스털링 엔진 원리에 대해 궁금하셨나요? 스털링 엔진 뜻부터 먼저 살펴본 후 스털링 엔진 작동 원리와 구조를 살펴본 후 4가지 스털링 엔진 장점과 스털링 엔진 단점에 대해 자세히 정리하였으니 스털링 엔진이 어떤 특징을 지니고 있는지 자세히 알아보시기를 바랍니다.
글을 시작하며
요새 다양한 기후 위기와 탄소 중립이 중요해진 이 시점에서 우리는 태양광이나 풍력 등 재생에너지뿐만 아니라 기존의 에너지를 얼마나 더 효율적으로 사용할 것인지에 대해 집중하고 있습니다. 그 결과 19세기에 발명된 엔진 하나가 21세기 첨단 우주 산업과 친환경 폐열 회수 시스템에서 다시 주목받고 있는데 그것이 바로 스털링 엔진입니다.
일반 자동차에서 사용하는 가솔린 엔진이나 디젤 엔진과 달리 다른 방식으로 작동하는 스털링 엔진은 어떤 매력이 있을까요? 이 글에서는 스털링 엔진 뜻부터 스털링 엔진 원리와 구조 그리고 스털링 엔진 장점과 단점에 대해 자세히 정리하였으니 이 글을 통해 스털링 엔진이 무엇인지 자세히 알아보시기를 바랍니다.
스털링 엔진 뜻
스털링 엔진 뜻은 닫힌 공간에 있는 가스를 밖에서 가열한 후 열을 식혀서 피스톤을 움직이는 밀폐형 외연기관입니다.
1816년 스코틀랜드의 목사였던 로버트 스털링이 발명한 엔진이 바로 이 스털링 엔진인데 이 엔진은 기존의 초기 증기기관에서 폭발 사고가 자주 발생하길래 이러한 위험을 극복하기 위해 만들어낸 것입니다.
현재 우리가 타고 다니는 내연기관 자동차인 가솔린 엔진 자동차나 디젤 엔진 자동차는 실린더 안에서 연료를 폭발한 후 그 힘으로 피스톤을 밀어내곤 합니다. 반면, 스털링 엔진은 실린더 밖에서 열을 가하는데 엔진 내부에 밀폐된 작동 유체인 공기나 헬륨 그리고 수소 등이 외부의 열을 통해 팽창하고 다시 차가운 곳에서 열을 식히면서 수축하는 과정을 반복하여 운동 에너지를 만들어 냅니다.
따라서 어떤 방식이든 온도 차이만 만들어낼 수 있다면 석탄이나 나무는 물론 태양열이나 공장에서 발생하는 폐열 또는 따뜻한 커피 한 잔으로도 작동할 수 있어 범용성이 매우 뛰어나다는 장점을 지니고 있습니다.
그렇다면 스털링 엔진이 어떤 원리로 작동하는지 스털링 엔진 원리에 대해 아래의 내용에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.
스털링 엔진 원리
스털링 엔진 원리는 열역학 법칙 중 샤를의 법칙과 밀접한 관련이 있습니다. 기체는 온도가 올라가면 부피가 팽창하며 온도가 내려가면 부피가 줄어들게 됩니다. 이때 밀폐된 공간에서 기체를 가열하면 기체가 팽창하려고 하는 힘이 압력으로 전환되어 피스톤을 밀어 올리고 다시 냉각하면 압력이 낮아져 피스톤이 내려오게 됩니다.
그로 인해 스털링 엔진 원리는 등온 팽창, 등적 냉각, 등온 수축, 등적 가열이라는 4가지 단계로 인해 이루어집니다.
첫 번째 단계는 등온 팽창입니다. 엔진의 한쪽 끝인 가열부에서 외부에 있는 열원인 불꽃이나 태양열 등으로 인해 열이 발생하면 실린더 내부에 있는 밀폐된 가스인 작동 유체가 이 열을 흡수하여 온도가 올라가서 팽창하게 됩니다. 이렇게 팽창한 가스는 압력을 발생하여 파워 피스톤을 밖으로 밀어내는데 그로 인해 열에너지가 운동 에너지로 전환되는 것입니다.
