KR20150136455A - Thermoelectric generation system and hybrid boiler using the same - Google Patents

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박철희
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김태훈
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/002Generators
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00Details
    • H01L35/00

Abstract

The present invention provides a thermoelectric generating device which can independently generate power by using the heat of combustion of a boiler and a hybrid boiler having the same. According to the present invention, the thermoelectric generating device includes: a cooling unit including a water pipe through which a coolant flows; and a thermoelectric generating unit including a thermoelement generating power by a temperature difference between the cooling unit and the heat generated in the boiler. The thermoelectric generating unit is provided on an upper part and/or a lower part of a heat exchange system included in a combustion chamber of the boiler.

Description

열전발전 장치 및 이를 구비한 하이브리드 보일러 {Thermoelectric generation system and hybrid boiler using the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thermoelectric generator and a hybrid boiler having the same,

본 발명은 온도차에 의해 전기를 생산하는 열전발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보일러에 설치되는 열전발전 장치 및 이러한 열전발전 장치를 구비한 보일러에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric generator for generating electricity by a temperature difference, and more particularly, to a thermoelectric generator installed in a boiler and a boiler provided with such a thermoelectric generator.

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. The difference in the concentration of electrons (or holes) having heat dependence due to the temperature difference at both ends of the solid material occurs at both ends, and this is caused by an electric phenomenon, that is, a thermoelectric phenomenon. Such a thermoelectric phenomenon can be classified into a thermoelectric power generating electric energy and a thermoelectric cooling / heating which causes a temperature difference at both ends by electric power supply.

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. Thermoelectric materials that exhibit thermoelectric properties have many advantages because they are environmentally friendly and sustainable because they do not emit pollutants during power generation and cooling. Particularly, there is a high interest in renewable energy related fields that can generate electricity directly from natural heat such as incineration furnace and various industrial facilities, and natural heat such as solar heat, geothermal heat and river water heat, and can do energy harvesting.

열전발전을 이용한 설비 관련 기술은 특허등록 제10-0629352호 및 특허등록 제10-0138698호에 제안된 바 있다. 특허등록 제10-0629352호에서는 히트펌프식 공기조화기의 냉방 운전시 폐열과 외부공기와의 온도차를 이용해서 전력을 발생시키는 열전모듈을 설치하여, 폐열의 이용 효율이 증대됨과 아울러 추가적으로 전력을 얻을 수 있고, 히트펌프식 공기조화기의 난방 운전시에는 상기 폐열 공급 열교환 시스템에 제공하고 남은 열을 열전모듈에 이용함으로써, 냉방 운전과 난방 운전에 관계없이 지속적으로 추가 전력을 발생시킬 수 있음을 제안하였다. 특허등록 제10-0138698호에서는 원통이나 사각기둥 모양의 열전모듈 집합체의 내부 공간을 연소실로 하며, 열전모듈 집합체의 외면은 방열면을 이루며, 이 방열면 외부에 또 다른 원통이나 사각기둥이 있고, 방열면과 외부 원통이나 사각기둥 사이의 공간에 냉각체가 물로 채워지며 이 냉각체는 외부의 펌프로 순환시켜 열을 흡수하고 흡수된 열은 온돌이나 열부하 장치에서 방열하도록 한 난방장치를 제안하였다. Techniques related to facilities using thermoelectric power generation have been proposed in Patent Registration No. 10-0629352 and Patent Registration No. 10-0138698. Patent Registration No. 10-0629352 proposes a thermoelectric module for generating electric power by using the temperature difference between the waste heat and the outside air during the cooling operation of the heat pump type air conditioner so that the utilization efficiency of the waste heat is increased, And it is proposed that the additional heat can be continuously generated regardless of the cooling operation and the heating operation by using the remaining heat provided to the waste heat supply heat exchange system during the heating operation of the heat pump type air conditioner to the thermoelectric module Respectively. In Patent Registration No. 10-0138698, the inner space of the thermoelectric module assembly in the shape of a cylinder or a quadrangular prism is defined as a combustion chamber, the outer surface of the thermoelectric module assembly forms a heat releasing surface, another cylindrical or quadrangular pyramid exists outside the heat releasing surface, The cooler is filled with water in the space between the air outlet surface and the outer cylinder or quadrangular column. The cooler is circulated by an external pump to absorb heat, and the absorbed heat is heated by the ondol or heat load device.

그러나, 종래 열전발전을 이용한 설비 관련 기술들은 열전발전 모듈을 구성하는 저열원 흡수부와 고열원 흡수부를 각각 구비시킴에 따라 구조가 복잡해지는 문제가 있거나, 열전소자의 구조상 제약에 의해 광범위한 적용이 힘들게 되거나 장치의 체적이 증가하게 되는 단점이 있다. 나아가, 간단한 구조의 열전소자를 이용하더라도 연소실 내벽에만 열전소자를 부착함으로써 연소실의 한정된 크기에 의해 열전발전 용량의 한계가 있는 문제점이 있다.However, the related art technologies using the conventional thermoelectric power generation have a problem in that the structure is complicated by the provision of the low-temperature original absorption unit and the high-temperature original absorption unit, which constitute the thermoelectric module, Or the volume of the apparatus is increased. Furthermore, even if a thermoelectric element having a simple structure is used, a thermoelectric element is attached only to the inner wall of the combustion chamber, which limits the capacity of the thermoelectric generator due to the limited size of the combustion chamber.

한편, 일반적으로 보일러는 연소실에서 목재나 폐기물을 소각시키거나 가스나 기름 등의 연료를 연소시켜 발생된 열로 난방수를 가열하여 난방을 하고 있다. 이러한 보일러는 열손실을 줄여 효율적으로 난방수를 생산하기 위해 점점 그 구조가 복잡해지고 있어 단가가 높아지며, 고장이 자주 발생하고 있다. 그로 인해 구조가 간단하고, 열을 더욱 빠르고 효율적으로 난방수와 열 교환시켜 에너지 효율을 높일 수 있는 보일러의 개발이 절실히 요구되고 있다. 최근 스털링 엔진을 장착한 열전발전 보일러가 제안되었다. 스털링 엔진을 사용한 경우 이론 효율이 50%이고 최대 35%까지 구현할 수 있어 효율이 높으나 스털링 엔진 자체의 내구성이 좋지 않기 때문에 장기간 사용이 힘들 뿐 아니라 거대한 엔진으로 인해 전체적인 보일러의 크기가 증가하는 문제가 있다. On the other hand, in general, a boiler is heated by incineration of wood or waste in a combustion chamber, heating of heating water by heat generated by burning fuel such as gas or oil, and the like. Such a boiler is increasingly complicated in its structure in order to produce heat efficiently by reducing heat loss, resulting in higher unit price and frequent failure. Therefore, it is urgently required to develop a boiler which has a simple structure and can heat-exchange heat with the heating water more quickly and efficiently, thereby improving energy efficiency. Recently, a thermoelectric boiler equipped with a Stirling engine has been proposed. The use of a Stirling engine results in a theoretical efficiency of 50% and a maximum of 35%, which is highly efficient. However, since the Stirling engine itself is poor in durability, it is difficult to use for a long time and the size of the overall boiler increases due to a large engine .

이에 따라, 본 발명자들은 에너지 효율이 높을 뿐 아니라 보일러에서 발생하는 열로부터 전력을 생산해내는 이른바, 열전발전 하이브리드 보일러의 필요성에 착안하게 되었다.Accordingly, the present inventors have been aware of the need for a so-called thermoelectric hybrid boiler, which not only has high energy efficiency, but also produces electric power from the heat generated in the boiler.

특허등록 제10-0629352호Patent Registration No. 10-0629352 특허등록 제10-0138698호Patent Registration No. 10-0138698

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 보일러의 연소열을 활용함으로써 독립적으로 전력을 생산하는 열전발전 장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a thermoelectric generator that independently generates power by utilizing combustion heat of a boiler.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 보일러의 연소열을 활용함으로써 독립적으로 전력을 생산하여 친환경적인 보일러를 제공하는 데 있다.Another problem to be solved by the present invention is to provide an environmentally friendly boiler by independently generating power by utilizing the heat of combustion of the boiler.

본 발명에 따른 열전발전 장치는 보일러에서 발생된 열과 냉각부의 온도차에 의해 전력을 생산하는 열전소자를 포함하는 열전발전부를 포함하고, 단위 체적당 발생 전력이 0.1 ~ 2W/cm3 일 수 있다. 보다 바람직하게는, 단위 체적당 발생 전력이 약 1.3W/cm3 일 수 있다. The thermoelectric generator according to the present invention includes a thermoelectric generator including a thermoelectric element for generating electric power according to a temperature difference between a heat generated in a boiler and a cooling unit, and a generated power per unit volume may be 0.1 to 2 W / cm 3 . More preferably, the generated power per unit volume may be about 1.3 W / cm < 3 >.

이러한 열전발전 장치의 한 예는 상기 냉각부가 공냉 방식이어서, 상기 열전소자가 상기 보일러 구성요소내 열을 발산하는 부위에 부착되고 맞은편 외기를 냉각부로 삼는다. 그리고, 상기 열전소자는 상기 보일러에서 온도가 상이한 두 곳 이상에서 구성요소로 포함되며 온도별 성능지수(ZT)에 따라 선택된 열전소재가 적용된다. 예를 들어, 상기 열전소자는 1000℃ 이상의 초고온부에 부착되는 열전소자, 600 ~ 1000℃의 고온부에 부착되는 열전소자, 300 ~ 600℃의 중고온부에 부착되는 열전소자 및 300℃ 이하의 중저온부에 부착되는 열전소자 중 한 가지 이상을 포함할 수 있다. One example of such a thermoelectric generator is such that the cooling portion is air-cooled so that the thermoelectric element is attached to a region where heat is dissipated in the boiler component, and the opposite air is used as a cooling portion. The thermoelectric elements are included as components in two or more different temperatures of the boiler, and the thermoelectric material selected according to the temperature-dependent figure of merit (ZT) is applied. For example, the thermoelectric element may include a thermoelectric element attached to an ultra-high temperature portion of 1000 ° C or higher, a thermoelectric element attached to a high temperature portion of 600 to 1000 ° C, a thermoelectric element attached to a used high temperature portion of 300 to 600 ° C, Or a thermoelectric device attached to the substrate.

열전발전 장치의 다른 예는 상기 냉각부가 수냉 방식이고, 상기 열전발전 장치가 상기 보일러의 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템에 구비되는 것이다. Another example of the thermoelectric generator is that the cooling portion is a water-cooled type and the thermoelectric generator is provided in a heat exchange system included in the combustion chamber of the boiler.

