CN109944757B - 一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统及工作方法，该系统包括二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统和储能系统；本发明还公开了该系统的工作方法；采用太阳能聚光器作为二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统的高温热源，当光照强度大于一定值时，太阳辐射直接加热超临界二氧化碳进而产生电能；当系统需要储能时，储能介质进入太阳能聚光器吸收热量并在温度上升到足够温度后回到储能介质储存罐中；当光照强度小于一定值时，储能介质进入太阳能聚光器加热超临界二氧化碳进而产生电能，以实现无论在有无光照时系统均能输出电能；同条件下系统效率提升10％以上；采用辐射冷却系统利用太空中蕴含的冷量来冷却二氧化碳。

Description

一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统及工作方法
技术领域
本发明涉及动力工程领域，具体涉及一种应用在太空环境中的高效率太阳能热发电系统及工作方法。
背景技术
太阳能光伏电池组在航天器供能领域得到了广泛的应用。太阳电池阵能满足航天器寿命从几个月到15～20年、功率从几十瓦到几千瓦的能量需求，即使在地影期间，卫星也需要稳定地电源提高给负载，因此需要可充电电池组配合使用；但光伏电池和可充电电池组价格昂贵；在任务期内太阳电池阵的输出功率会随着工作年度的增加而减小；太阳电池阵会因空间带电粒子通量的增加而使性能急剧下降甚至报废；对于防御性的大功率航天器，大的太阳电池阵使之机动性差，且易被敌方发现和攻击；要使接近100千瓦的大功率天基雷达正常运行，所需太阳电池帆板的面积根本无法达到。
太阳能聚光器-动力电源系统使用高温高压的流体驱动涡轮机从而带动交流发电机发电，能量转换效率大约是太阳光伏电池系统的两倍，这样使得收集器的面积和近地轨道的气动阻力最小化，可以在一定的附加燃料和轨道衰减条件下使航天器飞得更低；这种动力电源系统能储存能量几小时而不下降，时间更长也只有少许下降，这些特征使得产生满足峰值需求的高值电能成为可能。但现有的太阳能聚光器-动力电源系统的能量转换效率只有30％，仍有很大的提升空间，且仍不能保证连续稳定地供电。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种应用在太空环境中的高效率太阳能热发电系统及工作方法，采用太阳能聚光器作为二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统的高温热源，当光照强度大于一定值时，太阳能直接加热超临界二氧化碳进而产生电能；当系统需要储能时，储能介质进入太阳能聚光器吸收热量并在温度上升到足够温度后回到储能介质储存罐中；当光照强度小于一定值时，储能介质进入太阳能聚光器加热超临界二氧化碳进而产生电能，以实现无论在有无光照时系统均能输出电能；采用二氧化碳跨临界跨流态热力循环作为底循环，同条件下系统效率可以提升10％以上；太空环境是一个取之不尽、用之不竭的天然冷库，采用辐射冷却系统可以利用太空中蕴含的冷量来冷却二氧化碳；将二氧化碳冷却为液体后再进行压缩，减少压缩功；
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统，包括储能系统和二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统；其中
所述储能系统包括储能介质储存罐G、第一阀门H、第二阀门I和太阳能聚光器A；具体连接关系为：储能介质储存罐G的出口通过第一阀门H连接太阳能聚光器A的储能介质入口，太阳能聚光器A的储能介质出口通过第二阀门I连接储能介质储存罐G的入口形成储能系统回路；
所述二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统包括太阳能聚光器A、透平B、回热系统C、辐射冷却系统D、压缩机E和低温泵F；具体连接关系为：太阳能聚光器A出口连接透平B入口，透平B出口连接回热系统C放热侧一级入口，回热系统C放热侧一级出口连接辐射冷却系统D的放热侧一级入口，辐射冷却系统D放热侧一级出口连接压缩机E入口，压缩机E出口连接回热系统C放热侧二级入口，回热系统C放热侧二级出口连接辐射冷却系统D放热侧二级入口，辐射冷却系统D放热侧二级出口连接低温泵F入口，低温泵F出口连接回热系统C吸热侧入口，回热系统C吸热侧出口连接太阳能聚光器A入口形成二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统回路；所述二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统使用的工质为二氧化碳。
