KR101102414B1 - 열전 소자 특성 측정 장치 및 그 측정 방법 - Google Patents

열전 소자 특성 측정 장치 및 그 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전 소자 특성 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공한다. 이 열전 소자 특성 측정 장치는 냉각 구조체, 냉각 구조체와 정렬되어 배치되는 가열 구조체, 및 냉각 구조체와 가열 구조체 사이에 개재되는 피측정 열전 소자의 전류-전압을 측정하는 전류전압 측정부를 포함한다. 냉각 구조체는 피측정 열전소자의 일면을 냉각하고, 가열 구조체는 상기 피측정 열전소자의 타면을 가열한다.

Description

열전 소자 특성 측정 장치 및 그 측정 방법{THERMOELECTRIC DEVICE CHARACTERISTICS MEASURING APPARATUS AND MEASURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 열전 소자의 특성을 측정하는 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 상기 열전소자에 복사 가열을 통하여 상기 열전소자의 발전 효율을 측정하는 장치에 관하 것이다.
열전 소자는 소자의 양단에 온도차를 인가하면 기전력이 발생하는 지벡효과(Seeback effect)와 전위차를 인가하면 온도차가 발생하는 펠티어(Peltier) 효과를 나타낸다. 지벡효과를 이용한 소자 중에서 대표적인 것이 열전대이며, 펠티어 효과를 응용한 것이 열전냉각소자이다. 열전냉각소자는 열전효과를 극대화하기 위하여 단일소자를 집적하여 온도차가 절연기판 양면에 발생하도록 제작된다. 펠티어 효과를 응용한 열전냉각소자도 높은 지벡효과를 나타내기 때문에 열전발전에 활용될 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 열전 소자의 발전 효율을 추출하는 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 열전 소자의 발전 효율을 추출하는 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자 특성 측정 장치는 냉각 구조체, 상기 냉각 구조체와 정렬되어 배치되는 가열 구조체, 및 상기 냉각 구조체와 상기 가열 구조체 사이에 개재되는 피측정 열전 소자의 전류-전압을 측정하는 전류전압 측정부를 포함한다. 상기 냉각 구조체는 상기 피측정 열전소자의 일면을 냉각하고, 상기 가열 구조체는 상기 피측정 열전소자의 타면을 가열한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자 특성 측정 방법은 피측정 열전 소자의 일면은 저온으로 유지되고, 상기 피측정 열전 소자의 타면은 고온으로 유지되고, 상기 피측정 열전 소자의 입력단 및 출력단에 가변 전압을 인가하면서 제1 전류전압 특성을 측정하는 단계, 상기 피측정 열전 소자의 일면에서 흡수되는 흡수 복사 출력을 산출하는 단계, 및 상기 피측정 열전 소자의 일면은 저온으로 유지되고, 상기 피측정 열전 소자의 타면은 흑체 복사체에서 복사되는 광을 조사하여 상기 피측정 열전 소자의 입력단 및 출력단에 가변 전압을 인가하면서 제2 전류전압 특성을 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치는 피측정 열전 소자에 이미 산출된 흡수 복사 출력을 제공하고, 이와 동시에 피측정 열전 소자의 전류전압특성을 측정한다. 상기 흡수 복사 출력과 전류전압특성을 이용하여, 발전 효율 및 열전도도를 용이하고 정확하게 산출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도차에 대한 전류-전압특성 측정장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피측정 열전 소자를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2의 측정 장치에 의하여 측정된 전류전압특성을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류전압특성을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 6의 전류전압특성을 개방 전압 또는 단락 전류에 따른 온도차로 표시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수체의 복사율을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 방법을 설명하는 흐름도이다.
열전소자의 발전효율(η)은 온접점(hot junction)에서 흡수된 열에너지에 대한 부하로 공급할 수 있는 최대전력으로 정의된다.
어떤 온도차에서 부하에 공급할 수 있는 최대 전력은 전류-전압 특성 곡선을 측정하면 구할 수 있다. 하지만, 온접점에서 흡수되는 열량을 측정하는 것은 쉽지 않다. 일 방법은 온접점에 열선을 설치하고 열선에 원하는 전력을 공급하고, 전력과 발생한 열량의 등가성을 적용함으로써 열량을 산출할 수 있다. 그러나, 이 방법은 발생한 열량이 모두 온접점에서 흡수된다는 것을 전제로 한다. 따라서, 많은 흡수되지 않은 손실된 열량은 모두 측정 오차로 작용한다. 따라서, 온접점에서 흡수되는 열량을 측정하는 정확한 방법이 필요하다.
