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SUMMARY
목차
제1장 서론 23
제2장 국내·외 기술 및 연구현황 26
제1절 선진국의 기술 동향 26
1. 열전냉방기술(Thermoelectric Colling : TEC) 26
2. 열전발전기술(Thermoelectric Generator : TEG) 30
제2절 우리나라 기술수준 및 수요 37
1. 기술수준 37
2. 기술수요 37
제3절 열전 변환 기술의 연구 현황 38
제3장 열전변환의 이론적 고찰 42
제1절 기본원리 42
1. 펠티어 효과(Peltier Effect) 42
2. Seebeck 효과 52
제2절 열전시스템 주요 구성부의 이론 고찰 58
1. 집광부 58
2. 동작부 72
3. 방열부 95
제4장 Prototype의 설계 117
제1절 열전 냉방시스템 117
1. 설계 개요 117
2. 설계 사양 117
3. TE building blacks (TEBBs)의 설계 120
4. Ducting 및 fans 122
5. Power 공급 123
6. Controls 124
7. Assembly 시의 유의 사항 124
제2절 발전시스템의 설계 126
1. 설계 개요 126
2. 모듈 선정 및 특성 127
3. 모듈의 Array 130
4. Heat sink의 설계 132
5. 열전발전의 출력 회로의 설계 133
6. 시스템의 구성 135
제5장 Prototype의 제작 136
제1절 열전냉방시스템 136
1. 제작 현황 136
2. 4000Watt 냉방시스템의 제작 140
제2절 열전발전시스템 146
1. 제작 현황 146
2. 100W의 발전시스템의 제작 148
제6장 시스템의 효율 측정 및 분석 155
제1절 냉방시스템 155
1. 실험장치의 구성 155
2. 실험용 Chamber의 설계 157
3. 실험 방법 158
4. 실험결과 및 고찰 160
제2절 열전발전시스템 168
1. 실험장치의 구성 168
2. 실험 방법 169
3. 실험결과 및 고찰 170
제7장 결론 175
참고문헌 177
부록 179
1. 열평형을 분석하기위해 사용한 기호의 설명(제3장 2절 2 ) 181
2. 열전 쿨러의 열부하 평가 183
3. 열전 쿨러의 설계 지침 190
4. Thermoelectric Cooling System의 소비전력 및 COP Data 197
(그림 2.1) 잠수함 냉방장치(V ＝ 1／8㎥, Q ＝ 30Kw) 29
(그림 2.2) SP-100우주용 SiGe소자의 변환효율의 향상 34
(그림 2.3) AMTEC 발전시스템의 개략도 36
(그림 2.4) 700W냉방 시스템 39
(그림 2.5) 1400W급 열전 냉방 시스템 40
(그림 2.6) 50W 열전발전 시스템 41
(그림 3.1) Peltier 원리 42
(그림 3.2) Peltier 를 이용한 냉각의 기본 구성 43
(그림 3.3) 모듈의 냉각 능력 46
(그림 3.4) 가열 효과 48
(그림 3.5) 모듈의 COP 곡선 49
(그림 3.6) Seebeck 원리 52
(그림 3.7) 태양열을 이용한 Seebeck효과의 열전 발전 53
(그림 3.8) 열전재료의 성능지수와 효율의 관계 57
(그림 3.9) 구면형의 광학적 특성 58
(그림 3.10) Parabolic의 광학적 특성 59
(그림 3.11) 선형 곡면형상 60
(그림 3.12) CPC 집열기 단면도 61
(그림 3.13) SPC의 단면도 63
(그림 3.14) 이중 CPC단면도 64
(그림 3.15) CPC의 단면 구조 64
(그림 3.16) CPC집열기의 열손실 Network 66
(그림 3.17) 열전냉각 Unit의 상세도 72
(그림 3.18) 열전 소자 내의 열평형 74
(그림 3.19) Low-capacity TEC의 System 구성도 75
(그림 3.20) 열전 열교환기의 개념적 모형의 단면 76
(그림 3.21) 미소 검사체적에 열역학 제 1법칙 77
(그림 3.22) Cop 곡선 (u＝400 and Tw＝300 K at various J and Ta) 80
(그림 3.23) 냉각용량 (u＝400 and Tw＝300 K at various J and Ta) 81
(그림 3.24) Cop곡선(u＝200 and J＝13000 at various Ta and Tw) 82
(그림 3.25) 냉각용량 (u＝200 and J＝13000 at various Ta and Tw) 82
(그림 3.26) 소요 전원 (Tw＝300 K and Qc＝350W, J＝9000 with respect to air temperature) 83
(그림 3.27) Cop 곡선 (Tw＝300 K and Qc＝350 W, J＝9000 with respect to air temperature) 83
(그림 3.28) 전기적 특성 84
(그림 3.29) 흡열부 유체의 열전달 계수가 시스템의 성능에 미치는영향 85
(그림 3.30) 방열부 유체의 열전달 계수가 시스템의 성능에 미치는영향 86
(그림 3.31) 열전발전소자의 성능실험장치 89
(그림 3.32) 저항에 따른 전압 89
(그림 3.33)／(그림 2.33) 저항에 따른 전류 90
(그림 3.34) 저항에 따른 열전발전량 90
(그림 3.35) 전류와 전력의 관계 91
(그림 3.36) 무부하시 온도차에 따른 전압 92
(그림 3.37) 무부하시의 온도차에 따른 최대전압 92
