KR20230139705A - 발전 모듈 - Google Patents

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KR20230139705A
KR20230139705A KR1020220038373A KR20220038373A KR20230139705A KR 20230139705 A KR20230139705 A KR 20230139705A KR 1020220038373 A KR1020220038373 A KR 1020220038373A KR 20220038373 A KR20220038373 A KR 20220038373A KR 20230139705 A KR20230139705 A KR 20230139705A
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KR
South Korea
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electrode
type semiconductor
heating
power generation
generation module
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KR1020220038373A
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박승수
정경진
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주식회사 세진이에스
(주)한중신과인재교류센타
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80—Constructional details

Abstract

본 발명의 목적은 가열기체와 발전소자 가열부의 온도차이 및 냉각기체와 발전소자 냉각부의 온도차이를 각각 최소화하여, 발전소자에서 가열부와 냉각부의 온도차를 확보하는 발전 모듈을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발전모듈은, 1쌍의 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 양단에 제1 전극과 제2 전극을 구비하여 상기 제1 전극 측과 상기 제2 전극 측의 온도 차이로 전기를 발생시키는 발전소자, 상기 발전소자의 상기 제1 전극에 부착되고 가열기체로 가열되는 가열부, 및 상기 발전소자의 상기 제2 전극에 부착되고 냉각기체로 냉각되는 냉각부를 포함하며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 열통과면적보다 넓은 면적으로 형성될 수 있다.

Description

발전 모듈 {Power Generation Module}
본 발명은 발전 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전소자에서 가열부와 냉각부의 온도차를 확보하는 발전 모듈에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 발전소자는 양단의 온도 차이에 의하여 기전력을 발생시키며, 양단의 온도 차이가 클수록 많은 전기를 생산한다. 발전소자의 양단에서 온도 차이를 크게 하려면, 발전소자의 열통과량 보다 많은 열을 발전소자의 열통과단면의 일단에 공급하고 반대편 끝에서 발전소자의 열통과량보다 많은 열을 냉각시켜야 한다.
열용량이 큰 액상의 물질로 발전소자의 양단을 가열하고 냉각하면 가장 이상적이다. 그러나 액상의 물질은 현실적으로 사용하기 어렵다. 일례로써, 고온의 물을 가열원으로 사용할 경우, 물을 200℃정도로 가열하려면 물은 16기압(atm)의 고압 상태를 요구하므로 특수 보일러를 필요로 한다. 따라서 시스템 구성상 경제성이 떨어진다.
또한 열매체를 가열원으로 사용할 경우, 열매체는 가연성 물질이므로 순환계에서 화재 및 폭발을 일으킬 수 있다. 따라서 열매체는 특수한 순환펌프를 필요로 한다. 따라서 순환동력 손실이 크고, 경제적으로도 적용이 어렵다.
종래의 발전모듈은 발전소자들의 배치가 밀집되어 있다. 따라서 발전모듈의 가열부와 냉각부의 면적이 발전소자의 가열부 및 냉각부의 면적과 비슷하다. 이와 같은 발전모듈의 가열부와 냉각부를 기체로 가열하고 냉각하며, 기체는 비열 및 열전도율에서 발전소자에 비해 매우 낮다.
이 기체로 발전소자를 가열하는 과정에서 발전소자의 가열부의 표면과 가열하는 가열기체 사이에서 온도차이가 높게 발생하고, 냉각하는 과정에서 발전소자의 냉각부의 표면과 냉각하는 냉각기체 사이에서 온도차이가 높게 발생한다.
이로 인하여 발전소자 양단, 즉 가열부와 냉각부의 온도차이가 제대로 형성되지 못하고, 그 결과 설정된 전기가 발생되지 못한다. 또한 버려지고 있는 200℃ 이내의 폐열은 대부분 기체 상태로는 기존의 발전모듈에서 전기를 생산하기 어렵다.
