碟式斯特林發(fā)動機(jī)的研究進(jìn)展

韓 強(qiáng)，祁影霞

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

能源是推動人類文明前進(jìn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在世界的發(fā)展過程中，煤、石油和天然氣等傳統(tǒng)能源發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。隨著化石燃料的日益短缺以及由此帶來的一系列環(huán)境問題，各國一方面通過改良技術(shù)提高能源利用效率，一方面加大太陽能、生物質(zhì)能等新能源的開發(fā)利用的進(jìn)程。如今太陽能發(fā)電、沼氣發(fā)電等成為重要研究方向［1-3］。在利用新能源的同時，還要研發(fā)與常規(guī)動力機(jī)不同燃燒方式的發(fā)動機(jī)。就目前來說，斯特林發(fā)動機(jī)是有效的解決辦法。斯特林發(fā)動機(jī)又叫熱氣機(jī)，它以空氣、氫氣、氦氣等氣體為工質(zhì)，且工質(zhì)在封閉環(huán)境下循環(huán)工作，具有燃料來源廣泛、運(yùn)行特性好、轉(zhuǎn)換效率高、噪音低、污染小、結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)［4-5］。目前該發(fā)動機(jī)無論在研究還是在實(shí)際應(yīng)用中都已有很大進(jìn)展。

1 斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)展

斯特林發(fā)動機(jī)于1816年由羅伯特·斯特林發(fā)明。在發(fā)明初期，受條件及技術(shù)的限制，大部分發(fā)動機(jī)的效率和功率都很低，而同期的內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)在效率和功率上有很大進(jìn)展，致使斯特林熱機(jī)的研發(fā)和運(yùn)用逐漸處于下滑趨勢，最終在1916年徹底停產(chǎn)。此后，斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài)［6］。

20世紀(jì)中期，由于全球能源短缺和環(huán)境污染等問題趨于嚴(yán)重，各國迫切尋求有效的解決辦法。由于斯特林發(fā)動機(jī)部分關(guān)鍵技術(shù)難題得到解決以及其特有的諸多優(yōu)點(diǎn)，目前又重新受到重視。荷蘭的菲利浦公司從20世紀(jì)中期開始專注于斯特林發(fā)動機(jī)的研發(fā)，為新型斯特林發(fā)動機(jī)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)［7］。美國通用汽車公司于1958年研發(fā)出一臺試驗(yàn)型斯特林發(fā)動機(jī)，為其在汽車上的應(yīng)用提供了理論依據(jù)［8］。之后，經(jīng)過福特公司、三菱重工和通用公司的發(fā)展，以及在美國、荷蘭、日本等工業(yè)大國政府的支持下，各個公司主要將人力和物力投入到直接利用熱能（燃料、太陽能）的熱泵和分散能源發(fā)電上，在碟式太陽能熱發(fā)電、熱泵和制冷等領(lǐng)域取得重大研究成果［9-10］。進(jìn)入21世紀(jì)后，美國Infinia 公司、SES公司和加拿大Linamar公司等諸多研究機(jī)構(gòu)相繼研發(fā)出功率大、效率高的斯特林發(fā)動機(jī)，使其得以快速發(fā)展。雖然目前對于碟式斯特林發(fā)動機(jī)的研究有了較大的進(jìn)展，但依然存在諸多問題，需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 斯特林發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理

根據(jù)斯特林發(fā)動機(jī)工作空間和回?zé)崞鞯呐渲梅椒?，可以將其分為α、β和γ三種基本類型。以β型為例，它主要由熱腔、加熱器、活塞、氣缸、回?zé)崞鳌⒗鋮s器、冷腔、傳動機(jī)構(gòu)及外部燃燒系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。加熱器與熱腔相連，冷卻器與冷腔相連，回?zé)崞魈幱跓釁^(qū)和冷區(qū)之間對工質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱。斯特林熱機(jī)循環(huán)工作過程是: 工質(zhì)在密封閉合回路中，受熱膨脹，遇冷壓縮而產(chǎn)生動力，從而使活塞在冷、熱腔內(nèi)循環(huán)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)在回路中流動做功［11］。

