斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及其發(fā)展趨勢(shì)探討

趙晨皓

（西交利物浦大學(xué)，江蘇 蘇州 215123）

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及其發(fā)展趨勢(shì)探討

趙晨皓

（西交利物浦大學(xué)，江蘇 蘇州 215123）

分析了現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)汽車對(duì)環(huán)境的危害情況，指出斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的外燃方式的良好的環(huán)保特性。簡介了太陽能光熱形式的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史，重點(diǎn)分析了兩種典型的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造，簡要分析了動(dòng)態(tài)式和自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的各自特點(diǎn)。針對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，明確指出了其發(fā)展的潛在價(jià)值及其重要性，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

汽車；環(huán)境污染；光熱發(fā)電系統(tǒng)；斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

CLC NO.：U464.9Document Code：AArticle ID:1671-7988(2014)12-68-05

引言

從煤炭文明到石油文明，再到天然氣文明，在人們開始討論有關(guān)21世紀(jì)文明的宏偉構(gòu)想時(shí)，能源成為了首要問題。隨著石油資源的日益短缺，石油價(jià)格逐漸上漲，目前的汽車使用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)使用石油資源而引起了尾氣CH、CO、NOX排放產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，也造成了石油能源過度的使用，產(chǎn)生了能源極不平衡等社會(huì)問題日見突出[1]。研究能以太陽能、沼氣、生物質(zhì)等作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)技術(shù)，對(duì)于促進(jìn)能源的綜合利用、改善當(dāng)前使用單一的石油資源的狀況并減少環(huán)境污染，創(chuàng)造節(jié)約型社會(huì)，從而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，具有重要的意義。

早在19世紀(jì)初期，英國物理學(xué)家羅伯特· 斯特林（Robert Stirling）發(fā)明了“斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)”（Stirling engine）[2]。這種利用氣體熱脹冷縮原理的發(fā)動(dòng)機(jī)，似乎為人類提供了生存的機(jī)遇。在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，采用斯特林外燃機(jī)作為動(dòng)力機(jī)——發(fā)電機(jī)組，構(gòu)成的斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，在我國具有非常好的商業(yè)化前景[3]。

斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)的基本原理可以概括為以下過程。首先，入射太陽光經(jīng)過聚光器匯聚起來，然后又吸熱氣轉(zhuǎn)化成熱能被斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的工質(zhì)氣體所吸收。接下來，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過動(dòng)力循環(huán)把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，隨將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。利用整流裝置，可將其電能輸出為直流電，最終由逆變裝置轉(zhuǎn)換為交流用電[4]。斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)主要由聚光器、吸熱器、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成[4]。

當(dāng)發(fā)光強(qiáng)度一定時(shí)，光源面積越大，所提供的光能量越多。聚光器的作用是將較大面積的太陽能聚集到較小面積上。由于聚光方式的不同，斯特林光熱發(fā)電機(jī)可以分為槽式、塔式和碟式。碟式斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)的光聚焦比最大，其熱腔端的溫度可以到達(dá)750oC-1382oC。相同光照強(qiáng)度以及時(shí)間的情況下，比熱容越小的物體溫度變化越大。吸熱器則是利用材料比熱容的特性，在相同光照強(qiáng)度以及時(shí)間下，獲取更

多的熱量。

本文將對(duì)斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)作簡要介紹。重點(diǎn)分析了兩種典型的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造，簡要分析了動(dòng)態(tài)式和自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的各自特點(diǎn)。針對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，明確指出了其發(fā)展的潛在價(jià)值及其重要性，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

1、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程及原理

1.1發(fā)展歷程

如圖1為碟式斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。

上述能量轉(zhuǎn)換過程可用如圖2更直觀的表達(dá)。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)于1816由英國物理學(xué)家羅伯特· 斯特林發(fā)明。最初的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是以空氣為工質(zhì)，功率小、體積大、熱效率低，應(yīng)用面較為有限[2]。

20世紀(jì)40至60年代，荷蘭的飛利浦公司利用高溫高壓氫氣或氦氣，研制出了更高功率和效率的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，因此在某些領(lǐng)域有了應(yīng)用。

