초록 ▼

에너지 및 환경 문제와 더불어 신재생에너지 이용분야 및 친환경, 고효율 기관의 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 고효율 수소연소 리니어 동력/발전 시스템은 수소연료를 초희박 연소시켜 40%이상의 고효율을 달성하는 기관으로 고효율, 초저공해, 저가격 및 고비출력의 실현이 가능한 기술이다. 미국 DOE에서는 2040년 이후에는 수소연소기술이 연료전지와 병행 사용될 것으로 전망하고 있으며, 유럽, 호주등의 연구기관에서는 분산발전용으로의 열병합시스템, 하이브리드 차량의 동력원으로 연구를 진행하고 있다.
본 연구에서는 리니어

에너지 및 환경 문제와 더불어 신재생에너지 이용분야 및 친환경, 고효율 기관의 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 고효율 수소연소 리니어 동력/발전 시스템은 수소연료를 초희박 연소시켜 40%이상의 고효율을 달성하는 기관으로 고효율, 초저공해, 저가격 및 고비출력의 실현이 가능한 기술이다. 미국 DOE에서는 2040년 이후에는 수소연소기술이 연료전지와 병행 사용될 것으로 전망하고 있으며, 유럽, 호주등의 연구기관에서는 분산발전용으로의 열병합시스템, 하이브리드 차량의 동력원으로 연구를 진행하고 있다.
본 연구에서는 리니어엔진의 동력를 전기로 변환하는 리니어 발전시스템을 개발 목표로 하고 있으며, 90%이상의 효율을 달성하기 위한 손실저감 설계기법에 대한 연구와 내구성 향상, 발전출력의 품질 향상을 위한 연구를 수행하였다. 1단계 연구 산출물인 1kW급 시스템의 개발/시험결과를 기반으로 발전기 효율 92.5%, 전력변환기 효율 92.5%(발전단 효율 85%)의 5kW급 리니어 발전시스템에 대한 개발 목표를 선정하였으며, 이를 달성하기 위한 국외 B/M 및 설계기법에 대한 개선을 했으며 열, 구조적 안정 및 최적화를 위해 해석을 수행하여 최종 시제품 효율 92.2%, 출력 5.6kW의 리니어 발전기와 효율 91%의 380VAC, 3상 계통연계형 전력변환기를 개발완료 하였다.
1kW급 동력/발전시스템에 대한 연계운전을 수행하였고 연속운전 50분, 185W 출력결과를 얻었으며, 5kW급 시스템의 연계운전은 120 sec, 약 2.3kW의 출력 결과를 얻었다. 목표에는 미치지 못하는 결과이나 개발에 대한 가능성을 확인하였으며 향후 연소의 안정화 및 각 구동 요소기기의 내구성을 확보하는 연구와 통합시스템의 최적화 설계기법에 대한 추가 연구가 수행되면 목표를 달성할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼

Due to the growing interest in alternative and environment friendly energy, research in Hydrogen linear power generation systems has increased significantly around the world.
Hydrogen linear power generation systems have low mechanical loss and can provide superior compression and expansion chara

Due to the growing interest in alternative and environment friendly energy, research in Hydrogen linear power generation systems has increased significantly around the world.
Hydrogen linear power generation systems have low mechanical loss and can provide superior compression and expansion characteristics compared to other systems. They have the potential to meet the needs of maximizing thermal efficiency and zero emissions that will come with the use of hydrogen fuel in the future. If the liner motion of the hydrogen linear power generation systems is used to drive high performance hydraulic systems or linear generators, they will have low price and high power efficiency In order to increase efficiency of the Hydrogen Linear Power Generation Systems, research to develop essential technology needs to be concurrently conducted in various areas such as optimization of the high efficiency linear generation system, system integration and control.
This will contribute in reducing dependency on foreign imports in the Hydrogen Linear Power Generation System market which is expected to grow in the future. The acquired power conversion and system integration control technology can be applied to relevant fields such as distributed generation systems which is also a growing future market. In the previous phase, the prototype of 1kW hydrogen linear generator was designed and manufactured through structural and heat flow analysis. The test results of the first prototype showed 76% system efficiency (generator efficiency 89%, power conditioning system efficiency 84%). In the second phase, the prototype of 5kW hydrogen linear generator system based on the obtained results and reviews of the first phase was developed. The efficiency of the 5kW prototype was improved more than the previous phase (generator efficiency 92.2%, power conditioning system efficiency 91%).
The connection operations of both 1kW and 5kW power generation system with linear engines and the linear generator were performed. The continuous operation time of 1kW power generation system was about 50 minute and system power was 185W. 5kW power generation system produced 2.3kW electrical power during 120 second.
The final goal of this project was not achieved due to some obstacles encountered such as difficulties with engine combustion and durability However we assure that the further study for the combustion control of linear engine, guarantee the durability of components and optimization of design technique of the combined linear power generation system will be helpful to achieving that final goal of this project.