(그림 3.38) 온도차에 따른 전압 93
(그림 3.39) 온도차에 따른 전류 93
(그림 3.40) 온도차에 따른 열전발전량 94
(그림 3.41) 열전 반도체의 온도 프로파일 97
(그림 3.42) 알루미늄(알미늄) 압출형 히트싱크 98
(그림 3.43) △T ＝ 10℃일 때 hc／hh의 값(이미지참조) 101
(그림 3.44) △T ＝ 25℃일 때 hc／hh의 값(이미지참조) 102
(그림 3.45) △T ＝ 50℃일 때 hc／hh의 값(이미지참조) 103
(그림 3.46) △T ＝ 100℃일 때 hc／hh의 값(이미지참조) 104
(그림 3.47) 방사율 0.6인 경우 복사교환인자 105
(그림 3.48) 방사율 0.8인 경우 복사교환인자 106
(그림 3.49) 방사율 1.0인 경우 복사교환인자 107
(그림 3.50) 복사열전달계수 108
(그림 3.51) 휜의 효율 111
(그림 3.52) 설계한 히트싱크 112
(그림 4.1) 시스템의 기본 형태도 118
(그림 4.2) 중간홀을 가진 TE 모듈 119
(그림 4.3) 냉열면의 열교환 플레이트 120
(그림 4.4) 방열면의 열교환 플레이트 120
(그림 4.5) Air to air TEB 121
(그림 4.6) Air to air TEB의 실제 사진 122
(그림 4.7) Air Cooling System 123
(그림 4.8) Control Circuit 124
(그림 4.9) 태양열 열전발전시스템 개념도 127
(그림 4.10) 열전 발전 모듈의 사진 (Hz-14) 127
(그림 4.11) 열전 발전 모듈의 특성 곡선 129
(그림 4.12) 열전 모듈의 내부 130
(그림 4.13) 모듈간의 기본 연결 개념도 131
(그림 4.14) 열교환기와 모듈과 절연 박판 131
(그림 4.15) 모듈 Array 132
(그림 4.16) 열전모듈과 Heatsink의 조립 132
(그림 4 17) 열전 발전 모듈과 Heatsink 133
(그림 4.18) 열전 발전 시스템의 출력회로도 134
(그림 4.19) 시스템 구성도 135
(그림 5.1) 700Watt 열전 냉방 시스템 136
(그림 5.2) 1400Watt냉방 시스템 137
(그림 5.3) Single Stage Termix OTTII Module 137
(그림 5.4) 냉방 및 방열의 공기 순환도 138
(그림 5.5) Skyve Heatsink 139
(그림 5.6) TEB의 냉열측 Heatsink 140
(그림 5.7) TEB의 방열측 Heatsink 140
(그림 5.8) TEBB Case 141
(그림 5.9) 2 개의 TEBB가 조립 된 상태 142
(그림 5.10) 냉열측의 TEBB BLOCK 142
(그림 5.11) 방열측의 TEBB BLOCK 143
(그림 5.12) 내부 Frame에 TEBB BLOCK삽입 및 전원결선 143
(그림 5.13) Duck의 조립 144
(그림 5.14) 냉열측의 단열 144
(그림 5.15) 시스템의 외부 Frame 설치 145
(그림 5 16) 최종 시스템의 옆면 및 앞면 145
(그림 5.17) 10W 발전 시스템 146
(그림 5.18) 50W 발전 시스템 147
(그림 5.19) 열전 발전 모듈과 Heatsink 147
(그림 5.20) 출력부의 부하 및 DC Covertor 148
(그림 5.21) 발전시스템의 외관도 148
(그림 5.22) 발전시스템 세부 상세도 149
(그림 5.23) 열전 모듈과 열원공급 버너 상세도 150
(그림 5.24.25) Heatsink 와 버너의 상세도 및 실제 모습 151
(그림 5.26) 발전 회로도 152
(그림 5.27) 시스템 V.A Meter 153
(그림 5.28) 발전시스템의 정밀 부하저항 153
(그림 5.29) 100W열전 발전 시스템 154
(그림 6.1) 열전 냉방 시스템의 실험 구성도 156
(그림 6.2) 측정용 Chamber의 단면도 157
(그림 6.3) 냉방시스템의 실측 모습 158
(그림 6.4) 2.9 Kw의 전기 coil Heater 159
(그림 6.5) HP VEE 프로그램이 내장된 Data 수집분석 장치 159
(그림 6.6) 설정 온도 26℃일때 온도 분포 160
(그림 6.7) 설정 온도 24℃일때 온도 분포 161
(그림 6.8) 설정 온도 22℃일때 온도 분포 161
(그림 6.9) 설정 온도 20℃일때 온도 분포 162
(그림 6.10) 설정 온도18℃일때 온도 분포 162
(그림 6.11) 최대 냉방 온도 분포 163
(그림 6.12) 시스템 소비전력 164
(그림 6.13) Coil Heater의 소비전력 164
(그림 6.14) COP곡선 166
(그림 6.15) 온도에 따른 COP의 변화 167
(그림 6.16) 실험 장치의 구성도 168
(그림 6.17) 전압 전류계 170
(그림 6.18) 발전량의 실측 그래프 171
(그림 6.19) 전기 회로도 172
(그림 6.20) 열매체 공급 온도에 따른 출력 173
(그림 6.21) V(Set)전압에 따른 Power Output특성도 173
(그림 6.22) 외부 온도에 따른 출력도 174
(그림 6.23) 연료 소모에 따른 출력도 174
(표 2.1) 우주선용 열전발전 계획 33
(표 3.1) 열전소자의 전기적 특성 87
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