KR101857256B1 - 불활성 가스 주입 방식의 열전발전장치 및 불활성 가스 주입장치 - Google Patents

불활성 가스 주입 방식의 열전발전장치 및 불활성 가스 주입장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)에 있어서, 알칼리금속 충전부 내에 불활성 가스를 주입하여 압력을 상승시킴으로써 출력과 효율을 높인 열전발전장치 및 이를 위한 불활성 가스 주입장치에 관한 것으로서, 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부; 상기 전하운반체를 선택적으로 투과시키며 전기를 생산하는 BASE 튜브; 상기 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부; 상기 응축된 전하운반체가 상기 응축부로부터 상기 가열부로 이동하는 통로가 되는 순환윅; 및 상기 알칼리금속 및 상기 알칼리금속과 반응하지 않는 성질을 가진 불활성 가스가 충전되어 있는 알칼리금속 충전부;를 포함한다.

Description

불활성 가스 주입 방식의 열전발전장치 및 불활성 가스 주입장치{Alkali Metal Thermal to Electric Convertor with an Inert Gas and the Apparatus for Injecting an Inert Gas}
본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)에 있어서, 알칼리금속 충전부 내에 불활성 가스를 주입하여 압력을 상승시킴으로써 출력과 효율을 높인 열전발전장치 및 이를 위한 불활성 가스 주입장치에 관한 것이다.
알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC, 이하 간략히 '열전발전장치'라고 함)는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하여 열 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 열변환 전기발생장치이다. 열전발전장치는 열전소자를 이용하는 열전발전시스템을 대체하기 위해 개발이 시작된 기술이며, 이론적으로는 단위면적당 높은 전력밀도와 고효율, 저가격 그리고 사용중에는 안정성이 유지될 수 있는 장점을 가지고 있다. 열전발전장치는 미국 포드사에 의해 시스템의 개념이 제안된 이래 초기에는 전기자동차의 전원공급장치로 연구가 시작되었고, 이후에는 우주용 발전시스템으로 각광받아서 미국 NASA에 의해서 개발이 주도되었다. 현재는 우주용의 전력원으로 반도체식의 열전발전시스템이 사용되고 있으나 아직 효율이 낮고, 발전시스템이 무거운 단점이 있다. 또한, 최근에는 원자력 연구소의 폐열을 활용하기 위해 원자력 발전소의 냉각부에 장치하는 2차 발전장치로도 활용이 모색되고 있다. 열전발전장치의 열원은 태양에너지, 화석연료, 폐열, 지열, 원자로 등 다양한 열원을 사용할 수 있는 장점이 있다. 현재 폐열을 회수하는 기술은 열교환기나 폐열 보일러를 사용하여 열수나 연소용 공기 등의 형태로 회수하고 있으나, 이에 대하여 열전발전장치는 고품질의 전기를 직접 생산하여 효율을 높일 수 있어 기존의 기술을 대체할 수 있는 유망한 기술로 대두되고 있다.
또한, 열전발전장치는 종래의 발전방식과는 달리 터빈이나 모터와 같은 구동부 없이 전기를 생산할 수 있는 발전 셀로 구성되어 열과 접촉되는 부위에서 직접 전기를 생산할 수 있으며, 직렬 또는 병렬로 모듈화하는 경우 수 kW에서 수 백 MW 규모의 대용량 발전이 가능하여 미래지향적인 신발전기술로 평가받고 있다. 특히 단위질량당 출력밀도가 태양광 발전, 스터링 엔진에 약 2~3배까지 가능하다고 알려져 있으므로 우주용, 군사용 및 고온폐열을 이용한 전원기술에 광범위하게 응용이 가능하고 액체금속의 순환을 위해 모세관 원리나 중력을 이용하는 순환윅을 채용함으로써 기계적인 요소가 불필요하므로 장치의 안정성이 크다는 장점을 갖고 있다.
