KR102565206B1 - 열전 발전을 이용한 열 활용 시스템 - Google Patents

열전 발전을 이용한 열 활용 시스템 Download PDF

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KR102565206B1 KR1020220155648A KR20220155648A KR102565206B1 KR 102565206 B1 KR102565206 B1 KR 102565206B1 KR 1020220155648 A KR1020220155648 A KR 1020220155648A KR 20220155648 A KR20220155648 A KR 20220155648A KR 102565206 B1 KR102565206 B1 KR 102565206B1
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김창술
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Abstract

열 활용 시스템은 제1 배가스 및 저온 수의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산하도록 구성되는 열전 발전 모듈, 및 제2 배가스의 열을 중온수로 전달하여 고온 수를 생산하도록 구성되는 열 교환 모듈을 포함하되, 열전 발전 모듈은 저온 수를 가열하여 중온수를 배출하도록 구성된다.

Description

열전 발전을 이용한 열 활용 시스템{HEAT UTILIZATION SYSTEM USING THERMALELECTRIC POWER GENERATION}
본 개시는 열전 발전을 이용한 열 활용 시스템에 관한 것이다.
연료 전지 또는 소각장은 많은 양의 폐열이 발생한다. 최근 폐열을 회수하여 활용하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 폐열 회수 분야에서는 회수 효율의 개선 및 다양한 에너지 수요에 대응하는 기술이 요구된다.
해결하고자 하는 과제는 전기 수요량 및 온수 수요량에 따라 전기 생산량 및 온수 생산량을 조절할 수 있는 열전 발전을 이용한 열 활용 시스템을 제공하는 것에 있다.
해결하고자 하는 과제는 개선된 열 효율을 갖는 열 활용 시스템을 제공하는 것에 있다.
다만, 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
일 측면에 있어서, 제1 배가스 및 저온 수의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산하도록 구성되는 열전 발전 모듈; 및 제2 배가스의 열을 중온수로 전달하여 고온 수를 생산하도록 구성되는 열 교환 모듈;을 포함하되, 상기 열전 발전 모듈은 상기 저온 수를 가열하여 상기 중온수를 배출하도록 구성되는 열 활용 시스템이 제공될 수 있다.
상기 열전 발전 모듈은: 상기 제1 배가스의 온도가 상대적으로 낮을 경우 사용되는 중온 열전 소자 모듈; 및 상기 제1 배가스의 온도가 상대적으로 높을 경우 사용되는 고온 열전 소자 모듈;을 포함할 수 있다.
상기 열전 발전 모듈로부터 배출된 상기 제1 배가스의 적어도 일부가 상기 열 교환 모듈에 제공되도록 구성될 수 있다.
상기 열 교환 모듈로부터 배출된 상기 제2 배가스의 적어도 일부가 상기 열전 발전 모듈에 제공되도록 구성될 수 있다.
초기 배가스를 배출하도록 구성되는 열원;을 더 포함하되, 상기 초기 배가스는 상기 제1 배가스 및 상기 제2 배가스를 포함할 수 있다.
상기 열원은 연료전지 및 소각장 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제어부;를 더 포함하되, 상기 제어부는 전기 수요량 및 온수 수요량에 기초하여 상기 제1 배가스 및 상기 제2 배가스의 비율을 조절하도록 구성될 수 있다.
외부로부터 제공되는 초기 배가스를 이송하는 제1 배가스 라인; 상기 제1 배가스 라인과 상기 열전 발전 모듈 사이에 제공되어 상기 제1 배가스를 이송하는 제2 배가스 라인; 및 상기 제1 배가스 라인과 상기 열 교환 모듈 사이에 제공되어 상기 제2 배가스를 이송하는 제3 배가스 라인;을 더 포함하되, 상기 초기 배가스는 상기 제1 배가스 및 상기 제2 배가스를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 전기의 수요량 및 상기 온수의 수요량에 기초하여 상기 초기 배가스가 상기 제2 배가스 라인 및 상기 제3 배가스 라인으로 유입되는 비율을 조절하도록 구성될 수 있다.
상기 열전 발전 모듈로부터 배출되는 상기 제1 배가스를 이송하는 제4 배가스 라인; 상기 열 교환 모듈로부터 배출되는 상기 제2 배가스를 이송하는 제5 배가스 라인; 상기 제4 배가스 라인과 상기 제3 배가스 라인 사이에 제공되는 제7 배가스 라인; 및 상기 제5 배가스 라인과 상기 제2 배가스 라인 사이에 제공되는 제8 배가스 라인;을 더 포함하되, 상기 제어부는, 상기 전기 수요량 및 상기 온수 수요량에 기초하여 상기 열전 발전 모듈로부터 배출되는 상기 제1 배가스를 상기 제7 배가스 라인을 통해 상기 제3 배가스 라인에 제공하거나 상기 열 교환 모듈로부터 배출되는 상기 제2 배가스를 상기 제8 배가스 라인을 통해 상기 제2 배가스 라인에 제공하도록 구성될 수 있다.
