由不带蓄热器的太阳能平板集热器驱动的两缸太阳能斯特林发动机的模拟，构造和测试（翻译）
摘要
在这项研究中,模拟、构建了一个伽马式、低温差的两缸太阳能斯特林发动机并且进行了初步测试。采用了一个平板式太阳能集热器作为内置热源,系统设计基于80摄氏度的温差。发动机的模型制造使用了热力学原理和施密特原理。为了模拟该系统，编写了计算机程序来分析模型和最优化参数。优化的压缩冲程比率是根据集热器的平均温度100摄氏度，下降温度20摄氏度而估算为12.5的。
发动机相应的理论效率根据提及的设计参数，把零度下换热器效率确定为
0.012。发动机的各尺寸如下:动力活塞最大行程0.044 m，动力活塞直径 0.13 m,位移活塞冲程0.055 m，位移活塞直径0.41 m。结果,发动机通过了测试。结果表明,在平均集热器温度100摄氏度，下降温度25摄氏度条件下,发动机产生最大制动力0.27w，转速为在14 r/minute。在太阳辐射强度为900W/m2下，发动机空载平均转速为30 r/minute。此时指示马力为1.2W 。
关键词：太阳能；斯特林发动机；平板太阳能集热器
1.引言
从能源管理角度来讲,太阳能是产生动力的可再生和不可耗尽的最重要能源
之一。把太阳能转换成机械能的有几种方法。其中理论上可达到最大效率的是斯特林发动机(或热气机)。斯特林发动机是一种简单的外燃机。这是罗伯特·史特灵在1816年（英国、专利号4081)就提出的概念。他发明了不同形式和不同尺寸的发动机。和内燃机相比，这些发动机效率更高排放更低。斯特林发动机是高效
的、清洁的,几乎可以用任何诸如农田废物和生物质来驱动的发动机。
在20世纪70、80年代诸如通用汽车和福特汽车等汽车公司对斯特林发动机在汽车上的应用做了大量的研究。主要的障碍是,斯特林发动机趋于恒定的速度并不适用于汽车。但这一特点完美的适用于诸如水泵之类的应用。关于高温斯特林发动机的研究已广泛报道。
在大多数的模型中,发动机运行在热腔和冷腔温度分别为923k和338k的条件下。
高温斯特林发动机的温度上限受发动机的材料限制。在典型温度范围923-1073 K下发动机效率大约在30 - 40%左右变化，发动机正常的运行速度在2000r/minute-4000r/minute之间不等。另一方面,低温斯特林发动机是一种可以运行在位移活塞气缸的热腔和冷腔端部相对较小的温差下的斯特林发动机。低温斯特林发动机的效率比高温斯特林发动机低，但是由于可利用的（包括廉价和安全的太阳能）低温热源很多，因此是可以接受的。低温斯特林发动机有两种设计。第一种使用只有活塞连接到飞轮的单曲柄运行，称为林邦发动机。有引导功能的紧密仪器中一段短的、大号位移活塞杆用于替换位移活塞的连杆。另一个设计叫做运动学发动机。
位移活塞和活塞都通过曲轴上的缝隙连接在飞轮上。大量的低温斯特林发动机的研究在上个世纪就已经进行过了。其中一些如下：
Kolin用了很多年实验了许多低温斯特林发动机。在1983年，他提出的一种工作在位移活塞热端冷端温差低至15摄氏度的模型。
Senft对林邦发动机及其衍生物（包括低温斯特林发动机）进行了深入的研究。他对低温斯特林发动机的研究中研究出了一种非常有趣的发动机，它工作在超低温差0.5摄氏度下。可以说很难再创造出比这更好的结果了。Senft在1991年的工作，发明出了一个工作在温差为2摄氏度或者更低温度差下的发动机，显示了使用斯特林和一般的热机的动力来源。
1993年Senft描述了这个设计并且测试了一个用60度的圆锥形反射器驱动的低温林邦斯特林小型发动机。他说经过测试的60度的圆锥形反射器产生了93摄氏度的热端温度，在这个条件下运行的发动机工作得很好。
1997年Iwomoto et al比较了低温差斯特林发动机和高温差斯特林发动机的
性能。最后他们总结低温斯特林发动机在额定的速度下的效率几乎是卡诺循环效率的50%。
2005年，Kongtragool和Wongwises从理论上研究了动力的伽马型低温斯特林发动机的输出功率。在这项工作中他们研究和探讨了动力的计算。
2005年,Kongtragool和Wongwises提出了用于低温斯特林发动机的最适宜的，一次反射整个圆锥的反射器的，吸收体温度。并且研究出了计算太阳能斯特林发动机整体效率的数学模型。
2006年Kongtragool和Wongwises设计和造出了工作在589-771k的加热器下的单动式的双动力活塞和四动力活塞的伽马型低温差斯特林发动机。通过测试的发动机配备了换热器以增加热效率。
对斯特林发动机来说太阳能是合适的热源。太阳能集热器作为一种特殊的热交换器通常是用来把太阳辐射转换为热能。如果一个热气机配备了密集的太阳能集热器作为热源，工作的温度会很高，并且热效率会有效的提高。但是这个系统必须总是得追踪天空中太阳的方向。追踪器是一个复杂的系统，并且会浪费部分能量。平板式太阳能集热器不需要追踪系统，并且可以也吸收漫射的太阳能辐射。如上所述，没有关于用平板式太阳能集热器（不配备蓄热器）驱动的运动学斯特林发动机实验结果的论文的公开发表。在这项研究中，不带蓄热器的太阳能平板集热器（作为内热源）驱动的低温差太阳能斯特林发动机的模拟，构造，测试通过了审查。 h P m 对流换热系数 瞬时压力 气体质量 ? 相位角 位移活塞曲柄转角 动力活塞转角 （?-?） ? ? k V T Q r 恒值 体积 温度 热量 气体常数 上标和下标 C c 0 d 冷端外平板 冷端内部 涉及的参数 位移活塞 S W x y ? 换热平板面积 功 工作活塞位置 位移活塞位置 差值 气体热系数 效率 频率 固有体积比=（Vxds/Vd） ds H h loss p reg 固有体积 热端外平板 热端内部 热损失 工作活塞 蓄热器 无量纲 无量纲 等温过程 点 ? ? ? ?? ‘ ? ?x ? 压缩比=（Vd/VP）=(Sdy0)/(Spx0)pt ?
内部温度比=（Th/Tc）
