空間高溫區自由活塞斯特林發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研究所中國科學院空間功熱轉換技術重點實驗室，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與利用、科學技術發展與創新的重要領域。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境，傳統的能源供給方式存在局限性，亟需一種新型空間電源系統。斯特林發電機是具有發展前景的能量轉換裝置之一，作為一種外燃機，其基于斯特林循環，將熱能轉化為動能，并耦合直線交流電機將動能轉換為電能。與帶有機械連桿的傳統斯特林發電機相比，自由活塞斯特林發電機(FPSG)無需潤滑，動力活塞和配氣活塞依靠熱動力學實現強耦合[3-5]，具有效率高、可靠性高、壽命長、免維修、噪聲小等優點[6]，適合于空間應用。

由于空間環境的特殊性，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，其體積與質量直接影響了探測器的整體布局、發射質量與工程設計的難度等[7]。因此，降低輻射板的體積和質量為空間電源研制過程中的重要一環。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，發電機的做功能力也會隨著運行溫區升高而下降。因此研制能在高溫區高效運行的斯特林發電機是斯特林熱電轉換技術的必然發展方向。

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

針對高運行溫區自由活塞斯特林發電機的規律性研究中，池春云等搭建試驗系統研究了冷端溫度由300 K 升至330 K 時對發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斯特林循環效率的預測模型，分析了熱端溫度和冷端溫度對系統效率的影響，研究表明，熱端溫度存在最優值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體積與質量的影響[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，結果表明，活塞之間的相位角與熱端溫度成正相關，冷端溫度則反之，并且存在溫度無關點，使相位角不受雙側溫度影響[18]。Jia 等[19]設計實驗測試高溫端對環境熱損失隨熱端溫度的變化規律，結果表明，熱端溫度由293 K 升至873 K，高溫端向環境輻射的熱損失變大。

綜上所述，國內外關于自由活塞斯特林發電機的試驗研究大部分集中于冷端溫度低于400 K 的溫區，關于高溫區發電機的研制與測試的報道較少。發電機在高溫區運行時，主要面臨兩方面挑戰：首先，發電機在高溫區運行對其材料選取和結構設計提出挑戰，要保證發電機在高溫區的運行安全；再有，發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律及優化方向。面對未來國家在深空探測領域的重大需求，需要在高溫區運行的自由活塞斯特林發電機。本文建立了高溫區自由活塞斯特林發電機試驗系統，測試了高運行溫區下發電機的性能，驗證了發電機結構和材料在高溫區下運行的可靠性，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對發電機熱端溫度、頻率、輸出功率和電電效率等輸出特性的影響規律，對發電機在不同溫區下運行時的性能優化有指導意義。

1 發電機結構與原理

高溫區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，結構示意圖如圖1 所示。發電機內部的氣體工質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換為電能，即線圈切割磁感線產生電勢差，在線圈所連接的外部電路輸出電能。

圖1 百瓦高溫區FPSG結構示意圖

高溫區FPSG 的基本結構與常溫區一致，但是相較于常溫區，對其設計提出了更高的挑戰。提升運行溫區可能使發電機產生線性電機失效、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換技術重點實驗室開展了系統研究，成功研制了一臺百瓦高溫區FPSG，發電機設計參數如表1 所示。

表1 高溫區樣機設計參數

2 系統搭建

試驗系統如圖2 所示，主要包括外負載、功率計、真空系統、充氣系統、水冷機組、模溫機、加熱電源、激勵電源、測量采集系統等。真空系統包括機械泵和分子泵，測試前，真空系統將發電機內部的壓力降至10－4Pa，保證充氣后發電機運行時內部無雜質氣體。然后，充氣系統為發電機充入氦氣。調節加熱電源的輸出電壓，通過加熱棒為發電機熱端提供加熱功率。Qin當發電機升溫至啟動溫度時，激勵電源可以給予發電機瞬時的正弦電信號，激勵發電機啟動，外負載消耗發電機輸出的電功率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電機的冷端，通過設置模溫機的溫度，可以控制發電機冷端溫度Tc。測量采集系統包括功率計、壓力傳感器、熱電偶溫度計等，采集試驗過程中發電機各部分的溫度、壓力、功率、頻率等數據，并傳輸至Labview 軟件中，監測發電機的運行情況。發電機的電電效率為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電機內部氣體工質得到的熱量，即加熱電功率減去熱端到環境的漏熱，表達式為ηte=Pout/(Qin-Qloss)。

圖2 高溫區FPSG試驗系統

3 結果與討論

3.1 高溫區樣機性能測試

利用圖2 所示的試驗系統測試高溫區樣機的輸出性能。發電機在運行壓力4.25 MPa、運行溫區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%。發電機在運行壓力4.31 MPa、運行溫區為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%。

為了進一步掌握發電機性能變化規律，測試了負載、運行壓力、加熱功率等因素對發電機輸出功率、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，發電機的電電效率、輸出功率、熱端溫度和頻率均呈現下降的趨勢。例如，冷端溫度為400 K 時，發電機的電電效率由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，外負載增加使活塞運動的阻尼減小，動子的振幅增大，使得更多的熱量轉化為功，熱端溫度降低。但熱端溫度降低會使熱力學循環效率降低，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，發電機的電電效率下降。

圖3 不同冷端溫度時發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。這是由于發電機的冷端溫度提升使發電機的冷熱端溫度比降低，發電機吸收熱量轉化為功的能力降低，而熱端的加熱功率不變，則發電機熱端存儲的熱量增加，發電機的熱端溫度上升。而頻率隨著冷端溫度的增加而降低，首先是由于發電機的運行溫度提高后，氣體粘性系數升高，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律。在冷端溫度相同時，當運行壓力由3.9 MPa 升至4.7 MPa，發電機的熱端溫度呈下降趨勢。例如，冷端溫度為400 K 時，發電機的熱端溫度由816.3 K 降至803.38 K。這是由于運行壓力升高時，發電機內工質質量越大，從發電機熱端吸收的熱量越多，加熱功率保持不變，則發電機的熱端溫度降低。發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，發電機內部氣體彈簧剛度增加，振動系統的自然頻率增加，發電機的頻率顯著增加。發電機的電電效率、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，發電機的做功能力下降，在工質質量、熱端溫度、相位角多重因素的綜合影響下，發電機的電電效率下降。

圖4 不同冷端溫度時發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，運行壓力對發電機輸出特性的影響規律不變。

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電機的電電效率、輸出功率、熱端溫度、頻率的影響規律。相同冷端溫度時，發電機的電電效率、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。這是由于發電機的熱端溫度與加熱功率呈正相關，加熱功率升高意味著熱端溫度升高，發電機的冷熱端溫度比提高，進而提高理想循環的效率。而發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，提高了振動系統的自然頻率，進而提高發電機的頻率。

圖5 不同冷端溫度時發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電機的輸出特性隨加熱功率變化的規律無影響。

4 結論

搭建了實驗測試系統，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FPSG輸出特性的影響規律。

主要結果如下：

(1)同一冷端溫度時，發電機的輸出功率、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成負相關關系，與加熱功率的變化成正相關；例如，在冷端溫度為400 K 時，當負載由65 Ω 增加至85 Ω，發電機的輸出功率、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)發電機的輸出特性隨外負載、加熱功率、運行壓力的變化規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電機輸出特性的影響規律基本一致。

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