KR101908138B1 - 미크론 이하의 간극을 갖는 대형의 미소간극 열적 광발전 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체식 열-전기 변환을 위한, 미소간극 열적 광발전(MPTV: micron-gap thermal photovoltaic) 기술에 관한 것이다. 문제점은, 성능상의 향상을 유지하기 위하여 미크론 이하 간극으로 떨어지도록 두 물체 사이의 간격을 형성하고 균일하게 유지시키는 것이다. 미크론 이하 간극을 얻는 것은 가능하지만, 고온측과 저온측에 대한 열적 효과에 의해서 구성요소가 오목해지거나, 휘거나, 변형되어 간극의 간격이 변화되어 출력되는 전력의 변화량을 통제할 수 없게 되는 일이 초래된다. 본 발명의 설계의 주된 관점은 외각의 내측면에 방출기 칩을 근접시켜서 열전달을 양호하게 하는 것이다. 광전지 셀을 방출기 칩에 대해서 바깥쪽으로 밀어서 내벽쪽으로 밀어 누른다. 고온의 열 계면 물질에 의해서 외각 내측면과 방출기 칩 사이의 열전달률이 향상된다.

Description

미크론 이하의 간극을 갖는 대형의 미소간극 열적 광발전 방법 및 장치 {MICRON-GAP THERMAL PHOTOVOLTAIC LARGE SCALE SUB-MICRON GAP METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 반도체식 열-전기 변환을 위한, 미소간극 열적 광발전(MPTV: micron-gap thermal photovoltaic) 기술에 관한 것으로서, 보다 넓게는, 고온의 환경(예컨대, 산업용 로(furnace))에 투입시에 전력을 발생하는 기술에 관한 것이다. 본 출원은 미국 가출원 61/308972(출원일 2010.2.28.)에 대한 정규출원이다. 이 가출원을 참고문헌으로서 본 명세서에 포함한다.
열적 광발전(TPV: thermal photovoltaic) 장치는 전자기 에너지를 방출(복사)하는 가열된 흑체(heated black-body)로 구성되는데, 이 흑체로부터 방출되는 전자기 에너지는 소정의 간극을 거쳐서 광전지 소자로 전달되어 전기 에너지로 변환된다. TPV 장치의 소정 면적에서 출력되는 전력량은 이 장치의 고온측의 온도에 의해 제한되는데, 실제 사용시에는 장벽(barrier)을 형성해야 하기 때문에 일반적으로 매우 높은 온도를 필요로 한다. 반면에, 미소간극 열적 광발전(MTPV: micron-gap thermal photovoltaic)의 경우에는 에너지 방출기(emitter)와 열흡수기(receiver) 사이의 간극을 줄임으로써 이들 사이에서 전달되는 전력량이 더 커질 수 있다. 미크론 이하 간극(sub-micron gap) 기술을 적용함으로써, MTPV 장치에서 얻을 수 있는 전력 밀도는 종래의 TPV에 비해 대략 10배가 증가하게 된다. 이로써, 일정한 활성 면적과 전력 밀도에서는 MTPV의 고온측의 온도를 낮출 수 있다. 이로써, 칩 전력장치(on chip power), 폐열 발전(waste heat power generation), 변환기 전력장치(converter power) 분야에서의 새로운 응용이 가능해진다.
뜨거운 물체와 차가운 물체 사이에서 전자기 에너지의 전달은, 근거리 전계의 소산장 결합(evanescent coupling of near fields)에 의하여, 물체 사이 간격의 함수인 것으로 밝혀져 있다. 따라서 물체가 서로 가까울수록(대략 1미크론 이하) 전력 전달률이 커진다. 간극의 간격이 0.1미크론인 경우에는, 에너지 전달률이 5배 이상인 것으로 관찰된다.
그러나 성능 향상을 유지하면서 두 물체 사이의 간극을 1미크론 이하로 형성하고 유지하는 데에는 딜레마가 있다. 1미크론 이하의 간극을 형성하는 것이 가능은 하지만, 고온 물체와 저온 물체 표면에서의 열적 효과에 의해서 장치가 컵처럼 우묵해지거나(cupping), 휘거나(warping), 변형(deformation)되고, 그에 따라 간극의 거리가 변하게 되어 전력 생성량의 변화가 통제할 수 없을 정도로 된다.
일반적으로, 종래 장치에서는 전력 밀도가 낮기 때문에 전력 생성량을 증가시키기 위하여 온도를 높이고 있었다. 그러나 온도를 높이는 것은 해당 장치와 장치 부품의 재질에 따라 한계가 있다.
열을 전기로 변환하는 광전지 셀을 사용하는 데 있어서 미소간극 열적 광발전 장치(MTPV)가 잠재적으로 더 효과적인 방안이 된다. 미소간극 열적 광발전 장치는 "태양전지" 기술의 열적 측면이라 할 수 있는 열적 광발전 기술로(TPV)부터 개량된 방식이다. 두 가지 방식 모두, 광자(photon)가 전자를 여기시켜서(excite) 반도체의 대역간극(band gap)을 지나도록 함으로써 실용성있는 전류를 생성하는 현상을 이용하고 있다. 열원의 온도가 낮을수록, 광자 에너지의 입사 스펙트럼에 최적으로 정합(match)되도록 하기 위하여 반도체의 대역간극이 좁아져야 한다. 이 대역간극과 같거나 이보다 큰 에너지를 갖는 광자만이 전기를 발생시킬 수 있다. 이보다 낮은 에너지의 광자는 열을 발생시킬 뿐이며, 이는 효율 손실 메커니즘으로서 작용하게 된다. 바람직한 미소간극 열적 광발전 시스템이라면, 적외선 감지용 광전지 셀의 표면 위에 미크론 이하의 간격으로 방출기층(emitter layer)이 설치되고, 이 방출기층으로 열을 방출(복사) 또는 전달하는 열원(열에너지 쏘스)을 포함해야 할 것이다.
