KR102375899B1 - 폐열 및 나노입자를 이용한 열전변환시스템 - Google Patents

Abstract

고온의 폐열 및 나노입자를 이용한 열전변환시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 열전변환시스템은 고온의 폐열을 회수하는 폐열회수장치; 자성을 띤 나노입자를 포함하는 자성유체가 이동하는 통로로서, 유입구와 유출구를 갖되, 유입구는 폐열회수장치에 연결되는, 자성유체수송관; 및 자성유체수송관의 외측에 소정구간 권선되는 코일과, 코일을 감싸도록 코일 외측에 원통형상으로 마련되는 마그넷을 포함하여 이루어지는 기전력발생부를 포함한다.

Description

폐열 및 나노입자를 이용한 열전변환시스템{THERMOELECTRIC CONVERSION SYSTEM USING WASTE HEAT AND NANOPARTICLE}

본 발명은 폐열 및 나노입자를 이용한 열전변환시스템에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 고온의 폐열 및 나노입자를 이용하여 전기를 발생시키는 것으로서, 버려지는 고온의 폐열의 온도차와 나노입자를 이용하여 전기를 생산할 수 있는 열전변환시스템에 관한 것이다.

현재 에너지원으로 사용되고 있는 석유, 천연가스와 같은 자원은 멀지 않은 미래에 고갈될 것으로 예상되는 만큼, 신재생에너지에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 이 중, 특히 버려지는 열에너지, 즉, 폐열을 이용하여 전기에너지를 재생산하는 기술에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 폐열 재활용 기술은, 에너지 절약의 이점이 있을 뿐만 아니라, 이산화탄소, 산화질소, 황산화물 등의 유해물질의 양도 저감시키는 이점이 있다.

폐열을 이용하여 전기로 변환하기 위해서는 열전소자(Thermoelectric device)를 사용하거나 열역학의 랭킨사이클(Rankine Cycle)을 바탕으로 냉매의 압축 및 팽창을 이용하여 터빈 및 발전기를 사용한 방식이 주를 이루고 있다.

열역학의 랭킨사이클은 도 1에 도시된 바와 같이, 펌프에 의해 순환되는 작동유체가 보일러를 통과하여 고압의 증기로 변하여 터빈을 회전시킴으로써 발생되는 축동력으로 터빈에 연결된 발전기를 회전시켜 전기를 생산한다.

이 때, 고온의 열원을 이용할 경우에는 작동유체로 물이 주로 사용되며, 중/저온의 열원을 이용할 경우에는 유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle; ORC)을 이용하여 비등점이 낮고 증기압이 높은 작동유체로 프레온 계열의 냉매, 프로판 등의 탄화수소계 유기혼합물을 사용하고 있다.

이러한 종래의 열-전기변환장치는 열교환기 이외에 터빈과 발전기가 추가로 장착되어야 하므로 시스템의 크기가 대형화되어 열 회수효율 및 열-전기변환효율이 낮다는 문제점이 있다.

이에, 기존 사이클의 냉매 대신에 자성을 띤 나노입자를 열사이클에 순환시키고 유도코일 및 자석을 이용하여 직접 전기로 변환하는 기술개발이 이루어지고 있다.

관련하여, 한국등록특허 제1301945호는 자성유체를 열변환사이클에 직접 순환시키고, 유도코일을 이용하여 전기로 변환하는 자성유체의 방향성 제어장치에 대해 개시하고 있으나, 자성유체를 구성하는 자성입자를 방향제어하는 방식을 취하므로 나노암페어 또는 나노볼트 수준의 낮은 기전력을 발생시킨다는 단점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 고온의 폐열을 이용하여 높은 효율로 전기를 발생시킬 수 있는 열전변환시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 고온의 폐열을 이용하고 자성을 띠는 나노입자의 무자세를 취함으로써 높은 기전력을 발생시키는 열전변환시스템을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 버려지는 폐열을 이용하여 별도의 열원이나 터빈/발전기 등을 추가하지 않고 수십 내지 수백 와트(W) 급의 전기를 생성할 수 있는 열전변환시스템을 제공하고자 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온의 폐열을 이용한 열전변환시스템은, 고온의 폐열을 회수하는 폐열회수장치; 자성을 띤 나노입자를 포함하는 자성유체가 이동하는 통로로서, 유입구와 유출구를 갖되, 상기 유입구는 상기 폐열회수장치에 연결되는, 자성유체수송관; 및 상기 자성유체수송관의 외측에 소정구간 권선되는 코일과, 상기 코일을 감싸도록 상기 코일 외측에 원통형상으로 마련되는 마그넷을 포함하여 이루어지는 기전력발생부를 포함한다.

