서 론

전 세계적으로 온실가스에 의한 지구 온난화 현상은 심각한 환경문제로 대두되고 있다. 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스의 배출량을 감축하고자 다양한 노력과 대책 마련이 지속적으로 진행되고 있다(Cakir and Stenstrom, 2005; Olah et al., 2008; Rao and Rubin, 2002). 우리나라 또한 2009년에 2020년 온실가스 배출 전망치(Business as Usual1, BAU) 대비 온실가스 배출 량 30% 감축 목표를 설정하는 등 자구적인 대책을 마련 하고 있다(Hong et al., 2016; Ryu, 2010).

기술적인 측면에서는 온실가스와 공해물질 배출량을 저감하기 위해 신재생에너지 개발과 에너지원의 효율적 인 사용을 위한 기술개발에 대한 노력이 활발하게 진행 되고 있다. 신재생에너지로는 태양에너지, 풍력, 파력, 지열, 조력 등이 개발되고 있으며, 에너지원을 효율적으 로 사용하기 위한 기술에는 전기에너지 저장기술, 열에 너지 저장 및 변환 기술 등이 있다(Nema et al., 2010; Lee et al., 2016).

특히, 에너지원을 효율적으로 사용하기 위한 기술은 에너지 하베스팅(Energy Harvesting)과 관련된 기술이 다. 에너지 하베스팅 기술이란 우리 주위에서 버려지는 에너지원을 전기에너지로 변환하여 재사용하는 기술을 통칭한다(Wu, 1996; Snyder, 2009). 에너지 하베스팅 소 자로는 배기열 및 폐열에서 발생하는 온도차를 이용하 여 전기에너지로 변환하는 열전소자, 태양에너지를 전 기에너지로 변환하는 태양전지, 주위에서 나타나는 각 각의 운동에너지로부터 전기에너지를 얻는 압전소자 등 이 있다(Beeby et al., 2006; Kim et al., 2009).

최근에는 열전소자를 이용하여 폐열로 버려지는 열에 너지를 전기에너지로 변환하는 열전발전 기술에 대한 연구개발이 다양한 분야에서 활발하게 진행되고 있다. 열전발전 기술은 반도체의 양단에 온도차가 있을 때 기 전력이 발생되는 원리를 이용하는 기술로 원재료 가격 이 비싸고 효율이 낮아 우주용 및 군사용 등 특수사용 목적으로만 개발되어 왔다(Sievers and Bankston, 1988). 현재의 열전발전 기술은 증기터빈, 내연기관을 사용하 는 발전소, 자동차와 선박 등에 확대 적용되고 있다(Cha et al., 2012; Hsiao et al., 2010).

열전발전 기술의 경우 에너지 재생, 긴 수명, 소음과 기계적 마모현상이 발생하지 않는 등 환경을 저해하는 요소가 없다는 장점이 있어, 각 산업분야 전반에서 발생 하는 배기열과 폐열을 보다 효율적으로 이용할 수 있다 (Rowe and Min, 1998).

국외 자동차 생산회사인 GM, Ford, Mercedes-Benz, BMW는 자동차 엔진과 냉난방에 열전발전 기술을 활용하 여 엔진의 부하를 경감하고, 연료 효율을 높여 경비가 개선 되는 연구를 수행하였다(Meisner, 2011; Liebl et al., 2009; Crane et al., 2013; Kumar et al., 2013). 일본에서는 철강 생산 공정에서 버려지는 폐열을 회수하여 재이용하는 열 전발전 기술과 열전교환소자와 연료전지를 조합한 배기가 스 발전시스템 개발에 성공하였다(Chun and Jang, 2014).

국내에서도 열전발전 기술에 대한 관심이 높아지면서 연안어선과 자동차에 응용하는 연구가 수행되었다. 연 안어선에는 배기가스로 배출되는 폐열을 전기에너지로 변환하는 열전발전 장치를 개발하고 적용하여, 최대 115 W(설계용량 대비 50% 수준)의 전기에너지를 생산 하는 연구결과를 도출하였다(Lee et al., 2017). 자동차에 는 실린더 또는 머플러 부분에 열전발전 시스템을 적용 하여, 자동차 총에너지의 3.3%를 회수하는 기술을 개발 하였다(Lee et al., 2014). 하지만 국내에서는 이와 같은 열전발전 기술을 응용하는 연구보다 열전소자의 제작과 효율을 높이기 위한 기반 기술 개발과 연구에만 집중되 고 있어, 에너지를 효율적으로 재이용하고 기술을 응용 하는 연구는 매우 제한적이다(Jang et al., 2008).

