空間斯特林發電

空間斯特林發電是一種空間動態熱電轉換技術。其利用空間熱源，如放射性同位素熱源、太陽能和核能等，將熱能轉化為機械能，然後通過禍合在斯特林熱機上的線性交流發電機輸出電能的系統。空間斯特林發電技術是深空探測能源領域的關健技術，具有高效、長壽命的優點，國外即將空間套用。介紹了該項技術國內外開展情況，技術特徵，構型特點，技術指標等，同時敘述了主要的研究內容。對國內開展該項技術研究的意義和優勢進行了簡析。

基本介紹

• 中文名：空間斯特林發電
• 外文名：Space Stirling generates electricity
• 類型：發電技術
• 優點：高效、長壽命
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

放射性同位素電源RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)在空間已有40多年套用歷史，熱電變換採用熱電元件的塞貝克(Seebeck)效應，為靜態變換系統，具有簡單和高可靠特點，在空間已經有大量套用，任務涉及登月，深空探測，火星登入和軍事通訊等領域。在深空間探測任務中，由於光注量率急劇下降，光伏發電不能套用，使RTG成為惟一可以依賴的空間能源。目前， RTG的設計與製造在美國已日臻完善，熱電變換效率由早期的4%上升到8%，電功率由開始套用時的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入等深空探測航天任務更高要求，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電ASRG CAdvanced Stirling Radioisotope Generator)技術，斯特林發電機與放射性同位素熱源結合，在相同的功率輸出時，比RTG系統的重量輕，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勢，經過20多年的發展，相關研究單位已向NASA交付數十台樣機進行各種實驗和測試，目前已達到吃行套用的技術水平，即將進行空間吃行試驗。

空間斯特林發電系統就是利用空間熱源，如放射性同位素熱源、太陽能和核能等，將熱能轉化為機械能，然後通過禍合在斯特林熱機上的線性交流發電機輸出電能的系統，屬於空間動態熱電轉換技術，在所有熱機中循環效率最接近卡諾循環，可以達到理論卡諾效率的60。由於活塞與汽缸問的問隙密封技術和活塞之問流體傳動結構保證了零件無磨損，具有長壽命和高可靠性的特點。

國內外研究歷程

國外研究情況

在上世紀70年代，由於預見到斯特林發電機在未來能夠發展成空間套用的長壽命、高可靠電源裝置，NASA對斯特林發電機保持了持續的關注和支持。1989年NASA GRC進行了白由活塞斯特林放射性同位素髮電機空間套用的可行性研究，對輸出功率240W和480W的兩種斯特林放射性同位素髮電機研究結果表明，斯特林放射性同位素髮電機在空間套用是可行的。MTI公司於1992年為NASA SP-100項目開發了25KW空間斯特林發電原理樣機，斯特林發電機採用白由活塞禍合線性交流發電機，熱源採用反應堆，如圖2。

