열전 발전기 (TEG) 모듈이 열을 전력으로 변환하는 방법

저자: By Jeff Smoot (제프 스무트), Same Sky

이 글에서는 다음과 같은 순서로 어떻게 열전 발전기(thermoelectric generator: TEG) 모듈이 열을 전력으로 변환하는지에 대해 알아본다.

1. TEG의 정의

물리학 개론에서는 에너지가 생성되거나 소멸될 수 없지만 다른 형태로 변환될 수 있다는 것을 다룬다. 열역학 제1법칙이라고도 불리는 에너지 보존 법칙이 정립된 이후로 엔지니어들은 에너지를 더 쉽게 사용할 수 있는 형태로 변환하는 방법을 끊임없이 연구해 왔다.

그러한 방법들 중 하나는 열전 발전, 즉 열에너지를 전기에너지로 변환하는 것이다. 토마스 제벡이 처음 발견한 열에너지의 직접적인 전기 변환 현상인 ‘제벡 효과’는 현대에 열전 발전기(TEG)라는 고체 소자에 실용적으로 응용된다. 그러나 TEG 소자 기술은 20세기에 들어서면서 본격적으로 발전하기 시작했으며 최초의 상용화도 1960년에 이루어졌다. 현재에 이르러서는 TEG가 매우 다양한 분야에서 사용되고 있다.

2. TEG 모듈의 정의

열전 발전기 모듈(TEG 모듈 또는 TEG)은 열전 효과를 이용한다. 열전 효과란 물질의 온도 차이를 전기 전압으로 변환하거나 그 반대로 변환하는 현상이다. 열전 효과는 세 가지 관련 현상을 포함한다. 첫째, 앞서 언급한 제벡 효과는 서로 다른 두 물질 사이의 온도 차이에서 전기가 발생하는 현상이다. 둘째, 펠티어 효과는 서로 다른 두 금속의 접합면에 전류가 흐를 때 열이 발생하거나 흡수되는 현상이다. 셋째, 톰슨 효과는 전류의 방향에 따라 열이 흡수되거나 생성되는 현상이다.

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3. TEG와 TEC의 차이점

열전 기술에서 흔히 혼동되는 부분 중 하나는 제벡 효과를 이용하는 열전 발전기(TEG)와 펠티어 효과를 이용하는 열전 냉각기(TEC)의 차이이다. 이러한 열전 효과는 전류 생성 및 고체 냉각을 위해 다양한 장치에서 각기 다른 방식으로 활용된다. 열전 장치는 설계 방식이 서로 다르지만, 구성 요소에는 유사한 재료(도핑된 반도체)가 사용된다.

유사한 재료를 사용하더라도 TEG는 높은 온도 차이와 에너지 효율을 고려하여 설계되었으며 전력 출력을 극대화하는 데 중점을 둔다. 반면 TEC는 열 흡수 및 방출을 최적화하도록 설계되었으므로 냉각 효율을 높이기 위해 고급 세라믹 및 구리를 사용하는 경우가 많다. 펠티어 모듈에 대한 자세한 내용은 펠티어 모듈 선택 방법이라는 심층 분석 블로그에 있다.

작동 방식은 비슷하지만, 열을 에너지로 변환하는 것이 목표라면 열전 발전기(TEG) 모듈이 최적의 선택이다. 능동 냉각이나 온도 안정화가 필요하다면 열전 소자(TEC) 모듈이나 펠티어 소자가 필요하다. Same Sky는 TEG 모듈뿐 아니라 펠티어 모듈을 설계 요구에 따라 모두 제공한다.

4. TEG의 작동 원리

최신 TEG에서는 반도체 물질의 뜨거운 면과 차가운 면 사이의 온도 차이로 인해 전하 운반체(전자)가 뜨거운 면에서 차가운 면으로 이동한다. 열전 발전기 모듈 내부에는 n형 및 p형 반도체 물질(일반적으로 비스무트 텔루라이드)이 여러 쌍으로 존재한다. 이 반도체 물질 쌍은 뜨거운 판과 차가운 판 사이에 끼워져 있다.

n형 물질에서는 전자가 뜨거운 면에서 차가운 면으로 이동한다. p형 물질에서는 정공(또는 전자의 부족) 또한 뜨거운 면에서 차가운 면으로 이동한다. 이러한 전하의 흐름은 유용한 전류로 활용 가능한 전위(전압)를 생성하게 된다. 이 전압은 물질 양쪽 면의 온도 차이에 비례한다.

