基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)

1、摘要基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)具有可采用多種能源、效率高、壽命長和可靠性高等優(yōu)勢，在許多應用領域有取代傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)的潛力和廣泛的應用前景，尤其在深空探測和軍事上有不可替代的優(yōu)勢。本文所進行的自由活塞式Stirling發(fā)電機的概念設計就是為了對大型運載工具所排出的廢熱的回收所做的一種嘗試。建立基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)，其主要由單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機和直線發(fā)電機構成，對單缸自由活塞式 Stirling發(fā)動機的幾何尺寸進行了初步設計，運用等溫分析法對Stirling發(fā)動機運行性能進行了仿真分析，得到了Stirling發(fā)電機運行時冷腔壓縮p-v圖、熱腔膨脹p-v

2、圖和發(fā)動機膨脹功和壓縮功相減后的p-v圖等，并由此計算了單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機功率和效率。此外，運用電磁場有限元法對直線發(fā)電機定子繞組通一定電流時的恒穩(wěn)磁場進行了分析，計算出了穿過繞組內部的磁鏈值，進而求出了發(fā)電機定子繞組電感;運用場路禍合時步有限元法對永磁直線發(fā)電機空載運行、負載運行進行了瞬態(tài)仿真分析，得到了永磁直線發(fā)電機空載磁場、空載電動勢和負載運行時電壓電流值等參數，計算了永磁直線發(fā)電機帶適當負載時可得到最大電功率。同時，求解并分析了永磁直線發(fā)電機定子對自由活塞式Stirling發(fā)動機的電磁反作用力。這是一種跨電工和熱工學科研究，以上結果不僅對特種永磁式直線發(fā)電機，而且對自

3、由活塞式發(fā)動機的設計均有一定的參考價值。 關鍵詞自由活塞式Stirling發(fā)動機;永磁直線發(fā)電機;仿真分析關鍵詞：自由活塞式Stirling發(fā)動機；永磁直線發(fā)電機；仿真分析 Abstract The linear power generation system based on the Stirling cycle has many advantages such as high efficiency, long life, high reliability as well as applicable to wide rang of energy. In many applications t

4、he system has the potential to replace the traditional power generation systems and has a wide range of applications, especially in the deep space exploration and military purposes. In this dissertation, the concept design of the free piston Stirling engine is an attempt on the large vehicle waste h

5、eat recovery.A linear power generation system based on the Stirling cycle is discussed,which mainly consists of the free piston Stirling engine and the permanent magnet linear generator. Parts dimensions of the single cylinder free piston Stirling engine are determined, the Stirling engine performan

6、ces with the isothermal analysis method analyzed and the Stirling engine cooler compression p-v diagram, heater expansion p-v diagram and the p-v diagram of the engine obtained using subtracting cooler p-v diagram from heater p-v diagram: So the free piston Stirling engine power and efficiency are c

7、alculated.Key words: free piston Stirling engine; permanent magnet linear generator; simulation目 錄摘要1 目 錄3 第1章 緒 論5 1.1 課題背景5 1.2斯特林發(fā)動機5 1.3國內外研究狀況6 1.3.1國內研究現狀7 1.3.2國外研究現狀7 1.4課題的來源及意義9 1.5課題研究內容10 第2章發(fā)電系統(tǒng)的結構及工作原理11 2.1發(fā)電系統(tǒng)結構、原理和特點11 2.1.1發(fā)電系統(tǒng)結構112.1.2發(fā)電系統(tǒng)工作原理11 2.2自由活塞式Stirling發(fā)動機及其工作原理13 2.2.1自由

8、活塞式Stirling發(fā)動機的結構13 2.2.2自由活塞式Stirling發(fā)動機的原理13 2.2.3自由活塞式Stirling發(fā)動機的特點18 2.3永磁直線發(fā)電機及其工作原理19 2.3.1永磁直線發(fā)動機結構19 2.3.2永磁直線發(fā)動機工作原理 21 2.3.3永磁直線發(fā)動機特點21 第3章 自由活塞式Stirling發(fā)動機的尺寸設計和運行性能分析22 3.1自由活塞式Stirling發(fā)動機設計要求22 3.2工質選擇23 3.3結構尺寸確定23 3.3.1汽缸直徑24 3.3.2熱腔、冷腔和無益容積24 3.3.3縫隙式回熱器和配氣活塞尺寸24 3.3.4配氣活塞行程25 3.3.5

9、動力活塞尺寸和質量25 3.3.6緩沖腔容積26 3.4基于等溫分析法的動力特性數值模擬26 3.4.1簡化假設27 3.4.2冷腔壓力、熱腔壓力和容積計算27 3.4.3系統(tǒng)功率和效率32 3.5本章小結32 第4章永磁直線發(fā)電機空載磁場32 及電動勢計算32 4.1.1數學模型建立33 4.1.2有限元計算 34 4.1.3空載磁場分布37 4.2空載電動勢計算39 4.3帶負載時磁場分析44 結 論45 致 謝46 參 考 文 獻7 第1章 緒 論1.1 課題背景離合器是汽車傳動系中與發(fā)動機直接聯系的重要部件。對于以內燃機作為動力的機械傳動汽車中，離合器是作為一個獨立的總成而存在的。離合

10、器通常裝在發(fā)動機與變速器之間，其主動部分與發(fā)動機飛輪相連，從動部分與變速器相連。為各類型汽車所廣泛采用的摩擦離合器，實際上是一種依靠其主、從動部分間的摩擦來傳遞動力且能分離的機構。離合器的主要功用是切斷和實現發(fā)動機對傳動系的動力傳遞，保證汽車起步時將發(fā)動機與傳動系平順地接合，確保汽車平穩(wěn)起步；在換擋時將發(fā)動機與傳動系分離，減少變速器中換檔齒輪間的沖擊；在工作中受到較大的動載荷時，能限制傳動系所承受的最大轉矩，以防止傳動系各零部件因過載而損壞；有效地降低傳動系中的振動和噪音。1.2斯特林發(fā)動機1816年由蘇格蘭牧師雷伯爾特·斯特林發(fā)明，又稱“熱空氣發(fā)動機，當時已生產出數干臺，后由于蒸汽

