열전 발전기
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1. 개요
열전 발전기는 서로 다른 두 도체의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산하는 장치이다. 1821년 토마스 요한 제베크에 의해 발견된 제베크 효과를 기반으로 하며, 열전 재료, 열전 모듈, 열전 시스템으로 구성된다. 열전 발전기는 움직이는 부품이 없어 유지 보수가 용이하고, 폐열 회수, 우주 탐사, 원격지 전력 공급 등 다양한 분야에 활용된다. 하지만 낮은 효율과 높은 비용, 낮은 열전도율 등의 실용적인 제한도 존재한다.
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| 열전 발전기 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 열전 발전기 |
| 작동 원리 | 제베크 효과를 이용해 열에너지를 전기에너지로 변환 |
| 설명 | 두 금속 또는 반도체 접합부 사이의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산하는 장치 |
| 특징 | |
| 장점 | 가동 부위가 없어 소음이 적음 친환경적 내구성이 뛰어남 유지보수가 용이함 |
| 단점 | 낮은 에너지 변환 효율 높은 생산 비용 상대적으로 낮은 전력 생산량 |
| 응용 분야 | |
| 산업 | 폐열 회수 열전 냉각 |
| 가정 | 휴대용 발전기 태양열 발전 |
| 과학 | 우주 탐사선 전력 공급 센서 전력 공급 |
| 기타 | |
| 발전 효율 | 일반적으로 5~10% 수준 |
| 발전 재료 | 비스무트 텔루라이드 납 텔루라이드 실리콘 게르마늄 |
| 관련 효과 | 펠티에 효과 (열전 냉각) 톰슨 효과 (열전 효과) |
| 참고 자료 | |
| 학술 논문 | 열전 발전으로 에너지 품질 향상에 대한 고찰 (Review of thermoelectricity to improve energy quality) |
| 뉴스 기사 | 태양 전지판, 해가 진 후에도 전기를 생성한다 |
| 저널 | 높은 열 농도를 가진 고성능 평면 태양열 열전 발전기 (High-performance flat-panel solar thermoelectric generators with high thermal concentration) |
2. 역사
1821년, 토마스 요한 제베크는 2개의 상이한 전도체 간에 형성된 온도 경사(thermal gradient)가 전기를 만들어내는 것을 재발견했다.[51][52] 1821년, 토마스 요한 제베크(Thomas Johann Seebeck)는 서로 다른 두 도체 사이에 열 기울기가 형성되면 전기가 발생할 수 있다는 것을 발견했습니다.[4][5] 열전 효과의 핵심은 도전성 물질의 온도 기울기가 열 흐름을 발생시킨다는 것입니다. 이는 전하 캐리어의 확산을 초래합니다. 뜨거운 영역과 차가운 영역 사이의 전하 캐리어 흐름은 차례로 전압 차이를 만듭니다. 1834년, 장 샤를 아타나스 펠티에(Jean Charles Athanase Peltier)는 역효과, 즉 서로 다른 두 도체의 접합부에 전류를 흘리면 전류의 방향에 따라 가열기 또는 냉각기 역할을 할 수 있다는 것을 발견했습니다.[6]
조지 코브(George Cove)는 1909년 열전대를 이용한 열전 발전기를 발명하려던 의도와는 달리 우연히 광전지판을 발명했습니다.[8] 그는 열만으로는 전력이 발생하지 않고 입사광만 발생한다는 점을 지적했지만, 그 작동 원리를 설명할 수 없었습니다. 작동 원리는 현재 쇼트키 접합(Schottky junction)의 매우 단순한 형태로 이해되고 있습니다.
2. 1. 제베크 효과의 발견
1821년, 토마스 요한 제베크는 서로 다른 두 도체 사이에 온도 기울기가 형성되면 전기가 발생할 수 있다는 것을 재발견했다. 열전 효과의 핵심은 도전성 물질의 온도 기울기가 열 흐름을 발생시킨다는 것이며, 이는 전하 캐리어의 확산을 초래한다. 뜨거운 영역과 차가운 영역 사이의 전하 캐리어 흐름은 전압 차이를 만든다. 1834년, 장 샤를 아타나스 펠티에는 역효과, 즉 서로 다른 두 도체의 접합부에 전류를 흘리면 전류의 방향에 따라 가열기 또는 냉각기 역할을 할 수 있다는 것을 발견했다.조지 코브는 1909년 열전대를 이용한 열전 발전기를 발명하려던 의도와는 달리 우연히 광전지판을 발명했다. 그는 열만으로는 전력이 발생하지 않고 입사광만 발생한다는 점을 지적했지만, 그 작동 원리를 설명할 수 없었다. 작동 원리는 현재 쇼트키 접합의 매우 단순한 형태로 이해되고 있다.
2. 2. 펠티에 효과와 열전 현상의 발전
1821년, 토마스 요한 제베크는 서로 다른 두 도체 사이에 열 기울기가 형성되면 전기가 발생할 수 있다는 것을 발견했다.[4][5] 열전 효과의 핵심은 도전성 물질의 온도 기울기가 열 흐름을 발생시킨다는 것이며, 이는 전하 캐리어의 확산을 초래한다. 뜨거운 영역과 차가운 영역 사이의 전하 캐리어 흐름은 전압 차이를 만든다. 1834년, 장 샤를 아타나스 펠티에는 역효과, 즉 서로 다른 두 도체의 접합부에 전류를 흘리면 전류의 방향에 따라 가열기 또는 냉각기 역할을 할 수 있다는 것을 발견했다.[6]조지 코브는 1909년 열전대를 이용한 열전 발전기를 발명하려던 의도와는 달리 우연히 광전지판을 발명했다.[8] 그는 열만으로는 전력이 발생하지 않고 입사광만 발생한다는 점을 지적했지만, 그 작동 원리를 설명할 수 없었다. 작동 원리는 현재 쇼트키 접합의 매우 단순한 형태로 이해되고 있다.
