초록 ▼

핵심기술
소각로의 중온급 300℃내외의 폐열을 열전발전기술을 통해 전력으로 재생하는 복식형 열전발전시스템 구성 원천 및 응용기술
최종목표
소각로 중온급 폐열을 이용한 3kW급 복식형 열전발전시스템 개발
개발내용 및 결과
1. 중온용 열전반도체 재료(Pb-Te, Bi-Te계 및 산화물계)와 소자 개발
2. 열전발전모듈 및 파워 어셈블리를 설계기술 개발
3. 열전발전용 모듈화 기술 및 모듈개발
4. 소각로 적용형 열전발전 단위스텍 개발
5. 3kW급 복식열전발전 시스템을 개발
기술개

핵심기술
소각로의 중온급 300℃내외의 폐열을 열전발전기술을 통해 전력으로 재생하는 복식형 열전발전시스템 구성 원천 및 응용기술
최종목표
소각로 중온급 폐열을 이용한 3kW급 복식형 열전발전시스템 개발
개발내용 및 결과
1. 중온용 열전반도체 재료(Pb-Te, Bi-Te계 및 산화물계)와 소자 개발
2. 열전발전모듈 및 파워 어셈블리를 설계기술 개발
3. 열전발전용 모듈화 기술 및 모듈개발
4. 소각로 적용형 열전발전 단위스텍 개발
5. 3kW급 복식열전발전 시스템을 개발
기술개발배경
본 연구개발에서는 기존의 폐열원 재생법으로는 재활용이 거의 불가능한 소각로의 중온급 폐열원을 이용하여 전력을 생산하는 열전발전시스템을 국내 최최로 개발하는 것으로서, 소가로뿐만 아니라 각종의 산업배폐열원 중 재활용이 가장 어려운 400℃이하의 폐열원을 재활용할 수 있는 가장 유용한 방법임.
특히 본 연구사업을 통해 국내에서 그 개발사례가 전무하였던 중온급 열전발전재료와 모듈 및 소각로에 분포하는 다원 폐열원 대한 고효율 발전 및 전력설계 등의 기술이 개발함으로 차세대 소각설비의 고효율화에 기여할 수 있는 핵심적 기술개발 사례가 될 것임
핵심개발기술의 의의
본 연구개발을 통해 국내에서는 처음으로 300℃ 내외에서 동작하는 중온용 열전발전 재료 및 열전발전용 모듈을 개발하였으며, 최종 개발된 시스템은 아직도 상용급에서는 보고된 사례가 전무할 정도로 상용열전발전기술 분야에서 세계 최정상급의 기술적 성과들 도출하였음
이같은 연구결과는 향 후 산업설비의 폐열활용을 극대화를 통한 에너지 효율향상 뿐만 아니라 전기적 변환이 어려운 다양한 자연 열까지 전력화 할 수 있는 가능성을 제시하는 것으로 세계적으로 경쟁력을 가진 원천기수로서 국내 에너지분야에 폭넓게 이용될 수 있을 것임. 단 본격적인 상업성 확보를 위해서는 시장에서 요구되는 경제성, 장기적 신뢰성, 안정성의 자료를 확보할 수 추가 실증연구의 필요성이 있음
적용분야
중대형 소가장의 중온폐열을 이용한 병합발전
차량폐열을 활용한 열전발전
지역형 분산전원
발전소 발전설비의 효율향상
(효율 0.1%향상당 $1백만 이상의 이윤 창출효과)
가스터빈, 복수기, 열교환기, 변압기 등에 응용가능
에너지 다소비 업종인 열처리 공장, 염색공장 등의 에너지 다소비 시설의 에너지 소비요율 향상등으로 활용

목차 Contents

• 최종보고서 ... 1
• 표지 ... 2
• 제출문 ... 3
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 4
• 목차 ... 11
• 제 1 장 초록 ... 15
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 15
• 1. 기술적 측면 ... 16
• 2. 산업·경제적 측면 ... 18
• 3. 정책적 측면 ... 18
• 제 2 절 국내외 관련 기술의 현황 ... 19
• 1. 국외기술현황 ... 19
• 가. 일본 ... 19
• 나. 유럽 및 미국 ... 19
• 2. 국내기술현황 ... 21
• 3. 특허현황 ... 22
• 가. 국내 ... 22
• 나. 국외 ... 23
• 4. 현 기술상태의 취약성 ... 24
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 26
• 1. 기술적 측면 ... 26
• 2. 산업.경제적 측면 ... 26
• 3. 정책적 측면 ... 26
• 4. 활용방안 ... 27
