[논문]고전력 전자소자에서 열전생성기의 생성효율과 열적성능

김경준

doi:10.5916/jkosme.2012.36.1.51

초록
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본 논문은 고파워 전자소자의 폐열로부터 에너지 수확을 목적으로 하는 열전생성기의 생성효율과 열적 성능에 대하여 논한다. 열경계저항을 포함하는 열전모델이 적용되어 생성효율과 고전력 전자소자의 junction 온도를 예측하였고 그 결과는 실험치로 검증되어진다. 검증결과는 예측치와 계측치의 오차가 작음을 보인다. 검증후 열전모델은 다양한 로드저항과 열원의 열율에서 생성효율, 열전생성기 양면의 온도차, 소자의 junction 온도를 예측한다. 본 연구는 로드저항이 생성효율, 열전생성기 양면의 온도차, junction 온도에 미치는 영향에 대해서도 탐구한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reports the generation efficiency and the thermal performance of a thermoelectric generator (TEG) harvesting energy from the waste heat of high power electronic components. A thermoelectric (TE) model containing thermal boundary resistances is used to predict generation efficiency and jun...

This paper reports the generation efficiency and the thermal performance of a thermoelectric generator (TEG) harvesting energy from the waste heat of high power electronic components. A thermoelectric (TE) model containing thermal boundary resistances is used to predict generation efficiency and junction temperature of a high power electronic component. The predicted results are verified with measured values, and the discrepancy between prediction and measurement is seen to be moderate. The verified TE model predicts generation efficiencies, junction temperatures of the component, and temperature differences across a TEG at various source heat flows associated with various electrical load resistances. This study explores effects of the load resistance on the generation efficiency, the temperature difference across a TEG, and the junction temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 우선 열전모델을 논하고, 모델이 예측하는 효율과 junction 온도를 검증하기 위한 실험장치 및 방법을 소개하고, 예측치의 검증 결과를 보여준다. 논문은 검증된 열전모델을 적용하여 생성효율, TEG 온도차, junction 과 대기의 온도차를 다양한 로드저항과 열원의 열율에 대하여 예측하고 분석한 결과에 대해서도 논한다.
본 논문은 고전력 전자소자에서 폐열을 회수하기위한 열전생성기의 생성효율과 열적성능에 대하여 보고한다. 열경계저항으로 표현되는 열전생성기의 경계조건을 갖는 열전모델이 고전력 소자의 junction 온도와 생성효율을 예측하기 위해 이용되어졌고, 이 결과는 계측결과와 비교되어 모델이 검증되었다.
본 연구에서는 고전력 전자소자에서 TEG를 적용한 에너지 수확효율과 열적성능에 대한 연구를 수행하였다. 본 논문은 우선 열전모델을 논하고, 모델이 예측하는 효율과 junction 온도를 검증하기 위한 실험장치 및 방법을 소개하고, 예측치의 검증 결과를 보여준다. 논문은 검증된 열전모델을 적용하여 생성효율, TEG 온도차, junction 과 대기의 온도차를 다양한 로드저항과 열원의 열율에 대하여 예측하고 분석한 결과에 대해서도 논한다.
본 연구에서는 고전력 전자소자에서 TEG를 적용한 에너지 수확효율과 열적성능에 대한 연구를 수행하였다. 본 논문은 우선 열전모델을 논하고, 모델이 예측하는 효율과 junction 온도를 검증하기 위한 실험장치 및 방법을 소개하고, 예측치의 검증 결과를 보여준다.
열전모델이 예측한 효율과 junction 온도를 계측된 효율과 junction 온도와 비교하여 모델을 검증하였고 그 결과를 이장에서 보여주고 있다. 식 (8)이 보여주듯이, 효율은 카노효율대비 상대효율이고, 이를 다시 주지시키고자 한다.

제안 방법

이동식 풍동의 크기는 120mm×120mm×400mm 이고, 50mm 두께의 honeycomb이 풍동의 입구에 설치되어 유동의 균일성을 향상시킨다. shunt resistor에 생성된 전압을 측정하여 결정된 전류값과 로드 resistor에서 측정된 전압을 곱하여 생성전력을 구하고, 전력을 투입한 열율로 나누어 생성효율을 구한다. junction 온도는 세라믹 히터에 내장된 센서로 계측되고, 대기온도는 heat sink 출입부에 설치된 열전대로 계측된다.
본 논문은 고전력 전자소자에서 폐열을 회수하기위한 열전생성기의 생성효율과 열적성능에 대하여 보고한다. 열경계저항으로 표현되는 열전생성기의 경계조건을 갖는 열전모델이 고전력 소자의 junction 온도와 생성효율을 예측하기 위해 이용되어졌고, 이 결과는 계측결과와 비교되어 모델이 검증되었다. 열전모델을 적용하여 다양한 로드저항과 열원의 열율에 대하여, 카노효율에 대한 상대적 생성효율, 열전 생성기의 저온면과 고온면의 온도차, 그리고 junction 온도와 대기온도의 차를 예측하였다.
열경계저항으로 표현되는 열전생성기의 경계조건을 갖는 열전모델이 고전력 소자의 junction 온도와 생성효율을 예측하기 위해 이용되어졌고, 이 결과는 계측결과와 비교되어 모델이 검증되었다. 열전모델을 적용하여 다양한 로드저항과 열원의 열율에 대하여, 카노효율에 대한 상대적 생성효율, 열전 생성기의 저온면과 고온면의 온도차, 그리고 junction 온도와 대기온도의 차를 예측하였다.
현 연구에서는 열전모델을 적용하여 예측된 에너지 변환효율과 열원의 junction 온도를 계측결과와 비교하여 모델을 검증하기 위해 실험이 수행되었고, Figure 2는 실험장치를 보여준다.

