초록 ▼

최종목표
□ 초소형 가정용 스털링엔진 열병합 발전시스템 실증, 상용화 검증과 시스템 내구성 및 효율 향상
ㅇ 상용엔진을 이용한 국내.외 실증 연구 실시
ㅇ 과제를 통해 개발된 독자 스털링 엔진을 이용한 국내 실증 연구 실시
ㅇ 과제를 통해 개발된 국산 엔진을 이용한 스털링 엔진 m-CHP 시스템 제작 및 엔진 신뢰성 검토
ㅇ안전기준 법제화 및 설치 기준안 개발
ㅇ 성능 및 실증 평가 기준 확립
ㅇ사용자 경제성 및 보급 효과 평가 및 정책적 지원 근거 마련
□ 스털링엔진 기술고도화(독자기술)

최종목표
□ 초소형 가정용 스털링엔진 열병합 발전시스템 실증, 상용화 검증과 시스템 내구성 및 효율 향상
ㅇ 상용엔진을 이용한 국내.외 실증 연구 실시
ㅇ 과제를 통해 개발된 독자 스털링 엔진을 이용한 국내 실증 연구 실시
ㅇ 과제를 통해 개발된 국산 엔진을 이용한 스털링 엔진 m-CHP 시스템 제작 및 엔진 신뢰성 검토
ㅇ안전기준 법제화 및 설치 기준안 개발
ㅇ 성능 및 실증 평가 기준 확립
ㅇ사용자 경제성 및 보급 효과 평가 및 정책적 지원 근거 마련
□ 스털링엔진 기술고도화(독자기술)를 통한 엔진 내구성 확보 및 효율 향상
ㅇ 독자적인 스털링엔진 기술 고도화를 통한 엔진 개발
- 독자 스털링엔진 시제품 제작 및 연속운전/신뢰성 및 실증 평가
ㅇ 연구기관 내 엔진 가속 운전을 통한 엔진 신뢰성 확보
- 독자 스털링엔진 및 저 NOx 엔진 연소기 신뢰성 시험 실시
개발내용 및 결과
□ 스털링엔진 설계 및 제조 기술 개발
ㅇ단방향 /양방향 피스톤형 1kW급 스털링 엔진 사이클 설계 기술 확보
ㅇ핵심 부품 설계 및 제조 기술 확보
ㅇ장기 신뢰성을 통한 설계 및 제조기술 검증
□ 스털링엔진용 저 Nox 연소기 및 열교환기 개발
ㅇ고집적 스털링엔진 초저공해 연소기 개발
ㅇ엔진 효율 및 버너 효율 개선용 열교환기 개발
□ 스털링 엔진 열병합발전기기 패키지 설계 및 제조 기술 개발
ㅇ고효율 엔진 배열 회수 시스템 개발
ㅇGAS & Air control 시스템 개발
ㅇ저진동 고효율 엔진 마운팅 기술 개발
ㅇ신뢰성 검증으로 제품 상용화 기술 개발
ㅇ계통연계 기술 개발
□ 스털링엔진 열병합시스템 안전인증 기준안 제정 및 설치기준안 개발
ㅇ제조 허가 및 제품 안전 인증 코드 개발
ㅇ설치 기준안 개발
ㅇ성능 평가 기준 개발
기술개발 배경
□ (국내 에너지 수요) 산업의 고부가가치화로 산업ㆍ수송 부문 수요 증가는 둔화되 고, 소득수준의 향상으로 가정 부문 수요는 증대되어 에너지 수급 불균형과 환경 문제 야기
ㅇ 낮은 전기요금에 따른 전력수요 증가로, 전력수급 위기상황이 초래되고 있으나, 발전소 및 송배전 부지 확보의 곤란으로 발전시설 확충도 어려워, 최대전력수요 감축 (피크-컷)의 필요성 증대
ㅇ 우리나라는 온실가스배출 세계 7위국으로, 2020년까지의 감축목표 30%를 달성하기 위해서는 가스발전보다 이산화탄소 배출량이 1.85배 많은 유류 발전 비율(현재 7.8%)의 감축이 필요
ㅇ 국내 LNG 화력발전의 발전효율은 31.4%(총발열량 기준)로 발전부문에서의 에너지 손실양은 1차 에너지 총 사용량의 24%에 달하므로, 에너지효율이 높은 에너지소비방식으로의 전환이 필요
□ (가정용 에너지 기기) 선진국을 중심으로 개발ㆍ보급이 확대되고 있는 m-CHP*를 국내에도 도입하여, 최대전력수요 감축, 온실가스 배출량 감축 및 연료수입 비용의 절약 필요성 대두 * Micro-Combined Heat and Power (초소형 열병합발전시스템)
