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一、環(huán)保的工業(yè)革命
從十八世紀初葉開始，一連串對往復式蒸汽機的改良，確定了動力機械的實用性，促成能源科技的突飛猛進，人類從此掙脫了人力和獸力的限制，生產(chǎn)力一夕暴增，引發(fā)了以碳能源為基礎的第一次工業(yè)革命，深遠改變全體人類的文明軌跡。
人類于是發(fā)展出一種極度依賴能源的生活方式。然而，人們慣用的化石能源（如煤、石油、天然氧等）蘊藏量有限，不可逆的大量消耗，原本即非長久之計。再加上近年來金磚四國經(jīng)濟起飛，大量人口也競相使用能源，近日油價于是屢創(chuàng)歷史新高，新一波能源危機隱隱浮現(xiàn)。
值得注意的是，70年代的石油危機，是產(chǎn)油國在以巴沖突中藉高油價杯葛英美之中東政策，人為制造出來的，幾經(jīng)外交折沖，油價不難復歸平穩(wěn)。但最近油價居高不下，則是市場上的確存在供不應求的客觀因素所造成，長遠來看，這樣的趨勢只會日益嚴峻，高油價時代實已無可避免。
另一方面，由于大量消耗化石能源，也對環(huán)境造成極大的沖擊，二氧化碳的濃度和排放量都創(chuàng)下了前所未有的記錄，衍生的各種后果不堪設想，于是而有京都議定書的簽署，減少依賴化石能源勢在必行。
平常就以賽球對抗排譴競爭本性的人類，立刻露出爭取珍貴石油的沖動，國際間暗潮洶涌，甚至爆發(fā)戰(zhàn)爭。面對能源危機和其連鎖所引發(fā)的糧食、環(huán)保、氣候變遷、生態(tài)威脅、國際關系等難題，憑借第一次工業(yè)革命以降暴增的科技實力，賦予與蒸汽機幾乎同時誕生，卻蟄伏近兩世紀的一種外燃引擎——斯特林引擎——新的生命，展開著眼于永續(xù)非碳能源的下一場工業(yè)革命，相信必能和平的為當前困局找到兩全其美的解決方案。
二、從熱機談起
除了早期的蒸氣機之外，各種精巧的內燃引擎也陸續(xù)問世。這些能將熱能轉換成機械能的機器統(tǒng)稱“熱機(heat engine)”。從物理學的角度來看，盡管各種引擎的構造大異其趣，但所有熱機的主角都是工作流體(working fluid)。熱能進入工作流體之后，透過工作流體之運作，轉換成動能。打個比方來說，熱機好似公司行號，工作流體好似員工，無論公司之體制，聘雇方式如何，也無論員工領薪水的方式是用支票，還是給現(xiàn)金，總而言之，公司的營運方式都是員工領薪水然后辦理公事。
老式火車頭上的往復式活塞蒸汽機，現(xiàn)代核能電廠中的渦輪蒸汽機，不用火星塞的柴油引擎，常見的汽油引擎，戰(zhàn)機或客機搭載的噴射引擎（圖2-1），推動高空偵察機SR-71以三倍音速巡戈的沖壓引擎，不用連桿的轉子引擎，無論這些熱機的構造復雜與否；也不論它們加熱工作流體的方式，是直接在工作流體中燃燒燃料（內燃），還是經(jīng)由鍋爐或汽缸來加熱工作流體（外燃）；也不論他們的工作流體是氦氣、氫氣、空氣、水蒸氣或其他物質；也不論他們是重復循環(huán)使用工作流體，或不斷使用用過即拋的工作流體，他們的工作原理都是一樣的：“工作流體被加熱或高溫狀態(tài)時，膨脹作正功，工作流體降溫或較低溫的狀態(tài)時，被壓縮作負功。”把工作流體的壓力和體積關系的封閉曲線畫在ＰＶ圖上，無論Rankine循環(huán)、Otto循環(huán)、Diesel循環(huán)，或者圖2-1所示的Brayton循環(huán)，工作流體狀態(tài)之變化都必須隨著相似的順時鐘方向。
圖2-1 噴射引擎之工作流體，由外界吸入，PV狀態(tài)經(jīng)0－23（壓縮）－34（燃燒升溫）－45（膨脹對渦輪(turbine)作工）－58（回到外界降溫），順時針變化其狀態(tài)，完成熱機循環(huán)
（數(shù)據(jù)源：www.grc.nasa.gov；WWW/K-12/airplane/brayton.html；encyclozine.com/Science/Physics/Thermodynamics/）