이하에서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 동일한 구성 요소들은 동일한 참조 번호를 이용하여 인용될 것이다. 유사한 구성 요소들은 유사한 참조 번호들을 이용하여 인용될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도차에 대한 전류-전압특성 측정장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 측정 장치는 냉각 구조체(120), 상기 냉각 구조체(120)와 정렬되어 배치되는 가열 구조체(130), 및 상기 냉각 구조체(120)와 상기 가열 구조체(130) 사이에 개재되는 피측정 열전 소자(140)의 전류-전압을 측정하는 전류전압 측정부(150)를 포함한다. 상기 냉각 구조체(120)는 상기 피측정 열전소자(140)의 일면을 냉각하고, 상기 가열 구조체(130)는 상기 피측정 열전소자(140)의 타면을 가열한다. 상기 측정 장치는 상기 피측정 열전 소자(140)에 온도차를 인가하고 전류-전압 특성 곡선을 측정할 수 있다.
상기 냉각 구조체(120)는 냉각판(124), 상기 냉각판(124)과 정렬되어 배치되는 방열판(128), 상기 방열판(128)에 공기를 제공하는 냉각팬(122), 및 상기 냉각판(124)과 상기 방열판(128) 사이에 개재되는 냉각 열전 소자(126)를 포함한다. 상기 냉각판(124)의 일면은 상기 피측정 열전 소자(140)의 일면과 접촉한다. 상기 냉각 구조체(120)는 상기 냉각판(124)에 부착되어 상기 냉각판(124)의 온도를 측정하는 온도계(125), 및 상기 온도계(125)의 온도를 측정하고 상기 냉각 열전 소자(126) 및/ 상기 냉각팬(122)을 제어하는 냉각 온도 조절부(129)를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각판(124)은 열전도도가 높은 무산소동(Oxgen-Free-Copper)으로 제작될 수 있다. 상기 냉각판(124)은 판형일 수 있다. 상기 냉각판의 외경은 상기 피측정 열전 소자의 외경보다 클 수 있다. 상기 냉각판(124)의 일면은 상기 피측정 열전소자(140)의 일면과 접촉하여 배치될 수 있다. 상기 온도계(125)는 상기 냉각판(124)의 내부 또는 표면에 배치되어 상기 냉각판(124)의 온도를 측정할 수 있다. 상기 온도계(125)는 열전대 또는 서미스터일 수 있다.
상기 냉각 열전 소자(126)는 상기 냉각판(124)과 상기 방열판(128) 사이에 배치된다. 상기 냉각 열전소자(126)는 상기 냉각판(124)에서 열을 빼앗아 상기 방열판(128)에 제공한다. 이에 따라, 상기 냉각판(124)은 냉각되고, 상기 방열판(128)은 가열된다. 상기 방열판(128)은 상기 냉각팬(122)에 의하여 주위의 분위기 온도로 냉각될 수 있다. 상기 냉각판(124)은 상기 피측정 열전 소자(140)의 양면에 온도차를 제공할 수 있다.
상기 방열판(128)의 일면은 상기 냉각 열전 소자(126)의 타면과 접촉하여 배치될 수 있다. 상기 방열판(128)의 타면은 핀(fin) 형태의 구조를 가질 수 있다. 상기 방열판(128)은 알루미늄 재질로 형성될 수 있다. 밀착 수단(127)은 상기 냉각 열전 소자(126)를 사이에 두고 상기 방열판(128)과 상기 냉각판(124)을 서로 밀착시킬 수 있다.
상기 냉각팬(122)은 상기 방열판(128)의 타면과 접촉하거나 이격되어 배치될 수 있다. 상기 냉각팬(122)은 냉각용 팬(123)을 포함할 수 있다.
상기 냉각 온도 조절부(129)는 상기 온도계(125)를 통하여 상기 냉각판(124)의 온도를 측정하고, 상기 냉각판(124)의 온도를 일정하게 유지하도록 상기 냉각 열전 소자(126) 및 상기 냉각팬(122)을 제어할 수 있다. 상기 냉각 온도 조절부(129)는 상기 냉각 열전 소자(126)에 공급되는 전류를 조정하여 상기 냉각판(124)의 온도를 제어할 수 있다. 상기 냉각 구조체는 일체형으로 제작될 수 있다.
상기 가열 구조체(130)는 가열판(134), 상기 가열판(134)과 정렬되어 배치되는 방열판(138), 상기 방열판(138)에 공기를 제공하는 냉각팬(132), 및 상기 가열판(134)과 상기 방열판(138) 사이에 개재되는 가열 열전 소자(136)를 포함한다. 상기 가열판(134)의 일면은 상기 피측정 열전 소자(140)의 타면과 접촉한다. 상기 가열 구조체(130)는 상기 가열판(134)에 부착되어 상기 가열판(134)의 온도를 측정하는 온도계(135), 및 상기 온도계(135)의 온도를 측정하고 상기 가열 열전소자(136) 및/또는 상기 냉각팬(132)를 제어하는 가열 온도 조절부(139)를 더 포함할 수 있다.
