KR20140114347A - 열전발전장치 - Google Patents
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Abstract
환경의 온도변화에 따라 환경과 열교환 할 수 있는 도열체(1)와, 축열체(2)과, 도열체 및 축열체 사이에 배치된 각 1개의 열전변환 유닛(3) 및 열저항체(6)를 구비한다. 열저항체와 열전변환 유닛의 일단끼리(3a, 6a)가 접촉하고, 열저항체의 타단(6a)이 도열체에 접촉하고, 열전변환 유닛의 타단(6b)이 축열체(2)에 접촉하는 동시에, 축열체(2)의 표면이 일정한 열절연성을 가지는 피복층(4)에 의해 덮인다. 도열체와 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
Description
본 발명은 외부환경의 온도변화를 이용하고, 열전변환 모듈을 사용해서 열에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 발전을 실시하는 열전발전장치에 관한 것이다.
최근, 에너지 하베스팅 기술이 주목 받고 있다. 에너지 하베스팅 기술은 열이나 진동, 광, 전자파와 같은 환경 에너지를 전력으로 변환하는 것이다.
그리고 이 에너지 하베스팅 기술의 하나로서, 열전변환 모듈을 사용하고, 열에너지로부터 전력을 얻도록 한 열전발전장치가 지금까지 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1∼3 참조).
종래의 열전발전장치에 의하면, 발전을 실시할 때는, 열전변환 모듈의 일단에 가열에 의해 열을 공급하는 한편, 타단으로부터 냉각에 의해 열을 배출하고, 열전변환 모듈의 양측에 일정한 크기의 온도차를 발생시킬 필요가 있었다. 즉, 종래의 열전발전장치에 있어서는, 근접해서 존재하는 가열원과 냉각원 사이의 온도차를 이용해서 발전하게 되므로, 열전발전장치의 설치장소가 제한되고 있었다.
한편, 와이어리스 센서나 리모트 모니터 등의 소비전력이 작은 전자기기에 있어서는, 유지보수의 관계상, 전원으로서 상용전원이나 전지가 아니라, 환경 에너지를 이용하는 것이 바람직하다.
그 때문에 열전발전장치를 이것들의 전자기기의 전원부에 결합하는 것을 생각할 수 있지만, 전술한 바와 같이 열전발전장치의 설치장소가 제한된다는 점에서, 전자기기를 필요한 장소에 자유롭게 설치할 수 없다는 문제가 있었다.
또, 환경 에너지를 이용하는 기술로서, 태양광을 전기로 변환하는 태양 전지가 있지만, 일몰 후는 발전할 수 없고, 주간에 있어서도, 일조가 기후에 좌우되고, 혹은 구름에 가로막히는 등 해서 그 발전량은 안정되지 않고, 그 때문에 축전장치가 필요하게 되고, 또는 다른 전원을 보조하는 형태로로 이용에 제한된다는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 과제는 열전발전장치가 배치되는 환경 중의 열전변환 모듈을 사이에 둔 양측에 온도차를 발생시키기 위해서, 열전변환 모듈의 일단을 가열하고, 타단을 냉각하지 않아도, 안정적으로 발전할 수 있는 열전발전장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 의하면, 온도승강을 반복하는 환경 중에 배치되고, 상기 환경의 온도변화를 이용해서 발전을 실시하는 열전발전장치로써, 상기 환경에 접촉하고, 상기 환경의 온도변화에 따라 상기 환경과 열교환할 수 있는 적어도 1개의 도열체와, 적어도 1개의 축열체와, 상기 도열체와 상기 축열체의 쌍, 및 상기 축열체의 쌍으로 이루어지는 세트에서 선택된 적어도 1개의 쌍 사이에 배치된 적어도 1개의 열전변환 유닛과, 상기 도열체와 상기 축열체의 쌍, 및 상기 축열체의 쌍, 및 상기 도열체와 상기 열전변환 유닛의 쌍, 및 상기 축열체와 상기 열전변환 유닛의 쌍으로 이루어지는 세트에서 선택된 적어도 1개의 쌍 사이에 배치되어, 상기 하나의 쌍 사이의 열이동을 제어하는 적어도 1개의 열류조절 유닛과, 일정한 열절연성을 가지고, 상기 축열체를 피복하는 피복층을 구비한 것에 의해, 상기 도열체 및 상기 축열체 사이, 또는 상기 축열체 사이, 또는 그것들의 양쪽에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치가 제공된다.
여기에서, 「온도승강을 반복하는 환경」이란, 주야로 주기적으로 온도변화하는 옥외의 대기 중이나, 옥내에 배치되고, 가동상태에 따라서 온도변화하는 기계설비의 근방 및 표면 상 등이 포함된다.
또, 피복층은 「일정한 열절연성」, 즉 일정한 열저항을 가지지만, 피복층의 열저항은 도열체, 열전변환 유닛, 열류조절 유닛 및 축열체로 형성되는 열경로 전체의 열저항과 비교해서 충분하게(1자릿수 정도) 클 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전발전장치는 1개의 상기 도열체와, 1개의 상기 축열체와, 상기 도열체 및 상기 축열체 사이에 배치된 적어도 한 쌍의 상기 열전변환 유닛 및 상기 열류조절 유닛을 구비하고 있다. 상기 열류조절 유닛은 열저항체로 이루어지고, 상기 열저항체와 대응하는 상기 열전변환 유닛의 일단끼리가 접촉하고, 상기 열저항체의 타단 또는 대응하는 상기 열전변환 유닛의 타단이 상기 도열체에 접촉하는 한편, 상기 열전변환 유닛의 타단 또는 대응하는 상기 열저항체의 타단이 상기 축열체에 접촉한다. 상기 열전변환 유닛 또는 상기 열저항체와의 접촉영역을 제외하는 상기 축열체의 전체가 상기 피복층에 의해 덮이어 있다. 그것에 의해서, 상기 도열체와 상기 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
이 경우, 상기 열류조절 유닛으로서의 상기 열저항체가 상기 열전변환 유닛에 구비될 수도 있고, 상기 열전변환 유닛 자체가 상기 열저항체의 열저항값에 상당하는 열저항값을 가지고 있을 수도 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전발전장치는 1개의 상기 도열체와, 1개의 상기 축열체와, 상기 도열체 및 상기 축열체 사이에 배치된 적어도 1개의 상기 열류조절 유닛 및 적어도 1개의 상기 열전변환 유닛을 구비하고 있다. 상기 열전변환 유닛의 일단이 상기 도열체에 접촉하는 한편, 타단이 상기 축열체에 접촉하고 있다. 상기 열류조절 유닛은 열적으로 팽창 및 수축하는 것, 또는 열적으로 변형함으로써, 상기 도열체 및 상기 축열체에 접촉해서 상기 도열체와 상기 축열체 사이에서 열 이동시키는 제1 위치와, 상기 도열체 및 상기 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 제2 위치를 선택하는 보조도열 유닛으로 되어 있다. 상기 열전변환 유닛 및 상기 보조도열 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있다. 상기 보조도열 유닛이 상기 도열체의 온도가 상기 최고온도 부근에 있을 때, 또는 상기 도열체의 온도가 상기 최저온도 부근에 있을 때에 상기 제1 위치를 선택하는 것에 의해, 상기 도열체와 상기 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전발전장치는 1개의 상기 도열체와, 1개의 상기 축열체와, 상기 도열체 및 상기 축열체 사이에 배치된 적어도 1개의 상기 열류조절 유닛 및 적어도 1개의 상기 열전변환 유닛을 구비하고 있다. 상기 열전변환 유닛의 일단이 상기 도열체에 접촉하는 한편, 타단이 상기 축열체에 접촉하고 있다. 상기 열류조절 유닛은 상기 도열체 및 상기 축열체에 접촉해서 상기 도열체와 상기 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 도열체 및 상기 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 열류스위치로 이루어져 있다. 상기 열전변환 유닛 및 상기 열류스위치와의 접촉영역을 제외하는 상기 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있다. 상기 열전발전장치는 추가로, 상기 도열체의 온도를 검출하는 제1 온도센서와, 상기 축열체의 온도를 검출하는 제2 온도센서와, 상기 제1 및 제2 온도센서의 검출값에 의거해서 상기 열류스위치의 ON상태와 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비하고 있다. 그것에 의해서, 상기 도열체와 상기 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전발전장치는 1개의 상기 도열체와, 1개의 상기 축열체와, 상기 도열체 및 상기 축열체 사이에 배치된 적어도 한 쌍의 상기 열류조절 유닛 및 상기 열전변환 유닛을 구비하고 있다. 상기 열류조절 유닛과 대응하는 상기 열전변환 유닛의 일단끼리가 접촉하고, 상기 열류조절 유닛의 타단 또는 대응하는 상기 열전변환 유닛의 타단이 상기 도열체에 접촉하는 한편, 상기 열전변환 유닛의 타단 또는 대응하는 상기 열류조절 유닛의 타단이 상기 축열체에 접촉하고 있다. 상기 열전변환 유닛 또는 상기 열류조절 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있다. 상기 열류조절 유닛은 상기 도열체 및 상기 열전변환 유닛에 접촉함으로써, 또는 상기 열전변환 유닛 및 상기 축열체에 접촉함으로써 상기 도열체와 상기 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 도열체 및 상기 열전변환 유닛 중의 적어도 한쪽으로부터 이간하고, 또는 상기 열전변환 유닛 및 상기 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 열류스위치로 이루어져 있다. 상기 열전발전장치는 추가로, 상기 도열체의 온도를 검출하는 제1 온도센서와, 상기 축열체의 온도를 검출하는 제2 온도센서와, 상기 제1 및 제2 온도센서의 검출값에 의거해서 상기 열류스위치의 ON상태와 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비하고 있다. 그것에 의해서, 상기 도열체와 상기 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 도열체, 상기 열류조절 유닛 및 상기 열전변환 유닛이, 열전발전장치의 본체로부터 분리 가능하게 되고, 그것들의 부품이 새로운 부품과 교환 가능하게 되어 있다. 그것에 의해서, 장치의 유지보수가 용이하게 되고, 또 장래적인 열전변환 유닛의 개량에 의한 성능향상에도 신속하게 적응할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전발전장치는 1개의 상기 도열체와, 제1 및 제2의 상기 축열체와, 상기 제1 및 제2 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 상기 열전변환 유닛과, 상기 제1 및 제2 축열체의 각각과 상기 도열체 의 사이에 배치된 적어도 1개의 제1 및 제2 열류조절 유닛을 구비하고 있다. 상기 제1 열류조절 유닛은 상기 도열체 및 상기 제1 축열체 사이에 배치되고, 상기 도열체 및 상기 제1 축열체에 접촉해서 상기 도열체와 상기 제1 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 도열체 및 상기 제1 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 당해 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제1 열류스위치로 이루어져 있다. 상기 제2 열류제어 유닛은 상기 도열체 및 상기 제2 축열체 사이에 배치되고, 상기 도열체 및 상기 제2 축열체에 접촉해서 상기 도열체와 상기 제2 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 도열체 및 상기 제2 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 당해 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제2 열류스위치로 이루어져 있다. 상기 제1 열류스위치 및 상기 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 축열체의 표면과, 상기 제2 열류스위치 및 상기 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제2 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있다. 상기 열전발전장치는 추가로, 상기 도열체의 온도를 검출하는 제1 온도센서와, 상기 제1 축열체의 온도를 검출하는 제2 온도센서와, 상기 제2 축열체의 온도를 검출하는 제3 온도센서와, 상기 제1∼제3 온도센서의 검출값에 의거해서 상기 제1 및 제2 열류스위치의 상기 ON상태와 상기 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비하고 있다. 그것에 의해서, 상기 제1 및 제2 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전발전장치는, 상기 제1 열류스위치 및 상기 제1 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 열류스위치에 접촉하는 한편, 타단이 상기 제1 축열체에 접촉하는 제1의 펠티에 소자와, 상기 제2 열류스위치 및 상기 제2 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제2 열류스위치에 접촉하는 한편, 타단이 상기 제2 축열체에 접촉하는 제2의 펠티에 소자를 구비하고 있다. 상기 제1 열류스위치가 상기 ON상태에 있을 때, 상기 제1의 펠티에 소자가 상기 일단에서 흡열하고, 상기 타단에서 발열하고, 상기 제2 열류스위치가 상기 ON상태에 있을 때, 상기 제2의 펠티에 소자가,상기 일단에서 발열하고, 상기 타단에서 흡열하게 되어 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 도열체가 상기 피복층의 표면의 전체를 덮고 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 적어도 1개의 상기 축열체가 서로 다른 상변화 온도를 가지는 복수의 잠열 축열재로 형성되어 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전발전장치는 1개의 상기 도열체와, 제1 및 제2의 상기 축열체를 구비하고, 상기 제2 축열체는 상기 열전발전장치가 설치되는 구조물로 이루어져 있다. 상기 열전발전장치는 추가로, 상기 도열체 및 상기 제1 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 도열체에 접촉하고, 타단이 상기 제1 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 상기 열류조절 유닛을 구비하고 있다. 상기 열류조절 유닛은 상기 도열체 및 상기 제1 축열체에 접촉해서 상기 도열체와 상기 제1 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 도열체 및 상기 제1 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 당해 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 열류스위치로 이루어져 있다. 상기 열전발전장치는 추가로, 상기 제1 축열체 및 상기 구조물간에 배치되고, 일단이 상기 제1 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 구조물에 접촉하는 적어도 1개의 열전변환 유닛을 구비하고 있다. 상기 열류스위치 및 상기 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있다. 상기 열전발전장치는 추가로, 상기 도열체의 온도를 검출하는 제1 온도센서와, 상기 제1 축열체의 온도를 검출하는 제2 온도센서와, 상기 구조물의 온도를 검출하는 제3 온도센서와, 상기 제1∼제3 온도센서의 검출값에 의거해서 상기 열류스위치의 상기 ON상태와 상기 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비하고 있다. 그것에 의해서, 상기 제1 축열체 및 상기 구조물간에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
이 경우, 상기 구조물로서는 예를 들면, 기계설비, 또는 건조물, 또는 해면상이나 하천 및 호소(호수와 늪)의 수면 상에 배치된 부이 등의 구조물, 또는 연간을 통해서 거의 일정한 온도를 가지는 지하열과 열교환하는 열교환기의 일부를 들 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전발전장치는 제1 추가의 축열체와, 제2 추가의 축열체와, 상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 열전변환 유닛과, 상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 펠티에 소자와, 일정한 열절연성을 가지고, 상기 추가의 열전변환 유닛 및 상기 추가의 펠티에 소자와의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 및 제2 추가의 축열체의 표면을 피복하는 추가의 피복층을 구비하고 있다. 상기 추가의 열전변환 유닛을 제외하는 상기 열전변환 유닛이 출력하는 전기 에너지를 상기 추가의 펠티에 소자에 의해 열에너지로 변환하는 것에 의해, 상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 온도차를 발생시키고, 상기 온도차를 이용해서 상기 추가의 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