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圖2-2 二行程汽油引擎示意圖
熱力學第二定律則指出，工作流體被加熱之后，又必然恢復到原來狀態(tài)時，被加熱時獲得的熱能，因為機率的原故，不可能完全經(jīng)做功轉換成機械能，所以沒有完美的熱機。
就以大家最熟悉的汽油引擎為例，圖2-2是理想化的二行程汽油引擎，汽油引擎的主角當然也是工作流體，也就是進出引擎的空氣。
過程1：混合著少量汽油的空氣（此時溫度較低）被壓縮后，點火爆燃油氣，使空氣溫度升高。
過程2：加熱后的高溫空氣膨脹作正功，推動活塞，經(jīng)連桿驅動飛輪轉動。
過程3：飛輪繼續(xù)轉動則將推動活塞壓縮工作流體，所以在此先吸入混著汽油的低溫空氣，并把高溫的空氣（廢氣）排出。排出廢氣，吸入新鮮空氣的過程，其主要效果是冷卻工作流體。
過程4：較冷的工作流體于是再被活塞壓縮，作負功，并繼續(xù)過程１。
如此周而復始，此二行程汽油引擎即不停運轉。四行程汽油引擎只不過是經(jīng)由較徹底的先排氣，再吸氣，完成降溫過程而已，工作原理與二行程的汽油引擎完全一樣。
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三、斯特林引擎的工作原理
1816年蘇格蘭牧師羅伯特斯特林，申請了現(xiàn)今稱為斯特林引擎的一種外燃機專利。有別于以水蒸汽作為工作流體的蒸汽機，當時的斯特林引擎１以空氣作為工作流體，所以也稱為熱空氣引擎(hot air engine)。
圖3-1顯示一種很容易理解其原理的斯特林引擎，右方容器稱之為溫差氣室。溫差氣室的下方為熱區(qū)，溫度較高；上方冷區(qū)的溫度較低；兩側斜線部分代表熱再生器(regenerator)。引擎運轉時，要持續(xù)維持熱區(qū)和冷區(qū)的溫差。溫差氣室中的移氣胴體(displacer)可上下移動。移動時顯然不會改變引擎中工作流體的體積，但移氣胴體在上方時，工作流體被移往熱區(qū)，移氣胴體在下方時，工作流體被移往冷區(qū)。熱再生器的功能是，當工作流體從熱區(qū)移到冷區(qū)時預先冷卻工作流體，并暫時儲存工作流體釋出的熱能，當工作流體從冷區(qū)移到熱區(qū)時，利用儲存的熱能預先加熱工作流體。工作流體預冷后停留在冷區(qū)繼續(xù)冷卻，預熱后停留在熱區(qū)繼續(xù)加熱。
活塞的往復運動則會改變工作流體的體積，工作流體膨脹時對活塞作正功，工作流體被壓縮時作負功。 圖3-1 斯特林引擎示意圖，右方溫差氣室兩側斜線部分代表“熱再生器(regenerator)”
這型斯特林引擎的運轉過程，與后來才出現(xiàn)的汽油內燃機模擬，非常容易加以解釋。（比較圖3-1和圖2-2）
過程1：在此過程中，工作流體已被壓縮，必須先獲得熱能，再膨脹作正功。汽油引擎利用燃燒少量的汽油，加熱汽缸中的工作流體（空氣）；斯特林引擎中的工作流體，則是被移氣胴體驅趕，經(jīng)熱再生器移到下方熱區(qū)加熱。
過程2：高溫的工作流體壓力增加，膨脹對活塞作較大的正功。
過程3：工作流體將被壓縮，先被移氣胴體驅趕，經(jīng)熱再生器移到上方冷區(qū)冷卻。汽油引擎則在此過程中，排掉高溫廢氣，并吸入混有燃料的低溫空氣，以進行降溫。
過程4：低溫的工作流體于是被活塞壓縮作負功。 圖3-2 理想化的斯特林引擎工作流體PV圖
對照的汽油引擎和這型斯特林引擎，兩者不同之處在于：汽油引擎以混合燃料燃燒的方式直接加熱工作流體，以排氣吸氣的方式冷卻工作流體；斯特林引擎則是利用工作流體接觸不同溫度的區(qū)域，來升降其溫度。
(3.1)
(3.2)
＜ 0 (3.3)
(3.4)
(3.5)
(3.6)
移氣胴體和活塞如何在時序上恰好配合，使得工作流體先加熱再膨脹，先冷卻再壓縮呢？最常用的是曲軸和連桿等構成的連動機構(drive mechanism)，但許多巧妙的方法也可達到同樣的效果。
