新能源論文太陽能斯特林發電技術應用前景

　　太陽能在國內新能源經濟里具有巨大的發展潛力，本篇新能源論文介紹了太陽能斯特林發電技術，通過這種外燃式熱機在具備一些傳統發電項目所不具備的優勢，解決了制約發電性能、提高熱電轉換效率的關鍵技術，已在空間探索，民用產業，武器領域等得到了成功的應用�？梢园l表新能源論文的期刊有《太陽能》(月刊)1980年創刊，是我國新能源領域的權威媒體。主要介紹我國新能源政策、普及太陽能知識、交流太陽能科技成果，是太陽能科技人員和愛好者的理想讀物。堅持為社會主義服務的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導，貫徹“百花齊放、百家爭鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針，堅持實事求是、理論與實際相結合的嚴謹學風，傳播先進的科學文化知識，弘揚民族優秀科學文化，促進國際科學文化交流，探索防災科技教育、教學及管理諸方面的規律，活躍教學與科研的學術風氣，為教學與科研服務。太陽能雜志是光伏方面投稿的雜志。

　　對于目前資源與環境的嚴峻形勢，各國研究機構出于節能減排，保障能源安全、解決氣候與能源資源等目的，積極開展各種新型能源的開發和利用，投入大量資金與技術與支持[1-4]，以及政府不斷采取相關優惠的政策法規進行扶助[5-7]，致力于形成和推廣可持續發展的清潔新能源動力的開發應用，處理好新能源與能源強度，經濟增長之間的關系[8]。

　　新能源的探索與研究包括：能源資源的開發與挖掘，能源資源的轉換和能源資源的有效利用三個方面。本文主要研究熱能與機械能和電能之間轉換的設備-斯特林發電機的原理研究和應用說明，為清潔能源的合理利用和高效轉換提供有益的參考。

　　2.斯特林發電機技術

　　2.1 原理

　　斯特林發電機是由斯特林發動機和交流發電機兩部分組成。1861年Stirling提出斯特林循環技術于，斯特林循環由兩個等溫壓縮和膨脹與兩個等容回熱過程組成的閉式熱力學循環，稱為斯特林循環(也稱為卡諾循環)，斯特林發動機是利用外部熱源加熱工質氣體，工質氣體再推動機構的動力活塞進行機械動能輸出，斯特林能量轉換機運動原理如圖1所示。

　　圖1中①為發動機起始點，此時工質氣體受外部熱能受熱膨脹，膨脹的工質氣體將配氣活塞推至膨脹腔最右端;動力活塞位于最右端，動力活塞依靠回復彈回向左移動。壓縮產生的熱量由冷卻器帶走，從① 到②為等溫壓縮;②到③為等容放熱過程，屬于內部換熱，與整個過程與能耗無關，配氣活塞和動力活塞同時在彈簧回復力的作用下同時向左移動。 ③到④為等溫膨脹，配氣活塞移動到最左端，動力活塞也位于最左端，理論上根據能量守恒，電機的發電量與膨脹功、內能之和是相等的關系。④到①為等容吸熱過程。完成一個循環，在整個循環中，動力活塞依靠配氣活塞傳遞的能量進行來回振動，同時帶動鏈接在動力活塞活塞桿上的永磁體在線圈之間擺動，線圈產生交流電流。

　　理論上，斯待林循環的熱效率等于同溫限卡諾循環的熱效率，但在實際應用中由于存在非理想化的不可逆因素，回熱器也不可能將百分之百的效率進行熱能傳遞，所以熱效率低于同溫下卡諾循環的理論熱效率，目前斯特林發動機的熱效率可達30%—45%[9]。斯特林發動機屬于外燃機，可以采用價廉易得的燃料，亦可利用太陽能及原子能作熱源;它排氣污染少、噪音低，對于緩解環境壓力，解決世界對優質能源需求、減少污染無疑是有利的[10]。

　　2.2 關鍵技術

　　斯特林發電機的關鍵技術主要有三個方面：首先是動力活塞和配氣活塞的動力學研究，由于斯特林的自由活塞是通過高壓氣體耦合由熱能驅動進行高頻往復振動，在運動中存在著復雜的物質和能量的傳遞。斯特林發電機的動力學研究可采用數學建模對其內部工質的溫度、速度、壓力、容積等進行熱力學和流體力學仿真分析[11]，得出最優 的動力學模型，指導整機結構的設計;其次是材料的選擇，斯特林發電機的關鍵部分為吸收熱量的熱頭和配氣活塞，為了達到高效能量傳遞，采用了薄壁容器高精度的相對運動，而容器長期處于800K以上的溫度，因此材料的選用方面需要考慮高溫下的穩定性，目前選用的理想材料為鎳基超級合金Ineonel718。第三是長壽命的問題，活塞與活塞缸之間的磨損以及材料在高溫下的失效，是影響發電機壽命的主要因素，通用的解決方法為柔性支撐與間隙密封相結合，也稱為“牛津型”。

