自由活塞斯特林系统的理论与实验研究
自由活塞式斯特林发电系统控制研究
自由活塞式斯特林发电系统控制研究自由活塞式斯特林发电系统控制研究近年来，随着环境问题和能源危机的不断凸显，人们对清洁、高效的能源转换技术的需求不断增加。
斯特林发电系统作为一种能够高效转换热能为电能的技术，受到了广泛关注。
而自由活塞式斯特林发电系统作为斯特林发电系统的一种新型形式，在节能和环保方面具有巨大潜力。
本文将探讨自由活塞式斯特林发电系统的控制研究。
自由活塞式斯特林发电系统的核心是自由活塞机构。
与传统斯特林发电系统不同，自由活塞机构不需要传动机构来连接工质活塞和压缩活塞。
自由活塞式斯特林发电系统具有较高的机械简单度和容积比，同时具备较低的摩擦损耗和振动，使得其具备更高的节能潜力。
为了实现自由活塞式斯特林发电系统的高效运行，控制研究显得尤为重要。
首先，系统的温度、压力、流量等物理量需要进行精确测量和实时监测。
其中，温度的控制对于稳定系统的热输出至关重要。
采用合适的温度传感器和控制策略，可以有效地控制工质和气体的温度，从而提高系统的发电效率。
另外，压力和流量的控制也是确保系统正常运行的关键。
通过控制阀门以及压力传感器的反馈信息，可以实现气缸内气体的压力和流量的精确控制，从而使系统得到优化运行。
其次，自由活塞机构的控制是自由活塞式斯特林发电系统中的一个关键问题。
自由活塞机构无需传动机构，所以在控制上具有较大的灵活性。
通过对发电机组进行建模和仿真，可以确定最佳控制策略，并对其进行实验验证。
同时，利用先进的控制算法和软硬件技术，可以实现对活塞的运动和位置的精确控制，从而最大程度地提高能量转换效率。
此外，系统的自适应控制也是自由活塞式斯特林发电系统研究中的重要内容。
自适应控制可以根据外界环境和负载变化实时调整控制参数，以适应不同工况下的工作状态。
通过研究和改进自适应控制算法，可以提高系统的动态响应性和控制精度，进一步提高系统的稳定性和发电效率。
综上所述，自由活塞式斯特林发电系统控制研究对于提高系统的工作效率和可靠性至关重要。
斯特林热机
斯特林热机演示实验实验类型：热学2010年6月【实验目的】――――――――――――――――――――――――――――――――――了解斯特林热机的现象及其原理。
【实验仪器】――――――――――――――――――――――――――――――――――图1 斯特林热机在该装置中有两个活塞：1．动力活塞：这是发动机上方较小的活塞。
它是紧封闭的。
当发动机内的气体膨胀时，动力活塞会向上运动。
2．置换器活塞：这是装置中较大的活塞。
它在气缸中非常自由，因此随着其上下运动，空气很容易在加热式或冷却式气缸之间流动。
置换器活塞通过上下运动来控制是对发动机中的气体进行加热还是冷却。
它有两个位置：当置换器活塞靠近大气缸的上方时，发动机内的大部分气体由热源加热，然后开始膨胀。
发动机内产生的压力会强制动力活塞向上运动。
当置换器活塞靠近大气缸的底部时，发动机内的大部分气体开始冷却收缩。
这会导致压力下降，从而使动力活塞向下运动，对气体进行压缩。
发动机会反复对气体进行加热和冷却，以便从气体的膨胀和收缩中吸取能量。
【实验现象】――――――――――――――――――――――――――――――――――1.在烧杯中装入开水。
2.将斯特林热机置于烧杯上，观察斯特林热机的运转。
【实验原理分析】――――――――――――――――――――――――――――――――――斯特林热机（Stirling Engine），是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的封闭往复式发动机。
它由苏格兰牧师斯特林提出。
斯特林热机在十九世纪初被发明，目前已经发展为上百种不同的机械结构。
斯特林热机是一种高效率的能量转换装置，相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点，斯特林热机仅采用外部热源，工作气体不直接参与燃烧，因此又被称为外燃机。
