서 론

최근 세계 각국에서 온실가스 배출권 거래제 (Emissi on Trading Scheme, ETS)를 시행함에 따라 온실가스 배출 규제는 전 세계적으로 강화되고 있는 추세이다. 온실가스 배출권 거래제는 기업에게 매년 배출할 수 있 는 온실가스 할당량을 부여하여, 남거나 부족한 온실가 스 배출량을 사고팔 수 있도록 하는 제도로 기업이 자발 적으로 온실가스 배출량을 줄일 수 있도록 유도하는 제 도이다. 이와 같은 제도는 현재 세계 각국의 정부에서 시행하는 한편, 각 산업 전반에 대해서 온실가스 배출량 을 줄일 수 있는 정책 및 제도 마련과 관련 기술개발에 많은 노력을 하고 있다 (Sterling and Goldsworthy, 2007; Sterling and Klaka, 2007; Thrane M. 2004a, 2004b). 온 실가스 배출량을 줄이기 위한 대표적인 노력으로 태양 광, 태양열, 풍력, 지열, 폐열 등과 같은 신재생에너지를 이용한 발전시설 설치 확대와 새로운 친환경에너지 기 술개발에 전념하고 있다. 그중 열전소자를 이용한 열전 발전은 에너지 사용에 수반되는 폐열을 회수하여 다시 사용하는 방법으로 에너지 소비효율을 높일 수 있어 친 환경적인 차세대 기술로 전 세계적으로 주목받는 분야 이다. 열전발전에 대한 연구는 1900년대 초부터 시작되 어, 1956년도부터 미국 에너지부 (U. S. Department of Energy)에서 인공위성용 열전발전기 연구를 시작하면 서 본격화되었다.

열전발전에 사용되는 열전모듈은 양단간의 온도차에 의해서 기전력이 발생되는 소자로, 구조가 간단하고 소 형이며, 발전 시 소음이 없고, 친환경적이다. 열전모듈은 자동차, 공장 등에서 발생하는 폐열뿐만 아니라 지열, 해수, 심지어 체열과 같은 미소 열에너지를 전기에너지 로 전환하는데도 이용되고 있다 (Wang et al., 2009; Leonov and Vullers, 2009). 그중에서 자동차 내연기관 의 경우, 약 30% 정도가 폐열로 버려짐에 따라 이를 이용하여 전기에너지 또는 기계에너지로 재생하여 연비 를 개선하기 위한 연구가 진행되고 있다 (Kim et al., 2011; Kawamoto, 2009; Lee and Oh, 2010). 또한 자동차 에서 배출되는 배기가스의 온도는 약 400∼500℃로, 최 근 자동차 산업부분에서는 이와 같은 열에너지를 수집 하고 활용하기 위해서 엔진의 실린더 또는 머플러 부분 에 열전발전 시스템을 적용하여 자동차 총에너지의 3.3%를 회수하는 기술을 개발 중에 있으며, 현재 고급차 량에는 이와 같은 기술이 적용되고 있다 (Lee et al., 2014).

열전모듈은 이러한 장점과 응용범위가 넓은데도 불구 하고, 열전 변환효율이 낮아 대용량 전력을 생산하기에 는 어려움이 있다. 이에 따라 대부분의 선행 연구는 열전 모듈의 열전 변환효율을 향상시키는 소재 개발과 기술 구현에만 국한되어 있어 (Elsheikh, et al., 2014; Alam and Ramakrishna, 2013; Liu et al., 2012), 다양한 분야에 서의 응용과 적용 가능성에 대한 검증 연구는 상대적으 로 부족하다.

본 논문에서는 연안자망어업 어선을 대상으로 조업 중에 배기가스로 버려지는 폐열을 전기에너지로 변환하 기 위해 발전용 열전모듈로 구성된 열전 발전장치를 제 작하고, 이를 현장적용 실험을 통해 발전성능을 분석하 였다. 그리고 열절발전장치 결선방법에 따른 성능 비교 분석과 어업환경 등을 고려하여 열전 발전장치의 적용 가능성, 개선사항, 그리고 활용방안을 도출하고자 한다.

재료 및 방법

열전모듈

열전발전은 1822년 독일 Seebeck에 의해 발견된 이론 으로 양단간 온도차에 의해 기전력이 발생되는 원리이 며, 열전모듈 (TEM: Thermoelectric module)은 Fig. 1과 같이 P형과 N형 반도체를 도체로 연결하고, 그 위에 절 연층을 다시 올려놓은 구조이다. 양단에 각각 고온과 저온으로 온도 편차를 주었을 때, P형 반도체에서는 전 자가 고온부에서 저온부로 이동하며, N형 반도체에서는 전공이 고온부에서 저온부로 이동하여 전류가 흐르면서 기전력이 발생하는 방식이다 (Herring, 1954).

