KR20120067385A - 태양가열 스털링엔진 발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열 가열방식으로 스털링엔진의 열원으로 하여 엔진을 구동하고 파워 피스톤을 갖는 자유 피스톤 스털링 엔진발전 제어시스템을 제공하며, 상기 시스템은 상기 파워피스톤과 기계적으로 연결되는 상기 전기발전시스템과 전기적 으로 연결되어 제어하는 발전전력시스템을 제공하며 상기 시스템은 상기 전자기 트랜스듀서에서 소정의 진폭을 발생하여 소정의 주파수를 발생하여 상기 전기적 작동으로 트랜스 듀서에서 전력을 발전하거나 이 전기적 장치로부터 전력을 수용하며 가열열을 냉각하는 과정에서 발생하는 열을 활용할 수 있다.

Description

태양가열 스털링엔진 발전시스템{omitted}

에너지가 고갈되어 가고 있는 현실에서 미래의 인간의 번영을 위하여 태양열을 에너지원으로 하여 태양열을 집 열하여 가열하므로 열에너지를 얻고 이 열에너지 를 가공하여 스털링엔진의 헤드로 유입하여 구동하고 전기에너지와 열에너지를 동시에 얻으므로 탄소를 발생하지 아니하고 자원을 고갈시키지 아니하여도 에너 지를 얻을 수 있어 경제적으로 환경적으로 도움이 되는 스털링엔진을 활용하여 발전함으로 전기와 열을 동시에 얻으려는 발명이다.

태양열과 가연성 가스와 수소가스 등의 연료를 이용하여 스털링엔진과 발전기를 가동함으로 동시에 발생되는 열을 회수하여 냉난방이나 급탕(給湯)등에 이용하는 제네레이션 시스템이 개발되고 있다.

특허 문헌에는 스털링 엔진발전을 이용한 시스템이 기재되어 있다.

이 스털링엔진 발전 시스템은 스털링 엔진의 가열 헤드를 가열하는 태양열 집열 로 가열되어 발생되는 가열승화가스를 엔진 헤드에 유입하여 스털링엔진을 헤드 를 가열하고 발생되는 가열 열을 구동 열원으로 하여 스털링엔진을 구동하는 헤 드로 유입하여 엔진의 헤드를 가열하여 스털링 엔진을 구동 하여 발전하고 잠열 가스는 리턴하여 다시 태양열 집 열로 가열하여 승화열은 스털링 엔진으로 반복 유입되어 스털링엔진을 작동하는 것이다.

이 스털링엔진발전시스템은 태양열을 활용 집 열하여 가열튜브를 가열하고 발생 하는 승화열을 스털링엔진의 헤드로 유입하여 스털링엔진을 구동하는 시스템으로 서 태양열을 열매체가 충전되어 있는 열매체 가열관을 태양열 집 열로 가열하여 열매체가 가열하여 승화된 가열 열을 스털링엔진 헤드로 유입되어 스털링엔진을 구동하여 발전하는 시스템으로 스털링엔진을 구동하여 발전하고 배출되는 잔열을 리턴하여 재가열한 승화열 기체를 재순환하여 엔진을 동작시키며 냉각기관을 냉 각하는 냉매를 냉각회로를 순회하며 이송되어온 냉각 열매체 열을 열 교환하여 재 할용하는 열 교환기에서 열 교환하는 열 교환기가 구비되어 스털링엔진발전 시스템으로 태양열이 가열되어 엔진헤드중앙으로 유입되어 엔진헤드를 나선형으 로 맴돌면서 헤드두부를 가열하여 엔진헤드를 가열구동하고 배출관으로 배열되 어 태양열 가열기로 리턴하여 재 가열되어 엔진헤드로 유입되는 것을 반복하여 구동하 며 엔진헤드 외면은 단열부재로 구성하였으므로 외측으로는 가열 열이 누설되지 못하며 헤드 내부 측으로만 유입 열이 전이될 수 있도록 구성하였으며 단열 부 재를 내측에는 열전도 부재로 구비되어 전열된 열이 전열부재에 의하여 시린다 헤드 내측에 구성되어 있는 전열부재에 열전달을 하며 전열부재가 전열 관을 감싸 고 가열 열을 전도받을수 있도록 구성되어 있다. 헤드 내 측에만 열을 전열할 수 있게 하므로 유입 된 열이 헤드 내측만을 가열할 수 있으므로 헤드 외 측으로 누설 되는 열량이 적어지며 가열된 열이 헤드내측만을 가열하여 엔진이 작동하는 것이다.

상기 발명에서는 태양열 가열로 가열된 열이 가열관을 통해서 스털링엔진의 가 열 헤드로 안내되어 엔진을 구동하는 것을 효과적으로 하기 위하여 태양열 가열 기에서 승화되어 배출가스로 배출하는 열이 엔진의 헤드중앙으로 유입되는 거리 를 최대로 단축하고 가열열을 스털링엔진의 헤드에 효율적으로 전달하고 활용하 여 태양열 가열로와 엔진을 하나의 프레임 내에 장치하고 부피를 줄이고 중량을 가볍게 하기위하여 구조를 단순화하고 승화열이 외부로 누설하는 것을 방지하기 위하여 엔진외부에는 냉각부위를 제외한 부위에는 단열 재료로서 외피를 형성 하여 단열하였으며 태양열 가열로와 스털링 엔진의 헤드를 일체화한 하우징과 태 양열 집 열 초점 위치에 태양열 가열로와 스털링엔진하우징을 구비하므로 태양열 이 가열되어 헤드로 유입된 열이 외부로 누설되는 것을 방지하는 것이며 외부로 노출되는 냉각기관을 제외한 모든 부위에는 단열 효과가 큰 에어로겔 혼합부재를 활용하여 엔진몸통과 헤드외부를 감싸주므로 열효율을 증대하게 하였다.

