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斯特林热机发展综述1
丁国忠 张晓青 郭方中 胡兴华 张春萍
华中科技大学能源与动力工程学院制冷与低温工程系 武汉430074
Email:[email protected]
摘要：在当前能源紧张的情况下，利用太阳能发电技术成了政府和企业非常关注的重要课题，本文论述了太阳能斯特林热机的发展，针对实际应用中的难点问题进行了讨论，为太阳能斯特林热机的发展提供参考。
关键词：斯特林热机，太阳能，综述
1. 引言
能源问题成了一个世界性关注的焦点，在石油和煤炭资源逐渐减少的今天，对于可再生能源的利用获得了很多政府的资助和支持。我国863和973国家项目都提高了对太阳能等可再生能源利用项目的资助。太阳能作为地球最大的可再生能源，在近年来获得了更多的利用和发展，中国也成为了太阳能热水器生产的最大输出国，太阳能光伏电池也得到了迅速的发展，但是利用太阳能效率最高的斯特林发动机在中国的发展却非常不够，在日本每年都有斯特林发展的技术论坛。本文将对斯特林热机的发展和关键问题进行讨论。
目前我国电力供应持续紧张，无法满足人们生产和生活需要，同时，采用化石燃料供电对环境造成了严重污染，因此，新能源发电方式越来越引起社会的热切关注。斯特林热气机是完成热功转换的高效装置，并且对热源品位要求较低，适于以热能形式利用太阳能。近年来，发达国家加快对斯特林太阳能热发电方式的研究，其研究的方向主要集中在提高系统稳定性和降低系统发电成本方面；我国曾有少数科研院所从事过船用斯特林热气机、燃烧式（以麦杆等为燃料）斯特林热气机的研发工作，但最终以电能形式利用太阳能的斯特林发电系统尚未见成功实例。
2. 斯特林热机的发展
2.1 斯特林热机发展概况
最早的斯特林热机源于1816年斯特林发明的回热式热机，专利号是4081，此热机小，功率输出是100W-4kW ，并且它很快就被随后的内燃机所取代。
1864年Ericsson 发明了使用反射镜加热排出器气缸热端的太阳能驱动的热空气机[1]，随后几年做了一些改进。
第二代斯特林热机始于1937年，荷兰的飞利浦公司采用新材料技术把斯特林推上了一个很高的水平，在对传热和流体物理知识更好的理解下，对结构也做了重大改进，其中最重要的是菱形结构设计，提高了热机的稳定性。为乡村和偏远地区使用的斯特林也得到很多的
发展，比如古朴塔[2]研究了1.9kW 太阳能驱动的热机，热机效率5.7％，整个效率是2.02％。
随后产生了带透明石英窗口的斯特林热机、带集光收集器的斯特林机和太阳碟式热机技术。在大量太阳能技术中，碟式斯特林系统被认为拥有最高的太阳能到电能的转换效率。在太阳能碟式斯特林系统中一般采用高温高压氦气做工质的斯特林热机。其热电转换效率大约40％。太阳碟式热机技术是最老的太阳能技术之一，上世纪70年代末和80年代初，Advanco Corporation 、United Stirling AB、McDonnell Douglas Aerospace Corparation(MDA)和美国能源部及NASA 喷气推进实验室都研究了现代太阳碟式热机技术。Davenport 等[3]报道的第二代碟1本课题得到国家自然科学基金（50576024）和博士点基金（2003 0487046）资助。
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式斯特林发电系统瞬时峰值功率23.3kW 、效率26％。代表系统有4-95(25kWe)，STM 4-120(25kWe)和SOLO 161(11kWe)。
现代碟式斯特林系统安装费用大约为10000$/kW，随着技术的发展将来有希望降到3000$/kW，实现市场化目标。