TEG는 일반적으로 산업 공정과 같이 폐열이 발생하는 분야에서 손실될 수 있는 에너지를 회수하는 데 사용된다. 또한 태양 에너지가 너무 약할 때 방사성 붕괴열을 이용하여 전기를 생산하는 우주 탐사선과 같은 원격지에서도 사용된다.

TEG는 n형과 p형 재료를 번갈아 사용하여 제작된다

5. TEG 모듈을 이용한 발전의 장점

기능적인 관점에서 볼 때 TEG 모듈의 가장 유용한 특징은 버려지는 열에너지를 활용하여 전력을 생산한다는 점이다. 에너지 회수나 재활용에 유용한 이 장점으로 인해 TEG는 환경 친화적인 장치가 된다.

TEG 모듈은 움직이는 부품이 없는 고체 소자이므로 신뢰성이 높고 소음이 적으며 유지보수를 필요로 하지 않을 뿐 아니라 크기가 작아 협소한 공간에도 설치가 가능하다. 다양한 전압과 전류로 제공되는 TEG는 표준 전원에 연결하지 않고도 안정적으로 전력을 공급할 수 있어 원격 환경이나 배터리 구동 시스템 대체에 적합하다.

6. TEG 모듈 사용의 한계

TEG는 유용한 전류를 공급하는 견고한 장치이지만 설계 과정에 몇 가지 어려움이 있다. TEG는 주변 온도 변화에 민감하게 반응하기 때문에 필요한 출력에서 제대로 작동하려면 매우 특정한 용도에만 적합하다. 또한, 다른 발전 방식에 비해 에너지 변환 효율이 평균 약 10%에 불과할 만큼 상대적으로 낮은 것도 해결해야 할 과제이다.

7. TEG의 주요 사양 및 성능 그래프

시스템에 TEG 모듈을 설계할 때는 성능에 영향을 미치는 몇 가지 핵심 장치의 사양에 주의를 기울여야 한다. 고온측과 저온측의 온도 차이(델타 T)는 TEG의 발전 방식에 있어 매우 중요하지만 일반적으로 데이터시트에 명시되는 사양은 아니다. 그 대신 제조업체로서는 안전 작동을 위한 최대 허용 온도인 Tmax를 명시하는 경우가 많은데 그렇다고 이게 최적의 작동 조건을 나타내는 것은 아니다.

TEG의 성능을 평가하는 데 유용한 추가 사양으로는 개방 회로 전압 , 부하 정합 출력 전압 , 부하 정합 전류 , 부하 정합 전력 및 부하 정합 저항이 있다. 이러한 값들은 적절한 전기적, 열적 부하를 가진 시스템에 TEG를 통합할 때 기대되는 결과를 더욱 명확하게 보여준다. 데이터시트에 이러한 매개변수들이 일반적으로 어떻게 그래프로 표시되는지 아래와 같이 설명하면서 더 자세히 살펴보자.

Same Sky의 TEG 사양표 예시

TEG 모듈 성능 그래프는 TEG의 성능을 변수에 따라 나타낸 것으로 고온측 온도, 저온측 온도 및 다양한 전기적 매개변수를 비교해준다. 이러한 그래프를 통해 설계자는 최적의 작동 지점이나 설계 개선이 필요한 부분을 파악할 수 있게 된다. TEG 성능 그래프는 일반적으로 TEG 장치를 특정 용도에 맞게 선택하거나 서로 다른 TEG 장치를 비교하거나 구축 중인 최종 TEG 시스템 설계의 문제를 해결할 때 설계 최적화에 사용된다.

다음은 가장 중요한 성능 그래프들은 다음과 같은데 여기서 “Th”는 고온측 온도를 나타낸다.

1) 개방 회로 전압 대 온도: 이 그래프는 특정 온도 차이에서 TEG 모듈의 무부하 전압을 나타낸다. 즉, 이는 TEG가 생성할 수 있는 최대 전압인데 TEG 모듈에 부하가 걸리면 전압이 떨어진다.

2) 부하 저항 대 Th: 이 그래프는 특정 온도 차이에서 내부 TEG 모듈 저항이 어떻게 변하는지 보여준다.

3) 부하 전압 대 Th: 이 그래프는 특정 온도 차이에서 열전 발전기의 부하 출력 전압을 보여준다

4) 부하 전류 대 Th: 부하 전압과 마찬가지로, 이 그래프는 특정 온도 차이에서 TEG가 공급하는 부하 전류를 보여준다.

5) 부하 정합 시 출력 전력 대 Th: 부하 전압 및 부하 전류 그래프와 유사하지만 출력 전력을 보여준다. 옴의 법칙을 사용하면 이 그래프에 표시된 값을 항상 계산할 수 있다(그리고 그 반대도 마찬가지이다). 기본적으로 이 세 그래프 중 두 개를 알면 나머지 하나도 항상 계산할 수 있다.

