KR102060010B1 - power generator - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면, 발전 장치는 외부로 열에너지를 방출하는 퍼니스(furnace); 상기 퍼니스의 외부에 위치하며, 상기 퍼니스에서 방출되는 열에너지에 의한 금속 유체의 순환을 통해 전기 에너지를 발생시키는 알칼리 금속 열전 변환 장치; 및 상기 퍼니스 및 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치 중 적어도 하나와 열교환하여 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 장치;를 포함하여 구성하되, 상기 열에너지 회수 장치는, 일단부가 저온 유체 공급부와 연통되며 타단부가 고온 유체 수요부와 연통되는 열에너지 회수 라인을 포함하고, 상기 열에너지 회수 라인은, 상기 저온 유체 공급부로부터 저온 유체를 공급받고, 상기 저온 유체가 내부를 유동하며 금속 유체와의 열교환을 통해 고온 유체로 전환되면 상기 고온 유체 수요부로 상기 고온 유체를 공급하며, 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치는, 상기 퍼니스에서 방출되는 열에너지를 공급받아 내부의 금속 유체를 증기로 변환시키는 증발부; 상기 증발부와 연통되어 상기 금속 유체를 유입시키며, 상기 금속 유체를 전하 운반체로 사용하여 전기 에너지를 발생시키고, 상기 금속 유체를 배출시키는 열전 변환부; 및 상기 열전 변환부와 연통되어 상기 열전 변환부에서 배출된 금속 유체를 포집하여 응축시키는 응축부; 를 포함하여 구성되고, 상기 열전 변환부는, 상기 금속 유체를 이송시키기 위한 일정 체적의 공간부와, 상기 금속 유체의 투과에 의해 전기를 발생시키는 평판형 구조체가 적층되어 구성되는 적어도 하나의 열전 변환 모듈을 포함하며, 상기 평판형 구조체는, 평판형 전해질 구조체와, 상기 평판형 전해질 구조체의 일면에 형성되는 음극(anode)과, 상기 평판형 전해질 구조체의 타면에 형성되는 양극(cathode)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the invention, the power generation apparatus includes a furnace (furnace) for emitting heat energy to the outside; An alkali metal thermoelectric converter positioned outside the furnace and generating electrical energy through circulation of the metal fluid by thermal energy emitted from the furnace; And a heat energy recovery device for recovering heat energy by exchanging heat with at least one of the furnace and the alkali metal thermoelectric conversion device, wherein the heat energy recovery device has one end in communication with the low temperature fluid supply and the other end with a high temperature fluid demand. And a heat energy recovery line in communication with the unit, wherein the heat energy recovery line is supplied with a low temperature fluid from the low temperature fluid supply unit, and the high temperature fluid flows therein and is converted into a high temperature fluid through heat exchange with a metal fluid. The high temperature fluid is supplied to the fluid demanding unit, and the alkali metal thermoelectric conversion device comprises: an evaporation unit receiving the thermal energy emitted from the furnace and converting the internal metal fluid into steam; A thermoelectric converter communicating with the evaporator to introduce the metal fluid, to generate electrical energy by using the metal fluid as a charge carrier, and to discharge the metal fluid; And a condensation unit communicating with the thermoelectric conversion unit to collect and condense metal fluid discharged from the thermoelectric conversion unit. Wherein the thermoelectric conversion unit comprises at least one thermoelectric conversion module configured by stacking a space portion having a predetermined volume for transferring the metal fluid and a plate-like structure which generates electricity by permeation of the metal fluid. The flat plate structure includes a plate electrolyte structure, an anode formed on one surface of the plate electrolyte structure, and a cathode formed on the other surface of the plate electrolyte structure. It features.
Description
본 발명은 발전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알칼리 금속 유체를 작동 유체로 하여 발전할 수 있는 알칼리 금속 열전 변환 장치(AMTEC, ALKALI METAL THERMOELECTRIC CONVERTER)를 구비한 발전 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
알칼리 금속을 작동 유체로 하여 발전하는 알칼리 금속 열전 변환 장치(AMTEC)는 열 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전 장치로, 미국 포드사에 의해 제안된 이래 초기에는 전기자동차의 전원공급장치로 연구되었고, 이후에는 우주용 발전장치로 각광받아 미국 NASA에 의해서 개발이 주도되었다. Alkali metal thermoelectric converter (AMTEC), which generates alkali metal as a working fluid, is a power generation device that converts thermal energy into electrical energy. It was spotlighted as a space generator and was led by NASA in the United States.
AMTEC은 터빈이나 모터와 같은 구동부 없이 전기를 생산할 수 있는 발전 장치로서, 단위 셀들을 직렬 또는 병렬로 연결하는 경우 수kW에서 수백MW 규모의 대용량 발전이 가능함에 따라 미래지향적인 신발전기술로 평가받고 있다. AMTEC is a power generation device that can generate electricity without a driving unit such as a turbine or a motor. When unit cells are connected in series or in parallel, AMTEC is regarded as a future-oriented footwear technology as it enables large-scale power generation from several kW to several hundred MW. have.
AMTEC의 기본적인 동작 원리는 다음과 같다. 우선, Na 증기가 열원에 의해 고온 고압 영역인 증발부에서 증기상태로 변하며 Na+ 이온이 베타" 알루미나 고체전해질(Beta"-Alumina Solid Electrolyte: BASE)로 통과한다. 즉, 이온전도성을 갖는 베타" 알루미나 고체전해질(BASE)의 양단에 온도차(ΔT)를 주면 AMTEC 셀 내부에 충전된 액체 Na의 증기압 차가 추진력이 되어 느슨하게 결합하고 있는 격자산소 틈새 층으로 Na+ 이온의 이동이 일어나게 된다. 여기에서, 자유전자들은 음극(anode)으로부터 전기부하로 통과하여 양극(cathode)으로 돌아와, 저온 저압 영역의 베타" 알루미나 고체전해질(BASE)의 표면에서 나오는 Na+ 이온과 재결합하여 중성화(Neutralization)되며, 이러한 과정에서 전기를 발생하게 된다. The basic principle of operation of AMTEC is as follows. First, Na vapor is changed to a vapor state in the evaporation unit, which is a high temperature and high pressure region by a heat source, and Na + ions pass through a beta "-Alumina Solid Electrolyte (BASE). In other words, if the temperature difference (ΔT) is applied to both ends of the beta "alumina solid electrolyte (BASE) having ion conductivity, the difference in vapor pressure of the liquid Na packed inside the AMTEC cell is a driving force, and the Na + ions move to the lattice oxygen gap layer loosely bonded. Here, free electrons pass from the anode to the electrical load and back to the cathode, recombine with Na + ions from the surface of the beta "alumina solid electrolyte (BASE) in the low temperature low pressure region and neutralize. Neutralization) generates electricity during this process.
AMTEC에 있어서 전기를 발생시키는 에너지원 또는 원동력(driving force)은 AMTEC 내부의 Na 증기압이 가장 크게 작용하고, 또한 작용유체의 농도 차이, 온도 차이로 인해 Na이 고체전해질을 통과하는 과정에서 발생하는 자유전자들을 전극을 통해 집전함으로써 발전이 가능하게 된다. 이때 출력은 저전압, 대전류의 특성이 나타나며, 단위셀들을 모듈화하여 연결하는 경우 대용량 발전이 가능하다. 또한, AMTEC은 고온(약 600℃ 이상)의 열원에 적용될 수 있어, 고온의 폐열이 발생될 수 있는 산업 시설, 원자력 발전, 태양열 발전, 자동차, 보일러 등에 적용이 가능하고, 수집된 전력은 분산형 발전 장치로 활용이 가능하다. The energy source or driving force that generates electricity in AMTEC is the Na vapor pressure inside AMTEC which is the largest, and also the freedom that occurs when Na passes through the solid electrolyte due to the difference in concentration of fluid and temperature. Power generation is possible by collecting electrons through an electrode. At this time, the output shows characteristics of low voltage and high current, and when unit cells are modularized and connected, large capacity power generation is possible. In addition, AMTEC can be applied to heat sources of high temperature (about 600 ℃ or more), so it can be applied to industrial facilities, nuclear power generation, solar power generation, automobiles, boilers, etc. where high temperature waste heat can be generated, and the collected power is distributed. It can be used as a power generation device.
도 1은 종래의 AMTEC 장치(10)를 설명하기 위한 설명도이다. 도 1을 참조하면, 종래AMTEC 기술은 대부분 튜브형(tubular) 구조를 가지며, Na 증기가 열원(1)에 의해 고압영역인 증발부에서 증기상태로 변하여 Na+ 이온이 튜브형 단위 셀에 형성된 베타" 알루미나 고체전해질(2)을 통과하게 된다. 이때, 자유전자들은 음극(4)으로부터 집전되어 집전선로(7)를 따라 외부로 나가 전기부하에 따른 일을 한 후 양극(3)으로 돌아와서 저압영역의 BASE 표면에서 나오는 Na+ 이온과 재결합함으로써 전기를 발생하게 된다. 중성의 Na 증기는 저압영역의 응축부(5)에서 응축되며 응축된 NA는 모세관윅(6)에 의해 증발부로 귀환하여 사이클을 완료하게 된다.1 is an explanatory diagram for explaining a
종래 AMTEC의 경우, 단위 셀이 튜브형 구조를 가짐에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 AMTEC의 하부 방향에 열원이 위치하여야 하며, 이에 열원과의 결합하는데 있어 구조적 제약이 따른다. 또한, 종래 AMTEC의 경우, 체적에 비하여 단위 셀들의 집적도가 낮아 단위면적당 출력에 한계가 있으며, 금속 유체의 순환이 원활하게 이루어지지 않아 전체 출력에 한계가 있어, 열전 소자를 이용한 열전발전 장치를 대체하는데 어려움이 있다. 이러한 문제점으로 인하여 AMTEC은 상용화 및 응용 기술 분야의 적용에 어려움이 있으며, 타 열전 발전 장치와 비교하여 전세계적으로 연구가 활발하지 못한 실정이다. In the case of the conventional AMTEC, as the unit cell has a tubular structure, as shown in FIG. 1, a heat source must be located in the downward direction of the AMTEC, and thus, structural constraints are imposed on the heat source. In addition, in the conventional AMTEC, there is a limit in output per unit area due to the low density of unit cells as compared to the volume, and there is a limit in the overall output because the circulation of metal fluid is not smoothly performed, thereby replacing a thermoelectric generator using a thermoelectric element. There is a difficulty. Due to these problems, AMTEC has difficulty in application of commercialization and application technology, and researches are not actively conducted worldwide compared to other thermoelectric generators.
현재, 다양한 열원과 결합 가능한 AMTEC의 설계 구조 및 열효율을 극대화할 수 있는 열병합 발전 시스템의 개발이 필요한 실정이다. Currently, it is necessary to develop a cogeneration system that can maximize the design efficiency and thermal efficiency of AMTEC that can be combined with various heat sources.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열효율을 대폭으로 향상시킬 수 있는 알칼리 금속 열전 변환 장치를 구비한 발전 장치를 제공하고자 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a power generation apparatus having an alkali metal thermoelectric converter capable of significantly improving thermal efficiency.
또한, 본 발명은 다양한 열원과 유연하게 결합할 수 있는 알칼리 금속 열전 변환 장치의 구조 및 이를 구비하는 발전 장치를 제공하고자 한다. In addition, the present invention is to provide a structure of an alkali metal thermoelectric conversion device that can be flexibly combined with various heat sources and a power generation device having the same.
또한, 본 발명은 단위 체적 및 단위 면적당 출력 효율을 향상시킬 수 있는 알칼리 금속 열전 변환 장치의 구조 및 이를 구비하는 발전 장치를 제공하고자 한다. In addition, the present invention is to provide a structure of an alkali metal thermoelectric conversion device that can improve the output efficiency per unit volume and unit area, and a power generation device having the same.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예들을 통하여 보다 명확해질 것이다.Other objects of the present invention will become more apparent through the preferred embodiments described below.
본 발명의 일 측면에 따르면, 발전 장치는 외부로 열에너지를 방출하는 퍼니스(furnace); 및 상기 퍼니스의 외부에 위치하며, 상기 퍼니스에서 방출되는 열에너지에 의한 금속 유체의 순환을 통해 전기 에너지를 발생시키는 알칼리 금속 열전 변환 장치;를 포함한다. According to one aspect of the invention, the power generation apparatus includes a furnace (furnace) for emitting heat energy to the outside; And an alkali metal thermoelectric converter positioned outside the furnace and generating electrical energy through circulation of the metal fluid by the thermal energy emitted from the furnace.