西方各国的研究机构正在积极推进和发展高效、长寿命、高可靠性的Solar/Gas混合的蝶式斯特林太阳热发电系统，都在致力于关键技术上的突破、成本的降低及商业化和推广应用。美国的几家热气机公司正在研究开发25kW 双作用式的自由活塞式的斯特林发动机[4]；
中国科学院电工研究所从上世纪70年代末期就开始从事太阳热发电的研究，目前该所正在进行10kW 碟式斯特林系统的示范化工程[5]。
上海711研究所已开发出110kW 级斯特林机（使用常规燃料），北京农业大学已开发出5kW 级斯特林机（燃玉米芯）[6]。
2.2 碟式斯特林机的应用
碟式抛物面太阳热发电系统是抛物形碟式镜面将接受的太阳能集中在其焦点的接收器上。主要部件有太阳碟、电转换单元等。碟式斯特林系统跟踪太阳运动，把太阳能集中到一个穴型接收器转换为热机/发电机的驱动热源。接收器吸收这部分辐射能并将其转换成热能。在接收器上安装热电转换装置，比如斯特林发动机或朗肯循环热机等，从而将热能转换成电能。斯特林热机具有高的热能转换机械能效率超过40％，高功率密度40-70kW/liter（太阳热机）、长效低维护费用的潜力等优点。由于碟式集热装置具有较高的光学效率，并因其采用双轴跟踪，具有较低的跟踪误差，从而保证了较高的热电转换效率，在太阳能斯特林发电系统中应用较多。近20年来，碟式集热系统在西方发达国家得到了迅速发展，单元系统的容量从2kW 发展到50kW 。用氦气或氢气做工质其工作温度可达800℃，斯特林发动机能量转换效率较高。碟式系统可以是单元式的，也可以是集群式的。碟式斯特林系统是模块化结构，在过去的20多年中，美国、德国、日本和俄罗斯的公司建造了8个不同的碟式斯特林系统，发电功率从2－50kW 范围。第一个由ADV ANCO 公司建造的25-kW 系统获得了净太阳能到电能的转换效率29.4％。这个系统使用了玻璃面碟直径10.5m ，一个直接绝热的接收器和一个联合斯特林4-95 Mark II动力斯特林热机。即便是这些系统也仅用于示范，也就是商业运行前的测试阶段[6]。
目前正在向商业化方向发展的碟式斯特林系统主要有4个：美国的SAIC/STM，SES 、WGA 系统和欧洲的SBP 系统（两个典型系统如图1、图2 所示）。碟式抛物面集热系统也有不足之处，主要表现为机构复杂，运行维护费用较高。
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图1 SES碟式斯特林发动机图片
图2 SAIC/STM碟式斯特林发动机系统
2.3 斯特林热机的结构及低温差应用的特点
α型结构不使用排出器，β斯特林热机的结构有三种基本机械结构α型、β型和γ型。
型结构中排出器和功率活塞安装在同一气缸中，而γ型结构中排出器和功率活塞分别安装在
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不同气缸中。双作用活塞布局的γ型结构理论上具有最高的机械效率。
为适应太阳能利用的低温差斯特林热机具有如下特征：
排出器与功率活塞的扫气容积比更大；排出器及其气缸直径更大；排出器更短；排出器气缸两端板具有更大有效传热表面；排出器行程更小；转速更低；可以使用自由低品位热源。 斯特林热机的理论效率与卡诺循环相同，所以热机效率在典型温度范围927-1073K ，转速2000-4000rpm 内是30－40%。
功率活塞和排出器的运动要求一个合适的相位差，这个相位差对热机效率有很大影响，传统热力学理论解释不了这个现象，华中科技大学制冷与低温工程系通过多年的斯特林机的研究，提出了用波动理论进行建模的网络可行性方案，并取得实际效果和成果。斯特林热机的回热器也是一个关键部件，也需要应用波动理论进行研究与设计优化。
3. 太阳能斯特林热机的关键难题与解决方案设想
理论上斯特林循环具有卡诺循环一样的热效率，并且可以使用外挂热源，具有多种优势，但是在实现过程中，还有一些问题没有解决好，导致应用远远不如内燃机。由于工作气体是密闭在工作空间内，所以对于工作气体有一定要求，当前选择氦气为工作介质的为多，选用氢气需要解决材料的放气问题。
