KR102142384B1 - 열전 발전 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 열전 발전 장치는 고온측과 저온측의 온도차를 이용하여 전기를 발생시키는 열전발전모듈, 상기 열전발전모듈의 고온측에 고온의 배가스를 공급하는 배가스 공급부, 상기 열전발전모듈의 저온측에 저온의 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부, 및 상기 열전발전모듈의 고온측 온도와 저온측 온도를 측정하여 상기 열전발전모듈의 출력을 연산하고, 연산된 출력이 미리 정해진 최소값 미만인 경우 상기 배가스와 냉각수의 공급량을 증감시키도록 상기 배가스 공급부와 냉각수 공급부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열전 발전 장치 및 그 제어방법{An Thermoelectric Generation Apparatus and Control method thereof}
본 발명은 열전발전모듈을 이용한 열전 발전 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 열전발전모듈의 고온측과 저온측 온도를 실시간으로 측정하여 연산된 상기 열전발전모듈의 출력에 따라 고온측과 저온측에 각각 공급되는 배가스와 냉각수의 공급량을 자동 제어함으로써 발전 효율을 크게 향상시킬 뿐만 아니라, 충전시 열전발전모듈의 출력전압을 배터리의 적정 충전전압이 되도록 제어함으로써 배터리의 충전 효율도 향상시킬 수 있는 열전 발전 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
근래 전세계적으로 화석연료의 무분별한 사용으로 인한 지구 온난화 문제와 화석연료의 고갈 문제를 해결하기 위하여 화석연료의 대체에너지로서 태양광, 풍력, 지열 등을 이용하는 신재생 에너지 자원의 개발이 요구되고 있다.
그러나, 이러한 신재생 에너지의 경우 아직까지는 기술진보의 한계와 낮은 경제성으로 인하여 제한적인 사용에 그치고 있는 실정이기 때문에, 최근에는 기존 에너지원을 사용한 후에 버려지는 폐열이나 운동량 등의 폐에너지를 회수하여 재사용하는 에너지 하베스팅 기술에 관심이 집중되고 있다.
이와 같은 에너지 하베스팅 기술 중 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 기술인 열전 발전(thermoelectric generation) 기술은 폐열이 발생되는 자동차, 우주, 항공, 반도체, 바이오, 철강 등 산업 전반에 광범위하게 적용될 수 있는 장점으로 인하여 현재 가장 활발하게 연구가 진행되고 있다.
상기 열전 발전 기술은 열전소자 양측의 온도차에 의해 기전력이 발생되는 Seebeck 효과를 이용하여 열에너지를 전기에너지로 변환하는 방식으로서, 열전소자의 일측면에는 폐열을 공급하고 타측면은 냉각수와 열교환시킴으로써 열전소자의 양측면에 온도차가 발생되도록 하는 것이 일반적인데, 이러한 열전 발전 기술을 적용한 열전발전모듈의 구체적인 구성은 하기 [문헌 1] 내지 [문헌 2] 등에 상세히 개시되어 있다.
그러나, 하기 [문헌 1]과 [문헌 2] 등에 따른 열전발전모듈의 경우 초기 설계시 고려한 고온부와 저온부의 온도 조건 및 유량 조건에 따라 발전 효율이 최대가 되도록 열전소자의 종류, 열전소자의 갯수 및 배치 등이 설정된 것이기 때문에 실제 현장에 설치될 경우 고온부와 저온부에 공급되는 고온의 배가스와 저온의 냉각수의 온도 조건이나 공급량 등이 실시간으로 달라질 경우 실제 발전 효율이 설계값과 달리 크게 저하되는 문제점이 있었다.
[문헌 1] 한국공개특허 제2017-0063817호(2017. 6. 8. 공개)
[문헌 2] 한국등록특허 제1449285호(2014. 10. 13. 공고)
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 열전발전모듈의 고온측과 저온측 온도를 실시간으로 측정하여 연산된 상기 열전발전모듈의 출력에 따라 고온측과 저온측에 각각 공급되는 배가스와 냉각수의 공급량을 자동 제어함으로써 고온측과 저온측에 각각 공급되는 고온 유체와 냉각 유체의 온도 조건이나 유량 조건이 실시간으로 변화되는 경우에도 열전발전모듈의 출력 저감을 최소화함으로써 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있는 열전 발전 장치 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 연산된 열전발전모듈의 출력이 미리 설정된 최소값 이상일 경우 배터리의 충전이 이루어지도록 구성하되, 충전시 열전발전모듈의 출력전압을 배터리의 적정 충전전압이 되도록 제어함으로써 열전발전모듈의 출력전압이 낮은 경우 배터리에 충전되지 못하고 손실되는 현상을 방지함으로써 배터리의 충전 효율도 크게 향상시킬 수 있는 열전 발전 장치 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 고온측에 공급되는 배가스의 온도가 미리 설정된 최대온도 보다 높은 경우 이를 외부로 바이패스시키는 종래 기술과 달리, 상기 배가스의 온도를 상기 최대온도 보다 낮은 온도로 저감시킨 후 상기 열전발전모듈의 고온측에 공급되도록 함으로써 고온에 의한 열전소자의 손상을 방지하면서도 불필요한 에너지 손실을 최소화하여 발전 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 열전 발전 장치 및 그 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열전 발전 장치는 고온측과 저온측의 온도차를 이용하여 전기를 발생시키는 열전발전모듈, 상기 열전발전모듈의 고온측에 고온의 배가스를 공급하는 배가스 공급부, 상기 열전발전모듈의 저온측에 저온의 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부, 및 상기 열전발전모듈의 고온측 온도와 저온측 온도를 측정하여 상기 열전발전모듈의 출력을 연산하고, 연산된 출력이 미리 정해진 최소값 미만인 경우 상기 배가스와 냉각수의 공급량을 증감시키도록 상기 배가스 공급부와 냉각수 공급부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전발전모듈에서 발생된 전기를 저장하도록 상기 열전발전모듈의 출력단에 연결된 배터리, 상기 열전발전모듈의 출력단의 중도에 병렬로 연결된 가변저항, 및 상기 가변저항에 인가되는 상기 열전발전모듈의 출력전압을 측정하는 전압검출부를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 연산된 출력이 최소값 이상인 경우 상기 측정된 열전발전모듈의 출력전압이 상기 배터리의 충전에 적합한 전압인 충전전압인지 여부를 판단하고, 판단결과 충전전압이 아닌 경우 상기 가변저항의 저항값을 변화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배가스 공급부는, 상기 열전발전모듈의 일단에 결합되어 상기 고온측에 배가스를 공급하고 중도에 상기 배가스의 공급을 단속하는 제1배가스 공급밸브가 설치된 배가스 공급관, 양측 단부가 각각 상기 제1배가스 공급밸브의 전방과 후방에서 상기 배가스 공급관에 연결되고 중도에 상기 배가스의 공급을 단속하는 제2배가스 공급밸브가 설치된 바이패스관, 상기 바이패스관의 중도에서 상기 제2배가스 공급밸브의 후방에 설치된 배가스 온도조절 탱크, 및 상기 배가스 온도조절 탱크에 외부공기를 공급하는 외부공기 공급모듈을 포함하여 구성되되, 상기 제어부는 배가스 공급관을 유동하는 배가스의 공급온도를 측정하여 배가스의 공급온도가 미리 설정된 최대온도 이상인 경우 상기 배가스 온도조절 탱크에서 상기 배가스가 저온의 외부공기와 혼합되어 상기 최대온도 보다 낮은 온도로 열전발전모듈의 고온측에 공급되도록 상기 제1배가스 공급밸브, 제2배가스 공급밸브, 및 외부공기 공급모듈의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배가스 