CN102307030A - 空间昼夜温差发电装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于空间热发电技术领域的空间昼夜温差发电装置及方法。空间昼夜温差发电装置由蓄热系统、发电系统和蓄冷系统顺序连接而构成。空间昼夜温差发电方法为：将空间昼夜温差发电装置置于大气外层空间或月球表面；当有光照时，蓄热器同时吸收和释放热量，蓄冷器仅吸收热量；当无光照时，蓄热仅释放热量，蓄冷器同时吸收和释放热量，发电系统不间断进行工作。本发明的有益效果为：通过使用两套储能装置(一套装有蓄热材料，一套装有蓄冷材料)可将宇宙空间不同时间下的温差转换到同一时间进行热交换，解决了现有空间热发电系统日照期发电效率低的问题，能够通过能量的交替储存和释放实现连续高效供电。
Description
技术领域
本发明属于空间热发电技术领域，特别涉及空间昼夜温差发电装置及方法。
背景技术
在航空航天领域，获取能源占有非常重要的地位。宇宙空间和月球表面没有大气层，其昼夜温差变化很大，大气层外层空间白天温度为120℃左右，夜晚温度在-270℃，其温差为390℃，在月球表面，白天平均温度为123℃，夜晚平均温度为-183℃，温差达306℃，因而满足热发电的条件。现有的空间热发电系统主要由太阳能聚能器、蓄热器、电力转化部件和辐射器组成，其原理是在日照期利用聚能器吸热，部分热能作为热源与辐射器形成的冷源进行热发电，其余热能储存在蓄热器中，在阴影期时作为热源发电。其不足之处是日照期以辐射器作为冷源，辐射器会不可避免地受到太阳辐射，同时，由于辐射器安装在空间站上或月球表面，在日照期空间站和月球表面温度在120℃左右，使其散热性能大幅下降，不能充分冷却工质，使冷热源之间温差减小，发电系统效率降低；因此现有的空间热发电系统日照期间能源利用率低，不能实现昼夜不间断高效供电。
发明内容
本发明针对上述缺陷公开了空间昼夜温差发电装置及方法。
空间昼夜温差发电装置由蓄热系统、发电系统和蓄冷系统顺序连接而构成，蓄热系统通过蓄热器连接发电系统，发电系统通过蓄冷器连接蓄冷系统。
所述蓄热系统的结构如下，聚能器和集热器装配在一起，集热器、蓄热器、第三阀和第三泵通过管件装配在一起；
所述发电系统利用膨胀机发电时，其结构如下：蓄热器、膨胀机、蓄冷器、第二阀和第二泵通过管件装配在一起，膨胀机与发电机装配在一起，发电机通过导线连接负载；
所述发电系统利用热电材料发电时，其结构如下：蓄热器、热电材料和蓄冷器装配在一起；热电材料、负载和逆变器通过导线连接；
所述蓄冷系统的结构如下：辐射器、第一阀、第一泵和蓄冷器通过管件装配在一起。
所述蓄热器由换热器和蓄热器储能材料组成，换热器的类型为管壳式、肋板式、针翅管式或翅片管式；蓄热器储能材料为相变储能材料、化学储能材料或固体储能材料，蓄热材料的蓄热温度为集热器受到太阳辐射时的温度，在蓄热器吸放热过程中，蓄热温度保持不变。
所述蓄冷器由换热器和蓄冷器储能材料组成，换热器的类型为管壳式、肋板式、针翅管式或翅片管式；蓄冷器储能材料为相变材料或磁性蓄冷材料，蓄冷材料的蓄冷温度在-150℃到-270℃之间。
所述集热器的向光面无保温材料，而集热器其余的表面均被保温材料包裹，蓄热器、蓄冷器、第一阀、第一泵、第二阀、第二泵、第三阀、第三泵、膨胀机、热电材料和管件均被保温材料包裹。