11、機和內燃機的出現而被冷落，到二十世紀初己基本消失。主要因為密封的工質為空氣，加熱溫度較低，只有幾百度，致使機構龐大使用不便。1930年荷蘭菲利蒲公司欣賞它外燃式靜止發(fā)動機的特點，做為無線電用發(fā)電機的動力而重新開發(fā)，但不久由于電子器件的晶體管化而停頓。以后又做為汽車用發(fā)動機重新開發(fā)，試制了換置式和斜板回轉式雙向型發(fā)動機，并做了裝車試驗。由于高溫、高壓產生的高效率和高轉矩，在以氫氣為工質時達到了高速度，初步顯示有可能成為比內燃機效率高的外燃式汽車發(fā)動機的潛力。進入八十年代以來，第二次石油危機又引起各國對斯特林發(fā)動機的關心，后石油供應雖有緩和，但從環(huán)保和能源角度出發(fā)各國又竟相進行斯特林發(fā)動機的開發(fā)工

12、作。菲利浦公司研究斯特林發(fā)動機的核心人物R.J.密吉爾在菲利浦中止開發(fā)后即赴美自行開辦了STM公司繼續(xù)進行開發(fā)工作，并很快試制成功STM-120型斯特林發(fā)動機，回轉斜板式雙向型，采用了熱管加熱器、可變行程等新技術，功率達到40kW，在2800轉每分鐘時，熱效率達45%，在技術上有重大突破。瑞典的USAB公司自1968年購入菲利浦公司技術后，在菲利浦回轉斜板式基礎上，開發(fā)出V4曲軸雙向型斯特林發(fā)動機，并在客車和卡車上做了試驗，其優(yōu)點是可利用原來內燃機的相關部件。以后又改進為雙曲軸型，進一步擴大了其用途。該公司亦參加了美國能源部組織的汽車發(fā)動機開發(fā)項目，其主力發(fā)動機為22kW混合型，由于采用了太陽

13、能輔助加熱，熱效率可達38%，并制造了數十臺樣機。據計算如將受熱部改為陶瓷時，熱效率可達50%，此機若用于太陽能發(fā)電，則每千瓦時電的成本僅5美分，因此重點轉向太陽能發(fā)電的開發(fā)。另外還開發(fā)出以純氧燃燒柴油為熱源的V4-275R型斯特林發(fā)動機供法國潛艇和瑞典海軍使用。與其美國的子公司共同開發(fā)出1 SKW級二級活塞型V 160發(fā)動機，供熱泵和小型發(fā)電機用。法國ECA公司開發(fā)的熔鹽蓄熱器為熱源的直列雙向型發(fā)動機，供潛艇動用，德國的MAN公司和本茨公司亦在開發(fā)類似的發(fā)動機供車用。由美國MTI公司和太陽能公司共同開發(fā)的llOkW級自由活塞式發(fā)動機可供熱泵和小型發(fā)電機用。日本19761981年進行了船用發(fā)動

14、機的開發(fā)，只做了些基礎工作。從1982年起列入目前計劃大型節(jié)能技術開發(fā)項目，計劃投資100億日元，到1987年開發(fā)出民用3kw和30kW發(fā)動機。經過約3年的開發(fā)，試制出的4臺樣機于1984年在國立機械研究所進行了運行試驗，功率和熱效率均達到設計要求，改進加熱器、換熱器和活塞環(huán)密封后，發(fā)電用斯特林發(fā)動機亦基本上達到了規(guī)定的目標。最近幾十年，隨著能源問題和環(huán)境問題的日益突出，國內外廣大學者對斯特林發(fā)動機興趣逐漸增加并進行了廣泛的研究。1.3國內外研究狀況現階段，斯特林機已在太陽能熱發(fā)電、水下動力等多個領域得到運用，但還存在熱交換、密封等問題制約著斯特林機的發(fā)展和運用。1.3.1國內研究現狀國內許多

15、學者對利用太陽能的斯特林發(fā)電系統(tǒng)展開了較多研究，如姚睿，吳克奇提出了空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)中采用四缸自由活塞式斯特林發(fā)動機發(fā)電裝置的概念設計模型，確定了整個概念設計的框架，并對自由活塞式斯特林發(fā)動機作了初步設計，同時對相關問題進行了探討，提出了未來的發(fā)展方向。李鑫、李斌等以能量守恒方程為基礎，結合拋物面光學特性，建立了設計計算聚光器的一個數學模型，并采用試算和迭代核算相結合的方法，對碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)聚光器的尺寸進行了計算。還對此系統(tǒng)的經濟性進行了分析。黃護林對太陽能斯特林發(fā)動機的性能進行了模擬，考慮太陽輻射強度的變化，模擬了一天中太陽能斯特林發(fā)動機的輸出功率和系統(tǒng)效率曲線。崔海亭、袁修干等

16、，根據國外研究經驗，提出了發(fā)展中國空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)研究的建議。關于本文提出的單缸自由活塞式斯特林發(fā)動機帶動直線發(fā)電機工作的運行方式，還未見國內學者對其進行研究的報道。1.3.2國外研究現狀現階段采用斯特林發(fā)動機的發(fā)電系統(tǒng)主要應用在以下幾個方面:一、空間發(fā)電應用美國MTI公司和瑞典公司為NASA共同開發(fā)了宇航用的25kWSPDE型自由活塞式Stirling發(fā)動機發(fā)電系統(tǒng)，并通過了地面測試工作，由于可用太陽能和核能為熱源，相比空間運行的其它發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:1)降低了懷的使用量;2)系統(tǒng)具有高于其它系統(tǒng)4倍的效率;3)相同質量下要比其他系統(tǒng)發(fā)電功率大;4)因可采用其它能源，特別適用于沒

