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문제 정의
- 즉 각 모델별로 펠렛의 개수에 따라 개방회로전압이나 정격 전압을 고정시킨 후 펠렛의 사이즈, 특히 길이를 변화시켜 세부 모델 사양을 정하게 된다. 따라서 같은 종류의 펠렛을 사용하는 열전모듈에 대해서 각 펠렛사이즈에 따른 발전 특성을 예측할 수 있는 상기의 해석 방법과 결과는 열전발전 시스템을 설계하는데 있어 상용되고 있는 열전모듈을 적절히 선정할 수 있는 기본적인 정보를 제공한다.
- 따라서 본 연구에서는 열전모듈의 발전 성능을 예측하기 위한 해석방법을 수립하고, 실험 결과와 비교하여 해석식의 타당성 검증 과정을 통해 운전 온도 변화에 따른 열전모듈의 발전 거동 특성을 예측할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 열전발전에 사용되는 열전모듈에 대해 일반적인 상용 모델의 성능을 예측할 수 있는 해석 식을 수립하였고, 실험을 통한 검증과정을 거쳐 해석식의 정확도를 높일 수 있는 방법을 제시하였다.
- 본 연구에서는 해석식의 타당성 검증 및 운전온도에 따른 열전모듈의 발전 특성을 좀 더 자세히 분석하기 위해 해석 식에 사용된 모델 중 특정 모델을 선정하여 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 수행하였다. Table 1에 제시된 모델에 대한펠렛의 기하학적인 특성, 전기적 내부 저항, 그리고 그에 따른 전기적 저항력은 Beijing Huimao Cooling Equipment Co., LTd"&의 모델을 참고하였으며, 접촉에 의한 전기적 저항과 열적 저항은 전체 펠렛의 내부 저항과 열전도도 대비 각각 5%와 10%의 비율로 정하였다.
- 고온부 온도와 양단 온도차에 따른 열전모듈의 발전 성능을 측정하기 위해 각 조건에서의 초기 개방 회로 전압을 측정한 후 전기부하기의 외부 저항, 즉 발전전류를 순차적으로 증가시키면서 각각의 출력전압을 측정하였다. 이때 발전전류가 증가함에 따라 열전모듈의 흡열량 및 발전량이 변하기 때문에 고온부와 저온부 온도가 변하게 된다.
- 다시 말해 해석 식에서는 같은 온도차 조건이면 고온부 온도에 상관없이 같은 출력 전압과 전류가 나타나지만 실험 결과에서는 발전 성능 저감이 관찰된 것이다. 따라서 이를 규명하기 위해 해석과 실험 결과의 비교 분석을 통해 좀 더 자세히 살펴보았다.
- 즉 고온부는 열전모듈의 접촉 면적과 같은 크기로 카트리지 히터 (20V-40W)를 장착하여 고온부 온도를 제어하였으며, 저온부에 대해서는 일정한 온도로 유지시키기 위해서 열전모듈을 방열판 및 팬과 함께 열전냉각 방식으로 운전하였다. 또한 외부로의 열손실을 막기 위해 방열판과 팬을 제외한 모든 부위를 단열 처리하였다. 카트리지 히터, 냉각팬, 열전모듈의 전원은 DC 전원공급 장치 (Agilent E3232A, E3648A)를 사용하여 개별적으로 전력을 공급하였으며, 전기부하기(KI KUSUI PLZ334W)를 사용하여 외부 부하를 변화시키면서 열전모듈의 발전량을 측정하였다.
- 본 연구에서는 앞서 설명한 해석식과 Table 1 에 제시된 열전모듈 세부 사양을 바탕으로 해석을 수행하였다. Table 1에 제시된 모델에 대한펠렛의 기하학적인 특성, 전기적 내부 저항, 그리고 그에 따른 전기적 저항력은 Beijing Huimao Cooling Equipment Co.
- 본 연구에서는 운전 온도에 따른 펠렛의 전기적 내부 저항의 변화를 해석 식에 반영하기 위해 다음과 같은 수정된 저항력 pm을 적용한다.
