皇明太陽能股份有限公司 ■ 劉建明 陳革 章其初

一 引言

斯特林發(fā)動機(jī)是一種外部供熱(或燃燒)的活塞式發(fā)動機(jī)，它以氣體為工質(zhì)，按閉式回?zé)嵫h(huán)的方式進(jìn)行工作[1]。1816年，英國牧師羅伯特·斯特林發(fā)明了斯特林發(fā)動機(jī)。當(dāng)時，由于鍋爐爆炸事故頻發(fā)，蒸汽機(jī)一度受到冷落。而斯特林發(fā)動機(jī)雖然效率低，但安全性高，因此以常壓空氣為工質(zhì)的斯特林發(fā)動機(jī)得到了一定的應(yīng)用。但隨著高效率、大功率的汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)相繼問世后，這種功率小、質(zhì)量大、熱效率低的斯特林發(fā)動機(jī)陷入低谷。直到20世紀(jì)40～60年代，荷蘭飛利浦公司研制了以高溫高壓氫氣或氦氣為工質(zhì)的動態(tài)式發(fā)動機(jī)，使其功率和效率大大提高后，斯特林發(fā)動機(jī)才獲得了新生。上世紀(jì)70年代，石油危機(jī)的出現(xiàn)更迫使歐美國家加強(qiáng)了該領(lǐng)域的研究。美國通用汽車公司、瑞典Kockums公司及前西德的MAN/MWM公司在飛利浦研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)開發(fā)斯特林發(fā)動機(jī)。90年代，美國斯特林能源系統(tǒng)公司(SES)、STM公司和瑞典SOLO公司開始著手進(jìn)行太陽能斯特林發(fā)電機(jī)的研發(fā)，并相繼制作了碟式斯特林原型發(fā)電系統(tǒng)。經(jīng)過近20年的發(fā)展，碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)無論在性能還是可靠性方面均取得了長足的進(jìn)步，其主要部件動態(tài)式發(fā)電機(jī)也成為當(dāng)今斯特林發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。

自由活塞式斯特林發(fā)動機(jī)(FPSE)是斯特林發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的另一分支。1964年，William Beale博士發(fā)明了FPSE。40多年來，F(xiàn)PSE憑借其高效、穩(wěn)定和環(huán)保等優(yōu)點引起了人們濃厚的興趣，也因此得到了快速發(fā)展。美國Sunpower公司和Infinia公司的FPSE是該領(lǐng)域的杰出代表。尤其是Infinia的FPSE采用非接觸氣體密封、彈性軸承和直線發(fā)電機(jī)技術(shù)，密封嚴(yán)密，可靠性極高，備受世界矚目。

太陽能斯特林發(fā)電機(jī)是碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響碟式系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率。本文將首先介紹動態(tài)式和自由活塞式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能及技術(shù)進(jìn)展，然后總結(jié)制作斯特林發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，最后分析兩類發(fā)電機(jī)性能和可靠性的優(yōu)劣，旨在與國內(nèi)同行探討斯特林發(fā)電機(jī)的研究方向和研制方法。

二 動態(tài)式斯特林發(fā)電機(jī)

動態(tài)式斯特林發(fā)電機(jī)為配氣活塞、動力活塞和機(jī)械輸出軸間具有物理連接的斯特林發(fā)電機(jī)[2]。

1 SES公司的斯特林發(fā)電機(jī)

SES發(fā)電機(jī)采用Kockums公司的4-95型雙作用四缸斯特林發(fā)動機(jī)，發(fā)電功率25kW，氣缸總?cè)莘e為380cm3，由氣缸組件、冷卻器、回?zé)崞骱图訜犷^構(gòu)成，氣缸組件由氣缸、活塞、活塞桿密封組件和連桿組成，如圖1所示。發(fā)動機(jī)有四個相同的循環(huán)系統(tǒng)，每個系統(tǒng)的工質(zhì)在氣缸熱腔、加熱頭、回?zé)崞?、冷卻器和冷腔間往復(fù)循環(huán)。四個缸的熱腔和冷腔首尾相接，前一級氣缸的熱腔為后一級氣缸的冷腔，兩個活塞之間相位角相差90?[1]。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1800rpm，驅(qū)動異步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電壓480V、頻率60Hz的交流電。

