空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究

空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究

1太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)空間站是航空航天活動(dòng)的平臺(tái)。這是一個(gè)可以長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的大型載人探測(cè)器。該電源是維持空間站正常運(yùn)行和其他航空航天活動(dòng)的基礎(chǔ)?？臻g電源系統(tǒng)可選擇三種方式:化學(xué)電源,核電源,太陽(yáng)能電源?；瘜W(xué)電源如蓄電池、燃料電源等適用于工作時(shí)間短、電能需求小的航天器,當(dāng)電能需求大時(shí),其質(zhì)量是難以接受的。核電源攜帶少量的核燃料可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期供電,適用于長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間星際探索旅行,在未來(lái)人類探索遠(yuǎn)層太空的過(guò)程中必將起到重要的作用。雖然核電源本身小巧緊湊,但由于為防止核輻射污染需加裝厚重的屏蔽防護(hù)裝置,質(zhì)量上并無(wú)優(yōu)勢(shì)可言,尤其在近地軌道和載人航天方面考慮到核輻射對(duì)人體的危害,人們對(duì)采用核動(dòng)力發(fā)電更是持謹(jǐn)慎態(tài)度。太陽(yáng)能具有清潔干凈、取用方便的特點(diǎn),在航天器上已成為普遍使用的最重要的能源。利用太陽(yáng)能發(fā)電有多種方式,如光電直接轉(zhuǎn)換—太陽(yáng)能光優(yōu)電池陣發(fā)電(PV)、太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電(SD)、太陽(yáng)能熱離子發(fā)電和太陽(yáng)能磁流體發(fā)電等。后兩種發(fā)電方式正處于研究發(fā)展之中,技術(shù)上還不夠成熟。迄今為止航天器上大多數(shù)采用太陽(yáng)能光伏電池與化學(xué)蓄電池的組合供電方式,技術(shù)成熟,應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豐富。但隨著航天活動(dòng)的擴(kuò)展,對(duì)電能的需求越來(lái)越大,由美國(guó)、俄羅斯、歐洲、日本和加拿大共同建造的國(guó)際阿爾法空間站需要的電能將達(dá)110kW。由于太陽(yáng)能光伏電池陣光電轉(zhuǎn)換的效率較低,如硅電池的效率只有14%,近年來(lái)正在研究的砷化鎵電池效率可達(dá)18.5%,但成本卻是硅電池的兩倍。隨著功率的增加,光伏電池陣迎風(fēng)面積將顯著增大,使得發(fā)射成本的軌道維護(hù)成本大大增加。此外,蓄電池的壽命很短,在空間站的長(zhǎng)期運(yùn)行期間需經(jīng)常更換,也增加了運(yùn)行期間的總成本。太陽(yáng)能光伏電池陣發(fā)電的上述缺點(diǎn),迫使人們考慮其他發(fā)電方式,太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電正是適應(yīng)空間站大功率電源的需求而發(fā)展起來(lái)的。太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量和迎風(fēng)面積小的優(yōu)點(diǎn),而且可以很容易地?cái)U(kuò)充至兆瓦級(jí)。太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)從太陽(yáng)能到用戶的總效率約為20.8%,而太陽(yáng)能光伏電池陣發(fā)電系統(tǒng)僅在7%左右。在較低發(fā)電功率下,太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)與太陽(yáng)能光伏電池陣發(fā)電系統(tǒng)相比面積上占優(yōu)勢(shì),質(zhì)量上無(wú)優(yōu)勢(shì)可言只有隨著供電功率的增加,太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)才越明顯。因此對(duì)在低地軌道運(yùn)行、電能需求大的空間站來(lái)說(shuō),采用太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)既能滿足電能需求,又可以大幅度降低運(yùn)行成本,是比較有利的實(shí)施方案。2斯特林sc發(fā)電系統(tǒng)工作原理適于空間SD系統(tǒng)的熱機(jī)循環(huán)有Rankine循環(huán)(RC)、閉式Brayton循環(huán)(CBC)和Stirling循環(huán)(SC)。