(A thermophotovoltaic (TPV) cell (size 1 cm x 1 cm) mounted on a heat sink designed to measure the TPV cell efficiency. To measure the efficiency, the cell is exposed to an emitter and simultaneous measurements of electric power and heat flow through the device are taken. Credit: Felice Frankel)
MIT와 미 국립 재생 에너지 연구소 (National Renewable Energy Laboratory, NREL)의 과학자들이 움직이는 부분 없이 열에너지를 40%의 효율로 전기로 변환하는 열광전지 (thermophotovoltaic, TPV) 기술을 개발했습니다.
일반적으로 열을 전기로 직접 바꾸는 열전소재는 전통적인 가스 터빈 방식보다 에너지 전환 효율이 낮습니다. 따라서 구조가 극히 단순함에도 불구하고 발전 분야에서 널리 사용되지는 않고 있습니다.
열광전지 기술은 이 약점을 극복하기 위한 대안으로 열을 전기로 바꿀 뿐 아니라 열원에서 방출되는 빛도 전기로 바꿀 수 있습니다. 하지만 효율인 대부분 20%대이고 가장 높은 기록도 32% 정도였습니다. 연구팀은 새 개의 층을 지닌 열광전지 디자인을 통해 40%의 에너지 전환 효율을 기록했습니다.
섭씨 2000도 정도의 고온 열원에서 나오는 광자 중 에너지가 가장 높은 것은 고밴드갭 합금 (high-bandgap alloy)에서 전기로 바뀌고 낮은 에너지를 지닌 광자는 저밴드갭 합금 (low-bandgap alloy) 층에서 전기로 변환됩니다. 마지막으로 가장 아래 있는 얇은 황금 거울 반사층은 전기로 전환되지 않은 광자를 반사해 다시 한 번 더 전환시킵니다.
이 기술은 일반적인 터빈이 견딜 수 없는 고온의 열에너지를 직접 전기로 바꿀 수 있어 여러 가지 응용이 기대됩니다. 다만 저온에서는 에너지 전환 효율이 낮기 때문에 폐열을 활용하는 열전소재를 완전히 대체하진 않을 것으로 생각됩니다. 어떤 형태이든 열전 발전 방식은 널리 사용되지는 않고 있는데, 앞으로 열광전지 소재가 경제적인 가격으로 상용화가 가능할지 주목됩니다.
참고
https://techxplore.com/news/2022-04-efficient-steam-turbine.html
Asegun Henry, Thermophotovoltaic efficiency of 40%, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04473-y. www.nature.com/articles/s41586-022-04473-y
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