CN115163436B - 一种结合近场热光伏系统的多效空间电源装置 - Google Patents

Abstract

一种结合近场热光伏系统的多效空间电源装置，属于近场热光伏技术领域。为了解决现有航天器的空间电源主要依赖于太阳能电池，但其受控于太阳的距离，使其无法继续为航天器供电，采用空间核电源可以解决这一问题，如何提升空间核电源转换效率是研究的关键，本发明包括核反应堆、斯特林热电转换机构、近场热光伏机构、换热机构和辐射散热器；换热机构包括多根第一换热管和多根第二换热管，核反应堆与斯特林热电转换机构之间通过多根第一换热管进行换热，近场热光伏机构设置在辐射散热器内，斯特林热电转换机构的冷端与近场热光伏机构之间通过多根第二换热管进行换热，第二换热管的余热通过辐射散热器进行散热。本发明主要用于为航天器供电。

Description

一种结合近场热光伏系统的多效空间电源装置

技术领域

本发明属于近场热光伏技术领域，尤其涉及一种结合近场热光伏系统的多效空间电源装置。

背景技术

热光伏是一种通过半导体光伏电池pn结的光电效应使辐射热能直接转化为电能的能源转换技术，而在热光伏发射极与光伏电池的距离足够近时能量密度将会增加，这是由于倏逝波产生的隧穿效应使得近场辐射的换热量能远远大于黑体辐射极限，因此近场热光伏的应用是提升发射极与光伏电池之间的辐射能量传输的有效途径。

目前航天器应用最广泛也最成熟的空间电源技术是太阳能电池，但是由于太阳能电池严重依赖太阳光照，无法在太阳光照不充足的区域为航天器供电，且航天器在远离太阳的行星际飞行过程中所接收的太阳辐射能通量随其离太阳距离的平方成反比，空间核电源相较于太阳能电池具有不依赖于阳光、环境适应性好、适用功率范围广等优点，但是其能量转换效率仍有待提升，为了进一步提升人类探索宇宙的能力，本发明采用结合近场热光伏系统的空间核电源代替太阳能电池，更好的将空间核电源的热能转化成电能用于空间电源的使用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有航天器的空间电源技术主要依赖于太阳能电池，但是其受控于与太阳距离的约束，使得太阳能电池无法继续为航天器供电，导致航天器无法进一步探索宇宙，采用空间核电源是解决这一问题的有效途径，所以如何提升空间核电源转换效率是一直以来备受关注的研究方向；故提供一种结合近场热光伏系统的多效空间电源装置，采用斯特林热电转换系统与近场热光伏系统将空间核电源的热能最大化的转化为电能，整体转换效率得到较大的提升。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种结合近场热光伏系统的多效空间电源装置，它包括核反应堆、斯特林热电转换机构、近场热光伏机构、换热机构和辐射散热器；所述的换热机构包括多根第一换热管和多根第二换热管，所述的核反应堆与斯特林热电转换机构之间通过多根第一换热管进行换热，所述的近场热光伏机构设置在辐射散热器内，斯特林热电转换机构的冷端与近场热光伏机构之间通过多根第二换热管进行换热，所述第二换热管的余热通过辐射散热器进行散热。

一种石墨烯二维超材料的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

步骤1，对石墨烯加工处理获得石墨烯薄膜；

步骤2，采用“膜支撑”转移法将石墨烯薄膜附着到选择性辐射器上和光伏电池板上；

步骤3，采用纳米线光刻技术，并通过掩模对选择性辐射器上和光伏电池板上的石墨烯薄膜进行图形化刻蚀，得到石墨烯二维超材料。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本发明核反应堆中的热能依次通过动态转换的斯特林热电转换机构以及静态转换的近场热光伏机构将热能转化成电能，其中斯特林热电转换为一级转换机构，近场热光伏为二级转换机构，通过近场热光伏机构与斯特林热电转换机构的结合，实现了能量的多效利用，提高了空间电源装置的产电效率。

2、本发明中的近场热光伏机构利用二维超材料优异的辐射传输特性，提高了空间电源装置静态转换的输出效率。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明空间电源装置的结构示意图；