고온 방출 표면과 광전지 사이의 간극을 미크론 이하로 형성함으로써, 간극이 넓은 경우보다도 광자의 고체-고체 전달률이 더 커지게 된다. 비록 광자의 스펙트럼 분포가 흑체의 스펙트럼 분포와 같다 하더라도, 플랑크의 복사 법칙과는 다른 전달 메커니즘도 추가적으로 작용하게 된다. 그러나 미크론 이하의 간극을 사용한다는 것이 암시하는 것은, 전도대(conduction band)로 전자를 여기시킬 수 없는 낮은 에너지의 광자에 의해 발생한 과도한 열이 간극을 통해서 전달되는 것을 회피하기 위해서는 진공 환경을 이용해야 한다는 것이다. 열원을 효율적으로 사용하기 위해서는 높은 에너지를 갖는 광자의 비율이 많이 생성되도록 해야 한다. 열 방출면과 광전지 셀을 분리하기 위한 구조는 직경이 작아야 할 뿐만 아니라, 동일한 효율을 고려시에 매우 양호한 단열체이어야 한다. 일반적으로 광전지 셀은, 적정 기능을 유지하기 위하여 다소 차갑게 식혀야 할 것이다. 높은 온도에서는 진성 캐리어(intrinsic carrier)가 PN 접합부에 집중 생성되기 때문에, 광전지 셀이 효율적인 변환기 역할을 하지 못한다.
미소간극 열적 광발전 시스템은 마치, 1보다 큰 복사율(emissivity value)을 갖는 방출기(emitter)처럼 작용한다. 흑체(black body)는, 넓은 간극에서의 복사에너지 전달에 있어서 복사율이 1이며, 복사율이 이 값을 초과할 수 없는 물체라고 정의한다. 0.30~0.10미크론의 간극을 사용시에 5~10배의 복사율이 얻어짐이 실험적으로 증명되어 있다.
이러한 현상을 이용한 방법이 적어도 두 가지 있다. 등가의 유사 시스템에 있어서, 동일한 전기량을 생성하는 경우에 방출 표면의 온도가 동일하다면, 미소간극 열적 광발전 시스템이 그 만큼 작고 저렴하다. 다른 말로, 비슷한 크기의 시스템 사용시에는, 미소간극 열적 광발전 시스템이 훨씬 낮은 온도에서 동작되며, 따라서 제작시 소요되는 자재 비용을 절감할 수 있다. 잠정적 추산으로서, 미소간극 기술을 활용함으로써 소정 시스템의 전기 생산량을 동일하게 유지하면서도 동작 온도를 1400℃에서 1000℃까지 낮출 수 있다고 계산되어 있다. 이러한 온도 저감 효과에 의해서 사용 재료의 가용도가 넓어지고 비용이 절감되기 때문에 본 시스템의 실용성이 현저하게 개선될 수 있다.
미국특허 7,390,962, 6,232,546, 6,084,173 및 미국특허출원 12/154,120, 11/500,062, 10/895,762, 12/011,677, 12/152,196, 12/152,195를 참고자료로서 본 명세서에 포함시킨다.
다양한 에너지 전달 메커니즘들을 전제하였는바, 열적으로 절연된 좁은 간극을 이용하는 장치를 제작하는 능력을, 본 발명에 따른 많은 응용 형태에서 사용할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 생산이 용이한 신규의 미소간극 열적 광발전 장치의 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 방출기와 광전지 기판 사이에 열적 절연성이 큰, 미소간극 열적 광발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 넓은 면적을 갖고 수율이 높은, 미소간극 열적 광발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 횡방향 열팽창을 허용하는, 미소간극 열적 광발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 효율적인, 미소간극 열적 광발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 미크론 이하의 균일한 간극을 갖는, 미소간극 열적 광발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 보다 큰 에너지 전달률을 갖는, 미소간극 열적 광발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 다수의 개별 부품을 조립하지 않고 제작되는, 미소간극 열적 광발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 미소간극 광발전 장치의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 열적 광발전 시스템 및 기타 응용에 유용한, 미소간극 장치를 제공하는 것이다.
열적 광발전 시스템 및 장치는 고온의 환경(예컨대, 산업용 용광로)에 투입시에 전력을 발생한다. 이는 내열성 및 내부식성의 진공 외각과, 가열된 외각의 내벽에 접촉되는 수냉식 기구 조립체로 구성된다.
이 기구 조립체는 대형 방출기와 광전지 표면 사이에 미크론 이하의 간격을 유지하는 수단을 제공한다. 외각(shell)의 내측 표면으로터, 스펙트럼 조절되는 방출기(emitter) 표면(고온측)까지 열이 전달된다. 방출기 표면에서는 열을 전자기 에너지의 형태로 미크론 이하의 간극을 지나 광전지(PV: photovoltaic) 소자(저온측)로 방출한다. 이 열의 일부가 광전지 셀에서 전기로 변환되고, 나머지 열에너지는 광전지 셀의 반대쪽에서, 냉각수가 흐르고 방열핀이 부착된 히트싱크(heat sink)에서 소멸된다.
