1　绪论

1.1　研究背景

一直以来，能源都是与人类生产、生活息息相关，不可或缺的重要物质基础。不论是从社会经济发展的角度，还是从提高人民生活水平以及物质文化水平的角度，能源问题都是关乎人类生存发展的重要物质之一，在未来社会的竞争中，能源也将是关键因素。

然而现在的能源结构十分让人担忧，人类目前利用的主要能源仍然是煤炭、石油、天然气等有污染、不可再生能源。随着科技的进步、工业化的不断推进、人民生活水平的提高，人类对能源的需求也越来越大，伴随而来的是严重的环境污染问题，例如大气污染、水污染以及生态环境的破坏等。而且作为不可再生能源，煤炭、石油、天然气的储量是非常有限的，这将会成为人类社会发展的隐患。化石燃料燃烧所产生的问题使人类意识到环境保护的重要性，因此构建新的能源结构被逐步提上日程。开发清洁可再生能源来代替化石燃料成为人类的主要任务之一。

只要太阳发光，就有太阳能产生，所以太阳能是最理想的清洁能源。但是，由于太阳能会随时间变化，非常不稳定，且品位较低，因此太阳能未能得到充分的发展。随着光伏产业的飞速发展，目前太阳能的利用也迅猛发展。但是，光伏只能利用波长较短的光能，效率不高，且在单晶硅或者多晶硅生产的过程中会造成环境污染。相比之下，光热可以较为充分地利用太阳能整个光谱范围内的光，因此可以较为充分地利用太阳能资源。

在所有利用外挂能源发电的设备中，斯特林发动机的热效率最高。因此，发达国家，例如美国、　日本、瑞典等，均对斯特林发动机进行了较为彻底的研究，且研究结果较为成熟，已经达到可以在商业市场推广的水平。但是我国对于太阳能斯特林发动机的研究还未达到独立、可自主研究和创新的水平，尤其是在对于斯特林发动机的整机参数设计、模拟、制造上一直没有突出的进展。其主要原因是以前对于斯特林发动机的模拟集中在发动机回热器的二维模拟上，鲜有人利用CFD软件对其进行三维建模和模拟，导致模拟参数与实际情况有较大偏差，对于太阳能斯特林发动机的设计和模拟一直没有取得令人满意的结果。对于太阳能斯特林发动机的整机参数设计以及回热器的三维数值模拟问题有必要搭建正确的物理模型并进行规范的数值模拟和分析，以改进整机的性能，提高能源利用效率，为我国节能减排作出贡献。因此为了促进太阳能斯特林发动机系统的研究和发展，有必要对太阳能斯特林发动机的设计方法进行理论和实验研究。

目前世界的能源消耗中煤、石油、天然气等不可再生能源占主导地位。有资料显示，至2002年，世界可以开采的石油为1427亿t，还可持续使用40.6年；可以利用的天然气为146Mm3，可使用的年限为62年；可以开采和利用的煤炭为9844.5亿t，还可持续使用204年。我国的不可再生能源的储量和利用情况更加令人担忧。根据报导，我国剩余的不可再生能源中，原煤还可持续使用114.5年，原油还可持续使用20.1年，天然气还可持续使用49.3年，也就是说，我国剩余的不可再生资源仅可够使用129.7年。从可持续发展的角度来考虑，不可再生能源的使用也是不容乐观的。众所周知，化石燃料的大量开采和利用不仅会对生态环境造成破坏，而且会产生环境污染。为了地球环境的美好和可持续性，必须大力开发和使用清洁与可再生能源；而且未来世界竞争的焦点必将集中在能源问题上。综上所述，为了我国以后能在世界上有立足之地，为我们的子孙后代仍能生活在较好的环境下，为了让他们拥有持续和清洁的能量来源，必须加快发展清洁可再生能源。

在可再生能源中，太阳能由于其分布的普遍性（基本上涵盖了人类所有的活动范围）储量的无限性（只要太阳仍在发光就存在太阳能），在可再生能源中脱颖而出。有关太阳能的使用目前有很多种方式，其中比较典型的有光伏发电、太阳能光发电（像太阳房等）、太阳能热利用以及太阳能动力等。在上述所有方式中，太阳能热发电是太阳能利用的一种重要方式。从技术上看，其技术研究已经较为成熟；从发电成本上看，由于其热源是太阳，因此仅需对前期设备进行投入，成本较低；而且当太阳能不足时，可采用化石燃料进行补充，这种混合发电系统非常稳定。总之，太阳能热发电前景广阔，值得投入精力进行研究。

太阳能热发电技术包括应用较为广泛的槽式太阳能发电系统、较为复杂的塔式太阳能发电系统和聚焦式的碟式太阳能发电系统。其中，碟式太阳能发电系统由于结构相对简单、布局较为灵活、初期投资较少，具有很大的降低成本潜力以及整个系统的优化潜力，逐渐脱颖而出，具有广阔的应用前景。

斯特林发动机可利用的能源十分广泛。无论是化石燃料，如石油、天然气、煤炭，还是植物秸秆、沼气、工业尾气，或是太阳能、地热能等清洁与可再生能源，只要其热源温度可达到450℃以上，均可作为斯特林发动机的能量来源。因此斯特林发动机在缓解世界能源问题上是较为有效的方式之一，特别是当其利用太阳能发电时。

本文对碟式太阳能斯特林发电系统的斯特林发动机部分进行设计、模拟和优化，为其后续扩展和应用奠定基础。