空間百瓦自由活塞斯特林發(fā)電機的實驗研究

池春云 牟 健 林明嬙 洪國同 王新平

（1 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所,中國科學(xué)院空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點實驗室 北京 100190）

（2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

（3 中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 上海 200135）

1 引 言

深空探測是未來空間科學(xué)和技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵領(lǐng)域,具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。高效可靠的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)是其亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。而空間自由活塞斯特林發(fā)電機是目前熱電效率最高的外燃式熱電轉(zhuǎn)換裝置,擁有結(jié)構(gòu)簡單、噪音和振動小、能源適用性強、壽命長、免維護等優(yōu)點,適合于特殊的深空探測環(huán)境[2-4],因此,成為了國際上航天強國重點發(fā)展的技術(shù)。

20 世紀90 年代,美國宇航局（NASA）就著手于空間百瓦級自由活塞斯特林發(fā)電機的研究,旨在替代效率較低的同位素溫差發(fā)電機。Infinia 公司率先研制了技術(shù)演示機（TDC）,在熱端和冷端溫度分別為650 ℃和50 ℃時,該發(fā)電機運行頻率80 Hz,輸出功率55 W,熱電效率20%[5]。2004 年NASA 資助Sunpower 公司研制先進斯特林發(fā)電機（ASC）。通過大量的性能測試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化,研制了一系列機型,2012 年該機型的優(yōu)化基本完成,其中ASC-E 在熱端850 ℃,冷端90 ℃時,發(fā)電機的輸出功率為88 W,熱電效率達到38%[6-7]。但是因為國外產(chǎn)品禁運以及國內(nèi)起步較晚,相較于國外,國內(nèi)關(guān)于該技術(shù)的研究相對滯后。中國空間技術(shù)研究所研制了110 W“T”型自由活塞斯特林發(fā)電機,但并未報道實驗結(jié)果。蘭州空間技術(shù)物理研究所研制了30 W 自由活塞斯特林發(fā)電機,發(fā)電功率為30.5 W,比功率為17.8 W/kg[8]。2016 年中國電子科技集團公司第十六研究所研制了百瓦氣體軸承斯特林發(fā)電機,熱端溫度625 ℃,冷端溫度20 ℃,輸出最大電功率為101.1 W,熱電效率為16.9%[9]。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所于2018 年研制了百瓦自由活塞斯特林樣機,最大輸出電功率為122.2 W,效率為17.4%。

對比國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知,國內(nèi)的百瓦自由活塞斯特林發(fā)電機與國外仍存在較大差距。基于中國未來在深空探測領(lǐng)域的重大需求,亟需發(fā)展高效、高可靠的空間用百瓦自由活塞斯特林發(fā)電機。本研究設(shè)計并研制了一臺百瓦自由活塞斯特林發(fā)電機樣機,搭建了實驗測試系統(tǒng)測試其輸出性能,并探究了各參數(shù)對發(fā)電機輸出性能的影響,為未來自由活塞斯特林發(fā)電機的性能優(yōu)化提供參考。

2 發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)

自由活塞斯特林發(fā)電機基于斯特林循環(huán),理論效率可以達到卡諾效率,是一種高效的熱功轉(zhuǎn)換裝置[10]。其由配氣活塞振動系統(tǒng)、動力活塞振動系統(tǒng)、加熱器、回熱器、冷卻器、膨脹腔、壓縮腔和直線電機等多個部件組成,結(jié)構(gòu)如圖1 所示。因為動圈式直線電機的結(jié)構(gòu)簡單、可靠,且易于控制活塞行程,適合百瓦級發(fā)電機的應(yīng)用,故實驗室研制的百瓦級自由活塞斯特林發(fā)電機采用了斯特林發(fā)動機結(jié)合動圈式直線電機的方案。同時,該發(fā)電機采用了間隙動密封、板彈簧支撐、高效直線電機、高效換熱器等關(guān)鍵技術(shù),大幅降低了振動系統(tǒng)的機械磨損,提升了換熱器的換熱效率,降低了發(fā)電機的質(zhì)量,有效提升了發(fā)電機的熱電效率、穩(wěn)定運行性以及壽命。

圖1 自由活塞斯特林發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of free piston Stirling generator

3 發(fā)電機優(yōu)化實驗研究

搭建了發(fā)電機實驗測試系統(tǒng),采用動態(tài)測試手段對發(fā)電機的冷/熱端溫度、運行壓力、運行頻率、輸出功率等數(shù)據(jù)進行實時測量。實驗探究了動力活塞板簧剛度、配氣活塞板簧剛度、充氣壓力、外負載、冷端溫度等參數(shù)對發(fā)電機輸出性能的影響,為未來自由活塞斯特林發(fā)電機的優(yōu)化提供參考。

