斯特林发动机的研究与发展
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低温差斯特林发动机的研究与制造摘要：介以斯特林热力循环为理论基础，设计并制造一种外燃式低温差条件下工作的斯特林发动机。
通过机加工工艺及3D打印技术的途径，设计并制造相关零部件，最终制造出以清洁能源为动力的斯特林发动机，并将其应用到实际的生活和生产中以实现清洁能源的收集和废热的再利用。
关键词：清洁能源斯特林循环斯特林发动机低温差21世纪我们面临着资源困乏，环境污染严重的社会现状。
随着全球能源危机的发展与环境的恶化，人们清楚地认识到开发利用新能源的重要性。
该文介绍了一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发动机，其优点有噪音低、效率高、污染小、维修方便和燃料来源广等。
该发动机可以作为一种高效的、清洁的动力机应用在多个领域中，并且在环境保护、节能减排方面有着重要的意义。
斯特林发动机的燃料来源广、对燃料的适应性强，不仅可以使用天然气、石油、煤等作为能源，还可以使用化学能、原子能、太阳能以及燃烧秸秆、木材等农林废弃物时产生的热能。
另外，斯特林发动机具有很高的热效率，理论上来说，斯特林循环效率和同等状态下的卡诺效率相等。
该课题就是计并制造一种外燃式低温差条件下工作的斯特林发动机，利用太阳能或者其他废热来驱动斯特林发动机，再给其配上发电装置实现的输出，目前制造出来的原型机功率最大可以达到2W，可以实现为手机等移动设备充电。
1、设计及原理1.1 斯特林循环斯特林发动机包括冷腔(压缩腔)、冷却器、热腔(膨胀腔)、回热器、加热器5部分。
冷腔和冷却器是循环的低温部分，一般称为冷区。
热腔和加热器是循环的高温部分，称为热区。
斯特林循环的工作流程为：首先把工质密封在闭合回路中，随后通过活塞运动使回路进行流动。
理想的循环是回热器中的等容冷却过程、膨胀腔中的等温膨胀过程、回热器中的等容加热过程、压缩腔中的等温压缩过程。
(见图1、图2)由此可见，热气机的理想循环是由两个定温过程和两个定容过程组成。
斯特林循环也是概括性卡诺循环的一种，其热效率1.2 动力输出装置此部分是用来收集斯特林发动机所输出的动力，在本项目中采用发电装置来收集动力。
斯特林发动机 研究 发展
关于斯特林发动机的研究与发展学号：13015218姓名：彭俊图摘要:简述了斯特林发动机的发展历史及研究现状，介绍了斯特林循环并归纳了斯特林循环的分析方法，阐述了斯特林发动机的特点和应用，并展望了斯特林发动机的发展前景。
关键词:斯特林发动机;斯特林循环;碟式太阳能热发电系统随着社会的不断发展，化石燃料的消耗量日益增大，传统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，而积极解决这个问题的有效途径之一是开发一种可以使用与传统内燃机不同的燃料的动力装置，斯特林发动机则是目前可行的最佳途径之一。
斯特林发动机(Stirling engine) 又叫热气机，是一种封闭式外燃机，具有燃料来源广，热效率高，排气污染少，噪音低，运转特性好，结构简单，维修方便等优点，并且在太阳能碟式发电系统中有着重要的应用，越来越受到人们的关注。
国外一些专家预言，21 世纪将是斯特林发动机的世纪。
1 斯特林发动机的发展1816 年，罗伯特·斯特林(Robe Stirling) 发明了闭式循环的热气机一一斯特林发动机。
在当年的第4081 号专利中，罗伯特·斯特林在历史上第一次描述了回热器的结构和应用，并对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述斯特林发动机是一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发动机。
自罗伯特·斯特林于1816 年发明斯特林循环以来，限于当时条件，大部分发动机的功率和效率都很低，逐渐被比其发明晚半个多世纪的内燃机所替代。
1916 年最后一台老式斯特林发动机出厂，斯特林发动机的发展告一段落[1 3J 近几十年来，随着能源问题和污染问题日益突出，以及斯特林发动机的一些关键技术问题的解决和它所特有的优点，因而受到了国内外的广泛关注。
20 世纪30 年代到60代，现代斯特林发动机的鼻祖一一荷兰的菲利普公司开创了现代斯特林发动机发展的新阶段。
之后经过通用发动机公司、福特汽车公司、瑞典联合热气机公司的不断发展，在包括美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本等主要工业国家政府的资助下，在碟式太阳能热发电、制冷和热泵等领域取得重要进展。