상기 열전 발전 모듈에 상기 저온 수를 공급하는 제1 급수 라인; 상기 열전 발전 모듈과 상기 열 교환 모듈 사이에 제공되어 상기 중온수를 이송하는 제2 급수 라인; 및 상기 열 교환 모듈로부터 배출되는 고온 수를 이송하는 제3 급수 라인;을 더 포함할 수 있다.
본 개시는 전기 수요량 및 온수 수요량에 따라 전기 생산량 및 온수 생산량을 조절할 수 있는 열 활용 시스템을 제공할 수 있다.
본 개시는 개선된 열 효율을 갖는 열 활용 시스템을 제공할 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 열 활용 시스템을 나타낸다.
도 2는 도 1의 열전 발전 모듈의 일 예를 나타낸다.
도 3은 도 1의 열전 발전 모듈의 일 예를 나타낸다.
도 4는 도 1의 열전 발전 모듈의 일 예를 나타낸다.
도 5는 도 1의 열전 발전 모듈의 일 예를 나타낸다.
도 6은 도 1의 열전 발전 모듈의 일 예를 나타낸다.
도 7은 도 1의 열 활용 시스템의 제1 모드를 나타낸다.
도 8은 도 1의 열 활용 시스템의 제2 모드를 나타낸다.
도 9는 도 1의 열 활용 시스템의 제3 모드를 나타낸다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 열 활용 시스템을 나타낸다.
도 11은 도 10의 열 활용 시스템의 제4 모드를 나타낸다.
도 12는 도 10의 열 활용 시스템의 제5 모드를 나타낸다.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 열전 발전 모듈을 나타낸다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 열전 발전 모듈을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “부” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
이하에서, 'a, b, 및 c 중 적어도 하나'는 '오직 a', '오직 b', '오직 c', 'a와 b', 'a와 c', 'b와 c', 또는 'a, b, 및 c'를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 열 활용 시스템을 나타낸다. 도 2는 도 1의 열전 발전 모듈의 일 예를 나타낸다. 도 3은 도 1의 열전 발전 모듈의 일 예를 나타낸다. 도 4는 도 1의 열전 발전 모듈의 일 예를 나타낸다. 도 5는 도 1의 열전 발전 모듈의 일 예를 나타낸다. 도 6은 도 1의 열전 발전 모듈의 일 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 열 활용 시스템(11)이 제공될 수 있다. 열 활용 시스템(11)은 열전 발전 모듈(100), 열 교환 모듈(200), 제1 내지 제6 배가스 라인들(501, 502, 503, 504, 505, 506), 제1 내지 제3 급수 라인들(601, 602, 603), 배출 모듈(300), 및 제어부(400)를 포함할 수 있다.
제1 배가스 라인(501)은 외부의 열원(1100)으로부터 배출된 초기 배가스를 이송하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 열원(1100)은 연료 전지 또는 소각장이고, 초기 배가스는 연료 전지 가동시 또는 소각시 배출되는 가스일 수 있다. 예를 들어, 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지일 수 있다. 제2 배가스 라인(502)은 제1 배가스 라인(501)과 열전 발전 모듈(100) 사이에 제공되어, 제1 배가스를 열전 발전 모듈(100)로 이송하도록 구성될 수 있다. 제1 배가스는 초기 배가스 중 열전 발전 모듈(100)에 제공되는 배가스를 지칭할 수 있다. 제3 배가스 라인(503)은 제1 배가스 라인(501)과 열 교환 모듈(200)에 제공되어, 제2 배가스를 열 교환 모듈(200)로 이송하도록 구성될 수 있다. 제2 배가스는 초기 배가스 중 열 교환 모듈(200)에 제공되는 배가스를 지칭할 수 있다. 제4 배가스 라인(504)은 열전 발전 모듈(100)로부터 배출되는 제1 배가스를 이송하도록 구성될 수 있다. 제5 배가스 라인(505)은 열 교환 모듈(200)로부터 배출되는 제2 배가스를 이송하도록 구성될 수 있다. 제6 배가스 라인(506)은 초기 배가스를 바로 배출할 요구가 발생하는 경우, 초기 배가스를 바로 배출 모듈(300)로 이송하도록 구성될 수 있다.
제1 급수 라인(601)은 저온수 공급원(1200)으로부터 제공되는 저온수를 열전 발전 모듈(100)에 공급하도록 구성될 수 있다. 제2 급수 라인(602)은 열전 발전 모듈(100)과 열 교환 모듈(200) 사이에 제공되어, 열전 발전 모듈(100)로부터 배출된 중온수를 열 교환 모듈(200)에 공급하도록 구성될 수 있다. 제3 급수 라인(603)은 열 교환 모듈(200)로부터 배출되는 고온수를 온수 수요처(1400)에 공급하도록 구성될 수 있다.
열 활용 시스템(11)은 외부의 열원으로부터 배출된 배가스의 열(즉, 폐열)을 회수하여 전기, 고온수, 또는 이들의 조합을 생산하도록 구성될 수 있다. 본 개시의 열 활용 시스템(11)은 이하에서 설명되는 구성에 의해 전기 수요량 및 고온수 수요량에 따라 전기 생산량과 고온수 생산량을 조절할 수 있고, 높은 열 회수 효율을 가질 수 있다.