일 실시예에서, 상기 발전 장치는 상기 퍼니스 및 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치 중 적어도 하나와 열교환하여 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 장치;를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the power generation device may further include a heat energy recovery device for recovering heat energy by heat exchange with at least one of the furnace and the alkali metal thermoelectric conversion device.
일 실시예에서, 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치는 상기 퍼니스에서 방출되는 열에너지를 공급받아 내부의 금속 유체를 증기로 변환시키는 증발부; 상기 증발부와 연통되어 상기 금속 유체를 유입시키며, 상기 금속 유체를 전하 운반체로 사용하여 전기 에너지를 발생시키고, 상기 금속 유체를 배출시키는 열전 변환부; 및 상기 열전 변환부와 연통되어 상기 열전 변환부에서 배출된 금속 유체를 포집하여 응축시키는 응축부;를 포함할 수 있다. In an embodiment, the alkali metal thermoelectric conversion device may include: an evaporator configured to receive thermal energy emitted from the furnace and convert an internal metal fluid into steam; A thermoelectric converter communicating with the evaporator to introduce the metal fluid, to generate electrical energy by using the metal fluid as a charge carrier, and to discharge the metal fluid; And a condensation unit communicating with the thermoelectric conversion unit to collect and condense metal fluid discharged from the thermoelectric conversion unit.
일 실시예에서, 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치는 상기 퍼니스의 외면 중 적어도 일부 영역을 감싸도록 구성되되, 상기 증발부의 일면은 상기 퍼니스를 항하도록 구성되고, 상기 응축부의 타면은 상기 퍼니스의 반대 방향을 향하도록 구성될 수 있다. In one embodiment, the alkali metal thermoelectric conversion device is configured to surround at least a portion of the outer surface of the furnace, one side of the evaporation portion is configured to route the furnace, the other side of the condensation portion is in the opposite direction of the furnace Can be configured to face.
일 실시예에서, 상기 응축부는 상기 열전 변환부에서 배출된 금속 유체를 냉각하여 응축시키는 냉각부; 및 상기 응축된 금속 유체를 상기 증발부로 순환시키는 순환부;를 포함하여 구성될 수 있다. In one embodiment, the condenser comprises a cooling unit for cooling and condensing the metal fluid discharged from the thermoelectric conversion unit; And a circulation unit for circulating the condensed metal fluid to the evaporator.
일 실시예에서, 상기 냉각부는 상기 열전 변환부와 분리되어 구성되며, 상기 순환부는 상기 열전 변환부로부터 배출되는 금속 유체가 상기 냉각부를 경유하여 상기 증발부로 순환되도록 구성될 수 있다. In one embodiment, the cooling unit may be configured to be separated from the thermoelectric converter, and the circulation unit may be configured such that metal fluid discharged from the thermoelectric converter is circulated to the evaporator via the cooling unit.
일 실시예에서, 상기 열에너지 회수 장치는 상기 냉각부 내부를 유동하는 금속 유체와의 열교환을 통해 열에너지를 회수할 수 있다. In one embodiment, the heat energy recovery device may recover the heat energy through heat exchange with the metal fluid flowing in the cooling unit.
일 실시예에서, 상기 열에너지 회수 장치 및 냉각부는 상기 증발부 및 열전 변환부의 하부에 위치할 수 있다. In one embodiment, the thermal energy recovery device and the cooling unit may be located below the evaporator and the thermoelectric converter.
일 실시예에서, 상기 열에너지 회수 장치는 일단부가 저온 유체 공급부와 연통되며 타단부가 고온 유체 수요부와 연통되는 열에너지 회수 라인을 포함하며, 상기 열에너지 회수 라인은, 상기 저온 유체 공급부로부터 저온 유체를 공급받고, 상기 저온 유체가 내부를 유동하며 금속 유체와의 열교환을 통해 고온 유체로 전환되면 상기 고온 유체 수요부로 상기 고온 유체를 공급할 수 있다. In one embodiment, the thermal energy recovery device includes a thermal energy recovery line of which one end is in communication with the low temperature fluid supply portion and the other end is in communication with the high temperature fluid demand portion, wherein the thermal energy recovery line, supply the low temperature fluid from the low temperature fluid supply portion When the low temperature fluid flows inside and is converted into a high temperature fluid through heat exchange with a metal fluid, the high temperature fluid may be supplied to the high temperature fluid demand part.
일 실시예에서, 상기 열에너지 회수 장치는 상기 퍼니스와 1차 열교환하고, 이후 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치와 2차 열교환하도록 구성될 수 있다. In one embodiment, the thermal energy recovery device may be configured to primary heat exchange with the furnace, and then secondary heat exchange with the alkali metal thermoelectric conversion device.
일 실시예에서, 상기 열에너지 회수 장치는 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치와 1차 열교환하고, 상기 퍼니스와 2차 열교환하도록 구성될 수 있다. In one embodiment, the thermal energy recovery device may be configured to primary heat exchange with the alkali metal thermoelectric converter, and secondary heat exchange with the furnace.
일 실시예에서, 상기 열에너지 회수 장치는 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치와의 열교환을 통해 열에너지를 회수하는 제1 열에너지 회수 장치; 및 상기 제1 열에너지 회수 장치와 열교환을 통해 열에너지를 회수하는 제2 열에너지 회수 장치;를 포함할 수 있다.In one embodiment, the thermal energy recovery device may include a first thermal energy recovery device for recovering thermal energy through heat exchange with the alkali metal thermoelectric conversion device; And a second heat energy recovery device for recovering heat energy through heat exchange with the first heat energy recovery device.
일 실시예에서, 상기 열전 변환부는 상기 금속 유체를 이송시키기 위한 일정 체적의 공간부와, 상기 금속 유체의 투과에 의해 전기를 발생시키는 평판형 구조체가 적층되어 구성되는 적어도 하나의 열전 변환 모듈을 포함하며, 상기 평판형 구조체는 평판형 전해질 구조체와, 상기 평판형 전해질 구조체의 일면에 형성되는 음극(anode)과, 상기 평판형 전해질 구조체의 타면에 형성되는 양극(cathode)으로 구성될 수 있다. In one embodiment, the thermoelectric conversion unit includes at least one thermoelectric conversion module configured by stacking a predetermined volume of space for transferring the metal fluid and a plate-like structure that generates electricity by permeation of the metal fluid. The plate structure may include a plate electrolyte structure, an anode formed on one surface of the plate electrolyte structure, and a cathode formed on the other surface of the plate electrolyte structure.
일 실시예에서, 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치는 다면체 구조로 형성되며, 상기 퍼니스의 외면과 접하도록 구성될 수 있다.In one embodiment, the alkali metal thermoelectric conversion device is formed of a polyhedral structure, it may be configured to contact the outer surface of the furnace.
일 실시예에서, 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치는 중공의 원통형 구조로 형성되며, 상기 퍼니스의 외면을 감싸도록 구성될 수 있다. In one embodiment, the alkali metal thermoelectric conversion device is formed in a hollow cylindrical structure, it may be configured to surround the outer surface of the furnace.
일 실시예에서, 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치는 중공의 원통형 구조로 형성되며, 상기 퍼니스의 외면을 감싸도록 구성되되, 상기 열전 변환부는 상기 금속 유체를 이송시키기 위한 일정 체적의 공간부와, 상기 금속 유체의 투과에 의해 전기를 발생시키는 롤형 구조체가 구성되는 적어도 하나의 열전 변환 모듈을 포함하며, 상기 롤형 구조체는 롤형 전해질 구조체와, 상기 롤형 전해질 구조체의 내면에 형성되는 음극(anode)과, 상기 롤형 전해질 구조체의 외면에 형성되는 양극(cathode)으로 구성될 수 있다.In one embodiment, the alkali metal thermoelectric conversion device is formed of a hollow cylindrical structure, is configured to surround the outer surface of the furnace, the thermoelectric conversion unit and the volume of the space portion for transferring the metal fluid, and the metal At least one thermoelectric conversion module configured with a rolled structure for generating electricity by permeation of a fluid, wherein the rolled structure includes a rolled electrolyte structure, an anode formed on an inner surface of the rolled electrolyte structure, and the rolled structure. It may be composed of a cathode (cathode) formed on the outer surface of the electrolyte structure.
본 발명은, 열에너지를 방출하는 퍼니스의 외부에 알칼리 금속 열전 변환 장치를 구성시키고, 퍼니스 및 알칼리 금속 열전 변환 장치 중 적어도 하나와 열교환하여 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 장치를 구비함으로써, 발전 장치의 열효율을 대폭 향상시킬 수 있다. The present invention comprises an alkali metal thermoelectric converter configured outside the furnace that emits thermal energy, and includes a thermal energy recovery device that recovers thermal energy by exchanging heat with at least one of the furnace and the alkali metal thermoelectric converter, thereby improving the thermal efficiency of the power generator. It can greatly improve.
또한, 본 발명은 알칼리 금속 열전 변환 장치를 구성하는 열전 변환 모듈(단위 셀)들 각각에 금속 유체를 순환시키기 위한 공간부를 형성시키고, 전해질 구조체 및 전극(음극 및 양극)을 평판형 또는 롤형으로 구성하며, 단위 셀들 각각을 순차적으로 적층시켜 전기적으로 연결될 수 있도록 구성함으로써, 다양한 열원과 유연하게 결합 가능함과 동시에, 단위 체적 및 단위 면적당 발전 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.In addition, the present invention forms a space for circulating a metal fluid in each of the thermoelectric conversion modules (unit cells) constituting the alkali metal thermoelectric conversion device, and configures the electrolyte structure and the electrodes (cathode and anode) in a flat or roll shape. In addition, by sequentially stacking each of the unit cells so that they can be electrically connected to each other, the unit cells can be flexibly combined with various heat sources, and the power generation efficiency per unit volume and unit area can be greatly improved.
도 1은 종래 기술에 따른 튜브형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 참고도이다.
도 2는 본 발명에 따른 발전 장치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 3 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 8 내지 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼니스와 알칼리 금속 열전 변환 장치의 구조를 설명하기 위한 참고도이다.
도 12 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치를 포함한 발전 시스템을 설명하기 위한 참고도이다.
도 18 내지 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼리 금속 열전 변환 장치의 구조를 설명하기 위한 참고도이다.1 is a reference view for explaining the operation of the tubular alkali metal thermoelectric converter according to the prior art.
2 is a reference diagram for explaining a power generation device according to the present invention.
3 to 7 are reference diagrams for describing a power generation apparatus according to an embodiment of the present invention.
8 to 11 are reference views for explaining the structure of the furnace and the alkali metal thermoelectric converter according to an embodiment of the present invention.
12 to 17 are reference diagrams for describing a power generation system including a power generation device according to an embodiment of the present invention.
18 to 27 are reference diagrams for explaining the structure of an alkali metal thermoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
본 발명은 상술한 종래 튜브형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 문제점을 해결하기 위한 발전 장치의 설계 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a design technique of a power generation device for solving the problems of the conventional tubular alkali metal thermoelectric conversion device described above.
본 발명자들은 상기에서 설명한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 열에너지를 방출하는 퍼니스의 외부에 알칼리 금속 열전 변환 장치를 구성시키고, 퍼니스 및 알칼리 금속 열전 변환 장치 중 적어도 하나와 열교환하여 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 장치를 구성시키면, 발전 장치의 열효율을 대폭 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 본 발명자들은 알칼리 금속 열전 변환 장치를 구성하는 열전 변환 모듈(단위 셀)들 각각에 금속 유체를 순환시키기 위한 공간부를 형성시키고, 전해질 구조체 및 전극(음극 및 양극)을 평판형 또는 롤형으로 구성하며, 단위 셀들 각각을 순차적으로 적층시켜 전기적으로 연결될 수 있도록 구성하면, 다양한 열원과 유연하게 결합 가능함과 동시에, 단위 체적 및 단위 면적당 발전 효율을 대폭 향상시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다. The present inventors have made diligent efforts to solve the problems according to the prior art described above, and as a result, an alkali metal thermoelectric converter is formed outside the furnace that emits heat energy, and heat energy is exchanged with at least one of the furnace and the alkali metal thermoelectric converter. It was confirmed that by configuring the heat energy recovery device to recover, the thermal efficiency of the power generation device can be greatly improved. In addition, the present inventors form a space for circulating a metal fluid in each of the thermoelectric conversion modules (unit cells) constituting the alkali metal thermoelectric conversion device, and configure the electrolyte structure and the electrodes (cathode and anode) in a flat or roll shape. In addition, by sequentially stacking each of the unit cells to be electrically connected, it was confirmed that can be flexibly combined with a variety of heat sources, and can significantly improve the power generation efficiency per unit volume and unit area, and completed the present invention. .
