KR20140040071A - 열전 에너지 생성을 위한 시스템들, 방법들 및/또는 장치들 - Google Patents

열전 에너지 생성을 위한 시스템들, 방법들 및/또는 장치들 Download PDF

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KR20140040071A
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대니얼 스튜어트 랑
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일렉트론 홀딩, 엘엘씨
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Abstract

다양한 유형의 에너지를 저장되거나 및/또는 전기 에너지로 변환될 열 에너지로 변환하기 위한 시스템들, 방법들, 및/또는 장치들이 제공된다. 필요시 및/또는 사용자의 원하는 전력 요구들(예컨대, 전력 레벨 및/또는 유형)이 있을 때 전기 에너지가 이용될 수 있다. 예를 들어, 그 에너지는 특정 전압으로, 그리고 직류(DC) 에너지 또는 교류(AC) 에너지로 이용할 수도 있다. 그 전기 에너지는 쉽게 이송될 수 있으며 따라서 사용자가 원하는 위치에서 이용가능하다. 예를 들어, 그러한 시스템들, 방법들, 및/또는 디바이스들은 전기 전송을 위한 필요, 적어도 특정 애플리케이션들을 위한 필요를 없애거나 감소시킬 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 그러한 시스템은 열 에너지를 저장하기 위한 유기 상전이 물질(organic phase change material)을 포함할 수 있다.

Description

열전 에너지 생성을 위한 시스템들, 방법들 및/또는 장치들 {SYSTEMS, METHODS AND/OR APPARATUS FOR THERMOELETRIC ENERGY GENERATION}
본 출원은 2010년 11월 16일에 출원된 미국 가출원 제61/413,995호 및 2011년 9월 8일에 출원된 제61/532,104호에 대한 우선권을 주장한다. 본 출원은 또한 2011년 11월 16일에 출원된 국제출원 PCT/US2011/060942, "Systems, Methods and/or Devices for Providing LED Lighting" 과 관련되어 있다. 이 출원들 각각은 본 명세서에서 그 전체로 참조로 결합되어 있다.
본 발명은 일반적으로 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 또한 일반적으로 온도 차이를 전기 에너지로 변환하는 것에 관한 것이다.
소모성 열원 발전소들(consumable heat source power plants)(예컨대, 천연가스, 석탄, 화석연료, 핵 등)에 의해 생성된 에너지를 감소시키고 이를 재생가능한 및/또는 청정 에너지원들로 대체하는 것이 점점 중요해져 간다.
현재의 재생가능한 청정 에너지 기술들이 직면한 도전은, 그들이 거의, 특히 몇몇 경우에 더, 그들이 대체하려고 하는 과거 기술들보다 복잡하다는 것이다. 이 기술들의 대부분은 대안적인 전기 생성에 초점을 두고 있으며 고객이 그 에너지를 얻는 데 있어서의 비효율의 대부분이 열 에너지의 변환과 그 에너지의 실제 사용 사이의 수많은 단계들을 따라 발생한다는 사실을 간과한다.
소비된 에너지를 요소화하고, 신 기술과 구 기술 모두를 개발하고, 효율적으로 사용하고, 유지하면서, 그들 중 어느 것에도 우리의 투자에 대한 회수가 없다.
더 효율적으로 저장되고 그후 요구시 전기 에너지로 변환될 수 있는, 국부화되고, 유지가능하며, 및/또는 재생가능한 청정 에너지에 관한 개선된 개선된 시스템들, 디바이스들, 및/또는 방법에 대한 필요가 존재한다. 본 발명은, 본 명세서의 논의로부터 명백하게 되는 바와 같이, 종래 기술의 단점들 중 적어도 하나를 극복하거나 및/또는 개선하는 것에 관한 것이다.
예시적인 실시예들은, 다양한 유형의 에너지를 저장되고 및/또는 그후 전기 에너지로 변환될 수 있는 열 에너지로 변환하는 것이 관한 것이다. 예시적인 실시예들에서, 전기 에너지는 필요시 및/또는 사용자의 원하는 전력 요구(예컨데, 전력 레벨 및/또는 유형)시에 이용가능하다. 예를 들어, 그 에너지는 특정 전압에서, 그리고 직류 전류(DC) 에너지 또는 교류 전류(AC) 에너지에서 이용가능할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 전기 에너지는 쉽게 전송되어 사용자의 원하는 위치에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예들에서, 그 시스템들, 방법들, 및 또는 디바이스들은 전기 전송을 위한 요구, 적어도 특정 애플리케이션들에 대한 요구를 없애거나 감소시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 열 에너지가 국부적으로 저장될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 그 시스템은 열 에너지를 저장하기 위한 유기 상전이 물질을 포함할 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 두 개의 열용량 유형들(thermal mass types)(차가운 것과 뜨거운 것)이 예시적인 실시예들에서 사용될 수 있으며, 그 물질들 중 하나 또는 둘 모두는 기충전(pre-charged)되어, 최종 사용자에 의해 소비되기 위해 준비된 상태로 사용자에게 제공될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 열 에너지에서 전기 에너지로 변환하기 위한 시스템은: 열전 발전기(generator); 열전 발전기의 제1 측면과 접촉되어 있는 고온 스토리지; 열전 발전기의 제2 측면과 접촉되어 있는 저온 스토리지; 고온 스토리지를 고온으로 유지하기 위한 고온 재생기(regenerator); 및 저온 스토리지를 저온으로 유지하기 위한 저온 재생기를 포함할 수 있다. 고온 스토리지의 온도와 저온 스토리지 온도에 있어서의 차이는 전기 에너지를 생성하는 열전 발전기의 두 측면들 사이의 열 차이를 생성한다.
예시적인 실시예들에서, 고온 스토리지와 저온 스토리지는 상전이 물질들이다.
예시적인 실시예들에서, 전기 에너지는 DC 전류이다.
예시적인 실시예들에서, 고온 재생기는: 열전 발전기에 걸친 온도 차이를 생성하기 위해 한 측면 상에 고온 스토리지 및 다른 측면 상의 주위 온도를 사용하는 열전 발전기를 포함한다. 열전 발전기에 걸친 열 차이는 전기 에너지를 발생시킨다.
예시적인 실시예들에서, 고온 재생기의 열 에너지는 고온 스토리지를 고온으로 유지시키기 위해 가열기(heater)에 전력을 공급하는 데 사용된다.
예시적인 실시예에서, 저온 재생기는: 열전 발전기에 걸친 온도 차이를 생성하기 위해 한 측면 상의 저온 스토리지 및 다른 측면 상에 주변 온도를 이용하는 열전 발전기를 포함한다. 열전 발전기에 걸친 열 차이는 전기 에너지를 발생시킨다.
예시적인 실시예들에서, 저온 재생기의 열 에너지는 저온 스토리지를 저온으로 유지시키기 위해 냉각기(chiller)에 전력을 공급하는 데 사용된다.
예시적인 실시예들에서, 열 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 시스템은: 온도 차이를 전기 에너지로 변환하기 위한 열전 발전기 수단; 열전 발전기 수단의 제1 측면과 접촉되어 있는 열 에너지를 저장하기 위한 고온 스토리지 수단; 열전 발전기 수단의 제2 측면과 접촉되어 있는 열 에너지를 저장하기 위한 저온 스토리지 수단; 고온 스토리지 수단을 고온으로 유지하기 위한 고온 재생기 수단; 및 저온 스토리지 수단을 저온으로 유지하기 위한 저온 재생기 수단을 포함한다. 고온 스토리지 수단과 저온 스토리지 수단의 온도에 있어서의 차이가 전기 에너지를 생성하는 열전 발전기 수단의 두 측면들 사이의 열 차이를 생성한다.