RC由于存在微重力下相變流體分離問(wèn)題,技術(shù)上也有一定難度,目前已被淘汰。CBC型和SC型SD裝置不受空間微重力甚至零重力條件的影響,熱效率高,質(zhì)量輕,使用壽命長(zhǎng),隨著空間站電力需求的增長(zhǎng),這些優(yōu)點(diǎn)將更加突出。CBC裝置的渦輪、壓氣機(jī)等部件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中有數(shù)十年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),技術(shù)水平和可靠性都很高,采用布雷頓循環(huán)的地面燃?xì)廨啓C(jī)電站也為數(shù)不少,而且循環(huán)的熱效率較高,具有很好的空間應(yīng)用前景。圖1為空間太陽(yáng)能CBC發(fā)電系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)工作過(guò)程如下:旋轉(zhuǎn)拋物面型太陽(yáng)光反射器將太陽(yáng)光反射并聚焦。聚焦后的太陽(yáng)光進(jìn)入吸熱/蓄熱器腔體,一部分能量通過(guò)換熱管傳熱,直接加熱循環(huán)工質(zhì),其余熱量被蓄熱介質(zhì)儲(chǔ)存用于陰影期的工質(zhì)換熱需求。吸熱后的循環(huán)工質(zhì)在渦輪內(nèi)膨脹做功,推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電和壓縮機(jī)工作。膨脹做功后的循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過(guò)換熱器與由壓縮機(jī)出來(lái)的高壓工質(zhì)進(jìn)行換熱,釋放熱量,再經(jīng)過(guò)工質(zhì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)一步排熱降溫,進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮,經(jīng)過(guò)回?zé)崞黝A(yù)熱,再次進(jìn)入吸熱/蓄熱器,完成一個(gè)循環(huán)過(guò)程。工質(zhì)冷卻系統(tǒng)由工質(zhì)冷卻器、泵和輻射器組成,廢熱主要通過(guò)輻射器釋放到宇宙空間。空間SC發(fā)電系統(tǒng)原理圖如圖2所示,其工作原理和布雷頓循環(huán)大致相同,不同之處是在吸熱腔內(nèi)用多根鈉熱管代替了光管,每根熱管分為三段?？拷豢诘囊欢螢槲鼰岫?該段在熱管上沒(méi)有任何附加物。中部為儲(chǔ)熱段,在儲(chǔ)熱段的熱管上套以環(huán)型截面的PCM容器,最靠腔底的一段為熱源熱交換(HSHX)段。熱管插入通過(guò)工作流體的板翅式換熱器中。由于在吸熱段和儲(chǔ)熱段中間有隔板,在日照期只有吸熱段能接受到太陽(yáng)輻射熱流。此時(shí)吸熱段成為熱管的蒸發(fā)段,而儲(chǔ)熱段和HSHX段成為冷凝段,提供熱量熔解PCM和加熱流體。在陰影期,吸熱段除有少量通過(guò)腔口的輻射熱損失外,基本處于絕熱狀態(tài),儲(chǔ)熱段則由冷凝段轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)段,HSHX段仍為冷凝段,此時(shí)PCM凝結(jié)放熱仍有熱量提供給HSHX。熱管吸熱器避免了太陽(yáng)直接向PCM容器壁照射提供熱量,而通過(guò)熱管來(lái)提供熱量,消除了由于熱流密度不均勻而出現(xiàn)的局部熱流密度過(guò)高,并且使PCM容器面為等壁溫。這樣就緩解了“熱斑”和“熱松脫”現(xiàn)象的出現(xiàn)。斯特林循環(huán)的熱效率是三種循環(huán)中最高的。與CBC裝置相比,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,相同發(fā)電功率下自由活塞式SC型發(fā)電系統(tǒng)的質(zhì)量和面積更小,具有自起動(dòng)能力。工質(zhì)可選用氫氣或氦氣,因?yàn)闅錃庖妆?其不可控的擴(kuò)散導(dǎo)致連續(xù)的工質(zhì)損失,且會(huì)引起金屬脆化,降低發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命,故多選用氦氣。這樣工作過(guò)程中工質(zhì)無(wú)相變,對(duì)機(jī)器部件無(wú)腐蝕。SC系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小、磨損小,因而使用壽命長(zhǎng);缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,密封要求嚴(yán)格,制造工藝水平要求相當(dāng)高,因而早期研究進(jìn)展緩慢。20世紀(jì)60年代以來(lái)各國(guó)竟相發(fā)展斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù),到目前為止已取得很大進(jìn)展。