STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(온배수 시설에서 온도차를 이용한 전기 에너지 생산)

2017. 11. 30.

보평고등학교

< 연구 결과요약서 >

과 제 명 온배수 시설에서 온도차를 이용한 전기 에너지 생산

연구목표

○ 열전소자의 원리인 제백효과를 이해하고 제백계수와 n형 p형 반도체에 대해 탐구한다.

○ 우리 생활 속 낭비되는 폐열을 찾아 접근성,경제성,실용성을 조건으로 하여 열전발전을 할 열원을 선정한다

○ 열전발전장치 제작을 위해 방열판 설계와 열전소자 배치 부수적 재료의 특성을 이해하고 주도적으로 설계하여 열전발전 장치를 만든다.

○ 열전발전장치를 실제 실외기에 부착한 후 온도차를 주어 생산되는 전압, 전류값을 측정한다.

○ 실제 발생된 전기를 이용하여 식물용 LED를 켜보고, 일반 학생들이직접 열총과 헤어 드라이기를 이용하여 LED작동실험을 할 수 있는 체험부스를 만든다.

연구내용

□ 이론적 배경 및 선행연구

○ 우리는 ‘제백효과‘를 원리로 하여 연구를 진행하였다. 제백효과란 서로 다른 금속을 접합하여 양 끝에 온도차를 주게 되면 기전력이 발생하여 전류가 생성된다.

○ 선행연구로는 한국신재생에너지학회의 LED등 폐열 회수 장치가 있다. 실생활에서는 BMW와 현대에서 각각 520d와 쏘나타 하이브 리드에 배기 가스열 회수 장치를 장착하여 500W급 발전으로 전기 모터 동력에 이용한 적용사례가 있다.

□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)

○ 최근 더욱 심해지고 있는 지구온난화와 그 중심에 서있는 화석연료의 문제점을 해결하고 여러 환경문제를 완화시킬 수 있는 새로운 대체에너지를 탐구하기 위해 이 주제를 선정하게 되었다.

○ 일상생활에서의 열원을 정하기 위해 팀원들이 모두 머리를 맞대어 토의를 하였고, 욕실 바닥, 보일러, 가스레인지, 태양열, 에어컨 실외기 등의 여러 후보를 두었고 미흡한 부분이 있는 열원 후보들은 탈락시켜가며 최종적으로는 우리의 주변에 있고, 온도차이 도 충분하며, 장기간 사용이 가능한 에어컨 실외기로 결정이 되었다.

○ 에어컨 실외기로 하루에 소비되는 에너지만 해도 12시간 운행시 학교당 42240W로 한가구 전력의 일주일치 전력량에 맞먹는다. 이렇게 낭비되는 아까운 폐열을 조금이나마 이용하여 전기를 생산하는 것이 우리의 주된 목적이다.

□ 연구방법

○ 먼저 제백효과를 응용한 발전장치인 열전소자를 이용하여 실외기의 열교환기 쪽 온도와 외부 공기의 온도차로 발전을 해줄 장치를 개발한다.

○ 실외기에 장치를 부착하여 실제와 동일한 조건인 약 60℃ 이상의 온도차이로 발전을 한다.

○ 또한 생산된 전기를 LED와 연결해 이 연구 주제의 실용성 여부를 판단한다.

□ 연구 활동 및 과정 ○ 장치 만들기

- 우리 팀의 실험에 필요한 장치는 가열 방열판과 냉각 방열판, 열전소자를 주로 필요로 한다. 또한 접착과 열전도 문제를 해결하기 위해 서멀 컴파운드와 열전도 실리콘, 부식포를 필요로 한다.

- 방열판은 PPT를 이용하여 직접 설계하고 히트싱크 회사에 직접 주문하였다.

- 장치에 들어갈 열전소자의 배치와 조립은 열전소자 회사인 PTC에 이론적인 부분만 도움을 받고 직접 진행하였다.

<열전소자 배치와 방열판 설계 > < 직접 설계한 방열판 모습> <방열판 전자 거래서>

- 완성된 장치를 실험용 실외기에 부착하였다. 온도 차이는 열풍기와 헤어 드라이기의 차가운 바람을 이용해 각각 100℃와 30℃, 즉 70℃의 온도 차이를 주었다. (이 온도는 실제 공공기관용 실외기의온도와 동일)

- 실험 전 우리 팀은 장치 하나에 10V 정도의 전기가 나올 것으로 예측했다.

