一、環(huán)保的工業(yè)革命
從十八世紀(jì)初葉開始,一連串對(duì)往復(fù)式蒸汽機(jī)的改良,確定了動(dòng)力機(jī)械的實(shí)用性,促成能源科技的突飛猛進(jìn),人類從此掙脫了人力和獸力的限制,生產(chǎn)力一夕暴增,引發(fā)了以碳能源為基礎(chǔ)的第一次工業(yè)革命,深遠(yuǎn)改變?nèi)w人類的文明軌跡。
人類于是發(fā)展出一種極度依賴能源的生活方式。然而,人們慣用的化石能源(如煤、石油、天然氧等)蘊(yùn)藏量有限,不可逆的大量消耗,原本即非長(zhǎng)久之計(jì)。再加上近年來(lái)金磚四國(guó)經(jīng)濟(jì)起飛,大量人口也競(jìng)相使用能源,近日油價(jià)于是屢創(chuàng)歷史新高,新一波能源危機(jī)隱隱浮現(xiàn)。
值得注意的是,70年代的石油危機(jī),是產(chǎn)油國(guó)在以巴沖突中藉高油價(jià)杯葛英美之中東政策,人為制造出來(lái)的,幾經(jīng)外交折沖,油價(jià)不難復(fù)歸平穩(wěn)。但最近油價(jià)居高不下,則是市場(chǎng)上的確存在供不應(yīng)求的客觀因素所造成,長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,這樣的趨勢(shì)只會(huì)日益嚴(yán)峻,高油價(jià)時(shí)代實(shí)已無(wú)可避免。
另一方面,由于大量消耗化石能源,也對(duì)環(huán)境造成極大的沖擊,二氧化碳的濃度和排放量都創(chuàng)下了前所未有的記錄,衍生的各種后果不堪設(shè)想,于是而有京都議定書的簽署,減少依賴化石能源勢(shì)在必行。
平常就以賽球?qū)古抛l競(jìng)爭(zhēng)本性的人類,立刻露出爭(zhēng)取珍貴石油的沖動(dòng),國(guó)際間暗潮洶涌,甚至爆發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)。面對(duì)能源危機(jī)和其連鎖所引發(fā)的糧食、環(huán)保、氣候變遷、生態(tài)威脅、國(guó)際關(guān)系等難題,憑借第一次工業(yè)革命以降暴增的科技實(shí)力,賦予與蒸汽機(jī)幾乎同時(shí)誕生,卻蟄伏近兩世紀(jì)的一種外燃引擎——斯特林引擎——新的生命,展開著眼于永續(xù)非碳能源的下一場(chǎng)工業(yè)革命,相信必能和平的為當(dāng)前困局找到兩全其美的解決方案。
二、從熱機(jī)談起
除了早期的蒸氣機(jī)之外,各種精巧的內(nèi)燃引擎也陸續(xù)問(wèn)世。這些能將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)器統(tǒng)稱“熱機(jī)(heat engine)”。從物理學(xué)的角度來(lái)看,盡管各種引擎的構(gòu)造大異其趣,但所有熱機(jī)的主角都是工作流體(working fluid)。熱能進(jìn)入工作流體之后,透過(guò)工作流體之運(yùn)作,轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。打個(gè)比方來(lái)說(shuō),熱機(jī)好似公司行號(hào),工作流體好似員工,無(wú)論公司之體制,聘雇方式如何,也無(wú)論員工領(lǐng)薪水的方式是用支票,還是給現(xiàn)金,總而言之,公司的營(yíng)運(yùn)方式都是員工領(lǐng)薪水然后辦理公事。
老式火車頭上的往復(fù)式活塞蒸汽機(jī),現(xiàn)代核能電廠中的渦輪蒸汽機(jī),不用火星塞的柴油引擎,常見的汽油引擎,戰(zhàn)機(jī)或客機(jī)搭載的噴射引擎(圖2-1),推動(dòng)高空偵察機(jī)SR-71以三倍音速巡戈的沖壓引擎,不用連桿的轉(zhuǎn)子引擎,無(wú)論這些熱機(jī)的構(gòu)造復(fù)雜與否;也不論它們加熱工作流體的方式,是直接在工作流體中燃燒燃料(內(nèi)燃),還是經(jīng)由鍋爐或汽缸來(lái)加熱工作流體(外燃);也不論他們的工作流體是氦氣、氫氣、空氣、水蒸氣或其他物質(zhì);也不論他們是重復(fù)循環(huán)使用工作流體,或不斷使用用過(guò)即拋的工作流體,他們的工作原理都是一樣的:“工作流體被加熱或高溫狀態(tài)時(shí),膨脹作正功,工作流體降溫或較低溫的狀態(tài)時(shí),被壓縮作負(fù)功。”把工作流體的壓力和體積關(guān)系的封閉曲線畫在PV圖上,無(wú)論Rankine循環(huán)、Otto循環(huán)、Diesel循環(huán),或者圖2-1所示的Brayton循環(huán),工作流體狀態(tài)之變化都必須隨著相似的順時(shí)鐘方向。
圖2-1 噴射引擎之工作流體,由外界吸入,PV狀態(tài)經(jīng)0-23(壓縮)-34(燃燒升溫)-45(膨脹對(duì)渦輪(turbine)作工)-58(回到外界降溫),順時(shí)針變化其狀態(tài),完成熱機(jī)循環(huán)
