KR20150136289A - 가스레인지의 열기를 이용한 열전발전기 - Google Patents

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Abstract

가스레인지 화구에서 발생되는 화염을 열원으로 하되 열전발전을 위한 고온부와 저온부 사이의 높은 온도차를 유지하여 전력을 효율적으로 생산할 수 있고, 설치 및 사용이 간단한 열전발전기를 제공한다. 본 발명에 따른 열전발전기는 가스레인지 화구 외주에 놓여 가스레인지 화염으로 인한 열기로부터 전력을 생성하는 열전발전기로서, 상기 열기가 집약되도록 한 집열부, 상기 집열부로부터 열을 전도받아 전기 에너지로 변환하는 열전소자, 및 냉각부를 포함하고, 내부에 반구형 공간을 한정하는 반구형 구조이다.

Description

가스레인지의 열기를 이용한 열전발전기{Thermoelectric generator using heat of gas range}
본 발명은 가스레인지의 열기를 이용한 열전발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스레인지 화구에서 발생되는 화염을 열원으로 하고 에너지 변환기술을 이용해 전력을 생산함으로써, 전원을 필요로 하는 전기기구 등에 전원을 공급할 수 있도록 하는 열전발전기에 관한 것이다.
고체 상태인 소재의 양단에 존재하는 온도차에 의해 열 의존성을 갖는 전자(혹은 홀)는 양단에서 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전현상으로 나타난다. 이러한 열전현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전발전과, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전냉각/가열로 구분할 수 있다.
열전현상을 보이는 열전소재는 발전과 냉각 과정에서 오염 물질의 배출이 없어 친환경적이고 지속가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히 소각로나 각종 산업 설비에서 발생하는 폐열이나 태양열, 지열, 하천수열과 같은 자연열에서도 직접 전력을 생산해내어 에너지 하베스팅(energy harvesting)을 할 수 있는 신재생 에너지 관련 분야에 대한 관심이 높다.
열전발전을 이용한 관련 기술은 공개특허 제2003-0046482호 및 공개특허 제2013-0131510호가 있다.
공개특허 제2003-0046482호에서는 산이나 강가 등의 야외에서 전원을 공급받기 위한 휴대가 가능한 열전발전기를 개시하고 있다. 그러나 열원을 얻기 위한 연료가 휴대용 가스로 제한되어 있고 야외에서의 거치를 위한 지지대의 존재로 인해 발전기의 부피 축소에 한계가 존재하고 가정에서 사용되는 가스레인지에는 적용하기 부적합한 단점이 있다.
공개특허 제2013-0131510호에는 가스레인지 사용에 따른 용기 받침틀로부터 전도된 고열을 열전 반도체를 통해 전기 에너지로 축전하고, 이를 본체측 콘센트에 전기제품의 전원코드를 꽂아 사용할 수 있도록 한 기술이 개시되어 있다. 그러나 열전 반도체를 용기 받침틀 저부에 접촉시키고 외기와의 온도차를 이용해 발전하므로, 가스레인지 열기에 의해 쉽게 데워지는 주변 공기와 용기 받침틀간의 높은 온도차를 유지할 수 없어서 발전용량이 낮은 문제점이 있다.