2. 3. 조지 코브의 광전지판 발명
토마스 요한 제베크(Thomas Johann Seebeck)는 1821년에 서로 다른 두 도체 사이에 열 기울기가 형성되면 전기가 발생할 수 있다는 것을 발견했다.[4][5] 열전 효과의 핵심은 도전성 물질의 온도 기울기가 열 흐름을 발생시킨다는 것이며, 이는 전하 캐리어의 확산을 초래한다. 뜨거운 영역과 차가운 영역 사이의 전하 캐리어 흐름은 전압 차이를 만든다. 1834년, 장 샤를 아타나스 펠티에(Jean Charles Athanase Peltier)는 역효과, 즉 서로 다른 두 도체의 접합부에 전류를 흘리면 전류의 방향에 따라 가열기 또는 냉각기 역할을 할 수 있다는 것을 발견했다.[6]조지 코브(George Cove)는 1909년 열전대를 이용한 열전 발전기를 발명하려던 의도와는 달리 우연히 광전지판을 발명했다.[8] 그는 열만으로는 전력이 발생하지 않고 입사광만 발생한다는 점을 지적했지만, 그 작동 원리를 설명할 수 없었다. 작동 원리는 현재 쇼트키 접합(Schottky junction)의 매우 단순한 형태로 이해되고 있다.
2. 4. 열전 재료의 발전
토마스 요한 제베크(Thomas Johann Seebeck)는 1821년에 서로 다른 두 도체 사이에 열 기울기가 형성되면 전기가 발생할 수 있다는 것을 발견했다.[4][5] 열전 효과의 핵심은 도전성 물질의 온도 기울기가 열 흐름을 발생시킨다는 것이며, 이는 전하 캐리어의 확산을 초래한다. 뜨거운 영역과 차가운 영역 사이의 전하 캐리어 흐름은 전압 차이를 만든다. 1834년, 장 샤를 아타나스 펠티에(Jean Charles Athanase Peltier)는 역효과, 즉 서로 다른 두 도체의 접합부에 전류를 흘리면 전류의 방향에 따라 가열기 또는 냉각기 역할을 할 수 있다는 것을 발견했다.[6]조지 코브(George Cove)는 1909년 열전대를 이용한 열전 발전기를 발명하려던 의도와는 달리 우연히 광전지판을 발명했다.[8] 그는 열만으로는 전력이 발생하지 않고 입사광만 발생한다는 점을 지적했지만, 그 작동 원리를 설명할 수 없었다. 작동 원리는 현재 쇼트키 접합(Schottky junction)의 매우 단순한 형태로 이해되고 있다.
3. 원리
3. 1. 제베크 효과
3. 2. 열전 성능 지수 (ZT)
4. 구성 요소
열전 발전기는 열전 재료, 열전 모듈, 그리고 열원과 연결되는 열전 시스템의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다.[15]
열전발전기는 연료나 냉각을 위해 유체가 필요 없는 전고체 장치이므로 방향에 의존하지 않아 무중력 환경이나 심해 응용 분야에서 사용할 수 있다.[16] 고체 상태 설계를 통해 열악한 환경에서도 작동할 수 있다. 열전발전기는 움직이는 부품이 없어 장기간 유지보수가 필요 없는 더욱 안정적인 장치를 만들어낸다. 내구성과 환경 안정성으로 인해 열전 기술은 NASA의 심우주 탐사선을 비롯한 다른 응용 분야에서 선호되고 있다.[17] 이러한 특수 응용 분야를 제외하고 열전발전기의 주요 장점 중 하나는 폐열에서 사용 가능한 전력을 생산하여 기존 기술에 통합하여 효율성을 높이고 환경 영향을 줄일 수 있다는 것이다.[18]
==== 열전 재료 ====
열전 재료는 온도 차이를 전압으로 변환하여 열로부터 직접 전력을 생성한다. 우수한 열전 재료가 되려면 높은 전기 전도도(σ)와 낮은 열 전도도(κ)를 모두 가져야 한다. 낮은 열 전도도는 한쪽이 가열될 때 다른 쪽이 차갑게 유지되도록 하여 온도 구배에서 큰 전압을 생성하는 데 도움이 된다. 재료 전체의 온도 차이에 대한 전자 흐름의 크기를 나타내는 척도는 제벡 계수(S)로 나타낸다. 특정 재료의 열전 발전 효율은 “성능 지수” zT = S2σT/κ로 추정된다.
수년 동안 낮은 열 전도도와 높은 전력 인자를 모두 갖는 것으로 알려진 주요 세 가지 반도체는 텔루르화 비스무트(Bi2Te3), 텔루르화 납(PbTe) 및 실리콘 저마늄(SiGe)이었다. 이 재료들 중 일부는 다소 희귀한 원소를 포함하고 있어 비용이 많이 든다.