只要外部热源温度足够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、生物能等在内的任何热源，都可使斯特林热机运转，既安全又清洁，故其在能源工程技术领域的研究兴趣日益增加，极有可能成为未来动力的来源之一。
100W自由活塞斯特林发动机理论分析和实验测试的开题报告
100W自由活塞斯特林发动机理论分析和实验测试的
开题报告
1. 研究背景
随着能源消耗和环境污染问题的加剧，对高效节能的热机设备的需求越来越大。
自由活塞斯特林发动机作为一种新型热机装置，具有高效节能、低污染等优点，因此引起了人们的广泛关注和研究。
2. 研究目的
本研究旨在对100W自由活塞斯特林发动机进行理论分析和实验测试，探究其工作原理、性能特点和优化方案，为进一步提高自由活塞斯特林发动机的性能提供理论和实验基础。
3. 研究方法
本研究将采用以下研究方法：
（1）理论分析：根据自由活塞斯特林发动机的基本原理和工作过程推导出其性能方程和能量平衡方程，分析其性能特点和优化方案。
（2）实验测试：搭建100W自由活塞斯特林发动机实验平台，进行性能测试和优化实验，测量其热效率、功率输出和排放等指标，并与理论计算结果进行比较和分析。
4. 研究内容
本研究将重点研究以下内容：
（1）自由活塞斯特林发动机的工作原理和性能特点；
（2） 100W自由活塞斯特林发动机的设计参数和构造方案；
（3）自由活塞斯特林发动机的理论分析，包括性能方程和能量平衡方程的推导与分析；
（4）自由活塞斯特林发动机的实验测试与优化研究，包括热效率和功率输出等指标的测试和优化实验；
（5）自由活塞斯特林发动机的性能分析和优化设计。
5. 研究意义
本研究的意义在于：
（1）探究自由活塞斯特林发动机的工作原理和性能特点，为其改进和优化提供理论基础；
（2）对100W自由活塞斯特林发动机进行实验测试和优化研究，为进一步提高其性能提供实验基础；
（3）推广并应用自由活塞斯特林发动机，提高其在工业生产和环保领域的应用价值。
空间高温区自由活塞斯特林发电机工作特性试验研究
空间高温区自由活塞斯特林发电机工作特性试验研究
刘贺;池春云;李瑞杰;林明嫱;牟健;洪国同
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2024(48)3
【摘要】测试了不同冷端温度下,外负载、运行压力和加热功率对高温区自由活塞斯特林发电机的热端温度、电电效率、输出功率、频率的影响。
研究结果表明,在同一冷端温度时,加热功率的增加使发电机的电电效率、输出功率、热端温度上升,而外负载、运行压力的增加则起相反作用;发电机的频率与外负载呈负相关变化,与运行压力、加热功率呈正相关变化。
提升冷端温度使发电机的输出功率、电电效率和频率下降,热端温度上升。
在三种不同冷端温度下,外负载、加热功率和运行压力对发电机输出特性的影响规律不变。
经过测试,发电机在运行温区为495~1058 K 时,最大输出功率103.681 W,电电效率20.5%。
【总页数】7页(P506-512)
【作者】刘贺;池春云;李瑞杰;林明嫱;牟健;洪国同
【作者单位】中国科学院理化技术研究所中国科学院空间功热转换技术重点实验室;中国科学院大学
【正文语种】中文
【中图分类】TM31
【相关文献】
1.自由活塞斯特林发电机的负载特性研究
2.基于全时域方法的自由活塞斯特林发电机工作特性研究
3.空间百瓦自由活塞斯特林发电机的实验研究
4.250 W空间自由活塞斯特林发电机模拟与实验研究
5.自由活塞斯特林发电机启动特性实验研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
斯特林发动机实验原理
斯特林发动机实验原理斯特林发动机是一种热机，它利用燃烧产生的热能来产生机械功，而不像内燃机那样利用高温与低温之间的热差来产生机械功。