이 실시예에 있어서, 상기 열전발전장치로부터 전기의 공급을 받는 전자기기의 동작이 간헐적이고, 그것에 대응해서, 상기 열전발전장치에 의한 전기의 출력이 간헐적일 수도 있는 경우에는, 추가의 펠티에 소자를 생략하는 동시에, 상기 추가의 열전변환 유닛을 제벡소자로 구성하고, 상기 열전발전장치로부터 전기를 출력할 때는, 상기 추가의 열전변환 유닛을 제벡소자로서 기능시키는 한편, 상기 열전발전장치로부터 전기를 출력하지 않을 때는, 상기 추가의 열전변환 유닛을 펠티에 소자로서 기능시킬 수도 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전발전장치는 제1 추가의 축열체와, 제2 추가의 축열체와, 상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 열전변환 유닛과, 일정한 열절연성을 가지고, 상기 추가의 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 및 제2 추가의 축열체의 표면을 피복하는 추가의 피복층과, 상기 추가의 피복층의 내부에 있어서 상기 제1 추가의 축열체에 접촉해서 배치된 히터를 구비하고 있다. 상기 추가의 열전변환 유닛을 제외하는 상기 열전변환 유닛이 출력하는 전기 에너지를 상기 히터에 의해 열에너지로 변환하는 것에 의해, 상기 제1 추가의 축열체를 가열하고, 상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 온도차를 발생시키고, 상기 온도차를 이용해서 상기 추가의 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전발전장치는 제1 추가의 축열체와, 제2 추가의 축열체와, 상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 열전변환 유닛과, 상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 펠티에 소자를 구비하고 있다. 상기 제2 추가의 축열체는 상기 열전발전장치가 설치되는 구조물로 이루어져 있다. 상기 열전발전장치는 추가로, 일정한 열절연성을 가지고, 상기 추가의 열전변환 유닛 및 상기 추가의 펠티에 소자와의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 추가의 축열체의 표면을 피복하는 추가의 피복층을 구비하고 있다. 상기 추가의 열전변환 유닛을 제외하는 상기 열전변환 유닛이 출력하는 전기 에너지를 상기 추가의 펠티에 소자에 의해 열에너지로 변환하는 것에 의해, 상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 온도차를 발생시키고, 상기 온도차를 이용해서 상기 추가의 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
이 실시예에 있어서, 상기 열전발전장치로부터 전기의 공급을 받는 전자기기의 동작이 간헐적이고, 그것에 대응해서, 상기 열전발전장치에 의한 전기의 출력이 간헐적일 수도 있는 경우에는, 추가의 펠티에 소자를 생략하는 동시에, 상기 추가의 열전변환 유닛을 제벡소자로 구성하고, 상기 열전발전장치로부터 전기를 출력할 때는, 상기 추가의 열전변환 유닛을 제벡소자로서 기능시키는 한편, 상기 열전발전장치로부터 전기를 출력하지 않을 때는, 상기 추가의 열전변환 유닛을 펠티에 소자로서 기능시킬 수도 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 열전발전장치는 제1 추가의 축열체와, 제2 추가의 축열체와, 상기 제1 및 제2 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 열전변환 유닛과, 일정한 열절연성을 가지고, 상기 추가의 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 및 제2 추가의 축열체의 표면을 피복하는 추가의 피복층과, 상기 추가의 피복층의 내부에 있어서 상기 제1 추가의 축열체에 접촉해서 배치된 히터를 구비하고 있다. 상기 제2 추가의 축열체는 상기 열전발전장치가 설치되는 구조물로 이루어져 있다. 상기 추가의 열전변환 유닛을 제외하는 상기 열전변환 유닛이 출력하는 전기 에너지를 상기 히터에 의해 열에너지로 변환하는 것에 의해서, 상기 제1 추가의 축열체를 가열하고, 상기 제1 축열체 및 상기 구조물간에 온도차를 발생시키고, 상기 온도차를 이용해서 상기 추가의 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의하면, 상기 환경이 옥외의 대기 중으로 이루어지고, 상기 열전발전장치는 제1 및 제2의 상기 도열체와, 제1 및 제2의 상기 축열체와, 상기 제1 도열체 및 상기 제1 축열체 사이에 배치된 적어도 1개의 제1의 상기 열류조절 유닛과, 상기 제2 도열체 및 상기 제2 축열체 사이에 배치된 적어도 1개의 제2의 상기 열류조절 유닛을 구비하고 있다. 상기 제1 열류조절 유닛은 상기 제1 도열체 및 상기 제1 축열체에 접촉해서 상기 제1 도열체와 상기 제1 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 제1 도열체 및 상기 제1 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제1 열류스위치로 이루어져 있다. 상기 제2 열류조절 유닛은 상기 제2 도열체 및 상기 제2 축열체에 접촉해서 상기 제2 도열체와 상기 제2 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 제2 도열체 및 상기 제2 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제2 열류스위치로 이루어져 있다. 추가로, 상기 열전발전장치는 상기 제1 및 제2 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 열전변환 유닛을 구비하고 있다. 상기 제1 및 제2 열류스위치, 및 상기 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 및 제2 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있다. 또, 상기 제1 도열체에 있어서의 상기 환경과의 열교환면에, 태양광 스펙트럼은 투과시키지만 원적외선을 투과시키지 않는 필터가, 당해 열교환면에서 간격을 두고 배치되어 당해 열교환면의 전체를 피복하고, 상기 제2 도열체에 있어서의 상기 환경과의 열교환면에, 원적외선은 투과시키지만 태양광 스펙트럼을 투과시키지 않는 필터가, 당해 열교환면에서 간격을 두고 배치되어 당해 열교환면의 전체를 피복하고 있다. 상기 열전발전장치는 추가로, 상기 제1 도열체의 온도를 검출하는 제1 온도센서와, 상기 제1 축열체의 온도를 검출하는 제2 온도센서와, 상기 제2 도열체의 온도를 검출하는 제3 온도센서와, 상기 제2 축열체의 온도를 검출하는 제4 온도센서와, 상기 제1∼제4 온도센서의 검출값에 의거해서 상기 제1 및 제2 열류스위치의 ON상태와 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비하고 있다. 그것에 의해서, 상기 제1 및 제2 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지가 출력된다.
본 발명에 의하면, 온도변화를 반복하는 환경에 접촉하는 도열체가 그 환경과 열교환하는 동시에, 도열체와 축열체의 쌍, 및 축열체의 쌍, 및 도열체와 열전변환 유닛의 쌍, 및 축열체와 열전변환 유닛의 쌍으로 이루어지는 세트로부터 선택된 적어도 1개의 쌍 사이에 열류조절 유닛을 배치해서 당해 쌍 사이의 열이동을 제어하는 것에 의해서, 도열체 및 축열체 사이 혹은 축열체 사이에 자동적으로 온도차를 발생시키고, 이 온도차에 비례한 전압을 열전변환 유닛으로부터 꺼낼 수 있다.
또, 각 1개의 도열체 및 축열체와, 축열체 및 도열체 사이에 배치된 각 1개의 열전변환 유닛 및 열류조절 유닛을 구비하고, 열류조절 유닛이 열저항체로 이루어지고, 열저항체와 열전변환 유닛의 일단끼리가 접촉하고, 열저항체의 타단 또는 열전변환 유닛의 타단이 도열체에 접촉하고, 열전변환 유닛의 타단 또는 열저항체의 타단이 축열체에 접촉하고, 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 축열체의 전체가 피복층에 의해 덮어지는 구성이라고 했을 경우에는, 도열체, 열저항체(열류조절 유닛), 열전변환 유닛 및 축열체에 의해 형성되는 열회로전체의 열저항과 축열체의 열용량으로부터 정해지는 열시정수에 의해, 축열체의 온도를 도열체의 최고온도와 최저온도의 중간부근의 온도로 유지하는 것에 의해서, 도열체 및 축열체 사이에 온도차를 자동적으로 발생시키고, 이 온도차에 비례한 전압을 열전변환 유닛으로부터 꺼낼 수 있다.
또, 각 1개의 도열체 및 축열체와, 도열체 및 축열체 사이에 배치된 각 1개의 열류조절 유닛 및 열전변환 유닛을 구비하고, 열전변환 유닛의 일단이 도열체에 접촉하는 한편, 타단이 축열체에 접촉하고, 열전변환 유닛과의 접점부를 제외하는 축열체의 전체가 피복층에 의해 덮이고, 피복층 내에 열류조절 유닛으로서 보조도열 유닛 또는 열류스위치를 배치하는 구성으로 했을 경우에는, 도열체의 온도가 최고온도 부근 또 최저온도 부근에 있을 때에, 보조도열 유닛 및 열류스위치를 통해서 도열체 및 축열체 사이에 열이동이 발생하고, 도열체의 온도가 그 이외인 때는, 보조도열 유닛 및 열류스위치를 통한 열이동이 발생하지 않도록 하고, 그것에 의해서, 도열체 및 축열체 사이에 큰 온도차를 자동적으로 발생시키고, 이 온도차에 비례한 전압을 열전변환 유닛으로부터 꺼낼 수 있다.
본 발명에 의하면, 온도차를 가지는 도열체 및 축열체 사이, 또는 축열체 사이, 또는 그것들의 양쪽에 열전변환 유닛을 배치하고, 당해 온도차에 의거해 열전변환 유닛을 통해서 열에너지를 열평형을 향해서 이동시키고, 그 열에너지의 일부를 열전변환 유닛에 의해 전기 에너지로 변환함으로써 발전을 실시하지만, 이 경우, 축열체에는 항상, 일정량의 열량이 축적된 상태에서, 발전에 필요한 온도차가 수득되는 열량만이, 축열체에 축적 및 방출되는록 함으로써, 보다 효율적인 발전이 실현된다(이른바, 엑서지의 개념).
이렇게 해서, 본 발명에 의하면, 온도승강을 반복하는 환경 중에 열전발전장치를 배치하는 것만으로 전기 에너지를 꺼낼 수 있고, 종래의 열전발전장치와 같이 , 열전발전장치가 배치된 환경 중의 열전변환 유닛을 사이에 둔 양측에 온도차를 발생시키기 위해서, 열전변환 유닛의 일단을 가열하고, 타단을 냉각할 필요가 없다.
도 1은 본 발명의 1실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 열전발전장치를 옥외의 대기 중에 배치했을 경우의, 도열체와 축열체의 온도변화를 예시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 열전발전장치를 나타내는 도 1에 유사한 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 열전발전장치를 전자기기의 전원으로서 사용했을 경우의 그 전원의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5는 (A): 도 1에 나타낸 열전발전장치의 축열체의 변형예의 종단면도이고, (B): (A)의 온도변화에 따르는 축열량(방열량)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 주요부를 나타내는 확대종단면도이다.
도 7은 도 6에서의 보조도열 유닛의 장착부의 확대도이다.
도 8은 도 6에서의 보조도열 유닛의 장착부의 확대도이다.
도 9는 도 6에 나타낸 열전발전장치를 옥외의 대기 중에 배치했을 경우의, 도열체와 축열체의 온도변화의 일례를 나타내는 도 2에 유사한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치를 나타내는 도 1에 유사한 도면이다.
도 11은 도 10에 나타낸 열전발전장치의 열류스위치의 장착부의 확대도이다.
도 12는 도 10에 나타낸 열전발전장치의 열류스위치의 장착부의 확대도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 14는 도 13에 나타낸 열전발전장치를 옥외의 대기 중에 배치했을 경우의, 도열체와 제1 및 제2 축열체의 온도변화의 일례를 나타내는 도 2에 유사한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 사시도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 열전발전장치를 옥외의 대기 중에 배치했을 경우의, 도열체와 축열체의 온도변화를 예시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 열전발전장치를 나타내는 도 1에 유사한 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 열전발전장치를 전자기기의 전원으로서 사용했을 경우의 그 전원의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5는 (A): 도 1에 나타낸 열전발전장치의 축열체의 변형예의 종단면도이고, (B): (A)의 온도변화에 따르는 축열량(방열량)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 주요부를 나타내는 확대종단면도이다.
도 7은 도 6에서의 보조도열 유닛의 장착부의 확대도이다.
도 8은 도 6에서의 보조도열 유닛의 장착부의 확대도이다.
도 9는 도 6에 나타낸 열전발전장치를 옥외의 대기 중에 배치했을 경우의, 도열체와 축열체의 온도변화의 일례를 나타내는 도 2에 유사한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치를 나타내는 도 1에 유사한 도면이다.
도 11은 도 10에 나타낸 열전발전장치의 열류스위치의 장착부의 확대도이다.
도 12는 도 10에 나타낸 열전발전장치의 열류스위치의 장착부의 확대도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 14는 도 13에 나타낸 열전발전장치를 옥외의 대기 중에 배치했을 경우의, 도열체와 제1 및 제2 축열체의 온도변화의 일례를 나타내는 도 2에 유사한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 사시도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 발명에 의한 열전발전장치는 온도승강을 반복하는 환경 중에 배치된다. 여기에, 「온도승강을 반복하는 환경」이란 주야로 주기적으로 온도변화하는 옥외의 대기 중이나, 옥내에 배치되고, 가동상태에 따라서 온도변화하는 기계설비의 근방 및 표면 상 등이 포함된다.
도 1은 본 발명의 1실시예에 의한 열전발전장치의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 1에 나타난 실시예에서는 본 발명에 의한 열전발전장치는 환경에 접촉하고, 환경의 온도변화에 따라서 환경과 열교환할 수 있는 1개의 도열체(1)와, 1개의 축열체(2)와, 도열체(1) 및 축열체(2) 사이에 배치된 적어도 1쌍(이 실시예에서는 1쌍)의 열전변환 유닛(3) 및 열류조절 유닛(6)을 구비하고 있다. 열류조절 유닛(6)은 이 실시예에서는 열저항체로 이루어져 있다.
그리고 열저항체(6)의 일단(6a)과 열전변환 유닛(3)의 일단(3a)이 접촉하고, 열저항체(6)의 타단(6b)이 도열체(1)에 접촉하고, 열전변환 유닛(3)의 타단(3b)이 축열체(2)에 접촉하고 있다. 또, 열전변환 유닛(3)과 열저항체(6)와의 위치관계는 이 실시예에 한정되지 않고, 열전변환 유닛(3)과 열저항체(6)가 상하로 역전해서 배치될 수도 있다.
또, 열저항체(6)는 이 실시예에서는 열전변환 유닛(3)과는 별개의 구성요소가 되어 있지만, 열저항체(6)가 열전변환 유닛(3)에 구비될 수도 있고, 열전변환 유닛(3) 자체가 열저항체(6)의 열저항값에 상당하는 열저항값을 가질 수 있다(이 경우에는 열저항체(6)는 불필요).
또, 열전변환 유닛(3)과의 접촉영역을 제외하는 축열체(2)의 표면이 일정한 열절연성을 가지는 피복층(4)에 의해 덮이어 있다.
여기에서, 피복층(4)은 일정한 열절연성, 즉 일정한 열저항을 가지지만, 피복층(4)의 열저항은 도열체(1), 열전변환 유닛(3), 열저항체(6) 및 축열체(2)로부터 형성되는 열경로 전체의 열저항과 비교해서 충분하게 (1자릿수 정도) 크면 좋다.