- 실험을 수행하였다. 실험은 고온부 온도를 일정하게 유지한 후 양단 온도차를 변화시키면서 진행하였다. Fig.
- 3은 앞서 해석한 전체 모델 중 특정 모델(Model-05)을 선정하여 운전 온도 조건에 따른 발전 특성을 해석한 결과이다. 열전모듈의 고온부 온도는 Th = 85℃로 유지하면서 양단 온도차를 20, 30, 40 ℃로 변화시켰다. 해석 결과 외부 저항 증가에 따라 출력 전류, 전압, 전력 모두 전형적인 성능 곡선 양상을 보여주고 있으며, 열전모듈의 양단 온도차가 증가할수록 발전성능 또한 증가하는 모습을 보이고 있다.
- 카트리지 히터, 냉각팬, 열전모듈의 전원은 DC 전원공급 장치 (Agilent E3232A, E3648A)를 사용하여 개별적으로 전력을 공급하였으며, 전기부하기(KI KUSUI PLZ334W)를 사용하여 외부 부하를 변화시키면서 열전모듈의 발전량을 측정하였다. 열전모듈의 고온부와 저온부 온도를 측정하기 위해 양단에 알루미늄 블록을 위치시켜 중앙에 열전대 (T-type)를 삽입하여 온도를 측정하였으며, 온도 값은 데이터 수집 장치(Yokogawa DA100)를 사용하여 기록하였다. 또한 각각의 알루미늄 블록과 열전모듈 사이에 접촉 열저항을 최소화시키기위해 TIM(thermal interface material) 인 써멀 그리스(MOMENTIVE YG6111)를 사용하였다.
- 좀 더 다양한 운전 온도 조건에서의 발전 특성을 알아보기 위해 본 실험에서는 고온부 온도Th = 70 ℃와 Th = 100 ℃에 대해 동일한 양단 온도차 20, 30, 40 ℃를 적용하였고 그에 대한 출력 전압과 전류에 대한 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 그래프로부터 모든 실험 조건에 대해 외부 저항이 증가할수록 출력 전압은 증가하고, 출력 전류는 감소함을 확인할 수 있으며 양단 온도차가 증가할수록 출력 전압의 증가량 및 출력 전류의 감소량이 더욱 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 4는 본 연구에 사용된 실험장치 개략도로서고온부와 저온부의 온도를 제어할 수 있도록 설계되었다. 즉 고온부는 열전모듈의 접촉 면적과 같은 크기로 카트리지 히터 (20V-40W)를 장착하여 고온부 온도를 제어하였으며, 저온부에 대해서는 일정한 온도로 유지시키기 위해서 열전모듈을 방열판 및 팬과 함께 열전냉각 방식으로 운전하였다. 또한 외부로의 열손실을 막기 위해 방열판과 팬을 제외한 모든 부위를 단열 처리하였다.
- 또한 외부로의 열손실을 막기 위해 방열판과 팬을 제외한 모든 부위를 단열 처리하였다. 카트리지 히터, 냉각팬, 열전모듈의 전원은 DC 전원공급 장치 (Agilent E3232A, E3648A)를 사용하여 개별적으로 전력을 공급하였으며, 전기부하기(KI KUSUI PLZ334W)를 사용하여 외부 부하를 변화시키면서 열전모듈의 발전량을 측정하였다. 열전모듈의 고온부와 저온부 온도를 측정하기 위해 양단에 알루미늄 블록을 위치시켜 중앙에 열전대 (T-type)를 삽입하여 온도를 측정하였으며, 온도 값은 데이터 수집 장치(Yokogawa DA100)를 사용하여 기록하였다.
대상 데이터
- 열전모듈의 고온부와 저온부 온도를 측정하기 위해 양단에 알루미늄 블록을 위치시켜 중앙에 열전대 (T-type)를 삽입하여 온도를 측정하였으며, 온도 값은 데이터 수집 장치(Yokogawa DA100)를 사용하여 기록하였다. 또한 각각의 알루미늄 블록과 열전모듈 사이에 접촉 열저항을 최소화시키기위해 TIM(thermal interface material) 인 써멀 그리스(MOMENTIVE YG6111)를 사용하였다.