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 28
• 제 1 절 최종목표 및 평가방법 ... 28
• 제 2 절 단계목표 및 평가 방법 ... 28
• 1. 연차별 세부목표, 평가 착안점 및 기준 ... 28
• 2. 정량적 목표 ... 28
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 범위 ... 29
• 1. 1차년도 ... 29
• 가. 개발목표 ... 29
• 나. 개발내용 및 개발범위(시스템 구성도, 구조 등은 그림으로 표현) ... 29
• 2. 2차 년도 ... 29
• 가. 개발목표 ... 29
• 나. 개발내용 및 개발범위 ... 29
• 3. 3차 년도 ... 30
• 가. 개발목표 ... 30
• 나. 개발내용 및 개발범위 ... 30
• 4. 연구개발 성과물 ... 30
• 5. 위탁연구개발의 목표 및 내용 ... 31
• 가. 최종목표 ... 31
• 나. 연차별 개발내용 및 개발범위 ... 31
• 1) 1차년도 ... 31
• 가) 개발목표 ... 31
• 나) 개발내용 및 개발범위(시스템 구성도, 구조 등은 그림으로 표현) ... 31
• 2) 2차년도 ... 32
• 가) 개발목표 ... 32
• 나) 개발내용 및 개발범위 ... 32
• 3) 3차년도 ... 33
• 가) 개발목표 ... 33
• 나) 개발내용 및 범위(시스템 구성도, 구조 등은 그림으로 표현) ... 33
• 다. 연구개발 성과물 ... 33
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 34
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 34
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 34
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 35
• 가. 소각로 폐열활용 분석 ... 35
• 1) 국내 생활폐기물 발생현황 ... 35
• 가) 생활폐기물 발생현황 ... 35
• 나) 생활폐기물의 처리현황 ... 35
• 2) 국내 생활폐기물 소각시설현황 ... 40
• 가) 소각방식의 분류와 특징 ... 40
• 나) 국내 생활폐기물 소각시설 현황 ... 41
• 3) 생활폐기물 소각기술 동향 ... 42
• 가) 소각기술의 원리 ... 42
• 나) 소각방식의 분류와 특징 ... 43
• 다) 소각시설의 폐열이용방식 ... 45
• 4) 국내 소각시설의 대형 생활폐기물 소각시설 여열 자원화실태 ... 47
• 5) 소각시설의 폐열회수를 통한 에너지활용 및 효율 ... 50
• 나. 중온용 열전재료 개발 ... 52
• 1) Lead telluride계 열전소재 ... 52
• 가) Ag 또는 Sb을 첨가한 Pb-Te 3원계 화합물의 미세구조 및 열전특성 ... 55
• 나) 실험방법 ... 55
• 다) 결과 및 고찰 ... 56
• 라) 결론 ... 62
• 마) 참고문헌 ... 62
• 2) 중저온용 Bi-Te계 재료 개발 ... 64
• 가) Bi2Te3, Sb2Te3고용체의 특징 ... 64
• 나) Ag2Te, AgSbTe2 화합물의 특징 ... 67
• 다) 실험방법 ... 71
• 라) Ag가 첨가된 Bi0.5Sb1.5Te8 열전화합물의 열전특성 ... 73
• 마) 결론 ... 81
• 바) 참고문헌 ... 82
• 3) 산화물계 열전재료 ... 83
• 가) p-type NaxCoO2계 산화물 ... 84
• 나) n-type SrTiO8계 산화물 ... 91
• 다. 중온용 열전발전 모듈개발 ... 122
• 1) 열전발전모듈의 종류와 특징 ... 123
• 2) 열전발전모듈 설계 ... 124
• 가) 열전발전모듈의 엘리펀트 놀이 설계 ... 124
• 나) 열전재료 충진율 효과 ... 126
• 다) 열전발전모듈의 p-n 소자 형상구조 설계 기술 ... 127