17、有太陽能的深空探測。由于具有上述優(yōu)點，此系統(tǒng)引起各方的廣泛關注。 二、生物質斯特林發(fā)電系統(tǒng)地處美國密歇根州安阿伯市的STM Powe:公司已成功開發(fā)出25kw和SSkw商用Stirling發(fā)電機，所利用生物質燃料18。美國俄勒岡州科瓦利斯市廢水處理廠于2004年應用SSkw商業(yè)Stirling發(fā)動機建立了一座利用廢水處理中產生的沼氣發(fā)電的示范工程，解決了當地因擔心使用內燃機發(fā)電系統(tǒng)會帶來新的空氣污染而不能被利用的沼氣的問題。該工程證實了利用廢水站沼氣和其它熱電共生項目熱源的發(fā)電設備可進行成功的商業(yè)應用，并提供了一種在有豐富生物能源的地區(qū)可廣泛應用的可再生能源利用技術【19-21】。三、蝶式聚光

18、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)20世紀70年代末到80年代初由瑞典USAB、美國Advanced corporation,MDAC，NASA及DOE等開始對現代碟式太陽能熱發(fā)電技術進行研究，大都采用Silver/glass聚光鏡，管狀直接照射式集熱器及USAB4-95型斯特林發(fā)動機。目前，因碟式發(fā)電裝置的聚光系統(tǒng)與理想拋物面形狀的偏差易造成焦斑直徑過大和受到鏡面和結構方面的限制，所以容量范圍一般在5-SOkW之間。點聚焦系統(tǒng)聚光比C=1000-40000聚光鏡開口直徑一般限制在10-20米之間。美國Advanced Corporation于1984年建立了一套25kW碟式斯特林太陽熱發(fā)電系統(tǒng)，從太陽能到電能

19、的最高轉換效率是29.4%。以后，MDAC建立了8套碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)凈效率大于30%，后來MDAC將硬件和技術全部轉讓給Southern California Edison(SEC) oSEC在1986-1988年間進行了試驗，年平均效率達12%。德國SBP公司于1984年至1988年間建造了兩套大型碟式太陽熱發(fā)電裝置，安裝在沙特阿拉伯的利亞德附近。采用張膜結構的聚光鏡，直徑17米，用USAB4-275型斯特林發(fā)動機，氫氣工作平均溫度620 0C，工作平均壓力15兆帕。當入射光輻照度為1000kW/m2時，凈輸出53kW，效率達23.1%。鑒于碟式太陽熱電技術具有較高的熱電轉換效率和

20、廣闊的應用前景，上世紀90年代以來，美德等國的若干企業(yè)和研究機構在政府部門資助下，以項目或計劃方式加快了碟式太陽熱電技術的研發(fā)步伐，以推動其商業(yè)化應用進程。例如:美國Cummins公司開始了自由活塞式的碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)的研究工作，與Sun Lab合資開發(fā)了5-IOkW碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)，并于1992年率先把自由活塞式斯特林發(fā)動機一直線發(fā)電機組應用于碟式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)，建造了3套設計功率為7.SkW的示范裝置;美國STM/SAIC聯合開發(fā)了并網25kW碟式斯特林太陽熱發(fā)電系統(tǒng)(USJVP計劃);美國SAIC建造了25kW的碟式斯特林樣機，具備了大批量生產和商業(yè)化的條件;美國能源部與Boei

21、ng Corp等公司簽約合作開發(fā)碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng);美國桑地亞國家實驗室(SNL)研制了第一套l 0kW碟式斯特林遙控太陽能發(fā)電系統(tǒng)的樣機，并已運行了500多小時，達到了功率、效率和自動運行等所有的性能指標;美國SAC, STM及Arizona Public Service三方合作安裝了5套25kW系統(tǒng)，用于進行性能評價及壽命試驗。1992年，德國SHP建立了3套7.SkW的裝置;1997年，德國SBP在西班牙完成了DSTAL II項目，建立了3套9KW的裝置，DSTAL II項目由SBP提供聚光鏡及結構，Solo提供發(fā)動機。雙方聯合承擔建立3套碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)，聚光鏡采用張膜式結構，斯特

22、林發(fā)動機型號為Solo-V 161，實現全天候(從日出到日落)自動控制運行，對性能、可靠性及壽命的評價提供了數據，為日后大批量生產成套設備做技術準備。澳大利亞AIVU在Pacific Powe:參與下與DLR和Sun Lab聯合進行了AIVU"400m2 Big Dish”大型化研究，為在澳大利亞的Tennant Creek建一太陽能熱電站作技術準備工作，在此期間取得了驅動機構簡化，鏡體改進，蒸汽接收器支撐結構改變等許多技術突破。以色列魏茲曼科學院建立了一個“Big Dish”發(fā)電單元，并進行了高溫集熱器/燃氣輪機試驗。1.4課題的來源及意義本課題來源國家自然科學基金面上項目:基于電

23、流體力學的強化冷凝換熱機理及應用研究(資助項目號:No.50076011)基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)的原動機采用斯特林發(fā)動機，斯特林發(fā)動機屬于外部燃燒加熱式發(fā)動機。它是對封入內部的氣體工質從外部進行加熱和冷卻，從而推動活塞往復做功，與內燃機的氣缸內燃燒的方式有著明顯的區(qū)別。由于本系統(tǒng)采用斯特林發(fā)動機直接帶動永磁直線發(fā)動機工作，相比較與內燃機為原動機的發(fā)電系統(tǒng)，它具有以下優(yōu)點:1)燃料多樣化:由于是外燃機，可使用多種燃料，從傳統(tǒng)的化石能源、生物質燃料、低溫余熱到太陽能等均可利用。2)高效率:由于在加熱器和冷卻器中間設有蓄熱式換熱器，從理論上可接近卡諾循環(huán)，為效率最高的熱機。3)低污染

24、:沒有進排氣閥門，內部壓力變化平穩(wěn)，噪音和振動小;且由于連續(xù)燃燒易實現自節(jié)能技術和自動控制，燃燒完全，排煙污染較小。4)結構簡單，壽命長:采用單杠自由活塞式Stirling發(fā)動機直接與直線發(fā)電機相連的結構，一方面因為單杠自由活塞式Stirling發(fā)動機運行時沒有磨損部分而具有非常長的使用壽命，另一方面使用直線發(fā)電機與發(fā)動機動力活塞直接相連縮小了系統(tǒng)整體體積。5)可實現冷熱電聯產，一次能源利用率可達90%以上。因具有上述優(yōu)點，對于基于Stirling循環(huán)的直線發(fā)電系統(tǒng)的研究具有如下意義:1)作為傳統(tǒng)電網的補充，為不方便架設輸電線路的地區(qū)，提供一種可利用當地能源的發(fā)電設備。2)替代傳統(tǒng)內燃機發(fā)電系