所述聚能器的类型为槽式、碟式或塔式。
空间昼夜温差发电方法分为以下步骤：
1)在大气外层空间或月球表面安装空间昼夜温差发电装置；
2)当有光照时，蓄热系统开始工作，第三阀和第三泵开启，蓄冷系统停止工作，第一阀和第一泵关闭，聚能器将阳光聚焦到集热器表面，集热器中工质吸热，将能量储存到蓄热器中；蓄热器同时吸收和释放热量，蓄冷器仅吸收热量，发电系统分为以下两种情况进行发电：
当采用膨胀机发电时，第二阀和第二泵开启，工质从蓄热器中吸热，在膨胀机中做功，带动发电机发电，发电后的工质向蓄冷器放热冷凝，再经第二泵压缩后进入蓄热器完成发电；
当采用热电材料进行发电时，热电材料两端的温差使热电材料内部载流子运动，形成电动势，产生直流电，然后经逆变器变换为负载所需要的电压。
3)当无光照时，蓄热系统停止工作，第三阀和第三泵关闭，蓄冷系统开始工作，第一阀和第一泵开启，蓄冷器中的热量通过管件传递给辐射器，辐射器通过向周围空间辐射热量进行散热，直到蓄热器的温度与周围空间一致，冷能被储存在蓄冷器中；蓄热器仅释放热量，蓄冷器同时吸收和释放热量，发电系统的发电过程与步骤2)相同。
所述聚能器的类型不同时，集热器温度不同，根据集热器的温度来选择对应的蓄热器。
所述发电系统采用郎肯循环发电，或采用其他动力循环发电，或利用热电材料进行发电。
本发明的有益效果为：通过使用两套储能装置(一套装有蓄热材料，一套装有蓄冷材料)可将宇宙空间不同时间下的温差转换到同一时间进行热交换，解决了现有空间热发电系统日照期发电效率低的问题，能够通过能量的交替储存和释放实现连续高效供电。
附图说明
图1为本发明采用膨胀机发电时的示意图；
图2为本发明采用热电材料发电时的示意图。
附图标记说明：1-聚能器，2-集热器，3-蓄热器，4-导线，5-蓄冷器，6-辐射器，7-第一阀，8-第一泵，9-第二阀，10-第二泵，11-第三阀，12-第三泵，13-负载，14-管件，15-发电机，16-膨胀机，17-热电材料、18-逆变器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
如图1、图2所示，空间昼夜温差发电装置，其特征在于，它由蓄热系统、发电系统和蓄冷系统顺序连接而构成，蓄热系统通过蓄热器3连接发电系统，发电系统通过蓄冷器5连接蓄冷系统。
蓄热系统的结构如下，聚能器1和集热器2装配在一起，集热器2、蓄热器3、第三阀11和第三泵12通过管件14装配在一起；
发电系统利用膨胀机16发电时，其结构如下：蓄热器3、膨胀机16、蓄冷器5、第二阀9和第二泵10通过管件14装配在一起，膨胀机16与发电机15装配在一起，发电机15通过导线4连接负载13；
发电系统利用热电材料17发电时，其结构如下：蓄热器3、热电材料17和蓄冷器5装配在一起；热电材料17、负载13和逆变器18通过导线4连接；
蓄冷系统的结构如下：辐射器6、第一阀7、第一泵8和蓄冷器5通过管件14装配在一起。
蓄热器3由换热器和蓄热器储能材料组成，换热器的类型为管壳式、肋板式、针翅管式或翅片管式；蓄热器储能材料为相变储能材料、化学储能材料或固体储能材料，蓄热材料的蓄热温度为集热器2受到太阳辐射时的温度，在蓄热器3吸放热过程中，蓄热温度保持不变。
蓄冷器5由换热器和蓄冷器储能材料组成，换热器的类型为管壳式、肋板式、针翅管式或翅片管式；蓄冷器储能材料为相变材料或磁性蓄冷材料，蓄冷材料的蓄冷温度在-150℃到-270℃之间。