본 연구에서는 어선에서 폐열로 버려지는 에너지를 효율적으로 재이용하는 기술을 개발하기 위해서 선행연 구(Lee et al., 2017)된 연안어선용 열전발전 장치의 발전 성능을 개선하는 연구를 수행하였다. 열전발전 장치의 발전성능을 향상시키기 위해서 열전소자의 배치를 고밀 도화 하고, 열손실을 최소화한 열전발전 장치를 제작하 였으며, 제작된 장치는 3톤급 연안어선에 설치하여, 현 장실험을 통해서 기존의 발전성능에 대한 연구결과와 비교분석하고 개선사항에 대하여 제시하였다.

재료 및 방법

실험어선 선정

실험어선은 선행연구(Lee et al., 2017)와 동일한 어선 으로 남해군 이동면 연안에서 자망어업을 하는 3톤급 어선을 선정하였으며, 선박의 제원은 Table 1에 나타내 었다. 실험에 선정된 어선의 어구사용량 조사결과, 길이 40 m, 폭 2 m를 1폭으로 하는 홑 자망을 사용하며, 어구 의 수량은 평균적으로 10폭으로 구성된 어구 5조를 사 용하고 있었다.

조업어장의 어구 배치는 Fig. 1과 같으며, 총 3구역(A, B, C)에서 조업하고 있었다. 어황상태와 계절에 따라 사용하는 어구의 수와 조업구역은 상이하였다. 조업은 어구를 투망하여 1일 정도 수중에 침지 후, 익일 출항하 여 양망을 하는 형태로 이루어진다. 유압식 양망기를 사용하여 어구 1조씩 양망을 하며, 양망 시에 그물에서 어획물을 수거한다. 1조의 어구가 양망이 완료되면 바로 투망을 실시하고, 투망이 끝나면 다음 어구를 양망하는 형태로 조업을 실시한다.

배기가스 온도 측정

조업 중 어선에서 배출되는 배기가스의 열에너지를 전기에너지로 변환하기 위해서 발전용 열전소자를 사용 하였으며, 열전소자는 열에너지의 온도범위에 따라 열 전소자를 구성하는 소재와 사양이 다르기 때문에 열원 으로 사용하는 배기가스의 온도 측정이 필수적이다.

본 연구에서는 열화상 카메라(TI450, Fluke corporation, USA), 열전대(k-type), 데이터 로거(GL220, Graphtec, Japan)를 이용하여, 조업 전 과정에서 배출되는 배기가스 의 온도와 엔진 rpm 변화에 따른 배기가스 온도를 각각 측정하여 분석하였다. 열화상 카메라로 배기관 외부를 촬 영하여 온도분포를 측정하고, 배기가스 온도는 배기관 내 부에 설치된 열전대로 측정하였다. 각각의 온도 데이터는 PC 및 데이터 로거와 연결하여 수집하였다.

열전발전 장치 설계

조업 전 과정에서 배출되는 배기가스 온도범위에서 최대 로 전기에너지 생산이 가능한 열전소자(TEG1B-12610-5.1, Thermal Electronic Corp., Canada)를 Table 2와 같이 선정 하였다.

열전발전 장치(Thermoelectric generator: TEG)는 Fig. 2 와 같이 어선의 배기가스 배기관과 연결되는 플랜지 (Flange), 이를 연결하고 폐열이 흐르는 경로를 만드는 덕트 (Duct), 폐열을 열전소자로 전달하는 히트 싱크(Heat sink), 전기에너지로 변환하기 위한 열전소자(Thermoelectric module: TEM), 그리고 열전소자의 저온부를 냉각하기 위한 워터 블 록(Water block)과 냉각펌프로 구성된다.