설계의 주된 관점은 외각의 내측면에 방출기 칩을 근접시켜서 열전달을 양호하게 하는 것이다. 그리고 광전지 셀을 방출기 칩에 대해서 바깥쪽으로 밀어서 내벽쪽으로 밀어 누른다. 고온의 열 계면 물질에 의해서 외각 내측면과 방출기 칩 사이의 열전달률이 향상된다. 방출기 칩에 있는 작은 스페이서(spacer)에 의해서 고온의 방출면과 광전지 셀 사이에 미크론 이하의 간극이 유지된다.
기구 조립체는 외각이 가열되어 팽창 및 휘는 중에, 외각 내측면에 고온측 및 저온측 칩을 밀도록 설계한다. 이 목적을 달성하기 위해, 광전지 셀을 변형가능한 몸체에 부착하여, 외각의 내측면의 형상에 따라 변형되도록 한다. 변형가능한 몸체는 얇은 금속 포일(막)이다. 공압 격막, 및 액상 금속이 채워진 공간에 의해서 이 금속 막에 압력이 가해진다.
액상 금속 공간은 두 가지 목적을 갖고 있다. 1) 막의 뒷면에 압력을 가함으로써, 막이 외각 내측의 형상과 동일하게 휘어서 그 형상을 따라가도록 광전지칩이 방출기칩 쪽으로 밀리도록 한다. 2) 과잉 열을 광전지로부터 수냉식 히트싱크로 보낸다.
외각 내의 빈 공간은 거의 완벽한 진공(<10-3 Torr)을 유지하여, 노출되어 있는 외각의 내벽 및 히트싱크 사이에서 열이 미크론 이하의 간극을 지나서 공기에 의해 전달되지 않도록 한다.
본 발명은, 그렇지 않으면 버려질 열로부터 전력을 발생한다는 점에서 유용하다. 이 전기를 공장 내의 다른 장치들에 대한 전력원으로서 사용하거나, 또는 전력 회사에 판매할 수 있다.
본 명세서에 개시한 발명은, 물론, 많은 다양한 형태의 실시예로 변형가능하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도면에 나타내고 아래에서 상세히 설명한다. 그러나 이하에서 개시한 것은 본 발명의 원리의 일례이며, 본 발명을 제한하는 것이 아님을 이해해야 한다.
본 발명의 특징과 목적을 더 잘 이해하기 위하여 이하의 상세한 설명에서는 부속 도면에 인용부호를 부가하였다. 도면에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일하거나 유사한 인용부호를 부기하였음을 밝힌다.
도 1은 종래의 열적 광발전 기술 및 본 발명에 따른 미소간극 열적 광발전 기술을 나타내는 개략도이다.
도 2A는 단면 MTPV 장치의 실시예를 도시한다.
도 2B는 양면 MTPV 장치의 실시예를 도시한다.
도 3은 MTPV 장치의 동작을 설명하기 위한 실시예를 나타낸다.
도 4는 MTPV 장치의 "Quad(쿼드)"의 실제적인 실시예의 선단부 단면을 도시한다.
도 5는 쿼드의 단면도를 나타낸다.
도 6은 쿼드 조립체의 끝부분에 설치되어 있는 완전한 쿼드를 도시하고 있다.
도 7은 쿼드를 구성하고 있는 각종 부품을 도시한다.
도 8은 완전히 조립된 쿼드를 도시한다.
도 9는 하우징의 상부 커버를 제거한 상태의 쿼드를 도시한다.
도 10은 로벽을 관통해 설치되는, 고온 하우징 속에 있는 쿼드 모듈 슬라이딩 장치를 도시한다.
도 11은 네 개의 쿼드와 냉각수 연결부로 구성되는 모듈을 도시한다.
도 12는 공통의 냉각수 배관에 연결된 쿼드 모듈 배열체를 도시한다.
도 13은 한 개 이상의 쿼드를 포함하는 MTPV 패널에 연결할 제어 모듈을 도시한다.
