KR20140133742A - 열교환기를 포함하는 amtec 시스템. - Google Patents
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Abstract
다수 개의 열전환 발전 셀을 포함하는 열전환 발전기는 다수 개의 열전환 발전 셀, 다수 개의 열전환 발전 셀를 위치시킬 수 있는 케이스, 케이스 상단부에 위치하여 상기 다수 개의 열전환 발전 셀을 통과한 작동 유체를 포집하여 응축하는 응축부, 케이스 하단부에 위치하여 작동 유체에 열을 전달하여 증기로 변환시키고 다수 개의 열전환 발전 셀로 작동 유체 증기를 이송하는 증발부, 응축부와 접해 있는 케이스 외부의 상단면 제외 나머지 면에 위치하며, 열유체를 통과시키는 열교환기, 응축부와 상기 증발부의 공간을 연결하여 작동유체가 이송할 수 있는 순환부, 증발부와 다수 개의 열전환 발전 셀 사이를 접합하는 접합부를 포함하는 구성을 통해 온도 구배가 없고 열유체가 열교환기를 통해 시스템 온도를 높인 후 순환하는 방식으로 재활용 가능하기 때문에 효율이 매우 높은 시스템 구성이 가능하다.
또한, 기존의 시스템과는 달리 시스템 내에 온도 구배가 거의 없기 때문에 열충격이 매우 작고 암텍(AMTEC) 을 구성하는 셀 성능이 일정하게 유지될 수 있는 장점이 있다.
이와 함께, 시스템과 냉각부의 온도차이가 커서 응축이 냉각부에만 효율적으로 이루어지기 때문에 Na 등의 작동 유체의 순환이 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
이를 통해, 시스템 효율 극대화시킬 수 있으며 마지막으로 열교환기는 열유체 입구 및 출구만이 필요한 컴팩트 형태로 모듈 구성이 용이하다.
또한, 기존의 시스템과는 달리 시스템 내에 온도 구배가 거의 없기 때문에 열충격이 매우 작고 암텍(AMTEC) 을 구성하는 셀 성능이 일정하게 유지될 수 있는 장점이 있다.
이와 함께, 시스템과 냉각부의 온도차이가 커서 응축이 냉각부에만 효율적으로 이루어지기 때문에 Na 등의 작동 유체의 순환이 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
이를 통해, 시스템 효율 극대화시킬 수 있으며 마지막으로 열교환기는 열유체 입구 및 출구만이 필요한 컴팩트 형태로 모듈 구성이 용이하다.
Description
본원 발명은 외부의 열로 구동되어 전기를 발생시키는 암텍(AMTEC) 시스템의 온도를 균일하게 향상시켜 효율을 극대화시키고, 필요로 하는 지속적인 열원을 제공하는 기술에 관한 것이다.
AMTEC(Alkali Metal Themal to Eletric Converter)은 열에너지로부터 전기에너지를 생산하는 것이 가능한 열변환 전기발생장치이다.
이온전도성을 갖는 베타 알루미나 고체 전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte:BASE)의 양단에 온도차를 주면 셀 내부에 충전되어 있는 Na의 증기압 차로 인해 Na+ 이온이 되었다가 전해질을 통해 음극에서 양극으로 확산 후 중성화 되는 과정에서 전기가 발생한다.
이때 저전압, 대전류가 발생하는데 직렬이나 병렬로 연결하여 모듈화하는 경우 대용량 발전이 가능하다.
암텍(AMTEC) 기술은 우주용 전력원으로 개발이 시작된 기술로서, 단위면적당 높은 전력밀도, 고휴율, 안정성을 유지하는 장점이 있다.
또한, 열원은 태양에너지, 화석연료, 폐열, 지열, 원자로 등 다양한 열원을 사용할 수 있는 장점이 있고, 기존의 발전방식과는 달리 터빈이나 모터와 같은 구동부 없이 전기를 생산할 수 있는 발전 셀로 구성되어 열과 접촉되는 부위에서 직접 전기를 생산할 수 있고 직렬 또는 병렬로 모듈화하는 경우 수 kW에서 수백 MW 규모의 대용량 발전이 가능하다.
폐열의 형태는 배가스, 배공기, 폐온수, 폐증기 등이 있고 생산공정의 제품의 현열, 반응열 또한 폐열로 분류되며 이들의 폐열회수는 부식성 물질 포함 여부, 온도 및 유량의 조건에 따라 적용가능한 열교환기의 형태 및 규격과 재질 등도 다양하게 적용되고 있다.
