KR102595506B1 - 열전 발전 장치 및 이를 이용하여 전력을 생산하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고용융점부; 저용융점부; 및 상기 고용융점부와 저용융점부 사이에 배치된 열전소자;를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 고용융점부 및 저용융점부와 열적으로 연결된 제1면 및 제2면을 포함하며, 상기 제1면 및 제2면 사이의 온도차에 기초하여 전력을 생산하고, 상기 고용융점부는 상변화물질(phase change material)을 포함하고, 상기 저용융점부는 상기 고용융점부에 포함된 상변화물질보다 낮은 용융점을 가진 상변화물질(phase change material)을 포함하는, 열전 발전 장치에 관한 것이다.

Description

열전 발전 장치 및 이를 이용하여 전력을 생산하는 방법{THERMOELECTRIC GENERATOR AND METHOD FOR PRODUCING ELECTRIC POWER USING THE SAME}
본 발명은 열전 발전 장치 및 이를 이용하여 전력을 생산하는 방법에 관한 것이다.
태양광 발전은 태양 전지를 이용하여 태양광에너지로부터 전기에너지를 생산하는 기술이다. 이러한 태양광 패널은 종래 광량이 많은 건물의 옥상이나 평야에 주로 설치되었다.
태양열 발전은 태양의 열 에너지를 이용하여 물을 가열한 후, 물을 끓여서 발생한 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 기술이다. 가열된 물은 건물의 난방, 온수로 활용될 수 있다.
이러한 태양광 발전 및 태양열 발전은 태양 에너지를 이용하기 때문에 낮에만 발전할 수 있어 야간에는 발전을 할 수 없고 다른 발전 기술에 비해 상대적으로 전력 생산 효율이 낮은 단점이 있다.
최근에는, 이러한 단점을 극복하기 위해 열전 소자를 이용하여 전력을 생산하기 위한 연구가 계속되고 있다. 열전 소자는 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용하여 전기 에너지를 생산할 수 있는 장치이다. 제베크 효과(Seebeck effect)란, 금속 접합부의 온도차에 의하여 기전력이 발생하는 현상을 말한다.
그러나, 이러한 열전 소자의 경우, 지속적인 온도차를 발생시키기 위하여 반도체 소자의 hot side에서는 열량을 흡수하고 cold side는 상온 또는 0℃로 고정해야 하는 바, cold side의 온도 조절에 인위적인 에너지가 소비되므로 생산효율이 낮다는 문제점을 가지고 있다. 또, 이러한 열전 소자는 hot side에서 흡수한 열량을 방출하는 과정에서만 전기에너지가 발생하므로 사용 조건이 제한되는 문제점을 가지고 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 과제는 용융점이 서로 상이한 상변화물질(phase change material)을 열전 소자에 연결시킴으로써 전력을 발생시키는데 있어서 인위적인 온도 조절에 의한 에너지 소비가 필요 없는 열전 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 과제는 외부 환경 조건이 변하여도, 즉 환경 온도가 증가 혹은 감소하는 과정에도 용융점이 서로 상이한 상변화물질(phase change material)을 열전 소자에 연결시킴으로써 열전 소자 양 면에 온도차이를 지속적으로 발생시켜 전력을 연속적으로 발생시키는 열전 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 과제는 상기 열전 발전 장치를 이용하여 전력을 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 고용융점부; 저용융점부; 및 상기 고용융점부와 저용융점부 사이에 배치된 열전소자;를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 고용융점부 및 저용융점부와 열적으로 연결된 제1면 및 제2면을 포함하며, 상기 제1면 및 제2면 사이의 온도차에 기초하여 전력을 생산하고, 상기 고용융점부는 상변화물질(phase change material)을 포함하고, 상기 저용융점부는 상기 고용융점부에 포함된 상변화물질보다 낮은 용융점을 가진 상변화물질(phase change material)을 포함하는, 열전 발전 장치를 제공한다.
상기 열전소자는 환경 온도의 변화에 따라, 상기 고용융점부 및 저용융점부 중 고온인 것에는 제1면이, 저온인 것에는 제2면이 선택적으로 연결될 수 있다.
상기 고용융점부 및 저용융점부에 포함되어 있는 용융점이 서로 상이한 상변화물질은 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 테트라데칸올(tetradecanol), 테트라데칸(tetradecane), 옥타데칸(octadecane), 노나데칸(nonadecane)의 유기물, 수화물형태의 염화칼슘(CaCl2)의 무기물 및 물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질일 수 있다.
상기 고용융점부는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)을 포함하고, 상기 저용융점부는 1-테트라데칸올(1-tetradecanol)을 포함할 수 있다.
상기 고용융점부 및 저용융점부에 포함되어 있는 상변화물질은 다공성의 에어로겔(aerogel)에 의하여 담지되어 상변화물질/에어로겔 복합체를 형성할 수 있다.
상기 에어로겔은 그래핀(graphene), 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO), 그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatelet, GNP), 실리카(silica), 그라파이트(graphite), 그래핀-시스테아민(graphene-cysteamine), 카본(carbon), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 금속산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 에어로겔은 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, GO)와 그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatlet, GNP)의 조합인 것일 수 있다.
상기 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, GO)와 그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatlet, GNP)의 중량비는 1:1 내지 1:2인 것일 수 있다.
상기 에어로겔은 시스테아민(cysteamine)에 의하여 가교 결합된 그래핀(graphene)인 것일 수 있다.
상기 고용융점부 및 저용융점부는 상기 상변화물질을 담는 컨테이너 및 상기 고용융점부 및 저용융점부의 전도열을 상기 열전소자로 전달하는 흡열판을 포함하고, 상기 컨테이너는 단열 처리된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면 열전 발전 장치를 이용한 전력 생산 방법으로서, 고용융점부; 저용융점부; 및 상기 고용융점부와 저용융점부 사이에 배치된 열전소자;를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 고용융점부 및 저용융점부와 열적으로 연결된 제1면 및 제2면을 포함하며, 상기 제1면 및 제2면 사이의 온도차에 기초하여 전력을 생산하되, 상기 고용융점부는 상변화물질(phase change material)을 포함하고, 상기 저용융점부는 상기 고용융점부에 포함된 상변화물질보다 낮은 용융점을 가진 상변화물질(phase change material)을 포함하는, 제1항의 열전 발전 장치를 준비하는 단계, 환경 온도가 변화함에 따라 상기 열전소자의 제1면 및 제2면 사이에 온도차를 발생시키는 단계, 상기 온도차에 기초하여 전력을 생산하는 단계를 포함하는, 열전 발전 장치를 이용한 전력 생산 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 열전 발전 장치는 용융점이 서로 상이한 상변화물질(phase change material)을 열전 소자에 연결시킴으로써 전력을 발생시키는데 있어서 인위적인 온도 조절에 의한 에너지 소비가 필요 없다.
그리고, 본 발명에 따른 열전 발전 장치는 외부 환경 조건이 변하여도, 즉 환경 온도가 증가 혹은 감소하는 과정에도 용융점이 서로 상이한 상변화물질(phase change material)을 열전 소자에 연결시킴으로써 열전 소자 양 면에 온도차이를 지속적으로 발생시켜 전력을 연속적으로 발생시킨다.