이와 같이, 열전발전장치는 큰 잠재적인 장점을 가지고 있고 향후 발전 가능성이 큰 기술이지만, 아직까지는 발전 출력 및 효율이 만족스럽지 못하므로 열전발전장치의 발전 출력 및 효율을 더욱 높일 필요가 있다.
공개특허공보 제10-2011-0135291호
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은, 알칼리금속 충전부의 압력을 높여 발전 출력이 크고 효율이 높은 열전발전장치(AMTEC) 및 이를 위한 불활성 가스 주입장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 발명은 알칼리금속을 전하운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)에 있어서, 상기 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부; 상기 전하운반체를 선택적으로 투과시키며 전기를 생산하는 BASE 튜브; 상기 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부; 상기 응축된 전하운반체가 상기 응축부로부터 상기 가열부로 이동하는 통로가 되는 순환윅; 및 상기 알칼리금속 및 상기 알칼리금속과 반응하지 않는 성질을 가진 불활성 가스가 충전되어 있는 알칼리금속 충전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치이다.
여기서, 상기 BASE 튜브는, 상기 전하운반체로부터 전자를 제공받는 애노드; 상기 전하운반체로 전자를 제공하는 캐소드; 및 상기 애노드 및 캐소드 사이에 위치하며 이온화된 상기 전하운반체를 투과시키는 전해질;을 포함할 수 있다.
상기 불활성 가스는 상기 BASE 튜브를 통과하지 못하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 응축부는, 상기 BASE 튜브의 단면적보다 넓은 면적을 가지고 상기 BASE 튜브 상단으로부터 일정 간격 이격된 상부에 상기 순환윅으로부터 멀어질수록 상기 BASE 튜브로부터도 더 멀어지는 방향으로 비스듬하게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 열전발전장치는 상기 알칼리금속 충전부에 상기 불활성 가스를 주입하는 불활성 가스 공급장치를 더 포함할 수 있다.
상기 불활성 가스 공급장치는, 상기 알칼리금속 충전부에 상기 불활성 가스를 주입하는 불활성 가스 주입부; 상기 알칼리금속 충전부의 내부 압력을 검출하는 압력 검출부; 상기 불활성 가스를 저장하고 있는 불활성 가스 저장부; 및 상기 압력 검출부로부터 검출된 압력에 기초하여 상기 불활성 가스 저장부로부터 상기 불활성 가스 주입부를 통해 상기 알칼리금속 충전부로 공급되는 상기 불활성 가스의 양을 조절하도록 상기 불활성 가스 주입부를 제어하는 불활성 가스 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 불활성 가스 제어부는 상기 알칼리금속 충전부의 압력이 미리 설정된 제1 압력 이하로 감소하면 상기 알칼리금속 충전부의 압력이 미리 설정된 제2 압력이 될 때까지 상기 불활성 가스를 주입하도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 불활성 가스 제어부는 상기 알칼리금속 충전부의 압력이 미리 설정된 제1 압력 이하로 감소하면 미리 설정된 양의 상기 불활성 가스를 주입하도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 불활성 가스 주입장치는 상기 알칼리금속 충전부의 온도를 검출하는 온도 검출부를 더 포함하고, 상기 불활성 가스 제어부는 상기 검출된 온도에 따라 상기 제1 압력, 상기 제2 압력 및 상기 미리 설정된 양 중의 적어도 어느 하나를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은, 알칼리금속 충전부에 충전된 알칼리금속을 전하운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)에 사용되기 위한 불활성 가스 주입장치에 있어서, 상기 알칼리금속 충전부에 불활성 가스를 주입하는 불활성 가스 주입부; 상기 알칼리금속 충전부의 내부 압력을 검출하는 압력 검출부; 상기 불활성 가스를 저장하고 있는 불활성 가스 저장부; 및 상기 압력 검출부로부터 검출된 압력에 기초하여 상기 불활성 가스 저장부로부터 상기 불활성 가스 주입부를 통해 상기 알칼리금속 충전부로 공급되는 상기 불활성 가스의 양을 조절하도록 상기 불활성 가스 주입부를 제어하는 불활성 가스 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치에 사용되는 불활성 가스 주입장치이다.