NASA的先進(jìn)太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電計(jì)劃(ASD)重點(diǎn)要研究發(fā)展斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。3能源熱能源發(fā)電系統(tǒng)的研究與開發(fā)3.1空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)空間試驗(yàn)研究空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)是20世紀(jì)中期提出的一種空間電力供應(yīng)技術(shù),美國(guó)從20世紀(jì)60年代就開始了大量相關(guān)技術(shù)的研究。圖3是自由號(hào)空間站上太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和安裝位置示意圖。典型的太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)由四大部件組成:太陽(yáng)能聚能器,吸熱/蓄熱器,能量轉(zhuǎn)化部件,輻射器。20世紀(jì)80年代開始,自由號(hào)空間站(SSF-SpaceStationFreedom)的研究很大地推動(dòng)了空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,使得這一技術(shù)即將達(dá)到實(shí)用的目標(biāo)。德國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)也都開展了大量的相關(guān)研究。自由號(hào)空間站最初的設(shè)計(jì)中,電源系統(tǒng)的總功率為300kW。最初的25kW或75kW為光伏太陽(yáng)能電池系統(tǒng),其余的275kW或225kW由空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)模塊構(gòu)成,其中每個(gè)熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)模塊為25kW或37.5kW。采用光伏系統(tǒng)和熱動(dòng)力系統(tǒng)組合方案的主要原因是太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)不能自啟動(dòng)。在空間站的初始階段,必須利用光伏供電系統(tǒng)保證空間站的運(yùn)行,并啟動(dòng)太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。自由號(hào)空間站在經(jīng)過(guò)多次重大的結(jié)構(gòu)改變和政策調(diào)整,最終轉(zhuǎn)化為現(xiàn)在的國(guó)際空間站?？臻g站的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)也進(jìn)行了很大改變,系統(tǒng)功率減小到110kW,并且基本采用光伏硅太陽(yáng)能電池板與鎳-氫蓄電池的組合方式。自由號(hào)空間站電源系統(tǒng)的研究很大地促進(jìn)了空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究。其主要研究成果是1994年底在NASA的Lewis研究中心成功地建立了世界上第一套太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)地面樣機(jī),1995年2月17日,空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)2kW地面樣機(jī)在美國(guó)NASALewis研究中心成功實(shí)現(xiàn)了2kW電力輸出,在經(jīng)過(guò)近千小時(shí)的啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)試驗(yàn)后,系統(tǒng)效率和可靠性均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,標(biāo)志著這一對(duì)未來(lái)空間探索有重要意義的技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。經(jīng)過(guò)近千小時(shí)成功的地面試驗(yàn)后,2kW空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)研究的下一目標(biāo)是進(jìn)行空間運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),以測(cè)試系統(tǒng)空間應(yīng)用的可靠性,并解決運(yùn)輸、發(fā)射、空間安裝、操作等可能存在的問(wèn)題。