CN104579163A - 一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，包括太阳能反射器、跟踪控制系统、太阳能吸收器、高温储能装置、低温储能装置、均热管、热机、泵、热辐射器、电源管理装置和蓄电池，太阳能反射器、跟踪控制系统、太阳能吸收器将太阳能聚集在高温储能装置上，高温储能装置由地外星表土壤资源制备，白天吸收储存太阳辐射热后，高温储能装置与低温储能装置之间存在温差，通过热机将热能转化为电能，从而实现昼夜不间断的电能和热能供应。本发明技术方案大大减少发射质量和运行费用，具有稳定性、持久性、经济性和安全性的特点，可以满足深空探测任务中的科学探测仪器、人员生命保障的能源需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型发电系统，特别是一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，利用地外星球本地资源作为蓄能材料，吸收储存太阳辐射热，并通过热机将热能转化为电能，属于太阳能蓄热发电领域。
背景技术
载人登月、火星探测、建设短期或长期地外行星基地是当前空间活动的热点领域，为乘员和科学载荷昼夜持续不断地提供电能和热能是实现深空探测任务的重要保障。目前提出的月球和火星基地能源方案主要为太阳能光伏-化学蓄电池电源系统或核反应堆电源系统两种形式。
太阳能光伏电池直接把太阳能转化成电能，同时可利用蓄电池储存部分电能备用。光伏-蓄电池电源系统在空间设备的应用有较长的历史，技术成熟，目前人造卫星大多采用该系统。但随着深空探测领域的快速发展，光伏-蓄电源系统面临一系列问题，难以满足未来发展需要。例如，光伏电池是一种非恒功率系统，它的输出功率随光照条件变化，受工作电压和温度的影响，在日照期和阴影期太阳能电池的输出功率变化剧烈；光伏电池受空间辐射的影响，带电粒子对太阳能电池形成辐射损伤，使输出功率随辐照累积量的增加而逐渐下降，虽然新材料和新工艺使太阳能电池效率不断提高，其性能受太阳辐射而衰减的问题依然存在。更为重要的是，由于光伏系统必须和蓄电池一起使用，才能保证空间系统在日照期和阴影期连续供电，因此其供电能力不仅取决于自身的光电转换效率，同时也取决于蓄电池的性能。由于蓄电池等储能设备在整个光伏系统中质量占了很大比例。蓄电池不仅增加了发射重量，而且使用寿命比较短，每隔一段时间必须进行更换，而地外行星基地的特点是长期运行，这样在其运行期间，当蓄电池的使用寿命结束时，就必须由地面搭载新的蓄电池予以更换才能保证地外行星基地的安全运行。无疑，这是一笔很高的费用，增加了总的运行成本。
核电源将核燃料衰变、裂变和聚变过程中产生的热能通过某种方式转换成电能，其能量体积比、能量质量比较高，且不受环境约束。因此，核能在空间电源中起到了重要作用，特别是在深空探测器中大量使用核电源作为探测器的主电源或辅助电源。根据热能产生的方式不同，目前主要有两种形式：放射性同位素电源和核反应堆电源。放射性同位素温差电池体积小、结构紧凑、可靠性高、寿命长，且无需维护。但是放射性同位素温差电池的缺点是功率小、可控性差。放射性同位素温差电池一旦设计完成后，其输出热功率及电功率均不可控。因此，放射性同位素温差电池适合于功率规模较小的深空探测器中。空间核反应堆电源系统是将核反应堆裂变产生的热能转变为电能，供航天器使用的空间核动力装置，主要由核反应堆装置和热电转换装置组成。核反应堆电源系统功率大(千瓦-兆瓦级)、不受光照影响、抗辐照能力强，但技术尚不成熟，仍需较大的发射质量和成本，并面临核安全的威胁。
以月球为例，因月夜长达350小时，为满足登月舱或月球基地的能量供应要求，太阳能-蓄电池系统和核反应堆电源均面临发射质量的巨大挑战。在深空探测活动中，必须对星表原位资源加以有效和充分的利用，来减少航天器必须携带的物质，从而减少发射质量，并满足能源和生保等各项要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，充分利用地外星球本地资源作为蓄能材料，白天吸收储存太阳辐射热，并通过发电装置，实现昼夜不间断的电能和热能供应，以满足深空探测任务中的科学探测仪器、人员生命保障的能源需求，为未来载人登月、火星探测和建设地外行星基地原位资源利用提供技术支持。
