太阳能驱动新式斯特林水泵(发电机)
分布式 斯特林 发电机 太阳能
分布式斯特林发电机在太阳能领域中的应用随着能源需求的不断增长，人们对于可再生能源的关注度也在不断提升。
太阳能作为一种清洁、可持续的能源，在发电领域中拥有着巨大的潜力。
而分布式斯特林发电机作为一种高效、灵活的发电设备，与太阳能技术的结合，为我们提供了另一种可行的发电方案。
1. 分布式能源分布式能源是指在电网规模之外，基于可再生能源的分布式发电系统。
与传统的集中式发电不同，分布式发电系统在发电、传输和使用能电能量的过程中更加灵活、高效。
太阳能作为一种广泛分布的能源资源，能够为分布式能源提供良好的发展基础。
2. 斯特林发电机斯特林发电机是一种基于热力循环原理的发电设备，其工作原理是通过热能输入使工作物质膨胀，驱动活塞运动，从而产生机械能，再经由发电机转化为电能。
相比传统的汽轮发电机，斯特林发电机具有结构简单、可靠性高、噪音小等优点，适合在分布式能源系统中使用。
3. 太阳能与斯特林发电机的结合将太阳能热能转化为斯特林发电机的输入热源，可以实现太阳能发电系统的直接发电。
太阳能热能可以通过太阳能反射器、太阳能集热器等设备进行收集，然后输入到斯特林发电机中。
这种结合方式可以有效利用太阳能资源，实现对太阳能的高效利用。
4. 分布式斯特林发电机的优势与传统的光伏发电系统相比，分布式斯特林发电机具有以下优势：4.1 高效性：斯特林发电机在热能转化为电能的过程中能够实现高效率，充分利用太阳能资源。
4.2 灵活性：斯特林发电机可以根据需要进行调节，适应不同的发电要求。
4.3 可靠性：斯特林发电机的结构简单、稳定可靠，减少了维护和运营成本。
4.4 适应性：斯特林发电机在不同环境条件下都具有较好的适应性，适合在各种地区进行应用。
5. 分布式斯特林发电机在太阳能领域中的应用前景基于以上优势，分布式斯特林发电机在太阳能领域中具有广阔的应用前景。
在偏远地区、岛屿、山区等无电区域，采用分布式斯特林发电机可以实现对太阳能资源的有效利用，满足当地的电能需求。
斯特林发电机原理
斯特林发电机原理斯特林发电机是一种热力发电机，它利用斯特林循环原理将热能转化为电能。
斯特林发电机的工作原理如下：1.斯特林循环：斯特林循环是一种热力循环，由两个恒温热源和两个绝热过程组成。
在斯特林循环中，工作物质在热源的作用下膨胀和压缩，实现热能的转化。
循环包括以下四个过程：a.加热过程（热源加热）：工作物质在高温热源的作用下吸收热量，温度升高。
b.膨胀过程（等温膨胀）：工作物质通过膨胀从高温热源到低温热源，此过程中对外做功。
c.冷却过程（冷源冷却）：工作物质从低温热源吸收热量，温度降低。
d.压缩过程（等温压缩）：工作物质通过压缩回到高温热源，此过程中对外做功。
2.斯特林发电机工作原理：斯特林发电机利用斯特林循环的原理进行能量转换。
其主要组成部分包括燃烧室、热交换器、工作物质（通常为氢气或氦气）、活塞、发电机等。
a.加热过程：燃烧室中的燃料燃烧产生高温热源，使工作物质在热交换器内加热，吸收热量。
b.膨胀过程：加热后的工作物质进入膨胀缸，使活塞向外膨胀，驱动发电机产生电能。
c.冷却过程：膨胀后的工作物质进入热交换器的冷侧，与低温热源接触，放出热量，冷却下来。
d.压缩过程：冷却后的工作物质进入压缩缸，活塞向内压缩，将工作物质压回热交换器，准备进行下一次循环。
通过这样的循环过程，斯特林发电机不断地将热能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。
需要注意的是，斯特林发电机的效率受到多个因素的影响，包括燃烧室的燃料效率、热交换器的传热效率等。
斯特林发电机具有一定的优点，如可使用多种燃料、无排放、低噪音等。
然而，由于其结构复杂、部件制造要求较高等因素，目前斯特林发电机的商业应用还相对较少，多用于特定领域和实验室研究。
斯特林热机原理的应用
斯特林热机原理的应用简介斯特林热机是一种热力循环机械，利用工质在压缩和膨胀过程中对外界做功或从外界得到功的机械装置。
它基于隔热过程和等温过程，通过工质在热力循环中的热力变化实现能量转化。
斯特林热机的应用广泛，涉及能源领域、工业生产、航天技术等多个领域。
