KR20220031805A - 선박용 열전발전 시스템 - Google Patents

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KR20220031805A
KR20220031805A KR1020200112834A KR20200112834A KR20220031805A KR 20220031805 A KR20220031805 A KR 20220031805A KR 1020200112834 A KR1020200112834 A KR 1020200112834A KR 20200112834 A KR20200112834 A KR 20200112834A KR 20220031805 A KR20220031805 A KR 20220031805A
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김재관
곽기곤
김현수
성용욱
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 선박용 열전발전 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박엔진; 선박엔진의 배기가스를 이용하여 압축공기를 생산하는 터보 과급기; 및 터보 과급기에서 생산되는 압축공기의 유동라인에 마련되어 압축공기를 냉각시키는 에어쿨러를 포함하고, 에어쿨러는 내부에 유동하는 냉각수와 외부에 유동하는 압축공기의 온도 차에 의해 발전하는 열전모듈과, 열전모듈에서 배출되는 냉각수를 공급받아 압축공기를 냉각시키는 쿨링모듈을 포함하는 선박용 열전발전 시스템이 제공될 수 있다.

Description

선박용 열전발전 시스템{THERMOELECTRIC GENERATION SYSTEM FOR SHIP}
본 발명은 선박용 열전발전 시스템에 관한 것이다.
최근 고유가 시대가 도래함에 따라 선박의 에너지 효율을 향상시켜 연비를 높이려는 노력이 진행되고 있다. 그 결과, 선박엔진에서 기존에 버려지던 폐열을 회수하는 시스템을 구성하여 선박의 연비를 높이려는 연구가 수행되고 있다.
선박에 사용되는 일반적인 디젤엔진에서는 전체 에너지 중 폐열 회수 시스템(WHRS, waste heat recovery system)을 통해 회수되는 에너지를 제외하고도 폐기관으로 버려지는 에너지 22.9%, 엔진 에어쿨러에서 버려지는 에너지 14.2% 등 회수 가능한 에너지가 약 37.1% 존재하는 것으로 파악된다. 하지만, 폐기관으로 버려지는 에너지에 대해서는 이를 회수하기 위한 다양한 연구 및 설비들이 존재하고 있지만, 엔진 에어쿨러에서 버려지는 에너지에 대해서는 이를 회수하기 위한 연구가 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0068670호(2012. 06. 27. 공개)
본 실시 예는 선박엔진에 공급되는 압축공기를 냉각하는 에어쿨러에서 냉각수와 압축 공기 사이의 온도 차를 이용하여 열전 발전하는 선박용 열전발전 시스템을 제공하고자 한다.
본 실시 예는 열전 발전소자를 이용하여 선박엔진에 공급되는 압축공기를 냉각하는 선박용 열전발전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박엔진; 상기 선박엔진의 배기가스를 이용하여 압축공기를 생산하는 터보 과급기; 및 상기 터보 과급기에서 생산되는 압축공기가 이동하는 유동라인에 배치되고 압축공기를 냉각시키는 에어쿨러를 포함하고, 상기 에어쿨러는 냉각수와 압축공기의 온도 차에 의해 발전하는 열전모듈과, 상기 열전모듈을 통과한 냉각수를 이용해 압축공기를 냉각시키는 쿨링모듈을 포함하는 선박용 열전발전 시스템이 제공될 수 있다.
상기 열전모듈은 상기 쿨링모듈의 일측에 결합되고 냉각수와 압축공기의 온도 차에 의해 발전하는 제1 열전모듈과, 상기 쿨링모듈의 타측에 결합되고 전류를 공급받아 압축공기를 냉각시키는 제2 열전모듈을 포함하는 선박용 열전발전 시스템이 제공될 수 있다.
상기 쿨링모듈은 상기 제1 열전모듈을 통과한 냉각수를 유동시켜 압축공기를 냉각시키는 제1 쿨링모듈과, 상기 제2 열전모듈을 통과한 냉각수를 유동시켜 압축공기를 냉각시키는 제2 쿨링모듈을 포함하는 선박용 열전발전 시스템이 제공될 수 있다.
상기 에어쿨러는 상기 제1 열전모듈과 상기 제1 쿨링모듈에 연통되는 제1 연결유로와, 상기 제2 열전모듈과 상기 제2 쿨링모듈에 연통되는 제2 연결유로를 구비하는 제1 연결부재를 포함하는 선박용 열전발전 시스템이 제공될 수 있다.
