[논문]온수를 이용한 열전발전기에서 유량변화에 따른 발전 특성

우병철; 이희웅; 서창민

doi:10.3795/ksme-b.2002.26.10.1333

온수를 이용한 열전발전기에서 유량변화에 따른 발전 특성
Characteristic of Electric Generation for the Water Flow Rate in Thermoelctric Generator Using Hot Water 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.26 no.10 = no.205, 2002년, pp.1333 - 1340

우병철 (한국전기연구원 신소재응용연구 그룹) , 이희웅 (한국전기연구원 신소재응용연구 그룹) , 서창민 (경북대학교 공과대학 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to develop a thermoelectric generation system which converts unused energy from close-at-hand sources such as garbage incineration heat and industrial exhaust etc. into electricity. This paper presents applicability of a commercially available thermoelectric generator f3r waster heat recovery. The test facility consists of water heater, pump, thermoelectric module and aluminium tubes and hot and cold water is used as heat source and sink fluids. It is shown that the three components of thermoelectric research exist in manufacturing a thermoelectric generator. The first component is fabrication of thermoelectric materials, the second is manufacturing of thermoelectric generator with 32 thermoelectric modules. The last one is characteristic measuring of thermoelectric generator with 32 thermoelectric modules of two types, cooling and power purpose. It was found that the rate of cold and hot water is 25 and 37 liter per minute and the maximum power of thermoelectric generator is 28Watts and its efficiency is 1.04%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 대기권으로 버려지는 폐 에너지원을 이용하여 발전하는 열전발전방식에 대한 연구 결과를 담고 있다. 열전발전은 얻어진 에너지의 효율이 낮은 것이 단점이긴 하나 지구의 열적인 환경 오염을 막을 수 있는 방편으로 사용가능할 것으로 생각된다.
본 실험에서는 열전모듈의 양단간에 전달되는 온도 특성이 고, 저온수의 유량변화에 따라서 어떤 특성을 나타내는지 알아보기 위해서 양단간의 온도 변화와 양단에 흐르는 유량변화에 따라 발전 특성을 측정하였다. 먼저 일정한 온도를 유지하기 위해서 냉수는 직수를 사용하였으며 열전 발전기를 거쳐 흘러나온 일부를 내보내는 방식을 택하여 일정한 온도를 유지하게 설계하였다.
본 연구에서는 고온수로 버려지는 열 에너지를 이용할 목적으로 온수와 냉수사이의 온도차를 이용하여 DC전원을 얻을 수 있음을 확인하기 위하여 열전발전기를 제작하였으며 냉, 온수의 유량의 변화와 온도변화에 따른 각각의 특성에 관하여 연구, 분석하였다.

