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          1. 新興能源產業領航者 | /EN

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            筑巢引鳳:斯特源創始人胡興華的“斯特林情結”——十年,逐夢動力裝置之冠

            iNews 2022-06-10 17:07:00



            武漢新能源研究院,已在創新奔跑中,步入第六個年頭。


            2016年,我們背靠華中科技大學電氣學院、能源學院等多個優勢學科,以成果轉化為核心使命,市校共建了武漢新能源研究院。象征新能源之花的馬蹄蓮大樓,成為了光谷乃至湖北的創新地標。


            過去六年,新能源研究院一直圍繞兩個大的方向性任務不懈探索:清潔能源的規?;煤蛡鹘y能源的清潔高效利用。一批重塑未來格局的源頭創新,在這里發生;一批高質量的科技成果轉化項目在這里嶄露頭角。


            當前的武漢已全面吹響爭創綜合性國家科學中心、國家科技創新中心的號角,并啟動建設光谷科技創新大走廊、東湖科技城,一批大科學裝置規劃,都與新能源密不可分??梢哉f,這是一場關于“新能源之都”的角逐,而如何用好新能源力量,共創低碳中國,更是未來城市角逐的主戰場。


            2022年,我們帶著「INEW能見」專欄來了,在這里,每周和你分享我們的創新故事,能見=看見,能源未來。新能源創新發展之路,道阻且長,這是我們的使命,更是新的長征。



            斯特源創始人胡興華的“斯特林情結”

            十年,逐夢動力裝置之冠


            1816年,英國物理學家羅巴特·斯特林(Robert Stirling)發明了斯特林發動機。


            這種外燃的閉式循環往復活塞式熱力發動機極為獨特,它氣缸的一端為熱腔,另一端為冷腔,在熱氣機封閉的氣缸內充有一定容積的工質,比如氫、氦、氮或空氣等。工質在低溫冷腔中壓縮,然后流到高溫熱腔中迅速加熱,膨脹作功,如此循環。燃料在氣缸外的燃燒室內連續燃燒,通過加熱器傳給工質。其間,封閉的工質并不直接參與燃燒,也無需更換。


            在18世紀末和19世紀初時,熱機普遍為蒸汽機,效率通常只有3%-5%左右,95%以上的熱能都沒有得到利用。斯特林發動機之所以獨特,是因為這個基于閉式熱力循環的熱機,是世界上熱轉換效率最高的熱機,實際有效效率能達到40%,熱機理論極限可達60%。即使是現在,熱電廠汽輪機的效率轉換,也一般僅為30%左右。


            在武漢新能源研究院孵化平臺,武漢斯特源能源科技有限公司歷經十年自主研發,在國內率先掌握了自由活塞式斯特林最先進機型核心技術“動子雙氣浮”。該技術可消除動子在氣缸內的磨損,相當于懸浮起來。


            圍繞免維護自由活塞式斯特林裝置研發,斯特源目前已擁有11項專利授權,裝置可在免維護情況下持續運行12年。


            “做斯特林裝置的源頭活水”



            2003年,胡興華從華中科技大學制冷與低溫工程系碩士畢業后留校,在能源與動力工程學院任教。他的研究方向是微型低溫技術、熱聲熱機及無污染制冷。


            2010年,前往上海某軍工研究所攻讀博士后的胡興華,被一件事情深深觸動了:在發達國家,自由活塞斯特林發動機已在深空探測、太陽能光熱發電、熱電聯產、潛艇AIP發電系統、余熱再利用、坦克、裝甲車和導彈熱屏蔽等領域上廣泛應用,士兵甚至可將其用于便攜式掌上發電機,而在我國,仍在使用驅動力落后的發動機。


            這么好的技術,我們為什么沒有規?;瘧媚??胡興華陷入了深思。


            按熱功轉換性質,斯特林裝置分為原動機(或稱發動機、發電機)及制冷機。從結構特點上,可分為機械式斯特林、自由活塞式斯特林和免維護自由活塞式斯特林。


            反復評估后,胡興華決定結合自己在這個領域多年的科研經驗,挑戰難度最高的免維護自由活塞式斯特林發動機?!斑@種裝置即使十幾年不維護,也能不停歇工作,堪稱一切動力裝置之冠?!?


            2017年,武漢斯特源能源科技有限公司創立,并于次年入孵武漢新能源研究院,專業從事斯特林型熱電轉換裝置及其派生應用設備的開發與生產。


            目前,斯特源已形成斯特林強耦合參數組自激起振仿真技術;氣浮孔槽結構優化、氣簧功能性、結構性設計方法;直線往復電機、絲網回熱器、精密復雜氣缸體等關重部組件自研工藝;整機快速調教技術等多項核心技術。


            “取名斯特源,是希望它能成為做斯特林裝置的源頭活水?!?