보다 구체적으로, 상기 냉각부는 냉각수가 흐르는 물관을 포함하고, 상기 열전발전부는 보일러의 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템 상부 및/또는 하부에 구비된다. 상기 열전소자는 상기 물관 주위에 어느 곳이든 부착이 될 수 있지만 외벽에 부착된 것이 특히 바람직하다. 상기 냉각수의 온도는 30 ~ 100℃일 수 있다. 상기 물관은 다양한 크기 및 단면 모양을 가지며 하나 이상 배열될 수 있다. More specifically, the cooling section includes a water tube through which cooling water flows, and the thermoelectric generator section is provided above and / or below the heat exchange system included in the combustion chamber of the boiler. The thermoelectric element may be attached anywhere around the water tube, but it is particularly preferred that it is attached to the outer wall. The temperature of the cooling water may be 30 to 100 ° C. The water tubes may have various sizes and cross-sectional shapes and may be arranged more than one.

상기 냉각부는 1 단 혹은 2 이상의 단으로 부착될 수 있다. 상기 냉각부가 2 이상의 단으로 부착되는 경우, 각 단에 포함되는 열전소자는 다른 단에 포함되는 열전소자와 온도별 성능지수가 다른 것이 바람직하다. The cooling unit may be attached at one or two or more stages. When the cooling unit is attached in two or more stages, it is preferable that the thermoelectric elements included in the respective stages have different performance indexes from thermoelectric elements included in the other stage.

이와 같이, 본 발명에 따른 열전발전 장치는 다양한 온도 대역의 열전소자를 포함할 수 있다. Thus, the thermoelectric generator according to the present invention can include thermoelectric elements of various temperature ranges.

본 발명에 따른 열전발전 장치에 있어서, 상기 열전소자는 관형(tubular) 또는 평면형(planar)일 수 있다. 상기 열전소자는 다수개의 조각으로 나누어져 부착될 수 있다. 따라서, 상기 관형은 일체로 된 것이거나 다수개의 조각이 부착되어 이루어진 것일 수 있다. 상기 열전소자는 높이가 10mm 이하인 열전레그(leg)로 이루어져 있는 초소형 열전소자인 것이 바람직하다. In the thermoelectric generator according to the present invention, the thermoelectric element may be tubular or planar. The thermoelectric element may be divided into a plurality of pieces. Accordingly, the tubular shape may be a single piece or a plurality of pieces attached thereto. The thermoelectric element is preferably a micro thermoelectric element having a thermoelectric leg having a height of 10 mm or less.

본 발명에 따른 열전발전 장치는, 상기 열전소자에 연결되어 상기 열전소자에서 생산된 전력을 수집 및 조절하는 전력변환장치; 및 상기 전력변환장치와 연결되어 상기 전력변환장치에서 수집 및 조절된 전력을 충전하는 전력저장장치를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 보일러에서 생산되는 전력은 상기 열전소자로부터 독립적으로 생산된 전력이거나 상기 전력저장장치에 1차 저장되었다가 출력되는 것일 수 있다. The thermoelectric generator according to the present invention may further include: a power conversion device connected to the thermoelectric device and collecting and regulating electric power produced by the thermoelectric device; And a power storage device connected to the power conversion device to charge the power collected and regulated by the power conversion device. At this time, the power produced by the boiler may be power generated independently from the thermoelectric element, or may be stored in the power storage device and then output.

본 발명에 따른 보일러는 본체, 연소장치, 연소실, 상기 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템을 포함하는 보일러부 및 상기한 바와 같은 열전발전 장치를 포함하는 하이브리드 보일러이다. A boiler according to the present invention is a hybrid boiler including a main body, a combustion device, a combustion chamber, a boiler portion including a heat exchange system included in the combustion chamber, and a thermoelectric generator as described above.

본 발명에 따르면, 보일러 내부에 열전소자를 설치하고 보일러 내부 고온부의 열과 반대편 외기 혹은 냉각수가 흐르는 물관을 포함하는 냉각부와의 온도차에 의해 발전함으로써, 보일러의 연소열을 적극 활용하고, 상기 연소열을 통해 독립적으로 전력을 생산하므로 친환경적이다.According to the present invention, a thermoelectric element is provided inside a boiler, and the heat is generated by the temperature difference between the heat of the high temperature portion inside the boiler and the outside portion of the opposite side of the boiler or the cooling portion including the water pipe through which the cooling water flows, whereby the combustion heat of the boiler is utilized positively, It is environmentally friendly because it generates electricity independently.

온도차에 따라 기전력의 출력을 증대시킴에 따라 이를 보일러에 자체 전력으로 공급함으로써 효율을 증가시킴은 물론, 별도의 전력 저장 시스템과 연동하여 비상시에 활용이 가능하다. 즉, 독립전원이나 비상전원으로 사용이 가능하고, 간단한 구조에 의해 유지보수 비용이 저렴하며, 대체 에너지로 사용할 수 있다. As the output of the electromotive force is increased according to the temperature difference, it is supplied to the boiler as its own power to increase the efficiency. In addition, it can be used in emergency in conjunction with a separate power storage system. That is, it can be used as an independent power supply or an emergency power supply, and the maintenance cost is low due to its simple structure, and it can be used as alternative energy.

본 발명에서 사용되는 열전소자는 초소형의 크기를 갖도록 하여 보일러 내부에 부착하고자 하는 부위의 형태에 구애받지 않고 다수개의 조각으로 나누어 부착이 가능하다. 따라서, 다양한 형태의 보일러 구성요소에 원활하게 부착되어 제품의 설치 및 제작효율이 향상될 수 있고 전력 발전을 위해 추가되는 발전장치의 크기가 매우 작기 때문에 보일러 전체의 크기를 최소화시킬 수 있다. The thermoelectric element used in the present invention has a very small size and can be attached to a plurality of pieces without depending on the shape of a part to be attached to the inside of the boiler. Accordingly, it is possible to smoothly adhere to various types of boiler components, thereby improving installation and manufacturing efficiency of the product, and minimizing the size of the entire boiler because the size of the power generator added for power generation is very small.

특히 다양한 조합의 열전발전부 적층을 통해 원하는 단위 체적당 발생 전력인 0.1 ~ 2W/cm3을 얻을 수 있는 효과가 있다. Particularly, it is possible to obtain a generated power per unit volume of 0.1 to 2 W / cm 3 through lamination of various combinations of thermoelectric power generation parts.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 장치 및 이를 포함하는 하이브리드 보일러의 개략적인 도면이다.
도 2a와 도 2b는 현재까지 개발된 n형과 p형 열전소재들의 온도에 따른 열전성능을 보여주는 그래프이다.
도 3은 연소실 외부와 같은 넓은 면적에 열전소자를 부착할 경우의 개략적인 도면이다.
도 4는 연통이나 배관과 같은 곡면을 갖는 부위에 열전소자를 부착할 경우의 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 열전발전 장치의 열전소자로 적용될 수 있는 열전모듈의 사시도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 10 내지 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부의 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도들이다.
1 is a schematic view of a thermoelectric generator and a hybrid boiler including the same according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are graphs showing thermoelectric performance of n-type and p-type thermoelectric materials developed up to now according to temperature.
3 is a schematic view showing a case where a thermoelectric element is attached to a large area such as the outside of the combustion chamber.
4 is a schematic view showing a case where a thermoelectric element is attached to a portion having a curved surface such as a communication pipe or a pipe.
5 is a perspective view of a thermoelectric module that can be applied to a thermoelectric device of a thermoelectric generator according to the present invention.
6 to 9 are schematic views for explaining a thermoelectric generator according to another embodiment of the present invention.
10 to 14 are schematic cross-sectional views illustrating an example of a thermoelectric generator of a thermoelectric generator according to another embodiment of the present invention.

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. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to let you know.

일반적으로 보일러는 화기, 연소가스, 기타 고온가스 또는 전기에 의해 물 또는 열매(熱媒)를 가열해서 대기압을 넘는 증기(steam) 또는 온수를 발생시키고, 이것을 다른 곳으로 공급하는 장치를 말한다. Generally, a boiler is a device for heating water or a heat medium by fire, flue gas, other high temperature gas or electricity to generate steam or hot water over atmospheric pressure and supply it to another place.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치 및 이를 포함하는 하이브리드 보일러의 개략적인 도면이다. 도시한 보일러는 가정용 보일러인데 본 발명은 가정용 보일러뿐만 아니라 기업, 관공서 및 학교 등 각종 건물에 있는 보일러에도 적용이 가능하다. 1 is a schematic view of a thermoelectric generator and a hybrid boiler including the same according to an embodiment of the present invention. The illustrated boiler is a domestic boiler, but the present invention is applicable not only to domestic boilers but also to boilers in various buildings such as corporations, government offices, schools, and the like.

도 1을 참조하면, 보일러(1)는 보일러 본체(10) 외에 연소장치(20), 연소실(30), 열교환기, 예를 들어, 입수구(I)와 출수구(O)를 가져 냉수가 온수로 되어 나오게 하는 배관(40), 연통(50), 과열기, 절탄기, 공기 예열기, 통풍장치, 급소장치, 자동제어장치, 기타 안전밸브 등의 부속장치들(미도시)로 구성되어 있는 보일러부를 포함한다. 1, the boiler 1 has a combustion device 20, a combustion chamber 30, a heat exchanger, for example, a water inlet I and a water outlet O in addition to the boiler body 10, (Not shown) such as a pipe 40, a communicating pipe 50, a superheater, a vacuum cleaner, an air preheater, an air vent, a vacuum cleaner, an automatic control device, and other safety valves do.

특히 본 발명에 따른 보일러(1)는 보일러(1) 구성요소에 부착되어 보일러 고온부로부터의 열을 활용하여 전력을 발전하고, 상기 발전된 전력을 보일러(1)에 공급하여 자가발전하는 열전발전 장치(100)를 더 포함하는데, 열전발전 장치(100)는 보일러(1) 구성요소에 부착되는 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)를 기본적으로 포함하고, 여기에 전력변환장치(70)와 전력저장장치(80)를 더 포함하여 구성될 수 있다.Particularly, the boiler 1 according to the present invention is attached to a component of a boiler 1 to generate electric power by utilizing heat from a boiler high temperature part, and supplies the generated electric power to the boiler 1 to generate a self- The thermoelectric generator 100 basically includes thermoelectric elements 60a, 60b, 60c and 60d attached to the components of the boiler 1, and the power converter 70 and the electric power And may further comprise a storage device 80.

