CN112902723B - 一种基于月壤3d打印的聚光熔融原位资源储能装置 - Google Patents

一种基于月壤3d打印的聚光熔融原位资源储能装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，涉及太阳能蓄热装置技术领域，包括蓄热块、翅片高温热管、保温容器；翅片高温热管包括翅片、光热腔、工质腔体、热输出接口，光热腔位于翅片高温热管的中央，翅片位于翅片高温热管的外周，工质腔体位于光热腔和翅片之间，热输出接口位于翅片的一端；蓄热块与翅片吻合连接，保温容器包裹在蓄热块的外侧。本发明针对地外环境的特殊条件，采用原位资源月壤作为蓄热材料，从而避免了传统流体工质在真空环境的挥发问题。

Description

一种基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置
技术领域
本发明涉及小型太阳能蓄热装置技术领域，尤其涉及一种基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置。
背景技术
载人登月等短期或长期地外基地建设是当前空间探索活动的热点领域，为乘员或设备提供昼夜不间断的电能和热能是实现深空探测的重要保障。目前已经提出的地外基地能源方案主要包括化学蓄电池方案与核反应堆电源方案，但都存在发射质量过大、寿命有限、安全性等问题。为了实现长期的深空探测活动，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，并能够满足能源供应等要求。
地面环境中的蓄热系统主要可以分为相变潜热蓄热系统、非相变显热蓄热系统、化学能蓄热系统，在各个领域内已经具有了极其广泛的应用。但是这些方案由于在地面使用，受到大气环境的保护，其在地外环境中的应用受到极大限制。地外环境如月面上的高真空环境决定了蓄热系统只能采用显热蓄能，而为了增大储热密度，需要尽量提高蓄热块密度和温度。
在地面环境中，由于存在大气环境，允许空气或导热油等换热工质的存在，使得蓄热系统易于实现蓄热材料与发电机构之间的热交换。但是对于地外环境，在真空环境中不允许气体或液体工质暴露在开放体系中，因此地面技术中常用的流体工质已经不满足地外环境的使用要求，需要寻找依靠稳定固体传热的蓄热体系解决方案。
在地面上蓄热材料种类丰富，而在地外环境中，特别是月面环境中，可利用的蓄热资源只有月壤，且月壤的导热性能较差，其导热性能远低于地面蓄热材料，因此按传统的蓄热模式已经不能满足地外环境中的蓄热发电系统，特别是温度往往较低达不到发电机工作的温度，或难以转化为足够功率的电能输出。因此亟需克服由于月壤自身性质局限性带来的技术难题。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够利用月壤原位资源作为蓄热材料的储能装置，解决传统流体工质在真空环境的挥发问题。
发明内容
有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能利用月壤原位资源作为蓄热材料的储能装置，使蓄热系统能够适应地外环境。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，包括蓄热块、翅片高温热管、保温容器；所述翅片高温热管包括翅片、光热腔、工质腔体、热输出接口，所述光热腔位于所述翅片高温热管的中央，所述翅片位于所述翅片高温热管的外周，所述工质腔体位于所述光热腔和所述翅片之间，所述热输出接口位于所述翅片的一端；所述蓄热块与所述翅片吻合连接，所述保温容器包裹在所述蓄热块的外侧。
进一步地，所述蓄热块以月壤粉末为原料，通过激光3D打印技术加工制成。
进一步地，所述蓄热块使用全固态结构设计，以激光3D打印技术加工制成的致密的月壤块体作为蓄热单元，月壤块体之间无流动工质。
进一步地，所述保温容器以月壤粉末为原料，通过激光3D打印技术加工制成。
进一步地，所述翅片高温热管的工质密封在所述工质腔体内部。
优选地，所述翅片高温热管的工作温度为300～650℃，工质为钾。
优选地，所述翅片高温热管的工作温度大于650℃，工质为钠。
优选地，所述翅片的材料是不锈钢。
进一步地，所述翅片的延伸方向为径向，所述翅片与所述光热腔同轴设置。
进一步地，所述蓄热块的设置在轴向上保持对称。
本发明至少具有如下有益技术效果：
