碟式斯特林发动机的研究进展

能源是推动人类文明前进的重要物质基础，在世界的发展过程中，煤、石油和天然气等传统能源发挥着关键的作用。随着化石燃料的日益短缺以及由此带来的一系列环境问题，各国一方面通过改良技术提高能源利用效率，一方面加大太阳能、生物质能等新能源的开发利用的进程。如今太阳能发电、沼气发电等成为重要研究方向［1-3］。在利用新能源的同时，还要研发与常规动力机不同燃烧方式的发动机。就目前来说，斯特林发动机是有效的解决办法。斯特林发动机又叫热气机，它以空气、氢气、氦气等气体为工质，且工质在封闭环境下循环工作，具有燃料来源广泛、运行特性好、转换效率高、噪音低、污染小、结构简单等诸多优点［4-5］。目前该发动机无论在研究还是在实际应用中都已有很大进展。

斯特林发动机于1816年由罗伯特·斯特林发明。在发明初期，受条件及技术的限制，大部分发动机的效率和功率都很低，而同期的内燃机和汽轮机在效率和功率上有很大进展，致使斯特林热机的研发和运用逐渐处于下滑趋势，最终在1916年彻底停产。此后，斯特林发动机的发展几乎处于停滞状态［6］。

20世纪中期，由于全球能源短缺和环境污染等问题趋于严重，各国迫切寻求有效的解决办法。由于斯特林发动机部分关键技术难题得到解决以及其特有的诸多优点，目前又重新受到重视。荷兰的菲利浦公司从20世纪中期开始专注于斯特林发动机的研发，为新型斯特林发动机的发展作出了重要贡献［7］。美国通用汽车公司于1958年研发出一台试验型斯特林发动机，为其在汽车上的应用提供了理论依据［8］。之后，经过福特公司、三菱重工和通用公司的发展，以及在美国、荷兰、日本等工业大国政府的支持下，各个公司主要将人力和物力投入到直接利用热能（燃料、太阳能）的热泵和分散能源发电上，在碟式太阳能热发电、热泵和制冷等领域取得重大研究成果［9-10］。进入21世纪后，美国Infinia 公司、SES公司和加拿大Linamar公司等诸多研究机构相继研发出功率大、效率高的斯特林发动机，使其得以快速发展。虽然目前对于碟式斯特林发动机的研究有了较大的进展，但依然存在诸多问题，需要进行进一步研究。

根据斯特林发动机工作空间和回热器的配置方法，可以将其分为α、β和γ三种基本类型。以β型为例，它主要由热腔、加热器、活塞、气缸、回热器、冷却器、冷腔、传动机构及外部燃烧系统等组成，其结构简图如图1所示。加热器与热腔相连，冷却器与冷腔相连，回热器处于热区和冷区之间对工质进行预热。斯特林热机循环工作过程是: 工质在密封闭合回路中，受热膨胀，遇冷压缩而产生动力，从而使活塞在冷、热腔内循环运动，实现在回路中流动做功［11］。

斯特林发动机的理想循环过程由两个定容过程和两个等温过程组成，其理想循环p−V图如图2 所示，其中：p为斯特林发动机气缸内压强；V为斯特林发动机气缸内气体体积。①等温压缩1→2：工质在低温下恒温压缩，向外界放热；②定容吸热2→3：压缩后的工质从压缩腔经过回热器加热后，进入膨胀腔，压力和温度都迅速上升；③等温膨胀3→4：高压工质膨胀做功，压力降低，体积增大，从加热器中获得大量热量；④定容放热4→1：高温工质从膨胀腔经回热器、冷却器，又进入压缩腔，温度和压力都下降。

斯特林循环T−S图如图3所示，其中：T为斯特林发动机气缸内气体的温度；S为斯特林发动机气缸内气体的熵。在理论上，斯特林循环的热效率与卡诺循环热效率相同［12］，其热效率公式为

式中： $\eta $ 为斯特林循环的热效率； ${T_{\max }}$ 、 ${T_{\min }}$ 分别为斯特林发动机气缸内气体的最高、最低温度。

太阳能发电可分为太阳能热发电和光伏发电。目前，大多数采用光伏发电。太阳能热发电主要指斯特林热发电技术，其不仅效率高，而且成本低，有很大的发展潜能，目前已经在一些地区推广应用，且必定会越来越受到关注。太阳能热发电主要通过吸收阳光辐射产生高温热能进而发电，可以分为塔式、槽式、碟式和线性菲涅耳式，其中碟式太阳能热发电效率最高，最高记录可达31.25%［13］，并且安装和设置相对容易，无需专门的场地，既适合分布式发电，又可模块化组合后形成规模发电。碟式斯特林太阳能热发电系统结构示意图如图4 所示，主要由聚光器、阳光接收器、转向机构（阳光跟踪）、斯特林发动机、发电设备等组成［14-15］。通过碟式聚光器将表面接收的太阳光反射到抛物面焦点位置的阳光接收器上，接收器吸收反射的太阳辐射，产生热量，并传递给腔内的工质，使工质得以加热，并作为斯特林发动机的动力源，产生机械能，推动与其相连的发电机，从而输出电能。

