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一种基于光谱自适应调控和月壤储热的月夜发电系统  PDF

  • 孙文淦
  • 赵斌
  • 石凌峰
  • 胡茂彬
  • 李木军
  • 裴刚
中国科学技术大学工程科学学院,合肥230026

中图分类号: V11

最近更新:2022-10-31

DOI:10.16356/j.1005-2615.2022.S.010

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摘要

针对月球基地的能量储存及月夜期间能量供应问题,提出了一种基于光谱自适应吸收/发射平板和月壤储热的月夜发电系统。该系统通过使用加工后的月球土壤以实现月昼期间储存太阳辐射能量、月夜期间放热发电的功能。此外,该系统通过使用一种光谱自适应吸收/发射平板,在月昼期间实现太阳辐射波段(0.3~2.5 μm)高吸收和红外波段(3~30 μm)低发射特性、在月夜期间实现红外波段(3~30 μm)高发射特性,将太阳能集热平板与辐射散热平板合二为一,极大地减少了地月运输的有效载荷,降低了发射成本。模拟结果显示,该系统的比功率约为5.12 W/kg,而光伏‑锂电池系统的比功率约为0.83 W/kg。此外,与储能总量相同的光伏‑锂电池系统相比,该系统的发射总质量降低了约83%。

作为地球唯一的天然卫星,月球是人类开展深空探测活动的前哨站,也是潜在的矿产和能源资源储备库。从20世纪60年代至今,人类已经通过向月球发射探测器成功获取了超过382 kg的月球土壤,极大地促进了人类对于月球和宇宙的探索进

1。2020年12月17日凌晨,嫦娥五号探测器携带月壤样品成功返回地球,中国首次实现了月球无人采样返回,这将助力月球成因和演化历史等科学研究。2022年1月28日,中国政府在《2021中国的航天》白皮书中明确指出:“未来五年,中国将继续实施月球探测工程,……,与相关国家、国际组织和国际合作伙伴共同开展国际月球科研站建设。2月球基地建设相关领域的研究正逐渐成为时代的热点,吸引了国内外众多研究者的目光。

能源问题是月球基地建设的核心问题。目前,太阳能光伏发电技术是深空探测活动的主要能源供应技术。然而,月球的自然环境与地球有很大不同,月球绕地球公转的周期约为29.53天,这导致月球的昼夜时长均超过14

3。因此,在漫长月夜期间用于月球基地供能所需要的储能装置的质量极其庞4,这极大地增加了地月输运的成本,制约着未来月球探测活动与月球基地建设的进程。月球基地的另一个能源供应方案是核动力电池技术。虽然核能可以为月球基地提供持续稳定的能源,但该技术需要额外的辐射屏蔽设备,也会增加地月运载火箭的载荷。此外,核动力技术的安全性及可靠性也是目前人们所担忧的问题。

原位资源利用(In‑situ resource utilization,ISRU)技术可以在一定程度上解决月球基地夜间能源供应问题。1968年,Barna等研究了利用月球风化层土壤储存能量的可行

5;1991年,Crane在报告中详细介绍了应用原位资源储能技术的月球基地太阳能动力系6;2009年,Robert等分析了利用加工后的月球土壤作为储热材料的月球基地发电系统,并提出可以利用月壤制氧产生的烧结月壤作为储热材料,还提出利用着陆器的废弃推进剂储罐作为储热罐的观点,实现对资源的最大化利7。除此之外,还有许多国内外团队对月壤储热发电系统开展了研48‑11

本文介绍了一种基于光谱自适应吸收/发射平板和月壤储热的月球夜间发电系统。该系统使用一种基于VO2的光谱自适应吸收/发射平板,这种平板通过温度控制的光谱自适应调控,分别在月昼和月夜实现太阳能集热和辐射散热两种功能,因此也称作光谱自适应调控平板。该系统可以减少运载火箭的发射重量,降低月球基地夜间能源供应系统的建设成本。本文通过现有理论模型模拟该系统的性能,并比较该系统与光伏‑锂电池系统的比功率,为今后月夜储能发电技术的发展提供一定的参考和建议。