美俄1994年開始進(jìn)行空間合作計(jì)劃后,曾計(jì)劃于1997年在和平號(hào)空間站進(jìn)行2kW空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)空間試驗(yàn)。試驗(yàn)計(jì)劃由美俄合作完成,其中美國(guó)提供吸熱/蓄熱器和電力轉(zhuǎn)化部件,俄羅斯提供太陽(yáng)光反射器和輻射器。如果試驗(yàn)結(jié)果比較滿意,將用于國(guó)際空間站的部分供電需求。由于飛行計(jì)劃的改變,試驗(yàn)被推遲到2002年在國(guó)際空間站進(jìn)行,并可能用于國(guó)際空間站的部分電力供應(yīng)。3.2婦女技術(shù)的發(fā)展太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由以下部件組成:太陽(yáng)能聚能器,吸熱蓄熱器,能量轉(zhuǎn)換裝置和輻射散熱器。(1)sd裝置的設(shè)計(jì)空間太陽(yáng)能聚能器采用點(diǎn)聚焦旋轉(zhuǎn)拋物面盤式反射鏡,要滿足高聚焦比、高效率和質(zhì)輕的要求。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和能源部自1974至1984年研制了28個(gè)不同尺寸的反射鏡,其光學(xué)精度要求與空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力電源相當(dāng)。20世紀(jì)80年代美國(guó)洛克威爾公司火箭動(dòng)力分部建立了一個(gè)太陽(yáng)能集熱試驗(yàn)裝置,在該裝置上進(jìn)行LiOH的蓄熱試驗(yàn)。拋物鏡當(dāng)量直徑為11.3m,由328塊矩形曲面鏡組成。SSF25kW電源的聚能器是偏置式結(jié)構(gòu),可以減小其他部件對(duì)陽(yáng)光的遮擋,并且SD裝置的質(zhì)心可以安排靠近空間站的桁架結(jié)構(gòu),從而節(jié)約質(zhì)量,降低引起動(dòng)力或控制問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。聚能器由19塊六角形盤片組成,每塊盤片內(nèi)有24塊三角形反射鏡面。2kW地面演示計(jì)劃的聚能器由7塊小六角形盤片組成,每塊盤片內(nèi)有6塊三角形反射鏡面。(2)太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)地面試驗(yàn)的現(xiàn)狀吸熱蓄熱器是空間站太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)(SDPSS)中一個(gè)關(guān)鍵的研制項(xiàng)目,也是國(guó)際上自20世紀(jì)60年代開始的SDPSS中投入力量最多的一個(gè)部件。這是由于CBC和SC動(dòng)力裝置各部件中,只有吸熱器(HR)既沒(méi)有同類的地面設(shè)備可以移值,也沒(méi)有已經(jīng)用于空間的類似部件可以借鑒;另外HR的質(zhì)量通常占整個(gè)SDPSS的1/3以上,降低它的質(zhì)量對(duì)減少SDPSS的質(zhì)量有重大意義;同時(shí)在微重力條件下相變材料(PCM)容器內(nèi)的物理過(guò)程在理論上相當(dāng)復(fù)雜,地面試驗(yàn)也比較困難,研制難度較大。對(duì)HR的研制,不僅在技術(shù)上有許多難題尚未解決,而且基礎(chǔ)比較薄弱,尤其是高溫相變儲(chǔ)熱研究幾乎還是空白,故進(jìn)行這方面的研究很有必要,對(duì)未來(lái)空間高效電源的發(fā)展有重要的影響。吸熱蓄熱器集吸熱和蓄熱功能于一身,通常簡(jiǎn)稱作吸熱器。吸熱器吸收聚能器反射過(guò)來(lái)的太陽(yáng)能,除加熱循環(huán)工質(zhì)外,多余的熱量由蓄熱材料儲(chǔ)存起來(lái),一般利用材料的固液相變儲(chǔ)存熱量,故蓄熱材料又稱相變材料。相變材料應(yīng)具有與循環(huán)最高溫度相近的熔點(diǎn),大的相變潛熱,高密度、高導(dǎo)熱系數(shù),能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,而且和容器材料的相容性較好。當(dāng)前研究得最多的是氟鹽,如LiF、CaF2等,因?yàn)槠淙埸c(diǎn)與循環(huán)最高溫度比較接近。缺點(diǎn)是發(fā)生固液相變時(shí)體積收縮很大,熱導(dǎo)率較低。金屬材料因具有很高的熔化熱,且容易找到熔點(diǎn)和循環(huán)最高溫度相近的材料,相變時(shí)體積變化不大,又有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能,若能找到合適的容器材料,將是強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。20世紀(jì)60年代開始的吸熱/蓄熱器腔體的設(shè)計(jì)提出三種形狀的設(shè)計(jì)方案,球形、錐形和柱形。