KR20160144852A - 열전 변환 모듈 및 이를 이용한 폐열수 냉각 시스템 - Google Patents

열전 변환 모듈 및 이를 이용한 폐열수 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

열전 변환 모듈 및 이를 이용한 폐열수 냉각 시스템에 관한 기술이 개시된다.
본 발명에 따른 열전 변환 모듈은, 일 면으로 열을 흡수하고 타 면으로 열을 방출하여 전력을 발생시키는 열전소자부; 상기 열전소자부의 상기 일 면과 연접되며, 외부에서 유입되는 폐열수를 통과시켜 상기 폐열수의 열이 상기 열전소자부의 상기 일 면으로 흡수되도록 하는 폐열수 냉각용 채널부; 및 일 단부가 상기 열전소자부의 상기 타 면과 연접되고 타 단부가 상기 열전소자부의 일 측으로 돌출되며, 소정 냉매가 접촉하는 경우 상기 열전소자부의 상기 타 면에서 방출되는 열을 상기 냉매에 전달하는 블레이드부를 포함하여, 태양광 발전 시설 등에서 배출되는 폐열수의 냉각 시 소비되는 에너지를 최소화하고 폐열을 이용하여 전력을 생산한다.

Description

열전 변환 모듈 및 이를 이용한 폐열수 냉각 시스템 {Thermoelectric conversion module and system for cooling waste heat water using thereof}
본 발명은 열전 변환 모듈 및 이를 이용한 폐열수 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 태양광 발전 시설 등에서 배출되는 폐열수의 냉각 시 소비되는 에너지를 최소화하고 폐열을 이용하여 전력을 생산하는 열전 변환 모듈 및 이를 이용한 냉매 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 대규모 태양광 발전 시설에서는 넓은 면적에 걸쳐 설치된 다수의 태양전지 패널을 이용하여 전력을 생산한다. 이러한 태양전지 패널은 다수의 태양전지(solar cell)를 통해 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전 변환 장치에 해당하는 것이다. 최근, 화석 연료의 한정성 문제와 환경오염 문제 등이 심각한 수준에 이르게 되면서 태양전지 패널을 이용한 광전 발전 기술에 대한 관심과 연구·개발이 급격히 증가하고 있는 추세이다.
이러한 태양전지 패널에 사용되는 태양전지는, 태양광 에너지 중 일부만을 전기 에너지로 변환할 수 있으며, 전기 에너지로 변환되지 못한 태양광 에너지는 열 에너지로 변환되어 태양전지의 온도를 상승시키게 된다. 이와 같이, 태양전지의 온도가 상승하게 되어 적정 동작 온도를 넘어가게 되면, 태양전지의 열화가 진행되어 태양전지의 발전 효율이 점차적으로 저하된다. 즉, 태양전지의 온도가 적정 동작 온도에서 1℃ 상승할 때마다 태양전지의 발전 효율은 0.45% ~ 0.55% 정도씩 저하된다. 이러한 현상은 일사량이 많은 하절기에 오히려 태양전지의 발전 효율을 떨어뜨리는 문제를 초래하게 된다. 따라서, 태양전지를 효율적으로 냉각시켜 적정한 동작 온도를 유지시킬 필요가 있다.