오늘날 나노기술을 사용하여 높은 전기적 특성에 영향을 미치지 않고 반도체의 열 전도도를 낮출 수 있다. 이는 벌크 반도체 재료에 입자, 와이어 또는 계면과 같은 나노 스케일 특징을 생성하여 달성할 수 있다. 그러나 나노 재료의 제조 공정은 여전히 어렵다.
==== 열전 모듈 ====
열전 모듈은 열에서 직접 전기를 생성하는 열전 재료가 포함된 회로이다. 열전 모듈은 두 개의 서로 다른 열전 재료(n형(음전하 캐리어를 가짐) 및 p형(양전하 캐리어를 가짐) 반도체)가 양 끝에서 결합되어 구성된다. 재료의 양 끝 사이에 온도 차이가 있으면 회로에 직류 전류가 흐른다. 일반적으로 전류의 크기는 온도 차이에 정비례한다.
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여기서 는 국부적인 전도도, S는 국부적인 재료의 특성인 제벡 계수(열기전력이라고도 함)이고, 는 온도 기울기이다.
응용 분야에서 발전용 열전 모듈은 매우 혹독한 기계적 및 열적 조건에서 작동한다. 매우 높은 온도 기울기에서 작동하기 때문에 모듈은 장시간 동안 열에 의해 유발되는 큰 응력과 변형을 받는다. 또한 많은 열 사이클로 인한 기계적 피로를 받는다.
따라서 접합부와 재료는 이러한 혹독한 기계적 및 열적 조건을 견딜 수 있도록 선택해야 한다. 또한, 모듈은 두 열전 재료가 열적으로는 병렬로, 전기적으로는 직렬로 연결되도록 설계되어야 한다. 열전 모듈의 효율은 설계 기하학에 크게 영향을 받는다.
==== 열전 시스템 ====
열전 모듈을 사용하는 열전 시스템은 뜨거운 배기가스 배출구와 같은 열원에서 열을 받아 전력을 생성한다. 작동하려면 시스템에 큰 온도 기울기가 필요한데, 이는 실제 응용 분야에서는 쉽지 않다. 냉각 측은 공기 또는 물로 냉각해야 한다. 이러한 가열 및 냉각을 공급하기 위해 모듈의 양쪽에 열교환기가 사용된다.
고온에서 작동하는 안정적인 TEG(열전발전기) 시스템을 설계하는 데는 많은 과제가 있다. 시스템의 높은 효율을 달성하려면 모듈을 통한 열 흐름과 모듈 전체의 온도 기울기 최대화 사이의 균형을 맞추기 위해 광범위한 엔지니어링 설계가 필요하다. 이를 위해 시스템에서 열교환기 기술을 설계하는 것은 TEG 엔지니어링의 가장 중요한 측면 중 하나이다. 또한, 시스템은 여러 지점에서 재료 간의 계면으로 인한 열 손실을 최소화해야 한다. 또 다른 어려운 제약 조건은 가열 및 냉각 소스 간의 큰 압력 강하를 피하는 것이다.
교류 전력이 필요한 경우(예: 교류 주전원에서 작동하도록 설계된 장비에 전력을 공급하는 경우) TE 모듈의 직류 전력은 인버터를 통과해야 하며, 이는 효율을 낮추고 시스템의 비용과 복잡성을 증가시킨다.
4. 1. 열전 재료
열전 재료는 온도 차이를 전압으로 변환하여 열로부터 직접 전력을 생성한다. 우수한 열전 재료가 되려면 높은 전기 전도도(σ)와 낮은 열 전도도(κ)를 모두 가져야 한다. 낮은 열 전도도는 한쪽이 가열될 때 다른 쪽이 차갑게 유지되도록 하여 온도 구배에서 큰 전압을 생성하는 데 도움이 된다. 재료 전체의 온도 차이에 대한 전자 흐름의 크기를 나타내는 척도는 제벡 계수(S)로 나타낸다. 특정 재료의 열전 발전 효율은 “성능 지수” zT = S2σT/κ로 추정된다.수년 동안 낮은 열 전도도와 높은 전력 인자를 모두 갖는 것으로 알려진 주요 세 가지 반도체는 텔루르화 비스무트(Bi2Te3), 텔루르화 납(PbTe) 및 실리콘 저마늄(SiGe)이었다. 이 재료들 중 일부는 다소 희귀한 원소를 포함하고 있어 비용이 많이 든다.
오늘날 나노기술을 사용하여 높은 전기적 특성에 영향을 미치지 않고 반도체의 열 전도도를 낮출 수 있다. 이는 벌크 반도체 재료에 입자, 와이어 또는 계면과 같은 나노 스케일 특징을 생성하여 달성할 수 있다. 그러나 나노 재료의 제조 공정은 여전히 어렵다.
4. 2. 열전 모듈
열전 모듈은 열에서 직접 전기를 생성하는 열전 재료가 포함된 회로이다. 열전 모듈은 두 개의 서로 다른 열전 재료(n형(음전하 캐리어를 가짐) 및 p형(양전하 캐리어를 가짐) 반도체)가 양 끝에서 결합되어 구성된다. 재료의 양 끝 사이에 온도 차이가 있으면 회로에 직류 전류가 흐른다. 일반적으로 전류의 크기는 온도 차이에 정비례한다.:
여기서 는 국부적인 전도도, S는 국부적인 재료의 특성인 제벡 계수(열기전력이라고도 함)이고, 는 온도 기울기이다.
