효율적인 폐열회수를 위한 기하학적 열전소자 다리 형상 설계

초록

generation(열전발전), electrical analysis(전기분석) 최근 수십 년 동안 화석 연료의 남용으로 인해 에너지 부족이 전 세계적으로 점점 더 심각한 문제로 대두되고 있다. 연료에 포함된 화학에너지의 약 30%를 차지하는 열에너지의 상당 부분이 배기가스의 형태로 낭비되고 있다. 열을 전기 에너지로 변환할 수 있는 열전 재료는 많은 연구를 통하여 효율성이 향상되었다. 이러한 열전발전기(TEG)의 성능은 장치 형상에 따라 달라지기 때문에 본 연구에서는 유한 요소 방법을 사용하여 폐열을 효율적으로 수확할 수 있도록 열전소자의 다리 형상을 원통형, 큐브형 등 8가지 의 다양한 기하학적 구조로 모델링 하여 전기적 특성과 구조적 특성을 수치상으로 비교하였다. 해석은 열전달을 비교하기 위한 열분석, 온도구배에 대한 발전량을 비교하기 위한 열전 분석, 열팽창에 의한 응력을 비교하기 위한 열응력 분석 총 세가지를 진행하였다 . 그 결과 다리 형상에 따라 서로 다른 온도구배를 나타냈고 콘 형상에서 0.11269e-9(W/m3)로 기존 큐브형상 대비 약 24% 향상된 전력밀도를 가졌다. 또한, 모서리가 많고 좁은 접촉면을 가지는 형상일수록 von Mises 응력이 가장 높게 나타났다. 이를 통해 TEG 다리의 기하학적 구조가 열전 발전기의 효율에 영향을 미칠 수 있음을 확인하고 다양한 형태의 다리 구조를 가진 시뮬레이션 결과를 고려하여 새로운 열전소자의 개발에 대한 지침을 제공하고자 한다.