상기 에어쿨러는 상기 제1 및 제2 열전모듈에 연통되는 냉각수 유입구와, 상기 제1 및 제2 쿨링모듈에 연통되는 냉각수 배출구를 구비하는 제2 연결부재를 포함하는 선박용 열전발전 시스템이 제공될 수 있다.
상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈은 내측 플레이트와, 표면에 복수 개의 방열핀이 돌출 형성되는 외측 플레이트와, 상기 내측 플레이트와 상기 외측 플레이트 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 열전소자를 포함하는 선박용 열전발전 시스템이 제공될 수 있다.
상기 열전모듈에서 생산되는 직류전기를 저장하는 축전지; 및 상기 축전지에서 공급되는 직류전기를 교류전기로 전환하여 선박의 전기 시스템에 공급하는 메인 스위치 보드를 더 포함하는 선박용 열전발전 시스템이 제공될 수 있다.
상기 에어쿨러에 공급되는 냉각수는 해수를 포함하는 선박용 열전발전 시스템이 제공될 수 있다.
상기 에어쿨러에 공급되는 냉각수는 해수와 열교환되는 청수를 포함하는 선박용 열전발전 시스템이 제공될 수 있다.
본 실시 예에 의한 선박용 열전발전 시스템은 선박엔진에 공급되는 압축공기를 냉각하는 에어쿨러에서 냉각수와 압축 공기 사이의 온도 차를 이용하여 열전 발전하는 효과를 가진다.
본 실시 예에 의한 선박용 열전발전 시스템은 열전소자를 이용하여 선박엔진에 공급되는 압축공기를 냉각하는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 선박용 열전발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 전력 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 에어쿨러를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 에어쿨러를 위에서 바라본 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 열전모듈의 내부 단면을 확대해서 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 에어쿨러를 측면에서 바라본 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 선박용 열전발전 시스템을 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 선박용 열전발전 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 열전발전 시스템은 선박엔진(300), 터보 과급기(200), 에어쿨러(1000), 축전지(500) 및 메인 스위치 보드(600)를 포함할 수 있다.
선박엔진(300)은 선박의 추력을 발생시키기 위하여 사용되는 엔진으로서, 선박의 엔진 룸에 설치될 수 있다. 선박엔진(300)은 디젤 엔진으로 마련될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
선박엔진(300)에서 배출되는 배기가스는 터보 과급기(200)를 거쳐 펀넬(funnel)(F)을 통해 외부로 배출된다.
터보 과급기(200)는 선박엔진(300)에서 배출되는 배기가스를 이용하여 외부 공기를 압축함으로써 고온 고압의 압축공기를 생산한다.
터보 과급기(200)에서 생산되는 고온 고압의 압축공기는 유동라인을 따라 이동하고, 에어쿨러(1000)를 거쳐 냉각되어 선박엔진(300)에 공급된다.
에어쿨러(1000)는 터보 과급기(200)에서 공급되는 고온 고압의 압축공기를 냉각하여 저온 고압의 압축공기로 변환시킨다. 예를 들어, 터보 과급기(200)에서 공급되는 고온 고압의 압축공기는 200℃ 이상이 될 수 있고, 에어쿨러(1000)를 통과한 저온 고압의 압축공기는 약 45℃일 수 있다. 구체적으로는, 에어쿨러(1000)에 공급되는 냉각수와 에어쿨러(1000)를 통과하는 압축공기 사이에서 열 교환이 이루어진다.
냉각수는 냉각유로(400)를 순환하되, 냉각수 공급유로(410)를 통해 에어쿨러(1000)에 공급되고, 냉각수 배출유로(420)를 통해 에어쿨러(1000)에서 배출된다.
냉각수는 펌프(P)에 의해 순환되는 해수를 포함할 수 있다. 즉, 냉각수 공급유로(410)와 냉각수 배출유로(420)에는 해수가 채워질 수 있다. 그 결과, 에어쿨러(1000)에 공급되는 냉각수를 생산하기 위한 별도의 생산설비가 요구되지 않는다.
