太陽能斯特林發電機性能分析和發展趨勢

皇明太陽能股份有限公司 ■ 劉建明 陳革 章其初

一 引言

斯特林發動機是一種外部供熱(或燃燒)的活塞式發動機，它以氣體為工質，按閉式回熱循環的方式進行工作[1]。1816年，英國牧師羅伯特·斯特林發明了斯特林發動機。當時，由于鍋爐爆炸事故頻發，蒸汽機一度受到冷落。而斯特林發動機雖然效率低，但安全性高，因此以常壓空氣為工質的斯特林發動機得到了一定的應用。但隨著高效率、大功率的汽輪機、內燃機和燃氣輪機相繼問世后，這種功率小、質量大、熱效率低的斯特林發動機陷入低谷。直到20世紀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的動態式發動機，使其功率和效率大大提高后，斯特林發動機才獲得了新生。上世紀70年代，石油危機的出現更迫使歐美國家加強了該領域的研究。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上繼續開發斯特林發動機。90年代，美國斯特林能源系統公司(SES)、STM公司和瑞典SOLO公司開始著手進行太陽能斯特林發電機的研發，并相繼制作了碟式斯特林原型發電系統。經過近20年的發展，碟式斯特林發電系統無論在性能還是可靠性方面均取得了長足的進步，其主要部件動態式發電機也成為當今斯特林發電機領域的主流產品。

自由活塞式斯特林發動機(FPSE)是斯特林發動機領域的另一分支。1964年，William Beale博士發明了FPSE。40多年來，FPSE憑借其高效、穩定和環保等優點引起了人們濃厚的興趣，也因此得到了快速發展。美國Sunpower公司和Infinia公司的FPSE是該領域的杰出代表。尤其是Infinia的FPSE采用非接觸氣體密封、彈性軸承和直線發電機技術，密封嚴密，可靠性極高，備受世界矚目。

太陽能斯特林發電機是碟式太陽能發電系統的關鍵部件，其性能的優劣直接影響碟式系統的運行穩定性和光電轉換效率。本文將首先介紹動態式和自由活塞式發電機的結構、性能及技術進展，然后總結制作斯特林發電機的關鍵技術，最后分析兩類發電機性能和可靠性的優劣，旨在與國內同行探討斯特林發電機的研究方向和研制方法。

二 動態式斯特林發電機

動態式斯特林發電機為配氣活塞、動力活塞和機械輸出軸間具有物理連接的斯特林發電機[2]。

1 SES公司的斯特林發電機

SES發電機采用Kockums公司的4-95型雙作用四缸斯特林發動機，發電功率25kW，氣缸總容積為380cm3，由氣缸組件、冷卻器、回熱器和加熱頭構成，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。發動機有四個相同的循環系統，每個系統的工質在氣缸熱腔、加熱頭、回熱器、冷卻器和冷腔間往復循環。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]。發動機轉速1800rpm，驅動異步發電機產生電壓480V、頻率60Hz的交流電。

圖1 SES太陽能斯特林發電機內部結構圖[3]

2009年，SES對其發電機做了結構性改進后，整體結構更加合理，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，更適合大規模的制作。

2 Cleanergy公司的斯特林發電機

Cleanergy發電機采用V-161型雙活塞式斯特林發動機，發電功率為10kW，發動機結構呈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、回熱器、冷卻器和冷腔依次串聯在一起，組成完整的循環回路，如圖2所示。循環過程中，兩個活塞均承擔著傳遞功率的功能，熱腔活塞傳遞膨脹功，冷腔活塞傳遞壓縮功[1]。曲軸連桿機制帶動異步交流發電機發電。

圖2 V-161太陽能斯特林發電機內部結構圖[2]

Cleanergy設計的一種斯特林發電系統在利用太陽能發電的同時，還可副產氫氣，供給可逆燃料電池。白天斯特林發電機發電，夜間可逆燃料電池提供電力，這樣可實現全天候供電。

另一種為太陽能與可燃氣體混合發電系統。陽光充足時，利用太陽能發電；陽光不足或無陽光時，可用氣體燃燒熱作熱源，驅動斯特林發電機發電。這樣太陽能發電設備可連續運行。

三 自由活塞式斯特林發電機(FPSE)

自由活塞式發電機的配氣活塞和動力活塞在同一氣缸內沿同一軸作自由往復運動，引起工質經歷斯特林循環過程[2]。

1 Sunpower公司的FPSE

1974年，FPSE的創始人Beale成立了Sunpower公司。30年來，該公司一直致力于FPSE技術的研究和應用，為全球FPSE的領軍者。其發電機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行往復運動，利用板式彈簧對配氣活塞支撐定位[4]，如圖3所示。Sunpower發電機輸出功率從幾十瓦至7.5kW。

