斯特林发动机的特点与应用

斯特林发动机,又称热气机,是一种外燃机,即依靠外部热源对密封在机器中的气体工质加热,使其不断热胀冷缩,进行闭式循环,推动活塞做功。斯特林发动机最早由英国的罗伯特•斯特林于1816 年发明,用于矿井取水。目前,用于斯特林发动机的常见气体工质有空气、氦气、氢气。斯特林发动机对外燃方式无特殊要求,只要外部热源的温度高于机器中工质的温度即可,加热方式灵活,既可以使用传统的化石燃料,又可以使用太阳能、生物质能,以及具有一定温度的工业废热作为热源。根据斯特林发动机的设计要求,热源温度可高可低,几十摄氏度的温差即可使其运转起来。斯特林发动机的热效率很高,在热力学理论上等于同温限下的概括性卡诺循环效率。

斯特林发动机与内燃机最大的区别在于:在做功时,不是通过燃料在气缸内部瞬间气化,升到很高的温度和压力,然后以爆震的方式推动活塞;而是依靠外部的热源对热膨胀气缸中的工质持续传热,使其不断升温升压,然后推动活塞做功。因此,斯特林发动机在工作时较内燃机平稳,而且噪声也小很多。

在石化能源短缺与环境污染问题越来越严重的今天,斯特林发动机由于具有不受热源形式限制、运行噪声低、热效率高等突出优点,作为一种几千瓦至几百千瓦的中小功率级别的动力设备,受到人们的重新审视,不久的将来有望在某些领域得到成熟的应用。

以聚焦后的太阳能作为热源,驱动斯特林发动机做功发电,构成的碟式太阳能热发电系统如图1所示。该系统主要由以下部件组成:一套能够实现双轴转动、自动跟踪太阳位置的碟式抛物面聚光镜系统,含有太阳能集热器的斯特林发动机,发电机及其输电系统。工作时,碟式太阳能热发电系统将太阳光的能量用碟式抛物面聚光镜收集,并将其反射到聚光镜的焦点位置处,聚得集中、高温、高热流密度的热量,驱动安放在聚光镜焦点位置光斑附近的太阳能斯特林发动机,从而带动发电机进行发电。

美国的SES公司曾于2008年在桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的测试平台上测得 SES“Serial #3”碟式斯特林太阳能热发电系统的太阳能并网转换效率(光电转换效率)达到31.25%,实验中测得用85.6kW的太阳光热量产出26.75kW的电,一举打破美国曾在1984年创下的光电转换效率为29.4%的记录,成为目前全世界在太阳能热发电技术领域最高的光电转换效率纪录。

以天然气为热源,定位于家用小型热电联供系统的斯特林发动机动力单元成为商业化斯特林机新的应用热点。这类斯特林机在国际上已有较为成熟的产品,例如德国Cleanergy公司和新西兰Wishpergen公司的产品,发电功率在1~10kW不等。由于斯特林机相比于内燃机压缩比低,具有噪音小,震动小的优点,因此更适合用于家庭式的微小型分布式供能单元。

AIP英文全称为Air Independence Power,指的是“不依赖空气动力推进装置”。具有AIP系统的潜艇能够延长其潜航时间,从而降低潜艇在水面上的暴露率。斯特林机由于其闭式循环的工作特点,工作过程中无工质排放,因此非常适合为AIP潜艇提供潜航动力。1995年,世界上第一艘装备斯特林发动机的AIP潜艇——瑞典“哥特兰”号下水,标志着常规动力潜艇进入一个新的时代。随后,德国、俄罗斯、法国和日本也先后研制出装备斯特林发动机的AIP潜艇。

一些工业设备排放的废气具有很高的热品位,如锻造和钢坯加热炉的排气温度为900~1200℃,干法水泥窑的排气温度为600~800℃,玻璃熔窑的温度为650~900℃,汽油机排放的尾气温度可达750℃~800℃,它们可以通过驱动斯特林发动机做功的方式实现中高温热量的高效回收利用。我所传热传质研究中心曾对汽油器尾气驱动的斯特林发动机做功/发电系统进行过研究,成功研制出汽油机尾气驱动的斯特林发动机动力集成系统,其发电功率达到了1kW(图2)。

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