空间高温区自由活塞斯特林发电机工作特性试验研究

刘 贺，池春云，李瑞杰，林明嫱，牟 健，洪国同

(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)

深空探测是未来空间资源开发与利用、科学技术发展与创新的重要领域。而首先需解决的是长时间飞行的动力供给问题。目前空间探测常使用太阳能或化学燃料作为能源[1-2]，但由于光照的限制及恶劣的深空环境，传统的能源供给方式存在局限性，亟需一种新型空间电源系统。斯特林发电机是具有发展前景的能量转换装置之一，作为一种外燃机，其基于斯特林循环，将热能转化为动能，并耦合直线交流电机将动能转换为电能。与带有机械连杆的传统斯特林发电机相比，自由活塞斯特林发电机(FPSG)无需润滑，动力活塞和配气活塞依靠热动力学实现强耦合[3-5]，具有效率高、可靠性高、寿命长、免维修、噪声小等优点[6]，适合于空间应用。

由于空间环境的特殊性，空间电源的余热需要靠辐射板辐射排出。辐射板往往是空间飞行器中尺寸最大的部件，其体积与质量直接影响了探测器的整体布局、发射质量与工程设计的难度等[7]。因此，降低辐射板的体积和质量为空间电源研制过程中的重要一环。在散热量一定的情况下，辐射板的面积与辐射温度的四次方成反比。例如，10 kW 级空间斯特林电源系统在300 K 的辐射温度时，所需辐射面积约为80 m2，远大于国际空间站的辐射板面积(42.43 m2)。因此，提升辐射温度是减小辐射板面积的有效途径[8-9]。提升发电机的冷端温度，在加热功率不变的情况下，其热端温度随之上升，发电机的做功能力也会随着运行温区升高而下降。因此研制能在高温区高效运行的斯特林发电机是斯特林热电转换技术的必然发展方向。

针对于高运行温区的自由活塞斯特林发电机的研发，国内外均有一些相关的研究成果。21 世纪初期，Sunpower公司在EE-80 基础上针对空间环境进行优化，研制了ASC 系列机型[10-11]，ASC-E2 的加热器头改为Mar-M-247 并优化了结构，在热端1 123 K 时可安全运行，达到37.7%的转换效率。2016 年，NASA和Sunpower 公司[12]基于ASC 机型的直线电机ASCLA 进行了优化，研制了应用于高温区发电机的直线电机(HTLA)，其工作温度可达475 K，设计频率为102 Hz，未来将用于空间放射性同位素电力系统(RPS)。Sunpower 公司在NASA 的资助下，提出25 kW的FPSG 的设计方案，其设计温区为525～1 050 K，设计效率为29%[8-9]，但并未有样机测试的报道。20世纪90 年代，MTI公司为了测试高温区运行的可行性，研制了12.5 kW 级FPSG(CTPC)[13-15]，在运行温区为525～1 050 K 时达到22%的效率，但并未进行高温区的长寿命测试，因此其可靠性待验证。航天五院510所研制的对置斯特林发电系统在空间站完成了首次试验，验证了斯特林发电技术空间应用的可行性，其运行温区为370～823 K，热电转换效率为24.7%。

针对高运行温区自由活塞斯特林发电机的规律性研究中，池春云等搭建试验系统研究了冷端温度由300 K 升至330 K 时对发电机的热端温度和输出特性的影响[16]。Fan 等建立了月球表面核动力系统斯特林循环效率的预测模型，分析了热端温度和冷端温度对系统效率的影响，研究表明，热端温度存在最优值1 050 K，其最高效率为29%，而降低冷端温度可显著提高热效率，但需考虑冷端温度降低对系统体积与质量的影响[17]。Chen 等建立了β型FPSE的动力学-热力学耦合模型，对其相位特性进行了分析，结果表明，活塞之间的相位角与热端温度成正相关，冷端温度则反之，并且存在温度无关点，使相位角不受双侧温度影响[18]。Jia 等[19]设计实验测试高温端对环境热损失随热端温度的变化规律，结果表明，热端温度由293 K 升至873 K，高温端向环境辐射的热损失变大。

综上所述，国内外关于自由活塞斯特林发电机的试验研究大部分集中于冷端温度低于400 K 的温区，关于高温区发电机的研制与测试的报道较少。发电机在高温区运行时，主要面临两方面挑战：首先，发电机在高温区运行对其材料选取和结构设计提出挑战，要保证发电机在高温区的运行安全；再有，发电机随着冷端温度升高，冷热端温度比下降，输出性能下降，需要探究性能的变化规律及优化方向。面对未来国家在深空探测领域的重大需求，需要在高温区运行的自由活塞斯特林发电机。本文建立了高温区自由活塞斯特林发电机试验系统，测试了高运行温区下发电机的性能，验证了发电机结构和材料在高温区下运行的可靠性，同时探究不同冷端温度下，外负载、运行压力和加热功率等参数对发电机热端温度、频率、输出功率和电电效率等输出特性的影响规律，对发电机在不同温区下运行时的性能优化有指导意义。

