CN108278185B - 一种太空发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太空发电装置，包括热声发动机和发电机，所述热声发动机，用于将太空环境中的热能和冷能转换成振荡波形式的机械能，所述发电机，在谐振管处旁通或串接，用于将所述振荡波转换成电能，所述的热声发动机为环路型行波热声发动机或驻波热声发动机，热声发动机的热声核包括两个辐射换热器和一个回热器。本发明结构简单，制造成本低，运行高效、灵活，且可同时利用太空中的热能和冷能。

Description

一种太空发电装置

技术领域

本发明涉及一种太空发电装置，特别是涉及一种应用于太空环境的热声发电系统。

背景技术

空间技术是探索、开发和利用宇宙空间的技术，其在经济、军事、政治、科学研究等方面具有重要战略意义。太空环境中的人造卫星、空间探测器、空间站等装置都需要消耗电能，因此为这些装置提供电力对开发空间技术具有重要意义。

光伏发电技术是一种相对成熟且在太空中得到较多应用的太阳能发电技术，其是最直接利用太阳能发电的方式，但该技术无法利用太阳光中大量的热量，以及太空中其他热源的热量。光伏发电技术工艺较为成熟，但发电效率较低。且该方式无法利用太空环境中的冷能。空间辐射制冷是利用宇宙空间的冷黑环境（温度低于4.2K，黑度近似为1），将热量通过辐射的方式传递到宇宙空间而进行降温的，它是一种被动式制冷技术。在空间飞行器上，通常载有低温下工作的红外探测器，空间辐射制冷技术通常应用于为探测器的光学系统部分提供低温环境。

太空环境中，同时存在可供利用的热能和冷能，可以天然地提供热声发电系统所需的温差驱动力。热声发电系统可同时利用太空环境中的热能和冷能。但是太空中的热声发动机受限于重量、体积等因素，另外还需要满足太空环境的要求，所以目前尚缺乏应用于太空环境的高效的热声发动机的性能报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种太空发电装置，能同时利用太空环境中的热能和冷能，并高效地进行发电。

一种太空发电装置，包括热声发动机和发电机，所述热声发动机，用于将太空环境中的热能和冷能转换成振荡波形式的机械能，所述发电机，在谐振管处旁通或串接，用于将所述振荡波转换成电能，所述的热声发动机为环路型行波热声发动机或驻波热声发动机，热声发动机的热声核包括两个辐射换热器和一个回热器。

所述的环路型行波热声发动机包括带机械振子的谐振管，谐振管根据实际频率及热声核位置要求，选择机械振子。

所述辐射型换热器在热源辐射一侧，吸收宽频谱的热辐射，在太空的暗面一侧，将热量辐射向太空环境。

所述的回热器一侧辐射换热器利用太空热能时，另一侧利用冷能；反之，一侧辐射换热器利用冷能时，另一侧利用太空热能。

进一步设有可调遮光罩，根据实际调整扩展角，外表面起到反射作用，内表面起到聚焦作用，通过可调遮光罩，从而保证热声发动机的一侧辐射换热器得到太空热能，另一侧辐射换热器利用太空中的冷能。

本发明的有益效果：

能同时利用太空环境中的热能和冷能，将其转换成振荡波形式的机械能，并在谐振管处将振荡波传输至发电机再转换成电能。本发明技术方案还可在回热器外壳上安装可调遮光罩，保证热声发电系统能同时利用太空中的热能和冷能。因此，本发明结构简单、成本低、运行稳定，可以同时利用太空热能和冷能，具有较高的发电效率。另外，本发明中的热声发电系统声功传输方向可逆，工作灵活，更适用于太空环境。

附图说明

图1-A为本发明新型的太空发电装置实施例一的一种结构示意图；

图1-B为本发明新型的太空发电装置实施例一的另一种结构示意图；

图2-A为本发明新型的太空发电装置实施例二的一种结构示意图；

图2-B为本发明新型的太空发电装置实施例二的另一种结构示意图；

图中，辐射换热器1、回热器2、谐振管3、可调遮光罩4、发电机5和机械振子6。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明实施例提供的一种新型的太空发电装置包括应用于太空环境的热声发动机和发电机。其中，所述的热声发动机包括两个辐射换热器、回热器及谐振管（环路型行波热声发动机中可包括机械振子）。两个辐射换热器提供温差环境，回热器加强内部工质换热，将吸收到的太空中的热能和冷能转化为内部工质气体交变振荡的机械能。所述发电机将振荡波形式的机械能转换成电能。

实施例一

以环路型三级行波热声发电系统为例，其中发电机在谐振管旁通。环路型三级行波热声发动机包括三个热声核，三个热声核完全相同，相互之间通过谐振管连接。每个热声核均能利用热能和冷能并转换成振荡波形式的机械能，部分机械能被发电机用来发电，剩余部分机械能则通过谐振管传递到下一个热声核。三级行波热声发动机内形成一个闭合的声场，且声场整体呈近行波相位。其中，除辐射换热器外，该热声发动机其他部件需采用包裹绝热材料等方式进行绝热。

