최근 녹색뉴딜혁명으로 새로운 청정에너지원의 활용이 요구됨에 따라, 철로나 도로같은 생활주변의 사회기반시설에서 발생되는 열 에너지의 하베스팅 가능성을 검증하기 위해 도시 및 생활주변에서 느껴지는 뜨거운 열과 온도를 열전현상을 이용한 Bi-Te계열의 열전소자를 통해 열-전기변환 가능성을 확인하고, 도시산업 기반시설의 열원 및 주변환경변화를 고려한 실험을 통해 발생되는 전기적 특성을 확인하여, 도시에서 무의식적으로 폐기되고 있는 열에너지의 효율적인 활용방안에 대하여 모색하였다. 아스팔트 포장도로나 콘크리트 구조물등의 사회기반시설에서 발생 가능한 열원의 온도차를 열전소자 양단에 공급하고, 열전달 방법과 재료 공급시간 등을 변수로 하여 발생하는 전기적 특성을 측정한 실험결과 $70^{\circ}C$의 온도차와 $1m^2$의 면적에서 약 20.82W의 전력을 얻을 수 있음을 확인함으로써 열에너지 회수 가능성을 검증하였고, 산업기반시설에서 발생하는 열원의 온도변화율 및 변환면적이 열-전기변환에 있어서 가장 큰 영향을 미치고 있는 것을 확인하였다. 또한 효율적인 열전 발전을 위해서는 열전소자 자체의 변환효율성능의 향상과 더불어 열에너지원의 열손실 감소, 열보존율 향상 등의 활용방법을 통해 효율적이고 지속적인 열전 발전의 가능성이 있음을 확인하였다.
최근 녹색뉴딜혁명으로 새로운 청정에너지원의 활용이 요구됨에 따라, 철로나 도로같은 생활주변의 사회기반시설에서 발생되는 열 에너지의 하베스팅 가능성을 검증하기 위해 도시 및 생활주변에서 느껴지는 뜨거운 열과 온도를 열전현상을 이용한 Bi-Te계열의 열전소자를 통해 열-전기변환 가능성을 확인하고, 도시산업 기반시설의 열원 및 주변환경변화를 고려한 실험을 통해 발생되는 전기적 특성을 확인하여, 도시에서 무의식적으로 폐기되고 있는 열에너지의 효율적인 활용방안에 대하여 모색하였다. 아스팔트 포장도로나 콘크리트 구조물등의 사회기반시설에서 발생 가능한 열원의 온도차를 열전소자 양단에 공급하고, 열전달 방법과 재료 공급시간 등을 변수로 하여 발생하는 전기적 특성을 측정한 실험결과 $70^{\circ}C$의 온도차와 $1m^2$의 면적에서 약 20.82W의 전력을 얻을 수 있음을 확인함으로써 열에너지 회수 가능성을 검증하였고, 산업기반시설에서 발생하는 열원의 온도변화율 및 변환면적이 열-전기변환에 있어서 가장 큰 영향을 미치고 있는 것을 확인하였다. 또한 효율적인 열전 발전을 위해서는 열전소자 자체의 변환효율성능의 향상과 더불어 열에너지원의 열손실 감소, 열보존율 향상 등의 활용방법을 통해 효율적이고 지속적인 열전 발전의 가능성이 있음을 확인하였다.
As the number of indispensable needs of clean energy increases due to the green new deal revolution, the possibility of heat energy harvesting from the surrounding infrastructures such as a railroad or highway was verified. In order to find more efficient usage of a heat source, the possibility of t...
As the number of indispensable needs of clean energy increases due to the green new deal revolution, the possibility of heat energy harvesting from the surrounding infrastructures such as a railroad or highway was verified. In order to find more efficient usage of a heat source, the possibility of transforming heat into electricity were confirmed using Bi-Te type thermoelectric element, and electrical quality were tested with experiments of different heat source and environmental change in the surrounding infrastructures. After careful experiments, the possibility of collecting thermal energy and findings of the heat temperature change in infrastructrue are verified with a result of obtaining almost 20.82W in 70 celcius($^{\circ}C$) temperature differences and $1m^2$ surface area. Consequently, the ratio of heat temperatiure change and transforming surface area is the most crucial factor in the harvesting heat energy, and reducing thermal loss and improving thermal convection as well as transformation efficiency of thermoelectric element is required to get more efficient and durable generation.
