透射式太陽能斯特林發電機測試系統的設計

翁奕濤 梁振康 于 洋 吳肖邦 黎芷均

（肇慶學院，廣東 肇慶526061）

能源危機已成為當前人們日益關注的話題，促進清潔能源利用，大力發展綜合能源服務將是推進中國能源低碳發展、實現2030 年前碳達峰目標和2060 年前碳中和愿景的關鍵著力點[1]。調整能源結構，開發新能源技術，如太陽能、風能、水能等可再生能源，是能源發展的新趨勢。太陽能熱發電技術是當今世界太陽能熱利用研究領域的前沿課題。太陽能熱發電系統可分為槽式、塔式和碟式等三種類別。其中，采用斯特林發動機的碟式太陽能熱發電系統因其驚人的發展速度令世界矚目[2]。

然而，在大學車輛工程等相關專業的本科教學中，因教學要求和教學資源的差異，導致學生對內燃機的工作原理、構造等比較熟悉，而對外燃式發動機代表——斯特林發動機卻了解甚少，甚至常常被忽視。這種現象引起我們的思考和重視，這種基礎自然學科的應用創新應該不斷探討。雖然傳統碟式太陽能斯特林熱發電系統相對成熟，但卻存在著結構復雜、體積大、建造費用昂貴等缺點，并且測試尤為不便，難以適應本科教學中的實驗設計要求。

目前已知的斯特林發動機實驗教學平臺是單純的斯特林模型機，且沒有性能數據測試系統。鑒于此，為填補動力機械本科實驗教學的不足，完善發動機實驗體系，本文提出了一種低成本、小型化、易操作的斯特林發動機實驗教學平臺，直觀了解菲涅爾透鏡聚光下的斯特林發動機運行原理及特性，培養學生動手能力和創新能力。

1 測試平臺的原理及設計

1.1 測試平臺工作原理

系統采用的斯特林發動機是一種由外部供熱使氣體按閉式回熱循環方式壓縮膨脹的活塞式發動機，由英國牧師羅伯特·斯特林于1816年發明[3]。其效率理論上等于卡諾循環效率，工質受熱膨脹、遇冷壓縮產生動力推動活塞做功，帶動飛輪使得發電機對外輸出功率。采用雙軸式云臺和太陽位置跟蹤器可以精確地對太陽的方位角和高度角進行實時跟蹤,具有較高的穩定性[4，5]。太陽光線在透鏡平面垂直入射后，聚光焦斑落在斯特林機熱端進行加熱促使其持續運轉，而斯特林機與發電機之間采用皮帶傳動。最終，系統實現太陽能-熱能-機械能-電能的系列轉換。

1.2 測試平臺設計

基于上述各部件相互間的工作原理，設計透射式太陽能斯特林發電機測試系統，如圖1 所示。該系統中被檢測部分主要有透射式菲涅爾太陽能聚光器、斯特林發動機、發電機和帶有交流調壓電源的加熱器等部件構成。檢測部分主要由溫度采集儀、非接觸式轉速測速儀、功率計、紅外熱像儀以及PC 數據終端等設備構成。通過太陽輻射聚光加熱或者改變加熱器的加熱功率，測試不同溫度下斯特林機的運行工況；通過溫度數據采集儀獲取冷熱缸溫度變化情況；通過非接觸式轉速測速儀測定飛輪轉速；通過功率計測得發電機輸出功率；紅外熱像儀可檢測系統溫度場變化情況。

圖1 測試系統設計示意圖

圖2 碟式太陽能斯特林發電機

圖3 測試系統實物圖[6]

本平臺創新地將具有性能測試系統的斯特林機作為案例引入到大學本科實驗教學，引起同學對新能源的重視。本平臺創新的將錐形二次聚光反射器與保溫型腔體相結合，提高聚光效率，降低系統熱損失。本平臺結合菲涅爾透鏡，采用下聚光，創新地將大型碟式太陽能斯特林發電機小型化，與通常的反射上聚光碟式裝置相比，重心低。碟式太陽能斯特林發電機如圖2所示，系統實物如圖3 所示。

2 測試內容和步驟

2.1 測試內容

調節變量參數通過調節電加熱器功率控制斯特林機熱端溫度，測量不同熱端溫度下系統發電性能，其中測試變量參數包含飛輪轉速、冷熱缸溫度、溫度場以及發電機輸出電流、電壓等參數變化等。

2.2 實驗步驟

該測試平臺依靠的外部熱源主要分為輔助電加熱和太陽能聚光加熱兩種類型。具體熱源類型的選用依據教學方案和測試當天氣象情況而定。在輔助電加熱模式下，首先調節電加熱器加熱功率，測量斯特林機熱端溫度。然后待溫度達到設置數值并穩定后，順時針撥動飛輪引發斯特林機運轉。期間，記錄所測得斯特林機冷熱端溫度差、飛輪轉速以及發電機輸出電流（I）、電壓(U)，并采用紅外熱像儀測量熱端溫度場。此后，通過改變電加熱器加熱功率，重復上述步驟，直至完成實驗要求。實驗結束后，通過對實驗數據進行處理，其中系統發電功率(P)由P=UI 進行計算。不同斯特林機熱端溫度下的實驗數據樣本，如表1 所示。冷熱端溫度差變化對功率、轉速的影響如圖4 所示。系統斯特林機熱端溫度場紅外熱成像，如圖5 所示。

表1 輔助加熱實驗數據參數

圖4 冷熱端溫度差對功率、轉速的影響

圖5 熱端溫度場圖

由圖4 可看出，隨著冷熱端溫度差上升，飛輪的轉速、發電機的輸出功率逐漸增大。同時，熱端溫度在300～350℃、350～450℃、450～500℃逐漸上升時，發電機輸出功率的增大趨勢在逐漸趨于平緩，特別是在450～500℃，功率幾乎沒有變化。總體而言，該測試平臺測試性能穩定，溫度控制模式設定較為合理，測試系統所反饋出的數據能準確的反映客觀變化。

2.3 太陽能聚光加熱

太陽能聚光加熱模式與輔助電加熱模式類似。所不同的是，太陽能聚光加熱模式屬于室外測試實驗，通過透射式菲涅爾太陽能聚光器聚光加熱斯特林機熱端。

以2021 年3 月15 日10 點30 分左右實驗數據為例，實驗地點在肇慶學院科技實訓樓樓頂（東經112°27′，北緯23°03′），天氣晴朗，風速較低。該系統所采用的菲涅爾透鏡面積為0.25m2，其焦距為650mm。采用太陽能聚光集熱加熱（轉下頁）熱端。當冷熱端溫度差穩定為515℃時，測得發電機的輸出電流為0.032A，電壓為1.71V。系統發電功率(P)由P=UI 進行計算，得P=0.05472W。

由上述實驗可知，該測試系統在太陽光聚光加熱模式下能進行穩定發電，實現了太陽能-熱能-機械能-電能的系列轉換。

3 結論

本文介紹了透射式太陽能斯特林發電機測試系統的性能測試過程，對熱腔溫度、冷腔溫度、轉速、發電機輸出電壓、電流等重要參數進行了測量，以分析相關參數變化關聯關系。因此，設計出了適合于本科教學方案的實驗系統，對本科機械、車輛、物理、能源等專業的實驗課程建設和發展很有必要。這不僅能讓學生實驗操作、親身感受，激發興趣，培養我們在實驗過程中發現、分析、解決問題的工程能力，還可以讓更多對此感興趣的學生投入到新能源的學習研究中，為推進“碳達峰、碳中和”提供實際教學案例。