본문내용
1. 열전 발전기 성능 실험
1.1. 실험 목적
제벡 효과를 실험을 통하여 확인하고, 제벡 효과와 Hotgun으로 생산한 전기 효율을 확인하는 것이 실험의 목적이다. 즉, 열전발전기에서 나타나는 제벡 효과를 실험적으로 증명하고, 열전발전기의 전기 생산 효율을 분석하고자 하는 것이다.
1.2. 실험 이론
1.2.1. 열전모듈
열전모듈은 열전소자라고도 불리며, 한 쪽은 냉각되고 다른 한 쪽은 가열되는 현상을 이용한 소자이다. 열전모듈은 두 개의 다른 금속 또는 반도체를 접합하여 만든 것으로, 한 쪽 접합부에 열을 가하면 전기가 발생하는 제벡 효과를 이용한다. 반대로 전기를 인가하면 한 쪽이 냉각되고 다른 한 쪽이 발열되는 펠티어 효과도 나타낸다.
열전모듈은 반도체 소자로 구성되어 있으며, p형 반도체와 n형 반도체를 세라믹 기판으로 접합하여 만든다. 이때 세라믹 기판은 전기적 절연체이자 열전도체 역할을 한다. 열전모듈의 구조는 크게 열전소자, 세라믹 기판, 도체 금속 플레이트로 이루어져 있다.
열전소자 내부에서는 제벡 효과에 의해 온도차가 발생하면 기전력이 생성된다. 이 기전력은 열전소자 양단의 전위차로 나타나며, 이를 이용해 발전할 수 있다. 또한 열전소자에 전류를 흘리면 펠티어 효과에 의해 한쪽이 냉각되고 다른 쪽이 발열되는데, 이를 이용해 냉각 장치를 만들 수 있다.
열전모듈은 크기가 작고 경량이며 진동이나 소음이 적다는 장점이 있다. 하지만 열효율이 낮고 비용이 높다는 단점이 있어 아직 상용화가 제한적인 실정이다. 최근 열전 소재 기술의 발달로 열전모듈의 효율이 점차 향상되고 있으며, 다양한 분야에서 활용 가능성이 기대되고 있다.
1.2.2. 열전발전기
열전발전기란 서로 다른 두 종류의 금속이나 반도체를 접합하고 그 접합부에 온도차를 주면 제벡 효과에 의해 기전력이 발생하는 원리를 이용한 발전기의 총칭이다.
열전발전기는 다른 종류의 도체나 반도체의 양단을 접합하고 그 2개의 접합부에 온도 차를 주면 제베크 효과에 의해 기전력이 발생하는 원리를 이용한다. 즉, 서로 다른 두 종류의 금속이나 반도체를 접합하고 그 접합부에 온도차를 가하면 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상을 이용하는 것이다.
이때 발생하는 기전력의 크기는 접합부의 온도차에 비례하게 되며, 이 비례상수를 제벡 계수라고 한다. 따라서 큰 온도차를 확보할수록 더 큰 기전력이 발생하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 열전 발전기를 제작할 수 있다.
열전발전기는 온도차를 이용하여 전기를 발생시키므로, 태양열, 폐열, 인체열 등 다양한 열원을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 또한 구조가 단순하고 소음이 적어 친환경적이며, 소형화가 용이하다는 특징이 있다. 이러한 장점으로 인해 최근 다양한 분야에서 열전발전기의 활용도가 높아지고 있다.
하지만 현재 열전발전기의 변환효율은 10% 내외로 여전히 낮은 편이다. 이를 높이기 위한 연구가 활발히 진행 중이며, 열전소재 개발, 열전모듈 설계 최적화 등의 노력이 이루어지고 있다. 향후 열전발전기 기술이 더욱 발전한다면 폐열 회수, 태양열 발전 등 다양한 분야에서 활용도가 크게 높아질 것으로 기대된다.
1.2.3. 제벡 효과
제벡 효과란 서로 다른 두 종류의 금속을 접촉하여 두 접점의 온도를 다르게 하면 온도차에 의해 열기전력을 발생하고 미소한 전류가 흐르는 현상이다. 이때 발생하는 열기전력의 크기는 양쪽 접점 간의 온도차에 거의 비례한다. 이러한 관계를 나타내는 비례상수를 제벡 계수라고 한다.