斯特林发动机
斯特林发动机摘要斯特林发动机不仅理论热效率高，等于卡诺循环效率，而且作为外燃机其排放特性非常好，所以近三十年来一直是研究的热点。
本文主要写了斯特林发动机的循环过程分析、优缺点、应用等。
关键词：斯特林发动机，斯特林循环，机械效率一、斯特林机简介这种发动机是伦敦的牧师罗巴特•斯特林（Robert Stirling ）于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirling engine ）。
斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，即卡诺循环效率。
斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。
斯特林机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。
在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质，气缸一端为热腔，另一端为冷腔。
工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功。
燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。
二、斯特林机的循环过程热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。
斯特林循环可以分为4个过程：① ② ③ ④①a→b 定容回热过程:动力活塞停留在它的上止点附近,配气活塞上行，迫使冷腔内的工质经回热器流入配气活塞上方的热腔，低温工质流经回热器时吸收热量，使温度升高。
②b→c定温膨胀过程：配气活塞继续上行，工质经加热器加热，在热腔中膨胀，推动动力活塞向下并对外作功。
③c→d定容储热过程：动力活塞保持在下止点附近，配气活塞下行，工质从热腔经回热器返回冷腔，回热器吸收工质的热量，工质温度下降至冷腔温度。
④d→a定温压缩过程:配气活塞停留在下止点附近，动力活塞从它的下止点向上压缩工质，工质流经冷却器时将压缩产生的热量散掉，当动力活塞到达它的上止点时压缩过程结束。
斯特林循环与卡诺循环比较，前者由两个等温过程和两个等体积过程所构成，而后者係由两个等温过程和两个绝热过程所构成。
换言之，斯特林引擎循环以两个等体积的吸热与排热过程，取代卡诺循环的两个绝热过程。
斯特林发动机的工作原理及应用前景
５ 斯 特 林 发 动 机 的应 用 形 式
（ １ ） 分布式能源 系统的利用 ①热 电联产 燃料来 源广 ． 环境污染小 。 非常适用于家庭 热电联 产 在大城市里可以以天然气作燃料 。 在农村可 以燃烧如木屑 、 米糠 、 棉秆等各种农林废弃物 ． 斯特林发动机和发 电机组合 ， 即可发电 ， 又可 利用冷却水系统供应热水和采暖 美 国 Ｓ Ｔ Ｍ 公司和 日本各 自开发成 功了家用热电联产 系统用 于民用 。 ②远距离发电 、 备用 电力 、 电网支持等。在偏远地区 ， 直接使用斯 特林发动机发 电。 可 以大大 降低架 设网线 的成本 ； 在医院 、 机场 、 电信 等． 作 为备用 电力应 急使用 ： 电力系统在负荷高峰时 ， 使用斯特林发动 机发电作 为电力补充 ． 可以降低运行成本。 （ ２ 斯特林 太阳能发 电装置 斯特林发动机另一个 重要 的应用领域是 作为太 阳能热 发电的动 力转换装 置 太 阳能是可再生能源 ． 又是免费能源 ， 是斯特林发动机的 最佳动力 源泉 太 阳能碟式发 电系统利用斯特林发动机 外燃 的特性 ， 使用抛物面碟式 聚光器将太 阳光汇聚在斯特林发动机的热腔 。 加热工 质． 使 斯特林发 动机工作 ， 将太 阳热转化为机械能 ， 再经过 发电机将机 械能转化 为电能 斯特林发动机作 为碟式太 阳能热发 电系统的核心组 件． 既适 合分 布式应用 ． 又适合大规模兆瓦级并网。 目 前碟式系统太阳 能转化电能效率达到 了 ３ ３ ％． 高于光伏 电池 的 １ ８ — ２ ０ ％的水平 。相较 太阳能光伏 发电板 占用空 间大 。 它更适合大型电力事业。采用太 阳能 光热发电技术 ． 避免 了昂贵 的硅晶光电转换工 艺 ． 可 以大大 降低 太阳 能发 电的成本 ． 是新能源利用 的一个重要方 向。
斯特林发动机模型制作与研究
毕业设计(论文) 题目斯特林发动机模型制作与研究系别动力工程系专业班级热能与动力工程08k3班学生姓名指导教师王庆五二○一二年六月斯特林发动机模型制作与研究摘要随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。
