KR102295852B1 - 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치에 관한 것으로, 축열조 내 열교환을 통해 목적온도로 균일화된 열원을 열전발전기로 공급하며, 가열된 물을 판매하거나 열전발전기에 사용된 물을 축열조 내 열교환기로 순환시켜 열전발전기로 재공급하고, 축열조 내에서 가열된 열블럭을 외부로 공급하여 활용할 수 있는 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치에 관한 것이다.

Description

다기능 축열 열전하이브리드 발전장치{Multifunctional thermoelectric hybrid power generator}
본 발명은 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치에 관한 것으로, 축열조 내 열교환을 통해 목적온도로 균일화된 열원을 열전발전기로 공급하며, 가열된 물을 판매하거나 열전발전기에 사용된 물을 축열조 내 열교환기로 순환시켜 열전발전기로 재공급하고, 축열조 내에서 가열된 열블럭을 외부로 공급하여 활용할 수 있는 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치에 관한 것이다.
열전발전장치는 열전모듈의 제베크 효과를 통해 폐열로부터 전기에너지를 발생시키는 장치이다.
일반적으로 열전발전장치는 활용 가능한 열원을 직접 소자가 집적된 발전부로 접촉시키고, 소자의 반대면에 구조적으로 대응된 냉원과 온도차를 발생시켜 발전하는 단순한 구조를 가지며 저온부 간의 온도차가 확보되도록 공랭식으로 냉각시키는 방열체가 구비된다.
즉, 열전발전장치는 열전모듈의 고온부로 전달되는 폐열의 열기에 의해 열전모듈의 고온부와 저온부 간에 온도차가 생기면서 전기에너지를 발생하는 것이다.
열전발전장치의 효율은 열전발전시 인입되는 열원의 온도변화에 매우 민감하여 온도변화의 범위가 넓을 경우 전력품질 저하를 동반하므로 활용 가능한 열원의 온도의 안정성이 매우 중요하다.
그러나 종래에는 단순히 열의 활용만을 고려하여 열전발전장치로 인입되는 다양한 열원을 제어하려는 기술개발이 이루어지지 않아 실제 기대되는 발전 출력을 생산할 수 없는 어려움이 있었다.
또한, 열전소자의 고온부로 공급되는 열원이 사용된 후 온도가 저감되어 배출되는 과정이 반복되면서 소모되는 열원을 재활용할 수 있는 방안 모색이 필요한 실정이다.
대한민국공개특허공보 제10-2016-0077624호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 축열조 내 열교환을 통해 목적온도로 균일화된 열원을 열전발전기로 공급하는데 목적이 있다.
또한, 축열조 내에서 열교환을 통해 가열된 물을 판매하거나 열전발전기에 사용된 물을 축열조 내 열교환기로 순환시켜 열전발전기로 재공급하는데 목적이 있다.
또한, 축열조 내부로 열블럭을 유입하거나 외부로 공급하며, 축열물질에 의해 가열된 열블럭을 외부로 판매하거나 활용할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
또한, 열전발전기의 전후단의 인입압력과 배출압력을 제어하면서 열전발전기 내부로 유입된 가스 또는 유체를 오랫동안 머무르도록 하는데 목적이 있다.
또한, 축열조에서 열전발전기 측으로 공급되는 목적온도의 가스를 열전발전기의 전체면으로 균일하게 확산되게 하며, 공급되는 과정에서 열이 외부로 손실되지 않도록 하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고온의 가스를 공급하는 열원공급부; 상기 열원공급부에서 공급받은 가스의 온도를 내부공간의 축열물질에 의해 균일하게 유지하는 축열조; 상기 축열조 내에 배치되고, 공급처에서 공급받은 저온의 유체와 상기 축열조 내 가스를 열교환하여 상기 축열조 내의 가스를 목적온도로 낮추는 열교환기; 상기 축열조 또는 열교환기에서 공급받은 목적온도의 가스를 열전소자의 고온부 열원으로 활용하여 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 열전발전기;를 포함하는 열전하이브리드 발전장치에 있어서, 외부에서 상기 축열조 내부로 공급되고, 축열조 내부의 축열물질에 의해 가열되어 외부로 반출되는 열블럭;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치를 기술적 요지로 한다.
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상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치는 축열조 내 열교환을 통해 목적온도로 균일화된 열원을 열전발전기로 공급하여 발전 출력을 향상시킬 수 있다.