和内燃机相比，斯特林发动机的热效率更高，因此在一些特殊应用，如低温环境或需要长时间运行的应用中得到了广泛的应用。
斯特林发动机的工作原理是通过一个循环过程将热能转化为机械能。
这个循环过程包括以下几个步骤：1. 加热气体：在发动机内部有一个热源（例如一个火炉），它加热气体（通常是氢气或氮气），使气体温度升高。
2. 膨胀气体：加热后的气体进入一个气缸，气缸外围有一个活塞，气体膨胀时会推动活塞向外运动。
3. 冷却气体：气缸的另一侧与一个冷源相连，使气体冷却并收缩。
4. 压缩气体：冷却并收缩后的气体由于压力下降而吸回活塞，回到第一步重新开始循环。
斯特林发动机的实验可以通过以下几个步骤进行：1. 组装：将实验所需的斯特林发动机装配起来，通常包括一个气缸、活塞、曲轴和连接杆。
2. 准备：在发动机中加入气体（如氢气或氮气），并将热源放置在适当位置，以便将气体加热。
3. 启动：点燃热源，加热气体，使气体膨胀并推动活塞运动，从而带动曲轴旋转。
4. 测试：测量发动机的性能参数，例如产生的功率和效率。
可以通过改变热源的位置、调整气缸的尺寸和形状来改变发动机的性能。
5. 分析：分析实验结果并推导出发动机的工作原理和性能规律。
可以通过理论分析和数值计算来验证实验结果，进一步深入理解斯特林发动机的工作原理。
斯特林发动机的优点在于高效、低污染和可靠性高，但也存在一些局限性，例如需要较长的启动时间、重量较大、体积较大等。
随着技术的不断发展，一些新型斯特林发动机已经解决了这些问题，并在特定领域得到了广泛应用。
为了进一步提高斯特林发动机的性能，研究人员开发了许多改进器件和技术，例如：1. 调节调速器：将变速器安装在斯特林发动机上，可以更好地控制发动机的转速，从而提高其效率和性能。
2. 节流阀：通过使用节流阀可以调节发动机的输出功率，从而在运行时节省燃料和能源，同时也能降低机械部件的磨损和维护成本。
科技成果——自由活塞式斯特林发动机
科技成果——自由活塞式斯特林发动机技术开发单位中国电子科技集团公司第二十一研究所技术简介斯特林发动机技术作为世界上热转换效率最高的热机，是目前世界发达国家竞相投巨资重点开发的新兴主导战略产业。
技术开发单位一体化解决了自由活塞式斯特林发电机和斯特林制冷机核心技术及其一系列产品生产工艺问题，成功开发了40W、60W、80W和800W、1000W、1200W以及3000W等系列斯特林发电机和制冷机产品，拥有独立知识产权，具备低成本与规模化量产能力。
主要技术指标1、斯特林发电机主要性能指标结构优化，完整气密式/全密封设计；太阳能热发电效率达29%，综合发电效率最高可达95%的能量转换效率；可适用多种热源发电，180℃电机启动温度；超静音（65db噪音）、低震动、低废热释放。
2、斯特林制冷机主要技术指标机身全密封设计；超静音（60db噪音）、低震动、低废热释放；制冷2分钟达到-50℃，10分钟达到-100℃，20分钟内达到-120℃，真空条件下最低温度可达-233℃；使用氯气为冷却剂。
技术特点热效率高，斯特林发动机的实际有效效率能达到32%-40%，最高可达47%。
排气污染小，和内燃机相比，太太降低了废气中CO、HC 等有害气体的含量。
噪音低，发动机运转比较平稳，噪音比较小。
运转特性好，由于斯特林发动机中最大压力与最小压力之比一般小于2，因此其扭矩比较均匀、运转比较平稳。
超负荷能力强，在超负荷50%的情况下仍然能正常运转，相对于内燃机5%-15%的超负荷能力而言具有更好的运转特性。
结构简单，维修方便，比内燃机少40%的零部件。
技术水平国内领先适用范围高握太阳能应用，太阳能光热发电。
中温太阳能应用，工业蒸汽（替代或部分替代传统工业蒸汽锅炉）、城镇集中供暖工程、社区供暖、太阳能空调集热制冷、稠油热采、烟草、中药材、食品干燥等。
专利状态授权专利多项技术状态小批量生产合作方式计划采取股权投资、风险投资和债权融资等多种途径寻求社会资本投资，合作进行规模化量产、拓展市场，扩大经营。
