能源之星——斯特林引擎3

1、能源之星斯特林引擎（三）作者：周鉴恒 文章来源：作者惠赐 点击数： 2208 更新时间：2009-9-2（原载：物理双月刊（台湾），卅卷四期，2008年8月）五、已有实际应用除了在能源方面的应用之外，斯特林引擎在若干特殊领域，例如：国防、低温致冷等，也扮演着不可取代的角色。用外力倒转斯特林引擎，斯特林引擎就变成致冷机(Stirling Cryocooler)。热声斯特林致冷机可以用来液化氮气、氧气等，特殊设计的斯特林致冷机具有10K的冷却效果，微型斯特林致冷机12已被广泛用于冷却夜视系统的红外线感测芯片。现役的瑞典海军哥德级(Gotland Class)潜艇（图6-1），其绝气推进系统(Air

2、 Independent Propulsion)，以燃烧液态氧和柴油的斯特林引擎提供辅助动力，可将下潜时间延长至数周之久，具有极佳的静音匿踪性能。图6-1瑞典海军哥德级(Gotland Class)潜艇（数据源：）至于斯特林引擎在能源方面的应用，现阶段只是刚刚起步，方兴未艾，但初期的成果已经十分亮眼。暖气机是寒带地区必要的设备，借着斯特林引擎冷区散发出来的热能，加热热水或供应暖气，而斯特林引擎本身的动力就用来发电，组合成同时提供电力和热源的电热共生系统(Combined heat and power system)13（图6-2）。Whisper Gen公司在2004年曾生产80,000具住家

3、用微型电热共生的商业产品。图6-2微型斯特林引擎电热共生(CHP)的商业产品（数据源：www.micropower.co.uk/about/mchp.html） 图6-3 总统布什视察斯特林能源系统公司的阳光聚焦碟-斯特林引擎发电装置（数据源：）2005年8月8日，美国总统布什视察斯特林能源系统(Stirling Energy Stytem)公司在圣地亚国家实验室的阳光聚焦碟-斯特林引擎发电原型装置（图6-3），并于当地签署能源法案。翌日南加州爱迪生(Southern California Edison)与斯特林能源系统公司签约，预定在洛杉矶北方建造一座占地45,00英亩(1.9 km2)的巨

4、型太阳能发电厂，采用阳光聚焦碟-斯特林引擎发电技术，藉总和直径约39英尺(11m)的82片组合反射镜聚焦，加热位于焦点的4气缸型斯特林引擎(4-95 Mark)（图6-4），以72支镍基超合金(Inconel)细管制成的热区(receiver)，运转时温度高达700C以上，高压氢气最高压可达200倍大气压，转速约1800rpm，在每平方公尺1,000W的阳光下，能产生25KW的电力。从2007年底开始为期4年，将装设20,000具，总发电量达500MW，超过全美所有太阳能发电装置的总和，足可满足一个小镇的电力需求。若双方同意，还再多花两年，增加阳光聚焦碟-斯特林引擎发电机组至34,000具，发

5、电量增至850MW14。 图6-4 4气缸型斯特林引擎(4-95 Mark)之示意图，以及实物摄影（镍基超合金细管制成的热区(receiver)清晰可见）（数据源：）这座全球最大的太阳能发电厂，发电效率是一般太阳能光电池的两倍，电价也比其他太阳能发电技术便宜许多，不需加州政府补贴即可商业运转，为人类大规模利用太阳能立下划时代的里程碑，也揭开斯特林引擎商业化的序幕。1 2 3 下一页周鉴恒博士专栏能源之星斯特林引擎（三）作者：周鉴恒 文章来源：作者惠赐 点击数： 2209 更新时间：2009-9-2六、璀璨的未来几乎没有其他的引擎，像斯特林引擎这样，在这么广的领域中均具有实际应用的可行性，而又可

