贵阳投资太阳能斯特林发动机

1.用太阳能做热源的斯特林发动机如何设计制作

斯特林发动机，又称热气机，是一种外燃（或外部加热）封闭循环活塞式发动机，即依靠外部热源对密封在机器中的气体工质加热，使其不断热胀冷缩，进行闭式循环，推动活塞做功。

斯特林发动机具有不受热源形式限制、运行噪声低、热效率高等突出优点。 太阳能斯特林发动机应用于碟式太阳能热电系统中，由太阳能斯特林发动机和太阳能聚光器相互配合，以太阳能为热源，通过一系列的热电转换装置把光能转换为电能。

在石化能源短缺与环境污染问题日益严重的今天，太阳能斯特林发动机的研发和应用具有重大意义。 太阳能斯特林发动机研发的关键技术主要包括：分析方法、接收器的设计等。

1分析方法 根据马提尼[1]的命名规则，斯特林循环的分析法可以分为零级分析法、一级分析法、二级分析法、三级分析法和四级分析法5类。 1.1零级分析法 零级分析法并没有对斯特林循环进行分析，而是根据斯特林发动机的实验结果引入经验因子，归纳出斯特林发动机实际功率与效率的经验关系式。

该方法简单实用，一般可用于定性分析，不适合做斯特林发动机的优化设计。 1.2一级分析法 一级分析法是考虑了斯特林循环的最基本分析方法，该方法主要假设热腔和冷腔工质的循环温度恒定，因此又称为等温分析法。

由于一级分析法的等温假设过于理想，不符合实际情况，因而分析结果存在较大的理论误差，一般也只用于定性分析。 1.3二级分析法 二级分析法假设热腔和冷腔内的工质温度在循环的过程中是变化的。

因此基于二级分析法所建的数学模型一般为常微分方程组，结合理想气体状态方程以及边界条件可进行数值求解。最常用的二级分析法是绝热分析法。

相对一级分析法而言，二级分析法更接近实际，具有更为重要的应用价值[3]。 1.4三级分析法 三级分析法又称为节点分析法，对工质作一维流动假设，在每个节点处对工质的传热和气体动力学过程用质量、动量和能量守恒的偏微分方程进行描述。

三级分析法解决了一级分析法和二级分析法的空间误差问题，得到了广泛的应用和发展。 1.5四级分析法 四级分析法又称为多维CFD分析法，是在三级分析法的基础上将维数增加到二维甚至是三维，其计算过程极其复杂，往往需求于商业化的CFD软件。

多维CFD分析法已成功应用于内燃机和燃气轮机的设计，但在斯特林发动机上的应用还很不完善。四级分析法的精度比较高，作为研发的重点，随着各种辅助工具的不断改善，四级分析法终将成为斯特林循环的主要分析法。

2接收器设计 接收器是太阳能斯特林发动机特有的核心部件，它包括直接照射式和间接受热式。前者是将太阳光聚集后直接照在斯特林发动机的换热管上；后者则通过某种中间媒介将太阳能传递到斯特林发动机。

2.1直接照射式 太阳光直接照射到换热管上是太阳能斯特林发动机最早使用的太阳能接收方式。图1中的直接照射式接收器是将斯特林发动机的换热管簇弯制组合成盘状，聚集后的太阳光直接照射到这个盘的表面（即每根换热管的表面），换热管内工作介质高速流过，吸收了太阳辐射的能量，达到较高的温度和压力，从而推动斯特林发动机运转。

由于太阳辐射强度具有明显的不稳定性，以及聚光镜本身可能存在一定的加工精度问题，导致换热管上的热流密度呈现明显的不稳定与不均匀现象，从而使多缸斯特林发动机中各气缸温度和热量供给的平衡难以解决。 2.2间接受热式 间接受热式接收器是根据液态金属相变换热性能机理，利用液态金属的蒸发和冷凝将热量传递至斯特林发动机的接收器。

间接受热式接收器具有较好的等温性，从而延长了斯特林发动机加热头的寿命，同时提高了发动机的效率。在对接收器进行设计时，可以对每个换热面进行单独的优化。

间接受热式接收器包括池沸腾接收器、热管式接收器以及混合式热管接收器等。 2.2.1池沸腾接收器 池沸腾接收器通过聚集到吸热面上的太阳能加热液态金属池，产生的蒸汽冷凝于斯特林发动机的换热管上，从而将热量传递给换热管内的工作介质，冷凝液由于重力作用又回流至液态金属池，即完成一个热质循环。