1 系统概述与理论模型

1.1 系统概述

本文介绍的基于月壤储热的月夜发电系统如图1所示。该系统主要包括光谱自适应调控平板、月壤储热器、斯特林发电机以及传热管道等辅助设施。在月昼期间,光谱自适应调控平板迅速升温进入集热模式,收集太阳辐射能量并将热量储存在加工后的月壤中(图1(a))。在月夜期间,光谱自适应调控平板迅速降温进入辐射散热模式。此时,储存在月壤储热器中的热量供给斯特林发电机,发电机低温流体端将余热通过光谱自适应调控平板辐射至低温外太空(图1(b))。这样,斯特林发电机就相当于以月壤储热器为热源、以低温外太空为热源发电。

图1  基于月球原位资源利用的太阳能热发电系统示意图

Fig.1  Schematic of a solar thermal power system based on lunar ISRU

1.2 光谱自适应调控平板

本文使用一种基于VO2光谱自适应光热‑辐射制冷(Photothermal‑radiative cooling,PT‑RC)涂层的自适应调控平板。该涂层主要由VO2层、红外发射层和辅助层构成。VO2在68 ℃左右会发生从绝缘态到金属态的相变,同时其红外波段的光谱特性也由高透过变为高反

12。因此通过光谱调控技术可以设计出根据温度变化自动调控光谱选择特性的PT‑RC涂层,图2(a)即为一种基于VO2的光谱自适应PT‑RC涂层示意13,其工作原理为:VO2和辅助层协同实现涂层在太阳辐射波段(0.3~2.5 μm)的高吸收特性;当温度低于相变温度时,VO2表现出红外波段(3~30 μm)高透过特性,红外发射层的热辐射可以透过VO2层,涂层整体表现出红外波段高发射特性;当温度高于相变温度时,VO2层表现出红外波段高反射特性,红外发射层的红外热辐射不能透过VO2层,涂层整体表现出红外波段低发射特13。模拟中使用的一种理想的VO2‑PT‑RC涂层相变前后的光谱选择特性如图2(b)所示,其相变温度设置为60 ℃。

图2  一种基于VO2的PT-RC涂层结构示意[

13]及一种理想PT-RC涂层相变前后的光谱特性

Fig.2  Schematic of a VO2‑PT‑RC coating structure[

13] and spectral characteristics of an ideal PT‑RC coating before and after phase transition

1.3 理论模型

1.3.1 太阳能集热和辐射散热

由于月球自转轴相对于月球黄道的倾角只有1.54°,因此投射到月球表面的太阳辐射强度随季节的变化可以忽

14。在一个月球日(约29.53天)内,月昼期间到达月球赤道表面的太阳辐射强度呈正弦曲线分布,其峰值强度约为1 300 W/m2 [8。通过使用太阳能跟踪器,光谱自适应调控平板可以在月昼期间收集到更多的太阳辐射能量。

月昼期间,光谱自适应调控平板吸收太阳辐射迅速升温达到相变温度,其红外光谱特性由高发射变为低发射。此时,平板处于集热模式,集热平板与月壤储热器之间的管道阀门打开,与斯特林发电机之间的管道阀门关闭,来自太阳的辐射能量持续不断输入月壤储热器。在忽略太空冷源(3 K)辐射的情况下,光谱自适应调控平板收集到的净能量通量可以表示为

Q=A(αqsun-εσT4) (1)

式中:A为光谱自适应调控平板面积;α为月昼期间光谱自适应调控平板太阳辐射波段(0.3~2.5 μm)光谱吸收率;qsun为太阳辐射强度;ε为月昼期间光谱自适应调控平板红外波段(3~30 μm)光谱发射率;σ为斯蒂芬‑玻尔兹曼常数,σ=5.67×10-8 W/(m2K4);T为光谱自适应调控平板温度。

