KR20150129974A

KR20150129974A - 알카리금속 전하운반체를 이용한 열발전장치와 이의 작동방법

Info

Publication number: KR20150129974A
Application number: KR1020140056821A
Authority: KR
Inventors: 이욱현; 조종표; 서민수; 김선동; 이석호; 우상국; 이기우
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2015-11-23
Also published as: KR101630157B1

Abstract

본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 구조를 단순화시킨 AMTEC 단위셀 및 상기 AMTEC 단위셀의 발전방법에 관한 것이다. 본 발명은 알칼리금속을 전하운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 상기 전하운반체의 이동통로가 되는 히트파이프(100)가 사행(蛇行;Serpentine)으로 형성되는 사행파이프부(1000)와, 상기 사행파이프부(1000)의 일단(一端)에 형성되는 증발부(2000)와, 상기 사행파이프부(1000)의 타단(他端)에 형성되는 응축부(3000)와, 상기 사행파이프부(1000)의 증발부(2000)와 응축부(3000) 사이에 설치되는 다수의 열전발전모듈(4000)들을 포함하며, 상기 열전발전모듈(4000)은 상기 전하운반체로부터 전하를 주고받는 양극(anode)(300) 및 음극(cathode)(400)과, 상기 양극(300) 및 음극(400) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(500)을 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치를 제공한다. 또한, 상기의 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 열전발전모듈(4000)은 동심원 구조의 이중파이프를 적용하여 종래의 AMTEC 보다 더 작고 단순한 구조를 제공한다.

Description

알카리금속 전하운반체를 이용한 열발전장치와 이의 작동방법 {Alkali metal thermal to Electric Converter and manipulating method the same}

본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 구조를 단순화시킨 AMTEC 단위셀 및 상기 AMTEC 단위셀의 발전방법에 관한 것이다.

알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter) 기술은 열에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 특성이 있는 열변환 전기발생장치에 관한 기술로서 미국 포드사의 J.T. Kummer 등에 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 효율이 낮고, 발전시스템이 무거운 단점이 있다. AMTEC기술은 이러한 열전소자를 이용하는 열전발전시스템을 대체하기 위해 개발이 시작된 기술이며, 단위면적당 높은 전력밀도와 고효율, 저가격 그리고 장시간의 구동 안정성이 유지되는 것을 요구하고 있는 것이 특징이다. 또한, 최근에는 원자력 연구소의 폐열을 활용하기 위해 원자력 발전소의 냉각부에 장치하는 2차 발전장치로도 활용이 모색되고 있다. 단위면적당 높은 전력밀도, 고효율, 안정성을 유지하는 장점이 있다.

AMTEC의 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 AMTEC은 고품질의 전기를 직접 생산하여 효율을 높일 수 있어 기존의 기술을 대체할 수 있는 유망한 기술로 대두되고 있다.

AMTEC은 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 수kW에서 수백MW 규모의 대용량 발전이 가능하여 미래지향적인 신발전기술로 평가받고 있다. 특히 단위질량당 출력밀도가 태양광 발전, 스터링 엔진에 약 2~3배 정도이므로 우주용, 군사용 및 고온폐열을 이용한 전원기술에 광범위하게 응용이 가능하고 액체금속의 순환을 위한 모세관윅을 채용함으로써 기계적인 요소가 불필요하므로 장치의 안정성이 큰 장점을 갖고 있다.

또한 AMTEC은 고효율로 MW급의 대용량의 열전기 변환기 활용은 물론 열병합으로 복합이용 시에는 70%이상의 에너지 이용률을 향상시킬 수 있어 열전소자 (thermoelectric device)와 같은 다른 직접적인 열전변환장치보다 높은 변환효율을 갖고 있으며, 무소음 발전 및 에너지유효 이용률의 증대와 피크 부하저감 등을 위해서 연구개발의 필요성이 큰 기술이라고 할 수 있다.

AMTEC에서 전기를 생산하는 과정을 구체적으로 살펴보면, Na 증기가 열원에 의해 고온 고압 영역인 증발기에서 증기상태로 변하여 Na+이온이 베타" 알루미나 고체전해질(Beta"-Alumina Solid Electrolyte: BASE)로 통과한다. 즉, 이온전도성을 갖는 베타" 알루미나 고체전해질(BASE, Beta"-Alumina Solid Electrolyte)의 양단에 온도차(ΔT)를 주면 셀 내부에 충전된 액체 Na의 증기압 차가 추진력이 되어 느슨하게 결합하고 있는 격자산소 틈새 층으로 Na+ 이온의 이동이 일어나게 된다.

자유전자들은 양극(anode)으로부터 전기부하로 통과하여 음극(cathode)으로 돌아와서 저온저압영역의 베타" 알루미나 고체전해질(Beta"-Alumina Solid Electrolyte: BASE)의 표면에서 나오는 이온과 재결합하여 중성화(Neutralization)되는 과정에서 전기를 발생하게 되며, 이 경우, 단일 전기화학적 셀의 OCV(open circuit voltage)는 1.6V이상이 얻어진다.

상술한 바와 같이, 전기를 발생하는 에너지원 또는 원동력(driving force)은 열변환 발전기 내부에 Na의 증기압이 가장 크게 작용하고 또한 작용유체의 농도 차이, 온도 차이로 인해 Na이 고체전해질을 통과하는 과정에서 발생하는 자유전자를 전극을 통해 집전함으로써 발전이 가능하게 된다. 이때 출력형태는 저전압, 대전류가 발생하게 되는데 이들을 모듈화하여 모을 경우 대용량 발전이 가능하다.

