姚丽璇，吴舸 ，杨红发，孙启航，霍蒙，熊思勇
中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室 四川成都 610213
摘要：近几十年，热声研究领域快速发展，由热声发动机和直线发电机两部分组成的热声发电系统可实现低成本、高可靠、高效率的热-声-电转换。本文主要梳理了研究相对比较充分，且具备一定的实用价值的热声-直线电机发电技术和热声-自由活塞斯特林技术的研究进展，并对热声发电技术的应用前景进行了展望。
关键词：热声发电技术
1 热声技术基本概况
热声发电系统主要由热声发动机和直线发电机两部分组成，其中行波热声发动机将太阳能、动力余热等低品位热能转换为高强度的声能（机械功），而后通过直线发电机将产生的声能高效转换为电能。最近几十年，热声研究领域的快速发展使热声发动机的性能和效率得到飞速提升，目前已报道的最高热声效率可达32%。相比于如内燃机等传统的热机，热声发动机具有无机械运动部件、结构简单、运行可靠、成本低廉、可利用低品位热能等突出优点，是一种高效可靠的能源利用解决方案。直线发电机由于采用柔性板弹簧支撑和间隙密封技术，摩擦损失控制在较低水平，具有很高的声电转换效率，一般可达到90%左右。基于热声和直线发电机两大关键技术的热声发电系统结合了两者的突出优点，可实现低成本、高可靠、高效率的热-声-电转换。目前，研究相对比较充分，且具备一定的实用价值的热声发电技术主要包括热声-直线电机发电技术和热声-自由活塞斯特林技术。
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2 热声-直线电机发电技术
2004年，Backhaus等人与Northrop Grumman公司合作，首次开展了行波热声发电的研究以用于NASA的深太空探测。他们采用动圈式直线发电机取代传统行波热声发动机的谐振管，与行波环路直接耦合，制成了一台小型行波热声发电机，如图2所示。该系统最大热电效率达到18%，相应输出39 W的电功；获得最大输出电功为58 W，相应的热电效率为15%。随后通过进一步提升，以16.8%的效率获得了70W的电功。
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2013 年，吴张华等采用直线电机研制了世界上第一台双作用型行波热声发电系统。在热端温度接近650℃的实验条件下，系统以16.8%的热电效率获得了1.57kW 的发电量。2014 年，开展了声学双作用行波热声发电系统的研制（见图3），包含1 台声学双作用行波热声发动机与多个直线发电机，直线发电机旁接于谐振管上。为减小振动，2台直线电机对置且动子相向运动。前期实验中，三单元系统获得了4.69kW的最高输出电功以及18.4%的最大热电效率，四单元系统获得了6.0kW 的发电功功率及18%的热电效率，六单元系统获得了7.2kW 的发电功率及15%的热电效率。
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近年来，荷兰Aster公司的deBlok等人在其提出的四级“自耦合”的行波热声发动机的基础上，拟建造一台100 kW（热）的热声发电系统，用于回收造纸厂在烘纸过程中产生的130℃~150℃低温废气的热量，以期产生10 kW的电功,如图4所示。2013年，Aster公司设计制造了一台低成本的热声发电系统，采用空气作为工质，可以产生大约几十瓦的电能，可用于偏远地区提供照明用电。
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3 热声自由活塞斯特林发电机
从原理上看，热声自由活塞斯特林发电机简称“直线电机自由活塞斯特林发电机”，本质上也是一种热声-直线电机发电系统。自由活塞斯特林发电机由自由活塞斯特林发动机和直线发电机组成，自由活塞斯特林发动机通过斯特林循环把热能转化为声能（机械能），直线电机把此声能转化为电能。热声自由活塞斯特林发电机的工作流程在理想情况下由等温压缩、等容升温、等温膨胀、等容冷却四个过程构成。典型的热声自由活塞斯特林发电机如图5所示。
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1）美国
在空间应用方面，自由活塞斯特林发电机以其长寿命、高可靠性、高比功率替代了运动式斯特林系统在该方向的应用。上世纪九十年代初期，NASA支持MTI公司开展名为SP-100的自由活塞斯特林发电机（见图6）相关技术研究。采用两配气活塞、两动力活塞，两直线电机，共用同一个膨胀空间，样机功率为25kW（运行温度比为2.0时热转化为电能的效率为20%，高于运行条件类似的其它形式转换装置），稳定运行寿命超过1500小时。
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2002年，NASA支持开展“先进斯特林转换器”项目，研究表明该发电机的热电转换效率超过30%，比功率超过8W/kg，效率和比功率分别为新一代同位素温差电池（ MMRTG） 的4~5倍和3倍。到2008 年，项目进入集成测试阶段，同位素加热用电加热替代，并于2009 年通过发射振动试验，而针对自由活塞斯特林发电机（2台） 所进行的大气环境和真空环境运行试验累计时间已超过18 万小时。
2004 年，针对月球探测和火星探测的大功率需求，2007 年NASA 和DOE 支持开展了基于自由活塞斯特林、闭式布雷顿循环、PbTe /TAGS 温差电池、通用布雷顿循环四种转换方式的核裂变技术的可行性评估，评估认为采用自由活塞斯特林转换方式、NaK 冷却剂的UO2 堆为最优方式，并且该系统可进一步面向火星探测应用。根据相关报告的预测，随着近年来自由活塞斯特林技术的快速发展，用于空间堆的斯特林电机比功率有望达到140~200We/kg。
NASA的空间斯特林发电机项目与Sunpower公司具有非常紧密的合作关系。其于2000年成功研发了自由活塞斯特林热电联产系统，EG-1000（见图7）。该系统在高低温热源温度分别为600和50℃下，以30%的热电效率获得了1kW 电功，系统热利用效率达到90%（排除漏热）。
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2005年，Sunpower公司在NASA Small Business Innovative Research项目的资助下，研发了一款35W电功率的紧凑型自由活塞斯特林发电机（见图8），其工质为氦气，平均运行压力2.6MPa（表压），设计活塞行程为8mm。经过试验，装置在2.6的温度比下，获得了超过30%的热电效率，试验件还在NASA的Glenn Structural Dynamics Lab.实验室开展了随机振动试验。其制造的原型件的功率密度达到了90W/kg。产品的目标应用场景为低重量的空间同位素电源，或者类似燃料电池的地面应用。
