太阳能斯特林发动机调研报告

一.太阳能斯特林发动机的研究意义进入21世纪，人类社会面临着严重的能源紧缺和环境污染。传统能源中的石油和天然气将在未来几十年内耗尽，煤尽管还能用一二百年，但它会对生态和环境带来很多的副作用。在世界范围内的能源危机中，中国更是首当其冲。因此研究开发无污染、可再生的新能源与能源转换技术是科技界的当务之急［1］。从能源管理角度来讲，太阳能是产生动力的可再生和不可耗尽的重要能源之一。 把太阳能转换成机械能的有几种方法。其中理论上可达到最大效率的是斯特林发动机（或热气机）。斯特林发动机是一种简单的外燃机。这是罗伯特・史特灵在1816年（英国、专利号4081）就提出的概念。和内燃机相比，这种发动机效率高、污染小、噪音低等优点。可以应用在许多领域内中作为清洁高效的动力机，对节能减排、保护环境有重要意义。斯特林发动机的原理斯特林发动机是利用高温高压的氢气或氦气作为工质，通过2个等容过程和2个等温过程可逆循环（图1）。气缸中装有2个对置的活塞，中间设置1个回热器用于交替的吸热和放热，活塞和回热器之间为膨胀腔和压缩腔。膨胀腔始终保持高Tmax，压缩腔则始终保持低温Tmin。由图1可见，斯特林循环由以下4个换热过程组成:1-2为等温压缩，热量从工质传递给外部低温热源;2-3为等容过程，热量从回热器传给工质；3-4为等温膨胀，热量从外部高温热源传递给工质；4-1为等容过程，热量由工质传递给回热器。斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特灵发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。图1.斯特林循环图1.斯特林循环下面是一台斯特林发动机示意图:发动机内的气体是循环加热的（通过酒精灯）并且膨胀推动动力活塞（图中蓝色）向上运动，同时黄色活塞也向上运动。当动力活塞运动到最上边时，曲轴迫使松配合的黄色活塞向下运动，将气体挤压到机器较冷的一边。在较冷一边的气体将热量散失到外界并且收缩，并把蓝色活塞拉向下边。气体在此转移，被挤压回发动机的较热区域，如此循环往复。当然，对于太阳能斯特林发动机来说，驱动热源不是酒精灯而是太阳能。一般都采用太阳能集热器作为太阳能收集装置。根据即热方式的不同，目前使用的而太阳能集热器可以分成两类：一类是平板式集热器。这类接受太阳辐射的面积和吸收体的面积相等。由于太阳辐射强度相对较小，因此需要很大的即热面积，同时集热介质的温度也较低。另一类是聚焦型集热器。这类集热器通过采用不同的聚焦器，将太阳辐射聚集到较小的集热面上，从镉污染可以获得相当高的集热温度和能流密度。这类集热器结构复杂，造价较高。［1］目前，斯特林发动机上较多采用的后者。其中比较成熟的是碟式太阳能热电系统。三.特林发动机国内外研究现状3.1.斯特林发动机国外研究现状L.BerrinErbay和HadbiYavuz［2］研究了斯特林发动机在闭式回热循环过程中的做功能力通过对动力活塞和配气活塞做功过程引入了新的假设，得到了计算最大功率和效率的公式和在最大功率下的压缩比。StigKildegardAndersen,HenrikCarlsen,PerGroveThomsen［3］利用数值分析的方法研究在考虑回热器基体温度差异的因素下，斯特林发动机回热器基体的最优化问题。他们发现，回热器基体温度的摆动有两种方式：一种结果在轴向方向接近线性，而另一种在轴向结尾处曲线向下弯曲，这将导致气体进入回热器时温度与回热器有很大的差值。第一种方式提高了发动机的性能，而第二种方式则降低了发动机的功率和效率。ShahrirAbdullah,BelalF.Yousif,KamaruzzamanSopian4］对低温差双作用斯特林发动机用于太阳能时的设计问题进行了讨论。应用第三类分析方法，得到了最优化参数。由计算结果可知，发动机最优化速度为120rpm，扫气容积比2.31,加热器，冷却器和回热器的容积比分别为1.31,1.31和2.01。RImperoAbenavoli,WeDong,L.Fedele,A.Sciahoni［5］介绍了一种新型的旋转式斯特林发动机。论文详细的推导了旋转部件运动而引起的膨胀腔和压缩腔体积随时间的变化函数，进而得到了发动机的功率和效率的表达式。文中还给出了这种发动机的简图。S.C.Kaushik,S.Kumar［6］对不可逆斯特林发动机和埃里克森发动机进行了有限时间热力学分析。通过分析发现，在回热器效率为1的条件下，两种循环的效率等于卡诺循环的效率。另外，回热器的效率不会影响发动机的输出功率。ZhaolinGu,HarukiSato,XiaoFeng［7］研究了在斯特林发动机工作过程中加入超临界回热过程以提高热效率的方法。论文分别对多相流体工质和有相变的流体工质进行分析，结论认为超临界回热过程确实可以提高斯特林发动机的效率。3.2斯特林发动机国内研究现状吴锋，陈林根，孙丰瑞［8］分析了热阻、回热时间和不完全回热对斯特林发动机输出功率的影响。