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친환경 열에너지의 전력화를 위한 스털링 엔진 연구개발
김동준(Dong-Jun Kim)(서울과학기술대학교 박사과정) / djkim6300 at gmail.com /
1. 본인의 연구에 대해서 대략적인 소개를 부탁 드립니다.

저는 프리 피스톤 스털링 엔진(Free-piston stirling engine, FPSE)에 모터/발전기를 결합한 스털링 컨버터(열에너지 전력변환장치), 스털링 냉동기에 대한 연구개발을 학부과정부터 현재까지 8년간 진행하고 있습니다.

스털링 엔진은 밀폐 공간 안의 공기, 헬륨 등의 작동 기체를 가열·냉각, 압축·팽창하여 순수 열에너지를 기계 동력으로 변환하는 스털링 사이클에 기반한 외연기관입니다. 구성요소로는 가열기, 냉각기, 열교환기/재생기, 디스플레이서 피스톤, 파워피스톤 및 각 피스톤을 연결하는 기구부로 구성됩니다. 또한 스털링 엔진은 스털링 역사이클에 기반해 전력을 가하면 냉열이 발생하는 냉동기로도 구동이 가능합니다.



하지만, 기존 스털링 엔진은 피스톤을 물리적으로 연결하는 커넥팅로드, 크랭크축과 같은 기구부를 구비하는데, 각 피스톤의 운동 및 두 피스톤 간 위상차를 정확하게 조절할 수 있지만, 선형운동을 회전운동으로 바꿀 때 상당한 측면 하중이 발생하여 피스톤의 마멸 문제를 발생시킵니다. 더구나, 기구부로 인하여 엔진의 크기와 무게가 커지고 기계적 손실과 밀봉 문제로 인하여 성능을 저하시킵니다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 저희는 FPSE를 이용한 스털링 엔진의 개발에 몰두하고 있는데, 이는 기구부를 제거하고 각각의 피스톤에 스프링을 연결하여 피스톤의 공진 현상을 이용한 엔진입니다.



FPSE는 콤팩트, 저손실, 고내구성의 장점을 가지나 기술적으로 열역학·동역학·전자기학의 정밀기계 복합시스템으로 높은 수준의 융복합 기술을 요구합니다. 참고로 아래 링크는 저희 연구팀이 만든 FPSE 소개 영상입니다.

FPSE 소개 영상:




2. “프리피스톤 스털링 엔진의 작동압력과 주파수의 선형 동역학 해석 및 실험검증”이라는 논문을 2021년 MDPI에 게재하신걸로 있습니다. 어떤 내용인지 설명을 부탁드립니다.

이 논문은‘FPSE는 어떤 압력 조건에 최대 출력을 발생시키면서 작동을 할까?’라는 질문에 대한 답변을 하기 위해 쓴 논문입니다. FPSE는 두 개의 피스톤이 각각의 스프링과 연결되어 두 피스톤은 서로 다른 공진주파수를 가지게 됩니다. 저는 어렴풋이‘FPSE는 두 피스톤의 공진주파수 중간쯤의 주파수에서 최대 성능을 발생시키면서 작동하겠지’라는 생각을 가지고 있었습니다. 그러던 어느 날 석사과정 때 FPSE의 공진 주파수에는 피스톤 질량과 스프링 강성 뿐 아니라 내부 작동 기체의 압력도 영향을 미칠 수 있다는 생각이 떠올랐습니다. 그래서 아이디어에 대한 공학적 이론 모델을 수립하고, 엔진 실험을 통해 이론을 검증하여 논문으로 출판하였습니다. 아직도 이 논문에서 제시한 내용을 FPSE 설계 시에 많이 사용하고 있어서 활용성 측면에서 가치가 높은 논문이라고 생각합니다.
3. 스털링엔진은 내연기관으로 빛을 받지 못하다가 대체에너지의 중요성이 강조되면서 최근 다시 개발이 되기 시작한 걸로 알고 있습니다. 스털링 엔진이 지금 다시 연구가 되고 있는 이유는 무엇일까요?

스털링 엔진의 역사는 200년 정도 되었지만, 내연기관과 비교해 초기가열시간으로 인한 시동 지연, 낮은 출력밀도 등의 이유로 특수분야에서만 사용하는 기술이었습니다. 하지만 시간이 흘러서 화석연료의 과도한 사용으로 인한 기후변화로 현재는 내연기관의 퇴출을 말하는 목소리들이 커지고 있습니다. 그에 반해 스털링 엔진은 화석연료가 아니어도 열원만 존재하면 되기 때문에 태양열, 바이오매스/가스, 폐열 등 다양한 신재생에너지를 이용해 전기를 생산하므로 최근에 다시 주목받고 있습니다. 특히 최근에 우주기술 개발이 전세계적으로 이슈화되고 있는데, 스털링 엔진은 우주용 전원장치의 핵심기술로 현재 NASA에서 초소형 원자로 스털링 발전기술을 활발하게 개발하고 있습니다.
4. 프리 피스톤 스털링 엔진은 여러가지 분야에 활용되는 걸로 알고 있습니다. 어떤 분야에 활용이 가능한지 설명을 부탁드립니다.

프리 피스톤 스털링 엔진은 발전기와 냉동기로 활용이 가능합니다. 쉽게 말해서 발전기는 열을 공급하면 전기가 발생하고, 냉동기는 전기를 공급하면 냉각이 되는 원리입니다.

