我研制出百千瓦級(jí)自由活塞熱聲斯特林發(fā)電樣機(jī)

陸成寬

科學(xué)導(dǎo)報(bào)訊 筆者11月2日從中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所獲悉，該所成功研制國際首套百千瓦級(jí)自由活塞熱聲斯特林發(fā)電樣機(jī)。專家組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，在熱源溫度為530攝氏度時(shí)，發(fā)電樣機(jī)實(shí)測(cè)最大發(fā)電功率達(dá)102千瓦。

自由活塞熱聲斯特林發(fā)電技術(shù)是一種新型熱發(fā)電技術(shù)?；谠摷夹g(shù)研制的發(fā)電機(jī)，主要由自由活塞熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和直線電機(jī)兩部分組成。發(fā)動(dòng)機(jī)主要組成部件為加熱器、熱聲換能器（傳統(tǒng)稱回?zé)崞鳎⒗鋮s器等，直線電機(jī)主要組成部分為動(dòng)力活塞、永磁體、線圈等。

外部熱源通過加熱器向發(fā)動(dòng)機(jī)輸入熱量，提高加熱器的溫度；外部冷源則從冷卻器帶走熱量，使之維持在較低的溫度?！爱?dāng)加熱器和冷卻器之間的溫差達(dá)到一定值、熱聲換能器內(nèi)部形成一定的溫度梯度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的氣體就會(huì)產(chǎn)生自激聲振蕩，也就是氣體往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將熱能轉(zhuǎn)化為聲波形式的機(jī)械能?！敝袊茖W(xué)院理化所研究員羅二倉說，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的聲波又會(huì)推動(dòng)直線電機(jī)的動(dòng)力活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)永磁體改變線圈中的磁通量，感應(yīng)出交流電，從而完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化。

不同于汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)等傳統(tǒng)的熱機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，該類型發(fā)電機(jī)中的熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)沒有壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。“它主要是利用聲波壓力的交替升高和降低實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮和膨脹，同時(shí)通過氣體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與處于不同位置的高、低溫?fù)Q熱器壁面進(jìn)行換熱，完成能量轉(zhuǎn)化?！敝袊茖W(xué)院理化所研究員胡劍英告訴筆者。

羅二倉表示，自由活塞熱聲斯特林發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)突出?！耙皇窍到y(tǒng)簡(jiǎn)單，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件少，可靠性高；二是理論振動(dòng)小、噪聲低；三是理論效率高；四是熱源適應(yīng)性好，可以利用太陽能、余熱、生物質(zhì)能等各種不同形式的熱源。”羅二倉說。

然而，由于自由活塞熱聲斯特林發(fā)電技術(shù)存在復(fù)雜的熱動(dòng)力學(xué)問題，且涉及多項(xiàng)高難度加工及制備技術(shù)，單機(jī)最大功率一直難以獲得進(jìn)一步的突破。同時(shí)，較小的單機(jī)功率也極大地制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

在中國科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目支持下，理化所研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了先進(jìn)的熱聲分析和設(shè)計(jì)理論，闡明了熱聲轉(zhuǎn)換、聲場(chǎng)調(diào)節(jié)、聲電匹配等機(jī)理問題，突破了高功率交變換熱、高精度氣體間隙密封、氣浮支撐多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，研制成功了國際首套百千瓦級(jí)自由活塞熱聲斯特林發(fā)電系統(tǒng)。

胡劍英表示，自由活塞熱聲斯特林發(fā)電機(jī)功率的突破極大地拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域，使之成為太陽能熱發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電以及分布式能源領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景的新一代能源動(dòng)力轉(zhuǎn)換技術(shù)。