도 1은 종래의 열적 광발전 기술 및 본 발명에 따른 미소간극 열적 광발전 기술을 나타낸다. 두 기술 모두, 가스 기름 석탄 등의 연소열(110), 원자력 에너지(120), 산업 폐열(130), 또는 태양열(140)을 이용할 수 있다. 열적 광발전(TPV) 장치(104)는 가열되는 흑체(150)와 광전지 소자(160)로 구성되는데, 흑체(150)는 넓은 간격의 간극(190)을 통해 광전지 소자(160)를 향해 전자기 에너지를 방출하고, 광전지 소자(160)는 이 방출된 에너지를 전력으로 변환한다. TPV 장치의 소정 면적에서 생성되는 전력량은 이 장치의 고온측의 온도에 의해 제한되는바, 실제 사용시에는 장벽(barrier)을 형성해야 하기 때문에 일반적으로 매우 높은 온도를 필요로 한다. 반면에, 간격이 매우 작은 미소간극(195)을 갖는 열적 광발전(MTPV) 장치(106)의 경우에는 에너지 방출기(150)와 광전지(160) 사이에 전달되는 전력량이 더 커지게 된다. 미크론 이하 간극(sub-micron gap) 기술을 적용함으로써, MTPV 장치(106)에서 얻을 수 있는 전력 밀도가 종래의 TPV 장치(104)에 비해 대략 10배가 증가하게 된다. 이와 동등하게, 소정의 활성 면적 및 전력 밀도에서, MTPV의 고온측 온도를 낮출 수 있다. 이로써, 칩 전력장치, 폐열 발전, 변환기 전력장치 분야에서의 새로운 응용이 가능해진다. 고온체와 저온체 사이에서의 전자기 에너지 전달은, 근거리 전계의 소산장 결합(evanescent coupling of near fields)에 의하여, 물체 사이 간격의 함수인 것으로 밝혀져 있다. 따라서 두 물체가 서로 가까울수록(대략 1미크론 이하)(170) 전력 전달률이 커진다. 간극이 0.1미크론인 경우에는(180), 에너지 전달률이 5배 이상인 것으로 관찰된다. 고온의 방출기(150) 표면과 광전지 열흡수기(160) 사이의 간극을 미크론 이하로 형성함으로써, 넓은 간극(190)의 경우에서보다도 광자의 고체간 전달률이 더 커지게 된다. 비록 광자의 스펙트럼 분포가 흑체의 스펙트럼 분포와 같다 하더라도, 플랑크의 복사 법칙과는 다른 전달 메커니즘도 추가적으로 작용하게 된다. 그러나 미크론 이하의 간극을 사용한다는 것은, 전도대(conduction band)로 전자를 여기시킬 수 없는 낮은 에너지의 광자에 따른 과도한 열이 간극을 통해서 전달되는 것을 회피하기 위해 진공 환경을 이용해야 한다는 것을 암시한다. 열원을 효율적으로 이용하기 위하여, 높은 에너지를 갖는 광자의 비율이 많은 생성되어야 한다. 방출기 표면과 광전지 셀(소자)을 분리하기 위한 구조는 직경이 작아야 할 뿐만 아니라, 동일한 효율 고려시에 매우 양호한 단열체이어야 한다. 일반적으로 광전지 셀은, 적정 기능을 유지하기 위하여 다소 차갑게 식혀야 할 것이다. 높은 온도에서는 진성 캐리어(intrinsic carrier)가 PN 접합부에 집중 생성되기 때문에 광전지 셀이 효율적인 변환기 역할을 하지 못한다.
도 2A는 단면 MTPV 장치의 실시예(200)를 나타낸다. 도 2A를 참조하면, 이 실시예는, 높은 온도에 노출되는 하우징과 고온측 방출기(215) 사이에 열을 전도시키는 열 계면(210)을 포함한다. 고온측 방출기(215)는 스페이서(spacer)를 포함하는 미소간극(220)을 사이에 두고 저온측 광전지 셀(225)과 분리되어 있다. 저온측 광전지 셀(225)과, 압력이 일정하게 조절되는 액상 금속이 들어 있는 챔버(235) 사이에는 박막(230)이 위치한다. 압력이 가해지는 이 액상 금속 챔버(235)는 넓은 온도 범위에 걸쳐서 고온측 방출기(215)와 열 계면(210)이 하우징과 근접해서 접촉되도록 하는 역할을 한다. 액상 금속 챔버(235)에는, 냉각제 챔버(245) 내에서 지속적으로 흐르는 냉각제에 의해 냉각되는 히트싱크(heat sink)(240)가 인접해 있다. 냉각제 챔버(245)에는 공압 챔버(260)가 접하고 있는데, 이들 사이에는 냉각제 챔버용 씰(250)과 공압 챔버용 유연성 씰(255)이 위치한다. 공압 챔버(260) 내에는 일정한 압력이 가해지도록 조절되는데, 공압 챔버의 역할은 히트싱크(240), 액상 금속 챔버(235), 저온측 광전지 셀(225), 고온측 방출기(215), 열 계면(210), 및 하우징을 서로 밀착시키는 역할을 한다. 공압 챔버용 고정 씰(265)이 공압 챔버(260)와 냉각수 매니폴드(manifold)(270) 사이에 위치한다. 냉각수 매니폴드(270)는 히트싱크(240)를 식히기 위한 냉각수를 지속적으로 순환시키는 냉각수 공급부에 연결된다.
도 2B는 양면 MTPV 장치의 실시예(205)를 나타낸다. 도 2B에 도시한 양면 MTPV 장치는 위에서 설명한 도 2A의 냉각수 매니폴드(270)를 기준으로 도 2A에 나타낸 구조와 반대 면에 대칭 구조로서 추가된다. 이 구조에 따르면, MTPV 장치의 양면으로부터 열이 가해지게 된다.
도 3은 MTPV 장치의 동작을 설명하기 위한 실시예(300)를 나타낸다. 도 3에서, MTPV 장치(305)에 복사 및 대류 열속(heat flux)(310)이 가해져서 장치의 외부 표면 및 고온측/저온측 쌍(320, 330)의 고온측을 가열한다. MTPV 장치(305)의 내부는 진공 상태로 유지되며, 저온측인 광전지 셀은 순환되는 냉각수(340, 350)에 의해 냉각되고, 전력(360, 370)이 본 장치(305)로부터 출력된다.
도 4는 MTPV 장치의 "Quad"의 실제적인 실시예(400)의 선단부 단면을 나를 도시한다. Quad(쿼드)는 MTPV 기술을 구현하기 위한 기본단위 구성 블록이다. 이 선단부에는, 고온 하우징과 고온측 방출기(420) 사이에 위치하는 열전도성 흑연으로 된 열 계면(410)이 포함된다. 고온측 방출기(420)와 저온측 광전지 셀(440) 사이에는 미소간극(430)이 형성되어 있다. 저온측 광전지 셀(440)과 액상 금속 챔버(460) 사이에는 막(450)이 있다. 히트싱크(470) 표면과 막(450)이 액상 금속 챔버(460)를 둘러싸고 있다.