自由活塞斯特林直线发电机结构设计
自由活塞斯特林直线发电机结构设计摘要：斯特林发动机是一种以气体作为工作介质的外部加热活塞式发动机。
其对燃料的品质要求不高，太阳能、地热能、生物化学能等可再生能源均可作为斯特林发动机的燃料。
本文根据自由活塞斯特林发电机的动子运动近似正弦的特点，分别对单相、三相电机在均匀速度和正弦速度下的运动情况进行分析，从提高电机效率和降低电能后处理难度的角度出发，提出了一种单相双定子结构的横向磁通永磁直线电机，并对电机的磁场分布、感应电势、定位力等性能进行了研究和分析。
根据电机的设计要求，对电机的结构和性能参数进行了优化，最后确定了电机的尺寸和参数。
关键词：波浪发电；直线电机；伺服电机；测试平台山东省大学生创新创业训练计划项目：用于深空探测的自由活塞斯特林发电机设计（项目编号：S202210449097）0引言斯特林发动机是一种以气体作为工作介质的外部加热活塞式发动机。
斯特林发动机对燃料的品质要求不高，太阳能、地热能、生物化学能等可再生能源均可作为斯特林发动机的燃料。
自由活塞发电机系统采用自由活塞发动机和直线发电机直接结合，改变了传统的先将直线运动转换为旋转运动、再带动旋转发电机的发电方式，省去了曲轴连杆等传动环节，使系统发电效率得到较大提高。
斯特林发动机在工作循环过程中，其工质是封闭在一个独立的区域内，与外部气体没有交换，这使得斯特林发动机可以工作在真空环境中。
这为航天领域深空探测的能源供给问题提供了一种解决方案。
1自由活塞斯特林发电系统运动特性分析自由活塞斯特林发电机系统包括自由活塞斯特林发动机和直线发电机两部分[1]。
自由活塞斯特林发动机主要由加热器、冷却器、回热器、配气活塞和动力活塞等部件组成。
发动机内部的气体通过回热器在热端和冷端之间循环。
在图1中，靠近冷却器一侧的空腔称为压缩腔，靠近加热器一侧的空腔称为膨胀腔。
冷腔、冷却器、回热器、加热器和膨胀腔连接在一起，构成了完整的工作气体循环回路。
直线发电机部分主要由发电机定子和发电机动子两大部分组成。
自由活塞斯特林发电机的动力学特性研究
自由活塞斯特林发电机的动力学特性研究陈曦;郑朴;罗兰【摘要】将自由活塞斯特林发动机与直线发电机耦合，构成自由活塞斯特林发电机。
分析了该发电机的系统结构和运行机理，建立了自由活塞斯特林发电机的质量－弹簧－阻尼系统模型。
利用力多边形方法对自由活塞斯特林发电机的动力活塞和配气活塞进行了动力学分析，在力多边形图上可以直观地看出自由活塞斯特林发电机的受力情况以及位移或压力相位角之间的关系，并利用示功三角形表征了压缩功和膨胀功。
此外，还对直线发电机的输出特性进行了研究，推导了输出功率的计算公式。
研究表明，通过调节负载参数，可以控制自由活塞斯特林发电机的输出功率。
%Frww-piston Stirling gwnwrator was composwd of frww-piston Stirling wnginw and linwar gwnwrator.Thw systwm structurw and thw opwration mwchanism of frww-piston Stirling gwnwrator wwrw analyzwd,and a mass-spring-dampwr modwl was built.Baswd on thw forcw polygon mwthod,thw dynamic analysis on piston and displacwr of frww-piston Stirling gwnwrator was takwn.Thw forcws on frww-piston Stirling gwnwrator and thw phasw shift bwtwwwn displacwmwnt and prwssurw wavw wwrw