고체전해질에는 베타알루미나와 나시콘(Na super-ionic conductor: NASICON)이 사용될 수 있다. Beta" alumina는 1943년 일본의 야마구치(Yamaguchi)와 스즈키(Suzuki)에 의해 개발되었고, 1967년 야오(Yao)와 쿠머(Kummer)에 의하여 Na+ 이온의 전도성이 발견되면서 현재 NAS 전지용 전해질 및 AMTEC 전해질로 사용되고 있다.

베타 알루미나에는 beta'-alumina 와 beta"-alumina 두 가지 종류가 있다. beta"-alumina가 층상구조가 더욱 발전되어 있어 더욱 양호한 Na+이온의 전도성을 갖기 때문에 일반적으로 사용되고 있다. 상기의 BASE(Beta" Alumina Solid Electrolyte)는 Na+ 이온을 통과시켜 전기를 발생시키는 중요한 소재로써 높은 이온전도도와 강도 및 치밀한 미세구조에 의한 고내구성을 지녀야 하며 Na+ 이온이 잘 통과할 수 있는 층상구조가 요구된다. 현재 Na-beta-alumina가 제조되어 NaS 전지 등에 이용되고 있다.

BASE 튜브의 두께에 따라 전력밀도가 상이하게 나타날 수 있으며, 이에 따라 전력밀도를 높이기 위해서는 두께를 가능한 줄여야 하나, 두께가 줄었을 경우에도 고온에서 내구성을 유지할 수 있는 강도 등을 가져야 한다. 또한 튜브의 길이는 길수록 단위 중량 당 전력은 많이 생산할 수 있으나 중량이 무거워지는 단점이 있다.

전극(electrode)은 발전효율과 관계되는 출력밀도(power density)와 밀접한 관련이 있기 때문에 특별히 중요한 요소라고 할 수 있다. 일반적으로 AMTEC은 출력밀도가 0.8~1.2W/㎠ 로 높다. 이러한 전극은 AMTEC의 BASE 소재인 β"-Al2O3에 보통 ㎛ 단위의 두께로 코팅되어지며 기공을 함유한다. 그리고 전해질 표면에 수 ㎛ 단위의 두께의 전극이 입혀지고 그 위에 금속망, 다시 그 위에 와이어 리드선이 접속하는 방식으로 집전이 이루어진다. 따라서 접촉하는 각 재료와의 열팽창계수 차이 등 특성차이를 고려하여야 하며 전극의 두께 등의 변수도 정밀히 제어되어져야 한다. 또한 AMTEC의 발전을 위해서 전류밀도는 전극면적을 최대로 높이는 것이 좋지만, 발전성능의 향상과 높은 효율을 달성하기 위해서는 전극 면의 내부저항을 줄이는 것도 고려되어야 한다.

구동유체용 알칼리 금속으로는 Na, K, Li 등이 연구된 바 있다. Na이 구동유체인 경우는 증발부의 온도가 1100K, 저온부의 온도가 650K 부근에 이르며, 용융점이 더 낮은 K의 경우는 증발부과 저온부의 구동온도를 각각 120K 정도 낮출 수 있다는 장점이 있다. 그러므로 열역학적인 이론효율은 K을 구동유체로 사용하는 AMTEC 시스템이 더 높으나, 실제 적용상의 문제로 인해서 Na을 구동유체로 이용하는 시스템이 일반적이다.

도 1은 종래의 AMTEC 전지를 설명하기 위한 설명도이다. 상기 AMTEC 기술의 작동원리는 알카리금속인 Na증기가 열원(1)에 의해 고압영역인 증발기에서 증기상태로 변하여 Na+이온 베타" 알루미나 고체전해질(BASE, Beta" Alumina Solid Electrolyte)(2)로 통과하게 된다. 이때, 자유전자들은 양극(3)으로부터 집전되어 집전선로(7)를 따라 외부로 나가 전기부하에 따른 일을 한 후 음극(4)으로 돌아와서 저압영역의 BASE표면에서 나오는 이온과 재결합함으로써 전기를 발생하는 것이다. 중성의 Na 증기는 저압영역의 응축기(5) 내표면에서 저온유체의 냉각에 의해 응축되며 응축액은 모세관윅(6)에 의해 증발기로 귀환하여 사이클을 완료하게 된다.

일반적으로, 금속유체의 증발기와 응축기의 온도는 각각 900~1100K와 500~650K로 설정되며, 이러한 온도조건에서 Na의 증발응축으로 열변환 전기발생 효율이 40%까지 가능한 특징이 있다. 여기에서, AMTEC 셀의 구성요소들과 금속과의 접합은 시스템 구성에 있어서 매우 중요하다. AMTEC 시스템을 제작하는데 있어서 β"-Al₂O₃과 α-Al₂O₃ 또는 SUS 재료와의 접합은 필수불가결하며, 특히 폭발위험성이 있는 Na의 밀봉이 반드시 안전하게 행해져야 하므로 접합은 매우 중요한 연구과제이다.

또한, 상기 AMTEC는 외부의 열원으로부터 열을 받아 내부에 있는 증발기로 열을 전달시키는데, 기존의 AMTEC에서는 전도에 의해 증발기내부로 열을 공급함으로써 높은 온도차가 요구되므로 열원의 온도가 높아야 하고, 기존의 응축기는 전도에 의해 방열시킴으로써 장치가 커지는 단점이 있어 그로 인해 열변환 전기발생의 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다. 같은 이유로, 상기 AMTEC는 금속유체의 증발에 열공급이 전도에 의해 이루어짐으로써 높은 온도차가 요구되어 열원의 온도도 높은 온도가 필요하였으며, 금속유체의 증기를 응축시키기 위한 응축기도 전도에 의해 이루어짐으로써 전열면적이 커지는 문제점이 발생한다.

