1kWe碟式太阳能斯特林发动机的研究 张晓青

1、中国工程热物理学会 学科类别: 工程热力学与能源利用学术会议论文 编号： 1110641kWe碟式太阳能斯特林发动机的研究张晓青，王金龙，李海宁，李奎 （华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074）(Tel: E-mail: zhangxq)摘 要：在当今能源和环境的严峻形势下，太阳能热发电以其清洁、高效、使用灵活等优点越来越被广泛关注。本文利用自行开发的软件，优化设计并确定了一台1kWe碟式太阳能斯特林发动机样机的结构参数，同时分析了转速、循环压力、热端温度等关键因素对斯特林发动机输出功率和效率等性能的影响，研究工作将为碟式太阳能斯特林发动机的开发提供了性能

2、分析和设计方法。关键词:太阳能；碟式太阳能；斯特林发动机；特性分析0 前言在当今能源和环境面临的挑战越来越严峻的形势下，太阳能热发电以其清洁、高效、使用灵活等优点越来越受到人们的关注。当前，太阳能热发电系统主要有塔式、槽式和碟式三种类型。其中，碟式太阳能发电系统因使用灵活（分布、并网均适宜）、转化效率高、成本下降空间最大而最具有商业前途。碟式太阳能热发电系统主要包括三个部分：聚光器、吸热器和斯特林发动机。斯特林发动机是整个系统中最为关键的一个部件，它是将吸收的热能转化为机械能的动力装置。在斯特林发动机的末端连上一个发电机，就可以把发动机输出的轴功转化为电能1。斯特林发动机作为碟式太阳能热发电系

3、统的核心组件，国外在此方面做了很多理论研究及CFD模拟2-5并已经实现了规模化的产品开发与示范应用。但国内的相关技术起步较晚并相对落后，碟式太阳能热发电系统在国内推广的瓶颈就在于斯特林发动机的开发上。因此，高性能斯特林发动机的研发显得迫在眉睫。本文利用自行开发的软件，优化设计了一台1kWe碟式太阳能斯特林发动机，并分析了转速、循环压力、热端温度等因素对斯特林发动机输出功率的影响，并对机器的特性和性能进行了研究和预测。研究工作对碟式太阳能斯特林发动机的开发与应用具有实际意义。1 斯特林发动机基本参数的确定图1 斯特林发动机结构示意图本文研制的碟式太阳能斯特林发动机样机的设计基本参数为：输出功率1

4、000瓦，转速800转/分，结构布置采用型，工质采用氦气，热源为太阳能。加热器选用直接照射型的管式加热器，单排并列布置，材料选用耐高温、高压的高铬镍钢管。回热器使用丝网型回热器（200 目），冷却器采用水冷管壳式换热器结构。采用自行编制的软件对1kWe /型碟式太阳能斯特林发动机进行了优化设计，确定了样机的基本参数（表1）和结构型式（图1）。2 1kW碟式太阳能斯特林发动机性能分析本文以等温分析法6为基础，建立斯特林发动机的模型，并利用自行开发的软件对设计样机进行了性能特性的研究，特别分析了转速、平均压力、热端温度等几个重要工况对斯特林发动机输出功率的影响。基本方程式：热腔、冷腔瞬时容积：,

5、国家自然科学基金资助项目：项目号50976037其中，热腔扫气容积；曲轴转角；热腔扫气容积；死容积： ，为死容积比工质总质量： ，其中，为热腔瞬时温度，冷腔瞬时温度，死腔瞬时温度。热腔瞬时压力，冷腔瞬时压力，死容积瞬时压力。R气体常数，死容积瞬时容积。，其中，K为常数，为活塞相位角，p为循环压力。回热器中死容积的温度：, 扫气容积比：膨胀腔和压缩腔的传热量计算式：。循环功：,、分别为热、冷腔传热量。循环效率：, 功率：，其中，n为转速，转/分。表1 1KWe 型斯特林发动机主要设计参数主要参数（单位） 主要参数（单位） 发动机工况转速n（转/分） 800冷端温度TC(K) 338热端温度TE(

6、K) 773最大工作压力Pmax(MPa) 1.2回热器参数丝网目数（目） 200回热器长度（mm） 37.00 回热器内径（mm） 92.00回热器孔隙率 0.68气缸基本参数总气缸容积VZ(cm3) 877.30热腔容积VE(cm3) 505.20冷腔容积VL(cm3) 372.10冷却器参数管内径（mm） 2.0管长（mm） 100 管数（根） 270加热器参数管径（mm） 3.5管长（mm） 193管数（根） 39性能参数膨胀腔传热量（W） 3426压缩腔传热量（W） 1498循环功（W） 1928有效功率（W） 9642 1kW碟式太阳能斯特林发动机性能分析为了预测碟式太阳能斯特林发