- 70도의 온도차에서 13V와 300mA가 생성 되었다

○ 방열판과 핀 접합이 잘 되지 않는 고초를 겪었지만 서멀 컴파운드와 열전도 실리콘을 발라 해결을 하였다. 또한 냉각 방열판으로 열이 전도되어 온도차가 적어지는 문제도 겪었지만 부직포를 냉각 방열판에 붙여서 해결해 내었다.

< LED개수에 따른 완전히 켜진 시간 그래프 >

- 각각의 LED 개수마다 방열판의 온도를 다시 처음으로 맞추어 온도차가 0일떄부터 실험을 진행하였다

< 직접 장치를 만드는 모습 > <열전소자와 방열판 결합 모습>

< 열전소자 체험부스 체험 모습> < LED작동 실험 해보는 모습 > <부스 홍보 포스터>

<열전발전 장치 생성 전압 > <열전소자발전 장치 생성 전류 >

- 점심시간을 이용하여 보평고등학교 학생을 대상으로 열전소자 LED 실험 체험부스를 운영하였다. 열총이나 헤어드라이기를 이용하여 온도차를 주며 LED를 작동시켰다.

실험이 끝난 후 열전소자의 원리인 제백효과와 n형 p형 반도체에 대해 설영해주는 시간을 가졌다.

연구성과

□ 연구 결과 ○ 실험 결과

- 뜨거운 부분 100℃, 차가운 부분 30℃일 때, 12V짜리 LED 1개가 2분30초 만에 완벽하게 밝아졌다. 또 LED 4개도 13분 만에 완벽하게 밝아졌다.

- 체험 부스를 진행하여 열전소자에 대해 잘모르는 학생들에게 제백효과와 열전소자에 대해 알려주었다.

○ 연구 결론

- 양 끝의 방열판에 70도의 온도차를 주고 실험 하였을 EO 전압은 13V 전류는 300mA가 생성되었다.

- LED를 연결하여 실험을 진행했을떄 3분이되기전에 1개부터 4개까지 모두 붉은색 LED가 약하게 켜졌다. 모든 LED가 다 켜지는 시간은 1개일 때 3분, 2개일 때 5분 40초, 4개 일 때 13분이 소요 되었다.

- 열전소자 부스를 체험한 학생의 대부분이 열전소자에 대해 잘 모르고 있었다. 부스에서 열전소자의 원리에 대한 설명과 실험을 직접 진행해본 후 열전소자에 대해 흥미로워 했고, 열전소자의 열변환 효율을 높이는 소자 자체의 연구가 필요할 것 같다는 의견을 주기도 하였다.

□ 시사점

○ 생활 속 낭비되는 폐열을 찾고 열량계산을 통하여 낭비되는 에너지의 총량을 구하여, 이용 가능한 전력량을 계산하였다.

○ 우리 주변에서 낭비되는 폐열을 스스로 찾고 열전발전 장치 설계부터 조립 실험을 우리가 주도적으로 진행하였다. 이러한 활동으로 팀원간의 협동심과 인내심을 키울 수 있었다. 연구를 하며 일어나는 의견 불일치,물품구입,설계등의 문제를 민주주의적 의사결정을 통해 해결해 나갔다.

○ 일반 학생들에게도 열전발전 장치 체험을 할 수 있게 하여 교과서에서 짧게 배웠던 열전효과에 대해 더 심도 있게 알 수 있는 기회가 되었다.

□ 향후 계획

○ 앞으로는 열전소자를 이용하여 실외기 뿐만 아니라 여러 열원에서 열에너지를 받아 발전을 해볼 계획이다. 또한 생산된 전기를 모아 LED 말고도 여러 유용한 곳에 쓰는 실험을 진행해 성과를 얻어낼 계획이다.

○ 방열판 홀을 나사산을 이용해 나사로 조립 가능한 제품을 만들어 간편하게 설치 가능한 제품을 만들고 싶다.

○ 열전소자의 전압을 필요한 맞게끔 조절해 줄 레귤레이터를 이용해 더욱 안정적인 전력 공급 장치를 개발하고 싶다.