本发明的技术解决方案是：一种利用地外星表土壤资源吸收太阳能蓄热发电系统，包括：太阳能反射器、跟踪控制系统、太阳能吸收器、高温储能装置、低温储能装置、热机、第一泵、第二泵、热辐射器、电源管理装置和蓄电池；
太阳能反射器、跟踪控制系统和太阳能吸收器组成太阳能集热系统，有太阳光照时，通过跟踪控制系统调节太阳能反射器的位置和角度，使聚集到太阳能吸收器表面的太阳能最多，太阳能吸热器将太阳辐射能转化为热能并将热能传递给高温储能装置进行存储；
高温储能装置和低温储能装置均位于地表以下，且均利用地外星表土壤资源进行制备；
低温储能装置上设置热辐射器，热辐射器将低温储能装置的热量向空间传递出去，使低温储能装置的温度低于高温储能设备的温度；
吸收热能后的高温储能装置作为热机的高温热源，低温储能装置作为热机的低温冷源，第一泵驱动流体在高温储能装置和热机之间循环，形成高温流体回路，第二泵驱动流体在低温储能装置和热机之间循环，形成低温流体回路，高温流体回路和低温流体回路驱动热机进行工作，将热能转化为电能，并将产生的电能通过电源管理装置和蓄电池进行储存。
所述太阳能反射器表面喷涂高反射率的材料，所述反射率大于0.9。
所述太阳能吸热器表面喷涂高吸收率、低发射率的材料，所述吸收率为0.85～0.95，发射率为0.05～0.15。
所述热辐射器与太阳之间安装有热辐射屏，所述热辐射屏用来遮挡太阳光，使得低温储能装置和热辐射器始终处于阴影区，避免低温储能装置吸收太阳能。
所述高温储能装置和低温储能装置均利用地外星表土壤资源进行制备，具体为：高温储能装置和低温储能装置通过聚集太阳能烧结或融化地外星表土壤进行制备，或通过化学反应还原地外星表土壤金属氧化物进行制备，或利用大功率微波发生器装置烧结地外星表土壤进行制备，或通过物理压实地外星表土壤的方式进行制备。
所述高温储能装置和低温储能装置中均包括均热管，所述均热管为金属管或热管。
所述热机为斯特林热机。
所述流体为氦气。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提出的一种利用地外星表土壤资源吸收太阳能储能的发电系统，有效和充分利用星表土壤资源制备高温储能和低温储能装置，以减少航天器必须携带的物质，从而大大减少发射质量。
(2)本发明提出的一种利用地外星表土壤资源吸收太阳能储能的发电系统，将太阳辐射能转化为热能，利用地外星球原位资源储能，再利用热机将热能转化为电能，与光伏发电系统相比，不受太阳日照期和阴影期的影响，抗辐射能力强，可实现昼夜不间断的电能和热能供应，具有稳定性和持久性。
(3)本发明提出的一种利用地外星表土壤资源吸收太阳能储能的发电系统，与空间核电源相比，发射费用和运行费用较低，发射时不会面临核安全问题，具有经济性和安全性。
(4)本发明在高温储能装置和低温储能装置中插入均热管，使高温储能装置和低温储能装置内部温度更加均匀，提高换热效率。
(5)本发明采用斯特林热机，具有效率高、运动部件少、能源品位要求低及能自行起动的优点。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的储能装置结构设计图；
图3为本发明的一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统的仿真结果，其中(a)为高温储能装置、热机热端、热机冷端、低温储能装置的温度随时间变化的曲线，(b)为发电系统功率随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示为一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统示意图，其特征在于包括：太阳能反射器1、跟踪控制系统2、太阳能吸收器3、高温储能装置4、低温储能装置5、均热管6、热机7、第一泵8、第二泵9、热辐射器10、热辐射屏11、电源管理装置12和蓄电池13。
太阳能反射器1、跟踪控制系统2、太阳能吸收器3组成太阳能集热系统，有太阳光照时，通过跟踪控制系统2调节太阳能反射器1的位置和角度，使聚集到太阳能吸收器3表面的太阳能最多，太阳能吸热器3将太阳辐射能转化为热能并将热能传递给高温储能装置4进行存储。太阳能反射器1表面喷涂高反射率的材料，其反射率大于0.9，太阳能吸热器3表面喷涂高吸收率、低发射率的材料以将太阳辐射能最多的转化为热能并将热量传递给高温储能装置4，其吸收率范围为0.85～0.95，发射率范围为0.05～0.15。