공급부는, 상기 열전발전모듈의 일단에 결합되어 상기 고온측에 배가스를 공급하고 중도에 상기 배가스의 공급을 단속하는 제1배가스 공급밸브가 설치된 배가스 공급관, 양측 단부가 각각 상기 제1배가스 공급밸브의 전방과 후방에서 상기 배가스 공급관에 연결되고 중도에 상기 배가스의 공급을 단속하는 제2배가스 공급밸브가 설치된 바이패스관, 상기 바이패스관의 중도에서 상기 제2배가스 공급밸브의 후방에 설치된 배가스 온도조절 탱크, 상기 열전발전모듈의 타단에 결합되어 상기 고온측을 경유한 배가스를 외부로 배출하는 배가스 배출관, 및 상기 배가스 배출관에서 분기되어 상기 고온측을 경유한 배가스를 상기 배가스 온도조절 탱크로 공급하고 중도에 배가스 재순환 밸브가 설치된 배가스 재순환관을 더 포함하되, 상기 제어부는 배가스 공급관을 유동하는 배가스의 공급온도를 측정하여 배가스의 공급온도가 미리 설정된 최대온도 이상인 경우 상기 배가스 온도조절 탱크에서 상기 배가스가 저온의 상기 고온측을 경유한 배가스와 혼합되어 상기 최대온도 보다 낮은 온도로 열전발전모듈의 고온측에 공급되도록 상기 제1배가스 공급밸브, 제2배가스 공급밸브, 및 배가스 재순환 밸브의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전발전모듈은 고온측과 저온측 사이에 열전달이 가능하도록 설치된 열전소자에 의하여 전기를 발생시키도록 구성되되, 상기 열전발전모듈의 고온측은 상기 배가스 공급부에 대하여 서로 병렬로 배치되고 내부에 배가스가 유동되는 복수의 고온관으로 구성되고, 상기 열전발전모듈의 저온측은 상기 고온관 각각의 상부면과 하부면에 배치되는 냉각판으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열전발전모듈은 어느 하나의 열전발전모듈의 고온측을 경유한 배가스가 이웃하는 다른 열전발전모듈의 고온측으로 공급되도록 상기 배가스 공급부에서 공급되는 배가스의 유동 방향을 따라 복수 개가 연속하여 설치되되, 각각의 열전발전모듈에 설치된 열전소자는 발전 온도대역이 서로 다른 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 열전발전모듈의 고온측과 저온측의 온도차를 이용하여 전기를 발생시키는 열전 발전 장치의 제어방법에 있어서, 상기 열전발전모듈의 고온측과 저온측에 각각 고온의 배가스와 저온의 냉각수를 공급하는 단계, 상기 고온측의 온도와 저온측의 온도를 측정하여 상기 열전발전모듈의 출력을 연산하는 단계, 상기 연산된 출력이 미리 정해진 최소값 미만인지 여부를 판단하고 최소값 미만인 경우 상기 배가스와 냉각수의 공급량을 증감시키는 단계, 상기 연산된 출력이 최소값 이상인 경우 상기 열전발전모듈의 출력단에 병렬로 연결된 가변저항에 인가되는 상기 열전발전모듈의 출력전압을 측정하는 단계, 상기 측정된 출력전압이 상기 배터리의 충전에 적합한 전압인 충전전압인지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 판단결과 충전전압이 아닌 경우 상기 가변저항의 저항값을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고온측에 배가스를 공급하기 이전에 공급되는 배가스의 공급온도를 측정하여 상기 배가스의 공급온도가 미리 설정된 최대온도 이상인지 여부를 판단하는 단계와, 상기 판단결과 배가스의 공급온도가 최대온도 이상인 경우 상기 배가스를 저온의 외부공기 또는 상기 열전발전모듈의 고온측을 경유하여 배출되는 배가스와 혼합하여 상기 최대온도 보다 낮은 온도로 열전발전모듈의 고온측에 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열전 발전 장치는 열전발전모듈의 고온측과 저온측 온도를 실시간으로 측정하여 연산된 상기 열전발전모듈의 출력에 따라 고온측과 저온측에 각각 공급되는 배가스와 냉각수의 공급량을 자동 제어하도록 구성되기 때문에 고온측과 저온측에 각각 공급되는 고온의 배가스와 저온의 냉각수의 온도 조건이나 유량 조건이 실시간으로 변화되는 경우에도 열전발전모듈의 출력 저감을 최소화함으로써 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 발전 장치는 상기 연산된 열전발전모듈의 출력이 미리 설정된 최소값 이상일 경우 배터리의 충전이 이루어지도록 구성되되, 충전시 열전발전모듈에 병렬로 연결된 가변저항에 인가되는 출력전압을 측정하여 상기 출력전압이 배터리의 적정 충전전압이 되도록 상기 가변저항의 저항값을 변화시키도록 구성되기 때문에 열전발전모듈의 출력전압이 낮은 경우 배터리에 충전되지 못하고 손실되는 현상을 방지함으로써 배터리의 충전 효율도 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 열전 발전 장치는 상기 고온측에 공급되는 배가스의 온도가 미리 설정된 최대온도 보다 높은 경우 상기 고온의 배가스를 배가스 온도조절 탱크로 바이패스 시켜 상대적으로 저온인 외부공기나 열전발전이 완료된 배가스와 혼합함으로써 상기 최대온도 보다 낮은 온도의 배가스가 열전발전모듈의 고온측에 공급되도록 구성되기 때문에, 배가스의 공급온도가 과도히 높은 경우 열전소자 보호를 위하여 외부로 바이패스 시키는 종래 기술과 대비할 때 고온에 의한 열전소자의 손상을 방지하면서도 불필요한 에너지 손실을 최소화하여 발전 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열전 발전 장치의 전체 구성을 설명하기 위한 도면,
도2는 도1에 도시한 열전 발전 장치에 적용된 열전발전모듈의 결합 구성을 설명하기 위한 도면,
도3과 도4는 각각 도2에 도시한 열전발전모듈을 구성하는 개별 열전발전모듈의 전체 구성을 설명하기 위한 결합도 및 분해 사시도,
도5는 도3에 도시한 A-A부에 대한 단면도,
도6은 도5에 도시한 B-B부에 대한 단면도,
도7은 도2에 도시한 열전발전모듈의 전기적 결합구성을 설명하기 위한 도면,
도8은 도1에 도시한 열전 발전 장치의 동작 구성을 설명하기 위한 블럭도,
도9는 도1에 도시한 열전 발전 장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도,
도10은 본 발명의 제2실시예에 따른 열전 발전 장치의 전체 구성을 설명하기 위한 도면,
도11은 도10에 도시한 열전 발전 장치의 동작 구성을 설명하기 위한 블럭도,
도12는 도10에 도시한 열전 발전 장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 구체적으로 설명하기로 한다.
(제1실시예)
도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열전 발전 장치의 전체 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도2는 도1에 도시한 열전 발전 장치에 적용된 열전발전모듈의 결합 구성을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 열전 발전 장치는 열전발전모듈(1,101), 상기 열전발전모듈(1,101)의 고온측에 고온의 배가스를 공급하는 배가스 공급부(2,3,5), 상기 열전발전모듈의 저온측에 저온의 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부(44,45,144,145)를 포함하여 구성된다.
상기 열전발전모듈(1,101)은 고온측과 저온측의 온도차를 이용하여 전기를 발생시키는 것으로서, 상기 고온측과 저온측 사이에 열전달이 가능하도록 설치된 열전소자(60,160)에 의하여 전기를 발생시키도록 구성된다.
또한, 상기 배가스 공급부(2,3,5)는 배가스 공급원(C)으로부터 공급되는 고온의 배가스를 열전발전모듈(1,101)의 고온측에 공급하는 배가스 공급관(2)과, 상기 열전발전모듈(1,101)의 고온측을 경유한 배가스를 외부로 배출하는 배가스 배출관(3)을 포함하여 구성된다.
