KR20220147468A - 대기(공기) 잠열을 이용한 전기 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 생산을 위하여, 공기중의 잠열을 냉매인 암모니아를 기화시킨후 0.6MPa 전후로 압축하여 110℃를 얻어 고온부에 열을 공급하고, 역 방향으로 저온을 생산하여 저온을 공급하여,
양면의 온도차를 이용한 제벡효과를 얻어 전기를 발생시켜 얻기 위한 장치이며,
이에 소위 N형 반도체와 P형 반도체를 필요한 만큼 병렬로 연결하여, 산업에 사용할 만큼의 전기를 얻기 위한 장치를 하고, 일명 성적계수(C.O.P.)라는 냉동공학의 원리를 원용하여 대기중의 잠열을 효율적으로 활용하기 위한 설계를 통해, 전기를 얻는 장치이다.

Description

대기(공기) 잠열을 이용한 전기 발생 장치{ELECTRIC GENERATION APPARATUS USING LATENT HEAT AIR}

본 발명은 대기(공기) 잠열을 이용한 전기 발생 장치에 관한 것으로써, 냉동장치의 작동 유체인 암모니아(NH₃)를 대기중의 잠열을 끌어들이기 위한 작동 유체로 하고,

히트펌프를 이용하여 흡수된 열을 압축하여 열원(고열원)을 생산한후,

위와 반대의 방향으로 시스템을 설계하여 열원(저열원)을 생산한후,

온도차 즉 고열원과 저열원의 차이에 의해 열기전력이 발생하는 폐회로에 전류가 흐르게 하는 이른바,

제벡효과를 응용해 전기를 발생시키는 장치이다.

고온부와 저온부로 구성된 특수한 반도체에 열원을 공급하면 전기가 발생하는 이른바 제벡효과를 이용하는 시스템이다.

즉, 온도차에 의해 열기전력이 발생하여 폐회로에 전기를 발생시켜 산업에 이용하는 전기를 생산한다.

또한 암모니아는(NH₃)는 약 6기압(0.6MPa)정도로 터보압축기등으로 압축하면, 암모니아 기체는 대략 110℃ 정도의 온도를 얻어, 이를 고온부의 고열원으로 사용한다.

반대의 방향으로 저열원을 생산하여 사용하며,

한편,

냉동기의 성적계수(Coefficient of Performance C.O.P.)는 냉동기의 열효율이 좋고 나쁨을 판정하는 척도로써, 성적계수(C.O.P.)는

대기온도(증발온도), 응축기 온도, 응축방법, 열전달

재질, 압축기 방법 및 압축성능등의 변수에 따라 다르게 나타난다.

일반적으로 위와 같은 변수를 적용하여 성적계수(C.O.P.)를 산출하여 보면 6.5정도까지 가능하고,

위 장치는, 시스템의 자체 열 손실등의 소비외에 배출되는 열 손실이 없이 무한히 반복되는 시스템으로,

이 정도의 C.O.P.(성적계수) 만으로도 산업에 사용될 전기를 생산할수 있는 시스템이다.

또 다른 면,

근래 발전하고 있는 특수한 반도체에 열원을 공급하면, 전기가 발생하는 이른바 제벡효과를 응용한 분야라고 볼수 있다.

본 발명은 상기의 개발의 필요성에 따라 안출된 것으로, 암모니아(NH₃)를 작동 유체로 하고,

이에 따라 고열원과 저열원을 획득한 열원을 특수한 반도체의 한쪽에는 고열원을 접촉하고, 다른 한쪽은 저열원을 접촉하여 온도차이를 주면,

전기가 발생하는바,

특수한 반도체의 설계를 어떻게 하느냐에 따라 전기 생산 효과가 차이가 많이 나므로,

이에 대한 깊은 연구가 필요한 과제이며,

이에 더불어, 많은 전기를 얻기 위한 최적의 시스템을 설계하기 위한 최적화된 모듈을 설계하고, 이 모듈을 병렬 연결하여, 많은 양의 전기를 생산할수 있는 시스템을 고안하는 과제를 안고 있다.