AMTEC 기술의 동향으로서, 포드(Ford) 및 GE 등에서 단위셀 및 모듈 생산기술에 대한 연구를 수행하였으며, 특히 우주용 AMTEC 발전성능개발에 관한 연구를 수행한 바 있다. Ford사는 1kW급 발전기에서 원격응축기(remote condenser)를 설치한 발전장치로 4,500시간 이상을 운전하였으며, 발전부 온도 1100K, 응축부 온도 625K에서 전류 12A, 출력 4.2W, 출력밀도 0.71W/㎠, 효율 25%를 달성한 바 있다.

러시아에서는 1960년대 이후 미국과의 본격적인 우주기술개발에 대한 경쟁이 시작되면서 반도체식을 비롯하여 알칼리변환기술에 대한 연구개발이 진행되었으며, Kurchatov 연구소의 경우, Na와 K을 작동유체로 한 수백 W급-수십 MW급 발전기술을 이미 개발한 바 있다.

최근의 AMTEC연구로서 일본의 시바우라대학에서 2007년도에 나트륨 순환에 윅(Wick)를 사용한 AMTEC의 성능평가 연구를 행하였으며, 연구결과에서 가열온도와 냉각 온도변화에 따른 전압, 전류 및 출력에 대한 결과를 도출하였다. 시바우라대학은 2002년도 IECEC에 발표한 소형 AMTEC셀에 대한 열설계 연구에서 직경이 3mm인 BASE튜브를 다수인 37개로 AMTEC시스템을 구성하여 900℃에서 5watt의 전기를 얻는 시스템을 구성하여 예상 열변환 발전효율을 30%로 기대하고 있다. 이에 추가하여 벌집구조(honeycomb)를 이용하면 다량의 열변환발전이 가능한 것으로 판단하고 연구 중에 있다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2011-0135291은 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 케이스; 상기 케이스 내에 배치되는 작동유체; 상기 케이스의 내부를 구획하는 고체 전해질; 상기 고체 전해질의 일 면에 배치되는 제1 전극; 상기 고체 전해질의 타 면에 배치되는 제2 전극; 및 상기 제1 단부 또는 상기 제2 단부를 교대로 가열하는 열원;을 포함하는 단위 열전환 발전기 및 열전환 발전 시스템에 관한 것으로서 전극에 발생하는 전자를 포집하기 위해서 집전체를 사용하고 있고 하단부와 상단부에 열원이 교대로 작동하는 열전환 발전 시스템을 개시한 바 있다. 10-2011-0135291은 AMTEC 쉘케이스 상하에 열원을 두고 상하열원을 교대로 가열(혹은 냉각)하여 온도차를 주는 방식, 또는 온도차가 있는 상하 열원을 고정하고 AMTEC 쉘을 회전시켜 작동유체의 이동(온도차에 의한 밀도차 또는 압력차로 작동유체가 BASE를 통과하는)을 반복시키는 사이클 방식을 적용한 것으로서 본 기술과는 상이하다.

진동형 히트파이프의 작동원리는 배관으로 사행(Surpentine)구조의 폐루프(Closed loop) 혹은 개방루프(Open loop)를 형성하고 온열 또는 냉열에 의해 증발부의 배관 내 액상플러그가 증발하거나 또는 저온부의 배관 내 기상플러그가 응축하면서 증발부와 저온부 사이의 압력차가 발생하고, 시스템 전체의 압력평형상태를 유지하기 위하여 각 배관내의 각각의 작동유체가 불규칙하게 고압영역에서 저압영역으로 축방향 이동을 통해 상변화 열전달과정인 흡열 및 방열을 행한다. 즉, 온열이 접촉하는 증발부에서 열을 흡수한 액상의 작동유체가 고온고압의 증기포가 되어 응축부로 이동 후 냉열이 접촉하는 응축부에서 열을 버리고 응축됨에 따라 증기포의 체적이 축소하여 액상의 작동유체로 변환되는 연속적이고 순차적 열교환 사이클을 이루게 된다. 여기서 배관의 단면 사이즈가 매우 작은 세관의 경우는 온도차가 없을 경우 증기포와 액상플러그가 세관 내 동시에 공존하는 형태가 되며, 이러한 작동유체 형태는 증발부와 저온부의 위치에 영향을 받지 않고 작동이 가능하게 하는 반면, 일정 단면 사이즈 이상의 배관에서는 응축된 작동유체의 증발부로의 회귀는 중력에 의존하기 때문에 증발부는 항상 응축부 보다 아래에 위치해야 하는 제약이 있다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2011-0135291호 (삼성에스디아이 주식회사) 2010.06.10.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 AMTEC 전지는 BASE튜브(8)와 모세관윅(6), 응축기(5), 열원(1) 등의 복잡한 구조를 가진다. 그러나 상기와 같은 구조는 보다 소형의 AMTEC 전지가 필요한 환경에 적합하지 아니하다. 특히 우주용 발전시스템과 같이 가혹한 환경에서의 안정적인 작동 및 내구성을 보장하기 위하여, 또는 원자력발전소의 폐열을 이용하는 경우와 같이 높은 안정성이 필요한 경우, 안정성이 높은 구조의 AMTEC이 요구된다. 즉, 본 발명은 대용량의 발전능력을 가지면서도, 보다 높은 내구성 및 안정성이 요구되며, 유지보수가 용이하지 않은 환경에 적용하기 위한 단순하고 신뢰도 높은 구조의 AMTEC 전지를 제공하고자 한다.

