浙江大学：斯特林发动机的实验研究、模拟及设计参数优化

浙江大学：斯特林发动机的实验研究、模拟及设计参数优化

斯特林发动机是一种通过工作介质（如氢气或氦气）在气缸内进行冷却、压缩、吸热、膨胀循环来产生动力的热机。浙江大学在斯特林发动机领域开展了深入研究，特别是在太阳能热发电应用方面取得了显著进展。本文将详细介绍斯特林发动机的工作原理、浙江大学的研究成果以及未来发展方向。

太阳能斯特林碟式热发电系统

斯特林发动机简介

斯特林发动机是一种加热的活塞式发动机，功率范围在1~100kW之间，效率可达25%-42%。其主要特点包括：

• 适应性好，热效率高，污染较小
• 运转平稳，可靠性高

但同时也存在一些制约因素：

• 加工精度要求高
• 密封技术要求严格
• 发动机设计及分析模型不够成熟

各类发动机输出功率与效率对比

热电联供系统

太阳能碟式热发电特点

太阳能碟式热发电系统的关键部件包括碟式聚光器、斯特林机和传动系统。其主要特点如下：

• 聚光比高，可达1000-3000
• 集热温度最高可达1000℃
• 峰值效率可达30%
• 功率范围为5-50kW
• 耗水量小，可分布式或并网发电
• 单位造价较高，目前难以带储热系统

太阳能碟式热发电系统

斯特林循环分析方法

斯特林发动机遵循斯特林循环，该循环由两个等温过程组成。理想情况下，最大发电效率可达到相同温差下的卡诺循环效率。实际分析中，主要采用以下几种方法：

• 一阶分析法（Schmidt分析）：适用于初步设计，快速但不准确
• 二阶分析法：考虑等温或绝热过程，更接近实际情况
• 三阶分析法：基于一维流动模型，能描述工作过程但精确度待验证
• 四阶分析法：二维/三维模型，需借助CFD软件

斯特林循环分析方法

斯特林发动机研究

浙江大学斯特林机研究

浙江大学在斯特林发动机领域的主要研究方向包括碟式斯特林发动机、高温集热储热以及超临界二氧化碳等。具体研究体系和实验机型如下：

研究体系

实验机型

测试平台

浙江大学建立了100W斯特林发动机测试平台，主要参数如下：

• 功率：100W
• 类型：β型
• 加热温度：550℃
• 压力：1~4MPa
• 转速：1000rpm
• 活塞直径：45mm
• 活塞行程：24.3mm
• 相位差：108°
• 传动机构：菱形
• 工作介质：氦气、氢气
• 扫气容积：38610mm²

浙江大学斯特林机100W测试平台

循环分析

二阶改进型Simple模型

通过二阶改进型Simple模型对斯特林发动机的循环输出功和循环效率进行了分析。实验结果表明：

• 在不同转速下，氦气工况的误差为8.4%-12.3%，氮气工况的误差为1%-6%。
• 在不同转速下，氦气工况的循环效率误差为0-30%，氮气工况的循环效率误差为0-10%。

二阶改进型Simple模型模拟与实验结果对比

三阶Sage模型

Sage软件是一款由美国Gedeon Associates开发的商用程序，具有以下特点：

• 三阶分析模型
• 基于一维模型
• 包含四个子模块：简单共振系统、斯特林模块、脉管制冷机模块、深低温模块
• 图形化界面
• 树状模型
• 各模块相互连接

Sage软件操作界面

Sage模拟结果

优化方法

单目标优化

• 优化软件：Sage软件
• 优化参数：回热器、加热器和冷却器长度
• 工况：氦气作工质，压强2.016MPa，转速800r/min
• 实验结果：当三者长度分别为15.62mm、72mm、64.72mm时，循环输出功最大，提升15.9%；当三者长度分别为85.8mm、55.9mm、64.6mm时，循环效率最大，提升25.2%。

多目标优化

• 基于Simple模型
• 优化方法：DE, GA, ASA
• 决策方法：SAW, TOPSIS
• 优化参数：循环效率、压力、热源温度、回热器目数、丝网直径
• 优化目标：最大输出功、最大循环效率、最小功损
• 结果：循环输出功提高3kW，循环效率提高5%，流阻减少

振荡流动

斯特林机振荡流动与换热特性研究主要关注两个问题：

1. 检验常用的稳态流动特性是否适用于振荡流
2. 研究振荡流的流动与换热特性，为斯特林发动机新模型的建立提供理论基础

主要研究成果包括：

• 建立了振荡流动模型
• 研究了速度扰动、循环率、流动滞后等特性
• 为斯特林发动机设计方法提供了理论基础

振荡流动特性研究

总结和展望

目前，浙江大学在斯特林发动机方面的研究主要集中在：

• 设计和加工了一系列机型
• 建立了完整的输出平台进行实验研究
• 搭建了二阶和三阶模型
• 将振荡模型应用于循环分析

未来研究方向包括：

• 建立更加完善的振荡流系统
• 结合二阶和三阶模型的优点
• 设计适用于各种机型的方法
• 提高热功转化效率