KR102177179B1 - 열전소자 기반 에너지 하베스터 - Google Patents

열전소자 기반 에너지 하베스터 Download PDF

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KR102177179B1 KR1020190029691A KR20190029691A KR102177179B1 KR 102177179 B1 KR102177179 B1 KR 102177179B1 KR 1020190029691 A KR1020190029691 A KR 1020190029691A KR 20190029691 A KR20190029691 A KR 20190029691A KR 102177179 B1 KR102177179 B1 KR 102177179B1
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Abstract

본 발명은 열전소자 기반 에너지 하베스터에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터는, 제1 열전도판(10); 제1 열전도판(10)과 일면끼리 서로 마주보는 제2 열전도판(20); 제1 열전도판(10)의 일면과 제2 열전도판(20)의 일면 사이에서 서로 이격 배치되는 다수의 열전소자(31)를 포함하는 열전소자 유닛(30); 서로 이격 배치되고 각각의 외주면이 제1 열전도판(10)의 타면에 접촉되는 다수의 제1 지관(41)을 포함하며, 고온 유체를 수송하는 고온 유체 관부(40); 및 서로 이격 배치되고 각각의 외주면이 제2 열전도판(20)의 타면에 접촉되는 다수의 제2 지관(51)을 포함하고, 저온 유체를 수송하는 저온 유체 관부(50);를 포함한다.

Description

열전소자 기반 에너지 하베스터{THERMOELECTRIC BASED ENERGY HARVESTER}
본 발명은 열전소자 기반 에너지 하베스터에 관한 것으로서, 제벡효과를 이용하는 열전소자를 사용하여 일반적으로 사용하지 못하고 버려지는 미활용 유체열원의 에너지를 회수하는 열전소자 기반 에너지 하베스터에 관한 것이다.
에너지 수요 급증과 기후변화의 원인으로 화석연료가 지목되면서 기존의 화석연료를 대체하기 위한 에너지원 확보에 세계적인 노력이 전개되고 있다. 그러나 가장 경제성 있는 대체 에너지원으로 평가를 받아온 원자력발전은 원전 사고 등으로 안정성에 의문이 제기되고 있고, 태양광이나 풍력, 조력 등의 대체 에너지는 기술진보의 한계와 경제성 부족 등으로 큰 진전을 보지 못하고 있다.
이러한 상황에서, 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 낭비되는 폐열 등을 회수해 전기에너지로 변환하여 연료효율을 향상시키는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술이 주목받고 있다. 이에 사용되는 열전소자는 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 소자로서, 양단에 온도 차이가 있을 때에 소자 내부의 캐리어(carrier)가 이동함으로써 기전력을 발생시키는 열전현상인 제벡효과(seebeck effect)를 이용한다.
그러나 열전소자를 이용한 종래의 발전장치들은 상용화가 어렵다. 왜냐하면, 고온 열원과 저온 열원에 각각 1개의 유로가 배치되어 있어 열원 유체의 유량이 증가할수록 높은 손실수두가 발생하여 실용화에 많은 에너지가 요구되며, 대형화 제작이 불가능하기 때문이다.
이에 종래 열전소자를 기반으로 하는 발전장치의 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
KR 10-2010-0025234 A
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 열전소자 유닛을 사이에 두고 서로 마주보는 각각의 열전도판 상에 다수의 유로가 배치되어, 고온 및 저온 열원 유체를 각각 분기시켜 수송하는 열전소자 기반 에너지 하베스터를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 고온 열원 유체가 배출되는 출구 측 온도를 일정하게 유지함으로써, 기존 공조시스템에서 열교환기의 기능을 동시에 수행할 수 있는 열전소자 기반 에너지 하베스터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터는 제1 열전도판; 상기 제1 열전도판과 일면끼리 서로 마주보는 제2 열전도판; 상기 제1 열전도판의 일면과 상기 제2 열전도판의 일면 사이에서 서로 이격 배치되는 다수의 열전소자를 포함하는 열전소자 유닛; 서로 이격 배치되고 각각의 외주면이 상기 제1 열전도판의 타면에 접촉되는 다수의 제1 지관을 포함하며, 고온 유체를 수송하는 고온 유체 관부; 및 서로 이격 배치되고 각각의 외주면이 상기 제2 열전도판의 타면에 접촉되는 다수의 제2 지관을 포함하고, 저온 유체를 수송하는 저온 유체 관부;를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 제1 금속으로 이루어지고, 상기 제1 지관이 고정되도록 상기 제1 열전도판의 타면, 및 상기 제1 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제1 고정층; 및 제2 금속으로 이루어지고, 상기 제2 지관이 고정되도록 상기 제2 열전도판의 타면, 및 상기 제2 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제2 고정층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 제1 열전도판, 및 상기 제2 열전도판은, 알루미늄(Al)으로 이루어지고, 상기 제1 금속, 및 상기 제2 금속은, 