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표제지

국문요약

목차

제1장 서론 13

제2장 열전소자 개요 19

제3장 열전소자 제작 28

제1절 실리콘 나노선 기반의 열전소자 제작 28

제2절 열전모듈 제작 37

제3절 열전모듈 전기적 성능 특성 평가 41

제4장 열전 발전 스택 제작 및 실증 47

제1절 열전 발전 단위 스택 설계 및 제작 47

제2절 500[W]급 열전 발전시스템 실증 58

제3절 열전 발전시스템 수요처 실증 60

제5장 열전 발전시스템 인버터 제작 62

제1절 열전 발전 계통연계형 인버터 62

제2절 열전 발전 계통연계형 인버터 Test 및 제작 64

제6장 결론 82

참고문헌 87

ABSTRACT 93

본 논문과 관련된 투고 논문 및 학술논문 99

표목차

〈표 1-1〉 국외 열전 발전 기술개발 현황 17

〈표 1-2〉 국내 열전 발전 기술개발 현황 18

〈표 4-1〉 평판형 핀 해석 경우의 수 47

〈표 4-2〉 유체 및 주요 부품의 물성 48

〈표 4-3〉 유량 및 입구 온도별 최대 전력 출력 57

그림목차

[그림 1-1] 국내 온실가스 배출 14

[그림 1-2] 철강 에너지 사용현황 15

[그림 1-3] 재생 에너지별 기술 비교 15

[그림 1-4] 폐열시장 규모와 전망 16

[그림 2-1] 열전소자의 제벡 효과와 펠티어 효과 19

[그림 2-2] 열전효과의 수송 운반자 메커니즘 20

[그림 2-3] 열전 연구 동향(상) 및 재료별 ZT(하) 23

[그림 2-4] 실리콘 나노선 제작 방식에 따른 특징 25

[그림 2-5] MACE 방식으로 제작된 실리콘 나노선의 표면 주사전자현미경 이미지 및 용액 식각 시간에 따른 표면 거칠기 특성 26

[그림 3-1] 실리콘 수직 나노선 제작 공정도 30

[그림 3-2] 수직 나노선의 상부 및 측면 주사전자현미경 이미지 30

[그림 3-3] 불순물 붕소(B)와 인(P)이 주입된 시뮬레이션 결과 31

[그림 3-4] 불순물 붕소(B)와 인(P)이 주입된 시료 SIMS 결과 32

[그림 3-5] 불순물 붕소(B)와 인(P) 이온이 주입된 8인치 실리콘 나노선 웨이퍼 33

[그림 3-6] 실리콘 수직 나노선(좌) 및 스캘럽 표면 적용 나노선(우) 34

[그림 3-7] 실리콘 수직 나노선, 스캘럽 표면 적용 나노선, VLS 및 MACE 나노선 열 전도도 비교 그래프(위) 및 Backscattering 이미지(아래) 36

[그림 3-8] 실리콘 나노 구조 열전모듈 제작 공정도 37

[그림 3-9] 열전모듈 하부(좌) 및 상부(우) 전극 패턴공정 후 현미경 이미지 38

[그림 3-10] 열전모듈 상부 전극 형성 후 상면(좌) 및 측면(우) 주사전자현미경 이미지 39

[그림 3-11] 8인치 실리콘 나노선 열전소자 웨이퍼 및 열전모듈 40

[그림 3-12] 8인치 실리콘 나노선 열전소자 웨이퍼 전기적 특성 평가 시스템 41

[그림 3-13] 열전소자의 전기적 연결 확인을 위한 I-V 커브 특성 42

[그림 3-14] 실리콘 열전소자 N-P 쌍 증가에 따른 개방 전압 예측치와 상용 소자 성능 비교(좌) 및 열전소자의 N형, P형 쌍의 수에 따른 개방 전압(우) 42