그러나, 한국 등록특허공보 제10-1083475호, 일본 공개특허공보 제2009-105364호 등에 개시된 바와 같이, 태양전지 패널의 후면에 배치된 냉각 채널에 냉매를 통과시켜 태양전지 패널을 냉각시키는 기존 기술들은, 태양전지 패널의 냉각 후 배출되는 폐열수의 폐열을 전혀 활용하지 못하고 오히려 에너지를 소비하여 냉각시키기 때문에, 태양광 발전 시설의 발전 효율을 개선할 수 없다는 문제가 있다. 특히, 폐열수를 단순히 방열시켜 냉각시키는 방식은, 냉각 효율이 떨어지며 다량의 폐열수가 발생하는 대규모 태양광 발전 시설에 적용하기 곤란하다는 문제가 있다
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 태양광 발전 시설 등에서 배출되는 폐열수의 냉각 시 소비되는 에너지를 최소화하고 폐열을 이용하여 전력을 생산하는 열전 변환 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 폐열수 냉각 시 소비되는 에너지를 최소화하고 폐열을 이용하여 전력을 생산함은 물론, 대규모 태양광 발전 시설에 적용될 수 있는 폐열수 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 열전 변환 모듈은, 일 면으로 열을 흡수하고 타 면으로 열을 방출하여 전력을 발생시키는 열전소자부; 상기 열전소자부의 상기 일 면과 연접되며, 외부에서 유입되는 폐열수를 통과시켜 상기 폐열수의 열이 상기 열전소자부의 상기 일 면으로 흡수되도록 하는 폐열수 냉각용 채널부; 및 일 단부가 상기 열전소자부의 상기 타 면과 연접되고 타 단부가 상기 열전소자부의 일 측으로 돌출되며, 소정 냉매가 접촉하는 경우 상기 열전소자부의 상기 타 면에서 방출되는 열을 상기 냉매에 전달하는 블레이드부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 열전 변환 모듈은, 상기 폐열수 냉각용 채널부에 폐열수가 유입되도록 하는 폐열수 유입관; 및 상기 폐열수 냉각용 채널부에서 폐열수가 유출되도록 하는 폐열수 유출관을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 블레이드부는, 분무 또는 살포된 소정 냉매 입자를 통과시키는 관통 홀을 포함할 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 폐열수 냉각 시스템은, 일 면으로 열을 흡수하고 타 면으로 열을 방출하여 전력을 발생시키는 열전소자부, 상기 열전소자부의 상기 일 면과 연접되며 외부에서 유입되는 폐열수를 통과시켜 상기 폐열수의 열이 상기 열전소자부의 상기 일 면으로 흡수되도록 하는 폐열수 냉각용 채널부, 및 일 단부가 상기 열전소자부의 상기 타 면과 연접되고 타 단부가 상기 열전소자부의 일 측으로 돌출되며 소정 냉매가 접촉하는 경우 상기 열전소자부의 상기 타 면에서 방출되는 열을 상기 냉매에 전달하는 블레이드부를 포함하는 열전 변환 모듈; 내부 중공을 가지며, 상기 열전 변환 모듈이 설치되어 적어도 상기 열전 변환 모듈의 돌출된 블레이드부 부분이 상기 내부 중공에 위치하는 하우징부; 및 상기 하우징부의 내부 중공에서 상기 열전 변환 모듈의 돌출된 블레이드부 부분에 냉매를 살포하는 냉매 살포부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 폐열수 냉각 시스템은, 상기 열전 변환 모듈을 복수로 포함하며, 상기 복수의 열전 변환 모듈은, 첫 번째 열전 변환 모듈의 폐열수 냉각용 채널부로 유입된 폐열수가 마지막 열전 변환 모듈의 폐열수 냉각용 채널부에서 유출되도록 직렬 연결되어 상기 하우징부에 설치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 열전 변환 모듈은, 상기 하우징부의 상부에서 하부 방향으로 나선형으로 내려가며 상기 하우징부에 설치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 열전 변환 모듈은, 상기 하우징부의 외주면에 설치되며 상기 돌출된 블레이드 부분들이 상기 하우징부의 내부 중공으로 삽입될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 열전 변환 모듈은, 상기 하우징부의 내부 중공에 설치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 내부 중공의 하단부에 상기 냉매 살포부에 의해 살포된 냉매가 집수되는 집수부를 포함하고, 상기 폐열수 냉각 시스템은, 상기 하우징부의 내부 중공에서 상기 집수부 상부에 설치되어 상기 하우징부의 내부 중공 상부로 기류를 발생시키는 송풍팬부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 하우징부는, 상기 집수부에 집수되는 냉매를 외부로 배출하는 냉매 배출구를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양광 발전 시설에서 태양전지 패널 냉각 후 배출되는 폐열수를 열전 변환 모듈과의 열교환을 통해 냉각시킴으로써, 폐열수 냉각 시 소비되는 에너지를 최소화함은 물론, 폐열수의 폐열로부터 추가 전력을 생산하여 태양광 발전 시설의 발전 효율을 개선할 수 있다.
또한, 열전 변환 모듈의 열전소자 냉각을 위해 블레이드 구조를 적용하여 방열과 냉매에 의한 냉각을 동시에 수행함으로써, 열전소자 냉각 효율 및 열전 변환 모듈의 발전 효율을 개선할 수 있다.
또한, 단위 모듈에 해당하는 열전 변환 모듈을 적용 환경에 따라 적절한 수로 연결하여 폐열수를 냉각시킴으로써, 다양한 환경에 적용될 수 있으며, 특히 다량의 폐열수가 배출되는 대규모 태양광 발전 시설에 적용될 수 있다.