두 번째 단계는 등적 냉각입니다. 파워 피스톤이 밀려난 후 엔진 내부에 있는 가스는 디스플레이서 피스톤의 움직임에 의해 뜨거운 공간에서 차가운 공간으로 이동합니다. 이때 재생기라는 중요한 부품을 통과하게 되는데 재생기는 가스가 가진 열을 임시로 흡수하여 저장하는 역할을 하기 때문에 부피는 일정한 상태에서 가스의 온도가 떨어지며 압력도 낮아지는 특징이 있습니다.
세 번째 단계는 등온 수축입니다. 가스가 냉각부로 완전히 이동하게 되면 밖에 있는 물이나 공기 등 차가운 환경에 의해 가스의 온도가 내려가는데 그러면 가스가 수축하게 되고 엔진 내부의 압력이 외부보다 낮아지면 다시 파워 피스톤이 원래 위치로 올라오게 됩니다.
네 번째는 등적 가열입니다. 수축한 차가운 가스는 디스플레이서 피스톤에 의해 다시 뜨거운 공간으로 올라가는데 이때 가스는 등적 냉각 단계에서 열을 저장해 두었던 재생기를 다시 통과하면서 열을 받게 됩니다. 그 후 외부 열원에 의해 다시 완전히 가열되며 등온 팽창 단계로 돌아가 이 과정을 계속 반복하게 됩니다.
따라서 스털링 엔진 원리에 있어 가장 중요한 부분은 바로 재생기인데 열을 그냥 버리지 않고 머금어 두었다가 다시 기체로 돌려주기 때문에 카르노 사이클에 가까운 수준의 매우 높은 스털링 엔진 열효율을 자랑합니다.
스털링 엔진 구조
스털링 구조는 크게 3가지로 알파형과 베타형 그리고 감마형으로 나뉘며 각 구조에 따라 목적과 용도가 달라집니다.
첫 번째 구조는 알파형으로 두 개의 독립된 실린더를 보유하고 있습니다. 하나는 뜨거운 가열부 실린더이며 다른 하나는 차가운 냉각부 실린더입니다. 이 두 실린더 안에는 각각 파워 피스톤이 들어가 있는데 두 실린더 사이는 파이프로 연결되어 있고 그 사이에 재생기가 있습니다.
따라서 알파형에서는 두 개의 파워 피스톤이 직접 일을 하기 때문에 출력과 압축비를 높일 수 있습니다. 다만, 가열부 실린더의 피스톤 씰이 높은 온도에 직접적으로 노출되기 때문에 내구성이 떨어질 수 있다는 단점이 있습니다.
두 번째 구조는 베타형으로 로버트 스털링이 처음 발명했던 형태에 가까운데 하나의 실린더 안에 디스플레이서 피스톤과 파워 피스톤이 직렬로 겹친 채로 배치된 구조입니다.
따라서 실린더 한쪽 끝은 가열되지만 다른 쪽은 냉각됩니다. 즉, 디스플레이서 피스톤은 가스를 뜨거운 쪽과 차가운 쪽으로 옮겨주는 역할만 하고 실제 동력은 파워 피스톤이 일으킵니다. 그로 인해 스털링 엔진 구조가 콤팩트하며 효율이 좋지만 두 개의 피스톤이 하나의 축을 공유해야 하기 때문에 내부 링크 구조가 조금 복잡하다는 단점이 있습니다.
세 번째 구조는 감마형으로 알파형과 비슷하게 두 개의 실린더를 사용하지만 파워 피스톤용 실린더와 디스플레이서 피스톤용 실린더가 서로 분리되어 있습니다. 물론 가스 공간은 서로 연결되어 있습니다.