이에, 본 발명은 알칼리금속을 전하운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 상기 전하운반체의 이동통로가 되는 히트파이프(100)가 사행(蛇行;Serpentine)으로 형성되는 사행파이프부(1000)와, 상기 사행파이프부(1000)의 일단(一端)에 형성되는 증발부(2000)와, 상기 사행파이프부(1000)의 타단(他端)에 형성되는 응축부(3000)와, 상기 사행파이프부(1000)의 증발부(2000)와 응축부(3000) 사이에 설치되는 다수의 열전발전모듈(4000)들을 포함하며, 상기 열전발전모듈(4000)은 상기 전하운반체로부터 전하를 주고받는 양극(anode)(300) 및 음극(cathode)(400)과, 상기 양극(300) 및 음극(400) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(500)을 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치를 제공한다. 또한, 상기의 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 열전발전모듈(4000)은 동심원 구조의 이중파이프를 적용하여 종래의 AMTEC 보다 더 작고 단순한 구조를 제공하여 상기와 같은 과제를 해결하고자 한다.

열전발전장치는 우주용 발전시스템과 같이 가혹한 환경이나 원자력발전소의 폐열을 이용하는 등의 경우에 있어서 높은 안정성과 내구성이 보장되어야 하며, 이를 위하여 간결한 구조를 갖는 AMTEC 시스템이 요구된다. 이에, 본 발명은 각 AMTEC 열반전모듈을 히트파이프에 형성시키고, 상기 히트파이프를 사행(蛇行;Serpentine)으로 형성시킴으로써 구조를 단순화시켜 상기와 같은 목적을 이루고자 한다. 상기의 진동형 히트파이프(Oscillating Heat Pipe)는 세관 내를 진공으로 하고 전하운반체를 작동유체로서 주입하여 전하운반체의 증발 및 응축에 의해 잠열의 형태로 열을 대량 수송하게 된다. 상기와 같은 높은 열전달율에 의해 AMTEC 발전의 효율을 극대화 시킨다. 상기와 같은 진동형 히트파이프는 일반적인 히트파이프 내에 설치하는 윅(wick)이 필요하지 않아 증발부가 상부에 위치하는 경우의 윅을 적용하는 히트파이프보다 제작이 용이하고 증발부가 항시 하부에 위치하여야 하는 써모싸이폰식보다 설치 및 용도가 광범위한 장점을 가진다.

또한, 본 발명의 AMTEC 열발전모듈은 두 개의 동축(동심원 구조의 이중구조)의 파이프로 구성되는 단순한 구조를 제공함으로써 모세관윅(wick)을 중심으로 BASE튜브가 배열되는 종래의 복잡한 구조를 갈음한다. 즉, 종래의 AMTEC은 모세관윅과 BASE튜브를 별개의 구조로 구성한 것에 반해, 본 발명은 윅을 배제하고, 히트파이프와 커버파이프를 동심원상으로 구성하는 통합적인 이중파이프 구조를 적용하였다. 이는 모세관윅을 사용하지 아니함으로써 보다 단순하고 간결한 구조를 구현한 것이다. 본 발명은 상기와 같은 구성으로서 보다 안정성이 높으며 유지보수가 용이한 구조의 AMTEC을 제공한다.

한편, 본 발명의 AMTEC은 높은 전력밀도를 얻을 수 있으며, 장치의 구동부가 필요 없어 마모 등에 따른 부품교체가 필요하지 아니하므로 높은 경제성을 제공한다. 특히, 연료가 필요 없어 분산형 전원, 지역분산공급형 전원, 우주용 발전 시스템으로의 적용이 용이한 효과가 있다. 또한, 본 발명의 AMTEC은 향후 저탄소 녹색성장에 부합하는 친환경적 발전방법을 제공한다.

도 1은 종래의 AMTEC의 실시 예를 설명하기 위한 설명도이다.
도 2는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 설명도이다.
도 3은 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 다른 실시예의 설명도이다.
도 4는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 요부발췌 단면도이다.
도 5은 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 셀멤브레인의 확대 단면도이다.
도 6는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 a-a'선상의 횡단면도이다.
도 7는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 발전방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 히트파이프 내의 유체의 흐름을 설명하는 요부발췌 단면도이다.
도 9는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치에 있어서 양측의 증발부 사이에 응축부가 위치한 실시예의 설명도이다.
도 10은 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치에 있어서 양측의 응축부 사이에 증발부가 위치한 실시예의 설명도이다.

본 발명은 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 구조를 단순화시킨 AMTEC 단위셀 및 상기 AMTEC 단위셀의 발전방법에 관한 것이다. 이하 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 설명도이고, 도 3은 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 다른 실시예의 설명도이다.

본 발명은 알칼리금속을 전하운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서, 상기 전하운반체의 이동통로가 되는 히트파이프(100)가 사행(蛇行;Serpentine)으로 형성되는 사행파이프부(1000)와, 상기 사행파이프부(1000)의 일단(一端)에 형성되는 증발부(2000)와, 상기 사행파이프부(1000)의 타단(他端)에 형성되는 응축부(3000)와, 상기 사행파이프부(1000)의 증발부(2000)와 응축부(3000) 사이에 설치되는 다수의 열전발전모듈(4000)들을 포함하며, 상기 열전발전모듈(4000)은 상기 전하운반체로부터 전하를 주고받는 양극(anode)(300) 및 음극(cathode)(400)과, 상기 양극(300) 및 음극(400) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(500)을 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치를 제공한다.