다만, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(“통상의 기술자”라 함)에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 상변화물질(PCM)을 이용하여 제조된 열전 발전 장치의 가열 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 상변화물질(PCM)을 이용하여 제조된 열전 발전 장치의 냉각 과정의 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 상변화물질(PCM)을 이용하여 제조된 열전 발전 장치의 주간 발전 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4은 상변화물질(PCM)을 이용하여 제조된 열전 발전 장치의 야간 발전 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 상변화물질의 원리, 상변화물질이 다공성의 에어로겔에 의하여 담지된 모습, 열전 소자의 발전 모습, 열전 발전 장치를 이용하여 켜진 LED 전구의 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 시스테아민(cysteamine)에 의해 가교 결합된 그래핀(graphene) 에어로겔의 모습, 이를 이용한 PCM 복합체, 낮과 밤동안 PCM 복합체의 상태, 제베크 효과(Seebeck effect)의 원리를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 시스테아민(cysteamine)에 의해 가교 결합된 그래핀(graphene) 에어로겔의 제조과정을 나타낸 것이다.
도 8은 실험예 1에 따른 PCM/rGO-GNP 복합체의 온도에 따른 모습을 나타낸 것이다. 이 때 PEG는 순수한 PEG를, PEG1은 rGO와 GNP의 중량비가 2:1인 PEG/rGO-GNP 복합체를, PEG2는 rGO와 GNP의 중량비가 1:1인 PEG/rGO-GNP 복합체를, PEG3은 rGO와 GNP의 중량비가 1:2인 PEG/rGO-GNP를 각각 나타낸다. 1-TD는 순수한 1-TD를, 1-TD1은 rGO와 GNP의 중량비가 2:1인 1-TD/rGO-GNP 복합체를, 1-TD2는 rGO와 GNP의 중량비가 2:1인 1-TD/rGO-GNP 복합체를, 1-TD3은 rGO와 GNP의 중량비가 2:1인 1-TD/rGO-GNP 복합체를 각각 나타낸다.
도 9는 실험예 2에 따른 PCM 복합체에서 PEG와 1-TD의 중량비(도 9(a)), rGO-GNP 에어로겔의 다공성(도 9(b)), PEG 및 PEG 복합체의 XRD peak(도 9(c)), 1-TD 및 1-TD 복합체의 XRD peak(도 9(d)), PEG와 PEG 복합체의 열 전도율(도 9(e)), 1-TD와 1-TD 복합체의 열 전도율(도 9(f))을 나타낸 것이다.
도 10은 실험예 3에 따른 순수한 PEG(도 10(a)), 2:1 PEG 복합체(도 10(b)), 1:1 PEG 복합체(도 10(c)), 1:2 PEG 복합체(도 10(d)), 순수한 1-TD(도 10(e)), 2:1 1-TD 복합체(도 10(f)), 1:1 1-TD 복합체(도 10(g)), 1:2 1-TD 복합체(도 10(h))의 SEM 분석 이미지를 나타낸 것이다.
도 11은 실험예 4에 따른 두가지 PCM 복합체 각각의 온도 및 두가지 PCM 복합체의 온도차이를 나타낸 것이다. (rGO-GNP 중량비는 2:1_2:1, 1:1_1:1, 1:2_1:2인 경우이다)
도 12은 실험예 5에 따른 두가지 PCM 복합체 각각의 온도 및 두가지 PCM 복합체의 온도차이를 나타낸 것이다. (rGO-GNP 중량비는 가능한 모든 경우이다)
도 13은 실험예 6에 따른 두가지 PCM 복합체의 온도차이 및 이를 이용한 열전 발전 장치의 출력 전류를 나타낸 것이다.
도 14는 실험예 7에 따른 가열 및 냉각과정에서 LED 전구 모습(도14(a),(b)), 가열과정에서 1:1 PEG 및 1:2 1-TD 복합체일 때 LED 전구의 광도(도14(c)), 1:2 PEG 및 1:1 1-TD 복합체일 때 LED 전구의 광도(도14(d)), 1:2 PEG 및 1:2 1-TD 복합체일 때 LED 전구의 광도(도14(e)), 냉각과정에서 1:1 PEG 및 1:2 1-TD 복합체일 때 LED 전구의 광도(도14(f)), 1:2 PEG 및 1:1 1-TD 복합체일 때 LED 전구의 광도(도14(g)), 1:2 PEG 및 1:2 1-TD 복합체일 때 LED 전구의 광도(도14(h))를 나타낸 것이다.
도 15는 실험예 8에 따른 가열 및 냉각 과정에서 PCM 복합체의 피크 면적 비율(도 15(a), (b)), 출력 전류(도 15(c), (d)), 에너지 효율(%)(도 15(e))를 나타낸 것이다.
도 16은 실험예 9에 따른 PCM 복합체의 80℃에서 외력을 가해줌에 따른 변화를 나타낸 것이다.
도 17은 실험예 10에 따른 PCM 복합체의 DMA 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 18은 실험예 11에 따른 GCA의 SEM 분석 이미지(도 18(a) 및(b)), PEG/GCA 복합체의 SEM 분석 이미지(도 18(c)), 1-TD/GCA 복합체의 SEM 분석 이미지(도 18(d))를 나타낸 것이다.
도 19는 실험예 12에 따른 GCA 및 PCM/GCA 복합체의 XRD peak를 나타낸 것이다.
도 20은 실험예 13에 따른 순수한 PEG와 PEG/GCA 복합체의 온도 변화(도 20(a)), 순수한 1-TD와 1-TD/GCA 복합체의 온도 변화(도 20(b)), 가열과정에서의 출력 전류(도 20(c)), 냉각과정에서의 출력 전류(도 20(d)), 피크 면적 비율(도 20(e))를 나타낸 것이다.
도 21은 실험예 14에 따른 가열과정에서 PCM 복합체의 온도 변화(도 21(a)), 냉각과정에서 PCM 복합체의 온도 변화(도 21(b)), 가열과정에서 두가지 PCM 복합체간 온도 차이(도 21(c)), 냉각과정에서 두가지 PCM 복합체간 온도 차이(도 21(d)), 가열과정에서 PCM 복합체를 이용한 열전 발전 장치의 출력 전류(도 21(e)), 냉각과정에서 PCM 복합체를 이용한 열전 발전 장치의 출력 전류(도 21(f)), 가열 및 냉각 과정에서 열전 발전 장치의 에너지 효율(도 21(g))을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"과 같은 표현은, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 "바람직한" 및 "바람직하게"는 소정 환경 하에서 소정의 이점을 제공할 수 있는 본 발명의 실시 형태를 지칭한다. 그러나, 동일한 환경 또는 다른 환경 하에서, 다른 실시 형태가 또한 바람직할 수 있다. 추가로, 하나 이상의 바람직한 실시 형태의 언급은 다른 실시 형태가 유용하지 않다는 것을 의미하지 않으며, 본 발명의 범주로부터 다른 실시 형태를 배제하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "PCM"이란 상변화물질(phase change material)을 의미한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "PEG"란, 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)을 의미한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "TD"란, 테트라데칸올(tetradecanol)을 의미한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "GO"란, 그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 의미한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "rGO"란, 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)을 의미한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "GNP"란, 그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatlet)을 의미한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, "GCA"란, 시스테아민(cysteamine)에 의하여 가교 결합된 그래핀(graphene) 에어로겔(aerogel)을 의미한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 고용융점부; 저용융점부; 및 상기 고용융점부와 저용융점부 사이에 배치된 열전소자;를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 고용융점부 및 저용융점부와 열적으로 연결된 제1면 및 제2면을 포함하며, 상기 제1면 및 제2면 사이의 온도차에 기초하여 전력을 생산하고, 상기 고용융점부는 상변화물질(phase change material)을 포함하고, 상기 저용융점부는 상기 고용융점부에 포함된 상변화물질보다 낮은 용융점을 가진 상변화물질(phase change material)을 포함하는, 열전 발전 장치를 제공한다.