所述透平B出口压力为0.005～0.5MPa。
所述回热系统C包括若干换热器。
所述辐射冷却系统(D)包括若干换热器，采用太空环境作为冷源，将二氧化碳冷却为液体，二氧化碳工质位于放热侧，热量以热辐射的形式传递到太空环境。
所述辐射冷却系统D放热侧一级出口温度不低于二氧化碳相图中气固平衡线上透平B出口压力对应的温度。
所述压缩机E出口压力大于0.6MPa。
所述辐射冷却系统D放热侧二级出口温度等于压缩机E出口压力对应的二氧化碳的饱和温度。
所述低温泵F出口压力为10～30MPa。
上述一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统的工作方法，当光照强度大于预设值时，太阳辐射直接加热超临界二氧化碳进而产生电能：二氧化碳饱和液体经低温泵F加压后进入回热系统C定压吸热，成为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳在太阳能聚光器A中定压吸热，进入透平B做功后成为二氧化碳过热气体，又在回热系统C中定压放热，进入辐射冷却系统D定压放热，又经压缩机E压缩并再次进入回热系统C定压放热，再进入辐射冷却系统D定压放热直到成为二氧化碳饱和液体后，进入低温泵F升压完成循环；
当系统需要储能时，储能介质进入太阳能聚光器，被太阳辐射加热，并在温度上升到足够温度后回到储能介质储存罐中，以实现能量的储存：第一阀门H和第二阀门I打开，储能介质进入太阳能聚光器A中吸热并在储能系统回路中循环，达到一定温度后，关闭第一阀门H和第二阀门I；
当光照强度小于预设值时，储能介质进入太阳能聚光器加热超临界二氧化碳进而产生电能，以实现无论在光照不足时系统能输出电能：第一阀门H和第二阀门I打开，储能介质进入太阳能聚光器A；二氧化碳饱和液体经低温泵F加压后进入回热系统C定压吸热，成为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳在太阳能聚光器A中定压吸热，进入透平B做功后成为二氧化碳过热气体，又在回热系统C中定压放热，进入辐射冷却系统D定压放热，又经压缩机E压缩并再次进入回热系统C定压放热，再进入辐射冷却系统D定压放热直到成为二氧化碳饱和液体后，进入低温泵F升压完成循环。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.无论在有无光照时系统均能输出电能，与光伏电池系统相比，节省了昂贵的光伏电池和可充电电池，故更为经济；
2.采用二氧化碳跨临界跨流态热力循环作为底循环，在透平入口温度和压力分别为620℃和20MPa的条件下，系统的能量转换效率可达57％；在透平入口温度和压力分别为1200℃和10MPa的条件下，系统的能量转换效率可达67％；高效率减小了太阳能接收器的面积和系统的质量，使得航天器的机动性提高；
3.本发明中辐射冷却系统采用太空环境作为冷源，将二氧化碳冷却为液体，减少了至少70％的压缩功；
4.在本循环中，只有低温泵F至透平B这段区域是高压的，其他设备不需要承受高压，与现有的超临界二氧化碳热力循环系统相比，设备均为紧凑型设备，高压设备的数量减少一半以上，建设成本大大降低，安全性提高。
附图说明
图1为本发明一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统示意图。
图2为本发明一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统的二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统的温熵图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统，包括储能系统和二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统；其中
所述储能系统包括储能介质储存罐G、第一阀门H、阀门I和太阳能聚光器A；具体连接关系为：储能介质储存罐G的出口连接第一阀门H的入口，第一阀门H的出口连接太阳能聚光器A的储能介质入口，太阳能聚光器A的储能介质出口通过第二阀门I连接储能介质储存罐G的入口形成储能系统回路；
