太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)在空間中的應用

0國外能源技術的研究電力是人類生存的基礎。隨著人類文明和經濟的快速發(fā)展，能源的使用也顯著增加。目前人類使用的能源主要是一次能源,其中使用最多的為煤、石油、天然氣。由于使用技術的限制和人們環(huán)保意識的薄弱,能源被大量消耗,由此產生的環(huán)境污染也日益嚴重。特別是20世紀八大公害事件,能源大量利用所導致的環(huán)境污染已經嚴重危害了社會的發(fā)展。自此世界各國才認識到能源危機和環(huán)境污染,采用新型環(huán)保、可再生能源替代常規(guī)能源的領域不斷拓寬。我國發(fā)展可再生能源將鎖定五大領域,太陽能發(fā)電和太陽能與建筑一體化首當其沖成為最有前途、也最受人們重視的一大領域。其取之不盡、安全、無污染等特點更受到人們的青睞。目前太陽能主要應用在熱水器、制冷、光伏電池、發(fā)電等領域。其中熱水器的熱利用技術最為成熟。太陽能發(fā)電是將太陽輻射能轉換為熱能,然后再將熱能轉換為電能的發(fā)電方式。太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要應用于太空發(fā)電站,一般是作為航天器的空間電源。目前把太陽能轉變?yōu)殡娔苤饕袃煞N方式,一種是光電直接轉換(PV)系統(tǒng),采用太陽能光伏電池陣與化學蓄電池組合的供電方式;另一種便是太陽能動力發(fā)電(SD)系統(tǒng),與前者相比它的能量儲存/釋放效率高,壽命長且具有較小的比質量和比面積。由于其效率高、尺寸小、阻力小,因而可節(jié)省成本,此外較小的太陽能聚光器面積還增強了空間站的飛行穩(wěn)定性,改進了空間站的視野。這些優(yōu)點使太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)在空間應用方面有很大的競爭力。1熱管式吸熱/蓄熱器國外從20世紀60年代就開始了大量的相關技術的研究,目前國際上研究最多技術也最成熟的是采用布雷頓(CBC)循環(huán)熱機。利用太陽能熱動力發(fā)電時,要先把太陽能轉換為熱能,具體措施是用聚光器將入射陽光聚集在焦點上,目前常在焦點處放置太陽能斯特林(stirling)發(fā)電裝置發(fā)電。TAKESHIH,HITOSHIN,TSUTOMUF等對斯特林發(fā)動機和太陽能接受系統(tǒng)應用于太空發(fā)電進行了試驗研究,斯特林發(fā)動機可應用于潛艇等軍事項目,故西方國家對我國嚴格封鎖該項技術。故我們必須采用其他太陽能接受的設備。其中利用熱管式真空集熱管收集太陽能、產生蒸汽、送入汽輪機發(fā)電就是一種有效的方式。在太陽能利用領域,熱管主要是作為傳熱元件應用。它還普遍用于太陽能集熱器提供生活熱水、作為太陽能采暖。熱管采用相變傳熱,具有極高的傳熱效率,有熱超導體之稱。由于熱管以潛熱形式進行傳熱,當量導熱系數(shù)極高,比銀、銅、鋁等良好的金屬熱導體高出幾個數(shù)量級,具有優(yōu)良的導熱性。80年代中期,美國開始研制在自由號空間站布雷頓循環(huán)熱機中,采用太陽能熱動力吸熱裝置——熱管式吸熱器等先進的吸熱器,并與高溫式吸熱器、堆積床吸熱器、板翅式吸熱器對比,但新的設計帶來了許多新的技術難題,如熱管在高溫和高熱流密度下的設計問題。1990年日本的DOUGLES等人制造出了總熱管式單元管并用電加熱模擬了循環(huán)熱流,驗證了熱管式吸熱器的性能。同年還出現(xiàn)了用于劉易斯中心太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)的二次熱管吸熱器,要研制這種吸熱器技術上是困難的。FujiwaraM等對太陽能動力系統(tǒng)的熱管吸收器進行了實驗研究和性能測試。1998年日本的TAKESHI等人在國家航空實驗室設計和安裝完成一套太陽能熱管吸熱器。