첫번째로 발전기는 가정용 열병합발전, 태양열 발전, 폐열발전, 우주용 전원장치 등에 많이 활용됩니다. 특히 우주용 전원장치가 최근 크게 이슈가 되고 있습니다. 우주용 전원장치는 우주기지 건설과 장기간 거주/탐사를 위해서는 전기공급 문제를 해결해주는 발전장치입니다. NASA 자료에 의하면 우주탐사 임무 수행을 위해서는 40킬로와트 수준의 전력공급장치가 필요합니다. 일반적으로 태양전지를 많이 사용했지만 달표면은 낮과 밤이 각각 14일 동안 지속되고, 화성은 모래폭풍으로 태양전지 사용에 한계가 있습니다. 이에 대한 해결책으로 초소형 원자로를 열원으로 하는 스털링 발전기가 NASA를 중심으로 개발되고 있습니다.
두번째로 냉동기는 군사용 열영상장비, 초저온 냉동고 등에 주로 활용됩니다. 특히 초저온 냉동고는 -70°C 근방에서 보관해야 하는 화이자 코로나 백신의 활성화로 최근 이슈가 되고 있습니다. 스털링 냉동기를 적용한 초저온 냉동고는 소형(25L급)부터 중대형(~1000L급)까지 미국에서 상용화 되어 있습니다.
5. 현재 소속된 넥서지랩(Nexergy Lab.)에 대해서 소개를 부탁드립니다.

저희 넥서지랩(Nexergy Lab.) 은 차세대에너지 연구실의 줄임말로 신재생 열에너지를이용한 전력변환장치인 스털링 엔진과 회전기기(초고속모터, 휠타이어) 등과 같은 기계환경 시스템에 대해 주로 연구하고 있습니다. 특히 제가 연구하고 있는 분야인 스털링 엔진은 아래 그림과 같이 2013년 연구실이 처음 생겼을 때부터 연구를 시작해 지금까지 다양한 용량의 스털링 컨버터/냉동기가 개발되어 왔습니다. 앞으로도 스털링 엔진의 국내최초 상용화를 목표로 연구를 계속 이어나가고 있습니다. 참고로 아래 링크는 환경TV에서 저희 연구실을 촬영한 영상입니다.

연구실 소개 링크(25:50-27:00):




6. 영향을 받은 연구자가 있다면? 또한 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

지도교수님이신 심규호 교수님의 영향을 가장 크게 받았습니다. 연구가 무엇인지, 연구자가 가져야 하는 태도에 대해서 모르던 학부생 시절부터 공학적인 가르침 뿐 아니라 연구자 또는 프로의 자세, 연구 방법론 등 많은 것을 저에게 적극적으로 알려주셨습니다. 제가 포기하지 않고 연구자로서 길을 걸어가며 성장할 수 있었던 가장 큰 원동력이 심규호 교수님을 만났기 때문이라고 생각합니다. 그래서 항상 감사하는 마음으로 현재까지 계속 지도받고 있습니다.


7. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

모든 연구가 그렇겠지만, 저는 스털링 엔진 개발 연구를 8년간 해오면서 대부분의 기간을 실패하는 데에 보냈습니다. 계속된 실패는 연구를 지속할 의욕을 꺾지만, 수많은 실패 끝에 얻는 한번의 성공은 그간의 실패를 모두 무마시키고도 남을 정도의 자부심과 보람을 줍니다. 이는 저에게 연구를 지속할 수 있는 에너지를 줍니다.

최근에 바이오가스 발전용 3kW 스털링 엔진 개발을 약 2년간 진행했습니다. 그 기간동안 수십 차례의 엔진 부품 파손, 실험장치 고장 등의 다양한 문제가 발생하였고, 이로 인해 엔진개발 실패가 계속되었습니다. 계속된 실패로 일정이 지연되어 평가를 연장하면서까지 포기하지 않고 끝까지 몰두하였고, 결과적으로 평가에서 좋은 결과를 얻게 되었을 때 정말 큰 보람과 자부심을 느꼈습니다.



8. 이 분야로 진학(사업) 하려는 후배들에게 조언을 해 주신다면?

제가 연구하고 있는 스털링 엔진은 필수적으로 모터나 발전기와 결합되어 사용하는 기계-전기 시스템으로 기계,전기공학에 대한 전반적인 지식 모두를 알고 있어야 합니다. 대부분의 대학교에서 일반적으로 “기계공학”과 “전기공학”은 구분되어 있어 2가지 학문을 전부 배우기란 쉽지가 않습니다. 그러므로 스털링 엔진 뿐만 아니라 모든 기계와 전기가 완전히 분리된 시스템은 거의 없으므로 두 학문 모두에 대해 관심을 가지고 공부하였으면 좋겠습니다.




9. 다른 하시고 싶은 이야기들.

긴 글 읽어주셔서 감사하고, 관련해 궁금하신 내용이 있으시면 언제든지 제 메일로 질문하시면 답변드리겠습니다.


* 김동준의 최근(대표) 논문

1. Kim, D.J. and Sim, K., 2021, “Linear Dynamics Analysis of Free-Piston Stirling Engines on Operable Charge Pressure and Working Frequency along with Experimental Verifications,” applied sciences, 11, 5205.

2. Sim, K. and Kim, D.J., 2017, "Development and Performance Measurements of A Beta-Type Free-Piston Stirling Engine along with Dynamic Model Predictions," ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 139, 112806.

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