太阳能热动力发电系统在空间中的应用

太阳能热动力发电系统在空间中的应用

0国外能源技术的研究电力是人类生存的基础。随着人类文明和经济的快速发展，能源的使用也显著增加。目前人类使用的能源主要是一次能源,其中使用最多的为煤、石油、天然气。由于使用技术的限制和人们环保意识的薄弱,能源被大量消耗,由此产生的环境污染也日益严重。特别是20世纪八大公害事件,能源大量利用所导致的环境污染已经严重危害了社会的发展。自此世界各国才认识到能源危机和环境污染,采用新型环保、可再生能源替代常规能源的领域不断拓宽。我国发展可再生能源将锁定五大领域,太阳能发电和太阳能与建筑一体化首当其冲成为最有前途、也最受人们重视的一大领域。其取之不尽、安全、无污染等特点更受到人们的青睐。目前太阳能主要应用在热水器、制冷、光伏电池、发电等领域。其中热水器的热利用技术最为成熟。太阳能发电是将太阳辐射能转换为热能,然后再将热能转换为电能的发电方式。太阳能发电系统主要应用于太空发电站,一般是作为航天器的空间电源。目前把太阳能转变为电能主要有两种方式,一种是光电直接转换(PV)系统,采用太阳能光伏电池阵与化学蓄电池组合的供电方式;另一种便是太阳能动力发电(SD)系统,与前者相比它的能量储存/释放效率高,寿命长且具有较小的比质量和比面积。由于其效率高、尺寸小、阻力小,因而可节省成本,此外较小的太阳能聚光器面积还增强了空间站的飞行稳定性,改进了空间站的视野。这些优点使太阳能热动力发电系统在空间应用方面有很大的竞争力。1热管式吸热/蓄热器国外从20世纪60年代就开始了大量的相关技术的研究,目前国际上研究最多技术也最成熟的是采用布雷顿(CBC)循环热机。利用太阳能热动力发电时,要先把太阳能转换为热能,具体措施是用聚光器将入射阳光聚集在焦点上,目前常在焦点处放置太阳能斯特林(stirling)发电装置发电。TAKESHIH,HITOSHIN,TSUTOMUF等对斯特林发动机和太阳能接受系统应用于太空发电进行了试验研究,斯特林发动机可应用于潜艇等军事项目,故西方国家对我国严格封锁该项技术。故我们必须采用其他太阳能接受的设备。其中利用热管式真空集热管收集太阳能、产生蒸汽、送入汽轮机发电就是一种有效的方式。在太阳能利用领域,热管主要是作为传热元件应用。它还普遍用于太阳能集热器提供生活热水、作为太阳能采暖。热管采用相变传热,具有极高的传热效率,有热超导体之称。由于热管以潜热形式进行传热,当量导热系数极高,比银、铜、铝等良好的金属热导体高出几个数量级,具有优良的导热性。80年代中期,美国开始研制在自由号空间站布雷顿循环热机中,采用太阳能热动力吸热装置——热管式吸热器等先进的吸热器,并与高温式吸热器、堆积床吸热器、板翅式吸热器对比,但新的设计带来了许多新的技术难题,如热管在高温和高热流密度下的设计问题。1990年日本的DOUGLES等人制造出了总热管式单元管并用电加热模拟了循环热流,验证了热管式吸热器的性能。同年还出现了用于刘易斯中心太阳能热动力发电系统的二次热管吸热器,要研制这种吸热器技术上是困难的。FujiwaraM等对太阳能动力系统的热管吸收器进行了实验研究和性能测试。1998年日本的TAKESHI等人在国家航空实验室设计和安装完成一套太阳能热管吸热器。经过一系列试验,热效率达到了32%的地面试验装置随后国际上又开展了各种类型的吸热器的研究。1999年德国STUTTGART大学对斯特林循环的空间电站的热管吸热器进行了动态性能研究。