제안 방법

Bi-Te계 열전재료를 사용하여 제조된 열전모듈을 직, 병렬로 연결하는 방식을 택하여 전압을 높이고 양단의 온도차를 이용하여 발전하는 방식을 택하였다. 먼저 열전달 특성이 우수하고 가공성이 좋은 6061계 A1 합금을 사용하여 86x23×350(mm)의 크기로서 열전달 특성을 양호하게 하기 위해서 내부에 핀을 설치하여 냉간 압출법으로 제조하였다.
Fig. 8에서 알 수 있듯이 온, 냉수관의 입, 출구에서의 온도변화를 조사한 후 부하가 있는 상태에서의 결과를 측정하였으며 온도변화를 이용하여 유량에 따른 에너지변화에 따른 전력으로서 열전발전의 효율을 계산하였다. 여기서 온도의 변화가 약 1~2.
시험에 이용하였다. 가열기의 특성상 온수는 주어진 온도로 올라간 후 일정시간 후 최고 정점에 도달하게 되며 최고점을 기준으로 약 2분간 실험을 계속하였다.
그러나 발전된 전압을 가능한 균일하게 하기 위해서 열전모듈 32개을 단위 그룹으로 정하고 4 그룹을 전기적으로 병렬로 연결하여 일정 전압을 유지하게 설계하였다. 그러나 열전모듈의 내부저항의 차, 제작과정에서 발생된 기전력의 차이, 눌려진 압력, 열전달 특성의 차이 등으로 인해서 완전히 균일한 전압특성을 보이지는 않았으며 5%이내의 편차를 나타내었다.
먼저 일정한 온도를 유지하기 위해서 냉수는 직수를 사용하였으며 열전 발전기를 거쳐 흘러나온 일부를 내보내는 방식을 택하여 일정한 온도를 유지하게 설계하였다. 또한 온수는 온수가열기를 이용하여 실험하였다.
또한 유량의 조절은 입, 출구의 밸브를 사용하여 조절하였으며 온수는 5~35 〃min이고 냉수는 5~27 〃min으로 조절하였다. 온수과 냉수의 유량은 온수와 냉수를 흘리는 배관의 직경 차이에서 발생되었으며 열전발전 측정에서 유량에 따른 특성을 측정하였다.
또한 제조된 열교환부 단면에는 40x40(mm)로 제작된 열전모듈을 양쪽으로 8개씩 배열하여 한 면당 16개를 조합하였으며 온수와 냉수에서 사이에서 발생되는 열응력으로 인해 굽힘응력을 받게 되므로 두 층을 하나의 단위로 계산하여 2층과 8층의 열전 발전기를 제작하여 실험하였다.
택하였다. 먼저 열전달 특성이 우수하고 가공성이 좋은 6061계 A1 합금을 사용하여 86x23×350(mm)의 크기로서 열전달 특성을 양호하게 하기 위해서 내부에 핀을 설치하여 냉간 압출법으로 제조하였다.8”応
측정하였다. 먼저 일정한 온도를 유지하기 위해서 냉수는 직수를 사용하였으며 열전 발전기를 거쳐 흘러나온 일부를 내보내는 방식을 택하여 일정한 온도를 유지하게 설계하였다. 또한 온수는 온수가열기를 이용하여 실험하였다.
본 연구에서 제작된 열전발전기는 Fig. 2와 같으며 열전모듈의 접촉저항을 줄이기 위한 방편으로 약 5kgf/cm²의 힘으로 열전모듈의 양단에 압력을 가하여 제작하였다.
본 연구에서 제작된 열전발전기의 전력 특성은 저온과 고온의 온도를 일정하게 유지시킨 뒤 Fig. 1의 하단과 같은 열전관에서 온수와 냉수의 유량을 변화시키면서 그때 나타나는 발전 특성을 알아보았다.
스테인리스강으로 제작된 볼트를 이용하여 열전발전기를 가압하였고 토크메타(torque-meter)로 가압력을 조절하였으며 위쪽과 아래쪽에는 100mm의 FRP를 사용하여 열전달을 최소화하였다. 열전모듈은 각 층에 양쪽으로 8개씩 16개이고 8층 구조로 총 128개의 모듈을 사용하였다.
앞 절까지의 내용은 열전냉각모듈로 많이 이용하고 있는 국내제품을 열전발전에 이용한 결과이고 본 절에서는 내부저항을 줄이기 위해 열전재료의 단면적을 넓히고 cell의 개수를 줄여 power module용으로 설겨】, 제작하여 그 특성을 측정하였다. 열전냉각용으로 제작된 모듈을 Peltier module이라고 말하듯이 power modulee 열전발전용으로 사용하기 위해서 제작된 module을 의미하며 본 연구에서는 Altec 1011의 특성을 참고로 제작하였다.
8에서 알 수 있듯이 온, 냉수관의 입, 출구에서의 온도변화를 조사한 후 부하가 있는 상태에서의 결과를 측정하였으며 온도변화를 이용하여 유량에 따른 에너지변화에 따른 전력으로서 열전발전의 효율을 계산하였다. 여기서 온도의 변화가 약 1~2.5℃정도로 그 변화가 작지만 초기의 안정화된 온도를 유지하기 위해서 약 10분간 안정화시킨 다음 부하에 따른 주울열에 의해 발열되는 결과를 조사하였다.
열전냉각용으로 제작된 모듈을 Peltier module이라고 말하듯이 power modulee 열전발전용으로 사용하기 위해서 제작된 module을 의미하며 본 연구에서는 Altec 1011의 특성을 참고로 제작하였다. 발전용 열전모듈로 많이 사용되고 있는 형상을 기초로 설계, 제작한 power module의 특성을 Table 1에 나타내었다.
온수가열기에서 발생되는 온수의 특성은 가열기의 운전과 정지에 따라 온도차가 크게 발생하므로 일정한 온도가 유지되는 온도특성을 파악한 후 시험에 이용하였다. 가열기의 특성상 온수는 주어진 온도로 올라간 후 일정시간 후 최고 정점에 도달하게 되며 최고점을 기준으로 약 2분간 실험을 계속하였다.
〃min으로 조절하였다. 온수과 냉수의 유량은 온수와 냉수를 흘리는 배관의 직경 차이에서 발생되었으며 열전발전 측정에서 유량에 따른 특성을 측정하였다. 그리고 본 실험에서 사용된 측정시스템은 HP34970A 를 사용하였으며 24~26 bit로 측정된 값을 읽을 수 있었으며 6 1/2 자리의 정확성을 가지는 것으로 알려져 있다.