열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)는 보일러(1) 구성요소에 부착되어 보일러(1)로부터 열, 예를 들어 연소열 또는 폐열과 외기의 온도차에 의해 전력을 생산한다. 즉, 본 실시예의 열전발전 장치(100)는 보일러(1)에서 발생된 열과 냉각부의 온도차에 의해 전력을 생산한다고 할 때에 특히 냉각부의 냉각이 공냉인 경우에 해당한다. 상기 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)는 상기 보일러(1) 구성요소내 열을 발산하는 부위에 부착되고 맞은편 외기를 냉각부로 삼는다. The thermoelectric elements 60a, 60b, 60c and 60d are attached to the components of the boiler 1 to produce electric power from the boiler 1 by heat, for example, combustion heat or temperature difference between waste heat and ambient air. That is, the thermoelectric generator 100 of the present embodiment corresponds to a case in which power is produced by the temperature difference between the heat generated in the boiler 1 and the cooling section, particularly when the cooling of the cooling section is air cooling. The thermoelectric elements 60a, 60b, 60c and 60d are attached to a portion of the boiler 1 where the heat is dissipated, and the opposite air is used as a cooling portion.

이 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)는 온도가 상이한 두 곳 이상의 보일러(1) 구성요소에 부착되는 것과 같이 상기 보일러(1)에서 온도가 상이한 두 곳 이상에서 구성요소로 포함되며, 각 구성요소 온도에서의 ZT에 따라 선택된 열전소재가 적용된 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구성에 따라 열전발전 장치(100)는 0.1 ~ 2W/cm3 전력을 생산해낼 수 있다. 0.1W/cm3 미만은 발전량이 충분하지 않다. 열전소자를 많이 부착시키면 2W/cm3 을 초과할 수 있지만 너무 많은 열전소자는 보일러 내부의 열 흐름에 영향을 줄 수 있어 바람직하지 않다. These thermoelectric elements 60a, 60b, 60c and 60d are included as components in two or more different temperatures in the boiler 1, such as are attached to two or more different components of the boiler 1 at different temperatures, And a thermoelectric material selected in accordance with ZT at a component temperature is applied. With this configuration, the thermoelectric generator 100 can produce 0.1 to 2 W / cm 3 of power. 0.1 W / cm 3 Is not sufficient. When a large number of thermoelectric elements are attached, 2 W / cm 3 But too many thermoelectric elements may affect the heat flow inside the boiler, which is undesirable.

종래에는 발전량을 전력으로만 측정할 뿐 단위 체적당 발생 전력을 고려하지 않았다. 단위 체적당 발생 전력의 개념을 도입하게 되면, 실질적인 부피를 갖는 발전개체의 생산 전력 정량화가 가능해진다. 또한 동일한 전력을 생산하는 발전 시스템이라 하더라도 단위 체적당 발생 전력이 큰 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 소형화되었음을 의미한다. 즉, 단위 체적당 발생 전력이란 개념은 보다 소형화되고 집적되는 열전발전 시스템의 발전량을 설명하는 데 적합한 새로운 개념이다. Conventionally, the power generation amount is measured only by the power, and the generated power per unit volume is not considered. By introducing the concept of generated power per unit volume, it becomes possible to quantify the production power of a power generation entity having a substantial volume. Also, even in the case of a power generation system that produces the same power, it means that the generated power per unit volume is smaller than that when it is not. That is, the concept of generated power per unit volume is a new concept suitable for explaining the power generation of a thermoelectric power generation system that is more compact and integrated.

본 발명에서는 단위 체적당 발생 전력을 0.1 ~ 2W/cm3으로 하여 보일러에 영향을 주지 않는 한도에서 최대의 발전량을 얻을 수 있고, 또한 이러한 단위 체적당 발생 전력을 얻을 수 있도록 보일러(1)에서 온도가 상이한 두 곳 이상에 ZT에 따라 선택된 열전소재로 이루어진 열전소자를 각각 적용한다. In the present invention, the maximum power generation amount can be obtained within a range where the generated power per unit volume is 0.1 to 2 W / cm 3 without affecting the boiler, and in the boiler 1, And thermoelectric elements made of thermoelectric materials selected according to ZT are applied to two or more different places.

본 실시예에서는 온도가 상이한 네 곳(A 내지 D)에 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)가 부착된 것을 예로 들어 설명하고 있다. 이와 같이, 열전발전 장치(100)는 다양한 온도 대역의 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)를 포함할 수 있다. In the present embodiment, thermoelectric elements 60a, 60b, 60c and 60d are attached to four different positions (A to D) at different temperatures. As such, the thermoelectric generator 100 may include the thermoelectric elements 60a, 60b, 60c, and 60d in various temperature ranges.

전력변환장치(70)는 보일러의 본체(10) 내에 부착되거나 보일러(1)의 외부에 별도로 부착되는 등 다양한 곳에 부착이 가능하고, 전력변환장치(70)는 다수개의 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)와 전선에 의해 연결된다. 상기 전력변환장치(70)는 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)에서 발생한 전력을 전달받아 내부에 수집 및 전력의 크기 등을 조절하는 장치로써, 1개의 열전소자에서는 미세한 전류와 전압이 발생하게 되므로 회로 상으로 이를 모으고 필요에 따라 증폭하는 기능을 보유하는 장치이다. The power conversion device 70 can be attached to various places such as attached to the main body 10 of the boiler or separately attached to the exterior of the boiler 1 and the power conversion device 70 includes a plurality of thermoelectric elements 60a, 60c, and 60d by wires. The power conversion device 70 receives power generated from the thermoelectric elements 60a, 60b, 60c and 60d, and collects and adjusts the magnitude and the like of the power. In the thermoelectric device, a minute current and voltage are generated It is a device that has a function of collecting it on a circuit and amplifying it if necessary.

전력저장장치(80)는 전력변환장치(70)와 연결되어 전력변환장치(70)에서 발전된 전력을 저장하여 충전하는 장치로서, 전력변환장치(70)와 마찬가지로 보일러의 본체(10) 내 또는 보일러(1)의 외부 등 다양한 곳에 부착이 가능하다. 여기서 전력저장장치(80)에 저장되는 전기는 보일러(1)에 연결되어 전력을 공급하여 자체 전력을 공급하거나, 별도의 전력 저장 시스템과 연동하여 비상시에 활용이 가능하다. 상기 보일러(1)에서 생산되는 전력은 상기 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)로부터 독립적으로 생산된 전력이거나 상기 전력저장장치(80)에 1차 저장되었다가 출력되는 것일 수 있다. The electric power storage device 80 is connected to the electric power conversion device 70 to charge and store the electric power generated by the electric power conversion device 70. The electric power storage device 80 is a device for charging the inside of the main body 10 of the boiler, It can be attached to various places such as the outside of the vehicle 1. Here, the electricity stored in the power storage device 80 may be connected to the boiler 1 to supply electric power to the boiler 1, or may be used in an emergency in cooperation with a separate electric power storage system. The power generated by the boiler 1 may be power generated independently from the thermoelectric elements 60a, 60b, 60c, and 60d, or may be first stored in the power storage device 80 and then output.

즉, 열전발전 장치(100)는 독립전원이나 비상전원으로 사용이 가능하고, 간단한 구조에 의해 유지보수 비용이 저렴하며, 대체 에너지로 사용할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따르면, 보일러 내부에 열전소자를 포함하는 열전발전 장치를 설치하고 보일러 내부 고온부의 열과 반대편 외기의 온도차에 의해 발전함으로써, 보일러의 열을 활용하고, 상기 열을 통해 독립적으로 전력을 생산하여 친환경적이다. That is, the thermoelectric power generator 100 can be used as an independent power supply or an emergency power supply, and its maintenance cost is low due to its simple structure, and can be used as alternative energy. As described above, according to the present invention, a thermoelectric generator including a thermoelectric element is provided in a boiler, and the boiler is heated by the temperature difference between the heat of the high temperature portion inside the boiler and the outside air of the opposite side, thereby utilizing the heat of the boiler, It is eco-friendly.

도 1에 도시된 보일러(1)의 형태는 일례에 불과할 뿐, 본 발명은 이 밖에도 다양하게 구현될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 보일러와 열전발전 장치는 열전소자를 포함하는 형태이면 되고, 도 1에 도시된 형태에만 한정되는 것은 아니다. 또한, 보일러를 구성하는 각 요소나 배치는 도 1에 도시된 것으로 한정되지 않음은 본 발명의 당업자에게 자명하다. The shape of the boiler 1 shown in FIG. 1 is only an example, and the present invention can be variously implemented. That is, the boiler and the thermoelectric generator according to the present invention may be of any type including a thermoelectric element and are not limited to those shown in FIG. Further, it is apparent to those skilled in the art that each element or arrangement of the boiler is not limited to that shown in FIG.

연료는 버너(burner) 등의 연소장치(20)에 의해 연소실(30)에서 연소되고, 그 연소가스가 보일러 본체(10) 내를 통과하는 사이에 배관(40) 안의 물 등을 가열하고 배기가스가 되어 연통(50)을 통해 배출된다. 열 효율을 양호하게 하려면 본체 내에서 되도록 많은 열을 흡수해서 배출되는 가스의 온도를 낮출 필요가 있으며, 그렇게 하기 위해 연소가스와 물 등과의 접촉면을 크게 하도록 여러 가지 연구가 되어 있다. 이 접촉면을 전열(傳熱)면이라 하며, 그 중 연소실(30)에 직면하고 있는 것은 화염으로부터 강한 방사(放射)열을 받기 때문에 방사 전열면이라 하며, 연소실(30)을 나온 연소가스 통로가 되는 전열 면은 접촉 전열면 또는 대류 전열면이라 한다. The fuel is burned in the combustion chamber 30 by the combustion device 20 such as a burner and the water or the like in the pipe 40 is heated while the combustion gas passes through the boiler body 10, And is discharged through the communication pipe 50. In order to improve the thermal efficiency, it is necessary to lower the temperature of the gas discharged by absorbing as much heat as possible in the main body, and in order to do so, various studies have been made to increase the contact surface with the combustion gas and water. The contact surface is referred to as a heat transfer surface. The surface facing the combustion chamber 30 is called a pre-radiation heat surface because it receives strong radiation heat from the flame. The combustion gas passage from the combustion chamber 30 The heat transfer surface is called the heat transfer surface before contact or convection heat transfer surface.

본 발명에 따른 보일러는 도시한 바와 같이 보일러(1) 내 고온부 어디에든 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)를 부착하여 본 발명을 적용할 수 있다. 뿐만 아니라, 보일러(1) 내부 고온부의 온도는 부위에 따라 다양하기 때문에 온도에 맞는 적정한 열전소재를 적용하는 것이 바람직하다. 본 발명은 특히 고온용 열전소재를 사용하여 보다 높은 온도를 갖는 보일러 내부 어디든지 부착이 가능하다. 각 부위 온도별 적합한 소재는 아래에서 상세히 설명한다. The boiler according to the present invention can be applied to the present invention by attaching the thermoelectric elements 60a, 60b, 60c, and 60d to the high temperature parts of the boiler 1 as shown in the drawings. In addition, since the temperature of the high-temperature portion inside the boiler 1 varies depending on the region, it is desirable to apply an appropriate thermoelectric material suitable for the temperature. The present invention can be applied anywhere in a boiler having a higher temperature, in particular, by using a thermoelectric material for high temperature. Suitable materials for each part temperature are described in detail below.