이러한 폐열 이용장치로는 폐열 회수기, 전열 교환기, 히트 파이프식 열교환기 등이 있으며 특별한 경우 별도의 회수 시스템이 고려되고 있다.
암텍(AMTEC)은 고품질의 전기를 열원으로부터 직접 생산하여 효율을 높일 수 있어 기존의 수력발전, 화력발전, 원자력발전, 조력발전, 풍력발전 등의 발전 기술을 대체할 수 있는 유망한 기술로 대두되고 있다.
암텍(AMTEC) 발전기술의 특징 중 하나는 다른 열전기 변환 소자들에 비해 간단한 구조를 가지면서도 높은 에너지 변환효율을 가지는 것이다.
특히 태양전기변환시스템(solar thermal power plant)과 비교하면, 터빈 등의 기계적 구동부가 필요 없으며, 열전소자(thermoelectric device)과 비교하면 고용량, 고효율의 시스템에 적용할 수 있다는 장점이 있다.
암텍(AMTEC)에서 전기를 생산하는 과정을 구체적으로 살펴보면, Na 증기가 열원에 의해 고온고압영역인 증발기에서 증기상태로 변하여 Na+이 베타 알루미나 고체 전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte:BASE)로 통과하고, 자유전자들은 음극(anode)으로부터 전기부하로 통과하여 양극(cathode)으로 돌아와서 저온저압영역의 베타 알루미나 고체 전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte:BASE)의 표면에서 나오는 이온과 재결합하여 중성화되는 과정에서 전기를 발생한다.
전기를 발생하는 에너지원 또는 원동력(driving force)은 열변환 발전기 내부에 Na의 증기압이 가장 크게 작용하고 또한 작용유체의 농도 차이, 온도 차이로 인해 Na이 고체 전해질을 통과하는 과정에서 발생하는 자유전자를 전극을 통해 집전함으로써 발전이 가능하게 된다.
고체 전해질에는 베타 알루미나(Beta-Alumina)와 나시콘(Na super-ionic conductor:NASICON) 이 사용될 수 있다.
그러나, 나시콘은 장시간 고온에 노출되었을 때 결정구조의 안정성이 문제가 되고 있는 실정이다.
베타 알루미나에는 beta'-alumina 와 beta''-alumina 두 가지 종류가 있다.
beta''-alumina가 층상구조가 더욱 발전되어 있어 Na+이온의 전도성이 훨씬 좋기 때문에 일반적으로 사용되고 있다.
중성의 Na 증기는 저압영역의 응축기 내 표면에서 냉각에 의해 응축되어 모세관 윅에 의해 증발기로 이동하여 증발기에서 다시 증기상태로 변하는 과정을 반복하게 된다. 증발기의 온도는 900 내지 1100K 범위에 있고 응축기의 온도는 500 내지 600K가 되는 것이 일반적이다.
또한, 암텍(AMTEC)의 열변환 전기발생 효율은 40%까지 가능하며 출력밀도가 높고, 별도의 구동부위가 필요없는 간단한 구조라는 장점 등을 가지고 있다.
외부의 열로 구동되어 전기를 발생시키는 암텍(AMTEC) 시스템의 온도를 균일하게 향상시켜 효율을 극대화시키고, 필요로 하는 지속적인 열원을 제공하고자 한다.
종래에 사용되는 방식은 가열부를 일측에 두고 Na 등의 작동 유체가 가열되어 기화되고 암텍(AMTEC)에서 전기화학적으로 이용되며 냉각부에서 응축되어 액상 Na 등의 작동 유체의 형태로 순환하는 방식을 채택하였다.
더욱 자세히는 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 종래의 열전환 발전기(200)는 하부의 열원(280)에 의해 작동 유체가 가열되어 증발부(240)에서 증발되고 응측부(230)에서 응축되는 방식을 사용하였다.
그러나, 이러한 방식은 일측에 위치하는 열원에 의해 열원의 주변부만 열원의 직접적 영향을 받게 되어 암텍(AMTEC) 셀 자체에도 온도 구배를 주어 부위별로 다른 전기화학적인 효율을 나타내게 되며, 열 구배에 따른 응력 발생으로 세라믹 및 접합부의 기계적 특성을 저하시키는 단점이 있다.