能源领域应用•斯特林发电机：在能源领域，斯特林热机常被用于发电系统中的能源转化过程。
斯特林发电机利用斯特林热机的原理和工作方式，将热能转化成电能。
它具有高效能、低噪音、低排放等优点，被广泛应用于太阳能、生物质、地热能等可再生能源的发电系统中。
斯特林发电机无需燃料燃烧，不会产生有害气体和噪音，符合环保要求。
•斯特林制冷机：斯特林热机的原理也可以被用于制冷机的制冷过程。
斯特林制冷机利用工质在压缩和膨胀时释放和吸收热量的特性，实现对空气或物体的制冷。
相比传统制冷机，斯特林制冷机能够提供更稳定和连续的制冷效果，且无需使用有害氟利昂等化学物质，更环保、更节能。
工业生产应用•斯特林空压机：在工业生产中，空压机是一种常用的设备，用于压缩空气供应给生产设备使用。
传统的空压机常常存在能耗高、噪音大等问题。
而斯特林空压机则通过斯特林热机的原理，实现了更高效、更节能的空气压缩过程。
斯特林空压机减少了传统压缩机的能耗和噪音，提高了生产效率，可以广泛应用于制造业、汽车工业等领域。
•斯特林热风炉：斯特林热风炉是一种工业加热设备，利用斯特林热机的原理，将热能转化为热风供应给生产过程中的加热设备使用。
相较于传统的燃油或煤炭加热设备，斯特林热风炉不产生废气和废热，不会造成环境污染。
同时，斯特林热风炉具有高效热能转换和节能的特点，能够提高生产效率。
航天技术应用•斯特林发动机：斯特林发动机是一种用于航天器推进的发动机。
它利用斯特林热机的原理，将热能转化为推力推动航天器前进。
斯特林发动机具有简单结构、可靠性高、高效能等优点，可用于推动无人飞行器、宇宙飞船等航空航天器。
•空间太阳能板：斯特林热机的原理也被应用于太阳能板技术中。
斯特林发电机简介
斯特林太阳能发电机25KW太阳能斯特林发动机1816年，苏格兰牧师罗伯特•斯特林（RobertStirling）发明了一种独特的外燃热机。
这是一种外燃的闭式循环往复活塞式热气机，有别于依靠燃料在发动机内部燃烧获得动力的内燃机。
此种热气机被称为斯特林发动机。
时隔近200年后的今天，伴随太阳能发电技术的开发，这种斯特林机正在被应用在太阳能光热发电领域。
记者日前获悉大连星火新能源发展有限公司研发成功25KW太阳能斯特林发动机，就此采访了该公司总经理王振声。
中国储能网：请简单介绍一下斯特林发动机的特点和当前的应用范围？王振声：斯特林发动机也称外燃机，它的发明距今已有近200年时间，和蒸汽机的历史差不多，它的特点首先是燃烧连续，由于工质不燃烧，因此没有内燃机的爆震现象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃烧室在外，燃烧的过程与工质无关，适用于各种热源，对燃烧方式无特殊要求，体积小、重量轻、噪音低、寿命长、维护方便、燃烧效率高。
这种热气机目前在世界上应用于军事领域较多，特别是在潜艇上的应用十分广泛。
中国储能网：太阳能斯特林发动机的工作原理是怎样的?王振声：太阳能斯特林发电系统通过太阳能聚焦装置收集太阳光，再反射到系统的集热器上，巨大的热量加热斯特林发动机中的惰性气体（一般是氦气），气体受热膨胀推动活塞运动，从而带动发电机发电。
中国储能网：相对目前太阳能发电领域主流的太阳能发电技术，斯特林发动机应用于太阳能热发电领域的优势在哪里？王振声：光伏方面，无论是单晶硅、多晶硅或薄膜电池技术应用在光伏发电上的光电转化效率一般都在8%—15%左右，而且其转化效率衰减快，一般3—5年就衰减5—8%。
而且目前应用较广的多晶硅太阳能发电技术，其多晶硅生产过程本身就是一个高污染、高排放、高耗能的过程，生产能耗需要3—5年才能回收；光热方面，目前应用较多的太阳能槽式、塔式光热发电的光电转化率也只有9%和11%。
相比之下，碟式太阳能斯特林光热发电的光电转化率高达33%。
斯特林发电机 温差
斯特林发电机及其温差原理斯特林发电机（Stirling engine）是一种热力发电机，通过外部热源和冷源之间的温差，将热能转化为机械能，最终再转化为电能。
该发电机利用斯特林循环来实现工作，具有高效率和低污染的特点。
斯特林循环及其工作原理斯特林循环是一种理论热力循环过程，由两个等温过程和两个绝热过程组成。
在斯特林发电机中，循环的工作物质通常为氢气或氦气。