圖1 SES太陽能斯特林發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[3]

2009年，SES對其發(fā)電機(jī)做了結(jié)構(gòu)性改進(jìn)后，整體結(jié)構(gòu)更加合理，具有更高的可靠性，重量也降低了約1/3，維修更加方便快捷，更適合大規(guī)模的制作。

2 Cleanergy公司的斯特林發(fā)電機(jī)

Cleanergy發(fā)電機(jī)采用V-161型雙活塞式斯特林發(fā)動機(jī)，發(fā)電功率為10kW，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)呈90?V形布置，長1.28m，寬0.7m，高0.98m，氣缸容積160cm3。壓縮活塞和膨脹活塞分別置于冷熱氣缸中，熱腔、加熱頭、回?zé)崞?、冷卻器和冷腔依次串聯(lián)在一起，組成完整的循環(huán)回路，如圖2所示。循環(huán)過程中，兩個活塞均承擔(dān)著傳遞功率的功能，熱腔活塞傳遞膨脹功，冷腔活塞傳遞壓縮功[1]。曲軸連桿機(jī)制帶動異步交流發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖2 V-161太陽能斯特林發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[2]

Cleanergy設(shè)計的一種斯特林發(fā)電系統(tǒng)在利用太陽能發(fā)電的同時，還可副產(chǎn)氫氣，供給可逆燃料電池。白天斯特林發(fā)電機(jī)發(fā)電，夜間可逆燃料電池提供電力，這樣可實現(xiàn)全天候供電。

另一種為太陽能與可燃?xì)怏w混合發(fā)電系統(tǒng)。陽光充足時，利用太陽能發(fā)電；陽光不足或無陽光時，可用氣體燃燒熱作熱源，驅(qū)動斯特林發(fā)電機(jī)發(fā)電。這樣太陽能發(fā)電設(shè)備可連續(xù)運行。

三 自由活塞式斯特林發(fā)電機(jī)(FPSE)

自由活塞式發(fā)電機(jī)的配氣活塞和動力活塞在同一氣缸內(nèi)沿同一軸作自由往復(fù)運動，引起工質(zhì)經(jīng)歷斯特林循環(huán)過程[2]。

1 Sunpower公司的FPSE

1974年，F(xiàn)PSE的創(chuàng)始人Beale成立了Sunpower公司。30年來，該公司一直致力于FPSE技術(shù)的研究和應(yīng)用，為全球FPSE的領(lǐng)軍者。其發(fā)電機(jī)的主要特點是配氣活塞桿穿過動力活塞，使用氣體彈簧支持配氣活塞和動力活塞進(jìn)行往復(fù)運動，利用板式彈簧對配氣活塞支撐定位[4]，如圖3所示。Sunpower發(fā)電機(jī)輸出功率從幾十瓦至7.5kW。

圖3 Sunpower 太陽能FPSE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[2]

2 Infinia公司的FPSE

Infinia的發(fā)電機(jī)由斯特林發(fā)動機(jī)、交流發(fā)電機(jī)和逆變器組成。發(fā)動機(jī)的配氣活塞和動力活塞在同一氣缸，通過配氣活塞的往復(fù)運動，與動力活塞形成共振而做功，如圖4所示。系統(tǒng)采用板式彈簧支持活塞進(jìn)行往復(fù)運動，結(jié)構(gòu)緊湊。兩活塞在氣缸冷熱端各有一個非接觸氣體密封，密封嚴(yán)密。發(fā)電機(jī)為直線交流發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，1kW機(jī)型采用動鐵式，轉(zhuǎn)換效率為82%；3kW機(jī)型改為動磁式，轉(zhuǎn)換效率提高到90%[4]。逆變器將整流器產(chǎn)生的高壓直流電轉(zhuǎn)化成準(zhǔn)電網(wǎng)交流電，還可自動調(diào)整系統(tǒng)輸出的電壓和頻率。

