스털링 기관
Stirling Engine
1. 개요
1816년 스코틀랜드의 목사 로버트 스털링(Robert Stirling, 1790~1878)이 원리를 발명하고 특허를 얻은 열기관이다.
스털링 기관은 외연기관으로 밀폐된 실린더 안에 기체를 단단히 가둬넣은 구조이며, 작동 원리는 4행정으로 이루어져 있다. 가열-팽창 행정에서는 실린더를 가열하면 기체가 팽창하여 실린더를 밀어올린다. 냉각-수축 행정에서는 실린더의 가열을 멈추고 기체가 수축하여 실린더가 원위치로 돌아오게 한다. 어찌보면 가장 기본적이고 고전적인 형태의 열기관이라 할 수 있다.
한 실린더로 가열-팽창 행정과 냉각-수축 행정을 함께 하는 것은 곤란하므로, 짝수개의 실린더가 교대로 행정을 반복하도록 하여 연속으로 움직이게 만든다. 단 이것은 알파형 엔진에 한해서다. 베타형, 감마형들은 한 개의 파워 피스톤과 공기의 체적 이동을 위한 디스플레이서가 있다. 이것의 형태는 피스톤과 비슷하나 직접적인 힘 형성에는 영향을 주지 않는다.
기체는 초기에는 공기를 사용했으나, 현재는 수소나 헬륨을 사용하여 효율을 높이고 있다.
이론적으로는 매우 높은 열효율을 낼 수 있으며, 내연기관에 비해 조용하고 진동이 적다는 이점이 있다. 또한 외연기관이므로 연료의 종류에 구애받지 않는다는 것도 장점이다. 일부 형식의 저온 스털링 기관의 경우, 심지어 뜨거운 커피잔의 열이나 체온으로도 동작한다. 어느 정도의 온도차만 있으면 동작하게 되어 있기 때문에 얼음 위에 올려놔도 상온의 공기와 얼음의 온도차로 움직일 수 있다. 다만 그냥 무작정 열만 가한다고 알아서 작동하는 건 아니고 초반에 힘을 가해 기관을 동작시켜줘야 한다. 물론 강하게 힘을 주는 것도 아니고 살짝 돌려주기만 하면 그 다음부터는 스스로 알아서 돌아간다.
그러나 초기에는 기술이 미흡해 증기기관에 비해서 효율이 떨어졌고, 급격하게 발전하는 내연기관에 뒤처져 실용기관으로써는 밀려 미니어처 장난감의 동력원 정도로만 쓰였다. 그러다가 1960년대부터 80년대까지 필립스를 중심으로 발전 장치의 동력원으로 사용하기 위한 대규모 연구가 진행되었다.
현재에 와서는 미니어처 차원에서의 다양한 경험이 축적되고 기술이 발전하면서 열효율이 30~40% 수준까지 올라가서 실용적인 동력기관으로 이용할 수 있는 수준에 이르렀다. 다만 증기터빈엔진이나 디젤엔진 같은 내연기관과의 열효율과 비교하면 유지 및 보수하는데 들어가는 비용에 비해 그다지...
거기다 그야말로 열만으로 기동하기에 반사경이나 렌즈를 통해 집적시킨 태양열을 이용한 솔라 엔진, 잉여 배출열을 이용한 보조 동력, 심지어는 컴퓨터 CPU의 열로 기동하는 쿨러 동력으로 이용되기도 한다.[1] 초저냉각을 필요로 하는 학계연구에 쓰이는 냉각 장치 동력으로도 사용된다. 이런 용도로는 스털링 엔진에 열을 가하는 것이 아닌 동력을 가해주면 내부 기체가 거꾸로 이동하면서 열을 방출&압축되기 때문이다. 내연기관을 거꾸로 돌린다고 가스가 생기지는 않는다는 것을 생각하면 상당히 신기한데, 사실 이 스털링 기관이 카르노 기관에 가장 유사한 최상위 기술이라는 것을 생각하면 그리 놀랄 일은 아니다.