본 발명의 목적은 가열기체와 발전소자 가열부의 온도차이 및 냉각기체와 발전소자 냉각부의 온도차이를 각각 최소화하여, 발전소자에서 가열부와 냉각부의 온도차를 확보하는 발전 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 발전소자의 가열부를 가열기체로 가열하고 발전소자의 냉각부를 냉각기체로 냉각하면서 설정된 전기의 발생을 가능하게 하는 발전 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 설정 온도(예, 200℃) 이내의 폐열로도 전기를 생산할 수 있는 간편하고 경제성 있는 발전모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전모듈은, 1쌍의 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 양단에 제1 전극과 제2 전극을 구비하여 상기 제1 전극 측과 상기 제2 전극 측의 온도 차이로 전기를 발생시키는 발전소자, 상기 발전소자의 상기 제1 전극에 부착되고 가열기체로 가열되는 가열부, 및 상기 발전소자의 상기 제2 전극에 부착되고 냉각기체로 냉각되는 냉각부를 포함하며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 열통과면적보다 넓은 면적으로 형성된다.
상기 가열부는 상기 제1 전극에 부착되고 가열 히트싱크를 구비하여 가열기체의 열을 흡열하는 가열측 케이스를 포함하며, 상기 냉각부는 상기 제2 전극에 부착되고 방열 히트싱크를 구비하여 냉각기체로 열을 방열하는 방열측 케이스를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극의 면적은 상기 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 열통과면적보다 크고, 상기 가열측 케이스의 면적은 상기 제1 전극의 면적보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 제2 전극의 면적은 상기 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 열통과면적보다 크고, 상기 방열측 케이스의 면적은 상기 제2 전극의 면적보다 더 크게 형성될 수 있다.
상기 발전소자의 1쌍의 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자는 직육면체 기둥으로 형성되어 일측으로 제1 전극에 부착되고, 다른 일측으로 제2 전극에 부착될 수 있다.
상기 발전소자의 1쌍의 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자는 사각뿔대로 형성되어 일측으로 제1 전극에 부착되고, 다른 일측으로 제2 전극에 부착될 수 있다.
상기 발전소자의 1쌍의 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자는 제1 전극과 제2 전극 중 적어도 일측에 설정된 깊이로 매립되어 부착될 수 있다.
상기 발전소자는 복수로 구비되어 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 1쌍씩 일측으로 제1 전극들에 전기적으로 연결되고, 다른 일측으로 제2 전극들에 부착되어 전기적으로 연결되며, 상기 제1 전극들은 상기 가열부의 가열측 케이스에 부착되고, 상기 제2 전극들은 상기 냉각부의 냉각측 케이스에 부착될 수 있다.
상기 가열측 케이스와 상기 냉각측 케이스는 측면 케이스로 밀폐되고, 밀폐된 공간은 에어로젤로 충진될 수 있다.
상기 측면 케이스는 상기 가열측 케이스의 하표면과 상기 냉각측 케이스의 상표면에 세라믹 접착제로 부착될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 발전모듈은 발전소자에서 제1 전극 및 제2 전극의 면적을 1쌍의 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 열통과면적보다 넓은 면적으로 형성하므로 가열기체와 제1 전극 측의 온도차이 및 냉각기체와 제2 전극 측의 온도차이를 각각 최소화할 수 있다.
일 실시예는 발전소자에서 제1 전극 측 가열부와 제2 전극 측 냉각부의 온도차이를 확보하므로 발전소자의 가열부를 가열기체로 가열하고 발전소자의 냉각부를 냉각기체로 냉각하면서 설정된 전기를 발생할 수 있다.
일 실시예는 발전모듈에서 가열부와 냉각부의 온도차이를 확보하므로 설정 온도(예, 200℃) 이내의 폐열로도 전기를 생산할 수 있다.