下面将简要介绍斯特林循环的工作原理：1.压缩过程：工作物质气体从冷源吸收热量，并被压缩为高压气体。
这一过程发生在压缩器中。
2.加热过程：高压气体通过接触热源进行加热，该过程是等温过程。
3.膨胀过程：高温高压气体由于受到压力推动而膨胀，该过程发生在膨胀机中。
4.冷却过程：膨胀机中的气体通过接触冷源进行冷却，该过程是等温过程。
通过以上四个过程的循环，斯特林发电机利用温差将热能转化为机械能，从而驱动发电机产生电能。
斯特林发电机的优势和应用相比于传统的内燃机，斯特林发电机具有以下优势：1.高效率：斯特林发电机的热效率可达30%~40%，相比之下，传统的内燃机通常只有20%左右的热效率。
2.低污染：斯特林发电机的工作过程中不涉及燃烧，因此没有直接排放有害物质，减少了环境污染。
3.适用范围广：斯特林发电机可利用各种热源和冷源，包括太阳能、生物质能等可再生能源。
斯特林发电机的应用领域包括但不限于以下几个方面：1.太阳能发电：斯特林发电机可以直接利用太阳辐射热量，将太阳能转化为电能，是一种清洁的太阳能发电技术。
2.塑料焚烧发电：将废塑料燃烧产生的热量利用斯特林发电机转化为电能，既可以减少废塑料的排放，又可以产生电能。
3.海洋能利用：斯特林发电机可以利用海洋温差发电，将海洋表层的温暖水体和深海的寒冷水体之间的温差转化为电能。
4.生物质发电：将农业、林业废弃物等生物质资源燃烧产生的热能利用斯特林发电机转化为电能，既减少了废弃物的处理难题，又产生了电能。
发展前景斯特林发电机由于其高效率、低排放的特点，在可再生能源领域具有广阔的应用前景。
太阳能斯特林发动机调研报告
一．太阳能斯特林发动机的研究意义进入21世纪，人类社会面临着严重的能源紧缺和环境污染。
传统能源中的石油和天然气将在未来几十年内耗尽,煤尽管还能用一二百年，但它会对生态和环境带来很多的副作用。
在世界范围内的能源危机中，中国更是首当其冲。
因此研究开发无污染、可再生的新能源与能源转换技术是科技界的当务之急[1]。
从能源管理角度来讲,太阳能是产生动力的可再生和不可耗尽的重要能源之一。
把太阳能转换成机械能的有几种方法。
其中理论上可达到最大效率的是斯特林发动机(或热气机)。
斯特林发动机是一种简单的外燃机。
这是罗伯特·史特灵在1816年（英国、专利号4081)就提出的概念。
和内燃机相比，这种发动机效率高、污染小、噪音低等优点。
可以应用在许多领域内中作为清洁高效的动力机, 对节能减排、保护环境有重要意义。
二．斯特林发动机的原理斯特林发动机是利用高温高压的氢气或氦气作为工质, 通过2个等容过程和2个等温过程可逆循环( 图1) 。
气缸中装有2个对置的活塞, 中间设置1个回热器用于交替的吸热和放热, 活塞和回热器之间为膨胀腔和压缩腔。
膨胀腔始终保持高T max, 压缩腔则始终保持低温T min。
由图1可见, 斯特林循环由以下4个换热过程组成: 1- 2为等温压缩, 热量从工质传递给外部低温热源; 2-3 为等容过程, 热量从回热器传给工质; 3-4为等温膨胀,热量从外部高温热源传递给工质; 4-1 为等容过程, 热量由工质传递给回热器。
斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。
斯特灵发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。
这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。
燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。
图1.斯特林循环下面是一台斯特林发动机示意图：发动机内的气体是循环加热的（通过酒精灯）并且膨胀推动动力活塞（图中蓝色）向上运动,同时黄色活塞也向上运动。
空间站里的“斯特林发电机”
空间站里的“斯特林发电机”
作者：
来源：《军事文摘·科学少年》2023年第11期
你知道吗？在200 多年前，英国科学家罗巴特·斯特林发明了一种特殊的发电机，它的工作原理有点像“热胀冷缩”：在机器外部进行加热，促使内部的氦气吸热膨胀，并在冷端收缩，从而将温差转变为动力。
