一种太阳能高聚光原位储能发电系统及方法与流程

本发明属于原位储能发电技术领域，特别涉及一种太阳能高聚光原位储能发电系统及方法，该发电系统及方法可作为发展清洁、可再生和可持续供应能源的重要手段，同时可以为地外天体探测和生存提供能量补给，为我国深空探测活动提供重要技术支撑。

背景技术：

目前，我国正在推进实施载人登月、火星探测等深空探测重大任务。世界主要航天大国也提出了重返月球、载人登火等宏伟的航天重大工程。然而，载人深空探测和地外生存尚面临诸多技术难题，比如人类地外生存需要大量的物质、能源等基本生存保障条件。然而，现有航天运载技术不能满足载人深空探测和长期地外生存所需物质和能源的运载能力。因此发展可以脱离地球补给的原位资源开发利用技术是人类开展载人深空探测和地外生存的关键技术之一。地外天体原位资源利用(in-situresourceutilization,isru)主要是通过勘探、采集、处理、储存与利用地外天体天然资源或原材料，来获得人类地外生存所需的基本物质和能源，从而降低航天发射的成本与风险。

为了满足载人深空探测与地外生存面临的能源需求，有必要设计一种原位储能发电系统及方法，以解决载人深空探测与地外生存面临的能源补给难题

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种太阳能高聚光原位储能发电系统及方法，基于太阳能高倍聚光技术、原位星壤热量存储技术、热传输技术和斯特林发电技术，直接利用太阳能和地外天体星壤资源，将太阳能储存并转化为电能，满足载人深空探测与地外生存面临的能源需求，具有清洁、可再生、可持续供应能源的特点，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种太阳能高聚光原位储能发电系统，包括太阳能高倍聚光单元、热传输单元、原位星壤热量存储单元和发电单元，其中，

所述太阳能高倍聚光单元用于将太阳光汇聚成光斑，实施太阳能的传递；

所述热传输单元包括光热腔、热管和导热头，光热腔的下端与热管的上端紧密连接，热管的下端与导热头的上端紧密连接，所述光热腔用于收集太阳能高倍聚光单元汇聚的光斑，并将光能转化成热能；所述热管内封装有相变工质，用于强化传热和减小的温度梯度；所述导热头将热管传导的热量向发电单元传递，起到良导体的作用；

所述原位星壤热量存储单元包括储能蓄热块，储能蓄热块环抱热管，通过地外天体星壤的原位增材制造获得，用于储存热管传递的热能，当光照不足时或夜晚，储能蓄热块能够通过热传导、辐射等方式放热到热管，热管把热量传递给导热头，导热头再将热量传递到发电单元中用于发电；

所述发电单元包括斯特林发电机，斯特林发电机的热端与导热头的下端相连，将接收的热能转换成电能，用于供电。

第二方面，一种太阳能高聚光原位储能发电方法，包括如下步骤：

调整太阳能高倍聚光单元的位置，使太阳光汇聚至光热腔；

光热腔吸收太阳光，将光能转换成热能，热量传递至热管，一部分热量传递到储能蓄热块中进行储能蓄热，并通过强化翅片增强传热面积，另一部分热量经热管直接传递到导热头，由导热头再将热量传到斯特林发电机的热端；

当光照强度不足或夜晚时，储能蓄热块中的热量向热管传递，然后热量传到导热头，由导热头再将热量传到斯特林发电机的热端；

斯特林发电机的热端与斯特林发电机的冷端形成高低温热源，在吸热和放热过程中完成膨胀做功发电。

根据本发明提供的一种太阳能高聚光原位储能发电系统及方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供一种太阳能高聚光储能发电系统及方法，采用二级透镜或定日镜与凹面镜的结合，达到很高的聚光比，增强光的汇聚；

(2)本发明提供一种太阳能高聚光储能发电系统及方法，光热腔采用磨砂氧化发黑，增强反射和提高吸收率；

(3)本发明提供一种太阳能高聚光储能发电系统及方法，热管采用钠钾铯其中的一种作为相变工质，在工作温度范围内起到强化传热作用；

(4)本发明提供一种太阳能高聚光储能发电系统及方法，成型储能蓄热块后导热系数提高，有助于热量的传递及存储；

(5)本发明提供一种太阳能高聚光储能发电系统及方法，利用聚光装置聚光加热热管，热量传到斯特林发电机的热端，利用斯特林发电机做功发电，解决了地外天体的能源需求问题，系统原理简单可靠，结构设计实用高效，成本造价低廉，可操作性强，在清洁能源开发、可再生能源开发、地外天体供能等领域具有较好应用前景，具备很强的竞争力，符合专利发明要求具备的新颖性、创造性、实用性要求。