여기서, 상기 불활성 가스 제어부는 상기 알칼리금속 충전부의 압력이 미리 설정된 제1 압력 이하로 감소하면 상기 불활성 가스를 미리 설정된 제2 압력이 될 때까지 상기 불활성 가스를 주입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 불활성 가스 제어부는 상기 알칼리금속 충전부의 압력이 미리 설정된 제1 압력 이하로 감소하면 상기 불활성 가스를 미리 설정된 양의 상기 불활성 가스를 주입하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 불활성 가스 주입장치는 상기 알칼리금속 충전부의 온도를 검출하는 온도 검출부를 더 포함하고, 상기 불활성 가스 제어부는 상기 검출된 온도에 따라 상기 제1 압력, 상기 제2 압력 및 상기 미리 설정된 양 중의 적어도 어느 하나를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 열전발전장치(AMTEC)의 알칼리금속 충전부에 불활성 가스를 주입함으로써 알칼리금속 증기의 압력을 높여 발전 출력 및 효율을 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 알칼리금속 충전부의 온도에 따라 알칼리금속 충전부의 압력을 다르게 제어함으로써 발전 전력 및 효율을 극대화하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 실시 예에 따른 열전발전장치의 내부 동작을 설명하는 도면이다.
도 3은 BASE 튜브 내부에서 전기를 생산하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전장치에서 불활성 가스 공급장치를 구체적으로 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열전발전장치를 예시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)에 있어서, 알칼리금속 충전부의 압력을 높여 발전 전력 및 효율을 높이는 것에 관한 발명이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전장치(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 실시 예에 따른 열전발전장치(100)의 내부 동작을 설명하는 도면이다. 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전장치(100)에 대해 설명한다.
열전발전장치(100)는, 전하운반체로서의 알칼리금속 및 알칼리금속과 반응하지 않는 성질을 가진 불활성 가스가 충전되어 있는 알칼리금속 충전부(110). 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부(120), 전하운반체를 선택적으로 투과시키며 전기를 생산하는 BASE 튜브(130), 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부(140), 응축된 전하운반체가 응축부(140)로부터 가열부(120)로 이동하는 통로가 되는 순환윅(150), BASE 튜브(130)에서 생산된 전기를 외부로 공급하기 위한 단자(160, 170), 알칼리금속 충전부(110)에 불활성 가스를 주입하는 불활성 가스 공급장치(190) 및 하우징(180)을 포함할 수 있다.
알칼리금속 충전부(110)에는 알칼리금속 및 알칼리금속과 반응하지 않는 성질을 가진 불활성 가스가 충전되어 있다. 알칼리 금속은 전하를 운반하는 전하운반체로 기능하는 금속으로서, 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li) 중 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있으며, 바람직하게는 나트륨(Na)을 적용한다.
가열부(120)는 알칼리금속 충전부(110)와 BASE 튜브(130)를 포함하는 영역에 인접하여 위치하고, 전하운반체를 가열하여 기체 상태로 증발시키는 기능을 한다. 가열부(120)의 열원으로는 태양에너지, 화석연료, 폐열, 지열, 원자로, 보일러 등 난방용 열원 및 폐열 등 다양한 열원을 사용할 수 있다. 열전발전장치(100)는 이러한 다양한 열원으로부터 고품질의 전기를 직접 생산하여 효율을 높일 수 있다. 도 1 및 도 2에서 가열부(120)는 알카리금속 충전부(110)를 둘러싸도록 형성된 것으로 예시하였으나, 가열부(120)는 알칼리금속 충전부(110) 뿐만 아니라 BASE 튜브(130)의 측면 부분을 둘러싸도록 형성될 수도 있다. 예를 들어, 가열부(120)는 BASE 튜브(130)의 상면 높이와 유사한 높이까지 형성될 수 있고, 이 경우 가열부(120)는 하우징(180)의 내부에 별도로 형성되거나 혹은 하우징(180)의 외곽 일부가 가열부(120)가 될 수도 있다.