圖3-2 顯示斯特林引擎的工作流體理想化的PV圖。在過程1（圖中1→2狀態(tài)），活塞假設不動，被壓縮的工作流體經(jīng)熱再生器由冷區(qū)移到熱區(qū)，工作流體被加熱，等體積升溫；過程2（圖中2→3狀態(tài)），活塞向外運動，工作流體停留在熱區(qū)等溫膨脹；過程3（圖中3→4狀態(tài)），活塞假設不動，工作流體經(jīng)熱再生器，由熱區(qū)回到冷區(qū)，等體積降溫；過程4（圖中4→1狀態(tài)），活塞向內運動，工作流體停留在冷區(qū)，作等溫壓縮。
如果熱再生器在工作流體等體積降溫時（3狀態(tài)→4狀態(tài)），熱能完全儲存在熱再生器中，等體積升溫時（1狀態(tài)→2狀態(tài)），儲存在熱再生器中的熱能又完全釋入工作流體中，即Q3→4=-Q1→2。在2狀態(tài)至3狀態(tài)的等溫膨脹（溫度較高，以Th表示），所做的功為：
(3.1)其中n為工作流體莫耳數(shù)，R為氣體常數(shù)，VL和VS分別是工作流體的膨脹后和壓縮后之體積。
根據(jù)熱力學第一定律，等溫膨脹所作的功等于所獲得之熱能
(3.2)同理，低溫（TC不變）被壓縮的過程中，工作流體所作的功和獲得之熱能分別為
＜ 0 (3.3) (3.4)因此，工作流體每循環(huán)一次所作的凈功為：
(3.5)等于PV圖中封閉曲線所包圍的面積。在完美熱再生器的前提之下，斯特林引擎的效率為
(3.6)即等于卡諾循環(huán)的效率。
然而，斯特林引擎有許多不同的設計，不同構造的斯特林引擎，其工作流體的PV圖與圖3-2中顯示者多少有些出入。
此外，在真實的斯特林引擎中，活塞大多以近似時間正弦函數(shù)的方式運動，鮮少完全靜止，所以工作流體能經(jīng)歷一段等體積過程，實為簡化的假設；通常熱再生器的效率亦難達到100%；而在溫差氣室冷區(qū)的工作流體也不容易完全移到熱區(qū)加熱，反之亦然，在熱再生器中也會滯留一部分工作流體，這些沒有參與溫度變化的工作流體，形成所謂滯留體積(dead volume)，PV曲線圖實際上會比圖3-2所示的曲線平滑許多。
再加上工作流體在溫差氣室中移動時，各種阻滯力造成動能的損失(flow loss)，以及外燃加熱時，熱傳導過程中的各種損失(heat transfer loss)，而工作流體等溫膨脹或壓縮的等溫假設亦顯有瑕疵，更使得實際斯特林引擎的效率與卡諾循環(huán)的效率不完全相等。
四、斯特林引擎的型式
斯特林引擎可以設計成不同的型式，原創(chuàng)性的全新構想和細部改良的專利，至今仍不斷被提出。嚴格而言，凡是利用工作流體在冷、熱區(qū)之間移動，遂行壓縮的工作流體經(jīng)加熱而膨脹作正功，膨脹后先冷卻再壓縮作負功的熱機循環(huán)，這樣的機構都稱為斯特林引擎。
常見的斯特林引擎可以分為以下幾種：
（一）
型斯特林引擎（見圖3-1）
型斯特林引擎（見圖3-1）這型斯特林引擎的溫差氣室和汽缸分開，利用連桿和曲軸等連動機構，使溫差氣室中的移氣胴體和汽缸中的活塞，近似時間正弦函數(shù)的往復運動，有大約90°的相位差，以確保熱機循環(huán)3。
由于溫差氣室的尺寸可以比汽缸的尺寸大很多，極小的溫差即可運轉此型斯特林引擎，常用來制作教學用的熱學教具，或針對低溫差之熱源設計所需的機型。圖4-1是作者設計的大型型斯特林引擎（高度約60公分），十幾度溫差即可運轉。
型斯特林引擎（高度約60公分），十幾度溫差即可運轉。圖4-1 作者設計的斯特林引擎之一
（數(shù)據(jù)源：wmc62490000@yahoo.com.tw（德盟工作室））
（二）
型斯特林引擎
型斯特林引擎汽缸和溫差氣室合二為一，其中移氣胴體和活塞運動的相位差，由連桿和曲軸等構成的連動機構完成，但控制移氣胴體的連桿須穿過活塞，制程精度要求較高。
著名的連動機構，是1953年梅杰（R. J. Meijer）發(fā)明的菱形連動機構（Rhombic Drive Mechanism），這型斯特林引擎的連動機構可以減少活塞所受的應力。（見圖4-2）4。
