[39호]T.E.G(스털링 엔진을 이용한 발전기)

Posted by 디바이스마트 매거진 on Friday, November 25, 2016 · Leave a Comment

2016 ICT 융합 프로젝트 공모전 참가상

T.E.G(스털링 엔진을 이용한 발전기)

글 | 동양미래대학교 이승민, 이은빈, 윤혜린, 김하은, 이무호, 허창준, 신집섭, 김상훈, 이학기, 김재환

심사평
뉴티씨 스털링 엔진은 에너지 분야나 기계 분야에서 매우 관심있게 현재 조명받고 있는 분야인데, 이를 실제로 만들어 보았다는 것은 큰 의미가 있는 것 같다. 실제로 학생이 이를 구현하였다는 것은 앞으로 좀 더 연구하여 친환경적인 에너지를 전자와 접목할 수 있는 근거가 되리라 본다. 창의성이나 실용성, 기술성 면에서 높은 점수를 받았으나, 완성된 모습이 보이지 않아 작품성이나 완성도는 조금 낮은 점수를 받았다.
칩센 쉽게 접할 수 없는 주제라 흥미롭다. 실제 스털링 엔진을 만들어서 구현했다는 점에서 높은 평가를 한다.
위드로봇 스털링 엔진을 활용하는데 있어 발전기를 돌리는 내용까지 진행한 작품은 아이디어가 좀 부족해 보입니다. 이를 잘 활용할 수 있는 상황을 가정하고 그 상황에서 발생하는 문제점을 해결할 수 있는 내용이 추가가 되면 좋겠습니다.

TEG 목적
현대인에게 없어서는 안 될 필수자원인 전기를 생산하기 위해서는 화석연료의 사용이 주를 이룬다. 그 과정에서 지구 온난화와 같은 기후적 문제가 발생한다. 이러한 환경문제에 대응하기 위하여 신재생 에너지를 이용하여 전기를 만드는 작품을 제작하기로 계획하였다.
먼저 발전기를 돌릴 때 보편적으로 사용하는 소형 DC모터를 사용하기로 결정했다. 이어서 어떻게 이 모터를 돌릴 것인지를 고안해낸 것이 스털링 엔진이다. 이는 발전기에 필요한 동력도 생산해낼 수 있을 뿐 아니라, 주제와 맞게 친환경적으로 접근 가능하고, 열만 있다면 별다른 준비물이 필요하지 않기 때문에 우리의 의도와 맞아 떨어졌다.

TEG 동작 설명
실린더 가열부 가열
스털링 엔진 실린더 가열부에 열을 가한다. 실린더 내부의 공기가 팽창한다.

회전자 회전
실린더 가열과 동시에 기동장치를 동작시켜 기동토크를 가해준다. 실린더 가열부 온도를 측정하여 설정온도에 도달하면 기동장치를 정지시키고 스털링 엔진의 피스톤 운동에 의해 회전자가 회전한다.

전기에너지 생성
회전자가 회전하면 회전자에 연결되어있는 모터가 구동되어 전기에너지가 발생한다.

기대효과

최근 환경오염 문제가 심각해짐에 따라 예전의 석탄, 석유 등 화석연료나 위험한 원자력 에너지를 대체할 방법으로 주목 받고 있는데, TEG는 발전 시 해로운 물질이 배출되지 않기 때문에 그린에너지 개발에 큰 기여를 할 것으로 보인다.
또한 사람이 힘을 쓰지 않고, 열만 있다면 언제든지 스털링 엔진 구동이 가능하므로 시간상의 제약이 없으며, 뜨겁거나 차가운 물체가 따로 필요하지 않기 때문에 기존의 스털링 엔진과는 다르게 발전 시 공간상의 제약도 사라지게 된다. 더 나아가 이 TEG는 전기를 필요로 하는 모든 분야에 적용이 가능할 것으로 보인다.