상기 가열판(134)은 열전도도가 높은 무산소동으로 제작될 수 있다. 상기 가열판(134)은 판형일 수 있다. 상기 가열판(134)의 일면은 상기 피측정 열전소자(140)의 타면과 접촉하여 배치될 수 있다. 상기 온도계(135)는 상기 가열판(134)의 내부 또는 표면에 배치되어 상기 가열판(134)의 온도를 측정할 수 있다. 상기 온도계(135)는 열전대 또는 서미스터일 수 있다.
상기 가열 열전 소자(136)는 상기 가열판(134)과 상기 방열판(138) 사이에 배치된다. 상기 가열 열전소자(136)는 상기 방열판(138)에서 열을 빼앗아 상기 가열판(134)에 제공한다. 이에 따라, 상기 가열판(134)은 가열되고, 상기 방열판(138)은 냉각된다. 상기 방열판(138)은 상기 냉각팬(132)에 의하여 주위의 온도로 가열될 수 있다. 상기 가열판(134)은 상기 피측정 열전 소자(140)에 온도차를 제공할 수 있다.
상기 방열판(138)의 일면은 상기 가열 열전 소자(136)의 타면과 접촉하여 배치될 수 있다. 상기 방열판(138)의 타면은 핀(fin) 형태의 구조를 가질 수 있다. 상기 방열판(138)은 알루미늄 재질로 형성될 수 있다.
상기 냉각팬(132)은 상기 방열판(138)의 타면과 접촉하거나 이격되어 배치될 수 있다. 상기 냉각팬(132)은 상기 방열판에 분위기 온도의 공기를 제공하는 팬(133)을 포함할 수 있다.
상기 가열 온도 조절부(139)는 상기 온도계(135)를 통하여 상기 가열판(134)의 온도를 측정하고, 상기 가열판(134)의 온도를 일정하게 유지하도록 상기 가열 열전 소자(136) 및/또는 상기 냉각팬(132)을 제어할 수 있다.
상기 측정 장치는 지지 기판(112), 상기 지지 기판(112)에 수직하게 고정된 기둥(114), 상기 냉각부(120)에 고정 결합하고 상기 기둥(114)을 따라 이동 가능한 냉각 이동부(163), 상기 가열부(130)에 고정 결합하고 상기 기둥(114)을 따라 이동 가능한 가열 이동부(168)를 포함한다. 상기 냉각 이동부(163) 및 상기 가열 이동부(168)는 상기 피측정 열전 소자(140)에 일정한 압력을 제공할 수 있다.
상기 기둥(114)은 원형 기둥일 수 있다. 상기 기둥(114)은 상기 냉각부(120) 및 가열부(130)의 정렬 방향과 평행하게 배치될 수 있다. 상기 냉각 이동부(163)는 상기 기둥(114)에 삽입되어 이동할 수 있는 실린더 형태의 원통(161)을 포함할 수 있다. 상기 원통(161)의 내부에는 이동을 원활히 하도록 베어링 블록(미도시)이 장착될 수 있다. 상기 냉각 이동부(163)는 상기 원통(161)이 상기 기둥(114)에 고정될 수 있는 고정 수단(162)을 포함할 수 있다. 상기 고정 수단(162)은 볼트일 수 있다. 상기 냉각 이동부(163)는 상기 냉각판(124) 및/또는 상기 방열판(128)과 고정 결합할 수 있는 연결 수단(169a)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 냉각 이동부(163)가 상기 기둥(114)을 따라 이동함에 따라, 상기 냉각부(120)가 이동할 수 있다.
상기 가열 이동부(168)는 상기 기둥(114)에 결합할 수 있는 제1 가열 이동부(166), 상기 제1 가열 이동부(166)과 상기 기둥(114)을 따라 이격되고 상기 가열부(130)와 고정 결합하는 제2 가열 이동부(164), 및 상기 제1 가열 이동부(166)와 상기 제2 가열 이동부(164)에 사이에 배치되고 상기 기둥(114)을 둘러싸도록 배치되어 상기 제1 가열 이동부(166) 및 상기 제2 가열 이동부(164)에 고정 결합하는 스프링부(165)를 포함할 수 있다.
상기 제1 가열 이동부(166)는 원통 형상일 수 있고, 고정 수단(167)은 상기 제1 가열 이동부(166)를 상기 기둥(114)에 고정시킬 수 있다. 상기 제2 가열 이동부(164)는 원통 형상일 수 있다. 연결 수단(169b)은 제2 가열 이동부(164)과 상기 가열부(130)를 고정결합시킬 수 있다. 상기 연결 수단(169b)는 상기 가열판(134) 및/또는 상기 방열판(138)에 결합될 수 있다. 상기 제1 가열 이동부(166)가 상기 기둥(114)에 고정되는 경우, 상기 스프링부(165)는 탄성력에 의하여 상기 피측정 열전 소자(140)의 양면에 일정한 접촉 압력을 제공할 수 있다.
