[科普中国]-空间斯特林发电

简介

放射性同位素电源RTG(Radioisotope Thermoelectric Generator)在空间已有40多年应用历史，热电变换采用热电元件的塞贝克(Seebeck)效应，为静态变换系统，具有简单和高可靠特点，在空间已经有大量应用，任务涉及登月，深空探测，火星登陆和军事通讯等领域。在深空间探测任务中，由于光注量率急剧下降，光伏发电不能应用，使RTG成为惟一可以依赖的空间能源。目前， RTG的设计与制造在美国已日臻完善，热电变换效率由早期的4%上升到8%，电功率由开始应用时的2.7W提高到近kW级水平，比功率也由1.48 W/kg增加至5 W/kg。

为了进一步提高RTG的效率和比功率，满足深空探测、空间机器人和火星登陆等深空探测航天任务更高要求，NASA开展了先进空放射性同位素电源项目，其中包括先进放射性同位素斯特林发电ASRG CAdvanced Stirling Radioisotope Generator)技术，斯特林发电机与放射性同位素热源结合，在相同的功率输出时，比RTG系统的重量轻，所需的放射性同位素燃料的量减少了将近3/4，在重量和成本上具有优势，经过20多年的发展，相关研究单位已向NASA交付数十台样机进行各种实验和测试，目前已达到吃行应用的技术水平，即将进行空间吃行试验。

空间斯特林发电系统就是利用空间热源，如放射性同位素热源、太阳能和核能等，将热能转化为机械能，然后通过祸合在斯特林热机上的线性交流发电机输出电能的系统，属于空间动态热电转换技术，在所有热机中循环效率最接近卡诺循环，可以达到理论卡诺效率的60。由于活塞与汽缸问的问隙密封技术和活塞之问流体传动结构保证了零件无磨损，具有长寿命和高可靠性的特点。

国内外研究历程国外研究情况在上世纪70年代，由于预见到斯特林发电机在未来能够发展成空间应用的长寿命、高可靠电源装置，NASA对斯特林发电机保持了持续的关注和支持。1989年NASA GRC进行了白由活塞斯特林放射性同位素发电机空间应用的可行性研究，对输出功率240W和480W的两种斯特林放射性同位素发电机研究结果表明，斯特林放射性同位素发电机在空间应用是可行的。MTI公司于1992年为NASA SP-100项目开发了25KW空间斯特林发电原理样机，斯特林发电机采用白由活塞祸合线性交流发电机，热源采用反应堆，如图2。

