自由活塞斯特林热气机
科技成果——自由活塞式斯特林发动机
科技成果——自由活塞式斯特林发动机技术开发单位中国电子科技集团公司第二十一研究所技术简介斯特林发动机技术作为世界上热转换效率最高的热机，是目前世界发达国家竞相投巨资重点开发的新兴主导战略产业。
技术开发单位一体化解决了自由活塞式斯特林发电机和斯特林制冷机核心技术及其一系列产品生产工艺问题，成功开发了40W、60W、80W和800W、1000W、1200W以及3000W等系列斯特林发电机和制冷机产品，拥有独立知识产权，具备低成本与规模化量产能力。
主要技术指标1、斯特林发电机主要性能指标结构优化，完整气密式/全密封设计；太阳能热发电效率达29%，综合发电效率最高可达95%的能量转换效率；可适用多种热源发电，180℃电机启动温度；超静音（65db噪音）、低震动、低废热释放。
2、斯特林制冷机主要技术指标机身全密封设计；超静音（60db噪音）、低震动、低废热释放；制冷2分钟达到-50℃，10分钟达到-100℃，20分钟内达到-120℃，真空条件下最低温度可达-233℃；使用氯气为冷却剂。
技术特点热效率高，斯特林发动机的实际有效效率能达到32%-40%，最高可达47%。
排气污染小，和内燃机相比，太太降低了废气中CO、HC 等有害气体的含量。
噪音低，发动机运转比较平稳，噪音比较小。
运转特性好，由于斯特林发动机中最大压力与最小压力之比一般小于2，因此其扭矩比较均匀、运转比较平稳。
超负荷能力强，在超负荷50%的情况下仍然能正常运转，相对于内燃机5%-15%的超负荷能力而言具有更好的运转特性。
结构简单，维修方便，比内燃机少40%的零部件。
技术水平国内领先适用范围高握太阳能应用，太阳能光热发电。
中温太阳能应用，工业蒸汽（替代或部分替代传统工业蒸汽锅炉）、城镇集中供暖工程、社区供暖、太阳能空调集热制冷、稠油热采、烟草、中药材、食品干燥等。
专利状态授权专利多项技术状态小批量生产合作方式计划采取股权投资、风险投资和债权融资等多种途径寻求社会资本投资，合作进行规模化量产、拓展市场，扩大经营。
斯特林发动机
斯特林发动机斯特林发动机是一种闭循环活塞式热机,闭循环的意思是工作燃气一直保存在气缸内,而开循环则如内燃机和一些蒸气机需要与大气交换气体。
斯特林发动机一般被归为外燃机。
切图以外的菱形驱动器测试配置斯特林发动机的设计：* 粉红-热筒壁* 深灰色-冷筒壁（与冷却进排气管在黄色）* 暗绿色-热绝缘分开的两个汽缸结束* 浅绿色-置换活塞* 深蓝色-功率活塞* 淡蓝色-曲柄连杆和飞轮没有表明：热源和热汇。
在此设计了置换活塞构造没有专门建造的再生。
介绍斯特林发动机在热机中的效率目前是最高的，有时可以达到80%。
In the conversion of heat into mechanical work, the Stirling engine has the potential to achieve the highest efficiency of any heat engine. It can theoretically perform up to the full Carnot efficiency, although not yet in practice. The practical limitations include the non-ideal properties of the working gas, and material properties such as friction, thermal conductivity, tensile strength, creep, rupture strength, and melting point. The Stirling engine can run on any heat source, including chemical, solar, geothermal and nuclear. There are many possible implementations of the Stirling engine. Most fall into the category of reciprocating piston engine.In contrast to internal combustion engines, Stirling engines have the potential to use renewable heat sources more easily, to be quieter, and to be more reliable with lower maintenance. They are preferred for applications that value these unique advantages, particularly if the the cost per unit energy generated ($/kWh) is more important than the capital cost per unit power ($/kW). On this basis, Stirling engines are cost competitive up to about 100 kW.[3]Compared to an internal combustion engine of the same power rating, Stirling engines currently have a higher capital cost and are usually larger and heavier. Their lower maintenance requirements make the overall energy cost comparable. The thermal efficiency is also comparable (for small engines), ranging from 15%-30%.