예시적인 실시예들에서, 고온 스토리지 수단 및 저온 스토리지 수단은 상전이 물질들이다.
예시적인 실시예들에서, 전기 에너지는 DC 전류이다.
예시적인 실시예들에서, 고온 재생기 수단은: 열전 발전기 수단에 걸친 온도 차이를 생성하기 위해 한 측면 상의 고온 스토리지 수단 및 다른 측면 상에 주변 온도를 이용하는, 온도 차이를 전기 에너지로 변환하기 위한 열전 발전기 수단을 포함한다. 열전 발전기 수단에 걸친 열 차이는 전기 에너지를 발생시킨다.
예시적인 실시예들에서, 고온 재생기 수단의 전기 에너지는 고온 스토리지 수단을 고온으로 유지하는 가열기 수단에 전력을 공급하는 데 사용된다.
예시적인 실시예들에서, 저온 재생기 수단은: 열전 발전기 수단에 걸쳐 온도 차이를 생성하기 위해 한 측면 상의 온도 스토리지 수단과 다른 측면 상에 주변 온도를 이용하는, 온도 차이를 전기 에너지로 변환하기 위한 열전 발전기 수단을 포함한다. 온도 차이를 전기 에너지로 변환하기 위한 열전 발전기 수단에 걸친 온도 차이는 전기 에너지를 발생시킨다.
예시적인 실시예들에서, 열 에너지를 저장하기 위한 저온 재생기 수단의 전기 에너지는 저온 스토리지를 저온으로 유지시키는 냉각기에 전력을 공급하기 위해 사용된다.
이상에서 논의된 실시예들과 같이, 다른 실시예들이 명세서, 도면 및 청구범위에 개시된다. 발명의 내용은 본 발명으로 고안되는 각각 및 모든 실시예, 조합, 또는 변형예를 포괄하도록 의도된 것이 아니다.
첨부된 도면을 참조하여, 단지 예로서, 예시적인 실시예들이 이제 설명될 것이다.
도 1은 열전 에너지 발전 시스템의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 2는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 3은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 4는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 5는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 6은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 7은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 8은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 9는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 10은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 11은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 12는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 13은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 14는 예시적인 열전 에너지 발전 시스템들에 이용될 수 있는 열전 디바이스의 예시적인 실시예의 확대도이다.
도 15는 예시적인 열전 에너지 발전 시스템들에 이용될 수 있는 열전 디바이스의 예시적인 실시예의 등적도(isometric view)이다.
도 16은 예시적인 열전 에너지 발전 시스템들에 이용될 수 있는 열전 디바이스의 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 17은 예시적인 열전 에너지 발전 시스템들에 이용될 수 있는 열전 디바이스의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 18은 열전 디바이스의 예시시적인 실시예들에 사용될 수 있는 반도체 포스트들의 예시적인 실시예들의 등적도이다.
도 19는 열전 디바이스들의 예시적인 실시예들에 사용될 수 있는 반도체 포스트들의 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 20은 열전 디바이스의 예시적인 실시예들에 사용될 수 있는 반도체 포스트들의 예시적인 실시예의 단면도이다.
도 21은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 22는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 23은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 24는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 25는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 26은 얻어진 열원으로서 사용된 핵연료봉을 이용하는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 27은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
본 명세서에서 설명된 예시적인 실시예들은, 다양한 유형의 에너지를 저장되고 및/또는 그후 전기 에너지로 변환될 수 있는 열 에너지로 변환하는 것에 관한 것이다. 본 명세서를 읽은 후에 본 기술분야의 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예들은 경제적 이유들 뿐 아니라 환경적인 이유들에 대해서도 이익이 될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 전기 에너지는 쉽게 전송되고, 그로 인해 전송 비용 등을 감소시키면서 사용자가 원하는 위치에서 이용될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 그러한 시스템들, 방법들, 및/또는 디바이스들은 전기 전송에 대한 필요, 적어도 특정 애플리케이션들에 대한 필요를 없애거나 감소시키며, 그로 인해 화석 연료들에 기초한 전기 발전에 대한 필요를 감소시킨다. 예시적인 실시예들에서, 열 에너지는 국부적으로 저장될 수 있고, 그로 인해 이것을 이동가능하게 한다. 예시적인 실시예들에서, 그러한 시스템은 열 에너지를 저장하기 위해 유기 상전이 물질을 포함할 수 있으며, 그로 인해 그 시스템에 의해 발생되는 임의의 비-생분해 폐기물을 감소시킨다. 부가적인 이점들은 본 발명의 통상의 기술을 가진 자에게 명백할 것이다.
도 1은 열전 에너지 발전 시스템의 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 1에서의 시스템은, 열전 발전기(A)를 포함한다. 열전 발전기의 한 측면은 고온 스토리지(B)와 접촉되어 있는 반면 다른 측면은 저온 스토리지(C)와 접촉되어 있다. 고온 스토리지(B) 및 저온 스토리지(C)의 온도들에 있어서의 차이는 전기 출력을 생성하는 열전 발전기(A)의 두 측면들 사이에 큰 열적 차이를 생성한다. 예를 들어, 도 1의 예시적인 실시예에서, 전기 출력은 양단자와 음단(a1, a2) 사이에 흐르는 직류 전류(a)에 의해 식별된다.
열전 발전기는, "열전 효과(thermoelectric effect)" 로 불리는 현상을 사용하여, 열(예컨대, 본 명세서에서 설명된 온도 차이)을 전기 에너지로 변환하는 디바이스이다.
도 1에 예시된 것과 같은 예시적인 실시예들에서, 고온 스토리지(B)는 고온 재생기(D)를 채용하여 고온으로 유지될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 고온 재생기(D)는 열전 발전기 (A1)를 포함할 수 있다. 열전 발전기(A1)는, 열전 발전기(A1)에 걸쳐 온도 차이를 생성하기 위해 한 측면 상에 고온 스토리지(B)와 다른 측면 상에 주변 온도(I)를 사용하는 것만 제외하면 열전 발전기(A)와 실질적으로 유사한 방식으로 동작한다. 열전 발전기(A1)에 걸친 열 차이는 직류 전류(d)에 의해 식별되는 전기 출력을 생성한다. 열전 발전기(A1)의 전기 출력은, 고온 스토리지(B)를 고온으로 유지하는데 사용될 수 있는 가열기(E)에 전력을 공급하기 위해 사용될 수도 있다.
유사하게, 도 1에서 설명된 바와 같은 예시적인 실시예들에서, 저온 스토리지(C)는 저온 재생기(F)를 채용함으로서 저온으로 유지될 수도 있다. 예시적인 실시예들에서, 저온 재생기(F)는 열전 발전기(A2)를 포함할 수 있다. 열전 발전기(A2)는, 열전 발전기(A2)에 걸친 온도 차이를 생성하기 위해 한 측면 상에 저온 스토리지(C)와 다른 측면 상에 주변 온도(I)를 이용하는 것을 제외하면, 열전 발전기(A)와 실질적으로 유사한 방식으로 동작한다. 열전 발전기(A2)에 걸친 열적 차이는 직류 전류(f)에 의해 식별되는 전류 출력을 생성한다. 열전 발전기(A2)의 전기 출력은 저온 스토리지(C)를 저온으로 유지하기 위해 사용될 수 있는 냉각기(G)에 전력을 공급하는 데 사용될 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 고온 스토리지(B)와 저온 스토리지(C)의 표면들은 물질들에 저장된 열 에너지를 보존하는 것을 돕기 위해 절연체(H)로 절연될 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 상전이 물질은 원하는 온도를 달성하고 유지하는 임의의 수용가능한 물질일 수 있다. 대부분의 상전이 물질들은 페트롤륨(petroleum) 물품들, 염들(salts), 또는 물로부터 나온 화학 제재들(chemical formulations)이다. 이러한 유형들의 상전이 물질들은 온도 범위 선택들, 함유 방법들, 열적 사이클들, 및 잠열 용량들에 있어서 제한된다.
