본 연구에서는 1-D 해석 프로그램인 AMESim을 활용하여 열전소자와 디젤엔진을 모델링하여 이를 New European Driving Cycle (NEDC) 운전모드에서 구동시킨 자동차에서 나오는 폐열을 이용해 열전소자로 발전을 하고 이에 따른 결과를 분석해보는 연구를 수행하였다. 열전소자 모델링 시 배기폐열 회수율 및 전기 에너지 변환률 뿐만 아니라 재료적 특성을 고려하여 열전달부분에 초점을 맞추었다. 또한, 디젤 산화 촉매(DOC)를 설계하여 열전소자로 인한 폐열회수가 디젤 산화촉매 활성화에 미치는 영향과, 그 결과 배기가스의 성분별 증감을 조사하였다. 열전소자를 이용한 폐열회수는 자동차 연비개선에 도움이 되지만, 배기가스의 온도를 떨어뜨려 촉매 활성화에 영향을 미치게 되면, CO와 HC 배출이 최대 14% 증가하는 것을 관찰하였다. 따라서, 열전소자를 이용한 배기 폐열 회수 시스템 개발 시에 배기에 미치는 영향을 고려해야 한다.
본 연구에서는 1-D 해석 프로그램인 AMESim을 활용하여 열전소자와 디젤엔진을 모델링하여 이를 New European Driving Cycle (NEDC) 운전모드에서 구동시킨 자동차에서 나오는 폐열을 이용해 열전소자로 발전을 하고 이에 따른 결과를 분석해보는 연구를 수행하였다. 열전소자 모델링 시 배기폐열 회수율 및 전기 에너지 변환률 뿐만 아니라 재료적 특성을 고려하여 열전달부분에 초점을 맞추었다. 또한, 디젤 산화 촉매(DOC)를 설계하여 열전소자로 인한 폐열회수가 디젤 산화촉매 활성화에 미치는 영향과, 그 결과 배기가스의 성분별 증감을 조사하였다. 열전소자를 이용한 폐열회수는 자동차 연비개선에 도움이 되지만, 배기가스의 온도를 떨어뜨려 촉매 활성화에 영향을 미치게 되면, CO와 HC 배출이 최대 14% 증가하는 것을 관찰하였다. 따라서, 열전소자를 이용한 배기 폐열 회수 시스템 개발 시에 배기에 미치는 영향을 고려해야 한다.
In this study, a thermoelectric module (TEM) and a diesel engine were modeled using 1-D commercial software AMESim, and the performance of the TEM was evaluated when the engine was operated under the NEDC driving cycle. The goal of TEM modeling was to investigate not only the waste heat recovery (WH...
In this study, a thermoelectric module (TEM) and a diesel engine were modeled using 1-D commercial software AMESim, and the performance of the TEM was evaluated when the engine was operated under the NEDC driving cycle. The goal of TEM modeling was to investigate not only the waste heat recovery (WHR) rate and energy converting efficiency, but also the heat transfer rate by taking the materials characteristics into account. In addition, a diesel oxidation catalyst (DOC) was designed, and it was found that the waste heat recovery with TEM affects the activation of DOC and alters engine exhaust composition. The simulation indicated that the WHR using TEM is beneficial for decreasing the fuel consumption of vehicles, but the reduction in the exhaust temperature affects the activation of DOC, resulting in an approximately 14% increase in CO and HC emissions. Therefore, the effect of waste heat recovery on the automotive emission characteristics must be considered in the development of automotive engine WHR systems.
In this study, a thermoelectric module (TEM) and a diesel engine were modeled using 1-D commercial software AMESim, and the performance of the TEM was evaluated when the engine was operated under the NEDC driving cycle. The goal of TEM modeling was to investigate not only the waste heat recovery (WHR) rate and energy converting efficiency, but also the heat transfer rate by taking the materials characteristics into account. In addition, a diesel oxidation catalyst (DOC) was designed, and it was found that the waste heat recovery with TEM affects the activation of DOC and alters engine exhaust composition. The simulation indicated that the WHR using TEM is beneficial for decreasing the fuel consumption of vehicles, but the reduction in the exhaust temperature affects the activation of DOC, resulting in an approximately 14% increase in CO and HC emissions. Therefore, the effect of waste heat recovery on the automotive emission characteristics must be considered in the development of automotive engine WHR systems.