구리(Cu)일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 제1 열전도판의 타면, 및 상기 제1 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제1 단열재; 및 상기 제2 열전도판의 타면, 및 상기 제2 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제2 단열재;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 고온 유체 관부는, 각각의 상기 제1 지관의 일단과 연통되어, 상기 제1 지관으로 상기 고온 유체를 공급하는 고온 유체 공급 매니폴드; 및 각각의 상기 제1 지관의 타단과 연통되어, 상기 제1 지관으로부터 유출되는 상기 고온 유체를 통합 배출하는 고온 유체 배출 매니폴드;를 더 포함하고, 상기 저온 유체 관부는, 각각의 상기 제2 지관의 일단과 연통되어, 상기 제2 지관으로 상기 저온 유체를 공급하는 저온 유체 공급 매니폴드; 및 각각의 상기 제2 지관의 타단과 연통되어, 상기 제2 지관으로부터 유출되는 상기 저온 유체를 통합 배출하는 저온 유체 배출 매니폴드;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 다수의 상기 고온 유체 관부, 및 상기 저온 유체 관부가 순차적으로 서로 이격 배치되고, 서로 마주보는 상기 고온 유체 관부와 상기 저온 유체 관부 사이에, 상기 제1 열전도판, 상기 제2 열전도판, 및 상기 열전소자 유닛으로 이루어진 열전모듈이 하나씩 배치되며, 각각의 상기 고온 유체 공급 매니폴드와 연통되어, 상기 고온 유체 공급 매니폴드에 상기 고온 유체를 공급하는 고온 유체 공급 메인 매니폴드; 각각의 상기 고온 유체 배출 매니폴드와 연통되어, 상기 고온 유체 배출 매니폴드로부터 배출되는 상기 고온 유체를 통합 배출하는 고온 유체 배출 메인 매니폴드; 각각의 상기 저온 유체 공급 매니폴드와 연통되어, 상기 저온 유체 공급 매니폴드로 상기 저온 유체를 공급하는 저온 유체 공급 메인 매니폴드; 및 각각의 상기 저온 유체 배출 매니폴드와 연통되어, 상기 저온 유체 배출 매니폴드로부터 배출되는 상기 저온 유체를 통합 배출하는 저온 유체 배출 메인 매니폴드;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 일방향 최외곽에 배치되고 서로 접촉하는, 상기 제1 열전도판의 타면, 및 상기 제1 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제1 단열재; 및 타방향 최외곽에 배치되고 서로 접촉하는, 상기 제2 열전도판의 타면, 및 상기 제2 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제2 단열재;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 고온 유체 배출 매니폴드를 통해 배출되는 상기 고온 유체의 온도를 조절하는 바이패스부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 바이패스부는, 상기 고온 유체 공급 매니폴드에 상기 고온 유체를 공급하는 고온 유체 공급관; 상기 고온 유체 배출 매니폴드로부터 상기 고온 유체를 전달받아 배출하는 고온 유체 배출관; 상기 고온 유체 공급관과 상기 고온 유체 배출관을 연결하여, 공급되는 상기 고온 유체의 전부 또는 일부가 통과하는 제1 보조관; 및 상기 제1 보조관을 통해 상기 고온 유체의 전부 또는 일부를 우회시키는 바이패스 밸브;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 바이패스부는, 상기 고온 유체 공급관에 배치되어, 우회되기 전 상기 고온 유체의 온도를 측정하는 제1 온도센서; 및 상기 고온 유체 배출관에 배치되어, 배출되는 상기 고온 유체의 온도를 측정하는 제2 온도센서;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 바이패스부는, 상기 고온 유체 공급관에 배치되어, 상기 고온 유체 공급 매니폴드로 공급되는 상기 고온 유체의 유량을 측정하는 제1 유량계; 및 상기 제1 보조관에 배치되어, 우회되는 상기 고온 유체의 유량을 측정하는 제2 유량계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 바이패스부는, 상기 저온 유체 공급 매니폴드에 상기 저온 유체를 공급하는 저온 유체 공급관; 상기 저온 유체 공급관에 배치되어, 공급되는 상기 저온 유체의 온도를 측정하는 제3 온도센서; 및 상기 저온 유체 공급관에 배치되어, 공급되는 상기 저온 유체의 유량을 측정하는 제3 유량계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 상기 바이패스부는, 상기 저온 유체 공급관과 상기 고온 유체 배출관을 연결하여, 공급되는 상기 저온 유체의 전부 또는 일부를, 배출되는 상기 고온 유체에 통합하는 제2 보조관; 및 상기 제2 보조관을 통해 상기 저온 유체의 전부 또는 일부를 통과시키고 차단하는 유로전환 밸브;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터에 있어서, 배출되는 상기 고온 유체는 30 ~ 50℃의 온도 범위로 조절될 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 열원 유체의 유량을 고려한 다수의 지관을 통해 고온 열원 유체 및 저온 열원 유체 각각이 공급/배출되면서 열전소자 양단 사이의 온도차를 발생시켜 발전하므로, 열원 유체 유량의 증가에 따른 손실수두를 최소화하고, 열전소자와 유체 간 열교환 구조가 단순하기 때문에 대형화가 가능하며 실제 상용화 가능성이 높다.
