摘 要

在能源和环境问题的双重挑战下，太阳能等可再生能源越来越受到人们的广泛关注。研究以天然气、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用，改善当前单一石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，具有重要的意义。太阳能斯特林发电技术具有清洁、高效、使用灵活等独天得厚的优势，必将成为21世纪的主要动力之一。斯特林发动机的广泛应用，必将是我国的能源利用效率得到大幅度提高，无论是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的意义，为我国的经济提供充足的动力。本文研究了斯特林发动机的性能特性，总结了斯特林发动机的关键技术，阐述了斯特林发动机的特点和应用，着重介绍了太阳能斯特林发动机的工作原理并简单的讲述了在现实生活中，斯特林发动机不能达到理想的斯特林循环，只是接近于卡诺效率。基于试验平台需要，本人设计并制作了一台α型斯特林发动机，并以旋转抛物面聚光器作为接收太阳能的装置，并且实验表明，只要抛物面直径超过10cm即可使得小车运动，该斯特林发动机以空气作为工作介质，对环境没有任何污染，实现了无毒无污染的美好愿望。

关键字： 斯特林发动机；太阳能；旋转抛物面；聚光器。

Abstract

As energy and environmental problems, under the dual challenge of solar and other renewable energy more and more get the attention of people. Research such as natural gas, biogas, biomass as a fuel engine related technologies, to promote the comprehensive utilization of energy, improve the condition of the current single oil resources and reduce environmental pollution, to create a conservation-minded society, has the vital significance. Stirling solar energy power generation technology with clean, efficient, flexible use, such as independence day thick advantage, will certainly become one of the main power of the 21st century.The widely application of the Stirling engine, will be China's energy utilization efficiency to obtain enhances greatly, both for the environment protection and energy conservation and emissions reduction, has very important significance, to provide enough power for our country's economy. In this paper, we study the performance of Stirling engine characteristics, summarizes the key technology of Stirling engine, this paper expounds the characteristics and application of the Stirling engine, introduces the working principle of the solar energy Stirling engine and simple about in real life, cannot achieve ideal Stirling cycle Stirling engine, just close to the carnot efficiency. Need based on the experimental platform, I designed and made an alpha type Stirling engine, and with a rotating parabolic concentrator as receiving solar energy device, and the experimental results show that as long as parabolic more than 10 cm diameter can make the car movement, the Stirling engine with air as working medium, no any pollution to the environment, to achieve the good wishes of non-toxic pollution-free.

Keywords： solar Stirling; engine rotating; parabolic; concentrators.

目录

摘要 I

Abstract II

1引言 1

1.1太阳能斯特林发动机的背景和研究意义 1

1.2斯特林发动机国内外研究状况 2

1.2.1 国内研究状况 2

1.2.2国外研究状况 3

1.3本文主要工作 4

2斯特林发动机的性能分析 5

2.1斯特林发动机的组成 5

2.2斯特林发动机的结构类型 5

2.3斯特林发动机的工作原理 6

2.4本章小结 8

3换热元件的设计和分析 10

3.1冷却器 10

3.2回热器 10

3.3加热器 11

3.3.1旋转抛物面聚光器的优点 12

3.3.2旋转抛物面聚光器的设计 12

3.4本章小结 14

4斯特林发动机的设计 15

4.1发动机的设计要求 15

4.2气缸套和活塞组材料的选用 15

4.3传动系统的设计 16

4.4发动机的总体结构设计 17

4.4.1气缸的布置 17

4.4.2车体的设计 18

4.5注意事项 23

4.6 本章小结 24

5全文总结及展望 25

5.1全文工作总结 25

5.2对进一步工作的展望 25

致谢 27

参考文献 28

1引言

随着经济的发展，我国能源和环境都面临着严峻的挑战，因此研究开发无污染、可再生的新能源与能源转换技术是科技界的当务之急。从能源管理角度来讲，太阳能是产生动力的可再生和不可耗尽的重要能源之一。把太阳能转换成机械能有几种方法，其中理论上可达到最大效率的就是斯特林发动机。斯特林发动机既可以作为原动机使用，也可以做为制冷机、热泵或压力发生器使用。斯特林发动机的理想工作循环由等温膨胀，等容冷却，等温压缩，等容回热等四个过程组成。太阳能斯特林发动机与传统的内燃机相比有几个十分突出的优点^[1]：一是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，即在相同的热源和冷源下其理论热效率最高。二是振动噪音低，斯特林发动机没有气阀机构，且没有燃烧产生的爆震和排气波，所以斯特林发动机运转比较平稳，噪音比较小。三是排气污染小，由于斯特林发动机的燃烧过程是连续的，空气燃烧比的变化对效率和功率的影响都比较小。五是运转特性好，由于斯特林发动机中最大压力与最小压力值比一般小于2，因此，其扭矩比较均匀，运转比较平稳。六是结构简单，维修方便，斯特林发动机的结构简单，比内燃机少40%的零部件。斯特林发动机与内燃机最大的区别就在于做功时，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。斯特林发动机可以应用在许多领域内中作为清洁高效的动力机, 对节能减排、保护环境有重要意义。

