KR20200067854A - 전기 펄스에 의해 구동되는 열전 소자 - Google Patents

전기 펄스에 의해 구동되는 열전 소자 Download PDF

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데이비드 레지날드 카버
션 윌리엄 레이놀즈
션 클라우디우스 홀
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칼라젠, 인크.
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Abstract

장치는 회로 및 상기 회로에 연결된 전기 소자를 포함할 수 있다. 상기 회로는 제1 전력을 지니는 전기 펄스를 생성하는 펄스 생성기 및 부하를 포함할 수 있다. 상기 전기 소자는 상기 회로에 의해 전기 에너지로 변환되는 열을 수신하여 상기 제1 전력보다 큰 제2 전력을 상기 부하에 인가하도록 구성될 수 있다.

Description

전기 펄스에 의해 구동되는 열전 소자
본 발명은 발전에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 발진 구동식 열전 발전에 관한 것이다.
열전 발전기(thermoelectric generator)는 전기 에너지를 생성하기 위해 서로 다른 회로 노드들 간에 형성된 열 경사(thermal gradient)에 의존하는 것이다. 일부 경우들에서, 상기 회로 노드들은 2가지 이상의 이종 재료(dissimilar material)들을 포함할 수 있다. 다른 경우들에, 상기 회로 노드들은 단일 재료(single material)의 일부일 수 있다.
이하의 개시내용은 개선된 열전 발전에 관한 것이다. 본원 명세서에 개시된 실시 예들은 열 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 방법 및 장치를 제공한다.
하나의 대표적인 실시 예에서, 장치는 회로 및 상기 회로에 연결된 전기 소자를 포함할 수 있다. 상기 회로는 제1 전력을 지니는 전기 펄스를 생성하는 펄스 생성기 및 부하를 포함할 수 있다. 상기 전기 소자는 상기 회로에 의해 전기 에너지로 변환되는 열을 수신하여 상기 제1 전력보다 큰 제2 전력을 상기 부하에 인가하도록 구성될 수 있다.
개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 상기 전기 소자의 적어도 일부는 히트 싱크(heat sink)에 연결될 수 있다. 개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 열은 히트 싱크에 적용될 수 있다.
개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 열은 전기 소자에 적용될 수 있고 그럼으로써 상기 전기 소자의 적어도 일부의 길이에 걸쳐 열 경사(thermal gradient)가 존재하게 된다. 개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 전기 소자는 전기 요소를 다른 회로 구성요소들에 연결시키는 회로 내 도체들보다 큰 게이지(다시 말하면, 큰 직경)를 지니는 와이어를 포함할 수 있다. 개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 펄스 생성기에 의해 생성된 전기 펄스의 일부는 적어도 초당 100 볼트/초의 시간에 대한 전압의 변화를 지닐 수 있다.
개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 회로는 전기 소자와 직렬로 접속된 발진기를 더 포함할 수 있다. 개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 회로는 전기 소자와 병렬로 접속된 발진기를 더 포함할 수 있다.
개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 회로는 전기 소자와 직렬로 접속된 1차 발진기 및 2차 발진기를 더 포함할 수 있다. 개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 상기 1 차 및 2차 발진기 중 적어도 하나는 LC 회로일 수 있다.
개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 전기 펄스의 상승 전압은 1차 발진기가 제1 주파수에서 발진하게 할 수 있고 2차 발진기가 제1 주파수보다 큰 제2 주파수로 발진하게 할 수 있다. 개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 회로는 2차 발진기와 직렬로 접속된 유도성 소자 및/또는 커패시터 탭을 더 포함할 수 있다.
다른 하나의 대표적인 실시 예에서, 방법은 부하를 지니는 제1 부분 및 부하에 접속된 전기 소자를 지니는 제2 부분을 포함하는 회로의 입력으로서 전기 펄스를 생성하는 단계; 전기 소자 내에서 열을 흡수하는 단계; 흡수된 열을 전기 에너지로 변환하여 전기 펄스의 전력을 증가하는 단계; 및 증가된 전력을 지니는 전기 펄스를 부하에 인가하는 단계; 를 포함할 수 있다.
개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 전기 소자의 적어도 일부는 히트 싱크에 연결될 수 있다. 개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 방법은 열을 히트 싱크에 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 방법은 전기 소자에 열을 적용하고 그럼으로써 전기 소자의 적어도 일부의 길이에 걸쳐 열 경사가 존재하는 단계를 더 포함할 수 있다. 개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 전기 펄스의 일부는 적어도 100 볼트/초의 시간에 대한 전압의 변화를 지닐 수 있다. 개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 회로의 제1 부분은 전기 소자와 직렬로 배치된 발진기를 더 포함할 수 있다. 발진기는 회로로 하여금 흡수된 열을 유용한 전기 에너지로 변환하게 할 수 있다.