이하 도 5를 통해, 열전 소자의 개념에 대해서 설명한다. 열전 소자는 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있다. 여기서, 상기 제베크 효과(Seebeck effect)란 금속 접합부의 온도차에 의하여 기전력이 발생하는 현상을 말한다. 즉, 온도 차에 의해 열이 전기로 바뀌는 현상이다. 구체적으로, 열전 소자는 P형 반도체 및 N형 반도체, hot side와 cold side를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 P형 반도체 및 상기 N형 반도체는 각각의 도체와 결합되어 있다. 본 발명에서는, hot side와 가까운 쪽의 도체를 열전 소자의 제1면, 제1면과 대항하는 면으로서 cold side와 가까운 쪽의 도체를 열전 소자의 제2면으로 정의하였다. 여기서 열전 소자의 제1면은 hot side와 열적으로 연결되고, 열전 소자의 제2면은 cold side와 열적으로 연결된다. N형 반도체의 경우 major carrier가 전자(electron)이며 P형 반도체의 경우 major carrier가 정공(hole)이기에 양쪽에 온도차이가 발생하면 N형 반도체에 있는 전자가 에너지를 흡수하여 excitation 됨으로써 hot side로 밀집된다. 그리고, 전자가 구리선을 따라 반대편 P type 반도체로 움직이며 정공을 따라 이동하므로 회로에 전류가 발생한다. 즉, N형 반도체 → hot side → P형 반도체 → cold side로 전자 이동이 반복되면서 전력을 발생한다.
상변화물질(Phase change material, PCM)이란 상변화과정에서 많은 양의 열에너지를 축적하거나 저장된 열에너지를 방출할 수 있는 물질을 말한다. 즉, 상변화물질은 높은 융해열 등을 가지고 있어, 고체에서 액체상체 등 하나의 상태에서 다른 상태로 변하는 일종의 물리적 변화과정을 통하여 다량의 열을 축적하거나 방출하는 물질로서, 외부의 온도가 상변화물질의 용융점 이하로 내려가면 상변화물질은 액체상태에서 고체상태로 상이 변하면서 저장된 열을 방출하고, 외부의 온도가 상변화물질의 고유의 용융점 이상으로 높아지면, 고체상태에서 액체상태로 상이 변하면서 용융엔탈피로 알려진 일정한 양의 열을 흡수한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 열전 발전 장치의 가열 및 냉각 과정을, 도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 열전 발전 장치의 주간 및 야간 발전 과정을 나타낸 것이다. 이하, 본 발명에 따른 열전 발전 장치의 원리에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 열전 발전 장치는 열전 소자의 양 면(제1면 및 제2면)에 지속적인 온도차이를 발생시키고, 온도차이를 극대화하기 위하여 용융점이 서로 다른 두가지 상변화물질을 열전 소자의 양 면에 배치시킨다. 이를 통해, 자연적인 환경 온도의 증감과정에서 상변화물질의 온도가 변화하고, 두가지 상변화물질의 지속적인 온도차이가 발생한다. 이러한 지속적인 온도차이로 인해 제베크 효과(Seebeck effect)가 발생하며, 따라서 본 발명에 따른 열전 소자는 자연적인 환경 온도의 증감과정에서 지속적으로 전력을 발생할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 낮에 주위 환경의 온도가 증가함에 따라, 용융점이 낮은 상변화물질은 거의 등온(isothermal)상태를 유지하면서 에너지를 흡수하는 반면, 용융점이 높은 상변화물질은 상전이 온도에 도달하기 전까지 온도가 급격히 상승한다. 이와 같은 원리에 의해 열전 소자 반도체 양쪽에 온도 차이가 발생하고 제베크 효과(Seebeck effect)에 따라 회로에 전류 흐름이 발생한다. 반대로 밤이 되어 주위 환경의 온도가 감소함에 따라, 상변화물질은 응고를 하게 되는데, 용융점이 높은 상변화물질이 거의 등온상태를 유지하며 저장된 에너지를 우선적으로 방출하게 되고, 용융점이 낮은 상변화물질은 상전이영역에 도달하기까지 온도가 급격하게 감소하게 된다. 이러한 과정에 의해 반도체 소자 양쪽에 온도 차이가 발생하고 제베크 효과(Seebeck effect)에 의해 회로에 전류 흐름이 발생한다.
위 원리에 따라, 온도변화가 심한 지역에서는 상변화물질을 이용한 제베크 효과(Seebeck effect) 에너지 하베스팅을 충분히 이용할 수 있고, 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 자동차나 발전소 같이 열량을 많이 발생시키는 환경에서 상기 열전 발전 장치를 이용하면 가열 및 냉각과정에서 전력 발생을 극대화시킬 수 있다. 특히, 자연적인 환경온도의 변화, 즉 온도가 증가할 뿐만 아니라, 감소하는 과정에 있어서도, 본 발명에 따른 열전 발전 장치는 지속적으로 전력을 발생할 수 있다.
상기 본 발명에 따른 열전소자는 환경 온도의 변화에 따라, 상기 고용융점부 및 저용융점부 중 고온인 것에는 제1면이, 저온인 것에는 제2면이 선택적으로 연결될 수 있다. 즉, 상기 고용융점부 및 저용융점부는 주위 환경 온도의 변화에 따라, 상대적인 온도 관계가 서로 역전될 수 있는데, 상기 고용융점부 및 저용융점부 중 고온인 것에는 열전 소자의 제1면이, 저온인 것에는 열전 소자의 제2면이 선택적으로 연결될 수 있다. 이를 통해, 시간에 따른 주위 환경의 조건이 변하여도, 즉 환경 온도가 증가 혹은 감소하는 과정에도 열전 소자의 양 면(제1면 및 제2면)에 온도차이를 지속적으로 발생시켜 전력을 연속적으로 발생시킬 수 있다.
상기 고용융점부 및 저용융점부에 포함되어 있는 용융점이 서로 상이한 상변화물질은 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는, 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 테트라데칸올(tetradecanol), 테트라데칸(tetradecane), 옥타데칸(octadecane), 노나데칸(nonadecane)의 유기물, 수화물형태의 염화칼슘(CaCl2)의 무기물 및 물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 고용융점부는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)을 포함하고, 상기 저용융점부는 1-테트라데칸올(1-tetradecanol)을 포함할 수 있다.