상기 전류전압 측정부(150)는 상기 피측정 열전 소자(140)에 가변 전압을 공급하는 전원부(152), 상기 전원부(152)에 병렬연결된 전압 측정부(154), 및 상기 전원부(152)에 직렬 연결된 전류 측정부(156)를 포함할 수 있다. 상기 피측정 열전 소자(140)에 온도차 인가되는 경우, 상기 피측정 열전소자(140)는 일정한 전압과 전류를 제공할 수 있다. 그러나, 상기 피측정 열전 소자(140)의 전류전압 특성 곡선을 측정하기 위하여 상기 피측정 열전 소자의 양단에 전원부(152)가 연결된다. 상기 전원부(152)의 출력 전압은 가변될 수 있다. 이에 따라, 상기 피측정 열전 소자(140)에 의한 기전력은 상기 전원부(152)의 출력 전압에 의하여 상쇄 또는 보강될 수 있다. 상기 전원부(152)의 출력 전압을 변경하면서, 상기 피측정 열전 소자의 양단 간의 전압은 상기 전압 측정부(154)에 의하여 측정되고, 상기 피측정 열전 소자(140)를 통하여 흐르는 전류는 상기 전류 측정부(1560에 의하여 측정될 수 있다.
상기 전류 측정부(156)는 표준 저항 및 전압계를 포함할 수 있다. 저항값이 낮은 표준 저항이 상기 전류 측정부(156)의 위치에 배치된다. 상기 표준 저항 양단의 전압이 측정된다. 상기 전류는 상기 전압을 상기 표준 저항의 저항값으로 나누어 산출될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피측정 열전 소자를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 피측정 열전 소자는 제1 세라믹 기판(141), 상기 세라믹 기판(141) 상에 배치된 하부 전극(142), 상기 하부 전극(141)과 전기적으로 연결되고 상기 하부 전극(141) 상에 배치된 열전 구조체(144), 상기 열전 구조체(144) 상에 배치되고 제1 열전 구조체(144)에 전기적으로 연결된 상부 전극(143), 및 상기 상부 전극(143) 상에 배치된 제2 세라믹 기판(147)을 포함할 수 있다. 상기 열전 구조체(144)는 직렬 연결된 한 쌍의 N형 열전 소자(145)와 P형 열전 소자(146)를 포함할 수 있다. 상기 열전 구조체들(144)은 서로 직렬 연결될 수 있다. 상기 제1 세라믹 기판(141) 및 상기 제2 세라믹 기판(147) 사이에 온도차가 인가되는 경우, 상기 열전 구조체들(144)은 기전력을 발생시킬 수 있다. 상기 피측정 열전 소자(140)는 외부로 노출된 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2)를 포함할 수 있다. 전원부(152)는 상기 제1 노드(N1)와 상기 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있다.
도 3은 도 2의 측정 장치에 의하여 측정된 전류전압특성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 피측정 열전 소자의 양면에 일정한 온도차가 유지되는 경우, 전류-전압 특성 곡선은 전원부에 의하여 가변 전압을 인가하면서 측정된다. 이에 따라, y축은 전압 측정부에 의하여 측정되는 측정 전압이며, x축은 전류 측정부에 의하여 측정되는 측정 전류이다. 측정 전압이 영인 지점에서의 전류는 상기 피측정 열전 소자에 의한 기전력을 상쇄시킨 전압에서의 단락 전류(ISC)이다. 또한, 측정 전류가 영인 지점의 측정 전압은 개방 전압(VOC)이 된다.
피측정 열전 소자의 전류전압특성은 전류에 비례하는 전압강하(voltage difference) 특성을 보인다. 또한, 온도차가 증가함에 따라, 상기 전류 및 전압강하는 증가한다. 상기 전압 강하가 전류에 비례하는 경우, 측정 전류(I)와 측정 전압(V)은 다음과 같이 표시된다.
Figure 112010034386649-pat00001
여기서, Voc는 개방 전압이고, Isc는 단락전류이다. 이 경우, 전력은 다음과 같이 표시된다.
Figure 112010034386649-pat00002
최대전력(Pmax)은 단락 전류의 반이 되는 지점에서 발생하며, 그 크기는 다음과 같다.
Figure 112010034386649-pat00003
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 측정 장치는 냉각 구조체(120), 상기 냉각 구조체(120)와 정렬되어 배치되는 가열 구조체(230), 및 상기 냉각 구조체(120)와 상기 가열 구조체(230) 사이에 개재되는 피측정 열전 소자(140)의 전류-전압을 측정하는 전류전압 측정부(150)를 포함한다. 상기 냉각 구조체(120)는 상기 피측정 열전소자(140)의 일면을 냉각하고, 상기 가열 구조체(230)는 상기 피측정 열전소자(140)의 타면을 가열한다. 상기 측정 장치는 상기 피측정 열전 소자(140)에 타면에 복사열을 제공하고, 전류-전압 특성 곡선을 측정한다. 상기 냉각부(120)는 상기 피측정 소자(140)의 일면의 온도가 실온 이하가 되도록 냉각하는 것이 바람직하다.
