[논문]열전발전소자 제작 및 발전특성 분석

최태호; 김태영

doi:10.22156/cs4smb.2021.11.02.090

열전발전소자 제작 및 발전특성 분석
Fabrication of Thermoelectric Module and Analysis of its Power Generation Characteristics 원문보기

융합정보논문지 = Journal of Convergence for Information Technology, v.11 no.2, 2021년, pp.90 - 97

최태호 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) , 김태영 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과)

초록
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본 연구에서는 산업현장에서 미활용되는 열에너지를 회수하여 유용한 전기에너지로 변환하기 위한 Bi2Te3 계열 열전소자를 제작하고 에너지회수 성능 및 물성을 도출하였다. 성능시험을 위하여 카트리지 히터 가열 방식의 가열블록과 냉매가 흐르는 냉각블록으로 구성된 전용 실험장치를 구성하였으며, 가열블록과 냉각블록에는 3×3 배열의 열전대를 장착하여 소자 양 면 온도와 열전달율을 도출하였다. 최소 온도차 27K부터 최대 온도차 172.2K까지 총 9가지의 온도차에 대해 실험을 수행하여 V-I curve와 P-R curve를 도출하였고 성능에 주요한 영향을 미치는 제벡계수 등 변수 7가지에 대하여 온도차에 대한 함수로 결과를 제시하였다. 최대 발전양 7.5W와 변환효율 11.3%의 결과로부터 개발된 열전소자의 열에너지 회수 성능의 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a Bi2Te3 thermoelectric generator (TEG) was fabricated to convert unused thermal energy into useful electrical energy. For the performance test, a dedicated experiment device consisting of a heating block operating with cartridge heaters and a cooling block through which a refrigerant flows was constructed. A 3×3 array of thermocouples was mounted on the heating block and the cooling block, respectively, to derive the temperature fields and heat transfer rate onto both sides of the TEG. Experiments were conducted for a total of 9 temperature differences, obtaining V-I and P-R curves. The results of 7 variables including Seebeck coefficients that have a major effect on performance were presented as a function of the temperature difference. The feasibility of the energy recovery performance of the developed TEG was verified from the maximum power output of 7.5W and conversion efficiency of 11.3%.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Isometric views of (a) the fabricated TEG and (b) a p-n thermoelectric couple
그림 Fig. 2. Schematics of (a) TEG tester (b) the entire experimental setup. Not shown is a power supply.
그림 Fig. 3. V-I curves for various temperature difference across the developed TEG.
그림 Fig. 4. Open circuit voltage, short circuit current, and electrical resistance of the developed TEG as a function of the temperature difference across the TEG.
그림 Fig. 5. P-R curves for various temperature difference across the developed TEG.
그림 Fig. 6. Maximum power output and energy conversion efficiency as a function of the temperature difference across the TEG.
표 Table 1. Comparison of the electric resistance of the developed TEG obtained from the slope of V-I curves and the electric load resistance that corresponds to the maximum power output yielded from Fig. 4.
그림 Fig. 7. Seebeck coefficient and thermal conductivity of the developed TEG as a function of the temperature difference across the TEG.

AI 본문요약
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문제 정의

이에 따라 낮은 열전도도의 소자일수록 높은 ZT값을 갖을 수 있음에 따라 낮은 열전도도를 갖는 소자 개발에 대한 요구가 있다. 본 연구에서의 소자는 1 W/mㆍK 이하의 열전도도를 가지며 온도 및 온도차 증가에 따라 감소하는 경향을 보유하여 저온 열원의 효율적인 에너지 회수에 대한 가능성을 가지고 있다. [12].

