太陽能斯特林發(fā)動機調(diào)研報告

一.太陽能斯特林發(fā)動機的研究意義進入21世紀，人類社會面臨著嚴重的能源緊缺和環(huán)境污染。傳統(tǒng)能源中的石油和天然氣將在未來幾十年內(nèi)耗盡，煤盡管還能用一二百年，但它會對生態(tài)和環(huán)境帶來很多的副作用。在世界范圍內(nèi)的能源危機中，中國更是首當其沖。因此研究開發(fā)無污染、可再生的新能源與能源轉(zhuǎn)換技術(shù)是科技界的當務(wù)之急［1］。從能源管理角度來講，太陽能是產(chǎn)生動力的可再生和不可耗盡的重要能源之一。 把太陽能轉(zhuǎn)換成機械能的有幾種方法。其中理論上可達到最大效率的是斯特林發(fā)動機（或熱氣機）。斯特林發(fā)動機是一種簡單的外燃機。這是羅伯特?史特靈在1816年（英國、專利號4081）就提出的概念。和內(nèi)燃機相比，這種發(fā)動機效率高、污染小、噪音低等優(yōu)點。可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域內(nèi)中作為清潔高效的動力機，對節(jié)能減排、保護環(huán)境有重要意義。斯特林發(fā)動機的原理斯特林發(fā)動機是利用高溫高壓的氫氣或氦氣作為工質(zhì)，通過2個等容過程和2個等溫過程可逆循環(huán)（圖1）。氣缸中裝有2個對置的活塞，中間設(shè)置1個回熱器用于交替的吸熱和放熱，活塞和回熱器之間為膨脹腔和壓縮腔。膨脹腔始終保持高Tmax，壓縮腔則始終保持低溫Tmin。由圖1可見，斯特林循環(huán)由以下4個換熱過程組成:1-2為等溫壓縮，熱量從工質(zhì)傳遞給外部低溫熱源;2-3為等容過程，熱量從回熱器傳給工質(zhì)；3-4為等溫膨脹，熱量從外部高溫熱源傳遞給工質(zhì)；4-1為等容過程，熱量由工質(zhì)傳遞給回熱器。斯特林發(fā)動機是獨特的熱機，因為他們理論上的效率幾乎等于理論最大效率，稱為卡諾循環(huán)效率。斯特靈發(fā)動機是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動力的。這是一種外燃發(fā)動機，使燃料連續(xù)地燃燒，蒸發(fā)的膨脹氫氣（或氦）作為動力氣體使活塞運動，膨脹氣體在冷氣室冷卻，反復(fù)地進行這樣的循環(huán)過程。燃料在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換。圖1.斯特林循環(huán)圖1.斯特林循環(huán)下面是一臺斯特林發(fā)動機示意圖:發(fā)動機內(nèi)的氣體是循環(huán)加熱的（通過酒精燈）并且膨脹推動動力活塞（圖中藍色）向上運動，同時黃色活塞也向上運動。當動力活塞運動到最上邊時，曲軸迫使松配合的黃色活塞向下運動，將氣體擠壓到機器較冷的一邊。在較冷一邊的氣體將熱量散失到外界并且收縮，并把藍色活塞拉向下邊。氣體在此轉(zhuǎn)移，被擠壓回發(fā)動機的較熱區(qū)域，如此循環(huán)往復(fù)。當然，對于太陽能斯特林發(fā)動機來說，驅(qū)動熱源不是酒精燈而是太陽能。一般都采用太陽能集熱器作為太陽能收集裝置。根據(jù)即熱方式的不同，目前使用的而太陽能集熱器可以分成兩類：一類是平板式集熱器。這類接受太陽輻射的面積和吸收體的面積相等。由于太陽輻射強度相對較小，因此需要很大的即熱面積，同時集熱介質(zhì)的溫度也較低。另一類是聚焦型集熱器。這類集熱器通過采用不同的聚焦器，將太陽輻射聚集到較小的集熱面上，從鎘污染可以獲得相當高的集熱溫度和能流密度。這類集熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高。［1］目前，斯特林發(fā)動機上較多采用的后者。其中比較成熟的是碟式太陽能熱電系統(tǒng)。三.特林發(fā)動機國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3.1.斯特林發(fā)動機國外研究現(xiàn)狀L.BerrinErbay和HadbiYavuz［2］研究了斯特林發(fā)動機在閉式回熱循環(huán)過程中的做功能力通過對動力活塞和配氣活塞做功過程引入了新的假設(shè)，得到了計算最大功率和效率的公式和在最大功率下的壓縮比。