1、本发明提供的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，针对地外环境的特殊条件，采用原位资源月壤作为蓄热材料，从而避免了传统流体工质在真空环境的挥发问题。
2、本发明提供的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，除翅片高温热管外，所有结构均可以在地外环境中通过原位3D打印方法加工，可以充分利用原位资源、减少发射质量。
3、本发明提供的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，高温热管与翅片结构的参数设计，可以使得月壤等地外原位材料能够应用于蓄热发电系统中，即使其热性能较差，也能够达到一定蓄热发电指标。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的拼装示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的翅片高温热管平面图；
图3是本发明的一个较佳实施例的翅片高温热管剖面图；
图4是本发明的一个较佳实施例的发电系统示意图。
其中：1-蓄热块，2-翅片高温热管，21-翅片，22-光热腔，23-工质腔体，24-热输出接口，3-保温容器。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。
如图1所示，本实施例公开了一种基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，包括蓄热块1、翅片高温热管2、保温容器3。如图2和图3所示，翅片高温热管2包括翅片21、光热腔22、工质腔体23、热输出接口24，光热腔22位于翅片高温热管2的中央，翅片21位于翅片高温热管2的外周，工质腔体23位于翅片21和光热腔22之间，热输出接口24位于翅片21的一端。蓄热块1与翅片21吻合连接。
蓄热块1以地外环境的原位资源为原料，对于月球即以月壤粉末为原料，通过激光3D打印技术加工而成；蓄热块1使用全固态结构设计，利用激光3D打印技术加工制成的致密的月壤块作为蓄热单元，月壤块之间无流动工质。
保温容器3以月壤粉末为原料，通过激光3D打印技术加工而成。保温容器3成圆筒状包裹在蓄热块1的外侧，为方便拆装做成两半。
翅片高温热管2的工质密封在工质腔体23的内部，不会暴露在外部环境中，保证了蓄热系统的寿命；翅片高温热管2的工质是唯一存在的流体，除此之外不存在易挥发或易流失的材料，使得蓄热系统能够适应地外环境。翅片高温热管2工质的选择与其应用的温度范围相关，工作温度为300～650℃时，选用钾作为工质；工作温度更高时，选用钠作为工质。
翅片21的材料是不锈钢，通过翅片结构设计，强化蓄热系统的径向传热；通过翅片高温热管结构设计，强化蓄热系统的轴向传热，从而弥补月壤导热性能较差的问题，实现有效的固体-固体传热；翅片21与光热腔22同轴设置，提高能量输入输出的利用率，使轴向温度分布更均匀；翅片21的延伸方向为径向，从而使得随着温度大幅度变化在周向上翅片的热膨胀位移较小，避免由于热膨胀率不匹配导致蓄热块1与翅片21发生冲突。
蓄热块1的设置在轴向上保持对称，同时尽量设计简单的外形结构。
整个蓄热体系的结构均耐高温，因此配合高聚光比的太阳能输入，蓄热系统最高蓄热温度可达900℃，从而获得较高的蓄热能力。
如图4所示，在系统的正常工作过程中，将太阳光通过聚光机构(如菲涅尔透镜)汇聚到光热腔22中，即可实现能量的输入；在开始加热以前，将发电机构(如斯特林发电机)装入热输出接口24内，开始加热后或加热结束蓄热完毕时，热膨胀使得翅片高温热管2与发电机构紧密连接，处于工作温度以上时即可输出电能。
本发明的另一个较佳实施例中，蓄热块的制作采用中值粒径D50＝50μm的CUG-1模拟月壤粉末，激光选区熔融3D打印使用功率150W以上的光纤激光器，其波长为1.07μm，输出激光经过准直聚焦后光斑直径100μm，使用分区扫描的方式。在已经实现的技术方案中，打印获得的蓄热块体密度达到2.6g/cm3，且外形尺寸与翅片形状吻合，保证了与翅片的装配精度。蓄热块与翅片的连接采用硅铝酸盐基韧性高温胶粘结，保证热连接良好，同时能够抵抗一定低频振动冲击。