주요어

(Key words) 제백효과, 열전소자, 대체에너지, 열, 발전

< 연구 결과보고서 >

1. 개요 □ 연구목적

○ 우리가 살아가는 21세기에서, 화석연료는 매우 중요하고 없어서는 안되는 자원이다.

하지만 화석연료에는 문제가 있다. 화석연료는 각 지역마다 매장되어 있는 양이 다를 뿐만 아니라 그 양이 한정되어있고, 화석 연료를 태움으로써 공기 중 이산화탄소의 양이 증가해 지구온난화를 초래하는 원인이 된다. 또한 화석연료를 쓸 기회는 모두에게 평등하 게 주어지지 않는다. 특히 개발도상국에서도 하층민들에게는 정말 꿈만 같은 존재이다.

이러한 화석연료의 문제점을 보완하기 위해 환경 문제를 줄이는데 도움이 되고, 좀 더 많은 사람들이 보다 더 쉽게 접할 수 있는 대체에너지를 연구해 보게 되었다.

□ 연구범위

○ 우리들은 여러 문제점을 안고 있는 화석 연료를 대체하는 대체에너지 (재생 에너지)를 이용하여 실생활에서 아무런 생각 없이 낭비되는 열에너지를 재사용함으로써 보다 친환경 적인 방법으로 전기를 생산하기 위해 이 연구를 진행한다. 첫 번째 목적은 에어컨 실외기를 통해서 전기를 얻는 것이고 이것에서 성공을 하면 두 번째 목적인 이 전기를 의미 있게 사용하는 것이다. 이렇게 우리의 주된 목적은 일상생활에서 전기를 생산하고 이 전기를 모두에게 필요한 곳에 사용하는 것이다.

※ 에너지 하베스팅은 버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꿔 쓰는 기술이다. 열전발전도 버려지는 폐열을 이용하여 전기에너지로 바꾼다는 점에서 에너지 하베스팅이라 할 수 있다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구 ○ 선행연구

- 우리가 주로 다루는 내용은 ‘제백효과’이다. 이 효과를 이용해 만든 것이 바로 ‘열 전소자’이다. 우리가 이 부분을 다루기 전에도 제백효과와 열전소자를 다루는 연구 들이 많이는 아니지만 조금씩 이루어지고 있었다.‘dyson energy’라는 회사는 친환 경적인 삶을 위해서 손목 팔지를 만들었다. 전기가 필요하지 않은 상황에서 신체 의 손목의 열을 이용해 전기를 만들어내고 이와 같은 효과를 이용하여 일상생활에 서 휴대폰을 충전한다거나 충전기가 필요하지 않은 상황에서 유용하다. 또한 2010 년 영국 타임지에서 선정한 최고의 발명품인 ‘오렌지 파워부츠’는 밑창에 열전소자 를 넣어 발에서 나는 열을 이용해 전기를 생산해 내었다. 12시간동안 신으면 휴대 전화에서 1시간 사용할 수 있는 전기가 발생한다.

○ 관련이론

- 우리가 주로 다루는 내용은 ‘제백효과’이다. 제백효과란 각각 2종의 금속 또는 반 도체를 폐로가 되게 접속하고 접속한 둘 사이에 온도차를 주게 되면 기전력이 발 생하여 전류를 흘리는 현상이다. 펠티에 효과, 톰슨효과와 같이 3대 열전효과에 속 한다. 제백효과 장치 즉, 열전소자는 한쪽은 상대적으로 뜨거운 상태로, 다른 한쪽 은 차가운 상태로 유지시켜야 한다. 그래야지 온도차가 발생해 더 많은 전기를 생 산 할 수 있게 된다. 이 제백효과를 실행시키기 위해서는 반도체의 존재가 필수적 이다. 반도체는 전기 전도성에 있어서 부도체 보다는 더 잘 전도 시키지만 도체보 다는 덜 전도 시키는 물체이다. 또한 열에너지에 의해 일시적으로 전기 전도성을 가지기도 한다. 반도체에는 P형과 N형으로 나뉘게 된다. 따뜻한 쪽에 있던 전자들 이 활발해 져서 N형으로 이동하고 전자들이 지나가고 남은 양공들은 P형 쪽으로 이동하게 된다. N형 쪽으로 간 전자들은 차가운 쪽으로 이동하고 임무를 수행하 고 양공이 있는 P형 쪽으로 그 자리를 채우기 위해서 이동한다. 이러한 순환을 통 해 전류는 P형에서 N형 쪽으로 이동하게 되고 우리가 원했던 전기에너지가 생성 되는 것 이다. 그렇기 때문에 온도차가 주어지지 않으면 제백효과는 발생하지 않 게 된다.