실험어선 선정 및 배기가스 온도측정

실험에 이용된 어선은 경상남도 남해군 이동면 화계 항 내에서 연안자망어업을 하는 3톤급 어선이다. 선박제 원은 Table 1과 같다.

실험어선이 선적한 남해군 이동면 일대의 자망조업은 어기에 따라 가자미류, 서대, 전어, 대구 등 연안 회유성 어종을 대상으로 하며, 조업 형태는 일반적인 홑자망을 사용하고, 1폭의 길이는 약 40 m, 높이 2 m의 어구를 사용하여 조업을 한다. 사용하는 어구의 수량은 어업인 들에 따라 차이는 있지만, 실험어선은 총 4조의 어구를 사용하였으며, 어구 구성은 10폭으로 구성된 어구 2조, 7폭으로 구성된 어구 1조, 9폭으로 구성된 어구 1조이 다. 조업은 동일 어장에 일정거리를 두고 어구를 부설한 후, 1일 정도 수중에 침지 후 익일 출항하여 양망을 하는 형태로 이루어진다. 어구는 유압식 양망기를 사용하여 1조씩 양망을 하며, 양망 시에 그물에서 어획물을 탈거 하고 동시에 선상에 정렬을 한다. 1조의 어구가 양망이 완료되면 바로 투망을 실시하고, 투망이 끝나면 다음 어구를 양망하는 형태로 조업을 실시한다.

열전 발전장치의 설계 및 제작을 위해서는 열전모듈 의 사양 결정이 선행되어야한다. 일반적으로 열전모듈 의 경우, 이용하고자 하는 열에너지의 온도에 따라 열전 모듈을 구성하는 소재와 사양이 다르기 때문에 열원으 로 이용하고자 하는 배기가스의 온도측정이 요구된다.

본 연구에서는 열전모듈 사양 결정을 위해 실험어선 을 대상으로 조업 중에 배출되는 배기가스의 온도를 측 정하였다. 배출되는 배기가스의 온도는 배기가스가 배 출되는 배기관에 테프론 (Teflon)과 와이어로 밀봉된 열전대 (K-type)를 삽입한 후, 고온부에 접촉되는 배기 가스 온도를 데이터로거 (GL220, Graphtec, Japan)를 이 용하여 측정하였다. 배기가스 온도는 엔진 rpm에 따라 달라지기 때문에 엔진 공회전 상태 (600 rpm)에서 최대 출력 상태 (1,500 rpm)까지 100 rpm씩 증가시키면서 열 평형 상태가 도달한 시점에 배기가스 온도를 측정하여 상관관계를 분석하였다. 그리고 실제 조업 과정에서 엔 진으로부터 배출되는 배기가스 온도를 측정하여 온도분 포를 분석하였다.

열전 발전장치 설계 및 제작

엔진 rpm에 따라 배출되는 배기가스 온도와 실제 조 업 중 측정한 배기가스 온도범위에서 전력생산이 가능 한 열전모듈 (TEG1B-12610-5.1, Thermal Electronic Corp., Canada)을 Table 2와 같이 선정하였다. 그리고 Fig. 2와 같이 선정된 열전모듈로 구성하는 열전 발전장 치 (TEG: Thermoelectric generator)를 실험어선의 배기 관에 탈부착이 용이하고, 배기가스로 배출되는 폐열을 최대한으로 수집할 수 있는 구조로 설계 및 제작하였다.

열전 발전장치는 어선의 엔진 배기관과 연결되는 플 랜지, 이를 연결하는 열교환기 덮개, 엔진 배기관의 폐열 을 수집하는 열교환기, 열교환기에서 수집된 열을 전기 에너지로 변환하기 위한 열전모듈, 열전모듈을 냉각하 기 위한 냉각펌프로 구성된다. 열전모듈의 설치환경 을 고려하여, 모든 구성품은 해수에 의한 부식을 방지 하기 위해 스테인리스 합금 또는 알루미늄 표면 처리 를 하였다.

열교환기의 경우, 어선의 엔진 배기가스 폐열을 수집 하는 장치로 폐열수집 효율향상을 위해서 열전모듈과 밀착되는 부위의 표면은 굴곡이 없도록 하고, 열교환기 및 방열기와 접합되는 부위에는 열전도 접합제 (TRACI T-1100, Chemax Corp., USA)를 사용하여 열전도를 높 일 수 있도록 제작하였다. 열교환기와 열전모듈 사이에 는 열전모듈 고온부 가열온도를 측정하기 위해서 테프 론과 와이어로 밀봉된 열전대를 삽입하였다. 그리고 열 교환기의 양측 각각에 열전모듈 8개를 배치한 후, 총 16개의 열전모듈을 직렬로 결선하였다.