방출기(420)의 목적은 쿼드의 하우징 내부로부터 열을 흡수하기 위한 것이다. 방출기 칩(420)은 통상, 실리콘으로 만들며(하지만 반드시 그럴 필요는 없음), 간극측 표면에는 미세 표면가공한 실리콘 산화물(다이옥사이드) 스페이서가 형성되어 있다. 방출기(420)의 매끈한 면은 고온의 하우징 내로 압착된다. 흑연제 열 계면(410)이 방출기(420)와 하우징 사이에 개재되어 열 전달을 돕는다. 하우징은 로(furnace) 내에서 복사 및 대류 에너지에 의해 가열되며, 이 열은 하우징을 통해서 열 계면(410)을 지나서 실리콘 방출기(420)로 전달되어, 방출기(420)가 매우 뜨거워진다.
광전지 셀(440)은 흑체에서 방출되는 빛의 일부를 전기로 변환하도록 설계된다. 보다 구체적으로, 광전지 셀(440)은 매우 평평한 면을 갖고 있어서, 방출기(420) 표면에 있는 스페이서에 압착됨으로써, 매우 작은 진공 간극이 형성된다. 스페이서는 방출기(420)로부터 상대적으로 저온인 광전지 셀(440)로 열 흐름이 거의 전달되지 못하도록 형성한다. 광전지 셀(440)과 방출기(420)는 또한, 근거리 전계 결합 에너지 증강량(amount of near-field coupled energy enhancement)을 최대로 얻을 수 있는 재료로 제작한다. 방출기(420)로부터 와서 지나가는 빛의 일부분이 광전지 셀(440)에서 전기로 변환된다.
도 5는 쿼드의 단면도(500)를 나타낸다. 도 5는 도 4에 나타낸 구성요소를 포함하여 넓은 범위에서 본 사시도이다. 이 쿼드는, 물 공급 하우징, 즉, 냉각수 매니폴드(510), 풀무(bellow) 부조립체(subassembly)(560, 570), 히트싱크 부조립체(470), 공압 부조립체(530, 540, 550), 액상 금속 챔버(460)(도 4 참조), 막 및 광전지 부조립체(440, 450)(도 4 참조), 고온측 방출기 배열체(410, 420)(도 4 참조), 선형 액추에이터 압력 조절기(물 공급 하우징 내에 있음)를 포함한다. 이들 구성요소가 쿼드의 기본 구성 블록를 구성한다. 보통, 전력 발생을 위해 고온에 노출되는, 속이 빈 함체, 즉, 고온 하우징 속에 한 개 이상의 쿼드를 설치한다.
막(450), 액상 금속 챔버(460), 히트싱크(470), 풀무 부조립체(570)는 긴밀하게 결합되어 기능한다. 금속제 풀무(570)는 물 공급 하우징(510)과 히트싱크(470) 사이에서 물을 이동시키는 역할을 하는데, 입수구 쪽에 한 조, 출수구 쪽에 한 조가 설치된다. 풀무(570)는 또한 팽창 연결부(joint) 역할을 한다. 즉, 하우징이 가열되어 팽창하면 풀무(570)가 늘어난다. 풀무(570)는 항상 압축된 상태로 있으므로써, 히트싱크와 막 조립체를 고온의 커버쪽으로 밀고 있으며, 이에 따라 광전지 셀(440)을 방출기 스페이서 쪽으로 밀고 방출기(420)를 뜨거운 벽 쪽으로 민다. 히트싱크(470)는, 내부에 빈 공간이 있어서 그 속으로 물이 지나가도록 하며, 또한 광전지 셀에 대한 가동 지지기반(플랫폼) 역할을 한다. 즉, 풀무(570)가 신축됨에 따라, 이 플랫폼이 안팎으로 이동할 수 있으며 두 축에 대해서 기울어질 수 있다. 이러한 관절적 작용에 의해서 광전지 배열체(420)는 거시적으로 고온 하우징의 방향에 순응하게 된다. 고온 하우징의 곡면에 맞게 유연성 막(450)이 설치되어 있다.
이 막(450)은 칩에서의 제2의 지지체 역할을 한다. 제1 지지체는 열 팽창에 의한 강체 운동(rigid motion) 및 가공상의 오차와 차등적 가열에 의한 기울어짐 편위(tilt offset)를 보상하는 역할을 한다. 막(450)은 광전지 셀(440)에 대한 유연한 지지체로서, 셀 배열체를 방출기(420) 쪽으로 밀며, 이 칩이 하우징의 곡면 형상에 맞게 휘고 구부러질 수 있도록 한다. 열이 평판에 대해 수직으로 흐를 때에는 이 평판을 지나면서 온도 강하가 일어나, 열에 의한 휨이 발생함을 잘 알아두어야 한다. 광전지 셀(440)은 막(450)에 접합된다. 금속제 막(450)은 절연층 및 도전체 패턴층으로 구성된다. 이런 관점에서, 막(450)은 인쇄회로기판 역할을 하며, 이 위에 여러 광전지 셀(440)을 서로 직렬 또는 병렬로(또는 직렬 및 병렬로) 장착할 수 있고, 막(450)의 가장자리 부위로 전기를 보낼 수 있다.
