CN108667347B - 一种用于月球基站的蓄能型温差发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于月球基站的蓄能型温差发电装置，包括检测模块、控制模块以及发电模块；所述发电模块包括太阳能集热器、可变向自循环热管、相变蓄热箱、均温热板以及温差发电器，所述可变向自循环热管包括前段热管、中段热管、后段热管、设置在前段热管与中段热管之间的第一三通阀、设置在中段热管与后段热管之间的第二三通阀、连接在第一三通阀之间的前段循环管以及连接在第二三通阀之间的后段循环管。本发明发电装置可以在蓄热环路和放热环路之间切换，实现月球白天蓄热，晚上放热发电，解决了月球夜晚无太阳能时的能源供应问题。

Description

一种用于月球基站的蓄能型温差发电装置
技术领域
本发明涉及一种蓄热及温差发电的装置，具体涉及的是一种在月球环境下，白天蓄热，晚上放热发电的蓄能型温差发电装置。
背景技术
月球具有可供人类开发和利用的各种独特资源，月球上特有的矿产和能源，是对地球资源的重要补充，重返月球，开发月球资源，建立月球基地已成为人类航天活动的必然趋势和竞争热点。目前，月球探测过程所需的能源主要依靠太阳能电池供应，随着探月进程的推进、规模的扩大，仅靠太阳能将难以维系各项探测任务的有序开展，尤其是在月球进入黑夜无太阳能可用的情形下，月球探测任务将被迫终止。
相关资料表明，当月球处于白天时，由于无大气层的阻挡作用，太阳辐射强度与地球相比极强，使其太阳能资源丰富，所以，在使用传统的太阳能电池板将太阳辐射能转化为电能之外，可以利用相变储能的方式，将太阳辐射能转化为相变潜热，实现太阳辐射能的存储；当月球处于黑夜时，由于月面表层的月壤不断以辐射的方式向太空散热，使得月面表层的月壤温度极低(图6为月面表层月壤在一个月内的温度分布)。此时，将相变储能的方式存储的太阳能以热能的形式释放，加热温差发电的热端，月面表层月壤作为温差发电的冷端，利用二者之间的温差进行温差发电具有较好的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供的一种解决月球夜晚基站的能源供应问题的用于月球基站的蓄能型温差发电装置。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案：
一种用于月球基站的蓄能型温差发电装置，其特征在于：包括检测模块、控制模块以及发电模块；所述发电模块包括太阳能集热器、可变向自循环热管、相变蓄热箱、均温热板以及温差发电器，所述可变向自循环热管包括前段热管、中段热管、后段热管、设置在前段热管与中段热管之间的第一三通阀、设置在中段热管与后段热管之间的第二三通阀、连接在第一三通阀之间的前段循环管以及连接在第二三通阀之间的后段循环管；所述前段热管设置在所述太阳能集热器内，所述中段热管设置在所述相变蓄热箱内，所述后段热管设置在所述均温热板内；所述均温热板设置在所述温差发电器一侧表面；所述检测模块用于检测月球的光照状态；所述控制模块根据所述检测模块检测的月球光照状态，控制所述第一三通阀将所述前段循环管与中段热管及后段热管连通或控制所述第二三通阀将所述前段热管与中段热管及后段循环管连通。
所述发电装置还包括一升降调节装置，该升降调节装置在所述控制模块的控制下调节所述太阳能集热器的光照角度。
所述升降调节装置为液压装置。
所述第一三通阀和第二三通阀均为电磁三通阀。
所述可变向自循环热管结构形如字母“S”形。
所述太阳能集热器采用耐高温、板状的金属材料，表面制作有高吸收率的涂层。
相变蓄热中填充相变材料。所述的太阳能集热器采用耐高温、板状的金属材料，其特征在于：所述的太阳能集热器采用耐高温、板状的金属材料，表面制作有高吸收率的涂层，下表面安装有可以使其角度可调，保持朝向太阳入射方向的液压升降杆。
所述的可变向自循环热管结构形如字母“S”形，其特征在于：其前段管束和中段管束之间采用可以使其角度可调的柔性波纹管连接。
所述的可变向自循环热管，在其环路上安装有用于切换蓄热环路和放热环路的电磁三通阀和旁通管路，电磁三通阀由光电控制开关控制，光电控制开关根据自身接受的太阳光照强度调节电磁三通阀的通断，完成可变向自循环热管在蓄热环路和放热环路之间切换。当月球处于白天时，由于太阳光照的作用，光电控制开关控制电磁三通阀，使所述的可变向自循环热管切换为蓄热环路，内嵌于太阳能集热器的前段管束和置于相变蓄热箱中的中段管束构成蓄热环路。太阳能集热器吸收的太阳辐射能经过蓄热环路中管内工质的循环流动传向相变蓄热箱中的相变材料，将太阳辐射能以相变潜热的形式储存到相变蓄热箱中；当月球进入黑夜时，由于失去太阳光照的作用，光电控制开关控制电磁三通阀，使所述的可变向自循环热管切换为放热环路，置于相变蓄热箱中的中段管束和与温差发电器贴合的后段管束构成放热环路，存储在相变材料中的相变潜热经过放热环路中管内工质的循环流动传向温差发电器的热端面，使热端面保持高温。
