펠티어 소자를 이용한 생체 발전기

펠티어 소자를 이용한 생체 발전기

거창한 이름이지만 이미 많은 분들이 연구하고 있는 분야입니다. 현재 생물학적 에너지를 전기로 바꾸는 연구는 대학교나 연구소의 많은 분들이 하고 있지만 우리는 간단한 기성품을 이용한 발전을 생각해 보기로 했습니다.

펠티어 소자란?

feltier

나무위키만 보셔도 충분한 설명이 될 것 같지만… 전기를 흘려주면 소자의 양 측면에 온도차가 발생하는 부품입니다. 이때 뜨거운 부분의 열은 제거해주면 제거하는 만큼 차가운 부분의 온도가 더 떨어지게 되는데요, 이 기술을 이용해 사이즈가 작은 냉장고나 우주에서 사용하는 원자력 전지등에 이용하고 있습니다. 이러한 소자의 열전효과를 이용하면 제백효과(Seebeck effect)라는 것을 확인할 수 있는데요, 펠티어 소자의 차가운 부분에 열을 가하고 발열 부분에서 냉각을 시켜주면 전선을 통해 전기가 흐르게 됩니다.

우리가 실험해 볼 것은 이런 제벡 효과를 이용해 전기를 발전하는 것입니다.

주의 : 열전효과의 효율은 극악하게 낮습니다. 펠티어 소자를 이용해 에어컨을 만들 생각을 하신다면 일찌감치 포기하세요. 이미 해 봤습니다. ㅠㅠ

BOM (Bills of Materials)

  • 펠티어소자 TEC1-12715 (12VDC 15A) 1ea.
  • 사각 방열판 40x40x10mm 1ea.
  • 열전도 양면테이프 1ea.
  • Diode 1N4148TA 2ea. (아무거나 해도 됨)
  • 범용 LED 1ea.
  • 커패시터 1ea. (아무거나. 15V만 넘기면 뭐…;)
  • 저항 1ea.
  • 고무줄 2ea.

엘레파츠에서 다음의 부품을 주문했습니다.

BOM

방열판(히트싱크)는 충분히 넓은 것이 더 좋은 효과를 얻을 수 있겠지만, 이게… 생각보다 기성품 중에 큰 것을 찾을 수가 없습니다. 있어도 가격이 제곱으로 올라가구요. 그래서 펠티어 소자(50x50mm)보다 조금 작지만 40x40mm짜리로 주문했습니다. 그런데 이 방열판은 열전도 양면테이프가 붙어있는 제품이 아니라 집에 없으시면(있을리가 없잖아!) 추가로 구입 하셔야 합니다. 피부에 써멀 그리스가 흘러내리는 고통을 느끼고 싶지 않으시다면요…;

Schematic view

별게 아무것도 없습니다…; 그도 그럴것이 펠티어 소자, 커패시터, 측정도구. 이게 전부이니까요. 일단 계획은 저항과 다이오드 하나를 이용해 약 10분간 발전(?!)한 전기로 LED가 켜지는지 볼 것입니다. 그리고 나서 안되면 발전 시간을 늘려보고요…

회로설계에서 기억하실 것은, 다이오드가 두 개 들어가기 때문에 실제 전압은 11.3V로 커패시터에 들어가고, 다이오드 측에는 10.6V로 간다는 것입니다. 이걸 계산해보면 대략 405Ω의 저항이 필요합니다. 정말 별 것 없는 회로이므로 대충 맞춰서 조립하시면 됩니다.

schematic
정말… 아무것도 없는 회로군요! 스위치도 하나 달아놓기는 했는데 별로 신경쓰지 마셔요. ㅡㅡ; 그럼 본체를 만들어 볼까요?
IMG_1818
주 재료는 이 두가지밖에 없습니다. 기본적으로 작동이 가능할 지 확인해야 하기 때문에 복잡한 회로는 전혀 없고 히트싱크를 펠티어에 잘 붙여서 고정만 하면 끝이지요. 엘레파츠 설명에는 열전도 양면테이프가 포함되지 않았다고 되어 있었는데 제품을 받아보니 양면테이프가 이미 붙어 있었습니다. 펠티어 소자를 사용할 때 주의할 점은 냉각면과 발열면을 헷갈리면 안된다는 것 뿐입니다.
IMG_1820.jpg
이쪽이 발열부 입니다
IMG_1821.jpg
단단하게 잘 고정합니다

끝입니다. 이제 작동시켜 볼까요? 가능하면 사람 몸에서 따뜻한 곳에 붙이는 것이 도움이 될 것 같아 손목 동맥(요골동맥이라고 합니다. 비교적 표면에 있는 동맥이지요) 부위의 위에 위치시켰습니다.

