太阳能斯特林发动机调研报告.doc

PAGE PAGE 7 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。 二．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 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.Berrin Erbay 和 Hadbi Yavuz[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。 Stig Kildegard Andersen, Henrik Carlsen, Per Grove Thomsen[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。 Shahrir Abdullah, Belal F. Yousif, Kamaruzzaman Sopian[4]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。 RImpero Abenavoli, We Dong, 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. Kuma