所述的相变蓄热箱为立方体结构，由箱体和箱盖组成，其特征在于：其外表面制作有低反射率的涂层，内部填充有大量的相变材料。
所述的温差发电器的热端面贴附在所述的可变向自循环热管的后段管束的下表面，冷端面与月面表层月壤贴合。
所述的温差发电器的输出端通过导线与所述的DC-DC转换器的输入端连接，所述的DC-DC转换器的输出端通过导线与所述的逆变器的输入端连接，用于将温差发电片产生的不稳定的直流电转换成稳定的交流电，所述的逆变器的输出端通过导线接入负载电路，为所述的负载提供电能。
热管是一种具有极高导热性能的新型传热元件，它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性。与空冷、风冷以及水冷等传统散热方式相比，热管在传热方面存在如下优势：热管散热效果好，热阻相对小，使用寿命长，传热快；传热方向可逆，不管任何一端都能成为蒸发段和冷凝段；优良的热响应性；可以在无重力场的环境下使用；结构简单紧凑，重量轻，体积小，维护方便。
有益效果：
本发明一种用于月球基站的蓄能型温差发电装置，包括蓄能及温差发电模块、DC-DC转换器，逆变器和负载，其中，蓄能及温差发电模块包括太阳能集热器、可变向自循环热管，相变蓄热箱、温差发电器以及月壤，在可变向自循环热管管路中安装有电磁三通阀和旁通管路，使其工作环路可以在蓄热环路和放热环路之间切换，实现月球白天蓄热，晚上放热发电，当月球处于白天时，可变向自循环热管切换成蓄热环路，太阳辐射能经过蓄热环路中管内工质的循环流动传向相变蓄热箱中的相变材料，将太阳辐射能以相变潜热的形式储存到相变蓄热箱中，当月球进入黑夜时，可变向自循环热管切换成放热环路，存储在相变材料中的相变潜热经过放热环路中管内工质的循环流动传向温差发电器的热端面，使热端面保持高温，温差发电器的冷端面与月面表层月壤接触，保持低温，从而在温差发电器冷、热端面之间形成稳定的温差，最终由温差发电器产生的不稳定直流电通过DC-DC转换器和逆变器转换为稳定的交流电供负载使用，解决了月球夜晚无太阳能时的能源供应问题。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的蓄热及温差发电装置的三维结构图；
图2为本发明的可变向自循环热管的工作原理简图；
图3为本发明的可变向自循环热管的三维结构图；
图4为本发明的可变向自循环热管在月球白天时的工作原理图；
图5为本发明的可变向自循环热管在月球进入黑夜时的工作原理图；
图6为月面表层月壤在一个月内的温度分布图，其中t*为月面无量纲时间，t*＝t/Tmoon，Tmoon为月球自转周期。
图中，1、太阳能集热器；2、相变蓄热箱；3、可变向自循环热管；31、前段热管、32、中段热管；33、后段热管；34、前段循环管；35、后段循环管；4、均温热板；5、温差发电器；6、月壤；7、发电输出端；8、光电控制开关；9、相变材料；10、液压泵；11、太阳能光电控制器；12、液压升降杆；13、第一电磁三通阀；14、波纹连接软管；15、第二电磁三通阀。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图1给出了本发明一种用于月球基站的蓄能型温差发电装置的三维结构简图，包括检测模块、控制模块以及发电模块。发电模块通过DC-DC转换器和逆变器与负载连接，由发电模块发出的不稳定直流电通过DC-DC转换器和逆变器的作用转化为稳定的交流电并供负载使用。
图2给出了本发明的可变向自循环热管的工作原理简图，可变向自循环热管主要有温差太阳能集热段、相变蓄热段和温差发电段三段组成，工作时分为蓄热和放热两种状态，分别对应月球白天的蓄热和月球夜晚的放热，当月球处于白天时，前段热管31和中段热管32组成的前段循环管34连通，后段热管33断开，此时太阳辐射能经太阳能集热器经由前段循环管34传到相变蓄热箱中，并以相变潜热的方式存储；当月球进入黑夜时，前段热管31断开，中段热管32和后段热管33组成的后段循环管35连通，此时相变蓄热箱中存储的相变潜热经由后段循环管33传到温差发电器，实现温差发电。
