自由活塞式热气机发电技术在世界上的发展

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自由活塞式热气机发电技术

在世界上的发展

上海齐耀动力技术有限公司

朱辰元

摘

要：自由活塞式热气机是热气机的一个重要分支，也是一个非常活跃的研究领域。当前世界上已

有数家公司正在研究和生产商品化的自由活塞式热气机，而目前发展较好的公司为美国的SunPower公司和Infinia公司。自由活塞式热气机可应用在太阳能发电系统、太空核动力发电系统、战场小型动力系统、士兵可佩带动力系统和家用的MCHP等领域，体现出良好的市场发展前景。

关键字：自由活塞式热气机；太阳能；太空发电系统

TheTechnologyDevelopmentofFreePistonStirling

EnginePowerSystemIntheWorld

ZhuChenyuan

Abstract:FreePistonStirlingEngine(FPSE)isanimportmantembranchmentofstirlingengine,alsoisanactivestudyfield.SomecompanyarestudingandproducingcommercialFPSEintheworld.SunPowerandInfiniahareallhaveabetterdevelopmentinthefield.FPSEisusedinthefieldofsolarpowersystem,spacenuclearpowersystem.，smallscalebattlefieldpowerandwearablesoldierpowersystemsandMCHPforhouseholdetc.FPSEisrepresentingswelldevelopmentforegroundformarket.it’

Keywords:freepistonstirlingengine(FPSE);solarenergy;spacepowersystem

1自由活塞式热气机(FPSE)的特点和工作原理1.1自由活塞式热气机的概述

自由活塞式热气机是热气机的一个重要分支，自由活塞式热气机也是一个非常活跃的研究领域。

的研究工作开始于上世纪50年代末和60年代初，当时在美国俄亥俄大学机械工程系任教的W.比尔教授[1]和英国原子能研究所的Cooke-Yarborough是发展自由活塞式热气机的先驱。直到70年代末，

一些大公司这种型式的热气机才得到人们的认识。

也对它发生了兴趣。在1972年~1975年间，美国的通用电气公司(GE)和机械技术公司(MTI)在比尔的基础上相继开始了自由活塞式热气机的研究。当前世界上已有数家公司正在研究和生产商品化的热气机，而目前发展较好的公司为SunPower公司和Infinia公司。

自由活塞式热气机是一种靠往复件的运动实

【作者简介】朱辰元（1964-），男，硕士，教授级高工，上海齐耀动力技术有限公司，目前主要从事热气机总体设计、气体燃烧和传动等方面的研究开发工作。

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现热力循环的动力装置。但这种运动是由于气体力以及部件间气体力和动力的相互作用产生的。配气活塞和动力活塞之间没有任何机械上的联系。

这种装置的优点是：效率高，排气污染低，噪声和振动小，可用多种燃料，能自行起动，并且寿命长等。1.2自由活塞式热气机的特点

1）机械效率高

自由活塞热气机没有连杆、轴或轴承，只有滑动配合，由工质本身作为润滑剂，因而有非常高的机械效率。一台输出功率为1kW的自由活塞式热气机，机械效率可达99%；而曲柄连杆式发动机的机械效率一般只有80%左右。

2）热效率高

曲柄连杆式热气机通常采用改变工质的平均压力来调节输出功，但自由活塞式热气机的平均循环压力是不变的，输出功的变化主要依靠改变行程来达到。因此，在部分负荷时，仍可保持其总的热效率基本不变。

3）能使用多种能源

连续燃烧加热允许使用最广泛的燃料和能源，液体、固体燃料以及各种再生能源。其中包括气体、

热气机还可以直接使用放射性能源产生的热量进行运行发电，这是其它原动机所不具备的能力

4）自起动

设计正确的自由活塞式热气机，只要在冷热端之间建立起足够的温差便能自行起动，这也是其它动力装置不具备的能力。因此自由活塞式热气机的结构更为简单，使用也更为可靠，对维修保养的要求也不高，用于无人管理的场所十分理想。一般只需预热数秒钟，热气机便能自行起动，随后便可发出全功率。