나아가, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명에 따른 다양한 실시예들이 상기 언급되지 않은 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음을 이하의 설명으로부터 자명하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 패널 냉각 시스템을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 패널 냉각 시스템의 구체적 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 변환 모듈을 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 열전소자부를 나타낸 도면.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열수 냉각 시스템을 나타낸 단면도.
도 5b는 도 5a의 A-A′방향으로 바라본 단면도.
도 6a는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 폐열수 냉각 시스템을 나타낸 단면도.
도 6b는 도 6a의 B-B′방향으로 바라본 단면도.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 관한 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우 그에 관한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 패널 냉각 시스템이 블록도로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 태양전지 패널 냉각 시스템(100)은 냉매 공급부(120), 유로 변경부(130), 및 열전 변환 냉각부(140)를 포함할 수 있다.
냉매 공급부(120)는, 태양전지 패널의 냉각 채널(110)에 냉매를 공급한다. 냉매 공급부(120)에 의해 공급된 냉매는 태양전지 패널의 냉각 채널(110) 내부에서 태양전지 패널의 열을 흡수하여 폐열수로 유출된다.
유로 변경부(130)는, 태양전지 패널의 냉각 채널(110)에서 승온되어 유출되는 폐열수의 온도가 기준 온도 미만인 경우, 폐열수를 다시 냉매 공급부(120)로 전달한다. 반면, 폐열수의 온도가 기준 온도 이상인 경우, 유로 변경부(130)는 폐열수를 열전 변환 냉각부(140)로 전달한다.
열전 변환 냉각부(140)는, 유로 변경부(130)에서 전달되는 폐열수를 열전소자(thermoelectric element)와의 열교환을 통해 냉각시킨다. 아래에서 다시 설명하겠지만, 열전 변환 냉각부(140)는 본 발명에 따른 열전 변환 모듈을 이용한 폐열수 냉각 시스템으로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지 패널 냉각 시스템(100)은, 방열 냉각부(150)를 더 포함할 수 있다. 방열 냉각부(150)는 열전 변환 냉각부(140)의 열전소자를 냉각시킨 소정 냉매를 방열 구조체를 통해 냉각시켜 다시 열전 변환 냉각부(140)로 전달한다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지 패널 냉각 시스템(100)은, 전력 처리부(160)를 더 포함할 수 있다. 전력 처리부(160)는, 열전 변환 냉각부(140)에서 폐열수가 열전소자와의 열교환을 통해 냉각되는 동안, 열전소자에서 발생하는 전력을 처리한다. 예컨대, 전력 처리부(160)는 열전 변환 냉각부(140)의 열전소자에서 발생하는 직류 전력을 DC-DC 컨버터를 통해 승압하고, 승압된 전력을 DC-AC 인버터를 통해 교류 전력으로 변환하여 외부로 송전할 수 있다. 또한, 전력 처리부(160)는 열전소자에서 발생하는 전력을 이차전지(secondary battery)를 이용하여 에너지를 저장하는 ESS(Energy Storage System)에 저장할 수도 있다. 전력 처리부(160)는, 태양전지 패널에서 발생하는 전력을 함께 처리할 수도 있다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 패널 냉각 시스템의 구체적 구성이 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 태양전지 패널(10)의 전면에는 다수의 태양전지가 배치되며, 태양전지 패널(10)의 후면에는 냉각 채널(110)이 배치된다. 태양전지 패널(10)의 전면에 배치되는 태양전지들은 광전효과(photoelectric effect)를 이용하여 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 또한, 태양전지 패널(10)의 후면에 배치되는 냉각 채널(110)은 열 전도성 소재로 구성되는 냉매 이송관에 해당하는 것으로서, 내부 통로를 통과하는 냉매와의 열교환을 통해 태양전지 패널(10)을 냉각시킨다. 태양전지 패널(10) 냉각을 위한 냉매로는 대표적으로 냉각수가 사용될 수 있으며, 적용 환경에 따라 다양한 유체들 또는 이들의 조합물들이 사용될 수 있다.