상기 고용융점부 및 저용융점부에 포함되어 있는 상변화물질은 다공성의 에어로겔(aerogel)에 의하여 담지되어 상변화물질/에어로겔 복합체를 형성할 수 있다. 상변화물질은 우수한 잠열을 가지고 있어, 상변이과정에서 다량의 열을 흡수 및 방출할 수 있지만, 상변이과정시 손실(leakage)의 문제가 있어, 시간의 흐름에 따라, 발전 효율이 급격히 낮아지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따른 열전 발전 장치는 상변화물질을 다공성의 에어로겔에 의하여 담지시켜 상변화물질/에어로겔 복합체를 형성할 수 있다. 3차원의 다공성 에어로겔은 내부 공간에 순수한 상변화물질을 충분히 담을 수 있는 구조를 갖고 있기에, 다량의 상변화물질을 효과적으로 안정화시킬 수 있고, 이에 따라 손실(leakage)문제를 해결할 수 있다. 이러한 상변화물질/에어로겔 복합체는 진공 함침법(vacuum impregnation method)으로 제조되며, 용융된 상변화물질이 에어로겔의 내부 공간에 완전히 담지(침투)된다. 도 5 및 도 6은 이러한 상변화물질/에어로겔 복합체의 개략적인 구조를 나타낸 것이다.
상기 에어로겔은 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 그래핀(graphene), 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO), 그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatelet, GNP), 실리카(silica), 그라파이트(graphite), 그래핀-시스테아민(graphene-cysteamine), 카본(carbon), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 금속산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않는다.
상기 에어로겔은 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, GO)와 그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatlet, GNP)의 조합인 것일 수 있다.
상기 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, GO)와 그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatlet, GNP)의 중량비는 1:1 내지 1:2인 것일 수 있다.
상기 에어로겔은 시스테아민(cysteamine)에 의하여 가교 결합된 그래핀(graphene)인 것일 수 있다. 도 6은 시스테아민에 의하여 가교 결합된 그래핀 에어로겔의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
상기 고용융점부 및 저용융점부는 상기 상변화물질을 담는 컨테이너 및 상기 고용융점부 및 저용융점부의 전도열을 상기 열전소자로 전달하는 흡열판을 포함하고, 상기 컨테이너는 단열 처리된 것일 수 있다.
상기 컨테이너는 열손실을 최소화하기 위해 모든 측방향 표면이 단열처리될 수 있으며, 높이 방향에 위치한 표면은 고용융점부 및 저용융점부로부터의 열전달 속도를 빠르게 하기 위하여 열전도성이 높은 금속 소재로 만들어지거나 금속 소재로 코팅될 수 있다.
상기 흡열판은 고용융점부 및 저용융점부의 전도열을 열전소자로 효율적으로 전달하기 위해 열전도성이 높은 소재로 제작될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면 열전 발전 장치를 이용한 전력 생산 방법으로서, 고용융점부; 저용융점부; 및 상기 고용융점부와 저용융점부 사이에 배치된 열전소자;를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 고용융점부 및 저용융점부와 열적으로 연결된 제1면 및 제2면을 포함하며, 상기 제1면 및 제2면 사이의 온도차에 기초하여 전력을 생산하되, 상기 고용융점부는 상변화물질(phase change material)을 포함하고, 상기 저용융점부는 상기 고용융점부에 포함된 상변화물질보다 낮은 용융점을 가진 상변화물질(phase change material)을 포함하는, 제1항의 열전 발전 장치를 준비하는 단계, 환경 온도가 변화함에 따라 상기 열전소자의 제1면 및 제2면 사이에 온도차를 발생시키는 단계, 상기 온도차에 기초하여 전력을 생산하는 단계를 포함하는, 열전 발전 장치를 이용한 전력 생산 방법을 제공한다.
이하, 실시예를 통해서 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: PCM/rGO-GNP 복합체의 제조
1. 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO)의 제조
그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO)는 변형된 Hummers 방법을 사용하여 제조되었다.
흑연 3g을 황산(H2SO4) 12mL에 붓고 과망간산칼륨(KMnO4) 15g을 첨가하여 충분히 산화시켰다. 몇 시간 후, 산화된 흑연 혼합물을 700mL의 증류수(DI)로 희석하고 20mL의 과산화수소(H2O2)를 첨가하여 과량의 KMnO4를 제거하였다. 정제된 용액을 10% 염산(HCl)으로 세척하고 여과 과정을 통해 용매를 제거하였다. 산화된 흑연을 증류수(DI)로 희석하고 10,000rpm의 원심분리법으로 중화시켰다. 그 후, 동결 건조 과정을 거쳐 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO) 분말을 얻었다.
2. 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, rGO)-그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatlet, GNP) 에어로겔의 제조
그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO) 분말과 그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatelet, GNP)은 30분 초음파 처리를 통해 증류수(DI)에 분산되다. 이 때, GO와 GNP의 질량비는 2:1, 1:1, 1:2로 하여 GO/GNP 에어로겔을 제작하였다. 이들 GO/GNP 수용액을 4 cm Х 4 cm Х 0.5 cm의 몰드에 붓고, 동결건조법으로 3차원 다공성 에어로겔을 얻었다. 마지막으로 히드라진 증기법을 이용하여 환원된 그래핀 에어로겔(rGO/GNP)을 제작하였다.
3. PCM/rGO-GNP 복합체의 제조
폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG) 및 1-테트라데칸올(1-tetradecanol, 1-TD) 복합체는 순수한 액체 상변화물질(phase change material, PCM)을 그래핀 에어로겔 내부 공간에 침투시키는 진공 함침 방법을 사용하여 제작되었다. 순수한 PEG와 1-TD를 진공 상태에서 80
Figure 112021115047016-pat00001
에서 녹여 수분을 제거하였다. 그래핀 에어로겔을 액체 PCM에 몇 시간 동안 담갔다. PEG와 1-TD 복합체는 모두 응고법으로 얻어졌으며, GO/GNP 질량비에 따라 2:1 PEG 복합체, 1:1 PEG 복합체, 1:2 PEG 복합체로 명명하였다. 또한, 마찬가지 방법으로 2:1 1-TD 복합체, 1:1 1-TD 복합체 및 1:2 1-TD 복합체로 명명하였다.
실시예 2: PCM / 그래핀-시스테아민 에어로겔(graphene-cysteamine aerogel, GCA) 복합체의 제조
1. 그래핀-시스테아민 에어로겔(graphene-cysteamine aerogel, GCA)의 제조
그래핀-시스테아민 에어로겔(graphene-cysteamine aerogel, GCA), 즉, 그래핀에 시스테아민이 가교 결합된 에어로겔은 도 7에 도시된 바와 같이, 4단계로 합성된다. 이 때, 그래핀층에 작용기의 양을 증가시키는 것이 중요하다.