图2为近场热光伏机构与换热器热端连接的结构示意图；

图3为近场热光伏单元通过导热板与辐射散热器连接的结构示意图；

图4为二维材料与超材料结合形成的二维超材料示意图，其中(a)为二维材料的结构示意图，(b)为超材料的结构示意图，(c)为二维材料超表面的示意图。

图中：1-核反应堆；2-斯特林热电转换机构；3-近场热光伏机构；3-1-选择性辐射器；3-2-光伏电池板；4-换热机构；4-1-第一换热管；4-2-第二换热管；5-辐射散热器；6-环形支撑板；7-U形换热管道；7-1-换热器热端；7-2-换热器冷端；8-导热板；9-反射层；10-屏蔽体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图3所示，本申请实施例提供一种结合近场热光伏系统的多效空间电源装置，它包括核反应堆1、斯特林热电转换机构2、近场热光伏机构3、换热机构4和辐射散热器5；所述的核反应堆1作为热电转化机构的热源，核反应堆1被中子反射层9包覆，反射层9的材料采用氧化铍；核反应堆1与斯特林热电转换机构2之间设置有屏蔽体10，所述的屏蔽体10采用氢化锂或钨；所述的斯特林热电转换机构2作为一级热电转换装置，其内的工质为氦气；近场热光伏机构3作为二级热电转换装置；所述的换热机构4用于核反应堆1与斯特林热电转换机构2之间的换热和斯特林热电转换机构2与近场热光伏机构3之间的换热；所述的换热机构4包括多根第一换热管4-1和多根第二换热管4-2，第一换热管4-1内的工质采用液态金属钠；第二换热管4-2选用钛水热管；所述的核反应堆1与斯特林热电转换机构2之间通过多根第一换热管4-1进行换热，第一换热管4-1的一端穿过屏蔽体10并处于核反应堆1中，第一换热管4-1的另一端与斯特林热电转换机构2相接，第一换热管4-1将核反应堆1产生的热能传递给斯特林热电转换机构2，斯特林热电转换机构2将吸收的热能转化成电能；所述的近场热光伏机构3设置在辐射散热器5内，斯特林热电转换机构2的冷端与近场热光伏机构3之间通过多根第二换热管4-2进行换热，所述第二换热管4-2的一端与斯特林热电转换机构2的冷端相接，并将斯特林热电转换机构2未能转化的余热传递给近场热光伏机构3，近场热光伏机构3将第二换热管4-2传递过来的热能转化成电能；所述第二换热管4-2的余热通过辐射散热器5进行散热，所述的辐射散热器5是由多块辐射散热器板拼接而成的筒状结构，所述的辐射散热器5即作为近场热光伏机构3以及第二换热管4-2的散热部件，又是近场热光伏机构3和换热机构4的支撑外壳。

本实施例中，所述核反应堆1中的热能依次通过动态转换的斯特林热电转换机构2以及静态转换的近场热光伏机构3将热能转化成电能，通过近场热光伏机构3与斯特林热电转换机构2的结合提高了空间电源装置的产电效率。

本实施例中，近场热光伏机构3整体质量更轻、体积更小，更适用于航空航天等对体积质量有严格要求的领域，航空航天器牺牲了小部分质量换来了整体转换效率的较大提升。

在一种可能的实施例中，所述的换热机构4还包括多根周向均匀设置的U形换热管道7，每根U形换热管道7中贯穿有若干根并排设置的第二换热管4-2，所述第二换热管4-2的外壁与U形换热管道7的内壁相贴合，第二换热管4-2的热端与U形换热管道7的内侧管道形成换热器热端7-1，第二换热管4-2的冷端与U形换热管道7的外侧管道形成换热器冷端7-2。

本实施例中，如图2所示，所述的U形换热管道7一方面用于固定第二换热管4-2，另一方面增加了第二换热管4-2的传热效率以及传热的均匀性，所述的U形换热管道7为导热性能良好的金属材质，第二换热管4-2的热端将热能传递给U形换热管道7的内侧管道，再通过U形换热管道7的内侧管道传递给近场热光伏机构3，通过U形换热管道7的内侧管道增加换热面积，第二换热管4-2的冷端将热能传递给U形换热管道7的外侧管道，再通过U形换热管道7的外侧管道传递给辐射散热器5，通过U形换热管道7的外侧管道增加换热面积。