불필요하게 배열(排熱)되지 않은 채로 대기에 방출되어 버리는 열을 최대로 줄이 기 위하여 가열기와 헤드와의 거리를 최대로 축소시키고 프레임을 일체화하여 스 털링엔진 발전효율이 저하를 방지하며 태양열 집 열점에 가열관을 위치하여 가열 효율을 최대화 하며 집열판 집 가 열점에 스털링엔진 발전시스템을 경량 재질로 구비한 스털링 엔진을 구비하였다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 태양열 집열판 면적규모와 가열로 가열 규모를 연동하여 스털링 엔진의 구동규모를 설정 연동하여 구분하고 설계 하므로 열효율을 최적의 상태로 구비한다.

스털링엔진을 경량화를 이루어 가열점 가까이에 구비하므로 가열 열이 외부로 누출 율을 최대로 줄이고 에너지효율을 증대하므로 에너지 생산효율을 최대화 하였다.

상기 발명에 의해서 구현되는 스털링엔진 발전 시스템은 태양열 가열爐에서 가 열한 열을 열 이송관을 통하여 둥근 원통형의 가열 헤드를 가지는 스털링 엔진과, 스털링엔진의 가열 헤드의 단면에 위치하고 있는 가열 열 튜브가 스털링 엔진의 가열헤드의 중앙상측 곡면을 따라서 나선형으로 감아 돌아 아래 측으로 밀착하여 내려가면서 배열한 열을 헤드에 가열하고 난 승화열은 잔열을 보전한 채 태양열 가열기로 리턴하여 재 가열되며 순환한다.

태양열 가열로는 스털링엔진의 헤드의 곡면 외부에 밀착하여 구비되었으며 완전히 고정밀착하지 않았다.

태양가열 열이 외부 발산하여 누설하는 것을 방지하기 위하여 스털링엔진 헤드는 외측으로는 단열효율이 높은 에어로 겔 혼합 단열보강재가 구비되어 엔진 외부로 가열 열이 누설되는 것을 방지하고 내측으로만 전도열 효과가 높은 재료를 구비 하여 스털링엔진의 헤드 내측의 디스플레이서 (displacer)와 파워피스톤을 가열하 여 구동 한다. 스털링엔진 헤드에 배열을 전달하는 열매체 가스는 잔열을 보유 한체 헤드의 상측을 순환하여 비교적 열의 밀도가 낮은 헤드 하측의 측면으로 배 열되어 가열튜브로 유입되어 태양열 집 열에 의해 재 가열된다.

태양열 집 열만으로 가열관 튜브를 가열하여 스털링엔진을 구동하는 구조이므로 가열 열이 외부로 누설 될 때는 발생 열량이 목적 외에 소모되는 것이므로 엔진 에서 발생하는 출력이 감소하는 것이다.

스털링 엔진의 냉각 열매체는 열교환기를 순환하며 냉각하는 형식으로서 유입된 냉열매체가 엔진의 냉각 부를 순환하며 냉각하는 것으로 대체적으로 가열 헤드에 서 전도되는 열을 냉매가 순환함으로 냉각하는 것으로 가열부와 냉각 부의 온도 차를 크게 하므로 엔진의 파워가 증가하는 것이다.

엔진을 구동하는 목적 외에 가열이 사용되는 것을 줄이고 목적에만 열의 이용 율을 높이기 위한 방안으로 에너지 효율을 높이기 위한 수단으로 가열부에서 냉 각부로 전도되는 접촉면에 단열부재를 구비하므로 엔진의 내벽이 연결되는 내벽 부재 외에는 가열부의 면에서 냉각부의 면이 접촉하여 열이 전도되는 면적을 적 게 하기위하여 단열부재로서 가열 면을 차폐하였다.

또한 냉매순환회로를 순환하는 냉매의 온도를 내리기 위하여 열 교환 회로를 구비하여 냉각 율이 효율적이도록 하였다.

상기 발명의 태양열을 집 열하여 스털링엔진 제네레이션 시스템을 구동하고 배 출되는 배출 열은 스털링 엔진헤드 측면으로 배열되어 리턴되고 재 가열되어 순 환되며 반복되어 구동된다. 가열튜브 내에서 가열한 기화열이 엔진헤드 상측면 중앙으로 유입되어 나선형 곡면의 헤드를 감돌면서 발산하는 가열 열은 헤드 내 측으로만 열이 전도될 수 있도록 구비하고 헤드 외측은 고단위 단열재에 의해 단 열 차단되었으므로 헤드 내측으로만 유입 가열 열이 전도되어 발산될 수 있도록 열 전도효율이 좋은 전 열재 구성으로 열이 내측으로 만 발산될 수 있으며 열의 발산이 쉽도록 헤드 상측 면 내측에 구비된 전열부재에는 미세공이 구성되어 열 전달이 빠르게 확산될 수 있는 구조이다.

헤드중앙으로 유입 승화열은 헤드곡면 내부를 나선으로 감돌면서 열을 발산가열 하고 열의 밀도가 낮은 하측으로 이동하면서 배열되어 태양열 가열기로 유입하여 재 가열된다. 태양열을 집 열하여 가열한 열이 외부로 누설하는 것을 방지하기 위 하여 단열 효율이 뛰어난 단열 부재 재료를 구비하여 누설을 억제하고 스털링 엔 진의 가열 열이 헤드중앙으로 유입되어 헤드를 순환하며 배열하고 난후의 열매체 가스의 회수와 가열이 효율적으로 행해진다.

또한, 스털링엔진의 배열 열교환기가 엔진으로부터 격리되어 있으므로, 시스템 내 에서 배열되는 배열을 집 열하여 효율적으로 집 열 가열할 수 있는 것이다.