도 2a와 도 2b는 현재까지 개발된 n형과 p형 열전소재들의 온도에 따른 열전성능을 보여주는 그래프이다. 도 2a와 도 2b를 참조하면, 열원의 온도에 따라 열전소재의 ZT가 변화하는 것을 볼 수 있으며, 특히 특정 온도에서 높은 값을 가지며 그 온도를 벗어나면 열전성능이 감소함을 알 수 있다. 따라서, 보일러 내 고온부의 온도에 맞는 적정한 열전소재를 적용하는 것이 바람직하다.FIGS. 2A and 2B are graphs showing thermoelectric performance of n-type and p-type thermoelectric materials developed up to now according to temperature. Referring to FIGS. 2A and 2B, it can be seen that the ZT of the thermoelectric material changes according to the temperature of the heat source, and in particular, it has a high value at a certain temperature, and the thermoelectric performance decreases when the temperature is out of the range. Therefore, it is desirable to apply a suitable thermoelectric material to the temperature of the high temperature portion in the boiler.

먼저 도 1에 A로 표시한 연소실(30) 내부(방사 전열면)는 1000℃ 이상의 초고온부이다. 따라서, 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이 SiGe, Yb14MnSb11과 같은 열전소재로 이루어진 열전소자(60a)를 이용하는 것이 바람직하다. First, the interior of the combustion chamber 30 shown in FIG. 1 (A) is an ultra-high temperature portion of 1000 ° C or higher. Therefore, it is preferable to use the thermoelectric element 60a made of a thermoelectric material such as SiGe or Yb 14 MnSb 11 as shown in Figs. 2A and 2B.

도 1에 B로 표시한 연소실(30) 외부 접촉 과열부(접촉 전열면)는 600 ~ 1000℃의 고온부, 이를테면 600 ~ 700℃ 정도의 고온부이다. 따라서, CoSb3, CeFe4Sb12와 같은 열전소재로 이루어진 열전소자(60b)를 이용하도록 한다. 1 (B) is a high-temperature part of 600 to 1000 ° C, for example, a high-temperature part of about 600 to 700 ° C. Therefore, a thermoelectric element 60b made of a thermoelectric material such as CoSb 3 or CeFe 4 Sb 12 is used.

도 1에 C로 표시한 연소실 방사가열부위 및 전열부위(대류 전열면)는 300 ~ 600℃의 중고온부, 이를 테면 400 ~ 500℃ 정도의 중온부이다. 따라서, CoSb3, CeFe4Sb12, 이외에 Cu2Se와 같은 열전소재로 이루어진 열전소자(60c)를 이용하도록 한다. The combustion chamber radiant heating zone and the heat transfer zone (convection frontal heating zone) indicated by C in FIG. 1 are high-temperature parts of 300 to 600 ° C, for example, about 400 to 500 ° C. Thus, CoSb 3, CeFe 4 Sb 12 , In addition, it is configured to use the thermal element (60c) made of a thermal conductive material such as Cu 2 Se.

도 1에 D로 표시한 연통, 출수구에 가까운 온수관은 300℃ 이하의 중저온부, 예를 들어 100 ~ 150℃ 정도의 저온부이다. 따라서, Bi2Te3와 같은 열전소재로 이루어진 열전소자(60d)를 이용할 수 있다. 물론 여기 언급된 소재 이외에 열원의 온도에 따라 열전소재의 ZT 특성으로부터 적절한 소재를 찾아 이용할 수 있다. The hot water pipe near the communication port and the outlet port shown in Fig. 1 is an intermediate low temperature part of 300 DEG C or less, for example, a low temperature part of about 100 to 150 DEG C. Therefore, a thermoelectric element 60d made of a thermoelectric material such as Bi 2 Te 3 can be used. Of course, in addition to the materials mentioned here, suitable materials can be found from the ZT characteristics of thermoelectric materials according to the temperature of the heat source.

본 발명은 이와 같이 연소실 내부, 연소실 외부 접촉 과열부, 연소실 방사가열부위 및 전열부위, 연통, 출수구에 가까운 온수관 등에 열전소자를 부착할 수가있고, 각 위치가 1000℃ 이상의 초고온, 600 ~ 700℃의 고온부, 400 ~ 500℃의 중온부 및 100 ~ 150℃의 저온부에 해당하므로, 각 온도에서 최적의 ZT를 보이는 열전소재를 선택하여 적소에 배치함으로써 열전발전 용량을 극대화할 수 있다.In the present invention, the thermoelectric element can be attached to the inside of the combustion chamber, the overheat contact portion of the combustion chamber, the radiant heating portion of the combustion chamber, and the hot water pipe close to the heat transfer portion, the communication port and the outflow port. The middle temperature portion at 400 to 500 ° C and the low temperature portion at 100 to 150 ° C. Therefore, thermoelectric materials having optimum ZT at each temperature can be selected and placed in place to maximize the thermoelectric generating capacity.

연소 후 버너로부터 배출되는 직후의 배기가스 온도는 평균 180℃ 정도이나 연통을 통해 배출되는 동안 온도는 더욱 감소하게 된다. 또한 보일러의 효율 향상을 위해 배기가스의 온도는 최대한 낮을수록 좋다. 이로 인해 충분한 온도 차이를 얻을 수 없으므로 연통을 통해 나오는 배기가스만을 이용한 열전발전의 경우 효율이 높지 못하다. 또한 연소실 내부에만 열전소자를 배치한다면 발전효율이 제한적이다. 본 발명은 연통 혹은 연소실과 같은 한군데의 위치가 아니라 보일러 고온부 두 곳 이상에 열전소자를 배치하므로 보일러의 열 활용에 더욱 효과적이다. 다양한 온도 영역 부위에 부착되는 열전소자는 특히 해당 온도 영역대에서 더욱 최적화된 성능을 발현할 수 있도록 고려하므로 열전발전 효율을 극대화할 수 있다. The temperature of the exhaust gas immediately after being discharged from the burner after combustion is about 180 DEG C on average, but the temperature is further reduced while being discharged through the communication. In order to improve the efficiency of the boiler, the temperature of the exhaust gas should be as low as possible. As a result, a sufficient temperature difference can not be obtained, and thus the efficiency of the thermoelectric power generation using only the exhaust gas flowing through the conduit is not high. In addition, if thermoelectric elements are disposed only in the combustion chamber, power generation efficiency is limited. The present invention is more effective in utilizing the heat of the boiler by arranging the thermoelectric elements in two or more places of the boiler high temperature part, not in the same place as the communication or combustion chamber. Thermoelectric elements attached to various temperature regions are considered to exhibit more optimized performance especially in the corresponding temperature range, thereby maximizing thermoelectric efficiency.

열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)는 보일러 내부 구성요소의 외부면 형태 즉, 단면상 사각형, 원형, 다각형의 형태에 구애받지 않도록 초소형으로 다수개의 조각으로 각각 나누어지고, 상기 각각의 열전소자에는 전선이 연결되어 각각의 열전소자에서 하나의 전력변환장치(70)에 연결될 수 있다. 고온부에 부착되는 열전소자는 면적을 다양하게 조절할 수 있어, 예컨대 가로 × 세로가 수십 cm2가 되는 열전모듈을 사용할 수도 있고, 초소형의 크기로 만들어 보일러 내부에 부착하고자 하는 부위의 형태에 구애받지 않고 가로 × 세로가 수 cm2 크기가 되는 다수의 조각으로 나누어 부착하는 경우도 가능하다. Each of the thermoelectric elements 60a, 60b, 60c and 60d is divided into a plurality of small pieces so as not to be affected by the shape of the outer surface of the internal components of the boiler, that is, Wires may be connected and connected to one power conversion device 70 at each thermoelectric conversion element. A thermoelectric module attached to a high temperature part can be variously adjusted in area, for example, a thermoelectric module having a width and a length of several tens of cm 2 may be used, or a miniature size may be used, It is also possible to divide into a plurality of pieces having a size of several cm 2 in width and length.

도 3은 연소실 외부와 같은 넓은 면적에 열전소자를 부착할 경우의 개략적인 도면이다. 예를 들어 연소실(30) 외부에 열전소자(60b)를 부착할 경우, 열전소자(60b)는 연소실(30) 외부면을 덮는 하나의 열전소자로 부착될 수도 있고, 도시한 바와 같이 여러 개의 열전소자(60b)로 부착될 수도 있다. 열전소자(60b) 하나의 크기와 부착되는 개수는 연소실(30) 면적에 따라 적절히 변경될 수 있다. 3 is a schematic view showing a case where a thermoelectric element is attached to a large area such as the outside of the combustion chamber. For example, when the thermoelectric element 60b is attached to the outside of the combustion chamber 30, the thermoelectric element 60b may be attached to one thermoelectric element covering the outer surface of the combustion chamber 30, Or may be attached to the device 60b. The size and the number of the thermoelectric elements 60b may be appropriately changed according to the area of the combustion chamber 30.

도 4는 연통이나 배관과 같은 곡면을 갖는 부위에 열전소자를 부착할 경우의 개략적인 도면이다. 도 4의 (a)는 열전소자(60d)가 부착된 연통(50)의 사시도이고, (b)는 열전소자(60d)가 부착된 연통(50)의 단면도이다. 4 is a schematic view showing a case where a thermoelectric element is attached to a portion having a curved surface such as a communication pipe or a pipe. 4A is a perspective view of the communication 50 with the thermoelectric element 60d and FIG. 4B is a sectional view of the communication 50 with the thermoelectric element 60d.

도 4를 참조하면, 예를 들어 연통(50)과 같은 곡면에 열전소자(60d)를 부착할 경우, 열전소자(60d)는 연통(50) 외부면을 덮는 하나의 열전소자로 부착하기가 어려울 수 있다. 따라서, 도시한 바와 같이 여러 개의 작은 열전소자(60d)로 부착될 수 있다. 열전소자(60d) 하나의 크기와 부착되는 개수는 연통(50) 면적에 따라 적절히 변경될 수 있다. 4, when the thermoelectric element 60d is attached to a curved surface such as the communication 50, it is difficult to attach the thermoelectric element 60d as a single thermoelectric element covering the outer surface of the connection 50 . Therefore, it can be attached with several small thermoelectric elements 60d as shown in the figure. The size of one thermoelectric element 60d and the number of the thermoelectric elements 60d can be appropriately changed according to the area of the communication 50.