结合图3、4和5对本发明的工作过程作进一步的说明。
如图3所示，发电模块由太阳能集热器1、相变蓄热箱2、可变向自循环热管3、均温热板4、温差发电器5、月壤6、发电输出端7、光电控制开关8、相变材料9、液压泵10、太阳能光电控制器11以及液压升降杆12等组成。其中，可变向自循环热管3的前段管束内嵌在太阳能集热器1中，液压升降杆12安装在可变向自循环热管3的前段管束的下部并由液压泵10供油驱动，液压泵10连接太阳能光电控制器11；可变向自循环热管3的中段管束安装在相变蓄热箱2中，相变蓄热箱2中填充有相变材料9；可变向自循环热管3的后段管束从相变蓄热箱的侧面伸出并且在其末段安装有均温热板4，温差发电器5的热端面贴附在均温热板4的下表面，温差发电器5的冷端面紧贴在月面表层月壤6的表面。
图4给出了本发明的可变向自循环热管的示意图，在可变向自循环热管3的管束与其剩余的管束之间采用波纹连接软管14连接，使可变向自循环热管3的顶层管束连同太阳能集热器1能在液压升降杆12的作用下自由旋转，具体的，在月球的白天，由于月球的自转和公转，太阳高度角时刻发生变化，太阳能光电控制器11捕捉太阳辐射(箭头方向为太阳光照射方向)强度并转为相应的电信号，调整液压泵10的供油量，控制液压升降杆12的起降，最终实现太阳能集热器1的角度随太阳辐射强度的时刻变化，确保太阳能集热器1始终以最大面积接收太阳辐射。
另外，在可变向自循环热管3的环路中还安装有用于实现环路通断的两对电磁三通阀，分别是第一电磁三通阀13和第二电磁三通阀15，调节两对电磁三通阀的旋向可以将可变向自循环热管的环路分成竖向环路和横向环路两个部分，其中，当月球处于白天时，光电控制开关8由于太阳光照的作用，分别调节第一电磁三通阀13和第二电磁三通阀15的阀门旋向，使可变向自循环热管3的竖向环路打开，横向环路断开，如图5所示，此时，由太阳能集热器1吸收的太阳辐射能通过竖向环路传导到相变蓄热箱2中的相变材料8中，以相变潜热的形式存储在相变材料9中；当月球进入黑夜时，光电控制开关8由于失去太阳光照的作用，分别调节第一电磁三通阀13和第二电磁三通阀15，使可变向自循环热管3的横向环路打开，竖向环路断开，如图5所示，此时，相变材料9发生相变，并将热量传给可变向自循环热管3，横向环路中位于相变蓄热箱2中的管束成为蒸发段，位于相变蓄热箱2的外侧的管束成为冷凝段，最终，相变潜热通过横向管路内的工质的流动将热量传向均温热板4，再通过均温热板4传导给温差发电器5，使温差发电器5的热端面保持“高温”状态，温差发电器的冷端面与月面表层月壤6接触，保持“低温”状态，最终，在温差发电器的冷热端面之间形成稳定的温差实现温差发电。

Claims (6)

1.一种用于月球基站的蓄能型温差发电装置，其特征在于：包括检测模块、控制模块以及发电模块；所述发电模块包括太阳能集热器、可变向自循环热管、相变蓄热箱、均温热板以及温差发电器，所述可变向自循环热管包括前段热管、中段热管、后段热管、设置在前段热管与中段热管之间的两个第一三通阀、设置在中段热管与后段热管之间的两个第二三通阀、连接在两个第一三通阀之间的前段循环管以及连接在两个第二三通阀之间的后段循环管；第一三通阀的三个端口分别连接前端热管、中段热管和前段循环管；第二三通阀的三个端口分别连接中段端热管、后端热管和后段循环管；所述前段热管设置在所述太阳能集热器内，所述中段热管设置在所述相变蓄热箱内，所述后段热管设置在所述均温热板内；所述均温热板设置在所述温差发电器一侧表面；所述检测模块用于检测月球的光照状态；所述控制模块根据所述检测模块检测的月球光照状态，控制两个所述第一三通阀和两个所述第二三通阀将所述前段循环管与中段热管及后段热管连通。
2.根据权利要求1所述的蓄能型温差发电装置，其特征在于：所述发电装置还包括一升降调节装置，该升降调节装置在所述控制模块的控制下调节所述太阳能集热器的光照角度。
3.根据权利要求2所述的蓄能型温差发电装置，其特征在于：所述升降调节装置为液压装置。
4.根据权利要求1所述的蓄能型温差发电装置，其特征在于：所述第一三通阀和第二三通阀均为电磁三通阀。
5.根据权利要求1所述的蓄能型温差发电装置，其特征在于：所述可变向自循环热管结构形如字母“S”形。
6.根据权利要求1所述的蓄能型温差发电装置，其特征在于：所述太阳能集热器采用耐高温、板状的金属材料，表面制作有高吸收率的涂层。
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