열전발전 장치는 선행연구(Lee et al., 2017)와 동일하 게 해수에 노출되는 환경을 고려하여, 모든 구성품은 내부식성에 강한 스테인리스 재질을 사용하고 알루미 늄 표면 처리를 하였다. 그리고 열전소자 고온부의 가열 온도를 측정하기 위해서 테프론과 와이어로 밀봉된 열 전대를 삽입하고, 열전소자와 밀착되는 부위의 표면은 굴곡이 없도록 하고, 밀착력이 높고, 고온에서도 열전도가 잘 되는 열전도 접합제(TRACIT-1100, Chemax Corp., USA) 를 사용하였다.

선행연구에서는 113.6 W 열전발전 장치 2대를 상하 로 배치하는 형태였다(Lee et al., 2017) (Fig. 3(a)). 본 연구에서는 폐열수집 효율을 향상시키기 위해서 기존에 열전발전 장치 2대를 하나로 통합하는 형태로 열전소자 의 배치를 고밀도화 하여 제작하였다. 열전소자는 8개를 직렬로 결선하여 총 4개의 집합체(Array)로 구성하고, 각 각의 집합체는 Fig. 3 (b)와 같이 직·병렬로 결선하였다.

열전소자 배치가 고밀도화 된 열전발전 장치의 설계 사양을 Table 3에 나타냈으며, 조업 중 제작된 열전발전 장치의 성능을 측정하고 분석하기 위해서 Fig. 4와 같이 설치하였다.

실험방법

선행연구(Lee et al., 2017)와 동일하게 Fig. 5와 같이 펌프로 해수를 순환시켜 열전소자 저온부를 냉각시키 고, 생산되는 전력과 열전소자의 고온부 온도 각각은 전자부하기(Good Will Instrument Co., Ltd GW INSTEK, PEL-2020, Taiwan)와 데이터 로거로 측정하 였다. 그리고 생산전력은 열전소자의 내부저항 부근에 서 최대로 생산되는 전력을 측정하였다.

결과 및 고찰

배기가스 온도 측정

열전대, 데이터 로거를 이용하여, 실험어선의 공회전 상태인 600 rpm에서 가용 최대 1,500 rpm까지 100 rpm 씩 증가시키면서, 엔진에서 배출되는 배기가스의 온도 를 측정하고, 선행연구(Lee et al., 2017)결과와 비교분석 하여 Fig. 6에 나타내었다.

엔진 rpm과 배기가스 배출 온도간의 회귀분석 결과, 회귀식인 수식 (1)과 같이 선형관계임을 확인할 수 있었 으며, 회귀분석 결과를 Table 4에 나타내었다. 여기서 a와 b는 회귀계수, R2은 상관계수이며, 상관계수(R2)의 값은 0.99이다. 엔진 rpm별 측정한 온도를 분석한 결과, 선행연구(Trial Ⅰ)에서는 최소, 최대가 각각 86.3, 377.2℃ 이었으며, 본 연구(Trial Ⅱ)에서는 최소, 최대 각각 57.5. 309.5℃임을 확인하였다. 이와 같이 배기가스 배출 온도 범위가 다른 이유는 기온에 영향을 받는 것으로 판단되 며, 실제 선행연구(Lee et al., 2017)의 경우는 여름철 (2016년 9월), 본 연구는 겨울철(2018년 2월)에 각각 수 행되었다.

본 실험결과로부터 계절별로 기온이 높은 여름철과 기온이 낮은 겨울철의 실험조건에서 355마력 엔진이 장 착된 3톤급 어선의 엔진이 가용할 수 있는 600∼1,500 rpm에서 배기가스의 온도범위는 57.5∼377.2℃임을 확 인하였다. 해당 실험어선과 동일한 마력의 엔진이 설치 된 어선은 최대 400℃에서 전기에너지를 생산할 수 있 는 열전소자를 선정하는 것이 바람직하다고 판단된다.

열전발전 장치 성능

열전발전 장치의 rpm별 생산되는 전력을 측정하고, 선행연구(Lee et al., 2017)결과와 비교분석하여 Fig. 7에 나타내었다. 냉각온도는 실험당시의 해수 온도인 약 12℃로 유지하고, 생산되는 전력은 전자부하기(Electronic load)를 이용하여 측정하였다.