막(450)은 플랫폼 가장자리 주위에서, 이 막(450)과 플랫폼 사이에 작은 간극을 두고 밀봉된다. 그 다음에 이 간극 속을 액상 금속으로 채운다. 이 액상 금속은 두 가지 역할을 한다. 첫째는 광전지 셀(440)과 히트싱크(470) 사이의 열 전달 경로 역할이며, 둘째는 액상 금속이기 때문에 막(450)이 휘어질 수 있도록 해준다.
고온 하우징은 고온 특성을 갖는 금속으로 제작하며 내부에 쿼드를 설치하고 나서 안전하게 밀폐시킨다. 하우징의 크기는 쿼드의 갯수와 배치에 따라 달라진다. 내부 표면은 복사율이 낮도록 연마하고, 외부 표면은 흑색 마감으로 산화 처리하여 로(furnace)로부터 복사되는 열을 보다 많이 흡수하도록 한다. 하우징에는 냉각수, 진공 펌프 배관, 전기 배선이 지나는 관통공이 형성된다.
공압 부조립체(530, 540, 550)는 물 공급 하우징(510)과 히트싱크(470) 사이에 위치한다. 공압 격막(diaphragm)(530)은 풀무(570)와 평행한 방향으로 히트싱크(470)를 고온 하우징 방향으로 외측에서 밀고 있어서, 막(450)과 고온 하우징 사이에 있는 광전지 셀(440)과 방출기(420)를 누르고 있다. 액상 금속이 들어 있는 공간에서의 공기의 힘과 압력을 적정하게 유지함으로써, 막(450), 칩, 하우징은 동일한 형상을 갖게 되고 방출기(420)와 광전지 셀(440) 사이의 간극이 균일하게 될 것이다(반드시 일정한 간극으로 유지되는 것은 아님).
열은 열 계면 물질(410)을 통해서 하우징 및 방출기(420)에 가해진다. 그리고 미크론 단위 이하의 진공 미소간극을 지나서 광전지 셀(440)로 복사(방출)된다. 복사열 중 일부는 전기로 변환되고 나서 막 표면의 금속부로 흘러가고, 나머지 열 성분은 막(450), 액상 금속, 구리 접속핀을 거쳐서, 지속적으로 순환 공급되는 냉각수에서 소멸된다.
만일 광전지 셀(440)을 직렬로 연결할 경우에는 바이패스 다이오드를 각 셀 열(row)의 끝에 연결한다. 이로써, 혹시 해당 열(row)의 광전지 셀(440)이 고장나더라도 전체 열(row)에서는 바이패스 작용이 일어나도록 하여 전류가 다음 열(row)로 넘어가게 될 것이다.
도 6은 쿼드 조립체에 조립되어 있는 쿼드(600)의 전체 모습을 도시하고 있다. 도 6에서, 고온측 방출기 배열체(410, 420), 히트싱크(470), 물 공급 하우징(510), 공압 챔버(540), 전기 접속부(610), 공압 연결부(620, 630)가 도시되어 있다.
모터와 리드스크류(lead screw)로 구성되는 선형 액추에이터가 물 공급 하우징(510) 내에 설치된다. 이 액추에이터의 역할은 막(450) 뒤에 있는 액체의 양을 조절하기 위한 것이다. 움직이는 격막에 부착되어 있는 피스톤이 이 액추에이터에 의해 구동된다. 이 격막의 내부에는 액상 금속이 채워져 있는데, 액상 금속은 액상 금속/막 챔버(460)로 통해 있는 통로를 통해 펌핑된다. 막(450) 뒤에 있는 액상 금속의 양을 증가 또는 감소시키기 위하여 액추에이터를 외측 또는 내측으로 구동한다. 액추에이터는 또한, 액상 금속 내의 압력을 조절한다. 선형 액추에이터와 피스톤 사이에는 다이 스프링(die spring)이 있다. 액추에이터의 힘이 이 스프링을 통해 피스톤으로 전달되기 때문에, 이 스프링은 항상 압축된 상태로 있다. 이로써, 비록 피스톤이 정지해있는 동안에도 액추에이터는 액상 금속의 압력을 변화시킬 수 있게 된다. 이 다이 스프링의 압축 정도가 액상 금속의 압력에 직접적으로 관계되어 있는 것이다.
도 7은, 쿼드(700)를 구성하고 있는 각종 부품을 도시한다. 이들 부품에는, 광전지 배열체(710)와 히트싱크 상부(715), 히트싱크 하부(720), 냉각수 하우징 상부 커버(735), 서보미터 풀무(servometer bellow)(725), 냉각수 하우징 측면 커버(730), 냉각수 하우징(740), 풀무 연결기(745), 서보미터 풀무(750), 풀무 튜브(755)가 포함된다.
도 8은 완전히 조립된 쿼드(800)를 도시한다. 도 8에서, 쿼드는 광전지 배열체(710) 및 히트싱크 상부(715), 서보미터 풀무(725), 냉각수 하우징 측면 커버(730), 냉각수 하우징(740), 외부 제어 모듈과의 전기 및 공압 연결부(770)로 구성된다.
도 9는 하우징의 상부 커버를 제거한 상태의 쿼드(900)를 도시한다. 도 8에 나타낸 조립완료된 쿼드(800), 고온 하우징(910), 냉각수 연결부(930, 940), 진공 포트(920)가 도시되어 있다. 공압 제어 모듈은 도시되어 있지 않다.
도 10은 로벽(furnace wall)을 관통해 설치되는 고온 하우징 속에 있는 쿼드 모듈 슬라이딩 장치(1000)를 도시한다. 쿼드(800), 고온 하우징(1020), 로벽(1030), 쿼드 모듈 외함(910), 냉각수 연결부(930)(940), 전력 설비·진공 제어 모듈·공압 제어 모듈과의 연결부(1010)가 도시되어 있다.