同时，这种发电机还不挑燃料，无论是太阳能、燃油、煤炭、木柴，还是核燃料棒，只要这种燃料能促使机器内部的氦气产生合适的温差就行。
在中国空间站里就有一个外燃式发电机：斯特林热电转换试验装置，它位于航天基础试验机柜的左下角，能将热能转化为电能，有合适的温差就能工作。
现阶段，中国空间站运行在距离地面约400 千米的轨道上，空间站主要使用太阳能电池，利用光电效应发电。
但是随着航天器到太阳的距离越来越远，太阳能电池组的效率明显下降，甚至都不起作用。
将来，如果人类的脚步踏入月球背面、火星、木星，甚至更遥远的深空，航天器接收到太阳的光照会越来越弱，那时太阳能发电就指望不上了。
怎么办呢？此时，斯特林发电机就体现出独特的价值——只要给个合适热源和温差，它就可以发电！
在深空探测中，斯特林发电机的热源可使用成熟的核燃料技术，寿命长、发热稳定，这样就有希望解决空间电源的使用需求。
同时，斯特林发电机还具有高效率、结构简单、质量轻、启动快和振动小、噪声低等优点，真是深空探测的好帮手！
（本文摘编自中国载人航天微信公众号）。
斯特林发电机的热力学性能研究
斯特林发电机的热力学性能研究一、引言斯特林发电机是一种基于斯特林循环原理的热机，具有低噪音、可靠性高、无污染等优点。
它利用外部供热源和冷源使气体在气体内部循环，从而产生机械功。
研究斯特林发电机的热力学性能对于提高其效率、降低成本以及推广应用具有重要意义。
二、斯特林发电机基本原理斯特林发电机是一种基于斯特林循环原理的热机。
其基本原理是将工作气体（氢气、氦气等）在两个不同的温度下进行热机过程，利用热机效应将热量转变为机械能或电能。
其基本循环过程包括四个部分：加热，等容，冷却和等容。
三、斯特林发电机的热力学性能参数1. 热效率热效率是指斯特林发电机在工作过程中所转换的热能与所输入的热能之比。
热效率越高，其能够转换的热能就越多，能量利用效率就越高。
热效率的计算公式为：η = (W/Q) × 100%其中， W为输出的功率，Q为输入的热能。
2. 动力密度动力密度是指单位体积发电机所能输出的最大功率。
动力密度越大，发电机的输出功率就越大，同样的体积内能够输出更多的功率，能够满足更多能源需求。
动力密度的计算公式为：P = W/V其中，W为输出功率，V为发电机的体积。
3. 总效率总效率是指发电机从输入热能到输出电能的能量转换效率。
总效率的计算公式为：ηtotal = (Wout / Qin) × 100%其中，Wout为输出的电能，Qin为输入的热能。
四、斯特林发电机的热力学性能提高措施1. 提高工作流体的温度斯特林发电机的热效率随着工作流体温度的升高而增加。
因此，可以通过提高工作流体的温度来提高热效率。
但同时要注意避免过高的温度导致机械损坏。
2. 减小流体质量发电机的总效率与流体质量成反比，因此减小流体质量可以提高总效率。
但同时，过小的流体质量会导致输出功率不足的问题，需要根据实际情况进行调整。
3. 提高制冷能力斯特林发电机的性能受制冷能力的影响，可以通过适当增加制冷能力来提高发电机的性能。
《斯特林发动机》课件
斯特林发动机的效率与性能
斯特林发动机的效率取决于热力学过程中的能量 转化效率。
性能参数包括功率、效率、尺寸和重量等，用于 评估斯特林发动机的性能优劣。
优化设计和材料选择可以提高斯特林发动机的效 率和性能，降低能耗和排放。
03
斯特林发动机的应用
斯特林发动机在交通领域的应用
交通工具动力系统
斯特林发动机可用作汽车、摩托车等交通工具的动力系统，提供持续的动力输 出。
斯特林发动机在其他领域的应用
航空航天领域
虽然斯特林发动机的功率密度相对较低，但它具有较高的可 靠性，使其在航空航天领域有一定应用，例如用于无人机的 动力系统。
制冷和空调系统
斯特林发动机在制冷和空调系统中用作驱动装置，通过驱动 压缩机制冷或加热空气。
04
斯特林发动机的挑战与前 景
斯特林发动机面临的技术挑战
3
随着技术的不断进步，斯特林发动机的应用领域 不断扩大，包括汽车、船舶、航天器等。
斯特林发动机的特点与优势
高效节能
斯特林发动机具有较高的热效率，能 够将大部分输入的热能转化为机械能 。
环境友好
斯特林发动机使用外部热源，不需要 燃烧燃料，因此不会产生有害气体排 放。
