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自由活塞斯特林发电机启动特性实验研究

2023-12-29 84 上传者：管理员

摘要：启动是开展自由活塞斯特林发电机实验研究的前提，为更系统研究发电机的启动特性，搭建相关实验测试系统并开展实验。发现发电机在激励过后，只有热端温度超过一定值才能成功启动，并以此定义发电机的启动温度。然后以启动温度为评价指标，探究充气压力，配气活塞板弹簧刚度等参数对发电机启动的影响规律。实验结果表明：随着充气压力增加，发电机对应的启动温度逐渐降低。配气活塞板弹簧刚度只有在一定范围内，发电机才能成功启动，并存在最优值。同时，减小外负载阻值以及通过串连电容增加系统的谐振都有利于发电机的启动。

关键词：
启动特性实验
太阳能热发电
热端温度
自由活塞斯特林发电机
负载阻值
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为实现中国经济快速和可持续发展，现阶段能源利用必须提高其效率以及发展其他清洁能源。太阳能热发电以其低成本、高技术成熟度以及易和其他燃料形成混合发电系统等优点而受到日益重视[1,2]。其中碟式斯特林太阳能热发电以其光电转化效率高、体积重量小、可模块化等诸多优势成为了分布式能源电站的绝佳选择[3]。

碟式斯特林太阳能热发电系统主要包括双轴跟踪控制、旋转抛物面聚光器、吸收器、斯特林发电机等部分。吸热器吸收聚光器聚焦反射的高热流密度的太阳辐射能量，并转化为热能传递给斯特林发电机的热端进行发电。因此，斯特林发电机作为热电转换的关键部件是影响整个系统输出性能的核心[4,5]。

斯特林发电机是一种外燃式的温差型热功转换机械，只有当冷、热端满足一定温差条件，发电机才能稳定运行。而碟式太阳能发电系统在实际应用中，吸收器内的热量主要通过斯特林发电机的热端进行传递。为避免由于波动的太阳辐照度使得内表面温度过高，从而影响系统安全，发电机必须在热端温度较低情况下就开始运行，以建立有效的系统热循环。因此，发电机的启动温度是重要参数，其决定了系统能运行的条件，同时也决定了耦合热源的品位。

从20世纪80年代开始，国内外很多外机构开始研制碟式斯特林太阳能热发电技术，但大部分都集中在传统的曲柄连杆斯特林发电机[6,7]。而与该类型发电机相比，自由活塞斯特林发电机（free piston Stirling generator,FPSG）两活塞之间取消了复杂的曲柄连杆机构，且采用板弹簧耦合气体轴承实现了活塞和气缸间的间隙动密封，替代了通过油润滑的接触式密封。因此其整体结构更紧凑，可靠性更高，在太阳能热发电领域具有重要应用前景[8,9]。

由于FPSG中配气活塞和动力活塞通过气体力进行耦合，因此其内部的热力学和动力学更加复杂，尤其是相关的启动特性。目前很多文献建立不同的分析模型研究影响FPSG稳定运行的因素，而对于FPSG的启动特性问题研究较少。文献[10]采用施密特理论耦合极点放置法研究了FPSG的启动条件，发现发电机只能在6.2～6.4 Hz工作条件下启动；文献[11]基于能量守恒关系从功率分配角度定性地研究了FPSG的启动特性，并提出满足FPSG的3个必要条件。实验研究是快速分析FPSG实际启动条件和检验数值分析方法正确与否的基本手段，而目前相关研究几乎空白。

基于上述背景，本文将利用自主研制的千瓦级自由活塞斯特林发电机搭建实验测试系统并开展发电机相关的启动实验。以发电机启动温度为评价指标，在相同装配参数和运行工况下，测试并分析不同充气压力，配气活塞板弹簧刚度、外负载等参数对于发电机启动情况和运行频率的影响规律。以期为后期整机稳定运行研究奠定基础。

1、发电机基本结构

如图1所示，自研的自由活塞斯特林发电机采用β构型，主体结构包括实现热力循环的热端换热器、回热器和冷端换热器，实现动力输出的配气活塞和动力活塞，以及实现电能转换的动磁直线电机，其具体参数详见表1。同时，该发电机为降低活塞与气缸间的机械磨损，提升发电机运行的稳定性以及寿命，采用气体轴承耦合磁力弹簧，间隙密封耦合板弹簧支撑等关键技术[12]。