에어쿨러(1000)는 냉각수와 압축공기의 온도 차에 의해 전기를 생산하거나 전류를 공급받아 열전 냉각을 열전모듈(1100)과, 냉각수를 이용해 압축공기를 냉각시키는 쿨링모듈(1200)을 포함한다. 따라서, 에어쿨러(1000)는 고온의 압축공기와 냉각수의 온도 차를 이용하여 전기를 생산할 수 있고, 고온의 압축공기를 냉각시킬 수 있다. 열전모듈(1100)의 구체적인 구조 및 쿨링모듈(1200)과의 결합관계에 대해서는 후술하기로 한다.
에어쿨러(1000)는 열전모듈(1100)을 이용하여 직류 전기를 생산할 수 있고, 직류전기는 축전지(500)에 저장될 수 있다.
메인 스위치 보드(600)는 선박의 전기 시스템에 전기를 공급하는 장치로서, 축전지(500)에서 공급되는 직류를 교류로 전환하여 선박의 전기 시스템에 공급할 수 있다. 이 때, 선박의 전기 시스템에는 선박에 설치되는 각종 전기장치 및 조명설비 등을 포함할 수 있다. 또한, 메인 스위치 보드(600)는 후술할 열전모듈(1100)에 전류를 공급할 수 있으며, 열전소자를 작동시켜 압축공기를 냉각시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 전력 시스템을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 열전 모듈에서 생산된 직류 전기는 축전지(500)에 일시 저장되었다가, 메인 스위치 보드(600)에서 교류 전기로 전환되어 제1 전기장치, 제2 전기장치, 열전 모듈 등을 포함하는 선박의 전기 시스템에 공급될 수 있다.
축전지(500)는 직류 전기를 저장하는 장치로, 열전모듈(1100)에서 생산되는 직류 전기뿐만 아니라, 선박의 다른 폐열 회수 시스템(WHRS, waste heat recovery system)에서 생산되는 직류 전기도 저장할 수 있다. 예를 들어, 제1 열전모듈(1110)에서 압축공기와 냉각수의 열 교환을 통해 직류 전기를 생산하면 축전지(500)에 일시적으로 저장해두었다가 메인 스위치 보드(600)로 공급 가능하다.
메인 스위치 보드(600)는 축전지(500)에서 공급되는 직류 전기뿐만 아니라, 발전기에서 생산되는 교류 전기도 선박의 전기 시스템에 공급할 수 있다. 즉, 발전기는 선박의 전기 시스템에 공급되는 전기를 생산하는데, 열전모듈(1100)에서 생산되는 직류 전기로 인해 발전기의 부하가 감소될 수 있고, 그 만큼 발전기에 소비되는 연료도 절감될 수 있다.
또한, 메인 스위치 보드(600)는 압축공기의 추가적인 냉각이 필요할 경우 열전모듈(1100)로 직류 전기를 공급하여 열전소자의 열전 냉각을 통해 압축공기를 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 메인 스위치 보드(600)는 도 3에 도시된 제2 열전모듈(1120)의 열전소자에 직류 전기를 공급하여 열전소자가 압축공기 측으로 흡열 작용하고, 냉각수 측으로 발열 작용하여 제2 열전모듈(1120)을 통과하는 압축공기를 냉각시키도록 작동할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 에어쿨러(1000)를 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 에어쿨러(1000)를 위에서 바라본 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 열전모듈(1100)의 내부 단면을 확대해서 나타낸 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 에어쿨러(1000)를 측면에서 바라본 단면도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 에어쿨러(1000)는 터보 과급기(200)에서 배출되는 고온의 압축공기가 유동하는 유동라인에 배치되어 냉각수와 열 교환을 통해 압축공기를 냉각시킬 수 있다. 이와 동시에, 에어쿨러(1000)는 열전소자를 구비하여 냉각수와 압축공기의 온도 차에 의해 전기를 생산할 수 있다.
에어쿨러(1000)는 냉각수와 압축공기의 온도 차에 의해 발전하는 열전모듈(1100)과, 열전모듈(1100)을 통과한 냉각수를 이용해 압축공기를 냉각시키는 쿨링모듈(1200)을 포함한다.
더욱 상세하게는, 열전모듈(1100)은 제1 열전모듈(1110)과 제2 열전모듈(1120)을 포함하고 쿨링모듈(1200)은 제1 쿨링모듈(1210)과 제2 쿨링모듈(1220)을 포함하며, 제1 쿨링모듈(1210) 및 제2 쿨링모듈(1220)은 제1 열전모듈(1110)과 제2 열전모듈(1120) 사이에 배치될 수 있다.