25、統(tǒng)，降低其污染特性，減少對空氣的排污。3)因為其低噪音和可采用多種能源的優(yōu)點，在軍事上是潛艇的AIP(Air Independent Propulsion System)化中一種很實用的選擇。1.5課題研究內容本文對基于Stirling循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)進行了概念設計和運行特性的數值模擬，具體工作如下:1)單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機幾何尺寸確定;2)單缸自由活塞式Stirling發(fā)電機運行特性數值分析;3)永磁直線發(fā)電機結構設計及運行特性數值分析。第2章發(fā)電系統(tǒng)的結構及工作原理2.1發(fā)電系統(tǒng)結構、原理和特點2.1.1發(fā)電系統(tǒng)結構本發(fā)電系統(tǒng)由單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機、永磁直線發(fā)

26、電機、充電回路和蓄電池組組成，如圖2-1所示，自由活塞式Stirling發(fā)動機動力活塞與永磁直線發(fā)動機的動子直接相連，永磁直線發(fā)電機繞組出線與充電回路相連，充電回路起到將交流整流為直流的作用，蓄電池組將系統(tǒng)發(fā)出的電能儲存起來，可供隨時使用。 2.1.2發(fā)電系統(tǒng)工作原理本發(fā)電系統(tǒng)實現的是將外部熱源轉化為蓄電池組中的電能，其工作流程如圖2-2所示。外部熱源包括太陽能、生物質燃料、地熱和余熱等，為單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機加熱器提供熱量。從外部熱源獲得熱能后，單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機開始工作，其氣體工質的膨脹和壓縮使動力活塞獲得機械能;動力活塞帶動永磁直線發(fā)電機動子做往復運動，

27、動子的往復運動使得永磁直線發(fā)電機定子中的繞組相對動子中的磁極作切割磁力線的運動，從而產生感應電動勢;永磁直線發(fā)電機發(fā)出的交流電通過充電回路整流為直流后充入蓄電池組，系統(tǒng)完成從熱能到電能的轉化。配氣活塞將汽缸分為膨脹腔和壓縮腔兩部分，起到分配膨脹腔和壓縮腔內氣體工質比例的作用。配氣活塞通過彈簧與汽缸相連，彈簧對配氣活塞的運動起到一定的控制作用，動力活塞除與發(fā)動機負載相連外還與自己的儲能彈簧相連，彈簧和動力活塞的重量形成最大質量震動系統(tǒng)，使動力活塞的運動接近于簡諧運動?；責崞鳛橐环N類似金屬絲網狀結構，其作用相當于熱力海綿，根據工質溫度能吸收或放出熱量。2.2自由活塞式Stirling發(fā)動機及其工作

28、原理基于Stirling循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)主要采用的是單作用活塞一配氣活塞式結構，其起到將熱能轉化為機械能的重要作用。2.2.1自由活塞式Stirling發(fā)動機的結構自由活塞式Stirling發(fā)動機結構如圖2-3所示，由加熱器、回熱器、冷卻器、配氣活塞、動力活塞和汽缸組成。氣體工質在膨脹腔、回熱器和壓縮腔內流動。2.2.2自由活塞式Stirling發(fā)動機的原理自由活塞式Stirling發(fā)動機，是一種外部加熱的閉式循環(huán)活塞式發(fā)動機。其運行時工質被封閉在膨脹腔、回熱器和壓縮腔組成的循環(huán)回路中，通過配氣活塞的往復運動來調整氣缸容積的變化，控制工質在閉式循環(huán)中的流動方向;作為發(fā)動機其要求工質在較低的溫度和

29、壓力下被壓縮，并在較高的溫度和壓力下膨脹，即膨脹功大于壓縮功。從而獲得正的循環(huán)功。Stirling發(fā)動機的熱力循環(huán)遵循的是斯特林循環(huán)，斯特林循環(huán)由等溫壓縮過程、等容加熱過程、等溫膨脹過程和等容冷卻過程四步組成。為說明斯特林循環(huán)，將斯特林發(fā)動機氣缸簡化為如圖4所示，壓縮腔活塞遠離冷卻器時為其運動內止點，與冷卻器接觸時為其運動外止點;膨脹腔活塞靠近加熱器時為其運動外止點，遠離加熱器時為其運動內止點。其具體循環(huán)過程如下:1)等溫壓縮過程循環(huán)開始時，壓縮腔活塞處于內止點，壓縮腔容積最大，膨脹腔活塞處于外止點并僅靠加熱器，膨脹腔容積為最小。因此，工質全部在壓縮腔內，工質為冷腔溫度即循環(huán)最低溫度TC，工質

30、在循環(huán)中所處狀態(tài)如圖2-5中點1所示。隨著壓縮活塞向外止點方向移動，系統(tǒng)容積逐漸縮小，工質在壓縮腔中受到壓縮，壓縮結束后，如點2所示，此時系統(tǒng)容積己從最大值V1縮小到最小值V2。壓縮過程中，壓縮熱QC由氣缸壁從系統(tǒng)內部逐漸導出，同時外界在整個壓縮過程中得到系統(tǒng)做功W 1-2。在理想狀態(tài)下，壓縮熱Oc等于壓縮功W1-2。即 式中:R為氣體常數。2)等容加熱過程等容加熱過程如圖2-6所示，從點2開始，至點3結束。過程開始時，壓縮活塞從點2繼續(xù)向外移動，到達外止點時過程結束;與此同時，膨脹活塞開始由外止點向內止點移動。兩個活塞做相反運動使壓縮腔容積的縮小值等于膨脹腔容積的增大量，系統(tǒng)總容積不變，即V

