A study on thermoelectric waste heat recovery for optimal energy management

Abstract

For a sustainable development with finite energy resources, it is essential to effectively manage existing energy sources, as well as the development of renewable energy sources. In this study, I analyze characteristics of a thermoelectric phenomenon, that is a physical direct energy conversion phenomenon between heat energy and electric energy, to apply it for the effective management of energy by recovering waste heat. A quantitative study is carried out on the environmental impacts with the application of the thermoelectric technology on vehicles in Korea. The reduction of energy usage and related emissions amounts of greenhouse gases (GHGs) and air pollutants are 1,981 thousand tonne of oil equivalent (TOE) of energy along with 5.6 mil. t CO2e of GHGs, and about 49,000 t of CO, 31,000 t of NOx, 1,200 t of total suspended particles (TSP), and 7,000 t of volatile organic compounds (VOCs). These results are maximum achievable values with an assumption that the thermoelectric generators are applied to all vehicles in Korea. Still, it is a meaningful consideration of the potential that the next-generation technology has. I also study the optimal operating condition to apply the thermoelectric phenomenon to a waste heat recovery system. The thermoelectric phenomenon has a low energy conversion efficiency of 5 ~ 10%, so the optimization process is essential to produce the maximum possible power. It has been suggested that a method of optimization in which the operating voltage be set to the half of the ‘steady-state’ open-circuit voltage should be a simple but an effective strategy for maintaining the optimal condition. The reason behind this is not that optimal condition corresponds to the widely accepted optimal condition, impedance-matching condition, in which the load electrical resistance and the internal electrical resistance are matched to each other, but that typical V-I curves of thermoelectric generators can be approximated by linear relations. A theoretical study is carried out about the meaning of the V-I curve that can be obtained from the common thermoelectric generator. Here, the linear V-I curve can be obtained under two approximations those are much larger thermal resistance of the external than of the internal, and not a significant difference with a heat source and ambient temperature. The validity of the conclusions is confirmed by verifying that both approximations are met in the practical thermoelectric system. Finally, I aim to suggest an optimal operating condition and a strategy to obtain maximum power outputs in thermoelectric generators. In this process, at first, a theoretical analysis about the method to control the operating voltage to get the maximum power output has to be suggested. And then, to maintain the optimal condition, temperature variation of a heat sink changed by the current and voltage in the circuit condition is discussed by modeling heat transfer