斯特林直线发电机的发展现状及应用

[摘 要]介绍了斯特林直线发电机的特点，分析了斯特林直线发电机的原理以及国内外的发展现状，并对目前的应用场合进行了介绍，最后展望了斯特林直线发电机的发展前景。

[关键词]斯特林直线发电机；原理；发展

中图分类号：TB857+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0380-02

0 引言

20世纪以来，随着科学技术、社会经济的不断发展，人民的物质生活不断提高，人们对能源的需求越来越大，然而在目前这个依然以化石燃料为主要能源支柱的社会中，由于石油等化石燃料的短缺而造成的能源危机屡次出现，并且由于现代科学、工业技术如此发达，也造成了环境的污染以及由于二氧化碳的排放导致了温室效应。对于目前人类来说，寻找一种干净无污染的新能源显得如此重要。

对于传统的内燃机旋转发电机来说，存在着效率低并且高排放等缺点，并且存在着中间机械传动机构，增加了损耗，降低了效率[1]，而采用斯特林发动机与直线发电机相结合，减少了中间的机械传动结构，使整个系统更紧凑、可靠，系统效率也得到大幅提升，相比于内燃机，斯特林直线发电机存在以下优点[2-4]：

（1）振动小、噪音低

斯特林发电机的工作腔与大气隔绝，压力上升的速率也不高，由于没有传动机构，所以运转十分安静，不必使用隔声或消音装置。

（2）排放低

斯特林发电机是外燃机，不像内燃机那样需要每个循环与外界交换气体，斯特林发电机的工作燃气一直保存在气缸内，而不需要与大气交换气体，因此它的排放很低，污染很小。

（3）结构简单

无需燃气压缩机， 无需排气装置，比内燃机少50%的零部件，维护成本较低。

（4）燃料选材广泛

连续燃烧加热允许使用最广泛的燃料和能源，其中包括气体、液体、固体燃料以及各种再生能源。同时还可以直接使用放射性能源产生的热量进行运行发电，这是其它原动机所不具备的能力。

（5）效率高

没有连杆、轴或轴承，只有滑动配合，由工质本身作为剂，因而有非常高的机械效率。一台输出功率为1kW的斯特林发电机，机械效率可达90%多；而曲柄连杆式发动机的机械效率一般只有80%左右。

斯特林直线发电机因其存在以上一系列优点而备受人们关注，也决定了它在工业中的各个领域有着广阔的应用前景。

1 工作原理

斯特林发动机是一种能以多种燃料为能源的闭循环回热式发动机，与传统的内燃机相比，斯特林发动机是一种外燃机，它是依靠外部的热源对其密封在机器中的工质进行加热，进行闭循环，就是说工作燃气一直保存在气缸内，而不需要与大气交换气体[5]。斯特林发动机在做功时，不是通过燃料在气缸内部瞬间升到很高的温度和压力进行爆震去推动活塞，而是依靠外部的热源对其热膨胀气缸持续传热，由机器内部不断升温升压的工质去推动活塞做功，因此在工作时较内燃机要平稳，而且噪音要小很多，另外斯特林引发动机往维修需求较低，工作起来更高效、更安静、而且更可靠。

斯特林直线发电机的结构如图1所示，由斯特林原动机和直线发电机两大部分构成，通过斯特林原动机的动力活塞与直线发电机的动子相连接。斯特林原动机属于外燃机，在整个周期中为一个封闭的循环，主要由膨胀腔、压缩腔、配气活塞、动力活塞、加热器、冷却器、回热器和气缸这几部分构成。靠近冷却器一端的为压缩腔，而靠近加热器一端的为膨胀腔，而配气活塞的运动可以调整压缩腔与膨胀腔的气体的比例，斯特林原动机的工作是通过外部热源对于气体进行加热，从而使得膨胀腔内气体压力增大，首先推动配气活塞运动，使得压缩腔内的气体压力变大，从而推动动力活塞运动，带动直线发电机的动子运动而发电的。