　　2.3 研究成果

　　斯特林發動機發明的初衷是替代蒸汽機，解決蒸汽機工作不穩定的因素，由于當時的加工技術的限制，斯特林發動機的制造工藝和裝配技術無法滿足高效運轉的目的，因此人們認為斯特林發動機效率低下，利用價值較低，再者同時代更為高效的內燃機的發明和改進，阻礙了對斯特林發動機進一步研制工作，使斯特林的研制一度停止。

　　直至上世紀三十年代末，荷蘭菲利普公司重新開始了斯特林技術的研究，并對斯特林技術做了很大的改進，氣體工質采用氫氣或氦氣，用菱形傳動方案，改進了活塞的密封，使其工作效率和能量轉換的比例提高了50%，圖2為菲利普公司車輛驅動菱形斯特林發動機。

　　1972年，美國福特公司與菲利普公司合作研制了4-215型斯特林發動機，并獲得成功，此后由Mechanical Technology Incorporated (MTI)與瑞典UNITED Stirling Technology(UST)研制了四缸雙曲軸斯特林發動機，發動機效率超過了38%制造成本低于等效率內燃發動機，如圖3所示。

　　經過大量的研究工作，斯特林技術逐漸成熟，并走向工程化規�；膽盟�。二十世紀70年代，自由活塞斯特林機逐漸推廣至太陽能，反應堆以及民用生物熱能發電領域，取得了良好的經濟效益。

　　在國內中科院上海技術物理研究所、信息產業科技集團公司16 所、航天科技集團公司五院510所、華中科技大學、兵器科技集團公司211 所等單位先后開展了斯特林研究工作，其中航天510所于2015年完成了200W發電機的研制，效率和比功率指標達到了國內先進水平，技術性能如表1所述。

　　斯特林發動機屬于外燃熱機，可利用太陽能、生物熱能、核反應堆，石化燃料熱能等對熱端外部加熱，即可實現能量從熱能至電能的轉換。其依據高效、高比功率、低噪音等特點，在新能源利用和開發方面成為新的研究關注點。在斯特林發電技術方面以美國的Infinia公司和Sunpower公司研發的自由活塞式結構較為完善，成為現代主流機型，如圖4和圖5所示。2.4 應用

　　利用太陽能發電是開始于上世紀80年代石化燃料出現危機之后，主要出現了光伏發電和太陽光聚焦熱能發電。美國于八十年代中期至九十年代初期利用太陽光聚焦熱能發電裝機容量達到了353.8MW，發電成本為8.9美分/(kW·h)，取得了可喜的成績，此后，以色列、德國等各國投入經費研究太陽熱能發電技術。

　　太陽光聚焦發電是通過凹面鏡將太陽光聚焦至一點，聚焦后產生數百K的高溫，再通過加熱斯特林熱機部分，將集聚的熱能轉換為電能。目前太陽能熱電主要有塔式、槽式和碟式三種技術，如圖6，圖7和圖8所示。2010年底，全球建成運行的太陽能熱發電站約1.095GW，其中槽式太陽能熱發電站占比達到了90%。陽光資源充足的中東、非洲以及我國也開始致力于發展和利用太陽能熱電轉換技術。

　　除太陽光聚焦產生的熱量外，利用放射性同位素在核裂變時產生的高能粒子和射線與材料之間作用后產生的熱量，以及反應堆產生的熱量通過斯特林熱機進行發電，應用在空間探索、無人潛水艇、單兵電源裝備以及偏遠地區等的電力供應。這種利用反應堆與斯特林發動機結合的發電機雖然發電功率小，但其具有小型化、可移動性良好，以及長壽命等優點，具有良好的應用前景。

　　3結論

　　我們國家具有十分豐富的光照資源，但在太陽能斯特林發電方面起步較晚，一些關鍵的技術尚需改進完善，在以后的研究中應該加大研究力度，解決發電機運行的可靠性，進一步提高熱電轉換效率，減小與發達國家的差距，達到工程化規�；瘧玫陌l電系統。

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