쿨링모듈(1200)은 열전모듈(1100)를 통과한 냉각수를 공급받고, 냉각수와 압축공기 간의 열 교환을 통해 압축공기를 냉각시키는 장치이다.
쿨링모듈(1200)은 제1 쿨링모듈(1210)과 제2 쿨링모듈(1220)로 마련될 수 있다. 이 때, 제1 쿨링모듈(1210)과 제2 쿨링모듈(1220)은 일체로 마련될 수도 있고, 별도로 마련되되 적층되는 방식으로 결합 가능하게 마련될 수도 있다.
제1 쿨링모듈(1210)은 압축공기의 유동방향(도 3을 기준으로 상하 방향)으로 양면이 개방되고 측면에 복수의 관통홀이 서로 대칭되게 관통 형성되는 몸체부(1216)와, 관통홀(1216a)에 삽입되어 양단부가 몸체부(1216)에 고정되고 내부에 냉각수가 유동 가능한 유로가 형성되는 복수의 냉각파이프(1211)를 포함할 수 있다. 이 때, 복수의 냉각파이프(1211)는 압축공기의 유동방향에 대해 수직하게 서로 나란하게 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 쿨링모듈(1210)은 냉각파이프(1211)의 내부에 흐르는 냉각수와 외부에 유동하는 압축공기 간의 열 교환을 통해 압축공기를 냉각시키는 역할을 수행할 수 있다.
복수의 냉각파이프(1211)는 일단부가 제1 연결유로(1411)에 연결되어(도 6 참조) 제1 열전모듈(1110)로부터 냉각수를 공급받고, 타단부가 제2 연결부재(1300)의 냉각수 배출구(1302)에 연결되어 열 교환된 냉각수를 배출시킬 수 있다.
제2 쿨링모듈(1220)은 제1 쿨링모듈(1210)과 대응되는 형상으로 마련되어 제1 쿨링모듈(1210)의 저면에 결합될 수 있다. 제2 쿨링모듈(1220)의 형상 및 구성은 제1 쿨링모듈(1210)과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
제2 쿨링모듈(1220)의 냉각파이프(미도시)는 일단부가 제2 연결유로(1412)에 연결되어(도 6 참조) 제2 열전모듈(1120)로부터 냉각수를 공급받고, 타단부가 제2 연결부재(1300)의 냉각수 배출구(1302)에 연결되어 열 교환된 냉각수를 배출시킬 수 있다.
열전모듈(1100)은 열전소자(1111c)를 구비하여 냉각수와 압축공기의 온도 차에 의해 전기를 생산하거나, 메인 스위치 보드(600)에서 전류를 공급받아 압축공기를 냉각시키는 장치이다. 이 때, 열전소자(Thermoelectric element)는 온도 차에 의해 기전력을 발생시키는 제베크 효과(Seebeck effect)와, 전위차를 주었을 때 온도 차를 발생시키는 펠티어 효과(Peltier effect)를 발생시킬 수 있는 소자를 의미한다. 따라서, 열전모듈(1100)은 열전소자(1111c)를 구비함으로써 전력이 부족할 경우 냉각수와 압축공기의 온도 차를 이용해 전기를 생산하도록 작동할 수 있고, 압축공기의 추가적인 냉각이 필요할 경우에는 전류를 공급받아 압축공기를 냉각시키도록 작동할 수 있다.
열전모듈(1100)은 제1 열전모듈(1110)과 제2 열전모듈(1120)로 마련될 수 있고, 쿨링모듈(1200)의 양단에 각각 적층되도록 결합될 수 있다. 구체적으로, 제1 열전모듈(1110)은 압축공기의 유동라인을 기준으로 상류 측에 배치되어 제1 쿨링모듈(1210)의 상단에 결합되고, 제2 열전모듈(1120)은 하류 측에 배치되어 제2 쿨링모듈(1220)의 하단에 결합될 수 있다.
제1 열전모듈(1110)은 압축공기의 유동방향(도 3의 상하방향)으로 양면이 개방되고 측면에 복수의 슬릿(1116a)이 서로 나란하게 관통 형성되는 몸체부(1116)와, 슬릿(1116a)에 삽입되어 양측 단부가 몸체부(1116)에 고정되고 내부에 냉각수가 유동하는 유로가 길이방향을 따라 관통 형성되고 방열핀(1112)이 마련되는 열전 플레이트(1111)를 포함할 수 있다.
