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문제 정의
- 열전소자의 특성 상, 소자의 내부 저항과 load resistance가 같은 값일 때 개방회로전압(open circuit voltage)과 단락 회로전류(short circuit current)가 최대 출력을 얻는다.(13) 본 연구에서도 모듈의 내부저항을 감안하여 최대출력에 이르는 load resistance를 사용하였으나, 본 연구의 목적은 열전소자의 철도차량 적용성을 알아보는 것이므로 결과는 생략하였다.
- 따라서 본 연구에서는 철도 차량의 주행 중에 발생하는 여러 주변 에너지 중 차축 베어링에서 발생하는 열에너지를 전기 에너지로 변환하여 스스로 동작할 수 있는 자가발전 시스템으로 열전발전 모듈의 적용성 가능성을 검토해 보았다.
- 따라서 주행 중 온도 변화 측정 결과를 바탕으로, 고속열차와 전동차는 주행 속도에 상관없이 주행 시간의 증가에 따라 주행 중 베어링 외부커버 온도와 외기 온도 사이에는 최대 18~20℃의 온도 구배가 지속적으로 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 이러한 온도 구배에 대하여 온도 차이를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 열전소자를 이용하면 철도 차량 주행 중에 자가발전이 가능할 것으로 판단되며, 다음 절에서 철도차량 주행 중 차축 베어링의 온도 구배에 따른 자가 발전량에 대한 결과를 설명하도록 한다.
제안 방법
- 주행 중 열차의 안정성 확보를 위한 모니터링이 필요한 위치이자, 열 에너지원을 풍부하게 갖고 있는 차축 베어링에서 폐열 에너지를 활용한 자가 발전 장치를 통해 지속적인 온도 모니터링이 가능하며 열에너지를 전기에너지 변환할 수 있는 매개체로 열전 소자를 활용할 수 있다.(7,8) 본 연구에서는 열전 소자의 개발은 연구범위에 포함되어 있지 않기 때문에, 기존 상용 열전 소자를 활용하여 특성 평가를 통해 열차 적용이 가능한 형태로 변경을 하여 사용하였으며,기본적인 소자의 특성 평가는 제조사의 Datasheet을 참고하였다.(9,10)
- 400km/h 이상 고속으로 주행하는 철도차량의 주행 중 차축 베어링에서 발생하는 열원에 대한 데이터를 얻기 위해 차축 베어링 하우징의 내부와 외부의 온도를 측정하였다. 측정 초기에는 열차가 차량 기지에서 부산역으로 60km/h 이하의 속도로 서행으로 약 15분간 운행하였기 때문에 차축 베어링 하우징의 내･외부 온도는 외기 온도(영하 6~7℃) 보다는 높지만 서로 평형 상태를 이루었다.
- 고속열차와는 달리 속도는 느리지만 일정 구간을 반복적으로 운행하는 전동차의 경우에도 주행 중 차축 베어링의 온도변화를 측정하였다. 본 연구에서 시험한 전동차는 고속철도 운행과는 달리 주로 터널 내 지하구간을 운행하며, 운행 평균속도가 약 80km/h로 낮기 때문에 고속열차 차축 베어링과는 달리 공냉에 의한 외부 커버의 급격한 온도 변화는 발생하지 않는 것으로 확인되었다.
- 또한, TGP 모듈을 사용하여 차축 베어링에 적합한 형태로 제작을 하기 위해 TGP 모듈의 특성 테스트를 위한 온도 구배 조절이 가능한 시험 장치를 제작하였다. 제작된 실험 장치를 이용하여 저온부와 고온부의 온도를 조절하여, 온도 편차에 따라 발생하는 전력량 측정 및 모듈의 접촉부의 thermal path의 영향을 알아보는 테스트를 수행하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 1의 모듈을 사용하여 제작된 TE-CORE를 이용하여 hot plate에서 hot side의 온도와 cold side 온도를 측정하여 그 때 발생한 전력을 power management 회로의 1000uF 캐패시터에 저장하는 테스트를 수행하였다. 여기서 TE-CORE란, 마이크로펠트 사에서 제안한 모듈로서 Fig.
- 열전 모듈의 철도차량 적용을 위해 위에서 제시한 마이크로펠트사의 모듈 TGP-751을 하우징에 장착할 수 있도록 지그를 제작하였다. 차축 베어링 하우징의 외부 홈에 부착하여 모듈에서 발생하는 개방회로전압을 측정하였다.