응용 분야에서 발전용 열전 모듈은 매우 혹독한 기계적 및 열적 조건에서 작동한다. 매우 높은 온도 기울기에서 작동하기 때문에 모듈은 장시간 동안 열에 의해 유발되는 큰 응력과 변형을 받는다. 또한 많은 열 사이클로 인한 기계적 피로를 받는다.
따라서 접합부와 재료는 이러한 혹독한 기계적 및 열적 조건을 견딜 수 있도록 선택해야 한다. 또한, 모듈은 두 열전 재료가 열적으로는 병렬로, 전기적으로는 직렬로 연결되도록 설계되어야 한다. 열전 모듈의 효율은 설계 기하학에 크게 영향을 받는다.
4. 3. 열전 시스템
열전 모듈을 사용하는 열전 시스템은 뜨거운 배기가스 배출구와 같은 열원에서 열을 받아 전력을 생성한다. 작동하려면 시스템에 큰 온도 기울기가 필요한데, 이는 실제 응용 분야에서는 쉽지 않다. 냉각 측은 공기 또는 물로 냉각해야 한다. 이러한 가열 및 냉각을 공급하기 위해 모듈의 양쪽에 열교환기가 사용된다.고온에서 작동하는 안정적인 TEG(열전발전기) 시스템을 설계하는 데는 많은 과제가 있다. 시스템의 높은 효율을 달성하려면 모듈을 통한 열 흐름과 모듈 전체의 온도 기울기 최대화 사이의 균형을 맞추기 위해 광범위한 엔지니어링 설계가 필요하다. 이를 위해 시스템에서 열교환기 기술을 설계하는 것은 TEG 엔지니어링의 가장 중요한 측면 중 하나이다. 또한, 시스템은 여러 지점에서 재료 간의 계면으로 인한 열 손실을 최소화해야 한다. 또 다른 어려운 제약 조건은 가열 및 냉각 소스 간의 큰 압력 강하를 피하는 것이다.
교류 전력이 필요한 경우(예: 교류 주전원에서 작동하도록 설계된 장비에 전력을 공급하는 경우) TE 모듈의 직류 전력은 인버터를 통과해야 하며, 이는 효율을 낮추고 시스템의 비용과 복잡성을 증가시킨다.
5. 설계 및 재료
5. 1. 설계
열전 발전기는 여러 개의 열전쌍(thermopile)으로 만들어지는데, 각 열전쌍은 n형과 p형 재료로 연결된 여러 개의 열전대로 구성된다.[19] 열전대의 배열은 일반적으로 평면형, 수직형, 혼합형의 세 가지 주요 설계로 나뉜다.[19] 평면형 설계는 열원과 냉각면 사이에 기판 위에 열전대를 수평으로 배치하여 더 길고 얇은 열전대를 만들 수 있도록 하여 열 저항과 온도 기울기를 증가시키고 최종적으로 전압 출력을 증가시킨다.[19] 수직형 설계는 고온판과 저온판 사이에 열전대를 수직으로 배열하여 열전대의 집적도와 출력 전압을 높이므로 상업적으로 가장 널리 사용되는 설계이다.[19] 혼합형 설계는 기판에 열전대를 측면으로 배열하는 반면 열 흐름은 판 사이에서 수직으로 이루어진다.[19] 장치의 고온 접점 아래에 있는 미세 공동은 온도 기울기를 허용하여 기판의 열전도율이 기울기와 장치의 효율에 영향을 미치도록 한다.[19]미세전기기계시스템(microelectromechanical systems)의 경우, 열전발전기는 손에 들고 다닐 수 있는 장치 규모로 설계되어 박막 형태의 체온을 사용할 수 있다.[20] 웨어러블 전자 장치용 유연 열전발전기는 3D 프린팅(additive manufacturing) 또는 열분무(thermal spraying) 공정을 통해 새로운 고분자를 사용하여 만들 수 있다.[21] 차량 배기관의 열을 사용하는 원통형 열전발전기는 원통형으로 배열된 원형 열전대를 사용하여 만들 수도 있다.[21]
5. 2. 재료
현재까지 알려진 열전 재료는 제한적이다. 현재 대부분의 열전 재료는 성능 지수(zT) 값이 약 1 정도이며, 상온에서 비스무트 텔루라이드(Bi₂Te₃), 500~700K에서 납 텔루라이드(PbTe) 등이 대표적이다.[22] 그러나 다른 발전 시스템과 경쟁하기 위해서는 열전 발전기(TEG) 재료의 zT 값이 2~3 정도 되어야 한다.열전 재료 연구는 주로 제벡 계수(Seebeck coefficient)(S)를 높이고 열전도도를 낮추는 방향으로 진행되어 왔으며, 특히 나노구조를 조작하는 연구가 활발하다.[22] 열전도도와 전기 전도도는 모두 전하 운반체와 상관관계가 있으므로, 높은 전기 전도도와 낮은 열전도도를 동시에 얻기 위한 새로운 방법이 필요하다.[22]
열전 발전을 위한 재료를 선택할 때는 열팽창으로 인한 응력, 재료의 기계적 특성, n형 및 p형 재료의 열팽창 계수, 그리고 재료의 호환성 계수 등을 고려해야 한다.[23][24] 재료의 호환성 계수는 인접한 부분 간의 호환성 계수가 약 2배 이상 차이가 나면 장치가 효율적으로 작동하지 않기 때문에 고려되어야 한다.[24]
일반적으로 열전 재료는 작동 온도 범위에 따라 다음과 같이 분류된다.
