空间太阳能发电概念及概念模型

空间太阳能发电概念及概念模型

0太阳能发电系统1968年，美国工程师perser提出了空间能量发电的概念。这是在地球外层空间中建立太阳能发电基地的想法。通过微波将能量消耗回到地球，并将微波转换为能量消耗，以便人们能够使用能源。这一概念提出后,立刻引起了众多专家学者的浓厚兴趣,还受到各国政府的高度重视。70年代末、80年代初美国航空航天局NASA和美国能源部DOE就联合进行了参考系模型研究;日本在1993年完成了太阳发电卫星SPS2000的概念设计;德国拟订了全球太阳能方案GSEK;俄罗斯、加拿大、法国等国也作了许多有关研究。目前,空间太阳能发电不仅局限于发电卫星,许多学者提出了各种设想,在月球上建立月球发电基地LSP(LunarSolarPower)、太阳塔型光伏电站以及建立为空间活动提供动力的空间大型电站等相继出现。空间太阳能发电有两种形式:光伏发电和闭式热机发电。目前看来,因光伏发电技术较成熟,似乎更有可能实现,但就长远而言热机发电与其相比效率高、寿命长、轨道能耗小,发射及运行成本低,便适合空间大规模发电。热机发电有3种循环:Rankine循环、Brayton循环、Stirling循环,其中Stirling循环与卡诺循环一样在理论上具有最高的热效率,尤其是自由活塞式斯特林发动机对热源要求低—使得它适于用太阳能发电;密封简单、寿命极长—适于在宇宙空间工作,因此它将可能是最理想的空间发电系统。1发电机,和辐射换热器空间太阳能热发电系统由3部分组成:发电装置、微波转换发射装置、微波接收转换装置。本文提出的空间太阳能热发电装置概念模型是单聚光系统,采用自由活塞式斯特林发动机发电,运行于地球低轨道LEO上。它包括:聚光器、吸热器、发动机/发电机,和辐射换热器,系统示意图如图1所示。抛物面型聚光器把阳光汇聚到位于焦点处的空腔圆盘型吸热器中,腔壁对提高聚光比几乎不起任何作用,只是为防止陨石、空间粒子刺穿位于底部的热管。热管中充满高压工质气体,工质在这里吸热膨胀、再回到位于吸热器外底部的自由活塞式斯特林发动机(在空腔吸热器外底部装有100台自由活塞式斯特林发动机)的膨胀腔中,推动活塞往复作功,经直线电机转变成电能输出,微波发射器再把电能转换成微波向用户发射。在宇宙空间中热量只能以辐射方式散出,为增强散热效果,采用Na-K合金液态金属冷却工质。Na-K合金吸收工质热量后流经扇形辐射换热器散热,工质经冷却器与Na-K合金进行热量交换,冷却后流回发动机压缩腔压缩,从而完成一个循环。发电装置有关参数列于表1。2压力和循环功率该装置采用四缸双作用自由活塞式斯特林发动机与直线电机相匹配,设计功率是750kW/缸,示意图如图2所示。发动机的设计是在如下假设下进行的:循环按等温过程进行,工质为理想气体。根据牛顿第二定律,将IsraelUrieli等提出的自由活塞式斯特林发动机分析方法和线性化方法用于推导4个活塞的运动方程组,经化简后得到:⎡⎣⎢⎢⎢⎢x¨1x¨2x¨3x¨4⎤⎦⎥⎥⎥⎥=⎡⎣⎢⎢⎢⎢S11S210S41S12S22S3200S23S33S43S140S34S44⎤⎦⎥⎥⎥⎥⋅⎡⎣⎢⎢⎢⎢x1x2x3x4⎤⎦⎥⎥⎥⎥+⎡⎣⎢⎢⎢⎢D1100D41D12D22000D23D33000D34D44⎤⎦⎥⎥⎥⎥⋅⎡⎣⎢⎢⎢⎢x˙1x˙2x˙3x˙4⎤⎦⎥⎥⎥⎥(1)[x¨1x¨2x¨3x¨4]=[S11S120S14S21S22S2300S32S33S34S410S43S44]⋅[x1x2x3x4]+[D11D12000D22D23000D33D34D4100D44]⋅[x˙1x˙2x˙3x˙4](1)其中S11=−PmeanMp[A2pThSs+(AD−AR)2AkSs+v(Ap−AZ)2VD+vABARVB]S12=PmeanMP⋅AP(AD−AR)TkSSS14=PmeanMP⋅AP(AD−AR)ThSSD11=−A2PMPΔp−1MP(CHB+CHD+Cpc)D12=−1MPAP(AD−AR)ΔpSS=CC(AD−AR)Tk+VkTk+Vrln(Th/Tk)Th−Tk+VhTh+EEAPThS11=-ΡmeanΜp[Ap2ΤhSs+(AD-AR)2AkSs+v(Ap-AΖ)2VD+vABARVB]S12=ΡmeanΜΡ⋅AΡ(AD-AR)ΤkSSS14=ΡmeanΜΡ⋅AΡ(AD-AR)ΤhSSD11=-AΡ2ΜΡΔp-1ΜΡ(CΗB+CΗD+Cpc)D12=-1ΜΡAΡ(AD-AR)ΔpSS=CC(AD-AR)Τk+VkΤk+Vrln(Τh/Τk)Τh-Τk+VhΤh+EEAΡΤh因4个活塞是对称的,故上述方程中矩阵[S]和[D]的主对角线和副对角线上的值都相等,即S11=S22=S33=S44,S12=S23=S34=S41,S21=S32=S43=S14,D11=D22=D33=D44,D12=D23=D34=D41。假设活塞为简谐运动,则其解为:xi=Xiexp[j(ωt+φi)](2)将解代入方程(1),即可求出系统稳定运行频率。两活塞间的压力p可根据理想状态方程写出,再做线性化处理。压力p和容积V都是位移的函数,故可求出。求得的压力和位移矢量如图3所示。又由Pcal=−ω2pVsinφ(3)Ρcal=-ω2pVsinφ(3)可求出循环功率。其中φ是压力滞后于负容积矢量的相位角。根据表1所示发电装置中自由活塞式斯特林发动机的设计参数及计算结果列在表2中。3缸双作用型斯特林发动机本文对自由活塞式斯特林发动机发电装置作如下讨论:1)发电装置的概念设计是空间太阳能热发电系统概念设计的一部分,本文只给出了一个设计框架,着重对自由活塞式斯特林发动机作了初步设计计算,其间做了很多简化,例如:等温循环、理想气体、简谐振动等,都是按理想情况定的,还有许多地方需要完善。2)在自由活塞式斯特林发动机中,四缸双作用形式结构紧凑、运动部件少、比功率高,这样可以减轻装置重量,降低发射成本,延长使用寿命,适合于在太空中应用。3)四缸双作用型自由活塞式斯特林发动机有它的缺点:活塞间的相位角不容易稳