空間太陽能發(fā)電概念及概念模型

空間太陽能發(fā)電概念及概念模型

0太陽能發(fā)電系統(tǒng)1968年，美國工程師perser提出了空間能量發(fā)電的概念。這是在地球外層空間中建立太陽能發(fā)電基地的想法。通過微波將能量消耗回到地球，并將微波轉(zhuǎn)換為能量消耗，以便人們能夠使用能源。這一概念提出后,立刻引起了眾多專家學(xué)者的濃厚興趣,還受到各國政府的高度重視。70年代末、80年代初美國航空航天局NASA和美國能源部DOE就聯(lián)合進(jìn)行了參考系模型研究;日本在1993年完成了太陽發(fā)電衛(wèi)星SPS2000的概念設(shè)計(jì);德國擬訂了全球太陽能方案GSEK;俄羅斯、加拿大、法國等國也作了許多有關(guān)研究。目前,空間太陽能發(fā)電不僅局限于發(fā)電衛(wèi)星,許多學(xué)者提出了各種設(shè)想,在月球上建立月球發(fā)電基地LSP(LunarSolarPower)、太陽塔型光伏電站以及建立為空間活動(dòng)提供動(dòng)力的空間大型電站等相繼出現(xiàn)?？臻g太陽能發(fā)電有兩種形式:光伏發(fā)電和閉式熱機(jī)發(fā)電。目前看來,因光伏發(fā)電技術(shù)較成熟,似乎更有可能實(shí)現(xiàn),但就長(zhǎng)遠(yuǎn)而言熱機(jī)發(fā)電與其相比效率高、壽命長(zhǎng)、軌道能耗小,發(fā)射及運(yùn)行成本低,便適合空間大規(guī)模發(fā)電。熱機(jī)發(fā)電有3種循環(huán):Rankine循環(huán)、Brayton循環(huán)、Stirling循環(huán),其中Stirling循環(huán)與卡諾循環(huán)一樣在理論上具有最高的熱效率,尤其是自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)熱源要求低—使得它適于用太陽能發(fā)電;密封簡(jiǎn)單、壽命極長(zhǎng)—適于在宇宙空間工作,因此它將可能是最理想的空間發(fā)電系統(tǒng)。1發(fā)電機(jī),和輻射換熱器空間太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由3部分組成:發(fā)電裝置、微波轉(zhuǎn)換發(fā)射裝置、微波接收轉(zhuǎn)換裝置。本文提出的空間太陽能熱發(fā)電裝置概念模型是單聚光系統(tǒng),采用自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電,運(yùn)行于地球低軌道LEO上。它包括:聚光器、吸熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī),和輻射換熱器,系統(tǒng)示意圖如圖1所示。拋物面型聚光器把陽光匯聚到位于焦點(diǎn)處的空腔圓盤型吸熱器中,腔壁對(duì)提高聚光比幾乎不起任何作用,只是為防止隕石、空間粒子刺穿位于底部的熱管。熱管中充滿高壓工質(zhì)氣體,工質(zhì)在這里吸熱膨脹、再回到位于吸熱器外底部的自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(在空腔吸熱器外底部裝有100臺(tái)自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī))的膨脹腔中,推動(dòng)活塞往復(fù)作功,經(jīng)直線電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能輸出,微波發(fā)射器再把電能轉(zhuǎn)換成微波向用戶發(fā)射。在宇宙空間中熱量只能以輻射方式散出,為增強(qiáng)散熱效果,采用Na-K合金液態(tài)金屬冷卻工質(zhì)。Na-K合金吸收工質(zhì)熱量后流經(jīng)扇形輻射換熱器散熱,工質(zhì)經(jīng)冷卻器與Na-K合金進(jìn)行熱量交換,冷卻后流回發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮腔壓縮,從而完成一個(gè)循環(huán)。發(fā)電裝置有關(guān)參數(shù)列于表1。2壓力和循環(huán)功率該裝置采用四缸雙作用自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與直線電機(jī)相匹配,設(shè)計(jì)功率是750kW/缸,示意圖如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)是在如下假設(shè)下進(jìn)行的:循環(huán)按等溫過程進(jìn)行,工質(zhì)為理想氣體。