[논문]양방향 스털링엔진의 선형발전기 설계에 관한 연구

박성제; 고준석; 홍용주; 김효봉; 염한길; 인세환

doi:10.7316/khnes.2015.26.6.638

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This paper describes the continuing effort to analysis and design on dynamic and electrical behavior of gamma-type free piston Stirling engine/generator with dual-opposed linear generator for domestic micro-CHP (Combined Heat and Power) system. The double acting Stirling engine/generator has one dis...

This paper describes the continuing effort to analysis and design on dynamic and electrical behavior of gamma-type free piston Stirling engine/generator with dual-opposed linear generator for domestic micro-CHP (Combined Heat and Power) system. The double acting Stirling engine/generator has one displacer and two power piston which are supported by flexure springs. Two power pistons oscillate with symmetric sinusoidal displacement and are connected with moving magnet type linear generators for power generation. To operate Stirling engine/generator, combustion heat of natural gas is supplied to hot-end and heat is rejected from cold-end by cooling water. The temperature difference across the displacer induces the oscillating motion, and it can be explained with mass-spring vibration system. The purpose of this paper is to describe the design process of linear generator for the double acting free-piston Stirling engine.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 가정용 소형 열병합 발전시스템에 적용하기 위하여 1 kW급 양방향 스털링 엔진/발전기의 선형발전기의 설계 과정을 서술하고자 한다.

제안 방법

가정용 소형 열병합 발전시스템에 적용하기 위하여 두 개의 동일한 동력 피스톤 및 500 W급 선형 발전기가 서로 반대되는 방향으로 배치되는 Double acting 형태의 스털링 엔진/발전기에 대하여 동특성 및 전자기 특성 해석을 통해 설계를 수행하였다.
상기 서술된 관계를 이용하여 피스톤 질량, 피스톤 직경, 기계적 강성 변화에 따라 전류와 피스톤 변위의 위상이 80, 90, 100°인 경우에 요구되는 압력 파형의 진폭 및 위상을 계산하였고, Fig. 4와 Fig. 5와 같이 결과가 나타났다.
2와 같고, 직경 1 mm의 구리전선으로 권선되는 코일, 전기강판 적층 구조로 제작되는 철심 코어, 순철 파우더로 성형 가공되는 요크, 네오디뮴 영구 자석으로 제작되는 가동 자석으로 구성되어 있다. 코일 권선 수에 따른 전자기장 해석을 수행하였으며, 해석 진행 과정에서 필요에 따라 요크 두께 및 철심 코어의 형상을 변화시키며 500 W 출력에 필요한 추력 상수를 만족하는지 여부를 판단하였다. 전자기장 해석은 2차원 해석 프로그램인 FEMM을 이용하였으며, Fig.
특히, 본 설계에서는 자기력에 의한 기계적 강성을 이용하기 위하여 스프링 자석이 적용되었으며, 이로 인해 가동자 위치에 따른 추력 상수 및 정자기력 (Magnetostatic force) 특성이 변화하며, Fig. 8에 코일 권선 수에 따른 영향을 나타내었다.

대상 데이터

60Hz, 500W급 선형 발전기는 1 절에서의 Fig. 2와 같고, 직경 1 mm의 구리전선으로 권선되는 코일, 전기강판 적층 구조로 제작되는 철심 코어, 순철 파우더로 성형 가공되는 요크, 네오디뮴 영구 자석으로 제작되는 가동 자석으로 구성되어 있다. 코일 권선 수에 따른 전자기장 해석을 수행하였으며, 해석 진행 과정에서 필요에 따라 요크 두께 및 철심 코어의 형상을 변화시키며 500 W 출력에 필요한 추력 상수를 만족하는지 여부를 판단하였다.
본 연구에서 개발된 스털링 엔진은 동력 피스톤과 변위기가 분리된 실린더에 배치된 Gamma형 엔진이며, 동력 피스톤이 기계적으로 구속되어 있지 않은 FPSE (Free piston Stirling engine) 형태를 갖는다. 이러한 형태의 엔진은 회전부가 없어 측력이 발생하지 않고, 윤활유를 사용하지 않고도 운전이 가능하며, 구동부의 부품이 작아 수명이 길고 신뢰성이 높은 장점이 있다^5,6).

데이터처리

코일 권선 수에 따른 전자기장 해석을 수행하였으며, 해석 진행 과정에서 필요에 따라 요크 두께 및 철심 코어의 형상을 변화시키며 500 W 출력에 필요한 추력 상수를 만족하는지 여부를 판단하였다. 전자기장 해석은 2차원 해석 프로그램인 FEMM을 이용하였으며, Fig. 7에 FEMM 해석 모델 및 해석 결과의 예를 나타내었다.

