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 module원문보기
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.
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.
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...
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 across the module, because the power generation efficiency of the thermoelectric device is not optimized. The utilization of solar energy, which is a form of renewable energy abundant in nature, has mostly been limited to photovoltaic solar cells and solar thermal energy generation. However, photovoltaic power generation is capable of utilizing only a narrow wavelength band from the sunlight and, thus, the power generation efficiency might be lowered by light scattering. In the case of solar thermal energy generation, the system usually requires large-scale facilities. In this study, a simple and small size thermoelectric power generation system with a solar concentrator was designed to create a large temperature gradient for enhanced performance. A solar tracking system was used to concentrate the solar thermal energy during the experiments and a liquid circulating chiller was installed to maintain a large temperature gradient in order to avoid heat transfer to the bottom of the thermoelectric module. Then, the setup was tested through a series of experiments and the performance of the system was analyzed for the purpose of evaluating its feasibility and validity.
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 across the module, because the power generation efficiency of the thermoelectric device is not optimized. The utilization of solar energy, which is a form of renewable energy abundant in nature, has mostly been limited to photovoltaic solar cells and solar thermal energy generation. However, photovoltaic power generation is capable of utilizing only a narrow wavelength band from the sunlight and, thus, the power generation efficiency might be lowered by light scattering. In the case of solar thermal energy generation, the system usually requires large-scale facilities. In this study, a simple and small size thermoelectric power generation system with a solar concentrator was designed to create a large temperature gradient for enhanced performance. A solar tracking system was used to concentrate the solar thermal energy during the experiments and a liquid circulating chiller was installed to maintain a large temperature gradient in order to avoid heat transfer to the bottom of the thermoelectric module. Then, the setup was tested through a series of experiments and the performance of the system was analyzed for the purpose of evaluating its feasibility and validity.
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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.
제안 방법
그림의 holder는 heat spreader, 열전소자, 그리고 냉각기를 결합하기 위한 구조물로서 알루미늄 합금재로 제작하고 체결구를 통해 heat spreader 상면에 결합 압력을 가한다. 각 부품과 holder 사이의 공간은 단열재로 충전하여 열의 전달 경로가 heat spreader 상판으로부터 열전소자를 가로질러 냉각기로 이루어지도록 하였다. 열전소자의 상하면에는 heat spreader 및 냉각기의 접촉면에서 열저항을 최소로 하기 위해 열그리스(thermal grease)를 얇게 도포하였다.
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. 태양에너지 집중 장치 및 단열부 개선 등으로 고온부와 저온부의 온도차가 증가할 경우 heat spreader의 등온 조건 유지 역할은 성능에 더 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.
냉각기에 유입되는 냉매의 온도를 조절하기 위해 항온조를 사용하였다. 유량은 면적식 유량계(rotameter)로 측정하고 밸브로 조절된다.
프레넬 렌즈에 의해 집광된 빛은 열전소자의 일부분에 조사되어 고온부의 온도가 동일하게 유지되지 않을 가능성이 크며, 등온으로 유지되지 않는 고온부는 소자의 출력저하를 유발할 수 있다. 따라서 등온 유지에 직접적인 역할을 하는 소자 상부의 heat spreader 의 두께를 2mm (2t) 및 3mm (3t)로 제작하여 출력 및 발전 효율을 측정하고 이를 다 Fig. 4에 도시하였다.
74 W의 출력을 얻은 바 있다[8]. 또한, 기존의 태양전지에서 버려지는 40%정도의 자외선과 적외선을 활용할 수 있도록 태양광발전과 태양 열전발전을 접목시킨 하이브리드 형태의 발전기를 개발하였다. 광필터를 통해 가시광선은 솔라셀로, 나머지 파장은 프레넬 렌즈로 모아서 열전발전기로 발전하는 원리이다.
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.
대상 데이터
- Heat Spreader 성능: 열전소자 상면에 얇은 heat spreader를 덮어 집광된 열을 고르게 분산시키는 인자로 활용하였다. heat spreader 상하면의 온도차가 적어야 가능한 높은 온도를 열전소자 상면에 전달 가능하므로 열전도율이 높은 재질인 구리를 사용하고, 결합 시 집중 하중에 의한 휨이 발생하지 않는 한 가능한 얇은 두께를 선정한다.
한편 냉각기는 열전소자 하면으로부터의 열만 냉각하도록 접촉면 외의 주변과는 단열이 필요하다. 구조물의 단열은 ceramic wool, plasterboard, cork board, glass wool tape 등을 이용하였다. TEG 모듈의 출력 성능으로는 아래와 같은 항목을 측정한다.
구조물의 크기는 560 mm × 700mm × 537 mm 이고, 프레임의 상면에 프레넬렌즈가 위치하며, 옆 벽과 아래의 공기 유동 가능 통로들은 대류 열손실을 줄이기 위해 모두 아크릴판으로 차단하였다.
상용제품 중에서 선정한 열전소자(PGM-15-15, HTRD, Korea)는 40 × 40 × 4 mm의 크기이며 상하면의 온도차가 220 ℃일 때, 최대 전력은 8.2 W (전압 5.1 V, 전류 1.5 A) 출력을 갖는다.
