KR20140043197A

KR20140043197A - 열전발전 겸용 온수공급장치

Info

Publication number: KR20140043197A
Application number: KR1020120108829A
Authority: KR
Inventors: 박수동; 민복기; 이희웅; 김봉서; 오민욱
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-08

Abstract

본 발명은 열전발전 겸용 온수공급장치에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 냉수관으로부터 상온 상태의 냉수를 제공받아 가열한 후 일정 온도 이상으로 가열하여 온수관을 통해 온수를 공급하는 온수공급부와, 상기 냉수관과 상기 온수관 사이에 개재되어 온도차에 의한 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전모듈을 포함하며, 상기 열전모듈은, 상기 냉수관 사이에 마련되어 냉수가 흐르는 통로를 형성하되, 상기 냉수관보다 상대적으로 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 저온단과; 상기 온수관 사이에 마련되어 온수가 흐르는 통로를 형성하되, 상기 온수관보다 상대적으로 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 고온단; 및 상기 저온단과 상기 고온단 사이에 접합되어 온도차에 의한 기전력을 발생하는 열전소자;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 따른 본 발명은, 냉수관과 온수관 사이의 온도차를 이용해 열전발전하여 전력을 생산함으로써 가정이나 업소에서 다양하게 활용할 수 있다.

Description

열전발전 겸용 온수공급장치{WARM WATER APPARATUS FOR USE OF THERMOELECTRIC GENERATOR}

본 발명은 열전발전 겸용 온수공급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온수를 공급하면서 냉수와의 열적 차이를 이용해 열전발전을 겸하는 온수공급장치에 관한 것이다.

열전발전(Thermoelectric Generation)이란 열에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 기술로서, 고온 부분과 저온 부분 사이의 온도차에 의해 발생하는 열이 이동하려는 에너지를 전기에너지로 변환하는 개념이다. 두 종류의 서로 다른 금속을 접속한 재료(소자)의 양단에 온다차를 주면 기전력이 발생하는 제벡(Seebeck)효과를 이용하여 p,n 반도체 재료의 양단에 온도차가 존재할 때 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 기술이다.

이러한 열전발전은 날씨나 일조량에 영향을 받는 태양전지에 비해 안정적인 열원을 확보할 수만 있다면 24시간 안정적으로 발전이 가능하다. 특히 고체 전자회로를 이용하는 것이므로 작동부분이 없어 구조가 간단하고, 이용할 수 있는 열원이 다양해 지구온난화와 고유가에 대한 대응으로서 새로운 대체에너지 기술로 각광받고 있다.

근래 들어서는 산업시설에서 방출되는 열기, 자동차의 배기가스열, 태양열 등을 열전발전의 발전원으로 사용하고 있다.

그러나, 산업시설이나 특수시설이 아닌 곳에서도 열전발전을 위한 고온의 열이 발생함에도 불구하고 이를 제대로 이용하고 있지 못하고 있다.

특히, 일반 가정이나 숙박 업소 등에서 사용되는 고온의 온수에서 상당량의 열이 발생하지만 이를 열전발전에 제대로 응용하고 있지 못한 실정이다.

KR

10-0869322

B1

KR

10-1015808

B1

따라서, 본 발명의 목적은, 일반 가정이나 숙박 업소 등에서 사용되는 고온의 온수를 통해 열전발전하여 전력을 생산함으로써 가정이나 업소에서 다양하게 활용될 수 있는 열전발전 겸용 온수공급장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 냉수관으로부터 상온 상태의 냉수를 제공받아 가열한 후 일정 온도 이상으로 가열하여 온수관을 통해 온수를 공급하는 온수공급부와, 상기 냉수관과 상기 온수관 사이에 개재되어 온도차에 의한 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전모듈을 포함하는 열전발전 겸용 온수공급장치에 있어서, 상기 열전모듈은, 상기 냉수관 사이에 마련되어 냉수가 흐르는 통로를 형성하되, 상기 냉수관보다 상대적으로 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 저온단과; 상기 온수관 사이에 마련되어 온수가 흐르는 통로를 형성하되, 상기 온수관보다 상대적으로 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 고온단; 및 상기 저온단과 상기 고온단 사이에 접합되어 온도차에 의한 기전력을 발생하는 열전소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 겸용 온수공급장치에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 열전모듈은 복수개로 배치되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 열전모듈은 일정 간격을 두고 배치되며, 상기 열전모듈 간에는 열전도성 구리스가 개재될 수 있다.