상기 발명의 스털링 엔진 발전시스템에 의하면, 태양가열의 가열 열이 외부로 누 설하는 것이 억제될 수 있게 하기 위하여 태양열가열로와 스털링엔진을 일체형의 프레임을 구성하고 가열 열을 스털링엔진헤드로 유입시키는 거리를 최대로 단축 하여 외부 누설율이 저감되게 하여 에너지 효율 증가를 꾀하였다.

상기 스털링엔진 발전시스템에 있어서 스털링엔진 헤드 측면을 순환하여 헤드 下面측의 배출구로 배열되어 가열기로 유입하여 재가열하는 구조의 엔진 구조이 므로 엔진의 구조가 비교적 간단하고 부피가 작고 단순하여 가볍다.

목적 외 열이 외부로 배출되는 율은 적어도 집 열되어 낭비되는 열을 줄이고 재 사용하는 열의 비율이 높게 하므로 열효율을 증가하였으므로 바람직한 선택이며 열교환기에 의해서 기체 배열과 액체배열이 열 교환되기 때문에 배열교환율이 높 고 외부로 누설하는 것을 보다 억제하여 교환기 내에 머물러 열 교환되는 율이 높게 된다. 상기 스털링엔진 발전 시스템의 엔진헤드의 배기로는 없는 것이며 헤드와 냉각부위는 단열재에 의해 단열되어 하류측의 냉각부위에 접속되어 있는 면적이 적을 수 있어 가열기관에서 가열한 열이 냉각기관에 전달되는 율이 최소 화 되도록 하여 열전달이 되도록 냉각부위에 전달되지 않도록 하였으며 냉각부위 에는 냉각효과가 크도록 열교환기가 부가되고 있는 것이 바람직하다.

스털링엔진의 헤드를 감싸고 밀착하여 구비되어 헤드중앙으로 돌며 유입된 승화 가스가 배열 관을 순환하며 열을 풀어내어 시린다 헤드를 가열하고 남는 잠열을 회수하여 재가열할 수 있으므로 가열 열을 보다 효율적인 윤회시스템으로 이용하 는 것이 가능하게 된다.

상기 발명에 의해, 태양열을 집 열하여 스털링엔진을 구동하고 전기를 발전하는 것으로 태양열 이용으로 열과 전기를 효율적으로 생산하여 활용하는 발명으로서 가열 열을 효율적으로 생산하기 위한 발명이다.

가열 열이 외부로 누설하는 것을 억제하고, 배출 배열을 회수하여 재가열하고 재활용하므로 이용에너지 효율을 증가시키는 것이 가능해져, 스털링엔진 태양열 발전 시스템의 에너지 효율을 현저하게 높이는 것이 가능하게 되는 것이며 도심 의 빌딩의 옥상에서 이용이 가능해 이용효율이 크게 증가할 것이므로 타 신재생 에너지 발생시스템과 병합하여 운영할 수 있고 에너지 발생단계를 상호 효율적 운영으로 효율을 증대할 수 있다.

도 1은 태양열 스털링엔진발전시스템의 전체구성의 작용의 블록구조도
도 2는 태양열 스털링엔진발전시스템의 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 태양열 스털링엔진발전시스템의 엔진구조를 나타내는 단면도.
도 4는 태양열 스털링엔진발전시스템의 엔진구조의 반면의 분해도.
도 5는 태양열 스털링엔진발전시스템의 냉각회로의 구성을 나타내는 회로도.
도 6은 스털링엔진발전시스템의 외면구성을 나타내는 전체외면도.

태양열 스털링엔진발전시스템의 특징을 이하에 설명하는 실시예의 주요한

특 징을 들어 설명 한다.

(특징 1) 태양열 스털링 엔진발전시스템은 프리 피스톤형의 스털링엔진을 구비하고 있다.

(특징 2) 태양열 스털링 엔진발전시스템은 태양 집 열 가열 튜브와 가열관을 구비하고 순환가열과 구조를 단순화 하였다.

(특징 3) 가열 헤드와 냉각부록 사이에 단열재 벽을 구비 전도열을 차단하고 냉매를 순환 냉각케 하므로 온도차를 크게 하여 효율을 증대하였다.

(특징 4) 가열헤드 외면을 고단위 단열재 에어로 겔 화합물로 구비하여 가열 열이 외부로 누출율이 적게 되도록 구성하였다.

도 1은 본 실시예의 스털링엔진 발전시스템(400)의 구성을 나타내는 모식도다. 스털링엔진발전시스템(400)은 스털링 엔진(415)과, 가열 튜브(420)와 냉매순환 시스템과 경량의 외피구성과 가열헤드와 냉각부 사이에 단열 벽을 구비하여 온도 차를 크게 하였다. 스털링 엔진(415)에는 기둥 원주형상의 몸통과 원뿔형상의 가 열 헤드에 외피단열재(493)와 가열매체순환라인(494)과 열을 전도하는 전열재 (495)와 냉각블록(474) 내에 회로가 구비되어 냉매가 회로(474)를 순환하며 전도 된 열을 냉각 순환하고 있다.

스털링 엔진(415)은 동작 시에 진동하기 때문에 스털링 엔진발전시스템(400)의 도시하지 않은 프레임에 탄성 부재를 통하여 지지되어 있다.

한편, 태양열 가열로(420)의 가열튜브(421)는 경량 단열부재(415)에어로 겔(411) 의 보호아래 상기 가열 프레임(415) 내에 고정되어 있으며 태양열가열을 최대로 照査받을 수 있도록 구비되었다. 따라서 가열튜브(421)와 스털링 엔진(401)은 서로 고정되지 않고, 스털링 엔진(415)이 동작 시에 진동하여도 그 진동이 가열 로(420)에 전해지지 않도록 되어 있다.