상전이 물질은, 상대적으로 일정한 온도에서 큰 양의 잠열을 흡수하거나 방출하는 데 상전이들(예컨대, 고체화, 액체화, 기화 또는 응축)을 사용하는 물질이다. 상전이 물질들은, 연장된 시간 기간 동안 물품 온도들을 유지하는 것을 돕기 위해 잠열의 자연적 성질에 영향을 미친다. 예시적인 실시예들에서, 상전이 물질은, 자연 식생 기반 상전이 물질들(natural vegetable based phase change materials)과 같은 재생가능한 자원들부터 제조될 수도 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예들에서, 상전이 물질들은 엔트로피 솔루션스(Entropy Solutions)에 의해 제조되고 퓨어템프(PureTemp) 하에서 판매되는 유형일 수 있다.
상전이 물질들은 수많은 애플리케이션들에 사용될 수 있으며 따라서 다양한 함유 방법들이 채용될 수 있다 - 예컨대, 마이크로인캡슐레이션(예컨대, 10 내지 1000 마이크론, 80 - 85 % 코어 이용)(예컨대, 25, 50, 100, 200, 500, 700, 1000 마이크론 등), 매크로 인캡슐레이션(예컨대, 1000+ 마이크론, 80 - 85% 코어 이용)(예컨대, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 4000, 5000+ 마이크론 등), 가요성 필름들, 금속들, 강성 패널들(rigid panels), 구들(sphere) 및 그 이외. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 적절한 함유 선택은 다양한 요소들에 따른다.
예시적인 실시예들에서, 뜨거운 상전이 물질과 차가운 상전이 물질 사이의 온도 차이는, 전력 요구에 따라 수분의 일 도에서 수백 도 사이에 있을 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상전이 물질은, 예컨대 5 그램의 상전이 물질로 1 와트의 전력을 생성하거나, 9킬로그램의 물질로 약 3.5 킬로와트를 생성할 수 있다. 크기상에서, 예시적인 실시예들에서, 그러한 시스템은 셀룰러폰 배터리의 크기(예컨대, 1 와트에 대하여 22 mm ×60 mm × 5.6 mm)(예컨대, 0.7, 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6 등) 또는 더 큰 것(예컨대, 약 3.5 킬로와트에 대하여 21 cm ×21 cm × 21 cm)(예컨대, 3, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 4 킬로와트)일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 복수의 열전 발전기들은, 생성되고 있는 에너지의 양을 증가시키기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 1과 10 사이(예컨대 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 2-4, 3-5, 4-6, 등)에서 발전기들이 셀룰러 폰에 사용될 수 있는 반면에, 더 큰 3.5 킬로와트 디바이스는 300 - 1000(예컨대, 300, 400, 500, 600, 200-400, 300-500, 400-600, 등)개의 발전기들을 사용할 수도 있다.
도 2는 주변에 저장된 에너지를 이용하는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 2의 실시예는, 절연 장벽(K)이 두 개의 상이한 주변 온도들, 높은 측면 주변 온도(I), 및 낮은 측면 주변 온도(J)를 유지하는 데 사용되는 것을 제외하면 도 1의 실시예와 유사하다. 이러한 구성은, 예컨대 고온 물질(B)가 상대적으로 낮은 온도로 유지될 때 이익이 될 수 있다. 이러한 경우에, 높은 측면 주변 온도(I)는 낮은 측면 주변 온도(J)보다 더 낮은 온도에서 유지될 수 있다.
도 3은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 3의 실시예는, 고온 재생기 대신에 대안적인 전력원(D)가 가열기(E)에 대하여 제공되는 것을 제외하면, 도 2의 실시예와 유사하다. 전력원(D)는 배터리, 엔진 등과 같은 임의의 통상적인 전력원이 될 수 있다.
도 4는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 4의 실시예는, 저온 재생기 대신에, 대안적인 전력원(F)이 냉각기(G)에 대하여 제공된 것을 제외하면, 도 2의 실시예와 유사하다. 또한, 전력원(F)은 배터리, 엔진,등과 같은 임의의 통상적인 전력원이 될 수 있다.
도 5는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 5의 실시예는, 고온 재생기와 저온 재생기 대신에, 둘 모두를 가열기(E)와 냉각기(G)에 대하여 대안적인 전력원들(D, F)로 대체되는 것을 제외하면, 도 2의 실시예와 유사하다. 전력원들(D, F)은 배터리, 엔진, 태양, 지열, 전자기, 등과 같은 임의의 통상적인 전력원이 될 수 있다. 이러한 실시예는, 두 에너지원들 모두가 이용가능한 인간이 만든 폐기되는 열 에너지원을 가질 때 이익이 될 수 있다. 이러한 경우에, 그러한 시스템 내의 재생 용량들을 포함하는 것이 필요 없을 수 있다.
도 6은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 6에서, 고온 소스는 대안적인 고온 소스(D)로 대체된다. 예시적인 실시예들에서, 고온 소스는 예컨대 핵 연료봉들로부터의 열, 활화산으로부터의 용암, 용광로로부터의 열, 체온 등이 될 수 있다.
도 7은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 7에서, 저온 소스는 대안적인 저오노 소스(C)로 대체된다.
도 8은 열전 에너지 재생 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 8에서, 고온 물질은 대안적인 열원(C)을 사용하여 고온으로 유지된다.
도 9는 열전 에너지 재생 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 9에서, 고온 소스 및 저온 소스 모두가 대안적인 고온 소스(C) 및 대안적인 저온 소스(D)로 대체되었다. 이상에서 설명된 바와 같이, 다양한 대안적인 소스들이 이용가능하다.
도 10은, 열전 에너지 재생 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 8 - 10은, 대안적인 소스들이 온도에 온도에 있어서 간헐적이거나 변동되는 경우에 또한 상전이 물질이 존재하는 것을 제외하면, 도 6 및 도 7의 실시예들과 유사하다.
도 11은 열전 발전기, 가열 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 11은 도 1에서 도시된 실시예와 유사하지만, 필요시 가열 및 냉각을 제공하기 위해 열 교환기(J)를 또한 포함한다. 이러한 예시적인 실시예에서, 고온 인입구(L) 및 저온 인입구(K)가, 고온 스토리지(B) 또는 저온 스토리지(C)에 의해 가열되거나 냉각된 사용된 액체 또는 기체를, 저온 인입구(K)로부터 수신된 액체 또는 기체를 냉각시키거나 고온 인입구(L)로부터 수신된 액체 또는 기체를 더 가열하는 열 교환기(J)에 제공한다. 그후 펌프들 또는 팬들(P)을 사용하는 전통적인 방법들에 의해, 액체 및 기체가 고온 출구(M) 또는 저온 출구(N)를 통해 열 교환기에서 나가서, 파이프 또는 덕트를 경유하여 원하는 위치들로 분배되는 플리넘(plenum) 또는 탱크(tank)로 간다. 그것은 그 열 에너지를 가열되거나 냉각될 대기로 방출하며 그후 고온 리턴(R) 또는 저온 리턴(S), 플리넘 또는 탱크(O), 및 열 교환기(J)를 경유하여, 고온 스토리지(B) 또는 저온 스토리지(C)로 복귀한다. 이 실시예에서, 열전 발전기(A)로부터의 전기 에너지가 다른 디바이스들을 위한 전기 전력을 생성하는 데 사용될 수 있다
도 12는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 12는 도 11에 예시된 실시예와 유사하지만, 열전 발전기(A)로부터, 펌프들 또는 팬들(P)을 제외한 보조 디바이스들에 전력을 공급하지 않을 수 있다.
