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발전소 잉여 수송열을 이용한 열전발전 시스템 개발한국전기연구원(www.keri.re.kr)열전변환기술팀 박수동 선임연구원(055)280-1636 / john@keri.re.kr개발 기술 배경지구환경 보존을 위한 국제적 노력의 일환으로 97년 12월에 비준된 ‘교토의정서’가 있다. 교토의정서에 따르면 미국, 일본, 영국 등의 선진국을 우선 적용 대상으로 하여 2008~2012년 5년 동안 온실가스 배출량을 90년(기준년도)에 비해 평균 5.2%를 강제적으로 줄여야만 한다. 우리나라는 인도, 중국 등과 함께 아직까지는 의무감축국에서 제외되어 있지만, 화석연료 의존도가 74.7%, CO2 배출량이 2.39백만 TC로 세계 10위인 우리나라의 경우 지속적으로 온실가스 감축 압력을 받을 것은 자명하다. 특히 현재 조건으로 우리나라가 온실가스 감축에 동의할 경우, 최악의 시나리오로 2010년 국내총생산(GDP)이 80년대 중반 수준으로 후퇴할 수도 있을 것으로 예측되는 만큼, 이에 대한 대응책이 매우 시급하며 정부에서도 범국가적 대응책을 마련하고 있는 실정이다. 특히 에너지 생산기지로서 다양한 열원과 배송열원으로 구성되는 발전소의 열 공해 및 에너지 소비 효율 향상은 그 설비 특성상 향후 시행될 CO2 배출권 관리를 위한 우선적 관리 대상이 될 수밖에 없을 것으로 예상되므로 그 대책이 매우 시급하다. 이에 한국전기연구원 열전변환기술팀과 한국동서발전㈜, ㈜우창엔지니어링은 공동으로 발전소 열원의 효과적 활용과 생산 효율 향상을 위해, 기존 방식으로는 활용이 어려운 100℃ 내외의 열원을 재활용하고자 신에너지 기술로 부각되고 있는 열전발전 기술의 적용 가능성을 조사 평가하여, 발전소 잉여 수송열을 이용한 열전발전 시스템을 개발했다. 현재까지 열병합발전소는 가스터빈을 통한 기본 발전 구조와 이 과정에서 발생한 열을 가장 효율적으로 재활용하여 발전과 난방용 가정 온수 등으로 공급하는 시스템으로, 열병합발전소에서는 순수 의미에서의 폐열은 ‘없다’고 표현할 수 있다. 그럼에도 하절기에 발생하는 잉여 난방수, 각종 기기로부터 발생하는 방사열, 복수기 등에서의 배열, 배관부에서 유출되는 고온 유출수 등과 같은 미활용 열원들과 함께, 이송 열원매체의 수송을 책임지는 각종 고압 배관에는 다양한 잉여 수송열 등과 같은 미활용 열원들이 존재하므로 이들의 활용을 통해 에너지 생산 효율을 증가시킬 필요성이 있다. 본 개발에서는 복합 발전소 내에 다양한 형태로 배송되고 있는 150℃ 내외의 저급 잉여 수송열을 이용한 열전발전 가능성을 평가하고 조사함으로써, 작업성과 안정성 및 경제성 차원에서 그 효용가치가 큰 저온열의 재활용 방안을 열전발전기술을 통해 도출하고자 하였다. 단, 본 개발에서는 현재 기동 중인 발전 설비를 이용해 시스템을 구축했기에 안정성을 기반으로 한 전력기기의 운용을 위해 충분한 실증 결과와 응용 방안들이 직접적으로 적용될 수 없었음을 밝힌다. 또한 향후 추가 실증 연구를 통해 본 기술 개발로 얻어진 열전발전 기술의 응용 가능성이 차세대 고효율 발전설비 개발에 적극적으로 이용될 수 있기를 기대한다. 기술 개발 의의 본 연구를 통하여 개발된 5㎾급 열전발전기는 발전소에서 발생하는 잉여 배열만을 이용하여 전력을 생산함으로써 현재 사용 가능 에너지로의 재생이 어려워 폐기되고 있는 발전소 내의 미활용 저온열도 에너지화할 수 있다는 것을 나타내는 중요한 기술적 성과물이다. 