【文章內(nèi)容簡介】 非常長的使用壽命，另一方面使用直線發(fā)電機(jī)與發(fā)動機(jī)動力活塞直接相連縮小了系統(tǒng)整體體積。 5)可實現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)，一次能源利用率可達(dá) 90%以上。因具有上述優(yōu)點，對于基于 Stirling 循環(huán)的 直線發(fā)電系統(tǒng)的研究具有如下意義 : 1)作為傳統(tǒng)電網(wǎng)的補(bǔ)充，為不方便架設(shè)輸電線路的地區(qū)，提供一種可利用當(dāng)?shù)啬茉吹陌l(fā)電設(shè)備。 2)替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，降低其污染特性，減少對空氣的排污。 3)因為其低噪音和可采用多種能源的優(yōu)點，在軍事上是潛艇的 AIP(Air 10 Independent Propulsion System)化中一種很實用的選擇。 課題研究內(nèi)容 本文對基于 Stirling 循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了概念設(shè)計和運(yùn)行特性的數(shù)值模擬，具體工作如下 : 1)單缸自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)幾何尺寸確定 。 2)單缸自由活塞式 Stirling 發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性數(shù)值分析 。 3)永磁直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)行特性數(shù)值分析。 11 第 2 章發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理和特點 發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本發(fā)電系統(tǒng)由單缸自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)、永磁直線發(fā)電機(jī)、充電回路和蓄電池組組成，如圖 21 所示，自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)動力活塞與永磁直線發(fā)動機(jī)的動子直接相連，永磁直線發(fā)電機(jī)繞組出線與充電回路相連，充電回路起到將交流整流為直流的作用，蓄電池組將系統(tǒng)發(fā)出的電能儲 存起來，可供隨時使用。 發(fā)電系統(tǒng)工作原理 本發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)的是將外部熱源轉(zhuǎn)化為蓄電池組中的電能，其工作流程如圖 22 所示。 外部熱源包括太陽能、生物質(zhì)燃料、地?zé)岷陀酂岬?，為單缸自由活塞?Stirling 發(fā)動機(jī)加熱器提供熱量。從外部熱源獲得熱能后，單缸自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)開始工作，其氣體工質(zhì)的膨脹和壓縮使動力活塞獲得機(jī)械能 。動力活塞帶動永磁直線發(fā)電機(jī)動子做往復(fù)運(yùn)動，動子的往復(fù)運(yùn)動使得永磁直線發(fā)電機(jī)定 子中的繞組相對動子中的磁極作切割磁力線的運(yùn)動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 。永磁直線發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過充電回路整流為直流 12 后充入蓄電池組，系統(tǒng)完成從熱能到電能的轉(zhuǎn)化。 配氣活塞將汽缸分為膨脹腔和壓縮腔兩部分，起到分配膨脹腔和壓縮腔內(nèi)氣體工質(zhì)比例的作用。配氣活塞通過彈簧與汽缸相連，彈簧對配氣活塞的運(yùn)動起到一定的控制作用，動力活塞除與發(fā)動機(jī)負(fù)載相連外還與自己的儲能彈簧相連，彈簧和動力活塞的重量形成最大質(zhì)量震動系統(tǒng)，使動力活塞的運(yùn)動接近于簡諧運(yùn)動?；?zé)崞鳛橐环N類似金屬絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其作用相當(dāng)于熱力海綿，根據(jù)工質(zhì)溫度能吸 收或放出熱量。 自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)及其工作原理 基于 Stirling 循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)主要采用的是單作用活塞一配氣活塞式結(jié)構(gòu)，其起到將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要作用。 13 自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu) 自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 23 所示，由加熱器、回?zé)崞鳌⒗鋮s器、配氣活塞、動力活塞和汽缸組成。氣體工質(zhì)在膨脹腔、回?zé)崞骱蛪嚎s腔內(nèi)流動。 