空間斯特林發(fā)電研究展望

我國對空間放射性同位素溫差發(fā)電技術(shù)(RTG)進行了近40年的研究，已成功研制白毫瓦級Pu-23 8空間RTG，更大功率的RTG也正在研制，其發(fā)展同樣遇到熱電轉(zhuǎn)換效率低的問題。我國在空間長壽命斯特林制冷機技術(shù)已經(jīng)到了工程應(yīng)用階段，其關(guān)鍵技術(shù)如非接觸問隙密封和支撐技術(shù)、直線電機技術(shù)已得到驗證，這些技術(shù)能夠在斯特林發(fā)電技術(shù)中得到繼承，在空間長壽命斯特林制冷機研究過程中的經(jīng)驗和教訓(xùn)，將會促進空間斯特林發(fā)電技術(shù)研究，提高研究效率。隨著我國在空間領(lǐng)域的活動不斷增加，探月計劃和空間站計劃相繼開展，高效，高比功率和長壽命的空間電源系統(tǒng)將會有迫切的需求，所以適時開展空間斯特林發(fā)電技術(shù)研究，通過借鑒國外經(jīng)驗和國內(nèi)空間斯特林制冷機中的研制基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)在機械加工和材料技術(shù)上的進步，縮小與先進技術(shù)的差距，能夠提高我國空間同位素電源技術(shù)應(yīng)用水平，降低成本，為未來深空探測、登月和火星登陸等空間任務(wù)提供技術(shù)儲備。同時，斯特林發(fā)電技術(shù)作為一種高效能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，在空間反應(yīng)堆電源、太陽能電站和核電推進等空間領(lǐng)域和地面點聚焦太陽能發(fā)電等方面有潛在應(yīng)用價值。

全球新能源技術(shù)發(fā)展迅猛，斯特林發(fā)電技術(shù)具有的效率高，高可靠性，對維護依賴小的特點，特別適合我國廣大的西部干旱地區(qū)的應(yīng)用，發(fā)展該項技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟意義。2100433B

熱頭是斯特林發(fā)電機重要的能量傳輸部件，由于熱頭冷熱端存在較大的溫差，同時熱頭內(nèi)部高壓工質(zhì)在工作時產(chǎn)生高頻壓力脈動，為了減小熱端和冷端之間的軸向熱傳導(dǎo)損失，熱頭一般采用薄壁結(jié)構(gòu)，因此熱頭薄壁結(jié)構(gòu)同時要承受冷熱端溫差產(chǎn)生的較高熱應(yīng)力，工質(zhì)靜壓力和工質(zhì)氣體的脈動壓變應(yīng)力，尤其在熱頭高溫端，這些應(yīng)力還同時伴隨著600℃以上的高溫，作為空間應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)還要求長壽命和高可靠，以上因素和要求互相作用，有些甚至互相矛盾，如熱力學(xué)薄壁結(jié)構(gòu)與力學(xué)設(shè)計要求，這些均對熱頭的設(shè)計帶來巨大的挑戰(zhàn)。需要在設(shè)計中綜合考慮以上因素，進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 。

空間斯特林發(fā)電難點

(1)在工作過程中，熱頭同時要承受冷熱端溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力，內(nèi)部工質(zhì)壓力以及工質(zhì)氣體在循環(huán)中產(chǎn)生的高頻交變脈動壓力，力學(xué)設(shè)計分析必須綜合考慮多方面的應(yīng)力影響;

(2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中為了減小冷熱端傳熱溫差造成的熱損失，熱頭筒體采用薄壁結(jié)構(gòu)，需在減少導(dǎo)熱損失和提高抗彎強度之間進行優(yōu)化;

(3)熱頭結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠J險; (4)高溫?zé)嵩磳涠藷彷椛浜蛡鲗?dǎo)效應(yīng)的防護;

(5)高熱流密度傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計。

空間斯特林發(fā)電關(guān)注點

熱頭材料的選用分析 熱頭長期工作在高溫環(huán)境中，加熱溫度一般在650一800 0C，是長時間承受高溫和高壓持續(xù)載荷的氣密結(jié)構(gòu)，必須考慮由此產(chǎn)生的材料隨時間積累的非彈性疲勞一蠕變，材料在高溫下低沸點成分的揮發(fā)造成的氣密性降低等。因此熱頭結(jié)構(gòu)對于材料性能和抗蠕變特性要求較高，在設(shè)計過程盡量選用成熟的、經(jīng)過較多應(yīng)用驗證和可獲得的耐高溫結(jié)構(gòu)材料。在選用材料時把握以下原則:

(1)抗蠕變性能;

(2)可加工性;

(3)材質(zhì)致密，防氦工質(zhì)的泄漏;

(4)長期高溫工作的穩(wěn)定性和材料兼容性;

(5)易于實現(xiàn)焊接密封結(jié)構(gòu);

(6)延展性和剛性(便于加工，處理和抗外界物體撞擊能力)。

作為一般原則，受熱部件應(yīng)采用在高溫下具有高強度的材料制成，典型的是含有18% C:和8% Ni的耐熱合金，如耐熱不銹鋼，國產(chǎn)對應(yīng)的牌號有OCr17Ni12Mo2，相當(dāng)于美標316L，這種材料容易獲得，加工性好，可以用于斯特林發(fā)電機樣機的早期研制階段，本設(shè)計采用316L材料。所以在高溫使用過程中材料的真空質(zhì)量損失也可以不考慮。

抗蠕變設(shè)計要求

由于非彈性疲勞引起的蠕變而導(dǎo)致的壓力容器在低于靜態(tài)強度極限時破裂。蠕變強度與溫度相關(guān)，而且在大多數(shù)的情況下僅僅關(guān)注材料在高溫時的變化。雖然蠕變能夠在任何溫度下發(fā)生，但是蠕變效應(yīng)通常在溫度高于40%金屬熔化溫度時能夠觀測到[3]。典型性而言，在斯特林發(fā)電機中工作溫度高于這一標準的部件為熱頭，該部件的主要殼體應(yīng)力不應(yīng)超過材料在該溫度和服役時間下的蠕變破裂應(yīng)力。即使在低于要求的防止破裂的蠕變危害的情況下，蠕變變形造成的無效容積的增加對于斯特林循環(huán)的性能有不利的影響。所以，應(yīng)當(dāng)限制熱頭殼體應(yīng)力低于工作溫度和工作時間下的材料的蠕變應(yīng)力。

熱頭工藝設(shè)計要求

為了減少熱頭軸向的熱傳導(dǎo)損失，熱頭結(jié)構(gòu)的厚度一般為0. 5一1 mm，其形位精度要求較高，但由于所采用的材料加工和焊接性能好，所以熱頭采用筒體和封頭分體加工，最后焊接成整體的方式，這樣在加工精度的實現(xiàn)性方面帶來好處，便于加工，從而能夠在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中兼顧熱頭加工成形和焊接密封的工藝可實現(xiàn)性。

熱頭高熱流密度換熱設(shè)計

斯特林發(fā)電機熱頭為熱量輸入端，熱流密度大(本設(shè)計約20. 37 W / cmz )，工質(zhì)在熱頭膨脹腔體內(nèi)高速交變流動，工質(zhì)與熱頭壁的熱交換時間極短，熱頭換熱結(jié)構(gòu)影響熱輸入效率，直接影響到系統(tǒng)的熱效率。根據(jù)傳熱機理，采用的主要技術(shù)途徑是增大有效換熱面積、提高換熱強度和減少熱阻。

采用放射性同位素?zé)嵩吹目臻g斯特林發(fā)電機，熱頭與熱源直接藕合，在初步設(shè)計階段，熱頭結(jié)構(gòu)采用平頭方式，采用模擬熱源與斯特林發(fā)電機藕合，熱藕合采用間接接觸熱傳導(dǎo)的方式，為了減小接觸熱阻，對熱頭與模擬熱源的導(dǎo)熱接觸表面粗糙度和平面度要有較高設(shè)計要求，同時為保證接觸面有足夠大的接觸面積，在接觸面之間填充耐高溫界面材料，根據(jù)導(dǎo)熱熱阻的影響因素分析，導(dǎo)熱熱阻與接觸面間的壓緊程度成正比，但斯特林發(fā)電機熱頭為薄壁結(jié)構(gòu)，過大的壓緊力會導(dǎo)致其變形，從而影響其正常運行，采用在斯特林制冷機熱藕合上應(yīng)用過的柔性導(dǎo)熱帶方式，使熱源與斯特林發(fā)電機熱頭同時實現(xiàn)柔性軟連接，這樣既保證了導(dǎo)熱帶兩端連接部位的較小傳熱熱阻，同時避免了熱頭受過大的預(yù)緊力，尤其適應(yīng)發(fā)射力學(xué)負載，使熱頭結(jié)構(gòu)不會由于熱源和熱頭熱端面的相對位宇航材料工藝移而受到較大的側(cè)向力。

