理工學院優秀專題競賽論文
史特林引擎之線性發電系統設計與製作
Design and Implementation of Stirling linear power generation system
摘要
本專題為史特林引擎的線性發電系統之設計與實作，首先瞭解史特林引擎運轉原理，對市面現
成之史特林引擎進行性能修改能符合本專題之需求，再以有限元素分析軟體 maxwell 2D，進行模擬
線性發電系統之磁場分佈與感應電壓大小，並從中選擇最適合的尺寸來進行設計。接著使用繪圖軟
體 Solid works 對史特林引擎線性發電機做初步構想。線性機構設計的材料主要使用質量輕、且稍有
硬度的塑鋼與壓克力組合而成。最後加入負載後，完成史特林引擎的線性發電系統。
關鍵字：史特林引擎的線性發電系統、Maxwell2D、線性發電、SolidWorks。
1.前言
在世界的不可再生能源，開始逐漸耗竭下，能源多元化、 使用淨潔能源、分散型電力系統、就地取用周遭能源，將 會是未來使用能源的趨勢。[1] 在所有的再生能源技術中，史特林發電更具經濟價格優 勢，因史特林線性發電系統有著能源多元化，且在小型獨 立供電方面有著絕佳的效果。我們認為在台灣，史特林引 擎的應用會越來越廣泛，會成為是未來的趨勢，因此選擇 製作史特林引擎。2.研究動機
2.1 開發史特林引擎之動機
史特林引擎（Stirling engine）是一種藉溫差運轉的外燃 機，其優點是能源多元化，如地熱、太陽能、海水溫差、 垃圾、工廠廢熱、天然氣、核能等能源，另一個優點是史 特林發電在小型獨立供電系統中具有優勢且熱能轉換成動 能的效率較高，因為這兩項優點，使得史特林引擎優於很 多再生能源發電，因此讓我們決定研究史特林引擎。[1]2.2 史特林引擎配合線性發電機之優點
1.史特林引擎線性發電機可接受任何熱能，不需限定某 種能源或是綠能，相對於一般史特林發電機能使用的 地方較多，所以史特林引擎線性發電機比較容易廣泛 使用。 2.史特林引擎的結構簡單，沒有氣閥、點火器和一般引擎 相關的零組件，因此性能可靠，適於長時間運轉，堅固 耐用，維修成本低。[1] 3.因其動力來源，不需像一般引擎一樣產生爆炸，或高速 噴壓，所以史特林引擎運轉時，產生噪音低、且安全性 高。 4.由於史特林引擎線性發電系統中，具有以上優點，所以 我們決定使用史特林引擎配合線性發電系統。3.研究方式
3.1 研究步驟
了解本專題的研究目標後，將系統分為兩大項研究：史 特林引擎、線性發電機；針對兩部分進行蒐集資料與討論， 並從資料中選用最適合的史特林引擎；另一方面，對線性 發電機進行模擬，選出適合的尺寸並進行初步設計。統整 兩部份資料進行討論與完整設計，並在設計中尋找可以改 善的地方，再加工製作成史特林線性發電機，接著加入負 載進行實驗與系統測試，最後完成史特林引擎發電系統 。 (圖 1 )研究步驟3.2 史特林引擎之設計
史特林引擎是應用熱氣球上升與下降的原理來作動的熱組別:■實作組□設計組
中的傳動引擎(圖 3)。 (圖 2)史特林作動循環 (圖 3)史特林引擎
3.4 速度的推導
藉由實測史特林引擎部分，利用轉速計測量出飛輪的轉 速，再藉由下列的公式 1，可算出每一行程的速度，如圖 4。 (公式 1)曲炳滑塊連桿公式 (圖 4)磁鐵在各行程上的速度
3.3 線性發電機之設計
