阅读说明：本技术 一种多级斯特林机及其稳态运行参数调控方法 (Multi-stage Stirling engine and steady-state operation parameter regulation and control method thereof ) 是由 王利 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多级斯特林机及其稳态运行参数调控方法,该斯特林机由机械能输入活塞、机械能传递双作用自由活塞、机械能输出活塞构成分级布置的多个斯特林工作单元。机械能输入活塞连接机械能输入装置,机械能输出活塞连接机械能输出装置。本发明的斯特林机作为发动机时,通过向一组活塞中的机械能输入活塞输入一个较小的机械能,机械能通过多级斯特林单元放大后由机械能输出活塞输出较大的机械能。本发明通过参数计算、选择、设计实现了所需要的活塞运动方式,使多级斯特林机能适应输入条件的改变和按需要调整输出功率。本发明设备结构简单、调节性好、机械损失小、无效容积小,适合采用大直径活塞,可广泛用于余热发电、分布式能源和可再生能源发电。(The invention relates to a multi-stage Stirling engine and a steady-state operation parameter regulating and controlling method thereof. The mechanical energy input piston is connected with the mechanical energy input device, and the mechanical energy output piston is connected with the mechanical energy output device. When the Stirling engine is used as an engine, a small mechanical energy is input into the mechanical energy input piston in the group of pistons, and the mechanical energy is amplified by the multi-stage Stirling unit and then is output by the mechanical energy output piston to output a large mechanical energy. The invention realizes the required piston motion mode through parameter calculation, selection and design, so that the multi-stage Stirling engine can adapt to the change of input conditions and adjust the output power as required. The device has the advantages of simple structure, good adjustability, small mechanical loss and small invalid volume, is suitable for adopting the large-diameter piston, and can be widely used for waste heat power generation, distributed energy and renewable energy power generation.)

一种多级斯特林机及其稳态运行参数调控方法

技术领域

本发明属于斯特林机领域，特别涉及一种多级斯特林机及其稳态运行参数调控方法。

背景技术

现有技术中采用双作用自由活塞的斯特林发动机(如附图1所示)，采用多个相同的活塞通过散热器、回热器、吸热器相互连接构成多个相同斯特林工作单元，活塞间的机械能和往复运动在活塞间形成环形循环传递。这种双作用自由活塞斯特林机存在几个不足：一是需要每个双作用自由活塞都向外部输出部分机械能，输出机械能的零件会增加设备的复杂程度；二是双作用自由活塞间的连接需要设置弯头、集气管等连接部件，连接部件会增加大直径斯特林单元的无效容积和加工制造难度；三是不能利用不同封闭空间的气体的压强差承担活塞自重，需要设置弹簧承担活塞自重和控制活塞平衡位置；四是活塞运动过程控制难度大、可调节性差；五是抗干扰能力差，对温度波动、单元间温度差、活塞泵气等适应性差；六是现有斯特拉发动机无法实现大型化和制造成本的平衡，一般情况下斯特林发动机活塞的直径和行程有一定的比例关系，加大活塞直径的同时需要加大活塞行程，而加大活塞行程会造成气体流动阻力加大等不利影响，这限制了斯特林发动机的大型化，不能通过大型化降低斯特林发动机单位造价。

为了克服上述现有双作用自由活塞斯特林机的不足，本发明提出一种结构简单、控制方便、调节性强、抗干扰能力强并适合大型化的斯特林机。

发明内容

本发明的目的是研究设计一种结构简单、控制方便、调节性强、抗干扰能力强并适合大型化的斯特林机。具体结构如下：

一种多级斯特林机，至少包括一组活塞及气缸，所述的一组活塞包括一个机械能输入活塞、一个以上机械能传递双作用自由活塞、一个机械能输出活塞，一组活塞构成两级以上的斯特林工作单元。

