空間高溫區(qū)自由活塞斯特林發(fā)電機工作特性試驗研究

劉 賀，池春云，李瑞杰，林明嬙，牟 健，洪國同

(1.中國科學院理化技術(shù)研究所中國科學院空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049)

深空探測是未來空間資源開發(fā)與利用、科學技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的重要領(lǐng)域。而首先需解決的是長時間飛行的動力供給問題。目前空間探測常使用太陽能或化學燃料作為能源[1-2]，但由于光照的限制及惡劣的深空環(huán)境，傳統(tǒng)的能源供給方式存在局限性，亟需一種新型空間電源系統(tǒng)。斯特林發(fā)電機是具有發(fā)展前景的能量轉(zhuǎn)換裝置之一，作為一種外燃機，其基于斯特林循環(huán)，將熱能轉(zhuǎn)化為動能，并耦合直線交流電機將動能轉(zhuǎn)換為電能。與帶有機械連桿的傳統(tǒng)斯特林發(fā)電機相比，自由活塞斯特林發(fā)電機(FPSG)無需潤滑，動力活塞和配氣活塞依靠熱動力學實現(xiàn)強耦合[3-5]，具有效率高、可靠性高、壽命長、免維修、噪聲小等優(yōu)點[6]，適合于空間應用。

由于空間環(huán)境的特殊性，空間電源的余熱需要靠輻射板輻射排出。輻射板往往是空間飛行器中尺寸最大的部件，其體積與質(zhì)量直接影響了探測器的整體布局、發(fā)射質(zhì)量與工程設(shè)計的難度等[7]。因此，降低輻射板的體積和質(zhì)量為空間電源研制過程中的重要一環(huán)。在散熱量一定的情況下，輻射板的面積與輻射溫度的四次方成反比。例如，10 kW 級空間斯特林電源系統(tǒng)在300 K 的輻射溫度時，所需輻射面積約為80 m2，遠大于國際空間站的輻射板面積(42.43 m2)。因此，提升輻射溫度是減小輻射板面積的有效途徑[8-9]。提升發(fā)電機的冷端溫度，在加熱功率不變的情況下，其熱端溫度隨之上升，發(fā)電機的做功能力也會隨著運行溫區(qū)升高而下降。因此研制能在高溫區(qū)高效運行的斯特林發(fā)電機是斯特林熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的必然發(fā)展方向。

針對于高運行溫區(qū)的自由活塞斯特林發(fā)電機的研發(fā)，國內(nèi)外均有一些相關(guān)的研究成果。21 世紀初期，Sunpower公司在EE-80 基礎(chǔ)上針對空間環(huán)境進行優(yōu)化，研制了ASC 系列機型[10-11]，ASC-E2 的加熱器頭改為Mar-M-247 并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，在熱端1 123 K 時可安全運行，達到37.7%的轉(zhuǎn)換效率。2016 年，NASA和Sunpower 公司[12]基于ASC 機型的直線電機ASCLA 進行了優(yōu)化，研制了應用于高溫區(qū)發(fā)電機的直線電機(HTLA)，其工作溫度可達475 K，設(shè)計頻率為102 Hz，未來將用于空間放射性同位素電力系統(tǒng)(RPS)。Sunpower 公司在NASA 的資助下，提出25 kW的FPSG 的設(shè)計方案，其設(shè)計溫區(qū)為525～1 050 K，設(shè)計效率為29%[8-9]，但并未有樣機測試的報道。20世紀90 年代，MTI公司為了測試高溫區(qū)運行的可行性，研制了12.5 kW 級FPSG(CTPC)[13-15]，在運行溫區(qū)為525～1 050 K 時達到22%的效率，但并未進行高溫區(qū)的長壽命測試，因此其可靠性待驗證。航天五院510所研制的對置斯特林發(fā)電系統(tǒng)在空間站完成了首次試驗，驗證了斯特林發(fā)電技術(shù)空間應用的可行性，其運行溫區(qū)為370～823 K，熱電轉(zhuǎn)換效率為24.7%。

針對高運行溫區(qū)自由活塞斯特林發(fā)電機的規(guī)律性研究中，池春云等搭建試驗系統(tǒng)研究了冷端溫度由300 K 升至330 K 時對發(fā)電機的熱端溫度和輸出特性的影響[16]。Fan 等建立了月球表面核動力系統(tǒng)斯特林循環(huán)效率的預測模型，分析了熱端溫度和冷端溫度對系統(tǒng)效率的影響，研究表明，熱端溫度存在最優(yōu)值1 050 K，其最高效率為29%，而降低冷端溫度可顯著提高熱效率，但需考慮冷端溫度降低對系統(tǒng)體積與質(zhì)量的影響[17]。Chen 等建立了β型FPSE的動力學-熱力學耦合模型，對其相位特性進行了分析，結(jié)果表明，活塞之間的相位角與熱端溫度成正相關(guān)，冷端溫度則反之，并且存在溫度無關(guān)點，使相位角不受雙側(cè)溫度影響[18]。Jia 等[19]設(shè)計實驗測試高溫端對環(huán)境熱損失隨熱端溫度的變化規(guī)律，結(jié)果表明，熱端溫度由293 K 升至873 K，高溫端向環(huán)境輻射的熱損失變大。