일 예에서, 도 2에 도시된 것과 같이, 열전 발전 모듈(100)은 열전 소자부(120), 고온부(130), 및 저온부(110)를 포함할 수 있다. 열전 소자부(120)는 열전 소자들을 포함할 수 있다. 열전 소자들은 고온부(130)와 저온부(110)의 온도 차로 인해 기전력을 발생되는 제벡 효과를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 일 예에서, 고온부(130)와 저온부(110)의 온도 차이가 클수록 열전 소자부(120)의 전력 생산 효율은 높을 수 있다. 생산된 전기는 전기 수요처(1300)에 공급될 수 있다. 고온부(130)는 제1 배가스가 제공되는 영역일 수 있다. 예를 들어, 고온부(130)는 제2 배가스 라인(502) 및 제4 배가스 라인(504)에 연결되어, 제1 배가스를 이송하도록 구성될 수 있다. 저온부(110)는 저온수가 제공되는 영역일 수 있다. 예를 들어, 저온부(110)는 제1 급수 라인(601) 및 제2 급수 라인(602)에 연결되어, 저온수를 이송하도록 구성될 수 있다. 저온수는 열전 발전 모듈(100)을 지나며 가열될 수 있다. 예를 들어, 고온부(130)의 열이 열전 소자들을 지나 저온부(110)를 지나는 저온수에 전달될 수 있다. 열전 발전 모듈(100)은 저온수가 가열되어 생성된 중온수를 제2 급수 라인(602)에 배출할 수 있다. 열전 발전 모듈(100)은 제1 배가스를 제4 배가스 라인(504)에 배출할 수 있다.
일 예에서, 도 3에 도시된 것과 같이, 열전 발전 모듈(100)은 고온 열전 소자부(121), 중온 열전 소자부(122), 제1 고온부(131), 제2 고온부(132), 및 저온부(110)를 포함할 수 있다. 고온 열전 소자부(121)는 제1 고온부(131)와 저온부(110)의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 중온 열전 소자부(122)는 제2 고온부(132)와 저온부(110)의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 고온 열전 소자부(121)의 열효율은 고온부(즉, 제1 고온부(131))가 고온 환경에 놓일 경우 높을 수 있다. 고온 열전 소자부(121)는 제1 고온부(131)의 온도가 상대적으로 높을 경우 우수한 열효율을 가질 수 있다. 예를 들어, 고온 열전 소자부(121)는 제1 고온부(131)의 온도가 300~450 ℃인 경우 높은 열효율을 갖는 Skuttuerdite(SKD) 소재를 포함할 수 있다. 중온 열전 소자부(122)의 열효율은 고온부(즉, 제2 고온부(132))가 중온 환경에 놓일 경우 높을 수 있다. 중온 열전 소자부(122)는 제2 고온부(132)의 온도가 상대적으로 낮을 경우 우수한 열효율을 가질 수 있다. 예를 들어, 중온 열전 소자부(122)는 제2 고온부(132)의 온도가 200 ℃이하인 경우 높은 열효율을 갖는 Bi-Te 계 소재를 포함할 수 있다. 고온 환경에서 고온 열전 소자부(121)를 이용하여 생산된 전력량이 중온 열전 소자부(122)를 이용하여 생산된 전력량보다 많을 수 있다. 중온 환경에서 중온 열전 소자부(122)를 이용하여 생산된 전력량이 고온 열전 소자부(121)를 이용하여 생산된 전력량보다 많을 수 있다.
제1 고온부(131) 및 제2 고온부(132)는 제2 배가스 라인(502) 및 제4 배가스 라인(504)에 연결될 수 있다. 제1 배가스가 고온(예를 들어, 300~450 ℃일 경우, 제어부(400)는 제1 배가스가 제1 고온부(131)에 제공되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 열원(1100)으로부터 배출된 초기 배가스가 제1 배가스가 되어 열전 발전 모듈(100)에 바로 공급되는 경우, 제1 배가스는 상대적으로 높은 온도를 가지므로 제1 고온부(131)에 제공될 수 있다. 제1 배가스가 중온(예를 들어, 200 ℃이하)일 경우, 제어부(400)는 제1 배가스가 제2 고온부(132)에 제공되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 후술되는 도 10과 같이, 열원(1100)으로부터 배출된 초기 배가스가 제2 배가스가 되어 열 교환 모듈(200)을 지난 후 열전 발전 모듈(100)에 공급되는 경우, 제1 배가스는 상대적으로 낮은 온도를 가지므로 제2 고온부(132)에 제공될 수 있다. 제어부(400)는 열전 발전 모듈(100)에 공급되는 제1 배가스의 온도에 따라 제1 배가스를 제1 고온부(131) 또는 제2 고온부(132)로 공급하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어부(400)는 제2 배가스 라인(502)과 제1 고온부(131) 사이의 배가스 라인에 배치된 밸브 및 제2 배가스 라인(502)과 제1 고온부(131) 사이의 배가스 라인에 배치된 밸브를 제어하여 제1 배가스가 공급되는 고온부를 결정할 수 있다. 본 개시는 온도에 따라 높은 효율을 갖는 열전 소자를 이용하도록 구성되므로, 높은 열전 변환 효율을 가질 수 있다.
