[논문]열전소자 활용을 위한 500W급 DC/DC 컨버터 개발

김선필; 김세민; 박인선; 고현석

doi:10.21289/ksic.2019.22.2.219

열전소자 활용을 위한 500W급 DC/DC 컨버터 개발
The 500W DC/DC converter development for thermoelectric application 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.22 no.2, 2019년, pp.219 - 226

김선필 ((주)에이앤디에스) , 김세민 ((주)에이앤디에스) , 박인선 ((주)SISOLUTION) , 고현석 ((주)에이앤디에스)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the development of a 500W DC/DC converter for use with a thermoelectric module(TEM). A thermoelectric device is a structure in which a P-type semiconductor and an N-type semiconductor are electrically connected in series and thermally connected in parallel. There is a feature that an electromotive force is generated by making a temperature difference between both surfaces of a thermoelectric element. This feature can be used as a renewable power source without the need for fossil energy. The proposed converter boosts the low generation voltage of the thermoelectric element to secure the voltage for the grid connection. This converter is a combination of a resonant converter for boosting and a boost-converter for output voltage control. This structure has an advantage that a voltage can be stepped up at a high efficiency and precise output voltage control is possible. We carry out simulations and experiments to verify the validity.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Typical configuration of TEM
그림 Fig. 2 The V-I Curve for a connection configuration of TEM[4]
그림 Fig. 3 The output power for a connection configuration of TEM[6]
그림 Fig. 4 The proposed circuit configuration
그림 Fig. 6 The operation of resonant converter : S_p2-ON
그림 Fig. 5 The operation of resonant converter : S_p1-ON
그림 Fig. 7 The operation of boost converter : Q_dw-ON
그림 Fig. 8 The operation of boost converter :Q_dw-OFF
그림 Fig. 9 The simulation circuit
그림 Fig. 10 The simulation result 1
그림 Fig. 11 The simulation result 2
그림 Fig. 12 The control board and power stack
그림 Fig. 13 Experimental result 1
그림 Fig. 14 Experimental result 2
그림 Fig. 15 Experimental result 3

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 열전소자를 이용한 발전기에 활용을 위해 500W급 양방향 DC/DC 컨버터에 관하여 연구를 수행하였다. 제안된 회로는 열전소자의 낮은 전압을 계통 연계를 위한 높은 전압까지 승압을 시킬 수 있고, LC공진을 이용하여 열전소자의 낮은 효율의 전력에 대하여 손실을 최소화하여 전력전달을 한다는 장점을 갖는다.

가설 설정

입력전압은48[V], 출력전압은 380[V], 출력전력 500[W] 기준으로 하여 설계를 수행하였다. 입력전압은 Beijing Huimao Cooling Equipment Co., Ltd. 社의TEC1-12707T125 열전모듈에 대하여 4직렬 구성을 최대출력 600[W]급 모델링하였고[6], 출력전압이 48[V]가 나오도록 온도를 일정하게 유지된다고 가정하였다. 스위칭 주파수는 Push-Pull단의 스위치와 부스트 컨버터 스위치 모두 동일하게 50[kHz]로 하였고, 스위칭 주파수와 입력전압은 48[V]을 바탕으로 설계된 트랜스포머의 턴 비는 5:5:16,인덕턴스는 170[uH] :170[uH]: 2.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 열전모듈(TEM)을 활용을 위한 500W급 DC/DC 컨버터를 개발을 수행한다. 열전모듈의 특성에 대해 분석을 수행 후 발전을 위한 시스템 구조를 제안하고 시뮬레이션 및 실험을 통하여 타당성을 검증하였다.

대상 데이터

그림 4는 본 논문에서 제안하는 컨버터 구조이다. 제안하는 컨버터의 구조는 트랜스포머를 이용하여 1차는 Push-Pull 2차는 Center-tap 구조의 직렬C를 이용한 공진형 컨버터와 Half-bridge구조의 DC/DC 컨버터로 이루어진다. 공진형 컨버터는 트랜스포머의 승압비를 이용하여 열전소자의 전압을 승압시키게 된다.

이론/모형

본 논문에서 제안하는 컨버터 구조의 타당성을 검증하기 위해 PSIM을 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.

