KR20110136489A

KR20110136489A - 열전발전시스템을 장착한 선박

Info

Publication number: KR20110136489A
Application number: KR1020100056537A
Authority: KR
Inventors: 최정하; 신윤길; 문병규; 박철웅
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2011-12-21

Abstract

본 발명은 LNG선박에서 엔진에서 발생하는 고온의 폐열과 LNG 화물창에서 발생되는 BOG의 냉열을 저온 에너지로 이용하여 두 에너지원의 온도차를 이용한 열전기 발전시스템 개발에 대한 것이다. 즉, 페티어-시백 효과를 얻을 수 있는 열전기 발전 시스템을 구축하여 전기 에너지를 생산함으로써 LNG선박 에너지 효율을 극대화 한다. 또한, 발전기 냉열공급을 위해 LNG 선박의 BOG 이외에도 LNG 화물창의 저온을 추가적인 열교환기를 통해 활용할 수 있다. 그리고, 일반 선박의 경우에는 해수, 외기 등으로부터 저온 에너지를 얻어 열전기 발전 시스템을 구축할 수도 있다.

Description

열전발전시스템을 장착한 선박{Vessel with thermoelectirc generating system}

본 발명은 선박의 폐열을 이용하여 열기전력을 발생시켜 사용함으로써 선박의 에너지효율을 극대화하기 위한 열전발전시스템을 장착한 선박에 관한 것이다.

최근 이상고온현상이 심각해져 지구 각 지역에 자연 재앙이 발생하는 것은 지구환경의 오염이 큰 영향을 준 것으로 인정되고 있다. 이에 해상 환경의 보존 필요성도 대두되고 있어, 선박에서 발생되는 오염원의 제거 및 완화에 많은 연구가 진행되고 있다.

또한, 지구상의 화석에너지도 점차 고갈되어 가고 있고 지구 온난화 현상도 심각해 짐에 따라, 지구환경의 보호를 위해 차세대 대체 에너지의 개발과 그린에너지에 대한 수요도 증가하고 있다.

따라서, 해상 환경 보호 차원에서 선박의 운항 중 발생하는 배가스의 처리방법이나, 에너지의 효율적 이용 차원에서 선박에서 사용된 에너지를 회수하는 방법 등의 연구가 활발히 진행되어 선박의 에너지 효율을 극대화시키고 있다.

일반적으로 선박에서는 공개특허 제10-2010-0035196호의 "선박 폐열을 이용한 발전장치"에서와 같이 에너지 효율을 극대화시키기 위해 고온의 배가스의 폐열을 단순히 회수하여 증기를 만들어 발전을 하거나, 보일러를 가열하는 등 의 방법을 사용한다.

그러나, 이러한 장치들은 규모가 크고, 설치와 수리에 비용이 많이 들며, 폐열의 회수 효율이 낮은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 기존 선박의 폐열을 이용한 열전발전시스템을 장착하여 선박의 에너지효율을 높이고, 환경오염을 방지하는 선박을 제공하고자 함에 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 선박에 있어서, 저온부 열전소자와 고온부 열전소자로 이루어지는 다수의 열전모듈; 저온부 열원으로부터 상기 저온부 열전소자에 열을 전달하는 저온부 배관; 고온부 열원으로부터 상기 고온부 열전소자에 열을 전달하는 고온부 배관; 상기 열전모듈에서 발생된 전기에너지를 저장하기 위한 축전지; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 저온부 열원은 외부공기 또는 냉수 중 어느 하나 이상인 것; 을 특징으로 한다.

상기 고온부 열원은 상기 선박의 폐열 또는 태양열 중 어느 하나 이상 인 것; 을 특징으로 한다.

상기 선박은 LNG 선박이며; 상기 저온부 열원은 LNG 증발가스, LNG 화물창의 코퍼댐 또는 LNG 화물창 중 어느 하나 이상이고; 상기 고온부 열원은 외부공기, 냉수, 태양열 또는 상기 LNG 선박의 폐열 중 어느 하나 이상인 것; 을 특징으로 한다.