ㅇ m-CHP는 연료전지, 가스내연기관 및 스털링엔진 등을 이용하여 전기와 온수를 동시에 생산하는 가정용 초소형 열병합발전시스템
ㅇ 발전 폐열을 회수하여 온수ㆍ난방용으로 사용하기 때문에 화력발전에 비하여 열효율이 월등히 높고, 가정에 설치하기 때문에 분산 발전시스템으로서의 효과 극대화 가능
핵심개발 기술의 의의
□ 스털링엔진은 외연기관으로 이론적으로 가장 높은 효율를 가진 엔진임. 종래의 기구학적인 메카니즘에서 free 피스톤 타입이로 기술개발이 진화 되었으며 새로운 기술이라기 보다는 기술적 구현이 매우 어려운 기술임. 이러한 스털링엔진 설계 및 제조 기술을 보유한 회사는 국내는 아직 없으며 해외 몇몇 회사에 불과함.
□ 본 연구 과제를 통하여 국내에서 처음으로 스털링엔진을 가정용열병합발전 시스템으로 구현하여 실증을 수행하였으며 통합 시스템 설계 및 제조 기술은 해외 선진 기술의 90%이상 실현하였음.
적용 분야
□ 스털링엔진은 가정용 열병합 발전기기 뿐 아니라 태양열을 이용한 발전기 및 remote power 시스템으로 확장 적용이 가능하며 역 사이클을 이용한 극저온 냉동기 기술에도 적용 가능.
□ 스털링엔진 열병합발전기기는 가정용뿐 아니라 cascade를 통한 상업용 시설에도 적용 가능하며 열원 구동 흡수식 냉방기와 결합할 경우 전기, 난방 뿐 아니라 냉방까지 공급 가능

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 4
• 목차 ... 13
• 기술개발사업 주요 연구 성과 ... 18
• 제 1장 서론 ... 23
• 제 1절 과제의 개요 ... 23
• 1.1.1 기술 개발의 중요성 ... 23
• 1.1.2 국내외 기술개발 현황 ... 26
• 가) 국내 기술 개발 현황 ... 26
• 나) 국외 기술 개발 현황 ... 28
• 1.1.3 기술 개발 과제 개요 ... 29
• 제 2장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 35
• 제 1절 최종 목표 및 평가 방법 ... 35
• 2.1.1 최종목표 및 평가방법 ... 35
• 가. 최종목표 ... 35
• 2.1.2 개발기술의 평가방법 및 평가항목 ... 36
• 제 2절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 38
• 2.2.1 1차년도 개발 내용 및 개발 범위 ... 38
• 2.2.2 2차년도 개발 내용 및 개발 범위 ... 40
• 제 3절 수행 결과의 보안등급 ... 42
• 2.3.1 보안등급 분류 ... 42
• 2.3.2 수행 결과의 보안등급 ... 42
• 제 4절 유형적 발생품(연구시설,연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 43
• 2.4.1 1차년도 ... 43
• 2.4.2 2차년도 ... 45
• 제 3장 결과 및 사업화 계획 ... 49
• 제 1절 연구개발 최종 결과 ... 49
• 3.1.1 단계 연구개발 추진 일정 ... 49
• 가. 1차년도 연구 개발 추진 일정 ... 49
• 나. 2차년도 연구 개발 추진 일정 ... 50
• 3.1.2 단계 연구개발 추진 실적 ... 51
