Fall semester, 2014 에너지변환특론 Advanced Energy Conversion Chapter 8. Stirling Engine System 교수박수한
Introduction of Stirling Engine 발명자 : Robert Stirling (1816 년첫특허 ) 피스톤, 실린더로이루어진공간내에헬륨, 수소, 질소등의작동가스를밀봉하고, 이를외부에서가열, 냉각시킨으로써발생하는피스톤의운동을통해기계적인에너지를얻는외연기관. 온도증가 부피팽창 온도감소 부피축소
Introduction of Stirling Engine Advantage of Stirling engine 높은열효율 : 스털링엔진은현재존재하는모든엔진종류에서가장뛰어난열효율을보이는데, 이것은스털링엔진에재생기에의한열회수와외부로공기를배출하지않는폐쇄형사이클이기때문. 이용가능한외부열원의다양성 : 외연기관인스털링엔진은그연료로가스와휘발유등통상의연료외에석탄, 나무등고체연료의이용이가능하며, 열에너지를가지고있는태양광등도이용이가능 낮은오염배출 : 같은연료를태워도스털링엔진은연소제어기술을이용할경우, 오염된가스의배출을적게할수있음. 이는스털링엔진은외연기관특성상연속적으로연소를일으키는반면, 자동차엔진등내연기관은불연속연소 ( 흡기, 압축, 폭발, 배기, 4 과정그러나연소는폭발 1 과정뿐 ) 를하므로불완전연소와고온연소에의한오염물질배출이높음 조용함 : 스털링엔진은폐쇄사이클의외연기관으로압축된내부의공기가기관밖으로배출되지않음. 연소시사용되는공기만배출되는데, 이경우압축과폭발과정이없어상대적으로조용.
Ideal Stirling Cycle 실제사이클에서모든내적비가역성과복합성을제거하면, 실제사이클과매우유사하지만모두내적가역과정으로구성되는사이클을얻게된다. 이러한사이클을이상사이클이라한다. 스털링사이클은스털링엔진의 2 개의등온과정, 2 개의등적과정으로만들어지는스털링엔진의동작사이클, 이론상카르노사이클에가장가깝게만들어지는것으로알려져있음. ln : Hot end temp, : Cold end temp, : Max volumes, : Min volumes : mass of gas, R : gas constant 위공식은이상스털링사이클에서만유효 ( : cyclic frequency) ; 엔진의파워유추
Ideal Stirling Cycle
Ideal Stirling Cycle
Introduction of Stirling Engine 스털링사이클의작동과정 압축과정피스톤이냉각부를압축해냉각된기체를가열부로보냄 가열과정가열부의기체가열에의해뜨거워짐 냉각과정가열부의기체가냉각부로이동하여냉각됨 팽창과정충분히가열된기체는팽창압을동반
Introduction of Stirling Engine 스털링사이클의작동과정 스털링사이클 : 등온팽창, 정적냉각, 등온압축, 정적가열의 4 개사이클로이루어짐. 이론적으로카르노사이클과동등한열효율을가짐.
Classification of Stirling Engine 알파형 (α type) -. 두개의피스톤. 각각실린더에하나의피스톤. -. 실린더는각각고온부와저온부에위치함. -. 공기통로로연결되어있으며, 중간에재생기가있음. Animation: http://www.animatedengines.com/vstirling.html 베타형 (β type) -. 하나의디스플레이서피스톤과하나의파워피스톤. -. 한실린더양쪽에가열부, 저온부가있음. -. 디스플레이서피스톤은고온부, 저온부를왕복. -. 하나의실린더에두개의피스톤이있어동력전달과정이다소복잡함.
Classification of Stirling Engine 감마형 (γ type) 기본형 -. 디스플레이서실린더에디스플레이서실린더설치 & 파워실런더에파워피스톤설치. 두실린더사이를공기배관으로연결혹은직접연결. -. 알파, 베타형에비해다양한형태로변환이용이함.