이 결과의 본격적 응용을 통해 향후 발전소의 발전 효율 향상에 크게 기여할 수 있을 뿐 아니라 산업전반에 전량 회수되지 못하고 폐기되고 있는 100℃급 저온열을 전력화할 수 있어 산업전반에 미치는 효과가 지대할 것으로 예상된다. 또한 발전소·소각설비 사업장·제강·제철·섬유업체·제지업체 등과 같이, 많은 배열과 폐열을 발생시키는 주요 에너지다소비 업장에서 응용이 가능해 산업전반에 있어 에너지 생산 및 소비효율 향상, CO2 배출 억제 및 열 공해 문제를 동시에 해결할 수 있다는 친환경적 이점이 매우 크다. 이 같은 이유로 최근에는 국제적으로도 지구환경문제에 대응한 지속가능한(Renewable) 대체 에너지 생산 수단으로 새롭게 부각되어 관련 연구들이 적극적으로 수행되고 있다.열전발전 기술 원리 및 구조 열전발전(Thermoelectric Power Generation) 기술이란 ‘물질에 가해지는 열 차이(온도차)에 의한 전기에너지 발생 현상(Seebeck효과)을 이용하여 전력을 생산하는 것’으로 산업 배·폐열, 자연 열, 체열 등과 같은 다양한 열원을 이용한 발전(전력생산)이 가능할 뿐만 아니라 정밀, 급속냉각 등이 가능한 미래형 친환경 에너지 변환기술이다. 기본적으로 열전발전은 p형과 n형으로 구성된 열전반도체 상하단에서 온도차가 조성될 경우, 여기된 캐리어(정공, 전자)의 이동에 의해 열기전력이 발생한다. 이를 전극을 통해 서로 연결하고 소정의 부하를 회로적으로 구성하면 전류의 흐름이 발생하여 전력을 생산하게 된다. 이와 같은 기본 원리에 따라 열전발전은 태양광 발전과 같이 반도체에 의한 직류전류 생산을 그 특징으로 한다. <표 1>은 열전발전 시스템의 장단점을 요약한 것이다.통상적으로 열전발전용 모듈은 <그림 1>에서와 같이 p와 n형으로 구성된 열전반도체 소재가 일정한 쌍으로 전극을 통해 직렬화된 단위체로, 열전발전 시스템 역시 기본적으로 이들의 적정한 직·병렬 조합을 통해 구성된다.
 [그림 1] 열전발전용 모듈의 기본 구성열전발전용 모듈의 직·병렬 배치는 기계적으로는 시스템 설계상의 구성 방식, 전기적으로는 생산된 전력을 이용할 부하 특성 등에 따라 달라진다. 또한 열전발전 시스템은 대형화할수록 시스템 내의 균일한 온도차 확보가 어려워 발생되는 전력들이 각기 다르므로, 불균일한 생산전력을 최대화할 수 있는 직류 파워매칭 기술이 기본적으로 적용된다.또한 열전발전 시스템은 태양광 발전과는 달리 2차원 ‘면 발전’뿐만 아니라 열매 흐름을 이용한 ‘체적발전’이 가능해 단위밀도당 고에너지 생산이 가능하다. 본 연구 개발에서도 체적발전의 장점을 이용하고자 ‘열매 순환식 시스템’을 설계 단계에서부터 시스템에 도입했다. 이와 같은 설계인자를 바탕으로 본 개발에서는 ‘열전발전용 모듈’, ‘열전발전 모듈에 열을 전달해 주는 열매 전달관 및 이들의 적층설계’, ‘생산전력 최대화를 위한 파워매칭’, ‘고효율 열전전력 인버팅의 기본 기술 구성’을 통해 최종 개발 시스템을 구성했다. 단, 전술한 바와 같이 본 개발은 현재 기동 중인 발전시설을 대상으로 시스템이 설치되어야 하므로 기존 발전시설의 개조를 최소화할 수 있는 시스템 설치를 기본으로 하여 기동상태에서 측정조사가 가능한 열원들만을 대상으로 설계 제작했다. 본고에서는 당 연구 개발에서 수행 보고된 내용 중 일부 결과를 소개한다. 기술 특징과 효과본 개발에서는 현재 상용화되고 있는 열전발전용 모듈 중 그 변환효율이 가장 높은 Bi-Te계 모듈을 대상으로 시스템에 적용하기 위한 다양한 특성평가를 우선적으로 수행했다. <그림 2>는 열전발전 모듈의 고온 압축 강도를 평가한 결과의 일부를 나타낸 것으로, 실제 시험대상으로 한 열전발전 모듈은 총 6종이다.