제안 방법

열전소자의 윗 면은 물-에틸렌글리콜 50:50 비율의 냉매로 냉각되는 알루미늄 냉각블록에 접촉한다. Clamping screw와 Nut를 토크렌치로 회전하여 열전소자를 가열 블록과 냉각블록 사이에서 8kgf·cm의 토크로 장착하였다. 가열블록과 냉각블록에는 3×3 배열의 열전대를 삽입하여 히터로부터 열전소자로 전달되는 열전달율, 열전소자에서 냉매로 전달되는 열전달율, 열전소자의 양 면 온도를 도출하였다.
2Ω부터 300Ω 까지 변화시켜가며 열전소자의 발전특성도 함께 측정한다. Feedback 열전대로부터 측정되는 고온부의 목표온도를 313K부터 473K까지 20K 간격으로 변화시키며 결과를 측정하였다. 열전소자 고온 및 저온면에 실제로 인가된 온도 값은 가열블록 및 냉각블록에 각각 삽입된 3×3 배열의 열전대의 온도 측정 결과를 Fourier 법칙에 적용하여도 출하였다.
PID 제어를 통하여 가열블록이 목표온도에 도달한 후 시스템이 정상상태에 도달하면 가열블록과 냉각 블록에 삽입된 열전대로부터 온도측정을 수행한다. 정상 상태는 열전대로부터 도출되는 열전소자 표면 온도를 1초마다 측정하고, 이 표면 온도가 120초 동안 0.
Clamping screw와 Nut를 토크렌치로 회전하여 열전소자를 가열 블록과 냉각블록 사이에서 8kgf·cm의 토크로 장착하였다. 가열블록과 냉각블록에는 3×3 배열의 열전대를 삽입하여 히터로부터 열전소자로 전달되는 열전달율, 열전소자에서 냉매로 전달되는 열전달율, 열전소자의 양 면 온도를 도출하였다. 가열블록의 가장 하단 중앙부 Hole에는 카트리지 히터 제어부와 연결된 열전대를 삽입한다.
개발된 열전소자의 에너지 변환 특성을 분석하기 위하여 Fig. 2와 같이 열전소자 성능시험기 (TEG tester) 를 구성하였다.
본 연구에서는 Bi2Te3계열의 에너지 회수용 열전소자를 제작하였으며 전용 실험장치를 구성하여 발전 특성과 물성을 도출하였다. 카트리지 히터로 구성된 가열 블록과 냉매가 흐르는 냉각블록 사이에 열전소자를 장착한 후 정상상태에서 성능을 측정하였으며, 가열 블록과 냉각블록에서의 온도를 측정하여 소자 표면 온도 및 소자로의 열전달율을 함께 도출하였다.
본 연구에서는 열에너지 회수를 위한 열전소자를 제작하고 열원 모사 실험장치를 구성하여 제작된 소자의 발전 특성, 제벡계수 (Seebeck coefficient), 전기저항, 에너지 변환효율 등을 온도차에 대한 함수로 분석한다.
가열블록 및 냉각 블록에 각각 삽입된 3×3 배열의 열전대 온도 측정 결과로부터 열전소자의 고온면 및 저온면 온도 뿐만 아니라 가열히터로부터 열전소자의 고온면로 전달된 열전달율과 열전소자의 저온면으로부터 냉매로 전달된열전달율을 구할 수 있다. 열전소자의 열전도도를 구하기 위해서는 해당 두 가지 열전달율의 평균값을 활용하여 도출하였다.
8% 차이를 보이면서 두 변수의 값이 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 소자의 전기저항 값의 타당성 확보 및 해당 값에서의 최대 발전양에 대한 검증이 이루어졌다.
정상 상태는 열전대로부터 도출되는 열전소자 표면 온도를 1초마다 측정하고, 이 표면 온도가 120초 동안 0.1K 이하로 변화할 때로 정의하였다. 정상상태에서는 전자 로더의 저항을 0.
1K 이하로 변화할 때로 정의하였다. 정상상태에서는 전자 로더의 저항을 0.2Ω부터 300Ω 까지 변화시켜가며 열전소자의 발전특성도 함께 측정한다. Feedback 열전대로부터 측정되는 고온부의 목표온도를 313K부터 473K까지 20K 간격으로 변화시키며 결과를 측정하였다.
물성을 도출하였다. 카트리지 히터로 구성된 가열 블록과 냉매가 흐르는 냉각블록 사이에 열전소자를 장착한 후 정상상태에서 성능을 측정하였으며, 가열 블록과 냉각블록에서의 온도를 측정하여 소자 표면 온도 및 소자로의 열전달율을 함께 도출하였다. 결과로부터 V-I 및 P-Rcurve를 도출하였으며, 열전발전 특성과 밀접한 연관성이 있는 Voc, Isc, Rel, Pout, ηconv, α, Rcond의총 7가지의 변수 값을 소자 양 면의 온도차에 대한 함수로 표시하였다.

