一种满足月球基地昼夜热电需求的太空储能发电系统

摘要

本发明提出了一种满足月球基地昼夜热电需求的太空储能发电系统，属于月球基地能源供给领域。解决了月夜期间月球基地能源短缺和温度过低的问题以及月球基地电能、热能供给效率低的问题的问题。它包括舱室、储/放热模块、布雷顿循环系统以及有机朗普循环系统，所述布雷顿循环系统包括太阳能槽式集热器、高压涡轮、压气机以及一号换热器，所述有机朗普循环系统包括月球热管辐射散热器、一号换热器以及低压涡轮，所述布雷顿循环系统与有机朗普循环系统共用一个一号换热器，所述太阳能槽式集热器的输出端连接有二号换热器，所述二号换热器的热量输送管路连接有储/放热模块。它主要用于月球基地昼夜得到的能电供给。

说明书

技术领域

本发明属于月球基地能源供给领域，特别是涉及一种满足月球基地昼夜热电需求的太空储能发电系统。

背景技术

地外空间探索、开发与应用是人类文明延续和进化的必然选择，随着人们对太空探索的渴望越来越高，月球基站的建设已经成为人们关注的重点，但是月球资源勘探开采、月球基地建设等一切月基活动的关键基础之一为长时间稳定且充足的能源供给，月球能源供给的难题主要受限于月球特殊的地质环境，月球距离地球38×104km，难以直接利用地球上的能源资源，太阳几乎是月球可利用天然能源的唯一来源，此外，一个月日大约有28个地球日，月昼时间大约长达14.75个地球日，具有充足的能量来源，剩余的月夜时间基地内部设备的供电亟需解决。

目前探月工程主要利用太阳能发电，如果仅仅依靠太阳能电池板向设备供电，难以维持其正常工作，并且太阳能电池板在无太阳辐射的情况下无法发电，月昼时，通过高效的太阳能电池板和蓄电池为月基各类设备提供必需的能源；月夜时，利用自带的能源动力装置为必需工作的少数设备提供动力，其它非必要设备则进入‘休眠’模式，能源供给装置仅提供必要的保温能量以尽量节省能源，只有月昼再次来临时再重新启动进行工作。此外，在探月工程中，单一的发电方式往往抗风险能力极低，最重要的是电池板发电、温差发电等技术的发电能力较弱，无法与热力循环发电系统相比。寻找发电效率高、昼夜连续供电、稳定性强的发电系统已经成为月球基地建设的重中之重。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种满足月球基地昼夜热电需求的太空储能发电系统,以解决月夜期间月球基地能源短缺和温度过低的问题以及月球基地电能、热能供给效率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种满足月球基地昼夜热电需求的太空储能发电系统，包括舱室、储/放热模块、一号换热器、布雷顿循环系统以及有机朗肯循环系统，所述布雷顿循环系统包括太阳能槽式集热器、高压涡轮以及压气机，所述有机朗肯循环系统包括月球热管辐射散热器以及低压涡轮，所述布雷顿循环系统与有机朗肯循环系统共用一个一号换热器，所述太阳能槽式集热器、高压涡轮、一号换热器和压气机沿着气体循环方向依次连接，所述太阳能槽式集热器的输出端连接有二号换热器，所述二号换热器的热量输送管路连接有储/放热模块，所述二号换热器的气体输送管路与压气机连接，所述一号换热器、低压涡轮和月球热管辐射散热器沿着气体循环方向依次连接，所述一号换热器连接有三号换热器，所述三号换热器的热量输送管路与舱室连接，所述三号换热器的气体输送管路与压气机连接。

更进一步的，所述太阳能槽式集热器采用变向反光板将太阳辐射的热量集中到受热流体管路中，发光板的方向根据太阳高度角的变化发生改变，保证始终位置最高的太阳辐射水平。

更进一步的，所述月球热管辐射散热器使用热管嵌入辐射板中，将蒸发端连接换热流体管路，冷凝端设置在辐射板边缘，热量可以均匀传递至整个辐射板，最后将热量辐射到深空之中，完成循环工质的冷凝过程。