圖4-2 型斯特林引擎之菱形連動機構（淺藍）、活塞（藍）和移氣胴體（綠）
型斯特林引擎之菱形連動機構（淺藍）、活塞（藍）和移氣胴體（綠）（數(shù)據(jù)源：www.answers.com/topic/reciprocating-engine）
（4-1）
（4-2）
（4-3）
（4-4）
（4-5）
（4-6）
；
；
；
；
（4-7）
；；
（三）
型斯特林引擎
型斯特林引擎圖4-3為型斯特林引擎之設計之一。相較于型和型，這型斯特林引擎舍棄了移氣胴體。工作流體借著兩個活塞密封在高溫和低溫的兩個汽缸之內。兩個活塞利用適當?shù)倪B動機構，作相位差90°的時間正弦函數(shù)往復運動。使工作流體在高溫和低溫汽缸中移動而改變溫度，兩個活塞又共同決定工作流體的體積，運轉時一樣能達成加熱膨脹，冷卻壓縮的熱機循環(huán)。
型斯特林引擎之設計之一。相較于型和型，這型斯特林引擎舍棄了移氣胴體。工作流體借著兩個活塞密封在高溫和低溫的兩個汽缸之內。兩個活塞利用適當?shù)倪B動機構，作相位差90°的時間正弦函數(shù)往復運動。使工作流體在高溫和低溫汽缸中移動而改變溫度，兩個活塞又共同決定工作流體的體積，運轉時一樣能達成加熱膨脹，冷卻壓縮的熱機循環(huán)。 圖4-3 型斯特林引擎，示意圖顯示工作流體借著兩個活塞密封在高溫（左下方火焰處）和低溫的兩個汽缸之內，兩個活塞作相位差90°的往復運動。透視圖顯示實際引擎的造型。
型斯特林引擎，示意圖顯示工作流體借著兩個活塞密封在高溫（左下方火焰處）和低溫的兩個汽缸之內，兩個活塞作相位差90°的往復運動。透視圖顯示實際引擎的造型。（數(shù)據(jù)源：blogs.ibibo.com/discovermiracle/Two-Cylinder-...）
利用最初級的分析模式5，即所謂的Schmidt mode，假設工作流體在高溫汽缸中即與高溫汽缸等溫，設為Th，在低溫汽缸中即與低溫汽缸等溫，設為Tc，在熱再生器中的工作流體的溫度即與熱再生器的平均溫度相等。
如果熱再生器中容納工作流體的空間體積為VR，活塞在高溫汽缸中掃過（swept）的體積為Vsh，高溫汽缸中的滯留體積為VDh （活塞未掃到的體積）。活塞在低溫汽缸中掃過的體積為Vsc，低溫汽缸的滯留體積為VDC，工作流體在高溫汽缸中的體積為
（4-1）在低溫汽缸中的體積為
（4-2）其中θ為轉動的角度，
為相位差，約90°。
為相位差，約90°。在熱再生器中的體積為VR，則工作流體的總體積為
（4-3）因為密封在引擎中各處的工作流體壓力一致，設為P。根據(jù)氣體方程式，工作流體的總莫耳數(shù)為
（4-4）為簡化起見，令
，
，，
，， n于是可簡化為
，，，，， n于是可簡化為 （4-5）則
（4-6）其中
；；；；而工作流體的體積可以化簡為
（4-7）其中
；；計算
和
，可見在α型斯特林引擎中的工作流體，大致符合熱機循環(huán)，其PV曲線包圍出的一塊面積代表每次循環(huán)（轉動一圈）所作的功，寫成W，則引擎功率P即等于W乘以轉速f，即
和，可見在α型斯特林引擎中的工作流體，大致符合熱機循環(huán)，其PV曲線包圍出的一塊面積代表每次循環(huán)（轉動一圈）所作的功，寫成W，則引擎功率P即等于W乘以轉速f，即P=W×f （4-8）
除了用一般的曲軸及連桿構成的連動機構，維持兩活塞往復運動時的相位差（
）之外，羅斯（Ross）等人還發(fā)明兩種連動機構（Ross-Yoke drive mechanism）和Rocker-V mechanism），可以發(fā)揮同樣的效果6。
）之外，羅斯（Ross）等人還發(fā)明兩種連動機構（Ross-Yoke drive mechanism）和Rocker-V mechanism），可以發(fā)揮同樣的效果6。α型斯特林引擎另外有個更實用的變型，稱為瑞尼那組合（Rinia arrangement）（圖4-4），將四個汽缸和活塞組合起來7，利用“斜盤”（swash plate）或齒輪裝置維持相鄰活塞往復運動時的相位差（）