Table 3은 제작된 열전 발전장치의 사양을 나타낸 것 이다.

실험방법

열전 발전장치의 성능과 결선방법에 따른 성능을 분 석하기 위해서 열전 발전장치 2대 (TEG #1, #2)를 일직 선으로 결속하여 배기가스가 배출되는 부분에 Fig. 3과 같이 설치하였고, 열전모듈에 전달되는 고온부 가열온 도와 냉각시키는 저온부 냉각온도 그리고 온도차에 의 해서 발생하는 전압과 전류를 측정하였다.

열전모듈에 배기가스 폐열이 전도되는 고온부 가열온 도는 열교환기와 열전모듈 사이에 삽입된 열전대로 측 정하였으며, 저온부 냉각온도는 냉각펌프에 의해서 열 전모듈 열을 식히고 배출되는 해수의 수온을 측정하였 다. 전압과 전류는 전자부하기 (Good Will Instrument Co., Ltd GW INSTEK, PEL-2040, Taiwan)를 이용하여 열전모듈의 내부저항 부근에서 저항 값을 가변시켜 최 대로 생산되는 전력을 측정하였다.

고온부 가열온도, 저온부 냉각온도를 측정하는 데이터 로거와 전압, 전류를 측정하는 전자부하기는 측정시간과 샘플링시간을 동기화시켜 데이터를 수집하였다. 이와 같 은 데이터 측정방법으로 본 연구에서는 열전 발전장치 2대 (TEG #1, #2) 각각에 대한 성능을 분석하고, Fig. 4와 같이 직렬과 병렬결선 방법에 따른 성능분석과 실험어선 의 실제 조업 중 생산된 전력을 측정하고 분석하였다.

결과 및 고찰

배기가스 온도분석 결과

Fig. 5는 2016년 8월에 실험어선의 엔진을 공회전 상 태인 600 rpm에서 시작하여 가용 최대 rpm인 1,500 rpm 까지 100 rpm씩 증가시켜 구간별로 측정한 온도를 나타 낸 것이다. 엔진 rpm, ER(rpm)과 온도, T(℃)의 회귀분 석 결과는 선형관계임을 확인할 수 있었으며, 상관계수 (R2)는 0.99, 회귀식은 수식 (1)과 같았다.

Fig. 6은 실험어선의 실제 조업과정 중 배기관으로부 터 배출되는 배기가스의 온도를 측정한 결과이며, Fig. 6의 (a), (b)와 (c)는 각각 출항, 조업 및 입항 과정을 구간별로 구분하여 나타낸 것이다. 출항 및 입항 과정에 서는 엔진 rpm 가용범위 내에서 배기관으로부터 배출되 는 배기가스의 온도가 약 376.5℃임을 알 수 있었으며, 입·출항을 통한 이동시간은 약 30분 내외였다. 자망을 투·양망하는 조업 과정에서는 엔진이 공회전 상태로, 배 기관으로부터 배출되는 배기가스의 평균 온도는 약 96.7℃임을 알 수 있었으며, 실제 조업시간은 2시간 20 분 내외였다.

이와 같은 결과를 바탕으로 본 연구에서는 실험어선 의 엔진 rpm에 따른 배기가스 온도와 실제 조업 중 측정 한 배기가스 온도 (96.7∼376.5℃)에서 전력생산이 가능 한 열전모듈을 선정하여, 가용 최대 1,500 rpm에서 113.6 W의 전력을 생산하는 열전 발전장치 2대 (TEG #1, #2)를 제작하고 그 성능을 분석하기 위해 현장실험 을 실시하였다.

열전 발전장치 성능 분석결과

Fig. 7은 실험어선에 설치한 열전 발전장치 2대 (TEG #1, #2) 각각에 대해서 엔진 rpm별로 열전 발전장치의 고온부와 저온부의 온도차 (ΔT)를 나타낸 것이다. 공회 전 상태인 600 rpm에서는 TEG #1과 TEG #2는 각각 46.9℃, 37.1℃로 TEG #1이 약간 높게 나타났다. 700 rpm에서부터 1,500 rpm에서는 TEG #1과 TEG #2 각각 의 온도차를 비교해 볼 때 공회전 상태보다 상대적으로 큰 차이를 보였으며, 그 범위는 최소 22.9℃에서 최대 42.3℃임을 알 수 있었다. 이러한 원인은 TEG #1의 경 우 배기가스 열이 직접적으로 전도되는 곳에 설치되어 있으며, 각각의 열전 발전장치를 연결하는 플랜지 및 파이프에서 열손실이 있기 때문이다. 또한 배기가스 열 은 TEG #1을 통과해 TEG #2로 지나가는 구조로 1차적 으로 배기가스 열전도가 TEG #1에서 이루어지고, 그 나머지의 열이 TEG #2에 전도되기 때문이다.