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발 과제의 개요 ...15
• 제 1 절 연구개발의 최종목표 ...15
• 제 2 절 연구개발의 필요성 ...16
• 1. 과학 기술적 측면 ...16
• 2. 산업적 측면 ...16
• 3. 실용화 실적 및 사업화 활용 가능성 측면 ...16
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ...17
• 제 1 절 국외 기술개발현황 ...17
• 1. 유럽 ...17
• 2. 미국 ...18
• 3. 호주 ...19
• 4. 기타 ...19
• 제 2 절 국내 기술개발 현황 ...20
• 1. 관련기술 개발현황 ...20
• 2. 당사 개발현황 ...20
• 제 3 절 국내 기술개발 현황의 위치 ...22
• 1. 리니어 발전기 시스템 관련 현재 국외 기술 ...22
• 2. 리니어 발전기 시스템 관련 현재 국내 기술 ...23
• 제 4 절 앞으로의 전망 ...24
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과 ...25
• 제 1 절 리니어 발전기 설계 및 해석 ...25
• 1. 발전기 타입 결정 ...25
• 2. 전자계 특성 해석 ...26
• 3. 원통형 선형발전기 설계 ...28
• 4. 디텐트력 최소화를 위한 발전기 설계 ...42
• 제 2 절 리니어발전기 열유동 해석 ...49
• 1. 1kW 수소리니어 발전기 냉각해석 ...49
• 2. 1kW 수소리니어 발전기 온도상승 시험 ...55
• 3. 5kW 수소리니어 발전기 1차 시제품 냉각해석 ...58
• 4. 5kW 수소리니어 발전기 온도상승 시험 ...66
• 5. 5kW 수소리니어 발전기 2차 시제품 냉각해석 ...74
• 6. 5kW 수소리니어 발전기 3차 시제품 냉각해석 ...80
• 제 3 절 리니어 발전기 구조강도 해석 ...88
• 1 해석 모델의 선정 ...88
• 2. 축 처점량 해석 ...88
• 3. 축 응력 해석 ...90
• 4. 결론 ...91
• 제 4 절 전력변환기 ...92
• 1. 개요 ...92
• 2. 전력변환기 토폴로지 선정 ...92
• 3. 시뮬레이션 ...94
• 4. 제작 ...97
• 5. 제어기법 ...100
• 6. 시험결과 ...105
• 7. 전력변환기 Compact 설계 ...109
• 제 5 절 시험 ...110
• 1. 1kW급 연계 시스템 시험 결과 ...110
• 2. 5kW급 연계 시스템 시험 결과 ...111
• 3. 5kW급 리니어 발전기 시험 ...112
• 제 6 절 결론 ...117
• 제 4 장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 ...118
• 제 1 절 연차별 연구개발 목표 ...118
• 제 2 절 연구평가의 착안점 및 척도 ...120
• 제 5 장 연구개발 결과의 활용계획 ...121
• 제 1 절 추가연구의 필요성 ...121
• 1. 센서리스제어 ...121
• 2. 기계구조개선 ...121
• 제 2 절 결과의 활용계획 ...122
• 제 6 장 참고문헌 ...123