열전발전

왜 배우는가: 열전발전은 폐열을 전기로 직접 바꾸는 기술로, 배열 회수와 에너지 절약 측면에서 실무적으로 점점 주목받는 분야다. 제벡 효과와 펠티에 효과는 열전현상의 두 축으로 여러 회차에서 반복해 출제되므로 원리와 비교를 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제135회 4교시 5번, 제99회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

열전발전은 두 종류의 열전재료 양단에 온도차를 주어 제벡 효과로 열에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 발전 방식이다.

• 제벡 효과(Seebeck Effect)
• 펠티에 효과(Peltier Effect)
• 열전 발전기(Thermoelectric Generator, TEG)
• 제벡 계수(Seebeck Coefficient)
• 성능지수(Figure of Merit, ZT)
• 폐열 회수(Waste Heat Recovery)
• 카르노 효율(Carnot Efficiency)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 뜨거운 쪽과 차가운 쪽의 온도 차이가 있으면 물질 안에서 전기가 흐르는 현상을 이용하는 발전이다. 열을 일단 기계적 회전으로 바꾸지 않고 전기로 바로 바꾸므로 구동부가 없다.

정식 정의는 다음과 같다. 서로 다른 두 도체 또는 반도체의 양 끝에 온도차가 생기면 양 끝 사이에 기전력이 발생하는데, 이 현상을 제벡 효과라 한다. 발생 전압은 온도차에 비례하고, 비례상수가 제벡 계수다. 제벡 계수는 재료 고유의 값이며 단위는 μV/K로 쓴다.

펠티에 효과는 제벡 효과의 역현상이다. 접합부에 외부 전류를 흘리면 접합부에서 열이 흡수되거나 방출되어 한쪽은 냉각되고 다른 쪽은 가열된다. 이는 전하 운반체가 접합부를 지날 때 전도대의 에너지 준위 차이 때문에 열을 주고받기 때문이다. 두 계수는 직접 관계가 있어 제벡 계수와 펠티에 계수는 온도를 매개로 연결된다.

열전 현상은 하나의 재료가 전기와 열을 서로 바꾸는 다중물리 현상이다. 따라서 열전재료는 전기는 잘 통하고 열은 잘 통하지 않아야 한다.

성능지수(ZT)는 재료의 열전 변환 능력을 나타내는 무차원 수다. 제벡 계수 S, 전기전도도 σ, 열전도도 κ, 절대온도 T로 정의한다.

$ZT = \frac{S^2 \sigma T}{\kappa}$

여기서 S는 제벡 계수(V/K), σ는 전기전도도(S/m), κ는 열전도도(W/m·K), T는 절대온도(K)다. ZT가 클수록 변환 효율이 높다. 일반적인 열전재료의 ZT는 약 1 수준이며 효율은 대략 10% 이하다.

3. 등장 배경과 필요성

제벡 효과는 1821년 독일 물리학자 토마스 요한 제벡(Thomas Johann Seebeck)이 발견했다. 발견 이후 열전 현상은 주로 온도 측정용 열전대에 쓰였다. 발전 목적으로 주목받은 것은 화석연료 고갈과 이산화탄소 배출에 따른 지구온난화 문제가 커진 이후다.

산업공정, 자동차 배기, 발전소에서는 많은 양의 폐열이 그대로 대기와 하천, 바다로 버려진다. 특히 150℃ 이하의 저온 폐열은 대부분 온배수나 폐가스 형태로 방출되어 회수가 어렵다. 열전발전은 회전 기계 없이 열원과 냉각원만 있으면 작동하므로 이런 저온 열원에 적합한 기술로 평가된다.

열전발전의 장점은 구동부가 없어 설비가 간단하고, 열교환이 쉬우며, 추가 연료비가 들지 않는다는 점이다. 냉각원으로는 대기, 물, 해수 등을 쓸 수 있다. 반면 출력이 대전류·저전압 특성을 가져 변환 효율이 수% 수준에 머무른다. 따라서 열전재료 성능 향상과 경제성 확보가 기술의 핵심 과제다.

현재 실용화된 열전발전기는 소형 전원장치에 국한된다. 고성능 열전변환재료가 개발되면 산업 폐열과 저급 자연에너지를 회수하는 새로운 에너지 변환 기술로 커질 것으로 전망된다.