열전소자는 홀이 이동하여 열에너지를 이동시키는 p형 소자와 전자가 이동하여 열에너지를 이동시키는 n형 소자로 이루어진 p ~ n 열전소자 1쌍이 기본 단위가 될 수 있으며, 이러한 p ~ n 열전소자를 하나 이상 포함하며 p ~ n 열전소자 상부 및 하부의 절연 기판, 그리고 전극으로 구성된 모듈 타입의 열전소자일 수도 있다. The thermoelectric element can be a p-type element that moves the hole to move the heat energy, and a pair of p to n thermoelectric elements composed of the n-type element that moves the electrons by the movement of the electrons. Or more, and may be a module type thermoelectric element composed of an upper substrate and an upper substrate of p-n thermoelectric elements and an electrode.

도 5는 본 발명에 따른 열전발전 장치의 열전소자로 적용될 수 있는 열전모듈의 사시도이다. 5 is a perspective view of a thermoelectric module that can be applied to a thermoelectric device of a thermoelectric generator according to the present invention.

도 5를 참조하면, p형 레그(200)와 n형 레그(210)로 이루어진 p ~ n 열전소자 1쌍이 기본 단위가 되며, p ~ n 열전소자 상부 및 하부의 절연 기판(220, 230), 그리고 전극(240, 250)을 포함하여 열전모듈이 구성되어 있다. 전극(240)은 p형 레그(200)와 n형 레그(210) 상부에서 그들끼리를 연결하며, 전극(250)은 p형 레그(200)와 인접된 다른 열전소자의 n형 레그(210) 하부에서 그들끼리를 연결한다.5, one pair of p to n thermoelectric elements made up of the p-type leg 200 and the n-type leg 210 serves as a basic unit, and the upper and lower insulating substrates 220 and 230, A thermoelectric module including the electrodes 240 and 250 is formed. The electrode 240 connects the p-type leg 200 and the n-type leg 210 on top of each other and the electrode 250 connects the p-type leg 200 and the n-type leg 210 of another thermoelectric element adjacent to the p- Connect them at the bottom.

p ~ n 열전소자 상부의 절연 기판(220)이 열원, 즉 보일러의 고온부에 접촉될 수 있다. p ~ n 열전소자들은 직렬로 연결되며, 발생된 전기를 외부로 공급할 수 있도록, 직렬로 연결된 p ~ n 열전소자들의 양단에 리드 전선(260)이 구비된다. the insulating substrate 220 on top of the p to n thermoelectric elements can be brought into contact with the heat source, that is, the high temperature portion of the boiler. The p ~ n thermoelectric elements are connected in series, and lead wires 260 are provided at both ends of the p ~ n thermoelectric elements connected in series so as to supply the generated electricity to the outside.

열전모듈은 잉곳(ingot) 형태의 열전소재를 일정 크기로 절단하여 열전레그를 만들어 세라믹 기판에 접합하는 벌크(bulk)형, 소결한 열전재료 펠렛을 세라믹 기판에 접합한 형태, 또는 스퍼터링과 같은 MEMS(MicroElectroMechanical System) 공정을 이용하여 열전레그를 초소형으로 제작하고 기판으로는 유연성(flexible)이 있는 재료를 이용한 형태 등이 모두 가능하다. 따라서, 열전소자(60a, 60b, 60c, 60d)는 p, n의 열전레그 크기(두께 및 가로, 세로 길이)를 매우 작은 크기로 구성함으로써 작은 조각 형태를 취할 수 있다는 것이다. 열전레그 는 보일러 내부에서 열 흐름에 방해가 되지 않도록 되도록이면 작은 크기, 구체적으로는 높이가 10mm 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 열전레그의 높이가 5mm 이하이다. The thermoelectric module may be a bulk type sintered thermoelectric material pellet formed by cutting an ingot thermoelectric material into a predetermined size to form a thermoelectric leg and bonding it to a ceramic substrate, a form in which a thermoelectric material pellet is bonded to a ceramic substrate, (MicroElectroMechanical System) process to fabricate thermoelectric legs in a very small size, and flexible substrates can be used as the substrate. Therefore, the thermoelectric elements 60a, 60b, 60c, and 60d can be formed into a small piece shape by constructing the thermoelectric leg sizes p and n of a very small size (thickness, width, and length). It is preferable that the thermoelectric legs have a small size, specifically, a height of 10 mm or less so as not to interfere with heat flow inside the boiler. More preferably, the height of the thermoelectric leg is 5 mm or less.

이와 같이 본 발명에서 사용되는 열전소자는 초소형의 크기를 갖기 때문에 보일러 내부에 부착하고자 하는 부위의 형태에 구애받지 않고 다수개의 조각으로 나누어 부착이 가능하고 이를 포함하는 열전발전 장치는 초소형 열전발전 장치이다. 따라서, 다양한 형태의 보일러 구성요소에 원활하게 부착되어 제품의 설치 및 제작효율이 향상될 수 있고 전력 발전을 위해 추가되는 발전장치의 크기가 매우 작기 때문에 보일러 전체의 크기를 최소화시킬 수 있다. Since the thermoelectric element used in the present invention has a very small size, it is possible to divide the thermoelectric element into a plurality of pieces without depending on the shape of a part to be attached to the inside of the boiler, and the thermoelectric generator including the thermoelectric generator is a very small thermoelectric generator . Accordingly, it is possible to smoothly adhere to various types of boiler components, thereby improving installation and manufacturing efficiency of the product, and minimizing the size of the entire boiler because the size of the power generator added for power generation is very small.

종래 열전발전을 이용한 설비 관련 기술들은 열전발전 모듈을 구성하는 저열원 흡수부와 고열원 흡수부를 각각 구비시킴에 따라 구조가 복잡해지는 문제가 있거나, 열전소자의 구조상 제약에 의해 광범위한 적용이 힘들게 되거나 장치의 체적이 증가하게 되는 단점이 있다. 나아가, 간단한 구조의 열전소자를 이용하더라도 연소실 내벽에만 열전소자를 부착함으로써 연소실의 한정된 크기에 의해 열전발전 용량의 한계가 있는 문제점이 있다.Related technologies using conventional thermoelectric power generators have problems in that the structure is complicated by the provision of the low-temperature source absorber and the high-temperature source absorber constituting the thermoelectric generator module, And thus the volume of the chamber is increased. Furthermore, even if a thermoelectric element having a simple structure is used, a thermoelectric element is attached only to the inner wall of the combustion chamber, which limits the capacity of the thermoelectric generator due to the limited size of the combustion chamber.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전발전 장치(100)에서는 보일러 고온부와 외기와의 온도차를 이용하므로 저열원 흡수부와 고열원 흡수부를 각각 구비시킬 필요가 없어 간단한 열전소자를 이용하므로 장치의 체적을 증가시키지 않는다. 연소실 내부에 해당하는 초고온부, 연소실 외부 접촉 과열부에 해당하는 고온부, 연소실 방사가열부위 및 전열부위에 해당하는 중온부, 및 연통이나 출수구에 가까운 배관에 해당하는 저온부 중 두 곳 이상에 열전소자가 부착되므로 열전발전 용량을 증가시킬 수 있다. 나아가, 열전소자는 온도가 상이한 두 곳 이상의 보일러 구성요소 온도에서의 ZT에 따라 선택된 열전소재가 적용되므로 열전발전 용량을 극대화할 수 있다. Since the thermoelectric generator 100 according to the embodiment of the present invention uses the temperature difference between the boiler high temperature portion and the outside air, it is not necessary to provide the low heat source portion and the high temperature source portion separately, . A high-temperature part corresponding to the inside of the combustion chamber, a high-temperature part corresponding to the superheated part contacting the combustion chamber, a radiant heating part corresponding to the combustion chamber and a middle temperature part corresponding to the heating part, and a low temperature part corresponding to the piping close to the communication or outlet, The thermoelectric power generation capacity can be increased. Furthermore, the thermoelectric device can maximize thermoelectric generation capacity by applying a thermoelectric material selected according to ZT at two or more boiler component temperatures at different temperatures.

도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전 장치를 설명하기 위한 개략도들이다.6 to 9 are schematic views for explaining a thermoelectric generator according to another embodiment of the present invention.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전발전 장치는 보일러에서 발생된 열과 냉각부의 온도차에 의해 전력을 생산하는 열전소자를 포함하는 열전발전부를 포함하고, 0.1 ~ 2W/cm3 전력을 생산할 수 있다. As described above, the thermoelectric generator according to the present invention includes a thermoelectric generator including a thermoelectric element for generating electric power according to a temperature difference between a heat generated in a boiler and a cooling portion, and can produce 0.1 to 2 W / cm 3 of electric power.

이 때, 상기 냉각부의 냉각 방식은 공냉 혹은 수냉일 수 있는데, 도 6 내지 도 9에 도시한 열전발전 장치는 그 중에서도 냉각부가 수냉인 경우이다. 한편, 도 1과 같이 냉각부가 공냉인 열전발전 장치와 도 6 내지 도 9에 후술할 냉각부가 수냉인 열전발전 장치를 조합한 것도 본 발명의 실시예에 해당된다. At this time, the cooling method of the cooling part may be air cooling or water cooling. In the thermoelectric generator shown in Figs. 6 to 9, the cooling part is water cooling. On the other hand, the thermoelectric generator in which the cooling portion is air-cooled as shown in Fig. 1 and the thermoelectric generator in which the cooling portion is cooled as described later in Fig. 6 to Fig. 9 are combined in the embodiment of the present invention.

보일러는 도 6 내지 도 9에 도시한 바와 같이 보일러의 연소실(330) 내부에 열교환 시스템(340)을 포함한다. 도 6 내지 도 8은 열교환 시스템(340)이 한 개 포함되는 경우이고 도 9는 열교환 시스템(340)이 두 개 포함되는 이중 열교환 시스템의 경우를 예로 들었다. 본 발명에 따른 열전발전 장치는 이와 같이 보일러의 연소실(330) 내부에 포함되는 하나 혹은 복수개의 열교환 시스템(340) 상부 및/또는 하부에 구비되는 열전발전부(400)를 포함하도록 구성된다. The boiler includes a heat exchange system 340 inside the combustion chamber 330 of the boiler, as shown in FIGS. 6 to 8 illustrate the case where one heat exchange system 340 is included, and FIG. 9 exemplify the case of a double heat exchange system including two heat exchange systems 340. The thermoelectric generator according to the present invention is configured to include the thermoelectric generator 400 provided on the upper part and / or the lower part of the one or more heat exchange systems 340 included in the combustion chamber 330 of the boiler.