具体而言，本发明的一种多级斯特林机，至少一组活塞工作单元，一组活塞工作单元包括：

(a)第一气缸101、和在第一气缸101内可轴向移动的一个机械能输入活塞2；

(b)第二气缸102、和在第二气缸102内可轴向移动的一个机械能传递双作用自由活塞 6；

(c)最末级气缸103、和在最末级气缸103内可轴向移动的一个机械能输出活塞7；

第一气缸101通过第一散热器3、第一回热器4、第一吸热器5与第二气缸102沿轴向连通，第二气缸102通过第二散热器3’、第二回热器4’、第二吸热器5’与最末级气缸103沿轴向连通，构成两级斯特林工作单元。

进一步，在多级斯特林机的一端设置机械能输入装置1，所述机械能输入装置1与机械能输入活塞2连接；在多级斯特林机的另一端设置机械能输出装置8，所述机械能输出装置8 与机械能输出活塞7连接。

更进一步，在第二气缸102的下端再通过散热器、回热器、吸热器连接至少构成一个斯特林工作单元的一个机械能传递双作用自由活塞、气缸，在最末一级斯特林工作单元的所述机械能输出活塞7设置机械能输出装置8，构成一个三级以上的多级斯特林机系统。

所述的机械能输入装置选自电动机、循环变化的气体压差、循环变化的液体压差、斯特林发动机、与机械能输出活塞之间的连杆等各种能驱动机械能输入活塞做往复运动的装置，或者是几种方式的组合。

所述的机械能输出装置选自发电机、循环变化的气体压差、循环变化的液体压差、斯特林热泵、与机械能输入活塞之间的连杆等各种可以将机械能输出活塞往复运动的机械能输出或利用的装置，或者是几种方式的组合。

本发明的多级斯特林机的运行方式是：在机械能输入装置的驱动下，机械能输入活塞在气缸内往复运动，驱动连接的机械能传递双作用自由活塞在气缸内往复运动，机械能传递双作用自由活塞逐级驱动下一级活塞在气缸内往复运动，机械能输出活塞在机械能传递双作用自由活塞的驱动下在气缸内往复运动，通过机械能输出装置输出机械能。

为了实现对包括多个互相影响的自由活塞的系统的控制，本发明创新性地在一组活塞中引入一个机械能输入装置，使多个活塞的运动成为一个受到机械能输入周期性激励而稳态响应的动力体系。

本发明的多级斯特林机包括多个互相影响的自由活塞，控制各活塞的运动并使其达到稳定运行状态是至关重要的，在掌握了本发明多级斯特林机活塞运动规律基础上，通过参数计算、选择、设计，实现了本发明所需要的活塞运动方式，使多级斯特林机能适应输入条件的改变和按需要调整输出功率。

本发明的斯特林机的稳态运行参数调控方法如下：

(1)按需选定活塞的振幅、活塞间的相位角，活塞间相位角不宜超过75°；

(2)选定机械能输入活塞和机械能输出活塞背压腔的平均长度，平均长度宜使背压腔容积为相临斯特林单元容积的3-8倍，这个比例越小需要的机械能输入活塞和机械能输出活塞的质量越大；

(3)选择散热器、回热器、吸热器参数并计算单位活塞面积对应的散热器、回热器、吸热器容积，选择和计算方法可参考一般斯特林机的选择和计算方法，并考虑本发明的斯特林发动机单位成本较低的因素；

