KR20160048308A - 적층형 열전 발전 장치 - Google Patents

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KR20160048308A
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이재영
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    • H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20336—Heat pipes, e.g. wicks or capillary pumps

Abstract

본 발명은 적층형 열전 발전 장치에 관한 것으로, 이는 발열원으로부터 이격되어 열을 흡수하고, 열저장물질을 수용하는 잠열부; 고온부와 저온부의 온도차를 이용하여 열전 소자부에서 기전력을 발생시키는 열전 발전 모듈; 및 잠열부와 고온부 사이에 연결되어, 잠열부로부터의 열을 고온부로 전달하는 열전달부를 포함하여서, 회수되는 많은 열을 열전달부를 사용하여 다양한 층의 열전 발전 모듈로 전달할 수 있기 때문에, 주어진 공간 내에서 효율적으로 현열을 회수하여 발전 용량을 증대시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

Description

적층형 열전 발전 장치 {STACKTED TYPE THERMOELECTRIC POWER GENERATION APPARATUS}
본 발명은 강재의 복사에 의한 열에너지를 전기에너지로 변환하여 회수하는 적층형 열전 발전 장치에 관한 것이다.
이종의 도체 또는 반도체에 온도차를 주면 고온부와 저온부 사이에 기전력이 생기는 것을 제벡(Seebeck) 효과라 한다. 이러한 성질은 이미 널리 알려져 있으며, 이를 이용해서 열전 소자를 매개로 하여 열을 직접 전력으로 변환하는 일도 알려져 있다.
한편, 제철 공장 등과 같은 제조 설비에서는, 열전 발전 모듈을 통한 발전에 의해 지금까지 폐열로 버려진 에너지, 예를 들면 강재의 복사에 의한 열에너지를 이용하려는 노력이 이루어지고 있다.
도 1은 연속 주조 공정에서 생산된 약 900 ~ 1000℃의 온도를 가지고 롤러 테이블 위를 지나가는 슬라브의 현열인 복사열을 이용하여 열전 발전함으로써 에너지를 회수 및 발전하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
이 방법은 슬라브와 같은 발열원(1)의 표면으로부터 일정 거리만큼 떨어진 곳에 발열원(1)의 표면을 마주 보는 방향으로 하여 면 발전 개념의 열전 발전 모듈(10)을 고정 설치한다. 발열원(1)을 향한 쪽에 고온부(12)를 배치하고, 그 반대편은 냉각수를 흘려보내어 저온부(14)를 형성함으로써, 그 양단의 온도차를 이용하여 열전 소자부(11)에서 발전하는 방법이다.
도 1의 방법에서는, 10 ~ 12m의 길이를 갖고서 간헐적으로 지나가는 슬라브와 같은 발열원(1)의 표면에서 일정 거리만큼 떨어진 열전 발전 모듈(10)의 상하 양면의 온도차를 일정하게 유지함으로써, 주어진 조건 하에서 일정한 발전 출력과 효율을 얻을 수 있게 된다.
이때, 슬라브의 표면에서 열전 발전 모듈까지의 거리는 사용하는 열전 소자(예컨대 BiTe계)의 최대 사용온도인 250℃ 이하가 되도록 충분한 거리 또는 높이로 확보되어야 한다. 따라서, 나머지 공간으로 복사열의 많은 손실이 발생하게 되어 효율적인 현열 회수가 어려운 문제점이 있으며, 더구나 패널 형태의 면 발전 개념이기 때문에 발전 용량의 증대에 매우 제한적이라는 문제점이 있다.
이에 본 발명은, 강재의 복사에 의한 열에너지를 전기에너지로 변환하여 회수하되, 주어진 공간 내에서 효율적으로 현열을 회수하여 발전 용량을 증대시킬 수 있는 적층형 열전 발전 장치를 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.