As the number of indispensable needs of clean energy increases due to the green new deal revolution, the possibility of heat energy harvesting from the surrounding infrastructures such as a railroad or highway was verified. In order to find more efficient usage of a heat source, the possibility of transforming heat into electricity were confirmed using Bi-Te type thermoelectric element, and electrical quality were tested with experiments of different heat source and environmental change in the surrounding infrastructures. After careful experiments, the possibility of collecting thermal energy and findings of the heat temperature change in infrastructrue are verified with a result of obtaining almost 20.82W in 70 celcius($^{\circ}C$) temperature differences and $1m^2$ surface area. Consequently, the ratio of heat temperatiure change and transforming surface area is the most crucial factor in the harvesting heat energy, and reducing thermal loss and improving thermal convection as well as transformation efficiency of thermoelectric element is required to get more efficient and durable generation.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 한 여름철 건물의 내·외벽, 아스팔트도로와 주자창 표면과 내부, 철도노면, 박스형태 구조물의 내·외부, 각종 공장 및 플랜트 배출구의 내·외부와 열·온도 위치 변화로 인한 에너지 차이등 사회기반시설에서 발생되고 사라지는 열·온도 에너지를 활용하기 위한 방안으로, 열전현상을 이용한 열전소자를 통해 열전기변환 가능성을 검증하고자 하였다.
본 논문에서는 사회기반시설에 필요한 전기에너지를 위해 주변의 온도와 열로부터 에너지를 회수(Energy Harvesting)하는 녹색사회기반시설 구축을 위한 열전기초실험을 통해 열-전기변환의 적용 가능성을 검증하고 효율적인 열원의 활용방안을 모색하고자 하였다.
이번 실험은 변환소자 양단면에 열을 전달하는 매체에 따른 전기적 특성을 알아보기 위한 것으로써, 우리 생활주변에서 가장 흔히 적용가능한 대기중의 공기와 물, 그리고 고체금속 중에서도 열전도율이 높은 알루미늄을 사용하여 실험을 수행하였다.
따라서 본 논문에서는 한 여름철 건물의 내·외벽, 아스팔트도로와 주자창 표면과 내부, 철도노면, 박스형태 구조물의 내·외부, 각종 공장 및 플랜트 배출구의 내·외부와 열·온도 위치 변화로 인한 에너지 차이등 사회기반시설에서 발생되고 사라지는 열·온도 에너지를 활용하기 위한 방안으로, 열전현상을 이용한 열전소자를 통해 열전기변환 가능성을 검증하고자 하였다. 현재 상온근방에서 가장 효율이 좋은 것으로 알려져 있는 Bi-Te계열의 열전소자를 이용하여 소자 양단의 온도차, 열전도체의 종류, 집열 및 변환면적, 열원의 공급과 제거등 열전 발전을 적용하는 주변환경에서 발생 가능한 변수에 따른 전기적 특성을 측정하고 분석하여, 최근 정부에서 추진하고 있는 녹색 사회기반시설을 위한 도시생활환경 및 사회기반 인프라 시설의 녹색에너지 하베스팅 가능성과 효율적인 활용방안을 검토하고자 하였다.
제안 방법
그림 4에서 1은 Bi-Te계열의 열전소자모듈로써 4-(N형 반도체), 5-(P형 반도체)가 격자 구조로 배열되어 있는 3-(금속전극판)에 연결되어 있고, 양단에는 2-(절연기판)이 부착되어 있으며, 이 절연기판에 열을 공급함므로써 전기가 발생하게 된다. 그림 4(a)의 실험의 경우 비교적 열전도율이 높으면서도 저가로서 활용가능성이 높은 구리와 알루미늄판을 절연기판의 양단과 열원에 접촉시켜 열원이 금속판(Al, Cu)을 통해 열이 전달될 수 있도록 하였으며, 열원은 온도조절이 비교적 용이한 물은 활용하였다. 그림 4(b)의 경우 온냉열원의 열교환 방지를 위해 7-(단열판)을 부착하고 공기나 액체등의 열원이 변환소자 양단면에 직접 접촉할 수 있게 하였으며, 변환소자의 양단면에 공급한 온도의 경우는 일반적으로 도로·철도·건설물 외피 등의 사회기반시설 및 주변환경에 발생되는 열 온도를 고려하여, 10℃에서 70℃까지의 온도차를 공급하였다.