또한, 기존의 공조시스템, 및 고온, 저온 열원 유체가 사용되는 시스템에 적용되어, 열교환 기능을 수행하면서 두 유체 간 열교환 시에 회수되지 못하고 버려질 수 있는 폐열로부터 전기에너지를 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터가 기존 공조시스템에 적용되는 구성도이고, 도 4b 및 도 4c는 기존 공조시스템에 적용되는 열전소자 기반 에너지 하베스터를 실시예별로 도시한 단면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터는, 제1 열전도판(10); 제1 열전도판(10)과 일면끼리 서로 마주보는 제2 열전도판(20); 제1 열전도판(10)의 일면과 제2 열전도판(20)의 일면 사이에서 서로 이격 배치되는 다수의 열전소자(31)를 포함하는 열전소자 유닛(30); 서로 이격 배치되고 각각의 외주면이 제1 열전도판(10)의 타면에 접촉되는 다수의 제1 지관(41)을 포함하며, 고온 유체를 수송하는 고온 유체 관부(40); 및 서로 이격 배치되고 각각의 외주면이 제2 열전도판(20)의 타면에 접촉되는 다수의 제2 지관(51)을 포함하고, 저온 유체를 수송하는 저온 유체 관부(50);를 포함한다.
본 발명은 제벡효과(seebeck effect)를 이용하는 열전소자를 사용하여 일반적으로 사용하지 못하고 버려지는 미활용 유체열원의 에너지를 회수하는 열전소자 기반 에너지 하베스터에 관한 것이다. 화석연료를 대체하기 위한 에너지원으로 고려되었던 원자력, 태양광, 풍력, 조력 등에 대해 안정성 및 경제성에 의문이 제기되는 상황에서 낭비되는 폐열 등을 회수해 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술이 최근 들어 주목받기 시작했지만, 열전소자를 이용한 종래 발전장치들은 상용화 및 대형화에 어려움이 있는바, 이에 대한 해결방안으로서 본 발명에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터가 안출되었다.
구체적으로, 본 발명에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터는, 제1 열전도판(10), 제2 열전도판(20), 열전소자 유닛(30), 고온 유체 관부(40), 및 저온 유체 관부(50)를 포함한다.
제1 열전도판(10), 및 제2 열전도판(20)은 열전도가 가능한 재료로 이루어진다. 이러한 재료로서, 알루미늄(Al) 등과 같은 금속을 예로 들 수 있는데, 열전도가 가능하기만 하면 소재에 특별한 제한은 없다. 이러한 제1 열전도판(10), 및 제2 열전도판(20)은 플레이트(plate) 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 판면 중 어느 하나인 일면이나 반대쪽 타면은 평면 형태가 바람직하지만, 굴곡이나 요철과 같은 것을 구비하여도 무방하다. 한편, 제1 열전도판(10), 및 제2 열전도판(20)은 일면끼리 서로 마주보도록 배치되고, 그 사이에 열전소자 유닛(30)이 삽입 배치된다.