IMG_1822.jpg

…..10mV 가장 따뜻하게 해도 20mV까지 나왔습니다.

….. 택도 없습니다. 원래 디자인대로 다이오드를 사용하려면 최소 0.7V를 넘겨야 하는데 이건 0.02V니 아무것도 되지 않습니다.

다시말해, 이 상태로는 발전은 커녕 회로에 전류가 흐르게도 못한다는 말입니다. 뭔가 다른 방법이 필요합니다.

2차 시도!

처음에는 OP AMP를 사용할까 하다가, 제 지식의 한계로 포기했습니다. 거기다 OP AMP의 경우에는 따로 작동 전원이 필요하니 배보다 배꼽이 더 클 수도 있구요. (아마 이게 정답이긴 한 것 같습니다)

그래서 열심히 구글링을 해보니 Joule thief를 이용해 펠티어 전압을 증폭하는 동영상과 글들이 있었습니다. Joule Thief에 대해서는 좀 더 찾아보시길 바랍니다.

joule_thief_circuit_diagram_schematic
가장 흔히 볼 수 있는 Joule Thief 예시입니다

저는 이 사이트를 참조했습니다. 일단 간단히 만들 수 있는 회로니까 제작을 해봤습니다.

IMG_1827.jpg

인덕터를 하나 뜯어서 준비한 페라이트 코어와 AWG 22짜리 전선 두 개 입니다. 열심히 감아서 회로를 만들었습니다.

IMG_1828.jpg

오른쪽에 NPN 트랜지스터는 음… 100V 25A까지 가능한 파워 트랜지스터(TIP 35C) 입니다.

왜 이걸 썼냐구요…? 죄송합니다 4년전에 주문을 잘못해서 가지고 있던 겁니다. ㅠㅠ

보시면 아시겠지만 브래드보드에 끼울수 없는 사이즈의 부품이라 얼기설기 납땜을 했습니다.

IMG_1831

가운데 빵빵한 커패시터는 나름 전기를 저장하려고 달았습니다. 어떻게 될 지 잘 모르겠지만 멀티미터를 준비하고 음…. 뭔가 이상하지 않나요?

네. 그렇습니다. 한 번 시도해보고 안되길래 방열판을 뜯어 PC 비디오 카드에 붙여버렸습니다. ㅠㅠ 대체할 만한 것을 찾다가 10T짜리 알루미늄 판을 방열판으로 쓰기로 했죠.

IMG_1832
커패시터 부위
IMG_1833
펠티어 부위

네…. 차이 없습니다. 5mV차이가 있어 보이지만 눈속임 입니다. 거의 오차범위니까요.

그다지 의미가 없다는 것을 느끼다 새로운 사실을 발견했습니다. 방열용량이 커지면 커질 수록 전압이 올라간다는 사실이었습니다.

결론

일단 제 시도는 실패했습니다. 12V 15A짜리 대용량 펠티어를 써봤지만 아무 의미가 없었습니다. 설령 OP AMP를 쓴다고 하더라도 생산되는 전력에 비해 소비되는 전력이 더 높을 수도 있을거라는 생각이 들었습니다. 다음은 제가 결론 내린 것입니다.

  • 펠티어 소자의 발전용량은 소자 양측면의 온도차에만 영향을 받는다. 최대효율을 보이려면 소자 양측면의 온도차를 70℃로 꾸준히 유지시켜줄 필요가 있다
  • Joule Thief회로는 굳이 필요없다
  • 소자에 접한 피부는 초기 온도가 아무리 높아도 일정 시간이 지나면 항정상태(일정 온도에서 평형을 이룸)를 이루기 때문에 시간이 지남에 따라 발전 전압이 떨어진다

뭐… 약간의 기대를 하고 시작하기는 했지만 보시다시피 실패했습니다. ㅠㅠ

이번 테스트를 위해 이리저리 구글링 하면서 ‘아, 잘 안되겠구나’ 하는 생각을 했지만 진짜 안되는 것을 보니 조금 씁쓸하기는 하네요.

현재 펠티어 소자는 크게 두 가지 분야에서 활용되고 있는 것 같습니다.

첫째는 펠티어 효과를 이용해 냉각기로 사용하는 곳이 있고요, 둘째는 제백 효과를 이용해 발전기로 사용하는 부분입니다. 양쪽 다 효율은 극악한 것이 사실이고요, 낮은 에너지 효율에도 불구하고 반드시 필요한 곳에서 사용하고 있다고 합니다. 조금 재미있는 것은 제백 효과를 이용한 캠핑용 발전기가 상당히 많이 나와 있다는 것입니다.

나중에 한번 찾아보시길 권합니다.

그럼 전… 음…. 남아버린 펠티어 소자를 어떻게 활용해야 할 지 고민좀 해보겠습니다.

이만 총총

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