1 发电机结构与原理

高温区FPSG 包括热端换热器、冷端换热器、回热器、配气活塞、动力活塞、板弹簧、膨胀腔、压缩腔、背压腔、直线电机等多部分，结构示意图如图1 所示。发电机内部的气体工质通过热端换热器吸收外部热源的热量，通过冷端换热器排出多余的热量，产生压力波动，迫使配气活塞和动力活塞往复运动，最终，动力活塞的往复运动通过与其耦合的线性交流电机转换为电能，即线圈切割磁感线产生电势差，在线圈所连接的外部电路输出电能。

图1 百瓦高温区FPSG结构示意图

高温区FPSG 的基本结构与常温区一致，但是相较于常温区，对其设计提出了更高的挑战。提升运行温区可能使发电机产生线性电机失效、热头热应力集中、高温蠕变疲劳等问题，严重威胁发电机的运行安全，同时，换热器需克服高热流密度传热的问题。针对上述问题，中国科学院空间功热转换技术重点实验室开展了系统研究，成功研制了一台百瓦高温区FPSG，发电机设计参数如表1 所示。

表1 高温区样机设计参数

2 系统搭建

试验系统如图2 所示，主要包括外负载、功率计、真空系统、充气系统、水冷机组、模温机、加热电源、激励电源、测量采集系统等。真空系统包括机械泵和分子泵，测试前，真空系统将发电机内部的压力降至10－4Pa，保证充气后发电机运行时内部无杂质气体。然后，充气系统为发电机充入氦气。调节加热电源的输出电压，通过加热棒为发电机热端提供加热功率。Qin当发电机升温至启动温度时，激励电源可以给予发电机瞬时的正弦电信号，激励发电机启动，外负载消耗发电机输出的电功率Pout。水冷机提供冷却水以冷却负载和模温机，模温机提供冷却水以冷却发电机的冷端，通过设置模温机的温度，可以控制发电机冷端温度Tc。测量采集系统包括功率计、压力传感器、热电偶温度计等，采集试验过程中发电机各部分的温度、压力、功率、频率等数据，并传输至Labview 软件中，监测发电机的运行情况。发电机的电电效率为ηee=Pout/Qin。此处的电电效率与热电效率存在区别，电电效率中的加热功率为加热电源输出的加热电功率，而热电效率中的加热功率为发电机内部气体工质得到的热量，即加热电功率减去热端到环境的漏热，表达式为ηte=Pout/(Qin-Qloss)。

图2 高温区FPSG试验系统

3 结果与讨论

3.1 高温区样机性能测试

利用图2 所示的试验系统测试高温区样机的输出性能。发电机在运行压力4.25 MPa、运行温区323.37～752.06 K 时，频率为78.15 Hz，输出功率为136.4 W，电电效率为27.1%。发电机在运行压力4.31 MPa、运行温区为495～1 058 K 时，频率为77.33 Hz，输出功率为103.7 W，电电效率为20.5%。

为了进一步掌握发电机性能变化规律，测试了负载、运行压力、加热功率等因素对发电机输出功率、电电效率、热端温度、频率等输出特性的影响。

3.2 负载的影响

实验分别测试了运行压力4.4 MPa，加热功率500 W 时，340、370、400 和460 K 四种冷端温度下发电机的电电效率、输出功率、热端温度和频率随负载的变化规律，如图3 所示。在冷端温度相同时，当负载由65 Ω 增加至85 Ω，发电机的电电效率、输出功率、热端温度和频率均呈现下降的趋势。例如，冷端温度为400 K 时，发电机的电电效率由21.27%降至19.89%，输出功率由107.33 W 降至100.1 W，热端温度由842.35 K 降至794.67 K，频率由77.75 Hz 降低至77.67 Hz。这是因为外负载与动力活塞的电磁阻尼成负相关，外负载增加使活塞运动的阻尼减小，动子的振幅增大，使得更多的热量转化为功，热端温度降低。但热端温度降低会使热力学循环效率降低，进而影响整机效率。综合上述因素，外负载由65 Ω 增加到85 Ω 时，发电机的电电效率下降。

图3 不同冷端温度时发电机输出性能随负载的变化

在外负载相同时，当冷端温度由340 K 升高到460 K，发电机的输出功率和电电效率下降、热端温度升高，例如外负载为75 Ω 时，发电机的电电效率由23.28% 降至18.53%，输出功率由118.09 W 降至93.61 W，热端温度由752.48 K 升高到891.69 K。这是由于发电机的冷端温度提升使发电机的冷热端温度比降低，发电机吸收热量转化为功的能力降低，而热端的加热功率不变，则发电机热端存储的热量增加，发电机的热端温度上升。而频率随着冷端温度的增加而降低，首先是由于发电机的运行温度提高后，气体粘性系数升高，运动阻尼增大，频率降低；其次板弹簧的杨氏模量随温度升高而降低，板弹簧的自然频率降低，频率降低。冷端温度升高时，负载对发电机输出性能的影响趋势几乎没有变化。