이하, 본 발명에 따른 발전 장치와 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the power generation apparatus according to the present invention and various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 발전 장치를 설명하기 위한 참고도이다. 도 2를 참조하면, 발전 장치(10)는 퍼니스(100) 및 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)를 포함한다. 2 is a reference diagram for explaining a power generation device according to the present invention. Referring to FIG. 2, the
본 발명에서 퍼니스(노, furnace, 100)는 열에너지를 방출하는 장치에 해당하며, 용도, 명칭, 크기, 소재 등에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 퍼니스(100)는 사전적 의미인 [물질을 고온으로 가열하기 위한 장치]로 한정되지 않으며, 열에너지를 외부로 방출하는 장치라면 본 발명에 따른 퍼니스(100)로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 퍼니스(100)는 연소로, 가열로, 공업로, 소각로, 원자로, 전기로 등 각종 가열 장치에 해당할 수 있다. 다른 예를 들어, 퍼니스(100)는 차량 배기가스 배출 장치, 보일러 장치 등의 각종 폐열 발생 장치에 해당할 수 있다. 한편, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 동작 온도(증발부 측)를 고려할 때, 본 발명에 따른 퍼니스(100)는 외부 온도가 약 600~ 1000K 수준인 열에너지 방출 장치에 해당하는 것이 바람직하다.Furnace (furnace, furnace, 100) in the present invention corresponds to a device for emitting heat energy, and is not limited to the use, name, size, material and the like. That is, the
알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 퍼니스(100)의 외부에 위치하며, 퍼니스(100)에서 방출되는 열에너지를 통해 전기 에너지를 발생시키는 장치에 해당한다. 여기에서, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 내부에 알칼리 금속 유체(이하, 금속 유체)가 구성되고, 퍼니스(100)에서 방출되는 열에너지에 의하여 순환하는 알칼리 금속 유체를 작동 유체로 하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. The alkali metal
일 실시예에서, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 증발부(210), 열전 변환부(220) 및 응축부(230)를 포함할 수 있다.In an embodiment, the alkali metal
증발부(210)는 퍼니스(100)에서 방출되는 열에너지를 공급받아 내부의 금속 유체를 증기로 변환시킬 수 있다. 열전 변환부(220)는 증발부(210)와 연통되어 금속 유체를 유입시키며, 금속 유체를 전하 운반체로 사용하여 전기 에너지를 발생시키고, 금속 유체를 배출시킬 수 있다. 응축부(230)는 열전 변환부(220)와 연통되어 열전 변환부(220)에서 배출된 금속 유체를 포집하여 응축시킬 수 있다. 한편, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 발전 원리 및 동작에 관한 상세한 설명은 후술(도 18 내지 도 27 참조)한다. The
일 실시예에서, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 발생된 전기 에너지를 전기 선로(240)를 통해 전력 수요부(250)로 공급할 수 있다. 여기에서, 전력 수요부(250)는 전력을 요구하는 객체로, 예를 들어, 변전 설비, 집전 설비 등의 전력 계통, 또는 전력 저장 장치(배터리), 가전 제품 등의 전력 소비 장치를 포함할 수 있다. In an embodiment, the alkali metal
일 실시예에서, 발전 장치(10)는 열에너지 회수 장치를 포함할 수 있다. 여기에서, 열에너지 회수 장치는 퍼니스(100) 및 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)중 적어도 하나와 열교환하여 열에너지를 회수할 수 있다. In one embodiment, the
일 실시예에서, 열에너지 회수 장치는 내부에 열에너지 교환 매체가 유동하며, 퍼니스(100) 및 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)중 적어도 하나와 열교환하는 열교환 장치(310)를 포함할 수 있다. In one embodiment, the heat energy recovery device may include a
일 실시예에서, 열에너지 회수 장치는 일단부가 저온 유체 공급부(330)와 연통되며 타단부가 고온 유체 수요부(340)와 연통되는 열에너지 회수 라인(320)을 포함할 수 있다. 여기에서, 열에너지 회수 라인(320)은 저온 유체 공급부(330)로부터 저온 유체(열에너지 교환 매체)를 공급받고, 저온 유체가 내부를 유동하며 금속 유체와 열교환하여 고온 유체로 전환되면, 고온 유체를 고온 유체 수요부(340)로 공급할 수 있다. In one embodiment, the thermal energy recovery apparatus may include a thermal
일 실시예에서, 열에너지 교환 매체는 물, 금속 유체, 공기 및 가스 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 저온 유체 공급부(330)는 열에너지 교환 매체를 공급하는 장치로, 예를 들어 물, 금속 유체, 공기 또는 가스의 저장 탱크(또는 공급 장치)에 해당할 수 있다. 고온 유체 수요부(340)는 고온의 유체를 요구하는 객체로, 예를 들어, 난방수 공급 장치, 예열 가스 공급 장치에 해당할 수 있다. In one embodiment, the heat energy exchange medium may comprise at least one of water, metal fluid, air, and gas. The
보다 구체적인 예를 들면, 본 발명에 따른 발전 장치(10)가 보일러 시스템에 포함되어 구성(발전 보일러)되는 경우, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)에 의하여 발생된 전력은 가정용 전력 계통(250)으로 전달되어 가정용 전력으로 활용될 수 있다. 공급수 탱크(330)에 저장된 물이 파이프(320)를 따라 열교환기(310)로 이송되어, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)와 열교환을 통해 고온수로 전환되면, 온수 공급 장치(340)로 이송되어 생활 온수 또는 난방용 온수로 활용될 수 있다. 한편, 이러한 예시는 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 본 발명에 따른 발전 장치(10)는 다양한 열원에 적용될 수 있으며, 발전 장치(10)에 의하여 생산된 전력 및 고온 유체는 필요 목적에 따라 공급될 수 있음은 물론이다. More specifically, for example, when the
이하에서는, 도 3 내지 7을 참조하여, 본 발명에 따른 발전 장치(10)의 열 에너지 회수 방식에 대한 다양한 실시예에 대하여 설명한다. 도 3 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치를 설명하기 위한 참고도이다. Hereinafter, various embodiments of a heat energy recovery method of the
일 실시예에서, 열에너지 회수 장치는 퍼니스(100)와 1차 열교환하고, 이후 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)와 2차 열교환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하면, 열에너지 회수 장치는 제1 및 제2 열교환 장치(311, 312)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 열에너지 회수 라인(320)을 통하여 공급되는 유체는 제1 열교환 장치(311)를 지나며 퍼니스(100)로부터 열 에너지는 회수하고, 이후 제2 열교환 장치(312)를 지나며 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)로부터 열 에너지를 회수한 후 고온 유체 수요부(340)로 이송될 수 있다. In one embodiment, the thermal energy recovery apparatus may be configured to primary heat exchange with the
일 실시예에서, 열에너지 회수 장치는 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)와 1차 열교환하고, 퍼니스(200)와 2차 열교환하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 열에너지 회수 장치는 제3 및 제4 열교환 장치(313, 314)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 열에너지 회수 라인(320)을 통하여 공급되는 유체는 제3 열교환 장치(313)를 지나며 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)로부터 열 에너지는 회수하고, 이후 제4 열교환 장치(314)를 지나며 퍼니스(100)로부터 열 에너지를 회수한 후 고온 유체 수요부(340)로 이송될 수 있다. In one embodiment, the thermal energy recovery apparatus may be configured to primary heat exchange with the alkali metal
일 실시예에서, 열에너지 회수 장치는 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)와 열교환한 후, 내부에 유동하는 유체를 퍼니스(100)로 공급하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 열에너지 회수 장치는 제5 열교환 장치(315)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 열에너지 회수 라인(320)을 통하여 공급되는 유체는 제5 열교환 장치(315)를 지나며 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)로부터 열 에너지는 회수하고, 이후 퍼니스(100)로 공급될 수 있다. 본 실시예는 저온 유체 공급부(330)로부터 공급되는 유체가 퍼니스(100)의 공급 유체에 해당하는 경우에 적용될 수 있는 구조로, 본 실시예에 따르면, 공급 유체를 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)를 통해 예열한 후 퍼니스(100)로 공급하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 퍼니스(100)가 스팀 생산용 퍼니스에 해당하는 경우, 에어 탱크(330)로부터 공급되는 에어는 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)에서 발생되는 폐열을 통해 예열되며, 예열된 에어가 퍼니스(100)로 전달되어 에너지 효율이 향상될 수 있다. In one embodiment, the thermal energy recovery device may be configured to heat the interior of the alkali metal
일 실시예에서, 열에너지 회수 장치는 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)와의 열교환을 통해 열에너지를 회수하는 제1 열에너지 회수 장치와, 제1 열에너지 회수 장치와 열교환을 통해 열에너지를 회수하는 제2 열에너지 회수 장치를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 열에너지 회수 장치는 제1 열에너지 회수 장치(317, 321) 및 제2 열에너지 회수 장치(318, 322)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 제1 및 제2 열에너지 회수 장치는 각각 열 교환 장치(317, 318)와 열 에너지 회수 장치(321, 322)를 포함하여 구성될 수 있으며, 각각의 일단부는 제1 및 제2 저온 유체 공급부(331, 332)와 연통되고, 각각의 타단부는 제1 및 제2 고온 유체 수요부(341, 342)와 연통될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 저온 유체 공급부(331, 332)는 단일의 장치로 구현될 수 있다. In one embodiment, the heat energy recovery device is a first heat energy recovery device for recovering the heat energy through heat exchange with the alkali metal
본 실시예에서, 제1 열에너지 회수 장치(317, 321)로부터 이송되는 고온 유체는, 제2 열에너지 회수 장치(318, 322)로부터 이송되는 고온 유체와 비교하여 상대적으로 고온에 해당한다. 예를 들어, 퍼니스(100)가 가정용 보일러용 연소로 해당하는 경우, 저온수 탱크(331, 332)로부터 공급되는 저온수는, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)와 열교환하는 제1 열 에너지 회수 장치를 경유하며 고온수로 전환될 수 있고, 제1 열 에너지 회수 장치와 열교환하는 제2 열 에너지 회수 장치를 경유하며 중온수로 전환될 수 있다. 이 때, 고온수는 난방용 온수로, 중온수는 생활용 온수로 활용될 수 있다. In this embodiment, the hot fluid conveyed from the first heat
일 실시예에서, 도 7을 참조하면, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)에 구성되는 응축부(230)는, 열전 변환부(220)에서 배출된 금속 유체를 냉각하여 응축시키는 냉각부(231)과, 응축된 금속 유체를 증발부(210)로 순환시키는 순환부(232)를 포함하여 구성될 수 있다. In an embodiment, referring to FIG. 7, the
일 실시예에서, 냉각부(231)는 열전 변환부(220)와 분리되어 구성되며, 순환부(232)는 열전 변환부(220)로부터 배출되는 금속 유체가 냉각부(231)를 경유하여 증발부(210)로 순환되도록 구성될 수 있다. 여기에서, 냉각부(231)는 열전 변환부(220)에서 배출된 금속 유체를 응축시키기 위한 구조체를 포함할 수 있고, 순환부(232)는 열전 변환부(220)로부터 배출되는 금속 유체가 냉각부(231)를 경유하여 증발부(210)로 순환시키기 위한 구조체를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 열에너지 회수 장치(316, 320)는 냉각부(231) 내부를 유동하는 금속 유체와의 열교환을 통해 열에너지를 회수할 수 있다. In one embodiment, the
한편, 도 7에 도시된 발전 장치(10)의 상세 구조, 동작 및 효과에 대하여는 후술한다. In addition, the detailed structure, operation | movement, and effect of the
이하에서는, 도 8 내지 11을 참조하여, 본 발명에 따른 퍼니스(100) 및 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 구조에 관한 다양한 실시예에 대하여 설명한다. 도 8 내지 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼니스(100)와 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 구조를 설명하기 위한 참고도이다.Hereinafter, various embodiments of the structures of the
일 실시예에서, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 다면체 구조로 형성되며, 퍼니스(100)의 외면과 접하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8을 참조하면, 퍼니스(100) 및 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 각각 육면체 구조로 형성되고, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 퍼니스(100)의 외면 중 적어도 일부의 영역과 접하여 구성될 수 있다. In one embodiment, the alkali metal