[3]For applications such as micro-CHP, a Stirling engine is often preferable to an internal combustion engine. Other applications include water pumping, space-based astronautics, and electrical generation from plentiful energy sources that are incompatible with the internal combustion engine, such as solar energy, and biomass such as agricultural waste and other waste such as domestic refuse. Stirlings have also been used as a marine engine in Swedish Gotland class submarines. [4]However Stirlings are generally not price-competitive as an automobile engine, due to high cost per unit power, low power density and high material costs.In recent years, the advantages of Stirling engines have become increasingly significant, given the rise in liquid fuel prices and concerns such as peak oil and climate change. Stirling engines address these issues by being very compatible with all renewable energy and fuel sources. These growing interests in Stirling technology have fostered the ongoing research and development of Stirling devices, and R&D breakthroughs have in turn increased interest in the technology.If supplied with mechanical power, Stirlings can function in reverse as a heat pump for heating or cooling. Experiments have been performed using wind power driving a Stirling cycle heat pump for domestic heating and air conditioning. In the late 1930s, the Philips Corporation of the Netherlands successfully utilized the Stirling cycle in cryogenic applications.[5]Basic analysis is based on the closed-form Schmidt analysis{google翻译:}斯特林发动机是一个封闭的循环蓄热式发动机，气体工质。
自由活塞斯特林直线发电机结构设计
自由活塞斯特林直线发电机结构设计摘要：斯特林发动机是一种以气体作为工作介质的外部加热活塞式发动机。
其对燃料的品质要求不高，太阳能、地热能、生物化学能等可再生能源均可作为斯特林发动机的燃料。
本文根据自由活塞斯特林发电机的动子运动近似正弦的特点，分别对单相、三相电机在均匀速度和正弦速度下的运动情况进行分析，从提高电机效率和降低电能后处理难度的角度出发，提出了一种单相双定子结构的横向磁通永磁直线电机，并对电机的磁场分布、感应电势、定位力等性能进行了研究和分析。
根据电机的设计要求，对电机的结构和性能参数进行了优化，最后确定了电机的尺寸和参数。
关键词：波浪发电；直线电机；伺服电机；测试平台山东省大学生创新创业训练计划项目：用于深空探测的自由活塞斯特林发电机设计（项目编号：S202210449097）0引言斯特林发动机是一种以气体作为工作介质的外部加热活塞式发动机。
斯特林发动机对燃料的品质要求不高，太阳能、地热能、生物化学能等可再生能源均可作为斯特林发动机的燃料。
自由活塞发电机系统采用自由活塞发动机和直线发电机直接结合，改变了传统的先将直线运动转换为旋转运动、再带动旋转发电机的发电方式，省去了曲轴连杆等传动环节，使系统发电效率得到较大提高。
斯特林发动机在工作循环过程中，其工质是封闭在一个独立的区域内，与外部气体没有交换，这使得斯特林发动机可以工作在真空环境中。
这为航天领域深空探测的能源供给问题提供了一种解决方案。
1自由活塞斯特林发电系统运动特性分析自由活塞斯特林发电机系统包括自由活塞斯特林发动机和直线发电机两部分[1]。
自由活塞斯特林发动机主要由加热器、冷却器、回热器、配气活塞和动力活塞等部件组成。
发动机内部的气体通过回热器在热端和冷端之间循环。
