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집중 태양열에 의한 온도구배가 열전발전모듈의 출력 성능에 미치는 영향
Influence of temperature gradient induced by concentrated solar thermal energy on the power generation performance of a thermoelectric module 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.10, 2017년, pp.777 - 784  

최경후 (한국철도기술연구원 신교통연구본부) ,  안다훈 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) ,  부준홍 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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일반적으로 열전발전 소자를 사용하여 에너지 하베스팅을 하는 경우, 시스템의 작동환경에 의해 주어지는 온도구배를 활용하게 된다. 따라서 열전소자의 특성상 큰 온도구배를 기대하기 어려운 작동환경에서는 원하는 출력을 얻을 수 없으며, 작동 온도가 높을 때 얻어지게 되는 최적의 발전효율을 기대하기 힘들다. 자연환경에서 얻을 수 있는 태양에너지를 활용한 신재생 에너지의 활용은 그 동안 태양광발전이나 태양열발전에 국한되어 왔다. 태양광발전은 태양광의 일정 파장대만 사용하고 빛의 산란에 의해 발전효율이 낮아지는 단점이 있으며, 태양열발전은 일반적으로 대규모 설비를 갖춰야 하는 공간상의 제약이 있다. 본 연구에서는 태양열을 집광하여 열전소자에 조사함으로서 큰 온도구배를 형성하여 상용 열전소자의 출력을 향상시킬 수 있는 간단한 소형 발전시스템을 설계 및 제작하였다. 장시간 태양열 집중을 위해 태양 추적 장치를 설치하였으며, 열전소자 하부에 고온의 태양열이 전달되어 온도 편차가 줄어드는 현상을 막기 위해 액체 순환식 냉각기를 설치하여 큰 온도구배를 유지할 수 있도록 설계한 후, 일련의 실험으로 시험하여 그 유용성과 타당성을 검증하였다.

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Energy harvesting through a thermoelectric module normally makes use of the temperature gradient in the system's operational environment. Therefore, it is difficult to obtain the desired output power when the system is subjected to an environment in which a low temperature gradient is generated acro...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 태양열 집중장치를 응용한 소형 열전발전 시스템을 구성하여 그 성능을 검증한다. 태양열 집중을 위한 구조물을 열전소자 고온부에 설치하여 인위적인 큰 온도 구배를 조성, 상용 열전소자의 출력을 극대화시킬 수 있는 시스템을 설계 및 제작하고 타당성을 검증하는 기초 연구를 수행한다.
  • 태양열의 양은 집광면적에 비례하며, 집열온도는 태양광의 밀도 즉 집광비(집광면적과 이용면적의 비)에 비례한다. 본 연구에서는 소형이면서 높은 집광비를 얻을 수 있으며 구조가 단순한 프레넬 렌즈를 채택하여 장치를 설계하였다
  • 본 연구에서는 프레넬 렌즈를 이용한 태양에너지 집중 열전 발전 장치를 구성하여 그 발전 특성을 실험하였다. 기존의 heat spreader 자체의 열전달 성능 개선[10] 또는 방열을 통한 냉각성능[11]에 한정되었던 연구에서 나아가 열전 소자의 고온부 유지에 적용된 heat spreader의 특성에 따른 최종 발전 성능에의 영향을 분석하였다.
  • 본 논문에서는 태양열 집중장치를 응용한 소형 열전발전 시스템을 구성하여 그 성능을 검증한다. 태양열 집중을 위한 구조물을 열전소자 고온부에 설치하여 인위적인 큰 온도 구배를 조성, 상용 열전소자의 출력을 극대화시킬 수 있는 시스템을 설계 및 제작하고 타당성을 검증하는 기초 연구를 수행한다.

