열전발전의 원리 및 구성

1. 열전발전의 원리

종류가 다른 두 개의 도체를 폐회로로 하고 두 도체의 접합부상하에 온도차를 주면 회로에 전류가 흘러 발전을 할 수 있다는 것을 Seebeck이 발견하였으며, 이 현상을 Seebeck효과라 합니다. [그림 1]과 같이 두종류의 도체 A와 B를 접합하고, 2개의 접점에 온도차 (⊿T = T1 - T2)를 줄 때 양 끝에 전압이 발생하며, 온도계측에 사용되고 있는 열전대와 같은 원리라 할 수 있습니다. 발생된 전압 VAB를 열기전력이라 하고, 외부에 저항 (R )을 부하로 하면 전류( ∣ )가 흘러 전력을 얻을 수가 있습니다. 열기전력이 온도에 따른 변화율을 열전능력 또는 계수라 하며, A와 B라고 하는 열전대의 열전능력 αAB는 다음과 같이 나타냅니다.

2. 열전발전소자의 구성

열전발전소자의 구성은 피복재, 전기절연재 및 열절연재, n 및 p형 반도체 등으로 구성되고, 필요에 따라 출력조정장치 및 직류 교류변환 기도 추가로 필요하며, 일반적인 시스템은 그림 2]에 나타낸 바와 같습니다. 열전발전시스템의 제작 및 운전시의 보수장점에서 열전소자를 10내지 100개 정도 접속한 서브모들을 부착하고, 이것의 몇 개인가를 모듈로 하여 다음에 필요개수만 접속하여 사용하는 경우가 많습니다. 그림에서 냉각용 열전 모듈은 전기절연재를 포함하여 하나의 모듈로 제작하나, 열전발전용은 n 및 p형 반도체로 구성한 상태로 시판되므로 사용할 때에는 별도로 전기절연재와 열전연재를 부착하여 시스템을 구성하여야 합니다.

3. 열전발전의 고온열원

열전발전시스템은 열전재료로 사용온도에 적합한 것을 선택함으로서 어떠한 온도의 열원에서도 이용이 가능하다는 특징이 있으며, 현재 개발되어 실용화되어 있는 열전발전시스템은 우주용, 군용, 해양용 및 벽지용 등의 특수용도로 사용되는 소형발전만이 있습니다. 이러한 용도의 열전발전에 사용되는 고온부의 열원으로는 화석연료, 원자력, 태양열, 각종배열, 지열 및 냉열 등이 있습니다.

화석연료
화석연료는 가솔린, 등유, 천연가스 및 석탄과 같은 연료의 연소열을 이용하는 것으로, 연소실의 벽을 열전모듈로 구성하거나 연소가스를 고열원으로서 사용합니다. 비교적 저렴하지만 연료를 보급해야하고, 또 연소를 위해 공기를 필요로 하기 때문에 우주용에는 사용할 수 없는 단점이 있습니다. 이러한 연료의 연소열에 의한 열전발전에서는 고온접점부의 온도는 300°C 내지 1000°C 정도의 온도가 얻어지며, 저열원으로는 일반적으로 방열판을 이용한 공기방식이 사용되고 있으므로 저온접점부온도는 100 내지 300°C로 되어 고온부와 저온부의 온도차이는 200°C 내지 700 °C로 됩니다.

원자력
원자로에서는 1500°C 상의 고온열원을 얻을 수 있으므로 카르노효율은 상당히 높을 수가 있지만 종래의 원자력발전방식에서는 증기터빈의 발전부 및 열교환기부에 온도의 제약이 있고, 고온의 열원이용이 불가능하기 때문에 효율은 화력발전보다 약간 낮습니다. 이용방법으로는 연료봉의 외주에 열전소자를 부착하고 방사 또는 전도에 의해 가열하는 구조의 노벽방식 및 노심부에서 발생하는 열을 냉각재에 의해 노외로 추출하여 열전발전을 행하는 노외방식이 고려되고 있지만 어느 경우도 방사능에 의한 열전재료의 특성에 대한 영향을 고려하여야 합니다.

태양열
태양으로부터의 복사에너지는 지표에서 맑은 날에는 1 kW/m 정도이므로 이 에너지를 직접 또는 집광에 의해 농축시켜 고온열원으로 사용하는 것이 가능합니다. 또 해양표면이 태양열로 따뜻해진 해수를 고온열원으로 이용하는 해양온도차 이용방식도 고려되고 있습니다. 직접이용의 경우 고온열원온도로서 50°C 내지 100°C, 집광방식에서는 250°C 이상을 얻을 수 있으며, 저온열원으로는 공기, 물, 또는 해수 등이 이용됩니다.