31、2 = V3，過程是等容的。在這一等容過程中，壓縮腔的容積變到零，而膨脹腔容積開始由零逐漸增大，結果是壓縮腔中的工質全部進入到了膨脹腔。工質從壓縮腔到膨脹腔前，通過流經回熱器并得到回熱器的加熱，熱量QR從回熱器傳給工質，工質溫度從最低循環(huán)溫度TC上升到最高循環(huán)溫度TE后流入膨脹腔。所以，這一過程稱為等容加熱過程。在過程結束時，工質全部處于膨脹腔，且溫度為TE，同時壓力也上升到最高壓力，如圖2-5中的P-V圖所示。在該過程中，因系統(tǒng)容積不變，故不做功，但工質內能增大。在理想狀態(tài)下，熱能QR為 式中CV為TC一TE溫度范圍內工質的平均等容比熱。3)等溫膨脹過程在等溫膨脹過程中，壓縮活塞在外止點保持

32、不動，膨脹活塞繼續(xù)向其內止點移動，結果系統(tǒng)容積增大，壓力下降，待膨脹活寨移動到內止點時過程結束。此時，系統(tǒng)容積已從最小容積3擴大到最大容積氣。為了實現等溫膨脹，即T3-T4-TE，外源必須通過氣缸壁向工質供給等溫膨脹熱縣同時系統(tǒng)向外界做等溫膨脹功W3-4。在理想狀態(tài)下，外界向系統(tǒng)榆入的等溫膨脹熱能QE應等于等溫膨脹功W3-4，即 4)等容冷卻過程在這一過程中，壓縮活塞從其外止點移動到內止點，同時膨脹活塞從其內止點移動到外止點，結果將膨脹腔中一器時，回熱器從工質中吸走熱能鳥,R，使口低循環(huán)溫度Tc后流入壓縮腔。兩個活塞f積V4 = V下得到冷卻，故叫做等容冷卻過的熱能QR為 斯特林循環(huán)的4個過程

33、全部結束，工質狀態(tài)回復到循環(huán)始點的狀態(tài)。自由活塞式Stirling發(fā)動機的熱力循環(huán)與上述理想斯特林循環(huán)有所區(qū)別，因為現在還不能制作間斷性運動的活塞傳動機構，所以并沒有能進行理想斯特林循環(huán)的Stirling發(fā)動機，實際運行中的斯特林發(fā)動機的熱力循環(huán)只能接近上述理想熱力循環(huán)。2.2.3自由活塞式Stirling發(fā)動機的特點系統(tǒng)之所以選用單缸自由活塞式Stirling發(fā)動機是因為它有以下特點:1)機械效率高自由活塞式Stirling發(fā)動機相比較其他機械沒有連桿、軸或軸承，只有滑動配合，由工質本身作為潤滑劑，因而有非常高的機械效率。一臺榆出功率為1 kw的自由活塞式熱氣機，機械效率可達99%，特別是部

34、分負荷時，自由活塞式Stirling發(fā)動機的有效熱效率也相對較高【30】。2)熱效率高曲柄連桿式熱氣機通常采用改變工質的平均壓力來調節(jié)輸出功，但自由活塞式Stirling發(fā)動機的平均循環(huán)壓力是不變的，輸出功的變化主要是靠改變行程來達到。因此，在部分負荷時，仍可保持其總的熱效率基本不變。3)能使用多種能源使用多種能源的能力與高效率同等重要。連續(xù)外燃加熱允許使用最廣泛的燃料和能源，包括所有氣體、液體和固體燃料。4)自起動設計正確的自由活塞式熱氣機，只要在冷熱端之間建立起足夠的溫差便能自行起動，這是其它動力裝置不可比擬的。因此其結構相對簡單，使用更為可靠，對維修保養(yǎng)的要求也不高，可用于無人管理的場所

35、。啟動加熱只需數秒鐘，熱氣機便能自行起動。隨后便可全功率運行。5)不需要液體潤滑和內燃機相比較，由于自由活塞式Stirling發(fā)動機的機械損失非常小，其不需要液體潤滑劑來潤滑和冷卻有關部件。所以，發(fā)動機結構和維修保養(yǎng)很簡單。6)密封可靠自由活塞式Stirling發(fā)動機相比曲柄連桿式斯特林發(fā)動機沒有復雜的傳動機構，相比與內燃機密封壓力小，所以密封問題十分簡單，通常只要將殼體密封即可滿足要求。7)振動小、噪音低自由活塞式Stirling發(fā)動機的工作腔內沒有爆燃并與大氣隔絕，所以壓力上升的速率沒有內燃機高，特別是沒有傳動機構，因此，運轉十分安靜，不必使用隔音或消音裝置【31】。8)有自動調節(jié)功能自由

36、活塞式Stirling發(fā)動機有根據外界負荷的變化自動調節(jié)輸出功的能力。如果外界的負荷不大，活塞的行程會變得比較長，行程往返期間作用力的差也比較小。若負荷增大，活塞的行程便自動縮短，作用力隨之增大。輸出功基本不變。2.3永磁直線發(fā)電機及其工作原理直線發(fā)電機可以認為是傳統(tǒng)旋轉發(fā)電機在結構方面的一種演變，它可以看作是將一臺旋轉電機沿徑向剖開，然后將電機的圓周展成直線，轉子的旋轉運動變?yōu)榱藙幼拥耐鶑椭本€運動。直線發(fā)電機較旋轉式發(fā)電機磁路結構容易改變，因此，其結構型式比普通感應電機和同步電機有更多的式樣。直線發(fā)電機按其結構型式的不同，可以分為扁平型、圓筒型和圓盤型等。而扁平型直線發(fā)電機是最有代表性，且應

37、用最為廣泛。本發(fā)電系統(tǒng)采用的就是雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機，如下介紹其結構、工作原理和特點。2.3.1永磁直線發(fā)動機結構發(fā)電系統(tǒng)中永磁直線發(fā)電機的基本結構如圖2-10所示，發(fā)電機為雙邊扁平型結構，由動子和定子組成。定子鐵心中開有兩個槽，槽中放有定子繞組，上下兩定子中繞組線圈采用串聯方式以提高輸出電壓。定子采用模塊式設計，可根據實際需求，串聯更多的定子模塊和延長動子長度以增加輸出功率。動子結構如圖2-9所示，動子由磁極和動子框架組成，選用永磁鐵為動子磁極，固定在不導磁的鋁框內，鋁框中間開槽以防止運行時在鋁框上形成大的環(huán)流損耗，相鄰的永磁體磁極相反放置，有利于永磁體通過定子鐵心形成磁回路。2.3.2