圖1 斯特林發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 1 Structure of the Stirling engine

斯特林發(fā)動機(jī)的理想循環(huán)過程由兩個定容過程和兩個等溫過程組成，其理想循環(huán)p-V圖如圖2 所示，其中：p為斯特林發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)壓強(qiáng)；V為斯特林發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)氣體體積。①等溫壓縮1→2：工質(zhì)在低溫下恒溫壓縮，向外界放熱；②定容吸熱2→3：壓縮后的工質(zhì)從壓縮腔經(jīng)過回?zé)崞骷訜岷螅M(jìn)入膨脹腔，壓力和溫度都迅速上升；③等溫膨脹3→4：高壓工質(zhì)膨脹做功，壓力降低，體積增大，從加熱器中獲得大量熱量；④定容放熱4→1：高溫工質(zhì)從膨脹腔經(jīng)回?zé)崞鳌⒗鋮s器，又進(jìn)入壓縮腔，溫度和壓力都下降。

斯特林循環(huán)T-S圖如圖3所示，其中：T為斯特林發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)氣體的溫度；S為斯特林發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)氣體的熵。在理論上，斯特林循環(huán)的熱效率與卡諾循環(huán)熱效率相同［12］，其熱效率公式為

3 斯特林發(fā)動機(jī)在碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)的裝置與原理

太陽能發(fā)電可分為太陽能熱發(fā)電和光伏發(fā)電。目前，大多數(shù)采用光伏發(fā)電。太陽能熱發(fā)電主要指斯特林熱發(fā)電技術(shù)，其不僅效率高，而且成本低，有很大的發(fā)展?jié)撃?，目前已?jīng)在一些地區(qū)推廣應(yīng)用，且必定會越來越受到關(guān)注。太陽能熱發(fā)電主要通過吸收陽光輻射產(chǎn)生高溫?zé)崮苓M(jìn)而發(fā)電，可以分為塔式、槽式、碟式和線性菲涅耳式，其中碟式太陽能熱發(fā)電效率最高，最高記錄可達(dá)31.25%［13］，并且安裝和設(shè)置相對容易，無需專門的場地，既適合分布式發(fā)電，又可模塊化組合后形成規(guī)模發(fā)電。碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示，主要由聚光器、陽光接收器、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（陽光跟蹤）、斯特林發(fā)動機(jī)、發(fā)電設(shè)備等組成［14-15］。通過碟式聚光器將表面接收的太陽光反射到拋物面焦點(diǎn)位置的陽光接收器上，接收器吸收反射的太陽輻射，產(chǎn)生熱量，并傳遞給腔內(nèi)的工質(zhì)，使工質(zhì)得以加熱，并作為斯特林發(fā)動機(jī)的動力源，產(chǎn)生機(jī)械能，推動與其相連的發(fā)電機(jī)，從而輸出電能。

圖2 斯特林理想循環(huán) p-V 圖Fig. 2 p-V diagram of Stirling ideal cycle

圖3 斯特林理想循環(huán) T-S 圖Fig. 3 T-S diagram of Stirling ideal cycle

圖4 碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Structure of solar thermal power generation system based on dish Stirling engine

3.2 斯特林太陽能發(fā)電在國內(nèi)外的應(yīng)用

國外在這些方面已經(jīng)取得相當(dāng)大的成果，特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，各國公司相互合作，為碟式斯特林技術(shù)的發(fā)展提供了很大動力。2007年，美國Infinia 公司成功開發(fā)出3 kW自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)樣機(jī)，并經(jīng)過改進(jìn)應(yīng)用于碟式斯特林發(fā)電中，第二年又突破性地開發(fā)出第一套碟式發(fā)電系統(tǒng)。瑞典Cleanergy公司在德國Solo 161型斯特林發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，研發(fā)出10 kW級的碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)，并產(chǎn)生400 V的三相交流電。2008年，SES公司又開發(fā)出Serial 3型碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)，并對其進(jìn)行并網(wǎng)檢測，結(jié)果顯示其光電轉(zhuǎn)換效率突破性地達(dá)到31.25%，成為最高轉(zhuǎn)換紀(jì)錄［16］。2009年，SES公司與Tessera Solar公司進(jìn)行合作，設(shè)計出1.5 MW級斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)，并于2010年在亞利桑那州成功建成電站投入使用。2010年，Infinia 公司又研發(fā)出30 kW級碟式斯特林發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過一系列的測試和改進(jìn)，于2012年進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段［17-18］。