일 예에서, 도 4에 도시된 것과 같이, 열전 발전 모듈(100)은 고온 열전 소자부(121), 중온 열전 소자부(122), 고온부(130), 및 저온부(110)를 포함할 수 있다. 고온부(130)의 온도는 제1 배가스가 유입되는 제2 배가스 라인(502)에 인접할수록 높고, 제1 배가스가 배출되는 제4 배가스 라인(504)에 가까울수록 낮을 수 있다. 고온 열전 소자부(121)는 상대적으로 온도가 높은 고온부(130)의 일 영역에 인접하게 배치되고, 중온 열전 소자부(122)는 상대적으로 온도가 낮은 고온부(130)의 다른 영역에 인접하게 배치될 수 있다. 본 개시의 열전 발전 모듈(100)은 고온부(130)의 온도 분포에 따라 높은 열효율을 갖는 열전 소자부를 이용하므로, 개선된 열효율을 가질 수 있다.
일 예에서, 도 5에 도시된 것과 같이, 열전 발전 모듈(100)은 고온 열전 소자부(121), 제1 중온 열전 소자부(122a), 제2 중온 열전 소자부(122b), 제1 고온부(131), 제2 고온부(132), 및 저온부(110)를 포함할 수 있다. 제1 중온 열전 소자부(122a) 및 제2 중온 열전 소자부(122b)는 중온 환경에서 높은 열효율을 가질 수 있다. 제1 중온 열전 소자부(122a)는 제2 중온 열전 소자부(122b)보다 높은 온도에서 우수한 열효율을 가질 수 있다. 일 예에서, 제1 중온 열전 소자부(122a)는 도 3을 참조하여 설명된 중온 열전 소자부(122)와 실질적으로 동일할 수 있다.
제1 고온부(131)의 온도는 제1 배가스가 유입되는 제2 배가스 라인(502)에 인접할수록 높고, 제1 배가스가 배출되는 제4 배가스 라인(504)에 가까울수록 낮을 수 있다. 고온 열전 소자부(121)는 상대적으로 온도가 높은 제1 고온부(131)의 일 영역에 인접하게 배치되고, 제1 중온 열전 소자부(122a)는 상대적으로 온도가 낮은 제1 고온부(131)의 다른 영역에 인접하게 배치될 수 있다.
제2 고온부(132)의 온도는 제1 배가스가 유입되는 제2 배가스 라인(502)에 인접할수록 높고, 제1 배가스가 배출되는 제4 배가스 라인(504)에 가까울수록 낮을 수 있다. 제1 중온 열전 소자부(122a)는 상대적으로 온도가 높은 제2 고온부(132)의 일 영역에 인접하게 배치되고, 제2 중온 열전 소자부(122b)는 상대적으로 온도가 낮은 제2 고온부(132)의 다른 영역에 인접하게 배치될 수 있다.
본 개시의 열전 발전 모듈(100)은 제1 고온부(131) 및 제2 고온부(132)의 온도에 따라 높은 열효율을 갖는 열전 소자부를 이용하므로, 개선된 열효율을 가질 수 있다.
일 예에서, 도 6에 도시된 것과 같이, 열전 발전 모듈(100)은 고온 열전 소자부(121), 한 쌍의 중온 열전 소자부들(122), 제1 고온부(131), 제2 고온부(132), 및 저온부(110)를 포함할 수 있다.
제1 고온부(131)의 온도는 제1 배가스가 유입되는 제2 배가스 라인(502)에 인접할수록 높고, 제1 배가스가 배출되는 제4 배가스 라인(504)에 가까울수록 낮을 수 있다. 고온 열전 소자부(121)는 상대적으로 온도가 높은 제1 고온부(131)의 일 영역에 인접하게 배치되고, 한 쌍의 중온 열전 소자부들(122) 중 하나는 상대적으로 온도가 낮은 제1 고온부(131)의 다른 영역에 인접하게 배치될 수 있다. 한 쌍의 중온 열전 소자부들(122) 중 다른 하나는 저온부(110)와 제2 고온부(132) 사이에 배치될 수 있다. 본 개시의 열전 발전 모듈(100)은 제1 고온부(131) 및 제2 고온부(132)의 온도에 따라 높은 열효율을 갖는 열전 소자부를 이용하므로, 개선된 열효율을 가질 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 열 교환 모듈(200)은 열전 발전 모듈(100)로부터 배출된 중온수를 제2 급수 라인(602)을 통해 수용할 수 있다. 열 교환 모듈(200)은 제3 배가스 라인(503)으로부터 제2 배가스를 수용할 수 있다. 열 교환 모듈(200)은 제2 배가스의 열이 중온수에 전달되도록 구성될 수 있다. 열 교환 모듈(200)은 중온수가 가열되어 생성된 고온수를 제3 급수 라인(603)을 통해 온수 수요처에 공급하도록 구성될 수 있다. 열 교환 모듈(200)은 제2 배가스를 제5 배가스 라인(505)으로 배출할 수 있다.
