1.3　斯特林发动机的研究概况

对于自由活塞斯特林发动机，Sutapat K，Wankaomeng［1］使用一台自由活塞斯特林发动机为水泵提供动力。他认为，相对于内燃机，斯特林发动机在能量来源上有很大的潜在优势，并且有污染物排放少和运行平稳安静的特点。

关于碟式斯特林发动机系统设计，W.Reinalter［2］针对CNRS-Promes碟式斯特林系统进行了研究。该系统的峰值功率可达11kW，是目前性能最好的系统。研究过程中，他对涉及系统的光学性能热效率的参数进行了测量。测量结果表明，集热器的总效率为74.4%，在环境条件下，斯特林发动机的能量转化效率可达34.4%。总体来看，太阳能转化为电能的效率为22.5%。

对于碟式斯特林发电系统的发展与展望，Thomas Mancini、Peter Heller、Barry Butler［3］等认为，考虑到各种功率损失因子后，碟式斯特林发电系统可以将近30%的入射太阳能转化为电能，其能量转化效率相当高。虽然性能较好，但由于其建设与运行维护费用较高，近20年来一直处于研究与探索阶段。文章中对已经进入商业市场的碟式斯特林发电系统进行了回顾，同时对其建设费用、维修费用、运行费用等进行了分析。

对于回热器内部传热与流动情况，Yi Niu［4］认为，无论是在斯特林发动机中还是在斯特林制冷机中，多孔介质材料广泛应用于回热器。应用时，多孔介质材料的气体工质在回热器内振荡:当流体温度较高时，将热量释放给回热器基体；当气体工质温度较低时，它可以从回热器基体吸收热量。由多孔介质构成的回热器是提高整机性能的重要部件，要进一步提高斯特林发动机的性能，关键在于提高其回热器的性能，而对回热器内部传热与流动的研究，是整个问题的关键。由于回热器内部多孔介质尺寸较小，机器运行频率又较高，因此研究回热器内部的振荡流动情况尤为困难。为满足研究的要求，他制作了一个尺寸较大的回热器。该回热器包含200层金属丝网，金属丝的直径为0.8mm，同时控制其工作频率为0.4Hz，以空气为工质，实验条件与斯特林发动机实际工作条件相似，通过这种特别的回热器，可以研究多孔介质内部的流场以及温度场；对于压降的研究，可以在稳态稳流下进行压降的测量；对于一定频率下的振荡流动也可以进行压降的测量。测量结果与利用Darcy-Forchheimer流的阻力关系式所得结果一致，因此得出回热器内部流动可近似认为稳态的结论。研究中，他对回热器与热交换器接口界面的温度进行了测量，得到了多孔介质结构回热器的模型，并在分析过程中充分考虑了多孔介质类型回热器内部流动的不一致性。在实验过程中，对于多孔介质结构的回热器内部的振荡流动，采用双热偶方式来测量流体与固体表面的换热系数。测量结果发现，在加速部分流体与固体存在热不平衡的原因是涡旋效应。通过与稳态流动结果的对比，发现要达到热平衡，必须进行充分扰动。文中还提到，对于多孔介质的研究通常采用体积平均的方法，在体积平均法的处理过程中易得到热分散相。但是在实验中，要测量热分散相是很困难的，因此通过阐述流体的速度场与温度场，他以瞬时变量的形式表述了热扩散相，而且基于混合长度理论通过对蒸汽热扩散相和交叉流动量扩散的评估得到了描述热扩散相的模型。

对于双作用γ型斯特林发动机，Peter A.D.Intsiful［5］进行了较为深入的研究。对于一定功率的小型双作用γ型斯特林发动机，他不仅进行了深入的理论研究，还进行了相应的实验研究。他指出，斯特林发动机在振荡压力流条件下可实现能量转换。振荡流来自压缩以及膨胀机制导致的系统内压力的变化，同时还包括温度的变化。在他之前，研究者多忽视了斯特林发动机内部流体的传热与传质现象，通常情况下，他们借助于控制方程，如连续性方程、动量守恒以及能量守恒等进行分析和研究，另外，有些学者使用工程热力学方法，但一直没有学者致力于他的课题——一定功率的小型双作用γ型斯特林发动机的研究。他通过参数化方法对斯特林发动机进行研究，得到了相应发动机的P—V图与其他特性，并采用傅里叶级数对其角速度的波动进行研究，同时，采用实验方法测量了斯特林发动机的性质。

J.Gary Wood和Neill Lane［6］对35W的自由活塞斯特林发动机进行了研究。该斯特林发动机用于空间发电，对于高效、轻质的35W自由活塞斯特林发动机的总体设计他提出了自己的思路。斯特林发动机，包括直线电机，热动力性能较好，在小功率范围内可达100W/kg。文中给出了实验数据与分析数据并对小功率斯特林发动机的设计进行了讨论。