綜上所述，國內(nèi)外關(guān)于自由活塞斯特林發(fā)電機的試驗研究大部分集中于冷端溫度低于400 K 的溫區(qū)，關(guān)于高溫區(qū)發(fā)電機的研制與測試的報道較少。發(fā)電機在高溫區(qū)運行時，主要面臨兩方面挑戰(zhàn)：首先，發(fā)電機在高溫區(qū)運行對其材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計提出挑戰(zhàn)，要保證發(fā)電機在高溫區(qū)的運行安全；再有，發(fā)電機隨著冷端溫度升高，冷熱端溫度比下降，輸出性能下降，需要探究性能的變化規(guī)律及優(yōu)化方向。面對未來國家在深空探測領(lǐng)域的重大需求，需要在高溫區(qū)運行的自由活塞斯特林發(fā)電機。本文建立了高溫區(qū)自由活塞斯特林發(fā)電機試驗系統(tǒng)，測試了高運行溫區(qū)下發(fā)電機的性能，驗證了發(fā)電機結(jié)構(gòu)和材料在高溫區(qū)下運行的可靠性，同時探究不同冷端溫度下，外負載、運行壓力和加熱功率等參數(shù)對發(fā)電機熱端溫度、頻率、輸出功率和電電效率等輸出特性的影響規(guī)律，對發(fā)電機在不同溫區(qū)下運行時的性能優(yōu)化有指導意義。

1 發(fā)電機結(jié)構(gòu)與原理

高溫區(qū)FPSG 包括熱端換熱器、冷端換熱器、回熱器、配氣活塞、動力活塞、板彈簧、膨脹腔、壓縮腔、背壓腔、直線電機等多部分，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。發(fā)電機內(nèi)部的氣體工質(zhì)通過熱端換熱器吸收外部熱源的熱量，通過冷端換熱器排出多余的熱量，產(chǎn)生壓力波動，迫使配氣活塞和動力活塞往復運動，最終，動力活塞的往復運動通過與其耦合的線性交流電機轉(zhuǎn)換為電能，即線圈切割磁感線產(chǎn)生電勢差，在線圈所連接的外部電路輸出電能。

圖1 百瓦高溫區(qū)FPSG結(jié)構(gòu)示意圖

高溫區(qū)FPSG 的基本結(jié)構(gòu)與常溫區(qū)一致，但是相較于常溫區(qū)，對其設(shè)計提出了更高的挑戰(zhàn)。提升運行溫區(qū)可能使發(fā)電機產(chǎn)生線性電機失效、熱頭熱應力集中、高溫蠕變疲勞等問題，嚴重威脅發(fā)電機的運行安全，同時，換熱器需克服高熱流密度傳熱的問題。針對上述問題，中國科學院空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點實驗室開展了系統(tǒng)研究，成功研制了一臺百瓦高溫區(qū)FPSG，發(fā)電機設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 高溫區(qū)樣機設(shè)計參數(shù)

2 系統(tǒng)搭建

試驗系統(tǒng)如圖2 所示，主要包括外負載、功率計、真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、水冷機組、模溫機、加熱電源、激勵電源、測量采集系統(tǒng)等。真空系統(tǒng)包括機械泵和分子泵，測試前，真空系統(tǒng)將發(fā)電機內(nèi)部的壓力降至10－4Pa，保證充氣后發(fā)電機運行時內(nèi)部無雜質(zhì)氣體。然后，充氣系統(tǒng)為發(fā)電機充入氦氣。調(diào)節(jié)加熱電源的輸出電壓，通過加熱棒為發(fā)電機熱端提供加熱功率。Qin當發(fā)電機升溫至啟動溫度時，激勵電源可以給予發(fā)電機瞬時的正弦電信號，激勵發(fā)電機啟動，外負載消耗發(fā)電機輸出的電功率Pout。水冷機提供冷卻水以冷卻負載和模溫機，模溫機提供冷卻水以冷卻發(fā)電機的冷端，通過設(shè)置模溫機的溫度，可以控制發(fā)電機冷端溫度Tc。測量采集系統(tǒng)包括功率計、壓力傳感器、熱電偶溫度計等，采集試驗過程中發(fā)電機各部分的溫度、壓力、功率、頻率等數(shù)據(jù)，并傳輸至Labview 軟件中，監(jiān)測發(fā)電機的運行情況。發(fā)電機的電電效率為ηee=Pout/Qin。此處的電電效率與熱電效率存在區(qū)別，電電效率中的加熱功率為加熱電源輸出的加熱電功率，而熱電效率中的加熱功率為發(fā)電機內(nèi)部氣體工質(zhì)得到的熱量，即加熱電功率減去熱端到環(huán)境的漏熱，表達式為ηte=Pout/(Qin-Qloss)。