도 13은 열전 발전, 가열, 냉각 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 이 실시예에서, 주변과 냉물질 사이의 열전 발전기가 팬을 가동시키기 위해 전력을 생성하고 있다.
비록 이상에서 설명된 예시적인 실시예들 중 많은 실시예들이 도 2의 예시적인 실시예들에 대한 단일 변형예들이지만, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 동일하거나 유사한 변형예들이 예컨대 도 1에 이루어질 수 있다는 것이 쉽게 이해되어야 한다. 부가적으로, 추가적인 예시적 실시예들을 생성하기 위해 다양한 예시적인 변형예들이 서로 조합될 수 있다.
도 14는 예시적인 열전 에너지 발전 시스템들에 이용될 수 있는 열전 디바이스의 예시적인 실시예의 확대도이다. 예시적인 실시예들에서, 셸프 디바이스의 제너릭 대신에(instead of a generic off the shelf device) 더 효율적인 열전 디바이스가 사용될 수도 있다.
도 14에 도시된 예시적인 실시예의 부가적인 세부사항들이 도 15 내지 20에서 발견될 수 있다. 도 15는 예시적인 열전 에너지 발전 시스템들에 사용될 수 있는 열전 디바이스의 예시적인 실시예의 등적도이다. 도 16은 예시적인 열전 에너지 발전 시스템들에 사용될 수 있는 열전 디바이스의 예시적인 실시예의 평면도이다. 도 17은 예시적인 열전 에너지 발전 시스템들에 사용될 수 있는 열전 디바이스의 예시적인 실시예의 단면도이다. 도 18은 열전 디바이스들의 예시적인 실시예들에 사용될 수 있는 반도체 포스트들의 예시적인 실시예의 등적도이다. 도 19는 열전 디바이스들의 예시적인 실시예들에 사용될 수 있는 반도체 포스트들의 예시적인 실시예의 평면도이다. 도 20은 열전 디바이스들의 예시적인 실시예들에 사용될 수 있는 반도체 포스트들의 예시적인 실시예의 단면도이다.
열전 디바이스(18, 22, 24)는 비워지거나 또는 지속가능하게 비워질 수 있는 챔버들을 생성하기 위해 그 모듈들의 두 단부들을 씰링(seal)한 진공 씰 호일들(vacuum seal foils)(1)을 포함한다. 그 챔버들은, 진공 씰 호일들(1)이 (챔버들과 매칭하기 위한 컷아웃들(cutouts)을 구비한) 두 개의 최외부 열전도하는 열가소성 탄성중합체 전기 절연 스킨들(outermost thermally conductive thermoplastic elastomer electrical insulating skins)(3) 상으로 진공 씰링되며, 열적 전기적 전도성 에폭시를 사용하여, 전기 전도 층들(4) 및 전기 입력/출력(I/O) 층들(7)에 부착된 반도체 포스트들(5, 6)에서, 모듈의 전체 배향(universal orientation)을 허용하기 위해, 위킹 그루브들(wicking grooves)(11)을 구비한 비워진 영역들(voided areas)(10)보다 약간 작은 전기 입력/출력(I/O) 층(7)과 열전도성이지만 전기적으로 절연성인 에폭시 전기 전도층(4)을 사용한다. 반도체 포스트들을 통해 내부 열 파이프를 효과적으로 부가함으로써, 다양한 이점들이 실현될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예들에서, 그 포스트들 내의 더 적은 질량은 효율성을 부가한 더 적은 열 저항성을 초래하며; 그 포스트들 내의 홀들은 더 많은 전자들이 흐르도록 허용하는 표면 영역을 부가하고; 및/또는 열 파이프 잠재 에너지는 효율성을 부가한 그 포스트들의 열 저항성을 감소시킬 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 각각의 반도체 포스트들(5, 6)은 직렬로 전기적으로 직렬로 열적으로 병렬로 배열될 수 있으며, 최상부 또는 "뜨거운" 측면층에서 시작한다. 그 직렬은, 최상부에서 볼 때, 그 층의 우측 저부 상의 양의 전기 전도체 I/O 탭(8)으로 시작되는 층으로 시작하며, 반도체 n형 포스트(5)에 연결되고, 반도체 p형 포스트로 종단될 때까지 반도체 포스트 유형들(5, 6) 사이에서 교대한다: 최상부에서 볼 때, 좌측 저부 상의 음의 전기 전도체 I/O 탭(9)에 연결되는 6. I/O 탭(9)은, 최상부에서 볼 때, (반도체 n형 포스트(5)에 연결된) 이 층의 좌측 저부 상의 그 다음 층의 양의 전기 전도체 I/O 탭(8)에 연결될 수 있으며, 반도체 포스트로 종단될 때까지 반도체 포스트 유형들(5, 6) 사이에서 교대한다: 그 층의 우측 저부 상의 음의 전기 전도체 I/O 탭(9)에 연결되는 p형 6. 원하는 수의 층들이 달성될 때까지, 층층이(layer by layer) 교대하면서, 이러한 구조는 계속될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 최저부 층은, 스택의 우측 저부 상의 음의 전기 전도체 I/O 탭(9)에 연결되는 반도체 p형 포스트(6)로 종단된다. 최종 전기 입력/출력(I/O) 층(7)은, 예컨대 열적 전기적 전도성 에폭시를 사용하여, 최종 저부 또는 "차가운" 측면, 즉 진공 씰 호일(1)을 사용하여 씰링된 열전도성 열가소성 탄성중합체 전기 절연 스킨(3)에 부착될 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 이러한 예시적인 모듈들은 다수의 상이한 방식들로 그 시스템 내에 사용될 수 있다. 예를 들어, 열전 디바이스는, Ii) 열전 발전기 모듈 스택(18)과 같은 구성들에서, 높은 열 에너지가 최상부에 인가되고 낮은 열 에너지가 저부 측면에 인가될 때, 에너지 변환기로서 사용될 수도 있으며, (ii) 열전 가열기 모듈 스택(22)으로서, 하비스트 소스(harvest source)(23)로부터 양극 입력 전기 흐름이 인가될 때, 그리고 (iii) 열전 냉각기 모듈 스택(24)으로서, 하비스트 소스(25)로부터의 음극 입력 전기 흐름이 인가될 때는 양극 출력 전기 흐름(26)이 달성된다.