열전소자 유닛(30)은 다수의 열전소자(31)가 이격되어 배열된 기기이다. 열전소자(31)는 제백효과를 이용하여 양단에 온도 차이가 있을 때에 기전력을 발생시키는 소자로서, 이에 대해서는 다양한 기술이 공개되어 상세한 설명을 생략한다. 열전소자(31) 각각의 일단은 제1 열전도판(10)의 일면에, 반대쪽 타단은 제2 열전도판(20)의 일면에 접촉한다. 여기서, 고온 유체가 흐르는 고온 유체 관부(40)가 제1 열전도판(10)과 접촉하고, 저온 유체가 흐르는 저온 유체 관부(50)가 제2 열전도판(20)에 접촉함으로써, 열전소자(31) 양단에 온도차를 발생시켜 전기를 생성한다.
상기 고온 유체 관부(40)는 다수의 제1 지관(41)을 포함한다. 제1 지관(41)은 내부에 유체가 흐를 수 있는 유로를 제공하는 중공관이다. 제1 지관(41)은 곧게 뻗은 일자형으로 형성되는 것이 바람직하지만, 지그재그 형으로 형성되어도 무방하다. 이러한 제1 지관(41)끼리는 서로 이격 배열되는데, 일례로 나란하게 배열될 수 있다. 여기서, 제1 지관(41)의 외주면은 상기 제1 열전도판(10)의 타면에 접촉된다. 이때, 제1 지관(41)은 제1 열전도판(10)을 사이에 두고 다수의 열전소자(31)의 일단을 통과하도록 배치될 수 있다. 이렇게 배치되는 각각의 제1 지관(41)으로는 고온 유체가 흐른다.
여기서, 다수의 제1 지관(41)의 일단은 고온 유체 공급 매니폴드(43)에, 그 반대쪽 타단은 고온 유체 배출 매니폴드(45)에 각각 연결되어 소통될 수 있다. 따라서, 고온 유체 공급 매니폴드(43)를 따라 흐르는 고온 유체가 분기되어 제1 지관(41)을 통해 흐르고, 제1 지관(41)으로부터 유출되는 고온 유체가 고온 유체 배출 매니폴드(45)에서 통합되어 배출될 수 있다.
저온 유체 관부(50)는 다수의 제2 지관(51)을 포함한다. 제2 지관(51)은 상술한 제1 지관(41)의 내용과 동일하므로 중복되는 설명은 생략하고, 이하에서는 차이점 위주로 설명한다. 제2 지관(51)의 외주면은 제2 열전도판(20)의 타면에 접촉되는데, 이때 제2 지관(51)은 제2 열전도판(20)을 사이에 두고 다수의 열전소자(31)의 타단을 통과하도록 배치될 수 있다. 제2 지관(51)의 내부를 통해서는 저온 유체가 흐른다.
여기서, 다수의 제2 지관(51)의 일단은 저온 유체 공급 매니폴드(53)에, 그 반대쪽 타단은 저온 유체 배출 매니폴드(55)에 각각 연결되어 소통될 수 있으므로, 저온 유체 공급 매니폴드(53)를 따라 공급되는 저온 유체가 분기되어 제2 지관(51)을 따라 흐르다가, 저온 유체 배출 매니폴드(55)에서 통합 배출될 수 있다.
한편, 제1 지관(41) 및 제2 지관(51)을 고정하기 위한 부재로서, 제1 고정층(60) 및 제2 고정층(70)이 형성될 수 있다.
제1 고정층(60)은 제1 열전도판(10)에 제1 지관(41)을 고정하기 위해, 제1 열전도판(10)의 타면 및 제1 지관(41)의 외주면을 일체로 커버한다. 여기서, 제1 고정층(60)은 고온 유체로부터의 열전달이 가능한 재료로서, 제1 금속으로 이루어질 수 있는데, 일례로 구리(Cu)를 사용하는 것이 바람직하다. 다만, 제1 금속이 반드시 구리에 한정되는 것은 아니고, 열전도가 가능한 금속이기만 하면 특별한 제한은 없다.
제2 고정층(70)은 제2 열전도판(20)의 타면 및 제2 지관(51)의 외주면을 일체로 커버하고, 구리 등과 같이 열전도가 가능한 제2 금속으로 이루어질 수 있다.
한편, 제1 고정층(60) 및 제2 고정층(70) 각각은 제1 지관(41) 및 제2 지관(51)의 외주면 전체를 커버해야 하는 것은 아니고, 그 외주면 중 일부만을 커버해도 무방하다.
또한, 제1 열전도판(10) 및 제1 지관(41), 그리고 제2 열전도판(20) 및 제2 지관(51)을 통해, 열전소자 유닛(30) 측이 아닌 외부로의 열 방출을 방지하기 위해, 제1 단열재(80) 및 제2 단열재(90)가 배치될 수 있다.