대상 데이터

온수과 냉수의 유량은 온수와 냉수를 흘리는 배관의 직경 차이에서 발생되었으며 열전발전 측정에서 유량에 따른 특성을 측정하였다. 그리고 본 실험에서 사용된 측정시스템은 HP34970A 를 사용하였으며 24~26 bit로 측정된 값을 읽을 수 있었으며 6 1/2 자리의 정확성을 가지는 것으로 알려져 있다.
본 연구의 대상인 열전발전은 양단간의 온도 차에 의해서 기전력이 발생되는 Seebeck 효과를 이용한 것으로 발전기는 열전소자부, 전극부, 단 열부, 방열판으로 구성되어 있다. 열전재료는 사용되는 온도 범위에 따라 적당한 반도체의 n, p 형 소자와의 조합으로 사용되고 소자의 연결에 따라 캐리어의 동작이 거꾸로 되기 때문에 Peltier 소자에서의 전류방향과 반대방향으로 전류가 흐르게 된다.
여기서 사용된 키 재료는 고온과 저온이 만나는 부위 이 므로 고강도 섬 유보강 에폭시 로서 금속보다 우수한 강도와 아주 낮은 열전달 특성을 가지고 있어 열팽창으로 인한 열응력에는 견디고 열전달은 잘 되지 않는 기능을 가지게 된다. 또한 제조된 열교환부 단면에는 40x40(mm)로 제작된 열전모듈을 양쪽으로 8개씩 배열하여 한 면당 16개를 조합하였으며 온수와 냉수에서 사이에서 발생되는 열응력으로 인해 굽힘응력을 받게 되므로 두 층을 하나의 단위로 계산하여 2층과 8층의 열전 발전기를 제작하여 실험하였다.
FRP를 사용하여 열전달을 최소화하였다. 열전모듈은 각 층에 양쪽으로 8개씩 16개이고 8층 구조로 총 128개의 모듈을 사용하였다.

성능/효과

(1) 32개의 열전냉각용 소자를 사용하여 28W 의 출력을 얻을 수 있었으며 이때 양단간의 온도차는 65.5K이 었으며 0.01336W/(module . K)의특성을 얻었다.
(2) 양단간의 온도를 일정하게 유지시킨 다음 온수와 냉수의 유량을 변화시킨 결과 최대 전력은 냉수의 유량의 변화에 더 민감하였다. .
(3) 열전발전용 power module을 사용한 열전발전기에서 열전발전특성을 분석한 결과 열전 발전기의 최대출력은 온도차만의 함수로 나타낼 수 있으며 온도차의 2차 방정식으로 나타난다.
(4) power module을 사용하고 온, 냉수를 이용한 열전발전에서 1.04%의 발전효율을 확인하였으며 국내에서 최대 효율을 얻었다.
본 시험에서 얻어진 최대전력은 28W로서 32개의 모듈을 사용하여 65.5℃의 온도차를 이용한 열전발전 실험결과이다. 이는 하나의 module당「C의 온도차에 의해 약 0.

후속연구

담고 있다. 열전발전은 얻어진 에너지의 효율이 낮은 것이 단점이긴 하나 지구의 열적인 환경 오염을 막을 수 있는 방편으로 사용가능할 것으로 생각된다.

참고문헌 (15)

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상세보기
Woo, B. C., Lee, D. Y., Lee, H. W., Suh, C. M., and Ha, J. H., 1999, 'Manufacturing & Characteristics of Thermoelectric Generator with Pelter Module,'' Proc. of Advanced Materials Development & Performance, pp. 782-787
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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