透射式太陽能斯特林發(fā)電機(jī)測試系統(tǒng)的設(shè)計

翁奕濤 梁振康 于 洋 吳肖邦 黎芷均

（肇慶學(xué)院，廣東 肇慶526061）

能源危機(jī)已成為當(dāng)前人們?nèi)找骊P(guān)注的話題，促進(jìn)清潔能源利用，大力發(fā)展綜合能源服務(wù)將是推進(jìn)中國能源低碳發(fā)展、實現(xiàn)2030 年前碳達(dá)峰目標(biāo)和2060 年前碳中和愿景的關(guān)鍵著力點[1]。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)新能源技術(shù)，如太陽能、風(fēng)能、水能等可再生能源，是能源發(fā)展的新趨勢。太陽能熱發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今世界太陽能熱利用研究領(lǐng)域的前沿課題。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可分為槽式、塔式和碟式等三種類別。其中，采用斯特林發(fā)動機(jī)的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)因其驚人的發(fā)展速度令世界矚目[2]。

然而，在大學(xué)車輛工程等相關(guān)專業(yè)的本科教學(xué)中，因教學(xué)要求和教學(xué)資源的差異，導(dǎo)致學(xué)生對內(nèi)燃機(jī)的工作原理、構(gòu)造等比較熟悉，而對外燃式發(fā)動機(jī)代表——斯特林發(fā)動機(jī)卻了解甚少，甚至常常被忽視。這種現(xiàn)象引起我們的思考和重視，這種基礎(chǔ)自然學(xué)科的應(yīng)用創(chuàng)新應(yīng)該不斷探討。雖然傳統(tǒng)碟式太陽能斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)相對成熟，但卻存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、建造費用昂貴等缺點，并且測試尤為不便，難以適應(yīng)本科教學(xué)中的實驗設(shè)計要求。

目前已知的斯特林發(fā)動機(jī)實驗教學(xué)平臺是單純的斯特林模型機(jī)，且沒有性能數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)。鑒于此，為填補(bǔ)動力機(jī)械本科實驗教學(xué)的不足，完善發(fā)動機(jī)實驗體系，本文提出了一種低成本、小型化、易操作的斯特林發(fā)動機(jī)實驗教學(xué)平臺，直觀了解菲涅爾透鏡聚光下的斯特林發(fā)動機(jī)運行原理及特性，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力。

1 測試平臺的原理及設(shè)計

1.1 測試平臺工作原理

系統(tǒng)采用的斯特林發(fā)動機(jī)是一種由外部供熱使氣體按閉式回?zé)嵫h(huán)方式壓縮膨脹的活塞式發(fā)動機(jī)，由英國牧師羅伯特·斯特林于1816年發(fā)明[3]。其效率理論上等于卡諾循環(huán)效率，工質(zhì)受熱膨脹、遇冷壓縮產(chǎn)生動力推動活塞做功，帶動飛輪使得發(fā)電機(jī)對外輸出功率。采用雙軸式云臺和太陽位置跟蹤器可以精確地對太陽的方位角和高度角進(jìn)行實時跟蹤,具有較高的穩(wěn)定性[4，5]。太陽光線在透鏡平面垂直入射后，聚光焦斑落在斯特林機(jī)熱端進(jìn)行加熱促使其持續(xù)運轉(zhuǎn)，而斯特林機(jī)與發(fā)電機(jī)之間采用皮帶傳動。最終，系統(tǒng)實現(xiàn)太陽能-熱能-機(jī)械能-電能的系列轉(zhuǎn)換。

1.2 測試平臺設(shè)計

基于上述各部件相互間的工作原理，設(shè)計透射式太陽能斯特林發(fā)電機(jī)測試系統(tǒng)，如圖1 所示。該系統(tǒng)中被檢測部分主要有透射式菲涅爾太陽能聚光器、斯特林發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和帶有交流調(diào)壓電源的加熱器等部件構(gòu)成。檢測部分主要由溫度采集儀、非接觸式轉(zhuǎn)速測速儀、功率計、紅外熱像儀以及PC 數(shù)據(jù)終端等設(shè)備構(gòu)成。通過太陽輻射聚光加熱或者改變加熱器的加熱功率，測試不同溫度下斯特林機(jī)的運行工況；通過溫度數(shù)據(jù)采集儀獲取冷熱缸溫度變化情況；通過非接觸式轉(zhuǎn)速測速儀測定飛輪轉(zhuǎn)速；通過功率計測得發(fā)電機(jī)輸出功率；紅外熱像儀可檢測系統(tǒng)溫度場變化情況。

圖1 測試系統(tǒng)設(shè)計示意圖

圖2 碟式太陽能斯特林發(fā)電機(jī)

圖3 測試系統(tǒng)實物圖[6]