自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)的原理 自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)，是一種外部加熱的閉式循環(huán)活塞式發(fā)動機(jī)。其運(yùn)行 時工質(zhì)被封閉在膨脹腔、回?zé)崞骱蛪嚎s腔組成的循環(huán)回路中，通過配氣活塞的往復(fù)運(yùn)動來調(diào)整氣缸容積的變化，控制工質(zhì)在閉式循環(huán)中的流動方向 。作為發(fā)動機(jī)其要求工質(zhì)在較低的溫度和壓力下被壓縮，并在較高的溫度和壓力下膨脹，即膨脹功大于壓縮功。從而獲得正的循環(huán)功。 Stirling 發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)遵循的是斯特林循環(huán)，斯特林循環(huán)由等溫壓縮過程、等容加熱過程、等溫膨脹過程和等容冷卻過程四步組成。為說明斯特林循環(huán)，將斯特林發(fā)動機(jī)氣缸簡化為如圖 4 所示，壓縮腔活塞遠(yuǎn)離冷卻器時為其運(yùn)動內(nèi)止點，與冷卻器接觸時為其運(yùn)動外止點 。膨脹腔活塞靠近加熱器時為其運(yùn)動外止點，遠(yuǎn)離加熱器時為其運(yùn)動內(nèi)止點。其具體循環(huán)過程如下 : 1)等溫壓縮過程 循環(huán)開始時，壓縮腔活塞處于內(nèi)止點，壓縮腔容積最大，膨脹腔活塞處于外止點并僅靠加熱器，膨脹腔容積為最小。 因此，工質(zhì)全部在壓縮腔內(nèi)，工質(zhì)為冷腔溫度即循環(huán)最低溫度 TC， 14 工質(zhì)在循環(huán)中所處狀態(tài)如圖 25 中點 1 所示。隨著壓縮活塞向外止點方向移動，系統(tǒng)容積逐漸縮小，工質(zhì)在壓縮腔中受到壓縮，壓縮結(jié)束后，如點2 所示，此時系統(tǒng)容積己從最大值 V1 縮小到最小值 V2。壓縮過程中，壓縮熱 QC 由氣缸壁從系統(tǒng)內(nèi)部逐漸導(dǎo)出，同時外界在整個壓縮過 程中得到系統(tǒng)做功 W 12。在理想狀態(tài)下，壓縮熱 Oc 等于壓縮功 W12。即 式中 :R 為氣體常數(shù)。 2)等容加熱過程 等容加熱過程如圖 26 所示，從點 2 開始，至點 3 結(jié)束。過程開始時，壓縮活塞從點 2 繼續(xù)向外移動，到達(dá)外止點時過程結(jié)束 。與此同時，膨脹活塞開始由外止點向內(nèi)止點移動。兩個活塞做相反運(yùn)動使壓縮腔容積的縮小值等于膨脹腔容積的增大量，系統(tǒng)總?cè)莘e不變，即 V2 = V3，過程是等容的。在這一等容過程中，壓縮腔的容積變到零，而膨脹腔容積開始由零逐漸增大，結(jié)果是壓縮腔中的工質(zhì)全部進(jìn)入到了膨脹腔。 工質(zhì)從壓縮腔到膨脹腔前，通過流經(jīng)回?zé)崞鞑⒌玫交責(zé)崞鞯募訜幔瑹崃?QR 從回?zé)崞鱾鹘o工質(zhì)，工質(zhì)溫度從最低循環(huán)溫度 TC 上升到最高循環(huán)溫度 TE 后流入膨脹腔。所以，這一過程稱為等容加熱過程。在過程結(jié)束時，工質(zhì)全部處于膨脹腔，且溫度為 TE，同時壓力也上升到最高壓力，如圖 25 中的 PV 圖所示。在該過程中，因系統(tǒng)容積不變，故不做功，但工質(zhì)內(nèi)能增大。在理想狀態(tài)下，熱能 QR 為 式中 CV 為 TC 一 TE 溫度范圍內(nèi)工質(zhì)的平均等容比熱。 15 3)等溫膨脹過程 在等溫膨脹過程中，壓縮活塞在外止點保持 不動，膨脹活塞繼續(xù)向其內(nèi)止點移動，結(jié)果系統(tǒng)容積增大，壓力下降，待膨脹活寨移動到內(nèi)止點時過程結(jié)束。此時，系統(tǒng)容積已從最小容積 }3 擴(kuò)大到最大容積氣。為了實現(xiàn)等溫膨脹，即 T3T4TE，外源必須通過氣缸壁向工質(zhì)供給等溫膨脹熱縣同時系統(tǒng)向外界做等溫膨脹功 W34。在理想狀態(tài)下，外界向系統(tǒng)榆入的等溫膨脹熱能 QE 應(yīng)等于等溫膨脹功 W34，即 4)等容冷卻過程 在這一過程中，壓縮活塞從其外止點移動到內(nèi)止點，同時膨脹活塞從其內(nèi)止點移動到外止點，結(jié)果將膨脹腔中一器時，回?zé)崞鲝墓べ|(zhì)中吸走熱能鳥 ,R，使口低循環(huán)溫度 Tc 后流入壓縮腔。兩個活塞 f 積 V4 = V 下得到冷卻，故叫做等容冷卻過的熱能 QR’為 16 斯特林循環(huán)的 4 個過程全部結(jié)束，工質(zhì)狀態(tài)回復(fù)到循環(huán)始點的狀態(tài)。自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)與上述理想斯特林循環(huán)有所區(qū)別，因為現(xiàn)在還不能制作間斷性運(yùn)動的活塞傳動機(jī)構(gòu)，所以并沒有能進(jìn)行理想斯特林循環(huán)的 Stirling 發(fā)動機(jī)，實際運(yùn)行中的斯特林發(fā) 動機(jī)的熱力循環(huán)只能接近上述理想熱力循環(huán)。 自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)的特點 系統(tǒng)之所以選用單缸自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)是因為它有以下特點 : 1)機(jī)械效率高 自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)相比較其他機(jī)械沒有連桿、軸或軸承，只有滑動配合，由工質(zhì)本身作為潤滑劑，因而有非常高的機(jī)械效率。