따라서 감마형에서는 디스플레이서가 가스를 옮겨서 온도 차이를 만들어 내면 연결된 다른 실린더의 파워 피스톤이 압력이 변화하는 것을 인지하여 동력을 만들어 냅니다. 그로 인해 제작 난이도가 쉽고 구조적인 제약이 적어서 모형 엔진이나 저온도차 엔진에 많이 사용됩니다. 다만, 실린더 공간이 넓어서 스털링 엔진 압축비가 낮아서 출력이 낮다는 단점이 있습니다.
스털링 엔진 장점
스털링 엔진 장점은 크게 4가지로 높은 열효율과 다양한 종류의 열원 사용 가능 그리고 저소음 및 저진동과 친환경성으로 나누어 살펴볼 수 있습니다.
첫 번째 장점은 높은 열효율입니다. 스털링 엔진 구조상 열 손실을 최소화하는 재생기가 있기 때문에 고온부와 저온부에서 온도 차이가 크면 클수록 열효율이 높아져 열역학 제2 법칙의 한계치인 카르노 효율에 가장 근접할 수 있습니다.
두 번째 장점은 다양한 종류의 열원을 사용할 수 있어 범용적이라는 것입니다. 가솔린이나 디젤처럼 특정 화석 연료가 필요하지 않고 오직 엔진 외부에서 열만 가해주면 되기 때문에 태양열이나 지열 또는 바이오매스나 폐열 등 다양한 열을 모두 동력으로 바꿀 수 있어 버려지는 에너지를 다시 회수하여 사용할 수 있습니다.
세 번째 장점은 소음과 진동이 적다는 것입니다. 스털링 엔진에서는 다른 내연기관처럼 실린더 내부에서 연료가 폭발하는 과정이 없기 때문에 가스가 부드럽게 팽창하고 수축하여 소음과 진동이 거의 발생하지 않습니다. 그로 인해 스웨덴이나 일본 등 일부 국가에서는 최신 디젤 잠수함에서 조용히 잠수하기 위해 공기불요추진인 AIP 시스템으로 사용되어 왔습니다.
네 번째 장점은 오염 물질 배출을 통제하기 쉬워 친환경적이라는 것입니다. 엔진 내부에서는 연소가 발생하지 않기 때문에 불완전 연소로 인한 매연이나 유해가스 배출을 통제할 수 있습니다. 또한 외부 열원으로 태양열 등 친환경 에너지를 사용한다면 탄소 배출을 줄이면서 동력을 만들어낼 수 있습니다.
스털링 엔진 단점
스털링 엔진 단점은 크게 4가지로 반응 속도가 느리며 출력 대비 크기와 무게가 크고 밀봉 기술의 난이도가 높으며 고가의 특수 소재가 필요하다는 것입니다.
첫 번째 단점은 반응 속도가 느려서 출력 조절이 어렵다는 것입니다. 자동차가 가속 페달을 밟으면 즉각적으로 반응해야 하지만 스털링 엔진에서는 열이 실린더 외부에서 내부의 가스로 전달되고 다시 팽창하는 데까지 시간이 소요됩니다. 따라서 출력을 빠르게 올리거나 내리는 등 급격하게 변화하기 어려워서 이동 수단에서 메인 엔진으로 사용하기 어렵습니다.
두 번째 단점은 출력 대비 크기가 크고 무게가 무거워서 비경제적이라는 것입니다. 높은 출력을 내기 위해서는 엔진 내부에 있는 밀폐 가스의 압력과 온도를 올려야 합니다. 따라서 이를 견디기 위해서 엔진의 벽은 두꺼워져야 하고 부피 또한 커질 수밖에 없습니다. 그로 인해 내연기관과 동일한 출력을 내기 위해서는 엔진 크기가 훨씬 크고 무거워질 수밖에 없습니다.