在图1中，靠近冷却器一侧的空腔称为压缩腔，靠近加热器一侧的空腔称为膨胀腔。
冷腔、冷却器、回热器、加热器和膨胀腔连接在一起，构成了完整的工作气体循环回路。
直线发电机部分主要由发电机定子和发电机动子两大部分组成。
热气机资料
热气机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。
因它是1816年苏格兰的斯特林所发明，故又称斯特林发动机。
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。
已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。
试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。
按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。
在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。
热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。
定温压缩过程中，配气活塞停留在上止点附近，动力活塞从它的下止点向上压缩工质，工质流经冷却器时将压缩产生的热量散掉。
当动力活塞到达它的上止点时，压缩过程结束。
定容回热过程时，动力活塞仍停留在它的上止点附近，配气活塞下行，迫使冷腔内的工质经回热器流入配气活塞上方的热腔，低温工质流经回热器时吸收热量，使温度升高。
定温膨胀过程时，配气活塞继续下行，工质经加热器加热，在热腔中膨胀，推动动力活塞向下并对外作功。
定容储热过程时，动力活塞保持在下止点附近，配气活塞上行，工质从热腔经回热器返回冷腔，回热器吸收工质的热量，工质温度下降至冷腔温度。
在理论上，定容储热量等于回热量，其循环效率等于卡诺循环效率。
两个活塞的运动规律是由菱形传动机构来保证的。
每个气缸内只有一个活塞，兼起配气活塞和动力活塞的作用。
各缸的上部为热腔，下部为冷腔。
各热腔经加热器、回热器和冷却器与邻缸的下部冷腔连接，组成一个动力单元。
热气机的主要优点是能用各种能源，无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何更改。
空间自由活塞斯特林热电转换装置和热声发电
空间自由活塞斯特林热电转换装置和热声发电1. 简介空间自由活塞斯特林热电转换装置和热声发电是当前研究的热电领域的一个重要主题。
从简单到复杂，从浅显到深刻地探讨这个主题，有助于我们更好地理解这一新兴技术的工作原理和应用前景。
2. 空间自由活塞斯特林热电转换装置空间自由活塞斯特林热电转换装置利用斯特林循环原理，通过热源和冷源之间的温差来驱动活塞运动，从而实现热能向机械能的转换。
相比传统的热电技术，空间自由活塞斯特林热电转换装置具有更高的热电转换效率和更广泛的适用范围。
它可以利用太阳能、地热能等恒定的热源来进行能量转换，具有较强的可再生能源利用潜力。
3. 热声发电热声发电是一种基于热声效应的新型能量转换技术，通过热源和冷源之间的温差产生声波振动，然后将其转换为电能。
热声发电不需要传统的机械运动部件，因此具有结构简单、可靠性高、维护成本低等优点。
热声发电可以与其他热电技术相结合，形成混合能源系统，提高能量利用效率。
4. 应用前景空间自由活塞斯特林热电转换装置和热声发电技术在航天航空、新能源领域、环境监测等方面具有广阔的应用前景。
在太空探索中，它可以为航天器提供稳定可靠的能源来源；在新能源领域，它可以实现太阳能、风能等不稳定能源向电能的高效转换；在环境监测中，它可以为遥感设备和传感器提供持续、稳定的能量保障。
5. 总结与回顾通过对空间自由活塞斯特林热电转换装置和热声发电技术的探讨，我们可以得出结论，这些新型的热电转换技术具有较高的能量转换效率、广泛的能源适用范围和广阔的应用前景。
未来，随着科学技术的不断发展，这些技术必将在能源利用和环境保护方面发挥重要作用。
6. 个人观点与理解在我看来，空间自由活塞斯特林热电转换装置和热声发电技术代表了热电领域的创新与进步。
它们不仅有望改变传统能源利用模式，还能为人类社会的可持续发展作出重要贡献。
我对这些新兴技术充满期待，并期待它们能够尽快投入实际应用，为我们的生活带来便利和改善。
斯特林发动机是一种闭循环活塞式热机
斯特林发动机是一种闭循环活塞式热机。
闭循环的意思是工作燃气一直保存在气缸内，而开循环则如内燃机和一些蒸汽机需要与大气交换气体。
斯特林发动机一般被归为外燃机。
这种发动机是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工作原理热气机是一种外燃的、闭式循环往复活塞式热力发动机。
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。
已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。
试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。
按缸内循环的组成形式分，热气机主要有配气活塞式和双作用式两类。
在一个气缸内有两个活塞作规律的相对运动，冷腔与热腔之间用冷却器、回热器和加热器连接，配气活塞推动工质在冷热腔之间往返流动。
热力循环可以分为定温压缩过程、定容回热过程、定温膨胀过程、定容储热过程四个过程。
碟式太阳热发电技术是利用抛物面碟式聚光器将太阳光汇聚，通过吸热器将汇聚的太阳能吸收并传输给热机，热机将太阳热转化为机械能，再经过发电机将机械能转化为电能。
热机采用斯特林发动机。