공개특허 제2003-0046482호 공개특허 제2013-0131510호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가스레인지 화구에서 발생되는 화염을 열원으로 하되 열전발전을 위한 고온부와 저온부 사이의 높은 온도차를 유지하여 전력을 효율적으로 생산할 수 있고, 설치 및 사용이 간단한 열전발전기를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 열전발전기는 가스레인지 화구 외주에 놓여 가스레인지 화염으로 인한 열기로부터 전력을 생성하는 열전발전기로서, 상기 열기가 집약되도록 한 집열부; 상기 집열부로부터 열을 전도받아 전기 에너지로 변환하는 열전소자; 및 냉각부를 포함하고, 내부에 반구형 공간을 한정하는 반구형 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열전발전기는 상기 열전소자에 연결되어 상기 열전소자에서 생성된 전력을 수집 및 조절하는 전력변환장치, 및 상기 전력변환장치와 연결되어 상기 전력변환장치에서 수집 및 조절된 전력을 충전하는 축전지를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 집열부는 열전도성 금속 소재에 산화방지 코팅이 형성된 것일 수 있다. 상기 열전소자는 100-150℃ 정도의 저온용 열전소재, 또는 400-500℃ 정도의 중온용 열전소재일 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 집열부는 반구형 구조이고, 상기 열전소자는 상기 집열부 표면을 따라 설치되며, 상기 냉각부는 상기 집열부와 동심 반구형 구조인 냉각판을 포함한다. 이 때, 상기 열전발전기는 지름이 20cm의 반구형 구조이고, 기저면으로부터 상기 열전발전기 최상단까지의 거리는 7-15cm이고, 상기 반구형 공간의 곡률반경이 10-15cm이며, 기저면으로부터 상기 반구형 공간 최상단까지의 거리는 5-10cm이다. 상기 냉각부는 상기 열전발전기의 최상위 부분에서 시작하여 나선형으로 상기 냉각판을 감아 내려가며 최종적으로 상기 열전발전기의 하단부에서 마무리되는 냉각수 순환 라인을 더 포함한다. 상기 집열부와 냉각판은 3-5mm 두께를 가지며, 상기 냉각수 순환 라인은 1-2cm 외경에 0.8-1.8cm의 내경을 가질 수 있다. 상기 냉각판과 냉각수 순환 라인은 동일한 소재로 이루어질 수 있으며, 상기 냉각판과 냉각수 순환 라인 사이에 면접촉이 일어나도록 상기 냉각수 순환 라인의 단면 모양은 타원형인 것이 바람직하다. 상기 집열부, 냉각판 및 냉각수 순환 라인은 구리 또는 알루미늄으로 이루어질 수 있다. 상기 냉각수 순환 라인을 덮는 포장재를 최외곽에 더 포함할 수 있으며, 상기 냉각수의 순환량은 시간당 100리터일 수 있다.
본 발명에 따르면, 전력 사용량 급증으로 원활한 전력 공급이 어려운 피크 타임(peak time)에 가스레인지 등에 설치하여 열 에너지를 전기 에너지로 변환, 전원을 편리하게 공급받을 수 있도록 한다.
열원은 가스레인지의 화염을 사용하기 때문에 추가적으로 휴대용 가스를 연결하기 위한 장치가 필요없고 단순히 가스레인지 위에 열전발전기를 올려 놓으면 되는 구조이기 때문에 별도의 지지대 역시 필요없는 매우 간단한 구조를 가지며, 크기도 기존의 휴대용 열전발전기보다 더욱 소형화가 가능하다.
본 발명에 따른 열전발전기는 사용 및 설치가 간단하므로 가정용 소형 열전발전기로 이용될 수 있다. 가스레인지의 사용에 따른 열 에너지를 전기 에너지로 변환하여 축적하고, 축전된 전기 에너지는 주방에서 흔히 사용하고 있는 전기제품 중 낮은 전압으로도 구동이 가능한 전기제품류의 전원공급으로 사용할 수 있으므로 효율적인 에너지 활용이 가능해진다.
본 발명에 따른 열전발전기는 냉각부를 구비하므로 가스레인지 화구로부터의 열기와의 온도차를 크게 유지할 수 있어, 보다 효율적으로 전력을 생성할 수 있다. 뿐만 아니라, 순환을 마치고 자연적으로 온도가 상승한 냉각수는 별도로 회수 및 보관이 가능하며 온수로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전기에서 냉각수 순환 라인을 설명하기 위해 포장재를 제거한 상태의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전기의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전기의 단면도이다.
도 5a와 도 5b는 현재까지 개발된 n형과 p형 열전소재들의 온도에 따른 열전성능을 보여주는 그래프이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전기의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전기에서 냉각수 순환 라인을 설명하기 위해 포장재를 제거한 상태의 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전기의 정면도이다. 이하, 본 발명을 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 가스레인지는 취사도구로서, 액화 천연 가스 또는 액화 프로판 가스 등을 연소시켜 음식물을 데우는 장치이다. 이를 위해 가스레인지의 중심부에는 화구가 설치되어 있으며, 화구 상부에 그릇을 올려 놓을 수 있도록 형성된 그릴이 설치되어 있다.