2 国内外发展现状

十八世纪，由于当时蒸汽机工作很不可靠，并且效率很低，因此在1816年，英国人罗伯特？斯特林发明了斯特林发动机[6]，但由于当时缺乏良好的耐热材料以及人们对斯特林发动机的性能了解很少，以致及其的效率和功率都很低，因此到十九世纪中叶的时候，当高效率的内燃机出现后，斯特林发动机的研制工作就停止了。而再一次开始斯特林发动机的研制就要到二十世纪了，1938年，荷兰的飞利浦公司开始了现代斯特林发动机的研制工作，从20世纪的30年代至60年代，发展了现代的斯特林发动机，并用于发电、船舶、汽车、农业机械等领域。之后多家公司开始研究斯特林发动机，从技术继承上来讲，其中主要包括联合斯特林发动机公司（United Stirling）、考库姆斯公司（Kockums AB）、德国SOLO公司、美国STM公司（Stirling Thermal Motors.Inc）、美国SES公司（Stirling Engine Systems. Inc）等。欧美政府很重视斯特林发动机的发展和应用，尤其是将其应用于太阳能碟式热发电系统中。从20世纪70年代起，经过四十年左右的发展，现在美国的几十千瓦级的斯特林发动机技术已经很成熟了，而德国、瑞典等国家也有比较成熟的斯特林发动机技术。

美国Sunpower公司一直致力于对斯特林发动机的研究，1969年正式开始研究斯特林发动机，到现在，不管是作压缩机，还是作原动机用，都处于世界领先地位，而单从作为发电机的原动机用来看，产品应用于航天、军事、家用和工业研究等各方面领域。1984年Berchowitz D.M.就提出了斯特林发动机与直线发电机的一体化发电，并研制了一个3kW的样机，该样机运行时安静，并且清洁度好[7]。而在1993年的时候就将斯特林直线发电机应用在了电动汽车上。在1995年的时候，研制出了功率从1kW到10kW的斯特林发动机，燃料采用天然气[8]。同一年，研制出了一种水平对置的5kW斯特林发动机。而在最近十年里，2003年研制了一个35W的斯特林发动机用于太空能源应用中，并着手于提高效率和可靠性等方面，发电机效率为83%，系统效率为29%[9]。2005年，研究一种自由活塞斯特林直线发电机（FPSE）系统的控制方案，并将它应用于军事中，作为士兵随身携带的动力系统，原动机采用42W的自由活塞斯特林发动机，用来驱动直线发电机发电，输出额定功率为35W，经过AC-DC转化后，为用户提供28V直流电压[10]。同期，J.Gary Wood等人正在为NASA研究一种80W先进斯特林变换器作为航天中的能源供给用，该斯特林变换器热端温度能到850°C，当工作时温度比为3.0，功率密度为90W/kg时，整个变换器效率达到了40%[11-12]。2007年，James Huth等人研制出了以JP-8为燃料，可随身携带的35W的斯特林发电机系统作为军事中士兵的能源，整个系统重2.1kg，热能转换到电能的效率为21%[13]。Sunpower公司目前所研制的斯特林发动机功率从35W到7.5kW，几种典型的产品如表1所示，主要的还是1kW以下的，可以看出效率都高于30%。

3 斯特林直线发电机应用概述

由于斯特林直线发电机具有具有燃料来源广、效率高、污染小和噪音低等优点，目前已经应用于很多领域。斯特林直线发电机对燃料的适应性很强，可用能源除了煤、石油、天然气外，还可以利用太阳能、原子能、化学能以及木材、秸秆等农林废弃物燃烧所放出来的热能，而下面主要针对斯特林发电机利用太阳能、辐射能和生物能的应用进行介绍。

3.1 斯特林太阳能发电系统

太阳能热发电技术中最具发展潜力的是碟式太阳能高温发电技术，尤其是近几年碟式斯特林太阳能发电技术更是令世界瞩目，它具有光电转换效率高、耗水量低、发电方式灵活及可逐步规模化等特点[14]。