대상 데이터

test vehicle은 TEG와 센서가 장착된 세라믹 히터, heat sink로 구성되어진다. 사용된 TEG는 Marlow TEG(TG 12-2.
사용된 TEG는 Marlow TEG(TG 12-2.5)이고, TEG의 footprint 면적은 30mm×34mm이고, thermocouple의 수는 127이고, pellet의 높이는 1.78mm이며, pellet의 단면적은 0.98mm2이다.

성능/효과

계측값과 예측값의 차이는 pellet의 물성치가 온도에 종속적인 점과, 예측된 TEG 고온면과 저온면에서의 열저항들과 실제 test vehicle의 TEG 계면에서의 열저항들 사이의 오차에서 기인한 것으로 보인다. 따라서 온도 종속적인 물성치와 TEG의 경계조건의 복잡성을 고려할 때, 상대효율의 예측값과 계측값의 차이는 크지 않은 오차라고 볼 수 있다.
이는 열원에서의 전도열이 열전생성기양면의 온도 차에 미치는 영향이 생성전력이 미치는 영향보다 더 크기 때문이다. 넷째, 로드저항의 증가에 따라 junction 온도와 대기온도의 차는 증가함을 보이지만 그 변화율은 서서히 감소한다. 이는 언급했던 양면온도차의 로드저항에 대한 행동양식으로 설명이 가능하다.
둘째, 로드저항이 증가할수록 열전생성기양면의 온도차가 증가하지만, 로드저항 대비 양면온도차의 변화율이 서서히 감소한다. 셋째, 열율의 증가에 따라 양면의 온도차는 거의 선형적으로 증가한다.
둘째, 로드저항이 증가할수록 열전생성기양면의 온도차가 증가하지만, 로드저항 대비 양면온도차의 변화율이 서서히 감소한다. 셋째, 열율의 증가에 따라 양면의 온도차는 거의 선형적으로 증가한다. 이는 열원에서의 전도열이 열전생성기양면의 온도 차에 미치는 영향이 생성전력이 미치는 영향보다 더 크기 때문이다.
첫째 최대효율은 열율에 관계없이 10Ω에서 발생하고, 열원의 열율이 증가함에 따라 효율이 증가한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TEG는 어떻게 이루어지는가?	TEG 는 다수의 thermocouple로 구성되어지며, thermocouple 은 pellets, interconnects, 단열층으로 이루어진다. Pellet 은 p 또는 n형의 반도체소자이며, 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결되어져 있다.
	Pellet의 특징은?	TEG 는 다수의 thermocouple로 구성되어지며, thermocouple 은 pellets, interconnects, 단열층으로 이루어진다. Pellet 은 p 또는 n형의 반도체소자이며, 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 연결되어져 있다.
	중장거리 무선통신에 적용되는 전력증폭소자와 같은 고파워소자에서 열전수확에 대한 연구의 한계는?	중장거리 무선통신에 적용되는 전력증폭소자와 같은 고파워소자에서 열전수확에 대한 연구가 최근에 보고되었는데, 열전모델의 개발과 실험을 통한 검증 그리고 한정적 변수범위 내에서 생성되는 전력과 고 파워소자의 junction 온도의 분석에 중점을 둔 연구결과였다[8,9]. 하지만 고파워소자에서 열전생성기의 TEG 고온면과 저온면의 온도차와 같은 열적성능과 전력생성효율을 다양한 패리미터에서 예측, 분석한 연구결과는 구체적으로 보고되지 않았다.

참고문헌 (10)

D. M. Rowe, CRC Handbook of Thermoelectrics, CRC, Boca Raton, USA, 1995.
K. Ikoma, M. Munekiyo, K. Furuya et al., "Thermoelectric module and generator for gasoline engine vehicles", Proceedings of the 17th Int. Conf. on Thermoelectrics, Nagoya, Japan, pp. 464-467, 1998.
T. Kajikawa, "Status and future prospects on the development of thermoelectric power generation systems utilizing combustion heat from municipal solid waste", Proceedings of the 16th Int. Conf. on Thermoelectrics, Dresden, Germany, pp. 28-36, 1997.
G. L. Solbrekken, K. Yazawa, and A. Bar-Cohen, "Heat driven cooling of portable electronics using thermoelectric technology", IEEE Trans. Adv. Packaging, vol. 31, pp. 429-437, 2008.

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K. Yazawa, G. L. Solbrekken, and A. Bar-Cohen, "Thermoelectric powered convective cooling of microprocessors", IEEE Trans. Adv. Packaging, vol. 28, pp. 231-239, 2005.

상세보기
A. I. Hochbaum, R. Chen, R. D. Delgado et al., "Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires", Nature, vol. 451 (7175), pp. 163-167, 2008.

상세보기
K. F. Hsu, S. Loo, F. Guo et al., "Cubic AgPbmSbTe2+m: bulk thermoelectric materials with high figure of merit", Science, vol.303 (5659), pp. 818-821, 2004.

상세보기
K.J. Kim, F. Cottone, S. Goyal et al., "Energy scavenging for energy efficiency in networks and applications", Bell Labs Tech. J. vol.15, no.2, pp. 7-30, 2010.

상세보기
K.J. Kim, "Thermoelectric energy recovery from power amplifier transistors", Proceedings of the 14th Int. Heat Transfer Conf., Washington D.C., U.S.A, 22892, 2010.
Product specification sheets, Marlow Industries Inc., 2009.

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