我研制出百千瓦級自由活塞熱聲斯特林發電樣機

陸成寬

科學導報訊 筆者11月2日從中國科學院理化技術研究所獲悉，該所成功研制國際首套百千瓦級自由活塞熱聲斯特林發電樣機。專家組現場測試結果顯示，在熱源溫度為530攝氏度時，發電樣機實測最大發電功率達102千瓦。

自由活塞熱聲斯特林發電技術是一種新型熱發電技術。基于該技術研制的發電機，主要由自由活塞熱聲發動機和直線電機兩部分組成。發動機主要組成部件為加熱器、熱聲換能器（傳統稱回熱器）、冷卻器等，直線電機主要組成部分為動力活塞、永磁體、線圈等。

外部熱源通過加熱器向發動機輸入熱量，提高加熱器的溫度；外部冷源則從冷卻器帶走熱量，使之維持在較低的溫度。“當加熱器和冷卻器之間的溫差達到一定值、熱聲換能器內部形成一定的溫度梯度時，發動機內部的氣體就會產生自激聲振蕩，也就是氣體往復運動，將熱能轉化為聲波形式的機械能。”中國科學院理化所研究員羅二倉說，發動機產生的聲波又會推動直線電機的動力活塞往復運動，帶動永磁體改變線圈中的磁通量，感應出交流電，從而完成機械能到電能的轉化。

不同于汽輪機、燃氣輪機和內燃機等傳統的熱機動力系統，該類型發電機中的熱聲斯特林發動機沒有壓縮機、膨脹機等機械運動部件。“它主要是利用聲波壓力的交替升高和降低實現氣體的壓縮和膨脹，同時通過氣體的往復運動與處于不同位置的高、低溫換熱器壁面進行換熱，完成能量轉化。”中國科學院理化所研究員胡劍英告訴筆者。

羅二倉表示，自由活塞熱聲斯特林發電機優點突出。“一是系統簡單，機械運動部件少，可靠性高；二是理論振動小、噪聲低；三是理論效率高；四是熱源適應性好，可以利用太陽能、余熱、生物質能等各種不同形式的熱源。”羅二倉說。

然而，由于自由活塞熱聲斯特林發電技術存在復雜的熱動力學問題，且涉及多項高難度加工及制備技術，單機最大功率一直難以獲得進一步的突破。同時，較小的單機功率也極大地制約了該技術的推廣應用。

在中國科學院先導項目支持下，理化所研究團隊創建了先進的熱聲分析和設計理論，闡明了熱聲轉換、聲場調節、聲電匹配等機理問題，突破了高功率交變換熱、高精度氣體間隙密封、氣浮支撐多項關鍵技術，研制成功了國際首套百千瓦級自由活塞熱聲斯特林發電系統。

胡劍英表示，自由活塞熱聲斯特林發電機功率的突破極大地拓展了其應用領域，使之成為太陽能熱發電、生物質發電以及分布式能源領域具有廣泛應用前景的新一代能源動力轉換技術。