月夜期间,在没有太阳辐射能量输入的条件下,光谱自适应调控平板的温度迅速降低至相变温度以下,其光谱特性由红外低发射转变为红外高发射,光谱自适应调控平板与月壤储热器之间的管道阀门关闭,与斯特林发电机之间的管道阀门打开。此时,光谱自适应调控平板充当斯特林循环的冷源,以红外辐射的形式向外太空散失热量。在忽视太空背景辐射的情况下,其辐射热通量为

qrad=εAσT4 (2)

式中ε为月夜期间光谱自适应调控平板红外波段(3~30 μm)光谱发射率。

1.3.2 月壤储热

由于原始月壤的孔隙率大,其热导率只有约0.012 W/(m‧K),因此需要对月壤进行压实、烧结或熔融处理增加其导热

15。月壤富含大量氦⁃3、氧及众多金属元素,Balasubramaniam等提出可以通过热化学或电化学的方法还原月壤,生产富含金属或氧气的产品,其副产品即可用于储16。以往关于月壤储热的模拟研究表明,一维模型可以比较准确地模拟月壤储16。因此,简化的储热层控制方程可以表示为

Tt=a2Tx2        0xh (3)

边界条件为

-kTx|x=0=q (4)
Tx|x=h=0 (5)

式中:a为加工后月壤的热扩散率;k为加工后月壤的热导率;月昼期间,q为从集热平板传入月壤储热器的能量;月夜期间,q为从月壤储热器传入斯特林热机的能量。

1.3.3 斯特林发电机

热机的高热效率将减少必须的储热量,并减少太阳能集热平板和辐射散热平板的质量,从而降低包括月地运输、系统搭建在内的建设成本。因此,许多研究者考虑使用热效率较高的斯特林发电机作为月壤储热发电的参考发电单

7。斯特林循环是一种采用定容下回热、热力学理论上最完善的闭式概括性卡诺循环。理想的斯特林循环由两个定容过程和两个定温过程组成,其T‑S曲线如图3所示。

图3  斯特林循环温度-熵图

Fig.3  T-S diagram of Stirling cycle

从状态1到状态2,工质在Th的等温工况下从温度为TH的热源吸热膨胀并推动活塞做功;从状态2到状态3,高温工质在定容条件下在回热器中放热;从状态3到状态4,工质在Tc的等温工况下向温度为TC的冷源放热并被活塞压缩;从状态4到状态1,低温工质在定容条件下在回热器中吸收2~3过程中高温工质放出的热量。

在实际循环中,回热器中不可避免地存在传热损失∆QR,此外,循环过程中还存在从热源到冷源之间的热泄漏损失Q0

17,即

ΔQR=nCv(1-εR)(Th-Tc) (6)
Q0=k0(TH-TC) (7)

式中:n为工质的摩尔数;Cv为工质的定容摩尔比热;εR为回热器的有效性;ThTc分别为工质在高温和低温两个等温过程中的温度;k0为斯特林发电机热源到冷源的热泄漏系数;THTC分别为热源和冷源的温度;τ为经历一次斯特林循环所需要的时间,包括两个等温过程与两个等容过程所需要的时间,则τ可以表示为

τ=t1+t2+t3+t4 (8)

其中t1t2可分别通过等温吸热和放热过程计算,即

Qh=UHAH(TH-Th)t1=nRhlnλ (9)
Qc=UCAC(Tc-TC)t2=nRclnλ (10)

式中:QhQc分别为两个等温过程中的吸热量和放热量;UHAHUCAC分别为热源和冷源的换热系数与换热面积的乘积;R为通用气体常数,R=8.314 J/(mol‧K);λ为循环体积比。

计算回热过程所需时间t3t4的一种方法

18

t3=t4=(Th-Tc)/M (11)

式中M为比例常数,它与温差无关,只依赖回热材料的性质,称为回热时间常数。

考虑主要的传热损失和热泄漏损失,则工质从热源吸收的热量和到冷源散失的热量可以表示为

QH=Qh+Q0+ΔQR (12)
QC=Qc+Q0+ΔQR (13)