피복층(4)은 일정한 열절연성을 가지고, 열전변환 유닛(3)과의 접촉영역을 제외하는 축열체(2)의 표면을 피복할 수 있고, 그 형성재료나 구조에 특별히 제한은 없다. 이 실시예에서는 피복층(4)은 열전변환 유닛(3)과의 접촉영역을 제외하는 축열체(2)의 표면을 피복하는 공지의 적당한 단열재로 이루어져 있다.
피복층(4)에 덮인 축열체(2)는 바람직하게는 각이 없고 전체적으로 둥그스름한 모양을 가지고, 표면적이 가능한 한 작아지는 것 같은 형상으로 한다.
열전변환 유닛(3)으로서는 열에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 임의의 것이 사용 가능하지만, 이 실시예에서는 제벡효과를 이용한 열전변환 모듈이 사용된다. 또, 도 1 중, (5)는 열전변환 모듈의 한 쌍의 전극이다.
도열체(1)는 환경과의 열교환(열흡수 및 방열)이 더 높은 효율로 이루어질 수 있는 구성을 가지고 있는 것이 바람직하다. 그 때문에 예를 들면, 열전발전장치의 설치환경이 온도변화하는 대기 중인 경우에는, 가능한 한 큰 도열체(1)의 표면적을 확보하기 위해서, 도열체(1)의 표면이 요철을 가지고, 또는 조면으로 형성되어 있는 것이 바람직하고(전도, 대류의 촉진), 또, 도열체(1)의 표면이 흑색 등의 짙은 색을 가지고 있는 것이 바람직하다(방사의 촉진). 또, 예를 들면, 열전발전장치의 설치환경이 가동상태에 따라서 온도변화하는 기계설비의 표면인 경우에는, 도열체(1)가 기계설비의 표면에 밀착시키기 위해, 당해 표면에 적합한 형상을 가지고 있는 것이 바람직하다(전도의 촉진).
환경이 옥외의 대기 중인 경우에는, 도열체(1) 또는 열전발전장치 본체를 움직일 수 있는 구성으로 하고, 도열체(1)에 있어서의 환경과의 열교환면이 태양을 향하도록 조절 가능하게 하면, 계절을 통한 또는 1일을 통한 일조각도의 변화가 발생해도, 일사를 효율 좋게 받을 수 있으므로, 더 바람직하다.
별도의 바람직한 실시예에 의하면, 반사판 또는 집광기(집광렌즈)가 도열체(1)의 전면에 배치되고, 그것들을 통해서 도열체(1)가 환경으로부터 열을 받도록 되어 있다. 그것에 의해서, 도열체(1)가 받는 열량이 더욱 증가한다.
축열체(2)는 물 등의 액체에 의해 채워진 방수성을 가지는 용기로 이루어질 수 있고, 이 경우, 용기의 벽의 적어도 열전변환 유닛과의 접촉영역은 열전도성을 가지고 있다.
용기를 채우는 액체는 부패되기 어렵고, 동결하기 어려운 것이면, 어떤 액체로 이루어질 수 있고, 예를 들면, 순수, 또는 순수에 부동액을 혼합한 것, 또는 순수에 방부제를 혼합한 것을 사용할 수 있다. 또, 액체에는 겔상의 것도 포함된다.
축열체(2)는 고체상의 금속 또는 비금속으로 이루어질 수도 있고, 이 경우, 축열체(2)로서 알루미늄 덩어리 또는 플래스틱 덩어리 또는 콘크리트 덩어리를 사용하는 것이 바람직하다.
축열체(2)는 또, 잠열 축열재로 이루어질 수도 있고, 이 경우, 잠열 축열재의 상변화(상전이) 물질은 특별하게 한정되지 않는다. 잠열 축열재는 아세트산 나트륨 수화물, 황산 나트륨 수화물 또는 석유정제품의 파라핀 등의, 상변화 온도에서의 융해열 또는 응고열을 이용하는 것으로, 상기한 비열이 일정한 액체나 고체로 이루어지는 축열체와 비교해서, 보다 큰 열용량의 축열체로 할 수 있다.
이 경우, 축열체는 서로 다른 상변화 온도를 가지는 복수의 축열재로 구성되어 있는 것이 더 바람직하다. 상기 구성의 1예를 도 5에 나타냈다.
도 5A를 참조하고, 이 실시예에서는 축열체(2')는 도열성을 가지는 케이싱(47)과, 케이싱(47) 내에 수용되고, 축열체(2)의 동작 온도범위 내의 다른 온도에서 기능하는 3개의 잠열 축열재(48a∼48c)로 이루어져 있다. 이 실시예에서는 잠열 축열재(48a∼48c)는 액체상 또는 겔상이며, 각각 전용의 용기 내에 충전되어 있다. 그리고 케이싱(47)의 내부가 도열성을 가지는 칸막이 벽에 의해 3개의 챔버로 분리되고, 챔버별로 다른 잠열 축열재(48a∼48c)가 수용되어 있다. 또, 칸막이 벽은 잠열 축열재(48a∼48c)의 전체가 균일하게 열교환할 수 있도록 하기 위한 것으로, 필요에 따라서 형성된다. 또, 잠열 축열재(48a∼48c)가 입상인 경우에는, 잠열 축열재(48a∼48c)의 혼합물이 케이싱(47) 내에 수용된다.
도 5B는 도 5A에 나타낸 축열체(2')와, 비열이 일정한 액체 또는 고체로 이루어지는 통상의 축열체의 온도변화에 따른 축열량(또는 방열량)의 변화를 비교한 그래프이다. 그래프 중, 직선α은 통상의 축열체를 나타내고, 꺾인선β는 축열체(2')를 나타내고, T0∼T1은 축열체의 동작 온도범위를 나타내고, T2, T3, T4는 각각 제1 잠열 축열재(48a), 제2 잠열 축열재(48b) 및 제3 잠열 축열재(48c)가 기능하는 온도를 나타내고 있다. 또, 꺾인선β에 있어서는 각 잠열 축열재의 열저항 및 열용량에 의한 영향은 고려되지 않고 있다.
지금, 예를 들면, 축열체가 T0=5℃에서 T1=25℃의 범위 내(온도차 20℃)에서 동작하고, 각 잠열 축열재(48a∼48c)의 무게가 200g이고, 융해열이 200kJ/kg이고, 현열의 비열이 2kJ/(kgㆍK)인 것으로 하고, 케이싱(47)의 비열 등은 무시하면, 축열체(2')에 관해서,
잠열의 열량 = 200(kJ/kg)×0.6(kg)=120(kJ)
현열의 열량 = 2(kJ/(kgㆍK))×0.6(kg)×20(K)=24(kJ)
잠열과 현열의 합계열량 = 120(kJ)+24(kJ)=144(kJ)
이 된다.
한편, 물(자연계에서는 최대의 비열을 갖는다) 0.6kg으로 이루어지는 통상의 축열체에서 20℃의 온도변화를 시키면,
열량(현열만) = 4.2(kJ/(kgㆍK))×0.6(kg)×20(K)
= 50.4(kJ)
이 된다. 그리고,
144(kJ)/50.4(kJ)=2.86이고, 물의 2.86배의 비열을 가지는 축열체(2')가 수득된 게 된다. 그것에 의해서, 보다 조밀하며, 또한 발전량이 큰 열전발전장치가 실현된다.
열저항체(6)는 축열체(2)의 열용량과, 열전변환 유닛(3)의 발전효율(열전변환 유닛(3)에 의한 발전에 따른 열이동)을 고려하면서, 축열체(2)의 온도를 도열체(1)의 최고온도와 최저온도의 중간의 온도부근에 유지할 수 있을 정도의 열저항을 가지고 있으면 좋다.
장치설계 상, 열저항체(6)의 열저항값은 외부환경과 도열체(1) 사이의 열저항, 및 도열체(1)와 열저항체(6) 사이의 열저항, 및 열전변환 유닛(3)의 열저항, 및 열저항체(6)와 열전변환 유닛(3) 사이의 열저항, 및 열전변환 유닛(3)과 축열체(2) 사이의 열저항의 총합계에, 축열체(2)의 열용량을 곱한 값으로서 정해지는 열시정수가 열전발전장치가 배치되는 환경의 온도승강의 반복 주기(이라고, 도열체(1)의 온도승강의 반복 주기)와 축열체(2)의 온도승강의 반복 주기 사이에 일정 정도의 지연을 발생시키고, 그것에 의해서, 도열체(1) 및 축열체(2) 사이에 발전에 필요한 온도차를 발생시키는 적당한 열시정수가 되도록 설정된다.
열저항체(6)로서는 예를 들면, 금속제의 봉체 및 판체나, 금속 파이버의 집합체나, 화학섬유 집합체 등이 사용 가능하다.
또, 장치설계 상, 혹은 구조 상, 예를 들면, 축열체(2)의 전체가 피복층(4)에 의해 완전하게 덮이어 있지 않고, 축열체(2)의 일부가 외부의 환경에 접하고 있어도, 상기의 「일정한 열절연성」이 확보되고, 상기의 열저항의 총합계와 축열체(2)의 열용량을 곱한 값에 의해 적당한 열시정수가 실현될 수도 있다.
다음에, 본 발명에 의한 열전발전장치의 동작을 설명한다.
지금, 열전발전장치를 옥외의 대기 중에 배치했을 경우를 생각한다. 일본각지의 1일의 최고기온과 최저기온의 온도차는 평균하면 약 10℃인 것으로 알려져 있으므로, 본 발명의 열전발전장치를 배치한 환경에 있어서도, 1일의 기온차가 약 10℃로 한다.
또, 이 실시예에서는 북위 30∼45°에 위치해 해양에 둘러싸여진 일본에서의 기온을 전제로 하고 하지만, 지구상의 어느 지역에 있어서도 낮은 태양의 일사에 의한 가열이 발생하는 한편, 야간은 방사냉각에 의한 냉각이 발생하고, 주야의 반복이 기온변화를 발생시키는 것에는 변화가 없으며, 따라서, 본 발명에 의한 열전발전장치는 지역에 의존하지 않고 동작하는 것은 말할 필요도 없다.
도 2는 이러한 환경 중에 있어서의, 본 발명의 열전발전장치의 도열체(1)와 축열체(2)의 1일의 온도변화를 예시한 그래프이다. 도 2의 그래프 중, 종축은 온도(℃)를, 횡축은 시각(hr)을 나타내고, 곡선X 및 곡선Y는 각각 도열체(1)의 온도변화 및 축열체(2)의 온도변화를 나타내고, 또 직선Z는 축열체(2)의 평균온도를 나타내고 있다.
도 2A∼C의 그래프의 곡선X에 나타내는 바와 같이 열전발전장치의 도열체(1)의 온도는 기온변화에 거의 추종하고, 약 10℃의 온도 범위 내에서 상승한다.
또, 도열체(1)와 축열체(2) 사이에는 열이동이 발생하고, 그것에 의해서 축열체(2)의 온도도 변화되지만, 이 경우, 도열체(1), 열저항체(6), 열전변환 유닛(3) 및 축열체(2)로 형성되는 열회로 전체의 열저항에, 축열체(2)의 열용량을 곱한 값으로 해서 정해지는 열시정수에 따라, 도열체(1)의 온도변화보다도 지연된다(온도변화의 위상이 어긋남).
게다가, 피복층(4)의 열저항은 유한하기 때문에, 피복층(4)에서 열누설이 발생하고, 또한 열전변환 유닛(3)의 발전에 따른 열이동이 발생한다.
그 결과, 축열체(2)의 온도는 도열체(1)의 최고온도와 최저온도의 중간온도 부근에서 변화되고, 도열체(1)와 축열체(2)의 온도차는 도열체(1)의 최고온도와 최저온도의 차(약 10℃)의 반 정도의 약 5℃를 최대값으로 해서, 0℃∼약 5℃의 범위 내에서 변동한다.
도 2B는 발전에 필요한 도열체(1) 및 축열체(2)의 온도차가 수득되도록, 도열체(1), 열저항체(6), 열전변환 유닛(3) 및 축열체(2)로 형성되는 열회로 전체의 열저항과, 축열체(2)의 열용량이 설정되었을 경우의 그래프이다.
그리고 이 그래프에 있어서는, 열시정수는 1일의 기온변화(따라서, 도열체(1)의 온도변화)의 그래프가 24시간의 주기를 가지는 정현파라고 할때, 축열체(2)의 온도변화의 위상이 45도(3시간) 어긋나도록 설정되어 있다.
이 경우, 열시정수는 다음과 같이 결정된다. 즉,
R = 도열체(1), 열저항체(6), 열전변환 유닛(3) 및 축열체(2)로 이루어지는 열회로 전체의 열저항
C= 축열체의 열용량
ω = 2πf= 각주파수(f: 주파수)
이고, 45도의 위상차가 발생하고 있으므로, 열저항R과 축열체(2)의 정현파 교류(변화)에 대한 열저항(임피던스) 1/ωC의 절대값은 같다. 따라서,
R = 1/ωC
이므로,
열시정수 t= RC = 1/2πf = 24/2π = 3.82(시간)
[주기= 24시간이기 때문에, f=1/24]
이 그래프에 있어서는, 발전에 의한 열이동량의 증대에 따라 축열체(2)의 온도변화량이 도열체(1)의 온도변화량의 1/2(약 5℃)을 넘어도, 축열체(2)의 온도변화와 도열체(1)의 온도변화의 위상차가 있기 때문에, 축열체(2)와 도열체(1)의 온도차ΔT는 1/2까지도 저하하지 않고, 80% 정도로 유지되고 있다.
이렇게 해서, 1일의 기온의 변화를 통해서, 실제로 발전에 사용 가능한 도열체(1)와 축열체(2)의 온도차 약 5℃가 확보될 수 있다. 그리고 이 온도차ΔT에 따라서, 도열체(1)의 승온시와 강온시의 2회에 걸쳐서 발전이 이루어지고, 그 적분값이 1주기(주야로 1사이클)의 발전 전력량이 된다.
한편, 도 2C의 그래프에 나타내는 바와 같이, 축열체(2)가 보다 작은 열용량을 가지도록 설계되고, 혹은, 도열체(1) 및 축열체(2) 사이의 열저항이 작아지도록 설계되었을 경우, 곡선Y는 점차로 곡선X에 근접하고, 그 결과, 도열체(1)와 축열체(2)의 온도차는 작아져서, 유효한 발전은 할 수 없게 된다.
또, 도 2A의 그래프에 나타내는 바와 같이, 축열체(2)가 더 큰 열용량을 가지도록 설계되고, 혹은, 도열체(1) 및 축열체(2) 사이의 열저항이 커지도록 설계되었을 경우, 곡선Y는 곡선X의 최대값과 최소값의 중간값 부근에 있어서 점차로 플래트하게 되어 평균온도를 나타내는 직선Z에 근접한다. 그 결과, 도열체(1)와 축열체(2)의 온도차가 커진다. 이것은 발전조건으로서는 문제 없지만, 현실적인 설계라고는 말할 수 없다.
이렇게 해서, 본 발명에 의하면, 1일을 통해서 유효한 발전이 실현되도록 하기 위해서, 열시정수는 1일의 온도변화의 그래프가 주기 24시간의 정현파에 일치한다고 했을 경우에, 당해 주기의 1/10의 2.4시간 이상이 되도록 미리 설정되어 있다.
