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알카리메탈 순환을 이용한 열-전기변환기술 AMTEC


AMTEC(Alkali Metal Thermal to Electric Converter) 기술은 연료전지, 태양광셀, 열전모듈 및 금속유체를 이용하여 고온폐열, 태양열과 같은 열에너지를 직접 전기로 변환시키는 기술이다. 




우주용 전력생산의 응용뿐 만 아니라 지상용으로 개발이 신속히 이동하고 있으며, 지상용으로는 자가발전로, 열병합 발전 유니트, 고속 도로 위험표시 등, 휴대용과 장거리 전력 시스템에 광범위하게 사용 가능


1962년 미국 포드(ford)社에서 전기자동차의 전원공급장치로 활용하기 위해 Joseph T. Kummer가 처음 제안했고, 

1966년 Neil Weber와 함께 개발한 소듐열엔진(SHE, sodium heat engine)이 시초이다. 


1. 기술 개요

금속 지지체를 통한 고효율 AMTEC 발전 

고체 전해질이 금속 지지체에 막의 형태로 형성되어 있기 때문에 내부 압력을 높일 수 있어 운전압에 안정 성을 가지며 또한 열전환 발전의 운전 과정에서 발생하는 열충격에 내구성을 가지게 됨. 따라서 열 및 기계 적 충격에 강하여 열변환 발전 셀의 파손 위험이 작아지게 되고 내구성 및 안정성이 커지게 되고, 박막으로 형성하여 저항이 줄어들어 효율을 높일 수 있으며, 열변환 발전 셀을 사용하여 모터, 엔진, 구동부가 없는 발 전기 제작이 가능하고, 소음 발생이 적고 가벼우면서 경제성 있고 높은 효율을 갖는 발전기 제작이 가능함 


금속 지지체를 통한 고효율 AMTEC 발전 

•기술의 내용 : Alkali-metal thermal-to-electric converter(AMTEC) 열-전기 변환기술 개발을 위한 

 - 세라믹 소재 기반 AMTEC 유닛셀 제조기술 

 - 스택 및 모듈화 기술 

 - 시스템 설계 및 운전기술


• Na 증기는 저압영역의 응축기 내표면에서 냉각에 의해 응축되어 모세관윅에 의해 증발기로 이동하여 증 발기에서 다시 증기상태로 변하는 과정을 반복하게 되며 증발기의 온도는 900~1,100K 범위에 있고 응축 기의 온도는 500~600K가 되는 것이 일반적이며, AMTEC의 열변환 전기발생 효율은 40%까지 가능함


• AMTEC에서 전기를 생산하는 과정을 구체적으로 살펴보면, Na 증기가 열원에 의해 고온·고압인 증발기 에서 증기상태로 변하여 Na+이 베타 알루미나 고체전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte : BASE)로 통과하고, 자유전자들은 음극(anode)으로부터 전기부하로 통과하여 양극(cathode)으로 돌아와서 저온·저 압 영역의 베타 알루미나 고체전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte : BASE)의 표면에서 나오는 이온과 재결합하여 중성화되는 과정에서 전기를 발생함 


•기술의 용도 : 600~800℃의 열원을 직접 전기에너지로 변환해주는 발전기술


2. 기술특징 및 경쟁기술과의 차별성 

•Na 이온 전도성 beta-alumina를 전해질로 사용 

•고온부 증발된 Na이 다공성 윅의 모세관력에 의해 순환하여 재공급되는 원리를 이용함 

•모터, 터빈 및 피스톤과 같은 구동부 없이 열을 직접 전기로 변환 

•Na이 순환하여 열원만 있으면 별도의 충진 작업 없이 발전이 가능함


3. 단점 및 한계

열변환효율이 20%대로 낮고, (최고효율은 40%까지 가능하다고 보고 있음)

폐열회수용으로 경제성이 낮음. 


4. 작동원리

[각주:1]





참고문헌

[1] 한국에너지기술연구원 기술사업화실 기술소개 자료


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2017. 01. 18 작성



  1. http://www.mpoweruk.com/amtec.htm [본문으로]

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