循环功率输出和热效率可以表示为

P=Wτ=QH-QCτ (14)
η=QH-QCQH (15)

Pη是变量ThTc的函数,因此通过令∂P/Th=0及∂P/Tc=0,可以优化Pη,得到式(16~19)。

Pmax=K(TH-TC)21+B1K(TH-TC) (16)

式中:B1=2/(nRMlnλ), K=UHAHUCAC/ (UHAH+UCAC)2

最优热效率为

ηmax=ηCA(1+A1ηCA)+k0(TH-TC)(1+B1KTHηCA2)KTHηCA (17)

式中

A1=Cv(1-εR)/(Rlnλ),ηCA=1-THTC2

此时,工质在两个等温过程中的最佳工作温度分别为

Th=THUHAHUCAC+THTC1+UHAHUCAC (18)
Tc=TC+THTCUHAHUCAC1+UHAHUCAC (19)

2 结果与分析

利用式(1~19)建立了基于月壤储热的太阳能热发电系统的简化模型并对系统性能进行了模拟,模拟中使用的一些参数的设定值见表1

表1  模拟中使用的参数值
Table 1  Parameter values used in the calculation
参数数值
平板面积A / m2 30
平板月夜期间红外波段(3~30 μm)发射率ε 0.9
平板月昼期间红外波段(3~30 μm)发射率ε 0.05
平板月昼期间太阳辐射波段(0.3~2.5 μm)吸收率α 0.95
加工后月壤密度ρ/ (kg‧m-3 3 000
加工后月壤比热容C/ (J‧kg-1K-1 1 300
加工后月壤热导率k/(W‧m-1K-1 2.1
加工后月壤热扩散率a=k/ρC /(m2s-1 5.4×10-7
回热器的有效性εR 0.9
冷、热源换热系数与换热面积的乘积UHAHUCAC/(W‧K-1 200
循环体积压缩比λ 2
热泄漏系数k0/(W‧K-1 2.5
回热时间常数M/(K‧s-1 8 000

当使用太阳能跟踪器作为辅助设备时,可以假定月昼期间到达平板集热器表面的太阳辐射强度恒定为1 300 W/m2,在此条件下对系统性能进行模拟。

图4为月壤储热器温度、光谱自适应平板温度以及斯特林发电机工质两个等温过程的温度随时间的变化曲线。月壤储热器初始温度设置为100 K,在经历一个月球日的预储热之后,斯特林发电机开始在月夜期间利用储存的热量发电。从图4中可知,系统在5个月球日之后运行状况比较稳定。在系统运行稳定之后,月壤储热器在月昼期间的最高温度约为786 K,其最低温度约为558 K。在月夜,斯特林发电机中工质的最高温度从619 K降低到466 K,最低温度从355 K降低到311 K;平板散热器的温度从260 K降低到250 K。

图4  有太阳能跟踪器的月壤储热发电系统温度随时间变化图

Fig.4  Temperature variation of lunar soil thermal storage power generation system with solar tracker with time

图5展示了系统在稳定运行的一个月夜期间的输出功率变化。从图5可以看到,月夜期间系统输出功率从约5 661 W降低到2 621 W左右,平均输出功率约为3 459 W。

图5  有太阳能跟踪器的月壤储热发电系统功率随时间变化图

Fig.5  Power variation of lunar soil thermal storage power generation system with solar tracker with time

目前,每平米平板太阳能集热器的质量在15~38 kg不等。以型号为FPC‑E20的Apricus平板太阳能集热平板为例,该集热平板总面积为2 m2、总干重为30 kg。此外,由于月球表面为真空环境,不需要玻璃盖板降低对流热损,因此月球环境下30 m2上述太阳能集热平板的质量约为210 kg(每块集热平板玻璃盖板厚3.2 mm,质量为16 kg);由于月球重力仅为地球重力的六分之一,且月表无空气,因此太阳能跟踪系统对于承重与防风的需求减弱。以一款15组件的太阳能跟踪系统为例,其总质量约为900 kg,则可以假设月球环境下的太阳能跟踪系统的质量为150 kg;斯特林发电机质量取115 kg,管道等其他设备质量取200 kg