일 실시예에서, 발전 장치(10)는 복수의 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 8을 참조하면, 발전 장치(10)는 복수의 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)를 포함하여 구성될 수 있으며, 복수의 알칼리 금속 열전 변환 장치(200) 각각은 퍼니스(100)의 외면 중 어느 하나의 면에 접하여 구성될 수 있다. 한편, 도 8은 2개의 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)를 포함하는 발전 장치(10)를 도시하고 있으나, 이는 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 예시로서 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉, 발전 장치(10)는 4개의 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)를 포함하여 구성되고, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200) 각각은 퍼니스(100)의 4면 각각에 접하여 구성될 수 있음은 물론이다. In one embodiment, the
일 실시예에서, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 중공의 원통형 구조(도넛 구조)로 형성되며, 퍼니스(100)의 외면을 감싸도록 구성될 수 있다. 여기에서, 퍼니스(100)는 원통형 구조로 형성되고, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 내부에 형성된 중공 영역에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 9(A)를 참조(퍼니스 및 알칼리 금속 장치의 단면을 입체적으로 나타낸 참조도)하면, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 중공의 원통형 구조로 형성되며, 원통형 구조로 형성된 퍼니스(100)의 외면을 감싸도록 구성될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 퍼니스에서 방출되는 열 에너지가 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)로 전달되는 효율이 향상될 수 있다. In one embodiment, the alkali metal
일 실시예에서, 발전 장치(10)는 분할된 도넛 구조로 형성되는 복수의 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)를 포함하여 구성되며, 복수의 알칼리 금속 열전 변환 장치(200) 각각은 퍼니스(100)의 외면 중 적어도 일부 영역을 감싸도록 구성될 수 있다. 여기에서, 퍼니스(100)는 원통형 구조로 형성되고, 복수의 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 중심 측에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 9(B)를 참조(퍼니스 및 알칼리 금속 장치의 단면을 입체적으로 나타낸 참조도)하면, 복수의 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 분할된 도넛 구조로 형성되며, 원통형 구조로 형성된 퍼니스(100)의 외면을 감싸도록 구성될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 퍼니스에서 방출되는 열 에너지가 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)로 전달되는 효율이 향상됨과 동시에, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 제조 공정 효율이 향상될 수 있다. 후술할 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평판형 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 구조는 도 9(A)에 도시된 중공의 원통형 구조로 제조하는데 공정상 어려움이 있다. 반면, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)를 도 9(B)도시된 바와 같이 분할된 도넛 구조를 가지도록 설계하는 경우, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)에 포함되는 구성들을 상대적으로 용이하게 제작 및 조립이 가능함에 따라 제조 공정 효율이 보다 향상될 수 있다. In one embodiment, the
일 실시예에서, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 퍼니스(100)의 외면 중 적어도 일부 영역을 감싸도록 구성되되, 증발부(210)의 일면은 퍼니스(100)를 항하도록 구성되고, 응축부(230)의 타면은 퍼니스(100)의 반대 방향을 향하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 10(알칼리 금속 열전 변환 장치의 단면도)을 참조하면, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 증발부(210), 열전 변환부(220) 및 응축부(230)로 구성되며, 증발부(210)의 좌측에 퍼니스(100)가 위치하고, 응축부(230)는 퍼니스(100)와 반대 방향에 배치될 수 있다. 즉, 도 10은 도 8 또는 도 9(B)에 도시된 알칼리 금속 열전 변환 장치(200) 중 우측에 배치된 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 단면도에 해당할 수 있다. 또는, 도 10은 도 9(A)에 도시된 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 우측 단면도에 해당할 수 있다. In one embodiment, the alkali metal
일 실시예에서, 열전 변환부(220)는 금속 유체를 이송시키기 위한 일정 체적의 공간부와, 금속 유체의 투과에 의해 전기를 발생시키는 평판형 구조체(211)가 적층되어 구성되는 적어도 하나의 열전 변환 모듈을 포함할 수 있다. 여기에서, 평판형 구조체는 평판형 전해질 구조체와, 평판형 전해질 구조체의 일면에 형성되는 음극(anode)과, 평판형 전해질 구조체의 타면에 형성되는 양극(cathode)으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 10을 참조하면, 열전 변환부(220)는 5개의 열전 변환 모듈이 적층되어 구성될 수 있으며, 열전 변환 모듈들 각각은 평판형 구조체(211)를 포함할 수 있다. 여기에서, 도 10이 도 8에 도시된 알칼리 금속 열전 변환 장치(200) 중 우측에 배치된 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 단면도에 해당하는 경우, 평판형 구조체(211)는 사각 평면 구조를 가질 수 있다. 도 10이 도 9(A)에 도시된 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 우측 단면도에 해당하는 경우, 평판형 구조체(211)는 중공의 원판형 구조(평면 도넛 구조)를 가질 수 있다. 도 10이 도 9(B)에 도시된 알칼리 금속 열전 변환 장치(200) 중 우측에 배치된 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 단면도에 해당하는 경우, 평판형 구조체(211)는 분할된 중공의 원판형 구조(분할된 평면 도넛 구조)를 가질 수 있다. In an exemplary embodiment, the
일실시예에서, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)는 중공의 원통형 구조로 형성되며, 열전 변환 모듈(220)은 금속 유체를 이송시키기 위한 일정 체적의 공간부와, 금속 유체의 투과에 의해 전기를 발생시키는 롤형 구조체(212)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 롤형 구조체(212)는 롤형 전해질 구조체와, 롤형 전해질 구조체의 내면에 형성되는 음극(anode)과, 롤형 전해질 구조체의 외면에 형성되는 양극(cathode)을 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 11(도 9(A)에 도시된 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 우측 단면도)을 참조하면, 열전 변환부(220)는 5개의 열전 변환 모듈이 적층되어 구성될 수 있으며, 열전 변환 모듈들 각각은 롤형 구조체(212)를 포함할 수 있다. In one embodiment, the alkali metal
한편, 알칼리 금속 열전 변환 장치(200)의 구성요소 및 동작에 관한 상세한 설명은 후술한다. On the other hand, the detailed description of the components and operation of the alkali metal
이하에서는, 도 12 내지 17을 참조하여, 본 발명에 따른 발전 장치(10)가 구현된 시스템을 예시로서 설명한다. 도 12 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 장치를 포함한 발전 시스템을 설명하기 위한 참고도이며, 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 발전 장치를 포함한 열병합 발전 시스템을 나타내는 참고도면이다. Hereinafter, with reference to FIGS. 12 to 17, a system in which the
도 12 내지 17을 참조하면, 열병합 발전 시스템(1000)은 퍼니스(1100), 알칼리 금속 열전 변환 장치(1200), 열 에너지 회수 장치(1300)를 포함하며, 각 구성들을 내부에 수용하는 하우징을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 발전 장치의 경우 소형화 설계가 가능함에 따라, 열병합 발전 시스템(1000)은 약 400x250x650mm(폭x깊이x높이) 수준으로 제작이 가능하고, 이에 가정용 발전 보일러로 활용이 가능하다. 12 to 17, the
일 실시예에서, 퍼니스(1100, 연소부) 내부에는 연소기(1110)가 구비될 수 있다. 한편, 도 14 내지 17에는 연소기(1110)가 퍼니스(1100)의 내부 상면에 구성되는 것으로 도시되어 있으나, 연소기(1110)의 구성 위치, 종류, 크기 등은 필요에 따라 다양하게 설계가 가능하다. 예를 들어, 연소기(1110)는 메시형 평면 연소기에 해당할 수 있으며, 퍼니스(1100)의 내부 측면 각각에 배치되어, 알칼리 금속 열전 변환 장치(1200)에 균일하게 열 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. In one embodiment, the furnace 1100 (combustion unit) may be provided with a
일 실시예에서, 열에너지 회수 장치(1300)는 알칼리 금속 열전 변환 장치(1200)의 하부에 위치할 수 있다. 알칼리 금속 열전 변환 장치(1200)의 내부를 유동하는 금속 유체는 알칼리 금속 유체로, 열에너지 회수 장치(1300)의 내부를 유동하는 유체(예 : 물)와 접촉하는 경우 발전 시스템이 폭발될 수 있는 위험이 있다. 이에, 열에너지 회수 장치(1300)의 내부를 유동하는 유체가 유출되더라도 알칼리 금속 유체와의 접촉을 방지하기 위하여, 본 실시예와 같이 열에너지 회수 장치(1300)는 알칼리 금속 열전 변환 장치(1200)의 하부에 배치하는 것이 바람직하다. In one embodiment, the thermal
한편, 도 12 내지 17에 도시된 도면은 본 발명에 따른 발전 장치(10)가 구현된 시스템을 설명하기 위한 예시로, 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 상술한 바와 같이 퍼니스(1100) 및 알칼리 금속 열전 변환 장치(1200)는 육면체 구조 이외 원통형, 중공의 원통형 구조 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 열에너지 회수 장치, 저온 유체 공급부, 고온 유체 수요부, 전력 수요부는 필요에 따라 다양한 공지의 구성이 적용될 수 있음은 물론이다.12 to 17 are examples for explaining a system in which the
이하에서는, 도 18 내지 27을 참조하여, 본 발명에 따른 알칼리 금속 열전 변환 장치(200, 1200)의 구조에 관한 다양한 실시예에 대하여 설명한다. 도 18 내지 27은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 알칼리 금속 열전 변환 장치의 구조를 설명하기 위한 참고도로, 도 13에 도시된 복수의 알칼리 금속 열전 변환 장치(1200) 중 하나를 예시로 하여 세부 구성요소 및 각 구성요소의 실시예를 설명하기 위하 도면이다. Hereinafter, various embodiments of the structures of the alkali metal
한편, 도 18 내지 27를 참조하여 육면체 형상의 적층형 구조를 가지는 알칼리 금속 열전 변환 장치를 예시로 설명하나, 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 도 9에 도시된 바와 같이 알칼리 금속 열전 변환 장치는 중공의 원통형(도넛형) 또는 분할된 중공의 원통형(분할 도넛형)으로 구현이 가능함은 물론이다.Meanwhile, although an alkali metal thermoelectric conversion device having a hexahedral stacked structure is described as an example with reference to FIGS. 18 to 27, the scope of the present invention is not intended to be limited, and as shown in FIG. 9, an alkali metal thermoelectric conversion device is illustrated. The device can of course be embodied as a hollow cylindrical (donut) or a divided hollow cylindrical (divided donut).
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)의 외부 사시도이며, 도 19 내지 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 내부 사시도이다.18 is an external perspective view of the stacked alkali metal
우선 도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)는 내부에 증발부, 열전 변환부 및 응축부를 수용하는 하우징을 포함할 수 있다. First, referring to FIG. 18, a stacked alkali metal
본 발명의 일 실시예에 따른 하우징은 증발부, 열전 변환부 및 응축부를 수용하는 구조체로, 일 실시예에서, 측면 구조체(2111), 상면 구조체(2112) 및 하면 구조체(2113)를 포함할 수 있다. 여기에서, 측면 구조체(2111), 상면 구조체(2112) 및 하면 구조체(2113)는 일체형으로 형성되거나, 각각 분리형으로 형성된 후 접합 또는 기밀하게 조립될 수 있다. The housing according to an embodiment of the present invention is a structure for accommodating the evaporator, the thermoelectric converter, and the condenser, and in one embodiment, may include a
일 실시예에서, 상면 구조체(2112) 및 하면 구조체(2113)는 고정 구조체 및 체결 유닛을 통해 상호 견고하게 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 18을 참조하면, 고정 구조체(2121)는 일정한 길이를 가지는 바(bar)로 형성되어 상면 구조체(2112) 및 하면 구조체(2113) 각각에 형성된 체결 홀에 삽입되며, 체결 유닛(2122)은 고정 구조체(2121)의 상단 및 하단에 나사 방식으로 결합됨으로써, 상면 구조체(2112) 및 하면 구조체(2113)가 상호 견고하게 결합될 수 있다. In one embodiment, the
일 실시예에서, 하우징에 구성되는 적어도 하나의 구성은 SUS 소재로 형성될 수 있다.In one embodiment, at least one configuration of the housing may be formed of SUS material.
한편, 도 18은 본 발명에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 외부 구조를 설명하기 위한 참고도로서 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 증발부, 열전 변환부 및 응축부를 수용하는 하우징은 공지의 다양한 구조로 형성될 수 있음은 물론이다. On the other hand, Figure 18 is a reference diagram for explaining the external structure of the laminated alkali metal thermoelectric converter according to the present invention is not intended to limit the scope of the present invention, the housing for accommodating the evaporator, thermoelectric converter and condensation unit is Of course, it can be formed in a variety of known structures.
