KR102168837B1 - 열전발전장치 - Google Patents

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Abstract

열전발전장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전장치는 고온의 고체로부터 전달받은 복사열에 의해 고온으로 유지되는 고온부; 냉각수가 흐르는 저온부; 고온부와 저온부 사이에 마련되며, 고온부와 저온부 간의 온도차에 의해 전기를 생산하는 열전소자;를 포함하되, 저온부는 냉각수가 흐르는 메인유로와, 메인유로에 결합된 방출배관을 포함하며, 열전소자는 메인유로에 상면이 접촉되고, 고온부에 하면이 접촉되며, 메인유로로 전달된 고온부의 전도열에 의해 발생한 냉각수의 스팀은 방출배관을 통해 외부로 보내진다.

Description

열전발전장치{APPARATUS FOR THERMOELECTRIC GENERATION}
본 발명은 열전발전장치에 관한 것이다.
열전발전장치는 열이 유입된 고온부와 냉각수가 흐르는 저온부 간의 온도차를 이용하여 열전소자에 의해 전기가 생산되도록 한다.
이러한 열전발전장치는 고온부와 저온부를 일정한 온도로 유지시키기 위해 고온부와 저온부 간 열교환이 이루어지도록 하고, 열전소자의 양단의 온도차를 일정하게 유지시킨다.
최근에는 고효율의 열전물질이 개발되면서, 기존의 동력사이클 방식으로는 경제적인 회수가 곤란했던 고온의 고체(예컨대, 슬래브(slab), 빌렛(billet))로부터의 방사되는 복사열을 회수 및 발전하기 위한 개발이 이루어지고 있다.
예컨대 제철공정의 연주공정에서 생산된 대략 900℃ 내지 1000℃의 온도를 가지고 롤러 테이블을 지나가는 슬래브의 현열인 복사열을 이용하여 열전발전을 수행할 수 있다.
여기서, 슬래브 표면으로부터 설정거리만큼 떨어진 곳에 면발전 개념의 열전발전장치를 마련한다. 열전발전장치의 고온부는 슬래브 표면에 마주 보는 방향으로 설치되고, 그 반대편은 냉각수를 흘려 보내는 저온부를 마련하며, 열전발전장치의 열전소자는 고온부와 저온부 간의 온도차를 이용하여 발전을 수행한다. 이는 제벡(Seebeck) 효과에 의한 발전방식으로, 제벡효과는 이종의 도체 또는 반도체에 온도차를 주면 고온부와 저온부 사이에 기전력이 생기는 것을 의미한다.
즉, 슬래브의 상면으로부터 설정된 거리만큼 떨어진 곳에 열전발전장치를 마련하고, 열전소자의 상하면 양단의 온도차를 일정하게 유지하여, 일정한 발전출력과 효율을 얻게 된다.
그러나, 슬래브나 빌렛에서 고온부까지의 거리는 열전발전장치의 최대 사용온도인 400℃ 이하가 되도록 충분한 거리를 확보해야 하며, 이로 인해 상당량의 복사열 손실이 발생할 수 있고, 헌열 회수가 어려울 수 있다.
열전발전과 관련된 종래 기술로서, 한국공개특허 제10-2016-0048308호(2016.05.04. 공개)를 참조하기 바란다.
한국공개특허 제10-2016-0048308호(2016.05.04. 공개)
본 발명의 실시 예는 열전발전을 효과적으로 수행할 수 있는 열전발전장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고온의 고체로부터 전달받은 복사열에 의해 고온으로 유지되는 고온부; 냉각수가 흐르는 저온부; 상기 고온부와 상기 저온부 사이에 마련되며, 상기 고온부와 상기 저온부 간의 온도차에 의해 전기를 생산하는 열전소자;를 포함하되, 상기 저온부는 상기 냉각수가 흐르는 메인유로와, 상기 메인유로에 결합된 방출배관을 포함하며, 상기 열전소자는 상기 메인유로에 상면이 접촉되고, 상기 고온부에 하면이 접촉되며, 상기 메인유로로 전달된 상기 고온부의 전도열에 의해 발생한 상기 냉각수의 스팀은 상기 방출배관을 통해 외부로 보내지는 열전발전장치가 제공될 수 있다.
상기 고온부는 상기 고체로부터 전달되는 복사열을 흡수하여 저장하는 열저장물질과, 상기 열저장물질을 담고 있는 컨테이너와, 상기 고온부의 전도열을 상기 열전소자로 전달하는 흡열판을 포함하되, 상기 컨테이너는 단열처리될 수 있다.
상기 방출배관을 통해 외부로 방출된 스팀의 양을 측정하는 측정부와, 상기 측정된 스팀의 양에 따라 펌프를 조절하여 상기 메인유로로 공급되는 냉각수의 양을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
열전달 향상을 위해 상기 방출배관의 주변부에 하나 이상의 핀 부재가 마련될 수 있다.
상기 메인유로 상부에 결합되는 덮개를 더 포함하되, 상기 덮개는 상기 스팀 방출을 위한 통로를 형성하고, 상기 방출배관은 상기 통로에 수직 결합될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 열전발전장치는 열전발전을 효과적으로 수행할 수 있다.
또, 고온부와 저온부 간의 온도차를 일정하게 유지시키기 위해 필요한 냉각수의 양만큼 펌핑하여 저온부에 흘려 보냄으로써 열전발전의 효율성을 높일 수 있다.
또, 고온부와 복사열을 방출하는 고온의 슬래브(고체) 간의 거리에 따라 저온부에 공급되는 냉각수 양을 조절하여 능동적으로 대처함으로써, 열전발전 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 롤러 테이블을 지나가는 슬래브의 상부에 열전발전장치가 마련된 것을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 열전발전장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 열전발전장치의 분해도이다.
