에너지변환특론
Advanced Energy Conversion
Chapter 8. Stirling Engine System
교수 박 수 한
Fall semester, 2014
Introduction of Stirling Engine
• 발명자 : Robert Stirling (1816년 첫 특허)
• 피스톤, 실린더로 이루어진 공간 내에 헬륨, 수소, 질소 등의 작동가스를 밀봉하고, 이를 외부에서 가열, 냉각시킨으로써 발생하는 피스톤의 운동을 통해 기계적인 에너지를 얻는 외연기관.
온도 증가 → 부피 팽창
온도 감소 → 부피 축소
Introduction of Stirling Engine
Advantage of Stirling engine
• 높은 열효율 : 스털링 엔진은 현재 존재하는 모든 엔진 종류에서 가장 뛰어난 열효율을 보이는데, 이것은 스털링 엔진에 재생기에 의한 열회수와 외부로 공기를 배출하지 않는 폐쇄형 사이클이기 때문.
• 이용 가능한 외부 열원의 다양성 : 외연기관인 스털링 엔진은 그 연료로 가스와 휘발유 등 통상의 연료 외에 석 탄, 나무 등 고체연료의 이용이 가능하며, 열 에너지를 가지고 있는 태양광 등도 이용이 가능
• 낮은 오염 배출 : 같은 연료를 태워도 스털링 엔진은 연소 제어기술을 이용할 경우, 오염된 가스의 배출을 적게 할 수 있음. 이는 스털링 엔진은 외연기관 특성상 연속적으로 연소를 일으키는 반면, 자동차 엔진 등 내연기관은 불연속 연소(흡기, 압축, 폭발, 배기, 4과정 그러나 연소는 폭발 1과정 뿐)를 하므로 불완전 연소와 고온 연소에 의한 오염물질 배출이 높음
• 조용함 : 스털링 엔진은 폐쇄 사이클의 외연기관으로 압축된 내부의 공기가 기관 밖으로 배출되지 않음. 연소 시 사용되는 공기만 배출되는데, 이 경우 압축과 폭발 과정이 없어 상대적으로 조용.
Ideal Stirling Cycle
실제 사이클에서 모든 내적 비가역성과 복합성을 제거하면, 실제 사이클과 매우 유사하지만 모두 내적 가 역 과정으로 구성되는 사이클을 얻게 된다. 이러한 사이클을 이상 사이클이라 한다.
스털링 사이클은 스털링 엔진의 2개의 등온과정, 2개의 등적과정으로 만들어지는 스털링 엔진의 동작 사이클, 이론상 카르노 사이클에 가장 가깝게 만들어지는 것으로 알려져 있음.
ln
: Hot end temp, : Cold end temp, : Max volumes, : Min volumes : mass of gas, R : gas constant
위 공식은 이상 스털링 사이클에서만 유효
( : cyclic frequency) ; 엔진의 파워 유추
Ideal Stirling Cycle
Ideal Stirling Cycle
가열부의 기체가 열가열과정
에 의해 뜨거워짐 피스톤이 냉각부를 압압축과정
축해 냉각된 기체를 가열부로 보냄
가열부의 기체가 냉각냉각과정
부로 이동하여 냉각됨
충분히 가열된 기체팽창과정
는 팽창압을 동반
Introduction of Stirling Engine
• 스털링 사이클의 작동과정
Introduction of Stirling Engine
• 스털링 사이클의 작동과정
스털링사이클: 등온팽창, 정적냉각, 등온압축, 정적가열의 4개 사이클로 이루어짐.
이론적으로 카르노 사이클과 동등한 열효율을 가짐.
Classification of Stirling Engine
• 알파형 (α‐type)
-. 두 개의 피스톤. 각각 실린더에 하나의 피스톤.
-. 실린더는 각각 고온부와 저온부에 위치함.
-. 공기통로로 연결되어 있으며, 중간에 재생기가 있음.
※ Animation:
http://www.animatedengines.com/vstirling.html
• 베타형 (β‐type)
-. 하나의 디스플레이서 피스톤과 하나의 파워피스톤.
-. 한 실린더 양쪽에 가열부, 저온부가 있음.
-. 디스플레이서 피스톤은 고온부, 저온부를 왕복.
-. 하나의 실린더에 두 개의 피스톤이 있어 동력전달과정이 다소 복잡함.
Classification of Stirling Engine
• 감마형 (γ‐type) ‐ 기본형
-. 디스플레이서 실린더에 디스플레이서 실린더 설치 & 파워 실런더에 파워 피스톤 설치.