- 또한 방열을 위한 냉각핀은 28×28×10mm의 알루미늄 재질을 사용하였다. 열전 소자 상부와 하부에 thermal path를 위한 열전도 그리스와 gel sheet를 이용하여 열 손실을 최소할 수 있도록 제작하고, hot side의 공냉으로 발생될 수 있는 온도저하를 막기 위해 ABS 재질의 base를 제작하여 베어링 커버에 접착시 용이하도록 하였다. 이와 같이 제작된 열전 자가 발전 모듈은 Fig.
- 열전 소자에서 발생되는 전압은 1V이하의 낮은 전압으로 boosting 회로를 적용하여 출력전압 4.5V가 가능하도록 하였으며, 베어링 커버 홈 부위에 장착하기 위해 26×26mm로 설계/제작하였다.
- 5와 같다. 열차 적용 테스트는 1차 때와 동일한 위치에 설치하였으며, 2회에 걸쳐 측정하였다(Fig. 6). 측정 구간 역시 동일한 울산과 고모 구간이다.
- 측정 구간은 울산에서 고모로 최대 속도 400km/h까지 운행하였으며 운행시간은 약 16분 정도였다. 온도는 열전대를 사용하여 운행 차량의 베어링 하우징 내부와 외부에서 측정하였으며, 차체 안정성 모니터링을 위해 기존에 설치된 열전대를 활용하였다. 1차 상행 온도 측정 결과, 외기 온도(-6℃)와 초기 편차가 약 11℃ 발생한 이유는 열차가 차량 기지에서 출발한지 얼마 되지 않은 운행 초기 조건이라 열적 평형 상태가 이루어지지 않았기 때문이다.
- 또한, TGP 모듈을 사용하여 차축 베어링에 적합한 형태로 제작을 하기 위해 TGP 모듈의 특성 테스트를 위한 온도 구배 조절이 가능한 시험 장치를 제작하였다. 제작된 실험 장치를 이용하여 저온부와 고온부의 온도를 조절하여, 온도 편차에 따라 발생하는 전력량 측정 및 모듈의 접촉부의 thermal path의 영향을 알아보는 테스트를 수행하였다.
- 열전 모듈의 철도차량 적용을 위해 위에서 제시한 마이크로펠트사의 모듈 TGP-751을 하우징에 장착할 수 있도록 지그를 제작하였다. 차축 베어링 하우징의 외부 홈에 부착하여 모듈에서 발생하는 개방회로전압을 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- Chung 등은 소규모 산업 폐열회수를 위해 열전 발전 시스템을 구성하였다. (11) 미국산의 HZ20 및 국산 HMG3730의 모델이 사용되었으며 두 모델 모두 Bi2Te3계 물질로 구성되었다. 고온 부의 온도가 약 200℃, 저온부가 약 17℃의 조건에서 HZ20 모델은 15.
- 2차 열차 적용 테스트를 위해 기존 1차 측정 때와 동일한 열전 소자는 TGP 모듈을 사용하였지만, 열전 소자를 위한 전용 회로를 제작하였다(Fig. 5). 열전 소자에서 발생되는 전압은 1V이하의 낮은 전압으로 boosting 회로를 적용하여 출력전압 4.
- Lee 등은 자동차 배기폐열 에너지를 회수하기 위해 열전발전 모듈을 현대자동차에서 생산한 제네시스 차량의 하단에 배치하였다.(12) Bi-Te 소재의 미국 Hi-Z사의 제품이 사용되었으며, 높은 출력을 위해 동일한 모델 Fig. 1 MPG-D751 thermoelectric module from Micropelt의 소자 24개를 연결하였다. Jeong 등은 중국 Wellen Tech사의 TEC1-12704 및 Lairdtech사의 50690-502 모듈을 사용하여 LED의 작동시 발생하는 폐열을 회수하였다.
- 측정은 2회에 걸쳐 수행되었다. 측정 구간은 울산에서 고모로 최대 속도 400km/h까지 운행하였으며 운행시간은 약 16분 정도였다. 온도는 열전대를 사용하여 운행 차량의 베어링 하우징 내부와 외부에서 측정하였으며, 차체 안정성 모니터링을 위해 기존에 설치된 열전대를 활용하였다.