(數(shù)據(jù)源:www.grc.nasa.gov;WWW/K-12/airplane/brayton.html;encyclozine.com/Science/Physics/Thermodynamics/)
圖2-2 二行程汽油引擎示意圖
熱力學(xué)第二定律則指出,工作流體被加熱之后,又必然恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)時(shí),被加熱時(shí)獲得的熱能,因?yàn)闄C(jī)率的原故,不可能完全經(jīng)做功轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,所以沒(méi)有完美的熱機(jī)。
就以大家最熟悉的汽油引擎為例,圖2-2是理想化的二行程汽油引擎,汽油引擎的主角當(dāng)然也是工作流體,也就是進(jìn)出引擎的空氣。
過(guò)程1:混合著少量汽油的空氣(此時(shí)溫度較低)被壓縮后,點(diǎn)火爆燃油氣,使空氣溫度升高。
過(guò)程2:加熱后的高溫空氣膨脹作正功,推動(dòng)活塞,經(jīng)連桿驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)。
過(guò)程3:飛輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)則將推動(dòng)活塞壓縮工作流體,所以在此先吸入混著汽油的低溫空氣,并把高溫的空氣(廢氣)排出。排出廢氣,吸入新鮮空氣的過(guò)程,其主要效果是冷卻工作流體。
過(guò)程4:較冷的工作流體于是再被活塞壓縮,作負(fù)功,并繼續(xù)過(guò)程1。
如此周而復(fù)始,此二行程汽油引擎即不停運(yùn)轉(zhuǎn)。四行程汽油引擎只不過(guò)是經(jīng)由較徹底的先排氣,再吸氣,完成降溫過(guò)程而已,工作原理與二行程的汽油引擎完全一樣。
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三、斯特林引擎的工作原理
1816年蘇格蘭牧師羅伯特斯特林,申請(qǐng)了現(xiàn)今稱為斯特林引擎的一種外燃機(jī)專利。有別于以水蒸汽作為工作流體的蒸汽機(jī),當(dāng)時(shí)的斯特林引擎1以空氣作為工作流體,所以也稱為熱空氣引擎(hot air engine)。
圖3-1顯示一種很容易理解其原理的斯特林引擎,右方容器稱之為溫差氣室。溫差氣室的下方為熱區(qū),溫度較高;上方冷區(qū)的溫度較低;兩側(cè)斜線部分代表熱再生器(regenerator)。引擎運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),要持續(xù)維持熱區(qū)和冷區(qū)的溫差。溫差氣室中的移氣胴體(displacer)可上下移動(dòng)。移動(dòng)時(shí)顯然不會(huì)改變引擎中工作流體的體積,但移氣胴體在上方時(shí),工作流體被移往熱區(qū),移氣胴體在下方時(shí),工作流體被移往冷區(qū)。熱再生器的功能是,當(dāng)工作流體從熱區(qū)移到冷區(qū)時(shí)預(yù)先冷卻工作流體,并暫時(shí)儲(chǔ)存工作流體釋出的熱能,當(dāng)工作流體從冷區(qū)移到熱區(qū)時(shí),利用儲(chǔ)存的熱能預(yù)先加熱工作流體。工作流體預(yù)冷后停留在冷區(qū)繼續(xù)冷卻,預(yù)熱后停留在熱區(qū)繼續(xù)加熱。
活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)則會(huì)改變工作流體的體積,工作流體膨脹時(shí)對(duì)活塞作正功,工作流體被壓縮時(shí)作負(fù)功。 圖3-1 斯特林引擎示意圖,右方溫差氣室兩側(cè)斜線部分代表“熱再生器(regenerator)”
這型斯特林引擎的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程,與后來(lái)才出現(xiàn)的汽油內(nèi)燃機(jī)模擬,非常容易加以解釋。(比較圖3-1和圖2-2)
過(guò)程1:在此過(guò)程中,工作流體已被壓縮,必須先獲得熱能,再膨脹作正功。汽油引擎利用燃燒少量的汽油,加熱汽缸中的工作流體(空氣);斯特林引擎中的工作流體,則是被移氣胴體驅(qū)趕,經(jīng)熱再生器移到下方熱區(qū)加熱。
過(guò)程2:高溫的工作流體壓力增加,膨脹對(duì)活塞作較大的正功。
過(guò)程3:工作流體將被壓縮,先被移氣胴體驅(qū)趕,經(jīng)熱再生器移到上方冷區(qū)冷卻。汽油引擎則在此過(guò)程中,排掉高溫廢氣,并吸入混有燃料的低溫空氣,以進(jìn)行降溫。