- 저온 재료 (약 450K까지): 비스무트(Bi)를 기반으로 안티모니(Sb), 텔루륨(Te) 또는 셀레늄(Se)과 결합한 합금.[25]
- 중온 재료 (850K까지): 납(Pb) 합금 기반 재료 등.[25]
- 고온 재료 (1300K까지): 실리콘-저마늄(SiGe) 합금으로 제작된 재료.[25]
이러한 재료들은 열전 발전의 상용 및 실용적인 응용 분야의 기반이 되지만, 열전 성능이 향상된 새로운 재료를 합성하고 재료 구조를 제작하는 데 많은 발전이 있었다. 최근 연구는 격자 열전도도를 감소시켜 재료의 성능 지수(zT)와 변환 효율을 향상시키는 데 집중하고 있다.[22]
연구자들은 zT를 개선하여 전력을 생산하는 새로운 열전 재료를 개발하기 위해 노력하고 있다. 예를 들어, 반도체 화합물 β-Zn4Sb3는 매우 낮은 열전도도를 가지며 670K에서 최대 zT 1.3을 나타낸다. 이 재료는 Bi₂Te₃ 및 PbTe 기반 재료 사이의 온도 범위에서 좋은 대안이 될 수 있다.[22] 단결정 주석 셀레나이드는 한 방향으로 2.6이라는 기록적인 zT를 달성했다.[26]
열전 성능 지수를 개선하는 것 외에도, 전력 출력 증가, 비용 감소, 친환경 재료 개발 등의 노력이 이루어지고 있다. 폐열 회수와 같이 연료 비용이 낮거나 거의 없는 경우, 와트당 비용은 단위 면적당 전력과 작동 기간에 의해서만 결정되기 때문에, 높은 전력 출력을 가진 재료를 찾는 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 희토류 화합물 YbAl3는 zT가 낮지만 다른 어떤 재료보다 최소 두 배 이상의 전력 출력을 가지며 폐열원의 온도 범위에서 작동할 수 있다.[22]
zT를 높이려면 재료의 열전도도를 최소화하면서 전기 전도도와 제벡 계수를 최대화해야 한다. 새로운 공정 기술은 서로 다른 포논 주파수의 산란을 이용하여 전기 전도도에 큰 영향을 주지 않으면서 격자 열전도도를 선택적으로 감소시킨다.[27] 비스무트 안티몬 텔루륨 삼원계 시스템에서 액상 소결을 사용하여 전자에 대한 유의미한 산란 효과가 없는 저에너지 준결정립계를 생성하는 기술이 개발되었다.[28] 소결 공정 중 액체에 압력을 가하여 Te가 풍부한 액체의 흐름을 생성하고 전위의 형성을 촉진하여 격자 전도도를 크게 감소시키는 것이 핵심 기술이다.[28] 이러한 방식으로 zT 값 1.86을 달성했으며, 이는 기존 상용 열전 발전기(zT ~ 0.3–0.6)보다 significantly 향상된 수치이다.[29]
6. 효율
열전 발전기(TEG)의 일반적인 효율은 약 5~8%이다.[9] 구형 기기는 이중금속 접합을 사용했고 부피가 컸지만, 최근 기기는 텔루르화비스무트(Bi2Te3), 텔루르화납(PbTe),[9] 산화칼슘망간(Ca2Mn3O8),[10][11] 또는 이들의 조합[12]을 사용하여 고도로 도핑된 반도체를 사용한다. 이는 적용 온도에 따라 달라진다.[9] 다이나모와 달리 열전달 개선용 팬이나 펌프 외에 움직이는 부분이 없는 고체 상태 장치이다.[9] 고온 영역이 약 1273K이고 ZT 값이 3~4이면 효율은 약 33~37%가 되어 일부 열기관 효율과 경쟁할 수 있다.[13]
2021년 현재, 비소와 주석을 포함하는 일부 물질은 ZT 값 > 3에 도달했다. 단층 -/AsP3영어(의자형 축에서 ZT = 3.36), n형 도핑된 -/InP3영어(ZT = 3.23), p형 도핑된 -/SnP3영어(ZT = 3.46), p형 도핑된 -/SbP3영어(ZT = 3.5) 등이 그 예이다.[14]
6. 1. 효율 향상 방안
열전 발전기(TEG)의 일반적인 효율은 약 5~8%이다.[9] 구형 기기는 이중금속 접합을 사용했고 부피가 컸지만, 최근 기기는 텔루르화비스무트(Bi2Te3), 텔루르화납(PbTe),[9] 산화칼슘망간(Ca2Mn3O8),[10][11] 또는 이들의 조합[12]을 사용하여 고도로 도핑된 반도체를 사용한다. 이는 적용 온도에 따라 달라진다.[9] 다이나모와 달리 열전달 개선용 팬이나 펌프 외에 움직이는 부분이 없는 고체 상태 장치이다.[9] 고온 영역이 약 1273K이고 ZT 값이 3~4이면 효율은 약 33~37%가 되어 일부 열기관 효율과 경쟁할 수 있다.[13]2021년 현재, 비소와 주석을 포함하는 일부 물질은 ZT 값 > 3에 도달했다. 단층
7. 응용 분야
열전발전기(TEG)는 스터링 엔진과 같이 더 크지만 효율적인 열기관을 사용할 수 없는 곳이나, 저전력 원격 응용 분야에 주로 사용된다.[31] 열전발전기는 움직이는 부분이 없는 반도체 전기 부품을 사용하여 열을 전기 에너지로 변환하므로 유지 보수가 필요 없고, 높은 신뢰성을 가지며, 장기간 무보수 수명을 가진다.[31] 이러한 특징 덕분에 열전발전기는 산꼭대기, 우주 진공, 심해 등 원격지나 접근이 어려운 지역의 저전력 또는 중간 전력 장비에 적합하다.
