[논문]자동차 배기폐열 회수용 열전발전 시스템의 성능에 관한 연구

이대웅

doi:10.6110/kjacr.2014.26.6.287

자동차 배기폐열 회수용 열전발전 시스템의 성능에 관한 연구
Experimental Study on Thermoelectric Generator Performance for Waste Heat Recovery in Vehicles 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.6, 2014년, pp.287 - 293

이대웅 (한라비스테온공조 연구본부)

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Internal combustion engines release 30~40% of the energy from fossil fuels into the atmosphere in the form of exhaust gases. By utilizing this waste heat, plenty of energy can be conserved in the auto industry. Thermoelectric generation is one way of transforming the energy from engine's exhaust gases into electricity in a vehicle. The thermoelectric generators located on the exhaust pipe have been developed for vehicle applications. Different experiments with thermoelectric generators have been conducted under various test conditions as following examples: hot gas temperature, hot gas mass flow rate, coolant temperature, and coolant mass flow rate. The experimental results have shown that the generated electrical power increases significantly with the temperature difference between the hot and the cold side of the thermoelectric generator and the gas flow rate of the hot-side heat exchanger. In addition, the gas temperature of the hot-side heat exchanger decreases with the length of the thermoelectric generator, especially at a low gas flow rate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(4)은 열전발전시스템의 기초연구로 가솔린 차량에서 전력 및 배기 열에너지를 측정하고 분석하여 열전발전시스템의 적용 가능성을 검토하였다. 차대 동력계에서 시가지 주행모드인 CVS-75 모드와 고속주행 모드인 HWFET 모드로 주행하면서 전력부하를 조절하면서 실험하여 배기가스의 온도가 200℃ 이상이 되어야 비교적 양호한 열전발전이 될 수 있음을 제시하였다.
Table 2는 버너 시험 장치에서 열전발전 시스템의 성능특성을 확인하기 위하여 실험한 실험조건이다. 고온측의 가스온도와 유량, 그리고 저온측의 냉각수 온도와 유량을 변경하면서 성능에 미치는 영향을 연구 하였다.
본 연구에서는 차량에서 배기가스로 버려지는 폐열을 열전모듈을 이용하여 회수하는 열전발전시스템에 대하여 연구를 진행하였다. 실제 차량의 배기계를 분석하여 각 부위별 배기가스 온도를 측정하였고, 이를 바탕으로 제작된 열전발전 시스템에 냉각시스템을 설치하여 연소기에서 연소온도와 유량을 변경하면서, 발전성능을 실험하고 성능에 미치는 영향을 연구하여 열전발전 시스템의 설계 기초를 수립하였다.
차량에서 배기가스로 버려지는 폐열을 회수하는 열전발전 시스템에 대하여 연구를 하였다. 차량의 배기가스와 가스유량, 냉각수의 온도와 유량을 변경하면서 열전발전 시스템의 발전성능 특성을 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