過(guò)程4:低溫的工作流體于是被活塞壓縮作負(fù)功。 圖3-2 理想化的斯特林引擎工作流體PV圖
對(duì)照的汽油引擎和這型斯特林引擎,兩者不同之處在于:汽油引擎以混合燃料燃燒的方式直接加熱工作流體,以排氣吸氣的方式冷卻工作流體;斯特林引擎則是利用工作流體接觸不同溫度的區(qū)域,來(lái)升降其溫度。
移氣胴體和活塞如何在時(shí)序上恰好配合,使得工作流體先加熱再膨脹,先冷卻再壓縮呢?最常用的是曲軸和連桿等構(gòu)成的連動(dòng)機(jī)構(gòu)(drive mechanism),但許多巧妙的方法也可達(dá)到同樣的效果。
圖3-2 顯示斯特林引擎的工作流體理想化的PV圖。在過(guò)程1(圖中1→2狀態(tài)),活塞假設(shè)不動(dòng),被壓縮的工作流體經(jīng)熱再生器由冷區(qū)移到熱區(qū),工作流體被加熱,等體積升溫;過(guò)程2(圖中2→3狀態(tài)),活塞向外運(yùn)動(dòng),工作流體停留在熱區(qū)等溫膨脹;過(guò)程3(圖中3→4狀態(tài)),活塞假設(shè)不動(dòng),工作流體經(jīng)熱再生器,由熱區(qū)回到冷區(qū),等體積降溫;過(guò)程4(圖中4→1狀態(tài)),活塞向內(nèi)運(yùn)動(dòng),工作流體停留在冷區(qū),作等溫壓縮。
如果熱再生器在工作流體等體積降溫時(shí)(3狀態(tài)→4狀態(tài)),熱能完全儲(chǔ)存在熱再生器中,等體積升溫時(shí)(1狀態(tài)→2狀態(tài)),儲(chǔ)存在熱再生器中的熱能又完全釋入工作流體中,即Q3→4=-Q1→2。在2狀態(tài)至3狀態(tài)的等溫膨脹(溫度較高,以Th表示),所做的功為:
(3.1)
其中n為工作流體莫耳數(shù),R為氣體常數(shù),VL和VS分別是工作流體的膨脹后和壓縮后之體積。
根據(jù)熱力學(xué)第一定律,等溫膨脹所作的功等于所獲得之熱能
(3.2)
同理,低溫(TC不變)被壓縮的過(guò)程中,工作流體所作的功和獲得之熱能分別為
< 0 (3.3)
(3.4)
因此,工作流體每循環(huán)一次所作的凈功為:
(3.5)
等于PV圖中封閉曲線所包圍的面積。在完美熱再生器的前提之下,斯特林引擎的效率為
(3.6)
即等于卡諾循環(huán)的效率。
然而,斯特林引擎有許多不同的設(shè)計(jì),不同構(gòu)造的斯特林引擎,其工作流體的PV圖與圖3-2中顯示者多少有些出入。
此外,在真實(shí)的斯特林引擎中,活塞大多以近似時(shí)間正弦函數(shù)的方式運(yùn)動(dòng),鮮少完全靜止,所以工作流體能經(jīng)歷一段等體積過(guò)程,實(shí)為簡(jiǎn)化的假設(shè);通常熱再生器的效率亦難達(dá)到100%;而在溫差氣室冷區(qū)的工作流體也不容易完全移到熱區(qū)加熱,反之亦然,在熱再生器中也會(huì)滯留一部分工作流體,這些沒(méi)有參與溫度變化的工作流體,形成所謂滯留體積(dead volume),PV曲線圖實(shí)際上會(huì)比圖3-2所示的曲線平滑許多。
再加上工作流體在溫差氣室中移動(dòng)時(shí),各種阻滯力造成動(dòng)能的損失(flow loss),以及外燃加熱時(shí),熱傳導(dǎo)過(guò)程中的各種損失(heat transfer loss),而工作流體等溫膨脹或壓縮的等溫假設(shè)亦顯有瑕疵,更使得實(shí)際斯特林引擎的效率與卡諾循環(huán)的效率不完全相等。
四、斯特林引擎的型式
斯特林引擎可以設(shè)計(jì)成不同的型式,原創(chuàng)性的全新構(gòu)想和細(xì)部改良的專利,至今仍不斷被提出。嚴(yán)格而言,凡是利用工作流體在冷、熱區(qū)之間移動(dòng),遂行壓縮的工作流體經(jīng)加熱而膨脹作正功,膨脹后先冷卻再壓縮作負(fù)功的熱機(jī)循環(huán),這樣的機(jī)構(gòu)都稱為斯特林引擎。
常見的斯特林引擎可以分為以下幾種:
(一)型斯特林引擎(見圖3-1)
這型斯特林引擎的溫差氣室和汽缸分開,利用連桿和曲軸等連動(dòng)機(jī)構(gòu),使溫差氣室中的移氣胴體和汽缸中的活塞,近似時(shí)間正弦函數(shù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng),有大約90°的相位差,以確保熱機(jī)循環(huán)3。
由于溫差氣室的尺寸可以比汽缸的尺寸大很多,極小的溫差即可運(yùn)轉(zhuǎn)此型斯特林引擎,常用來(lái)制作教學(xué)用的熱學(xué)教具,或針對(duì)低溫差之熱源設(shè)計(jì)所需的機(jī)型。圖4-1是作者設(shè)計(jì)的大型型斯特林引擎(高度約60公分),十幾度溫差即可運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖4-1 作者設(shè)計(jì)的斯特林引擎之一
(數(shù)據(jù)源:wmc62490000@yahoo.com.tw(德盟工作室))