obtainwd dirwctly on thw forcw polygon diagram.Triangular indicator diagrams wwrw uswd to indicatw thw powwr in comprwssion spacw and wxpansion spacw rwspwctivwly.Bwsidws,thw output charactwristics of linwar gwnwrator wwrw studiwd, and thw calculation mwthod for thw linwar gwnwrator output powwr was dwvwlopwd.Thw study shows that thw output powwr can bw adjustwd by changing thw paramwtwrs of thw load.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2016(038)001【总页数】5页(P38-42)【关键词】自由活塞斯特林发电机;力多边形;直线发电机;动力学特性【作者】陈曦;郑朴;罗兰【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093【正文语种】中文【中图分类】TB6自由活塞斯特林发动机作为一种外燃式热机,具有结构简单、效率高、寿命长、噪声低等优点,可以利用清洁太阳能、放射性能源、地热能、生物能、余热等作为热源,并可使用He,H2,N2,甚至空气等环境友好气体做工质.直线发电机具有效率高、寿命长、响应快、精度高等优点,若将其与自由活塞斯特林发动机耦合,构成自由活塞斯特林发电机,可将两者优点充分发挥,更具有热-电效率高、寿命长等优点,满足能源高效利用和环境安全的要求[1-4].Karabulut[5]研究了自由活塞斯特林发动机动态特性随热端温度、活塞运动阻尼系数、配气活塞杆径、充气压力以及活塞支撑弹簧刚度的变化规律.Benvenuto等[6]研究了热-流-动力转化过程中的非线性关系对自由活塞斯特林发电机稳定性的影响,并指出校正非线性项的稳定效应可以设计出运行稳定的自由活塞斯特林发电机,而不必使用功率控制系统.Redlich等[7]运用线性动力学对自由活塞斯特林发动机进行理论分析,得到了发动机稳定运行的判据、确定振荡频率的方法以及摩擦对发动机启动特性的影响.Boucher等[8]建立了双自由活塞斯特林发动机动力学模型,对其动力学特性进行研究,并考虑了流体和电磁力的非线性耗散效应.李珂等[9]建立了1 kW自由活塞斯特林发电机实验平台,考察了不同热源下的发电机性能,其研究采用热声理论,没有对动力学与负载的耦合作用进行分析.刘心广等[10]对斯特林制冷机的动力学特性进行研究,采用了力多边形方法进行分析,具有很好的理论指导意义.陈曦等[11]实验研究了一台自由活塞斯特林制冷机,其结构和自由活塞斯特林发电机相似,但工作的动力学特性并不完全相同.自由活塞斯特林发电机的工作性能不仅与自身设计参数有关,而且受输入热源和工作负载的影响.本文利用力多边形方法,对自由活塞斯特林发电机的动力学特性进行研究,并分析直线发电机的输出特性.自由活塞斯特林发电机系统主要由自由活塞斯特林发动机、直线发电机、功率控制系统以及电能调节分配系统等组成.通过高温热源对自由活塞斯特林发动机热腔内气体进行加热,当其温度达到自启动温度时,发动机内部的活塞开始起振,将外界输入的热量转化为活塞往复运动的机械能,然后通过直线发电机将其转化为电能,实现热能-机械能-电能的转化.针对自由活塞斯特林发电机,建立其稳定运行时的质量-弹簧-阻尼系统模型，如图1所示,并对其进行动力学分析.