3.1 實驗測試系統(tǒng)的搭建

實驗測試系統(tǒng)由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、激勵系統(tǒng)、負載測試系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5 個部分組成,其系統(tǒng)組成如圖2 所示,實物照片如圖3 所示。加熱系統(tǒng)包括加熱電源與加熱棒,通過手動調(diào)整加熱電源的電壓可以為發(fā)電機提供不同的加熱功率,通過功率計測量加熱棒的功率即為加熱功率Qin。冷卻系統(tǒng)主要是水冷機組,利用循環(huán)水流經(jīng)冷卻器帶走發(fā)電機冷端排除的熱量。真空系統(tǒng)旨在保障發(fā)電機內(nèi)氣體工質(zhì)的純度,在實驗前抽除實驗系統(tǒng)內(nèi)的氣體,再將氦氣充入發(fā)電機內(nèi)。激勵系統(tǒng)主要由激勵電源與開關(guān)組成,當發(fā)電機熱端升溫至一定值,設(shè)置正弦電信號快速關(guān)閉開關(guān)激勵發(fā)電機啟動,當發(fā)電機啟動后迅速關(guān)閉開關(guān),切斷其與發(fā)電機的連接。此時發(fā)電機輸出的電功率完全消耗在外部負載上,利用功率計測量即可獲得發(fā)電機的輸出功率Pout。實驗樣機被固定在減振臺上,以減少發(fā)電機運行產(chǎn)生的振動。利用K 型熱電偶和鉑電阻溫度計分別測量發(fā)電機的熱、冷端溫度,當熱端溫度在5 s 內(nèi)的波動小于0.01 K 時,認為發(fā)電機進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。溫度計和功率計的實時數(shù)據(jù)通過軟件Labview 傳輸至計算機中,并顯示出實時曲線。發(fā)電機的熱電效率表達式為:Eff=Pout/Qin。

圖2 實驗測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment test system

圖3 實驗測試系統(tǒng)實物圖Fig.3 Physical diagram of experimental test system diagram

3.2 各參數(shù)對發(fā)電機性能的影響

3.2.1 配氣活塞板彈簧剛度的影響實驗

圖4 展示了同一工況下配氣活塞板簧剛度為14.7 N/mm、21.6 N/mm 和28 N/mm 時發(fā)電機輸出性能情況。由圖可知,隨著配氣活塞板簧剛度的升高,發(fā)電機的輸出功率與熱電效率先增加后減小,即當配氣活塞板簧剛度為21.6 N/mm 時,輸出功率和熱電效率達到最大值,分別為114 W 和22.9%,此時熱端溫度最低為821.5 K。發(fā)電機的運行頻率與配氣活塞板簧剛度成正相關(guān)關(guān)系。這是因為配氣活塞板簧剛度的增加使得配氣活塞振動系統(tǒng)的自然頻率升高,而運行頻率與兩個活塞振動系統(tǒng)的自然頻率密切相關(guān)。配氣活塞板簧剛度的變化不僅影響運行頻率,同時活塞相位角與振幅都會發(fā)生改變,存在一個最佳耦合情況使得其輸出性能最優(yōu)。

圖4 配氣活塞板彈簧剛度對發(fā)電機輸出性能的影響Fig.4 Influence of displacer spring stiffness on output performance of the generator

3.2.2 動力活塞板彈簧剛度的影響實驗

圖5 為同一工況下不同動力活塞板簧剛度下發(fā)電機的輸出特性。當動力活塞板簧剛度為8.8 N/mm時,發(fā)電機輸出功率為106.2 W,熱電效率為21.29%。當動力活塞板簧剛度升至14.5 N/mm 時,發(fā)電機輸出性能達到最佳,輸出功率為110.9 W,熱電效率為22.17%。當動力活塞板簧剛度為21.5 N/mm,輸出功率和熱電效率分別降低至101.7 W 和20.48%。這是因為動力活塞板簧剛度的改變使得相位角與活塞振幅發(fā)生改變,各因素共同作用,存在一個最佳耦合情況。熱端溫度與運行頻率與動力活塞板簧剛度均成正比例關(guān)系。熱端溫度從8.8 N/mm時的817.9 K 升至21.5 N/mm 時的896.3 K。

圖5 動力活塞板彈簧剛度對發(fā)電機輸出特性的影響Fig.5 Influence of piston spring stiffness on output performance of generator

兩種板簧剛度對發(fā)電機運行頻率產(chǎn)生較大的影響,詳情見圖6?？梢钥闯霭l(fā)電機頻率對配氣活塞板簧剛度的變化更為敏感。動力活塞板簧剛度從8.5 N/mm 增加至21.6 N/mm,運行頻率從69.47 Hz 升高至73.76 Hz,板簧剛度增加了1.54 倍,頻率增加了6.17%。而配氣活塞板簧剛度從14.5 N/mm 增加至28 N/mm,運行頻率從67.7 Hz 升高至74.03 Hz,板簧剛度增加了0.93 倍,頻率增加了9.35%。這是由于配氣活塞系統(tǒng)的質(zhì)量相對較小,故其板簧剛度變化對頻率產(chǎn)生更大影響。

圖6 板彈簧剛度對發(fā)電機運行頻率的影響Fig.6 Influence of spring stiffness on operating frequency of generator