4,则系统总质量约为675 kg,储热发电系统的比功率约为5.12 W/kg。一个月夜约为354 h,因此系统理论上可以达到1 812 Wh/kg的储能密度。

相较于使用锂电池储能的光伏发电系统,要满足月夜期间354 h、平均3 459 W的功率输出,即使取300 Wh/kg的储能密度,也需要至少4 081.6 kg的电池质

19。在配备光伏电池之后,光伏‑锂电池系统的比功率低至0.83 W/kg。因此,使用月壤储热的太阳能热发电系统理论上可以极大地减少地月之间的运输重量,降低发射成本。

当不使用太阳能跟踪装置时,集热平板收集到的太阳辐射强度随时间大致呈正弦曲线变化,可以简化为

qsun=sinπt1 274 400    0<t<1 274 400 (20)

图6为无太阳能跟踪器时,月壤储热发电系统温度随时间变化曲线。与跟踪式发电系统不同,在月昼期间,当太阳辐射强度降低到一定程度时,非跟踪式系统将关闭集热平板与储热器之间的管道阀门,此时储热器进入保温模式。从图6中可以看到,在经过两个月球日的预储热之后,斯特林发电机开始在月夜期间利用月昼储存的热量发电。在无太阳能跟踪装置的情况下,系统在5个月球日之后稳定运行,此时,储热器中加工后的月壤的温度变化区间为478~663 K。在斯特林发电机工作期间,工质的最高温度从约535 K降低到约409 K;工质最低温度从约332 K降低到约291 K;平板散热器的温度从255 K降低到242 K。

图6  无太阳能跟踪器的月壤储热发电系统温度随时间变化图

Fig.6  Temperature variation of lunar soil thermal storage power generation system without solar tracker with time

图7为非跟踪式系统在稳定运行的一个月夜期间的输出功率变化。从图中可以看到,月夜期间系统输出功率从约4 016 W降低到1 750 W左右,平均输出功率约为2 377 W。非跟踪式储热发电系统的输出功率比跟踪式系统的输出功率降低了约1 082 W。尽管减少了太阳能跟踪系统的重量,但相较于跟踪式储热发电系统,非跟踪式系统的比功率降低至4.53 W/kg。

图7  无太阳能跟踪器的月壤储热发电系统功率随时间变化图

Fig.7  Power variation of lunar soil thermal storage power generation system without solar tracker with time

图8为跟踪式月壤储热发电系统的比功率随光谱自适应平板面积变化曲线。如图所示,在其他参数相同的情况下,系统在平板面积为30 m2的条件下实现了最大比功率,约为5.12 W/kg。

图8  月壤储热发电系统比功率随平板面积的变化

Fig.8  Variation of specific power of lunar regolith thermal storage power generation system with panel area

3 结 论

本文提出了一种基于光谱自适应调控平板和月壤储热的月夜发电系统;介绍了该系统的结构组成、工作原理及运行模式;模拟了系统在使用太阳能跟踪器和不使用太阳能跟踪器两种情况下的发电性能;分析了光谱自适应调控平板面积对于太阳能跟踪式发电系统比功率的影响。

研究表明,使用加工后的月壤储热发电可以作为月球基地在夜间的能量来源;从地月运输的成本角度分析,通过使用本文介绍的光谱自适应调控平板,可以将太阳能集热平板与辐射散热平板合二为一,可以极大地降低系统所需的运载负荷。模拟结果显示,该系统的比功率约为5.12 W/kg。此外,与光伏‑锂电池系统相比,月壤储热发电系统的发射质量降低了约83%,极大地减少了发射成本。

在未来,可以通过研制更优性能的光谱自适应调控平板来提升系统比功率;此外,使用轻型材料和优化斯特林发电机的发电性能也是月壤储热发电系统未来的研究方向。

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