2차세계대전중엔 휴대용 무전기 전력용으로 400W짜리 소형 발전기 기관을 필립스사에서 개발하기도 했고, 1910년도에 독일에서 Jost Hot Air Fan 이라는 화로에 촛불을 켜면 작동하는 선풍기의 동력으로 제작되어 영국, 미국, 독일, 인도 등에서 잔뜩 판매되기도 했고, 1970년대에 미국 Solar-One 태양열발전소에서 대량 탑재하기도 했다.
또한 피스톤 내부에서 연료를 연소시킬 필요가 없기 때문에 소음의 감소를 절대적으로 추구해야만 하는 무기체계인 잠수함의 공기불필요추진장치(AIP) 중 하나로 주목받았고, 결국 스웨덴의 코쿰스가 세계 최초로 실용화에 성공해서 고틀란트급에 탑재하였다. 이후 일본 해상자위대의 차기 잠수함인 소류급에도 스털링 기관 AIP를 탑재하였다.[2]
다만 실린더 구동음 때문에 정숙성이 떨어지고 에너지 밀도가 낮아 크기가 크다는 문제점이 존재. 어차피 수소탱크가 공간을 왕창 잡아먹으니 오차 수준이긴 하지만. 또한 배기가스 배출 문제로 200미터 이하의 깊은 심도에서는 작동하지 않는다는 것이 큰 문제가 되었다. 심도가 얕은 북해에서 작전하는 고틀란트급은 문제가 없었지만 해자대에서는 이것이 문제가 되었고, 결국 소류급은 연료전지를 탑재하기 위해 독자 개발을 시도했으나 가격 문제로 포기하고 11번함부터 동력을 리튬 이온 배터리로 대체하였다.
이외에도 소형 원자로가 실린 인공위성, 우주 탐사선에서도 냉각기, 발전기로 쓰고 있다. 심우주 탐사선에 쓸 고출력 원자력 전지로도 개발되어 있다.
NASA에서는 2020년 현재 연구중인 우주용 소형 원자로인 킬로파워(Kilopower)에 발전방식으로 프리피스톤 방식의 스털링 기관을 적용하고 있다. 여타 외연기관과는 달리 추가적인 물질의 주입이나 배출이 필요없기 때문에 우주에서 쓰기엔 이상적인 방식이다.
유튜브에서 영어로 검색해 보면 완구 수준부터 꽤 고출력을 내는 것까지 많은 시험/상용 엔진이 나온다.
2009 개정교육과정 물리 II 교과목 I-2. 열에너지 단원에 열역학 제 1법칙 설명의 일환으로 스털링 엔진이 제시되어 있으나, 2015 개정교육과정에서는 물리학 I 에서 열화되어 제시된다.
2. 종류
- 알파
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An excellent animation of the V-type Alpha engine developed by Richard Wheeler (Zephyris) of Wikipedia
두개의 파워피스톤으로 구성된다.가장 기초적이다.
- 베타
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한 개의 파워피스톤과 또 다른 한 개의 디스플레이서 피스톤으로 구성된다.
- 감마
베타 형태의 동력 전달 과정의 복잡성을 해결하기 위해 탄생하게 되었다.
구성은 베타형과 같은 파워피스톤과 디스플레이서 피스톤.
- 링봄
- 프리피스톤
'''가장 높은 효율을 가지는 스털링 형식으로 다른 기계식 스털링 엔진이 이론적으로 55%를 낸다면 프리피스톤 방식은 65%를 낸다.''' 현재 가장 상업화되어 있다. 냉장고 컴프레서처럼 기체를 밀봉하고 용접으로 일체화시키면 되기에 유지관리 또한 기존 오토엔진에 비해 비교할 수 없을 정도로 쉽다. 하지만 현재 위 스타일은 중공축 형식으로 마찰에 의해서 효율이 낮아지기때문에 잘 쓰이지 않는다. 아래 사진이 요즘 많이 쓰이는 방식.
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프리피스톤은 기계적으로 단순하고 접촉면이 적어서 마찰이 작아 효율이 좋지만, 디스플레이서와 파워피스톤이 독립되어 있어 동작이 불완전해지기 쉽다. 이것을 안정적으로 제어하는 것이 중요한데, 이것을 제어하는 좋은 방법들이 기술 독점이 되어 후발국가들이 접근하기 힘들다. 이쪽은 구조상 운동에너지를 바로 뽑아 쓸 수는 없고, 좌측의 발전기를 움직여 전기를 뽑아 쓰는 방식이다.