圖4 Infinia的FPSE內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[5]

為了克服單缸自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)比功率(單位體積的輸出功率)低的缺點，Infinia公司提出了雙作用六缸自由活塞式發(fā)電機(jī)的設(shè)計理念。此發(fā)電機(jī)保留了自由活塞式機(jī)型的特點，并借鑒了動態(tài)式發(fā)電機(jī)的優(yōu)點，活塞采用雙作用式(配氣活塞和動力活塞合二為一)，氣缸從單缸變成六缸，發(fā)電機(jī)設(shè)計功率為30kW，這種構(gòu)型的發(fā)電機(jī)比功率明顯增加，如圖5所示。

圖5 Infinia雙作用六缸FPSE外形圖

2010年，Infinia與美國海軍簽訂協(xié)議，開發(fā)具有儲能裝置的斯特林發(fā)電系統(tǒng)。此系統(tǒng)的儲熱裝置直接與發(fā)電機(jī)連接，把從拋物鏡上接收的太陽輻射先傳遞給液熔鹽，將熱量儲存起來，再把熱量傳遞給發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)停機(jī)時，可把熱量存儲在液熔鹽中備用。

Infinia早期使用稀土金屬釤－鈷永磁鐵用作直線發(fā)電機(jī)的磁場，后改用釹－鏑永磁鐵，以提高發(fā)電效率。最近，為了降低發(fā)電機(jī)的成本，Infinia計劃研制高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)[6]。

四 斯特林發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵部件

1 間隙密封(非接觸氣體密封)

FPSE的活塞可認(rèn)為是徑向運動為零的剛性活塞，對氣缸壁無側(cè)推力，因此可采用活塞和氣缸壁間的氣體薄膜作為密封面和潤滑劑，這種密封稱為間隙密封。間隙密封的性能取決于活塞與氣缸壁的間隙、活塞行程及氣體的粘度?；钊c氣缸壁的間隙必須盡可能的小，通常為直徑的1/1000，同時要求配合表面有很高的硬度，還需防止因機(jī)械和熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形。活塞和氣缸加工精度要求相當(dāng)高，須嚴(yán)格控制間隙及活塞與氣缸的同心度?；钊谐淘酱螅瑲怏w的泄漏率越低；氣體的粘度越大，潤滑性能越好[4]。

2 氣體彈簧

配氣活塞和動力活塞均漂浮在靜壓氣體彈簧上，基本消除了活塞與氣缸壁的摩擦和磨損，保證其很長的壽命。氣體彈簧利用壓縮空間的壓力波，經(jīng)過檢查閥進(jìn)入高壓腔壓縮形成。其彈性力與配氣活塞的配氣量成正比。氣體彈簧不會失效且不存在活塞對氣缸的側(cè)推力，但存在一定的滯后損失和泄露損失，而且當(dāng)發(fā)動機(jī)停止工作時不能對活塞提供可靠的支撐。經(jīng)試驗驗證，Sunpower的氣體彈簧可正常運行45000h，并能承受6萬次的開停機(jī)操作[7]。

3 板式彈簧(彈性軸承)

FPSE的回復(fù)力取決于工質(zhì)壓力的變化、板式彈簧的彈性力及直線發(fā)電機(jī)的負(fù)荷。為維持FPSE活塞的往復(fù)運動，板式彈簧需有較大的彈性力和抗疲勞強(qiáng)度。因此，彈性系數(shù)是板式彈簧重要的特性參數(shù)，它對振動系統(tǒng)的自然頻率有著很大的影響。同氣體彈簧相比，板式彈簧無泄露損失，滯后損失也較小，但若材料選擇不當(dāng)，會因金屬疲勞而失效。若制作和裝配不良，還會產(chǎn)生不平衡的側(cè)推力[4]。