또한, 열전발전기로 공급되는 고온의 가스와 열교환되어 배출되는 물을 판매처로 공급하거나, 열전발전기에 사용되어 낮아진 온도의 물을 축열조 내 열교환기로 순환시켜 열전발전기로 재공급하여 비용을 절감할 수 있다.
또한, 축열조 내부로 열블럭을 유입하거나 외부로 공급하며, 축열물질에 의해 가열된 열블럭을 외부로 판매하거나 활용할 수 있는 이점이 있다.
또한, 열전발전기의 전후단에 설치되는 압력조절용 밸브에 의해 열전발전기 내부로 유입된 가스 또는 유체를 오랫동안 머무르도록 제어하여 열전발전기의 소비열량의 효율을 높일 수 있다.
또한, 축열조와 열전발전기 사이에 열풍분배기를 배치하여 열전발전기의 전체면으로 균일하게 확산되게 하며, 외벽에 이중 단열층을 형성하여 공급되는 과정에서 열이 외부로 손실되지 않아 열전발전기로 목적온도의 열이 전달될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치의 일실시예이다.
도 2는 본 발명에 따른 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치의 다른 실시예이다.
도 3은 본 발명에 따른 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치의 열블럭이 포함된 일실시예이다.
도 4는 본 발명에 따른 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치의 열블럭이 포함된 다른 실시예이다.
도 5는 본 발명에 따른 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치의 열풍분배기 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
아울러, 본 발명을 설명하는데 있어서, 방향을 지시하는 용어들은 당업자가 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 기재된 것들로서, 상대적인 방향을 지시하는 것이므로, 이로 인해 권리범위가 제한되지는 않는다고 할 것이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치는 열원공급부(100), 축열조(200), 열블럭(300), 열교환기(400), 열전발전기(500), 압력조절용 밸브(600), 열풍분배기(700)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
열원공급부(100)는 열전발전기(500)의 고온부에 공급되는 가스(A)가 저장되는 곳으로, 열원공급부(100)에 저장된 고온의 가스(A)가 축열조 내의 열교환을 통해 열전발전기(500) 측으로 공급가능한 목적온도로 낮추어져 공급된다.
축열조(200)는 열원공급부(100)에서 고온의 가스(A)를 공급받아 열교환에 의해 낮아진 목적온도의 가스(A)를 균일화하여 열전발전기(500)로 공급한다.
여기서 축열조(200)는 내부에 모래, 자갈 등과 같은 축열물질(201)이 구비되며, 이러한 축열물질(201)에 의해 가스(A)의 온도를 유지할 수 있게 된다. 또한, 축열조(200) 내부에 구비되는 축열물질(201)은 비열이 높은 물질로 이루어지며, 내부에 저장되는 가스(A)의 온도가 유지될 수 있도록 단열 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
도 1을 참고하면, 축열조(200)에는 열원공급부(100)와 연결되는 가스유입관과 열전발전기(500)와 연결되는 가스공급관이 갖추어질 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 축열조(200)의 가스유입관과 가스공급관의 외벽에 공기층인 이중 단열층(710)이 형성되어 가스의 열이 외부로 손실되는 것을 방지할 수 있다.
도 3을 참고하면, 열블럭(300)은 축열조(200) 내부로 유입되거나 외부로 공급되며, 축열조(200) 내부의 축열물질(201)에 의해 가열되어 외부로 판매될 수 있다. 이러한 열블럭(300)은 축열조(200) 내부의 열을 이용하여 에너지 소모 없이 가열되며, 활용하고자 하는 다양한 사용처에 제공될 수 있다. 이때, 열블럭(300)은 축열조(200) 상에서 가열된 후 외부로 공급될 수 있도록 컨베이어 벨트식 구조로 갖추어질 수 있다.
열교환기(400)는 축열조(200) 내에 배치되고, 공급처(401)에서 전달받은 저온의 유체(B)를 축열조(200) 내의 고온의 가스(A)와 열교환시킨다. 이러한 열교환기(400)는 금속관으로 이루어질 수 있으며, 축열조(200) 내부에 스프링 형상으로 회전하면서 형성되어, 설치공간은 최소화하고 전열면적을 확장시킬 수 있다.
