空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬

空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬

太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀發(fā)電系統(tǒng)是空間站的重要組成部分。這是空間站生命維護(hù)、控制、管理和生產(chǎn)試驗(yàn)活動(dòng)不可或缺的物質(zhì)條件。sd熱動(dòng)態(tài)能源發(fā)電（sd）具有能量轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量和阻力小的特點(diǎn)。因此，對(duì)于具有高能耗和高能耗要求的空間站，不僅可以滿足能耗要求，而且可以顯著降低成本。在國(guó)外,太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)一直受到研究者的重視,并已經(jīng)在地面上有了實(shí)際應(yīng)用.在空間站運(yùn)用方面,美國(guó)20世紀(jì)80年代研制的自由號(hào)空間站就計(jì)劃采用太陽(yáng)能光伏和熱動(dòng)力相結(jié)合的電源系統(tǒng)方案.目前美、俄、日等國(guó)都在積極開展SD裝置的研究.國(guó)外在20世紀(jì)60年代至80年代末,曾有一些人對(duì)空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和優(yōu)化,但它們與我國(guó)的系統(tǒng)有很大差別.在國(guó)內(nèi),空間技術(shù)研究院501設(shè)計(jì)部、北京航空航天大學(xué)、工程熱物理所等單位對(duì)空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的各關(guān)鍵部件進(jìn)行了研究,積累了豐富的部件研制經(jīng)驗(yàn).在系統(tǒng)仿真優(yōu)化方面,清華大學(xué)和工程熱物理所分別以發(fā)射總質(zhì)量和循環(huán)周期投資為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)模擬和優(yōu)化研究,積累了一定的經(jīng)驗(yàn).空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬方面國(guó)內(nèi)還未見有深入研究.空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作過程是一動(dòng)態(tài)過程,系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律受太陽(yáng)光照期和陰影期交替變化的影響,在這種情況下,建立空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,了解其在空間站實(shí)際運(yùn)行過程中的瞬態(tài)性能是一件十分有意義的工作.基于此,本文擬對(duì)空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬、研究和分析.1系統(tǒng)的物理和數(shù)學(xué)模型1.1循環(huán)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)適合于空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力循環(huán)有3種類型可供選擇,即朗肯(Rankine)循環(huán)、閉式布雷敦(Brayton)循環(huán)和斯特林(Stirling)循環(huán).這3種循環(huán)方案中閉式布雷敦循環(huán)的熱效率比較高,而且有地面的小型燃?xì)廨啓C(jī)和飛機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,因此被普遍認(rèn)為是最有前途的一種循環(huán)方案.根據(jù)以上情況,本文也以閉式布雷敦循環(huán)太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)為例進(jìn)行研究,如圖1所示.該系統(tǒng)主要包括以下部件:聚能器、吸熱蓄熱器、能量轉(zhuǎn)換器(由同軸的渦輪、發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)組成)和輻射散熱器.