同一时期，美国能源部资助GE开发了1kW空间斯特林同位素发电机，结构采用菱形机械结构传动祸合旋转交流发电机，如图3，这种机型结构复杂，很难保证发电机的长寿命和高可靠。而在白由活塞斯特林机祸合线性交流发电机的构型中，由于采用了问隙密封和板弹簧支撑技术，流体传动技术，消除了摩擦机械、密封结构、阀件和润滑系统等不可靠因素的影响，动力学平衡性能好，从而消除了影响长寿命和可靠性的失效模式，NASA确定这种结构为空间斯特林发电机的构型。到上世纪90年代早期，NASA GRC通过更多深入研究，斯特林放射性同位素发电机在空间应用的潜力被进一步认可，但还需要在输出功率水平效益，系统集成，寿命和可靠性试验数据的积累方面为其空间应用提供进一步的参考。1993年NASA委托Infmia公司研制空间斯特林发电机，效率28%，输出功率280W o 1994年美国DOE资助Fairchild Space and Defense Corporation进行75 W空间斯特林发电机的研究，该项目计划应用于冥土星快速吃越任务。在1997年DOE对高效放射性同位素电源转换技术进行了评价研究，确定斯特林发电技术为可用的空间电源技术，该评估结果引出了NASA先进放射性空间电源项目，Lockheed Martin公司作为系统集成商，由infmia公司提供斯特林发电机技术验证样机，该机为2台SSW斯特林发电机双机对置结构，在1999年该样机达到了27%以上的效率，重量6kg，。由DOE, NASA和工业部门联合授权组织研究单位对开展空间斯特林发电机吃行件研制的技术成熟度的评价，参加的研究单位包括DOE-Germantown NASA GRC JPL OSC LM，主要评估该项技术的空间适应性，基于相关的空间吃行斯特林制冷机的可靠性数据和Infmia公司lOW空间斯特林发电机50000h以上的寿命实验数据和分析，评估认为SRG110的技术已达到进行下一步时示样机研制水平，可以进行吃行样机的研制。SRG110项目中1台斯特林发电机在NASA GRC进行各项试验，截止2008年12月完成了20000h的热真空试验和各项力学环境试验。随后由SRG110演变出的时示样机2，该样机使用2块通用同位素热源，热功率输入496W时，能够产生116W的电能输出，到2005年，吃行样机的研制使空间斯特林发电技术进一步成熟。为了进一步提高空间斯特林发电机的性能，NASA GRC资助Sunpower公司进行了先进空间斯特林发电机的研究，研制的EE-35空间斯特林发电机比功率达到90W/kg，与同位素热源祸合后系统比功率达到8 W/kg，如此水平的比功率将能够满足一系列新型放射性同位素电推进任务的电源要求。试验表明斯特林发电机已能够满足航天器的发射力学环境要求。此外Infinia公司的空间斯特林发电机地面寿命试验累计达到了120000h水平。2009年NASA GRC开展了用于月球地震检波仪登陆器斯特林放射性同位素电源的设计，在日本太空发展署的支持下，日本国家空间实验室从1997年开始了空间太阳能热动力斯特林发电相关技术的研究，研制了空腔型太阳能集热器，斯特林热电转换器等，其斯特林发电系统NALSEM 500型，在SOOW的输出功率时，效率达到32。应用目标为空间站电源、供热和热推进系统。在上世纪末，在日本空间吃行器SFU上进行了搭载试验。该系统产生的电力将用于等离了推力器试验和新一代航天器(含月球轨道站)的供电系统3。

2010年7月，NASA发布了空间斯特林发电机继续研究项目指南，空间斯特林发电技术研究已进入了吃行件研制阶段。计划应用于未来的航天任务，如Europa Flagship 2016。

国内研究情况在我国，我国上海船用柴油机厂(711所)在消化吸收的基础上研制出了常规燃料的11 0kW船用斯特林发动机，并研发了利用生物质燃烧发电的发电系统，目前已成功运行了两年多。北京农业大学已开发出燃玉米芯的SkW斯特林发动机。华中科技大学、中国科技大学、西安航空发动机公司等在斯特林发动机研究上也做了许多有益的工作。南京航空航天大学紧跟国际太阳能斯特林发动机的发展趋势，在一些关键部件的理论和实验研究上取得了较丰富的成果。国内目前没有有关空间斯特林发电机的研究报道。空间斯特林热发电技术的研究基础薄弱，同国外在该领域的发展相比，差距很大。兰州空间技术物理研究所在国家支持下，目前正在开展空间斯特林发电技术的研究，已完成实验室“T'’样机的研制，并开展相关实验。

空间斯特林发电技术的发展特点空间斯特林发电技术在20多年的发展过程中，从可行性研究到吃行样机，经过不断地改进，技术方案基本明确，技术发展过程如表to 综上所述，空间斯特林发电技术经过了多年发展，技术方案均采用白由活塞斯特林热机祸合线性动磁交流发电机，构型特征为:问隙密封、板弹簧支撑，配气活塞和动力活塞气动祸合等。技术参数为:发电效率:20%^-30%，输出功率:数十瓦一数白瓦，能满足小型空间时示器、火星探测等不同空间任务的电源需求。同时应用于月球基地核电源系统的大功率空间斯特林发电技术也正在开展4。

在研究内容方面，上世纪70^-80年代研究重点在于系统稳定性、可反复工作和满足要求的性能指标方面，而此后的研究重点在于系统高精度仿真分析、寿命、可靠性和系统集成技术等空间应用方面，如全系统仿真分析技术、永磁材料高温退磁场下的寿命试验、热头材料评价和加速蠕变老化研究，高温回热器材料、工艺和检测技术研究，有机材料的放气试验研究，以及线性动磁发电机、控制器、系统EMI、可靠性评价，结构动力学优化和抗力学环境技术研究等方面。这些研究工作的开展对于提高空间斯特林发电机研究水平，实现空间应用奠定了坚实的基础。