.

본 발명은 대기중의 잠열을 장치내로 흡수하여, 전기를 생산하므로, 대기중의 열을 소모하여, 그간 산업화에 따른 대기중의 온도 상승에 따른, 잦은 홍수, 기상의 변화등을 완화시킬수 있고,

석탄과 석유등 이산화탄소의 소비를 감소시키는 효과가 있는 청정한 전기 생산 기술이다.

10 암모니아 증발기 20 열 방출기 30 제1 강제 순환기
40 제2 강제 순환기 50 터보 압축기 60 압축기
70 팽창밸브1 80팽창밸브2 90 열 교환 전기 발생기
[고온부와 저온부의 별도 도면]

[모듈의 병렬연결 대형화]

공기중의 잠열을 냉매인 암모니아(NH₃)를 기화시킨후 압축하여 고열원을 고온부에 통과시키고,
역으로 저온부에도 저열원을 통과시켜,
양끝의 온도차를 주는 장치이다.
또한 한 단위의 모듈을 수십개 내지 수백개를 병렬로 연결하여 전체 시스템에서,
산업에 필요한 전기 약 30Kw ~ 50Kw를 얻는 규모의 시스템을 구현하면 매우 경제성이 좋을 것으로 보인다.
이러한 시스템을 아열대 이상의 기후 지역에 철근 콘크리트 구조물을 10층이상 건축하여 집단화 시키면,
일종의 전기 발전소 처럼 대량의 전기를 생산하여 사용할수 있는 것이다.

제벡효과를 얻기위해 소위, P형 반도체와 N형 반도체를 시스템에서 활용한다.

P형 반도체는

전기를 옮기는 캐리어로 정공이 사용되는 반도체이다.

양의 전하를 가지는 정공이 캐리어로서 이동돼서 전류가 생긴다.

즉, 정공이 다수 캐리어가 되는 반도체이다.

예시로 실리콘과 동일한 14족 원소의 진성반도체에, 미량의 13족 원소를 불순물로 첨가해서 만들어 진다.

첨언하면,

4족 원소인 실리콘 단결정(순수 반도체)에 최외각 전자가 3개인 붕소(B)등 3족 원소를 불순물로 첨가하면, 실리콘 원자와 모두 공유결합후, 전기가 비어있는 상태, 즉 정공(홀)이 생긴다.

N형 반도체는

순수한 반도체에 특정 불순물(5족 원소)를 첨가하여 전자(electron)의 수를 증가시킨 반도체.

즉 4족 원소인 실리콘 단결정(순수 반도체)에 최외각 전자가 5개인 P(P), 비소(A_S)등 5족 원소를 불순물로 첨가하면, 실리콘 원자와 공유결합후, 전자가 남는 상태, 즉 잉여전자가 생긴다

본 발명은 이미 대중화된 기술로써,

다만 고열원과 저열원을, 산업 폐수나, 발전소의 폐열등을 사용하지 않고,

대기중의 열을 냉매를 활용하고,

시스템에서 고온부열을 일단 H₂O를 고온화 시키도록 장치하여 열 전도율을 향상시켜 시스템의 성적계수(C.O.P.)를 최소 4.0 이상 항시 유지토록 설계한다.

일단 위 발명은 기존의 산업 폐열을 사용하는 경우를 보면, 고온부에 공급된 고온의 폐열은 최대 20%까지 전기를 생산하는 열원으로 공급하면서 장치에서 흘러나와 버려지게 된다.

그러나 위 장치는 20%사용하고 나머지 80%를 버리는 시스템 아니다.

즉 80%는 그대로 유지한 상태에서,

전기로 전환된 열과,

장치 자체에서 유실되는 시스템에서의 손실만을,

계속 공급해주는 원리로 인하여,

성적계수 4.0[C.O.P.] 정도에서,

압축기의 용량이 20Kw/h라고 가정하면,

20Kw/h x 4.0 = 80Kw/h의 열을 생산,

80Kw/h 중에서 20Kw/h는 자체 필요전기를 사용하고

40Kw/h는 산업에서 사용하는 양이며,

10Kw/h는 손실되는 양이다.