상기 열전모듈 내부를 통과하는 상기 고온부 배관과 저온부 배관 부분은 물결모양으로 굽어져 있는 것; 을 특징으로 한다.

상기 열전모듈 내부를 통과하는 배관 부분 또는 상기 열전소자의 외부 중 어느 하나 이상에는 핀이 설치된 것; 을 특징으로 한다.

상기 열전 모듈 내부를 통과하는 배관 부분 또는 상기 열전소자의 외부 중 어느 하나 이상에는 열전도율이 높은 금속으로 코팅된 것; 을 특징으로 한다.

상기 열전모듈과 상기 축전지의 사이에 설치되는 차단스위치; 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, LNG 선박에 있어서, 상기 LNG 선박의 LNG 증발가스, LNG 화물창의 코퍼댐 또는 LNG 화물창 중 어느 하나 이상이 저온부 열원이고, 상기 LNG 선박의 냉수, 외부공기, 태양열 또는 상기 LNG 선박의 폐열 중 어느 하나 이상이 고온부 열원이며; 상기 저온부 열원과 상기 고온부 열원 사이를 축전지로 연결한 것; 을 특징으로 한다.

선박 운항 중 발생하는 폐열을 회수하는 방법으로 폐열을 이용한 열전발전시스템을 선박에 장착함으로써, 선박의 에너지 효율을 높이고, 선박내 그린에너지의 사용률도 높이며, 선박 발전 장비의 용량도 감소시켜 경제성과 내환경성적 안정성을 높일 수 있다.

또한, 기존의 발전장치와 달리 열전발전시스템을 채용하여 기계적 구동요소가 적어 소음, 진동이 전혀 없고, 유지비가 거의 들지 않으며, 안전성 및 신뢰성이 높은 발전이 가능하다.

또한, 기존의 열전발전장치들과는 달리 규모도 작게 설치할 수 있어 비용절감효과도 있다.

특히, 본 발명을 극저온의 LNG를 운반하는 LNG 선박에 장착하여 LNG 증발가스를 열전발전에 이용한다면 열전소자의 온도차를 극대화할 수 있어 열전발전시스템의 전기에너지 발생 효율을 극대화할 수 있다.

도 1은 일반 선박에 열전발전시스템을 장착한 선박의 개략도.
도 2는 LNG 선박에 열전발전시스템을 장착한 경우의 개략적인 도면으로써, (a)는 저온부 열원이 LNG 증발가스인 경우, (b)는 저온부 열원이 LNG 화물창의 코퍼댐인 경우, (c)는 저온부 열원이 LNG 화물창인 경우의 개략도이며, (d)는 LNG 화물창의 단면 절반을 나타낸 개략도.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명한다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

일반적으로 열전발전시스템이란 고온부와 저온부로 구성된 특수한 반도체에 열원을 공급하면 전기가 발생하는 이른바, 제벡(seebeck) 효과를 이용하는 시스템이다. 즉, 온도차에 의해 열기전력이 발생하여 폐회로에 전류가 흐르는 것이 열전발전의 원리이다.

최근에는 차세대 대체 에너지와 그린에너지의 수요가 증가하여, 열원의 다양화와 미활용 열에 대한 열회수 기술 개발의 요청으로 열전반도체를 이용한 열전발전에 대한 응용개발이 많이 이루어지고 있다.

현재 열전발전 시스템의 효율은 화석연료의 35% 정도에 현저히 낮지만, 기본적으로 온도차를 이용하여 전기를 얻을 수 있는 발전시스템이므로, 지구상에 존재하는 어떤 종류의 열도 열원으로 이용할 수 있고, 열전모듈을 여러개 연결할 경우 작은 면적에서 많은 전기를 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 열전발전은 양쪽에 온도차만 주면 전기를 얻을 수 있으므로 회수 가치가 없다고 생각되는 150℃ 이하의 열에서도 전기를 얻을 수 있다.

그러나, 종래의 열전발전 관련장치는 대부분 규모가 큰 대형 보일러나 제철소 등에 사용되었고, 이러한 열전발전장치는 규모가 크고, 설치와 수리에 비용이 많이 드는 단점도 있었다.

