1kWe碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究 張曉青

1、中國工程熱物理學(xué)會(huì) 學(xué)科類別: 工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會(huì)議論文 編號(hào)： 1110641kWe碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研究張曉青，王金龍，李海寧，李奎 （華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074）(Tel: E-mail: zhangxq)摘 要：在當(dāng)今能源和環(huán)境的嚴(yán)峻形勢(shì)下，太陽能熱發(fā)電以其清潔、高效、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)越來越被廣泛關(guān)注。本文利用自行開發(fā)的軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)并確定了一臺(tái)1kWe碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)分析了轉(zhuǎn)速、循環(huán)壓力、熱端溫度等關(guān)鍵因素對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和效率等性能的影響，研究工作將為碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)提供了性能

2、分析和設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞:太陽能；碟式太陽能；斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)；特性分析0 前言在當(dāng)今能源和環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)越來越嚴(yán)峻的形勢(shì)下，太陽能熱發(fā)電以其清潔、高效、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的關(guān)注。當(dāng)前，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要有塔式、槽式和碟式三種類型。其中，碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)因使用靈活（分布、并網(wǎng)均適宜）、轉(zhuǎn)化效率高、成本下降空間最大而最具有商業(yè)前途。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：聚光器、吸熱器和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一個(gè)部件，它是將吸收的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力裝置。在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的末端連上一個(gè)發(fā)電機(jī)，就可以把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的軸功轉(zhuǎn)化為電能1。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為碟式太陽能熱發(fā)電系

3、統(tǒng)的核心組件，國外在此方面做了很多理論研究及CFD模擬2-5并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；漠a(chǎn)品開發(fā)與示范應(yīng)用。但國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)起步較晚并相對(duì)落后，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)推廣的瓶頸就在于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)上。因此，高性能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)顯得迫在眉睫。本文利用自行開發(fā)的軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一臺(tái)1kWe碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，并分析了轉(zhuǎn)速、循環(huán)壓力、熱端溫度等因素對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的影響，并對(duì)機(jī)器的特性和性能進(jìn)行了研究和預(yù)測(cè)。研究工作對(duì)碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用具有實(shí)際意義。1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)的確定圖1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖本文研制的碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)的設(shè)計(jì)基本參數(shù)為：輸出功率1

4、000瓦，轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分，結(jié)構(gòu)布置采用型，工質(zhì)采用氦氣，熱源為太陽能。加熱器選用直接照射型的管式加熱器，單排并列布置，材料選用耐高溫、高壓的高鉻鎳鋼管?；?zé)崞魇褂媒z網(wǎng)型回?zé)崞鳎?00 目），冷卻器采用水冷管殼式換熱器結(jié)構(gòu)。采用自行編制的軟件對(duì)1kWe /型碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了樣機(jī)的基本參數(shù)（表1）和結(jié)構(gòu)型式（圖1）。2 1kW碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析本文以等溫分析法6為基礎(chǔ)，建立斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的模型，并利用自行開發(fā)的軟件對(duì)設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行了性能特性的研究，特別分析了轉(zhuǎn)速、平均壓力、熱端溫度等幾個(gè)重要工況對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的影響?；痉匠淌剑簾崆弧⒗淝凰矔r(shí)容積：,

5、國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：項(xiàng)目號(hào)50976037其中，熱腔掃氣容積；曲軸轉(zhuǎn)角；熱腔掃氣容積；死容積： ，為死容積比工質(zhì)總質(zhì)量： ，其中，為熱腔瞬時(shí)溫度，冷腔瞬時(shí)溫度，死腔瞬時(shí)溫度。熱腔瞬時(shí)壓力，冷腔瞬時(shí)壓力，死容積瞬時(shí)壓力。R氣體常數(shù)，死容積瞬時(shí)容積。，其中，K為常數(shù)，為活塞相位角，p為循環(huán)壓力?；?zé)崞髦兴廊莘e的溫度：, 掃氣容積比：膨脹腔和壓縮腔的傳熱量計(jì)算式：。循環(huán)功：,、分別為熱、冷腔傳熱量。循環(huán)效率：, 功率：，其中，n為轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分。表1 1KWe 型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)主要參數(shù)（單位） 主要參數(shù)（單位） 發(fā)動(dòng)機(jī)工況轉(zhuǎn)速n（轉(zhuǎn)/分） 800冷端溫度TC(K) 338熱端溫度TE(

6、K) 773最大工作壓力Pmax(MPa) 1.2回?zé)崞鲄?shù)絲網(wǎng)目數(shù)（目） 200回?zé)崞鏖L度（mm） 37.00 回?zé)崞鲀?nèi)徑（mm） 92.00回?zé)崞骺紫堵?0.68氣缸基本參數(shù)總氣缸容積VZ(cm3) 877.30熱腔容積VE(cm3) 505.20冷腔容積VL(cm3) 372.10冷卻器參數(shù)管內(nèi)徑（mm） 2.0管長（mm） 100 管數(shù)（根） 270加熱器參數(shù)管徑（mm） 3.5管長（mm） 193管數(shù)（根） 39性能參數(shù)膨脹腔傳熱量（W） 3426壓縮腔傳熱量（W） 1498循環(huán)功（W） 1928有效功率（W） 9642 1kW碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析為了預(yù)測(cè)碟式太陽能斯特林發(fā)

