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        新兴能源产业领航者 | /EN

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        筑巢引凤:斯特源创始人胡兴华的“斯特林情结”——十年,逐梦动力装置之冠

        iNews 2022-06-10 17:07:00



        武汉新能源研究院,已在创新奔跑中,步入第六个年头。


        2016年,我们背靠华中科技大学电气学院、能源学院等多个优势学科,以成果转化为核心使命,市校共建了武汉新能源研究院。象征新能源之花的马蹄莲大楼,成为了光谷乃至湖北的创新地标。


        过去六年,新能源研究院一直围绕两个大的方向性任务不懈探索:清洁能源的规模化利用和传统能源的清洁高效利用。一批重塑未来格局的源头创新,在这里发生;一批高质量的科技成果转化项目在这里崭露头角。


        当前的武汉已全面吹响争创综合性国家科学中心、国家科技创新中心的号角,并启动建设光谷科技创新大走廊、东湖科技城,一批大科学装置规划,都与新能源密不可分。可以说,这是一场关于“新能源之都”的角逐,而如何用好新能源力量,共创低碳中国,更是未来城市角逐的主战场。


        2022年,我们带着「INEW能见」专栏来了,在这里,每周和你分享我们的创新故事,能见=看见,能源未来。新能源创新发展之路,道阻且长,这是我们的使命,更是新的长征。



        斯特源创始人胡兴华的“斯特林情结”

        十年,逐梦动力装置之冠


        1816年,英国物理学家罗巴特·斯特林(Robert Stirling)发明了斯特林发动机。


        这种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机极为独特,它气缸的一端为热腔,另一端为冷腔,在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质,比如氢、氦、氮或空气等。工质在低温冷腔中压缩,然后流到高温热腔中迅速加热,膨胀作功,如此循环。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧,通过加热器传给工质。其间,封闭的工质并不直接参与燃烧,也无需更换。


        在18世纪末和19世纪初时,热机普遍为蒸汽机,效率通常只有3%-5%左右,95%以上的热能都没有得到利用。斯特林发动机之所以独特,是因为这个基于闭式热力循环的热机,是世界上热转换效率最高的热机,实际有效效率能达到40%,热机理论极限可达60%。即使是现在,热电厂汽轮机的效率转换,也一般仅为30%左右。


        在武汉新能源研究院孵化平台,武汉斯特源能源科技有限公司历经十年自主研发,在国内率先掌握了自由活塞式斯特林最先进机型核心技术“动子双气浮”。该技术可消除动子在气缸内的磨损,相当于悬浮起来。


        围绕免维护自由活塞式斯特林装置研发,斯特源目前已拥有11项专利授权,装置可在免维护情况下持续运行12年。


        “做斯特林装置的源头活水”



        2003年,胡兴华从华中科技大学制冷与低温工程系硕士毕业后留校,在能源与动力工程学院任教。他的研究方向是微型低温技术、热声热机及无污染制冷。


        2010年,前往上海某军工研究所攻读博士后的胡兴华,被一件事情深深触动了:在发达国家,自由活塞斯特林发动机已在深空探测、太阳能光热发电、热电联产、潜艇AIP发电系统、余热再利用、坦克、装甲车和导弹热屏蔽等领域上广泛应用,士兵甚至可将其用于便携式掌上发电机,而在我国,仍在使用驱动力落后的发动机。


        这么好的技术,我们为什么没有规模化应用呢?胡兴华陷入了深思。


        按热功转换性质,斯特林装置分为原动机(或称发动机、发电机)及制冷机。从结构特点上,可分为机械式斯特林、自由活塞式斯特林和免维护自由活塞式斯特林。


        反复评估后,胡兴华决定结合自己在这个领域多年的科研经验,挑战难度最高的免维护自由活塞式斯特林发动机。“这种装置即使十几年不维护,也能不停歇工作,堪称一切动力装置之冠。”


        2017年,武汉斯特源能源科技有限公司创立,并于次年入孵武汉新能源研究院,专业从事斯特林型热电转换装置及其派生应用设备的开发与生产。


        目前,斯特源已形成斯特林强耦合参数组自激起振仿真技术;气浮孔槽结构优化、气簧功能性、结构性设计方法;直线往复电机、丝网回热器、精密复杂气缸体等关重部组件自研工艺;整机快速调教技术等多项核心技术。


