기본 콘텐츠로 건너뛰기

44%의 에너지 전환 효율을 달성한 열광전지(TPV) 셀


 

(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.

이전 포스트: https://blog.naver.com/jjy0501/223294938227

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

댓글

이 블로그의 인기 게시물

100 테슬라급 자기장 도달

 미국의 로스 알라모스 국립 연구소 (Los Alamos National Laboratory) 에서 과학자들이 지금까지 인간이 개발한 가장 강력한 자기장을 발생시키는 장치 개발에 도전하고 있습니다. 자기장의 세기를 나타내는 방법으로 자기력선의 밀도를 나타내기 위해 단위 면적당 자기력선의 수를 표시하는 단위인 테슬라 (T) 가 있습니다. (1T = 1Wb/㎡  웨버 (Wb) 는 자속의 단위)   의료용으로 사용되는 초전도체를 이용한 MRI 의 경우 1.5 - 3 테슬라급의 강력한 자기장으로 인체 내부를 볼 수 있게 만들지만 과학 연구용으로 이보다 더 강력한 자기장이 필요할 수 있습니다. 최근에 등장한 90 테슬라급 자기장에 이어 이번에 로스 알라모스 국립 연구소에서는 100 테슬라급인 100.75 T 를 실현 했다고 합니다.   이를 구현한 것은 18000 파운드 (8.16 톤 정도) 의 코일과 여기에 에너지를 공급할 1200 메가줄 (Megajoule) 급 모터 제네레이터등의 설비입니다.  (   The 1,200-megajoule motor generator that powers the magnetic pulse.  )  이와 같은 연구를 통해 알아내고자 하는 것은  Quantum Phase transitions and new ultra high field magnetic states Electronic Structure determination Topologically protected states of matter  로 요약할 수 있다고 합니다.   아무튼 수 T 급 MRI 만 해도 자기장의 힘이 엄청난데 100 T 라니 엄청난 자기장이네요. 이는 지구 자기장 세기보다 200만배 강력한 (물론 좁은 범위에서 작용하는 자기장이라 지구 전체...

고대 양서류 이야기 (2) - 악어를 닮은 거대 양서류들

  페름기에는 다양한 양막류가 진화해서 앞서 소개한 육상형 템노스폰딜리는 점차 설 자리를 잃게 됩니다. 하지만 양서류는 본래 자신의 서식지인 물과 습지에서 여전히 번성을 누렸습니다. 당시에는 악어류 같은 대형 양서형 파충류도 없던 시절이었기 때문에 이와 비슷한 생태학적 지위는 여전히 양서류의 몫이었습니다. 이들에 대한 이야기는 제 책인 포식자에서 비교적 간단히 다뤘는데, 오늘은 여기에 대한 보충 설명입니다.  책 정보:  http://book.naver.com/bookdb/book_detail.nhn?bid=13347200 Yes 24:  http://www.yes24.com/24/goods/58772859 11번가:  http://books.11st.co.kr/product/SellerProductDetail.tmall?method=getSellerProductDetail&prdNo=1977867160 알라딘:  http://www.aladin.co.kr/shop/wproduct.aspx?ItemId=134877825 교보문고:  http://www.kyobobook.co.kr/product/detailViewKor.laf?ejkGb=KOR&mallGb=KOR&barcode=9788970447988&orderClick=LAG&Kc= 인터파크 :  http://book.interpark.com/product/BookDisplay.do?_method=detail&sc.prdNo=279593764&sc.saNo=003002003&bid1=search_auto&bid2=detail&bid3=prd_img&bid4=001 영풍문고:  http://www.ypbooks.co.kr/book.yp?bookcd=100843205&gubun=NV ...

이빨이 다시 진화한 개구리

  ( CT scans of Gastrotheca guentheri skulls revealed what appeared to be identical rows of teeth on both the upper and lower jaws, which researchers later confirmed through dissection. Credit: Florida Museum/Daniel Paluh )  개구리는 2억년 전 진화 과정에서 이빨을 잃어버리고 큰 턱과 혀를 이용해 곤충 같은 작은 먹이를 잡아 먹는 방향으로 진화했습니다. 파충류나 포유류 같은 다른 사지류와의 경쟁에서 밀려 양서류가 쇠퇴하고 멸종하던 시기에도 개구리는 여전히 생존할 수 있었던 비결입니다.   이빨이 없는 덕분에 큰 혀를 발사하기 편해졌을지는 모르지만, 이빨이 없으면 종종 불편할 때가 있습니다. 씹는 대신 삼키기 때문에 음식을 씹을 수 없다는 점은 문제되지 않지만, 필사적으로 달아나려는 먹이를 잡기 힘들기 때문입니다. 이런 이유 때문에 일부 개구리는 이빨 같이 보이는 엄니 (fang)을 지니고 있으나 이는 사라진 이빨이 다시 난 것이 아니라 다른 부분이 진화한 것입니다.   이는 돌로의 법칙 ( Dollo's Law )으로 알려져 있습니다. 진화 과정에서 퇴화한 부분이 다시 생겨나지 않으며 대신 필요하면 다른 부분이 진화해 그 역할을 대신한다는 것입니다. 예를 들어 아가미가 사라진 사지 동물은 다시 물에 들어온다고 해도 아가미가 다시 생기진 않습니다. 대신 고래처럼 폐가 커져서 그 기능을 대신하게 됩니다.   하지만 모든 법칙엔 예외가 있기 마련입니다. 남미에서 발견된 멸종 위기 개구리 중 하나인 구엔터 유대류 개구리 ( Gastrotheca guentheri, Guenther's marsupial frog, dentate marsupial frog)는 완전한 형태의 이빨을 지니고 있습니다. 참고로 유대류 개구리라는 명칭은...