이론
폐열
일상생활에서 열에너지를 사용할 때, 실질적으로 사용되는 열에너지는 50% 이하이므로 사용하고 남은 열에너지는 버려지고 있다. 이렇게 에너지를 이용하는 과정에서 외부로 버려지는 열을 폐열이라 하는데, 이러한 폐열은 원전의 냉각수, 보일러실의 배기가스 열, 발전소의 냉각수열, 목욕탕 온배수 등 에너지를 사용하는 곳에서는 반드시 발생하게 된다. 이 폐열에너지를 이용한다면 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다. 따라서 우리는 이러한 폐열에너지를 이용하여 발전을 통해 전기에너지를 생산하고자 한다.

스털링 엔진
본체인 스털링엔진은 실린더나 피스톤으로 이루어진 공간에 수소나 헬륨 등의 가스를 넣고 이를 외부에서 가열시키거나 냉각시켜, 피스톤 운동을 일으켜 전기를 생산해내는 구조이다. 여기서 수소는 안전상의 문제가 있으므로 헬륨을 이용할 계획이다.
스털링 엔진의 종류에는 α형, β형, γ형 등이 있는데 T.E.G는 2개의 피스톤으로 구성되어 있는 형을 선택하였다. 그 이유로는 압축비(최대 용적/최소 용적)를 높이기 쉽고, 고출력을 얻기가 쉽다는 특징 때문이다.

① 실린더에 열을 가해주면 내부 공기분자가 빠르게 움직여서, 부피가 팽창한다.

② 그 팽창하는 힘에 의해 피스톤운동을 시작하여 피스톤에 연결된 회전자가 돌기 시작한다.

스털링 엔진의 응용분야로는 태양열을 이용한 스털링 엔진 발전 시스템, 가정용 소형 발전 시스템, 스털링 엔진 자동차와 하이브리드 전기차 시스템, 스털링 냉동기, 스털링 히트 펌프 난방기, 폐열 회수 등이 있다. T.E.G는 이 중에서도 발전 시스템으로 응용한 작품이다.

모터

Nihon Micro Motor
· 가정용으로 주로 사용
· AC 모터에 비해 힘이 약함.
· AC 모터에 비해 전력소모가 적어 전기료가 적게 나옴.
· 속도, 경사 등 속도제어가 미세하게 조정이 되어 원하는 속도로 운동이 가능.
· 견고성이 AC 모터에 비해 우수함.
· 미세한 속도제어가 필요한 가정용으로 적합.
· 수리비가 적게 나옴
· 소음이 적어 가정용으로 적합

온도센서
DTS-M300은 적외선온도센서를 기반으로 하여 접촉하지 않고, 원하는 대상의 온도를 정확히 측정할 수 있는 온도센서 모듈. 특징은 다음과 같다.

DTS-M300
· 원거리에 물체온도 측정가능
· 30 ~ 300℃ 타겟온도 측정
· 20 ~ 80℃ 주변온도 측정
· 0.01℃ 분해능
· 1mA 저전류 소비
· Small Size(25mm*33mm)

T.E.G는 온도센서를 이용하여 스털링 엔진 실린더 가열부 측 온도를 측정하고, 설정온도에 도달하면 기동장치를 동작시켜 스털링 엔진에 기동토크를 걸어주어서 회전자를 돌린다.

RPM 측정센서
TCRT 5000은 적외선 반사광을 기반으로 하여 접촉하지 않고, 원하는 대상의 회전속도를 정확히 측정할 수 있는 적외선 반사광 모듈. 특징은 다음과 같다.

TCRT 5000
· 적외선 반사광 모듈
· -40℃~125℃ 사용가능
· 1.5V~6V 공급전압
· 1mm ~ 8mm 측정가능
· Small Size(37.5mm*10.2mm)

T.E.G는 RPM 측정센서를 이용하여 스털링 엔진 회전자측 회전속도를 측정하여, my DAQ를 통해서 LabVIEW 프로그램에 회전속도를 나타낸다.

my DAQ

NI my DAQ은 창의적 공학설계 및 강의를 위한 전문 공학 교육 플랫폼으로, 디지털 멀티미터, 오실로스코프, Function 발생기 등 8가지 계측기와 USB DAQ 기능을 포함하고 있다. 전 세계 수많은 대학에서 널리 사용되고 있는 그래픽 기반 프로그래밍 언어 NI LabVIEW와 Multisim 소프트웨어를 연동하여 다양한 공학 실험이 가능하다.