摘 要： 本文回顾了斯特林发动机的发展历史，讲述了斯特林发动机的结构类型与研究现状、总结了斯特林发动机的主要分析方法，阐述了斯特林发动机的在太阳能热发电中的应用，展望了斯特林发动机的应用前景。本文对人们认识、研究斯特林发动机有一定的借鉴意义。

　　关键字： 斯特林发动机;斯特林循环;蝶式太阳能热发电系统

　　0 引言

　　随着社会的不断发展，化石燃料的消耗日益增大，使用传统燃料的内燃机面临着严重的能源危机。而积极解决这一问题的有效途径之一是研发一种可利用新型能源(尤其是太阳能)的动力装置，斯特林发动机则是目前比较可行的途径。斯特林发动机(Stirling Engine)又叫热气机，是一种封闭式外燃机，具有燃料来源广、效率高、污染小、噪音低、运转特性好、结构简单，维修方便等优点，并且在太阳能蝶式热发电系统中有着重要的应用。因此，越来越受到人们的关注。国外一些专家预言，二十一世纪将是斯特林发动机的世纪[1,2]。

　　1 斯特林发动机的发展历史与研究动态

　　1.1 斯特林发动机的发展历史

　　1816年，罗伯特·斯特林(Robert Stirling)发明了闭式循环的热气机­­­­——斯特林发动机，在当年的第4081号专利中，罗伯特·斯特林在历史上第一次描述了回热器的结构和应用，并对第一台闭式循环热气机的构造进行了描述[1,2]。

　　19世纪初上半叶，斯特林发动机得到了广泛的应用和发展，但这个时候的斯特林发动机一般体积比较大、功率比较低(100W~4KW)。1853年，约翰·埃里克森(John Ericssion)制造出了一台活塞直径为4.2m，转速为9rpm，效率为13%，总功率为220KW的超大型斯特林发动机。1916年，最后一台老式斯特林发动机出厂，斯特林发动机的第一阶段宣告结束[1,3,4,5]。

　　1937年，荷兰的菲利普公司研制了一台技术含量很高的斯特林发动机，并且从此以后，一直致力于小型热发电和偏远地区应用的斯特林发动机的研究，开创了现代斯特林发动机研制的先河。一些新型材料(不锈钢)和先进技术(流体力学和传热学)的应用，使现代斯特林发动机的研制获得了巨大的成功。1952年研制成功的“102C”型发动机比老式斯特林发动机的功率提高了30多倍[3,4,5]。

　　近几十年来，随着能源问题和环境问题日益突出，以及其本身的一些关键技术问题的解决，斯特林发动机以其所特有的优势受到了世界范围内的广泛关注。继菲利普公司之后，通用发动机公司、福特汽车公司、瑞典联合热气机公司相继着手研制斯特林发动机;目前在包括美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本等主要工业国家政府的资助下，斯特林发动机在车用、船用、潜艇用、发电用、热泵用等领域取得重要进展。我国的某些研究机构也在上世纪70年代中期开始研究斯特林发动机，并在军用领域取得一定成果[1,3,4,5]。

　　1.2 国内外研究动态

　　1.2.1 国外的研究动态

　　Kaushik[6]对不可逆斯特林发动机进行了有限时间热力学分析。分析指出，在不考虑各种损失和回热器效率为1的条件下，其循环效率等于卡诺循环的效率;同时还指出了回热器的效率不会影响发动机的输出功率。Halit[7]指出工质的泄露对斯特林发动机的性能有着重要的影响。Koichi[8]以一个斯特林发动机原型为基础，在标准状态、无负载的情况下，用空气作为工质进行试验，最后得出，提高换热器性能、降低机械损失是提高斯特林发动机性能十分有效的途径。

　　Nezaket[9] 基于Urieli and Berchowitz’s规则，用热力学原理中稳流分析法分析了γ型斯特林发动机的运行特性。Bancha[5]，Thombare[10]分别研究了低温差的斯特林发动机在太阳能热发电中应用的可行性方法，并指出立式双作用往复式γ型斯特林发动机在未来的太阳能热发电中有巨大潜力。Tlili[11] 采用平均温差的斯特林发动机模型，研究了基于碟式斯特林技术的太阳能热发电系统，该系统假设接收器的温度为20℃，温差为300℃。在设计的初始阶段，根据完整模型中换热器中能量损失和压降损失的最优状态确定临界参数。并根据最优化原理指出了在给定的温差、运行频率和死区容积下，功率最大时有确定的最佳扫气容积。

　　William [12]证明了斯特林发动机比火花塞发动机可节约燃料10~30%，USPS (United States Postal Service)测试LLV(long-life vehicle)的数据表明斯特林发动机的理想节能空间可达30%。J Gary Wood[13]用完整的线性变换方法设计了应用于空间供能的改进型35W自由活塞式斯特林发动机，并指出了它有很高的热电转换效率(卡诺效率的50%)和功率系数(100 W/kg)。

　　1.2.2 国内的研究动态

　　吴沛宜[14]提出了五部件绝热气缸模型，考虑热交换器的效率及其死区容积的影响，运用变质量系统热力学理论和数值方法，分析了现代实用的斯特林循环，求出了循环内各热参数的瞬时变化和一个循环的平均参数。李修保[15]建立了以一维不定常可压缩气体流动理论为基础的斯特林发动机工作循环的数学模型。严子浚[16]研究了受热阻、热漏和回热损失三种主要不可逆因素影响的斯特林热机的优化性能，导出了热机的基本优化关系及功率和效率界限。

　　杨征[17]分析了四缸双作用斯特林发动机工作过程中存在的各种流动阻力损失和热量损失，建立了适用于模拟四缸双作用斯特林发动机性能的模型。并应用拟牛顿法和惩罚函数法实现了对最优化模型的求解。设计了输出功率从5KW到25KW的四缸双作用斯特林发动机，并对斯特林发动机的结构参数进行优化。朱榜荣[18]建立了考虑热漏、回热损失等不可逆因素的循环平均传热模型，并用功率优化法和生态学优化法进行系统优化，得到了不同优化目标下的最佳工质温度比与最佳换热面积比。同时对斯特林机进行仿真研究，采用C++Bulider编写算法程序对斯特林机进行仿真试验。高瑶[19]采用接近实际应用的等温模型对斯特林发动机进行建模，分别考虑了斯特林发动机中存在的三种流动阻力损失和八种热量损失。并对5KW点聚焦太阳能斯特林发电系统进行了性能分析。

　　2 斯特林发动机的分类

　　2.1 斯特林发动机的三种基本类型

　　斯特林发动机按压缩腔、加热器、回热器、冷却器和膨胀腔等五部分的排列方式的不同，有多种不同的分类方式。从其工作空间和回热器的配置方式上分，有α、β和γ三种基本类型，这三种类型斯特林发动机的结构如图1所示[5]：

　　图1斯特林发动机三种基本类型的结构图

　　2.2 三种类型斯特林发动机的工作原理

　　α型斯特林发动机的工作原理 α型斯特林发动机是最简单的斯特林发动机，它的显著特点是没有配气活塞，只有热活塞和冷活塞工作在加热器、回热器、冷却器两侧，为了保证工质在流动过程中被定容的压缩或冷却，它们同一的朝一个方向运动。当所有的工质运动到同一个汽缸时，一个活塞固定，另一个活塞或压缩或膨胀工质。膨胀工作有热活塞来完成，压缩工作有冷活塞完成[3,5,10]。

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