太阳能斯特林发电机性能分析和发展趋势

皇明太阳能股份有限公司 ■ 刘建明 陈革 章其初

一 引言

斯特林发动机是一种外部供热(或燃烧)的活塞式发动机，它以气体为工质，按闭式回热循环的方式进行工作[1]。1816年，英国牧师罗伯特·斯特林发明了斯特林发动机。当时，由于锅炉爆炸事故频发，蒸汽机一度受到冷落。而斯特林发动机虽然效率低，但安全性高，因此以常压空气为工质的斯特林发动机得到了一定的应用。但随着高效率、大功率的汽轮机、内燃机和燃气轮机相继问世后，这种功率小、质量大、热效率低的斯特林发动机陷入低谷。直到20世纪40～60年代，荷兰飞利浦公司研制了以高温高压氢气或氦气为工质的动态式发动机，使其功率和效率大大提高后，斯特林发动机才获得了新生。上世纪70年代，石油危机的出现更迫使欧美国家加强了该领域的研究。美国通用汽车公司、瑞典Kockums公司及前西德的MAN/MWM公司在飞利浦研究的基础上继续开发斯特林发动机。90年代，美国斯特林能源系统公司(SES)、STM公司和瑞典SOLO公司开始着手进行太阳能斯特林发电机的研发，并相继制作了碟式斯特林原型发电系统。经过近20年的发展，碟式斯特林发电系统无论在性能还是可靠性方面均取得了长足的进步，其主要部件动态式发电机也成为当今斯特林发电机领域的主流产品。

自由活塞式斯特林发动机(FPSE)是斯特林发动机领域的另一分支。1964年，William Beale博士发明了FPSE。40多年来，FPSE凭借其高效、稳定和环保等优点引起了人们浓厚的兴趣，也因此得到了快速发展。美国Sunpower公司和Infinia公司的FPSE是该领域的杰出代表。尤其是Infinia的FPSE采用非接触气体密封、弹性轴承和直线发电机技术，密封严密，可靠性极高，备受世界瞩目。

太阳能斯特林发电机是碟式太阳能发电系统的关键部件，其性能的优劣直接影响碟式系统的运行稳定性和光电转换效率。本文将首先介绍动态式和自由活塞式发电机的结构、性能及技术进展，然后总结制作斯特林发电机的关键技术，最后分析两类发电机性能和可靠性的优劣，旨在与国内同行探讨斯特林发电机的研究方向和研制方法。

二 动态式斯特林发电机

动态式斯特林发电机为配气活塞、动力活塞和机械输出轴间具有物理连接的斯特林发电机[2]。

1 SES公司的斯特林发电机

SES发电机采用Kockums公司的4-95型双作用四缸斯特林发动机，发电功率25kW，气缸总容积为380cm3，由气缸组件、冷却器、回热器和加热头构成，气缸组件由气缸、活塞、活塞杆密封组件和连杆组成，如图1所示。发动机有四个相同的循环系统，每个系统的工质在气缸热腔、加热头、回热器、冷却器和冷腔间往复循环。四个缸的热腔和冷腔首尾相接，前一级气缸的热腔为后一级气缸的冷腔，两个活塞之间相位角相差90¡[1]。发动机转速1800rpm，驱动异步发电机产生电压480V、频率60Hz的交流电。

图1 SES太阳能斯特林发电机内部结构图[3]

2009年，SES对其发电机做了结构性改进后，整体结构更加合理，具有更高的可靠性，重量也降低了约1/3，维修更加方便快捷，更适合大规模的制作。

2 Cleanergy公司的斯特林发电机

Cleanergy发电机采用V-161型双活塞式斯特林发动机，发电功率为10kW，发动机结构呈90¡V形布置，长1.28m，宽0.7m，高0.98m，气缸容积160cm3。压缩活塞和膨胀活塞分别置于冷热气缸中，热腔、加热头、回热器、冷却器和冷腔依次串联在一起，组成完整的循环回路，如图2所示。循环过程中，两个活塞均承担着传递功率的功能，热腔活塞传递膨胀功，冷腔活塞传递压缩功[1]。曲轴连杆机制带动异步交流发电机发电。

图2 V-161太阳能斯特林发电机内部结构图[2]

Cleanergy设计的一种斯特林发电系统在利用太阳能发电的同时，还可副产氢气，供给可逆燃料电池。白天斯特林发电机发电，夜间可逆燃料电池提供电力，这样可实现全天候供电。

另一种为太阳能与可燃气体混合发电系统。阳光充足时，利用太阳能发电；阳光不足或无阳光时，可用气体燃烧热作热源，驱动斯特林发电机发电。这样太阳能发电设备可连续运行。

三 自由活塞式斯特林发电机(FPSE)

自由活塞式发电机的配气活塞和动力活塞在同一气缸内沿同一轴作自由往复运动，引起工质经历斯特林循环过程[2]。

1 Sunpower公司的FPSE

1974年，FPSE的创始人Beale成立了Sunpower公司。30年来，该公司一直致力于FPSE技术的研究和应用，为全球FPSE的领军者。其发电机的主要特点是配气活塞杆穿过动力活塞，使用气体弹簧支持配气活塞和动力活塞进行往复运动，利用板式弹簧对配气活塞支撑定位[4]，如图3所示。Sunpower发电机输出功率从几十瓦至7.5kW。