- 플루다인
- 더블액팅
수축부와 팽창부가 일체되어있다. 그러나 단 하나의 피스톤으로는 스털링 사이클을 구성할 수 없으므로 두개 이상의 피스톤이 저온부와 수축부가 교차 연결되어 있다.
3. 재생기
재생기는 고온부와 저온부를 연결하는 통로에 위치해있는 부품으로, 스털링 엔진의 효율성을 증대시키기 위한 목적으로 설치된다.
재생기는 "열 스폰지"에 비유되는데, 고온부에서 가열된 기체가 저온부로 이동할 때, 재생기라는 부품을 거치면, 스폰지가 물을 흡수하듯이 기체의 열을 흡수하고, 저온부로 이동하여 냉각된 기체가 다시 고온부로 이동할 때 물을 머금은 스폰지를 누르면 물이 나오는 것처럼 다시 열을 내주는 형태로 작동된다.
재생기는, 큰 열용량을 갖는 Wire Screen[3]이나 세라믹 매트릭스, Metallic sponge[4] 등으로 제작된다.
4. 원리
스털링엔진의 원리는, 증기기관이나 가솔린 엔진을 시작으로 하는 내연기관과는 차별화된 특징이 있는데, 증기기관, 내연기관이 피스톤을 움직임에 사용한 가스를 밸브로 배출'''해야만 하는'''것과는 달리 '''한번 충전한 기체를 빼내지 않아도 된다!!'''
원리를 보면
1. 외부에서 가해진 열이 밀봉된 스털링기관 가열부에 있는 기체를 팽창시키면, 팽창된 기체가 피스톤을 밀어내고 냉각부로 이동하게 된다.
2. 냉각부에서 냉각된 기체는 수축하게 되며, 이 수축되는 힘으로 인해 피스톤을 당기고, 동시에 냉각된 기체가 다시 가열부로 이동한다.
3. 이렇게 밀려나거나 당겨진 피스톤은 회전체에 연결되어 힘을 주게 되며, 서로 상호작용하면서 한 방향으로 운동하게 된다.
즉, 정리하자면 '''스털링 기관은 밀폐된 기관 내에서 기체가 이동하며 가열과 냉각을 반복하는 기관'''이다. 피스톤 운동을 하게 만드는 모든 힘은 기체의 열팽창과 열수축으로 발생하며, 피스톤을 다 밀고도 남는 힘 혹은 피스톤이 움직이는 관성으로 인해서 기체가 이동한다.
여기에서 효율을 높이기 위해 서스펜서라는 것을 기체들이 지나가는 통로에 설치하는데, 쉽게 이야기하자면 기체의 이동을 방해하는 장애물이다. 그냥 관에 사이즈 적당한 구슬 하나만 넣어도 된다. 작동하는 것을 지켜보면 구슬이 왕복운동을 하는데, 이 구슬이 기체의 순환을 적당히 방해하면서 피스톤에 가하는 힘을 늘린다.
4.1. '''Idealized Stirling Cycle'''
이상적인 스털링 사이클은 2번의 등적 과정, 1번의 등온 과정을 거친다.
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* 3. 등온 과정
작동 유체가 저온부에 위치할 때의 과정이다.
이 과정에서의 작동 유체는 냉각된 온도를 유지한 채로 그 부피가 감소된다.
PV diagram을 통해 확인해볼 수 있듯이, 이 과정을 지날 때 곡선 아래에 해당하는 면적 만큼의 일을 필요로 하며, 이는 관성 등에 의해 행해진다.
* 4. 등적 과정
저온부에서 고온부로 작동 유체가 이동할 때의 과정이다.
부피는 일정하게 유지되며, 재생기와 가열기에 의해 열을 전달 받는다.
* 1. 등온 과정
작동 유체가 고온부에 위치할 때의 과정이다.
이 과정에서의 작동 유체는 가열된 온도를 유지한 채로 그 부피가 증가된다.
