空间百瓦自由活塞斯特林发电机的实验研究

2022-03-30池春云林明嫱洪国同王新平

低温工程 2022年1期

关键词：热端冷端斯特林

池春云牟健林明嫱洪国同王新平

（1 中国科学院理化技术研究所,中国科学院空间功热转换技术重点实验室北京 100190）

（2 中国科学院大学北京 100049）

（3 中国科学院微小卫星创新研究院上海 200135）

1 引言

深空探测是未来空间科学和技术创新的关键领域,具有重要的战略意义[1]。高效可靠的能源转换技术是其亟需解决的关键技术之一。而空间自由活塞斯特林发电机是目前热电效率最高的外燃式热电转换装置,拥有结构简单、噪音和振动小、能源适用性强、寿命长、免维护等优点,适合于特殊的深空探测环境[2-4],因此,成为了国际上航天强国重点发展的技术。

20 世纪90 年代,美国宇航局（NASA）就着手于空间百瓦级自由活塞斯特林发电机的研究,旨在替代效率较低的同位素温差发电机。Infinia 公司率先研制了技术演示机（TDC）,在热端和冷端温度分别为650 ℃和50 ℃时,该发电机运行频率80 Hz,输出功率55 W,热电效率20%[5]。2004 年NASA 资助Sunpower 公司研制先进斯特林发电机（ASC）。通过大量的性能测试与结构优化,研制了一系列机型,2012 年该机型的优化基本完成,其中ASC-E 在热端850 ℃,冷端90 ℃时,发电机的输出功率为88 W,热电效率达到38%[6-7]。但是因为国外产品禁运以及国内起步较晚,相较于国外,国内关于该技术的研究相对滞后。中国空间技术研究所研制了110 W“T”型自由活塞斯特林发电机,但并未报道实验结果。兰州空间技术物理研究所研制了30 W 自由活塞斯特林发电机,发电功率为30.5 W,比功率为17.8 W/kg[8]。2016 年中国电子科技集团公司第十六研究所研制了百瓦气体轴承斯特林发电机,热端温度625 ℃,冷端温度20 ℃,输出最大电功率为101.1 W,热电效率为16.9%[9]。中国科学院理化技术研究所于2018 年研制了百瓦自由活塞斯特林样机,最大输出电功率为122.2 W,效率为17.4%。

对比国内外研究现状可知,国内的百瓦自由活塞斯特林发电机与国外仍存在较大差距。基于中国未来在深空探测领域的重大需求,亟需发展高效、高可靠的空间用百瓦自由活塞斯特林发电机。本研究设计并研制了一台百瓦自由活塞斯特林发电机样机,搭建了实验测试系统测试其输出性能,并探究了各参数对发电机输出性能的影响,为未来自由活塞斯特林发电机的性能优化提供参考。

2 发电机基本结构

自由活塞斯特林发电机基于斯特林循环,理论效率可以达到卡诺效率,是一种高效的热功转换装置[10]。其由配气活塞振动系统、动力活塞振动系统、加热器、回热器、冷却器、膨胀腔、压缩腔和直线电机等多个部件组成,结构如图1 所示。因为动圈式直线电机的结构简单、可靠,且易于控制活塞行程,适合百瓦级发电机的应用,故实验室研制的百瓦级自由活塞斯特林发电机采用了斯特林发动机结合动圈式直线电机的方案。同时,该发电机采用了间隙动密封、板弹簧支撑、高效直线电机、高效换热器等关键技术,大幅降低了振动系统的机械磨损,提升了换热器的换热效率,降低了发电机的质量,有效提升了发电机的热电效率、稳定运行性以及寿命。

图1 自由活塞斯特林发电机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of free piston Stirling generator

3 发电机优化实验研究

搭建了发电机实验测试系统,采用动态测试手段对发电机的冷/热端温度、运行压力、运行频率、输出功率等数据进行实时测量。实验探究了动力活塞板簧刚度、配气活塞板簧刚度、充气压力、外负载、冷端温度等参数对发电机输出性能的影响,为未来自由活塞斯特林发电机的优化提供参考。

3.1 实验测试系统的搭建

实验测试系统由加热系统、冷却系统、真空系统、激励系统、负载测试系统以及数据采集系统5 个部分组成,其系统组成如图2 所示,实物照片如图3 所示。加热系统包括加热电源与加热棒,通过手动调整加热电源的电压可以为发电机提供不同的加热功率,通过功率计测量加热棒的功率即为加热功率Qin。冷却系统主要是水冷机组,利用循环水流经冷却器带走发电机冷端排除的热量。真空系统旨在保障发电机内气体工质的纯度,在实验前抽除实验系统内的气体,再将氦气充入发电机内。激励系统主要由激励电源与开关组成,当发电机热端升温至一定值,设置正弦电信号快速关闭开关激励发电机启动,当发电机启动后迅速关闭开关,切断其与发电机的连接。此时发电机输出的电功率完全消耗在外部负载上,利用功率计测量即可获得发电机的输出功率Pout。实验样机被固定在减振台上,以减少发电机运行产生的振动。利用K 型热电偶和铂电阻温度计分别测量发电机的热、冷端温度,当热端温度在5 s 内的波动小于0.01 K 时,认为发电机进入稳定运行状态。温度计和功率计的实时数据通过软件Labview 传输至计算机中,并显示出实时曲线。发电机的热电效率表达式为:Eff=Pout/Qin。