도 11은 네 개의 쿼드와 냉각수 연결부로 구성되는 모듈(1100)을 도시한다. 이 모듈에는 냉각수 연결부(1130, 1140)와 네 개 까지의 양면 쿼드 모듈(800)을 장착할 수 있다.
도 12는 공통의 냉각수 배관에 연결된 쿼드 모듈 배열체(1200)를 도시한다. 공통의 냉각수 배관(1230, 1240)에 연결된 24개의 쿼드 모듈(800)이 도시되어 있다. 각 쿼드에는 다수의 광전지 셀과 방출기 칩들이 배열되며, 패널 하나에는 M×N 개의 쿼드 배열체가 포함될 수 있다. 여기서 M과 N은 1 이상의 수이다. 쿼드 배열체를 냉각수 배관과 서로 연결하여 각 쿼드를 직렬로 또는 병렬로 냉각시킬 수 있다.
도 13은 한 개 이상의 쿼드를 포함하는 MTPV 패널에 연결할 제어 모듈(1300)을 도시한다. MTPV 패널(1350), 냉각 조절 모듈(1310), 진공 조절 모듈(1320), 공압 조절 모듈(1330)이 도시되어 있다.
열적 광발전(TPV) 장치[104], 열적 광발전[MTPV) 장치[106], 가스 기름 석탄 등의 연소열[110], 원자력 에너지[120], 산업 폐열[130], 태양열[140], 흑체(또는 에너지 방출기)[150], 광전지 소자[160], 넓은 간극[190], 미소간극[195], 두 물체가 서로 가까운 상태를 나타내는 곡선[170], 간극이 0.1미크론인 경우[180], 단면 MTPV 장치의 실시예[200], 양면 MTPV 장치의 실시예[205], MTPV 장치의 동작 설명을 위한 실시예[300], MTPV 장치[305], 열속[310], 냉각수[340, 350], 전력[360, 370], 쿼드의 실제적인 실시예[400], 열 계면[410], 방출기[420], 미소간극[430], 광전지 셀[440], 막[450], 액상 금속 챔버[460], 히트싱크[470], 쿼드의 단면도[500], 물 공급 하우징(냉각수 매니폴드)[510], 공압 부조립체[530, 540, 550], 풀무 부조립체[560, 570], 쿼드 조립체에 조립되어 있는 쿼드[600], 전기 접속부[610], 공압 연결부[620, 630], 쿼드[700], 광전지 배열체[710], 히트싱크 상부[715], 히트싱크 하부[720], 서보미터 풀무[725], 냉각수 하우징 측면 커버[730], 냉각수 하우징 상부 커버[735], 냉각수 하우징[740], 풀무 연결기[745], 서보미터 풀무[750], 풀무 튜브[755], 완전히 조립된 쿼드[800], 외부 제어 모듈과의 전기 및 공압 연결부[770], 하우징의 상부 커버를 제거한 상태의 쿼드[900], 고온 하우징(쿼드 모듈 외함)[910], 진공 포트[920], 냉각수 연결부[930, 940], 쿼드 모듈 슬라이딩 장치[1000], 전력 설비·진공 제어 모듈·공압 제어 모듈과의 연결부[1010], 고온 하우징[1020], 로벽[1030], 네 개의 쿼드와 냉각수 연결부로 구성되는 모듈[1100], 냉각수 연결부[1130, 1140], 쿼드 모듈 배열체[1200], 공통 냉각수 배관[1230, 1240],

Claims (26)

  1. 열에너지를 전력으로 변환하는 방법으로서,
    외측면이 고온의 열에너지원에 노출되어 있는 열전도성 외각(shell,210)의 내측면으로부터의 열에너지를, 복사 방출층(radiation-emitting layer,215)의 취합 표면(collecting surface)에 의해 취합하는 단계;
    미소간극(220)으로 스페이서(spacer)에 의해 복사 방출층(215)의 방출 표면(emitting surface)으로부터 1미크론 이내의 거리에 광전지 셀(225)의 흡수 표면(receiving surface)을 유지시키는 단계;
    광전지 셀(225)에 의해 전력을 발생시키기 위하여, 상기 흡수 표면에 의해 상기 방출 표면으로부터 전자기 복사파를 흡수하는 단계;
    상기 열전도성 외각(shell,210)의 내측면에 상기 복사 방출층(215)의 취합 표면을 근접 접촉시키고 냉각을 최대화하기 위하여, 챔버(235)의 벽을 형성하는 열전도성의 변형가능한 막(230)으로 광전지 셀(225)에 압력을 인가하는 단계;
    상기 광전지 셀(225)의 냉각을 최대화 하고 상기 방출 표면과 흡수 표면 사이에 일정 간극을 유지하는 단계;
    히트싱크(heat sink, 240)와 접촉되는 냉각제 챔버(245)를 통해 압력을 인가하는 단계; 및
    상기 히트싱크(heat sink, 240)는 광전지 셀(225)의 냉각을 최대화하고, 상기 방출 표면과 흡수 표면 사이에 일정 간극을 유지하기 위하여, 상기 챔버(235)를 통해 상기 열전도성의 변형가능한 막(230)에 압력을 인가하고,
    유연한 풀무(570)와 냉각수 매니폴드(270)의 사용하여 냉각제 챔버(245)와 히트싱크(heat sink, 240) 내의 공간을 통해 냉각제를 순환시키는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방출 표면과 흡수 표면 사이에 열 전도를 최소화하기 위하여 진공을 형성하는 과정이 추가로 포함되는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 진공은 10-3 Torr 미만인, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 외각(210) 내에 진공을 유지시키는 과정이 추가로 포함되는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광전지 셀(225)의 흡수 표면과 복사 방출층의 방출 표면 사이의 거리는 0.10 내지 0.30미크론인, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스페이서(spacer)는 열적 절연성인 것을 특징으로 하는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 변형가능한 막(230)은 선형 액추에이터 및 액상 금속이 채워진 공간에 의해 압력이 가해지는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복사 방출층(215)의 취합 표면과 열전도성 외각(210)의 내측면 사이에 열 계면을 개재시키는 과정이 추가로 포함되는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열 계면은 열전도성 흑연을 포함하는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 열에너지를 전력으로 변환하는 장치로서,