附图说明

图1示出一种太阳能高聚光原位储能发电系统的结构示意图；

图2示出一种优选实施方式中太阳能高倍聚光单元的结构示意图；

图3示出另一种优选实施方式中太阳能高倍聚光单元的结构示意图；

图4示出一种优选实施方式中热传输单元的结构示意图；

图5示出一种优选实施方式中原位星壤热量存储单元的结构示意图。

附图标号说明

11-一级透镜；12-二级透镜；13-定日镜；14-凹面镜；21-光热腔；22-热管；23-导热头；24-强化翅片；31-储能蓄热块；41-斯特林发电机；51-散热装置。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

根据本发明的第一方面，提供了一种太阳能高聚光原位储能发电系统，如图1所示，包括太阳能高倍聚光单元、热传输单元、原位星壤热量存储单元和发电单元，涉及太阳能高倍聚光加热、原位星壤蓄热储能强化、高效热电转化等重要技术，其中，所述太阳能高倍聚光单元用于将太阳光汇聚成光斑，实施太阳能的传递；

所述热传输单元包括光热腔21、热管22和导热头23，光热腔21的下端与热管22的上端紧密连接，热管22的下端与导热头23的上端紧密连接，所述光热腔21用于收集太阳能高倍聚光单元汇聚的光斑，并将光能转化成热能；所述热管22内封装有相变工质，用于强化传热和减小的温度梯度；所述导热头23将热管22传导的热量向发电单元传递；

所述原位星壤热量存储单元包括储能蓄热块31，储能蓄热块31环抱热管22，用于储存热管22传递的热能，当光照不足时或夜晚，储能蓄热块31能够通过放热到热管22，热管22把热量传递给导热头23，导热头23再将热量传递到发电单元中用于发电；

所述发电单元包括斯特林发电机41，斯特林发电机41的热端与导热头23的下端相连，将接收的热能转换成电能，用于供电。

在本发明中，在月球、火星等地外天体环境中，太阳能作为原位可再生资源，是地外原位资源利用的核心和关键。高倍聚光技术能够将太阳能汇聚并集中在特定区域中用于加热，实现太阳能的高效可控存储和传递，通常可采用反射式和透射式相结合的双级聚光系统，也可采用高倍聚光、构型简单的透镜系统。

采用高倍聚光、构型简单的透镜系统时，如图2所示，所述太阳能高倍聚光单元包括多级透镜，优选为二级透镜，包括一级透镜11和二级透镜12，用于逐级汇聚太阳光成光斑，使最终汇聚的光斑照进光热腔21。

采用反射式和透射式相结合的双级聚光系统时，如图3所示，所述太阳能高倍聚光单元包括定日镜13和凹面镜14，定日镜13为定向投射太阳光的平面镜，将太阳光反射至凹面镜14，凹面镜14将太阳光汇聚到光热腔21。

聚光比是衡量高倍聚光技术的关键指标，也是提高太阳光辐照区域峰值功率密度的关键技术手段。本发明中，所述太阳能高倍聚光单元的聚光比大于500。

在本发明中，如图4和图5所示，所述热传输单元还包括强化翅片24，所述强化翅片24分布在热管上，增大传热面积。优选地，所述强化翅片24周向均匀分布在热管上，增大传热面积，强化翅片24的长度方向沿热管22的轴向，相邻强化翅片24之间安装储能蓄热块31，实现强化翅片24在储能蓄热块31中的延伸和分布。光热腔21能够实现高倍聚合太阳光的高吸收并转化为热能，热管22和翅片24能够将热量传导到星壤储能块并储存热量，实现了高密度、高热导率储能。

在一种优选实施方式中，所述光热腔21为经磨砂氧化发黑处理的金属筒形装置。

所述热管22中的相变工质选择钠、钾或铯中任意一种。钠、钾、铯的相变温度正处于工作范围内，且利于增强传热，提高温度均匀性。

在一种优选实施方式中，所述导热头23为锥形结构，小端与热管22下端紧固连接，大端连接至斯特林发电机41的冷端，也就是说，导热头23兼具导热和转接的作用。

本发明中，储能蓄热块31通过烧结、熔融、3d打印等增材制造方式，原位利用地外天体星壤制造而成，实现地外天体星壤的原位增材制造，解决地外天体星壤密度小、热导率低、比热容小等难题，并降低飞行器发射负重。

优选地，所述储能蓄热块31与热管22和/或强化翅片24紧密结合，减小热损失。

在一种优选实施方式中，所述斯特林发电机41的冷端与散热装置51相连，与热管22传递到斯特林发电机热端的热量，形成高低温发电的冷热源，通过斯特林发电机冷端的散热装置51散掉发电热量外的多余热量，达到持续发电的效果。