图3 Sunpower 太阳能FPSE的内部结构图[2]

2 Infinia公司的FPSE

Infinia的发电机由斯特林发动机、交流发电机和逆变器组成。发动机的配气活塞和动力活塞在同一气缸，通过配气活塞的往复运动，与动力活塞形成共振而做功，如图4所示。系统采用板式弹簧支持活塞进行往复运动，结构紧凑。两活塞在气缸冷热端各有一个非接触气体密封，密封严密。发电机为直线交流发电机，结构简单，1kW机型采用动铁式，转换效率为82%；3kW机型改为动磁式，转换效率提高到90%[4]。逆变器将整流器产生的高压直流电转化成准电网交流电，还可自动调整系统输出的电压和频率。

图4 Infinia的FPSE内部结构图[5]

为了克服单缸自由活塞斯特林发电机比功率(单位体积的输出功率)低的缺点，Infinia公司提出了双作用六缸自由活塞式发电机的设计理念。此发电机保留了自由活塞式机型的特点，并借鉴了动态式发电机的优点，活塞采用双作用式(配气活塞和动力活塞合二为一)，气缸从单缸变成六缸，发电机设计功率为30kW，这种构型的发电机比功率明显增加，如图5所示。

图5 Infinia双作用六缸FPSE外形图

2010年，Infinia与美国海军签订协议，开发具有储能装置的斯特林发电系统。此系统的储热装置直接与发电机连接，把从抛物镜上接收的太阳辐射先传递给液熔盐，将热量储存起来，再把热量传递给发电机。发电机停机时，可把热量存储在液熔盐中备用。

Infinia早期使用稀土金属钐－钴永磁铁用作直线发电机的磁场，后改用钕－镝永磁铁，以提高发电效率。最近，为了降低发电机的成本，Infinia计划研制高温超导发电机[6]。

四 斯特林发电机的关键技术和关键部件

1 间隙密封(非接触气体密封)

FPSE的活塞可认为是径向运动为零的刚性活塞，对气缸壁无侧推力，因此可采用活塞和气缸壁间的气体薄膜作为密封面和润滑剂，这种密封称为间隙密封。间隙密封的性能取决于活塞与气缸壁的间隙、活塞行程及气体的粘度。活塞与气缸壁的间隙必须尽可能的小，通常为直径的1/1000，同时要求配合表面有很高的硬度，还需防止因机械和热应力导致的变形。活塞和气缸加工精度要求相当高，须严格控制间隙及活塞与气缸的同心度。活塞行程越大，气体的泄漏率越低；气体的粘度越大，润滑性能越好[4]。

2 气体弹簧

配气活塞和动力活塞均漂浮在静压气体弹簧上，基本消除了活塞与气缸壁的摩擦和磨损，保证其很长的寿命。气体弹簧利用压缩空间的压力波，经过检查阀进入高压腔压缩形成。其弹性力与配气活塞的配气量成正比。气体弹簧不会失效且不存在活塞对气缸的侧推力，但存在一定的滞后损失和泄露损失，而且当发动机停止工作时不能对活塞提供可靠的支撑。经试验验证，Sunpower的气体弹簧可正常运行45000h，并能承受6万次的开停机操作[7]。

3 板式弹簧(弹性轴承)

FPSE的回复力取决于工质压力的变化、板式弹簧的弹性力及直线发电机的负荷。为维持FPSE活塞的往复运动，板式弹簧需有较大的弹性力和抗疲劳强度。因此，弹性系数是板式弹簧重要的特性参数，它对振动系统的自然频率有着很大的影响。同气体弹簧相比，板式弹簧无泄露损失，滞后损失也较小，但若材料选择不当，会因金属疲劳而失效。若制作和装配不良，还会产生不平衡的侧推力[4]。

4 配气活塞

在斯特林发动机中，配气活塞作往复运动，推动工质在气缸冷、热端循环。一般配气活塞体积较大，足以在气缸冷热端隔热，置换一定数量的气体。低压斯特林发动机的配气活塞与气缸间有一定间隙，气体在热腔、间隙和冷腔间循环。高压斯特林发动机的配气活塞与气缸间为活塞环密封或非接触气体密封，气体在加热头、回热器和冷却器间循环。

5 加热头

发动机的加热头一般由能经受连续高温冲击的特殊不锈钢和铜制作。不锈钢提供了承压结构和外面翅片的热传递表面，内部翅片用铜焊接在不锈钢内表面上。一般，加热头的热损限制在10W/cm2以下，设计寿命在40000h以上[7,8]。

6 回热器

斯特林发动机设置回热器的目的是提高其热效率。当工质气体恒体积冷却时，回热器捕获其热量；气体恒体积加热时，回热器将热量再传递给气体。回热器孔隙率很低，具有很高的热容量和较低的热传导，其体积应尽可能的小，以降低气体流动损失。回热器一般由金属丝网或带孔的薄金属板在腔内压制而成，其储存的热量是加热头获得热量的若干倍[2,8]。