본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치는, 발열원으로부터 이격되어 열을 흡수하고, 열저장물질을 수용하는 잠열부; 고온부와 저온부의 온도차를 이용하여 열전 소자부에서 기전력을 발생시키는 열전 발전 모듈; 및 상기 잠열부와 상기 고온부 사이에 연결되어, 상기 잠열부로부터의 열을 상기 고온부로 전달하는 열전달부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 회수되는 많은 열을 열전달부를 사용하여 다양한 층의 열전 발전 모듈로 전달할 수 있기 때문에, 주어진 공간 내에서 효율적으로 현열을 회수하여 발전 용량을 증대시킬 수 있는 효과가 있게 된다.
더구나, 본 발명에 의하면, 열전 발전 모듈을 다층화함으로써, 면 발전 개념을 넘어선 체적 발전 개념을 도입할 수 있어 발전 용량을 대폭 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 열전달부로 히트파이프를 사용하게 됨으로써, 열전 발전 모듈의 고온부의 형성을 위한 작동유체의 펌프 동력이 필요 없게 되어, 순출력의 증대로 인한 경제성 확보에 유리한 효과도 얻을 수 있다.
도 1은 연속 주조 공정에서 생산된 약 900 ~ 1000℃의 온도를 가지고 롤러 테이블 위를 지나가는 슬라브의 현열인 복사열을 이용하여 열전 발전함으로써 에너지를 회수 및 발전하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 히트파이프의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명에 사용되는 히트파이프의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치는, 발열원(1)으로부터 이격되어 열을 흡수하고, 열저장물질(101)을 수용하는 잠열부(130); 고온부(120)와 저온부(140)의 온도차를 이용하여 열전 소자부(110)에서 기전력을 발생시키는 열전 발전 모듈(100); 및 잠열부(130)와 고온부(120) 사이에 연결되어, 잠열부(130)로부터의 열을 고온부(120)로 전달하는 열전달부를 포함하고 있다.
발열원(1)은 예를 들어 도 1 또는 도 2에서와 같이 연속 주조 공정에서 생산된 약 900 ~ 1000℃의 온도를 가지고 롤러 테이블 위를 지나가는 슬라브로 될 수도 있지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 후술하는 열전 발전 모듈(100)이 발전을 하기 위해 필요한 열에너지를 공급할 수 있다면 다른 임의의 발열원이 이용되어도 무방하다.
본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치에서는, 발열원(1)에 인접하게 보다 구체적으로 발열원(1)과 열전 발전 모듈(100) 사이에 배치되고서 예컨대 120 ~ 250℃에서 액상을 유지하는 PCM(Phase Change Material) 등과 같은 열저장물질(101)을 수용하는 잠열부(130)를 포함하는 것을 주된 특징으로 한다.
열저장물질(101)로는 NaNO3, KNO3 등과 같은 용융염이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되지 않으며 다른 임의의 PCM 또는 CHP(Chemical Heat Pump), 심지어는 콘크리트 등과 같은 고체 축열재료도 채용될 수 있다.
잠열부(130)는 발열원(1)으로부터 전달되는 복사열을 흡수하여, 그 안에 수용되어 있는 열저장물질(101)에 현열로 저장하게 된다. 이러한 잠열부(130)는 열손실을 최소화하기 위하여 모든 측방향 표면은 단열처리를 하고, 높이방향으로 위치한 표면은 복사열의 흡수를 최대화하면서 열저장물질(101)로 혹은 열저장물질(101)로부터의 열전달 속도를 빠르게 하기 위하여 복사에 대한 흡수율이 우수하고 열전도성이 높은 예컨대 금속 소재로 만들어지거나 코팅되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치는, 선택적으로 잠열부(130)의 일면, 바람직하기로는 상부면에 흡열판(150)을 추가로 포함할 수 있다. 이 흡열판(150)은 열전도성이 높은 소재로 만들어져, 잠열부(130)로부터의 전도열을 열전 발전 모듈(100)의 열전 소자부(110)의 고온 측으로 전달하도록 되어 있다.