도 6과 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 열전발전부(400)는 열교환 시스템(340) 상부와 하부에 모두 구비될 수도 있고 도 7에 도시한 바와 같이 상부에만 구비될 수도 있으며, 도시하지는 않았지만 열교환 시스템(340) 하부에만 구비될 수도 있다. As shown in FIGS. 6, 8 and 9, the thermoelectric generator 400 may be provided at both the upper and lower portions of the heat exchange system 340 and may be provided only at the upper portion as shown in FIG. 7, But may be provided only under the heat exchange system 340.

그리고, 도 6 및 도 9에 도시한 바와 같이 열전발전부(400)가 1 단으로 부착이 될 수도 있고, 도 7 및 도 8에서와 같이 2 이상의 단으로 부착될 수 있다. 열전발전부(400)는 연소가스 압력 저하로 원활한 보일러의 열교환 기능이 이루어지지 않는 것이 아닌 한, 복수개의 단으로 부착될 수 있다. As shown in FIGS. 6 and 9, the thermoelectric generator 400 may be attached in one stage or in two or more stages as shown in FIG. 7 and FIG. The thermoelectric power generating part 400 may be attached at a plurality of stages as long as the heat exchange function of the boiler can not be achieved due to the lowering of the combustion gas pressure.

열전발전부(400)에는 열전소자가 포함되어 있다. 단위 체적당 더욱 많은 열전소자를 집적할 수 있도록, 열전소자는 높이가 10mm 이하인 열전레그를 포함하는 열전모듈을 이용함이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 열전레그의 높이가 5mm 이하이다. 이러한 열전발전부(400)를 포함할 때에 본 발명에 따른 열전발전 장치는 초소형 열전발전 장치이다. 그리고, 열전소자는 열전소자를 구성하는 열전재료의 온도별 ZT를 고려하여, 각 단에 포함되는 열전소자는 다른 단에 포함되는 열전소자와 온도별 ZT가 다르게 구성함이 바람직하다. The thermoelectric generator 400 includes a thermoelectric element. It is preferable to use a thermoelectric module including a thermoelectric leg having a height of 10 mm or less so that more thermoelectric elements per unit volume can be integrated. More preferably, the height of the thermoelectric leg is 5 mm or less. The thermoelectric generator according to the present invention when including the thermoelectric generator 400 is an ultra small thermoelectric generator. The thermoelectric elements are preferably configured such that the thermoelectric elements included in the respective stages are different from the thermoelectric elements included in the other end by ZT in consideration of the temperature ZT of the thermoelectric material constituting the thermoelectric element.

하나의 예로서, 열교환 시스템(340)에 근접한 안쪽은 고온 영역대의 열전소자가, 바깥쪽은 저온 영역대의 열전소자가 배치될 수 있도록 구성한다. 다른 예로서, 연소실(330)로 투입되는 연소가스의 온도가 1000 ℃라 가정하면 열교환 시스템(340)의 온도는 약 800 ℃가 되고, 열교환 시스템(800)을 거친 뒤 약 500 ℃가 되며, 연소가스 출구로 가면서 100 ℃ 정도까지 점진적으로 감소한다고 가정할 수 있다. 따라서, 연소가스 입구 쪽은 고온 영역대의 열전소자가, 연소가스의 출구 쪽은 저온 영역대의 열전소자가 배치되도록 구성함이 바람직하다. As one example, the thermoelectric elements of the high temperature region near the heat exchange system 340 and the thermoelectric elements of the low temperature region near the heat exchange system 340 can be arranged. As another example, assuming that the temperature of the combustion gas injected into the combustion chamber 330 is 1000 ° C., the temperature of the heat exchange system 340 is about 800 ° C., then goes through the heat exchange system 800 to about 500 ° C., It can be assumed that it gradually decreases to about 100 DEG C while going to the gas outlet. Therefore, it is preferable that the thermoelectric elements of the high-temperature region are arranged on the side of the combustion gas inlet, and the thermoelectric elements of the low-temperature region are arranged on the side of the outlet of the combustion gas.

도 6을 더 상세히 설명하면, 도 6의 열전발전 장치(500)는 열교환 시스템(340) 상부에 열전발전부(400a)가 1 단으로 부착되어 있고 열교환 시스템(340) 하부에도 열전발전부(400a')가 1 단으로 부착되어 있다. 열전발전부(400a)와 열전발전부(400a')는 서로 동일한 것이거나 온도 대역이 다른 열전소자를 포함하는 것일 수 있다. 6, the thermoelectric generator 500 of FIG. 6 includes a thermoelectric generator 400a on one side of the heat exchanger 340 and a thermoelectric generator 400a on the bottom of the heat exchanger 340 ') Are attached in a single stage. The thermoelectric power generation unit 400a and the thermoelectric power generation unit 400a 'may be the same or include thermoelectric elements having different temperature ranges.

도시한 바와 같이, 열전발전부(400) 안의 열전소자에 연결되어 상기 열전소자에서 생산된 전력을 수집 및 조절하는 전력변환장치(470)와 상기 전력변환장치(470)와 연결되어 상기 전력변환장치(470)에서 수집 및 조절된 전력을 충전하는 전력저장장치(480)가 더 포함되어 열전발전 장치(500)를 구성한다.As shown in the drawing, the power conversion device 470 is connected to the thermoelectric elements in the thermoelectric generator 400 to collect and adjust the power produced by the thermoelectric elements. The power converter 470 is connected to the power converter 470, And a power storage device 480 for charging the power collected and regulated in the thermoelectric generator device 470.

도 7을 더 상세히 참조하면, 도 7의 열전발전 장치는 열교환 시스템(340) 상부에 열전발전부(400a, 400b, 400c, 400d)를 포함함으로써 열전발전부(400)가 여러 단으로 부착되어 있다. 열전발전부(400a)에서 열전발전부(400b), 열전발전부(400c), 열전발전부(400d) 쪽으로 갈수록 온도 대역이 낮아진다고 하면 열전발전부(400a, 400b, 400c, 400d)에 포함되는 열전소자들도 고온 영역대부터 저온 영역대까지 순차적으로 구성함이 바람직하다. 7, the thermoelectric generator of FIG. 7 includes the thermoelectric generators 400a, 400b, 400c and 400d on the heat exchanger 340 so that the thermoelectric generators 400 are attached at various stages . If the temperature band of the thermoelectric generator 400a decreases toward the thermoelectric generator 400b, the thermoelectric generator 400c and the thermoelectric generator 400d, the temperature range of the thermoelectric generator 400a, 400b, 400c and 400d It is preferable that the thermoelectric elements are also sequentially arranged from the high temperature zone zone to the low temperature zone zone.

도 8을 더 상세히 참조하면, 도 8의 열전발전 장치는 열교환 시스템(340) 상부에 열전발전부(400a, 400b)를 포함함으로써 열전발전부(400)가 2 단으로 부착되어 있고 열교환 시스템(340) 하부에도 열전발전부(400a, 400b)를 포함함으로써 열전발전부(400)가 2 단으로 부착되어 있다. 열전발전부(400a)에 포함되는 열전소자는 열전발전부(400b)에 포함되는 열전소자보다 고온 영역대의 열전소자를 채택함으로써 열발전 효율을 극대화할 수 있다. 8, the thermoelectric generator of FIG. 8 includes thermoelectric generators 400a and 400b on the heat exchanger 340 so that the thermoelectric generators 400 are attached in two stages and the heat exchanger 340 The thermoelectric generator 400 is attached in two stages by including the thermoelectric generators 400a and 400b. The thermoelectric elements included in the thermoelectric generator 400a can maximize the heat generation efficiency by adopting the thermoelectric elements of the high temperature zone rather than the thermoelectric elements included in the thermoelectric generator 400b.

도 9를 더 상세히 참조하면, 도 9의 열전발전 장치는 열교환 시스템(340a) 상부와 하부에 열전발전부(400a)가 부착되어 있고 열교환 시스템(340b) 상부와 하부에 열전발전부(400b)가 부착되어 있다. 9, a thermoelectric generator 400a is attached to upper and lower parts of a heat exchange system 340a, and a thermoelectric generator 400b is mounted on upper and lower parts of the heat exchange system 340b. Respectively.

도 9에서 연소실(330)로 투입되는 연소가스의 온도가 1000 ℃라 가정하면 첫 번째 열교환 시스템(340a)의 온도는 약 1000 ℃가 되고, 첫 번째 열교환 시스템(340a)을 거친 뒤 약 700 ℃가 되며, 두 번째 열교환 시스템(340b)의 온도는 약 500 ℃가 되고, 두 번째 열교환 시스템(340b)을 거친 뒤 약 300 ℃가 되며, 연소가스 출구로 가면서 100 ℃ 정도까지 점진적으로 감소한다고 가정할 수 있다. 따라서, 열전발전부(400a)에서 열전발전부(400b) 쪽으로 갈수록 온도 대역이 낮아지므로 열전발전부(400a, 400b)에 포함되는 열전소자들도 고온 영역대부터 저온 영역대까지 순차적으로 구성함이 바람직하다.9, assuming that the temperature of the combustion gas injected into the combustion chamber 330 is 1000 ° C., the temperature of the first heat exchange system 340 a becomes about 1000 ° C., and after passing through the first heat exchange system 340 a, about 700 ° C. , The temperature of the second heat exchange system 340b is about 500 ° C., the temperature of the second heat exchange system 340b is about 300 ° C. after passing through the second heat exchange system 340b, and it can be assumed that it gradually decreases to about 100 ° C. have. Accordingly, since the temperature band becomes lower toward the thermoelectric generator part 400b from the thermoelectric generator part 400a, the thermoelectric elements included in the thermoelectric generator parts 400a and 400b are sequentially formed from the high temperature zone zone to the low temperature zone zone desirable.

이와 같이, 다양한 조합의 열전발전부(400) 적층을 통해, 본 발명에서는 원하는 단위 체적당 발생 전력인 0.1 ~ 2W/cm3 전력을 생산해내게 된다. 열전소자를 많이 부착시키면 2W/cm3 을 초과할 수 있지만 너무 많은 열전소자는 보일러 연소실(330) 내부를 통과하는 연소 가스의 압력을 지나치게 저하시켜 보일러 본연의 열 교환 기능에 영향을 줄 수 있어 바람직하지 않다. Through the stacking of the thermoelectric power generating parts 400 of various combinations in this way, the present invention produces 0.1 to 2 W / cm 3 of electric power per unit volume. When a large number of thermoelectric elements are attached, 2 W / cm 3 But too much of the thermoelectric elements may undesirably lower the pressure of the combustion gas passing through the inside of the boiler combustion chamber 330 to affect the heat exchange function inherent to the boiler.