또한 일 실시예는 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자들 사이에 넓어진 공간에 에어로젤(aerogel)을 충진함으로써 넓어진 공간에서 대류에 의한 열손실 및 가열부 측 제1 전극과 냉각부 측 제2 전극 사이의 복사열에 의한 열손실을 방지할 수 있다.
도 1는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발전모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발전모듈을 분해한 사시도이다.
도 3은 도 2의 가열부 측 제1 전극을 제거한 상태에서 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 배치를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 부분 상세도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발전모듈의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발전모듈의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발전모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 발전모듈을 분해한 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예의 발전모듈(100)은 발전소자(10), 가열부(20) 및 냉각부(30)를 포함한다.
발전소자(10)는 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 양단에 제1 전극(11)과 제2 전극(12)을 구비하여, 제1 전극(11) 측과 제2 전극(12) 측의 온도차이로 전기를 발생시키도록 구성된다. 발전소자(10)는 제1 전극(11) 측과 제2 전극(12) 측의 온도차이를 크기 하여 많은 전기를 생산할 수 있다.
일 실시예로써, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)은 구리로 형성된다. 구리는 고온에서도 높은 열전도도(W/(mk))를 유지한다. 즉 구리는 -100℃에서 420 W/(mk), 0℃에서 403 W/(mk), 100℃에서 395 W/(mk), 300℃에서 381 W/(mk) 및 700℃에서 354 W/(mk)를 가진다.
가열부(20)는 제1 전극(11) 측으로부터 흡열하여 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)에 열을 전달하도록 구성된다. 제1 전극(11) 측은 가열기체에 의하여 가열된다. 냉각부(30)는 가열부(20)를 통하여 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)로 전달된 열을 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)로부터 전달받아서 제2 전극(12) 측으로 발열하도록 구성된다. 제2 전극(12) 측은 냉각기체에 의하여 냉각된다.
일측에서 제1 전극(11)은 하나로 형성되므로 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 일단은 제1 전극(11)에서 전기적으로 서로 연결된다. 다른 측에서 제2 전극(12)은 분리 형성되므로 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 다른 일단은 분리된 제2 전극(12) 각각에 전기적으로 연결된다. N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)가 복수 쌍으로 배치되어 직렬로 연결되는 경우, 다른 일측에서는 반대 구조로 연결된다.
따라서 가열부(20)로 흡수된 가열기체의 열은 제1 전극(11)을 통하여 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)를 경유하여 제2 전극(12)으로 전달되어 냉각부(30)를 통하여 냉각기체로 방출된다. 이때, 가열부(20)의 흡열 및 냉각부(30)의 방열 진행시, 발전소자(10)에서 발생되는 전기는 제2 전극(12) 및 제2 전극(12)에 연결되는 전선(50)으로 출력된다.
도 3은 도 2의 가열부 측 제1 전극을 제거한 상태에서 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 배치를 도시한 평면도이다. 도 3을 참조하면, 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)은 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 열통과면적보다 넓은 면적으로 형성된다. 열통과면적은 N형 반도체 소자(N)의 횡단면적과 P형 반도체 소자(P)의 횡단면적의 합과 같다.
냉각부(30)의 면적은 제2 전극들(12)의 합면적보다 크고, 제2 전극(12)의 각 면적은 1쌍의 N형 반도체 소자(N)의 횡단면적과 P형 반도체 소자(P)의 횡단면적의 합보다 크다. 즉 별도로 도시하지는 않았으나, 가열부(20)의 면적은 제1 전극들(11)의 합면적보다 크고, 제1 전극(11)의 각 면적은 1쌍의 N형 반도체 소자(N)의 횡단면적과 P형 반도체 소자(P)의 횡단면적의 합보다 크다.
이와 같이, 제1 실시예의 발전모듈(100)은 가열부(20) 및 냉각부(30)의 면적을 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 열통과면적보다 넓게 형성하므로 가열기체와 가열부(20)의 온도차이 및 냉각기체와 냉각부(30)의 온도차이를 각각 최소화할 수 있다.