在軌道日照期,太陽(yáng)輻射由聚能器集焦,通過吸熱/蓄熱器腔口進(jìn)入吸熱/蓄熱器,其中一部分熱量用于加熱循環(huán)工質(zhì),另一部分熱量則儲(chǔ)存于吸熱/蓄熱器中,然后高溫循環(huán)工質(zhì)在渦輪內(nèi)膨脹做功,把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?低壓循環(huán)工質(zhì)再通過回?zé)崞靼咽Ｓ酂崃康囊徊糠轴尫沤o來自壓氣機(jī)的高壓工質(zhì);再通過輻射散熱器進(jìn)一步把余熱排送到空間;冷卻后的工質(zhì)進(jìn)入壓氣機(jī)壓縮后經(jīng)過回?zé)崞黝A(yù)熱,進(jìn)入吸熱/蓄熱器完成一個(gè)實(shí)際循環(huán).在軌道陰影期,則由吸熱/蓄熱器中儲(chǔ)存的熱量來加熱循環(huán)工質(zhì).1.2數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建1.2.1聚能器模型由于聚能器不和循環(huán)工質(zhì)接觸,其數(shù)學(xué)模型主要是計(jì)算聚能器收集的熱量.聚能器的熱平衡方程為1.2.2充放電系統(tǒng)循環(huán)傳熱能力吸熱/蓄熱器是外形呈圓柱形的筒體,管內(nèi)沿圓周排列傳熱管,高溫相變蓄熱材料被封裝在一個(gè)個(gè)孤立的相變?nèi)萜鲀?nèi),相變?nèi)萜鞅缓冈趥鳠峁芡?相變?nèi)萜鲀?nèi)部的傳熱和能量方程為蓄熱材料與循環(huán)工質(zhì)的換熱可用下式計(jì)算式中KRCFRC代表蓄熱器內(nèi)蓄熱介質(zhì)與循環(huán)工質(zhì)間的換熱能力,其值可以表示為式中工質(zhì)傳熱管內(nèi)的傳熱和能量方程為1.2.3能量矩陣能量矩陣能量平衡方程為離心式壓縮機(jī)和徑向式渦輪的出口溫度分別為1.2.4回?zé)崞骰責(zé)崞魇且环N帶有擋板和空氣動(dòng)力學(xué)的反向激勵(lì)裝置，其傳熱和能量公式為1.2.5熱和能量平衡方程輻射散熱器采用熱管式輻射散熱器,熱管的傳熱和能量平衡方程為當(dāng)處于太陽(yáng)光照期間,Ts隨時(shí)間變化規(guī)律近似遵循如下方程處于陰影軌道期間,空間溫度變化規(guī)律由下面方程決定2結(jié)果和分析2.1《理想國(guó)》20周期內(nèi)系統(tǒng)發(fā)電功率的日變化空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果如圖2～圖4所示.從圖2可以看出,液態(tài)高溫相變蓄熱材料份額在日照期隨時(shí)間的增加而增加,在陰影期則隨時(shí)間的增加而降低.液態(tài)相變蓄熱材料份額在陰影期的最低值在前10個(gè)周期內(nèi)是逐步增加的,而后趨于一穩(wěn)定值.這是由于在開始的10個(gè)周期內(nèi),日照期內(nèi)相變蓄熱材料所儲(chǔ)存的熱量大于陰影期相變蓄熱材料所釋放的熱量,從而使液態(tài)相變蓄熱材料的最低值逐步增加,直到全部變成液態(tài).此后液態(tài)相變蓄熱材料的溫度開始升高,使相變蓄熱材料與循環(huán)工質(zhì)的換熱量相應(yīng)增加,日照期的蓄熱量相應(yīng)減少,最終在10周期時(shí)日照期的蓄熱量和陰影期的放熱量達(dá)到平衡.從圖4可以看出,相變蓄熱材料的溫度T7開始比較穩(wěn)定,而后在日照期相變蓄熱材料全部變成液態(tài)后,T7開始升高,日照期結(jié)束后T7又下降到熔點(diǎn)后保持不變.T7的最高點(diǎn)在前10個(gè)周期內(nèi)逐步增高,而后保持一穩(wěn)定值.循環(huán)工質(zhì)在吸熱/蓄熱器進(jìn)出口溫度T5、T3以及渦輪出口溫度T4由于受T7的影響也呈同樣的規(guī)律變化.而回?zé)崞鳠徇叧隹跍囟萒6,壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度T1、T2則受其影響較小,波動(dòng)幅度也很小.從圖3可以看出,系統(tǒng)的發(fā)電功率在頭兩個(gè)周期內(nèi)由于蓄熱相變材料一直處于兩相狀態(tài),所以發(fā)電功率比較穩(wěn)定,而后在日照期相變蓄熱材料全部變成液態(tài)后,T7開始升高,從而使得系統(tǒng)的發(fā)電功率也發(fā)生周期性變化.發(fā)電功率的峰值在前10個(gè)周期內(nèi)逐步增加,而后保持一穩(wěn)定值.