다음에, 도 2B의 그래프의 경우에, 실제로 어느 정도의 전력량이 수득되는 지를 어림하기로 한다.
예를 들면, 축열체(2)를 1000㎖의 물로 채워진 용기로 구성했을 경우에는, 용기의 열용량을 작다고 해서 무시하면, 상기 고찰에 의거해서, 축열체(2)의 온도변화를 2℃로 해서, 축열체(2)의 열용량은 물의 비열이 1cal/g이고, 1cal=4.2J이기 때문에, 다음과 같이 된다.
열용량 = 1×1000×2=2000(cal)
= 8400(J)=8400(Ws)=2.33(Wh)
열량 2000cal을 전기 에너지의 단위인 줄(1J=1Ws)로 변환하면, 2.33Wh이지만, 열에너지를 열전변환 유닛(3)에서 전기 에너지로 변환하는 경우, 변환효율에는 한계가 있다.
가령, 열전변환 유닛(3)의 발전효율이 5%라고 하면, 발전으로 수득되는 전력량은 116.7mWh가 되고, 주야로 2회의 동량의 발전이 가능하면, 1일당 233mWh의 전력량을 얻을 수 있다.
이렇게 해서, 일정한 열량의 열에너지가 일정한 발전효율을 가지는 열전발전장치의 작용에 의해 일정한 전력량의 전기 에너지로 변환된다.
1000㎖의 물은 일변이 10cm의 입방체의 용기 내에 충전 가능하지만, 사용하는 물의 양을 1/10의 100㎖로 해서, 2.5cm×4cm×10cm의 직방체 용기 내에 충전한 축열체(2)인 경우, 앞에서 말한 발전효율이라면, 1일당 23.3mWh의 전력량이 수득된다.
이 전력량은 통상의 소전력형 전자기기(소비전력이 수 μW 정도)를 작동시키는데 충분한 크기이다. 예를 들면, 50μW의 전자기기를 1일 (24시간) 동작시키는데 필요한 전력량은 50×24=1,200μWh=1.2mWh이고, 가령 열전발전장치의 발전효율이 5%의 더욱 몇 분의 1일 지라도 충분하게 공급 가능한 양이다.
또, 축열체(2)를 부피 100㎖의 알루미늄으로 구성했을 경우에는, 축열체(2)의 온도변화를 2℃로 해서, 축열체(2)의 열용량은 알루미늄의 비열이 0.21cal/g이고, 비중이 2.7이기 때문에, 다음과 같이 된다.
열용량 = 0.21×2.7×100×2=113.4(cal)
= 476(J)=476(Ws)=0.132(Wh)
그리고, 열전변환 유닛(3)의 발전효율이 5%라고 한다면, 발전으로 수득되는 전력량은 6.6mWh가 되고, 주야로 2회의 동량의 발전이 가능하면, 1일당 13.2mWh의 전력량(물의 경우의 약 0.57배의 전력량)을 얻을 수 있다.
이 경우, 알루미늄은 물보다도 고가이지만, 가공 등의 취급이 용이해서, 물을 사용했을 경우와 비교해서 축열체(2)의 구조를 간략화시킬 수 있다.
이렇게 해서, 본 발명의 열전발전장치에 있어서는, 온도승강을 반복하는 환경에 열적으로 접촉하는 도열체(1)와, 피복층(4)의 작용에 의해 그 환경으로부터 열적 영향을 받기 어려운 축열체(2)와, 일단이 열저항체(6)을 통해서 도열체(1)에 열적으로 접촉하고, 타단이 축열체(2)에 열적으로 접촉하는 열전변환 유닛(3)을 구비하고, 도열체(1)의 온도를 환경의 온도변화에 따라서 승가시키는 한편, 축열체(2)의 온도를 도열체(1)의 최고온도와 최저온도의 중간부근의 온도로 유지하도록 하고, 도열체(1) 및 축열체(2) 사이에 자동적으로 발생한 온도차에 비례한 전압을 열전변환 유닛(3)으로부터 꺼낼 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 열전발전장치를 온도승강을 반복하는 환경 중에 배치하는 것만으로 전기 에너지를 꺼낼 수 있고, 종래의 열전발전장치와 같이, 열전발전장치가 배치된 환경 중의 열전변환 유닛을 사이에 둔 양측에 온도차를 발생시키기 위해서, 열전변환 유닛의 일단을 가열하고, 타단을 냉각할 필요가 없다.
그리고, 본 발명에 의한 열전발전장치를 와이어리스 센서나 리모트 모니터 등의 전자기기의 전원으로 사용했을 경우에는, 상용전원으로부터 전자기기로의 전력공급배선이나 전지의 교환작업이 불필요한 독립전원이 수득되고, 이것들의 전자기기를 필요한 장소에 자유롭게 설치할 수 있다.
또, 본 발명의 열전발전장치를 도열체(1)가 직사 일광이나 산란광을 받을 수 있는 장소에 설치하는 동시에, 도열체(1)를 일사를 받기 쉽고, 더군다나 야간에는 방사 냉각되기 쉽도록 한 구조로 하는 것에 의해서, 도열체(1)의 최고온도 및 최저온도의 차를 더 커지게 하면, 발전전력을 더욱 증대시킬 수 있다.
이 경우에는, 도열체(1)의 표면에 요철이 형성되지 않도록 하고, 공기와의 접촉 면적을 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 그것에 의해서, 도열체(1)가 일사에 의해 공기온도보다 고온이 되었을 때에, 공기에 의해 냉각되는 것, 및, 도열체(1)가 방사냉각에 의해 저온이 되었을 때에, 공기에 의해 따뜻해지는 것이 방지된다.
또, 이 경우, 공기의 영향을 차단하기 위해서, 글래스 등의 투명판을 사용하고, 도열체(1)와 투명판 사이를 진공으로 만들어서 단열할 수도 있다. 투명판은 태양광선이나 적외선의 투과, 반사 및 흡수의 특성을 적절에 고려하고, 적절한 재질의 것을 사용하는 것이 바람직하다.
도 3에는 본 발명의 다른 실시예에 의한 열전발전장치를 나타냈다. 또, 도 3 중, 도 1에 나타낸 것과 동일한 구성요소에는 동일번호를 붙이고, 이하에서는 그것들의 상세한 설명을 생략한다.
도 3A를 참조하고, 이 실시예에서는 도열체(1')가 피복층(4)의 표면의 전체를 덮고 있다. 이 구성에 의하면, 열전발전장치 전체의 부피는 그다지 증대시키지 않고, 도열체(1')의 표면적을 상당히 증대시킬 수 있고, 그것에 의해서, 도열체(1')의 환경과의 열교환의 효율을 더욱 높일 수 있다. 게다가, 도열체(1')를 금속 등의 경질의 재료로 형성했을 경우에는, 축열체(2), 열저항체(6), 열전변환 유닛(3) 및 피복층(4)을 도열체(1')에 의해 보호할 수 있다.
또, 도 3B를 참조하고, 이 실시예에서는 축열체(2)가 액체(7a)로 채워진 용기(7b)로 구성되어 있다. 이 경우, 용기(7b)의 내벽면에, 복수의 열교환용 핀(8)을 서로 간격을 두고 형성하는 등의, 액체(7a)의 열전도나 대류를 촉진하는 수단을 용기(7b) 내에 형성하는 것이 더 바람직하다.
도 4는 본 발명에 의한 열전발전장치를 저소비전력의 전자기기의 전원부에 결합했을 경우의 구성의 1예를 나타내는 도면이다. 또, 도 4 중, 도 1에 나타낸 것과 같은 구성요소에는 동일번호를 붙이고, 이하에서는, 그것들의 상세한 설명을 생략한다.
도 4를 참조하고, 본 발명의 열전발전장치에 있어서는, 설치환경의 온도승강에 의해 한 쌍의 전극(5)에 교류가 발생하므로, 전원부(10)는 본 발명의 열전변환장치 이외에, 열전발전장치의 열전변환 유닛(3)의 한 쌍의 전극(5)에 접속된 극성ㆍ전압변환회로(11)와, 극성ㆍ전압변환회로(11)의 후단에 접속된 리튬이온 전지 등의 이차전지(12)를 구비하고 있다.
이렇게 해서, 본 발명의 열전발전장치에 의한 발전전력을 일단 이차전지(12)에 저장하고, 이차전지(12)로부터 전자기기(13)에 공급하는 것에 의해서, 전자기기(13)의 동작을 위해서 필요할 때에, 안정되게 전력을 공급할 수 있다.
이 실시예에서는, 본 발명의 열전발전장치는 전자기기(13)에 내장되고, 혹은 전자기기(13)와는 독립적으로 설치되지만, 전자기기의 일부(예를 들면 섀시)가 열전발전장치의 도열체의 전체 혹은 일부를 구성할 수 있다.
또, 전자기기(13)를 본 발명의 열전발전장치의 축열체 내에 배치할 수도 있다. 이 구성에 의하면, 전자기기(13)의 온도를 외부환경의 최고온도와 최저온도의 중간온도 부근으로 유지할 수 있고, 그것에 의해서, 전자기기(13)를 온도 스트레스로부터 보호하고, 안정적으로 동작시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 의한 열전발전장치의 주요부를 나타내는 확대 종단면도이다. 도 6의 실시예는 열류조절 유닛으로서 열저항체(6)를 열전변환 유닛(3)에 직렬로 배치하는 대신에, 보조도열 유닛을 피복층(4)의 내부에 결합한 점이, 도 1의 실시예와 다를 뿐이다. 따라서, 도 6 중, 도 1에 나타낸 것과 같은 구성요소에는 동일번호를 붙이고, 이하에서는, 그것들의 상세한 설명을 생략한다.
도 6을 참조하고, 이 실시예에서는 열류조절 유닛으로서 보조도열 유닛(14)이 피복층(4) 내에 있어서의 도열체(1) 및 축열체(2) 사이에 구비되어 있다. 또, 이 실시예에서는, 단일 보조도열 유닛(14)이 구비되어 있지만, 필요에 따라서, 복수의 보조도열 유닛(14)을 구비할 수도 있다.
보조도열 유닛(14)은 피복층(4)을 관통해서 도열체(1) 및 축열체(2) 사이에 신장하는 개구(9) 내에 장착되고, 열적으로 팽창 및 수축하는 것, 또는 열적으로 변형함으로써, 도열체(1) 및 축열체(2)에 접촉해서 도열체(1)와 축열체(2) 사이에서 열 이동시키는 제1 위치와, 도열체(1) 및 축열체(2) 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 열이동을 정지시키는 제2 위치를 선택한다.
그리고 보조도열 유닛(14)은 도열체(1)의 온도가 최고온도 부근에 있을 때 또는 도열체(1)의 온도가 최저온도 부근에 있을 때는 제1 위치를 선택하는 한편, 그 이외의 때는 제2 위치를 선택하도록 동작한다.
도 7 및 도 8은 도 6에서의 보조도열 유닛의 장착부의 확대도이고, 보조도열 유닛(14)을 예시한 것이다.
도7에 나타낸 실시예에서는 보조도열 유닛(14)은 바이메탈(14a)로터 되어 있다. 바이메탈(14a)은 아치상으로 형성되고, 도열체(1)측이 볼록하게 되는 배치로, 하단부가 축열체(2)에 접촉태로 고정되어 있다. 그리고 바이메탈(9a)은 도열체(1)가 최고온도 부근에 있을 때(도열체(1)의 고온 시) 또는 도열체(1)가 최저온도 부근에 있을 때(도열체(1)의 저온 시)에 크게 변형해서, 아치의 정점영역을 도열체(1)에 접촉시키고, 제1 위치를 선택하지만(도 7B 참조), 그 이외의 기간은 도열체(1)에 접촉하지 않는 범위 내에서 변형하고, 제2 위치를 선택한다(도 7A 참조).
도 8에 나타낸 실시예에서는 보조도열 유닛(14)은 열수축재료(14b)로 이루어져 있다. 열수축재료(14b)로서는 예를 들면, 열수축 고무에 열전도성을 높이는 금속분을 배합한 것을 사용할 수 있다. 열수축재료(14b)는 상면이 도열체(1)에 접촉상태로 고정되어 있다. 그리고 열수축재료(14b)는 도열체(1)가 최고온도 부근에 있을 때(도열체(1)의 고온 시)에 크게 팽창해서, 하면을 축열체(2)에 접촉시키고, 제1 위치를 선택하지만(도 8B 참조), 그 이외의 때는, 축열체(2)에 접촉하지 않는 범위에서 팽창ㆍ수축하고, 제2 위치를 선택한다(도 8A 참조).
도 9는 도 6에 나타낸 열전발전장치를 옥외의 대기 중에 배치했을 경우의, 도열체(1)와 축열체(2)의 온도변화의 일례를 나타내는 도면 2에 유사한 그래프이다. 그래프 중, 곡선X는 도열체(1)의 온도변화를 나타내고, 곡선Y는 축열체(2)의 온도변화를 나타내고 있다. 또, 도 9의 그래프 중, Sh는 보조도열 유닛(14)이 제1 위치를 선택하고 있는 기간을 나타내고 있다.
도 9의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 6의 실시예에 의하면, 도열체(1)의 고온 시에는, 축열체(2)의 온도가 도열체(1)의 온도부근까지 상승하고, 그것에 의해서, 도열체(1) 및 축열체(2) 사이의, 도열체(1)의 최고온도와 최저온도의 차에 가까운 온도차ΔT가 수득된다. 그 결과, 보조도열 유닛(14)을 구비하지 않고 있는 경우와 비교해서 약 2배의 온도차가 되고, 이 온도차에 비례해서, 열전변환 유닛(3)의 출력전압이 약 2배가 된다.
이 경우, 부하저항이 일정하면, 수득되는 전력은 전압의 2승에 비례하므로, 전압이 2배이면, 열전발전장치에 의해 수득되는 전력량은 4배가 되고, 축열체의 열용량이 동일하더라도, 보다 많은 전력량이 수득되게 된다.
도 6에 나타낸 실시예에서는, 열류조절 유닛으로서, 도열체(1)의 온도변화(외부환경의 온도변화)에 따라서, 팽창ㆍ수축 또는 변형함으로써 수동적으로 열이동을 제어하는 보조도열 유닛을 배치했지만, 그 대신에, 능동적으로 열이동을 제어하는 열류스위치를 배치할 수도 있다.
도 10에는 열류조절 유닛으로서 열류스위치를 구비한 열전발전장치의 구성을 나타냈다. 또, 도 10중, 도 6에 나타낸 바와 같은 구성요소에는 동일번호를 붙이고, 이하에서는 그것들의 상세한 설명을 생략한다.
도 10에 나타낸 실시예에서는 피복층(4) 내에 있어서의 도열체(1) 및 축열체(2) 사이에, 열류조절 유닛으로서 도열체(1) 및 축열체(2)에 접촉해서 도열체(1)와 축열체(2) 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 도열체(1) 및 축열체(2) 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 열류스위치(15)가 배치된다. 또, 이 실시예에서는 단일 열류스위치(15)가 배치되지만, 필요에 따라서, 복수의 열류스위치(15)가 배치될 수 있다.
