KR20100123419A - 마이크로 터빈 병합 발전형 하이브리드 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래의 왕복동 내연기관과 대비하여 소음 및 진동이 적고 구조가 간단하면서 발전효율이 증대되도록 한 마이크로 터빈 병합 발전형 하이브리드 자동차에 관한 것으로서, 화석연료 또는 수소연료의 연소에 의해 회전 작동되고, 발전기를 구동시키는 마이크로터빈; 상기 발전기에서 생산된 전기에너지를 저장하는 배터리; 상기 배터리 또는 발전기에서 공급된 전기에너지에 의해 자동차의 구동축을 회전시키는 구동모터;를 포함한다.
이에 따라, 소음 및 진동 저감에 의해 차량의 승차감이 향상될 뿐만 아니라, 발전효율의 증가에 따라 연비가 향상되고, 배출가스 중 일산화탄소, NOx, HC 등의 유해성분이 저감되어 환경오염이 줄어드는 효과를 가지게 된다.
하이브리드 자동차, 마이크로터빈, 열전소자, 수소연료전지, 병합 발전

Description

마이크로 터빈 병합 발전형 하이브리드 자동차{Microturbine hybrid generation type hybrid electric vehicle}
본 발명은 마이크로 터빈 병합 발전형 하이브리드 자동차에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 내연기관과 대비하여 소음 및 진동이 적고 구조가 간단하면서 발전효율 증대가 가능하도록 한 하이브리드 자동차의 전원공급 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차는 가솔린엔진 또는 디젤엔진 등 왕복동 운동을 수행하는 내연기관에 의해 구동력을 발생시키고 있는데, 근래에는 화석연료의 고갈 및 화석연료의 연소 과정에서 발생되는 각종 유해물질의 문제점이 대두됨에 따라, 화석연료의 소모가 최소화되면서 차량의 원활한 구동이 이루어지도록 한 다양한 차량 구동 시스템이 개발되고 있다.
특히, 근래에 들어 각광받고 있는 하이브리드 자동차 시스템은 종래의 내연기관에 발전기를 결합하여 여분의 동력을 이용하여 전기에너지를 생산하며 내연기관의 구동력과 전기에너지를 이용하여 구동력을 발생시키는 구동모터를 동시 또는 선택적으로 작동시켜 차량의 구동에 필요한 동력을 발생시킴과 동시에 연료 소모량 이 줄어들도록 하고 있다.
하지만, 상기와 같은 하이브리드 자동차 시스템 역시 내연기관을 이용함에 따라, 열효율이 낮으면서 유해물질을 배출시키는 내연기관의 특성을 그대로 가지는 문제점이 있었을 뿐만 아니라, 차량의 구동 과정에서 왕복동 엔진의 소음 및 진동 문제를 완전히 해결하지 못하는 문제점도 있었다.
뿐만 아니라, 종래의 하이브리드 자동차 시스템은 내연기관에 부가적으로 발전기 및 배터리, 구동모터 등의 부품을 추가해야 함에 따라 차량의 중량이 증가되어 이에 의한 연비 저하의 문제점이 발생되었고, 복잡한 부품에 의해 차량의 정비가 매우 힘든 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 종래의 내연기관과 대비하여 소음 및 진동이 적고 구조가 간단하면서 발전효율이 높은 하이브리드 자동차의 전원공급 시스템을 개발함에 있다.
또한, 본 발명은 마이크로터빈의 발전기에서 생성되는 전기에너지 이외에 배기구를 통해 버려지는 고온의 폐열을 전기로 변환하는 열전발전과 전기화학반응을 이용한 수소연료전지의 발전을 병합함으로서 효율을 극대화하여 구동모터를 작동시키는 전기에너지를 생산하도록 함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 화석연료 또는 수소연료의 소모가 최소화되면서 안정적인 전력 생산이 이루어지도록 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 화석연료 또는 수소연료의 연소에 의해 회전 작동되고, 발전기를 구동시키는 마이크로터빈; 상기 발전기에서 생산된 전기에너지를 저장하는 배터리; 상기 배터리 또는 발전기에서 공급된 전기에너지에 의해 자동차의 구동축을 회전시키는 구동모터;를 포함한다.
또한, 상기 마이크로터빈에서 배출되는 고온의 배기가스의 열에너지를 전기에너지로 변환하여 상기 배터리 또는 상기 구동모터로 공급하는 열전소자를 더 포함한다.