第一个是设计计算采用的经典热力学计算的局限性。对于发动机的设计还是沿用经典热力学理论，经典热力学理论解决的是宏观现象，而实际上工作腔中的工作气体压力处于压力波动过程中，那么就要求膨胀活塞和压缩活塞具有一定的相位关系，这个相位关系的严格要求得到了广大斯特林发动机工作者的共同认识，但是气体在工作腔中的流动是交变流动，因此多年来设计的回热器都没有受到足够的重视，在热声斯特林热机的研究进程中，逐渐认识到回热器中的热量存储是一个交变过程，需要应用波动理论来进行解决。根据阻抗匹配原则进行计算设计，在热声热机的研究中得到了应用。
第一个方案是研究5部件的频率谐振。这其中回热器是可调部件。（当机械工作频率和加热器热源温度一定时）建立回热器频响特性数据库。便于不同机器工作频率及热源温度的选择。采用热声热机的实验台架，按照热声热机的实验方法来测量计算和建模。
第二个方案是研究回热器动态摩擦因子。它与压力降和流率的幅值相关。建立回热器在不同振荡压力和流率下摩擦因子数据库。
2∂P 2X m −=f oscm sin(ωt +φm ) 2∂x d h ρA g （1）
φm 是质量流率的相角 f oscm 振荡流摩擦因子由实验得到的流率和压力降幅值决定。
第三个方案是采用参数辨识，直接对回热器在振荡流动工况下的压力降以及频响特性研究。同时测量压缩缸、膨胀缸的压力，进行傅立叶变换，分析能量峰值，考察5部件的频率匹配关系。同时根据测量的压力、速度以及相位关系可以计算声功以及耗散功（参考两传感器测量声功以及热耗散函数测量）。
如果按照传统热力学分析也要加上流率项，这样再做数值计算才能较好设计出转速和扫气容积之间的关系，得到发动机的性能曲线。Can Cinar制造和测试的γ形斯特林发动机的输出功的影响情况如下：
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图3 不同气体和充气压力对输出功的影响
图4 不同传热面积对输出功的影响
从这两个图形可以清楚看到，斯特林发动机的工作介质和充气压力会影响最佳转速，反过来转速会对应一个最大输出功。
第二个难题是换热器与热源的耦合问题。热端换热器与外热源的连接也成了一个难题，需要针对不同应用环境进行定量设计。对于热交换器来说，实际上是个很大的难点，国外在报道发动机的进展的时候都略去了换热器的情况，但是它们显然对斯特林热机性能有很大影
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响，还需要做细致的分析与制造。
4. 发展前景
由于国家能源政策的指导和促进作用，尽管斯特林热机在设计和制造上还有一些困难，但是对于发展可再生能源却是一个非常好的动力系统。相信随着国家和企业的投入，斯特林热机会走上快速发展通道，为我国能源结构提供一个新的途径。
参考文献
[1] Rizzo JG. The Stirling engine manual. Somerset:Camden miniature steam services,1997.
[2] Gupta RK, Deshpande AM, Brave KM. Developmen of 1kW solar powered reciprocating
engine for rural applications. In:International Solar Energy Congress,New Delhi. 1978,p2016-2020
[3] Davenport RL, Butler BL et al. Operation of second generation dish/Stirling power system.
In:Proceedings of the ASES 2002 Solar Conference,Reno,2002.