본 발명은, 도 1과 같이 본체(20) 상부에 화구(30)와 함께 설치되는 그릴(40)이 설치된 가스레인지(10)에 올려 놓으면 되는 열전발전기(100)이다. 이 열전발전기(100)는 전력 사용량 급증으로 원활한 전력 공급이 어려운 피크 타임에 가스레인지(10)에 설치하여 열 에너지를 전기 에너지로 변환, 전원을 편리하게 공급받을 수 있도록 한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 열전발전기(100)는 가스레인지 화구(30) 외주, 그릴(40)이 설치된 상태이면 그 위에 놓여, 가스레인지 화구(30)로부터 발생되는 화염으로 인한 열기를 열원으로 해 전력을 생성한다. 열전발전기(100)는, 열기가 집약되도록 한 집열부(110), 집열부(110)로부터 열을 전도받아 전기 에너지로 변환하는 열전소자(120), 및 발생되는 고열을 냉각하도록 하는 냉각부(130)를 포함하고, 내부에 반구형 공간(HS)을 한정하는 반구형 구조를 가진다.
바람직하기로, 열전발전기(100)는 지름이 20cm의 반구형 구조이고, 기저면, 예컨대 그릴(40)과 접촉하는 면으로부터 상기 열전발전기(100) 최상단까지의 거리는 7-15cm이고, 상기 반구형 공간(HS)의 곡률반경은 10-15cm이며, 기저면으로부터 상기 반구형 공간(HS) 최상단까지의 거리는 5-10cm이다. 이러한 치수는 통상 이용되는 가스레인지 화구(30) 및 그릴(40) 크기를 고려하여 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 열전발전기(100)는 도시한 바와 같이 가스레인지(10) 구조를 변경하거나 사용 상태를 제한하면서 설치되지 않으며, 상기 반구형 공간(HS)으로 인해 가스레인지(10) 화염의 열기가 열전발전기(100) 내부에 장시간 체류하면서 냉각부(130)와의 온도차를 발생시킬 수 있도록 함에 특징이 있다.
집열부(110)는 반구형 구조이고 가스레인지(10) 화염의 열기가 집약되도록 한다. 상기 집열부(110)는 열전도성 금속 소재, 예컨대 구리(열전도율 약 320 kcal/℃) 또는 알루미늄(열전도율 약 196 kcal/℃)으로 이루어질 수 있으며, 열원으로부터의 열을 단시간 내에 균일하게 집열부(110) 내에 분산시킨다. 집열부(110)는 화염에 노출되어도 산화되지 않도록 그 표면에 산화방지 코팅이 형성된 것이 바람직하다. 예를 들어, 구리의 경우 표면에 니켈 코팅 처리가 필요하다. 집열부(110) 두께는 3-5mm일 수 있다. 집열부(110) 두께는 열전발전기(100) 전체 중량을 고려하고 열전도가 순간적으로 잘 이루어질 수 있도록 결정한다.
열전소자(120)는 집열부(110) 표면을 따라 설치되어 있다. 열전소자(120)는 초소형으로 다수개의 조각으로 각각 나누어진 것을 집열부(110) 곡면을 따라 나열하여 설치할 수 있다. 열전소자(120)의 크기를 작게 하면 집열부(110) 곡면에 영향을 받지 않고 균일하게 열전소자(120)를 배치할 수 있다. 열전소자(120)는 집열부(110)와 냉각부(130) 사이의 온도차에 의한 기전력을 발생시켜 전력을 생산하게 된다.
냉각부(130)는 집열부(110)와 동심 반구형 구조인 냉각판(132)을 포함한다. 냉각판(132) 역시 열전발전기(100) 전체 중량을 고려하고 열전도가 순간적으로 잘 이루어질 수 있도록 결정하여, 3-5mm의 두께를 가질 수 있다.
도 2를 더 참조하여 설명하면, 상기 냉각부(130)는 상기 열전발전기(100)의 최상위 부분에서 시작하여 화살표 방향을 따라 나선형으로 상기 냉각판(132)을 감아 내려가며 최종적으로 상기 열전발전기(100)의 하단부에서 마무리되는 냉각수 순환 라인(134)을 더 포함한다. 냉각수가 열전발전기(100)의 상부로 들어가서 하부로 나오는 구조이기 때문에 공급되는 냉각수의 압력이 높지 않아도 된다. 가정에서 사용하는 일반적인 수돗물을 냉각수로 활용할 수 있다.