※ 제백효과의 원리를 나타내는 그림. +양공들이 모여 있는 곳이 P형 반도체, -전자 들이 모여 있는 곳이 N형 반도체

※ 그림과 같이 서로 다른 종류의 도체A와B를 접합하고 2개의 접점에 온도차를 줄 때 기전력이 발생한다.

<열전대에 열전능력을 나타낸 식>

※ 열전대 : 두 가지 금속을 고리 모양으로 접합하여 접점 사이의 온도의 차이로 열기전력을 일으키게 하는 것

※ 그림과 같이 서로 다른 종류의 도체A와B를 접합하고 2개의 접점에 온도차를 줄 때 기전력이 발생한다.

※ 기전력 : 두 점 사이의 전위차를 발생시켜 전류를 흐르게 하는 힘이다.

□ 연구주제의 선정

○ 우리의 연구주제는 ‘일상생활 속 폐열을 이용한 전기에너지 생산’이다. 현재의 문제가 많은 화석연료를 대신할 재생에너지 중 하나인 열에너지를 이용한 발전과 그와 관련한 제백효과의 원리와 응용 장치인 열전소자에 대해 탐구한다.

□ 연구 방법

○ 우리 팀의 주된 연구 대상인 제백효과와 열전소자는 온도 차이를 필수적으로 필요로 한다. 그렇기 때문에 우리 팀의 연구에는 열 차이를 이용해 전기를 생산해 낼 수 있는 장치와 온도 차이가 필요하다. 우리가 연구에 쓰는 장치는 방열판과 열전소자가 대부분 을 이룬다. 방열판은 두 가지 종류가 필요하다. 하나는 뜨거운 부분에 붙이는 것이고 다른 하나는 차가운 부분에 붙이는 것이다. 장치의 구체적 구성은 이러하다. 두 방열판이 안에 열전소자를 감싸고 있는 방식이다. 그렇게 되면 열전소자의 한쪽 면은 뜨거운 부분의 방열판과 접촉되고 다른 한쪽 면은 차가운 부분의 방열판과 접촉하게 되어 온도 차이가 형성되게 된다. 방열판과 열전소자 사이에는 열전도 문제와 접착 문제가 존재한다. 그냥 붙이면 열전도가 제대로 이루어지지 않는다. 방열판의 표면을 미세하게 관찰해 보면 평평하지가 않다. 울퉁불퉁한 표면을 가지고 있다. 그렇게 때문에 어느 한쪽은 열전소자와 잘 접촉하게 되지만 그렇지 않은 부분도 생겨 효율이 떨어지게 된다. 그렇기 때문에 서멀 컴파운드라는 열전도를 높여주는 접착제를 발라줘야 한다.

이때 서멀 컴 파운드는 전체가 고르게 발라져야하기 때문에 롤러를 이용해 펴준다.

이렇게 해주면 열전도 문제는 해결 가능하다. 접착 문제는 토크렌치를 이용해 조이면 쉽게 해결 가능하다. 토크렌치는 일정한 힘으로 나사를 조여 주는 기구이다. 토크렌치를 이용해 조이려면 구멍이 있어야하기 때문에 미리 방열판을 살 때 도면을 그려서 구멍의 위치와 크기를 조절하고 주문 제작을 해야 했다.

○ 이렇게 해서 만들어진 장치는 아직 완성된 것이 아니다. 우리 팀은 장치 하나에 가로, 세로가 40cm인 열전소자가 10개가 들어가게 설계를 했다. 열전소자는 정사각형의 소자 밑에 두 개의 전선이 달려 있는데 빨간 선은 +고 검은 선은 –이다. 우리는 열전소자의 전선들이 방열판 양쪽으로 나오게 설치했다. 이 전선들을 옆에 있는 다른 소자의 다른 색깔의 선과 계속 연결하면 직렬연결이고, 같은 색깔 선끼리 연결하면 병렬연결이 된다.

