1、關(guān)于斯特林發(fā)動機的研究與發(fā)展 學(xué)號：13015218 姓名：彭俊圖摘要:簡述了斯特林發(fā)動機的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀，介紹了斯特林循環(huán)并歸納了斯特林循環(huán)的分析方法，闡述了斯特林發(fā)動機的特點和應(yīng)用，并展望了斯特林發(fā)動機的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:斯特林發(fā)動機;斯特林循環(huán);碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)隨著社會的不斷發(fā)展，化石燃料的消耗量日益增大，傳統(tǒng)燃料的內(nèi)燃機將面臨著嚴重的能源危機，而積極解決這個問題的有效途徑之一是開發(fā)一種可以使用與傳統(tǒng)內(nèi)燃機不同的燃料的動力裝置，斯特林發(fā)動機則是目前可行的最佳途徑之一。斯特林發(fā)動機(Stirling engine) 又叫熱氣機，是一種封閉式外燃機，具有燃料來源廣，熱效率高，排氣污染

2、少，噪音低，運轉(zhuǎn)特性好，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便等優(yōu)點，并且在太陽能碟式發(fā)電系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用，越來越受到人們的關(guān)注。國外一些專家預(yù)言， 21 世紀將是斯特林發(fā)動機的世紀。1 斯特林發(fā)動機的發(fā)展1816 年，羅伯特斯特林 (Robe Stirling) 發(fā)明了閉式循環(huán)的熱氣機一一斯特林發(fā)動機。在當(dāng)年的第 4081 號專利中，羅伯特斯特林在歷史上第一次描述了回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)和應(yīng)用，并對第一臺閉式循環(huán)熱氣機的構(gòu)造進行了描述斯特林發(fā)動機是一種外部燃燒(加熱)的封閉式活塞發(fā)動機。自羅伯特斯特林于 1816 年發(fā)明斯特林循環(huán)以來，限于當(dāng)時條件，大部分發(fā)動機的功率和效率都很低，逐漸被比其發(fā)明晚半個多世紀的內(nèi)燃機所

3、替代。 1916 年最后一臺老式斯特林發(fā)動機出廠，斯特林發(fā)動機的發(fā)展告一段落1 3J近幾十年來，隨著能源問題和污染問題日益突出，以及斯特林發(fā)動機的一些關(guān)鍵技術(shù)問題的解決和它所特有的優(yōu)點，因而受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。 20 世紀 30 年代到 60代，現(xiàn)代斯特林發(fā)動機的鼻祖一一荷蘭的菲利普公司開創(chuàng)了現(xiàn)代斯特林發(fā)動機發(fā)展的新階段。之后經(jīng)過通用發(fā)動機公司、福特汽車公司、瑞典聯(lián)合熱氣機公司的不斷發(fā)展，在包括美國、俄羅斯、英國、法國、德國、日本等主要工業(yè)國家政府的資助下，在碟式太陽能熱發(fā)電、制冷和熱泵等領(lǐng)域取得重要進展。我國的某些研究機構(gòu)也在 20 世紀 70 年代中期開始研究斯特林發(fā)動機，并在碟式太陽

4、能熱發(fā)電領(lǐng)域取得一定成果2 斯特林的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀Kaushik對不可逆斯特林發(fā)動機進行了有限時間熱力學(xué)分析。分析指出，在不考慮各種損失和回?zé)崞餍蕿?條件下 種循環(huán)的效率等于卡諾循環(huán)的效率，同時還指出了回?zé)崞鞯男什粫绊懓l(fā)動機的輸出功率。 Halit 指出工質(zhì)的泄露對斯特林發(fā)動機的性能有著重要的影響。Koi-chi建立以一個斯特林發(fā)動機原型為基礎(chǔ)，在標準狀態(tài)和無負載的情況下，用空氣作為工質(zhì)進行試驗，最后得出：提高換熱器性能、降低機械損失對提高斯特林發(fā)動機的性能是十分有效的。Nezaket基于UrieliandBerchowitzs規(guī)則，用熱力學(xué)原理中穩(wěn)流分析法分析了型斯特林發(fā)動機的運行特性