전하운반체가 Na인 경우는 일반적으로 가열부(120)의 온도가 900K이상, 응축부(140)의 온도가 600K 부근 이상으로 된다. 용융점이 더 낮은 칼륨(K)을 적용하는 경우는 가열부과 응축의 구동온도를 각각 120K 정도 낮출 수 있다는 장점이 있어 열역학적인 이론효율은 칼륨을 구동유체로 사용하는 것이 더 높다. 그러나 실제 적용상의 문제로 인해서 Na을 구동유체로 이용하는 시스템이 일반적으로 적용되고 있다.
BASE 튜브(130)는 전하운반체를 투과시키며 전기를 생산하는 기능을 한다. 가열부(120)의 가열에 의해 증발된 전하운반체는 BASE 튜브(130) 내로 이동하고 BASE 튜브(130) 내부에서 증발된 전하운반체는 BASE 튜브(130)를 통과하며 전기를 생산한다. BASE 튜브는(130)는 전하운반체로부터 전자를 제공받는 애노드(131), 전하운반체로 전자를 제공하는 캐소드(132), 및 애노드(131)와 캐소드(132) 사이에 위치하며 이온화된 상기 전하운반체를 투과시키는 전해질(133)을 포함할 수 있다.
BASE 튜브(130)가 전기를 생산하는 원리를 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 도 2의 BASE 튜브(130)의 a 부분의 요부 확대 단면도이다. 전하운반체가 가열부(120)에서 증발되면 전하운반체는 BASE 튜브(130) 내벽의 애노드(131)에서 전자(e-)를 내어 놓으면서 이온화된다. 이온화된 전하운반체(예, Na+)는 전해질(133)을 통과한 후 캐소드(132)에서 전자를 받아들여 중성화되는 과정을 거친다. 애노드(131)에서 전하운반체로부터 분리된 전자는 단자(160)를 통해 외부로 공급된 후 단자(170)을 통해 BASE 튜브(130)로 돌아와서 캐소드(132)에서 전하운반체 이온과 결합하는 과정을 거친다.
즉, 전하운반체가 가열부(120)의 열원에 의해 고온 고압인 증기상태로 변하여 전자를 내어 놓고 전하운반체 이온이 전해질(133)을 통과한다. 이온 전도성을 갖는 전해질(133)의 양단의 압력차, 즉, BASE 튜브(130) 내부의 전하운반체 증기의 압력과 BASE 튜브(130) 외부의 압력의 차이가 추진력이 되어 전하운반체 이온의 이동이 일어나게 된다. 자유전자들은 애노드(131)로부터 전기 부하를 통과하여 캐소드(132)로 돌아와서 저온저압영역의 전해질(133)의 표면에서 나오는 전하운반체 이온과 재결합하여 중성화(Neutralization)되는 과정에서 전기를 발생하게 되며, 이 경우, 단일 BASE 튜브(130)에서 1.6V이상의 OCV(open circuit voltage)가 얻어질 수 있다.
전해질(133)은 이온화된 전하운반체(예, Na+)를 투과시키며 전기를 발생시키는 소재로서, 높은 이온전도도와 강도 및 치밀한 미세구조에 의한 고내구성을 지녀야 하며, 이온화된 전하운반체가 잘 통과할 수 있는 층상구조를 갖는 재료가 적용되어야 한다. 이에 따라 전해질(133)은 베타 알루미나(β"-Al2O3; Beta" alumina) 또는 나시콘(Na super-ionic conductor:NASICON) 계의 고체전해질인 것이 바람직하다. 베타 알루미나에는 Beta'-alumina 와 Beta"-alumina 두가지 종류가 있다. Beta"-alumina가 층상구조가 더욱 발전되어 있어 더욱 양호한 Na+이온의 전도성을 갖기 때문에 일반적으로 사용되고 있다.