图2 实验测试系统示意图Fig.2 Schematic diagram of experiment test system

图3 实验测试系统实物图Fig.3 Physical diagram of experimental test system diagram

3.2 各参数对发电机性能的影响

3.2.1 配气活塞板弹簧刚度的影响实验

图4 展示了同一工况下配气活塞板簧刚度为14.7 N/mm、21.6 N/mm 和28 N/mm 时发电机输出性能情况。由图可知,随着配气活塞板簧刚度的升高,发电机的输出功率与热电效率先增加后减小,即当配气活塞板簧刚度为21.6 N/mm 时,输出功率和热电效率达到最大值,分别为114 W 和22.9%,此时热端温度最低为821.5 K。发电机的运行频率与配气活塞板簧刚度成正相关关系。这是因为配气活塞板簧刚度的增加使得配气活塞振动系统的自然频率升高,而运行频率与两个活塞振动系统的自然频率密切相关。配气活塞板簧刚度的变化不仅影响运行频率,同时活塞相位角与振幅都会发生改变,存在一个最佳耦合情况使得其输出性能最优。

图4 配气活塞板弹簧刚度对发电机输出性能的影响Fig.4 Influence of displacer spring stiffness on output performance of the generator

3.2.2 动力活塞板弹簧刚度的影响实验

图5 为同一工况下不同动力活塞板簧刚度下发电机的输出特性。当动力活塞板簧刚度为8.8 N/mm时,发电机输出功率为106.2 W,热电效率为21.29%。当动力活塞板簧刚度升至14.5 N/mm 时,发电机输出性能达到最佳,输出功率为110.9 W,热电效率为22.17%。当动力活塞板簧刚度为21.5 N/mm,输出功率和热电效率分别降低至101.7 W 和20.48%。这是因为动力活塞板簧刚度的改变使得相位角与活塞振幅发生改变,各因素共同作用,存在一个最佳耦合情况。热端温度与运行频率与动力活塞板簧刚度均成正比例关系。热端温度从8.8 N/mm时的817.9 K 升至21.5 N/mm 时的896.3 K。

图5 动力活塞板弹簧刚度对发电机输出特性的影响Fig.5 Influence of piston spring stiffness on output performance of generator

两种板簧刚度对发电机运行频率产生较大的影响,详情见图6。可以看出发电机频率对配气活塞板簧刚度的变化更为敏感。动力活塞板簧刚度从8.5 N/mm 增加至21.6 N/mm,运行频率从69.47 Hz 升高至73.76 Hz,板簧刚度增加了1.54 倍,频率增加了6.17%。而配气活塞板簧刚度从14.5 N/mm 增加至28 N/mm,运行频率从67.7 Hz 升高至74.03 Hz,板簧刚度增加了0.93 倍,频率增加了9.35%。这是由于配气活塞系统的质量相对较小,故其板簧刚度变化对频率产生更大影响。

图6 板弹簧刚度对发电机运行频率的影响Fig.6 Influence of spring stiffness on operating frequency of generator

3.2.3 运行压力的影响实验

发电机的运行压力与气体工质的质量成正比,而发电机的输出性能在一定条件下和工质质量成正相关关系。随着运行压力的增加,工质质量增加,但是配气活塞、动力活塞之间的相位角逐渐减小。同时发电机稳定运行的热端温度降低,导致与冷端温度的温差减小,发电机的理想卡诺效率降低。多种因素共同作用,因此运行压力存在最佳值。图7 为不同运行压力下发电机输出性能的变化。输出功率和热电效率随着运行压力的增加先增加后减小,当与运行压力为4.14 MPa 时发电机的输出性能达到最佳,输出功率为124.4 W,热电效率为25.33%。

图7 运行压力对发电机输出性能的影响Fig.7 Influence of operating pressure on output performance of generator

3.2.4 外负载的影响实验

图8 为外负载对发电机输出性能的影响情况。外负载直接影响电磁阻尼,从而影响动力活塞的振幅,进而影响整机热力学循环。由图8 可知,当外负载为70 Ω 时,发电机的输出功率和热电效率达到最佳值,分别为123 W 和24.79%。外负载与发电机的热端温度、运行频率均成反比例关系。当外负载为60 Ω 时,发电机的热端稳定温度为910.3 K,运行频率为71.87 Hz。当外负载为70 Ω 时,发电机的热端稳定温度为855.7 K,运行频率为71.59 Hz。而当外负载增加至90 Ω 时,其相应的数值为789.3 K、71.06 Hz。这是因为外负载与动力活塞的阻尼成反比例关系,更大的外负载意味着更小的动力活塞阻尼,动力活塞的振幅更大,能够带走热端更多的热量,使得热端温度更低。

图8 外负载对发电机输出性能的影响Fig.8 Influence of external load on output performance of generator

3.2.5 冷端温度的影响实验

图9 展示了300 K、318 K、325 K 和330 K 共4 种冷端温度下发电机的输出特性情况。从图9 可以看出冷端温度的上升会使得发电机稳定运行的热端温度上升,即整体运行温区上升。冷端温度从300 K 上升至330 K,热端温度从918 K 上升至934 K。这是因为冷端温度的升高使得发电机冷端排除的热量减少,而热端吸收的加热功率保持不变,故发电机热端温度有所上升。实质上影响发电机的输出性能的因素是热冷端温度的比值,图9 中随着冷端温度的上升,热冷端温度的比值降低,理想卡诺效率降低,故发电机的输出性能降低。运行频率与冷端温度成正比例关系,即运行频率随着整体运行温度的升高而增加。