실험어선의 엔진 rpm이 상승하면 엔진에서 배출되 는 배기가스 온도가 높아짐에 따라 열전소자의 양단간 온도차가 커지면서 생산전력이 증가하는 양상을 보였 다. 본 연구에서는 rpm 상승에 따라 생산되는 전력이 최대 183 W로 설계용량 227.2 W 대비, 약 80.5% 수준 이었다(Trial Ⅱ). 이 결과는 선행연구에서 최대 115.8 W 설계용량 대비 50.7%임을 감안할 때, 약 30% 향상 되었음을 알 수 있다(Trial Ⅰ). 이와 같은 이유는 열전 소자의 배치와 열전발전 장치의 설치 위치와 밀접한 관계가 있다.

일반적으로 열전달부는 복사, 전도, 대류의 방법으 로 열을 열전소자로 전달하게 되며, 고온을 제외하고는 강제대류나 전도에 의해 열을 전달한다. 이처럼 선행연 구(Lee et al., 2017)에서는 실험어선에 설계용량 113.6 W 열전발전 장치 2대를 상하로 설치하였기 때문에 기 체 열대류 및 전도 경로가 길어져 열손실량이 많은 구 조였다. 하지만 본 연구에서는 선행연구와 전체 설계용 량은 동일하게 하되, 열 손실을 최대한 줄이기 위해서 열전소자의 배치를 고밀도화 하여 열대류 및 전도 경 로를 최대한 짧게 하고, 고온부에 직접적으로 열이 전 달될 수 있는 구조로 설계하고 제작하였기 때문으로 판단된다.

열전발전 장치의 전기에너지 생산과정 중 열손실이 발생하는 부분을 파악하기 위해서 열화상 카메라를 이 용하여 Fig. 8과 같이 열손실이 발생하는 부분을 측정하 였다.

측정결과, 열전소자와 히트 싱크, 워터 블록 각각에 밀착되는 부분에서 배기가스로 배출되는 폐열의 손실 이 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 향후에는 열전발 전 장치의 발전성능 향상을 위해서 열전소자 배치의 고밀도화 뿐만 아니라, 각각의 부품이 결속되는 부분의 열손실을 최소화할 수 있는 방안까지 고려되어야 할 것으로 판단된다.

조업 중 전력생산량

조업 중 전력생산량을 분석하기 위해서 총 20일의 조 업기간 동안 일별로 생산된 전력량과 조업시간을 Fig. 9 와 같이 나타내었다. 실험결과, 조업기간 중 최대 전력생 산량은 207.1 Wh, 최소 53.93 Wh 이었으며, 평균 전력 생산량은 129.98 Wh임을 확인할 수 있었다. 조업시간은 최대 5시간 6분, 최소 1시간 12분이었으며, 평균 조업시 간은 3시간 9분임을 확인할 수 있었다.

전력생산량은 조업 7일째를 제외하고는 대부분 조업 시간에 비례하는 것으로 나타났다. 7일째는 공회전 상태 에서 조류에 의해 엉켜진 어구를 재정비하는 작업을 실 시함에 따라 다른 조업일에 비해 조업시간이 길었던 것 으로 파악되었다.

일일 조업과정별 생산된 전력량(Wh)을 분석하기 위 해서 조업과정을 출항, 조업, 입항으로 세분화하고, 비교 분석한 결과를 Fig. 10에 나타내었다. 분석결과, 조업기 간 중 총 전력생산량은 조업과정이 63%로 가장 높게 차지했으며, 그 다음은 출항과 입항과정 순으로 각각 19.5%, 17.5%를 차지함을 알 수 있었다. 이와 같은 결과 는 실제 조업과정이 출항, 입항과정보다 상대적으로 장 시간동안 엔진을 사용하기 때문인 것으로 판단된다.