또한, 벽면 등 냉각부 이외의 원치 않는 부위에서 기상의 Na 등의 작동 유체가 응결이 일어나 작동 유체의 순환에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
열교환기를 포함하는 다수 개의 열전환 발전 셀을 포함하는 열전환 발전기는 다수 개의 열전환 발전 셀, 다수 개의 열전환 발전 셀를 위치시킬 수 있는 케이스, 케이스 상단부에 위치하여 상기 다수 개의 열전환 발전 셀을 통과한 작동 유체를 포집하여 응축하는 응축부, 케이스 하단부에 위치하여 작동 유체에 열을 전달하여 증기로 변환시키고 다수 개의 열전환 발전 셀로 작동 유체 증기를 이송하는 증발부, 응축부와 접해 있는 케이스 외부의 상단면 제외 나머지 면에 위치하며, 열유체를 통과시키는 열교환기, 응축부와 상기 증발부의 공간을 연결하여 작동유체가 이송할 수 있는 순환부, 증발부와 다수 개의 열전환 발전 셀 사이를 접합하는 접합부와 상기 케이스 하단부를 가열하는 열원을 포함한다.
이러한 구성을 통해, 온도 구배가 없고 열유체가 열교환기를 통해 시스템 온도를 높인 후 순환하는 방식으로 재활용 가능하기 때문에 효율이 매우 높은 시스템 구성이 가능하다.
본원 발명의 구성을 사용하면, 온도 구배가 없고 열유체가 열교환기를 통해 시스템 온도를 높인 후 순환하는 방식으로 재활용 가능하기 때문에 효율이 매우 높은 시스템 구성이 가능하다.
또한, 기존의 시스템과는 달리 시스템 내에 온도 구배가 거의 없기 때문에 열충격이 매우 작고 암텍(AMTEC)을 구성하는 셀 성능이 일정하게 유지될 수 있는 장점이 있다.
이와 함께, 시스템과 냉각부의 온도차이가 커서 응축이 냉각부에만 효율적으로 이루어지기 때문에 Na 등의 작동 유체의 순환이 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
이를 통해, 시스템 효율 극대화시킬 수 있으며 마지막으로 열교환기는 열유체 입구 및 출구만이 필요한 컴팩트 형태로 제조 가능하여 모듈 구성이 용이하다.
도 1은 종래의 열전환 발전기의 작동 원리를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본원 발명에 의한 열교환기를 포함하는 열전환 발전기의 작동 원리를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본원 발명에 의한 단위 열전환 발전기의 원리를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본원 발명에 의한 열전환 발전 셀을 나타낸다.
도 2는 본원 발명에 의한 열교환기를 포함하는 열전환 발전기의 작동 원리를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본원 발명에 의한 단위 열전환 발전기의 원리를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본원 발명에 의한 열전환 발전 셀을 나타낸다.
도 3은 본원 발명에 의한 단위 열전환 발전기의 원리를 나타내는 구성도이다.
또한, 도 2는 본원 발명에 의한 열교환기를 포함하는 열전환 발전기의 작동 원리를 나타내는 구성도이다.
열교환기를 포함하며, 다수 개의 열전환 발전 셀(110)을 포함하는 열전환 발전기(100)는 다수 개의 열전환 발전 셀(110), 상기 다수 개의 열전환 발전 셀(110)를 위치시킬 수 있는 케이스(120), 상기 케이스(120) 상단부에 위치하여 상기 다수 개의 열전환 발전 셀(110)을 통과한 작동유체를 포집하여 응축하는 응축부(130), 상기 케이스(120) 하단부에 위치하여 작동유체에 열을 전달하여 증기로 변환시키고 상기 다수 개의 열전환 발전 셀(110)로 작동유체 증기를 이송하는 증발부(140), 상기 응축부(130)와 접해 있는 상기 케이스(120) 외부의 상단면 제외 나머지 면에 위치하며, 열유체를 통과시키는 열교환기(170), 상기 응축부(130)와 상기 증발부(140)의 공간을 연결하여 작동유체가 이송할 수 있는 순환부(160), 상기 증발부(140)와 상기 다수 개의 열전환 발전 셀(110) 사이를 접합하는 접합부(150) 및 상기 케이스(120) 하단부를 가열하는 열원을 포함하는 것이 가능할 것이다.
상기 열교환기(170)는 온도 구배를 균일하게 하며 고온의 유체를 유입하는 하나 이상의 입구, 열교환이 이루어진 저온의 유체를 배출하는 하나 이상의 출구, 열유체가 통과하는 유동부를 포함하는 것이 가능할 것이나, 이에 한정된 것은 아닐 것이다.
상기 열유체는 기체, 액체의 형상을 포함하는 물질 중의 적어도 어느 하나 아상이 포함될 수 있다.
도 4은 본원 발명에 의한 열전환 발전 셀을 나타낸다.