• 3) 프로토타입 중온용 열전발전모듈 ... 130
• 4) 저온용 열전발전 모듈 ... 133
• 가) 저온용 열전발전 단위 모듈의 출력 특성 ... 133
• 5) 중온용 열전발전 모듈의 설계 및 제조 ... 135
• 가) 열전분말/전극 일체형 소자 제조 ... 136
• 나) 열전소자 가공 ... 136
• 다) 모듈화 엘리먼트 구성 및 열적 내구성 평가 ... 138
• 라) 열전 모듈의 열응력 및 열전달 해석 ... 142
• 마) 열전발전모듈 지그 조립 ... 151
• 바) 용사 공정을 이용한 전극 형성 및 표면가공 ... 155
• 사) 중온용 열전발전모듈의 출력특성 ... 161
• 아) 산화물계 열전발전모듈 제작 ... 163
• 라. 복식형 열전발전시스템 설치를 위한 M시 생활폐기물 소각장 사례분석 ... 172
• 1) M시 소각장 현황 ... 172
• 2) M시 생활폐기물 소각장의 처리공정별 온도변화 ... 174
• 3) 소각시설의 대기오염물질 ... 178
• 가) 산성 유해가스(SOx, HCl) 제거 기술 ... 178
• 나) 분진(입자상물질) 제거설비 ... 180
• 다) 질소산화물 제거설비 ... 181
• 라) 다이옥신 제거설비 ... 184
• 마. 복식형 열전발전시스템 구성 ... 188
• 1) 최적 모의소각조건 구현을 위한 소각로의 개조 ... 190
• 2) 적정 복식열전시스템 설치를 위한 소각로 주요 부위의 열류 유동 해석 ... 192
• 가) 열전 모듈 장착용 소각로 내부 유동 해석 ... 192
• 나) 해석 과정 및 결과 ... 193
• 다) 소각로 단열벽 두께에 따른 단열벽의 열분포 ... 198
• 3) 방열형 열전발전 모듈 열해석 ... 203
• 가) 방열형 열전모듈의 온도차 유지특성 ... 203
• 바. 복식열전발전 시스템을 위한 보상회로 및 고효율 인버터 설계 제작 연구 ... 205
• 1) MPPT구현 방식 및 알고리즘 ... 209
• 가) 직접제어방식 ... 209
• 나) Perturb & Observe (P&O) ... 210
• 다) Incremental Conductance (IncCond) ... 210
• 라) Hysterisis-band 변동 제어 ... 210
• 2) 기존 MPPT방법의 장단점 분석 ... 211
• 사. 복식형 열전발전시스템 및 출력 ... 214
• 1) 소각로 싸이클론부 폐열 활용부의 구성 및 출력 ... 214
• 가) 단위 PCB의 출력 특성 ... 216
• 나) 열전발전 단위스택의 출력 특성 ... 220
• 다) 열전발전 스택의 열화 특성 ... 224
• 라) 스택형 열전발전기의 출력 ... 225
• 2) 중온급(250℃내외) 폐가스 활용부의 구성 및 출력 ... 227
• 3) 소각로 굴뚝부 자연냉각 방식 및 출력 ... 227
• 4) 복식형 열발전기 출력 특성 평가(종합) ... 228
• 가) 싸이클론부 열원을 이용한 열전발전기 ... 228
• 아. 결론 ... 231
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 232
• 1. 연구개발 추진전략 ... 232
• 2. 연구개발 추진체계 ... 233
• 3. 연구개발팀 편성도 ... 234
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 235
• 1. 연구개발 사업성과의 사업화 가능성 ... 235
• 2. 시장규모 ... 235
• 가. 주시장(국가 또는 지역) : 한국, 일본 미국, 중국 등 ... 235
• 나. 시장규모 ... 235
• 다. 세계시장의 성격(해당란에 모두 표시) ... 235
• 라. 본 기술을 보유하고 있는 국내외 회사는? ... 235
• 3. 사업화 계획 및 무역수지 개선 효과 ... 236
• 가. 사업화 추진현황 및 향후 추진계획 ... 236
• 나. 매출실적 및 계획 ... 236
• 다. 무역수지 개선 효과 ... 236
• 끝페이지 ... 238