또, 도열체(1)의 온도를 검출하는 제1 온도센서(16)와, 축열체(2)의 온도를 검출하는 제2 온도센서(17)를 구비할 수 있다. 제1 및 제2 온도센서(16, 17)는 열류스위치(15)로부터 가능한 한 떨어진 위치이며, 각각, 도열체(1) 및 축열체(2)의 중심 또는 평균온도를 나타내는 위치에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 열류스위치 제어부(18)을 구비할 수 있어, 제1 및 제2 온도센서(16, 17)의 검출값에 의거해서 열류스위치(15)의 ON상태와 OFF상태를 전환하게 되고 있다.
열류스위치(15)의 기능은 기본적으로 보조도열 유닛과 동일하다.
예를 들면, 축열체(2)의 온도를 도열체(1)의 고온측으로 시프트시키는 경우에는, 열류스위치 제어부(18)가 제1 및 제2 온도센서(16, 17)의 검출값에 의거해서, 도열체(1)의 온도가 축열체(2)의 온도보다도 높고, 또한 그 온도차가 미리 설정된 값 이상이라고 판정했을 때, 열류스위치(15)를 ON상태로 하는 한편, 도열체(1)의 온도가 축열체(2)의 온도보다도 높지만, 그 온도차가 미리 설정된 값 이하라고 판정했을 때, 또는, 도열체(1)의 온도가 축열체(2)의 온도보다도 낮다고 판정했을 때는, 열류스위치(15)을 OFF상태로 한다.
또, 열류스위치(15)의 작동은 열전발전장치가 출력하는 전력의 일부를 사용해서 이루어진다.
물론, 열류스위치(15)에 의해, 축열체(2)의 온도를 도열체(1)의 저온측으로 시프트시킬 수도 있고, 이 경우에는, 열류스위치 제어부(18)가 제1 및 제2 온도센서(16, 17)의 검출값에 의거해서, 도열체(1)의 온도가 축열체의 온도보다도 낮고, 또한 그 온도차가 미리 설정된 온도 이상이라고 판정했을 때에만, 열류스위치(15)를 ON상태로 한다.
도 11 및 도 12는 도 10에서의 열류스위치의 장착부의 확대도로, 열류스위치를 예시한 것이다.
도 11에 나타낸 실시예에서는, 열류스위치(15)는 리니어 액추에이터(29a)와, 리니어 액추에이터(29a)의 조작로드의 선단에 접속된 가동도열 블록(29b)으로 구성된다. 그리고 열류스위치(15)가 OFF상태에 있을 때는, 도 11A에 나타내는 바와 같이, 리니어 액추에이터(29a)의 조작로드는 끌어 들인 위치에 있고, 가동도열 블록(29b)은 도열체(1) 및 축열체(2)로부터 이간하고 있지만, 예를 들면, 열류스위치 제어부18에 의해, 도열체(1)의 온도가 축열체(2)의 온도보다도 높게 또한 그 온도차가 미리 설정된 값이상인 고 판정되었을 때, 열류스위치(15)은 ON상태가 이루어지고, 도 11B에 나타내는 바와 같이, 리니어 액추에이터(29a)의 조작로드가 돌출하고, 가동도열 블록(29b)이 도열체(1) 및 축열체(2)에 접촉하고, 그것에 의해서, 도열체(1)로부터 축열체(2)로 열이 이동하고, 축열체(2)가 가열되고, 축열체(2)의 온도가 도열체(1)의 고온측으로 시프트한다.
도 12에 나타낸 실시예에서는 열류스위치(15)는 회전형의 액추에이터(29c)와, 이 액추에이터(29c)에 의해 회전 구동되는 가동도열 블록(29d)으로 구성된다. 그리고 열류스위치(15)가 OFF상태에 있을 때는, 도 12A에 나타내는 바와 같이, 가동도열 블록(29d)는 도열체(1) 및 축열체(2)로부터 이간한 위치에 있지만, 예를 들면, 열류스위치 제어부(18)에 의해 도열체(1)의 온도가 축열체(2)의 온도보다도 높고, 또한 그 온도차가 미리 설정된 값 이상이라고 판정되었을 때, 열류스위치(15)는 ON상태가 되고, 도 12B에 나타내는 바와 같이, 가동도열 블록(29d)이 액추에이터(29c)에 의해 회전되어 도열체(1) 및 축열체(2)에 접촉하고, 그것에 의해서, 도열체(1)로부터 축열체(2)로 열이 이동하고, 축열체(2)가 가열되고, 축열체(2)의 온도가 도열체(1)의 고온측으로 시프트한다.
도시는 하지 않지만, 상기한 액추에이터는 어느 것이나, 동작 시에만, 래칫 기구 또는 워웜 기어 또는 브레이크 기구에 의해 전자기적으로 구동되고, 비동작 시는 전기 에너지를 소비하지 않도록 하는 구성인 것이 바람직하다.
도 11 및 도 12에 나타낸 실시예에 있어서, 열류스위치(15)의 가동도열 블록(29b, 29d)는, 열전도성을 향상시키기 위해서, 도열체(1) 및 축열체(2) 사이의 열류스위치(15)가 접하는 면이 밀착되기 쉬운 형상을 가지며, 또한 탄력성을 가지고 있는 것이 바람직하고, 또, 이 접촉면을 제외하는 열류스위치(15)의 표면이 열누설을 억제하기 위해서 단열재로 덮이어 있는 것이 바람직하다.
도시는 하지 않지만, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 열전변환 유닛(3)이 열류스위치(15)로서도 사용된다. 즉, 열전발전장치로부터 출력되는 전력의 일부가 사용되고, 열류스위치 제어부(18)에 의한 제어 하, 제벡효과에 의한 열전변환 유닛에 적당한 전압이 인가된다. 그것에 의해서, 열전변환 유닛에, 펠티에(Peltier)효과에 의한 발열(가열) 및 흡열(냉각)작용을 발생시키고, 열류스위치와 동등한 기능을 발생시킬 수 있다.
이 경우, 열류스위치(15)의 ON상태는 열전변환 유닛(3)을, 펠티에 효과에 의해, 도열체(1) 및 축열체(2) 중의 온도의 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 열이동이 발생하도록 동작시키는 것에 의해서, 반대로, OFF상태는 펠티에 효과에 의해, 온도의 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 열이동을 발생하도록 동작시키는 것에 의해서 실현된다.
또, 도시는 하지 않지만, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 열류스위치(15)는 도열체(1)와 열전변환 유닛(3)의 일단(3a)과의 사이, 또는 축열체(2)와 열전변환 유닛(3)의 타단(3b)과의 사이에 배치되고, ON 상태를 선택할 때, 열전변환 유닛(3)을 통해서 도열체(1)에 접촉하고, 또는 열전변환 유닛(3)을 통해서 축열체(2)에 접촉한다.
또, 도시는 하지 않지만, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 열류스위치(15)는 피복층(4)내에 있어서의 도열체(1) 및 축열체(2) 사이에 배치되어, 열전도성을 가지는 일단면이 도열체에 접촉하고, 열전도성을 가지는 타단면이 축열체에 접촉하는 용기와, 피복층(4) 내 또는 피복층의 외면에 배치된 열전도성 유체공급원과, 열전도성 유체공급원 및 용기를 접속하는 관로와, 관로의 도중에 배치되고, 열전도성 유체공급원으로부터 용기 내에 전도성유체를 공급하고, 및 용기 내에 충전된 열전도성 유체를 열전도성 유체공급원으로 회수하기 위한 펌프로 이루어져 있다. 이 경우, 열류스위치(15)의 ON상태는 용기 내가 열전도성 유체로 채워지는 것에 의해서, OFF상태는 용기 내가 비게 되는 것에 의해서 실현된다.
또, 도시는 하지 않지만, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 일정 정도의 열시정수를 확보할 수 있는 경우에는, 축열체에서의 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 표면이 경면처리되고, 축열체의 경면처리된 표면이 피복층을 형성한다. 이 경우, 축열체 표면의 경면처리는 표면을 연마하는 것에 의해서, 혹은 표면을 금속 도금함으로써 이루어진다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다. 도 13에 나타낸 실시예에서는 열전발전장치는 1개의 도열체(1)와, 제1 및 제2 축열체(2a, 2b)와, 제1 및 제2 축열체(2a, 2b) 사이에 배치되고, 일단(3a)이 제1 축열체(2a)에 접촉하고, 타단(3b)이 제2 축열체(2b)에 열적으로 접촉하는 적어도 1개(이 실시예에서는 1개)의 열전변환 유닛(3)(한 쌍의 전극은 도시를 생략한다)을 구비하고 있다.
열전발전장치는 또, 제1 및 제2 축열체(2a, 2b)의 각각과 도열체(1) 사이에 배치된 적어도 1개(이 실시예에서는 각 1개)의 제1 및 제2 열류조절 유닛(15a, 15b)을 구비하고 있다.
제1 열류조절 유닛(15a)는 도열체(1) 및 제1 축열체(2a)에 접촉해서 도열체(1)와 제1 축열체(2a)사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 도열체(1) 및 제1 축열체(2a) 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 당해 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제1 열류스위치로 이루어져 있다. 또, 제2 열류조절 유닛(15b)은 도열체(1) 및 제2 축열체(2b)에 접촉해서 도열체(1)와 제2 축열체(2b)사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 도열체(1) 및 제2 축열체(2b) 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 당해 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제2 열류스위치로 이루어져 있다.
또, 제1 열류스위치(15a) 및 열전변환 유닛(3)과의 접촉영역을 제외하는 제1 축열체(2a)의 표면과, 제2 열류스위치(15b) 및 열전변환 유닛(3)과의 접촉영역을 제외하는 제2 축열체(2b)의 표면이 일정한 열절연성을 가지는 피복층(4)에 의해 덮이어 있다.
열전발전장치는 추가로, 도열체(1)의 온도를 검출하는 제1 온도센서(19)와, 제1 축열체(2a)의 온도를 검출하는 제2 온도센서(20)와, 제2 축열체(2b)의 온도를 검출하는 제3 온도센서(21)와, 제1∼제3 온도센서(19∼21)의 검출값에 의거해서 제1 및 제2 열류스위치(15a, 15b)의 ON상태와 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부(22)를 구비하고 있다.
이 실시예에 있어서는, 도열체(1)이 최고온도 부근에 있을 때, 제1 열류스위치(15a)가 ON상태가 이루어지는 한편, 제2 열류스위치(15b)은 OFF상태가 되고, 그것에 의해서, 도열체(1) 및 제1 축열체(2a) 사이에서 열이동이 발생하고, 제1 축열체(2a)의 온도가 당해 최고온도 부근에 유지되어, 도열체(1)이 최저온도 부근에 있을 때는, 제1 열류스위치(15a)가 OFF상태가 되는 한편, 제2 열류스위치(15b)는 ON상태가 되고, 도열체(1) 및 제2 축열체(2b) 사이에서 열이동이 발생하고, 제2 축열체(2b)의 온도가 당해 최저온도 부근으로 유지되도록 되어 있다. 그리고 제1 및 제2 축열체(2a, 2b) 사이에 발생한 온도차를 이용해서 열전변환 유닛(3)에 의해 전기 에너지가 출력된다.
이렇게 해서, 24시간(온도변화의 전주기)에 걸쳐 최고온도와 최저온도의 차에 가까운 온도차를 유지하면서, 당해 온도차를 이용해서 안정되게 큰 발전전력을 얻을 수 있다. 이 경우에는, 2개의 축열체(2a, 2b)에 축적된 열에너지에 의해 연속한 발전이 가능하고, 단일 축열체를 구비한 열전발전장치에 있어서는 연속적이며, 또한 안정된 전력공급을 실시하는데 필요했던 이차전지를 생략할 수 있다.
도시는 하지 않지만, 전원공급을 받는 부하장치에 대해서 간헐적으로 전력공급을 실시하는 경우, 혹은 경부하에 대해서 이차전지를 통해서 전력공급을 실시하는 경우에는, 열전변환 유닛(3)과 직렬로 제3 열류스위치를 구비함으로써, 발전에 동반하지 않는 열전변환 유닛을 통한 열의 누설을 억제하고, 축적된 열의 유효이용을 도모는 것이 바람직하다. 이것은 다른 실시예에도 적합하다.
도 14는 도 13에 나타낸 열전발전장치를 옥외의 대기 중에 배치했을 경우의, 도열체(1)와 제1 및 제2 축열체(2a, 2b)의 온도변화의 일례를 나타내는 도 2에 유사한 그래프이다. 도 14의 그래프 중, 종축은 온도(℃)를, 횡축은 시각(hr)을 나타내고, 곡선X, 곡선Y 및 곡선Z는 각각, 도열체(1), 제1 축열체(2a) 및 제2 축열체(2b)의 온도변화를 나타내고 있다. 또, 도 14의 그래프 중, Sh는 제1 열류스위치(15a)가 ON상태에 있고, 또한 제2 열류스위치(15b)가 OFF상태에 있는 기간을 나타내고, Si는 제1 열류스위치(15a)가 OFF상태에 있고, 또한 제2 열류스위치(15b)가 ON상태에 있는 기간을 나타내고 있다.
도 14의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 열전발전장치의 도열체(1)의 온도는 기온변화에 거의 추종하고, 약 10℃의 온도 범위 내에서 승강한다.
한편, 피복층(4)의 열저항이 무한대이고, 또한, 열전변환 유닛(3)의 발전에 따른 열이동이 없는 이상적인 조건하에서는, 제1 축열체(2a)의 온도는 도열체(1)의 최고온도 부근으로 유지되고, 제2 축열체(2b)의 온도는 도열체(1)의 최저온도 부근으로 유지된다.
그렇지만, 현실적으로는 피복층(4)의 열저항은 유한하기 때문에, 피복층(4)에서 열누설이 발생하고, 게다가, 열전변환 유닛(3)의 발전에 따른 열이동이 발생하므로, 제1 축열체(2a)의 온도Y는 도열체(1)의 최고온도보다도 낮은 온도범위에서 변화되고, 제2 축열체(2b)의 온도Z는 도열체(1)의 최저온도보다도 높은 온도범위에서 변화된다. 그 결과, 제1 축열체(2a)와 제2 축열체(2b)과의 온도차ΔT는 도열체(1)의 최고온도와 최저온도의 차(약 10℃)보다도 작은 온도범위에서 변동한다.
그래서, 피복층(4)로부터의 열누설, 및 열전변환 유닛(3)의 발전에 따른 열이동을 고려하고, 제1 및 제2 축열체(2a, 2b)의 열용량을, 제1 및 제2 축열체(2a, 2b)가 약 2℃의 범위 내에서 온도변화 할 수 있는 크기로 설정하면, 1일의 기온변화를 통해서 실제로 발전에 사용 가능한, 제1 및 제2 축열체(2a, 2b) 사이의 온도차ΔT로서 약 8℃를 연속해서 확보할 수 있고, 이 온도차ΔT에 의해 발전이 이루어지고, 그 24시간의 적분값이 1주기(주야로 1사이클)의 발전 전력량이 된다.