열전발전기는 우주 탐사선에 사용되는 방사성 동위원소 열전 발전기에 활용된다. 화성 큐리오시티 로버가 그 예시이다.[31] 폐열 회수 분야에서도 활용되는데, 모든 인간 활동, 운송 및 산업 과정에서 발생하는 폐열을 활용한다. 자동차의 경우 배기가스가 주요 에너지원이며,[32] 열전발전기를 통해 연료 효율을 높일 수 있다. 연구에 따르면 연료 소비량을 3.45% 줄일 수 있으며,[33] 하이브리드 차량의 주행 거리를 최대 10% 증가시킬 수 있다.[34] 자동차 열전발전기에 대한 더 자세한 내용을 참조할수 있다. 항공기의 경우 엔진 노즐, 엔진 베어링의 열, 항공기 표면의 온도 구배 등이 에너지 회수원으로 제안되었다.[31]
태양 전지와 열전 장치를 결합하여 태양 복사를 유용한 전기로 변환하는 시스템의 효율을 높이는 연구도 진행 중이다.[31][36] 열전발전기는 무인 현장의 원격 및 오프그리드 발전기로도 사용된다. 유지 보수가 필요 없고, 낮과 밤, 모든 기상 조건에서 작동하며, 배터리 백업 없이 작동 가능하여 신뢰성이 높다. 가스 파이프라인의 음극방식 부식 방지, 무선 통신 및 원격 측정 등에 사용되며, 관련 제조업체로는 Global Power Technologies와 TELGEN이 있다.
마이크로프로세서의 폐열을 재활용하는 연구도 진행되었지만,[37] 실용적인 제한이 있다. (아래 참조) 열전발전기는 독립형 태양열 전지로도 연구되어 4.6%의 효율을 달성했다.[38] 해양응용물리학회는 심해 해저에서 전력을 생산하는 열전발전기를 개발하고 있으며,[39] 대규모 에너지 플랜트용 심해 열전발전기도 경제적으로 실행 가능한 것으로 나타났다.[39]
앤 마코신스키는 펠티어 타일을 사용하여 열을 수확하는 장치를 개발하여 LED 조명에 전력을 공급하거나 모바일 기기를 충전하는 데 활용했다.[40][41] 그러나 LED 조명의 밝기는 시중 제품에 비해 경쟁력이 떨어진다.[42] 열전발전기는 난로 선풍기에도 사용된다. TEG는 2개의 방열판 사이에 끼워져 난로의 열을 이용하여 저속 회전 팬에 전력을 공급한다.[43]
7. 1. 폐열 회수
열전발전기(TEG)는 스터링 엔진과 같이 더 크지만 효율적인 열기관을 사용할 수 없는 곳이나, 저전력 원격 응용 분야에 주로 사용된다.[31] 열전발전기는 움직이는 부분이 없는 반도체 전기 부품을 사용하여 열을 전기 에너지로 변환하므로 유지 보수가 필요 없고, 높은 신뢰성을 가지며, 장기간 무보수 수명을 가진다.[31] 이러한 특징 덕분에 열전발전기는 산꼭대기, 우주 진공, 심해 등 원격지나 접근이 어려운 지역의 저전력 또는 중간 전력 장비에 적합하다.열전발전기의 주요 용도 중 하나는 폐열 회수이다.[31] 모든 인간 활동, 운송 및 산업 과정은 폐열을 발생시키며, 자동차, 항공기, 선박, 산업 및 인체에서 잔여 에너지를 수확할 수 있다.[31] 자동차의 경우 주요 에너지원은 배기가스이다.[32] 열전발전기를 사용하여 이 열에너지를 수확하면 자동차의 연료 효율을 높일 수 있다.[33] 열전발전기는 자동차의 발전기를 대체하기 위해 연구되었으며, 연료 소비량을 3.45% 줄이는 것으로 나타났다.[33] 향후 개선에 대한 예측은 하이브리드 차량의 주행 거리를 최대 10% 증가시키는 것이다.[34] 디젤 엔진보다 가솔린 엔진의 경우 잠재적인 에너지 절약량이 더 클 수 있다고 한다.[35] 항공기의 경우, 엔진 노즐이 에너지를 회수하기에 가장 좋은 장소로 확인되었지만, 엔진 베어링의 열과 항공기 표면에 존재하는 온도 구배도 제안되었다.[31]
마이크로프로세서는 폐열을 발생시키는데, 연구자들은 그 에너지의 일부를 재활용할 수 있는지 고려해 왔다.[37]