따라서 본 실험에서는 현재까지 상온근방에서 가장 효율이 좋은 것으로 알려진 Bi-Te계 화합물 반도체로 만들어진 40×40×3.9mm크기의 열전소자를 사용하였으며, 열발생원의 온도차에 따른 전기값과 열을 효율적으로 이용하기 위한 열전달 체계의 환경요소에 따른 전기특성값에 중점을 두고 실험을 수행하였다.
아스팔트나 콘크리트 구조물등의 열원을 효율적으로 활용하는데 있어서 중요한 또 하나의 변수는 집열면적이라고 볼 수 있다. 본 실험에서는 소자 양단면의 온도차를 30℃로 일정하게 유지한 상태에서 열원 전달체의 집열면적을 달리하였고, 초기 열원을 공급하고 다시 제거하며 시간에 따른 전기적 특성 변화를 측정하였다. 실험 결과를 살펴보면 변환소자 양단면의 온도차가 일정하고 열원 전도체의 열전도율이 같더라도, 열원의 집열면적에 따라 초기 열원 전달부터 평형상태가 될 때까지의 변화는 그림 8과 같은 차이를 보였다.
이러한 열전특성을 통해 주변 환경의 여건 및 변화에 따른 전기적 특성을 확인하기 위하여 현재 상온근처에서 가장 많이 활용되는 Bi-Te계 물질로 제작한 열전소자를 이용하여 실험을 수행하였다. 소자 양단에는 아스팔트 포장도로나 콘크리트등의 구조물에서 발생 가능한 열원의 온도를 공급하였고, 공급된 열원의 온도차와 집열면적, 열전도체의 종류, 변환면적, 열원의 공급 및 제거등의 변수에 따른 전기값을 측정하였다.
아스팔트 도로의 경우 한 여름철 표면온도는 65℃~70℃까지 급상승하기도 한다. 이러한 사회기반시설에서 발생하는 열의 온도를 고려하여, 실험에서는 변환소자 양단면의 온도차를 10℃부터 70℃까지 5℃ 차의 간격으로 공급하면서 전기값의 변화를 측정하였으며, 각 온도차마다 변환소자의 수량(면적)에 따른 전압 및 전류값을 측정하였다.
실험은 다음 사진 1(b)처럼 열발전소자의 회로를 구성하여 오실로스코프(LeCroy, LT262 DSO)에 연결한 후, 냉온의 물이나 공기등을 변환소자 양단면에 공급하고 Digital Thermometer(SUMMIT STD8A)를 사용하여 사진 1(c)와 같이 온도를 측정하였다. 이후 각각의 온도차, 열전달 매체, 시간의 변화 등에 따라 오실로스코프에 나타나는 전기적 특성을 확인하였다.
대상 데이터
열전효과란 열에너지를 전기에너지로 또는 그 반대로 가열적 변환이 일어나는 현상이다. 이러한 열전특성을 통해 주변 환경의 여건 및 변화에 따른 전기적 특성을 확인하기 위하여 현재 상온근처에서 가장 많이 활용되는 Bi-Te계 물질로 제작한 열전소자를 이용하여 실험을 수행하였다. 소자 양단에는 아스팔트 포장도로나 콘크리트등의 구조물에서 발생 가능한 열원의 온도를 공급하였고, 공급된 열원의 온도차와 집열면적, 열전도체의 종류, 변환면적, 열원의 공급 및 제거등의 변수에 따른 전기값을 측정하였다.