도 7 내지 도 9의 열전발전 장치들도 도 6을 참조하여 설명한 바와 같은 전력변환장치와 전력저장장치를 더 포함할 수 있다. 그러한 경우에 열전발전부(400)는 열교환 시스템(340) 상부 또는 하부에 부착되고, 나머지 구성요소인 전력변환장치와 전력저장장치는 열교환 시스템(340)으로부터 이격된 곳에 위치할 수 있음을 이해하여야 한다. 그리고, 본 실시예의 열전발전 장치는 보일러부에 구비되어 보일러의 연소열을 활용하는 하이브리드 보일러로 구성이 될 수 있다. 그러한 경우 보일러부의 구성은 도 1에 도시한 보일러(1)를 참고하면 되고, 보일러(1)의 연소실(30) 대신에 도 6 내지 도 9의 연소실(330)이 포함되는 구성이 된다. The thermoelectric generators of FIGS. 7 to 9 may further include a power conversion device and a power storage device as described with reference to FIG. In such a case, it should be understood that the thermoelectric generator 400 may be attached to the top or bottom of the heat exchange system 340 and the remaining components, the power converter and the power storage, may be located remotely from the heat exchange system 340 do. The thermoelectric generator of the present embodiment may be constituted by a hybrid boiler provided in the boiler portion and utilizing the heat of combustion of the boiler. In such a case, the construction of the boiler portion may be such that the boiler 1 shown in FIG. 1 is referred to, and the combustion chamber 330 of FIG. 6 to FIG. 9 is included instead of the combustion chamber 30 of the boiler 1.

열전발전부(400)는 열전소자 이외에 냉각수가 흐르는 물관을 포함하는 냉각부를 더 포함한다. 냉각수의 온도는 정상상태에 도달했을 때의 온도이며 30 ~ 100 ℃ 임이 바람직하다. 보다 바람직하게는 냉각수의 온도가 60 ℃이다. The thermoelectric generator 400 further includes a cooling part including a water tube through which cooling water flows in addition to the thermoelectric element. The temperature of the cooling water is a temperature when it reaches a steady state, preferably 30 to 100 ° C. More preferably, the temperature of the cooling water is 60 占 폚.

이상의 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명한 실시예들은 보일러 열교환 시스템(340)을 고열원 흡수부로 하고, 물관을 포함하는 냉각부를 저열원 흡수부로 삼는 것이며, 물관을 통해 냉각수를 통과시켜 온도차를 극대화할 수 있으므로 열전발전 용량을 더욱 증가시킬 수 있다. 나아가, 열전소자가 여러 단으로 부착되는 경우에는 열교환 시스템에 근접한 안쪽은 고온 영역대의 열전소자가, 바깥쪽은 저온 영역대의 열전소자가 배치되도록 함으로써, 열전발전 용량을 극대화할 수 있다. 6 to 9, the boiler heat exchange system 340 is used as a high-heat source absorbing unit, the cooling unit including a water tube is used as a low-temperature raw absorbing unit, and cooling water is passed through a water pipe to maximize a temperature difference The thermoelectric power generation capacity can be further increased. Further, when the thermoelectric elements are attached at various stages, the thermoelectric elements of the high temperature region near the heat exchange system and the thermoelectric elements of the low temperature region near the heat exchange system are disposed, thereby maximizing the thermoelectric power generation capacity.

특히, 열전소자는 물관의 외벽에 부착되는 것일 수 있다. 상기 물관은 다양한 크기 및 단면 모양을 가지며 하나 이상 배열될 수 있다. 이에 대하여 도 10 내지 도 14를 참조하여 상세히 설명한다. In particular, the thermoelectric element may be attached to the outer wall of the water tube. The water tubes may have various sizes and cross-sectional shapes and may be arranged more than one. This will be described in detail with reference to FIGS. 10 to 14. FIG.

먼저 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부(400)의 일 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도이다. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a thermoelectric generator 400 of a thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention.

도 10은 물관의 길이 방향에 수직인 단면으로, 물관(410a)은 단면이 대략 정방형이다. 이 때 물관(410a) 외벽에 평면형 열전소자(420a)를 배치할 수 있다. 평면형 열전소자(420a)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같은 열전소자(60b)의 형상과 유사한 것이다. 도 10에는 물관(410a) 하나의 구조를 따로 도시한 사시도도 포함되어 있다. 도시한 바와 같이 물관(410a) 외벽에 평면형 열전소자(420a)가 다수개의 조각으로 나누어져 부착이 되어 있을 수 있다. 10 is a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the water tube, and the water tube 410a has a substantially square cross section. At this time, the planar thermoelectric element 420a may be disposed on the outer wall of the water pipe 410a. The planar thermoelectric element 420a is similar to the thermoelectric element 60b described with reference to Fig. FIG. 10 also includes a perspective view showing a structure of one water pipe 410a. As shown in the figure, the planar thermoelectric element 420a may be divided into a plurality of pieces and attached to the outer wall of the water pipe 410a.

평면형 열전소자(420a)는 열교환 시스템(340)을 고온부로 하고 물관(410a)을 저온부로 하여 양자의 온도차에 의한 전력을 생산할 수 있다. 열전발전부(400)는 도 6에서와 같이 열교환 시스템(340)에 부착할 수 있는 본체를 포함하고, 그 내부에 물관(410a)과 열전소자(420a)를 포함할 수 있다. 도면들에서는 열전발전부(400)를 도시의 편의상 블록 모양으로 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 블록 모양으로 도시한 열전발전부(400)는 열교환 시스템(340)의 열이 열전소자(420a)에 잘 전달될 수 있도록 열전달 매개 부재를 포함하여 구성될 수도 있다. The planar thermoelectric element 420a can generate electric power by the temperature difference between the heat exchange system 340 and the water tube 410a as a high temperature portion and a low temperature portion. The thermoelectric power generation unit 400 includes a body that can be attached to the heat exchange system 340 as shown in FIG. 6 and may include a water tube 410a and a thermoelectric element 420a. In the drawings, the thermoelectric generator 400 is shown in block form for convenience of illustration, but is not limited thereto. The thermoelectric power generating unit 400 shown in a block form may include a heat transfer mediating member so that the heat of the heat exchanging system 340 can be transmitted to the thermoelectric element 420a.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부(400)의 다른 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도이다. 11 is a schematic cross-sectional view showing another example of the thermoelectric generator 400 of the thermoelectric generator according to the embodiment of the present invention.

도 11도 물관의 길이 방향에 수직인 단면으로, 물관(410b)은 단면이 대략 장방형이다. 이 때 물관(410b) 외벽에도 평면형 열전소자(420b)가 배치되어 있다. 평면형 열전소자(420b)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같은 열전소자(60b)의 형상과 유사한 것이다.11 is a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the water tube, and the water tube 410b has a substantially rectangular cross section. At this time, a planar thermoelectric element 420b is disposed on the outer wall of the water pipe 410b. The planar thermoelectric element 420b is similar to the thermoelectric element 60b as described with reference to Fig.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부(400)의 또 다른 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도이다. 12 is a schematic cross-sectional view showing another example of the thermoelectric generator 400 of the thermoelectric generator according to the embodiment of the present invention.

도 12도 물관의 길이 방향에 수직인 단면으로, 물관(410c)은 단면이 대략 육각형이다. 이 때 물관(410c) 외벽에도 평면형 열전소자(420c)가 배치되어 있다. 육각형 물관(410c)은 좁은 공간에 밀집하여 배치할 수 있으므로 평면형 열전소자(420c)를 보다 많이 배치함으로써 단위 체적당 발생 전력인 0.1 ~ 2W/cm3을 생산하는 데에 유리하다. 12 is a cross section perpendicular to the length direction of the water tube, and the water tube 410c has a substantially hexagonal section. At this time, a planar thermoelectric element 420c is disposed on the outer wall of the water pipe 410c. Since the hexagonal product pipe 410c can be arranged closely in a narrow space, it is advantageous to produce 0.1 to 2 W / cm 3 , which is generated power per unit volume, by disposing more planar thermoelectric elements 420c.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부(400)의 또 다른 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도이다. 13 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of the thermoelectric generator 400 of the thermoelectric generator according to the embodiment of the present invention.

도 13도 물관의 길이 방향에 수직인 단면으로, 물관(410d)은 단면이 대략 원형이다. 이 때 물관(410d) 외벽에는 관형 열전소자(420d)를 배치할 수 있다. 관형 열전소자(420d)는 물관(410d) 주위를 감싸는 구조이며 도시한 바와 같이 일체형인 하나의 튜브(tube) 모양일 수도 있고, 하프 파이프(half pipe) 두 개가 모여 감싸는 구조로 형성할 수도 있다. 13 is a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the water pipe, and the water pipe 410d has a substantially circular cross section. At this time, the tubular thermoelectric element 420d can be disposed on the outer wall of the water tube 410d. The tubular thermoelectric element 420d has a structure that surrounds the water tube 410d and may have a single tube shape as shown in the figure or may have a structure in which two half pipes are gathered and enclosed.

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 장치의 열전발전부(400)의 또 다른 예를 보여주기 위한 개략적인 단면도이다.FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing another example of the thermoelectric generator 400 of the thermoelectric generator according to the embodiment of the present invention.

도 14도 물관의 길이 방향에 수직인 단면으로, 물관(410d)은 도 13에서와 마찬가지로 단면이 대략 원형이다. 이 때 물관(410d) 외벽에는 작은 평면형 열전소자(420e)를 배치할 수 있다. 평면형 열전소자(420e)는 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은 열전소자(60d)처럼 물관(410d)의 곡면 부위를 덮도록 작은 크기로 마련하여 모자이크 타일처럼 배치되는 것이다. Fig. 14 is a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the water pipe, and the water pipe 410d is substantially circular in cross section as in Fig. At this time, a small planar thermoelectric element 420e can be disposed on the outer wall of the water pipe 410d. The planar thermoelectric element 420e is arranged in a small size so as to cover the curved surface portion of the water pipe 410d like the thermoelectric element 60d as described with reference to FIG. 4, and is arranged like a mosaic tile.

이와 같이, 다양한 내부 구조를 갖는 열전발전부(400)를 통해, 본 발명에서는 원하는 단위 체적당 발생 전력인 0.1 ~ 2W/cm3 을 달성할 수 있다. Thus, through the thermoelectric generator 400 having various internal structures, the generated power per unit volume can be 0.1 to 2 W / cm 3 in the present invention.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 열전발전 장치 중 냉각부가 수냉인 경우는 연소실 내부 열교환 시스템의 배치나 수에 따라서도 연소실 내 온도 분포가 달라지는 점에 대응할 수 있도록, 다양한 내부 구조 및 외부 적층 구조를 가질 수 있는 열전발전부를 적절히 적층함으로써 단위 체적당 발전량을 증가시킬 수 있는 장점을 가진다. As described above, in the thermoelectric generator according to the present invention, when the cooling section is water-cooled, it has various internal structures and external lamination structures so as to cope with the difference in the temperature distribution in the combustion chamber depending on the arrangement and the number of the combustion chamber internal heat exchange systems. It is possible to increase the amount of electricity generated per unit volume.

