(To measure the power produced by his photovoltaic cells, Roy-Layinde holds a heat source held over the photovoltaic cell, which emits the infrared radiation that the cell converts into electricity. Wires connected to the photovoltaic cell run the electricity to a sensor that reads the voltage and amperage. Image credit: Brenda Ahearn, Michigan Engineering)
열에너지를 전기 에너지로 전환하는 가장 일반적인 방법은 가스 터빈이나 내연 기관처럼 운동에너지로 바꾼 후 발전기를 돌리는 것입니다. 가장 흔한 방식이지만, 효율이 좋은 가스 터빈도 35%를 넘기가 쉽지 않고 가솔린 엔진은 20%대 초반에 불과하다는 점이 큰 단점입니다.
이 단점을 극복할 수 있는 방법 중 하나가 바로 열광전지 TPV 셀 (Thermophotovoltaic cells)입니다. 태양 전지처럼 전자기방사 에너지를 직접 전기로 변환하는 장치인데, 태양 전지보다 낮은 적외선 영역에서 에너지를 전환한다는 것이 차이점입니다.
TPV는 고온에 물체에서 나오는 광자를 이용해 열에너지를 전기 에너지로 바꾸기 때문에 높은 효율을 기대할 수 있습니다. 따라서 발전소에서 활용하거나 고온의 열을 저장했다가 다시 전기로 바꾸는 열배터리에 활용이 기대되고 있습니다. 앞서 이 내용을 소개한 바 있습니다.
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최근 미시간 대학 연구팀은 TPV 셀 에너지 전환 효율에서 44%라는 새로운 신기록을 달성했습니다. 연구팀은 이를 위해 실리콘 카바이드를 열 저장 물질로 선택해 1,435°C의 온도로 가열한 후 신중하게 설계된 반도체 시스템으로 광자를 잡아 전기로 전환했습니다.
연구팀이 만든 반도체는 인듐, 갈륨, 비소로 되어 있는데 사실 이것만으로는 에너지 전환 효율을 20-30% 정도밖에 기대할 수 없습니다. 그래서 연구팀은 반도체 뒤에 작은 공기층을 만들고 다시 금으로 만는 얇은 반사막을 배치했습니다. 빠져나간 광자 중 일부는 반도체에 다시 흡수되어 전기로 전환되고 나머지는 다시 열배터리에 흡수되어 다시 적절한 파장에서 에너지를 방출하는 원리입니다.
연구팀은 이렇게 달성한 44%의 에너지 전환 효율이 열배터리의 상용화 가능성을 높일 것으로 기대하고 있습니다. 기본적으로 열배터리는 벽돌이나 용융염처럼 값싼 물질을 사용해도 되기 때문에 결국 열에너지를 전기로 전환하는 TPV 셀의 효율과 가격이 상용화에 가장 큰 관건입니다.
저렴하고 에너지 전환효율이 우수한 TPV 셀이 에너지 저장 시스템이나 발전 분야에서 활약하는 날이 올지 주목됩니다.
참고
https://techxplore.com/news/2024-05-renewable-grid-recovering-electricity-storage.html
Bosun Roy-Layinde et al, High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells, Joule (2024). DOI: 10.1016/j.joule.2024.05.002
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