KR20090130910A - 제벡 지열발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제벡소자라는 열전반도체의 제벡효과(Seebeck Effect)를 이용한 지열발전에 관한 것으로, 제 1 열원부를 땅속으로 하고 제 2 열원부를 지상으로 하며, 상기 제 1 열원부와 제 2 열원부 사이에 제벡소자가 들어있는 열전모듈이 있으며, 상기 열전모듈의 한쪽 면이 땅속의 제 1 열원부와 전도체를 통하여 이어지고, 다른 쪽 면이 지상의 제 2 열원부와 전도체를 통하여 이어지는 것으로서, 제 1 열원부와 제 2 열원부의 온도 차에 의해 열전모듈의 제벡소자에서 전기가 발생하도록 하는 제벡 지열발전기 및, 그 제벡 지열발전기 복수개를 소정의 패턴으로 땅에 설치하고 각각의 제벡 지열발전기에서 발생하는 전기들을 모아 충전하는 축전부와 전력공급 제어부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템을 제공한다.

제벡 지열발전시스템은 별도의 컴프레서나 대규모의 발전 설비 등 별도의 부가 시스템이 추가되지 않으며 곧바로 청정 전기에너지를 얻을 수 있다.

열전반도체, 제벡소자, 지열발전, 히트파이프, 방열 핀

Description

제벡 지열발전시스템 {Seebeck Geothermal Generation System}

본 발명은 지열발전에 관한 것으로, 특히 제벡소자라는 열전반도체의 특성과 히트파이프의 높은 열전도율을 응용하여 지구 내부의 높은 온도와 지상의 상온과의 온도차를 이용하여 전기를 얻으려는 것이다.

제벡소자 양쪽에 찬물과 더운물을 넣어 주면 전류가 발생하여 흐르는 현상이 일어난다. 그것을 제벡효과(Seebeck Effect)라 한다. 뜨거운 것[+]과 찬 것[-]이 만날 때 서로의 온도 차이만큼 전력이 발생하는 것이다. 그리고 히트파이프는 구리보다 열전도율이 1,000배 이상 빠르다. 히트파이프는 동관 속에 냉매가 들어 있는데 열을 받으면 순식간에 냉매가 기화하며 열을 전도하는 특성이 있다.

지구 내부의 중심 온도는 6000℃이며 지표 근처의 마그마는 2000℃에 달한다. 유럽에서는 땅속 2km까지 구멍을 뚫어 75℃ 정도의 지하수를 끌어 올려 지역 난방에 사용하는 곳이 몇 군데 있다. 또 지하수가 없는 곳은 구멍을 여러 개 뚫고 한 곳에 강제로 물을 강한 압력으로 밀어 넣고 다른 구멍으로 밀려나오는 열수를 이용하기도 한다. 그런가 하면 땅속 5km까지 구멍을 뚫어 200℃에 달하는 수증기를 뽑아내어 터빈을 돌려 전기를 얻는 기술도 개발되고 있다. 이러한 기존의 방법들은 대규모 공사로 물을 강한 압력으로 밀어 넣거나 뽑아 올려 강제로 순환시키는 관계로, 별도의 컴프레서나 대규모의 발전 설비 및 전력 공급 장치가 부가적으로 뒤따르게 마련이다.

종래 기술에 따른 지열발전은 별도의 컴프레서나 대규모의 발전 설비 등을 필요로 하는데 본 발명은 열원과 연결된 열전도체(이하 전도체라 한다.)에 열전반도체를 연결하는 개념으로 별도의 부가 시스템이 추가되지 않는다. 물을 끌어올릴 필요도 강제로 밀어 넣을 필요도 없다. 땅속에 물이 있거나 없거나 상관없다. 필요한 열만을 빠르게 전달시켜 난방도 하고 발전기 없이 곧바로 전기를 얻을 수도 있는 것이다.