일 실시예에서, 하우징은 내부에 수용된 열전 변환부(후술)와 전기적으로 연결되는 집전 선로가 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 열전 변환부(후술)는 알칼리 금속을 작동 유체로 하여 발전하며, 여기에서, 열전 변환부(후술)에서 발생된 전기를 외부의 전기적 장치와 연결하기 위한 집전 선로(예 : 와이어 리드선)가 하우징에 구성될 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 집전 선로는 소재, 구조, 길이 등에 한정되지 않으며, 하우징의 구조에 따라 유연하게 설계될 수 있을 것이다.In one embodiment, the housing may be configured with a current collecting line electrically connected to the thermoelectric conversion unit (to be described later) accommodated therein. More specifically, the thermoelectric conversion unit (described later) generates power using an alkali metal as a working fluid, and here, a current collecting line (eg, wire lead wire) for connecting electricity generated by the thermoelectric conversion unit (described later) with an external electrical device. ) May be configured in the housing. On the other hand, the current collecting line according to the present invention is not limited to the material, structure, length, etc., it may be designed flexibly according to the structure of the housing.
도 19을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)는 증발부(2130), 열전 변환부(2140) 및 응축부(2150)를 포함한다.Referring to FIG. 19, the stacked alkali metal
증발부(2130)는 외부에서 열에너지를 공급받아 내부의 금속 유체를 증기로 변환시킨다. 열에너지를 공급하는 열원(약 1000K 이상)은 증발부(2130)의 일면 외부(예 : 도 18 내지 21에서 -y 방향)에 위치할 수 있으며, 증발부(2130)는 퍼니스(100)로부터 열에너지를 공급받아, 내부의 금속 유체를 증기 상태로 변환시킬 수 있다. 일 실시예에서, 증발부(2130)는 금속 유체를 내부에 수용할 수 있는 일정 체적의 공간을 가지는 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 증발부(2130)는 도 19에 도시된 바와 같이, 내부에 금속 유체를 수용하는 공간이 형성되는 다면 구조체를 포함할 수 있다.The
한편, 본 발명에 따른 금속 유체는 알칼리 금속 유체에 해당하며, Na, K 및 Li 중 어느 하나에 해당할 수 있다. 이하에서는 본 발명의 명확한 설명을 위하여 금속 유체가 NA에 해당하는 것을 예시로 설명하나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않는다.Meanwhile, the metal fluid according to the present invention corresponds to an alkali metal fluid, and may correspond to any one of Na, K, and Li. Hereinafter, for the sake of clarity, the metal fluid corresponds to NA, but the scope of the present invention is not limited thereto.
열전 변환부(2140)는 증발부(2130)와 연통되어 금속 유체를 유입시키며, 금속 유체를 전하 운반체로 사용하여 전기 에너지를 발생시킨다. 여기에서, 열전 변환부(2140)는 음극(anode), 전해질 구조체 및 양극(cathode)을 포함하며, 증발부(2130)로부터 유입되는 금속 유체를 작동 유체로 하여 발전할 수 있다. 열전 변환부(2140)는 발전 사이클을 완료한 금속 유체를 응축부(2150)로 배출한다. 일 실시예에서, 열전 변환부(2140)는 금속 유체를 내부에 수용할 수 있는 일정 체적의 공간을 가지는 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전 변환부(2140)는 도 19에 도시된 바와 같이, 내부에 금속 유체를 수용하는 공간이 형성되는 다면 구조체를 포함할 수 있다. The
일 실시예에서, 열전 변환부(2140)는 적어도 하나의 열전 변환 모듈을 포함할 수 있다. 도 20 및 21은 총 20개의 열전 변환 모듈들이 5행 4열로 적층되어 구성된 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치를 도시한 것으로, 도 20 및 21에 도시된 바와 같이, 열전 변환부(2140)는 복수의 열전 변환 모듈들(2141, 2142, 2143, 2144, 2145 등)을 포함할 수 있다. In an embodiment, the
일 실시예에서, 열전 변환 모듈들(2141, 2142, 2143, 2144, 2145 등) 각각은, 내부에 음극(anode), 전해질 구조체 및 양극(cathode)을 포함하고, 증발부(2130)와 연통되어 금속 유체를 유입시키며, 금속 유체를 전하 운반체로 사용하여 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 단위 셀에 해당할 수 있다. 여기에서, 복수의 열전 변환 모듈들은 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 열전 변환 모듈들의 전기적 연결 구조는 발전 시스템의 출력 조건에 따라 직렬 및 병렬 연결 방식을 선택 또는 조합하여 설계 가능하므로, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다. In one embodiment, each of the
응축부(2150)는 열전 변환부(2140)와 연통되며, 열전 변환부(2140)로부터 배출된 금속 유체를 포집하여 응축시킨다. 응축부(2150)의 외측(도 18 내지 21에서 +y 방향)에는, 증발부(2130)에 열에너지를 공급하는 퍼니스(100)와 비교하여 상대적으로 저온 상태인 저온 매체(약 500K 이하)가 위치할 수 있으며, 응축부(2150)는 저온 매체와의 열교환을 통해 내부의 금속 유체를 응축시킬 수 있다. The
일 실시예에서, 응축부(2150)는 열전 변환부(2140)에서 배출된 금속 유체를 냉각하여 응축시키는 냉각부와, 금속 유체를 증발부(2130)로 순환시키는 순환부를 포함할 수 있다. 여기에서, 냉각부는 열전 변환부(2140)에서 배출된 금속 유체를 응축시키기 위한 구조체를 포함할 수 있고, 순환부는 열전 변환부(2140)로부터 배출되는 금속 유체가 냉각부를 경유하여 증발부(2130)로 순환시키기 위한 구조체를 포함할 수 있다. In one embodiment, the
예를 들어, 도 20 및 21을 참조하면, 증발부(2130)는 열전 변환부(2140)의 일면과 접하여 구성되고, 응축부(2150)는 열전 변환부(2140)의 타면과 접하여 구성될 수 있다. 여기에서, 응축부(2150)의 냉각부는 열전 변환부(2140)에서 배출된 금속 유체를 수용하는 일정 체적의 다면 구조체(2152)와, 다면 구조체의 일면에 접하여 구성되는 방열판(2153)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 응축부(2150)의 순환부는, 냉각부의 다면 구조체(2152) 하부에 응축되어 수집되는(고이는) 금속 유체를 증발부(2130)로 순환시키기 위한 적어도 하나의 윅(wick, 2151)을 포함하여 구성될 수 있다. For example, referring to FIGS. 20 and 21, the
한편, 도 20 및 21에서는 순환부의 윅(2151)이 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)의 하부에 구성되는 것을 도시하고 있으나, 이는 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 예시이며, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 순환부는 냉각부에 의하여 응축된 금속 유체를 증발부(2130)로 순환시키는 구성으로서, 형상, 구조, 소재, 구성 위치 등에 한정되지 않는 것으로 해석되어야 할 것이다. Meanwhile, although FIGS. 20 and 21 illustrate that the
이상에서, 도 18 내지 21을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 구조에 대하여 설명하였다. 이하에서는 도 22 내지 27을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치에 대하여 보다 상세하게 설명한다. In the above, the structure of the stacked alkali metal thermoelectric converter according to the exemplary embodiment of the present invention has been described with reference to FIGS. 18 to 21. Hereinafter, a stacked alkali metal thermoelectric converter according to various embodiments of the present disclosure will be described in more detail with reference to FIGS. 22 to 27.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치에 구성되는 열전 변환 모듈(2200)을 설명하기 위한 내부 사시도이다. FIG. 22 is an internal perspective view illustrating a
도 22를 참조하면, 열전 변환 모듈(2200)은 금속 유체를 이송시키기 위한 일정 체적의 공간부(2210, 2220)와, 금속 유체의 투과에 의해 전기를 발생시키는 평판형 구조체(2230)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 22, the
일 실시예에서, 공간부(2210, 2220)는 증발부(2130)로부터 유입되는 금속 유체를 수용하는 유입부(2210)와, 평판형 구조체(2230)를 투과한 금속 유체를 수용하여 응축부(2150)로 배출시키는 배출부(2220)를 포함할 수 있다. 여기에서, 유입부(2210) 및 배출부(2220)는 각각 분리된 구조체로 구성될 수 있다. In an embodiment, the
일 실시예에서, 유입부(2210) 및 배출부(2220)는 전기 전도성 소재로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 몰리브덴(Mo) 또는 네오디뮴(Nd)으로 형성될 수 있으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않는다. In one embodiment, the
일 실시예에서, 유입부(2210)는 증발부(2130)와 연통되기 위한 적어도 하나의 유입 홀(2211)이 형성될 수 있고, 배출부(2220)는 응축부(2150)와 연통되기 위한 적어도 하나의 배출 홀(2221)이 형성될 수 있다. 여기에서, 증발부(2130) 및 응축부(2150)는 각각 유입 홀(2211) 및 배출 홀(2221)과 대면하는 영역에 관통 홀이 형성되어 유입부(2210) 및 배출부(2220) 각각과 연통될 수 있다.In one embodiment, the
일 실시예에서, 평판형 구조체(2230)는 평판형 전해질 구조체(2232)와, 음극(anode, 2231) 및 양극(cathode, 2233)으로 구성되는 전극을 포함할 수 있다. 여기에서, 음극(2231)은 유입부(2210)와 대면하는 평판형 전해질 구조체(2232)의 일면에 형성되고, 양극(2233)은 배출부(2220)와 대면하는 평판형 전해질 구조체(2232)의 타면에 형성될 수 있다. 즉, 평판형 구조체(2230)는 음극(2231), 평판형 전해질 구조체(2232) 및 양극(2233)이 금속 유체가 이송되는 방향을 기준으로 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. In one embodiment, the plate-
본 발명에 따른 평판형 전해질 구조체(2232)는 베타-알루미나(β"-Al2O3) 또는 나시콘(Na super-ionic conductor: NASICON)계의 고체 전해질로 구성될 수 있으며, 전극(양극 및 음극)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 적어도 하나의 소재로 형성될 수 있으나, 본 발명의 권리 범위는 평판형 구조체(2230)의 소재에 한정되지 않는 것으로 해석되어야 할 것이다. The plate-
일 실시예에서, 열전 변환 모듈(2200)은 금속 유체가 이송되는 방향을 기준으로, 유입부(2210), 평판형 구조체(2230) 및 배출부(2220)가 순차적으로 적층되어 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 22에 도시된 바와 같이, 유입부(2210) 및 배출부(2220)는 각각 분리된 구조체로 구성되며, 금속 유체가 이송되는 방향(도 27 참조, +z축 방향)을 기준으로 유입부(2210), 평판형 구조체(2230) 및 배출부(2220)가 순차적으로 적층되는 구조를 가질 수 있다. In an embodiment, the
한편, 도 18 내지 도 27은 열전 변환 모듈(2200)에 구성되는 유입부(2210), 평판형 구조체(2230) 및 배출부(2220)가 수직 방향(+z축 방향)을 따라 순차적으로 적층되는 구조를 도시하고 있으나, 이는 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에서 따르면, 열전 변환 모듈(2200)는 유입부(2210), 평판형 구조체(2230) 및 배출부(2220)가 수평 방향(+y축 방향)을 따라 순차적으로 적층되는 구조로 형성될 수도 있다. 이 경우, 증발부(2130)에서 유입되는 금속 유체 증기는 수평 방향(+y축 방향)을 따라 이송될 수 있을 것이다.18 to 27 illustrate that the
일 실시예에서, 열전 변환 모듈(2200)은 유입부(2210), 평판형 구조체(2230) 및 배출부(2220)가 적층되는 영역에 기밀 구조로 결합하며, 유입부(2210) 및 배출부(2220)를 전기적으로 분리시키는 절연 구조체(2240)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서, 절연 구조체(2240)는 절연성 소재로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 알파-알루미나(α-Al2O3)로 형성될 수 있으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않는다.In one embodiment, the
도 22를 참조하면, 절연 구조체(2240)는 평판형 구조체(2230)의 평판형 전해질 구조체(2232)의 양 단부 각각에 접하여 구성되고, 평판형 전해질 구조체(2232)의 단부측 적어도 일부 영역과 절연 구조체(2240)는 유입부(2210) 및 배출부(2220) 사이에 적층될 수 있다. 여기에서, 절연 구조체(2240)는 유입부(2210) 및 배출부(2220)와 접합됨으로써 적층 영역을 기밀하게 감쌀 수 있다. 한편, 절연 구조체(240)는 유입부(210) 및 배출부(220)와 접합제를 통해 접합되거나, 브레이징 방식을 통해 접합될 수 있다. Referring to FIG. 22, the insulating
일 실시예에서, 배출부(2220)의 체적은 유입부(2210)의 체적보다 크게 형성될 수 있다. 본 실시예는 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 출력을 향상시키기 위한 구성으로서, 이하에서 보다 상세하게 설명한다. In one embodiment, the volume of the
알칼리 금속 열전 변환 장치의 출력 전압은 하기의 수학식 1(Nernst eq.)에 따른다. The output voltage of the alkali metal thermoelectric converter is based on Equation 1 (Nernst eq.) Below.