이 경우, 상기 배가스 공급원(C)은 고온의 배가스가 배출되는 제철소나 소각로 등의 연통(또는 굴뚝)이나 자동차의 배기구 등이 될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 열전발전모듈(1,101)은 어느 하나의 열전발전모듈의 고온측을 경유한 배가스가 이웃하는 다른 열전발전모듈의 고온측으로 공급되도록 상기 배가스 공급부(2,3,5)에서 공급되는 배가스의 유동 방향을 따라 복수 개가 연속하여 설치되도록 구성되는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 열전발전모듈(1,101)이 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)의 2개의 모듈로 이루어지는 것으로 구성하였다.
이때, 상기 배가스 공급관(2)은 일측 단부가 배가스 공급원(C)에 연결되고 타측 단부는 상기 열전발전모듈(1,101)의 일단, 구체적으로는 제1열전발전모듈(1)의 고온측 입구단에 결합되어, 상기 배가스 공급원(C)에서 공급되는 고온의 배가스를 상기 제1열전발전모듈(1)의 고온측으로 공급하게 된다.
이 경우, 상기 배가스 공급관(2)의 중도에는 상기 배가스의 공급을 단속하는 제1배가스 공급밸브(2a)가 설치될 수 있으며, 필요에 따라서는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급펌프(미도시)가 추가적으로 설치될 수도 있다.
이와 같이, 상기 제1열전발전모듈(1)의 고온측으로 공급된 배가스는 제2열전발전모듈(101)의 고온측으로 공급되는데, 이를 위하여 상기 제1열전발전모듈(1)의 고온측 출구와 제2열전발전모듈(101)의 고온측 입구는 연결관(5)에 의하여 서로 연결된다.
또한, 상기 배가스 배출관(3)은 일측 단부가 상기 열전발전모듈(1,101)의 타단, 구체적으로는 제2열전발전모듈(101)의 고온측 출구단에 결합되고 타측 단부는 상기 배가스 공급원(C)에 연결되거나 외부에 노출되어, 상기 열전발전모듈(1,101)의 고온측을 경유한 배가스를 외부로 배출하게 된다.
이때, 상기 열전발전모듈(1,101)의 고온측은 상기 배가스 공급부(2,3,5)에 대하여 서로 병렬로 배치되고 내부에 배가스가 유동되는 복수의 고온관으로 구성되는데, 열전발전모듈(1,101)의 구체적인 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
상술한 바와 같이 상기 열전발전모듈(1,101)의 고온측이 배가스의 유동 방향에 대하여 병렬로 연결된 복수의 고온관으로 구성될 경우, 상기 고온측이 배가스의 유동 방향으로 길이가 긴 단일의 고온관으로 구성되는 경우와 대비할 때 유로의 전체 체적이 동일한 경우에도 유로의 길이가 짧아지기 때문에 배가스의 유동 손실(즉, 유동 압력 강하)이 현저히 감소됨으로써 입력 저감에 의한 발전 효율 향상을 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 후술하는 바와 같이 고온측을 구성하는 고온관의 상부에 열전소자를 배치하는 경우 본 실시예와 같이 고온관의 병렬 배치로 인하여 고온관의 길이가 짧아지기 때문에 고온측을 경유하는 과정에서 발생되는 배가스의 온도변화가 최소화됨으로써 열전소자 사이의 온도 차이가 최소화되어 발전 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 열전소자의 경우 그 재질에 따라 각각 온도별로 성능(ZT, figure of merit)이 달라지기 때문에 특정 온도대역(이하, '발전 온도대역'이라 함)에서 발전효율이 높고 나머지 온도대역에서는 발전효율이 낮아지는 특성을 가진다.
본 실시예에서와 같이 상기 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)이 배가스의 유동 방향을 따라 배치될 경우 제1열전발전모듈(1)의 고온측을 유동하는 배가스의 온도가 제2열전발전모듈(101)의 고온측을 유동하는 배가스의 온도 보다 높기 때문에 이들 열전발전모듈(1,101)에 각각 설치된 열전소자(60,160)를 동일한 소자로 선정될 경우 어느 하나의 발전 효율이 급격히 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 제1열전발전모듈(1)에 설치된 열전소자(60)와 제2열전발전모듈(101)에 설치된 열전소자(160)를 발전 온도대역이 서로 다른 열전소자로 구성하였는데, 구체적으로는 제1열전발전모듈(1)의 설치된 열전소자(60)의 발전 온도대역이 제2열전발전모듈(101)에 설치된 열전소자(160)의 발전 온도대역 보다 더 높도록 구성하였다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 실시예에 따른 열전 발전 장치는 열전발전모듈(1,101)이 설치된 위치에 따른 배가스의 온도 분포에 따라 해당 온도대역에서 발전효율이 높은 열전소자(즉, 발전 온도대역이 서로 다른 열전소자)를 배치함으로써 각 열전발전모듈(1,101)에서의 발전 효율이 최대가 되는 장점이 있다.
또한, 상기 냉각수 공급부(44,45,144,145)는 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)의 저온측에 각각 냉각수를 공급하는 제1냉각수 공급관(44) 및 제2냉각수 공급관(144), 상기 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)의 저온측을 경유한 냉각수가 각각 배출되는 제1냉각수 배출관(45) 및 제2냉각수 배출관(145), 및 상기 제1냉각수 공급관(44) 및 제2냉각수 공급관(144)으로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급펌프(151)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 제1냉각수 공급관(44) 및 제2냉각수 공급관(144)의 중도에는 각각 냉각수의 공급을 단속하기 위한 제1냉각수 공급밸브(44a)와 제2냉각수 공급밸브(144a)가 설치될 수 있다.
이때, 상기 열전발전모듈(1,101)의 저온측은 상기 고온측을 구성하는 고온관 각각의 상부면과 하부면에 배치되는 냉각판으로 구성되는데, 열전발전모듈(1,101)의 구체적인 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
다음으로, 도3 내지 도6을 이용하여 본 실시예에 따른 열전발전모듈의 예시적인 구성을 설명하는데, 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)은 앞서 설명한 바와 같이 열전소자의 발전 온도대역만 상이하고 다른 구성은 모두 동일하기 때문에 여기에서는 설명의 편의를 위하여 제1열전발전모듈(1)의 구성만 구체적으로 설명하고 제2열전발전모듈(101)의 구성은 생략하기로 한다.
도3과 도4는 각각 도2에 도시한 열전발전모듈을 구성하는 개별 열전발전모듈의 전체 구성을 설명하기 위한 결합도 및 분해 사시도이고, 도5는 도3에 도시한 A-A부에 대한 단면도이며, 도6은 도5에 도시한 B-B부에 대한 단면도이다.
상기 제1열전발전모듈(1)은 고온관(10), 상기 고온관(10)의 상부면에 배치되는 제1축열판(20), 상기 고온관(10)의 하부면에 배치되는 제2축열판(30), 상기 제1축열판(20)의 상부면에 배치되는 제1냉각판(40), 상기 제2축열판(30)의 하부면에 배치되는 제2냉각판(50), 상기 제1축열판(20)과 제1냉각판(40) 사이에 개재되는 제1열전소자(60), 및 상기 제2축열판(30)과 제2냉각판(50) 사이에 개재되는 제2열전소자(70)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 고온관(10)은 앞서 설명한 바와 같이 제1열전발전모듈(1)의 고온측을 구성하는 것으로서 내부에 고온의 유체(즉, 배가스)가 유동되는 채널 형상으로 구성되는데, 본 실시예의 경우 후술하는 바와 같이 제1,2축열판(20,30)과의 접촉이 용이하게 이루어질 수 있도록 일예로서 단면이 직사각형 형태인 사각 채널 형상으로 구성하였다.
따라서, 상기 고온관(10)은 고온 유체와의 열전달을 위하여 열전도성이 우수한 금속 재질로 구성되는 것이 바람직하되, 외면은 열손실을 최소화하기 위하여 후술하는 바와 같이 축열판(20,30)과 열교환하는 면(즉, 축열판과 접촉하는 면)을 제외하고는 단열처리되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 고온관(10)의 내부에는 고온 유체와의 열전달이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있도록 핀(fin)이 설치될 수도 있는데, 상기 핀의 형상, 배치, 및 배치 간격 등은 필요에 따라 여러 가지 다양한 방식으로 선택될 수 있다.
