斯特林发动机简介和新应用.docx

斯特林发动机简介和新应用黄庆仁（哈尔滨工业大学0802014班 1080210417）摘要：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一种外燃式发动机，它与内燃机的区别在于对封入的气体持 续在外部对其进行加热和冷却，从而推动活塞做功它具有燃料多样化，高效率，低污染， 低速扭矩等特点，使得它具有广泛的应用在本文中，将简要介绍斯特林发动机的结构，特 点与在某些新领域的研究进展关键字：斯特林发动机；太阳能发电；分布式能源；余热回收；电力系统About Stirling engines and new applicationsHuangqingren(1080210417 Class0802104 HIT)Abstract： T he Stirling heat engine is unique because they are almost equal to the theoretical efficiency of the theoretical maximum efficiency, known as the Carnot cycle efficiency. Stirling engine is an external combustion engine, the difference between it and the internal combustion engine is continuously on the gas enclosed in the external heating and cooling them to push the piston acting. It has a fuel diversification,high efficiency,low pollution, low-speed torque characteristics, making it a wide range of applications. In this article, we will briefly introduce the structure of a Stirling engine, features and applications in some new areas of research progress.K©ywords： Stirling engine; solar power; distributed energy; Waste heat recovery;power system一斯特林发动机结构和特点简介斯特林发动机是一种外燃的闭式循环往 复活式热力发动机,1816年由苏格兰的R. 斯特林发明。

斯特林发动机气缸一端为热腔, 另一端为冷腔工质在低温冷腔中压缩，然 斯特林发动机结构见图如下： 后流到高温热腔中迅速加膨胀做功燃料在 气缸外的燃烧室内连续燃烧，通加热器传给 工质,工质不直接参与燃烧，也不更换⑴]—热腔———配气活客回热器一 ——则热器冷却水出口— •由于其独特的结构，斯特林发动机和内 发动机可根据不同的燃料来配备不同的燃燃机相比有如下特点[2】：① 采用独立的燃烧室，燃料的选择范围更广，并可使用热值较低且杂质含量较高 的燃料燃烧室可以独立设置，因此斯特林,: | 1： .. |・|：烧室或燃烧器•对于气体燃料，可以采用圆筒形燃烧室,采用两次送风，空气通过旋流器 产生回流来稳定火焰和加强与燃料的混合, 气体燃料采用多孔射流的方式进入燃烧室 对于不同气体燃料，喷嘴和配气系统略有不同对于固体燃料，常采用低NOx旋流燃烧 器与低NOx流化床燃烧技术对于生物质 燃料，常采用高温空气气化技术，高温空气发 生器采用分级燃烧和高温低氧燃烧技术相 结合的燃烧器还可以使用任何高温热源， 而发动机本身(除加热器外)不需要进行任何 改造，也无需压缩机增压只要存在70r以 上的高温热源，设备即可运行做功。

② 由于采用独立的燃烧室，能更加精确 地控制空气与燃料混合物的入料量，而且燃 烧过程连续，未完全燃烧的排放物将大大减 少③ 斯特林发动机的支撑与密封结构常 处在低温侧，比其他往复式发动机润滑剂需 要量少，大修的间隔期更长④ 气缸结构相对简单,没有进、出气阀 及燃油喷射器，因此零部件数量仅为内燃机 的60%，成本可大幅降低，维护成本也可降 低⑤ 不会像其他发动机产生震爆现象，从 而使振动减小，噪声降低，因振动产生的疲劳 破坏也随之减少斯特林发动机曲轴每转的 扭矩不均匀度小，扭矩输出相对稳定，而内燃 机的扭矩输出变化较大⑥ 单机容量小，适合应用在分布式能源 系统目前，正在开发的机型的输出功率主 要为1〜55kW,输出功率小的较适合住宅使 用，输出功率大的较适合小型工业或商业企 业使用在大功率需求的场所，也可以通过 模块化阵列组合来实现更大的输出功率⑦ 余热易于回收，可结合热电联产联合运 行⑧ 功率输出和效率不受海拔的影响，非常 适合于高海拔地区使用海拔增大时，空气 密度下降，内燃机因受到容积效率的限制，输 出功率也随之下降，而斯特林发动机只受到 高温热源和环境温度的影响斯特林发动机 的循环效率与卡诺循环的效率是相等的。

一 般回热器的效率8 =0.98〜0.99所以斯特林 发动机有较高的热效率斯特林发动机高的 扫气容积功率是普通的活塞式内燃机所望 尘莫及的二斯特林发动机的部 分新应用研究(1 )斯特林发动机在空间太阳能发电中的应用[3]空间太阳能热发电系统由3部分组成: 发电装置、微波转换发射装置、微波接收转 换装置空间太阳能热发电装置概念模型是 单聚光系统，采用自由活塞式斯特林发动机 发电，运行于地球低轨道LEO上它包括: 聚光器、吸热器、发动机/发电机，和辐射换 热器，系统示意图如图2所示聚光嚣图2接上一缸自由活塞式接晶常的斯特林发动机】直线鲫 财微波发射器空腔吸热器略器Na K循环抒冷却遂—福射换烘器太阳能热发电斯特林循环系统示意图Fig.2 Schematic of sol£r Stirling e^iftfe^抛物面型聚光器把阳光汇聚到位于焦点 处的空腔圆盘型吸热器中，腔壁对提高聚光 比几乎不起任何作用，只是为防止陨石、空 间粒子刺穿位于底部的热管热管中充满高 压工质气体,工质在这里吸热膨胀、再回到 位于吸热器外底部的自由活塞式斯特林发 动机（在空腔吸热器外底部装有100台自由 活塞式斯特林发动机）的膨胀腔中，推动活 塞往复作功，经直线电机转变成电能输出， 微波发射器再把电能转换成微波向用户发 射。