개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 회로의 제1 부분은 전기 소자와 직렬로 접속된 1차 발진기 및 2차 발진기를 더 포함할 수 있다. 개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 전기 펄스의 상승 전압은 1차 발진기가 제1 주파수에서 발진하게 할 수 있고 2차 발진기가 제1 주파수보다 큰 제2 주파수에서 발진하게 할 수 있다.
개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 전기 펄스를 생성하는 단계는 제1 시간 간격 동안, 접지에 접속된 제2 스위치를 개방한 다음에, 전력 공급원에 접속된 제1 스위치를 폐쇄하는 단계, 및 제2 시간 간격 동안, 제1 스위치를 개방한 다음에, 제2 스위치를 폐쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 하나의 대표적인 실시 예에서, 장치는 회로 및 회로에 연결된 전기 소자를 포함할 수 있다. 회로는 전기 펄스를 생성하는 펄스 생성기 및 펄스 생성기에 연결된 1차 발진기를 포함할 수 있다. 회로는 펄스 생성기에 의해 공급된 전력보다 큰 전력으로 부하에 전기 펄스를 공급하도록 구성될 수 있다. 개시된 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 회로는 1차 발진기에 연결된 2차 발진기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 목적, 특징 및 이점 그리고 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부도면들을 참조하여 이루어지는 이하의 상세한 설명으로부터 더 명백해질 것이다.
도 1은 하나의 대표적인 열전 발전 시스템의 블록도이다.
도 2는 히트 싱크를 포함하는 다른 하나의 대표적인 열전 발전 시스템의 블록도이다.
도 3은 발진기를 포함하는 다른 하나의 대표적인 열전 발전 시스템의 블록도이다.
도 4는 1차 및 2차 발진기를 포함하는 다른 하나의 대표적인 열전 발전 시스템의 블록도이다.
도 5는 LC 발진기를 포함하는 다른 하나의 대표적인 열전 발전 시스템의 블록도이다.
도 6은 다른 하나의 대표적인 열전 발전 시스템의 블록도이다.
도 7은 다른 하나의 대표적인 열전 발전 시스템의 블록도이다.
도 8은 다른 하나의 대표적인 열전 발전 시스템의 블록도이다.
도 9는 다른 하나의 대표적인 열전 발전 시스템의 블록도이다.
도 10은 도 9의 열전 변환기에 존재하는 전압의 타이밍도이다.
도 11은 도 1 내지 도 9의 열전 발전 시스템을 작동시키는 하나의 대표적인 방법을 보여주는 도면이다.
본 개시내용은 열전 발전에 사용될 수 있는 열전 변환기의 실시 예들에 관한 것이다. 전통적인 열전 장치들은 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 비효율적인 수단이다. 이러한 비효율성의 한 가지 이유는 확산(예컨대, 뉴턴 냉각(Newton cooling))으로 인해 히트 소스로부터 히트 싱크로 열역학을 전달하는 제어기능이 없기 때문이다. 그러나 열전 도체들에 적용되는 히트 소스의 발진은 도체의 열전 효율을 상당히 증가시키는 결과를 초래할 수 있다.
본원 명세서에서는 다양한 개선된 열전 발전이 개시된다. 개시된 실시 예들은 운송(예컨대, 해상, 지상, 항공)과 같은 전력을 요구하는 다양한 애플리케이션들, 다른 애플리케이션들 중에서 사물 인터넷 장치들의 자율적인 전력 공급, 장치들의 감지, 추적, 통신, 분석, 처리 및 상호운용을 위한 전력, 웨어러블 기기들, 전자 기기들이 내장된 스마트 테스타일들의 전력 공급을 포함하는 원격 위치 시스템들에 사용될 수 있다. 또한, 본원 명세서에 개시된 실시 예들은 수질 정화, 수직 및 전통 농업, 화학 및 석유화학 처리, 데이터 센터 전력 및 냉각, 설비 및 환경 제어(예컨대, 산업, 상업, 주거)와 같은 전력 집약적인 애플리케이션들 및 프로세스들에 사용될 수 있다. 본원 명세서에 개시된 실시 예들은 또한 태양광 발전소 기반구조의 보완으로서 풍력 및 다른 간헐적인 재생가능 에너지 시스템, 이중 목적 전원, 데이터 센터, 열 관리 또는 냉각 메커니즘(예컨대, 히트 싱크), 에너지 저장 장치용 충전 메커니즘, 조명 전원, 및 전기 통신 장치를 포함하는 가전제품의 일체형 전원을 포함하는 기존 전력 기반구조를 보완할 수 있다. 또한, 본원 명세서에 개시된 실시 예들은 냉동 및 다른 냉각 애플리케이션(예를 들어, 에어 컨디셔닝)과 같은 가정 및 산업 장치와 함께 그리고 구조적 또는 다른 표면들(예컨대, 지붕)과 결합하여 사용될 수 있다. 더 일반적으로는, 전기적 수단에 의해 전력을 공급받을 수 있는 어느 것이든 외부 접속형 전원의 이용 가능성에 관계없이 본원 명세서에 개시된 실시 예들에 의해 지원될 수 있다.