图中,Mp,Md分别为动力活塞和配气活塞质量;D1为动力活塞阻尼器;D2为动力活塞和配气活塞间相对运动阻尼器;D3为配气活塞阻尼器;D4为发电机壳体阻尼器;Kp,Kd分别为支撑动力活塞和配气活塞的板弹簧刚度;Kc为壳体与地面间支撑结构刚度;Fp,Fd,Fe分别为动力活塞所受的气动力、配气活塞所受的气动力和动力活塞所受的电磁力;pe,pc和pb分别为膨胀腔压力、压缩腔压力和背压腔压力.由于壳体质量较动力活塞和配气活塞都要大,其作用在受力平衡中可以忽略不计.在自由活塞斯特林发电机中,动力活塞和配气活塞调谐作为一个质量-弹簧-阻尼振荡系统,必须具有正确的相位关系以完成气体的循环,且在循环任意时刻所受到的力为作用在其上所有力的合力,而这些力必须按照一定的排列方式相互作用,以保证发电机在允许的运行工况下都能正常运行[12].为便于描述自由活塞斯特林发电机的稳定运行,假设其运动规律按正弦变化.2.1 动力活塞的力多边形分析根据牛顿第二定律,对自由活塞斯特林发电机的动力活塞进行受力分析,可得式中：第一个方程的各项意义依次为动力活塞的惯性力、粘性阻尼力、弹簧力、气动力和电磁力;xp为动力活塞位移;cp为动力活塞阻尼系数;Δp为压缩腔与背压腔内气体压力差;Ap为动力活塞横截面积;B为直线发电机的磁感应强度,L为直线发电机的线圈长度,i为直线发电机的电流.若设定动力活塞的运动初始相位角为零,并由于发动机背压腔内压力pb变化很小,可认为pb=pm,pm为充气压力,是常数.故有式中:Xp为动力活塞振幅;ω为简谐振动的圆频率;ΔP为压缩腔与背压腔内气体压力差的波幅;α为动力活塞位移相位领先于压缩腔压力相位的相位角;I为直线发电机电流幅值;ψ为发电机电流相位领先于动力活塞位移相位的相位角.将式(2)～(5)代入式(1),并化简可得若用力多边形的方法将式(6)中各量表示在笛卡尔坐标系中,则可以得到自由活塞斯特林发电机动力活塞的力多边形图,如图2所示.图中各向量仅表示其物理参量的相位关系及相对大小,且它们具有相同的频率,但不代表实际向量力的方向.若定义由气动力和弹簧力及其夹角构成的三角形为示功三角形(三条绿色虚线所包围),由图2可知,动力活塞示功三角形的面积Sp为KpXpΔPApsinα由式(2)和式(4)可得,压缩功为Wc=n∮pcd(Apxp)=nπΔPApXpsinα式中 ,n为运行频率.联立式(7)和式(8)，可以得到所以,示功三角形面积Sp可表征理论功的相对大小,且压缩功与示功三角形面积的比值与运行频率成正比,与板弹簧刚度成反比,但其物理意义与功稍有不同.2.2 配气活塞的力多边形分析在自由活塞斯特林发电机中,配气活塞的运动主要受气动力和板弹簧弹簧力的影响,并通过运动产生的气流质量分配和动量分配改变气动力和气流阻尼来影响动力活塞运动.对配气活塞进行受力分析,得Mdx″d+cdx′d+Kdxd+Fd=0式中:各项意义依次为配气活塞的惯性力、粘性阻尼力、弹簧力和气动力;xd为配气活塞位移;cd为配气活塞阻尼系数.且有Fd= peAd-pc(Ad-Ar)-pbAr=式中:Xd为配气活塞振幅;θ为配气活塞位移领先于动力活塞位移相位角;ΔpR为回热器两端压差;Ar为配气活塞杆横截面积;Ad为配气活塞横截面积.对于自由活塞斯特林发电机,若忽略工质通过回热器的压降,有pc =pe,则根据自由活塞斯特林发电机内位移-压力间相位关系,式(13)可以表示为则式中:β为配气活塞位移相位领先于膨胀腔压力相位的相位角;φ为压缩腔压力领先于膨胀腔压力的相位角.将式(11)、(13)代入式(10)可得同理可得配气活塞的力多边形,如图3所示.配气活塞示功三角形(三条绿色虚线所包围)的面积Sd为KdXdΔPArsinβ忽略回热器压降时,pc=pe,并由式(4)、(11)可得,膨胀功为在不考虑回热器压降时,气体通过回热器的压力相位差φ=0,并联立式(15)、(17)、(18)可得到膨胀功和示功三角形面积Sd的关系综上所述,可得自由活塞斯特林发电机的力多边形,如图4所示.且在忽略所有压降时,动力活塞和配气活塞的气动力是同相的,即φ=0.