상기 열전환 발전 셀(110)은 튜브형의 금속 지지체(112), 상기 튜브형 금속 지지체(112) 내부 표면에 형성된 다공성 내부 전극(111), 상기 튜브형의 금속 지지체(112) 외부 표면에 형성된 고체 전해질(113) 및 상기 고체 전해질(113) 표면에 형성된 다공성 외부 전극(114)을 포함하여 구성하는 것이 가능할 것이다.
상기 금속 지지체(112)와 상기 금속 지지체(112) 내부 표면에 형성된 내부 전극(111)은 하나로 구성될 수 있다. 즉, 금속 지지체(112)로 작용하는 내부 전극(111)을 형성하여 사용하는 것이 가능할 것이다.
상기 금속 지지체(112)는 다공성 금속 지지체로 Mo, Ti, W, Cu, Ni, Fe, Cr 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직할 것이다.
또한, 상기 고체 전해질(113)은 베타 알루미나계 또는 나시콘계 고체 전해질이며, 박막으로 형성된 것이 바람직할 것이며, 더욱 바람직한 것은 베타 알루미나계 박막일 것이나, 이에 한정된 것은 아닐 것이다.
상기 다공성 전극은 Mo, Ni, Al, PtW, RhW TiC, TiN, SiN, RuO, Ru2O, RuW, NbC 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직할 것이다.
상기 열전환 발전 셀(110)에서 전극과 금속 지지체가 전기적으로 연결되어 발전된 전기를 제어하는 발전부를 더 포함하는 것이 가능할 것이다.
상기 접합부(150)는 상기 열전환 발전 셀(110)에서 생성된 전기가 상기 발전부로 흘러갈 수 있도록 하기 위해 절연성을 갖는 재질로 된 것이 가능할 것이며, 절연성을 갖는 알파 알루미나, 상기 증발부(140)와 접합성을 높이기 위해 상기 알파 알루미나 하부에 위치하는 금속 링을 포함하는 것이 가능할 것이다.
상기 작동 유체는 Na, K, Li 중 적어도 어느 하나 이상 포함하는 것이 가능할 것이며, Na 인 것이 가장 바람직할 것이나 이에 한정된 것은 아니다.
상기 응축부(130)는 상부의 저온저압 작동유체가 통과하는 모세관 윅(131), 상기 모세관 윅(131) 상부의 응축기(132)를 포함하는 것이 가능할 것이다.
또한, 상기 순환부(160)는 상기 응축부(130)로 연결되는 모세관 순환윅(161)인 것이 가능할 것이다.
상기와 같은 본원 발명의 구성을 통해 외부의 열로 구동되어 전기를 발생시키는 암텍(AMTEC) 시스템의 온도를 균일하게 향상시켜 효율을 극대화시키고, 필요로 하는 지속적인 열원을 제공하고자 한다.
이러한 구성을 통해, 온도 구배가 없고 열유체가 열교환기를 통해 시스템 온도를 높인 후 순환하는 방식으로 재활용 가능하기 때문에 효율이 매우 높은 시스템 구성이 가능하다.
온도 구배가 없고 열유체가 열교환기를 통해 시스템 온도를 높인 후 순환하는 방식으로 재활용 가능하기 때문에 효율이 매우 높은 시스템 구성이 가능하다.
또한, 기존의 시스템과는 달리 시스템 내에 온도 구배가 거의 없기 때문에 열충격이 매우 작고 암텍(AMTEC) 을 구성하는 셀 성능이 일정하게 유지될 수 있는 장점이 있다.
이와 함께, 시스템과 냉각부의 온도차이가 커서 응축이 냉각부에만 효율적으로 이루어지기 때문에 Na 등의 작동 유체의 순환이 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
이를 통해, 시스템 효율 극대화시킬 수 있으며 마지막으로 열교환기는 열유체 입구 및 출구만이 필요한 컴팩트 형태로 모듈 구성이 용이하다.
본원 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시 예에 불과하며, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시 예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.
