열전 발전기 기본 사항

물리학적으로, 에너지는 생성되거나 파괴되는 것이 아니라 그 형태만 바뀌는 것입니다. '에너지 보존 법칙'이라고 불리는 이러한 개념을 기반으로, 엔지니어들은 에너지를 더 유용한 형태로 변환하는 방법을 연구하고 있습니다.

열을 직접 전기로 바꾸는 열전 발전은 그 좋은 예입니다. 토마스 제벡(Thomas Seebeck)이 처음으로 발견하여 '제벡 효과'라고 불리는 이 효과는 열전 발전기(TEG)라는 장치에서 활용됩니다. 이러한 반도체 장치는 1960년대에 첫 상용 버전이 등장하긴 했지만 20세기에 이르러서야 비로소 현실적으로 큰 진전이 있었으며, 그 이후로 TEG는 다양한 유형의 응용 제품에 적용되어 왔습니다.

TEG 모듈 기본 사항

열전 발전기 모듈(주로 TEG라고 함)은 온도의 차이를 전기적 전압으로 변환하거나 그 반대로 변환하는 방식으로 작동합니다. 열전 효과로 알려진 이 동작은 온도 구배로부터 전기를 생성하는 제벡 효과, 서로 다른 두 물질에 전류가 흐를 때 열이 흡수되거나 방출되는 펠티에 효과, 그리고 전류의 방향에 따라 열이 생성되거나 흡수되는 톰슨 효과의 세 가지 관련 부분을 포괄합니다.

열전 기술에서 자주 혼동이 되는 부분은 열전 발전기(TEG)와 열전 냉각기(TEC)의 차이입니다. TEG는 제벡 효과를 활용하여 열에서 전기를 생성하고, TEC는 펠티에 효과를 활용하여 냉각을 제공하거나 안정적인 온도를 유지하는 역할을 합니다. 둘 다 비슷한 반도체 소재를 사용하지만 그 설계가 서로 다릅니다. TEG는 높은 온도 차이와 전력 출력의 효율성을 위해 설계된 반면, TEC는 세라믹과 구리 같은 소재를 사용하여 열전달에 최적화되어 있습니다.

실제로, 열에서 에너지를 생성하는 것이 목표라면 TEG 모듈을 선택해야 합니다. 냉각 또는 온도 안정화를 위해서는 TEC(또는 펠티에 모듈)가 더 효과적입니다. Same Sky는 TEG 모듈과 펠티에 모듈을 모두 제공하므로, 설계 요구 사항에 적합한 장치를 간편하게 선택할 수 있습니다.

최신 열전 발전기(TEG)에서는 고온 측과 저온 측 간에 온도 차이가 존재할 때 전기가 생성됩니다. 모듈의 내부에는 비스무트 텔루라이드로 만든 여러 쌍의 n유형 및 p유형 반도체가 두 판 사이에 배치되어 있습니다(그림 1). n유형 물질에서는 전자가 고온 측에서 저온 측으로 이동하는 반면, p유형 물질에서는 정공(전자가 없는 상태)이 같은 방식으로 이동하기 때문에 전자가 이동합니다. 이러한 흐름이 합쳐져 전압이 발생하며, 온도의 차이가 클수록 출력도 커집니다.

TEG는 산업 운영과 같이 열이 낭비되는 상황에서 손실된 에너지를 복구하는 데 특히 유용합니다. 또한 원격 또는 극한 환경에서도 사용될 수 있는데, 예를 들어 햇빛이 부족할 때 방사능 붕괴로 인한 열을 전기로 변환하여 우주 탐사선에 전력을 공급할 수 있습니다.

그림 1: TEG 모듈의 일반적인 구성(이미지 출처: Same Sky)

TEG의 장점과 단점

열전 발전기(TEG) 모듈의 주요 장점은 폐열을 사용 가능한 전기로 전환함으로써, 손실되어 버릴 수 있는 에너지를 활용할 수 있도록 해 준다는 것입니다. 따라서 실용적일 뿐만 아니라 환경 친화적입니다.

TEG는 무접점 장치로 움직이는 부품이 없으므로, 조용하고 내구성이 뛰어나며 유지 관리가 거의 또는 전혀 필요하지 않습니다. 소형 폼 팩터이므로 좁은 공간에 설치할 수 있으며, 다양한 전압과 전류에 대한 옵션이 제공되므로 기존 전력망에 의존하지 않고도 안정적인 전력을 공급할 수 있습니다. 따라서 TEG는 원격 설치 또는 배터리 기반 시스템의 효율적인 대안으로 이상적입니다.

열전 발전기(TEG)는 안정적인 전력 공급원이 되긴 하지만, 설계상의 한계는 존재합니다. 큰 온도차에 의해 그 성능이 크게 좌우되므로, 열 경사도가 있는 특정 응용 제품에서만 사용될 수 있습니다. 또한 TEG는 일반적으로 비교적 낮은 변환 효율(약 10%)로 작동하는데, 이는 다른 많은 에너지 발전 기술에 비해 낮은 수준입니다.