StigKildegardAndersen,HenrikCarlsen,PerGroveThomsen［3］利用數(shù)值分析的方法研究在考慮回熱器基體溫度差異的因素下，斯特林發(fā)動機回熱器基體的最優(yōu)化問題。他們發(fā)現(xiàn)，回熱器基體溫度的擺動有兩種方式：一種結(jié)果在軸向方向接近線性，而另一種在軸向結(jié)尾處曲線向下彎曲，這將導致氣體進入回熱器時溫度與回熱器有很大的差值。第一種方式提高了發(fā)動機的性能，而第二種方式則降低了發(fā)動機的功率和效率。ShahrirAbdullah,BelalF.Yousif,KamaruzzamanSopian4］對低溫差雙作用斯特林發(fā)動機用于太陽能時的設(shè)計問題進行了討論。應(yīng)用第三類分析方法，得到了最優(yōu)化參數(shù)。由計算結(jié)果可知，發(fā)動機最優(yōu)化速度為120rpm，掃氣容積比2.31,加熱器，冷卻器和回熱器的容積比分別為1.31,1.31和2.01。RImperoAbenavoli,WeDong,L.Fedele,A.Sciahoni［5］介紹了一種新型的旋轉(zhuǎn)式斯特林發(fā)動機。論文詳細的推導了旋轉(zhuǎn)部件運動而引起的膨脹腔和壓縮腔體積隨時間的變化函數(shù)，進而得到了發(fā)動機的功率和效率的表達式。文中還給出了這種發(fā)動機的簡圖。S.C.Kaushik,S.Kumar［6］對不可逆斯特林發(fā)動機和埃里克森發(fā)動機進行了有限時間熱力學分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，在回熱器效率為1的條件下，兩種循環(huán)的效率等于卡諾循環(huán)的效率。另外，回熱器的效率不會影響發(fā)動機的輸出功率。ZhaolinGu,HarukiSato,XiaoFeng［7］研究了在斯特林發(fā)動機工作過程中加入超臨界回熱過程以提高熱效率的方法。論文分別對多相流體工質(zhì)和有相變的流體工質(zhì)進行分析，結(jié)論認為超臨界回熱過程確實可以提高斯特林發(fā)動機的效率。3.2斯特林發(fā)動機國內(nèi)研究現(xiàn)狀吳鋒，陳林根，孫豐瑞［8］分析了熱阻、回熱時間和不完全回熱對斯特林發(fā)動機輸出功率的影響。分析結(jié)果表明，增大發(fā)動機換熱器的換熱面積和熱傳遞系數(shù)以提高熱導率，對于提高發(fā)動機的輸出功率，是至關(guān)重要的。顧根香，金東寒，張熹9］對雙作用斯特林發(fā)動機活塞環(huán)性能分散性進行了研究。結(jié)果認為，由于各缸工質(zhì)質(zhì)量和工質(zhì)壓力不等，各個加熱器的壁溫將產(chǎn)生較大的差異，必將導致發(fā)動機性能的惡化。顧根香，王芝秋［10］進一步研究雙作用斯特林發(fā)動機循環(huán)均勻性。論文闡述了雙作用斯特林發(fā)動機的循環(huán)不均勻的機理，認為由于不均勻性的存在，將使斯特林發(fā)動機壓比升高，傳動件壽命降低；功率下降和經(jīng)濟性惡化；工作穩(wěn)定性不好。認為在上下活塞環(huán)之問開設(shè)緩沖腔的方法可有效地提高循環(huán)均勻性，對發(fā)動機性能的負影響較小，能有效地改進雙作用斯特林發(fā)動機的性能。顧根香，金東寒，閻珽［11］對斯特林發(fā)動機動態(tài)特性進行了研究。研究的主要創(chuàng)新在于建立了精度更高的非線性數(shù)學模型。研究結(jié)果表明，仿真計算的結(jié)果與實測值是基本吻合的,從而驗證了本文所建立的非線性模型的有效性。姚睿,吳克啟［12］提出了空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)中采用自由活塞式斯特林發(fā)動機發(fā)電裝置的概念設(shè)計模型，確立了整個概念設(shè)計的框架，并對自由活塞式斯特林發(fā)動機作了初步設(shè)計。蔡保華，王幼純，陳煥倬［13］對斯特林發(fā)動機中回熱器性能進行了分析。論文在充分考慮回熱器實際情況的基礎(chǔ)上建立了回熱器模型，并提出用以°，島，匕等無量綱數(shù)來反映回熱器對發(fā)動機的影響。