제1 실시예의 발전모듈(100)은 발전소자(10)에서 가열부(20)와 냉각부(30)의 온도차이를 확보하므로 발전소자(10)의 가열부(20)를 가열기체로 가열하고 발전소자(10)의 냉각부(30)를 냉각기체로 냉각하면서 설정된 전기를 발생할 수 있다.
제1 실시예의 발전모듈(100)은 발전소자(10)에서 가열부(20)와 냉각부(30)의 온도차이를 확보하므로 일례로써 200℃ 이내의 폐열로 또한 전기를 생산할 수 있다.
가열부(20)는 제1 전극(11)에 부착되고 가열 히트싱크(22)를 구비하여 가열기체의 열을 흡열하는 가열측 케이스(21)를 포함한다. 따라서 가열 히트싱크(22)는 가열기체의 열을 넓은 흡열면적으로 흡수하여 가열측 케이스(21)를 통하여 제1 전극(11)으로 신속하게 전달할 수 있다.
이때, 제1 전극(11)의 면적은 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 열통과면적보다 크고, 가열측 케이스(21)의 면적은 가열측 제1 전극(11)의 면적보다 더 크게 형성된다. 따라서 가열기체와 제1 전극(11) 측의 온도차이가 최소화될 수 있다.
냉각부(30)는 제2 전극(12)에 부착되고 방열 히트싱크(32)를 구비하여 냉각기체로 열을 방열하는 방열측 케이스(31)를 포함한다. 따라서 방열측 케이스(31)는 제2 전극(12)의 열을 흡수하여 방열 히트싱크(32)의 넓은 방열면적을 통하여 냉각기체로 신속히 방열한다.
이때, 제2 전극(12)의 면적은 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 열통과면적보다 크고, 방열측 케이스(31)의 면적은 방열측 제2 전극(12)의 면적보다 더 크게 형성된다. 따라서 방열기체와 제2 전극(12) 측의 온도차이가 최소화될 수 있다.
따라서 제1 실시예의 발전모듈(100)은 발전소자(10)에서 제1 전극(11) 측 가열부(20)와 제2 전극(12) 측 냉각부(30)의 온도차이를 확보할 수 있고, 이로 인하여, 설정된 전기를 발생할 수 있다.
일례로써, 가열부(20)와 냉각부(30)는 알루미늄으로 형성되며, 표면에 전기적인 절연을 위하여 아노다이징 처리된 산화알루미늄(Al2O3)으로 형성된다. 알루미늄은 구리에 비하여 낮은 열전도도(W/(mk))를 가진다.
즉 알루미늄은 -100℃에서 241 W/(mk), 0℃에서 236 W/(mk), 100℃에서 240 W/(mk), 300℃에서 233 W/(mk) 및 700℃에서 92 W/(mk)의 열전도도를 가진다. 산화알루미늄(Al2O3)은 20℃에서 30 W/(mk)의 열전도도를 가진다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)에 필요로 하는 양단의 온도차이에 의하여, 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 통과 열량을 결정한다. 일례로써, N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)는 Bi2Te3로 형성되고, 20℃에서 1.4 W/(mk)의 열전도도를 가진다.
결정된 통과 열량에 따라 기체의 강제대류에 의해서 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 통과 열량 이상을 가열할 수 있는 가열부(20)의 필요 면적과 냉각할 수 있는 냉각부(30)의 필요 면적을 구한다.
필요 면적보다 작은 면적의 제1 전극(11)과 제2 전극을 가열측 케이스(21)와 방열측 케이스(31)에 부착한다. 기체의 열전달 능력은 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 통과량 능력보다 작으므로 제1 전극(11)의 면적 및 제2 전극(12)의 면적은 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 열통과 면적보다 당연히 커진다.