图1 自由活塞斯特林发电机结构示意图

发电机在启动过程中，配气活塞和动力活塞受力方程可表示为：

式中：x——活塞的位移，m;m——活塞的质量，kg;c——活塞的阻尼系数，s/m;k——活塞的板弹簧刚度，N/m;Ad、Ap、Ar——配气活塞、动力活塞和配气活塞杆的截面积，m2;pe、pc、p0——膨胀腔、压缩腔和背压腔的压力，MPa;F——外部力，N；下标d表示配气活塞；下标p表示动力活塞。

其中主要包括两活塞所受的惯性力mdx d和mpx p；阻尼力cdx d和cpx p；弹簧力kdxd和kpxp，以及相应的气体力。而对于动力活塞，在初始激励过程中，会存在外部激励力F，使得动力活塞产生一定的加速度，形成一定的位移，从而建立起腔体内部的压力波动，驱动两活塞运动。由式（2）可见，在相同的激励条件下，影响两活塞运行，即影响发电机启动的关键参数在于弹簧刚度，活塞阻尼系数以及充气压力。

表1 自由活塞斯特林发电机参数

2、实验装置与测量

该实验系统的整体结构示意如图2所示，主要包括真空系统、充气系统、激励系统、加热系统、冷水机组、外接负载和数据采集、测试系统[13]。

图2 FPSG实验系统结构示意图

图3是FPSG实验现场图。实验采用加热棒（220V,1 kW）替代集热器吸收的太阳能为FPSG的热头加热。采用工业冷水机组实现发电机冷端换热器散热，并保持冷端换热器内温度为10℃。实验测量仪器包括：温度传感器、压力传感器和加速度传感器。

将经过校准的K型铠装热电偶（精度等级1）放置在电加热器的中心以测试发电机热头的温度。另外两个相同型号的热电偶均匀地安装在膨胀腔和压缩腔处以测量实际气体温度。背压腔和工作腔的压力波动采用高精度动态压力传感器（型号CYG1409F，测量范围0～10 MPa，精度±0.01 MPa）。配气活塞和动力活塞的位移分别采用两个单向垂直贴片加速度计（型号GWT-1B，精度±1%），具体测量方式参照文献[14]。

当发电机热端温度升高时，通过激励系统瞬时给发电机提供一个电压为36 V，频率为60 Hz的正弦电信号。此时，发电机内连接在动子上的动力活塞会产生相应的位移，从而建立起内部压力波动，实现FPSG的初步激励启动。

图3 FPSG实验现场图

在激励启动过程中，发电机的运行呈现两种不同的状态，如图4和图5所示。图4a表示在1.36 s给发电机提供激励，并在1.56 s关闭激励阶段动力活塞和配气活塞的位移曲线，由图4a可知，在激励阶段，两活塞的位移不断增长，并在激励结束时达到最大值。图4b和图4c分别是从激励发电机开始至运行5 s内两个活塞位移随时间的变化，可明显看到，停止激励后，两个活塞的运动振幅逐渐耗散，最终发电机停止。此时发电机热端内气体温度为218.7℃，冷端为10℃，说明该温差条件下，两活塞运动所产生的压力波无法克服活塞运动的阻力，使得发电机无法成功启动。

图4 激励后动力活塞和配气活塞振荡耗散位移曲线

图5是在相同装配参数和运行工况下，热端气体温度为247.2℃时，激励发电机后两个活塞的运动位移变化。可明显发现，在关闭激励后，两个活塞的位移先迅速下降，而后又缓慢增加。这是因为随着时间的推移，发电机热头处温度不断增加，活塞行程也将不断增大，此时发电机才成功启动。

图5 激励后两活塞稳定运行位移曲线

进一步对比图6，可从发电机激励后的输出情况更加直观地判断发电机的启动状态。在冷端温度同为10℃，且装配参数和运行工况相同的情况下（参考表1），当发电机内热端气体温度未达到247.2℃时，激励后，发电机输出会逐渐趋于零；而只有达到该温度值时，发电机激励启动后输出才会不断增长。因此，本文将该激励状态下发电机热端气体的温度定义为发电机的启动温度，后续将以此为评价指标，分析不同参数对于发电机启动的影响规律。