<온도에 따른 전압과 전류>

○ 장치는 모두 완성되었다. 우리 팀은 장치를 실전 배치하기 전에 비슷한 환경에서 실험을 진행해 보기로 하였다. 뜨거운 부분 즉, 열교환기에 설치해야하는 방열판을 열총 을 이용해 뜨겁게 만든다. 차가운 부분 즉, 공기와 접촉하는 부분에 붙여야 하는 방열판은 헤어 드라이기의 차가운 바람을 이용해 시원하게 만든다. 이렇게 하면 온도 차이가 70℃정도 된다. 사전 실험이 종료되면 실제로 실외기에 붙이는 일만 남았다. 장치와 실외기는 서멀 컴파운드와 접착제인 에폭시를 이용해 붙인다. 공공기관에서 사용하는 실외기는 열교환기의 온도가 90~100℃까지 올라간다. 이 뜨거운 열과 외부의 비교적 차가운 공기와의 온도 차이로 전기가 생산된다.

※ 열전소자의 온도별 발전량 그래프이다. 우리 팀 실험에서의 고온부의 온도는 약 9 0℃이므로 열전소자 하나에 약 1.2v, 장치 하나에 약 12v 정도 발전될 것으로 예 측 할 수 있다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 본격적 연구에 들어가면서 열전 발전기에 필수적인 방열판을 우리가 직접 모델을 고르고 길이와 홀 위치까지 PPT를 이용하여 주문하였다. 가운데 직사각형은 열전소자가 위치 할 위치이다.

※ 공기와 접촉하는 방열판이다. 홀 사이즈는 지름 4mm로 하여 설계하였다.

※ 실외기 열교환기와 접촉하는 방열판이다. 이 역시 PPT를 이용하여 직접 설계하고 주문까지 하였다.

]

<PTC와의 미팅>

※ 열전소자 회사 PTC의 제동국 회장님께서 제백효과와 열전소자에 대해 전문적인 지식을 가르쳐 주셨다.

<휴모트와의 미팅>

※ 또한 실용적인 부분과 필요한 재료에 대해 도움을 얻었다.

○ 우리는 실험이나 설문 등을 하기에 앞서 생각하는 시간을 가졌다. 일상생활에서 낭비되는 열에너지는 어떤 것이 있는지에 대한 탐구의 시간을 가졌다. 거의 대부분의 시간을 열원을 찾는데 썼다고 해도 과언이 아니었다.

○ 첫 번째로 우리는 샤워 과정에서 낭비되는 열에너지를 이용하려고 하였다. 샤워부스 안에 사람이 올라갈 수 있는 상자를 만들어 뜨거운 물을 고이게 하여 열전발전을 하는 것이다. 우린 실제로 박스를 이용해 박스를 제작했다. 하지만 현재 열전소자의 최저 발전온도는 70℃ 이상인 것을 감안할 때 온도차가 17℃ 밖에 나지 않는 온수 발전은 현실 가능성이 없었다.

○ 두 번째로 가스레인지, 보일러 연통, 부착식 태양광 발전에 초점을 맞추었다. 가스레인지 는 요리 중 생기는 잔열을 이용하려 하였다. 하지만 이미 여러 펀딩 사이트에 출시 된 제품이 많았다. 보일러 연통의 경우 발전을 할 수 있는 가정의 수가 너무 적고 접근이 어렵다는 문제점이 있었다. 태양광 부착식 발전의 경우에도 이미 출시된 제품이 있었다.

이미 출시된 제품에 대해 발전시키는 것도 의미가 있겠지만 우리는 보평 고등학생으로서 의 독창적 열원과 함께 제품을 만들어 보고 싶었다.

○ 세 번째로 실외기의 바람막이에 열전소자를 부착하려 하였다. 현재 대한민국의 법상으로 도로변에 있는 실외기는 지나가는 사람들에 방해가 되지 않도록 바람막이가 설치되어야 한다. 그러므로 이 열원은 충분히 접근성이 이었다. 하지만 공기의 비열이 작아 우리가 찜질방의 뜨거운 곳에 있어도 살이 익지 않는 것처럼 실외기 열풍을 이용하는 것은 충분한 전력이 생산되기 힘들었다. 게다가 비가 오거나 눈이 오면 발전량이 급격히 떨어졌다.