更进一步的，所述舱室内设有四号换热器，所述四号换热器与三号换热器连接。

更进一步的，所述有机朗肯循环系统还包括循环工质泵，所述循环工质泵位于月球热管辐射散热器与一号换热器之间。

更进一步的，所述有机朗肯循环系统的循环工质采用苯。

更进一步的，所述布雷顿循环系统的循环工质采用氦氙混合气体。

更进一步的，所述太阳能槽式集热器与高压涡轮之间设有一号流量控制阀，所述压气机与太阳能槽式集热器之间设有二号流量控制阀，所述二号换热器与压气机的气体输出管路上设有三号流量控制阀，所述一号换热器与压机机之间设有四号流量控制阀，所述一号换热器与三号换热器之间设有五号流量控制阀，所述压气机与二号换热器的气体输入管路上设有六号流量控制阀，所述二号换热器与高压涡轮的连接管路上设有第一温度控制阀，所述二号换热器与一号换热器的连接管路上设有第二温度控制阀。

更进一步的，所述储/放热模块的储热物质采用月壤烧结融化的材料，导热性从0.01W/(mK)提升至1W/(mK)。

更进一步的，所述储/放热模块位于月球地底。

更进一步的，所述储/放热模块包括第一储/放热单元、第二储/放热单元以及第三储/放热单元，所述第一储/放热单元、第二储/放热单元和第三储/放热单元通过熔融盐管路连接。

更进一步的，所述储/放热模块内部结构设置成三层，内部结构由外到内依次为月壤层、真空层以及烧结月壤层。

更进一步的，所述一号换热器、三号换热器以及二号换热器的隔热材料皆采用月壤，月壤包裹在换热器的外壁，壁面与深空辐射。

更进一步的，所述四号换热器为月球基地的热量供给设备，采用循环风的方式将热量带入舱室。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明利用布雷顿循环系统和有机朗肯循环系统，提高热电转换效率并达到能量梯级利用的目的；

2.本发明设有储/放热模块，利用储/放热技术来满足月球基地昼夜期间对热、电的需求；

3.本发明采用可变向的太阳能槽式集热器，能够实现太阳能的最大利用化。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的一种满足月球基地昼夜热电需求的太空储能发电系统示意图；

图2为本发明中月昼储热发电系统示意图；

图3为本发明中月夜供热发电系统示意图；

图4为本发明所述的储/放热内部示意图；

图5为本发明所述的储/放热模块示意图。

1-太阳能槽式集热器，2-一号流量控制阀，3-第一温度控制阀，4-第二温度控制阀，5-一号换热器，6-五号流量控制阀，7-三号换热器，8-压气机，9-二号流量控制阀，10-六号流量控制阀，11-二号换热器，12-三号流量控制阀，13-储/放热模块，14-四号流量控制阀，15-高压涡轮，16-低压涡轮，17-月球热管辐射散热器，18-循环工质泵，19-四号换热器，20-舱室，21-月壤层，22-真空层，23-烧结月壤层，24-第一储/放热单元，25-第二储/放热单元，26-第三储/放热单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图1-3说明本实施方式，一种满足月球基地昼夜热电需求的太空储能发电系统，其特征在于：包括舱室20、储/放热模块13、布雷顿循环系统以及有机朗肯循环系统，有机朗肯循坏系统的循环工质采用苯，布雷顿循环系统的循环工质采用氦氙混合气体，布雷顿循环系统包括太阳能槽式集热器1、高压涡轮15、压气机8以及一号换热器5，有机朗肯循环系统包括月球热管辐射散热器17、一号换热器5以及低压涡轮16，布雷顿循环系统与有机朗肯循环系统共用一个一号换热器5，太阳能槽式集热器1、高压涡轮15、一号换热器5和压气机8沿着气体循环方向依次连接，太阳能槽式集热器1的输出端连接有二号换热器11，二号换热器11的热量输送管路连接有储/放热模块13，二号换热器11的气体输送管路与压气机8连接，一号换热器5、低压涡轮16和月球热管辐射散热器17沿着气体循环方向依次连接，月球热管辐射散热器17与一号换热器5之间设有循环工质泵18，一号换热器5连接有三号换热器7，三号换热器7的热量输送管路与舱室20内的四号换热器19连接，三号换热器7的气体输送管路与压气机8连接，太阳能槽式集热器1与高压涡轮15之间设有一号流量控制阀2，压气机8与太阳能槽式集热器1之间设有二号流量控制阀9，二号换热器11与压气机8之间设有三号流量控制阀12，一号换热器5与压气机8之间设有四号流量控制阀14，一号换热器5与三号换热器7之间设有五号流量控制阀6，压气机8与二号换热器11之间设有六号流量控制阀10，二号换热器11与高压涡轮15的连接管路上设有第一温度控制阀3，二号换热器11与一号换热器5的连接管路上设有第二温度控制阀4。