雖然我國對于碟式斯特林發(fā)電技術(shù)的研究起步較晚，但隨著政府對新能源技術(shù)的重視，近年來也取得了很大進(jìn)步。21世紀(jì)初，中國科學(xué)院電工研究所初步開發(fā)出小型千瓦級碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)，并對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，進(jìn)一步探索出動態(tài)追蹤太陽位置和較精密的調(diào)控技術(shù)。2010年，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所通過結(jié)合行波熱聲發(fā)動機(jī)開發(fā)出新型千瓦級碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性［19］。2012年，大連宏海新能源發(fā)展有限公司通過與Cleanergy公司合作研發(fā)出100 kW級碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)，并在內(nèi)蒙古建成國內(nèi)首個規(guī)?；瘧?yīng)用電廠［20］。西安航空動力股份有限公司于“十一五”期間研發(fā)出25 kW級碟式斯特林發(fā)電機(jī)樣機(jī)，經(jīng)過多年實(shí)驗(yàn)和技術(shù)攻關(guān)，最終具備批量生產(chǎn)的能力［21］。2015年，西航公司在“兆瓦級碟式斯特林發(fā)電站建設(shè)項(xiàng)目”上又實(shí)現(xiàn)重大突破，示范電站的設(shè)計已初步完成，即將建成擁有50臺碟式斯特林發(fā)電裝置的大規(guī)模太陽能發(fā)電示范基地。

4 碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 陽光跟蹤控制系統(tǒng)

陽光照射到碟式聚光鏡后，需要聚光鏡將接收的陽光輻射反射給陽光接收器，使其產(chǎn)生高溫，才能推動斯特林發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。要產(chǎn)生更多的熱量和最大化利用接收到的陽光輻射，需要使碟式聚光鏡與太陽的位置時刻保持一致，因此，高精度的陽光跟蹤控制系統(tǒng)成為提高發(fā)電效率的關(guān)鍵［22］。

陽光跟蹤原理：照射進(jìn)來的太陽光透過通光孔會在光電傳感器上產(chǎn)生光斑，光電傳感器檢測到光斑與中心位置的偏差后，計算太陽具體方位，將收集到的信息傳遞給控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而對太陽進(jìn)行動態(tài)跟蹤［23］。太陽位置檢測原理如圖 5所示，其中：L為光斑與中心軸線的偏差；H為暗室與光電傳感器的高度差；為太陽光線的偏差角。

圖5 太陽位置檢測原理Fig. 5 Principle of solar position detection

光電傳感器以二維坐標(biāo)的形式對光斑的位置進(jìn)行檢測，則太陽此刻的偏差角可以用θx和θy表示，由式（2）可得到

式中，Lx、Ly分別為光斑在x、y方向的偏差。

此時，光電傳感器將得到的信息傳遞給控制系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使光斑時刻保持在中心位置，從而使太陽能利用率盡可能最大化。

4.2 接收器聚熱技術(shù)