(二)型斯特林引擎
汽缸和溫差氣室合二為一,其中移氣胴體和活塞運(yùn)動(dòng)的相位差,由連桿和曲軸等構(gòu)成的連動(dòng)機(jī)構(gòu)完成,但控制移氣胴體的連桿須穿過(guò)活塞,制程精度要求較高。
著名的連動(dòng)機(jī)構(gòu),是1953年梅杰(R. J. Meijer)發(fā)明的菱形連動(dòng)機(jī)構(gòu)(Rhombic Drive Mechanism),這型斯特林引擎的連動(dòng)機(jī)構(gòu)可以減少活塞所受的應(yīng)力。(見圖4-2)4。
圖4-2 型斯特林引擎之菱形連動(dòng)機(jī)構(gòu)(淺藍(lán))、活塞(藍(lán))和移氣胴體(綠)
(數(shù)據(jù)源:www.answers.com/topic/reciprocating-engine)
(三)型斯特林引擎
圖4-3為型斯特林引擎之設(shè)計(jì)之一。相較于型和型,這型斯特林引擎舍棄了移氣胴體。工作流體借著兩個(gè)活塞密封在高溫和低溫的兩個(gè)汽缸之內(nèi)。兩個(gè)活塞利用適當(dāng)?shù)倪B動(dòng)機(jī)構(gòu),作相位差90°的時(shí)間正弦函數(shù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。使工作流體在高溫和低溫汽缸中移動(dòng)而改變溫度,兩個(gè)活塞又共同決定工作流體的體積,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一樣能達(dá)成加熱膨脹,冷卻壓縮的熱機(jī)循環(huán)。
圖4-3 型斯特林引擎,示意圖顯示工作流體借著兩個(gè)活塞密封在高溫(左下方火焰處)和低溫的兩個(gè)汽缸之內(nèi),兩個(gè)活塞作相位差90°的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。透視圖顯示實(shí)際引擎的造型。
(數(shù)據(jù)源:blogs.ibibo.com/discovermiracle/Two-Cylinder-...)
利用最初級(jí)的分析模式5,即所謂的Schmidt mode,假設(shè)工作流體在高溫汽缸中即與高溫汽缸等溫,設(shè)為Th,在低溫汽缸中即與低溫汽缸等溫,設(shè)為Tc,在熱再生器中的工作流體的溫度即與熱再生器的平均溫度相等。
如果熱再生器中容納工作流體的空間體積為VR,活塞在高溫汽缸中掃過(guò)(swept)的體積為Vsh,高溫汽缸中的滯留體積為VDh (活塞未掃到的體積);钊诘蜏仄字袙哌^(guò)的體積為Vsc,低溫汽缸的滯留體積為VDC,工作流體在高溫汽缸中的體積為
(4-1)
在低溫汽缸中的體積為
(4-2)
其中θ為轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,為相位差,約90°。
在熱再生器中的體積為VR,則工作流體的總體積為
(4-3)
因?yàn)槊芊庠谝嬷懈魈幍墓ぷ髁黧w壓力一致,設(shè)為P。根據(jù)氣體方程式,工作流體的總莫耳數(shù)為
(4-4)
為簡(jiǎn)化起見,令,,,,, n于是可簡(jiǎn)化為
(4-5)
則
(4-6)
其中
;
;
;;
而工作流體的體積可以化簡(jiǎn)為
(4-7)
其中
;;
計(jì)算和,可見在α型斯特林引擎中的工作流體,大致符合熱機(jī)循環(huán),其PV曲線包圍出的一塊面積代表每次循環(huán)(轉(zhuǎn)動(dòng)一圈)所作的功,寫成W,則引擎功率P即等于W乘以轉(zhuǎn)速f,即
P=W×f (4-8)
除了用一般的曲軸及連桿構(gòu)成的連動(dòng)機(jī)構(gòu),維持兩活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相位差()之外,羅斯(Ross)等人還發(fā)明兩種連動(dòng)機(jī)構(gòu)(Ross-Yoke drive mechanism)和Rocker-V mechanism),可以發(fā)揮同樣的效果6。
α型斯特林引擎另外有個(gè)更實(shí)用的變型,稱為瑞尼那組合(Rinia arrangement)(圖4-4),將四個(gè)汽缸和活塞組合起來(lái)7,利用“斜盤”(swash plate)或齒輪裝置維持相鄰活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相位差()
圖4-4 瑞尼那組合(示意圖);實(shí)際運(yùn)用時(shí)將四個(gè)汽缸和活塞組合成環(huán)形,利用斜盤(透視圖的左方)維持相鄰活塞運(yùn)動(dòng)的相位差
(數(shù)據(jù)源:www.sesusa.org/DrIz/engines/engines.html;pepei.pennnet.com/articles/article_display.cf...)