• 가. 세부 연구내용 대비 추진 실적 ... 51
• 나. 구체적 연구 성과 ... 55
• 1) 지식재산권 ... 55
• 2) 논문 게재/발표 실적 ... 56
• 3) 인증/포상 실적 ... 57
• 4) 시작품 및 시제품 제작 실적 ... 58
• 3.1.3 각 기관/기업별 추진 내역 ... 61
• 가. 경동나비엔 ... 61
• 나. 한국기계연구원 ... 61
• 다. 국민대학교 ... 62
• 라. 경동원 ... 62
• 마. DSK 엔지니어링(주) ... 62
• 바. 한국가스안전공사 ... 63
• 사. 한양대학교 ... 63
• 3.1.4 기술 개발 결과 ... 64
• 가. 스털링엔진 개요 ... 64
• 1) 스털링엔진 작동원리 ... 64
• 2) 스털링엔진 개발 개요 ... 68
• 3) 국내ㆍ외 관련 기술의 현황 ... 71
• 가) 국외 기술현황 및 기존제품 기술 분석 ... 71
• 나) 국내 기술 개발 현황 ... 77
• 나. 기술 개발 내역 ... 79
• 1) 60Hz급 스털링엔진 설계 ... 79
• 가) 스털링 엔진/발전기 사이클 해석 및 설계 ... 79
• 나) 스털링 엔진/발전기 기본 설계 ... 87
• 다) 1 kW/60 Hz급 스털링 엔진/발전기 상세 설계 및 제작도면 ... 97
• 2) 열교환기 해석 및 설계 기술 ... 103
• 가) 고온 열교환기 수치해석 및 설계인자 도출 ... 103
• 나) 저온 열교환기 수치해석 및 설계인자 도출 ... 109
• 다) 고온열교환기 핀 형상 설계 개선 ... 112
• 라) 고온열교환기 형상 개선에 따른 설계온도 결정 ... 114
• 마) 복사 열전달을 고려한 연소기의 축열기 능에 관한 수치해석 ... 116
• 3) 선형발전기 설계 및 제작 ... 122
• 가) 단방향(single-acting) 방식 스털링 엔진용 발전기 제작 ... 122
• 나) 양방향(double-acting) 방식 스털링 엔진용 발전기 설계 및 제작 ... 125
• 4) 스털링엔진 핵심부품 제작 및 공정 기술 개발 ... 145
• 가) 엔진 헤드 제작 기술 ... 145
• 나) 피스톤 / 변위기 제작 기술 ... 149
• 다) 엔진헤드 누설 시험 장치 및 지그 제작 ... 151
• 5) 스털링엔진 핵심부품 제조공정 안정화 ... 152
• 가) 선형 발전기용 요크 제작공정 개발 ... 152
• 나) 가동 자석(moving magnet) 제작 공정 안정화 및 특성시험 ... 159
• 다) 피스톤/변위기 seal 재질 안정화 연구 ... 162
• 6) 60 Hz 스털링 엔진 시작품 제작 및 성능시험 ... 165
• 가) 스털링엔진 성능시험 장치 ... 166
• 나) 단일 피스톤형(Single-acting) 스털링엔진 ... 169
• 다) 양방향 피스톤형(double-acting) 스털링 엔진 ... 174
• 7) 스털링 엔진/발전기 신뢰성 평가 연구 ... 193
• 가) 헬륨 누설 측정시험 ... 193
• 다. 스털링엔진 m-CHP 시스템 개발 개요 ... 198
• 라. 시스템 핵심 부품 개발 ... 199
• 1) 엔진 버너 개발 ... 199
• 가) 조립형 연소기의 화염가시화 및 연소특성 ... 199
• 나) 조립형 연소기의 엔진 장착 연소특성 ... 202
• 2) 보조 보일러 시스템 개발 ... 213