냉각판(132) 및 냉각수 순환 라인(134)은 집열부(110)와 동일한 재질의 소재를 사용할 필요는 없지만 냉각판(132)과 냉각수 순환 라인(134)은 반드시 동일한 소재를 사용하여야 그 사이에 열전도로 인한 손실분이 없다. 예컨대 냉각판(132)과 냉각수 순환 라인(134)은 구리 또는 알루미늄 등의 고열전도성 금속 소재로 구성될 수 있다.
또한 상기 냉각판(132)과 냉각수 순환 라인(134) 사이에 면접촉이 일어나도록 상기 냉각수 순환 라인(134)의 단면 모양은 타원형인 것이 바람직하다. 이러한 냉각수 순환 라인(134)의 단면 모양은 도 1의 단면도에 잘 나와 있다. 상기 냉각수 순환 라인(134)은 1-2cm 외경에 0.8-1.8cm의 내경을 가질 수 있다. 적절한 냉각수의 순환량은 통상적인 가스레인지 1구에서 방출되는 열량(2000kcal/시간)을 고려할 때 시간당 100 리터이다. 초기 20℃(실온)의 냉각수가 시간당 100 리터의 유량으로 순환을 마치게 되면 온도는 약 40℃에 달하게 된다. 순환이 완료된 냉각수는 오염이 되지 않은 상태이기 때문에 회수하여 별도로 보관하였다가 사용하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 열전발전기(100)는 간이 온수기의 기능도 겸할 수 있다.
열전발전기(100)는 미관을 고려하여 상기 냉각수 순환 라인(134)을 덮는 포장재(140)를 최외곽에 더 포함할 수 있다. 도 2는 포장재가 없는 경우의 정면도이고 도 3은 포장재가 있는 경우의 정면도, 즉 본 발명에 따른 열전발전기(100)의 최종 외관을 도시한다. 포장재(140)의 재질은 크게 상관이 없지만 냉각수 순환 라인(134)과의 접착성이 좋은 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 열전발전기(100)는 가스레인지(10) 화구(30) 주변에 간단히 설치되어 사용할 수 있는 것으로, 가스레인지(10)의 변형이 필요없고 설치 및 분리가 쉬울 뿐만 아니라, 이로 인해 가스레인지(10)의 청소가 어렵게 될 염려도 없고, 미관을 해칠 우려도 없다. 지지대와 같은 구조물을 필요로 하지 않으므로 발전기 자체의 부피가 크지 않아 소형화가 가능하고 휴대와 운반, 취급 등도 편리하며, 가정에서 사용하기에 유리하다. 가스레인지의 사용에 따른 열 에너지를 전기 에너지로 변환하여 바로 사용하거나 축전하고, 이러한 전기 에너지는 주방에서 흔히 사용하고 있는 전기제품 중 낮은 전압으로도 구동이 가능한 전기제품류의 전원공급으로 사용할 수 있으므로 효율적인 에너지 활용이 가능해진다. 뿐만 아니라, 집열부와 냉각부로 인해 열전발전을 위한 고온부와 저온부 사이의 온도차가 높게 유지될 수 있으므로 발전용량을 종래에 비하여 크게 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전기의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 열전발전기(100')는 상기 열전소자(120)에 연결되어 상기 열전소자(120)에서 생성된 전력을 수집 및 조절하는 전력변환장치(150), 및 상기 전력변환장치(150)와 연결되어 상기 전력변환장치(150)에서 수집 및 조절된 전력을 충전하는 축전지(160)를 더 포함할 수 있다.
개별 열전소자(120)에서 얻어진 전력은 전력변환장치(150)로 모아지고 이로부터의 전력은 축전지(160)에 전기 에너지로 충전된다. 축전지(160)로부터의 전력은 주방에 비치하여 사용하는 주방의 실내 전등, 싱크대에 적용되어 오랜 시간 사용되는 음식물 건조기, 주방용 오디오 등의 소비전력으로 사용할 수 있다. 이와 같이, 음식을 수시로 조리하는 식당의 주방, 가정에서 가스레인지 열기로부터 효과적으로 전기 에너지를 전환하고, 이는 낮은 전압으로도 구동 가능한 전기제품의 전원으로 활용함으로써, 전기소비를 획기적으로 줄일 수 있는 이점을 제공한다.
