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문제 정의
- 상온을 포함하여 400℃내외까지의 중온역 범위에서 동작할 수 있는 검증된 벌크형 열전소재 중상온역에서는 Bi-Te계, 중온역에서는 Pb-Te계 합금이 대표적으로 알려져 있다.[2-3] 본 연구에서는 저온용으로 알려진 Bi-Te계 합금에 제 3의 원소인 Ag를 기본으로 하거나 복합첨가하여 최고성능 발현온도를 고온화하는 물성튜닝을 통해 중온에서도 우수한 열전성능을 나타내는 Bi-Te계 합금을 개발하였고 이것과 함께 대표적 중온용 열전소재인 n형 및 p형의 Pb-Te계 열전물질 개발 및 성능향상연구를 통해 국내 최초로 중온용 열전발전 모듈 개발에 성공하였다.상기 그림 2는 본 연구를 통해 개발되어 최종적으로 평가된 중온용 Bi-Te-Ag-X계 합금의 무차원 성능지수를 나타낸 것이다.
- 본 연구개발에서는 열전발전기술을 통해 거의 재활용되지 못하고 있는 중저온급 소각폐열의 녹색전력화를 구현하기 위해 중저온용 열전소재 및 모듈화기술 개발, 소각열환경 분석 및 시스템화 기술 등을 분석 개발중에 있고 그 일부의 내용을본 고에 소개하였다. 현재까지 중저온용 Pb-Te계및 신 Bi-Te계 열전소재가 개발되었으며 이들을 이용한 열전발전모듈을 구성하여 그 성능을 평가하고 있다.
- 본 연구에서는 소각로를 포함하여 각종 산업체에서 그 재활용이 용이치 않아 거의 대부분 폐기되고 있는 중온(400℃이하)이하의 산업폐열을 전기로 재활용 할 수 있는 의미 있는 솔루션 확보를 위해 국내에서는 최초로 중온폐열에 대응한 복식형 열전발전시스템을 개발 중에 있고 본 고에서는 현재까지 진행되고 있는 연구내용의 일부를 소개하고자 한다.
- 본 연구에서는 자연방열형 열전시스템을 설치 하기 위한 방안으로 방열형 열전모듈을 구성하여 온도차 유지특성을 조사하고자 하였다. 아래 그림은 본 연구에서 설계한 방열형 열전모듈의 규격과 형상을 나타낸 것으로 방열흰이 부착된 열전발전 모듈을 하나의 어셈블리로 구성하고 이것을 이용해 온도차 유지특성을 파악하였다.
- 본 연구에서는 지역 M소각장을 대상으로 한 주요 설비의 온도특성 및 부식가스 환경조사를 통해 열전발전시스템이 적용 가능한 설치부위와 시스템의 방식들을 조사하여 예상하였고 그 결과는 아래와 같이 요약하여 나타낼 수 있다.
- 1의 높은 ZT값을 나타내는 매우 특이한 결과를 나타냈다. 이같은 결과는 저온계로 알려진 Bi-Te계 열전소재가 중온역에서도 우수한 성능의 열전소재로 이용될 수 있음을 나타내는 것으로 본 연구에서는 이같은 현상의 원인분석과 함께이 소재를 이용하여 모듈화하고 이를 통해 실용화 가능성을 평가하고 있다.
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