[4] 太阳能热发电技术
[5] 碟式斯特林太阳能热发电系统经济性分析
[6] 关于斯特林发动机和节能
A review of Stirling engine progress
Ding Guozhong , Zhang Xiaoqing , Guo Fangzhong , Hu Xinghua , Zhang Chunping
School of Energy and Power engineering,Huazhong University of Science and
Technology,Wuhan,430074
Abstract
Solar power is a noticeable issue for governments and enterprises under the condition of energy strain.The article describes a review of the Stirling engine driven by solar power, and discusses some difficulty of applying Stirling engine and will be helpful to the progress of Stirling engine. Keywords: Stirling engine Solar power Review
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斯特林热机发展综述1
丁国忠 张晓青 郭方中 胡兴华 张春萍
华中科技大学能源与动力工程学院制冷与低温工程系 武汉430074
Email:[email protected]
摘要：在当前能源紧张的情况下，利用太阳能发电技术成了政府和企业非常关注的重要课题，本文论述了太阳能斯特林热机的发展，针对实际应用中的难点问题进行了讨论，为太阳能斯特林热机的发展提供参考。
关键词：斯特林热机，太阳能，综述
1. 引言
能源问题成了一个世界性关注的焦点，在石油和煤炭资源逐渐减少的今天，对于可再生能源的利用获得了很多政府的资助和支持。我国863和973国家项目都提高了对太阳能等可再生能源利用项目的资助。太阳能作为地球最大的可再生能源，在近年来获得了更多的利用和发展，中国也成为了太阳能热水器生产的最大输出国，太阳能光伏电池也得到了迅速的发展，但是利用太阳能效率最高的斯特林发动机在中国的发展却非常不够，在日本每年都有斯特林发展的技术论坛。本文将对斯特林热机的发展和关键问题进行讨论。
目前我国电力供应持续紧张，无法满足人们生产和生活需要，同时，采用化石燃料供电对环境造成了严重污染，因此，新能源发电方式越来越引起社会的热切关注。斯特林热气机是完成热功转换的高效装置，并且对热源品位要求较低，适于以热能形式利用太阳能。近年来，发达国家加快对斯特林太阳能热发电方式的研究，其研究的方向主要集中在提高系统稳定性和降低系统发电成本方面；我国曾有少数科研院所从事过船用斯特林热气机、燃烧式（以麦杆等为燃料）斯特林热气机的研发工作，但最终以电能形式利用太阳能的斯特林发电系统尚未见成功实例。
2. 斯特林热机的发展
2.1 斯特林热机发展概况
最早的斯特林热机源于1816年斯特林发明的回热式热机，专利号是4081，此热机小，功率输出是100W-4kW ，并且它很快就被随后的内燃机所取代。
1864年Ericsson 发明了使用反射镜加热排出器气缸热端的太阳能驱动的热空气机[1]，随后几年做了一些改进。
第二代斯特林热机始于1937年，荷兰的飞利浦公司采用新材料技术把斯特林推上了一个很高的水平，在对传热和流体物理知识更好的理解下，对结构也做了重大改进，其中最重要的是菱形结构设计，提高了热机的稳定性。为乡村和偏远地区使用的斯特林也得到很多的
发展，比如古朴塔[2]研究了1.9kW 太阳能驱动的热机，热机效率5.7％，整个效率是2.02％。
随后产生了带透明石英窗口的斯特林热机、带集光收集器的斯特林机和太阳碟式热机技术。在大量太阳能技术中，碟式斯特林系统被认为拥有最高的太阳能到电能的转换效率。在太阳能碟式斯特林系统中一般采用高温高压氦气做工质的斯特林热机。其热电转换效率大约40％。太阳碟式热机技术是最老的太阳能技术之一，上世纪70年代末和80年代初，Advanco Corporation 、United Stirling AB、McDonnell Douglas Aerospace Corparation(MDA)和美国能源部及NASA 喷气推进实验室都研究了现代太阳碟式热机技术。Davenport 等[3]报道的第二代碟1本课题得到国家自然科学基金（50576024）和博士点基金（2003 0487046）资助。
http://www.paper.edu.cn