100: 열전환 발전기 110: 열전환 발전 셀
111: 내부 전극 112: 금속 지지체
113: 고체 전해질 114: 외부 전극
120: 케이스 130: 응축부
131: 모세관 윅 132: 응축기
140: 증발부 150: 접합부
160: 순환부 161: 모세관 순환 윅
170: 열교환기 171: 유체 이동 방향
180: 열원
200: 종래의 열전환 발전기 210: 종래의 열전환 발전 셀
220: 종래의 케이스 230: 종래의 응축부
240: 종래의 증발부 261: 종래의 모세관 순환 윅
280: 종래의 열원
111: 내부 전극 112: 금속 지지체
113: 고체 전해질 114: 외부 전극
120: 케이스 130: 응축부
131: 모세관 윅 132: 응축기
140: 증발부 150: 접합부
160: 순환부 161: 모세관 순환 윅
170: 열교환기 171: 유체 이동 방향
180: 열원
200: 종래의 열전환 발전기 210: 종래의 열전환 발전 셀
220: 종래의 케이스 230: 종래의 응축부
240: 종래의 증발부 261: 종래의 모세관 순환 윅
280: 종래의 열원
Claims (14)
- 열교환기를 포함하며
다수 개의 열전환 발전 셀을 포함하는 열전환 발전기에 있어서,
상기 열전환 발전기는
다수 개의 열전환 발전 셀;
상기 다수 개의 열전환 발전 셀를 위치시킬 수 있는 케이스;
상기 케이스 상단부에 위치하여 상기 다수 개의 열전환 발전 셀을 통과한 작동유체를 포집하여 응축하는 응축부;
상기 케이스 하단부에 위치하여 작동유체에 열을 전달하여 증기로 변환시키고 상기 다수 개의 열전환 발전 셀로 작동유체 증기를 이송하는 증발부;
상기 응축부와 접해 있는 상기 케이스 외부의 상단 면을 제외 나머지 면에 위치하며, 열유체를 통과시키는 열교환기;
상기 응축부와 상기 증발부의 공간을 연결하여 작동유체가 이송할 수 있는 순환부;
상기 증발부와 상기 다수 개의 열전환 발전 셀 사이를 접합하는 접합부; 및
상기 케이스 하단부를 가열하는 열원
을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 1에 있어서,
상기 열교환기는
고온의 유체를 유입하는 하나 이상의 입구;
열교환이 이루어진 저온의 유체를 배출하는 하나 이상의 출구;
열유체가 통과하는 유동부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 1에 있어서,
상기 열유체는
기체, 액체의 형상을 포함하는 물질 중의 적어도 어느 하나 이상 포함하는 것
을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 1에 있어서,
상기 열교환기는
상기 열전환 발전기 내부의 온도 구배를 균일하게 하는 것
을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 1에 있어서,
상기 열전환 발전 셀은
튜브형의 금속 지지체;
상기 튜브형 금속 지지체 내부 표면에 형성된 다공성 내부 전극
상기 튜브형 금속 지지체 외부 표면에 형성된 고체 전해질
상기 고체 전해질 표면에 형성된 다공성 외부 전극
을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 5에 있어서,
상기 금속 지지체는 다공성 금속 지지체로
Mo, Ti, W, Cu, Ni, Fe, Cr 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것
을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 5에 있어서,
상기 고체 전해질은 베타 알루미나계 또는 나시콘계 고체 전해질이며,
박막으로 형성된 것
을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 5에 있어서,
상기 다공성 전극은 Mo, Ni, Al, PtW, RhW TiC, TiN, SiN, RuO, Ru2O, RuW, NbC 중 적어도 어느 하나 이상 포함하는 것
을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 1에 있어서,
상기 열전환 발전 셀에서 전극과 금속 지지체가 전기적으로 연결되어 발전된 전기를 제어하는 발전부를 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 1에 있어서,
상기 접합부는
상기 열전환 발전 셀에서 생성된 전기가 상기 발전부로 흘러갈 수 있도록 하기 위해 절연성을 갖는 재질로 된 것
을 특징으로 하는 단위 열전환 발전기. - 청구항 1에 있어서,
상기 접합부는
절연성을 갖는 알파 알루미나,
상기 증발부와 접합성을 높이기 위해 상기 알파 알루미나 하부에 위치하는 금속 링
을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 1에 있어서,
상기 작동 유체는 Na, K, Li 중의 적어도 어느 하나 이상 포함하는 것
을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 1에 있어서,
상기 응축부는 상부의 저온저압 작동유체가 통과하는 모세관 윅,
상기 모세관 윅 상부의 응축기
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전환 발전기. - 청구항 1에 있어서,
상기 순환부는 상기 응축부로 연결되는 모세관 순환윅인 것
을 특징으로 하는 열전환 발전기.
Priority Applications (3)
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| KR20130053348A KR101479089B1 (ko) | 2013-05-10 | 2013-05-10 | 열교환기를 포함하는 amtec 시스템. |
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| KR101479089B1 KR101479089B1 (ko) | 2015-01-08 |
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