즉, 본 발명은 각 AMTEC 열전발전모듈(4000)을 히트파이프(100)에 형성시키고, 상기 히트파이프(100)를 사행(蛇行;Serpentine)으로 형성시킴으로써 구조를 단순화시킨다. 상기의 히트파이프(100)는 진동형 히트파이프(Oscillating Heat Pipe)로서 세관 내를 진공으로 하고 전하운반체를 작동유체로서 주입하여 전하운반체의 증발 및 응축에 의해 잠열의 형태로 열을 대량 수송하게 된다. 상기와 같은 높은 열전도율에 의해 AMTEC 발전의 효율을 극대화 시키며, 일반적인 히트파이프내 설치된 윅(wick)이 필요하지 않아 종래의 윅을 적용한 히트파이프보다 제작이 용이하고 증발부가 항시 하부에 위치하여야 하는 써모싸이폰식보다 설치 및 용도가 광범위한 장점을 가진다.

상기 사행파이프부(1000)를 구성하는 히트파이프(100)는 파이프의 내경(內徑) D가 하기의 (식 1), (식 2), (식 3)과 같은 조건에 따른 세관(capillary tube)인 것이 바람직하다. 이는 히트파이프(100) 내 전하운반체의 표면장력과 중력이 평형을 이루어 세관 내에서 기액 슬러그 형상이 유질 될 수 있는 최대 파이프 내경을 의미한다. 이러한 파이프 내경 조건에서는 증발부 위치의 제약이 없는 장점이 있다.

Chandratilleke의 상관식

(식 1)

Akachi & Polasek의 상관식

(식 2)

Nishio의 상관식

(식 3)

여기서, D는 파이프의 내경(內徑), σ는 표면장력, g는 중력가속도, ρ_f는 액체상태의 전하운반체의 밀도, ρ_g는 기체상태의 전하운반체의 밀도이다.

그러나 상기의 식에 따른 파이프 내경을 벗어난 대구경 파이프 내경 조건에서도 증발부가 응축부 아래쪽에 위치할 경우에는 정상적인 작동이 가능하다.

상기 사행파이프부(1000)를 구성하는 히트파이프(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 각 말단이 존재하도록 사행파이프부(1000)를 구성할 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 사행파이프부(1000)의 각 말단이 이어지도록 단속(斷續)이 없는 폐곡선을 형성하여 구성할 수 있다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이 양측의 증발부(2000) 사이에 응축부(3000)를 위치시키거나, 도 10에 도시된 바와 같이 양측의 응축부(3000) 사이에 증발부(2000)를 위치시킬 수 있다. 이 경우 열전발전모듈(4000)은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 사행파이프부(1000)의 하나의 라인 상에 두 개가 배치되게 된다. 이때, 상기 양극(anode)(300), 음극(cathode)(400) 및 상기 양극(300) 및 음극(400) 사이의 다공성전해질(500)을 포함하는 셀멤브레인(600)은 증발부(2000) 상에 위치하게 된다.

상기 열전발전모듈(4000)은 상기 히트파이프(100)를 동축(coaxial)상에서 감싸며 형성되고 음극을 통과한 전하운반체의 이동통로가 되는 커버파이프(200)와 커버파이프(200)와 히트파이프(100)간의 전하운반체를 소통시키기 위하여 응축부(3000)방향 커버파이프(200) 말단에 인접한 히트파이프(100)의 벽면에 형성되는 개구부(110)를 포함하며, 상기 전하운반체와 전자를 교환하는 양극(300) 및 음극(400)과 상기 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(500)이 상기 증발부(2000)방향 커버파이프(200) 말단에 인접한 히트파이프(100)의 벽면에 형성되어 구성된다.

열전발전을 위하여 상기 전하운반체와 전자를 교환하는 양극(300) 및 음극(400)과 상기 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(500)이 상기 증발부(2000)방향 커버파이프(200) 말단에 인접한 히트파이프(100)의 벽면에 형성된다. 상기와 같은 단순한 구조는 도 1에 도시된 모세관윅(wick)(6)을 중심으로 BASE튜브(8)가 배열되는 종래의 복잡한 구조와 대비된다. 즉, 종래의 AMTEC은 모세관윅(6)과 BASE튜브(8)를 별개의 구조로 구성한 것에 반해, 본 발명은 히트파이프(100)와 커버파이프(200)를 동심원상으로 구성하는 이중파이프 구조를 적용하였다. 이는 모세관윅(600)을 사용하지 아니함으로써 보다 단순하고 간결한 구조를 구현한 것이다.

상기의 히트파이프(100)는 전하운반체의 원활한 소통을 위하여 히트파이프(100)의 양 말단이 이어진 원형 및 기타형상의 고리형상인 것이 바람직하다.

상기 양극(300) 및 음극(400)은 발전효율과 관계되는 출력밀도(power density)와 밀접한 관련이 있다. 상기 전극은 다공성전해질(500) 단위의 두께로 코팅되어지며 기공을 포함한다. 일반적인 실시예로서, 전해질 표면에 수 단위의 두께의 전극이 입혀지고 그 위에 금속망, 다시 그 위에 와이어 리드선(900)이 접속하는 방식으로 집전이 이루어진다. 높은 출력밀도를 얻기 위해서는 접촉하는 각 재료와의 열팽창계수 차이 등 특성차이를 고려하여야 하며 전극의 두께 등의 변수도 고려되어야 한다. 이에 따라 상기 양극(300) 및 음극(400)은 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 구성되는 다공질의 멤브레인인 것이 바람직하다.