도 1은 열전 발전 시스템(100)의 일 실시 예를 보여준다. 회로(100)는 펄스 생성기(102), 전기 소자(104) 및 부하(106)를 포함한다. 펄스 생성기(102)는 전기 펄스를 생성하는 장치일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 펄스 생성기(102)는 주기적인 간격으로 연속적인 전기 펄스 스트림을 생성할 수 있다. 이상적으로, 펄스 생성기(102)는 펄스 생성기에 의해 출력된 전압이 단기간에 걸쳐 급속하게 증가하는 전기 펄스를 생성한다. 이는 상승 시간이 짧은 구형파 또는 사인파, 톱니파 또는 고주파의 유사한 출력 전압 파로 수행 가능하다. 회로(100)는 100V/s 만큼 작은 dV/dt를 지니는 펄스 생성기(102)에 의해 출력되는 전기 펄스로 열전 전력을 생성할 수 있다. 결과들로는 4.7kHz 만큼 낮은 주파수 및 일부 경우들에서는 900Hz 만큼 낮은 주파수를 지니는 사인파 신호들로 양호한 효율이 얻어질 수 있는 것으로 나타난다. 그러나 이상적으로 펄스 생성기(102)는 적어도 100V/μs 또는 바람직하게는 10,000 내지 100,000V/μs 이상의 dV/dt를 지니는 펄스를 출력한다.
펄스 생성기(102)가 높은 dV/dt를 지니는 전기 펄스를 출력할 때, 전기 소자(104)는 본원 명세서에 기재되어 있는 바와 같이 열 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 전기 소자(104)는 열을 흡수하기에 충분한 표면적을 지니는 도전성 경로를 지니고, 그럼으로써 전기 소자가 히트 싱크로서 작용하는 것을 허용하여야 한다. 이는 큰 게이지, 긴 길이, 또는 큰 표면적을 갖는 비-원통형 형상을 지니는 전기 소자(104)에 의해 달성될 수 있다. 일부 예들에서, 전기 소자(104)는 전기 소자를 펄스 생성기(102) 및 부하(106)에 접속하는 와이어 또는 전기 도체보다 큰 게이지(예컨대, 10AWG)를 지니는 구리 와이어일 수 있다. 다른 예들에서, 전기 소자(104)는 임의의 다른 도전성 재료를 포함할 수 있다. 일 예에서, 전기 소자(104)는 회로 내 다른 신호 도체들에 대한 것보다 큰 게이지 와이어이며 적어도 3피트의 길이를 지닌다. 전기 소자(104)는 단순한 와이어, 코일 또는 열을 흡수할 수 있는 임의의 도전성 소자일 수 있다. 높은 dV/dt 비를 갖는 펄스 생성기(102)에 의해 출력된 전기 펄스가 전기 소자(104)의 일 측에 인가될 때, 전기 소자는 차가워지고 펄스 생성기(102)에 의해 생성된 전압보다 높은 전력 레벨을 지니는 전압이 전기 소자의 타 측에 나타난다. 이 때문에, 펄스 생성기(102)에 의해 출력되는 예리한 펄스는 전기 소자(104)로 하여금 열 에너지를 전기 에너지로 변환하게 한다. 펄스 생성기(102)에 의해 출력된 펄스의 dV/dt 비가 높으면 전기 에너지로 변환되는 열 에너지의 양이 많아진다. 이러한 현상은 KPT(Kinetic Power Transient)라고 언급될 수 있다.
도 1의 예시된 예에서, 전기 요소(104)는 부하(106)에 접속된다. 부하는 전력을 소비 또는 저장하는 임의의 장치(예컨대, 전기 기기)일 수 있다. 동작시에, 펄스 생성기(102)는 제1 전력을 지니는 전기 펄스를 출력할 수 있다. 이는 전기 소자(104)로 하여금 열 에너지를 추가의 전기 에너지로 변환하게 한다. 따라서, 펄스는 제1 전력보다 큰 제2 전력으로 부하(106)에 인가된다.
펄스 생성기(102)가 주기적인 간격으로 전기 펄스들을 연속적으로 출력하면, 전기 소자(104)는 열 에너지를 각각의 펄스를 지니는 전기 에너지로 변환하고 부하(106)에 인가되는 각각의 펄스의 전력을 증가시킨다. 그러나 전기 소자(104)가 펄스를 수신할 때마다, 이는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 열 에너지를 냉각한다. 이러한 경우가 생김에 따라, 전기 소자(104)와 주변 환경 간의 온도 경사는 환경으로부터 전기 소자로 열이 전달되게 하는데, 그 이유는 전기 소자의 온도가 환경의 온도와 동일해질 때까지 전기 소자의 온도가 상승하게 되기 때문이다. 다음의 전기 펄스가 펄스 생성기(102)에 의해 방출될 때, 전기 소자(104)는 전기 소자(104)가 열 에너지를 전기 에너지로 변환함에 따라 열 에너지를 다시 냉각한다. 따라서, 전기 소자(104)가 전기 에너지로 변환할 수 있는 열 에너지의 양은 주변 환경에 의해 제한된다. 일부 예들에서, 이러한 냉각 효과는 전기 소자가 냉각 또는 냉동 소자로서 사용될 수 있게 한다.
