一種利用地外星表土壤資源的太陽能蓄熱發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型發(fā)電系統(tǒng)，特別是一種利用地外星表土壤資源的太陽能蓄熱發(fā)電系統(tǒng)，利用地外星球本地資源作為蓄能材料，吸收儲存太陽輻射熱，并通過熱機將熱能轉(zhuǎn)化為電能，屬于太陽能蓄熱發(fā)電領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]載人登月、火星探測、建設(shè)短期或長期地外行星基地是當(dāng)前空間活動的熱點領(lǐng)域，為乘員和科學(xué)載荷晝夜持續(xù)不斷地提供電能和熱能是實現(xiàn)深空探測任務(wù)的重要保障。目前提出的月球和火星基地能源方案主要為太陽能光伏-化學(xué)蓄電池電源系統(tǒng)或核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)兩種形式。
[0003]太陽能光伏電池直接把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，同時可利用蓄電池儲存部分電能備用。光伏-蓄電池電源系統(tǒng)在空間設(shè)備的應(yīng)用有較長的歷史，技術(shù)成熟，目前人造衛(wèi)星大多采用該系統(tǒng)。但隨著深空探測領(lǐng)域的快速發(fā)展，光伏-蓄電源系統(tǒng)面臨一系列問題，難以滿足未來發(fā)展需要。例如，光伏電池是一種非恒功率系統(tǒng)，它的輸出功率隨光照條件變化，受工作電壓和溫度的影響，在日照期和陰影期太陽能電池的輸出功率變化劇烈；光伏電池受空間輻射的影響，帶電粒子對太陽能電池形成輻射損傷，使輸出功率隨輻照累積量的增加而逐漸下降，雖然新材料和新工藝使太陽能電池效率不斷提高，其性能受太陽輻射而衰減的問題依然存在。更為重要的是，由于光伏系統(tǒng)必須和蓄電池一起使用，才能保證空間系統(tǒng)在日照期和陰影期連續(xù)供電，因此其供電能力不僅取決于自身的光電轉(zhuǎn)換效率，同時也取決于蓄電池的性能。由于蓄電池等儲能設(shè)備在整個光伏系統(tǒng)中質(zhì)量占了很大比例。蓄電池不僅增加了發(fā)射重量，而且使用壽命比較短，每隔一段時間必須進行更換，而地外行星基地的特點是長期運行，這樣在其運行期間，當(dāng)蓄電池的使用壽命結(jié)束時，就必須由地面搭載新的蓄電池予以更換才能保證地外行星基地的安全運行。無疑，這是一筆很高的費用，增加了總的運行成本。
[0004]核電源將核燃料衰變、裂變和聚變過程中產(chǎn)生的熱能通過某種方式轉(zhuǎn)換成電能，其能量體積比、能量質(zhì)量比較高，且不受環(huán)境約束。因此，核能在空間電源中起到了重要作用，特別是在深空探測器中大量使用核電源作為探測器的主電源或輔助電源。根據(jù)熱能產(chǎn)生的方式不同，目前主要有兩種形式:放射性同位素電源和核反應(yīng)堆電源。放射性同位素溫差電池體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、壽命長，且無需維護。但是放射性同位素溫差電池的缺點是功率小、可控性差。放射性同位素溫差電池一旦設(shè)計完成后，其輸出熱功率及電功率均不可控。因此，放射性同位素溫差電池適合于功率規(guī)模較小的深空探測器中?？臻g核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)是將核反應(yīng)堆裂變產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽┖教炱魇褂玫目臻g核動力裝置，主要由核反應(yīng)堆裝置和熱電轉(zhuǎn)換裝置組成。核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)功率大(千瓦-兆瓦級)、不受光照影響、抗輻照能力強，但技術(shù)尚不成熟，仍需較大的發(fā)射質(zhì)量和成本，并面臨核安全的威脅。
[0005]以月球為例，因月夜長達350小時，為滿足登月艙或月球基地的能量供應(yīng)要求，太陽能-蓄電池系統(tǒng)和核反應(yīng)堆電源均面臨發(fā)射質(zhì)量的巨大挑戰(zhàn)。在深空探測活動中，必須對星表原位資源加以有效和充分的利用，來減少航天器必須攜帶的物質(zhì)，從而減少發(fā)射質(zhì)量，并滿足能源和生保等各項要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種利用地外星表土壤資源的太陽能蓄熱發(fā)電系統(tǒng)，充分利用地外星球本地資源作為蓄能材料，白天吸收儲存太陽輻射熱，并通過發(fā)電裝置，實現(xiàn)晝夜不間斷的電能和熱能供應(yīng)，以滿足深空探測任務(wù)中的科學(xué)探測儀器、人員生命保障的能源需求，為未來載人登月、火星探測和建設(shè)地外行星基地原位資源利用提供技術(shù)支持。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種利用地外星表土壤資源吸收太陽能蓄熱發(fā)電系統(tǒng)，包括:太陽能反射器、跟蹤控制系統(tǒng)、太陽能吸收器、高溫儲能裝置、低溫儲能裝置、熱機、第一泵、第二泵、熱輻射器、電源管理裝置和蓄電池；
[0008]太陽能反射器、跟蹤控制系統(tǒng)和太陽能吸收器組成太陽能集熱系統(tǒng)，有太陽光照時，通過跟蹤控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)太陽能反射器的位置和角度，使聚集到太陽能吸收器表面的太陽能最多，太陽能吸熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能并將熱能傳遞給高溫儲能裝置進行存儲；
[0009]高溫儲能裝置和低溫儲能裝置均位于地表以下，且均利用地外星表土壤資源進行制備；
[0010]低溫儲能裝置上設(shè)置熱輻射器，熱輻射器將低溫儲能裝置的熱量向空間傳遞出去，使低溫儲能裝置的溫度低于高溫儲能設(shè)備的溫度；
[0011]吸收熱能后的高溫儲能裝置作為熱機的高溫?zé)嵩?，低溫儲能裝置作為熱機的低溫冷源，第一泵驅(qū)動流體在高溫儲能裝置和熱機之間循環(huán)，形成高溫流體回路，第二泵驅(qū)動流體在低溫儲能裝置和熱機之間循環(huán)，形成低溫流體回路，高溫流體回路和低溫流體回路驅(qū)動熱機進行工作，將熱能轉(zhuǎn)化為電能，并將產(chǎn)生的電能通過電源管理裝置和蓄電池進行儲存。
[0012]所述太陽能反射器表面噴涂高反射率的材料，所述反射率大于0.9。
[0013]所述太陽能吸熱器表面噴涂高吸收率、低發(fā)射率的材料，所述吸收率為0.85?