圖2 高溫區(qū)FPSG試驗系統(tǒng)

3 結(jié)果與討論

3.1 高溫區(qū)樣機性能測試

利用圖2 所示的試驗系統(tǒng)測試高溫區(qū)樣機的輸出性能。發(fā)電機在運行壓力4.25 MPa、運行溫區(qū)323.37～752.06 K 時，頻率為78.15 Hz，輸出功率為136.4 W，電電效率為27.1%。發(fā)電機在運行壓力4.31 MPa、運行溫區(qū)為495～1 058 K 時，頻率為77.33 Hz，輸出功率為103.7 W，電電效率為20.5%。

為了進一步掌握發(fā)電機性能變化規(guī)律，測試了負載、運行壓力、加熱功率等因素對發(fā)電機輸出功率、電電效率、熱端溫度、頻率等輸出特性的影響。

3.2 負載的影響

實驗分別測試了運行壓力4.4 MPa，加熱功率500 W 時，340、370、400 和460 K 四種冷端溫度下發(fā)電機的電電效率、輸出功率、熱端溫度和頻率隨負載的變化規(guī)律，如圖3 所示。在冷端溫度相同時，當負載由65 Ω 增加至85 Ω，發(fā)電機的電電效率、輸出功率、熱端溫度和頻率均呈現(xiàn)下降的趨勢。例如，冷端溫度為400 K 時，發(fā)電機的電電效率由21.27%降至19.89%，輸出功率由107.33 W 降至100.1 W，熱端溫度由842.35 K 降至794.67 K，頻率由77.75 Hz 降低至77.67 Hz。這是因為外負載與動力活塞的電磁阻尼成負相關(guān)，外負載增加使活塞運動的阻尼減小，動子的振幅增大，使得更多的熱量轉(zhuǎn)化為功，熱端溫度降低。但熱端溫度降低會使熱力學循環(huán)效率降低，進而影響整機效率。綜合上述因素，外負載由65 Ω 增加到85 Ω 時，發(fā)電機的電電效率下降。

圖3 不同冷端溫度時發(fā)電機輸出性能隨負載的變化

在外負載相同時，當冷端溫度由340 K 升高到460 K，發(fā)電機的輸出功率和電電效率下降、熱端溫度升高，例如外負載為75 Ω 時，發(fā)電機的電電效率由23.28% 降至18.53%，輸出功率由118.09 W 降至93.61 W，熱端溫度由752.48 K 升高到891.69 K。這是由于發(fā)電機的冷端溫度提升使發(fā)電機的冷熱端溫度比降低，發(fā)電機吸收熱量轉(zhuǎn)化為功的能力降低，而熱端的加熱功率不變，則發(fā)電機熱端存儲的熱量增加，發(fā)電機的熱端溫度上升。而頻率隨著冷端溫度的增加而降低，首先是由于發(fā)電機的運行溫度提高后，氣體粘性系數(shù)升高，運動阻尼增大，頻率降低；其次板彈簧的楊氏模量隨溫度升高而降低，板彈簧的自然頻率降低，頻率降低。冷端溫度升高時，負載對發(fā)電機輸出性能的影響趨勢幾乎沒有變化。

3.3 運行壓力的影響

圖4 展示了外負載為85 Ω、加熱功率500 W 時，340、400 和460 K 三種冷端溫度下發(fā)電機的電電效率、輸出功率、熱端溫度、頻率隨運行壓力的變化規(guī)律。在冷端溫度相同時，當運行壓力由3.9 MPa 升至4.7 MPa，發(fā)電機的熱端溫度呈下降趨勢。例如，冷端溫度為400 K 時，發(fā)電機的熱端溫度由816.3 K 降至803.38 K。這是由于運行壓力升高時，發(fā)電機內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量越大，從發(fā)電機熱端吸收的熱量越多，加熱功率保持不變，則發(fā)電機的熱端溫度降低。發(fā)電機的頻率隨運行壓力的升高而升高。例如，冷端溫度為400 K 時，發(fā)電機的頻率由75.97 Hz 升高至78.89 Hz。這是由于運行壓力升高時，發(fā)電機內(nèi)部氣體彈簧剛度增加，振動系統(tǒng)的自然頻率增加，發(fā)電機的頻率顯著增加。發(fā)電機的電電效率、輸出功率隨著運行壓力的升高而下降，例如，冷端溫度為400 K 時，發(fā)電機的電電效率由20.24%降至19.87%，輸出功率由101.97 W 降至99.99 W。這是由于運行壓力的增加減小了動力活塞與配氣活塞的相位角，發(fā)電機的做功能力下降，在工質(zhì)質(zhì)量、熱端溫度、相位角多重因素的綜合影響下，發(fā)電機的電電效率下降。