1단계에서, 90mL 질산에 변형된 Hummers 방법으로 합성된 0.1g의 그래핀 옥사이드(graphene oxide, GO)을 130°C에서 6시간 동안 275rpm으로 교반시키며 첨가한다.
2단계에서, 과량의 질산을 제거한 후 과망간산칼륨(KMnO4) 0.3g을 증류수(DI water) 160mL에 분산시키고, 그래핀 옥사이드(GO) & 질산(HNO3) 현탁액 혼합물에 오일 배스(oil bath)와 함께 2.5시간 동안 붓는다. 산화도를 향상시키기 위해 90mL의 과염소산(HClO4)이 첨가되며, 산화된 용액을 중화하기 위해 4g의 시트르산(citric acid)이 들어간 증류수(DI water) 200mL이 준비된다. GO&KMnO4로 표시된 그래핀 옥사이드(GO)의 산화는 동결건조법에 의해 얻어지며, 그래핀 에어로겔 제조에 활용된다.
3단계에서는, 3차원 구조에서 열전도율을 높일 수 있는 그래핀 나노플레이트렛(GNP)을 사용하여 GO&KMnO4 에어로겔을 준비하는 과정이다.
마지막 4단계에서는, 시스테아민(cysteamine) 분산 용액이 사용되며 시스템을 150°C에서 72시간 동안 진공 상태로 둔다. 증발된 시스테아민(cysteamine)은 그래핀 옥사이드(GO) 시트에 도달하고, 내부 골격에 가교된 화학 사슬을 만든다. 따라서 그래핀/시스테아민(GCA)는 화학적 합성 방법에 의해 효과적으로 완성된다.
2. PCM/그래핀-시스테아민 에어로겔(graphene-cysteamine aerogel, GCA) 복합체의 제조
PCM 복합체는 상기 과정에 의해 가교 결합된 그래핀 에어로겔(graphene/cysteamine aerogel, GCA)에 순수한 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 1-테트라데칸올(1-TD)를 침투(담지)시켜 생성된다. 먼저, 순수한 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 1-테트라데칸올(1-TD)을 각각 액체 상태로 용융시킨다. GCA는 이러한 액체 상변화물질(phase change material, PCM)에 배치되고, 몇 시간 동안 진공 상태를 통해 GCA에 내부 공간이 형성되며, 상기 PEG와 1-TD가 가교된 그래핀 에어로겔(GCA)의 내부 공간에 침투(담지)된다. 가교된 그래핀 에어로겔(GCA)은 기계적 특성을 효과적으로 증가시킬 수 있으며 용융 온도 이상의 외력에도 견딜 수 있다.
비교예 1: 순수한 PCM의 준비
순수한 PCM으로서 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG, 분자량=6,000) 및 1-테트라데칸올(1-tetradecanol, 1-TD)를 각각 Avention® 사와 Sigma-Aldrich 사로부터 구매하여 준비하였다. 상기 두 가지 물질은 서로 다른 용융점을 갖는 상변화물질이므로 상변이가 일어나는 온도범위가 서로 다르다.
비교예 2: PCM/그래핀(graphene) 복합체의 제조
그래핀 옥사이드(graphene oxide)를 사용하여 안정적인 그래핀(graphene) 에어로겔을 제조한 후, 준비된 순수한 PCM(폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 1-테트라데칸올(1-TD))을 함침(infiltration)하는 방법으로 에어로겔 내부에 침투시켰다. 구체적으로, 순수한 PCM을 가열시켜 액체상태로 만들고, 진공상태에서 그래핀 에어로겔을 액체상태인 순수한 PCM 상에 배치하여 PCM이 충분이 에어로겔 내부로 침투(담지)되도록 하였다. 결과적으로 PCM/그래핀(graphene) 복합체를 제조하였다.
비교예 3: PCM/그래핀(graphene)&폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 복합체의 제조
기존 그래핀(graphene) 에어로겔이 순수한 PCM의 함침 과정에서 액체 PCM과 에어로겔의 다공성(porous) 구조 내벽에서 발생된 모세관력(capillary force)으로 인하여 용량 축소(volume shrinkage)가 되는 문제점을 해결하고자, 그래핀(graphene)&폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 에어로겔을 제조하여, 용량 축소를 효과적으로 막고, 순수한 PCM이 충분히 에어로겔 내부로 침투(담지)되도록 하였다. 구체적으로, 미리 제조된 그래핀(graphene) 에어로겔을 80℃ 오븐에 넣고 PDMS/n-Hexane 혼합액을 Spray 하는 방법으로 그래핀 에어로겔에 PDMS를 침투시켰다. 이후, n-Hexane은 공기중으로 기화되고 최종적으로, PDMS가 들어있는 그래핀 에어로겔을 제조하였다. 순수한 PCM의 함침과정에서 효과적으로 용량 축소를 막았고, 결과적으로 순수한 PCM이 충분히 담지된 PCM/그래핀(graphene)&폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)복합체를 제조하였다.
실험예 1: PCM/rGO-GNP 복합체의 형태적 안정성 평가
실시예 1에 따라 제조된 PCM/rGO-GNP 복합체와 비교예 1에 따른 순수한 PCM을 25℃에서 핫 플레이트에 놓고 80℃ 까지 온도를 상승시켰고, 이에 따른 모습을 도 8에 나타내었다.
순수한 1-TD는 액체 상태로 녹고 순수한 PEG는 약간의 손실(leakage)과 함께 고체 상태를 유지하였다. 반면, 모든 PEG 및 1-TD 복합체는 80℃ 에서도 아무 손실(leakage) 없이 초기 고체 상태를 유지하였다. 이로부터, rGO-GNP 에어로겔에 의하여 담지된 PCM 복합체는 용융 과정에서 우수한 형태적 안정성이 있는 것이 확인되었다.
실험예 2: PCM/rGO-GNP 복합체의 중량비, 다공성, XRD, 열 전도율 평가
실시예 1에 따라 제조된 PCM/rGO-GNP 복합체에서 PEG와 1-TD의 중량비(%)를 도 9의 (a)에 나타내었다. PEG와 1-TD 모두 높은 중량비를 나타낸 것으로부터, 충분히 많은 양의 PEG 및 1-TD 가 rGO-GNP가 조합된 에어로겔에 침투(담지)된 것이 확인되었다. 또한, PEG와 1-TD의 중량비는 GNP의 중량비가 증가함에 따라 약간의 감소를 보였다.
PCM/rGO-GNP 복합체에서 rGO-GNP 에어로겔의 다공성을 도 9의 (b)에 나타내었다. 모든 rGO-GNP 에어로겔은 높은 다공성을 보였고, 이를 통해 상기 에어로겔이 다량의 순수한 PCM을 비어있는 공간에 보유할 수 있음이 확인되었다.