本实施例中，所述的每根换热管道7中贯穿有两根第二换热管4-2。

在一种可能的实施例中，如图2和图3所示，所述U形换热管道7的内侧管道的截面为梯形；所述U形换热管道7的外侧管道的截面为长方形。

在一种可能的实施例中，所述的近场热光伏机构3包括多个周向均匀设置的近场热光伏单元，并形成一个倒锥形的圆筒状结构；每个近场热光伏单元包括一块选择性辐射器3-1和一块光伏电池板3-2，所述选择性辐射器3-1的材质为六方氮化硼/石墨烯，光伏电池板3-2的材质为锑化铟；所述的选择性辐射器3-1和光伏电池板3-2之间通过两块同轴设置的环形支撑板6进行支撑固定，并保证二者之间的纳米间隙。

本实施例中，所述的近场热光伏单元一共有八个，八块选择性辐射器3-1和八块光伏电池板3-2均是由环形支撑板6进行支撑固定，由于太空中为真空环境，所以无需考虑选择性辐射器3-1和光伏电池板3-2之间间隙的真空隔热问题。

本实施例中，第一换热管4-1将斯特林热电转换机构2的余热通过U形换热管道7的内侧梯形管道传递给选择性辐射器3-1，选择性辐射器3-1被加热后释放的辐射能被光伏电池板3-2吸收转化为电能输出。

在一种可能的实施例中，所述的U形换热管道7倾斜设置，所述的近场热光伏单元与U形换热管道7一一对应设置，且近场热光伏单元倾斜插装在U形换热管道7之间；所述的近场热光伏单元中的选择性辐射器3-1与U形换热管道7的换热器热端7-1相贴合，U形换热管道7内侧梯形管道较宽的一端与选择性辐射器3-1接触，近场热光伏单元中的光伏电池板3-2通过导热板8与辐射散热器5进行散热，所述U形换热管道7的外侧方形管道贴合辐射散热器5的内壁设置。

本实施例中，近场热光伏机构3由八个分散的近场热光伏单元联合组成，八个近场热光伏单元拼接在一起形成倒锥形的环形结构，因此近场热光伏机构3可以在有限的空间范围内换热面积达到最大，从而达到最大的换热效率。

本实施例中，所述的辐射散热器5也是由八块辐射散热器板拼接而成的筒状结构，与近场热光伏机构3的八个近场热光伏单元一一对应设置。

在一种可能的实施例中，所述的导热板8为一端侧壁开口的方管形，导热板8的开口端贴合辐射散热器5的内壁处设置，U形换热管道7的外侧方形管道处于导热板8的开口处并与导热板8之间存在一定的间隙；导热板8的封闭端贴合光伏电池板3-2的外表面设置，用于光伏电池板3-2的传热。

本实施例中，由于外太空为真空环境，且光伏电池板3-2与辐射散热器5之间存在U形换热管道7的外侧方形管道，所以光伏电池板3-2的散热需要通过媒介进行传导，所述的导热板8可采用刚性与导热性均优的金属材料，保证光伏电池板3-2的温度维持在一个稳定的状态。所述的光伏电池板3-2与第二换热管4-2的冷端均通过辐射散热器5进行冷却散热，热量通过辐射散热器5向外太空辐射释放。而导热板8与U形换热管道7的外侧方形管道存在一定的间隙，可防止第二换热管4-2的余热通过导热板8传递给光伏电池板3-2。

在一种可能的实施例中，所述的选择性辐射器3-1与光伏电池板3-2相对的一侧表面上均附着一层石墨烯二维超材料。

本实施例中，近场热光伏机构3中的选择性辐射器3-1与光伏电池板3-2的相对表面覆盖“二维超材料”以强化近场热辐射传输能力；原因为二维材料具有优异的光电子特性和可调谐性，表现在能够支持大量的表面共振，并能对电磁态密度进行调谐，其可调谐电磁态密度的能力为调节近场热光伏机构3的光谱利用范围提供了可能，而超材料能够通过人为构建不同的微纳结构来实现材料表观特征的自由调控，因此将二维材料的本征物性与超材料的微纳结构的有机结合可以对选择性辐射器3-1与光伏电池板3-2间的辐射换热特性进行调控，利用双曲极化激元效应增强近场辐射换热，能够有效地增加近场热光伏机构3输出功率和转换功率，实现与光伏电池带宽的最优匹配，具有超材料结构的二维材料还可以激发出一般二维材料所不具备的多种新型模式，如双曲模式、近零模式等，为实现电池光谱响应与选择性热辐射谱有效匹配提供了更大的可能性，本发明的近场热光伏机构还可以进一步搭配磁场调控，使得热辐射传输能够灵活变动，在设备冻结等特殊情况下为空间电源装置保留更多的热能。

