碟式斯特林發動機的研究進展

韓 強，祁影霞

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

能源是推動人類文明前進的重要物質基礎，在世界的發展過程中，煤、石油和天然氣等傳統能源發揮著關鍵的作用。隨著化石燃料的日益短缺以及由此帶來的一系列環境問題，各國一方面通過改良技術提高能源利用效率，一方面加大太陽能、生物質能等新能源的開發利用的進程。如今太陽能發電、沼氣發電等成為重要研究方向［1-3］。在利用新能源的同時，還要研發與常規動力機不同燃燒方式的發動機。就目前來說，斯特林發動機是有效的解決辦法。斯特林發動機又叫熱氣機，它以空氣、氫氣、氦氣等氣體為工質，且工質在封閉環境下循環工作，具有燃料來源廣泛、運行特性好、轉換效率高、噪音低、污染小、結構簡單等諸多優點［4-5］。目前該發動機無論在研究還是在實際應用中都已有很大進展。

1 斯特林發動機的發展

斯特林發動機于1816年由羅伯特·斯特林發明。在發明初期，受條件及技術的限制，大部分發動機的效率和功率都很低，而同期的內燃機和汽輪機在效率和功率上有很大進展，致使斯特林熱機的研發和運用逐漸處于下滑趨勢，最終在1916年徹底停產。此后，斯特林發動機的發展幾乎處于停滯狀態［6］。

20世紀中期，由于全球能源短缺和環境污染等問題趨于嚴重，各國迫切尋求有效的解決辦法。由于斯特林發動機部分關鍵技術難題得到解決以及其特有的諸多優點，目前又重新受到重視。荷蘭的菲利浦公司從20世紀中期開始專注于斯特林發動機的研發，為新型斯特林發動機的發展作出了重要貢獻［7］。美國通用汽車公司于1958年研發出一臺試驗型斯特林發動機，為其在汽車上的應用提供了理論依據［8］。之后，經過福特公司、三菱重工和通用公司的發展，以及在美國、荷蘭、日本等工業大國政府的支持下，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電上，在碟式太陽能熱發電、熱泵和制冷等領域取得重大研究成果［9-10］。進入21世紀后，美國Infinia 公司、SES公司和加拿大Linamar公司等諸多研究機構相繼研發出功率大、效率高的斯特林發動機，使其得以快速發展。雖然目前對于碟式斯特林發動機的研究有了較大的進展，但依然存在諸多問題，需要進行進一步研究。

2 斯特林發動機的結構與原理

根據斯特林發動機工作空間和回熱器的配置方法，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、回熱器、冷卻器、冷腔、傳動機構及外部燃燒系統等組成，其結構簡圖如圖1所示。加熱器與熱腔相連，冷卻器與冷腔相連，回熱器處于熱區和冷區之間對工質進行預熱。斯特林熱機循環工作過程是: 工質在密封閉合回路中，受熱膨脹，遇冷壓縮而產生動力，從而使活塞在冷、熱腔內循環運動，實現在回路中流動做功［11］。

圖1 斯特林發動機結構簡圖Fig. 1 Structure of the Stirling engine

斯特林發動機的理想循環過程由兩個定容過程和兩個等溫過程組成，其理想循環p-V圖如圖2 所示，其中：p為斯特林發動機氣缸內壓強；V為斯特林發動機氣缸內氣體體積。①等溫壓縮1→2：工質在低溫下恒溫壓縮，向外界放熱；②定容吸熱2→3：壓縮后的工質從壓縮腔經過回熱器加熱后，進入膨脹腔，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：高溫工質從膨脹腔經回熱器、冷卻器，又進入壓縮腔，溫度和壓力都下降。

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

3 斯特林發動機在碟式太陽能發電系統中的應用現狀

3.1 碟式斯特林太陽能發電系統的裝置與原理

太陽能發電可分為太陽能熱發電和光伏發電。目前，大多數采用光伏發電。太陽能熱發電主要指斯特林熱發電技術，其不僅效率高，而且成本低，有很大的發展潛能，目前已經在一些地區推廣應用，且必定會越來越受到關注。太陽能熱發電主要通過吸收陽光輻射產生高溫熱能進而發電，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電效率最高，最高記錄可達31.25%［13］，并且安裝和設置相對容易，無需專門的場地，既適合分布式發電，又可模塊化組合后形成規模發電。碟式斯特林太陽能熱發電系統結構示意圖如圖4 所示，主要由聚光器、陽光接收器、轉向機構（陽光跟蹤）、斯特林發動機、發電設備等組成［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位置的陽光接收器上，接收器吸收反射的太陽輻射，產生熱量，并傳遞給腔內的工質，使工質得以加熱，并作為斯特林發動機的動力源，產生機械能，推動與其相連的發電機，從而輸出電能。