도 21은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 21의 예시적인 실시예는, 예시적인 실시예들에서, 원하는 양극 출력 전기 흐름(26)을 달성하기 위해 조정가능한 사이즈와 수로 될 수 있는 열전 발전기(18)를 사용한다. 열전 발전기(18)는, 열전도성이지만 전기 절연성인 에폭시를 사용하여, 고온 출력 열전도성 열 파이프 케이싱(17)의 평탄하고 부드러운 표면으로, "뜨거운" 측면 상에 부착되고, 열전도성이지만 전기 절연성인 에폭시를 사용하여, 저온 출력 열전도성 열 파이프 케이싱(19)의 평탄하고 부드러운 표면으로, "차가운" 측면 상에 부착될 수 있다. 이러한 케이싱들의 실질적으로 완성된 부착, 미세 공공들의 회피, 또는 미세 공공들의 실질적인 감소는, 몇몇 실시예들에서, 에너지 변환의 수행에 이익이 될 수 있다. 고온 출력 열전도성 열 파이프 케이싱(17) 및 저온 출력 열전도성 열 파이프 케이싱(19) 둘 모두는, 열 파이프 동작 유체(heat pipe working fluid)(15)를 위한 내부 위크(interior wick)로서 작용하는 소결된 층(16)을 각각 구비할 수도 있는 할로우 튜브들(hollow tubes)의 형태로 저장된 열 에너지 질량으로 연장될 수 있다. 그 열 파이프들은 열역학적인 주지된 방법들을 사용하여 설계될 수 있으며 열 전달 산업에서 많은 소스들로부터 구입될 수 있다. 고온 출력 열전도성 열 파이프 케이싱(17) 튜브들은, 좁은 온도 범위 내에서 열을 저장하고 180 J/g 보다 큰 잠열을 저장하는 고밀도 에너지 스토리지를 구비한 고온 상전이 물질(13)의 잠열 열 에너지 질량으로 연장될 수 있다. 저온 출력 열전도성 열 파이프 케이싱(19) 튜브들은. 좁은 온도 범위 내의 열을 저장하고 180 J/g 보다 큰 잠열을 저장하는 고밀도 에너지 스토리지를 구비한 저온 상전이 물질(21)의 잠열 열에너지 질량으로 연장할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상전이 물질은 표 1에서 식별된 성질들의 임의의 조합을 구비할 수 있다.
최고 융점
(℃)		 최고 융점
(℉)		 밀도
(g/cm3)
 밀도
(lb/ft3)		 잠열
(J/g)		 잠열
(BTU/lb)		 특정 열
(J/g℃)		 특정 열
(BTU/lb℉)
고체 액체 고체 액체
-37 -35 0.88 54.6 147 63 1.39 1.99 0.042 0.061
-23.8 -11 -92 57.4 215 93 0.000 0.000
-15 5 1.03 64.5 265 114 1.84 2.06 0.056 0.063
-12 10 0.87 54.4 168 72 1.86 2.07 0.057 0.063
-5 23 0.86 53.7 180 78 1.66 1.93 0.051 0.059
1 34 1.00 62.4 275 118 2.32 2.43 0.071 0.074
4 39 0.87 54.3 195 84 1.28 1.65 0.039 0.050
6 43
8 46 0.86 53.8 180 78 1.85 2.15 0.056 0.066
12 54 0.86 53.7 185 80 1.76 2.25 0.054 0.069
15 59 0.86 53.8 165 71 2.25 2.56 0.069 0.078
18 64 0.86 53.4 189 81 1.47 1.74 0.045 0.053
20 68 0.86 53.8 190 82 2.59 2.89 0.079 0.088
23 73 0.83 51.9 203 87 1.84 1.99 0.056 0.061
24 75 0.86 53.7 189 81 2.85 3.04 0.087 0.093
27 81 0.86 53.9 200 86 2.46 2.63 0.075 0.080
28 82 0.86 53.7 205 88 2.34 2.54 0.071 0.077
29 84 0.85 53.2 189 81 1.77 1.94 0.054 0.059
30 86 0.89 55.7 163 70 1.58 1.62 0.048 0.049
33 91 0.85 52.9 185 80 2.34 2.53 0.071 0.077
37 99 0.84 52.4 222 96 1.0 1.09 0.031 0.033
40 104 0.85 53.1 198 85 1.98 2.13 0.060 0.065
43 109 0.88 55.1 180 78 1.87 1.94 0.057 0.059
48 118 0.82 51.1 245 106 2.10 2.27 0.064 0.069
50 122 0.86 53.8 200 86 1.82 1.94 0.056 0.059
56 133 0.81 50.7 237 102 1.47 2.71 0.075 0.083
61 142 0.84 52.4 199 86 1.99 2.16 0.061 0.066
68 154 0.87 54.3 198 85 1.85 1.91 0.056 0.058
103 217 1.22 76.2 157 68 2.09 2.28 0.064 0.069
133 271 1.21 75.5 230 99 1.57 1.95 0.048 0.059
142 288 1.27 79.4 180 78 1.61 1.76 0.049 0.054
151 304 1.36 84.9 182 78 2.06 2.17 0.063 0.066
< 상전이 물질 성질들 >
예시적인 실시예들에서, 저장된 에너지는 이하 식을 사용하여 계산될 수 있다;
Figure pct00001
여기에서, 저장된 잠열 에너지(kW/h)는 상전이 물질의 부피(cm3) 곱하기 상전이 물질 밀도(g/cm3)와 동일하며; 그 합은 그 후 상전이 물질 잠열 스토리지 용량(J/g)과 곱해지며, 그 후 전체(J)는 3,600,000에 의해 나누어짐으로서 kW/h 로 변환된다.
고온 상전이 물질(13) 및/또는 저온 상전이 물질(21) 둘 모두는 그들의 온도가 유지되거나 실질적으로 유지되는 것을 보장하기 위해 삽입된 부가적인 열 파이프들을 구비할 수 있다.
고온 상전이 물질(13)으로 삽입된 튜브 부분을 구비한 고온 입력 열전도 열 파이프 케이싱(14)은 열 파이프 동작 유체(heat pipe working fluid)(15)를 위킹(wick)하도록 설계된 소결된 층(16)을 포함할 수 있으며, 동일한 고온 출력 열전도 열 파이프 케이싱(13)의 평탄하고 부드러운 표면을 또한 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예들에서, 열 파이프는 절연 카스켓(casket)(12) 위로 연장될 수 있다. 유사하게, 저온 상전이 물질(21) 내로 삽입된 튜브 부분을 구비한 저온 입력 열전도 열 파이프 케이싱(20)은, 동일한 저온 출력 열전도 열 파이프 케이싱(20)의 평탄하고 부드러운 표면과 열 파이프 동작 유체(15)를 위킹하도록 설계된 소결된 층(16)을 포함할 수도 있다. 예시적인 실시예들에서, 열 파이프는, 원격 소스에서 그 디바이스로 열 에너지를 전도하는데 도움이 될 절연 카스켓(12) 위로 연장될 수 있다.
고온 상전이 물질(13) 및 저온 상전이 물질(21) 둘 모두에 대하여 온도를 결정할 때, 자연적으로 발생하거나 및/또는 제1 동작으로부터 제2 폐기물로서 발생하는 가장 극한의 국부 온도(뜨겁던지 차갑던지)가 이용될 수도 있다. 예를 들어, 그러한 시스템을, 낮 동안 공장에서 수행되는 일의 부산물로서 발생하는 열의 다른 소스들이 존재하는, 고온의 평균 낮 온도를 가진 사막의 공장에 설치한다면, 그 열은 고온 상전이 물질(13)의 고온을 유지하거나 및/또는 증가시키는 데 사용될 수 있으며 그로인해 큰 열적 거리(large thermal distance)가 달성되고 유지되는 것이 더 용이하게 된다.
예를 들어, 도 21은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 21에서 볼 수 있는 바와 같이, 열전 가열기 모듈 스택들(22)은, 열전도성이지만 전기적으로 절연성인 에폭시를 사용하여, 그 평탄하고 부드러운 외부 표면으로 고온 입력 열전도 열 파이프 케이싱(14)에 부착할 수 있다. 그 열은 하비스트 소스들(23)로부터의 양극 입력 전기 흐름을 부가함으로서 생성될 수도 있다. 또한, 열전 냉각기 모듈 스택들(24)은 열전도성이지만 전기 절연성인 에폭시를 사용하여, 그 평탄하고 부드러운 외부 표면으로 저온 입력 열전도성 열 파이프 케이싱(20)에 부착된다. 그러한 냉각은 하비스트 소스(25)로부터의 음극 입력 전기 흐름을 부가함으로서 생성될 수도 있다.