도 1, 도 2는 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 발명의 일실시예이며, 다수의 열전모듈(100, 도면에는 1개의 열전모듈만 도시), 저온부 배관(301), 고온부 배관(302), 축전지(501)로 구성된다.

상기 열전모듈(100)은 저온부 열전소자(101)와 고온부 열전소자(102)로 구성된다.

상기 열전모듈(100)은 상기 열전소자(저온부 열전소자(101)와 고온부 열전소자(102))의 재료의 온도차이에 의해 재료 내부에 전자의 흐름이 생기며, 전자의 흐름으로 기전력이 발생하여 전기가 발생된다.

상기 열전소자(101, 102)는 알려진 일반적인 열전소자를 사용할 수 있으며, 열전소자 간의 온도차에 비례하여 기전력이 발생되어 발전이 이루어진다. 또한, 상기 열전모듈을 복수개 설치하여 직렬로 연결한다면 고전압의 전기도 생산할 수 있다.

도 1에 도시된 저온부 열원(201)으로는 냉수(냉수기를 통과하는 저온의 냉수일 수 있고, 해상이므로 해수도 가능하다)- 또는 외부공기를 이용할 수 있다.

이 때, 도 1과 같이 냉수나 외부공기를 직접 상기 저온부 열전소자(101) 측으로 공급하거나, 상기 저온부 열원(201)과 상기 저온부 열전소자(101) 사이에 열교환기를 설치하여 열을 상기 저온부 열전소자(101)로 공급할 수 있다.

도 1에 도시된 고온부 열원(202)으로는 선박의 엔진연소에 의한 고온의 폐열이나 태양열을 이용할 수 있다.

이 때, 도 1과 같이 고온의 폐열이나 태양열을 직접 상기 고온부 열전소자(102) 측으로 공급하거나, 상기 고온부 열원(202)과 상기 고온부 열전소자(102) 사이에 열교환기를 설치하여 열을 상기 고온부 열전소자(102)로 공급할 수 있다.

도 2와 같이 극저온의 LNG를 운반하는 LNG 선박인 경우에는, 저온부 열원(201)으로, 도 2-(a)와 같이 화물창(2011) 내에서 발생하는 LNG 증발가스(2012)를, 도 2-(b)와 같이 코퍼댐(2013)을, 도 2-(c)와 같이 LNG 화물창(2011)을 사용할 수 있다. 또한, 고온부 열원(202)으로, 외부공기ㆍ냉수ㆍ태양열ㆍ상기 LNG 선박의 폐열 등을 사용할 수 있다.

이 때, 상기 저온부 열원으로 사용된 LNG 증발가스(2012)는 일정온도로 가온이 된 상태이므로, 상기 저온부 열원으로 사용된 LNG 증발가스를 재활용하기 위해 LNG 증발가스의 온도를 올리는 장치를 따로 설치할 필요가 없거나, 설치를 하더라도 LNG 증발가스의 활용을 위한 온도까지 올리는데 드는 동력을 줄일 수 있다.

상기 저온부 열원으로 사용되어 가온이 된 LNG 증발가스는 재응축기(re-condenser) 또는 압축기를 추가로 설치하여 본 장치들을 거치면 상기 LNG 증발가스를 재액화시킬 수 있으며, 이는 다시 LNG선박의 운반화물로써 재회수할 수 있을 것이다.

또한, 상기 저온부 열원으로 사용되어 가온이 된 LNG 증발가스는 선박 내의 에너지원으로 사용할 수 있을 것이다. 이 때, LNG 증발가스를 에너지원으로 사용하기 위해 적정 온도로 올릴 필요가 있는데, 이미 가온이 된 상태이므로 LNG 증발가스의 온도를 올리는 장치를 따로 설치할 필요가 없거나, 설치를 하더라도 에너지원으로 사용하기 위한 적정 온도까지 올리는데 드는 동력을 줄일 수 있을 것이다.