열전 발전 모듈(100)은 고온부(120)와 저온부(140)에 온도차를 발생시키고 열전 소자부(110)를 사용하여 발전하기 위한 것으로, 고온부(120)에 수용되거나 유입되는 열저장물질 또는 작동유체의 온도가 저온부(140)에 유입되는 냉매(141)의 온도보다 상대적으로 높은 온도를 형성하는 것을 의미한다.
즉, 열교환물질이 고온부(120) 또는 저온부(140)로 유입될 때, 고온부(120)의 온도는 저온부(140)의 온도보다 상대적으로 높은 온도를 유지한다. 또, 이러한 고온 및 저온의 의미는 전술한 것과 같이 상대적인 온도를 의미하는 것으로, 특정한 온도 영역을 나타내는 것은 아니다.
고온부(120) 및 저온부(140)의 사이에는 이들 고온부(120) 및 저온부(140)와 접촉하는 열전 소자부(110)가 구비된다. 열전 소자부(110)는 회로기판(111)에 열전 소자(112)가 실장되고서 이 열전 소자(112)가 회로기판(111)에 형성된 회로와 연결된다. 복수의 열전 소자(112)가 회로기판(111) 또는 그 중심부를 기준으로 대칭인 형상으로 구비될 수 있다.
그리고, 열전 소자(112)의 일측은 고온의 열저장물질(101)이 수용된 고온부(120)와 접촉되고, 타측은 저온의 냉매(141)가 유출입하는 저온부(140)와 접촉되게 된다. 이에 따라 열전 소자(112)의 양측은 각각 고온 및 저온 상태를 유지하여 온도차가 발생하고, 이로 인해 열전 소자(112)에서 기전력이 발생하게 된다.
이때, 열전 소자(112)의 양측면에서 온도차가 극대화되도록 열전 소자부(110)는 고온부(120) 및 저온부(140)에 밀착되는 것이 바람직하다. 고온부(120) 또는 저온부(140)는 그 내부가 중공이거나 유로를 형성하고 있는 대략 판 형상으로 마련되는 한편, 열전 소자부(110) 또한 회로기판(111)에 의해 판 형상으로 구비됨으로써, 서로 밀착되게 구성될 수 있다.
고온부(120)는 열저장물질(101)을 수용하고 있는 용기(122)를 포함하고 있다. 용기(122)는 열손실을 최소화하기 위하여 모든 측방향 표면은 단열처리를 하고, 높이방향으로 위치한 표면은 열저장물질(101)로부터의 열전달 속도를 빠르게 하기 위하여 열전도성이 높은 예컨대 금속 소재로 만들어지거나 코팅되는 것이 바람직하다.
저온부(140)의 내부에는 냉매(141)가 유출입하여 흐를 수 있다. 이러한 냉매로는 물이 좋지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 저온의 액상 또는 기상의 물질이 통과되게 하여도 된다. 저온부(140) 또한 전도를 통해 열전 소자부(110)로 냉열을 전달하게 된다.
본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치에서, 열전달부로서는 히트파이프(200)가 채용된다. 이 히트파이프(200)는 열전 발전 모듈(100)의 고온부(120)와 저온부(140) 사이에 온도차가 형성되도록, 잠열부(130) 및 고온부(120)와 열적으로 결합되어 고온부(120)에다 열을 전달하게 된다.
잠열부(130) 내에 히트파이프(200)의 흡열부(210)가 삽입되는 한편, 고온부(120) 내에 히트파이프(200)의 방열부(220)가 삽입되게 된다. 이에 따라, 열전 발전 모듈(100)의 고온부(120)는 저온부(140)에 대하여 발전에 필요한 온도차를 유지할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 히트파이프(200)는 내부 공간이 진공 상태로 유지되는 튜브 형태의 몸체(201); 이 몸체(201) 내에 수용된 작동유체(202); 및 몸체(201)의 내주면을 따라 배열된 다공체(203)를 포함하고 있다.
