高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

斯特林动力转换系统性能及应用技术研究

游尔胜 张廷 幸奠川 徐建军 闫晓

游尔胜, 张廷, 幸奠川, 徐建军, 闫晓. 斯特林动力转换系统性能及应用技术研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(5): 269-276. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.05.0269
引用本文: 游尔胜, 张廷, 幸奠川, 徐建军, 闫晓. 斯特林动力转换系统性能及应用技术研究[J]. 核动力工程, 2024, 45(5): 269-276. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.05.0269
You Ersheng, Zhang Ting, Xing Dianchuan, Xu Jianjun, Yan Xiao. Research on System Performance and Engineering Application of Stirling Power Conversion Technology[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(5): 269-276. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.05.0269
Citation: You Ersheng, Zhang Ting, Xing Dianchuan, Xu Jianjun, Yan Xiao. Research on System Performance and Engineering Application of Stirling Power Conversion Technology[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(5): 269-276. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.05.0269

斯特林动力转换系统性能及应用技术研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.05.0269
基金项目: 中国核动力研究设计院创新团队项目(KJCX-2022-TD-02)
详细信息
    作者简介:

    游尔胜(1992—),男,博士研究生,现主要从事新型核反应堆技术方面的研究,E-mail: youersheng@126.com

  • 中图分类号: TL353+.9;TK05

Research on System Performance and Engineering Application of Stirling Power Conversion Technology

  • 摘要: 为适应小型模块化核动力装置对新型动力转换技术的选型论证和总体评估需要,本研究重点针对自由活塞斯特林动力转换技术以及工程应用中的关键问题,对比分析了百瓦级同位素-斯特林电源系统、千瓦级反应堆-斯特林电源系统和十千瓦级太阳能-斯特林电源系统的典型应用方案,给出了斯特林动力转换系统的输出功率、转换效率两个关键参数的性能估算模型。研究结果表明,斯特林动力转换效率可达到卡诺循环效率的60%左右,但输出功率一般在几十千瓦以下,需要通过多个机组模块化配置实现更大发电能力,其中耦合结构及传热过程是影响斯特林动力转换系统性能的关键因素。本研究采用的估算模型和分析结果能够为斯特林动力转换系统的性能评估和工程应用提供支撑。

     

  • 图  1  比尔数随冷热端温度的变化

    Figure  1.  Variations of Beale Number with Cold and Hot Side Temperature

    图  2  斯特林发动机输出功率随热端温度的变化

    Figure  2.  Variations of Stirling Output Power with Hot Side Temperature

    图  3  KRUSTY项目中耦合结构设计方案

    Figure  3.  Coupled Structure Design in KRUSTY Project

    图  4  NASA提出的3种结构耦合方案

    Figure  4.  Three Structure Coupled Concepts Proposed by NASA

    表  1  动力转换效率与斯特林发动机升温比的关系

    Table  1.   Relation of Power Conversion Efficiency and Stirling Temperature Rise Ratio

    序号 升温比 η/% 卡诺循环效率ηc/% (η/ηc) /%
    1 1.2 8.71 16.67 52.28
    2 1.5 18.35 33.33 55.05
    3 2.0 29.29 50.00 58.58
    4 2.5 36.75 60.00 61.26
    5 3.0 42.26 66.67 63.40
    6 3.5 46.55 71.43 65.17
    下载: 导出CSV

    表  2  几种典型功率等级的斯特林动力转换系统性能估算

    Table  2.   Estimation of Several Typical Outputs of Stirling System Performance

    序号 工作温度/K 工作频率/Hz 氦气压力/MPa 输出功率/W η/%
    1 700 60 6 100 27.6
    2 850 60 8 500 26.8
    3 850 70 8 1000 28.4
    4 1000 70 10 5000 24.7
    5 1200 80 12 10000 29.1
    下载: 导出CSV