열교환기(400)는 공급처(401)에서 저온의 유체(B)를 공급받아 축열조(200) 내의 고온의 가스(A)와 열교환시켜 가열된 유체(B)를 판매처(420)로 공급한다. 이와 같이, 고온의 가스(A)를 목적온도로 낮추기 위해 사용되는 유체(B)로는 물이 사용될 수 있으며, 열교환에 의해 뜨거워진 물은 버려지지 않고, 지역난방, 공장, 병합발전기 등의 외부 판매처로 판매하여 경제적인 효과를 얻을 수 있다.
열전발전기(500)는 축열조(200)에서 공급받은 목적온도의 가스(A)를 열전소자의 고온부 열원으로 활용하여 열에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 이때, 열전발전기(500)는 축열조(200)로부터 송풍팬을 이용하여 목적온도의 가스(A)를 공급받을 수 있다.
도 1을 참고하면, 열전발전기(500)에서 사용된 목적온도의 가스(A)는 외부로 배출된다.
이와 같은 열전발전기(500)는 공급받는 가스(A)의 사용목적 따라 배출경로가 변경되며, 활용된 가스(A)는 다양하게 활용될 수 있다.
특히, 열전발전기(500)는 열전재료에 따라 온도구간별 성능지수가 다르며, 최적의 성능을 발휘할 수 있는 고온부의 온도범위가 한정되어 있다. 그러나 본 발명의 열전발전기(500)는 축열조(200) 내 열교환기(400)에서 열교환 된 가스(A)를 사용하고자 하는 목적온도로 공급받을 수 있다. 또한, 가스(A)의 온도를 열교환기(400)에서 목적온도로 맞출 수 있기 때문에 가스(A)를 사용할 수 있는 온도범위를 확대할 수 있는 이점이 있다.
압력조절용 밸브(600)는 열전발전기(500)의 전단과 후단 중의 적어도 하나에 장착되며, 열전발전기(500)의 인입압력과 배출압력을 제어할 수 있다. 이러한 압력조절용 밸브(600)에 의해 열전발전기(500) 내부로 유입된 가스(A)를 오랫동안 머무르도록 하여 열의 균일한 확산을 유도할 수 있게 된다.
도 1과 5를 참고하면, 열풍분배기(700)는 축열조(200)와 열전발전기(500) 사이에 배치되며, 열전발전기(500) 방향으로 공간이 확장 형성된다. 이러한 열풍분배기(700)의 확장 구조에 의해 축열조(200)에서 공급되는 목적온도의 가스 확산이 유도되며, 열전발전기(500)의 전체 면적에 열이 균일하게 분산되도록 돕는다. 또한, 열풍분배기(700)는 도 3에 도시된 바와 같이 외벽이 공기층과 같은 이중 단열층(710)으로 이루어져, 열이 외부로 손실되는 것을 방지할 수 있게 된다. 그리고 열풍분배기(700)는 가스(A)가 유입되는 구간에 촉매물질(720)이 배치되어, 가스(A)와 촉매물질(720)의 촉매반응을 통해 가스(A)의 온도가 상승하게 된다. 그리고 가스(A)의 온도 상승으로 인해 열전발전기(500) 측으로 가스(A)의 확산이 향상되어 열전발전기(500)의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1을 참고하여, 본 발명에 따른 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치의 일실시예를 설명하기로 한다.
열원공급부(100)를 통해 고온의 가스(A)를 축열조(200) 내부로 공급받는다. 이때, 축열조(200) 내부의 축열물질(201)에 의해 가스(A)의 온도가 유지된다.
그리고 축열조(200) 내부에는 열교환기(300)가 설치되며, 외부 공급처(401)에서 열교환기(300) 내부로 유체(B)를 공급받아 다시 외부 판매처(402)로 공급된다.
여기서 저온의 유체(B)가 열교환기(300)로 공급되며, 축열조(200) 내부의 고온의 가스(A)와 열교환 되면서 유체(B)가 가열된다. 이러한 가열된 유체(B)는 지역난방, 공장, 병합발전기 등에 사용될 수 있도록 판매된다.
그리고 축열조(200) 내 고온의 가스(A)가 유체(B)와 열교환 되면서 목적온도로 낮아져 열전발전기(500)의 고온부로 공급된다.
또한, 열전발전기(500)의 전후단에 압력조절용 밸브(600)가 설치되어, 고온의 가스(A)가 열전발전기 내에서 충분히 머무르도록 하여 열의 균일한 확산을 유도한다.
