[发明专利]一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统及工作方法

说明书

一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统及工作方法，该系统包括二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统和储能系统；本发明还公开了该系统的工作方法；采用太阳能聚光器作为二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统的高温热源，当光照强度大于一定值时，太阳辐射直接加热超临界二氧化碳进而产生电能；当系统需要储能时，储能介质进入太阳能聚光器吸收热量并在温度上升到足够温度后回到储能介质储存罐中；当光照强度小于一定值时，储能介质进入太阳能聚光器加热超临界二氧化碳进而产生电能，以实现无论在有无光照时系统均能输出电能；同条件下系统效率提升10％以上；采用辐射冷却系统利用太空中蕴含的冷量来冷却二氧化碳。

技术领域

本发明涉及动力工程领域，具体涉及一种应用在太空环境中的高效率太阳能热发电系统及工作方法。

背景技术

太阳能光伏电池组在航天器供能领域得到了广泛的应用。太阳电池阵能满足航天器寿命从几个月到15～20年、功率从几十瓦到几千瓦的能量需求，即使在地影期间，卫星也需要稳定地电源提高给负载，因此需要可充电电池组配合使用；但光伏电池和可充电电池组价格昂贵；在任务期内太阳电池阵的输出功率会随着工作年度的增加而减小；太阳电池阵会因空间带电粒子通量的增加而使性能急剧下降甚至报废；对于防御性的大功率航天器，大的太阳电池阵使之机动性差，且易被敌方发现和攻击；要使接近100千瓦的大功率天基雷达正常运行，所需太阳电池帆板的面积根本无法达到。

太阳能聚光器-动力电源系统使用高温高压的流体驱动涡轮机从而带动交流发电机发电，能量转换效率大约是太阳光伏电池系统的两倍，这样使得收集器的面积和近地轨道的气动阻力最小化，可以在一定的附加燃料和轨道衰减条件下使航天器飞得更低；这种动力电源系统能储存能量几小时而不下降，时间更长也只有少许下降，这些特征使得产生满足峰值需求的高值电能成为可能。但现有的太阳能聚光器-动力电源系统的能量转换效率只有30％，仍有很大的提升空间，且仍不能保证连续稳定地供电。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种应用在太空环境中的高效率太阳能热发电系统及工作方法，采用太阳能聚光器作为二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统的高温热源，当光照强度大于一定值时，太阳能直接加热超临界二氧化碳进而产生电能；当系统需要储能时，储能介质进入太阳能聚光器吸收热量并在温度上升到足够温度后回到储能介质储存罐中；当光照强度小于一定值时，储能介质进入太阳能聚光器加热超临界二氧化碳进而产生电能，以实现无论在有无光照时系统均能输出电能；采用二氧化碳跨临界跨流态热力循环作为底循环，同条件下系统效率可以提升10％以上；太空环境是一个取之不尽、用之不竭的天然冷库，采用辐射冷却系统可以利用太空中蕴含的冷量来冷却二氧化碳；将二氧化碳冷却为液体后再进行压缩，减少压缩功；

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用在太空环境中的太阳能热发电系统，包括储能系统和二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统；其中

所述储能系统包括储能介质储存罐G、第一阀门H、第二阀门I和太阳能聚光器A；具体连接关系为：储能介质储存罐G的出口通过第一阀门H连接太阳能聚光器A的储能介质入口，太阳能聚光器A的储能介质出口通过第二阀门I连接储能介质储存罐G的入口形成储能系统回路；

所述二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统包括太阳能聚光器A、透平B、回热系统C、辐射冷却系统D、压缩机E和低温泵F；具体连接关系为：太阳能聚光器A出口连接透平B入口，透平B出口连接回热系统C放热侧一级入口，回热系统C放热侧一级出口连接辐射冷却系统D的放热侧一级入口，辐射冷却系统D放热侧一级出口连接压缩机E入口，压缩机E出口连接回热系统C放热侧二级入口，回热系统C放热侧二级出口连接辐射冷却系统D放热侧二级入口，辐射冷却系统D放热侧二级出口连接低温泵F入口，低温泵F出口连接回热系统C吸热侧入口，回热系统C吸热侧出口连接太阳能聚光器A入口形成二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统回路；所述二氧化碳跨临界跨流态循环发电系统使用的工质为二氧化碳。

所述透平B出口压力为0.005～0.5MPa。