상기 피측정 열전 소자(140)의 타면은 흡수체(141)로 코팅될 수 있다. 상기 흡수체(141)는 적외선 영역에서 복사율 또는 흡수율이 높은 흑색 페인트일 수 있다.
상기 가열 구조체(230)는 흑체 복사체(234), 상기 흑체 복사체(234)에서 복사되는 광을 통과시키는 일정한 직경의 개구부를 가지는 조리개(232), 상기 피측정 열전 소자(140)의 둘레에 배치되고 상기 흑체 복사체(234)에서 복사되는 광을 가이드 하는 지지 원통(234)을 포함한다. 상기 흑체 복사체(234) 및 상기 조리개(232)는 상기 피측정 열전 소자(140)의 타면에 수직하게 정렬 배치되고, 상기 흑체 복사체(234)의 광은 상기 피측정 열전 소자(140)의 타면에 조사된다.
상기 가열 구조체(230)는 레이저 또는 태양 모사광을 포함하도록 변형될 수 있다.
상기 흑체 복사체(234)는 대략 3000 켈빈의 온도에서 흑체 복사를 할 수 있다. 상기 흑체 복사체(234)의 온도는 적외선 복사온도계(170)를 사용하여 측정될 수 있다.
상기 조리개(232)는 상기 흑체 복사체(234)의 앞에 배치된다. 상기 조리개(232)는 원형의 개구부를 포함할 수 있다. 상기 개구부의 반경(r1) 또는 면적(A1)은 측정될 수 있다. 상기 피측정 열전 소자(140)의 중심축과 상기 개구부의 중심축은 서로 일치할 수 있다. 상기 피측정 열전 소자(140)의 흡수체가 코팅된 면과 상기 조리개 사이의 거리(d)는 상기 코딩된 면에서 복사조도의 공간분포가 균일하도록 충분히 유지한다.
상기 지지 원통(234)은 상기 피측정 열전 소자(140)의 측면에 결합할 수 있다. 상기 지지 원통(234)과 상기 피측정 열전 소자(140)의 접촉 면적은 최소화하는 것이 바람직하다.
상기 측정 장치는 지지 기판(112), 상기 지지 기판(112)에 수직하게 고정된 기둥(114), 상기 냉각부(120)에 고정 결합하고 상기 기둥(114)을 따라 이동 가능한 냉각 이동부(163), 상기 가열부(230)에 고정 결합하고 상기 기둥(114)을 따라 이동 가능한 가열 이동부(168)를 포함한다. 상기 냉각 이동부(163) 및 상기 가열 이동부(168)는 상기 피측정 열전 소자(140)에 일정한 압력을 제공한다.
상기 가열 이동부(168)는 상기 기둥(114)에 고정 결합할 수 있는 제1 가열 이동부(166), 상기 제1 가열 이동부(166)과 상기 기둥(114)을 따라 이격되고 상기 지지 원통(234)과 고정 결합하는 제2 가열 이동부(164), 및 상기 제1 가열 이동부(166)와 상기 제2 가열 이동부(164)에 사이에 배치되고 상기 기둥(114)을 둘러싸도록 배치되어 상기 제1 가열 이동부(166) 및 상기 제2 가열 이동부(164)에 고정 결합하는 스프링부(165)를 포함한다.
상기 가열 이동부(168)는 상기 기둥(114)을 따라 회전 운동하거나 제거될 수 있다. 이에 따라, 상기 지지 원통(234)가 배치된 위치에 적외선 복사온도계(170)가 배치하여, 상기 흑체 복사체(234)의 온도를 측정할 수 있다. 또는 상기 지지 원통(234)이 배치된 위치에서 복사 조도계(미도시)를 설치하여 상기 흑체 복사체(234)의 상기 복사 조도를 측정할 수 있다.
상기 피측정 열전 소자의 발전 효율 계산하기 위하여, 온접점에서 흡수된 열 에너지를 계산하는 방법을 이하에서 설명한다.
상기 온접점에서 흡수된 열 에너지를 저항체와 같은 발열 물질을 사용하는 경우, 정확한 흡수된 열 에너지를 산출하기 어렵다. 따라서, 광을 이용하여 상기 온접점에서 흡수된 열 에너지를 산출하는 방법을 설명한다.
예를 들어, 상기 흡수된 열에너지는 흑체 복사체(234)에 의한 열복사에 의하여 공급될 수 있다.
