翁奕濤 梁振康 于 洋 吳肖邦 黎芷均

（肇慶學(xué)院，廣東 肇慶526061）

能源危機(jī)已成為當(dāng)前人們?nèi)找骊P(guān)注的話(huà)題，促進(jìn)清潔能源利用，大力發(fā)展綜合能源服務(wù)將是推進(jìn)中國(guó)能源低碳發(fā)展、實(shí)現(xiàn)2030 年前碳達(dá)峰目標(biāo)和2060 年前碳中和愿景的關(guān)鍵著力點(diǎn)[1]。調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)新能源技術(shù)，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等可再生能源，是能源發(fā)展的新趨勢(shì)。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今世界太陽(yáng)能熱利用研究領(lǐng)域的前沿課題。太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)可分為槽式、塔式和碟式等三種類(lèi)別。其中，采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)因其驚人的發(fā)展速度令世界矚目[2]。

然而，在大學(xué)車(chē)輛工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科教學(xué)中，因教學(xué)要求和教學(xué)資源的差異，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)內(nèi)燃機(jī)的工作原理、構(gòu)造等比較熟悉，而對(duì)外燃式發(fā)動(dòng)機(jī)代表——斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)卻了解甚少，甚至常常被忽視。這種現(xiàn)象引起我們的思考和重視，這種基礎(chǔ)自然學(xué)科的應(yīng)用創(chuàng)新應(yīng)該不斷探討。雖然傳統(tǒng)碟式太陽(yáng)能斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)成熟，但卻存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、建造費(fèi)用昂貴等缺點(diǎn)，并且測(cè)試尤為不便，難以適應(yīng)本科教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

目前已知的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是單純的斯特林模型機(jī)，且沒(méi)有性能數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)。鑒于此，為填補(bǔ)動(dòng)力機(jī)械本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，完善發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)體系，本文提出了一種低成本、小型化、易操作的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，直觀了解菲涅爾透鏡聚光下的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理及特性，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

1 測(cè)試平臺(tái)的原理及設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試平臺(tái)工作原理

系統(tǒng)采用的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種由外部供熱使氣體按閉式回?zé)嵫h(huán)方式壓縮膨脹的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，由英國(guó)牧師羅伯特·斯特林于1816年發(fā)明[3]。其效率理論上等于卡諾循環(huán)效率，工質(zhì)受熱膨脹、遇冷壓縮產(chǎn)生動(dòng)力推動(dòng)活塞做功，帶動(dòng)飛輪使得發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出功率。采用雙軸式云臺(tái)和太陽(yáng)位置跟蹤器可以精確地對(duì)太陽(yáng)的方位角和高度角進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤,具有較高的穩(wěn)定性[4，5]。太陽(yáng)光線(xiàn)在透鏡平面垂直入射后，聚光焦斑落在斯特林機(jī)熱端進(jìn)行加熱促使其持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，而斯特林機(jī)與發(fā)電機(jī)之間采用皮帶傳動(dòng)。最終，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能-熱能-機(jī)械能-電能的系列轉(zhuǎn)換。

1.2 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于上述各部件相互間的工作原理，設(shè)計(jì)透射式太陽(yáng)能斯特林發(fā)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，如圖1 所示。該系統(tǒng)中被檢測(cè)部分主要有透射式菲涅爾太陽(yáng)能聚光器、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和帶有交流調(diào)壓電源的加熱器等部件構(gòu)成。檢測(cè)部分主要由溫度采集儀、非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)速儀、功率計(jì)、紅外熱像儀以及PC 數(shù)據(jù)終端等設(shè)備構(gòu)成。通過(guò)太陽(yáng)輻射聚光加熱或者改變加熱器的加熱功率，測(cè)試不同溫度下斯特林機(jī)的運(yùn)行工況；通過(guò)溫度數(shù)據(jù)采集儀獲取冷熱缸溫度變化情況；通過(guò)非接觸式轉(zhuǎn)速測(cè)速儀測(cè)定飛輪轉(zhuǎn)速；通過(guò)功率計(jì)測(cè)得發(fā)電機(jī)輸出功率；紅外熱像儀可檢測(cè)系統(tǒng)溫度場(chǎng)變化情況。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

圖2 碟式太陽(yáng)能斯特林發(fā)電機(jī)

圖3 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖[6]

本平臺(tái)創(chuàng)新地將具有性能測(cè)試系統(tǒng)的斯特林機(jī)作為案例引入到大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引起同學(xué)對(duì)新能源的重視。本平臺(tái)創(chuàng)新的將錐形二次聚光反射器與保溫型腔體相結(jié)合，提高聚光效率，降低系統(tǒng)熱損失。本平臺(tái)結(jié)合菲涅爾透鏡，采用下聚光，創(chuàng)新地將大型碟式太陽(yáng)能斯特林發(fā)電機(jī)小型化，與通常的反射上聚光碟式裝置相比，重心低。碟式太陽(yáng)能斯特林發(fā)電機(jī)如圖2所示，系統(tǒng)實(shí)物如圖3 所示。