对于用于废热发电的斯特林发动机系统，Ing.Stepan Nosek提出了自己的看法。他认为，在高纬度地区，集中太阳能辐射的外燃式斯特林发动机的使用较为稀少，目前较为前卫的太阳能与废热联合斯特林发动机单元是比较新的概念。太阳能与废热混合斯特林发动机单元的基础是碟式斯特林技术和自由活塞斯特林技术，而且既能使用集中太阳能，也能使用工业废热。他对混合太阳能斯特林发电系统进行设计，并利用MATLAB软件进行了模拟，模拟结果显示该方法确实能节约能源。

众所周知，SUNPOWER在斯特林技术研究上一直处于领先地位。对于SUNPOWER公司的自由活塞斯特林技术的发展现状，J.Gary Wood［7］进行了总结。他在文章中对自由活塞斯特林技术进行了回顾。对于斯特林发电系统，无论是机器的原型设计，还是商用斯特林发动机，SUNPOWER公司都成果显著。他们生产的混合发电机型的功率，小至100W高达1300W。他对目前已成型机器的性能进行了总结，还提到用气体轴承代替目前所用机械轴承，以提高整机寿命的方法。文章主要对35W斯特林发动机的性能进行了阐述。

对于碟式斯特林系统的性能预测模型，PAUL R.FRASER［8］提出了新的观点。他在论文中对太阳能斯特林发电系统的性能进行了预测，提出了新的碟式斯特林发动机系统模型。该模型分析了斯特林发电系统各个部件的性能，并对抛物型镜面、接收器、斯特林发动机以及功转换系统进行了分析。论文提出了集热器，斯特林发动机，功率转换系统以及热交换系统包括风机、冷却塔等系统的理论模型。对于详细的碟式斯特林系统模型进行了对比，包括Wilkinson，Goldberg以及Associates提供的数据。对于重要组件，如集热器、接收器、斯特林发动机等，他逐一提出了详细的单独模型。对于接收器，他在建模时使用了Stine and Harrigan（1985）的理论。对于接收器，他在建模时采用了针对自然对流的Stine and McDonald（1989）的理论。同时，他通过对比尔数进行修正得到了斯特林发动机的性能曲线，利用无量纲关联式得到了功率模型。

对于用于冷热电联产的SOLO 161斯特林发动机，Magnus Plsson［9］提出了自己的观点。他指出，在最近20年，瑞典的隆德大学开始致力于研究用于V160/SOLO161型斯特林发动机的天然气燃烧腔，该腔体带有金属支撑板，可以保证气体的循环与稳定燃烧，与触媒燃烧相比，其污染物排量较低。该压缩腔计划在2001年进入市场。

对于使用太阳能作为热源的四缸双作用斯特林发动机，Kongtragool B.与Wongwises S.［10］提出了自己的观点，他们在文章中对γ型四缸低温差斯特林发动机的性能进行了研究，在实验过程中，使用带4个太阳能集热器的太阳能仿真器在环境压力下进行了测试，测试得到了发动机的扭矩、轴功率以及热效率等，同时，对热源温度变化情况也作了性能评估。通过测量以及数据处理得到了发动机的比尔数，该结果表明，在实际能量输入为1378W、热源温度为439K的条件下，发动机的最大转矩为2.91 Nm，最大轴功率为6.1W。

对于军用160W斯特林发动机，Mary Hendrickson、Thomas Podlesak、James Huth等［11］在国际能源转换工程会议上发表了自己的看法，文中提到，开发该160W双作用斯特林发动机发电系统的初衷是用于美国军队的偏远地区发电以及供电，该项目的目的是开发一台可单人携带的系统。其在结构上尽量紧凑和简单，总重不超过10kg，而且该机型最大的优点在于噪声小，在距其大概7m的地方噪声已经在65bBA以下了。该型号的斯特林发动机应用于混合发电系统中，可处理电网峰值过载的问题。该文章介绍的系统使用丙烷作为燃料，为双作用式、体积较小、重量较轻，用于演示小型斯特林发动机在国防军事中的应用；斯特林发动机相互对立的布局使整机的噪声降到最小；由于总体布局比较紧凑，且省去了减小震动的部件，因此整个系统的质量减少了20%；对控制系统，包括燃烧控制系统和自诊断系统进行了复杂的检测；燃烧室采用了自然催化剂，采用了较好的触媒结构，从而逐次减少点火时间，同时也能明显减少触媒中的金属含量。由于每个组件对于系统的影响较大，对于系统的每一个组件，该文都进行了研究。

