随着全球经济的快速发展,可用能源越来越稀缺。生物质能源作为一种可再生能源,如果得到有效利用,将为缓解能源危机和环境危机提供巨大帮助。自由活塞式斯特林发动机作为一种外燃机,可适用多种燃料作为热源。近年来,以斯特林发动机作为核心各个国家开展了广泛的新能源能量转换研究及应用。因此,对斯特林发动机进行研究,结合可再生生物质能源进行能量转换研究对缓解我国能源紧缺的现状具有重要意义。本文来源于课题组项目“生物质能源综合转换模块与演示系统”,重点研究以自由活塞式斯特林发电机作为热电转换单元,明确以生物质能—热—电的高效热电转换途径,本文主要研究内容有以下几个方面:本文以α型自由活塞式斯特林发电机为研究对象,对永磁同步三相发电机搭建了数学模型并利用Maxwell软件分析了空载情况下斯特林发电机的电磁输出及能量损失。以简化三阶循环分析法为基础结合一维非定常气体理论,在内燃机仿真软件GT-power中对发动机进行了性能模拟,得到了发动机各个部件的特点和能量耗损。利用软件自带的DOE优化模块结合非归一化遗传算法对斯特林发动机加热器、冷却器温度和运行参数进行离线预测和全局优化,为后续实验提供了指导。结合传热学基本理论,设计了迷宫式加热釜,利用扩散燃烧理论,设计了旋风式燃烧器,采用斯特林发电机实验验证了以燃烧器—加热釜—斯特林发电机作为一体式换热单元机构的可行性。最终搭建了生物质能源综合转换模块与演示系统,平台满功率发电情况下可实现3202W的电能输出,通过斯特林发电机的电压和频率显示,斯特林发电机发电模块达到输出电压220V,频率为50Hz交流电的需求,燃烧发电满足单台斯特林发电功率在800W,功率因数大于0.95,实现了自身能量供给。