펠티어 소자는 증기압축식보다 효율이 좋다

 

 

 

 

 

 

 

 

소자들을 직렬로 연결하는대신 전압을 올려서 출력을 올리면 기하급수적으로 올라간다

 

 

다만 일반적인 에어컨에 쓰이는 증기압축식 과 달리 규모에 대해 소자가 비싸 가정용으로 쓰이지 않는 편. 

효율이 낮다는 잘못된 소문이 있는데 이건 옴의 법칙을 이용해서 소자 여러개를 병렬로 연결하는 식으로 저항값을 조절해 전압과 전류를 조절하면 효율이 올라간다. 

전류가 낮을수록 COP(냉방효율)이 급격하게 오르기 때문. 

그래프로 보면 거의 무한대에 가깝게 올라가는데 이는 줄의법칙때문에 전류를 늘리면 발열량은 제곱으로 늘어나기 때문에 그렇다.

그래서 규모를 키우면 효율이 올라가긴 하지만 손톱만한 소자도 만원가까이 하기때문에 일반적인 에어컨을 고효율로 구현하기 위해 규모를 키우면 수백만원이 들어가서 상업성이 없기때문에 사용하지 않을뿐 최대효율 자체는 증기압축식은 명함도 못 내밀정도로 높다

 

난방을 대상으로 하면 엄청난 진가가 드러난다. 전기난로는 효율이 100%이므로 100W를 투입하면 100W(J/s)수준의 열이 나오지만 COP 1.7로 맞춰서 100W를 썼다고 가정하면 난방은 170W(J/s) 수준이 나온다. 어떻게 이런 열역학법칙을 위배하는듯한 현상이 발생하느냐면 기존 난방장치는 가진 에너지를 열로 바꾸는 것이기에 투입된 에너지를 절대 넘을 수 없지만, 펠티어 소자는 반대편에 존재하는 열에너지를 이쪽으로 끌어오는 것이기 때문에 투입된 에너지보다 더 많은 열을 낼 수 있다.

 

어째서 COP 1.7로 맞춘다는 두리뭉술한 표현을 사용했냐하면 COP는 온도차와 전류량, 대류, 소자크기 등에 영향을 받기 때문이다. 조건만 맞는다면 COP8은 우습게 넘는다.

 

증기압축식 냉동기와 비교하여 보면 펠티어 소자가 증기압축식 냉동기보다 최대 COP가 높고, 기계식 부품이 없다.

 

펠티어 소자가 효율이 나쁘다는 인식이 있는데 그 이유는 펠티어소자는 크기가 클수록 전류가 낮아지고, COP가 높아지는데 소자 자체의 높은 단가로 인해 손바닥만한 초소형 소자에 출력을 조금이라도 올려보겠다고 전류를 미친듯이 때려박기 때문에 COP가 낮아지게 된다. 하지만 그렇다고 펠티어소자 자체가 증기압축식보다 효율이 낮은것은 아니다. 증기압축식 또한 펠티어소자처럼 손가락만한 크기로 바꿔서 500w로 소비전력을 올리면 COP가 0.1도 나오지 않는다. COP가 장비규모에 커다란 영향을 받기 때문에 냉장고와 에어컨 모두 거대한 압축기가 달려있는것이다. 규모에 상관없이 에너지 효율이 고정되었다면 우리는 손톱만한 크기의 에어컨에 2000w를 때려넣어서 냉방을 하고 있었을것이다.

 

증기압축식은 가스, 관, 모터 세개만 있어도 굴러갈정도로 구조가 워낙 단순하다보니 손으로도 제작할수 있을정도이며 그 덕분에 매우 저렴하여 동일 비용대비 무게와 부피 출력 모두 수십배는 된다. 펠티어 소자는 PN반도체를 셀단위로 수백수천개를 박아야하는데다가 귀중한 실리콘 잉곳이 필요하다 보니 첨단장비가 필요하고 비용이 어마어마하게 들어간다.

 

현재는 높은 단가로 인해 주목받지 못 하지만 기술이 발전하여 냉장고나 에어컨에 사용할 수 있는 대형 소자를 저렴하게 제조할 수 있을 정도가 되면 SSD가 하드디스크를 밀어낸것처럼 저소음과 높은 COP로 증기압축식을 밀어낼 가능성이 있다.

 

 

COP 이야기가 나왔으니 더 해보자. 위에서 설명했듯 COP는 장비규모에 제일 커다란 영향을 받는다. 증기압축식이든 펠티어든 그냥 크게 만들면 그녀석이 효율이 더 좋다. 하지만 내가 증기압축식보다 효율이 더 좋다고 이야기 하는것은 증기압축식의 물리적인 한계 때문이다. 이녀석은 자기장을 동력으로 바꾸고 이 동력으로 마찰력을 이겨내면서 압축과 팽창을 만들어내고 대류시켜 열교환을 만들어낸다. 여기서 모터또한 대형화할수록 에너지 효율이 올라가는데 모터는 무거워질수록 마찰력이 커지고 따라서 올릴수 있는 에너지효율에도 한계가 있으며 구동할수 있는 최소한의 에너지가 높아져 일정이상 커지면 무조건 고출력만 사용가능하게 된다.

그래서 펠티어 소자와는 근본적인 차이가 있는것이다. 

 

몰론 펠티어도 반도체라는 특성상 문턱전압 0.7v가 제약을 걸기는 하나 이것은 정말 사소한 문제이므로

 

반도체 생산설비가 날이갈수록 늘어나고 있으므로 늦어도 21세기 후반에는 부자들은 펠티어 에어컨

서민들은 증기압축식 에어컨을 사용하는식으로 나뉠것이다

 

 

 

 

 

 

 

 

일부 내용들은 위키에도 써져있을것인데 내가 써넣은것이다

 

 

 

 

 

 

 

관련링크

 

http://happyco.kr/img/306.pdf

 

 

https://thermalbook.wordpress.com/cop-of-a-thermoelectric-cooler-tec/

 

https://thermalbook.wordpress.com/thermoelectric-cooler-performance-calculator/comment-page-1/

 

 

https://www.meerstetter.ch/customer-center/compendium/71-peltier-element-efficiency