여기서, 제1 단열재(80)는 제1 열전도판(10)의 타면, 및 제1 지관(41)의 외주면을 일체로 커버하거나, 또는 제1 고정층(60)이 형성된 경우에는 제1 고정층(60)의 외면을 커버하도록 배치될 수 있다.
제2 단열재(90)도 마찬가지로, 제2 열전도판(20)의 타면, 및 제2 지관(51)의 외주면을 일체로 커버하거나, 또는 제2 고정층(70)의 외면을 커버할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터는 열전소자(31)와 유체 간 열교환 구조가 단순하므로 용이하게 대형화가 가능한바, 이하에서 이에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3을 참고로, 본 발명에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터의 대형화 구조는, 제1 열전도판(10)과 제2 열전도판(20) 사이에 열전소자 유닛(30)이 삽입 배치되어 하나의 열전모듈(TM)을 구성한다. 또한, 다수의 고온 유체 관부(40), 및 저온 유체 관부(50)가 순차적으로 서로 이격 배치되고, 그 사이에 상기 열전모듈(TM)이 하나씩 배치된다.
이때, 다수의 고온 유체 관부(40)의 고온 유체 공급 매니폴드(43)는 고온 유체 공급 메인 매니폴드(100)에 연결되어 소통하고, 다수의 고온 유체 관부(40)의 고온 유체 배출 매니폴드(45)는 고온 유체 배출 메인 매니폴드(110)에 연결되어 소통한다. 따라서, 고온 유체는 고온 유체 공급 메인 매니폴드(100)를 통해, 다수의 고온 유체 공급 매니폴드(43)로 분기되어 공급되고, 다수의 고온 유체 배출 매니폴드(45)로부터 배출되어 고온 유체 배출 메인 매니폴드(110)에 의해 통합 배출된다.
또한, 마찬가지로, 다수의 저온 유체 공급 매니폴드(53)는 저온 유체 공급 메인 매니폴드(120)에, 다수의 저온 유체 배출 매니폴드(55)는 저온 유체 배출 메인 매니폴드(130)에 각각 연통되어, 저온 유체 공급 메인 매니폴드(120)를 통해 각각의 저온 유체 관부(50)에 저온 유체가 공급되고, 저온 유체 배출 메인 매니폴드(130)를 통해 저온 유체가 통합 배출된다.
이러한 구조하에서, 제1 단열재(80)가, 일방향 최외곽에 배치되고 서로 접촉하는 제1 열전도판(10)의 타면 및 고온 유체 관부(40a)의 제1 지관(41)의 외주면을 일체로 커버하거나, 또는 그 위에 형성된 제1 고정층(60)을 커버하도록 배치될 수 있다. 또한, 제2 단열재(90)가 타방향 최외곽에 배치되고 서로 접촉하는 제2 열전도판(20)의 타면 및 저온 유체 관부(50a)의 제2 지관(51)의 외주면을 일체로 커버하거나, 또는 그 위에 형성된 제2 고정층(70)을 커버하도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터는, 기존의 공조시스템 등에 적용될 수 있는바, 이하에서 이에 대해 자세하게 설명한다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터가 기존 공조시스템에 적용되는 구성도이고, 도 4b 및 도 4c는 기존 공조시스템에 적용되는 열전소자 기반 에너지 하베스터를 실시예별로 도시한 단면도이다.
본 발명에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터는 기존의 공조시스템, 및 고온, 저온 열원 유체가 사용되는 시스템에 적용되어, 열교환 기능을 수행하면서 두 유체 간 열교환 시에 회수되지 못하고 버려질 수 있는 폐열로부터 전기에너지를 생산할 수 있다. 일실시예로서, 도 4a와 같이, 본 발명에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터(TEH)는 유기랭킹사이클 기반 액체식 제습시스템에 적용될 수 있다. 이렇게 기존의 공조시스템 등에 본 발명에 따른 열전소자 기반 에너지 하베스터가 적용되는 경우에, 제1 지관(41) 및 제2 지관(51)의 개수는 기존 공조시스템 등에서의 고온 유체 및 저온 열원 유체의 유량에 따라 정해질 수 있다. 이때, 유체 간의 온도차와 필요 출구 온도에 의해 제1 지관(41) 및 제2 지관(51)의 길이가 정해질 수 있다.