실시 예에 있어서, 기전력발생부는 소정간격으로 이격되어 복수 개 형성될 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 열전변환시스템은, 상기 자성유체를 열매체로서 사용하여 상기 폐열을 열교환시키는 열교환기를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 열전변환시스템은, 상기 기전력발생부로부터 생성되는 유도전력을 저장하는 축전지를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 열전변환시스템은 데이터이력기록장치를 더 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 마그넷은 다단(多段)으로 구성될 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 코일은 에나멜 코일일 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 열전변환시스템은, 상기 자성유체수송관의 상기 유출구에 연결되어, 유입되는 자성유체를 펌핑하여 배출시키는 인젝터를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 버려지는 에너지인 폐열과 나노입자를 이용하여 전기로 변환함으로써 친환경적인 방법으로 신재생에너지를 생산할 수 있으며 오염원이 없다는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 별도의 추가적인 터빈 또는 발열장치가 없이도, 기존의 인프라를 이용하여 전기를 생산할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 고온의 폐열을 이용하고, 나노입자의 무자세를 적용함으로써 수백 와트(W)급의 전력을 얻을 수 있는 이점이 있다. 특히 철도의 동력장치 등에 적용되는 경우, 레일밖으로 버려지는 대량의 폐열을 이용하여 원하는 수준의 전기를 생산하여 철도차량 조명장치 등에 활용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 기전력발생부의 개수 또는 간격 등을 조정함으로써 활용목적에 따라 수십 내지 수백 와트의 전력을 다양하게 생산할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 종래의 다이나모 사이클의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전변환시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전변환시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명인 열전변환시스템에서 전기를 생성하는 과정을 설명하기 위한 도이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전변환시스템에서 유도되는 전력량을 도시하는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전변환시스템(100)이 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열전변환시스템(100)은 버려지는 고온의 폐열과 나노입자를 이용하여 전기를 생산하는 시스템으로서, 특히 철도의 동력장치 등에 적용되는 경우, 레일밖으로 버려지는 대량의 고온의 폐열을 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 이렇게 버려지는 폐열의 온도는 40℃이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 폐열의 온도는 발생하는 수준 이내에서 높을수록 바람직하다 할 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전변환시스템(100)은 고온의 폐열을 회수하는 폐열회수장치(110), 자성유체수송관(120), 및 기전력발생부(130)를 포함하여 이루어진다. 자성유체수송관(120)은 단면이 소정 직경의 원형인, 원통형상의 튜브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 단면은 사각형 등 기타 형상일 수 있다. 자성유체수송관(120)은 자성을 띤 나노입자를 포함하는 자성유체가 이동하는 통로로서, 자성유체수송관(120)의 유입구(122)는 폐열회수장치(110)에 연결되어, 폐열회수장치(110)로부터 자성을 띤 나노입자를 포함하는 자성유체를 공급받는다. 한편, 자성유체수송관(120)의 유출구(124)는 다시 폐열회수장치(110)에 연결되어 피드백 루프를 형성할 수 있다. 도 2에는 자성유체수송관(120)의 유출구(124)가 다시 폐열회수장치(110)에 연결되어 전체 시스템이 폐루프를 형성하는 예가 도시되어 있다. 반면, 도시되지는 않았으나, 자성유체수송관(120)의 유출구(124)는 오픈되어 자성유체를 외부로 배출시키도록 구성될 수도 있다. 본 발명에 따른 열전변환시스템(100)은 폐열회수장치(110)와 자성유체수송관(120) 사이에 열교환기(미도시)를 더 구비할 수 있다. 열교환기는 자성유체를 열 매체로서 사용하여 폐열을 열교환시키는 역할을 한다.

