一种利用月球表面昼夜大温差的相变储能及供能系统的制作方法

本发明属于相变储能技术领域，具体涉及一种利用月球表面昼夜大温差的相变储能及供能系统。

背景技术：

月球是距离地球最近的天体，蕴藏丰富的矿产资源与能源，是解决人类发展危机、开展科学观测与研究生产的理想场所。月球探测已引起美、俄、欧、日、印及中国航天界的关注与研究，并已规划建设月球基地，服务于科学探测、空间观测、科学实验、军事战略、资源开发、深空探测中转站等多项功能。其中，能源是月球基地正常工作的重要保障，是基地建设的重要组成部分，必须作为基地设计的核心技术予以考虑。

月球表面无大气，月球自转一圈约等于地球时间28天，其中，月昼14天，月夜14天。月昼期间表面温度高达120℃，而月夜期间降至-180℃。月昼期间，可利用月面丰富的太阳能提供能源供给，而在长达14天的月夜中，稳定、大功率供能成为支撑未来月球探测的关键技术。

月球表面现有的能源利用类型主要包括：1)光伏发电系统；2)光热发电系统；3)放射性同位素温差电源系统；4)空间核反应堆电源系统；5)燃料电池系统；6)月壤温差发电系统等。其中，光伏方案不满足连续工作要求，月夜需要辅助能源形式补充；现有光热方案无法解决月夜期间的能量输出；放射同位素方案综合效率低，综合成本较高；反应堆方案质量偏大、质量比功率偏小；燃料电池方案自身需要消耗大量电能；月壤方案必须对月壤进行人工改造，工程实施难度偏大。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种利用月球表面昼夜大温差的相变储能及供能系统，利用低温工质的相态变化实现储能，具有结构简单、储能规模大、设备安全可靠等特点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种利用月球表面昼夜大温差的相变储能及供能系统，包括非绝热储箱1，非绝热储箱1内部充注低温工质，非绝热储箱1出口与绝热储箱4入口通过连接管道连接，连接管道上设置有第一截止阀2，绝热储箱4表面包裹多层第一绝热层3，绝热储箱4出口经第二截止阀5、第一压力调节阀6连接第一压力缓冲容器7入口，第一压力缓冲容器7外壁包裹多层第二绝热层8，第一压力缓冲容器7出口通过第三截止阀9、流量调节阀10与膨胀机11的入口连接，膨胀机11和发电装置12连接，膨胀机11出口经节流阀13、第四截止阀14和第二压力缓冲容器15入口连接，第二压力缓冲容器15外壁包裹多层第三绝热层16，第二压力缓冲容器15出口通过第二压力调节阀17、第五截止阀18与非绝热储箱1入口连接。

所述的低温工质为液氧、液氮、液氩或液态甲烷。

所述的非绝热储箱1、绝热储箱4为不锈钢或铝合金材料，耐高压；采用一个大尺度厚壁低温压力容器构成，或由多个小尺寸薄壁低温压力容器并联组成；非绝热储箱1底部设置加注口用于低温工质补加，顶部设置安全阀。

所述的第一绝热层3、第二绝热层8、第三绝热层16采用金属反射屏与非金属间隔物相间构成，金属反射屏采用铝箔、双面镀铝涤纶薄膜或单面镀铝涤纶薄膜，非金属间隔物采用玻璃纤维或尼龙网；第一绝热层3、第二绝热层8、第三绝热层16分别包裹绝热储箱4、第一压力缓冲容器7、第二压力缓冲容器15的整个表面。

所述的第一压力调节阀6由阀后压力控制，月夜时，根据第一压力缓冲容器7压力控制第一压力调节阀6开度，实现第一压力缓冲容器7的压力稳定。

所述的第二压力调节阀17由阀后压力控制，月夜时，由第二压力调节阀17在第二压力缓冲容器15与非绝热储箱1之间建立压差，实现第二压力缓冲容器15内两相流体的正常反流。