상기한 바와 같이 구성되고 작용하는 본 발명에 의하면, 냉수관과 온수관 사이의 온도차를 이용해 열전발전하여 전력을 생산함으로써 가정이나 업소에서 다양하게 활용할 수 있는 효과가 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 열전발전 겸용 온수공급장치를 설명하기 위한 개념도이고,
도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전 겸용 온수공급장치를 설명하기 위한 개념도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 열전발전 겸용 온수공급장치는, 도1에 도시된 바와 같이, 크게 온수공급부(200)와, 열전모듈(400)과, 전력변환부(600) 및 부하부(800)를 포함한다.

먼저, 온수공급부(200)는 냉수관(320)으로부터 상온 상태의 냉수를 제공받아 가열한 후 일정 온도 이상으로 가열하여 온수관(340)을 통해 온수를 공급한다. 이러한 온수공급부(200)로는 석유나 가스를 사용하여 온수를 가열하는 통상의 보일러뿐만 아니라 전기나 열교환을 이용하여 온수를 가열하는 히터 등을 모두 포함한다. 그리고, 상기 냉수관(320)으로부터 제공되는 냉수는 상수원이나 이미 저장된 물탱크 등에서 공급받는다.

다음으로, 열전모듈(400)은 상기 냉수관(320)과 상기 온수관(340) 사이에 개재되어 온도차에 의한 열에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 이러한 열전모듈(400)은 상기 냉수관(320) 사이에 마련되어 냉수가 흐르는 통로를 형성하는 저온단(420)과, 상기 온수관(340) 사이에 마련되어 온수가 흐르는 통로를 형성하는 고온단(460)과, 상기 저온단(420)과 상기 고온단(460) 사이에 접합되어 온도차에 의한 기전력을 발생하는 열전소자(440)를 포함한다.

여기서, 상기 저온단(420) 및 고온단(460)의 열전도율은 냉수관(320) 및 온수관(340)보다 상대적으로 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 것이 열전발전을 효율을 높이는 데 바람직하다. 예를 들어, 금속 중에서도 열전도율이 우수한 알루미늄 구리 등이나 열전도율의 향상을 위해 제작된 합성금속으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 열전소자(440)는 P-타입의 P형 반도체와 N-타입의 N형 반도체를 포함할 수 있으며, 이는 동일한 평면상에 임의의 간격만큼 이격되어 교대로 배치될 수 있다. 이러한 열전소자(440)는 알루미나 등과 같은 세라믹(Ceramics) 재질의 절연판 사이에 N형과 P형의 열전소자들을 배열시켜 형성할 수 있으며, 상기 열전소자(440)의 양단에 일정 온도차를 형성시키면 제백효과에 의해 직류전압이 발생하여 전기에너지를 얻을 수 있게 된다.

다음으로, 전력변환부(600)는 상기 열전소자()에서 출력되는 전원을 스위칭하여 배터리 충전에 적합한 충전전압으로 승압하는 스위칭부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 스위칭부는 제어부로부터 입력받는 신호에 따라 상기 열전소자에서 출력되는 전원을 스위칭하는데, 상기 제어부는 상기 열전소자의 출력전압 등의 출력값에 기초하여 상기 스위칭부를 제어할 신호를 결정한다. 또한, 상기 전력변환부(600)에는 상기 스위칭부에서 승압된 전압을 정류하여 배터리로 전달하는 정류부가 구비될 수 있다.

