新能源論文太陽能斯特林發(fā)電技術應用前景

　　太陽能在國內(nèi)新能源經(jīng)濟里具有巨大的發(fā)展?jié)摿�，本篇新能源論文介紹了太陽能斯特林發(fā)電技術，通過這種外燃式熱機在具備一些傳統(tǒng)發(fā)電項目所不具備的優(yōu)勢，解決了制約發(fā)電性能、提高熱電轉(zhuǎn)換效率的關鍵技術，已在空間探索，民用產(chǎn)業(yè)，武器領域等得到了成功的應用�？梢园l(fā)表新能源論文的期刊有《太陽能》(月刊)1980年創(chuàng)刊，是我國新能源領域的權威媒體。主要介紹我國新能源政策、普及太陽能知識、交流太陽能科技成果，是太陽能科技人員和愛好者的理想讀物。堅持為社會主義服務的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導，貫徹“百花齊放、百家爭鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針，堅持實事求是、理論與實際相結(jié)合的嚴謹學風，傳播先進的科學文化知識，弘揚民族優(yōu)秀科學文化，促進國際科學文化交流，探索防災科技教育、教學及管理諸方面的規(guī)律，活躍教學與科研的學術風氣，為教學與科研服務。太陽能雜志是光伏方面投稿的雜志。

　　對于目前資源與環(huán)境的嚴峻形勢，各國研究機構(gòu)出于節(jié)能減排，保障能源安全、解決氣候與能源資源等目的，積極開展各種新型能源的開發(fā)和利用，投入大量資金與技術與支持[1-4]，以及政府不斷采取相關優(yōu)惠的政策法規(guī)進行扶助[5-7]，致力于形成和推廣可持續(xù)發(fā)展的清潔新能源動力的開發(fā)應用，處理好新能源與能源強度，經(jīng)濟增長之間的關系[8]。

　　新能源的探索與研究包括：能源資源的開發(fā)與挖掘，能源資源的轉(zhuǎn)換和能源資源的有效利用三個方面。本文主要研究熱能與機械能和電能之間轉(zhuǎn)換的設備-斯特林發(fā)電機的原理研究和應用說明，為清潔能源的合理利用和高效轉(zhuǎn)換提供有益的參考。

　　2.斯特林發(fā)電機技術

　　2.1 原理

　　斯特林發(fā)電機是由斯特林發(fā)動機和交流發(fā)電機兩部分組成。1861年Stirling提出斯特林循環(huán)技術于，斯特林循環(huán)由兩個等溫壓縮和膨脹與兩個等容回熱過程組成的閉式熱力學循環(huán)，稱為斯特林循環(huán)(也稱為卡諾循環(huán))，斯特林發(fā)動機是利用外部熱源加熱工質(zhì)氣體，工質(zhì)氣體再推動機構(gòu)的動力活塞進行機械動能輸出，斯特林能量轉(zhuǎn)換機運動原理如圖1所示。

　　圖1中①為發(fā)動機起始點，此時工質(zhì)氣體受外部熱能受熱膨脹，膨脹的工質(zhì)氣體將配氣活塞推至膨脹腔最右端;動力活塞位于最右端，動力活塞依靠回復彈回向左移動。壓縮產(chǎn)生的熱量由冷卻器帶走，從① 到②為等溫壓縮;②到③為等容放熱過程，屬于內(nèi)部換熱，與整個過程與能耗無關，配氣活塞和動力活塞同時在彈簧回復力的作用下同時向左移動。 ③到④為等溫膨脹，配氣活塞移動到最左端，動力活塞也位于最左端，理論上根據(jù)能量守恒，電機的發(fā)電量與膨脹功、內(nèi)能之和是相等的關系。④到①為等容吸熱過程。完成一個循環(huán)，在整個循環(huán)中，動力活塞依靠配氣活塞傳遞的能量進行來回振動，同時帶動鏈接在動力活塞活塞桿上的永磁體在線圈之間擺動，線圈產(chǎn)生交流電流。

　　理論上，斯待林循環(huán)的熱效率等于同溫限卡諾循環(huán)的熱效率，但在實際應用中由于存在非理想化的不可逆因素，回熱器也不可能將百分之百的效率進行熱能傳遞，所以熱效率低于同溫下卡諾循環(huán)的理論熱效率，目前斯特林發(fā)動機的熱效率可達30%—45%[9]。斯特林發(fā)動機屬于外燃機，可以采用價廉易得的燃料，亦可利用太陽能及原子能作熱源;它排氣污染少、噪音低，對于緩解環(huán)境壓力，解決世界對優(yōu)質(zhì)能源需求、減少污染無疑是有利的[10]。

　　2.2 關鍵技術

　　斯特林發(fā)電機的關鍵技術主要有三個方面：首先是動力活塞和配氣活塞的動力學研究，由于斯特林的自由活塞是通過高壓氣體耦合由熱能驅(qū)動進行高頻往復振動，在運動中存在著復雜的物質(zhì)和能量的傳遞。斯特林發(fā)電機的動力學研究可采用數(shù)學建模對其內(nèi)部工質(zhì)的溫度、速度、壓力、容積等進行熱力學和流體力學仿真分析[11]，得出最優(yōu) 的動力學模型，指導整機結(jié)構(gòu)的設計;其次是材料的選擇，斯特林發(fā)電機的關鍵部分為吸收熱量的熱頭和配氣活塞，為了達到高效能量傳遞，采用了薄壁容器高精度的相對運動，而容器長期處于800K以上的溫度，因此材料的選用方面需要考慮高溫下的穩(wěn)定性，目前選用的理想材料為鎳基超級合金Ineonel718。第三是長壽命的問題，活塞與活塞缸之間的磨損以及材料在高溫下的失效，是影響發(fā)電機壽命的主要因素，通用的解決方法為柔性支撐與間隙密封相結(jié)合，也稱為“牛津型”。