제1 배가스와 제2 배가스는 배출 모듈(300)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 일 예에서, 배출 모듈(300)는 가스 정화 설비 또는 백연 저감 설비를 포함할 수 있다.
제어부(400)는 전기 수요처(1300) 및 온수 수요처(1400)에서 각각 요구하는 전기 수요량 및 고온수 수요량에 기초하여 제1 배가스 및 제2 배가스의 비율을 조절할 수 있다. 예를 들어, 전기 수요량 및 고온수 수요량에 대한 정보는 각각 외부의 전기 수요량 측정부(미도시) 및 고온수 수요량 측정부(미도시)에 의해 생성되어 제어부(400)에 제공될 수 있다.
본 개시의 열 활용 시스템(11)은 저온수 및 제1 배가스를 열전 발전 모듈(100)에 사용하여 전기 및 중온수를 생산할 수 있고, 중온수 및 제2 배가스를 열 교환 모듈(200)에 사용하여 고온수를 생산할 수 있다. 이에 따라 열 회수 효율이 개선된 열 활용 시스템(11)이 제공될 수 있다.
이하에서, 도 1의 열 활용 시스템(11)의 작동 모드들이 설명된다.
도 7은 도 1의 열 활용 시스템의 제1 모드를 나타낸다. 도 8은 도 1의 열 활용 시스템의 제2 모드를 나타낸다. 도 9는 도 1의 열 활용 시스템의 제3 모드를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 열 활용 시스템(11)의 제1 모드는 전기 및 고온수 생산이 요구되는 경우에 열 활용 시스템(11)이 갖는 모드일 수 있다. 제1 모드에서, 제어부(400)는 열원(1100)으로부터 방출된 최초 배가스(G1)가 제1 배가스(G2)와 제2 배가스(G3)로 나뉘어 각각 열전 발전 모듈(100) 및 열 교환 모듈(200)에 공급되도록 구성될 수 있다. 제어부(400)는 저온수 공급원(1200)으로부터 배출된 저온수(W1)가 열전 발전 모듈(100)에 공급되도록 구성될 수 있다. 열전 발전 모듈(100)은 제1 배가스(G2)와 저온수(W1)를 이용하여 전기를 생산하도록 구성될 수 있다. 제어부(400)는 열전 발전 모듈(100)로부터 배출되는 중온수(W2)가 열 교환 모듈(200)에 공급되도록 구성될 수 있다. 중온수(W2)는 열 교환 모듈(200)에서 제2 배가스(G3)에 의해 가열되어 고온수(W3)가 생성될 수 있다. 제1 배가스(G2) 및 제2 배가스(G3)는 배출 모듈(300)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 8을 참조하면, 열 활용 시스템(11)의 제2 모드는 전기 및 중온수 생산이 요구되는 경우에 열 활용 시스템(11)이 갖는 모드일 수 있다. 제2 모드에서, 제어부(400)는 열원(1100)으로부터 방출된 최초 배가스(G1)가 열전 발전 모듈(100)에 공급되도록 구성될 수 있다. 즉, 최초 배가스(G1)는 제1 배가스(G2)일 수 있다. 제어부(400)는 저온수 공급원(1200)으로부터 배출된 저온수(W1)가 열전 발전 모듈(100)에 공급되도록 구성될 수 있다. 열전 발전 모듈(100)은 제1 배가스(G2)와 저온수(W1)를 이용하여 전기를 생산하도록 구성될 수 있다. 제어부(400)는 열전 발전 모듈(100)로부터 배출되는 중온수(W2)가 온수 수요처에 공급되도록 구성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 열 활용 시스템(11)의 제3 모드는 많은 양의 고온수 생산이 요구되는 경우에 열 활용 시스템(11)이 갖는 모드일 수 있다. 제3 모드에서, 제어부(400)는 열원(1100)으로부터 방출된 최초 배가스(G1)가 열 교환 모듈(200)에 공급되도록 구성될 수 있다. 즉, 최초 배가스(G1)는 제2 배가스(G3)일 수 있다. 제어부(400)는 저온수 공급원(1200)으로부터 배출된 저온수(W1)가 열 교환 모듈(200)에 공급되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 저온수(W1)는 열전 발전 모듈(100)를 바로 통과하여 열 교환 모듈(200)에 공급될 수 있다. 다른 예에서, 저온수(W1)는 저온수 공급원(1200)과 열 교환 모듈(200)에 제공되는 별도의 급수 라인을 통해 저온수 공급원(1200)에서 열 교환 모듈(200)로 이송될 수 있다. 열 교환 모듈(200)은 제2 배가스(G3)의 열이 저온수(W1)에 공급되어 고온수(W3)가 생성되도록 구성될 수 있다. 제어부(400)는 열 교환 모듈(200)로부터 생성되는 고온수(W3)가 온수 수요처에 공급되도록 구성될 수 있다.