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

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

圖4 碟式斯特林太陽能熱發電系統結構示意圖Fig. 4 Structure of solar thermal power generation system based on dish Stirling engine

3.2 斯特林太陽能發電在國內外的應用

國外在這些方面已經取得相當大的成果，特別是進入21世紀后，各國公司相互合作，為碟式斯特林技術的發展提供了很大動力。2007年，美國Infinia 公司成功開發出3 kW自由活塞式斯特林發動機樣機，并經過改進應用于碟式斯特林發電中，第二年又突破性地開發出第一套碟式發電系統。瑞典Cleanergy公司在德國Solo 161型斯特林發動機基礎上，研發出10 kW級的碟式斯特林發電系統，并產生400 V的三相交流電。2008年，SES公司又開發出Serial 3型碟式斯特林發電系統，并對其進行并網檢測，結果顯示其光電轉換效率突破性地達到31.25%，成為最高轉換紀錄［16］。2009年，SES公司與Tessera Solar公司進行合作，設計出1.5 MW級斯特林太陽能發電系統，并于2010年在亞利桑那州成功建成電站投入使用。2010年，Infinia 公司又研發出30 kW級碟式斯特林發電機系統，經過一系列的測試和改進，于2012年進入商業應用階段［17-18］。

雖然我國對于碟式斯特林發電技術的研究起步較晚，但隨著政府對新能源技術的重視，近年來也取得了很大進步。21世紀初，中國科學院電工研究所初步開發出小型千瓦級碟式斯特林發電系統，并對其進行實驗測試，進一步探索出動態追蹤太陽位置和較精密的調控技術。2010年，中國科學院理化技術研究所通過結合行波熱聲發動機開發出新型千瓦級碟式斯特林發電系統，并通過實驗驗證了其可行性［19］。2012年，大連宏海新能源發展有限公司通過與Cleanergy公司合作研發出100 kW級碟式斯特林發電系統，并在內蒙古建成國內首個規模化應用電廠［20］。西安航空動力股份有限公司于“十一五”期間研發出25 kW級碟式斯特林發電機樣機，經過多年實驗和技術攻關，最終具備批量生產的能力［21］。2015年，西航公司在“兆瓦級碟式斯特林發電站建設項目”上又實現重大突破，示范電站的設計已初步完成，即將建成擁有50臺碟式斯特林發電裝置的大規模太陽能發電示范基地。

4 碟式斯特林太陽能發電系統的關鍵技術

4.1 陽光跟蹤控制系統

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，使其產生高溫，才能推動斯特林發動機的運轉。要產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成為提高發電效率的關鍵［22］。

陽光跟蹤原理：照射進來的太陽光透過通光孔會在光電傳感器上產生光斑，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進行調整，從而對太陽進行動態跟蹤［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的形式對光斑的位置進行檢測，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，通過轉向機構進行調節，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

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處的感光系統上形成光斑，從而將該熱量傳遞給斯特林發動機。接收器在系統中起著關鍵的能量轉換作用，其內部陽光分布如圖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，碟式發電系統通常采用腔體式接收器，使其能夠在高達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］。現在國內外使用的部分接收器無法滿足性能要求，主要原因是經過聚光鏡反射的太陽光無法在接收器內部均勻分布，所產生的局部高溫對換熱管危害很大，甚至能夠將換熱管壁熔化，使斯特林發動機因工質泄漏無法正常運轉［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 太陽光在接收器內分布Fig. 6 Sunlight distribution within the receiver

上海齊耀動力技術有限公司通過對直照型、熱管型、混合型接收器進行各種性能對比，對接收器進行實驗研究，并在接收器聚光比和其深度的設計上取得了一定的研究成果，發現接收器內腔的入口直徑（焦平面直徑）和深度對接收熱量的效率有很大的影響［24］。據統計［26］，幾何聚光比在2 300:1以上時，接收器內的能量才能使斯特林發動機有效運轉。朱辰元等［24］通過實驗分析接收器內腔深度與內部能量分布情況，得出接收器深度與聚熱的關系。在理論上，其他參數不變，接收器深度越淺，聚熱量越多，冷、熱腔內工質的溫差也越大。在實際中，深度過淺將導致接收器能量損失，降低熱效率，所以需要繼續研究其深度較為合適的平衡點。