해양응용물리학회(Maritime Applied Physics Corporation)는 찬 바닷물과 열수분출공, 열수 침출 또는 시추 지열정에서 방출되는 고온 유체 사이의 온도 차이를 이용하여 심해 해저에서 전력을 생산하는 열전발전기를 개발하고 있다. 해저 광물 및 에너지 자원 개발업체 및 군사 분야에서 지질학, 환경 과학 및 해양 과학에 사용되는 해저 관측소와 센서에는 고신뢰성 해저 전력원이 필요하다. 최근 연구에 따르면 대규모 에너지 플랜트용 심해 열전발전기도 경제적으로 실행 가능한 것으로 나타났다.[39]
앤 마코신스키는 펠티어 타일을 사용하여 열(사람 손,[40] 이마 및 따뜻한 음료[41])을 수확하는 여러 장치를 개발했으며, 이는 LED 조명에 전력을 공급하거나 모바일 기기를 충전하기에 충분한 전기를 생성한다고 주장하지만, 발명가는 LED 조명의 밝기가 시중 제품에 비해 경쟁력이 없다고 인정한다.[42]
열전발전기는 난로 선풍기에도 사용된다. 나무나 석탄을 태우는 난로 위에 놓고, 2개의 방열판 사이에 끼워진 TEG의 온도 차이로 인해 난로의 열을 방으로 순환시키는 저속 회전 팬에 전력이 공급된다.[43]
7. 2. 우주 탐사
열전발전기는 움직이는 부품이 없어 유지보수가 필요 없고, 높은 신뢰성을 가지며, 장기간 무보수 수명을 가진 발전기를 구성하는 데 사용될 수 있다.[31] 이러한 특징으로 인해 열전발전기는 원격지 또는 접근이 어려운 지역의 저전력 또는 중간 전력 장비에 적합하다.열전발전기는 우주 탐사에 사용된다. 화성 큐리오시티 로버를 포함한 우주 탐사선은 방사성 원소를 열원으로 하는 방사성 동위원소 열전 발전기를 사용하여 전기를 생산한다.
7. 3. 원격지 전력 공급
열전발전기(TEG)는 저전력 원격 응용 분야나 스터링 엔진과 같이 더 크지만 효율적인 열기관을 사용할 수 없는 곳에 사용된다.[31] 열기관과 달리 열을 전기 에너지로 변환하는 데 사용되는 반도체 전기 부품에는 움직이는 부분이 없다. 이러한 특징으로 인해 열전발전기는 유지 보수가 필요 없고, 높은 신뢰성을 가지며, 장기간 무보수 수명을 가진다. 따라서 산꼭대기, 우주 진공 또는 심해와 같이 원격지 또는 접근이 어려운 지역의 저전력 또는 중간 전력 장비에 적합하다.열전발전기는 주로 무인 현장의 원격 및 오프그리드 발전기로 사용된다. 움직이는 부분이 없어(사실상 유지 보수가 필요 없음), 낮과 밤에 작동하고, 모든 기상 조건에서 작동하며, 배터리 백업 없이 작동할 수 있기 때문에 이러한 상황에서 가장 신뢰할 수 있는 발전기이다. 태양광 발전 시스템도 원격 현장에 구축되지만, 태양광 발전은 태양 복사량이 낮은 지역, 즉 눈이 많이 오거나 햇빛이 없는 고위도 지역, 구름이나 나무 캐노피가 많은 지역, 먼지가 많은 사막, 숲 등에는 적합한 솔루션이 아닐 수 있다. 열전발전기는 예를 들어 음극방식 부식 방지, 무선 통신 및 원격 측정을 위해 가스 파이프라인에 일반적으로 사용된다.[31] 최대 5kW의 전력 소비량을 가진 가스 파이프라인의 경우 열 발전기가 다른 전력원보다 선호된다. 가스 파이프라인용 발전기 제조업체는 Global Power Technologies (구 Global Thermoelectric) (캘거리, 캐나다) 및 TELGEN (러시아)이다.
메릴랜드주 볼티모어에 있는 해양응용물리학회(Maritime Applied Physics Corporation)는 찬 바닷물과 열수분출공, 열수 침출 또는 시추 지열정에서 방출되는 고온 유체 사이의 온도 차이를 이용하여 심해 해저에서 전력을 생산하는 열전발전기를 개발하고 있다.[39] 해저 광물 및 에너지 자원 개발업체 및 군사 분야에서 지질학, 환경 과학 및 해양 과학에 사용되는 해저 관측소와 센서에는 고신뢰성 해저 전력원이 필요하다. 최근 연구에 따르면 대규모 에너지 플랜트용 심해 열전발전기도 경제적으로 실행 가능한 것으로 나타났다.