20世紀(jì)70年代，石油危機(jī)的出現(xiàn)使得歐美國家開始重點(diǎn)研究該領(lǐng)域。美國通用以及瑞典Kockums公司等繼續(xù)研發(fā)斯特新發(fā)動(dòng)機(jī)。

20世紀(jì)90年代，美國斯特林能源系統(tǒng)公司（Stirling Energy System (SES)）和瑞典的SOLO公司著手開展了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)工作，并相繼發(fā)明了碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)[5]。

剛剛過去的20多年里，全球工程界在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用上已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。這種采用太陽能為能源的發(fā)電系統(tǒng)，在未來將發(fā)揮越來越重要的作用。

1.2 基本工作原理

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要是由配氣活塞、動(dòng)力活塞、熱腔（膨脹腔）、冷腔（壓縮腔）以及鏈接兩個(gè)氣室的機(jī)械軸構(gòu)成，如圖3。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃機(jī)，其是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動(dòng)力的。外界的熱量使熱腔的氣體工質(zhì)膨脹，蒸發(fā)的氫氣（或氦氣）作為氣體工質(zhì)使活塞運(yùn)動(dòng)，緊接著，工質(zhì)在低溫冷腔中壓縮，繼續(xù)使活塞運(yùn)動(dòng)。膨脹氣體在冷腔冷卻收縮，收縮的氣體在熱腔受熱膨脹，反復(fù)地進(jìn)行這樣的循環(huán)過程，圖4所示[2]。每次循環(huán)過程中工質(zhì)將吸收的熱能通過斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。推動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳外熱源，毫無疑問是太陽能。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)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。在循環(huán)的過程中，膨脹腔的溫度一直處于最高溫度Th，與此同時(shí)，壓縮腔的溫度一直處于最低溫度Tl，從而產(chǎn)生了巨大的溫差。根據(jù)熱力學(xué)定理，可以得到理想狀態(tài)下卡諾循環(huán)的效率為：

由此可以看出，卡諾循環(huán)的效率只與兩個(gè)熱源的熱力學(xué)溫度有關(guān)，如果高溫?zé)嵩吹臏囟萒h愈高，低溫?zé)嵩吹臏囟萒l愈低，則卡諾循環(huán)的效率愈高。因此，高低溫?zé)嵩吹臏夭钶^大時(shí)，熱機(jī)的效率亦較高。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40%。斯特林電動(dòng)機(jī)的高效率和外燃機(jī)特性使其成為碟式斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)的首選熱機(jī)[7]。

2、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)

相比于內(nèi)燃機(jī)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：低污染、低運(yùn)行成本、屬于低速扭矩，扭矩變動(dòng)特性較好。由于斯特林

的循環(huán)方式是封閉式循環(huán)，可采用傳熱性能良好的氣體工質(zhì)，相比傳統(tǒng)的化石燃料，氣體工質(zhì)如氫氣、氦氣具有零腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，氫氣、氦氣這類氣體相比空氣密度小，從而減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)十分符合良好環(huán)境的建設(shè)。循環(huán)過程幾乎沒有任何廢氣的產(chǎn)生，排氣潔凈。相對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，以太陽能作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，其運(yùn)作原理十分簡單。太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)絕對(duì)不需要傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣和排氣閥門。因此，盡管斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率很高，卻很簡單。此外，相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)闆]有氣體爆炸，所以大大降低了噪音污染。最重要的是，由于其高熱能集聚能力，相較太陽能光伏發(fā)電板，它更適合大型電力事業(yè)。

3、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)分類及其結(jié)構(gòu)

3.1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)分類

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可分為兩類：動(dòng)態(tài)式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

動(dòng)態(tài)式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣活塞、動(dòng)力活塞和機(jī)械輸出軸間是通過物理連接構(gòu)成的發(fā)動(dòng)機(jī)。自由式活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣活塞和動(dòng)力活塞在同一氣缸內(nèi)沿同一軸做自由往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起工質(zhì)經(jīng)歷斯特林循環(huán)過程[8]。