열전 플레이트(1111)는 내부에 냉각유로가 형성되는 내측 플레이트(1111a)와, 표면에 복수 개의 방열핀(1112)이 마련되어 압축공기와 열 교환하는 외측 플레이트(1111b)와, 내측 플레이트(1111a)와 외측 플레이트(1111b) 사이에 개재되어 양방향으로 열 교환하는 적어도 하나 이상의 열전소자(1111c)를 포함할 수 있다. 방열핀(1112)은 외측 플레이트(1111b)의 표면에 수직한 방향으로 돌출 형성되며, 복수 개로 마련되어 서로 이격 배치될 수 있다. 다만, 방열핀(1112)의 형태는 이에 한정되지 않고 다양한 변형이 가능하고, 압축공기와 열 교환하는 표면적을 증가시켜 열 교환 성능을 향상시킬 수 있다면 형상이 상이하더라도 동일하게 이해되어야 할 것이다.
열전소자(1111c)는 외측 플레이트(1111b)를 통해 전달되는 압축공기의 고온 에너지와, 내측 플레이트(1111a)를 통해 전달되는 냉각수의 저온 에너지 간의 온도 차를 이용해 전기를 발생시키는 열전 발전장치로 사용될 수 있다. 또한, 열전소자(1111c)는 메인 스위치 보드(600)로부터 전류를 공급받아서 내측 플레이트(1111a)로 열을 방출시키고(발열반응), 외측 플레이트(1111b)의 열을 흡수하여(흡열반응) 압축공기를 냉각시키는 열전 냉각장치로 사용될 수 있다.
바람직하게는, 제1 열전모듈(1110)은 냉각수와 압축공기의 온도 차에 의해 발전하는 열전 발전장치로 작동할 수 있고, 제2 열전모듈(1120)은 전류를 공급받아 압축공기를 냉각시키는 열전 냉각장치로 작동할 수 있다. 따라서, 제1 열전모듈(1110)은 냉각수와 압축공기의 온도 차가 상대적으로 큰 유동라인의 상류 측에 배치되어 열전 발전을 효과적으로 수행 가능하다. 반면, 제2 열전모듈(1120)은 유동라인의 하류 측에 배치되어 제1 열전모듈(1110), 제1 쿨링모듈(1210), 제2 쿨링모듈(1220)을 통과하면서 냉각된 압축공기를 추가적인 냉각 가능하도록 열전 냉각을 수행할 수 있다.
제1 열전모듈(1110)의 복수의 열전 플레이트(1111)의 유로는 각각 일단이 냉각수 유입구(1301a)에 연결되고 타단이 제1 연결유로(1411)에 연결된다. 제2 열전모듈(1120)의 복수의 열전 플레이트(1121)의 유로는 일단이 냉각수 유입구(1301b)에 연결되고 타단이 제2 연결유로(1412)에 연결된다. 이에 따라, 냉각수 유입구(1301)로 공급된 냉각수는 제1 및 제2 열전모듈(1110, 1120)을 통과하면서 열 교환하고, 제1 및 제2 연결유로(1411,1412)를 통해 제1 및 제2 쿨링모듈(1210, 1220)로 유입 가능하다.
제2 열전모듈(1120)은 제1 열전모듈(1110)과 마찬가지로 압축공기의 유동방향(도 3의 상하방향)으로 양면이 개방되고 측면에 복수의 슬릿(1126a)이 서로 나란하게 관통 형성되는 몸체부(1126)와, 슬릿(1126a)에 삽입되어 양측 단부가 몸체부(1126)에 고정되고 내부에 냉각수가 유동하는 유로가 길이방향을 따라 관통 형성되고 방열핀(1122)이 마련되는 열전 플레이트(1121)를 포함할 수 있다.
제2 열전모듈(1120)은 제1 열전모듈(1110)과 동일한 형상으로 마련되되, 서로 다른 기능(예를 들어, 열전 냉각 작용)을 수행할 수 있다.
제1 연결부재(1410)는 열전모듈(1100)과 쿨링모듈(1200)을 연통시킴으로써, 열전모듈(1100)에서 배출된 냉각수를 쿨링모듈(1200)로 유입시키는 장치이다.