）
圖4-4 瑞尼那組合（示意圖）；實際運用時將四個汽缸和活塞組合成環(huán)形，利用斜盤（透視圖的左方）維持相鄰活塞運動的相位差
（數(shù)據(jù)源：www.sesusa.org/DrIz/engines/engines.html；pepei.pennnet.com/articles/article_display.cf...）
四）自由活塞型（free-piston）斯特林引擎８
其實活塞和移氣胴體之間，未必要用機械式的連動機構來保持運動時適當?shù)南辔徊睿?/span>1974年貝爾（W.Beale）利用共振現(xiàn)象（resonance）以及巧妙的氣壓差和機械彈簧，使得活塞和移氣胴體往復運動時具有必要的相位差。自由活塞型的斯特林引擎也有許多不同的設計，其中美國太空總署葛林實驗室研發(fā)的自由活塞型斯特林引擎，在極有限之尺寸之內，簡潔處里這型引擎的諸多難點，堪稱杰作（圖4-5）。
圖4-5 美國太空總署研發(fā)的自由活塞型斯特林引擎，無機械式的連動機構，活塞（紅色）和移氣胴體（右方淡藍色）之運動仍具有必要的相位差
（數(shù)據(jù)源：www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/stirling.html）
（五）熱聲效應（thermo acoustic）斯特林引擎9
十九世紀的吹玻璃工人，偶爾會聽到被加熱的玻璃管自然發(fā)出神秘的單音，這聲音其實是熱機的另一總輸出形式。空氣振動形成聲音，聲音發(fā)生時，各“局部空氣”（parcel）會發(fā)生膨脹和位移。如果“局部空氣”被壓縮后，被加熱，再膨脹，對周圍空氣作較大的正功；這“局部空氣”又先被冷卻，再被壓縮，作較小的負功（周圍空氣對其作較小的功）。雖然這“局部空氣”并非對活塞或渦輪作功，而是對周圍空氣作功，事實上也完成了工作流體加熱后膨脹，冷卻后被壓縮的熱機循環(huán)，而把熱能轉換成聲音振動的能量，增加聲音的強度。此即所謂的熱聲效應。
熱聲效應斯特林引擎大致可分為駐波（standing wave）和行波（traveling wave）兩種。
圖4-6所示為駐波型斯特林引擎，基本上是一端閉口，一端開口的管狀共振腔，在共振腔內近閉口端裝有熱片堆（stack），熱片堆中有許多平行共振腔軸向的密集穿孔。熱片堆近共振腔閉口端溫度較高，另一端溫度較低，于是延軸向的溫度梯度（temperature gradient）相當大。當駐波發(fā)生時，熱堆片中的“局部空氣”（工作流體）向閉口端位移，而被壓縮，同時移向熱片堆高溫處，該局部空氣在熱穿透深度（thermal penetration depth）以內的部分會被熱片堆加熱，使溫度升高，隨即膨脹對周圍空氣做較大的正功，駐波之能量加大，“局部空氣”隨即膨脹，同時移至熱片堆之冷端，當能量增加的駐波再度壓縮這“局部空氣”時，此“局部空氣”已先被較低溫的熱片堆冷卻，只消耗較少的聲波能量即可被壓縮。熱能于是不斷變成駐波的能量。這聲波的機械能可用來推動熱聲致冷機（見圖4-6）或用來發(fā)電。
圖4-6 駐波型熱聲斯特林引擎之熱片堆（stack）。實物照片的左方為駐波型熱聲斯特林引擎；右方為熱聲斯特林致冷機。駐波型熱聲斯特林引擎產(chǎn)生的駐波可用來推動熱聲斯特林致冷機，液化氣體
（數(shù)據(jù)源：New varieties of thermo-acoustic engines）
駐波型熱聲斯特林引擎的工作流體，并未完全符合熱機循環(huán)的過程，所以效率較低。約1998年開始Ceperley、日本Yazaki、大陸羅二倉、邱利民等人發(fā)明、改良了行波型熱聲斯特林引擎10（圖4-7），使其工作流體以近似完美α型斯特林引擎的方式，將熱能轉換成聲音的能量，有效提高了熱聲斯特林引擎之效率。
圖4-7 行波型熱聲斯特林引擎及內部構造示意圖
