研究论文空间太阳能热动力系统回路的动态模拟

本文由sarisfm67z贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 55 卷 1 期 第 第 化 工 学 报 2004 年 1 月 Journal of Chemical Industry Engineering ( China) and Vol. 55 № 1 January 2004 研究论文 空间太阳能热动力系统回路的动态模拟 吴玉庭 陈仁坤 任建勋 梁新刚 过增元 重点实验室 , 北京 100084) ( 北京工业大学环境与能源工程学院 , 北京 100022) ( 清华大学工程力学系 , 传热强化与过程节能教育部 摘 要 空间太阳能热动力发电系统的工作过程是一动态过程 , 系统的运行规律受太阳光照期和阴影期交替变 化的影响 . 为了掌握空间太阳能热动力发电系统各参数的动态变化规律 , 采用集总参数法 , 从部件的数学模型 出发 , 根据各参数间的相互耦合关系 , 建立了空间太阳能热动力系统的动态数学模型 , 对 10 kW 空间太阳能热 动力发电系统的运行过程进行了动态数值模拟 . 结果表明 : 如果相变蓄热材料处于两相状态 , 相变蓄热物质的 温度和系统发电功率就比较稳定 ; 一旦相变蓄热材料进入单相状态 , 相变蓄热材料的温度和系统发电功率就会 发生波动 ; 要使系统的发电功率比较稳定 , 必须合理选择聚能器的面积 , 保证相变蓄热材料一直处于两相状态 . 关键词 太阳能 热动力发电 空间站 动态模拟 中图分类号 TM 615 514 文献标识码 文章编号 TK A 0438 - 1157 (2004) 01 - 0101 - 05 of eclipse and illumination period will influence system peformance. In order to study the dynamic characteristics of the system , a dynamic model was proposed by using the lumping method and dynamic simulation of the space solar - dynamic power system with electrical output power of 10 kW was performed. The simulation results indicated that the variations of temperature of phase change material and electrical output power with time were very small when the phase change materials were in the state of two phases , but the variations became bigger when the phase2change materials were in the Keywords solar energy , dynamic power system , space station , dynamic simulation state of single phase. In order to obtain a steady electrical output power , phase change material must be in the state of two phase by choosing a proper concentrator area. 引 言 站进行生命保障 、控制 、管理及生产试验活动必不 2002 - 09 - 16 收到初稿 , 2003 - 02 - 13 收到修改稿 . Abstract The working process of the space solar2dynamic power system is a dynamic process and the periodical change DY NAMIC SIMULATION OF SPACE SOLAR2DY NAMIC POWER SYSTEM WU Yuting ( College of Environmental and ( Department of Engineering Mechanics , Tsinghua University ; Key Laboratory of Education Ministy of Energy Engineering , Beijing University of Technology , Beijing 100022 , China) Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation , Beijing 100084 , China) CHEN Renkun , REN Jianxun , L IANG Xingang and GUO Zengyuan 发电系统是空间站的重要组成部分 , 它是空间 可少的物质条件 . 太阳能热动力发电 ( SD) 由于具 有能量转换效率高 、质量和阻力面积小的特点 , 因 此对于低轨道 、电能需求大的空间站来说 , 既能满 足电能要求 , 又可以大幅度降低运行成本 , 具有很 联系人及第一作者 : 吴玉庭 , 男 , 32 岁 , 博士 . Received date : 2002 - 09 - 16. Corresponding author : Dr. WU Yuting. E - mail : wuyuting @ bjut . edu. cn 化 工 学 报 2004 年 1 月 ?1 0 2 ? 