圖3 Sunpower 太陽能FPSE的內部結構圖[2]

2 Infinia公司的FPSE

Infinia的發電機由斯特林發動機、交流發電機和逆變器組成。發動機的配氣活塞和動力活塞在同一氣缸，通過配氣活塞的往復運動，與動力活塞形成共振而做功，如圖4所示。系統采用板式彈簧支持活塞進行往復運動，結構緊湊。兩活塞在氣缸冷熱端各有一個非接觸氣體密封，密封嚴密。發電機為直線交流發電機，結構簡單，1kW機型采用動鐵式，轉換效率為82%；3kW機型改為動磁式，轉換效率提高到90%[4]。逆變器將整流器產生的高壓直流電轉化成準電網交流電，還可自動調整系統輸出的電壓和頻率。

圖4 Infinia的FPSE內部結構圖[5]

為了克服單缸自由活塞斯特林發電機比功率(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電機的設計理念。此發電機保留了自由活塞式機型的特點，并借鑒了動態式發電機的優點，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，發電機設計功率為30kW，這種構型的發電機比功率明顯增加，如圖5所示。

圖5 Infinia雙作用六缸FPSE外形圖

2010年，Infinia與美國海軍簽訂協議，開發具有儲能裝置的斯特林發電系統。此系統的儲熱裝置直接與發電機連接，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，再把熱量傳遞給發電機。發電機停機時，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電機的磁場，后改用釹－鏑永磁鐵，以提高發電效率。最近，為了降低發電機的成本，Infinia計劃研制高溫超導發電機[6]。

四 斯特林發電機的關鍵技術和關鍵部件

1 間隙密封(非接觸氣體密封)

FPSE的活塞可認為是徑向運動為零的剛性活塞，對氣缸壁無側推力，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。活塞與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，還需防止因機械和熱應力導致的變形。活塞和氣缸加工精度要求相當高，須嚴格控制間隙及活塞與氣缸的同心度。活塞行程越大，氣體的泄漏率越低；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，經過檢查閥進入高壓腔壓縮形成。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推力，但存在一定的滯后損失和泄露損失，而且當發動機停止工作時不能對活塞提供可靠的支撐。經試驗驗證，Sunpower的氣體彈簧可正常運行45000h，并能承受6萬次的開停機操作[7]。

3 板式彈簧(彈性軸承)

FPSE的回復力取決于工質壓力的變化、板式彈簧的彈性力及直線發電機的負荷。為維持FPSE活塞的往復運動，板式彈簧需有較大的彈性力和抗疲勞強度。因此，彈性系數是板式彈簧重要的特性參數，它對振動系統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，會因金屬疲勞而失效。若制作和裝配不良，還會產生不平衡的側推力[4]。

4 配氣活塞

在斯特林發動機中，配氣活塞作往復運動，推動工質在氣缸冷、熱端循環。一般配氣活塞體積較大，足以在氣缸冷熱端隔熱，置換一定數量的氣體。低壓斯特林發動機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。高壓斯特林發動機的配氣活塞與氣缸間為活塞環密封或非接觸氣體密封，氣體在加熱頭、回熱器和冷卻器間循環。

5 加熱頭

發動機的加熱頭一般由能經受連續高溫沖擊的特殊不銹鋼和銅制作。不銹鋼提供了承壓結構和外面翅片的熱傳遞表面，內部翅片用銅焊接在不銹鋼內表面上。一般，加熱頭的熱損限制在10W/cm2以下，設計壽命在40000h以上[7,8]。

6 回熱器

斯特林發動機設置回熱器的目的是提高其熱效率。當工質氣體恒體積冷卻時，回熱器捕獲其熱量；氣體恒體積加熱時，回熱器將熱量再傳遞給氣體。回熱器孔隙率很低，具有很高的熱容量和較低的熱傳導，其體積應盡可能的小，以降低氣體流動損失。回熱器一般由金屬絲網或帶孔的薄金屬板在腔內壓制而成，其儲存的熱量是加熱頭獲得熱量的若干倍[2,8]。

7 冷卻器

冷卻器由內部銅翅片的軸向對流和外部翅片的環向對流形成。緊密壓實的內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，保證較高的發電效率[9]。

8 直線發電機

FPSE一般采用動磁式直線發電機。它由內外鐵芯組成，外鐵芯上纏繞著環形勵磁線圈，端部形成磁極，板式彈簧在兩端支撐并引導著內部動磁鐵。其軸向強度約貢獻整個活塞運動的10%。徑向強度保證動磁鐵在任何側推力下不與發電機外鐵芯接觸。活塞帶動永磁鐵往復運動，在勵磁線圈上產生交流電輸出。與異步發電機相比，直線發電機結構緊湊，實用方便，可自由調節活塞行程，連有直線發電機的活塞較易安裝在壓力容器中[9]。