空间斯特林发电机热头结构设计热头是斯特林发电机重要的能量传输部件，由于热头冷热端存在较大的温差，同时热头内部高压工质在工作时产生高频压力脉动，为了减小热端和冷端之间的轴向热传导损失，热头一般采用薄壁结构，因此热头薄壁结构同时要承受冷热端温差产生的较高热应力，工质静压力和工质气体的脉动压变应力，尤其在热头高温端，这些应力还同时伴随着600℃以上的高温，作为空间应用，其结构还要求长寿命和高可靠，以上因素和要求互相作用，有些甚至互相矛盾，如热力学薄壁结构与力学设计要求，这些均对热头的设计带来巨大的挑战。需要在设计中综合考虑以上因素，进行结构的优化5。

热头结构设计的难点(1)在工作过程中，热头同时要承受冷热端温差产生的热应力，内部工质压力以及工质气体在循环中产生的高频交变脉动压力，力学设计分析必须综合考虑多方面的应力影响;

(2)在结构设计中为了减小冷热端传热温差造成的热损失，热头筒体采用薄壁结构，需在减少导热损失和提高抗弯强度之间进行优化;

(3)热头结构工艺设计和密封结构设计的可靠J险; (4)高温热源对冷端热辐射和传导效应的防护;

(5)高热流密度传热结构设计。

热头结构设计的关注点热头材料的选用分析 热头长期工作在高温环境中，加热温度一般在650一800 0C，是长时间承受高温和高压持续载荷的气密结构，必须考虑由此产生的材料随时间积累的非弹性疲劳一蠕变，材料在高温下低沸点成分的挥发造成的气密性降低等。因此热头结构对于材料性能和抗蠕变特性要求较高，在设计过程尽量选用成熟的、经过较多应用验证和可获得的耐高温结构材料。在选用材料时把握以下原则:

(1)抗蠕变性能;

(2)可加工性;

(3)材质致密，防氦工质的泄漏;

(4)长期高温工作的稳定性和材料兼容性;

(5)易于实现焊接密封结构;

(6)延展性和刚性(便于加工，处理和抗外界物体撞击能力)。

作为一般原则，受热部件应采用在高温下具有高强度的材料制成，典型的是含有18% C:和8% Ni的耐热合金，如耐热不锈钢，国产对应的牌号有OCr17Ni12Mo2，相当于美标316L，这种材料容易获得，加工性好，可以用于斯特林发电机样机的早期研制阶段，本设计采用316L材料。所以在高温使用过程中材料的真空质量损失也可以不考虑。

抗蠕变设计要求

由于非弹性疲劳引起的蠕变而导致的压力容器在低于静态强度极限时破裂。蠕变强度与温度相关，而且在大多数的情况下仅仅关注材料在高温时的变化。虽然蠕变能够在任何温度下发生，但是蠕变效应通常在温度高于40%金属熔化温度时能够观测到[3]。典型性而言，在斯特林发电机中工作温度高于这一标准的部件为热头，该部件的主要壳体应力不应超过材料在该温度和服役时间下的蠕变破裂应力。即使在低于要求的防止破裂的蠕变危害的情况下，蠕变变形造成的无效容积的增加对于斯特林循环的性能有不利的影响。所以，应当限制热头壳体应力低于工作温度和工作时间下的材料的蠕变应力。

热头工艺设计要求

为了减少热头轴向的热传导损失，热头结构的厚度一般为0. 5一1 mm，其形位精度要求较高，但由于所采用的材料加工和焊接性能好，所以热头采用筒体和封头分体加工，最后焊接成整体的方式，这样在加工精度的实现性方面带来好处，便于加工，从而能够在结构优化过程中兼顾热头加工成形和焊接密封的工艺可实现性。

热头高热流密度换热设计

斯特林发电机热头为热量输入端，热流密度大(本设计约20. 37 W / cmz )，工质在热头膨胀腔体内高速交变流动，工质与热头壁的热交换时间极短，热头换热结构影响热输入效率，直接影响到系统的热效率。根据传热机理，采用的主要技术途径是增大有效换热面积、提高换热强度和减少热阻。