3.3 运行压力的影响

图4 展示了外负载为85 Ω、加热功率500 W 时，340、400 和460 K 三种冷端温度下发电机的电电效率、输出功率、热端温度、频率随运行压力的变化规律。在冷端温度相同时，当运行压力由3.9 MPa 升至4.7 MPa，发电机的热端温度呈下降趋势。例如，冷端温度为400 K 时，发电机的热端温度由816.3 K 降至803.38 K。这是由于运行压力升高时，发电机内工质质量越大，从发电机热端吸收的热量越多，加热功率保持不变，则发电机的热端温度降低。发电机的频率随运行压力的升高而升高。例如，冷端温度为400 K 时，发电机的频率由75.97 Hz 升高至78.89 Hz。这是由于运行压力升高时，发电机内部气体弹簧刚度增加，振动系统的自然频率增加，发电机的频率显著增加。发电机的电电效率、输出功率随着运行压力的升高而下降，例如，冷端温度为400 K 时，发电机的电电效率由20.24%降至19.87%，输出功率由101.97 W 降至99.99 W。这是由于运行压力的增加减小了动力活塞与配气活塞的相位角，发电机的做功能力下降，在工质质量、热端温度、相位角多重因素的综合影响下，发电机的电电效率下降。

图4 不同冷端温度时发电机输出性能随运行压力的变化

在相同的运行压力下，冷端温度由340 K 升至460 K 时，发电机的电电效率、输出功率、频率降低，热端温度升高。例如，运行压力4.3 MPa 时，发电机的电电效率由22.27% 降至18.24%，输出功率由111.64 W 降至92.07 W，频率由77.82 Hz 降至77.06 Hz，热端温度由748.54 K 升高至877.55 K。冷端温度升高时，运行压力对发电机输出特性的影响规律不变。

3.4 加热功率的影响

图5 为运行压力4.4 MPa，负载75 Ω 时，340、400和460 K 三种不同冷端温度时加热功率对发电机的电电效率、输出功率、热端温度、频率的影响规律。相同冷端温度时，发电机的电电效率、热端温度随加热功率增加呈升高趋势。例如，冷端温度为400 K时，当加热功率由450 W 变化到550 W，电电效率由20.52%升至20.72%，热端温度由800.61 K 升高至844.83 K。这是由于发电机的热端温度与加热功率呈正相关，加热功率升高意味着热端温度升高，发电机的冷热端温度比提高，进而提高理想循环的效率。而发电机的频率随加热功率的增加而增加。例如，冷端温度为400 K 时，当加热功率由450 W 变化到550 W，频率由77.61 Hz 升高至77.88 Hz。这是由于加热功率增大时，动力活塞的振幅增大，板弹簧的刚度随振幅会有略微增大，提高了振动系统的自然频率，进而提高发电机的频率。

图5 不同冷端温度时发电机输出性能随加热功率的变化

在相同的加热功率下，冷端温度由340 K 升高到460 K 时，发电机的电电效率、频率降低，热端温度增加，而冷端温度提升对发电机的输出特性随加热功率变化的规律无影响。

4 结论

搭建了实验测试系统，研究了不同冷端温度条件下加热功率、运行压力以及外负载对高温区FPSG输出特性的影响规律。

主要结果如下：

(1)同一冷端温度时，发电机的输出功率、电电效率、热端温度与负载、运行压力的变化在正常工作范围内成负相关关系，与加热功率的变化成正相关；例如，在冷端温度为400 K 时，当负载由65 Ω 增加至85 Ω，发电机的输出功率、电电效率、热端温度相对原值，分别降低5.8%、6.5%和5.7%，当运行压力由3.9 MPa 升至4.7 MPa，分别降低1.94%、1.83%和1.58%；发电机的频率随负载的增加而降低，随着加热功率、运行压力的增加而增加。

(2)其他因素保持不变时，提升冷端温度，发电机的输出功率、电电效率、频率呈下降趋势，热端温度呈上升趋势。这是由于冷端温度提高使冷热端温度比降低，发电机的做功能力降低，热端的热量聚积，气体的粘性阻尼增加。

(3)发电机的输出特性随外负载、加热功率、运行压力的变化规律并没有因冷端温度的变化而受影响。340、400 和460 K 三种冷端温度下，外负载、加热功率和运行压力对发电机输出特性的影响规律基本一致。

(4)经过测试，该发电机在运行压力4.3 MPa，运行温区为495～1 058 K 时，输出功率为103.681 W，电电效率为20.5%。