해상에서는 UN산하 IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구)는 선박에서 배출하는 $CO_2$량을 2030년까지 30 %까지 줄이는 것을 목표로 설정하고 있다. 본 연구는 이러한 상황에 대응하고 친환경기술의 개발을 목표로 선박용 내연기관에서의 폐열을 이용하는 열전발전시스템 개발에 최종목표를 두고, 본 논문에서는 선박용 열전발전시스템 개발에 앞서 기초 열해석을 실시하고 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 열전발전시스템의 효율향상에 관한 유효한 방법을 얻어 낼 수 있었다. 1) 고온측 열원과 모듈간 온도차를 줄여 모듈의 온도차를 늘리는 것으로 열전발전시스템의 효율이 8.917 %로 향상되는 것을 알 수 있었다. 2) 외부부하저항의 변화에 따른 시스템 효율은 약 6 %로 그 변화폭이 크게 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 3) 동일 계산 조건에서 방형관의 재질이 스테인레스인 경우의 시스템 효율이 8.707 %로 두랄루민(8.605 %), 동(8.607 %)보다 높을 것을 확인할 수 있었다.
An analysis model considered the manufacturing factors and the pellet size has been developed in order to predict the performance characteristics of thermoelectric modules as generators. Since the electrical internal resistance has a significant role in the performance of thermoelectric modules, the variations of electrical internal resistance with operating temperature are experimentally measured. The modified electrical internal resistance calculated from an experimental correlation is applied to the analysis model. To verify the modified analysis model, the output voltage, output current and output power are compared with experimental results for the operating temperature conditions of $T_h=85^{\circ}C$ and ${\Delta}T=40^{\circ}C$. The modified analysis shows a good agreement with the experimental results in terms of the output voltage, current, and power.
An experiment has been performed in order to investigate the characteristics of multiple thermoelectric modules (TEMs) with electrical circuits. The open circuit voltage of TEM connected parallel circuit is equal to the sum of individual TEMs. In contrast, the open circuit voltage is equal to the average of that individual TEM for a series circuit. The power output and conversion efficiency of TEM for both parallel and series circuits increase as the operating temperature conditions for individual TEMs becomes identical. Comparing parallel with series circuits, the power generation performance is more excellent for series circuit than parallel circuit. This result is attributed to the power loss from the TEM with better power generation performance.
인구 증가와 문명 발전에 따른 에너지 고소비형 사회로 진행됨에 따라 기존에 사용하던 에너지원의 고효율화 방안이 강구되고 있다. 이 중 열에너지 고효율화 방안으로 열전발전 기술이 주목을 받고 있다. 현재 열전발전 분야는 나노기술 등이 발전함에 따라 폐열회수 분야 등에서 충분한 경쟁력을 가질 수 있는 ZT > 2를 도달하였고, 더 높은 효율을 갖는 소재 개발 연구가 진행되고 있다. 본 총설에서는 현재 진행되고 있는 온도영역별 열전발전 소재 개발 및 모듈기술에 대해 간략히 소개하고자 한다.
고온 발전용 열전모듈을 p-type으로는 $Ca_{2.7}Bi_{0.3}Co_4O_9$, n-type으로는 $Ca_{0.96}Bi_{0.04}Mn_{0.96}Nb_{0.04}O_3$을 선택하고 알루미나 기판 위에 1쌍과 2쌍을 제조하였다. 산화물 열전 모듈의 최적화 설계를 위해 먼저 1쌍의 열전모듈의 실험 결과로부터 전극의 접촉저항을 산출하여 2쌍 모듈에 적용함으로써 저항과 출력 특성을 예측하였다. 예측된 2쌍 모듈의 계산 값과 제조된 2쌍 모듈의 실측 값을 비교함으로써 모듈 설계를 위한 접근방법을 검토하였다. 2쌍 모듈의 계산된 저항과 측정된 저항은 각각 $T_h$=833 K에서 0.954 $\Omega$과 1.105 $\Omega$으로 약 0.15 $\Omega$ 정도의 차이로 근접한 결과를 얻었으며, 제시된 방법으로 고온산화물 열전 모듈 제작에 유효하다고 판단된다.
To solve the problem that photovoltaic panels can not harvest electrical energy at a cloudy day and night, a floating solar thermoelectric generator (FSTEG, hereafter) is studied. The FSTEG is consisted of a dome shaped Fresnel lens to condense solar energy, a thermoelectric module connected with a heat sink to keep temperature difference, a floating system simulating a wavy ocean and an electrical circuit for energy storage. The dome shaped Fresnel lens was designed to have 29 prisms and its optical performance was evaluated outdoors under natural sunlight. Four thermoelectric modules were electrically connected and its performance was evaluated. The generated energy w as stored in a Li-ion battery by using a DC-DC step-up converter. For the application of ocean environment, the FSTEG was covered by the dome shaped Fresnel lens and sealed to float in a water-filled reservoir. The harvested energy shows a potential and a method that the FSTEG is suitable for the energy generation in the ocean environment.
In this study, we developed a thermoelectric generation system for coastal fishing boats that allows for a high-density arrangement of thermoelectric modules, verified the improvement in performance by conducting comparative analysis between field test results and results from previous studies. The developed thermoelectric generation system was installed in a 3-ton gill-netter to analyze the engine revolutions per minute and energy production per day for each fishing process over a period of 20 days. From the experimental results, the maximum electric energy generated was 207.1 Wh, the minimum was 53.93 Wh and the average electric energy was 129.98 Wh. In accordance with the increasing of the engine r.p.m., the maximum electric production was 183 W at 1,500 r.p.m. It was approximately 80.5% of designed capacity, 227.2 W. Considering the result in the earlier research was 50.7% of designed capacity, 115.8 W. It was improved by 30% compared to the earlier one. The fishing operation was classified as departure, fishing and arrival. From the result on production analysis of electric energy, the composition of energy was 63% in fishing, 19.5% in departure and 17.5% in arrival. The electric energy production per unit hour was 42.8% in arrival, 32.9% in departure and 24.3% in fishing.
$CoSb_3$-based skutterudite compounds are candidate materials for thermoelectric power generation in the mid-temperature range (600 - 900 K) because their thermoelectric properties can be enhanced by doping and filling. The joining property of thermoelectric module electrodes containing thermoelectric materials is of great importance because it can dominate the efficiency of the thermoelectric module. This study examined the properties of $CoSb_3$/Al/Ti/CuMo joined by the spark plasma sintering technique. Titanium thin foil was used to prevent the diffusion of copper into $CoSb_3$ and Aluminum thin foil was used to improve the adhesion between $CoSb_3$ and Ti. The insertion of an Aluminum interlayer between the Ti and $CoSb_3$ was effective for joining $CoSb_3$ to Ti by forming an intermediate layer at the Al-$CoSb_3$ boundary without any micro cracks. Specifically, the adhesion strength of the Ti/Al/$CoSb_3$ joining interface showed a remarkable improvement compared with our previous results, without deterioration of electrical property in the interface.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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