애노드(131) 및 캐소드(132)는 PtW, RhW, TiC, TiN, SiN, RuO, Ru2O, Rh2W, 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 구리(Cu), 니켈(Ni), 니켈-철 합금, 스테인리스, 철(Fe), 청동 중 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다. 애노드(131) 및 캐소드(132)는 발전 효율과 관계되는 출력 밀도(power density)와 밀접한 관련이 있다. 애노드(131) 및 캐소드(132)는 전해질(133)에 보통 ㎛ 단위의 두께 이하로 코팅되며 기공을 함유한다. 코팅된 금속 위에 집전을 위한 금속망, 다시 그 위에 와이어 리드선이 접속되는 방식으로 애노드(131) 및 캐소드(132)가 형성될 수 있다. 따라서 접촉하는 각 재료와의 열팽창계수 차이 등 특성 차이를 고려하여야 하며 애노드(131) 및 캐소드(132)의 두께 등의 변수도 정밀히 제어 되어야 한다.
이와 같이, 열전발전장치(100)가 전기를 발생하는 에너지원 또는 원동력(driving force)은 열전발전장치(100) 내부와 외부의 압력의 차이가 가장 크게 작용하고, 압력의 차이는 온도 차이와도 밀접한 관련이 있다. 또한, BASE 튜브(130)의 두께에 따라 전력 밀도가 상이하게 나타날 수 있으며, 전력밀도를 높이기 위해서는 BASE 튜브(130)의 두께를 가능한 줄이는 것이 바람직하지만, 두께가 줄었을 경우에도 고온에서 내구성을 유지할 수 있는 강도 등을 가져야 한다. 또한 BASE 튜브(130)의 길이는 길수록 전력은 많이 생산할 수 있으나 중량이 무거워지는 단점이 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 응축부(140)는 증발된 전하운반체를 냉각시켜 액체로 응축시키는 기능을 한다. 응축부(140)는 증발되어 BASE 튜브(130)를 통과한 전하운반체를 응축시켜 하우징(180)의 내벽에 형성된 순환윅(150) 등의 순환용 구조체를 통해 이동할 수 있도록 한다. 응축부(140)는 선택적 투과성 멤브레인, 다공성물질, 메쉬 등으로 제조될 수 있다.
순환윅(150)은 모세관 현상 또는 중력 등을 이용하여 응축된 전하운반체가 응축부(140)로부터 가열부(120)로 이동하는 통로가 된다. 순환윅(150)은 하우징(180)의 내벽에 증착 및 코팅되어 형성될 수 있다. 순환되는 전하운반체의 양에 따라 순환윅(150)의 단면적을 조절하거나 두께를 조절할 수 있다. 순환윅(150)이 수송하는 전하운반체의 양을 늘리는 다른 방법으로는 하우징(180)의 내측벽에 순환윅(150)을 복수 개 설치하는 방법도 가능하다.
단자(160, 170)는 BASE 튜브(130)에서 생산된 전기를 외부로 공급하기 위한 구성이다. 단자(160, 170)은 BASE 튜브(130)의 애노드(131) 및 캐소드(132)에 각각 연결된다. 도 2에서는 단자(160)가 BASE 튜브(130)의 상면을 관통하여 내부의 애노드와 연결되고 단자(170)는 BASE 튜브(130) 외벽의 캐소드와 연결되는 것으로 예시하였으나, 이러한 형태로 한정되는 것은 아니고 BASE 튜브(130)의 애노드와 캐소드를 외부로 인출하기 위한 다양한 형태가 가능할 것이다.