Voc : open-circuit voltageV oc : open-circuit voltage
R : 가스상수R: gas constant
Tb : 전해질 구조체 온도T b : electrolyte structure temperature
F : Faraday수F: Faraday
Ph : anode pressureP h : anode pressure
Pc : cathode pressureP c : cathode pressure
상기 수학식 1에 따르면, 전해질 구조체 전후의 압력 차이(Ph 및 Pc 의 압력 차이)가 출력에 직접적인 영향을 미치며, 압력 차이가 클수록 출력 전압(Voc)이 높아질 수 있다. According to
여기에서, 평판형 전해질 구조체(2232)의 전후 압력 차이를 크게 하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 배출부(2220)의 체적은 유입부(2210)의 체적보다 크게 형성될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 유입부의(2210)의 체적이 상대적으로 작게 형성되어 음극(2231) 측의 압력(Ph)이 커지고, 배출부(2220)의 체적이 상대적으로 크게 형성되어 양극(2233) 측의 압력(Pc)이 작아지게 됨으로써, 열전 변환 모듈(2200)의 출력 전압(Voc)이 높아질 수 있다.Here, in order to increase the front and rear pressure difference of the
다른 실시예에서, 배출부(2220)에 형성되는 배출 홀(2221)의 크기는 유입부(2210)에 형성되는 유입 홀(2211)의 크기보다 크게 형성될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 유입 홀(2211)의 크기가 배출 홀(2221)의 크기와 비교하여 상대적으로 작게 형성되어, 음극(2231) 측의 압력(Ph)이 커지고 양극(2233) 측의 압력(Pc)이 작아지게 됨으로써, 열전 변환 모듈(2200)의 출력 전압(Voc)이 높아질 수 있다.In another embodiment, the size of the
일 실시예에서, 열전 변환 모듈(2200)은 공간부(2210, 2220)의 내부에 형성되며, 공간부(2210, 2220)와 전극을 전기적으로 연결하는 집전 구조체를 포함할 수 있다. In one embodiment, the
일 실시예에서, 집전 구조체는 유입부(2210)의 내부에 형성되며 유입부(2210)와 음극(2231)을 전기적으로 연결하는 제1 집전 구조체(2212)를 포함할 수 있으며, 배출부(2220)의 내부에 형성되며 배출부(2220)와 양극(2233)을 전기적으로 연결하는 제2 집전 구조체(2222)를 포함할 수 있다. 여기에서, 제1 집전 구조체(2212)는 전기 전도성 소재로 형성되는 유입부(2210)와 음극(2231)을 전기적으로 연결하여, 음극(2231)으로부터 전자를 수집하여 유입부(2210)로 전달할 수 있다. 또한, 제2 집전 구조체(2222)는 전기 전도성 소재로 형성되는 배출부(2220)와 양극(2233)을 전기적으로 연결하여, 배출부(2220)로부터 전달되는 전자를 양극(2233)에 공급할 수 있다. In one embodiment, the current collector structure may include a first
본 실시예에 따르면, 복수의 열전 변환 모듈(2200)들이 적층 구조를 가지는 경우(도 20 및 21 참조), 상층의 열전 변환 모듈(예 : 2142)과 하층의 열전 변환 모듈(예 : 2141)은 전기적 연결을 위한 별도의 배선(예 : 와이어)을 구성하지 않고도 전기적으로 직렬 연결이 가능하며, 이에 전체 시스템의 구성이 단순해 지고 용이하게 제작될 수 있다.According to the present embodiment, when the plurality of
일 실시예에서, 집전 구조체는 탄성체로 형성되어 공간부(2210, 2220)의 내부에 억지 끼움 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 도 22를 참조하면, 제1 집전 구조체(2212) 및 제2 집전 구조체(2222)는 탄성의 와이어로 형성되고, 각각 유입부(2210) 및 배출부(2220)의 내부에 억지 끼움 방식으로 결합될 수 있다. 여기에서, 유입부(2210)의 하면 및 배출부(2220)의 상면에는 제1 집전 구조체(2212) 및 제2 집전 구조체(2222)의 단부가 수용될 수 있는 고정 홈(미도시)이 형성될 수 있다. In one embodiment, the current collector structure may be formed of an elastic body and coupled to the inside of the
본 실시예에 따르면, 열전 변환 모듈(2200)은 다음과 같이 제작될 수 있다. 우선, 유입부(2210)를 하층에 배치한 후 제1 집전 구조체(2212)를 구부려 양단부를 고정 홈에 끼우고, 이후 평판형 구조체(2230) 및 절연 구조체(2240)를 적층하여 제1 집전 구조체(2212)가 유입부(2210)의 내부에 억지 끼움 방식으로 결합되도록 한다. 다음으로, 제2 집전 구조체(2222)를 구부려 양단부를 배출부(2220)의 상면에 형성된 고정 홈에 끼우고, 이후 배출부(2220)를 평판형 구조체(2230) 및 절연 구조체(2240) 상부에 적층하여 제2 집전 구조체(2222)가 배출부(2220) 내부에 억지 끼움 방식으로 결합되도록 한다. According to the present embodiment, the
한편, 도 22는 제1 및 제2 집전 구조체(2212, 2222)가 분리된 포물형 와이어로 구성되는 것을 예시로 도시하고 있으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 집전 구조체(2212) 또는 제2 집전 구조체(2222)는 분리된 원형, 연결된 원형(스프링형) 또는 메시형으로 형성될 수 있으며, 유입부(2210) 및 배출부(2220) 각각의 내부에는 제1 및 제2 집전 구조체(2212)의 단부와 대응되는 형상의 고정 홈이 형성될 수 있다.Meanwhile, FIG. 22 exemplarily illustrates that the first and second
일 실시예에서, 집전 구조체는 전도성 폼(form) 구조체로 형성될 수 있다. 여기에서, 집전 구조체는 공간부의 내면 중 적어도 일부의 표면과 전극을 각각 접촉하도록 구성될 수 있다. In one embodiment, the current collector structure may be formed of a conductive foam structure. Here, the current collector structure may be configured to contact the electrode with the surface of at least a portion of the inner surface of the space portion, respectively.
예를 들어, 유입부(2210)의 내부에 형성되는 제1 집전 구조체는 유입부(2210)의 하면 중 적어도 일부의 표면과 음극(2231) 각각을 접촉하도록 구성되어, 유입부(2210) 및 음극(2231)을 전기적으로 연결시킬 수 있다. 다른 예를 들어, 배출부(2220)의 내부에 형성되는 제2 집전 구조체는 배출부(2220)의 상면 중 적어도 일부의 표면과 양극(2233) 각각을 접촉하도록 구성되어, 배출부(2220) 및 양극(2233)을 전기적으로 연결시킬 수 있다. For example, the first current collector structure formed inside the
일 실시예에서, 제1 집전 구조체는 전도성 폼(form) 구조체로 형성되고, 제2 구조체는 전도성 탄성체로 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 열전 변환 모듈(2200)의 출력 전압은 양극(2233) 측의 압력(Pc)이 음극(231) 측의 압력(Ph)보다 작을수록 높아지게 된다. 만약 제2 집전 구조체를 폼 구조체로 형성하는 경우 양극(2233) 측의 압력(Pc)이 상대적으로 높아지게 되므로, 열전 변환 모듈(2200)의 출력 전압이 낮아지게 된다. 이에, 본 실시예에 따라 제1 집전 구조체가 전도성 폼(form) 구조체로 형성되는 경우에는, 제2 구조체는 전도성 탄성체로 형성되는 것이 바람직하다. In one embodiment, the first current collector structure may be formed of a conductive foam structure, and the second structure may be formed of a conductive elastomer. As described above, the output voltage of the
도 23 내지 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)의 단면도이다. 보다 구체적으로, 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000) 전체의 단면도이고, 도 24는 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)의 최상층 열전 변환 모듈을 포함하는 상부 단면도이며, 도 25는 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)의 최하층 열전 변환 모듈을 포함하는 하부 단면도이다. 23 to 25 are cross-sectional views of a stacked alkali metal
일 실시예에서, 증발부(2130)는 내부에 금속 유체의 순환을 위한 다공 금속 구조체(2131)를 구성할 수 있다. 여기에서, 다공 금속 구조체(2131)는 금속 유체가 순환되는 방향을 따라 기공율이 점차 커지도록 형성될 수 있다.In one embodiment, the
도 23을 참조하면, 응축부(2150)에 형성되는 다면 구조체(2152)는 열전 변환 모듈의 배출부(2220)에서 배출되는 Na 증기를 수용하여 응축시킨다. 응축된 Na 액체는 다면 구조체(2152) 하부에 고일 수 있으며, 적층형 열전 변환 장치(2000)의 하부에 형성되는 윅(2151)은 다면 구조체(2152) 하부에 고인 Na 액체를 증발부(2130)로 이송시킬 수 있다. 이 때, 증발부(2130)의 하부에 고이는 Na 액체는 외부의 열원(-y 방향에 위치)에 의하여 열을 공급받아 Na 증기로 변환되어 적층된 복수의 열전 변환 모듈들로 공급될 수 있다. 여기에서, 본 실시예에 따라, 금속 유체가 순환되는 방향(+z 방향)을 따라 기공율이 점차 커지도록 형성되는 다공 금속 구조체(2131)를 증발부(2130)의 내부에 구성시키는 경우, 증발부(2130)의 하부에 고이는 Na 액체가 다공 금속 구조체(2131)를 따라 상부로 이송될 수 있다. 이에, 다공 금속 구조체(2131)에 수용된 Na 액체는 외부의 열원(-y 방향에 위치)으로부터 고르게 열 에너지를 전달받아 증기 상태로 변환되어, Na 증기는 상층부터 하층까지의 열전 변환 모듈들에 균일하게 공급될 수 있다. Referring to FIG. 23, the
일 실시예에서, 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)는 금속 유체가 외부로 누출되지 않도록 열전 변환 모듈(2200)을 기밀하게 감싸며, 열전 변환 모듈과 증발부(2130) 및 응축부(2150) 각각을 전기적으로 분리시키는 밀폐 절연 구조체(2160)를 포함할 수 있다. 여기에서, 밀폐 절연 구조체(2160)는 절연성 소재로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 알파-알루미나(α-Al2O3)로 형성될 수 있으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않는다.In one embodiment, the stacked alkali metal
도 23 내지 25를 참조하면, 밀폐 절연 구조체(2160)는 열전 변환부(2140)에 포함되는 열전 변환 모듈들을 기밀하게 감싸도록 구성될 수 있다. 여기에서, 밀폐 절연 구조체(2160)는 절연성 소재로 형성되어 열전 변환 모듈과 증발부(2130) 및 응축부(2150) 각각을 전기적으로 분리시킬 수 있으며, 동시에 열전 변환 모듈들의 유입부(2210) 및 배출부(2220) 내부에서 이송되는 금속 유체가 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)의 외부로 누출되지 않도록 기능한다. Referring to FIGS. 23 to 25, the hermetic
일 실시예에서, 밀폐 절연 구조체(2160)는 열전 변환 모듈에 형성되는 유입 홀(2211)및 배출 홀(2221) 각각과 대면하는 영역에 관통 홀이 형성되어, 열전 변환 모듈이 증발부(2130) 및 응축부(2150)와 연통되도록 할 수 있다. In an exemplary embodiment, the
일 실시예에서, 하층에 위치하는 열전 변환 모듈의 배출부와, 상층에 위치하는 열전 변환 모듈의 유입부는 일체형 구조체로 형성될 수 있다. 여기에서, 열전 변환부는 최하층에 위치하는 열전 변환 모듈의 유입부가 배치되고, 그 위로 일체형 구조체가 순차적으로 적층되며, 그 위로 최상층에 위치하는 열전 변환 모듈의 배출부가 적층되는 구조를 가질 수 있다.In one embodiment, the discharge portion of the thermoelectric conversion module located in the lower layer and the inlet portion of the thermoelectric conversion module located in the upper layer may be formed as an integrated structure. Here, the thermoelectric conversion unit may have a structure in which the inlet of the thermoelectric conversion module positioned at the lowermost layer is disposed, the integral structure is sequentially stacked thereon, and the discharge portion of the thermoelectric conversion module positioned at the uppermost layer is stacked thereon.