두 실린더 사이를 공기배관으로 연결 혹은 직접 연결.
-. 알파, 베타형에 비해 다양한 형태로 변환이 용이함.
Classification of Stirling Engine
• 감마 디스플레이서형 (γ displacer‐type) ‐ 기본형
-. 디스플레이서가 일반적인 감마형에 비해 매우 크고, 상하판이 큰 납작한 원통모형.
파워피스톤이 작음.
-. 저온도차 스털링엔진 (Low temperature Stirling Engine)으로 100도 미만의 고온과 저온의 온도차에서 주로 이용됨.
Classification of Stirling Engine
• 그 외 다양한 감마형 (γ‐type) 스털링 엔진
-. 원주 모형의 디스플레이서 일부를 잘라 내어 공기가 들어갈 수 있는 공간을 만들어 줌.
회전하는 로터리형 디스플레이서가 공기를 고온부와 저온부로 이동하도록 함.
-. 디스플레이서 피스톤이 왕복운동을 하지 않으므로 생성된 에너지를 플라이휠이 아닌 로터리 디스플레이서 자체에 저장 가능.
Classification of Stirling Engine
• 그 외 다양한 감마형 (γ‐type) 스털링 엔진
Classification of Stirling Engine
• 그 외 다양한 감마형 (γ‐type) 스털링 엔진
-. 파워피스톤의 수축과 팽창이 디스플레이서 실린더를 기울게 하고, 기우는 방향으로
디스플레이서 역할을 하는 구슬이 움직여 공기를 반대 방향으로 움직이게 함. 공기가 이동할 때 마다 피스톤이 수축하거나 팽창하며 지속적으로 구슬을 다시 반대방향으로 돌림.
Classification of Stirling Engine
• Free Piston Type
-. 디스플레이서 피스톤과 파워피스톤이 기계적으로 연결되어 있지 않아 (Free) 프리피스톤 방식이라 불림.
-. 동작을 연결하는 기계적 구조가 없어, 제어가 어렵고, 동작의 범위를 제어하는 기술도 어렵다. 대신 크기가 줄어드는 장점이 있음.
-. 내부 밀폐를 하기 용이하여 가스누설이 적고, 기계적 수명이 개선되는 장점이 있음.
Classification of Stirling Engine
• 기타
-. 2피스톤 방식의 더블액팅 방식, 플루다인 방식
-. 디스플레이서 방식 : 링봄 방식, 마티니 방식, 베인 로터리 방식
-. 열 음향 방식, 라미나 플로우 방식 (디스플레이서 없고, 파워피스톤 하나) -. 델타 방식 (디스플레이서 피스톤 하나에 파워피스톤 2개)
Application Field with Stirling Engine
• 태양열을 이용한 스털링 엔진 발전 시스템
; 지구에 도달하는 전체 태양에너지의 2%만 에너지로 전환하여도 전 인류가 사용할 충분한 에너지가 되는 것으로 보고됨.
Application Field with Stirling Engine
• 가정용 소형 발전 시스템 (m-CHP)
; 가정에서 난방을 하는 잉여 열로 난방과 동시에 전기를 생산하여 난방기의 효율을 상승 시킴.
Application Field with Stirling Engine
• 스털링엔진 자동차와 하이브리드 전기자동차 시스템
; 기존 내연기관을 스털링엔진으로 대체 가능.
; 대체할 경우 소음과 환경오염물질 배출을 줄을 수 있음.
; 하이브리드 엔진 시스템과 결합 가능.
Application Field with Stirling Engine
• 스털링 냉동기
; 냉매가스를 사용하지 않고, 냉각기능을 이용할 수 있음.
; 냉장고, 에어컨, 냉각기 등에 이용 가능
Application Field with Stirling Engine
• 스털링 히트 펌프 난방기
• 폐열회수
; 각종 공장, 가정 등에서 사용한 폐수, 보일러 등의 배기가스 등에 포함되어 있는 열을 회수하여 에너지로 전환.
• 우주에서 이용
; 우주에서는 태양빛이 미치는 곳과 미치지 않은 곳의 온도차가 큼. 이 온도차 이용. NASA 기술 보유.
• 잠수함의 AIP 시스템 (공기 독립 추진 시스템)
• 컴퓨터 mother-board의 쿨러
국외연구동향
• 태양열을 이용한 FPSE 발전시스템 연구개발
• INFINIA Corporation, 30kW급 Solar dish engine 개발.