試驗結(jié)果表明，必須合理選擇參數(shù)，使斯特林發(fā)動機的功率和效率最佳，而不能一味地追求回熱器的高效率。吳鋒，孫豐瑞，陳林根［14］研究了太陽能驅(qū)動斯特林熱機的最優(yōu)性能。論文討論了將太陽能動力和斯特林發(fā)動機結(jié)合所得到的最優(yōu)性能。建立了不可逆循環(huán)的模型，導出了太陽能一斯特林熱機的最大功率和最佳總效率，為實際太陽能一斯特林熱機的模型評估和工況預(yù)選，提供了一個最佳方案。黃護林［15］對太陽能斯特林發(fā)動機進行了性能模擬。論文對一個盤式聚光器一斯特林發(fā)動機在一典型晴天日照下的一天中熱性能進行模擬。結(jié)果顯示，一天中的系統(tǒng)效率曲線呈一馬鞍形。此外，結(jié)果也顯示，提高發(fā)動機的工質(zhì)壓力，系統(tǒng)效率也將升高。張志國［16］對斯特林發(fā)動機進行了一維的數(shù)值模型。以斯特林發(fā)動機為模擬對象,將斯特林發(fā)動機分為7個單獨的部件，采用節(jié)點分析法,數(shù)值模擬了NASA12.5kW的斯特林發(fā)動機的動態(tài)變化規(guī)律。模擬的結(jié)果表明，在設(shè)計工況下模擬結(jié)果和試驗結(jié)果相符合，模擬誤差小于10%。胡亞聯(lián)，吳鋒［17］分析了有限速率過程對活塞式斯特林發(fā)動機性能的影響。論文導出了以理想氣體或范德瓦爾斯氣體為工質(zhì)的斯特林發(fā)動機的最大輸出功率與熱效率的關(guān)系，以及最大熱效率與輸出功率的關(guān)系，并推出了一些新的有限時間熱力學的性能界限。近來，斯特林發(fā)動機在太陽能發(fā)電中的應(yīng)用取得了更為實質(zhì)性的進展。兩個最大的太陽能斯特林發(fā)動機電力廠正在建設(shè)中。太陽能發(fā)電一廠由美國南加州愛迪生公司在加州莫哈韋沙漠興建，太陽能發(fā)電二廠則由圣地牙哥燃氣和電力公司在南加州皇縣興建。兩個項目的功率和設(shè)計發(fā)電量說明如下：一廠規(guī)模：50萬千瓦（足30萬家庭用電），將擴大到85萬千瓦。使用2萬一3.4萬個碟型斯特林系統(tǒng)。二廠規(guī)模：30萬千瓦，將擴大到90萬千瓦。使用1.2萬-3.6萬個碟型斯特林系統(tǒng)兩個太陽能斯特林發(fā)動機項目所采用的稱為陽光接收器的技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換率達31.25%，保持著太陽能發(fā)電技術(shù)的最高效世界紀錄，是一種高度集聚利用太陽能的技術(shù)。陽光接收器每個高38英尺，寬40英尺，能產(chǎn)生25千瓦的電力。一廠和二廠全部竣工后，發(fā)電量達175萬千瓦，相當于兩個大型核電廠，能為93萬個家庭供電。鑒于中國最近幾年正在籌劃30多個核電廠的建設(shè)，在這里有必要將核電廠與太陽能斯特林發(fā)動機發(fā)電廠做一下簡單的對比。由于防核輻射和泄漏的嚴格監(jiān)管條例，所有核電廠都必須安置在強化遏制泄漏的室內(nèi)。所有的冷、熱水循環(huán)系統(tǒng)都必須嚴密保護。因此，核電廠的成本實際上高于同規(guī)模礦物燃料發(fā)電廠，建設(shè)周期也過長。盡管所有核電廠都設(shè)計了安全系數(shù)，機械故障和人為失誤仍在所難免。如美國三哩島意外和俄羅斯的切爾諾貝利事故以及日本福島第一核電站核泄漏就是例子，后果讓人無法接受?？偨Y(jié)本人想設(shè)計一個由太陽能驅(qū)動的斯特林發(fā)動機系統(tǒng),通過設(shè)計爭取達到深入的了解太陽能斯特林發(fā)動機，熟悉循環(huán)過程中的每個過程。參考文獻左然，施明恒，王希麟.可再生能源概論.2007.6L.BerrinErbay,HadbiYavuz.AnalysisoftheStirlingHeatEngineatMaximumPowerConditions.Energy.Vol22,No7645?650.StigKildegaurdAndersen,HenrikCa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