池沸腾接收器结构简单，加工成本较低，适应性强，适合于在较大的倾角范围内运行，金属蒸汽直接冷凝于热机换热管，效率较高，但要求工质的充装量较大，一旦发生泄漏将非常危险。 2.2.2热管接收器 热管接收器采用毛细吸液芯结构将液态金属均布在加热表面。

图2为由美国Thermalcore公司设计制造的热管接收器，受热面一般被加工成拱顶形，上面布置有吸液芯，这样可以使液态金属均匀的分布于换热表面。吸液芯结构可有多种形式，如不锈钢丝网、金属毡等。

分布于吸液芯内的液态金属吸收太阳能量之后产生蒸汽，蒸汽通过斯特林发动机机换热管将热量传递给管内的工作介质，蒸汽冷凝后的冷凝液由于重力作用又回流至换热管表面。由于液态金属始终处于饱和态，使得接收器内的温度始终保持一致，从而使热应力达到最小。

2.2.3混合式热管接收器 太阳能热发电系统若要连续而稳定的发电，必须考虑阳光不足时或夜间运行的能量补充问题，其解决方案有蓄热和燃烧2种。在碟式太阳能热发电系统中多采用燃料燃烧的方式。

2.斯特林发动机的原理以及相关介绍

斯特林发动机是一种闭循环活塞式热机。

闭循环的意思是工作燃气一直保存在气缸内，而开循环则如内燃机和一些蒸汽机需要与大气交换气体。斯特林发动机一般被归为外燃机。

这种发动机是伦敦的牧师罗巴特 斯特林（Robert Stirling）于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirling engine）。斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。

斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程热气机工作原理 热气机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。

热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。

气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。

已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。

按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。

热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。碟式太阳热发电技术是利用抛物面碟式聚光器将太阳光汇聚，通过吸热器将汇聚的太阳能吸收并传输给热机，热机将太阳热转化为机械能，再经过发电机将机械能转化为电能。

热机采用斯特林发动机。斯特林发动机能量转换率可达到 42% ，无噪声污染，冷却水消耗少，对周围环境无任何影响。

碟式斯特林太阳热发电技术是当今太阳能热发电领域的热点目前，世界上成为发展主流的是碟式-斯特林（Stirling）系统。该技术以低成本、高效率为主要特征，电站容量可大可小，可以独立运行，也可以并网运行太阳能热发电又可分为塔式聚焦、槽式聚焦和碟式聚焦等三种方式。

以下是三种太阳能热发电方式的比较。 碟式系统规模较小，且具有高效、模块化和组成混合发电系统的能力（2）系统初投资低；系统能量转换效率高，运行可靠，维护简单，维护工作量小，太阳能—天然气混合化，不需要蓄电池储能，可以并网发电，模块化组合，电站容量可以从 KW 级到 MW 级等特点。

在所有太阳能发电技术中，碟式太阳能热动力发电系统具有最高的太阳能-电能转换效率（29.4%），因此有潜力成为最便宜的可再生能源之一与光伏发电相比，光热发电没有生产太阳能电池带来的高能耗、高污染等问题，设备生产过程更清洁，发电的规模效益也更好。此外，由于光热发电采用储热装置，能够提供稳定的电力输出，与光伏发电相比，更容易解决并网问题。

此外，现在技术较成熟的槽式光热发电，需要消耗大量的水，因此在沙漠中的应用是个问题，光热发电所需的建设面积较大，不如光伏发电灵活。但光热发电对日照条件要求较高，并且需要通过建设大规模电站来降低成本，需要大片的土地、巨额的投资，如果希望提高转换效率，更需要大量的水资源。

根据美国太阳能产业协会的统计，全球已经运行的太阳能发电项目，太阳能热发电占92.37%，太阳能光伏发电（单晶硅、多晶硅、薄膜电池）占7.2%。优点：振动小、噪音、排放低因为进气压力较小，循环压力比低（一般为1.5-1.8，而内燃机的至少在7以上），因此压力变化平缓，因而运行平稳、安定。

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