可靠性高
斯特林发动机结构简单，运转平稳， 维护成本低，使用寿命长。
热效率低
材料耐热性要求高
当前斯特林发动机的热效率相对较低，这 限制了其在某些应用领域的竞争力。
由于斯特林发动机工作温度较高，需要使 用耐高温的材料，这增加了制造成本和难 度。
密封技术难度大
振动和噪音
斯特林发动机中的活塞和气缸之间的密封 要求很高，需要解决高温下的密封问题。
斯特林发动机在工作时会产生一定的振动 和噪音，这需要进一步优化设计以降低其 对环境的影响。
透射式太阳能斯特林发电机测试系统的设计
2021.12科学技术创新透射式太阳能斯特林发电机测试系统的设计翁奕涛梁振康于洋吴肖邦黎芷均（肇庆学院，广东肇庆526061）能源危机已成为当前人们日益关注的话题，促进清洁能源利用，大力发展综合能源服务将是推进中国能源低碳发展、实现2030年前碳达峰目标和2060年前碳中和愿景的关键着力点[1]。
调整能源结构，开发新能源技术，如太阳能、风能、水能等可再生能源，是能源发展的新趋势。
太阳能热发电技术是当今世界太阳能热利用研究领域的前沿课题。
太阳能热发电系统可分为槽式、塔式和碟式等三种类别。
其中，采用斯特林发动机的碟式太阳能热发电系统因其惊人的发展速度令世界瞩目[2]。
然而，在大学车辆工程等相关专业的本科教学中，因教学要求和教学资源的差异，导致学生对内燃机的工作原理、构造等比较熟悉，而对外燃式发动机代表———斯特林发动机却了解甚少，甚至常常被忽视。
这种现象引起我们的思考和重视，这种基础自然学科的应用创新应该不断探讨。
虽然传统碟式太阳能斯特林热发电系统相对成熟，但却存在着结构复杂、体积大、建造费用昂贵等缺点，并且测试尤为不便，难以适应本科教学中的实验设计要求。
目前已知的斯特林发动机实验教学平台是单纯的斯特林模型机，且没有性能数据测试系统。
鉴于此，为填补动力机械本科实验教学的不足，完善发动机实验体系，本文提出了一种低成本、小型化、易操作的斯特林发动机实验教学平台，直观了解菲涅尔透镜聚光下的斯特林发动机运行原理及特性，培养学生动手能力和创新能力。
1测试平台的原理及设计1.1测试平台工作原理系统采用的斯特林发动机是一种由外部供热使气体按闭式回热循环方式压缩膨胀的活塞式发动机，由英国牧师罗伯特·斯特林于1816年发明[3]。
其效率理论上等于卡诺循环效率，工质受热膨胀、遇冷压缩产生动力推动活塞做功，带动飞轮使得发电机对外输出功率。
采用双轴式云台和太阳位置跟踪器可以精确地对太阳的方位角和高度角进行实时跟踪,具有较高的稳定性[4，5]。
斯特林发电机标准
斯特林发电机标准
斯特林发动机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机，由英国物理学家罗巴特·斯特林于1816年发明，因此又被称为斯特林发动机。
其工作原理是通过气缸内工作介质（氢气或氦气）经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力。
斯特林发动机的标准可能因应用领域和具体型号而有所不同，其标准主要包括以下几个方面：
1、效率：斯特林发动机的效率是衡量其性能的重要指标，通常以有效效率或等效效率来表示。
根据斯特林发动机的特点，其效率一般介于汽油机与柴油机之间。
2、输出功率：斯特林发动机的输出功率是其性能的另一个重要指标，通常以千瓦（kW）或马力（hp）为单位表示。
根据应用领域的不同，斯特林发动机的输出功率范围可以从几百瓦到几千千瓦不等。
3、尺寸和重量：斯特林发动机的尺寸和重量也是其标准之一，通常以长、宽、高和重量来表示。
由于斯特林发动机是一种较为紧凑的热力发动机，其尺寸和重量相对较小。
4、工作介质：斯特林发动机的工作介质是氢气或氦气，因此其标准还涉及到工作介质的纯度、压力、温度等参数。
5、运行平稳性：斯特林发动机的平稳运行是保证其性能和寿命的重要因素，因此其标准还包括运行平稳性的要求。
总之，斯特林发动机的标准可能因应用领域和具体型号而有所不
同，但总体上需要满足高效、紧凑、可靠、安全等方面的要求。
太阳能光热技术国内外研究现状