냉매 공급부(120)는 태양전지 패널(10)을 냉각시키기 위해 냉각 채널(110)에 냉매를 공급한다. 냉매 공급부(120)에 의해 공급된 냉매는, 냉각 채널(110)의 유입구(112)를 통해 유입되어 냉각 채널(110) 내부에서 태양전지 패널(10)의 열을 흡수한 후, 폐열수가 되어 냉각 채널(110)의 유출구(114)로 유출된다. 태양전지 패널(10)의 냉각 채널(110)에서 승온되어 유출되는 폐열수의 온도가 기준 온도 미만인 경우, 예컨대 50℃ 미만인 경우 유로 변경부(130)는 폐열수를 다시 냉매 공급부(120)로 전달한다. 이 경우, 냉매 공급부(120)는 유로 변경부(130)로부터 전달되는 폐열수를 태양전지 패널의 냉각 채널(110)에 냉매로서 공급한다. 반면, 폐열수의 온도가 기준 온도 이상인 경우, 예컨대 50℃ 이상인 경우 유로 변경부(130)는 폐열수를 열전 변환 냉각부(140)로 전달한다. 이 경우, 냉매 공급부(120)는, 열전 변환 냉각부(140)에서 냉각되어 냉매 공급부(120)로 전달되는 냉매, 예컨대 20℃ 정도로 냉각된 저온 폐열수를 태양전지 패널의 냉각 채널(110)에 냉매로서 공급한다.
이를 위해, 냉매 공급부(120)는, 제1 밸브부(122) 및 제1 순환 펌프부(124)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 밸브부(122)는, 유로 변경부(130)에서 전달되는 50℃ 미만의 폐열수 또는 열전변환 냉각부(140)에서 전달되는 20℃ 정도의 저온 폐열수를 냉매로서 태양전지 패널(10)의 냉각 채널(110) 측으로 전달한다. 제1 순환 펌프부(124)는, 제1 밸브부(122)에 의해 전달되는 냉매를 태양전지 패널(10)의 냉각 채널(110)로 유입시킨다.
또한, 유로 변경부(130)는, 온도 센서부(132) 및 제2 밸브부(134)를 포함할 수 있다. 이 경우, 온도 센서부(132) 태양전지 패널(10)의 냉각 채널(110)에서 유출되는 폐열수의 온도를 측정한다. 온도 센서부(132)에 의해 측정되는 측정 온도가 기준 온도 미만인 경우, 제2 밸브부(134)는 폐열수를 냉매 공급부(120)의 제1 밸브부(122)로 전달한다. 반면, 온도 센서부(132)에 의해 측정되는 측정 온도가 기준 온도 이상인 경우, 제2 밸브부(134)는 폐열수를 열전 변환 냉각부(140)로 전달한다.
열전 변환 냉각부(140)는, 본 발명에 따른 열전 변환 모듈을 이용하여 유로 변경부(130)에서 전달되는 폐열수를 냉각시킨다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 변환 모듈이 사시도로 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열전 변환 모듈(300)은 열전소자부(310), 폐열수 냉각용 채널부(320), 및 블레이드부(330)를 포함한다. 열전소자부(142)는, 일 면으로 열을 흡수하고 타 면으로 열을 방출하여 전력을 발생시킨다.
폐열수 냉각용 채널부(144)는, 열전소자부(142)의 열 흡수면과 연접되며, 유로 변경부(130)에서 전달되는 폐열수를 통과시켜, 폐열수의 열이 열전소자부(142)의 열 흡수면으로 흡수되도록 한다.
블레이드부(330)는, 일 단부가 열전소자부(310)의 열 방출면과 연접되고 타 단부가 열전소자부(310)의 일 측으로 돌출되며, 소정 냉매가 접촉하는 경우 열전소자부(310)의 열 방출면에서 방출되는 열을 냉매에 전달한다. 이 경우, 소정 냉매가 블레이드부(330)에 분무되거나 살포되며, 블레이드부(330)는 냉매 입자들이 블레이드부(330) 표면에 접촉하는 경우 열전소자부(142)의 열 방출면에서 방출되는 열을 공기 중으로 방열시킴과 동시에 그 표면에 접촉된 냉매 입자들에게 전달한다. 열을 전달받은 냉매 입자들은 기화되어 다시 포집 및 냉각되는 과정에서 전달받은 열을 외부로 방출하게 된다. 또한, 블레이드부(146b)은 분무 또는 살포된 소정 냉매 입자를 통과시키는 관통 홀(332)을 포함할 수 있다. 이러한 관통 홀(332)은 블레이드부(330)의 방열과 분무 또는 살포된 냉매 입자들의 이동을 용이하게 하는 것이다. 관통 홀(332)의 형태, 크기, 개수 등은 적용 환경에 따라 다양하게 변형될 수 있음은 물론이다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 열전소자부가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 열전소자부(142)는 상부의 열 흡수면으로 열을 흡수하여 하부의 열 방출면으로 열을 방출하는 동안 소위 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용하여 전기 에너지를 생성한다. 