池春云 牟 健 林明嬙 洪國(guó)同 王新平

（1 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所,中國(guó)科學(xué)院空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

（3 中國(guó)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(cè)是未來(lái)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(jī)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(jiǎn)單、噪音和振動(dòng)小、能源適用性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),適合于特殊的深空探測(cè)環(huán)境[2-4],因此,成為了國(guó)際上航天強(qiáng)國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)。

20 世紀(jì)90 年代,美國(guó)宇航局（NASA）就著手于空間百瓦級(jí)自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)的研究,旨在替代效率較低的同位素溫差發(fā)電機(jī)。Infinia 公司率先研制了技術(shù)演示機(jī)（TDC）,在熱端和冷端溫度分別為650 ℃和50 ℃時(shí),該發(fā)電機(jī)運(yùn)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(jìn)斯特林發(fā)電機(jī)（ASC）。通過(guò)大量的性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)優(yōu)化,研制了一系列機(jī)型,2012 年該機(jī)型的優(yōu)化基本完成,其中ASC-E 在熱端850 ℃,冷端90 ℃時(shí),發(fā)電機(jī)的輸出功率為88 W,熱電效率達(dá)到38%[6-7]。但是因?yàn)閲?guó)外產(chǎn)品禁運(yùn)以及國(guó)內(nèi)起步較晚,相較于國(guó)外,國(guó)內(nèi)關(guān)于該技術(shù)的研究相對(duì)滯后。中國(guó)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(jī),但并未報(bào)道實(shí)驗(yàn)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(jī),發(fā)電功率為30.5 W,比功率為17.8 W/kg[8]。2016 年中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所研制了百瓦氣體軸承斯特林發(fā)電機(jī),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(guó)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(jī),最大輸出電功率為122.2 W,效率為17.4%。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知,國(guó)內(nèi)的百瓦自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)與國(guó)外仍存在較大差距?；谥袊?guó)未來(lái)在深空探測(cè)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(jī)。本研究設(shè)計(jì)并研制了一臺(tái)百瓦自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)樣機(jī),搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試其輸出性能,并探究了各參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出性能的影響,為未來(lái)自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)的性能優(yōu)化提供參考。

2 發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)基于斯特林循環(huán),理論效率可以達(dá)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(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力活塞振動(dòng)系統(tǒng)、加熱器、回?zé)崞?、冷卻器、膨脹腔、壓縮腔和直線電機(jī)等多個(gè)部件組成,結(jié)構(gòu)如圖1 所示。因?yàn)閯?dòng)圈式直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠,且易于控制活塞行程,適合百瓦級(jí)發(fā)電機(jī)的應(yīng)用,故實(shí)驗(yàn)室研制的百瓦級(jí)自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)采用了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合動(dòng)圈式直線電機(jī)的方案。同時(shí),該發(fā)電機(jī)采用了間隙動(dòng)密封、板彈簧支撐、高效直線電機(jī)、高效換熱器等關(guān)鍵技術(shù),大幅降低了振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械磨損,提升了換熱器的換熱效率,降低了發(fā)電機(jī)的質(zhì)量,有效提升了發(fā)電機(jī)的熱電效率、穩(wěn)定運(yùn)行性以及壽命。

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

3 發(fā)電機(jī)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究

搭建了發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),采用動(dòng)態(tài)測(cè)試手段對(duì)發(fā)電機(jī)的冷/熱端溫度、運(yùn)行壓力、運(yùn)行頻率、輸出功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)探究了動(dòng)力活塞板簧剛度、配氣活塞板簧剛度、充氣壓力、外負(fù)載、冷端溫度等參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出性能的影響,為未來(lái)自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)的優(yōu)化提供參考。