所述二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统包括太阳能聚光器A、透平B、回热系统C、辐射冷却系统D、压缩机E和低温泵F；具体连接关系为：太阳能聚光器A出口连接透平B入口，透平B出口连接回热系统C放热侧一级入口，回热系统C放热侧一级出口连接辐射冷却系统D的放热侧一级入口，辐射冷却系统D放热侧一级出口连接压缩机E入口，压缩机E出口连接回热系统C放热侧二级入口，回热系统C放热侧二级出口连接辐射冷却系统D放热侧二级入口，辐射冷却系统D放热侧二级出口连接低温泵F入口，低温泵F出口连接回热系统C吸热侧入口，回热系统C吸热侧出口连接太阳能聚光器A入口形成二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统回路；所述二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统使用的工质为二氧化碳。
作为本发明的优选实施方式，储能介质可以采用熔融盐、液态金属或者其他可满足本系统要求的物质；
作为本发明的优选实施方式，所述透平B出口压力为0.005～0.5MPa。
作为本发明的优选实施方式，所述回热系统C包括若干换热器。
作为本发明的优选实施方式，所述辐射冷却系统D包括若干换热器，采用太空环境作为冷源，将二氧化碳冷却为液体，二氧化碳工质位于放热侧，热量以热辐射的形式传递到太空环境。
作为本发明的优选实施方式，所述辐射冷却系统D放热侧一级出口温度不低于二氧化碳相图中气固平衡线上透平B出口压力对应的温度。
作为本发明的优选实施方式，所述压缩机E出口压力大于0.6MPa。
作为本发明的优选实施方式，所述辐射冷却系统D放热侧二级出口温度等于压缩机出口压力对应的二氧化碳的饱和温度。
作为本发明的优选实施方式，所述低温泵F出口压力为10～30MPa。
如图1所示，本发明一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统的工作方法，在光照强度大于预设值时，太阳辐射直接加热超临界二氧化碳进而产生电能：二氧化碳饱和液体经低温泵F加压后进入回热系统C定压吸热，成为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳在太阳能聚光器A中定压吸热，进入透平B做功后成为二氧化碳过热气体，又在回热系统C中定压放热，进入辐射冷却系统D定压放热，又经压缩机E压缩并再次进入回热系统C定压放热，再进入辐射冷却系统D定压放热直到成为二氧化碳饱和液体后，进入低温泵F升压完成循环。
当系统需要储能时，储能介质进入太阳能聚光器，被太阳辐射加热，并在温度上升到足够温度后回到储能介质储存罐中，以实现能量的储存：第一阀门H和第二阀门I打开，储能介质进入太阳能聚光器A中吸热并在储能系统回路中循环，达到一定温度后，关闭第一阀门H和第二阀门I；
当光照强度小于预设值时，，储能介质进入太阳能聚光器加热超临界二氧化碳进而产生电能，以实现无论在光照不足时系统能输出电能：第一阀门H和第二阀门I打开，储能介质进入太阳能聚光器A；二氧化碳饱和液体经低温泵F加压后进入回热系统C定压吸热，成为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳在太阳能聚光器A中定压吸热，进入透平B做功后成为二氧化碳过热气体，又在回热系统C中定压放热，进入辐射冷却系统D定压放热，又经压缩机E压缩并再次进入回热系统C定压放热，再进入辐射冷却系统D定压放热直到成为二氧化碳饱和液体后，进入低温泵F升压完成循环。
如图2所示，上述一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统的二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统的温熵图，1-2过程中工质进入透平B做功，2-3过程工质在回热系统C中定压放热，3-4过程工质在辐射冷却系统D中定压放热，4-5过程工质在压缩机E中升压，5-6过程工质在回热系统C中定压放热，6-7过程工质在辐射冷却系统D中定压放热直到成为饱和液体，7-8过程工质在低温泵F中近似等熵压缩，8-9过程工质在回热系统C中定压吸热，9-1过程工质在太阳能聚光器A中定压吸热。

Claims (9)

1.一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统，其特征在于，包括储能系统和二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统；其中
所述储能系统包括储能介质储存罐(G)、第一阀门(H)、第二阀门(I)和太阳能聚光器(A)；具体连接关系为：储能介质储存罐(G)的出口通过第一阀门(H)连接太阳能聚光器(A)的储能介质入口，太阳能聚光器(A)的储能介质出口通过第二阀门(I)连接储能介质储存罐(G)的入口形成储能系统回路；
