본문내용
1. 서론
1.1. 펠티어 소자를 이용한 발전기술 개발의 필요성
개발도상국을 중심으로 세계 에너지 부족 문제가 심각한 상황이다. 특히 아프리카 지역의 경우 에너지 인프라 구축이 부족하여 많은 주민들이 전기를 사용하지 못하고 있다. 이러한 에너지 문제를 해결하기 위해서는 저비용, 간단한 구조, 유지보수가 용이한 발전 기술이 필요하다. 펠티어 소자를 이용한 발전 기술은 이러한 요구 사항을 충족시킬 수 있는 적정기술로 주목받고 있다.
펠티어 소자는 온도 차이를 이용하여 전기를 생산하는 열전 발전 기술이다. 펠티어 소자는 반도체로 구성되어 있어 금속 재질의 발전 기술에 비해 열전 변환 효율이 높다. 또한 별도의 기계적인 구동부가 필요 없어 유지보수가 간단하고 소음이 없다는 장점이 있다. 특히 아프리카 지역의 고온 기후 조건에 잘 부합하여 효과적인 발전이 가능할 것으로 기대된다.
따라서 펠티어 소자를 이용한 발전 기술의 개발은 개발도상국의 에너지 문제 해결을 위해 필수적이다. 이를 통해 주민들의 삶의 질 향상과 지속가능한 사회 발전을 도모할 수 있을 것이다.
1.2. 연구 목표
연구의 목표는 다음과 같다. 첫째, 펠티어 소자를 이용한 발전이 가능한지 알아보고 발전에 있어서 온도범위의 최적 조건을 확인하는 것이다. 둘째, 펠티어 소자의 상단과 하단의 온도 차이와 전류 생산량과의 관계를 알아보는 것이다. 셋째, 야외에서 펠티어 소자가 햇빛을 받았을 때 발전량을 측정해보고 구체적인 적용방안을 알아보는 것이다. 이를 통해 펠티어 소자를 활용한 효율적인 발전 기술 개발의 기반을 마련하고자 한다.
2. 펠티어 효과와 제백 효과
2.1. 펠티어 효과
펠티어 효과는 두 개의 서로 다른 재료를 접합한 접점에 전류를 흐르게 하면 한쪽 접점은 발열, 다른 쪽 접점은 흡열 현상이 일어나는 것을 말한다. 이는 1834년 프랑스의 물리학자 장 샤를 펠티에가 발견한 현상이다.
펠티어 효과는 제백 효과와 정반대의 현상이라고 할 수 있다. 제백 효과가 온도차에 의해 기전력이 생기는 것이라면, 펠티어 효과는 전류에 의해 온도차가 발생하는 것이다. 즉, 두 물질을 접합한 부분에 전류를 흘려주면 한쪽 접점은 발열, 다른 쪽 접점은 흡열되는 현상이 일어나는 것이다.
펠티어 효과를 이용하면 냉각 장치를 만들 수 있다. 펠티어 소자라고 불리는 장치는 N형 반도체와 P형 반도체를 직렬로 연결한 구조로, 이 장치에 전류를 흘려주면 한쪽 면은 냉각되고 다른 쪽 면은 가열된다. 이러한 펠티어 소자는 소음과 진동이 없고 크기가 작아 냉장고, 온도 조절기 등에 활용되고 있다.
펠티어 효과는 열전 발전 분야에서도 중요한 원리로 활용된다. 펠티어 소자의 양면에 온도차를 주면 제백 효과에 의해 기전력이 발생하여 전류가 흐르게 된다. 이러한 방식으로 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.
2.2. 제백 효과
제백 효과는 두 종류의 금속 또는 반도체의 양 끝을 접합하여 거기에 온도 차를 주면 회로에 열기전력을 일으키는 현상이다. 이 현상은 1821년에 T. Seebeck이 Cu(구리)와 Bi(비스무트) 또는 Sb(안티몬)에 대하여 발견하였다.
제백 효과가 일어나는 원리는 다음과 같다. 두 종류의 금속 또는 반도체를 접합하여 회로를 구성하면 자유전자의 분포에 차이가 생겨 전위차가 발생한다. 이때 한쪽 접점의 온도를 높이면 자유전자의 운동에너지가 증가하여 전자가 열에너지를 받아 전체 에너지가 높아지게 된다. 따라서 저온 측으로 전자가 이동하게 되어 +극과 -극이 생기게 되며, 이로 인해 전류가 흐르게 된다. 이러한 전압을 열기전력(thermoelectromotiveforce)이라고 한다.
제백 효과는 열전대식 온도계와 같이 온도 측정에 활용되며, 펠티어 소자의 작동 원리로도 사용된다. 반도체의 경우 금속보다 열기전력이 크기 때문에 제백 효과를 이용한 발전에도 활용될 수 있다. 따라서 제백 효과는 다양한 분야에서 응용되고 있는 중요한 열전 현상이다.
2.3. 펠티어 소자의 구조와 원리
펠티어 소자의 구조와 원리는 다음과 같다.
펠티어 소자는 N형 반도체와 P형 반도체가 직렬로 연결되어 있는 구조이다. N형과 P형 반도체 사이는 열전도율이 높은 구리를 사용하여 연결하였고, 소자의 겉면도 열전도율이 높은 세라믹을 덮어씌운 형태이다.
펠티어 소자에 열을 가해주게 되면 금속 플레이트에 있는 자유전자가 에너지를 받게 된다. 자유전자가 에너지를 받게 되면 다른 곳으로 움직이려고 하는 성향이 커진다. 이때 P형 반도체는 +1가의 성질을 띠므로 정공이 발생하기 쉬워 플레이트에서 P형 반도체 쪽으로 전자가 이동하게 된다. 이때 플레이트는 전자가 부족해지는데 N형 반도체가 -1가의 성질을 띠므로 N형 반도체에서 플레이트로 전자가 이동한다.
다시 P형 반도체로부터 전자를 받은 플레이트가 N형 반도체에 전자를 내어줌으로 회로에 전류가 흐르게 된다. 이러한 원리로 펠티어 소자에서 온도차가 발생하면 전류가 생산되는 것이다.
3. 펠티어 소자를 이용한 발전 실험
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