斯特林发动机能量转换率可达到42% ，无噪声污染，冷却水消耗少，对周围环境无任何影响。
碟式斯特林太阳热发电技术是当今太阳能热发电领域的热点目前，世界上成为发展主流的是碟式-斯特林（Stirling）系统。
斯特林热机
斯特林热机演示实验实验类型：热学2010年6月【实验目的】――――――――――――――――――――――――――――――――――了解斯特林热机的现象及其原理。
【实验仪器】――――――――――――――――――――――――――――――――――图1 斯特林热机在该装置中有两个活塞：1．动力活塞：这是发动机上方较小的活塞。
它是紧封闭的。
当发动机内的气体膨胀时，动力活塞会向上运动。
2．置换器活塞：这是装置中较大的活塞。
它在气缸中非常自由，因此随着其上下运动，空气很容易在加热式或冷却式气缸之间流动。
置换器活塞通过上下运动来控制是对发动机中的气体进行加热还是冷却。
它有两个位置：当置换器活塞靠近大气缸的上方时，发动机内的大部分气体由热源加热，然后开始膨胀。
发动机内产生的压力会强制动力活塞向上运动。
当置换器活塞靠近大气缸的底部时，发动机内的大部分气体开始冷却收缩。
这会导致压力下降，从而使动力活塞向下运动，对气体进行压缩。
发动机会反复对气体进行加热和冷却，以便从气体的膨胀和收缩中吸取能量。
【实验现象】――――――――――――――――――――――――――――――――――1.在烧杯中装入开水。
2.将斯特林热机置于烧杯上，观察斯特林热机的运转。
【实验原理分析】――――――――――――――――――――――――――――――――――斯特林热机（Stirling Engine），是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的封闭往复式发动机。
它由苏格兰牧师斯特林提出。
斯特林热机在十九世纪初被发明，目前已经发展为上百种不同的机械结构。
斯特林热机是一种高效率的能量转换装置，相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点，斯特林热机仅采用外部热源，工作气体不直接参与燃烧，因此又被称为外燃机。
只要外部热源温度足够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、生物能等在内的任何热源，都可使斯特林热机运转，既安全又清洁，故其在能源工程技术领域的研究兴趣日益增加，极有可能成为未来动力的来源之一。
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]。
什么是斯特林热机
什么是斯特林热机？热气机（即斯特林发动机）的理想热力循环，为19世纪苏格兰人R.斯特林所提出，因而得名。
它是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。
热机在定温(T1)膨胀过程中从高温热源吸热，而在定温(T2)压缩过程中向低温热源放热。
斯特林循环的热效率公式中W 为输出的净功；Q1为输入的热量。
根据这个公式，只取决于T1和T2，T1越高、T2越低时，则越高，而且等于相同温度范围内的卡诺循环热效率。
因此，斯特林发动机是一种很有前途的热力发动机。
斯特林循环也可以反向操作，这时它就成为最有效的制冷机循环。
斯特林循环可以分为4个过程：①定温压缩过程:配气活塞停留在上止点附近，动力活塞从它的下止点向上压缩工质，工质流经冷却器时将压缩产生的热量散掉，当动力活塞到达它的上止点时压缩过程结束。
②定容回热过程:动力活塞仍停留在它的上止点附近,配气活塞下行，迫使冷腔内的工质经回热器流入配气活塞上方的热腔，低温工质流经回热器时吸收热量，使温度升高。
③定温膨胀过程：配气活塞继续下行，工质经加热器加热，在热腔中膨胀，推动动力活塞向下并对外作功。
④定容储热过程：动力活塞保持在下止点附近，配气活塞上行，工质从热腔经回热器返回冷腔，回热器吸收工质的热量，工质温度下降至冷腔温度。
在理论上，定容储热量等于回热量，其循环效率等于卡诺循环效率。
两个活塞的运动规律是由菱形传动机构来保证的。
斯特林（Robert Stirling，1790—1878）英国物理学家，热力学研究专家。
斯特林对于热力学的发展有很大贡献。
他的科学研究工作主要是热机。
热机的研制工作，是18世纪物理学和机械学的中心课题，各种各样的热机殊涌而出，不断互相借鉴，取长补短，热机制造业兴旺起来，工业革命处于高潮时期。
随着热机发展，热力学理论研究提到了重要位置，不少科学家致力于热机理论的研究工作，斯特林便是其中著名的一位。
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。
自由活塞斯特林热气机
由特征方程的实、虚部为0得到运行频率计算公式：
两动子位移相角差：
2 D S D S pp pd pd pp 1 tan 2 S pd S pp S pd D pd D pp
即热机的工作频率由刚度系数与阻尼系数共同决定，负载的特性由
技术路线：首先关注动子位移建立动力学模型，然后将动力学
方程中的气体力及流阻表示成动子位移的函数；最后在频域中 整理动力学方程得到工作频率。
模 型 框 第一步： 架 动力学方程基于设定的正方向
第二步：线性映射
因气体弹簧在膨胀及压缩半周期中与壁面进行的热交换不对称，会导致弛豫损失。
得到考虑气体弹簧阻尼的动力学方程
实用中，针对所设计的结构，一步步推导出D,S，即可预测热机的运行频率。
若要预测给定热源条件下，机器中两动子的动态位移及性能指标，则需要 全时域模型联立求解微分方程组。。。
自由活塞热气机性能仿真
热力—动力—负载之间存在强耦合。
The Re-1000 FPSE manufactured by Sunpower,Inc.