PV diagram을 통해 확인해볼 수 있듯이, 이 과정을 지날 때 곡선 아래에 해당하는 면적 만큼의 일을 행하게 된다.
* 2. 등적 과정
고온부에서 저온부로 작동 유체가 이동할 때의 과정이다.
부피는 일정하게 유지되며, 재생기와 냉각기에 의해 열을 빼앗긴다.
5. 장점
- 작은 소음 - 내연기관은 폭발행정으로 힘을 얻기 때문에 소음이 크지만 스털링 엔진은 온도차만 있으면 되기 때문에 소음을 줄일 수 있다.
- 친환경적 - 내연기관은 연료를 폭발시켜 작동하기 때문에 여러가지 공해물질을 배출한다. 거기다가 스털링 기관은 열원(정확히는 온도차)이라면 전부 사용할 수 있기 때문에 공해를 발생시키지 않는 태양열, 지열 등을 사용할 수 있다.
- 다양한 연료 - 외연기관의 특성으로 다양한 연료를 사용할 수 있다. 위에서 말한 것을 비롯한 내연기관에서 사용하기 힘든 석탄이나 목탄, 품질에 편차가 큰 바이오연료등을 사용할 수 있다.
- 출력 조절 - 내연기관은 실린더 내로 흡입·배출되는 가스나 기름의 양을 조절하면 되는데 이게 어렵다. 더군다나 효율이나 오염물질까지 고려하면 많은 연구가 필요하다. 하지만 스털링 엔진은 내부 기체의 압력만 조절하면 출력이 바로바로 변경된다.
- 낮은 유지비용 - 연료가 항상 드나드는 내연기관은 그 상태를 최적으로 유지하기 위해 필터, 오일등이 필요하다. 하지만 현대의 스털링 기관은 밀봉되어 있고 효율을위해 마찰을 최소화하는 방향으로 발전했기 때문에 가정에서 사용하는 건 유지가 아예 필요 없는 것도 있다.
6. 단점
- 크기 대비 낮은 출력비 - 스털링 기관은 기체의 열팽창과 열수축을 이용하기 때문에 높은 출력을 내기 위해서는 많은 양의 기체가 필요하다. 따라서 크기가 커져버린다.
이것이 결정적인 단점. 효율은 좋지만 힘의 절대량이 적은 관계로 피스톤식에게 밀려버렸고, 본격적인 자본투자에서 열외되며 성능도 열화. 휘트니 엔진이 연료 100먹어서 100 에너지를 생산한다면, 스털링 엔진은 연료 10먹어서 20에너지를 생산한다. 효율이나 환경파괴 그딴거보다 힘의 절대량을 키우던 초기 산업시대에는 어울리지 않았던 것.
- 긴 반응시간 - 키만 돌리면 바로 시동이 걸리는 내연기관과 다르게 스털링 기관은 열원이 가열부를 데울 때까지 시간이 필요하다. 위의 장점인 출력 조절이 쉬운 건 사실이지만 열원을 줄여서 동력이 줄어들기까지 시간이 걸린다.
- 기체 밀폐의 어려움 - 현재는 기관의 크기를 줄이기 위해서 공기 대신 헬륨이나 수소 등의 더 가벼운 기체를 고압(10~100기압 정도)으로 담아 사용한다. 하지만 이들 기체는 분자가 작아 외부로 유출되기 쉽다. 따라서 고도의 밀폐기술이 필요하다. 다만 프리피스톤 방식이라던지 실링기술의 발달등으로 거의 극복되어 가는 단점이기도 해서 현재는 큰 의미는 없는 편.
7. 관련 외부 문서
(네이버 지식백과 - 두산백과)스털링엔진 - stirling engine
8. 관련 문서
[1] POLO TECH 라는 회사의 STIRLING COOLER라는 제품.[2] PEM 연료전지는 독일 정부에서 수출을 불허하는 바람에 스털링 기관으로 결정. 스웨덴에서 1기를 수입하여 테스트한 뒤, 정식 라이센스를 받아 장착하였다.[3] 방충망 형태[4] 철 수세미 (?!)