4.3 斯特林發動機功率控制技術

碟式斯特林發動機利用接收的陽光輻射能作為動力，使內部工質來回循環運動輸出功率。在實際發電過程中，陽光強度變化不定，且工質換熱較快，要達到正常平穩發電，需要控制系統使其能根據陽光強度及時做出調整，對發電系統的輸出功率進行快速調節。目前功率控制技術還不夠成熟，對此進行深入研究對碟式斯特林發電技術的推廣意義重大。

西安航空動力股份有限公司利用研發成功的20 kW級碟式太陽能聚光器雙作用斯特林發電系統，針對壓力調節和溫度調節進行了模擬計算［27］，實驗結果顯示，調節腔內工質壓力更便于實現對功率的控制。當需要減小發電機功率時，可在循環氣體中移出部分氣體，降低氣體的壓力，功率可隨之下降；當需要增加功率時，可將一定量的氣體補充到循環氣體中，使氣體壓力升高，發電機功率隨之增加。任金鵬等［28］通過對飛思卡爾單片機進行研究，得出通過調節加熱管的溫度來改變腔內工質的壓力也可以實現對功率的控制。Beltrán-Chacon 等［29］通過采用恒定容積的控制系統對碟式斯特林發動機的性能進行分析，研究了腔體容積對功率控制的影響，發現增大腔體容積使溫度上升可以提高輸出功率。

4.4 斯特林發動機密封技術

良好的密封技術在實現密封作用的同時，還可以減少接觸磨損和由此產生的污染，否則由于間隙內氣體在配氣活塞與氣缸壁面、活塞桿與動力活塞內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］。斯特林發動機不同于內燃機和燃氣輪機在循環中存在與外界進行氣體交換的過程，其循環過程中工質被封閉在一個獨立的區域內，與外界沒有質量交換，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，會快速降低發動機的輸出功率和換熱效率，發動機將無法正常運行［31］。

斯特林發動機的密封技術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，其密封結構如圖7所示，其中：L0為間隙密封長度；p1、p2分別為長度為L0的間隙內兩端流體的壓強；h為密封間隙的高度。對于活塞桿密封結構的設計，通常以填料函和擋油圈這種組合方式進行密封［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，還需防止因機械和熱應力導致其變形。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］根據斯特林發動機帽式密封的特點，對絕對密封和滑動密封等密封方式進行分析對比，設計出一種新型活塞桿密封裝置，并進行了密封測試實驗，密封效果顯著；陳國祥等［34］運用滑動密封理論結合密封套結構的方法，分析并研究了滑動密封的技術原理，重點研究了密封套、支撐環擴撐、過盈配合及油膜厚度對高壓動密封的影響，優化了密封結構。

圖7 間隙密封的數學模擬Fig. 7 Mathematical simulation of the clearance seal

5 結論與展望

隨著全球能源問題和環境問題日益嚴峻，全世界都在尋求新能源的利用，而太陽能斯特林發電技術正符合這種需求。本文介紹了斯特林熱機的發展過程、循環工作原理及國內外對于碟式斯特林發電技術應用現狀，主要針對碟式斯特林發電系統中的關鍵技術進行介紹和總結。總體上看，碟式斯特林太陽能發電系統優點眾多，并受到越來越多國家的重視，具有良好的應用前景。但是，要使碟式斯特林熱發電系統效率更高，推進其進一步發展，研發性能優越的熱氣機和改良以上關鍵技術是以后研究的重點。

同時，還要看到太陽能發電受天氣影響較大，致使其發電效率不高，并且地域性限制較為明顯。因此，可以根據當地資源分布，利用斯特林發動機燃料來源廣泛的特點，與生物質能、污水處理廠產生的沼氣、煉油廠排放的余熱等其他能源相結合。例如，設計成光氣互補型，實現在沒有陽光或不良天氣的條件下通過燃燒可燃氣體發電，達到系統24 h連續發電的目的，從而提升整體發電效益。目前我國大力提倡節能減排，并資助相關耗能產業進行設備升級，因此碟式斯特林發電技術憑借其環境友好等優點必定會越來越受到重視。