Ultra hot air stirling engine

　

     

　Microwave stirling engine

　

　

Laser stirling engine

　

　

Plasma stirling engine

　

史特靈引擎的遐想

 

1背景

環視近年以來，及可預見的未來，石油的消耗量有增無減但是產量及存量有限的情況下，石化能源不足且價格高漲的問題逐漸浮上檯面，成為現今世界即將面對的能源危機。另外，由於石化燃料的大量使用，如汽車、天然氣等 也造成嚴重的環境污染，二氧化碳濃度增高，產生地球的溫室效應，氣候都受影響。因此，各種替代能源技術近年來逐漸受到重視。其中十九世紀時的史特靈引擎重新受到重視，有可能成為未來能源應用的選擇。

目前各先進國家對於史特靈引擎有相當程度的研究，無論是在工業、軍事、以及航太[6]等各方面皆有發展成果。日本針對史特靈引擎，已經研究了超過 20 年以上，瑞典發展史特靈引擎和製造技術亦已到相當的程度，甚至率先於 1992 年應用於其哥特蘭級（Gotland）潛艦上，隨後澳大利亞的柯林斯級（Collins）潛艦亦使用史特靈引擎做為該艦推進系統，此外，在美國、德國、歐洲各國及中國大陸等國，也有不同的研究機構、學術單位或是企業亦積極投入相關研究[7]。

史特靈引擎依其特性及目前的材料、技術水準使其設計上偏重於發電模組，綜合目前國外史特靈引擎的相關技術，可應用於下列之相關領域：

（1）垃圾焚化爐發電 [8]

（2）聚焦式太陽能發電 [9]

（3）廢熱再利用系統[10]

（4）超低溫冷凍系統 [11]

（5）小型發電系統 [12]

 

羅伯•史特靈[5]

 

2 沿革

18世紀末和19世紀初蒸汽機的使用已經相當廣泛，但是效率很低，只有3%到5%左右，95%的熱量都浪費掉了。史特靈引擎早期又稱為熱氣式引擎（hot-air engine），是一高效率的能量轉換裝置。蘇格蘭愛丁堡的羅伯•史特靈傳教士（Rev. Rebert Stirling）於一八一六年為其發明的引擎申請專利權後，該種引擎近兩百年來出現至少百種不同機構型式，但大多以史特靈牧師的原始設計為基礎。Stirling 不僅是一位古典學者，也是一位機械工程師，他首次使用再生器（regenerator）來儲存引擎內工作流體的熱能以改善熱效率[13]。

 

1824 年到 1840 年間，Stirling 做了許多改進，最重要的是將引擎改成雙動式（double acting）並提高缸內空氣壓力來增加輸出馬力，此時史特靈引擎的效率已超越了蒸氣引擎。在所有引擎中，史特靈引擎在當時是溫度最高的引擎，操作溫度至少要維持在 600℃。由於當時材料技術不足，常在用了一段時間之後發生汽缸破裂，因此當時的鑄造廠放棄了史特靈引擎，而改回原來的蒸汽機，主要的原因是當年所用的材料（鑄鐵）並不適合史特靈引擎所需的連續加熱方式所造成的高溫。這材料上的問題不斷的困擾著Stirling，一直到其晚年時煉鋼法的出現，才有了解決的希望。

 

由於在 19 世紀中葉，蒸汽機已逐漸發展成為一個可靠的動力，因此Stirling 的熱氣式引擎就只能用在小馬力的特殊用途上。十九世紀末電動馬達及汽油引擎的發展，更使它們比同體積的史特靈引擎馬力高出許多，因此它們逐漸完全取代了史特靈引擎。

 

1937年，荷蘭的電氣工程師飛利浦（N.V.Philips）重新研究史特靈引擎，並將其用作無線電及缺乏電力地區的動力供給。在 1950 年，飛利浦公司發明了精巧的菱形驅動（rhombic drive）機構[14]，解決了最有希望發出大馬力的雙動式引擎所面臨的活塞密封問題。菱形驅動機構裝置是一組雙曲軸機構，可提供史特靈引擎活塞及移氣器高度的平行而完美的運轉，此種機構亦同時減輕了活塞的密封問題。1958 年，美國通用汽車也獲得飛利浦授權，而研究史特靈的引擎，在此類引擎的技術發展上，亦有相當的貢獻。

 

美國的機械工程教授威廉弼爾先生（William Beale）發明了自由活塞（free piston），主要利用兩個彈性活動零件取代了曲柄、飛輪、配重塊等繁雜的機構[15]。自由活塞式史特靈引擎擁有相當多的優點，包括不需潤滑、密封容易、體積小、簡單、安靜且能自行啟動等，史特靈引擎至此進入新的里程碑。近幾年則無論是在史特靈引擎或是史特靈冷卻器的發展，都進入蓬勃的階段[1]。

 

3 史特靈循環

3.1 卡諾循環(Carnot cycle)[3]

早期人們希望提高熱機的效率，於是想了許多方法，如減少機器組件的摩擦以及防止熱損失等，但收效甚微。決定熱機效率的關鍵是什麼？1924年 年輕的法國工程師卡諾對這個問題做了回答，他提出了一種可以獲得最大效率的熱機---卡諾機

    卡諾生活在「熱質論」占統治地位的時代，那時，認為熱是一種物質---熱質，它是一種無重力的，可以滲入任何物質的流體，熱質微粒之間相互排斥，但熱質微粒與普通物質之間相互吸引，熱質可以在物體之間流動，但其總量是守恆的。

    富於想像的卡諾，設想蒸汽機的運轉，猶如水驅動水車運轉，蒸汽機是熱質由鍋爐流向冷凝器過程中，熱質驅動機器運轉的。卡諾還有一種閃光的思維方式，超乎具體的蒸汽機，他設想了一個被後人稱為卡諾機的理想熱機。

    卡諾機是以理想氣體為工作物質（系統），該熱機工作在溫度為T1的高溫熱庫和溫度為T2的低溫熱庫之間。要使熱機週而復始第工作，必須使工作質經歷循環過程，卡諾機是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的循環過程，這種循環稱為卡諾循環。