接收器接收從聚光鏡反射的太陽輻射熱量，并在安裝于碟面焦點(diǎn)處的感光系統(tǒng)上形成光斑，從而將該熱量傳遞給斯特林發(fā)動機(jī)。接收器在系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的能量轉(zhuǎn)換作用，其內(nèi)部陽光分布如圖6所示。一般太陽輻射熱流密度為7.5 × 105W·m-2左右。為了增加受熱面積，碟式發(fā)電系統(tǒng)通常采用腔體式接收器，使其能夠在高達(dá)1 MW·m-2的熱流密度下正常工作，以適合高溫場合的使用［24］?，F(xiàn)在國內(nèi)外使用的部分接收器無法滿足性能要求，主要原因是經(jīng)過聚光鏡反射的太陽光無法在接收器內(nèi)部均勻分布，所產(chǎn)生的局部高溫對換熱管危害很大，甚至能夠?qū)Q熱管壁熔化，使斯特林發(fā)動機(jī)因工質(zhì)泄漏無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)［25］。因此，在研究精密接收器的同時，還要滿足對接收器材料耐高溫特性的要求。

圖6 太陽光在接收器內(nèi)分布Fig. 6 Sunlight distribution within the receiver

上海齊耀動力技術(shù)有限公司通過對直照型、熱管型、混合型接收器進(jìn)行各種性能對比，對接收器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并在接收器聚光比和其深度的設(shè)計上取得了一定的研究成果，發(fā)現(xiàn)接收器內(nèi)腔的入口直徑（焦平面直徑）和深度對接收熱量的效率有很大的影響［24］。據(jù)統(tǒng)計［26］，幾何聚光比在2 300:1以上時，接收器內(nèi)的能量才能使斯特林發(fā)動機(jī)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。朱辰元等［24］通過實(shí)驗(yàn)分析接收器內(nèi)腔深度與內(nèi)部能量分布情況，得出接收器深度與聚熱的關(guān)系。在理論上，其他參數(shù)不變，接收器深度越淺，聚熱量越多，冷、熱腔內(nèi)工質(zhì)的溫差也越大。在實(shí)際中，深度過淺將導(dǎo)致接收器能量損失，降低熱效率，所以需要繼續(xù)研究其深度較為合適的平衡點(diǎn)。

4.3 斯特林發(fā)動機(jī)功率控制技術(shù)

碟式斯特林發(fā)動機(jī)利用接收的陽光輻射能作為動力，使內(nèi)部工質(zhì)來回循環(huán)運(yùn)動輸出功率。在實(shí)際發(fā)電過程中，陽光強(qiáng)度變化不定，且工質(zhì)換熱較快，要達(dá)到正常平穩(wěn)發(fā)電，需要控制系統(tǒng)使其能根據(jù)陽光強(qiáng)度及時做出調(diào)整，對發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。目前功率控制技術(shù)還不夠成熟，對此進(jìn)行深入研究對碟式斯特林發(fā)電技術(shù)的推廣意義重大。

西安航空動力股份有限公司利用研發(fā)成功的20 kW級碟式太陽能聚光器雙作用斯特林發(fā)電系統(tǒng)，針對壓力調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)進(jìn)行了模擬計算［27］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，調(diào)節(jié)腔內(nèi)工質(zhì)壓力更便于實(shí)現(xiàn)對功率的控制。當(dāng)需要減小發(fā)電機(jī)功率時，可在循環(huán)氣體中移出部分氣體，降低氣體的壓力，功率可隨之下降；當(dāng)需要增加功率時，可將一定量的氣體補(bǔ)充到循環(huán)氣體中，使氣體壓力升高，發(fā)電機(jī)功率隨之增加。任金鵬等［28］通過對飛思卡爾單片機(jī)進(jìn)行研究，得出通過調(diào)節(jié)加熱管的溫度來改變腔內(nèi)工質(zhì)的壓力也可以實(shí)現(xiàn)對功率的控制。Beltrán-Chacon 等［29］通過采用恒定容積的控制系統(tǒng)對碟式斯特林發(fā)動機(jī)的性能進(jìn)行分析，研究了腔體容積對功率控制的影響，發(fā)現(xiàn)增大腔體容積使溫度上升可以提高輸出功率。

4.4 斯特林發(fā)動機(jī)密封技術(shù)

