斯特林发动机的原理以及相关介绍

【专家解说】：斯特林发动机是一种闭循环活塞式热机。闭循环的意思是工作燃气一直保存在气缸内，而开循环则如内燃机和一些蒸汽机需要与大气交换气体。斯特林发动机一般被归为外燃机。 这种发动机是伦敦的牧师罗巴特 斯特林（Robert Stirling）于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirling engine）。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。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程 热气机工作原理 　　热气机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。 　　热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。 　　已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。 　　按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。 　　热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。 碟式太阳热发电技术是利用抛物面碟式聚光器将太阳光汇聚，通过吸热器将汇聚的太阳能吸收并传输给热机，热机将太阳热转化为机械能，再经过发电机将机械能转化为电能。热机采用斯特林发动机。斯特林发动机能量转换率可达到 42% ，无噪声污染，冷却水消耗少，对周围环境无任何影响。碟式斯特林太阳热发电技术是当今太阳能热发电领域的热点 目前，世界上成为发展主流的是碟式-斯特林（Stirling）系统。该技术以低成本、高效率为主要特征，电站容量可大可小，可以独立运行，也可以并网运行 太阳能热发电又可分为塔式聚焦、槽式聚焦和碟式聚焦等三种方式。以下是三种太阳能热发电方式的比较。 碟式系统规模较小，且具有高效、模块化和组成混合发电系统的能力（2）系统初投资低；系统能量转换效率高，运行可靠，维护简单，维护工作量小，太阳能—天然气混合化，不需要蓄电池储能，可以并网发电，模块化组合，电站容量可以从 KW 级到 MW 级等特点。在所有太阳能发电技术中，碟式太阳能热动力发电系统具有最高的太阳能－电能转换效率(29.4%)，因此有潜力成为最便宜的可再生能源之一 与光伏发电相比，光热发电没有生产太阳能电池带来的高能耗、高污染等问题，设备生产过程更清洁，发电的规模效益也更好。此外，由于光热发电采用储热装置，能够提供稳定的电力输出，与光伏发电相比，更容易解决并网问题。此外，现在技术较成熟的槽式光热发电，需要消耗大量的水，因此在沙漠中的应用是个问题，光热发电所需的建设面积较大，不如光伏发电灵活。但光热发电对日照条件要求较高，并且需要通过建设大规模电站来降低成本，需要大片的土地、巨额的投资，如果希望提高转换效率，更需要大量的水资源。 根据美国太阳能产业协会的统计，全球已经运行的太阳能发电项目，太阳能热发电占92．37％，太阳能光伏发电（单晶硅、多晶硅、薄膜电池）占7．2％。 优点： 振动小、噪音、排放低 因为进气压力较小，循环压力比低（一般为1.5-1.8，而内燃机的至少在7以上），因此压力变化平缓，因而运行平稳、安定。 􀂄 结构简单、单机容量小 无需燃气压缩机, 无需排气装置，比内燃机少50%的零部件；机组容量从20-50kw,维护成本较低。 􀂄 燃料选材广泛 可用任何种类的燃料如天然气、丙烷、氢气、柴油、燃料油、垃圾填埋气、煤层气(甲烷)、工业废气、太阳能等; 􀂄 热能效率高且出力和效率不受海拔高度影响 由于吸热和放热均是在等温下进行的，即等温压缩和等温膨胀，因而满足了热力学第二定律对最高效率的要求。在理论上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ε=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。 上述特点也就决定了斯特林发动机在动力工程和能源利用等领域有着广阔的应用前景 碟式斯特林太阳能发电系统具有规模优势、转换效率最高、最具商业前途。 􀂄 但是碟式斯特林太阳能热发电系统在国内的推广的瓶颈在于斯特林发动机的开发。 碟式斯特林系统与光伏的转换效率比较图示 太阳能热发电与其他可再生能源的能源平均成本（LEC）比较 太阳能热电（CSP）三种方式：碟式效率最高 效率高的原因： 􀂄 使用全部光谱 􀂄 带有跟踪系统 􀂄 配聚光镜，聚光效率高 􀂄 所用斯特林发动机效率远高于汽轮机效率和燃气轮机