空間斯特林發(fā)電方法應(yīng)用

由于斯特林發(fā)電機熱頭有復(fù)雜的外形和負載特征，可以采用有限元分析獲得零件上的應(yīng)力分析，F(xiàn)EA的好處是設(shè)計優(yōu)化，比如最小質(zhì)量等能夠自動得到，使用3D設(shè)計軟件創(chuàng)建基本幾何特征、使用有限元仿真分析軟件進行網(wǎng)格化、添加負載，求解和根據(jù)設(shè)計準則進行評估等完整的設(shè)計過程，同時使用標準的FEA工作，比如網(wǎng)格敏感性研究、以保證分析結(jié)果的準確性。在條件許可的情況下，需要開展2倍工作壓力的爆破壓力試驗和1. 5倍最大工作壓力的驗證試驗校驗設(shè)計和分析結(jié)果，以保證在如此高的壓力時無永久變形的發(fā)生。

為了提高斯特林發(fā)電機熱頭抗彎強度，同時有效減小軸向?qū)釗p失，提高系統(tǒng)效率，采用變截面的熱頭結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的等截面結(jié)構(gòu)相比，設(shè)計成形難度較大，但對系統(tǒng)的性能提高有益。在進行變截面熱頭結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先建立熱頭的有限元分析模型，熱頭是一個壓力腔，而且一端受熱，一端受冷，工質(zhì)氣體在冷熱端之間循環(huán)，提供產(chǎn)生機械功的壓力波，由于內(nèi)部壓力，熱頭存在著環(huán)向和軸向的應(yīng)力，冷熱端溫度梯度產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，熱頭為回轉(zhuǎn)體，在大多數(shù)情況下采用2D對稱模型分析，但是考慮到發(fā)射負載，則采用3D模型。熱分析模型為溫度相關(guān)材料，因此需要非線性的迭代求解器，邊界條件包括在換熱器上的溫度和熱流值。

結(jié)構(gòu)分析模型也使用溫度相關(guān)材料模型，應(yīng)用從熱分析結(jié)果得到的節(jié)點溫度作為邊界條件，額外的邊界條件包括壓力負載，位移狀況和任何需要仿真的條件如發(fā)射負載，建立結(jié)構(gòu)模型用來確定熱頭壽命期內(nèi)不同條件下的應(yīng)力特點，調(diào)用在材料選用研究中得到的材料物理參數(shù)，根據(jù)熱頭的工作參數(shù)確定邊界條件，計算分析熱頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特點，依照以上確定的設(shè)計準則對其仿真分析和優(yōu)化設(shè)計，確定其結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。

空間斯特林發(fā)電技術(shù)在20多年的發(fā)展過程中，從可行性研究到吃行樣機，經(jīng)過不斷地改進，技術(shù)方案基本明確，技術(shù)發(fā)展過程如表to 綜上所述，空間斯特林發(fā)電技術(shù)經(jīng)過了多年發(fā)展，技術(shù)方案均采用白由活塞斯特林熱機禍合線性動磁交流發(fā)電機，構(gòu)型特征為:問隙密封、板彈簧支撐，配氣活塞和動力活塞氣動禍合等。技術(shù)參數(shù)為:發(fā)電效率:20%^-30%，輸出功率:數(shù)十瓦一數(shù)白瓦，能滿足小型空間時示器、火星探測等不同空間任務(wù)的電源需求。同時應(yīng)用于月球基地核電源系統(tǒng)的大功率空間斯特林發(fā)電技術(shù)也正在開展 。

在研究內(nèi)容方面，上世紀70^-80年代研究重點在于系統(tǒng)穩(wěn)定性、可反復(fù)工作和滿足要求的性能指標方面，而此后的研究重點在于系統(tǒng)高精度仿真分析、壽命、可靠性和系統(tǒng)集成技術(shù)等空間應(yīng)用方面，如全系統(tǒng)仿真分析技術(shù)、永磁材料高溫退磁場下的壽命試驗、熱頭材料評價和加速蠕變老化研究，高溫回?zé)崞鞑牧稀⒐に嚭蜋z測技術(shù)研究，有機材料的放氣試驗研究，以及線性動磁發(fā)電機、控制器、系統(tǒng)EMI、可靠性評價，結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化和抗力學(xué)環(huán)境技術(shù)研究等方面。這些研究工作的開展對于提高空間斯特林發(fā)電機研究水平，實現(xiàn)空間應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