제1 연결부재(1410)는 제1 열전모듈(1110)과 제1 쿨링모듈(1210)에 연통되는 제1 연결유로(1411)와, 제2 열전모듈(1120)과 제2 쿨링모듈(1220)에 연통되는 제2 연결유로(1412)를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 연결유로(1411, 1412)가 형성되는 본체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 연결부재(1410)는 열전모듈(1100) 및 쿨링모듈(1200)에 대응되는 크기의 본체와, 본체의 내부에 마련되는 제1 연결유로(1411)와 제2 연결유로(1412)로 구성될 수 있다.
다만, 제1 연결부재(1410)의 구체적인 형상은 이에 한정되지 않으며, 제1 및 제2 열전모듈(1110, 1120)과 제1 및 제2 쿨링모듈(1210, 1220)을 각각 연결시키도록 마련된다면, 제1 및 제2 연결유로(1411,1412)가 분리되어 형성되거나 별도의 부재로 형성되는 등 다양한 변형에도 불구하고 동일하게 이해되어야 할 것이다.
제2 연결부재(1300)는 냉각수 유입구(1301)와 냉각수 배출구(1302)를 구비하여 냉각유로(400)와 열전모듈(1100) 및 쿨링모듈(1200)을 연결시키는 장치이다.
제2 연결부재(1300)는 제1 및 제2 열전모듈(1110, 1120)의 유로에 연통되는 냉각수 유입구(1301)와, 제1 및 제2 쿨링모듈(1210, 1220)의 유로에 연통되는 냉각수 배출구(1302)를 포함할 수 있고, 냉각수 유입구(1301)와 냉각수 배출구(1302)가 형성되는 본체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 연결부재는 열전모듈(1100) 및 쿨링모듈(1200)에 대응되는 크기의 본체와, 본체에 형성되는 냉각수 유입구(1301)와 냉각수 배출구(1302)로 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 냉각수 유입구(1301)와 냉각수 유출구(1302)는 각각 원형 관통홀로 마련될 수 있고, 냉각수 유입구(1301a,b)는 하나의 홀에서 분기되어 각각 제1 및 제2 열전모듈(1110, 1120)로 연결될 수 있다. 또한, 도면에 도시되지 않았지만 냉각수 유입구(1301)는 복수의 열전 플레이트(1111,1121)의 유로와 연결되고, 냉각수 배출구(1302)는 복수의 냉각파이프(1211,1221)의 유로와 연결된다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 냉각수는 냉각수 공급유로(410)를 통해 유입되어 제1 및 제2 열전모듈(1110, 1120)로 분기되어 공급되고, 제1 및 제2 쿨링모듈(1210, 1220)에서 합류되어 냉각수 배출유로(420)를 통해 배출된다.
구체적으로, 제1 열전모듈(1110)로 유입된 냉각수는 열전 플레이트(1111), 제1 연결유로(1411), 제1 쿨링모듈(1210)의 냉각파이프(1211)를 순차적으로 통과하면서 에어쿨러(1000)를 통과하는 압축공기를 냉각시킬 수 있다. 이 때, 냉각수가 제1 열전모듈(1110)의 열전 플레이트를 통과할 때, 제1 열전모듈(1110)의 열전소자는 냉각수와 압축공기 간의 온도 차를 이용해 전기를 생산할 수 있다.
반면, 제2 열전모듈(1120)로 유입된 냉각수는 열전 플레이트(1121), 제2 연결유로(1412), 제2 쿨링모듈(1220)의 냉각파이프(1221)를 순차적으로 통과하면서 압축공기를 냉각시킬 수 있다. 이 때, 냉각수가 제2 열전모듈(1120)의 열전 플레이트(1121)를 통과할 때, 제2 열전모듈(1120)의 열전소자는 압축공기 측의 열을 흡수하고 냉각수 측으로 열을 방출하여 열전 냉각을 수행할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시 예에 의한 에어쿨러(1000)는 냉각수를 순환시켜 압축공기를 냉각시킬 수 있다. 또한, 열전모듈(1100)을 쿨링모듈(1200)의 양단에 배치함으로써 냉각수와 압축공기의 온도 차가 가장 큰 구간(상류)에서 열전소자를 이용해 전기를 생산할 수 있고, 이와 동시에 냉각수와 압축공기의 온도 차가 가장 작은 구간(하류)에서 열전소자를 이용해 열전 냉각하여 압축공기를 추가적으로 냉각할 수 있는 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 선박용 열전발전 시스템을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 의한 선박용 열전발전 시스템은 선박엔진(300), 터보 과급기(200), 에어쿨러(1000), 축전지(500) 및 메인 스위치 보드(600)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 의한 선박용 열전발전 시스템은 에어쿨러(1000)에 공급되는 냉각수가 해수가 아닌 청수라는 점에서 위에서 설명한 본 발명의 일 실시 예에 의한 선박용 열전발전 시스템과 구별된다. 즉, 냉각수 공급유로(410)과 냉각수 배출관(420)에는 청수가 채워질 수 있다.
