能源之星——斯特林引擎3

1、能源之星斯特林引擎（三）作者：周鑒恒 文章來(lái)源：作者惠賜 點(diǎn)擊數(shù)： 2208 更新時(shí)間：2009-9-2（原載：物理雙月刊（臺(tái)灣），卅卷四期，2008年8月）五、已有實(shí)際應(yīng)用除了在能源方面的應(yīng)用之外，斯特林引擎在若干特殊領(lǐng)域，例如：國(guó)防、低溫致冷等，也扮演著不可取代的角色。用外力倒轉(zhuǎn)斯特林引擎，斯特林引擎就變成致冷機(jī)(Stirling Cryocooler)。熱聲斯特林致冷機(jī)可以用來(lái)液化氮?dú)狻⒀鯕獾?，特殊設(shè)計(jì)的斯特林致冷機(jī)具有10K的冷卻效果，微型斯特林致冷機(jī)12已被廣泛用于冷卻夜視系統(tǒng)的紅外線感測(cè)芯片?，F(xiàn)役的瑞典海軍哥德級(jí)(Gotland Class)潛艇（圖6-1），其絕氣推進(jìn)系統(tǒng)(Air

2、 Independent Propulsion)，以燃燒液態(tài)氧和柴油的斯特林引擎提供輔助動(dòng)力，可將下潛時(shí)間延長(zhǎng)至數(shù)周之久，具有極佳的靜音匿蹤性能。圖6-1瑞典海軍哥德級(jí)(Gotland Class)潛艇（數(shù)據(jù)源：）至于斯特林引擎在能源方面的應(yīng)用，現(xiàn)階段只是剛剛起步，方興未艾，但初期的成果已經(jīng)十分亮眼。暖氣機(jī)是寒帶地區(qū)必要的設(shè)備，借著斯特林引擎冷區(qū)散發(fā)出來(lái)的熱能，加熱熱水或供應(yīng)暖氣，而斯特林引擎本身的動(dòng)力就用來(lái)發(fā)電，組合成同時(shí)提供電力和熱源的電熱共生系統(tǒng)(Combined heat and power system)13（圖6-2）。Whisper Gen公司在2004年曾生產(chǎn)80,000具住家

3、用微型電熱共生的商業(yè)產(chǎn)品。圖6-2微型斯特林引擎電熱共生(CHP)的商業(yè)產(chǎn)品（數(shù)據(jù)源：www.micropower.co.uk/about/mchp.html） 圖6-3 總統(tǒng)布什視察斯特林能源系統(tǒng)公司的陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電裝置（數(shù)據(jù)源：）2005年8月8日，美國(guó)總統(tǒng)布什視察斯特林能源系統(tǒng)(Stirling Energy Stytem)公司在圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電原型裝置（圖6-3），并于當(dāng)?shù)睾炇鹉茉捶ò?。翌日南加州?ài)迪生(Southern California Edison)與斯特林能源系統(tǒng)公司簽約，預(yù)定在洛杉磯北方建造一座占地45,00英畝(1.9 km2)的巨

4、型太陽(yáng)能發(fā)電廠，采用陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電技術(shù)，藉總和直徑約39英尺(11m)的82片組合反射鏡聚焦，加熱位于焦點(diǎn)的4氣缸型斯特林引擎(4-95 Mark)（圖6-4），以72支鎳基超合金(Inconel)細(xì)管制成的熱區(qū)(receiver)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度高達(dá)700C以上，高壓氫氣最高壓可達(dá)200倍大氣壓，轉(zhuǎn)速約1800rpm，在每平方公尺1,000W的陽(yáng)光下，能產(chǎn)生25KW的電力。從2007年底開(kāi)始為期4年，將裝設(shè)20,000具，總發(fā)電量達(dá)500MW，超過(guò)全美所有太陽(yáng)能發(fā)電裝置的總和，足可滿足一個(gè)小鎮(zhèn)的電力需求。若雙方同意，還再多花兩年，增加陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電機(jī)組至34,000具，發(fā)

5、電量增至850MW14。 圖6-4 4氣缸型斯特林引擎(4-95 Mark)之示意圖，以及實(shí)物攝影（鎳基超合金細(xì)管制成的熱區(qū)(receiver)清晰可見(jiàn)）（數(shù)據(jù)源：）這座全球最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠，發(fā)電效率是一般太陽(yáng)能光電池的兩倍，電價(jià)也比其他太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)便宜許多，不需加州政府補(bǔ)貼即可商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)，為人類大規(guī)模利用太陽(yáng)能立下劃時(shí)代的里程碑，也揭開(kāi)斯特林引擎商業(yè)化的序幕。1 2 3 下一頁(yè)周鑒恒博士專欄能源之星斯特林引擎（三）作者：周鑒恒 文章來(lái)源：作者惠賜 點(diǎn)擊數(shù)： 2209 更新時(shí)間：2009-9-2六、璀璨的未來(lái)幾乎沒(méi)有其他的引擎，像斯特林引擎這樣，在這么廣的領(lǐng)域中均具有實(shí)際應(yīng)用的可行性，而又可