가설 설정

  • - 열전소자 상하면의 온도차: 열전소자 전기 출력의 직접적 구동원으로 태양 조사량에 의해 영향을 받는다.- 일사조건: 전일사량(GHI: Global Horizontal Irradiance)은 열전소자 상면(고온부) 입열량을 결정하는 주된 인자이다.
  • 열전소자의 상하면에는 heat spreader 및 냉각기의 접촉면에서 열저항을 최소로 하기 위해 열그리스(thermal grease)를 얇게 도포하였다. 열전소자의 상판에 직접 열전대를 설치할 수가 없으므로 heat spreader 하판에 설치한 열전대로 측정한 온도가 열전소자의 상판 온도와 같다고 추정하였다. 또한, 열전소자 하판에도 열전대를 설치하기 어려워 이에 접촉하는 액체 순환식 냉각기의 냉매 입구와 출구관의 온도를 측정하여 이들의 평균온도를 열전소자 하판의 온도로 추정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
태양에너지의 특징은 무엇인가? 태양에너지는 지구상에서 가장 범용성 있는 자연적, 청정에너지이며 신재생에너지의 대표적인 형태이지만, 근본적으로 자연적 형태로는 그 밀도가 낮아 활용도가 떨어지는 한계가 있다. 일반적으로 태양에너지는 태양광 또는 태양열의 형태로 많이 활용되며, 이러한 활용 방식 차이는 태양에너지 형태 전환 메커니즘과 관계가 있다.
태양열발전의 효율이 태양광발전보다 높은 이유는 무엇인가? 일반적으로 사용되고 있는 태양광발전은 광기전 효과(Photovoltaic effect)를 이용하여 태양광이 포함하는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 반면, 태양열발전은 태양으로부터의 복사열을 축적하여 고온의 열원을 만들어 활용한다. 따라서 태양광발전은 광기전 효과가 발생할 수 있는 특정 파장대의 태양광만이 유용한 전기에너지로 전환되는 반면 태양열발전은 가시광선 및 적외선 영역대를 포함한 광대역의 에너지를 열복사에 활용하여 효율이 상대적으로 높다. 또한 태양광발전은 기본적으로 태양광이 없으면 작동하지 못하므로 날씨, 장소 등에 의해 전기 생산 능력이 크게 변화한다.
열전소자를 태양열발전 시스템에 적용하였을 때의 장점은 무엇인가? 열전소자의 가장 큰 장점은 소규모 장치로 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다는 것이라 할 수 있다. 특히, 기존 태양열발전 시스템의 터빈 및 발전기에 비하여 소형 발전 소자를 이용함으로서 시스템 구조를 매우 간소화시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 열전소자의 낮은 발전효율과 이를 설치할 큰 온도구배를 보이는 자연환경 조건이 드물어 실용화 된 사례는 아직 보고된 바가 없다.
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참고문헌 (11)

  1. Jae Hyuk Shin, Seung Shin Yi, Sang Min Kim, Joon Hong Boo, "An experiment study on he performance of a concentrating phtovoltaic cell as a function of temperature", Proceedings of KSES 2013 spring conference, 32, pp. 96-101, 2012. 

  2. Eui-Guk Jung, Jong-Kyu Kim, Yong-Heack Kang, Joon-Hong Boo, "Heat Transfer Analysis of the Solar Thermal Storage System with Heat Pipe Array", Proceedings of KSES 2010 spring conference, 1, pp. 219-226, 2010. 

  3. Jung Ryun Lee, Joon Hong Boo, "Design of a Solar Thermal Storage System Employing Heat Pipes and Molten Salts", Proceedings of KSES 2011 spring conference, 1, pp. 86-91, 2011. 

  4. Min Kyu Park, Joon Hong Boo, "The Effect of Working Fluid Charge on the Performance of a Heat Pipe for Medium-temperature Solar Thermal Storage System", Proceedings of KSES 2011 spring conference, 31, pp. 68-73, 2011. 

  5. Daniel Kraemer, Bed Poudel, Hsien-Ping Feng, J. Christopher Caylor, Bo Yu, Xiao Yan, Yi Ma, Xiaowei Wang, Dezhi Wang, Andrew Muto, Kenneth McEnaney, Matteo Chiesa, Zhifeng Ren, Gang Chen, "High-performance flat-panel solar thermoelectric generators with high thermal concentration", Nature Materials, 10, pp. 532-538, 2011. DOI: https://doi.org/10.1038/nmat3013 

  6. Lauryn L. Baranowski, G. Jeffrey Snyder, Eric S. Toberer, "Concentrated solar thermoelectric generators", Energy and Environmental Science, 5, pp. 9055-9067, 2012. DOI: https://doi.org/10.1039/c2ee22248e 

  7. M. L. Olsen, E. L. Warrenb, P. A. Parillaa, E. S. Toberera, b, C. E. Kennedya, G. J. Snyderc, S. A. Firdosyd, B. Nesmithd, A. Zakutayeva, A. Goodricha, C. S. Turchia, J. Nettera, M. H. Graya, P. F. Ndionea, R. Tirawata, L. L. Baranowskib, A. Graya, D. S. Ginleya, "A High-temperature, high-efficiency solar thermoelectric generator prototype", Energy Procedia, 49, pp. 1460-1469, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.03.155 

  8. Dae-Ho Kim, Seungwoo Han, "Evaluation of effects on the performance of thermoelectric generators using solar energy", Proceedings of KSES 2013 spring conference, 33, pp. 41-46, 2013. 

  9. Y. S. Cho, Y. H. Park, Y. S. Yang, "An Experimental Study of the Solar Thermoelectric Generation System," Solar Energy, Journal of KSES), vol. 18, no. 3, pp. 113-118, 1998. 

  10. Min-Gyu Kang, Woo-Jin Seo, In-Sung Her, Young Moon Yu, Hee-Lack Choi, "Study on Heat Transfer Performance of Heat Spreader depending on the Filling Rate of Working Fluid", Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineer, vol. 31, no. 2, pp. 1-10, 2017. DOI: https://doi.org/10.5207/JIEIE.2017.31.2.001 

  11. Hong-Koo Noh, Kyung Bin Lim, Man Heung Park, "Colling performance of a Notebook PC Mounted with heat Spreader", Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers-B, vol. 25, no. 6, pp. 766-775, 2001. 

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