(4)利用受迫振动方程组计算确定各斯特林单元平均压强、各活塞面积、活塞质量；

(5)调整本发明的多级斯特林发动机的运行参数。

进一步，所述步骤(4)的计算方法如下；

a.按发动机单元膨胀腔活塞面积大于压缩腔活塞面积的方式，初步选择多级斯特林机的级数、各封闭空间平均压强、各活塞面积；

b.在机械能输出活塞面积不变的情况下，调整其它活塞面积使各机械能传递双作用活塞运行到平衡位置时利用等效的线性刚度和阻尼计算的作用在此活塞上的合力为0；

c.根据活塞运行到平衡位置时利用等效的线性刚度和阻尼计算的作用在此活塞上的合力为0的条件计算机械能输入装置的驱动力和机械能输出装置的阻尼；

d.根据各活塞运行到最大位移处时利用等效的线性刚度计算的作用力的合力和活塞的加速度计算各活塞的质量；

e.对于垂直布置的多级斯特林发动机，根据各活塞质量调整各斯特林工作单元和背压腔的平均压强；

f.重复b至e的计算，直至得到理想的计算结果；

g.计算机械能输入功率和机械能输出功率；

h.计算机械能输入装置效率引起的功率损失，判断机械能输入装置效率引起的功率损失占总输出功率的比例是否满足要求，一般情况为了将机械能输入装置效率引起的功率损失控制在总输出功率的5％以内需要机械能输出功率达到机械能输入功率的10倍以上；

i.如果机械能输入装置效率引起的功率损失占总输出功率的比例不满足要求，增加多级斯特林发动机的级数，并重复上述计算。

进一步，上述步骤(5)调整本发明的多级斯特林发动机运行参数的步骤如下：

A.通过调整机械能输入功率调整机械能输出功率；

B.调整运行频率需同时调整工作气体平均压强；

C.调整活塞间的相位角需同时调整机械能输入活塞背压腔容积和机械能输出活塞背压腔容积；

D.当热源和冷源绝对温度的比例加大时，为维持输出功率不变，需降低机械能的输入功率；

E.当热源和冷源绝对温度的比例减小时，为维持输入功率不变，需降低机械能输入功率。

在小压缩比情况下将多级斯特林机各个封闭空间压强随活塞位移的变化近似为线性关系；用作用在各个活塞上的等效阻尼代替各斯特林单元的机械损失和机械能输出装置的影响；将机械能输入装置的驱动力表达为周期性激励。建各个活塞的受迫振动方程，形成系统的受迫振动方程组。受迫振动方程组采用活塞单位面积质量、压强、单位活塞面积阻尼来表达。

斯特林机受迫振动方程组：

m₁x₁”+c₁x₁’+(k₁₀+k₁₂)x₁-k₂₁x₂＝qsin(ωt)

m₂x₂”+c₂x₂’-k₁₂x₁+(k₂₁+k₂₃)x₂-k₃₂x₃＝0

……

m_ix_i”+c_ix_i’-k_(i-1)ix_(i-1)+(k_i(i-1)+k_i(i+1))x_i-k_(i+1)ix_(i+1)＝0

……

m_nx_n”+c_nx_n’-k_(n-1)nx_(n-1)+(k_n(n-1)+k_n(n+1))x_n＝0

其中，m₁、m₂、…、m_i、…、m_n为机械能输入活塞(2)、各机械能传递双作用自由活塞、机械能输出活塞(7)单位面积质量；

ω为机械能输入装置驱动力的圆频率；

q为机械能输入装置作用在单位机械能输入活塞上的作用力的最大值；

t为时间；

x₁、x₂、…、x_i、…、x_n为机械能输入活塞(2)、各机械能传递双作用自由活塞、机械能输出活塞(7)的位移，是时间t的函数；

x₁’、x₂’、…、x_i’、…、x_n’为机械能输入活塞(2)、各机械能传递双作用自由活塞、机械能输出活塞(7)的速度；

x₁”、x₂”、…、x_i”、…、x_n”为机械能输入活塞(2)、各机械能传递双作用自由活塞、机械能输出活塞(7)的加速度；

c₁、c₂、…、c_i、…、c_n为机械能输入活塞(2)、各机械能传递双作用自由活塞、机械能输出活塞(7)的等效单位活塞面积阻尼；

k₁₀、k₁₂为x₁发生单位位移引起的活塞上侧、下侧封闭空间压强的变化，k₂₁、k₂₃、k₃₂、k₃₄……类推。

对斯特林机受迫振动方程组换算，得到等代方程组，换算过程为:

设：

f＝q×1,其中1代表数值为1的面积，以下相同

y₁＝x₁

m_y1＝m₁×1

c_y1＝c₁×1

k₁＝k₁₀×1y₂＝x₂(k₂₁/k₁₂)

m_y2＝m₂(k₁₂/k₂₁)×1

c_y2＝c₂(k₁₂/k₂₁)×1

k₂＝k₁₂×1

y₃＝x₃(k₂₁/k₁₂)(k₃₂/k₂₃)

m_y3＝m₃(k₁₂/k₂₁)(k₂₃/k₃₂)×1

c_y3＝c₃(k₁₂/k₂₁)(k₂₃/k₃₂)×1

k₃＝k₂₃(k₁₂/k₂₁)×1

……

y_i＝x_i(k₂₁/k₁₂)(k₃₂/k₂₃)…(k_i(i-1)/k_(i-1)i)

m_yi＝m_i(k₁₂/k₂₁)(k₂₃/k₃₂)…(k_(i-1)i/k_i(i-1))×1

c_yi＝c_i(k₁₂/k₂₁)(k₂₃/k₃₂)…(k_(i-1)i/k_i(i-1))×1

k_i＝k_(i-1)i(k₁₂/k₂₁)(k₂₃/k₃₂)…(k_(i-2)(i-1)/k_(i-1)(i-2))×1

……

代入斯特林机受迫振动方程组，得到等代方程组：

m_y1y₁”+c_y1y₁’+(k₁+k₂)y₁-k₂y₂＝fsin(ωt)

m_y2y₂”+c_y2y₂’-k₂y₁+(k₂+k₃)y₂-k₃y₃＝0

……

m_yiy_i”+c_yiy_i’-k_iy_(i-1)+(k_i+k_(i+1))y_i-k_(i+1)y_(i+1)＝0

……

m_yny_n”+c_yny_n’-k_ny_(n-1)+(k_n+k_(n+1))y_n＝0

等代方程组的结构形式和常规多自由度体系的受迫振动方程组是相同的，因此可以构建由质量点和普通弹簧构成的等代多自由度体系，使等代多自由度体系的受迫振动方程组和等代方程组相同。从等代方程组的特点可以得知，等代多自由度体系与斯特林机的力学体系的结构相似，各节点的质量等于单位活塞面积的质量乘以对应的转换系数，作用在各节点的阻尼等于单位活塞面积的阻尼乘以对应的转换系数，各弹簧刚度和斯特林单元的参数有关。本发明的多级斯特林机的等代多自由度体系为依次通过弹簧连接的质量点形成的链式体系。

等代多自由度体系在周期性激励作用下的运动规律可以表达为等代方程组的解，通过等代方程组的解可以得到斯特林机受迫振动方程组的解，斯特林机受迫振动方程组的解表达了多级斯特林发动机各个活塞的运动规律。因此可以根据等代多自由度体系的运动规律推导出多级斯特林发动机活塞有类似机械波传播的运动规律。这样的活塞运动规律可以满足斯特林机的工作需要。

为了实现活塞按要求方式运行，需要确定单位面积活塞质量、单位活塞位移引起压强变化、单位活塞面积阻尼之间的数学关系式。所述数学关系式可以通过将需要的活塞运行方式表达为方程的稳态解，并把稳态解代入受迫振动方程的办法得到。根据斯特林机工作的需要和运行规律，选择希望的各活塞的振幅和活塞间的相位角，将选择的运行方式表达为斯特林机受迫振动方程组的稳态解，将稳态解代入多级斯特林发动机受迫振动方程组，就可以得到单位活塞质量、单位活塞位移引起压强变化、单位活塞面积阻尼之间的数学关系式。具体过程如下：

设斯特林机受迫振动方程组的稳态解：

x₁＝X₁sin(ωt-θ)

x₂＝X₂sin(ωt-θ-θ₁)

x₃＝X₃sin(ωt-θ-θ₁-θ₂)