国外在这些方面已经取得相当大的成果，特别是进入21世纪后，各国公司相互合作，为碟式斯特林技术的发展提供了很大动力。2007 年，美国Infinia 公司成功开发出3 kW自由活塞式斯特林发动机样机，并经过改进应用于碟式斯特林发电中，第二年又突破性地开发出第一套碟式发电系统。瑞典Cleanergy公司在德国Solo 161型斯特林发动机基础上，研发出10 kW级的碟式斯特林发电系统，并产生400 V的三相交流电。2008年，SES公司又开发出Serial 3型碟式斯特林发电系统，并对其进行并网检测，结果显示其光电转换效率突破性地达到31.25%，成为最高转换纪录［16］。2009年，SES公司与Tessera Solar公司进行合作，设计出1.5 MW级斯特林太阳能发电系统，并于2010年在亚利桑那州成功建成电站投入使用。2010年，Infinia 公司又研发出30 kW级碟式斯特林发电机系统，经过一系列的测试和改进，于2012年进入商业应用阶段［17-18］。

虽然我国对于碟式斯特林发电技术的研究起步较晚，但随着政府对新能源技术的重视，近年来也取得了很大进步。21世纪初，中国科学院电工研究所初步开发出小型千瓦级碟式斯特林发电系统，并对其进行实验测试，进一步探索出动态追踪太阳位置和较精密的调控技术。2010年，中国科学院理化技术研究所通过结合行波热声发动机开发出新型千瓦级碟式斯特林发电系统，并通过实验验证了其可行性［19］。2012年，大连宏海新能源发展有限公司通过与Cleanergy公司合作研发出100 kW级碟式斯特林发电系统，并在内蒙古建成国内首个规模化应用电厂［20］。西安航空动力股份有限公司于“十一五”期间研发出25 kW级碟式斯特林发电机样机，经过多年实验和技术攻关，最终具备批量生产的能力［21］。2015年，西航公司在“兆瓦级碟式斯特林发电站建设项目”上又实现重大突破，示范电站的设计已初步完成，即将建成拥有50台碟式斯特林发电装置的大规模太阳能发电示范基地。

阳光照射到碟式聚光镜后，需要聚光镜将接收的阳光辐射反射给阳光接收器，使其产生高温，才能推动斯特林发动机的运转。要产生更多的热量和最大化利用接收到的阳光辐射，需要使碟式聚光镜与太阳的位置时刻保持一致，因此，高精度的阳光跟踪控制系统成为提高发电效率的关键［22］。

阳光跟踪原理：照射进来的太阳光透过通光孔会在光电传感器上产生光斑，光电传感器检测到光斑与中心位置的偏差后，计算太阳具体方位，将收集到的信息传递给控制系统进行调整，从而对太阳进行动态跟踪［23］。太阳位置检测原理如图 5所示，其中：L为光斑与中心轴线的偏差；H为暗室与光电传感器的高度差； $\theta $ 为太阳光线的偏差角。

则此刻 $\theta $ 的表达式为

光电传感器以二维坐标的形式对光斑的位置进行检测，则太阳此刻的偏差角可以用 θx和θy表示，由式（2）可得到

式中，Lx、Ly分别为光斑在x、y方向的偏差。

此时，光电传感器将得到的信息传递给控制系统，通过转向机构进行调节，使光斑时刻保持在中心位置，从而使太阳能利用率尽可能最大化。

接收器接收从聚光镜反射的太阳辐射热量，并在安装于碟面焦点处的感光系统上形成光斑，从而将该热量传递给斯特林发动机。接收器在系统中起着关键的能量转换作用，其内部阳光分布如图6所示。一般太阳辐射热流密度为7.5 × 105 W·m−2左右。为了增加受热面积，碟式发电系统通常采用腔体式接收器，使其能够在高达1 MW·m−2的热流密度下正常工作，以适合高温场合的使用［24］。现在国内外使用的部分接收器无法满足性能要求，主要原因是经过聚光镜反射的太阳光无法在接收器内部均匀分布，所产生的局部高温对换热管危害很大，甚至能够将换热管壁熔化，使斯特林发动机因工质泄漏无法正常运转［25］。因此，在研究精密接收器的同时，还要满足对接收器材料耐高温特性的要求。