7、動(dòng)機(jī)的性能及工況變化對(duì)其性能的影響，本文研究了轉(zhuǎn)速、平均循環(huán)壓力、熱端溫度等因素對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)性能和輸出功率的影響。2.1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況下的性能特性圖2和圖3顯示了機(jī)器系統(tǒng)中容積、壓力和質(zhì)量隨曲柄轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律，以及各腔的示功圖和系統(tǒng)產(chǎn)生的總的功率。2.2 工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響用無因次功Z這一參數(shù)來評(píng)價(jià)循環(huán)功，無因次功定義為：2.2.1熱端溫度對(duì)無因次功和效率的影響設(shè)定冷端溫度為338K，圖4顯示了無因次功和循環(huán)效率隨熱端溫度的變化。從圖4可以看出，無因次功隨熱端溫度的升高而增大，要想使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更大的功率就要盡可能的提高熱端溫度，降低溫度比。冷端溫度是取決于環(huán)境溫度的自然冷卻水供

8、應(yīng)，熱端溫度取決于熱源的形式和加熱器管的材料。而系統(tǒng)的循環(huán)效率隨熱端溫度的升高而增大，但是曲線的斜率越來越小，也就是說效率隨溫度比的增大而降低，在低溫區(qū)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端溫度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率較為明顯。 （a）容積、壓力 （b）質(zhì)量比圖2容積、壓力、質(zhì)量隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系圖3 在膨脹腔、壓縮腔的PV圖以及機(jī)器總的PV功率圖4 無因次和循環(huán)效率隨熱端溫度的變化2.2.2 死容積比對(duì)無因次功的影響取熱端溫度773K，冷端溫度338K，改變發(fā)動(dòng)機(jī)死容積比，得到不同的Z值，圖5顯示了在其它條件一定的情況下，無因次功與死容積比的關(guān)系，圖6考察了一個(gè)循環(huán)的功和傳熱量隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。由圖5可以看出，無因次功

9、隨死容積比的增大而減小，若要獲得較大的循環(huán)功，就應(yīng)該盡可能的減小死容積比。但實(shí)際上，死容積比過小時(shí)，會(huì)造成換熱面積不充分和流阻損失的增加，循環(huán)功會(huì)為此減小。死容積主要由加熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器所占有的容積組成，所以要在保證必要換熱能力的前提下，盡可能的減小換熱器的死容積。2.2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)冷熱腔傳熱量及循環(huán)功的影響當(dāng)輸出功率定為1000瓦，熱端溫度773K，冷端溫度338K，最大循環(huán)壓力為1.2MPa時(shí)，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速得到一個(gè)循環(huán)的不同的膨脹腔和壓縮腔的傳熱量，如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)輸出功率一定時(shí)，循環(huán)功和膨脹、壓縮腔傳熱量是隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小的，但是曲線的斜率越來越小，即當(dāng)循環(huán)功和

10、傳熱量一定時(shí)，輸出功隨轉(zhuǎn)速的增大而增加。所以，在低速區(qū)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率比較明顯。2.2.4平均壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響取定冷端溫度338K，熱端溫度773K，轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分時(shí)，考察膨脹、壓縮腔傳熱量及循環(huán)功隨系統(tǒng)充氣壓力變化的規(guī)律，如圖7所示。 圖5 死容積比與無因次功的關(guān)系 圖6 轉(zhuǎn)速和循環(huán)功與傳熱量的關(guān)系 圖7傳熱量及功率與平均壓力的關(guān)系由圖7可以看出，冷熱腔的傳熱量隨平均循環(huán)壓力的升高而增大，近似成線性關(guān)系，提高發(fā)動(dòng)機(jī)平均循環(huán)壓力可以明顯地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，因此斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在高壓下的密封十分重要。3.總結(jié)本文對(duì)1kwe、型碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和特性分

11、析，研究了轉(zhuǎn)速、平均循環(huán)壓力、熱端溫度等因素對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功的影響。得到以下結(jié)論：（1）發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)功隨溫度比的減小而增大，要想獲得更大的功率就要盡可能的提高熱端溫度，降低溫度比。（2）系統(tǒng)的循環(huán)效率隨熱端溫度的升高而增大，在低溫區(qū)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端溫度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率較為明顯。 （3）無因次功隨死容積比的增大而減小，設(shè)計(jì)時(shí)在保證必要換熱能力的前提下，應(yīng)盡可能的減小換熱器的通流容積。（4）當(dāng)循環(huán)功和傳熱量一定時(shí)，輸出功隨轉(zhuǎn)速的增大而增加。所以，在低速區(qū)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率比較明顯。（5）提高發(fā)動(dòng)機(jī)平均循環(huán)壓力可以明顯地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。本文研究工作的樣機(jī)正在開發(fā)中，后期的實(shí)驗(yàn)

12、研究是未來的主要工作。參考文獻(xiàn)1 楊征, 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的模擬和優(yōu)化, 北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2008.2 Leonardo Scollo, Pablo Valdez, Jorge Baron. Design and construction of a Stirling engine prototype. International Journal of Hydrogen Energy 33(2008)3506-3510.3 Francois Nepveu, Alain Ferriere. Thermal model of a dish/Stirling systems. Solar Energy 83(2009) 81-89.4 K.Makhkamov, D. B. Ingham. Development of solar and micro co-generation power installations on the basic of Stirling engine.