PCM/rGO-GNP 복합체의 XRD peak을 도 9의 (c), (d)에 나타내었다. 순수한 PEG의 고유 peak는 19.10˚및 23.21˚에서 관찰되었고, 이는 다른 모든 PEG/rGO-GNP 복합체에서 유사하게 나타났다. 순수한 1-TD 및 1-TD 복합체는 약 21.32˚ 및 24.15˚에서 peak를 나타내었고 이는 다른 모든 1-TD/rGO-GNP 복합체에서 유사하게 나타났다. 이로부터, PCM 복합체는 큰 구조적인 변화 없이, 순수한 PCM과 동일한 내부 구조를 가지고 있음이 확인되었다. 정리하자면, XRD peak 결과로부터, rGO-GNP 에어로겔과 순수한 PCM 사이에는 화학 반응이 없고, PCM 복합체는 순수한 PCM 과 거의 동일한 구조를 유지하고 있음이 확인되었다.
PCM/rGO-GNP 복합체의 열 전도율을 도 9의 (e), (f)에 나타내었다. PEG와 1-TD 복합체는 모두 열전도율이 rGO와 GNP의 중량비가 2:1에서 1:2 이 되면서 증가하였다. 구체적으로, 2:1 비율의 PEG 복합체는 0.4233 W/mK를 나타내었고 1:2 비율이 됨에 따라 0.5828 W/mK로 증가했다(1:1 비율은 0.4929 W/mK임). 1-TD 복합체의 경우 GNP의 질량비가 증가함에 따라 열 전도율은 각각 0.3414 W/mK, 0.4135 W/mK, 0.4974 W/mK를 보였다. 한편, 1:2 비율의 PCM 복합체는 최고의 열-전기 에너지 변환 효율을 보인 반면, 1:3 비율의 PCM은 1:2 비율의 PCM과 유사한 열 전도율을 보였다.
실험예 3: PCM/rGO-GNP 복합체의 표면 구조 평가
실시예 1에 따라 제조된 PCM/rGO-GNP 복합체의 표면 구조를 SEM 이미지를 통해 분석하였으며, 이를 도 10에 나타내었다.
도 10의 (a) 내지 (h)를 살펴보면, 순수한 PEG 및 1-TD의 표면 이미지는 부드러운 반면, PEG 및 1-TD 복합체는 주름진 구조를 보였다. 이를 통해, 순수한 PEG 및 1-TD가 rGO-GNP 에어로겔에 완전히 침투(담지)됨에 따라, 형태적으로 안정한 PCM 복합체를 형성하는 것이 확인되었다. 특히 1-TD에 관하여 살펴보면, 순수한1-TD는 일부 층 구조를 갖고 있는 반면, 1-TD 복합체는 약간의 변화가 있는 것이 확인되었다(도 10의 (e) 내지 (h) 참조).
실험예 4: PCM/rGO-GNP 복합체의 가열/냉각에 따른 온도 변화 평가
실시예 1에 따라 제조된 PCM/rGO-GNP 복합체의 가열/냉각에 따른 온도 변화를 측정하였으며, 이를 도 11에 나타내었다. 구체적으로 상기 복합체의 온도가 80℃ 가 될 때까지 가열을 한 후, 냉각을 하였다. 도 11의 (a) 내지 (d)는 가열과정에서 온도 변화 및 두가지 PCM/rGO-GNP 복합체간 온도차이를 나타낸 것이고, 도 11의 (e) 내지 (h)는 냉각과정에서 온도 변화 및 두가지 PCM/rGO-GNP 복합체간이 온도차이를 나타낸 것이다.
도 11의 (a) 내지 (h)에 나타난 온도 변화 과정을 분석해보면 다음과 같다. 1-TD/rGO-GNP 복합체는 PEG/rGO-GNP 복합체보다 더 낮은 용융점을 가지므로 초기 가열과정에서 PEG/rGO-GNP 복합체의 온도가 급속히 증가할 때, 1-TD/rGO-GNP 복합체는 고-액 상전이 영역을 지남에 따라 거의 등온을 유지하였다. 후기 과열과정에서는, 반대로 1-TD/rGO-GNP 복합체는 고-액 상전이 영역을 지난 후 온도가 급격히 상승한 반면, PEG/rGO-GNP 복합체는 고-액 상전이가 일어나 온도 변화가 급격히 감소하였다. 이러한 일련의 과정을 통해, 가열과정에서 초기 구간 및 후기 구간에서 모두 PEG/rGO-GNP 복합체 및 1-TD/rGO-GNP 복합체간의 온도 차이가 발생하였다. 냉각과정에서 역시, 상기 전술한 과열과정과 동일한 원리에 의해 온도 차이가 발생하는 것이 확인되었다. PEG 복합체와 1-TD 복합체간 최대 온도차는 초기 과열과정 및 후기 과열과정에서 각각 약 16℃ 및 7.5℃를 나타내었다. 또한, 냉각과정에서의 최대 온도차는 초기 냉각과정 및 후기 냉각과정에서 각각 약 12℃ 및 7℃를 나타내었다.
실험예 5: PCM/rGO-GNP 복합체의 가열/냉각과정에 따른 온도 변화 및 상변화물질 복합체간 온도 차이 평가
실시예 1에 따라 제조된 PCM/rGO-GNP 복합체의 가열/냉각에 따른 온도 변화 및 두개의 상변화물질 복합체의 온도 차이를 측정하였으며, 이를 도 12에 나타내었다. 구체적으로, PEG와 1-TD 복합체의 에어로겔의 중량비 비율의 가능한 모든 조합에 대해 온도 변화를 분석하였으며, 이 때, 두가지 상변화물질 복합체 간의 온도 차이까지 분석하였다.
그 결과, 에어로겔 중량비 비율의 모든 가능한 조합 중, 상변화물질 복합체간 온도 차이의 그래프 면적이 가장 큰 1:1 PEG/1:2 1-TD, 1:2 PEG/1:1 1-TD 및 1:2 PEG/1:2 1-TD 복합체 조합을 최적의 에너지 수확 시스템을 위한 후보군으로 채택하였다.
실험예 6: PCM/rGO-GNP 복합체의 가열/냉각 과정에서 rGO-GNP 중량비에 따른 PCM 복합체간 온도 차이 및 이를 이용한 열전 발전 장치의 출력 전류 평가
상기 실험예 5에서 선택한 최적 후보군의 PCM/rGO-GNP 복합체가 가열/냉각되는 과정에서 rGO-GNP 중량비에 따른 PCM 복합체간 온도 차이 및 상기 복합체를 이용한 열전 발전 장치의 출력 전류를 평가하였으며, 이를 도 13에 나타내었다.
이로부터, 모든 최적 후보군의 PCM 복합체 그룹은 성공적으로 전류를 생성하는 것이 확인되었다.
실험예 7: PCM/rGO-GNP 복합체를 이용한 열전 발전 장치의 rGO-GNP 중량비에 따른 LED 전구 이미지 및 광도 평가
상기 실험예 5에 따른 최적 후보군의 PCM 복합체 그룹들 중에서, 최대 출력 전류를 나타내는 조합을 확인하기 위해, 최적 후보군의 PCM 복합체를 이용하여 열전 발전 장치를 만들었으며, 이를 LED 전구에 연결하였고, 가열 및 냉각 과정에서 LED 전구 이미지 및 LED 전구의 광도를 측정하였고, LED 전구가 켜지고 꺼지는 시간을 측정하였으며, 이를 도 14 및 아래 표 5, 6에 나타내었다.