또한, 상기 저온부 열원으로 사용되어 가온이 된 LNG 증발가스는 LNG 증발가스 연소기를 설치하여 상기 저온부 열원으로 사용된 LNG 증발가스를 연소시킬 수도 있을 것이다.

상기 저온부 열원(201)으로 LNG 증발가스(2012)를 사용한다면 도 2-(a)와 같이 상기 LNG 증발가스(2012)를 직접 저온부 열전소자(101) 측으로 공급하거나, 상기 저온부 열원(201)에 열교환기를 설치하여 열을 상기 저온부 열전소자(101)로 공급할 수 있다.

상기 저온부 열원(201)으로 코퍼댐(2013)을 사용한다면 도 2-(b)와 같이 상기 코퍼댐에 열교환기(2014)를 설치하여 열을 상기 저온부 열전소자(101)로 공급할 수 있다.

상기 저온부 열원(201)으로 LNG 화물창(2011)을 사용한다면, 도 2-(c)와 같이 상기 저온부 열원(201)에 열교환기를 설치하여 열을 상기 저온부 열전소자(101)로 공급하거나, 도 2-(d)와 같이 LNG 화물창 외부의 내측벽(2015)ㆍ외측벽(2016)에 직접 저온부 열전소자(101)를 설치하여 열을 상기 저온부 열전소자(101)로 공급할 수 있다.

상기 고온부 열원(202)으로 외부공기ㆍ냉수ㆍ태양열ㆍ상기 LNG 선박의 폐열 등을 사용한다면 도 2-(a), (b), (c)와 같이 상기 열원을 직접 고온부 열전소자(102) 측으로 공급하거나, 상기 고온부 열원(201)과 상기 고온부 열전소자(102) 사이에 열교환기를 설치하여 열을 상기 고온부 열전소자(102)로 공급할 수 있다.

상기 저온부 배관(301)은 상기 저온부 열원(201)으로부터 상기 저온부 열전소자(101)에 열을 전달하며, 상기 고온부 배관(302)은 상기 고온부 열원(202)으로부터 상기 고온부 열전소자(102)에 열을 전달한다.

상기 배관(301, 302)은 열손실을 막기 위해 단열처리된 배관을 사용할 수 있으며, 상기 열전소자로 열전달이 잘 될 수 있도록 상기 열전모듈 내부를 통과하는 배관부분을 물결모양으로 굽어지도록 설치할 수 있다.

또한, 열전달의 효율을 높이기 위해 상기 열전모듈 내부를 통과하는 배관이나 상기 열전소자의 외부에 핀을 설치할 수도 있고, 상기 열전모듈 내부를 통과하는 배관이나 상기 열전소자 또는 핀의 외부를 열전도율이 높은 금속으로 코팅할 수도 있다.

상기 코팅을 위한 금속으로는 열전도율이 높은 금속(예를 들면, 금, 은, 구리, 알루미늄, 마그네슘, 백금, 로듐, 아연 등)을 사용할 수 있다.

상기 축전지(501)는 상기의 열전모듈(100)이 생산한 전기를 저장하며, 저장된 전기는 선박의 각종 수요처로 공급된다.

상기 축전지(501)와 상기 열전모듈(100)의 사이에 차단스위치(401)를 설치하여 전기가 생산되지 않거나 상기 저온부 열원(201)과 상기 고온부 열원(202)간의 온도차가 크지 않아 전기가 미량 생산되는 경우에 차단 스위치(401)를 작동시켜 전원을 차단한다면 축전지의 전력소모를 최소화할 수도 있다.

상기 차단스위치(401)에는 전기회로를 개폐할 수 있는 일반적인 스위치나 바이메탈 등을 사용할 수 있으며, 상기 차단스위치(401)에 의해 상기 축전지와 상기 열전모듈간의 회로를 차단시킬 수 있다.

이하 본 시스템의 작용에 대해 설명한다.

상기 저온부 열원(201)에서 저온의 열원이 상기 저온부 열전소자(101)로 공급되고, 상기 고온부 열원(202)에서 고온의 열원이 상기 고온부 열전소자(102)로 공급되면, 상기 열전소자(101, 102) 간에는 온도차가 발생하게 된다.