불활성 가스 공급장치(190)는 알칼리금속과 반응하지 않는 성질을 가진 불활성 가스를 알칼리금속 충전부(110)에 주입하여 BASE 튜브(130) 내부의 압력을 높이기 위한 것이다. 열전발전장치는 BASE 튜브(130) 내부와 외부의 온도 및/또는 압력 차이가 커질수록 생산되는 전력이 많아지고 효율이 높아진다. 본 발명은 이러한 원리에 착안하여 불활성 가스 공급장치(190)를 사용하여 BASE 튜브(130) 내부의 압력을 높임으로써 출력 전력 및 효율을 높이기 위한 것이다. 불활성 가스는 BASE 튜브(130) 내부의 압력을 외부에 비해 상대적으로 더 높이기 위해 공급되는 것이므로 BASE 튜브(130)를 통과하지 못하는 것이 바람직하다. 불활성 가스 공급장치(190)에 대해서는 아래에서 상세히 살펴보기로 한다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전장치(100)는 알카리금속인 전하운반체(예, Na)가 열원에 의해 고압영역인 가열부(120)에서 증기 상태로 변하여 전하운반체 이온(예, Na+ 이온)이 BASE 튜브의 전해질(133)을 통과하게 된다. 이때, 자유전자들은 애노드(131)으로부터 집전되어 단자(160, 170)를 따라 외부로 나가 전기부하에 따른 일을 한 후 캐소드(132)으로 돌아와서 저압영역의 BASE 튜브(130) 표면에서 나오는 이온과 재결합함으로써 전기를 발생하는 것이다. 중성의 전하운반체 증기는 저압영역의 응축부(140)에서 냉각에 의해 응축되어 액체 상태로 변한 후 응축액은 순환윅(150)에 의해 가열부(120)로 귀환하여 하나의 사이클을 완료하게 되고, 이러한 사이클이 계속 반복되면서 전기를 생산한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열전발전장치(100)에서 불활성 가스 공급장치(190)를 구체적으로 예시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 불활성 가스 공급장치(190)는, 압력 검출부(491), 온도 검출부(492), 불활성 가스 주입부(494), 불활성 가스 저장부(496) 및 불활성 가스 제어부(498)를 포함할 수 있다.
압력 검출부(491) 및 온도 검출부(492)는 알칼리금속 충전부(110)의 내부 압력 및 온도를 각각 검출한다. 검출된 압력 및 온도는 열전발전장치(100)의 발전 전력 및 효율을 높일 수 있도록 불활성 가스 제어부(498)에서 알칼리금속 충전부(110) 내부의 압력을 제어하는데 사용될 수 있다.
불활성 가스 주입부(494)는 불활성 가스를 저장하고 있는 불활성 가스 저장부(496)로부터 불활성 가스를 공급받고 불활성 가스 제어부(498)의 제어 신호에 따라 알칼리금속 충전부(110)에 불활성 가스를 주입하는 기능을 한다.
불활성 가스 제어부(498)는 압력 검출부(491) 및 온도 검출부(492)로부터 검출된 압력 및 온도에 기초하여 불활성 가스 저장부(496)로부터 불활성 가스 주입부(494)를 통해 알칼리금속 충전부(110)로 공급되는 불활성 가스의 양을 조절하도록 불활성 가스 주입부(494)를 제어한다.