四)自由活塞型(free-piston)斯特林引擎8
其實(shí)活塞和移氣胴體之間,未必要用機(jī)械式的連動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)保持運(yùn)動(dòng)時(shí)適當(dāng)?shù)南辔徊,公?/span>1974年貝爾(W.Beale)利用共振現(xiàn)象(resonance)以及巧妙的氣壓差和機(jī)械彈簧,使得活塞和移氣胴體往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)具有必要的相位差。自由活塞型的斯特林引擎也有許多不同的設(shè)計(jì),其中美國(guó)太空總署葛林實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的自由活塞型斯特林引擎,在極有限之尺寸之內(nèi),簡(jiǎn)潔處里這型引擎的諸多難點(diǎn),堪稱杰作(圖4-5)。
圖4-5 美國(guó)太空總署研發(fā)的自由活塞型斯特林引擎,無(wú)機(jī)械式的連動(dòng)機(jī)構(gòu),活塞(紅色)和移氣胴體(右方淡藍(lán)色)之運(yùn)動(dòng)仍具有必要的相位差
(數(shù)據(jù)源:www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/stirling.html)
(五)熱聲效應(yīng)(thermo acoustic)斯特林引擎9
十九世紀(jì)的吹玻璃工人,偶爾會(huì)聽到被加熱的玻璃管自然發(fā)出神秘的單音,這聲音其實(shí)是熱機(jī)的另一總輸出形式?諝庹駝(dòng)形成聲音,聲音發(fā)生時(shí),各“局部空氣”(parcel)會(huì)發(fā)生膨脹和位移。如果“局部空氣”被壓縮后,被加熱,再膨脹,對(duì)周圍空氣作較大的正功;這“局部空氣”又先被冷卻,再被壓縮,作較小的負(fù)功(周圍空氣對(duì)其作較小的功)。雖然這“局部空氣”并非對(duì)活塞或渦輪作功,而是對(duì)周圍空氣作功,事實(shí)上也完成了工作流體加熱后膨脹,冷卻后被壓縮的熱機(jī)循環(huán),而把熱能轉(zhuǎn)換成聲音振動(dòng)的能量,增加聲音的強(qiáng)度。此即所謂的熱聲效應(yīng)。
熱聲效應(yīng)斯特林引擎大致可分為駐波(standing wave)和行波(traveling wave)兩種。
圖4-6所示為駐波型斯特林引擎,基本上是一端閉口,一端開口的管狀共振腔,在共振腔內(nèi)近閉口端裝有熱片堆(stack),熱片堆中有許多平行共振腔軸向的密集穿孔。熱片堆近共振腔閉口端溫度較高,另一端溫度較低,于是延軸向的溫度梯度(temperature gradient)相當(dāng)大。當(dāng)駐波發(fā)生時(shí),熱堆片中的“局部空氣”(工作流體)向閉口端位移,而被壓縮,同時(shí)移向熱片堆高溫處,該局部空氣在熱穿透深度(thermal penetration depth)以內(nèi)的部分會(huì)被熱片堆加熱,使溫度升高,隨即膨脹對(duì)周圍空氣做較大的正功,駐波之能量加大,“局部空氣”隨即膨脹,同時(shí)移至熱片堆之冷端,當(dāng)能量增加的駐波再度壓縮這“局部空氣”時(shí),此“局部空氣”已先被較低溫的熱片堆冷卻,只消耗較少的聲波能量即可被壓縮。熱能于是不斷變成駐波的能量。這聲波的機(jī)械能可用來(lái)推動(dòng)熱聲致冷機(jī)(見圖4-6)或用來(lái)發(fā)電。
圖4-6 駐波型熱聲斯特林引擎之熱片堆(stack)。實(shí)物照片的左方為駐波型熱聲斯特林引擎;右方為熱聲斯特林致冷機(jī)。駐波型熱聲斯特林引擎產(chǎn)生的駐波可用來(lái)推動(dòng)熱聲斯特林致冷機(jī),液化氣體
(數(shù)據(jù)源:New varieties of thermo-acoustic engines)
駐波型熱聲斯特林引擎的工作流體,并未完全符合熱機(jī)循環(huán)的過(guò)程,所以效率較低。約1998年開始Ceperley、日本Yazaki、大陸羅二倉(cāng)、邱利民等人發(fā)明、改良了行波型熱聲斯特林引擎10(圖4-7),使其工作流體以近似完美α型斯特林引擎的方式,將熱能轉(zhuǎn)換成聲音的能量,有效提高了熱聲斯特林引擎之效率。
圖4-7 行波型熱聲斯特林引擎及內(nèi)部構(gòu)造示意圖
(數(shù)據(jù)源:New varieties of thermo-acoustic engines;www.nature.com/.../fig_tab/399303a0_F1.html;www.lanl.gov/thermoacoustics/TASHE.html)
(六)旋轉(zhuǎn)型(rotary)的斯特林引擎
雖然此型斯特林引擎尚未臻實(shí)用,但其設(shè)計(jì)構(gòu)想也是頗具價(jià)值的研發(fā)方向。其中一種設(shè)計(jì),利用旋轉(zhuǎn)的移氣胴體,將工作流體以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式11,交替移到溫差氣室的熱區(qū)和冷區(qū)。(圖4-8)
