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 文章來源：作者惠賜 點擊數(shù)： 2208 更新時間：2009-9-2（原載：物理雙月刊（臺灣），卅卷四期，2008年8月）五、已有實際應用除了在能源方面的應用之外，斯特林引擎在若干特殊領域，例如：國防、低溫致冷等，也扮演著不可取代的角色。用外力倒轉斯特林引擎，斯特林引擎就變成致冷機(Stirling Cryocooler)。熱聲斯特林致冷機可以用來液化氮氣、氧氣等，特殊設計的斯特林致冷機具有10K的冷卻效果，微型斯特林致冷機12已被廣泛用于冷卻夜視系統(tǒng)的紅外線感測芯片。現(xiàn)役的瑞典海軍哥德級(Gotland Class)潛艇（圖6-1），其絕氣推進系統(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力，可將下潛時間延長至數(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(Gotland Class)潛艇（數(shù)據源：）至于斯特林引擎在能源方面的應用，現(xiàn)階段只是剛剛起步，方興未艾，但初期的成果已經十分亮眼。暖氣機是寒帶地區(qū)必要的設備，借著斯特林引擎冷區(qū)散發(fā)出來的熱能，加熱熱水或供應暖氣，而斯特林引擎本身的動力就用來發(fā)電，組合成同時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80,000具住家

3、用微型電熱共生的商業(yè)產品。圖6-2微型斯特林引擎電熱共生(CHP)的商業(yè)產品（數(shù)據源：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)公司的陽光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電裝置（數(shù)據源：）2005年8月8日，美國總統(tǒng)布什視察斯特林能源系統(tǒng)(Stirling Energy Stytem)公司在圣地亞國家實驗室的陽光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電原型裝置（圖6-3），并于當?shù)睾炇鹉茉捶ò?。翌日南加州愛迪?Southern California Edison)與斯特林能源系統(tǒng)公司簽約，預定在洛杉磯北方建造一座占地45,00英畝(1.9 km2)的巨

4、型太陽能發(fā)電廠，采用陽光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電技術，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)細管制成的熱區(qū)(receiver)，運轉時溫度高達700C以上，高壓氫氣最高壓可達200倍大氣壓，轉速約1800rpm，在每平方公尺1,000W的陽光下，能產生25KW的電力。從2007年底開始為期4年，將裝設20,000具，總發(fā)電量達500MW，超過全美所有太陽能發(fā)電裝置的總和，足可滿足一個小鎮(zhèn)的電力需求。若雙方同意，還再多花兩年，增加陽光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電機組至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，以及實物攝影（鎳基超合金細管制成的熱區(qū)(receiver)清晰可見）（數(shù)據源：）這座全球最大的太陽能發(fā)電廠，發(fā)電效率是一般太陽能光電池的兩倍，電價也比其他太陽能發(fā)電技術便宜許多，不需加州政府補貼即可商業(yè)運轉，為人類大規(guī)模利用太陽能立下劃時代的里程碑，也揭開斯特林引擎商業(yè)化的序幕。1 2 3 下一頁周鑒恒博士專欄能源之星斯特林引擎（三）作者：周鑒恒 文章來源：作者惠賜 點擊數(shù)： 2209 更新時間：2009-9-2六、璀璨的未來幾乎沒有其他的引擎，像斯特林引擎這樣，在這么廣的領域中均具有實際應用的可行性，而又可

6、針對工作條件，在尺寸、構造、性能等方面有如此大的設計彈性。隨著材料科學和加工工藝日新月異，石油價格節(jié)節(jié)攀高，減碳環(huán)保逐漸形成國際社會的共識；再加上大規(guī)模量產斯特林引擎已經開始，社經條件更臻成熟，除了太陽能發(fā)電的前景可期之外，斯特林引擎在其他能源領域也深具潛力，在新的能源時代，勢必扮演更全面的角色。（一）核能探測離太陽天文單位（大約火星軌道）之外的太空，因陽光強度減弱，一般太陽能電池的發(fā)電量就不敷使用。美國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，并驅動線性交流發(fā)電機(linear alternator)發(fā)電（見圖4-5），以提供深太空探測任務所需的電力。2004年美國布什

7、總統(tǒng)宣布2018年重登月球的計劃，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。事實上，地面的核能電廠，若以斯特林引擎取代蒸汽渦輪機，可簡化電廠之設備，提高安全性和降低維修成本，并充分發(fā)揮核能技術進步的成果。（二）地熱根據統(tǒng)計，地熱能源的蘊藏量，約為煤能源總量的億倍，地熱發(fā)電具有潔凈、占地面積有限、不受天候及天災影響，24小時全年無休穩(wěn)定供電等優(yōu)點。斯特林引擎設計的彈性很大，在不同溫差之下均能運轉，恰能配合壓力、溫度個別差異很大的地熱。一般地熱僅100200C，已可直接用來推動斯特林引擎（如果采用汽渦輪機，則須采用閃蒸法這類技術和設備）。1970年代Los Alamos Labs提

8、出干熾熱巖(Hot Dry Rock)地熱發(fā)電，使地熱發(fā)電更不受地點之限制；未來如果大深度鉆井和熔巖(Molten Rock)地熱的開采技術有所突破，斯特林引擎地熱發(fā)電將為人類提供長期的潔凈能源17。（三）分散型獨立電力系統(tǒng)18未來人類使用能源的方式會更為精致，現(xiàn)在以大型集中型電廠為主的電力系統(tǒng)勢必有所調整，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)燃料搭配就近適當處理的垃圾或農業(yè)廢棄物，作為燃料，就近提供附近用戶電力，省去長途運輸大量燃料和大規(guī)模配電的成本，避免大型電廠故障的風險，斯特林引擎恰好可以實現(xiàn)這樣的轉型。（四）交通用的斯特林引擎雖然在某些

9、場合，斯特林引擎有預熱時間長，不易立即停機、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系統(tǒng)之外，研究人員也評估過斯特林引擎作為大型船只動力的效益19。即便現(xiàn)代人已習慣了大馬力的汽油引擎車，美國能源部(DOE)早期仍提供經費支持相關研究，美國太空總署、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。雖然整個社經條件的慣性偏好

10、汽油引擎車，但斯特林引擎在時機成熟時應用在交通動力的可行性，無庸置疑。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，是因為一方面它是能源多元化的可行技術21，實用化和商業(yè)價值均可預期；另一方面，即便先進國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，內容可深入淺出、可簡可繁，適合各級學校學生參與，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)作樂趣，在印象深刻的寓教于樂中，啟發(fā)下一代日后開發(fā)新能源的興趣與眼界，厚植研發(fā)潛力，培養(yǎng)民眾以科學力量解決能源問題的態(tài)度，進而充實國家能源政策。今日