  [그림 2] 열전발전 모듈의 고온 압축 강도 및 열팽창 계수측정조건은 열전발전 모듈에 대한 열 충격을 모사하기 위해 느리게 승온한 5℃/min과 100℃/min의 조건을 측정하여 그 결과를 비교했다. 열전발전 모듈에 대한 압축시험은 적층식 열전발전 시스템의 경우, 열전발전용 모듈은 고온과 냉온 열매 전달관 사이에 소정의 열전모듈을 압착하여 배치하게 되는데, 이 때 발생하는 압축응력을 견딜 수 있는 모듈이 선택돼야 한다. 그러나 열전성능은 일정 인가압력까지는 압축강도에 비례해 강도가 증가하므로 적정의 가압력을 확보하고 이것에 대한 내구성을 함께 확보하는 것이 필요하다. 한편 열전달에 따른 열팽창 또한 열전발전 모듈의 수명에 영향을 미친다. 시험 결과, 모듈의 제조사와 형상에 따라 각기 다른 특성을 나타냈다. 각 모듈 모두 최대 180℃ 내외에서 급격한 팽창 변화를 나타냈다. 이것을 모듈 내 전극이나 접합부의 열화로 인한 모듈 결함발생 시점으로 고려한다면 본 연구에서 시험대상이 된 발전 모듈들의 최고 사용온도는 180℃로 평가된다. 또한 최대 3000㎛ 열팽창이 관찰되어 열매 순환에 따른 열팽창이 시스템적으로 흡수될 수 있게 구성돼야 함을 알 수 있다.
   [그림 3] 열매 전달관의 온도 분포 및 열류 유동 예측 결과<그림 3>은 열전발전 모듈 양단에 밀착되어 온도차를 발생시키는 열매 전달관에 대해 수행한 열 해석 결과의 일부(고온부의 압력 및 온도가 15kgf/㎠, 150℃이고, 저온수의 압력 및 온도가 대기압, 20℃인 경우)로, 고온 및 저온 열매의 가압조건과 초기 인입 온도를 변수하여 결과를 예측했다. 이와 같은 열 해석 결과, 냉수와 열수의 인입 압력이 클 경우가 보다 높은 온도차를 보였으며 시스템 통과 후의 온도저하도 크지 않았다. 냉수의 압을 대기압으로 고정하고 15kgf/㎠, 150℃의 열수가 열매 전달관으로 인입될 경우, 최대 102.0℃의 온도차를 확보할 수 있을 것으로 예측되어 이를 바탕으로 시스템 출력을 설계했다.최종 시스템 제작에 앞서 본 연구에서는 기본 발전 유닛의 출력거동을 조사하기 위해 실험실 조건 하에서 열매 전달관을 이용하여 소정의 열전모듈들을 직렬화하고 이를 이용하여 다양한 열전특성을 조사했다.