한편, 기존 공조시스템 등이 정상적으로 작동되기 위해서는, 열교환되어 배출되는 고온 유체의 온도가 일정 범위를 유지해야 하는바, 도 4b 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 바이패스부(140)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 바이패스부(140)는 고온 유체 배출 매니폴드(45)를 통해 배출되는 고온 유체의 온도를 조절하는 수단으로 제공된다. 이때, 최종적으로 배출되는 고온 유체의 온도는 30 ~ 50℃로 유지될 수 있는데, 필요에 따라서는 그 온도 범위를 달리 설정할 수도 있다.
본 발명에 따른 바이패스부(140)는, 고온 유체 공급관(141), 고온 유체 배출관(142), 제1 보조관(143a), 및 바이패스 밸브(145)를 포함할 수 있다.
여기서, 고온 유체 공급관(141)은 고온 유체 공급 매니폴드(43)에 연결되어 고온 유체를 공급하고, 고온 유체 배출관(142)은 고온 유체 배출 매니폴드(45)에 연결되어 고온 유체를 전달받아 배출하는 중공관 부재이다. 제1 보조관(143a)은 중공관 부재로서, 고온 유체 공급관(141)과 고온 유체 배출관(142)을 연결한다. 따라서, 고온 유체 공급관(141)을 통해 공급되는 고온 유체의 전부 또는 일부가 제1 보조관(143a)을 통해, 제1 지관(41)을 우회하여 고온 유체 배출관(142)으로 배출됨으로써, 제1 지관(41)을 통과한 고온 유체와 통합된다. 이때, 제1 지관(41)을 통과하는 고온 유체는 열교환으로 인해 온도가 하강하지만, 이보다 상대적으로 온도가 높고 우회한 고온 유체와 합쳐지기 때문에, 최종적으로 배출되는 고온 유체의 온도가 상승하게 된다. 여기서, 바이패스 밸브(145)는 제1 보조관(143a)을 통해 고온 유체의 전부 또는 일부를 우회시키는 밸브이다. 이러한 바이패스 밸브(145)는, 3방 밸브(3 way valve)로서 고온 유체 공급관(141)과 제1 보조관(143a)의 연결부위에 장착되거나, 또는 2방 밸브(2 way valve)로서 제1 보조관(143a)에 장착될 수 있다.
한편, 제1 보조관(143a)을 통해 우회되는 고온 유체의 온도를 측정하기 위해서 고온 유체 공급관(141)에 제1 온도센서(146a)가 배치되고, 최종적으로 배출되는 고온 유체의 온도를 측정하기 위한 제2 온도센서(146b)가 고온 유체 배출관(142)에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 온도센서(146a) 및 제2 온도센서(146b)는 써머커플(thermocouple) 등과 같은 공지의 온도센서를 사용할 수 있다.
또한, 우회하는 고온 유체와 통합되어 최종적으로 배출되는 고온 유체의 온도를 제어하기 위해서는, 제1 지관(41)으로 공급되는 고온 유체의 유량 및 우회하는 고온 유체의 유량을 측정해야 하므로, 제1 유량계(147a), 및 제2 유량계(147b)가 장착될 수 있다. 여기서, 제1 유량계(147a)는 고온 유체 공급관(141)에 배치되어 고온 유체 공급 매니폴드(43)로 공급되는 고온 유체의 유량을 측정하고, 제2 유량계(147b)는 제1 보조관(143a)에 배치되어 우회하는 고온 유체의 유량을 측정할 수 있다. 이때, 고온 유체 공급관(141), 제1 보조관(143a)에 제1 유량 조절밸브(도시되지 않음)가 장착되어 고온 유체의 유량을 제어할 수도 있다.
한편, 제1 지관(41)을 흐르는 고온 유체는 제2 지관(51)을 흐르는 저온 유체와의 사이에 열교환이 일어나므로, 우회하는 고온 유체와의 통합 전에 배출되는 고온 유체는 저온 유체의 온도 및 유량에 영향을 받는바, 저온 유체 공급 매니폴드(53)에 연결되어 저온 유체를 공급하는 저온 유체 공급관(148)에, 제3 온도센서(146c)가 배치되어 공급되는 저온 유체의 온도를 측정하고, 여기에 제3 유량계(147c)가 장착되어 저온 유체의 유량을 측정할 수 있다. 나아가, 제2 유량 조절밸브(도시되지 않음)가 장착되어 저온 유체의 유량을 제어할 수도 있다.