同一時期，美國能源部資助GE開發了1kW空間斯特林同位素髮電機，結構採用菱形機械結構傳動禍合旋轉交流發電機，如圖3，這種機型結構複雜，很難保證發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電機的構型中，由於採用了問隙密封和板彈簧支撐技術，流體傳動技術，消除了摩擦機械、密封結構、閥件和潤滑系統等不可靠因素的影響，動力學平衡性能好，從而消除了影響長壽命和可靠性的失效模式，NASA確定這種結構為空間斯特林發電機的構型。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髮電機在空間套用的潛力被進一步認可，但還需要在輸出功率水平效益，系統集成，壽命和可靠性試驗數據的積累方面為其空間套用提供進一步的參考。1993年NASA委託Infmia公司研製空間斯特林發電機，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空間斯特林發電機的研究，該項目計畫套用於冥土星快速吃越任務。在1997年DOE對高效放射性同位素電源轉換技術進行了評價研究，確定斯特林發電技術為可用的空間電源技術，該評估結果引出了NASA先進放射性空間電源項目，Lockheed Martin公司作為系統集成商，由infmia公司提供斯特林發電機技術驗證樣機，該機為2台SSW斯特林發電機雙機對置結構，在1999年該樣機達到了27%以上的效率，重量6kg，。由DOE, NASA和工業部門聯合授權組織研究單位對開展空間斯特林發電機吃行件研製的技術成熟度的評價，參加的研究單位包括DOE-Germantown NASA GRC JPL OSC LM，主要評估該項技術的空間適應性，基於相關的空間吃行斯特林制冷機的可靠性數據和Infmia公司lOW空間斯特林發電機50000h以上的壽命實驗數據和分析，評估認為SRG110的技術已達到進行下一步時示樣機研製水平，可以進行吃行樣機的研製。SRG110項目中1台斯特林發電機在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環境試驗。隨後由SRG110演變出的時示樣機，該樣機使用2塊通用同位素熱源，熱功率輸入496W時，能夠產生116W的電能輸出，到2005年，吃行樣機的研製使空間斯特林發電技術進一步成熟。為了進一步提高空間斯特林發電機的性能，NASA GRC資助Sunpower公司進行了先進空間斯特林發電機的研究，研製的EE-35空間斯特林發電機比功率達到90W/kg，與同位素熱源禍合後系統比功率達到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的電源要求。試驗表明斯特林發電機已能夠滿足太空飛行器的發射力學環境要求。此外Infinia公司的空間斯特林發電機地面壽命試驗累計達到了120000h水平。2009年NASA GRC開展了用於月球地震檢波儀登入器斯特林放射性同位素電源的設計，在日本太空發展署的支持下，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電相關技術的研究，研製了空腔型太陽能集熱器，斯特林熱電轉換器等，其斯特林發電系統NALSEM 500型，在SOOW的輸出功率時，效率達到32。套用目標為空間站電源、供熱和熱推進系統。在上世紀末，在日本空間吃行器SFU上進行了搭載試驗。該系統產生的電力將用於等離了推力器試驗和新一代太空飛行器(含月球軌道站)的供電系統。

2010年7月，NASA發布了空間斯特林發電機繼續研究項目指南，空間斯特林發電技術研究已進入了吃行件研製階段。計畫套用於未來的航天任務，如Europa Flagship 2016。

國內研究情況

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

空間斯特林發電技術的發展特點

空間斯特林發電技術在20多年的發展過程中，從可行性研究到吃行樣機，經過不斷地改進，技術方案基本明確，技術發展過程如表to 綜上所述，空間斯特林發電技術經過了多年發展，技術方案均採用白由活塞斯特林熱機禍合線性動磁交流發電機，構型特徵為:問隙密封、板彈簧支撐，配氣活塞和動力活塞氣動禍合等。技術參數為:發電效率:20%^-30%，輸出功率:數十瓦一數白瓦，能滿足小型空間時示器、火星探測等不同空間任務的電源需求。同時套用於月球基地核電源系統的大功率空間斯特林發電技術也正在開展。

在研究內容方面，上世紀70^-80年代研究重點在於系統穩定性、可反覆工作和滿足要求的性能指標方面，而此後的研究重點在於系統高精度仿真分析、壽命、可靠性和系統集成技術等空間套用方面，如全系統仿真分析技術、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，高溫回熱器材料、工藝和檢測技術研究，有機材料的放氣試驗研究，以及線性動磁發電機、控制器、系統EMI、可靠性評價，結構動力學最佳化和抗力學環境技術研究等方面。這些研究工作的開展對於提高空間斯特林發電機研究水平，實現空間套用奠定了堅實的基礎。