상기 흑체 복사체(234)의 온도가 T(단위: Kelvin)인 경우, 상기 흑체 복사체(234)의 분광 복사 휘도(L)는 다음과 같이 표시된다.
Figure 112010034386649-pat00004
여기서, Φ는 복사 선속이고, Ω는 입체각이고, A는 면적이고, λ는 파장이고, C1 및 C2는 각각 제1 복사상수 및 제2 복사상수이고, 및 n은 굴절률이다. 여기서 굴절율 n은 1로 가정한다.
상기 흑체 복사체(234) 앞에 배치된 상기 조리개(232)의 개구부의 반지름은 r1이고, 상기 조리개(232)의 면적은 A1이다. 상기 피측정 열전 소자(140)가 원형인 경우, 상기 피측정 열전 소자(140)의 반경은 r2이고, 상기 피측정 열전 소자(140)의 면적은 A2이다. 상기 피측정 열전 소자(140)에 입사하는 분광 복사조도(E)는 다음과 같이 표시된다.
Figure 112010034386649-pat00005
여기서, d는 상기 조리개와 상기 피측정 열전 소자 사이의 거리이다.
상기 피측정 열전 소자(140)의 흡수, 상기 피측정 열전 소자의 표면에서 복사 방출, 및 대류에 의한 열손실을 고려하면, 상기 피측정 열전 소자(140)의 가열면으로 들어가는 복사 출력(Φ)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010034386649-pat00006
여기서, To는 분위기 온도 또는 측정 장치 주위의 온도이고, k는 자연 대류에 의한 손실계수이고, Th는 상기 피측정 열전 소자(140)의 가열되는 면의 온도이고, ε(λ)는 파장에 따른 상기 피측정 열전 소자(140)의 가열면 흡수체(141)의 흡수율이다.
가시 광선 영역에서 근적외선 영역의 흡수율(ε(λ))은 반사율을 측정하여, 흡수율은 1-반사율의 관계를 이용하여 산출할 수 있다. 또한, 근적외선 밖에서의 흡수율은 FT-IR 분광 복사계를 이용하여, 복수율이 측정될 수 있다. 이 복사율은 흡수율에 대응된다.
Th가 분위기 온도와 크게 차이나지 않으면, 상기 피측정 열전 소자의 복사 방출 및 대류에 의한 열손실은 무시할 수 있다. 따라서, 상기 피측정 열전 소자의 가열면으로 입사하는 복사 출력(Φ)은 다음과 같이 근사될 수 있다.
Figure 112010034386649-pat00007
여기서
Figure 112010034386649-pat00008
는 흑체 복사체의 분광 복사 휘도 분포를 고려한 평균 복사율이고, σ는 스테판-볼츠만 상수이다. 상기 흑체 복사체의 온도(T)는 적외선 복사온도계를 이용하여 측정될 수 있다. 상기 복사 출력(Φ)은 이미 측정된 변수를 대입하여 산출될 수 있다.
이 복사 출력(Φ)에 의하여 상기 피측정 열전 소자의 두께 방향으로 온도차가 인가된다. 이어서, 상기 온도차가 안정화되면, 상기 피측정 열전 소자에 제공되는 복사 출력(Φ)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112010034386649-pat00009
여기서, Δx는 상기 피측정 열전 소자의 두께이고, ΔT는 상기 피측정 열전 소자의 양면의 온도차이고, k는 상기 피측정 열전 소자의 두께 방향 열전도도이다.
상기 피측정 열전소자의 가열면에 상기 복사 출력(Φ)이 제공되는 경우, 상기 피측정 열전 소자의 제2 전류전압특성이 측정될 수 있다. 상기 제2 전류전압 특성은 제1 전류전압 특성과 동일한 방법으로 측정될 수 있다. 다만, 이 경우, 온도차는 미지의 변수이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류전압특성을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 6의 전류전압특성을 개방 전압 또는 단락 전류에 따른 온도차로 표시한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 복사 가열에 의한 피측정 열전 소자의 온도차는 이미 측정한 제1 전류전압특성에서 내삽하여 추출할 수 있다. 또한, 단락 전류 및 개방 전압을 추출할 수 있다.
예를 들어, 도 3에서 설명한 제1 전류전압 특성 곡선에 새로 측정한 제2 전류 전압 특성을 표시할 수 있다. 이어서, 단락 전류(Isc) 및/또는 개방 전압(Voc)을 산출하고, 상기 단락 전류(Isc) 또는 개방 전압(Voc)에 따른 온도차(ΔT)를 구할 수 있다. 이에 따라, 수학식 3을 이용하여 최대 전력(Pmax)을 산출할 수 있다.
따라서, 발전 효율(η)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112010034386649-pat00010
또한, 상기 온도차(ΔT)가 구해진 경우, 수학식 8의 상기 피측정 열전소자의 열전도도(k)가 구해질 수 있다.