高温储能装置4和低温储能装置5均位于地表以下，且均利用地外星表土壤资源通过太阳能、化学能、微波或物理方式进行制备，如以月球为例，可通过聚集太阳能烧结或融化月壤进行制备，或通过化学反应还原月壤金属氧化物进行制备，或利用大功率微波发生器装置烧结月壤进行制备，或通过物理压实月壤进行制备，从而提高月壤储能性能。在高温储能装置4和低温储能装置5中插入若干均热管6以使高温储能装置4和低温储能装置5的内部温度更加均匀，提高换热效率，均热管6为金属管或热管。吸收热能后的高温储能装置4作为热机7的高温热源，低温储能装置5作为热机7的低温冷源。为使热机7工作，需要高温、低温两个流体循环，第一泵8驱动流体在高温储能装置4和热机7之间循环，形成高温流体回路，第二泵9驱动流体在低温储能装置5和热机7之间循环，形成低温流体回路，高温流体回路和低温流体回路驱动热机进行工作，将热能转化为电能，并将产生的电能通过电源管理装置12和蓄电池13进行储存。由于斯特林热机具有效率高、运动部件少、能源品位要求低及能自行起动的优点，热机7选用斯特林热机，流体选用氦气。
低温储能装置5上设置热辐射器10，热辐射器10与太阳之间安装有热辐射屏11，热辐射器10将低温储能装置5的热量向空间传递出去，使低温储能装置5的温度低于高温储能设备4的温度，热辐射屏11用来遮挡太阳光，使得低温储能装置5和热辐射器10始终处于阴影区，避免低温储能装置5吸收太阳能。利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统包括6个传热过程：1)太阳能集热器(反射器和接收器)的聚能吸热过程；2)太阳能集热器(反射器和接收器)到高温储能装置的传热过程；3)高温储能装置到热机热端的流体循环回路；4)热机冷端到低温储能装置的流体循环回路；5)低温储能装置到热辐射器的传热过程；6)热辐射器向环境辐射排热过程。
如图2所示，该图为一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统的土壤储能装置结构设计图。以月球为例，高、低温储能装置由增强型月壤热块制备而成，其中插入若干热管换热器或者其他形式的均热管以使储能装置内部温度更为均匀，并获得更好的换热效果。流体工质通过增强型月壤热块与月壤储能装置进行充分换热。月球环境为月壤发电提供了可能，月壤表面温度高至400K，低至100K，月壤的热属性使之成为比某些工程材料更好的绝热介质，月球表面受太阳辐射热的影响不超过几厘米，这使得月壤吸收的热量限制在表面，月壤表面温度在白天急剧升高，而在夜晚向空间辐射并迅速冷却。因此，需要增强月壤导热能力使之储能，使热量传导更深，降低月壤白天表面温度，同时减少夜晚空间辐射热损失，提高月壤夜晚表面温度。由月壤制成热导率较高的增强型月壤热块，从而使用月球当地材料——增强型月壤作为太阳能储存介质。可通过利用太阳能、化学反应或者其他手段对月壤进行烧结或融化以提高月壤的导热能力，制备增强型月壤热块。
如图3所示，该图为本发明的一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统的仿真结果。图3(a)所示4条曲线由上至下分别为高温储能装置、热机热端、热机冷端、低温储能装置的温度分布随时间变化曲线。由图3(a)可知，温度呈周期变化。高温储能装置在月球白天吸收太阳能，温度快速升高至380K左右，在夜晚温度逐渐降低至290K左右，并将热量传至热机热端，使得热机产生电能，热机冷端流体再将热量传递给低温储能装置，最终低温储能装置通过辐射器向外界散失热量。图3(b)所示为热机最大功率变化曲线，同样呈周期变化，在白天可高至3200W左右，夜晚低至1800W左右，能够满足科学探测仪器、人员生命保障的能源需求。
以上所述，仅为本发明的实施例之一，但并不限制本发明的范围。依据本发明权利要求所做的等效变化及修改，仍属于本发明的范围，故都应视为本发明的进一步实施例。例如，除本发明实施例列出的热机形式也可采用其他形式，因此，采用其他形式的热机，也是本发明的有效变化及修改。除本发明实施例列出的土壤储能装置中的换热器也可采用其他形式，因此，采用其他形式换热器的发电系统，也是本发明的有效变化及修改。