본 개시의 열 활용 시스템(11)이 가질 수 있는 모드는 제1 내지 제3 모드들로 한정되지 않는다. 본 개시의 열 활용 시스템(11)은 사용자의 필요에 따라 본 명세서에 개시되지 않은 여러 모드들로 작동할 수 있다.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 열 활용 시스템을 나타낸다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 10을 참조하면, 열 활용 시스템(12)이 제공될 수 있다. 열 활용 시스템(12)은 열전 발전 모듈(100), 열 교환 모듈(200), 제1 내지 제8 배가스 라인들(501, 502, 503, 504, 505, 506, 507, 508), 제1 내지 제4 급수 라인들(601, 602, 603, 604), 배출 모듈(300), 및 제어부(400)를 포함할 수 있다. 열전 발전 모듈(100), 열 교환 모듈(200), 제1 내지 제6 배가스 라인들(501, 502, 503, 504, 505, 506), 제1 내지 제3 급수 라인들(601, 602, 603), 및 배출 모듈(300)은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
제7 배가스 라인(507)은 제4 배가스 라인(504)과 제3 배가스 라인(503) 사이에 제공될 수 있다. 제7 배가스 라인(507)은 열전 발전 모듈(100)로부터 배출된 제1 배가스를 열 교환 모듈(200)로 제공하도록 구성될 수 있다.
제8 배가스 라인(508)은 제5 배가스 라인(505)과 제2 배가스 라인(502) 사이에 제공될 수 있다. 제8 배가스 라인(508)은 열 교환 모듈(200)로부터 배출된 제2 배가스를 열전 발전 모듈(100)로 제공하도록 구성될 수 있다.
제어부(400)는 열 활용 시스템(12)이 제1 내지 제5 모드들 중 어느 하나로 작동하도록 구성될 수 있다. 제1 내지 제3 모드들은 각각 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명된 제1 내지 제3 모드들과 실질적으로 동일할 수 있다. 제4 모드 및 제5 모드는 이하에서 설명된다.
도 11은 도 10의 열 활용 시스템의 제4 모드를 나타낸다. 도 12는 도 10의 열 활용 시스템의 제5 모드를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 열 활용 시스템(12)의 제4 모드는 전기 및 고온수 생산이 요구되나, 전기 생산의 중요성이 고온수 생산의 중요성보다 큰 경우에 열 활용 시스템(12)이 갖는 모드일 수 있다. 제4 모드에서, 제어부(400)는 열원(1100)으로부터 방출된 최초 배가스(G1)가 열전 발전 모듈(100)에 공급되도록 구성될 수 있다. 즉, 최초 배가스(G1)와 제1 배가스(G2)는 실질적으로 동일할 수 있다. 제어부(400)는 열전 발전 모듈(100)로부터 배출된 제1 배가스(G2)가 열 교환 모듈(200)에 공급되도록 구성될 수 있다. 즉, 제1 배가스(G2)는 제2 배가스(G3)와 실질적으로 동일할 수 있다.
제어부(400)는 저온수 공급원(1200)으로부터 배출된 저온수(W1)가 열전 발전 모듈(100)에 공급되도록 구성될 수 있다. 열전 발전 모듈(100)은 제1 배가스(G2)와 저온수(W1)를 이용하여 전기를 생산하도록 구성될 수 있다. 제어부(400)는 열전 발전 모듈(100)로부터 배출되는 중온수(W2)가 열 교환 모듈(200)에 공급되도록 구성될 수 있다. 중온수(W2)는 열 교환 모듈(200)에서 제2 배가스에 의해 가열되어 고온수(W3)가 생성될 수 있다. 제2 배가스(G3)는 배출 모듈(300)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
도 12를 참조하면, 열 활용 시스템(12)의 제5 모드는 전기 및 고온수 생산이 요구되나, 고온수 생산의 중요성이 전기 생산의 중요성보다 큰 경우에 열 활용 시스템(12)이 갖는 모드일 수 있다. 제5 모드에서, 제어부(400)는 열원(1100)으로부터 방출된 최초 배가스(G1)가 열 교환 모듈(200)에 공급되도록 구성될 수 있다. 즉, 최초 배가스(G1)는 제2 배가스(G3)와 실질적으로 동일할 수 있다. 제어부(400)는 열 교환 모듈(200)로부터 배출된 제2 배가스(G3)가 열전 발전 모듈(100)에 공급되도록 구성될 수 있다. 즉, 제2 배가스(G3)는 제1 배가스(G2)와 실질적으로 동일할 수 있다.