集热器2的向光面无保温材料，而集热器2其余的表面均被保温材料包裹，蓄热器3、蓄冷器5、第一阀7、第一泵8、第二阀9、第二泵10、第三阀11、第三泵12、膨胀机16、热电材料17和管件14均被保温材料包裹。
聚能器1的类型为槽式、碟式或塔式；集热器2根据聚能器1的不同按实际情况选择。
空间昼夜温差发电方法分为以下步骤：
1)在大气外层空间或月球表面安装空间昼夜温差发电装置；
2)当有光照时，蓄热系统开始工作，第三阀11和第三泵12开启，蓄冷系统停止工作，第一阀7和第一泵8关闭，聚能器1将阳光聚焦到集热器2表面，集热器2中工质吸热，将能量储存到蓄热器3中；蓄热器3同时吸收和释放热量，蓄冷器5仅吸收热量，发电系统分为以下两种情况进行发电：
当采用膨胀机16发电时，第二阀9和第二泵10开启，工质从蓄热器3中吸热，在膨胀机16中做功，带动发电机15发电，发电后的工质向蓄冷器5放热冷凝，再经第二泵10压缩后进入蓄热器3完成发电；
下面是本发明采用采用膨胀机16发电时的一个具体实施例：聚能器1采用槽式聚能器，其聚光温度为450℃左右，蓄热器3中的蓄热材料选择氢氧化钾，凝固点为380℃，蓄热材料的质量为4吨；蓄冷器5使用液氧作为蓄冷材料，其蓄冷温度为-218℃，发电系统循环采用朗肯循环发电时，循环中工质采用液氮，其流量为1kg/s，整个系统的热电转化效率为10％，则空间昼夜发电装置的发电功率至少为65千瓦，每天可发电1560度；如此系统采用热电材料进行发电。
当采用热电材料17进行发电时，热电材料17两端的温差使热电材料内部载流子运动，形成电动势，产生直流电，然后经逆变器18变换为负载13所需要的电压，从而能够输出三相380V的电压。热电材料可选用碲化铋，其热电转化效率为8％，则其每天可发电1200度左右。
3)当无光照时，蓄热系统停止工作，第三阀11和第三泵12关闭，蓄冷系统开始工作，第一阀7和第一泵8开启，蓄冷器5中的热量通过管件14传递给辐射器6，辐射器6通过向周围空间辐射热量进行散热，直到蓄热器3的温度与周围空间一致，冷能被储存在蓄冷器5中；蓄热器3仅释放热量，蓄冷器5同时吸收和释放热量，发电系统的发电过程与步骤2)相同。
聚能器1的类型不同时，集热器2温度不同，根据集热器2的温度来选择对应的蓄热器3。
发电系统采用郎肯循环发电，或采用其他动力循环发电，或利用热电材料17进行发电。
本发明将这两种不同时间有光照时和无光照时的热量进行储存，从而将时间上的温差转变为空间上的温差，实现了大气外层空间昼夜交替能量的利用。
Claims (9)
1.空间昼夜温差发电装置，其特征在于，它由蓄热系统、发电系统和蓄冷系统构成，蓄热系统通过蓄热器(3)连接发电系统，发电系统通过蓄冷器(5)连接蓄冷系统。
2.根据权利要求1所述的空间昼夜温差发电装置，其特征在于，所述蓄热系统的结构如下，聚能器(1)和集热器(2)装配在一起，集热器(2)、蓄热器(3)、第三阀(11)和第三泵(12)通过管件(14)装配在一起；
所述发电系统利用膨胀机(16)发电时，其结构如下：蓄热器(3)、膨胀机(16)、蓄冷器(5)、第二阀(9)和第二泵(10)通过管件(14)装配在一起，膨胀机(16)与发电机(15)装配在一起，发电机(15)通过导线(4)连接负载(13)；