　　2.3 研究成果

　　斯特林發(fā)動機發(fā)明的初衷是替代蒸汽機，解決蒸汽機工作不穩(wěn)定的因素，由于當時的加工技術的限制，斯特林發(fā)動機的制造工藝和裝配技術無法滿足高效運轉(zhuǎn)的目的，因此人們認為斯特林發(fā)動機效率低下，利用價值較低，再者同時代更為高效的內(nèi)燃機的發(fā)明和改進，阻礙了對斯特林發(fā)動機進一步研制工作，使斯特林的研制一度停止。

　　直至上世紀三十年代末，荷蘭菲利普公司重新開始了斯特林技術的研究，并對斯特林技術做了很大的改進，氣體工質(zhì)采用氫氣或氦氣，用菱形傳動方案，改進了活塞的密封，使其工作效率和能量轉(zhuǎn)換的比例提高了50%，圖2為菲利普公司車輛驅(qū)動菱形斯特林發(fā)動機。

　　1972年，美國福特公司與菲利普公司合作研制了4-215型斯特林發(fā)動機，并獲得成功，此后由Mechanical Technology Incorporated (MTI)與瑞典UNITED Stirling Technology(UST)研制了四缸雙曲軸斯特林發(fā)動機，發(fā)動機效率超過了38%制造成本低于等效率內(nèi)燃發(fā)動機，如圖3所示。

　　經(jīng)過大量的研究工作，斯特林技術逐漸成熟，并走向工程化規(guī)�；�的應用水平。二十世紀70年代，自由活塞斯特林機逐漸推廣至太陽能，反應堆以及民用生物熱能發(fā)電領域，取得了良好的經(jīng)濟效益。

　　在國內(nèi)中科院上海技術物理研究所、信息產(chǎn)業(yè)科技集團公司16 所、航天科技集團公司五院510所、華中科技大學、兵器科技集團公司211 所等單位先后開展了斯特林研究工作，其中航天510所于2015年完成了200W發(fā)電機的研制，效率和比功率指標達到了國內(nèi)先進水平，技術性能如表1所述。

　　斯特林發(fā)動機屬于外燃熱機，可利用太陽能、生物熱能、核反應堆，石化燃料熱能等對熱端外部加熱，即可實現(xiàn)能量從熱能至電能的轉(zhuǎn)換。其依據(jù)高效、高比功率、低噪音等特點，在新能源利用和開發(fā)方面成為新的研究關注點。在斯特林發(fā)電技術方面以美國的Infinia公司和Sunpower公司研發(fā)的自由活塞式結(jié)構(gòu)較為完善，成為現(xiàn)代主流機型，如圖4和圖5所示。2.4 應用

　　利用太陽能發(fā)電是開始于上世紀80年代石化燃料出現(xiàn)危機之后，主要出現(xiàn)了光伏發(fā)電和太陽光聚焦熱能發(fā)電。美國于八十年代中期至九十年代初期利用太陽光聚焦熱能發(fā)電裝機容量達到了353.8MW，發(fā)電成本為8.9美分/(kW·h)，取得了可喜的成績，此后，以色列、德國等各國投入經(jīng)費研究太陽熱能發(fā)電技術。

　　太陽光聚焦發(fā)電是通過凹面鏡將太陽光聚焦至一點，聚焦后產(chǎn)生數(shù)百K的高溫，再通過加熱斯特林熱機部分，將集聚的熱能轉(zhuǎn)換為電能。目前太陽能熱電主要有塔式、槽式和碟式三種技術，如圖6，圖7和圖8所示。2010年底，全球建成運行的太陽能熱發(fā)電站約1.095GW，其中槽式太陽能熱發(fā)電站占比達到了90%。陽光資源充足的中東、非洲以及我國也開始致力于發(fā)展和利用太陽能熱電轉(zhuǎn)換技術。

　　除太陽光聚焦產(chǎn)生的熱量外，利用放射性同位素在核裂變時產(chǎn)生的高能粒子和射線與材料之間作用后產(chǎn)生的熱量，以及反應堆產(chǎn)生的熱量通過斯特林熱機進行發(fā)電，應用在空間探索、無人潛水艇、單兵電源裝備以及偏遠地區(qū)等的電力供應。這種利用反應堆與斯特林發(fā)動機結(jié)合的發(fā)電機雖然發(fā)電功率小，但其具有小型化、可移動性良好，以及長壽命等優(yōu)點，具有良好的應用前景。

　　3結(jié)論

　　我們國家具有十分豐富的光照資源，但在太陽能斯特林發(fā)電方面起步較晚，一些關鍵的技術尚需改進完善，在以后的研究中應該加大研究力度，解決發(fā)電機運行的可靠性，進一步提高熱電轉(zhuǎn)換效率，減小與發(fā)達國家的差距，達到工程化規(guī)�；瘧�用的發(fā)電系統(tǒng)。

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