불활성 가스 제어부(498)는 알칼리금속 충전부(110)의 압력이 미리 설정된 제1 압력 이하로 감소하면 알칼리금속 충전부(110)의 압력이 미리 설정된 제2 압력이 될 때까지 불활성 가스를 주입하도록 제어할 수 있다. 또는 다른 방법으로, 불활성 가스 제어부(498)는 알칼리금속 충전부(110)의 압력이 미리 설정된 제1 압력 이하로 감소하면 미리 설정된 양의 불활성 가스를 알칼리금속 충전부(110)로 주입하도록 제어할 수 있다. 첫 번째 방법에 의하면 알칼리금속 충전부(110)의 압력을 일정 범위 내로 유지할 수 있으므로 발전 전력 및 효율을 높일 수 있다는 장점이 있는 반면, 알칼리금속 충전부(110)의 온도가 낮은 경우 미리 설정된 압력 범위(제1 압력과 제2 압력 사이)를 유지하게 되면, 알칼리금속의 증기에 비해 불활성 가스의 농도가 너무 높아져 발전 전력 및 발전 효율이 오히려 낮아질 수 있다는 단점이 있다. 두 번째 방법에 의하면 알칼리금속 충전부(110)의 압력을 일정 범위로 유지하지는 못하지만, 알칼리금속 충전부(110)의 온도가 낮은 경우에도 알칼리금속 증기와 불활성 가스의 농도를 적합한 수준으로 유지할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 점을 고려하여 본 발명의 불활성 가스 주입장치(190)는 알칼리금속 충전부(110)의 온도를 검출하는 온도 검출부(492)를 포함할 수 있다. 불활성 가스 제어부(498)는 검출된 온도에 따라 상기 제1 압력, 상기 제2 압력 및 상기 미리 설정된 양 중의 적어도 어느 하나를 조절하는 기능을 포함할 수 있다. 이 경우 알칼리금속 충전부(110)의 온도를 고려하여 발전 전력 및 효율을 극대화 할 수 있는 압력 범위를 설정한 후, 알칼리금속 충전부(110)로 적절한 양의 불활성 가스를 주입하거나 혹은 적절한 수준의 압력 범위가 되도록 제어함으로써 발전 전력과 효율을 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열전발전장치(100)를 예시하는 도면이다. 도 5에 예시된 열전발전장치(100)는 도 4에 비해 응축부 베이스(141)의 형상이 달라진 점에서 차이가 있다. 도 5에 예시된 응축부 베이스(141)는, BASE 튜브(130)의 단면적(도면에서 위에서 볼 때의 단면적)보다 넓은 면적을 가지고 BASE 튜브(130) 상단으로부터 일정 간격 이격된 상부에 비스듬하게 형성될 수 있다. 즉, 순환윅(150)으로부터 멀어질수록 BASE 튜브(130)로부터도 더 멀어지는 방향으로 비스듬하게 형성되며 순환윅(150)에 연결될 수 있다. 도 5에 예시된 응축부 베이스(141)의 구조에 의하면, 응축부(140)에서 응축된 전하운반체가 순환윅(150)으로 이동하기가 쉬워지므로 전하운반체의 순환 속도를 높이는 장점이 있다. 도 5에서 응축부(140)는 전하운반체의 응축이 일어나는 영역을 의미하고, 열전발전장치(100)의 운전 상황에 따라 하우징(180) 내에서의 온도 분포가 달라지므로 응축부(140)의 영역도 조금씩 달라질 수 있다. 대표적으로는 응축부 베이스(141)의 상부(도면부호 140으로 표시)가 주로 응축이 발생하는 영역이 될 것이다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 열전발전장치
110 : 알칼리금속 충전부
120 : 가열부
130 : BASE 튜브
131 : 애노드
132 : 캐소드
133 : 전해질
140 : 응축부
141 : 응축부 베이스
150 : 순환윅
160, 170 : 단자
180 : 하우징
190 : 불활성 가스 공급장치
491 : 압력 검출부
492 : 온도 검출부
494 : 불활성 가스 주입부
496 : 불활성 가스 저장부
498 : 불활성 가스 제어부

Claims (13)

  1. 알칼리금속을 전하운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)에 있어서,
    상기 전하운반체를 증발시키기 위한 가열부;
    상기 전하운반체를 선택적으로 투과시키며 전기를 생산하는 BASE 튜브;
    상기 증발된 전하운반체를 응축시키는 응축부;
    상기 응축된 전하운반체가 상기 응축부로부터 상기 가열부로 이동하는 통로가 되는 순환윅;
    상기 알칼리금속 및 상기 알칼리금속과 반응하지 않는 성질을 가진 불활성 가스가 충전되어 있는 알칼리금속 충전부; 및
    상기 알칼리금속 충전부에 상기 불활성 가스를 주입하는 불활성 가스 공급장치;를 포함하고,
    상기 불활성 가스 공급장치는,
    상기 알칼리금속 충전부에 상기 불활성 가스를 주입하는 불활성 가스 주입부;