그러나 땅속의 열원과 지상 발전부까지 열이 전달되는 과정에서 열이 외부로 새어나가는 것을 막는 것이 중요하며 또한 가능한 빠르게 열을 전도시키는 게 어려운 과제라 할 수 있다. 그리고 하나의 발전기에서 생산되는 전력을 효율적으로 관리하는 것도 중요할 것이다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하고 반영구적인 난방과 함께 청정 전기에너지를 얻을 수가 있는 제벡 지열발전시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 제벡소자의 제벡효과(Seebeck Effect)를 이용한 지열발전에 관한 것으로, 제 1 열원부를 땅속으로 하고 제 2 열원부를 지상으로 하며, 상기 제 1 열원부와 제 2 열원부 사이에 제벡소자가 들어있는 열전모듈이 있으며, 상기 열전모듈의 한쪽 면이 땅속의 제 1 열원부와 전도체를 통하여 이어지고, 다른 쪽 면이 지상의 제 2 열원부와 전도체를 통하여 이어지는 것으로서, 제 1 열원부와 제 2 열원부의 온도 차에 의해 열전모듈의 제벡소자에서 전기가 발생하도록 하는 제벡 지열발전기 및, 그 제벡 지열발전기 복수개를 소정의 패턴으로 땅에 설치하고 각각의 제벡 지열발전기에서 발생하는 전기들을 모아 충전하는 축전부와 전력공급 제어부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 제벡 지열발전시스템은 별도의 컴프레서나 대규모의 발전 설비 등 별도의 부가 시스템이 추가되지 않는다. 필요한 열만을 빠르게 전달시켜 난방도하고 발전기 없이 곧바로 전기를 얻을 수도 있는 것이다.

그리고 제 1 열원부로 땅속의 지열, 지하수, 온천수, 마그마 등을 이용할 수 있으며, 지상의 제 2 열원부로 대기(공기), 건물 또는 건물의 부속 설비, 특히 건물의 내부, 덕트, 보일러, 에어컨 냉장고의 라디에이터, 건물의 외벽, 지붕, 굴뚝, 건물의 냉각탑, 냉각수, 도로 아스팔트, 유류저장 탱크, 냉동 창고 방열기, 발전소 폐열 등을 이용할 수 있다.

또한 제 1 열원부로 땅속 이외에 호수, 강물, 바다 등을 포함하며, 제 2 열원부로 지상의 대기, 건축물, 선박 등을 포함하는 것도 기대할 수 있다.

그리고 지상과 지하의 작은 온도 차이를 이용하여 소규모로 지열을 이용하는 방법도 생각할 수 있다. 땅속은 여름에는 시원하고 겨울에는 따뜻하게 느껴진다. 가령 땅속 수십 미터까지 전도체를 묻어 지상의 외기나 보일러 배기구 등에 연결해 놓는다면 땅속의 온도가 바로 지상으로 전달될 것이다. 그리고 전도체의 중간을 열전모듈로 연결시키면 온도 차이만큼 전기를 얻을 수 있으므로 냉난방과 함께 전력공급이 가능할 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 제벡 지열발전시스템의 실시예를 설명한다.

설명의 편의를 위해 건물에 적용하는 제벡 지열발전시스템을 예로 들어 설명한다.

이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제벡 지열발전시스템을 나타낸 개념도이고 도 2는 본 발명에 따른 제벡 지열발전기이다.

본 발명은 제벡소자의 제벡효과를 이용한 지열발전에 관한 것으로, 제 1 열원부를 땅속으로 하고 제 2 열원부를 지상으로 하며, 상기 제 1 열원부와 제 2 열 원부 사이에 제벡소자가 들어있는 열전모듈이 있으며, 상기 열전모듈의 한쪽 면이 땅속의 제 1 열원부와 전도체를 통하여 이어지고, 다른 쪽 면이 지상의 제 2 열원부와 전도체를 통하여 이어지는 것으로서, 제 1 열원부와 제 2 열원부의 온도 차에 의해 열전모듈의 제벡소자에서 전기가 발생하도록 하는 제벡 지열발전기 및, 그 제벡 지열발전기 복수개를 소정의 패턴으로 땅에 설치하고 각각의 제벡 지열발전기에서 발생하는 전기들을 모아 충전하는 축전부와 전력공급 제어부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템이다.