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的搭建

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、激勵(lì)系統(tǒng)、負(fù)載測(cè)試系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5 個(gè)部分組成,其系統(tǒng)組成如圖2 所示,實(shí)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(guò)手動(dòng)調(diào)整加熱電源的電壓可以為發(fā)電機(jī)提供不同的加熱功率,通過(guò)功率計(jì)測(cè)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(jī)組,利用循環(huán)水流經(jīng)冷卻器帶走發(fā)電機(jī)冷端排除的熱量。真空系統(tǒng)旨在保障發(fā)電機(jī)內(nèi)氣體工質(zhì)的純度,在實(shí)驗(yàn)前抽除實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的氣體,再將氦氣充入發(fā)電機(jī)內(nèi)。激勵(lì)系統(tǒng)主要由激勵(lì)電源與開(kāi)關(guān)組成,當(dāng)發(fā)電機(jī)熱端升溫至一定值,設(shè)置正弦電信號(hào)快速關(guān)閉開(kāi)關(guān)激勵(lì)發(fā)電機(jī)啟動(dòng),當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后迅速關(guān)閉開(kāi)關(guān),切斷其與發(fā)電機(jī)的連接。此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的電功率完全消耗在外部負(fù)載上,利用功率計(jì)測(cè)量即可獲得發(fā)電機(jī)的輸出功率Pout。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)被固定在減振臺(tái)上,以減少發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)。利用K 型熱電偶和鉑電阻溫度計(jì)分別測(cè)量發(fā)電機(jī)的熱、冷端溫度,當(dāng)熱端溫度在5 s 內(nèi)的波動(dòng)小于0.01 K 時(shí),認(rèn)為發(fā)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。溫度計(jì)和功率計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)軟件Labview 傳輸至計(jì)算機(jī)中,并顯示出實(shí)時(shí)曲線。發(fā)電機(jī)的熱電效率表達(dá)式為:Eff=Pout/Qin。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment test system

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 Physical diagram of experimental test system diagram

3.2 各參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)性能的影響

3.2.1 配氣活塞板彈簧剛度的影響實(shí)驗(yàn)

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(shí)發(fā)電機(jī)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(jī)的輸出功率與熱電效率先增加后減小,即當(dāng)配氣活塞板簧剛度為21.6 N/mm 時(shí),輸出功率和熱電效率達(dá)到最大值,分別為114 W 和22.9%,此時(shí)熱端溫度最低為821.5 K。發(fā)電機(jī)的運(yùn)行頻率與配氣活塞板簧剛度成正相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)榕錃饣钊寤蓜偠鹊脑黾邮沟门錃饣钊駝?dòng)系統(tǒng)的自然頻率升高,而運(yùn)行頻率與兩個(gè)活塞振動(dòng)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(yùn)行頻率,同時(shí)活塞相位角與振幅都會(huì)發(fā)生改變,存在一個(gè)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(duì)發(fā)電機(jī)輸出性能的影響Fig.4 Influence of displacer spring stiffness on output performance of the generator

3.2.2 動(dòng)力活塞板彈簧剛度的影響實(shí)驗(yàn)

圖5 為同一工況下不同動(dòng)力活塞板簧剛度下發(fā)電機(jī)的輸出特性。當(dāng)動(dòng)力活塞板簧剛度為8.8 N/mm時(shí),發(fā)電機(jī)輸出功率為106.2 W,熱電效率為21.29%。當(dāng)動(dòng)力活塞板簧剛度升至14.5 N/mm 時(shí),發(fā)電機(jī)輸出性能達(dá)到最佳,輸出功率為110.9 W,熱電效率為22.17%。當(dāng)動(dòng)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?yàn)閯?dòng)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(gè)最佳耦合情況。熱端溫度與運(yùn)行頻率與動(dòng)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(shí)的817.9 K 升至21.5 N/mm 時(shí)的896.3 K。

圖5 動(dòng)力活塞板彈簧剛度對(duì)發(fā)電機(jī)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(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行頻率產(chǎn)生較大的影響,詳情見(jiàn)圖6?？梢钥闯霭l(fā)電機(jī)頻率對(duì)配氣活塞板簧剛度的變化更為敏感。動(dòng)力活塞板簧剛度從8.5 N/mm 增加至21.6 N/mm,運(yùn)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(yùn)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(duì)較小,故其板簧剛度變化對(duì)頻率產(chǎn)生更大影響。

圖6 板彈簧剛度對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行頻率的影響Fig.6 Influence of spring stiffness on operating frequency of generator

3.2.3 運(yùn)行壓力的影響實(shí)驗(yàn)