이때, 가열부(20)와 가열기체의 온도차이는 작은 것이 좋고, 냉각부(30)와 냉각기체의 온도차이도 적은 것이 좋다. 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 열전도성에 비하여 알루미늄이나 구리는 우수한 열전도성을 가진다.
따라서 알루미늄이나 구리는 열전달 속성이 전혀 다른 기체와 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)와의 열전달 불균형을 해소시켜서, 발전소자(10) 및 발전모듈(100)의 효율을 높일 수 있다.
제1 실시예의 발전모듈(100)에서 발전소자(10)의 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)는 직육면체 기둥으로 형성되어 일측으로 제1 전극(11)에 부착되고, 다른 일측으로 제2 전극(12)에 부착된다.
발전모듈(100)에서 발전소자(10)는 복수로 구비되어 직렬 연결된다. N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)는 1쌍씩 일측으로 제1 전극들(11)에 전기적으로 연결되고, 다른 일측으로 제2 전극들(12)에 부착되어 전기적으로 연결된다. 제1 전극들(11)은 가열부(20)의 가열측 케이스(21)에 부착되고, 제2 전극들(12)은 냉각부(30)의 냉각측 케이스(31)에 부착된다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 발전모듈(100)에서 가열측 케이스(21)와 냉각측 케이스(31)의 측방은 측면 케이스(13)로 밀폐되고, 밀폐된 공간은 에어로젤로 충진된다. 일례로써 측면 케이스(13)는 세라믹으로 형성되어 발전모듈(100)의 측면에서 단열을 형성한다.
제1, 제2 전극(11, 12)의 면적이 1쌍의 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P)의 열통과 면적보다 넓어짐에 따라 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P) 사이 공간이 넓어진다.
가열측 케이스(21)와 냉각측 케이스(31) 및 측면 케이스(13)의 내부에서 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P) 및 제1, 제2 전극(11, 12)을 노출시키는 넓은 공간 및 이에 채워진 에어로젤은 대류 및 제1, 제2 전극(11, 12) 간의 복사열에 의한 열손실을 방지하고 단열을 더 형성한다.
도 5는 도 4의 부분 상세도이다. 도 1 내지 도 5를 참조하면, 측면 케이스(13)는 가열측 케이스(21)의 하표면과 냉각측 케이스(31)의 상표면에 세라믹 접착제(14)로 부착될 수 있다.
일례로써, 세라믹 접착제(14)는 20℃에서 12.6 W/(mk)의 열전도도를 가진다. 세라믹 접착제(14)는 낮은 열전도도로 인하여 측면 케이스(13) 및 에어로젤로 형성되는 단열 성능의 저하를 더 방지할 수 있다. 제1, 제2 전극(11, 12)의 구리는 20℃에서 401 W/(mk)의 열전도도를 가진다.
세라믹 접착제(14)는 제1, 제2 전극(11, 12)과 갭(G)을 형성한다. 갭(G)은 제1, 제2 전극(11, 12)에서 세라믹 접착제(14) 및 측면 케이스(13)로의 열전도를 방지하므로 발전모듈(10)의 가열부(20)와 냉각부(30) 측에서의 단열을 더 형성할 수 있다.
제1 실시예는 에어로젤로 열손실을 방지하고 단열을 형성하므로 발전모듈(100)에서 가열부(20)와 냉각부의 온도차이를 확보할 수 있다, 따라서 제1 실시예는 200℃ 이내의 폐열을 사용하는 경우에도 전기를 생산할 수 있다.
일례로써, 표 1을 참조하면, 실험예 1에서 발전모듈(100)은 N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P) 50쌍을 제1, 제2 전극(11, 12)으로 직렬 연결하여 형성된다. 가열부(20)에서 240℃ 정도의 가열기체로 가열하고, 냉각부(30)에서 40℃ 정도의 냉각기체로 냉각할 때, 발전모듈(100)은 개방(open) 전압 2.15V, 부하(load) 전압 1.07v의 전기를 1.1w 생산하였다. 즉 가열부(20)와 냉각부(30)의 온도차이가 170℃이다.