한편 열전소자(120)는 홀이 이동하여 열에너지를 이동시키는 p형 소자와 전자가 이동하여 열에너지를 이동시키는 n형 소자로 이루어진 p-n 열전소자 1쌍이 기본 단위가 되며, p-n 열전소자 상부 및 하부의 절연 기판, 그리고 전극으로 구성되어 있다. 도 5a와 도 5b는 현재까지 개발된 n형과 p형 열전소재들의 온도에 따른 열전성능을 보여주는 그래프이다.
도 5a와 도 5b를 참조하면, 열원의 온도에 따라 열전소재의 성능지수(ZT)가 변화하는 것을 볼 수 있으며, 특히 특정 온도에서 높은 값을 가지며 그 온도를 벗어나면 열전성능이 감소함을 알 수 있다. 따라서, 가스레인지(10) 화염 온도에 맞는 적정한 열전소재를 열전소자(120)에 적용하는 것이 바람직하다.
가스레인지(10)의 열원 온도를 매우 높게 조절하여 열전발전기(100) 내부 공기 온도가 높아지게 되면 그만큼 빠져나가는 배기열의 온도 또한 높아서 효율이 감소할 수 있다. 그렇기 때문에 가스레인지(10) 열원의 온도를 다소 낮게 조절하고 100-150℃ 정도의 저온용 열전소재, 예컨대 Bi2Te3계, 더 나아가 400-500℃ 정도의 중온용 열전소재, 예컨대 CoSb3, CeFe4Sb12, Cu2Se를 적용하여, 보다 높은 열전 발전효율을 얻을 수 있다. 따라서, 상기 열전소자(120)는 100-150℃ 정도의 저온용 열전소재, 또는 400-500℃ 정도의 중온용 열전소재로 이루어진 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10...가스레인지 100...열전발전기 110...집열부
120...열전소자 130...냉각부 132...냉각판
134...냉각수 순환 라인 140...포장재 150...전력변환장치
160...축전지

Claims (13)

  1. 가스레인지 화구 외주에 놓여 가스레인지 화염으로 인한 열기로부터 전력을 생성하는 열전발전기로서,
    상기 열기가 집약되도록 한 집열부;
    상기 집열부로부터 열을 전도받아 전기 에너지로 변환하는 열전소자; 및
    냉각부를 포함하고,
    내부에 반구형 공간을 한정하는 반구형 구조인 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전소자에 연결되어 상기 열전소자에서 생성된 전력을 수집 및 조절하는 전력변환장치; 및
    상기 전력변환장치와 연결되어 상기 전력변환장치에서 수집 및 조절된 전력을 충전하는 축전지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 집열부는 열전도성 금속 소재에 산화방지 코팅이 형성된 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열전소자는 100-150℃ 정도의 저온용 열전소재, 또는 400-500℃ 정도의 중온용 열전소재인 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 집열부가 반구형 구조이고, 상기 열전소자는 상기 집열부 표면을 따라 설치되며, 상기 냉각부는 상기 집열부와 동심 반구형 구조인 냉각판을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 열전발전기는 지름이 20cm의 반구형 구조이고, 기저면으로부터 상기 열전발전기 최상단까지의 거리는 7-15cm이고, 상기 반구형 공간의 곡률반경이 10-15cm이며, 기저면으로부터 상기 반구형 공간 최상단까지의 거리는 5-10cm인 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 냉각부는 상기 열전발전기의 최상위 부분에서 시작하여 나선형으로 상기 냉각판을 감아 내려가며 최종적으로 상기 열전발전기의 하단부에서 마무리되는 냉각수 순환 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 집열부와 냉각판은 3-5mm 두께를 가지며, 상기 냉각수 순환 라인은 1-2cm 외경에 0.8-1.8cm의 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  9. 제7항에 있어서, 상기 냉각판과 냉각수 순환 라인은 동일한 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  10. 제7항에 있어서, 상기 냉각판과 냉각수 순환 라인 사이에 면접촉이 일어나도록 상기 냉각수 순환 라인의 단면 모양은 타원형인 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  11. 제7항에 있어서, 상기 집열부, 냉각판 및 냉각수 순환 라인은 구리 또는 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  12. 제7항에 있어서, 상기 냉각수 순환 라인을 덮는 포장재를 최외곽에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전기.
  13. 제7항에 있어서, 상기 냉각수의 순환량은 시간당 100 리터인 것을 특징으로 하는 열전발전기.
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