研究能以天然气、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、改善当前使用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。
斯特林发动机作为外燃机具有的燃料多样化、效率高、噪音和污染小等特点，适于利用农村薪材、桔杆和太阳能进行发电。
斯特林发动机得天独厚的优势，以及各种新材料新技术的出现，斯特林发动机必将代替内燃机为21世纪提供主要动力。
斯特林发动机的广泛应用，必将使我国的能源利用效率得到大幅度提高，无沦是对环境保护还是节能减排，都有着非常重要的积极意义，也将会为我国的经济又好义快的发展提供充足动力。
本文通过研究斯特林发动机的性能特性，讲述了斯特林发动机的结构类型与主要分析方法，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及主要应用，设计制造了斯特林发动机模型，并对该模型进行了实验分析，得出的结论和模拟性能基本一致。
关键词:斯特林发动机；性能模拟；设计实验Stirling engine model production and studyAbstractThe oil energy is reducing and its price is increasing day by day,theinternal-combustion engine has brought environment pollution and broken zoology balance，the problems are standing out．Researching engine that can combust gas，marsh gas，biology is very signification that it can promote the compositive utilization of energy，change the use of only one oil energy，reduce environment pollution，create the economy society．The Stirling engine as outboard engines with fuel diversification, high efficiency, noise and pollution and other characteristics, suitable for rural fuelwood, straw and solar power generation. The unique advantage of the Stirling engine, as well as a variety of new materials, new technologies emerge, the Stirling engine will replace the internal combustion engine to provide the main driving force for the 21st century. Wide range of applications of the Stirling engine, will make China's energy use efficiency has been greatly improved, no occupied by the enemy of environmental protection or energy saving, have very important positive significance, will also be good for China's economic justice the fast pace of development to provide adequate power.According to the requirements on the development of energy and basing on the theory of stifling engine，the software the simulate stirling engine character is developed,then the configuration-type and analytical method of Stirling cycle were elaborated in the following parts.The key technology that affect the performance was also summarized.Through its character,the stifling engine model is designed and manufactured，and it is tested，the conclusion consistent with the simulation character．