이 경우, 열전소자부(142)는 컬럼형(column type) 열전소자 어레이 구조로 구성될 수 있다. 예컨대, 열전소자부(142)는 열 흡수부(410), 레그부(420, 422), 및 열 방출부(430)를 포함할 수 있다. 열 흡수부(410)는 외부 열원, 즉 냉매 냉각용 채널부(144)를 통과하는 고온 냉매의 열을 흡수한다. 레그부(420, 422)는 n형 레그(420)와 p형 레그(422)를 포함하며, 열 흡수부(410)를 통해 흡수되는 열을 열 방출부(430)로 전달한다. 이 과정에서 n형 레그(420)의 전자들과 p형 레그(422)의 홀들이 열 방출부(430) 측으로 이동하게 되며, 그 결과 전류가 열 방출부(430)에서 n형 레그(420), 열 흡수부(410), 및 p형 레그(422)를 거쳐 p형 레그(422)와 연결되는 다음 열 방출부 측으로 흐르게 된다. 열전소자부(142)는 외부 회로와 전기적으로 연결되는 두 단자(440, 442)를 통해 전류를 유출입 시킬 수 있게 된다. 열 방출부(430)는 레그부(420, 422)로부터 전달되는 열을 외부로 방출한다. 또한, 열전소자부(142)는 상부 기판(450) 및 하부 기판(452)을 더 포함할 수 있다. 즉, 상부 기판(450)은 열전소자부(142)의 열 흡수면을 구성하는 것으로서, 그 상부면에 연접되어 있는 폐열수 냉각용 채널부(144)에서 전달되는 열을 하부면에 배치된 다수의 열 흡수부(410)로 전달한다. 또한, 하부 기판(452)은 열전소자부(142)의 열 방출면을 구성하는 것으로서, 그 상부면에 배치된 다수의 열 방출부(430)에서 방출되는 열을 하부면에 연접하고 있는 블레이드부(330)로 전달한다.
한편, 열전 변환 모듈(300), 폐열수 냉각용 채널부(320)에 폐열수가 유입되도록 하는 폐열수 유입관(322), 및 폐열수 냉각용 채널부(320)에서 폐열수가 유출되도록 하는 폐열수 유출관(324)을 더 포함할 수 있다. 폐열수 유입관(322) 또는 폐열수 유출관(324)은 복수의 열전 변환 모듈(300)을 연결하는 연결 통로 역할을 할 수 있다. 예컨대, 열전 변환 모듈(300)의 폐열수 유출관(324)은 그 다음 연결되는 열전 변환 모듈(300)의 폐열수 유입관(322)이 될 수 있다.
또한, 앞서 언급한 바와 같이, 태양전지 패널 냉각 시스템(100)의 열전 변환 냉각부(140)는, 열전 변환 모듈(300)을 이용한 폐열수 냉각 시스템으로 구성될 수 있다.
도 5a에는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐열수 냉각 시스템이 단면도로 도시되어 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 폐열수 냉각 시스템(500)은 열전 변환 모듈(300), 하우징부(510), 및 냉매 살포부(532)를 포함한다. 열전 변환 모듈(300)의 구성 및 기능은 상술한 바와 같다.
하우징부(510)는, 내부 중공(511)을 가지며, 열전 변환 모듈(300)이 설치되어 적어도 열전 변환 모듈(300)의 돌출된 블레이드부(330) 부분이 그 내부 중공(511)에 위치하게 된다. 이 경우, 폐열수 냉각 시스템(500)은, 상술한 열전 변환 모듈(300)을 복수로 포함할 수 있으며, 복수의 열전 변환 모듈(300)은, 첫 번째 열전 변환 모듈(300)의 폐열수 냉각용 채널부(320)로 유입된 폐열수가 마지막 열전 변환 모듈(300)의 폐열수 냉각용 채널부(320)에서 유출되도록 직렬 연결되어 하우징부(510)에 설치될 수 있다. 이때, 열전 변환 모듈들(300)의 열전소자부들(310)은 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 복수의 열전 변환 모듈(300)은, 하우징부(510)의 상부에서 하부 방향으로 나선형으로 내려가며 하우징부(510)에 설치될 수 있다.
도 5b에는 도 5a의 A-A′방향으로 바라본 단면도가 도시되어 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 복수의 열전 변환 모듈(300)은, 하우징부(510)의 벽면을 따라 상부에서 하부 방향으로 나선형을 이루며 내려가도록 설치될 수 있다. 이 경우, 복수의 열전 변환 모듈(300)은, 하우징부(510)의 외주면에 설치되고 블레이드부(330) 부분들만 하우징부(510)의 내부 중공(511)으로 삽입될 수 있다.