도 4c를 참고로, 제2 보조관(143b)이 저온 유체 공급관(148)과 고온 유체 배출관(142)을 연결하여, 제2 지관(51)으로 공급되기 전의 저온 유체의 전부 또는 일부를 배출되는 고온 유체와 통합시켜, 최종적으로 배출되는 고온 유체의 온도를 조절할 수도 있다. 여기서, 제2 보조관(143b)을 통해 상기 저온 유체의 전부 또는 일부를 통과시키고 차단하는 것은 유로전환 밸브(149)에 의해 이루어지는데, 이러한 유로전환 밸브(149)는, 3방 밸브(3 way valve)로서 저온 유체 공급관(148)과 제2 보조관(143b)의 연결부위에 장착되거나, 또는 2방 밸브(2 way valve)로서 제2 보조관(143b)에 장착될 수 있다. 이때, 도시되지는 않았지만, 제2 보조관(143b)에 제4 유량계가 장착되어 저온 유체의 유량을 측정하고, 추가적으로 제3 유량 조절밸브가 장착되어 유량을 제어할 수도 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10: 제1 열전도판 20: 제2 열전도판
30: 열전소자 유닛 31: 열전소자
40: 고온 유체 관부 41: 제1 지관
43: 고온 유체 공급 매니폴드 45: 고온 유체 배출 매니폴드
50: 저온 유체 관부 51: 제2 지관
53: 저온 유체 공급 매니폴드 55: 저온 유체 배출 매니폴드
60: 제1 고정층 70: 제2 고정층
80: 제1 단열재 90: 제2 단열재
100: 고온 유체 공급 메인 매니폴드 110: 고온 유체 배출 메인 매니폴드
120: 저온 유체 공급 메인 매니폴드 130: 저온 유체 배출 메인 매니폴드
140: 바이패스부 141: 고온 유체 공급관
142: 고온 유체 배출관 143a: 제1 보조관
143b: 제2 보조관 145: 바이패스 밸브
146a: 제1 온도센서 146b: 제2 온도센서
146c: 제3 온도센서 147a: 제1 유량계
147b: 제2 유량계 147c: 제3 유량계
148: 저온 유체 공급관 149: 유로전환 밸브

Claims (14)

  1. 제1 열전도판;
    상기 제1 열전도판과 일면끼리 서로 마주보는 제2 열전도판;
    다수의 열전소자를 포함하되, 다수의 상기 열전소자는 상기 제1 열전도판의 일면과 상기 제2 열전도판의 일면 사이에서, 서로 나란한 N(N은 2 이상의 자연수) 개의 열(row)을 따라, 적어도 1 개 이상이 서로 이격 배치되는 열전소자 유닛;
    상기 서로 나란한 N 개의 열(row)에 대응되도록 서로 이격되어 배치되고 각각의 외주면이 상기 제1 열전도판의 타면에 접촉되는 N(N은 2 이상의 자연수) 개의 제1 지관을 포함하며, 고온 유체를 수송하는 고온 유체 관부;
    상기 서로 나란한 N 개의 열(row)에 대응되도록 서로 이격되어 배치되고 각각의 외주면이 상기 제2 열전도판의 타면에 접촉되는 N(N은 2 이상의 자연수) 개의 제2 지관을 포함하고, 저온 유체를 수송하는 저온 유체 관부;
    상기 제1 열전도판의 소재와 다른 제1 금속으로 이루어지고, 상기 제1 지관이 고정되도록 상기 제1 열전도판의 타면, 및 상기 제1 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제1 고정층; 및
    상기 제2 열전도판의 소재와 다른 제2 금속으로 이루어지고, 상기 제2 지관이 고정되도록 상기 제2 열전도판의 타면, 및 상기 제2 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제2 고정층;을 포함하는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열전도판, 및 상기 제2 열전도판은, 알루미늄(Al)으로 이루어지고,
    상기 제1 금속, 및 상기 제2 금속은, 구리(Cu)인 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열전도판의 타면, 및 상기 제1 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제1 단열재; 및
    상기 제2 열전도판의 타면, 및 상기 제2 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제2 단열재;를 더 포함하는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고온 유체 관부는,
    각각의 상기 제1 지관의 일단과 연통되어, 상기 제1 지관으로 상기 고온 유체를 공급하는 고온 유체 공급 매니폴드; 및
    각각의 상기 제1 지관의 타단과 연통되어, 상기 제1 지관으로부터 유출되는 상기 고온 유체를 통합 배출하는 고온 유체 배출 매니폴드;를 더 포함하고,
    상기 저온 유체 관부는,