5）不需要液体润滑

由于自由活塞式热气机的机械损失非常小，它不需要用液体润滑剂来润滑和冷却有关零件。因此，发动机结构和维修保养很简单。

6）密封可靠

在曲柄连杆式热气机中，为避免传动机构在高

压工质中产生风阻损失，提高工质的循环压力，防止润滑油污染工作腔，要求将高压工质密封在循环因此对密封装置的要求十分严格。自的工作腔内。

由活塞式热气机没有复杂的传动机构，所以密封问题十分简单，通常只要将壳体密封即可满足要求。

7）运转安静、振动小

自由活塞式热气机的工作腔与大气隔绝，压力上升的速率也不高，由于没有传动机构，所以运转十分安静，不必使用隔声或消音装置。

8）有自动调节功能

自由活塞式热气机有根据外界负荷的变化自活动调节输出功率的能力。如果外界的负荷不大，塞的行程就比较长，行程往返期间作用力的差也比较小。若负荷增大，活塞的行程便自动缩短，作用力随之增大。如果外界负荷过大，将迫使活塞在极短这时如果活塞的的时间里产生很大的力进行平衡。

强度不够将被破坏，一般自由活塞式热气机是不会由于负荷过大而停车。

9）只能进行往复运动

自由活塞式热气机只能进行往复运动，起初由于直线电机的技术没有突破这成了该类型热气机的最大缺点，目前由于直线发电机的技术得到实际应用，这一缺点已不成问题。1.3自由活塞式热气机的工作原理

自由活塞式热气机基本上由三部分组成：较重的较轻的配气活塞以及两端密封的气缸。动力活塞、

如图1所示，一定直径的配气活塞杆穿过活塞。由于配气活塞和配气活塞杆是空心的，杆的下端敞开，所以配气活塞内部与活塞下方的气缸容积一起形成缓冲腔。配气活塞之上是膨胀腔，配气活塞和活塞之间为压缩腔，膨胀腔和压缩腔又统称工作腔。气缸和配气活塞之间狭长的环形缝隙为回热器。加热器和冷却器分别与膨胀腔和压缩腔联通。自由活塞热气机就是利用两个活塞之间不同的受力和不同的质量，通过合理的设计使两个活塞在膨胀腔和缓冲腔之间按一定的规律上下运行，并输出功率。

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方面比较突出的例子是美国华盛顿大学的人工心脏用自由活塞式热气机和英国原子能研究所的膜片活塞式发电机，后者已连续工作了8年。

3）双斯特林循环自由活塞组合机

由于斯特林循环是可逆的，所以它既可以吸入热能输出机械功，又能吸入机械功转化为冷能输于是出现了复合式的结构。就是将原动机和制出。

冷机合为一体，吸入的热量经原动机部分转变成机械功，然后驱动制冷机部分产生低温。1978年由美国的SunPower公司制成第一个样机。3目前世界上自由活塞式热气机的发展情况

图1自由活塞式热气机的工作原理图

A-配气活塞，B-动力活塞，C-配气活塞杆，D-膨胀腔，E-压缩腔，F-回热环隙

G-缓冲腔，Pw-工作腔压力，Pb-缓冲腔压力（假定为常数），0-任意的起动位置

3.1概述

目前世界上开展自由活塞式热气机研究和生产最前端的公司是美国的Sunpower公司和Infinia公司。

美国的Sunpower公司成立于1974年，并致力公司主要从事以自由于自由活塞式热气机的发展。

活塞热气机为技术基础的产品开发，其中包括自由活塞制冷机和线性压缩机等。该公司开发的热气机主要采用空气轴承技术来达到无摩擦运行的目的。其产品的结构原理如图2所示。

Infinia公司的前身为StirlingTechnologyCompany(STC)[2]，从事太阳能热发电技术开发，主要由风投基金和私人资金支持，公司位于美国的华盛该公司的热气机主要采用平面弹簧的方式达到顿州。

无摩擦运行的目的。Sunpower公司的热气机采用了

2自由活塞式热气机的结构形式2.1单作用自由活塞式热气机

在自由活塞式热气机众多的结构型式中，大部单作用式热气机只有压缩和膨胀腔分属单作用式。

两个腔，其容积是周期性变化的。2.2双作用自由活塞式热气机

双作用自由活塞式热气机是一种复合式热气机装置，每个装置只有一个往复元件，而单作用热气机需要有两个往复元件。双作用自由活塞式热气因而比功机的特点是和它的运动的成对性相关的。率较高，运动部件较少，但结构必须对称。2.3其它结构形式的自由活塞式热气机