    表  3  斯特林发动机性能指标的主要限制因素和解决方案

    Table  3.   Limiting Factors and Solutions of Stirling Engine Performance

    指标影响因素原因分析解决方案
    输出功率热源传热量 热源与斯特林热头之间的传热面积有限,温差也不能过大以免影响效率 通过强化传热技术,提高热源与斯特林热头之间的传热系数
    转换效率冷热端温度 冷热端温差越大、效率越高,但热端温度受限于材料的耐受温度,冷端温度受限于冷却水或其他环境温度 选用高温金属以提高热端温度,但工程上一般不超过850℃
    工作频率 同一运行压力下,频率与效率存在最优值,过高或过低都会降低转换效率 根据发动机和直线电机效率,设计合适的往复运动频率
    运行压力 相同频率下运行压力越高,效率越高,但受限于材料强度、高温蠕变等 根据重量和比重量指标,合理选择气体工质的运行压力
    比重量整机结构 内部结构布置、零部件尺寸、活塞及气缸材料等将影响斯特林发动机重量 采用双机对置的紧凑结构,以及引入气体弹簧、轻质活塞、气浮轴承等将有效降低比重量
    可靠性运动部件磨损 在输入热量剧烈变化时,斯特林发动机的内部可能出现密封失效、活塞超行程等问题 优化气体工质流道,使发动机活塞不承受侧向力,同时采用间隙密封以提高可靠性
    下载: 导出CSV

    表  4  Sunpower公司ASC系列样机的研发历程

    Table  4.   R&D Process of ASC Stirling Engines in Sunpower Corporation

    研发阶段型号年份热头材料热端温度/℃
    技术开发ASC-12004Mar-M247850
    ASC-02005IN718650
    ASC-1HS2006Mar-M247850
    技术提升ASC-E2007IN718650
    ASC-E22010Mar-M247850
    ASC-E32012Mar-M247850
    总装集成ASC-FMar-M247850
      注:“—”表示数据缺乏,下文表格同理
    下载: 导出CSV

    表  5  6 kW斯特林发动机的主要设计参数

    Table  5.   Main Design Parameters of 6 kW Stirling Engine

    参数设计值参数设计值
    输出功率/kW6工作频率/Hz60
    热端温度/℃570活塞最大位移幅值/mm16
    冷端温度/℃111排出器最大位移幅值/mm12
    转换效率/%27排出器相位60°
    运行压力/MPa6.2气腔直径/mm127
    下载: 导出CSV