가열 튜브(421)는 태양열 집 열로 가열받아 가열하는 가열튜브(421)를 구비하고 있어 스털링 엔진(415)의 가열헤드 단열외피(493) 내측에 내장된 가열매체 순환 회로(494)와 가열파이프를 감싸고 있는 전열재료(495)에 의하여 스털링엔진(415) 내 부를 가열한다. 또 가열튜브(421)는 스털링엔진(415) 헤드(425)로 유입하여 엔 진헤드(425)를 순환하며 가열한 잠열은 가열기(420)의 가열튜브(421)로 리턴하여 태양가열기(420)의 가열 튜브(421)에서 태양열 가열하여 승화가스 화하여 재순환 되는 열 순환회로이다. 스털링엔진(415)은 가열튜브(421)의 가열 열에 의해서 가 열헤드(425)의 단열외피(493) 내측에 구성된 가열매체회로(494)에 의해 가열됨과 동시에 가열파이프라인을 감싸고 가열매체순환에서 발산하는 열을 받아 전열하는 전 열재(495)의 전열로 팽창공간을 작동하게 하고 냉각회로(474)와 접하여 팽창 열을 응축하여 온도의 편차를 크게 하므로 그것에 의해 피스톤이 왕복으로 움직 이게 하는 것으로 냉각편차에 의해서 동작하고 발전한 교류전력을 외부의 전기 시스템에 공급한다.

스털링엔진발전시스템(400)은 태양열 집 열(420)로 가열한 승화열(422)을 생산 하여 엔진헤드의 중앙유입 구(405)로 유입하여 엔진헤드를 가열 구동발전하고 전기와 열을 생산 공급하는 열전공급 시스템이다.

도 1을 참조하면서 스털링엔진(415)의 구성에 대해 설명한다. 스털링엔진발전시스템(400)은 이른바 β형의 스털링엔진(415)으로서 외형이 기둥 형상을 가지고 있는 하우징(401)과, 하우징(401) 내의 작동 공간(402 404) 내에 설치되어 있는 디스플레이서(displacer)(478)와 하우징(401)내의 작동 공간(402) 에 면(面)하고 있는 출력 피스톤(480)을 구비하고 있다.

스털링 엔진(415)의 가열 튜브(421)는 하우징(401)의 도면 위쪽의 외부에 위치하 고 있다. 디스플레이서(478)는 작동공간(404 402)내에 설치되어있는 실린더(405) 내에 수용되고 있음과 동시에 디스플레이서(478)에 고정되어 있는 샤프트(472)에 슬라이드 가능하게 지지되어 있다. 디스플레이서(478)와 샤프트(472)는 2개의 스 프링 부재(476)를 통하여 접속되어 있고, 디스플레이서(478)는 실린더(405)의 내 면(405a)을 따라서 소정의 주파수인 고유진동으로 왕복운동하게 되어 있다. 디스플레이서(478)의 고유 진동수는 2개의 스프링 부재(476)의 스프링 장치에 의 해서 조정할 수 있다. 또한 스프링 부재(476)의 각각에는 판스프링 등을 이용 할 수 있다. 또 샤프트(472)는 고정 플레이트(479)를 통하여 하우징(401)에 고정 되어 있고 고정 플레이트(479)에는 복수의 구멍(479)이 형성되어 있다.

작동 공간(402, 404) 내에는 작동가스인 헬륨 가스가 충전되어 있다.

작동 공간(402 404) 안에서 디스플레이서(478)보다도 도면 위쪽에 위치하는 작 동 공간(402)은 가열튜브(421)의 가열 열에 의해서 가열되는 가열 측 작동 공간 이다. 가열측 작동열은 가열헤드 내부에 위치한 가열파이프(494)와 전열재료(495) 에 의해서 가열되고 있다. 한편, 디스플레이서(478)보다도 도면 아래쪽에 위치하 는 작동 공간(404)은 냉각회로(474)에 의해서 냉각되는 냉각 측 작동공간이다.

가열 측 작동 공간(402)과 냉각 측 작동 공간(404)은 실린더(405a)의 내면과 외 면(405b)와 하우징(493)의 내면과의 사이공간에 의해서 연통되어 있고, 그 연통 공간에는 재생기(474)가 설치되어 있다.

스털링엔진(470)에서는 가열 측 작동 공간(402) 내의 헬륨가스가 연속적으로 가 열됨과 동시에 냉각 측 작동 공간(404) 내의 헬륨가스가 연속적으로 냉각되는 것 에 의해서 디스플레이서(478)가 실린더(405) 내에서 왕복운동 한다. 디스플레이서(478)가 왕복 운동하면, 가열 측 작동 공간(402)의 용적과 냉각 측 작동 공간(404)의 용적과의 비율이 변화한다.

예를 들면 디스플레이서(478)가 가열 측 작동 공간(402) 측으로 이동하면, 가열 측 작동공간(402)이 감소함과 동시에 냉각 측 작동 공간(404)이 증대한다.

이때, 가열 측 작동 공간(402) 내의 헬륨 가스는 재생기(474)를 통과하여 냉각 측 작동 공간(404)으로 이동한다. 반대로, 디스플레이서(478)가 냉각 측 작동 공간 (404) 측으로 이동하면, 냉각 측 작동 공간(404)이 감소함과 동시에 가열 측 작동 공간(402)이 증대한다.

이때, 냉각 측 작동 공간(404) 내의 헬륨가스가 재생기(474)를 통과하여 가열 측 작동 공간(402)으로 이동한다. 가열 측 작동 공간(402)의 용적과 냉각 측 작동 공 간(404)의 용적과의 비율이 변화하면 고온 상태의 헬륨 가스와 저온 상태의 헬륨 가스의 비율이 변화하기 때문에 작동 공간 전체(404,402)의 압력이 변화한다. 작동 공간 전체(404, 402)의 압력 변화는 작동 공간(404)에 접하고 있는 출력 피 스톤(480)에 가해진다. 베타-구조의 스털링엔진의 디스플레이서(478)와 동력피스 톤(480)이 같은 실린더 내에 수용되어 있다.