Re-1000 engine dimensions and physical parameters
基于经验参数的模型
compression
Variable volumes and pressures are treated as dependent variables.
自由活塞斯特林受热自激振荡启动过程
动力活塞的运动轨迹要规整一些且在常温区工作， 故多数原动机都是使用动力活塞对外输出功（电磁单位位于排除器 也会大幅增加其质量）。
0-1：热头受热至启动阀值后，工作腔（系统中除背压腔以外的气体容积）压力能够克服系统 静态阻尼，配气活塞与动力活塞在压差的作用下朝背压腔运动； 1-2：配气活塞质量轻，加速度大，动力活塞质量重，加速度小；在一起朝背压腔运动的过程 中，两动子产生相对位移，使压缩腔容积减小，越来越多的工质通过回热器流向膨胀腔被加热， 使工作腔压力进一步升高； 2-4：配气活塞追上动力活塞，并紧贴着一起朝背压腔运动（不再有工质进入膨胀腔）；工作 腔压力达到峰值后由于容积的进一步扩大而降压； 4点：工作腔压力等于背压腔，两动力由于惯性速度方向仍朝向背压腔，但开始减速。 4-5：两动子靠着一起朝背压腔运动，工作腔容积进一步增大，导致压力进一步降低； 5点：配气活塞速度减为0，并与继续朝背压腔运动的动力活塞分离。 5-6：配气活塞在压差作用下朝热头运动，使膨胀腔工质流向压缩腔，使得工作腔压力进一步 降低，其自身在扩大的压差下迅速运动至上止点，并保持状态至8点（工作腔压力开始大于背 压腔）； 动力活塞在“与惯性力反向的压差”作用下减速为0，并开始反向运动（朝热头方向）。 6-8：动力活塞压缩工作腔容积使工作腔压力升高，至8点，工作腔压力再一次等于背压腔； 8-9：动力活塞开始减速运动，进一步减小工作腔容积，工作腔压力进一步上升，期间达到运 动止点并开始朝背压腔运动； 配气活塞在压差作用下开始加速向背压腔运动，并使部分工作进入热腔进一步增大工作腔 压力； 9-10：配气活塞追上动力活塞，此后过程与上述2-4后相同。
自由活塞斯特林发动机Re-1000的模拟研究
自由活塞斯特林发动机Re-1000的模拟研究陈曦;崔浩【摘要】为了掌握自由活塞斯特林发动机的设计方法,采用Sage软件建立了自由活塞斯特林发动机Re-1000的一维模型.模拟结果和实验结果比较显示,输出功率、热效率的模拟值和实验值呈相同的变化趋势.输出功率模拟值与实验值误差约为15％,热效率模拟值比实验值大4％.证明了Sage软件模拟自由活塞斯特林发动机具有较好的准确性,对优化自由活塞斯特林发动机性能有一定意义.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2018(024)005【总页数】5页(P304-308)【关键词】自由活塞斯特林发动机;Re-1000;数值模拟;SAGE【作者】陈曦;崔浩【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TK124;TB651+.50 引言1816年，苏格兰牧师Robert Stirling发明了斯特林发动机（又称热气机），是一种外燃、闭式循环、往复活塞式的能量转换装置[1]。
20世纪60年代，俄亥俄大学机械工程学院教授William Beale改进斯特林发动机结构，发明了自由活塞斯特林发动机（FPSE），具有效率高、寿命长、结构简单、噪声低、不易磨损和可自启动等优点[2]。
按Martini的命名规则，斯特林发动机热力学分析方法主要分为五类：零级分析法、一级分析法、二级分析法、三级分析法和四级分析法。
零级分析法，即实验模型，斯特林发动机输出功率的估算公式来源于大量实验数据。