도 2는 열전 발전 시스템 또는 회로(200)의 일 실시 예를 보여준다. 열 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 전기 소자의 용량을 증가시키기 위해, 외부 히트 소스가 사용될 수 있다. 회로(200)는 회로(200)가 전기 소자(104)에 연결된 히트 싱크(202) 및 전기 소자 및 히트 싱크에 열을 적용하는 외부 히트 싱크(204)를 포함한다는 점을 제외하고는 회로(100)와 유사하다. 히트 싱크(202)는 히트 소스(204)로부터 추가의 열을 흡수할 수 있는 추가의 표면적을 제공한다. 히트 싱크(202)는 전기 소자(104)에 열적으로 연결되고 그럼으로써 그들 간의 열 전달(예컨대, 직접적인 접촉)을 허용하게 될 수 있다. 히트 소스는 히트 소스가 상주하게 되는 주변의 공기를 포함하여 전기 소자보다 따뜻한 임의의 소스를 포함할 수 있다. 도 2의 예에서, 펄스 생성기(102)는 주기적인 간격으로 높은 dV/dt 비를 지니는 전기 펄스들을 연속적으로 인가한다. 각각의 펄스를 통해, 전기 소자(104)는 열 에너지를 냉각하고 열 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 그리하여, 부하(106)는 펄스 생성기(102)에 의해 출력된 전력보다 큰 전력을 지니는 펄스를 수신한다. 외부 열(204)을 히트 싱크(202)에 적용함으로써, 전기 소자(104)는 전기 에너지로 변환될 수 있는 일정한 추가 열 에너지 소스를 지닌다. 따라서, 전기 소자(104)는 부하(106)에 인가되는 펄스 생성기(102)에 의해 생성된 펄스의 에너지를 연속적으로 증가시킬 수 있다. 히트 싱크(202)는 열(204)을 흡수할 수 있다. 일부 예들에서, 열(204)은 전기 소자(104)에 적용되고 그럼으로써 전기 소자의 일부를 가로 질러 열 경사가 존재하게 될 수 있다. 히트 싱크는 액체(예컨대, 물, 오일 등), 고체(예컨대, 금속) 또는 가스(예컨대, 공기)를 포함하는 다양한 재료 중 어느 하나일 수 있다.
도 3은 열전 발전 시스템 또는 회로(300)의 일 실시 예를 보여준다. 회로(300)는 회로(300)가 펄스 생성기(102)와 전기 소자(104) 간에 배치된 발진기(302)를 포함한다는 것을 제외하고 도 2의 회로(200)와 유사하다. 발진기(302)는 고조파 발진기일 수 있고 펄스 생성기(102)에 의해 출력된 펄스에 의해 트리거될 때 주기적인 발진 전압을 출력할 수 있다. 일단 펄스 생성기(102)에 의해 출력된 펄스에 의해 트리거될 경우, 발진기(302)는 주기적인 신호를 전기 소자(104)에 출력한다. 발진기(302)에 의해 출력된 신호의 세기는 시간 경과에 따라 감소한다. 그러나 펄스 생성기(102)에 의해 출력된 각각의 후속 펄스는 새로운 발진 사이클을 시작한다. 따라서, 발진기(302)는 펄스 생성기(102)가 매우 짧은 펄스 폭을 지니는 펄스를 출력할 때에도 입력 신호가 전기 소자(104)에 공급되는 시간의 양을 연장하는데 사용될 수 있다.
동작시에, 도 3의 펄스 생성기(102)는 높은 dV/dt 비를 지니는 전기 펄스들을 주기적으로 출력한다. 각각의 펄스는 발진기(302)로 하여금 발진 신호를 전기 소자(104)에 출력하게 할 수 있다. 전기 소자(104)는 열 에너지를 냉각하고 열 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전기 소자(104)가 수신하는 전기 신호의 전력을 증가시킬 수 있게 된다. 열(304)은 전기 소자가 전기 에너지로 변환하기 위한 추가의 열 에너지를 제공하기 위해 전기 소자(104)에 입력될 수 있다. 그리고 나서, 전력이 증가된 신호는 부하(106)에 의해 소비될 수 있다.