所述的第一压力缓冲容器7为不锈钢或铝合金材料，耐高压；所述的第二压力缓冲容器15为不锈钢或铝合金材料，耐中压。

所述的膨胀机11采用离心式膨胀机和气体轴承，膨胀机11轴与发电装置12转轴连接，实现机械能-电能转化。

本发明的有益效果为：

本发明系统实现了月球表面大温差储能与月夜供能的集成，充分利用了月球表面原位能源，其中，储能是利用月昼太阳能实现低温工质的相变气化；月夜时，则可利用月球表面天然的真空环境，以多层绝热层技术实现绝热储箱4的良好绝热，确保绝热储箱4内的气体在较长月夜时间内维持高压状态。此外，所采用低温流体与未来的月球基地具有极佳的兼容性，液氧、液态甲烷本身就可作为地月往返或深空探测的航天燃料，其中，氧可利用月球表面的水直接制备，氮气可作为未来基地各项研究的保护气体或作为燃料箱的增压气体使用，这些工质本身就需要由地球携带或原位制备，从而大大简化了该系统对工质的依赖。系统操作灵活，工作稳定，第一压力缓冲容器7可实现月夜供能稳定，通过控制膨胀机11气体流量实现供能功率调节。本发明对未来的月球基地建设与月夜各项探测活动的顺利开展具有重要价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1所示，一种利用月球表面昼夜大温差的相变储能及供能系统，包括非绝热储箱1，非绝热储箱1内部充注一定量的低温工质，如液氧、液氮、液氩、液态甲烷等；非绝热储箱1出口与绝热储箱4入口通过连接管道连接，连接管道上设置有第一截止阀2，第一截止阀2控制非绝热储箱1与绝热储箱4流道的通断；绝热储箱4表面完全包裹多层第一绝热层3，从而实现月夜时绝热储箱4内维持高温、高压气体环境；第一绝热层3利用月面天然的真空环境，可极大的降低漏热量，平均漏热小于1w/m²；绝热储箱4出口经第二截止阀5、第一压力调节阀6连接第一压力缓冲容器7入口，第二截止阀5控制绝热储箱4与第一压力缓冲容器7之间气体流道的通断，第一压力调节阀6根据阀后压力调节开度，实现月夜供能时第一压力缓冲容器7内压力及供能稳定；第一压力缓冲容器7外壁包裹多层第二绝热层8，以降低漏热，维持月夜期间第一压力缓冲容器7内的高压气体环境；第一压力缓冲容器7出口通过第三截止阀9、流量调节阀10与膨胀机11的入口连接，膨胀机11和发电装置12连接，第三截止阀9用于控制第一压力缓冲容器7向膨胀机11供气的通断，流量调节阀10用于控制供气流量，实现供能功率的调节；膨胀机11出口经节流阀13、第四截止阀14和第二压力缓冲容器15入口连接，膨胀后气体经节流阀13进一步转化为低温、低压气液两相流，并通过第四截止阀14进入第二压力缓冲容器15；第四截止阀14在月昼时关闭，避免第二压力缓冲容器15内流体反流进入膨胀机11；第二压力缓冲容器15外壁包裹多层第三绝热层16，绝热目的在于月昼时，维持第二压力缓冲容器15内的低压环境；第二压力缓冲容器15出口通过第二压力调节阀17、第五截止阀18与非绝热储箱1入口连接，第二压力调节阀17的作用在于月夜时在第二压力缓冲容器15与非绝热储箱1建立压差，实现第二压力缓冲容器15内流体的正常反流；第五截止阀18用于控制第二压力缓冲容器15与非绝热贮箱1之间流道的通断。

所述的非绝热储箱1、绝热储箱4为不锈钢或铝合金材料，耐高压；采用一个大尺度厚壁低温压力容器构成、或由多个小尺寸薄壁低温压力容器并联组成；非绝热储箱1底部设置加注口用于低温工质补加，顶部设置安全阀。