다음으로, 부하부(800)는 상기 전력변환부(600)와 전기적으로 연결되어 열전발전으로 생성된 직류전압을 외부로 제공한다. 이러한 부하부(800)는 각종 전자기기나 배터리를 충전하기 위한 충전단자를 구비한다. 상기 충전단자의 규격은 휴대기기의 종류에 따라 당업자에 의해 다양하게 선택될 수 있으며, 변환젠더 등을 별도로 구비할 수 있다. 이에 따라, 가정이나 숙박업소에서는 저전력 전자기기를 충전하여 전기요금을 절감할 수 있다.

그리고, 상기 부하부(800)에는 LED와 같은 장식용 발광소자를 연결하여 가정이나 숙박업소의 욕실 등에서 온수 공급 중에 미려함을 향상시키고, 고온수를 자주 사용하는 목용탕이나 음식점 등에는 경고용 발광소자를 연결하여 사람이 화상을 입을 수 있는 고온수에 대해 주의를 요하는 시인성을 부각시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 열전발전 겸용 온수공급장치는, 도2에 도시된 바와 같이, 온수공급장치(200)와 연결되는 열전모듈(400)이 일정 간격을 두고 복수개로 배치된다. 이에 따라, 하나의 온수공급장치(200)를 통해 복수개의 열전모듈(400)을 발전시킴으로써 발전량을 증대할 수 있다.

여기서, 상기 열전모듈(400)은 저온단(420)과 고온단(460)이 서로 마주하도록 배치될 수 있다. 이 경우 상기 열전모듈(400) 간에는 절연층을 개재하여 상기 저온단과 상기 고온단 간에 열교환을 차단함으로써 열전발전 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

반대로, 상기 열전모듈(400)은 저온단(420)은 저온단(420)과 마주하고 고온단(460)은 고온단(460)과 서로 마주하도록 배치될 수 있다. 이 경우 상기 열전모듈(400) 간에는 열전도성 구리스(500)를 개재하여 저온단(420)과 저온단(420), 고온단(460)과 고온단(460)이 열교환 되도록 함으로써 개별로 분리된 열전모듈들의 저온단과 고온단 간의 열적 차이를 일정하게 유지되도록 한다.

설명하지 않은 다른 구성은 앞선 실시예에서 설명한 구성과 동일 또는 극히 유사하므로 생략하기로 한다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.

200: 온수공급부 320: 냉수관
340: 온수관 400: 열전모듈
420: 저온단 440: 열전소자
460: 고온단 500: 열전도성 구리스
600: 전력변환부 800: 부하부

Claims

냉수관으로부터 상온 상태의 냉수를 제공받아 가열한 후 일정 온도 이상으로 가열하여 온수관을 통해 온수를 공급하는 온수공급부와, 상기 냉수관과 상기 온수관 사이에 개재되어 온도차에 의한 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전모듈을 포함하는 열전발전 겸용 온수공급장치에 있어서,
상기 열전모듈은,
상기 냉수관 사이에 마련되어 냉수가 흐르는 통로를 형성하되, 상기 냉수관보다 상대적으로 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 저온단;
상기 온수관 사이에 마련되어 온수가 흐르는 통로를 형성하되, 상기 온수관보다 상대적으로 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 고온단; 및
상기 저온단과 상기 고온단 사이에 접합되어 온도차에 의한 기전력을 발생하는 열전소자;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전 겸용 온수공급장치.
제1항에 있어서,
상기 열전모듈은 복수개로 배치되는 것을 특징으로 하는 열전발전 겸용 온수공급장치.
제2항에 있어서,
상기 열전모듈은 일정 간격을 두고 배치되며, 상기 열전모듈 간에는 열전도성 구리스가 개재되는 것을 특징으로 하는 열전발전 겸용 온수공급장치.