空間斯特林發電機熱頭結構設計

熱頭是斯特林發電機重要的能量傳輸部件，由於熱頭冷熱端存在較大的溫差，同時熱頭內部高壓工質在工作時產生高頻壓力脈動，為了減小熱端和冷端之間的軸向熱傳導損失，熱頭一般採用薄壁結構，因此熱頭薄壁結構同時要承受冷熱端溫差產生的較高熱應力，工質靜壓力和工質氣體的脈動壓變應力，尤其在熱頭高溫端，這些應力還同時伴隨著600℃以上的高溫，作為空間套用，其結構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，如熱力學薄壁結構與力學設計要求，這些均對熱頭的設計帶來巨大的挑戰。需要在設計中綜合考慮以上因素，進行結構的最佳化。

熱頭結構設計的難點

(1)在工作過程中，熱頭同時要承受冷熱端溫差產生的熱應力，內部工質壓力以及工質氣體在循環中產生的高頻交變脈動壓力，力學設計分析必須綜合考慮多方面的應力影響;

(2)在結構設計中為了減小冷熱端傳熱溫差造成的熱損失，熱頭筒體採用薄壁結構，需在減少導熱損失和提高抗彎強度之間進行最佳化;

(3)熱頭結構工藝設計和密封結構設計的可靠J險; (4)高溫熱源對冷端熱輻射和傳導效應的防護;

(5)高熱流密度傳熱結構設計。

熱頭結構設計的關注點

熱頭材料的選用分析 熱頭長期工作在高溫環境中，加熱溫度一般在650一800 0C，是長時間承受高溫和高壓持續載荷的氣密結構，必須考慮由此產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造成的氣密性降低等。因此熱頭結構對於材料性能和抗蠕變特性要求較高，在設計過程儘量選用成熟的、經過較多套用驗證和可獲得的耐高溫結構材料。在選用材料時把握以下原則:

(1)抗蠕變性能;

(2)可加工性;

(3)材質緻密，防氦工質的泄漏;

(4)長期高溫工作的穩定性和材料兼容性;

(5)易於實現焊接密封結構;

(6)延展性和剛性(便於加工，處理和抗外界物體撞擊能力)。

作為一般原則，受熱部件應採用在高溫下具有高強度的材料製成，典型的是含有18% C:和8% Ni的耐熱合金，如耐熱不鏽鋼，國產對應的牌號有OCr17Ni12Mo2，相當於美標316L，這種材料容易獲得，加工性好，可以用於斯特林發電機樣機的早期研製階段，本設計採用316L材料。所以在高溫使用過程中材料的真空質量損失也可以不考慮。

抗蠕變設計要求

由於非彈性疲勞引起的蠕變而導致的壓力容器在低於靜態強度極限時破裂。蠕變強度與溫度相關，而且在大多數的情況下僅僅關注材料在高溫時的變化。雖然蠕變能夠在任何溫度下發生，但是蠕變效應通常在溫度高於40%金屬熔化溫度時能夠觀測到[3]。典型性而言，在斯特林發電機中工作溫度高於這一標準的部件為熱頭，該部件的主要殼體應力不應超過材料在該溫度和服役時間下的蠕變破裂應力。即使在低於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於斯特林循環的性能有不利的影響。所以，應當限制熱頭殼體應力低於工作溫度和工作時間下的材料的蠕變應力。

熱頭工藝設計要求

為了減少熱頭軸向的熱傳導損失，熱頭結構的厚度一般為0. 5一1 mm，其形位精度要求較高，但由於所採用的材料加工和焊接性能好，所以熱頭採用筒體和封頭分體加工，最後焊接成整體的方式，這樣在加工精度的實現性方面帶來好處，便於加工，從而能夠在結構最佳化過程中兼顧熱頭加工成形和焊接密封的工藝可實現性。