2 測(cè)試內(nèi)容和步驟

2.1 測(cè)試內(nèi)容

調(diào)節(jié)變量參數(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)電加熱器功率控制斯特林機(jī)熱端溫度，測(cè)量不同熱端溫度下系統(tǒng)發(fā)電性能，其中測(cè)試變量參數(shù)包含飛輪轉(zhuǎn)速、冷熱缸溫度、溫度場(chǎng)以及發(fā)電機(jī)輸出電流、電壓等參數(shù)變化等。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

該測(cè)試平臺(tái)依靠的外部熱源主要分為輔助電加熱和太陽(yáng)能聚光加熱兩種類(lèi)型。具體熱源類(lèi)型的選用依據(jù)教學(xué)方案和測(cè)試當(dāng)天氣象情況而定。在輔助電加熱模式下，首先調(diào)節(jié)電加熱器加熱功率，測(cè)量斯特林機(jī)熱端溫度。然后待溫度達(dá)到設(shè)置數(shù)值并穩(wěn)定后，順時(shí)針撥動(dòng)飛輪引發(fā)斯特林機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。期間，記錄所測(cè)得斯特林機(jī)冷熱端溫度差、飛輪轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機(jī)輸出電流（I）、電壓(U)，并采用紅外熱像儀測(cè)量熱端溫度場(chǎng)。此后，通過(guò)改變電加熱器加熱功率，重復(fù)上述步驟，直至完成實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中系統(tǒng)發(fā)電功率(P)由P=UI 進(jìn)行計(jì)算。不同斯特林機(jī)熱端溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，如表1 所示。冷熱端溫度差變化對(duì)功率、轉(zhuǎn)速的影響如圖4 所示。系統(tǒng)斯特林機(jī)熱端溫度場(chǎng)紅外熱成像，如圖5 所示。

表1 輔助加熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)

圖4 冷熱端溫度差對(duì)功率、轉(zhuǎn)速的影響

圖5 熱端溫度場(chǎng)圖

由圖4 可看出，隨著冷熱端溫度差上升，飛輪的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的輸出功率逐漸增大。同時(shí)，熱端溫度在300～350℃、350～450℃、450～500℃逐漸上升時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率的增大趨勢(shì)在逐漸趨于平緩，特別是在450～500℃，功率幾乎沒(méi)有變化?？傮w而言，該測(cè)試平臺(tái)測(cè)試性能穩(wěn)定，溫度控制模式設(shè)定較為合理，測(cè)試系統(tǒng)所反饋出的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確的反映客觀變化。

2.3 太陽(yáng)能聚光加熱

太陽(yáng)能聚光加熱模式與輔助電加熱模式類(lèi)似。所不同的是，太陽(yáng)能聚光加熱模式屬于室外測(cè)試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)透射式菲涅爾太陽(yáng)能聚光器聚光加熱斯特林機(jī)熱端。

以2021 年3 月15 日10 點(diǎn)30 分左右實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在肇慶學(xué)院科技實(shí)訓(xùn)樓樓頂（東經(jīng)112°27′，北緯23°03′），天氣晴朗，風(fēng)速較低。該系統(tǒng)所采用的菲涅爾透鏡面積為0.25m2，其焦距為650mm。采用太陽(yáng)能聚光集熱加熱（轉(zhuǎn)下頁(yè)）熱端。當(dāng)冷熱端溫度差穩(wěn)定為515℃時(shí)，測(cè)得發(fā)電機(jī)的輸出電流為0.032A，電壓為1.71V。系統(tǒng)發(fā)電功率(P)由P=UI 進(jìn)行計(jì)算，得P=0.05472W。

由上述實(shí)驗(yàn)可知，該測(cè)試系統(tǒng)在太陽(yáng)光聚光加熱模式下能進(jìn)行穩(wěn)定發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能-熱能-機(jī)械能-電能的系列轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)論

本文介紹了透射式太陽(yáng)能斯特林發(fā)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的性能測(cè)試過(guò)程，對(duì)熱腔溫度、冷腔溫度、轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出電壓、電流等重要參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，以分析相關(guān)參數(shù)變化關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，設(shè)計(jì)出了適合于本科教學(xué)方案的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)本科機(jī)械、車(chē)輛、物理、能源等專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)和發(fā)展很有必要。這不僅能讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、親身感受，激發(fā)興趣，培養(yǎng)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的工程能力，還可以讓更多對(duì)此感興趣的學(xué)生投入到新能源的學(xué)習(xí)研究中，為推進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”提供實(shí)際教學(xué)案例。