    表  6  典型太阳能-斯特林系统发电参数

    Table  6.   Typical Solar Energy-Stirling Power System Performance Parameters

    公司 Saudi SBP CPG Miyako
    年份 1988 1991 1992 1992
    机型 4-275 V160 NS30A
    工质 H2 He He He
    电功率/kW 52.5 9 7.5 8.5
    最高压力/MPa 15 15 4 14.5
    加热温度/℃ 620 630 629 683
    理论效率/% 42 30 33 25
    实际效率/% 23.1 20.3 19 16
    下载: 导出CSV
  • [1] TORO C, LIOR N. Analysis and comparison of solar-heat driven Stirling, Brayton and Rankine cycles for space power generation[J]. Energy, 2017, 120: 549-564. doi: 10.1016/j.energy.2016.11.104
    [2] 周寿明, 吴红星, 肖翀, 等. 自由活塞式斯特林直线发电机技术综述[J]. 微电机,2013, 46(12): 7-16. doi: 10.3969/j.issn.1009-2366.2021.06.011
    [3] MASON L S, SCHREIBER J G. A historical review of Brayton and Stirling power conversion technologies for space applications: NASA/TM-2007-214976[R]. Cleveland: NASA, 2007.
    [4] SCHREIBER J G, THIEME L G. GRC supporting technology for NASA’s advanced Stirling radioisotope generator (ASRG)[J]. AIP Conference Proceedings, 2008, 969(1): 582-592.
    [5] WILSON S D, SCHIFER N, CASCIANI M R. Small Stirling technology exploration power for future space science missions[C]//Proceedings of 2019 IEEE Aerospace Conference. Big Sky, MT: IEEE, 2019.
    [6] HIBBARD K E, MASON L S, NDU O, et al. Stirling to flight initiative[C]//Proceedings of 2016 IEEE Aerospace Conference. Big Sky, MT: IEEE, 2016.
    [7] 骆成栋,罗雨微,杨伟杰,等. 美国空间核动力斯特林电源系统技术发展分析[J]. 国际太空,2021(6): 44-48.
    [8] 冶文莲,孙述泽,陈鹏帆,等. 空间自由活塞斯特林发动机研究进展[J]. 真空与低温,2021, 27(5): 457-466. doi: 10.3969/j.issn.1006-7086.2021.05.008
    [9] 游尔胜,张廷,张友佳,等. 斯特林动力转换技术在微型核装置中的应用分析[J]. 科学技术创新,2023(9): 58-62. doi: 10.3969/j.issn.1673-1328.2023.09.016
    [10] 夏彦,李健,周钦,等. 斯特林热电一体化空间堆电源研究进展[J]. 中国基础科学,2023, 25(1): 46-54,59. doi: 10.3969/j.issn.1009-2412.2023.01.006
    [11] BEALE WT. The development of Stirling engines at Sunpower, Inc. [C]//Proceedings of the 2nd International Stirling Engine Conference. Shanghai, 1984.
    [12] SCHREIBER J G. RE-1000 free – piston Stirling engine update[C]//Proceedings of the 20th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Miami Beach, 1985.
    [13] ROSS B, DUDENHOEFER J E. Stirling machine operating experience[C]//Proceedings of the 26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Boston, 1991.
    [14] DOCHAT G R. Development of a small, free-piston stirling engine, linear-alternator system for solar thermal electric power applications: AE Technical Paper 810457[R]. Pennsylvania, U.S.: SAE International, 1981.
    [15] SLABY J G. Overview of free-piston Stirling technology at the NASA Lewis research center[C]//Proceedings of the 23rd Automotive Technology Development Contractors’ Coordination Meeting, Dearborn, 1985.
    [16] DOCHAT G. SPDE/SPRE final summary report: NASA Contractor Report 187086[R]. Latham: NASA, 1993.
    [17] WOOD J G, LANE N. Development of the Sunpower 35 We free-piston Stirling convertor[J]. AIP Conference Proceedings, 2005, 746(1): 682-687.
    [18] WALKER G. Stirling engines[M]. New York: Oxford University Press, 1980: 1-9.
    [19] CURZON F L, AHLBORN B. Efficiency of a Carnot engine at maximum power output[J]. American Journal of Physics, 1975, 43(1): 22-24. doi: 10.1119/1.10023
    [20] LEWANDOWSKI E J, JOHNSON P K. Stirling system modeling for space nuclear power systems: NASA/CR—2008-215146[R]. Cleveland: NASA, 2008.
    [21] GIBSON M A, POSTON D I, MCCLURE P, et al. Kilopower reactor using Stirling technology (KRUSTY) nuclear ground test results and lessons learned: NASA/TM—2018-219941[R]. Cleveland: NASA, 2018.
    [22] WONG W A, CORNELL P A. Advanced Stirling convertor (ASC) technology maturation in preparation for flight: NASA/TM—2012-217207[R]. Cleveland: NASA, 2012.
    [23] ORITI S M. Performance measurement of advanced Stirling convertors (ASC-E3): NASA/TM—2013-216564[R]. Cleveland: NASA, 2013.
    [24] HAMLEY J A, MCCALLUM P W, SANDIFER II C E, et al. NASA’s radioisotope power systems-plans[R]. Cleveland: NASA, 2015.
    [25] GENG S M, MASON L S, DYSON R W, et al. Overview of multi-kilowatt free-piston Stirling power conversion research at Glenn research center: NASA/TM—2008-215061[R]. Cleveland: NASA, 2008.
    [26] BRIGGS M H, GENG S M, PEARSON J B, et al. Summary of test results from a 1 kWe – class free-piston Stirling power convertor integrated with a pumped NaK loop[C]//Proceedings of the 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Nashville: AIAA, 2010.
    [27] GIBSON M A, OLESON S R, POSTON D I, et al. NASA's Kilopower reactor development and the path to higher power missions: NASA/TM—2017-219467[R]. Gleveland: NASA, 2017.
    [28] GIBSON M A, BRIGGS M H, SANZI J L, et al. Heat pipe powered Stirling conversion for the demonstration using flattop fission (DUFF) test: NASA/TM—2013-216542[R]. Cleveland: NASA, 2013.
    [29] LUKEFAHR B. Utility – scale solar generation technologies: coming of age[C]//Proceedings of the Gulf Coast Power Association Fall Conference, Austin, Texas, U.S., 2009.
  • 加载中
图(4) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  39
  • HTML全文浏览量:  10
  • PDF下载量:  12
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-22
  • 修回日期:  2024-08-02
  • 刊出日期:  2024-10-14

目录

    /

    返回文章
    返回