[표 5] - 가열과정에서 LED 전구의 분석
[표 6] - 냉각과정에서 LED 전구의 분석
이로부터, 비록 가열과정에서 LED 불이 켜지는 시간은 rGO와 GNP의 중량비 비율이 1:1 PEG _ 1:2 1-TD 일 때, 가장 길게 나타났으나(1767s), 가열과 냉각과정을 종합적으로 살펴보면, rGO와 GNP의 중량비 비율이 1:2 PEG _ 1:1 1-TD 일 때, LED 전구가 켜지는 시간이 가장 긴 것(2762s)이 확인되었다. 또한, 가열과정과 냉각과정 모두에서, rGO와 GNP의 중량비 비율이 1:2 PEG _ 1:1 1-TD 일 때 평균 광도가 각각 0.267 μmolm-2s-1 과 0.218 μmolm-2s-1 로서 최대 광도를 나타내는 것이 확인되었다. 따라서, PEG 복합체와 1-TD 복합체의 rGO-GNP의 중량비가 각각 1:2 및 1:1일 때가 에너지 발전을 위한 가장 최적의 조합임이 확인되었다.
실험예 8: PCM/rGO-GNP 복합체를 이용한 열전 발전 장치의 rGO/GNP 중량비에 따른 peak ratio, 전류 및 에너지 효율
상기 실험예 5에 따른 최적 후보군의 PCM 복합체 그룹들 중에서 최대 전류를 나타내는 조합을 확인하기 위해 PCM 복합체를 이용한 열전 발전 장치의 출력 전류의 피크 면적 비율을 비교하였고, 이를 도 15의 (a) 및 도 15의 (b)에 나타내었다. 그 결과, 1:2 PEG/1:1 1-TD 조합이 가열 및 냉각 과정에서 모두 각각 1.16과 1.22로 가장 높은 피크 면적 비율을 나타냈다.
상기 PCM 복합체 그룹을 이용한 열전 발전 장치의 출력 전류를 도 15의 (c) 및 도 15의 (d)에 나타내었다. 최대 전류는 가열 과정 중 1차 상전이구간에서 12.45mA, 2차 상전이구간에서 5.80mA였다. 또한 냉각 과정 중 1차 및 2차 상전이구간에서 각각 9.75mA 및 6.20mA 최대 출력 전류를 나타내었다.
또한 가열 및 냉각 공정 시 열전 발전 장치의 에너지 효율을 도 15의 (e)에 나타내었다. 에너지 효율은 가열 및 냉각 과정에서 각각 62.26% 및 39.96%로 나타났다. 이러한 결과는 1:2 PEG/1:2 1-TD 군(즉, 55.59% 및 33.33%)보다 높았다.
결론적으로, PEG 복합체와 1-TD 복합체의 rGO-GNP의 중량비가 각각 1:2 및 1:1일 때가 에너지 수확을 위한 최적의 조합임이 다시 한번 확인되었다.
실험예 9: PCM/GCA 복합체의 형태적 안정성 평가
80℃에서 비교예 2, 비교예 3 및 실시예 2에 따라 제조된 PCM/graphen 복합체, PCM/graphene&PDMS(polydimethylsiloxane) 복합체 및 PCM/GCA(graphene cysteamine aerogel) 복합체에 외력을 가함에 따른 형태적 안정성을 측정하였고, 이를 도 16에 나타내었다. 이 때 가해지는 힘은 2N이었다.
이로부터, PCM/graphene 복합체와 PCM/graphene&PDMS 복합체는 기계적 특성이 약하여 일부 손실(leakage)이 발생되는 것이 확인되었다. 반면, PCM/GCA 복합체는 손실(leakage)이 없이 우수한 우수한 내성을 보였고, 이로부터 GCA는 graphene aerogel 또는 graphene & PDMS aerogel보다 열 및 기계적 안정성이 더 우수한 것이 확인되었다. 즉, PCM/GCA 복합체는 외부 환경의 변화에 불구하고 고유한 고체 상태를 용이하게 유지할 수 있는 것이 확인되었다.
실험예 10: PCM/GCA 복합체의 DMA compression 평가
비교예 2, 비교예 3 및 실시예 2에 따라 제조된 PCM/graphene 복합체, PCM/graphene & PDMS 복합체 및 PCM/GCA(graphene cysteamine aerogel) 복합체의 온도 변화에 따른 기계적 특성을 직접 구하는 DMA 측정을 하였고, 그 결과를 도 17에 나타내었다.
도 17의 (a)를 통해, PEG 복합체들의 storage modulus 값은 약 60 - 65℃에서 급격히 감소하는 것이 확인되었으며, 이를 통해 상기 온도 구간에서 고체 - 액체 상전이가 일어나는 것을 확인할 수 있다. 또한, PEG/GCA의 경우 PCM/graphene 혹은 PCM/graphene&PDMS 보다 상 전이 구역에서 storage modulus 값의 감소율이 작은 것을 알 수 있고, 이를 통해 PEG/GCA 복합체는 상 전이 과정에서 다른 PEG 복합체들에 비해 적은 손실(leakage)이 일어나는 것이 확인되었다.
또한, 도 17의 (b)를 통해, 1-TD는 PEG보다 용융점이 낮은 것이 확인되었으며, PEG 복합체와 마찬가지로 1-TD/GCA 복합체는 상 전이 과정에서 다른 1-TD 복합체들보다 적은 손실(leakage)이 일어나는 것이 확인되었다.
실험예 11: PCM/GCA 복합체의 표면 구조 평가
실시예 2에 따른 GCA와 PCM/GCA 복합체의 표면 이미지를 SEM 분석법에 의하여 관찰하였으며, 이를 도 18에 나타내었다.
도 18의 (a), (b)를 통해, 내부 골격 주위에 그물 모양의 주름이 있고, 가교된 분자 사슬의 조합이 관찰되는 것이 확인되었다. 또한 시스테아민(cyteamine)이 가교 결합된 그래핀 골격이 명확하게 관찰되었으며, 이를 통해 GCA가 체적의 수축을 효과적으로 감소시켜 형태적으로 안정적인 PCM 복합체를 제조할 수 있음이 확인되었다. 또한, GCA 내부에 PCM이 침투(담지)될 수 있는 높은 내부 다공성이 있음이 확인되었다. 도 18의 (c)를 통해, PEG가 GCA에 충분히 담지되어 있고, 이로 인해 평평한 표면과 질감 있는 골격이 모두 관찰되는 것이 확인되었다. 도 18의 (d)를 통해, 1-TD가 GCA에 충분히 담지되어 있고, 이로 인해 평평한 표면과 질감 있는 골격이 모두 관찰되는 것이 확인되었다.
실험예 12: PCM/GCA 복합체의 XRD 평가
실시예 2에 따른 PCM/GCA 복합체 및 GCA의 XRD peak를 분석하였고, 이를 도 19에 나타내었다.
PEG/GCA 복합체 및 1-TD/GCA 복합체에 나타난 peak는 PEG 및 1-TD에 전형적으로 나타내는 peak와 유사하였고, 이를 통해 PCM과 GCA 사이에는 화학 반응이 일어나지 않음이 확인되었다.