（數(shù)據(jù)源：New varieties of thermo-acoustic engines；www.nature.com/.../fig_tab/399303a0_F1.html；www.lanl.gov/thermoacoustics/TASHE.html）
（六）旋轉型（rotary）的斯特林引擎
雖然此型斯特林引擎尚未臻實用，但其設計構想也是頗具價值的研發(fā)方向。其中一種設計，利用旋轉的移氣胴體，將工作流體以連續(xù)轉動的方式11，交替移到溫差氣室的熱區(qū)和冷區(qū)。（圖4-8）
圖4-8 旋轉型斯特林引擎之構造，其移氣胴體之橫截面如右方插圖
（數(shù)據(jù)源：www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/rotarye.htm）
（七）斯特林引擎的優(yōu)點和缺點
具有以下優(yōu)點的斯特林引擎，有助于開發(fā)新的、多元的初級能源，因此受到科學家和先進國家的政府的重視：
因為斯特林引擎是外燃機，可以使用任何足以維持必要溫差的燃料：包括傳統(tǒng)的各種燃料、太陽能、地熱、核能、甲烷冰、生質燃料、農(nóng)業(yè)廢棄物、垃圾衍生燃料、工廠廢熱等。
如果使用潔凈能源，斯特林引擎根本沒有污染；如果燃燒燃料，由于可以連續(xù)燃燒，相對容易降低廢氣之污染，燃料的制備成本也相對較低。
斯特林引擎理論上有很高的效率，隨著研究成果的進步和實際應用的經(jīng)驗累積，斯特林引擎的實際效率也會逐漸逼近理論值。
斯特林引擎的結構相對簡單，沒有氣閥、正時點火和相關的零組件，潤滑和軸承的部份均可避免設計在引擎高溫的部份，因此性能可靠，適于長時間運轉，堅固耐用，維修成本低。
因為不用爆燃和高速噴流，斯特林運轉時，噪音低、安全性高。
然而斯特林引擎進一步實用化，若干設計上的難點亦有改良的空間。例如：
為了增加熱機的效率或功率，都須要提高工作流體的溫度，內燃機讓燃料在工作流體中燃燒，直接加熱工作流體到相當?shù)母邷兀姹旧砣阅芫S持低溫。但斯特林引擎必須透過引擎本身的高溫來加熱工作流體。耐高溫、剛性大、抗氧化腐蝕，導熱性高，不易老化，又廉價且易加工的材料，目前尚難盡如人意。
為提高引擎的功率，常需用到非常高壓的工作流體，有些機型的斯特林引擎不容易長時間密封高壓的工作流體。
五、已有實際應用
除了在能源方面的應用之外，斯特林引擎在若干特殊領域，例如：國防、低溫致冷等，也扮演著不可取代的角色。
用外力倒轉斯特林引擎，斯特林引擎就變成致冷機(Stirling Cryocooler)。熱聲斯特林致冷機可以用來液化氮氣、氧氣等，特殊設計的斯特林致冷機具有10K的冷卻效果，微型斯特林致冷機12已被廣泛用于冷卻夜視系統(tǒng)的紅外線感測芯片。
現(xiàn)役的瑞典海軍哥德級(Gotland Class)潛艇（圖6-1），其絕氣推進系統(tǒng)(Air Independent Propulsion)，以燃燒液態(tài)氧和柴油的斯特林引擎提供輔助動力，可將下潛時間延長至數(shù)周之久，具有極佳的靜音匿蹤性能。
圖6-1 瑞典海軍哥德級(Gotland Class)潛艇
（數(shù)據(jù)源：www.silent.se/labels.php）
至于斯特林引擎在能源方面的應用，現(xiàn)階段只是剛剛起步，方興未艾，但初期的成果已經(jīng)十分亮眼。
暖氣機是寒帶地區(qū)必要的設備，借著斯特林引擎冷區(qū)散發(fā)出來的熱能，加熱熱水或供應暖氣，而斯特林引擎本身的動力就用來發(fā)電，組合成同時提供電力和熱源的電熱共生系統(tǒng)(Combined heat and power system)13（圖6-2）。Whisper Gen公司在2004年曾生產(chǎn)80,000具住家用微型電熱共生的商業(yè)產(chǎn)品。
圖6-2 微型斯特林引擎電熱共生(CHP)的商業(yè)產(chǎn)品