구체적인 원리를 살펴보면, 서로 다른 두 금속 또는 반도체를 폐로가 되게 접속하고, 두 접점의 온도 차이를 주면 온도 차이에 의해 기전력이 발생하여 전류가 흐르게 된다. 가열된 금속 플레이트에서 에너지를 얻은 자유전자가 P형 반도체 쪽으로 끌려들어가게 되고, 가열된 금속 플레이트는 P형 반도체에 전자를 내주었으므로 전자가 부족하게 되어 이 부족분을 N형 반도체에서 끌어오게 된다. 이 과정을 거쳐 N형 반도체에서 P형 반도체 쪽으로 전류가 흐르게 되는 것이다.
이렇게 발생한 전류는 가해주는 열량에 비례하며, 열량변화에 의해서 만들어지는 전류와 열량 사이에는 dQ=πdI라는 공식이 성립한다. 여기서 비례상수 π를 펠티어 계수 또는 제벡 계수라고 한다.
제벡 효과는 열전발전기의 원리로 활용되고 있으며, 이를 응용한 발전장치도 개발되고 있다. 하지만 현재 열전발전기의 효율이 낮아 실용화에는 어려움이 있는 실정이다.""
1.2.4. 대류열전달
대류열전달은 고체 표면과 유체 사이에 온도차가 있어서 이동하는 현상을 일컫는다. 대류 열전달률은 고체 표면 현상과 유체와의 위치 관계, 고체 표면의 조활도, 유체의 종류와 물성값, 유체의 유속, 변동 계수 등의 요인으로 변화한다. 고체 표면과 유체 사이에 온도차가 존재하면 열전달이 일어나는데, 이때 온도가 높은 고체 표면에서 온도가 낮은 유체 쪽으로 열이 이동하게 된다. 열 전달 기구를 살펴보면 고체 표면에서 열이 유체로 전달되는 과정에서 고체 표면 근처의 유체 입자가 열을 받아 운동 에너지를 갖게 되고, 이 입자들이 확산과 대류에 의해 열을 유체 내부로 전달하게 된다. 따라서 대류열전달은 열이 고체 표면과 유체 사이에서 온도차에 의해 발생하는 현상을 의미한다.
1.3. 실험장비구성
실험장비구성은 다음과 같다.
열전 발전기 실험을 위해 사용된 주요 장비로는 전압, 전류, 출력 검출회로, 열전발전모듈, 멀티미터기, Hotgun이 있다. 전압, 전류, 출력 검출회로는 V_L(부하 양단의 전압=V_tot-V_S), V_T(열전발전모듈 전체 출력 전압) 측정을 위해 병렬로 연결되어 있다. V_L 측정을 위해 측정기 Probe가 중앙에 설치되어 있다. 그리고 Hotgun으로 열전발전모듈 상부를 가열시켜 실험을 진행하였다.
1.4. 실험방법
전압, 전류, 출력 검출회로 설치를 위해 V_L (부하 양단의 전압=V_tot -V_S), V_T (열전발전모듈 전체 출력 전압) 측정을 위해 병렬로 연결한다.
V_L (부하양단의 전압) 측정을 위해 측정기 Probe를 중앙에 설치한다.
장치를 고정시킨 후 Hotgun으로 열전발전모듈 상부를 가열시킨다.
멀티 미터기로 전압을 측정한다.
V_s (저항양단의 전압), 전류, LED에 부하되는 등가저항, LED 출력, 그리고 효율을 환산한다.
이는 실험을 통해 제벡효과와 열전발전기의 전기 효율을 확인하기 위함이다.""
1.5. 실험결과 및 정리
1.5.1. 열효율 분석
먼저, 효율성 측면에서 실험을 분석하고자 한다. 전해진 열을 먼저 구하고 이 값을 사용하여 열효율을 구해야 할 것이다. 사용한 식은 카르노사이클 공식과 대류열전달 공식이다.
q=hA(T_H-T_L), 1-{T_Atmopshere} over {T_TOPgun}
따라서 (T(온도)는 절대온도)
열풍기의 전달열 : kA(473.15-284.15)=126.63
정상상태일 때 전달열 : kA(열풍기온도-표면절대온도)
결과를 보면, Hotgun이 작동하여 열전모듈에 200℃±0.5℃의 열을 공급하였는데,...
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