제4 모드의 제1 배가스(G2)는 최초 배가스(G1)와 실질적으로 동일하므로, 제1 배가스(G2)의 온도는 제5 모드보다 제4 모드에서 더 높을 수 있다. 저온수(W1)의 온도가 동일한 경우, 제4 모드의 제1 배가스(G2)와 저온수(W1)의 온도 차이는 제5 모드의 제1 배가스(G2)와 저온수(W1)의 온도 차이보다 클 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 열전 발전 모듈(100)이 열전 소자부(120)를 포함하는 경우, 제1 배가스(G2)와 저온수(W1)의 온도 차이가 클수록 열전 소자부(120)의 열효율이 높을 수 있으므로, 제4 모드의 전력 생산 효율은 제5 모드의 전력 생산 효율보다 높을 수 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 열전 발전 모듈(100)이 고온 열전 소자부(121)와 중온 열전 소자부(122)를 포함하는 경우, 제1 배가스(G2)의 온도가 상대적으로 높은 제4 모드에서 고온 열전 소자부(121)가 이용되고, 제1 배가스(G2)의 온도가 상대적으로 낮은 제5 모드에서 중온 열전 소자부(122)가 이용될 수 있다. 제1 배가스(G2)의 온도에 따라 고온 열전 소자부(121) 및 중온 열전 소자부(122) 중 더 높은 열효율을 갖는 어느 하나가 선택적으로 이용될 수 있으므로, 열전 발전 모듈(100)은 개선된 열효율을 가질 수 있다. 고온(또는 상대적으로 높은 온도)에서 고온 열전 소자부(121)의 열효율은 중온 열전 소자부(122)의 열효율보다 높으므로, 제4 모드의 전력 생산 효율은 제5 모드의 전력 생산 효율보다 높을 수 있다.
도 5에 도시된 열전 발전 모듈(100)의 경우, 제1 배가스(G2)의 온도가 상대적으로 높은 제4 모드에서 제1 고온부(131)와 저온부(110) 사이의 고온 열전 소자부(121) 및 제1 중온 열전 소자부(122a)가 이용되고, 제1 배가스(G2)의 온도가 상대적으로 낮은 제5 모드에서 제2 고온부(132)와 저온부(110) 사이의 제1 중온 열전 소자부(122a) 및 제2 중온 열전 소자부(122b)가 이용될 수 있다. 제1 배가스(G2)의 온도에 따라 높은 열효율을 갖는 열전 소자부가 선택적으로 이용될 수 있으므로, 열전 발전 모듈(100)은 개선된 열효율을 가질 수 있다.
도 6에 도시된 열전 발전 모듈(100)의 경우, 제1 배가스(G2)의 온도가 상대적으로 높은 제4 모드에서 제1 고온부(131)와 저온부(110) 사이의 고온 열전 소자부(121) 및 중온 열전 소자부(122)가 이용되고, 제1 배가스(G2)의 온도가 상대적으로 낮은 제5 모드에서 제2 고온부(132)와 저온부(110) 사이의 중온 열전 소자부(122)가 이용될 수 있다. 제1 배가스(G2)의 온도에 따라 높은 열효율을 갖는 열전 소자부가 선택적으로 이용될 수 있으므로, 열전 발전 모듈(100)은 개선된 열효율을 가질 수 있다.
제5 모드에서 최초 배가스(G1)는 제2 배가스(G3)가 되어 바로 열 교환 모듈(200)에 공급될 수 있다. 제2 배가스(G3)의 온도는 제4 모드보다 제5 모드에서 더 높을 수 있다. 최초 배가스(G1)의 열 중 고온수 생성에 사용되는 열은 제4 모드보다 제5 모드에서 더 많을 수 있다.
결과적으로, 제4 모드보다 제5 모드에서 더 많은 고온수가 생성될 수 있고, 제5 모드보다 제4 모드에서 더 많은 전력이 생산될 수 있다. 제어부(400)는 저온수 공급원(1200)으로부터 배출된 저온수(W1)가 열전 발전 모듈(100)에 공급되도록 구성될 수 있다. 열전 발전 모듈(100)은 제1 배가스(G2)와 저온수(W1)를 이용하여 전기를 생산하도록 구성될 수 있다. 제어부(400)는 열전 발전 모듈(100)로부터 배출되는 중온수(W2)가 열 교환 모듈(200)에 공급되도록 구성될 수 있다. 중온수(W2)는 열 교환 모듈(200)에서 제2 배가스(G3)에 의해 가열되어 고온수(W3)가 생성될 수 있다. 제2 배가스(G3)는 배출 모듈(300)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
본 개시의 열 활용 시스템(12)이 가질 수 있는 모드는 제1 내지 제5 모드들로 한정되지 않는다. 본 개시의 열 활용 시스템(12)은 사용자의 필요에 따라 본 명세서에 개시되지 않은 여러 모드들로 작동할 수 있다.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 열전 발전 모듈을 나타낸다. 설명의 간결함을 위해, 도 2를 참조하여 설명된 것의 차이점이 설명된다.
도 130을 참조하면, 열전 발전 모듈(100)은 열전 소자부(120), 고온부, 및 저온부(110)를 포함할 수 있다. 도 2를 참조하여 설명된 것과 달리, 냉각 시스템(700)이 더 제공될 수 있다. 냉각 시스템(700)은 열전 발전 모듈(100)을 지나며 가열된 저온수(즉, 중온수)를 회수하여 냉각하도록 구성될 수 있다. 일 예에서, 가열된 저온수(즉, 중온수)는 냉각 시스템(700)에 제공되어 냉각될 수 있다. 냉각된 저온수는 다시 저온부(110)에 제공되어 활용될 수 있다. 일 예에서, 가열된 저온수(즉, 중온수)는 열 교환 모듈(200)에 공급될 수 있다.