6、針對(duì)工作條件，在尺寸、構(gòu)造、性能等方面有如此大的設(shè)計(jì)彈性。隨著材料科學(xué)和加工工藝日新月異，石油價(jià)格節(jié)節(jié)攀高，減碳環(huán)保逐漸形成國(guó)際社會(huì)的共識(shí)；再加上大規(guī)模量產(chǎn)斯特林引擎已經(jīng)開(kāi)始，社經(jīng)條件更臻成熟，除了太陽(yáng)能發(fā)電的前景可期之外，斯特林引擎在其他能源領(lǐng)域也深具潛力，在新的能源時(shí)代，勢(shì)必扮演更全面的角色。（一）核能探測(cè)離太陽(yáng)天文單位（大約火星軌道）之外的太空，因陽(yáng)光強(qiáng)度減弱，一般太陽(yáng)能電池的發(fā)電量就不敷使用。美國(guó)太空總署于是成功研發(fā)了一系列使用核燃料的自由活塞斯特林引擎15，并驅(qū)動(dòng)線性交流發(fā)電機(jī)(linear alternator)發(fā)電（見(jiàn)圖4-5），以提供深太空探測(cè)任務(wù)所需的電力。2004年美國(guó)布什

7、總統(tǒng)宣布2018年重登月球的計(jì)劃，月球表面甚至火星表面的核能斯特林引擎發(fā)電站又受到矚目16。事實(shí)上，地面的核能電廠，若以斯特林引擎取代蒸汽渦輪機(jī)，可簡(jiǎn)化電廠之設(shè)備，提高安全性和降低維修成本，并充分發(fā)揮核能技術(shù)進(jìn)步的成果。（二）地?zé)岣鶕?jù)統(tǒng)計(jì)，地?zé)崮茉吹奶N(yùn)藏量，約為煤能源總量的億倍，地?zé)岚l(fā)電具有潔凈、占地面積有限、不受天候及天災(zāi)影響，24小時(shí)全年無(wú)休穩(wěn)定供電等優(yōu)點(diǎn)。斯特林引擎設(shè)計(jì)的彈性很大，在不同溫差之下均能運(yùn)轉(zhuǎn)，恰能配合壓力、溫度個(gè)別差異很大的地?zé)帷Ｒ话愕責(zé)醿H100200C，已可直接用來(lái)推動(dòng)斯特林引擎（如果采用汽渦輪機(jī)，則須采用閃蒸法這類技術(shù)和設(shè)備）。1970年代Los Alamos Labs提

8、出干熾熱巖(Hot Dry Rock)地?zé)岚l(fā)電，使地?zé)岚l(fā)電更不受地點(diǎn)之限制；未來(lái)如果大深度鉆井和熔巖(Molten Rock)地?zé)岬拈_(kāi)采技術(shù)有所突破，斯特林引擎地?zé)岚l(fā)電將為人類提供長(zhǎng)期的潔凈能源17。（三）分散型獨(dú)立電力系統(tǒng)18未來(lái)人類使用能源的方式會(huì)更為精致，現(xiàn)在以大型集中型電廠為主的電力系統(tǒng)勢(shì)必有所調(diào)整，更為合理的分散型小區(qū)電廠將成為主流，廢物利用或就地取材附近的多元能源，以潔凈能源及傳統(tǒng)燃料搭配就近適當(dāng)處理的垃圾或農(nóng)業(yè)廢棄物，作為燃料，就近提供附近用戶電力，省去長(zhǎng)途運(yùn)輸大量燃料和大規(guī)模配電的成本，避免大型電廠故障的風(fēng)險(xiǎn)，斯特林引擎恰好可以實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)型。（四）交通用的斯特林引擎雖然在某些

9、場(chǎng)合，斯特林引擎有預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，不易立即停機(jī)、迅速變換輸出功率的限制，但斯特林引擎可用爆炸性較低的燃料、污染少、振動(dòng)小、噪音低、效率不因爬升高度而變化、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。此外除了作為軍事潛艇的推進(jìn)系統(tǒng)之外，研究人員也評(píng)估過(guò)斯特林引擎作為大型船只動(dòng)力的效益19。即便現(xiàn)代人已習(xí)慣了大馬力的汽油引擎車，美國(guó)能源部(DOE)早期仍提供經(jīng)費(fèi)支持相關(guān)研究，美國(guó)太空總署、福特汽車公司都曾參與，發(fā)展出Mod I，Mod II，P-40等車用斯特林引擎20。2007年底，使用固態(tài)生質(zhì)燃料的電力-斯特林引擎混合(hybrid)車（原型）在瑞典推出。雖然整個(gè)社經(jīng)條件的慣性偏好

10、汽油引擎車，但斯特林引擎在時(shí)機(jī)成熟時(shí)應(yīng)用在交通動(dòng)力的可行性，無(wú)庸置疑。七、能源政策和能源教育斯特林引擎作為能源研究的主題，之所以值得投入更多的資源，是因?yàn)橐环矫嫠悄茉炊嘣目尚屑夹g(shù)21，實(shí)用化和商業(yè)價(jià)值均可預(yù)期；另一方面，即便先進(jìn)國(guó)家已投入龐大的資源全力研發(fā)，但仍有極大的原創(chuàng)及改良空間，后起者仍可作出重大成就22。斯特林引擎作為能源教育的主題，內(nèi)容可深入淺出、可簡(jiǎn)可繁，適合各級(jí)學(xué)校學(xué)生參與，也適合大眾加入，參與者置身制作小引擎的童話世界，享受驚奇和創(chuàng)作樂(lè)趣，在印象深刻的寓教于樂(lè)中，啟發(fā)下一代日后開(kāi)發(fā)新能源的興趣與眼界，厚植研發(fā)潛力，培養(yǎng)民眾以科學(xué)力量解決能源問(wèn)題的態(tài)度，進(jìn)而充實(shí)國(guó)家能源政策。今日