从图4中可以清楚地看出发电机的受力情况、位移和压力相位角之间的关系、动力活塞示功三角形(红色)和配气活塞示功三角形(绿色).另外,由于配气活塞的质量较动力活塞小,且作用在配气活塞上的压力受力面积仅为配气活塞杆横截面积(不考虑回热器两端的压降),造成配气活塞力多边形的面积较动力活塞力多边形的面积小. 直线发电机作为自由活塞斯特林发电机的关键部件,把斯特林发动机动力活塞往复运动的机械能转化为电能，并产生电压,进而在负载电路中形成电流并输出功率,同时在发电机动子上产生电磁阻尼力完成能量转换过程,因而其输出特性对自由活塞斯特林发电系统有着重要的影响[13].由法拉第电磁感应定律并结合式(2)可知,直线发电机输出电压可表示为e(t)=NBLXpωcos(ωt)式中：N为直线发电机线圈匝数.因而,若假设负载电路中负载的电阻为R,直线发电机线圈的电阻为r,则电路中的瞬时电流可表示为NBLXpωcos(ωt)当直线发电机电路中有电流通过时,将在发电机的动子(即动力活塞)上产生力的作用,该力与安培力为作用力与反作用力,故动力活塞受到的瞬时电磁阻尼力Fe可表示为由式(20)、(21)可得到电阻元件电路中发电机输出的理论平均电功率为事实上,负载电路并不是纯阻性的,也可能有感性(电流滞后于电压)或容性(电压滞后于电流)负载,也就是说发电机内的电流和电压间存在一定的相位差,这时式(22)应表征为对上式进行化简可得式中：L′为电路中的电感;C为电路中的电容;φ为电流滞后于电压的相位角.其中φ对于同步直线发电机,在纯阻性电路中发电机的输出电压与电路中的电流是同相的,且领先于动力活塞位移90 °。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
传统斯特林循环分析理论
三级分析法(节点分析法) 不再仅分为5个腔体，而是沿一维流动方向分为若干节点，对每一 个节点列写控制方程并进行求解。 计算精度基本满足工程需要，发展最成熟，应用最广泛。
电加热
实验平台
激励电源
电容+划线变阻
实验方法
以1000W恒定功率进行加热。
当热源温度T1达到193°C ，
系 统 起 振 ， 起 振 频 率 47.2 Hz。
不同热源温度下的性能： 改变加热量，调节滑线变阻 器，使热端温度达到稳定。
自由活塞斯特林发电机实物图
实验结果——加热量与电功
最大电功： 762W (930K) 最高热电效率： 19.1%
1964年，美国Beale发明了自由活塞斯特林发动机
接触密封
寿命 可靠性
间隙密封
曲柄连杆
气体弹簧 板弹簧
传统斯特林机
自由活塞斯特林机
自由活塞斯特林系统的典型结构
热能
热机
机械能 直线电机
电能
发电机
热泵
制冷机
目录 ？
1 研究背景
2 分析理论
7 总结展望
自由活塞 斯特林
3 发电机
6 CFD模拟
5 制冷机
自由活塞斯特林系统的理论与实验研究
答辩人： 李 珂 导 师： 戴 巍
目录 ？
1 研究背景
2 分析理论
7 总结展望
自由活塞 斯特林
3 发电机
6 CFD模拟
5 制冷机
4 热泵
斯特林机的发明
1816年，Robert Stirling 发明了基于理想斯特林循环的 斯特林发动机。
1862年，A. Kirk 采用逆向斯特林循环进行制冷，发明了 斯特林制冷机。
直线电机
排出器
排出器连杆
动力活塞
板弹簧
国内外研究情况
美国的Infinai公司与Sunpower公司技术最成熟，最具代表性 Sunpower公司
气体轴承 排出器连杆
主要特点 排出器连杆穿过动力活塞 采用气体轴承来支撑动力活塞
空间核能发电
应用领域
碟式太阳能热电
静音电源
EE-80 (Sunpower) 650/30°C, 86W，60%
四级分析法(CFD分析法) 多维流动，对每个控制容积列写控制方程并进行求解。借助商业 CFD软件进行求解。 计算耗时较多，做为三级分析法的辅助计算。
热声理论
热声效应
热致声：通过加热产生声波 声致热：消耗声波来泵热
假定物理量为： 平均量+一阶量