도 4는 도 1의 열전발전장치의 고온부의 예를 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 롤러 테이블을 지나가는 슬래브의 상부에 열전발전장치가 마련된 것을 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 열전발전장치의 사시도이며, 도 3은 도 2의 열전발전장치의 분해도이다. 그리고, 도 4는 도 1의 열전발전장치의 고온부의 예를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 열전발전장치(100)는 예컨대 제철공정의 연주공정에서 생산된 대략 900℃ 내지 1000℃의 온도를 가지고 롤러 테이블(101)을 지나가는 슬래브(102)의 현열인 복사열을 이용하여 열전발전을 수행할 수 있다. 열전발전장치(100)는 슬래브(102) 표면으로부터 설정거리만큼 떨어진 곳에 배치된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전장치(100)는 예컨대 슬래브(102)나 빌렛과 같은 고온의 고체로부터 전달받은 복사열에 의해 고온으로 유지되는 고온부(110)와, 냉각수가 흐르는 저온부(120)와, 고온부(110)와 저온부(120) 사이에 마련되며, 고온부(110)와 저온부(120) 간의 온도차에 의해 전기를 생산하는 열전소자(130)를 포함한다. 고온부(110), 열전소자(130) 및 저온부(120)는 순차적으로 적층되어 결합된 형태를 갖는다.
고온부(110)는 슬래브(102) 표면에 마주 보는 방향으로 설치된다. 저온부(120)는 냉각수가 흐르는 메인유로(122)와, 메인유로(122)에 결합된 방출배관(124)을 포함한다.
그리고, 열전소자(130)는 저온부(120)의 메인유로(122)에 상면이 접촉되고, 고온부(110)에 하면이 접촉된다.
열전소자(130)를 거쳐 메인유로(122)로 전달된 고온부(110)의 전도열에 의해 발생한 메인유로(122)의 냉각수의 스팀은 방출배관(124)을 통해 외부로 보내진다.
이하, 각 구성요소에 대해서 구체적으로 설명한다.
상술한 고온부(110) 및 저온부(120)는 예컨대 중공이거나 유로를 형성하는 판 형상으로 마련될 수 있다.
또 도 4를 참조하면, 고온부(110)는 예컨대 고체(102)로부터 전달되는 복사열을 흡수하여 저장하는 열저장물질(112)과, 열저장물질(112)을 담고 있는 컨테이너(114)와, 고온부(110)의 전도열을 열전소자(130)로 전달하는 흡열판(116)을 포함할 수 있다.
여기서, 열저장물질(101)로는 NaNO3, KNO3 등과 같은 용융염이나, PCM 또는 CHP(Chemical Heat Pump), 콘크리트 등과 같은 고체 축열재료 등을 포함할 수 있다.
컨테이너(114)는 열손실을 최소화하기 위해 모든 측방향 표면이 단열처리될 수 있으며, 높이방향으로 위치한 표면은 열저장물질(112)로부터의 열전달 속도를 빠르게 하기 위하여 열전도성이 높은 금속 소재로 만들어지거나 금속 소재로 코팅될 수 있다.
흡열판(116)은 고온부(110)의 전도열을 열전소자(130)로 전달하기 위해 열전도성이 높은 소재로 제작될 수 있다.
도 2와 도 3을 참조하면, 저온부(120)는 냉각수가 흐르는 메인유로(122)와, 메인유로(122)에 결합된 방출배관(124)을 포함한다.
메인유로(122)에는 냉각수가 공급되는 입구(122a)를 마련하며, 도시하지는 않았으나 냉각수는 메인유로(122)의 출구를 통해 빠져나가 냉각수공급부(170, 도 1 참조)를 통해 순환 공급될 수 있다.
여기서, 메인유로(122) 상부에는 덮개(123)가 결합되며, 덮개(123)는 스팀 방출을 위한 통로(123a)를 형성하고 있다. 방출배관(124)은 덮개(123)의 통로(123a)에 수직 결합되어 연통된다.
이러한 덮개(123)는 하단부에서 상단부 쪽으로 면적이 좁아지는 사각뿔 형태일 수 있다.
방출배관(124)의 주변부에는 열전달 향상을 위해 외부에 하나 이상의 핀(fin, 125) 부재가 마련될 수 있다. 핀(125) 부재는 사각의 판형으로 마련될 수 있으며, 방출배관(124) 주변부에 방사형으로 복수 개 장착될 수 있다.
한편, 열전소자(130)는 상술한 메인유로(122)에 상면이 접촉되고, 고온부(110)에 하면이 접촉된다. 열전소자(130)에 의해 생산된 전기는 직류 전기 형태로 저장될 수 있으며, 메인 스위치 보드(미도시)에 의해 교류 전기로 변환되어 각종 시스템에 공급될 수 있다.
열전소자(130)의 양측면에는 온도차가 극대화되도록 고온부(110) 및 저온부(120)가 밀착될 수 있다. 열전소자(130)는 회로기판에 의해 판 형상으로 구비될 수 있다. 이러한 열전소자(130)의 형태 및 구성은 공지된 다양한 기술이 적용될 수 있다.
열전소자(130)를 거쳐 메인유로(122)로 전달된 고온부(110)의 전도열에 의해 발생한 메인유로(122)의 냉각수의 스팀은 방출배관(124)을 통해 외부로 보내진다.
이때, 도 1을 참조하면, 열전발전장치(100)는 방출배관(124)을 통해 외부로 방출된 스팀의 양을 측정하는 측정부(140)와, 측정부(140)에 의해 측정된 스팀의 양에 따라 냉각수공급라인(L) 상의 펌프(P)를 조절하여 메인유로(122)로 공급되는 냉각수의 양을 제어하는 제어부(150)를 마련할 수 있다.
즉, 고온부(110)와 슬래브(102) 간의 거리가 가까울수록 방출배관(124)을 통해 외부로 방출된 스팀의 양이 많을 수 있으며, 이 경우 펌프(P)에 의해 저온부(120)에 공급되는 냉각수의 양은 증가될 수 있다.
반면, 고온부(110)와 슬래브(102) 간의 거리가 멀수록 방출배관(124)을 통해 외부로 방출된 스팀의 양이 적을 수 있으며, 이 경우 펌프(P)에 의해 저온부(120)에 공급되는 냉각수의 양은 감소될 수 있다.
이를 통해 고온부(110)와 저온부(120) 간의 온도차를 일정하게 유지시키기 위해 필요한 냉각수의 양만큼 펌핑하여 저온부(120)에 흘려 보냄으로써 열전발전의 효율성을 높일 수 있다.
또, 고온부(110)와 복사열을 방출하는 고온의 슬래브(102) 간의 거리에 따라 저온부(120)에 공급되는 냉각수 양을 조절하여 능동적으로 대처함으로써, 열전발전 효율을 높일 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
100: 열전발전장치 102: 슬래브
110: 고온부 112: 열저장물질
114: 컨테이너 116: 흡열판
120: 저온부 122: 메인유로
123: 덮개 124: 방출배관
130: 열전소자 140: 측정부
150: 제어부