对于使用氢氧燃料电池的太阳能斯特林发电系统，Stoian Petrescu、Camelia Petre、Monica Costea［12］等进行了计算、设计与优化。他们在文章中提出了计算太阳能斯特林模块能供应几个家庭用户的计算方法，对于如何计算满足家用功率需求所需太阳能面板的最小面积也提出了自己的观点，其中包括燃料电池的效率对于用户的影响。他们利用实验数据得到了燃料电池效率关于电流密度的函数，为验证该模型的有效性，对某居民区使用该模型来进行分析，得到了它能供应的居民的户数，也计算出了所需燃料电池的最小面积。

由于结构紧凑，自由活塞型斯特林发动机备受青睐。对于以太阳能为热源的小型自由活塞斯特林空间发电系统，Henry W、Brandhorst以及Julie Anna ［13］进行了研究。众所周知，世界各地均在研究斯特林发动机，但是大部分集中于其运动学设计。当温度比达到2～2.5之间时，斯特林发电系统效率可以达到相当高的水平。而且它对能源的适应性非常强。无论是清洁能源，如太阳能，还是二次能源，如工业废气、工业余热等，只要其能提供足够高的温度，均可以作为斯特林发动机的热源。要提高斯特林发动机的效率，除提高热源温度以外，斯特林发动机的性能也很重要。目前对于斯特林发动机功率和效率的提高研究已经略有成效。此时研制一台小型斯特林发动机，利用太阳能来实现空间发电的时机已经较为成熟。但是在具体实施上仍存在较多技术问题。例如，由于储能的要求，太阳能动力系统难以在地球轨道航天器的轨道上运行。在他们的研究中，利用小型自由活塞斯特林系统可以实现太阳能向电能的转化；利用菲涅耳透镜实现了太阳能的集中。

要提高斯特林发动机的效率，其换热部件的设计与制造是关键。在换热系统中包括加热器、回热器、冷却器、回热器是实现能量回收达到节能的关键。对于斯特林发动机所用回热器的精密加工技术，Liyong Sun和Susan C［14］提出了自己的看法。他们提出，用于下一代斯特林发动机的回热器可以采用微尺度结构，从而改善回热器内部的传热与流动特性。目前在探索的较为典型的微尺度结构包含六边形流体通道或者板式结构，相邻板之间空隙控制在15μm。该微尺度结构可以通过目前主要用于生产电子器件的微机电系统来实现。他们在文章中对于如何在宏观尺度（回热器基本尺寸）内实现微尺度构型进行了讨论，对于加工过程中的要求也进行了讨论，并对微尺寸加工的未来分析进行了预估。

对于菱形驱动的β型斯特林发动机，D.J.Shendage、S.B.Kedare以及S.L.Bapat［15］进行了研究并提出，作为热气机，斯特林发动机可以满足偏远地区发电的需要，其主要负荷来源于复杂的驱动机构，且为满足需要，其运行过程中对紧凑性的要求较高。然而，考虑到运行条件以及几何因素的限制，须对设计的可行性进行验证。他们对斯特林发动机设计各个阶段需要考虑的性能因素进行了分析。论文中提出的研究方法颇具普适性，可以对一定范围内一系列的设计进行评估，从而加速设计过程，同时也为系统设计提供必要的基础。论文主要对β型斯特林发动机的设计方法进行了研究。在考虑压缩腔容积与膨胀腔容积重叠的情况下，对活塞相位角进行了优化。同时，研究发现，当活塞相位角变化时压缩腔容积一直呈正弦变化。论文实现了1.5kW β型斯特林发动机的优化设计。

随着计算机技术的发展，CFD技术得到了越来越广泛的应用。对于太阳能斯特林发动机的工作过程，K.Mahkamov［16］利用轴对称的CFD模型进行了模拟。由于计算流体动力学在研究复杂传热传质问题上的优势，他利用计算流体力学对斯特林发动机内部的复杂流动与换热过程进行研究，其精度与其他研究方法相比有一定提高。在使用计算流体动力学的方法得到斯特林发动机内部流动的具体情况后，可以对其输入能量进行有效评估，从而得到相应碟式聚光系统的具体尺寸。他在文章中利用计算流体动力学的方法率先对V型太阳能斯特林发动机进行了CFD模拟。在模拟过程中选用标准k—ε模型，用动网格方法来模拟活塞运动对其内部流动的影响。通过模拟得到斯特林发动机内部的压力场、温度场以及速度场。将利用计算流体动力学模拟得到的结果与采用二阶数值分析方法得到的结果对比，发现有很大区别。在其分析结果中还发现压缩腔的温度与气缸的布置有关，且随外界环境的变化而不同。