각종 폐열
원자력, 화력발전 및 제철, 화학공업 등의 산업용장치에서의 폐열을 사용하는 것으로, 회수이용에 어려움이 있기 때문에 버려지고 있으므로 열공해의 원인으로 되고 있는 열에너지를 열전발전의 열원으로 이용하면 일석이조라 할 수 있습니다. 고온열원온도는 제철공업의 경우 1,500°C 내지 1,000 0 의 고온에서 300°C 이하의 중저온폐열에 이르기까지 광범위한 온도가 있고, 저온열원에는 공냉, 수냉 및 해수 냉각이 이용됩니다.

지열
지열발전에 이용되고 있는 고온증기외의 지열에너지원으로는 150°C 이하의 열수가 다량으로 존재하므로 이것을 이용하는 것으로 저온 열원에는 cooling tower등 물과 해수의 사용이 고려되고 있습니다.

냉열
천연가스는 수송의 편리상 -1600 부근에까지 액화냉각시켜 LNG로 하고, 사용할 때에 다시 가스화하여 이용하여야 하므로 LNG가 보유하는 냉열에너지를 버리는 경우가 많습니다. 열전발전시스템을 이용한다면 에너지를 유효하게 이용할 수가 있으므로, LNG를 저온 열원으로 하고 고온열원으로는 물, 해수 또는 천연가스를 연료로 하는 가스터빈발전기의 배열 등이 이용됩니다.

4. 열전발전의 이용분야

열전발전방식은 다른 발전방식에 비해 적용온도범위가 극저온에서 고온영역까지 매우 광범위하고 각 온도에 적합한 열전재료가 존재하고, 구성이 간단하고 가동부가 없기 때문에 조용하고 신뢰성이 높다. 또한 보수가 용이하고 수명이 길고, 하나의 소자를 직렬 또는 병렬로 접속하여 이용하므로 모듈화하여 사용할 수가 있고, 소출력에서 대출력장치까지 적용이 가능하다는 것 등이 특징입니다. 반면 변환효율이 현상태에서는 카르노효율의 20%이하로 나쁘고, 직류출력이라는 것 등이 불편한 점입니다. 따라서 이 방식을 이용하기 위해서는 단점을 충분히 보완한 적용방법을 고려할 필요가 있습니다. 현재 실용화되어 있는 열전발전방식에는 우주용, 군용, 벽지용, 해양용 및 기타로 알려져 있으며, 이러한 것은 1kW 이하의 소출력으로 신뢰성이 높고, 보수가 불필요하고 수명이 길게 요구되는 경우, 그리고 필요로 하는 출력이 적고 열전발전방식이 다른 발전방식보다도 경제적으로 우수한 경우 등에 이용되고 있습니다.

열전발전기술(Thermolelectric Generator)

1. TE이용 발전기술

원자력발전, 화력발전 및 가스, 석유정제등의 에너지 부문이나 제철, 제강등의 철강산업부문 및 금속, 기계, 화학, 섬유, 요업, 식품 등의 공업부문으로부터 배출되는 폐열은 cokes slag등의 고체현열, 가열로나 소결로로부터 발생되는 400~700 °C의 고온가스, 열풍로나 굴뚝에서 발생되는 150~4000의 저온가스 및 30~80°C의 온배수나 냉각수로 분류되며, 이러한 폐열은 현재 국내에서 소비되고 있는 총에너지의 약 30%이상을 점유하고 있습니다. 이중에 폐열온도가 비교적 높은 고체 현열이나 고온고압의 가스가 다량 발생하는 plant 에서는 이로부터 증기를 발생시켜 증기 turbone 발전기를 운전하거나 폐가스를 작동유체로 하여 gas turbine에 의한 발전을 하거나 또는 주변지역의 온 냉방이나 급탕공급의 열원으로 폐열의 일부를 회수하여 사용하고 있습니다.

그러나 폐열의 대부분을 차지하는 150°C이하의 저온폐열의 경우에는 대부분 온배수나 폐가스의 형태로 대기, 하천 및 바다에 그대로 방출되고 있는 실정입니다. 최근 열교환기에 의해 비등점이 낮은 열매체로 열을 전달하고 이를 작동유체로 하여 turbine을 운전함으로써 폐열을 회수하는 방법 등이 고려되고 있습니다.