성능/효과
- Jeong 등은 중국 Wellen Tech사의 TEC1-12704 및 Lairdtech사의 50690-502 모듈을 사용하여 LED의 작동시 발생하는 폐열을 회수하였다. (13) 상대적으로 적은 발열량 및 온도 구배로 인해 발전량은 약 0.04~0.06W로 그다지 높지 않았다.
- 1차 적용 테스트와 2차 적용 테스트 결과를 비교해 볼 때 냉각핀의 부피가 큰 1차 테스트 결과가 2차 테스트에 비해 좋은 성능 보였다. 하지만 1차 적용 테스트 결과는 열전 소자 전용 회로 부착이 되지 않은 상태의 측정 결과이기 때문에 단순 비교를 통해 결론을 짓기는 어렵다.
- 5V 수준으로 발생하였다. 2차 측정 결과는 외기와의 온도 편차 25~35℃ 사이에서 변동이 발생하고, 발생 전압은 50초에서 100초 구간 동안 차량 운행이 시작되면서 공냉에 의해 4.5V 출력의 정상 작동이 이루어 졌지만, 이후 thermal path의 단열이 원활히 이루어지지 않으면서 대부분 구간에서 낮은 출력 값을 보이고 있다.
- 또한, 동일한 온도 편차 발생 시 저온보다 고온에서의 발전 효율이 높음을 알 수 있다. KTX와 전동차의 측정 결과를 통해서 주행 중 외기 온도와 베어링 차축의 온도 편차는 평균 15℃가 발생하고 있기 때문에, 열차 적용시 1개 모듈 당 0.5mW의 전력을 생성할 수 있을 것으로 예측된다.
- TE-CORE를 이용한 실험실에서의 출력실험 결과, 열전소자의 개방회로전압이 0.7V이상 발생할 때 약 0.2mW 의 출력을 얻을 수 있었던 것으로 미루어보아 실제 차량의 주행에서는 베어링과 외기의 온도 차이가 약 20℃ 이상 발생 시 자가발전이 가능할 것으로 판단된다. 현재 열전 모듈의 장착 위치는 베어링 하우징의 외부이므로 실제 측정된 하우징 내부 온도와 비교하면 그 편차는 더 줄어들 것으로 예상된다.
- 하지만 고속열차 시험과 마찬가지로 외기온도가 영하 3℃로 낮은 겨울에 측정한 실차시험의 경우에도 전동차 운행 시간 증가에 따라서 차축 베어링의 온도가 계속 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 중간의 한강을 통과하는 구간에서만 급격히 외기에 의해 냉각이 되고 이 구간을 지나면 다시 상승하는 것을 확인하였다. 그리고 측정 결과는 이때 차축 베어링 외부 커버의 온도와 외기 온도와의 최대 온도 편차가 약 18℃임을 확인하였다.
- 따라서 주행 중 온도 변화 측정 결과를 바탕으로, 고속열차와 전동차는 주행 속도에 상관없이 주행 시간의 증가에 따라 주행 중 베어링 외부커버 온도와 외기 온도 사이에는 최대 18~20℃의 온도 구배가 지속적으로 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 이러한 온도 구배에 대하여 온도 차이를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 열전소자를 이용하면 철도 차량 주행 중에 자가발전이 가능할 것으로 판단되며, 다음 절에서 철도차량 주행 중 차축 베어링의 온도 구배에 따른 자가 발전량에 대한 결과를 설명하도록 한다.
- 이는 주행 상황에서 발생하는 차축 베어링 하우징 외부의 공냉 효과 때문이라고 판단된다. 또한 외기 및 하우징 외부 커버 사이의 온도 차이를 관찰한 결과, 열차의 운행시간이 지속됨에 따라 차축 베어링부의 온도 상승으로 인해 최대 20℃ 이상의 온도 차이가 발생하고 있는 것을 알 수 있었다.
- 하지만, 차량이 고속으로 주행함에 따라 하우징의 내･외부 온도는 점차 상승하여 영하 6~7℃의 낮은 외기 온도에도 불구하고 하우징내·외부 간에도 최대 5℃이상 온도 차이가 발생하는 것을 확인하였다. 또한 차축 베어링 하우징내부와 외부 온도 변화를 비교하면 차축 베어링 외부 커버의 온도는 비교적 일정한 내부의 온도와 달리 운행 중 주변 환경의 변화, 즉 개활지,터널 또는 교량 등의 주변 환경에 따라 급격한 상승 및 하강을 반복하는 것으로 나타났다. 이는 주행 상황에서 발생하는 차축 베어링 하우징 외부의 공냉 효과 때문이라고 판단된다.