산업 고부가 가치화에 따른 산업/수송 부문 수요는 둔화되는 반면, 소득 수준 향상으로 인해 가정 부문 수요는 증대되어 수급 불균형과 환경 문제가 야기되고 있다. 전력 수요 증가로 전력 수급 위기상황이 초래되고 있으나 상응하는 발전시설 확충이 어려운 문제가 있다. 또한, 우리나라는 온실가스 배출 세계 7 위국으로 2020년까지의 감축목표 30 %를 달성하기 위해 가스발전보다 CO2 배출량이 약 2배 많은 유류 발전 비율 감축 필요하다(현재 8%). 본 발명은 가정용 보일러 등에 적용되어 연소열을 이용할 수 있는 열전발전 장치 및 이를 포함하는 하이브리드 보일러를 제공함으로써 이러한 문제 해결 및 요구 사항에 부합될 수 있다. Demand for industrial / transportation services has slowed due to high value added of the industry, while demand for households has increased due to the improvement in income levels, which has created imbalances in supply and demand and environmental problems. There is a problem that the power supply and demand crisis is caused by the increase of electric power demand, but it is difficult to expand the corresponding power generation facilities. In addition, the country is required to reduce greenhouse gas emissions, the world's seventh wiguk the CO 2 emissions than gas power generation, to achieve the reduction target of 30% rate of about 2 times the amount of oil development by 2020 (currently 8%). The present invention can be applied to such problems and requirements by providing a thermoelectric generator and a hybrid boiler including the thermoelectric generator which can be applied to domestic boilers and the like to use combustion heat.

이상에서 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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation in the embodiment in which said invention is directed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the appended claims.

1 : 보일러 10 : 본체
20 : 연소장치 30, 330 : 연소실
40 : 배관 50 : 연통
60a, 60b, 60c, 60d, 420a, 420b, 420c, 420d, 420e : 열전소자
70 : 전력변환장치
80 : 전력저장장치 100, 500 : 열전발전 장치
340 : 열교환 시스템
400 : 열전발전부
410a, 410b, 410c, 410d : 물관
1: boiler 10: main body
20: combustion device 30, 330: combustion chamber
40: piping 50:
60a, 60b, 60c, 60d, 420a, 420b, 420c, 420d, 420e:
70: Power converter
80: power storage device 100, 500: thermoelectric generator
340: Heat exchange system
400: thermoelectric generator
410a, 410b, 410c, 410d:

Claims (24)

냉각수가 흐르는 물관을 포함하는 냉각부; 및
상기 냉각부와 보일러에서 발생된 열의 온도차에 의해 전력을 생산하는 열전소자를 포함하는 열전발전부를 포함하고,
상기 열전발전부가 보일러의 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템 상부 및/또는 하부에 구비되는 열전발전 장치.
A cooling unit including a water tube through which cooling water flows; And
And a thermoelectric generator including a thermoelectric element for generating electric power by a temperature difference between heat generated by the cooling unit and the boiler,
Wherein the thermoelectric generator is provided in an upper portion and / or a lower portion of the heat exchange system included in the combustion chamber of the boiler.
제1항에 있어서, 단위 체적당 발생 전력이 0.1 ~ 2W/cm3 인 것을 특징으로 하는 열전발전 장치. The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the generated power per unit volume is 0.1 to 2 W / cm 3 . 제1항에 있어서, 상기 열전소자는 상기 물관 외벽에 부착된 것을 특징으로 하는 열전발전 장치. The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the thermoelectric element is attached to the outer wall of the water tube. 제1항에 있어서, 상기 냉각수의 온도는 30 ~ 100℃인 것을 특징으로 하는 열전발전 장치. The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the temperature of the cooling water is 30 to 100 ° C. 제1항에 있어서, 상기 물관은 다양한 크기 및 단면 모양을 가지며 하나 이상 배열되는 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the water tubes have various sizes and cross-sectional shapes and are arranged in at least one shape. 제1항에 있어서, 상기 열전발전부가 1 단 혹은 2 이상의 단으로 부착되는 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the thermoelectric generator is attached at one or more stages. 제1항에 있어서, 상기 열전발전부가 2 이상의 단으로 부착되고 각 단에 포함되는 열전소자는 다른 단에 포함되는 열전소자와 온도별 성능지수가 다른 것을 특징으로 하는 열전발전 장치. The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the thermoelectric generator is attached at two or more stages and the thermoelectric elements included in the respective stages are different from each other in the performance index by temperature. 제1항에 있어서, 상기 열전소자는 다수개의 조각으로 나누어져 부착되는 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the thermoelectric element is divided into a plurality of pieces. 제3항에 있어서, 상기 열전소자는 일체로 된 관형 또는 다수개의 조각이 부착되어 이루는 관형인 것을 특징으로 하는 열전발전 장치. [4] The thermoelectric generator of claim 3, wherein the thermoelectric element is a tubular body integrally formed with a plurality of pieces. 제1항에 있어서, 상기 열전소자는 높이가 10mm 이하인 열전레그로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the thermoelectric element comprises thermoelectric legs having a height of 10 mm or less. 제1항에 있어서, 상기 열전소자에 연결되어 상기 열전소자에서 생산된 전력을 수집 및 조절하는 전력변환장치; 및
상기 전력변환장치와 연결되어 상기 전력변환장치에서 수집 및 조절된 전력을 충전하는 전력저장장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 장치.
The apparatus of claim 1, further comprising: a power conversion device connected to the thermoelectric device and collecting and adjusting power produced by the thermoelectric device; And
Further comprising a power storage device coupled to the power conversion device to charge the power collected and regulated by the power conversion device.
제11항에 있어서, 상기 보일러에서 생산되는 전력은 상기 열전소자로부터 독립적으로 생산된 전력이거나 상기 전력저장장치에 1차 저장되었다가 출력되는 것을 특징으로 하는 열전발전 장치. 12. The thermoelectric generator according to claim 11, wherein the power generated by the boiler is generated independently from the thermoelectric element or stored in the power storage device. 본체, 연소장치, 연소실, 상기 연소실 내부에 포함된 열교환 시스템을 포함하는 보일러부; 및
열전발전 장치를 포함하며,
상기 열전발전 장치는 냉각수가 흐르는 물관을 포함하는 냉각부; 및
상기 냉각부와 보일러에서 발생된 열의 온도차에 의해 전력을 생산하는 열전소자를 포함하는 열전발전부를 포함하고,
상기 열전발전부가 상기 열교환 시스템 상부 및/또는 하부에 구비되는 것을 특징으로 하는 보일러.
A main body, a combustion device, a combustion chamber, and a boiler portion including a heat exchange system included in the combustion chamber; And
A thermoelectric generator,
The thermoelectric generator includes a cooling unit including a water tube through which cooling water flows; And
And a thermoelectric generator including a thermoelectric element for generating electric power by a temperature difference between heat generated by the cooling unit and the boiler,
Wherein the thermoelectric generator is provided on an upper portion and / or a lower portion of the heat exchange system.
제13항에 있어서, 상기 열전발전 장치가 단위 체적당 발생 전력이 0.1 ~ 2W/cm3 인 것을 특징으로 하는 보일러. The method of claim 13, wherein the thermal power generation boiler apparatus is characterized in that the generated electric power per unit volume is 0.1 ~ 2W / cm 3. 제13항에 있어서, 상기 열전소자는 상기 물관 외벽에 부착된 것을 특징으로 하는 보일러. 14. The boiler according to claim 13, wherein the thermoelectric element is attached to the outer wall of the water pipe. 제13항에 있어서, 상기 냉각수의 온도는 30 ~ 100℃인 것을 특징으로 하는 보일러. 14. The boiler according to claim 13, wherein the temperature of the cooling water is 30 to 100 占 폚. 제13항에 있어서, 상기 물관은 다양한 크기 및 단면 모양을 가지며 하나 이상 배열되는 것을 특징으로 하는 보일러.14. The boiler according to claim 13, wherein the water tubes have various sizes and cross-sectional shapes and are arranged at least one. 제13항에 있어서, 상기 열전발전부가 1 단 혹은 2 이상의 단으로 부착되는 것을 특징으로 하는 보일러.14. The boiler according to claim 13, wherein the thermoelectric generator is attached at one or more stages. 제13항에 있어서, 상기 열전발전부가 2 이상의 단으로 부착되고 각 단에 포함되는 열전소자는 다른 단에 포함되는 열전소자와 온도별 성능지수가 다른 것을 특징으로 하는 보일러. 14. The boiler according to claim 13, wherein the thermoelectric generator is attached at two or more stages and the thermoelectric elements included in the respective stages are different from each other in the figure of merit by temperature. 제13항에 있어서, 상기 열전소자는 다수개의 조각으로 나누어져 부착되는 것을 특징으로 하는 보일러.14. The boiler according to claim 13, wherein the thermoelectric element is divided into a plurality of pieces. 제15항에 있어서, 상기 열전소자는 일체로 된 관형 또는 다수개의 조각이 부착되어 이루는 관형인 것을 특징으로 하는 보일러. 16. The boiler according to claim 15, wherein the thermoelectric element is a tubular body integrally formed with a plurality of pieces. 제13항에 있어서, 상기 열전소자는 높이가 10mm 이하인 열전레그로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 보일러.14. The boiler according to claim 13, wherein the thermoelectric element comprises thermoelectric legs having a height of 10 mm or less. 제13항에 있어서, 상기 열전발전 장치가
상기 열전소자에 연결되어 상기 열전소자에서 생산된 전력을 수집 및 조절하는 전력변환장치; 및
상기 전력변환장치와 연결되어 상기 전력변환장치에서 수집 및 조절된 전력을 충전하는 전력저장장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
14. The system of claim 13, wherein the thermoelectric generator
A power conversion device connected to the thermoelectric device and collecting and regulating electric power produced by the thermoelectric device; And
Further comprising a power storage device coupled to the power conversion device to charge the power collected and regulated by the power conversion device.
제23항에 있어서, 상기 보일러에서 생산되는 전력은 상기 열전소자로부터 독립적으로 생산된 전력이거나 상기 전력저장장치에 1차 저장되었다가 출력되는 것을 특징으로 하는 보일러.24. The boiler according to claim 23, wherein the power generated by the boiler is generated independently from the thermoelectric element or stored in the power storage device.
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