    외측면이 고온의 열에너지원에 노출되어 있는 열전도성 외각(shell,210)의 내측면으로부터의 열에너지를 취합하는, 복사 방출층(radiation-emitting layer,215)의 취합 표면(collecting surface);
    미소간극(220)으로 스페이서(spacer)에 의해 복사 방출층(215)의 방출 표면(emitting surface)으로부터 1미크론 이내의 거리에 위치하는, 광전지 셀(225)의 흡수 표면(receiving surface);
    광전지 셀(225)에 의해 전력을 발생시키기 위하여, 상기 흡수 표면에 의해 상기 방출 표면으로부터 흡수되는 전자기 복사파;
    상기 외각의 내측면에 상기 복사 방출층의 취합 표면을 근접 접촉시키고 냉각을 최대화하기 위하여, 챔버(235)의 벽을 형성하는 열전도성의 변형가능한 막(225)에 의해 압력을 인가받는 광전지 셀(225);
    히트싱크(240)와 접촉되는 냉각제 챔버(245)에 압력을 인가하는 조절압력에서 유지되는 공압 챔버(260);
    상기 히트싱크(heat sink, 240)는, 상기 챔버(235)와 접촉되며,
    상기 챔버(235)는, 광전지 셀(225)의 냉각을 최대화하고, 상기 방출 표면과 흡수 표면 사이에 일정 간극을 유지하기 위하여, 상기 열전도성의 변형가능한 막(230)에 압력을 인가하고,
    냉각제 챔버(245)와 히트싱크(heat sink, 240) 내의 공간을 통해 냉각수 매니폴드(270)으로부터 냉각제를 전달하도록 형성된 유연한 풀무(570);
    를 포함하는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 복사 방출층(215)의 취합 표면과 열전도성 외각(210)의 내측면 사이에 열 계면을 추가로 개재되는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  14. 제12항에 있어서, 열 계면은 열전도성 흑연을 포함하는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 방출 표면과 흡수 표면 사이가 진공으로 유지되는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 열전도성 외각(210) 내에 진공이 유지되는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  17. 삭제
  18. 제12항에 있어서,
    상기 챔버(235) 내에 액상 금속을 펌프하고 상기 챔버(235) 내에 액상 금속을 가압하도록 형성된 선형 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  19. 삭제
  20. 쿼드(800)가 내장되는 외각(910)을 포함하는, 열에너지를 전력으로 변환하는 장치에 있어서, 상기 쿼드는
    흑연제 열 계면(410)을 통해 외각(910)과 열적으로 근접 접촉하고 있는 방출칩 배열체(420);
    열 절연성 스페이서(430)에 의해 상기 방출칩 배열체(420)와 일정 간격 떨어져 있는 막(450) 및 광전지 배열체(440,710);
    외각(910) 내에 열적으로 접촉하고 있는 방출칩 배열체(420)를 유지시키기 위해 상기 막(450)에 접하고 있는 챔버(460);
    상기 막(450), 챔버(460), 광전지 배열체(440,710)를 냉각시키기 위한 냉각제를 수용하는 히트싱크 부조립체(470);
    상기 히트싱크 부조립체(470)가 두 축에 대해서 기울어지도록 풀무 부조립체(560,570)를 통해서 히트싱크 부조립체(470)에 냉각제를 공급하기 위한 물 공급 하우징(510,740);
    상기 챔버(460) 및 광전지 배열체(440,710)와 근접상태로 상기 히트싱크 부조립체(470)를 유지시키는 공압 부조립체(530,540,550);
    상기 공압 부조립체(530,540,550) 내에서 압력을 유지시키기 위한 선형 압력 액추에이터를 포함하는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 외각(910) 내에서 진공이 유지되는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 막은 선형 액추에이터 및 액상 금속이 채워진 공간에 의해 가압되는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  23. 제20항에 있어서, 상기 쿼드(800)는 다수의 광전지 배열체(440,710) 및 방출칩 배열체(420)를 포함하는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  24. 제20항에 있어서, 외각(910)은 M×N (M, N은 1 이상임)으로 배열된 쿼드를 포함하고 M과 N은 동일할 수 있는 것을 특징으로 하는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  25. 제20항에 있어서, 냉각 조절 모듈(1310), 진공 조절 모듈(1320), 공압 조절 모듈(1330)이 추가로 포함되는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
  26. 제20항에 있어서, 상기 챔버(460)는 액상 금속 쳄버인 것을 특징으로 하는, 미소간극 열적 광발전 기술을 이용하여 열에너지를 전력으로 변환하는 장치.
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