Classification of Stirling Engine 감마디스플레이서형 (γ displacer type) 기본형 -. 디스플레이서가일반적인감마형에비해매우크고, 상하판이큰납작한원통모형. 파워피스톤이작음. -. 저온도차스털링엔진 (Low temperature Stirling Engine) 으로 100도미만의고온과저온의온도차에서주로이용됨.
Classification of Stirling Engine 그외다양한감마형 (γ type) 스털링엔진 -. 원주모형의디스플레이서일부를잘라내어공기가들어갈수있는공간을만들어줌. 회전하는로터리형디스플레이서가공기를고온부와저온부로이동하도록함. -. 디스플레이서피스톤이왕복운동을하지않으므로생성된에너지를플라이휠이아닌로터리디스플레이서자체에저장가능.
Classification of Stirling Engine 그외다양한감마형 (γ type) 스털링엔진
Classification of Stirling Engine 그외다양한감마형 (γ type) 스털링엔진 -. 파워피스톤의수축과팽창이디스플레이서실린더를기울게하고, 기우는방향으로디스플레이서역할을하는구슬이움직여공기를반대방향으로움직이게함. 공기가이동할때마다피스톤이수축하거나팽창하며지속적으로구슬을다시반대방향으로돌림.
Classification of Stirling Engine Free Piston Type -. 디스플레이서피스톤과파워피스톤이기계적으로연결되어있지않아 (Free) 프리피스톤방식이라불림. -. 동작을연결하는기계적구조가없어, 제어가어렵고, 동작의범위를제어하는기술도어렵다. 대신크기가줄어드는장점이있음. -. 내부밀폐를하기용이하여가스누설이적고, 기계적수명이개선되는장점이있음. -. 제작기술이까다로움.
Classification of Stirling Engine 기타 -. 2피스톤방식의더블액팅방식, 플루다인방식 -. 디스플레이서방식 : 링봄방식, 마티니방식, 베인로터리방식 -. 열음향방식, 라미나플로우방식 ( 디스플레이서없고, 파워피스톤하나 ) -. 델타방식 ( 디스플레이서피스톤하나에파워피스톤 2개 )
Application Field with Stirling Engine 태양열을이용한스털링엔진발전시스템 ; 지구에도달하는전체태양에너지의 2% 만에너지로전환하여도전인류가사용할충분한에너지가되는것으로보고됨.
Application Field with Stirling Engine 가정용소형발전시스템 (m-chp) ; 가정에서난방을하는잉여열로난방과동시에전기를생산하여난방기의효율을상승시킴.
Application Field with Stirling Engine 스털링엔진자동차와하이브리드전기자동차시스템 ; 기존내연기관을스털링엔진으로대체가능. ; 대체할경우소음과환경오염물질배출을줄을수있음. ; 하이브리드엔진시스템과결합가능.
Application Field with Stirling Engine 스털링냉동기 ; 냉매가스를사용하지않고, 냉각기능을이용할수있음. ; 냉장고, 에어컨, 냉각기등에이용가능
Application Field with Stirling Engine 스털링히트펌프난방기 폐열회수 ; 각종공장, 가정등에서사용한폐수, 보일러등의배기가스등에포함되어있는열을회수하여에너지로전환. 우주에서이용 ; 우주에서는태양빛이미치는곳과미치지않은곳의온도차가큼. 이온도차이용. NASA 기술보유. 잠수함의 AIP 시스템 ( 공기독립추진시스템 ) 컴퓨터 mother-board 의쿨러
국외연구동향 태양열을이용한 FPSE 발전시스템연구개발 INFINIA Corporation, 30kW급 Solar dish engine 개발. - double acting multi-cylinder FPSE - 6기통방식 - No FPSE displacer
국외연구동향 미국의 Sunpower 社, Infinia 社, 뉴질랜드의 Whisper Tech 社, 독일의 SOLO Kleinmotoren 社등이다양한형태의스털링엔진원천기술을확보하고있으며상용화에근접한기술 / 신뢰수준을확보하고있음. 이중 Sunpower, Infinia, Whisper Tech 등은 1kW 급스털링엔진제품기술보유 네덜란드의 Microgen Engine 社가 Sunpower의원천기술을이용한엔진상용화에성공.