图6 发电机激励后不同输出状态对比

3、实验结果与分析

3.1 不同充气压力

图7为在相同装配和运行参数下（参照表1），发电机充气压力在4.2～5.8 MPa时对应的启动温度和运行频率。由图7可知，当充气压力从4.2 MPa增长至5.8 MPa时，发电机的启动温度从279℃下降至165℃，运行频率从61.73 Hz提升至63.69 Hz。这主要是因为在相同的加热功率和活塞运行振幅情况下，发电机内充气压力增大使得参与循环的工质质量增加，相应地增加了与热端换热器的换热量，从而降低了发电机热头的温度。同时，充气压力增大，使得气体弹簧刚度增加，发电机整体的运行频率也逐渐增长。

图7 不同充气压力下发电机启动温度

3.2 不同配气活塞板弹簧刚度

配气活塞板弹簧主要对配气活塞起到径向支撑作用，保持运动过程活塞与气缸的密封间隙，同时也为活塞的往复振动提供足够的轴向刚度。本样机配气活塞板弹簧共计3种，分别为5、5.5和6 mm，其对应的轴向刚度分别为168、210和269 kN/m。在实验过程中发现发电机启动状况对于配气活塞板弹簧的变化较敏感。在充气压力同为5 MPa，且发电机两活塞动质量不变的工况下，当板弹簧整体刚度小于336 kN/m（两片5 mm板弹簧组合），或刚度大于630 kN/m(3片5.5 mm板弹簧组合）发电机均无法成功启动。

由式（1）可知，当板弹簧刚度过大，即活塞所受的弹簧力较大时，活塞所需的气体力也越大，因此在相同的充气压力下，活塞所需的压力波越大，对应的热端温度也越高，甚至无法启动。而板弹簧刚度的变化，不仅影响活塞所受的弹簧力，同时也会引起活塞相位角的变化，相位角随配气活塞板簧刚度增大而增大。只有配气活塞位移领先动力活塞位移，即相位角大于0°时发电机才能启动[15]，因此配气活塞板弹簧刚度只有在一定的区间范围内，发电机才能成功启动。

图8为在相同运行参数下（参照表1），配气活塞板弹簧刚度分别为378、420、479和538 kN/m时发电机的启动温度和运行频率。由图8可知，发电机的启动温度随板弹簧刚度的增加先减小后增加，存在该区间内的较优值，此时刚度为420 kN/m，启动温度为169℃。而运行频率不断增长，从60.07 Hz升高至63.9 Hz，这是因为板弹簧刚度增加，增加了活塞自然振荡频率，从而提高了系统的运行频率。

图8 不同配气活塞板弹簧刚度下发电机启动温度

3.3 不同外负载

在实际运行过程中，动力活塞受到的阻尼力主要包括机械阻尼和电磁阻尼，而阻尼力的大小对于发电机的启动影响较大。其中机械阻尼主要指活塞运行的摩擦阻尼，在本轮实验中，主要通过添加气体轴承支撑以及控制零件的同轴精度两种方式有效地解决了活塞磨损问题。电磁阻尼主要取决于直线电机本体的结构以及外负载电路。

在相同装配参数下，外负载阻值分别为16.7、37、74和105Ω时发电机的启动温度和运行频率如图9所示。随着外负载增长，发电机启动温度从241℃提升至297℃，运行频率从62.2 Hz降低至60.52 Hz。

图9 不同外负载阻值下发电机启动温度

由于直线电机中线圈存在电感，当外负载电路只采用纯电阻时，会使得整个负载电路处于非谐振状态。因此，需在负载电路中增加合适的电容以抵消电路中线圈电感产生的感抗。图10为在相同条件下，串接50、80和100μF时发电机的启动温度和运行频率。不同的电容对于发电机的运行频率影响较小，但是随着电容的增大，启动温度不断降低。这主要是因为此时引入的容抗更加接近直线电机的感抗，使得系统更趋近于谐振状态。

图1 0 不同串连电容下发电机启动温度

4、结论

本文自主搭建了自由活塞斯特林发电机实验测试系统，并针对不同参数对发电机的启动特性开展了详细的研究。在实验中发现，通过外加激励扰动是实现FPSG快速启动的方法，但是只有发电机热端温度达到一定温度范围，发电机才能正常稳定启动，不然活塞会逐渐振荡耗散，直至停止。因此，以此定义了该温度范围的最低值为发电机的启动温度，并以此为评价指标，分析了不同参数对于发电机启动的影响规律。实验结果表明：在一定范围内，随着发电机充气压力增加，外负载阻值减小，串连电容增大，发电机所对应的启动温度均逐渐降低，即更加易启动。而对于不同的配气活塞的板弹簧刚度，其只有在一定区间范围内，发电机才能成功启动，且存在最优的板簧刚度值。

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