X₁、X₂、X₃为各活塞振幅的1/2

θ为机械能输入活塞与机械能输入装置驱动力之间的相位角

θ₁、θ₂为活塞之间的相位角

将稳态解代入斯特林机受迫振动方程组可以得到单位活塞质量、单位活塞位移引起压强变化、单位活塞面积阻尼之间的数学关系式。所述的数学关系式可以概括为：按照给定的周期、相位角、活塞振幅来计算，单位活塞质量、单位活塞位移引起压强变化、单位活塞面积阻尼之间需要满足下面的条件：

(1)任何活塞运行到平衡位置时，利用等效的线性刚度和阻尼计算的作用在此活塞上的合力为0；

(2)任何活塞运行到最大位移处时，利用等效的线性刚度计算的作用在此活塞上的合力等于活塞质量和加速度的乘积，所述的加速度为按照给定的周期和活塞振幅计算得到的加速度。

等效的线性刚度可以根据活塞发生较小位移所引起的斯特林单元的压强变化计算，计算方法和常规的斯特林机的计算方法相似，在此不再具体描述；等效的线性阻尼可以通过将各斯特林单元的机械损失加权分配到对应活塞上来计算，并同时考虑机械能输出装置的作用，可以通过常规的计算方法实现，在此不再具体描述。

满足上述条件的本发明多级斯特林机在小压缩比的情况下有如下运行规律：

1.按照所述的给定周期运行，活塞的运动以类似机械波的方式从机械能输入活塞向机械能输出活塞传递，通过斯特林发动机单元时机械能被放大；

2.按照所述的给定周期运行，机械能输出活塞处不会引起机械波的反射，活塞运动满足类似机械波的传播规律；

3.在各斯特林单元采用相同的活塞面积比、压缩比、相位差、活塞振幅等参数的情况下，对于一个可以忽略机械损失的斯特林工作单元膨胀活塞与压缩活塞面积比等于膨胀腔和压缩腔内有效的绝对温度比，活塞面积比随机械损失的增加而减小。

满足上述关系式的本发明的多级斯特林机受迫振动方程组有唯一的稳态解，用同样方法建立现有技术斯特林发动机的受迫振动方程组的稳态解不唯一，这说明本发明的多级斯特林发动机比现有技术运行更稳定、可控。

进一步，多级斯特林热泵的计算和参数调整方法采用与上述计算原理相同的方法确定。

本发明的多级斯特林机具有明显的技术优势，主要表现在以下几个方面：

1.本发明的多级斯特林级可以通过设置足够级数使得机械能输出功率达到机械能输入功率的10倍以上，实现了多级斯特林发动机单元的机械能几种输出，比现有斯特林机具有明显的应用价值。机械能输入活塞在机械能输入装置的驱动下在气缸内往复运动，活塞的运动以类似机械波的方式向机械能输出活塞传递，通过机械能输出装置输出机械能。当作为斯特林发动机时，机械能通过斯特林单元传递时逐级放大，因此，即使冷源和热源的温差较低也可以通过设置足够的级数使得机械能输出功率达到机械能输入功率的10倍甚至更高。

2.本发明的多级斯特林机通过各工作单元参数优化，可以实现机械能传递双作用自由活塞取消活塞杆等部件的效果，使结构更加简单、紧凑。设置各个斯特林工作单元的参数，使机械能传递双作用自由活塞由所连接的一级斯特林工作单元输入机械能，除了克服活塞及工作气体往复运动的机械损失外，在一个完整运行周期内将所有的机械能输出给连接的下一级斯特林工作单元，实现机械能传递双作用自由活塞可以只在两侧斯特林工作单元工作气体压强变化的作用下做往复运动，达到取消活塞杆等装置的目的。一组活塞中可以只在设置于两端的机械能输入活塞和机械能输出活塞设置活塞杆连接机械能输入装置和机械能输出装置。

3.本发明的多级斯特林级适合采用大直径活塞。本发明的多级斯特林机可以将所有的活塞、散热器、回热器、吸热器设置在一条直线上，各个斯特林工作单元处在两个活塞之间，不包括弯头等辅助连接构件，无效容积的比例不会因为活塞直径的增加而增加，使本发明的斯特林机在增加活塞直径的情况下不需要增加活塞行程，这个特点使本发明的斯特林机适合采用大直径活塞。