所述二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统包括太阳能聚光器(A)、透平(B)、回热系统(C)、辐射冷却系统(D)、压缩机(E)和低温泵(F)；具体连接关系为：太阳能聚光器(A)出口连接透平(B)入口，透平(B)出口连接回热系统(C)放热侧一级入口，回热系统(C)放热侧一级出口连接辐射冷却系统(D)的放热侧一级入口，辐射冷却系统(D)放热侧一级出口连接压缩机(E)入口，压缩机(E)出口连接回热系统(C)放热侧二级入口，回热系统(C)放热侧二级出口连接辐射冷却系统(D)放热侧二级入口，辐射冷却系统(D)放热侧二级出口连接低温泵(F)入口，低温泵(F)出口连接回热系统(C)吸热侧入口，回热系统(C)吸热侧出口连接太阳能聚光器(A)入口形成二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统回路；所述二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统使用的工质为二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统，其特征在于：所述透平(B)出口压力为0.005～0.5MPa。
3.根据权利要求1所述的一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统，其特征在于：所述回热系统(C)包括若干换热器。
4.根据权利要求1所述的一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统，其特征在于：所述辐射冷却系统(D)包括若干换热器，采用太空环境作为冷源，将二氧化碳冷却为液体，二氧化碳工质位于放热侧，热量以热辐射的形式传递到太空环境。
5.根据权利要求1所述的一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统，其特征在于：所述辐射冷却系统(D)放热侧一级出口温度不低于二氧化碳相图中气固平衡线上透平(B)出口压力对应的温度。
6.根据权利要求1所述的一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统，其特征在于：所述压缩机(E)出口压力大于0.6MPa。
7.根据权利要求1所述的一种应用在太空环境中的高效率太阳能热发电系统，其特征在于：所述辐射冷却系统(D)放热侧二级出口温度等于压缩机(E)出口压力对应的二氧化碳的饱和温度。
8.根据权利要求1所述的一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统，其特征在于：所述低温泵(F)出口压力为10～30MPa。
9.权利要求1至8任一项所述的一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统的工作方法，其特征在于：在光照强度大于预设值时，太阳辐射直接加热超临界二氧化碳进而产生电能：二氧化碳饱和液体经低温泵(F)加压后进入回热系统(C)定压吸热，成为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳在太阳能聚光器(A)中定压吸热，进入透平(B)做功后成为二氧化碳过热气体，又在回热系统(C)中定压放热，进入辐射冷却系统(D)定压放热，又经压缩机(E)压缩并再次进入回热系统(C)定压放热，再进入辐射冷却系统(D)定压放热直到成为二氧化碳饱和液体后，进入低温泵(F)升压完成循环；
当系统需要储能时，储能介质进入太阳能聚光器，被太阳辐射加热，并在温度上升到足够温度后回到储能介质储存罐中，以实现能量的储存：第一阀门(H)和第二阀门(I)打开，储能介质进入太阳能聚光器(A)中吸热并在储能系统回路中循环，达到一定温度后，关闭第一阀门(H)和第二阀门(I)；
当光照强度小于预设值时，储能介质进入太阳能聚光器加热超临界二氧化碳进而产生电能，以实现无论在光照不足时系统能输出电能：第一阀门(H)和第二阀门(I)打开，储能介质进入太阳能聚光器(A)；二氧化碳饱和液体经低温泵(F)加压后进入回热系统(C)定压吸热，成为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳在太阳能聚光器(A)中定压吸热，进入透平(B)做功后成为二氧化碳过热气体，又在回热系统(C)中定压放热，进入辐射冷却系统(D)定压放热，又经压缩机(E)压缩并再次进入回热系统(C)定压放热，再进入辐射冷却系统(D)定压放热直到成为二氧化碳饱和液体后，进入低温泵(F)升压完成循环。
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