간헐적으로 발전이 이루어지고, 시간과 함께 발전전압이 변화되는 단일 축열체를 구비한 열전발전장치와 비교해서, 2개의 축열체를 구비한 열전발전장치는 약 2배의 발전전압을 24시간 계속적으로 발생시키기 때문에 약 20배를 넘는 발전전력을 발생시킬 수 있다.
도 13에 나타낸 열전발전장치에 있어서는, 제조직후나, 일정 온도하에 장기간 보관되어 있었을 경우에는, 제1 및 제2 축열체(2a, 2b) 사이에 온도차가 없고, 열전발전장치는 정지하고 있어, 이 정지한 열전발전장치의 기동법이 문제가 된다.
이러한 경우의 기동법의 하나로서, 제1 열류스위치(15a)로서, 초기상태 또는 제어되지 않는 상태에서는 항상 ON상태에 있는 형식의 것(전기 회로에 있어서의 b접점)을 사용하고, 제2 열류스위치(15b)로서, 초기상태 또는 제어되지 않는 상태에서는 항상 OFF상태에 있는 형식의 것(전기 회로에 있어서의 a접점)을 사용하는 방법을 들 수 있다.
이 방법에 의하면, 열전발전장치가 온도 변화하는 환경 중에 설치된 시점으로부터, 제1 축열체(2a)의 온도가 도열체(1)의 온도변화에 추종하는 한편, 제2 축열체(2b)의 온도는 당초의 온도부근에 머문다. 그리고 환경의 온도가 최고온도에 근접함에 따라서, 제1 및 제2 축열체(2a, 2b) 사이에 일정한 온도차가 발생하고, 그것에 의해서, 열전변환 유닛(3)이 전압을 발생하고, 이 전압이 열류스위치 제어부(22)에 공급되고, 열류스위치 제어부(22)가 동작을 개시한다.
열류스위치 제어부(22)는 도열체(1)의 온도가 최고온도 부근에 있을 때, 또는 제1 축열체(2a)의 온도보다도 높을 때는, 제1 열류스위치(15a)를 ON상태로 제어하고, 도열체(1)의 온도가 최저온도 부근에 있을 때, 또는 제2 축열체(2b)의 온도보다도 낮을 때는, 제2 열류스위치(15b)를 ON상태로 제어한다. 그 결과, 제1 축열체(2a)의 온도는 도열체(1)의 최고온도에 근접하는 한편, 제2 축열체(2b)의 온도는 도열체(1)의 최저온도에 근접하고, 열전발전장치가 자동적으로 동작을 개시한다(기동한다.).
별도의 기동법으로서, 도열체(1)와 제1 또는 제2 축열체(2a, 2b) 사이에 제3의 열전변환 유닛을 배치하고, 제1 및 제2 열류스위치(15a, 15b)는 초기상태 또는 제어되지 않는 상태에서 OFF상태에 있는 형식의 것(전기 회로에 있어서의 a접점)을 사용하는 방법을 들 수 있다.
이 방법에 의하면, 열전발전장치가 온도 변화하는 환경 중에 배치된 시점으로부터, 도열체(1)의 온도는 환경의 온도변화에 추종하는 한편, 제1 및 제2 축열체(2a, 2b)는 당초의 온도부근에 머문다. 이렇게 해서, 시간의 경과에 따라서, 도열체(1)와 제1 및 제2 축열체(2a, 2b) 사이의 온도차가 점차로 커진다. 그리고 일정한 온도차가 되면, 제3의 열전변환 유닛이 전압을 발생하고, 이 전압이 열류스위치 제어부(22)에 공급되고, 열류스위치 제어부(22)가 동작을 개시한이다. 그 후는, 상기한 제1의 기동법의 경우와 동일한 동작 과정을 거쳐서, 열전발전장치가 기동한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 도 13에 나타낸 구성에 있어서, 추가로, 제1 열류스위치(15a) 및 제1 축열체(2a) 사이에 배치되고, 일단이 제1 열류스위치(15a)에 접촉하고, 타단이 제1 축열체(2a)에 접촉하는 제1의 펠티에 소자와, 제2 열류스위치(15b) 및 제2 축열체(2b) 사이에 배치되고, 일단이 제2 열류스위치(15b)에 접촉하고, 타단이 제2 축열체(2b)에 접촉하는 제2 펠티에 소자를 구비된다.
이 실시예에 의하면, 제1 열류스위치(15a)가 ON상태에 있을 때, 제1의 펠티에 소자가 일단에 있어서 흡열하고, 타단에 있어서 발열하고, 제2 열류스위치(15b)가 ON상태에 있을 때, 제2의 펠티에 소자가 일단에서 발열하고, 타단에서 흡열한다. 그것에 의해서, 도열체(1)의 최고온도 부근의 온도를 가지는 제1 축열체(2a)를 가열해서 그 온도를 더욱 상승시키고, 도열체(1)의 최저온도 부근의 온도를 가지는 제2 축열체(2b)를 냉각해서 그 온도를 더욱 하강시켜서, 보다 큰 온도차ΔT를 발생시킬 수 있다.
상기의 실시예에서는 열전변환 유닛으로서, 현재시장에서 입수 가능한 비스머스나 텔루르 등의 반도체를 성분으로 하는 제벡효과를 사용한 열전변환 모듈이 사용되고 있지만, 이 종류의 열전변환 모듈의 발전효율은 수%∼십수% 뿐이다. 그 때문에 상기한 실시예에서는 열전변환 모듈의 발전효율을 약 5%라고 가정했다. 이에 대해서 스핀 제벡효과나 래틀링(상자구조)이라 불리는 클라스레이트화합물 등의 새재료의 제벡효과를 사용한 열전변환 모듈에서는 큰 열저항을 가지는 자성 절연체나 화합물이 사용되므로, 열누설이 적고, 발전효율의 현저한 향상이 기대된다.
제벡효과를 사용한 열전변환 모듈에 의하면, 1mWh∼수십Wh의 발전능력을 가지는 열전발전장치가 실현 가능하지만, 스핀 제벡효과를 사용한 열전변환 모듈에 의하면, 수십mWh미만에서 수백Wh초과의 발전능력을 가지는 열전발전장치가 실현 가능하다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다. 도 15를 참조해서, 이 실시예에서는 열전발전장치는 1개의 도열체(42)와, 제1 및 제2 축열체(43a, 43b)를 구비하고 있다. 그리고 제2 축열체(43b)는 열전발전장치가 설치되는 구조물로 이루어져 있다. 구조물(43b)로서는 예를 들면, 기계설비 또는 건조물, 또는 해면 상이나 하천 및 호소의 수면 상에 배치된 부이 등의 구조물, 또는 연간을 통해서 거의 일정한 온도를 가지는 지하열과 열교환하는 열교환기의 일부를 들 수 있다.
열전발전장치는 또, 도열체(42) 및 제1 축열체(43a) 사이에 배치되고, 일단(44a)이 도열체(42)에 접촉하고, 타단(44b)이 제1 축열체(43a)에 접촉하는 적어도 1개(이 실시예에서는 1개)의 열류조절 유닛(44)을 구비하고 있다.
열류조절 유닛(44)은 도열체(42) 및 제1 축열체(43a)에 접촉해서 도열체(42)와 제1 축열체(43a) 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 도열체(42) 및 제1 축열체(43a) 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 당해 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 열류스위치로 이루어져 있다.
또, 제1 축열체(43a) 및 구조물(43b) 사이에는 적어도 1개(이 실시예에서는 1개)의 열전변환 유닛(45)이 배치되고, 열전변환 유닛(45)은 일단(45a)이 제1 축열체(43a)에 접촉하고, 타단(45b)이 구조물(43b)에 접촉하고 있다.
그리고 열류스위치(44) 및 열전변환 유닛(45)과의 접촉영역을 제외하는 제1 축열체(43a)의 표면이 피복층(46)에 의해 덮이어 있다.
도시는 하지 않지만, 열전발전장치는 추가로, 도열체(42)의 온도를 검출하는 제1 온도센서와, 제1 축열체(43a)의 온도를 검출하는 제2 온도센서와, 구조물(43b)의 온도를 검출하는 제3 온도센서와, 제1∼제3 온도센서의 검출값에 의거해서 상기 열류스위치의 상기 ON상태와 상기 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비하고 있다.
이렇게 해서, 제1 축열체(43a) 및 구조물(43b) 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 열전변환 유닛(45)으로부터 전기 에너지가 출력된다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 사시도이다. 이 실시예는 도 1에 나타낸 열전발전장치를 시판의 건전지의 형태로 하고 있다. 또, 명료하게 하기 위해서, 도 16 중, 열전발전장치의 도열체 및 축열체 이외의 구성요소는 생략되어 있다.
도 16에 있어서, (23)은 도열체이고, (24)는 축열체이다. 전지의 +전극(25) 및 -전극(26)은 열전변환 유닛의 한 쌍의 전극(도 1 참조)일 수도 있고, 열전발전장치가 이차전지를 구비하고 있는 경우에는, 이차전지의 출력단자일 수도 있다(도 4 참조). -전극(26)은 도열체(1)의 일부로 구성될 수도 있다. +전극(25)은 절연부분(27)에 의해 도열체(23)로부터 전기적으로 절연되어 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다. 도 17을 참조해서, 이 실시예에서는 열전발전장치는 도 1에 나타낸 실시예의 구성에 부가해서, 제1 추가의 축열체(30)와, 제2 추가의 축열체(31)와, 제1 및 제2 추가의 축열체(30, 31) 사이에 배치되고, 일단(32a)이 제1 추가의 축열체(30)에 접촉하고, 타단(32b)이 제2 추가의 축열체(31)에 접촉하는 추가의 열전변환 유닛(32)(한 쌍의 전극은 도시를 생략)과, 제1 및 제2 추가의 축열체(30, 31) 사이에 배치되고, 일단(33a)이 제1 추가의 축열체(30)에 접촉하고, 타단(33b)이 제2 추가의 축열체(31)에 접촉하는 추가의 펠티에 소자(33)와, 일정한 열절연성을 가지고, 추가의 열전변환 유닛(32)과의 접촉영역 및 추가의 펠티에 소자(33)와의 접촉영역을 제외하는 제1 및 제2 추가의 축열체(30, 31)의 표면을 피복하는 추가의 피복층(4')을 구비하고 있다.
이 경우, 제1 및 제2 추가의 축열체(30, 31), 추가의 열전변환 유닛(32), 추가의 펠티에 소자(33), 및 추가의 피복층(4')은 도 17에 나타내는 바와 같이, 열전발전장치의 나머지의 부분과 일체로 형성될 수도 있고, 열전발전장치의 나머지의 부분과는 독립한 부분으로 형성될 수도 있다. 후자의 경우에는, 2개의 부분이 서로 전선으로 접속된다.
그리고 추가의 열전변환 유닛(32) 이외의 열전변환 유닛(3)이 출력하는 전기 에너지를, 예를 들면 극성ㆍ전압변환회로(28)를 통해서, 추가의 펠티에 소자(33)에 적용하고, 추가의 펠티에 소자(33)에 의해 제1 및 제2 추가의 축열체(30, 31)의 한쪽을 가열하고, 다른 쪽을 냉각한다. 이렇게 해서, 제1 및 제2 추가의 축열체(30, 31) 사이에 온도차를 발생시키고, 이 온도차를 이용해서 추가의 열전변환 유닛(32)로부터 전기 에너지를 꺼낸다.
이 실시예에 의하면, 축열체(2)의 온도가 환경의 온도변화의 범위 내에서 밖에 변화되지 않는 것에 대해, 제1 및 제2 추가의 축열체(30, 31)의 온도변화의 범위에 대해서는 이 제한이 없어지므로, 제1 및 제2 축열체(30, 31) 사이에 의해 큰 온도차를 발생시켜서 보다 많은 열에너지를 저장하고, 추가의 열전변환 유닛(32)으로부터, 필요할 때에, 보다 큰 전기 에너지를 꺼낼 수 있다.
이 실시예에 있어서, 열전발전장치로부터 전기의 공급을 받는 전자기기의 동작이 간헐적이고, 그것에 대응해서, 열전발전장치에 의한 전기의 출력이 간헐적이라도 좋은 경우에는, 추가의 펠티에 소자(33)을 생략할 수 있다.
이 경우, 열전발전장치로부터 전기를 출력할 때는, 제벡소자로 이루어지는 추가의 열전변환 유닛(32)이 제벡소자로서 기능하고, 전기 에너지가 출력된다. 한편, 열전발전장치로부터 전기를 출력하지 않을 때는, 추가의 열전변환 유닛(32) 이외의 열전변환 유닛(3)으로부터 출력되는 전기 에너지가, 예를 들면 극성ㆍ전압변환회로(28)를 통해서 추가의 열전변환 유닛(32)에 적용되고, 추가의 열전변환 유닛(32)이 펠티에 소자로서 기능하고, 축열이 수행된다.
또, 간헐적으로 전기를 출력하면 좋은 경우에는, 열전변환 유닛과 직렬로 열류스위치를 배치하는 것에 의해서, 축열체로부터의 열전발전에 기여하지 않는 쓸데 없는 열이동을 억제할 수 있다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다. 도 18로부터 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 이 실시예는 도 17에 나타낸 실시예에 있어서, 펠티에 소자(33)를 제거하고, 그 대신에, 히터(40)를 제1 추가의 축열체(30)에 접촉해서 배치한 것이다.
그리고 추가의 열전변환 유닛(32) 이외의 열전변환 유닛(3)이 출력하는 전기 에너지를, 예를 들면 극성ㆍ전압변환회로(28)를 통해서 히터(40)에 적용하고, 히터(40)에 의해 제1 추가의 축열체(30)를 가열한다. 그것에 의해서, 제1 추가의 축열체(30)는 추가의 피복층(4')을 통해서, 열전발전장치의 나머지의 부분 및 환경의 온도변화 범위의 중간부근의 온도보다도 높은 온도가 되는 한편, 제2 추가의 축열체(31)는 추가의 피복층(4')을 통해서, 환경 및 열전발전장치의 나머지의 부분의 온도변화 범위의 중간부근의 온도에 안정된다. 이렇게 해서, 제1 및 제2 추가의 축열체(30, 31) 사이에 온도차를 발생시키고, 이 온도차를 이용해서 추가의 열전변환 유닛(32)으로부터 전기 에너지를 꺼낸다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다. 도 19를 참조해서, 이 실시예에서는 열전발전장치는 도 10에 나타낸 실시예의 구성에 부가해서(명료하게 하기 위해서, 도 19 중, 도 10의 제1∼제3 온도센서 및 열류스위치 제어부는 생략되어 있다.), 제1 추가의 축열체(36)와, 제2 추가의 축열체(37)와, 제1 및 제2 추가의 축열체(36, 37) 사이에 배치되고, 일단(38a)이 제1 추가의 축열체(36)에 접촉하고, 타단(38b)이 제2 추가의 축열체(37)에 접촉하는 추가의 열전변환 유닛(38)(한 쌍의 전극은 도시를 생략)과, 제1 및 제2 추가의 축열체(36, 37) 사이에 배치되고, 일단(39a)이 제1 추가의 축열체(36)에 접촉하고, 타단(39b)이 제2 추가의 축열체(37)에 접촉하는 추가의 펠티에 소자(39)를 구비하고 있다. 이 경우, 제2 추가의 축열체(37)는 열전발전장치가 설치되는 구조물로 이루어져 있다.