Key Words:stirling engine，simulation eharaeter`designing experiment目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 斯特林发动机的背景及意义 (1)1.2 斯特林发动机国内外研究动态 (2)1.2.1 国内发展状况 (2)1.2.2 国外发展状况 (2)1.3 本文的主要研究内容 (4)2 斯特林发动机组成及理论分析 (5)2.1 斯特林发动机的组成 (5)2.2 斯特林发动机的工作原理 (6)2.3 斯特林发动机热效率分析 (8)2.4 小结 (8)3 斯特林发动机性能分析 (10)3.1 斯特林发动机实际循环性能分析计算 (10)3.1.1 数学模型的建立 (10)3.2 斯特林发动机性能模拟及影响性能因素 (13)3.2.1 膨胀腔、压缩腔示功图和总示功图 (13)3.2.2温度、压力、转速等因素对斯特林发动机性能影响 (14)3.3 结论 (15)4 斯特林发动机模型设计制作 (16)4.1 斯特林发动机的设计类型 (16)4.2 斯特林发动机设计参数的选择及确定 (16)4.3 斯特林发动机的具体尺寸及制作 (17)4.3.1 斯特林发动机模型外型 (17)4.3.2 制作方法及制作工序 (18)4.3.3 组装次序及注意事项 (22)4.3.4 试运行 (23)4.4 小结 (23)5 斯特林发动机在联合循环及余热利用中的研究 (24)5.1 朗肯—斯特林联合循环 (24)5.2 燃气轮机—斯特林联合循环 (26)5.3 小结 (28)结论 (29)参考文献 (30)致谢 (31)1 绪论在当今世界科学技术的迅速发展，人们在不断完善现有动力机的同时，还在努力探索开发新型的动力机，外燃机就是在这样的背景下设计成功的，随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，传统的内燃机使用石油资源而引起的环境污染、能源使用极不平衡等社会问题日见突出。
斯特林发动机
制造材料与工艺
制造材料
斯特林发动机主要使用耐高温、耐腐 蚀、高强度的金属材料，如不锈钢、 钛合金等。
制造工艺
斯特林发动机的制造工艺主要包括精 密铸造、机械加工、焊接和装配等环 节，每个环节都对精度和质量要求极 高。
维护与保养
定期检查
定期对斯特林发动机进行检查，包括气缸、活塞、曲轴等关 键部件，确保其正常运转。
能源的高效转化。
移动设备
斯特林发动机可用于汽车、船。
分布式能源
斯特林发动机可作为分布式能 源系统的一部分，为偏远地区 或离网地区提供电力和热能。
制冷与空调
斯特林发动机可用于制冷、空 调等领域的热力循环，提高系
统效率和环保性能。
02 斯特林发动机的工作原理
热力学基础
1 2 3
热力学第一定律
能量守恒定律，表明能量不能从无中生出，也不 能消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
热力学第二定律
表明在封闭系统中，熵（无序程度）总是增加的， 即热量总是自发地从高温流向低温，而不是反过 来。
理想气体定律
描述了理想气体的状态如何随温度和压力变化。
斯特林循环
斯特林循环由四个主要 过程组成：压缩、加热、
移动能源应用
开发适用于交通工具的斯特林发动机，如电动汽 车、无人机等，提供清洁能源解决方案。
船舶与海洋工程
将斯特林发动机应用于船舶推进和海洋工程领域， 降低碳排放和噪音污染。
未来发展趋势与挑战
可持续发展需求
随着全球对可持续发展的关注度 提高，斯特林发动机作为清洁能 源解决方案之一，将面临更大的 市场需求和发展机遇。
清洁与润滑
保持斯特林发动机的清洁，定期更换润滑油，以减少磨损和 延长使用寿命。
太阳能斯特林发动机调研报告
太阳能斯特林发动机调研报告一．太阳能斯特林发动机的研究意义进入21世纪，人类社会面临着严重的能源紧缺和环境污染。
传统能源中的石油和天然气将在未来几十年内耗尽,煤尽管还能用一二百年，但它会对生态和环境带来很多的副作用。
在世界范围内的能源危机中，中国更是首当其冲。
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[1]。