球形和錐形腔體的設(shè)計(jì)主要是考慮吸熱腔形狀與入射太陽(yáng)光強(qiáng)度分布相適應(yīng),達(dá)到最好的傳熱效果和較小的熱應(yīng)力。圓柱腔型吸熱/蓄熱器是20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)的主要思想,結(jié)構(gòu)復(fù)雜性大大降低。圖4是Allied-Signal公司為自由號(hào)空間站設(shè)計(jì)的25kW吸熱/蓄熱器結(jié)構(gòu)圖及蓄熱容器的結(jié)構(gòu)示意圖?？梢钥闯鲞@種結(jié)構(gòu)相對(duì)前面的幾種方案,簡(jiǎn)單了許多。腔體的長(zhǎng)度和直徑是根據(jù)入射熱流和空間發(fā)射體積要求所確定的。它采用了多根換熱管平行分布在吸熱腔內(nèi)壁,換熱管的兩端通過(guò)入口、出口環(huán)形導(dǎo)管連接在一起,再連接到入口、出口總管。換熱管由蓄熱單元套裝在工質(zhì)導(dǎo)管外構(gòu)成。蓄熱單元為一個(gè)個(gè)分離的環(huán)形容器,內(nèi)部充裝PCM。PCM封裝在分離的小容器內(nèi)這一設(shè)計(jì)方案被認(rèn)為是吸熱/蓄熱器設(shè)計(jì)中非常重要的思想,既保證了通過(guò)容器側(cè)壁強(qiáng)化換熱也防止了單個(gè)容器的失效對(duì)整個(gè)吸熱/蓄熱器性能的影響。這種設(shè)計(jì)方案也是NASA2kW空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)地面試驗(yàn)采用的形式,是目前比較合理、制造較簡(jiǎn)單、性能和可靠性都可以保證的設(shè)計(jì)方案。特別是經(jīng)過(guò)了太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)地面試驗(yàn)整體運(yùn)行,實(shí)際驗(yàn)證了其可行性和可靠性,這一方案也成為先進(jìn)吸熱/蓄熱器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)方面,北京航空航天大學(xué)在“863計(jì)劃”的資助下,參考國(guó)際最新研究進(jìn)展,進(jìn)行了“吸熱/蓄熱器關(guān)鍵技術(shù)研究”:建立了微重力下PCM容器內(nèi)相變傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,對(duì)PCM的三維相變傳熱過(guò)程進(jìn)行了研究,編寫了熱分析計(jì)算軟件;在模擬太陽(yáng)熱流的情況下,用空氣作循環(huán)工質(zhì),在地面環(huán)境模擬真空環(huán)境下完成了吸熱/蓄熱器單元換熱管的蓄、放熱實(shí)驗(yàn);完成了2kW吸熱/蓄熱器熱設(shè)計(jì),研制出了可用于吸熱/蓄熱器樣機(jī)的單根換熱管樣件;驗(yàn)證了換熱管樣件的熱性能,并對(duì)2kW整機(jī)吸熱器各部件的材料和制造工藝進(jìn)行了初步研究,為樣機(jī)的研制打下了基礎(chǔ)。(3)發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試能量轉(zhuǎn)換裝置包括熱機(jī)和發(fā)電機(jī),熱機(jī)工質(zhì)推動(dòng)熱機(jī)做功,帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。NASA劉易斯研究中心和Garrett公司從20世紀(jì)60年代到70年代曾研制過(guò)3kW、10kW和2.5kW三種CBC型能量轉(zhuǎn)換裝置。3kW樣機(jī)作為原理樣機(jī),驗(yàn)證了CBC型發(fā)電系統(tǒng)的可行性。10kW樣機(jī)用分子量為83.8的氦氙混合氣體為循環(huán)工質(zhì),累計(jì)運(yùn)行了4萬(wàn)多小時(shí),試驗(yàn)表明該機(jī)具有良好的變工況性能。SSF電源系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換裝置與10kW樣機(jī)類似,循環(huán)工質(zhì)的分子量為40,整個(gè)裝置更緊湊。1991年美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室完成了25kW自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。NASA劉易斯研究中心為滿足今后空間任務(wù)的要求,正集中力量研究SC型SD發(fā)電裝置。隨著近些年技術(shù)的不斷進(jìn)步,日本,德國(guó)等國(guó)已經(jīng)制造出用于空間站太陽(yáng)能熱動(dòng)力系統(tǒng)的小型斯特林裝置樣機(jī)并進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)。