發(fā)電功率的最大波動(dòng)幅度在4kW左右.2.2蓄熱材料在fsc聚能器面積對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響如圖5和圖6所示.從圖中可以看出,當(dāng)FSC=46.4m2時(shí),在兩個(gè)周期后,在日照期,相變蓄熱物質(zhì)全部變成了液態(tài),出現(xiàn)了相變物質(zhì)溫度升高的現(xiàn)象,導(dǎo)致了系統(tǒng)的發(fā)電功率發(fā)生了較大的向上波動(dòng);當(dāng)FSC=44.1m2時(shí),在計(jì)算的時(shí)間范圍內(nèi),相變蓄熱材料一直處于兩相狀態(tài),使得相變蓄熱材料溫度比較穩(wěn)定,導(dǎo)致了系統(tǒng)的發(fā)電功率比較穩(wěn)定;當(dāng)FSC=41.8m2時(shí),在陰影期相變蓄熱材料全部變成了固態(tài),并出現(xiàn)了相變蓄熱材料溫度下降的現(xiàn)象,導(dǎo)致了系統(tǒng)發(fā)電功率發(fā)生了較大的向下波動(dòng).由此可以看出,聚能器的面積對(duì)系統(tǒng)發(fā)電功率的穩(wěn)定性具有重要影響.要使系統(tǒng)的發(fā)電功率比較穩(wěn)定,必須合理選擇聚能器的面積,使相變蓄熱材料一直處于兩相狀態(tài).3相變蓄熱材料對(duì)系統(tǒng)發(fā)電功率的影響(1)采用集總參數(shù)法,從部件的數(shù)學(xué)模型出發(fā),根據(jù)各參數(shù)間的相互耦合關(guān)系,建立了空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,并對(duì)10kW空間太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬.(2)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要受相變蓄熱材料溫度的影響,如果相變蓄熱材料處于兩相狀態(tài),相變蓄熱物質(zhì)的溫度就不會(huì)發(fā)生變化,系統(tǒng)發(fā)電功率就比較穩(wěn)定.一旦相變蓄熱材料進(jìn)入單相狀態(tài),相變蓄熱材料的溫度就會(huì)上升或下降,從而導(dǎo)致系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)溫度和發(fā)電功率發(fā)生波動(dòng).(3)聚能器的面積對(duì)系統(tǒng)發(fā)電功率的穩(wěn)定性具有重要影響.要使系統(tǒng)的發(fā)電功率比較穩(wěn)定,必須合理選擇聚能器的面積,使日照期吸熱/蓄熱器相變蓄熱材料的蓄熱量等于陰影期相變蓄熱材料的放熱量,才能保證相變蓄熱材料一直處于兩相狀態(tài).系統(tǒng)的傳熱系數(shù)b——軸承及發(fā)電機(jī)冷卻用氣系數(shù)cp——工質(zhì)的比定壓熱容,J·kg-1·K-1cp,pcm——蓄熱材料的比定壓熱容,J·kg-1·K-1dRC,i——傳熱管的內(nèi)徑,mdRC,o——傳熱管的外徑,mFRP——回?zé)崞鞯膫鳠崦娣e,m2FSC——聚能器的面積,m2G——工質(zhì)的質(zhì)量通量,kg·s-1Gi——每根傳熱管的工質(zhì)質(zhì)量通量,kg·s-1hi——傳熱管工質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù),W·m-2·K-1K——絕熱指數(shù)KRP——回?zé)崞鞯目倐鳠嵯禂?shù),W·m-2·K-1LRC——傳熱管的長(zhǎng)度,mmf2i——在dt時(shí)間內(nèi)流過第i根熱管的工質(zhì)質(zhì)量,kgmi——dt時(shí)間內(nèi)流過i節(jié)點(diǎn)的工質(zhì)質(zhì)量,kgmpcm——高溫相變蓄熱材料的質(zhì)量,kgNa——發(fā)電機(jī)的輸出功率,Wqg——蓄熱材料與循環(huán)工質(zhì)的換熱量,WqI——相變蓄熱材料的絕熱損失,Wqsun——聚能器射入吸熱蓄熱器的熱流量,W——工質(zhì)流體到熱管冷凝段的總熱阻,m2·K·W-1rpcm——高溫相變蓄熱材料的熔化潛熱,J·kg-1S——太陽(yáng)常數(shù),W·m-2Tc——相變蓄熱材料的溫度,KTf1i——工質(zhì)流過第i根熱管前的溫度,KTf2i——工質(zhì)流過第i根熱管后的溫度,KTi——系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的溫度,KTs——空間熱沉溫度,KTwi——熱管冷凝端