도 4는 열전 발전 시스템 또는 회로(400)의 일 실시 예를 보여준다. 회로(400)는 회로(400)가 1차 발진기(402) 및 2차 발진기(404)를 포함한다는 것을 제외하고는 도 3의 회로(300)와 유사하다. 1차 발진기(402)는 도 3의 발진기(302)와 유사할 수 있다. 2차 발진기(404)는 1차 발진기(402)가 펄스 생성기(102)로부터의 펄스에 응답하여 발진 신호를 출력할 때, 2차 발진기(404)가 1차 발진기(402)에 의해 출력된 발진 신호보다 높은 주파수를 지니는 공진 발진 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 이 때문에, 2차 발진기(404)는 부가(106)에 인가된 신호를 확대할 수 있다. 이전의 실시 예들과 같이, 부하(106)에서 출력된 전력은 펄스 생성기(102)에 의해 시스템으로 입력된 에너지보다 크다. 1차 발진기(402) 및 2차 발진기(404)는 전기 소자(104)의 반대 측에 직렬로 연결된 것으로 도시되어 있다. 1차 및 2차 발진기 양자 모두가 전기 소자(104)의 동일 측에 있는 것과 같은 다른 구성들이 또한 사용될 수 있다.
도 5는 열전 발전 시스템 또는 회로(500)의 일 실시 예를 보여준다. 회로(500)는 발진기(302)가 LC 또는 탱크 회로를 형성하기 위해 커패시터(502) 및 인덕터(504)를 특히 포함한다는 것을 제외하고는 회로(300)와 유사하다. 비록 커패시터(502) 및 인덕터(504)는 전기 소자(104)의 양 측면에 직렬로 연결된 것으로 도시되어 있지만, 그들은 직렬로 연결되어 전기 소자의 일 측면에 함께 배치될 수 있다. 회로(500)는 히트 싱크(202)와 유사한 히트 싱크(506) 및 히트 소스(204)와 유사한 히트 소스(508)를 더 포함한다. 회로(500)는 도 3의 회로(300)와 유사하게 동작할 수 있으며, 펄스 생성기(102)는 단일 전기 펄스, 또는 높은 dV/dt 비를 지니는 일련의 전기 펄스들을 생성할 수 있다. 발진기(302)는 각각의 펄스에 응답하여 발진 신호를 생성할 수 있고, 전기 소자(104)는 펄스 생성기(102)에 의해 출력된 전기 펄스들을 냉각하여 그들의 전력을 증가시킴으로써 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 히트 싱크(506)는 전기 소자(104)에 전기 에너지로 변환될 수 있는 일정한 열 에너지 소스를 제공하기 위해 열(508)을 흡수할 수 있다. 따라서, 부하(106)에 제공되는 전력은 펄스 생성기(102)에 의해 생성된 전력보다 크다. 또한, 도 5의 LC 회로는 도 4의 2차 발진기로서 사용될 수 있다.
도 6은 열전 발전 시스템 또는 회로(600)의 일 실시 예를 보여준다. 회로(600)는 펄스 생성기(102), 전기 소자(104), 히트 싱크(602) 및 히트 소스(604)를 포함한다. 히트 싱크(602) 및 히트 소스(604)는 히트 싱크(202) 및 히트 소스(204)와 유사할 수 있으며, 열(604)은 히트 싱크(602)에 적용되고 그럼으로써 전기 소자(104)에 전기 에너지로 변환될 수 있는 일정한 열 에너지 공급을 제공하게 된다. 펄스 생성기(102)는 높은 dV/dt 비를 지니는 전기 펄스를 출력할 수 있다. 펄스 생성기(102)는 자기 코어 또는 에어 코어(air core) 주위에 감긴 2개의 코일을 포함하는 변압기(transformer; 606)에 접속될 수 있다. 변압기(606)는 펄스 생성기(102)에 의해 출력된 전압을 증폭할 수 있다.
전기 소자(104)는 인덕터(608) 및 커패시터(610)와 직렬로 배치될 수 있으며, 이들은 함께 도 5의 발진기(302)와 유사한 발진기를 형성할 수 있다. 인덕터(608) 및 커패시터(610)는 펄스 생성기(102)에 의해 수신된 펄스를 발진 신호로 변환할 수 있다. 이러한 발진 신호는 그 후 전기 소자(104)에 입력될 수 있다. 펄스 생성기(102)에 의해 출력된 펄스의 높은 dV/dt 비 및 위에서 언급한 KPT 효과로 인해, 전기 소자(104)는 히트 소스(604)로부터 수용된 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있고 그럼으로써 펄스 생성기에 의해 출력된 전기 신호의 전력을 증가시킬 수 있다.
추가 변압기(612)는 전기 소자(104)에 의해 출력된 신호를 수신할 수 있고 풀-브리지 정류기(614)에 접속될 수 있으며, 이는 변압기(612)로부터의 AC 신호를 DC 신호로 변환할 수 있다. 일부 예들에서, 풀-브리지 정류기(614)는 하프-브리지 정류기로 대체될 수 있다. 정류기(614)의 출력은 부하 커패시터(616) 및 부하 저항기(618)에 접속될 수 있다. 일부 예들에서, 회로(600)는 부하(618)가 아닌 커패시터(616)를 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 회로(600)는 커패시터(616)가 아닌 부하(618)를 포함할 수 있다. 커패시터(616)는 정류기(614)에 의해 출력된 전기 에너지를 저장할 수 있다. 부하(618)는 정류기(614)에 의해 출력된 전기 에너지를 소비할 수 있다.