4. 구성요소·원리·절차

열전발전기는 열전모듈(thermoelectric module)과 방열·가열 설비로 구성된다. 열전모듈은 n형과 p형 열전반도체 소자를 전기적으로는 직렬, 열적으로는 병렬로 배열한 구조다. 소자 한 쌍이 하나의 열전대와 같은 역할을 하며, 여러 쌍을 연결해 출력 전압과 전력을 키운다.

열전모듈 소자는 n형 반도체(전자 과잉)와 p형 반도체(전자 부족)를 한 쌍으로 묶는다. 일반적으로 n형에는 Bi2Te3, p형에는 Bi0.1Sb1.9Te3 계열을 쓴다. 두 소자를 금속 전극으로 연결하면 고온면에서 저온면 쪽으로 전하 운반체가 이동하면서 회로에 전류가 흐른다.

원리는 다음과 같다. 온도차가 생기면 제벡 효과(Seebeck effect)에 의해 열기전력이 발생한다. 개방 회로에서 기전력의 구배는 온도 구배에 비례한다. 비례상수는 제벡 계수(Seebeck coefficient, S)이며 재료 고유의 값이다. 열기전력은 V = S \cdot \Delta T 로 근사한다. 여기서 V는 기전력(V), S는 제벡 계수(V/K, 실제로는 μV/K 단위로 표기), \Delta T는 양 끝의 온도차(K)다.

열전발전은 온도차를 직접 전기로 바꾸는 고체 상태 변환이며, 회전 구동부가 없다.

출력 효율은 성능지수 ZT로 판단한다. ZT는 ZT = \dfrac{S^2 \sigma T}{\kappa} 로 정의한다. 여기서 \sigma는 전기전도도(S/m), \kappa는 열전도도(W/m·K), T는 절대온도(K)다. ZT가 클수록 열이 전기로 바뀌는 비율이 커진다. 시스템 관점의 변수는 온도차 \Delta T이고, 재료 관점의 변수는 ZT다.

열전발전 절차는 다음과 같다.

• 폐열원의 온도와 열량을 측정하고 고온면 온도를 정한다.
• 저온면 방열 설비로 저온 측 온도를 일정하게 유지한다.
• 열전모듈을 열원과 방열부 사이에 밀착 설치하고 열저항을 줄인다.
• 개방 전압과 부하 조건에서 출력 전압과 전류를 측정한다.
• 출력을 승압·정류하여 부하 또는 계통에 공급한다.

이 과정에서 열전발전 시스템의 실제 변환효율은 수 % 수준에 머문다. 저전압 대전류 출력이라 Carnot 효율의 상한은 온도 조건으로 정해지는 이론 상한으로 본다. 따라서 설계의 핵심은 온도차를 키우는 열 설계와 ZT가 높은 소재 선택이다.

5. 관련 법령·기준·표준

열전발전은 전기사업법이나 전기설비 기술기준에 별도 조문이 없는 신에너지 기술 분야다. 발전설비로서 계통에 연계될 때는 한국전기설비규정(KEC)의 발전설비 및 계통연계 요건을 따른다. 소형 열전 발전 장치는 국내에서 소형 전원으로 실용화된 사례가 많다. 제도상으로는 신재생에너지 설비 인정 여부와 발전 차액 지원 대상 여부를 기준으로 판단한다.

핵심 기준 수치는 다음과 같다.

고성능 소재로는 BiTe(ZT 2.4), SnSe(ZT 2.6), half-Heusler 계열(ZT 1.6)이 보고되어 있다. 이 값은 실험 보고치이며, 상용 모듈의 효율은 이보다 낮다. 제벡 계수 S는 재료 고유 값이므로 소자 설계 때 재료 데이터시트의 단위와 온도 조건을 함께 확인한다.

열전 기술의 법정 기준은 아직 전용 규격이 정해지지 않았으므로, 설계 시에는 KEC와 계통연계 기술기준을 함께 적용한다.

6. 유형과 비교

열전발전은 재료의 종류, 소자의 구조, 열원의 온도 범위에 따라 여러 방식으로 나뉜다. 가장 기본이 되는 비교는 Seebeck 효과와 Peltier 효과의 방향성 차이다. 두 효과는 같은 열전 현상의 양면이며, 한쪽은 열을 전기로, 다른 쪽은 전기를 열로 바꾼다.