또한, 수소의 화학반응에 의해 전기에너지를 생산하여 상기 배터리 또는 상 기 구동모터로 공급하는 수소연료전지를 더 포함한다.
이에, 본 발명은 마이크로터빈에 의해 구동모터를 작동시키는 전기에너지가 생산되도록 하여 종래의 내연기관과 대비하여 소음 및 진동이 적고 구조가 간단하면서 경량화가 가능하도록 한 자동차의 하이브리드 구동 시스템을 제공함으로서, 소음 및 진동 저감에 의해 차량의 승차감이 향상될 뿐만 아니라, 경량화에 의해 연비가 향상되고, 배출가스 중 일산화탄소, NOx, HC 등의 유해성분이 저감되어 환경오염이 줄어드는 효과를 가지게 된다.
또한, 본 발명은 열전소자를 구비하여 마이크로터빈에서 배출되는 고온의 배기가스를 이용하여 구동모터를 작동시키는 전기에너지를 생산하도록 함으로서, 에너지 효율이 더욱 향상되어 연비가 더욱 향상되는 효과를 가질 뿐만 아니라, 열전소자를 거치면서 배기가스의 온도가 낮아져 도심의 열섬현상 등 차량에서 발생되는 열에 의한 환경오염을 줄이는 효과를 가지게 된다.
또한, 본 발명은 수소연료전지를 구비하여 화석연료의 소모가 최소화되면서 안정적인 전력 생산이 이루어지도록 함으로서, 화석연료의 소모가 더욱 줄어들어 환경오염을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 상황에 따라 전기에너지를 생산하기 위한 연료를 선택적으로 사용할 수 있는 효과를 가지게 된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예를 보인 개략 구성도로서, 도시된 것과 같이 본 발명은 차량의 구동시스템에 대한 것으로서, 특히 종래의 내연기관을 이용하지 않고 마이크로터빈(10)을 이용하여 화석연료에서 발생된 운동에너지를 전기에너지로 변환한 후, 이 전기에너지를 배터리(30)에 저장하거나 구동모터(40)를 작동시켜 차량의 구동축(50)이 회전되도록 함으로서, 종래의 내연기관에 비해 소음 및 진동이 적을 뿐만 아니라, 차량의 경량화가 가능해지도록 한 것이다.
상기 마이크로터빈(10)은 마이크로 가스터빈으로도 불리우며 통상적으로 소규모 발전을 위해 이용되는 공지의 수단으로서, 화석연료 또는 수소연료를 연소시킬 때 발생되는 연소가스의 압력을 이용하여 터빈블레이드를 회전시키면서 최종적으로 터빈이 고속으로 회전되도록 하는 것으로서, 간단한 구조로 높은 효율로 전기에너지를 생산할 수 있는 장점을 갖는다.
더불어, 상기 마이크로터빈(10)의 회전축 상에 고정자와 회전자 사이의 전자기 유도에 의해 전기에너지를 생산하는 통상의 발전기(20)를 결합함으로써, 화석연료의 연소에너지가 전기에너지로 변환되어 후술되는 구동모터(40)를 구동시키도록 한다.
상기 배터리(30)는 상술한 마이크로터빈(10) 및 발전기(20)에 의해 생산된 전기에너지를 저장하는 것으로서, 통상의 축전지로 형성되도록 하여 발전기(20)에서 생산된 전기에너지를 배터리(30)에 저장한 후 다시 구동모터(40)로 공급되도록 한다.
상기 구동모터(40)는 차량의 구동축(50)을 구동시키는 동력원으로 이용되는 것으로서 전류의 흐름에 의해 회전 작동되는 통상의 모터로 형성되도록 하여 상술한 마이크로터빈(10) 및 발전기(20)에서 생산된 전류가 직접 구동모터(40)로 공급되도록 하거나, 상술한 배터리(30)에서 전류가 구동모터(40)로 공급되도록 하여 구동모터(40)의 회전에 의해 구동축(50)이 회전되면서 차량이 전진 또는 후진 작동되도록 한다.