대상 데이터

결과로부터 V-I 및 P-Rcurve를 도출하였으며, 열전발전 특성과 밀접한 연관성이 있는 Voc, Isc, Rel, Pout, ηconv, α, Rcond의총 7가지의 변수 값을 소자 양 면의 온도차에 대한 함수로 표시하였다. 본 연구에서 다룬 최대 온도차인 172.2K에 대하여 최대발전양 7.5W 및 최대 에너지 변환 효율 11.3%를 획득하였다. 온도차에 대한 최대 발전 양은 Voc 및 Isc를 예측하는 상관식으로부터도 도출 가능하며, 실험적으로 얻은 결과 대비 3.
본 연구에서는 열전소자 제작 전문업체인 ㈜리빙케어와의 협업을 통하여 Bi2Te3계열의 열전발전 전용 소자를 Fig.1과 같이 제작하였다. 소자는 161개의 n-p 반도체 커플로 구성하였고 반도체 각각은 구리 전극으로 연결하였으며 소자 양 면을 1 mm 두께의 Al2O3세라믹 판으로 절연하였다.
1과 같이 제작하였다. 소자는 161개의 n-p 반도체 커플로 구성하였고 반도체 각각은 구리 전극으로 연결하였으며 소자 양 면을 1 mm 두께의 Al2O3세라믹 판으로 절연하였다. 소자의 면적은 44x44 mm2, 소자의 높이는 3.
열전소자 고온 및 저온면에 실제로 인가된 온도 값은 가열블록 및 냉각블록에 각각 삽입된 3×3 배열의 열전대의 온도 측정 결과를 Fourier 법칙에 적용하여도 출하였다. 해당 계산시 가열 및 냉각 블록을 구성하는 알루미늄의 열전도도는 170 W/m·K로 사용되었으며, 3개 열 (Row)의 열전대로부터 도출된 표면 온도를 평균하여 평균 고온부 표면 온도 및 저온부 표면 온도로 사용하였다.

데이터처리

Bias error는 측정장치의 정확도와 측정변수의 Sensitivity coefficient를 도출하여 계산하였으며, Precision error는 3번 반복 측정한 실험결과의 표준편차와 t-분포를 이용하여 계산하였다. 이로부터 Open circuit voltage (Voc), short circuit current (Isc), Electrical resistance of TEG (Rel), power output (Pmax), conversion efficiency (ηconv), thermal conductivity (k), Seebeck coefficient (α)의 최대 측정오차가 각각 1.
측정결과에 대해 Bias error와 Precision error를 도출하여 95% 신뢰도를 갖는 불확실도를 계산하였다. Bias error는 측정장치의 정확도와 측정변수의 Sensitivity coefficient를 도출하여 계산하였으며, Precision error는 3번 반복 측정한 실험결과의 표준편차와 t-분포를 이용하여 계산하였다.

이론/모형

Feedback 열전대로부터 측정되는 고온부의 목표온도를 313K부터 473K까지 20K 간격으로 변화시키며 결과를 측정하였다. 열전소자 고온 및 저온면에 실제로 인가된 온도 값은 가열블록 및 냉각블록에 각각 삽입된 3×3 배열의 열전대의 온도 측정 결과를 Fourier 법칙에 적용하여도 출하였다. 해당 계산시 가열 및 냉각 블록을 구성하는 알루미늄의 열전도도는 170 W/m·K로 사용되었으며, 3개 열 (Row)의 열전대로부터 도출된 표면 온도를 평균하여 평균 고온부 표면 온도 및 저온부 표면 온도로 사용하였다.