    상기 알칼리금속 충전부의 내부 압력을 검출하는 압력 검출부;
    상기 불활성 가스를 저장하고 있는 불활성 가스 저장부; 및
    상기 압력 검출부로부터 검출된 압력에 기초하여 상기 불활성 가스 저장부로부터 상기 불활성 가스 주입부를 통해 상기 알칼리금속 충전부로 공급되는 상기 불활성 가스의 양을 조절하도록 상기 불활성 가스 주입부를 제어하는 불활성 가스 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 BASE 튜브는,
    상기 전하운반체로부터 전자를 제공받는 애노드;
    상기 전하운반체로 전자를 제공하는 캐소드; 및
    상기 애노드 및 캐소드 사이에 위치하며 이온화된 상기 전하운반체를 투과시키는 전해질;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 불활성 가스는 상기 BASE 튜브를 통과하지 못하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 응축부는, 상기 BASE 튜브의 단면적보다 넓은 면적을 가지고 상기 BASE 튜브 상단으로부터 일정 간격 이격된 상부에 상기 순환윅으로부터 멀어질수록 상기 BASE 튜브로부터도 더 멀어지는 방향으로 비스듬하게 형성된 응축부 베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 불활성 가스 제어부는 상기 알칼리금속 충전부의 압력이 미리 설정된 제1 압력 이하로 감소하면 상기 알칼리금속 충전부의 압력이 미리 설정된 제2 압력이 될 때까지 상기 불활성 가스를 주입하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 불활성 가스 제어부는 상기 알칼리금속 충전부의 압력이 미리 설정된 제1 압력 이하로 감소하면 미리 설정된 양의 상기 불활성 가스를 주입하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 불활성 가스 주입장치는 상기 알칼리금속 충전부의 온도를 검출하는 온도 검출부를 더 포함하고, 상기 불활성 가스 제어부는 상기 검출된 온도에 따라 상기 제1 압력, 상기 제2 압력 및 상기 미리 설정된 양 중의 적어도 어느 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치.
  10. 알칼리금속 충전부에 충전된 알칼리금속을 전하운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Convertor)에 사용되기 위한 불활성 가스 주입장치에 있어서,
    상기 알칼리금속 충전부에 불활성 가스를 주입하는 불활성 가스 주입부;
    상기 알칼리금속 충전부의 내부 압력을 검출하는 압력 검출부;
    상기 불활성 가스를 저장하고 있는 불활성 가스 저장부; 및
    상기 압력 검출부로부터 검출된 압력에 기초하여 상기 불활성 가스 저장부로부터 상기 불활성 가스 주입부를 통해 상기 알칼리금속 충전부로 공급되는 상기 불활성 가스의 양을 조절하도록 상기 불활성 가스 주입부를 제어하는 불활성 가스 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치에 사용되는 불활성 가스 주입장치.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 불활성 가스 제어부는 상기 알칼리금속 충전부의 압력이 미리 설정된 제1 압력 이하로 감소하면 상기 불활성 가스를 미리 설정된 제2 압력이 될 때까지 상기 불활성 가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치에 사용되는 불활성 가스 주입장치.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 불활성 가스 제어부는 상기 알칼리금속 충전부의 압력이 미리 설정된 제1 압력 이하로 감소하면 상기 불활성 가스를 미리 설정된 양의 상기 불활성 가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 열전발전장치에 사용되는 불활성 가스 주입장치.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 불활성 가스 주입장치는 상기 알칼리금속 충전부의 온도를 검출하는 온도 검출부를 더 포함하고, 상기 불활성 가스 제어부는 상기 검출된 온도에 따라 상기 제1 압력, 상기 제2 압력 및 상기 미리 설정된 양 중의 적어도 어느 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 불활성 가스 주입장치.
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