空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)

空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)

1太陽能/蓄熱器1995年2月17日，世界上第一個大型空間太陽能熱能源發(fā)電系統(tǒng)kw成功實施，這表明該重要的空間能源技術處于一個新階段。與太陽能光伏系統(tǒng)(PV)相比,太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)主要優(yōu)點是效率高、比質量小、面積小、壽命長。對于低地軌道運行、電能需求大的航天器,可以大幅降低運行成本。吸熱/蓄熱器是空間太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)四大關鍵部件之一。其主要功能是吸收太陽能反射器反射的太陽能,將其傳遞給循環(huán)工質驅動熱機發(fā)電。為了保證熱動力系統(tǒng)的陰影期連續(xù)正常運行,采用高溫相變材料(PCM)儲存部分能量用于陰影期工質的需求。2吸熱器的熱分析圖1表示了一個圓柱腔形吸熱器。循環(huán)工質導管上套裝著多個分離的PCM容器,高溫相變材料封裝在容器內。目前對于吸熱器的熱分析較多的集中在容器的傳熱分析上。吸熱器整體分析方面,文獻介紹了吸熱器計算程序SOLREC-TSD各計算模塊,并沒有給出計算的詳細模型。文獻計算了換熱管傳熱。本文考慮了吸熱腔輻射模型和換熱管傳熱模型,對吸熱器的能量傳遞進行了分析,并且得到了軌道周期內換熱管最大溫度、工質出口溫度、PCM熔化率等主要參數(shù)的變化。3吸熱器的傳熱模型3.1換熱管吸收能量根據(jù)能量平衡,入射能量等于吸熱腔吸收熱量加入射窗輻射損失和殼體損失,即:˙Qin=˙Qcav+˙Qap+˙Qshell(1)Q˙in=Q˙cav+Q˙ap+Q˙shell(1)吸熱腔吸收能量包括傳遞給工質的能量和換熱管吸收的能量:˙Qcav=˙Qgas+˙Qabs(2)Q˙cav=Q˙gas+Q˙abs(2)換熱管吸收能量包括顯熱儲熱和PCM潛熱儲熱:˙Qabs=˙Qsen+˙Qlat(3)Q˙abs=Q˙sen+Q˙lat(3)入射窗輻射損失為:˙Qap=σ∑AiεiFi-ap(Τ4i-Τ4ap)(4)Q˙ap=σ∑AiεiFi?ap(T4i?T4ap)(4)式中:Ai為各內腔單元面積;σ為輻射常數(shù);F為角系數(shù),εi為各內腔單元輻射率。殼體損失為:˙Qshell=Cs˙Qap(5)Q˙shell=CsQ˙ap(5)式中:Cs為殼體損失與入射窗損失之比。根據(jù)試驗得到。3.2表面有效輻射模型假設吸熱腔各換熱管熱流相同,吸熱腔簡化為圖2所示的輻射計算模型,換熱管由24個容器組成。這樣吸熱腔劃分為27個輻射表面。底板、入射窗擋板、入射窗分別為一個表面,24個容器環(huán)對應24個表面。圖2所示輻射模型中入射窗看作為黑體,其余部分可看作為漫射灰體。根據(jù)漫射灰體表面的輻射理論,漫射灰體表面有效輻射計算方程為:Jk=εkσΤ4k+(1-εk)Ν∑j=1JjFk-j(6)Jk=εkσT4k+(1?εk)∑j=1NJjFk?j(6)式中:ε為表面黑度。方程組(4)可以通過Gauss消元法求解。各角系數(shù)的計算參考文獻。解得各表面有效輻射后,可以通過下式求解各表面的凈輻射熱流。qk={εk1-εk(σΤ4k-Jk)ε≠1σΤ4k-Ν∑j=1JjFk-jε=1(7)qk=?????????εk1?εk(σT4k?Jk)ε≠1σT4k?∑j=1NJjFk?jε=1(7)3.3溫度和質標準對于圖1中的換熱管,可以簡化為圖3所示的計算模型。為了保證工質的流速需要,換熱管采用了中央封堵的結構,工質在環(huán)形工質通道中流動。PCM單元套裝在換熱管外,單元之間采用絕熱墊片,減小容器間的相互影響,提高系統(tǒng)的可靠性。換熱管的傳熱計算采用了焓法模型。三維柱坐標下,焓法形式的能量方程為:?