디스플레이서(478)는 작동유체를 가열파이프라인(494) 재생기(419) 및 냉각회로 (474)를 통하여 실린더의 고온부(402) 및 저온부(401) 사이를 움직인다.

실린더(405)의 저온부(404)에 있는 동력 피스톤(480)은 작동유체가 저온에 있을 때 작동유체를 압축하고, 작동유체가 고온부(402)로 이동할 때 작동유체는 팽창 된다. 출력 피스톤(480)은 그 샤프트(482)가 스프링역할을 하는 충전가스가 압축 을 통하여 가열 하우징(495)에 접속되어 있고 도면 상하방향에 따라서 소정의 주 파수 고유의 진동수로 왕복운동이 가능하게 지지되어 있다.

출력피스톤(480)의 고유 진동수는 스프링 부재의 작용을 하는 충전가스의 반발력 의 조정은 스프링(476) 위치 수정에 의해서 조정할 수 있다.

본실시 예에서는 출력 피스톤(480)의 고유 진동수와 디스플 레이서(478)의 고유 진동수가 동일하게 되도록 조정되어 있다.

출력 피스톤(480)은 상기한 작동 공간 전체(404, 402)에 생기는 압력 변화에 의 해서 왕복 운동한다. 이때, 출력피스톤(480)의 주파수는 디스플레이서(478)의 주 파수와 동일하게 된다. 본실시 예에서는 출력피스톤(480)의 고유진동수와 디스플 레이서(478)의 고유 진동수가 동일하게 설정되어 있으므로, 출력 피스톤(480)이나 디스플레이서(478)의 진동에너지가 불필요하게 감쇠되는 것이 방지된다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 출력 피스톤(480)의 샤프트(482)에는 복수의 영구 자석(432)이 배치되어 있다.

또, 밀폐하우징(490) 측에는 복수의 영구자석(432)과 대향하는 위치에 철심(434) 과 코일(487)이 설치되어 있다. 스털링엔진(415)에서는 영구자석(432) 그룹이나 철심(434)이나 코일(487) 등에 의해서 발전기가 구성되어 있고 출력피스톤 (480) 이 왕복 운동하는 것에 의해 교류 전력이 발전되도록 되어 있다.

이때 발전되는 교류전력의 주파수는 출력피스톤(480)의 왕복 운동의 주파수와 동 일하게 된다. 따라서 디스플레이서(478)나 출력피스톤(480)의 고유 진동수를 조정 하는 것에 의해 발전하는 교류전력의 주파수를 조정할 수 있다.

다음에 가열튜브(420)에 대해 설명한다. 도 2는 가열로(420)의 구성과 엔진헤드 의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 3은 가열 헤드(420)와 분리한 모식도의 단면을 나타내는 사시도이다.

도 2와 도 3에 나타내는 바와 같이 가열 튜브(421)는 헤드 플레이트(420)와 헤드 플레이트(420)에 설치되어 있는 태양열가열튜브(421)를 구비하고 있다.

태양열가열로(420)는 스털링엔진(415)의 가열헤드의 단면(425)에 대향하고 있다. 가열관(421)은 태양열에 의해 가열되어 헤드중앙으로 나있는 승화열 공급구(405) 를 통하여 승화가스가 헤드의 중앙에서부터 주변으로 나선형으로 돌아 퍼지면서 밀도가 약한 쪽으로 배열되어 배출구(406) 배출되어 리턴된다.

가열 열을 발산하여 헤드를 가열하는데 헤드(425)의 외면에는 외부공기를 차단 하는 단열층(493)이 구비되어 있어 달궈진 열이 외부로 발산되지 못하게 하며 헤드 내측 면으로는 열전도가 빠른 전도성 부재료(495)로 구비되어 있어 더운 열 의 전도가 매우 빠르게 전도되어 헤드 내측을 가열한다.

가열튜브(421)는 태양 집열로 가열하여 공급하는 것에 의해 스털링엔진(415)의 가열헤드의 내측단면(495)이나 가열헤드의 내측(445) 공간을 가열한다.

이때 가열튜브(421)는 가열헤드(425)의 중앙 유입구(405)로 유입하여 헤드를 나 선형으로 회전하며 헤드를 가열하는 가열관(494)는 대략 650℃까지 가열 하며, 가열헤드의 배출구(406)측으로 접근하면서 대략 600℃까지 가열하고 배출하는데 단열헤드내측(495)에 구비된 전도성 부재(495)를 통하여 열을 발산한다.

도 4는 가열헤드(425)의 하측에 구비한 냉각블록(470)의 내측에 구비한 냉매순환 회로(474)를 나타내는 사시도이다. 냉각회로(474) 구성은 냉매제 유입구(408)로 유입되어 나선형으로 회전하여 순환하면서 헤드에서 전도되는 열을 냉각하는 냉 각블록(470) 상부 측에는 단열부재(460)가 구비되어 가열헤드로부터 전도되는 열 의 대부분을 단열하므로 헤드로부터 전해오는 열을 차단하므로 헤드 상측 공간 (402)과 하측 공간(404)의 온도차를 크게 하였다.

태양가열기(420)에서는 가열튜브(421)내의 열매체가 승화하여 헤드 내를 순회하 는 동안 유입승화가스 열에 의해서 엔진헤드(425)가 가열되어 작동하며 스털링 엔진(400)의 출력이 보장되고 있다.

도 2, 도 3, 도 4에 나타내는 바와 같이, 태양가열 튜브(421)는 가열되어 원통 형상의 헤드의 전열관(494)에 의해 전열부재(495)를 가열하며, 전열부재(495)의 내면의 전열부재(495)에 싸여서 배관되어 있는 전열관(494)을 구비하고 있다.

