저온 스털링 엔진(Stirling Engine) - 외연 증기 엔진 모델

[석수]

인류 에너지 구세주는 태양열-지하수 스털링엔진(온도차엔진) 발전기(*태양전지 No)

저온 Stirling Engine, 외연 증기 엔진 모델


1816년 스코틀랜드의 목사 로버트 스털링(Robert Stirling, 1790~1878)이 원리를 발명하고 특허를 얻은 열기관이다.

스털링 기관은 일종의 외연기관으로서, 밀폐된 실린더 안에 기체를 가둔 구조로 되어 있으며, 가열-팽창-냉각-수축의 4행정 작동 원리로 구동된다. 가열-팽창 행정에서는 실린더가 가열되면서 기체가 팽창하여 피스톤을 밀어올린다. 냉각-수축 행정에서는 실린더의 가열이 멈추면서 기체를 수축되게 하고 이로 인해 피스톤을 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 마개조경험이 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..

또 한 가지의 장점으로는 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. 바람를 받아서 움직이는 바람개비를 반대로 동력을 가해 움직이면 바람이 나오는 선풍기가 나오고, 전기를 받아서 움직이는 모터에 반대로 동력을 가해 움직이면 전기가 나오는 발전기가 되는 것과 같다.

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.