도 7은 열전 발전 시스템 또는 회로(700)의 일 실시 예를 보여준다. 회로(700)는 펄스 생성기(102) 및 전기 소자(104)를 포함한다. 회로(700)는 또한 히트 싱크(602) 및 히트 소스(604)와 유사한, 히트 싱크(702) 및 히트 소스(704)를 포함할 수 있다. 히트 소스(704)는 히트 싱크(702)에 열을 적용하여 전기 소자(104)에 전기 에너지로 변환될 수 있는 일정한 열 에너지 공급을 제공할 수 있다.
펄스 생성기(102)는 펄스 생성기에 의해 출력된 전기 펄스들을 증폭할 수 있는 변압기(706)에 접속될 수 있다. 회로(700)는 또한 도 4의 1차 발진기(402)와 유사한 1차 발진기를 형성할 수 있는 인덕터(708) 및 커패시터(710)를 포함할 수 있다. 회로(700)는 또한 커패시터(710)와 함께, 도 4의 2차 발진기(404)와 유사한 2차 발진기를 형성할 수 있는 인덕터(712)를 포함할 수 있다. 펄스 생성기(102)는 높은 dV/dt 비를 지니는 전기 펄스들을 출력할 수 있다. 이러한 펄스들은 인덕터(708) 및 커패시터(710)가 1차 발진 전기 신호를 생성하게 하고, 이는 다시 인덕터(712) 및 커패시터(710)가 1차 발진 신호보다 높은 주파수를 지니는 2차 발진 신호를 생성하게 할 수 있다. 1차 및 2차 발진 신호는 전기 소자(104)로 하여금 히트 싱크(704)으로부터의 열 에너지를 전기 에너지로 변환하여 신호의 전력을 증가시키게 할 수 있다.
커패시터 탭(714)은 전기 소자(104)에 의해 출력된 에너지를 인출할 수 있다. 커패시터 탭(714)은 하프-브리지 정류기를 형성할 수 있고 AC 전력을 DC 전력으로 변환할 수 있는 다이오드들(716, 718)에 접속될 수 있다. 회로 출력은 전력을 소비 및/또는 저장할 수 있는 저항기(720) 및 커패시터(722)로서 도시되어 있다. 일부 예들에서, 회로(700)는 커패시터(722) 없이 저항기(720)를 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 회로(700)는 저항기(720) 없이 커패시터(722)를 포함할 수 있다.
도 8은 열전 발전 시스템 또는 회로(800)의 일 실시 예를 보여준다. 회로(800)는 위에서 언급한 바와 같이 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 전기 소자(104)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 열은 전기 소자의 2개의 단부가 2개의 서로 다른 온도(T1, T2)에 있도록 전기 소자(104)에 적용될 수 있다. 이는 전기 에너지로 변환될 수 있는 전기 소자(104)의 길이를 따른 온도 경사를 생성한다.
회로(800)는 입력 전압(Vp)을 수신하고 도 1 내지 도 7의 펄스 생성기(102)와 유사하게 구형파 또는 dV/dt 비가 높은 다른 신호를 출력할 수 있는 연산 증폭기(802)를 포함할 수 있다. 회로(800)는 도 8에 도시된 바와 같이 연산 증폭기(802)에 접속될 수 있는 저항기들(804, 806)을 더 포함할 수 있다. 회로(800)는 커패시터(810)와 병렬로 이루어진 인덕터(808) 및 인덕터(814)와 병렬로 이루어진 커패시터(812)를 더 포함할 수 있다. 인덕터(808) 및 커패시터(810)는 1차 발진기를 형성할 수 있고 커패시터(812) 및 인덕터(814)는 2차 발진기를 형성할 수 있다. 일부 예들에서, 1차 발진기 또는 2차 발진기 중 하나가 회로(800)로부터 생략될 수 있다. 연산 증폭기(802)의 출력은 1차 발진기가 제1 주파수에서 발진하게 할 수 있고 2차 발진기가 제1 주파수보다 큰 제2 주파수에서 발진하게 할 수 있다.
이러한 발진들 및 연산 증폭기(802)에 의해 출력된 신호의 높은 dV/dt 비는 전기 소자(104)가 열 에너지를 전기 에너지로 변환하고 수신된 전기 신호의 전력을 증가시키게 할 수 있다. 제1 및 제2 부하를 나타낼 수 있는 저항기들(816, 818)은 전기 소자(104)에 의해 출력된 전력을 소비할 수 있다. 일부 예들에서, 저항기들(816, 818)은 인덕턴스를 지닐 수 있으며, 이는 발진에 기여할 수 있다.