1.1太阳能斯特林发动机的背景和研究意义

太阳能斯特林发动机是一种外燃封闭循环往复活塞式发动机，就是依靠太阳能对密封在容器中的气体介质进行加热，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。但当时由于缺少良好的耐热材料以及人们对热气机的性能了解很少同时也缺少热力学方面的知识以至于热气机的效率和功率都很低。后由于高效率的蒸汽机和内燃机的出现而被冷落到二十世纪初已基本消失。直到第二次石油危机才又引起了各国对斯特林发动机的关心。虽然后来石油供应略有缓和但是各国从能源和环境角度出发又开始开发研究斯特林发动机。斯特林发动机的一个突出优点是可以利用多种分散的能源。中国是一个农业大国，农村有丰富的生物质能源，但品种和分布很不均匀，具有间歇性，分散性的特点，用旧式炉灶直接燃烧，热效率十分低下，如果用斯特林发动机将农村燃烧的生物质能以同样的效率转换成电能则相当于同年农村用电量的2~3倍。我国的太阳能资源也比较丰富，太阳能热水器和太阳灶使用十分普遍，但光电池使用很少。在太阳能资源丰富的地区，可通过斯特林发动机将太阳能转换成电能和机械能。中国还有几千万人口完全没有电力供应，更多的人口没有持续电力供应，这些人口大多在偏远的山区，荒漠以及海岛等地区，架设电网的投资太大，采用柴油发电成本又太高，但是斯特林发动机可以利用太阳能，沼气，植物垃圾热解气体的特性，较好地解决这一难题。

1.2斯特林发动机国内外研究状况

1.2.1 国内研究状况

我国对斯特林发动机的研究起步比较晚，从七十年代末才开始斯特林发动机的研究工作。1984年在上海举行的第二次国际斯特林学术会议更加引起我国对斯特林发动机的关注。目前已有几家科研机构和大学开始研究这项技术，以设计出功率150W-10KW发动机11种，多数已经在实验室正常运转。其中，上海711研究所研制出具有国际水准的热汽机，排放的污染气体比目前市面上的其他发动机都要小，达到了欧洲的排放标准。李修宝^[2]建立了以一维不定常可压缩气体流动理论为基础的斯特林发动机工作循环数学模型。杨征^[3]分析了四缸双作用斯特林发动机工作过程中存在的各种流动阻力损失和热量损失，建立了适用于模拟四缸双作用斯特林发动机性能的模型，并应用拟牛顿法和惩罚函数法实现了对最优化模型的求解，设计了输出功率从5KW到25KW的四缸双作用斯特林发动机，对斯特林发动机的结构参数进行了优化。高瑶^[4]采用接近实际应用的等温模型对斯特林发动机进行建模，分别考虑了斯特林发动机中存在的3种流动阻力引起的功率损失和8种热损失引起的效率损失，并对5KW点聚焦太阳能斯特林发电系统进行了性能分析。北京农业工程大学凌泽芝同志在能源政策研究通讯1991年第一期“发展热气机，促进农村电气化”一文中介绍了国内外斯特林发动机的发展概况及其特点并建议“充分利用我国农村丰富的生物质能源和部分地区丰富的太阳能资源以解决农业用电问题”。并希望纳入国家“八五”科技规划和组织有关单位联合攻关。

1.2.2国外研究状况

国外对于斯特林发动机的性能分析和计算，已经经历了以下五个阶段：(1)早期的经验设计阶段(零级分析法):根据大量的实验数据归纳出斯特林发动机轴输出功率的估算公式的方法，目前主要有Malmo公式法，指示功率法和Beale数法。(2)等温分析法(一级分析法):主要假设热腔和冷腔内工质的循环温度恒定，在一阶的基础上考虑了流阻损失，泵气损失等，对基本功进行修正。(3)工作过程仿真计算阶段(二级分析法)，在一级分析法的基础上，假设热腔和冷腔内的工质温度在循环中是变化的。为每个腔体推导质量和能量守恒的常微分方程，并结合气体状态方程以及边界条件进行数值求解，最后再考虑各种热损失和流阻损失。(4)节点分析法（三级分析法），做了一维流动假设，采用控制容积或节点发沿流动方向细分每个腔体。（5）多维CFD分析法（四级分析法），在三级分析法的基础上将维数增加到二维甚至三维。

从1938年飞利浦公司着手现代斯特林发动机产品的实用化到现在，人们研发了利用化石燃料，太阳能，工业废热，等能源在不同领域使用的实用性斯特林发动机。其中利用太阳能发电的斯特林发动机系统，用于水下的SE/AIP系统和使用化石燃料实现冷热电三联供的斯特林系统应用研究最为深入和广泛。1982年美国加州设计的蝶式太阳能热发电系统装置，电转换效率为29%，输出功率最大为24.6KW。2004年，SES公司在实验室建造了5套25KW蝶式系统，2005年8月，SES公司建造了总发电效率为1MW的蝶式系统。MDAC建立了8套蝶式斯特林热发电系统，系统净效率超过30%。后来MDAC将硬件和技术全部转让给SEC。SEC在1986-1988年间进行了试验，年平均效率达12%。美国SNL研制了第一套10KW碟式斯特林遥控太阳能发电系统的样机，并运行了500多小时。欧洲国家纷纷加快了蝶式太阳能热发电系统的脚步。德国研发的6套9~10KW碟式斯特林系统在西班牙PSA进行了商业化前夕示范，并累计达到了30000小时的运行记录^[5]。