太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)研報(bào)告

一.太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究意義進(jìn)入21世紀(jì)，人類社會(huì)面臨著嚴(yán)重的能源緊缺和環(huán)境污染。傳統(tǒng)能源中的石油和天然氣將在未來(lái)幾十年內(nèi)耗盡，煤盡管還能用一二百年，但它會(huì)對(duì)生態(tài)和環(huán)境帶來(lái)很多的副作用。在世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)中，中國(guó)更是首當(dāng)其沖。因此研究開發(fā)無(wú)污染、可再生的新能源與能源轉(zhuǎn)換技術(shù)是科技界的當(dāng)務(wù)之急［1］。從能源管理角度來(lái)講，太陽(yáng)能是產(chǎn)生動(dòng)力的可再生和不可耗盡的重要能源之一。 把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的有幾種方法。其中理論上可達(dá)到最大效率的是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（或熱氣機(jī)）。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種簡(jiǎn)單的外燃機(jī)。這是羅伯特?史特靈在1816年（英國(guó)、專利號(hào)4081）就提出的概念。和內(nèi)燃機(jī)相比，這種發(fā)動(dòng)機(jī)效率高、污染小、噪音低等優(yōu)點(diǎn)。可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域內(nèi)中作為清潔高效的動(dòng)力機(jī)，對(duì)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境有重要意義。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的原理斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是利用高溫高壓的氫氣或氦氣作為工質(zhì)，通過(guò)2個(gè)等容過(guò)程和2個(gè)等溫過(guò)程可逆循環(huán)（圖1）。氣缸中裝有2個(gè)對(duì)置的活塞，中間設(shè)置1個(gè)回?zé)崞饔糜诮惶娴奈鼰岷头艧?，活塞和回?zé)崞髦g為膨脹腔和壓縮腔。膨脹腔始終保持高Tmax，壓縮腔則始終保持低溫Tmin。由圖1可見，斯特林循環(huán)由以下4個(gè)換熱過(guò)程組成:1-2為等溫壓縮，熱量從工質(zhì)傳遞給外部低溫?zé)嵩?2-3為等容過(guò)程，熱量從回?zé)崞鱾鹘o工質(zhì)；3-4為等溫膨脹，熱量從外部高溫?zé)嵩磦鬟f給工質(zhì)；4-1為等容過(guò)程，熱量由工質(zhì)傳遞給回?zé)崞鳌Ｋ固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)是獨(dú)特的熱機(jī)，因?yàn)樗麄兝碚撋系男蕩缀醯扔诶碚撟畲笮?，稱為卡諾循環(huán)效率。斯特靈發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動(dòng)力的。這是一種外燃發(fā)動(dòng)機(jī)，使燃料連續(xù)地燃燒，蒸發(fā)的膨脹氫氣（或氦）作為動(dòng)力氣體使活塞運(yùn)動(dòng)，膨脹氣體在冷氣室冷卻，反復(fù)地進(jìn)行這樣的循環(huán)過(guò)程。燃料在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，通過(guò)加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換。圖1.斯特林循環(huán)圖1.斯特林循環(huán)下面是一臺(tái)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)示意圖:發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣體是循環(huán)加熱的（通過(guò)酒精燈）并且膨脹推動(dòng)動(dòng)力活塞（圖中藍(lán)色）向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)黃色活塞也向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)動(dòng)力活塞運(yùn)動(dòng)到最上邊時(shí)，曲軸迫使松配合的黃色活塞向下運(yùn)動(dòng)，將氣體擠壓到機(jī)器較冷的一邊。在較冷一邊的氣體將熱量散失到外界并且收縮，并把藍(lán)色活塞拉向下邊。氣體在此轉(zhuǎn)移，被擠壓回發(fā)動(dòng)機(jī)的較熱區(qū)域，如此循環(huán)往復(fù)。當(dāng)然，對(duì)于太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)熱源不是酒精燈而是太陽(yáng)能。一般都采用太陽(yáng)能集熱器作為太陽(yáng)能收集裝置。根據(jù)即熱方式的不同，目前使用的而太陽(yáng)能集熱器可以分成兩類：一類是平板式集熱器。這類接受太陽(yáng)輻射的面積和吸收體的面積相等。由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相對(duì)較小，因此需要很大的即熱面積，同時(shí)集熱介質(zhì)的溫度也較低。另一類是聚焦型集熱器。這類集熱器通過(guò)采用不同的聚焦器，將太陽(yáng)輻射聚集到較小的集熱面上，從鎘污染可以獲得相當(dāng)高的集熱溫度和能流密度。這類集熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高。