4.本发明的多级斯特林机无需设置承担活塞自重和控制活塞平衡位置的弹簧，简化了设备的结构。本发明的多级斯特林机各个工作单元不是循环连接的，不要求各级斯特林单元采用相同的平均压强，因此根据活塞位置调整各封闭空间气体量就可以达到控制各个活塞平衡位置和利用工作气体压强差承担活塞自重的效果。上述特点使本发明的斯特林机不需要为活塞设置承担自重和控制平衡位置的弹簧。

5.本发明的多级斯特林机的可调节性、抗干扰能力非常好。经过模拟计算，调整机械能输入装置的输入功率可以将发动机输出功率在3－4个周期内由设计功率的10％提升到设计功率的95％。利用本发明可以制造抗干扰能力非常好的斯特林发动机，经过模拟计算，在合理范围内调整输入参数，斯特林机会在3－4个周期内平稳地转换到新的稳定运行状态，新工况下各运行状态没有异常变化。

6.本发明的多级斯特林机可以广泛应用于余热发电、可再生能源发电等领域，适合利用热电联产方式提高能源利用效率。本发明的多级斯特林机不要求各级斯特林单元采用相同的温度，可以将热源或冷源介质采用串联的方式经过多个加热器或冷却器，达到提高能源利用效率的目的；可以在一组活塞中使用多种热源或冷源，达到一机多用或提供多种温度的余热的目的。本发明的多级斯特林机构造简单会明显降低设备加工制造成本，并且可以通过大幅度加大活塞直径来降低单位功率的设备费用。

经测算，利用本发明制造余热回收用斯特林发动机，当热源温度达到300℃、单机功率达到300kW规模的情况下可以达到2－3年回收投资。

利用本发明制造的多级斯特林发动机可以用于余热发电，例如利用内燃机排气余热发电，沼气发电和垃圾填埋气发电等一般使用内燃机，内燃机排气温度较高，增加斯特林发动机利用内燃机排气余热发电，可以在满足沼气罐保温等需求的情况下增加发电量10—15％。

利用本发明制造的多级斯特林发动机可以用于垃圾发电和可再生燃料发电，例如用于各种因为规模较小而不适合使用汽轮发电机的项目，建设小规模的垃圾发电、农林生物质发电等装置，实现垃圾和可再生燃料就近处置和利用，大幅度降低垃圾和可再生燃料收集、储存、运输的成本。

利用本发明制造的多级斯特林发动机可以用于建设分布式太阳能热电联产装置，发电的同时提供热水等余热，大幅度提高太阳能光热利用的收益。该装置设置储热系统后可以作为保安电源，在外部供电故障的情况下为厂区或园区关键设施持续供电。

利用本发明制造的多级斯特林发动机可以用于建设小型热电联产装置，发电的同时提供热水等余热。例如将小型供热锅炉改造为热电联产装置。

利用本发明制造的多级斯特林发动机可以用于微电网供电，利用其功率调节范围大、调节速度快的特点，结合储存热量相对于储存电力的明显优势，大幅度降低储能成本。

附图说明

附图1为现有技术斯特林机结构示意图

附图2为本发明两级斯特林机结构示意图

附图3为本发明多级斯特林机示意图

其中，1-机械能输入装置、2-机械能输入活塞、3-第一散热器、4-第一回热器、5-第一吸热器、3’-第二散热器、4’-第二回热器、5’-第二吸热器、6-机械能传递双作用自由活塞、7-机械能输出活塞、8-机械能输出装置；101-第一气缸、102-第二气缸、103-最末级气缸；001-第一级斯特林工作单元、002-第二级斯特林工作单元、003-第三级斯特林工作单元、004-第四级斯特林工作单元、005-第五级斯特林工作单元、006-第六级斯特林工作单元、007-第七级斯特林工作单元。