성능/효과

5와 같이 결과가 나타났다. 계산 결과 피스톤 직경이 60 mm일 때, 질량이 작을수록, 그리고 전류와 피스톤 변위의 위상차가 증가할수록 요구되는 압력 진폭이 낮아지는 것으로 나타났다. 요구 압력 위상은 피스톤 질량이 작고 전류와 피스톤 변위의 위상차가 증가할수록 더 큰 위상차가 요구되는 것으로 나타났다.
선형발전기의 동특성 해석을 통해 피스톤 질량이 작을수록, 그리고 전류와 피스톤 변위의 위상차가 증가할수록 요구되는 압력 진폭이 낮아지는 것으로 나타났으며, 요구 압력 위상은 피스톤 질량이 작고 전류와 피스톤 변위의 위상차가 증가할수록 더 큰 위상차가 요구되는 것으로 나타났다.
스프링 자석에 의한 정자기력은 양방향 피스톤 형태를 위한 500W급 모델에서는 코일 권선 수에 영향을 받지 않고 선형발전기 형상 및 치수가 유지되는 경우에는 가동자가 끝단에 위치하는 경우에 약 400N의 복원력이 작용하는 동일한 특성을 보였으며, 단일 피스톤 형태 모델은 약 500 N으로 더 큰 값의 정자기력 특성을 보이는 것으로 나타났다. 이를 기계적 강성으로 환산하면 500 W급 모델에서는 약 40,000 N/m의 강성을, 1 kW급 단일 피스톤 형태 모델에서는 약 50,000 N/m의 값을 갖는 것으로 생각할 수 있다.
스프링 자석을 적용함으로써 모든 경우에 가동자가 중심부에서 ± 5 mm 내에 위치하는 경우에는 추력상수가 일정하고 정자기력이 작용하지 않는 반면에, 가동자가 중심부에서 5 mm 이상 벗어나 위치하는 경우에는 추력 상수는 중심부에 비해 20% 범위 내에서 더 큰 값을 보이고 정자기력은 중심부에서 거리가 멀어질수록 거리에 비례하여 증가하는 현상이 나타난다.
스프링 자석을 적용함으로써 자기력에 의한 기계적 강성을 이용할 수 있으며, 가동자가 중심부에서 ±5 mm 내에 위치하는 경우에는 추력상수가 일정하고 정자기력이 작용하지 않는 반면에, 가동자의 위치에 중심부에서 5 mm 이상 벗어난 경우에는 추력 상수가 중심부에 비해 20% 범위 내에서 더 큰 값을 보이고 정자기력은 중심부에서 거리가 멀어질수록 거리에 비례하여 증가하는 현상이 나타남을 알 수 있었다.
계산 결과 피스톤 직경이 60 mm일 때, 질량이 작을수록, 그리고 전류와 피스톤 변위의 위상차가 증가할수록 요구되는 압력 진폭이 낮아지는 것으로 나타났다. 요구 압력 위상은 피스톤 질량이 작고 전류와 피스톤 변위의 위상차가 증가할수록 더 큰 위상차가 요구되는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스털링 엔진이란 무엇인가?	스털링 엔진은 외부에서 열을 받아 상온으로 방출하는 과정에서 변위기 및 피스톤의 운동으로부터 일과 전기를 생산하는 외연기관이다. 열역학적으로 주기적으로 반복되는 사이클을 형성하여 열에너지를 운동에너지 혹은 전기에너지로 변환하는 에너지 변환 기구의 일종이다1,2).
	스털링엔진 사이클은 어떤 과정으로 이루어지는가?	열역학적으로 주기적으로 반복되는 사이클을 형성하여 열에너지를 운동에너지 혹은 전기에너지로 변환하는 에너지 변환 기구의 일종이다1,2). 스털링엔진 사이클은 Carnot 사이클과 동일한 효율을 가지는 이상적인 사이클로써 등온과정과 등적과정으로 이루어져 있으며, 1816년 이후로 미국과 유럽에서 상용화를 위한 노력이 이루어져 왔다3)
	발전소에서 전력을 생산하여 송배전하는 방식의 현 전력계통에서 야기할 수 있는 송전 손실 및 대규모 정전 사고 위험을 해결하기 위해 어떤 대안을 이용할 수 있는가?	현재의 전력 계통은 발전소에서 전력을 생산하여 전력망을 통해 수용가에 송배전하는 방식을 가지고 있어 송전 손실 및 대규모 정전 사고 위험의 문제를 가지고 있다. 가정용 초소형 열병합 발전시스템은 전기를 사용하는 가정에서 직접 전력을 생산하기 때문에 송전 손실을 줄일 수 있고, 전력을 생산하기 위한 준비 시간이 매우 짧기 때문에 전력 공급 부족에 즉각 대응할 수 있는 장점이 있다. 특히 가정용 초소형 열병합 발전시스템은 기존의 가정용 보일러에 열에너지로 부터 전기에너지를 생산할 수 있는 엔진을 장착하여 난방수 및 온수 공급과 함께 전력을 생산 하는 시스템이다.

참고문헌 (8)

M. W. Bae, and H. S. Chang, "Performance Prediction of Solar Power System with Stirling Engine", Proceedings of KSME conference, 2001.
J. S. Kim, Y. H. Kang, S. N. Lee, H. K. Yoon, C. K. Yu, J. K. Kim, and D. K. Jo, "Performance of Dish-Stirling Solar Power System", Proceedings of KSRE conference, 2006.
W. Graham, "Stirling Engines", Oxford University Press, 1980.
N. W. Lane, and W. T. Beale, "Free-piston Stirling Design Feature", presented at the 8th Int. Stirling Engine Conference, May 27-30, Univ. of Ancona, Italy, 1997.
H. W. Brandhorst, and P. A. Chapman Jr., "New 5kW free-piston Stirling space convertor developments", Gedeon Associates, Atens, OH, 2009.
J. G. Wood, and N. Lane, "Advanced 35 W Free-Piston Stirling Engine for Space Power Applications", AIP Conference Proceedings, USA, 2003, pp. 1-6.
J. S. Ko, Y. J. Hong, H. B. Kim, I. S. Kang, C. S. Lee, and S. J. Park, "Measurement of generating efficiency of Stirling engine for domestic micro CHP system", Proceedings of KSME conference, 2012.
J. S. Ko, Y. J. Hong, H. B. Kim, I. S. Kang, and S. J. Park, "Experiments on dynamic and electrical characteristics of 1 kW class Stirling engine", Proceedings of KSME conference, 2011.

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