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문제 정의
또한 열전발전 시스템이 자동차의 연비향상에 미치는 효과를 평가하였다. 또한 열전소자를 이용한 배기 폐열 회수로 인하여 배기가스의 온도저감이 디젤산화 촉매 활성화에 어떠한 영향을 미치는가에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 1-D 상용 프로그램인 AMESim을 이용하여 자동차 폐열회수 목적에 사용될 수 있는 열전소자를 모델링하고 자동차 배기가스의 폐열을 회수하여 생산해 낸 발전량과 회수로 인하여 변화된 배기가스 온도의 변화를 New European Driving Cycle (NEDC) 운전모드에서 평가하였다. 또한 열전발전 시스템이 자동차의 연비향상에 미치는 효과를 평가하였다.
본 연구에서는 자동차 엔진 배기 폐열을 회수하기 위한 열전소자 해석 모델을 설계하여 폐열 회수량을 평가하였다. NEDC 운전모드 1사이클(1180초)동안 하나의 열전소자로 회수한 배기폐열은 평균 146W이며, 5.
추가적으로 열전소자의 폐열 회수량을 확인하기 위해 알루미늄싱크로부터 열전소자로 전달된 열량을 파악 할 수 있으며, 배기파이프를 통과 전후를 비교하여 배기가스의 온도변화에 대해 알 수가 있다. 열전소자와 배기파이프가 대류열전달에 의해 외기로 열을 방출하면서 배기가스 온도가 감소하게 되는데, 배기파이프 후단에 가스의 성분을 분석할 수 있는 컴포넌트와 디젤산화촉매장치를 장착하여 온도감소에 따라 CO, HC, NOx의 양이 어떻게 변하는지 분석하였다[5].
가설 설정
[Table 2] Geometry of Diesel Oxidation Catalyst (DOC)
열전소자는 세라믹부분으로 산화알루미나, 산화알루미나에서 구리, 구리에서 열전재료 그리고 다시 구리, 산화알루미나로 전도열전달이 이루어지며 최종적으로는 외기의 대류열전달에 의해 냉각이 된다. 각 재료의 컴포넌트는 각 재료가 차지하는 부피와 밀도로 질량을 계산하였다.
3의 엔진 모델에서 도출한 데이터를 입력 값으로 하여 디젤산화촉매에 초점을 맞춘 시스템을 구성하였다. 그리고 열전소자의 발전량 및 폐열 회수량, 열전소자의 개수에 따른 배기온도의 변화, DOC의 배기 저감 효율 변화 등을 조사하기 위하여 Fig.2의 열전소자 모델을 하나의 요소로 바꿔 배기파이프에 3개의 열전소자를 부착하였다.
본 연구에서는 1-D 상용 프로그램인 AMESim을 이용하여 자동차 폐열회수 목적에 사용될 수 있는 열전소자를 모델링하고 자동차 배기가스의 폐열을 회수하여 생산해 낸 발전량과 회수로 인하여 변화된 배기가스 온도의 변화를 New European Driving Cycle (NEDC) 운전모드에서 평가하였다. 또한 열전발전 시스템이 자동차의 연비향상에 미치는 효과를 평가하였다. 또한 열전소자를 이용한 배기 폐열 회수로 인하여 배기가스의 온도저감이 디젤산화 촉매 활성화에 어떠한 영향을 미치는가에 대해 연구하였다.
