浅析斯特罗发动机的优劣及其实践应用.doc

浅析斯特林发动机优劣及其实践应用

浅析斯特林发动机的优劣及其实践应用
（Analyses the superiority of Stirling engine And its practical application）

姓名： 高 静
班级：08级工造1班
学号：0815084230
日期：
导师：

目 录
目录…………………………………………………………………………………1
摘要…………………………………………………………………………………2
正文…………………………………………………………………………………3
一、斯特林发动机简介 ………………………………………………………3
1.1 斯特林发动机结构和工作过程 ………………………………………………3
1.2 斯特林发动机在国内外动态 …………………………………………………4
二、斯特林发动机优劣分析…………………………………………………5
2.1、斯特林发动机的优势…………………………………………………………5
2.2、斯特林发动机的缺点…………………………………………………………5
三、斯特林发动机的实践应用 …………………………………………… 6
3.1、斯特林发动机在空间太阳能发电中的应用…………………………………6
3.2、用于热电联产型………………………………………………………………7
3.3、低能级的余热回收的斯特林发动机应用……………………………………7
3 4、在电力系统中的应用 ……………………………………………………… 8
四、结束语 ………………………………………………………………………9
参考文献……………………………………………………………………………9

浅析斯特林发动机的优劣及其实践应用
——高静
(班级学号)
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、工作过程和优缺点，及其在实践中的一些应用。
关键字：斯特林发动机；太阳能发电；分布式能源；优劣；应用

Analyses the superiority of Stirling engine
And its practical application
——Gao Jing
(Class and student ID)
Abstract: The 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，working process，merits and faults of a Stirling engine, and some applications in some new areas.
Keywords: Stirling engine; solar power; distributed energy; Merits and faults; Application

一 斯特林发动机简介
斯特林发动机（Stirling engine，又名热气机）是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，它理想的热力循环称作斯特林循环（即：概括性卡诺循环）。
斯特林发动机是由多种不同功能的配件系统组成（如：外部供热系统、热能转换系统、动力装换系统、气体控制系统、润滑系统、起动系统、机体等），涉及到多方面的技术，但这些技术又基本上属于已知的内燃机的技术范畴，是我们已经掌握的相对成熟的技术。
1.1 斯特林发动机结构和工作过程
斯特林发动机的加热器作为高温热源，冷却器作为低温热源。共有3种形式——α型、β型和γ型，其工作过程见图1。
图1：斯特林发动机的3种形式及其工作过程

α型斯特林发动机的2个活塞分别位于各自的气缸内，2个气缸通过冷却器、回热器和加热器连接。2个活塞连在同一根曲轴上，使其往复运动规律符合一定的要求。β、γ型斯特林发动机都采用活塞与排出器，只是前者的排出器与活塞同轴并位于做同一气缸内，而后者采用分开的气缸。仪型斯特林发动机是最简单的斯特林发动机形式，不足之处为2个活塞都要考虑工质的密封。活塞和排出器除了采用往复直线运动外，也可采用旋转运动。旋转式斯特林发动机目前已引起了人们的注意，它能够将其产生的功直接转化成扭矩输出，并可以避免往复运动带来的振动与机械应力等。   
无论哪种结构，斯特林循环都在密闭的容器内进行，其理论循环包括2个等温过程和2个等容过程。以仪型斯特林发动机为例，其工作过程为：
①状态1—2为等温压缩过程。活塞A处于上死点不动，活塞B由下死点开始上行到中间某位置，压缩工质，冷却器吸收工质压缩时放出的热量，维持工质温度不变。
②状态2—3为定容吸热过程。活塞A、B以同样的速率分别下行和上行，在定容条件下将压缩腔中的工质推人膨胀腔，低温工质经回热器吸热，压力和温度上升。
③状态3—4为等温膨胀做功过程。活塞B处于上死点不动，膨胀腔中高温、高压工质膨胀推动活塞A下行至下死点对外做功，其间工质经加热器吸收热量，维持工质温度不变。
④状态4—1为定容放热过程。活塞B、A以同样的速率分别下行和上行，分别到达下死点，将膨胀腔中的高温工质推人压缩腔，高温工质经回热器放热，压力和温度下降，回到初始状态，进入下一个循环。
斯特林循环的理论热效率等于相同温度工况下卡诺循环的热效率。但实际上，由于种种不可逆因素，斯特林发动机的发电效率较低，目前基本上与微型燃气轮机相同。