            12年,10萬小時,零維護



            胡興華介紹,機械式斯特林裝置,主要通過結構件傳動,用于水下動力、太陽能光熱發電等領域,設計較為成熟。代表廠商為瑞典Kockums、Cleanergy、美國SES、我國中船711所等。裝置的維護周期,約為數百小時至兩三千小時。


            自由活塞式斯特林發動機概念,最初由美國Sunpower公司創始人比爾于1970年提出。在美國軍方及美國宇航局的重視和持續資助下,過去幾十年,Sunpower等數家公司累計為美國軍方和NASA提供了從10瓦到12.5千瓦范圍內的多款機型,被應用于空間核電源、無人值守基站電源、單兵發電機等領域。


            其中,Sunpower發明制造的斯特林制冷機M77,被NASA在2002年用于RHESSI號繞地衛星上,直至今天。另一款商用斯特林制冷機M87,被用于往返航天器的研究。


            自由活塞式斯特林裝置的技術特征為氣動耦合,主要用于移動或固定發電、熱電聯供、太陽能光熱發電等,設計難度較大,屬于對中國限制輸出的技術。盡管維護周期大幅延長,但每運行數千至上萬小時,設備仍需維護。


            而免維護自由活塞式斯特林,維護時間超過10萬小時,也是三種技術中設計難度最高的。在持續運行12年且免維護情況下,也無性能衰減。它的技術特征為集成氣浮氣簧氣動耦合,或集成磁浮氣動耦合,在航天、水下動力、核電源系統以及余熱發電、太陽能光熱發電方面,優勢尤其明顯。


            “因為這個細分領域門檻非常高,全世界掌握源頭核心技術的,只有美國MTI、Sunpower和NASA等屈指可數的兩三家企業或機構。國內相關企業僅四五家,且都未實現規?;?,仍處于非標定制階段?!?


            “螺絲釘也有它的國家使命”


            ▲ 免維護斯特林發電/制冷機


            據了解,斯特源目前的核心業務,一是長壽命的熱電轉換裝置,二是無油制冷系統。這兩項業務的技術基礎,都是自由活塞式斯特林。


            “我們希望以免維護低溫制冷機和發電機為產品特色,精確切入細分市場,比如航天和水下動力系統?!焙d華說,后續將逐步拓展至太陽能光熱發電、生物質發電、電動汽車空調、醫用及食品低溫冷鏈設備等工業領域。


            制冷機是發電機的逆向運行模式,從外部輸入電能或者熱能,實現制冷。自由活塞斯特林技術應用于低溫冷鏈裝置后,可比傳統電制冷裝置節電30%,且噪音小、溫控精度高。


            使用氦氣為冷卻劑,制冷2分鐘內,溫度可迅速達到-50℃,10分鐘達到-100℃,20分鐘內達到-120℃,真空條件下最低溫度可達-233℃。


            卓越的制冷能力,即使用于低溫粉碎、飛彈紅外導引頭、雷達濾波器冷卻、超導電機/磁體冷卻,也不在話下。


            在斯特源與中國航天科技集團第五研究院的協作攻關項目中,通過自研氣簧結構,實現了宇航級自由活塞斯特林雙動子自泵氣氣浮,避免了對進口高端貴金屬鈹的依賴,從設計到制造,實現了全自主、全國產化。


            斯特源的遠期愿景,是實現軍民融合。產品成熟定型后,可助力軍用高性能熱動力電源(發動機)裝置發展,為航天、國防提供高性能熱動力發電裝置;規?;a能建立后,還能為多個民用領域提供高效、耐久、性能更優的動力機械及制冷機。


            2018年,俄羅斯“波塞冬”號核動力無人水下航行器浮出水面。這枚核魚雷,可在水下1000米深處,搭載200萬噸TNT當量的核彈頭,以高達200公里的時速前進,被稱作“航母殺手”和“末日魚雷”。


            胡興華介紹,“波塞冬”號的動力裝置,大概率采用了斯特林動力技術。核反應堆是目前能量密度最高的能源來源,加一次燃料可以跑幾十年,與斯特林動力裝置綁在一起后,可以在源源不斷的熱電轉換中實現長久續航?!拔覀儑矣泻藦?、氫彈,有東風快遞這樣的洲際導彈,但高端動力裝置,還需要不斷攻堅。在這個龐大系統中,我們只是其中一個單元。但再小的螺絲釘,也承載著國家安全的使命?!?

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