도 22는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 22를 참조하면, 직접 하비스팅(harvest)될 수 있는 열원이 존재하면, 도 21에서 참조되는 열전 가열기 모듈 스택들(22)은 제거될 수 있으며, 고온 입력 열전도성 열 파이프 케이싱(14)이 고온 열 에너지의 폐기물 소스에 직접 부착될 수 있다.
도 23은 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 23을 참조하면, 직접 하비스팅될 수 있는 저온 소스가 존재하면, 도 21에서 참조된 열전 냉각기 모듈 스택들(24)은 제거될 수 있으며, 저온 입력 열전도성 열 파이프 케이싱(20)이 저온 열 에너지의 폐기물 소스에 직접 부착될 수 있다.
도 24는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 24를 참조하면, 직접 하비스팅될 수 있는 저온 소스 뿐 아니라 고온 소스도 존재한다면, 열전 냉각기 모듈 스택들(24)들 뿐 아니라 열전 가열기 모듈 스택들(22)도 제거될 수 있으며, 저온 입력 열 전도성 열 파이프 케이싱(20) 뿐 아니라 고온 입력 열전도성 열 파이프 케이싱(14)이 고온 열 에너지의 폐기물 소스와 저온 열 에너지의 폐기물 소스에 각각 직접적으로 부착될 수 있다.
도 25는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 25를 참조하면, 일정한 안정적 전기 공급을 달성하기 위해 질량 및 열 차이를 유지하도록 부가적인 에너지를 하비스팅하고 변환하는 것에 대한 필요가 다양한 애플리케이션들에서 어느 정도 존재할 수 있다. 다른 유형들과 함께, 하비스팅된 광전지 직류 에너지(30), 하비스팅된 압전 직류 전기 에너지(31), 및 하비스팅된 전자기 직류 전기 에너지(32)와 같은 공지된 방법들을 사용하는 에너지 하비스팅(energy harvesting)이 열전 가열기(33)에 전력을 공급할 수 있다. 이러한 방식으로, 가열기(33)는 동작 유체(34)를 끓이도록 가열하여, (그 열을 고온 열 스토리지(38)로 전달하고, 그렇게 하는 데 있어서 냉각하며, 응축된 동작 유체 복귀(37)로서 위킹(wick)되는) 고온 열 파이프(35)내의 동작 유체 증기로 되게 한다. 예시적인 실시예들에서, 이것은 동작 유체(41)를 냉동되도록 냉각하여 (그 온도를 저온 열 스토리지(45)로 전달하며 그렇게 하는 데 있어서 가열하고, 가열된 동작 유체(44)로 표시된 바와 같이 위킹되는) 저온 열 파이프(42) 내의 냉각된 동작 유체(43)로 되도록 열전 냉각기에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 예시적인 실시예들서, 이 프로세스는 실질적으로 일정한 고온 이송(39) 및 저온 이송(46)을, 직류 전기 출력의 구성가능하고, 크기조정가능하고, 일정하고, 신뢰가능한 재생가능 소스를 생성하는 열전 발전기(47)의 대향하는 측면들과 접촉되도록 유지한다.
도 26은 하비스팅된 열원으로서 사용된 핵연료 봉들을 이용하는 열전 에너지 발전 시스템의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 26에서, 사용된 핵 연료봉이 하비스팅된 에너지 변환기(49)는 전기 에너지를 생성하기 위해 복수의 변환 에너지 변환 층들에서 열 에너지를 흡수한다. 실시예들에서, 이것은, 4중 리던던시 안전 가스켓을 제공하는 것 뿐 아니라 현재 사용중인 값비싼 활성수 냉각 방법(costly active water cooling method)를 제거하거나 실질적으로 감소시킨다. 도 26은 스테인레스 스틸 내부 라이너(stainless steel interior liner)를 구비한 최외부 강화 콘크리트(예컨대, 14,500 psi) 외벽(50)으로 시작되는 다중 층들을 도시한다. 예시적인 실시예들은 또한, 비투신(bituthene) 저온 자기 접착의 외부 보호 층을 구비한 제2 강화 8,000 psi 콘크리트 벽으로 코팅된 납 흡착된 비닐 외부 라이너(lead loaded vinyl exterior liner), 지하 구조들을 위한 표준 유형의 고무가 입혀진 아스팔트/폴리에틸렌 방수 멤브레인 시스템, 그 구조의 최상부 및 저부를 포함하는 어셈블리의 전체 또는 실질적인 부분들 주변에 저온 상전이 물질(51)의 큰 부피를 인캡슐레이팅(encapsulating)하는 것을 포함할 수 있다. 상전이 물질은, 제1 열전 층 (thermoelectric layer)을 위한 열전 냉 이송 (thermoelectric cold transfer) 위치에서 가능한 가장 차가운 (또는 적어도 차가운) 온도를 유지하기 위해, 스테인레스 스틸 내부 라이너(50)를 구비한 최외부 강화 콘크리트 14,500 psi 외벽과 접촉되도록 하지 않고도, 저온 동작 유체(예컨대, 암모니아, 아세톤)(52)으로 (저온 상전이 물질(51)의 저부 영역을 통하여 이송 밴드(transfer band) 아래로 연장되는) 열 파이프들(예컨대, 구리 열 파이프들)과 통합될 수도 있다. 그 열전 층은 (SiC 세라믹 외부 씰 플러그(54)와 연결된), 예컨대 도 14에 묘사된 유형의, 저온 열전 발전기 모듈 스택들(53)의 다중 층들로 구성될 수도 있으며, 외부 진공 챔버를 생성한다. 예시적인 실시예들에서, He 기체(55)가 부가될 수 있으며, 그것은 HgCdTe:B 및 HgCdTe:P (56)로 된 SiC 분리 교차 챔버들의 열전 링(thermoelectric ring)을 기화시키는 액체로 구성된 제2 열전 층의 "차가운" 측면과 제1 열전 층의 "뜨거운" 측면을 구성할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 이것은 (He 기체(55)를 포함할 수 있는) 외부 진공 챔버 내의 좁은 빈 영역에 의해 분리될 수 있으며, 그것은 SiC:Se 및 SiC:Sb (57)로 된 분리된 교대 포스트들의 고온 열전 링으로 구성된 제3 및 최종 열전 층의 "차가운" 측면과 제2 열전 층의 "뜨거운" 측면을 구성하고, 그것은, 고온 동작 유체(58)를 위해 액체 CO2 를 사용하여, 통합된 소결 열 파이프들로 제2 SiC 흡수 벽에 열적으로 본딩되고, 그것은 저온 상전이 물질(51)의 상부 영역을 통해 이송 밴드(transfer band) 위로 연장될 수 있고, 여기에서 그들은 네 개의 비인접한 그룹들로 서로 결합하고, 최대 전기 발전을 연장시키기 위해 상이한 동작 유체들이 중심 냉각제에서 연료 봉들로서 사용되는 것을 보장하도록, 스테인레스 스틸 내부 라이너(50)를 구비한 최외부 강화 콘크리트 외벽 및/또는 비투신(bituthene) 저온 자기 접착의 외부 보호 층을 구비한 제2 강화 8,000 psi 콘크리트 벽으로 코팅된 납 흡착된 비닐 외부 라이너, 지하 구조들을 위한 표준 유형의 고무가 입혀진 아스팔트/폴리에틸렌 방수 멤브레인 시스템과 동일한 방식으로 구성된 최상부 캐비티(cavity)로 상부 케이싱을 관통시킨다. 그 챔버는 표준 방법들을 사용하여 연료 봉들을 제거, 부가, 또는 대체하기 위해 이중 보호 해치들(dual protection hatches)로 설계될 수도 있다. 실시예들에서, 이것은 (수직 티타늄 씰 플러그들(60)과 연결된) 중간 진공 챔버를 인캡슐레이팅할 수 있으며, 액체 CO2 동작 유체(61)를 사용하는 통합된 열 파이프들을 가진 제1 SiC 흡수벽을 인캡슐레이팅하고, 그것은 저온 상전이 물질(51)의 상부 영역을 통해 이송 밴드 위로 연장될 수 있으며, 여기에서 그들은 네 개의 비인접 그룹들 내에서 서로 결합하며, 최대 전기 발전을 연장시키기 위해 상이한 동작 유체들이 중심 냉각제에서 연료 봉들로서 사용되는 것을 보장하도록, 스테인레스 스틸 내부 라이너(50)를 구비한 최외부 강화 콘크리트 외벽 및/또는 비투신(bituthene) 저온 자기 접착의 외부 보호 층을 구비한 제2 강화 8,000 psi 콘크리트 벽으로 코팅된 납 흡착된 비닐 외부 라이너, 지하 구조들을 위한 표준 유형의 고무가 입혀진 아스팔트/폴리에틸렌 방수 멤브레인 시스템과 동일한 방식으로 구성된 최상부 캐비티(cavity)로 상부 케이싱을 관통시키고, 내부에 하우징된 사용된 핵 연료봉들(63)의 열 방사를 균일하게 분산시키기 위해, 부가된 He 기체(62)로 큰 영역의 내부 진공 챔버를 형성한다.