현재 실용화되어 있는 열전발전기는 10kW미만의 소형전원장치로 국한되고 있으나 고성능 열전변환재료의 제조가 가능해지면 각종 산업폐열이나 저급의 자연에너지를 회수하는 새로운 에너지변환 기술로서 크게 주목될 것입니다. 중저온의 폐열에너지를 이용하는 발전에 열전발전방식을 채용하는 것은

• ➀ 각 온도범위에 적합한 열전재료가 이미 개발되어 있고
• ➁ scale 효과가 없기 때문에 소규모 장치로도 경제성이 있으며
• ➂ 구조가 간단하기 때문에 열전조건이 다른 장치를 집합하는 경우에도 전체적인 system이 복잡하게 되지 않는 이점이 있다.

즉 종래의 turbine을 구동하여 발전하는 방식과 열전발전방식은 열전소자를 포함하는 열교환기, 얄매체 및 냉각수의 순환설비 및 DC - AC변환기로만 구성되므로 종래의 발전방식에 비해서 turbine과 같은 구동부가 없으므로 설비가 간단한 장점이 있습니다. 다만 출력이 대전류저전압(high current low voltage) 때문에 Carnot효율이 20%이하이고 실제의 변환효율은 수% 정도입니다. 그러나 열전발전의 경우에는 열교환이 용이하고, 자원량이 막대하여 추가적이 연료비를 필요로 하지 않으며, 저온의 냉각원으로는 대기, 물, 해수 경우에는 따라서는 해양심층의 냉해수도 이용이 가능한 특징을 갖습니다.

Energy system은 최종적으로 경제성, 신뢰성 및 안정성의 세가지 관점에서 평가되어 집니다. 열전발전 system에 있어서는 신뢰성과 안정성은 충분히 만족되나 어떻게 경제성을 만족시킬 수 있는 system을 만드는가 하는 것이 최대의 문제로 되어 있습니다. 경제성의 문제는 재료의 선택, 소자의 제조방법 및 발전 system의 적절한 선택에 의해 어느 정도 해결될 수 있을 것으로 기대되기 때문에 이러한 관점에서 볼 때 경제적인 열전발전 system의 구성을 위해서는 적어도 다음의 사항이 고려되어야 할 것입니다.

• - 열매개체의 물리화학적 성질, 공급온도, 공급량 및 변동률 등을 충분히 적합시 킬 수 있는 열전달 system의 선택
• - 열원의 화학적, 물리적 성질을 고려하여 수명이 긴 재료의 선택
• - 전기절연성과 열전달성을 만족시킬 수 있는 system의 선택
• - 제조법 및 공정의 단순화에 의한 저렴한 열전소자 제조법의 개발

한편 기술적인 측면에서는 열전재료의 기계적 강도와 화학적 안정성을 향상시킬 수 있는 고밀도 소결법, doping 및 조지제어기술, 이종재료의 접합과 표면피복등의 관련 재료공업기술을 열전재료의 제조에 적극 도입해야 할 것입니다.

TEC발전 시스템은 우주용, 군용과 벽지의 계통전력이 없는 지역의 특수 목적으로 사용되기 시작하였습니다. 군용으로는 정숙성을 살리는 운반이 용이한 전원으로 벽지의 통신기기용 발전시스템을 1980년 이래 100대 이상 가동되고 우주용으로는 최근까지 미국, 소련의 등지에서 국가적 차원에서 연구 개발되어 왔습니다. 현재는 NASA에서 100KW급 TEC 시스템 개발프로젝트인 SP-100계획과 NASA와 DOE의 공동프로젝트인 방사성동위원소(RI)를 열원으로하는 우주용 소형 TEC개발 계획인 MD-RT계획이 중심이 되어 대규모 연구사업을 추진하고 있습니다. 일본의 경우는 통산성 산하 공업기술원의 New Sunshine계획 하에 전자기술총합연구소와 NEDO에 의해 100W급의 해양온도차 발전용 TEC시스템이 실험되고 있습니다. 미국의 경우 TEC시스템을 1961년부터 우주공간에서 사용하였습니다. 이 시스템은 SNAP-3A라 부르고 출력은 고작 2.7W였습니다.

때문에 소자의 변환효율을 향상해야만 실용화시킬 수 있습니다. 100Kw급 대규모 시스템개발 계획으로 소자의 변환기술의 효율이 관건입니다. SP-100 계획의 진전에 의해 소자효율은 [그림 2.2] 와 같이 향상되고 1991년에는 목표치 10%에 육박하였습니다. 초고효율 TEC로는 SiGe소자의 효율은 1989년에 쏘아올린 갈릴레오 위성에 사용한 소자 보다 약 20% 가까이 향상되었습니다. SiGe 소자는 1960년대 시작하여 개발된 우주용으로 많은 실적을 갖고 있는 안정된 재료입니다.