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的有几种方法。
其中理论上可达到最大效率的是斯特林发动机(或热气机)。
斯特林发动机是一种简单的外燃机。
这是罗伯特·史特灵在1816年（英国、专利号4081)就提出的概念。
和内燃机相比，这种发动机效率高、污染小、噪音低等优点。
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。
二．斯特林发动机的原理斯特林发动机是利用高温高压的氢气或氦气作为工质, 通过2个等容过程和2个等温过程可逆循环( 图1) 。
气缸中装有2个对置的活塞, 中间设置1个回热器用于交替的吸热和放热, 活塞和回热器之间为膨胀腔和压缩腔。
膨胀腔始终保持高T max, 压缩腔则始终保持低温T min。
由图1可见, 斯特林循环由以下4个换热过程组成: 1- 2为等温压缩, 热量从工质传递给外部低温热源; 2-3 为等容过程, 热量从回热器传给工质; 3-4为等温膨胀,热量从外部高温热源传递给工质; 4-1 为等容过程, 热量由工质传递给回热器。
斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。
斯特灵发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。
这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。
燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。
斯特林发动机
斯特林发动机斯特林发动机的发展史,以及斯特林在各个方面的应用。
斯特林发动机一热机领域里的竞争者王景枯上海汽车发动机厂上海船用柴油机研究所徐宁义! #,自从概念以后年法国卡诺提出热机的循环和可逆的,同时向外放热0,保证过程等温,做负功。
人们认识到实际热机的效率不可能高于理想可逆的热机理想效率与工质无关只与冷热源的,动力活塞在上止点不动配气活塞由上止点向下点运动经压缩后的工质流经回热等温吸热―,,,谧差有关多年以来汽轮机、,并据此设想出高压缩型自燃式热机、、。
一百器,并从中吸收热量使温度和压力都升高到最大值,。
与内燃机同时发展或新近在发展中的有燃气轮机以及利用太阳能氢能核聚变能,、由于动力活塞不动行,总工作容积不变,过程在等容进不做功。
等各种能源的高效低公害新型动力机、、。
属于热机范、畴的则有蒸汽机内燃机汽轮机燃气轮机斯/ )特林% ( +发动机朗肯, .发动机和氢发、、膨胀麟动机低、除蒸汽机已接近淘汰以外汽轮机由于效率太装置笨重而只用于电站和大型船舶,斯特林朗。
、,厂〕〕二厂二二〕州肯和氮发动机目前均尚不够成熟因此作为主要发动机的仅有内燃机和燃气轮机,而燃气轮机的经济性还比不上内燃机,。
,1 2一1加热器’… 曰3回热器配气活塞冷却器压缩腔所以内燃机仍然是目前经济性最好“”动力活塞的发动机。
内燃机的工作依赖于一次能源中的石油和天然气而世界上石油和天然气的储藏量是有限但是,。
它的用最却不断增长解决这个危机的手段不外平两方面一是开发新能源使内嫩机不再使用石油的,,。
与天然气用,”而以其他合成燃料或别的燃料供内燃机使另一方面便是内燃机本身的改进尽量少用一,,斯特林机的工作原理图30“次能源同时研制不使用机以逐步取代内嫩机,,。
“一次能源,”的新型热另一个重大问题是、,工业不断发展环境污染其中包括大气污染噪声和振动严重,对人类的威胁也越加―从加热器获得大量热量在等温膨胀做正功活塞不配等容放热―动力在下止点动气活塞从下止点向上止点运动经等温膨胀后的高温工,等温膨胀两个活塞同时向下运动,,工质。
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首先应用一级分析法， 以α
3
斯特林发动机的循环
斯特林发动机通常分为 5 个部分： 热腔 （ 膨胀腔 ） 、 加热
型斯特林发动机为模型 ， 根据质量、 能量守恒定律和理想气 体状态方程， 对斯特林发动机进行了理论研究 。 但由于一级 分析法的等温假设过于理想 ， 不符合实际情况， 因而存在较 大的理论误差， 一般只用于定性分析
。
3 ） 二级分析法。二级分析法假设热腔和冷腔内的工质 温度在循环的过程中是变化的 。 因此基于二级分析法所建 的数学模型一般为常微分方程组 ， 结合理想气体状态方程以 及边界条件可进行数值求解 。 最常用的二级分析法是绝热 分析法。相对一级分析法而言， 二级分析法更接近实际 ， 具 有更为重要的应用价值
［10 ］