由于加工制造的限制，与斯特林发动机的数值模拟相比，斯特林发动机的实验研究略有滞后。对于一台3kW NS03T斯特林发动机，Noboru Kagawa［17］进行了实验研究。该斯特林发动机两个活塞呈V型布置，是由Toshiba研制的。由于其气缸的几何布局较好，且换热器的设计较为合理与有效，因此指示效率高达50%。他在论文中对NS03T型斯特林发动机进行了说明。该机型产于1984年，是第一台高效率、高性能的斯特林发动机。通过建模分析和实验验证，该斯特林发动机的效率和性能得到了证实。同时，他对斯特林发动机的回热器进行了较为深入的研究，得到了运行参数下回热器的损失。研究结果表明换热器的设计对斯特林发动机性能的提高尤为重要。

在对于斯特林发动机的实验研究上，Halit Karabulut、Hüseyin Serdar Yücesu以及Can inar［18］等也颇有建树。他们对于适用于中低温热源的β型斯特林发动机进行了实验研究。为研究β型斯特林发动机性能，首先设计并制造了一台β型斯特林发动机，该斯特林发动机适用于相对较低的温度。为强化换热，气缸内部增加了沿翼展方向的槽结构。为使实际循环过程尽可能与理论循环相接近，使用杠杆来规范配气活塞的运动。在其研究过程中，将整个斯特林发动机看成压力工质的聚集地。在其设计中，在尾部栓设置油池阻止了工质通过尾部栓轴承的泄露。论文对使用空气作为工质的斯特林发动机的测试数据进行了展示，其热端通过液化石油气火焰加热，在整个测试过程中保持200℃。冷却腔部分由循环冷却水冷却，保持27℃。在测试过程中，在压力从1个大气压到4.6bars范围内，对斯特林发动机在各个循环压力下进行了测试。通过测试得出，其峰值压力对应的发动机转速为453 r/min，压力为2.8 bars，最大转矩对应的压力也为2.8bars。将节点分析方法与实验方法相结合，得到配气腔在流体侧的对流换热系数为447W/（m2·K）。当输出轴功率最大时，斯特林发动机的热效率为15%。

斯特林发动机的关键部分在于换热系统的设计。在由加热器、回热器以及冷却器构成的换热系统中，回热器的性质是制约斯特林发动机性能的关键。对于斯特林发动机用回热器，Roy Tew、Terry Simon以及David Gedeon等借助计算流体力学对回热器内部的流动进行了研究。为保证模拟的精确度，采用了非热平衡的分析模拟方法，可以对模拟斯特林发动机的多孔介质域的经验参数进行设定。在格伦研究中心，用于斯特林发动机模拟的模型主要有两个，分别为FLUENT和CFD-ACE。在上述两个模型中，多孔介质域的模型均为热平衡模型，即假设在多孔介质域内的每一个空间位置流体和固体均处于热平衡状态。但是这对于斯特林发动机内部的振荡流动来说是非常不理想的状态。在一维斯特林发动机回热器模型中使用局部非热平衡模型来模拟回热器基体与气体工质之间的温度差，通常温度差不超过10℃。美国国家航空和宇宙航行局赞助的研究中心为局部非热平衡的宏观多孔介质模型提供了可靠的经验参数，并利用实验进行了验证。基于实验数据，给出了摩擦因子与传热因子的经验关联式，这对于定义多孔介质域的参数相当重要。同时，根据实验数据，给出了多孔介质域较为典型的多孔介质参数值，例如水动力扩散系数、渗透系数、惯性系数、流体有效热阻（包括热扩散和弯曲度的影响）以及流固传热系数等。同时，文章对固体有效热阻（包含弯曲度的影响）也进行了讨论。文章中考虑的局部非热平衡多孔介质模型是比较原始的模型，须结合计算流体动力学的方法来使用。

对于回热器中的涡流传送以及热扩散研究，YiUNiu和Terry Simon指出，由于回热器中沿着气流方向的导热以及基体的热扩散是导致回热器热损失的重要因素之一，而与气流方向相反的导热以及热扩散则有利于改善回热器内部温度的不均匀性。因此对于设计，对热损失定量、导热和热扩散的定量尤为重要。同时，热扩散又包括流体驱动涡流扩散元素和流体驱动平流元素，在研究中，可将回热器独立出来处理。论文着重研究了热扩散部分中的涡流扩散元素，该元素主要是由流体相和固体相分离产生的。由于回热器内为微小的多孔介质结构，无法直接接触进行研究，因此涡流扩散模型不能直接获得。

通过上述分析发现，对斯特林发动机的研究和分析有多种方法，而且由于回热器内部的流动较为复杂，且其内部为微小的结构，因此可以作为独立的单元进行研究。这对于后续分析方法的选择以及思路的构建有重要作用。