（數(shù)據(jù)源：www.micropower.co.uk/about/mchp.html）
圖6-3 總統(tǒng)布什視察斯特林能源系統(tǒng)公司的陽光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電裝置
（數(shù)據(jù)源：www.pureenergysystems.com/news/20...）
2005年8月8日，美國總統(tǒng)布什視察斯特林能源系統(tǒng)(Stirling Energy Stytem)公司在圣地亞國家實驗室的陽光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電原型裝置（圖6-3），并于當?shù)睾炇鹉茉捶ò浮Ｒ钊漳霞又輴鄣仙?/span>(Southern California Edison)與斯特林能源系統(tǒng)公司簽約，預定在洛杉磯北方建造一座占地45,00英畝(1.9 km2)的巨型太陽能發(fā)電廠，采用陽光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電技術，藉總和直徑約39英尺(11m)的82片組合反射鏡聚焦，加熱位于焦點的4氣缸α型斯特林引擎(4-95 Mark Ⅱ )（圖6-4），以72支鎳基超合金(Inconel)細管制成的熱區(qū)(receiver)，運轉時溫度高達700゜C以上，高壓氫氣最高壓可達200倍大氣壓，轉速約1800rpm，在每平方公尺1,000W的陽光下，能產(chǎn)生25KW的電力。從2007年底開始為期4年，將裝設20,000具，總發(fā)電量達500MW，超過全美所有太陽能發(fā)電裝置的總和，足可滿足一個小鎮(zhèn)的電力需求。若雙方同意，還再多花兩年，增加陽光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電機組至34,000具，發(fā)電量增至850MW14。
圖6-4 4氣缸α型斯特林引擎(4-95 Mark Ⅱ)之示意圖，以及實物攝影（鎳基超合金細管制成的熱區(qū)(receiver)清晰可見）
（數(shù)據(jù)源：www.pureenergysystems.com/news/20...）
這座全球最大的太陽能發(fā)電廠，發(fā)電效率是一般太陽能光電池的兩倍，電價也比其他太陽能發(fā)電技術便宜許多，不需加州政府補貼即可商業(yè)運轉，為人類大規(guī)模利用太陽能立下劃時代的里程碑，也揭開斯特林引擎商業(yè)化的序幕。
六、璀璨的未來
幾乎沒有其他的引擎，像斯特林引擎這樣，在這么廣的領域中均具有實際應用的可行性，而又可針對工作條件，在尺寸、構造、性能等方面有如此大的設計彈性。
隨著材料科學和加工工藝日新月異，石油價格節(jié)節(jié)攀高，減碳環(huán)保逐漸形成國際社會的共識；再加上大規(guī)模量產(chǎn)斯特林引擎已經(jīng)開始，社經(jīng)條件更臻成熟，除了太陽能發(fā)電的前景可期之外，斯特林引擎在其他能源領域也深具潛力，在新的能源時代，勢必扮演更全面的角色。
（一）核能
探測離太陽1.5天文單位（大約火星軌道）之外的太空，因陽光強度減弱，一般太陽能電池的發(fā)電量就不敷使用。美國太空總署于是成功研發(fā)了一系列使用核燃料的自由活塞斯特林引擎15，并驅動線性交流發(fā)電機(linear alternator)發(fā)電（見圖4-5），以提供深太空探測任務所需的電力。2004年美國布什總統(tǒng)宣布2018年重登月球的計劃，月球表面甚至火星表面的核能斯特林引擎發(fā)電站又受到矚目16。事實上，地面的核能電廠，若以斯特林引擎取代蒸汽渦輪機，可簡化電廠之設備，提高安全性和降低維修成本，并充分發(fā)揮核能技術進步的成果。
（二）地熱
根據(jù)統(tǒng)計，地熱能源的蘊藏量，約為煤能源總量的1.7億倍，地熱發(fā)電具有潔凈、占地面積有限、不受天候及天災影響，24小時全年無休穩(wěn)定供電等優(yōu)點。