본 연구에서는 차량에서 배기가스로 버려지는 폐열을 열전모듈을 이용하여 회수하는 열전발전시스템에 대하여 연구를 진행하였다. 실제 차량의 배기계를 분석하여 각 부위별 배기가스 온도를 측정하였고, 이를 바탕으로 제작된 열전발전 시스템에 냉각시스템을 설치하여 연소기에서 연소온도와 유량을 변경하면서, 발전성능을 실험하고 성능에 미치는 영향을 연구하여 열전발전 시스템의 설계 기초를 수립하였다.
실차주행 시험으로 구해진 배기가스 온도를 이용하여, 열전발전 시스템의 발전성능 특성을 실험하였다. 실험은 Fig.
실험 장치에서 열전발전 시스템의 고온측 열교환기 입구와 출구에는 보호관(sheath) 열전대들을 삽입하여 온도를 측정하였으며, 정밀도 ±0.1% F.S의 차압계를 설치하여 배기가스의 압력손실을 측정하였다.
9는 열전발전 시스템의 변환효율을 보여주고 있다. 실험은 고온열교환기를 통과하는 가스의 온도변화에 따라 전력변환효율을 나타낸 것이다. Fig.
6에 열전발전 시스템에서 모듈 양단간의 온도 차와 고온가스의 유량이 발전 성능에 미치는 영향을 비교하였다. 실험은 냉각수 온도를 30℃로 고정하고, 고온 열교환기를 통과하는 가스온도와 유량을 변경하면서 실험하였다. 실험결과를 보면 가스온도가 증가하면서 발전량도 2차 함수 형태로 증가하였다.
열전발전은 열전소자의 양단간의 온도차에 의하여기전력이 발생되는 제벡효과를 이용한 원리로, 열전발전 시스템에서 배기가스로 버려지는 폐열을 회수하기 위해서는 고온가스의 상태와 특성을 확인할 필요가 있다. 실험은 환경제어풍동에 현대자동차에서 생산한 제네 시스 차량을 설치하고, 엔진후단부터 최종 배기가스 토출 말단까지 배기계에 각 부위별로 열전대를 설치하고 다양한 차속과 평지주행, 등판주행 등에 대하여 배기 가스 온도를 측정하였다.
전체 열전발전 시스템은 3단으로 적층하여 제작하였으며, 한단에 앞뒤로 Hi-Z사 열전소자가 4개씩 8개가 나란히 부착되어 있고, 열전소자와 고온열교환기의 접합에는 배기가스의 온도를 견디기 위하여 얇은 탄소판(carbon sheet)을 사용하였다. 열전발전 시스템의 조립에는 적층 후 적절한 압력으로 눌러줄 수 있는 조임틀(clamp)을 이용하여 조립하였다.
5는 열전발전 시스템의 발전성능을 나타낸 것이다. 저온부의 냉각수 온도는 30℃로 고정한 상태에서 고온가스의 온도를 변화하면서 열전발전 시스템의 출력특성을 살펴보았다. Fig.
S의 차압계를 설치하여 배기가스의 압력손실을 측정하였다. 저온측 열교환기 입구와 출구는 T타입의 열전대를 이용하여 냉각수 온도를 측정하였고, 질량유량계를 설치하여 냉각수의 유량을 측정하였다.
저온 열교환기는 알루미늄 소재의 다채널 튜브로 유로는 유턴(U-turn)방식이다. 전체 열전발전 시스템은 3단으로 적층하여 제작하였으며, 한단에 앞뒤로 Hi-Z사 열전소자가 4개씩 8개가 나란히 부착되어 있고, 열전소자와 고온열교환기의 접합에는 배기가스의 온도를 견디기 위하여 얇은 탄소판(carbon sheet)을 사용하였다. 열전발전 시스템의 조립에는 적층 후 적절한 압력으로 눌러줄 수 있는 조임틀(clamp)을 이용하여 조립하였다.
⁽⁴⁾은 열전발전시스템의 기초연구로 가솔린 차량에서 전력 및 배기 열에너지를 측정하고 분석하여 열전발전시스템의 적용 가능성을 검토하였다. 차대 동력계에서 시가지 주행모드인 CVS-75 모드와 고속주행 모드인 HWFET 모드로 주행하면서 전력부하를 조절하면서 실험하여 배기가스의 온도가 200℃ 이상이 되어야 비교적 양호한 열전발전이 될 수 있음을 제시하였다.
차량에서 배기가스로 버려지는 폐열을 회수하는 열전발전 시스템에 대하여 연구를 하였다. 차량의 배기가스와 가스유량, 냉각수의 온도와 유량을 변경하면서 열전발전 시스템의 발전성능 특성을 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

열전소자는 미국 Hi-Z사 제품으로 Bi-Te소재의 열전소자 24개를 사용하였다. 고온 열교환기는 스테인리스 스틸 소재를 사용하였으며, 열교환 효율을 높이기 위하여 내부에 핀이 부착되어 있다. 저온 열교환기는 알루미늄 소재의 다채널 튜브로 유로는 유턴(U-turn)방식이다.
실차주행 시험으로 구해진 배기가스 온도를 이용하여, 열전발전 시스템의 발전성능 특성을 실험하였다. 실험은 Fig. 1과 같이 버너 시험 장치를 이용하여 진행하였으며, 주요구성은 배기가스의 온도 및 유량을 모사할 수 있는 배기가스 공급장치, 열전발전 시스템의 저온부에 냉각수를 공급하기위한 냉각수 공급 장치 및 발전된 전력을 제어하기 위한 전력부하기로 구분할 수 있다.
2에 나타내었다. 열전소자는 미국 Hi-Z사 제품으로 Bi-Te소재의 열전소자 24개를 사용하였다. 고온 열교환기는 스테인리스 스틸 소재를 사용하였으며, 열교환 효율을 높이기 위하여 내부에 핀이 부착되어 있다.