또한, 상기 고온관(10)은 앞서 설명한 바와 같이 복수 개가 병렬로 상기 배가스 공급관(2)에 연결되도록 구성되는데, 본 실시예에서는 일예로서 동일한 형상의 고온관(10a,10b,10c,10d,10e) 5개가 고온관(10a)의 폭 방향으로 평행하게 서로 이격되어 배치되도록 구성하였다.
이때, 상기 5개의 고온관(10a,10b,10c,10d,10e) 상호간의 이격 거리는 후술하는 바와 같이 고온관(10)의 상하부에 각각 스트링(또는 띠) 형태로 배치되는 제1,2열전소자(60,70)의 열적 안정성을 고려하여 결정되는 것이 바람직하며, 상기 5개의 고온관(10a,10b,10c,10d,10e)은 입구측과 출구측에 각각 결합되는 패널 형상의 제1지지판(11)과 제2지지판(12), 및 이들을 결합하는 지지판 체결수단(13)에 의하여 하나의 고온측 열교환기 모듈을 구성할 수 있다.
또한, 상기 제1축열판(20)은 상기 고온관(10)의 상부면에 직접 접촉하도록 배치되어 고온관(10)의 내부를 유동하는 유체의 열에너지를 후술하는 제1열전소자(60)의 고온측에 전달하게 된다.
상기 제1축열판(20)은 일예로서 열전도성이 우수하고 비열이 큰 금속 재질로 구성되거나 열전도성이 우수한 금속 재질의 하우징 내부에 상변화물질(PCM)이 수용되도록 구성될 수 있는데, 상기와 같은 구성에 의하여 상기 제1축열판(20)은 고온관(10)의 외면을 통해 전달되는 열에너지를 내부에 축열하는 히트싱크(heat sink)로서의 기능을 수행하게 된다.
일반적으로 열전소자는 다수의 P와 N형 반도체를 전기적으로 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결시킨 구조로 구성되는데, 이러한 열전소자의 출력 전력(P)은 아래의 [수식 1]에 의하여 산출될 수 있다.
[수식 1]
Figure 112019010564819-pat00001
이때, 상기 α와 ρ는 각각 열전소자를 구성하는 반도체인 펠렛(pellet)의 제벡 계수와 전기적 저항력, l과 A c 는 각각 펠렛의 길이와 단면적, T h 와 T c 는 각각 열전소자의 고온부 및 저온부 온도, m은 펠렛의 내부 저항과 외부 저항의 비를 나타낸다.
따라서, 상기 [수식 1]에서 알 수 있는 바와 같이 단일 열전소자의 출력 전력은 고온 열원과 저온 열원에 각각 직접 접촉하고 있는 열전소자의 고온부와 저온부의 양단 온도차의 제곱에 비례함을 알 수 있다.
이와 같이 구성되는 단일 열전소자에서 발생되는 전기는 발전량이 작기 때문에 일반적인 열전발전모듈의 경우 고온의 배가스가 유동되는 고온측에 상술한 바와 같은 단일의 열전소자 복수 개를 배치하고 이들을 서로 전기적으로 연결하여 사용하게 된다.
또한, 종래 기술에 따른 열전 발전 모듈의 경우 대부분 열전소자의 고온측이 고온 열원에 직접 접촉되도록 구성되는데, 이 경우 고온 열원의 온도가 순간적으로 크게 상승하는 경우에는 고온 열원과 직접 접촉하고 있는 열전소자가 열충격에 의해 손상되는 문제점이 발생될 수도 있다
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 상기 제1축열판(20)을 사용하게 되는데, 상술한 바와 같이 상기 제1축열판(20)은 내부에 고온관(10)에서 전달되는 열에너지를 축열하는 히트싱크(또는 열적 버퍼)로서 기능하기 때문에 상대적으로 온도 제어가 곤란한 고온 열원의 온도가 수시로 및/또는 순간적으로 변화되는 경우에도 이를 열적으로 완충시켜 고온 열원의 열을 열전소자의 고온측에 안정적으로 전달함으로써 앞서 설명한 바와 같은 열충격에 의한 열전소자의 손상을 방지할 수 있게 된다.
본 실시예의 경우 상기 제1축열판(20)은 5개의 고온관(10a,10b,10c,10d,10e) 각각에 대하여 하부면이 고온관(10)의 상부면에 접하도록 서로 이격되어 복수 개가 배치되도록 구성되기 때문에 상기 제1축열판(20)은 후술하는 제1열전소자(60)와 함께 상기 고온관(10)의 상부면에 스트링(또는 띠) 형태로 배치되는데, 조립의 편의성을 위하여 상기 복수의 제1축열판(20)은 제1연결플레이트(21)에 의하여 하부면이 서로 연결되어 하나의 모듈을 형성하게 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2축열판(30)은 상기 고온관(10)의 하부면에 직접 접촉하도록 배치되어 고온관(10)의 내부를 유동하는 유체의 열에너지를 후술하는 제2열전소자(70)의 고온측에 전달하게 된다.
상기 제2축열판(30)의 구성은 앞서 설명한 제1축열판(20)과 동일하고, 다만 각각의 상부면이 고온관(10)의 하부면에 접하도록 구성되는 점과 제2연결플레이트(31)에 의하여 상부면이 서로 연결되도록 구성된 점에 있어서 차이가 있기 때문에 이하에서는 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기 제1냉각판(40)은 제1열전발전모듈(1)의 저온측을 구성하게 되는데, 제1축열판(20)의 상부(또는 상부면)에 배치되어 후술하는 제1열전소자(60)의 저온측을 냉각시킴으로써 상기 제1열전소자(60)의 고온측과 저온측 사이에 온도차를 발생시켜 발전이 이루어지도록 한다.
이를 위하여, 상기 제1냉각판(40)은 본 실시예의 경우 후술하는 바와 같이 5개의 고온관(10a,10b,10c,10d,10e)의 상부면에 스트링(또는 띠) 형태로 배치되는 제1열전소자(60)의 저온측(즉, 본 실시예의 경우 제1열전소자의 상부면)에 하부면이 접촉할 수 있도록 사각 패널 형상으로 구성된다.
또한, 상기 제1냉각판(40)의 내부에는 냉각수가 유동되는 적어도 하나의 냉각수 채널(42)이 형성되는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 냉각수 채널(42)이 제1냉각판(40)의 테두리부에 형성된 대략 'U'자형 채널로 이루어지는 것으로 구성하였다.
이때, 상기 제1냉각판(40)의 내부에 형성되는 냉각수 채널(42)의 갯수, 형상, 직경 등은 제1열전발전모듈(1)의 발전 용량, 크기, 설치 환경, 운전 조건 등을 고려하여 본 실시예와 다르게 구성될 수 있음은 물론이다.
이와 같이 구성되는 상기 제1냉각판(40)은 냉각수 채널(42)의 입구측에 제1냉각수 공급관(44)이 연결되고, 냉각수 채널(42)의 출구측에 제1냉각수 배출관(45)이 연결됨으로써 냉각수가 냉각수 채널(42)을 통해 유동하게 되는데, 상기 냉각수의 유동은 냉각수 공급펌프(151)에 의하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 냉각수는 물이나 기타 냉매로 작용할 수 있는 유체가 될 수 있으며, 본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 '냉각수'라 함은 제1냉각판(40)을 냉각시키는 기능을 수행하는 범위내에서는 액상뿐만 아니라 기상의 냉각유체를 모두 포함하는 개념이다.