斯特林引擎設計的彈性很大，在不同溫差之下均能運轉，恰能配合壓力、溫度個別差異很大的地熱。一般地熱僅100~200゜C，已可直接用來推動斯特林引擎（如果采用汽渦輪機，則須采用閃蒸法這類技術和設備）。1970年代Los Alamos Labs提出干熾熱巖(Hot Dry Rock)地熱發(fā)電，使地熱發(fā)電更不受地點之限制；未來如果大深度鉆井和熔巖(Molten Rock)地熱的開采技術有所突破，斯特林引擎地熱發(fā)電將為人類提供長期的潔凈能源17。
（三）分散型獨立電力系統(tǒng)18
未來人類使用能源的方式會更為精致，現(xiàn)在以大型集中型電廠為主的電力系統(tǒng)勢必有所調整，更為合理的分散型小區(qū)電廠將成為主流，廢物利用或就地取材附近的多元能源，以潔凈能源及傳統(tǒng)燃料搭配就近適當處理的垃圾或農(nóng)業(yè)廢棄物，作為燃料，就近提供附近用戶電力，省去長途運輸大量燃料和大規(guī)模配電的成本，避免大型電廠故障的風險，斯特林引擎恰好可以實現(xiàn)這樣的轉型。
（四）交通用的斯特林引擎
雖然在某些場合，斯特林引擎有預熱時間長，不易立即停機、迅速變換輸出功率的限制，但斯特林引擎可用爆炸性較低的燃料、污染少、振動小、噪音低、效率不因爬升高度而變化、安全可靠，正符合航空引擎的要求，航空用斯特林引擎曾也被提出。此外除了作為軍事潛艇的推進系統(tǒng)之外，研究人員也評估過斯特林引擎作為大型船只動力的效益19。即便現(xiàn)代人已習慣了大馬力的汽油引擎車，美國能源部(DOE)早期仍提供經(jīng)費支持相關研究，美國太空總署、福特汽車公司都曾參與，發(fā)展出Mod I，Mod II，P-40等車用斯特林引擎20。2007年底，使用固態(tài)生質燃料的電力-斯特林引擎混合(hybrid)車（原型）在瑞典推出。雖然整個社經(jīng)條件的慣性偏好汽油引擎車，但斯特林引擎在時機成熟時應用在交通動力的可行性，無庸置疑。
七、能源政策和能源教育
斯特林引擎作為能源研究的主題，之所以值得投入更多的資源，是因為一方面它是能源多元化的可行技術21，實用化和商業(yè)價值均可預期；另一方面，即便先進國家已投入龐大的資源全力研發(fā)，但仍有極大的原創(chuàng)及改良空間，后起者仍可作出重大成就22。
斯特林引擎作為能源教育的主題，內容可深入淺出、可簡可繁，適合各級學校學生參與，也適合大眾加入，參與者置身制作小引擎的童話世界，享受驚奇和創(chuàng)作樂趣，在印象深刻的寓教于樂中，啟發(fā)下一代日后開發(fā)新能源的興趣與眼界，厚植研發(fā)潛力，培養(yǎng)民眾以科學力量解決能源問題的態(tài)度，進而充實國家能源政策。
今日世界的先進國家，多是工業(yè)革命起步較早的國家，能源關乎整個國家的盛衰。負責任的能源政策，除了要有解決燃眉之急的方案之外，更要有前瞻的縱深。能源科技的研發(fā)和教育，都應該是能源政策的重要環(huán)節(jié)，開發(fā)潔凈的永續(xù)能源是石油能源危機的唯一出路，國際社會全體成員均責無旁貸，我們更應迎頭趕上。
參考數(shù)據(jù)：
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[20] W. D. Ernst and R. K. Shaltens, “Automotive Stirling Engine Development Project”, DOE/NASA/0032-34, NASA CR-190780 MTI Report 91TR15 (1997).
[21] 周鑑恆，”微型史特林引擎太陽能發(fā)電”，論文彙編，244-250頁，第二屆電資科技應用與發(fā)展學術研討會(2007年)， 萬能科技大學。
[22] 高晞均，”非華麗一族的微笑理論”，科學月刊，2007年11月號，834-839頁。