斯特林发动机是一种外部燃烧 （ 加热 ） 的封闭式活塞发 动机。自罗伯特· 斯特林于 1816 年发明斯特林循环以来 ，
采用平均温差的斯特林发动机模型 ， 研究了
收稿日期：2011 － 03 － 16 作者简介：许行（ 1987 —） ， 男， 硕士研究生， 主要从事碟式系统用斯特林发动机的数值模拟研究 。
［13 ］
提出了五部件绝热气缸模型 ， 考虑热
交换器的效率及其死区容积的影响 ， 运用变质量系统热力学 分析了实用的斯特林循环 ， 并求出循环内 理论和数值方法， 各热参数的瞬时变化和一个循环的平均参数 。 李修宝 动机工作循环数学模型 。 严子浚
［15 ］ ［14 ］
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 研究了受热阻、 热漏和 回热损失 3 种主要不可逆因素影响的斯特林热机的优化性 能， 导出 了 热 机 的 基 本 优 化 关 系 及 功 率 和 效 率 界 限 。 杨 征
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 5 kW 点聚焦 太阳能斯特林发电系统进行了性能分析 。
2 ） 一级分析法。一级分析法又称等温分析法 ， 是最基本 。 的斯特林循环分析方法 该方法主要假设热腔和冷腔工质 的循环温度恒定， 通过理论分析可以推导出斯特林发动机功 率和效率的解析解。 Schmidt
［17 ］
建立了考虑热漏、 回热损失等不
林循环的分析法可以分为零级分析法 、 一级分析法、 二级分 析法、 三级分析法和四级分析法 5 类。 1 ） 零级分析法。零级分析法并没有对斯特林循环进行 而是根据斯特林发动机的实验结果引入经验因子 ， 归 分析， 纳出斯特林发动机实际功率与效率的经验关系式 。 该方法 一般可用于定性分析， 不适合做斯特林发动机的 简单实用， 优化设计。Carlquist 和 Beale 对零级分析法的应用与发展做 出了重要贡献
［25 － 28 ］
。
4 ） 三 级 分 析 法。 三 级 分 析 法 又 称 为 节 点 分 析 法， 由 Finkelstein 首先完成。Urieli、 Gedeon、 Martini 等对其进行了深
http： / / scbg． jourserv． com / 106 四川兵工学报
［1 ］
。
近几十年来， 随着能源问题和污染问题日益突出 ， 以及 斯特林发动机的一些关键技术问题的解决和它所特有的优 因而受到了国内外的广泛关注 。20 世纪 30 年代到 60 年 点， — —荷兰的菲利普公司开创了 代， 现代斯特林发动机的鼻祖 — 现代斯特林发动机发展的新阶段 。 之后经过通用发动机公 福特汽车公司、 瑞典联合热气机公司的不断发展 ， 在包括 司、 美国、 俄罗斯、 英国、 法国、 德国、 日本等主要工业国家政府的 资助下， 在碟式太阳能热发电、 制冷和热泵等领域取得重要 进展。我国的某些研究机构也在 20 世纪 70 年代中期开始 研究斯特林发动机， 并在碟式太阳能热发电领域取得一定 成果
105 许 行， 等： 斯特林发动机的研究与发展
基于碟式系统用斯特林技术的太阳能热发电系统 ， 该系统假 设接收器的温度为 20 ℃ ， 温差为 300 ℃ 。 在初始设计阶段， 根据完整模型换热器中能量损失和压降损失的最优状态确 定临界参数， 并根据最优化原理指出了在给定的温差 、 运行 频率和死 区 容 积 下， 功 率 最 大 时 有 确 定 的 最 佳 扫 气 容 积。 William［11］ 证明了斯特林发动机比火花塞发动机可节约燃料 10% ～ 30% 。 USPS （ united states postal service ） 测 试 LLV （ longlife vehicle） 的数据表明斯特林发动机的理想节能空间
［21 － 24 ］
回热器、 冷却器和冷腔 （ 压缩腔 ） 。 热腔和加热器处于循 器、 环的高温部分， 通常称它们为热区。 冷腔和冷却器处于循环 的低温部分， 称为冷区。 斯特林循环的工作过程是 ： 工质被 密封在一个闭合回路中 ， 依靠活塞的协调运动从而实现在回 路中流动。其理想循环为： 压缩腔中的等温压缩过程 ， 回热 膨胀腔中的等温膨胀过程以及回热器 器中的等容加热过程， 3 分别是理想斯特林循环 4 个过 中的等容冷却过程。 图 2 、 程的 P － V 图和 T － S 图。
［8 ］ ［7 ］
s 规则， 基于 Urieli and Berchowitz’ 用热
［9 ］
力学原理中稳流分析法分析了 γ 型斯特林发动机的运行特 和 Thombare 分别研究了低温差的斯特林发 动机在太阳能热发电中应用的可行性方法 ， 并指出立式双作 用往复式 γ 型斯特林发动机在未来的太阳能热发电中有巨 大潜力。Tlili