經過一系列試驗,熱效率達到了32%的地面試驗裝置隨后國際上又開展了各種類型的吸熱器的研究。1999年德國STUTTGART大學對斯特林循環(huán)的空間電站的熱管吸熱器進行了動態(tài)性能研究。國內對吸熱/蓄熱器的研究是從1988年開始的,其后開展了相關的試驗研究與數(shù)值計算。但是對熱管式吸熱/蓄熱器還未涉及。直到2003年桂曉宏和袁修干提出,在太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)中采用熱管式吸熱/蓄熱器有良好的應用前景,在該文獻中作者列舉了四種類型的吸熱器:堆積床吸熱/蓄熱器、直接吸收式吸熱器、二次熱管吸熱器、熱管吸熱器。通過對比得出熱管吸熱器以其優(yōu)異的性能緩解了熱斑和熱松脫現(xiàn)象的出現(xiàn)。熱管式吸熱/蓄熱器的原理是用聚能器截取太陽能(如圖1),并將其聚集到吸熱/蓄熱器的圓柱形空腔內,吸收轉換成熱能。其中一部分熱能傳遞給循環(huán)工質以驅動熱機發(fā)電;另一部分熱能則被封裝在多個小容器內的相變蓄熱材料(PCM),通過融化而吸收儲存起來。在軌道陰影期,PCM在相變點附近凝固釋熱,充當熱機熱源來加熱循環(huán)工質,使得空間站處于陰影期時仍能連續(xù)工作發(fā)電。2004年崔海亭、徐偉強等建立了熱管式吸熱/蓄熱器的物理和數(shù)學模型,給出了數(shù)值求解的方法,計算了蓄熱器最高溫度、熱管最高壁溫、工質出口溫度、相變材料熔化率等參數(shù),并與基本形吸熱器進行對比,驗證了PCM的儲熱能力,減小了工質氣體出口溫度的波動。2005年桂曉宏、袁修干等對單元熱管吸熱器進行了數(shù)值模擬,得出熱管吸熱器減輕了系統(tǒng)的質量,提高了系統(tǒng)的熱效率,并能避免熱斑和熱松脫現(xiàn)象。其后又對熱管吸熱器進行仿真分析,并把仿真結果同NASA計算結果進行對比,得出熱管軸向溫差很小,這就使熱管在不同位置上的容器內的PCM都能同步、均勻溶化,在陰影期末PCM能夠同時、完全凝固。最后又用FLUENT6.1對其進行仿真,并把仿真結果同試驗結果和基本型吸熱器進行了對比,得出熱管式吸熱器大大縮小了熱管和蓄熱容器壁溫的波動范圍,提高了PCM利用率,從而減輕了系統(tǒng)的質量。徐偉強在基于焓法建立單元熱管耦合傳熱的物理和數(shù)學模型,驗證了熱管吸熱器明顯改善了溫度分布的均勻性和相變材料的熔化率。2熱管吸熱/蓄熱器應用于地面太陽能發(fā)電系統(tǒng)的考慮從兩對熱管式吸熱/蓄熱器的研究前期是在熱分析的試驗研究,當前主要是國內的一些數(shù)值計算、模擬、仿真,計算結果和試驗結果相對比。因此對吸熱/蓄熱器的研究仍有需要進一步解決的問題,建議從以下幾方面進行研究。(1)目前熱管式吸熱/蓄熱器應用于太空站還在試驗階段,未應用到實際的工程中,因此如何將其應用工程中還有待研究。由于開展試驗研究都是在地面,這與太空環(huán)境有一定的差距,因此如何把地面的試驗結果應用于太空,處理兩者之間的差距也是一個問題。(2)以往的研究都是針對太空發(fā)電進行的,如何將這種熱管吸熱/蓄熱器應用到地面太陽能發(fā)電系統(tǒng)也是一個重要研究方向。地面輻射相對太空來講差很多,而且還會受氣候的影響,太空是屬于微重力場,跟地面又不一樣?？梢詮臒峁芪鼰?蓄熱器整體進行優(yōu)化設計,還有各部件的熱應力分析、設計、性能試驗與制造加工工藝等這些方面著手。(3)熱管吸熱/蓄熱器的加工工藝較嚴格,這使得其制造成本上升,從經濟方面來說熱管較其他類型的吸熱/蓄熱器尚缺乏競爭力。因此可以從減少成本方面進行研究,尋找既方便、又快捷且質量好的加工工藝。例如:對熱管吸熱/蓄熱進行熱應力分析及熱疲勞計算,對計算結果進行分析,找到交變熱應力作用下容器的易損部位,設計合理的結果延長其使用壽命、提高可靠,使其成本降低。(4)不同工作溫度的熱管吸熱/蓄熱器,其最佳的PCM會有所區(qū)別,由于應用于吸熱/蓄熱器的PCM還沒有形成相