Same Sky의 TEG 데이터시트에 나와 있는 일반적인 성능 그래프

성능 그래프에서 TEG가 최고 출력, 즉 최대 출력을 내는 지점은 일반적으로 최적 부하 저항에 해당한다. 그래프의 효율 곡선은 온도 차이와 부하 저항에 따라 변환 효율이 어떻게 변하는지 보여준다. 특정 성능 그래프에서 X축은 TEG의 고온측 온도를 나타내는데 여러 성능 곡선을 통해 TEG의 저온측 온도도 함께 표시된다. Y축은 분석 대상인 특정 측정값을 나타낸다.

8. 용도에 맞는 TEG 선택 방법

적절한 TEG를 선택하려면 설계자는 먼저 TEG가 노출될 냉각측과 가열측 온도를 파악해야 한다. 이 온도가 결정되면 데이터시트에 있는 부하 전압, 부하 전류 및 부하 전력표를 사용하여 해당 용도에서 TEG의 출력을 결정할 수 있다.

사용 사례:

아래와 같이 성능 그래프가 나와 있는 Same Sky의 TEG 모듈인 SPG176-56을 사용하면 냉각측(Tc) 온도가 30°C이고 가열측(Th) 온도가 200°C일 때, TEG의 예상 출력을 계산할 수 있다.

1단계: 부하 전압 그래프를 이용해 x축(Th)에서 Th=200°C 지점을 찾고 그 지점에서 수직선을 그린다. 이 선이 Tc=30°C 곡선과 만나는 지점을 확인한다. 이 교차점에서 y축(V)으로 수평선을 그린다. 이 선이 만나는 지점이 TEG에서 예상되는 출력 전압이다. 이 때에 5.9V 지점에서 교차하므로 TEG에서 5.9V의 출력이 나올 것으로 예상할 수 있다.

2단계: 동일한 과정을 부하 전류 그래프에 적용할 경우 TEG에서 출력되는 전류는 1.553A이다.

3단계: 옴의 법칙을 이용할 경우 TEG의 출력 전력은 9.16W이다. 이는 정합 부하 전력표를 사용해 이전과 동일하게 이뤄진 과정을 통해 확인할 수도 있다.

4단계: 데이터시트의 부하 저항표와 위 예시의 정보를 종합해보면 이러한 조건에서 TEG의 저항이 약 3.8옴임을 알 수 있다. TEG는 옴의 법칙을 따르므로 관계는 선형적이다. 따라서 설계자는 그래프와 전력 공식을 조합해 TEG에서 예상되는 최종 출력값을 얻을 수 있다.

명목상의 선택은 매우 간단하지만 실제 어려움은 온도 차이가 크거나 부하 임피던스가 정확히 일치하지 않을 때 발생한다. 이러한 경우 설계자는 성능 그래프를 참조해서 실제 성능과 작동 범위를 파악할 수 있다. 또한 성능 곡선에는 제한된 수의 Tc 값만 표시되므로 표시된 곡선 사이의 Tc 값은 보간하면 된다.

9. TEG의 응용 분야

TEG는 원격 전력 공급이 필요하거나 에너지 회수를 통해 시스템 효율을 높일 수 있는 다양한 분야에 사용된다. TEG에는 대형과 소형 두 가지 종류가 있다. 대형 TEG는 수 와트에서 수백 와트에 이르는 출력 전력을 제공하므로 산업용에 사용된다. 소형 TEG 열전 발전기는 수 와트에서 수 밀리와트까지의 출력 전력을 제공한다. 현재 TEG 열전 발전기를 사용하는 몇 가지 응용 분야는 다음과 같다.

소비자용 저전력 기기(웨어러블 기술)
우주 탐사선 및 항공우주
산업 폐열 회수
태양 에너지 발전
센서(사물인터넷 기술)
자동차 엔진
산업용 전자 장치
냉난방 시스템
의료 건강 모니터링 및 추적
군사 시스템
과학 기기
통신

10. 요약

TEG 모듈은 열전 효과를 이용해 장치 내부의 온도 차이로부터 사용 가능한 전류를 생성한다. TEC와 마찬가지로 특정 용도에 맞춰 사용하면 효과적이고 효율적이다. 다양한 출력과 효율로 제공되는 TEG는 휴대성, 원격 작동 또는 에너지 회수를 통해 설계에 가치를 더해준다.

다양한 크기와 출력 등급을 갖춘 제품 라인업이 Same Sky 웹사이트 내용들 중 TEG 모듈 항목에 있다.

11. 핵심 정리