空间太阳能热动力发电系统研究-.doc

0引言 太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电,是太阳能热利用的重要方面,它与人们常提到的光伏发电相比,具有效率高、结构紧凑、运行成本低等优点。随着人类对航天航空的探索,尤其是现在,人类越来越多地建造大型的空间站作为航天员的活动平台,为保证空间站的正常运行和工作,高效、合理、安全的电力供应系统是一个基础。而把太阳能热发电技术运用到空间站,以太阳能热发电技术保证空间站的电力供应,从而形成空间太阳能热动力发电系统SDPC。 太阳能发电有多种形式,太阳能热发电只是其中一种。迄今为止,尤其是在航天器应用领域,太阳能光伏技术应用最为广泛。但是,随着航天活动的扩展,人类对航天器的要求越来越高,尤其是作为航天活动平台的大型空间站的建立,使得原有的以太阳能光伏技术为基础的电力供应系统已不能满足人类现有的要求。以美国、俄罗斯、欧洲、日本和加拿大共同建造的国际阿尔法空间站为例,此空间站的电力需求将达到110KK为热力学温标单位[1],电力需求的急剧增加使得以光伏技术为基础的供应系统成本急剧增加,其中,以光伏电池迎风面积的增加而带来的发射成本的增加尤为显著。太阳能热动力发电系统克服了光伏发电效率低、成本高的缺点,满足了大型空间站的电能需求,是一种切实可行的能量利用方案。 1空间太阳能热动力发电系统发展概况 空间太阳能热动力发电系统是20世纪中期提出的一种空间电力供应技术,20世纪60年代,美国开始相关研究,俄罗斯、日本等国紧随其后。20世纪80年代开始,自由号空间站的研究使得太阳能热动力发电技术达到了实用阶段。1994年,在自由号空间站发电系统研究的基础之上,世界上第一套太阳能热动力发电系统的地面样机在NASA的研究所诞生,经过一年的调试之后,系统效率和可靠性均达到设计要求[2],这标志着空间太阳能热动力发电技术进入了一个崭新的阶段[3-5]。 空间太阳能热动力发电系统主要由太阳能反射器、吸热/蓄热器、电力转化部件、辐射器组成。随着空间太阳能热动力发电技术要求不断严格,各相应部件也得到长足发展。太阳能反射器作为聚能装置,必须满足聚焦比高、质量轻、效率高的特点[6];空间站在轨道连续运行时,必然要经过太阳阴影期,因此,要保证系统持续运转、供电,必须采用蓄热装置。在太阳能热动力发电系统中,将吸热、蓄热与工质换热3项功能集合在一起的部件称为吸热/蓄热器,目前,在吸热/蓄热器的研究中,相变蓄热材料的选择是一个主要问题,相变材料应具有与循环最高温度相近的熔点,大的相变潜热,高密度、高导热系数,能够长期稳定工作,而且和容器材料的相容性较好;能量转换装置包括热机和发电机,热机工质推动热机做功,带动发电机发电。热机循环方案的研究主要集中在闭式布雷顿循环SBC和斯特林循环SC,前者已经有数十年的应用经验,技术水平和可靠性都很高,是目前主要选取的方案,但是斯特林循环系统的热效率较闭式布雷顿循环高、比质量小,也是一种很有前景的方案[7];辐射散热器作为航天器温控系统的主要部件,具有较丰富的使用经验,技术也比较成熟,主要有泵液回路式辐射散热器和热管式散热器2种形式,前者已在多种航天器上应用,而热管式散热器散热效率高、面积小、可靠性高,是今后辐射散热器的发展方向。 空间太阳能热动力发电系统的研究是一个投入较大的项目。在结构设计、材料、工艺等方面都是非常复杂的,特别是太阳能反射器、吸热/蓄热器及电力转化部件中的高速转动部件。整个系统正常运转的软硬件控制部分,太阳能反射器的空间展开装置、太阳能反射器定相精度控制装置、系统的封装和运输装置以及地面试验的配套装置也都是非常复杂的,所以,在今后的很长时间内,太阳能热动力发电系统必将是研究和发展的重点。 2空间太阳能热动力发电系统热机循环系统 前面提到,SC系统相比于CBC系统因其效率高、比质量小等优点已成为未来发展的趋势,下面,我们着重介绍SC系统的工作原理,图1为空间太阳能SC装置原理图。 2.1SC系统工作原理 顾名思义,SC系统是以斯特林循环为基础的,工质在活塞的作用下经历等温压缩、等容吸热、等温膨胀和等容冷却4个过程完成一个循环,这就是斯特林循环,理想斯特林循环T-S如图2所示。 空间SC发电装置方案一般均采用自由活塞斯特林机作为原动机,图3为自由活塞斯特林发电机示意图,在气缸内有一个配气 空间太阳能热动力发电系统研究 牛东孙启政 中国矿业大学,江苏徐州221116 摘要介绍了空间太阳能热动力发电系统的发展概况,并指出了发展中存在的问题,着重介绍了SC系统的工作原理,强调了空间太阳能热动力发电技术对我国航天事业发展的重要性。 