［1］目前，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)上較多采用的后者。其中比較成熟的是碟式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)。三.特林發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀3.1.斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)外研究現(xiàn)狀L.BerrinErbay和HadbiYavuz［2］研究了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在閉式回?zé)嵫h(huán)過(guò)程中的做功能力通過(guò)對(duì)動(dòng)力活塞和配氣活塞做功過(guò)程引入了新的假設(shè)，得到了計(jì)算最大功率和效率的公式和在最大功率下的壓縮比。StigKildegardAndersen,HenrikCarlsen,PerGroveThomsen［3］利用數(shù)值分析的方法研究在考慮回?zé)崞骰w溫度差異的因素下，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞骰w的最優(yōu)化問(wèn)題。他們發(fā)現(xiàn)，回?zé)崞骰w溫度的擺動(dòng)有兩種方式：一種結(jié)果在軸向方向接近線性，而另一種在軸向結(jié)尾處曲線向下彎曲，這將導(dǎo)致氣體進(jìn)入回?zé)崞鲿r(shí)溫度與回?zé)崞饔泻艽蟮牟钪怠５谝环N方式提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，而第二種方式則降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和效率。ShahrirAbdullah,BelalF.Yousif,KamaruzzamanSopian4］對(duì)低溫差雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)用于太陽(yáng)能時(shí)的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了討論。應(yīng)用第三類分析方法，得到了最優(yōu)化參數(shù)。由計(jì)算結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)化速度為120rpm，掃氣容積比2.31,加熱器，冷卻器和回?zé)崞鞯娜莘e比分別為1.31,1.31和2.01。RImperoAbenavoli,WeDong,L.Fedele,A.Sciahoni［5］介紹了一種新型的旋轉(zhuǎn)式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。論文詳細(xì)的推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)部件運(yùn)動(dòng)而引起的膨脹腔和壓縮腔體積隨時(shí)間的變化函數(shù)，進(jìn)而得到了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和效率的表達(dá)式。文中還給出了這種發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)圖。S.C.Kaushik,S.Kumar［6］對(duì)不可逆斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和埃里克森發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了有限時(shí)間熱力學(xué)分析。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在回?zé)崞餍蕿?的條件下，兩種循環(huán)的效率等于卡諾循環(huán)的效率。另外，回?zé)崞鞯男什粫?huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。ZhaolinGu,HarukiSato,XiaoFeng［7］研究了在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中加入超臨界回?zé)徇^(guò)程以提高熱效率的方法。論文分別對(duì)多相流體工質(zhì)和有相變的流體工質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)論認(rèn)為超臨界回?zé)徇^(guò)程確實(shí)可以提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。3.2斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀吳鋒，陳林根，孫豐瑞［8］分析了熱阻、回?zé)釙r(shí)間和不完全回?zé)釋?duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的影響。分析結(jié)果表明，增大發(fā)動(dòng)機(jī)換熱器的換熱面積和熱傳遞系數(shù)以提高熱導(dǎo)率，對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，是至關(guān)重要的。顧根香，金東寒，張熹9］對(duì)雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)性能分散性進(jìn)行了研究。結(jié)果認(rèn)為，由于各缸工質(zhì)質(zhì)量和工質(zhì)壓力不等，各個(gè)加熱器的壁溫將產(chǎn)生較大的差異，必將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能的惡化。顧根香，王芝秋［10］進(jìn)一步研究雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)均勻性。