실험예 13: PCM/GCA 복합체 가열/냉각 과정에서의 온도 변화, 출력 전류, peak ratio 평가
상이한 광도를 가진 광원을 이용하여 비교예 1에 따른 순수한 PEG와 순수한 1-TD, 실시예 2에 따른 PEG/GCA 복합체와 1-TD/GCA 복합체를 가열 및 냉각하였고, 이에 따른 온도변화를 측정하여 이를 도 20의 (a) 및 (b)에 나타내었다. 또한, PEG/GCA 복합체와 1-TD/GCA 복합체를 이용하여 열전 발전 장치를 제조한 후, 가열 및 냉각을 하였고, 이 때 상이한 광도를 가진 광원에 따른 출력 전류를 측정하였고, 이를 도 20의 (c) 및 (d)에 나타내었다. 또한, 상이한 광도를 가진 광원에 따라 측정되는 출력 전류의 피크 면적 비율을 측정하였으며, 이를 도면 20의 (e)에 나타내었다.
도 20의 (a) 및 (b)를 통해, 순수한 PEG 혹은 1-TD일 때보다, PEG/GCA 복합체 혹은 1-TD/GCA 복합체일 때 광흡수율이 커져, 온도 구배가 커지는 것이 확인되었다. 따라서, 온도차에 기초하여 출력 전류를 발생시키는 열전 소자를 이용하는데 있어서, GCA 복합체를 이용할 때 유리해지는 것이 확인되었다. 또한, 도 20의 (e)를 통해, 광도가 15mW/cm2 일 때, 가장 많은 출력 전류를 얻을 수 있는 것이 확인되었다.
실험예 14: PCM/GCA 복합체의 가열/냉각 과정에서 온도 변화, 복합체 간의 온도 차이, 출력 전류 및 에너지 효율 평가
실시예 2에 따라 제조된 PCM/GCA 복합체를 가열 및 냉각함에 따른 온도 변화를 측정하였고, 이를 도 21의 (a) 및 (b)에 나타내었다. PCM/GCA 복합체를 가열 및 냉각함에 따른 두가지 복합체(PEG/GCA 및 1-TD/GCA)간의 온도 차이를 측정하였고, 이를 도 21의 (c) 및 (d)에 나타내었다. PCM/GCA 복합체를 가열 및 냉각함에 따라 발생하는 출력 전류를 측정하였고, 이를 도 21의 (e) 및 (f)에 나타내었다. 그리고, 이 과정에서의 에너지 효율을 측정하였고, 이를 도 21의 (g)에 나타내었다.
도 21의 (a) 내지 (d)에 나타난 온도 변화 과정을 분석해보면 다음과 같다. 1-TD/GCA 복합체는 PEG/GCA 복합체보다 더 낮은 용융점을 가지므로 초기 과열과정에서 PEG/GCA 복합체의 온도가 증가할 때, 1-TD - GCA 복합체는 고-액 상전이 영역을 지남에 따라 거의 등온을 유지하였다. 후기 과열과정에서는, PEG/GCA 복합체가 고-액 상전이가 일어나 온도 변화가 급격히 감소한 반면, 용융된 1-TD/GCA 복합체는 온도가 급격히 상승하였다. 이러한 일련의 과정을 통해, 가열과정의 초기 구간 및 후기 구간에서 모두 PEG/GCA 복합체 및 1-TD/GCA복합체간의 온도 차이가 발생하였다. 냉각과정 역시, 상기 전술한 과열과정과 동일한 원리에 의해 온도 차이가 발생하는 것이 확인되었다. 가열 과정에서 최대 온도 차이는 17.1℃ 및 7.2℃로 나타났고, 냉각 과정에서 최대 온도 차이는 12.5℃ 및 7.6℃로 나타났다.
도 21의 (e) 내지 (f)를 통해 출력 전류를 분석해보면, 최대 출력 전류는 약 11mA 및 6mA로 나타났다. 도 21의 (g)를 통해 에너지 효율을 분석해보면, 과열과정에서는 에너지 효율이 67.92%, 냉각과정에서는 에너지 효율이 41.72%로 나타났다.
상기 전술한 실험예들을 통해, 본 발명에 의한 열전 발전 장치는 태양 에너지 응용 분야에 충분히 활용될 수 있음이 확인되었고, 태양 전지, 광열 에너지 활용 및 항공 우주 발전기에 대한 새로운 접근 방식을 제공할 수 있음이 확인되었다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (11)

  1. 고용융점부;
    저용융점부; 및
    상기 고용융점부와 저용융점부 사이에 배치된 열전소자;를 포함하고,
    상기 열전소자는 상기 고용융점부 및 저용융점부와 열적으로 연결된 제1면 및 제2면을 포함하며, 상기 제1면 및 제2면 사이의 온도차에 기초하여 전력을 생산하고,
    상기 고용융점부는 상변화물질(phase change material)을 포함하고,
    상기 저용융점부는 상기 고용융점부에 포함된 상변화물질보다 낮은 용융점을 가진 상변화물질(phase change material)을 포함하며,
    상기 고용융점부는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)을 포함하고,
    상기 저용융점부는 1-테트라데칸올(1-tetradecanol)을 포함하고,
    상기 고용융점부 및 저용융점부에 포함되어 있는 상변화물질은 다공성의 에어로겔(aerogel)에 의하여 담지되어 상변화물질/에어로겔 복합체를 형성하되,
    상기 에어로겔은 환원된 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide, rGO)와 그래핀 나노플레이트렛(graphene nanoplatlet, GNP)의 중량비 1:1 내지 1:2 조합 또는 시스테아민(cysteamine)에 의하여 가교 결합된 그래핀(graphene)인 것인,
    열전 발전 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고용융점부 및 저용융점부는 상기 상변화물질을 담는 컨테이너 및 상기 고용융점부 및 저용융점부의 전도열을 상기 열전소자로 전달하는 흡열판을 포함하고, 상기 컨테이너는 단열 처리된 것인,
    열전 발전 장치.
  11. 제1항의 열전 발전 장치를 이용한 전력 생산 방법으로서,
    고용융점부; 저용융점부; 및 상기 고용융점부와 저용융점부 사이에 배치된 열전소자; 를 포함하고, 상기 열전소자는 상기 고용융점부 및 저용융점부와 열적으로 연결된 제1면 및 제2면을 포함하며, 상기 제1면 및 제2면 사이의 온도차에 기초하여 전력을 생산하되, 상기 고용융점부는 상변화물질(phase change material)을 포함하고, 상기 저용융점부는 상기 고용융점부에 포함된 상변화물질보다 낮은 용융점을 가진 상변화물질(phase change material)을 포함하는, 제1항의 열전 발전 장치를 준비하는 단계,
    환경 온도가 변화함에 따라 상기 열전소자의 제1면 및 제2면 사이에 온도차를 발생시키는 단계,
    상기 온도차에 기초하여 전력을 생산하는 단계를 포함하는,
    열전 발전 장치를 이용한 전력 생산 방법.
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