本系統中的線性發電，藉由冷次定律來產生感應電壓， 在磁鐵靠近線圈時，會破壞磁平衡而產生感應電壓，如圖 5；而在離開線圈為了維持磁平衡，再產生另一方向之感應 電壓，如圖 6。 為了讓線性發電機作動得更順利，所以線性發電機的部 分使用塑鋼，因塑鋼具質輕、便宜且加工容易等優點；在 安裝磁鐵的連桿機構方面，需要不導磁且輕巧的材質，所 以連桿使用鋁材、飛輪使用壓克力，來大幅降低所需的推 力，設計如圖 7 所示。 (圖 5)磁鐵 S 極靠近線圈 (圖 6)磁鐵 S 極遠離線圈(圖 7)線性發電機的設計
3.5 線性發電系統模擬
線性發電是本系統的重點，因此我們要模擬線性發電系 統，找出最佳的設計，如圖 8；模擬的目的是找出產生的電 壓越大越好。本系統以 ANSYS Maxwell 來模擬線性發電部 分，如圖 9、10；在模擬完成後會有一電壓曲線，如圖 11。 經由模擬結果發現磁鐵的移動速度越快，產生的感應電壓 越大，如圖 12；線圈匝數越多產生的感應電壓也越高如圖 13。最後，可由圖 4 的結果來進一步模擬和推導出線性發 電系統的行程-電壓之散佈圖，如圖 14 所示。 (圖 8) 線性發電系統 (圖 9)Ansys Maxwell 上的線性發電系統 (圖 10)線性發電系統的磁力線與磁力強度 (圖 11)線性發電系統的感應電壓-時間曲線圖(圖 12)速度影響電壓的趨勢 圖 13 線圈匝數影響的電壓趨勢 (圖 14 )行程-電壓之散佈圖
3.7 實際史特林引擎線性發電系統
整個史特林引擎線性發電機系統，是以史特林引擎和線 性發電機，兩者所結合的而成的，並使用 solidwork 繪製設 計圖，如圖 16。 在史特林引擎線性發電系統中，是藉由史特林引擎加熱 產生作動，如圖 17；引擎加熱作動可以帶動飛輪旋轉，在 飛輪上有個齒輪，在旋轉中，引擎的飛輪藉由齒輪帶動線 性飛輪，如圖 18；在線性飛輪旋轉之後可以藉由連趕帶動 線性發電機，產生線性運動，如圖 19。最後線圈接上 LED 負載，使其成為一個完整的系統，如圖 20、21。 (圖 16)史特林線性發電機設計圖 (圖 17)史特林引擎 (圖 18)飛輪傳動機構(圖 19)線性發電機 (圖 20)LED 負載 (圖 21)史特林引擎線性發電系統
4.實驗結果與討論
4.1 實驗問題與改善
在實際測試的時候，發現我們的史特林引擎無法帶動線 性發電機，其緣由可能是拆過史特林引擎部分導致它氣密 性散失而導致史特林引擎動力下降。為了測試線性發電機 部分是否符合模擬分析，所以我們採用直流馬達來帶動整 個史特林線性發電系統，如圖 9。 圖 22 直流馬達
4.2 實驗結果
在引擎傳動飛輪上貼著光感貼片，並由轉速計測量其轉 速所產生的電壓，其測量結果可得知速度越快所產生的感 應電壓越高，如表 1 與圖 19 所示。 在轉速達到 168 rpm 時，可得發電電壓 2.8V，並使 LED 燈微微亮起，如圖 20、21；在轉速達到 264 rpm 後，可得 發電電壓 4V，並使負載中的 LED 燈完全亮起，如圖 22、 23。由於在 264 轉時兩個 LED 燈已完全亮起，所以在最大 轉速 348rpm 時，達到發電電壓 5.2V，可能可以讓三個 LED 燈發光。 表 1轉速(rpm)
168
264
348
最大電壓(V)
2.8
4
5.2
圖 19 轉速對感應電壓的趨勢(圖 23)電壓達到 2.8V 並使 LED 燈微微亮起 (圖 24)轉速達到 168rpm 時，示波器產生的波形 (圖 25)電壓達到 4V 並使 LED 燈完全亮起 (圖 23) 轉速達到 264rpm 時，在示波器產生的波形