［12 ］ 可达 30% 。J Gary Wood 用完整的线性变换方法设计了应
用于空间供能的改进型 35 W 自由活塞式斯特林发动机 ， 特 别指出了它有很高的热电转换效率 （ 卡诺效率的 50% ） 和功 率系数（ 100 W / kg） 。 我国对斯特林发动机的研究起步较晚 ， 但发展速度比较 “第二届国际斯特林 特别是 1984 年 6 月， 在上海举行了 快， 发动机会议” 之后， 我国的斯特林发动机的研究工作出现了 新的局面。吴沛宜
［19 － 20 ］
可逆因素的循环平均传热模型 ， 并用功率优化法和生态学优 化法进行系统优化， 得到了不同优化目标下的最佳工质温度 比与最佳换热面积比。同时对斯特林机进行仿真研究 ， 采用 C ++ Bulider编写 算 法 程 序 对 斯 特 林 机 进 行 仿 真 试 验 。 高 瑶
［18 ］
［1 ， 3 ］
随着社会的不断发展， 化石燃料的消耗量日益增大 ， 传 统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机 ， 而积极解决这个 问题的有效途径之一是开发一种可以使用与传统内燃机不 同的燃料的动力装置， 斯特林发动机则是目前可行的最佳途 是一种 径之一。斯特林发动机（ Stirling engine ） 又叫热气机， 封闭式外燃机， 具有燃料来源广， 热效率高， 排气污染少， 噪 音低， 运转特性好， 结构简单， 维修方便等优点， 并且在太阳ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ能碟式发电系统中有着重要的应用 ， 越来越受到人们的关 21 世 纪 将 是 斯 特 林 发 动 机 的 注。国外 一 些 专 家 预 言， 世纪
入补充， 并编成了软件进行模拟 。三级分析法是对工质作一 维流动假设， 在每个节点处对工质的传热和气体动力学过程 用质量、 动量和能量守恒的偏微分方程进行描述 。 三级分析 法解决了一级分析法和二级分析法的空间误差问题 ， 得到了 ［7 ， 10 ， 29 － 33 ］ 。 广泛的应用和发展 5 ） 四级分析法。四级分析法又称为多维 CFD 分析法， 是在三级分析法的基础上将维数增加到二维甚至是三维 ， 其 往往需求于商业化的 CFD 软件。 多维 计算过程极其复杂， CFD 分析法已成功应用于内燃机和燃气轮机的设计 ， 但在斯 因 为 到 目 前 为 止， 多维 特林发动 机 上 的 应 用 还 很 不 完 善 ， CFD 在两相流上的应用还很困难 。尽管如此， 由于四级分析 作为研发的重点， 随着各种辅助工具的不 法的精度比较高， ， 断改 善 四 级 分 析 法 终 将 成 为 斯 特 林 循 环 的 主 要 分 析法
［34 － 35 ］
斯特林发动机在太阳能热发电领域有着重要的应用 。 用斯特林发动机作为动力系统的太阳能热发电技术 ， 在美国 和澳大利亚等国家已经取得了实质性的突破 ， 很多实验电站 已经运行多年。 大规模的商业运行电站也正在建立 。2005 SCE 公司 （ Southern California Edison ） 司和 SES 年 8 月 11 日， Inc． ） 宣布签订 20 年采购协议， 公司（ Stirling Energy Systems， 由 SES 公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟式斯 特林发电系统建造一座 500 MW 并逐步扩大到 850 MW 的太 000 个碟式斯特林发电 阳能热发电站。该电站预计将由 20 ， 占地 4 500 英亩（ 18 平方公里 ） ， 这是太阳能光碟 / 系统组成， 斯特林 发 动 机 技 术 在 商 业 发 电 领 域 第 一 次 大 规 模 应 用 。 2005 年 10 月 12 日， SES 公司宣布与 SDG＆E 公司 （ San Diego Gas ＆ Electric ） 签订提供 300 ～ 900 MW 太阳能电力合同， 这 大约是圣地亚哥地区现在太阳能发电能力的 30 倍。 目前 SAIC（ The Science Applications International Corporation） 又和美 国 Sandia 国家实验室联合开发商用 25 kW 太阳能热电系统， 计划在 5 年时间内分 3 个阶段将 56 座碟式斯特林发电系统 ［27 ， 38 － 40 ］ 。 安装和示范于全美各州电能利用基地
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