圖4-8 旋轉(zhuǎn)型斯特林引擎之構(gòu)造,其移氣胴體之橫截面如右方插圖
(數(shù)據(jù)源:www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/rotarye.htm)
(七)斯特林引擎的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
具有以下優(yōu)點(diǎn)的斯特林引擎,有助于開發(fā)新的、多元的初級(jí)能源,因此受到科學(xué)家和先進(jìn)國(guó)家的政府的重視:
因?yàn)樗固亓忠媸峭馊紮C(jī),可以使用任何足以維持必要溫差的燃料:包括傳統(tǒng)的各種燃料、太陽(yáng)能、地?zé)、核能、甲烷冰、生質(zhì)燃料、農(nóng)業(yè)廢棄物、垃圾衍生燃料、工廠廢熱等。
如果使用潔凈能源,斯特林引擎根本沒(méi)有污染;如果燃燒燃料,由于可以連續(xù)燃燒,相對(duì)容易降低廢氣之污染,燃料的制備成本也相對(duì)較低。
斯特林引擎理論上有很高的效率,隨著研究成果的進(jìn)步和實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)累積,斯特林引擎的實(shí)際效率也會(huì)逐漸逼近理論值。
斯特林引擎的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,沒(méi)有氣閥、正時(shí)點(diǎn)火和相關(guān)的零組件,潤(rùn)滑和軸承的部份均可避免設(shè)計(jì)在引擎高溫的部份,因此性能可靠,適于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn),堅(jiān)固耐用,維修成本低。
因?yàn)椴挥帽己透咚賴娏,斯特林運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),噪音低、安全性高。
然而斯特林引擎進(jìn)一步實(shí)用化,若干設(shè)計(jì)上的難點(diǎn)亦有改良的空間。例如:
為了增加熱機(jī)的效率或功率,都須要提高工作流體的溫度,內(nèi)燃機(jī)讓燃料在工作流體中燃燒,直接加熱工作流體到相當(dāng)?shù)母邷,而引擎本身仍能維持低溫。但斯特林引擎必須透過(guò)引擎本身的高溫來(lái)加熱工作流體。耐高溫、剛性大、抗氧化腐蝕,導(dǎo)熱性高,不易老化,又廉價(jià)且易加工的材料,目前尚難盡如人意。
為提高引擎的功率,常需用到非常高壓的工作流體,有些機(jī)型的斯特林引擎不容易長(zhǎng)時(shí)間密封高壓的工作流體。
五、已有實(shí)際應(yīng)用
除了在能源方面的應(yīng)用之外,斯特林引擎在若干特殊領(lǐng)域,例如:國(guó)防、低溫致冷等,也扮演著不可取代的角色。
用外力倒轉(zhuǎn)斯特林引擎,斯特林引擎就變成致冷機(jī)(Stirling Cryocooler)。熱聲斯特林致冷機(jī)可以用來(lái)液化氮?dú)狻⒀鯕獾,特殊設(shè)計(jì)的斯特林致冷機(jī)具有10K的冷卻效果,微型斯特林致冷機(jī)12已被廣泛用于冷卻夜視系統(tǒng)的紅外線感測(cè)芯片。
現(xiàn)役的瑞典海軍哥德級(jí)(Gotland Class)潛艇(圖6-1),其絕氣推進(jìn)系統(tǒng)(Air Independent Propulsion),以燃燒液態(tài)氧和柴油的斯特林引擎提供輔助動(dòng)力,可將下潛時(shí)間延長(zhǎng)至數(shù)周之久,具有極佳的靜音匿蹤性能。
圖6-1 瑞典海軍哥德級(jí)(Gotland Class)潛艇
(數(shù)據(jù)源:www.silent.se/labels.php)
至于斯特林引擎在能源方面的應(yīng)用,現(xiàn)階段只是剛剛起步,方興未艾,但初期的成果已經(jīng)十分亮眼。
暖氣機(jī)是寒帶地區(qū)必要的設(shè)備,借著斯特林引擎冷區(qū)散發(fā)出來(lái)的熱能,加熱熱水或供應(yīng)暖氣,而斯特林引擎本身的動(dòng)力就用來(lái)發(fā)電,組合成同時(shí)提供電力和熱源的電熱共生系統(tǒng)(Combined heat and power system)13(圖6-2)。Whisper Gen公司在2004年曾生產(chǎn)80,000具住家用微型電熱共生的商業(yè)產(chǎn)品。
圖6-2 微型斯特林引擎電熱共生(CHP)的商業(yè)產(chǎn)品
(數(shù)據(jù)源:www.micropower.co.uk/about/mchp.html)
圖6-3 總統(tǒng)布什視察斯特林能源系統(tǒng)公司的陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電裝置
(數(shù)據(jù)源:www.pureenergysystems.com/news/20...)