在宇宙空间中热量只能以辐射方式散出, 为增强散热效果，采用Na2K合金液态金属 冷却工质Na2K合金吸收工质热量后流经 扇形辐射换热器散热，工质经冷却器与 Na2K合金进行热量交换，冷却后流回发动 机压缩腔压缩，从而完成一个循环发电装 置有关参数列于表1表1自由活塞式斯活林发动机发电装置参数表Tab. ] Parajnerers of free pisronof Stirling enane power generator总体参数装置总功率/MW底边F[径/m1.']/ in反光表面积/kn?循环300123014001. 18SSirline:循环聚光器形式充气，连续数II1聚光比2250效率/ %651T 径/m1230吸热器形式空腔圆盘型数II1吸收效率/ %60底部直径/m21.5高/in26吸热管内径/cm1吸热管长度/Hl1.27（2）用于热电联产型充分利用它环境污染小的特点，在大城 市里可以以天然气作燃料，通过斯特林发动 机内部的冷却装置，加热冷却水并回收烟气，即可采暖1台25kW的外燃机完全可 图3以满足500〜1 500 m2建筑采暖，其结构如图3 城市家用热电联产型这种使用斯特林发动机的热电联产装 置实际上相当于一台副产电力的供热锅炉， 一般情况下根据供热需求确定其运行状态， 其电力系统可与电网连接，多余的电力通过 配电盘向外界供电。

如果配备相应的热水型 吸收式制冷机，如图4所示，进行工作以空气为工质运转时，噪音低、振 动小无污染不用润滑，既可取暖，又可发 电，非熟练工人也能操作，如图5所示图5燃用固体燃料斯特林发动机系统简图图4冷热电联产系统简图夏季就可以利用热能制取空调所需的冷却 水,从而部分地取代目前广泛使用的耗电量 可观的蒸汽压缩式空调制冷装置显然，不仅 在冬季的供暖期,而且在夏天的供冷期，热电 联产装置都能发挥重要的作用在农村，斯特林发动机可以燃烧各种物 质，如木屑、米糠、棉秆、椰子皮壳和谷壳等(3)低能级的余热回收的斯特 林发动机应用斯特林发动机的另一优势是余热回收， 利用热腔温度达到700°C即可发电的特性， 不需要任何介质或热能转换装置，直接将热 腔伸入热源之中，将余热转换成高价值的电 能例如:炼油厂、化工厂、焦化厂、冶炼 厂等，均可使用每个外燃机可以回收25 kW电能和44 kW热能4)在电力系统中的应用I.提供优质电力需要优质电力的用户常常是一些使敏 感性极强的电子设备的工厂，它需要被格控 制的正弦交流电波或直流电源当用户需要 高品质、高可靠性的优质电力时，通常愿意 付出额外的费用，很少担心发电机设备的造 价。

在优质电力发电市场,低噪声、低震动、 低排放常常是优先考虑的问题，因此质优价 高的斯特林发动机将具有较强的竞争力II.远距离发电在一些偏远地区，特别是偏远地区的独立 用户,由于远离电网，可能无法得到电力供应 部门的服务，即使为这些用户敷设电网，电网 造价及运行成本将远远高于分布式能源系 统因此，对于这些用户，使用分布式能源系 统更为经济在远距离发电应用方面，因斯 特林发动机使用的燃料较灵活，而且不受海 拔的影响，已获得推广应用和市场的认可 利用斯特林发动机的远距离发电也包括在 油井、气井、油气产品生产地、煤矿及垃圾 填埋场等地点的应用，这是由于生产过程中 的副产品 燃气容易得到且价格低廉m.连续发电连续发电通常要求年发电时间达到6 000 h以上斯特林发动机想要占有一席之 地，其电价就必须比当地电网公司的零售电 价更具竞争力，但目前的情况不乐观如果 当用户担心当地电网的可靠性或供电质量 时,出于风险考虑，有可能愿意付出较高代价 使用斯特林发动机IV.备用电力备用发动机在主电源停止工作或主电 源的电压、频率不正常时迅速提供电力使 用备用电力的用户包括医院、飞机场、电信 部门及超市等，也包括一些运行设备，如水 泵、电梯、安全应急系统等。

对于备用电力 设备的要求一般为低造价、低维护成本高可 靠性、快速启动和脱网运行等备用发动机 年运行时间少，通常为300〜500 h，发电效 率、污染物排放量和可变维护成本不是优先 考虑因素柴油发动机以其低造价、良好的 快速启动能力和卓越的负荷响应特性而被 广泛应用，斯特林发动机和其他燃气发动机 在这些方面不具备优势，特别是斯特林发动 机的快速启动性能比较差V电力调峰电力调峰适用于较差的电负载系数或高 峰负荷时高电价的地区在分时电价下，用户 可以在高电价的高峰负荷时段使。