- 본 연구에서는 해석 모델 중 Model-05를 선정하여 실험을 수행하였다. 실험은 고온부 온도를 일정하게 유지한 후 양단 온도차를 변화시키면서 진행하였다.
성능/효과
- (1) 열전모듈은 외부 저항이 증가함에 따라 출력전압은 증가하고 출력 전류는 감소하는 경향을 보이며 출력 전력은 증가하다가 감소하면서 최대 점이 존재하는 특성을 보였다.
- (2) 열전모듈의 펠렛 길이가 감소함에 따라, 즉 내부 저항이 감소함에 따라 발전 성능은 증가함을 보였고, 동일한 열전모듈에서는 열전모듈의 양단 온도 차가 증가할수록 발전 성능이 증가하였다.
- (3) 운전 온도 조건에 따른 펠렛의 전기적 내부저항의 변화를 고려하지 않았을 경우 해석 및 실험 결과의 비교에서 두 결과의 경향성은 일치하였으나 각 외부 저항에서의 전압, 전류, 전력 값은 차이를 보였다.
- (4) 실험으로부터 열전모듈의 운전 온도 조건에 따른 펠렛의 전기적 내부 저항의 변화를 1차 다항식으로 근사하였고, 수정된 펠렛의 전기적 내부 저항 값을 해석 식에 적용한 결과 실험 결과와 잘 일치하였다.
- (5) 열전모듈의 운전 온도, 즉 열전모듈 평균 온도 변화에 따른 펠렛의 전기적 내부 저항의 변화는 열전 발전 시스템을 설계하는데 있어 반드시 고려되어야 할 중요한 변수이다.
- 본 해석에 사용된 열전모듈은 Table 1과 같이 펠렛의 전체 개수와 전기적 저항력은동일 하지만 펠렛 사이즈, 특히 펠렛 길이가 모두 다르며 그에 따라 전기적 내부 저항도 다른 값을 보이고 있다. Fig. 2 로부터 전기적 내부 저항 Ri7} 감소할수록 열전모듈의 출력전압, 전류, 전력은 모두 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 외부 부하 RL이 작은 구간에서 이러한 경향성은 더욱 뚜렷하게 나타나며 외부 부하 Rl<>] 증가할수록 전기적 내부 저항 에 따른 영향성은 점점 감소하게 된다. 특히 출력 전류는 전기적 내부저항 Ri7\ 증가함에 따라 특정 외부 부하 이상의 영역에서는 그 효과가 없어지거나 오히려 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 6에 나타내었다. 그래프로부터 모든 실험 조건에 대해 외부 저항이 증가할수록 출력 전압은 증가하고, 출력 전류는 감소함을 확인할 수 있으며 양단 온도차가 증가할수록 출력 전압의 증가량 및 출력 전류의 감소량이 더욱 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 고온부 온도가 70 ℃ 와 100 ℃ 일 때 양단 온도 차가 증가함에 따라 열전모듈의 출력 전압과 전류는 마찬가지로 상승하였다.
- 8과 같다. 그래프로부터 열전모듈의 전기적 내부 저항 값은 양단 온도차가 동일한 조건에서는 고온부 온도가 상승하면 함께 증가하고, 고온부 온도가 동일한 조건에서는 양단 온도 차가 증가할수록 오히려 감소하는 경향성을 보이고 있다. 이러한 운전 온도 조건에 대한 열전모듈의 전기적 내부 저항의 변화 양상을 열전모듈의 양단 온도차를 평균한 T"값으로 변환하여 살펴보면 Fig.
- 9와 같다. 그래프로부터 열전모듈의 평균온도가 증가할수록 펠렛의 전기적 내부 저항은 거의 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 본 실험에 사용된 열전모듈 Model-05에 대해서 제조사에서 제공하는 전기적 내부 저항 값은 1.