論文闡述了雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)不均勻的機(jī)理，認(rèn)為由于不均勻性的存在，將使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)壓比升高，傳動(dòng)件壽命降低；功率下降和經(jīng)濟(jì)性惡化；工作穩(wěn)定性不好。認(rèn)為在上下活塞環(huán)之問(wèn)開設(shè)緩沖腔的方法可有效地提高循環(huán)均勻性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的負(fù)影響較小，能有效地改進(jìn)雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。顧根香，金東寒，閻珽［11］對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。研究的主要?jiǎng)?chuàng)新在于建立了精度更高的非線性數(shù)學(xué)模型。研究結(jié)果表明，仿真計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)值是基本吻合的,從而驗(yàn)證了本文所建立的非線性模型的有效性。姚睿,吳克啟［12］提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中采用自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電裝置的概念設(shè)計(jì)模型，確立了整個(gè)概念設(shè)計(jì)的框架，并對(duì)自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作了初步設(shè)計(jì)。蔡保華，王幼純，陳煥倬［13］對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中回?zé)崞餍阅苓M(jìn)行了分析。論文在充分考慮回?zé)崞鲗?shí)際情況的基礎(chǔ)上建立了回?zé)崞髂Ｐ?，并提出用以°，島，匕等無(wú)量綱數(shù)來(lái)反映回?zé)崞鲗?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，必須合理選擇參數(shù)，使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和效率最佳，而不能一味地追求回?zé)崞鞯母咝省卿h，孫豐瑞，陳林根［14］研究了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)斯特林熱機(jī)的最優(yōu)性能。論文討論了將太陽(yáng)能動(dòng)力和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合所得到的最優(yōu)性能。建立了不可逆循環(huán)的模型，導(dǎo)出了太陽(yáng)能一斯特林熱機(jī)的最大功率和最佳總效率，為實(shí)際太陽(yáng)能一斯特林熱機(jī)的模型評(píng)估和工況預(yù)選，提供了一個(gè)最佳方案。黃護(hù)林［15］對(duì)太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了性能模擬。論文對(duì)一個(gè)盤式聚光器一斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在一典型晴天日照下的一天中熱性能進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示，一天中的系統(tǒng)效率曲線呈一馬鞍形。此外，結(jié)果也顯示，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工質(zhì)壓力，系統(tǒng)效率也將升高。張志國(guó)［16］對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一維的數(shù)值模型。以斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為模擬對(duì)象,將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)分為7個(gè)單獨(dú)的部件，采用節(jié)點(diǎn)分析法,數(shù)值模擬了NASA12.5kW的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。模擬的結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)工況下模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相符合，模擬誤差小于10%。胡亞聯(lián)，吳鋒［17］分析了有限速率過(guò)程對(duì)活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。論文導(dǎo)出了以理想氣體或范德瓦爾斯氣體為工質(zhì)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出功率與熱效率的關(guān)系，以及最大熱效率與輸出功率的關(guān)系，并推出了一些新的有限時(shí)間熱力學(xué)的性能界限。近來(lái)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在太陽(yáng)能發(fā)電中的應(yīng)用取得了更為實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。兩個(gè)最大的太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)電力廠正在建設(shè)中。太陽(yáng)能發(fā)電一廠由美國(guó)南加州愛迪生公司在加州莫哈韋沙漠興建，太陽(yáng)能發(fā)電二廠則由圣地牙哥燃?xì)夂碗娏驹谀霞又莼士h興建。