Fig. 8은 엔진 rpm에 따른 열전 발전장치 각각에서 생산된 전력을 나타낸 것이다. 엔진 rpm 구간별로는 TEG #1이 TEG #2보다 전반적으로 약간 높게 나타나는 경향을 보였으며, 이러한 원인은 열전 발전장치 설치위 치에 따른 영향으로 판단된다. 공회전 상태인 600 rpm 에서는 최저로 TEG #1과 TEG #2 각각이 1.0 W, 0.8 W임을 확인할 수 있었다.

1,500 rpm에서는 최대로 TEG #1과 TEG #2 각각이 60.9 W, 55.7 W로 설계사양 113.6 W 대비 각각 53.6%, 49% 수준임을 알 수 있었다. 이러한 원인은 열교환기에 서 열전모듈로 전도되는 열에너지 손실과 저온부의 방 열 문제로 파악된다. 따라서 열전모듈과 열교환기 사이 의 밀착력과 열 수집 능력을 향상시킬 수 있도록 구조를 개선하고 열전도가 잘되는 재료를 선정하는 한편, 저온 부는 수냉식과 공랭식 냉각방법을 혼용하여 방열이 지 속적으로 원활히 잘될 수 있도록 한다면 발전량이 향상 될 수 있을 것으로 판단된다.

열전 발전장치의 결선방법에 따른 성능분석을 위해서 Fig. 9와 같이 열전 발전장치 2대(TEG #1, #2)를 직렬과 병렬로 각각 결선하여, rpm별로 생산되는 전력을 측정 하였다. 측정결과, 결선방법에 따라 엔진 rpm 구간별로 유의적인 큰 차이를 볼 수는 없었다. 공회전 상태인 600 rpm에서는 최저로 직렬, 병렬결선 각각이 2.0 W, 1.6 W임을 확인할 수 있었다. 그리고 최대전력을 생산할 수 있는 1,500 rpm에서는 직렬, 병렬결선 각각 111.4 W, 115.8 W로 설계사양 227.2 W 대비 각각 49.0%, 50.9% 수준임을 확인할 수 있었다.

조업 중 전력생산량 분석결과

Fig. 10은 실험어선을 대상으로 2016년 12월에 실제 조업에 따른 항차별 생산된 전력을 측정하여 나타낸 것 이다. 총 5항차를 측정한 것이며, 항차별 총 생산된 전력 량을 비교하기 위해서 측정한 전력데이터를 적분하여 전력량 (Wh)으로 환산하였다.

실험어선은 총 5회 조업을 실시하였다. 조업은 일반 적인 양망 후 바로 투망하는 방식으로 수행되었으나, 조업 항차별로 어장사고 등으로 인해 조업형식에 다소 차이가 있었다. 특히 3항차 조업 시 전일 투망한 어구 1조가 유실되어 어구 탐색으로 인해 다른 항차의 조업에 비해 선박의 항해거리가 달랐으며, 그에 따른 엔진 사용 과 엔진 rpm 증가 빈도도 달랐다.

실험어선은 양망 시에 그물이 얽히는 사고를 방지하 기 위하여 조류의 흐름 반대방향에서 양망을 시작하기 때문에 항적이 지그재그 형태로 나타나는 것이 보편적 이다. 양망 시에는 물때에 따라 조류의 세기가 다르기 때문에 조류의 흐름이 빠른 시기에는 어선이 밀려가지 않도록 엔진을 사용하는 빈도가 다소 증가한다. 또한 조업 시에는 타어업인의 어구와 얽히는 사고가 발생하 거나 어구가 유실되는 경우 등이 빈번히 발생하며, 이에 따라 엔진사용 횟수나 항해거리와 궤적이 달라진다. 조 업 시 조류의 흐름이 빠를 경우에는 물속의 어구에 유체 저항이 많이 작용하게 되고, 그에 따라 유압식 양망기에 부하가 많이 걸린다. 그리고 어구가 수중에서 다른 어구 와 얽히거나 암초에 걸렸을 경우에도 양망하는 도중에 유압식 양망기에 많은 부하가 걸리게 되며, 이 경우에도 엔진의 사용 빈도가 증가하는 원인이 된다.