단위시간당 생산된 전력(W)을 분석하기 위해서 조업 과정을 출항, 조업, 입항으로 세분화하고, 비교분석한 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 분석결과, 단위시간당 생 산된 전력은 입항과정에서 42.8%로 가장 높게 차지했으 며, 그 다음은 출항과 조업과정 순으로 각각 32.9%, 24.3%를 차지함을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 조업 과정별로 사용하는 엔진의 rpm이 서로 달라, 단위시간 당 전력생산량에서 차이가 발생하기 때문이다. 해당 실 험어선은 총 조업하는 시간을 단축하기 위해 출항과 입 항 시에는 엔진을 1,500 rpm이상으로 사용하고, 실제 조업 중의 어획, 어구 간 이동 시에는 공회전 또는 1,400 rpm 이하로 간헐적으로 엔진을 사용한다. 따라서 짧은 시간 내에 높은 엔진 rpm을 사용하는 출항, 입항과정이 실제 조업과정보다 시간대비 전력 생산밀도가 높다고 판단된다.

입항과정에서 출항과정보다 단위시간당 전력생산량 이 9.9% 높게 나타난 이유는 어획방법이 해안가로부터 먼 거리에서 가까운 거리에 설치된 어구 순으로 어획하 기 때문에 출항시간보다 입항시간이 상대적으로 짧기 때문이다. 또한 출항할 때는 엔진 배기가스의 온도를 열 전소자로 전달시키는 열전도체가 열평형 상태에 도달하 지 않은 상태에서 출항하고, 입항 시에는 열전도체가 공 회전 상태에서 전도되는 온도 이상으로 충분히 열전도 된 상태에서 입항하기 때문으로 판단된다.

본 연구결과를 종합해 볼 때, 열전발전 장치의 이용 효율을 높이기 위해서는 항해거리가 길거나, 높은 엔진 rpm을 사용하는 선박이 적합하다고 판단된다. 이러한 조건을 만족하는 선박은 어획물 운반선, 여객선, 근해 어선 등이 있으며, 향후 생산된 전력을 항해 장비운용에 사용하여 엔진 부하율을 낮춤으로써 유류 소모량을 절 감할 수 있을 것으로 기대된다.

결 론

열전소자 배치를 고밀도화한 227.2 W급 열전발전 장 치를 3톤급 연안어선에 설치하여 발전성능 분석을 하였 다. 발전성능은 엔진 rpm, 조업과정별 그리고 조업기간 (20일) 동안의 전력생산량, 그리고 선행연구(Lee et al., 2017)결과와 비교분석하였다.

실험결과, 엔진 rpm 상승에 따라 생산되는 최대 전력 은 1,500 rpm에서 183 W이었으며, 이는 설계용량 227.2 W 대비, 약 80.5% 수준이었다. 이 결과는 선행연구에서 는 최대 115.8 W 설계용량 대비 50.7%임을 감안할 때, 약 30% 향상되었다.

20일의 조업기간 중, 최대 생산된 전력량은 207.1 Wh, 최소 53.93 Wh 이었으며, 평균 전력생산량은 129.98 Wh 이었다. 조업시간은 최대 5시간 6분, 최소 1시간 12분이었으며, 평균 조업 시간은 3시간 9분이었 다. 조업과정을 출항, 조업, 입항으로 세분화하여, 일일 조업과정별 생산된 전력량(Wh)을 분석한 결과, 조업기 간 중 총 전력생산량은 조업과정이 63%로 가장 높게 나타났다. 그 다음은 출항과 입항과정 순으로 각각 19.5%, 17.5% 이었다. 그리고 단위시간당 생산된 전력 (W)을 비교분석한 결과, 입항과정이 42.8%로 가장 높았 으며, 그 다음은 출항과 조업과정 순으로 각각 32.9%, 24.3%를 차지했다.

본 연구에서의 종합적인 결론은 열전소자 배치를 고 밀도화 하여, 열손실을 최소화하는 방법이 발전성능 향 상에 기여함을 알 수 있었다. 그리고 조업과정 중 출항, 입항과정에서 엔진의 높은 rpm을 사용하거나, 또는 장 시간 엔진을 사용할 때 전력생산량이 많은 것으로 나타 남에 따라, 실제 높은 엔진 rpm을 사용하고, 장시간 운항 하는 여객선 또는 어획물 운반선 등을 대상으로 열전발 전을 적용하는 것이 매우 효과적이라고 판단된다.