또한, 상기 냉각수 채널(42)을 통해 유동되는 냉각수의 냉열은 제1냉각판(40)을 통해 후술하는 제1열전소자(60)의 저온측에 전달되는데, 이를 위하여 상기 제1냉각판(40)은 열전도성이 우수한 금속 등의 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 냉각 효율의 저하(즉, 냉열 손실)를 방지하기 위하여 상기 제1열전소자(60)와 접촉되지 않는 다른 외면은 단열 처리되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 제2냉각판(50)은 제2축열판(30)의 하부(또는 하부면)에 배치되어 후술하는 제2열전소자(70)의 저온측(즉, 본 실시예의 경우 제2열전소자의 하부면)을 냉각시킴으로써 상기 제2열전소자(70)의 고온측과 저온측 사이에 온도차를 발생시켜 발전이 이루어지도록 한다.
이 경우, 상기 제2냉각판(50)의 구체적인 구성은 앞서 설명한 제1냉각판(40)과 동일하기 때문에 이하에서는 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기 제1열전소자(60)는 제1축열판(20)과 제1냉각판(40) 사이에 개재되는데, 구체적으로는 고온측에 접하는 면(즉, 본 실시예의 경우 제1열전소자의 하부면)이 상기 제1축열판(20)의 상부면에 접촉하고 저온측에 접하는 면(즉, 본 실시예의 경우 제1열전소자의 상부면)이 상기 제1냉각판(40)의 하부면에 접촉하도록 구성된다.
따라서, 본 실시예의 경우 상기 제1열전소자(60)는 각각 제1축열판(20)의 상부면에 배치되도록 구성되기 때문에 앞서 설명한 제1축열판(20)과 마찬가지로 고온관(10)의 상부면(정확히는 제1축열판의 상부면)에 복수 개가 스트링(또는 띠) 형태로 배치된다.
또한, 스트링(또는 띠) 형태로 배치된 복수의 상기 제1열전소자(60)는 전기적으로 서로 연결되는데, 본 실시예의 경우 상기 복수의 제1열전소자(60)들은 제1배선모듈(61)에 의하여 서로 전기적으로 연결되도록 구성된다.
이때, 상기 제1배선모듈(61)은 각 열전소자를 전기적으로 연결하는 기능을 수행하는 범위내에서는 여러 가지 다른 방식으로 이루어질 수 있으나, 본 실시예에서는 일예로서 상기 제1배선모듈(61)을 통상의 PCB로 구성하였다.
또한, 상기 제2열전소자(70)는 제2축열판(30)과 제2냉각판(50) 사이에 개재되는데, 구체적으로는 고온측과 접하는 면(즉, 본 실시예의 경우 제2열전소자의 상부면)이 상기 제2축열판(30)의 하부면에 접촉하고 저온측과 접하는 면(즉, 본 실시예의 경우 제2열전소자의 하부면)이 상기 제2냉각판(50)의 상부면에 접촉하도록 구성된다.
따라서, 본 실시예의 경우 상기 제2열전소자(70)는 각각 제2축열판(30)의 하부면에 배치되도록 구성되기 때문에 앞서 설명한 제2축열판(30)과 마찬가지로 고온관(10)의 하부면(정확히는 제2축열판의 하부면)에 복수 개가 스트링(또는 띠) 형태로 배치된다.
또한, 스트링(또는 띠) 형태로 배치된 복수의 상기 제2열전소자(70)는 앞서 설명한 바와 같이 전기적으로 서로 연결되는데, 본 실시예의 경우 상기 복수의 제2열전소자(70)들은 제2배선모듈(71)에 의하여 서로 전기적으로 연결되도록 구성된다.
이때, 상기 제2배선모듈(71)의 구성 및 제2열전소자(70)들의 전기적 연결방식은 앞서 설명한 제1열전소자(60)의 경우와 동일한 방식으로 이루어지기 때문에 이하에서는 이에 대한 중복된 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이 구성되는 상기 제1열전발전모듈(1)은 제1냉각판(40)과 제2냉각판(50)을 연결하는 제1,2결합수단(80a,80b)에 의하여 각각의 구성요소들이 서로 결합되어 하나의 열전발전모듈을 형성하게 되는데, 상기 제1,2결합수단(80a,80b)은 볼트-너트와 같은 통상의 결합수단 및/또는 접착부재 등을 이용하여 바람직하게 구현될 수 있다.
본 실시예에서는 일예로서 상기 제1,2결합수단(80a,80b)이 복수의 볼트-너트 쌍으로 이루어지는 것으로 구성하였는데, 이를 위하여 상기 제1냉각판(40)과 제2냉각판(50)에는 각각 복수의 제1결합공(41)과 제2결합공(51)이 형성된다.
이때, 상기 제1결합공(41)과 제2결합공(51)은 열전소자의 손상이나 고온관(10)의 열손실을 방지할 수 있도록 상기 고온관(10), 제1,2축열판(20,30), 제1,2열전소자(60,70)가 배치된 위치와 간섭이 발생되지 않도록 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 도7은 도2에 도시한 열전발전모듈(1,101)의 전기적 결합구성을 설명하기 위한 도면인데, 각각의 열전발전모듈에 설치된 열전소자는 본 실시예의 경우 고온측과 저온측 사이의 온도차가 거의 동일할 것으로 예상되므로 본 실시예에서는 일예로서 각 열전발전모듈(1,101)에 설치된 열전소자는 서로 직렬로 연결되는 것으로 구성하였다.
또한, 상기 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)의 출력단은 각각 발생된 전기를 저장하기 위한 배터리(90)에 연결되되, 상기 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)은 상기 배터리(90)에 서로 병렬로 연결되도록 구성하였다.
이 경우, 상기 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)의 경우 고온측과 저온측 사이의 온도차가 서로 상이하기 때문에 각 열전발전모듈(1,101)의 출력(또는 출력 전압)은 서로 달라지게 되므로, 어느 하나의 열전발전모듈의 출력전압이 낮을 경우 다른 열전발전모듈의 출력을 소모하는 부하로서 작용하게 되는 문제점이 발생될 수 있다.
또한, 상기 열전발전모듈(1,101)의 출력전압이 배터리의 충전에 적합한 전압인 충전전압 보다 낮을 경우 열전발전모듈(1,101)에서 발생된 전기가 배터리에 충전되지 못하고 손실되거나 오히려 배터리에 충전된 전기가 열전발전모듈(1,101)로 공급되어 열전소자가 손상되는 문제점이 발생될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 상기 배터리(90)에 연결되는 제1열전발전모듈(1)의 출력단의 중도에는 제1가변저항(91)과 상기 제1가변저항(91)에 인가되는 상기 제1열전발전모듈(1)의 출력전압을 측정하는 제1전압검출부(92)가 병렬로 연결된다.
마찬가지로, 상기 제2열전발전모듈(101)의 출력단의 중도에는 제2가변저항(191)과 상기 제2가변저항(191)에 인가되는 상기 제2열전발전모듈(101)의 출력전압을 측정하는 제2전압검출부(192)가 병렬로 연결된다.
상기와 같은 구성에 의하여 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)은 후술하는 바와 같이 제1,2가변저항(91,191)의 저항값 제어에 의하여 출력전압이 서로 동일하게 유지될 수 있을 뿐만 아니라, 배터리(90)의 충전전압으로 유지됨으로써 열전발전모듈(1,101)에서 발생된 전기가 손실없이 배터리에 저장될 수 있다.
한편, 상기 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)의 출력단에는 각각 상기 배터리(90)와의 전기적 연결을 단속하는 제1스위칭 소자(93)와 제2스위칭 소자(193)가 더 설치될 수 있다.
다음으로, 도8을 참조하여 본 실시예에 따른 열전 발전 장치의 동작 구성을 구체적으로 설명하기로 하는데, 도8은 도1에 도시한 열전 발전 장치의 동작 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
먼저, 입력부(110)를 통하여 열전 발전 장치의 동작 신호가 입력되면, 제어부(100)는 온도 센서부(115)에서 실시간으로 측정한 열전발전모듈(1,101)의 고온측 온도와 저온측 온도를 이용하여 출력 연산부(120)를 통해 열전발전모듈(1,101)의 출력을 연산한다.