열전발전장치는 추가로, 일정한 열저항을 가지고, 추가의 열전변환 유닛(38)과의 접촉영역 및 추가의 펠티에 소자(39)와의 접촉영역을 제외하는 제1 추가의 축열체(36)의 표면을 피복하는 추가의 피복층(4')을 구비하고 있다. 이 경우, 추가의 열전변환 유닛(38)의 타단(38b) 및 추가의 펠티에 소자(39)의 타단(39b)을 보호하기 위해서, 필요에 따라, 추가의 열전변환 유닛(38) 및 추가의 펠티에 소자(39)와, 제2 추가의 축열체(37) 사이에 추가의 도열체가 배치된다.
그리고 추가의 열전변환 유닛(38)을 제외하는 열전변환 유닛(3)이 출력하는 전기 에너지를, 예를 들면 극성ㆍ전압변환회로(34)를 통해서, 추가의 펠티에 소자(39)에 적용하고, 추가의 펠티에 소자(39)에 의해 제1 및 제2 추가의 축열체(36, 37)의 한쪽을 가열하고, 다른 쪽을 냉각하고, 제1 및 제2 추가의 축열체(36, 37) 사이에 온도차를 발생시키고, 이 온도차를 이용해서 추가의 열전변환 유닛(38)로부터 전기 에너지를 꺼낸다.
이 실시예에 의해서도, 도 17의 실시예와 동일한 효과가 수득된다.
도 19에 나타낸 실시예에 있어서, 열전발전장치로부터 전기의 공급을 받는 전자기기의 동작이 간헐적이고, 그것에 대응해서, 열전발전장치에 의한 전기의 출력이 간헐적이어도 좋은 경우에는, 추가의 펠티에 소자(39)를 생략할 수 있다.
이 경우, 열전발전장치로부터 전기를 출력할 때는, 제벡소자로 이루어지는 추가의 열전변환 유닛(38)이 제벡소자로서 기능하고, 전기 에너지가 출력된다. 한편, 열전발전장치로부터 전기를 출력하지 않을 때는, 추가의 열전변환 유닛(38) 이외의 열전변환 유닛(3)으로부터 출력되는 전기 에너지가, 예를 들면 극성ㆍ전압변환회로(34)를 통해서, 추가의 열전변환 유닛(38)에 적용되고, 추가의 열전변환 유닛(38)이 펠티에 소자로서 기능하고, 축열이 수행된다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다. 도 20로부터 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 이 실시예는 도 18에 나타낸 실시예에 있어서, 펠티에 소자(39)를 제거하고, 그 대신에, 히터(41)를 제1 추가의 축열체(36)에 접촉해서 배치한 것이다.
그리고 추가의 열전변환 유닛(38) 이외의 열전변환 유닛(3)이 출력하는 전기 에너지를, 예를 들면 극성ㆍ전압변환회로(34)를 통해서 히터(41)에 적용하고, 히터(41)에 의해 제1 추가의 축열체(36)를 가열한다. 그것에 의해서, 제1 추가의 축열체(36)는 추가의 피복층(4')을 통해서, 열전발전장치의 나머지의 부분 및 환경의 온도변화 범위의 중간부근의 온도보다도 높은 온도가 되는 한편, 제2 추가의 축열체(37)는 열전발전장치가 설치되는 구조물로서, 큰 열용량을 가지기 때문에, 환경의 온도변화범위의 중간부근의 온도에 안정된다. 이렇게 해서, 제1 및 제2 추가의 축열체(36, 37) 사이에 온도차를 발생시키고, 이 온도차를 이용해서 추가의 열전변환 유닛(38)로부터 전기 에너지를 꺼낸다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 축열체 중의 적어도 1개가 잠열 축열재로 형성된다. 잠열 축열재를 사용함으로써, 보다 컴팩트하게 대량의 열을 흡수 또는 방출할 수 있고, 그것에 의해서, 보다 컴팩트하게, 또한 보다 발전량의 큰 열전발전장치를 실현할 수 있다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 열전발전장치의 종단면도이다. 이 열전발전장치는 옥외의 대기 중에 배치해서 사용하는데 적합하다.
도 21을 참조해서, 열전발전장치는 제1 및 제2 도열체(49a, 49b)와, 제1 및 제2 축열체(50a, 50b)와, 제1 도열체(49a) 및 제1 축열체(50a) 사이에 배치된 적어도 1개(이 실시예에서는 1개)의 제1 열류조절 유닛과, 제2 도열체(49b) 및 제2 축열체(49b) 사이에 배치된 적어도 1개(이 실시예에서는 1개)의 제2 열류조절 유닛을 구비하고 있다.
제1 열류조절 유닛은 제1 도열체(49a) 및 제1 축열체(50a)에 접촉해서 제1 도열체(49a)와 제1 축열체(50a) 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 제1 도열체(49a) 및 제1 축열체(50a) 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제1 열류스위치(51)로 이루어져 있다. 또, 제2 열류조절 유닛은 제2 도열체(49b) 및 제2 축열체(50b)에 접촉해서 제2 도열체(49b)와 제2 축열체(50b) 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 제2 도열체(49b) 및 제2 축열체(50b) 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제2 열류스위치(52)로 이루어져 있다.
열전발전장치는 또, 제1 및 제2 축열체(50a, 50b) 사이에 배치되고, 일단(53a)이 제1 축열체(50a)에 접촉하고, 타단(53b)이 제2 축열체(50b)에 접촉하는 적어도 1개(이 실시예에서는 1개)의 열전변환 유닛(53)을 구비하고 있다. 그리고 제1 및 제2 열류스위치(51, 52), 및 열전변환 유닛(53)과의 접촉영역을 제외하는 제1 및 제2 축열체(50a, 50b)의 표면이 일정한 열절연성을 가지는 피복층(54)에 의해 덮이어 있다.
추가로, 피복층(54)에는 일정한 열절연성을 가지고, 제1 도열체(49a)의 주위를 둘러싸는 벽(60)이 세워져 설치되어 있다. 벽(60)의 상단면은 제1 도열체(49a)보다도 돌출하고 있으며, 당해 상단면에는 태양광 스펙트럼은 투과시키지만 원적외선을 투과시키지 않는 필터(56)가 부착되어 있다. 그리고 제1 도열체(49a)의 표면의 전체가 공기의 층(55)을 통해서 필터(56)에 의해 피복되어 있다.
피복층(54)에는 또, 일정한 열절연성을 가지고, 제2 도열체(49b)의 주위를 둘러싸는 차양(59)이 세워져 설치되어 있다. 차양(59)은 주간, 제2 도열체(49b)가 태양광의 직사를 받지 않도록 하기 위한 것이다. 그리고 차양(59)에는 원적외선은 투과시키지만 태양광 스펙트럼을 투과시키지 않는 필터(58)가, 제2 도열체(49b)의 표면으로부터 간격을 두고 형성되고, 제2 도열체(49b)의 표면의 전체가 공기의 층(57)을 통해서 필터(58)에 의해 피복되어 있다.
또, 도시는 하지 않지만, 열전발전장치는 제1 도열체(49a)의 온도를 검출하는 제1 온도센서와, 제1 축열체(50a)의 온도를 검출하는 제2 온도센서와, 제2 도열체(49b)의 온도를 검출하는 제3 온도센서와, 제2 축열체(50b)의 온도를 검출하는 제4 온도센서와, 제1∼제4 온도센서의 검출값에 의거해서 제1 및 제2 열류스위치(51, 52)의 ON상태와 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비하고 있다.
그리고 열전발전장치는 옥외의 대기 중에 있어서, 제1의 도열부(49a)가 태양광의 직사를 받는 한편, 제2의 도열부(49b)가 태양광의 직사를 받지 않도록 배치된다. 그것에 의해서, 제1의 도열부(49a)는 주간은 효율적으로 열흡수하지만, 야간은 방사냉각되기 어려워지는 것에 의해서 1일을 통해서 고온으로 유지되는 한편, 제2의 도열부(49b)는 주간은 열흡수를 억제되지만, 일몰 후에 효율적으로 방사냉각됨으로써 1일을 통해서 저온으로 유지된다. 그것 에 따라, 열류스위치 제어부에 의한 제1 및 제2 열류스위치(51, 52)의 제어가 이루어진다.
이 실시예에서는 열전발전장치의 운전은 다음과 같다.
열전발전장치가 옥외에 배치된 당초는, 제1 및 제2 축열체(49a, 49b)에 일정한 열량이 축적되어 양자간에 소정의 온도차가 발생할 때까지, 복수일에 걸쳐서 발전은 수행되지 않는다. 그리고 제1 및 제2 축열체(49a, 49b)에 상기 일정한 열량이 축적된 후, 제1 및 제2 축열체(49a, 49b)에 새롭게 받아들인 열량에 의해 양자간에 발생하는 온도차를 이용해서 열전변환 유닛(53)로부터 전기 에너지가 출력되고, 발전이 이루어진다.
본 발명의 열전발전장치는 전자기기의 통상의 전원에 적용할 수 있을 뿐 아니라, 다른 용도에도 적용 가능하다. 예를 들면, 본 발명의 열전발전장치를 대형화하고, 혹은 다수 나란히 배치하는 것에 의해서, 가정에 필요한 전력을 조달하는 태양열 발전장치로서 사용하는 것이 가능하다. 또, 본 발명에 의한 열전발전장치를 인공위성에 장착하고, 열전발전장치의 도열체를 인공위성의 섀시 표면에 배치하고, 피복층에 의해 피복된 축열체를 섀시 내부에 배치하면, 인공위성의 자전운동에 따라, 도열체는 주기적으로 태양에 쬐게 되거나, 태양의 그늘로 들어 가거나 한다. 그리고 축열체의 열시정수를 인공위성의 자전 주기보다도 길게 설정함으로써, 축열체의 온도는 도열체의 최고온도와 최저온도의 중간온도부근으로 유지되고, 그것에 의해서 발전을 안정적으로 실시할 수 있다.
또, 본 발명의 열전발전장치를 기계설비의 고장 시에 고온이 되는 부분에 설치하고, 기계설비의 상시 동작시는 대기상태로서 두고, 기계설비의 고장시에만 발전을 실시하고, 고장검지(감지)센서에 전력을 공급하고, 고장검지(감지)센서를 동작시킬 수도 있다. 이 구성에 있어서는, 열전발전장치의 발전전력을 저장해 둘 필요가 없고, 그 때문에 이차전지는 불필요하게 된다.
또, 본 발명의 열전발전장치를 체온계의 전원으로 사용하고, 장시간에 걸쳐 실온에서 보관해 두고, 필요 시에, 도열체를 신체에 접촉시킴으로써 발전하고, 체온계를 동작시킬 수도 있다. 이 구성에 있어서도, 이차전지는 불필요하게 된다.