발전모듈(100)의 내부 저항은 0.2Ω이다. 가장 적합한 저항치를 1Ω으로 보면, N형 반도체 소자(N)와 P형 반도체 소자(P) 150쌍까지 직렬 연결하여 발전모듈을 구성할 수 있다. 발전모듈에서 사용 가능하도록 생산된 전기량이 10.30w이다.
실험예 4의 데이터는 온도차이 170℃일 때이며, 표 2의 비교예인 열전발전기(thermoelectric power generator series) 제품의 데이터와 동일한 온도차이의 데이터이다. 비교예 1 내지 8은 실험예 4와 다르며, 제1, 제2 전극의 면적을 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 열통과면적과 동일하게 형성한다.
즉 표 2는 가열부에서 200℃ 정도의 가열기체로 가열하고, 냉각부에서 30℃ 정도의 냉각기체로 냉각할 때, 발전모듈의 개방 전압(Voc; Voltage Open Circuit), 부하 전압(Voltage Load) 및 생산된 전기량(w)을 나타낸다.
150쌍 직렬 연결시, 실험예 4에서 발생된 전기량은 7.95W이고, 비교예 1 내지 8에서 발생된 전기량은 2.1~6.0W이다. 따라서 실험예 4는 비교예 1 내지 8에 비하여 우수한 발전 효율을 가진다. (비교예 9는 실험예 4보다 전기량이 많이 생산되어 삭제하였습니다)
가열부에서 액체 또는 기름을 이용하여 가열하고 냉각부에서 물을 이용하여 냉각하는 경우, 비교예들은 실험예 4와 유사한 전기량을 출력했다. 그러나 가열부를 공기로 가열하고 냉각부를 공기로 냉각하는 경우, 비교예는 표 2에 기재된 바와 같이 실험예 4의 50% 정도의 전기량을 출력했다.
이하에서 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1 실시예 및 기 설명된 실시예와 비교하여, 동일한 구성에 대하여 설명을 생략하고, 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발전모듈의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제2 실시예의 발전모듈(200)에서 발전소자(210)의 1쌍의 N형 반도체 소자(N2)와 P형 반도체 소자(P2)는 사각뿔대로 형성되어 일측으로 제1 전극(211)에 부착되고, 다른 일측으로 제2 전극(212)에 부착된다. N형 반도체 소자(N2)와 P형 반도체 소자(P2)는 사각뿔대로 제2 전극(212)에 부착면적을 증대시킨다.
따라서 가열부(20)로 흡수된 가열기체의 열은 제1 전극(211)을 통하여 N형 반도체 소자(N2)와 P형 반도체 소자(P2)를 경유하여 제2 전극(212)으로 전달되어 냉각부(30)를 통하여 냉각기체로 방출된다. N형 반도체 소자(N2)와 P형 반도체 소자(P2)가 제2 전극(212)에 대하여 부착면적을 증대시키므로 가열부(20)의 흡열 및 냉각부(30)의 방열이 더 효과적으로 진행된다. 따라서 발전소자(210)에서 더 많은 전기가 발생되어 제2 전극(212)으로 출력된다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발전모듈의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제3 실시예의 발전모듈(300)에서 발전소자(310)의 1쌍의 N형 반도체 소자(N3)와 P형 반도체 소자(P3)는 제1 전극(311)과 제2 전극(312) 중 적어도 일측에 설정된 깊이(D)로 매립되어 부착된다. N형 반도체 소자(N3)와 P형 반도체 소자(P3)는 깊이(D)로 깊이로 매립되어 깊이(D)의 측면에 대응하는 만큼 제2 전극(312)에 부착면적을 증대시킨다.