이 때, 상기 열전모듈(100) 내의 열전소자(101, 102) 간에는 제벡(seebeck) 효과에 상기 온도차의 크기에 비례하여 전기가 발생되며, 발생된 전기는 축전지(501)에 저장되어 선박 내의 각종 전기장치에 공급된다.

상기 열전모듈(100)과 상기 축전지(501) 간에 설치된 차단스위치에 의해 축전지에 저장되는 전기에너지보다 상기 축전지와 상기 열전모듈간의 폐회로에 의해 소모되는 전기가 더 큰 상황(예를 들어, 상기 열전소자간의 온도차가 크지 않은 경우)이 발생할 때 상기 폐회로를 차단시키는 것이 축전지에 저장된 전기의 소모를 방지하는 바림직한 방법이 될 것이다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

100 : 열전모듈 101 : 저온부 열전소자
102 : 고온부 열전소자 201 : 저온부 열원
2011 : LNG 화물창 2012 : LNG 증발가스
2013 : 코퍼댐 2014 : 열교환기
2015 : 화물창 외부의 내측벽
2016 : 화물창 외부의 외측벽
202 : 고온부 열원 301 : 저온부 배관
302 : 고온부 배관 401 : 차단 스위치
501 : 축전지

Claims

선박에 있어서,
저온부 열전소자와 고온부 열전소자로 이루어지는 다수의 열전모듈;
저온부 열원으로부터 상기 저온부 열전소자에 열을 전달하는 저온부 배관;
고온부 열원으로부터 상기 고온부 열전소자에 열을 전달하는 고온부 배관;
상기 열전모듈에서 발생된 전기에너지를 저장하기 위한 축전지;
로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전발전시스템을 장착한 선박.
청구항 1에 있어서,
상기 저온부 열원은 외부공기 및 냉수 중 적어도 하나를 포함하는 것;
을 특징으로 하는 열전발전시스템을 장착한 선박.
청구항 1에 있어서,
상기 고온부 열원은 상기 선박의 폐열 및 태양열 중 적어도 하나를 포함하는 것;
을 특징으로 하는 열전발전시스템을 장착한 선박.
청구항 1에 있어서,
상기 선박은 LNG 선박이며;
상기 저온부 열원은 LNG 증발가스, LNG 화물창의 코퍼댐 및 LNG 화물창 중 적어도 하나를 포함하고;
상기 고온부 열원은 외부공기, 냉수, 태양열 및 상기 LNG 선박의 폐열 중 적어도 하나를 포함하는 것;
을 특징으로 하는 열전발전시스템을 장착한 선박.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
상기 열전모듈 내부를 통과하는 상기 고온부 배관과 저온부 배관 부분은 물결모양으로 굽어져 있는 것;
을 특징으로 하는 열전발전시스템을 장착한 선박.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
상기 열전모듈 내부를 통과하는 배관 부분 및 상기 열전소자의 외부 중 적어도 하나에는 핀이 설치된 것;
을 특징으로 하는 열전발전시스템을 장착한 선박.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
상기 열전 모듈 내부를 통과하는 배관 부분 및 상기 열전소자의 외부 중 적어도 하나에는 열전도율이 높은 금속으로 코팅된 것;
을 특징으로 하는 열전발전시스템을 장착한 선박.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
상기 열전모듈과 상기 축전지의 사이에 설치되는 차단스위치;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전시스템을 장착한 선박.
LNG 선박에 있어서,
상기 LNG 선박의 LNG 증발가스, LNG 화물창의 코퍼댐 및 LNG 화물창 중 적어도 하나는 저온부 열원이고, 상기 LNG 선박의 냉수, 외부공기, 태양열 및 상기 LNG 선박의 폐열 중 적어도 하나는 고온부 열원이며;
상기 저온부 열원과 상기 고온부 열원 사이를 축전지로 연결한 것;
을 특징으로 하는 열전발전시스템을 장착한 선박.