주요 TEG 선택 기준

열전 발전기(TEG) 모듈을 시스템에 통합하는 경우, 성능에 직접적인 영향을 미치는 주요 사양을 고려하는 것이 중요합니다. 작동에 있어 가장 중요한 요소는 고온 측과 저온 측의 온도 차이(흔히 ΔT라고 함)입니다. 이는 TEG가 생성할 수 있는 전력량을 결정하지만, 규격서에 항상 표시되는 것은 아닙니다. 대신 제조업체는 일반적으로 최대 안전 작동 온도인 Tmax를 나열하는데, 이는 최대 한도를 정의하는 데는 도움을 주지만 최상의 작업 조건을 안내해 주지는 않습니다.

기타 유용한 사양으로는 개방 회로 전압, 정합 부하 전압, 전류, 저항, 전력 등이 있습니다. 이러한 값들은 실제 열 및 전기적 부하에서 장치가 작동하게 될 방식에 대한 통찰을 제공합니다. Same Sky에서 제공하는 것과 같은 규격서에서는 일반적으로 이러한 정보를 표(그림 2)와 성능 그래프(그림 3)로 표시하여 시스템 수준 설계를 더 쉽게 할 수 있도록 합니다.

그림 2: Same Sky 규격서의 TEG 사양 표 (이미지 출처: Same Sky)

성능 그래프는 고온 측 온도(T_h) 및 해당 저온 측 조건에 대한 전기 출력을 표시합니다. 일반적인 그래프에는 다음이 포함됩니다.

• 개방 회로 전압 vs. T_h - 부하가 걸리지 않았을 때의 최대 전압을 표시합니다.
• 정합 부하 저항 vs. T_h - 주어진 ΔT에서의 내부 저항을 나타냅니다.
• 정합 부하 전압 vs. T_h - 장치에 부하가 걸렸을 때의 출력 전압을 표시합니다.
• 정합 부하 전류 vs. T_h - 부하 상태에서 전달되는 전류를 표시합니다.
• 정합 부하 출력 전력 vs. T_h - 생성된 사용 가능한 전력을 나타내며, 옴의 법칙을 사용하여 전압 및 전류에서 도출될 수도 있습니다.

이러한 그래프를 통해 엔지니어는 일반적으로 최적의 부하 저항에서의 최고 성능 발휘 지점을 식별하고, 다양한 열 및 전기 조건에 따라 장치의 효율성이 어떻게 달라지는지 이해할 수 있습니다. 설계자 역시 이를 숙지함으로써 각 응용 제품에 알맞은 TEG를 선택하고, 다양한 모듈을 비교하거나, 실제 시스템에서 성능 문제를 해결할 수 있습니다.

그림 3: 일반적인 TEG 성능 그래프로, X축에는 고온 측 온도가 표시되고 Y축에는 냉온 측 온도에 대한 다양한 성능 곡선과 분석 대상 지표가 표시됩니다(이미지 출처: Same Sky).

올바른 열전 발전기(TEG)를 선택하려면, 설계자는 먼저 고온 측과 저온 측에서 예상되는 온도를 파악해야 합니다. 이 값들을 바탕으로, 규격서에서 제공하는 정합 부하 전압, 전류, 전력 및 저항에 대한 표를 사용하면 장치의 성능을 예측할 수 있습니다. 예를 들어 Same Sky의 SPG176-56 module은 T_h=200°C 및 T_c=30°C에서 3.8Ω의 저항으로 약 5.9V, 1.553A 및 9.16W의 전력을 생성합니다. 이러한 값은 각 성능 그래프에서 X축의 T_h=200°C에서 T_c=30°C 곡선과 교차할 때까지 세로로 선을 그어서 수집할 수 있습니다. 이 지점에서부터, Y축까지 가로로 선을 그어 예상 출력을 수집합니다. 다시 말하면, TEG는 옴의 법칙을 따르기 때문에 그래프를 조합하고 전력 공식을 사용하면 설계자는 TEG에서 예상되는 출력을 알아볼 수 있습니다.

실제로 이 프로세스는 이상적인 조건에서는 간단하지만, 설계자는 성능 곡선 간의 보간을 사용하여 완벽하지 않은 온도 차이 또는 부하 불일치를 조정해야 하는 경우가 많습니다.

결론

열전 발전기(TEG)는 원격 전력이 필요하거나 에너지를 재생하여 전체 시스템 효율을 높일 수 있는 응용 제품에 유용합니다. 일반적으로 산업용 목적으로 몇 와트에서 수백 와트까지 공급할 수 있는 대형 TEG와, 소규모 요구 사항을 위해 몇 와트에서 밀리 와트까지 공급하는 마이크로 TEG의 두 가지 형태로 제공됩니다. 현재 웨어러블, 우주 탐사선 및 항공 우주 시스템, 산업용 폐열 회수, 태양 에너지 변환, IoT 센서, 자동차 엔진, 산업용 전자 제품, HVAC 장비, 의료용 모니터링 장치, 군사 시스템, 과학 장비 및 통신 인프라 등 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.

다양한 전력 출력과 효율을 제공하는 TEG는 휴대성, 원격 작동, 에너지 회수를 지원하여, 시스템을 보다 효율적으로 설계할 수 있도록 합니다. 선택의 폭을 넓히기 위해, Same Sky는 다양한 설계 요구 사항에 맞는 여러 크기와 출력 등급의 TEG 모듈을 제공합니다.