그리고 상기 전도체를 금속재로 하는 것으로 구리 또는 알루미늄으로 된 것과 특히 전도체가 히트파이프로 된 것은 열전도율을 극대화 할 수 있다.

그리고 상기 열전모듈 내부에 복수개의 제벡소자들을 소정의 패턴으로 배열하고 직렬, 병렬, 직병렬 혼합방식 등 다양하게 전력을 얻을 수 있으며,

상기 땅속과 지상의 두 열원부로부터 전도체를 통하여 열전모듈에까지 열이 전도되는 과정에서 각 열원의 온도가 손실되지 않도록 하여 두 열원의 온도차가 가능한 크게 유지될 수 있도록 전도체의 일부를 단열재로 코팅하거나 피복하는 것,

상기 두 열원부와 접해있는 전도체의 표면적을 넓게 하기 위하여 전도체에 방열핀 또는 흡열핀이 형성되어 있는 것 등을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템이 구성될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

또한, 지상의 건물과 관련된 제벡 지열발전시스템을 예로 들어 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 다양한 구성의 제벡 지열발전시스템이 디자인 될 수 있다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제벡 지열발전시스템을 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제벡 지열발전기를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제벡 지열발전시스템의 제벡소자가 들어 있는 열전모듈의 상세도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제벡 지열발전시스템의 개념도이다.

도 5 ∼ 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제벡 지열발전시스템의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.

Claims (9)

1. 제벡소자의 제벡효과(Seebeck Effect)를 이용한 지열발전에 관한 것으로,

   제 1 열원부를 땅속으로 하고 제 2 열원부를 지상으로 하며,

   상기 제 1 열원부와 제 2 열원부 사이에 제벡소자가 들어있는 열전모듈이 있으며,

   상기 열전모듈의 한쪽 면이 땅속의 제 1 열원부와 전도체를 통하여 이어지고, 다른 쪽 면이 지상의 제 2 열원부와 전도체를 통하여 이어지는 것으로서, 제 1 열원부와 제 2 열원부의 온도 차에 의해 열전모듈의 제벡소자에서 전기가 발생하도록 하는 제벡 지열발전기 및,

   그 제벡 지열발전기 복수개를 소정의 패턴으로 땅에 설치하고 각각의 제벡 지열발전기에서 발생하는 전기들을 모아 충전하는 축전부와 전력공급 제어부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전도체를 금속재로 하는 것으로 특히 구리 또는 알루미늄으로 된 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전도체가 히트파이프로 된 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 열전모듈 내부에 복수개의 제벡소자들을 소정의 패턴으로 배열하고 직렬, 병렬, 직병렬 혼합방식 등 다양하게 전력을 얻을 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템.
5. 제 1 항 ∼ 제 4 항에 있어서,

   상기 땅속과 지상의 두 열원부로부터 전도체를 통하여 열전모듈에까지 열이 전도되는 과정에서 각 열원의 온도가 손실되지 않도록 하여 두 열원의 온도차가 가능한 크게 유지될 수 있도록 전도체의 일부를 단열재로 코팅하거나 피복하는 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 두 열원부와 접해있는 전도체의 표면적을 넓게 하기 위하여 전도체에 방열핀 또는 흡열핀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 열원부로 땅속의 지열, 지하수, 온천수, 마그마 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 지상의 제 2 열원부로 대기(공기), 건물 또는 건물의 부속 설비, 특히 건물의 내부, 덕트, 보일러, 에어컨 냉장고의 라디에이터, 건물의 외벽, 지붕, 굴뚝, 건물의 냉각탑, 냉각수, 도로 아스팔트, 유류저장 탱크, 냉동 창고 방열기, 발전소 폐열 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 열원부로 땅속 이외에 호수, 강물, 바다 등을 포함하며, 제 2 열원부로 지상의 대기, 건축물, 선박 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 제벡 지열발전시스템.

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