良好的密封技術(shù)在實(shí)現(xiàn)密封作用的同時，還可以減少接觸磨損和由此產(chǎn)生的污染，否則由于間隙內(nèi)氣體在配氣活塞與氣缸壁面、活塞桿與動力活塞內(nèi)孔徑壁面以及動力活塞與氣缸壁面的泄漏，將引起能量的損失［30］。斯特林發(fā)動機(jī)不同于內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)在循環(huán)中存在與外界進(jìn)行氣體交換的過程，其循環(huán)過程中工質(zhì)被封閉在一個獨(dú)立的區(qū)域內(nèi)，與外界沒有質(zhì)量交換，而且活塞上、下端有非常高的溫差或壓差，氣體容易泄露。而氣體一旦泄露，會快速降低發(fā)動機(jī)的輸出功率和換熱效率，發(fā)動機(jī)將無法正常運(yùn)行［31］。

斯特林發(fā)動機(jī)的密封技術(shù)可分為間隙式和接觸式，主要研究的是間隙密封。間隙密封的性能取決于活塞與活塞桿及氣缸壁的間隙、氣體的黏度及活塞行程，其密封結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中：L0為間隙密封長度；p1、p2分別為長度為L0的間隙內(nèi)兩端流體的壓強(qiáng)；h為密封間隙的高度。對于活塞桿密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通常以填料函和擋油圈這種組合方式進(jìn)行密封［32］。另外，活塞與氣缸壁的間隙必須盡可能地小，通常為直徑的1/1 000，同時要求配合表面有很高的硬度，還需防止因機(jī)械和熱應(yīng)力導(dǎo)致其變形。另外，氣體的黏度越大，潤滑性能越好，密封效果也越好，并且活塞行程增大，氣體的泄漏率也將降低。楊東亞等［33］根據(jù)斯特林發(fā)動機(jī)帽式密封的特點(diǎn)，對絕對密封和滑動密封等密封方式進(jìn)行分析對比，設(shè)計出一種新型活塞桿密封裝置，并進(jìn)行了密封測試實(shí)驗(yàn)，密封效果顯著；陳國祥等［34］運(yùn)用滑動密封理論結(jié)合密封套結(jié)構(gòu)的方法，分析并研究了滑動密封的技術(shù)原理，重點(diǎn)研究了密封套、支撐環(huán)擴(kuò)撐、過盈配合及油膜厚度對高壓動密封的影響，優(yōu)化了密封結(jié)構(gòu)。

圖7 間隙密封的數(shù)學(xué)模擬Fig. 7 Mathematical simulation of the clearance seal

5 結(jié)論與展望

隨著全球能源問題和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，全世界都在尋求新能源的利用，而太陽能斯特林發(fā)電技術(shù)正符合這種需求。本文介紹了斯特林熱機(jī)的發(fā)展過程、循環(huán)工作原理及國內(nèi)外對于碟式斯特林發(fā)電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，主要針對碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹和總結(jié)?？傮w上看，碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)眾多，并受到越來越多國家的重視，具有良好的應(yīng)用前景。但是，要使碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)效率更高，推進(jìn)其進(jìn)一步發(fā)展，研發(fā)性能優(yōu)越的熱氣機(jī)和改良以上關(guān)鍵技術(shù)是以后研究的重點(diǎn)。

同時，還要看到太陽能發(fā)電受天氣影響較大，致使其發(fā)電效率不高，并且地域性限制較為明顯。因此，可以根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源分布，利用斯特林發(fā)動機(jī)燃料來源廣泛的特點(diǎn)，與生物質(zhì)能、污水處理廠產(chǎn)生的沼氣、煉油廠排放的余熱等其他能源相結(jié)合。例如，設(shè)計成光氣互補(bǔ)型，實(shí)現(xiàn)在沒有陽光或不良天氣的條件下通過燃燒可燃?xì)怏w發(fā)電，達(dá)到系統(tǒng)24 h連續(xù)發(fā)電的目的，從而提升整體發(fā)電效益。目前我國大力提倡節(jié)能減排，并資助相關(guān)耗能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行設(shè)備升級，因此碟式斯特林發(fā)電技術(shù)憑借其環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)必定會越來越受到重視。