기전력발생부(130)는 자성유체수송관(120)의 소정 구간에 형성될 수 있다. 기전력발생부(130)는 코일(132)과 마그넷(134)을 포함하여 이루어진다. 자성유체수송관(120)의 외측에는 코일(132)이 소정 구간 권선된다. 상기 코일(132)은 에나멜 코일일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 코일(132) 외측에는 원통형상의 마그넷(134)이 구비된다. 마그넷(134)은 코일(132)을 감싸도록 마련되는 중공관 형태로서, 마그넷(134)의 길이는 코일(132)의 길이와 동일한 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 마그넷(134)은 다단(多段)으로 구성되어 기전력발생부(130)에서 생성되는 유도기전력을 배가시킬 수 있으며, 코일(132)과 마그넷(134)을 포함하여 이루어지는 기전력발생부(130) 는 소정 간격 이격되어 자성유체수송관(120)에 복수 개 형성될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 열전변환시스템(100)은 기전력발생부(130)에서 발생되는 유도전력을 저장하는 축전지(140)를 더 포함할 수 있으며, 데이터이력을 기록하는 데이터이력기록장치(150)를 더 포함할 수 있다. 도 2에는 데이터이력기록장치(150)가 축전지(140)와 별도로 구비되어 있는 예가 도시되어 있으나, 데이터이력기록장치(150)는 축전지(140)와 일체로 형성될 수도 있다.

다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전변환시스템(100)에 대해 설명한다. 본 실시예에 따른 열전변환시스템(100)은 폐열회수장치(110), 자성유체수송관(120), 기전력발생부(130) 및 인젝터(160)를 포함하여 이루어진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 자성유체수송관(120)의 유입구(122)는 폐열회수장치(110)에 연결되고, 유출구(124)는 인젝터(160)에 연결된다. 폐열회수장치(110)측에서 자성유체수송관(120)으로 유입된 자성유체는 기전력발생부(130)를 통과한 후, 인젝터(160)를 통해 다시 기전력발생부(130)로 수송되는 방식으로 자성유체수송관(120) 내를 왕복운동할 수 있다. 본 실시예에 따른 열전변환시스템(100) 또한 기전력발생부(130)에서 발생하는 유도전력을 저장하는 축전지(140), 데이터이력기록장치(미도시), 및/또는 자성유체를 열 매체로서 사용하여 폐열을 열교환시키는 열교환기(미도시)를 더 포함할 수 있다.

도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전변환시스템(100)에서 전기를 생성하는 과정을 설명한다. 자성유체(MF)는 액체 속에 나노입자로 이루어진 자성분말을 콜로이드 모양으로 안정, 분산시킨 다음 침전이나 응집이 생기지 않도록 계면활성제를 첨가한 유체이다. 상술한 바와 같이 자성유체(MF)는 온도차에 따라 자성유체수송관(120)을 따라 이동하게 되는데, 고온의 폐열이 회수되는 폐열회수장치(120) 측의 유입구(122)로부터 유출구(124) 방향(즉,→ 방향)으로 자성유체(MF)가 흐르게 된다. 자성유체(MF)가 기전력발생부(130)에 진입하면 플레밍의 법칙에 의해 유도전력이 발생된다. 자계방향은 편의상 자성유체수송관(120)의 유입구(122) 측을 마그넷(134)의 N극, 유출구(124) 측을 마그넷(134)의 S극으로 도시하였으나, N극과 S극이 반대로 될 수도 있음은 자명하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 자성유체(MF)의 나노입자들은 무자세를 취하며 자성유체수송관(120)을 따라 흐르면서 유도전력을 발생시킨다. 본 발명에 따른 열전변환시스템(100)의 기전력발생부(130)를 조정함으로써 발생되는 전기량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 기전력발생부(130)를 소정 간격 이격되도록 하여 자성유체수송관(120)에 설치할 수도 있고, 기전력발생부(130)를 이루는 코일(132)의 권선 횟수를 달리하거나 마그넷(134)의 자력을 조정하는 방식으로 원하는 양의 유도전력을 생성할 수 있다. 또한, 마그넷(134)을 다단으로 구성하여 기전력을 증대시키는 구성도 가능하다.

