|
 태양열을 전기로 변화하는 것은 광전압과 태양열 전력 변환에 의해 가능하다. 광학 집적기 (optical concentrator)와 기계적 열 엔진에 의한 태양열 전기 변환기는 큰 규모의 발전소에서나 볼 수 있다. 연구진은 시벡 계수 (Seebeck coefficient) 와 고열 집적도에 기초한 플랫패널 태양열 전기 변환 테크놀로지를 소개한다. 개발된 태양열 전기 변환기 (STEGs-solar thermoelectric generators)를 통해 AM1.5G (1kW/m2) 조건하에서 4.6 %의 최대효율을 얻었으며, 이 효율은 기존에 보고된 최대 효율과 비교해 약 7-8 배 정도 높은것으로 평가된다. 또한 이 변환기는 고성능 나노구조의 열전기 재료를 사용하고, 태양 에너지를 전기로 저렴하게 변환하기 위한 새로운 방법들을 제시한다.
태양열을 전기로 변환하기 위해 가장 큰 기술적 어려움은 태양 복사열만으로 열전기 소자에서 큰 온도차이를 만들어내기 어렵다는 것이다. 열 전도만을 생각하면, 약 1-5 도 정도의 온도차만을 만들수 있어, 효과적인 전력 변환을 위해서는 너무 작은 온도차이다. 큰 온도차를 만들기 위한 방법은 광학렌즈등을 이용하여 태양 복사를 집중시켜 열전기 생성기내의 열 흐름을 증가시키는 것이다. 그러나 40-200 배에 이르는 광 집적기는 곧 시스템 추가비용을 의미한다. 적절한 온도차를 만들기 위한 또다른 방법은 플랫 패널 흡수 구조내에 열 집적기를 사용하는 것이다 (그림 1). 태양열 흡수 표면은 태양 복사를 열로 바꾸고, 열전도 흡수 기판내에서 열 전도에 의한 열전기 부품위에 그 열을 집중시킨다. 전도현상을 이용하여 열을 집중시키는 방법은 다양한 태양열 시스템에 사용되어 왔다. 태양열 전기 변환기 (STEG)의 효율은 열전기 소자 효율과 광-열 효율의 곱으로 표현되고, 이는 곧 태양 복사를 열전기 생성기를 통해 열로 변환하는 효율을 의미한다. 열 손실의 대부분은 공기중 대류현상에 의한 것이고 이는 낮은 광-열 효율을 야기시킨다. 따라서, 소자를 진공화 함으로서, 열 손실을 최소화 할 수 있다.
실험에 사용된 소자는 그림 1을 통해 볼 수 있듯이, 나노구조로 된 Bi2Te3 합금위에 n/p-type 열전기 재료로 구성된다. 열전기 요소는 직렬 연결되고, 태양 흡수판과 열 흡수판 사이에 위치하고, p-type 열전기 부분은 1.35 x 1.35 x 1.65 mm3 이고, n-type 도 비슷한 크기를 갖는다. 각각의 열전기 요소는 각각의 구리판 위에 연결되고, 이는 열전기 소자의 cold side 가 된다. 태양 흡수체의 구리 기판은 열 전기 요소에 열을 전도함으로서 열 집중기 역할을 하게 되는 반면 (그림 1(d)), bottom 구리판은 전극 역할을 한다. 태양 흡수체의 크기는 열전기 요소의 크기와 특성을 위해 특별히 최적화되어야 한다.
그림 2(a)(b) 는 AM1.5G 와 낮은 광 집중 조건하에서 STEG의 전형적인 효율을 각각 나타낸다. 열 집중도는 1 과 1.5 kW/m2 에 대해 각각 299 와 196 이고, 최대 효율은 4.6 %, 5.2 %로 평가된다. 그림 2(b)는 STEG의 전류-전압, 전류-전력 특성을 보여준다. 그림 2(c)는 최대 효율을 열 집중도의 함수로 보여주고, 이는 주어진 열전기 요소의 크기와 태양열의 세기에 대한 최적의 열 집중도로 간주된다. 만약 열 집중도가 너무 낮으면, 태양 흡수체가 낮은 온도이고, 복사 손실이 적으므로, 광-열 효율은 높다. 반대로, 열 집중이 너무 높다면, 최고 온도는 너무 높고, 광-열 효율은 낮아지게 된다. 또한 성능지수 (ZT)는 약 100 도에서 최대값에 도달한 후 온도가 증가할수록 감소하게 된다.
그림 3(a)는 두개의 다른 열 집중도에 (299, 168) 대해 다른 태양 복사 세기에서의 효율을 시뮬레이션한 결과와 실험치를 비교하여 보여주고, 그림 3(b)는 STEG의 cold-side 온도에 대한 실험적 효율을 모델링 결과와 같이 보여주고 있다. cold-side의 온도가 상승할수록, 효율이 감소하지만, 효율은 여전히 약 3.5 %정도 됨을 알수 있다. STEG 의 또 다른 유일한 특징은 시스템의 열 용량에 의한 지연된 열 반응이다. 이는 태양이 구름에 의해 부분적으로 가리워질때에도 출력 전력의 연속성을 갖도록 해준다. 그림 3(c)는 STEG의 개방회로 전압을 시간의 함수로 나타낸 그림이다. 쎌 전압의 50 % 감소에 대한 시간 지연은 약 3 분 정도로 평가된다.
연구진은 또한 STEG의 효율을 향상시킬수 있는 몇가지 방법에 대해서도 요약하고 있다. (1) 열전기 재료의 성능지수을 향상하는 방법, (2) 선택된 표면, 특별히 높은 온도에서 단위 면적당 방사되는 온도를 증가시키는 방법, 그리고 (3) 열과 광학 집적기의 조합을 사용하는 법 등이 그것이다. 이와 더불어, 그 향상을 위한 구체적인 방법등을 제시하고, 이를 예측한 결과까지 발표하고 있다.
출처 : http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3013.html |