分析结果表明，增大发动机换热器的换热面积和热传递系数以提高热导率，对于提高发动机的输出功率，是至关重要的。顾根香，金东寒，张熹9］对双作用斯特林发动机活塞环性能分散性进行了研究。结果认为，由于各缸工质质量和工质压力不等，各个加热器的壁温将产生较大的差异，必将导致发动机性能的恶化。顾根香，王芝秋［10］进一步研究双作用斯特林发动机循环均匀性。论文阐述了双作用斯特林发动机的循环不均匀的机理，认为由于不均匀性的存在，将使斯特林发动机压比升高，传动件寿命降低；功率下降和经济性恶化；工作稳定性不好。认为在上下活塞环之问开设缓冲腔的方法可有效地提高循环均匀性，对发动机性能的负影响较小，能有效地改进双作用斯特林发动机的性能。顾根香，金东寒，阎珽［11］对斯特林发动机动态特性进行了研究。研究的主要创新在于建立了精度更高的非线性数学模型。研究结果表明，仿真计算的结果与实测值是基本吻合的,从而验证了本文所建立的非线性模型的有效性。姚睿,吴克启［12］提出了空间太阳能发电系统中采用自由活塞式斯特林发动机发电装置的概念设计模型，确立了整个概念设计的框架，并对自由活塞式斯特林发动机作了初步设计。蔡保华，王幼纯，陈焕倬［13］对斯特林发动机中回热器性能进行了分析。论文在充分考虑回热器实际情况的基础上建立了回热器模型，并提出用以°，岛，匕等无量纲数来反映回热器对发动机的影响。试验结果表明，必须合理选择参数，使斯特林发动机的功率和效率最佳，而不能一味地追求回热器的高效率。吴锋，孙丰瑞，陈林根［14］研究了太阳能驱动斯特林热机的最优性能。论文讨论了将太阳能动力和斯特林发动机结合所得到的最优性能。建立了不可逆循环的模型，导出了太阳能一斯特林热机的最大功率和最佳总效率，为实际太阳能一斯特林热机的模型评估和工况预选，提供了一个最佳方案。黄护林［15］对太阳能斯特林发动机进行了性能模拟。论文对一个盘式聚光器一斯特林发动机在一典型晴天日照下的一天中热性能进行模拟。结果显示，一天中的系统效率曲线呈一马鞍形。此外，结果也显示，提高发动机的工质压力，系统效率也将升高。张志国［16］对斯特林发动机进行了一维的数值模型。以斯特林发动机为模拟对象,将斯特林发动机分为7个单独的部件，采用节点分析法,数值模拟了NASA12.5kW的斯特林发动机的动态变化规律。模拟的结果表明，在设计工况下模拟结果和试验结果相符合，模拟误差小于10%。胡亚联，吴锋［17］分析了有限速率过程对活塞式斯特林发动机性能的影响。论文导出了以理想气体或范德瓦尔斯气体为工质的斯特林发动机的最大输出功率与热效率的关系，以及最大热效率与输出功率的关系，并推出了一些新的有限时间热力学的性能界限。近来，斯特林发动机在太阳能发电中的应用取得了更为实质性的进展。两个最大的太阳能斯特林发动机电力厂正在建设中。太阳能发电一厂由美国南加州爱迪生公司在加州莫哈韦沙漠兴建，太阳能发电二厂则由圣地牙哥燃气和电力公司在南加州皇县兴建。两个项目的功率和设计发电量说明如下：一厂规模：50万千瓦（足30万家庭用电），将扩大到85万千瓦。使用2万一3.4万个碟型斯特林系统。二厂规模：30万千瓦，将扩大到90万千瓦。使用1.2万-3.6万个碟型斯特林系统两个太阳能斯特林发动机项目所采用的称为阳光接收器的技术，光电转换率达31.25%，保持着太阳能发电技术的最高效世界纪录，是一种高度集聚利用太阳能的技术。阳光接收器每个高38英尺，宽40英尺，能产生25千瓦的电力。一厂和二厂全部竣工后，发电量达175万千瓦，相当于两个大型核电厂，能为93万个家庭供电。鉴于中国最近几年正在筹划30多个核电厂的建设，在这里有必要将核电厂与太阳能斯特林发动机发电厂做一下简单的对比。由于防核辐射和泄漏的严格监管条例，所有核电厂都必须安置在强化遏制泄漏的室内。所有的冷、热水循环系统都必须严密保护。因此，核电厂的成本实际上高于同规模矿物燃料发电厂，建设周期也过长。尽管所有核电厂都设计了安全系数，机械故障和人为失误仍在所难免。如美国三哩岛意外和俄罗斯的切尔诺贝利事故以及日本福岛第一核电站核泄漏就是例子，后果让人无法接受。总结本人想设计一个由太阳能驱动的斯特林发动机系统,通过设计争取达到深入的了解太阳能斯特林发动机，熟悉循环过程中的每个过程。参考文献左然，施明恒，王希麟.可再生能源概论.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.吴锋，陈林根，孙丰瑞.回热式斯特林发动机输出功率的优化.电站系统工程，第13卷，第4期:43〜46.顾根香，金东寒，阎珽.斯特林发动机动态特性的研究.内燃机学报，第18卷(2000),3期：305〜307.姚睿，吴克启.斯特林发动机在空间太阳能发电中的应用.太阳能学报,第22卷，第1期:111〜114.蔡保华，王幼纯,陈焕倬.斯特林发动机中回热器性能分析.工程热物理学报，第8卷，第3期:260〜263.吴锋，孙丰瑞，陈林根.太阳能驱动斯特林热机的最优性能.电站系统工程,第13卷，第5期:43〜45.黄护林.太阳能