도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전변환시스(100)템에서 발생되는 유도전력량 그래프가 도시되어 있다. 도 5(a) 및 도 5(b) 는 코일(132)의 권선 횟수(N)를 달리한 실험그래프로서, 도 5(a)는 3중 코일인 경우이고, 도 5(b)는 5중 코일인 경우를 도시한다. 코일의 권선 횟수(N)는 도 5(a)의 경우, 270번 (90번x3중)이고, 도 5(b)의 경우, 450번 (90번x5중) 이다. 공통적으로 두께 0.5mm의 에나멜 코일을 사용하였고, 코일을 감은 간격은 45mm 이다. 마그넷(134)은 길이 55mm 의 도넛형 영구자석을 사용하였고, 자성유체수송관의 길이는 300mm 로 설정하였다. 본 실시예에서 마그넷(134)은 내경 18mm, 외경 28mm, 두께 5mm, 3600 가우스의 네오듐 자석을 사용하였으나, 이에 한정되지 않음은 자명하다. 상술한 바와 같이, 마그넷을 다단으로 구성하여 자력을 배가시킬 수 있고, 자력이 더 큰 마그넷을 사용할 수도 있음은 물론이다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 고온의 폐열과 자성을 띠는 나노입자의 무자세를 이용하여 수십 내지 수백 와트급의 전력을 발생시키는 열전변환시스템을 구현할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시 예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100 : 열전변환시스템 110 : 폐열회수장치
120 : 자성유체수송관 122 : 유입구
124 : 유출구 130 : 기전력발생부
132 : 코일 134 : 마그넷
140 : 축전지 150 : 데이터이력기록장치

Claims (8)

1. 고온의 폐열을 회수하는 폐열회수장치;
   자성을 띤 나노입자를 포함하는 자성유체가 이동하는 통로로서, 유입구와 유출구를 갖되, 상기 유입구는 상기 폐열회수장치에 연결되는, 자성유체수송관;
   상기 자성유체수송관의 외측에 소정구간 권선되는 코일과, 상기 코일을 감싸도록 상기 코일 외측에 원통형상으로 마련되는 마그넷을 포함하여 이루어지는 기전력발생부; 및
   상기 자성유체수송관의 상기 유출구에 연결되어, 유입되는 자성유체를 펌핑하여 배출시키는 인젝터를 포함하고,
   상기 기전력발생부를 통과한 상기 자성유체는 상기 인젝터에 의해 상기 기전력발생부로 수송되어 왕복 운동하는 고온의 폐열을 이용한 열전변환시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 기전력발생부는 소정간격으로 이격되어 복수 개 형성되는 고온의 폐열을 이용한 열전변환시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 열전변환시스템은,
   상기 자성유체를 열매체로서 사용하여 상기 폐열을 열교환시키는 열교환기를 더 포함하는, 고온의 폐열을 이용한 열전변환시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 열전변환시스템은,
   상기 기전력발생부로부터 생성되는 유도전력을 저장하는 축전지를 더 포함하는 고온의 폐열을 이용한 열전변환시스템.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 열전변환시스템은 데이터이력기록장치를 더 포함하는 고온의 폐열을 이용한 열전변환시스템.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 마그넷은 다단(多段)으로 구성되는 고온의 폐열을 이용한 열전변환시스템.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 코일은 에나멜 코일인 고온의 폐열을 이용한 열전변환시스템.
   
   
   
   
8. 삭제

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