國外研究情況

在上世紀70年代，由于預(yù)見到斯特林發(fā)電機在未來能夠發(fā)展成空間應(yīng)用的長壽命、高可靠電源裝置，NASA對斯特林發(fā)電機保持了持續(xù)的關(guān)注和支持。1989年NASA GRC進行了白由活塞斯特林放射性同位素發(fā)電機空間應(yīng)用的可行性研究，對輸出功率240W和480W的兩種斯特林放射性同位素發(fā)電機研究結(jié)果表明，斯特林放射性同位素發(fā)電機在空間應(yīng)用是可行的。MTI公司于1992年為NASA SP-100項目開發(fā)了25KW空間斯特林發(fā)電原理樣機，斯特林發(fā)電機采用白由活塞禍合線性交流發(fā)電機，熱源采用反應(yīng)堆，如圖2。

同一時期，美國能源部資助GE開發(fā)了1kW空間斯特林同位素發(fā)電機，結(jié)構(gòu)采用菱形機械結(jié)構(gòu)傳動禍合旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機，如圖3，這種機型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難保證發(fā)電機的長壽命和高可靠。而在白由活塞斯特林機禍合線性交流發(fā)電機的構(gòu)型中，由于采用了問隙密封和板彈簧支撐技術(shù)，流體傳動技術(shù)，消除了摩擦機械、密封結(jié)構(gòu)、閥件和潤滑系統(tǒng)等不可靠因素的影響，動力學(xué)平衡性能好，從而消除了影響長壽命和可靠性的失效模式，NASA確定這種結(jié)構(gòu)為空間斯特林發(fā)電機的構(gòu)型。到上世紀90年代早期，NASA GRC通過更多深入研究，斯特林放射性同位素發(fā)電機在空間應(yīng)用的潛力被進一步認可，但還需要在輸出功率水平效益，系統(tǒng)集成，壽命和可靠性試驗數(shù)據(jù)的積累方面為其空間應(yīng)用提供進一步的參考。1993年NASA委托Infmia公司研制空間斯特林發(fā)電機，效率28%，輸出功率280W o 1994年美國DOE資助Fairchild Space and Defense Corporation進行75 W空間斯特林發(fā)電機的研究，該項目計劃應(yīng)用于冥土星快速吃越任務(wù)。在1997年DOE對高效放射性同位素電源轉(zhuǎn)換技術(shù)進行了評價研究，確定斯特林發(fā)電技術(shù)為可用的空間電源技術(shù)，該評估結(jié)果引出了NASA先進放射性空間電源項目，Lockheed Martin公司作為系統(tǒng)集成商，由infmia公司提供斯特林發(fā)電機技術(shù)驗證樣機，該機為2臺SSW斯特林發(fā)電機雙機對置結(jié)構(gòu)，在1999年該樣機達到了27%以上的效率，重量6kg，。由DOE, NASA和工業(yè)部門聯(lián)合授權(quán)組織研究單位對開展空間斯特林發(fā)電機吃行件研制的技術(shù)成熟度的評價，參加的研究單位包括DOE-Germantown NASA GRC JPL OSC LM，主要評估該項技術(shù)的空間適應(yīng)性，基于相關(guān)的空間吃行斯特林制冷機的可靠性數(shù)據(jù)和Infmia公司lOW空間斯特林發(fā)電機50000h以上的壽命實驗數(shù)據(jù)和分析，評估認為SRG110的技術(shù)已達到進行下一步時示樣機研制水平，可以進行吃行樣機的研制。SRG110項目中1臺斯特林發(fā)電機在NASA GRC進行各項試驗，截止2008年12月完成了20000h的熱真空試驗和各項力學(xué)環(huán)境試驗。隨后由SRG110演變出的時示樣機 ，該樣機使用2塊通用同位素?zé)嵩矗瑹峁β瘦斎?96W時，能夠產(chǎn)生116W的電能輸出，到2005年，吃行樣機的研制使空間斯特林發(fā)電技術(shù)進一步成熟。為了進一步提高空間斯特林發(fā)電機的性能，NASA GRC資助Sunpower公司進行了先進空間斯特林發(fā)電機的研究，研制的EE-35空間斯特林發(fā)電機比功率達到90W/kg，與同位素?zé)嵩吹満虾笙到y(tǒng)比功率達到8 W/kg，如此水平的比功率將能夠滿足一系列新型放射性同位素電推進任務(wù)的電源要求。試驗表明斯特林發(fā)電機已能夠滿足航天器的發(fā)射力學(xué)環(huán)境要求。此外Infinia公司的空間斯特林發(fā)電機地面壽命試驗累計達到了120000h水平。2009年NASA GRC開展了用于月球地震檢波儀登陸器斯特林放射性同位素電源的設(shè)計，在日本太空發(fā)展署的支持下，日本國家空間實驗室從1997年開始了空間太陽能熱動力斯特林發(fā)電相關(guān)技術(shù)的研究，研制了空腔型太陽能集熱器，斯特林熱電轉(zhuǎn)換器等，其斯特林發(fā)電系統(tǒng)NALSEM 500型，在SOOW的輸出功率時，效率達到32。應(yīng)用目標為空間站電源、供熱和熱推進系統(tǒng)。在上世紀末，在日本空間吃行器SFU上進行了搭載試驗。該系統(tǒng)產(chǎn)生的電力將用于等離了推力器試驗和新一代航天器(含月球軌道站)的供電系統(tǒng) 。