38、永磁直線發(fā)動機工作原理由上述結構可見，本系統(tǒng)采用的直線發(fā)電機的工作原理與以往旋轉式發(fā)動機有很大不同。直線發(fā)電機工作時，是將自由活塞式Stirling發(fā)動機動力活塞所連接的傳動軸和發(fā)電機動子的軸相連而帶動動子作往復運動，動子運動的速度和頻率則由自由活塞式Stirling發(fā)動機的動力活塞速度和頻率決定。永磁直線發(fā)電機動子磁極通過定子鐵心形成磁回路，穿過定子繞組的磁鏈大小與動子的位置有關，如圖2-9所示，動子在初始位置，即最左端時，磁鏈由動子永磁體中N極發(fā)出，經過氣隙、定子鐵心和氣隙回到動子永磁體中S極，定子繞組線圈中形成了向上的磁通分布，動子開始往復運動后，動子永磁體N極發(fā)出的磁鏈與定子鐵心相交聯

39、部分逐漸減小;當動子運動到最右端位置時，處在定子中間鐵心齒上的永磁體S極向上，所以定子繞組線圈中形成了向下的磁通分布，隨著動子的往復運動，動子中永磁體在鐵心繞組線圈中形成的磁通分布由上到下，再由下到上不斷變化。根據法拉第電磁感應定律得定子繞組內磁鏈的變化引起的定子繞組線圈兩端的感應電動勢式中:為穿過定子繞組線圈中的磁通量.N為定子繞組匝數。2.3.3永磁直線發(fā)動機特點永磁直線發(fā)電機結構相對于傳統(tǒng)旋轉發(fā)動機有很大不同，而使之具有以下特點。1)永磁直線發(fā)電機采用永磁體進行勵磁，所以無需電流勵磁，沒有易損壞的電刷和滑環(huán)等結構，因此使用壽命長，可靠性高。2)采用永磁體勵磁，簡化結構的同時也使得永磁直線

40、發(fā)電機動子上無勵磁損耗，無電刷和滑環(huán)之間的摩擦損耗和接觸電損耗。因此，永磁直線發(fā)電機的機械效率比電勵磁式同步電機要高。3)在永磁體框架上使用不導磁材料，并且在框架中采用開槽的結構，消除了電機工作時往復運動而產生的環(huán)流，從而減少了損耗，降低了動子的溫升，提高了電機效率。4)發(fā)電機的極距與活塞的沖程相等。動子極距與定子槽寬相配合，使磁路在動子兩端位置均能閉合，并關于動子運動左右止點位置對稱。由于永磁直線發(fā)電機的特殊結構，使其工作原理不同于旋轉發(fā)電機，即使與普通的直線電機相比也有很大的不同。因此，對于電機內電磁場的求解，不能直接套用以往的方法，需根據電機的具體結構和工作原理，找出適合其電磁場的求解方

41、法。第3章 自由活塞式Stirling發(fā)動機的尺寸設計和運行性能分析3.1自由活塞式Stirling發(fā)動機設計要求為與永磁直線發(fā)電機相配合，自由活塞式Stirling發(fā)動機的設計技術指標為:1)輸出功率不低于1kW;2)所帶負載重量O.5kg左右;3)活塞行程為7cm;4)往復次數每分在1800次左右。3.2工質選擇從表3-1可以看出氫氣在性能方面優(yōu)于空氣和氦氣，但氫氣和空氣的混合物在空氣占5%-J75%的范圍內有著火危險?？諝馐亲钜椎玫降臍怏w，但熱力性能較差。在低速小功率斯特林發(fā)動機中，使用氫或氦在熱力學效果上并不比空氣優(yōu)越多少，然而用空氣作為工質可大大降低密封的要求，同時為以后工質的補充也

42、十分方便，故對于壽命要求長或設計要求不是很高的低功率小型發(fā)電系統(tǒng)，綜合考慮熱力性能和使用方便性，選擇空氣作為斯特林發(fā)動機工質。3.3結構尺寸確定Stirling發(fā)動機結構尺寸的確定取決熱力學性能和機械性能兩方面的要求。3.3.1汽缸直徑為了降低活塞一汽缸組的往復穿梭傳熱損失，同時限制活塞平均速度，汽缸直徑與活塞行程之比應限制在1.5-2.0的范圍內。本模型選DC/SC=1.80由斯特林發(fā)動機所帶的直線發(fā)電機要求動力活塞行程為7cm，所以汽缸直徑DC為12.6cm。3.3.2熱腔、冷腔和無益容積3.3.3縫隙式回熱器和配氣活塞尺寸在采用縫隙式回熱器的自由活塞式斯特林發(fā)動機中，縫隙式回熱器容積VR

43、無益容積為VD，即珠為1962.9 cm3?；責崞魅莘eVR表示為式中:RD為配氣活塞半徑，LD為配氣活塞長度。將回熱器容積VR和汽缸直徑DC帶入式(3-3)可得出配氣活塞半徑RD和配氣活塞長度LD分別為5cm和28.4cm,即縫隙式回熱器的環(huán)隙長Lh和環(huán)隙寬Dh分別為28.4cm和1.3cm。3.3.4配氣活塞行程配氣活塞掃氣容積為VE為1308.6 cm3，活塞行程根據式(3-4)求出配氣活塞行程SD為16.7cm。3.3.5動力活塞尺寸和質量動力活塞直徑即為汽缸內徑，所以動力活塞半徑RP為6.3cm。動力活塞兩側分別為冷腔和緩沖腔，二者壓強差不斷變化對動力活塞氣密性要求較高，所以厚度不能太