一臺榆出功率為 1 kw 的自由活塞式熱氣機(jī)，機(jī)械效率可達(dá) 99%，特別是部分負(fù)荷時，自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)的有效熱效率也相對較高【 30】。 2)熱效率高 曲柄連桿式熱氣機(jī)通常采用改變工質(zhì)的平均壓力來調(diào) 節(jié)輸出功，但自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)的平均循環(huán)壓力是不變的，輸出功的變化主要是靠改變行程來達(dá)到。因此，在部分負(fù)荷時，仍可保持其總的熱效率基本不變。 3)能使用多種能源 使用多種能源的能力與高效率同等重要。連續(xù)外燃加熱允許使用最廣泛的燃料和能源，包括所有氣體、液體和固體燃料。 4)自起動 設(shè)計正確的自由活塞式熱氣機(jī)，只要在冷熱端之間建立起足夠的溫差 17 便能自行起動，這是其它動力裝置不可比擬的。因此其結(jié)構(gòu)相對簡單，使用更為可靠，對維修保養(yǎng)的要求也不高，可用于無人管理的場所。啟動加熱只需數(shù)秒鐘，熱氣機(jī)便能自行 起動。隨后便可全功率運(yùn)行。 5)不需要液體潤滑 和內(nèi)燃機(jī)相比較，由于自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)的機(jī)械損失非常小，其不需要液體潤滑劑來潤滑和冷卻有關(guān)部件。所以，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和維修保養(yǎng)很簡單。 6)密封可靠 自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)相比曲柄連桿式斯特林發(fā)動機(jī)沒有復(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)，相比與內(nèi)燃機(jī)密封壓力小，所以密封問題十分簡單，通常只要將殼體密封即可滿足要求。 7)振動小、噪音低 自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)的工作腔內(nèi)沒有爆燃并與大氣隔絕，所以壓力上升的速率沒有內(nèi)燃機(jī)高，特別是沒有傳動機(jī)構(gòu)，因此，運(yùn)轉(zhuǎn) 十分安靜，不必使用隔音或消音裝置【 31】。 8)有自動調(diào)節(jié)功能 自由活塞式 Stirling 發(fā)動機(jī)有根據(jù)外界負(fù)荷的變化自動調(diào)節(jié)輸出功的能力。如果外界的負(fù)荷不大，活塞的行程會變得比較長，行程往返期間作用力的差也比較小。若負(fù)荷增大，活塞的行程便自動縮短，作用力隨之增大。輸出功基本不變。 永磁直線發(fā)電機(jī)及其工作原理 直線發(fā)電機(jī)可以認(rèn)為是傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種演變，它可以看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開，然后將電機(jī)的圓周展成直線，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)榱藙幼拥耐鶑?fù)直線運(yùn)動。直線發(fā)電機(jī)較旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)容易 改變，因此，其結(jié)構(gòu)型式比普通感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)有更多的式樣。直線發(fā)電機(jī)按其結(jié)構(gòu)型式的不同，可以分為扁平型、圓筒型和圓盤型等。而扁平型直線發(fā)電機(jī)是最有代表性，且應(yīng)用最為廣泛。本發(fā)電系統(tǒng)采用的就是雙邊扁平型永磁直線發(fā)電機(jī)，如下介紹其結(jié)構(gòu)、工作原理和特點。 永磁直線發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu) 發(fā)電系統(tǒng)中永磁直線發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 210 所示，發(fā)電機(jī)為雙邊 18 扁平型結(jié)構(gòu)，由動子和定子組成。定子鐵心中開有兩個槽，槽中放有定子繞組，上下兩定子中繞組線圈采用串聯(lián)方式以提高輸出電壓。定子采用模塊式設(shè)計，可根據(jù)實際需求，串聯(lián)更多的定 子模塊和延長動子長度以增加輸出功率。動子結(jié)構(gòu)如圖 29 所示，動子由磁極和動子框架組成，選用永磁鐵為動子磁極，固定在不導(dǎo)磁的鋁框內(nèi)，鋁框中間開槽以防止運(yùn)行時在鋁框上形成大的環(huán)流損耗，相鄰的永磁體磁極相反放置，有利于永磁體通過定子鐵心形成磁回路。 19 永磁直線發(fā)動機(jī)工作原理 由上述結(jié)構(gòu)可見，本系統(tǒng)采用的直線發(fā)電機(jī)的工作原理與以往旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機(jī)有很大不同。直線發(fā)電機(jī)工作時，是將自由活塞式 Sti