發(fā)電機(jī)的運(yùn)行壓力與氣體工質(zhì)的質(zhì)量成正比,而發(fā)電機(jī)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(yùn)行壓力的增加,工質(zhì)質(zhì)量增加,但是配氣活塞、動(dòng)力活塞之間的相位角逐漸減小。同時(shí)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)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(jī)的理想卡諾效率降低。多種因素共同作用,因此運(yùn)行壓力存在最佳值。圖7 為不同運(yùn)行壓力下發(fā)電機(jī)輸出性能的變化。輸出功率和熱電效率隨著運(yùn)行壓力的增加先增加后減小,當(dāng)與運(yùn)行壓力為4.14 MPa 時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出性能達(dá)到最佳,輸出功率為124.4 W,熱電效率為25.33%。

圖7 運(yùn)行壓力對(duì)發(fā)電機(jī)輸出性能的影響Fig.7 Influence of operating pressure on output performance of generator

3.2.4 外負(fù)載的影響實(shí)驗(yàn)

圖8 為外負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)輸出性能的影響情況。外負(fù)載直接影響電磁阻尼,從而影響動(dòng)力活塞的振幅,進(jìn)而影響整機(jī)熱力學(xué)循環(huán)。由圖8 可知,當(dāng)外負(fù)載為70 Ω 時(shí),發(fā)電機(jī)的輸出功率和熱電效率達(dá)到最佳值,分別為123 W 和24.79%。外負(fù)載與發(fā)電機(jī)的熱端溫度、運(yùn)行頻率均成反比例關(guān)系。當(dāng)外負(fù)載為60 Ω 時(shí),發(fā)電機(jī)的熱端穩(wěn)定溫度為910.3 K,運(yùn)行頻率為71.87 Hz。當(dāng)外負(fù)載為70 Ω 時(shí),發(fā)電機(jī)的熱端穩(wěn)定溫度為855.7 K,運(yùn)行頻率為71.59 Hz。而當(dāng)外負(fù)載增加至90 Ω 時(shí),其相應(yīng)的數(shù)值為789.3 K、71.06 Hz。這是因?yàn)橥庳?fù)載與動(dòng)力活塞的阻尼成反比例關(guān)系,更大的外負(fù)載意味著更小的動(dòng)力活塞阻尼,動(dòng)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(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn)

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(jī)的輸出特性情況。從圖9 可以看出冷端溫度的上升會(huì)使得發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的熱端溫度上升,即整體運(yùn)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?yàn)槔涠藴囟鹊纳呤沟冒l(fā)電機(jī)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(jī)熱端溫度有所上升。實(shí)質(zhì)上影響發(fā)電機(jī)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(jī)的輸出性能降低。運(yùn)行頻率與冷端溫度成正比例關(guān)系,即運(yùn)行頻率隨著整體運(yùn)行溫度的升高而增加。

圖9 冷端溫度對(duì)發(fā)電機(jī)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(guò)對(duì)上述影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,獲得了百瓦發(fā)電機(jī)樣機(jī)的最佳參數(shù)。在運(yùn)行壓力為3.8 MPa,熱端溫度890 K,冷端溫度298.5 K 時(shí),運(yùn)行頻率為71.9 Hz,最大輸出功率為125.2 W,此時(shí)加熱功率為492.2 W,熱電效率為25.4%,實(shí)物照片如圖10所示。

圖10 百瓦發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖Fig.10 Physical picture of 100 W generator test prototype

4 結(jié) 論

搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)并對(duì)實(shí)驗(yàn)室研制的百瓦自由活塞斯特林發(fā)電機(jī)進(jìn)行性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了配氣活塞板簧剛度、動(dòng)力活塞板簧剛度、運(yùn)行壓力、外負(fù)載和冷端溫度等因素對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率、熱電效率、運(yùn)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(dòng)力活塞板簧剛度與配氣板簧剛度均存在一個(gè)最佳值使得發(fā)電機(jī)的輸出功率和熱電效率達(dá)到最佳。發(fā)電機(jī)的運(yùn)行頻率對(duì)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(jī)熱端穩(wěn)定溫度提升,發(fā)電機(jī)整體運(yùn)行溫區(qū)上移,運(yùn)行頻率提升,但是發(fā)電機(jī)的輸出功率和熱電效率呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);

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

（4）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)后,發(fā)電機(jī)在運(yùn)行壓力3.8 MPa,熱端溫度890 K,冷端溫度298.5 K 時(shí),最大輸出功率為125.2 W,熱電效率為25.4%。