太阳能光热技术国内外研究现状就目前来说，国内外利用太阳能光热技术主要用来发电，通过收集和吸收太阳辐射来加热水或空气，通过高温蒸汽来驱动蒸汽轮机发电，这种发电方式叫做聚光式发电[6]。
世界上所使用的太阳能热发电形式主要有：太阳能塔式发电系统、太阳能槽式发电系统、太阳能碟式发电系统和线性菲涅尔式太阳能热发电系统[7]。
随着太阳能热发电技术的发展，国内也大量研发出太阳能热发电的技术和装备，甚至一些研发部门已经设计出可商业化的热发电系统。
而在其他领域，太阳能光热技术的应用还不是十分广泛,仅在一些方面小规模应用。
刘余、徐伟巍[8]提出建立太阳能光热技术与建筑相结合的系统，使建筑更加节能，通过该系统可以将太阳能与建筑紧密结合，具有良好的发展前景。
专利CNXX10127145.9[9] 提出将太阳能电池组件与太阳能集热器整合，形成太阳能光热系统。
不但可更有效的利用太阳能，亦可有效降低太阳能组件所累积的热能，更加可靠，效率更高。
30288在本课题中，主要应用太阳能光热技术来促使工质受热膨胀，驱动装置运转。
整体装置分为三个部分：集热装置、驱动装置以及追踪装置。
太阳能集热装置是提高光热转换效率的关键，国内外对该部分进行了多方面的研究。
袁颖利[10]等人研制了一种真空管太阳能空气集热器，该集热器使用内插管结构，能极大提高集热效率，并降低总体热损系数。
任云锋、鱼剑琳[11]等人结合复合抛物面聚光器(CPC)和热管平板式集热器，设计了一种新型太阳能集热器，该集热器以平面吸热板为接收器，集热温度和集热效率比普通平板式太阳能集热器高，并且集热过程中热损失较低。
Hamid Mohadam、Farshad Farshchi Tabrizi[12]等人对太阳能平板集热器进行研究，使用数学建模设计出太阳辐射吸收率最大化的前提下平板的倾斜角度，并将其设计出的结果与气象站观测到的数据相比较，证明该倾斜角度与实际过程的太阳辐射变化能完美的匹配。
利用工业余热的自由活塞式斯特林发电机装置设计
机械 2017年第11期 第44卷 新产品开发 ・51・———————————————收稿日期：2017－04－05基金项目：2015年度国家级大学生创新创业训练计划项目（201513995003）利用工业余热的自由活塞式 斯特林发电机装置设计黄成，卢润生，张仁杰，杜佳玲，刘师良，赵佳峰，宋杰*（青岛工学院 机电工程学院，山东 青岛 266300）摘要：设计并制造了利用外热产生动力的自由活塞式斯特林发电装置，装置主要由动力气缸和磁感发电机组结合而成，利用工业生产中的余热（包括热废气、热废水等）推动活塞运动，从而带动发电转子进行发电。
气缸的形状和大小可根据应用领域而调整，封闭气缸内的气体不用更换，可实现废热的再利用。
关键词：斯特林；发电；工业余热中图分类号：TM617 文献标志码：Adoi ：10.3969/j.issn.1006-0316.2017.11.013文章编号：1006－0316 (2017) 11－0051－03Design of Stirling Power Generator Based on the Free Piston HUANG Cheng ，LU Runsheng ，ZHANG Renjie ，DU Jialing ，LIU Shiliang ，ZHAO Jiafeng ，SONG Jie( School of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao University of Technology,Qingdao 266300, China )Abstract ：A electricity generation device was designed and manufactured based on free piston Stirling generator, which was composed by the power cylinder and magnetic generator. Using of waste heat in industrial production ( such as waste hot water, hot gas, etc. ) to push the piston movement, and