采用放射性同位素热源的空间斯特林发电机，热头与热源直接藕合，在初步设计阶段，热头结构采用平头方式，采用模拟热源与斯特林发电机藕合，热藕合采用间接接触热传导的方式，为了减小接触热阻，对热头与模拟热源的导热接触表面粗糙度和平面度要有较高设计要求，同时为保证接触面有足够大的接触面积，在接触面之间填充耐高温界面材料，根据导热热阻的影响因素分析，导热热阻与接触面间的压紧程度成正比，但斯特林发电机热头为薄壁结构，过大的压紧力会导致其变形，从而影响其正常运行，采用在斯特林制冷机热藕合上应用过的柔性导热带方式，使热源与斯特林发电机热头同时实现柔性软连接，这样既保证了导热带两端连接部位的较小传热热阻，同时避免了热头受过大的预紧力，尤其适应发射力学负载，使热头结构不会由于热源和热头热端面的相对位宇航材料工艺移而受到较大的侧向力。

结构设计仿真方法的应用由于斯特林发电机热头有复杂的外形和负载特征，可以采用有限元分析获得零件上的应力分析，FEA的好处是设计优化，比如最小质量等能够自动得到，使用3D设计软件创建基本几何特征、使用有限元仿真分析软件进行网格化、添加负载，求解和根据设计准则进行评估等完整的设计过程，同时使用标准的FEA工作，比如网格敏感性研究、以保证分析结果的准确性。在条件许可的情况下，需要开展2倍工作压力的爆破压力试验和1. 5倍最大工作压力的验证试验校验设计和分析结果，以保证在如此高的压力时无永久变形的发生。

为了提高斯特林发电机热头抗弯强度，同时有效减小轴向导热损失，提高系统效率，采用变截面的热头结构，与传统的等截面结构相比，设计成形难度较大，但对系统的性能提高有益。在进行变截面热头结构设计时，首先建立热头的有限元分析模型，热头是一个压力腔，而且一端受热，一端受冷，工质气体在冷热端之间循环，提供产生机械功的压力波，由于内部压力，热头存在着环向和轴向的应力，冷热端温度梯度产生弯曲应力，热头为回转体，在大多数情况下采用2D对称模型分析，但是考虑到发射负载，则采用3D模型。热分析模型为温度相关材料，因此需要非线性的迭代求解器，边界条件包括在换热器上的温度和热流值。

结构分析模型也使用温度相关材料模型，应用从热分析结果得到的节点温度作为边界条件，额外的边界条件包括压力负载，位移状况和任何需要仿真的条件如发射负载，建立结构模型用来确定热头寿命期内不同条件下的应力特点，调用在材料选用研究中得到的材料物理参数，根据热头的工作参数确定边界条件，计算分析热头结构的应力分布特点，依照以上确定的设计准则对其仿真分析和优化设计，确定其结构设计参数。

展望我国对空间放射性同位素温差发电技术(RTG)进行了近40年的研究，已成功研制白毫瓦级Pu-23 8空间RTG，更大功率的RTG也正在研制，其发展同样遇到热电转换效率低的问题。我国在空间长寿命斯特林制冷机技术已经到了工程应用阶段，其关键技术如非接触问隙密封和支撑技术、直线电机技术已得到验证，这些技术能够在斯特林发电技术中得到继承，在空间长寿命斯特林制冷机研究过程中的经验和教训，将会促进空间斯特林发电技术研究，提高研究效率。随着我国在空间领域的活动不断增加，探月计划和空间站计划相继开展，高效，高比功率和长寿命的空间电源系统将会有迫切的需求，所以适时开展空间斯特林发电技术研究，通过借鉴国外经验和国内空间斯特林制冷机中的研制基础，结合国内在机械加工和材料技术上的进步，缩小与先进技术的差距，能够提高我国空间同位素电源技术应用水平，降低成本，为未来深空探测、登月和火星登陆等空间任务提供技术储备。同时，斯特林发电技术作为一种高效能源转换技术，在空间反应堆电源、太阳能电站和核电推进等空间领域和地面点聚焦太阳能发电等方面有潜在应用价值。

全球新能源技术发展迅猛，斯特林发电技术具有的效率高，高可靠性，对维护依赖小的特点，特别适合我国广大的西部干旱地区的应用，发展该项技术具有重要的现实意义和经济意义。