所述发电系统利用热电材料(17)发电时，其结构如下：蓄热器(3)、热电材料(17)和蓄冷器(5)装配在一起；热电材料(17)、负载(13)和逆变器(18)通过导线(4)连接；
所述蓄冷系统的结构如下：辐射器(6)、第一阀(7)、第一泵(8)和蓄冷器(5)通过管件(14)装配在一起。
3.根据权利要求2所述的空间昼夜温差发电装置，其特征在于，所述蓄热器(3)由换热器和蓄热器储能材料组成，换热器的类型为管壳式、肋板式、针翅管式或翅片管式；蓄热器储能材料为相变储能材料、化学储能材料或固体储能材料，蓄热材料的蓄热温度为集热器(2)受到太阳辐射时的温度，在蓄热器(3)吸放热过程中，蓄热温度保持不变。
4.根据权利要求2所述的空间昼夜温差发电装置，其特征在于，所述蓄冷器(5)由换热器和蓄冷器储能材料组成，换热器的类型为管壳式、肋板式、针翅管式或翅片管式；蓄冷器储能材料为相变材料或磁性蓄冷材料，蓄冷材料的蓄冷温度在-150℃到-270℃之间。
5.根据权利要求2所述的空间昼夜温差发电装置，其特征在于，所述集热器(2)的向光面无保温材料，而集热器(2)其余的表面均被保温材料包裹，蓄热器(3)、蓄冷器(5)、第一阀(7)、第一泵(8)、第二阀(9)、第二泵(10)、第三阀(11)、第三泵(12)、膨胀机(16)、热电材料(17)和管件(14)均被保温材料包裹。
6.根据权利要求2所述的空间昼夜温差发电装置，其特征在于，所述聚能器(1)的类型为槽式、碟式或塔式。
7.空间昼夜温差发电方法，其特征在于，分为以下步骤：
1)在大气外层空间或月球表面安装空间昼夜温差发电装置；
2)当有光照时，蓄热系统开始工作，第三阀(11)和第三泵(12)开启，蓄冷系统停止工作，第一阀(7)和第一泵(8)关闭，聚能器(1)将阳光聚焦到集热器(2)表面，集热器(2)中工质吸热，将能量储存到蓄热器(3)中；蓄热器(3)同时吸收和释放热量，蓄冷器(5)仅吸收热量，发电系统分为以下两种情况进行发电：
当采用膨胀机(16)发电时，第二阀(9)和第二泵(10)开启，工质从蓄热器(3)中吸热，在膨胀机(16)中做功，带动发电机(15)发电，发电后的工质向蓄冷器(5)放热冷凝，再经第二泵(10)压缩后进入蓄热器(3)完成发电；
当采用热电材料(17)进行发电时，热电材料(17)两端的温差使热电材料内部载流子运动，形成电动势，产生直流电，然后经逆变器(18)变换为负载(13)所需要的电压；
3)当无光照时，蓄热系统停止工作，第三阀(11)和第三泵(12)关闭，蓄冷系统开始工作，第一阀(7)和第一泵(8)开启，蓄冷器(5)中的热量通过管件(14)传递给辐射器(6)，辐射器(6)通过向周围空间辐射热量进行散热，直到蓄热器(3)的温度与周围空间一致，冷能被储存在蓄冷器(5)中；蓄热器(3)仅释放热量，蓄冷器(5)同时吸收和释放热量，发电系统的发电过程与步骤2)相同。
8.根据权利要求7所述的空间昼夜温差发电方法，其特征在于，所述聚能器(1)的类型不同时，集热器(2)温度不同，根据集热器(2)的温度来选择对应的蓄热器(3)。
9.根据权利要求7所述的空间昼夜温差发电方法，其特征在于，所述发电系统采用郎肯循环发电，或采用其他动力循环发电，或利用热电材料(17)进行发电。
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