이를 좀더 구체적으로 설명해 보기로 한다.

ZT값을 통한 위 발명의 설명.

발전효율을 나타내는 ZT값은

높을수록 전기 생산 효율이 좋다는 뜻이다.

ZT =

T/K 로 정의하며

제벡계수

전기 전도도

K 열 전도도

현재 산업계에서는

일반적인 연구논문에서 ZT = 2.0 값을 보이고 있고 휴모트 같은 소기업에서는 ZT = 4.0을 달성하는 연구성과를 발표하고 있다.

향후 산업계에서는 위 ZT값을 높이기 위한 연구를 지속하고 있어서,

효율은 지속 증가할 것으로 판단된다.

위 ZT = 1 이면 시스템 열효율 5%

= 2.0 이면 시스템 열효율 10%

= 3.0 이면 시스템 열효율 15%

= 4.0 이면 시스템 열효율 20%

이다.

위와같이 ZT값은 향후 지속 증가할 것으로 보아,

ZT = 4.0을 위 시스템에 적용하면,

열효율은 20%가 되며,

위 시스템의 전기 사용량을 계산해보면,

전체 시스템 열량을 100으로 하면,

80% 잔존 에너지(시스템에 항시 존재)

5% 터보 압축기 용량

8% 산업 사용량

5% 열 손실량

2% 팬등 자체 소모 전기량.

시스템의 크기 및 용량등은 새로운 기술등을 받아들여 설계하면 될 것이다.

열역학의 법칙과 성적계수와의 연관성.

열역학의 법칙으로 보면 투입한 에너지량(주요 소모량은 압축 터보 모터)에 비해 생산되는 에너지량이 월등히 크다는 것을 위에서는 주장하고 있다.

그러나 성적계수는,

어디서 뚝딱 떨어진 가상의 에너지를 활용하는 것이 아니다.

냉동공학에서 실제 활용하는 성적계수(C.O.P.)는 실제 활용하는 논리이다.

열역학 법칙을 강력하게 주장하자면 C.O.P.(성적계수)가 1보다 크면 안될것이다.

그러나 냉동 장치에서 열 전달 방법, 재질등을 어떻게 활용하느냐에 따라 그 수치가 24까지도 가능하다.

따라서 이런 성적계수의 원리를 활용하는 것이므로, 열역학 법칙의 위반을 논할 필요는 없다고 본다.

또한 열효율을 150%등 100%이상으로 보는것이 아닌, 20%를 기준으로

계산을 한 것이다.

Claims (1)

1. 대기 중에 포함된 잠열을 장치 내로 끌어들여 그 내부의 배관에 암모니아(NH₃)를 통과시켜 상기 암모니아[NH₃]를 기화시켜 열기를 흡수하는 암모니아 증발기;
   이용된 대기(공기)를 외부로 배출시키는 제1강제 순환기
   기화한 암모니아(NH₃) 냉매를 압축하여 온도를 더욱 높이는 히트펌프,
   배관 내부로 압축된 기화한 암모니아[NH₃] 냉매를 통과시켜, 내부의 반도체의 고온부 장치를 통과하면서 H₂O 증기를 가열하는 열 교환기,
   상기 열 교환기를 통과한 암모니아를 증발기를 보내기 전에 유량을 조절하는 팽창밸브,
   저온부 저온 공급을 위한 열 방출기, 소형 압축기, 소형 팽창밸브를 포함하는 저온 공급 장치와,
   일명 제벡효과를 얻기 위한 P형 반도체와 N형 반도체가 필요한 만큼 병렬로 연결되어, 여기서 유도한 발생 전기를 외부로 얻기 위한 배선을 포함하는 열 교환 전기 발생 장치가 장착된,
   공기 열을 이용한 전기 발생 장치.

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