도 14는 예시적인 실시예에 따른 열전 발전 모듈을 나타낸다. 설명의 간결함을 위해, 도 3을 참조하여 설명된 것의 차이점이 설명된다.
도 14를 참조하면, 열전 발전 모듈(100)은 고온 열전 소자부(121), 중온 열전 소자부(122), 제1 고온부(131), 제2 고온부(132), 및 저온부(110)를 포함할 수 있다. 도 3을 참조하여 설명된 것과 달리, 냉각 시스템(700)이 더 제공될 수 있다. 냉각 시스템(700)은 열전 발전 모듈(100)을 지나며 가열된 저온수(즉, 중온수)를 회수하여 냉각하도록 구성될 수 있다. 일 예에서, 가열된 저온수(즉, 중온수)는 냉각 시스템(700)에 제공되어 냉각될 수 있다. 냉각된 저온수는 다시 저온부(110)에 제공되어 활용될 수 있다. 일 예에서, 가열된 저온수(즉, 중온수)는 열 교환 모듈(200)에 공급될 수 있다.
본 개시의 기술적 사상의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 개시의 기술적 사상의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 개시의 기술적 사상은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 개시의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (10)

  1. 제1 배가스 및 저온 수의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산하도록 구성되는 열전 발전 모듈;
    제2 배가스의 열을 중온 수로 전달하여 고온 수를 생산하도록 구성되는 열 교환 모듈; 및
    제어부;를 포함하되,
    상기 열전 발전 모듈은 상기 저온 수를 가열하여 상기 중온 수를 배출하도록 구성되고,
    상기 제어부는, 전기 수요량 및 온수 수요량에 기초하여 상기 제1 배가스 및 상기 제2 배가스의 비율을 조절하도록, 그리고 상기 열전 발전 모듈로부터 배출된 상기 제1 배가스의 적어도 일부를 상기 열 교환 모듈에 제공하거나 상기 열 교환 모듈로부터 배출된 상기 제2 배가스의 적어도 일부를 상기 열전 발전 모듈에 제공하도록 구성되는 열 활용 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 발전 모듈은:
    상기 제1 배가스의 온도가 상대적으로 낮을 경우 사용되는 중온 열전 소자 모듈; 및
    상기 제1 배가스의 온도가 상대적으로 높을 경우 사용되는 고온 열전 소자 모듈;을 포함하는 열 활용 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 발전 모듈로부터 배출된 상기 제1 배가스의 적어도 일부가 상기 열 교환 모듈에 제공되도록 구성되는 열 활용 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 교환 모듈로부터 배출된 상기 제2 배가스의 적어도 일부가 상기 열전 발전 모듈에 제공되도록 구성되는 열 활용 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    초기 배가스를 배출하도록 구성되는 열원;을 더 포함하되,
    상기 초기 배가스는 상기 제1 배가스 및 상기 제2 배가스를 포함하는 열 활용 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열원은 연료전지 및 소각장 중 적어도 하나를 포함하는 열 활용 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    외부로부터 제공되는 초기 배가스를 이송하는 제1 배가스 라인;
    상기 제1 배가스 라인과 상기 열전 발전 모듈 사이에 제공되어 상기 제1 배가스를 이송하는 제2 배가스 라인; 및
    상기 제1 배가스 라인과 상기 열 교환 모듈 사이에 제공되어 상기 제2 배가스를 이송하는 제3 배가스 라인;을 더 포함하되,
    상기 초기 배가스는 상기 제1 배가스 및 상기 제2 배가스를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 전기의 수요량 및 상기 온수의 수요량에 기초하여 상기 초기 배가스가 상기 제2 배가스 라인 및 상기 제3 배가스 라인으로 유입되는 비율을 조절하도록 구성되는 열 활용 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 발전 모듈로부터 배출되는 상기 제1 배가스를 이송하는 제4 배가스 라인;
    상기 열 교환 모듈로부터 배출되는 상기 제2 배가스를 이송하는 제5 배가스 라인;
    상기 제4 배가스 라인과 제3 배가스 라인 사이에 제공되는 제7 배가스 라인; 및
    상기 제5 배가스 라인과 상기 제2 배가스 라인 사이에 제공되는 제8 배가스 라인;을 더 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 전기 수요량 및 상기 온수 수요량에 기초하여 상기 열전 발전 모듈로부터 배출되는 상기 제1 배가스를 상기 제7 배가스 라인을 통해 상기 제3 배가스 라인에 제공하거나 상기 열 교환 모듈로부터 배출되는 상기 제2 배가스를 상기 제8 배가스 라인을 통해 상기 제2 배가스 라인에 제공하도록 구성되는 열 활용 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 발전 모듈에 상기 저온 수를 공급하는 제1 급수 라인;
    상기 열전 발전 모듈과 상기 열 교환 모듈 사이에 제공되어 상기 중온수를 이송하는 제2 급수 라인; 및
    상기 열 교환 모듈로부터 배출되는 고온 수를 이송하는 제3 급수 라인;을 더 포함하는 열 활용 시스템.
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KR20150136455A (ko) * 2014-05-27 2015-12-07 주식회사 엘지화학 열전발전 장치 및 이를 구비한 하이브리드 보일러
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