9 功率控制

斯特林發電機運行時應具備快速的功率控制功能。最常用的方法是通過改變循環氣體壓力實現功率調節。發電機中有功率自動調節系統，當需要減少發電機功率時，可在循環氣體中移出部分氣體，降低氣體的壓力，功率可隨之下降；當需要增加功率時，可將一定量的氣體補充到循環氣體中，使氣體壓力升高，發電機功率隨之增加。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對功率的控制[2]。

五 斯特林發電機的動密封性能

活塞與氣缸間的動密封是研制斯特林發動機的關鍵技術。與內燃機和燃氣輪機的循環過程存在吸氣和排氣過程不同，斯特林發動機循環過程的特點為氣體封閉在一個獨立的區域內，與外界沒有質量交換，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，發動機將無法正常運行。因此，發動機的密封性能是評價斯特林發電機質量好壞的重要指標。

1 動態式發電機

動態式發動機的相位角是由發動機傳動系統的機械裝置實現的，發動機產生的扭矩驅動傳統的異步發電機。動態式發電機一般采用滑動密封。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推力，密封件易產生摩擦和磨損。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象的發生，這對發電機的性能會產生不良影響，嚴重時可引起循環氣體漏失或換熱器堵塞事故的發生，使發電機不能運行。

2 自由活塞式發電機

與動態式發電機相比，自由活塞式發電機結構簡單，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，在同一氣缸內往復運動，發動機產生的動量驅動直線發電機。活塞沖程、頻率和兩活塞間的相位角由活塞和彈簧系統隨循環壓力變化的動態性來實現[2]。活塞和氣缸間無側推力，發電機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，密封嚴密，無需潤滑油，從根本上避免了動態式發電機油氣混合及密封漏氣等技術難題。

六 斯特林發電機的發展前景

動態式發電機的機械結構與內燃機相似，設計較容易，制作工藝較成熟。發電機采用傳統的異步交流發電機，功率一般為10～50kW，比功率較大。但動態式發電機因其固有的潤滑曲軸機制導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，這就決定了動態式發電機性能穩定性較差，維修周期較短。

自由活塞式發電機結構簡單，但設計制作難度較大，難點集中在動力學分析、活塞定位和控制、直線交流發電機等方面，發電功率一般小于10kW，比功率較小，但其密封嚴密，性能穩定，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電機的研制成功，比功率的逐步增大，這種發電機將得到迅速發展。因此，自由活塞式發電機是未來斯特林發電機領域的主流產品。

斯特林發電機已走過近兩個世紀的發展歷程，由于種種原因，至今仍未在人們的社會生產和生活中得到廣泛應用。隨著全球能源問題和環保問題的日益突出，斯特林發電機必然會越來越受到人們的關注。碟式斯特林太陽能發電系統更是以其效率高、耗水量低、發電方式靈活及易大規模推廣等特點受到越來越多國家的重視。隨著該系統的研發、示范和推廣的不斷進行，其必然在世界能源結構中占有一席之地，為最終實現可再生能源替代作出應有的貢獻。

[1]金東寒. 斯特林發動機技術[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2009.

[2]Stine W B. Energy conversion[M]. CRC Press LLC,1999.

[3]Stine W B, Diver R B. A compendium of solar dish/Stirling technology[R]. Albuquerque: Sandia National Labs, 1994.

[4]余國瑤, 楊琴, 戴巍, 等. 自由活塞斯特林發動機研究進展綜述[A]. 上海: 2010年中國特種發動機工程及應用學術會議論文集[C], 2010.

[5]Henry W, Brandhorst Jr. Free-piston Stirling convertor technology for military and space applications[R]. New Delhi: Indo-US Workshop on Power & Energy, 2007.

[6]Brehm P. The rare earth's supply technology and resources transformation act of 2010[R]. Kennewick: Committee on Energy and Natural Resources U.S. Senate, 2010.

[7]Wood J G, Lane N W, Beale W T. Preliminary design of a 7 kWe freepiston Stirling engine with rotary generator output[R]. Osnabr?ck:Proceedings of the 10th International Stirling Engine Conference, 2001.

[8]Lane N W, Beale W T. A 5kW electric free-piston Stirling engine[R]. Tokyo: The 7th International Conference on Stirling Cycle Machines, 1995.

[9]Beale W T. The development of Stirling engines at Sunpower[R].Shanghai: The 2th International Conference on Stirling Engines, 1983.