1）混合式自由活塞热气机

除此之外还有混合式自由活塞热气机。这种型式的热气机将自由活塞的简单性与曲柄连杆结构的有效性结合在一起。即：配气活塞受气体力的作用，而活塞与曲柄连杆相连，通过旋转轴输出功率。

2）膜片式自由活塞热气机

为克服工作腔内工质的泄漏以及润滑油或其它杂质对工作腔的污染，出现了一种所谓膜片式自由活塞热气机的结构。

使用膜片在使用寿命上取得了很大的进展。这

图2现代自由活塞式热气机结构原理图

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动磁交流发电机的设计[3]，而Infinia公司的热气机则采用了动圈（铁）设计[4,5,6]。3.2Sunpower公司热气机产品发展情况

目前公司的产品已经进入商品化导自由活塞入阶段。产品包括线性压缩机、（直式制冷机和自由活塞式热气机。线性线）压缩机是该公司第一种商品化的产品，主要可用在高性能的家用冰箱上。

自由活塞式制冷机可提供低于150K的温度，一般可达77K，可应用于制药、传感器、生物保存和医学应无线、用等领域。

Sunpower公司自由活塞式热气机的产品目前由美国联邦政府投资，从事应用在太空核动力发电系统、战场小型士兵可佩带动力系统等方面。动力、

目前公司主要的活塞式热气机为EE35,EE80andEG1000，表1是部分产品的技术参数。

表2Infinia公司主要自由活塞式热气机机型和运行情况（至2008年底）

机型生产数量

最长试验时间(h)公司内试验时间(h)公司外试验时间(h)总累计试验时间(h)

10W10

55W350/450W1kW3kW(NASA)一般商业一般商业太阳能发电3020842

[***********]00

[***********]00

500300500

总计[***********]000536500

[***********][***********]000150000

图3Infinia公司自由活塞式热气机的结构示意图

Sunpower公司产品另一个主要应用方向是家用微型热电联供系统(MCHP)。Microgen[7]公司以Sunpower公司1kW自由活塞式热气机的技术为基础，开发出微型家用热电联供系统。这种系统可以安装在墙壁上，结合了自由活塞式热气机技术和最新的冷凝锅炉技术，为家庭提供电和热水。这种装置可以为英国家庭每年节省￡150该产品投放市场。3.3

Infinia公司产品发展情况

[8]

Infinia公司的热气机采用平面弹簧作为活塞的支撑，达到无摩擦的目的。直线电机采用动圈式，其主要结构如图3所示，其主要机型和运行情况如表2所示。

表2表明，Infinia公司的自由活塞式热气机的技术已较为成熟，产品生产最多的为1kW热气机，至2008年已生产了84台；使用时间最长的是55W热气机产品，至2008年已累计达15万小时，其中在用户处的使用时间累计达到12万小时，主要用户是美国的NASA。公司以生产许可证的方式推出1kW

热气机，用于MCHP的应用。

公司最新产品是3kW热气机，目前仍是试验室产品。该产品将是公司近阶段主推的产品。该产品的第一台原理样机在2007年10月份开始试验。热气机自身可达到32%的发电效率，碟式聚光系统的效率

，并每年减少

1.5t二氧化碳的排放。Microgen公司已在2007年将

表1Sunpower公司自由活塞式热气机部分产品的技术参数

机型EE-35

EE-35-HEE-80EE-80-HEG-1000

功率(We)[1**********]0

温度比2.72.73.03.02.7

效率

热源

(%)32电32丙烷36电/丙烷36不确定32丙烷

冷却方式空冷/水冷

空冷/水冷空冷/水冷空冷/水冷水冷

重量尺寸(mm)(kg)(直径x长度)1.452x1570.650x1423.769x1931.065x18635270x435

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为86%，整个太阳能发电模块的效率可达到24%，可以独立发电和并网发电的形式运行。Infinia公司目前正发展基于3kW自由活塞式热气机的30kW热气机产品。

4自由活塞式热气机在太空中的应用4.1概述

美国NASA在自由活塞式热气机的应用上进行了多年的试验。

在20世纪90年代，NASA发展了一型25kW基于自由活塞式热气机的太空发电机组演示样机，称（Mechanical为SP-100，该发动机由MTI公司

TechnologyInc.）提供。发动机的热端温度1050K（777℃），低端温度525K(252℃)，温度比为2.0[9]。热气机的工质为氦气，平均压力150bar，发电效率25%。该系统由2台12.5kW的热气机构成。该系统累计运行1500h后拆成2台发动机作为太空发动机继续研究。由于该发动机的成功运行使NASA认识了热气机并对使用热气机产生了兴趣。