분류:전기 발전
7. 4. 기타 응용 분야
열전발전기(TEG)는 저전력 원격 응용 분야나 스터링 엔진과 같이 더 크지만 효율적인 열기관을 사용할 수 없는 곳에 사용된다.[31] 반도체 전기 부품을 사용하여 열을 전기 에너지로 변환하며, 움직이는 부분이 없어 유지 보수가 필요 없고, 높은 신뢰성을 가지며, 장기간 무보수 수명을 가진다. 이러한 특징으로 인해 열전발전기는 산꼭대기, 우주 진공 또는 심해와 같이 원격지 또는 접근이 어려운 지역의 저전력 또는 중간 전력 장비에 적합하다.열전발전기는 우주 탐사선에 사용되는 방사성 동위원소 열전 발전기에 활용된다. 화성 큐리오시티 로버가 그 예시이다.[31] 폐열 회수 분야에서도 활용되는데, 모든 인간 활동, 운송 및 산업 과정에서 발생하는 폐열을 활용한다. 자동차의 경우 배기가스가 주요 에너지원이며,[32] 열전발전기를 통해 연료 효율을 높일 수 있다. 연구에 따르면 연료 소비량을 3.45% 줄일 수 있으며,[33] 하이브리드 차량의 주행 거리를 최대 10% 증가시킬 수 있다.[34] 자동차 열전발전기에 대한 더 자세한 내용을 참조할수 있다. 항공기의 경우 엔진 노즐, 엔진 베어링의 열, 항공기 표면의 온도 구배 등이 에너지 회수원으로 제안되었다.[31]
태양 전지와 열전 장치를 결합하여 태양 복사를 유용한 전기로 변환하는 시스템의 효율을 높이는 연구도 진행 중이다.[31][36] 열전발전기는 무인 현장의 원격 및 오프그리드 발전기로도 사용된다. 유지 보수가 필요 없고, 낮과 밤, 모든 기상 조건에서 작동하며, 배터리 백업 없이 작동 가능하여 신뢰성이 높다. 가스 파이프라인의 음극방식 부식 방지, 무선 통신 및 원격 측정 등에 사용되며, 관련 제조업체로는 Global Power Technologies와 TELGEN이 있다.
마이크로프로세서의 폐열을 재활용하는 연구도 진행되었지만,[37] 실용적인 제한이 있다. (아래 참조) 열전발전기는 독립형 태양열 전지로도 연구되어 4.6%의 효율을 달성했다.[38] 해양응용물리학회는 심해 해저에서 전력을 생산하는 열전발전기를 개발하고 있으며,[39] 대규모 에너지 플랜트용 심해 열전발전기도 경제적으로 실행 가능한 것으로 나타났다.[39]
앤 마코신스키는 펠티어 타일을 사용하여 열을 수확하는 장치를 개발하여 LED 조명에 전력을 공급하거나 모바일 기기를 충전하는 데 활용했다.[40][41] 그러나 LED 조명의 밝기는 시중 제품에 비해 경쟁력이 떨어진다.[42] 열전발전기는 난로 선풍기에도 사용된다. TEG는 2개의 방열판 사이에 끼워져 난로의 열을 이용하여 저속 회전 팬에 전력을 공급한다.[43]
8. 실용적인 제한
낮은 효율과 비교적 높은 비용 외에도, 열전 발전기를 특정 유형의 응용 분야에서 사용하는 데에는 실질적인 문제가 존재한다.
- '''높은 발전기 출력 저항:''' 디지털 전기 장치에 필요한 범위의 전압 출력 레벨을 얻기 위해 일반적인 방법은 발전기 모듈 내에 많은 열전 소자를 직렬로 배치하는 것이다. 소자의 전압은 증가하지만 출력 저항도 증가한다. 최대 전력 전달 정리에 따르면, 소스와 부하 저항이 동일하게 일치할 때 부하에 최대 전력이 전달된다. 0옴에 가까운 저임피던스 부하의 경우, 발전기 저항이 증가함에 따라 부하에 전달되는 전력이 감소한다. 출력 저항을 낮추기 위해 일부 상용 장치는 더 많은 개별 소자를 병렬로 배치하고 직렬로 배치하는 소자의 수를 줄이며 부스트 레귤레이터를 사용하여 부하에 필요한 전압으로 전압을 높인다.
- '''낮은 열전도율:''' 디지털 마이크로프로세서와 같은 열원에서 열에너지를 운반하려면 매우 높은 열전도율이 필요하기 때문에 열전 발전기의 낮은 열전도율은 열을 회수하는 데 적합하지 않다. 상대적으로 낮은 열전도율로 인해 마이크로프로세서와 같은 전기 장치에서의 발열 제거와 같이 열 제거가 중요한 응용 분야에는 적합하지 않다.
- '''공기로의 냉각측 열 제거:''' 자동차 크랭크케이스에서 열에너지를 수확할 때와 같이 공기 냉각 열전 응용 분야에서 주변 공기로 방출되어야 하는 많은 양의 열에너지는 상당한 과제를 제시한다. 열전 발전기의 냉각측 온도가 상승함에 따라 장치의 차동 작동 온도가 감소한다. 온도가 상승함에 따라 장치의 전기 저항이 증가하여 더 큰 기생 발전기 자체 발열이 발생한다. 자동차 응용 분야에서는 열 제거를 개선하기 위해 보조 라디에이터를 사용하는 경우가 있지만, 냉각수를 순환시키기 위한 전기 수중 펌프의 사용은 총 발전기 출력 전력에 기생 손실을 추가한다. 선외선의 뜨거운 크랭크케이스에서 열전력을 생성할 때와 같이 열전 발전기의 냉각측을 물로 냉각하면 이러한 단점이 없다. 물은 공기에 비해 훨씬 더 쉽게 사용할 수 있는 냉각제이다.
9. 한국의 열전 발전 기술 현황 및 전망
9. 1. 연구 개발 동향
9. 2. 정책적 지원
9. 3. 미래 전망
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