Table 4는 조업시간과 항차별 생산된 전력량을 나타 낸 것이다. 생산된 전력량은 항차별로 다르게 나타났으 며, 최대 36.1 Wh, 최소 25.7 Wh임을 확인할 수 있었다. 이와 같이 생산된 전력량이 다른 이유는 항차별로 조업 방법, 어구유실로 인한 조업시간 단축, 그리고 조업 중 해상기상에 따라 가용하는 엔진 rpm이 다르기 때문이 다. 실험기간 중 평균 전력 생산량은 30.3 Wh로 LED 30 W의 작업등을 약 1시간 정도 사용할 수 있는 것으로 파악할 수 있었다.

활용방안

본 연구결과로부터 열전 발전장치 설계용량 대비 전 력 생산량은 약 50% 정도로 낮은 수준이지만 어선에서 배출되는 배기가스의 열로 전기에너지 생산이 가능함을 알 수 있었다. 그리고 열전모듈의 성능개선과 배기가스 열을 최대한으로 수집할 수 있는 구조 등을 개선을 통해 효율을 향상시킨다면, 열전 발전장치는 다음과 같이 많 은 용도로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

첫 번째로, 정박 이후, 엔진을 꺼 놓은 상태에서 전기 부하를 사용하는데 활용할 수 있다. 특히 선내 청소에 필요한 수중펌프와 야간작업에 필요한 작업등을 사용할 수 있다. 기존에는 이와 같은 전기부하들은 선내 배터리 과방전을 방지하기 위해서 엔진을 켜놓은 상태에서 사 용했다. 하지만 엔진을 꺼 놓은 상태에서 열전 발전장치 로부터 충전된 배터리로 전기부하를 사용할 수 있는 동 시에 원천적으로 유류절감 및 온실가스 배출을 저감할 수 있어, 그 효용성은 매우 클 것이라고 판단된다.

두 번째로, 선박 내 배터리 수명 단축과 전기부하 과 다사용으로 인해 배터리가 방전되어 엔진 시동에 문제 가 발생했을 때, 열전 발전장치로부터 충전된 배터리를 엔진 시동용으로 활용할 수 있다. 특히 해상에서 조업 중 종종 배터리가 과방전되어 엔진 시동문제로 표류되 는 상황을 대처할 수 있어 선박 안전사고를 미연에 예방 할 수 있다.

세 번째로, 정박 후, 열전 발전장치로부터 충전된 배 터리는 선박 안전과 범죄 예방목적으로 사용하는 각종 센서, CCTV 운용에 필요한 전원공급원으로 활용할 수 있다. 최근에 화재, 침수, 어선 충돌 등 선박 안전사고가 급증하는 추세이며, 어획물 도난사고까지 발생하고 있 는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 선박상 태 및 사고발생 상황을 인지할 수 있는 센서들이 필수적 으로 설치되어야 하는 한편, 이를 운용하기 위해서 지속 적인 전원이 필수적으로 공급되어야 한다.

따라서 조업 중에 열전 발전장치로부터 충전된 배터리 는 정박 중에도 선박 안전과 범죄 예방을 위해 운용되는 각종 센서, 그리고 CCTV의 전원으로 사용가능할 것으로 판단된다.

결 론

실험어선의 엔진 rpm 및 실제 조업에 따라 측정한 배기가스 온도 데이터를 기반으로 전력생산이 가능한 열전모듈 사양을 결정하고, 엔진 가용범위 내 1,500 rpm 에서는 최대 113.6 W를 생산할 수 있는 열전 발전장치 2대를 설계 및 제작하였다. 열전 발전장치의 성능분석을 위해 3톤급 연안자망어업 어선에 설치하여 현장실험을 통한 열전 발전장치의 성능을 분석하였다. 실험결과 열 전 발전장치 각각은 최대 1,500 rpm에서 설계사양 113.6 W 대비 50% 내외로 60.9 W, 55.7 W이었다. 열전 발전 장치 결선방법에 따른 생산전력은 직렬, 병렬결선 각각 111.4 W, 115.8 W로 나타났다. 또한 조업 중 생산된 평균 전력 생산량은 30.3 Wh임을 확인할 수 있었다.

향후에는 열전 발전장치의 실용화 및 산업화를 위해 서 본 연구의 실험결과를 바탕으로 전력생산량 향상을 위한 열전 발전장치의 구조개선과 이용방법에 따른 유 류절감 효과뿐만 아니라, 사회경제적 파급효과에 대한 분 석 및 추가적인 연구가 수반되어야 할 것으로 판단된다.