도 9는 열전 발전 시스템 또는 회로(900)의 일 실시 예를 보여준다. 회로(900)는 위에서 언급한 바와 같이 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 전기 소자(104)를 포함할 수 있다. 회로(900)는 전기 에너지로 변환될 수 있는 열 에너지를 전기 소자(104)에 제공할 수 있는 히트 소스(902)를 더 포함할 수 있다.
회로(900)는 마이크로프로세서(908)에 의해 제어될 수 있는 제1 스위치(904) 및 제2 스위치(906)를 포함할 수 있다. 마이크로프로세서(908)는 스위치들(904, 906)을 독립적으로 개폐할 수 있다. 제1 스위치(904)는 전력 공급원(910)에 접속될 수 있고 제2 스위치(906)는 접지에 접속될 수 있다. 스위치들(904, 906)은 병렬로 이루어질 수 있고 커패시터(912)에 접속될 수 있다. 마이크로프로세서는 구형파를 출력하기 위해 스위치들(904, 906)을 교대로 개폐할 수 있다. 제1 시간 간격 동안, 마이크로프로세서(908)는 스위치(904)를 폐쇄하고 스위치(906)를 개방할 수 있다. 이는 전력 공급원(910)으로부터의 전압이 커패시터(912)에 인가되게 하고, 그럼으로써 양의 전압이 커패시터의 일 플레이트 상에 축적되게 한다. 제2 시간 간격 동안, 마이크로프로세서(908)는 스위치(904)를 개방하고 스위치(906)를 폐쇄할 수 있다. 이는 커패시터를 접지시키고, 그럼으로써 커패시터 플레이트 상에 음의 전압이 나타나게 한다. 그리하여, 이러한 프로세스는 마이크로프로세서(908)가 반복적으로 스위치들(904, 906) 중 하나를 개방하고 다른 하나를 폐쇄하고 그럼으로써 회로(900)의 지점(914)에서 나타나는 교번되는 일련의 양 및 음 전압을 생성하면서 계속될 수 있다. 도 10은 회로(900)를 따르는 다양한 지점에서의 전압들의 시간 시퀀스를 보여준다. 1차 발진기 전압 플롯은 회로(900)의 지점(914)에서의 전압에 상응한다. 위에서 언급한 바와 같이, 이러한 지점에서의 전압은 높은 dV/dt 비를 지니는 구형파이다. 일부 예들에서, 스위치들(904, 906)은 트랜지스터들(예컨대, CMOS 트랜지스터들)로 대체될 수 있다.
회로(900)는 전압 소스(910) 및 스위치들(904, 906)에 의해 생성된 전압 출력을 증폭하는 변압기(916)를 더 포함할 수 있다. 변압기(906)는 인덕터(920) 및 커패시터(922)를 포함하는 1차 발전기(918) 및 커패시터(922) 및 인덕터(926)를 포함하는 2차 발진기(924)에 접속된다. 1차 발진기(918)는 도 4의 1차 발진기(402)와 유사할 수 있고 2차 발진기(924)는 도 4의 2차 발진기(404)와 유사할 수 있다. 1차 발진기(918)는 전압 소스(910) 및 스위치들(904, 906)에 의해 출력된 전압을 수신하고 제1 발진 신호를 생성할 수 있고 2차 발진기(924)는 다시 제1 발진 신호보다 높은 주파수를 지니는 2차 발진 신호를 생성할 수 있다. 도 10에 도시된 2차 발진기 전압 플롯은 회로(900)의 지점(928)에 존재하는 이러한 2차 발진에 상응한다. 이러한 2차 공진 또는 링잉 발진은 전기 소자(104)에 의해 수신된 전압을 증폭하여 확장하게 한다. 전기 소자(104)가 이러한 전압을 수신함에 따라, 이는 KPT 효과 때문에 열 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 그럼으로써 전기 소자에 입력되는 전력을 증가시킨다. 회로(900)는 출력 AC 신호를 DC 신호로 변환하기 위해 반파 정류기를 형성하는 다이오드들(932, 934)에 연결된 커패시터(930)를 더 포함한다. 커패시터(936)는 회로(900)에 의해 생성된 전기 에너지를 저장할 수 있다. 일부 예들에서, 커패시터(936)는 회로(900)에 의해 생성된 전기 에너지를 소비하는 부하로 대체될 수 있다.
도 11은 개시된 기술의 특정 예들에서 수행될 수 있는 바와 같은 열전 발전 시스템 또는 회로를 동작시키는 하나의 대표적인 방법을 개략적으로 보여주는 흐름도(1100)이다. 예를 들어, 도시된 방법은 회로(200)에 의해 수행될 수 있다.