关键词太阳能热发电;空间太阳能热动力发电;斯特林循环 Zonghe Yanjiu ◆综合研究 237 机电信息2011年第24期总第306期 活塞和一个动力活塞。气缸侧壁有连接配气活塞上下室的旁路,循环工质通过旁路交替运动到配气活塞的上室和下室。上室和热源热交换器HSHX耦合,将吸热器的热量传递给工质,推动动力活塞运动,输出功率。下室通过中间介质回路把余热传递给辐射器排送到空间,工质通过旁路往复流动,完成循环。 2.2SC系统的发展 斯特林发动机在结构设计、吸热材料、窗口材料、工质特性流动、能量分布和传递转化等理论和技术方面具有一定的难度,需要多方协调合作。由于斯特林发动机主要是靠工质在汽缸内的往复运动进行工作的,提高斯特林发动机的密封技术,无论是对提高性能还是增加寿命,都有重要的意义。控制技术是调节斯特林发动机工作的核心技术,斯特林发动机的控制技术远不如内燃机成熟,因此提高斯特林发动机的控制技术,对提高斯特林发动机和斯特林发动机系统的综合性能有着重要的意义。因此,综合来看,虽然SC 系统有着显著的优点与发展潜力,但是还有很多技术难题亟待解决,要使得SC系统真正的大规模应用到航空航天领域还需要我们更多的努力。 3我国空间太阳能热动力发电系统的发展状况 国外对空间太阳能热动力发电系统已有近半个世纪的研究,而在我国还处于实验初级阶段,但是伴随着我国航天科技的不断进步,空间太阳能热动力发电技术亟待发展。近年来,在国家“863”计划的支持下,也取得了一系列的成果,尤其是在吸热/蓄热器技术研究中,北京航空航天大学通过建立微重力下相变材料容器内相变传热过程的数学模型,对相变材料的三维相变传热过程进行详细的研究,并且还编写了热分析计算软件,以此为基础,完成了成了2kW吸热/蓄热器热设计,为样机的研制打下了基础。在能量装换装置的研制方面,中国对大型涡轮机械有很强的技术积累,但是作为航空领域应用的小型的涡轮机械的水平还不够,另外与太阳能热动力系统配套的小型高速电机也是目前我们面临的一个技术难题[6]。 4结语 虽然现在空间太阳能热动力发电技术还存在着不少技术问题,没有在航空领域大规模的应用,但是,随着空间电力的需求和高温蓄热及其他技术的成熟,必将在未来的空间电力供应中占据主要的地位。当前,我国作为航天大国,航天事业取得了长足进步, 但是与世界先进的航天强国相比,我们也有着不小的差距,尤其是在空间太阳能热动力发电系统方面,因此,在未来的一段时间内,发展太阳能热动力发电技术,是我国航天领域面临的又一挑战,而对太阳能热动力发电技术的研究也必将促进我国的航天事业更进一步。 [参考文献] [1]Gietl E B,Gholdston E W,Cohen F.The Architecture of the Electric Power System of the International Space Station and Its Application as a Plat for Power Technology Development[A].AIAA-2000-2954[C],IECEC2000,2 [2]Anthony P.Solar Brayton-cycle power system development, AIAA [3]Thomas R L,Hallinan GJ.Design of the Space Station Free- dom power system[J].IEEE Aerospace and Electronics Sys-tems Magazine,1990,51 [4]Thomas L Labus,Richard R Secunde.Solar Dynamic Power for Space Station Freedom[R].NASA TM-102016,N89-23516,1989 [5]Jefferies,K.S.Solar Dynamic Power System Development for Space Station Freedom[R],NASA-RP-1310,N94-12807,1993 [6]崔海亭,袁修干,邢玉明,侯欣宾.空间站太阳能热动力发电系统 研究进展[J].中国空间科学技术,20026 [7]崔海亭,袁修干,侯欣宾.空间太阳能热动力发电系统[J].太阳 能,20013 [8]侯欣宾,袁修干,崔海亭.国外空间太阳能热动力发电系统发展及 建议[J].太阳能学报,2003,241 [9]朱明善,刘颖,林兆庄,彭晓峰.工程热力学[M].清华大学出版社, 1995 收稿日期2011-07-19 作者简介牛东1990,男,山东泰安市新泰人,研究方向热能与动力工程。 综合研究 ◆Zonghe Yanjiu 238