성능/효과
(b)의 실험모두 50×150cm2의 열원 전도체를 사용한 2, 4번의 그래프보다 넓은 집열면적의 열원 전도체(100×150cm2)를 사용한 1, 3번 그래프가 확연히 높은 전기변환효율을 보였는데, 이는 넓은 면적일수록 열원을 더 효율적으로 변환소자로 전달하고 있음을 보여주는 것이다.
냉각에 이를 때까지의 전기적 변화를 살펴보면 넓은 면적의 열원전도체의 경우, 열원공급부터 냉각까지 더 높은 전기변환 효율을 보이지만, 그림 9(b)처럼 양단의 온도차가 빠르게 평행 상태에 이를 경우 열전도가 높을수록 전기적 특성은 빠르게 감소되었다.
대입결과 V1과 V3에서 발생한 전압차 65mV는 약 8℃ 정도의 온도로 환산이 가능하며, 알루미늄 금속의 열 전달과정에서 8℃ 정도의 열손실이 발생한 것임을 알 수 있다.
82W의 전력을 생산할 수 있음을 확인하였다. 또한 변환소자가 노출조건에 따라 공기, 물, 금속체 등의 열전도율에 따른 초기 열전도의 시간차이는 있으나, 이후 선형적인 변화가 이루어지는 결과를 통해 절대적인 온도변화율(양단간 온도차)만이 전압에 영향을 미치고 있으며, 변환면적의 증가에 따라 전류값도 비례적으로 증가하고 있음을 확인하였다. 따라서 열전소자에 가장 큰 영향을 주는 외부환경의 요소는 변환소자의 변환면적과 양단간의 온도차(ΔT=ΔTa-Tb)이며, 이때 온도차(ΔT)는 변환소자에 도달하는 온도로써 열원자체의 열 에너지가 아무리 높더라도 열을 전달하는 과정에서 열 손실이 크다면 효율성이 낮아지게 된다.
실험 결과 70℃의 온도차와 16cm2의 면적에서 약 560mV의 전압이 발생하였고 약 1.55mA의 전류를 회수함으로서 열이 전기로 변환되는 과정 및 그 가능성을 확인하였다. 결국 1㎡의 변환면적에서는 약 20.
본 실험에서는 소자 양단면의 온도차를 30℃로 일정하게 유지한 상태에서 열원 전달체의 집열면적을 달리하였고, 초기 열원을 공급하고 다시 제거하며 시간에 따른 전기적 특성 변화를 측정하였다. 실험 결과를 살펴보면 변환소자 양단면의 온도차가 일정하고 열원 전도체의 열전도율이 같더라도, 열원의 집열면적에 따라 초기 열원 전달부터 평형상태가 될 때까지의 변화는 그림 8과 같은 차이를 보였다. 그림 8(a)와 (b)의 실험모두 50×150cm2의 열원 전도체를 사용한 2, 4번의 그래프보다 넓은 집열면적의 열원 전도체(100×150cm2)를 사용한 1, 3번 그래프가 확연히 높은 전기변환효율을 보였는데, 이는 넓은 면적일수록 열원을 더 효율적으로 변환소자로 전달하고 있음을 보여주는 것이다.
전류측정은 Digital Multimeter(True-RMS Multimeters, FLUKE 사)를 사용하여 측정하는 동시에 오실로스코프에 100MΩ과 200MΩ을 각각 회로에 연결하여 V(voltage)=I(intensity)×R(resistance)의 식을 이용하여 도출하였는데, 두 비교의 결과값은 거의 일치하였으며 표 3의 결과를 살펴보면 전류의 경우 온도차의 증가에 따라 선형적인 증가율을 보이며 면적에 따른 증가량도 보이고 있었다.
후속연구
설비를 통해 열을 회수하는 방법은 열에 취약한 아스팔트 포장의 표면 온도를 낮춰줌으로써 아스팔트 포장도로의 내구성능을 연장시키고, 유지 관리비를 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 열회수를 통한 열에너지 활용법은 아스팔트 포장도로뿐만 아니라 콘크리트 구조물 및 철도등에서 태양열 등을 통해 문제를 발생시키고 있는 온도수축으로 인한 크랙발생등의 원인을 해결하는 동시에 도시 열섬효과를 줄이는 데 기여할 수 있을 것으로 보인다.