圖4 不同冷端溫度時發(fā)電機輸出性能隨運行壓力的變化

在相同的運行壓力下，冷端溫度由340 K 升至460 K 時，發(fā)電機的電電效率、輸出功率、頻率降低，熱端溫度升高。例如，運行壓力4.3 MPa 時，發(fā)電機的電電效率由22.27% 降至18.24%，輸出功率由111.64 W 降至92.07 W，頻率由77.82 Hz 降至77.06 Hz，熱端溫度由748.54 K 升高至877.55 K。冷端溫度升高時，運行壓力對發(fā)電機輸出特性的影響規(guī)律不變。

3.4 加熱功率的影響

圖5 為運行壓力4.4 MPa，負載75 Ω 時，340、400和460 K 三種不同冷端溫度時加熱功率對發(fā)電機的電電效率、輸出功率、熱端溫度、頻率的影響規(guī)律。相同冷端溫度時，發(fā)電機的電電效率、熱端溫度隨加熱功率增加呈升高趨勢。例如，冷端溫度為400 K時，當加熱功率由450 W 變化到550 W，電電效率由20.52%升至20.72%，熱端溫度由800.61 K 升高至844.83 K。這是由于發(fā)電機的熱端溫度與加熱功率呈正相關(guān)，加熱功率升高意味著熱端溫度升高，發(fā)電機的冷熱端溫度比提高，進而提高理想循環(huán)的效率。而發(fā)電機的頻率隨加熱功率的增加而增加。例如，冷端溫度為400 K 時，當加熱功率由450 W 變化到550 W，頻率由77.61 Hz 升高至77.88 Hz。這是由于加熱功率增大時，動力活塞的振幅增大，板彈簧的剛度隨振幅會有略微增大，提高了振動系統(tǒng)的自然頻率，進而提高發(fā)電機的頻率。

圖5 不同冷端溫度時發(fā)電機輸出性能隨加熱功率的變化

在相同的加熱功率下，冷端溫度由340 K 升高到460 K 時，發(fā)電機的電電效率、頻率降低，熱端溫度增加，而冷端溫度提升對發(fā)電機的輸出特性隨加熱功率變化的規(guī)律無影響。

4 結(jié)論

搭建了實驗測試系統(tǒng)，研究了不同冷端溫度條件下加熱功率、運行壓力以及外負載對高溫區(qū)FPSG輸出特性的影響規(guī)律。

主要結(jié)果如下：

(1)同一冷端溫度時，發(fā)電機的輸出功率、電電效率、熱端溫度與負載、運行壓力的變化在正常工作范圍內(nèi)成負相關(guān)關(guān)系，與加熱功率的變化成正相關(guān)；例如，在冷端溫度為400 K 時，當負載由65 Ω 增加至85 Ω，發(fā)電機的輸出功率、電電效率、熱端溫度相對原值，分別降低5.8%、6.5%和5.7%，當運行壓力由3.9 MPa 升至4.7 MPa，分別降低1.94%、1.83%和1.58%；發(fā)電機的頻率隨負載的增加而降低，隨著加熱功率、運行壓力的增加而增加。

(2)其他因素保持不變時，提升冷端溫度，發(fā)電機的輸出功率、電電效率、頻率呈下降趨勢，熱端溫度呈上升趨勢。這是由于冷端溫度提高使冷熱端溫度比降低，發(fā)電機的做功能力降低，熱端的熱量聚積，氣體的粘性阻尼增加。

(3)發(fā)電機的輸出特性隨外負載、加熱功率、運行壓力的變化規(guī)律并沒有因冷端溫度的變化而受影響。340、400 和460 K 三種冷端溫度下，外負載、加熱功率和運行壓力對發(fā)電機輸出特性的影響規(guī)律基本一致。

(4)經(jīng)過測試，該發(fā)電機在運行壓力4.3 MPa，運行溫區(qū)為495～1 058 K 時，輸出功率為103.681 W，電電效率為20.5%。