- 고속열차와는 달리 속도는 느리지만 일정 구간을 반복적으로 운행하는 전동차의 경우에도 주행 중 차축 베어링의 온도변화를 측정하였다. 본 연구에서 시험한 전동차는 고속철도 운행과는 달리 주로 터널 내 지하구간을 운행하며, 운행 평균속도가 약 80km/h로 낮기 때문에 고속열차 차축 베어링과는 달리 공냉에 의한 외부 커버의 급격한 온도 변화는 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 하지만 고속열차 시험과 마찬가지로 외기온도가 영하 3℃로 낮은 겨울에 측정한 실차시험의 경우에도 전동차 운행 시간 증가에 따라서 차축 베어링의 온도가 계속 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 중간의 한강을 통과하는 구간에서만 급격히 외기에 의해 냉각이 되고 이 구간을 지나면 다시 상승하는 것을 확인하였다.
- 측정 결과 (Fig. 2), 직접 접촉하는 방식과 gel sheet를 사용시 출력 전압과 발생 전력은 크게 차이가 발생하지 않고 있으며, 온도 편차 20℃ 발생시 0.1mW, 30℃ 발생 시 0.7mW 전력이 생성된다. 열전도 그리스를 사용할 경우에는 온도 편차 20℃에서 출력 전압 4.
- 측정 센서의 위치와 종류 및 온도 측정 장치는 동일하게 사용하였다. 측정 결과 1차 운행 초기 온도 편차는 외기온도 9.5℃와 약 13℃ 발생하였으며, 차량 운행이 시작되면서 온도가 상승하여 최대 20℃의 온도 편차가 발생하였다. 열전 소자 전용 회로를 이용하여 출력 전압 4.
- 본 연구에서 시험한 전동차는 고속철도 운행과는 달리 주로 터널 내 지하구간을 운행하며, 운행 평균속도가 약 80km/h로 낮기 때문에 고속열차 차축 베어링과는 달리 공냉에 의한 외부 커버의 급격한 온도 변화는 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 하지만 고속열차 시험과 마찬가지로 외기온도가 영하 3℃로 낮은 겨울에 측정한 실차시험의 경우에도 전동차 운행 시간 증가에 따라서 차축 베어링의 온도가 계속 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 중간의 한강을 통과하는 구간에서만 급격히 외기에 의해 냉각이 되고 이 구간을 지나면 다시 상승하는 것을 확인하였다. 그리고 측정 결과는 이때 차축 베어링 외부 커버의 온도와 외기 온도와의 최대 온도 편차가 약 18℃임을 확인하였다.
- 하지만, 차량이 고속으로 주행함에 따라 하우징의 내･외부 온도는 점차 상승하여 영하 6~7℃의 낮은 외기 온도에도 불구하고 하우징내·외부 간에도 최대 5℃이상 온도 차이가 발생하는 것을 확인하였다.
후속연구
- 2차 적용 테스트와 동일하게 제작된 모듈을 이용하여 실험 장치를 이용한 테스트 결과와 비교해 볼 때 실제 hot side와 cold side 사이의 온도 편차가 10~20℃ 이내에서 이루어졌을 것으로 판단되고, 냉각핀에 의한 방열과 thermal path에 대한 면밀한 검토가 필요하다.
- 따라서 향후 thermal path의 최적화와 열 손실 최소화에 관한 연구가 필요하며, 냉각핀의 확장설치를 위한 설계, 검증이 수행되어야 할 것이다. 그리고 본 연구에서는 단일 모듈의 성능 평가와 장착 테스트를 수행하였지만, 앞으로는 발전 성능 확보를 위한 베어링 커버의 공간을 최대한 활용할 수 있도록 최적화된 어레이 구조의 적용성도 검토되어야 할 것이다.
- 따라서 향후 thermal path의 최적화와 열 손실 최소화에 관한 연구가 필요하며, 냉각핀의 확장설치를 위한 설계, 검증이 수행되어야 할 것이다. 그리고 본 연구에서는 단일 모듈의 성능 평가와 장착 테스트를 수행하였지만, 앞으로는 발전 성능 확보를 위한 베어링 커버의 공간을 최대한 활용할 수 있도록 최적화된 어레이 구조의 적용성도 검토되어야 할 것이다.
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