20世纪70年代末到80年代初由瑞典USAB、美国Advanced Corporation、MDAC，NASA及DOE等开始对现代碟式太阳能热发电技术进行研究。2006年，Infinia公司研制出一种“锅盖形状”的太阳能发电机，和别的太阳能发电技术公司的手段不同，Infinia使用了类似卫星电视天线样的碟形“锅盖”来搜集太阳热能，其它公司多半使用方形的太阳能面板，在吸收热能方面，碟形设计比传统的太阳能面板跟有效。普通的太阳能面板的光电转化率为12%到15%，部分面板能够达到22%，Infinia锅盖接收面板可以达到24%。

3.2 斯特林辐射能发电系统

在宇航探测中，由于环境的恶劣，对于传统的采用太阳能电池阵列和蓄电池来供电的系统有时在远离太阳的区域内，无法得到充足的太阳能来保证太阳能电池板发电，然而却有无穷无尽的辐射能供我们来利用，此时采用辐射能发电就体现出了足够的优势[15]。

美国宇航局（NASA）一直致力于研究斯特林发电系统在航天技术中的应用，研究了一种先进斯特林放射性同位素发电机ASRG（Advanced Stirling Radioisotope Generator）[16]。ASRG利用了Sunpower公司研制的先进斯特林变换器ASCs（Advanced Stirling Convertors），斯特林原动机带动直线发电机发电，该直线发电机采用的是一种动磁型的结构，而原动机采用Sunpower公司型号为EE-35的斯特林发动机，功率为35W，整个系统的功率密度接近100W/kg，ASC的温度比为3.1，工作频率为105Hz；当热端温度为1123K时，电机转换效率可达到38%。

3.3 斯特林生物能发电系统

斯特林发电机不仅能够利用太阳能、辐射能等能源，还能利用沼气、农业废弃物、废材等生物能进行发电，而这一点优势在广大的农村，乡镇企业、城镇家庭有着广阔的市场前景。

美国俄勒冈州科瓦利斯市废水处理厂于2004年应用55kw商业Stirling发动机建立了一座利用废水处理中产生的沼气发电的示范工程，解决了当地因担心使用内燃机发电系统会带来新的空气污染而不能被利用的沼气的问题。

4 结论

近年来，随着直线电机的发展，斯特林直线发电机得到了人们广泛的关注，斯特林直线发电机振动小、噪音低、排放低、结构简单、燃料选材广泛以及效率高等优点使得它在工业各个领域中也得到了更广泛的应用，随着技术进步和新材料的开发，斯特林直线发电机的性能还有得到进一步的提高，应用领域得到进一步的扩展，很可能成为21世纪一种主要的动力装置。

参考文献

[1] 李庆峰，肖进，黄震.自由活塞式内燃发电机仿真研究.中国机械工程.2009，20（8）：911-915.

[2] 朱辰元.自由活塞式热气机发电技术在世界上的发展.上海节能.2009（8）：6-11.

[3] 李庆峰.自由活塞式内燃发电机的研究.上海交通大学博士论文. 2011.

[4] 李庆峰，肖进，黄震.自由活塞式内燃发电机研究现状.小型内燃机与摩托车.2008，37（4）：91-96.

[5] 邹隆清，刘洪硕，邓十洲.斯特林发动机.长沙：湖南大学出版社.1985.

[6] 李海伟，石林锁，李亚奇.斯特林发动机的发展与应用.能源技术. 2010，31（4）：228-231.

[7] Berchowitz D M，Richter M，Shade D.Development and Performance of a 3 kW（e） Air Charged Free-Piston Stirling Engine with Linear Alternator.Proc，22nd IECEC.1987：1835-1840.

[8] Beale W T.Free-Piston Stirling Engines for Domestic Cogeneration and Biomass Energy Conversion. Society of Automotive Engineers. 1995.