2010年7月，NASA發(fā)布了空間斯特林發(fā)電機繼續(xù)研究項目指南，空間斯特林發(fā)電技術(shù)研究已進入了吃行件研制階段。計劃應(yīng)用于未來的航天任務(wù)，如Europa Flagship 2016。

國內(nèi)研究情況

在我國，我國上海船用柴油機廠(711所)在消化吸收的基礎(chǔ)上研制出了常規(guī)燃料的11 0kW船用斯特林發(fā)動機，并研發(fā)了利用生物質(zhì)燃燒發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)，目前已成功運行了兩年多。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)已開發(fā)出燃玉米芯的SkW斯特林發(fā)動機。華中科技大學(xué)、中國科技大學(xué)、西安航空發(fā)動機公司等在斯特林發(fā)動機研究上也做了許多有益的工作。南京航空航天大學(xué)緊跟國際太陽能斯特林發(fā)動機的發(fā)展趨勢，在一些關(guān)鍵部件的理論和實驗研究上取得了較豐富的成果。國內(nèi)目前沒有有關(guān)空間斯特林發(fā)電機的研究報道?？臻g斯特林熱發(fā)電技術(shù)的研究基礎(chǔ)薄弱，同國外在該領(lǐng)域的發(fā)展相比，差距很大。蘭州空間技術(shù)物理研究所在國家支持下，目前正在開展空間斯特林發(fā)電技術(shù)的研究，已完成實驗室“T'’樣機的研制，并開展相關(guān)實驗。

放射性同位素電源RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)在空間已有40多年應(yīng)用歷史，熱電變換采用熱電元件的塞貝克(Seebeck)效應(yīng)，為靜態(tài)變換系統(tǒng)，具有簡單和高可靠特點，在空間已經(jīng)有大量應(yīng)用，任務(wù)涉及登月，深空探測，火星登陸和軍事通訊等領(lǐng)域。在深空間探測任務(wù)中，由于光注量率急劇下降，光伏發(fā)電不能應(yīng)用，使RTG成為惟一可以依賴的空間能源。目前， RTG的設(shè)計與制造在美國已日臻完善，熱電變換效率由早期的4%上升到8%，電功率由開始應(yīng)用時的2.7W提高到近kW級水平，比功率也由1.48 W/kg增加至5 W/kg。

為了進一步提高RTG的效率和比功率，滿足深空探測、空間機器人和火星登陸等深空探測航天任務(wù)更高要求，NASA開展了先進空放射性同位素電源項目，其中包括先進放射性同位素斯特林發(fā)電ASRG CAdvanced Stirling Radioisotope Generator)技術(shù)，斯特林發(fā)電機與放射性同位素?zé)嵩唇Y(jié)合，在相同的功率輸出時，比RTG系統(tǒng)的重量輕，所需的放射性同位素燃料的量減少了將近3/4，在重量和成本上具有優(yōu)勢，經(jīng)過20多年的發(fā)展，相關(guān)研究單位已向NASA交付數(shù)十臺樣機進行各種實驗和測試，目前已達到吃行應(yīng)用的技術(shù)水平，即將進行空間吃行試驗。

空間斯特林發(fā)電系統(tǒng)就是利用空間熱源，如放射性同位素?zé)嵩?、太陽能和核能等，將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，然后通過禍合在斯特林熱機上的線性交流發(fā)電機輸出電能的系統(tǒng)，屬于空間動態(tài)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，在所有熱機中循環(huán)效率最接近卡諾循環(huán)，可以達到理論卡諾效率的60。由于活塞與汽缸問的問隙密封技術(shù)和活塞之問流體傳動結(jié)構(gòu)保證了零件無磨損，具有長壽命和高可靠性的特點。