翅片与翅片高温热管的壳体结构均以不锈钢为材料，分别机加工翅片、翅片高温热管的内管壳体、翅片高温热管的外管壳体，然后焊接为耐高压的密封翅片高温热管结构。翅片高温热管的工质选择为金属单质钾，工质腔体的内壁附有烧结丝网组件作为热管的毛细吸液芯，在已经实现的技术方案中，可实现热管的抗重力运行。在已实现的技术方案中，根据结构参数模拟月壤热物性，其数量优选为在蓄热块的周向均布8片翅片；根据太阳光聚光加热的光输入情况，同时匹配翅片高温热管结构的工艺，光热腔的尺寸优选为
Figure BDA0002860813800000041
的圆柱体，其内壁涂覆有耐高温900℃的吸光涂层，吸收率可达0.8～0.95。
保温容器的制作采用与蓄热块相同的原料与激光器，但是使用了更低的激光功率与更快的激光扫描速度，使得打印形成的块体密度为1.9g/cm3，孔隙率高，保温性能好。
热输出接口可用于匹配各种类型的发电机构。在已经实现的技术方案中，使用线性斯特林发电机实现能量输出。为了平衡聚光输入时的能量输入与蓄热发电时的能量输出，该热输出接口和光热腔串联，并与翅片高温热管设计为同轴并联结构，能够有效提高能量利用效率。此外，通过热输出接口附近的尺寸结构设计，可以保证在发电机构的工作温度区间内，热输出接口壁面通过热膨胀与发电机构的热端紧密连接且难以松动，保证该处热连接良好。
本发明提供的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，针对地外环境的特殊条件，采用原位资源作为蓄热材料，从而避免了传统流体工质在真空环境的挥发问题；除翅片高温热管外，所有结构均可以在地外环境中通过原位3D打印方法加工，可以充分利用原位资源、减少发射质量。因此，本发明具有有益的技术效果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，其特征在于，包括蓄热块、翅片高温热管、保温容器；所述翅片高温热管包括翅片、光热腔、工质腔体、热输出接口，所述光热腔位于所述翅片高温热管的中央，所述翅片位于所述翅片高温热管的外周，所述工质腔体位于所述光热腔和所述翅片之间，所述热输出接口位于所述翅片的一端；所述蓄热块与所述翅片吻合连接，所述保温容器包裹在所述蓄热块的外侧；
所述保温容器成圆筒状，所述保温容器做成两半；
蓄热块与翅片的连接采用硅铝酸盐基韧性高温胶粘结；
在蓄热块的周向均布8片翅片；
光热腔设置为
Figure FDA0003544981330000011
的圆柱体，光热腔的内壁涂覆有耐高温900℃的吸光涂层。
2.如权利要求1所述的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，其特征在于，所述蓄热块以月壤粉末为原料，通过激光3D打印技术加工制成。
3.如权利要求2所述的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，其特征在于，所述蓄热块使用全固态结构设计，以激光3D打印技术加工制成的致密的月壤块体作为蓄热单元，月壤块体之间无流动工质。
4.如权利要求1所述的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，其特征在于，所述保温容器以月壤粉末为原料，通过激光3D打印技术加工制成。
5.如权利要求1所述的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，其特征在于，所述翅片高温热管的工质密封在所述工质腔体内部。
6.如权利要求5所述的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，其特征在于，所述翅片高温热管的工作温度为300～650℃，工质为钾。
7.如权利要求5所述的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，其特征在于，所述翅片高温热管的工作温度大于650℃，工质为钠。
8.如权利要求1所述的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，其特征在于，所述翅片的材料是不锈钢。
9.如权利要求1所述的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，其特征在于，所述翅片的延伸方向为径向，所述翅片与所述光热腔同轴设置。
10.如权利要求1所述的基于月壤3D打印的聚光熔融原位资源储能装置，其特征在于，所述蓄热块的设置在轴向上保持对称。
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