of the heat sink using a finite element method (FEM) with actual operation conditions. Consequently, the optimal voltage control strategy is suggested, a transient time scale about 800 seconds to reach the level of 95% of thermal steady-state temperature of the heat sink that is capable of measuring an exact open-circuit voltage (Voc). That is, the open-circuit voltage control method (OV algorithm) may not be suitable in cases where the conditions of thermal reservoirs and the characteristics of the heat transfer between the generator and the reservoirs are rapidly changing, compared to the transient thermal response of the heat sink. The vehicular application of thermoelectric generators will contribute to the improvement of the air quality as well as obtaining energy sources. To further improve the energy management method using the thermoelectric waste heat recovery, it is important to set a suitable optimization method of the voltage control algorithm for variable conditions of each thermoelectric systems.;유한한 에너지 자원을 이용하여 지속 가능한 발전을 해나가기 위해서는 신재생 에너지 개발뿐만 아니라 기존 에너지의 효율적인 관리 또한 필수적이다. 본 연구에서는 열 에너지와 전기 에너지 사이에서 상호간 직접적인 에너지 전환이 가능한 열전 현상의 특성을 분석하여 폐열 회수를 통한 에너지의 효율적 관리에 적용하고자 한다. 열전 현상을 자동차에 적용할 때, 나타날 수 있는 환경 영향에 대한 긍정적 측면을 다각적으로 검토하고 정량적으로 해석하였다. 그 결과, 1,981.1 천 TOE의 에너지 사용량 저감, 5.6백만 t CO2e 의 온실가스 저감 효과와 더불어, 대기 오염물질인 CO 49,000 t, NOx 31,000 t, TSP 1,200 t, PM-10 1,300 t, VOC 7,000 t의 저감 효과를 나타냄을 확인하였다. 이 계산은 국내 모든 차량에 열전 발전을 적용한다는 가정 하에 도출한 것이므로 최대 추정된 결과 값을 보이는 것이 사실이나, 차세대 기술이 가지는 잠재적 가능성을 고려해본다는 점에서 의미 있다고 판단된다. 이어서, 차세대 신기술인 열전 현상을 실제로 폐열 회수 기술에 적용하는데 있어 필요한 최적화 연구를 수행하였다. 열전 현상은 5∼10% 정도의 낮은 에너지 전환 효율을 가진다는 특성상, 최적의 작동 조건과 시스템 디자인을 설정함으로써 실현 가능한 최대 전력을 생산해 내도록 하는 최적화 과정이 필수적이기 때문이다. 먼저, 열전 발전기에서 얻어지는 일반적인 전압-전류 곡선이 가지는 특성에 대한 이론적인 고찰을 수행하였다. 최대 전력 생산 조건을 고려할 때 통용되는 impedance-matching condition은 회로 내 부하 저항과 내부 저항이 같을 때 전력이 최대가 된다는 이론이다. 여기서 논리적 전개 과정에 문제가 존재함에도 불구하고 널리 통용되어온 최적화 조건에 대해 분석을 수행하였다. 그 결과, 기본적 이론을 바탕으로 수치적인 해석을 전개하여 외부 열 저항이 존재하는 열전 시스템에서는 널리 통용되어온 impedance-matching condition이 최대 전력 생산 조건을 의미하지 않지만, 전압-전류 곡선은 선형과 유사한 형태를 보이기 때문에 작동 전압이 최대 전압의 반이 되는 점에서 여전히 최적 전력 생산량을 나타냄을 보였다. 여기서 선형의 전압-전류 곡선은 시스템 외부의 열 저항이 내부 열 저항보다 크고, 고온부와 저온부의 온도 차이가 매우 크지 않다는 두 가지 조건을 만족하는 경우 얻어지는데, 실제 열전 시스템에서 두 조건이 충족된다는 사실을 통해 결론의 타당성을 확인하였다. 마지막으로, 실제 상황에 가까운 조건을 바탕으로 유한요소해석법 (FEM)을 활용한 수치해석을 수행하여 열전 발전기 시스템의 구체적인 최적화 알고리즘(CV/OV 알고리즘)을 제시하였다. 모사 결과로부터 열전 발전 시스템에서 나타나는 시간에 따른 온도 변화 양상과, 시스템이 열적 정상 상태에 도달하기까지 소요되는 시간을 파악하였다. 열전달 이론을 바탕으로 결과를 해석하여, 앞에서 제시한 열전 시스템의 최적화 알고리즘을 적용하기에 적합한 시스템의 조건을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 시스템 조건에서는 방열판의 온도가 개방회로 전압(Voc) 측정이 가능한 열적 정상 상태의 95% 수준에 도달하기까지 약 800초 이상의 시간이 소요된다. 즉, 시스템 온도 조건의 변동 주기가 800초 이하일 경우, 대표적인 예로 배기가스의 온도 조건이 운행 상태에 따라 변하는 차량에서 배기가스 폐열 회수 등에 적용하기에는 주기적인 Voc 측정을 이용한 OV 알고리즘이 부적합하다는 결론을 얻었다. 연구를 통해 열전현상을 폐열회수기술에 적용할 경우 기대할 수 있는 긍정적인 환경 영향을 확인하였다. 따라서 열전기술은 에너지 문제의 친환경적인 대안이 될 수 있으며, 대기질 개선에 기여하는 바도 클 것으로 기대된다. 열전기술의 보다 효율적인 적용을 위해서는 각각의 발전 시스템이 나타내는 다양한 작동조건 및 열적분포의 변동을 고려하여 그에 적합한 최적화 알고리즘을 설정하는 것이 중요하다.