具体实施方式

实施例1

一种多级斯特林机(如附图2所示)，在其一端设置机械能输入装置1，所述机械能输入装置1与机械能输入活塞2连接，机械能输入活塞2设置在第一气缸101内；第一气缸101通过第一散热器3、第一回热器4、第一吸热器5与第二气缸102连通，第二气缸102内设置机械能传递双作用自由活塞6；第二气缸102通过第二散热器3’、第二回热器4’、第二吸热器5’与最末级气缸103连通，最末级气缸103内设置机械能输出活塞7；机械能输出活塞7 另一端连接机械能输出装置8。位于第一气缸101的机械能输入活塞2与位于第二气缸102 的机械能传递双作用自由活塞6之间形成一个封闭工作空间，构成第一级斯特林工作单元；位于第二气缸102的机械能传递双作用自由活塞6与位于最末级气缸103内的机械能输出活塞7形成另外一个封闭工作空间，构成第二级斯特林工作单元。所述的机械能输入装置1选自电动机、循环变化的气体压差、循环变化的液体压差、斯特林发动机等各种能驱动机械能输入活塞做往复运动的装置，或者是几种方式的组合。所述的机械能输出装置选自发电机、循环变化的气体压差、循环变化的液体压差、斯特林热泵等各种可以将机械能输出活塞往复运动的机械能输出或利用的装置，或者是几种方式的组合。以上结构形成一个两级斯特林工作单元的斯特林机。

实施例2

一种多级斯特林机，在其一端设置机械能输入装置1，所述机械能输入装置1与机械能输入活塞2连接，机械能输入活塞2设置在第一气缸101内；第一气缸101通过第一散热器 3、第一回热器4、第一吸热器5与第二气缸102连通，第二气缸102内设置机械能传递双作用自由活塞6；第二气缸102通过第二散热器3’、第二回热器4’、第二吸热器5’与第三气缸连通，第三气缸内设置机械能传递双作用自由活塞；第三气缸通过散热器、回热器、吸热器与最末级气缸103连通，最末级气缸103内设置机械能输出活塞7；机械能输出活塞7另一端连接机械能输出装置8。位于第一气缸101的机械能输入活塞2与位于第二气缸102的机械能传递双作用自由活塞6之间形成一个封闭工作空间，构成第一级斯特林工作单元；位于第二气缸102的机械能传递双作用自由活塞6与位于第三气缸内的机械能传递双作用自由活塞形成一个封闭工作空间，构成第二级斯特林工作单元；位于第三气缸的机械能传递双作用自由活塞与位于最末级气缸103内的机械能输出活塞7形成另外一个封闭工作空间，构成第三级斯特林工作单元。在最末一级斯特林工作单元的所述机械能输出活塞连接机械能输出装置。所述的机械能输入装置选自电动机、循环变化的气体压差、循环变化的液体压差、斯特林发动机等各种能驱动机械能输入活塞做往复运动的装置，或者是几种方式的组合。所述的机械能输出装置选自发电机、循环变化的气体压差、循环变化的液体压差、斯特林热泵等各种可以将机械能输出活塞往复运动的机械能输出或利用的装置，或者是几种方式的组合。以上结构形成一个三级斯特林机系统。

实施例3

利用内燃机排气余热的多级斯特林发动机。沼气发电一般采用内燃机，内燃机排气温度约为500℃，一般用于沼气罐的保温，每年春、夏、秋三个季度由于保温需要较低余热得不到充分利用。本实施例利用排气将导热油温度从300℃加热到350℃作为多级斯特林发动机的热源，实现排气热量的高效利用。冷源采用沼气罐保温水，将保温水温度从50℃加热到90℃，实现低温余热利用。本实施例多级斯特林发动机如附图3所示，采用垂直布置，机械能输入活塞布置在最上端，机械能输出活塞布置在最下端，之间设置6级机械能传递双作用自由活塞，形成7级斯特林发动机(附图3中001-007)。机械能输入活塞直径37.2cm，机械能传递双作用自由活塞直径自上而下依次为42.7cm、49.3cm、57.4cm、67.3cm、80cm、96cm，机械能输出活塞直径120cm。机械能输入装置采用直线电动机，机械能输出装置采用直线发电机。机械能输入活塞背压腔平均压强4MPa，根据单位面积活塞重量逐级加大各封闭空间内气体的平均压强，利用压强差承担各活塞的重量。热源介质自下而上以串联方式通过下5级斯特林发动机单元的吸热器后以并联方式通过上2级斯特林发动机单元的吸热器。冷源采用类似方式连接。