상기 알카리금속 전하운반체는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li) 중 선택되는 하나 이상의 물질인 것이 바람직하다. 나트륨(Na)이 구동유체인 경우는 일반적으로 증발부의 온도가 1100K, 응축부의 온도가 650K 부근에 이르게 된다. 용융점이 더 낮은 칼륨(K)를 적용하는 경우는 증발부과 응축의 구동온도를 각각 120K 정도 낮출 수 있다는 장점이 있어 열역학적인 이론효율은 칼륨(K)을 구동유체로 사용하는 AMTEC 시스템이 더 높다. 그러나 실제 적용상의 문제로 인해서 나트륨(Na)을 구동유체로 이용하는 시스템이 일반적으로 적용되고 있다. 상기 증발부(2000)의 열원은 태양에너지, 화석연료, 폐열, 지열, 원자로 등의 다양한 열원을 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 열원에 형태에 제한을 두지 아니한다.

상기의 다공성전해질(500)은 Na+ 이온을 통과시켜 전기를 발생시키는 소재로써 높은 이온전도도와 강도 및 치밀한 미세구조에 의한 고내구성을 지녀야 하며, Na+ 이온이 잘 통과할 수 있는 층상구조를 갖는 재료가 적용되어야 한다. 이에 따라 상기 다공성전해질(500)은 베타알루미나(β"-Al₂O₃; Beta" alumina) 또는 나시콘(Na super-ionic conductor:NASICON)계의 고체전해질인 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치의 a-a'선상의 횡단면도이다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 AMTEC의 발전효율을 위하여, 상기 양극(anode)(300) 및 음극(cathode)(400)과, 상기 양극(300) 및 음극(400) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(500)은 각각 멤브레인으로 형성되고, 상기 양극(300) 멤브레인과 음극(400) 멤브레인 및 다공성전해질(500) 멤브레인이 적층되어 하나의 셀멤브레인(600)을 형성하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 하나의 셀멤브레인(600) 구조는 상술한 바와 같이 발전효율을 증대시키는 효과 외에도 제조공정을 단순화시키는 부가적인 효과도 기대할 수 있다. 상기의 셀멤브레인(600)의 길이는 길수록 단위중량당 전력을 많이 생산할 수 있으나, 요구되는 환경에 따른 중량, 공간적 제약 등의 요인에 부합하도록 결정하는 것이 바람직하다. 한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 셀멤브레인(600) 구조의 양극(300) 및 음극(400)에 각각 와이어 리드선(800)이 연결되어 집전 및 전자의 공급이 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은 도 7의 순서도에 도시된 바와 같이, 상기의 열전발전장치를 이용한 발전방법에 있어서, 증발부(2000)에서 전하운반체를 기체상태로 증발시켜 증기포(蒸氣泡)(700)를 형성하는 단계(s100), 상기 증기포(700)와 히트파이프(100)의 사이에 액상의 전하운반체의 액체필름(liquid film)(800)이 형성되는 단계(s200), 상기 증기포(蒸氣泡)(700)가 히트파이프(100) 내에서 히트파이프(100)의 길이방향으로 진동하면서 이동하는 단계(s300), 상기 전하운반체 증기포(蒸氣泡)(700) 중 일부가 양극(300)을 통과하면서 전자를 내어놓는 단계(s400), 상기 전자를 내 놓은 전하운반체가 다공성전해질(500)을 통과하는 단계(s500), 상기 다공성전해질(500)을 통과한 전하운반체가 음극(400)을 통과하면서 전자를 받는 단계(s600), 상기 음극(400)을 통과한 전하운반체의 증기포(蒸氣泡)(700)가 커버파이프(200)의 통로를 통하여 응축부(3000)로 이동하는 단계(s700), 상기 응측부(500)로 이동한 전하운반체의 증기포(蒸氣泡)(700)가 응축되어 액체가 되는 단계(s800), 상기 액체로 응축된 전하운반체가 히트파이프(100)의 통로를 통해 증발부(2000) 방향으로 이동하는 단계(s900)를 포함하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법을 제공한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 증기포(蒸氣泡)(700)는 세관의 히트파이프(100)를 따라 길이방향으로 진동이동하며, 상기 증기포(700)와 히트파이프(100)의 사이에 액상의 전하운반체의 액체필름(liquid film)(800)이 형성되어 액체의 유동이 이루어지는 채널(channel)을 형성한다.

상기 증기포(蒸氣泡)(700)가 히트파이프(100) 내에서 진동하면서 이동하는 단계(s300)에서 상기 증기포(700)의 진동은 증발부(2000)에서의 전하운반체의 증발에 의한 증기포(700)의 생성 및 응축부(3000)에서의 증기포(700)의 응축으로 인하여 히트파이프(100) 내의 압력차가 발생함으로써 이루어지게 된다.

