왜 태양 에너지에 스털링 엔진인가?
태양 복사를 기계적 또는 전기적 에너지로 변환하는 수많은 접근법 중에서 스털링 엔진은 독특한 위치를 차지한다. 우마로프와 그의 동료들은 스털링 순환이 태양열 응용에 뚜렷한 이점을 제공한다는 것을 일찍이 인식했다:
- 외연 연소 — 열원이 작동 가스 외부에 있어 집광 태양 복사를 입력으로 사용하기에 이상적
- 높은 이론적 효율 — 스털링 순환은 두 온도 사이에서 작동하는 열기관의 최대 가능 효율인 카르노 효율 한계에 근접
- 연료 유연성 — 모든 열원이 엔진을 구동할 수 있어 흐린 날에는 태양열-화석 하이브리드 운전 가능
- 저소음, 청정 운전 — 내연이 없어 배기가스, 폭발, 소음이 최소
- 긴 운전 수명 — 이동 부품이 적고 열역학적 순환이 완만하여 마모 감소
- 축열 장치 연결 — 축열 장치가 일시적 구름 덮임 동안 엔진을 완충하여 연속 운전 가능
연구 연대기
1972년부터 1978년까지 우마로프와 그의 협력자들은 태양열 응용을 위한 스털링 엔진 설계의 모든 주요 측면을 체계적으로 조사하는 8편의 논문을 발표했다:
| 연도 | 제목 | 연구 분야 |
|---|---|---|
| 1972 | "스털링 엔진 구동을 위한 태양 에너지 사용" | 태양열 구동 스털링 운전의 타당성 및 개념 설계 |
| 1973 | "태양열 스털링 엔진 재생기 연구" | 재생기 열 성능 및 최적화 |
| 1974 | "태양열 스털링 엔진의 설계 매개변수 선정" | 체계적 매개변수 최적화 방법론 |
| 1975 | "스털링 엔진 운전을 위한 태양 에너지의 사용에 관하여" | 실용적 구현 고려사항 및 시스템 통합 |
| 1976 | "태양열 스털링 엔진용 관형 열교환기 연구" | 열교환기 형상 및 열 성능 |
| 1976 | "태양열 스털링 엔진 가열기의 열교환 과정 계산" | 가열기측 열전달의 정량적 모델링 |
| 1977 | "태양열 스털링 엔진 동적 변환기의 특성 조사" | 동적 응답 및 과도 거동 분석 |
| 1978 | "태양 에너지로 작동하는 스털링 엔진의 복사 방열 연구" | 고온 기후에서의 냉각측 복사 냉각 |
주요 기술적 기여
열교환기 최적화(1976)
관형 열교환기 및 가열기측 열전달에 관한 1976년 논문은 우마로프의 가장 기술적으로 까다로운 연구 중 일부를 대표한다. 태양열 구동 스털링 엔진은 독특한 도전에 직면한다: 열 입력이 연소 가스가 아닌 집광 복사로 도달하는 것이다. 이것은 근본적으로 다른 열교환기 형상을 필요로 한다. 우마로프 팀은 집광 태양 복사를 수용하도록 특별히 설계된 관형 열교환기에 대한 해석적 모델을 개발하여, 최대 열전달 효율을 위한 관 직경, 간격, 재료 선택을 최적화했다.
재생기 분석(1973)
재생기는 스털링 엔진 효율의 핵심이다. 배기 행정에서 폐열을 포착하고 흡입 행정에서 작동 가스에 되돌려주어 열 효율을 극적으로 향상시킨다. 우마로프의 1973년 연구는 태양열 구동 엔진의 특정 운전 조건 — 열 입력 온도와 유량이 기존 연소 구동 기계와 크게 다른 — 에서의 재생기 성능에 대한 상세한 분석을 제공했다.
복사 방열(1978)
1978년 논문은 소위 "냉각측" 문제를 다루었다 — 태양 에너지가 가장 풍부한 고온 기후에서 특히 심각한 도전이다. 스털링 엔진의 효율은 고온측과 저온측 사이의 온도차에 의존한다. 중앙아시아 여름 조건에서 주변 온도가 45°C를 초과할 수 있어 냉각측 온도 차이를 심하게 제한한다. 우마로프 팀은 극단적인 열에서도 적절한 냉각측 온도를 유지할 수 있는 복사 방열 메커니즘을 분석했는데, 이 문제는 나중에 사막 환경에 배치된 모든 디쉬-스털링 시스템에 도전이 될 것이었다.
현대 디쉬-스털링 시스템과의 연결
우마로프 팀이 1972년부터 1978년 사이에 조사한 연구 질문들은 놀라울 정도로 선견지명이 있었음이 입증되었다. 수십 년 후, 스털링 에너지 시스템(SES)이 SunCatcher 디쉬-스털링 시스템을 개발하고 인피니아(Infinia) 코퍼레이션이 자유 피스톤 스털링 태양열 발전기를 만들었을 때, 그들은 우마로프가 이미 파악하고 분석한 바로 그 공학적 도전에 직면했다:
- 집광 태양 복사를 효율적으로 흡수하는 열교환기 설계 방법
- 태양열 특화 운전 조건에 맞는 재생기 성능 최적화 방법
- 고온 사막 환경에서의 냉각측 방열 관리 방법
- 지나가는 구름에 의한 동적 과도현상 처리 방법
1970년대 타슈켄트에서 놓인 이론적 기초는 2000년대와 2010년대에 미국과 유럽 기업들이 직면하게 될 실용적 공학적 도전을 예견한 것이었다.