일출부터 일몰까지 시간에 따른 상변화 구조물(상부)의 온도분포 및 열전소자(하부)의 발전량 변화 이미지. (사진=경상국립대 제공)

경상국립대학교 공과대학 기계공학부 김덕종 교수팀이 태양 에너지 활용 효율을 높이는 데 유용한 태양 열전발전 시스템의 발전 성능을 극대화하는 효과적인 방안을 규명했다고 밝혔다.

연구 결과는 열역학 분야 저명 국제학술지 '에너지(Energy)'(JCR 4.55%) 최신호에 ‘적시에 효율적으로 발전하기 위한 상변화 물질 활용 태양 열전발전기의 열설계(Thermal design of solar thermoelectric generator with phase change material for timely and efficient power generation)’라는 제목으로 게재됐다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 한국에너지기술평가원 알키미스트프로젝트의 지원을 받았으며, 김덕종 교수팀의 조현민 석사과정생과 한국에너지기술연구원의 주영환 박사가 연구에 참여했다.

태양으로부터 오는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양광 발전 기술은 신재생 에너지 기술의 대표 주자로 널리 활용되고 있지만, 일조량에 따라 발전량의 편차가 심하고 일조량이 아예 없는 야간에는 전기 생산이 불가하다는 단점이 있으며 태양 에너지 전체의 절반 정도를 차지하는 적외선 대역은 활용하지 못하는 한계가 있었다.

따라서 태양열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양 열전발전기가 기존 태양광 시스템을 보완할 수단으로 관심을 받고 있으며, 최근에는 열 에너지를 저장할 수 있는 상변화 물질을 적용해 주간의 태양열을 저장했다가 야간에도 발전할 수 있는 방식까지 제안됐다.

문제는 이러한 기술들이 개별 아이디어 차원에서 제안됐을 뿐 전체적인 발전 성능을 극대화하려면 어떠한 변수를 중요하게 고려해야 하고 사용 목적에 따라 어떻게 설계하는 것이 적절한지에 대한 종합적인 이해가 부족한 실정이었다.

이번 연구에서는 학교가 위치한 진주 지역의 실제 일조량 데이터를 고려해 상변화 물질이 적용된 태양 열전발전기의 구조 및 주요 형상 변수에 따라 발전량이 어떻게 변화하는지 조사하고 그러한 결과가 나타나는 원인을 분석했다. 이러한 이해를 바탕으로 태양 열전발전기의 형상을 최적화해 총발전량은 31.3%, 야간 발전량은 주간 발전량의 31.4%까지 높일 수 있음을 확인했다. 그리고 민감도 시험을 통해 상변화 물질이 담긴 구조물의 설계가 매우 중요함을 발견해 위상 최적화를 통해 발전 성능을 극대화하면서도 실제 구현이 가능한 형상을 제시했다.

김덕종 교수는 “이번 연구를 통해, 태양 에너지를 활용하는 에너지 시스템에서 열 에너지의 전달 및 저장과 관련된 열관리가 발전 성능에 얼마나 중요한 영향을 미치는지 확인할 수 있었으며, 이번 연구에서 밝혀낸 설계 지침은 태양 에너지를 효율적으로 활용하는 시스템의 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 설명했다.

논문의 제1저자인 조현민 씨는 석사과정 동안 이번 연구에서 주요 내용인 수치해석 및 결과 분석, 논문 작성을 수행해 JCR 기준 상위 5%급 저널에 논문을 게재하는 성과를 거뒀다.