프로세스 블록 1110에서, 펄스 생성기(102)는 높은 dV/dt 비를 지니는 전기 펄스를 생성한다. 예를 들어, 도 9에서, 마이크로프로세서(908)는 사전에 결정된 기간 동안 스위치(904)를 폐쇄하고 스위치(906)를 개방한 다음에 스위치(904)를 개방하고 스위치(906)를 개방함으로써 전기 펄스를 생성하도록 스위치들(904, 906)을 제어한다. 이러한 펄스는 주기적인 간격으로 반복되고 그럼으로써 부하에 전력을 추가로 공급하게 될 수 있다. 프로세스 블록 1120에서, 전기 소자(104)는 그의 주변 환경으로부터 열을 흡수한다. 예를 들어, 도 2에서, 전기 소자(104)는 히트 소스 또는 주변의 공기로부터 열(204)을 수용할 수 있다. 일반적으로, 전기 소자(104)는 열을 흡수하기에 충분한 표면적을 지닌다. 그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 히트 싱크(202)는 열 흡수를 위한 표면적을 제공할 수 있다. 프로세스 블록 1130에서, 전기 소자(104)는 흡수된 열을 전기 에너지로 변환한다. 전기 소자(104)에 인가되는 펄스 생성기(102)의 펄스 생성은 전기 소자가 냉각하게 한다. 그리하여, 흡수된 열은 전기 에너지로 변환된다. 프로세스 블록 1140에서, 전기 소자(104)는 전기 펄스를 부하(106)에 인가한다. KPT 효과로 인해, 부하(106)에 인가된 펄스의 에너지는 펄스 생성기(102)에 의해 출력된 펄스의 에너지보다 크다.
개시된 발명의 원리들이 적용될 수 있는 많은 가능한 실시 예를 고려하여, 예시된 실시 예들은 본 발명의 바람직한 예들일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주 되어서는 아니 됨을 인식해야 한다. 오히려, 본 발명의 범위는 이하의 청구범위에 의해 정의된다. 따라서 본 발명의 범위 내에서 이루어지는 모든 것을 본 발명으로서 주장한다.

Claims (15)

  1. 장치에 있어서,
    상기 장치는,
    제1 전력을 지니는 전기 펄스를 생성하는 펄스 생성기; 및
    부하;
    를 포함하는 회로; 및
    상기 회로에 연결된 전기 소자;
    를 포함하며,
    상기 전기 소자는 상기 회로에 의해 전기 에너지로 변환되는 열을 수용하여 상기 제1 전력보다 큰 제2 전력을 상기 부하에 인가하도록 구성되는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 소자의 적어도 일부는 히트 싱크에 연결되는, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열은 상기 전기 소자에 적용되고 그럼으로써 상기 전기 소자의 적어도 일부의 길이에 걸쳐 열 경사가 존재하게 되는, 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 소자는,
    큰 게이지;
    긴 길이; 또는
    표면적이 증가된 비-원통형 형상;
    중의 하나 이상을 지님으로써 상기 전기 소자를 다른 회로 구성요소들에 연결하는 상기 회로 내 도체들보다 큰 표면적을 지니는 와이어를 포함하는, 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 생성기에 의해 생성된 전기 펄스의 일부는 적어도 100 볼트/초의 시간에 대한 전압의 변화를 지니는, 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로는 상기 전기 소자와 직렬로 접속된 발진기를 더 포함하는, 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로는 상기 전기 소자와 직렬로 접속된 1차 발진기 및 2차 발진기를 더 포함하는, 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전기 펄스의 상승 전압은 상기 1차 발진기가 제1 주파수에서 발진하게 하고 상기 2차 발진기가 상기 제1 주파수보다 큰 제2 주파수에서 발진하게 하는, 장치.
  9. 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    회로의 입력으로서 전기 펄스를 생성하는 단계 - 상기 회로는 부하를 포함하는 제1 부분 및 상기 부하에 접속된 전기 소자를 포함하는 제2 부분을 포함함 -;
    상기 전기 소자 내에서 열을 흡수하는 단계;
    상기 흡수된 열을 전기 에너지로 변환하여 상기 전기 펄스의 전력을 증가하는 단계; 및
    증가된 전력을 지니는 상기 전기 펄스를 상기 부하에 인가하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기 소자의 적어도 일부는 히트 싱크에 연결되는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 히트 싱크에 열을 적용하는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은,
    상기 전기 소자의 적어도 일부의 길이에 걸쳐 열 경사가 존재하도록 상기 열을 상기 전기 소자에 적용하는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로의 상기 제1 부분은 상기 전기 소자와 직렬로 배치된 발진기를 더 포함하고, 상기 발진기는 상기 회로가 상기 흡수된 열을 전기 에너지로 변환하게 하는, 방법.
  14. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회로의 상기 제1 부분은 상기 전기 소자와 직렬로 접속된 1차 발진기 및 2차 발진기를 더 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전기 펄스의 상승 전압은 상기 1차 발진기가 제1 주파수에서 발진하게 하고, 상기 2차 발진기가 상기 제1 주파수보다 큰 제2 주파수로 발진하게 하는, 방법.
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