냉매 살포부(532)는, 하우징부(510)의 내부 중공(511)에서 열전 변환 모듈(300)의 돌출된 블레이드부(330) 부분에 냉매를 살포하여 열전 변환 모듈(300)의 블레이드부(330)를 냉각시키고, 그 결과 열전 변환 모듈(300)의 열전소자부(310)의 열 방출면을 냉각시키게 된다. 이러한 냉매 살포부(532)는, 도 5a에서 단수로 설치되어 있으나 하우징부(510)에 설치되는 열전 변환 모듈(300)의 개수, 적용 환경 등에 따라 높이나 위치를 달리하여 복수로 설치될 수 있다. 또한, 폐열수 냉각 시스템(500)은 밸브부(530)를 더 포함할 수 있다. 즉, 밸브부(530)는, 폐열수가 기준 온도 이상이 되어 폐열수 냉각 시스템(500)으로 전달되는 경우에만 냉매 살포부(532)에 냉매를 공급하도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 폐열수 냉각 시스템(500)의 최상단 첫 번째 열전 변환 모듈(300)의 폐열수 냉각용 채널부(320)로 유입된 50℃ 이상의 고온 폐열수는, 중력의 도움을 받아 복수의 폐열수 냉각용 채널부(320)를 거쳐 최하단 마지막 열전 변환 모듈(300)의 폐열수 냉각용 채널부(320)로 유출된다. 이때, 폐열수 냉각 시스템(500)에서 유출되는 폐열수는 20℃ 정도로 냉각될 수 있다.
한편, 하우징부(510)는, 내부 중공(511)의 하단부에 냉매 살포부(532)에 의해 살포된 냉매가 집수되는 집수부(512)를 포함할 수 있다. 또한, 폐열수 냉각 시스템(500)은, 하우징부(510)의 내부 중공(511)에서 집수부(512) 상부에 설치되는 송풍팬부(520)를 더 포함할 수 있다. 송풍팬부(520)는, 하우징부(510)의 내부 중공(511) 상부로 기류를 발생시켜 냉매 살포부(532)에 의해 살포된 냉매 입자 또는 집수부(512)에 집수된 냉매를 상부로 살포할 수 있다. 이 경우, 하우징부(510)는 송풍팬부(520)의 동작을 원활히 하기 위해 송풍구들(514, 516)을 더 포함할 수 있다. 또한, 하우징부(510)는 집수부(512)에 집수되는 냉매를 외부로 배출하는 냉매 배출구(513)를 더 포함할 수 있다. 냉매 배출구(513)는, 집수부(512)에 집수되는 냉매의 양이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
도 6a에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 폐열수 냉각 시스템이 단면도로 도시되어 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 폐열수 냉각 시스템(600)은 열전 변환 모듈(300), 내부 중공(611)을 가지는 하우징부(610), 및 냉매 살포부(632)를 포함할 수 있으며, 송풍팬부(620) 및 밸브부(630)를 더 포함할 수 있다. 또한, 하우징부(610)는 집수부(612), 냉매 배출구(613), 및 송풍구들(614, 616)를 포함할 수 있다. 이러한, 열전 변환 모듈(300), 하우징부(610), 냉매 살포부(632), 송풍팬부(620), 밸브부(630) 등의 기본적인 구조 및 기능은 도 5a에 도시된 대응 구성들과 동일하게 설명될 수 있다. 따라서, 폐열수 냉각 시스템(600)은, 상술한 열전 변환 모듈(300)을 복수로 포함할 수 있으며, 복수의 열전 변환 모듈(300)은, 첫 번째 열전 변환 모듈(300)의 폐열수 냉각용 채널부(320)로 유입된 폐열수가 마지막 열전 변환 모듈(300)의 폐열수 냉각용 채널부(320)에서 유출되도록 직렬 연결되어 하우징부(610)에 설치될 수 있다. 이때, 열전 변환 모듈들(300)의 열전소자부들(310)은 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한, 복수의 열전 변환 모듈(300)은, 하우징부(610)의 상부에서 하부 방향으로 나선형으로 내려가며 하우징부(610)에 설치될 수 있다. 다만 이 경우, 복수의 열전 변환 모듈(300)은, 하우징부(610)의 내부 중공(611)에 설치될 수 있다.