如图1-A所示，三机行波热声发动机包括辐射换热器1、回热器2、谐振管3、可调遮光罩4、发电机5和机械振子6。回热器2两侧为辐射换热器1，吸热和放热的辐射换热器1可根据实际情况调换，即该热声发动机产生的声功方向可以变换，其为可逆式的热声发动机。假设左侧辐射换热器1受到太空热源辐射。可调遮光罩4可调整辐射换热器1两侧的扩展角，既保证左侧辐射换热器1侧的太空热源辐射聚焦于该辐射换热器1上，又反射右侧辐射换热器1侧的热辐射，从而使得左侧辐射换热器1吸热，右侧辐射换热器1放热，在回热器2两侧形成温度梯度。回热器2填料一般为不锈钢丝网，可将太空环境中的热能和冷能转换成振荡波形式的机械能。谐振管3起到传递声功、调节声场的作用，既将上一级热声核处产生的部分声功传递至下一级热声核，又保证系统处于近行波相位的声场，保证热声转换效率。机械振子6起到缩短谐振管长度，从而实现调节工作频率和发动机紧凑化的作用，此外还可通过机械振子6输出机械功。所述发电机5外接于谐振管3，并将机械能转换成电能。

实际应用中，可以选择合适长度的谐振管3和机械振子6，从而使得热声发动机的工作频率符合实际需求。且谐振管3的布置和弯曲方式可以变化，使得热声发动机热声核（包括两个辐射换热器1和回热器2）根据实际情况选择布置位置。 此外，太空中热声发电系统在轨道上运转时，工作情况复杂多变，回热器热端和冷端需根据太空热源的位置进行调换，而回热器两端设计的两个辐射换热器1保证了本发明回热器冷热端可以调换，工作灵活，适用于太空环境。

图1-B为本发明新型的太空发电装置实施例一的另一种结构示意图，并以环路型三级行波热声发电系统为例，其中发电机串接在谐振管内，包括辐射换热器1、回热器2、谐振管3、可调遮光罩4和发电机5。其工作原理同图1-A中实施例基本相同。在该实施例中，发电机5串接在谐振管内，既起到了机械振子的作用，缩短谐振管长度并调节系统工作频率，又能将振荡波形式的机械能转换为电能。与图1-A中实施例相比，本实施例结构更加简单，节省了发电机旁通时占用的空间，但热声发动机与发电机5之间的匹配难度更大，发电机5难以保证高效运行。

本实施例中，三级行波热声发动机既能利用太阳能等太空中的热能，又能利用太空中的冷能，增大了回热器两端的温度梯度，提高了系统效率。且热声发动机输出声功通过发电机进行发电。本发明中的三级行波热声发电系统具有结构简单、成本低、运行稳定高效等优点，能同时利用太空中的热能和冷能，且工作灵活，适应太空的工作环境。

实施例二

图2-A和图2-B为本发明新型的太空发电装置实施例二的两种结构示意图，以驻波热声发电系统为例，包括辐射换热器1、回热器2、谐振管3、可调遮光罩4和发电机5，图2-A中所述发电机5旁通于谐振管3上，图2-B中发电机5则安装于谐振管3内。除辐射换热器1外，驻波热声发动机其他部件需采用包裹绝热材料等方式进行绝热。

其工作原理同实施例一所述。可调遮光罩4通过调整扩展角，使得左侧辐射换热器1利用太空热源吸热，右侧辐射换热器1放热（或左侧辐射换热器1放热，右侧辐射换热器1吸热），在回热器2两端建立温度梯度，从而使得该驻波热声发动机能同时利用太空中的热能和冷能并将其转换成机械功。发电机5旁通于谐振管3上或者安装于谐振管3内，两者均能将振荡波形式的机械功转换成电能。其中，图2-B中的发电机5既起到了机械振子的作用，又节省了发电机5旁通需要占用的空间，但是热声发动机与发电机5之间的匹配难度更大。同样的，该应用于太空环境的驻波热声发电系统的声功传输方向可逆，工作灵活，适应太空中的工作环境。

相对于实施例一，本实施例中的驻波热声发动机工作效率相对较低，但结构更加简单，重量更低，成本低廉，运行稳定，且驻波热声发动机易于微型化，适用于太空环境。

Claims (1)

1.一种太空发电装置，其特征在于，包括热声发动机和发电机，所述热声发动机，用于将太空环境中的热能和冷能转换成振荡波形式的机械能，所述发电机，在谐振管处旁通或串接，用于将所述振荡波转换成电能，所述的热声发动机为环路型行波热声发动机或驻波热声发动机，热声发动机的热声核包括两个辐射换热器和一个回热器；

所述的环路型行波热声发动机包括带机械振子的谐振管，谐振管根据实际频率及热声核位置要求，选择机械振子；

所述辐射型换热器在热源辐射一侧，吸收宽频谱的热辐射，在太空的暗面一侧，将热量辐射向太空环境；

所述的回热器一侧辐射换热器利用太空热能时，另一侧利用冷能；反之，一侧辐射换热器利用冷能时，另一侧利用太空热能；

所述的太空发电装置，设有可调遮光罩，根据实际调整扩展角，外表面起到反射作用，内表面起到聚焦作用，通过可调遮光罩，从而保证热声发动机的一侧辐射换热器得到太空热能，另一侧辐射换热器利用太空中的冷能。