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就聯合進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的概念設計;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,許多學者提出了各種設想,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提供動力的空間大型電站等相繼出現?？臻g太陽能發(fā)電有兩種形式:光伏發(fā)電和閉式熱機發(fā)電。目前看來,因光伏發(fā)電技術較成熟,似乎更有可能實現,但就長遠而言熱機發(fā)電與其相比效率高、壽命長、軌道能耗小,發(fā)射及運行成本低,便適合空間大規(guī)模發(fā)電。熱機發(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)動機對熱源要求低—使得它適于用太陽能發(fā)電;密封簡單、壽命極長—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。1發(fā)電機,和輻射換熱器空間太陽能熱發(fā)電系統由3部分組成:發(fā)電裝置、微波轉換發(fā)射裝置、微波接收轉換裝置。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,采用自由活塞式斯特林發(fā)動機發(fā)電,運行于地球低軌道LEO上。它包括:聚光器、吸熱器、發(fā)動機/發(fā)電機,和輻射換熱器,系統示意圖如圖1所示。拋物面型聚光器把陽光匯聚到位于焦點處的空腔圓盤型吸熱器中,腔壁對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氣體,工質在這里吸熱膨脹、再回到位于吸熱器外底部的自由活塞式斯特林發(fā)動機(在空腔吸熱器外底部裝有100臺自由活塞式斯特林發(fā)動機)的膨脹腔中,推動活塞往復作功,經直線電機轉變成電能輸出,微波發(fā)射器再把電能轉換成微波向用戶發(fā)射。在宇宙空間中熱量只能以輻射方式散出,為增強散熱效果,采用Na-K合金液態(tài)金屬冷卻工質。Na-K合金吸收工質熱量后流經扇形輻射換熱器散熱,工質經冷卻器與Na-K合金進行熱量交換,冷卻后流回發(fā)動機壓縮腔壓縮,從而完成一個循環(huán)。發(fā)電裝置有關參數列于表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)動機與直線電機相匹配,設計功率是750kW/缸,示意圖如圖2所示。發(fā)動機的設計是在如下假設下進行的:循環(huán)按等溫過程進行,工質為理想氣體。根據牛頓第二定律,將IsraelUrieli等提出的自由活塞式斯特林發(fā)動機分析方法和線性化方法用于推導4個活塞的運動方程組,經化簡后得到:??????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個活塞是對稱的,故上述方程中矩陣[S]和[D]的主對角線和副對角線上的值都相等,即S11=S22=S33=S44,S12=S23=S34=S41,S21=S32=S43=S14,D11=D22=D33=D44,D12=D23=D34=D41。假設活塞為簡諧運動,則其解為:xi=Xiexp[j(ωt+φi)](2)將解代入方程(1),即可求出系統穩(wěn)定運行頻率。兩活塞間的壓力p可根據理想狀態(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,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是壓力滯后于負容積矢量的相位角。根據表1所示發(fā)電裝置中自由活塞式斯特林發(fā)動機的設計參數及計算結果列在表2中。3缸雙作用型斯特林發(fā)動機本文對自由活塞式斯特林發(fā)動機發(fā)電裝置作如下討論:1)發(fā)電裝置的概念設計是空間太陽能熱發(fā)電系統概念設計的一部分,本文只給出了一個設計框架,著重對自由活塞式斯特林發(fā)動機作了初步設計計算,其間做了很多簡化,例如:等溫循環(huán)、理想氣體、簡諧振動等,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)動機中,四缸雙作用形式結構緊湊、運動部件少、比功率高,這樣可以減輕裝置重量,降低發(fā)射成本,延長使用壽命,適合于在太空中應用。3)四缸雙作用型自由活塞式斯特林發(fā)動機有它的缺點:活塞間的相位角不容易穩(wěn)