그리고 축열조(200) 내에 열블럭(300)을 유입하여, 축열물질(201)로 가열하고 난 뒤 온실, 도시난방이 없는 곳으로 가열된 열블럭(300)을 빌려주거나 판매할 수 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치는 열원공급부(100), 축열조(200), 열블럭(300), 열교환기(400), 열전발전기(500), 압력조절용 밸브(600)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
열원공급부(100)는 열전발전기(500)의 고온부에 공급되는 가스(A)가 저장되는 곳으로, 열원공급부(100)에 저장된 고온의 가스(A)가 축열조 내의 열교환을 통해 열전발전기(500) 측으로 공급가능한 목적온도로 낮추어져 공급된다.
축열조(200)는 열원공급부(100)에서 고온의 가스(A)를 공급받아 내부에 집열시켜 열교환에 의해 가열된 목적온도의 유체(B) 온도를 균일하게 유지시킬 수 있다.
여기서 축열조(200)는 내부에 모래, 자갈 등과 같은 축열물질(201)이 구비되며, 이러한 축열물질(201)에 의해 가스(A)의 온도를 유지할 수 있게 된다. 또한, 축열조(200) 내부에 구비되는 축열물질(201)은 비열이 높은 물질로 이루어지며, 내부에 저장되는 가스(A)의 온도가 유지될 수 있도록 단열 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 축열조(200)에는 열원공급부(100)와 연결되는 가스유입관이 형성되어, 열원공급부(100)를 통해 고온의 가스(A)가 축열조(200) 내부로 유입되며, 축열물질(201)에 의해 가스(A)의 온도가 유지된다.
도 4를 참고하면, 열블럭(300)은 축열조(200) 내부로 유입되거나 외부로 공급되며, 축열조(200) 내부의 축열물질(201)에 의해 가열되어 외부로 판매될 수 있다. 이러한 열블럭(300)은 축열조(200) 내부의 열을 이용하여 에너지 소모 없이 가열되며, 활용하고자 하는 다양한 사용처에 제공될 수 있다. 이때, 열블럭(300)은 축열조(200) 상에서 가열된 후 외부로 공급될 수 있도록 컨베이어 벨트식 구조로 갖추어질 수 있다.
열교환기(400)는 축열조(200) 내에 배치되고, 공급처(401)에서 전달받은 저온의 유체(B)를 축열조(200) 내의 고온의 가스(A)와 열교환시킨다. 이러한 열교환기(400)는 금속관으로 이루어질 수 있으며, 축열조(200) 내부에 스프링 형상으로 회전하면서 형성되어, 설치공간은 최소화하고 전열면적을 확장시킬 수 있다.
그리고 열교환기(400)는 공급처(410)에서 저온의 유체(B)를 공급받아 축열조(200) 내의 고온의 가스(A)와 열교환시켜 목적온도로 균일하게 가열된 유체(B)를 열전발전기(500)로 공급한다. 이때, 사용된 가열된 유체(B)는 열전발전기(500)에서 사용된 후, 온도가 낮아진 유체(B)가 다시 열교환기(400)로 유입되어 재가열되며 다시 열전발전기(500)로 공급되도록 순환된다.
열전발전기(500)는 축열조(200)에서 공급받은 목적온도의 유체(B)를 열전소자의 고온부 열원으로 활용하여 열에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 이때, 열전발전기(500)는 축열조(200)로부터 펌프를 이용하여 목적온도의 유체(B)를 공급받을 수 있다.
그리고 열전발전기(500)에서 사용된 목적온도의 유체(B)는 온도가 떨어지게 되며 다시 축열조(200) 내부의 열교환기(400)로 공급되어 다시 가열된다.
이와 같은 열전발전기(500)는 공급받는 유체(B)의 사용목적 따라 배출경로가 변경되며, 활용된 유체(B)는 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 열전발전기(500)는 열전재료에 따라 온도구간별 성능지수가 다르며, 최적의 성능을 발휘할 수 있는 고온부의 온도범위가 한정되어 있다. 그러나 본 발명의 열전발전기(500)는 축열조(200) 내 열교환기(400)에서 열교환 된 유체(B)를 사용하고자 하는 목적온도로 공급받을 수 있다. 또한, 유체(B)의 온도를 열교환기(400)에서 목적온도로 맞출 수 있기 때문에 유체(B)를 사용할 수 있는 온도범위를 확대할 수 있는 이점이 있다.