- 5는 Model-05에 대해서 고온부 온도 7X = 85 ℃로 유지하면서 양단 온도차를 20, 30, 40 ℃로 변화시켰을 때의 발전 특성 결과이다. 그래프로부터 외부 저항 변화에 따라 전체적인 출력 전압, 전류, 전력은 앞선 해석 결과와 거의 일치하는 경향성을 보임을 알 수 있다. 즉 외부저항이 증가함에 따라 출력 전압은 증가하고 출력전류는 감소하며 출력 발전은 최대점이 존재하는 발전 특성 및 열전모듈의 양단 온도차가 증 가할수록 출력 전압, 전류, 전력이 모두 상승하는 경향성을 뚜렷이 보이고 있다.
- 9에서 나타난 것과 같이, 본 연구에서 변화된 운전 온도 조건 중 최소 평균 온도인 50℃ 값과 비교하더라도 제조사 제공 저항 값과 약 10%, 최대평균 온도인 90 ℃ 값과 비교하면 약 45%의 차이를 보인다. 따라서 본 연구에서의 실험 운전 온도 조건에서만 보더라도 온도에 따른 전기적 내부 저항의 변화량이 매우 크기 때문에, 운전 온도 조건에 따라 변화하는 펠렛의 전기적 내부 저항은 결코 간과해서는 안 되는 중요한 변수임을 확인할 수 있다. 더욱이 열전모듈을 열전발전에 사용할 때의 일반적인 온도 조건은 상대적으로 높은 고온부 온도와 큰 온도차 경우가 대부분이므로 열전모듈의 평균 온도에 따른 전기적 내부 저항 감소는 반드시 고려되어야 한다.
- 앞선 실험 결과에서 열전모듈의 온도차가 동일한 조건에서 고온부 온도가 상승할수록 열전모듈의 출력 전압과 전류가 감소하는 현상이 관찰되었다. 이는 바로 열전모듈의 전기적 내부 저항이 증가한 이유로서 설명될 수 있다.
- 실질적으로 이 값은 Th = 27 ℃, AT = 0 ℃ 조건에서의 값으로서 현장 설계에서의 초기입 력 값으로 채택하기에는 무리가 따른다. 즉 Fig. 9에서 나타난 것과 같이, 본 연구에서 변화된 운전 온도 조건 중 최소 평균 온도인 50℃ 값과 비교하더라도 제조사 제공 저항 값과 약 10%, 최대평균 온도인 90 ℃ 값과 비교하면 약 45%의 차이를 보인다. 따라서 본 연구에서의 실험 운전 온도 조건에서만 보더라도 온도에 따른 전기적 내부 저항의 변화량이 매우 크기 때문에, 운전 온도 조건에 따라 변화하는 펠렛의 전기적 내부 저항은 결코 간과해서는 안 되는 중요한 변수임을 확인할 수 있다.
- 이는 바로 열전모듈의 전기적 내부 저항이 증가한 이유로서 설명될 수 있다. 즉 동일한 양단 온도차에서 고온부 온도가 증가하게 되면 결과적으로 열전모듈 전체의 평균온도인 7그이 상승하게 되고 Fig. 9에서 알 수 있듯이 전기적 내부 저항이 그만큼 증가하여 결과적으로 열전모듈의 발전 성능이 저감된 것이다. 또한 해석 결과인 Fig.
- 그래프로부터 외부 저항 변화에 따라 전체적인 출력 전압, 전류, 전력은 앞선 해석 결과와 거의 일치하는 경향성을 보임을 알 수 있다. 즉 외부저항이 증가함에 따라 출력 전압은 증가하고 출력전류는 감소하며 출력 발전은 최대점이 존재하는 발전 특성 및 열전모듈의 양단 온도차가 증 가할수록 출력 전압, 전류, 전력이 모두 상승하는 경향성을 뚜렷이 보이고 있다.
- 열전모듈의 고온부 온도는 Th = 85℃로 유지하면서 양단 온도차를 20, 30, 40 ℃로 변화시켰다. 해석 결과 외부 저항 증가에 따라 출력 전류, 전압, 전력 모두 전형적인 성능 곡선 양상을 보여주고 있으며, 열전모듈의 양단 온도차가 증가할수록 발전성능 또한 증가하는 모습을 보이고 있다. 또한 최대 전력점이 나타나는 외부 저항 값 Kze 각각 양단 온도차별로 모두 동일한 점에서 나타난다.
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