5、。Bancha和Thombare分別研究了低溫差的斯特林發(fā)動機在太陽能熱發(fā)電中應(yīng)用的可行性方法，并指出立式雙作用往復(fù)式型斯特林發(fā)動機在未來的太陽能熱發(fā)電中有巨大潛力。Tlili采用平均溫差的斯特林發(fā)動機模型，研究了基于碟式系統(tǒng)用斯特林技術(shù)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)假設(shè)接收器的溫度為20，溫差為300。在初始設(shè)計階段，根據(jù)完整模型換熱器中能量損失和壓降損失的最優(yōu)狀態(tài)確定臨界參數(shù)，并根據(jù)最優(yōu)化原理指出了在給定的溫差、運行頻率和死區(qū)容積下，功率最大時有確定的最佳掃氣容積。William證明了斯特林發(fā)動機比火花塞發(fā)動機可節(jié)約燃料10%30%。USPS（unitedstatespostalservice

6、）測試LLV（long-lifevehicle）的數(shù)據(jù)表明斯特林發(fā)動機的理想節(jié)能空間可達30%。JGaryWood用完整的線性變換方法設(shè)計了應(yīng)用于空間供能的改進型35W自由活塞式斯特林發(fā)動機，特別指出了它有很高的熱電轉(zhuǎn)換效率（卡諾效率的50%）和功率系數(shù)（100W/kg）。我國對斯特林發(fā)動機的研究起步較晚，但發(fā)展速度比較快，特別是1984年6月，在上海舉行了“第二屆國際斯特林發(fā)動機會議”之后，我國的斯特林發(fā)動機的研究工作出現(xiàn)了新的局面。吳沛宜提出了五部件絕熱氣缸模型，考慮熱交換器的效率及其死區(qū)容積的影響，運用變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)理論和數(shù)值方法，分析了實用的斯特林循環(huán)，并求出循環(huán)內(nèi)各熱參數(shù)的瞬時變化

7、和一個循環(huán)的平均參數(shù)。李修寶建立了以一維不定?？蓧嚎s氣體流動理論為基礎(chǔ)的斯特林發(fā)動機工作循環(huán)數(shù)學(xué)模型。嚴子浚研究了受熱阻、熱漏和回?zé)釗p失3種主要不可逆因素影響的斯特林熱機的優(yōu)化性能，導(dǎo)出了熱機的基本優(yōu)化關(guān)系及功率和效率界限。楊征分析了四缸雙作用斯特林發(fā)動機工作過程中存在的各種流動阻力損失和熱量損失，建立了適用于模擬四缸雙作用斯特林發(fā)動機性能的模型，并應(yīng)用擬牛頓法和懲罰函數(shù)法實現(xiàn)了對最優(yōu)化模型的求解，設(shè)計了輸出功率從5kW到25kW的四缸雙作用斯特林發(fā)動機，對斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。朱榜榮建立了考慮熱漏、回?zé)釗p失等不可逆因素的循環(huán)平均傳熱模型，并用功率優(yōu)化法和生態(tài)學(xué)優(yōu)化法進行系統(tǒng)優(yōu)化，得

8、到了不同優(yōu)化目標下的最佳工質(zhì)溫度比與最佳換熱面積比。同時對斯特林機進行仿真研究，采用C+Bulider編寫算法程序?qū)λ固亓謾C進行仿真試驗。高瑤采用接近實際應(yīng)用的等溫模型對斯特林發(fā)動機進行建模，分別考慮了斯特林發(fā)動機中存在的3種流動阻力引起的功率損失和8種熱損失引起的效率損失，并對5kW點聚焦太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)進行了性能分析。3斯特林發(fā)動機的循環(huán)斯特林發(fā)動機通常分為5個部分：熱腔（膨脹腔）、加熱器、回?zé)崞鳌⒗鋮s器和冷腔（壓縮腔）。熱腔和加熱器處于循環(huán)的高溫部分，通常稱它們?yōu)闊釁^(qū)。冷腔和冷卻器處于循環(huán)的低溫部分，稱為冷區(qū)。斯特林循環(huán)的工作過程是：工質(zhì)被密封在一個閉合回路中，依靠活塞的協(xié)調(diào)運動從而