式斯特林发电系统瞬时峰值功率23.3kW 、效率26％。代表系统有4-95(25kWe)，STM 4-120(25kWe)和SOLO 161(11kWe)。
现代碟式斯特林系统安装费用大约为10000$/kW，随着技术的发展将来有希望降到3000$/kW，实现市场化目标。
西方各国的研究机构正在积极推进和发展高效、长寿命、高可靠性的Solar/Gas混合的蝶式斯特林太阳热发电系统，都在致力于关键技术上的突破、成本的降低及商业化和推广应用。美国的几家热气机公司正在研究开发25kW 双作用式的自由活塞式的斯特林发动机[4]；
中国科学院电工研究所从上世纪70年代末期就开始从事太阳热发电的研究，目前该所正在进行10kW 碟式斯特林系统的示范化工程[5]。
上海711研究所已开发出110kW 级斯特林机（使用常规燃料），北京农业大学已开发出5kW 级斯特林机（燃玉米芯）[6]。
2.2 碟式斯特林机的应用
碟式抛物面太阳热发电系统是抛物形碟式镜面将接受的太阳能集中在其焦点的接收器上。主要部件有太阳碟、电转换单元等。碟式斯特林系统跟踪太阳运动，把太阳能集中到一个穴型接收器转换为热机/发电机的驱动热源。接收器吸收这部分辐射能并将其转换成热能。在接收器上安装热电转换装置，比如斯特林发动机或朗肯循环热机等，从而将热能转换成电能。斯特林热机具有高的热能转换机械能效率超过40％，高功率密度40-70kW/liter（太阳热机）、长效低维护费用的潜力等优点。由于碟式集热装置具有较高的光学效率，并因其采用双轴跟踪，具有较低的跟踪误差，从而保证了较高的热电转换效率，在太阳能斯特林发电系统中应用较多。近20年来，碟式集热系统在西方发达国家得到了迅速发展，单元系统的容量从2kW 发展到50kW 。用氦气或氢气做工质其工作温度可达800℃，斯特林发动机能量转换效率较高。碟式系统可以是单元式的，也可以是集群式的。碟式斯特林系统是模块化结构，在过去的20多年中，美国、德国、日本和俄罗斯的公司建造了8个不同的碟式斯特林系统，发电功率从2－50kW 范围。第一个由ADV ANCO 公司建造的25-kW 系统获得了净太阳能到电能的转换效率29.4％。这个系统使用了玻璃面碟直径10.5m ，一个直接绝热的接收器和一个联合斯特林4-95 Mark II动力斯特林热机。即便是这些系统也仅用于示范，也就是商业运行前的测试阶段[6]。
目前正在向商业化方向发展的碟式斯特林系统主要有4个：美国的SAIC/STM，SES 、WGA 系统和欧洲的SBP 系统（两个典型系统如图1、图2 所示）。碟式抛物面集热系统也有不足之处，主要表现为机构复杂，运行维护费用较高。
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图1 SES碟式斯特林发动机图片
图2 SAIC/STM碟式斯特林发动机系统
2.3 斯特林热机的结构及低温差应用的特点
α型结构不使用排出器，β斯特林热机的结构有三种基本机械结构α型、β型和γ型。
型结构中排出器和功率活塞安装在同一气缸中，而γ型结构中排出器和功率活塞分别安装在
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不同气缸中。双作用活塞布局的γ型结构理论上具有最高的机械效率。
为适应太阳能利用的低温差斯特林热机具有如下特征：
排出器与功率活塞的扫气容积比更大；排出器及其气缸直径更大；排出器更短；排出器气缸两端板具有更大有效传热表面；排出器行程更小；转速更低；可以使用自由低品位热源。 斯特林热机的理论效率与卡诺循环相同，所以热机效率在典型温度范围927-1073K ，转速2000-4000rpm 内是30－40%。
功率活塞和排出器的运动要求一个合适的相位差，这个相位差对热机效率有很大影响，传统热力学理论解释不了这个现象，华中科技大学制冷与低温工程系通过多年的斯特林机的研究，提出了用波动理论进行建模的网络可行性方案，并取得实际效果和成果。斯特林热机的回热器也是一个关键部件，也需要应用波动理论进行研究与设计优化。
3. 太阳能斯特林热机的关键难题与解决方案设想
理论上斯特林循环具有卡诺循环一样的热效率，并且可以使用外挂热源，具有多种优势，但是在实现过程中，还有一些问题没有解决好，导致应用远远不如内燃机。由于工作气体是密闭在工作空间内，所以对于工作气体有一定要求，当前选择氦气为工作介质的为多，选用氢气需要解决材料的放气问题。
第一个是设计计算采用的经典热力学计算的局限性。对于发动机的设计还是沿用经典热力学理论，经典热力学理论解决的是宏观现象，而实际上工作腔中的工作气体压力处于压力波动过程中，那么就要求膨胀活塞和压缩活塞具有一定的相位关系，这个相位关系的严格要求得到了广大斯特林发动机工作者的共同认识，但是气体在工作腔中的流动是交变流动，因此多年来设计的回热器都没有受到足够的重视，在热声斯特林热机的研究进程中，逐渐认识到回热器中的热量存储是一个交变过程，需要应用波动理论来进行解决。根据阻抗匹配原则进行计算设计，在热声热机的研究中得到了应用。