NASA2kW實(shí)驗(yàn)時(shí)的電力轉(zhuǎn)化系統(tǒng)采用微型布雷頓旋轉(zhuǎn)單元(MBRU-MiniBraytonRotatingUnit),將從吸熱/蓄熱器吸收的熱量轉(zhuǎn)換為電能。轉(zhuǎn)化單元由渦輪-發(fā)電機(jī)-壓縮機(jī)(TAC-Turbine,Alternator,Compressor)組成。壓縮機(jī)為單級(jí)徑流壓縮機(jī),發(fā)電機(jī)為單軸4極電機(jī)。電機(jī)軸由2個(gè)滑動(dòng)軸承和一個(gè)推力軸承支撐。軸承腔利用壓縮機(jī)抽氣冷卻。轉(zhuǎn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為52000r/min,試驗(yàn)中達(dá)到58000r/min。中國(guó)對(duì)大型渦輪機(jī)械有很強(qiáng)的研究開發(fā)實(shí)力和豐富的技術(shù)積累,但小型的渦輪機(jī)械的水平還不夠,還需要研制與太陽(yáng)能熱動(dòng)力系統(tǒng)配套的小型高速電機(jī)。(4)輻射器件系統(tǒng)輻射散熱器作為航天器溫控系統(tǒng)的主要部件,具有較豐富的使用經(jīng)驗(yàn),技術(shù)也比較成熟。泵液回路式輻射散熱器在阿波羅飛船、天空實(shí)驗(yàn)室和航天飛機(jī)上都有應(yīng)用。SSF電源系統(tǒng)也采用泵液回路式輻射散熱器,由8塊8.7m×2.5m的輻射板和柔性液體輸送管組成,輻射板為鋁面板和鋁蜂窩組成的多層板,表面噴涂高發(fā)射率、低吸收率的Z-93白色涂層。除泵液回路式以外,還有熱管式散熱器。熱管式散熱器散熱效率高、面積小、可靠性高,是今后輻射散熱器的發(fā)展方向。4其它對(duì)能器設(shè)備的運(yùn)行控制和運(yùn)行條件空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究是一個(gè)投入較大的項(xiàng)目。它所包括的四大部件在材料、設(shè)計(jì)、工藝方面都比較復(fù)雜,特別是太陽(yáng)能聚能器、吸熱/蓄熱器及電力轉(zhuǎn)化部件中的高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件。其它主要研究?jī)?nèi)容還包括系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的軟硬件控制、太陽(yáng)能聚能器的空間展開、定向裝置、系統(tǒng)的封裝和運(yùn)輸裝置以及進(jìn)行地面試驗(yàn)的配套裝置。通過(guò)以上分析,為了加快中國(guó)太陽(yáng)能熱動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展,根據(jù)中國(guó)國(guó)情筆者建議應(yīng)主要從以下幾方面開展研究。(1)研究目標(biāo)確定空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的近期、遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo):確定研究周期和階段成果;初步確定試驗(yàn)樣機(jī)的功率,進(jìn)行整體論證,確定關(guān)鍵技術(shù)研究。(2)主要部件和熱性能的研究集中力量研究關(guān)鍵技術(shù),確定研究難點(diǎn),進(jìn)行相關(guān)研究;研制出符合工作性能和可靠性要求的樣件,進(jìn)行相關(guān)的地面和空間試驗(yàn)。1)對(duì)聚能器重點(diǎn)要研究可成倍降低其質(zhì)量的充氣式聚能器和可提高聚能效率的折射型二次聚能器。2)對(duì)吸熱器應(yīng)根據(jù)空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求及設(shè)計(jì)工作條件,給出吸熱/蓄熱器的整體幾何參數(shù)優(yōu)化結(jié)果;確定吸熱/蓄熱器整體設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),確定吸熱/蓄熱器其它主要部件的設(shè)計(jì)工作,集中力量研究主要部件的設(shè)計(jì)、材料、加工工藝;主要部件包括殼體、多層高溫隔熱層、入射擋板、出入口環(huán)形分布總管、底板等;各部件的熱應(yīng)力分析、可靠性及其它部件的設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)的探索,為地面樣機(jī)的研制打下良好的鋪墊。進(jìn)一步改進(jìn)蓄熱器傳熱性能數(shù)值模型,研究吸熱腔內(nèi)太陽(yáng)反射器入射熱流的分布及其它部件對(duì)入射熱流的遮擋影響;建立吸熱腔壁面及各容器表面間的三維輻射反射模型,獲得準(zhǔn)確熱流邊界條件;建立通過(guò)吸熱/蓄熱器壁面散熱的數(shù)學(xué)模型,獲得較準(zhǔn)確的壁面熱損失;建立入射擋板的傳熱模型,并且分析入射擋板對(duì)太陽(yáng)光反射器表面的溫度影響;研究入