다. 또한, 실시예에 따른 스택형 열전발전 시스템은 열전소자(30)가 개재된 열원판(10) 즉 고온열원판(10h)과 저온열원판(10c)으로 이루어진 열전발전유닛의 복수 개를 결속시켜주는 프레임(F)을 더 포함한다.
프레임(F)은 가로(W2)가 140mm ~ 160mm로 그리고 세로(L2)가 320mm ~ 340mm로 또한 높이(h2)가 250mm ~ 270mm로 제작될 수 있다.
또한, 프레임(F)은 상단부에 배치된 볼트(B)를 포함한다. 볼트(B)는 효율적인 결속을 위해서 프레임(F)에 적층된 열전발전유닛에 수직방향으로 일정한 압력을 가한다.
또한, 프레임(F)은 상부와 바닥부가 연결되게 배치되며, 적층된 열전발전유닛의 수평방향 비틀림을 방지하는 수직방향 고정홀더를 포함한다.
도 7은 다른 형태의 적층된 열전발전유닛을 나타낸 개략도이다. 또한, 실시예에 따른 스택형 열전발전 시스템은, 용적이 큰 고온열원판(10h)의 양단에 열전소자(30)를 올리는 방식으로 설계된 3개의 열원을 하나의 열전발전유닛패킹으로 쌓아 멀티패킹 설계가 가능할 수 있다. 여기서, 용적이 큰 고온열원판(10h)을 사용함으로써 주변 온도의 영향을 덜 받고 원하는 온도를 설정할 수 있다. 또한, 용적이 큰 열원에 열전소자를 부착함으로써 상대적으로 작은 크기의 열원판을 유동적으로 이용할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 스택형 열전발전 시스템은 서로 다른 온도의 작동유체가 흐르는 열원판들에 개재된 열전소자로 이루어진 열전발전유닛을 적층함으로써, 2개의 열원이 하나의 열전발전유닛을 구성하기 때문에, 같은 공간에 많은 열전소자를 좀 더 촘촘히 배치할 수 있어 열전소자 개수에 비례하는 높은 전기에너지가 출력되고, 같은 열전소자 개수 대비 필요한 열원판, 간격판의 개수가 적어짐으로써 경제적, 공간적 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스택형 열전발전 시스템은 열전발전유닛을 적층함으로써, 열원판에 인가되는 작동유체의 유량 및 온도를 실시간 모니터링 할 수 있기 때문에, 열전소자 양면의 온도차를 제어하여 발전량을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스택형 열전발전 시스템은 열전발전유닛을 적층함으로써, 해수에 방치되어도 열전소자들의 결속이 용이하고
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스택형 열전발전 시스템은 열전소자 간의 간격을 일정하게 제어함으로써, 열전소자의 열 손실을 방지 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스택형 열전발전 시스템은 열원판의 출입구가 외부 입력장치와의 결속이 용이하여 휴대와 거치가 편리하다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 열원판 30 : 열전소자
50 : 간격판

Claims (7)

  1. 적층된 복수의 열전발전유닛으로 이루어진 스택형 열전발전시스템에 있어서,
    상기 열전발전유닛은,
    내부에 저온의 작동유체가 흐르는 제1 저온 열원판;
    상기 제1 저온 열원판 상측에 적층되고, 내부에 고온의 작동유체가 흐르는 고온 열원판;
    상기 고온 열원판 상측에 적층되고, 내부에 저온의 작동유체가 흐르는 제2 저온 열원판;
    상기 고온 열원판의 상면 및 하면에 개재되며, 상기 제1 저온 열원판과 상기 고온 열원판에 의한 양면의 온도차와 상기 제2 저온 열원판과 상기 고온 열원판에 의한 양면의 온도차를 이용해 전기를 생산하는 복수의 열전소자; 및
    상기 복수의 열전소자 각각의 개재위치를 정의하여 상기 복수의 열전소자 각각의 간격을 일정하게 유지시키는 간격판;을 포함하되,
    상기 고온 열원판, 제1 저온 열원판 및 제2 저온 열원판은 표면이 코팅된 금속 평판으로서 양단에 상기 고온의 작동유체 또는 상기 저온의 작동유체가 출입하는 출입구가 설치되고, 내부에 상기 고온의 작동유체 또는 상기 저온의 작동유체의 온도를 제어하는 복수의 칠러가 구비되며,
    상기 출입구에는 내부에 흐르는 상기 고온의 작동유체 또는 상기 저온의 작동유체의 온도를 모니터링하는 온도 센서가 설치되고,
    상기 고온 열원판의 용적은 상기 제1 저온 열원판 및 상기 제2 저온 열원판의 용적보다 큰 것을 특징으로 하는, 스택형 열전발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 저온 열원판, 상기 고온 열원판 및 상기 제2 저온 열원판은 상기 출입구가 번갈아 위치되도록 배치되어 적층되는, 스택형 열전발전 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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