전열관 부재(494)외부는 단열 부재(493)에 의해 외부로 방열되는 열을 차단하고 가열헤드 외면(425)을 둘러싸도록 배치되어 있고, 전열 부재(495)의 내면(495)은 전열관(494)의 외면(494b)를 감싸고 있다. 단열부재(425)는 헤드외면(493)과 전 열 부재(494)의 외면(495)에 설치되어 가열열이 보호되고 있고, 전열부재(495)의 내면에는 다수의 미세공이 형성되어 있어, 헤드 내부로 승화가스 열을 운반해온 열을 방사한 뒤 태양 집 열 가열로(420)의 가열튜브(421)로 흘러든다.

냉각 회로는 대체로 원통형상의 가열헤드 하면 공간에 형성되어 있고 가열 헤드 (425)로 부터 전도열을 차단하기 위하여 단열부재(460)을 통하여 단열되어 있어 헤드로부터 전열되어 오는 열을 최대로 차단할 수 있게 구비하여 온도차를 높이 고 있다. 판 모양 단열부재(460)는 전열부재(412)에 의해 냉각블록 상부 측과 가 열헤드 하측 사이에 고정되어 있고 전열면(412))과 엔진(415)의 가열헤드(425)는 통합 되어 있으며 가열 단면(495)로 신장되어 있다. 이 헤드모양가열부재(495)는 열전도성이 뛰어난 금속 예를 들면 동(銅)이나 티타늄 합금으로 형성할 수 있다.

이 가열관 부재(494)는 마치 전열부재(495)의 일부와 같이 전열관(494)을 흐르는 열매체에 의해서 가열된 대부분의 열은 단열판재(460)에 의해 단열되었으므로 외 면으로의 열 발산 율은 매우 낮아서 다만 전열부재(495)에 의해서만 헤드내부로 전열되며 헤드와 냉각회로와의 접속부위 대부분의 부위가 단열재로 단열될 수 있 도록 구성되어 내부로만 전열될 수 있어 냉각회로(474)로 전열되는 열은 냉각회 로를 흐르는 냉매에 의해 냉각되어진다.

먼저 설명한 바와 같이 가열로(420))와 스털링엔진(415)은 서로 고정되어 있지 않다. 따라서 둥근 원통모양 가열로(415)는 스털링엔진(400) 헤드 측에는 고정되 지 않고 가열헤드의 단면(425)에 대해 슬라이드가 가능하게 구성되어 있다.

판 모양 단열부재(460)와 가열헤드의 단면(412)과의 사이는 완전하게 씰링되어 있지 않은 것이기 때문에 판 모양 단열부재(460)와 가열헤드의 단면(412)과의 사이에 냉각회로(474)를 포함한 냉각블록(470)이 구비되어 가열헤드로부터 냉각 블럭에 전해지는 열을 차단할 수 있는 단열 부재(460)의 구비로 대부분의 전열 면을 차단하여 적은 량의 가열 면과 접촉하므로 가열 열이 차단된다.

스털링엔진의 내면을 구성하고 있는 엔진내벽(496)으로부터 전도되는 열을 냉각 회로에 냉매가 순환되면서 냉각시키므로 온도차가 크게 나는 냉각블록(470)에 냉 매 순환회로(474) 구성을 하였다. 도 2에 나타내는 바와 같이 판 모양 단열부재 (460)의 양면에는 가열헤드(412)와 다른 반대 면에는 냉각블록(470)이 접촉 되있 는 사이에 단열 판(460)이 구비되므로 가열헤드로부터 전해져 내려오는 대부분의 열을 단열시키며 가열 헤드 외면(493)에는 단열재료인 에어로겔 혼합재료에 의해 서 단열막이 구성되어 있어 가열 열이 외부로 빠져나가지 못하고 내부에 구성되 어 있는 전도성 재료(495)에 의해 헤드내면(402) 공간으로만 전열된다.

헤드외면(425)에 단열부재(493)가 설치되어 있어 외부로 발산되는 열이 차단되 므로 단열부재 내면에 구성된 전열성 부재(495)에 의해 내쪽으로만 가열관(494) 에서 가열받은 열을 헤드내에 발산하고 가열을 마친 잔열은 배열구(406)로 배열 되어 가열튜브(421)로 회수되어 다시 가열 된다.

냉각블록(470)상측은 판 모양 단열부재(460)에 면하고 있어 가열헤드(425)로부터 전해져오는 대부분의 열을 차단하므로 과하게 온도가 상승하는 것을 억제하여 온 도편차가 크게 난다.

그것에 의해, 승화가열 열이 냉각 공간(404)으로 흘러들었을 경우에도 냉각 공간 (404)의 온도가 고온이 되는 것을 방지하여 팽창 공간(402)과 냉각공간의 온도편 차를 많이 벌어지게 하여 피스톤의 파워를 키운다.

팽창되어 냉각공간(404)으로 이동했을 경우에도 냉각블록(470)의 냉열회로(474) 의 냉매순환으로 가열온도를 효율적으로 냉각시켜 팽창가스(402)는 냉각 공간 (404)에서 응축된다. 도 5에 나타내는 바와 같이 태양열 집 열 가열로 구간에서 는 태양가열 열이 스털링 엔진(415)의 가동열원에 의해서 태양 집 열로 가열되는 가열튜브(421)에 의해 가열되어 승화된 승화가스가 승화하여 엔진의 헤드중앙에 위치한 유입구(405)로 유입하여 헤드중앙에서부터 나선형으로 돌면서 헤드전면에 승화열 이송관(421)으로 이송 열을 방출하고 배출구(406)로 배출되어 리턴되어 재 가열된다.

스털링 엔진은 내연 기관과 대조하여 외부 열원을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기한 발명의 열원은 외부의 집중된 태양에너지 열원으로부터 공급될 수 있다.

일찍이 스털링 엔진은 작동 유체로서 공기를 이용하였으나, 오늘날에는 30 기압 정도의 압력에서 헬륨 등의 가스를 이용한다.