Claims (5)

  1. 고온의 고체로부터 전달받은 복사열에 의해 고온으로 유지되는 고온부;
    냉각수가 흐르는 저온부;
    상기 고온부와 상기 저온부 사이에 마련되며, 상기 고온부와 상기 저온부 간의 온도차에 의해 전기를 생산하는 열전소자;를 포함하되,
    상기 저온부는
    상기 냉각수가 흐르는 메인유로와,
    상기 메인유로에 결합된 방출배관을 포함하며,
    상기 열전소자는 상기 메인유로에 상면이 접촉되고, 상기 고온부에 하면이 접촉되며,
    상기 메인유로로 전달된 상기 고온부의 전도열에 의해 발생한 상기 냉각수의 스팀은 상기 방출배관을 통해 외부로 보내지고,
    상기 메인유로 상부에는 덮개가 결합되고,
    상기 덮개는 상기 스팀 방출을 위한 통로를 형성하고,
    상기 방출배관은 상기 통로에 수직 결합되는 열전발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고온부는
    상기 고체로부터 전달되는 복사열을 흡수하여 저장하는 열저장물질과,
    상기 열저장물질을 담고 있는 컨테이너와,
    상기 고온부의 전도열을 상기 열전소자로 전달하는 흡열판을 포함하되,
    상기 컨테이너는 단열처리된 열전발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방출배관을 통해 외부로 방출된 스팀의 양을 측정하는 측정부와,
    상기 측정된 스팀의 양에 따라 펌프를 조절하여 상기 메인유로로 공급되는 냉각수의 양을 제어하는 제어부를 더 포함하는 열전발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    열전달 향상을 위해 상기 방출배관의 주변부에 하나 이상의 핀 부재가 마련된 열전발전장치.
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