도 27은 열전 에너지 발전의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 27에서 볼 수 있는 바와 같이, 그 디바이스는 통합된 열 파이프들을 구비한 고온 열 플레이트들(64) 및 통합된 열 파이프들을 구비한 저온 열 플레이트들(65)을 포함한다. 번호 66은 열전 발전기 코어(thermoelectric generator core)이다. 그 디바이스는 또한 니크롬 코일 가열기(67) 및 열전도성 외부쉘 스트랩(outer shell strap)(68)을 포함한다. 인터페이스(70)가 외부의 폐기된 열원 또는 주변 열원에 그 디바이스를 연결하기 위해 사용될 수도 있다. 케이싱(71)이 상전이 물질을 저장하기 위해 사용될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 그러한 기술을 위한 다른 애플리케이션은, 신체보다 약간 낮은 온도의 상전이 물질로 충진된 단일벽 및 다중벽 탄소 나노튜브들로 이루어진 나노 라디오들(Nano-radios) 및 트랜스미터들을 주입하는 것이 될 수도 있으며, 의료 애플리케이션들(예컨대, 세포 레벨에서의 약 전달, 암 세포들에 대한 성장 차단제들, 삽입된 마이크로 시스템 분석기들 및 트랜스미터들)에 대하여 매우 작지만 필요한 전기 에너지를 생성하기 위해 상전이 물질과 신체 사이에 열전 나노 스케일 열전 디바이스를 설정할 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 그 디바이스는 또한, 주변 온도 뿐 아니라 하비스팅된 열을 위해 모바일 디바이스들(셀 폰, 컴퓨터들, 디스플레이들, 등)에서 사용될 수도 있으며, 또한 상전이 물질들을 사용하여 반대되는 열 에너지들로서 저장하기 위해 주변의 전자기 방사선 및 진동들을 하비스팅할 수도 있고, 그후 실시예들에서 설명된열전 방법들을 통해 변환할 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 그 디바이스는 또한, 주변 온도 뿐 아니라 하비스팅된 열을 사용하여 모바일 디바이스들(셀 폰, 컴퓨터들, 디스플레이들, 등)에서 사용될 수도 있으며, 또한 상전이 물질들을 사용하여 반대되는 열 에너지들로서 저장하기 위해 주변의 전자기 방사선 및 진동들을 하비스팅할 수도 있고, 예시적인 실시예들에서 설명된 바와 같이, 그후 열전 방법들을 통해 더 긴 수명 및 더 나은 효율들을 위해 전자제품들을 냉각시키도록 변환할 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 그러한 디바이스는 전기 장난감들에서 그들에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있으며 주변 온도 뿐 아니라 하비스팅된 열을 사용하며, 또한 상전이 물질들을 사용하여 반대되는 열 에너지들로서 저장하기 위해 주변 전자기 방사선 및 진동들을 하비스팅하고 그후 예시적인 실시예에서 설명된 열전 방법들을 통해 변환시킨다.
예시적인 실시예들에서, 그러한 디바이스는 예컨대, 드릴들(drills), 라우터들(routers), 톱들(saws), 또는 다른 통상적인 배터리와 같은 손 도구들에 전력을 공급하거나 동작되는 디바이스들을 유지하기 위해 사용될 수도 있다. 주변 온도 뿐 아니라 하비스팅된 열은 또한, 상전이 물질들을 사용하여 반대되는 열 에너지들로서 저장하고 그후 실시예들에서 설명되는 열전 방법들을 통해 변환하기 위해서 및/또는 실시예들에서 설명된 바와 같이 더 긴 수명 및 더 나은 효율을 위해 전자제품들을 냉각하기 위해 주변의 전자기 방사선 및 진동들을 하비스팅할 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 그러한 디바이스는 견고하게 와이어링되거나 배터리를 필요로 할 것 없는 것으로부터 이익을 얻을 수 있는 긴급 보안 및 감시 시스템들을 위해 사용될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 그러한 디바이스는, 전기 에너지의 일정한 소스를 구비하여 이익을 얻을 수 있는 모니터링 및 보행 설비뿐 아니라 페이스메이커들(pacemakers), 보청기들(hearing aids), 인슐린 주사 도구들과 같은 건강 용품 애플리케이션들에 대해 사용될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 그러한 디바이스는, 그 디바이스에 전력을 공급하는 전자제품들(냉장, 가열, 청소)를 위해 사용되고 그 전자제품이 하도록 설계된 작업을 완료하는 데 필요한 필요 온도를 제공하는 데 사용될 수 있으며, 예시적인 실시예들에서 설명된 방법들에 의해 달성될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 차량들(예컨대, 자동차들, 비행기, 배들, 보트들, 열차들, 위성들, 배치 차량들(deployment vehicles), 오토바이들, 및 다른 전력이 공급되는 운송 방법들)이 재급유를 위해 정차할 필요없이 비제한된 범위로 오랫동안 있기 위해 오랜 시간동안 그 차량에 전력을 공급하는 방법들/디바이스들을 사용하거나 및/또는, 그 보조 시스템들을 사용할 수 있다. 배들 및 비행기들과 같은 차량들은 더 통상적으로 차가운 대기를 통해 이동하기 때문에 열전 이송점(thermoelecgtric transfer point)로서 몸체(body)나 표면(skin)을 사용하는 것이 운송 산업에 더 이익이 될 수 있다.
거주, 상업 또는 산업용이든지 빌딩들에서, 이러한 변환 방법 및 디바이스는 즉각적인 오프 그리드 사용(immediate off grid use)를 허용하고 또한 폐기된 에너지의 하비스팅에 의한 점유자들 및 물 수요들의 난방 및 냉방, 열 에너지로의 변환, 열 에너지로서의 저장, 및 그후 전기 에너지로 변환될 때 필요시 사용되는 것을 제공한다.
예시적인 실시예들에서, 기술 센터들은 통상적으로 고에너지 사용자들이며, 실시예들에서 그러한 방법들을 사용하는 것은 즉각적인 오프 그리드 사용을 허용하고 또한 센터들의 설비의 냉방을 제공한다.