综上所述，本发明提供一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，充分利用地外星表土壤资源作为蓄能材料，白天吸收储存太阳辐射热，并通过发电装置，实现昼夜不间断的电能和热能供应，以满足深空探测任务中的科学探测仪器、人员生命保障的能源需求，大大减少发射质量和运行费用，为未来载人登月、火星探测和建设地外行星基地原位资源利用提供技术支持。该发电系统具有稳定性、持久性、经济性和安全性的特点。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，其特征在于包括：太阳能反射器(1)、跟踪控制系统(2)、太阳能吸收器(3)、高温储能装置(4)、低温储能装置(5)、热机(7)、第一泵(8)、第二泵(9)、热辐射器(10)、电源管理装置(12)和蓄电池(13)；
太阳能反射器(1)、跟踪控制系统(2)和太阳能吸收器(3)组成太阳能集热系统，有太阳光照时，通过跟踪控制系统(2)调节太阳能反射器(1)的位置和角度，使聚集到太阳能吸收器(3)表面的太阳能最多，太阳能吸热器(3)将太阳辐射能转化为热能并将热能传递给高温储能装置(4)进行存储；
高温储能装置(4)和低温储能装置(5)均位于地表以下，且均利用地外星表土壤资源进行制备；
低温储能装置(5)上设置热辐射器(10)，热辐射器(10)将低温储能装置(5)的热量向空间传递出去，使低温储能装置(5)的温度低于高温储能设备(4)的温度；
吸收热能后的高温储能装置(4)作为热机(7)的高温热源，低温储能装置(5)作为热机(7)的低温冷源，第一泵(8)驱动流体在高温储能装置(4)和热机(7)之间循环，形成高温流体回路，第二泵(9)驱动流体在低温储能装置(5)和热机(7)之间循环，形成低温流体回路，高温流体回路和低温流体回路驱动热机进行工作，将热能转化为电能，并将产生的电能通过电源管理装置(12)和蓄电池(13)进行储存。
2.根据权利要求1所述的一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，其特征在于：所述太阳能反射器(1)表面喷涂高反射率的材料，所述反射率大于0.9。
3.根据权利要求1所述的一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，其特征在于：所述太阳能吸热器(3)表面喷涂高吸收率、低发射率的材料，所述吸收率为0.85～0.95，发射率为0.05～0.15。
4.根据权利要求1所述的一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，其特征在于：所述热辐射器(10)与太阳之间安装有热辐射屏(11)，所述热辐射屏(11)用来遮挡太阳光，使得低温储能装置(5)和热辐射器(10)始终处于阴影区，避免低温储能装置(5)吸收太阳能。
5.根据权利要求1所述的一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，其特征在于：所述高温储能装置(4)和低温储能装置(5)均利用地外星表土壤资源进行制备，具体为：高温储能装置(4)和低温储能装置(5)通过聚集太阳能烧结或融化地外星表土壤进行制备，或通过化学反应还原地外星表土壤金属氧化物进行制备，或利用大功率微波发生器装置烧结地外星表土壤进行制备，或通过物理压实地外星表土壤的方式进行制备。
6.根据权利要求1所述的一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，其特征在于：所述高温储能装置(4)和低温储能装置(5)中均包括均热管(6)，所述均热管(6)为金属管或热管。
7.根据权利要求1所述的一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，其特征在于：所述热机(7)为斯特林热机。
8.根据权利要求1所述的一种利用地外星表土壤资源的太阳能蓄热发电系统，其特征在于：所述流体为氦气。
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