무집광 태양광·열전 발전 통합 시스템의 이론적 최고 효율

초록

본 논문은 태양광을 직접 전기로 변환하는 PV와 열을 전기로 변환하는 TEG를 무집광 조건에서 결합한 두 가지 구조(백면 결합형과 파장 분할형)의 이론적 최대 효율을 분석한다. Shockley‑Queisser 한계와 TEG의 전기·열적 성능 지표 zT를 이용해 이상적인 경우 효율 상승폭이 결합형 4.5 pp, tandem형 1.8 pp에 불과함을 보였으며, 실제 PV 온도계수와 실현 가능한 zT 값을 적용하면 이득은 더욱 미미해진다. 결합형에서는 zT 가 일정 임계값 이상이어야 PV 단독보다 효율이 높아진다.

상세 분석

이 연구는 무집광(1 sun) 태양복사 하에서 PV와 TEG를 동시에 활용했을 때 얻을 수 있는 이론적 효율 상한을 정량화한다. 두 시스템 구성을 각각 ‘combined’(PV 뒤에 TEG 부착)와 ‘tandem’(파장 선택적 분광기 후 PV와 TEG에 분배)으로 정의하고, 각각에 대해 열·전기 평형식을 수립하였다. PV는 Shockley‑Queisser(SQ) 한계에 기반해 밴드갭(λ_SQ)별 효율 η_PV(λ_SQ,T) 를 사용했으며, 온도 의존성을 β % K⁻¹ 로 모델링하였다. TEG는 전기·열 전도도, Seebeck 계수, 전기 전도도를 결합한 전력지표 zT 로 표현하고, 효율 η_TEG는 일반적인 열기관식
η_TEG = (T_H−T_C)/T_H · √(1+zT)−1 /