세 번째 단점은 밀봉 기술이 어렵다는 것입니다. 스털링 엔진에서 제대로 된 성능을 내기 위해서는 열 전도율이 높고 가벼운 수소나 헬륨 등을 작동 유체로 사용해야 하지만 이는 입자 크기가 작기 때문에 피스톤이 움직일 때 틈새로 빠져나갈 수 있습니다. 따라서 높은 압력에서도 수소나 헬륨이 밖으로 새어 나가지 않게 하기 위해서 완벽하게 밀봉하면서 동시에 마찰을 줄이는 기술이 필요한데 이 기술을 접목하려면 엄청난 비용이 발생합니다.
네 번째 단점은 고가의 특수 소재가 필요하다는 것입니다. 가열부에 있는 실린더는 700~1,000도 이상의 높은 온도가 지속적으로 이어지며 내부에 있는 높은 압력을 견뎌야 하기 때문에 일반적인 철이나 알루미늄으로는 힘들고 비싼 고내열 특수 합금이나 세라믹 소재를 사용해야 해서 가격이 비싸다는 단점이 있습니다.
스털링 엔진 활용
일반 자동차 시장에서는 내연기관과 전기차 배터리가 우세하지만 스털링 엔진은 자신의 장점을 극대화할 수 있는 특수 목적 분야에서 주로 사용됩니다. 그렇다면 스털링 엔진이 주로 어디에서 사용되는지 자세히 알아보도록 하겠습니다.
첫 번째는 우주 탐사나 심우주 미션 등 NASA에서 사용됩니다. 심우주 탐사 및 달 기지 건설인 아르테미스 프로젝트에서 스털링 엔진은 굉장히 중요한 역할을 하고 있습니다. 태양광이 닿지 않는 달의 영구음영지역이나 심우주에서 플루토늄 등 방사성 동위원소가 뿜어내는 열을 스털링 엔진으로 변환하여 전기를 생성하는 SRG 기술이 사용되고 있는데 잔고장도 적고 수십 년 동안 멈추지 않고 계속해서 발전할 수 있어 많이 사용됩니다.
두 번째는 태양열 발전에 사용됩니다. 거대한 파라볼라 안테나 모양의 거울로 태양빛을 하나의 점으로 모은 후 그 높은 온도를 스털링 엔진의 가열부에 쏘아 전기를 생산하는 것으로 일반 태양광 패널(PV)보다 발전 변환 효율이 높아서 사막 지역에 대규모 친환경 발전 시설로 사용됩니다.
세 번째는 산업 폐열 회수 시스템으로 사용됩니다. 탄소 배출 규제가 심한 지금 공장이나 대형 데이터 센터에서는 수백 도 이상의 폐열을 그냥 버리지 않고 스털링 엔진을 통해 다시 전기로 회수하는 마이크로 열병합 발전 시스템을 통해 친환경적으로 에너지를 재사용하는 데 사용됩니다.
글을 마치며
지금까지 스털링 엔진 원리와 구조 그리고 뜻과 장점 및 단점에 이어 어떻게 활용되는지에 대해 자세히 알아보았습니다.
스털링 엔진은 예전에 사용되었지만 더 이상 사용되지 않는 것이 아닙니다. 화석 연료에 의존하던 내연기관 중심의 트렌드에서 열에너지를 친환경적으로 사용하는 것이 중요해진 이 시점에 어떤 열이든 동력으로 바꿀 수 있는 스털링 엔진은 많은 주목을 받고 있습니다.
물론 반응 속도가 느리고 비싸다는 단점으로 인해 자동차에 사용될 확률은 낮긴 하지만 우주선에서 달 기지의 전등을 밝히고 거대한 데이터 센터에서 발생하는 폐열을 다시 전기로 재활용하는 것에 스털링 엔진이 사용되고 있습니다.
따라서 스털링 엔진을 통해 열의 종류와 상관없이 어떤 열이라 하더라도 모두 에너지로 사용되어 친환경적으로 에너지를 아끼면서 사용할 수 있기 때문에 앞으로도 스털링 엔진이 많은 곳에서 사용될 것이라 생각합니다.