        “取名斯特源,是希望它能成为做斯特林装置的源头活水。”


        12年,10万小时,零维护



        胡兴华介绍,机械式斯特林装置,主要通过结构件传动,用于水下动力、太阳能光热发电等领域,设计较为成熟。代表厂商为瑞典Kockums、Cleanergy、美国SES、我国中船711所等。装置的维护周期,约为数百小时至两三千小时。


        自由活塞式斯特林发动机概念,最初由美国Sunpower公司创始人比尔于1970年提出。在美国军方及美国宇航局的重视和持续资助下,过去几十年,Sunpower等数家公司累计为美国军方和NASA提供了从10瓦到12.5千瓦范围内的多款机型,被应用于空间核电源、无人值守基站电源、单兵发电机等领域。


        其中,Sunpower发明制造的斯特林制冷机M77,被NASA在2002年用于RHESSI号绕地卫星上,直至今天。另一款商用斯特林制冷机M87,被用于往返航天器的研究。


        自由活塞式斯特林装置的技术特征为气动耦合,主要用于移动或固定发电、热电联供、太阳能光热发电等,设计难度较大,属于对中国限制输出的技术。尽管维护周期大幅延长,但每运行数千至上万小时,设备仍需维护。


        而免维护自由活塞式斯特林,维护时间超过10万小时,也是三种技术中设计难度最高的。在持续运行12年且免维护情况下,也无性能衰减。它的技术特征为集成气浮气簧气动耦合,或集成磁浮气动耦合,在航天、水下动力、核电源系统以及余热发电、太阳能光热发电方面,优势尤其明显。


        “因为这个细分领域门槛非常高,全世界掌握源头核心技术的,只有美国MTI、Sunpower和NASA等屈指可数的两三家企业或机构。国内相关企业仅四五家,且都未实现规模化,仍处于非标定制阶段。”


        “螺丝钉也有它的国家使命”



        ▲ 免维护斯特林发电/制冷机


        据了解,斯特源目前的核心业务,一是长寿命的热电转换装置,二是无油制冷系统。这两项业务的技术基础,都是自由活塞式斯特林。


        “我们希望以免维护低温制冷机和发电机为产品特色,精确切入细分市场,比如航天和水下动力系统。”胡兴华说,后续将逐步拓展至太阳能光热发电、生物质发电、电动汽车空调、医用及食品低温冷链设备等工业领域。


        制冷机是发电机的逆向运行模式,从外部输入电能或者热能,实现制冷。自由活塞斯特林技术应用于低温冷链装置后,可比传统电制冷装置节电30%,且噪音小、温控精度高。


        使用氦气为冷却剂,制冷2分钟内,温度可迅速达到-50℃,10分钟达到-100℃,20分钟内达到-120℃,真空条件下最低温度可达-233℃。


        卓越的制冷能力,即使用于低温粉碎、飞弹红外导引头、雷达滤波器冷却、超导电机/磁体冷却,也不在话下。


        在斯特源与中国航天科技集团第五研究院的协作攻关项目中,通过自研气簧结构,实现了宇航级自由活塞斯特林双动子自泵气气浮,避免了对进口高端贵金属铍的依赖,从设计到制造,实现了全自主、全国产化。


        斯特源的远期愿景,是实现军民融合。产品成熟定型后,可助力军用高性能热动力电源(发动机)装置发展,为航天、国防提供高性能热动力发电装置;规模化产能建立后,还能为多个民用领域提供高效、耐久、性能更优的动力机械及制冷机。


        2018年,俄罗斯“波塞冬”号核动力无人水下航行器浮出水面。这枚核鱼雷,可在水下1000米深处,搭载200万吨TNT当量的核弹头,以高达200公里的时速前进,被称作“航母杀手”和“末日鱼雷”。


        胡兴华介绍,“波塞冬”号的动力装置,大概率采用了斯特林动力技术。核反应堆是目前能量密度最高的能源来源,加一次燃料可以跑几十年,与斯特林动力装置绑在一起后,可以在源源不断的热电转换中实现长久续航。“我们国家有核弹、氢弹,有东风快递这样的洲际导弹,但高端动力装置,还需要不断攻坚。在这个庞大系统中,我们只是其中一个单元。但再小的螺丝钉,也承载着国家安全的使命。”


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