○ 현재 우리는 실외기 내부의 열교환기의 열을 이용하여 연구를 진행하고 있다. 먼저 우리의 목표인 사계절 발전과 접근성 충분한 발전이 이루어지는 최적의 장소였다. 에어 컨이라 하면 여름에만 킨다고 생각하지만 일반회사, 학교, 공공기관 등의 건물은 시스템 에어컨을 이용한다. 시스템 에어컨이란 여름엔 냉방, 겨울엔 난방을 운용 할 수 있는

에어컨이다. 여름과 가을에 냉방을 할 경우 실외기의 온도는 영상 110℃ 까지 상승한다.

겨울철 에어컨에서 낭비되는 에너지는 시간 당 110W이다. 12시간 에어컨 운행 시에 실외기 한대 당 1320W의 에너지가 공중으로 방출된다. 보평 고등학교의 실외기는 총 32대로 낭비되는 에너지는 하루에 42240W이다. 이는 일반 가정에서 일주일간 사용할 수 있는 에너지와 같다. 그래서 우린 쓸모없이 낭비되는 에너지를 조금이나마 이용하려 한다.

○ 열원 선정 후 열전 발전기 설계에 들어갔다. 먼저 열교환기의 냉각핀 사이의 간격과 깊이를 측정하였다. 측정된 값을 토대로 방열판을 선정하고 길이와 홀 위치 등을 PPT로 직접 설계하였다. 방열판의 방향을 냉각핀과 수평하게 제작하여 공기의 흐름을 원활히 하였다. 동시에 열전 발전기에 필요한 서멀 컴파운드, 알코올 등을 주문하였다.

<방열판에 서멀 컴파운드를 도포>

※ 서멀 컴파운드를 도포한 방열판 위에 열전소자 10개를 그 위에 붙여주었다. 또 열전 소자 위에도 서멀 컴파운드를 발라주었다.

<나머지 방열판을 토크렌치를 이용해 6kg 8kg 10kg 순으로 일정한 힘으로 조여 주었다.>

※ 열 총을 이용해서 방열판에 130℃의 열을 가해 주었을 때 열전발전기 한 개 당 16V의 전이 생산됨을 확인해 보았다.

※ 학교 옥상과 상대원 2동 제2복지회관에서 공공기관에서 쓰이는 대형 실외기를 살펴 보고 크기를 재보고 있다. 적외선 온도계를 이용하여 내부 온도를 재보았다.

3. 연구 결과 및 시사점 □ 연구 결과

○ 실험1

- 우리는 PTC에서 했던 전력 학인 실험을 다시 한 번 해보았다. 초기 값과 현재의 전력 생산량이 다를 수 있기 때문이다.

1. 열전소자 발전기를 직렬로 연결한 후 전압 전류계와 연결하였다.

2. 토치를 이용하여 방열판 표면 온도를 118℃까지 상승 시켰을 때 전류값은 300mA 가 나왔고, 전압값은 13V가 생성됨을 확인하였다.

○ 실험2

- 전류, 전압값을 확인한 후 우리는 LED작동 실험을 하였다. 아래 LED는 식물용으 로 적정 전압은 12V이다.

※ 토치를 이용하여 방열판 표면 온도를 104℃ 까지 상승시켜 LED의 동작을 확인 하였다. 반대쪽 방열판의 온도는 33℃로 온도차는 71℃였다. 생산한 13V의 전기 로 LED전구를 키기엔 충분했다.

※ 열총을 이용하여 실험을 진행 해본 결과 토치에 비해 온도차가 적어 밝기가 적어 졌지만 LED전구를 켜기에 있어 충분함을 확인 하였다.

- 가열 방열판의 표면온도는 약 90℃정도로 올라갔고, 냉각 방열판 쪽 온도는 33℃

로 온도차는 57℃였다.

○ 장치 보완

- 실외기 열교환기에서 각 방열판 사이의 열전도를 막기 위해 부직포를 이용하여 남 는 방열판의 공간을 채워 주었다. 또한 열전소자에 물이 들어가는 것을 막아준다.

□ 시사점

○ 우리는 실험을 통해서 온도 차를 이용해서 전기를 생산할 수 있다는 제백효과를 직접 확인 할 수 있게 되었다. 또한, 작은 온도 차로도 LED를 켤 수 있다는 것이 놀라웠다.