作为NASA放射性同位素发电系统项目的一部分，美国能源部(DOE)发展了一种热气机同位素发电机(SRG110)，该发电机使用2台55W的自由活塞式热气机，以放射性同位素作为热源。已制造出工程样机，多台样机仍在试验运行中，目前已完成累计20000h以上的试验时间。

自由活塞式热气机在NASA获得青睐除了其表现出的可靠性，更重要的是其有较高的功率密度。

2004年美国布什总统提出了重返月球的计划，计划在2018年再次实现有人登月。在月面的持登月舱支持续时间从最初的4天延长到12天以上，

的人数为6人。这样对登月舱的能源需求从原来的几kW，提升到25kW~50kW。

能源的总量要求按登月舱能至少持续运行14天来进行规划。根据过去的研究，如果采用太阳能电池和可再生燃料电池，一个20kW的能源系统将功率密度仅为3.4W/kg[10]。而热动力发重5880kg，

电系统的能量密度有潜力达到100W/kg，这样较大功率的新型自由活塞式热气机发电系统就有可能满足未来NASA任务的需要。图4展示了NASA设计的月面供能系统概念设计图。

图4美国月面发电系统概念设计图

设想中的月面发电系统由功率为100kW的核反应堆提供热量，由6台5kW的热气机接受热量进行发电。2台5kW的热气机对置，组成3组，这样可输出25kW的电功率。Sunpower公司和Infinia公司的专家们预计，未来自由活塞式热气机的发电系统的能量密度将以方程（1）的关系发展。

y=35.565ln(x)+170.23···············（1）式中x表示功率数，单位kW；y表示能量密度，单位w/kg。

4.2自由活塞热气机在太空应用的潜力

四十多年来，放射性同位素热电发电装置(RTG)为NASA在无法使用太阳能的太空任务中提可靠的能源[11]。尽管RTG有着可靠和长供了安全、

寿命的特点，但热电材料的转换效率低，一般在5%使其受到限制。同时由于Pu-238是一种非常~7%，

稀缺的资源，美国目前已没有生产能力。DOC和NASA正在寻求高效的热电转换系统，如先进的斯特林同位素发电机(ASRG)，这种系统可以减少同样输出电功率下对Pu-238的需求。每台ASRG产生140W~160W的功率至少可以节省1kgPu-238燃料。这样RTG的功率密度就可增加。

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尽管早在19世纪，热气机已开始出现，但还从未在太空发电应用。这表明热气机发电系统还需要克服一些挑战。和RTG不同，ASRG系统是具有运和任何动力系统动件的相对复杂的热电转换装置。

一样，ASRG需要控制系统来保持系统的性能，防止活塞超行程，并将其交流电转换成太空飞船所需才能被的直流电。ASRG的可靠性只有经过证实，需要高可靠性要求的太空动力系统所接受。自由活塞式制冷机使用了类似的技术，已经在NASA的任务中实际使用，但还没有一种动力发电装置在太空任务中使用。在ASRG能够成为NASA任务的可选项之前，将制造一台演示系统用于飞行试验，以验证系统的可靠性。这套系统在2008年的年初开始试验。

另一套系统将在真空环境下进行试验，如图5所示。这些试验将验证ASRG系统在经历火箭发射和太空环境下运行的可靠性。在通过这些考核后，最早在2014年，一套用于NASA太空发电使用的ASRG模块将完成准备工作。

行的方向。这种发电机组由6个单机输出功率为700kW的自由活塞式热气机组成，如图6所示。可以是3组1-1对置安装，也可以6个并联安装，以双作用的方式工作。

图6兆瓦级的自由活塞热气机的概念设计图

自由活塞式热气机经过30多年的发展，已逐渐从试验室产品向市场化产品方向迈进，在家用MCHP，太阳能发电等领域得到实际使用，并显现出在太空发电领域的优势，相信，随着该项技术的不断进步和完善，将会为更多的社会人士所熟悉，并在更多的领域得到应用，发挥其独到的作用。

参考资料

[1]Beale,William,"PowerPistonActuated

DisplacerPistonDrivingMeansforFree-PistonStirlingCycleTypeEngine,"U.S.PatentNo.3,937,018,February10,1976.