7은 열전소자에 의해 회수된 열량을 보여준다. 열전발전을 위한 폐열 회수량은 알루미늄 싱크로부터 열전소자 고온부에 전달되는 열량으로 계산하였다. 열전소자 1개가 평균 146 W의 열을 회수하였으며, 1180초 동안 회수한 열에너지의 총량은 약 172 kW이었다.
추가적으로 열전소자의 폐열 회수량을 확인하기 위해 알루미늄싱크로부터 열전소자로 전달된 열량을 파악 할 수 있으며, 배기파이프를 통과 전후를 비교하여 배기가스의 온도변화에 대해 알 수가 있다. 열전소자와 배기파이프가 대류열전달에 의해 외기로 열을 방출하면서 배기가스 온도가 감소하게 되는데, 배기파이프 후단에 가스의 성분을 분석할 수 있는 컴포넌트와 디젤산화촉매장치를 장착하여 온도감소에 따라 CO, HC, NOx의 양이 어떻게 변하는지 분석하였다[5].
열전소자는 배기파이프 표면에 부착되어 있는 알루미늄 싱크 위에 부착하였다. 열전소자의 고온부는 알루미늄 싱크에 부착된 면의 온도, 저온부는 외부대기에 접해있는 세라믹면의 온도로 설정하였다. 그리고 배기파이프부터 구리, 알루미늄 싱크와 더불어 열전소자 재료의 물성치와 구조상의 열전달 현상을 표현하기 위해 Fig.
2의 열전소자 모델 저온부에 강제대류열전달 모델을 이용하여 모사하였다. 외부대기의 상태 중 온도, 대기압, 상대습도는 종속 값으로 두었고 질량유량 값은 가변 값으로 두었다. 질량 유량 값은 자동차의 속도에 따라 비례하게 된다.
6L의 배기량을 갖는 디젤엔진이다. 위의 디젤 모델로부터 열전발전에 필요한 배기가스의 온도데이터와 NEDC모드에서 구동 시 발생하는 배기배출물의 생성량을 구하였다. NEDC 운전모드는 자동차의 연료경제성과 엔진의 배기가스를 평가하기 위하여 사용하는 대표적인 운전 사이클이다.
대상 데이터
)를 사용하였으며 전기전도체는 구리를 사용하였다. P-type, N-type의 열전소자는 각각 P-Zn4Sb3, N-CoSb3가 사용되었다. 열전소자 재료는 온도가 변함에 따라 열전소자의 물성치도 달라지나 열전소자에 가해지는 열에너지에 의해 온도차이가 크게 발생하지 않으므로 사용온도 범위의 평균값이라 할 수 있는 350K, 400K에서의 물성치를 사용하였다.
디젤엔진 해석 모델은 4개의 실린더 디젤엔진으로 1.6L의 배기량을 갖는 디젤엔진이다. 위의 디젤 모델로부터 열전발전에 필요한 배기가스의 온도데이터와 NEDC모드에서 구동 시 발생하는 배기배출물의 생성량을 구하였다.
P-type, N-type의 열전소자는 각각 P-Zn4Sb3, N-CoSb3가 사용되었다. 열전소자 재료는 온도가 변함에 따라 열전소자의 물성치도 달라지나 열전소자에 가해지는 열에너지에 의해 온도차이가 크게 발생하지 않으므로 사용온도 범위의 평균값이라 할 수 있는 350K, 400K에서의 물성치를 사용하였다. 배기가스가 파이프를 통과하면 파이프와 열전소자로의 열전달이 이루어진다.
1은 열전소자의 구조를 간략하게 보여준다. 열전소자는 외부로의 방전을 막기 위해 전기 전열재(세라믹)를 양단에 부착하며 전열재 내부는 전기 전도성이 우수한 구리와 열전재료인 P-type, N-type의 반도체로 구성되어있다.
열전소자의 절연체는 세라믹인 산화알루미나 (Al2O3)를 사용하였으며 전기전도체는 구리를 사용하였다. P-type, N-type의 열전소자는 각각 P-Zn4Sb3, N-CoSb3가 사용되었다.