根据本发明的第二方面，提供了一种太阳能高聚光原位储能发电方法，包括如下步骤：

调整太阳能高倍聚光单元位置，使太阳光汇聚至光热腔21；

光热腔21吸收太阳光，将光能转换成热能，热量传递至热管22，一部分热量传递到储能蓄热块31中进行储能蓄热，并通过强化翅片24增强传热面积，另一部分热量经热管22直接传递到导热头23，由导热头23再将热量传到斯特林发电机41的热端；

当光照强度不足或夜晚时，储能蓄热块31中的热量向热管22传递，然后热量传到导热头23，由导热头23再将热量传到斯特林发电机41的热端；

斯特林发电机41的热端与斯特林发电机41的冷端形成高低温热源，在吸热和放热过程中完成膨胀做功发电。

具体地，当太阳能高倍聚光单元采用高倍聚光、构型简单的透镜系统时，利用太阳能通过热管、原位储能蓄热等装置进行光热转化发电可通过以下过程进行描述：

光热腔21接收来自太阳高倍聚光系统汇聚的光源，光热腔21与热管22上端紧密结合，储能蓄热块31整体内部形成1个通孔，把热管22、强化翅片24包在储能蓄热块31中，三者紧密贴合，热管22下端与导热头23上端相连，导热头23下端与斯特林发电机的热端相连，斯特林发电机的冷端与散热装置51相连。太阳光通过一级透镜11将太阳光汇聚成适合光热腔大小的光斑，汇聚后的光斑通过二级透镜12再次聚焦，聚焦后的光斑照进光热腔21，将光能转化为热能，一部分热量通过热管22储存在储能蓄热块31中，一部分热量直接由热管22传导到导热头23，导热头23再经斯特林发电机热端将热量传导到斯特林发电机41，一部分热能通过斯特林机发电机的膨胀做功转化为电能，一部分热能通过斯特林发电机的冷端与散热装置51相连，把热量传导消耗掉，维持恒温冷源，增大传热温差，提高发电功率。当光照不足时或夜晚，储能蓄热块31开始通过热传导、辐射等方式放热到热管22，热管22把热量传递给导热头23，导热头23再将热量传递到斯特林机发电机41，一部分热能通过斯特林发电机41膨胀做功发电，一部分热能通过斯特林发电机41的冷端与散热装置51相连，把热量传导消耗掉，维持恒温冷源。

当太阳能高倍聚光单元采用反射式和透射式相结合的双级聚光系统时，利用太阳能通过热管、原位储能蓄热等装置进行光热转化发电可通过以下过程进行描述：

光热腔21接收来自太阳高倍聚光系统汇聚的光源，光热腔21与热管22上端紧密结合，储能蓄热块31整体内部形成1个通孔，把热管22、强化翅片24包在储能蓄热块31中，三者紧密贴合，热管22下端与导热头23上端相连，导热头23下端与斯特林发电机41的热端相连，斯特林发电机41的冷端与散热装置51相连。太阳光通过定日镜13后定向投射到凹面镜14，凹面镜14利用光的反射原理将光汇聚成适合光热腔大小的光斑，汇聚后的光斑照进光热腔21，将光能转化为热能，一部分热量通过热管22储存在储能蓄热块31中，一部分热量直接由热管22传导到导热头23，导热头23再经斯特林发电机41的热端将热量传导到斯特林发电机41，一部分热能通过斯特林机发电机41的膨胀做功转化为电能，一部分热能通过斯特林发电机41的冷端与散热装置51相连，把热量传导消耗掉，维持恒温冷源，增大传热温差，提高发电功率。当光照不足时或夜晚，储能蓄热块31开始通过热传导、辐射等方式放热到热管22，热管22把热量传递给导热头23，导热头23再将热量传递到斯特林机发电机41，一部分热能通过斯特林发电机41膨胀做功发电，一部分热能通过斯特林发电机41的冷端与散热装置51相连，把热量传导消耗掉，维持恒温冷源。

综上所述，本发明提供一种太阳能高聚光储能发电系统及方法，利用聚光装置聚光加热热管，热量传到斯特林发电机的热端，利用斯特林发电机做功发电，解决了地外天体的能源需求问题，系统原理简单可靠，结构设计实用高效，成本造价低廉、无瓶颈性技术，可操作性强，在清洁能源开发、可再生能源开发、地外天体供能等领域具有较好应用前景，具备很强的竞争力，符合专利发明要求具备的新颖性、创造性、实用性要求。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。