2005年8月8日,美國(guó)總統(tǒng)布什視察斯特林能源系統(tǒng)(Stirling Energy Stytem)公司在圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電原型裝置(圖6-3),并于當(dāng)?shù)睾炇鹉茉捶ò。翌日南加州愛迪?/span>(Southern California Edison)與斯特林能源系統(tǒng)公司簽約,預(yù)定在洛杉磯北方建造一座占地45,00英畝(1.9 km2)的巨型太陽(yáng)能發(fā)電廠,采用陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電技術(shù),藉總和直徑約39英尺(11m)的82片組合反射鏡聚焦,加熱位于焦點(diǎn)的4氣缸α型斯特林引擎(4-95 Mark Ⅱ )(圖6-4),以72支鎳基超合金(Inconel)細(xì)管制成的熱區(qū)(receiver),運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度高達(dá)700゜C以上,高壓氫氣最高壓可達(dá)200倍大氣壓,轉(zhuǎn)速約1800rpm,在每平方公尺1,000W的陽(yáng)光下,能產(chǎn)生25KW的電力。從2007年底開始為期4年,將裝設(shè)20,000具,總發(fā)電量達(dá)500MW,超過(guò)全美所有太陽(yáng)能發(fā)電裝置的總和,足可滿足一個(gè)小鎮(zhèn)的電力需求。若雙方同意,還再多花兩年,增加陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電機(jī)組至34,000具,發(fā)電量增至850MW14。
圖6-4 4氣缸α型斯特林引擎(4-95 Mark Ⅱ)之示意圖,以及實(shí)物攝影(鎳基超合金細(xì)管制成的熱區(qū)(receiver)清晰可見)
(數(shù)據(jù)源:www.pureenergysystems.com/news/20...)
這座全球最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠,發(fā)電效率是一般太陽(yáng)能光電池的兩倍,電價(jià)也比其他太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)便宜許多,不需加州政府補(bǔ)貼即可商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn),為人類大規(guī)模利用太陽(yáng)能立下劃時(shí)代的里程碑,也揭開斯特林引擎商業(yè)化的序幕。
六、璀璨的未來(lái)
幾乎沒(méi)有其他的引擎,像斯特林引擎這樣,在這么廣的領(lǐng)域中均具有實(shí)際應(yīng)用的可行性,而又可針對(duì)工作條件,在尺寸、構(gòu)造、性能等方面有如此大的設(shè)計(jì)彈性。
隨著材料科學(xué)和加工工藝日新月異,石油價(jià)格節(jié)節(jié)攀高,減碳環(huán)保逐漸形成國(guó)際社會(huì)的共識(shí);再加上大規(guī)模量產(chǎn)斯特林引擎已經(jīng)開始,社經(jīng)條件更臻成熟,除了太陽(yáng)能發(fā)電的前景可期之外,斯特林引擎在其他能源領(lǐng)域也深具潛力,在新的能源時(shí)代,勢(shì)必扮演更全面的角色。
(一)核能
探測(cè)離太陽(yáng)1.5天文單位(大約火星軌道)之外的太空,因陽(yáng)光強(qiáng)度減弱,一般太陽(yáng)能電池的發(fā)電量就不敷使用。美國(guó)太空總署于是成功研發(fā)了一系列使用核燃料的自由活塞斯特林引擎15,并驅(qū)動(dòng)線性交流發(fā)電機(jī)(linear alternator)發(fā)電(見圖4-5),以提供深太空探測(cè)任務(wù)所需的電力。2004年美國(guó)布什總統(tǒng)宣布2018年重登月球的計(jì)劃,月球表面甚至火星表面的核能斯特林引擎發(fā)電站又受到矚目16。事實(shí)上,地面的核能電廠,若以斯特林引擎取代蒸汽渦輪機(jī),可簡(jiǎn)化電廠之設(shè)備,提高安全性和降低維修成本,并充分發(fā)揮核能技術(shù)進(jìn)步的成果。
(二)地?zé)?/span>