본 실시예에 대하여 도 23을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. This embodiment will be described in more detail with reference to FIG.
도 23을 참조하면, 열전 변환부는 5층의 열전 변환 모듈(2200-1 ~ 2200-5)이 적층되어 구성될 수 있으며, 각 열전 변환 모듈들(2200-1 ~ 2200-5)은 각각 유입부(2210-1 ~ 2210-5) 및 배출부(2220-1 ~ 2220-5)를 포함할 수 있다. 여기에서, 하층에 위치하는 열전 변환 모듈(예 : 2200-4)의 배출부(예 : 2220-4)는 상층에 위치하는 열전 변환 모듈(예 : 2200-5)의 유입부(예 : 2200-5)와 일체형 구조체로 형성될 수 있다. 즉, 도 23에 도시된 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)는 총 4개의 일체형 구조체(2220-1 및 2210-2의 일체형 구조체, 2220-2 및 2210-3의 일체형 구조체, 2220-3 및 2210-4의 일체형 구조체, 2220-4 및 2210-5의 일체형 구조체)를 포함한다. 여기에서, 열전 변환부는 최하층에 위치하는 열전 변환 모듈(2200-1)의 유입부(2210-1)가 배치되고, 그 위로 일체형 구조체(2220-1 및 2210-2의 일체형 구조체, 2220-2 및 2210-3의 일체형 구조체, 2220-3 및 2210-4의 일체형 구조체, 2220-4 및 2210-5의 일체형 구조체)가 순차적으로 적층되며, 그 위로 최상층에 위치하는 열전 변환 모듈(2200-5)의 배출부(2220-5)가 적층되는 구조를 가질 수 있다.Referring to FIG. 23, the thermoelectric conversion unit may be configured by stacking five layers of thermoelectric conversion modules 2200-1 to 2200-5, and each thermoelectric conversion module 2200-1 to 2200-5 is an inlet unit. 2210-1 to 2210-5 and the discharge units 2220-1 to 2220-5. Here, the outlet (eg 2220-4) of the thermoelectric conversion module (eg 2200-4) located in the lower layer is the inlet (eg 2200-) of the thermoelectric conversion module (eg 2200-5) located in the upper layer. 5) and an integral structure. That is, the stacked alkali metal
본 실시예에 따르면, 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)의 열전 변환부의 제작 공정은 다음과 같이 용이하게 수행될 수 있다. 우선, 증발부(2130) 및 응축부(2150) 사이에 열전 변환부(2140)가 형성되는 공간을 준비하고, 준비된 공간의 하단부에 최하층에 위치하는 열전 변환 모듈(2200-1)의 유입부(2210-1)를 배치한다. 이후, 배치된 유입부(2210-1)의 상부에 평판형 구조체 및 절연 구조체를 적층(및 접합)하고, 그 상부에 일체형 구조체(2220-1 및 2210-2의 일체형 구조체)를 적층(및 접합)한다. 그 이후, 동일한 방식으로 평판형 구조체 및 절연 구조체와 일체형 구조체(2220-2 및 2210-3의 일체형 구조체, 2220-3 및 2210-4의 일체형 구조체, 2220-4 및 2210-5의 일체형 구조체)를 순차적으로 적층(및 접합)한다. 그 이후, 최상층에 위치하는 열전 변환 모듈(2200-5)의 배출부(2220-5)를 적층(및 접합)한다. 즉, 본 실시예에 따르면, 열전 변환 모듈들(2200-1 ~ 2200-5) 각각에 구성되는 유입부(2210-1 ~ 2210-5) 및 배출부(2220-1 ~ 2220-5)를 별도로 형성시키지 않고, 하층에 위치하는 열전 변환 모듈의 배출부와 상층에 위치하는 열전 변환 모듈의 유입부는 일체형 구조체로 형성하여 순차적으로 적층시킴으로써, 제조 공정을 단순화시킬 수 있으며, 동시에 열전 변환 모듈들(2200-1 ~ 2200-5)은 전기적 연결을 위한 별도의 배선(예 : 와이어)을 구성하지 않고도 전기적으로 직렬 연결이 가능하게 된다. According to the present embodiment, the manufacturing process of the thermoelectric converter of the stacked alkali metal
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 동작을 설명하기 위한 참고도이다. 이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 동작 상태를 설명하나, 이하 설명은 본 발명의 동작을 명확하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.FIG. 26 is a reference diagram for describing an operation of a stacked alkali metal thermoelectric converter according to an exemplary embodiment of the present invention. Hereinafter, an operation state of a stacked alkali metal thermoelectric conversion device according to an exemplary embodiment of the present invention will be described, but the following description is intended to clearly describe the operation of the present invention and is not intended to limit the scope of the present invention.
도 26을 참조하면, 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)의 증발부(2130)는 열전 변환부(2140)의 일면과 접하여 구성되고, 응축부(2150)는 열전 변환부(2140)의 타면과 접하여 구성될 수 있다. 증발부(2130)는 외부에 위치(-y 방향)하는 퍼니스(100)으로부터 열에너지를 공급받아 내부의 금속 유체를 증기로 변환시킨다. 여기에서, 증발부(2130) 내부에 금속 유체가 순환되는 방향(+z 방향)을 따라 기공율이 점차 커지도록 형성되는 다공 금속 구조체(2131)가 구성되어, 증발부(2130)의 하부에 고이는 Na 액체가 다공 금속 구조체(2131)를 따라 상부로 이송될 수 있다. 이에, 다공 금속 구조체(2131)에 수용된 Na 액체는 외부의 열원으로부터 고르게 열 에너지를 전달받을 수 있으며, Na 증기가 상층부터 하층까지의 열전 변환 모듈들에 균일하게 공급될 수 있다. Referring to FIG. 26, the
열전 변환부(2140)에 포함되는 열전 변환 모듈들 각각은 유입 홀을 통해 유입부로 Na 증기를 유입시킬 수 있다. 유입된 Na 증기가 열전 변환 모듈들 각각에 포함된 평판형 구조체(음극, 평판형 전해질 구조체 및 양극)를 통과하는 과정에서 발전되며, 평판형 구조체를 통과한 Na 증기는 열전 변환 모듈들 각각에 포함되는 배출부로 이동되며, 이후 배출 홀을 통해 응축부(2150)로 이동될 수 있다. Each of the thermoelectric conversion modules included in the
응축부(2150)에 형성되는 다면 구조체(2152)는 배출부(2220)에서 배출되는 Na 증기를 수용하며, 응축부(2150)의 외측(+y 방향)에 위치하는 저온 매체와의 열교환을 통해 내부의 금속 유체를 응축시킬 수 있다. 응축된 Na 액체는 다면 구조체(2152) 하부에 고일 수 있으며, 적층형 열전 변환 장치(2000)의 하부에 형성되는 윅(2151)은 다면 구조체(2152) 하부에 고인 Na 액체를 증발부(2130)로 이송시킬 수 있다. The
증발부(2130)의 하부에 고이는 Na 액체는 다공 금속 구조체(2131)를 따라 상부로 이송되며 열 에너지를 전달받아 Na 증기로 변환되어 열전 변환 모듈들에 공급됨으로써, 발전 사이클을 순차적으로 반복할 수 있다.Na liquid accumulated in the lower part of the
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치를 설명하기 위한 참고도이다. 27 is a reference diagram for describing a stacked alkali metal thermoelectric conversion device according to an embodiment of the present invention.
도 27을 참조하면, 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)의 증발부(2130)는 열전 변환부(2140)의 일면과 접하여 구성되되, 응축부(2150)에 구성되는 냉각부(2155)는 열전 변환부(2140)와 분리되어 구성될 수 있다. 여기에서, 응축부(2150)에 구성되는 순환부(2154, 2156, 2157)는 열전 변환부(2140)로부터 배출되는 금속 유체가 냉각부(2155)를 경유하여 증발부(2130)로 순환되도록 구성될 수 있다. 즉, 본 실시예는 냉각부(2155)가 열전 변환부(2140)와 분리되는 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 구조로서, 도 23에 도시된 냉각부(2152, 2153)가 열전 변환부(2140)와 접하여 구성되는 구조와 대비된다.Referring to FIG. 27, the
일 실시예에서, 열에너지 회수 장치는 냉각부(2152, 2153) 내부를 유동하는 금속 유체와의 열교환을 통해 열에너지를 회수할 수 있다. 본 실시예에서, 열 에너지 회수 장치는 냉각부(2155)의 외부에 위치하거나 냉각부(2155)의 외부를 순환하도록 구성될 수 있으며, 냉각부(2155)는 저온 매체와의 열교환을 통해 내부의 Na 증기를 응축시킬 수 있다. In one embodiment, the heat energy recovery device may recover the heat energy through heat exchange with the metal fluid flowing through the cooling units (2152, 2153). In the present embodiment, the heat energy recovery device may be located outside the
도 27(A)는 냉각부(2155)가 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 상부에 배치되는 구조를 도식화 것이며, 도 27(B)는 냉각부(2155)가 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 하부에 배치되는 구조를 도식화한 것이다.FIG. 27A illustrates a structure in which the
우선, 도 27(A)를 참조하면, 냉각부(2155)가 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 상부에 배치되는 경우, 냉각부(2155)에서 응축된 Na 액체는 하부에 위치하는 증발부(2130)로 이송될 수 있다. 다만, 증발부(2130)의 압력(P1), 응축부(2150)의 압력(P2), 냉각부(2155)의 압력(P3) 및 냉각부(2155)의 일단부(증발부 측 단부)의 압력(P4)을 비교하면, P1>>P2>P3>P4의 관계를 나타내게 되어, 냉각부(2155)에서 응축된 Na 액체는 증발부(2130)로 이송되지 않고 역류할 수 있다. 이러한 역류를 방지하기 위하여, 냉각부(2155)와 증발부(2130)의 접합 영역에 일정 길이의 역류 방지용 다공 구조체(2156)가 형성될 수 있다. (도 27(A)에서 순환부는 다면 구조체(2154) 및 역류 방지용 다공 구조체(2156)를 포함함)First, referring to FIG. 27A, when the
여기에서, 역류 방지용 다공 구조체(2156)의 기공 크기 또는 기공율은, P1>>P2>P3>P4 일 때 최대 온도차에 의한 압력차가 발생되는 조건인 dP(=P1-P4) 보다 다공체에서의 압력손실이 더 높도록 설계되는 것이 바람직하다. Here, the pore size or porosity of the backflow prevention
다음으로, 도 27(B)를 참조하면, 냉각부(2155)가 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치의 하부에 배치되는 경우, 냉각부(2155)에서 응축된 Na 액체는 상부에 위치하는 증발부(2130)로 이송될 수 있다. 다만, 증발부(2130)의 압력(P1)은 냉각부(2155)의 일단부(증발부 측 단부)의 압력(P4)보다 크며(P1>>P4) Na 액체에 중력이 작용함에 따라, 냉각부(2155)에서 응축된 Na 액체는 증발부(2130)로 이송되지 않을 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 냉각부(2155)와 증발부(2130)의 접합 영역에 일정 길이의 모세관 윅(2157)이 형성될 수 있다. (도 27(B)에서 순환부는 다면 구조체(2154) 및 모세관 윅(2157)을 포함함)Next, referring to FIG. 27B, when the
일 실시예에서, 열에너지 회수 장치 및 냉각부(2155)는 증발부(2130) 및 열전 변환부(2140)의 하부에 위치할 수 있다. 알칼리 금속 열전 변환 장치(2000)의 내부를 유동하는 금속 유체는 알칼리 금속 유체로, 열에너지 회수 장치의 내부를 유동하는 유체(예 : 물)와 접촉하는 경우 발전 시스템이 폭발될 수 있는 위험이 있다. 이에, 열에너지 회수 장치의 내부를 유동하는 유체가 유출되더라도 알칼리 금속 유체와의 접촉을 방지하기 위하여, 본 실시예와 같이 열에너지 회수 장치 및 냉각부(2155)는 증발부(2130) 및 열전 변환부(2140)의 하부에 배치되는 것이 바람직하다. In one embodiment, the thermal energy recovery device and the
상기에서, 본 발명에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치에 대한 다양한 실시예에 대하여 설명하였다. 다만, 도 18 내지 도 27에 도시된 다면체 구조의 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상은 다면체 이외의 다양한 구조로 구현이 가능하다. In the above, various embodiments of the stacked alkali metal thermoelectric converter according to the present invention have been described. However, the multilayer alkali metal thermoelectric conversion device having a polyhedral structure shown in FIGS. 18 to 27 is just one embodiment of the present invention, and the technical idea of the present invention may be implemented in various structures other than polyhedrons.