動(dòng)態(tài)式發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與內(nèi)燃機(jī)相似，其相位角是由發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)的，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)，從而產(chǎn)生電能。動(dòng)態(tài)式發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用滑動(dòng)密封。運(yùn)行時(shí)，活塞與氣缸、活塞桿和活塞座之間會(huì)產(chǎn)生一定程度的側(cè)推力，產(chǎn)生一定的摩擦力。隨著密封器件磨損程度的增加，氣體泄漏率隨之增大，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能會(huì)產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生循環(huán)氣體的漏失，使電動(dòng)機(jī)不能運(yùn)行。

與動(dòng)態(tài)式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，只有配氣活塞和動(dòng)力活塞兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，并且兩個(gè)活塞彼此獨(dú)立，在同一氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)量驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，從而產(chǎn)生電能。活塞沖程、頻率和兩活塞間的相位角由活塞和彈簧系統(tǒng)隨循環(huán)壓力變化的動(dòng)態(tài)性來實(shí)現(xiàn)[9]。運(yùn)行時(shí)，活塞與氣缸間無側(cè)推力，發(fā)動(dòng)機(jī)非接觸氣體密封和彈簧幾乎消除了活塞與氣缸間的摩擦，從根本上避免了動(dòng)態(tài)式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損問題。

3.2 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

Ⅰ. Kockums公司的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

圖6所示為Kockums公司研發(fā)的4-95型雙作用四缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。其由氣缸組件、冷卻器、回?zé)崞骱图訜犷^構(gòu)成。氣缸組件又由氣缸、活塞、活塞桿密封組件和連桿組成，氣缸總?cè)莘e為380cm3。此種發(fā)動(dòng)機(jī)有四個(gè)相同的循環(huán)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)的工質(zhì)在氣缸熱腔、加熱頭、回冷器、冷卻器和冷腔之間往復(fù)循環(huán)。該四缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)氣缸的熱腔與冷腔首尾相連，即前一級(jí)的熱腔為后一級(jí)的冷腔，且兩個(gè)活塞之間相位角相差90o【5】。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1800rpm， 驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生480V，頻率60Hz的交流電。

90年代，SES公司整合麥道公司的太陽能聚光技術(shù)以及Kockums公司的4-95型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，制作出了碟式斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)，并進(jìn)行了大量測(cè)試，圖7所示為該4-95型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)功率性能圖。由圖7看出，隨著太陽輻照度的遞增，系統(tǒng)總發(fā)電功率也隨之遞增。此外，系統(tǒng)總功率還與聚光鏡發(fā)射率有關(guān)，且反射率越大，發(fā)電總功率越大。

Ⅱ. Cleanergy公司的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

Cleanergy公司生產(chǎn)的V-161型斯特林發(fā)電機(jī)，發(fā)電功率為10kW，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)呈90o“V”型，長1.28m，寬0.7m，高0.98m，氣缸容積達(dá)到160cm3。壓縮活塞和膨脹活塞分別位于冷熱氣缸中，熱腔、加熱頭、回冷器、冷卻器和冷腔一次連接，組成完整的循環(huán)回路，如圖7。循環(huán)過程中，兩個(gè)活塞具有傳遞功率的功能，熱腔活塞傳遞膨脹功，冷腔活塞傳遞壓縮功，曲軸連桿機(jī)制帶動(dòng)一步交流發(fā)電機(jī)發(fā)電[10]。

2003年，美國山帝亞國家實(shí)驗(yàn)室對(duì)5臺(tái)V-161型斯特林發(fā)電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試[11]。圖8為其輸出功率和發(fā)電效率性能圖。在一定范圍內(nèi)（450-500 W/m2），隨著光照幅度的遞增，系統(tǒng)輸出功率和效率分別驟增。

Ⅲ. Sunpower公司的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

前面介紹的兩種斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)都屬于動(dòng)態(tài)式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，下面這兩種都屬于自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

1974年，自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)始人Beale成立了Sunpower公司。40年來，該公司一直致力于自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)研究與應(yīng)用。其發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)是配氣活塞桿穿過活塞，使用氣體彈簧支持配氣活塞和動(dòng)力活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，利用板式彈簧對(duì)配氣活塞支撐定位，如圖9所示。

Ⅳ. Infinia公司的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)