图5在进行太空模拟环境试验的ASRG模块

[2][3]

http://www.infiniacorp.com/about/docs/Redlich,

Robert,

"Electromechanical

6_2_05_stc_becomes_infinia.pdf

TransducerParticularlySuitableforaLinearAlter-natorDrivenbyaFreePistonStirlingEngine,"U.S.PatentNo.4,602,174,22July1986.

[4]

Wood,J.G.,Lane,N.,"AdvancedSmall

Free-PistonStirlingConvertorsforSpacePowerApplications,SpaceTechnologyandApplications

5自由活塞热气机未来的发展趋势

由于自由活塞热气机相对传统传动系统的热气机具有免维护，无工质泄漏，可靠性高等特点已逐渐受到人们的重视。但目前热气机有一个不足，就是单机功率较低，针对这一情况，Infinia公司完成了兆瓦级的自由活塞热气机的概念设计[12]，为今后自由活塞式热气机的设计和应用提供了一个可

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InternationalForum-STAIF2005,AIPCP699,editedbyM.S.El-Genk,pp.440-444.

[5]

Wood,J.G.andCarroll,C.,"Advanced

StirlingConvertorProgramUpdate,"Proceedingsofthe2ndInternationalEnergyConversionEngineer-ingConference

(IECEC2004),Providence,RI,

August16-19,2004.

[6]Wood,J.G,Lane,N.,"DevelopmentoftheSunpower35WeFree-PistonStirlingConvertor,"SpaceTechnologyandApplicationsInternationalForum-STAIF2005,AIPCP746,editedbyM.S.El-Genk,Issue1,AmericanInstituteofPhysics,Al-buquerqueNewMexico,February6,2005,pp.682-687.

[7]http://www.microgen.com/news12.htm.

AmericanInstituteof

Physics,AlbuquerqueNewMexico,February,2005,

[8]"DOESolarProgramsAnnualReviewIn-finiaFOAProgram"Austin,TexasApril22,2008

[9]PeterA.Chapman1,NicholasA.Vitale,andThomasJ.Walter，"5-kWeFree-PistonStirlingEn-gineConvertor"，Foster-Miller,Inc.,Albany,NY12205.

[10]L.Kohout,"RegenerativeFuelCellStor-ageforaLunarBase",SpacePower,Vol.8,No.4,1989.

[11]"AdvancedStirlingRadioisotopeGeneratorSpaceRadioisotopePowerSystems",October2008,http://www.nuclear.gov

[12]MauriceA.White,SonggangQiu,JoelWacknovetc."TheMulti-CylinderFree-PistonStir-lingEngineScaledtoaMegawatt-ClassConceptualDesign"InfiniaCorp.,USA,,MAGicALLInc.,USA,etc.

《益民集团节能减排交流会对接专场会》日前召开

8月6日，由上海益民食品一厂（集团）有限公司（简称：益民集团）与市政协科促会、市科协、文新集团、知识产品集散中心等单位联合举办的“建设——益民集团节能减排资源节约型社会主题沙龙—

交流会对接专场会”在漕河泾开发区科技大楼召开。

来自上海市工业系统电气、有色、纺织、仪电、药材等集团的主管领导、节能减排专家及益民集团所属企业单位的主管领导百余人参加了会议。

会议由市科促会秘书长陈之进主持。常务副会长张其标致辞，上海市政协副秘书长、办公厅主任，推进节能科技成果转管维镛就“两型社会建设”

换，深化节能减排工作作了重要讲话。

会上，益民集团作了题为“加强能源基础管理，

主题报告。近几年来，益民集团全力推进科技节能”

健全节能降耗组织机构，加强节能基础管理，并投资5266万元，完成和正在实施节能技改项目36个，经努力，该集团2008年万元产值能耗较2005年下降23.24%，他们的经验受到了大家的欢迎。上海申上美饮料食品有限公司、上海大金空调有限公司、海梅林正广和股份有限公司、上海益民食品一厂有限公司、上海一只鼎食品有限公司等单位在会上也进行了交流发言，与会单位深受启发。

上海三思科技发展有限公司等8个单位，分别就绿色照明、空调清洗、免电冷却塔、工艺回用水等节能技术向大会作了推荐，并与与会企业开展了互动交流。

（姚伟民）

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