1.2 斯特林发动机在国内外动态
1.2.1、国内发展状况
我国从七十年代末即开始斯特林发动机的研究开发工作，已设计出功率150W-10KW发动机11种，多数已在实验室正常运转。到九十年代从事此项工作的约300人，并筹建中国热气机研究会。当时北京农业工程大学凌泽芝同志在能源政策研究通讯1991年第一期“发展热气机、促进农村电气化”一文中介绍国内外斯特林发动机的发展慨况及其特点后建议：“充分利用我国农村丰富的物质能源和部分地区丰富的太阳能资源以解决农业用电问题”。上海711研究所研制出的热气机是一种具有国际水准的科研成果，而排放的污染气体比目前市面上的其他发动机都要小，打到欧洲排放标准。而现阶段，在斯特林发动机方面，更多的致力于太阳能发电、分布式能源、电力系统等方面，甚至已经在向航海、航空方向进军。

1.2.2、国外发展状况
自从1816年苏格兰牧师雷伯尔特·斯特林发明了斯特林发动机，后被蒸汽机和内燃机所替代，到20世纪初期基本消失，直至1930年荷兰菲利蒲公司欣赏它外燃式静止发动机的特点，作为无线电用发动机的动力而重新开发，以后又做为汽车用发动机采取700℃以上的加热5-20MPa的氢气和氨气为工质，试制了换置式和斜板回转式双向发动机，并初步现实有可能成为比内燃机效率更高的外燃式汽车发动机。至此，国外的斯特林发动机的开发研究和实践应用大规模迅速发展，逐渐在各行各业中展露锋芒。
至此，国外的斯特林发动机已经广泛运用于空间太阳能发电、热电联产型、低能级余热回收、电力系统等领域，在航空等领域也已取得一定的成果。

二 斯特林发动机优劣分析
2.1、优势
与内燃机相比，斯特林发动机具备以下优势：
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，因此斯特林发动机可根据不同的燃料来配备不同的燃烧室或燃烧器。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70℃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人料量，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1～55 kW，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。
2.2、缺点
① 瞬态功率调整性能较差。斯特林发动机的功率输出相对稳定，很难快速地从一个功率等级调整到另一个功率等级。当斯特林发动机为汽车提供动力时，由于其稳定的扭矩特性，在怠速运行时燃油经济性较差，且瞬间提高动力性较差。
②由于冷却端的温度需要尽可能低，以此来提高热效率，这样就会导致冷却端的废热排放需要较大面积的散热器。特别对于小温差工况下的斯特林发动机，由于散热器的缘故，无法实现紧凑设计，这也是限制斯特林发动机作为汽车原动机的另一个主要原因。
③快速启动性能差。斯特林发动机不能马上开机正常运行，它需要一个暖机过程，时间较长。尽管内燃机也有这种现象，但其暖机时间比斯特林发动机短得多。
④氢、氦的低分子质量特性使其非常适合作为斯特林发动机的工质，但氢、氦为小分子物质，密封比较困难，因此须增加储气罐或气体发生器来保障氢、氦的需求量。以氢、氦作为工质也会带来腐蚀、脆化、工质流程复杂等问题，由此增加的辅助装置增加了成本与系统的复杂性。
⑤加热器与工质之间必须保障无腐蚀、无污垢，因此技术要求高。
⑥由于排放物中氧的含量过高，因此一步催化清除NO。较困难。
⑦加工、装配精度要求较高，造成斯特林发动机的生产成本和生产周期增加，因此成本略高于微型燃气轮机。

三 斯特林发动机的实践应用
3.1、斯特林发动机在空间太阳能发电中的应用
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。

图2：太阳能热发电斯特林循环系统示意图
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。

3.2、 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的外燃机完全可以满足500～1 500 m2建筑采暖，其结构如3。

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，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4：冷热电联产系统简图 图5：燃用固体燃料斯特林发动机系统简图
3.3、 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℃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。
3.4、 在电力系统中的应用
3.4.1、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。
3.4.2、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。
3.4.3、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。
3.4.4、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。
3.4.5、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用分布式能源系统来降低运行费用,也可缓解对中央电厂的压力,均衡电力负荷。低造价和高可靠性通常是调峰设备的基本要求,当调峰设备安装在超标区或年运行时间过长时,污染物排放也是一个值得考虑的问题。但由于目前进入市场的斯特林发动机价格昂贵,因此不具备用于电力调峰的条件。
3.4.6、电网支持
选择使用分布式发电站可以减少电网系统的造价、线路损耗、输电量以及中央电厂的容量储备。例如，美国很多电力公司在变电站安装柴油或天然气发动机来提供日趋增长的高峰负荷，这种配置能延缓输电网的升级换代时间，在受限制地区提供临时的峰值容量,或提高电压与频率可靠性,从而降低用户和当地电力公司的运行费用。斯特林发动机由于其装机容量较少自然受到限制。

四 结束语
斯特林发动机的应用还有很多，许多的新的领域正等待着世人去发现。在能源危机越来越严重的今天，追求节能和高效的运用能源成为各国的共识，我国也不例外。斯特林发动机的广泛应用，将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无论对中国的可持续发展,还是环境保护基本国策的落实,无疑都有着非常积极的作用。

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