1, 1': 도열체 2: 축열체
3: 열전변환 유닛 3a: 일단
3b: 타단 4: 피복층
4': 추가의 피복층 4a: 개구
5: 전극 6: 열류조절 유닛
6a: 일단 6b: 타단
7a: 액체상의 축열체 7b: 용기
8: 열교환용 핀 9: 개구
10: 전원 11: 극성ㆍ전압변환회로
12: 이차전지 13: 전자기기
14: 보조도열 유닛 14a: 바이메탈
14b: 열수축성 재료 15: 열류스위치
15a: 제1 열류스위치 15b: 제2 열류스위치
16: 제1 온도센서 17: 제2 온도센서
18: 열류스위치 제어부 19: 제1 온도센서
20: 제2 온도센서 21: 제3 온도센서
22: 열류스위치 제어부 23: 도열체
24: 축열체 25: +전극
26: -전극 27: 절연부분
28: 극성ㆍ전압변환회로 29a: 리니어 액추에이터
29b: 가동도열 블록 29c: 회전형 액추에이터
29d: 가동도열 블록 30: 제1 추가의 축열체
31: 제2 추가의 축열체 32: 추가의 열전변환 유닛
32a: 일단 32b: 타단
33: 추가의 펠티에 소자 33a: 일단
33b: 타단 34: 극성ㆍ전압변환회로
36: 제1 추가의 축열체 37: 제2 추가의 축열체
38: 추가의 열전변환 유닛 38a: 일단
38b: 타단 39: 추가의 펠티에 소자
39a: 일단 39b: 타단
40, 41: 히터 42: 도열체
43a: 제1 축열체 43b: 제2 축열체
44: 열류스위치 44a: 일단
44b: 타단 45: 열전변환 유닛
45a: 일단 45b: 타단
46: 피복층 47: 용기
48a∼48c: 잠열 축열재 49a: 제1 도열체
49b: 제2 도열체 50a: 제1 축열체
50b: 제2 축열체 51: 제1 열류스위치
52: 제2 열류스위치 53: 열전변환 유닛
53a: 일단 53b: 타단
54: 피복층 55: 공기의 층
56: 필터 57: 공기의 층
58: 필터 59: 차양
60: 벽
3: 열전변환 유닛 3a: 일단
3b: 타단 4: 피복층
4': 추가의 피복층 4a: 개구
5: 전극 6: 열류조절 유닛
6a: 일단 6b: 타단
7a: 액체상의 축열체 7b: 용기
8: 열교환용 핀 9: 개구
10: 전원 11: 극성ㆍ전압변환회로
12: 이차전지 13: 전자기기
14: 보조도열 유닛 14a: 바이메탈
14b: 열수축성 재료 15: 열류스위치
15a: 제1 열류스위치 15b: 제2 열류스위치
16: 제1 온도센서 17: 제2 온도센서
18: 열류스위치 제어부 19: 제1 온도센서
20: 제2 온도센서 21: 제3 온도센서
22: 열류스위치 제어부 23: 도열체
24: 축열체 25: +전극
26: -전극 27: 절연부분
28: 극성ㆍ전압변환회로 29a: 리니어 액추에이터
29b: 가동도열 블록 29c: 회전형 액추에이터
29d: 가동도열 블록 30: 제1 추가의 축열체
31: 제2 추가의 축열체 32: 추가의 열전변환 유닛
32a: 일단 32b: 타단
33: 추가의 펠티에 소자 33a: 일단
33b: 타단 34: 극성ㆍ전압변환회로
36: 제1 추가의 축열체 37: 제2 추가의 축열체
38: 추가의 열전변환 유닛 38a: 일단
38b: 타단 39: 추가의 펠티에 소자
39a: 일단 39b: 타단
40, 41: 히터 42: 도열체
43a: 제1 축열체 43b: 제2 축열체
44: 열류스위치 44a: 일단
44b: 타단 45: 열전변환 유닛
45a: 일단 45b: 타단
46: 피복층 47: 용기
48a∼48c: 잠열 축열재 49a: 제1 도열체
49b: 제2 도열체 50a: 제1 축열체
50b: 제2 축열체 51: 제1 열류스위치
52: 제2 열류스위치 53: 열전변환 유닛
53a: 일단 53b: 타단
54: 피복층 55: 공기의 층
56: 필터 57: 공기의 층
58: 필터 59: 차양
60: 벽
Claims (15)
- 온도승강을 반복하는 환경 중에 배치되고, 상기 환경의 온도변화를 이용해서 발전을 실시하는 열전발전장치로써,
상기 환경에 접촉하고, 상기 환경의 온도변화에 따라서 상기 환경과 열교환할 수 있는 적어도 1개의 도열체와,
적어도 1개의 축열체와,
상기 도열체와 상기 축열체의 쌍, 및 상기 축열체의 쌍으로 이루어지는 세트로부터 선택된 적어도 1개의 쌍 사이에 배치된 적어도 1개의 열전변환 유닛과,
상기 도열체와 상기 축열체의 쌍, 및 상기 축열체의 쌍, 및 상기 도열체와 상기 열전변환 유닛의 쌍, 및 상기 축열체와 상기 열전변환 유닛의 쌍으로 이루어지는 세트로부터 선택된 적어도 1개의 쌍 사이에 배치되어, 상기 하나의 쌍 사이의의 열이동을 제어하는 적어도 1개의 열류조절 유닛과,
일정한 열절연성을 가지고, 상기 축열체를 피복하는 피복층을 구비하는 것에 의해, 상기 도열체 및 상기 축열체 사이, 또는 상기 축열체 사이, 또는 그것들의 양쪽에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항에 있어서,
1개의 상기 도열체와, 1개의 상기 축열체와, 상기 도열체 및 상기 축열체 사이에 배치된 적어도 한 쌍의 상기 열전변환 유닛 및 상기 열류조절 유닛을 구비하고, 상기 열류조절 유닛은 열저항체로 이루어지고, 상기 열저항체와 대응하는 상기 열전변환 유닛의 일단 끼리가 접촉하고, 상기 열저항체의 타단 또는 대응하는 상기 열전변환 유닛의 타단이 상기 도열체에 접촉하는 한편, 상기 열전변환 유닛의 타단 또는 대응하는 상기 열저항체의 타단이 상기 축열체에 접촉하고, 상기 열전변환 유닛 또는 상기 열저항체와의 접촉영역을 제외하는 상기 축열체의 전체가 상기 피복층에 의해 덮이어 있는 것에 의해, 상기 도열체와 상기 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항에 있어서,
1개의 상기 도열체와, 1개의 상기 축열체와, 상기 도열체 및 상기 축열체 사이에 배치된 적어도 1개의 상기 열류조절 유닛 및 적어도 1개의 상기 열전변환 유닛을 구비하고,
상기 열전변환 유닛의 일단이 상기 도열체에 접촉하는 한편, 타단이 상기 축열체에 접촉하고 있으며,
상기 열류조절 유닛은 열적으로 팽창 및 수축하는 것, 또는 열적으로 변형 함으로써, 상기 도열체 및 상기 축열체에 접촉해서 상기 도열체와 상기 축열체 사이에서 열 이동시키는 제1 위치와, 상기 도열체 및 상기 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 제2 위치를 선택하는 보조도열 유닛으로 이루어지고,
상기 열전변환 유닛 및 상기 보조도열 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있으며,
상기 보조도열 유닛이 상기 도열체의 온도가 상기 최고온도 부근에 있을 때, 또는 상기 도열체의 온도가 상기 최저온도 부근에 있을 때에 상기 제1 위치를 선택는 것에 의해, 상기 도열체와 상기 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항에 있어서,
1개의 상기 도열체와, 1개의 상기 축열체와, 상기 도열체 및 상기 축열체 사이에 배치된 적어도 1개의 상기 열류조절 유닛 및 적어도 1개의 상기 열전변환 유닛을 구비하고,
상기 열전변환 유닛의 일단이 상기 도열체에 접촉하는 한편, 타단이 상기 축열체에 접촉하고 있으며,
상기 열류조절 유닛은 상기 도열체 및 상기 축열체에 접촉해서 상기 도열체와 상기 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 도열체 및 상기 축열체 중의 적어도 한쪽으로 이간해서 상기 열 이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 열류스위치로 이루어지고,
상기 열전변환 유닛 및 상기 열류스위치와의 접촉영역을 제외하는 상기 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있으며, 추가로
상기 도열체의 온도를 검출하는 제1 온도센서와,
상기 축열체의 온도를 검출하는 제2 온도센서와,
상기 제1 및 제2 온도센서의 검출값에 의거해서 상기 열류스위치의 ON상태와 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비하는 것에 의해, 상기 도열체와 상기 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항에 있어서,
1개의 상기 도열체와, 1개의 상기 축열체와, 상기 도열체 및 상기 축열체 사이에 배치된 적어도 한 쌍의 상기 열류조절 유닛 및 상기 열전변환 유닛을 구비하고, 상기 열류조절 유닛과 대응하는 상기 열전변환 유닛의 일단끼리가 접촉하고, 상기 열류조절 유닛의 타단 또는 대응하는 상기 열전변환 유닛의 타단이 상기 도열체에 접촉하는 한편, 상기 열전변환 유닛의 타단 또는 대응하는 상기 열류조절 유닛의 타단이 상기 축열체에 접촉하고, 상기 열전변환 유닛 또는 상기 열류조절 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있으며,
상기 열류조절 유닛은,
상기 도열체 및 상기 열전변환 유닛에 접촉함으로써, 또는 상기 열전변환 유닛 및 상기 축열체에 접촉함으로써 상기 도열체와 상기 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 도열체 및 상기 열전변환 유닛 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서, 또는 상기 열전변환 유닛 및 상기 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 열류스위치로 이루어지고, 추가로,
상기 도열체의 온도를 검출하는 제1 온도센서와,
상기 축열체의 온도를 검출하는 제2 온도센서와,
상기 제1 및 제2 온도센서의 검출값에 의거해서 상기 열류스위치의 ON상태와 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비한 것에 의해, 상기 도열체와 상기 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항에 있어서,
1개의 상기 도열체와,
제1 및 제2의 상기 축열체와,
상기 제1 및 제2 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 상기 열전변환 유닛과,
상기 제1 및 제2 축열체의 각각과 상기 도열체 사이에 배치된 적어도 1개의 제1 및 제2 열류조절 유닛을 구비하고,
상기 제1 열류조절 유닛은 상기 도열체 및 상기 제1 축열체 사이에 배치되고, 상기 도열체 및 상기 제1 축열체에 접촉해서 상기 도열체와 상기 제1 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 도열체 및 상기 제1 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 당해 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제1 열류스위치로 이루어지고,
상기 제2 열류제어 유닛은 상기 도열체 및 상기 제2 축열체 사이에 배치되고, 상기 도열체 및 상기 제2 축열체에 접촉해서 상기 도열체와 상기 제2 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 도열체 및 상기 제2 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 당해 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제2 열류스위치로 이루어지고,
상기 제1 열류스위치 및 상기 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 축열체의 표면과, 상기 제2 열류스위치 및 상기 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제2 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있으며,
상기 열전발전장치는 추가로,
상기 도열체의 온도를 검출하는 제1 온도센서와,
상기 제1 축열체의 온도를 검출하는 제2 온도센서와,
상기 제2 축열체의 온도를 검출하는 제3 온도센서와,
상기 제1∼제3 온도센서의 검출값에 의거해서 상기 제1 및 제2 열류스위치의 상기 ON상태와 상기 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비한 것에 의해, 상기 제1 및 제2 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 제1 열류스위치 및 상기 제1 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 열류스위치에 접촉하는 한편, 타단이 상기 제1 축열체에 접촉하는 제1의 펠티에 소자와,
상기 제2 열류스위치 및 상기 제2 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제2 열류스위치에 접촉하는 한편, 타단이 상기 제2 축열체에 접촉하는 제2의 펠티에 소자를 구비하고, 상기 제1 열류스위치가 상기 ON상태에 있을 때, 상기 제1의 펠티에 소자가 상기 일단에 있어서 흡열하고, 상기 타단에 있어서 발열하고, 상기 제2 열류스위치가 상기 ON상태에 있을 때, 상기 제2의 펠티에 소자가 상기 일단에서 발열하고, 상기 타단에서 흡열하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도열체가 상기 피복층의 표면의 전체를 덮고 있는 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 1개의 상기 축열체가 서로 다른 상변화 온도를 가지는 복수의 잠열 축열재로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항에 있어서,
1개의 상기 도열체와,
제1 및 제2의 상기 축열체를 구비하고, 상기 제2 축열체는 상기 열전발전장치가 설치되는 구조물로 이루어지고 있으며, 추가로,
상기 도열체 및 상기 제1 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 도열체에 접촉하고, 타단이 상기 제1 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 상기 열류조절 유닛을 구비하고, 상기 열류조절 유닛은, 상기 도열체 및 상기 제1 축열체에 접촉해서 상기 도열체와 상기 제1 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 도열체 및 상기 제1 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 당해 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 열류스위치로 이루어지고 있으며, 추가로,
상기 제1 축열체 및 상기 구조물 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 구조물에 접촉하는 적어도 1개의 열전변환 유닛을 구비하고, 상기 열류스위치 및 상기 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있으며, 추가로,
상기 도열체의 온도를 검출하는 제1 온도센서와,
상기 제1 축열체의 온도를 검출하는 제2 온도센서와,
상기 구조물의 온도를 검출하는 제3 온도센서와,
상기 제1∼제3 온도센서의 검출값에 의거해서 상기 열류스위치의 상기 ON상태와 상기 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비한 것에 의해, 상기 제1 축열체 및 상기 구조물 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 추가의 축열체와,
제2 추가의 축열체와,
상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 열전변환 유닛과,
상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 펠티에 소자와,
일정한 열절연성을 가지고, 상기 추가의 열전변환 유닛 및 상기 추가의 펠티에 소자와의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 및 제2 추가의 축열체의 표면을 피복하는 추가의 피복층을 구비하고, 상기 추가의 열전변환 유닛을 제외하는 상기 열전변환 유닛이 출력하는 전기 에너지를 상기 추가의 펠티에 소자에 의해 열에너지로 변환하는 것에 의해, 상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 온도차를 발생시키고, 상기 온도차를 이용해서 상기 추가의 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 추가의 축열체와,
제2 추가의 축열체와,
상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 열전변환 유닛과,
일정한 열절연성을 가지고, 상기 추가의 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 및 제2 추가의 축열체의 표면을 피복하는 추가의 피복층과,
상기 추가의 피복층의 내부에 있어서 상기 제1 추가의 축열체에 접촉해서 배치된 히터를 구비하고, 상기 추가의 열전변환 유닛을 제외하는 상기 열전변환 유닛이 출력하는 전기 에너지를 상기 히터에 의해 열에너지로 변환하는 것에 의해, 상기 제1 추가의 축열체를 가열하고, 상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 온도차를 발생시키고, 상기 온도차를 이용해서 상기 추가의 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 추가의 축열체와,
제2 추가의 축열체와,
상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 열전변환 유닛과,
상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 펠티에 소자를 구비하고, 상기 제2 추가의 축열체는, 상기 열전발전장치가 설치되는 구조물로 이루어지고, 추가로,
일정한 열절연성을 가지고, 상기 추가의 열전변환 유닛 및 상기 추가의 펠티에 소자와의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 추가의 축열체의 표면을 피복하는 추가의 피복층을 구비하고, 상기 추가의 열전변환 유닛을 제외하는 상기 열전변환 유닛이 출력하는 전기 에너지를 상기 추가의 펠티에 소자에 의해 열에너지로 변환하는 것에 의해, 상기 제1 및 제2 추가의 축열체 사이에 온도차를 발생시키고, 상기 온도차를 이용해서 상기 추가의 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 추가의 축열체와,
제2 추가의 축열체와,
상기 제1 및 제2 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 추가의 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 추가의 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 추가의 열전변환 유닛과,
일정한 열절연성을 가지고, 상기 추가의 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 및 제2 추가의 축열체의 표면을 피복하는 추가의 피복층과,
상기 추가의 피복층의 내부에 있어서 상기 제1 추가의 축열체에 접촉해서 배치된 히터를 구비하고, 상기 제2 추가의 축열체는 상기 열전발전장치가 설치되는 구조물로 이루어지고, 상기 추가의 열전변환 유닛을 제외하는 상기 열전변환 유닛이 출력하는 전기 에너지를 상기 히터에 의해 열에너지로 변환하는 것에 의해서, 상기 제1 추가의 축열체를 가열하고, 상기 제1 축열체 및 상기 구조물 사이에 온도차를 발생시키고, 상기 온도차를 이용해서 상기 추가의 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 환경이 옥외의 대기 중이고,
제1 및 제2의 상기 도열체와,
제1 및 제2의 상기 축열체와,
상기 제1 도열체 및 상기 제1 축열체 사이에 배치된 적어도 1개의 제1의 상기 열류조절 유닛과,
상기 제2 도열체 및 상기 제2 축열체 사이에 배치된 적어도 1개의 제2의 상기 열류조절 유닛을 구비하고,
상기 제1 열류조절 유닛은상기 제1 도열체 및 상기 제1 축열체에 접촉해서 상기 제1 도열체와 상기 제1 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 제1 도열체 및 상기 제1 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제1 열류스위치로 이루어지고, 상기 제2 열류조절 유닛은상기 제2 도열체 및 상기 제2 축열체에 접촉해서 상기 제2 도열체와 상기 제2 축열체 사이에서 열 이동시키는 ON상태와, 상기 제2 도열체 및 상기 제2 축열체 중의 적어도 한쪽으로부터 이간해서 상기 열이동을 정지시키는 OFF상태를 선택하는 제2 열류스위치로 이루어지고 있으며, 추가로,
상기 제1 및 제2 축열체 사이에 배치되고, 일단이 상기 제1 축열체에 접촉하고, 타단이 상기 제2 축열체에 접촉하는 적어도 1개의 열전변환 유닛을 구비하고,
상기 제1 및 제2 열류스위치, 및 상기 열전변환 유닛과의 접촉영역을 제외하는 상기 제1 및 제2 축열체의 표면이 상기 피복층에 의해 덮이어 있으며,
상기 제1 도열체에 있어서의 상기 환경과의 열교환면에태양광 스펙트럼은 투과시키지만 원적외선을 차단하는 필터가, 당해 열교환면에서 간격을 두고 배치되어 당해 열교환면을 피복하고, 상기 제2 도열체에 있어서의 상기 환경과의 열교환면에원적외선은 투과시키지만 태양광 스펙트럼을 차단하는 필터가당해 열교환면에서 간격을 두고 배치되어 당해 열교환면의 전체를 피복하고 있으며, 추가로,
상기 제1 도열체의 온도를 검출하는 제1 온도센서와,
상기 제1 축열체의 온도를 검출하는 제2 온도센서와,
상기 제2 도열체의 온도를 검출하는 제3 온도센서와,
상기 제2 축열체의 온도를 검출하는 제4 온도센서와,
상기 제1∼제4 온도센서의 검출값에 의거해서 상기 제1 및 제2 열류스위치의 ON상태와 OFF상태를 전환하는 열류스위치 제어부를 구비한 것에 의해, 상기 제1 및 제2 축열체 사이에 발생하는 온도차를 이용해서 상기 열전변환 유닛으로부터 전기 에너지를 꺼내는 것인 것을 특징으로 하는 열전발전장치.
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