7 冷却器

冷却器由内部铜翅片的轴向对流和外部翅片的环向对流形成。紧密压实的内部翅片为卷曲的铜带与铜制隔离墙焊接而成，翅片间存在约120µm的间隙。这样的设计提供了足够的热量传递，且减少了冷却器压力的滞后损失，保证较高的发电效率[9]。

8 直线发电机

FPSE一般采用动磁式直线发电机。它由内外铁芯组成，外铁芯上缠绕着环形励磁线圈，端部形成磁极，板式弹簧在两端支撑并引导着内部动磁铁。其轴向强度约贡献整个活塞运动的10%。径向强度保证动磁铁在任何侧推力下不与发电机外铁芯接触。活塞带动永磁铁往复运动，在励磁线圈上产生交流电输出。与异步发电机相比，直线发电机结构紧凑，实用方便，可自由调节活塞行程，连有直线发电机的活塞较易安装在压力容器中[9]。

9 功率控制

斯特林发电机运行时应具备快速的功率控制功能。最常用的方法是通过改变循环气体压力实现功率调节。发电机中有功率自动调节系统，当需要减少发电机功率时，可在循环气体中移出部分气体，降低气体的压力，功率可随之下降；当需要增加功率时，可将一定量的气体补充到循环气体中，使气体压力升高，发电机功率随之增加。此外，还可通过改变动力活塞行程或改变热端活塞与冷端活塞间相位角的方法来实现对功率的控制[2]。

五 斯特林发电机的动密封性能

活塞与气缸间的动密封是研制斯特林发动机的关键技术。与内燃机和燃气轮机的循环过程存在吸气和排气过程不同，斯特林发动机循环过程的特点为气体封闭在一个独立的区域内，与外界没有质量交换，而且活塞上下端有非常高的温差或压差，气体容易泄露。而气体一旦泄露，发动机将无法正常运行。因此，发动机的密封性能是评价斯特林发电机质量好坏的重要指标。

1 动态式发电机

动态式发动机的相位角是由发动机传动系统的机械装置实现的，发动机产生的扭矩驱动传统的异步发电机。动态式发电机一般采用滑动密封。运行时，活塞和气缸间、活塞杆和活塞座间均存在一定程度的侧推力，密封件易产生摩擦和磨损。随着密封件磨损程度的增加，气体泄漏率随之增加，且还伴随着油气混合现象的发生，这对发电机的性能会产生不良影响，严重时可引起循环气体漏失或换热器堵塞事故的发生，使发电机不能运行。

2 自由活塞式发电机

与动态式发电机相比，自由活塞式发电机结构简单，只有配气活塞和动力活塞两个运动部件，两个活塞彼此独立，在同一气缸内往复运动，发动机产生的动量驱动直线发电机。活塞冲程、频率和两活塞间的相位角由活塞和弹簧系统随循环压力变化的动态性来实现[2]。活塞和气缸间无侧推力，发电机非接触气体密封和气体弹簧或精确悬挂的板式弹簧几乎消除了活塞与气缸间的摩擦和磨损，密封严密，无需润滑油，从根本上避免了动态式发电机油气混合及密封漏气等技术难题。

六 斯特林发电机的发展前景

动态式发电机的机械结构与内燃机相似，设计较容易，制作工艺较成熟。发电机采用传统的异步交流发电机，功率一般为10～50kW，比功率较大。但动态式发电机因其固有的润滑曲轴机制导致其无法在根本上消除密封漏气问题，密封漏气引起的油气混合问题更是困扰其长期运行的最大障碍，这就决定了动态式发电机性能稳定性较差，维修周期较短。

自由活塞式发电机结构简单，但设计制作难度较大，难点集中在动力学分析、活塞定位和控制、直线交流发电机等方面，发电功率一般小于10kW，比功率较小，但其密封严密，性能稳定，维修周期及寿命较长。在不久的将来，随着双作用多缸自由活塞式发电机的研制成功，比功率的逐步增大，这种发电机将得到迅速发展。因此，自由活塞式发电机是未来斯特林发电机领域的主流产品。

斯特林发电机已走过近两个世纪的发展历程，由于种种原因，至今仍未在人们的社会生产和生活中得到广泛应用。随着全球能源问题和环保问题的日益突出，斯特林发电机必然会越来越受到人们的关注。碟式斯特林太阳能发电系统更是以其效率高、耗水量低、发电方式灵活及易大规模推广等特点受到越来越多国家的重视。随着该系统的研发、示范和推广的不断进行，其必然在世界能源结构中占有一席之地，为最终实现可再生能源替代作出应有的贡献。

[1]金东寒. 斯特林发动机技术[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 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]余国瑶, 杨琴, 戴巍, 等. 自由活塞斯特林发动机研究进展综述[A]. 上海: 2010年中国特种发动机工程及应用学术会议论文集[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]. OsnabrŸck: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.