따라서 가열부(20)로 흡수된 가열기체의 열은 제1 전극(311)을 통하여 N형 반도체 소자(N3)와 P형 반도체 소자(P3)를 경유하여 제2 전극(312)으로 전달되어 냉각부(30)를 통하여 냉각기체로 방출된다. N형 반도체 소자(N3)와 P형 반도체 소자(P3)가 제2 전극(312)에 대하여 부착면적을 증대시키므로 가열부(20)의 흡열 및 냉각부(30)의 방열이 더 효과적으로 진행된다. 따라서 발전소자(310)에서 더 많은 전기가 발생되어 제2 전극(312)으로 출력된다.
이상을 통해 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10, 210, 310: 발전소자 11, 211, 311: 제1 전극
12, 212, 312: 제2 전극 13: 측면 케이스
20: 가열부 21: 가열측 케이스
22: 가열 히트싱크 30: 냉각부
31: 방열측 케이스 32: 방열 히트싱크
100, 200, 300: 발전모듈 D: 깊이
N, N2, N3: N형 반도체 소자 P, P2, P3: P형 반도체 소자

Claims (10)

1쌍의 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 양단에 제1전극과 제2 전극을 구비하여 상기 제1전극 측과 상기 제2 전극 측의 온도 차이로 전기를 발생시키는 발전소자;
상기 발전소자의 상기 제1 전극에 부착되고 가열기체로 가열되는 가열부; 및
상기 발전소자의 상기 제2 전극에 부착되고 냉각기체로 냉각되는 냉각부를 포함하며,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은
상기 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 열통과면적보다 넓은 면적으로 형성되는 발전모듈.
제1 항에 있어서,
상기 가열부는
상기 제1 전극에 부착되고 가열 히트싱크를 구비하여 가열기체의 열을 흡열하는 가열측 케이스를 포함하며,
상기 냉각부는
상기 제2 전극에 부착되고 방열 히트싱크를 구비하여 냉각기체로 열을 방열하는 방열측 케이스를 포함하는 발전모듈.
제2 항에 있어서,
상기 제1 전극의 면적은 상기 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 열통과면적보다 크고, 상기 가열측 케이스의 면적은 상기 제1 전극의 면적보다 더 크게 형성되는 발전모듈.
제2 항에 있어서,
상기 제2 전극의 면적은 상기 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 열통과면적보다 크고, 상기 방열측 케이스의 면적은 상기 제2 전극의 면적보다 더 크게 형성되는 발전모듈.
제1 항에 있어서,
상기 발전소자의 1쌍의 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자는 직육면체 기둥으로 형성되어 일측으로 제1 전극에 부착되고, 다른 일측으로 제2 전극에 부착되는 발전모듈.
제1 항에 있어서,
상기 발전소자의 1쌍의 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자는 사각뿔대로 형성되어 일측으로 제1 전극에 부착되고, 다른 일측으로 제2 전극에 부착되는 발전모듈.
제1 항에 있어서,
상기 발전소자의 1쌍의 N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자는 제1 전극과 제2 전극 중 적어도 일측에 설정된 깊이로 매립되어 부착되는 발전모듈.
제1 항에 있어서,
상기 발전소자는 복수로 구비되어
N형 반도체 소자와 P형 반도체 소자의 1쌍씩 일측으로 제1 전극들에 전기적으로 연결되고, 다른 일측으로 제2 전극들에 부착되어 전기적으로 연결되며,
상기 제1 전극들은 상기 가열부의 가열측 케이스에 부착되고,
상기 제2 전극들은 상기 냉각부의 냉각측 케이스에 부착되는 발전모듈.
제8항에 있어서,
상기 가열측 케이스와 상기 냉각측 케이스는 측면 케이스로 밀폐되고, 밀폐된 공간은 에어로젤로 충진되는 발전모듈.
제9항에 있어서,
상기 측면 케이스는 상기 가열측 케이스의 하표면과 상기 냉각측 케이스의 상표면에 세라믹 접착제로 부착되는 발전모듈.

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