6、针对工作条件，在尺寸、构造、性能等方面有如此大的设计弹性。随着材料科学和加工工艺日新月异，石油价格节节攀高，减碳环保逐渐形成国际社会的共识；再加上大规模量产斯特林引擎已经开始，社经条件更臻成熟，除了太阳能发电的前景可期之外，斯特林引擎在其他能源领域也深具潜力，在新的能源时代，势必扮演更全面的角色。（一）核能探测离太阳天文单位（大约火星轨道）之外的太空，因阳光强度减弱，一般太阳能电池的发电量就不敷使用。美国太空总署于是成功研发了一系列使用核燃料的自由活塞斯特林引擎15，并驱动线性交流发电机(linear alternator)发电（见图4-5），以提供深太空探测任务所需的电力。2004年美国布什

7、总统宣布2018年重登月球的计划，月球表面甚至火星表面的核能斯特林引擎发电站又受到瞩目16。事实上，地面的核能电厂，若以斯特林引擎取代蒸汽涡轮机，可简化电厂之设备，提高安全性和降低维修成本，并充分发挥核能技术进步的成果。（二）地热根据统计，地热能源的蕴藏量，约为煤能源总量的亿倍，地热发电具有洁净、占地面积有限、不受天候及天灾影响，24小时全年无休稳定供电等优点。斯特林引擎设计的弹性很大，在不同温差之下均能运转，恰能配合压力、温度个别差异很大的地热。一般地热仅100200C，已可直接用来推动斯特林引擎（如果采用汽涡轮机，则须采用闪蒸法这类技术和设备）。1970年代Los Alamos Labs提

8、出干炽热岩(Hot Dry Rock)地热发电，使地热发电更不受地点之限制；未来如果大深度钻井和熔岩(Molten Rock)地热的开采技术有所突破，斯特林引擎地热发电将为人类提供长期的洁净能源17。（三）分散型独立电力系统18未来人类使用能源的方式会更为精致，现在以大型集中型电厂为主的电力系统势必有所调整，更为合理的分散型小区电厂将成为主流，废物利用或就地取材附近的多元能源，以洁净能源及传统燃料搭配就近适当处理的垃圾或农业废弃物，作为燃料，就近提供附近用户电力，省去长途运输大量燃料和大规模配电的成本，避免大型电厂故障的风险，斯特林引擎恰好可以实现这样的转型。（四）交通用的斯特林引擎虽然在某些

9、场合，斯特林引擎有预热时间长，不易立即停机、迅速变换输出功率的限制，但斯特林引擎可用爆炸性较低的燃料、污染少、振动小、噪音低、效率不因爬升高度而变化、安全可靠，正符合航空引擎的要求，航空用斯特林引擎曾也被提出。此外除了作为军事潜艇的推进系统之外，研究人员也评估过斯特林引擎作为大型船只动力的效益19。即便现代人已习惯了大马力的汽油引擎车，美国能源部(DOE)早期仍提供经费支持相关研究，美国太空总署、福特汽车公司都曾参与，发展出Mod I，Mod II，P-40等车用斯特林引擎20。2007年底，使用固态生质燃料的电力-斯特林引擎混合(hybrid)车（原型）在瑞典推出。虽然整个社经条件的惯性偏好

10、汽油引擎车，但斯特林引擎在时机成熟时应用在交通动力的可行性，无庸置疑。七、能源政策和能源教育斯特林引擎作为能源研究的主题，之所以值得投入更多的资源，是因为一方面它是能源多元化的可行技术21，实用化和商业价值均可预期；另一方面，即便先进国家已投入庞大的资源全力研发，但仍有极大的原创及改良空间，后起者仍可作出重大成就22。斯特林引擎作为能源教育的主题，内容可深入浅出、可简可繁，适合各级学校学生参与，也适合大众加入，参与者置身制作小引擎的童话世界，享受惊奇和创作乐趣，在印象深刻的寓教于乐中，启发下一代日后开发新能源的兴趣与眼界，厚植研发潜力，培养民众以科学力量解决能源问题的态度，进而充实国家能源政策。今日