 (a) 응력효과 (b) 최대 출력 특성  (c) 온도차 (d) 멀티 모듈 출력[그림 4] 멀티 모듈의 열전출력 특성<그림 4> ⒜는 128개 열전발전 모듈을 직렬화(온도차 50℃일 경우)한 경우의 가압력에 따른 출력변화를 나타낸 것으로, 280kgf/㎠의 조건에서 출력상승은 포화됐다. ⒝는 직렬화된 32개 열전발전 모듈을 이용하여 냉온수 유량변화(열수 : 18l/min, 냉수 18.5l/min)에 따른 부하출력 특성을 평가한 것으로, 온도차에 따른 출력변화를 나타냈다. ⒞는 온도차에 따른 32개 직렬화 열전발전 모듈의 부하특성을 나타낸 것으로, 160개 직렬화 모듈 조건일 경우 온도차 52℃에서 80.77W의 출력을 나타냈다. 본 연구를 통해 개발된 시스템은 ‘수직형 직결식 열매 전달관’의 사용을 특징으로 하는 ‘열매 순환용 적층형 열전발전 시스템’으로, <그림 5>에 수직형 열매 전달관을 포함하는 단위 발전 스텍의 전경을 나타냈다.
 [그림 5] 제작된 수직형 직결식 열전발전 시스템용 단위 발전 스텍 전경이 단위 발전 스텍에는 저온과 고온의 냉열수가 순환하는 총 35개 열매 전달관 사이에 각 층마다 12개 열전발전 모듈(50㎜(w)×50㎜(h)×3.5㎜(t))이 직렬 배치되어 있어 총 408개 단위발전 모듈이 설치되어 있다. 또한 열매 전달관과 열전발전 모듈 간의 가압력을 유지하기 위해 유압실린더를 이용했고 열매 전달관 사이에서의 열매 통로는 수리 및 교체가 용이하도록 특별 설계된 고압용 이음관을 이용하여 연결했다. 열전발전 시스템에 사용되는 열원은 일반 복합발전소의 열원환경 분석 결과를 통해, LNG HTR에 공급되는 배열원을 <그림 5> 제작된 수직형 직결식 열전발전 시스템용 단위 발전 스텍 전경 열원으로 이용했다. LNG HTR은 LNG를 가스터빈에 공급하기 전 고온수의 포화수를 이용해 예열하는 열교환기로, 실공급되고 있는 포화수 온도는 150℃, 압력은 15.7kgf/㎠다. 실제 사용되는 고압 포화수의 양은 총 공급량의 1/2 수준으로 잉여 배열수를 열전발전에 이용하는 것에는 큰 문제가 없을 것으로 평가됐다. 냉원으로 사용하는 냉원수는 발전기기 냉각 및 유지수로 이용되고 있는 데미워터(De-mineral Water)를 사용했다.
 [그림 6] 5kW급 열전발전 시스템 구성도<그림 6>에 개발된 열전발전 시스템 구성도를 나타냈다. 본 시스템을 구성함에 있어 불가피하게 시스템으로 인입되는 고온의 포화수와 냉수를 재순환하기 위해 펌프를 사용했다. 그 이유는 현재 기동 중인 발전소를 대상으로 한 연구사업 특성상 기존 설비에 대한 최소한의 시설 작업만이 허용됐기 때문이다. 향후 실증 연구 또는 상용화 설치 시에는 발전소 내의 고압환경을 이용한 무동력 밸브 시스템을 이용하여 무동력 순환시스템을 구현할 수 있을 것으로 사료된다.
 [그림 7] 5kW급 수직형 직결식 열전발전 시스템 전경<그림 7>에 본 연구에서 최종적으로 개발된 수직형 직결식 5㎾ 열전발전 시스템의 전경을 나타냈다. 전체 시스템은 <그림 5>와 같은 단위 발전 스텍을 기본적으로 하여 총 10개의 스텍으로 구성했다. 열수와 냉수는 2단 순환식으로 인입된 고열 포화수로, 냉수는 2단의 열수(포화열수) 전달관 또는 냉수 전달관을 거쳐 순환하도록 하여 최대효율과 저열손실화를 도모하도록 제작했다.생산된 전력은 고효율화 전력설계를 통해 직렬화된 총 36개 열전발전 모듈을 기본 단위로 하고 이를 PCB를 통해 직병렬화하여 최적화했다. 최종적으로 생산된 전력은 열전출력 특성과 경제성에 최적화된 파워매칭용 컨버터와 인버터를 통해 사용부하에 대응할 수 있게 제작했다.