根據(jù)牛頓第二定律,將IsraelUrieli等提出的自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)分析方法和線性化方法用于推導(dǎo)4個(gè)活塞的運(yùn)動(dòng)方程組,經(jīng)化簡(jiǎn)后得到:??????x¨1x¨2x¨3x¨4??????=??????S11S210S41S12S22S3200S23S33S43S140S34S44?????????????x1x2x3x4??????+??????D1100D41D12D22000D23D33000D34D44?????????????x˙1x˙2x˙3x˙4??????(1)[x¨1x¨2x¨3x¨4]=[S11S120S14S21S22S2300S32S33S34S410S43S44]?[x1x2x3x4]+[D11D12000D22D23000D33D34D4100D44]?[x˙1x˙2x˙3x˙4](1)其中S11=?PmeanMp[A2pThSs+(AD?AR)2AkSs+v(Ap?AZ)2VD+vABARVB]S12=PmeanMP?AP(AD?AR)TkSSS14=PmeanMP?AP(AD?AR)ThSSD11=?A2PMPΔp?1MP(CHB+CHD+Cpc)D12=?1MPAP(AD?AR)ΔpSS=CC(AD?AR)Tk+VkTk+Vrln(Th/Tk)Th?Tk+VhTh+EEAPThS11=-ΡmeanΜp[Ap2ΤhSs+(AD-AR)2AkSs+v(Ap-AΖ)2VD+vABARVB]S12=ΡmeanΜΡ?AΡ(AD-AR)ΤkSSS14=ΡmeanΜΡ?AΡ(AD-AR)ΤhSSD11=-AΡ2ΜΡΔp-1ΜΡ(CΗB+CΗD+Cpc)D12=-1ΜΡAΡ(AD-AR)ΔpSS=CC(AD-AR)Τk+VkΤk+Vrln(Τh/Τk)Τh-Τk+VhΤh+EEAΡΤh因4個(gè)活塞是對(duì)稱的,故上述方程中矩陣[S]和[D]的主對(duì)角線和副對(duì)角線上的值都相等,即S11=S22=S33=S44,S12=S23=S34=S41,S21=S32=S43=S14,D11=D22=D33=D44,D12=D23=D34=D41。假設(shè)活塞為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),則其解為:xi=Xiexp[j(ωt+φi)](2)將解代入方程(1),即可求出系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行頻率。兩活塞間的壓力p可根據(jù)理想狀態(tài)方程寫出,再做線性化處理。壓力p和容積V都是位移的函數(shù),故可求出。求得的壓力和位移矢量如圖3所示。又由Pcal=?ω2pVsinφ(3)Ρcal=-ω2pVsinφ(3)可求出循環(huán)功率。其中φ是壓力滯后于負(fù)容積矢量的相位角。根據(jù)表1所示發(fā)電裝置中自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果列在表2中。3缸雙作用型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)本文對(duì)自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電裝置作如下討論:1)發(fā)電裝置的概念設(shè)計(jì)是空間太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的一部分,本文只給出了一個(gè)設(shè)計(jì)框架,著重對(duì)自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作了初步設(shè)計(jì)計(jì)算,其間做了很多簡(jiǎn)化,例如:等溫循環(huán)、理想氣體、簡(jiǎn)諧振動(dòng)等,都是按理想情況定的,還有許多地方需要完善。2)在自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中,四缸雙作用形式結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)部件少、比功率高,這樣可以減輕裝置重量,降低發(fā)射成本,延長(zhǎng)使用壽命,適合于在太空中應(yīng)用。3)四缸雙作用型自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有它的缺點(diǎn):活塞間的相位角不容易穩(wěn)