第一个方案是研究5部件的频率谐振。这其中回热器是可调部件。（当机械工作频率和加热器热源温度一定时）建立回热器频响特性数据库。便于不同机器工作频率及热源温度的选择。采用热声热机的实验台架，按照热声热机的实验方法来测量计算和建模。
第二个方案是研究回热器动态摩擦因子。它与压力降和流率的幅值相关。建立回热器在不同振荡压力和流率下摩擦因子数据库。
2∂P 2X m −=f oscm sin(ωt +φm ) 2∂x d h ρA g （1）
φm 是质量流率的相角 f oscm 振荡流摩擦因子由实验得到的流率和压力降幅值决定。
第三个方案是采用参数辨识，直接对回热器在振荡流动工况下的压力降以及频响特性研究。同时测量压缩缸、膨胀缸的压力，进行傅立叶变换，分析能量峰值，考察5部件的频率匹配关系。同时根据测量的压力、速度以及相位关系可以计算声功以及耗散功（参考两传感器测量声功以及热耗散函数测量）。
如果按照传统热力学分析也要加上流率项，这样再做数值计算才能较好设计出转速和扫气容积之间的关系，得到发动机的性能曲线。Can Cinar制造和测试的γ形斯特林发动机的输出功的影响情况如下：
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图3 不同气体和充气压力对输出功的影响
图4 不同传热面积对输出功的影响
从这两个图形可以清楚看到，斯特林发动机的工作介质和充气压力会影响最佳转速，反过来转速会对应一个最大输出功。
第二个难题是换热器与热源的耦合问题。热端换热器与外热源的连接也成了一个难题，需要针对不同应用环境进行定量设计。对于热交换器来说，实际上是个很大的难点，国外在报道发动机的进展的时候都略去了换热器的情况，但是它们显然对斯特林热机性能有很大影
http://www.paper.edu.cn
响，还需要做细致的分析与制造。
4. 发展前景
由于国家能源政策的指导和促进作用，尽管斯特林热机在设计和制造上还有一些困难，但是对于发展可再生能源却是一个非常好的动力系统。相信随着国家和企业的投入，斯特林热机会走上快速发展通道，为我国能源结构提供一个新的途径。
参考文献
[1] Rizzo JG. The Stirling engine manual. Somerset:Camden miniature steam services,1997.
[2] Gupta RK, Deshpande AM, Brave KM. Developmen of 1kW solar powered reciprocating
engine for rural applications. In:International Solar Energy Congress,New Delhi. 1978,p2016-2020
[3] Davenport RL, Butler BL et al. Operation of second generation dish/Stirling power system.
In:Proceedings of the ASES 2002 Solar Conference,Reno,2002.
[4] 太阳能热发电技术
[5] 碟式斯特林太阳能热发电系统经济性分析
[6] 关于斯特林发动机和节能
A review of Stirling engine progress
Ding Guozhong , Zhang Xiaoqing , Guo Fangzhong , Hu Xinghua , Zhang Chunping
School of Energy and Power engineering,Huazhong University of Science and
Technology,Wuhan,430074
Abstract
Solar power is a noticeable issue for governments and enterprises under the condition of energy strain.The article describes a review of the Stirling engine driven by solar power, and discusses some difficulty of applying Stirling engine and will be helpful to the progress of Stirling engine. Keywords: Stirling engine Solar power Review