성능/효과

(1) 발전 성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 열전발전 시스템의 양단 온도차이며, 온도차가 클수록, 가스유량이 많을수록 고온열교환기에서 회수하는 열량이 많아져 발전성능은 높게 나타났다.
(2) 전류가 증가함에 따라 발전전압은 점차로 선형적으로 감소하였으며, 발전량은 점차로 증가하다가 최고점을 보인 이후 점차로 감소하였다.
(3) 변환효율도 전류가 증가함에 따라 점차로 증가하다가, 최고점을 보인 이후 점차로 감소하였으며, 모듈 양단온도차가 클수록, 가스유량이 증가할수록 변환효율도 증가하였다.
(4) 저온열교환기에서 냉각수 유량은 10ℓ/min 이상에서는 성능에 영향이 거의 없었으며, 냉각수의 온도는 높을수록 발전성능은 감소하였지만, 영향은 크지 않았다.
실험결과를 보면 가스온도가 증가하면서 발전량도 2차 함수 형태로 증가하였다. 가스유량이 300 kg/h에서 가스온도 150℃와 500℃의 발전량을 비교해 보면 약 10배 정도 차이가 나고, 가스온도가 500℃일 때 가스유량 50 kg/h과 300 kg/h의 발전량을 비교해 보면 약 3배 정도 차이가 발생하여 가스유량도발전 성능에 상당한 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 이는 가스유량이 증가할수록 고온 열교환기에서 흡수하는 열량이 많아지기 때문이다.
3은 현대자동차에서 생산한 제네시스의 주행차속과 경로별로 배기계의 각 부위에서 측정한 배기가스의 온도를 나타내고 있다. 배기가스 온도는 차속이 빠를수록 높아지고, 평지주행보다는 언덕길 주행시 온도가 더 높게 나타났다
실험은 냉각수 온도를 30℃로 고정하고, 고온 열교환기를 통과하는 가스온도와 유량을 변경하면서 실험하였다. 실험결과를 보면 가스온도가 증가하면서 발전량도 2차 함수 형태로 증가하였다. 가스유량이 300 kg/h에서 가스온도 150℃와 500℃의 발전량을 비교해 보면 약 10배 정도 차이가 나고, 가스온도가 500℃일 때 가스유량 50 kg/h과 300 kg/h의 발전량을 비교해 보면 약 3배 정도 차이가 발생하여 가스유량도발전 성능에 상당한 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
열전모듈 양 단의 온도차, 고온부의 온도를 변화하면서 열전모듈의 제벡계수, 전기저항, 열저항, 성능지수를 살펴보고 열전발전 거동을 분석하고 실험결과와 비교하여 열전모듈 양단의 온도차가 증가할수록 발전성능은 향상되고, 양단온도차가 동일한 경우 고온부의 온도변화는 성능에 크게 영향을 미치지 않는다는 것을 알았다. 열전모듈 고온부의 흡열량과 출력전압의 비로 정의한 발전효율은 실험값과 해석값이 15% 이내로 일치하였다.
⁽⁸⁾은 열전모듈의 열적조건이 열전발전 성능에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 열전모듈 양 단의 온도차, 고온부의 온도를 변화하면서 열전모듈의 제벡계수, 전기저항, 열저항, 성능지수를 살펴보고 열전발전 거동을 분석하고 실험결과와 비교하여 열전모듈 양단의 온도차가 증가할수록 발전성능은 향상되고, 양단온도차가 동일한 경우 고온부의 온도변화는 성능에 크게 영향을 미치지 않는다는 것을 알았다. 열전모듈 고온부의 흡열량과 출력전압의 비로 정의한 발전효율은 실험값과 해석값이 15% 이내로 일치하였다.
지금까지 열전발전 시스템의 성능실험으로 성능에 영향을 미치는 주요 인자들을 밝혔고, 배기가스로부터 일정량 폐열회수가 가능하다는 것을 확인하였다. 하지만 향후 적용을 위해서는 많은 부분에서의 보완연구가 필요할 것으로 보인다.

후속연구

지금까지 열전발전 시스템의 성능실험으로 성능에 영향을 미치는 주요 인자들을 밝혔고, 배기가스로부터 일정량 폐열회수가 가능하다는 것을 확인하였다. 하지만 향후 적용을 위해서는 많은 부분에서의 보완연구가 필요할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전발전은 무엇을 이용한 것인가?	열전발전은 서로 다른 두 금속을 연결하고 양단의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 제벡효과(Seebeck effect)를 이용한 것으로 1940년대 소련에서 실용화하였고, 1956년 미국에서 인공위성에 열전 발전기를 탑재하기 위한 목적으로 본격적인 연구가 시작되었다.(2, 3)
	열전발전(TEG : Thermoelectric generator) 방식은 어느 지역의 자동차업체를 중심으로 활발히 연구가 진행되고 있는가?	열에너지를 전기에너지로 전환하는 기술로는 랭킨사이클과 같이 효율은 좋지만 시스템이 다소 복잡한 증기 사이클 방식과 효율은 다소 떨어지지만 간편한 열전소자를 이용하는 열전발전(TEG : Thermoelectric generator) 방식이 있다. 이 열전발전 기술은 크기가 작고, 구성요소가 간단하여 미국, 독일 등의 자동차 업체를 중심으로 활발히 연구가 진행되고 있다.(1)
	열에너지를 전기에너지로 전환하는 기술로 어떠한 방식이 있는가?	최근에는 자동차의 에너지 손실 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있는 배기가스로 버려지는 폐열을 회수 하여 전기에너지 또는 기계에너지로 재생하여 연비를 향상시키고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다. 열에너지를 전기에너지로 전환하는 기술로는 랭킨사이클과 같이 효율은 좋지만 시스템이 다소 복잡한 증기 사이클 방식과 효율은 다소 떨어지지만 간편한 열전소자를 이용하는 열전발전(TEG : Thermoelectric generator) 방식이 있다. 이 열전발전 기술은 크기가 작고, 구성요소가 간단하여 미국, 독일 등의 자동차 업체를 중심으로 활발히 연구가 진행되고 있다.

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상세보기
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Smith, K. and Thornton, M., 2009, Feasibility of thermoelectrics for waste heat recovery in coventional vehicles, National Renewable Energy Laboratory Technical Report NREL/TP-540-44247.
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Mori, M., Yamagami, T., Sorazawa, M., Miyabe, T., Takahashi, S., and Haraguchi, T., 2011, Simulation of fuel economy effectiveness of exhaust heat recovery system using thermoelectric generator in a seris hybrid, SAE Technical Paper 2011-01-1335.

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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