9、實現(xiàn)在回路中流動。其理想循環(huán)為：壓縮腔中的等溫壓縮過程，回?zé)崞髦械牡热菁訜徇^程，膨脹腔中的等溫膨脹過程以及回?zé)崞髦械牡热堇鋮s過程。圖2、3分別是理想斯特林循環(huán)4個過程的PV圖和TS圖。4斯特林循環(huán)的分析方法特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但在理論上都是按斯特林循環(huán)進行工作的。根據(jù)馬提尼的命名規(guī)則，斯特林循環(huán)的分析法可以分為零級分析法、一級分析法、二級分析法、三級分析法和四級分析法5類。零級分析法。零級分析法并沒有對斯特林循環(huán)進行分析，而是根據(jù)斯特林發(fā)動機的實驗結(jié)果引入經(jīng)驗因子，歸納出斯特林發(fā)動機實際功率與效率的經(jīng)驗關(guān)系式。該方法簡單實用，一般可用于定性分析，不合做斯特林發(fā)動機的優(yōu)化設(shè)計。Carl

10、quist和Beale對零級分析法的應(yīng)用與發(fā)展做出了重要貢獻2）一級分析法。一級分析法又稱等溫分析法，是最基本的斯特林循環(huán)分析方法。該方法主要假設(shè)熱腔和冷腔工質(zhì)的循環(huán)溫度恒定，通過理論分析可以推導(dǎo)出斯特林發(fā)動機功率和效率的解析解。Schmidt首先應(yīng)用一級分析法，以斯特林發(fā)動機為模型，根據(jù)質(zhì)量、能量守恒定律和理想氣體狀態(tài)方程對斯特林發(fā)動機進行了理論研究。但由于一級分析法的等溫假設(shè)過于理想，不符合實際情況，因而存在較大的理論誤差，一般只用于定性分析。3）二級分析法。二級分析法假設(shè)熱腔和冷腔內(nèi)的工質(zhì)溫度在循環(huán)的過程中是變化的。因此基于二級分析法所建的數(shù)學(xué)模型一般為常微分方程組，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程

11、以及邊界條件可進行數(shù)值求解。最常用的二級分析法是絕熱分析法。相對一級分析法而言，二級分析法更接近實際，具有更為重要的應(yīng)用價值。4）三級分析法。三級分析法又稱為節(jié)點分析法，由Finkelstein首先完成。Urieli、Gedeon、Martini等對其進行了深入補充，并編成了軟件進行模擬。三級分析法是對工質(zhì)作一維流動假設(shè)，在每個節(jié)點處對工質(zhì)的傳熱和氣體動力學(xué)過程用質(zhì)量、動量和能量守恒的偏微分方程進行描述。三級分析法解決了一級分析法和二級分析法的空間誤差問題，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展5）四級分析法。四級分析法又稱為多維CFD分析法，是在三級分析法的基礎(chǔ)上將維數(shù)增加到二維甚至是三維，其計算過程極其復(fù)

12、雜，往往需求于商業(yè)化的CFD軟件。多維CFD分析法已成功應(yīng)用于內(nèi)燃機和燃氣輪機的設(shè)計，但在斯特林發(fā)動機上的應(yīng)用還很不完善，因為到目前為止，多維CFD在兩相流上的應(yīng)用還很困難。盡管如此，由于四級分析法的精度比較高，作為研發(fā)的重點，隨著各種輔助工具的不斷改善，四級分析法終將成為斯特林循環(huán)的主要分析法。5斯特林發(fā)動機的特點及應(yīng)用斯特林發(fā)動機是外燃機，與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機相比主要有以下幾個方面的優(yōu)點：1）燃料來源廣。斯特林發(fā)動機對燃料的適應(yīng)性很強，可用燃料除了煤、石油、天然氣、化石燃料外，還包括太陽能、原子能、化學(xué)能，以及木材、秸稈等農(nóng)林廢棄物燃燒所放出來的能量。此外，斯特林發(fā)動機還可以用來回收各種分散或低