또한, 상기 제어부(100)는 연산된 출력을 이용하여 공급량 연산부(130)를 통해 배가스의 공급량과 냉각수의 공급량을 연산하고, 연산결과에 따라 메모리부(140)에 미리 저장된 프로그램에 의해 냉각수 공급펌프(151) 등을 구동시키는 펌프 구동부(150), 제1배가스 공급밸브(2a), 및 제1,2냉각수 공급밸브(44a,144a)의 동작을 제어하게 된다.
또한, 상기 제어부(100)는 상기 출력 연산부(120)에서 연산된 열전발전모듈(1,101)의 출력을 판단한 결과에 따라 상기 열전발전모듈(1,101)에서 발생된 전기를 배터리(90)에 충전하거나 충전하지 않도록 상기 제1,2스위칭 소자(93,193)의 동작을 제어하게 된다.
또한, 상기 제어부(100)는 상기 열전발전모듈(1,101)에서 발생된 전기를 배터리(90)에 충전하는 경우 제1,2전압 검출부(92,192)에서 측정된 출력전압을 판단한 결과에 따라 상기 제1,2가변저항(91,191)의 저항값을 변화시키게 된다.
다음으로, 도9를 참조하여 본 실시예에 따른 열전 발전 장치의 제어 방법을 구체적으로 설명하기로 하는데, 도9는 도1에 도시한 열전 발전 장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 입력부(110)를 통해 열전 발전 장치를 동작시키기 위한 신호가 입력되면, 상기 제어부(100)는 열전발전모듈(1,101)의 고온측에 배가스를 공급하기 이전에 온도 센서부(115)를 통해 상기 배가스 공급원(C)에서 공급되는 배가스의 공급온도(Tg1)를 측정한다(S10).
상기 S10 단계가 완료되면, 상기 제어부(100)는 측정된 배가스의 공급온도(Tg1)가 미리 설정된 최대온도(Tmax) 미만인지 여부를 판단하고(S20), 판단결과 최대온도(Tmax) 이상인 경우이면 열전소자의 보호를 위하여 열전발전모듈(1,101)에 배가스가 공급되는 것을 차단하고 제어를 종료한다.
이때, 상기 최대온도(Tmax)는 열전발전모듈(1,101)에 설치된 열전소자가 고온에 의해 손상될 수 있는 온도로 설정되는 것이 바람직하다.
반면에, 상기 S20 단계의 판단결과 배가스의 공급온도(Tg1)가 최대온도(Tmax) 미만인 경우이면 상기 제어부(100)는 배가스의 공급온도(Tg1)가 미리 설정된 최소온도(Tmin) 미만인지 여부를 판단하고(S30), 판단결과 최소온도(Tmin) 미만인 경우이면 불필요한 열전발전모듈(1,101)의 작동을 방지하기 위하여 열전발전모듈(1,101)에 배가스가 공급되는 것을 차단하고 제어를 종료한다.
이때, 상기 최소온도(Tmin)는 냉각수와의 온도차가 열전발전모듈(1,101)에 의해 발전이 이루어지기 곤란한 정도이거나 발전이 이루어지는 경우에도 출력전압이 후술하는 가변저항(91,191)의 저항값 변화에 의해서도 배터리(90)의 충전전압 만큼 승압되지 않는 정도의 온도로 설정되는 것이 바람직하다.
반면에, 상기 S30 단계의 판단결과 배가스의 공급온도(Tg1)가 미리 설정된 최소온도(Tmin) 이상인 경우이면, 상기 제어부(100)는 제1배가스 공급밸브(2a)와 제1,2냉각수 공급밸브(44a,144a)를 미리 정해진 정도로 개방하여 열전발전모듈(1,101)의 고온측과 저온측에 각각 배가스와 냉각수를 공급하게 된다(S40).
이 경우, 상기 제어부(100)는 펌프 구동부(150)를 제어하여 냉각수 공급펌프(151)와 배가스 공급펌프(미도시)를 추가적으로 작동시킬 수도 있다.
또한, 상기 S40 단계가 완료되면 상기 제어부(100)는 온도 센서부(115)를 이용하여 열전발전모듈(1,101)의 고온측과 저온측의 온도를 측정하게 되는데(S50), 본 실시예에서는 일예로서 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)의 고온관 출구에서 각각 배출되는 배가스의 배출온도(Tg2)와 제1열전발전모듈(1)과 제2열전발전모듈(101)의 냉각수 배출관에서 배출되는 냉각수의 배출온도(Tw)를 측정하도록 구성된다.
상기 S50 단계가 완료되면, 상기 제어부(100)는 S50 단계에서 측정된 고온측과 저온측의 온도를 이용하여 상기 출력 연산부(120)를 통해 열전발전모듈(1,101)의 출력(P)을 연산하게 되는데(S60), 이 경우 상기 제어부(100)는 각 열전발전모듈마다 출력을 연산하게 된다.
상기 S60 단계가 완료되면, 상기 제어부(100)는 S50 단계에서 연산된 출력이 미리 정해진 최소값 이상인지 여부를 판단하고(S70), 적어도 어느 하나의 열전발전모듈의 출력이 최소값 미만인 경우이면 해당 열전발전모듈에 공급되는 상기 배가스와 냉각수의 공급량을 증감시키도록 상기 배가스 공급부와 냉각수 공급부의 동작을 제어하게 된다.
이를 위하여, 상기 제어부(100)는 공급량 연산부(130)를 통해 출력이 최소값 미만인 열전발전모듈의 출력이 최소값 이상이 되도록 하는 배가스의 공급량 또는 냉각수의 공급량을 연산하고(S72), 상기 연산결과에 따라 제1배가스 공급밸브(2a) 또는 제1,2냉각수 공급밸브(44a,144a)의 개도를 제어하여 배가스의 공급량을 증가시키거나 냉각수의 공급량을 증가시킨 후 S50 단계를 반복하게 된다(S74).
이 경우, 상기 제어부(100)는 펌프 구동부(150)를 제어하여 냉각수 공급펌프(151)와 배가스 공급펌프(미도시)의 RPM을 추가적으로 증가시킬 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 열전 발전 장치는 열전발전모듈의 고온측과 저온측 온도를 실시간으로 측정하여 연산된 상기 열전발전모듈의 출력에 따라 고온측과 저온측에 각각 공급되는 배가스와 냉각수의 공급량을 자동 제어하도록 구성되기 때문에 고온측과 저온측에 각각 공급되는 고온의 배가스와 저온의 냉각수의 온도 조건이나 유량 조건이 실시간으로 변화되는 경우에도 열전발전모듈의 출력 저감을 최소화함으로써 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 제어부(100)는 S70 단계의 판단결과 출력이 최소값 미만인 경우 해당 열전발전모듈의 출력단에 설치된 스위치 소자를 개방시켜 배터리(90)에 저장된 전기나 출력이 최소값 이상인 다른 열전발전모듈에서 발생된 전기가 해당 열전발전모듈로 공급되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 출력의 최소값은 출력전압이 후술하는 가변저항(91,191)의 저항값 변화에 의해서도 배터리(90)의 충전전압 만큼 승압되지 않는 정도의 출력으로 설정되는 것이 바람직하다.
반면에, 상기 S70 단계의 판단결과 S60 단계에서 연산된 출력이 최소값 이상인 경우, 상기 제어부(100)는 해당 열전발전모듈의 전압 검출부를 이용하여 가변저항에 인가되는 출력전압(V)를 측정한다(S80).
상기 S80 단계가 완료되면, 상기 제어부(100)는 측정된 출력전압이 상기 배터리의 충전에 적합한 전압인 충전전압인지 여부를 판단하여 충전전압이 아닌 경우이면 상기 출력전압(V)이 배터리의 충전전압이 되도록 상기 가변저항의 저항값을 변화시킴으로써 열전발전모듈에서 발생된 전기가 배터리(90)에 충전되도록 한다(S90).