상기 피측정 열전 소자의 가열면은 흡수율을 증가시키고, 측정 오차를 줄이기 위하여 복사율이 좋은 흡수체로 코팅될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수체의 복사율을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 흡수체의 흡수율 또는 복사율은 3 종류의 물질(NexelTM, AeograzeTM, PyromarkTM )에 대하여 측정되었다. PyromarkTM 가 가장 높은 흡수율을 나타내었다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 4에서 설명한 측정 장치와 동일하다. 다만, 도 4의 측정 장치가 90도 회전하여 배치된 구조를 가진다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 우선, 피측정 열전 소자의 일면은 저온으로 유지되고, 상기 피측정 열전 소자의 타면은 고온으로 유지되고, 상기 피측정 열전 소자의 입력단 및 출력단에 가변 전압을 인가하면서 제1 전류전압 특성을 측정한다(S110).
상기 피측정 열전 소자의 타면에서 흡수되는 흡수 복사 출력이 산출된다(S130).
수학식 4 내지 7을 참조하면, 상기 흡수 복사 출력은 다음과 같이 산출될 수 있다. 우선, 상기 피측정 열전 소자의 타면에 흡수체를 코팅한다(S132). 이어서, 복사체가 상기 흡수체를 조사하고 있는 조건하에서, 상기 흡수체가 코팅된 상기 피측정 열전 소자의 표면의 흡수율을 측정한다(S134). 이어서, 상기 복사체의 복사 온도 또는 복사 조도를 측정한다(S136). 이어서, 상기 복사 온도 또는 상기 복사 조도 및 상기 흡수율을 이용하여 상기 흡수 복사 출력을 산출한다(S138).
상기 피측정 열전 소자의 일면은 저온으로 유지되고, 상기 피측정 열전 소자의 타면은 흑체 복사체에서 복사되는 광을 조사하여 상기 피측정 열전 소자의 입력단 및 출력단에 가변 전압을 인가하면서 제2 전류전압 특성이 측정된다(S140).
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 제2 전류전압 특성을 이용하여 상기 제1 전류전압 특성에서 상기 피측정 열전 소자의 온도차, 개방 전압, 및 단락 전류를 산출한다(S150).
수학식 3을 사용하여, 상기 피측정 열전 소자의 개방 전압 및 단락 전류를 이용하여 상기 피측정 열전 소자의 최대 출력 전력을 산출한다(S160).
수학식 9를 사용하여, 상기 출력 전력 및 상기 흡수 복사 출력을 이용하여 발전 효율을 산출한다(S162).
수학식 8을 사용하여, 상기 피측정 열전 소자의 온도차, 상기 흡수 복사 출력을 이용하여 상기 피측정 열전 소자의 열전도도를 추출한다(S164).
이제까지 본 발명에 대하여 구체적 예를 통해 그 내용을 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
120: 냉각 구조체
130: 가열 구조체
140: 피측정 열전 소자
150: 전류전압 측정부
236: 흑체 복사체
234: 조리개

Claims (17)

  1. 냉각 구조체;
    상기 냉각 구조체와 정렬되어 배치되는 가열 구조체; 및
    상기 냉각 구조체와 상기 가열 구조체 사이에 개재되는 피측정 열전 소자의 전류-전압을 측정하는 전류전압 측정부를 포함하고,
    상기 냉각 구조체는 상기 피측정 열전소자의 일면을 냉각하고, 상기 가열 구조체는 상기 피측정 열전소자의 타면을 가열하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각 구조체는:
    냉각판;
    상기 냉각판과 정렬되어 배치되는 방열판;
    상기 방열판에 공기를 제공하는 냉각 팬; 및
    상기 냉각판과 상기 방열판 사이에 개재되는 냉각 열전 소자를 포함하고,
    상기 냉각판의 일면은 상기 피측정 열전 소자의 일면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 구조체는:
    상기 냉각판에 부착되어 상기 냉각판의 온도를 측정하는 온도계; 및
    상기 온도계의 온도를 측정하고 상기 냉각 열전 소자 및 상기 냉각팬을 제어하는 냉각 온도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 구조체는:
    가열판;
    상기 가열판과 정렬되어 배치되는 방열판;
    상기 방열판에 공기를 제공하는 냉각 팬; 및
    상기 가열판과 상기 방열판 사이에 개재되는 가열 열전 소자를 포함하고,
    상기 가열판의 일면은 상기 피측정 열전 소자의 타면과 접촉하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가열 구조체는:
    상기 가열판에 부착되어 상기 가열판의 온도를 측정하는 온도계; 및
    상기 온도계의 온도를 측정하고 상기 가열 열전소자 및 상기 냉각 팬를 제어하는 가열 온도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    지지 기판;
    상기 지지 기판에 수직하게 고정된 기둥;
    상기 냉각 구조체에 고정 결합하고 상기 기둥을 따라 이동 가능한 냉각 이동부; 및
    상기 가열 구조체에 고정 결합하고 상기 기둥을 따라 이동 가능한 가열 이동부를 더 포함하고,