성능/효과

[11]. Fig. 3으로부터 본 열전소자는 온도차 172.2 K (고온부 온도기준 473 K) 까지 소자를 구성하는 n형 및 p형 반도체, Solder 물질의 물성 변화없이 열전에너지 변환을 통한 에너지 회수를 수행할 수 있음을 확인하였다. 소자의 전기저항 또한 소 자양 면 온도차가 증가할수록 증가하는 추세를 보인다.
6에 빈 네모 형태로 표현하였다. P-Rcurve로부터 도출된 실제의 최대 발전 양과 Voc와 Isc상관식으로 도출된 최대 발전양이 거의 일치함을 볼 수 있으며, 이 둘 간의 최대 오차는 3.5%로 나타났다.
Fourier 법칙으로부터 도출할 수 있다. 가열블록 및 냉각 블록에 각각 삽입된 3×3 배열의 열전대 온도 측정 결과로부터 열전소자의 고온면 및 저온면 온도 뿐만 아니라 가열히터로부터 열전소자의 고온면로 전달된 열전달율과 열전소자의 저온면으로부터 냉매로 전달된열전달율을 구할 수 있다. 열전소자의 열전도도를 구하기 위해서는 해당 두 가지 열전달율의 평균값을 활용하여 도출하였다.
카트리지 히터로 구성된 가열 블록과 냉매가 흐르는 냉각블록 사이에 열전소자를 장착한 후 정상상태에서 성능을 측정하였으며, 가열 블록과 냉각블록에서의 온도를 측정하여 소자 표면 온도 및 소자로의 열전달율을 함께 도출하였다. 결과로부터 V-I 및 P-Rcurve를 도출하였으며, 열전발전 특성과 밀접한 연관성이 있는 Voc, Isc, Rel, Pout, ηconv, α, Rcond의총 7가지의 변수 값을 소자 양 면의 온도차에 대한 함수로 표시하였다. 본 연구에서 다룬 최대 온도차인 172.
본 연구에서의 열전소자의 발전양은 일반적으로 알려져 있는 바와 같이 온도차의 제곱에 비례하는 형태로 증가하고 있음을 확인할 수 있다.
전자로더의 저항이 0에 가까운 작은 값일 때에는 소자로부터의 발전양 또한 0에 수렴하는 모습이 나타나며, 로더의 저항이 증가함에 따라 소자의 발전양이 증가하는 추세가 나타난다. 소자로부터의 발전양은 전자로더 저항 약 2Ω 부근에서 최대가 되며, 로더의 저항이 더 증가할 경우 소자의 발전양이 완만하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 소자 양면의 온도 차가 증가할수록 발전양 최대값 또한 함께 증가하며 온도 차 172.
3%를 획득하였다. 온도차에 대한 최대 발전 양은 Voc 및 Isc를 예측하는 상관식으로부터도 도출 가능하며, 실험적으로 얻은 결과 대비 3.5%의 낮은 오차만을 보이는 것을 확인하였다.
단, P-R curve로부터 얻어지는 최적 전자로더 저항은 데이터의 분산을 고려하여 발전양이 최대가 되는 부근에서 Curve fit을 먼저 도출한 후 최대 발전양에 해당하는 저항 값으로 정의하였다. 이때 Curve fit로부터 도출된 최대 발전양과 실제 발전양의 최대 오차는 4.3% 수준으로 나타남을 확인했다. Table 1에서 정리된 바와 같이 열전소자의 발전 양을 최대로 하는 전자로더의 전기저항 Rload, opt또한 V-Icurve로부터 도출된 열전소자의 전기저항 Rel 와 마찬가지로 열전소자 양 면의 온도차가 증가할수록 함께 증가하는 경향이 있으며 1.
Bias error는 측정장치의 정확도와 측정변수의 Sensitivity coefficient를 도출하여 계산하였으며, Precision error는 3번 반복 측정한 실험결과의 표준편차와 t-분포를 이용하여 계산하였다. 이로부터 Open circuit voltage (Voc), short circuit current (Isc), Electrical resistance of TEG (Rel), power output (Pmax), conversion efficiency (ηconv), thermal conductivity (k), Seebeck coefficient (α)의 최대 측정오차가 각각 1.2%, 3.7%, 4.1%, 3.3%, 7.7%, 9.2%, 8.7%로 나타났다.
손실 열전달율으로 볼 수 있다. 카트리지 히터에서 전달된 열전달율 중에서 대기로 손실된 열전달율의 비율은 카트리지 히터에서의 발열량이 낮을수록 커지는 것으로 계산되었으며 소자 고온부와 저온부 온도 차가 27K일 때 최대 13.5%, 온도차가 172.2K 일 때 최소 3.5%를 차지하는 것으로 나타났다. 해당 열 손실은 고온 블록을 감싸고 있는 PEEK 단열재를 통한 손실과 공기에 직접 노출되어 있는 열전소자의 측면, 냉각 블록의 측면을 통한 것으로 볼 수 있다.

후속연구

[12]. 단, 본 연구에서 측정된 열전도도는 개발된 열전소자의 열저항 뿐만 아니라 열전소자와 가열블록, 열전소자와 냉각블록 사이에 존재하는 접촉 열저항이 반영되어 도출된 결과이므로 열전소자만의 열전도도를 얻기 위해서는 접촉 열저항을 계산 [13]이나 실험적인 방법 [2]에 의하여 획득 후 제거함으로써 도출할 수 있을 것으로 보인다. 또한 열전소자의 내부가 p 형 및 n 형 반도체가 물성이 잘 알려진 구리 전극과 알루미나 판 사이에 주기적으로 배치된 형태라는 점을 이용하여 구성 물질의 두께와 길이 등의 치수 정보로부터 열전도도의평균적인 값을 계산하여 사용할 수 있을 것으로 보인다 [13].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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