根據(jù)統(tǒng)計(jì),地?zé)崮茉吹奶N(yùn)藏量,約為煤能源總量的1.7億倍,地?zé)岚l(fā)電具有潔凈、占地面積有限、不受天候及天災(zāi)影響,24小時(shí)全年無(wú)休穩(wěn)定供電等優(yōu)點(diǎn)。
斯特林引擎設(shè)計(jì)的彈性很大,在不同溫差之下均能運(yùn)轉(zhuǎn),恰能配合壓力、溫度個(gè)別差異很大的地?zé)。一般地(zé)醿H100~200゜C,已可直接用來(lái)推動(dòng)斯特林引擎(如果采用汽渦輪機(jī),則須采用閃蒸法這類技術(shù)和設(shè)備)。1970年代Los Alamos Labs提出干熾熱巖(Hot Dry Rock)地?zé)岚l(fā)電,使地?zé)岚l(fā)電更不受地點(diǎn)之限制;未來(lái)如果大深度鉆井和熔巖(Molten Rock)地?zé)岬拈_采技術(shù)有所突破,斯特林引擎地?zé)岚l(fā)電將為人類提供長(zhǎng)期的潔凈能源17。
(三)分散型獨(dú)立電力系統(tǒng)18
未來(lái)人類使用能源的方式會(huì)更為精致,現(xiàn)在以大型集中型電廠為主的電力系統(tǒng)勢(shì)必有所調(diào)整,更為合理的分散型小區(qū)電廠將成為主流,廢物利用或就地取材附近的多元能源,以潔凈能源及傳統(tǒng)燃料搭配就近適當(dāng)處理的垃圾或農(nóng)業(yè)廢棄物,作為燃料,就近提供附近用戶電力,省去長(zhǎng)途運(yùn)輸大量燃料和大規(guī)模配電的成本,避免大型電廠故障的風(fēng)險(xiǎn),斯特林引擎恰好可以實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)型。
(四)交通用的斯特林引擎
雖然在某些場(chǎng)合,斯特林引擎有預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng),不易立即停機(jī)、迅速變換輸出功率的限制,但斯特林引擎可用爆炸性較低的燃料、污染少、振動(dòng)小、噪音低、效率不因爬升高度而變化、安全可靠,正符合航空引擎的要求,航空用斯特林引擎曾也被提出。此外除了作為軍事潛艇的推進(jìn)系統(tǒng)之外,研究人員也評(píng)估過(guò)斯特林引擎作為大型船只動(dòng)力的效益19。即便現(xiàn)代人已習(xí)慣了大馬力的汽油引擎車,美國(guó)能源部(DOE)早期仍提供經(jīng)費(fèi)支持相關(guān)研究,美國(guó)太空總署、福特汽車公司都曾參與,發(fā)展出Mod I,Mod II,P-40等車用斯特林引擎20。2007年底,使用固態(tài)生質(zhì)燃料的電力-斯特林引擎混合(hybrid)車(原型)在瑞典推出。雖然整個(gè)社經(jīng)條件的慣性偏好汽油引擎車,但斯特林引擎在時(shí)機(jī)成熟時(shí)應(yīng)用在交通動(dòng)力的可行性,無(wú)庸置疑。
七、能源政策和能源教育
斯特林引擎作為能源研究的主題,之所以值得投入更多的資源,是因?yàn)橐环矫嫠悄茉炊嘣目尚屑夹g(shù)21,實(shí)用化和商業(yè)價(jià)值均可預(yù)期;另一方面,即便先進(jìn)國(guó)家已投入龐大的資源全力研發(fā),但仍有極大的原創(chuàng)及改良空間,后起者仍可作出重大成就22。
斯特林引擎作為能源教育的主題,內(nèi)容可深入淺出、可簡(jiǎn)可繁,適合各級(jí)學(xué)校學(xué)生參與,也適合大眾加入,參與者置身制作小引擎的童話世界,享受驚奇和創(chuàng)作樂(lè)趣,在印象深刻的寓教于樂(lè)中,啟發(fā)下一代日后開發(fā)新能源的興趣與眼界,厚植研發(fā)潛力,培養(yǎng)民眾以科學(xué)力量解決能源問(wèn)題的態(tài)度,進(jìn)而充實(shí)國(guó)家能源政策。
今日世界的先進(jìn)國(guó)家,多是工業(yè)革命起步較早的國(guó)家,能源關(guān)乎整個(gè)國(guó)家的盛衰。負(fù)責(zé)任的能源政策,除了要有解決燃眉之急的方案之外,更要有前瞻的縱深。能源科技的研發(fā)和教育,都應(yīng)該是能源政策的重要環(huán)節(jié),開發(fā)潔凈的永續(xù)能源是石油能源危機(jī)的唯一出路,國(guó)際社會(huì)全體成員均責(zé)無(wú)旁貸,我們更應(yīng)迎頭趕上。
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