(ρh)?t=k(?2Τ?r2+1r?Τ?r+1r2?2Τ?θ2+?2Τ?z2)(8)?(ρh)?t=k(?2T?r2+1r?T?r+1r2?2T?θ2+?2T?z2)(8)溫度和焓通過下面的方程耦合:Τ={Τm+hcsh＜0固相ΡCΜΤm0≤h≤ΔΗm糊相ΡCΜΤm+h-ΔΗmclh＞ΔΗm液相ΡCΜhcw容器及?質壁(9)T=???????????????Tm+hcsh＜0固相PCMTm0≤h≤ΔHm糊相PCMTm+h?ΔHmclh＞ΔHm液相PCMhcw容器及?質壁(9)式中:h為比焓;ΔHm為相變潛熱;ρ為密度;c為比熱容;下標m,l,s和w分別表示熔化點、液相、固相和容器壁。換熱管傳熱采用有限差分法計算。換熱管劃分為12×10×24(θ,r,z)個網(wǎng)格(如圖3所示)。計算忽略了固液相變的密度差,不考慮空穴的影響。PCM區(qū)忽略容器側壁的熱容,導熱系數(shù)采用PCM和容器側壁的復合導熱系數(shù)。3.4吸熱器參數(shù)設置PCM采用80.5LiF-19.5CaF2,熔點1040K。容器和工質導管材料采用鈷基合金Haynes188,氣體工質采用摩爾質量83.8的He-Xe混合氣體。材料的物性參數(shù)和吸熱器幾何尺寸參見文獻。其它計算條件如下:空間熱沉溫度取200K。入射能量為15.1kW。日照周期66min,陰影期27min。工質入口溫度為838K。工質流量為6.7g/s。內壁換熱系數(shù)為400W/m2·K。系統(tǒng)初始溫度為800K。計算采用顯式求解,時間步長取0.025s。每個時間步,腔體輻射計算與換熱管計算互為邊界條件進行求解。4不同容器的熱分析本文從初始條件計算了10個軌道周期。下面各圖對應4,5,6,7軌道周期的計算結果。圖4為吸熱腔的能量平衡。輸入能量˙QQ˙in分為三部分:腔體損失˙QQ˙loss、工質吸收˙QQ˙gas、換熱管吸收˙QQ˙abs。吸熱腔的能量損失在2～2.5kW之間變化,平均為2.25kW,約為入射能量的15%。其中日照期的能量損失明顯高于陰影期損失。這是由于日照期容器表面的溫度高,所以熱損失也比較大。根據(jù)計算可以看出工質吸收能量在陰影期也可以維持7.85kW,充分表現(xiàn)了相變材料的蓄熱性能。在日照期末則可以達到10kW,是因為換熱管的溫度已經(jīng)超過了PCM熔化溫度。換熱管吸收能量在日照期為正,陰影期為負,向工質放熱。圖5表示了換熱管的能量平衡。其中˙QQ˙total是圖4計算得到的吸熱腔損失、工質吸熱以及換熱管儲熱之和,結果與圖4所示的輸入能量十分接近。換熱管的儲熱分為兩部分:顯熱儲熱˙QQ˙sen和潛熱儲熱˙QQ˙lat?？梢钥闯鲈谌照掌鞯那鞍攵?潛熱儲熱占主要部分,之后潛熱儲熱逐漸減小,顯熱儲熱增加,說明部分PCM溫度開始超過熔化溫度,進入顯熱蓄熱。在陰影期開始,顯熱能量減小很快,換熱管溫度迅速降到接近PCM熔化溫度。而潛熱能量逐漸成為主要的熱源,一直到陰影期末。通過換熱管的能量平衡分析可以看出潛熱儲熱起到了較好的作用,但是仍有較大部分的顯熱變化,會造成工質出口溫度的較大變化。圖6為換熱管的最大溫度和工質出口溫度變化。換熱管最大溫度變化范圍在1040～1130K之間,變化幅度為90K,對于換熱管的應力會有不良的影響。工質出口溫度為1040～1105K,在陰影期基本可以達到PCM的熔化溫度1040K,充分顯示了PCM的蓄熱效果。但是在日照期有較大的波動,不利于系統(tǒng)工作。圖7為換熱管PCM的熔化率變化。計算得到的熔化率在0.24～0.68之間變化。說明對于整根換熱管不可能實現(xiàn)PCM的完全熔化和凝固。這一結果與文獻中對單個容器的熱分析結果不同。主要由于換熱管各容器對應的邊界條件不同,造成部分容器單元在日照期不完全熔化,而部分容器單元在陰影期不完全凝固。只有PCM熔化率的變化范圍才可以反應PCM的利用率。5pcm蓄熱效果分析本文建立了吸熱/蓄熱器腔的輻射模型,結合換熱管的傳熱模型,計算了吸熱腔的能量平衡和換熱管的能量平衡。得到了吸熱腔能量損失、工