Infinia公司研發(fā)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣活塞和動(dòng)力活塞在同一氣缸，通過配氣活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與動(dòng)力活塞形成共振而做功，如圖10所示。系統(tǒng)采用板式彈簧支持活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊。兩活塞在氣缸冷熱端各有一個(gè)非接觸氣體密封，密封嚴(yán)密。圖11展示了該種發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率與系統(tǒng)效率性能。隨著光照輻射度的增大，凈功率和系統(tǒng)的效率也隨之增高。而當(dāng)太陽輻照度超過800W/m2時(shí)，系統(tǒng)效率開始降低。

為了克服單缸自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)單位體積輸出功率低的特點(diǎn)，Infinia公司提出了雙作用六缸的自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的概念。此種發(fā)動(dòng)機(jī)保留了自由活塞式機(jī)型的特點(diǎn)，并借鑒了動(dòng)態(tài)式發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，將配氣活塞與動(dòng)力活塞合二為一，氣缸也從以前的單杠變成了六缸，如圖12所示。

4、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車中的應(yīng)用

隨著化石能源的日趨減少，內(nèi)燃機(jī)注定會(huì)退出汽車工業(yè)的歷史舞臺(tái)。因此，混合動(dòng)力汽車必定成為這個(gè)過渡階段的產(chǎn)物。內(nèi)燃機(jī)的熱效率一般在40%左右，而剩余的大部分以熱的形式損失。如果能夠?qū)⑦@些損失的熱能進(jìn)行回收和利用，那么對(duì)于提高混合動(dòng)力汽車的效率將不再困難。結(jié)合斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，可以將損失的熱能提供給斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，并讓其工作，從而輸出機(jī)械能作為汽車的動(dòng)力?；蚴菍⑺固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存于蓄電池組中，配合內(nèi)燃機(jī)一起工作。這樣一來，可以實(shí)現(xiàn)小排量的內(nèi)燃機(jī)滿足大排量汽車的動(dòng)力要求，以達(dá)到節(jié)油的目的[16]。

5、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)已走過近兩個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，隨著全球

能源問題和環(huán)境問題的日益出現(xiàn)，以及市場對(duì)清潔能源的迫切需求，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)必然會(huì)越來越受到廣泛的關(guān)注。

與此同時(shí)，隨著汽車需求量的增多，對(duì)于汽車新能源的探索一直在進(jìn)行中，節(jié)能環(huán)保的新能源已經(jīng)成為汽車發(fā)展道路上的最終目的[16]。

碟式斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)相比內(nèi)燃機(jī)來說，具有結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，但其中的關(guān)鍵部件的研發(fā)難度較大，至今卻仍未大規(guī)模出現(xiàn)在社會(huì)生產(chǎn)和生活中,仍需要大量的工作與努力。

總體而言，碟式斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)具有高效率、低耗能以及發(fā)電方式靈活等特點(diǎn)。相對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，以太陽能作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，其運(yùn)作原理十分簡單。沒有閥門，不需要?dú)饣忘c(diǎn)火裝置。從生態(tài)角度來看，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有環(huán)保無污染的特點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)本身從外部獲取熱能，不需要傳統(tǒng)的進(jìn)氣和排氣閥門。在不遠(yuǎn)的未來，必將受到越來越多的國家的重視。隨著該系統(tǒng)的研發(fā)、示范和推廣工作的不斷進(jìn)行，斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)將在世界能源結(jié)構(gòu)中占有一席之地，為最終實(shí)現(xiàn)可再生能源做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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Stirling engine and the discussion of its future trend

Zhao Chenhao
(Xi’an Jiaotong-Liverpool University, Jiangsu Suzhou 215123)

This paper analyses the damage of current internal combustion engine for environment and point out environmental advantages of Stirling engine, which is a type of external combustion engine. This article also briefly describes the history of Stirling engine and focuses on two types of constructions, dynamic and free piston. Furthermore, this paper points out potential values and importance of Stirling engine, and make discussion for its future trend.

vehicle; environmental pollution; solar-thermal power generation system; stirling engine.

U464.9

A

1671-7988(2014)12-68-05

趙晨皓，就讀于西交利物浦大學(xué)。