2.1 가돌리늄 기반의 TM변환시스템

TM변환시스템은 회전체와 회전체에 균등한 간격으로 설치된 16개 가돌리늄 블록 그리고 막대 모양의 영구 자석으로 구성된다. 120° 간격으로 설치되어 있는 3개의 물 공급 노즐은 온수(표층수)와 냉수(심층수)를 분사하여 TM변환시스템을 구동시킨다. Fig. 1은 가돌리늄 기반의 TM변환 시스템의 개략도를 보여준다. 개략도에서 확인할 수 있듯이, 온수를 공급하는 노즐은 막대 모양의 자석 중앙의 가돌리늄 위쪽에 배치되고 두 개의 냉수 공급 노즐은 반대쪽에 배치되었다. 냉수 공급에 의해 가돌리늄의 온도는 퀴리온도 아래도 떨어져 강자성이 되어 자석으로 끌려오게 되고 온수 공급에 의해 가돌리늄의 온도는 퀴리 온도 이상으로 상승하여 상자성이 되어 회전 운동을 하게 된다. 이러한 주기적인 회전 운동이 반복되어 TM변환시스템은 지속적으로 구동 된다.

Fig. 1 Schematic diagram of a thermomagnetic engine.

2.2 하이브리드 발전시스템

본 연구에서는 디스크 형태의 전자발전기(Electromagnetic generator)와 압전소자를 이용한 압전 발전기(Piezoelectric generator)를 연계하여 하이브리드 발전시스템을 제작하였다.

전자발전기는 TM변환시스템의 로우터에 연결되어 회전하는 회전자와 발전시스템에 고정되어 있는 고정자로 구성되며 Fig. 2는 디스크 형태의 전자발전기를 보여준다. 회전자는 12개의 원통형 자석이 극성이 교차된 상태로 부착하였으며 고정자에는 12개의 코일을 직렬로 연결하여 부착하였다.

압전 소자는 압력을 가하면 전압을 발생 시키는 압전 효과를 가지고 있다. 이러한 특성을 활용하기 위하여 본 연구에서는 Measurement specialties사의 LDT4-028K/L 압전 필름을 사용하여 압전 발전기를 제작하였다. 압전 필름은 유연하며 압력을 가할시 진동에 의해 출력을 발생시킨다. 압전 발전기는 가돌리늄 블록과의 상호작용을 위하여 압전 필름 끝 부분에 원통형 자석을 부착하였으며 가돌리늄 블록이 온도차에 따라 자성이 변하게 되면 끝 부분에 부착된 원통형 자석과 상호작용에 의해 진동이 발생되며 이로 인해 출력이 발생된다. Fig. 3은 압전 필름과 원통형 자석으로 구성된 압전 발전기를 보여준다.

Fig. 2 Design of a electromagnetic generator: (a) Rotor part, (b) Stator part.

Fig. 3 Design of a piezoelectric generators.

2.3 역자기열량효과 발전시스템

역자기열량효과 발전시스템은 가돌리늄 기반의 TM변환 시스템과 하이브리드 발전시스템을 연계한 시스템이다. TM변환 시스템 로우터에 부착된 가돌리늄 블록은 공급되는 온수와 냉수에 의해 자기장 세기가 변하며 자석과의 상호작용으로 회전된다. 전자발전기 중 회전자는 로우터와 기어로 연결되어 있으며 로우터의 회전에 의해 함께 회전되며 출력을 발생시킨다. 압전 발전기는 원형 자석이 부착된 부분을 로우터에 부착된 가돌리늄 블록과 전자발전기의 원형자석과 상호 작용하도록 배치하였으며 총 20개의 압전 필름을 사용하였다. 압전 발전기는 가돌리늄 블록과 전자발전기의 원형 자석의 상호작용에 의해 압력이 가해지며 진동이 발생하고 출력을 발생시킨다. Fig. 4와 Fig. 5는 TM변환 시스템과 하이브리드 발전 시스템을 연계한 개략도와 실제 제작된 역자기열량효과 발전시스템을 보여준다.

Fig. 4 Schematic diagram of a magnetocaloric effect power generation system.

Fig. 5 Magnetocaloric effect power generation system.

3.1 TM변환시스템

TM변환시스템은 냉수 온도를 18.5℃로 일정하게 유지한 상태로 온수의 온도를 지속적으로 상승시키며 온도차에 따른 회전 속도를 측정하였다. Fig. 6은 온수와 냉수의 온도차에 따른 로우터의 회전속도를 보여준다. 그림에서 확인할 수 있듯이 TM변환시스템은 온수와 냉수의 온도차가 4℃일 때 70 RPM으로 구동되기 시작하였으며 온도차가 45℃일 때 회전속도 228 RPM로 최대값을 나타내었다. 온수와 냉수의 온도차가 4℃에서 6.5℃로 올라갈 때 로우터의 회전속도가 급격히 증가함을 보여주고 있는데 이러한 현상은 가돌리늄 블록의 온도가 퀴리온도일 때 역자기열량효과가 극대화되어 회전속도가 급증한 것으로 보여진다. 또한, 온도차가 45℃ 이후에 로우터의 회전속도가 감소함을 알 수 있다. 이는 로우터의 회전속도가 증가함에 따라 로우터에 부착된 가돌리늄 블록이 온수와 냉수에 의해 온도차가 더 이상 증가하지 않기 때문으로 사료된다.

Fig. 6 Variation of rotational speed with temperature differences.

3.2 역자기열량효과 발전시스템

역자기열량효과 발전시스템의 성능은 해수온도차 적용성을 확인하기 위하여 온수의 온도를 25℃, 냉수의 온도를 18.5℃(온도차 6.5℃)로 고정하여 진행하였으며 이때 로우터의 회전속도는 130 RPM이다.

Fig. 7과 Fig. 8은 각각 압전 발전기와 전자발전기의 출력 성능을 보여주고 있다. 압전 발전기의 경우 최대 8 V의 개방 회로 전압과 8.2 ㎂의 단락 전류를 생성하였고 전자발전기는 최대 2 V의 개방 회로 전압과 6 ㎃의 단락 전류를 생성하였다. 두 발전기의 출력 특성 비교 시 압전 발전기는 전자발전기에 비해 높은 전압을 생성하나 전류의 출력이 매우 낮은 것을 확인할 수 있으며 이러한 결과는 압전 필름의 고전압 저전류 특성을 보여준다. 또한, 압전 발전기의 경우 전자발전기에 비해 발생되는 출력이 불안정한 것을 확인할 수 있다. 전자발전기는 TM발전기 로우터에 직접적으로 연결되어 회전하므로 출력이 일정한 반면 압전 발전기는 자기장과의 상호작용으로 출력이 일정치 못한 것으로 사료된다.

Fig. 7 Power output by Piezoelectric generator.

Fig. 8 Power output by electromagnetic generator (EMG).