열을 전기로 바꾸는 신재생 에너지 - 열전 발전(Thermoelectric)

열전(Thermoelectric)은 작은 온도 차이에서도 전기를 발전시킬 수 있는 소재/소자를 의미합니다. 그렇다면 제가 연구하고 있는 열전이 어떤 것이고 신재생에너지 분야에 적합한지 간략하게 이야기해보려고 합니다.

 

열 에너지란?

우선적으로는 열? 온도 차이? 가 에너지가 될 수 있다는 것부터 알아보겠습니다. 그림과 같이 주전자에 끓여지고 있는 물은 열을 가해져서 물이 수증기가 되고 주전자의 뚜껑을 들썩들썩하게 하는 운동 에너지로 바뀌게 되는 것을 간단하게나마 알 수 있습니다. 

끓는 주전자 (pixabay)

열을 활용하여 액체가 수증기로 바뀌면서 부피가 늘어나면서 생기는 에너지를 활용하는 대표적인 예로는 발전소에 있는 터빈과, 자동차에 있는 엔진을 볼 수 있습니다. 

발전소 엔진 (pixabay)

열이라는 에너지를 운동에너지로 바꿨다가 다시 전기를 만드는 대표적인 예가 발전소에 있는 터빈이고, 차를 가게하는 엔진도 알아보았습니다. 열이 에너지라는 것을 조금은 이해하셨을 것이라고 생각합니다.

 

열전 발전이란?

이제 열전 발전이라는 것에 대해서 알아보려고 합니다. 아주 작은 온도 차이가 있어도 전기를 만들어 낼 수 있는 방법이라고 생각하시면 됩니다. 이 발전  방법을 사용하면 자동차 배기구에서 나오는 배기구의 열기, 발전소나 공장의 굴뚝에서 나오는 다양한 증기들의 열기를 이용해서도 발전이 가능할 수 있습니다. 

위에 말씀드린 발전소의 경우 열을 전기로 만들기위해 물을 끓여, 수증기로 터빈을 돌려 전기를 만듭니다.  엔진의 경우에도 석유를 태워서 증기로 만들어 운동 에너지로 차를 가게 만들고, 나머지 돌아가는 힘으로 발전기를 돌려 차량 내부에 있는 전자제품을 사용하고 있습니다. (물론.. 이제 전기자동차의 시대지만요..) 열전 기술은 열전소자라고 하는 것만 있으면 다른 장치 없이도 바로 전기를 만들 수 있는 점이 장점이라고 할 수 있습니다. 열전 기술은 움직이는 부분이 없이 소재만 연결하면 열을 전기로 바꿔주는 소자이기 때문에 움직이는 부분이 없어 구동으로 인한 고장이 적고, 소재의 크기를 조절하여 다양하게 크기를 작게도 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 그래서 초창기에는 나사(NASA)에서 인공위성에 태양광 발전과 함께 태양열로 발전이 가능하도록 열전 소자를 개발하여 인공위성에 장착하기도 했습니다. 

<그림-인공위성>

인공위성 (pixabay)

이렇게 좋은데 왜 실질적으로 실생활에서는 자주 보지 못할까요? 그 이유는 아무래도 효율이 낮기 때문입니다. 태양광 발전도 발전 효율을 높이면서 전기를 만드는데 필요한 금액이 점차 낮아지면서 많은 사용이 되고 있습니다. 열전도 온도 차이, 열 에너지를 전기 에너지를 바꿔주는 효율이 더 좋아진다면 조금 더 활용성이 높아질 것으로 생각하고 지속적인 연구가 진행되고 있습니다.

열전 발전 소자의 경우 이렇게 생겼습니다. 시중에서 판매하고 있는 것은 이렇게 판형으로 생겼고 두께는 약 5mm 정도이며, 가로, 세로의 크기에 따라 판매하는 것으로 알고 있습니다. 

열전 소자

그 중에서도 효율을 조금 떨어져도 전원을 battery의 교체 없이 공급하고자 하는 쪽이 우선적으로 연구가 진행되고 있습니다. 최근에 애플워치, 갤럭시워치와 같은 웨어러블 기기(wearable device)를 많이 사용하게 되면서 사람의 체온을 이용해 워치나 웨어러블 기기의 전원으로 사용하고자 하는 노력이 지속적으로 이뤄지고 있습니다. 

웨어러블 열전 발전 예시

다음 글에서는 열전 냉각에 대한 이야기, 그리고 더 나아가 열전 소자/소재에 대한 조금은 과학적인 이야기까지 해보도록 하겠습니다.

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