도 6b에는 도 6a의 B-B′방향으로 바라본 단면도가 도시되어 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 복수의 열전 변환 모듈(300)은, 하우징부(610)의 벽면을 따라 상부에서 하부 방향으로 나선형을 이루며 내려가도록 설치될 수 있다. 이 경우, 복수의 열전 변환 모듈(300)은, 하우징부(610)의 내주면에 설치되어 블레이드부(330) 부분들이 내부 중심 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 이와 같이 폐열수 냉각 시스템(600)이 구성되는 경우, 하우징부(610) 내부 중공(611)에 살포되는 냉매에 의해 열전 변환 모듈(300)의 블레이드부(330)는 물론 폐열수 냉각용 채널부(320)까지 냉각될 수 있으므로, 열전소자부(310)의 열 흡수면과 열 방출면 간의 온도 차가 감소하고 열전 변환 모듈(300)의 발전 효율이 떨어질 수 있는 반면, 폐열수 냉각 시스템(500)의 폐열수 냉각 기능을 더욱 강화시킬 수 있다. 또한, 이와 같은 구성에서 열전 변환 모듈(300)의 폐열수 냉각용 채널부(320)는, 그 노출면에 단열층을 포함하여 열전 변환 모듈(300)의 발전 효율을 유지 또는 개선할 수 있다.
한편, 도 2에 있어서 태양전지 패널 냉각 시스템(100)은, 방열 냉각부(150)를 더 포함할 수 있다. 방열 냉각부(150)는, 폐열수 냉각 시스템(500, 600)의 냉매 배출구(513, 613)에서 배출되는 냉매를 소정 방열 구조체를 통해 냉각시켜 다시 폐열수 냉각 시스템(500, 600)의 냉매 살포부(532, 632)로 전달한다. 이를 위해, 방열 냉각부(150)는 냉매 탱크부(152), 방열기부(154), 및 제2 순환 펌프부(156)를 포함할 수 있다. 즉, 냉매 탱크부(152)는, 폐열수 냉각 시스템(500, 600)에서 배출되는 냉매를 일정 시간 저장하며 냉매의 열을 발산시킨다. 이 경우, 냉매 탱크(152)는 열 전도율이 높은 소재로 구성될 수 있다. 방열기부(154)는, 여러 번 절곡된 내부 유로를 통해 냉매를 통과시켜 냉매의 열을 발산시킨다. 이 경우, 방열기부(154)는 내부 유로에 윅(Wick) 구조를 포함하고 그 외부면에 다수의 방열핀들을 포함함으로써 방열 효율을 높일 수 있다. 제2 순환 펌프부(156)는 방열기부(154)에서 유출되는 냉매를 폐열수 냉각 시스템(500, 600)의 밸브부(530, 630)를 거쳐 냉매 살포부(532, 632)에 전달한다.
또한, 방열 냉각부(150)는, 폐열수 냉각 시스템(500, 600)을 통해 냉각된 저온 폐열수가 태양전지 패널(10) 냉각용 냉매로서 냉매 공급부(120)로 전달되도록 하는 별도의 냉매 이송 채널(158)을 포함할 수 있다. 이 경우, 냉매 이송 채널(158)은 열 전도성 소재로 구성되어, 저온 폐열수가 냉매 공급부(120)로 전달되는 동안 저온 폐열수의 잔열이 외부로 방출되도록 할 수 있다.
이와 같이, 태양전지 패널(10) 냉각용 냉매와 열전 변환 모듈(300) 냉각용 냉매는 개별적으로 운용되고 냉각될 수 있다. 따라서, 태양전지 패널(10)과 열전 변환 모듈(300)의 발열 특성 등을 고려하여 동종 또는 이종의 냉매들이 각각 태양전지 패널(10) 냉각용 냉매와 열전 변환 모듈(300) 냉각용 냉매로 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 태양광 발전 시설에서 태양전지 패널 냉각 후 배출되는 폐열수를 열전 변환 모듈과의 열교환을 통해 냉각시킴으로써, 폐열수 냉각 시 소비되는 에너지를 최소화함은 물론, 폐열수의 폐열로부터 추가 전력을 생산하여 태양광 발전 시설의 발전 효율을 개선할 수 있다. 또한, 열전 변환 모듈의 열전소자 냉각을 위해 블레이드 구조를 적용하여 방열과 냉매에 의한 냉각을 동시에 수행함으로써, 열전소자 냉각 효율 및 열전 변환 모듈의 발전 효율을 개선할 수 있다. 또한, 단위 모듈에 해당하는 열전 변환 모듈을 적용 환경에 따라 적절한 수로 연결하여 폐열수를 냉각시킴으로써, 다양한 환경에 적용될 수 있으며, 특히 다량의 폐열수가 배출되는 대규모 태양광 발전 시설에 적용될 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 다양한 실시예들은, 당해 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.