예시적인 실시예들에서, 실시예들에서의 하비스팅, 스토리지, 및 변환을 사용하는 조명이 개별 고정장치들에 부착되었다면 조명은 무선이 될 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 도시 수직 농장(urban vertical farming)은 이러한 변환 방법을 사용하여 실현될 수도 있으며, 즉각적인 오프 그리드 사용을 허용하고 또는, 폐기된 에너지들의 하비스팅, 열 에너지로의 변환, 열 에너지로의 저장되고 그후 전기 에너지로 변환할 때 필요시 사용되는 것에 의해 물 수요들 및 농업용 에어 컨디셔닝의 난방 및 냉방을 제공할 것이다.
큰 부피의 공기 흡입을 허용하여 습기를 추출하기 위해 그것을 응축 챔버들로 가압하는 저비용, 청정 에너지 솔루션이 존재하는 경우 건조 기후들에서 물이 쉽게 하비스팅될 수 있다. 추출 방법은 지금도 행해질 수 있지만, 오늘날의 에너지 비용이 너무 높아서 그것이 이용될 수 없다.
예시적인 실시예들에서, 그러한 디바이스는, 폐기된 열 에너지들이 그 에너지를 저장할 수 없고 공장에서 그것을 전기적으로 이동시키는 재활용 방법 없이 엄청난 양의 에너지를 냉각 및 가열에 현재 사용하는 대규모 산업 시설들에서 이용될 수도 있다.
예시적인 실시예들에서, 해양 지괴 빌딩(oceanic landmass building)이 죽은 바다 생물체들의 유골들을 와이어 프레임들(wire frames)을 통해 끌어들이는 전류를 가동시킴으로서 달성될 수도 있다. 이러한 방법이 현재 달성될 수 있지만, 오늘날의 에너지 비용이 너무 높아서 그것이 이용될 수 없다.
예시들
열 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 시스템으로서: 열전 발전기; 열전 발전기의 제1 측면과 접촉되어 있는 고온 스토리지; 열전 발전기의 제2 측면과 접촉되어 있는 저온 스토리지; 고온 스토리지를 고온으로 유지시키기 위한 고온 재생기; 및 저온 스토리지를 저온으로 유지시키기 위한 저온 재생기를 포함하는, 시스템. 고온 스토리지와 저온 스토리지의 온도 차이는, 전기 에너지를 생성하는 열전 발전기의 두 측면들 사이의 열 차이를 생성한다.
고온 스토리지 및 저온 스토리지 중 적어도 하나는 상전이 물질들로 되어 있다.
그러한 시스템은 DC 전류를 생성한다.
그러한 시스템은 작은 전자 디바이스들(예컨대, 셀룰러 폰들, 카메라들, 조명들, 태블릿들, 컴퓨터들, 원격 제어기들, 텔레비전들, mp3 플레이어들, 시계들 등)에 전력을 공급하는 데 사용된다.
그러한 시스템은 차량이 재급유를 필요로하지 않는 방식으로 차량에 전력을 공급하는 데 사용된다.
그러한 시스템은 전기 그리드(electrical grid)에 의해 전달된 전력을 보충하는 데 사용된다.
그러한 시스템은 배 또는 선박에 전력을 제공하거나 수역(body of water)의 주변 온도를 사용하는 데 사용된다.
그러한 시스템은 그 시스템의 일부가 되는 전기 발전을 구비하고, 또는 그러한 전기 발전 없이 난방 또는 냉방을 제공하는 데 사용된다.
고온 재생기는: 열전 발전기에 걸쳐 온도 차이를 생성하기 위해 한 측면 상에 고온 스토리지 및 다른 측면 상에 주변 온도를 사용하는 열전 발전기를 포함한다. 열전 발전기에 걸친 온도 차이는 전기 에너지를 생성한다.
고온 재생기의 전기 에너지는 고온 스토리지를 고온으로 유지시키는 가열기에 전력을 공급하는 데 사용된다.
저온 재생기는: 열전 발전기에 걸친 온도 차이를 생성하기 위해 한 측면 상에 저온 스토리지와 다른 측면 상에 주변 온도를 이용하는 열전 발전기를 포함한다. 열전 발전기에 걸친 온도 차이는 전기 에너지를 생성한다.
저온 재생기의 전기 에너지는 저온 스토리지를 저온으로 유지시키는 냉각기에 전력을 공급하는 데 사용된다.
본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하는데 있어서, 다양한 특징물들이 종종 단일 실시예들에 결합되어 그룹핑되며, 그 도면 또는 설명은 본 발명을 간소화하고 다양한 개시된 측면들 중 하나 이상을 이해하는데 도움을 주기 위한 목적이다. 그러나, 이러한 개시 방법은, 청구된 발명들이 각 청구범위에 명백하게 서술된 것보다 더 많은 특징물들을 필요로 한다는 의도를 반영한 것으로 이해되어서는 안된다. 오히려, 이하의 청구범위가 반영하듯이, 독창적인 관점들은 단일의 이상에서 개시된 실시예의 모든 특징물들 보다 더 적은 데에 놓여 있을 수 있다. 따라서, 상세한 설명 이후에 나타나는 청구범위들은 이에 의해 본 명세서로 명백하게 결합되며, 각 청구항은 본 명세서의 개별적인 실시예로서 그 스스로 지위를 갖는다.
게다가, 본 명세서에 설명된 몇몇의 실시예들이 몇가지 특징물을 포함하고 다른 실시예들에 포함된 다른 특징물들을 포함하지 않지만, 상이한 실시예들의 특징물들의 조합들은 본 명세서의 범위 내에서 의도되며, 본 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해되듯이 상이한 실시예들을 형성한다.
비록 본 명세서는 예시적인 실시예들에 특정한 참조를 하였지만, 그 변형예들 및 변화들이 이하의 청구범위의 취지 및 범위 내에서 가능할 것이다.

Claims (8)

  1. 열 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 시스템으로서,
    열전 발전기;
    상기 열전 발전기의 제1 측면과 접촉되어 있는 고온 스토리지;
    상기 열전 발전기의 제2 측면과 접촉되어 있는 저온 스토리지;
    상기 고온 스토리지를 고온으로 유지시키기 위한 고온 재생기;
    상기 저온 스토리지를 저온으로 유지시키기 위한 저온 재생기를 포함하며,
    상기 고온 스토리지와 저온 스토리지의 온도차이는 전기 에너지를 생성하는 상기 열전 발전기의 두 측면들 사이의 열 차이를 생성하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고온 스토리지 및 저온 스토리지는 상전이 물질들인, 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 에너지는 DC 전류인, 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    열적으로 저장된 에너지는 예컨대 온수 난방(water heating), 에어 컨디셔닝(air-conditioning)과 같은 다른 애플리케이션을 가열 또는 냉각시키는 데 사용되는, 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온 재생기는:
    상기 열전 발전기에 걸쳐 온도 차이를 생성하기 위해 한 측면 상에 상기 고온 스토리지와 다른 측면 상에 주변 온도를 사용하는 열전 발전기를 포함하고,
    상기 열전 발전기에 걸친 열 차이는 전기 에너지를 생성하는, 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고온 재생기의 전기 에너지는 상기 고온 스토리지를 고온으로 유지시키는 가열기에 전력을 공급하는 데 사용되는, 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저온 재생기는:
    상기 열전 발전기에 걸쳐 온도 차이를 생성하기 위해 한 측면 상에 상기 저온 스토리지와 다른 측면 상에 주변 온도를 사용하는 열전 발전기를 포함하고,
    상기 열전 발전기에 걸친 온도 차이는 전기 에너지를 사용하는, 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 저온 재생기의 전기 에너지는 상기 저온 스토리지를 저온으로 유지시키는 냉각기에 전력을 공급하는 데 사용되는, 시스템.
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