국외연구동향 스웨덴의 Cleanergy, 독일의 Eurodish에서는전기출력 2~9kW의바이오가스, LNG 가스, 태양열을이용한 Solo 사의스털링열병합발전시스템을제작하여상용화진행중. 독일의 CastleSolar 에서는 WhisperGen 스털링엔진을이용하여태양광, 태양열과단독주택에전기, 난방, 온수를공급하려는계획수립중.
국외연구동향 액체및기체연료를사용하는직류및교류발전용스털링엔진 / 발전기개발 알파형스털링엔진구조의변형방식은 4실린더방식, double-acting kinematic 방식 질소가스를작동유체로이용 ( 통상적인밀봉구조적용을위해 ), 충전압력 28bar 1kW급시스템의경우상대적으로큰설치공간요구. 100kg 등
국외연구동향 1974년 FPSE의상용화를위해설립. 비접촉방식가스베어링및플렉셔 (flexure) 베어링채택한 FPSE와이동자석형선형발전기를채택한수십 W ~ kw급 FPSE 개발 광범위한운전영역에서 30% 에이르는높은효율 ( 그림 3.8)
국내연구동향 1990 년대초반일부대학, 연구소에서기초연구수행 ( 표 1.1), 그러나후속연구가 수행되지않아선진국과기술격차가매우큼. 개발경험이부족한실정. 한국기계연구원에서압축과팽창이연속적인스크롤압축기와스크롤팽창기를이용한 신형식스털링엔진연구수행. 주로열병합발전식 FPSE 에대한연구가이루어짐. 1kW 급연구가대부분임.
FPSE (Free Piston Stirling Engine) 스털링엔진 : 디스플레이서, 파워피스톤, 재생기, 가열기, 냉각기, 기구부등으루구성 밀폐된작동기체의가열과냉각에의한등온팽창, 등적냉각, 등온압축, 등적가열사이클. FPSE: 0. 기존스털링엔진에서두피스톤의운동을구속하는기구부제거, 진동시스템구성하여시스템의단순화및무게 / 크기감소시킨형태. 0. 하나의실린더에왕복피스톤, 왕복변위기, 선형발전기구성. 왕복변위기를가로질러온도차를유지하고질량-스프링시스템에의해공진주파수로작동 <Single Acting 방식의 FPSE>
FPSE (Free Piston Stirling Engine) Displacer와 cylinder 사이공간의얇은틈은유체가지나가면서재생열을교환하게하는역할을함. FPSE는최소한한개의왕복운동요소를갖고있음. Reciprocator가 SHM (simple harmonic motion) 을하는경우 FPSE를공명엔진이라함. 비공명 (non-resonant) 의경우증속구동으로인해과열과굉음을유발하는엔진이되어피해야함.
향후일정. 10 월 28 일 ( 화 ) : Biodiesel Combustion and Engine Application (4 교시 ) 10 월 30 일 ( 목 ) : Biodiesel Combustion and Engine Application (4 교시 ) 11 월 4 일 ( 화 ) : Bioalcohol (bioethanol, biomethanol 등 ) Combustion and Engine Application (3, 4 교시 ) 11 월 6 일 ( 목 ) : 11 월 4 일로수업으로병합 11 월 11 일 ( 화 ) : Stirling Engine System 11 월 13 일 ( 목 ) : 11 월 11 일으로수업으로병합 11 월 18 일 ( 화 ) : Presentation ( 권오정, 김대석, 손정수, 오진우 ) / 각 30~40 분씩 11 월 20 일 ( 목 ) : 11 월 18 일수업으로병합 수시모집면접. 11 월 25 일 ( 화 ) : Presentation ( 정철, 정필수, Jiang Xiaolong, Zhao Yingying) / 각 30~40 분씩 11 월 27 일 ( 목 ) : 11 월 25 일수업으로병합 이후수업에대해서는향후공지
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