지금까지 본 발명에 대해 구체적인 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 기술적 범위에서 다양한 변형 실시예들이 구현될 수 있음을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 앞서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 사상의 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
300 : 열전 변환 모듈 310 : 열전소자부
320 : 폐열수 냉각용 채널부 322 : 폐열수 유입관
324 : 폐열수 유출관 330 : 블레이드부
332 : 관통 홀

Claims (10)

  1. 일 면으로 열을 흡수하고 타 면으로 열을 방출하여 전력을 발생시키는 열전소자부;
    상기 열전소자부의 상기 일 면과 연접되며, 외부에서 유입되는 폐열수를 통과시켜 상기 폐열수의 열이 상기 열전소자부의 상기 일 면으로 흡수되도록 하는 폐열수 냉각용 채널부; 및
    일 단부가 상기 열전소자부의 상기 타 면과 연접되고 타 단부가 상기 열전소자부의 일 측으로 돌출되며, 소정 냉매가 접촉하는 경우 상기 열전소자부의 상기 타 면에서 방출되는 열을 상기 냉매에 전달하는 블레이드부를 포함하는 열전 변환 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전 변환 모듈은,
    상기 폐열수 냉각용 채널부에 폐열수가 유입되도록 하는 폐열수 유입관; 및
    상기 폐열수 냉각용 채널부에서 폐열수가 유출되도록 하는 폐열수 유출관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드부는, 분무 또는 살포된 소정 냉매 입자를 통과시키는 관통 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  4. 일 면으로 열을 흡수하고 타 면으로 열을 방출하여 전력을 발생시키는 열전소자부, 상기 열전소자부의 상기 일 면과 연접되며 외부에서 유입되는 폐열수를 통과시켜 상기 폐열수의 열이 상기 열전소자부의 상기 일 면으로 흡수되도록 하는 폐열수 냉각용 채널부, 및 일 단부가 상기 열전소자부의 상기 타 면과 연접되고 타 단부가 상기 열전소자부의 일 측으로 돌출되며 소정 냉매가 접촉하는 경우 상기 열전소자부의 상기 타 면에서 방출되는 열을 상기 냉매에 전달하는 블레이드부를 포함하는 열전 변환 모듈;
    내부 중공을 가지며, 상기 열전 변환 모듈이 설치되어 적어도 상기 열전 변환 모듈의 돌출된 블레이드부 부분이 상기 내부 중공에 위치하는 하우징부; 및
    상기 하우징부의 내부 중공에서 상기 열전 변환 모듈의 돌출된 블레이드부 부분에 냉매를 살포하는 냉매 살포부를 포함하는 폐열수 냉각 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 폐열수 냉각 시스템은, 상기 열전 변환 모듈을 복수로 포함하며,
    상기 복수의 열전 변환 모듈은, 첫 번째 열전 변환 모듈의 폐열수 냉각용 채널부로 유입된 폐열수가 마지막 열전 변환 모듈의 폐열수 냉각용 채널부에서 유출되도록 직렬 연결되어 상기 하우징부에 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열수 냉각 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 열전 변환 모듈은, 상기 하우징부의 상부에서 하부 방향으로 나선형으로 내려가며 상기 하우징부에 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열수 냉각 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 열전 변환 모듈은, 상기 하우징부의 외주면에 설치되며 상기 돌출된 블레이드 부분들이 상기 하우징부의 내부 중공으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 폐열수 냉각 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 열전 변환 모듈은, 상기 하우징부의 내부 중공에 설치되는 것을 특징으로 하는 폐열수 냉각 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 하우징부는, 상기 내부 중공의 하단부에 상기 냉매 살포부에 의해 살포된 냉매가 집수되는 집수부를 포함하고,
    상기 폐열수 냉각 시스템은, 상기 하우징부의 내부 중공에서 상기 집수부 상부에 설치되어 상기 하우징부의 내부 중공 상부로 기류를 발생시키는 송풍팬부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열수 냉각 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하우징부는, 상기 집수부에 집수되는 냉매를 외부로 배출하는 냉매 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열수 냉각 시스템.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210054218A (ko) * 2019-11-05 2021-05-13 한국전기연구원 산업폐열을 재활용하는 다층 열전발전기

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