7、动机的性能及工况变化对其性能的影响，本文研究了转速、平均循环压力、热端温度等因素对斯特林发动机性能和输出功率的影响。2.1 斯特林发动机在额定工况下的性能特性图2和图3显示了机器系统中容积、压力和质量随曲柄转角变化的规律，以及各腔的示功图和系统产生的总的功率。2.2 工况对发动机性能的影响用无因次功Z这一参数来评价循环功，无因次功定义为：2.2.1热端温度对无因次功和效率的影响设定冷端温度为338K，图4显示了无因次功和循环效率随热端温度的变化。从图4可以看出，无因次功随热端温度的升高而增大，要想使发动机产生更大的功率就要尽可能的提高热端温度，降低温度比。冷端温度是取决于环境温度的自然冷却水供

8、应，热端温度取决于热源的形式和加热器管的材料。而系统的循环效率随热端温度的升高而增大，但是曲线的斜率越来越小，也就是说效率随温度比的增大而降低，在低温区提高发动机的热端温度提高发动机的功率较为明显。 （a）容积、压力 （b）质量比图2容积、压力、质量随曲轴转角变化的关系图3 在膨胀腔、压缩腔的PV图以及机器总的PV功率图4 无因次和循环效率随热端温度的变化2.2.2 死容积比对无因次功的影响取热端温度773K，冷端温度338K，改变发动机死容积比，得到不同的Z值，图5显示了在其它条件一定的情况下，无因次功与死容积比的关系，图6考察了一个循环的功和传热量随转速变化的关系。由图5可以看出，无因次功

9、随死容积比的增大而减小，若要获得较大的循环功，就应该尽可能的减小死容积比。但实际上，死容积比过小时，会造成换热面积不充分和流阻损失的增加，循环功会为此减小。死容积主要由加热器、回热器和冷却器所占有的容积组成，所以要在保证必要换热能力的前提下，尽可能的减小换热器的死容积。2.2.3 转速对冷热腔传热量及循环功的影响当输出功率定为1000瓦，热端温度773K，冷端温度338K，最大循环压力为1.2MPa时，改变发动机的转速得到一个循环的不同的膨胀腔和压缩腔的传热量，如图6所示。从图6可以看出，当输出功率一定时，循环功和膨胀、压缩腔传热量是随着转速的增加而减小的，但是曲线的斜率越来越小，即当循环功和

10、传热量一定时，输出功随转速的增大而增加。所以，在低速区提高发动机的转速对提高发动机的功率比较明显。2.2.4平均压力对发动机性能的影响取定冷端温度338K，热端温度773K，转速800转/分时，考察膨胀、压缩腔传热量及循环功随系统充气压力变化的规律，如图7所示。 图5 死容积比与无因次功的关系 图6 转速和循环功与传热量的关系 图7传热量及功率与平均压力的关系由图7可以看出，冷热腔的传热量随平均循环压力的升高而增大，近似成线性关系，提高发动机平均循环压力可以明显地提高发动机的输出功率，因此斯特林发动机在高压下的密封十分重要。3.总结本文对1kwe、型碟式太阳能斯特林发动机进行了优化设计和特性分

11、析，研究了转速、平均循环压力、热端温度等因素对斯特林发动机输出功的影响。得到以下结论：（1）发动机的循环功随温度比的减小而增大，要想获得更大的功率就要尽可能的提高热端温度，降低温度比。（2）系统的循环效率随热端温度的升高而增大，在低温区提高发动机的热端温度提高发动机的功率较为明显。 （3）无因次功随死容积比的增大而减小，设计时在保证必要换热能力的前提下，应尽可能的减小换热器的通流容积。（4）当循环功和传热量一定时，输出功随转速的增大而增加。所以，在低速区提高发动机的转速提高发动机的功率比较明显。（5）提高发动机平均循环压力可以明显地提高发动机的输出功率。本文研究工作的样机正在开发中，后期的实验

12、研究是未来的主要工作。参考文献1 杨征, 斯特林发动机及碟式太阳能热发电系统的模拟和优化, 北京工业大学硕士学位论文, 2008.2 Leonardo Scollo, Pablo Valdez, Jorge Baron. Design and construction of a Stirling engine prototype. International Journal of Hydrogen Energy 33(2008)3506-3510.3 Francois Nepveu, Alain Ferriere. Thermal model of a dish/Stirling systems. Solar Energy 83(2009) 81-89.4 K.Makhkamov, D. B. Ingham. Development of solar and micro co-generation power installations on the basic of Stirling engine.