몸체(201) 중 일측 단부는 흡열부(210)를 형성하고 타측 단부는 방열부(220)를 형성한다. 흡열부(210)와 방열부(220)는 열전도도가 높은 구리, 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어진다. 흡열부(210)와 방열부(220) 사이의 중간부는 열손실을 최소화하기 위하여 단열재로 구성된 단열부(230)가 형성된다.
내부가 진공상태로 유지되는 몸체(201) 내에 작동유체(202)가 밀봉된 채로 수용되며, 몸체(201) 내에서 온도구배가 존재하는 경우에 작동유체(202)는 흡열부(210)에서 증발되고, 그 증발된 기체의 잠열은 상당히 크기 때문에 작은 온도차이에도 기상의 작동유체(202)는 매우 신속히 이동하여 응축하게 된다. 방열부(220)에서 응축됨과 동시에 잠열을 방출하고 액화된 작동유체(202)는 모세관 원리가 작용하는 다공체(203)를 통해 흡열부(210)로 복귀된다.
이러한 작용이 반복적으로 진행되면서, 히트파이프(200)에 의한 열전달을 통해 열전 발전 모듈(100)의 고온부(120)가 고온으로 유지될 수 있게 된다. 작동유체(202)는 20 ~ 400℃의 온도 범위에서 동작하게 되며, 몸체(201)의 내부는 10-4torr 정도의 진공상태가 바람직하다.
히트파이프(200)는 추가로 몸체(201)의 양측 단부, 즉 흡열부와 방열부에서 열을 원활히 흡수하거나 방출할 수 있도록 그 표면적을 증대시키는 복수의 핀(Fin)부재(204)가 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 히트파이프(200)의 방열부(220)가 열전 발전 모듈(100)의 고온부(120) 내에 삽입되게 된다. 고온부(120) 내의 열저장물질(101)은 방열부(220)로부터 전달되는 열을 흡수하고 나서, 전도를 통해 열전 소자부(110)로 열을 전달하게 된다.
이러한 히트파이프(200)는 시스템이 간단하고, 빠른 열 이송 속도(응답성)를 가지며, 작동유체(202)를 위한 별도의 구동부가 필요 없기 때문에, 본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치의 고온부 형성에 적합한 수단이다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치는 열전 발전 모듈(100)의 고온부(120)와 저온부(140) 및 열전 소자부(110)가 복수개로 마련되어 연속적으로 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치는, 잠열부(130), 열전 소자부(110), 저온부(140), 열전 소자부(110) 고온부(120), 열전 소자부(110), 및 저온부(140)를 구비하고, 이들이 적층될 수 있다. 이와 같이, 열전 발전 모듈을 다층화함으로써, 면 발전 개념을 넘어선 체적 발전 개념을 도입할 수 있게 되고, 이에 발전 용량을 대폭 증대시킬 수 있게 되는 것이다.
더구나, 히트파이프(200)가 하나 더 추가된다면, 해당 히트파이프와 연결된 고온부(120)의 상하 양측으로 각각 열전 소자부(110)가 추가될 수 있어, 발전 출력과 효율이 더욱 향상될 수 있다.
도 2에는 한 쌍의 히트파이프(200)를 가진 적층형 열전 발전 장치가 예시되어 있지만, 반드시 이러한 예에 한정되지 않으며, 2 이상의 히트파이프가 설치될 수 있으며, 이에 따라 더 많은 수의 열전 발전 모듈이 적층될 수 있음은 당연하다 할 것이다.
도시되지 않았지만, 본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치는 적층된 열전 발전 모듈의 적층상태를 유지하고 히트파이프가 움직임 없이 설치될 수 있게 하는 별도의 프레임 또는 브라켓을 더 포함할 수 있다. 적층된 열전 발전 모듈의 각 구성요소가 프레임 또는 브라켓에 접합 연결되거나 체결 고정될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 적층형 열전 발전 장치의 작동에 대해 설명하기로 한다.