발전기의 부하에 유용한 기계적 동작을 수행하기 위해 스털링엔진(415)의 파워 피스톤(480)으로부터 자유 피스톤 스털링엔진(415) "FPSE"이 있으며 여기서 기계 적 비 강제 파워피스톤(480)은 공기역학적 기계적인 또 다른 수단에 의해 제공되 는 다양한 회복 탄성율과 피스톤질량에 의해 결정되는 보통상태의 표면상 동등한 주파수에서 간단한 조화로 이동된다.

전형적으로 FPSE 피스톤의 이동은 실린더(405) 단부와 원하지 않는 충격을 발생 시키는 설계한계를 초과하는 행정을 회피하도록 기계적부하와 입력 열의 유속이 적합한 동적 균형에 의해 제어된다. 하나의 전형적인 FPSE 적용에서는 파워 피스 톤(480)은 선형전기교류 발전기(465)의 고정 스테이터(434)와 협력하는 실린더 형 자성체구조(432)무버(mover)와 강성로드(481) 에 의해 연결된다. 무버 즉 자성체 발전구조는 파워피스톤의 전후 이동으로 교류발전기(465)의 코아(487)의 출력에서 AC 전압을 발생시킨다.

FPSE 구성은 자성체발전구조(465)의 운동학적 대안이 바람직하며, 하나의 명확한 이점은 FPSE가 실질적으로 피스톤 실린더(482) 내벽 수직력을 제거하여 이들 표면 의 윤활작용을 필요로 하지 않고 비 내성윤활 엔진부품으로 격리시키는 수단을 제공하는 것이다. FPSE 즉 선형교류발전기조합(465)의 횡단면도가 도 1의 하단에 도시되어 있고 FPSE(400)가 도면 1의 상단에 도시되어 있으며 교류발전기부(465) 를 갖는 도 1의 하단에 도시되어 있다.

FPSE(400) 기밀(氣密)케이스(425)는 고정디스플레이서 로드(472)에 의해 가이드 되 는 자유이동 디스플레이서(478)를 포함한다. 교류발전기부(465)의 파워피스톤(480) 은 이동이 가능하여 영구자석구조(432)에 연결된다. 다양한 링 시일(미도시)은 디스플레이서(478)와 파워피스톤(480) 사이의 기밀 시일은 케이스(490)의 내측에 형성되어 부품에 이용된다. 대안으로, 기밀 레이디얼은 파워피스톤(480)과 디스플 레이서(478) 부품 주위의 누출흐름을 제한하는데 이용될 수도 있다.

무버는 전기자 코일(487)의 회전에 의해 연결되는 고정코어(434)에서 계자속(field flux)을 발생시키는 하나 이상의 영구자석(432) 구성요소로 사용한다.

무버의 작동은 시간변화 코일 자속결합으로 내부전압을 필연적으로 유도하여 발 생 시킨다. 내부전압은 무버의 주파수에서 코일자속은 결합하는 시간변화 율에 비례하는 진폭에 의해 발진된다. 외부 부하가 전기자 코일에 접속될 때, 디 벨럽 된 내부전압은 외부부하 임피던스를 통하여 전류를 구동함으로써 소비부하 요소 에 유용한 전력을 전달 할 수 있다.

외부부하를 통한 전기자 전류흐름은 파워피스톤(480) 작용력에 의해 극복되어야 할 모터의 반작용력을 차례로 발생시킨다. 상기 방식에 의하여, 파워피스톤(480)에 의해 무버로 전달된 기계전력은 전기전력으로 변환된다.

통상적으로, 케이스내부(406)에 형성된 중앙공간은 하기와 같이 명명된다. 디스플레이서(478)와 케이스(425) 내의 공간은 팽창 공간(402)이고 디스플레이서 (478) 내부 공간(404, 402)은 가스스프링(401)으로서의 역할을 할 수 있고, 디스플 레이서(478)와 파워피스톤(478) 사이의 공간은 압축공간(479)이고; 파워피스톤(480) 과 케이스(490) 사이의 공간은 바운스(bounce) 공간(458)이다.

케이스(490)는 기계식 스프링(미도시)이 설치될 수 있다. 스털링 엔진(415)을 작동 시키기 위한 열원은 어느 열원에너지도 가능하며 디스플레이서(478)에 가열 열을 공급해 주는 태양 열 가열케이스(410)의 내측에 위치한 가열튜브(421)에 의해 공 급 된다. 팽창 공간(402)에서 가스를 가열할 수 있는 어떠한 가열원도 이용 가능 하며 재생기(419)는 헤드케이스(425) 내부에서 디스플레이서(478)를 둘러싸고 있 다. 작동 사이클의 일단부에서는 팽창 공간(402)으로부터의 가스가 팽창 공간(402) 으로부터 입구 공간(405)을 통해 그리고 재생기(419)를 통한 출구공간(446)을 통하 여 압축공간(479)으로 강제된다. 사이클의 제 2부분에서는 압축공간(479)으로부터 의 가스가 출구 공간(446),으로 재생기(419)의 입구 공간(445)을 통하여 팽창 공간 (402)으로 리턴 된다.

냉각블록(470)는 냉매 유입구(408)로 유입입하여 헤드 케이스(425)를 둘러싸고 냉매가 순환하여 냉각회로에 전해져 오는 열을 냉각하여 팽창공간(402)과 응축 공간(404)의 온도차를 크게하여 압축공간(479)의 압축효율을 크게 하고 출구 공간 (446)에서 배출한다. 공지되어 있는 바와 같이 최대 열역학 효율을 이루기 위해 냉각기(470)는 가능한 한 많이 출구 공간(446)에서 가스를 냉각해야 한다.