好的应用前景 [1 ] . 在国外 , 太阳能热动力发电系统一直受到研究 者的重视 , 并已经在地面上有了实际应用 . 在空间 站运用方面 , 美国 20 世纪 80 年代研制的自由号空 间站就计划采用太阳能光伏和热动力相结合的电源 系统方案 . 目前美 、俄 、日等国都在积极开展 SD 装置的研究 [2 ,3 ] . 国外在 20 世纪 60 年代至 80 年代 末 , 曾有一些人对空间太阳能热动力发电系统进行 了数值模拟和优化 , 但它们与我国的系统有很大差 别 [4 ,5 ] . 在国内 , 空间技术研究院 501 设计部 、北 京航空航天大学 、工程热物理所等单位对空间太阳 能热动力发电系统的各关键部件进行了研究 , 积累 了丰富的部件研制经验 [6 ] . 在系统仿真优化方面 , 清华大学和工程热物理所分别以发射总质量和循环 周期投资为评价指标 , 对空间太阳能热动力发电系 统进行了静态模拟和优化研究 [7 ,8 ] , 积累了一定的 经验 . 空间太阳能热动力发电系统的动态模拟方面 国内还未见有深入研究 . 空间太阳能热动力发电系统的工作过程是一动 态过程 , 系统的运行规律受太阳光照期和阴影期交 替变化的影响 , 在这种情况下 , 建立空间太阳能热 动力发电系统的动态数学模型 , 了解其在空间站实 际运行过程中的瞬态性能是一件十分有意义的工 作 . 基于此 , 本文拟对空间太阳能热动力发电系统 的动态特性进行模拟 、研究和分析 . A— concentrator ; B — receiver ; C — turbine ; D — alternator ; E— compressor ; F — radiator ; G — recuperator 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 分释放给来自压气机的高压工质 ; 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 气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 . 112 数学模型的建立 1 系统的物理及数学模型 111 系统的构成及工作过程 适合于空间太阳能热动力发电系统的动力循环 有 3 种类型可供选择 , 即朗肯 ( Rankine ) 循环 、闭 式布雷敦 (Brayton) 循环和斯特林 ( Stirling) 循环 . 这 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 , 因此被普遍认为是最有前途的一 种循环方案 . 根据以上情况 , 本文也以闭式布雷敦 循环太阳能热动力发电系统为例进行研究 , 如图 1 所示 . 该系统主要包括以下部件 : 聚能器 、吸热蓄 热器 、能量转换器 ( 由同轴的涡轮 、发电机和压缩 机组成) 和辐射散热器 . 在轨道日照期 , 太阳辐射 由聚能器集焦 , 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 3 种循环方案中闭式布雷敦循环的热效率比较高 , 11211 聚能器模型 由于聚能器不和循环工质接 触 , 其数学模型主要是计算聚能器收集的热量 . 聚 能器的热平衡方程为 qsun = η ΩS FSC SC ( 1) 11212 吸热/ 蓄热器 吸热/ 蓄热器是外形呈圆柱 形的筒体 , 管内沿圆周排列传热管 , 高温相变蓄热 材料被封装在一个个孤立的相变容器内 , 相变容器 被焊在传热管外 . 相变容器内部的传热和能量方 程为 d Tc = qsun - qg - q I ( W = 0 , 1) dt mpcm cp , pcm mpcm rpcm 蓄热材料与循环工质的换热可用下式计算 qg = KRC FRC ( Tc - T3 ) 式中 KRC FRC 代表蓄热器内蓄热介质与循环工质 间的换热能力 , 其值可以表示为 KRC FRC = hπdRC ,i L RC i 式中 Fig11 Schematic diagram of system configuration 1 ( 2) d Wpcm = qsun - qg - qI ( 0 < W < 1) ( 3) dt ( 4) 1 dRC ,o γ( i) 1 1 + + π w ln π l ln 2 λ L RC dRC ,i 2 λL RC dRC ,o ( 5) γ( i) = 2 ρ πL RC + dRC ,o pcm mWpcm ( 6) 55 卷 第 1 期 第 吴玉庭等 : 空间太阳能热动力系统回路的动态模拟 ?1 0 3 ? 工质传热管内的传热和能量方程为 m3 cp d T3 + Gi cp ( T3 - T5 ) = KRC FRC ( Tc - T3 ) dt ( 7) 2 结果和分析 11213 能量转换器 能量转换器的能量平衡方 程为 N a = Gcp [ ( T3 - T4 ) - ( 1 + b) ( T2 - T1 ) ] × ηη η a pl M ( 8) 离心式压缩机和径向式涡轮的出口温度分别为 T2 = T1 1 + π c K- 1 K - 1 K- 1 K η c ( 9)