13、品位的熱能。2）熱效率高。理想斯特林循環(huán)由兩個等溫過程和2個等容過程組成，其理論循環(huán)效率等于相同狀態(tài)下的卡諾效率。實驗表明，斯特林發(fā)動機的實際有效效率能達到32%40%，最高可達47%。3）排氣污染小。由于斯特林發(fā)動機的燃燒過程是連續(xù)的，空氣燃燒比的變化對效率和功率的影響都很小，所以斯特林發(fā)動機可以在足夠的空氣下運轉(zhuǎn)，燃料的燃燒值比較高，和內(nèi)燃機相比，大大降低了廢氣中CO、HC等有害氣體的含量。4）噪音低。斯特林發(fā)動機沒有氣閥機構(gòu)且工質(zhì)在汽缸內(nèi)的壓力變化類似于正弦，并且沒有燃燒產(chǎn)生的爆震和排氣波，因而斯特林發(fā)動機運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，噪音比較小。如STM生產(chǎn)的50kW的斯特林發(fā)動機，其裸機工作時在1m

14、處的噪音低于75dB。5）運轉(zhuǎn)特性好。由于斯特林發(fā)動機中最大壓力與最小壓力之比一般小于2，因此，其扭矩比較均勻、運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)。此外，斯特林發(fā)動機的超負荷能力強，在超負荷50%的情況下仍然能正常運轉(zhuǎn)，相對于內(nèi)燃機5%15%的超負荷能力具有更好的運轉(zhuǎn)特性。6）結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。斯特林發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡單，比內(nèi)燃機少40%的零部件。例如，自由活塞式斯特林發(fā)動機只有三大部件：密封的汽缸和2個活塞，沒有容易出故障的氣閥機構(gòu)、高壓噴油系統(tǒng)和需要良好潤滑的活塞環(huán)，便于保養(yǎng)維修。文獻著重介紹了斯特林發(fā)動機在我國民用特別是農(nóng)村的應(yīng)用潛力。文獻詳細介紹了斯特林發(fā)動機在低品味能源中的應(yīng)用，其理論價值和實際意義都值得我

15、們做進一步的研究。斯特林發(fā)動機在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。用斯特林發(fā)動機作為動力系統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電技術(shù)，在美國和澳大利亞等國家已經(jīng)取得了實質(zhì)性的突破，很多實驗電站已經(jīng)運行多年。大規(guī)模的商業(yè)運行電站也正在建立。2005年8月11日，SCE公司（SouthernCaliforniaEdison）司和SES公司（StirlingEnergySystems，Inc）宣布簽訂20年采購協(xié)議，由SES公司在美國洛杉磯東北莫哈韋沙漠地區(qū)采用碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)建造一座500MW并逐步擴大到850MW的太陽能熱發(fā)電站。該電站預(yù)計將由20，000個碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)組成，占地4500英畝（18平方公里），這

16、是太陽能光碟/斯特林發(fā)動機技術(shù)在商業(yè)發(fā)電領(lǐng)域第一次大規(guī)模應(yīng)用。2005年10月12日，SES公司宣布與SDGE公司（SanDiegoGasElectric）簽訂提供300900MW太陽能電力合同，這大約是圣地亞哥地區(qū)現(xiàn)在太陽能發(fā)電能力的30倍。目前SAIC（TheScienceApplicationsInternationalCorporation）又和美國Sandia國家實驗室聯(lián)合開發(fā)商用25kW太陽能熱電系統(tǒng)，計劃在5年時間內(nèi)分3個階段將56座碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)安裝和示范于全美各州電能利用基地。6展望近年來，斯特林發(fā)動機的研究在世界領(lǐng)域取得了突破性進展，能源危機更增加了世界各個國家對斯特林發(fā)動機的重視程度，進一步加快斯特林發(fā)動機的發(fā)展速度。由于斯特林發(fā)動機得天獨厚的優(yōu)勢，以及各種新材料新技術(shù)的出現(xiàn)，斯特林發(fā)動機必將代替內(nèi)燃機為21世紀提供主要動力。盡管我國斯特林發(fā)動機的研究起步比較晚，但我國的研制力和研制水平的進展速度很快，受到了國際斯特林發(fā)動機界的注目。權(quán)威人士預(yù)言，我國在這一領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大的作用。斯特林發(fā)動機如用于太陽能熱發(fā)電，將促進太陽能作為符合可持續(xù)發(fā)展的綠色能源的利用。斯特