目前为止主要有三种：Malmo公式法、指示功率法和Beale数法[3]。
一级分析法又称为等温分析法，最主要的假设是热腔和冷腔内工质的循环温度恒定，通过理论推导一般可得到解析解，进而可考虑各种热损失和流动损失。
一级分析法首先由Schmidt[4]完成。
Schmidt并没考虑热损失和流动损失，因此，在实际应用时需要对Schmidt分析结果进行修正，修正系数一般为0.45～0.55[5]。
空间高温区自由活塞斯特林发电机工作特性试验研究
空间高温区自由活塞斯特林发电机工作特性试验研究
刘贺;池春云;李瑞杰;林明嫱;牟健;洪国同
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2024(48)3
【摘要】测试了不同冷端温度下,外负载、运行压力和加热功率对高温区自由活塞斯特林发电机的热端温度、电电效率、输出功率、频率的影响。
研究结果表明,在同一冷端温度时,加热功率的增加使发电机的电电效率、输出功率、热端温度上升,而外负载、运行压力的增加则起相反作用;发电机的频率与外负载呈负相关变化,与运行压力、加热功率呈正相关变化。
提升冷端温度使发电机的输出功率、电电效率和频率下降,热端温度上升。
在三种不同冷端温度下,外负载、加热功率和运行压力对发电机输出特性的影响规律不变。
经过测试,发电机在运行温区为495~1058 K 时,最大输出功率103.681 W,电电效率20.5%。
【总页数】7页(P506-512)
【作者】刘贺;池春云;李瑞杰;林明嫱;牟健;洪国同
【作者单位】中国科学院理化技术研究所中国科学院空间功热转换技术重点实验室;中国科学院大学
【正文语种】中文
【中图分类】TM31
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自由活塞斯特林受热自激振荡启动过程
动力活塞的运动轨迹要规整一些且在常温区工作， 故多数原动机都是使用动力活塞对外输出功（电磁单位位于排除器 也会大幅增加其质量）。
0-1：热头受热至启动阀值后，工作腔（系统中除背压腔以外的气体容积）压力能够克服系统 静态阻尼，配气活塞与动力活塞在压差的作用下朝背压腔运动； 1-2：配气活塞质量轻，加速度大，动力活塞质量重，加速度小；在一起朝背压腔运动的过程 中，两动子产生相对位移，使压缩腔容积减小，越来越多的工质通过回热器流向膨胀腔被加热， 使工作腔压力进一步升高； 2-4：配气活塞追上动力活塞，并紧贴着一起朝背压腔运动（不再有工质进入膨胀腔）；工作 腔压力达到峰值后由于容积的进一步扩大而降压； 4点：工作腔压力等于背压腔，两动力由于惯性速度方向仍朝向背压腔，但开始减速。 4-5：两动子靠着一起朝背压腔运动，工作腔容积进一步增大，导致压力进一步降低； 5点：配气活塞速度减为0，并与继续朝背压腔运动的动力活塞分离。 5-6：配气活塞在压差作用下朝热头运动，使膨胀腔工质流向压缩腔，使得工作腔压力进一步 降低，其自身在扩大的压差下迅速运动至上止点，并保持状态至8点（工作腔压力开始大于背 压腔）； 动力活塞在“与惯性力反向的压差”作用下减速为0，并开始反向运动（朝热头方向）。 6-8：动力活塞压缩工作腔容积使工作腔压力升高，至8点，工作腔压力再一次等于背压腔； 8-9：动力活塞开始减速运动，进一步减小工作腔容积，工作腔压力进一步上升，期间达到运 动止点并开始朝背压腔运动； 配气活塞在压差作用下开始加速向背压腔运动，并使部分工作进入热腔进一步增大工作腔 压力； 9-10：配气活塞追上动力活塞，此后过程与上述2-4后相同。
自由活塞热气机性能仿真
热力—动力—负载之间存在强耦合。
The Re-1000 FPSE manufactured by Sunpower,Inc.