에어쿨러(1000)에 공급되는 청수는 해수와 열 교환할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시 예에 의한 선박용 열전발전 시스템은 청수와 해수 사이에 열 교환이 이루어질 수 있는 열교환기(E)를 더 포함할 수 있다. 그 결과, 에어쿨러(1000)가 해수에 직접 접촉하여 부식되거나 수명이 단축되는 것을 방지할 수 있고, 해수를 이용하여 청수를 냉각함으로써, 청수를 냉각하기 위한 별도의 냉각설비가 요구되지 않는다.
청수는 제1 펌프(P)에 의해 순환되고, 해수는 제2 펌프(P´)에 의해 순환될 수 있다.
지금까지 본 발명의 선박용 열전발전 시스템에 관한 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시 예에 국한되어 전해져서는 안되며, 후술하는 특허등록 청구범위뿐만 아니라 이 특허등록 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허등록 청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허등록 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 터보 과급기 300: 선박엔진
400: 냉각유로 500: 축전지
600: 메인 스위치 보드 1000: 에어쿨러
1100: 열전모듈 1110: 제1 열전모듈
1111,1121: 열전 플레이트 1112, 1122: 방열핀
1120: 제2 열전모듈 1200: 쿨링모듈
1210: 제1 쿨링모듈 1211,1221: 냉각파이프
1220: 제2 쿨링모듈 1300: 제1 연결부재

Claims (7)

  1. 선박엔진;
    상기 선박엔진의 배기가스를 이용하여 압축공기를 생산하는 터보 과급기; 및
    상기 터보 과급기에서 생산되는 압축공기가 이동하는 유동라인에 배치되고 압축공기를 냉각시키는 에어쿨러를 포함하고,
    상기 에어쿨러는
    냉각수와 압축공기의 온도 차에 의해 발전하는 열전모듈과, 상기 열전모듈을 통과한 냉각수를 이용해 압축공기를 냉각시키는 쿨링모듈을 포함하는 선박용 열전발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전모듈은
    상기 쿨링모듈의 일측에 결합되고 냉각수와 압축공기의 온도 차에 의해 발전하는 제1 열전모듈과,
    상기 쿨링모듈의 타측에 결합되고 전류를 공급받아 압축공기를 냉각시키는 제2 열전모듈을 포함하는 선박용 열전발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 쿨링모듈은
    상기 제1 열전모듈을 통과한 냉각수를 유동시켜 압축공기를 냉각시키는 제1 쿨링모듈과,
    상기 제2 열전모듈을 통과한 냉각수를 유동시켜 압축공기를 냉각시키는 제2 쿨링모듈을 포함하는 선박용 열전발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에어쿨러는
    상기 제1 열전모듈과 상기 제1 쿨링모듈에 연통되는 제1 연결유로와, 상기 제2 열전모듈과 상기 제2 쿨링모듈에 연통되는 제2 연결유로를 구비하는 제1 연결부재를 포함하는 선박용 열전발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에어쿨러는
    상기 제1 및 제2 열전모듈에 연통되는 냉각수 유입구와, 상기 제1 및 제2 쿨링모듈에 연통되는 냉각수 배출구를 구비하는 제2 연결부재를 포함하는 선박용 열전발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 열전모듈 및 상기 제2 열전모듈은
    내측 플레이트와, 표면에 복수 개의 방열핀이 돌출 형성되는 외측 플레이트와, 상기 내측 플레이트와 상기 외측 플레이트 사이에 개재되는 적어도 하나 이상의 열전소자를 포함하는 선박용 열전발전 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전모듈에서 생산되는 직류전기를 저장하는 축전지; 및
    상기 축전지에서 공급되는 직류전기를 교류전기로 전환하여 선박의 전기 시스템에 공급하는 메인 스위치 보드를 더 포함하는 선박용 열전발전 시스템.
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