상기 증발부(2000)에서 전하운반체를 기체상태로 증발시키는 단계(s100)의 증발부(2000)의 온도는 950K-1200K으로 설정될 수 있으며, 상기 응측부(500)로 이동한 전하운반체가 응축되어 액체가 되는 단계(s600)에서의 상기 응축부(3000)의 온도는 500-700K로 설정되는 것이 바람직하다. 상기의 온도는 상술한 바와 같이, Na이 구동유체인 경우는 일반적으로 증발부의 온도가 1100K, 응축부의 온도가 650K 부근으로 설정이 되며, 용융점이 더 낮은 K를 적용하는 경우는 증발부과 응축부의 구동온도를 각각 120K 정도 낮추어 설정할 수 있다. 즉 적용하는 작동유체에 따라 해당 온도를 설정한다. 상술한 바와 같이, 상기 증발부(2000)의 열원은 태양에너지, 화석연료, 폐열, 지열, 원자로 등의 다영한 열원을 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 열원에 형태에 제한을 두지 아니한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 증발부(2000)와 응축부(3000)가 히트파이프(100)의 양 측에 설치됨으로써 상기 증발부(2000)측 히트파이프(100)내의 평균압력(p1)과 증발부측 커버파이프(200) 내의 평균압력(p2)과 응축부측 커버파이프(200) 내의 평균압력(p3)과 응축부측 히트파이프(100)내의 평균압력(p4)은

(식 4) p1 > p2 > p3 > p4

상기 (식 4)에 따른 압력구배를 갖게 된다. 상기와 같이 (식 4)에 따른 압력구배를 가짐에 따라 전하운반체들은 상기의 압력차에 의하여 움직이게 된다.

즉, 상기 증기포(蒸氣泡)(700) 진동이동은 미시적인 관점에선 방향성이 없으나, 거시적인 관점에서는 상기 (식 4)의 압력구배에 따라 방향성을 갖게 된다.

증발된 전하운반체 중 일부가 양극(300)을 통과하면서 전자를 내어놓는 단계(s200)에서, 상기 전하운반체는 증발부(2000)측 히트파이프(100)내의 평균압력(p1)과 증발부측 커버파이프(200) 내의 평균압력(p2)의 압력차에 의한 드라이빙포스(driving force)에 의해 이동하게 된다. 이때 양극(300)을 통과하지 아니하고 그대로 응축부(3000)로 직접 향하는 전하운반체도 있을 수 있으며, 이 경우 상기의 응축부(3000)로 직접 향하는 전하운반체는 응축부(3000)에 의해 응축되어 다시 증발부(2000)로 회수되게 된다.

이와 마찬가지로, 상기 음극(400)을 통과한 전하운반체가 커버파이프(200)의 통로를 통하여 응축부(3000)로 이동하는 단계(s500)에서, 상기 전하운반체는 상기 증발부측 커버파이프(200) 내의 평균압력(p2)과 응축부측 커버파이프(200) 내의 평균압력(p3)의 압력차에 의한 드라이빙포스에 의해 이동하게 된다.

또한, 상기 액체로 응축된 전하운반체가 히트파이프(100)의 통로를 통해 증발부(2000) 방향으로 이동하는 단계(s700)의 전하운반체는 압력차에 의해 이동하지만, 중력(重力)에 의해 히트파이프(100)의 통로를 통해 증발부(2000) 방향으로 이동할 수도 있다. 그러나 상기와 같은 방법은 중력이 존재하지 아니하는 우주공간에서는 적용할 수 없음은 물론이다. 그러나 히트파이프(100)가 양 말단이 이어지는 고리형으로 형성되는 경우 상기 전하운반체를 증발부(2000)로 회수하는 것은 특별한 드라이빙포스가 없더라도 전하운반체의 흐름에 따라 이루어진다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시 예에 불과하며, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시 예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.

100. 히트파이프
110. 개구부
200. 커버파이프
300. 양극
400. 음극
500. 다공성전해질
600. 셀멤브레인
700. 증기포
800. 액체필름
900. 와이어 리드선
1000. 사행파이프부
2000. 증발부
3000. 응축부
4000. 열전발전모듈

Claims

알칼리금속을 전하운반체로 사용하는 열전발전장치(AMTEC ; Alkali Metal Thermal to Electric Converter)에 있어서,
상기 전하운반체의 이동통로가 되는 히트파이프(100)가 사행(蛇行;Serpentine)으로 형성되는 사행파이프부(1000);
상기 사행파이프부(1000)의 일단(一端)에 형성되는 증발부(2000);
상기 사행파이프부(1000)의 타단(他端)에 형성되는 응축부(3000);
상기 사행파이프부(1000)의 증발부(2000)와 응축부(3000) 사이에 설치되는 다수의 열전발전모듈(4000)들을 포함하며,
상기 열전발전모듈(4000)은
상기 전하운반체로부터 전하를 주고받는 양극(anode)(300) 및 음극(cathode)(400)과, 상기 양극(300) 및 음극(400) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(500)을 포함하여 구성되는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 사행파이프부(1000)를 구성하는 히트파이프(100)는 파이프의 내경(內徑) D가

(식 1)

상기 (식 1)을 만족하는 세관(capillary tube)임을 특징으로 하는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 사행파이프부(1000)를 구성하는 히트파이프(100)는 파이프의 내경(內徑) D가
(식 2)

상기 (식 2)를 만족하는 세관(capillary tube)임을 특징으로 하는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 사행파이프부(1000)를 구성하는 히트파이프(100)는 파이프의 내경(內徑) D가
(식 3)