兩個(gè)項(xiàng)目的功率和設(shè)計(jì)發(fā)電量說(shuō)明如下：一廠規(guī)模：50萬(wàn)千瓦（足30萬(wàn)家庭用電），將擴(kuò)大到85萬(wàn)千瓦。使用2萬(wàn)一3.4萬(wàn)個(gè)碟型斯特林系統(tǒng)。二廠規(guī)模：30萬(wàn)千瓦，將擴(kuò)大到90萬(wàn)千瓦。使用1.2萬(wàn)-3.6萬(wàn)個(gè)碟型斯特林系統(tǒng)兩個(gè)太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目所采用的稱為陽(yáng)光接收器的技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換率達(dá)31.25%，保持著太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的最高效世界紀(jì)錄，是一種高度集聚利用太陽(yáng)能的技術(shù)。陽(yáng)光接收器每個(gè)高38英尺，寬40英尺，能產(chǎn)生25千瓦的電力。一廠和二廠全部竣工后，發(fā)電量達(dá)175萬(wàn)千瓦，相當(dāng)于兩個(gè)大型核電廠，能為93萬(wàn)個(gè)家庭供電。鑒于中國(guó)最近幾年正在籌劃30多個(gè)核電廠的建設(shè)，在這里有必要將核電廠與太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電廠做一下簡(jiǎn)單的對(duì)比。由于防核輻射和泄漏的嚴(yán)格監(jiān)管條例，所有核電廠都必須安置在強(qiáng)化遏制泄漏的室內(nèi)。所有的冷、熱水循環(huán)系統(tǒng)都必須嚴(yán)密保護(hù)。因此，核電廠的成本實(shí)際上高于同規(guī)模礦物燃料發(fā)電廠，建設(shè)周期也過(guò)長(zhǎng)。盡管所有核電廠都設(shè)計(jì)了安全系數(shù)，機(jī)械故障和人為失誤仍在所難免。如美國(guó)三哩島意外和俄羅斯的切爾諾貝利事故以及日本福島第一核電站核泄漏就是例子，后果讓人無(wú)法接受?？偨Y(jié)本人想設(shè)計(jì)一個(gè)由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),通過(guò)設(shè)計(jì)爭(zhēng)取達(dá)到深入的了解太陽(yáng)能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，熟悉循環(huán)過(guò)程中的每個(gè)過(guò)程。參考文獻(xiàn)左然，施明恒，王希麟.可再生能源概論.2007.6L.BerrinErbay,HadbiYavuz.AnalysisoftheStirlingHeatEngineatMaximumPowerConditions.Energy.Vol22,No7645?650.StigKildegaurdAndersen,HenrikCarlsen,PerGroveThomsen.NumericalStudyonOptimalStirlingEngineRegeneratorMatrixDesignsTakingintoAccounttheEffectsofMatrixTemperatureOscillations.EnergyConversionandManagement,Issue47,(2006):894?908.ShahrirAbdullah,BelalF.Yousif,KamaruzzamanSopian.DesignConsiderationofLlowTemperatureDifferentialDouble-actingStirlingEngineforSolarApplication.RenewableEnergy,Issue30,(2005):1923?1941.R.ImperoAbenavoli,WeDong,L.Fedele,A.Sciahoni.DesignofaNewTypeofRotaryStirlingEngine.IEEE,1996,96342.S.C.Kaushik,S.Kumar.FiniteTimeThermodynamicEvaluationofIrreversibleEricssonandStirlingHeatEngines.EnergyConversion&Management,Issue42(2001):295?312.ZhaoLinGu,HarukiSato,XiaoFeng.UsingSupercriticalHeatRecoveryProcessinStirlingEnginesforHighThermalEfficiency.AppliedThermalEngineering.Issue21(2001)，1621?1630.吳鋒，陳林根，孫豐瑞.回?zé)崾剿固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的優(yōu)化.電站系統(tǒng)工程，第13卷，第4期:43?46.顧根香，金東寒，閻珽.斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的研究.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，第18卷(2000),3期：305?307.姚睿，吳克啟.斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在空間太陽(yáng)能發(fā)電中的應(yīng)用.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),第22卷，第1期:111?114.蔡保華，王幼純,陳煥倬.斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中回?zé)崞餍阅芊治?工程熱物理學(xué)報(bào)，第8卷，第3期:260?263.吳鋒，孫豐瑞，陳林根.太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)斯特林熱機(jī)的最優(yōu)性能.電站系統(tǒng)工程,第13卷，第5期:43?45.黃護(hù)林.太陽(yáng)能