[发明专利]空间昼夜温差发电装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于空间热发电技术领域，特别涉及空间昼夜温差发电装置及方法。

背景技术

在航空航天领域，获取能源占有非常重要的地位。宇宙空间和月球表面没有大气层，其昼夜温差变化很大，大气层外层空间白天温度为120℃左右，夜晚温度在-270℃，其温差为390℃，在月球表面，白天平均温度为123℃，夜晚平均温度为-183℃，温差达306℃，因而满足热发电的条件。现有的空间热发电系统主要由太阳能聚能器、蓄热器、电力转化部件和辐射器组成，其原理是在日照期利用聚能器吸热，部分热能作为热源与辐射器形成的冷源进行热发电，其余热能储存在蓄热器中，在阴影期时作为热源发电。其不足之处是日照期以辐射器作为冷源，辐射器会不可避免地受到太阳辐射，同时，由于辐射器安装在空间站上或月球表面，在日照期空间站和月球表面温度在120℃左右，使其散热性能大幅下降，不能充分冷却工质，使冷热源之间温差减小，发电系统效率降低；因此现有的空间热发电系统日照期间能源利用率低，不能实现昼夜不间断高效供电。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了空间昼夜温差发电装置及方法。

空间昼夜温差发电装置由蓄热系统、发电系统和蓄冷系统顺序连接而构成，蓄热系统通过蓄热器连接发电系统，发电系统通过蓄冷器连接蓄冷系统。

所述蓄热系统的结构如下，聚能器和集热器装配在一起，集热器、蓄热器、第三阀和第三泵通过管件装配在一起；

所述发电系统利用膨胀机发电时，其结构如下：蓄热器、膨胀机、蓄冷器、第二阀和第二泵通过管件装配在一起，膨胀机与发电机装配在一起，发电机通过导线连接负载；

所述发电系统利用热电材料发电时，其结构如下：蓄热器、热电材料和蓄冷器装配在一起；热电材料、负载和逆变器通过导线连接；

所述蓄冷系统的结构如下：辐射器、第一阀、第一泵和蓄冷器通过管件装配在一起。

所述蓄热器由换热器和蓄热器储能材料组成，换热器的类型为管壳式、肋板式、针翅管式或翅片管式；蓄热器储能材料为相变储能材料、化学储能材料或固体储能材料，蓄热材料的蓄热温度为集热器受到太阳辐射时的温度，在蓄热器吸放热过程中，蓄热温度保持不变。

所述蓄冷器由换热器和蓄冷器储能材料组成，换热器的类型为管壳式、肋板式、针翅管式或翅片管式；蓄冷器储能材料为相变材料或磁性蓄冷材料，蓄冷材料的蓄冷温度在-150℃到-270℃之间。

所述集热器的向光面无保温材料，而集热器其余的表面均被保温材料包裹，蓄热器、蓄冷器、第一阀、第一泵、第二阀、第二泵、第三阀、第三泵、膨胀机、热电材料和管件均被保温材料包裹。

所述聚能器的类型为槽式、碟式或塔式。

空间昼夜温差发电方法分为以下步骤：

1)在大气外层空间或月球表面安装空间昼夜温差发电装置；

2)当有光照时，蓄热系统开始工作，第三阀和第三泵开启，蓄冷系统停止工作，第一阀和第一泵关闭，聚能器将阳光聚焦到集热器表面，集热器中工质吸热，将能量储存到蓄热器中；蓄热器同时吸收和释放热量，蓄冷器仅吸收热量，发电系统分为以下两种情况进行发电：

当采用膨胀机发电时，第二阀和第二泵开启，工质从蓄热器中吸热，在膨胀机中做功，带动发电机发电，发电后的工质向蓄冷器放热冷凝，再经第二泵压缩后进入蓄热器完成发电；

当采用热电材料进行发电时，热电材料两端的温差使热电材料内部载流子运动，形成电动势，产生直流电，然后经逆变器变换为负载所需要的电压。

3)当无光照时，蓄热系统停止工作，第三阀和第三泵关闭，蓄冷系统开始工作，第一阀和第一泵开启，蓄冷器中的热量通过管件传递给辐射器，辐射器通过向周围空间辐射热量进行散热，直到蓄热器的温度与周围空间一致，冷能被储存在蓄冷器中；蓄热器仅释放热量，蓄冷器同时吸收和释放热量，发电系统的发电过程与步骤2)相同。

所述聚能器的类型不同时，集热器温度不同，根据集热器的温度来选择对应的蓄热器。

所述发电系统采用郎肯循环发电，或采用其他动力循环发电，或利用热电材料进行发电。

本发明的有益效果为：通过使用两套储能装置(一套装有蓄热材料，一套装有蓄冷材料)可将宇宙空间不同时间下的温差转换到同一时间进行热交换，解决了现有空间热发电系统日照期发电效率低的问题，能够通过能量的交替储存和释放实现连续高效供电。

附图说明

图1为本发明采用膨胀机发电时的示意图；

图2为本发明采用热电材料发电时的示意图。