4 配氣活塞

在斯特林發(fā)動機(jī)中，配氣活塞作往復(fù)運動，推動工質(zhì)在氣缸冷、熱端循環(huán)。一般配氣活塞體積較大，足以在氣缸冷熱端隔熱，置換一定數(shù)量的氣體。低壓斯特林發(fā)動機(jī)的配氣活塞與氣缸間有一定間隙，氣體在熱腔、間隙和冷腔間循環(huán)。高壓斯特林發(fā)動機(jī)的配氣活塞與氣缸間為活塞環(huán)密封或非接觸氣體密封，氣體在加熱頭、回?zé)崞骱屠鋮s器間循環(huán)。

5 加熱頭

發(fā)動機(jī)的加熱頭一般由能經(jīng)受連續(xù)高溫沖擊的特殊不銹鋼和銅制作。不銹鋼提供了承壓結(jié)構(gòu)和外面翅片的熱傳遞表面，內(nèi)部翅片用銅焊接在不銹鋼內(nèi)表面上。一般，加熱頭的熱損限制在10W/cm2以下，設(shè)計壽命在40000h以上[7,8]。

6 回?zé)崞?/h3>

斯特林發(fā)動機(jī)設(shè)置回?zé)崞鞯哪康氖翘岣咂錈嵝?。?dāng)工質(zhì)氣體恒體積冷卻時，回?zé)崞鞑东@其熱量；氣體恒體積加熱時，回?zé)崞鲗崃吭賯鬟f給氣體?；?zé)崞骺紫堵屎艿停哂泻芨叩臒崛萘亢洼^低的熱傳導(dǎo)，其體積應(yīng)盡可能的小，以降低氣體流動損失?；?zé)崞饕话阌山饘俳z網(wǎng)或帶孔的薄金屬板在腔內(nèi)壓制而成，其儲存的熱量是加熱頭獲得熱量的若干倍[2,8]。

7 冷卻器

冷卻器由內(nèi)部銅翅片的軸向?qū)α骱屯獠砍崞沫h(huán)向?qū)α餍纬?。緊密壓實的內(nèi)部翅片為卷曲的銅帶與銅制隔離墻焊接而成，翅片間存在約120μm的間隙。這樣的設(shè)計提供了足夠的熱量傳遞，且減少了冷卻器壓力的滯后損失，保證較高的發(fā)電效率[9]。

8 直線發(fā)電機(jī)

FPSE一般采用動磁式直線發(fā)電機(jī)。它由內(nèi)外鐵芯組成，外鐵芯上纏繞著環(huán)形勵磁線圈，端部形成磁極，板式彈簧在兩端支撐并引導(dǎo)著內(nèi)部動磁鐵。其軸向強(qiáng)度約貢獻(xiàn)整個活塞運動的10%。徑向強(qiáng)度保證動磁鐵在任何側(cè)推力下不與發(fā)電機(jī)外鐵芯接觸。活塞帶動永磁鐵往復(fù)運動，在勵磁線圈上產(chǎn)生交流電輸出。與異步發(fā)電機(jī)相比，直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，實用方便，可自由調(diào)節(jié)活塞行程，連有直線發(fā)電機(jī)的活塞較易安裝在壓力容器中[9]。

9 功率控制

斯特林發(fā)電機(jī)運行時應(yīng)具備快速的功率控制功能。最常用的方法是通過改變循環(huán)氣體壓力實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。發(fā)電機(jī)中有功率自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)需要減少發(fā)電機(jī)功率時，可在循環(huán)氣體中移出部分氣體，降低氣體的壓力，功率可隨之下降；當(dāng)需要增加功率時，可將一定量的氣體補(bǔ)充到循環(huán)氣體中，使氣體壓力升高，發(fā)電機(jī)功率隨之增加。此外，還可通過改變動力活塞行程或改變熱端活塞與冷端活塞間相位角的方法來實現(xiàn)對功率的控制[2]。