[그림 3-15] 실리콘 열전소자 웨이퍼 양단 온도 구배에 따른 개방 전압 측정 43

[그림 3-16] 8인치 실리콘 나노선 열전소자 웨이퍼 개방 전압 측정 모습 44

[그림 3-17] 자체 제작 실리콘 열전소자 발전 성능 평가 시스템 45

[그림 3-18] 온도 구배에 따른 열전소자의 전압, 전류 및 전력 46

[그림 4-1] 유로 두께에 따른 압력 강하량 및 총괄 열전달계수 변화 49

[그림 4-2] 속도가 10[m/s]일 경우 유동 특성 51

[그림 4-3] 고온부 열교환 판 52

[그림 4-4] 100[W]급 해석 결과(주요 부품별 온도) 53

[그림 4-5] 500[W]급 단위 스택 디자인 설계 54

[그림 4-6] 500[W]급 단위 스택 57

[그림 4-7] 실증용 제어부 시스템 구성도 58

[그림 4-8] 500[W]급 열전 발전시스템 및 Test Bed 구성도 59

[그림 4-9] 500[W]급 열전 발전 스택 Test Bed 실증 59

[그림 4-10] 제작된 2[kW]급 열전 발전시스템 60

[그림 4-11] 제작된 직접회수 방식 열전 발전시스템 김천공장 설치 구성도 및 실증 현장 61

[그림 4-12] 김천공장 실증 현장 및 전력발전량 결과 61

[그림 5-1] 열전 발전시스템 계통도 63

[그림 5-2] 인버터 회로도 설계 64

[그림 5-3] 고주파 변압기 1차측 전압 파형 65

[그림 5-4] 고주파 변압기 2차측 전압 파형 66

[그림 5-5] 고주파 변압기 66

[그림 5-6] LC필터 후의 전압과 전류 파형 67

[그림 5-7] 스위치 동작시 발생하는 손실 68

[그림 5-8] IGBT와 다이오드의 열적 등가회로 70

[그림 5-9] 제작된 기구 및 조립 사진(1차 Ver.) 71

[그림 5-10] 실험 환경 73

[그림 5-11] PWM 게이트 파형 - 1 74

[그림 5-12] PWM 게이트 파형 - 2 74

[그림 5-13] 전류 응답 75

[그림 5-14] 인버터 출력 전압 전류 파형 75

[그림 5-15] 고주파 변압기 스위칭 파형 76

[그림 5-16] 보호 회로 및 Fault Check 동작 파형 76

[그림 5-17] 실험 결과 77

[그림 5-18] MPPT 실험 결과 77

[그림 5-19] 일체형 인버터 PCB(2차 Ver.) 78

[그림 5-20] 기구 제작 도면 79

[그림 5-21] PCB 실험 파형 79

[그림 5-22] PCB 실험 파형 및 계통연계 실험 파형 80

[그림 5-23] 실험 결과 80

[그림 5-24] MPPT 및 DC-AC 최대효율 실험 결과 81

초록보기

 열전 발전시스템은 버려지는 열에너지를 활용하여 전력을 생산하는 에너지 하베스팅 기술이지만 대부분의 열전 발전시스템은 계통연계 및 최대 전력점 추종기술(Maximum Power Point Tracking)이 접목되지 않아 전력의 경제적 회수가 어려운 점이 있다.

현재 세계적으로 열전 발전시스템을 상용화한 업체가 없으나 미국은 에너지국 산하에 국가 주도로 온실가스 저감 및 연비향상을 위한 열전 발전 시스템 개발을 지원하고 있으며, 일본은 산업부문에 있어 고유가 및 기후 변화 그리고 에너지 안보에 대응하기 위한 핵심기술로 폐열회수기술을 선정한바 있다. 유럽의 경우에도 Horizon 2020 프로젝트를 중심으로 현재 다양한 지역난방 효율 향상 및 시범도시 보급 프로젝트를 수행 중에 있다. 그럼에도 불구하고 전 세계적으로 아직 상용화와 실효 전력화를 위한 실증연구 활성화가 시급한 상황에 있다.

열전 발전시스템의 상용화를 위해서는 열전스택의 특성을 고려함과 동시에 효율적인 전력망과의 연계가 가능한 고효율의 전력변환 기술 접목이 필수적이다. 따라서, 에너지 불평등 해소와 에너지 효율 향상을 위해 분산형 전력 패러다임 필요성이 절실하며, 이에 필수적인 원천기술 개발의 수요가 증가하고 있는 현실에서 열전 발전기술은 여타 신재생에너지 대비 성능, 가격, 오염도 등 모든 면에서 유리하며 24시간 동안 지속적으로 발전이 가능하여 기존 신재생 에너지원의 한계를 극복할 수 있는 신에너지 기술이다.

열전 발전은 온도 차가 100[℃] 이하의 열원으로도 발전이 가능하며, 수명이 길고 유지비가 거의 필요 없는 발전 방식으로 기존 방법으로 재활용이 어려운 저급열원(가전제품, 체열, 해열, 산업용/공업용 폐열)에서도 발전이 가능하다. 발전을 위한 기계부가 필요없는 구조로써 휴대용 전원 등을 위한 소형화에 유리하고, 빈번히 발생하는 유지보수에 대한 문제점도 없어 도서산간 지역의 에너지원으로도 적합하다. 1970년대 이후 합금 반도체 효율을 개선하기 위한 기술개발이 정체되었으나, 최근 나노 소재의 등장으로 성능 개선 연구가 활발히 진행 중이다.

기존 공급자 중심의 전력망은 단방향성 및 폐쇄성으로 인해 에너지 사용의 효율성이 떨어지고 있으나, 최근 에너지 사용의 효율성을 높이기 위해 공급자와 수요자간 양방향의 전력망 구축이 가능한 전력변환 기술의 필요성이 증가하고 있으며, 효율적인 전력계통망 운용을 위해서 고도화된 마이크로 인버터 개발이 필수적으로 뒷받침되어야 한다.

최근 상용화되고 있는 SiC Module을 사용하면 동작 주파수를 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 비용 절감 및 부품의 수량을 최소화 하여 인버터의 소형화를 이룰 수 있다.

인버터는 스위칭 주파수 증가시 Passive 소자인 Inductor 및 Capacitor 용량 감소가 가능하며 이로 인한 원가 절감과 효율의 개선이 가능하다.

따라서, 본 논문에서는 "신재생에너지의 확대와 에너지 절감"이라는 시대적 사명에 부응하는 열전소자 기반 에너지 발전시스템을 상용전원으로 계통 연계하는 전력 공급시스템에 필요한 열전소자와 전력변환에 최적화된 인버터에 관한 연구를 수행하였다.

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