- double acting multi-cylinder FPSE - 6기통 방식
- No FPSE displacer
국외연구동향
• 미국의 Sunpower 社, Infinia 社, 뉴질랜드의 Whisper Tech 社, 독일의 SOLO
Kleinmotoren社 등이 다양한 형태의 스털링엔진 원천기술을 확보하고 있으며 상용화에 근접한 기술/신뢰 수준을 확보하고 있음.
• 이 중 Sunpower, Infinia, Whisper Tech 등은 1kW 급 스털링엔진 제품기술 보유
• 네덜란드의 Microgen Engine 社가 Sunpower의 원천기술을 이용한 엔진 상용화에 성공.
국외연구동향
• 스웨덴의 Cleanergy, 독일의 Eurodish에서는 전기출력 2~9kW의 바이오가스, LNG 가스, 태양열을 이용한 Solo 사의 스털링 열병합발전시스템을 제작하여 상용화 진행 중.
• 독일의 CastleSolar 에서는 WhisperGen 스털링엔진을 이용하여 태양광, 태양열과 단독주택에 전기, 난방, 온수를 공급하려는 계획 수립 중.
국외연구동향
• 액체 및 기체연료를 사용하는 직류 및 교류발전용 스털링엔진/발전기 개발
• 알파형 스털링엔진 구조의 변형방식은 4실린더 방식, double-acting kinematic 방식
• 질소가스를 작동유체로 이용 (통상적인 밀봉구조 적용을 위해), 충전압력 28bar
• 1kW급 시스템의 경우 상대적으로 큰 설치공간 요구. 100kg 등
국외연구동향
• 1974년 FPSE의 상용화를 위해 설립.
• 비접촉방식 가스베어링 및 플렉셔 (flexure) 베어링 채택한 FPSE와 이동자석형 선형발전기를 채택한 수십 W ~ kW급 FPSE 개발
• 광범위한 운전영역에서 30%에 이르는 높은 효율 (그림 3.8)
국내연구동향
• 1990년대 초반 일부대학, 연구소에서 기초연구 수행(표 1.1), 그러나 후속연구가 수행되지 않아 선진국과 기술격차가 매우 큼. 개발 경험이 부족한 실정.
• 한국기계연구원에서 압축과 팽창이 연속적인 스크롤 압축기와 스크롤 팽창기를 이용한 신형식 스털링엔진 연구 수행.
• 주로 열병합발전식 FPSE에 대한 연구가 이루어짐. 1kW급 연구가 대부분임.
FPSE (Free Piston Stirling Engine)
• 스털링엔진 : 디스플레이서, 파워피스톤, 재생기, 가열기, 냉각기, 기구부 등으루 구성
• 밀폐된 작동기체의 가열과 냉각에 의한 등온팽창, 등적냉각, 등온압축, 등적가열 사이클.
• FPSE:
0. 기존 스털링엔진에서 두 피스톤의 운동을 구속하는 기구부 제거, 진동시스템 구성하여 시스템의 단순화 및 무게/크기 감소 시킨 형태.
0. 하나의 실린더에 왕복 피스톤, 왕복 변위기, 선형발전기 구성.
왕복 변위기를 가로질러 온도차를 유지하고 질량-스프링 시스템에 의해 공진주파수로 작동
<Single Acting 방식의 FPSE>
FPSE (Free Piston Stirling Engine)
• Displacer와 cylinder 사이 공간의 얇은 틈은 유체가 지나가면서 재생열을 교환하게 하는 역할을 함.
• FPSE는 최소한 한 개의 왕복운동 요소를 갖고 있음.
• Reciprocator가 SHM (simple harmonic motion)을 하는 경우 FPSE를 공명 엔진이라 함.
• 비공명 (non-resonant)의 경우 증속구동으로 인해 과열과 굉음을 유발하는 엔진이 되어 피해야 함.
향후 일정.
10월 28일(화) : Biodiesel Combustion and Engine Application (4교시) 10월 30일(목) : Biodiesel Combustion and Engine Application (4교시)
11월 4일 (화) : Bioalcohol (bioethanol, biomethanol 등) Combustion and Engine Application (3, 4교시) 11월 6일 (목) : 11월 4일로 수업으로 병합
11월 11일 (화) : Stirling Engine System 11월 13일 (목) : 11월 11일으로 수업으로 병합
11월 18일 (화) : Presentation (권오정, 김대석, 손정수, 오진우) / 각 30~40분씩 11월 20일 (목) : 11월 18일 수업으로 병합 ※ 수시모집 면접.
11월 25일 (화) : Presentation (정철, 정필수, Jiang Xiaolong, Zhao Yingying) / 각 30~40분씩 11월 27일 (목) : 11월 25일 수업으로 병합