国内对吸热/蓄热器的研究是从1988年开始的,其后开展了相关的试验研究与数值计算。但是对热管式吸热/蓄热器还未涉及。直到2003年桂晓宏和袁修干提出,在太阳能热动力发电系统中采用热管式吸热/蓄热器有良好的应用前景,在该文献中作者列举了四种类型的吸热器:堆积床吸热/蓄热器、直接吸收式吸热器、二次热管吸热器、热管吸热器。通过对比得出热管吸热器以其优异的性能缓解了热斑和热松脱现象的出现。热管式吸热/蓄热器的原理是用聚能器截取太阳能(如图1),并将其聚集到吸热/蓄热器的圆柱形空腔内,吸收转换成热能。其中一部分热能传递给循环工质以驱动热机发电;另一部分热能则被封装在多个小容器内的相变蓄热材料(PCM),通过融化而吸收储存起来。在轨道阴影期,PCM在相变点附近凝固释热,充当热机热源来加热循环工质,使得空间站处于阴影期时仍能连续工作发电。2004年崔海亭、徐伟强等建立了热管式吸热/蓄热器的物理和数学模型,给出了数值求解的方法,计算了蓄热器最高温度、热管最高壁温、工质出口温度、相变材料熔化率等参数,并与基本形吸热器进行对比,验证了PCM的储热能力,减小了工质气体出口温度的波动。2005年桂晓宏、袁修干等对单元热管吸热器进行了数值模拟,得出热管吸热器减轻了系统的质量,提高了系统的热效率,并能避免热斑和热松脱现象。其后又对热管吸热器进行仿真分析,并把仿真结果同NASA计算结果进行对比,得出热管轴向温差很小,这就使热管在不同位置上的容器内的PCM都能同步、均匀溶化,在阴影期末PCM能够同时、完全凝固。最后又用FLUENT6.1对其进行仿真,并把仿真结果同试验结果和基本型吸热器进行了对比,得出热管式吸热器大大缩小了热管和蓄热容器壁温的波动范围,提高了PCM利用率,从而减轻了系统的质量。徐伟强在基于焓法建立单元热管耦合传热的物理和数学模型,验证了热管吸热器明显改善了温度分布的均匀性和相变材料的熔化率。2热管吸热/蓄热器应用于地面太阳能发电系统的考虑从两对热管式吸热/蓄热器的研究前期是在热分析的试验研究,当前主要是国内的一些数值计算、模拟、仿真,计算结果和试验结果相对比。因此对吸热/蓄热器的研究仍有需要进一步解决的问题,建议从以下几方面进行研究。(1)目前热管式吸热/蓄热器应用于太空站还在试验阶段,未应用到实际的工程中,因此如何将其应用工程中还有待研究。由于开展试验研究都是在地面,这与太空环境有一定的差距,因此如何把地面的试验结果应用于太空,处理两者之间的差距也是一个问题。(2)以往的研究都是针对太空发电进行的,如何将这种热管吸热/蓄热器应用到地面太阳能发电系统也是一个重要研究方向。地面辐射相对太空来讲差很多,而且还会受气候的影响,太空是属于微重力场,跟地面又不一样。可以从热管吸热/蓄热器整体进行优化设计,还有各部件的热应力分析、设计、性能试验与制造加工工艺等这些方面着手。(3)热管吸热/蓄热器的加工工艺较严格,这使得其制造成本上升,从经济方面来说热管较其他类型的吸热/蓄热器尚缺乏竞争力。因此可以从减少成本方面进行研究,寻找既方便、又快捷且质量好的加工工艺。例如:对热管吸热/蓄热进行热应力分析及热疲劳计算,对计算结果进行分析,找到交变热应力作用下容器的易损部位,设计合理的结果延长其使用寿命、提高可靠,使其成本降低。(4)不同工作温度的热管吸热/蓄热器,其最佳的PCM会有所区别,由于应用于吸热/蓄热器的PCM还没有形成相