新能源论文太阳能斯特林发电技术应用前景

　　太阳能在国内新能源经济里具有巨大的发展潜力，本篇新能源论文介绍了太阳能斯特林发电技术，通过这种外燃式热机在具备一些传统发电项目所不具备的优势，解决了制约发电性能、提高热电转换效率的关键技术，已在空间探索，民用产业，武器领域等得到了成功的应用。可以发表新能源论文的期刊有《太阳能》(月刊)1980年创刊，是我国新能源领域的权威媒体。主要介绍我国新能源政策、普及太阳能知识、交流太阳能科技成果，是太阳能科技人员和爱好者的理想读物。坚持为社会主义服务的方向，坚持以马克思列宁主义、毛泽东思想和邓小平理论为指导，贯彻“百花齐放、百家争鸣”和“古为今用、洋为中用”的方针，坚持实事求是、理论与实际相结合的严谨学风，传播先进的科学文化知识，弘扬民族优秀科学文化，促进国际科学文化交流，探索防灾科技教育、教学及管理诸方面的规律，活跃教学与科研的学术风气，为教学与科研服务。太阳能杂志是光伏方面投稿的杂志。

　　对于目前资源与环境的严峻形势，各国研究机构出于节能减排，保障能源安全、解决气候与能源资源等目的，积极开展各种新型能源的开发和利用，投入大量资金与技术与支持[1-4]，以及政府不断采取相关优惠的政策法规进行扶助[5-7]，致力于形成和推广可持续发展的清洁新能源动力的开发应用，处理好新能源与能源强度，经济增长之间的关系[8]。

　　新能源的探索与研究包括：能源资源的开发与挖掘，能源资源的转换和能源资源的有效利用三个方面。本文主要研究热能与机械能和电能之间转换的设备-斯特林发电机的原理研究和应用说明，为清洁能源的合理利用和高效转换提供有益的参考。

　　2.斯特林发电机技术

　　2.1 原理

　　斯特林发电机是由斯特林发动机和交流发电机两部分组成。1861年Stirling提出斯特林循环技术于，斯特林循环由两个等温压缩和膨胀与两个等容回热过程组成的闭式热力学循环，称为斯特林循环(也称为卡诺循环)，斯特林发动机是利用外部热源加热工质气体，工质气体再推动机构的动力活塞进行机械动能输出，斯特林能量转换机运动原理如图1所示。

　　图1中①为发动机起始点，此时工质气体受外部热能受热膨胀，膨胀的工质气体将配气活塞推至膨胀腔最右端;动力活塞位于最右端，动力活塞依靠回复弹回向左移动。压缩产生的热量由冷却器带走，从① 到②为等温压缩;②到③为等容放热过程，属于内部换热，与整个过程与能耗无关，配气活塞和动力活塞同时在弹簧回复力的作用下同时向左移动。 ③到④为等温膨胀，配气活塞移动到最左端，动力活塞也位于最左端，理论上根据能量守恒，电机的发电量与膨胀功、内能之和是相等的关系。④到①为等容吸热过程。完成一个循环，在整个循环中，动力活塞依靠配气活塞传递的能量进行来回振动，同时带动链接在动力活塞活塞杆上的永磁体在线圈之间摆动，线圈产生交流电流。

　　理论上，斯待林循环的热效率等于同温限卡诺循环的热效率，但在实际应用中由于存在非理想化的不可逆因素，回热器也不可能将百分之百的效率进行热能传递，所以热效率低于同温下卡诺循环的理论热效率，目前斯特林发动机的热效率可达30%—45%[9]。斯特林发动机属于外燃机，可以采用价廉易得的燃料，亦可利用太阳能及原子能作热源;它排气污染少、噪音低，对于缓解环境压力，解决世界对优质能源需求、减少污染无疑是有利的[10]。

　　2.2 关键技术

　　斯特林发电机的关键技术主要有三个方面：首先是动力活塞和配气活塞的动力学研究，由于斯特林的自由活塞是通过高压气体耦合由热能驱动进行高频往复振动，在运动中存在着复杂的物质和能量的传递。斯特林发电机的动力学研究可采用数学建模对其内部工质的温度、速度、压力、容积等进行热力学和流体力学仿真分析[11]，得出最优 的动力学模型，指导整机结构的设计;其次是材料的选择，斯特林发电机的关键部分为吸收热量的热头和配气活塞，为了达到高效能量传递，采用了薄壁容器高精度的相对运动，而容器长期处于800K以上的温度，因此材料的选用方面需要考虑高温下的稳定性，目前选用的理想材料为镍基超级合金Ineonel718。第三是长寿命的问题，活塞与活塞缸之间的磨损以及材料在高温下的失效，是影响发电机寿命的主要因素，通用的解决方法为柔性支撑与间隙密封相结合，也称为“牛津型”。