上海齐耀动力技术有限公司通过对直照型、热管型、混合型接收器进行各种性能对比，对接收器进行实验研究，并在接收器聚光比和其深度的设计上取得了一定的研究成果，发现接收器内腔的入口直径（焦平面直径）和深度对接收热量的效率有很大的影响［24］。据统计［26］，几何聚光比在2 300:1以上时，接收器内的能量才能使斯特林发动机有效运转。朱辰元等［24］通过实验分析接收器内腔深度与内部能量分布情况，得出接收器深度与聚热的关系。在理论上，其他参数不变，接收器深度越浅，聚热量越多，冷、热腔内工质的温差也越大。在实际中，深度过浅将导致接收器能量损失，降低热效率，所以需要继续研究其深度较为合适的平衡点。

碟式斯特林发动机利用接收的阳光辐射能作为动力，使内部工质来回循环运动输出功率。在实际发电过程中，阳光强度变化不定，且工质换热较快，要达到正常平稳发电，需要控制系统使其能根据阳光强度及时做出调整，对发电系统的输出功率进行快速调节。目前功率控制技术还不够成熟，对此进行深入研究对碟式斯特林发电技术的推广意义重大。

西安航空动力股份有限公司利用研发成功的20 kW级碟式太阳能聚光器双作用斯特林发电系统，针对压力调节和温度调节进行了模拟计算［27］，实验结果显示，调节腔内工质压力更便于实现对功率的控制。当需要减小发电机功率时，可在循环气体中移出部分气体，降低气体的压力，功率可随之下降；当需要增加功率时，可将一定量的气体补充到循环气体中，使气体压力升高，发电机功率随之增加。任金鹏等［28］通过对飞思卡尔单片机进行研究，得出通过调节加热管的温度来改变腔内工质的压力也可以实现对功率的控制。Beltrán-Chacon等［29］通过采用恒定容积的控制系统对碟式斯特林发动机的性能进行分析，研究了腔体容积对功率控制的影响，发现增大腔体容积使温度上升可以提高输出功率。

良好的密封技术在实现密封作用的同时，还可以减少接触磨损和由此产生的污染，否则由于间隙内气体在配气活塞与气缸壁面、活塞杆与动力活塞内孔径壁面以及动力活塞与气缸壁面的泄漏，将引起能量的损失［30］。斯特林发动机不同于内燃机和燃气轮机在循环中存在与外界进行气体交换的过程，其循环过程中工质被封闭在一个独立的区域内，与外界没有质量交换，而且活塞上、下端有非常高的温差或压差，气体容易泄露。而气体一旦泄露，会快速降低发动机的输出功率和换热效率，发动机将无法正常运行［31］。

斯特林发动机的密封技术可分为间隙式和接触式，主要研究的是间隙密封。间隙密封的性能取决于活塞与活塞杆及气缸壁的间隙、气体的黏度及活塞行程，其密封结构如图7所示，其中：L0为间隙密封长度；p1、p2分别为长度为L0的间隙内两端流体的压强；h为密封间隙的高度。对于活塞杆密封结构的设计，通常以填料函和挡油圈这种组合方式进行密封［32］。另外，活塞与气缸壁的间隙必须尽可能地小，通常为直径的1/1 000，同时要求配合表面有很高的硬度，还需防止因机械和热应力导致其变形。另外，气体的黏度越大，润滑性能越好，密封效果也越好，并且活塞行程增大，气体的泄漏率也将降低。杨东亚等［33］ 根据斯特林发动机帽式密封的特点，对绝对密封和滑动密封等密封方式进行分析对比，设计出一种新型活塞杆密封装置，并进行了密封测试实验，密封效果显著；陈国祥等［34］ 运用滑动密封理论结合密封套结构的方法，分析并研究了滑动密封的技术原理，重点研究了密封套、支撑环扩撑、过盈配合及油膜厚度对高压动密封的影响，优化了密封结构。

随着全球能源问题和环境问题日益严峻，全世界都在寻求新能源的利用，而太阳能斯特林发电技术正符合这种需求。本文介绍了斯特林热机的发展过程、循环工作原理及国内外对于碟式斯特林发电技术应用现状，主要针对碟式斯特林发电系统中的关键技术进行介绍和总结。总体上看，碟式斯特林太阳能发电系统优点众多，并受到越来越多国家的重视，具有良好的应用前景。但是，要使碟式斯特林热发电系统效率更高，推进其进一步发展，研发性能优越的热气机和改良以上关键技术是以后研究的重点。

同时，还要看到太阳能发电受天气影响较大，致使其发电效率不高，并且地域性限制较为明显。因此，可以根据当地资源分布，利用斯特林发动机燃料来源广泛的特点，与生物质能、污水处理厂产生的沼气、炼油厂排放的余热等其他能源相结合。例如，设计成光气互补型，实现在没有阳光或不良天气的条件下通过燃烧可燃气体发电，达到系统24 h连续发电的目的，从而提升整体发电效益。目前我国大力提倡节能减排，并资助相关耗能产业进行设备升级，因此碟式斯特林发电技术凭借其环境友好等优点必定会越来越受到重视。