이 제백효과를 이용한 방법은 우리 생활 주변에서 낭비되는 열에너지를 이용해서 전기를 생산한 친환경적인 방법이라고 생각한다. 또한 제백효과를 통한 에너지 생산은 화석연료 가 고갈되는 것에 대비할 수 있는 해결책 중에 하나라고 생각할 수 있다. 열원을 찾는 과정 중에서 온도차의 크기, 환경 등 많은 조건을 충족시키는 열원을 찾는데 어려움을 느꼈고 여기서 작은 일이라도 가볍게 여기면 안 된다는 것을 느꼈다. 연구결과를 간추려 보면 방열판 위에 서멀컴파운드를 바르고 그 위에 열전소자 10개를 붙여 서멀 컴파운드 를 또 그 위에 바르고 다른 방열판으로 조여주어서 장치를 완성시킨 후에 방열판에 열풍기와 토치로 가열을 해주면 제백효과로 인해 약 13v의 전압이 걸리는 것을 볼 수 있었다. 그 전압으로 LED가 환하게 켜지는 것도 확인해 봤다. 이보다 더 많은 열전소자와 더 큰 온도차를 이용해서 전기를 생산한다면 우리 실생활에서 많은 전기를 친환경적으로 공급할 수 있을 것 같다. 실제로 공공기관에서 쓰이는 GHP, EHP실외기는 한 실외기에 여러 대의 실내기가 연결되어 있어 우리의 실험 환경만큼 뜨겁다. 뿐만 아니라 실외기는 건물 하나에 한 대가 아니라 많은 수의 실외기들이 있고, 냉난방을 하는 시간이 꽤 길기 때문에 발전량이 우리의 실험보다 훨씬 더 많을 것으로 기대된다.

보평 고등학교만 보더라도 실외기가 32대이다. 또한 냉난방을 하는 시간도 8시간 정도로 충분히 많다. 이렇게 함으로써 아깝게 버려지는 에너지들을 다시 유용하게 사용할 수 있을뿐더러 화석연료에 의한 환경문제를 해결하는데도 도움을 줄 수 있을 것이다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 현재 인류는 화석에너지를 대체할 다양한 대체에너지를 찾는데 심혈을 기울이고 있다. 열전발전 도 그 중 하나로서 연구의 대상이 되고 있다. 온도차만 있으면 전기 생산이 되고 유지 보수가 편리 하다는 점이 큰 장점으로 꼽힌다. 전자통신 동향분석 보고서에 따르면 2020년에는 열전소 자 시장의 시장규모가 2억 3600만 달러에 이를 것으로 예상되며 연평균 73.1% 상승 할 것이라고 한다. 이러한 상황에서 우리의 연구는 큰 의미를 갖는다. 아직까지 열전소자 연구 분야는 블루오 션이자 황무지와 같은 상황이다. 이러한 상황 속에서 우리는 의지할 사람이 없어 스스로 생각하 며 문제를 해결해 나갔다. 물론 휴모트와 PTC에서 자문을 구하긴 했지만 방열판 설계부터 열전소자 설계 및 조립까지 우리 손으로 하였다. 열전소자라는 부분은 아직 사회에 많이 대중화 가 되지 않은 부분이라 백지에서 시작했다. 그러다보니 자료조사가 점점 늦어지고, 자문을 구하는 일도 늦어졌고 결국엔 학업에 집중을 제대로 하지 못한 점도 있지만 1년이라는 기간 동안 많은 시행착오를 겪으며 협력의 중요성, 탐구방법, 인내심 등을 배우는 아주 소중한 경험을 하였다. 초기에는 정말 될지 안 될지도 몰랐던 연구가 실현되기 까지 팀원 간의 협력과 담임 선생님의 수고, 자문위원님의 도움이 있었다. 기회가 된다면 다음 연도에도 도전하여 추가적인 연구를 더 진행하고픈 마음이 끓어오른다.

5. 참고문헌

열전소자를 이용한 자동차 엔진 배기 폐열 회수 시스템 해석 모델 개발(김기범) 한국산학기술학회논문지 제14권 제3호, 2013.03, 1022-1026 (5 pages) [ETRI]전자통신동향분석, 2014

열전소자 시장 및 개발동향(전황수)