0.95，發(fā)射率為0.05?0.15。
[0014]所述熱輻射器與太陽之間安裝有熱輻射屏，所述熱輻射屏用來遮擋太陽光，使得低溫儲能裝置和熱輻射器始終處于陰影區(qū)，避免低溫儲能裝置吸收太陽能。
[0015]所述高溫儲能裝置和低溫儲能裝置均利用地外星表土壤資源進行制備，具體為:高溫儲能裝置和低溫儲能裝置通過聚集太陽能燒結(jié)或融化地外星表土壤進行制備，或通過化學(xué)反應(yīng)還原地外星表土壤金屬氧化物進行制備，或利用大功率微波發(fā)生器裝置燒結(jié)地外星表土壤進行制備，或通過物理壓實地外星表土壤的方式進行制備。
[0016]所述高溫儲能裝置和低溫儲能裝置中均包括均熱管，所述均熱管為金屬管或熱管。
[0017]所述熱機為斯特林熱機。
[0018]所述流體為氦氣。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0020](I)本發(fā)明提出的一種利用地外星表土壤資源吸收太陽能儲能的發(fā)電系統(tǒng)，有效和充分利用星表土壤資源制備高溫儲能和低溫儲能裝置，以減少航天器必須攜帶的物質(zhì)，從而大大減少發(fā)射質(zhì)量。
[0021](2)本發(fā)明提出的一種利用地外星表土壤資源吸收太陽能儲能的發(fā)電系統(tǒng)，將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，利用地外星球原位資源儲能，再利用熱機將熱能轉(zhuǎn)化為電能，與光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，不受太陽日照期和陰影期的影響，抗輻射能力強，可實現(xiàn)晝夜不間斷的電能和熱能供應(yīng)，具有穩(wěn)定性和持久性。
[0022](3)本發(fā)明提出的一種利用地外星表土壤資源吸收太陽能儲能的發(fā)電系統(tǒng)，與空間核電源相比，發(fā)射費用和運行費用較低，發(fā)射時不會面臨核安全問題，具有經(jīng)濟性和安全性。
[0023](4)本發(fā)明在高溫儲能裝置和低溫儲能裝置中插入均熱管，使高溫儲能裝置和低溫儲能裝置內(nèi)部溫度更加均勻，提高換熱效率。
[0024](5)本發(fā)明采用斯特林熱機，具有效率高、運動部件少、能源品位要求低及能自行起動的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明的儲能裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計圖；
[0027]圖3為本發(fā)明的一種利用地外星表土壤資源的太陽能蓄熱發(fā)電系統(tǒng)的仿真結(jié)果，其中(a)為高溫儲能裝置、熱機熱端、熱機冷端、低溫儲能裝置的溫度隨時間變化的曲線，(b)為發(fā)電系統(tǒng)功率隨時間變化的曲線。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0029]如圖1所示為一種利用地外星表土壤資源的太陽能蓄熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖，其特征在于包括:太陽能反射器1、跟蹤控制系統(tǒng)2、太陽能吸收器3、高溫儲能裝置4、低溫儲能裝置5、均熱管6、熱機7、第一泵8、第二泵9、熱輻射器10、熱輻射屏11、電源管理裝置12和蓄電池13。
[0030]太陽能反射器1、跟蹤控制系統(tǒng)2、太陽能吸收器3組成太陽能集熱系統(tǒng)，有太陽光照時，通過跟蹤控制系統(tǒng)2調(diào)節(jié)太陽能反射器I的位置和角度，使聚集到太陽能吸收器3表面的太陽能最多，太陽能吸熱器3將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能并將熱能傳遞給高溫儲能裝置4進行存儲。太陽能反射器I表面噴涂高反射率的材料，其反射率大于0.9，太陽能吸熱器3表面噴涂高吸收率、低發(fā)射率的材料以將太陽輻射能最多的轉(zhuǎn)化為熱能并將熱量傳遞給高溫儲能裝置4，其吸收率范圍為0.85?0.95，發(fā)射率范圍為0.05?0.15。
[0031]高溫儲能裝置4和低溫儲能裝置5均位于地表以下，且均利用地外星表土壤資源通過太陽能、化學(xué)能、微波或物理方式進行制備，如以月球為例，可通過聚集太