the generator was driven to rotor. The cylinder shape and size can be adjusted according to the application. The gas in closed cylinder did not need to be replacement, and waste heat energy recycle was then realized.Key words ：Stirling power generator ；generate electricity ；industrial waste heat自由活塞式斯特林发电机是以工业余热（以工业废水、废气等余热为主）为动力，实现将热能转化为电能的发电装置，这种热机如今主要被放在使用能源产生动力的位置，因体积大、反应慢等原因没被广泛应用，工业领域内往往由内燃机代替[1-3]。
自由活塞热声斯特林发电技术
自由活塞热声斯特林发电技术
自由活塞热声斯特林发电技术（Free Piston Stirling Engine, FPSE）是一种利用热声斯特林循环来转换热能为机械能的发电技术。
该技术利用活塞在气缸内自由往复运动，并通过活塞上的线性发电机将机械能转化为电能。
自由活塞热声斯特林发电技术相比传统的活塞斯特林发电技术有以下优点：
1. 高效性能：自由活塞热声斯特林发电机可以通过优化设计和控制技术，实现更高的热能转换效率，通常可达40％以上。
2.稳定性：由于没有机械连接杆和曲柄，自由活塞热声斯特林发电机结构简单，减少了传统发电机中机械元件的磨损和故障的可能性，提高了系统的可靠性和稳定性。
3.低噪音：自由活塞热声斯特林发电机没有活塞和曲轴接触，在运行中产生的噪音较低。
4.灵活性：自由活塞热声斯特林发电技术适用于不同类型的热源，包括太阳能、生物质能、地热能等，具有较高的适应性。
自由活塞热声斯特林发电技术在可再生能源领域有广泛的应用前景。
它可以通过利用多种热源，将热能转化为电能，为偏远地区提供电力，减少对传统能源的依赖，同时也可以减少温室气体的排放，对环境友好。
斯特林发动机的工作原理及应用前景
1斯特林发动机闭式循环系统的组件简介(1)冷腔处于循环的低温部分,和冷却器联接,压缩热量由冷却器导至外界,在压缩过程中有相当一部分工质居于冷腔。
(2)冷却器位于回热器和冷腔之间,功能是将压缩热传到外界,保证工质在较低的温度下进行压缩。
(3)回热器串联在加热器和冷却器之间,是循环系统的一个内部换热器,它交替从工质吸热和向工质放热,使工质反复地受到冷却和加热。
回热器并不是必需装置,但它对发动机的效率影响极大。
在往复式斯特林发动机中,回热器的使用既使斯特林循环的热效率明显提高,但又增加了工质的阻力和压力损失,工质吸热、散热交替进行,限制了斯特林发动机的转速,影响了功率的输出。
因此,优化回热器的设计是斯特林发动机的核心技术问题。
(4)加热器加热器是将外部热源的热能传给工质,使其受热膨胀。
加热器的一端与热腔联接,另一端与回热器联接。
(5)热腔始终处于循环的高温部分,连续地将外部热源传给工质,在膨胀时相当部分的工质居于热腔。
因此其必须能承受高温和高压,大量的热损失是由热腔散失的。
2斯特林发动机的基本结构根据工作空间和回热器的布置方式,斯特林发动机可以分为α、β和γ三种基本类型。
α型斯特林发动机的结构最简单,具有两个汽缸,两个汽缸中间通过加热器、回热器、冷却器连通,热活塞和冷活塞分别位于各自的汽缸内,热活塞负责工质的膨胀,冷活塞负责工质的压缩,两个活塞连接在同一曲轴上,往复运动遵循一定的规律。
α型斯特林发动机的优点是能实现较大的功率。
β型斯特林发动机只有一个汽缸,同时配备了配气活塞和动力活塞,配气活塞负责驱动工质在加热器、回热器和冷却器之间流通;动力活塞负责工质的压缩和膨胀,输出动力。
β型斯特林发动机的特点是能在小温差下工作。
γ型斯特林发动机配置有两个汽缸,配气活塞和动力活塞分别处于配气汽缸和动力汽缸内,配气活塞负责驱动工质流通,动力活塞单独完成工质的压缩和膨胀工作。
3斯特林发动机的工作原理斯特林循环包括2个等温过程和2个等容过程。