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Sunpower公司的J. Gary Wood和 John Stanley在2016年完成了以核裂变燃料为热源的自由活塞热声发电机的设计、制造和性能实验工作。该装置由两台6kW成对置状态的自由活塞斯特林发电机组成（见图9），通过NaK合金在热端换热器中对工质加热，在冷端换热器中使用水对工质进行冷却，额定输出电功率12kW，装置主要由不锈钢和镍基合金制造（此项目中为了保证样机的可靠性及材料成熟度；基于减重的目的可以在后续的改进型装置中应用质量化的材料，如鈹合金等），总重量约为269kg（包含控制器）。最终，在额定工况下运行共8小时的性能实验表明，该装置在热端温度~550℃，冷段温度~102℃的温度条件下，实现了12kW的输出电功率，总体热电转换效率达到27%。
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2）韩国
韩国的机械和材料研究院Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM)的Jiho Park等人在2020年完成了1kW电的自由活塞热声斯特林发电机的设计、制造和演示试验。该自由活塞热声发电机设计由一套竖直放置的排出器与两套水平对置的发电机构成（见图14所示）。试验结果表明，该装置在热端525 ℃的条件下输入4.2kW热功率，输出可以输出961W的电功率（热电转化效率约为23%），装置中气体的振荡频率为60Hz。
3）中国
中科院理化所低温工程学重点实验室的先后完成了500W，1kW和5kW级自由活塞斯特林发电机的设计、制造和实验研究。其结构形式与Sunpower公司的EG-1000及NASA在2016完成的12kW装置类似。其中，5kW级自由活塞斯特林发电机热电性能达到国际先进水平：以氦气为工质，在充气压力为5MPa、加热温度为550℃工况下，以供热水温度70℃获得了3kW(e)电功率和5.7kW 供热水热量，对应27.5%热电效率和80%综合热利用率。
4 小结及应用前景展望
经过近几十年的发展，热声热机及热声发电技术已获得了巨大进展。然而，目前热声发电系统的热电转换效率和电功输出能力离大规模工业应用仍然存在较大差距，亟待解决诸多内在机理和关鍵技术问题：如热声系统内的损失机理还需进一步研究，大功率热声发动机的起振温度还比较高，起振机理尚不清晰，热声发动机与发电机间的高效匹配特性与调制手段仍然缺乏研究，系统能流密度有待提高等。
在应用前景方面，对于小型的发电系统来说，内燃机、斯特林、黴型燃气轮机等均具有精密的高温机械运动部件，对材料和加工精度都要求较高，因而成本较高。在这个级别的发电系统中，热声发电系统（热声-直线电机）主要由管路组成、不存在高温运动部件，具有成本优势；相对于光伏、热电、压电及磁电发电技术，热声发电具有效率优势。此外，热声发电系统还可回收低品位热能。因此，在太阳能发电、冷热电联产系统、分布式供能、工业废热回收、偏远地区供电等小型发电领域均可能获得应用。
此外，作为热声发电技术重要技术路线的热声自由活塞斯特林发电机，相比传统机械式斯特林发电机，热声自由活塞斯特林发电机取消了机械传动结构和油润滑装置，从而提高了使用寿命和可靠性。相比热声-直线电机技术，热声自由活塞斯特林发动机没有谐振管，从而提高了功率密度和热效率。其综合了斯特林热机和热声发动机的优点。因此，基于自由活塞斯特林发电机的热电技术具有重要的研究价值和应用前景。但受制于复杂的工作机理和严苛的制作工艺，自由活塞斯特林发电技术主要掌握在少数研究机构手中，且成本居高不下，主要应用目标为太空、深海等对可靠性、紧凑性和热电转换效率均有特殊要求的应用场景。
参考文献
[1] 王玉芳，直驱型热声发电系统的研究，华中科技大学，2016年.
[2] 毕天骄，吴张华等，热声发动机核心单元热功转换性能的研究
[3] 吴正民，余国瑶，等，5kW(e)级自由活塞斯特林发电机热电联产性能研究，中国电机工程学报，2018年，第38卷，第11期.
[4] Henry W. Brandhorst, Jr., Raymond L. Kirby, etc, Progress in High Power Free-Piston Stirling Convertor Development, http://ntrs.nasa.gov.
[5] Seon-Young Kim, James Huth, etc, Performance Characterization of Sunpower Free-Piston Stirling Engines, 3rd International Energy Conversion Engineering Conference, 15-18 August 2005, San Francisco, California.
[6] J.Gary Wood, Neill Lane, Development of the Sunpower 35 We Free-Piston Stirling Convertor, AIP Conference Proceedings, 2005.
[7] J.Gary Wood, Andrew Buffalino, etc, Free-Piston Stirling Power Conversion Unit For Fission Surface Power, Phase I Final Report, NASA/CR-2010-216750.
[8] J.Gary Wood, Andrew Buffalino, etc, Free-Piston Stirling Power Conversion Unit For Fission Surface Power, Phase II Final Report, NASA/CR-2016-219088.
[9] Jiho Park, Junseok Ko, etc, The design and testing of a kW-class free-piston Stirling engine for micro-combined heat and power applications, Applied Thermal Engineering, 164(2020),114504.