예를 들어 연속 주조 공정에서 생산된 약 900 ~ 1000℃의 온도를 가지고 롤러 테이블 위를 지나가는 슬라브가 발열원(1)으로 적용될 수 있다. 측면은 단열되고서 하부면은 열전도성이 높은 소재로 만들어진 잠열부(130)를 통하여, 발열원(1)으로부터 복사열을 흡수한 후 그 열이 열저장물질(101)에 저장된다.
이 저장된 열은 히트파이프(200)의 흡열부(210)를 가열하여 흡열부(210)의 내부에 채워진 액상의 작동유체(202)가 에너지를 받아 기상(잠열)으로 된다. 기상의 작동유체(202)가 단열부(230)를 거쳐 해당 히트파이프(200)의 방열부(220)로 이동된다. 작동유체(202)는 히트파이프(200)의 방열부(220)에서 응축되고, 다공체(203)를 통하여 모세관 현상에 의해 다시 흡열부(210)로 돌아가는 과정을 거친다.
열전 발전 모듈(100)의 고온부(120)에 위치한, 즉 용기(122) 내에 수용된 열저장물질(101)은 히트파이프(200)의 방열부(220)에서 열을 흡수한 뒤 열전 소자부(110)로 전도에 의해 열을 전달하게 된다. 이러한 방법으로 고온의 복사열을 흡수하여 여러 층으로 적층된 열전 발전 모듈의 고온부를 형성하게 된다.
열전 발전 모듈(100)의 저온부(140)는 예를 들어 상온의 냉각수를 냉매(141)로 받아들임으로써, 각 열전 소자부(110)에 대하여 고온부(120) 및 저온부(140)를 형성하게 되고, 이에 따라 열전 소자(112)가 전기적 출력을 발생하게 되는 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 발열원 100: 열전 발전 모듈
110: 열전 소자부 120: 고온부
130: 잠열부 140: 저온부
150: 흡열판 200: 히트파이프
210: 흡열부 220: 방열부
230: 단열부

Claims (10)

  1. 발열원으로부터 이격되어 열을 흡수하고, 열저장물질을 수용하는 잠열부;
    고온부와 저온부의 온도차를 이용하여 열전 소자부에서 기전력을 발생시키는 열전 발전 모듈; 및
    상기 잠열부와 상기 고온부 사이에 연결되어, 상기 잠열부로부터의 열을 상기 고온부로 전달하는 열전달부
    를 포함하는 열전 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 잠열부는 측방향 표면은 단열처리를 하고, 높이방향의 표면은 열전도성이 있는 소재로 만들어지거나 코팅되는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 잠열부의 일면에 흡열판을 추가로 포함하고,
    상기 흡열판은 상기 잠열부로부터의 전도열을 상기 열전 발전 모듈의 열전 소자부로 전달하는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고온부는 열저장물질을 수용하고 있는 용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 용기는 측방향 표면은 단열처리를 하고, 높이방향의 표면은 열전도성이 있는 소재로 만들어지거나 코팅되는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부는, 작동유체가 수용되어 있고, 상기 잠열부로부터 흡열하도록 상기 잠열부 내에 위치된 흡열부와, 상기 고온부에서 방열하도록 상기 고온부 내에 위치한 방열부를 포함하는 히트파이프인 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 흡열부와 상기 방열부 사이의 중간부는 단열재로 된 단열부를 형성하는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 히트파이프는 상기 흡열부와 상기 방열부에 복수의 핀(Fin)부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열전 발전 모듈의 고온부, 저온부, 또는 열전 소자부 및 상기 열전달부가 복수개로 마련되고,
    상기 잠열부 상에 상기 열전 발전 모듈의 고온부, 저온부, 또는 열전 소자부가 연속적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    적층된 상기 열전 발전 모듈의 적층상태를 유지하기 위한 프레임 또는 브라켓을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전 장치.
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