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太阳能驱动新式斯特林水泵（发电机）
福鼎一中吴俊夫关键词：太阳能斯特林水泵发电机
摘要：太阳能直接驱动零能耗水泵（发电机），产品制作成本不高，符合节能环保特点，成功实现太阳能直接转化为机械能，完全不同于当今流行的光伏发机原理。
设计理念：
目前成功实现了太阳能的利用，主要是利用太阳能加热与光伏电池，但硅电池对太阳能的利用率在10%左右，用热水器可以达到60%以上，因为真空管内壁吸收光能效率较高，近似于黑体。
伦敦的牧师罗巴特斯特林（Robert Stirling）于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirling engine）。
斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。
斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。
这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。
热气机可用氢、氮、氦或空气等作为工质，按斯特林循环工作。
在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质。
气缸一端为热腔，另一端为冷腔。
工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅
速加热，膨胀作功燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。
真空管是太阳能热水器的核心，他的结构如同一个拉长的暖瓶胆，内外层之间为真空。
在内玻璃管的表面上利用特种工艺涂有光谱选择性吸收涂层，用来最大限度的吸收太阳辐射能。
经阳光照射，光子撞击涂层，太阳能转化成热能，水从涂层外吸热，水温升高，密度减小，热水向上运动，而比重大的冷水下降。
热水始终位于上部，即水箱中。
太阳能热水器中热水的升温情况与外界温度关系不大，主要取决于光照。
当打开厨房或洗浴间的任何一个水龙头时，热水器内的热水便依靠自然落差流出，落差越大，水压越高。
当前，国内生产毛坯管的企业主要有力诺、元升、曜晖等企业，生产真空管的企业主要有力诺新材料、宝光集热管等企业，主要有两种种类，一是管内不走水的，一是管内走水的，传统的真空管都是管内走水，双真空的推出和“热管直插式”真空管的推出都使得玻璃管内不走水。
现充分利用直射的太阳光照射真空管内氦气，直接使气体受热，这样可以使更多斯特林工作物质得到热源，而非利用聚光原理不仅存在太阳能利用率下降及减少了密闭系统内的工作物质，同时为提高单体的功率则利用多根真空管并联加大受热面积。
从能量转换的角度分析，在每一级能量的转换或转移中均存在损失与转换率问题，所以设计理念就是尽最大可能减少单体能量损失和减少转换环节，故直接利用太阳能驱动斯特林发动机。
设计方案：
现设计了一种直接利用太阳能驱动斯特林发动机水泵，不仅解决了在没有电能条件下使用水泵（也可驳接发电机），而且在理论上尽最大可能地直接利用太阳能转化为了机械能，而不是光能转化电能再转化机械能。
太阳能斯特林水泵的基本原理为：
在整个密闭系统中充入氦气（或更高效工作媒介），然后太阳光直接照射并联式太阳能真空管，真空管隔层中的气体受热膨胀后充气斯特林热气缸中推动活塞，并在做功后进入散热器进行冷却后重新进入真空管隔层实现循环。
本过程实现了太阳能直接转化机械能，提高效率，然后利用斯特林发动机带动小水泵实现抽水灌溉作用。
其中冷热端温差越大则发动机单体功率就越高，因此在冷端部分而是利用类似于空调铝翅片的原理加强散热，同时将其浸入水中或置于地表植被充分利用植物降温。
设计原理图：
（1）简图
（2）模型3D图：
成品模型：
工作过程视频：
总结：本方案设计属于首创，亮点则是将太阳能真空管利用到斯特林发动机系统中，成功实现太阳能转化机械能并提高了利用率，不足是单体功率不高，发动机系统有待改进。
斯特林发动机目前在核潜艇中被充分利用，因属最高级军事机密，故本次所设计的斯特林发动并不完善。
2012年7月。