参见图4所示，本申请实施例提供一种石墨烯二维超材料的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

步骤1，采用化学气相沉积法使得石墨烯基底的表面上均匀生长出单层或多层石墨烯薄膜；或者采用机械剥离法，从石墨烯基底上剥离出薄层石墨烯单晶样品，获得石墨烯薄膜；

步骤2，采用能够支持大面积地转移石墨烯薄膜的“膜支撑”转移法，将石墨烯薄膜附着到选择性辐射器3-1上和光伏电池板3-2上；

步骤3，采用纳米线光刻技术，并通过自组装的平面纳米线阵列作为掩模对选择性辐射器3-1上和光伏电池板3-2上的石墨烯薄膜进行图形化刻蚀，得到石墨烯二维超材料，通过调控掩模的纳米线生长形貌来实现石墨烯的形貌定义。

本实施例中，石墨烯二维超材料可以是由圆形、六边形、正方形或三角形所形成的阵列形式来调控石墨烯二维超材料的结构形式，以达到对选择性辐射器3-1与光伏电池板3-2间的辐射换热特性进行调控。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.一种结合近场热光伏系统的多效空间电源装置，其特征在于：它包括核反应堆(1)、斯特林热电转换机构(2)、近场热光伏机构(3)、换热机构(4)和辐射散热器(5)；所述的换热机构(4)包括多根第一换热管(4-1)和多根第二换热管(4-2)，所述的核反应堆(1)与斯特林热电转换机构(2)之间通过多根第一换热管(4-1)进行换热，所述的近场热光伏机构(3)设置在辐射散热器(5)内，斯特林热电转换机构(2)的冷端与近场热光伏机构(3)之间通过多根第二换热管(4-2)进行换热，所述第二换热管(4-2)的余热通过辐射散热器(5)进行散热；

所述的换热机构(4)还包括多根周向均匀设置的U形换热管道(7)，每根U形换热管道(7)中贯穿有若干根并排设置的第二换热管(4-2)，所述第二换热管(4-2)的外壁与U形换热管道(7)的内壁相贴合，第二换热管(4-2)的热端与U形换热管道(7)的内侧管道形成换热器热端(7-1)，第二换热管(4-2)的冷端与U形换热管道(7)的外侧管道形成换热器冷端(7-2)；所述U形换热管道(7)的内侧管道的截面为梯形；所述U形换热管道(7)的外侧管道的截面为长方形；所述的近场热光伏机构(3)包括多个周向均匀设置的近场热光伏单元，并形成一个倒锥形的圆筒状结构；每个近场热光伏单元包括一块选择性辐射器(3-1)和一块光伏电池板(3-2)，所述的选择性辐射器(3-1)和光伏电池板(3-2)之间通过两块同轴设置的环形支撑板(6)进行支撑固定，并保证二者之间的纳米间隙；所述的U形换热管道(7)倾斜设置，所述的近场热光伏单元与U形换热管道(7)一一对应设置，且近场热光伏单元倾斜插装在U形换热管道(7)之间；所述的近场热光伏单元中的选择性辐射器(3-1)与U形换热管道(7)的换热器热端(7-1)相贴合，近场热光伏单元中的光伏电池板(3-2)通过导热板(8)与辐射散热器(5)进行散热，所述U形换热管道(7)的外侧方形管道贴合辐射散热器(5)的内壁设置。

2.根据权利要求1所述的一种结合近场热光伏系统的多效空间电源装置，其特征在于：所述的导热板(8)为一端侧壁开口的方管形，导热板(8)的开口端贴合辐射散热器(5)的内壁处设置，U形换热管道(7)的外侧管道处于导热板(8)的开口处，导热板(8)的封闭端贴合光伏电池板(3-2)的外表面设置。

3.根据权利要求2所述的一种结合近场热光伏系统的多效空间电源装置，其特征在于：所述的选择性辐射器(3-1)与光伏电池板(3-2)相对的一侧表面上各附着一层石墨烯二维超材料。

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