所述的第一绝热层3、第二绝热层8、第三绝热层16采用金属反射屏与非金属间隔物相间构成，金属反射屏采用铝箔、双面镀铝涤纶薄膜或单面镀铝涤纶薄膜，非金属间隔物采用玻璃纤维或尼龙网等；第一绝热层3、第二绝热层8、第三绝热层16分别包裹绝热储箱4、第一压力缓冲容器7、第二压力缓冲容器15的整个表面。

所述的第一压力调节阀6由阀后压力控制，月夜时，根据第一压力缓冲容器7压力控制第一压力调节阀6开度，实现第一压力缓冲容器7的压力稳定。

所述的第二压力调节阀17由阀后压力控制，月夜时，由第二压力调节阀17在第二压力缓冲容器15与非绝热储箱1之间建立压差，实现第二压力缓冲容器15内两相流体的正常反流。

所述的第一压力缓冲容器7为不锈钢或铝合金材料，耐高压；所述的第二压力缓冲容器15为不锈钢或铝合金材料，耐中压。

所述的膨胀机11采用离心式膨胀机和气体轴承，膨胀机11轴与发电装置12转轴连接，实现机械能-电能转化。

所述的非绝热储箱1、绝热储箱4、第一压力缓冲容器7和第二压力缓冲容器15，承受压力为：非绝热储箱1＝绝热储箱4>第一压力缓冲容器7>第二压力缓冲容器15。

本发明的工作原理：

月昼时：第一截止阀2打开，非绝热储箱1与绝热储箱4之间连通；第二截止阀5、第三截止阀9、第四截止阀14、第五截止阀18均关闭，断开各截止阀前后容器间连接，在月昼高温作用下，非绝热储箱1内的低温工质逐渐气化升温，液体低温工质转化为气态并不断升温，造成非绝热储箱1内压力急剧升高；由于第一截止阀2打开，非绝热储箱1内升温后的气体进入绝热储箱4，并在整个月昼期间，非绝热储箱1与绝热储箱4压力相等；第二截止阀5、第五截止阀18关闭，因此非绝热储箱1与绝热储箱4内的高压气体不会进入第一压力缓冲容器7、第二压力缓冲容器15，通过低温工质吸热后的相态转化及温升，能量以高压气体形态被存储于非绝热储箱1与绝热储箱4内；

月夜时：第一截止阀2关闭，第二截止阀5、第三截止阀9、第四截止阀14、第五截止阀18均开启，在月低温度下，非绝热储箱1由于未采用绝热防护，其间高压气体逐渐降温并冷凝，非绝热储箱1内压力显著降低；绝热储箱4由于采用多层绝热层3包裹，造成绝热储箱4可在较长时间内维持高压，即月夜时，非绝热储箱1与绝热储箱4之间存在显著的压力差；当开启月夜供能时，调节流量调节阀10开度，绝热储箱4内高压气体经第二截止阀5、第一压力调节阀6进入第一压力缓冲容器7，第一压力缓冲容器7内的高压气体再依次流经第三截止阀9、流量调节阀10后进入膨胀机11膨胀做功，驱动发电装置12向外供应电能；膨胀机11膨胀后的低压气体经节流阀13节流成为低温、低压两相流体，随后经第四截止阀14进入第二压力缓冲容器15，第二压力缓冲容器15内流体不断积累，压力逐渐升高，当第二压力缓冲容器15与非绝热储箱1间压差达到设定差值后，第二压力缓冲容器15内流体通过第二压力调节阀17、第五截止阀18反流回非绝热储箱1；此外，第一压力调节阀6根据第一压力缓冲容器7压力调节开度，确保月夜供能期间第一压力缓冲容器7压力相对恒定；第二压力调节阀17可在第二压力缓冲容器15与非绝热储箱1之间建立压差，实现流体的正常反流，并维持第二压力缓冲容器15内压力恒定，流量调节阀10根据供能功率需求调节开度。