熱頭高熱流密度換熱設計

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

採用放射性同位素熱源的空間斯特林發電機，熱頭與熱源直接藕合，在初步設計階段，熱頭結構採用平頭方式，採用模擬熱源與斯特林發電機藕合，熱藕合採用間接接觸熱傳導的方式，為了減小接觸熱阻，對熱頭與模擬熱源的導熱接觸表面粗糙度和平面度要有較高設計要求，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，根據導熱熱阻的影響因素分析，導熱熱阻與接觸面間的壓緊程度成正比，但斯特林發電機熱頭為薄壁結構，過大的壓緊力會導致其變形，從而影響其正常運行，採用在斯特林制冷機熱藕合上套用過的柔性導熱帶方式，使熱源與斯特林發電機熱頭同時實現柔性軟連線，這樣既保證了導熱帶兩端連線部位的較小傳熱熱阻，同時避免了熱頭受過大的預緊力，尤其適應發射力學負載，使熱頭結構不會由於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向力。

結構設計仿真方法的套用

由於斯特林發電機熱頭有複雜的外形和負載特徵，可以採用有限元分析獲得零件上的應力分析，FEA的好處是設計最佳化，比如最小質量等能夠自動得到，使用3D設計軟體創建基本幾何特徵、使用有限元仿真分析軟體進行格線化、添加負載，求解和根據設計準則進行評估等完整的設計過程，同時使用標準的FEA工作，比如格線敏感性研究、以保證分析結果的準確性。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計和分析結果，以保證在如此高的壓力時無永久變形的發生。

為了提高斯特林發電機熱頭抗彎強度，同時有效減小軸嚮導熱損失，提高系統效率，採用變截面的熱頭結構，與傳統的等截面結構相比，設計成形難度較大，但對系統的性能提高有益。在進行變截面熱頭結構設計時，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，工質氣體在冷熱端之間循環，提供產生機械功的壓力波，由於內部壓力，熱頭存在著環向和軸向的應力，冷熱端溫度梯度產生彎曲應力，熱頭為迴轉體，在大多數情況下採用2D對稱模型分析，但是考慮到發射負載，則採用3D模型。熱分析模型為溫度相關材料，因此需要非線性的疊代求解器，邊界條件包括在換熱器上的溫度和熱流值。

結構分析模型也使用溫度相關材料模型，套用從熱分析結果得到的節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射負載，建立結構模型用來確定熱頭壽命期內不同條件下的應力特點，調用在材料選用研究中得到的材料物理參數，根據熱頭的工作參數確定邊界條件，計算分析熱頭結構的應力分布特點，依照以上確定的設計準則對其仿真分析和最佳化設計，確定其結構設計參數。

展望

我國對空間放射性同位素溫差發電技術(RTG)進行了近40年的研究，已成功研製白毫瓦級Pu-23 8空間RTG，更大功率的RTG也正在研製，其發展同樣遇到熱電轉換效率低的問題。我國在空間長壽命斯特林制冷機技術已經到了工程套用階段，其關鍵技術如非接觸問隙密封和支撐技術、直線電機技術已得到驗證，這些技術能夠在斯特林發電技術中得到繼承，在空間長壽命斯特林制冷機研究過程中的經驗和教訓，將會促進空間斯特林發電技術研究，提高研究效率。隨著我國在空間領域的活動不斷增加，探月計畫和空間站計畫相繼開展，高效，高比功率和長壽命的空間電源系統將會有迫切的需求，所以適時開展空間斯特林發電技術研究，通過借鑑國外經驗和國內空間斯特林制冷機中的研製基礎，結合國內在機械加工和材料技術上的進步，縮小與先進技術的差距，能夠提高我國空間同位素電源技術套用水平，降低成本，為未來深空探測、登月和火星登入等空間任務提供技術儲備。同時，斯特林發電技術作為一種高效能源轉換技術，在空間反應堆電源、太陽能電站和核電推進等空間領域和地麵點聚焦太陽能發電等方面有潛在套用價值。

全球新能源技術發展迅猛，斯特林發電技術具有的效率高，高可靠性，對維護依賴小的特點，特別適合我國廣大的西部乾旱地區的套用，發展該項技術具有重要的現實意義和經濟意義。