스털링엔진(400)의 작동 원리와 구조는 스팀기관이나 내연기관의 구조보다 기능이 나 구조적으로 덜 분명하다. 스털링 엔진은 1816년에 Robert Stirling에 의해 발명되어 기본 원리가 널리 공개되어 있다.

운동학적 스털링엔진(400)과는 달리, 도 1에 예시된 FPSE 구조의 조합에서는, 디스 플레이서(478)와 파워피스톤(480)이 헤드케이스(425)와 교류발전기 케이스(490) 내 의 부품들에 충격을 주는 것을 방지하는 장치는 없다. 설계자들은 다양한 작동상 태 하에서 안정한 방식으로 작동하는 엔진을 유지하기 위하여 파워피스톤(480)과 디스플레이서(478)의 행정을 제한하고, 이로서 충격을 방지하는 설계를 오랫동안 찾고 있다. FPSE의 경우에서는 열 유속 입력에 기계피스톤의 파워추출에 피스톤 구동의 선형교류 발전기의 전기부하를 통하여 파워피스톤(480)과 디스플레이서 (478)가 행정을 하는데 영향을 주는 역할에 사용되는 2가지 제어기능 요소이다.

열 유속 제어는 이 기계들의 많은 적용에서 선형교류발전기(465)의 전기부하가 매우 신속한 변화를 받기 때문에 이 제어가 제한구역 외의 파워피스톤(480)과 디스플레이서(478)의 행정제한을 취하기에 충분하고 신속하게 달성될 수 없으므로 이들 행정의 제어에 일반적으로는 유용하지 않은 것이다. 변화되는 피스톤 부하 상태 하에서 파워피스톤(480)과 디스플레이서(478) 행정제어 방법에 다양한 해결 책들이 활용되어 왔다. 해결책 중 한 종류의 구성 배열은 자기제어 메카니즘을 통하여 파워피스톤(480)과 디스플레이서(478) 행정의 제어기능을 유지하며 이들 행정은 외부 부하의 제어를 요구하는 것이 가능하게 된다.

다양한 문제들의 단점은 엔진사용시간이 지남에 따라 외부의 표면지지대에 의해 고정되는 부품의 기능에서 정상적 엔진작동으로 생기는 문제들로 포인트가 노화 하여 마모될 수 있다는 사실을 포함되어 있으며 또한, 이들 선행기술의 해결책은 효율에 부정적인 손실을 발생시키는 예도 있다.

선행기술의 해결책의 또 다른 문제는 파워피스톤(480)에 의해 구동되는 교류 발전기에서 발생하는 전기부하의 제어기능완성으로 나타났다. 상기발명의 경우 안정기의 보조부하는 외부 부하의 전력수요의 변화에도 불구 교류 발전기에서 일정부하를 발생시키는데 이용되어 왔다.

스털링엔진발전시스템(400) 가스스프링(401) 팽창 공간(402) 응축 공간(404) 승화가스유입구(405) 잔열배열 구(406) 냉매배출구(407) 냉매 유입 구(408) 가열 프레임(410) 에어로 겔(411) 스털링엔진(415) 재생기(419) 태양가열로(420) 태양가열튜브(421) 승화열(422) 엔진 헤드케이스(425) 영구자석(432) 철심(434) 입구 공간(445) 출구 공간(446) 바운스 공간(458) 교류발전기조합(465) 단열부재(460) 냉각블록(470) 디스플레이서 로드(472) 냉각회로(474) 스프링 부재(476) 디스플레이서(478) 압축공간(479) 파워피스톤(480) 강성로드(481) 샤프트(482) 전기자코일(487) 교류발전기 밀패 케이스(490) 헤드외피단열재(493) 가열파이프(494) 전열재(495)

Claims (8)

1. 태양열을 집 열하여 스털링엔진엔진을 구동하는 엔진의 헤드외벽에 단열막을 구비하여 가열 열이 외부로 누설되지 않게 하며 가열헤드하면과 냉각블록상면에 단열패드를 구비하여 가열 열이 냉각블록으로 전이되는 것을 방지하여 냉각효율이 크게하며 냉매를 순환시키므로 냉각효과를 더욱 크게 하므로 팽창부와 냉각부의 온도차를 크게 구비한 태양열 구동 스털링엔진.
   
2. 태양가열 열을 헤드 중앙에서부터 밑면으로 나선형으로 퍼지면서 가열하게 하고 외면에는 단열재 에어로 겔 혼합물로 단열하고 내면에는 전열 재를 구비하여 전열하므로 전열효과를 크게 하므로 엔진의 구조를 단조롭고 가볍게 한
   태양열 구동 스털링엔진.
   
3. 가열 열을 효과적으로 냉각하기 위하여 가열헤드에서 전해져오는 면 일부분을 단열제로 단열 하므로 가열 열을 차단해 줌으로 냉각효과를 크게 하여 온도차를 높인 태양열 구동 스털링엔진.
4. 냉각블록에 냉매순환회로를 구비하고 냉매를 강제순환하며 냉매의 냉각을 위하여 엔진 외부에 열교환기를 구비한 태양열 구동 스털링엔진.
   
5. 태양열 가열 열로 엔진헤드를 가열하고 배열된 열을 리턴하여 재가열하는 시스템으로 열 이용효율을 배가시킨 태양열 구동 스털링엔진.
   
6. 태양열 가열로 외면과 엔진의 냉각부를 제외한 전체를 에어로 겔 혼합부재를 사용하여 단열하므로 엔진의 중량을 줄이고 단열 열효율을 증대시킨 태양열 구동 스털링엔진.
7. 태양열 집열판을 접이식으로 접고 펴게 하므로 기상의 변화에 적극적으로 대응 할 수 있게 한 태양열 구동 스털링엔진.
   
8. 접이식 집열판에 센서를 부착하여 태양의 위치 변화와 기상의 변화에 능동 대처하도록 프로그램화한 태양열 구동 스털링엔진.
   

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