이때, 상술한 발전기(20)에서 생산된 전기에너지는 차량의 주행상태를 감지하는 별도의 제어부(60)를 통과하도록 하여 고속 주행 또는 오르막길 주행 등 구동모터(40)의 전력 소모가 많을 경우 마이크로터빈(10)에서 생산된 전기에너지가 직접 구동모터(40)로 연결되도록 하고, 저속주행 또는 내리막길 주행 등 구동모터(40)의 전력 소모가 적을 경우에는 발전기(20)에서 생산된 전기에너지가 배터리(30)에 저장되도록 하여 차량의 주행 상태에 따라 최적의 에너지 소모가 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 구동모터(40)의 전력 소모량이 극대화될 경우에는 발전기(20)에서 생산된 전기에너지와 배터리(30)에 저장된 전기에너지가 동시에 구동모터(40)로 공급되도록 하여 구동모터(40)의 원활한 작동이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
더불어, 상술한 발전기(20) 및 구동모터(40)에는 안정적인 전압 및 전류가 구동모터(40)로 공급되도록 하기 위한 통상의 인버터(21)(41)를 결합하는 것도 무방하다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예를 보인 개략 구성도로서, 본 실시예에서는 상술한 제1 실시예의 구성요소를 모두 포함하되, 상술한 마이크로터빈(10)의 배기가 스의 열을 이용하여 전기에너지를 생산하는 열전소자(70)가 더 구비되도록 한다.
상기 열전소자(70)는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 통상의 수단으로서, 상술한 마이크로터빈(10)에서 방출되는 고온의 배기가스의 열이 열전소자(70)를 통과하면서 전기에너지를 생산하여 상술한 마이크로터빈(10)과 마찬가지로 구동모터(40) 또는 배터리(30)로 공급되도록 함으로서, 더욱 높은 전력 생산 효율을 가질 수 있게 되고, 연료의 소모가 줄어들게 되어 연비가 향상되는 것이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예를 보인 개략 구성도로서, 본 실시예에서는 상술한 제1 실시예 또는 제2 실시예의 구성요소를 모두 포함하되, 상술한 마이크로터빈(10)과는 별도로 수소를 이용하여 전기에너지를 생산하는 수소연료전지(80)가 더 구비되도록 한다.
상기 수소연료전지(80)는 액화수소 또는 기체 상태의 수소가 반응하면서 전기에너지로 변환되도록 하는 통상의 수단으로서, 상술한 것과 같이 마이크로터빈(10)과 수소연료전지(80)가 동시에 작동되도록 함으로서, 더욱 높은 효율의 전기에너지를 생산할 수 있게 되는 것이다.
뿐만 아니라, 상술한 제어부(60)에 의해 수소연료전지(80)를 작동시키는 수소연료 또는 마이크로터빈(10)을 작동시키는 화석연료의 잔량 및 주행환경에 따라 선택적으로 작동되도록 함으로써, 연료 소모 효율이 최적화되도록 함과 동시에, 구동모터(40)로 안정적인 전류의 공급이 가능해지도록 하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예를 보인 개략 구성도로서, 본 실시예에서는 상술한 마이크로터빈(10)과 열전소자(70) 및 수소연료전지(80)가 모두 구비되도록 한 다.
이에 따라, 화석연료를 이용한 전기에너지의 생산 효율이 극대화될 뿐만 아니라, 화석연료와 수소의 동시 사용이 가능해져, 사용 환경에 따른 연료의 선택적 이용이 가능해지면서도 환경오염물질의 배출량이 줄어들게 되는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예를 보인 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예를 보인 개략 구성도.
도 3은 본 발명의 제3 실시예를 보인 개략 구성도.
도 4는 본 발명의 제4 실시예를 보인 개략 구성도.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 마이크로터빈
20 : 발전기 21 : 인버터
30 : 배터리
40 : 구동모터 41 : 인버터
50 : 구동축
60 : 제어부
70 : 열전소자
80 : 수소연료전지

Claims (3)

  1. 화석연료 또는 수소연료의 연소에 의해 회전 작동되고, 발전기(20)를 구동시키는 마이크로터빈(10);
    상기 발전기(20)에서 생산된 전기에너지를 저장하는 배터리(30);
    상기 배터리(30) 또는 발전기(20)에서 공급된 전기에너지에 의해 자동차의 구동축(50)을 회전시키는 구동모터(40);를 포함하는 자동차의 하이브리드 구동 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로터빈(10)에서 배출되는 고온의 배기가스의 열에너지를 전기에너지로 변환하여 상기 배터리(30) 또는 상기 구동모터(40)로 공급하는 열전소자(70)를 더 포함하는 자동차의 하이브리드 구동 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    수소의 화학반응에 의해 전기에너지를 생산하여 상기 배터리(30) 또는 상기 구동모터(40)로 공급하는 수소연료전지(80)를 더 포함하는 자동차의 하이브리드 구동 시스템.
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