이와 같이, 본 발명에 따른 열전 발전 장치는 상기 연산된 열전발전모듈의 출력이 미리 설정된 최소값 이상일 경우 배터리의 충전이 이루어지도록 구성되되, 충전시 열전발전모듈에 병렬로 연결된 가변저항에 인가되는 출력전압을 측정하여 상기 출력전압이 배터리의 적정 충전전압이 되도록 상기 가변저항의 저항값을 변화시키도록 구성되기 때문에 열전발전모듈의 출력전압이 낮은 경우 배터리에 충전되지 못하고 손실되는 현상을 방지함으로써 배터리의 충전 효율도 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
(제2실시예)
도10은 본 발명의 제2실시예에 따른 열전 발전 장치의 전체 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도11은 도10에 도시한 열전 발전 장치의 동작 구성을 설명하기 위한 블럭도이며, 도12는 도10에 도시한 열전 발전 장치의 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 열전 발전 장치는 앞서 설명한 제1실시예와 대비할 때 배가스 공급부의 구성에 있어서만 차이가 있기 때문에, 이하에서는 본 실시예의 구성 중 제1실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고 본 실시예의 구성에 반드시 필요한 경우가 아닌 한 중복된 설명을 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 배가스 공급부(2,3,5,6,7,8)는 배가스 공급관(2), 배가스 배출관(3), 연결관(5), 바이패스관(6), 배가스 재순환관(7), 및 상기 바이패스관(6)의 중도에 설치된 배가스 온도조절 탱크(8)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 배가스 공급관(2), 배가스 배출관(3), 및 연결관(5)의 구성은 앞서 설명한 제1실시예와 동일하기 때문에 이하에서는 이들 구성 및 이들 구성과 관련된 다른 구성들에 대한 중복된 설명을 생략하기로 한다.
상기 바이패스관(6)은 양측 단부가 각각 상기 제1배가스 공급밸브(2a)의 전방과 후방에서 상기 배가스 공급관(2)에 연결되도록 구성됨으로써 상기 제1배가스 공급밸브(2a)를 통해 공급되는 배가스를 바이패스 시켜 상기 열전발전모듈(1,101)의 고온측으로 공급되도록 한다.
또한, 상기 바이패스관(6)의 중도에는 상기 바이패스된 배가스의 공급을 단속하는 제2배가스 공급밸브(6a)가 설치된다.
또한, 상기 배가스 온도조절 탱크(8)는 상기 바이패스관(6)의 중도에서 상기 제2배가스 공급밸브(6a)의 후방에 설치되는데, 상기 바이패스관(6)을 통해 바이패스된 배가스를 후술하는 바와 같이 저온의 배가스 또는 외부공기와 혼합하는 기능을 수행하게 된다.
또한, 상기 배가스 재순환관(7)은 상기 배가스 배출관(3)에서 분기되어 상기 열전발전모듈(1,101)의 고온측(구체적으로는, 제2열전발전모듈의 고온측)을 경유한 배가스를 상기 배가스 온도조절 탱크(8)로 공급하는 기능을 수행한다.
또한, 상기 배가스 재순환관(7)의 중도에는 상기 배가스 온도조절 탱크(8)로 공급되는 배가스를 단속하는 배가스 재순환 밸브(7a)가 설치되며, 필요에 따라서는 상기 배가스 온도조절 탱크(8)로 배가스를 공급하는 배가스 재순환펌프(153)이 더 설치될 수도 있다.
또한, 상기 배가스 공급부는 상기 배가스 온도조절 탱크(8)에 외부공기를 공급하는 외부공기 공급모듈(400)을 더 포함하도록 구성될 수도 있는데, 상기 외부공기 공급모듈(400)은 상기 배가스 온도조절 탱크(8)의 일측에 연결된 외부공기 공급관(4), 상기 외부공기 공급관(4)의 중도에 설치되어 외부공기를 상기 배가스 온도조절 탱크(8)로 공급하는 외부공기 공급펌프(152), 및 상기 외부공기 공급관(4)의 중도에 설치되어 외부공기의 공급을 단속하는 외부공기 공급밸브(4a)를 포함하여 구성된다.
다음으로, 도11을 참조하여 본 실시예에 따른 열전 발전 장치의 동작 구성을 설명하기로 하는데, 마찬가지로 제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 중복된 설명을 생략하기로 한다.
상기 제어부(100)는 온도 센서부(115)에서 측정된 배가스 공급온도(Tg1)가 미리 설정된 최대온도(Tmax) 이상인 경우이면 제1배가스 공급밸브(2a)를 폐쇄하여 배가스를 배가스 온도조절 탱크(8)로 바이패스 시킨 후 혼합량 연산부(135)를 통해 열전발전모듈(1,101)의 고온측을 경유한 배가스 또는 외부공기와의 혼합량을 연산하게 된다.
이 경우, 상기 제어부(100)는 온도 센서부(115)에서 측정된 배가스의 공급온도(Tg1) 및 배출온도(Tg2)와, 외부공기의 온도를 이용하여 혼합량을 연산하게 된다.
또한, 상기 제어부(100)는 혼합량 연산부(135)에서 연산된 결과에 따라 상기 배가스 재순환밸브(7a)와 외부공기 공급밸브(4a)의 동작을 제어하게 되며, 상기 펌프 구동부(150)를 통해 배가스 재순환펌프(153)와 외부공기 공급펌프(152)의 동작을 제어하게 된다.
마지막으로, 도12를 참조하여 본 실시예에 따른 열전 발전 장치의 제어방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 입력부(110)를 통해 열전 발전 장치를 동작시키기 위한 신호가 입력되면, 상기 제어부(100)는 열전발전모듈(1,101)의 고온측에 배가스를 공급하기 이전에 온도 센서부(115)를 통해 상기 배가스 공급원(C)에서 공급되는 배가스의 공급온도(Tg1)를 측정한다(S110).
상기 S10 단계가 완료되면, 상기 제어부(100)는 배가스의 공급온도(Tg1)가 미리 설정된 최소온도(Tmin) 미만인지 여부를 판단하고(S120), 판단결과 최소온도(Tmin) 미만인 경우이면 불필요한 열전발전모듈(1,101)의 작동을 방지하기 위하여 열전발전모듈(1,101)에 배가스가 공급되는 것을 차단하고 제어를 종료한다.
반면에, 상기 S120 단계의 판단결과 배가스의 공급온도(Tg1)가 최소온도(Tmin) 이상인 경우이면, 상기 제어부(100)는 측정된 배가스의 공급온도(Tg1)가 미리 설정된 최대온도(Tmax) 미만인지 여부를 판단한다(S130).
상기 S130 단계의 판단결과 배가스의 공급온도(Tg1)가 최대온도(Tmax) 이상인 경우이면 상기 배가스 온도조절 탱크(8)에서 상기 배가스가 저온의 외부공기 또는 배가스 배출관(3)에서 배출되는 배가스와 혼합되어 상기 최대온도 보다 낮은 온도로 열전발전모듈(1,101)의 고온측에 공급되도록 상기 제1배가스 공급밸브(2a), 제2배가스 공급밸브(6a), 배가스 재순환밸브(7), 및 외부공기 공급모듈(400)의 동작을 제어하게 된다(S135).
이 경우, 상기 제어부(100)는 제1배가스 공급밸브(2a)를 폐쇄하여 바이패스관(6)을 통하여 배가스 공급원(C)에서 공급되는 고온의 배가스를 배가스 온도조절 탱크(8)로 바이패스 시킨 후, 상기 혼합량 연산부(135)에서 연산된 결과에 따라 배가스 배출관(3)에서 배출된 배가스와 외부공기 중 적어도 어느 하나가 상기 배가스 온도조절 탱크(8)로 공급되도록 상기 배가스 재순환밸브(7)와 외부공기 공급밸브(4a)를 적정 개도로 개방하게 된다.
또한, 이 경우 상기 제어부(100)는 상기 외부공기 공급펌프(152)와 배가스 재순환펌프(153)를 추가적으로 동작시킬 수도 있다.