具体的如图2所示，月昼期间，当太阳辐射达到一定标准后，开启一号流量控制阀2、二号流量控制阀9、三号流量控制阀12以及四号流量控制阀14，关闭其他流量控制阀，氦氙混合气体首先从太阳能槽式集热器1中吸收热量，之后分为两路，一路进入二号换热器11与熔融盐换热，并将热量传递至储/放热模块13中，达到储热的目的，另外一路通过一号流量控制阀2后，氦氙混合气体直接进入高压涡轮15，膨胀做功产生电能，之后产生的乏汽如果进入气体冷却器冷却势必浪费大部分热量，所以通过一号换热器5将乏汽热量传递给有机工质苯，苯受热蒸发，在低压涡轮16膨胀做功发电，再进入月球热管辐射散热器17中将热量辐射传递至深空之中，然后低压涡轮16和高压涡轮15产生的电能为昼间系统发电，经过一号换热器5降温的氦氙混合气体进入压气机8增加压力，通过二号流量控制阀9进入太阳能槽式集热器1内，完成一次循环，从而能够在月昼期间能够进行储热发电。

具体的如图3所示，在月夜期间，由于月表温度较低，并且环境中不存在热源，导致舱室20的内部温度较低，设备无法正常工作，需要热量的输入，这时开启第二温度控制阀4，五号流量控制阀6以及六号流量控制阀10，其余阀门关闭，夜间热源为储/放热模块13内储存的热量，熔融盐将热量传递给二号换热器11中的氦氙混合气体，当储/放热模块13温度较高时，开启第一温度控制阀3，关闭第二温度控制阀4，高温氦氙混合气体在高压涡轮15内膨胀做功发电，膨胀后的乏汽仍存在一定的热量，为了利用乏汽的低温能源，乏汽经过一号换热器5将热量传递给循环工质泵18，苯受热后蒸发成气体，在低压涡轮16膨胀做功产生电能，在进入月球热管辐射散热器17中向深空辐射热量，苯蒸气变成饱和液体，再经过循环工质泵18之后进入一号换热器5，完成有机朗肯循环，通过一号换热器5的乏汽流入三号换热器7，并将热量传递给四号换热器19中的导热油，经过多次降温的氦氙混合气体经过压气机8的加压最后流入太阳能槽式集热器1内，完成循环，当时随着储/放热模块13温度逐渐降低，已经无法支持布雷顿循环的运行，所以关闭第一温度控制阀3，开启第二温度控制阀4，在经过一号换热器5后，将热量传递给有机朗肯循环，最后将热量传递至舱室20，完成夜间供热发电的任务，并且通过有机朗肯循环系统，吸收经过高压涡轮15做功后乏汽的低位热量，实现能量的梯级利用。

进一步地，太阳能槽式集热器1采用变向反光板将太阳辐射的热量集中到受热流体管路中，发光板的方向根据太阳高度角的变化发生改变，保证始终维持最高的太阳辐射水平，能够实现太阳能的最大利用化。

具体的如图4和图5所示，储/放热模块13的储热物质采用月壤烧结融化的材料。储/放热模块13位于月球地底，储/放热模块13包括第一储/放热单元24、第二储/放热单元25以及第三储/放热单元26，第一储/放热单元24、第二储/放热单元25和第三储/放热单元26通过熔融盐管路连接，储/放热模块13内部结构设置成三层，内部结构由外到内依次为月壤层21、真空层22以及烧结月壤层23，将储/放热模块13设置在月壤之中，可以起到隔热保温的作用。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。