五 斯特林發(fā)電機(jī)的動密封性能

活塞與氣缸間的動密封是研制斯特林發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。與內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)過程存在吸氣和排氣過程不同，斯特林發(fā)動機(jī)循環(huán)過程的特點為氣體封閉在一個獨立的區(qū)域內(nèi)，與外界沒有質(zhì)量交換，而且活塞上下端有非常高的溫差或壓差，氣體容易泄露。而氣體一旦泄露，發(fā)動機(jī)將無法正常運行。因此，發(fā)動機(jī)的密封性能是評價斯特林發(fā)電機(jī)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。

1 動態(tài)式發(fā)電機(jī)

動態(tài)式發(fā)動機(jī)的相位角是由發(fā)動機(jī)傳動系統(tǒng)的機(jī)械裝置實現(xiàn)的，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的扭矩驅(qū)動傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)。動態(tài)式發(fā)電機(jī)一般采用滑動密封。運行時，活塞和氣缸間、活塞桿和活塞座間均存在一定程度的側(cè)推力，密封件易產(chǎn)生摩擦和磨損。隨著密封件磨損程度的增加，氣體泄漏率隨之增加，且還伴隨著油氣混合現(xiàn)象的發(fā)生，這對發(fā)電機(jī)的性能會產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重時可引起循環(huán)氣體漏失或換熱器堵塞事故的發(fā)生，使發(fā)電機(jī)不能運行。

2 自由活塞式發(fā)電機(jī)

與動態(tài)式發(fā)電機(jī)相比，自由活塞式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，只有配氣活塞和動力活塞兩個運動部件，兩個活塞彼此獨立，在同一氣缸內(nèi)往復(fù)運動，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的動量驅(qū)動直線發(fā)電機(jī)?；钊麤_程、頻率和兩活塞間的相位角由活塞和彈簧系統(tǒng)隨循環(huán)壓力變化的動態(tài)性來實現(xiàn)[2]?；钊蜌飧组g無側(cè)推力，發(fā)電機(jī)非接觸氣體密封和氣體彈簧或精確懸掛的板式彈簧幾乎消除了活塞與氣缸間的摩擦和磨損，密封嚴(yán)密，無需潤滑油，從根本上避免了動態(tài)式發(fā)電機(jī)油氣混合及密封漏氣等技術(shù)難題。

六 斯特林發(fā)電機(jī)的發(fā)展前景

動態(tài)式發(fā)電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與內(nèi)燃機(jī)相似，設(shè)計較容易，制作工藝較成熟。發(fā)電機(jī)采用傳統(tǒng)的異步交流發(fā)電機(jī)，功率一般為10～50kW，比功率較大。但動態(tài)式發(fā)電機(jī)因其固有的潤滑曲軸機(jī)制導(dǎo)致其無法在根本上消除密封漏氣問題，密封漏氣引起的油氣混合問題更是困擾其長期運行的最大障礙，這就決定了動態(tài)式發(fā)電機(jī)性能穩(wěn)定性較差，維修周期較短。

自由活塞式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，但設(shè)計制作難度較大，難點集中在動力學(xué)分析、活塞定位和控制、直線交流發(fā)電機(jī)等方面，發(fā)電功率一般小于10kW，比功率較小，但其密封嚴(yán)密，性能穩(wěn)定，維修周期及壽命較長。在不久的將來，隨著雙作用多缸自由活塞式發(fā)電機(jī)的研制成功，比功率的逐步增大，這種發(fā)電機(jī)將得到迅速發(fā)展。因此，自由活塞式發(fā)電機(jī)是未來斯特林發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。

斯特林發(fā)電機(jī)已走過近兩個世紀(jì)的發(fā)展歷程，由于種種原因，至今仍未在人們的社會生產(chǎn)和生活中得到廣泛應(yīng)用。隨著全球能源問題和環(huán)保問題的日益突出，斯特林發(fā)電機(jī)必然會越來越受到人們的關(guān)注。碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)更是以其效率高、耗水量低、發(fā)電方式靈活及易大規(guī)模推廣等特點受到越來越多國家的重視。隨著該系統(tǒng)的研發(fā)、示范和推廣的不斷進(jìn)行，其必然在世界能源結(jié)構(gòu)中占有一席之地，為最終實現(xiàn)可再生能源替代作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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