압력조절용 밸브(600)는 열전발전기(500)의 전단과 후단 중의 적어도 하나에 장착되며, 열전발전기(500)의 인입압력과 배출압력을 제어할 수 있다. 이러한 압력조절용 밸브(600)에 의해 열전발전기(500) 내부로 유입된 유체(B)를 오랫동안 머무르도록 하여 열의 균일한 확산을 유도할 수 있게 된다.
도 2를 참고하여, 본 발명에 따른 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치의 다른 실시예를 설명하기로 한다.
열원공급부(100)를 통해 고온의 가스(A)를 축열조(200) 내부로 공급받는다. 이때, 축열조(200) 내부의 축열물질(201)에 의해 가스(A)의 온도가 유지된다.
그리고 축열조(200) 내부에는 열교환기(300)가 설치되며, 외부 공급처(401)에서 열교환기(300) 내부로 유체(B)를 공급받아 열전발전기(500)로 유체(B)가 공급되고, 사용된 유체(B)가 다시 열교환기(300)로 순환된다.
여기서 저온의 유체(B)가 열교환기(300)로 공급되며, 축열조(200) 내부의 고온의 가스(A)와 열교환 되면서 유체(B)가 목적온도로 가열된다. 가열된 목적온도의 유체(B)는 열전발전기(500)의 고온부로 공급되어 사용된다. 그리고 열전발전기(500)에서 사용된 유체(B)는 온도가 낮아져 다시 열교환기(300)로 공급되는 순환구조로 이루어진다.
또한, 열전발전기(500)의 전후단에 압력조절용 밸브(600)가 설치되어, 고온의 유체(B)가 열전발전기 내에서 충분히 머무르도록 하여 열의 균일한 확산을 유도한다.
그리고 축열조(200) 내에 열블럭(300)을 유입하여, 축열물질(201)로 가열하고 난 뒤 온실, 도시난방이 없는 곳으로 가열된 열블럭(300)을 빌려주거나 판매할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 기본적인 기술적 사상은 축열조 내 열교환을 통해 목적온도로 균일화된 열원을 열전발전기로 공급하며, 가열된 물을 판매하거나 열전발전기에 사용된 물을 축열조 내 열교환기로 순환시켜 열전발전기로 재공급하고, 축열조 내에서 가열된 열블럭을 외부로 공급하여 활용할 수 있는 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치를 제공하는 것임을 알 수 있다.
이러한 본 발명의 기본적인 기술적 사상 범주내에서 당업계의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형이 가능함은 물론이며, 따라서 본 발명의 범주는 다양한 변형 예들을 포함하도록 작성된 특허청구범위 내에서 해석되어야 할 것이다.
A : 가스
B : 유체
100 : 열원공급부
200 : 축열조
201 : 축열물질
300 : 열블럭
400 : 열교환기
410 : 공급처
420 : 판매처
500 : 열전발전기
600 : 압력조절용 밸브
700 : 열풍분배기
710 : 이중 단열층
720 : 촉매물질

Claims (9)

  1. 고온의 가스를 공급하는 열원공급부; 상기 열원공급부에서 공급받은 가스의 온도를 내부공간의 축열물질에 의해 균일하게 유지하는 축열조; 상기 축열조 내에 배치되고, 공급처에서 공급받은 저온의 유체와 상기 축열조 내 가스를 열교환하여 상기 축열조 내의 가스를 목적온도로 낮추는 열교환기; 상기 축열조 또는 열교환기에서 공급받은 목적온도의 가스를 열전소자의 고온부 열원으로 활용하여 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 열전발전기;를 포함하는 열전하이브리드 발전장치에 있어서,
    상기 열전발전기의 전단과 후단 중의 적어도 하나에 장착되며, 상기 열전발전기의 인입압력과 배출압력을 제어하고, 상기 열전발전기 내부로 유입된 가스 또는 유체를 머무르도록 하여 열의 균일한 확산을 유도하는 압력조절용 밸브;
    외부에서 상기 축열조 내부로 공급되고, 축열조 내부의 축열물질에 의해 가열되어 외부로 반출되는 열블럭; 및
    상기 열블럭을 축열조 내부로 공급하거나 외부로 반출하는 컨베이어 벨트;를 더 포함하고,
    상기 축열물질은 모래 또는 자갈인 것을 특징으로 하는 다기능 축열 열전하이브리드 발전장치.
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