运行方式：接通热源和冷源，将各个活塞调整到平衡位置，机械能输入装置向机械能输入活塞施加30Hz正弦变化的周期驱动力，机械能输入活塞以27kW的功率输入1个周期后以 38kW的功率稳定输入机械能，2至3个周期后机械能输出活塞稳定输出380kW功率，各活塞振幅约2cm。

用所述的现有技术或与其类似的其它技术设计对比方案。按单位活塞扫气容积的输出功率与本实施例相同来计算，采用相同的活塞振幅，达到同样的有效输出功率，对比方案采用 600个直径7.7cm的双作用活塞。

活塞总面积本实施例为34147cm²,对比方案为27949cm²，本实施例活塞总面积为对比方案的122％；活塞总周长本实施例为1726cm，对比方案为14514cm，本实施例活塞总周长为对比方案的12％。

本实施例虽然活塞面积略大于对比方案，但是气缸、活塞表面加工面积只有对比方案的 12％；本实施例活塞与气缸的间隙约为现有技术的10倍使本实施例加工精度要求低于现有技术；本实施例没有集气管等形状复杂的零件；本实施例不设置大型弹簧。上述原因使本实施例的加工成本远低于对比方案。

本实施例密封环总长度为现有技术的12％；穿出气缸的活塞杆的数量本实施例为2个，对比方案为600个。上述原因使本实施例由于密封引起的机械损失远低于现有技术。

本实施例采用一个38kW的电动机作为机械能输入装置，一个380kW的发电机作为机械能输出装置；对比技术需要600个0.57kW的发电机或者100个3.42kW的发电机及100套斜盘等转动机构。上述原因使本实施例电机及配套连接机构成本远低于对比方案。

本实施例各个活塞的行程和机械能输入活塞的行程有相对固定的比例关系，这个比例受外界干扰的影响较小，通过调整机械能输入装置就可以可靠地控制本实施例的运行，本实施例运行的稳定性和可调节性远远优于现有技术。

本实施例低温余热满足沼气罐保温要求，总的保温水供热能力下降约10％，每年只有在气温最低的20％左右的时间需要为了保证保温水的供热能力降低本实施例的运行功率。利用本实施例可以将沼气发电的发电量提高10％以上。

实施例4

利用太阳能光热实现分布式电力和热水联合供应的多级斯特林发动机。在有热水需求的工厂，利用厂房屋面设置太阳能聚光装置，收集太阳能热量作为多级斯特林发动机的热源，实现电力和热水的就近销纳。设置热能储存系统，实现发电时间和功率可以根据需要调节。多级斯特林发动机的结构和参数同实施例3，根据需要采取以下三种运行方式：

1.电力和热水联合供应方式，运行方式与实施例3相似；

2.纯发电方式，在不需要热水的时间段，将冷源改为30℃冷却水，由于温差增加，机械能输入功率调整为20kW，机械能输出功率为380kW；

3.应急发电方式，在工厂外部供电出现故障不能正常供电而且热能储存不足时，通过降低热源温度进一步挖掘热能储存潜力实现持续供电，保障工厂主要设备安全停机等基本供电需求，输出功率随着热源温度的下降有所下降。

本实施例和常规的太阳能光热发电相比主要优势包括：增加了热水的收益；减少了电力远距离输送的损失和设备投资；传热介质输送管道短，降低了投资和散热损失；可替代柴油发电机等应急电源。本实施例整体效益优势明显。