성능/효과
2 ppm)으로 각각 열전소자 부착 유무에 관계없이 큰 차이가 나지 않았지만, DOC에 통과하고 난 뒤의 배기가스의 조성물은 열전소자에 의해 감소된 배기가스온도로 부착 전, 후가 차이가 남을 알 수 있다 열전소자 부착수가 증가함에 따라 .CO배출도 증가하는 것을 알 수 있으며, 다른 배기 성분도 미세하게 증가하는 것을 관찰하였다. 이는 열전소자로 인하여 낮아진 배기가스의 온도가 촉매 효율에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
배기관에 부착하는 열전소자의 수가 증가한다면, 회수량과 발전량을 증가시킬 수 있으나, 배기가스 온도 저감으로 인한 디젤 산화 촉매의 활성화에 영향을 미친다. 열전소자 15개 사용 시 CO와 HC 배출이 약 14% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 열전소자를 이용한 배기 폐열 회수 시스템 개발 시 폐열 회수뿐만 아니라 배기에 미치는 영향을 반드시 고려해야 할 것으로 사료된다.
열전발전을 위한 폐열 회수량은 알루미늄 싱크로부터 열전소자 고온부에 전달되는 열량으로 계산하였다. 열전소자 1개가 평균 146 W의 열을 회수하였으며, 1180초 동안 회수한 열에너지의 총량은 약 172 kW이었다.
후속연구
열전소자 15개 사용 시 CO와 HC 배출이 약 14% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 열전소자를 이용한 배기 폐열 회수 시스템 개발 시 폐열 회수뿐만 아니라 배기에 미치는 영향을 반드시 고려해야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열전소자란?
열전소자란 고온부, 저온부라 일컫는 양단에 온도구배를 가해 기전력을 발생시키는 Seebeck 효과를 이용한 발전 소자와, 전압을 인가하면 양단에 온도차를 만들어 한쪽은 흡열, 다른 한쪽은 발열을 하는 Peltier 소자를 모두 일컫는다. 다른 에너지 하베스팅 기술, (예를 들어 태양전지와 비교 하였을 때) 상대적으로 낮은 에너지 변환 효율을 갖고 있어 제한적인 부분이 많았지만, 최근 나노 기술과 접목되어 열전소자에 대한 연구 범위가 크게 확대 되면서 효율 개선이 이루어짐에 따라 다양한 분야에 사용되어지고 있다.
자동차 폐열회수를 위한 열전 발전 시스템은 무엇인가?
즉, 연료로부터 30% 정도만이 자동차의 구동을 위해 사용되어지고 거의 60% 가량의 에너지가 열에너지 형태로 방출된다. 자동차 폐열회수를 위한 열전 발전 시스템은 버려지는 열에너지를 열전소자로 회수를 하고 이를 전기에너지로 변환하여 자동차에 필요한 전기로 사용하게 되고, 이로 인하여 자동차의 연비를 향상시키는 개념이다.
열전소자에 의해 회수된 열량을 볼 때, 열전 소자 1개는 평균 몇 W의 열을 회수하였는가?
열전발전을 위한 폐열 회수량은 알루미늄 싱크로부터 열전소자 고온부에 전달되는 열량으로 계산하였다. 열전소자 1개가 평균 146 W의 열을 회수하였으며, 1180초 동안 회수한 열에너지의 총량은 약 172 kW이었다.
참고문헌 (5)
D. M. Rowe, Gao Min(1998) "Evaluation of thermoelectric modules for power generation", Journal of Power Source 73, pp. 193-198 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0378-7753(97)02801-2
D. M. Rowe(2006), "Thermoelectrics handbook", Taylor & Francis Group, LLC
K. B. Kim, "Development of Simulation Model for Waste Heat Recovery from Automotive Engine Exhaust Using Thermoelectric Generator", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol(14), No(3), pp. 1022-1026, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.3.1022
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