Re-1000 engine dimensions and physical parameters
基于经验参数的模型
compression
Variable volumes and pressures are treated as dependent variables.
技术路线：首先关注动子位移建立动力学模型，然后将动力学
方程中的气体力及流阻表示成动子位移的函数；最后在频域中 整理动力学方程得到工作频率。
模 型 框 第一步： 架 动力学方程基于设定的正方向
第二步：线性映射
因气体弹簧在膨胀及压缩半周期中与壁面进行的热交换不对称，会导致弛豫损失。
得到考虑气体弹簧阻尼的动力学方程
Dpp表征（即负载也耦合决定工作频率）。
如何计算S和D？
刚度S：
n （ 1 x） 1 nx （ x 1
）
至此，所有压力均整理成期望的数学形式，S可导出
阻尼D：
注：气体弹簧的结构设计决定 其压力表达式。
典型工况下，换热器处于湍流区，回热器处于层流区。
定量
单位截面积流动对应的粘性耗散：
自由活塞斯特林热气机
目前，美国Sunpower和Infinia公司为其代表厂商。
动力活塞
配气活塞
自由活塞式热气机的特点
自由活塞热气机的工作原理
排除器位移 活塞位移
热力学原理如同常规斯特林热气机； 重点在于动力学与热力传热过程耦 合决定系统的模态与工况。
所有类型的自由活塞热气机均要求排除器质 量要远小于动力活塞质量。
实用中，针对所设计的结构，一步步推导出D,S，即可预测热机的运行频率。
若要预测给定热源条件下，机器中两动子的动态位移及性能指标，则需要 全时域模型联立求解微分方程组。。。
由特征方程的实、虚部为0得到运行频率计算公式：
两动子位移相角差：
2 D S D S pp pd pd pp 1 tan 2 S pd S pp S pd D pd D pp
即热机的工作频率由刚度系数与阻尼系数共同决定，负载的特性由
单位面积对应的等效线性阻尼耗散：
进一步确定各换热器的U及u
定量等效线性阻尼
单位截面积流动对应的粘性耗散：
单位截面积对应的等效线性阻尼耗散：
接下来，再进一步确定各换热器的U及u
将换热器流动视为整体，不考虑压缩性
在忽略Xc的设定下，由矢量运算得到
两速度夹角
对照
导出C，进而导出D
注意此处Pc非压缩腔压力，仅是一个参数的代号。
系统中的参量总数包括各腔的P, V,m,T及两振子的位移，模型假设中已经设 定了一部分参量的取值，其余的参量由物理守恒定律及状态方程关联。
The
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
方程组(1)-(9)可以采用龙格-库塔法进行数值积分求解，在收敛的结果下， 系统的能量转换满足约束：热功产出量=负载吸收量
引入刚度系数S
C为压缩腔；b,d为气体弹簧腔；由
导出S
合并阻尼项， 进一步引入阻尼系数D 得到通项形式的动力学方程组
由气体弹簧阻尼及
导出D
不同的机器结构，不同的参数下S、D不同。
用于发电的自由活塞热气机的外壳振动很小（通过使壳体本征频率远小于工作频 率来保证）
第三步：在频域中处理动力学方程
整理上述齐次方程组，消除振幅，得到特征方程：
机器热功转换特性
负载特性
但注意：并非所有参数组合下，系统均能稳定工作。
FPSE自激振荡频率预测模型
• 与外激励的制冷机及机械传动热气机不同，自由活塞热气机的运行频 率由系统内部参数与负载参数共同决定，频域特性显著。 • 健壮的系统设计方法应将运行频率作为设计参数而非后验参数。因此，
频率预测应作为先验知识参与设计校正ห้องสมุดไป่ตู้程。