이러한 열전기 변환은 지속성과 무소음, 무진동, 소형화가 가능하며, 보수가 필요없고 탄소를 배출하지 않는 청정에너지 원이라는 장점이 있지만 현재까지 경제성과 효율성면에서 많은 개선이 요구되고 있다. 이러한 열-전기발전 시스템을 도입하기 위해서는 무엇보다도 변환소자 자체의 성능향상과 경제성의 확보가 중요하며, 열원의 효율적인 활용방법과 사회기반시설 및 기타 산업시설에서의 적용성에 대하여 앞으로도 많은 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
펠티에 효과는 어떤 현상인가?
펠티에 효과(Peltier effect)란 다른 종류의 금속 두 개를 접합시켜 전류를 통할 때에 전류의 방향에 따라 그 접합부가 뜨거워지거나 또는 냉각하는 현상이며, 제베크 효과(Seebeck effect)란 두 개의 서로 다른 금속 접합부의 온도차에 의하여 기전력이 발생하는 현상으로(장문규 등, 2008), 열전현상(Thermoelectric effect)은 이와같이 열과 전기가 동시에 관계 하는 현상을 통틀어 이르는 말로 열과 전기사이의 에너지 변환을 의미하며, 변환소자의 양단에 온도차이가 있을 때 소자 내부의 carrier가 이동함으로 기전력이 발생하는 현상이다(유병철 등, 2000).
신에너지 및 재생에너지 이용·개발·보급 촉진법은 어떤 분야에 대해 적용되는 법인가?
이러한 세계적인 흐름을 선도하기 위하여 국내에서는 태양광, 풍력, 지열, 바이오, 폐기물, 수소연료전지 등 11개 분야의 『신에너지 및 재생에너지 이용·개발·보급 촉진법』제정을 통하여 미래의 고부가가치로서 무한한 가능성을 가진 CO2를 배출하는 화석연료를 대체하는 산업에 많은 노력을 기울이고 있다. 또한 우리 주변의 생활환경에서 발생하고 폐기되고 있는 에너지원을 회수하기 위한 에너지 하베스팅이 새로운 분야로 각광을 받고 있으며, 그 중 열전현상을 이용한 열발전소자는 태양 에너지뿐만 아니라, 도시환경 및 산업기반시설 주위의 열과 온도차가 발생되는 모든 분야에서 청정에너지를 생산할 수 있는 미래지향적인 특성을 가진 분야라 할 수 있다.
열기전력 현상을 이용하기 위하여 개발된 소자는 무엇인가?
이러한 현상을 이용하기 위하여 개발된 소자를 열전소자 또는 발전소자라 하며 열전소자는 서로 다른 금속에 전류를 통하면 소자 양단에 온도차가 생기는 펠티에 효과를 이용한 것으로, 소형화, 저냉, 휴대화가 가능하며 간단한 조작으로 온도 조절 및 냉난방 전환이 가능하여 주로 소형 냉장기 및 반도체 설비등에 사용되고 있다(http://acetec-korea.com).
참고문헌 (7)
권성도, 주병권, 윤석진, 김진상 (2008.11) "Growth of Bi-Te Based Materials by MOCVD and Fabrication of Thermoelectric Thin Film Devices", Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers. Vol, 21, No. 12, p1135.
장문규, 전명심, 노태문, 김종대 (2008.12) "Thermoelectric Power Generation with High Efficiency", 한국통신동향분석, 제 23권 제6호 p.12-21
한은주, 김근묵 (1998) "The Characteristics of Bi-Te Themoelectrics System", The Journal of Batural Sciences, The university of Suwon Vol. 1
Rama venkatasubramanian, Edward Siivola, Thomas Colpitts, and Brooks O'Quinn (2001) "Thin-film Thermoelectric Devices with High Roomtemperature Figures of merit", Nature, Vol.413, 2001, p.597
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