44、小，動力活塞厚度HP取6cm。為使運行穩(wěn)定，自由活塞式斯特林發(fā)動機的固有頻率應接近或等于運行頻率。動力活塞和與之相連的彈簧組成的最大質量震動系統(tǒng)，其固有頻率即為自由活塞式斯特林發(fā)動機的固有頻率。式中:fn為運轉頻率，C為常數，一般為0.7-1.0,CK為彈簧剛度，MP為動力活塞質量。取C為0.8，選擇彈簧剛度為1.40625N/mm，即得出動力活塞和其所帶負載的質量共為lkg。3.3.6緩沖腔容積緩沖腔由配氣活塞和配氣活塞桿的內部空間和動力活塞下方空間組成，其內部壓強為動力活塞定位的基準壓強，要求其壓強受動力活塞引起的體積變化的影響要小，所以緩沖腔體積為4500cm3。圖3-1所示單缸自由活塞

45、式斯特林發(fā)動機結構尺寸，熱腔外圍受加熱器加熱，冷腔外圍與冷卻器相連，冷卻器對其冷卻，回熱器采用縫隙式回熱器?？p隙式回熱器即利用動力活塞和缸壁之間的縫隙實現回熱功能。3.4基于等溫分析法的動力特性數值模擬實用等溫計算法，作為斯特林發(fā)動機功率和效率的初步估算是最適合的一種方法，既簡單又較準確，適用于各種傳動機構，不必使用經驗修正系數。實用等溫計算法是模擬計算程序的最直接理論模型。3.4.1簡化假設為簡化模型作出以下假設:1)循環(huán)各部分皆為等溫和完全回熱，即熱腔中工質溫度TE選用750K冷腔溫度界TC取為373K。即冷腔和熱腔溫度為0.516;2)工質空氣為理想氣體36.37，無泄漏;3)活塞運動為

46、簡諧運動。3.4.2冷腔壓力、熱腔壓力和容積計算冷腔壓力、熱腔壓力和容積在循環(huán)中的變化。采用實用等溫分析法進行計算，可求得如下運行性能參數:1)冷、熱腔瞬態(tài)容積由假設3知，瞬時熱腔容積VE可表示為式中:為簡諧運動的角速度，t為從配氣活塞上止點起算的時間，V0為熱腔的最大容積。瞬時冷腔容積v表示為其中，K為活塞行程容積比，即配氣活塞行程和動力活塞行程之比，dr為配氣活塞領先于動力活塞運行的活塞領先角，VL為配氣活塞和動力活塞的行程重疊容積?；钊谐痰闹丿B是自由活塞式斯特林發(fā)動機的特點之一，可以在活塞行程和汽缸直徑不變的情況下，選擇適當的行程重疊容積，使熱性能達到最佳38。由于行程重疊容積的存在，

47、可使冷腔容積為零;則在冷腔容積為零時，dK/dt=0，即由此引出容積相位角，容積相位角V0定義為熱腔容積變化領先于冷腔容積變化的角度，它與活塞領先角是不等的。當熱腔容積VE為零時，有t'=0 0由式(3-8)可知，當時，冷腔容積VC = 0，可得容積相位角活塞行程重疊容積VL可以分成兩部分，即VL = VA + VB其中VA為配氣活塞從冷腔容積為零時到其下止點的行程容積，VB為動力活塞從其上止點到冷腔容積最小時的行程容積，所以 式(3-14)由式(3-13)代入式(3-7)得將VE改寫為式中:t為從配氣活塞下止點起算的時間。這樣就得出了冷腔容積和熱腔容積隨時間的變化，如圖3-2所示。2

48、)冷、熱腔瞬態(tài)壓力因為工質假定為理想氣體，所以工質總質量可以通過理想氣體狀態(tài)方程導出式中:MT為工質總質量，ME ,MC、MD分別為熱腔、冷腔和無益容積中工質的質量;R為氣體常數;VD為無益容積;TE , TC和TD分別為熱腔、冷腔和無益容積處的平均溫度。熱氣機的輸出功率51.52可用下式表示:式中:P為輸出功率(W)，Pmean為平均循環(huán)壓力(MPa),偽循環(huán)頻率(Hz), V為汽缸排氣量。由式(3-17)算出，功率1 kW，頻率30Hz，汽缸排量2180cm，的斯特林發(fā)動機需要的平均循環(huán)壓力為1.5MPa。將Pmean帶入式(3-16)確定工作工質為l.lkg。將容積相位角代入式(3-16

49、)，并令C=MT2RTc/(VE)和TD=(TR + TC )/2化簡整理后得循環(huán)瞬時壓力由循環(huán)瞬時壓力表達式計算出穩(wěn)定運行時一個周期的壓力變化波形，如圖3-3所示。由圖3-3可以看出，當t=2時，即t =48.20o，循環(huán)壓力最小Pmin=1.18Mpa。當t =2+時，即t =228.2o，循環(huán)壓力最大環(huán)壓力PMax=1.82MPa。壓力比 平均循環(huán)壓力Pm為 緩沖腔壓力設置為與平均循環(huán)壓力相等，這樣可以通過中點放氣法來輔助調整活塞的位置。3)冷腔、熱腔和總容積的P-V圖根據簡諧運動等效角度與循環(huán)容積和壓力波關系，做出循環(huán)P-V圖，其中a), b)和c)分別為熱腔p-v圖、冷腔p-v圖和循

50、環(huán)總p-v圖。由圖3-4可以看出設計的自由活塞式斯特林發(fā)動機運行時壓力和容積的變化接近于理想斯特林循環(huán)，壓力變化勻稱，無尖峰，流阻損失小。3.4.3系統(tǒng)功率和效率熱腔p-v圖面積表示熱腔膨脹所做的功，為正功。冷腔p-v圖面積表示冷腔壓縮功，為負功。二者相減即為循環(huán)功。對循環(huán)總p-v圖進行面積積分，求出循環(huán)功NCT=99J。系統(tǒng)功率PW=fNCT=2.9KW。每循環(huán)熱腔工質吸收的熱量QEC=206J。循環(huán)效率C=NCT/QEC=48%3.5本章小結本章對發(fā)電系統(tǒng)中自由活塞式Stirling發(fā)動機進行了設計和仿真，得到以下結論:1)根據熱力學性能和機械性能兩方面的要求。綜合考慮了活塞穿梭傳熱、壓縮