带入控制方程 舍去二阶小量
截面平均 简化为一维 复频域求解
获得压力、速度、 温度的分布
计算热声效应中 的声功、热流
两种分析理论的对比
传统斯特林循环 分析理论
宏观热力学角度出发， 对控制方程在时域范 围内求解
回热器作用单一，仅 仅是具有吸热、放热 作用的“热力海绵”
热声理论
声学角度出发，对控 制方程在复频域范围 内求解
回热器是整个系统中 实现功热转换的核心 部件
Power dish (Infinia) 总热电效率24%，3kW
士兵携带式发电系统
Sunpower
105 Hz，650/80°C， 43 W，热电效率21%
国内外研究情况
国内研究
起步较晚，技术差距较大
北京农业工程大学(1995) 加热器
上海船用柴油研究所(2004) 气体轴承
哈尔滨工业大学(2010) 直线电机
定
等温膨胀
容ห้องสมุดไป่ตู้
吸
热
定
容
放
等温压缩
热
斯特林机工作示意图
理想斯特林循环
斯特林机的优缺点
优点
✓外燃式：各种热源(太阳能、核能、化石燃料、生物质) ✓噪音低：闭式循环 ✓潜在效率高：卡诺效率 ✓无污染：工质为He 、N2
缺点
╳寿命限制：活塞密封难(传统斯特林)
内燃机 汽轮机 蒸汽节流制冷
发展缓慢 应用受限
自由活塞斯特林机的发明
目录 ？
1 研究背景
2 分析理论
7 总结展望
自由活塞 斯特林
3 发电机
6 CFD模拟
5 制冷机
4 热泵
国内外研究情况
美国的Infinai公司与Sunpower公司技术最成熟，最具代表性
膨胀腔 加热器
Infinia公司
回热器 水冷器
主要特点：
排出器连杆不穿过动力活塞， 位于排出器内部
采用板弹簧来支撑动力活塞
缺乏整机研究 特别是实验研究
国内外研究情况
本实验室研制的自由活塞斯特林发电机
百瓦级自由活塞斯特林发电机 (2010)
802K，40W，5%
单发动机驱动双对置电机
千瓦级自由活塞斯特林发电机 (2012)
80Hz，近800W，17%
单发动机驱动双对置电机
1kW自由活塞斯特林发电机
基本参数 Sunpower结构 50Hz，He，5MPa 排出器直径：75mm 电机功率：1kW
4 热泵
斯特林机的分析理论
传统斯特林循环 分析理论
零级分析法 一级分析法 二级分析法 三级分析法 四级分析法
热声理论
传统斯特林循环分析理论
零级分析法 根据实验结果引人经验因子，得出效率及输出功率的经验关系式。 计算简单，仅能作为初步性能估算
一级分析法(等温分析法) 分为5个连续腔体，假设每个腔体中气体经历等温过程，简化控制 方程并求解。 较大的理论误差，一般只适用于定性分析。
理论计算结果(Sage)——初步性能预测
高温端 室温端 压力 活塞位移 排出器位移 排出器相位
℃
℃ MPa mm
mm
deg
650
30
5
10
8.4
52
加热量 声功 电功 电机效率 相对卡诺效率 整机效率
W WW
3157 1062 811 76%
51.5%
25.7%
理论计算结果——声功
声功
回热器中 产生声功
X轴方向
(-A.压缩腔；A-B.高温换热器；B-C.回 热器；C-D室温换热器；D-.膨胀腔)
理论计算结果——声场相位
E2=0.5*|p||U|cosθ
驻波：90° 无法输送声功 行波：0° 声功最大
功热转换核心部件 ——回热器 尽可能运行于行波声 场中
0°
(-A.压缩腔；A-B.高温换热器；B-C.回 热器；C-D室温换热器；D-.膨胀腔)
实验与计算结果——效率
输出功率较低时，电 机的输入声功大部分 被阻尼消耗，效率较 低；当输出功率达到 一定值以后，电机效 率基本不变，约73%
热机效率随温度升高而 增大(18%~33%)
整机效率随着发动机效 率的升高而升高
实验与计算结果——排出器相位与相对卡诺效率
相对卡诺效率随热源 温度升高而升高。 在温度较低时，二者 基本一致，随着温度 的升高，计算与实验 结果间的误差逐渐增 大。