상술한 바와 같이 S135 단계에서 외부공기 또는 배가스 배출관(3)에서 배출된 배가스의 유입에 의하여 배가스 온도조절 탱크(8)로 바이패스된 배가스의 온도가 상기 최대온도 보다 낮은 온도가 되면, 상기 제어부(100)는 제2배가스 공급밸브(6a)와 냉각수 공급밸브(44a,144a)를 개방하여 배가스와 냉각수가 각각 열전발전모듈(1,101)의 고온측과 저온측으로 공급되도록 한다(S140).
상기 S140 단계가 완료되면, 상기 제어부(100)는 S150 단계 내지 S190 단계를 수행하게 되는데, 상기 단계들의 경우 앞서 제1실시예에서 설명한 S50 내지 S90 단계와 동일하기 때문에 여기에서는 중복된 설명을 생략하기로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 열전 발전 장치는 상기 고온측에 공급되는 배가스의 온도가 미리 설정된 최대온도 보다 높은 경우 상기 고온의 배가스를 배가스 온도조절 탱크로 바이패스 시켜 상대적으로 저온인 외부공기나 열전발전이 완료된 배가스와 혼합함으로써 상기 최대온도 보다 낮은 온도의 배가스가 열전발전모듈의 고온측에 공급되도록 구성되기 때문에, 배가스의 공급온도가 과도히 높은 경우 열전소자 보호를 위하여 외부로 바이패스 시키는 종래 기술과 대비할 때 고온에 의한 열전소자의 손상을 방지하면서도 불필요한 에너지 손실을 최소화하여 발전 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
1,101 : 제1,2 열전발전모듈 2 : 배가스 공급관
3 : 배가스 배출관 4 : 외부공기 공급관
6 : 바이패스관 7 : 배가스 재순환관
8 : 배가스 온도조절 탱크 90 : 배터리
91,191 : 제1,2 가변저항 92,192 : 제1,2 전압검출부
93,193 : 제1,2 스위칭 소자 100 : 제어부
120 : 출력 연산부 130 : 공급량 연산부
135 : 혼합량 연산부

Claims (8)

  1. 고온측과 저온측의 온도차를 이용하여 전기를 발생시키는 열전발전모듈;
    상기 열전발전모듈의 고온측에 고온의 배가스를 공급하는 배가스 공급부;
    상기 열전발전모듈의 저온측에 저온의 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부; 및
    상기 열전발전모듈의 고온측 온도와 저온측 온도를 측정하여 상기 열전발전모듈의 출력을 연산하고, 연산된 출력이 미리 정해진 최소값 미만인 경우 상기 배가스와 냉각수의 공급량을 증감시키도록 상기 배가스 공급부와 냉각수 공급부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 배가스 공급부는 상기 열전발전모듈의 일단에 결합되어 상기 고온측에 배가스를 공급하고 중도에 상기 배가스의 공급을 단속하는 제1배가스 공급밸브가 설치된 배가스 공급관,
    양측 단부가 각각 상기 제1배가스 공급밸브의 전방과 후방에서 상기 배가스 공급관에 연결되고 중도에 상기 배가스의 공급을 단속하는 제2배가스 공급밸브가 설치된 바이패스관,
    상기 바이패스관의 중도에서 상기 제2배가스 공급밸브의 후방에 설치된 배가스 온도조절 탱크,
    상기 열전발전모듈의 타단에 결합되어 상기 고온측을 경유한 배가스를 외부로 배출하는 배가스 배출관, 및
    상기 배가스 배출관에서 분기되어 상기 고온측을 경유한 배가스를 상기 배가스 온도조절 탱크로 공급하고, 중도에 배가스 재순환 밸브가 설치된 배가스 재순환관을 포함하고,
    상기 제어부는 배가스 공급관을 유동하는 배가스의 공급온도를 측정하여 배가스의 공급온도가 미리 설정된 최대온도 이상인 경우 상기 배가스 온도조절 탱크에서 상기 배가스가 저온의 상기 고온측을 경유한 배가스와 혼합되어 상기 최대온도보다 낮은 온도로 열전발전모듈의 고온측에 공급되도록 상기 제1배가스 공급밸브, 제2배가스 공급밸브, 및 배가스 재순환 밸브의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전발전모듈에서 발생된 전기를 저장하도록 상기 열전발전모듈의 출력단에 연결된 배터리;
    상기 열전발전모듈의 출력단의 중도에 병렬로 연결된 가변저항; 및
    상기 가변저항에 인가되는 상기 열전발전모듈의 출력전압을 측정하는 전압검출부를 더 포함하되,
    상기 제어부는 상기 연산된 출력이 최소값 이상인 경우 상기 측정된 열전발전모듈의 출력전압이 상기 배터리의 충전에 적합한 전압인 충전전압인지 여부를 판단하고, 판단결과 충전전압이 아닌 경우 상기 가변저항의 저항값을 변화시키는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배가스 온도조절 탱크는 외부공기를 공급하는 외부공기 공급모듈을 더 포함하고,
    상기 제어부는 배가스 공급관을 유동하는 배가스의 공급온도를 측정하여 배가스의 공급온도가 미리 설정된 최대온도 이상인 경우 상기 배가스 온도조절 탱크에서 상기 배가스가 저온의 외부공기와 혼합되어 상기 최대온도 보다 낮은 온도로 열전발전모듈의 고온측에 공급되도록 상기 제1배가스 공급밸브, 제2배가스 공급밸브, 및 외부공기 공급모듈의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 열전발전모듈은 고온측과 저온측 사이에 열전달이 가능하도록 설치된 열전소자에 의하여 전기를 발생시키도록 구성되되,
    상기 열전발전모듈의 고온측은, 상기 배가스 공급부에 대하여 서로 병렬로 배치되고 내부에 배가스가 유동되는 복수의 고온관으로 구성되고,
    상기 열전발전모듈의 저온측은, 상기 고온관 각각의 상부면과 하부면에 배치되는 냉각판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열전발전모듈은, 어느 하나의 열전발전모듈의 고온측을 경유한 배가스가 이웃하는 다른 열전발전모듈의 고온측으로 공급되도록 상기 배가스 공급부에서 공급되는 배가스의 유동 방향을 따라 복수 개가 연속하여 설치되되, 각각의 열전발전모듈에 설치된 열전소자는 발전 온도대역이 서로 다른 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  7. 열전발전모듈의 고온측과 저온측의 온도차를 이용하여 전기를 발생시키는 열전 발전 장치의 제어방법에 있어서,
    상기 열전발전모듈의 고온측에 공급되는 배가스의 공급온도를 측정하여 상기 배가스의 공급온도가 미리 설정된 최대온도 이상인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 배가스의 공급온도의 판단결과 배가스의 공급온도가 최대온도 이상인 경우 상기 배가스를 저온의 외부공기와 상기 열전발전모듈의 고온측을 경유하여 배출되는 배가스 중 적어도 어느 하나와 혼합하여 상기 최대온도 보다 낮은 온도로 만드는 단계;
    상기 열전발전모듈의 고온측과 저온측에 각각 고온의 배가스와 저온의 냉각수를 공급하는 단계;
    상기 고온측의 온도와 저온측의 온도를 측정하여 상기 열전발전모듈의 출력을 연산하는 단계;
    상기 연산된 출력이 미리 정해진 최소값 미만인지 여부를 판단하고, 최소값 미만인 경우 상기 배가스와 냉각수의 공급량을 증감시키는 단계;
    상기 연산된 출력이 최소값 이상인 경우 상기 열전발전모듈의 출력단에 병렬로 연결된 가변저항에 인가되는 상기 열전발전모듈의 출력전압을 측정하는 단계;
    상기 측정된 출력전압이 배터리의 충전에 적합한 전압인 충전전압인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단결과 충전전압이 아닌 경우 상기 가변저항의 저항값을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치의 제어방법.


  8. 삭제
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