    상기 냉각 이동부 및 상기 가열 이동부는 상기 피측정 열전 소자에 일정한 압력을 제공하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가열 이동부는:
    상기 기둥에 고정 결합할 수 있는 제1 가열 이동부;
    상기 제1 가열 이동부과 상기 기둥을 따라 이격되고 상기 가열 구조체와 고정 결합하는 제2 가열 이동부; 및
    상기 제1 가열 이동부와 상기 제2 가열 이동부에 사이에 배치되고 상기 기둥을 둘러싸도록 배치되어 상기 제1 가열 이동부 및 상기 제2 가열 이동부에 고정 결합하는 스프링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류전압 측정부는:
    상기 피측정 열전 소자에 가변 전압을 공급하는 전원부;
    상기 전원부에 병렬 연결된 전압측정부; 및
    상기 전원부에 직렬 연결된 전류 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 구조체는 상기 피측정 열전소자의 타면에 복사 출력을 제공하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가열 구조체는:
    흑체 복사체;
    상기 흑체 복사체에서 복사되는 광을 통과시키는 일정한 직경을 가지는 조리개;
    상기 피측정 열전 소자의 둘레에 배치되고 상기 흑체 복사체에서 복사되는 광을 가이드 하는 지지 원통을 포함하고,
    상기 흑체 복사체 및 상기 조리개는 상기 피측정 열전 소자의 타면에 수직하게 정렬 배치되고, 상기 흑체 복사체의 광은 상기 피측정 열전 소자의 타면에 조사되는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 가열 구조체는 흑체 복사체, 레이저, 및 태양모사광 중에서 하나를 포함하는 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    지지 기판;
    상기 지지 기판에 수직하게 고정된 기둥;
    상기 냉각 구조체에 고정 결합하고 상기 기둥을 따라 이동 가능한 냉각 이동부; 및
    상기 가열 구조체에 고정 결합하고 상기 기둥을 따라 이동 가능한 가열 이동부를 더 포함하고,
    상기 냉각 이동부 및 상기 가열 이동부는 상기 피측정 열전 소자에 일정한 압력을 제공하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 가열 이동부는:
    상기 기둥에 고정 결합할 수 있는 제1 가열 이동부;
    상기 제1 가열 이동부과 상기 기둥을 따라 이격되고 상기 가열 구조체와 고정 결합하는 제2 가열 이동부; 및
    상기 제1 가열 이동부와 상기 제2 가열 이동부에 사이에 배치되고 상기 기둥을 둘러싸도록 배치되어 상기 제1 가열 이동부 및 상기 제2 가열 이동부에 고정 결합하는 스프링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 피측정 열전 소자의 일면 상에 코팅된 흡수체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 장치.
  15. 피측정 열전 소자의 일면은 저온으로 유지되고, 상기 피측정 열전 소자의 타면은 고온으로 유지되고, 상기 피측정 열전 소자의 입력단 및 출력단에 가변 전압을 인가하면서 제1 전류전압 특성을 측정하는 단계;
    상기 피측정 열전 소자의 타면에서 흡수되는 흡수 복사 출력을 산출하는 단계; 및
    상기 피측정 열전 소자의 일면은 저온으로 유지되고, 상기 피측정 열전 소자의 타면은 흑체 복사체에서 복사되는 광을 조사하여 상기 피측정 열전 소자의 입력단 및 출력단에 가변 전압을 인가하면서 제2 전류전압 특성을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 흡수 복사 출력을 산출하는 단계는:
    상기 피측정 열전 소자의 타면에 흡수체를 코팅하는 단계;
    상기 흡수체가 코팅된 상기 피측정 열전 소자의 표면의 흡수율을 측정하는 단계;
    상기 흑체 복사체의 복사 온도 또는 복사 조도를 측정하는 단계; 및
    상기 복사 온도 또는 상기 복사 조도 및 상기 흡수율을 이용하여 상기 흡수 복사 출력을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 방법.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 전류전압 특성을 이용하여 상기 제1 전류전압 특성에서 상기 피측정 열전 소자의 온도차, 개방 전압, 및 단락 전류를 산출하는 단계;
    상기 피측정 열전 소자의 개방 전압 및 단락 전류를 이용하여 상기 피측정 열전 소자의 최대 출력 전력을 산출하는 단계;
    상기 출력 전력 및 상기 흡수 복사 출력을 이용하여 발전 효율을 산출하는 단계; 및
    상기 피측정 열전 소자의 온도차, 상기 흡수 복사 출력을 이용하여 상기 피측정 열전 소자의 열전도도를 추출하는 단계 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 소자 특성 측정 방법.
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