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空间太阳能热动力系统的全局优化研究

空间太阳能热动力系统的全局优化研究 2011年12月09日 来源： 吴玉庭1,2,任建勋1,过增元1,梁新刚1（1.清华大学工程力学系，北京 100084；2.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100022）1 引言 发电系统是空间站的重要组成部分， 它是空间站进行生命保障、控制、管理及生产试验活动必不可少的物质条件。太阳能热动力发电系统具有能量转换效率高、重量和阻力面积小的特点，对于电能需求大的低轨道空间站来说，该系统既能满足电能要求，又可以大幅度降低运行成本，具有很好的应用前景[1]。早在20世纪60年代初期，美国Garrett公司就对空间太阳能热动力发电系统进行了研究，试制了各主要部件，并进行了大量的部件性能试验[2]。目前美国、俄罗斯、日本和欧洲都在积极开展空间太阳能热动力发电系统的研究[3~5]。国内对该系统的研究才刚刚起步，主要是针对系统各部件的研制[6]，从系统的角度进行太阳能热动力发电系统中结构和操作参数的优化配置研究，在国内尚缺乏深入研究。 空间站的发射、管理和支持费用极其高昂，降低它的重量和运行补给意义巨大。影响太阳能热动力系统重量和尺寸的因素很多，其对系统各部件的影响也都有正负两方面的影响，因此对空间太阳能热动力发电系统进行综合优化，寻求系统的最优方案，对于降低空间站的发射和运行成本具有十分重要的现实意义。2 系统构成及工作过程 适合于空间太阳能热动力发电系统有3种类型的动力循环可供选择，即朗肯（Rankine）循环、闭式布雷敦（Brayton）循环和斯特林（Stirling）循环。这3种循环方案中朗肯循环效率最低，斯特林循环效率最高，但其技术不成熟。闭式布雷敦（Brayton）循环的热效率比较高，而且有地面的小型燃气轮机和飞机燃气轮机发动机的经验可以借鉴，因此被认为是最有前途的一种循环方案[7,8]。据此，本文也以闭式布雷敦循环太阳能热动力发电系统为例（以下简称SCBC系统）进行优化研究，其系统构成如图1所示。该系统主要包括以下主要部件：聚能器、吸热蓄热器、能量转换器（由同轴的涡轮机、发电机和压缩机组成）和辐射散热器，其工作过程为：在轨道日照期，太阳辐射由聚能器聚焦，通过吸热/蓄热器腔口进入吸热/蓄热器，其中一部分热量用于加热循环工质，另一部分热量则储存于吸热/蓄热器中。然后高温循环工质在涡轮内膨胀做功，把热能转换为机械能，同时带动发电机转动，从而将机械能转变为电能。低压循环工质再通过回热器把剩余热量的一部分释放给来自压缩机的高压工质。再通过辐射散热器进一步把余热排送到空间。冷却后的工质进入压缩机压缩后经过回热器预热，进入吸热/蓄热器完成一个实际循环。在轨道阴影期，则由吸热/蓄热器中储存的热量来加热循环工质。3 系统评价准则 在对SCBC系统性能的研究中，一些文献以循环效率、比功、装置的重量和辐射面积作为目标进行了研究 [8~10]。由于空间太阳能热动力发电装置中，太阳能是自然获得的，相当于在地面系统中燃料是免费的，因此循环效率不能直接反映出系统运行的经济性。地面试验已表明，在SCBC系统中，能量转换单元（压缩机、涡轮、电机）的尺寸比集热部件和辐射器的尺寸小得多。而比功只反映了能量转换单元的比质量，而不能反映整个系统的尺寸或质量，更不能反映出整个装置的经济性。 辐射器的面积在SCBC系统中是一个很重要的参数，它在一定程度上可反映出装置的尺寸和重量，但仅用辐射器的面积作为SCBC系统评价的标准，有失全面性，并不能全面反映SCBC系统作为空间动力装置所涉及的诸多因素和特点。 系统质量是一个很重要的参数，它可以反映空间动力装置的生产和部分发射费用，但是仅用系统质量作为评价准则，并不能反映该系统的总费用。因为发电站随空间站在轨道上飞行，发电系统都有相当大的阻力面积，空间站受此面积的气动阻力作用，其飞行高度逐渐下降，为维持轨道高度需由空间站中的发动机产生推力来抵消该气动阻力，而发动机所消耗的推进剂需由地面运至空间站。所以必须综合考虑系统的重量和阻力面积，才能全面反映系统的总费用。为此，本文提出了发射总重量评价准则。这个优化准则将阻力面积转换为所需推进剂的重量，从而将阻力面积和系统重量统一成一个评价准则，这样既便于使用，又综合考虑了系统的经济性能。 空间太阳能热动

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