　　2.3 研究成果

　　斯特林发动机发明的初衷是替代蒸汽机，解决蒸汽机工作不稳定的因素，由于当时的加工技术的限制，斯特林发动机的制造工艺和装配技术无法满足高效运转的目的，因此人们认为斯特林发动机效率低下，利用价值较低，再者同时代更为高效的内燃机的发明和改进，阻碍了对斯特林发动机进一步研制工作，使斯特林的研制一度停止。

　　直至上世纪三十年代末，荷兰菲利普公司重新开始了斯特林技术的研究，并对斯特林技术做了很大的改进，气体工质采用氢气或氦气，用菱形传动方案，改进了活塞的密封，使其工作效率和能量转换的比例提高了50%，图2为菲利普公司车辆驱动菱形斯特林发动机。

　　1972年，美国福特公司与菲利普公司合作研制了4-215型斯特林发动机，并获得成功，此后由Mechanical Technology Incorporated (MTI)与瑞典UNITED Stirling Technology(UST)研制了四缸双曲轴斯特林发动机，发动机效率超过了38%制造成本低于等效率内燃发动机，如图3所示。

　　经过大量的研究工作，斯特林技术逐渐成熟，并走向工程化规模化的应用水平。二十世纪70年代，自由活塞斯特林机逐渐推广至太阳能，反应堆以及民用生物热能发电领域，取得了良好的经济效益。

　　在国内中科院上海技术物理研究所、信息产业科技集团公司16 所、航天科技集团公司五院510所、华中科技大学、兵器科技集团公司211 所等单位先后开展了斯特林研究工作，其中航天510所于2015年完成了200W发电机的研制，效率和比功率指标达到了国内先进水平，技术性能如表1所述。

　　斯特林发动机属于外燃热机，可利用太阳能、生物热能、核反应堆，石化燃料热能等对热端外部加热，即可实现能量从热能至电能的转换。其依据高效、高比功率、低噪音等特点，在新能源利用和开发方面成为新的研究关注点。在斯特林发电技术方面以美国的Infinia公司和Sunpower公司研发的自由活塞式结构较为完善，成为现代主流机型，如图4和图5所示。2.4 应用

　　利用太阳能发电是开始于上世纪80年代石化燃料出现危机之后，主要出现了光伏发电和太阳光聚焦热能发电。美国于八十年代中期至九十年代初期利用太阳光聚焦热能发电装机容量达到了353.8MW，发电成本为8.9美分/(kW·h)，取得了可喜的成绩，此后，以色列、德国等各国投入经费研究太阳热能发电技术。

　　太阳光聚焦发电是通过凹面镜将太阳光聚焦至一点，聚焦后产生数百K的高温，再通过加热斯特林热机部分，将集聚的热能转换为电能。目前太阳能热电主要有塔式、槽式和碟式三种技术，如图6，图7和图8所示。2010年底，全球建成运行的太阳能热发电站约1.095GW，其中槽式太阳能热发电站占比达到了90%。阳光资源充足的中东、非洲以及我国也开始致力于发展和利用太阳能热电转换技术。

　　除太阳光聚焦产生的热量外，利用放射性同位素在核裂变时产生的高能粒子和射线与材料之间作用后产生的热量，以及反应堆产生的热量通过斯特林热机进行发电，应用在空间探索、无人潜水艇、单兵电源装备以及偏远地区等的电力供应。这种利用反应堆与斯特林发动机结合的发电机虽然发电功率小，但其具有小型化、可移动性良好，以及长寿命等优点，具有良好的应用前景。

　　3结论

　　我们国家具有十分丰富的光照资源，但在太阳能斯特林发电方面起步较晚，一些关键的技术尚需改进完善，在以后的研究中应该加大研究力度，解决发电机运行的可靠性，进一步提高热电转换效率，减小与发达国家的差距，达到工程化规模化应用的发电系统。

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