3.2.3 運行壓力的影響實驗

發(fā)電機的運行壓力與氣體工質(zhì)的質(zhì)量成正比,而發(fā)電機的輸出性能在一定條件下和工質(zhì)質(zhì)量成正相關(guān)關(guān)系。隨著運行壓力的增加,工質(zhì)質(zhì)量增加,但是配氣活塞、動力活塞之間的相位角逐漸減小。同時發(fā)電機穩(wěn)定運行的熱端溫度降低,導(dǎo)致與冷端溫度的溫差減小,發(fā)電機的理想卡諾效率降低。多種因素共同作用,因此運行壓力存在最佳值。圖7 為不同運行壓力下發(fā)電機輸出性能的變化。輸出功率和熱電效率隨著運行壓力的增加先增加后減小,當與運行壓力為4.14 MPa 時發(fā)電機的輸出性能達到最佳,輸出功率為124.4 W,熱電效率為25.33%。

圖7 運行壓力對發(fā)電機輸出性能的影響Fig.7 Influence of operating pressure on output performance of generator

3.2.4 外負載的影響實驗

圖8 為外負載對發(fā)電機輸出性能的影響情況。外負載直接影響電磁阻尼,從而影響動力活塞的振幅,進而影響整機熱力學(xué)循環(huán)。由圖8 可知,當外負載為70 Ω 時,發(fā)電機的輸出功率和熱電效率達到最佳值,分別為123 W 和24.79%。外負載與發(fā)電機的熱端溫度、運行頻率均成反比例關(guān)系。當外負載為60 Ω 時,發(fā)電機的熱端穩(wěn)定溫度為910.3 K,運行頻率為71.87 Hz。當外負載為70 Ω 時,發(fā)電機的熱端穩(wěn)定溫度為855.7 K,運行頻率為71.59 Hz。而當外負載增加至90 Ω 時,其相應(yīng)的數(shù)值為789.3 K、71.06 Hz。這是因為外負載與動力活塞的阻尼成反比例關(guān)系,更大的外負載意味著更小的動力活塞阻尼,動力活塞的振幅更大,能夠帶走熱端更多的熱量,使得熱端溫度更低。

圖8 外負載對發(fā)電機輸出性能的影響Fig.8 Influence of external load on output performance of generator

3.2.5 冷端溫度的影響實驗

圖9 展示了300 K、318 K、325 K 和330 K 共4 種冷端溫度下發(fā)電機的輸出特性情況。從圖9 可以看出冷端溫度的上升會使得發(fā)電機穩(wěn)定運行的熱端溫度上升,即整體運行溫區(qū)上升。冷端溫度從300 K 上升至330 K,熱端溫度從918 K 上升至934 K。這是因為冷端溫度的升高使得發(fā)電機冷端排除的熱量減少,而熱端吸收的加熱功率保持不變,故發(fā)電機熱端溫度有所上升。實質(zhì)上影響發(fā)電機的輸出性能的因素是熱冷端溫度的比值,圖9 中隨著冷端溫度的上升,熱冷端溫度的比值降低,理想卡諾效率降低,故發(fā)電機的輸出性能降低。運行頻率與冷端溫度成正比例關(guān)系,即運行頻率隨著整體運行溫度的升高而增加。

圖9 冷端溫度對發(fā)電機性能的影響Fig.9 Influence of cold end temperature on output performance of generator

3.3 最佳工況與性能

通過對上述影響因素進行實驗研究,獲得了百瓦發(fā)電機樣機的最佳參數(shù)。在運行壓力為3.8 MPa,熱端溫度890 K,冷端溫度298.5 K 時,運行頻率為71.9 Hz,最大輸出功率為125.2 W,此時加熱功率為492.2 W,熱電效率為25.4%,實物照片如圖10所示。

圖10 百瓦發(fā)電機實驗樣機實物圖Fig.10 Physical picture of 100 W generator test prototype

4 結(jié) 論

搭建了實驗測試系統(tǒng)并對實驗室研制的百瓦自由活塞斯特林發(fā)電機進行性能優(yōu)化實驗,通過實驗探究了配氣活塞板簧剛度、動力活塞板簧剛度、運行壓力、外負載和冷端溫度等因素對發(fā)電機輸出功率、熱電效率、運行頻率、熱端溫度等輸出特性的影響,以下為獲得的一些重要結(jié)論:

（1）同一工況下,動力活塞板簧剛度與配氣板簧剛度均存在一個最佳值使得發(fā)電機的輸出功率和熱電效率達到最佳。發(fā)電機的運行頻率對后者板簧剛度的變化更為敏感;

（2）冷端溫度的升高使得發(fā)電機熱端穩(wěn)定溫度提升,發(fā)電機整體運行溫區(qū)上移,運行頻率提升,但是發(fā)電機的輸出功率和熱電效率呈現(xiàn)下降的趨勢;

（3）運行壓力和外負載的增加能夠有效降低發(fā)電機熱端穩(wěn)定溫度,二者均存在最佳值使得發(fā)電機的輸出性能最佳;

（4）優(yōu)化實驗后,發(fā)電機在運行壓力3.8 MPa,熱端溫度890 K,冷端溫度298.5 K 時,最大輸出功率為125.2 W,熱電效率為25.4%。