 (a) 5개 스텍의 출력 (b) 실제 전등 부하 시험 전경[그림 8] 5개 스텍의 출력과 실제 전등 부하 시험 전경5개 스택에서 생산된 전력 및 전등 부하 시험 전경을 <그림 8>에 나타냈다. 측정된 5개 스텍의 최고 출력은 2828W, 10개 스텍으로 구성된 본 시스템의 총 출력은 5256W였으며, 인입되는 인입열량 및 최종 발전출력의 비로 나타난 전체 열전발전 시스템의 효율은 3.35%였다.이때 열전발전 조건은 열수 인입압력은 9kgf/㎠, 냉수 인입압력은 6kgf/㎠, 온도차는 110℃였으며 열수의 온도 손실은 11.3℃, 냉수의 온도상승은 8℃였다. 기술 응용상술한 바와 같은 특징으로 인해 열전발전 기술은 소각설비에서의 폐열, 발전소에서의 잉여 배열과 같은 각종 산업설비에서 발생하는 산업 배·폐열, 자동차 폐열, 태양열, 지열, 해수온도차 등과 같은 자연열에너지, 도시배열 등을 활용한 신(新)발전기술로 이용될 수 있을 것이다. 그뿐 아니라, 향후 원자력 발전 및 병합발전과 군수분야와 같은 특수 발전분야에서의 응용도 크게 발전할 것으로 예측된다.또한 최근 발전하고 있는 IT분야에서의 응용 가능성도 매우 높아 자연 열, 체열 또는 저항열 등을 이용한 생체신호 센서, 환경 센서 및 가스 센서와 모바일 통신기기 및 컴퓨터 등과 같은 IT기기의 독립 또는 보조전원으로도 응용될 가능성이 매우 크다.향후 과제열전발전 기술은 비·폐열의 저급 열에너지와 소규모 분산형 열에너지를 유지비 없이 직접 전기에너지로 변환할 수 있게 하는 유일한 발전방식으로, ‘에너지 소비의 고효율화’와 ‘친환경 에너지원’으로서 최근 신에너지 시대적 요구에 가장 부합하는 클린 에너지 기술임이 분명하다. 그러나 본 개발에 이용된 단위 모듈뿐만 아니라 국내에서 사용되고 있는 열전변환 소재와 모듈의 대부분은 미국, 러시아, 일본, 중국 등지에서 수입하여 사용하고 실정으로, 미래 친환경 고효율 에너지 생산 시대에 부응하기 위한 소재 단위의 원천기술 개발 및 국내 산업화 노력이 매우 절실하다. 또한 본 개발은 3년의 단기과제로 발전소 환경에서 열전발전 시스템의 적용가능성을 평가한 것으로, 안정성을 기반으로 운영되고 있는 전력기기 및 설비에 열전발전 시스템이 적용되기 위해서는 장기간의 실증시험 결과들이 필수적이며, 이것을 통해 보다 안정되고 최적화된 발전소 적용형 열전발전 시스템이 개발 응용될 수 있을 것이다. 특히 본 기술 개발은 국제적으로 그 개발 사례를 찾기 어려운 기술적 시도로서 향후 열전발전용 소재 및 모듈분야에서의 원천성 확보와 장기 실증시험 결과가 확보될 경우, 관련 분야에서의 국제 경쟁력 확보를 통해 장기적으로는 발전설비의 발전 생산 효율 향상을 통한 수출증대에도 크게 기여할 것으로 예측된다.박수동(朴秀東)1965년생. 1999년 경북대학교 금속공학과 박사 졸업. 2002년 한국전기연구원 선임연구원. 現 한국전기연구원 재료응용연구단 열전변환기술팀 팀장
<Energy News>
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