• 가) 보조 보일러 현열 열교환기 개발 ... 214
• 나) 엔진 배열 회수 구조 개발 ... 219
• 3) 엔진 support spring 개발 ... 224
• 가) 스프링 설계 및 신뢰성 검증 ... 224
• 나) 스프링 최종 사양 결정 ... 227
• 4) 엔진 마운팅 브라켓 개발 ... 229
• 가) 품질 개선 ... 229
• 나) 양산성 개선 ... 231
• 5) spool valve 개발 ... 234
• 가) 스풀밸브 구조개선 ... 234
• 나) 스풀밸브 재질 선정 ... 235
• 다) 스풀밸브 품질 및 신뢰성 검증 ... 237
• 6) 양산형 제품 설계 및 제조 공정 개발 ... 244
• 가) 제품 디자인 변경 및 부품 사양 변경 ... 244
• 나) 양산 Line 구축 ... 250
• 마. 스털링엔진 열병합발전시스템 평가 ... 260
• 1) 스털링엔진 열병합발전시스템 성능평가 ... 260
• 가) 시험 장비 구축 ... 260
• 나) 스털링엔진 열병합발전시스템 성능평가 시험 ... 265
• 다) 스털링엔진 열병합발전시스템 실험실 장기운전 시험 ... 271
• 2) 스털링엔진 열병합시스템 인증기관 평가 ... 273
• 가) 상용엔진(Microgen, 60Hz) 성능시험 ... 273
• 나) 독자 개발엔진(Single Acting, 60Hz) 성능시험 ... 278
• 3) 스털링엔진 열병합발전시스템 해외 실증 평가 ... 287
• 가) Field trial 시스템 안정성 평가 ... 287
• 나) 사용자 경제성 평가 ... 289
• 4) 스털링엔진 열병합 발전 시스템 국내 실증 평가 ... 291
• 가) 상용엔진을 이용한 국내 실증 ... 291
• 5) 독자엔진을 적용한 실증 평가 ... 303
• 가) 기본 온수 부하 test ... 304
• 나) 변동 온수 부하 test ... 305
• 6) 스털링엔진 열병합 발전 시스템 시뮬레이션 평가 ... 308
• 가) 스털링엔진 열병합발전 시뮬레이션 개선 ... 308
• 나) 시장 조사, 운전전략 선정, 제어기법 보완 ... 314
• 다) 사용자 경제성 평가 및 보급 효과 평가 ... 319
• 바. 스털링 열병합발전시스템 안전 기준안 및 설치기준(안) 개발 ... 331
• 1) 스털링 열병합발전시스템 안전 인증 기준 ... 331
• 2) 스털링 열병합발전시스템 설치기준(안) 개발 ... 331
• 가) 국∙내외 가스용 소형 열병합발전시스템 설치 기준 검토 ... 331
• 나) 스털링엔진 열병합발전시스템 설치기준 개발안 ... 337
• 사. 결론 ... 341
• 제 2절 연구개발 추진 체계 ... 345
• 3.2.1 연구개발 전략 ... 345
• 3.2.2 연구개발 추진 체계 ... 347
• 제 3절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 348
• 3.3.1 시장 현황 ... 348
• 가. 스털링엔진 해외 시장 현황 및 사업화 전망 ... 348
• 나. 스털링엔진 국내 시장 현황 및 사업화 전망 ... 350
• 제 4절 고용 창출 효과 ... 352
• 제 5절 자체보안 관리 진단표 ... 354
• 3.5.1 자체보완 관리 진단표 ... 354
• 참고문헌 ... 362
• 끝페이지 ... 364