상기 (식 3)을 만족하는 세관(capillary tube)임을 특징으로 하는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 사행파이프부(1000)의 일단(一端)에 형성되는 증발부(2000)는 상기 사행파이프부(1000)의 타단(他端)에 형성되는 응축부(3000)의 아래쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 사행파이프부(1000)를 구성하는 히트파이프(100)는 단속(斷續)이 없는 폐곡선을 형성하는 것을 특징으로 하는 알칼리금속을 전하의 운반체로 사용하는 열전발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 열전발전모듈(4000)은
상기 히트파이프(100)를 동축(coaxial)상에서 감싸며 형성되고 음극을 통과한 전하운반체의 이동통로가 되는 커버파이프(200);
커버파이프(200)와 히트파이프(100)간의 전하운반체를 소통시키기 위하여 응축부(3000)방향 커버파이프(200) 말단에 인접한 히트파이프(100)의 벽면에 형성되는 개구부(110);
를 포함하며,
상기 전하운반체와 전자를 교환하는 양극(300) 및 음극(400)과 상기 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(500)이 상기 증발부(2000)방향 커버파이프(200) 말단에 인접한 히트파이프(100)의 벽면에 형성되는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
제 7항에 있어서,
상기 양극(300) 및 음극(400)은 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 구성되는 다공질의 멤브레인인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
제 7항에 있어서,
상기 알카리금속 전하운반체는 나트륨(Na), 칼륨(K), 리튬(Li) 중 선택되는 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
제 7항에 있어서,
상기 다공성전해질(500)은 베타" 알루미나(Beta" alumina) 또는 나시콘(Na super-ionic conductor:NASICON)계의 고체전해질인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 양극(anode)(300) 및 음극(cathode)(400)과, 상기 양극(300) 및 음극(400) 사이에 위치하며 전하운반체를 선택적으로 투과시키는 다공성전해질(500)은 각각 멤브레인으로 형성되고, 상기 양극(300) 멤브레인과 음극(400) 멤브레인 및 다공성전해질(500) 멤브레인이 적층되어 하나의 셀멤브레인(600)을 형성하는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치.
제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 열전발전장치를 이용한 발전방법에 있어서,
i) 증발부(2000)에서 전하운반체를 기체상태로 증발시켜 증기포(蒸氣泡)(700)를 형성하는 단계(s100);
ii) 상기 증기포(700)와 히트파이프(100)의 사이에 액상의 전하운반체의 액체필름(liquid film)(800)이 형성되는 단계(s200);
iii) 상기 증기포(蒸氣泡)(700)가 히트파이프(100) 내에서 히트파이프(100)의 길이방향으로 진동하면서 이동하는 단계(s300);
iv) 상기 전하운반체 증기포(蒸氣泡)(700) 중 일부가 양극(300)을 통과하면서 전자를 내어놓는 단계(s400);
v) 상기 전자를 내 놓은 전하운반체가 다공성전해질(500)을 통과하는 단계(s500);
vi) 상기 다공성전해질(500)을 통과한 전하운반체가 음극(400)을 통과하면서 전자를 받는 단계(s600);
vii) 상기 음극(400)을 통과한 전하운반체의 증기포(蒸氣泡)(700)가 커버파이프(200)의 통로를 통하여 응축부(3000)로 이동하는 단계(s700);
viii) 상기 응측부(500)로 이동한 전하운반체의 증기포(蒸氣泡)(700)가 응축되어 액체가 되는 단계(s800);
ix) 상기 액체로 응축된 전하운반체가 히트파이프(100)의 통로를 통해 증발부(800) 방향으로 이동하는 단계(s900);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법.
제 12항에 있어서,
상기 증기포(蒸氣泡)(700)가 히트파이프(100) 내에서 진동하면서 이동하는 단계(s300)에서 상기 증기포(700)의 진동은 증발부(2000)에서의 전하운반체의 증발에 의한 증기포(700)의 생성과, 응축부(3000)에서의 증기포(700)의 응축으로 인한 히트파이프(100) 내의 압력차에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법.
제 12항에 있어서,
상기 증발부(2000)에서 전하운반체를 기체상태로 증발시키는 단계(s100)의 증발부(2000)의 온도는 950K-1200K인 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법.
제 12항에 있어서,
증발된 전하운반체 중 일부가 양극(300)을 통과하면서 전자를 내어놓는 단계(s400)에서,
상기 전하운반체는 증발부(2000)측 히트파이프(100)내의 평균압력(p1)과 증발부측 커버파이프(200) 내의 평균압력(p2)의 압력차에 의한 드라이빙포스(driving force)에 의해 이동하는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법.
제 12항에 있어서,
상기 음극(400)을 통과한 전하운반체가 커버파이프(200)의 통로를 통하여 응축부(3000)로 이동하는 단계(s700)에서,
상기 전하운반체는 상기 증발부측 커버파이프(200) 내의 평균압력(p2)과 응축부측 커버파이프(200) 내의 평균압력(p3)의 압력차에 의한 드라이빙포스에 의해 이동하는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열전발전장치의 발전방법.
제 12항에 있어서,
상기 응측부(3000)로 이동한 전하운반체가 응축되어 액체가 되는 단계(s800)에서의 상기 응축부(3000)는 500-700K의 온도로 전하운반체를 응축시키는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열발전장치의 발전방법.
제 12항에 있어서,
상기 증발부(2000)측 히트파이프(100)내의 평균압력(p1)과, 증발부(2000)측 커버파이프(200) 내의 평균압력(p2)과, 응축부(3000)측 커버파이프(200) 내의 평균압력(p3)과, 응축부(3000)측 히트파이프(100)내의 평균압력(p4)은

(식 4) p1 > p2 > p3 > p4

상기 (식 4)에 따른 압력구배를 갖는 것을 특징으로 하는 알카리금속 전하운반체를 이용한 열발전장치의 발전방법.