성능/효과

제안된 회로는 열전소자의 낮은 전압을 계통 연계를 위한 높은 전압까지 승압을 시킬 수 있고, LC공진을 이용하여 열전소자의 낮은 효율의 전력에 대하여 손실을 최소화하여 전력전달을 한다는 장점을 갖는다. 개발된Push-Pull/Center-Tap 공진형 컨버터와 양방향DC/DC 컨버터의 구조를 이용하여 48[V]에서380[V]로 승압을 하게 되며 95[%]이상의 고효율을 달성하였다. 또한 개발된 컨버터는 시스템 용량이 500[W]로 작지만 병렬구동을 통하여 발전용량을 증가 시킬 수 있다.
개발된Push-Pull/Center-Tap 공진형 컨버터와 양방향DC/DC 컨버터의 구조를 이용하여 48[V]에서380[V]로 승압을 하게 되며 95[%]이상의 고효율을 달성하였다. 또한 개발된 컨버터는 시스템 용량이 500[W]로 작지만 병렬구동을 통하여 발전용량을 증가 시킬 수 있다. 따라서 중소용량의 인버터 시스템과의 연동을 통하여 계통으로 전력을 공급이 가능 할 것으로 사료된다.
본 논문에서는 열전소자를 이용한 발전기에 활용을 위해 500W급 양방향 DC/DC 컨버터에 관하여 연구를 수행하였다. 제안된 회로는 열전소자의 낮은 전압을 계통 연계를 위한 높은 전압까지 승압을 시킬 수 있고, LC공진을 이용하여 열전소자의 낮은 효율의 전력에 대하여 손실을 최소화하여 전력전달을 한다는 장점을 갖는다. 개발된Push-Pull/Center-Tap 공진형 컨버터와 양방향DC/DC 컨버터의 구조를 이용하여 48[V]에서380[V]로 승압을 하게 되며 95[%]이상의 고효율을 달성하였다.

후속연구

또한 개발된 컨버터는 시스템 용량이 500[W]로 작지만 병렬구동을 통하여 발전용량을 증가 시킬 수 있다. 따라서 중소용량의 인버터 시스템과의 연동을 통하여 계통으로 전력을 공급이 가능 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열전발전장치란 무엇인가?	전 세계적으로 환경오염 규제강화와 화석에너지 자원량의 감소 및 원자력발전의 장기적 가동 중지에 따른 신재생에너지 기술의 요구가 높아지고 있고, 이에 따라 친환경성, 에너지공급원의 다원화 등의 다양한 장점으로 인해 비약적인 발전을 거듭하고 있다. 신재생에너지 기술 분야 중 열전발전장치는 열에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 에너지변환 장치로써 열원이 존재하는 경우 다른 기계적 구동요소 없이 전력을 발생시켜 사용할 수 있다. 2006년 국내 총 에너지 소비는 약 2억 3천만 TOE로 추정되며 이의 약 26%가 폐증기, 온수, 배기가스 형태의 폐열로 버려지고 있는 실정이다.
	신재생에너지 기술의 요구가 높아진 배경은 무엇인가?	전 세계적으로 환경오염 규제강화와 화석에너지 자원량의 감소 및 원자력발전의 장기적 가동 중지에 따른 신재생에너지 기술의 요구가 높아지고 있고, 이에 따라 친환경성, 에너지공급원의 다원화 등의 다양한 장점으로 인해 비약적인 발전을 거듭하고 있다. 신재생에너지 기술 분야 중 열전발전장치는 열에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 에너지변환 장치로써 열원이 존재하는 경우 다른 기계적 구동요소 없이 전력을 발생시켜 사용할 수 있다.
	열전발전장치 사용으로 얻는 효과는 무엇이 있는가?	2006년 국내 총 에너지 소비는 약 2억 3천만 TOE로 추정되며 이의 약 26%가 폐증기, 온수, 배기가스 형태의 폐열로 버려지고 있는 실정이다. 이와 같은 폐열을 재생할 경우 국가에너지소비량을 절감할 수 있고 온실가스 배출을 저감할 수 있어 열전발전에 대한 연구가 다방면으로 이루어졌다.[1]

참고문헌 (6)

Rowe, D. M., "Thermoelectric Hand Book Macro to Nano" Taylor and Francis Group Press, Wales. (2007).
Bass, J. C., Elsner, N. B. and Leavitt, F. A., "Performance of the 1kW thermoelectric generator for diesel engines", Proceedings of the 13 th International Conference on Thermoelectrics, pp. 295-298, (1994).
Wu, C., "Analysis of waste-heat thermoelectric power generators", Applied Thermal Eng, vol. 16, no. 1, pp. 63-69, (1996).

상세보기
Furue, T., Hayashida, T., Imaizumi, Y., Inoue, T., Nagao, K., Fujii, I. and Sakurai, T., "Case study on thermoelectric generation system utilizing the exhaust gas of internal combustion power plant", Proceedings of the 17th International Conference on Thermoelectrics, pp. 473-478, (1998).
Rowe, D. M. and Min, G., "Evaluation of thermoelectric modules for power generation," Journal of Intelligent and Robotic Systems, vol. 73, pp. 193-198, (1998).
Y. H. Kim, M. K. Kim, S. Y. Kim, G. H. Rhee and S. K. Um, "Performance Characteristics of Thermoelectric Generator Modules For Parallel and Serial Electrical Circuits," Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 22, no. 5, pp. 259-267, (2010).

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