즉, 본 발명에 따른 적층형 알칼리 금속 열전 변환 장치 및 각 구성요소의 형상은 열원의 형태, 종류, 크기 등 다양한 조건에 대응하여 설계될 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 본 발명의 도면에 도시된 형상으로 한정 해석되어서는 안된다. That is, since the shape of the stacked alkali metal thermoelectric conversion apparatus and each component according to the present invention can be designed corresponding to various conditions such as the shape, type, size, etc. of the heat source, the scope of the present invention is shown in the drawings of the present invention. It should not be construed as limited in shape.
상기한 본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The above-described embodiments of the present invention are disclosed for the purpose of illustration, and those skilled in the art can make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. Should be considered to be within the scope of the following claims.
10 : 발전 장치
100 : 퍼니스
200 : 알칼리 금속 열전 변환 장치
210 : 증발부
211 : 평판형 구조체
220 : 열전 변환부
230 : 응축부
231 : 냉각부
232 : 순환부
240 : 전기 선로
250 : 전력 수요부
310 ~ 316 : 열교환 장치
320 ~ 322 : 열에너지 회수라인
330 ~ 332 : 저온 유체 공급부
340 ~ 342: 고온 유체 수요부
1000 : 열병합 발전 시스템
1100 : 퍼니스
1110 : 연소기
1200 : 알칼리 금속 열전 변환 장치
1300 : 열에너지 회수 장치
2000 : 알칼리 금속 열전 변환 장치
2111 : 측면 구조체
2112 : 상면 구조체
2113 : 하면 구조체
2121 : 고정 구조체
2122 : 체결 유닛
2130 : 증발부
2131 : 다공 금속 구조체
2140 : 열전 변환부
2141 ~ 2145 : 열전 변환 모듈
2150 : 응축부
2151 : 윅
2152 : 다면 구조체
2153 : 방열판
2154 : 다면 구조체
2155 : 냉각부
2156 : 역류 방지용 다공 구조체
2157 : 모세관 윅
2160 : 밀폐 절연 구조체
2200 : 열전 변환 모듈
2210 : 유입부
2211 : 유입홀
2212 : 제1 집전 구조체
2220 : 배출부
2221 : 배출홀
2222 : 제2 집전 구조체
2230 : 평판형 구조체
2231 : 음극
2232 : 평판형 전해질 구조체
2233 : 양극
2240 : 절연 구조체10: power generation device
100: furnace
200: alkali metal thermoelectric converter
210: evaporation unit
211: plate-like structure
220: thermoelectric conversion unit
230: condensation unit
231: cooling unit
232: circulation
240: electric line
250: power demand
310 ~ 316: heat exchanger
320 ~ 322: heat energy recovery line
330 ~ 332: low temperature fluid supply
340 ~ 342: high temperature fluid demand
1000: Cogeneration System
1100: Furnace
1110: burner
1200: Alkali Metal Thermoelectric Converter
1300: heat energy recovery device
2000: Alkali Metal Thermoelectric Converter
2111: side structure
2112: top structure
2113: structure
2121: Fixed Structure
2122: fastening unit
2130: evaporation unit
2131: Perforated Metal Structure
2140: thermoelectric converter
2141 ~ 2145: Thermoelectric Conversion Module
2150: condensation unit
2151: Wick
2152: faceted structure
2153: heat sink
2154: faceted structure
2155: cooling part
2156: porous structure for preventing backflow
2157: capillary wick
2160: hermetic insulation structure
2200: thermoelectric conversion module
2210: inlet
2211: inlet hole
2212: first current collector structure
2220: discharge section
2221: discharge hole
2222 second collector structure
2230 flat plate structure
2231: cathode
2232: flat electrolyte structure
2233: anode
2240: insulation structure
Claims (16)
상기 퍼니스의 외부에 위치하며, 상기 퍼니스에서 방출되는 열에너지에 의한 금속 유체의 순환을 통해 전기 에너지를 발생시키는 알칼리 금속 열전 변환 장치; 및
상기 퍼니스 및 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치 중 적어도 하나와 열교환하여 열에너지를 회수하는 열에너지 회수 장치;를 포함하여 구성하되,
상기 열에너지 회수 장치는,
일단부가 저온 유체 공급부와 연통되며 타단부가 고온 유체 수요부와 연통되는 열에너지 회수 라인을 포함하고,
상기 열에너지 회수 라인은,
상기 저온 유체 공급부로부터 저온 유체를 공급받고, 상기 저온 유체가 내부를 유동하며 금속 유체와의 열교환을 통해 고온 유체로 전환되면 상기 고온 유체 수요부로 상기 고온 유체를 공급하며,
상기 알칼리 금속 열전 변환 장치는,
상기 퍼니스에서 방출되는 열에너지를 공급받아 내부의 금속 유체를 증기로 변환시키는 증발부;
상기 증발부와 연통되어 상기 금속 유체를 유입시키며, 상기 금속 유체를 전하 운반체로 사용하여 전기 에너지를 발생시키고, 상기 금속 유체를 배출시키는 열전 변환부; 및
상기 열전 변환부와 연통되어 상기 열전 변환부에서 배출된 금속 유체를 포집하여 응축시키는 응축부; 를 포함하여 구성되고,
상기 열전 변환부는,
상기 금속 유체를 이송시키기 위한 일정 체적의 공간부와, 상기 금속 유체의 투과에 의해 전기를 발생시키는 평판형 구조체가 적층되어 구성되는 적어도 하나의 열전 변환 모듈을 포함하며,
상기 평판형 구조체는,
평판형 전해질 구조체와, 상기 평판형 전해질 구조체의 일면에 형성되는 음극(anode)과, 상기 평판형 전해질 구조체의 타면에 형성되는 양극(cathode)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
A furnace for emitting heat energy to the outside;
An alkali metal thermoelectric converter positioned outside the furnace and generating electrical energy through circulation of the metal fluid by thermal energy emitted from the furnace; And
And a heat energy recovery device for recovering heat energy by exchanging heat with at least one of the furnace and the alkali metal thermoelectric converter.
The thermal energy recovery device,
A heat energy recovery line having one end in communication with the cold fluid supply and the other end in communication with the hot fluid demand;
The heat energy recovery line,
When the low temperature fluid is supplied from the low temperature fluid supply unit, and the low temperature fluid flows inside and is converted into a high temperature fluid through heat exchange with a metal fluid, the high temperature fluid is supplied to the high temperature fluid demand unit.
The alkali metal thermoelectric converter,
An evaporator which receives the thermal energy emitted from the furnace and converts the metal fluid therein into steam;
A thermoelectric converter communicating with the evaporator to introduce the metal fluid, to generate electrical energy by using the metal fluid as a charge carrier, and to discharge the metal fluid; And
A condensation unit communicating with the thermoelectric conversion unit to collect and condense metal fluid discharged from the thermoelectric conversion unit; It is configured to include,
The thermoelectric conversion unit,
At least one thermoelectric conversion module configured by stacking a predetermined volume of space for transferring the metal fluid and a plate-like structure that generates electricity by permeation of the metal fluid,
The flat plate structure,
And a flat plate electrolyte structure, a cathode formed on one surface of the plate electrolyte structure, and a cathode formed on the other surface of the plate electrolyte structure.
상기 퍼니스의 외면 중 적어도 일부 영역을 감싸도록 구성되되,
상기 증발부의 일면은 상기 퍼니스를 항하도록 구성되고, 상기 응축부의 타면은 상기 퍼니스의 반대 방향을 향하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
The apparatus of claim 1, wherein the alkali metal thermoelectric converter is
Is configured to surround at least a portion of the outer surface of the furnace,
One side of the evaporation unit is configured to face the furnace, and the other side of the condensation unit is configured to face in the opposite direction of the furnace.
상기 열전 변환부에서 배출된 금속 유체를 냉각하여 응축시키는 냉각부; 및
상기 응축된 금속 유체를 상기 증발부로 순환시키는 순환부;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
The method of claim 4, wherein the condensation unit
A cooling unit for cooling and condensing the metal fluid discharged from the thermoelectric conversion unit; And
A circulation unit configured to circulate the condensed metal fluid to the evaporation unit;
Generating device, characterized in that configured to include.
상기 냉각부는 상기 열전 변환부와 분리되어 구성되며,
상기 순환부는 상기 열전 변환부로부터 배출되는 금속 유체가 상기 냉각부를 경유하여 상기 증발부로 순환되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
The method of claim 5,
The cooling unit is configured to be separated from the thermoelectric conversion unit,
The circulation unit is characterized in that the metal fluid discharged from the thermoelectric converter is configured to circulate to the evaporator via the cooling unit.
상기 냉각부 내부를 유동하는 금속 유체와의 열교환을 통해 열에너지를 회수하는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
The method of claim 6, wherein the thermal energy recovery device
The power generation device, characterized in that for recovering thermal energy through heat exchange with the metal fluid flowing in the cooling unit.
상기 열에너지 회수 장치 및 냉각부는
상기 증발부 및 열전 변환부의 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
The method of claim 7, wherein
The thermal energy recovery device and the cooling unit
The power generation device, characterized in that located under the evaporation unit and the thermoelectric conversion unit.
상기 퍼니스와 1차 열교환하고, 이후 상기 알칼리 금속 열전 변환 장치와 2차 열교환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
According to claim 1, wherein the thermal energy recovery device
A first heat exchange with the furnace, and then a second heat exchange with the alkali metal thermoelectric converter.
상기 알칼리 금속 열전 변환 장치와 1차 열교환하고, 상기 퍼니스와 2차 열교환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
According to claim 1, wherein the thermal energy recovery device
And a first heat exchange with the alkali metal thermoelectric converter, and a second heat exchange with the furnace.
상기 알칼리 금속 열전 변환 장치와의 열교환을 통해 열에너지를 회수하는 제1 열에너지 회수 장치; 및
상기 제1 열에너지 회수 장치와 열교환을 통해 열에너지를 회수하는 제2 열에너지 회수 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
According to claim 1, wherein the thermal energy recovery device
A first heat energy recovery device for recovering heat energy through heat exchange with the alkali metal thermoelectric converter; And
And a second heat energy recovery device for recovering heat energy through heat exchange with the first heat energy recovery device.
다면체 구조로 형성되며, 상기 퍼니스의 외면과 접하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
.The apparatus of claim 1, wherein the alkali metal thermoelectric converter is
It is formed of a polyhedral structure, characterized in that configured to be in contact with the outer surface of the furnace.
.
중공의 원통형 구조로 형성되며, 상기 퍼니스의 외면을 감싸도록 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
The apparatus of claim 1, wherein the alkali metal thermoelectric converter is
It is formed of a hollow cylindrical structure, characterized in that configured to surround the outer surface of the furnace.
중공의 원통형 구조로 형성되며, 상기 퍼니스의 외면을 감싸도록 구성되되,
상기 열전 변환부는
상기 금속 유체를 이송시키기 위한 일정 체적의 공간부와, 상기 금속 유체의 투과에 의해 전기를 발생시키는 롤형 구조체가 구성되는 적어도 하나의 열전 변환 모듈을 포함하며,
상기 롤형 구조체는
롤형 전해질 구조체와, 상기 롤형 전해질 구조체의 내면에 형성되는 음극(anode)과, 상기 롤형 전해질 구조체의 외면에 형성되는 양극(cathode)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.The method of claim 4, wherein the alkali metal thermoelectric conversion device
Is formed in a hollow cylindrical structure, and configured to surround the outer surface of the furnace,
The thermoelectric conversion unit
At least one thermoelectric conversion module including a predetermined volume of space for transferring the metal fluid, and a roll-shaped structure for generating electricity by permeation of the metal fluid;
The roll structure
And a rolled electrolyte structure, an anode formed on an inner surface of the rolled electrolyte structure, and a cathode formed on an outer surface of the rolled electrolyte structure.
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