열전발전

열전발전이란

열전발전은 열을 전기로 직접 바꾸는 발전 방식이다.

두 열전재료 양단에 온도차를 주면 제벡 효과로 기전력이 생긴다.

회전 기계가 없어 열원과 냉각원만 있으면 작동한다.

원리와 기전력

온도차가 생기면 제벡 효과로 열기전력이 발생한다.

열전모듈은 n형과 p형 소자를 직렬로 연결해 출력 전압을 키운다.

발생 전압은 온도차에 비례하고, 비례상수가 제벡 계수 S다.

제벡 효과와 펠티에 효과

열전 현상은 제벡 효과와 펠티에 효과라는 두 축으로 이루어진다.

제벡 효과는 온도차를 전기로 바꾸는 발전 원리다.

펠티에 효과는 그 역현상으로, 전류를 가하면 접합부에서 열이 흡수되거나 방출된다.

두 효과의 방향을 뒤바꾸는 것이 가장 흔한 실수다.

성능지수와 효율

정답은 제벡 효과다. 온도차를 전기로 바꾸는 쪽이 발전에 쓰인다.

열전 재료의 성능은 무차원 수인 성능지수 ZT로 평가한다.

ZT는 제벡 계수의 제곱과 전기전도도에 비례하고, 열전도도에 반비례한다.

일반 열전재료는 ZT가 약 1 수준이며 효율은 대략 10% 이하다.

Carnot 효율 계산

열전발전의 이론 효율은 열원과 냉각원 온도로 정해지는 Carnot 효율이 상한이다.

가정 예제로 고온부 573K, 저온부 303K인 폐열원을 본다.

대입하면 1 - 303/573 = 0.471이므로 약 47%가 이론 상한이 된다.

실제 열전소자의 변환효율은 수% 수준이므로 이보다 훨씬 낮다.

장단점과 정리

앞 문제의 정답은 약 10% 이하다. 일반 열전재료의 ZT가 약 1 수준이기 때문이다.

열전발전의 장점은 구동부가 없어 설비가 단순하다는 점이다.

한계는 효율이 수% 수준이고 재료 비용이 크다는 점이다.

재료 성능과 경제성 확보가 실용화의 열쇠다.