51、比、無益容積比和掃氣容積比等參數對性能的影響和動力活塞氣密性要求，確定了自由活塞式斯特林發(fā)動機主要結構尺寸。2)理論分析了自由活塞式斯特林發(fā)動機循環(huán)過程并編制計算機程序仿真了循環(huán)過程。得到了發(fā)動機循環(huán)p-v圖、功率和效率。其功率和效率滿足發(fā)電系統(tǒng)的要求。第4章永磁直線發(fā)電機空載磁場及電動勢計算永磁直線發(fā)電機空載運行時，發(fā)電機的定子繞組開路，電機處于空載狀態(tài)，由自由活塞式Stirling發(fā)動機驅動而作往復直線運動，永磁體產生的磁場和電機的定子繞組之間有相對運動，在電機的電樞繞組中產生感應電勢，但不形成電流，沒有電樞反應對主磁場的影響，從而發(fā)電機的磁場完全由永磁體建立。永磁體產生的空載主磁場強度究

52、竟有多大，永磁體形成的磁場空間分布規(guī)律如何，對發(fā)電機產生的電勢影響極為重要。所以，獲得正確的磁場分布是準確計算永磁發(fā)電機參數和性能的重要前提。4.1.1數學模型建立為了建立合適的電磁場分析模型，根據永磁直線發(fā)電機的特點和實際計算需要，將其作如下假設:1)在動子中不存在構成回路的導體，因而忽略了動子上的渦流損耗;2)沿鐵心疊片方向的磁場強度都相同;3)忽略初級繞組中的電阻;4)定子鐵心內表面光滑，動子運動時無摩擦阻力。根據以上假設條件和電機的幾何尺寸，建立的永磁直線發(fā)電機的二維有限元模型如圖4-1所示，整個圖示區(qū)域皆為場求解范圍，1為空氣所占區(qū)域，3表示永磁體磁極，求解區(qū)域外圍邊框為求解邊界條件

53、，5所占區(qū)域為定子硅鋼片，6表示定子繞組線圈，繞組線圈為漆包銅線，8代表定子鋁框，圖示中間條形區(qū)域為動子運動范圍。4.1.2有限元計算(1)賦予材料屬性樣機所包含的材料有:1)氣隙及樣機外圍為空氣，相對磁導率,Ur=1。2)定子鐵心沖片選用DW315號硅鋼片，材料屬性用B- H曲線表示，如圖4-2所示。3)定子繞組為銅，相對磁導率Ur =1，電導率 =5.8e7s/m。4)永磁體為永磁材料，其相對磁導率Ur =1.O5，剩磁密度Br為1.25T，內稟矯頑力H為947kA/m和極化強度994 kA/m。5)槽楔為非導磁性槽楔，材料Ur=1。定義完材料屬性之后分別將各種材料賦給模型中的不同部分，使

54、模型中各個部分具有了實際的意義。(2)網格剖分電機的各種場量值在不同媒質中的變化程度不同，因此在剖分的過程中對電機中場量變化較大的部分，網格面積相對其他部分要取的小一些，以提高計算精度，如對氣隙部分及槽附近進行了網格細剖。圖4-3是對電機模型進行網格劃分后的單元剖分圖，永磁體周邊的區(qū)域進行了細剖。（3）控制方程在有限元計算中，永磁體工作在回復線上，回復線為一直線?；貜途€和退磁線重合時，永磁體工作點的B和H關系為式中:U=U0Ur；H為計算矯頑力;Ur為相對回復磁導率;U0為真空磁導率。采用矢量磁位A為求解函數，根據麥克斯韋方程，永磁電機的電磁場邊值問題可以表述為式中:JS為電流源區(qū)電流密度;1

55、為非永磁區(qū)域;2為永磁區(qū)域。此邊值問題的等價變分問題表述為在二維場中，矢量A,JS只有軸向分量，用A, JS表示。HC可表示為式中:為磁化方向和x軸的夾角。這就得到了關于永磁體的控制方程。麥克斯韋方程的微分形式表示為式中:HC是永磁體的矯頑力:V是運動物體的速度;A是磁矢量;JS是電流密度，為電導率。瞬態(tài)求解時使用參考框架，固定模型一部分，使其速度為零。運動物體固定在自身坐標系，偏時間導數變成A的全時間導數，因而運動方程變?yōu)閺亩玫搅怂俣龋娏骱痛艌龅年P系，求解此方程就可得到運動中任意時刻每一點的磁矢量值，由此就可推得電磁場其他場量。4.1.3空載磁場分布圖4-4所示為初始時刻永磁體產生的磁力

56、線分布，磁力線都源自于永磁體，經過氣隙，到達定子鐵心，依次經過定子齒一定子轆一定子齒一氣隙回到永磁體，定子中的磁力線分布數明顯多于其余各處的磁力線數。圖4-5為用彩色云圖表示的磁密分布，紅色表示磁密最大，藍色表示最小，其他顏色介于最大值和最小值之間。從圖中可以看出，齒部和扼部磁導率大而磁密較大，輛部因較窄而磁密最大，而繞組和動子鋁框架磁密很小。永磁體形成的磁密分布用矢量圖表示時，可得到磁密的方向，如圖4-6中的箭頭標明磁力線由永磁體發(fā)出，經氣隙、定子齒和定子驪，最終回到永磁體，構成封閉回路，顏色不同表示磁密的大小不同。圖4-7為動子運動到中間位置時的磁場分布圖，動子中永磁體磁極的運動和定子鐵心磁滯損耗，使得定子中磁場分布出現渦流。圖4-8和圖4-9分別為動子運動右端和回到初始位置時磁場分布，可見磁場分布不再均勻，在空氣和繞組線圈中形成較大的漏磁。4.2空載電動勢計算永磁直線發(fā)電機的空載電動勢是其最基本也是最重要的參數，對電機的輸出電壓及其波動、額定電流等性能指標