    각각의 상기 제2 지관의 일단과 연통되어, 상기 제2 지관으로 상기 저온 유체를 공급하는 저온 유체 공급 매니폴드; 및
    각각의 상기 제2 지관의 타단과 연통되어, 상기 제2 지관으로부터 유출되는 상기 저온 유체를 통합 배출하는 저온 유체 배출 매니폴드;를 더 포함하는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    다수의 상기 고온 유체 관부, 및 상기 저온 유체 관부가 순차적으로 서로 이격 배치되고,
    서로 마주보는 상기 고온 유체 관부와 상기 저온 유체 관부 사이에, 상기 제1 열전도판, 상기 제2 열전도판, 및 상기 열전소자 유닛으로 이루어진 열전모듈이 하나씩 배치되며,
    각각의 상기 고온 유체 공급 매니폴드와 연통되어, 상기 고온 유체 공급 매니폴드에 상기 고온 유체를 공급하는 고온 유체 공급 메인 매니폴드;
    각각의 상기 고온 유체 배출 매니폴드와 연통되어, 상기 고온 유체 배출 매니폴드로부터 배출되는 상기 고온 유체를 통합 배출하는 고온 유체 배출 메인 매니폴드;
    각각의 상기 저온 유체 공급 매니폴드와 연통되어, 상기 저온 유체 공급 매니폴드로 상기 저온 유체를 공급하는 저온 유체 공급 메인 매니폴드; 및
    각각의 상기 저온 유체 배출 매니폴드와 연통되어, 상기 저온 유체 배출 매니폴드로부터 배출되는 상기 저온 유체를 통합 배출하는 저온 유체 배출 메인 매니폴드;를 더 포함하는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    일방향 최외곽에 배치되고 서로 접촉하는, 상기 제1 열전도판의 타면, 및 상기 제1 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제1 단열재; 및
    타방향 최외곽에 배치되고 서로 접촉하는, 상기 제2 열전도판의 타면, 및 상기 제2 지관의 외주면을 일체로 커버하는 제2 단열재;를 더 포함하는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 고온 유체 배출 매니폴드를 통해 배출되는 상기 고온 유체의 온도를 조절하는 바이패스부;를 더 포함하는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 바이패스부는,
    상기 고온 유체 공급 매니폴드에 상기 고온 유체를 공급하는 고온 유체 공급관;
    상기 고온 유체 배출 매니폴드로부터 상기 고온 유체를 전달받아 배출하는 고온 유체 배출관;
    상기 고온 유체 공급관과 상기 고온 유체 배출관을 연결하여, 공급되는 상기 고온 유체의 전부 또는 일부가 통과하는 제1 보조관; 및
    상기 제1 보조관을 통해 상기 고온 유체의 전부 또는 일부를 우회시키는 바이패스 밸브;를 포함하는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 바이패스부는,
    상기 고온 유체 공급관에 배치되어, 우회되기 전 상기 고온 유체의 온도를 측정하는 제1 온도센서; 및
    상기 고온 유체 배출관에 배치되어, 배출되는 상기 고온 유체의 온도를 측정하는 제2 온도센서;를 더 포함하는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 바이패스부는,
    상기 고온 유체 공급관에 배치되어, 상기 고온 유체 공급 매니폴드로 공급되는 상기 고온 유체의 유량을 측정하는 제1 유량계; 및
    상기 제1 보조관에 배치되어, 우회되는 상기 고온 유체의 유량을 측정하는 제2 유량계;를 더 포함하는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 바이패스부는,
    상기 저온 유체 공급 매니폴드에 상기 저온 유체를 공급하는 저온 유체 공급관;
    상기 저온 유체 공급관에 배치되어, 공급되는 상기 저온 유체의 온도를 측정하는 제3 온도센서; 및
    상기 저온 유체 공급관에 배치되어, 공급되는 상기 저온 유체의 유량을 측정하는 제3 유량계;를 더 포함하는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 바이패스부는,
    상기 저온 유체 공급관과 상기 고온 유체 배출관을 연결하여, 공급되는 상기 저온 유체의 전부 또는 일부를, 배출되는 상기 고온 유체에 통합하는 제2 보조관; 및
    상기 제2 보조관을 통해 상기 저온 유체의 전부 또는 일부를 통과시키고 차단하는 유로전환 밸브;를 더 포함하는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
  14. 청구항 8에 있어서,
    배출되는 상기 고온 유체는 30 ~ 50℃의 온도 범위로 조절되는 열전소자 기반 에너지 하베스터.
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