5 mm, 재료는 PMMA(PolyMethyl MethAcrylate)를사용하였다. 프레넬 렌즈의 초점거리 인근에 열전발전 모듈이 위치되고, 필요에 따라 거리를 조절할 수 있으며,온도 및 전력 측정에 필요한 센서 배선, 냉각수 배관 등을 위해 알루미늄 프로파일을 이용하여 최소의 구조물(frame)을 구성하였다. 구조물의 크기는 560 mm × 700mm × 537 mm 이고, 프레임의 상면에 프레넬렌즈가 위치하며, 옆 벽과 아래의 공기 유동 가능 통로들은 대류 열손실을 줄이기 위해 모두 아크릴판으로 차단하였다.
프레넬 렌즈의 크기는 470 mm × 600 mm × 3 mm이고, 초점거리 500 mm, 골간 격 0.5 mm, 재료는 PMMA(PolyMethyl MethAcrylate)를사용하였다.
구조물의 크기는 560 mm × 700mm × 537 mm 이고, 프레임의 상면에 프레넬렌즈가 위치하며, 옆 벽과 아래의 공기 유동 가능 통로들은 대류 열손실을 줄이기 위해 모두 아크릴판으로 차단하였다. 프레임에 프레넬 렌즈와 열전발전 모듈이 장착된 전체실험모델은 solar tracker에 탑재되었다. solar tracker는태양 궤적을 추종하기 위해 2축 모터로 구동되며 태양추적이 가능한 센서를 탑재하고 있다.
데이터처리
유량은 면적식 유량계(rotameter)로 측정하고 밸브로 조절된다. 열전발전 모듈로부터 출력되는 전압 및 전류, 전력과 함께 발전효율을 계측하기 위해PV(PhotoVoltaic) analyzer(PROVA 210, Prova Instruments Inc.) 를 사용하였다. 발전효율 계측에 활용되는 일사량 값을 얻기 위해 전일사량 계측이 가능한 일사량 측정기(TES-1333R, TES Electrical Electronic Corp.
성능/효과
동절기기준으로 실험시간 2시간 40여분 동안 획득된 총 에너지는 3 mm heat spreader의 경우 약 42833 J 이었다. 기상상태 등에 따라 발전 효율이 절반으로 낮아지고, 전력관리 회로의 효율이 50 %로 가정하더라도 낮 시간 동안의 발전만으로도 24시간동안 평균 124 mW의 소모전력을 유지할 수 있는 수준이다
위의 실험결과를 살펴보면, 예상했던 바와 같이 동일한 집광조건이라 하더라도 열전소자의 고온부의 온도분포를 균일하게 해 주는 것이 중요한 것으로 나타난다. Fig.
97%로 측정되었다. 이상의 결과는 1개의 열전소자에 대한 것이므로 요구되는 전력에 따라 다수의 열전소자를 사용할 수 있으며, 이들의 전기회로를 직렬 또는 병렬로 연결함에 따라 전압과 전류를 조절할 수 있다. 또한 하나의 태양 추적 장치에 다수의 열전소자로 구성된 발전시스템 탑재하면 운영상의 경제성도 증가시킬 수 있을 것으로 사료된다
4 의 전력발생 추이를 살펴보면, 같은 온도 차이에서 두께 3 mm heat spreader 의 출력이 더 좋은 것으로 나타나며 출력의 차이는 온도차이가 커질수록 더욱 커진다. 즉, 발전 출력은 60 ℃ 이하의 온도 차이에서는 heat spreader 의 두께에 거의 영향을 받지 않지만, 고출력을 기대할 수 있는 약 100 ℃ 정도의 온도 차이에서는 두께 3 mm heat spreader를 사용하는 것이 약 20 %의 출력증가를 나타낼 것으로 보인다.
후속연구
이상의 결과는 1개의 열전소자에 대한 것이므로 요구되는 전력에 따라 다수의 열전소자를 사용할 수 있으며, 이들의 전기회로를 직렬 또는 병렬로 연결함에 따라 전압과 전류를 조절할 수 있다. 또한 하나의 태양 추적 장치에 다수의 열전소자로 구성된 발전시스템 탑재하면 운영상의 경제성도 증가시킬 수 있을 것으로 사료된다
6%의 높은 발전효율을 기대할 수 있다고 주장하였다[6]. 이 경우, 작동환경이 1500℃의 고온이므로 이러한 고온을 형성할 수 있는 효율적인 태양열 집열 장치 및 고온 유지를 할 수 있는 열공학적인 설계가 요구되며 고온에서 최적화된 발전효율을 낼 수 있는 ZT 계수를 가진 열전소자의 개발이 선행되어야 할 것이다. 미국 NREL (National Renewable Energy Laboratory) 의 Olsen 박사는 최근 투고 논문에서 태양열 집열 장치, 열전소자 및 열관리시스템으로 이루어진 발전기를 설계/제작하여 NREL의 high flux solar furnace에서 성능을 테스트 하였다고 밝혔다[7].
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.
참고문헌 (11)
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