本平臺創(chuàng)新地將具有性能測試系統(tǒng)的斯特林機(jī)作為案例引入到大學(xué)本科實驗教學(xué)，引起同學(xué)對新能源的重視。本平臺創(chuàng)新的將錐形二次聚光反射器與保溫型腔體相結(jié)合，提高聚光效率，降低系統(tǒng)熱損失。本平臺結(jié)合菲涅爾透鏡，采用下聚光，創(chuàng)新地將大型碟式太陽能斯特林發(fā)電機(jī)小型化，與通常的反射上聚光碟式裝置相比，重心低。碟式太陽能斯特林發(fā)電機(jī)如圖2所示，系統(tǒng)實物如圖3 所示。

2 測試內(nèi)容和步驟

2.1 測試內(nèi)容

調(diào)節(jié)變量參數(shù)通過調(diào)節(jié)電加熱器功率控制斯特林機(jī)熱端溫度，測量不同熱端溫度下系統(tǒng)發(fā)電性能，其中測試變量參數(shù)包含飛輪轉(zhuǎn)速、冷熱缸溫度、溫度場以及發(fā)電機(jī)輸出電流、電壓等參數(shù)變化等。

2.2 實驗步驟

該測試平臺依靠的外部熱源主要分為輔助電加熱和太陽能聚光加熱兩種類型。具體熱源類型的選用依據(jù)教學(xué)方案和測試當(dāng)天氣象情況而定。在輔助電加熱模式下，首先調(diào)節(jié)電加熱器加熱功率，測量斯特林機(jī)熱端溫度。然后待溫度達(dá)到設(shè)置數(shù)值并穩(wěn)定后，順時針撥動飛輪引發(fā)斯特林機(jī)運轉(zhuǎn)。期間，記錄所測得斯特林機(jī)冷熱端溫度差、飛輪轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機(jī)輸出電流（I）、電壓(U)，并采用紅外熱像儀測量熱端溫度場。此后，通過改變電加熱器加熱功率，重復(fù)上述步驟，直至完成實驗要求。實驗結(jié)束后，通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中系統(tǒng)發(fā)電功率(P)由P=UI 進(jìn)行計算。不同斯特林機(jī)熱端溫度下的實驗數(shù)據(jù)樣本，如表1 所示。冷熱端溫度差變化對功率、轉(zhuǎn)速的影響如圖4 所示。系統(tǒng)斯特林機(jī)熱端溫度場紅外熱成像，如圖5 所示。

表1 輔助加熱實驗數(shù)據(jù)參數(shù)

圖4 冷熱端溫度差對功率、轉(zhuǎn)速的影響

圖5 熱端溫度場圖

由圖4 可看出，隨著冷熱端溫度差上升，飛輪的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的輸出功率逐漸增大。同時，熱端溫度在300～350℃、350～450℃、450～500℃逐漸上升時，發(fā)電機(jī)輸出功率的增大趨勢在逐漸趨于平緩，特別是在450～500℃，功率幾乎沒有變化?？傮w而言，該測試平臺測試性能穩(wěn)定，溫度控制模式設(shè)定較為合理，測試系統(tǒng)所反饋出的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確的反映客觀變化。

2.3 太陽能聚光加熱

太陽能聚光加熱模式與輔助電加熱模式類似。所不同的是，太陽能聚光加熱模式屬于室外測試實驗，通過透射式菲涅爾太陽能聚光器聚光加熱斯特林機(jī)熱端。

以2021 年3 月15 日10 點30 分左右實驗數(shù)據(jù)為例，實驗地點在肇慶學(xué)院科技實訓(xùn)樓樓頂（東經(jīng)112°27′，北緯23°03′），天氣晴朗，風(fēng)速較低。該系統(tǒng)所采用的菲涅爾透鏡面積為0.25m2，其焦距為650mm。采用太陽能聚光集熱加熱（轉(zhuǎn)下頁）熱端。當(dāng)冷熱端溫度差穩(wěn)定為515℃時，測得發(fā)電機(jī)的輸出電流為0.032A，電壓為1.71V。系統(tǒng)發(fā)電功率(P)由P=UI 進(jìn)行計算，得P=0.05472W。

由上述實驗可知，該測試系統(tǒng)在太陽光聚光加熱模式下能進(jìn)行穩(wěn)定發(fā)電，實現(xiàn)了太陽能-熱能-機(jī)械能-電能的系列轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)論

本文介紹了透射式太陽能斯特林發(fā)電機(jī)測試系統(tǒng)的性能測試過程，對熱腔溫度、冷腔溫度、轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出電壓、電流等重要參數(shù)進(jìn)行了測量，以分析相關(guān)參數(shù)變化關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，設(shè)計出了適合于本科教學(xué)方案的實驗系統(tǒng)，對本科機(jī)械、車輛、物理、能源等專業(yè)的實驗課程建設(shè)和發(fā)展很有必要。這不僅能讓學(xué)生實驗操作、親身感受，激發(fā)興趣，培養(yǎng)我們在實驗過程中發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的工程能力，還可以讓更多對此感興趣的學(xué)生投入到新能源的學(xué)習(xí)研究中，為推進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”提供實際教學(xué)案例。